JP2002240284A - 静電型インクジェットヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低電圧駆動可能で、安定性、信頼性の高い静
電型インクジェットヘッドにおいて、振動板と対向電極
間のギャップ形状のバラツキを少なく製造する。 【解決手段】 振動板２２と対向電極間のギャップＧの
形状は、振動板２２に対し非平行な第１の非平行部分Ｇ
_１と、第１の非平行部分の傾斜より急峻な傾斜の第２の
非平行部分Ｇ_２と、前記振動板と平行な平行部分Ｇ_３と
からなる。非平行ギャップＧ_１，Ｇ_２の位置に対応して
電極基板となる絶縁膜１２上の振動板基板との接合面領
域及び第１の非平行領域Ｇ_１にレジストパターンを形成
し、電極基板とレジストを同時にエッチングすることに
よりレジスト形状を所定の比率で電極基板に転写する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、静電型インクジェ
ットヘッド及びその製造方法に関し、より詳細には、プ
リンタ、コピー、ファクシミリ等に用いられる静電力を
利用したインクジェットヘッドのアクチュエータ部及び
その製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】振動板と所定の間隔で振動板に対向する
個別電極の間に電圧をかけたときに発生する静電力で振
動板を変位させることによりインクを吐出させる形式の
インクジェットヘッド（以下、静電型インクジェットヘ
ッドという）において、振動板と個別電極間のギャップ
が非平行な部分を有するものとして、特開平９−３９２
３５号公報、特開平９−１９３３７５号公報に開示され
た発明が知られている。また、特願平１１−３４９７３
８号の発明も知られている。

【０００３】特開平９−３９２３５号公報（インクジェ
ットヘッドおよびその駆動方法）の発明は、振動板と所
定の間隔で振動板に対向する電極の間に電圧をかけたと
きに発生する静電力で振動板を変位させることによりイ
ンクを吐出させる形式のインクジェットヘッドにおい
て、振動板と電極間の間隔（ギャップ）は相対的に大き
な部分と小さな部分があり、それらが段階的に変化して
いる構造とすることにより、駆動電圧の低電圧化を可能
にするとともに、インク滴吐出量を段階的に制御するこ
とを可能としている。非平行ギャップ形成方法について
は、具体的記述はされていない。

【０００４】特開平９−１９３３７５号公報（記録ヘッ
ド）の発明は、静電型インクジェットヘッドにおいて、
振動板（第１の電極）と対向電極（第２の電極）間のギ
ャップを非平行に形成することにより、インク滴の噴射
量・噴射速度のバラツキをおさえる。非平行ギャップ形
成方法については具体的記述はされていない。

【０００５】特願平１１−３４９７３８号出願（静電型
アクチュエータ・インクジェットヘッド及びそれらの製
造方法）は、静電型インクジェットヘッドにおける非平
行ギャップの形成方法として、電極基板上にフォトレジ
ストの層を形成し、このフォトレジスト層をマスクとし
て電極基板材料を等方性及び／または異方性エッチング
を行うことにより電極基板材料に所望のギャップ形状を
形成する方法を提示している。具体的な実施例としては
電極基板（または電極基板上の絶縁膜、以下省略）上に
レジストを塗布後、光が透過する領域は透過した光が散
乱するように形成されていてるフォトマスクを用いて中
央部で深くマスクの周辺部で浅い形状のレジスト層を形
成したり、段差形状に開口したレジスト上にさらにレジ
ストを重ね塗りすることにより開口部の周辺で形状が振
動板側に向かって滑らかな凸形状のレジスト層を形成し
たり、さらにその後熱処理することによりレジスト形状
を滑らかにする方法でレジスト層を形成後、レジストと
電極基板を同時にエッチングすることによりレジストの
形状を電極基板に転写する方法が提示されている。ま
た、非平行ギャップの形成方法として、個々の開口は解
像しない多数の開口がギャップ形状に対応した開口率分
布で配置されているフォトマスクを用いて非平行なギャ
ップ形状に対応したレジスト形状を形成し、レジストと
基板材料を同時にエッチングすることによりレジスト形
状を所定の比率で基板へ転写させる方法が提示されてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記特開平９−３９２
３５号公報には、他段階のギャップ形成について具体的
な製造方法が示されていないが、形状から類推するとギ
ャップの段数に応じて複数回のエッチングを行っている
ものと推定される。特開平９−１９３３７５号公報に
は、非平行ギャップ形成方法については具体的な製造方
法が示されていない。また、特願平１１−３４９７３８
号の明細書には、中央部で深くマスクの周辺部で浅い形
状のギャップ、及び開口部の周辺で形状が振動板側に向
かって滑らかな凸形状のギャップが示されている。ま
た、振動板基板との接合面及びギャップに対応する部分
全体に非平行なギャップ形状に対応したレジストパター
ンが形成されており、全体がレジストに覆われた状態か
らレジストと基板材料を同時にエッチングする方法が示
されている。

