JP2007318870A

JP2007318870A - 静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置及び静電デバイス並びにそれらの製造方法

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Publication number: JP2007318870A
Application number: JP2006144111A
Authority: JP
Inventors: Koji Kitahara; 浩司北原
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-05-24
Filing date: 2006-05-24
Publication date: 2007-12-06

Abstract

【課題】確実な封止を行い、長寿命化を図ることができる静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置及び静電駆動デバイス並びにそれらの製造方法を得る。
【解決手段】振動板２２及び封止材が形成される面を有するキャビティ基板２０と、振動板２２と一定距離で対向し、振動板２２との間で静電力を発生させて振動板２２を動作させる個別電極１２を有する電極基板１０とを備え、封止材２５は、個別電極１２と振動板２２との間で形成される空間を外気と遮断するため、該空間の開口部分に、キャビティ基板２０が有する面と電極基板１０とにまたがって、ＢＰＳＧ層２５ａとＴＥＯＳ層２５ｂとを少なくとも積層して形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、微細加工素子において、加わった力により可動部が変位等し、動作等を行う静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド等の静電駆動デバイス等やその製造方法に関するものである。特に微細加工素子で行われる封止に関するものである。

例えばシリコン等を加工して微小な素子等を形成する微細加工技術（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）が急激な進歩を遂げている。微細加工技術により形成される微細加工素子の例としては、例えば液滴吐出方式のプリンタのような記録（印刷）装置で用いられている液滴吐出ヘッド（インクジェットヘッド）、マイクロポンプ、光可変フィルタ、モータのような静電アクチュエータ等がある。

ここで、微細加工素子の一例として静電アクチュエータである液滴吐出ヘッドについて説明する。液滴吐出方式の記録（印刷）装置は、家庭用、工業用を問わず、あらゆる分野の印刷に利用されている。液滴吐出方式とは、例えば複数のノズルを有する液滴吐出ヘッドを対象物との間で相対移動させ、対象物の所定の位置に液滴を吐出させて印刷等の記録をするものである。この方式は、液晶（Liquid Crystal）を用いた表示装置を作製する際のカラーフィルタ、有機化合物等の電界発光（ElectroLuminescence ）素子を用いた表示パネル（ＯＬＥＤ）、ＤＮＡ、タンパク質等、生体分子のマイクロアレイ等の製造にも利用されている。

液滴吐出ヘッドの中で、流路の一部に液体を溜めておく吐出室を備え、吐出室の少なくとも一面の壁（ここでは、底部の壁とし、以下、この壁のことを振動板ということにする）を撓ませて（動作させて）形状変化により吐出室内の圧力を高め、連通するノズルから液滴を吐出させる方法がある。可動部となる振動板を変位させる力として、例えば、振動板（可動電極となる）と一定距離を空けて対向する、電極（固定電極）との間に発生する静電気力（ここでは、特に静電引力を用いている。以下、静電力という）を利用している。

ここで、上記のような静電力を利用した静電アクチュエータにおいて、可動電極（振動板）と固定電極の間に、それらの少なくとも一方の表面に水分等が付着すると、水等の極性分子が帯電する等の原因で静電吸引特性が低下するおそれがある。さらに、極性分子が相互に裾結合し、可動電極が固定電極に貼り付いてしまい、動作不能となることがある。したがって、可動電極と固定電極の周囲を外気と遮断することが望ましい。ここで、土台となる基板同士を接合することで、可動電極と固定電極の周囲をほとんど塞ぐことはできるが、完全に塞いでしまうと外部から固定電極に電荷供給することが困難となるため、一部に電極取り出しをおこなうための開口部分を設ける。そこで、基板で塞ぐことができないこの開口部分には、酸化シリコン（例えばＳｉＯ₂）の封止部材を用いて気密封止を行い、水分等が侵入することを阻止している（例えば特許文献１参照）。

特開２００２−１９７２号公報

封止部材を形成する方法としては、例えば封止材料を封止部に堆積、塗布等させる方法があるが、特に例えば封止部間の段差が大きく、開口部分の隙間が小さい場合には、封止材料による密閉が不十分となり、外気との遮断ができず、長寿命化の障害になる。

