JP3858537B2 - 基板接合方法、接合体、インクジェットヘッド、および画像形成装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は基板接合方法、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に用いられる基板接合方法、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、接着剤を用いて接合する方法が一般的である。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、接着剤を用いた接合では接着剤の厚さやはみ出しなどが大きな問題となる。
【０００３】
例えば、インクジェットヘッドの作製方法として、特開昭６１−２３０９５４号公報で代表されるような２枚の基板接合を用いて作製する方法が提案されているが、接合面に形成されたインク流路溝の高密度・小寸法化により、接合に用いる接着剤の塗布形成方法が困難となる。そこで改善策として、接着剤を薄く選択的に塗布する技術が特開昭６３−３４１５２号公報等で提案されている。
【０００４】
【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Ｄｏｔ化は著しく、小Ｄｏｔ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開昭６３−３４１５２号公報等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には、インクジェットヘッドのノズル部分を示すが、図９（Ａ）は従来型の４００ＤＰＩ相当でインク滴を発生する幅約２０μｍのノズルであり、この大きさであれば接着剤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が、図９（Ｂ）のように１６００ＤＰＩ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、ノズル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、Ｘ−Ｘの断面図を図１０（Ｂ）に示す。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。
【０００５】
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。
【０００６】
また、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。
【０００７】
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。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解消すべく成されたものであり、低コストで良好な接合状態を実現する、基板接合方法、該基板接合方法を使用して製造する接合体、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。
【０００９】
【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、複数のシリコン基板間に樹脂材料を挟むと共に該複数のシリコン基板間に電圧を印加して該各々のシリコン基板を接合する。本発明では、複数のシリコン基板間に電圧を印加する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シリコン基板と、マイナス側がプラス電極側のシリコン基板と、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、樹脂材料を介してシリコン基板同士が接合される。さらに、樹脂材料からシリコン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、基板の接合に際しては接着剤を必要とせず、また、高温・高圧の条件を実現する装置も必要としないので、接着剤のはみ出しのない良好な接合を低コストで実現することができる。
【００１０】
なお、本発明は請求項２のように、印加する電圧は、３５０Ｖ以下であるのが好ましく、５０Ｖ程度であることがさらに好ましい。このレベルの電圧にすることにより、樹脂材料を適度に移動させて良好な接合が得られるとともに、陽極接合の場合のように数百ボルトの高電圧ではないため、特殊な装置を必要とせず低コストに接合することができる。
【００１１】
また、本発明は請求項３のように、電圧印加時に複数のシリコン基板間に圧力を加えることにより、より良好な接合状態を得ることができる。
【００１２】
また、本発明は請求項４のように、電圧印加時に、複数の基板の温度を２００℃以上にするのが好ましい。
【００１３】
さらに、請求項５のように、電圧印加時における複数のシリコン基板の最高温度は樹脂材料の耐熱温度以下で、ガラス転移点温度以上であることが好ましい。シリコン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ともに、接合終了時の残留応力がほとんどないといった効果もある。
【００１４】
また、本発明は請求項６のように、接合前の樹脂材料を未硬化の状態とし、接合と同時または接合後に完全硬化させることにより、接合面を平坦化処理することなく良好な接合状態が得られる。
【００１６】
また、請求項７のように、本発明に係る基板接合方法として、複数のシリコン基板間に樹脂材料を挟み、複数のシリコン基板を加熱処理し、前記複数のシリコン基板間を加圧処理し、前記複数のシリコン基板間に電圧を印加し、前記複数のシリコン基板間に流れる電流が一定以下になった後、または前記電圧印加から所定時間経過後に、前記複数のシリコン基板の温度を下げ始め、前記複数のシリコン基板の温度低下後に前記電圧の印加および前記加圧を停止する手順をとることができる。
【００１７】
また、請求項８のように、複数のシリコン基板間への加圧を、前記複数のシリコン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Ｇａｐ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。
【００１８】
また、請求項９のように、複数のシリコン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により、電圧印加によるシリコン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。
【００１９】
また、請求項１０のように、接合前に複数のシリコン基板および樹脂材料の少なくとも一方の接合面が、清浄化処理および活性化処理されていれば、前述のアンカー効果がより効率的に得られ、さらには化学反応も良好に得ることができ、その結果良好な接合状態を得ることができる。
