JP2009172637A - 接合体の形成方法および接合体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の接合体の形成方法は、第1の基板(基材)21および第2の基板(基材)22上に、それぞれ、化学的気相成膜法を用いて、銅と有機成分とで構成され、前記銅の含有率が90at.%以上でかつ99at.%未満である接合膜31、32を形成する工程と、接合膜31、32同士が対向するようにして、第1の基板21および第2の基板22同士を接触させた状態で、第1の基板21および第2の基板22間に圧縮力を付与して、接合膜31、32同士を結着させることにより接合体を得る工程とを有するものである。
【選択図】図1
Description
接着剤は、一般的に、接合する部材の材質によらず、優れた接着性を示すものである。このため、種々の材料で構成された部材同士を、様々な組み合わせで接着することができる。
このように接着剤を用いて部材同士を接着する際には、液状またはペースト状の接着剤を接着面に塗布し、塗布された接着剤を介して部材同士を貼り合わせる。その後、熱または光の作用により接着剤を硬化(固化)させることにより、部材同士を接着する。
・接着強度が低い
・寸法精度が低い
・硬化時間が長いため、接着に長時間を要する
また、多くの場合、接着強度を高めるためにプライマーを用いる必要があり、そのためのコストと手間が接着工程の高コスト化・複雑化を招いている。
固体接合は、接着剤等の中間層が介在することなく、部材同士を直接接合する方法である(例えば、特許文献1参照)。
このような固体接合によれば、接着剤のような中間層を用いないので、寸法精度の高い接合体を得ることができる。
・接合される部材の材質に制約がある
・接合プロセスにおいて高温(例えば、700〜800℃程度)での熱処理を伴う
・接合プロセスにおける雰囲気が減圧雰囲気に限られる
このような問題を受け、接合に供される部材の材質によらず、部材同士を、高い寸法精度で強固に、かつ低温下で効率よく接合し得る接合体の形成方法が求められている。
さらに、かかる接合体の形成方法で得られた接合体は、環境問題の観点から、使用後の接合体をリサイクルに供することが求められるが、この接合体のリサイクル率を向上させるためには、各部材同士を効率よく剥離し得る接合体の形成方法で接合しておく必要がある。
本発明の接合体の形成方法は、第1の基材および第2の基材上に、それぞれ、化学的気相成膜法を用いて、銅と有機成分とで構成され、前記銅の含有率が原子比で90at.%以上でかつ99at.%未満である接合膜を形成する工程と、
前記接合膜同士が対向するようにして、前記第1の基材および第2の基材同士を接触させた状態で、前記第1の基材および第2の基材間に圧縮力を付与して、前記接合膜同士を結着させることにより接合体を得る工程とを有することを特徴とする。
これにより、被着体に対して、高い寸法精度で強固に、かつ低温下で効率よく接合することができるとともに、使用後にはこれら基材同士を効率よく剥離することができる接合体を形成することができる。
これにより、第1の基材および第2の基材に形成された各接合膜の表面同士が接触する接触面積の増大を図ることができる。
かかる範囲内に設定すれば、接合膜同士を確実に結着させることができる。
本発明の接合体の形成方法では、前記接合体を得る工程において、前記圧縮力を付与する時間は、5〜180分であることが好ましい。
かかる範囲内に設定すれば、接合膜同士を確実に結着させることができる。
これにより、結着する前の接合膜に加熱エネルギーが付与されて、各接合膜に圧縮力を付与することによる接合膜同士の結着がより円滑に行われることとなる。
本発明の接合体の形成方法では、前記接合膜を加熱する温度は、90〜200℃であることが好ましい。
これにより、第1の基材および第2の基材が熱によって変質・劣化するのを確実に防止しつつ、接合膜同士をより円滑に結着させることができる。
これにより、各基材上に設けられた接合膜同士が結着された接合膜を介して第1の基材と第2の基材とが接合された接合体を確実に得ることができる。
本発明の接合体の形成方法では、前記接合体を得る工程において、前記圧縮力の付与は、大気雰囲気中で行われることが好ましい。
これにより、雰囲気を制御することに手間やコストをかける必要がなくなり、圧縮力の付与をより簡単に行うことができる。
有機金属化学気相成膜法を用いれば、銅と有機成分とで構成され、膜中に含まれる銅の含有率が原子比で90at.%以上でかつ99at.%未満である接合膜を、膜を形成する際の条件を適宜設定するという比較的簡単な操作で確実に形成することができる。
有機金属材料として金属錯体を用いれば、接合膜を成膜する際の条件を適宜設定することにより、有機金属材料に含まれる有機物の一部を、接合膜を構成する有機成分として、所望の量で比較的容易に残存させることができる。