そこで、本発明はこのような問題を解決するため、確実な封止を行い、長寿命化を図ることができる静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置及び静電駆動デバイス並びにそれらの製造方法を得ることを目的とする。

本発明に係る静電アクチュエータは、可動電極、及び封止材が形成される面を有する第１の基板と、可動電極と一定距離で対向し、可動電極との間で静電力を発生させて可動電極を動作させる固定電極を有する第２の基板とを備え、封止材は、固定電極と可動電極との間で形成される空間を外気と遮断するため、該空間の開口部分に、第１の基板が有する面と第２の基板とにまたがって、複数の材料が積層して形成され、第１の基板が有する面と第２の基板とに近い層は、遠い層に比べて流動性を有する材料で形成され、遠い層は、近い層に比べて水分透過性が低い材料で形成される。
本発明によれば、固定電極と可動電極との間で形成される空間の開口部分を、流動性を有する材料による層と水分透過性が低い材料による層とを少なくとも積層して空間を外気と遮断するようにしたので、流動性を有する材料により、段差被覆性がよく、小さな隙間にも適度に入り込んで確実に密閉し、それを水分透過性が低い材料による層で覆うように積層することで、空間への異物混入、水分透過を防ぎ、長寿命化を図ることができる。

また、本発明に係る静電アクチュエータは、流動性を有する材料による層は不純物を添加した酸化シリコンを材料とし、水分透過性が低い材料による層は不純物を添加しない酸化シリコンを材料とする。
本発明によれば、流動性を有する材料による層と水分透過性が低い材料による層とを、それぞれ不純物を添加した酸化シリコンと添加しない酸化シリコンを材料として形成しているので、特に製造時において形成が容易となり、時間的、費用的に効率がよい。

また、本発明に係る静電アクチュエータにおいて、不純物はリン及びホウ素とする。
本発明によれば、不純物をリン及びホウ素とし、層間絶縁膜として用いられるＢＰＳＧを層とすることで、段差被覆性のよい酸化シリコンの層により、確実に開口部分を密閉し、外気と遮断することができる。

また、本発明に係る静電アクチュエータにおいては、封止材が形成される面は、封止材を所望範囲内に形成するために第１の基板に形成した貫通溝穴の側壁面となる。
本発明によれば、第１の基板に設けた貫通溝穴の範囲内において、封止材が形成されるようにしているので、例えば、固定電極と外部の電力供給手段との接点等、材料を付着させるべきでない部分に付着させずにすみ、例えば接点においては、接続不良の防止等、長寿命化をはかることができる。また、材料の除去作業等を行わなくてもよく、製造時間を短縮することができる。

また、本発明に係る静電アクチュエータは、酸化シリコンの代わりに、窒化シリコン、窒酸化シリコン、酸化アルミニウム又はポリパラキシリレンのうち、１又は複数を水分透過性が低い材料による層として用いる。
本発明によれば、酸化シリコンだけでなく、窒化シリコン、窒酸化シリコン、酸化アルミニウム又はポリパラキシリレンを用いるようにしたので、材料選択の幅を拡げ、より効果的な封止を行うことができる。

また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、上記の静電アクチュエータを有し、液体が充填される吐出室の少なくとも一部分を可動電極として、可動電極の変位により吐出室と連通するノズルから液滴を吐出させる。
本発明によれば、流動性を有する材料による層と水分透過性が低い材料による層とを少なくとも積層して固定電極と可動電極との間で形成される空間の開口部分を外気と遮断するようにしたので、空間への異物混入、水分透過を防ぎ、長寿命の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。
本発明によれば、流動性を有する材料による層と水分透過性が低い材料による層とを少なくとも積層して確実な封止を実現した液滴吐出ヘッドを用いているので、長寿命の液滴吐出装置を得ることができる。

また、本発明に係る静電デバイスは、上記の静電アクチュエータを搭載したものである。
本発明によれば、流動性を有する材料による層と水分透過性が低い材料による層とを少なくとも積層して確実な封止を実現した静電アクチュエータを用いているので、長寿命の静電デバイスを得ることができる。