【００２０】
また、本発明にかかる接合体は、請求項１１のように、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の基板接合方法により作製される。
【００２１】
また、本発明にかかるインクジェットヘッドは、請求項１２のように、請求項１１記載の接合体により構成されることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明にかかるインクジェットヘッドは、請求項１３のように、前記接合体を構成する１対の基板のうちの、一方には微細な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。
【００２３】
また、本発明は、請求項１４のように、請求項１２または請求項１３記載のインクジェットヘッドを備えた画像形成装置を構成することもできる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
[第１の実施の形態]
本実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２５】
図１に示すように、本実施の形態に係る接合装置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分けでなく、一般に陽極接合用として市販されている装置（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＶｓｉｏｎｓ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。ただし、大面積ウエハの接合を実施する場合や後述する樹脂層のガラス転移点温度以上での接合を実施する場合は、接合時の接合面内のむらを防止するために、電極は多点または平板電極を用いるのが好ましい。
【００２６】
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の製造工程を示す。 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。
【００２７】
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。
【００２８】
工程（Ｃ）では、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層４６を、通常のＬＳＩ工程で形成する。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：Ｐｒｏｂｉｍｉｄｅ７５２０、ＰｒｏｂｉｍｉｄｅＨＴＲ−３−２００、ＰｈｏｔｏｎｅｅｓＵＲ５１００ＦＸ、ＬｔｈｏｃｏａｔＰＩ−４００、等）を用いて、塗布→プリベーク→露光→ベーク→現像→Ｃｕｒｅという工程を経て、シリコンウエハ２４上に良好な密着力を持って、高精度に位置あわせされた樹脂層４６を得る事ができる。なお、樹脂層４６の厚さと材料により程度は異なるが、Ｃｕｒｅ工程での膜収縮により、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。本実施の形態では、Ｃｕｒｅ工程後の樹脂層４６の平均膜厚を約５ミクロンと設計したが、約１．０ミクロンの凸形状が発生した。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３ミクロン程度）、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Ｃｕｒｅによる凸を含めて、接合面としての樹脂層４６の上面は２ミクロン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。
【００２９】
なお、本実施の形態では、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：ＣＲＣ−６０６１Ｃ、ＳｅｍｉｋｏｆｉｎｅＳＰ７４０、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。
【００３０】
工程（Ｅ）では、シリコンウエハ２４とシリコンウエハ３８とを、基板アライメント装置を用いて、ウエハ単位に設けられた位置合わせマーク４８を用いて、精密に位置合わせされ仮固定する。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。
【００３１】
なお、従来は図１１の工程（Ｄ）に示す、接着剤７０の転写工程が行われていた。本工程は、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。また、工程（Ｅ）で行われたシリコンウエハ同士の接合は（従来例）、仮固定されたウエハペアを真空加熱加圧装置にセットして、このウエハペアに約９．８×１０4Ｐａで加圧しながら、約２００℃で４時間加熱処理し、塗布した接着剤７０を硬化させることで接合することができる。本実施の形態では、工程（Ｄ）は不要である。
【００３２】
工程（Ｅ）での、位置合わせされ仮固定したシリコンウエハ２４とシリコンウエハ３８とを、接合する工程を、図３を参照しながら、接合手順について説明する。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の温度を上昇させる（図３▲１▼参照）。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３▲２▼参照）、ウエハペア５２に約１００Ｖの電圧を印加する（図３▲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る（図３▲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３▲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内を大気圧に開放する（図３▲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（図３▲６▼参照）、接合のための工程（Ｅ）は完了する。
【００３３】
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。
【００３４】
前述の工程により接合されたウエハペア５２は、ダイシング工程等によりＣｈｉｐ単位に切断・分離し、必要に応じて洗浄・検査等を実施し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。
【００３５】