有機物の一部が、接合膜を構成する有機成分として残存すると、接合膜中に含まれる銅原子に活性サイトを確実に存在させることができ、その結果、接合膜同士の結着がより円滑に行われるようになると推察される。
本発明の接合体の形成方法では、前記接合膜の平均厚さは、1〜1000nmであることが好ましい。
これにより、第1の基材と第2の基材とが接合された接合体の寸法精度が著しく低下するのを防止しつつ、これらをより強固に接合することができる。
これにより、基材が撓み易くなり、基材は、対向する基材がたとえ応力等で変形したとしても、その変形した形状に沿って十分に変形可能なものとなるため、これらの密着性がより高くなる。また、基材が撓むことによって、接合界面に生じる応力を、ある程度緩和することができる。
これにより、表面処理を施さなくても、十分な接合強度が得られる。
本発明の接合体の形成方法では、前記第1の基材および第2の基材の前記接合膜を備える面には、あらかじめ、前記接合膜との密着性を高める表面処理が施されていることが好ましい。
これにより、各基材の表面を清浄化および活性化し、接合膜と各基材との接合強度を高めることができる。
本発明の接合体の形成方法では、前記表面処理は、プラズマ処理であることが好ましい。
これにより、接合膜を形成するために、各基材の表面を特に最適化することができる。
これにより、信頼性の高い接合体を形成することができる。
本発明の接合体の形成方法では、前記中間層は、酸化物系材料を主材料として構成されていることが好ましい。
これにより、各基材と接合膜との間の接合強度を特に高めることができる。
本発明の接合体は、本発明の接合体の形成方法により形成されたことを特徴とする。
これにより、第1の基材と第2の基材とが高い寸法精度で強固に接合してなる信頼性の高い接合体とすることができる。
まず、本発明の接合体の形成方法について説明する。
<接合体の形成方法>
本発明の接合体の形成方法は、第1の基材(部材)および第2の基材(部材)上に、それぞれ、化学的気相成膜法を用いて、銅と有機成分とで構成され、前記銅の含有率が原子比で90at.%以上でかつ99at.%未満である接合膜を形成する工程と、前記接合膜同士が対向するようにして、前記第1の基材および第2の基材同士を接触させた状態で、前記第1の基材および第2の基材同士に圧縮力を付与して、前記接合膜同士を結着させることにより接合体を得る工程とを有するものである。
かかる工程により、各基材に形成された接合膜同士を結着させることができ、この結着された接合膜により第1の基材および第2の基材が接合された接合体を得ることができる。
図1および図2は、本発明の接合体の形成方法を説明するための図(縦断面図)、図3は、銅と有機成分とで構成される接合膜を形成する際に用いられる成膜装置を模式的に示す縦断面図、図4は、接合膜同士が結着する際の温度と時間との関係を示したグラフである。なお、以下の説明では、図1、図2および図3中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
なお、以下の説明では、「第1の基板21および第2の基板22」を総称して「基板2」と言い、2つの「接合膜31、32」、および、2つの「接合膜31、32」が結着(一体化)したものを総称して「接合膜3」と言うこともある。
具体的には、基板2の構成材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA)等のポリオレフィン、環状ポリオレフィン、変性ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリカーボネート、ポリ−(4−メチルペンテン−1)、アイオノマー、アクリル系樹脂、ポリメチルメタクリレート、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体(ABS樹脂)、アクリロニトリル−スチレン共重合体(AS樹脂)、ブタジエン−スチレン共重合体、ポリオキシメチレン、ポリビニルアルコール(PVA)、エチレン−ビニルアルコール共重合体(EVOH)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリシクロヘキサンテレフタレート(PCT)等のポリエステル、ポリエーテル、ポリエーテルケトン(PEK)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルイミド、ポリアセタール(POM)、ポリフェニレンオキシド、変性ポリフェニレンオキシド、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、芳香族ポリエステル(液晶ポリマー)、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