本発明に係る静電アクチュエータの製造方法は、固定電極を有する第１の基板と固定電極と距離をおいて対向し、固定電極との間で発生した静電気力により動作する可動電極を有する第２の基板とを接合した接合基板に対し、固定電極と可動電極との間で形成される空間を外気と遮断する封止材を、第１の基板と第２の基板とにまたがった所望範囲内に形成するためのマスク基板を取り付ける工程と、第１の基板が有する面と第２の基板とに近い層が、遠い層に比べて流動性を有する材料となり、遠い層が、近い層に比べて水分透過性が低い材料となるように、複数の材料を所望範囲に堆積させて積層して封止材を形成する工程とを有する。
本発明によれば、固定電極と可動電極との間で形成される空間の開口部分を、流動性を有する材料による層と水分透過性が低い材料による層とを少なくとも積層して封止材を形成するようにしたので、流動性を有する材料により、段差被覆性がよく、小さな隙間にも適度に入り込んで確実に密閉し、それを水分透過性が低い材料による層で覆うように積層することで、空間への異物混入、水分透過を防ぎ、長寿命の静電アクチュエータを製造することができる。また、マスク基板により保護するので、所望範囲に封止材を形成することができる。

本発明に係る静電アクチュエータの製造方法は、流動性を有する材料による層は不純物を添加した酸化シリコンを材料とし、水分透過性が低い材料による層は不純物を添加しない酸化シリコンを材料とする。
本発明によれば、流動性を有する材料による層と水分透過性が低い材料による層とを、それぞれ不純物を添加した酸化シリコンと添加しない酸化シリコンを材料として形成するようにしたので、形成が容易となり、時間的、費用的に効率がよい。

本発明に係る静電アクチュエータの製造方法は、不純物を含ませた酸化シリコンを材料とする層を堆積させた後、熱処理を行ってから、不純物を含まない酸化シリコンを材料とする層を積層させる。
本発明によれば、不純物を含ませた酸化シリコンを材料とする層に熱処理を行うようにしたので、より緻密な層を形成することができる。

本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、上記の静電アクチュエータの製造方法を適用して液滴吐出ヘッドを製造する。
本発明によれば、流動性を有する材料による層と水分透過性が低い材料による層とを少なくとも積層して固定電極と可動電極との間で形成される空間の開口部分を外気と遮断する封止材を形成するようにしたので、空間への異物混入、水分透過を防ぎ、長寿命の液滴吐出ヘッドを製造することができる。

本発明に係る液滴吐出装置の製造方法は、上記の液滴吐出ヘッドの製造方法を適用して液滴吐出装置を製造する。
本発明によれば、流動性を有する材料による層と水分透過性が低い材料による層とを少なくとも積層して確実な封止を実現した液滴吐出ヘッドを用いているので、長寿命の液滴吐出装置を製造することができる。

本発明に係る静電デバイスの製造方法は、上記の静電アクチュエータの製造方法を適用してデバイスを製造する。
本発明によれば、流動性を有する材料による層と水分透過性が低い材料による層とを少なくとも積層して確実な封止を実現した静電アクチュエータを用いているので、長寿命の静電デバイスを製造することができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドを分解して表した図である。図１では液滴吐出ヘッドの一部を示している。本実施の形態では、例えば静電方式で駆動する静電アクチュエータを用いるデバイスの代表として、フェイスイジェクト型の液滴吐出ヘッドについて説明する（なお、構成部材を図示し、見やすくするため、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものと異なる場合がある。また、図の上側を上とし、下側を下として説明する）。

図１に示すように本実施の形態に係る液滴吐出ヘッドは、電極基板１０、キャビティ基板２０及びノズル基板３０の３つの基板が下から順に積層されて構成される。本実施の形態では、電極基板１０とキャビティ基板２０とは陽極接合により接合する。また、キャビティ基板２０とノズル基板３０とはエポキシ樹脂等の接着剤を用いて接合する。

