JP2007223108A

JP2007223108A - 液滴吐出ヘッドの製造方法、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置

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Publication number: JP2007223108A
Application number: JP2006045095A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Matsuno; 靖史松野
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2006-02-22
Publication date: 2007-09-06

Abstract

【課題】歩留まり低下を防止できる液滴吐出ヘッドの製造技術を提案する。
【解決手段】電極基板２と接合される前のシリコン基板１の電極基板２との接合面のうち、電極取出し口２５となる部分及び封止用貫通穴２７となる部分と平面的に見て重なる領域に、ボロンを選択的に拡散して選択拡散領域２８を形成し、その後さらにシリコン基板１のボロンが拡散された側の全面にボロンを拡散するようにし、そして選択拡散領域２８が形成されたシリコン基板１を陽極接合工程で電極基板２と接合することにより選択拡散領域２８の輪郭部分に残存形成される溝部２９を封止し、溝部２９を介してギャップＧが大気に連通するのを防止する。
【選択図】図２

Description

本発明はインクやその他の液体を吐出する液滴吐出装置に用いられる液滴吐出ヘッドの製造方法、その方法により製造した液滴吐出ヘッド、そのヘッドを搭載した液滴吐出装置に関する。

液滴吐出を実現するヘッドとして、吐出前の液体を貯えて吐出させる吐出室（圧力室ともいう）を設け、吐出室の底面を構成する底壁を振動板とし、この振動板に対向配置した個別電極を利用して該振動板を撓ませて吐出室内の圧力を高め、液体を加圧することで吐出室と連通するノズル孔から液滴を吐出させるものがある。このような液滴吐出ヘッドを製造する方法として、個別電極となる複数の電極が形成されたガラス基板に流路形成前のシリコン基板を接合した後、該シリコン基板を薄板化し、且つ吐出室等の流路を形成する方法が提案されている（例えば特許文献１または特許文献２参照）。

特開２００４−８２５７２号公報特開２００４−３０６４４４号公報

個別電極となる複数の電極が形成されたガラス基板に流路形成前のシリコン基板を接合した後、該シリコン基板に吐出室等の流路を形成する方法では、それらの電極を外部機器に接続するための電極取出し口もシリコン基板に形成される。この電極取出し口となる部分は、振動板となる個々の吐出室底面よりも面積が大きい。したがって、加工途中で吐出室底面（振動板）と同等の厚さまでエッチングされてしまうと、この部分の剛性が非常に弱くなってしまい、機械的な振動や、個別電極とシリコン基板とのギャップ内に挟まった異物が押し上げる力等によって、その部分が割れる場合がある。特にギャップ内に気体が発生すると、成膜等、真空チャンバ内での工程を行う場合には、ギャップ内外の気圧差が大きくなるため割れやすくなる。そのため、割れた際の破片等の異物がギャップに混入したり、後の工程でエッチャント等の液体がギャップに浸入するおそれがある。しかし、電極取出し口のような貫通穴が形成されることになる部分に対して、途中でウェットエッチングを全く行わないのでは、後の工程でそれらの部分を除去するのに時間がかかりすぎてしまう。

本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、個別電極となる複数の電極が形成されたガラス基板に流路形成前のシリコン基板を接合した後、シリコン基板に吐出室等の流路及び電極取出し口を形成する方法において、電極取出し口などのように大きな面積にわたって薄膜が形成される部分の加工方法を改善し、薄膜割れに起因する歩留まり低下を防止できる、液滴吐出ヘッドの製造方法、その方法で製造された液滴吐出ヘッド及びそのヘッドを搭載した液滴吐出装置を提案するものである。

本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、個別電極となる複数の電極が形成された電極基板と、液体を貯えて吐出させる吐出室となる複数の凹部が少なくとも形成されるシリコン基板とを、電極と吐出室の底面となる部分をギャップを介して対向させて陽極接合する陽極接合工程と、電極基板と接合されたシリコン基板に、少なくとも凹部を含む液体流路、ギャップを封止するための封止用貫通穴となる部分及び電極を外部の機器と接続するための電極取出し口となる部分をウェットエッチングを利用して形成するウェットエッチング工程と、ウェットエッチング工程終了後、シリコン基板の電極取出し口となる部分と封止用貫通穴となる部分に残った薄膜部を除去して貫通させる貫通工程と、シリコン基板の封止用貫通穴を利用してギャップを封止する封止工程とを有し、電極基板と接合される前のシリコン基板の電極基板との接合面のうち、電極取出し口となる部分及び封止用貫通穴となる部分と平面的に見て重なる領域に、ボロンを選択的に拡散して選択拡散領域を形成し、その後さらにシリコン基板のボロンが拡散された側の全面にボロンを拡散するようにし、そして、前記選択拡散領域が形成されたシリコン基板を前記陽極接合工程で電極基板と接合することにより選択拡散領域の輪郭部分に残存形成される溝部を封止し、該溝部を介してギャップが大気に連通するのを防止するようにしたものである。
これにより、ボロンが二重に拡散された部分が後のウェットエッチング工程において薄膜とされても、その薄膜は高濃度にボロンが拡散された層からなり、しかも他のボロンドープ層部分より厚く形成されるため、その部分からの割れに起因する歩留まり低下を低減することができる。また、選択拡散領域の輪郭部分に残存形成される溝部を封止するようにしたので、ギャップが大気と連通している経路を確実に封止することができる。したがって、電極に水分が付着して、静電吸引力及び静電反発力が低下するといった不都合を防止でき、信頼性の高い液滴吐出ヘッドを得ることができる。

