JP2002172777A - インクジェットヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電極基板上への電極パターン及び絶縁膜形成
において、工程の短縮、簡略化を実現し、さらに振動板
と電極基板の接合不良、及び振動と電極間ギャップの精
度向上を図る。 【構成】 インクジェットヘッドのアクチュエータ部
は、ノズルに連通する液室９の一部を構成する振動板１
０と、振動板１０と対向して電極基板１上に配置されて
た個別電極５からなり、振動板１０を静電気力により変
形させ記録液を吐出する。個別電極５は融解温度が１５
００℃以上の高融点金属（Ｔａ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｚｒ）ま
たはその窒化物（ＴｉＮ）の電極パターン６で形成さ
れ、電極パターン６には保護膜として高融点金属または
その窒化物を熱酸化または陽極酸化によって得られる絶
縁膜７が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はプリンタ、コピー、
ファクシミリ等の記録装置に用いられるインクジェット
ヘッド及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、静電
気力を利用した静電型インクジェットヘッドの電極構造
及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】静電気力を利用して振動板を駆動し、イ
ンク滴を吐出するインクジェットヘッドの従来例として
例えば特開平６−７１８８２号公報、特開平９−１９３
３７５号公報等が提案されている。特開平６−７１８８
２号公報には、オンデマンド方式のインクジェットプリ
ンタヘッドのアクチュエータ部構造として、個別電極は
振動板との間に空隙を存して対向配置され、さらに絶縁
膜により被覆される構造を有しており、個別電極と振動
板との間に電圧を印加し、前記振動板を静電気力により
変形させインク液を加圧し、ノズルからインク液滴を吐
出するようにした静電型インクジェットヘッドが記載さ
れている。個別電極を絶縁膜で被覆する目的は、インク
ジェットヘッド駆動時の絶縁破壊、ショートを防止する
ためであり、スパッタ法により形成することが記されて
いる。

【０００３】また、特開平９−１９３３７５号公報に
は、個別電極上に絶縁膜を形成することが記載されてい
るが、絶縁膜に関する詳細は特に記載されてない。電極
材料として窒化チタン等の比較的溶解温度が高く、かつ
抵抗率の低い材料が良く用いられており、個別電極を被
覆する絶縁膜の形成方法としてＣＶＤ法による酸化膜形
成が広く用いられている。

【０００４】静電気力を利用してインクを吐出する静電
型インクジェットヘッドは、ノズルと、ノズルに連通す
るインク液室の一部を構成する振動板と、振動板に所定
のギャップを介して対向配置された電極を有し、振動板
と電極間に電圧を印加することにより、振動板を静電気
力により変形させ、ノズルからインクを吐出するもので
ある。

【０００５】図４は、従来から用いられているインクジ
ェットヘッドのアクチュエータ部を示す断面図であり、
インクジェットヘッド構成する複数ノズルのうち単一ノ
ズルの短辺方向断面を示している。アクチュエータ部の
主要部分は図４に示すように、電極基板２１を形成する
シリコン基板２２上の絶縁膜２３に凹形状にパターン形
成して凹部２４とし、さらに凹部２４内に電極パターン
２６を形成した後、絶縁膜２７として電極パターン２６
の酸化膜を形成し、酸化膜をパターニングし、電極パタ
ーン２６を絶縁膜２７で被覆して電極２５を形成するも
のである。

【０００６】図５（Ａ）〜（Ｈ）は、図４に示す従来の
インクジェットヘッドの製作工程を経時的に示す概略断
面図である。以下、従来のインクジェットヘッドの製作
工程を説明する。 （Ａ） まず、シリコン基板２２に約２μｍ厚の熱酸化
膜２３を成膜する。 （Ｂ） 熱酸化膜２３に対して、電極を配置する部分に
リソグラフィでマスク形成後、ＢＨＦ溶液によるエッチ
ングにより、約０.６μｍ深さの凹部２４を形成する。 （Ｃ） 反応式スパッタにより、電極膜２６ａを約０.
２μｍ厚成膜する。 （Ｄ） 電極膜２６ａに対して、リソグラフィでマスク
３１を形成する。 （Ｅ） マスク３１を形成後、プラズマエッチングによ
り電極パターン２６を形成する。 （Ｆ） 電極パターン２６形成後、絶縁膜２７として酸
化膜２７ａをプラズマＣＶＤ法により、約０.２μｍ厚
成膜する。 （Ｇ） 電極パターン２６を覆うように絶縁膜２７のマ
スク３２をリソグラフィで形成する。 （Ｈ） 絶縁膜２７のマスク３２を形成後、エッチング
により絶縁膜２７のパターンを形成する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前記した従来のインク
ジェットヘッドにおいては、電極パターン２６上に形成
する絶縁膜２７として、通常ＣＶＤ法による酸化膜２７
ａが用いられている。さらに絶縁膜２７ａを成膜後、リ
ソグラフィ及びエッチング工程を要することで、製作工
程が多く、工程が複雑化するといった問題点があった。
またＣＶＤ法による酸化膜２７ａは、水分等不純物を多
く含有しており、直接接合工程の高温処理の際に脱ガス
が生じ、そのため接合不良を引き起こす要因となってい
る問題点があった。

