JP5320657B2

JP5320657B2 - 接合基板及び接合方法

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Publication number: JP5320657B2
Application number: JP2005272101A
Authority: JP
Inventors: 修中村
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2005-09-20
Filing date: 2005-09-20
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2025-09-20
Also published as: JP2007083436A

Description

本発明は、接合基板及び接合方法に関する。

近年では、マイクロリアクタと呼ばれる小型反応器が開発・実用化されている。マイクロリアクタは、複数種類の原料や試薬、燃料などの反応物を互いに混合させながら反応させる小型反応器であって、マイクロ領域での化学反応実験、薬品の開発、人工臓器の開発、ゲノム・ＤＮＡ解析ツール、マイクロ流体工学の基礎解析ツールなどに利用されている。マイクロリアクタを用いる化学反応には、ビーカ、フラスコなどを用いた通常の化学反応にはない特徴がある。例えば、反応器全体が小さいため、熱交換率が極めて高く温度制御が効率良く行えるという利点がある。そのため、精密な温度制御を必要とする反応や急激な加熱又は冷却を必要とする反応でも容易に行うことができる。

具体的にマイクロリアクタには、反応物を流動させるチャネル（流路）や反応物同士を反応させるリアクタ（反応槽）などが形成されている。特許文献１では、所定パターンの溝を形成したシリコン基板とガラス製のパイレックス（登録商標）基板とを互いに貼り合わせた状態で陽極接合し、２枚の基板の間の密閉領域にチャネルを形成している。
陽極接合とは、高温環境下（例えば、３００℃〜４００℃）で高電圧を印加してガラス基板内に電界を発生させ、ガラス基板とシリコン基板の界面で原子間結合させる接合技術であるが、大気中でも基板の接合を行えることなどから、基板の接合技術においては特に優れた技術とされている。
特開２００１−２２８１５９号公報（段落番号００１８〜００１９参照）

しかしながら、この陽極接合は、ガラス基板とシリコン基板を接合する技術であるので、金属間をそのまま接合することはできなかった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、金属間でも確実に陽極接合にて接合することのできる接合基板及び接合方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、第一の金属基板と、
前記第一の金属基板の一方の面に形成され、金属に比べて抵抗率の高い電気伝導性膜と、
前記電気伝導性膜の上に積層され、アルカリ金属イオン又は銀イオンの可動イオンを含む前記電気伝導性膜に比べて抵抗率の高い絶縁性のガラス膜と、
前記絶縁性のガラス膜の上に陽極接合された第二の金属基板と、を備えることを特徴とする。

好ましくは、前記第一の金属基板における前記第二の金属基板側の面、及び／又は、第二の金属基板における前記第一の金属基板側の面に溝を形成することによって、流路が構成されている。
好ましくは、前記第1の金属基板における前記第二の金属基板側の面又は前記第二の金属基板における前記第1の金属基板側の面のうち少なくとも一方に溝が形成されている。
好ましくは、前記電気伝導性膜は、酸化物である。
好ましくは、前記電気伝導性膜は、アモルファス状の構造を有している。
好ましくは、前記電気伝導性膜は、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ系材料から構成されている。
好ましくは、前記可動イオンとしてのアルカリ金属イオンはＮａ又はＬｉのイオンである。
好ましくは、マイクロリアクタの一部を構成する。

請求項９の発明は、一方の面側に金属に比べて抵抗率の高い電気伝導性膜と、前記電気伝導性膜の上に、アルカリ金属イオン又は銀イオンの可動イオンを含む前記電気伝導性膜に比べて抵抗率の高い絶縁性のガラス膜とが成膜された第一の金属基板を準備する工程と、第二の金属基板を準備する工程と、前記第一の金属基板上の前記絶縁膜と第二の金属基板とを互いに当接させる工程と、前記第一の金属基板と前記第二の金属基板とを陽極接合する工程とを含む。

好ましくは、前記第一の金属基板を準備する工程は、前記電気伝導性膜を成膜する工程と、前記電気伝導性膜の前記第一の金属基板と反対側の面に前記絶縁性のガラス膜を成膜する工程と、を含む。
好ましくは、前記第一の金属基板を準備する工程は、前記電気伝導性膜を成膜する工程と、前記電気伝導性膜の前記第一の金属基板と反対側の面に前記絶縁性のガラス膜を成膜する工程と、を含み、前記第二の金属基板を準備する工程は、前記第二の金属基板における前記第一の金属基板側の面に溝を形成する工程を含む。