、その他フッ素系樹脂、スチレン系、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリブタジエン系、トランスポリイソプレン系、フッ素ゴム系、塩素化ポリエチレン系等の各種熱可塑性エラストマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、アラミド系樹脂、不飽和ポリエステル、シリコーン樹脂、ポリウレタン等、またはこれらを主とする共重合体、ブレンド体、ポリマーアロイ等の樹脂系材料、Fe、Ni、Co、Cr、Mn、Zn、Pt、Au、Ag、Cu、Pd、Al、W、Ti、V、Mo、Nb、Zr、Pr、Nd、Smのような金属、またはこれらの金属を含む合金、炭素鋼、ステンレス鋼、インジウム錫酸化物(ITO)、ガリウムヒ素のような金属系材料、単結晶シリコン、多結晶シリコン、非晶質シリコンのようなシリコン系材料、ケイ酸ガラス(石英ガラス)、ケイ酸アルカリガラス、ソーダ石灰ガラス、カリ石灰ガラス、鉛(アルカリ)ガラス、バリウムガラス、ホウケイ酸ガラスのようなガラス系材料、アルミナ、ジルコニア、フェライト、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化チタン、炭化ケイ素、炭化ホウ素、炭化チタン、炭化タングステンのようなセラミックス系材料、グラファイトのような炭素系材料、またはこれらの各材料の1種または2種以上を組み合わせた複合材料等が挙げられる。
また、基板(基材)2の形状は、接合膜3を支持する面を有するような形状であればよく、本実施形態のような板状のものに限定されない。すなわち、基材の形状は、例えば、塊状(ブロック状)や、棒状等であってもよい。
この場合、基板2の平均厚さは、特に限定されないが、0.01〜10mm程度であるのが好ましく、0.1〜3mm程度であるのがより好ましい。
かかる接合膜31、32は、ともに、化学的気相成膜法を用いて成膜されたものであり、その構成材料が銅と有機成分とで構成され、膜中に含まれる銅の含有率が原子比で90at.%以上でかつ99at.%未満となっているものである。このような接合膜31、32は、互いに接触した状態で、圧縮力が付与されると、これら接合膜31、32同士が結着(一体化)するものであることから、この結着した接合膜3を介して、第1の基板21および第2の基板22同士を高い寸法精度で強固に効率よく接合することができる。
かかる範囲内の銅および有機成分を含む構成とすることにより、後述するように、低温での接合膜31、32同士の結着を実現させることとができるとともに、第1の基板21および第2の基板22同士の接合膜3を介した接合を確実に高い寸法精度で強固に接合することができる。
具体的には、接合膜3は、抵抗率が1×10−3Ω・cm以下であるのが好ましく、1×10−6Ω・cm以下であるのがより好ましい。また、熱伝導率が50W・m−1・K−1以上であるのが好ましく、200W・m−1・K−1以上であるのがより好ましい。
まず、MOCVD法を用いて接合膜3を成膜する方法の説明に先立って、接合膜3を成膜する際に用いられる成膜装置200について説明する。
図3に示す成膜装置200は、有機金属化学気相成膜法による接合膜3の形成をチャンバー211内で行えるように構成されている。
また、基板ホルダー212の近傍には、それぞれ、これらを覆うことができるシャッター221が配設されている。このシャッター221は、基板2および接合膜3が不要な雰囲気等に曝されるのを防ぐためのものである。
なお、キャリアガスとしては、特に限定されず、例えば、窒素ガス、アルゴンガスおよびヘリウムガス等が好適に用いられる。
チャンバー211内を低還元性雰囲気下とするためのガスとしては、特に限定されないが、例えば、窒素ガスおよびヘリウム、アルゴン、キセノンのような希ガス等が挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
また、キャリアガスとして前述した窒素ガス、アルゴンガスおよびヘリウムガスのうちの少なくとも1種を用いる場合には、このキャリアガスに低還元性雰囲気下とするためのガスとしての機能をも発揮させることができる。
また、排気手段230は、ポンプ232と、ポンプ232とチャンバー211とを連通する排気ライン231と、排気ライン231の途中に設けられたバルブ233とで構成されており、チャンバー211内を所望の圧力に減圧し得るようになっている。
[1−1] まず、基板2を用意する。そして、この基板2を成膜装置200のチャンバー211内に搬入し、基板ホルダー212に装着(セット)する。
なお、基板21と基板22とは、基板ホルダー212に同時に装着して、それぞれの第1の基板21および第2の基板22上に、一括して接合膜31、32を成膜するようにしてもよいし、基板ホルダー212に別々に装着して、それぞれの第1の基板21および第2の基板22上に、分割して接合膜31、32を成膜するようにしてもよい。