本実施の形態によれば、接着剤を使用せず従来から保護膜として利用していた樹脂層４６を接合に用いるので、接着剤はみだしがなく、接合面に多少の凹凸があっても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、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。
【００３６】
なお、本実施の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、樹脂層の静電引力による変形量は、ガラスの変形量に比べて大きいので、接合界面での初期平坦性を余り高くしなくても、良好な接合均一性が得られ、かつ残留応力の少ない良好な接合基板が得られる。更には、ガラスの場合数百Ｖの高電圧を印加する必要があるが、本実施の形態では、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。
【００３７】
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。
【００３８】
なお、本実施の形態では、インクジェットヘッドの製造の際の基板間の接合に利用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に利用することができる。
【００３９】
また、本実施の形態における接合の原理は次の通りであると考えられる。
【００４０】
図８には、樹脂層４６を設けたシリコンウエハ２４と、それに接合するシリコンウエハ３８の間に電圧を印加した場合の電荷、電位、電界分布の模式例を示す。ここで例示している樹脂層４６の材料は、ポリイミドであり双極子型分極を示す材料であり、樹脂層４６内部には、移動可能なイオンの存在が確認できている。図８（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と考えられる。
【００４１】
したがって、本実施の形態における接合工程前に、接合基板の少なくとも接合面および樹脂層の接合表面の少なくとも１方を前処理工程により清浄化及び活性化しておけば、接着力および接合信頼性の向上を図ることができる。具体的な前処理としては、ＵＶ／Ｏ３洗浄やフッ酸処理、およびアルカリ溶液によるディップ処理等を用いることができるが、使用する基板と樹脂層材料により最適な工程を選択するのが好ましい。
【００４２】
[第２の実施の形態]
本実施の形態について、第１の実施の形態と同様の部分は省略し、異なる部分のみを説明する。
【００４３】
図４を参照しながら、シリコンウエハ２４とシリコンウエハ３８とを接合する手順について説明する（前述の工程（Ｅ）に対応する）。
【００４４】
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の温度を上昇させる。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ておく。（図４▲１▼）
接合装置１０内の圧力が１０-3ｍｂｒ未満に達し、ウエハペア５２の温度が所望温度（例えばは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４▲２▼）、その後ウエハペア５２に約４０Ｖ程度の電圧を印加する。（図４▲３▼）。
【００４５】
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る。（図４▲４▼）
温度が一定（例えば２００℃）以下となった時点で、印加電圧をオフにし（図４▲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する（図４▲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（図４▲７▼）、接合のための工程は完了する。
【００４６】
本実施の形態では、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℃程度に設定することもできる。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。
【００４７】
本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に良好な接合状態が得られた。
【００４８】
[第３の実施の形態]
本実施の形態についても前述の実施の形態と同様の部分については省略し、異なる部分のみを説明する。
【００４９】
本実施の形態は、前述の実施の形態の工程（Ｃ）で、接合前処理として実施したＣＭＰ工程等の樹脂層平坦化工程を省略し、かつ接合力の高い接合を実現するものである。
【００５０】
シリコンウエハ２４の電気−熱変換体３２が設けられている接合面側に、後に接合に用いる樹脂層４６が通常のＬＳＩ工程で形成される。樹脂層４６の形成方法は第１の実施の形態と同様であるが、ここでは、樹脂層４６形成の最終工程であるＣｕｒｅ工程において、樹脂層が完全硬化する温度以下でＣｕｒｅを実施する。例えば、通常４００℃でＣｕｒｅす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Ｃｕｒｅを実施する。これにより、樹脂層４６は殆ど硬度がなく且つＣｕｒｅによる凹凸の無い状態が得られる。
【００５１】
以下、本未硬化の樹脂層を設けたシリコンウエハ２４とシリコンウエハ３８との接合手順を、図５を参照しながら説明する。
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の温度を上昇させる（図５▲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く。（例えば、１００℃で約９．８×１０4Ｐａ、２００℃で１４．７×１０4Ｐａ、３００℃で１９．６×１０4Ｐａ、３５０℃で２４．５×１０4Ｐａ、（図５▲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、本実施の形態では樹脂層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、前述の第１および第２の実施の形態とは環境減圧カーブが異なる（図５のＣｈａｍｂｅｒＰｒｅｓｓｕｒｅ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）。
【００５２】
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１０‐3ｍｂｒ未満に達した時点で、ウエハペア５２間に電圧を印加する。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）を印加する（図５▲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以内で変動させる。
【００５３】