また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、選択拡散領域の輪郭部分の溝部が封止用貫通穴と交差する部分で大気に連通するように、封止用貫通穴と選択拡散領域とが十字状に交差するように両者の位置関係を設定し封止用貫通穴を利用した封止工程を行うことにより、交差部分の封止も同時に行えるようにしたものである。
これにより、製造工程を簡略化することができる。

また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、シリコン基板において、選択拡散領域を各ヘッドチップ毎に設けたものである。
これにより、後工程のエッチングの際に、仮に１ヘッド内のギャップにエッチング液が侵入しても、選択拡散領域の輪郭部分の溝部を介して隣接ヘッドにエッチング液が侵入することがない。よって、歩留まり良く生産性が向上する。

また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、シリコン基板に対して選択的にボロンを拡散して選択拡散領域を形成するに際し、ＳｉＯ₂ 膜をマスクとして利用するものである。
ＳｉＯ₂ 膜はシリコン基板に容易に形成でき、しかもボロンの拡散マスクとして十分な機能を有しているため、マスクとしてＳｉＯ₂ 膜を用いることが好ましい。

また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、上記の何れかの液滴吐出ヘッドの製造方法によって製造されたものである。
これにより、信頼性の高い液滴吐出ヘッドを得ることができる。

また、本発明に係る液滴吐出装置は、上記の液滴吐出ヘッドを搭載したものである。
これにより、信頼性の高い液滴吐出装置を得ることができる。

実施の形態１
図１は本発明の第１の実施の形態に係る液滴吐出ヘッドを分解して表した図である。図１はフェイス吐出型の液滴吐出ヘッドを表している。図１に示すように、この液滴吐出ヘッドは、キャビティプレート１、ガラス基板２、ノズルプレート３の３つの基板が積層されてなる。
キャビティプレート１は、例えば厚さ約５０μｍで、１１０面方位のシリコン単結晶基板（以下、単にシリコン基板という）から構成されている。キャビティプレート１には、吐出される前の液滴が保持される複数の吐出室５、各吐出室５に供給する液体をためておく各吐出室５に共通のリザーバ７などの流路が形成されている。なお、吐出室５の底面を構成する底壁は振動板４として作用する。また、キャビティプレート１には更に、後述するように封止材２６をリード部１０の直上部分に堆積し、封止部を形成するための封止用貫通穴２７が形成されている。

また、キャビティプレート１の下面（ガラス基板２と対向する面）には、絶縁膜となるＴＥＯＳ膜（Tetraethyl orthosilicate Tetraethoxysilane：テトラエトキシシランを用いてできるＳｉＯ₂ 膜をいう）１４を、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などを用いて０．１μｍ程度成膜している。これは、液滴吐出ヘッドを駆動させた時の絶縁膜破壊及び短絡を防止するためである。さらに、キャビティプレート１の上面（ノズルプレート３と対向する面）には、液体保護膜１５となるＳｉＯ₂ 膜（ＴＥＯＳ膜を含む）を、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法により成膜している。これはインク等の液体によって流路が腐食するのを防ぐためである。また、液体保護膜１５の応力とキャビティプレート１の下面に成膜したＴＥＯＳ膜１４の応力とを相殺させ、振動板４の反りを小さくすることができる効果も期待できる。
また、キャビティプレート１には、キャビティプレート１の通電部として共通電極１９が設けられている。

第２の基板となるガラス基板２（電極基板ともいう）は、厚さ約１ｍｍであり、図１で見るとキャビティプレート１の下面に接合される基板である。本実施の形態では、ガラス基板２となるガラスとして、ホウ珪酸系の耐熱硬質ガラスを用いることにする。ガラス基板２には、キャビティプレート１に形成される各吐出室５に合わせて、エッチングにより深さ約０．２μｍの凹部９が設けられる。そして、凹部９の内側に、個別電極８、リード部１０及び電極端子１１からなる複数の電極を設ける。リード部１０は個別電極８と電極端子１１を繋ぐ部分であり、電極端子１１は個別電極８を外部機器（例えば電源）に接続する際などに利用される部分である。なお、特に区別する必要がない場合は、個別電極８、リード部１０及び電極端子１１を合わせて個別電極（又は電極）９として説明する。

本実施の形態では、個別電極８の材料として酸化錫を不純物としてドープした透明のＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウム錫酸化物）を用い、例えばスパッタ法を用いて０．１μｍの厚さで凹部９内側に形成するものとする。その際、後述するように、個別電極８とガラス基板２に接合するシリコン基板とを等電位にするための接点（以下、等電位接点という）となるＩＴＯパターン２４も個別電極８と同時に成膜しておく。
なお、個別電極８の材料はＩＴＯに限定するものではなく、クロム等の金属等を材料に用いてもよい。本実施の形態においては、電極間ギャップ内の検査が行いやすいことなどの理由でＩＴＯを用いることとする。
また、ガラス基板２には、リザーバ７と連通して外部タンク（図示せず）からリザーバ７への流路となるインク供給口１３も設けられている。

振動板４と個別電極８との間には、後述する図２に示すように、振動板４の振動空間として機能するギャップＧが構成されるが、その幅は凹部９の深さ、個別電極８及び振動板４（ＴＥＯＳ膜１４）の厚さにより決まる。ギャップＧの幅は液滴吐出ヘッドの吐出特性に大きく影響するため、厳格な精度管理が行われる。

