(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互の面を接触させた組立体として提供される半導体基板とガラス基板とを、接着剤を用いずに接合する陽極接合装置において、
直流電圧源と、
前記組立体の半導体基板側に前記直流電圧源からの直流電圧を印加するための第１の電極と、
前記組立体のガラス基板側に前記直流電圧源からの直流電圧を印加するための第２の電極と、
前記組立体を加熱するためのカーボンヒータであって、炭素Cを主成分とする基材の表面に、酸化チタンTiO2を主成分とする皮膜を被覆したものと、
前記カーボンヒータを加熱するために、これに交流電圧を印加する交流電圧源と、
を備えたことを特徴とする陽極接合装置。
【請求項２】
前記カーボンヒータは、前記組立体を載置する載置面を有すると共に、その皮膜が導電性を有して、前記第１又は第２の電極の何れかとして機能することを特徴とする請求項１記載の陽極接合装置。
【請求項３】
前記カーボンヒータの皮膜が、ニッケルNiを含有するものであることを特徴とする請求項１又は２記載の陽極接合装置。
【請求項４】
前記カーボンヒータの皮膜における酸化チタンTiO2とニッケルNiの含有率が約７対３の割合であることを特徴とする請求項３記載の陽極接合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板とガラス基板とを、接着剤を用いずに接合する陽極接合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
陽極接合は、半導体デバイスの製造等において、シリコンその他の半導体基板とガラス基板とを、精密且つ信頼性高く接合するための技術として広く用いられている。陽極接合を実現するために用いられる陽極接合装置は、半導体基板とガラス基板とをその相互の面を接触させてなる組立体に対し、数百ボルトの直流電圧を印加するための構造と、該組立体を数百度程度にまで加熱するための構造とを備えている。このように構成された装置を用いて、組立体を加熱すると共に、直流電圧を組立体に印加することにより、ガラス基板（パイレックスガラス）内のナトリウムの正イオンNa+が陰極側に移動し、ガラス基板の接合界面に空間電荷層が形成され、高電界が発生する。この高電界により、接合界面（基板間）に静電引力が発生し、接合に至る。例えば、このような陽極接合装置には、特開平８−８８１５４号公報に開示されたものが知られている。
【０００３】
一方、陽極接合装置においては、前記組立体の加熱のためにカーボンヒータを用いた加熱装置を採用したものが知られている。カーボンヒータは、一般に、急加熱、急冷却に対する応答性が高く、また表面の温度分布が均一であるという長所があり、組立体の均一で高度に制御された加熱が必要となる陽極接合に、極めて好都合である。
【０００４】
従来から加熱装置に用いられるカーボンヒータとしては、その耐熱性や耐用寿命を高めるため、その表面に、一般には炭素Cを、また炭化けい素SiC、窒化けい素SiN、窒化ホウ素BN、窒化アルミニウムAlN等（特開平５−１３５８５８号公報）をコーティングしたものが用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記コーティングを施した従来のカーボンヒータを備えた陽極接合装置においては、以下のような問題が生じていた。
【０００６】
（１）ある種の陽極接合装置においては、板状のカーボンヒータ上に、直接又は治具を介して、加熱する組立体を搭載することがある。この場合、組立体の出し入れによるカーボンヒータと組立体（又は治具）との間の摩擦により、カーボンヒータの表面に施したコーティングが剥離又は摩耗することがある。また、カーボンヒータの急加熱又は急冷却の繰り返しによって、前記コーディングが剥離した部分からカーボンが析出することがある。これら剥離した表面のコーティング材や析出したカーボンは、微少粒子となって陽極接合装置内に拡散し、該雰囲気を汚染し、それによりワーク（組立体）の歩留まりが悪化する。
【０００７】
（２）また、ある種の陽極接合装置においては、カーボンヒータ上に搭載した組立体に対し直流電圧を印加するための電極の一方としてカーボンヒータを機能させる場合がある。しかしながら、前記炭素C以外のコーティング材では、該電圧印加に必要な電極としての導電性が十分でない。
【０００８】