好ましくは、前記第一の金属基板を準備する工程は、前記第一の金属基板の一方の面側に前記電気伝導性膜を成膜する工程と、前記電気伝導性膜の前記第一の金属基板と反対側の面に前記絶縁性のガラス膜を成膜する工程と、前記第一の金属基板における前記第二の金属基板側の面に溝を形成する工程と、を含む。

本発明によれば、第一の金属基板の一方の面に可動イオンを含む絶縁膜を成膜しているので、金属間でも確実に陽極接合にて接合することのできる接合基板及び接合方法を実現することができる。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明する。ただし、発明の範囲は図示例に限定されないものとする。
［第一の実施の形態］
はじめに本発明に係る基板の接合方法について説明する。図１は、基板の接合方法の一部の工程を説明するための図面であり、(a)、(b)は第一の金属基板１に可動イオンを含む酸化膜３を成膜する工程を示した図面であり、(c)は第一の金属基板１と第二の金属基板４とを陽極接合する図面である。
まず、図１(a)に示すように、第一の金属基板１としてSUS基板等といった金属基板を準備する。第一の金属基板１は、所定の厚みを有しかつ四角形状をなした基板であって、上下両面が平坦でかつ互いに平行となるように形成されている。
第一の金属基板１を準備したら、図１(b)に示すように、第一の金属基板１の下面に、そのほぼ全域を覆うように可動イオンを含む酸化膜３を成膜する。

可動イオンを含む酸化膜３は電気的な絶縁体であれば良い。電気的な絶縁体とは、キャリヤとして電子やホールを持たない物質である。可動イオンはアルカリイオンや銀イオンであり、アルカリイオンとしては、例えばＮａイオン又はＬｉイオンであることが好ましい。特にアルカリイオンを含有したイオン電導性のガラス、特にパイレックス（登録商標）からなる酸化膜が好ましい。パイレックスは、ＳｉＯ_２（８０．６重量％）及びＢ_２Ｏ_３（１１．９重量％）を主成分とし、ＮａＯ_２（４．４重量）を含有するほか少量のＡｌ_２Ｏ_３及びアルカリ土類酸化物を含むガラスからなる。本実施形態ではガラス膜３を使用した場合について述べる。

ガラス膜３の成膜方法としては、第一の金属基板１を被膜対象物としてスパッタリング装置にセッティングし、その後、例えばガラス等の可動イオンを含む酸化物をターゲットとしてＡｒガスとＯ_２ガスからなる雰囲気下でスパッタリングを行う。スパッタリング工程では、上記ターゲットにイオンが衝突することによって当該ターゲットからスパッタされた原子や分子が放出され、放出された原子や分子がガラス膜３の下面に衝突し、ガラス膜３が第一の金属基板１の下面に成膜される。このガラス膜３の膜厚は３０００Å〜５０００Åとすることが好ましい。

一方、第二の金属基板４としてSUS等といった金属基板を準備する。第二の金属基板４は、第一の金属基板１と同様に所定の厚みを有しかつ四角形状をなした基板であって、上下両面が平坦でかつ互いに平行となるように形成されている。そして、第一の金属基板１と当接させたときに第一の金属基板１とほぼ合致する大きさを有している。

続いて、ガラス膜３を成膜した第一の金属基板１と、第二の金属基板４とを準備したら、図１(c)に示すように、第一の金属基板１の下面（ガラス膜３が成膜された面）と第二の金属基板４の上面とを当接させ、これら第一の金属基板１及び第二の金属基板４を陽極接合装置にセッティングして陽極接合を行う。詳細には、第一の金属基板１及び第二の金属基板４を高温雰囲気に曝露することによりこれらを加熱し、さらにガラス膜３を介在させた状態で第一の金属基板１の上面（ガラス膜３が成膜された面と反対側の面）に陰極を接触させ、かつ、第二の金属基板４の下面（第一の金属基板１との当接面と反対側の面）に陽極を接触させて、第一の金属基板１と第二の金属基板４との間に高電圧を印加する。これにより、ガラス膜３中のＮａ^＋イオンが陰極である第一の金属基板１側へと移動する。その結果、第二の金属基板４側のガラス膜３中の酸素がＯ^２−イオン等の酸素の陰イオンとなり、第一の金属基板１のガラス膜３と第二の金属基板４とが化学結合し、第一の金属基板１と第二の金属基板４とが接合する。