ノズルプレート３は、例えば厚さ約１８０μｍのシリコン基板で構成され、ガラス基板２とは反対の面（図１の場合には上面）で、キャビティプレート１と接合されている。図１から見て、ノズルプレート３の上面には、吐出室５で加圧されたインク等の液体を液滴として吐出するノズル孔１２が形成されている。また、キャビティプレート１のリザーバ７に対応する部分には、リザーバ７内の液体の圧力変動を吸収するためのダイヤフラム１８が形成されている。さらに、ノズルプレート３の下面には、吐出室５とリザーバ７とを連通させるオリフィス６も形成されている。
なお、ここではノズル孔１２を有するノズルプレート３を上面とし、ガラス基板２を下面として説明するが、実際には、ノズルプレート３の方がガラス基板２よりも下面となって用いられることが多い。

図２は図１の右半分の液滴吐出ヘッドの概略構成を示す図で、図２（ａ）は吐出室５を長手方向に割断した部分の断面図、図２（ｂ）は、キャビティプレート１に形成される溝部２９と封止用貫通穴２７との位置関係を示す平面図で、図２（ａ）のノズルプレート３を外した状態の液滴吐出ヘッドの平面図である。吐出室５は吐出前の液体を溜めておき、吐出室５の底壁を構成する振動板４を撓ませることにより、吐出室５内の圧力を高めて、液滴をノズル孔１２から吐出させる作用を果たす。本実施の形態で振動板４は、高濃度のボロン（Ｂ）をシリコン基板に拡散したボロンドープ層から構成している。

キャビティプレート１の共通電極１９は、ワイヤ２３を介して発振回路２２に接続されている。また、ガラス基板２の電極端子１１も、ワイヤ２３を介して発振回路２２に接続されている。なお、キャビティプレート１の電極端子１１と対応する部分には、電極取出し口２５が貫通形成されており、その電極取出し口２５から電極端子１１が引き出されるようになっている。発振回路２２は、例えば２４ｋＨｚで発振し、個別電極８に０Ｖと３０Ｖのパルス電位を印加して電荷の供給及び停止を行う。すなわち、発振回路２２が発振駆動することで、例えば個別電極８に電荷を供給して正に帯電させ、振動板４を相対的に負に帯電させると、静電気力により個別電極８に引き寄せられて撓む。これにより吐出室５の容積は広がる。そして電荷供給を止めると振動板４は元に戻るが、そのときの吐出室５の容積も元に戻るから、その圧力により差分の液滴２０が吐出する。この液滴２０が例えば記録対象となる記録紙２１に着弾することによって印刷等の記録が行われる。なお、このような方法は引き打ちと呼ばれるものであるが、バネ等を用いて液滴を吐出する押し打ちと呼ばれる方法もある。

また、ギャップＧの端部には、ギャップＧに、異物、水分（水蒸気）等が浸入しないように、ギャップＧを外気から遮断し、密閉する封止材２６が設けられ封止部を形成している。この封止部は、キャビティプレート１に形成された封止用貫通穴２７を介して例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ：化学的気相法）、スパッタ、蒸着などの方法により、封止材２６を堆積することにより形成されるものである。封止材２６には、酸化シリコンの他に、例えばＡｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム（アルミナ））、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、Ｔａ₂Ｏ₅（五酸化タンタル）、ＤＬＣ（Diamond Like Carbon ）、ポリパラキシリレン（polypalaxylylene）、ＰＤＭＳ（polydimethylsiloxane：シリコーンゴムの一種）、エポキシ樹脂などの無機または有機化合物など、分子量が比較的小さく、蒸着、スパッタなどにより堆積させることができ、水分を通さない物質を用いることができる。

なお、本例では、封止用貫通穴２７と電極取出し口２５とを別々の貫通穴としているが、一つの貫通穴としても良い。本例のように、封止用貫通穴２７を電極取出し口２５を分けた構成とした場合には、所望の箇所だけに封止材２６を選択的に堆積などさせて封止し、必要箇所だけを効率よく封止部として形成できる利点がある。

ここで、本例では、キャビティプレート１において電極取出し口２５となる部分を薄板化する過程で、電極取出し口２５となる部分に割れが発生するのを防止するために、電極取出し口２５となる部分及び封止用貫通穴２７となる部分と平面的に重なる領域に、選択的にボロンを高濃度に拡散してエッチングストップが作用するようにしている。その選択拡散領域２８は、図２（ｂ）中において一点鎖線で囲まれた領域である。次の図３に、選択拡散領域２８の全体の輪郭を示す。

図３（ａ）は、キャビティプレート１となるシリコンウエハ全体の平面図で、選択拡散領域２８の全体の輪郭を示している。また、図３（ｂ）は、シリコンウエハとガラス基板とが接合された状態の断面図を示している。
図３に示すように、選択拡散領域２８はヘッドチップ毎に設けられている。選択拡散領域２８の輪郭部分のうち、隣接するヘッドに接する辺２８’は、隣接ヘッドを区分けしているガラス隔壁２ａ上に形成するようにしている。このように形成することで、製造途中のエッチング工程時に、仮に１ヘッド内のアクチュエータ部にエッチング液が侵入しても、選択拡散領域２８の輪郭部の溝部２９を介して隣接ヘッドにエッチング液が侵入することはない。よって、歩留まり良く生産性を向上させることが可能となる。