そして、固形状の有機金属材料を貯留された貯留槽262が備える加熱手段を動作させることにより、有機金属材料を気化させた状態で、ポンプ264を動作させるとともに、バルブ263を開くことにより、気化または霧化した有機金属材料をキャリアガスとともにチャンバー211内に導入する。
以上のようにして、銅と有機成分とで構成され、膜中に含まれる銅の含有率が原子比で90at.%以上でかつ99at.%未満である接合膜3を基板2上に形成することができる。
すなわち、接合膜3の平均厚さが前記下限値を下回った場合は、十分な接合強度が得られないおそれがある。一方、接合膜3の平均厚さが前記上限値を上回った場合は、接合体5の寸法精度が著しく低下するおそれがある。
なお、上記のような形状追従性の程度は、接合膜3の厚さが厚いほど顕著になる。したがって、形状追従性を十分に確保するためには、前記範囲内で接合膜3の厚さをできるだけ厚くすればよい。
かかる表面処理としては、例えば、スパッタリング処理、ブラスト処理のような物理的表面処理、酸素プラズマ、窒素プラズマ等を用いたプラズマ処理、コロナ放電処理、エッチング処理、電子線照射処理、紫外線照射処理、オゾン暴露処理のような化学的表面処理、または、これらを組み合わせた処理等が挙げられる。このような処理を施すことにより、基板2の接合膜3を形成すべき領域を清浄化するとともに、該領域を活性化させることができる。これにより、接合膜3と基板2との接合強度を高めることができる。
なお、表面処理を施す基板2が、樹脂材料(高分子材料)で構成されている場合には、特に、コロナ放電処理、窒素プラズマ処理等が好適に用いられる。
また、基板2の構成材料によっては、上記のような表面処理を施さなくても、接合膜3との接合強度が十分に高くなるものがある。このような効果が得られる基板2の構成材料としては、例えば、前述したような各種金属系材料、各種シリコン系材料、各種ガラス系材料等を主材料とするものが挙げられる。
なお、この場合、基板2の全体が上記のような材料で構成されていなくてもよく、少なくとも接合膜3を形成すべき領域の表面付近が上記のような材料で構成されていればよい。
この中間層は、いかなる機能を有するものであってもよく、特に限定されるものではないが、例えば、接合膜3との密着性を高める機能、クッション性(緩衝機能)、応力集中を緩和する機能、接合膜3を成膜する際に接合膜3の膜成長を促進する機能(シード層)、接合膜3を保護する機能(バリア層)等を有するものが好ましい。このような中間層を介して基板2と接合膜3とを接合することになり、その結果、信頼性の高い接合体を得ることができる。
また、これらの各種材料で構成された中間層の中でも、酸化物系材料で構成された中間層によれば、基板2と接合膜3との間の接合強度を特に高めることができる。
また、固体接合では、接合膜を介していないため、第1の基板21および第2の基板22同士の間の熱膨張率に大きな差がある場合、その差に基づく応力が接合界面に集中し易く、剥離等が生じるおそれがあったが、接合体5では、結着された接合膜3により応力の集中が緩和されることから、剥離の発生を的確に抑制または防止することができる。
また、第1の基板21および第2の基板22の各熱膨張率が互いに異なる場合であっても、第1の基板21および第2の基板22に圧縮力を付与する際の条件を以下のように最適化するのが好ましい。これにより、第1の基板21および第2の基板22同士を、接合膜3を介して高い寸法精度で強固に接合することができる。
具体的には、第1の基板21および第2の基板22同士の熱膨張率の差にもよるが、第1の基板21および第2の基板22の温度が25〜50℃程度である状態下で、第1の基板21および第2の基板22同士を貼り合わせるのが好ましく、25〜40℃程度である状態下で貼り合わせるのがより好ましい。このような温度範囲であれば、第1の基板21および第2の基板22同士の熱膨張率の差がある程度大きくても、接合界面に発生する熱応力を十分に低減することができる。その結果、得られる接合体5における反りや剥離等の発生を確実に抑制または防止することができる。
さらに、第1の基板21および第2の基板22同士は、互いに剛性が異なっているのが好ましい。これにより、第1の基板21および第2の基板22同士をより強固に接合することができる。
さらに、圧縮力を付与する際には、接合膜31、32を加熱するのが好ましい。これにより、接合膜31、32の双方に加熱エネルギーが付与されて、接合膜31、32に圧縮力を付与することによる接合膜31、32同士の結着がより円滑に行われることとなる。
1/Y≧1.43×109exp[−6.60×10−2(100−X)−82×103/RT] …… 式1
