(57)【要約】【課題】熱膨張係数の異なる絶縁体とSi基板との接合方法を提供する。【解決手段】MgOのような成膜用基板７上に成膜したPZTから成る圧電体９と、Si基板１のような半導体（または導電体）との接合において、互いに熱膨張の異なる材料間の固層接合を圧電体９上に形成した凹凸状の中間層１１と、薄片化した振動板となるガラス５を介した陽極接合によってなる、すなわち熱膨張において互いに異なる圧電体９と半導体１（または導電体）との接合構造体を形成する。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴吐出用ヘッドにおけるエピタキシャル層を成膜するための成膜用基板上に成膜して成る圧電体と、インク流路を形成した半導体（または導電体）との接合方法において、
振動板となるガラスを介して二重陽極接合を行う、次の各工程から成る接合方法、すなわち、
（１）前記半導体（または導電体）と前記ガラスとを陽極接合し、
（２）前記ガラスを薄片化し、
（３）前記圧電体の表面に導電膜から成る中間層を成膜し、
（４）前記薄片化したガラスと、前記圧電体の表面上の前記中間層を相対向し密着させ、
（５）熱膨張の大きい側を加熱し、
（６）該加熱中、前記半導体（または導電体）と前記圧電体の表面上の前記中間層との間に電圧を印加し、陽極接合する、
上記各工程から成る、液滴吐出用ヘッドの振動板としてのガラスを介して、インク流路を形成した前記半導体（または導電体）と、前記圧電体とを接合することを特徴とする、前記成膜用基板上の前記圧電体／前記ガラス／前記半導体（または導電体）の三層構造を形成する二重陽極接合を行う、接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はインクジェットヘッドまたは液滴吐出用ヘッドを構成するSi基板上に陽極接合した振動板としてのガラスと熱膨張係数の異なる圧電体との接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、微少な素子を微少部材として活用するために、ホトリソ工程の容易性から、Si基板等に該素子を接合して行われているが、該接合を作業性及び耐熱性等に問題のある接着剤等を用いないで、所定の位置に低温で固層接合することが望まれており、この固層接合法として一般的に陽極接合法が知られている。
【０００３】
そこで従来、固層接合において陽極接合法を用いた３層構造の作製は、成膜によって作成した薄膜ガラスを介してSi同士を接合、すなわちSi／薄膜ガラス／Siの接合形態で行われていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
あるいは、成膜によって作成したSi薄膜を介して水晶同士を接合、すなわち水晶／Si薄膜／水晶の接合形態で行われていた（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
あるいは、スパッターリングによって成膜したボロンシリケートガラスを介してSi同士を静電接合し、Si／ボロンシリケートガラス／Siの接合形態で３層構造を作製している（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭５８―５５７３２号公報
【特許文献２】
特開平１―８０８３２号公報
【非特許文献１】
J. Electrochem. Soc. ; SOLID―STATE SCIENCE AND TECHNOLOGY, April 1972, vol. 119, No.4, p.545
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
陽極接合法は一方の絶縁体中に例えばボロンシリケートガラスのように可動イオンが存在し、かつ両者の熱膨張がほぼ等しい必要があり、可動イオンを含まない絶縁体、例えばPZT膜を成膜した成膜用基板であるMgO基板とSi基板のような半導体（または導電体）との陽極接合は、互いの熱膨張係数が２倍以上異なるため困難である。
