JP2004268323A - Substrate joining method, joined substrate body, inkjet head, and image formation device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は基板接合方法、基板接合体、インクジェットヘッド、および画像形成装置に係り、より詳細には各種マイクロマシン技術によって作製される機能デバイスの作製の際に用いられる基板接合方法、基板接合体、インクジェットヘッド、および画像形成装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より基板の接合方法としては、粘着力を有する接着剤を用いて接合する方法が一般的である(特許文献1参照)。しかしながら、各種マイクロマシン技術を用いて作製される機能デバイスは微細化が著しく、粘着力を有する接着剤を用いた接合では接着剤のはみ出しが大きな問題となる。
【0003】
そこで、特許文献2には、接着剤のはみ出しの改善策として、接着剤を基板の所定位置に薄く選択的に塗布する技術が提案されている。
【0004】
【特許文献1】
特開昭61−230954号公報
【特許文献2】
特開昭63−34152号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら近年のインクジェットヘッドにおける高画質化を目的とした小ドット化は著しく、小ドット化のためインク液噴射口であるノズル寸法も著しく小さくなってきている。これら小ノズル化により特許文献2で提案されている方法においても以下のような幾つかの問題が発生している。
(1)小ノズル化により接合面の溝寸法が著しく小さくなっており、接着剤の微小なはみ出しでノズルおよび流路溝が埋まってしまう。図9は、インクジェットヘッドのノズルの部分を示す図であるが、図9(A)に示すように、従来型の400dpi相当でインク滴を発生する幅約20μmのノズルでは、インク吐出口56が比較的大きいので、素子基板26に塗布された接着剤70のはみ出しによってもノズルが埋まるようなことはない。しかしながら、図9(B)に示すように、1200dpi相当でインク滴を発生する幅約5μmの小型化されたノズルでは、接着剤70のはみ出しにより、インク吐出口56の開口部分全体が埋まってしまい、インクを噴射することができない。
(2)上述した接着剤の流路内はみ出しを防止するため、接着剤の塗布厚さを薄くすると、基板接合面の微小凹凸や基板反り等による密着不良領域で接着剤不足による流路間シール不良が発生し、これにより流路内でインク噴射のために発生した圧力が隣接の流路に逃げてしまうという不良が発生する。そこで、基板接合面平坦性改善を目的として、CMP(Chemical MechanicalPolish)等を用いた平坦化工程(特願平7−169660号公報)等の手段が採られる。しかしながら、ウエハの反りやパーティクル等の関係もあり、大面積基板の接合においては、上述の密着不良領域で基板間間隔(接合Gap)が〜1.0μm程度発生してしまう。
(3)長期のヘッド使用により、接着剤はみ出し部や未接合部へ転写された接着剤薄膜が剥離し、ノズル詰まり等の原因となる事があった。図10(A)は、インクジェットヘッドのインク流路構造を示したものであり、図10(B)は、図10(A)のX−Xの断面図を示したものである。インク流路基板40に形成された凸部に接着剤薄膜を転写して、インク流路基板40と素子基板26とを接合した場合には、バイパス流路部に対応する個別流路44の後壁部において、接着剤は転写されるが接合されていない状態となる。
【0006】
上述したような問題に対して、共晶結合や常温界面接合などの、いわゆる接着剤を用いない種々の接合技術が提案されている。しかし、共晶結合では、Au薄膜の形成が必要であり、製造コストが高くなる。また、常温界面接合では、超高真空やイオンビームによる特殊界面処理が必要になり、特殊な装置が必要となる。
【0007】
また、ガラスを介した陽極接合では、数百Vの高電圧を印加する必要があり、電子回路を持った基板ではトランジスタなどが破壊される危険がある。
【0008】
さらに、樹脂層を介した接合として熱圧着法があるが、高温下で高圧加圧(4.9×105〜9.8×105Pa)する必要があり特殊な装置を必要とする。更に、高圧力で加圧するため回路搭載基板の信頼性に問題が生じ、微細パターン形成においては、樹脂層の厚さやはみ出しの点で接着材使用と同様の問題が発生する。
【0009】
本発明は、上記問題点を解消すべく成されたものであり、良好な接合状態を実現可能な、基板接合方法、該基板接合方法を使用して製造する基板接合体、インクジェットヘッド、および画像形成装置、を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明に係る基板接合方法は、樹脂材料を加熱処理し、前記加熱処理された、4.5μm以上の厚みを有する樹脂材料を対向する複数の基板で挟み、前記複数の基板間に加圧処理して、前記各々の基板を接合するものである。
【0011】
ここで、加圧処理とは、少なくとも複数の基板が接合される方向への加圧を含み、温度設定など、その他の条件設定を含む処理をいう。
【0012】
本発明では、まず、樹脂材料を加熱処理する。加熱処理されると、樹脂材料に含まれていた揮発性物質が揮発して除去される。これにより、この揮発性物質に阻害されることなく、良好に基板を接合させることができる。また、樹脂材料の厚みが4.5μm未満の場合には、加圧処理後の基板間に良好な接合状態を得ることができないが、本発明では、樹脂材料の厚みを4.5μm以上とするので、良好な接合状態を得ることができる。
【0013】
なお、樹脂材料の厚みの上限は、接合された基板の用途、接合のための装置、樹脂材料を製造するための装置、などにより異なる。例えば、接合された基板をインクジェットヘッドに使用する場合には、樹脂材料の厚みは、インクを跳ばすバブルの効率上50μm程度となるが、この値に限定されるものではない。
【0014】
また、本発明では、樹脂材料であればよく、いわゆる粘着性を有する接着剤を必要としない。したがって、粘着性を有する樹脂材料を用いた場合のような、はみ出しを防止することができる。すなわち、粘着性を有しない樹脂材料を用いることにより、接着剤のはみ出しのない良好な接合を実現することができる。
【0015】
なお、樹脂材料としては、ポリイミド、ポリアミドなどの、加熱処理により硬化される樹脂材料が好ましい。
【0016】
また、前記加熱処理の温度は、請求項2に記載のように、前記樹脂材料のガラス転移点温度プラス80℃以下であることを特徴とすることができる。
【0017】
加熱処理の温度が高すぎると、基板の接合時の加圧によりクラックが発生しやくすなり、接合不良の原因となる。加熱処理の温度は、樹脂材料のガラス転移点温度プラス80℃以下とすることにより、良好な接合を得ることができる。なお、加熱の温度は、ガラス転移点温度以下であってもよいが、加熱処理により樹脂材料が流動的(傾けた程度で動く状態)でなくなる程度の温度以上であることが好ましい。
【0018】
