JP4263779B2 - 基板の表面に粘着層を付着させるための方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、後続する基板の接着のために基板の上に均一な粘着性被覆を付着させる方法、特に、サーマルインクジェット印刷ヘッドを形成するために、ヒータプレートに接着されるチャンネルプレートの表面上に粘着性被覆を堆積させることに関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェット印刷ヘッドの構成部品のような構成要素を一緒に接着するための様々な先行技術の方法が知られている。
【０００３】
ドレーク他に付与された米国特許第４，６７８，５２９号は、可撓性基板上に比較的薄くて均一な接着剤の層をスピンコート或いはスプレイし、次いで、接着剤層を備えた可撓性基板の表面を印刷ヘッドの構成要素の表面に対して手動で置くことによりインクジェット印刷ヘッド構成要素を一緒に接着する方法を開示している。全ての同一平面の表面部分に接着剤が確実に接触するように一様な圧力と温度が印加され、次いで、可撓性基板が剥がされ、接着すべき表面の上に一様に薄い被覆を残す。印刷ヘッド部品の全てのランド或いは同一平面上の表面の上での接触を確実にするために、ローラ或いは真空ラミネーションを可撓性基板に適用することができる。
【０００４】
他の同様の方法は、機械的転写技術として特徴付けることができ、接着領域の縁の近くに過剰な量の接着用接着剤が残るという不都合がある。縁の回りの余分な接着剤は、隣接している機能領域の中へ、たとえば、接着する部品の一方がインクチャンネルプレートである時にはインクチャンネルの中へ、流れ込みがちである。更に不都合な点は、転写プロセスに固有の変動、たとえば、ニップ接触領域における不均一な圧力、転写機構（ローラ）の不適当なクリーニング等に起因する接着性の層の不均一性である。
【０００５】
有機材料の加工物の電気泳動的な付着を開示する他の先行技術の資料は、以下の特許である。
【０００６】
その開示がここに参考として組み込まれる米国特許第４，３９１，９３３号（スカラ他）は、約８から約２０パーセントの溶媒と、不連続相を形成するために溶媒に溶かされる約０．５から５パーセントのエポキシ樹脂と、連続相としての約７５から約９０％の沈殿剤と、化学量論的に過剰に約９００％までエポキシ樹脂上でエポキシ及び水酸基と化学量論的に反応するのに十分な量の乳化剤を含む乳濁液を開示している。導電性の加工物は、同じく乳濁液に浸漬される電極から約１／２から２インチ離して乳濁液内に置かれる。直流電流電位が加工物と電極の間に加工物を陽極として印加される。所望の厚さの被覆が加工物の上に堆積されるまで、約５０から約４００ボルトで、約２から約５０ミリアンペアが使用される。溶媒及び沈殿剤は、好ましくは、それぞれ、シクロヘキサノン、メチルエチルケトン或いはイソブチルケトンのようなケトンである。エポキシ樹脂は、好ましくは、約２０００から約１５，０００の平均分子量を有するビスフェノールＡエポキシ樹脂である。乳化剤は、好ましくはアミンである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、特に、インクジェット印刷ヘッドの組み立てにおいて使用される基板を一緒に接着することを改善するための方法を提供することである。
【０００８】
更なる目的は、接着される基板表面上に極めて均一な接着剤の被覆を形成することである。
【０００９】
他の目的は、接着領域に隣接する領域への接着剤の移動或いは流入を防止するために縁部が制御される非常に精密な寸法の接着剤の被覆を形成することである。
【００１０】