図２の説明に戻る。選択拡散領域２８の輪郭部分には、キャビティプレート１と電極基板２との陽極接合の際に、溝部２９が形成される。溝部２９の形成過程の詳細については以下の製造方法の説明において説明するが、この溝部２９は、キャビティプレート１に貫通穴（電極取出し口２５及び封止用貫通穴２７）を形成した際に大気と連通し、ギャップＧを大気と連通させてしまう。したがって、溝部２９も封止する必要がある。そこで、本例では、封止材２６でギャップＧの端部を封止すると共に、溝部２９も封止するようにしている。

図４（ａ）はガラス基板２を上面から見た図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ断面図で、等電位接点部分の断面を示している。通常、液滴吐出ヘッドはウェハ単位で作られ、最終的に各液滴吐出ヘッド（ヘッドチップ）に切り離される。本実施の形態では、等電位接点を各ヘッドチップに独立して設け、それを利用して陽極接合時にキャビティプレート１と個別電極８との間を等電位に保つようにする。等電位接点となる部分については、ガラス基板２に凹部９を形成する際、エッチングせず残しておく。そして、その上に、導電性であるＩＴＯ０．１μｍを個別電極８とともに成膜し、ＩＴＯパターン２４を形成する。したがって、等電位接点は、ガラス基板２表面よりもＩＴＯパターン２４の分だけ０．１μｍ突出していることとなる。一方、キャビティプレート１においては、等電位接点に対応する部分のＴＥＯＳ膜（０．１μｍ）を取り除き、キャビティプレート１の主となる材料であるシリコン基板（ボロンドープ層）を露出する窓を形成する。この窓を介してシリコン基板とＩＴＯパターン２４とを接触させることで、陽極接合時において、ＩＴＯパターン２４と電気的に接続されている個別電極８とシリコン基板との等電位を確保する。

大気開放穴３１はこの液滴吐出ヘッドの外部と凹部９とを連通させ、陽極接合によって形成される前述したギャップＧが密閉された状態になるのを防ぐためのものである。たとえば、陽極接合時等、各基板への加熱等による酸素等の気体発生によってギャップＧ内が加圧されるのを防ぐためのものである。なお、この大気開放穴３１は、サンドブラスト法や切削加工等により形成する。また大気開放穴３１は、最終的にはダイシングにより液滴吐出ヘッドと切り離されるので、完成した液滴吐出ヘッドには残らない。

ダイシングライン３０は、ウェハに一体形成された複数の液滴吐出ヘッドを切り離す際のラインである。したがって、図４においてダイシングライン３０よりも右側及び上側にある部分は、完成した液滴吐出ヘッドには残らない。なお、図４の液滴吐出ヘッドでは、個別電極８等の部材を５つしか記載していないが、実際には１つの液滴吐出ヘッドには多くのノズル孔１２が存在し、その数に応じた個別電極８が形成されている。

図５〜図７は実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドの製造工程を表す図である。以下、これらの図５〜図７に示す工程に沿って上記液滴吐出ヘッドの製造方法を説明する。

（ａ）ここではガラス基板２を作製する。まず約１ｍｍのガラス基板を用意し、その一方の面に対し、個別電極８の形状パターンに合わせて０．２μｍの深さの凹部９を形成する。等電位接点となる部分については、図４（ｂ）に示したように、エッチングを行わずに残しておく。ここで、等電位接点の形状については、キャビティプレート１のシリコン基板と個別電極８とを接触させて等電位にすることができればその形状は問わない。凹部９及び等電位接点の形成後、例えばスパッタリング法を用いて、０．１μｍの厚さの個別電極８及びＩＴＯパターン２４を同時に形成する。最後にインク供給口１３及び大気開放穴３１をサンドブラスト法または切削加工により形成する。これにより、ガラス基板２が作製される。

（ｂ）一方で、ガラス基板２に接合されてキャビティプレート１となるシリコン基板４１を準備する。表面が（１１０）面方位の酸素濃度の低いシリコン基板４１の片面（ガラス基板２との接合面側となる）を鏡面研磨し、２２０μｍの厚みのシリコン基板４１を作製する。
次に、酸素及び水蒸気雰囲気中において、１０７５℃の温度条件で４時間酸化することで、シリコン基板４１の両面に約１．２μｍのＳｉＯ₂膜４１Ａを成膜する。ＳｉＯ₂膜４１Ａは後の工程で行うボロンの選択拡散のためのマスクとなる。
シリコン基板４１の両面にレジストを塗布し、ボロンを選択拡散させたい部分（電極取出し口２５となる部分及び封止用貫通穴２７となる部分と平面的に重なる領域（図２（ｂ）及び後述の図８（ａ）参照）であり、以下、選択拡散領域という）２８のＳｉＯ₂膜４１Ａを除去すべくレジストパターニングを施し、ふっ酸水溶液でエッチングして、ＳｉＯ₂膜４１Ａをパターニングする。その後、シリコン基板４１からレジストを剥離する。

（ｃ）次に、シリコン基板４１のボロンドープ層４２を形成する面を、Ｂ₂Ｏ₃を主成分とする固体の拡散源に対向させて石英ボートにセットする。さらに縦型炉に石英ボートをセットして、炉内を窒素雰囲気にし、温度を１１００℃に上昇させて６時間保持することで、ボロンをシリコン基板４１中に拡散させ、選択拡散領域２８にボロンドープ層４２を形成する。このとき、ボロンドープ層４２の表面にはボロン化合物４２ａが形成される。
ここでボロンドープ層４２の形成工程においては、炉へのシリコン基板４１（石英ボート）の投入温度を８００℃とし、さらにシリコン基板４１の取出し温度も８００℃とする。これにより、シリコン基板４１内の酸素による酸素欠陥の成長速度が速い領域（６００℃から８００℃）をすばやく通過させることができるため、酸素欠陥の発生を抑えることができる。なおこの時、シリコン基板４１の拡散面と反対面にはＳｉＯ₂膜４１Ａが残っているため、ボロンが反対面に回り込んでも、ＳｉＯ₂膜４１Ａがマスクとなって反対面にボロンが拡散されることが無い。