また、前記加圧処理は、請求項3に記載のように、前記複数の基板間への電圧の印加を含むことを特徴とすることもできる。このような電圧印加を行うことにより、双極子分極した樹脂材料のプラス側がマイナス電極側の基板と、マイナス側がプラス電極側の基板と、それぞれ静電引力により引き合い、その結果樹脂材料が基板界面の微細な凹凸に入り込んでアンカー効果が生じ、樹脂材料を介して基板同士が接合される。さらに、樹脂材料から基板側にマイナスイオンが移動して基板を構成する材料と化学反応をおこすことによって化学的に結合し、基板の接合を強化しているとも考えられる。したがって、より良好な接合を得ることができる。
【0019】
また、前記電圧は、請求項4に記載のように、5V以上、350V以下であることが好ましい。
【0020】
また、前記加圧処理は、請求項5に記載のように、前記複数の基板の温度を200℃以上にして行うことを特徴とすることもできる。このように複数の基板の温度設定を行うことにより、より良好な接合を得ることができる。
【0021】
前記電圧印加時の前記複数の基板の最高温度が前記樹脂材料の耐熱温度以下、ガラス転移点温度以上であることを特徴とする
基板の温度がガラス転移点温度以上であれば、樹脂材料が移動しやすくなり良好な接合状態が得られると共に、接合終了時の残留応力がゼロに近くなるといった効果も得ることができる。
【0022】
また、本発明は、請求項7に記載のように、複数の基板の少なくとも1つがシリコンで構成されていることを特徴とすることもできる。
【0023】
また、本発明は、請求項8に記載のように、複数の基板間への加圧を、前記複数の基板の温度が上昇する過程において、少なくとも2段階以上の圧力水準で行うこともできる。この基板接合方法によれば、温度上昇に伴う樹脂材料の収縮に対して基板間に加える圧力を高くするので、接合面でのギャップをある程度保持しながら、より良好な接合状態を得ることができる。
【0024】
また、本発明は、請求項9に記載のように、複数の基板の接合面を挟んだ少なくとも一方に、金属で構成された金属パターンを設けることもできる。
【0025】
このように金属パターンが設けられていると、電圧印加による基板上の電位がほぼ一定になり、均一で良好な接合状態を得ることができる。
【0026】
また、請求項10に記載の基板接合体は、4.5μm以上の厚みを有し、加熱処理された樹脂材料と、互いに対向し、前記樹脂材料を介して接合された複数の基板と、を含んで構成されている。
【0027】
本発明の基板接合体は、加熱処理された樹脂材料を介して接合されている。加熱処理された樹脂材料は揮発性物質が揮発除去されているので、基板の接合の際に揮発性物質により接合が阻害されることがなく、良好な接合状態を確保することができる。また、樹脂材料の厚みが4.5μm未満の場合には、加圧処理後の基板間に良好な接合状態を得ることができないが、本発明では、樹脂材料の厚みを4.5μm以上とするので、良好な接合状態を得ることができる。
【0028】
また、本発明では、樹脂材料であればよく、いわゆる粘着性を有する接着剤を必要としない。
【0029】
また、請求項11に記載のインクジェットヘッドは、請求項10の基板接合体を含んで構成される。
【0030】
請求項10の基板接合体を含んでインクジェットヘッドが構成されることにより、インクの吐出口への接着剤のはみ出しを防止することができ、良好なインク吐出が得られるインクジェットヘッドを得ることができる。
【0031】
また、本発明にかかるインクジェットヘッドは、請求項12に記載のように、前記複数の基板のうちの少なくとも2つで1対の基板ペアが構成され、この基板ペアの一方にはインク流路溝を含んだパターンが形成され、他方には複数の回路を含んだパターンが形成されていることを特徴とすることもできる。
【0032】
このような構成とすることにより、微細なインク流路溝を含んだパターンが形成される基板と、複数の回路を含んだパターンが形成される基板とを別々に作製することができる。
【0033】
また、本発明の画像形成装置は、請求項13のように、請求項11または請求項12記載のインクジェットヘッドを含んで構成することもできる。
【0034】
前記インクジェットヘッドを用いることにより、良好なインク吐出が得られ、形成する画質を向上させることができる。
【0035】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る基板接合方法の実施形態について説明する。本実施形態では、インクジェットヘッドを製造する際に用いられる基板接合方法として説明する。
【0036】
図1に示すように、本実施の形態で用いる接合装置10は、接合の対象となる基板を載置する載置部12と、基板に加圧する加圧部14とが、外壁18に覆われた内部に配置され、接合装置10の内部を真空にするための真空ポンプ20が、外壁18に接続されている。また、基板に電圧を印加するための電源16が、接続されている。なお、本実施の形態で使用する接合装置10は、特に特殊なものを必要とするわけでなく、一般に陽極接合用として市販されている装置(エレクトロニックビジョンズ製EV500シリーズ、カールズース製サブストレートボンダSB6、等)を使用することが可能である。
【0037】
図2は、本実施の形態で形成する、インクジェットヘッド54の製造工程を示したものである。 工程(A)では、シリコンウエハ24上に、複数の素子基板26を、LSI工程にて形成する。個々の素子基板26には、信号処理回路28、ドライバー回路30、電気−熱変換体32、電気信号接続用パット34、およびそれらを接続する電気的配線(図中表示なし)が、形成される。
【0038】
工程(B)では、シリコンウエハ38上に、複数のインク流路基板40を形成する。個々のインク流路基板40には、インク供給口42、個別インク流路44が、形成されるが、これらは、異方性エッチング(ODE)や、RIE(Reactive Ion Etching)技術等により形成する。
【0039】
工程(C)では、まず、シリコンウエハ24の、電気−熱変換体32が設けられている部分の接合面側に、インクに対する保護膜として樹脂材料を塗布して樹脂層46を形成する。ここでは、パターニング工程が容易に可能である感光性樹脂(商品名:Durimide7520、ProbimideHTR−3−200、PhotoneesUR5100FX、LthocoatPI−400、等)を用いる。
【0040】
図3は、ポリイミドの厚みと接合性の関係を示すグラフである。接合性については、接合Yield(%)により評価した。このグラフから明らかなように、ポリイミドの厚みが4.5μm以下の場合には、浮きや剥離などにより接合状態が悪くなる。他の樹脂材料についても、ほぼ同様の結果が得られている。したがって、形成される樹脂層46の厚みは、4.5μm以上の必要がある。
【0041】
次に、塗布後の樹脂層46のベーク処理を行う。ベーク処理の温度は、ガラス転移点プラス80℃であることが好ましい。これは、ベーク処理の温度が高すぎると、基板の接合時の加圧によりクラックが発生しやすくなり、接合不良の原因となるためである。なお、加熱の温度は、ガラス転移点以下であってもよいが、加熱処理により樹脂材料が流動的(傾けた程度で動く状態)でなくなる程度の温度以上であることが好ましい。
【0042】
そして、通常のLSI工程と同様に、露光、現像を行ってパターニングを行う。
【0043】