【０００８】
このためPZT膜を成膜した成膜用基板であるMgO基板とSi基板との接合の場合、熱膨張の異なる材料間の接合は接着剤を用いない限り困難であることから、このため接着剤を用いない接合法及び接合構造体が望まれていた。
【０００９】
本発明の目的は熱膨張係数の異なる絶縁体とSi基板との接合方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記要望をかなえた熱膨張係数の異なる絶縁体とSi基板との接合構造体並びに接合方法を提供せんとするもので、その主旨はSi基板とガラスを陽極接合し、該陽極接合後、可動体及び構造体として作用する該ガラスを薄片化し、さらに一方の熱膨張の異なる絶縁体上に導電膜から成る中間層を凹凸状に形成し、この後熱膨張の大きい該絶縁体側を加熱しながら、該凹凸状の中間層と該ガラスとの間を加圧しながら、かつ電圧を印加する接合法、及び該接合法を用いて、圧電体／ガラス／半導体から成る三層構造を有する接合構造体にある。
【００１１】
本発明の接合体の一例としては、MgOのような成膜用基板上に成膜したPZTから成る圧電体と、Si基板のような半導体（または導電体）との接合において、互いに熱膨張の異なる材料間の固層接合を該圧電体上に形成した凹凸状の該中間層と、薄片化したガラスを介した陽極接合によってなる、すなわち熱膨張において互いに異なる該圧電体と該半導体（または導電体）との接合体がある。
【００１２】
該圧電体としてはPZT、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、酸化亜鉛、水晶等の圧電体材料が擧げられる。さらに、前記導電膜から成る中間層としてはAg, Al, Cu, Fe, Ge, Si, Sn, Zn, Zr 等が擧げられる。
【００１３】
本発明の接合体を得るにはMgOのような成膜用基板の上にPZT等のような圧電体を形成し、さらにこの上に電極及び塑性変形能を有するAl等の導電性薄膜からなる凹凸状の中間層を成膜しておくことが肝要である。
【００１４】
一方、Si基板にパイレックスガラス基板のようなガラスからなる振動板を予め陽極接合し、該接合後該振動板を薄片化し、この後上記凹凸状の該中間層と該振動板を相対向させ、重ね合わせて荷重印加しながら該成膜用基板側から、すなわち、熱膨張係数の大きいMgO基板側から加熱し、同時に凹凸状の該中間層と該Si基板に電圧を印加することによって陽極接合を行い、本発明の意図した二重陽極接合から成る三層構造を有する接合構造体が得られる。
【００１５】
この場合、PZTから成る圧電体を成膜したMgOから成る成膜用基板側の熱膨張はSi基板、及びパイレックスガラスから成る振動板より大きいため、上記構成で陽極接合した場合、接合後室温までの降温中に熱歪みによって接合界面で剥離する場合がある。
【００１６】
したがって、できるだけ室温に近い低い温度で陽極接合を行う必要があった。しかしながら、温度が低くなるにしたがって該パイレックスガラス中の可動イオンは動きにくくなるため高電圧を印加する必要性がでてくる。そこで、本発明の場合、Si基板に振動板になるパイレックスガラスを陽極接合し、この後予めパイレックスガラスから成る該振動板を薄片化する。該薄片化によって、すなわち、約３μｍまで薄片化することによって上記陽極接合時の印加電圧は２０００Vから２００Vにまで低下させることが可能となる。この場合、熱膨張係数の大きい成膜用基板側を加熱し、同時にSi基板から成る半導体（あるいは導電体）基板側を冷却しながら、すなわち該成膜用基板側とSi基板との間で熱勾配があることが望ましい。しかしながら、上記手法で熱歪みが消えたことにはならない。そこで、該圧電体上に塑性変形能を有する凹凸状の導電膜からなる中間層を形成し、該中間層と該振動板との間で上記手法で二重陽極接合する。
【００１７】