【０００８】また、静電型インクジェットヘッドで安定
した振動特性を得るには、振動板と電極間ギャップを１
０分の数ミクロンレベルで精度よく制御する必要があ
る。しかし、電極上に絶縁膜を形成するには、酸化膜形
成工程、リソグラフィー工程、エッチング工程等の工程
を経ることから、ギャップ制御ばらつきの要因となる。
また、ギャップ間に発生する微粒子等のパーティクルも
振動特性へ影響が大きいことから、ギャップ形成工程を
出来るだけ簡素化することが望まれる。さらに、ＣＶＤ
法によって形成された酸化膜と電極材料との接着性が優
れないことから、酸化膜が剥がれるあるいは酸化膜にク
ラックが生じる等の工程不良を引き起こす場合がある。

【０００９】本発明の目的は、電極として高融点金属材
料を用い、かつ高融点金属材料を直接酸化させることで
電極上に絶縁膜を形成し、工程の短縮、簡略化を実現
し、さらに振動板と電極基板の接合不良及び振動と電極
間ギャップの精度向上を図ることにより、信頼性の高い
インクジェットヘッドを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を達
成するためになされたものであって、その第１の技術手
段は、記録液を吐出するノズルに連通する液室の一部を
構成する振動板と、該振動板に対して電極が対向配置さ
れた電極基板を有し、前記振動板と前記電極間に電圧を
印加し、前記振動板を静電力により変形させ記録液をノ
ズルから吐出するインクジェットヘッドにおいて、前記
電極は融解温度が１５００℃以上の高融点金属または該
高融点金属の窒化物で形成され、前記電極には前記高融
点金属または高融点金属の窒化物の酸化物からなる絶縁
膜が形成されていることを特徴とする。

【００１１】第２の技術手段は、第１の技術手段のイン
クジェットヘッドにおいて、前記電極を形成する高融点
金属は、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、ニオブ
（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）であり、また前記高融
点金属の窒化物は、窒化チタン（ＴｉＮ）であることを
特徴とする。

【００１２】第３の技術手段は、記録液を吐出するノズ
ルに連通する液室の一部を構成する振動板と、該振動板
に対して電極が対向配置された電極基板を有し、前記振
動板と前記電極間に電圧を印加し、前記振動板を静電力
により変形させ記録液をノズルから吐出するインクジェ
ットヘッドの製造方法において、前記電極基板に融解温
度が１５００℃以上の高融点金属または該高融点金属の
窒化物で前記電極を形成し、前記高融点金属または該高
融点金属の窒化物を酸化して絶縁膜を形成することを特
徴とする。

【００１３】第４の技術手段は、第３の技術手段のイン
クジェットヘッドの製造方法において、前記電極の絶縁
膜は、前記電極を形成する高融点金属または該高融点金
属の窒化物を陽極酸化して形成することを特徴とする。

【００１４】第５の技術手段は、第３の技術手段のイン
クジェットヘッドの製造方法において、前記電極の絶縁
膜は、前記電極を形成する高融点金属または該高融点金
属の窒化物を熱酸化して形成することを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
〜図３に示す実施例に基づいて説明する。 （実施例１）実施例１は、請求項１〜４のインクジェッ
トヘッド及びその製造方法に対応し、図１は、実施例１
によるインクジェットヘッドのアクチュエータ部の短辺
方向の断面図である。図１では、インクジェットヘッド
を構成する複数ノズルのうちの単一ノズルについてその
短辺方向の断面を示している。アクチュエータ部の主要
部分は、図１に示すように電極基板１と振動基板８から
構成される。電極基板１はシリコン基板２上に熱酸化膜
３が形成され、熱酸化膜３に形成された凹部４にはタン
タル膜からなる電極パターン６及び酸化タンタルからな
る保護絶縁膜７電極パターン６の積層構造からなる電極
５が形成されている。なお、電極５を形成する電極パタ
ーン６としては、融解温度が１５００℃以上のタンタル
（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニ
ウム（Ｚｒ）等の高融点金属材料を用いるか、または窒
化チタン（ＴｉＮ）等の高融点金属の窒化物を用いるこ
とができる。また、電極パターン６の保護膜としての絶
縁膜７は、電極パターン６を形成する高融点金属材料ま
たはその窒化物を陽極酸化法または熱酸化法によって酸
化して得られる。また、振動基板８は電極基板１と直接
接合により接合され、シリコン基板の個別電極５に対向
する部分に液室９及び振動板１０が形成されている。