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（例えば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る。図５では、ウエハ環境圧力が１０-4ｍｂｒ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５▲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１０-4ｍｂｒ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。
【００５４】
温度が一定（例１００℃）以下となった時点で、印加電圧をオフし（図５▲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する（図５▲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（図５▲７▼）、接合のための工程は完了する。
【００５５】
なお、本実施の形態では、電源電圧を定電流電源としたが、第１、第２の実施の形態と同様に、同様に定電圧源とすることもできる。ただし、本実施の形態のように樹脂層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。
【００５６】
また、本実施の形態では電圧値が一定値以上、第１および第２の実施の形態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（本実施の形態）、電流低下（第１および第２の実施の形態）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１２）。
【００５７】
本実施の形態によれば、第１、第２の実施の形態と同様の効果が得られる。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、かつ接合力の高い接合を実現することができる。
【００５８】
図６に本実施の形態によって接合したインクジェットヘッドの流路断面図を示す。図６（ａ）（ｂ）はシリコンウエハに流路溝をリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）技術により形成したインクジェットヘッドの流路部断面であり、図６（ｃ）（ｄ）はシリコンウエハにＯＤＥ技術によりインク流路を形成したインクジェットヘッドの流路部断面である。素子基板２６とインク流路基板４０とが樹脂層４６を介して接合されているが、図６（ａ）（ｃ）はそれぞれ理想的に接合された場合を示す図であり、樹脂層４６がノズル部５６付近でも平坦に形成されている。一方、図６（ｂ）は、樹脂層４６の初期Ｇａｐが大きく、接合過程で樹脂の移動が過剰になされた例であり、静電引力の高い接合領域にノズル部５６のインク流路に対応する部分の樹脂層４６から樹脂材料の移動が観察できる。図６（ｄ）は、過剰な接合条件（熱、圧力）のためにインク流路内部に対応する部分の樹脂層４６が盛り上がっている状態である。
【００５９】
[第４の実施の形態]
本実施の形態についても、前述の実施の形態と同様の部分に付いては省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００６０】
図７（Ａ）は、本実施の形態における素子基板２６の平面図であり、図７（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を設けておき、好ましくは素子基板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ようにする。
【００６１】
なお、接合手順に付いては、前述の実施の形態（第１、第２、第３）いずれの手順で実施することも可能である。
【００６２】
本実施の形態に依れば、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により、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）差をなくすことができ、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。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に依れば、複数の基板間に樹脂材料を挟み、該複数の基板間に電圧を印加して該各々の基板を接合するので、低コストで良好な基板間の接合を実現することができる。
【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】 第１の実施の形態での接合条件を示す図である。
【図４】 第２の実施の形態での接合条件を示す図である。
【図５】 第３の実施の形態での接合条件を示す図である。
【図６】 接合完了後のインク流路部である。
【図７】 第４の実施の形態における素子基板である。
【図８】 本実施の形態の電子移動による接合状態を示す図である。
【図９】 従来型の接着剤を用いた場合のインク流路部の接合状態を示す図である。
【図１０】 インクジェットヘッドの断面図である。
【図１１】 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。
【図１２】 変形例での接合条件を示す図である。
【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
７０ 接着剤
【発明の属する技術分野】
本発明は基板接合方法、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に用いられる基板接合方法、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、接着剤を用いて接合する方法が一般的である。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、接着剤を用いた接合では接着剤の厚さやはみ出しなどが大きな問題となる。
【０００３】
例えば、インクジェットヘッドの作製方法として、特開昭６１−２３０９５４号公報で代表されるような２枚の基板接合を用いて作製する方法が提案されているが、接合面に形成されたインク流路溝の高密度・小寸法化により、接合に用いる接着剤の塗布形成方法が困難となる。そこで改善策として、接着剤を薄く選択的に塗布する技術が特開昭６３−３４１５２号公報等で提案されている。
【０００４】