この構成及び手法によって接合界面での熱歪みは該凹凸状の凸部で緩和され、室温に降温した場合においても接合界面での剥離を防止できる。すなわち、接合によって生じた熱歪みを塑性変形能を有する中間層の凸部で緩和させようとするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（発明の第１の実施の形態）
図１乃至図６は本発明の第１の実施の形態を示し、図４は本発明の特徴を最も良く表す断面図であり、図１、２、３は二重陽極接合する前の断面図であり、図４は二重陽極接合の断面図であり、図５は図３のA矢視図であり、図６は図３のB矢視図である。
【００１９】
同図において、１はSi基板、２はSi基板１に加工したインク室、３はSi基板１に加工したインク流路、４はSi基板１に加工したインク吐出用のノズル、５はSi基板１に陽極接合したガラス基板（Pyrexガラス；コーニング社の登録商標）からなる振動板、６はSi基板と振動板の接合界面、７は上電極、圧電体及び下電極の順序で成膜するためのMgO基板から成る成膜用基板、８は成膜用基板７上に成膜したPtからなる上電極（下引層としてTiを成膜；図示なし）、９はPt上電極８上に成膜したピエゾ効果を有する圧電体（PZT；チタン酸ジルコン酸鉛）、１０は圧電体９上に成膜したPtからなる下電極、１１は下電極１０上に成膜したAlからなり電極としての役割とそして熱歪みの緩和の役割を担うための接合用の中間層、１２は中間層１１の凸部、１３は中間層１１の凹部、１４はガラス基板５上に成膜した二重陽極接合のための接合用電極である。
【００２０】
次に上記構成において、図１に見るようにまず最初にSi基板１にインク室２及びインク流路３、ノズル４をホトリソ工程を用いてそれぞれ等方性エッチング及び異方性エッチングにより形成し、この後ガラス基板（Pyrexガラス；コーニング社の登録商標）からなる振動板５を該Si基板１に陽極接合する。さらに該陽極接合後、該振動板５を約３μｍまで薄片化研磨し、この後図２、３、５に見るように接合用電極１４を成膜する。一方、該振動板５に接合するための圧電体９は次のように形成する。すなわち、まず成膜用基板７上にPtからなる上電極８を成膜し、該上電極８の上にPZT（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる圧電体９を成膜し、該圧電体９の上にPtからなる下電極１０を成膜し、さらに該下電極１０の上にAlからなる中間層１１を図３に見るようにホトリソ工程及び成膜工程を経て凹凸状に形成する。そして、図３に見るように該振動板５と中間層１１を相対向し位置を整合した後、該振動板５と中間層１１の凸部１２を互いに密着し、成膜用基板７及びSi基板１の両側から荷重を印加しながら該凸部１２を塑性変形し、同時にあるいはこの後、該凸部１２と振動板５を互いに陽極接合、すなわち二重陽極接合した。この二重陽極接合のとき、陽電極として接合用電極１４、陰電極としてSi基板１を用いた（二重陽極接合時の図示なし）。結果として、該凸部１２は両基板間の、すなわち成膜用基板７とSi基板１との間の接合強度の橋渡しをする。該凸部１２は柱状であることから、平板同士の接合に比較して接合面に平行な方向の自由度があることから、熱膨張係数の異なる材料間の陽極接合において、該陽極接合後、陽極接合温度（１５０℃）から室温まで降温した場合においても剥離することなく強固に接合した。
【００２１】
上記接合後、PZT膜の成膜に用いたMgO基板から成る成膜用基板７のみを熱リン酸中でエッチングによって除去し、この後Ptから成る上電極８をホトリソ工程及びドライエッチング工程を用いてインク流路３上にのみ存在するように形成し、さらにPZTから成る圧電体９を該上電極８と同様な形状にエッチングによって形成する。すなわち、上電極８の直下のPZTから成る圧電体９を残し、これ以外のPZTから成る圧電体９を取り去る。この後、ノズル４の途中からヂィスコカッターにより切り出し、該ノズルからの液滴を吐出可能にした。
【００２２】
上記の接合法で形成した接合構造体の上電極及び下電極間にパルス状の電圧を印加（図示なし）したところ、ノズル４から液滴が吐出することができた。