電極基板１０（第２の基板）は、厚さ約１ｍｍの例えばホウ珪酸系の耐熱硬質ガラス等の基板を主要な材料としている。本実施形態では、ガラス基板とするが、例えば単結晶シリコンを基板とすることもできる。電極基板１０の表面には、後述するキャビティ基板２０の吐出室２１となる凹部に合わせ、例えば深さ約０．３μｍを有する複数の凹部１１が形成されている。そして、凹部１１の内側（特に底部）に、キャビティ基板２０の各吐出室２１（振動板２２）と対向するように固定電極となる個別電極１２が設けられ、さらにリード部１３及び端子部１４が一体となって設けられている（以下、特に区別する必要がない限り、これらを合わせて個別電極１２として説明する）。振動板２２と個別電極１２との間には、振動板２２が撓む（変位する）ことができる一定のギャップ（空隙）が凹部１１により形成されている。個別電極１２は、例えばスパッタ法により、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウム錫酸化物）を０．１μｍの厚さで凹部１１の内側に成膜することで形成される。電極基板１０には、他にも外部のタンク（図示せず）から供給された液体を取り入れる流路となる液体取り入れ口１５となる貫通穴が設けられている。

キャビティ基板２０（第１の基板）は、例えば表面が（１００）面方位のシリコン単結晶基板（以下、シリコン基板という）を主要な材料としている（ここでは表面が（１００）面方位とするが（１１０）面方位でもよい）。キャビティ基板２０には、吐出させる液体を一時的にためる吐出室２１となる凹部（底壁が可動電極となる振動板２２となっている）及び後述するように封止材２５をリード部１３の直上部分に堆積し、封止部２６ａを所望範囲に形成するための貫通溝穴２６が形成されている。さらに、キャビティ基板２０の下面（電極基板１０と対向する面）には、振動板２２と個別電極１２との間を電気的に絶縁するためのＴＥＯＳ膜（ここでは、Tetraethyl orthosilicate Tetraethoxysilane：テトラエチルオルソシリケート（珪酸エチル）を原料ガスとして用いてできるＳｉＯ₂膜をいう）である絶縁膜２３を、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ：ＴＥＯＳ−ｐＣＶＤともいう）法を用いて、０．１μｍ成膜している。ここでは絶縁膜２３をＴＥＯＳ膜により成膜しているが、例えばＡｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム（アルミナ））を用いてもよい。また、各吐出室２１に液体を供給するリザーバ（共通液室）２８となる凹部が形成されている。さらに、外部の電力供給手段（図示せず）から基板（振動板２２）に個別電極７と反対の極性の電荷を供給する際の端子となる共通電極端子２７を備えている。そして、吐出室２２とリザーバ２８とを連通させるための溝となるオリフィス２９が設けられている。

ノズル基板３０についても、例えばシリコン基板を主要な材料とする。ノズル基板３０には、複数のノズル孔３１が形成されている。各ノズル孔３１は、振動板２２の駆動により加圧された液体を液滴として外部に吐出する。ノズル孔３１を複数段で形成すると、液滴を吐出する際の直進性向上が期待できるため、本実施の形態ではノズル孔３１を２段で形成する。本実施の形態では、振動板２２が撓むことでリザーバ２８方向に加わる圧力を緩衝するダイヤフラム３２がさらに設けられている。

図２は液滴吐出ヘッドの断面図である。図２において、吐出室２１はノズル孔３１から吐出させる液体をためておく。吐出室２１の底壁である振動板２２を撓ませることにより、吐出室２１内の圧力を高め、ノズル孔３１から液滴を吐出させる。ここで、本実施の形態では、電極とすることができ、かつエッチング工程の際に都合がよい高濃度のボロンドープ層をシリコン基板に形成し、振動板２２を構成するものとする。

発振駆動回路４１は、ＦＰＣ（Flexible Print Circuit）、ワイヤ等の配線４２を介して電気的に端子部１４、共通電極端子２７と接続され、個別電極１２、キャビティ基板２０（振動板２２）に電荷（電力）の供給及び停止を制御する。発振駆動回路４１は例えば２４ｋＨｚで発振し、個別電極１２に０Ｖと３０Ｖのパルス電位を印加して電荷供給を行う。発振駆動回路４１が発振駆動することで、個別電極１２に電荷を供給して正に帯電させ、振動板２２を相対的に負に帯電させると、静電気力により個別電極１２に引き寄せられて撓む。これにより吐出室２１の容積は広がる。そして電荷供給を止めると振動板２２は元に戻るが、そのときの吐出室２１の容積も元に戻り、その圧力により差分の液滴が吐出する。この液滴が例えば記録対象となる記録紙に着弾することによって印刷等の記録が行われる。