【００１６】実施例１のインクジェットヘッドの電極基
板１の作製工程を図２（Ａ）〜（Ｆ）に基づいて説明す
る。 （Ａ） 〈１００〉方位のシリコン基板２上に約２μｍ
厚の熱酸化膜３を形成する。 （Ｂ） 熱酸化膜３に対してグラデーションマスク法に
より、所定の勾配とギャップ約０.６μｍを有した凹部
４を形成する。 （Ｃ） その後、反応性スパッタ法により、電極パター
ン６となるタンタル膜６ａを約０.３μｍ成膜する。 （Ｄ） 凹部４にのみ電極パターン６を残すようレジス
ト１１を塗布する。 （Ｅ） ＣＦ₄を用いたプラズマエッチング法で電極パ
ターン６を形成する。 （Ｆ） その後、ほう酸アンモニウムあるいは酒石酸ア
ンモニウム等の有機酸系の電解液を使用した陽極酸化法
により、タンタル膜６ａからなる電極パターン６の表面
層を酸化させることによって、約０.２μｍの酸化タン
タルからなる絶縁膜７を形成する。

【００１７】陽極酸化後、タンタル膜約０.２μｍ及び
酸化タンタル約０.２μｍの積層構造が形成され、電極
５が形成される。ここで、陽極酸化法によって形成され
た酸化タンタル膜はピンホールの発生がなく、電気的に
も耐電圧性が高く安定した被覆性が得られる。また、陽
極酸化によってセルフアラインで電極パターン６周辺に
酸化膜が形成できるため、従来のような酸化膜のパター
ニングが不要であり、工程の簡略化を図ることができ
る。電極材料にタンタルを用いた場合には、形成される
絶縁膜７はＴａ₂Ｏ₅（五酸化タンタル）を主成分とする
酸化タンタルからなる。また、チタンを用いた場合に
は、ＴｉＯ₂（二酸化チタン）を主成分とする絶縁膜か
らなる。

【００１８】次に、振動基板８の作製工程について説明
する。図３（Ａ）〜（Ｄ）は、振動基板８の作製工程を
経時的に示す断面図である。 （Ａ） 絶縁膜７で被覆された個別電極５を形成した電
極基板１と〈１１０〉方位のシリコン基板８ａを直接接
合法により接合する。 （Ｂ） ＣＶＤ法によって０.１〜０.２μｍ厚のマスク
窒化膜１２を形成し、リソグラフィによりマスクパター
ン形成する。 （Ｃ） アルカリ系溶液で液室９及び振動板１０に相当
する部分をエッチング加工する。 （Ｄ） マスク窒化膜１２を除去する。

【００１９】以上のようにして作製された実施例１のイ
ンクジェットヘッドによると、振動板１０と電極５間に
駆動電圧を印加することによって、静電気力により振動
板１０を電極５側に撓ませる。駆動電圧を０Ｖに戻した
際、振動板１０が弾性力で元に戻ることによって、液室
９から図示しないノズル流路を経由し図示しないノズル
より記録液を吐出する。振動板１０と電極５を当接する
ように駆動させる場合においても、耐電圧性に優れた酸
化絶縁膜７を介しているため短絡故障を防止することが
できる。

【００２０】さらに、電極パターン６上の絶縁膜７を陽
極酸化により形成するため、インクジェットヘッドでキ
ーとなる振動板１０と電極５間のギャップが、酸化膜凹
部４のエッチング、及びタンタル膜のデポジション及び
酸化工程によって決定されることから、高精度なギャッ
プ制御が実現可能である。また、高品質な絶縁膜が形成
できることから、ＣＶＤ膜と比較して膜中に含まれる水
分等含有不純物量に影響される接合不良の問題が解消で
きる。

【００２１】（実施例２）実施例２は、請求項１〜３，
５のインクジェットヘッド及びその製造方法に対応し、
その図面は実施例１のインクジェットヘッドと同様であ
るので省略している。実施例２のアクチュエータ部の主
要部分は、図１に示すようにシリコン基板２上に形成し
た熱酸化膜３の凹部４に、タンタル膜等高融点金属材料
またはその窒化物からなる電極パターン６及び酸化タン
タル等電極パターンを形成する材料の酸化物からなる絶
縁膜７を積層構造とした電極５を配置した電極基板１
と、該電極基板１と直接接合により接合されたシリコン
基板の電極５に対向する部分を、液室９及び振動板１０
として形成した振動基板８から構成される。