なお、樹脂層46の厚さと材料により程度は異なるが、ベーク処理での膜収縮により、樹脂層46の、電気−熱変換体32と電気信号接続用パッド30に対応する部分について設けられている開口部付近は、他の開口が無い領域に対して凸の形状となる。例えば、ベーク処理後の樹脂層46の平均膜厚が約5μm程度の場合、約1.0μmの凸形状の発生が確認されている。また樹脂層46を設ける前のシリコンウエハ24上には回路形成による凹凸が存在しており(約3μm程度)、樹脂層46の塗布により、ある程度のレベリングはされてはいるものの、前述の硬化による凸を含めて、接合面としての樹脂層46の上面は2μm程度の凹凸が発生している。そこで、この凹凸を改善するために、CMPにより樹脂層46の平坦化処理を実施し、凹凸で約0.5ミクロン以下の平坦化面を得るのが好ましい。
【0044】
なお、本実施形態では、接合に用いられる樹脂層46に感光性樹脂を用いたがこれに限定されるのではなく、非感光性樹脂(商品名:住友ベークライト製CRC−6061C、セミコファインSP740、UワニスS、PIX−3400、等)も使用可能であり、さらには、ドライフイルム状の樹脂も使用可能である。
【0045】
工程(E)では、シリコンウエハ24とシリコンウエハ38とを、ウエハ単位に設けられた位置合わせマーク48を用いて、精密に位置合わせ仮固定する。このときの位置合わせは、電気−熱変換体32と個別インク流路44がお互いに対向するように行う。
【0046】
なお、従来は、シリコンウエハ38に対して、接着剤70の転写工程が行われていた(図12の工程(D)参照)。この工程は、特開昭63−34152号公報等で提案されている方法をもちいて、シリコンウエハ38の個別インク流路44が設けられた面の凸部に、フィルム上にスピンコート法等で薄く塗布された接着剤70を転写するものである。本実施の形態では、工程(D)は不要である。
【0047】
次に、シリコンウエハ24とシリコンウエハ38とを接合する。この接合は、まず、仮固定されたシリコンウエハ24とシリコンウエハ38とからなるウエハペア52を、接合装置10の載置部12に載置する。このとき、ウエハペア52を、シリコンウエハ24側が負極で、シリコンウエハ38側が正極となるようにセットする。次に、真空ポンプ20を稼動させて、接合装置10内部のウエハ環境を減圧下にすると共に、図示しない装置ヒーターに通電し、ウエハペア52の温度を上昇させる。接合装置10内の圧力が所定の値に達するとともに、ウエハペア52の温度が所定の温度に達した時点で、ウエハペア52の接合面に直交する方向に加圧部14で加圧を行い、ウエハペア52に所定の電圧を印加する。所定時間後に印加電圧をオフすると共に、装置ヒーターをオフして温度を降下させる。その後、ウエハペア52への加圧を減圧し、真空ポンプ20をオフして接合装置10内を大気圧に開放する。最後にウエハペア52への加圧力を開放して、ウエハペア52を装置外へ取出し、接合のための工程(E)を完了させる。
【0048】
なお、本工程では接合時に接合装置内部のウエハ環境を真空ポンプ20を用いて減圧しているが、これは高電圧印加時の放電防止、および高温化での化学反応や樹脂層46からの微量排出ガスによるデバイスの汚染を防止するためであり、本工程での必須条件ではなく、ウエハ環境の減圧を行わずに不活性ガス環境で実施することもできる。
【0049】
また、本実施形態では、ウエハベア52に電圧を印加したが、この電圧の印加は必ずしも必要ではなく、電圧の印加がなくても接合は可能である。特に、電圧を印加することにより、より良好な接合状態を得ることができる。これは、図11(A)に示すように、シリコンウエハ24とシリコンウエハ38の間に電圧を印加することによって、樹脂層46内部の双極子分極を示したイオンが一定方向を向き、マイナスに帯電したシリコンウエハ24の界面と樹脂層46のプラス側が静電引力により引き合い、また、プラスに帯電したシリコンウエハ38の界面と樹脂層46のマイナス側が静電引力により引き合う。したがって、樹脂材料が移動して接合面の微小凹凸へ入り込み、アンカー効果による接合力が発生していると考えられる。また、静電引力により引き合った接合界面では、樹脂層46側からシリコンウエハ38側にマイナスイオンが移動して、化学的な結合(Si−O−、etc)が起こり化学的接合力が発生しているからであると考えられる。
【0050】
前述の工程により接合されたウエハペア52は、工程(F)で、ダイシング処理等によりチップ単位に切断・分離され、必要に応じて洗浄・検査等を実施されて多数のインクジェットヘッド54を得る。なお、樹脂層46がノズル部56に露出しているため、ノズル部56付近の樹脂層46でダイシングによる切断時バリが発生するが、特許2827884で提案されている処理方法により良好に除去することができる。
【0051】
また、前記実施形態の素子基板26に、図4に示すように、金属パターンを設けておくこともできる。図4(A)は、素子基板26の平面図であり、図4(B)は、断面図である。樹脂層46の下部で、少なくともインク流路基板40と接合される領域に、アルミニウム又は他の金属パターン60を設けておけば、素子基板26の樹脂層46が形成された側の裏面に電圧を印加した場合に、前述の金属パターン60の領域内がほぼ同電位となる。このように、金属パターン60を設けることにより接合工程でウエハペア52間に電圧印加する際に、樹脂層46と接合されるウエハ表面での電位分布(電界分布)をほぼ均一にすることができ、ウエハ上に形成された回路や配線パターンなどによる樹脂層46での電位分布(電界分布)差をなくし、接合平面間での接合ムラおよび樹脂層46の接合平面内移動を防止することができるので、均一で良好な接合が可能となる。
【0052】
以上説明したように、本実施の形態によれば、ベーク処理により、接着剤として用いられる樹脂材料に含まれていた揮発性物質が揮発して除去されるので、この揮発性物質に阻害されることなく、良好に基板をシリコンウエハ24とシリコンウエハ38とを接合させることができる。また、樹脂材料の厚みを4.5μm以上としているので、加圧処理後の基板間に良好な接合状態を得ることができる。さらに、本実施形態では、粘着性を有する接着剤を必要としないので、接着剤のはみだしがなく、良好な接合が得られる。また、従来の接着剤塗布工程(D)が省略できると共に、保護膜としての樹脂層46をそのまま接合に利用しているため、新たな工程の付加が不要であり、低コストが実現できる。さらには、粘着性のある接着剤を用いていないので、長期使用ではがれた接着剤の破片によるノズル詰まりがなく、ヘッド信頼性が向上する。
【0053】
なお、本実施形態による接合方法は、工程的にはSiとガラスとの陽極接合に最も近いが、樹脂層を設ける側と接合する側の基板を同一としているので、熱膨張率差による位置ずれや反りの心配がない。また、ガラスの場合数百Vの高電圧を印加する必要があるが、本実施形態では、数十Vで接合可能なので、電子回路を搭載した基板であってもトランジスタなどが破壊される危険がない。
【0054】
また、従来の樹脂層を介した接合法である熱圧着法では、高温下で高圧加圧(4.9×105〜9.8×105Pa)する必要があるため特殊な装置を必要とし、高圧力で加圧するため回路搭載基板の信頼性に問題が生じ、更には、樹脂層のはみ出しという問題が生じるが、本実施の形態に依れば、接合装置として一般に陽極接合用として市販されている装置を使用することができ、更には、温度も加圧も前記熱圧着法と比較して低温・低加圧力で実施することができる。
【0055】
なお、本実施形態では、インクジェットヘッドの製造の際の基板接合方法として利用した例について説明したが、これに限定されるものではなく、圧力センサやマイクロポンプなどのマイクロマシン製造の際の基板接合方法として利用することができる。
