JP4934952B2 - 薄膜形成基板の接合装置および接着方法 - Google Patents

Description

本発明は、微小位置決め用のマイクロアクチュエータや微小プローブ、圧電センサーとして用いる圧電デバイスの薄膜圧電体形成基板、および液晶デバイス用のガラス基板や光ディスク基板など、複数枚の基板を重ね合わせて接合する接合装置に関する。より具体的には薄膜形成基板を樹脂を用いて接合する設備及び製造方法であり、貼り合わせ面の密着性の改良に関する。

近年、半導体技術の進歩とともに半導体製造技術により超小型のマイクロマシンを実現しようとする努力がなされており、半導体を機械的構造体として用いた半導体圧力センサー、圧電体薄膜を用いた加速度センサーや超音波センサー、マイクロアクチュエータ等の機械的電気素子（マイクロメカニクス）が脚光を浴びている。このような素子により小型で高精度の機械機構部品を実現することができ、しかも半導体プロセスを用いることでその生産性も大幅に改善できる。特に、圧電体素子を用いたマイクロアクチュエータはインクジェットプリンタのインク吐出用や磁気ディスク記録再生装置のヘッドスライダの微小位置決め用アクチュエータ、また走査型トンネル顕微鏡用カンチレバー型微小プローブなどに応用されている。

ところで、これらデバイスの多くの場合、機械的変位量を増大する目的や、材料の残留応力の緩和を目的に材料の多層化が図られており、薄膜形成基板などの接着、接合プロセスが重要になっている。

例えば、特許文献１では、走査型トンネル顕微鏡のカンチレバー型の微小プローブにおいて、複数の電極及び圧電体膜を形成した基板を接着剤を用いて貼りあわせ、中心対称に配置し上下層の残留膜応力の緩和を行い、信頼性、安定性の向上が図られているし、また、特許文献２では、小型で、低電圧で駆動でき、しかも変位量が大きい薄膜積層型アクチュエータおよびその製造方法が示されている。すなわち、酸化マグネシウム、チタン酸ストロンチウム、あるいはサファイヤ等の単結晶基板上に、白金、アルミニウム、金、または銀等の電極層と、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸ジルコン酸ランタン酸鉛（ＰＬＺＴ）等の圧電材料からなる圧電層、さらに上記と同様な材料の電極層とを形成する。この膜上にガラスまたはシリコンから構成される接合層とを形成して、圧電部材を作製する。次に、陽極接合法により圧電部材同士を接合層を介して接合する工程と、その後さらに積層する側の基板を研磨等により除去して露出した電極層上に接合層を形成する工程と、この接合層と別の圧電部材の接合層とを上述したような手順で接合し、再び基板を除去する工程とを繰り返すことで複数層に積層した積層体を形成する。この後、この積層体中の内層電極を交互に両側から取り出すことで積層型アクチュエータを実現している。

この製造方法においては、基板の除去は研磨後にエッチング処理して残留部分が生じないようにしているし、また圧電部材同士の接合方法としては、陽極接合法だけでなく、表面活性化接合法や接着剤接合法を用いてもよいことが示されている。

一方、接合装置としても各種装置が検討されており、特許文献３では真空環境での接合方法によりシートフィルムの密着性改善と生産性向上が示されている。すなわち真空容器内に液晶の封入を完了した液晶セル用ガラス基板と接着用シートフィルムが露出した偏光板を平行に対向させて、互いに接着面と反対側の面を吸着固定し待機させる。真空容器内をポンプにて減圧を行い所定の真空圧力環境を得た後にガラス基板側のバックアップ板を上昇させ、ガラス基板と偏向板とを加圧接着を行うことで貼り合わせ面に気泡が介在することを防止し歩留まりと生産性の向上が図られている。
特開平５−３２５２７４号公報 特開平８−８８４１９号公報 特開２００３−１３１２１１号公報