かかる関係を満足させることにより、接合膜31、32同士を、より円滑に結着させることができ、結着された接合膜3により第1の基板21および第2の基板22同士が接合された接合体5をより確実に得ることができる。
すなわち、接合膜3中の銅の含有率が99at.%であるときの、第1の基板21および第2の基板22同士に付与する圧縮力の大きさを50[MPa]に設定した場合における、接合膜31、32同士が結着されるまでの圧縮力を付与する時間と、接合膜31、32を加熱する温度との関係を検討した。その結果、図4に示すような接合仮想曲線A上に位置するように、圧縮力を付与する時間および接合膜31、32を加熱する温度を設定することにより、接合膜31、32同士を結着させることができることが判ってきた。すなわち、圧縮力を付与する時間および接合膜31、32を加熱する温度が、図4中の●印のような位置となっているときに接合膜31、32同士が結着する。そのため、この接合仮想曲線Aを境界として接合領域と非接合領域とに分かれる、接合膜3中の銅の含有率が99at.%であるときの接合可能境界線Aであることが判ってきた。
なお、かかる検討において、第1の基板21と第2の基板22とが、接合膜3を介して接合されているか否かの判定は、第1の基板21および第2の基板22同士間で剥離が生じていない場合に、接合されていると判定することとした。
ここで、アレニウスの式は、速度定数をk、活性化エネルギーをEa、気体定数をR、頻度因子をAとしたとき、下記式2で表わされるため、かかる式に近似するように、接合仮想曲線A、Bをそれぞれカーブフィッティングしたところ、接合仮想曲線A、Bの活性化エネルギーEaを、ともに、82×103(J/mol)に近似し得ることが判った。
k=A・exp(−Ea/RT) ……式2
A=1.43×109exp[−6.60×10−2(100−X)] ……式3
1/Y≧1.43×109exp[−6.60×10−2(100−X)−82×103/RT] …… 式4
そのため、上記式1の関係を満足すれば、接合膜3中における銅の含有率C[at.%]が90at.%以上、99at.%未満の間で変化したとしても、圧縮力を付与する時間Y[分]および接合膜31、32を加熱する温度T[K]を接合領域に位置するように設定することができ、接合膜31、32同士を確実に結着し得る。
接合膜31、32同士に圧縮力を付与すると、まず、接合膜31、32の表面同士がより接近する。
ここで、本発明では、接合膜31、32は、前述したように、化学的気相成膜法を用いて成膜された、銅と有機成分とで構成される膜であり、膜中に有機成分が存在することに起因して、銅原子にダングリングボンド(未結合手)のような活性サイトがランダム(不規則)に存在していると推察される。
この結合は、各接合膜31、32が備えるダングリングボンドが互いに絡み合うように複雑に生じることから、接合界面にネットワーク状の結合が形成されるため、各接合膜31、32を構成する銅原子が互いに直接接合することとなり、接合膜31、32同士が結着するものと推察される。
すなわち、接合膜3中には、銅と有機成分とが含まれているが、この有機成分が多くなると、後述する接合体の剥離方法において、基板21、22毎に分別してリサイクルに供する際に、接合膜3に付与する剥離用エネルギーを小さくしても、この接合膜3内にへき開を生じさせることができ、接合体5のリサイクル率の向上を図ることができる。
剥離用エネルギーを付与する際の雰囲気は、雰囲気中に水分子が含まれていればよく、特に限定されないが、大気雰囲気であるのが好ましい。大気雰囲気であれば、特に装置を必要とせず、雰囲気中に十分な量の水分子が含まれていることから、接合膜3内にへき開を確実に生じさせることができる。
紫外線の波長は、好ましくは126〜300nm程度、より好ましくは126〜200nm程度とされる。
また、紫外線を照射する時間は、接合膜3内にへき開が生じる程度の時間に設定される。具体的には、紫外線の光量、接合膜3の構成材料等に応じて若干異なるものの、10〜180分程度であるのが好ましく、30〜60分程度であるのがより好ましい。
また、加熱時間は、接合膜3内にへき開が生じる程度の時間に設定される。具体的には、加熱する温度、接合膜3の構成材料等に応じて若干異なるものの、10〜180分程度であるのが好ましく、30〜60分程度であるのがより好ましい。
このような接合体の形成方法により接合される部材としては、例えば、トランジスタ、ダイオード、メモリのような半導体素子、水晶発振子のような圧電素子、反射鏡、光学レンズ、回折格子、光学フィルターのような光学素子、太陽電池のような光電変換素子、半導体基板とそれに搭載される半導体素子、絶縁性基板と配線または電極、インクジェット式記録ヘッド、マイクロリアクタ、マイクロミラーのようなMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)部品、圧力センサ、加速度センサのようなセンサ部品、半導体素子や電子部品のパッケージ部品、磁気記録媒体、光磁気記録媒体、光記録媒体のような記録媒体、液晶表示素子、有機EL素子、電気泳動表示素子のような表示素子用部品、燃料電池用部品等が挙げられる。