【0056】
【実施例】
前記実施形態の、工程(E)において、シリコンウエハ24とシリコンウエハ38とを接合する工程の実施例について、図面を参照しながら説明する。
[実施例1]
本実施例では、図5に示すように、接合装置10内部のウエハ環境を減圧下にすると共に、図示しない装置ヒーターに通電し、ウエハペア52の温度を上昇させ(図3▲1▼参照)た。接合装置10内の圧力が10−3mbar以下になり、ウエハペア52の温度が300度程度に達した時点で、ウエハペア52の接合面に直行する方向に加圧部14で約9.8×104Paの加圧を行い(図5▲2▼参照)、ウエハペア52に約100Vの電圧を印加した(図5▲3▼参照)。電圧印加後にウエハペア52に流れる電流をモニターし、電流値が一定以下となった時点で印加電圧をオフするとともに、装置ヒーターをオフして温度を降下させた(図5▲4▼参照)。その後、ウエハペア52への加圧を1.96×104Paまで減圧し(図5▲4▼−▲5▼参照)、温度が一定以下となった時点で、真空ポンプ20をオフして接合装置10内を大気圧に開放した(図5▲5▼参照)。最後にウエハペア52への加圧力を開放して、ウエハペア52を装置外へ取出した(図5▲6▼参照)。
【0057】
本実施例によって、良好な接合状態のウエハペア52が得られた。
【0058】
[実施例2]
本実施例では、図6に示すように、真空ポンプ20を稼動させて、接合装置10内のウエハ環境の減圧を開始すると共に、図示しない装置ヒーターに通電して、ウエハペア52の温度を上昇させた。この時点でウエハペア52の温度コントロールを確実に実施するため、ウエハペア52には最低限の加圧力として約1.96×104Paを加えて、装置の温度コントロール部との接触を確保した。(図6▲1▼)
接合装置10内の圧力が10−3mbar未満に達し、ウエハペア52の温度が300℃に達した時点で、ウエハ接合面に直行方向で約9.8×104Paで加圧し(図6▲2▼)、その後ウエハペア52に約40V程度の電圧を印加した。(図6▲3▼)。
【0059】
電圧印加後に両ウエハペア52間に流れる電流をモニターし、電流値が一定(例えば1mA)以下となった時点から装置ヒーターをオフにして温度を降下させた。(図6▲4▼)
温度が200℃以下となった時点で、印加電圧をオフにし(図6▲5▼)、続いてウエハ間加圧力を初期値に減圧すると共に、真空ポンプ20をオフにして接合装置内を大気圧に開放した(図6▲6▼)。最後にウエハペア52の加圧力を開放して、ウエハペア52を装置外へ取り出した(図6▲7▼)。
【0060】
なお、本実施例では、電圧印加時の最高温度を300℃以上としたが、この温度に限定されるものではなく、使用樹脂材料の耐熱温度以下でガラス転移点温度以上、好ましくはガラス転移点温度の+10〜60℃程度であれば、良好な接合状態が得られる。この温度に設定する事により、シリコンウエハ24に転写した樹脂層46が移動し易くなり、多少の接合Gapがあっても良好に接合することができ、さらには、接合終了時の残留応力が殆どないため、良好な接合が実施できる。なお、電圧印加時の最高温度をガラス転移点に対して高くしすぎると、樹脂材料の移動量が大きすぎて、弱い電位差でも接合平面方向へ大きく移動し、所望の接合品質が得られない。
【0061】
本実施例においても、良好な接合状態が得られた。
【0062】
[実施例3]
本実施例では、前記実施形態の樹脂層46に施される硬化処理において、樹脂層が完全硬化する温度以下での硬化処理が実施されている場合において適用される。例えば、通常400℃で硬化処理される樹脂材料であれば、それより十分低い温度(例えば120℃程度)で硬化処理を実施する。これにより、樹脂層46は殆ど硬度がなく且つ硬化処理による凹凸の無い状態が得られる。
【0063】
図7に示すように、真空ポンプ20を稼動して、接合装置10内部のウエハ環境を減圧下にすると共に、図示しない装置ヒーターに通電しウエハペア52の温度を上昇させた(図7▲1▼)。ウエハペア52にはウエハ温度が上昇する過程で、ウエハの接合面に直行方向に圧力を段階的に加えていった(100℃で約9.8×104Pa、200℃で14.7×104Pa、300℃で19.6×104Pa、350℃で24.5×104Pa、(図7▲1▼−▲2▼))。これは、温度上昇に伴う樹脂層46の収縮に対して、接合面において一定以下のGapを保持し、接合を良好に実施することを目的としている。なお、本実施例では樹脂層46が未硬化状態のために温度を上昇させると硬化が進み、一定のガスが発生するので、前述の実施例1、2とは環境減圧カーブが異なる(図7のChamber Pressureカーブ参照:材料により異なるが、200℃程度からガスが発生し、真空度は一次低下する)。
【0064】
ウエハ温度が所望温度(樹脂材料のメーカー推奨硬化温度近傍の値:例えば350℃)に達した後にウエハ環境圧力が10‐3mbar未満に達した時点で、ウエハペア52間に電圧を印加した。このときの電源は最大設定200Vで、約15mA程度のリミッター付電源電圧(定電流源)を印加した(図7▲3▼)。この電源により電流を一定以上流さないようにコントロールしながら、電圧を200V以内で変動させた。
【0065】
電圧印加後にウエハペア52に印加される電圧をモニターし、電圧が一定(200V)以上となり、かつ、ウエハ環境圧力が一定以下(10−4mbar)で安定した時点、即ち樹脂層46の材料からアウトガスがほぼ無くなった時点で装置ヒーターをオフにして温度を降下させた。図7では、ウエハ環境圧力が10−4mbar未満に達した時点で樹脂層からのアウトガスがなくなり、樹脂層46の硬化反応がほぼ終了に近い時点であると推測される(図6▲4▼)。なお、真空ポンプ20の性能によっては、アウトガスの発生があっても10−4mbar未満に達する事は可能であるが、これはアウトガスが無い状態での真空度プロファイルと比較することで、どの時点で樹脂層46の硬化反応が終了したかは推測ができる。
【0066】
温度が一定(100℃)以下となった時点で、印加電圧をオフし(図7▲5▼)続いてウエハ間加圧力を初期値に減圧すると共に、真空ポンプ20をオフにして大気圧に開放した(図7▲6▼)。最後にウエハペア52への加圧力を開放して、ウエハペア52を装置外へ取出した(図7▲7▼)。
【0067】
なお、本実施例では、電源電圧を定電流電源としたが、実施例1、2と同様に、定電圧源とすることもできる。ただし、本実施例のように樹脂層46の硬化反応を接合工程内で同時に実施する場合は、樹脂層46のガラス転移点温度より相当高い温度が必要となる場合が多く、このような場合に定電圧源を用いると、大電流が流れたり、樹脂層46の移動が大きく所望の接合ができない場合がある。
【0068】
また、本実施例では電圧値が一定値以上、実施例1、2では電流値が一定以下、となった時点を装置温度低下開始の時点としているが、樹脂層46の材料と温度条件によっては、ほとんど電圧上昇(本実施例)、電流低下(実施例1、2)が見られなくとも、樹脂層46の過剰な移動を防止するため、またプロセス時間短縮のために一定時間で接合工程を終了することもできる(図8参照)。
【0069】
本実施例によっても良好な接合状態が得られる。また、未硬化の樹脂層46を接合過程において硬化させていくので、接合前処理としてのCMP工程等の樹脂層平坦化工程を省略することができる。