しかしながら、特許文献１では接合方法について具体的に示されておらず、また特許文献２では積層対中の内装電極を交互に両側から取り出す構成であるため、基板面に対して垂直方向の変位を生じる構成となる。圧電部材の接合方法としての陽極接合方法では１０００Ｖの高電圧印加と４００℃の高温加熱が必要であり、量産性に課題がある。また一方接着剤接合法については具体的示されていない。さらに特許文献３で示されている接合装置では、数十μｍから数百μｍの厚みを持ったシートフィルムの接合方法であり、薄膜セラミックデバイスなどの基板接合には適さない。具体的には、例えば機械的電気素子により数μｍオーダーの機械的変位特性を得る薄膜圧電デバイスや、薄膜静電デバイス、薄膜焦電デバイスなどの機能薄膜を形成した基板の接合には、変位効率低下の観点から、その接合層厚みは許容できないものであり、低消費電力の観点からより大きな電気機械変換効率を得るために、数μｍ程度の極薄い接合層を用いることが要求される。このため、薄膜セラミックデバイス用基板の接合を、数μｍオーダーの接合層を均一に且つ気泡などの、ボイドを発生させずに、広面積を高歩留まり高信頼性で生産性の良いプロセスが要求される。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、薄膜形成を行った複数の基板を、貼り合わせ面に気泡が介在することなく、１０μｍ以下の接合層を高歩留まりで高信頼性且つ、量産性に優れた薄膜セラミックデバイス用の薄膜形成基板の接合方法と接合装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の接着基板の作製方法は、基板ステージに接着基板を挿入した際に、前記接着基板表面と前記基板ステージ表面とが略同一面になる凹部を中心に具備した前記基板ステージと、前記基板ステージ表面に対して水平駆動する機構とを具備する基板ステージユニットと、前記基板ステージ表面に対して鉛直方向に配置する加圧接触子と、前記加圧接触子を保持しながら前記基板ステージに鉛直方向に荷重印加を行うばね機構と、前記ばね機構を保持するガイド機構と、を具備する第一ユニットと、前記第一ユニットを前記基板ステージに鉛直方向にスライド移動するスライド機構と、前記第一ユニットを前記基板ステージに鉛直方向に加圧を行う加圧機構とを具備する第二ユニットと、前記第一ユニット及び第二ユニットを前記基板ステージ表面に対して水平移動を行うためのスライド機構を具備する第三ユニットと、を少なくとも備えた薄膜形成基板の接合装置において、前記接着基板を作製する方法であって、所望の薄膜を基板に形成する第１工程と、前記基板に接着層を形成する第２工程と、２枚以上の前記基板の前記接着層の形成面同士を当接し、仮接合基板を作製する第３工程と、前記仮接合基板中央付近から前記仮接合基板外周部にかけてスパイラル状に加圧軌跡を描く加圧方法を用いて、前記仮接合基板を接合面とは反対側の面から押圧し接着基板を作製する第４工程と、前記接着基板を熱処理する第５工程とを少なくとも備えた構成からなる。