【０００７】従来の技術において示されているレジスト
形状とした場合、非平行なギャップ形状に対応したレジ
ストと基板材料をエッチングする工程は、次の２つのス
テップからなる。 （１）レジストのみがエッチングされるステップ。 （２）レジストと基板材料の両方がエッチングされるス
テップ。そのため、ギャップ形状のバラツキも、上の２
つのステップのバラツキの影響を受ける。

【０００８】本発明の目的は、非平行ギャップを有する
低電圧駆動が可能で高性能、高信頼性の静電型インクジ
ェットヘッドを提供するとともに、非平行ギャップ形状
のバラツキを大きく低減させることが可能な静電型イン
クジェットヘッドの製造方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
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、該振動板とギャップを介して個別電
極が対向配置された電極基板を有し、前記振動板に取り
付けられた共通電極と前記個別電極間に駆動電圧を印加
し、前記振動板を静電力により変形させ記録液を前記ノ
ズルから吐出させる静電型インクジェットヘッドにおい
て、前記ギャップは、前記振動板に対し非平行な傾斜を
持った第１の非平行部分と、該第１の非平行部分の傾斜
より急峻な傾斜を持った第２の非平行部分と、前記振動
板に対して平行な平行部分とからなることを特徴とす
る。

【００１０】第２の技術手段は、第１の技術手段の静電
型インクジェットヘッドにおいて、前記第１の非平行部
分と平行部分とが０.０２μｍ以上の不連続な段差を形
成していることを特徴とする。

【００１１】第３の技術手段は、第１または第２の技術
手段の静電型インクジェットヘッドの製造方法におい
て、前記ギャップの位置に対応して前記電極基板上もし
くは該電極基板上に形成された絶縁層上の振動板基板と
の接合面領域及び前記第１の非平行部分に対応する領域
にのみレジストパターンを形成し、前記電極基板もしく
は前記絶縁層とレジストを同時にエッチングすることに
より前記レジストを所定の比率で前記電極基板もしくは
前記絶縁層に転写することを特徴とする。

【００１２】第４の技術手段は、第１の技術手段の静電
型インクジェットヘッドの製造方法において、前記ギャ
ップの位置に対応して前記電極基板上もしくは該電極基
板上に形成された絶縁層上の振動板基板との接合面領域
及び前記第１の非平行部分及び第２の非平行部分に対応
する領域にレジストパターンを形成し、前記電極基板も
しくは前記絶縁層とレジストを同時にエッチングするこ
とにより前記レジストを所定の比率で前記電極基板もし
くは前記絶縁層に転写することを特徴とする。

【００１３】

【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）図１は、本発明の実施例１の製造方法によ
って製造された静電型インクジェットヘッドのアクチュ
エータ部の要部断面図であり、請求項１，２，３の発明
に対応する。アクチュエータ部分の主要部は、従来の静
電型インクジェットヘッドと同様に、支持基板１１，絶
縁膜１２，対向電極１３，絶縁膜１４，隔壁２１，振動
板２２等から構成される。振動板２２と対向電極１３間
には微少なギャップＧが形成されていて、振動板２２と
対向電極１３間に電圧を加えると、静電力により振動板
２２が対向電極側に変位し、その後電圧を０に戻したと
きに対向電極側に変位している振動板２２がその弾性力
によって元の位置に戻ろうとする力によりインクを噴射
させるものである。振動板２２と対向電極１３間のギャ
ップは絶縁膜１４中に堀込まれたくぼみによって作られ
た間隔から対向電極１３と絶縁膜１４の厚みの差を引い
た大きさとなる。