【００２３】
なお、本実施の形態において、ガラスから成る振動板５としてPyrex G. （コーニング社の登録商標）を用いたが、この他にも例えば、ホウケイ酸ガラス、ソーダガラス、アルミノケイ酸ガラスでもよい。
【００２４】
さらに、圧電体としてPZTを用いたが、ペロブスカイト構造を有する材料であればよく、PZT以外にも例えばチタン酸バリウムでもよい。
【００２５】
さらに、本実施の形態において、中間層としてAlを用いたが、この他にも例えばAg, Cu, Cr, Fe, Ge, Si, Sn, Zn, Zrでもよく、あるいはこれらの化合物でもよい。
【００２６】
すなわち、塑性変形能を有する導電体であればよく、本発明の意図するところは何ら変わるものではない。
【００２７】
（発明の第２の実施の形態）
図１乃至図５及び図７は本発明の第２の実施の形態を示し、図４は本発明の特徴を最もよく表す断面図であり、図１、２、３は二重陽極接合する前の断面図であり、図４は二重陽極接合の断面図であり、図５は図３のA矢視図であり、図７は図３のB矢視図である。
【００２８】
同図において、１はSi基板、２はSi基板１に加工したインク室、３はSi基板１に加工したインク流路、４はSi基板１に加工した液滴吐出用のノズル、５はSi基板１に陽極接合したガラス基板（SD２；HOYA社の商標登録）からなる振動板、６はSi基板１と振動板５の接合界面、７はMgO基板から成る成膜用基板、８は成膜用基板７上に成膜したPtからなる上電極（下引層としてTiを成膜；図示なし）、９はPt電極８上に成膜したピエゾ効果を有する圧電体（チタン酸ジルコン酸鉛）、１０は圧電体９上に成膜したPtからなる下電極、１１は下電極１０上に成膜したSnからなり電極としての役割と、そして熱歪みの緩和の役割を担うための接合用の中間層、１２は中間層１１の接合部となる凸部からなる接合部、１３は中間層１１の凹部、１４はガラス基板５上に成膜した二重陽極接合のための接合用電極である。
【００２９】
次に上記構成において、図１に見るようにまず最初にSi基板１にインク室２及びインク流路３、ノズル４をホトリソ工程を用いてそれぞれ等方性エッチング及び異方性エッチングにより形成し、この後ガラス（SD―２；HOYA社の商標登録）からなる振動板５を該Si基板１に陽極接合する。さらに該接合後、該振動板５を約３μｍまで薄片化研磨し、この後図２、３、４に見るように接合用電極１４を成膜する。一方、該振動板５に二重陽極接合するための他方の基板を次のように形成する。すなわち、まずMgO基板からなる成膜用基板７上にPtからなる上電極８を成膜し該上電極８の上にチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体９を成膜し、該圧電体９の上にPtからなる下電極１０を成膜し、さらに該下電極１０の上にSnからなる中間層１１を図３及び図７に見るように成膜工程、及びホトリソ工程を経て凹凸状に形成する。該Snからなる中間層１１がより大きな塑性変形能を有するように、凸部１２を円柱状にした。
【００３０】
この場合、該凸部１２の円柱状のアスペクト比、すなわち縦長比はできるだけ大きくとることが好ましい。
【００３１】
そして、図３に見るように該振動板５と中間層１１を相対向し位置を整合した後、該振動板５と中間層１１の凸部１２を互いに密着し、MgO基板から成膜用基板７及びSi基板１の両側から荷重を印加しながら該凸部１２を塑性変形させ、同時にあるいはこの後、該凸部１２と振動板５を互いに陽極接合した。すなわち、二重陽極接合した。この二重陽極接合のとき陽電極として接合用電極１４を、陰電極としてSi基板１を用いた（図示なし）。結果として、円柱状の該凸部１２が両基板間、すなわち、成膜用基板７とSi基板１との間の接合強度の橋渡しをする。該凸部は円柱状であることから、周囲を拘束されている平板状の中間層に比較して基板面に平行な方向への塑性変形による変位を容易にする。すなわち、熱膨張係数差によって引き起こされる熱歪みを該変位によって緩和可能となる。本実施の形態において、陽極接合後１５０℃の陽極接合温度から室温まで降温した場合においても、剥離することもなく強固に接合した。