また、封止材２５は、異物、水分（水蒸気）等がギャップに浸入しないように、ギャップを外気から遮断し、密閉するために設ける。ここで、本実施の形態における封止材２５は、種類の異なる２つの材により、２層で形成している。本実施の形態では、ギャップを密閉するために電極基板１０とキャビティ基板２０との間を直接的に覆う層（下層）の封止材として、Ｐ（リン）及びＢ（ボロン、ホウ素）を不純物として添加（ドープ）した酸化シリコンであるＢＰＳＧ（Boronic Phosphoric Silicate Glass ）を用いる（以下、この下層をＢＰＳＧ層２５ａという）。一方、下層を覆う層（上層）の封止材として、例えばＴＥＯＳで形成した酸化シリコンを用いる（以下、この上層をＴＥＯＳ層２５ｂという）。ＢＰＳＧは、酸化シリコンに比べて適度な流動性（自己流動性）を有しているため、段差被覆性に優れている。一方で、酸化シリコンは、ＢＰＳＧより緻密に層を形成できるため水分透過性が低い。そこで、ＢＰＳＧ層２５ａで確実に開口部分の封止を実現し、さらに水分の透過（透湿）を抑えるために、酸化シリコン層２５ｂによりＢＰＳＧ層２５ａをコーティングするようにする。

図３はキャビティ基板２０に設けられた貫通溝穴２６と電極基板１０上のリード部１３との関係の概念を表す図である。図３のように、本実施の形態では、リード部１３を露出させるための貫通溝穴２６をキャビティ基板２０に開口し、設ける。ここで、貫通溝穴２６の長手方向の幅については狭いほど小型化に寄与することができる。ただ、幅が狭すぎるとうまく堆積しない可能性があるため、１０μｍ〜２０μｍであることが望ましい。場合によっては、キャビティ基板２０の厚さによって加工時に制限を受けることがあるため（特に表面が（１００）面方位のシリコン基板の場合）、１０μｍ〜２０μｍに特に限定するものではない。確実な封止ができるのであれば、例えば３００μｍ（０．３ｍｍ）等の幅があってもよい。また、堆積するＢＰＳＧ層２５ａの厚さは例えば、少ない部分でもギャップの幅（約０．１８μｍ）以上有するようにする。本実施の形態では厚さが約１μｍとする。また、ＴＥＯＳ層２５ｂの厚さについても特に限定しないが約１μｍとする。このように、例えば、ノズル基板３０との接合に影響しない範囲で、封止材２５全体として約２〜３μｍ又はそれ以上あることが望ましい。

そして、貫通溝穴２６の開口部分から、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ：化学的気相法）により、電極基板１０のリード部１３部分からキャビティ基板２０に至る空間（ギャップの一部）に、ＢＰＳＧ層２５ａ、ＴＥＯＳ層２５ｂの順に形成し、これにより封止部２６ａを形成し、ギャップを外気と確実に遮断して、水分、異物等の侵入を防ぐ。ここで、本実施の形態では、流動性の高い封止材としてＢＰＳＧを用いているが、これに限定するものではない。また、例えば添加する不純物についても、ホウ素及びリンに限定するものではない。また、本実施の形態では、ＢＰＳＧ層２５ａをコーティングする上層を、酸化シリコンであるＴＥＯＳ層２５ｂとしているが、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）、エポキシ樹脂等の無機又は有機化合物等、例えば分子量が比較的小さく、蒸着、スパッタ等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。また、ＣＶＤを行ってＢＰＳＧ層２５ａ、ＴＥＯＳ層２５ｂを形成しているが、封止材２５を構成する材料によっては、（ＥＣＲ）スパッタ、蒸着等の方法により堆積させることができる。