【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Ｄｏｔ化は著しく、小Ｄｏｔ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開昭６３−３４１５２号公報等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には、インクジェットヘッドのノズル部分を示すが、図９（Ａ）は従来型の４００ＤＰＩ相当でインク滴を発生する幅約２０μｍのノズルであり、この大きさであれば接着剤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が、図９（Ｂ）のように１６００ＤＰＩ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、ノズル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、Ｘ−Ｘの断面図を図１０（Ｂ）に示す。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。
【０００５】
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。
【０００６】
また、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。
【０００７】
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。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解消すべく成されたものであり、低コストで良好な接合状態を実現する、基板接合方法、該基板接合方法を使用して製造する接合体、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。
【０００９】
【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、複数のシリコン基板間に樹脂材料を挟むと共に該複数のシリコン基板間に電圧を印加して該各々のシリコン基板を接合する。本発明では、複数のシリコン基板間に電圧を印加する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シリコン基板と、マイナス側がプラス電極側のシリコン基板と、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、樹脂材料を介してシリコン基板同士が接合される。さらに、樹脂材料からシリコン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、基板の接合に際しては接着剤を必要とせず、また、高温・高圧の条件を実現する装置も必要としないので、接着剤のはみ出しのない良好な接合を低コストで実現することができる。
【００１０】
なお、本発明は請求項２のように、印加する電圧は、３５０Ｖ以下であるのが好ましく、５０Ｖ程度であることがさらに好ましい。このレベルの電圧にすることにより、樹脂材料を適度に移動させて良好な接合が得られるとともに、陽極接合の場合のように数百ボルトの高電圧ではないため、特殊な装置を必要とせず低コストに接合することができる。
【００１１】
また、本発明は請求項３のように、電圧印加時に複数のシリコン基板間に圧力を加えることにより、より良好な接合状態を得ることができる。
【００１２】
また、本発明は請求項４のように、電圧印加時に、複数の基板の温度を２００℃以上にするのが好ましい。
【００１３】
さらに、請求項５のように、電圧印加時における複数のシリコン基板の最高温度は樹脂材料の耐熱温度以下で、ガラス転移点温度以上であることが好ましい。シリコン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ともに、接合終了時の残留応力がほとんどないといった効果もある。
【００１４】
また、本発明は請求項６のように、接合前の樹脂材料を未硬化の状態とし、接合と同時または接合後に完全硬化させることにより、接合面を平坦化処理することなく良好な接合状態が得られる。
【００１６】
また、請求項７のように、本発明に係る基板接合方法として、複数のシリコン基板間に樹脂材料を挟み、複数のシリコン基板を加熱処理し、前記複数のシリコン基板間を加圧処理し、前記複数のシリコン基板間に電圧を印加し、前記複数のシリコン基板間に流れる電流が一定以下になった後、または前記電圧印加から所定時間経過後に、前記複数のシリコン基板の温度を下げ始め、前記複数のシリコン基板の温度低下後に前記電圧の印加および前記加圧を停止する手順をとることができる。
【００１７】
また、請求項８のように、複数のシリコン基板間への加圧を、前記複数のシリコン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Ｇａｐ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。
【００１８】
また、請求項９のように、複数のシリコン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により、電圧印加によるシリコン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。
【００１９】
また、請求項１０のように、接合前に複数のシリコン基板および樹脂材料の少なくとも一方の接合面が、清浄化処理および活性化処理されていれば、前述のアンカー効果がより効率的に得られ、さらには化学反応も良好に得ることができ、その結果良好な接合状態を得ることができる。
【００２０】
また、本発明にかかる接合体は、請求項１１のように、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の基板接合方法により作製される。
【００２１】
また、本発明にかかるインクジェットヘッドは、請求項１２のように、請求項１１記載の接合体により構成されることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明にかかるインクジェットヘッドは、請求項１３のように、前記接合体を構成する１対の基板のうちの、一方には微細な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。
【００２３】
また、本発明は、請求項１４のように、請求項１２または請求項１３記載のインクジェットヘッドを備えた画像形成装置を構成することもできる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
[第１の実施の形態]
本実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２５】
図１に示すように、本実施の形態に係る接合装置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分けでなく、一般に陽極接合用として市販されている装置（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＶｓｉｏｎｓ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。ただし、大面積ウエハの接合を実施する場合や後述する樹脂層のガラス転移点温度以上での接合を実施する場合は、接合時の接合面内のむらを防止するために、電極は多点または平板電極を用いるのが好ましい。