【0070】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に依れば、接着媒体として用いられる樹脂材料を加熱処理するので、樹脂材料に含まれていた揮発性物質が揮発して除去される。これにより、この揮発性物質に阻害されることなく、良好に基板を接合させることができる。また、樹脂材料の厚みが4.5μm未満の場合には、加圧処理後の基板間に良好な接合状態を得ることができないが、本発明では、樹脂材料の厚みを4.5μm以上とするので、良好な接合状態を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態に係る接合装置の概略図である。
【図2】本実施の形態におけるインクジェットヘッド製造の工程の流れを説明する図である。
【図3】ポリイミドの厚みと接合性の関係を示すグラフである。
【図4】本実施形態の変形例の素子基板の、(A)は概略正面図、(B)は
【図5】実施例1の接合条件を示す図である。
【図6】実施例2の接合条件を示す図である。
【図7】実施例3の接合条件を示す図である。
概略断面図である。
【図8】実施例3の他の接合条件を示す図である。
【図9】従来型の接着剤を用いた場合のインクジェットヘッドのインク吐出口付近の断面図である。
【図10】従来型の接着剤薄膜を用いた場合のインクジェットヘッドの、(A)は上面から見た構造を示す図であり、(B)は(A)のX−Xの断面図である。
【図11】本実施形態の電子移動による接合状態を示す図である。
【図12】従来型の接着剤を用いた場合のインクジェットヘッドの製造の工程の流れを説明する図である。
【符号の簡単な説明】
10 接合装置
14 加圧部
16 電源
18 外壁部
20 真空ポンプ
24 シリコンウエハ
26 素子基板
38 シリコンウエハ
40 インク流路基板
42 インク流路
46 樹脂層
60 金属パターン[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a substrate bonding method, a substrate bonded body, an ink jet head, and an image forming apparatus, and more particularly, to a substrate bonding method, a substrate bonded body, and an ink jet used when manufacturing a functional device manufactured by various micromachine technologies. The present invention relates to a head and an image forming apparatus.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as a method of joining substrates, a method of joining using an adhesive having adhesive strength is generally used (see Patent Document 1). However, functional devices manufactured by using various micromachine technologies are extremely miniaturized, and in the case of bonding using an adhesive having adhesive strength, protrusion of the adhesive becomes a serious problem.
[0003]
Therefore,
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-61-230954
[Patent Document 2]
JP-A-63-34152
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in recent years, the size of dots in an ink jet head has been remarkably reduced for the purpose of high image quality, and the size of the nozzle serving as an ink liquid ejection port has been significantly reduced due to the reduced size of the dots. Due to these small nozzles, the method proposed in
(1) The groove size of the joining surface is significantly reduced due to the use of a small nozzle, and the nozzle and the flow channel are filled with minute protrusion of the adhesive. FIG. 9 is a view showing a nozzle portion of an ink jet head. As shown in FIG. 9A, in a conventional nozzle having a width of about 20 μm that generates ink droplets equivalent to 400 dpi, the
(2) In order to prevent the above-mentioned adhesive from protruding into the flow path, if the thickness of the applied adhesive is reduced, the inter-flow path seal due to insufficient adhesive in a poor adhesion area due to minute unevenness on the substrate bonding surface or substrate warpage. A defect occurs, and as a result, a defect occurs that the pressure generated for ink ejection in the flow path escapes to the adjacent flow path. Therefore, for the purpose of improving the flatness of the bonding surface of the substrate, means such as a flattening step (Japanese Patent Application No. 7-169660) using CMP (Chemical Mechanical Polish) or the like is employed. However, due to the relationship of wafer warpage, particles, and the like, when bonding large-area substrates, an inter-substrate gap (bonding gap) is generated to about 1.0 μm in the above-described poor adhesion region.