【００３２】
上記接合後、PZT膜の成膜に用いたMgO基板７のみを熱リン酸中でエッチングによって除去し、この後上電極８をホトリソ工程及びドライエッチング工程を用いてインク流路３上にのみ存在するように形成し、さらにPZTからなる圧電体９を該上電極８と同様な形状にエッチングにより形成する。すなわち、上電極８の直下の圧電体９を残し、これ以外の圧電体９を取り除く。
【００３３】
上記の接合法で形成した接合構造体の上電極及び下電極との間に電圧を印加したところノズル４から液滴を吐出することができた。
【００３４】
なお、本実施の形態において圧電体９をPZTとしたが、この他にチタン酸バリウム、チタン酸鉛でもピエゾ効果を発することが可能であり、該PZTの代りに用いても可能である。
【００３５】
さらに、凸部１２を円柱状にしたが、角柱でも可能であり、本発明の意図しているところに何ら変わりはない。
【００３６】
以上、本発明の２つの実施の形態が示され説明されたが、当業者であれば、本発明の趣旨と範囲は本明細書内特定の説明と図に限定されるのではなく、本特許請求の範囲に全て述べられた様々の修正と変更に及ぶことが理解されるであろう。
【００３７】
本発明の実施態様の例を以下に列挙する。
【００３８】
本発明の実施態様は、液滴吐出用ヘッドにおけるエピタキシャル層を成膜するための成膜用基板上に成膜して成る圧電体と、インク流路を形成した半導体（または導電体）との接合方法において、振動板となるガラスを介して二重陽極接合を行う、次の各工程から成る接合方法、すなわち、
（１）半導体（または導電体）とガラスとを陽極接合し、
（２）ガラスを薄片化し、
（３）圧電体の表面に導電膜から成る中間層を成膜し、
（４）薄片化したガラスと、圧電体の表面上の中間層を相対向し、密着させ、
（５）熱膨張の大きい側を加熱し、
（６）加熱中、半導体（または導電体）と圧電体の表面上の中間層との間に電圧を印加し、陽極接合する、
上記各工程から成る、液滴吐出用ヘッドの振動板としてのガラスを介して、インク流路を形成した半導体（または導電体）と、圧電体とを接合することを特徴とする、成膜用基板上の圧電体／ガラス／半導体（または導電体）の三層構造を形成する二重陽極接合を行う、接合方法である。
【００３９】
本実施態様によれば、半導体上に形成したインク流路の上に、振動板を陽極接合し、この振動板の上に、さらに圧電体を中間層を介して直接に二重陽極接合するため、接着剤を用いないで熱膨張係数の異なる半導体と圧電体との簡素な接合構造体を形成できる。
【００４０】
また、振動板になるガラスを陽極接合し、この後予めガラスから成る振動板を薄片化する。この薄片化によって、すなわち、約３μｍまで薄片化することによって上記陽極接合時の印加電圧は２０００Vから２００Vにまで低下させることが可能となる。
【００４１】
また、本発明においては、成膜用基板はMgOであることが好ましい。
【００４２】
また、本発明においては、圧電体の結晶構造はペロブスカイト構造であることが好ましく、更に好ましくはチタン酸バリウムまたはチタン酸ジルコン酸鉛である。
【００４３】
また、本発明においては、ガラスはホウケイ酸ガラスまたはソーダ石灰ガラスまたはアルミノケイ酸ガラスであることが好ましい。
【００４４】
また、本発明においては、ガラスの薄片化はガラスの剛性を軽減し、接合によって一体になっている圧電体とガラスのバネ定数を小さくし、これにより変位量を大きくするためであることが好ましい。
【００４５】
また、本発明においては、中間層はAg, Al, Ge, Zr, Zn, Si, Sn, Cr, Ti, Fe, Cuのいずれか１つであることが好ましい。
【００４６】
また、本発明においては、中間層は凹凸状であり、凸部で前記ガラスに密着し、接合することが好ましい。
【００４７】