ここでは、本発明の接合体の形成方法により形成された接合体をインクジェット式記録ヘッドに適用した場合の実施形態について説明する。
図5は、本発明の接合体を適用して得られたインクジェット式記録ヘッド(液滴吐出ヘッド)を示す分解斜視図、図6は、図5に示すインクジェット式記録ヘッドの主要部の構成を示す断面図、図7は、図5に示すインクジェット式記録ヘッドを備えるインクジェットプリンタの実施形態を示す概略図である。なお、図5は、通常使用される状態とは、上下逆に示されている。
図7に示すインクジェットプリンタ9は、装置本体92を備えており、上部後方に記録用紙Pを設置するトレイ921と、下部前方に記録用紙Pを排出する排紙口922と、上部面に操作パネル97とが設けられている。
また、装置本体92の内部には、主に、往復動するヘッドユニット93を備える印刷装置(印刷手段)94と、記録用紙Pを1枚ずつ印刷装置94に送り込む給紙装置(給紙手段)95と、印刷装置94および給紙装置95を制御する制御部(制御手段)96とを有している。
印刷装置94は、ヘッドユニット93と、ヘッドユニット93の駆動源となるキャリッジモータ941と、キャリッジモータ941の回転を受けて、ヘッドユニット93を往復動させる往復動機構942とを備えている。
なお、インクカートリッジ931として、イエロー、シアン、マゼンタ、ブラック(黒)の4色のインクを充填したものを用いることにより、フルカラー印刷が可能となる。
キャリッジ932は、キャリッジガイド軸943に往復動自在に支持されるとともに、タイミングベルト944の一部に固定されている。
キャリッジモータ941の作動により、プーリを介してタイミングベルト944を正逆走行させると、キャリッジガイド軸943に案内されて、ヘッドユニット93が往復動する。そして、この往復動の際に、ヘッド10から適宜インクが吐出され、記録用紙Pへの印刷が行われる。
給紙ローラ952は、記録用紙Pの送り経路(記録用紙P)を挟んで上下に対向する従動ローラ952aと駆動ローラ952bとで構成され、駆動ローラ952bは給紙モータ951に連結されている。これにより、給紙ローラ952は、トレイ921に設置した多数枚の記録用紙Pを、印刷装置94に向かって1枚ずつ送り込めるようになっている。なお、トレイ921に代えて、記録用紙Pを収容する給紙カセットを着脱自在に装着し得るような構成であってもよい。
制御部96は、いずれも図示しないが、主に、各部を制御する制御プログラム等を記憶するメモリ、圧電素子(振動源)14を駆動して、インクの吐出タイミングを制御する圧電素子駆動回路、印刷装置94(キャリッジモータ941)を駆動する駆動回路、給紙装置95(給紙モータ951)を駆動する駆動回路、および、ホストコンピュータからの印刷データを入手する通信回路と、これらに電気的に接続され、各部での各種制御を行うCPUとを備えている。
また、CPUには、例えば、インクカートリッジ931のインク残量、ヘッドユニット93の位置等を検出可能な各種センサ等が、それぞれ電気的に接続されている。
ヘッド10は、ノズル板11と、インク室基板12と、振動板13と、振動板13に接合された圧電素子(振動源)14とを備えるヘッド本体17と、このヘッド本体17を収納する基体16とを有している。なお、このヘッド10は、オンデマンド形のピエゾジェット式ヘッドを構成する。
このノズル板11には、インク滴を吐出するための多数のノズル孔111が形成されている。これらのノズル孔111間のピッチは、印刷精度に応じて適宜設定される。
このインク室基板12は、ノズル板11、側壁(隔壁)122および後述する振動板13により、複数のインク室(キャビティ、圧力室)121と、インクカートリッジ931から供給されるインクを貯留するリザーバ室123と、リザーバ室123から各インク室121に、それぞれインクを供給する供給口124とが区画形成されている。
インク室基板12を得るための母材としては、例えば、シリコン単結晶基板、各種ガラス基板、各種樹脂基板等を用いることができる。これらの基板は、いずれも汎用的な基板であるので、これらの基板を用いることにより、ヘッド10の製造コストを低減することができる。
また、振動板13の所定位置には、振動板13の厚さ方向に貫通して連通孔131が形成されている。この連通孔131を介して、前述したインクカートリッジ931からリザーバ室123に、インクが供給可能となっている。
各圧電素子14は、それぞれ、振動源として機能し、振動板13は、圧電素子14の振動により振動し、インク室121の内部圧力を瞬間的に高めるよう機能する。