【００２６】
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の製造工程を示す。 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。
【００２７】
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。
【００２８】
工程（Ｃ）では、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層４６を、通常のＬＳＩ工程で形成する。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：Ｐｒｏｂｉｍｉｄｅ７５２０、ＰｒｏｂｉｍｉｄｅＨＴＲ−３−２００、ＰｈｏｔｏｎｅｅｓＵＲ５１００ＦＸ、ＬｔｈｏｃｏａｔＰＩ−４００、等）を用いて、塗布→プリベーク→露光→ベーク→現像→Ｃｕｒｅという工程を経て、シリコンウエハ２４上に良好な密着力を持って、高精度に位置あわせされた樹脂層４６を得る事ができる。なお、樹脂層４６の厚さと材料により程度は異なるが、Ｃｕｒｅ工程での膜収縮により、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。本実施の形態では、Ｃｕｒｅ工程後の樹脂層４６の平均膜厚を約５ミクロンと設計したが、約１．０ミクロンの凸形状が発生した。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３ミクロン程度）、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Ｃｕｒｅによる凸を含めて、接合面としての樹脂層４６の上面は２ミクロン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。
【００２９】
なお、本実施の形態では、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：ＣＲＣ−６０６１Ｃ、ＳｅｍｉｋｏｆｉｎｅＳＰ７４０、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。
【００３０】
工程（Ｅ）では、シリコンウエハ２４とシリコンウエハ３８とを、基板アライメント装置を用いて、ウエハ単位に設けられた位置合わせマーク４８を用いて、精密に位置合わせされ仮固定する。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。
【００３１】
なお、従来は図１１の工程（Ｄ）に示す、接着剤７０の転写工程が行われていた。本工程は、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。また、工程（Ｅ）で行われたシリコンウエハ同士の接合は（従来例）、仮固定されたウエハペアを真空加熱加圧装置にセットして、このウエハペアに約９．８×１０4Ｐａで加圧しながら、約２００℃で４時間加熱処理し、塗布した接着剤７０を硬化させることで接合することができる。本実施の形態では、工程（Ｄ）は不要である。
【００３２】
工程（Ｅ）での、位置合わせされ仮固定したシリコンウエハ２４とシリコンウエハ３８とを、接合する工程を、図３を参照しながら、接合手順について説明する。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の温度を上昇させる（図３▲１▼参照）。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３▲２▼参照）、ウエハペア５２に約１００Ｖの電圧を印加する（図３▲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る（図３▲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３▲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内を大気圧に開放する（図３▲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（図３▲６▼参照）、接合のための工程（Ｅ）は完了する。
【００３３】
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。
【００３４】
前述の工程により接合されたウエハペア５２は、ダイシング工程等によりＣｈｉｐ単位に切断・分離し、必要に応じて洗浄・検査等を実施し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。
【００３５】
本実施の形態によれば、接着剤を使用せず従来から保護膜として利用していた樹脂層４６を接合に用いるので、接着剤はみだしがなく、接合面に多少の凹凸があっても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、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。
【００３６】
なお、本実施の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、樹脂層の静電引力による変形量は、ガラスの変形量に比べて大きいので、接合界面での初期平坦性を余り高くしなくても、良好な接合均一性が得られ、かつ残留応力の少ない良好な接合基板が得られる。更には、ガラスの場合数百Ｖの高電圧を印加する必要があるが、本実施の形態では、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。
【００３７】
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。
【００３８】
なお、本実施の形態では、インクジェットヘッドの製造の際の基板間の接合に利用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に利用することができる。
【００３９】
また、本実施の形態における接合の原理は次の通りであると考えられる。
【００４０】
図８には、樹脂層４６を設けたシリコンウエハ２４と、それに接合するシリコンウエハ３８の間に電圧を印加した場合の電荷、電位、電界分布の模式例を示す。ここで例示している樹脂層４６の材料は、ポリイミドであり双極子型分極を示す材料であり、樹脂層４６内部には、移動可能なイオンの存在が確認できている。図８（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と考えられる。