【００２２】しかし、実施例２のインクジェットヘッド
は、酸化タンタル等高融点金属材料またはその窒化物の
酸化物からなる絶縁膜７の形成において、陽極酸化に代
えて熱酸化による方法を用いることで、実施例１のイン
クジェットヘッドと相違している。熱酸化による酸化タ
ンタル７の形成は、電気炉によって５００〜７００℃の
ドライ酸化法によって実現することができる。酸化タン
タルを形成後、さらに８００〜１０００℃の窒素アニー
ルを行なうことで膜組成の安定化を図ることができる。
熱酸化法による形成によれば、実施例１の陽極酸化法に
よる形成と比較して、工程が簡素になり、コストメリッ
トの効果が大きい。

【００２３】

【発明の効果】請求項１及び３のインクジェットヘッド
及びその製造方法によれば、セルフアラインで電極周辺
の保護膜となる絶縁膜が形成できるため、従来のような
酸化膜のパターニングが不要であり、工程の簡略化を図
ることができる。また、インクジェットヘッドでキーと
なる振動板と電極間のギャップが、酸化膜凹部のエッチ
ング、タンタル膜のデポジション及び酸化工程によって
決定されることから、高精度なギャップ制御が実現で
き、振動板変位量の安定化が実現でき、高品質及び信頼
性の高いインクジェットヘッドが製造可能である。

【００２４】請求項２記載のインクジェットヘッドによ
れば、電極材料の融解温度が高いことから、電極形成以
降での高温熱処理が可能となり、振動基板との接合工程
において、従来の低温接合時に見られた出ガス等に影響
した接合不良が解消でき、高品質及び信頼性の高いイン
クジェットヘッドが製造可能である。

【００２５】請求項４記載のインクジェットヘッドの製
造方法によれば、従来のプラズマＣＶＤ法によって形成
された絶縁膜と比較して、陽極酸化法によって形成され
た酸化タンタル膜はピンホールの発生がなく、電気的に
も耐電圧性が高く安定した絶縁膜が形成され、電極被覆
の長期信頼性が向上し、高品質及び信頼性の高いインク
ジェットヘッドが製造可能である。

【００２６】請求項５記載のインクジェットヘッドの製
造方法によれば、前記陽極酸化法と比較して、熱酸化法
を用いることで絶縁膜の形成工程が簡素化できることか
ら、製造コストの低減が図れ、量産性に優れるインクジ
ェットヘッドが製造可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１によるインクジェットヘッ
ドのアクチュエータ部を示す断面図である。

【図２】 実施例１のインクジェットヘッドの電極基板
１の作製工程を経時的に示す断面図である。

【図３】 実施例１のインクジェットヘッドの振動基板
８の作製工程を経時的に示す断面図である。

【図４】 従来のインクジェットヘッドのアクチュエー
タ部の短辺方向の断面図を示す。

【図５】 図４のインクジェットヘッドの製作工程を経
時的に示す概略断面図である。

【符号の説明】

１…電極基板、２…シリコン基板、３…熱酸化膜、４…
凹部、５…個別電極、６…電極パターン（タンタル
膜）、７…絶縁膜（酸化タンタル）、８…振動基板、９
…液室、１０…振動板。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 記録液を吐出するノズルに連通する液室
   の一部を構成する振動板と、該振動板に対して電極が対
   向配置された電極基板を有し、前記振動板と前記電極間
   に電圧を印加し、前記振動板を静電力により変形させ記
   録液をノズルから吐出するインクジェットヘッドにおい
   て、 前記電極は融解温度が１５００℃以上の高融点金属また
   は該高融点金属の窒化物で形成され、前記電極には前記
   高融点金属または高融点金属の窒化物の酸化物からなる
   絶縁膜が形成されていることを特徴とするインクジェッ
   トヘッド。
2. 【請求項２】 前記電極を形成する高融点金属は、タン
   タル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジル
   コニウム（Ｚｒ）であり、また前記高融点金属の窒化物
   は、窒化チタン（ＴｉＮ）であることを特徴とする請求
   項１記載のインクジェットヘッド。
3. 【請求項３】 記録液を吐出するノズルに連通する液室
   の一部を構成する振動板と、該振動板に対して電極が対
   向配置された電極基板を有し、前記振動板と前記電極間
   に電圧を印加し、前記振動板を静電力により変形させ記
   録液をノズルから吐出するインクジェットヘッドの製造
   方法において、 前記電極基板に融解温度が１５００℃以上の高融点金属
   または該高融点金属の窒化物で前記電極を形成し、前記
   高融点金属または該高融点金属の窒化物を酸化して絶縁
   膜を形成することを特徴とするインクジェットヘッドの
   製造方法。
4. 【請求項４】 前記電極の絶縁膜は、前記電極を形成す
   る高融点金属または該高融点金属の窒化物を陽極酸化し
   て形成することを特徴とする請求項３記載のインクジェ
   ットヘッドの製造方法。
5. 【請求項５】 前記電極の絶縁膜は、前記電極を形成す
   る高融点金属または該高融点金属の窒化物を熱酸化して
   形成することを特徴とする請求項３記載のインクジェッ
   トヘッドの製造方法。