この接合方法により、接合を目的とする重ねあわされた２枚の薄膜形成基板の基板中央部から基板外周部にかけて、同心円の円弧状に順次融和することで、接着層界面に気泡が挟まり残留するのを防止し、薄膜圧電体素子の歩留まり及び信頼性の向上を図ることが可能になるという大きな効果を奏する。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施の形態）
図１、図２は本発明の接合装置の構成の一例を示したものである。図ａ）は第一の加圧設定を行う第一ユニットＡ１０１を示す。第一ユニットの構成は第一加圧設定ねじ０００１と加圧ばね０００２と加圧軸０００３とをスライドブロック０００４で受ける構成とし、スライドブロック０００４は加圧ガイド０００５に固定されている。この構成により、加圧ねじ０００１の押し込み長により、加圧ばね０００２のばね定数に対応したばね荷重が、加圧軸０００３に印加される。加圧軸０００３の先端に、加圧接触子である自在回転球０００６を固定することで、前記ばね荷重が自在回転球０００６に伝達される構成をとる。例えば一例として加圧ばね０００２のばね定数が１ｋｇｆ／ｍｍとし、加圧ねじ０００１を４ｍｍ長押し込むことで前記自在回転球には４ｋｇｆの荷重が印加されることとなる。またスライドブロック０００４には加圧軸０００３と平行な通し穴が施されている。これは後述する図１のｂ）で示す垂直ガイドポール０００８を挿入する通し穴である。次に第二の加圧設定を行う第二ユニットＡ１０２を図１のｂ）に示す。ガイドブロック０００９にはガイドブロックのガイド面００１０に平行に位置する垂直ガイドポール０００８を固定し、同じくガイドブロックのガイド面００１０に平行な第二加圧設定ねじ部０００７をねじ込む構成である。図１のｃ）は上記第一ユニットと第二ユニットの組図Ａ１０４（側面図）である。まず第一ユニットＡ１０１のスライドブロック０００４に施された通し穴にガイドブロック０００９に固定された垂直ガイドポール０００８を挿入する。この構成により、第一ユニットにおいて予め設定された荷重に加えて、加圧軸０００３の先端に固定された加圧接触子である自在回転球０００６を接合を行う重なり合わされた２枚の基板表面（薄膜形成面から見れば裏面側）に当接し、第二ユニットＡ１０２の第二加圧設定ねじ０００７を締め込み、第一ユニットのスライドブロック０００４に押圧することで、全加圧設定が可能となる。例えば一例として、第一ユニットＡ１０１において加圧ばね０００２のばね定数が１ｋｇｆ／ｍｍとし、加圧ねじ０００１を４ｍｍ長押し込むことで前記自在回転球０００６には４ｋｇｆの荷重が印加されることとなり、第二ユニットＡ１０２の第二加圧設定ねじ０００７の１ｍｍ長押し込むことで総合荷重は５ｋｇｆとなる。次に第一ユニットＡ１０１および第二ユニットＡ１０２を接合基板表面と平行に移動させる第三ユニットを図２のｄ）に示す。ｄ）−１が側面図、ｄ）−２が正面図である。構成の一例として、水平スライドガイドのガイド面００１３に平行になるように水平ガイドポールを配置させ、水平スライドガイドのガイド面００１３に平行な水平スライドねじ部００１０をねじ込む構成である。図ｄ）では水平ガイドポールは２本設定であるが、必ずしも２本である必要はないことは言うまでも無い。また基板ステージユニットＡ１０５を図２のｅ）に示す。ｅ）−１が平面図、ｅ）−２が側面図である。構成の一例として、本体ベース００１９のベース面に平行に基板ステージ００１５と軸受け００１６を配置する。本体ベース００１９内に回転動力部００１８と動力伝達部００１７配置させ、図ｅ）−２のように動力伝達部００１７を基板ステージ００１５の平面中心位置に連結させ、本体ベース００１９に平行に基板ステージ００１５を回転駆動するよう構成する。また基板ステージ００１５には２層化基板挿入部００１４が基板ステージ００１５の平面中心に配置されている。この基板挿入部００１４は２層化用基板を挿入した際に、基板ステージ００１５の表面と略同一面になるような凹部形状を取っている。基板挿入部００１４は２層化用基板の挿入、取り出しを考慮し、又基板の大きさ較差を考慮し０．５ｍｍ程度の隙間を設けても良い。以上のような第一ユニットＡ１０１、第二ユニットＡ１０２、第三ユニットＡ１０３及び基板ステージユニットの組図の一例を図３のｆ）に示す。ｆ）−１は側面図、ｆ）−２は正面図、ｆ）−３は平面図である。薄膜形成基板の接合装置Ａ１の構成の一例を以下に示す。第一ユニットＡ１０１と第二ユニットＡ１０２の組図Ａ１０４の構成の、第二ユニットＡ１０２のガイドブロック０００９に施した水平ガイドポール穴００１１に第三ユニットＡ１０３の水平ガイドポール００１０を挿入する。第一ユニットＡ１０１の自由落下防止に第一ユニットＡ１０１のスライドブロック０００４の側面にストッパー００１３施し、第二ユニットＡ１０２の垂直ガイドポール０００８を押圧して仮固定しても良い。次に第三ユニットＡ１０３を図ｆ）−１及びｆ）−２に示すように基板ステージユニットＡ１０５に固定する。