本発明の目的は、前記従来の課題を解決し、カーボンヒータ本来の性能を損なうことなく、その耐摩耗性、剥離強度、導電性等に優れたコーティングを施したカーボンヒータを備えた陽極接合装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため本発明は、相互の面を接触させた組立体として提供される半導体基板とガラス基板とを、接着剤を用いずに接合する陽極接合装置において、直流電圧源と、前記組立体の半導体基板側に前記直流電圧源からの直流電圧を印加するための第１の電極と、前記組立体のガラス基板側に前記直流電圧源からの直流電圧を印加するための第２の電極と、前記組立体を加熱するためのカーボンヒータであって、炭素Cを主成分とする基材の表面に、酸化チタンTiO2を主成分とする皮膜を被覆したものと、前記カーボンヒータを加熱するために、これに交流電圧を印加する交流電圧源とを備えて構成される。
【００１０】
発明者らの実験により、前記カーボンヒータにおける酸化チタンTiO2を主成分とする皮膜は、従来のカーボンコーティングに比して、その導電性能では劣るものの、耐摩耗性及び剥離強度が優れており、一方でカーボンヒータの良好な熱特性を損なうことがないということが確認された。従って、組立体やその他の部品との摩擦による皮膜の剥離や摩耗の程度を極めて小さくすることができ、皮膜の剥離や摩耗に起因する前記装置内雰囲気の汚染の危険性を最小にすることができる。
【００１１】
本発明において、前記カーボンヒータは、前記組立体を載置する載置面を有すると共に、その皮膜が導電性を有して、前記第１又は第２の電極の何れかとして機能するよう構成することができる。
【００１２】
この場合、前記カーボンヒータの皮膜が、ニッケルNiを含有するものであることが好ましい。発明者らの実験により、前記皮膜にニッケルNiを含有することによって、カーボンヒータ表面の導電性が向上し、カーボンヒータを陽極接合における電極として好適に用いられることが確認された。
【００１３】
ここで、前記カーボンヒータの皮膜における酸化チタンTiO2とニッケルNiの含有率は、好ましくは約７対３の割合である。
【００１４】
また、前記皮膜の厚さは約１００μｍで十分な特性（耐摩耗性、耐熱性、温度特性）が得られることが確認された。また、カーボンヒータ上に直接ワークを載置する場合は、熱伝達性を高めるために、前記被膜の表面をより滑らかにすることがより好ましいが、この場合、酸化チタンTiO2、もしくは酸化チタンTiO2とニッケルNiを基材表面に溶射した後、比較的大がかりな研磨等の仕上げ処理を行う必要がある。溶射と簡単な後処理のみを施すことで得られる表面粗さは、Ｒａ＝４．０〜６．０μｍ、Ｒmax＝３０〜５０μｍ程度であるが、この程度の表面荒さであっても、十分な温度特性が得られることが確認された。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に沿って説明する。本実施形態では、インクジェットプリンタにおけるヘッドの製造に際し用いられる陽極接合装置について説明する。図１には、本装置によって陽極接合されるガラス基板１０と、シリコンSiからなるキャビティプレート１１が示されている。ガラス基板１０には、溝１０ａが形成されており、その底壁にはインクジェットヘッドを駆動するための電極が設けられている。キャビティプレート１１には、溝１１ａ等が形成されており、ガラス基板１０の上にキャビティプレート１１を接合することにより、インクを吐出するための静電アクチュエータ（振動板と電極）が形成される。なお、不図示の蓋基板を更に、キャビティプレート１１の上に接合することにより、ノズル、インク室及びインク経路が形成される。
【００１６】
前記ガラス基板１０及びキャビティプレート１１は、高精度に位置合わせして重ね合わされ、図２に示すように、所定の治具２０に納められた状態で、陽極接合装置に実装される。治具２０は、ガラス基板１０及びキャビティプレート１１を重ね合わせた状態で挟み込む一対の方形状の金属板２１及び２２を備えており、その四隅に設けた絶縁性の締結部材２３によって相互を固定する。
【００１７】
該治具２０によって、ガラス基板１０及びキャビティプレート１１の精度高い位置合わせが維持される。なお、各金属板２１、２２の対向面は、それぞれガラス基板１０及びキャビティプレート１１の外面に面接触され、従って、後述するように本発明の陽極接合装置によって印加される直流電圧を、金属板２１及び２２に対し与えることによって、該基板へ電圧が印加されることが保証される。本明細書では、この治具２０によって保持されたガラス基板１０及びキャビティプレート１１をまとめて組立体２５と呼ぶ。
【００１８】