［第二の実施の形態］
第二の実施の形態では、第一の金属基板１と可動イオンを含む酸化膜（ガラス膜）３との間に、電気伝導性酸化膜２を成膜した場合について説明する。
図２は、基板の接合方法の一部の工程を説明するための図面であり、(a)〜(c)は第一の金属基板１に電気伝導性酸化膜２及び可動イオンを含む酸化膜３を成膜する工程を示した図面であり、(d)は第一の金属基板１と第二の金属基板４とを陽極接合する図面である。
まず、図２(a)に示すように、第一の金属基板１としてSUS基板等といった金属基板を準備する。第一の金属基板１は、所定の厚みを有しかつ四角形状をなした基板であって、上下両面が平坦でかつ互いに平行となるように形成されている。
第一の金属基板１を準備したら、図２(b)に示すように、第一の金属基板１の下面に、そのほぼ全域を覆うように電気伝導性酸化物からなる電気伝導性酸化膜２を成膜する。電気伝導性酸化膜２は、アモルファス状の構造を有していることが好ましい。電気伝導性酸化膜２は一般的に金属より抵抗率が高い材料、例えばＴａとＳｉとＯとを成分元素とする化合物材料（「Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ系材料」という。）から構成し、具体的には（Ｔａ_0.7Ｓｉ_0.3）_0.32Ｏ_0.68であることが好ましい。電気伝導性酸化膜２の抵抗率は１０ｋΩ・cm〜２００ｋΩ・cmとする。

電気伝導性酸化膜２の成膜方法としては、第一の金属基板１を被膜対象物としてスパッタリング装置にセッティングし、その後、Ｔａで形成された板にＳｉを埋め込んだもの（Ｔａ：Ｓｉ＝３：１）をターゲットとしてＡｒガスとＯ_２ガスからなる雰囲気下でスパッタリングを行う。スパッタリング工程では、上記ターゲットにイオンが衝突することによって当該ターゲットからスパッタされた原子や分子が放出され、放出された原子や分子が第一の金属基板１の下面に衝突し、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ系材料の電気伝導性酸化膜２が第一の金属基板１の下面に成膜される。電気伝導性酸化膜２の膜厚は１０００Å〜３０００Åとすることが好ましい。

電気伝導性酸化膜２を成膜したら、図２(c)に示すように、電気伝導性酸化膜２の下面（第一の金属基板１と反対側の面）に、そのほぼ全域を覆うように、可動イオンを含む酸化膜（第二の膜）３を成膜する。可動イオンを含む酸化膜３は電気的な絶縁体であれば良い。電気的な絶縁体とは、キャリヤとして電子やホールを持たない物質である。可動イオンはアルカリイオンや銀イオンであり、アルカリイオンとしては、例えばＮａ又はＬｉであることが好ましい。特にアルカリイオンを含有したイオン電導性のガラス、特にパイレックス（登録商標）からなる酸化膜が好ましい。パイレックスは、ＳｉＯ_２（８０．６重量％）及びＢ_２Ｏ_３（１１．９重量％）を主成分とし、ＮａＯ_２（４．４重量）を含有するほか少量のＡｌ_２Ｏ_３及びアルカリ土類酸化物を含むガラスからなる。本実施形態ではガラス膜３を使用した場合について述べる。

ガラス膜３の成膜方法としては、電気伝導性酸化膜２を被膜対象物としてスパッタリング装置にセッティングし、その後、例えばガラス等の可動イオンを含む酸化物をターゲットとしてＡｒガスとＯ_２ガスからなる雰囲気下でスパッタリングを行う。スパッタリング工程では、上記ターゲットにイオンが衝突することによって当該ターゲットからスパッタされた原子や分子が放出され、放出された原子や分子が電気伝導性酸化膜２の下面に衝突し、ガラス膜３が電気伝導性酸化膜２の下面に成膜される。このガラス膜３の膜厚は３０００Å〜５０００Åとすることが好ましい。