次に薄膜形成基板２枚の接合の例を以下に示す。図４は薄膜形成基板に接着層を形成した２枚の基板を仮接合するまでの様子を示す。図４のｇ）は薄膜形成用基板００２０に薄膜００２１を形成し薄膜形成基板Ｂ００１を作製する。この場合の薄膜は圧電体薄膜でも静電体薄膜でもその他の薄膜でも何でも良い。また前記薄膜の上下に電極膜などを配しても一向に差し支えないのは言うまでも無い。図４のｈ）は薄膜形成基板Ｂ００１に接着層００２２を形成した図である。接着層００２２を形成するまでのプロセスの一例を以下に示す。薄膜形成用基板００２０に薄膜００２１を３μｍ厚程度形成し薄膜形成基板Ｂ００１を作製する。薄膜形成基板Ｂ００１上に接着樹脂層をスピンコート法などで１．５〜２．０μｍ程度塗布形成し、樹脂内部の溶媒を接合前に予め除去するための適当な温度条件によりプリベークを行う。プリベーク温度に特に制限はないが、例えば接着層を半永久的に残存させる場合において、新日鉄化学社製の耐熱ネガレジストＶ２５９Ｐａを使用した場合、１５０℃設定のホットプレートで１分程度加熱を行うと良い。この場合の接着樹脂は溶媒を含む樹脂でスピンコートが可能であれば特に制限はない。プロセス上の途中工程で使用する仮固定樹脂や、半永久的にデバイスに残存する樹脂などその目的に応じて選定することは言うまでも無い。また接着樹脂をスピンコートする場合においては塗布基板の基板端部に樹脂の盛り上がりが発生し、仮接合を妨げる場合があるのでその場合は適宜、付着樹脂を除去するなどを行っても良い。またさらに付着樹脂の除去が困難な場合は、予め、薄膜形成用基板００２０に薄膜００２１を作製する際に、基板端部周辺に薄膜形成されない領域を作製することで特に付着樹脂を除去しなくても良いようにすることも一つの手段である。このようにして接着樹脂形成後基板Ｂ００２を作製する。次に接着樹脂形成後基板Ｂ００２を２枚作製し。接着層形成面同士を当接し仮接合を行い仮接合後基板Ｂ００３を作製する。（接合方法は図示せず）図４のＩ）に仮接合後基板Ｂ００３を示す。次に接合装置Ａ１による接合方法の一例を図５〜図６に示す。仮接合後基板Ｂ００３を基板ステージ００１５に施した基板挿入部００２４に挿入する。この様子を図５のＪ）に示す。前記基板挿入部００２４は仮接合後基板Ｂ００３を挿入した際に、仮接合後基板Ｂ００３の基板表面（接着樹脂層形成面から見れば裏面側）と基板ステージ００１５の表面とが略同一面になるようなう凹型の構造を備えるとより安定した接合が行える。凹型の深さの一例としては仮接合後基板Ｂ００３の接合後厚みに対して概略±０．０５ｍｍの段差較差におさめておくと接合有効面積を比較的大きくとることが可能となるばかりではなく、加圧接触子である自在回転球０００６が仮接合基板Ｂ００３から逸脱した場合に基板の欠け、割れ等の基板破損防止となる。

仮接合後基板Ｂ００３を基板挿入部００２４に挿入した様子を図５のｋ）に示す。次に第一ユニットＡ１０１で第一加圧設定の一例を図５のＬ）に示す。第一加圧設定ねじ部０００１を所望の加圧力が得られるように加圧ばね０００２を押し込む。例えば加圧ばね０００２がばね定数１ｋｇｆ／ｍｍとし、仮接合後基板Ｂ００３に加圧接触子である自在回転球０００６の先端に１０Ｋｇｆを印加するものとする。この場合に第一加圧設定ねじ部０００１を加圧ばね０００２を仮に９ｍｍ長押しつぶす（加圧ばね押し込み長００２５）ことで９ｋｇｆを印加したこととなる。次に仮接合後基板Ｂ００３に全加圧荷重１０ｋｇｆを印加する様子を図６のＭ）に示す。上記第一加圧設定を終えた第一ユニットをスライド移動させて、仮接合後基板表面に自在回転球０００６を当接する。つぎに、Ｍ）−１に示すように第二加圧設定ねじ部０００７をねじ込んで、第一ユニットＡ１０１のスライドブロック０００４を押圧する。第一加圧設定ねじ部０００１により９ｋｇｆを事前に印加されているとして、第二加圧設定ねじ部０００７により、加圧ばね０００２を更に１ｍｍ長押し込むことでトータル１０ｋｇｆの荷重が仮接合後基板表面に当接する自在回転球０００６接触投影面積に印加される。上記は加圧設定の一例であり、第一加圧設定、第二加圧設定は任意に行ってよい。このように２段階の加圧方式を用いることで、第一ユニットＡ１０１の加圧接触子である自在回転球０００６を仮接合後基板表面に当接してからの、第二加圧設定ねじ部０００７の押し込み量を少なく設定することができ、特に、仮接合後基板Ｂ００３表面に大きな荷重を印加して連続して大量の接合する際に、生産性向上に大きく寄与する。以上の工程により仮接合後基板Ｂ００３表面に所望の圧力を印加することが可能になる。つぎに仮固定後基板Ｂ００３の接着層００２２ａと接着層００２２ｂとのより強固で且つ気泡やボイドの発生を防止しながら接合を行う様子を図６のＮ）に示す。図６のＮ）−１に示すように、基板ステージ００１５を１分間に１０回転程度の低速度で回転させながら、組み立てユニットＡ１０４を基板ステージの一回転につき１ｍｍ程度ずつ水平スライドねじ００１１を回転させることで、水平移動させる（水平スライド量００２７）。その結果、図６のＮ）−２に示すように、仮接合後基板Ｂ００３の平面中心を基点としてスパイラル状の加圧軌跡を描くこととなり（スパイラル状加圧軌跡イメージ００２８）仮接合時に接着層００２２ａと００２２ｂとの間に存在する微小な気泡やボイドを外周方向に押しのけながら接合が行われ、接着層００２２ａと００２２ｂの融和が進行し、図６のＮ）−３に示すように接着層００３０が得られ、本接合基板Ｂ００４が得られる。一例として、前述した半永久的に接着樹脂をデバイスに残存させる場合は、上記Ｂ００４をその後、温度設定２５０℃〜３００℃の環境に３０分〜６０分程度で本硬化熱処理を行うことで、耐溶剤性にも優れた接着層を得ることが出来る。