図３は、本発明の一実施形態に係る陽極接合装置の概略構成図である。陽極接合装置３０は、外気から密閉された密閉室３１を有する。密閉室３１内は、高度に無塵化され、陽極接合の実施の際に、窒素ガスが充填される。密閉室３１内には、上下一対のカーボンヒータ３２及び３３が配置され、図示しない任意の取り付け手段によって密閉室３１内に固定されている。各カーボンヒータ３２及び３３は、概略長方形状を有しており、その両側のスペーサ３４によって、所定の間隔が維持されている。被加工物である前記組立体２５は、図に示すように、下方のカーボンヒータ３２上に載置され、両カーボンヒータ３２及び３３の間に保持される。図では省略されているが、下方のカーボンヒータ３２の上面には、位置決め用のピンが突設されており、カーボンヒータ３２上で組立体２５を滑らせて、該ピンにその二側面を当接させることによって、組立体２５の位置決めがなされる。
【００１９】
図で示すように、下方のカーボンヒータ３２の両側に、交流電圧源３５の両極が接地され、その加熱のために交流電圧が印加される。交流電圧の印加によって、カーボンヒータ３２、３３は、所定温度にまで加熱される。この際、前記スペーサ３４は、抵抗率の低い銅その他の金属によって形成することが好ましい。これらカーボンヒータ３２及び３３を制御しながら加熱することによって、組立体２５を所定の温度にまで加熱する。
【００２０】
陽極接合装置３０は、更に、組立体２５に対し、直流電圧を印加するための直流電圧源３６を備える。直流電圧源３６の陽極は、電極端子３７に接続される。電極端子３７は、組立体２５の上方の金属板２１（キャビティプレート１１側のもの）に接触され、ここに陽極接合のための電圧を印加する。一方、直流電圧源３６の陰極は、下方のカーボンヒータ３２に接続される。後で詳述するように、カーボンヒータ３２は、導電性部材によってコーティングされているため、直流電圧源３６からの直流電圧は、カーボンヒータ３２を通して、その上に置かれた組立体２５の下方の金属板２２に印加されることとなる。このようにして、数百ボルトの直流電圧は組立体２５の両金属板に印加され、その間に保持したガラス基板１０とキャビティプレート１１間に与えられる。一つの実施例で、温度が  約３４０℃の窒素雰囲気中で、８００Ｖの直流電圧を５分間印加することによって、前記ガラス基板１０とキャビティプレート１１の陽極接合を実施した。
【００２１】
図４は、前記陽極接合装置３０で用いられるカーボンヒータ（前記３２又は３３）の外観形状を示している。平面的に見てカーボンヒータ４０は、概略長方形状を有しており、その四隅は大きく切り落とされている。図において斜線を施した両側の領域４０ａは、前記スペーサ３４の接地領域を示している。すなわち、スペーサ３４は、この斜線領域４０ａに沿う断面台形状を有しており、組立時にその端面がここに面接触される。一つの実施例で、カーボンヒータ４０の外形寸法は、幅３４０×奥行き２２０×厚さ６．５ｍｍである。
【００２２】
同図（Ｂ）にデフォルメして示すように、カーボンヒータ４０は、カーボンからなる基材４１の表面を、酸化チタンTiO2にニッケルNiを３０％含有してなる皮膜４２でコーティングしたものが用いられる。実施例では、前記領域４０ａを除いて、皮膜４２を施した。後の実施例で示すように、この皮膜４２は、耐摩耗性、基材との密着性、耐熱性、導電性等に優れている。前記陽極接合装置３０において、カーボンヒータ４０の表面は、前記組立体２５の出し入れの際の摩擦に耐えられるものである必要がある。また、繰り返される急激な温度変化によって剥離しないものである必要がある。更に、印加された直流電圧を引き下げることなく組立体２５へ与えられるものである必要がある。前記皮膜４２をコーティングしたカーボンヒータ４０は、これらの要求を見たし、陽極接合装置３０による高品位な接合を可能とする。
【００２３】
以上、本発明の一実施形態を図面に沿って説明したが、本発明は前記実施形態において示された事項に限定されず、特許請求の範囲及び発明の詳細な説明の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者がその変更・応用を行うことができる範囲が含まれる。前記実施形態に示した陽極接合装置においては、直流電圧をカーボンヒータを介して印加するよう構成しているが、上方の電極端子を同様の構成で、下方の金属板に対して電極端子を直接接触させるようにしてもよい。この場合、カーボンヒータは必ずしも導電性は不要なので、その表面の皮膜としてニッケルNiを含まないものを用いても良い。
【００２４】
【実施例】
発明者らは、本発明に従った２種類のカーボンヒータを作成し、その諸性能を測定した。実験は、一般にカーボンヒータに用いられるカーボン基材の表面に、膜厚１００μｍで、酸化チタンTiO2（実施例１）、酸化チタンTiO2にニッケルNiを３０％含有したもの（実施例２）をそれぞれ溶射し、その表面抵抗、剥離強度、耐摩耗性、温度分布特性について測定した。
【００２５】