（ｄ）ボロン化合物４２ａを除去するために、まず、酸素及び水蒸気雰囲気中、６００℃の条件で１時間３０分酸化し、ボロン化合物４２ａを、ふっ酸水溶液によるエッチングが可能なＢ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂膜４２ｂに化学変化させる。

（ｅ）そして、シリコン基板４１のボロンを選択拡散した面と反対面にレジスト（図示せず）を塗布し、シリコン基板４１をふっ酸水溶液に１０分間浸す。これにより、選択拡散領域２８のＢ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂膜４２ｂ及び拡散面側のＳｉＯ₂膜４１Ａがエッチング除去される。その後、シリコン基板４１からレジストを剥離する。
この際、選択拡散領域２８のＢ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂ 膜４２ｂが除去されることにより、選択拡散領域２８には、約３５ｎｍ程度の深さの凹部２８ａが形成される。

（ｆ）続いて、工程（ｄ）と同様に、シリコン基板４１のボロンドープ層４２が形成された面をＢ₂Ｏ₃を主成分とする固体の拡散源に対向させて石英ボートにセットする。縦型炉に石英ボートをセットし、炉内を窒素雰囲気にし、温度を１０５０℃に上昇させ、そのまま温度を７時間保持し、ボロンをシリコン基板４１中に拡散させ、今度は拡散面側全面にボロンドープ層４２を形成する。このボロンドープ工程では、シリコン基板の投入温度を８００℃とし、シリコン基板の取出し温度も８００℃とする。これにより、酸素欠陥の成長速度が速い領域（６００℃から８００℃）をすばやく通過することができるため、酸素欠陥の発生を抑えることができる。この時、拡散面と反対面にはＳｉＯ₂膜４１Ａが残っているため、ボロンが反対面に回り込んでも、ＳｉＯ₂膜がマスクとなって反対面に拡散されることが無い。
この工程での処理により、先に選択拡散した電極取出し口２５となる部分のボロン濃度は他の部分に比べて濃くなり、しかもその部分はシリコン基板４１のより内部へボロンが拡散された状態となる。

ここでもボロンドープ層４２の表面にはボロン化合物が形成されるが（図示なし）、酸素及び水蒸気雰囲気中、６００℃の条件で１時間３０分酸化することで、ふっ酸水溶液によるエッチングが可能なＢ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂に化学変化させることができる。

（ｇ）そして、シリコン基板をふっ酸水溶液に１０分間浸す。すると、拡散面のＢ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂膜及び反対面のＳｉＯ₂膜がエッチング除去される。なお、この場合は、ボロン拡散はシリコン基板４１の全面に対して行われるため、工程（ｅ）のような凹部２８ａが形成されることはない。

（ｈ）続いて、ボロンドープ層４２を形成した面に、プラズマＣＶＤ法により、ＴＥＯＳ膜（絶縁膜）１４を、成膜時の処理温度は３６０℃、高周波出力は２５０Ｗ、圧力は６６．７Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）、ガス流量はＴＥＯＳ流量１００ｃｍ³ ／ｍｉｎ（１００ｓｃｃｍ）、酸素流量１０００ｃｍ³ ／ｍｉｎ（１０００ｓｃｃｍ）の条件で０．１μｍ成膜する。さらに、成膜したＴＥＯＳ膜１４の表面にレジストを塗布し、等電位接点においてシリコンを露出させる窓を作り込むためのレジストパターニング（図示せず）を施す。そして、ふっ酸水溶液でウェットエッチングを行って、図４（ｂ）に示すようにＴＥＯＳ膜１４をパターニングし窓を形成する。その後、レジストを剥離する。

（ｉ）続いて、シリコン基板４１とガラス基板２を３６０℃に加熱した後、ガラス基板２に負極、シリコン基板４１に正極を接続して、８００Ｖの電圧を印加して陽極接合を行う。この陽極接合の際、シリコン基板４１の選択拡散領域２８の凹部２８ａは、その凹み量が極めて少ないことから、ガラス基板２に引き寄せられ、凹部２８ａの底面部分がガラス基板に２に接合される。これにより選択拡散領域２８の輪郭部分に、幅約１μｍ以下の隙間の溝部２９が残存形成される。
なお、陽極接合時に、シリコン基板４１とガラス基板２の界面において、ガラスが電気化学的に分解され酸素が気体となって発生する場合がある。また加熱によって表面に吸着していたガス（気体）が発生する場合もある。しかしながら、これらの気体は大気開放穴３１から逃げるため、ギャップＧ内が正圧になることは無い。