また更なる目的は、多岐にわたる接着剤で達成することができる接着を可能にすることである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のこれらの目的及び他の目的は、基板の選択された領域上に接着剤を堆積させる電気泳動法によって実現される。接着される基板は、基板表面の一部に、以前に堆積された露出された金属層を残す製造技術により処理される。露出された金属は縁部でエッチングにより取り去られ、接着剤が付着されるその領域の中心において非露出金属層のみが残される。全ての非露出金属層のストリップは、共同部分経由で接続される。基板は、電気泳動浴内に置かれる。浴は、コロイド状の乳濁液として形成される重合体の接着剤から成る。エポキシ樹脂を使用する一つの例においては、陰極はコンテナ自体であり、陽極は基板表面上に形成された共通の接続された金属パターンである。次いで、これらの二つの電極は印加された電界の影響の下に置かれ、接着剤溶液の負に帯電したミセルが陽極の上に堆積される。電界のパラメータと電着パラメータを制御することによって、接着剤の非常に均一な被覆が、金属の導電層の正確な領域のみに堆積される。このように、金属層に隣接している領域の中への接着剤の流れ込みはない。原理的には、電着のコロイド状の乳濁液を形成するあらゆる重合体の接着剤を使用することができる。
【００１２】
更に詳細には、本発明は、インクジェット印刷装置において使用される印刷ヘッドを製造するための方法であって、
（ａ）それぞれ第１及び第２の平行な表面を有する第１及び第２のシリコン基板を清浄化するステップと、
（ｂ）第１及び第２のシリコン基板の表面上に絶縁材料の層を堆積するステップと、
（ｃ）前記第２のシリコン基板の第１の表面上に導電層を堆積するステップと、
（ｄ）第１のシリコン基板の第１の表面上に加熱素子として使用される抵抗性材料のアレイを形成すると共に、電流パルスで各加熱素子の個別のアドレスを可能とするために同じ基板の表面上に電極のパターンを形成するステップと、
（ｅ）第２のシリコン基板内の少なくとも一つの凹部のエッチングに依存した方向に少なくとも一つのバイアを製造するために、第２のシリコン基板の第２の表面上に絶縁層をフォトリソグラフ的にパターン形成するステップと、
（ｆ）第２のシリコン基板の第１の表面に、その一端が凹部と連通する複数の溝を形成するステップと、
（ｇ）共通に接続された導電パターンを製造するために導電層をパターン形成するステップと、
（ｈ）前記導電層のパターン上に重合体接着剤を電気泳動法で堆積するステップと、
（ｉ）第１及び第２のシリコン基板を、各溝がその内部に加熱素子を含むように、それらの第１の表面を互いに対向させて接触させた状態で整列させるステップと、
（ｊ）接着剤を硬化させ、第１及び第２のシリコン基板を一緒に接着し、凹部がインク供給マニホルドとして機能し、溝が毛細管現象で充填されるチャネルとして機能する印刷ヘッドを形成するステップと、
（ｋ）接着された第１及び第２のシリコン基板を切断し、凹部と連通するそれらの端部とは反対側の端部でそれぞれの溝を遮り、印刷ヘッドノズルとして機能する溝開口端部を形成するステップとを含む方法である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の接着剤堆積技術は、様々な接着目的のために使用することができる。一つの好適な実施態様においては、接着剤被覆は、サーマルインクジェット印刷ヘッドを形成するために、続いてヒータプレート或いは基板に接着される複数のチャンネルプレート或いは基板を製造するために使用されるシリコンウエハの領域の上に形成される。印刷ヘッドは、その内容がここに参考として組み込まれる米国再発行特許第３２，５７２号に開示された技術によって一般に形成される。この特許に説明されたチャンネルシリコンウエハを処理する、特に、接着剤が付着される適当な表面領域を形成するために使用される技術は、以下に説明された方法によって所定の基板表面領域の接着用接着剤を付着させるための改良された方法を提供するように修正される。
【００１４】