【００４１】
したがって、本実施の形態における接合工程前に、接合基板の少なくとも接合面および樹脂層の接合表面の少なくとも１方を前処理工程により清浄化及び活性化しておけば、接着力および接合信頼性の向上を図ることができる。具体的な前処理としては、ＵＶ／Ｏ３洗浄やフッ酸処理、およびアルカリ溶液によるディップ処理等を用いることができるが、使用する基板と樹脂層材料により最適な工程を選択するのが好ましい。
【００４２】
[第２の実施の形態]
本実施の形態について、第１の実施の形態と同様の部分は省略し、異なる部分のみを説明する。
【００４３】
図４を参照しながら、シリコンウエハ２４とシリコンウエハ３８とを接合する手順について説明する（前述の工程（Ｅ）に対応する）。
【００４４】
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の温度を上昇させる。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ておく。（図４▲１▼）
接合装置１０内の圧力が１０-3ｍｂｒ未満に達し、ウエハペア５２の温度が所望温度（例えばは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４▲２▼）、その後ウエハペア５２に約４０Ｖ程度の電圧を印加する。（図４▲３▼）。
【００４５】
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る。（図４▲４▼）
温度が一定（例えば２００℃）以下となった時点で、印加電圧をオフにし（図４▲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する（図４▲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（図４▲７▼）、接合のための工程は完了する。
【００４６】
本実施の形態では、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℃程度に設定することもできる。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。
【００４７】
本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に良好な接合状態が得られた。
【００４８】
[第３の実施の形態]
本実施の形態についても前述の実施の形態と同様の部分については省略し、異なる部分のみを説明する。
【００４９】
本実施の形態は、前述の実施の形態の工程（Ｃ）で、接合前処理として実施したＣＭＰ工程等の樹脂層平坦化工程を省略し、かつ接合力の高い接合を実現するものである。
【００５０】
シリコンウエハ２４の電気−熱変換体３２が設けられている接合面側に、後に接合に用いる樹脂層４６が通常のＬＳＩ工程で形成される。樹脂層４６の形成方法は第１の実施の形態と同様であるが、ここでは、樹脂層４６形成の最終工程であるＣｕｒｅ工程において、樹脂層が完全硬化する温度以下でＣｕｒｅを実施する。例えば、通常４００℃でＣｕｒｅす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Ｃｕｒｅを実施する。これにより、樹脂層４６は殆ど硬度がなく且つＣｕｒｅによる凹凸の無い状態が得られる。
【００５１】
以下、本未硬化の樹脂層を設けたシリコンウエハ２４とシリコンウエハ３８との接合手順を、図５を参照しながら説明する。
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の温度を上昇させる（図５▲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く。（例えば、１００℃で約９．８×１０4Ｐａ、２００℃で１４．７×１０4Ｐａ、３００℃で１９．６×１０4Ｐａ、３５０℃で２４．５×１０4Ｐａ、（図５▲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、本実施の形態では樹脂層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、前述の第１および第２の実施の形態とは環境減圧カーブが異なる（図５のＣｈａｍｂｅｒＰｒｅｓｓｕｒｅ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）。
【００５２】
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１０‐3ｍｂｒ未満に達した時点で、ウエハペア５２間に電圧を印加する。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）を印加する（図５▲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以内で変動させる。
【００５３】
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（例えば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る。図５では、ウエハ環境圧力が１０-4ｍｂｒ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５▲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１０-4ｍｂｒ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。
【００５４】
温度が一定（例１００℃）以下となった時点で、印加電圧をオフし（図５▲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する（図５▲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（図５▲７▼）、接合のための工程は完了する。
【００５５】
なお、本実施の形態では、電源電圧を定電流電源としたが、第１、第２の実施の形態と同様に、同様に定電圧源とすることもできる。ただし、本実施の形態のように樹脂層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。
【００５６】
また、本実施の形態では電圧値が一定値以上、第１および第２の実施の形態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（本実施の形態）、電流低下（第１および第２の実施の形態）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１２）。