（ｊ）次に、シリコン基板４１のガラス基板２との接合面とは反対側の面に対し、ＴＥＯＳによるエッチングマスク（以下、ＴＥＯＳエッチングマスクという）４３をプラズマＣＶＤ法により成膜する。成膜条件としては、例えば、成膜時の処理温度は３６０℃、高周波出力は７００Ｗ、圧力は３３．３Ｐａ（０．２５Ｔｏｒｒ）、ガス流量はＴＥＯＳ流量１００ｃｍ³ ／ｍｉｎ（１００ｓｃｃｍ）、酸素流量１０００ｃｍ³ ／ｍｉｎ（１０００ｓｃｃｍ）の条件で１．０μｍ成膜する。
さらに、ＴＥＯＳエッチングマスク４３にレジストパターニングを施し、ふっ酸水溶液中に浸して、吐出室５、電極取出し口２５となる部分及び封止用貫通穴２７となる部分のＴＥＯＳエッチングマスク４３が無くなるまで、その部分をエッチングする。その後レジストを剥離する。なお、特開２００４−３０６４４４号公報にあるように、エッチングした場合に貫通穴となる部分の中央部にシリコンの島が残るように、ＴＥＯＳエッチングマスク４３に対してレジストパターニングを施してもよい。

（ｋ）続いて、リザーバ７となる部分のＴＥＯＳエッチングマスク４３をエッチングするため、レジストパターニングを施す。そして、ふっ酸水溶液でそれらの部分のＴＥＯＳエッチングマスク４３を０．７μｍだけエッチングしてリザーバ７をパターニングする。これによりリザーバ７となる部分に残っているＴＥＯＳエッチングマスク４３の厚みは０．３μｍとなる。このようにするのは、最終的にリザーバ７の底面に厚みを持たせ、リザーバ７の剛性を高めるためである。なお、ここでは、ＴＥＯＳエッチングマスク４３の残留厚みを０．３μｍとしたが、所望するリザーバ７の深さによって、この厚みは調整する。この後、レジストを剥離する。

（ｌ）次に、接合済み基板を３５ｗｔ％の濃度の水酸化カリウム水溶液に浸し、吐出室５、電極取出し口２５となる部分及び封止用貫通穴２７となる部分の厚みが約１０μｍになるまでウェットエッチングを行う。このとき、リザーバ７の部分はマスクされておりエッチングがまだ始まっていない。

（ｍ）続いて、ふっ酸水溶液に接合済み基板を浸して、リザーバ７となる部分のＴＥＯＳエッチングマスク４３を除去する。
さらに、接合済み基板を３ｗｔ％の濃度の水酸化カリウム水溶液に浸し、ボロンドープ層４２によりエッチングストップが十分効いたものと判断するまでエッチングを続ける。このように、２種類の濃度の異なる水酸化カリウム水溶液を用いたエッチングを行うことによって、形成される振動板４の面荒れを抑制し、振動板４の厚み精度を０．８０±０．０５μｍ以下にすることができる。その結果、液滴吐出ヘッドの吐出性能を安定化することができる。

ここで、エッチングストップについて簡単に説明しておく。アルカリ性水溶液でシリコン基板の異方性ウェットエッチングを行った場合、高濃度（約５×１０１９ａｔｏｍｓ・ｃｍ^-3以上）のボロンをドーパントとした領域では極端にエッチングレートが小さくなる。そのため、振動板４や電極取出し口２５、封止用貫通穴２７の部分に必要な厚さのボロンドープ層を形成しておけば、ウェットエッチングにより、それらの厚さを精度よく形成することができる。なお、エッチングストップとは、エッチング面から発生する気泡が停止した状態と定義し、その状態のときにシリコンのエッチングが終了したものとする。

この例の場合、選択拡散領域２８はボロンドープ層４２が二重に形成された状態となるため、その部分が高濃度で他より厚いボロン拡散層となる。このため、エッチングストップが振動板４の部分に比べて早く効き始め、結果として選択拡散領域２８の膜厚が５μｍとなることと、ボロンの拡散効果によりその部分の強度が増す。このため、選択拡散領域２８内の電極取出し口２５及び封止用貫通穴２７を最終的に開口する前に、その薄膜の割れが低減されて歩留まりが向上する。
また、この工程（ｍ）でリザーバ７となる部分もエッチングされてリザーバ７が形成される。

（ｎ）ウェットエッチングを終了すると、接合済み基板をふっ酸水溶液に浸し、シリコン基板４１表面のＴＥＯＳエッチングマスク４３を剥離する。

（ｏ）次に、シリコン基板４１の電極取出し口２５となる部分及び封止用貫通穴２７となる部分の残留シリコンを除去するために、電極取出し口２５となる部分及び封止用貫通穴２７となる部分が開口したシリコンマスク（図示せず）を接合済み基板のシリコン基板４１側の表面に取り付ける。そして、例えば、ＲＦパワー２００Ｗ、圧力４０Ｐａ（０．３Ｔｏｒｒ）、ＣＦ４流量３０ｃｍ³ ／ｍｉｎ（３０ｓｃｃｍ）の条件で、ＲＩＥドライエッチング（異方性ドライエッチング）を１時間行い、電極取出し口２５となる部分及び封止用貫通穴２７となる部分のみにプラズマを当てて開口する。この開口により、個別電極８とシリコン基板４１とのギャップＧも大気開放される。
また、選択拡散領域２８の輪郭部分に形成された溝部２９も、シリコン基板４１に封止用貫通穴２７が形成されることによって大気に開放される。
なお、上記のドライエッチングに代えて、機械的加工やレーザ加工により、電極取出し口２５となる部分の残留シリコンを除去することも可能である。ただし、シリコンの破片等の異物の発生を防ぐことができるという観点からは、ドライエッチングやレーザ加工による方が機械的加工より好ましい。
また、ガラス基板２のインク供給口１３となる孔部からレーザ加工を施してシリコン基板４１のリザーバ７となる凹部の底部を貫通させて、インク供給口１３を形成する。