本発明に係る、薄膜形成基板の接合装置及び接合方法によって、圧電体薄膜や静電体薄膜などの電気機械変換素子の作製を安価で歩留りよく、生産性の優れた接合装置および接合方法を提供することに寄与する。

本発明の一実施形態における第一ユニットと第二ユニットの構成図 本発明の一実施形態における第三ユニットと基板ステージユニットの構成図 本発明の一実施形態における接合装置全体構成図 本発明の一実施形態における薄膜形成基板への接着層形成プロセス図 本発明の一実施形態における加圧プロセス説明図 本発明の実施の形態１における加圧プロセス説明図

符号の説明

０００１ 第一加熱設定ねじ部
０００２ 加圧ばね
０００３ 加圧軸
０００４ スライドブロック
０００５ 加圧ガイド
０００６ 自在回転球
０００７ 第二加圧設定ねじ部
０００８ 垂直ガイドポール
０００９ ガイドブロック
００１０ 水平ガイドポール
００１１ 水平スライドねじ
００１２ 水平ガイドブロックブロック
００１３ ストッパー
００１４ ２層化用基板
００１５ 基板ステージ
００１６ 軸受け
００１７ 動力伝達部
００１８ 回転動力部
００１９ 本体ベース
００２０ 薄膜形成用基板
００２１ 薄膜
００２２ 接着層
００２４ 基板挿入部
００２５ 加圧ばねの押し込み長１
００２６ 加圧ばねの押し込み長２
００２７ 水平スライド量
００２８ スパイラル状加圧軌跡イメージ
００３０ 接着層

Claims (4)

1. 基板ステージに接着基板を挿入した際に、前記接着基板表面と前記基板ステージ表面とが略同一面になる凹部を中心に具備した前記基板ステージと、前記基板ステージ表面に対して水平駆動する機構とを具備する基板ステージユニットと、
   前記基板ステージ表面に対して鉛直方向に配置する加圧接触子と、前記加圧接触子を保持しながら前記基板ステージに鉛直方向に荷重印加を行うばね機構と、前記ばね機構を保持するガイド機構と、を具備する第一ユニットと、
   前記第一ユニットを前記基板ステージに鉛直方向にスライド移動するスライド機構と、前記第一ユニットを前記基板ステージに鉛直方向に加圧を行う加圧機構とを具備する第二ユニットと、
   前記第一ユニット及び第二ユニットを前記基板ステージ表面に対して水平移動を行うためのスライド機構を具備する第三ユニットと、を少なくとも備えた薄膜形成基板の接合装置において、前記接着基板を作製する方法であって、
   所望の薄膜を基板に形成する第１工程と、
   前記基板に接着層を形成する第２工程と、
   ２枚以上の前記基板の前記接着層の形成面同士を当接し、仮接合基板を作製する第３工程と、
   前記仮接合基板中央付近から前記仮接合基板外周部にかけてスパイラル状に加圧軌跡を描く加圧方法を用いて、前記仮接合基板を接合面とは反対側の面から押圧し接着基板を作製する第４工程と、
   前記接着基板を熱処理する第５工程と、
   を少なくとも有することを特徴とする接着基板の作製方法。
2. 前記加圧接触子が自在回転球型であることを特徴とする請求項１記載の接着基板の作製方法。
3. 前記加圧接触子がローラー形状であることを特徴とする請求項１記載の接着基板の作製方法。
4. 前記基板ステージユニットが前記基板ステージ表面に対して水平且つ前記基板ステージ表面中心で回転を行う機構を具備することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の接着基板の作製方法。

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