基体16は、例えば各種樹脂材料、各種金属材料等で構成されており、この基体16にノズル板11が固定、支持されている。すなわち、基体16が備える凹部161に、ヘッド本体17を収納した状態で、凹部161の外周部に形成された段差162によりノズル板11の縁部を支持する。
換言すれば、ノズル板11とインク室基板12との接合体、インク室基板12と振動板13との接合体、およびノズル板11と基体16との接合体のうち、少なくとも1箇所に本発明の接合体が適用されている。
また、非常に低温で信頼性の高い接合ができるため、線膨張係数の異なる材料でも大面積のヘッドができる点でも有利である。
なお、ヘッド10は、圧電素子14の代わりに電気熱変換素子を有していてもよい。つまり、ヘッド10は、電気熱変換素子による材料の熱膨張を利用してインクを吐出する構成(いわゆる、「バブルジェット方式」(「バブルジェット」は登録商標))のものであってもよい。
さらに、本発明の接合体を配線基板に適用した場合の実施形態について説明する。
図8は、本発明の接合体を適用して得られた配線基板を示す斜視図である。
図8に示す配線基板410は、絶縁基板413と、絶縁基板413上に配設された電極412と、リード414と、リード414の一端に、電極412と対向するように設けられた電極415とを有する。
また、接合膜3は、前述したように、その厚さを高い精度で容易に制御することができる。これにより、配線基板410は、より寸法精度の高いものとなり、各電極412、415間の導電性も容易に制御することができる。
例えば、本発明の接合体の形成方法は、前記実施形態のうち、任意の1つまたは2つ以上を組み合わせたものであってもよい。
また、本発明の接合体の形成方法では、必要に応じて、1以上の任意の目的の工程を追加してもよい。
また、前記実施形態では、2つの基板を接合する場合について説明しているが、これに限らず、3つ以上の基板を接合する場合に、本発明の接合体の形成方法を用いるようにしてもよい。
1.接合体の製造
(実施例1)
まず、基板として、それぞれ、縦20mm×横20mm×平均厚さ1mmの単結晶シリコン基板、および、縦20mm×横10mm×平均厚さ1mmの単結晶シリコン基板を用意した。
次いで、各基板の表面に、熱酸化処理を施して100nmの熱酸化膜を形成し、さらにこの熱酸化膜上にスパッタ法を用いて20nmのチタン薄膜を形成して、表面処理を行った。
・チャンバー内の雰囲気 :窒素ガス + 水素ガス
・有機金属材料(原材料) :Cu(sopd)2
・霧化した有機金属材料の流量 :1g/min
・キャリアガス :窒素ガス
・成膜時のチャンバー内の圧力 :20Torr
・成膜時の水素分圧 :14Torr
・基板ホルダーの温度 :270℃
・処理時間 :10分
以上のようにして成膜された接合膜は、銅で構成されており、2次イオン質量分析法(SIMS法)を用いて、銅の純度を測定したところ、98at.%であった。
かかる工程を経て、各単結晶シリコン基板上に、それぞれ、銅と有機成分とで構成される接合膜を形成した。
次に、この状態で、これらの基板同士に、50MPaの圧縮力を付与しつつ、175℃で接合膜を加熱し、圧縮力の付与を5分間維持して、各基板に形成された接合膜同士を結着させることにより、前記式1を満足する条件下で、結着された接合膜を介して各基板が接合された接合体を得た。
圧縮力の付与を維持する時間および接合膜を加熱する温度を、それぞれ表1に示す条件に変更した以外は、前記実施例1と同様にして接合体を得た。
なお、これらの条件は、いずれも、前記式1を満足するものであった。
各基板上に、銅と有機成分とで構成される接合膜を成膜する際の成膜条件を以下に示すように変更した以外は、前記実施例1と同様にして接合体を得た。
<成膜条件>
・チャンバー内の雰囲気 :窒素ガス + 水素ガス
・有機金属材料(原材料) :Cu(sopd)2
・霧化した有機金属材料の流量 :1g/min
・キャリアガス :窒素ガス
・成膜時のチャンバー内の圧力 :15Torr
・成膜時の水素分圧 : 8Torr
・基板ホルダーの温度 :270℃
・処理時間 :10分
以上のようにして成膜された接合膜は、銅で構成されており、2次イオン質量分析法(SIMS法)を用いて、銅の純度を測定したところ、90at.%であった。
(実施例9〜16)
圧縮力の付与を維持する時間および接合膜を加熱する温度を、それぞれ表1に示す条件に変更した以外は、前記実施例8と同様にして接合体を得た。
なお、これらの条件は、いずれも、前記式1を満足するものであった。
圧縮力の付与を維持する時間および接合膜を加熱する温度を、それぞれ表1に示す条件に変更した以外は、前記実施例1と同様にして接合体を得た。
なお、これらの条件は、いずれも、前記式1を満足しないものであった。
(比較例6〜12)