【００１４】実施例１の静電型インクジェットヘッドの
アクチュエータでは、駆動電圧の低電圧化と噴射インク
滴量の複数段階制御を目的として、片側においてはギャ
ップ端から中心部に行くに従い振動板と対向電極間隔が
徐々に広がるような第１の非平行部分Ｇ_１が形成され、
残り部分においては振動板２２と対向電極１３が平行と
なるような平行部分Ｇ_３が形成されたギャップ形状とな
っている。また、第１の非平行部分Ｇ_１と平行部分Ｇ_３
との間には０.２μｍ以上の段差が形成され、この部分
が第２の非平行部分Ｇ_２となっている。

【００１５】対向電極１３上の絶縁膜１４は振動板２２
と対向電極１３の短絡を防ぐものであり、同機能の絶縁
膜を振動板側に形成してもよい。また、振動板と対向電
極が接触しないような駆動方式で動作させる場合には省
略することも可能である。

【００１６】また、実施例１においては絶縁膜１２に窪
みを掘ったが、支持基板１１に窪みを掘りその上に均一
な厚みで絶縁層を形成しても同様なギャップを形成する
ことが可能である。さらに、支持基板１１としてガラス
等の絶縁性の基板を用いた場合には、絶縁膜１２は省略
可能である。また、実施例１において対向電極形成基板
側に形成されたような窪みを振動板側に形成してギャッ
プ作成することも可能である。また、実施例１のギャッ
プ形状はあくまで１例であり、目的に応じて他のギャッ
プ形状にすることも可能である。

【００１７】実施例１においては、支持基板１１として
＜１００＞シリコンウェハを用い、絶縁膜１２としては
前記シリコンウェハ上に熱酸化により概ね２μｍ成長さ
せた熱酸化膜を用いた。また、対向電極１３としてはＡ
ｌ、その上の絶縁膜１４としてはプラズマＣＶＤ法によ
り成長させたＳｉＯ₂膜を用いた。

【００１８】隔壁２１及び振動板２２には＜１１０＞シ
リコンウェハが用いられ、さらに振動板２２にはエッチ
ングストップのために高濃度（６×１０^１９／ｃｍ^３以
上）のボロンドープがされている。ただし、これらはあ
くまで１実施例であり、同様な機能を持つ他材料を用い
てもかまわない。

【００１９】本発明は、振動板とそれにギャップを挟ん
で対向する電極間のギャップの構成及びその形成法に関
するものであることから他部品の図示は省略したが、従
来技術と同様に、図１の構成のアクチュエータにインク
供給路，流体抵抗，ノズルプレート等の部品と組み付け
ることにより、静電型インクジェットヘッドが作成され
る。

【００２０】図２は、実施例１の静電型インクジェット
ヘッドのアクチュエータ部を形成するプロセスフローを
示す概略図である。 図２（Ａ）：支持基板１１となる＜１００＞シリコンウ
ェハ上に絶縁膜１２となる熱酸化膜を２.０μｍ成長さ
せ、フォトレジスト３１をスピンコートし、プリベーク
を行ったのち、個々の開口は解像しない多数の開口がギ
ャップ形状に対応した開口率分布で配置されているフォ
トマスク３２（以下、このようなマスクをグラデーショ
ンマスクという。）を利用して露光処理を行う。実施例
１においては、フォトレジスト３１として粘度５０ｃｐ
のものを用い、概ね４６００ｒｐｍでスピンコートする
ことにより１.７μｍ程度の厚を得た。塗布後は９０℃
６０ｓｅｃのプリベークをおこない、露光はステッパ
ー（ＮＡ：０.５４、λ：３６５ｎｍ）にて装置的な露
光量（透過率１００％，パターンボケの問題がないよう
な広いパターンでの露光量）１３５ｍＪ／ｃｍ^２、フォ
ーカスオフセット量は６.０μｍの条件で行った。第１
の非平行部分Ｇ_１より急峻な傾斜の第２の非平行部分Ｇ
_２を形成するための条件として、第１の非平行部分Ｇ_１
の最もレジスト膜厚が薄い部分で約０.１μｍのレジス
ト膜厚となるように露光条件を設定した。

【００２１】実施例１においては、グラデーションマス
クを用いたが、ギャップ形状に対応した透過率分布を持
つようなフォトマスクを用いても良い。そのようなフォ
トマスクは、例えば露光する波長の光に対し半透明の材
料を用いその膜厚分布により透過率分布を制御すること
でも得られる。特に特殊な材料でなくとも、膜厚が薄け
れば半透明になるので、例えばポリシリコン等でもかま
わない。