図１は、小滴放射ノズル１２のアレイを示す印刷ヘッド１０の前面部の拡大概略斜視図である。下側の電気的に絶縁された基板１４は、その表面１８の上にパターン形成された加熱素子（図示せず）及びアドレス電極１６を有し、上側の基板２０は、一つの方向に伸延して上側基板２０の前縁２２を貫通する平行な三角形の断面形状の溝を有する。溝の他方の端部は、図示されない共通の内部凹部と連通する。内部凹部の床部は、インク充填孔２６として使用される貫通する開口を有する。溝を有する上側基板の表面は、後で説明されるように、下側基板１４に整列されて接着されるので、複数の加熱素子のそれぞれが、溝及び下側基板によって形成される各々のチャンネル内に配置される。インクは、毛細管作用により、充填孔を通って凹部と下側基板によって形成されたマニホルドに入り、チャンネルを満たす。各々のノズルにおいてインクはメニスカスを形成し、その表面張力はインクがそこから漏れるのを防止する。下側基板１４の上のアドレス電極１６は、端子２８で終わる。
【００１５】
図２は、印刷ヘッド１０用の複数の上側基板２０を製造するのに使用される、二面が研磨された（１００）シリコンウエハ３０を示す。ウエハが化学的に清浄化された後、熱分解ＣＶＤシリコンチッ化物層３２、３３（図３参照）は、ウエハ３０の両側３４、３６に堆積される。これに加えて、導電性の金属、好適な実施態様においてはアルミニウムの層３８が、シリコンチッ化物層３３の上に堆積される。慣用のフォトリソグラフ技術を使用して、複数の上側基板２０の各々の充填孔２６のための一つのバイア（ｖｉａ）と、所定位置の整列隙間４０のための少なくとも二つのバイア（ｖｉａ）が、一方のウエハ側部３６に、すなわち、図２に示された側と反対側に、印刷される。シリコンチッ化物とアルミニウムは、プラズマエッチングされ充填孔と整列隙間を表すパターン形成されたバイア（ｖｉａ）が形成される。カリウム水酸化物（ＫＯＨ）による異方性エッチングを利用して、充填孔と整列隙間をエッチングする。
【００１６】
次に、ウエハ３０の側部３６は、基準として以前にエッチングされた整列孔を使用してフォトリソグラフ的にパターン形成され、最終的に印刷ヘッドのインクマニホルドになる比較的大きな長方形の凹部４５が形成される。同様に、各々の基板２０の間で、マニホルドの凹部の短い壁５１の各々に隣接して二つの凹部４６もパターン形成される。各々の長いマニホルド凹部壁５２に平行で隣接している平行な細長い溝５３は、ウエハ表面３４の全体を横切って、隣接している基板２０のマニホルド凹部の間に伸延する。マニホルド凹部の輪郭を規定する壁の頂部４７は、金属層３８によって覆われたシリコン層をまだ含み、その上に接着剤がウエハ３０を接着するために均一な層の形態で堆積されることになる元のウエハ表面３４の一部である。細長い溝５３と凹部４６は、後述する接着プロセスの間に、印刷ヘッド電極端子のための隙間を提供する。各々のマニホルドのマニホルド凹部壁５２の一つは、インクチャンネルとして機能する溝４８を後で含むことになる。ＫＯＨ溶液による異方性エッチングが凹部４５を製造するために使用されるが、表面パターンのサイズの故に、エッチングプロセスはエッチングが凹部の所定の深さで止まるように時間が定められなければならない。そうでない場合には、パターンサイズが非常に大きいので、腐食液が、ウエハを完全に貫通してエッチングしてしまうことになる。マニホルド凹部４５の床部４５ａは、エッチングプロセスが停止される深さに決定される。この床部４５ａは、充填孔の頂上４３の深さに一致するか、或いは、わずかに上回るように十分に低いので、開口はインク充填孔２６として使用に適しているように製造される。
【００１７】
平行な溝４８（図４）は、当該技術分野で周知の任意のダイシング装置により、所定の凹部壁５２に切断される。各々の溝４８は長さが約２０ミルであり、深さと幅が約１ミルである。溝は、平面ストリート４７によって分離される。溝の軸の中心線間の直線間隔は、約３ミルである。ストリート４７は金属層３８により覆われており、接着表面を構成する。接着剤の被覆はここに記述された電気泳動法による堆積プロセスによって層３８に付着される。