なお、これらの測定前に、溶射された被膜の表面粗さを測定したところ、 Ｒａ＝４．０〜６．０μｍ、Ｒmax＝３０〜５０μｍ程度であった。また、表面抵抗、剥離強度、耐摩耗性、温度分布特性の測定については、経時的なデータを得るために、各サンプルに対し、窒素雰囲気中で４５０℃×７ｈのヒートサイクルを６サイクル実施し、その前後において前記表面抵抗及び剥離強度を測定した。上記のヒートサイクルの条件は、従来のカーボンコーティングを施したカーボンヒータに、表面のコーティングに剥離した箇所があることが確認された条件と同程度、もしくはやや厳しいものである。
【００２６】
ヒートサイクルの前後における表面的抵抗の測定結果を表１に示す。
【００２７】
【表１】
0004147678.tif 000002
【００２８】
この結果、実施例１、すなわち酸化チタンTiO2のみのコーティングによるカーボンヒータでは、十分な表面抵抗が得られなかったが、実施例２、すなわち酸化チタンTiO2に＋ニッケルNiを３０％含有したものにおいては、前記記載の目的に用いるのに十分な結果が得られた。
【００２９】
次に、表２に、剥離強度の測定結果を示す。ここでは、実施例１及び実施例２を施したカーボンヒータに、粘着テープ（900g/20mm）を貼付け、これを剥離してカーボン基材とコーティングとの密着性を確認した。
【００３０】
【表２】
0004147678.tif 000003
【００３１】
結果、何れの実施例においても、ヒートサイクルの前及び後において剥離は見られなかった。また、カーボンヒータを割った際にも、その破断面近傍のコーティングが剥がれるようなことがなかった。これに対し、同程度のヒートサイクルを行った後のカーボンコーティングを施したカーボンヒータは、表面が変色し、更にコーティングが剥離した部分が多く確認されている。また、部分的に基材のカーボンまで損傷していた箇所も確認されている。従って、従来のカーボンヒータに施されたカーボンコーティングに比べ、実施例１及び２のコーティングは、基材と被膜の密着性に優れ、また、ヒートサイクルを繰り返しても被膜自体が劣化しにくいことが確認された。
【００３２】
また、実施例１及び２のカーボンヒータ上に、ステンレス鋼板製（ＳＵＳ製）、重さ１．０ｋｇ、板状の金属治具を摺接させて、その耐摩耗性を確認した。その結果、何れの実施例においても、１５０往復程度では表面のコーティングが摩耗したり剥離したりしないことが確認された。一方、従来のカーボンコーティングでは、１往復の摺接でカーボンヒータのコーティングが部分的に摩擦し、剥離することが確認されている。
【００３３】
表３は、従来のカーボンコーティングと上記実施例１及び２の温度分布特性を測定したグラフである。測定は、各カーボンヒータ上にシリコンウェハを載置し、この内部温度を測定することによって行った。
【００３４】
【表３】
0004147678.tif 000004
【００３５】
これより、本実施例１及び２における温度特性が、従来のものに劣ることがないことが確認された。
【００３６】
【発明の効果】
以上の如く本発明によって、カーボンヒータ本来の良好な熱伝導特性を損なわず、耐摩耗性及び剥離強度が優れたカーボンヒータを備えた陽極接合装置を提供することができる。
【００３７】
また、酸化チタンTiO2を主成分とした皮膜に、ニッケルNiを含有したものを用いるカーボンヒータを備えた本発明においては、さらにその導電性が良好となり、従って例えば、カーボンヒータを陽極接合における電極として好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る陽極接合装置によって陽極接合されるガラス基板とキャビティプレートの一例を示す斜視図である。
【図２】陽極接合されるガラス基板とキャビティプレートを治具に納めてなる組立体の側面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る陽極接合装置の概略構成図である。
【図４】本発明の陽極接合装置で用いられるカーボンヒータの平面図及び側断面図である。
【符号の説明】
１０  ガラス基板
１１  キャビティプレート
２０  治具
２１、２２  金属板
２３  締結部材
２５  組立体
３０  陽極接合装置
３１  密閉室
３２  カーボンヒータ
３２、３３  カーボンヒータ
３４  スペーサ
３５  交流電圧源
３６  直流電圧源
３７  電極端子
４０  カーボンヒータ
４１  基材
４２  皮膜
【図１】
0004147678.tif 000005
【図２】
0004147678.tif 000006
【図３】
0004147678.tif 000007
【図４】
0004147678.tif 000008