【００５７】
本実施の形態によれば、第１、第２の実施の形態と同様の効果が得られる。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、かつ接合力の高い接合を実現することができる。
【００５８】
図６に本実施の形態によって接合したインクジェットヘッドの流路断面図を示す。図６（ａ）（ｂ）はシリコンウエハに流路溝をリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）技術により形成したインクジェットヘッドの流路部断面であり、図６（ｃ）（ｄ）はシリコンウエハにＯＤＥ技術によりインク流路を形成したインクジェットヘッドの流路部断面である。素子基板２６とインク流路基板４０とが樹脂層４６を介して接合されているが、図６（ａ）（ｃ）はそれぞれ理想的に接合された場合を示す図であり、樹脂層４６がノズル部５６付近でも平坦に形成されている。一方、図６（ｂ）は、樹脂層４６の初期Ｇａｐが大きく、接合過程で樹脂の移動が過剰になされた例であり、静電引力の高い接合領域にノズル部５６のインク流路に対応する部分の樹脂層４６から樹脂材料の移動が観察できる。図６（ｄ）は、過剰な接合条件（熱、圧力）のためにインク流路内部に対応する部分の樹脂層４６が盛り上がっている状態である。
【００５９】
[第４の実施の形態]
本実施の形態についても、前述の実施の形態と同様の部分に付いては省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００６０】
図７（Ａ）は、本実施の形態における素子基板２６の平面図であり、図７（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を設けておき、好ましくは素子基板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ようにする。
【００６１】
なお、接合手順に付いては、前述の実施の形態（第１、第２、第３）いずれの手順で実施することも可能である。
【００６２】
本実施の形態に依れば、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により、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）差をなくすことができ、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。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に依れば、複数の基板間に樹脂材料を挟み、該複数の基板間に電圧を印加して該各々の基板を接合するので、低コストで良好な基板間の接合を実現することができる。
【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】 第１の実施の形態での接合条件を示す図である。
【図４】 第２の実施の形態での接合条件を示す図である。
【図５】 第３の実施の形態での接合条件を示す図である。
【図６】 接合完了後のインク流路部である。
【図７】 第４の実施の形態における素子基板である。
【図８】 本実施の形態の電子移動による接合状態を示す図である。
【図９】 従来型の接着剤を用いた場合のインク流路部の接合状態を示す図である。
【図１０】 インクジェットヘッドの断面図である。
【図１１】 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。
【図１２】 変形例での接合条件を示す図である。
【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
７０ 接着剤
Claims (14)
- 複数のシリコン基板間に樹脂材料を挟むと共に該複数のシリコン基板間に電圧を印加して該各々のシリコン基板を接合する基板接合方法。
- 前記電圧は、３５０Ｖ以下であることを特徴とする請求項１記載の基板接合方法。
- 前記電圧印加時に、前記複数のシリコン基板間に加圧することを特徴とする請求項１または請求項２記載の基板接合方法。
- 前記電圧印加時に、前記複数の基板の温度を２００℃以上にすることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の基板接合方法。
- 前記電圧印加時の前記複数のシリコン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請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の基板接合方法。
- 接合前の前記樹脂材料は未硬化の状態であり、接合と同時または接合後に完全硬化させることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の基板接合方法。
- 複数のシリコン基板間に樹脂材料を挟み、
複数のシリコン基板を加熱処理し、
前記複数のシリコン基板間を加圧処理し、
前記複数のシリコン基板間に電圧を印加し、
前記複数のシリコン基板間に流れる電流が一定以下になった後、または前記電圧印加から所定時間経過後に、前記複数のシリコン基板の温度を下げ始め、
前記複数のシリコン基板の温度低下後に前記電圧の印加および前記加圧を停止することを特徴とする基板接合方法。 - 前記複数のシリコン基板間への加圧処理は、前記複数のシリコン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を特徴とする請求項７に記載の基板接合方法。
- 前記複数のシリコン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を特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の基板接合方法。
- 接合前に前記複数のシリコン基板および前記樹脂材料の少なくとも一方の接合面が、清浄化処理および活性化処理されていることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の基板接合方法。
- 請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の基板接合方法により作製された接合体。
- 請求項１１記載の接合体により構成されることを特徴とするインクジェットヘッド。
- 前記接合体を構成する１対の基板のうちの、一方には微細な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請求項１２記載のインクジェットヘッド。
- 請求項１２または請求項１３記載のインクジェットヘッドを備えた画像形成装置。
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