上述のように、ストリート４７は金属（アルミニウム）表面層３８を有し、その金属表面層は接着剤が付着される接着表面として使用され、その後ヒータプレートにチャンネルプレートを接着させて印刷ヘッド１０が形成される。ストリート４７は、金属層３８の露出部分として残すことができる共通のストリップへ接続される。図５を参照すると、重合体接着剤のコロイド状乳濁液６２が、容器６４の中に含まれている。ウエハ３０は、ストリート４７を有する側部３４が完全に浸漬されるように溶液６２の中へ下ろされる。電気泳動浴は、第２の電極を形成する共通に接続したストリート４７で選択された重合体接着剤に依存して、陽極または陰極のいずれか一方として選択された容器で形成される。次いで、二つの電極はＤＣ電源６５に接続される。印加された電界の影響の下で、帯電された重合体ミセルは、各々のストリートを被覆するアルミニウム層の上に移動して堆積する。このタイプの堆積に必要な電流は、１ミリアンペア（ｍＡ）以下のオーダーである。一般に、電流が少なければ少ないほど、堆積される被覆が均一になる。電界は約３０±２５秒印加され、１〜２ミクロンの被覆７０が形成される。次いで、ウエハ３０は浴から取り除かれ、複数のヒータプレートを含むウエハと整列され、米国再発行特許第３２，５７２号に更に詳細に説明されているようにして、ウエハに接着される。次いで、接着された基板は複数の印刷ヘッド１０に分離される。
【００１８】
上述した電気泳動法による被覆は室温で行われ、電界強度の制御に依存して非常に正確な堆積を提供し、広範囲の接着剤を使用することができる。適当な重合体接着剤として、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリアミド−イミド、エポキシ樹脂、クロロメチル化ポリアリーレンエーテルケトンやアクリロイル化ポリアリーレンエーテルケトン及びそれらの混合物のようなポリアリーレンエーテルケトン、前成型されたポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリスチレン及びこれと同様なもの、クロロメチル化ポリエーテルスルホン、アクリロイル化ポリエーテルスルホンがある。
【００１９】
パターン形成ステップは、導電性パターン縁の比較的正確な境界を提供し、接着剤は、縁までしか堆積されず、接着ステップが実行されたときに基板の隣接する領域に流れ込むことはない。より正確さを増すために、金属パターンの縁を取り去って接着パターンの中央部分のみを残すための第２のフォトリソグラフ的なパターン形成ステップを行なうことができる。
【００２０】
【実施例】
例Ｉ
要求された形状構造を有するチャンネルウエハ３０は、真空蒸着によってアルミニウムでストリート４７及び３８の上にメタライズされ、次いで、エポキシ樹脂の薄い被覆が、非水溶性のコロイド状乳濁液からのエポキシ樹脂の電気泳動法による堆積によって３８及び４７の上に１ミクロン厚の被覆として形成される。この特定の実施態様においては、エポキシ樹脂（Ｓｈｅｌｌ Ｅｐｏｎ １００９、２グラム）、トリエチレンテトラアミン（Ａｌｄｒｉｃｈ、２グラム）、及びシクロヘキサノン（４０ｍＬ）が８５°Ｃで４時間加熱され、溶液は赤変した。追加の４０ｍＬのシクロヘキサノンが添加され、溶液は２５°Ｃまで冷却された。次いで、結果として生じた溶液はメチルイソブチルケトン（２８０ｍＬ）に添加され、陰極として機能するステンレス鋼製ビーカー内で磁気攪拌された。このようにしてコロイド状の乳濁液が形成された。追加の５６０ｍＬのシクロヘキサノンが添加された。メタライズされたウエハは、１０秒間印加された２５ボルトの電界に下で乳濁液に浸漬される。アルミニウム表面３８にエポキシ樹脂フィルムの表面被覆が形成された。風乾後に、エポキシ樹脂で被覆されたウエハは炉で１５分間５０度で加熱されて、「Ｂ」段階に硬化され、１ミクロン厚になった。その後、メタライズされたチャンネルウエハとアルミニウム表面３８上のエポキシ被覆は、ヒータウエハに一致させられて接着され、１分当たり１０°Ｃで１５０°Ｃまで加熱され、ヒータとチャンネルウエハを永久的に接着する。接着されたチャネルとヒータウエハを個々の印刷ヘッドにダイシングした後、印刷ヘッドはインクに浸漬され、長時間にわたって５０°Ｃの炉内に放置される。次いで、印刷ヘッドは、インク浴から定期的に引き上げられ、部品からインクを取り除くために、脱イオン水の自由流で洗浄され、次いで、インクによる被覆上の侵食の証拠について顕微鏡で注意深く検査された。アルミニウム表面３８上のエポキシ樹脂接着はこのようにして、７．５重量パーセントのＢＡＳＦ Ｂａｓ ａｃｉｄ（Ｂｌａｃｋ Ｘ−３４染料）、１０．５重量パーセントのスルホン酸塩、１５重量パーセントのイミダゾール、１重量パーセントのイミダゾール塩化水素酸塩、６６重量パーセントの水からなるアルカリインク内に５０°Ｃで１０日間置いて試験された。この期間の後で、被覆はインクによる影響を全く受けなかった。「Ｙ」硬化可能なメタ−フェニレンジアミンを、前述の式のトリエチレンテトラアミンの代わりに用いてもよい。