圧縮力の付与を維持する時間および接合膜を加熱する温度を、それぞれ表1に示す条件に変更した以外は、前記実施例8と同様にして接合体を得た。
なお、これらの条件は、いずれも、前記式1を満足しないものであった。
2.1 剥離の有無の評価
各実施例および各比較例で得られた接合体について、それぞれ、接合膜同士間での剥離の有無を確認した。そして、接合膜同士間での剥離の有無にしたがって以下のように評価した。
<剥離の有無の評価基準>
○:接合膜同士間で剥離が認められない
×:接合膜同士間で剥離が認められる
各実施例および各比較例で得られた接合体について、縦方向の端部に、それぞれ、電極を設け、電極同士間の抵抗率を測定することにより、接合体の抵抗率を求めた。そして、測定した抵抗率を以下の基準にしたがって評価した。
<抵抗率の評価基準>
◎: 1×10−5Ω・cm未満
○: 1×10−5Ω・cm以上、 1×10−3Ω・cm未満
△: 1×10−3Ω・cm以上、 1×10−1Ω・cm未満
×: 1×10−1Ω・cm以上
以上、2.1〜2.2の各評価結果を表1に示す。
また、各実施例で得られた接合体では、各比較例で得られた接合体と比較して、抵抗率が低く、優れた導電体特性を示した。
Claims (19)
- 第1の基材および第2の基材上に、それぞれ、化学的気相成膜法を用いて、銅と有機成分とで構成され、前記銅の含有率が原子比で90at.%以上でかつ99at.%未満である接合膜を形成する工程と、
前記接合膜同士が対向するようにして、前記第1の基材および第2の基材同士を接触させた状態で、前記第1の基材および第2の基材間に圧縮力を付与して、前記接合膜同士を結着させることにより接合体を得る工程とを有することを特徴とする接合体の形成方法。 - 前記接合膜を形成する工程において、前記接合膜は、その表面粗さRa(JIS B 0601に規定)が1〜30nmとなるように形成される請求項1に記載の接合体の形成方法。
- 前記接合体を得る工程において、前記第1の基材および第2の基材間に付与する圧縮力は、1〜100MPaである請求項1または2に記載の接合体の形成方法。
- 前記接合体を得る工程において、前記圧縮力を付与する時間は、5〜180分である請求項1ないし3のいずれかに記載の接合体の形成方法。
- 前記接合体を得る工程において、前記接合膜を加熱する請求項1ないし4のいずれかに記載の接合体の形成方法。
- 前記接合膜を加熱する温度は、90〜200℃である請求項5に記載の接合体の形成方法。
- 前記接合体を得る工程において、前記第1の基材および第2の基材間に付与する圧縮力の大きさを50[MPa]とし、前記圧縮力を付与する時間をY[分]とし、前記接合膜を加熱する温度をT[K]とし、前記銅の含有率をX[at.%]とし、気体定数をR[J/(mol・K)]としたとき、1/Y≧1.43×109exp[−6.60×10−2(100−X)−82×103/RT]なる関係を満足するよう設定する請求項5または6に記載の接合体の形成方法。
- 前記接合体を得る工程において、前記圧縮力の付与は、大気雰囲気中で行われる請求項1ないし7のいずれかに記載の接合体の形成方法。
- 前記接合膜は、有機金属材料を原材料として用いる有機金属化学気相成膜法により成膜される請求項1ないし8のいずれかに記載の接合体の形成方法。
- 前記有機金属材料は、金属錯体である請求項9に記載の接合体の形成方法。
- 前記有機成分は、前記有機金属材料に含まれる有機物の一部が残存したものである請求項9または10に記載の接合体の形成方法。
- 前記接合膜の平均厚さは、1〜1000nmである請求項1ないし11のいずれかに記載の接合体の形成方法。
- 前記第1の基材および第2の基材は、それぞれ、板状をなしている請求項1ないし12のいずれかに記載の接合体の形成方法。
- 前記第1の基材および第2の基材の少なくとも前記接合膜を形成する部分は、シリコン材料、金属材料またはガラス材料を主材料として構成されている請求項1ないし13のいずれかに記載の接合体の形成方法。
- 前記第1の基材および第2の基材の前記接合膜を備える面には、あらかじめ、前記接合膜との密着性を高める表面処理が施されている請求項1ないし14のいずれかに記載の接合体の形成方法。
- 前記表面処理は、プラズマ処理である請求項15に記載の接合体の形成方法。
- 前記第1の基材および第2の基材と、前記第1の基材および第2の基材に設けられた各前記接合膜との間に、それぞれ、中間層が介挿されている請求項1ないし16のいずれかに記載の接合体の形成方法。
- 前記中間層は、酸化物系材料を主材料として構成されている請求項17に記載の接合体の形成方法。
- 請求項1ないし18のいずれかに記載の接合体の形成方法により形成されたことを特徴とする接合体。
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