続いて、電気伝導性酸化膜２及びガラス膜３をそれぞれ成膜した第一の金属基板１と、第二の金属基板４とを準備したら、図２(d)に示すように、第一の金属基板１の下面（ガラス膜３が成膜された面）と第二の金属基板４の上面とを当接させ、これら第一の金属基板１及び第二の金属基板４を陽極接合装置にセッティングして陽極接合を行う。詳細には、第一の金属基板１及び第二の金属基板４を高温雰囲気に曝露することによりこれらを加熱し、さらに電気伝導性酸化膜２及びガラス膜３を介在させた状態で第一の金属基板１の上面（電気伝導性酸化膜２及びガラス膜３が成膜された面と反対側の面）に陰極を接触させ、かつ、第二の金属基板４の下面（第一の金属基板１との当接面と反対側の面）に陽極を接触させて、第一の金属基板１と第二の金属基板４との間に高電圧を印加する。これにより、ガラス膜３中のＮａ^＋イオンが陰極である第一の金属基板１側へと移動する。その結果、第二の金属基板４側のガラス膜３中の酸素がＯ^２−イオン等の酸素の陰イオンとなり、第一の金属基板１のガラス膜３と第二の金属基板４とが化学結合し、第一の金属基板１と第二の金属基板４とが接合する。また、Ｎａ^＋イオンは、ガラス膜３から第一の金属基板１側へと移動するが、その際にＮａ^＋イオンを透過可能な電気伝導性膜２に移動する。なぜなら、電気伝導性酸化膜２はガラス膜３に比べて抵抗率が低いが、第一の金属に比べて抵抗率が高いために膜内部の電界はガラス膜３、電気伝導性酸化膜２、第一の金属基板１の順に小さくなる。したがって、第一の金属基板１側へと移動するＮａ^＋イオンは一部電気伝導性膜２内に移動することができ、第一の金属基板１に電気伝導性酸化膜２を成膜せずにガラス膜３のみ成膜した場合に比べて、第一の金属基板１と電気伝導性酸化膜２との界面におけるＮａ^＋イオンの濃度集中が緩和される。

以上のように、第二の実施の形態によれば、第一の金属基板１に電気伝導性酸化膜２を成膜し、電気伝導性酸化膜２にガラス膜３を成膜して、第一の金属基板１と第二の金属基板４とを陽極接合すると、陽極接合によりガラス膜３中のＮａ^＋イオンがガラス膜３よりも抵抗率の低い電気伝導性酸化膜２中に移動するため、Ｎａ^＋イオンが第一の金属基板１とガラス膜３との界面近傍に集中する現象を避けることができるという効果もある。すなわち、第二の実施の形態によれば、上述のように電気伝導性酸化膜２を成膜することによって、電気伝導性酸化膜２がＮａ^＋イオンの移動の障壁となっていた電界強度の急激な変化を和らげる緩衝膜として作用するため、第一の金属基板１側への濃度集中が緩和される。その結果、電気伝導性酸化膜２が成膜されていない第一の実施の形態に比べて、第一の金属基板１と成膜層との間の密着強度をさらに高めることができる。

［第三の実施の形態］
第三の実施の形態では、第二の実施の形態の第二の金属基板４Ａに溝５を形成することによって流路を構成し、マイクロリアクタと呼ばれる微小の反応炉として利用する場合について説明する。
図３は、基板の接合方法の一部の工程を説明するための図面であり、(a)〜(c)は第二の金属基板４Ａに溝５を形成する工程を示した図面であり、(d)は第一の金属基板１と第二の金属基板４Ａとを陽極接合した図面である。
まず、第二の実施の形態と同様の第一の金属基板１を準備し、この第一の金属基板１の下面に第一の実施の形態と同様に電気伝導性酸化膜２及びガラス膜３を順に成膜する。

一方、図３(a)に示すように、第二の実施の形態の第二の金属基板４と同様の第二の金属基板４Ａを準備し、図３(b)に示すように、第二の金属基板４Ａの上面に葛折り状の溝５を形成する。溝５の形成方法としては、第二の金属基板４Ａの上面に対し周知のフォトリソグラフィー、サンドブラスト加工等を適宜施すことによって行う。