(3) When the head is used for a long period of time, the adhesive thin film transferred to the protruding portion or the unjoined portion of the adhesive may peel off, which may cause nozzle clogging or the like. FIG. 10A shows an ink flow path structure of the ink jet head, and FIG. 10B shows a cross-sectional view taken along line XX of FIG. 10A. When the adhesive thin film is transferred to the convex portion formed on the ink
[0006]
In order to solve the above-mentioned problems, various joining techniques such as eutectic bonding and room-temperature interfacial joining without using a so-called adhesive have been proposed. However, eutectic bonding requires the formation of an Au thin film, which increases the manufacturing cost. In addition, room-temperature interface bonding requires special interface treatment using an ultra-high vacuum or an ion beam, and requires a special apparatus.
[0007]
Further, in anodic bonding via glass, a high voltage of several hundred volts needs to be applied, and there is a risk that a transistor or the like may be destroyed on a substrate having an electronic circuit.
[0008]
Furthermore, there is a thermocompression bonding method as a bonding through a resin layer, and high-pressure pressing (4.9 × 10 5 ~ 9.8 × 10 5 Pa) and requires special equipment. Furthermore, since the circuit is pressurized at a high pressure, there is a problem in the reliability of the circuit board, and in the formation of a fine pattern, the same problem as in the use of the adhesive occurs in terms of the thickness of the resin layer and the protrusion.
[0009]
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and a substrate bonding method, a substrate bonded body manufactured by using the substrate bonding method, an inkjet head, and an image capable of realizing a good bonding state. Forming apparatus.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a substrate bonding method according to the present invention includes heating a resin material, sandwiching the heat-treated resin material having a thickness of 4.5 μm or more between a plurality of opposed substrates, A pressure process is performed between the plurality of substrates to bond the respective substrates.
[0011]
Here, the pressurizing process includes a process including at least pressing in a direction in which a plurality of substrates are bonded, and a process including setting of other conditions such as temperature setting.
[0012]
In the present invention, first, the resin material is subjected to a heat treatment. When the heat treatment is performed, volatile substances contained in the resin material are volatilized and removed. Thus, the substrate can be satisfactorily bonded without being hindered by the volatile substance. If the thickness of the resin material is less than 4.5 μm, a good bonding state cannot be obtained between the substrates after the pressure treatment. However, in the present invention, the thickness of the resin material is set to 4.5 μm or more. Therefore, a good bonding state can be obtained.