（ｐ）次に、封止用貫通穴２７に対応する部分が開口したシリコンマスク（図示せず）を接合済み基板のシリコン基板４１側の表面に取り付ける。そして、シリコンマスクの開口及びシリコン基板４１の封止用貫通穴２７を介してプラズマＣＶＤ法により封止材２６を堆積してギャップＧの端部を封止する。ここで、この封止に際し、選択拡散領域２８の輪郭部分に形成された溝部２９も封止する。なお、本例では、ギャップＧの端部を封止するのと同時に溝部２９の封止も行えるように、選択拡散領域２８と封止用貫通穴２７との位置関係が設定されている。すなわち、選択拡散領域２８と封止用貫通穴２７とが十字状に交差（図２（ｂ）参照）するようにし、選択拡散領域２８の輪郭部分の溝部２９が封止用貫通穴２７と交差する部分で大気に連通するようにする。これにより、封止用貫通穴２７を利用してギャップＧの端部を封止することにより、前記交差部分も封止でき、引いてはギャップＧを封止することができる。
なお、封止部は、プラズマＣＶＤ法等を用いた封止材２６の堆積による方法に限られたものではなく、例えばエポキシ樹脂からなる封止材２６を封止用貫通穴２７の端部に沿って流し込んで形成するようにしても良い。

（ｑ）その後、ノズル孔１２があらかじめ形成されたノズルプレート３を例えば、エポキシ系接着剤により、接合済み基板のキャビティプレート１側に接着する。
（ｒ）最後に、ダイシングライン３０に沿ってダイシングを行い、個々の液滴吐出ヘッドに切断し、液滴吐出ヘッドが完成する。ここで、陽極接合時には短絡していた各個別電極８はそれぞれ分断され、ノズル毎に独立する。また、大気開放穴３１及びそこに連通するガラス溝も切断される。

以上のような方法によれば、ガラス基板２とシリコン基板４１を接合した後に、接合されたシリコン基板４１に対して吐出室５等の各流路を形成するため、取り扱いが容易で、基板の割れも低減することができ、且つ基板の大口径化が可能となる。大口径化が可能となれば、一枚の基板から多くの液滴吐出ヘッドを取出すことができるため、生産性を向上させることができる。
また、電極取出し口２５となる部分や封止用貫通穴２７となる部分のような大面積にわたって薄膜が形成される部分と平面的に重なる領域に選択的にボロンを高濃度に一次拡散した後、シリコン基板４１のボロン一次拡散面側の全面にさらにボロンを高濃度に拡散するため、振動板４を高精度に形成しつつ、電極取出し口２５となる部分や封止用貫通穴２７となる部分に残る薄膜の強度を上げ、薄膜部の割れを防止することができる。

また、選択拡散領域２８の輪郭部分に形成される溝部２９を封止材２６によって封止するようにしたので、ギャップＧを確実に封止することができ、湿気や塵埃等がギャップＧへ侵入するのを防止することができ、液滴吐出ヘッドの信頼性を高く保持することができる。

また、ギャップＧの端部を封止するのと同時に、溝部２９も封止するようにしたので、製造工程を簡略化することができる。
また、選択拡散領域２８を各ヘッドチップ毎に設けたので、後工程のエッチングの際に、仮に１ヘッド内のギャップにエッチング液が侵入しても、選択拡散領域２８の輪郭部分の溝部２９を介して隣接ヘッドにエッチング液が侵入することがない。よって、歩留まり良く生産性を向上させることが可能となる。

また、シリコン基板４１に対して選択的にボロンを拡散させるマスクとしてＳｉＯ₂ 膜を利用することで、そのマスクの形成も簡単に行える。
さらに、電極取出し口２５となる部分及び封止用貫通穴２７となる部分を機械的に割るのではなく、ドライエッチング法を用いてこれらの部分の開口を行うようにしたので、破片等の異物が発生することなく、異物付着によるノズルプレート３とキャビティプレート１との接着不良、封止材２６を用いた際のギャップ封止不良等を防ぐことができる。
さらに、電極取出し口２５となる部分及び封止用貫通穴２７となる部分をドライエッチングする際、開口位置を高精度に作製することができるＳｉＯ₂膜をマスクに用いたので、電極取出し口２５となる部分だけを高精度にドライエッチングすることができる。
また、シリコン基板４１とガラス基板２との陽極接合の際、あらかじめガラス基板２に大気開放穴３１を設け、ギャップの密閉状態を防ぐようにしたので、陽極接合時にギャップ部分に発生した気体によりシリコン基板４１を加圧して、薄膜化した部分から割れるのを防ぐことができる。

なお、本例では、電極取出し口２５と封止用貫通穴２７とを独立して設けた例を図示して説明したが、一つの貫通穴で形成するようにしてもよい。
また、上記に示した液滴吐出ヘッドの製造方法は一例であり、そこで使用した温度、圧力、時間、厚みなどの値は上記に説明したものに限られるものではない。

実施の形態２
図９は上述の実施の形態で製造した液滴吐出ヘッドを用いた液滴吐出装置の概略構成図である。図９の液滴吐出装置はインクジェット方式による印刷を目的とするプリンタである。図９において、被印刷物であるプリント紙１１０が支持されるドラム１０１と、プリント紙１１０にインクを吐出し、記録を行う液滴吐出ヘッド１０２とで主に構成される。また、図示していないが、液滴吐出ヘッド１０２にインクを供給するためのインク供給手段がある。プリント紙１１０は、ドラム１０１の軸方向に平行に設けられた紙圧着ローラ１０３により、ドラム１０１に圧着して保持される。そして、送りネジ１０４がドラム１０１の軸方向に平行に設けられ、液滴吐出ヘッド１０２が保持されている。送りネジ１０４が回転することによって液滴吐出ヘッド１０２がドラム１０１の軸方向に移動するようになっている。