このようにして準備した第一の金属基板１と第二の金属基板４Ａとを、図３(d)に示すように、第一の金属基板１のガラス膜３を成膜した面と、第二の金属基板４Ａの溝５を形成した面とを当接させ、第二の実施の形態と同様に陽極接合装置にセッティングして陽極接合を行う。
接合された第一の金属基板１と第二の金属基板４Ａとは、第一の金属基板１及び第二の金属基板４Ａの溝５で構成された流路内に原料系の流体を流し、この流路を例えば第一の金属基板１の上面（電気伝導性酸化膜２及びガラス膜３が成膜された面と反対側の面）に形成した薄膜ヒータ（図示略）によって加熱することにより、流路内で化学反応を引き起こすことができる。この接合基板は、例えばジメチルエーテルやメタノール等の炭化水素物を改質して水素を抽出するマイクロリアクタとして応用することができる。特に、液体又は固体状の炭化水素物を気化する気化用マイクロリアクタ、炭化水素物を水素に改質する水素改質用マイクロリアクタ、一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去用マイクロリアクタとして用いるのに有効であり、水素を化学反応させて発電する燃料電池の小型化に寄与することができる。

なお、上記実施の形態では、第二の金属基板４Ａに溝５を形成して流路を構成するとしたが、第一の金属基板１にも同様の溝を形成して第一の金属基板１の溝と第二の金属基板４Ａの溝５とによって流路を構成するようにしても良いし、第一の金属基板１にのみ溝を形成して流路を構成するようにしても良い。

第一の実施の形態における基板の接合方法の一部の工程を説明するための図面である。第二の実施の形態における基板の接合方法の一部の工程を説明するための図面である。第三の実施の形態における基板の接合方法の一部の工程を説明するための図面である。

符号の説明

１第一の金属基板
２電気伝導性酸化膜
３ガラス膜
４、４Ａ第二の金属基板
５溝

Claims

第一の金属基板と、
前記第一の金属基板の一方の面に形成され、金属に比べて抵抗率の高い電気伝導性膜と、
前記電気伝導性膜の上に積層され、アルカリ金属イオン又は銀イオンの可動イオンを含む前記電気伝導性膜に比べて抵抗率の高い絶縁性のガラス膜と、
前記絶縁性のガラス膜の上に陽極接合された第二の金属基板と、を備えることを特徴とする接合基板。
前記第一の金属基板における前記第二の金属基板側の面、及び／又は、第二の金属基板における前記第一の金属基板側の面に溝を形成することによって、流路が構成されていることを特徴とする請求項１に記載の接合基板。
前記第一の金属基板における前記第二の金属基板側の面又は前記第二の金属基板における前記第一の金属基板側の面のうち少なくとも一方に溝が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の接合基板。
前記電気伝導性膜は、酸化物であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の接合基板。
前記電気伝導性膜は、アモルファス状の構造を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の接合基板。
前記電気伝導性膜は、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ系材料から構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の接合基板。
前記可動イオンとしてのアルカリ金属イオンはＮａ又はＬｉのイオンであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の接合基板。
マイクロリアクタの一部を構成することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の接合基板。
一方の面側に金属に比べて抵抗率の高い電気伝導性膜と、前記電気伝導性膜の上に、アルカリ金属イオン又は銀イオンの可動イオンを含む前記電気伝導性膜に比べて抵抗率の高い絶縁性のガラス膜とが成膜された第一の金属基板を準備する工程と、
第二の金属基板を準備する工程と、
前記第一の金属基板上の前記絶縁膜と第二の金属基板とを互いに当接させる工程と、
前記第一の金属基板と前記第二の金属基板とを陽極接合する工程とを含むことを特徴とする接合方法。
前記第一の金属基板を準備する工程は、前記第一の金属基板の一方の面側に前記電気伝導性膜を成膜する工程と、前記電気伝導性膜の前記第一の金属基板と反対側の面に前記絶縁性のガラス膜を成膜する工程と、を含むことを特徴とする請求項９に記載の接合方法。
前記第一の金属基板を準備する工程は、前記第一の金属基板の一方の面側に前記電気伝導性膜を成膜する工程と、前記電気伝導性膜の前記第一の金属基板と反対側の面に前記絶縁性のガラス膜を成膜する工程と、を含み、
前記第二の金属基板を準備する工程は、前記第二の金属基板における前記第一の金属基板側の面に溝を形成する工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の接合方法。
前記第一の金属基板を準備する工程は、前記第一の金属基板の一方の面側に前記電気伝導性膜を成膜する工程と、前記電気伝導性膜の前記第一の金属基板と反対側の面に前記絶縁性のガラス膜を成膜する工程と、前記第一の金属基板における前記第二の金属基板側の面に溝を形成する工程と、を含むことを特徴とする請求項９に記載の接合方法。