[0013]
Note that the upper limit of the thickness of the resin material differs depending on the application of the bonded substrates, the device for bonding, the device for manufacturing the resin material, and the like. For example, when the bonded substrate is used for an ink jet head, the thickness of the resin material is about 50 μm in view of the efficiency of bubbles for repelling ink, but is not limited to this value.
[0014]
Further, in the present invention, any resin material may be used, and an adhesive having so-called tackiness is not required. Therefore, it is possible to prevent the protrusion as in the case of using a resin material having adhesiveness. That is, by using a resin material having no tackiness, it is possible to realize good bonding without protruding the adhesive.
[0015]
Note that as the resin material, a resin material which is cured by heat treatment, such as polyimide or polyamide, is preferable.
[0016]
Further, the temperature of the heat treatment can be characterized by being equal to or lower than the glass transition temperature of the resin material plus 80 ° C.
[0017]
If the temperature of the heat treatment is too high, cracks are likely to occur due to pressurization at the time of joining the substrates, which causes poor joining. By setting the temperature of the heat treatment to be equal to or lower than the glass transition temperature of the resin material plus 80 ° C., good bonding can be obtained. The heating temperature may be equal to or lower than the glass transition point temperature, but is preferably equal to or higher than the temperature at which the resin material is not fluidized (moved by tilting) by the heat treatment.
[0018]
Further, the pressure treatment may include applying a voltage between the plurality of substrates, as described in
[0019]
Preferably, the voltage is 5 V or more and 350 V or less.
[0020]
The pressure treatment may be performed by setting the temperature of the plurality of substrates to 200 ° C. or higher. By setting the temperature of a plurality of substrates in this manner, better bonding can be obtained.
[0021]
The highest temperature of the plurality of substrates when the voltage is applied is equal to or lower than the heat-resistant temperature of the resin material and equal to or higher than the glass transition temperature.
When the temperature of the substrate is equal to or higher than the glass transition temperature, the resin material can easily move, a good bonding state can be obtained, and the effect that the residual stress at the end of the bonding is close to zero can be obtained.
[0022]
Further, the present invention can be characterized in that at least one of the plurality of substrates is made of silicon.
[0023]
According to the present invention, the pressure between the plurality of substrates can be increased at least in two or more stages in the process of increasing the temperature of the plurality of substrates. According to this substrate bonding method, the pressure applied between the substrates is increased with respect to the contraction of the resin material due to the temperature rise, so that a better bonding state can be obtained while maintaining a gap at the bonding surface to some extent. .
[0024]
Further, according to the present invention, a metal pattern made of metal can be provided on at least one of the bonding surfaces of the plurality of substrates with the bonding surface interposed therebetween.
[0025]
When the metal pattern is provided in this manner, the potential on the substrate by applying a voltage becomes substantially constant, and a uniform and favorable bonding state can be obtained.
[0026]
In addition, the bonded substrate according to
[0027]
The bonded substrate of the present invention is bonded via a heat-treated resin material. Since volatile substances are volatilized and removed from the heat-treated resin material, the bonding is not hindered by the volatile substances when bonding the substrates, and a favorable bonding state can be secured. If the thickness of the resin material is less than 4.5 μm, a good bonding state cannot be obtained between the substrates after the pressure treatment. However, in the present invention, the thickness of the resin material is set to 4.5 μm or more. Therefore, a good bonding state can be obtained.
[0028]
Further, in the present invention, any resin material may be used, and an adhesive having so-called tackiness is not required.
[0029]
An ink jet head according to an eleventh aspect is configured to include the substrate joined body according to the tenth aspect.
[0030]
By forming the ink jet head including the substrate assembly according to
[0031]
Further, in the ink jet head according to the present invention, a pair of substrates is constituted by at least two of the plurality of substrates, and one of the substrate pairs has an ink flow channel. May be formed, and a pattern including a plurality of circuits may be formed on the other side.
[0032]
With such a configuration, a substrate on which a pattern including fine ink flow channel grooves is formed and a substrate on which a pattern including a plurality of circuits is formed can be separately manufactured.
[0033]
Further, the image forming apparatus of the present invention can be configured to include the ink jet head according to the eleventh or twelfth aspect.
[0034]
By using the inkjet head, good ink ejection can be obtained, and the image quality to be formed can be improved.
[0035]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a substrate bonding method according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, a description will be given as a substrate bonding method used when manufacturing an inkjet head.
[0036]
As shown in FIG. 1, in a
[0037]
FIG. 2 shows a manufacturing process of the
[0038]
In the step (B), a plurality of ink
[0039]
In the step (C), first, a resin material is applied as a protective film for ink on the bonding surface side of the portion of the
[0040]
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the thickness of the polyimide and the bonding property. The bonding property was evaluated by bonding Yield (%). As is clear from this graph, when the thickness of the polyimide is 4.5 μm or less, the bonding state is deteriorated due to floating or peeling. Almost the same results were obtained for other resin materials. Therefore, the thickness of the formed
[0041]
Next, a baking process is performed on the
[0042]
Then, in the same manner as in a normal LSI process, patterning is performed by performing exposure and development.
[0043]
The thickness of the
[0044]
In the present embodiment, a photosensitive resin is used for the
[0045]
In the step (E), the
[0046]
Conventionally, a step of transferring the adhesive 70 to the
[0047]
Next, the
[0048]
In this step, the wafer environment inside the bonding apparatus is depressurized by the
[0049]
Further, in the present embodiment, the voltage is applied to the
[0050]
In the step (F), the
[0051]
Further, as shown in FIG. 4, a metal pattern can be provided on the
[0052]
As described above, according to the present embodiment, the volatile substance contained in the resin material used as the adhesive is volatilized and removed by the baking treatment, and the baking treatment inhibits the volatile substance. Thus, the substrate can be satisfactorily bonded between the
[0053]
The bonding method according to the present embodiment is closest in process to anodic bonding between Si and glass, but since the substrate on which the resin layer is provided and the substrate on which the resin layer is bonded are the same, misalignment due to a difference in coefficient of thermal expansion. No worry about warping. In the case of glass, it is necessary to apply a high voltage of several hundred volts. However, in this embodiment, since bonding can be performed at several tens of volts, there is a risk that transistors and the like may be destroyed even on a substrate on which an electronic circuit is mounted. Absent.