【００２２】図２（Ｂ）：つづいて現像処理を行うと、
前述した開口ピッチ及び露光条件では個々の開口パター
ンは解像せずに、概ね平滑化された露光量分布に対応し
たレジスト残膜厚分布が得られることになるが、非平行
ギャップの位置に対応して第１の非平行部分と第２の非
平行部分が連続に形成されており、また振動板と対向電
極が平行となるようなギャップ形状の底部分は前記フォ
トマスクが完全に開口しておりフォトレジストが残らな
いように設計されている。

【００２３】図２（Ｃ）：フォトレジスト３１及び絶縁
膜１２を同時にエッチングすることよりフォトレジスト
の形状が絶縁膜１２に転写されていく。実施例１におい
ては、ＣＦ_４／Ｏ_２ガス系を用いたＲＩＥにより、フォ
トレジストのエッチレート約０.９μｍ／ｍｉｎ，酸化
膜のエッチレート約０.３μｍ／ｍｉｎの条件でのエッ
チングを行った。

【００２４】図２（Ｄ）：ギャップ部分の非平行部分の
フォトレジスト３１を完全にエッチングすることによ
り、レジスト形状を深さ方向に１／３に縮小したような
窪みが絶縁膜１２に形成される。このように、フォトレ
ジスト３１のエッチレートがフォトレジスト形状を転写
される絶縁膜１２もしくは支持基板１１のエッチレート
よりも大きくなる条件でエッチングを行うことにより、
フォトレジスト形成段階で生じる凹凸の高さより絶縁膜
１２もしくは支持基板１１上での凹凸を小さくすること
ができる。また、実施例１ではギャップ底部のフォトレ
ジスト３１が残らないようにフォトレジストパターンを
形成しているため、フォトレジスト塗布や露光、現像と
いった工程のバラツキがギャップ深さに影響せず、エッ
チングのバラツキのみが電極基板と振動板間のキャップ
間隔に影響するためバラツキの少ないギャップ形成が可
能となる。また、傾斜の急峻な部分を設けることにより
フォトレジスト形状の横方向バラツキを低減させる効果
も考慮している。

【００２５】この後、スパッタ法により対向電極１３材
料を成膜し、フォトリソ／エッチング工程により対向電
極１３のパターン形成を行う。さらに、絶縁膜１４をＰ
Ｅ−ＣＶＤ法により成膜する。本実施例ではＴＥＯＳ＋
Ｏ_２ガスを用いてシリコン酸化膜を０.１５μｍ成膜し
た。成膜方法、材料、厚みはこれに限ったものではな
い。さらに、振動板２２の形成領域に少なくとも６×１
０^１９／ｃｍ^３以上のボロンドープを行った振動板／隔
壁形成基板となる＜１１０＞シリコンウェハと対向電極
１３が形成された支持基板１１とを直接接合より接着し
隔壁２１となる部分をマスクして＜１１０＞ＫＯＨによ
りシリコンを異方性エッチングする。高濃度にボロンが
拡散された領域でＫＯＨでのエッチングがストップし、
隔壁２１が形成されると同時に振動板２２が形成され
る。

【００２６】（実施例２）図３は、実施例２による静電
型インクジェットヘッドのアクチュエータ部を形成する
プロセスを示す概略図であり、請求項４に対応する。実
施例２は、実施例１の製造方法のレジストパターニング
において、第２の非平行部分Ｇ_２のレジストと完全に現
像されてレジストが残っていない平行部分Ｇ _３とのレジ
スト段差が、レジスト、装置等のプロセスバラツキによ
り不安定となり傾斜部分Ｇ_１，Ｇ_２の形状が不安定とな
ることを改善することができる。

【００２７】図３（Ａ）：実施例１と同様の電極基板と
なる絶縁膜１２にフォトレジスト３１を塗布後、傾斜部
分の一部を完全に開口させたグラデーションマスクを用
いて露光／現像を行なう。本実施例においては傾斜部分
Ｇ_１，Ｇ_２と平行部分Ｇ_３のレジスト段差が存在せず、
傾斜部分と平行部が連続的につながった従来方法と同様
のレジスト形状となる。