一方、ドラム１０１は、ベルト１０５等を介してモータ１０６により回転駆動される。また、プリント制御手段１０７は、印画データ及び制御信号に基づいて送りネジ１０４、モータ１０６を駆動させ、また、ここでは図示していないが、発振駆動回路を駆動させて振動板４を振動させ、制御をしながらプリント紙１１０に印刷を行わせる。

ここでは液体をインクとしてプリント紙１１０に吐出するようにしているが、液滴吐出ヘッドから吐出する液体はインクに限定されない。例えば、カラーフィルタとなる基板に吐出させる用途においては、カラーフィルタ用の顔料を含む液体、有機ＥＬ等の表示基板に吐出させる用途においては、発光素子となる化合物を含む液体、基板上に配線する用途においては、例えば導電性金属を含む液体を、それぞれの装置において設けられた液滴吐出ヘッドから吐出させるようにしてもよい。また、液滴吐出ヘッドをディスペンサとし、生体分子のマイクロアレイとなる基板に吐出する用途に用いる場合では、ＤＮＡ（Deoxyribo Nucleic Acids：デオキシリボ核酸）、他の核酸（例えば、Ribo Nucleic Acid：リボ核酸、Peptide Nucleic Acids：ペプチド核酸等）タンパク質等のプローブを含む液体を吐出させるようにしてもよい。その他、布等の染料の吐出等にも利用することができる。

実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドの分解図。吐出室の部分を長手方向に割断した部分の断面図（ａ）、キャビティプレートに形成される溝部と封止位置との関係を示す平面図（ｂ）。選択拡散領域の全体の輪郭を示すウエハ全体の平面図（ａ）、シリコンウエハとガラス基板とが接合された状態の断面図（ｂ）。図１の液滴吐出ヘッドを構成するガラス基板を上面から見た図（ａ）、等電位接点部分の部分断面図（ｂ）。実施の形態１の液滴吐出ヘッドの製造工程図。図５に続く液滴吐出ヘッドの製造工程図。図６に続く液滴吐出ヘッドの製造工程図。実施の形態１の液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置の概略構成図。

符号の説明

１キャビティプレート、２ガラス基板（電極基板）、３ノズルプレート、４振動板、５吐出室、６オリフィス、７リザーバ、８個別電極、９凹部、１０リード部、１１電極端子、１２ノズル孔、１３インク供給口、１４ＴＥＯＳ膜、１５液体保護膜、１８ダイヤフラム、１９共通電極、２４ＩＴＯパターン、２５電極取出し口、２６封止材、２７封止用貫通穴、２８選択拡散領域、２９溝部、３１大気開放穴、４１ＡＳｉＯ₂膜、４２ａボロン化合物、４２ｂＢ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂膜、４３エッチングマスク、１０２液滴吐出ヘッド。

Claims

個別電極となる複数の電極が形成された電極基板と、液体を貯えて吐出させる吐出室となる複数の凹部が少なくとも形成されるシリコン基板とを、前記電極と前記吐出室の底面となる部分をギャップを介して対向させて陽極接合する陽極接合工程と、
前記電極基板と接合されたシリコン基板に、少なくとも凹部を含む液体流路、前記ギャップを封止するための封止用貫通穴となる部分及び前記電極を外部の機器と接続するための電極取出し口となる部分をウェットエッチングを利用して形成するウェットエッチング工程と、
ウェットエッチング工程終了後、前記シリコン基板の電極取出し口となる部分と封止用貫通穴となる部分に残った薄膜部を除去して貫通させる貫通工程と、
前記シリコン基板の前記封止用貫通穴を利用して前記ギャップを封止する封止工程とを有し、
前記電極基板と接合される前のシリコン基板の前記電極基板との接合面のうち、電極取出し口となる部分及び封止用貫通穴となる部分と平面的に見て重なる領域に、ボロンを選択的に拡散して選択拡散領域を形成し、その後さらに前記シリコン基板のボロンが拡散された側の全面にボロンを拡散するようにし、そして、前記選択拡散領域が形成されたシリコン基板を前記陽極接合工程で前記電極基板と接合することにより前記選択拡散領域の輪郭部分に残存形成される溝部を封止し、該溝部を介してギャップが大気に連通するのを防止するようにしたことを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
前記選択拡散領域の輪郭部分の前記溝部が前記封止用貫通穴と交差する部分で大気に連通するように、前記封止用貫通穴と前記選択拡散領域とが十字状に交差するように両者の位置関係を設定し、前記封止用貫通穴を利用した前記封止工程を行うことにより、前記交差部分の封止も同時に行えるようにしたことを特徴とする請求項１記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
前記シリコン基板において、前記選択拡散領域を各ヘッドチップ毎に設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
前記シリコン基板に対して選択的にボロンを拡散して前記選択拡散領域を形成するに際し、ＳｉＯ₂ 膜をマスクとして利用することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
請求項１乃至請求項４の何れかに記載の液滴吐出ヘッドの製造方法によって製造された液滴吐出ヘッド。
請求項５記載の液滴吐出ヘッドを搭載したことを特徴とする液滴吐出装置。