[0054]
In a conventional thermocompression bonding method via a resin layer, high-pressure pressing (4.9 × 10 5 ~ 9.8 × 10 5 Pa), a special device is required, and a high pressure is applied, which causes a problem in the reliability of the circuit board, and furthermore, a problem in which the resin layer protrudes. If this is the case, a device commercially available for anodic bonding can be generally used as a bonding device, and furthermore, both temperature and pressure can be performed at a lower temperature and lower pressure compared to the thermocompression bonding method. .
[0055]
In this embodiment, an example in which the substrate is used as a substrate bonding method in manufacturing an inkjet head has been described. However, the present invention is not limited to this, and a substrate bonding method in manufacturing a micromachine such as a pressure sensor or a micropump is described. Can be used as
[0056]
【Example】
An example of the step of bonding the
[Example 1]
In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the wafer environment inside the
[0057]
According to the present embodiment, a
[0058]
[Example 2]
In this embodiment, as shown in FIG. 6, the
The pressure in the joining
[0059]
After the voltage was applied, the current flowing between the two wafer pairs 52 was monitored, and when the current value became constant (eg, 1 mA) or less, the apparatus heater was turned off to lower the temperature. (Fig. 6-4)
When the temperature falls below 200 ° C., the applied voltage is turned off (FIG. 6 (5)), the pressure between wafers is reduced to the initial value, and the
[0060]
In the present embodiment, the maximum temperature at the time of applying a voltage is set to 300 ° C. or higher. However, the temperature is not limited to this temperature. If the temperature is about +10 to 60 ° C., a good bonding state can be obtained. By setting this temperature, the
[0061]
Also in this example, a good bonding state was obtained.
[0062]
[Example 3]
The present embodiment is applied to the case where the curing process performed on the
[0063]
As shown in FIG. 7, the
[0064]
After the wafer temperature reaches a desired temperature (a value in the vicinity of the curing temperature recommended by the resin material manufacturer: for example, 350 ° C.), the wafer environmental pressure becomes 10− 3 When the voltage reached below mbar, a voltage was applied between the
[0065]
After the voltage is applied, the voltage applied to the
[0066]
When the temperature falls below a certain level (100 ° C.), the applied voltage is turned off (FIG. 7 (5)), and then the pressure between wafers is reduced to the initial value, and the
[0067]
In this embodiment, the power supply voltage is a constant current power supply. However, as in the first and second embodiments, a constant voltage power supply may be used. However, when the curing reaction of the
[0068]
Further, in this embodiment, the time when the voltage value becomes equal to or higher than a certain value, and in the first and second embodiments, the time when the current value becomes lower than or equal to the certain value is the time when the apparatus temperature starts to be reduced. Even if almost no voltage rise (this embodiment) and current decrease (
[0069]
According to this embodiment, a good bonding state can be obtained. Further, since the
[0070]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the resin material used as the adhesive medium is subjected to the heat treatment, volatile substances contained in the resin material are volatilized and removed. Thus, the substrate can be satisfactorily bonded without being hindered by the volatile substance. If the thickness of the resin material is less than 4.5 μm, a good bonding state cannot be obtained between the substrates after the pressure treatment. However, in the present invention, the thickness of the resin material is set to 4.5 μm or more. Therefore, a good bonding state can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a bonding apparatus according to the present embodiment.
FIG. 2 is a diagram illustrating a flow of a process of manufacturing an inkjet head according to the present embodiment.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the thickness of polyimide and the bonding property.
FIG. 4A is a schematic front view of an element substrate according to a modification of the embodiment, and FIG.
FIG. 5 is a diagram showing bonding conditions in Example 1.
FIG. 6 is a diagram showing bonding conditions in Example 2.
FIG. 7 is a diagram showing bonding conditions in Example 3.
It is a schematic sectional drawing.
FIG. 8 is a view showing another joining condition of the third embodiment.
FIG. 9 is a cross-sectional view of the vicinity of an ink discharge port of an inkjet head when a conventional adhesive is used.
10A is a diagram illustrating a structure of an ink jet head using a conventional adhesive thin film when viewed from above, and FIG. 10B is a cross-sectional view taken along line XX of FIG. 10A. .
FIG. 11 is a diagram showing a bonding state by electron transfer according to the present embodiment.
FIG. 12 is a diagram illustrating a flow of a process of manufacturing an inkjet head when a conventional adhesive is used.
[Brief description of reference numerals]
10 Joining equipment
14 Pressing section
16 Power supply
18 outer wall
20 vacuum pump
24 Silicon wafer
26 Element substrate
38 Silicon wafer
40 ink flow path substrate
42 Ink channel
46 resin layer
60 metal pattern
Claims (13)
前記加熱処理された、4.5μm以上の厚みを有する樹脂材料を対向する複数の基板で挟み、
前記複数の基板に加圧処理して、前記各々の基板を接合する基板接合方法。Heat-treat the resin material,
The heat-treated resin material having a thickness of 4.5 μm or more is sandwiched between a plurality of opposing substrates,
A substrate bonding method of performing pressure processing on the plurality of substrates and bonding the respective substrates.
を備えた基板接合体。A heat-treated resin material having a thickness of 4.5 μm or more, and a plurality of substrates facing each other and joined via the resin material;
A substrate joined body comprising:
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