【００２８】図３（Ｂ）：その後、実施例１と同様にフ
ォトレジスト３１及び絶縁膜１２を同時にエッチングす
ることによりフォトレジスト３１の形状を絶縁膜１２に
転写する。絶縁膜１２に転写されたギャップＧの断面形
状も振動板と対向電極が非平行になる部分と平行になる
部分が連続的に形状となる様な傾斜部の形状を作り込む
ことが可能となる。

【００２９】

【発明の効果】請求項１，２のインクジェットヘッドに
よれば、振動板と個別電極間のギャップ深さのバラツキ
が少なく、低電圧駆動が可能で、安定した信頼性の高い
静電型インクジェットヘッドが得られる。また、請求項
３の静電型インクジェットヘッド製造方法によれば、振
動板と対向電極間のギャップ形成における製造工程のバ
ラツキ要素が、エッチングのバラツキのみとなり、深さ
バラツキの少ないギャップ形成が可能である。また、現
像後の膜厚が不安定なレジスト膜厚の薄い領域を少なく
することで、安定したギャップ形状を作り込むことがで
き、安定した信頼性の高い静電型インクジェットヘッド
の作成が可能となる。さらに、請求項４の静電型インク
ジェットヘッド製造方法によれば、非平行ギャップ形状
の作り込みにおいて、深さバラツキの少ないギャップ形
成が可能である。また、段差部分が存在しないため、プ
ロセスバラツキによらず非平行部と平行部が連続的につ
ながり、従来の製造方法と同様の低電圧駆動が可能な高
性能、高信頼性の静電型インクジェットヘッドの作成が
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１による静電型インクジェットヘッド
のアクチュエータ部の要部断面図である。

【図２】 実施例１による静電型インクジェットヘッド
のアクチュエータ部を形成するプロセスフローを示す概
略図である。

【図３】 実施例２による静電型インクジェットヘッド
のアクチュエータ部を形成するプロセスフローを示す概
略図である。

【符号の説明】

１１…支持基板、１２…絶縁膜、１３…対向電極、１４
…絶縁膜、２１…隔壁、２２…振動板、３１…フォトレ
ジスト、３２…グラデーションマスク、Ｇ…ギャップ、
Ｇ_１…第１の非平行部分、Ｇ_２…第２の非平行部分、Ｇ
_３…平行部分。

Claims (4)

【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、該振動板とギャップを介し
   て個別電極が対向配置された電極基板を有し、前記振動
   板に取り付けられた共通電極と前記個別電極間に駆動電
   圧を印加し、前記振動板を静電力により変形させ記録液
   を前記ノズルから吐出させる静電型インクジェットヘッ
   ドにおいて、 前記ギャップは、前記振動板に対し非平行な傾斜を持っ
   た第１の非平行部分と、該第１の非平行部分の傾斜より
   急峻な傾斜を持った第２の非平行部分と、前記振動板に
   対して平行な平行部分とからなることを特徴とする静電
   型インクジェットヘッド。
2. 【請求項２】 前記第１の非平行部分と平行部分とが
   ０.０２μｍ以上の不連続な段差を形成していることを
   特徴とする請求項１記載の静電型インクジェットヘッ
   ド。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の静電型インクジ
   ェットヘッドの製造方法において、 前記ギャップの位置に対応して前記電極基板上もしくは
   該電極基板上に形成された絶縁層上の振動板基板との接
   合面領域及び前記第１の非平行部分に対応する領域にの
   みレジストパターンを形成し、前記電極基板もしくは前
   記絶縁層とレジストを同時にエッチングすることにより
   前記レジストを所定の比率で前記電極基板もしくは前記
   絶縁層に転写することを特徴とする静電型インクジェッ
   トヘッドの製造方法。
4. 【請求項４】 請求項１記載の静電型インクジェットヘ
   ッドの製造方法において、 前記ギャップの位置に対応して前記電極基板上もしくは
   該電極基板上に形成された絶縁層上の振動板基板との接
   合面領域及び前記第１の非平行部分及び第２の非平行部
   分に対応する領域にレジストパターンを形成し、前記電
   極基板もしくは前記絶縁層とレジストを同時にエッチン
   グすることにより前記レジストを所定の比率で前記電極
   基板もしくは前記絶縁層に転写することを特徴とする静
   電型インクジェットヘッドの製造方法。