本実施態様によれば、接合界面での熱歪みは凹凸状の凸部で緩和され、室温に降温した場合においても接合界面での剥離を防止できる。すなわち、接合によって生じた熱歪みを塑性変形能を有する中間層の凸部で緩和させようとするものである。
【００４８】
また、本発明においては、加熱の温度は１５０℃以下であることが好ましい。
【００４９】
本発明の他の実施態様は、液滴吐出用ヘッドにおけるエピタキシャル層を成膜するための成膜用基板上に成膜してなる圧電体と、流路を形成した半導体（または導電体）との接合方法であって、振動板となるガラスを介して、上述の実施態様の二重陽極接合を行う、接合方法によって、成膜用基板上の圧電体／ガラス／半導体（または導電体）の三層構造から成る接合体を形成し、この後成膜用基板のみを除去して成ることを特徴とする接合構造体である。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、以下の効果がある。
【００５１】
熱膨張係数の異なる材料間の陽極接合において、一方の基板上に電導性、及び塑性変形能を有する凹凸状の中間層を成膜により形成し、他方の基板、すなわち半導体（または導電体）上にガラスを陽極接合し、この後該中間層と該ガラスを相対向させ、かつ両基板間の位置を整合し、そして該中間層と該Si基板間に電圧を印加し、該ガラスと該中間層の凸部との間を二重陽極接合する接合方法、及び該接合方法によって形成する三層接合構造体であるため、
１.  熱膨張係数差に起因する材料間の熱歪みを、すなわち基板に対して平行方向の歪みを該凸部での塑性変形で緩和する。
【００５２】
２.  接合用電極を圧電体の下電極の引き出し電極として用いることが可能であるので、簡素な構造となる。
【００５３】
３.  真空中、及び大気中を問わず固層接合可能であるので取り扱いが容易である。
【００５４】
４.  Si基板上に加工したインク室（溝部）の上に、振動板を陽極接合し、この振動板の上に、さらに圧電体を中間層を介して直接に二重陽極接合するため、接着剤を用いないで簡素な構造体を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１及び第２の実施の形態におけるインクの流路を有するSi基板にガラスを陽極接合したときの断面図である。
【図２】第１及び第２の実施の形態におけるインクの流路を有するSi基板にガラスを陽極接合した後ガラスを薄片化研磨したときの断面図である。
【図３】第１及び第２の実施の形態において、一方の基板、すなわち圧電体を成膜したMgO基板からなる成膜用基板と、他方の基板、すなわちガラスを陽極接合したSi基板を、二重陽極接合する前、相対向してアライメントした状態の断面図である。
【図４】第１及び第２の実施の形態において、一方の基板、すなわち圧電体を成膜したMgO基板からなる成膜用基板と、他方の基板、すなわちガラスを陽極接合したSi基板を二重陽極接合したときの断面図である。
【図５】第１及び第２の実施の形態における図３のA矢視図である。
【図６】第１の実施の形態における図３のB矢視図である。
【図７】第２の実施の形態における図３のB矢視図である。
【符号の説明】
１    Si 基板（半導体）
２    インク室
３    インク流路
４    ノズル
５    振動板となるガラス
６    接合界面
７    成膜用基板
８    上電極
９    圧電体
１０    下電極
１１    中間層
１２    凸部
１３    凹部
１４    接合用電極
【図１】
2004209700.tif 000003
【図２】
2004209700.tif 000004
【図３】
2004209700.tif 000005
【図４】
2004209700.tif 000006
【図５】
2004209700.tif 000007
【図６】
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【図７】
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