【００２１】
陽極堆積は、電界極性が逆で正に帯電したミセル粒子が陰極堆積プロセスにおいてメタライズされたウエハの上で堆積されるポリアリーレンエーテルケトンを除いて、上に列記した大多数の重合体の粘着性材料に適していることが判っている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ヒータ基板をチャンネル基板に接着することによって形成された印刷ヘッドの拡大斜視図である。
【図２】 拡大されて示された一つのマニホルドと一つの整列開口を備えた、複数のインクマニホルド凹部を有するウエハの概略平面図である。
【図３】 整列開口と後で充填孔を形成することになる凹部を示す、「Ｃ−Ｃ」線に沿って見た図２のウエハの拡大断面図である。
【図４】 後で図２のマニホルド凹部壁の一つにダイシングされる一組のチャンネルの拡大斜視図である。
【図５】 コロイド状の接着剤の乳濁液を含む電気泳動浴内に置かれる図３のウエハの斜視図を示す。
【符号の説明】
１０ 印刷ヘッド
１２ 小滴放射ノズル
１４ 下側基板
１６ アドレス電極
１８ 表面
２０ 上側基板
２２ 前縁
２６ インク充填孔
２８ 端子
３０ シリコンウエハ
３２，３３ シリコン窒化物層
３４ ウエハ表面
３６ 一方のウエハ側部
３８ アルミニウムの層
４０ 整列隙間
４５ 長方形の凹部
４５ａ 床部
４６ マニホルドの凹部
４７ 頂部（平面ストリート）
４８ 溝
５１ 短い壁
５２ マニホルド凹部壁
５３ 細長い溝
６２ 乳濁液
６４ 容器
６５ ＤＣ電源
７０ 被覆

Claims (1)

1. インクジェット印刷装置において使用される印刷ヘッドを製造するための方法であって、
   （ａ）それぞれ第１及び第２の平行な表面を有する第１及び第２のシリコン基板を清浄化するステップと、
   （ｂ）第１及び第２のシリコン基板の表面上に絶縁材料の層を堆積するステップと、
   （ｃ）前記第２のシリコン基板の第１の表面上に導電層を堆積するステップと、
   （ｄ）第１のシリコン基板の第１の表面上に加熱素子として使用される抵抗性材料のアレイを形成すると共に、電流パルスで各加熱素子の個別のアドレスを可能とするために同じ基板の表面上に電極のパターンを形成するステップと、
   （ｅ）第２のシリコン基板内の少なくとも一つの凹部のエッチングに依存した方向に少なくとも一つのバイアを製造するために、第２のシリコン基板の第２の表面上に絶縁層をフォトリソグラフ的にパターン形成するステップと、
   （ｆ）第２のシリコン基板の第１の表面に、その一端が凹部と連通する複数の溝を形成するステップと、
   （ｇ）共通に接続された導電パターンを製造するために導電層をパターン形成するステップと、
   （ｈ）前記導電層のパターン上に重合体接着剤を電気泳動法で堆積するステップと、
   （ｉ）第１及び第２のシリコン基板を、各溝がその内部に加熱素子を含むように、それらの第１の表面を互いに対向させて接触させた状態で整列させるステップと、
   （ｊ）接着剤を硬化させ、第１及び第２のシリコン基板を一緒に接着し、凹部がインク供給マニホルドとして機能し、溝が毛細管現象で充填されるチャネルとして機能する印刷ヘッドを形成するステップと、
   （ｋ）接着された第１及び第２のシリコン基板を切断し、凹部と連通するそれらの端部とは反対側の端部でそれぞれの溝を遮り、印刷ヘッドノズルとして機能する溝開口端部を形成するステップと
   を含む方法。

Images