本実施の形態では貫通溝穴２６を設け、その開口部分にＢＰＳＧ層２５ａ及びＴＥＯＳ層２５ｂによる封止材２５により封止部２６ａを形成している。例えば、電極取出し口２４の開口部分に封止材２５を堆積させてギャップを封止することもできるが、電極取出し口２４となる空間は広いため、例えばマスク等を取り付けたとしても、材料が回り込み、電極取出し口２４の所定の部分だけに封止材２５を堆積させることは困難である。例えば、端子部１４に封止材２５が堆積等していると、端子部１４と配線４２とを電気的にうまく接続させることができず、接続不良（導通不良）が生じる可能性がある。そのため、端子部１４に影響しない貫通溝穴２６に封止材２５を堆積させるようにする。貫通溝穴２６に対応する部分を開口したマスク（後述）を取り付け、貫通溝穴２６に形成された側壁面で周囲を囲んでいるため、リード部１３直上を含む所望範囲だけに封止材２５を堆積させて、封止部２６ａを形成することができる。

図４及び図５は第１の実施の形態に係る液滴吐出ヘッドの製造工程を表す図である。図４及び図５に基づいて液滴吐出ヘッド製造工程について説明する。なお、実際には、ウェハ単位で複数個分の液滴吐出ヘッドの部材を同時形成するが、図４及び図５ではその一部分だけを示している。

シリコン基板５１の片面（電極基板１０との接合面側となる）を鏡面研磨し、例えば２２０μｍの厚みの基板（キャビティ基板２０となる）を作製する。次に、シリコン基板５１のボロンドープ層５２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、縦型炉に入れてボロンをシリコン基板５１中に拡散させ、ボロンドープ層５２を形成する。そして、ボロンドープ層５２を形成した面に、プラズマＣＶＤ法により、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）の条件で絶縁膜２３を０．１μｍ成膜する（図４（ａ））。

電極基板１０については、上記（ａ）とは別工程で作製する。約１ｍｍのガラスの基板の一方の面に対し、エッチング等を行って約０．３μｍの深さの凹部１１を形成する。凹部１１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１２を同時に形成する。最後に液体取り入れ口１５となる穴をサンドブラスト法または切削加工により形成する。場合によっては、これにより、電極基板１０を作製する。そして、シリコン基板５１と電極基板１０を３６０℃に加熱した後、電極基板１０に負極、シリコン基板５１に正極を接続して、８００Ｖの電圧を印加し、陽極接合を行う（図４（ｂ））。

陽極接合後の接合を終えた基板（以下、接合基板という）に対し、シリコン基板５１の厚みが約６０μｍになるまでシリコン基板５１表面の研削加工を行う。その後、加工変質層を除去する為に、水酸化カリウム溶液でシリコン基板５１を約１０μｍ異方性ウェットエッチング（以下、ウェットエッチングという）を行う。これによりシリコン基板５１の厚みを約５０μｍにする（図４（ｃ））。

接合基板のウェットエッチングを行った面に対し、ＴＥＯＳによる酸化シリコンのハードマスク（以下、ＴＥＯＳハードマスクという）５３をプラズマＣＶＤ法により成膜する。成膜条件として、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）とし、その条件で１．５μｍ成膜する。ＴＥＯＳを用いたプラズマＣＶＤ法の成膜は比較的低温で行うことができ、基板の加熱を抑えられる（図４（ｄ））。

ＴＥＯＳハードマスク５３を成膜した後、吐出室２１、リザーバ２８、貫通溝穴２６及び電極取出し口２４となる部分のＴＥＯＳハードマスク５３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、フッ酸水溶液を用いてＴＥＯＳハードマスク５３が無くなるまで、それらの部分をエッチングしてＴＥＯＳハードマスク５３をパターニングし、それらの部分について、シリコン基板５１を露出させる。そして、エッチングした後にレジストを剥離する（図４（ｅ））。ここで、例えば、面積の大きく、割れやすい電極取出し口２４となる部分については、レジストの厚みを若干残しておき、後の工程で割れを防止するための厚みを残すようにするようにしてもよい。

次に、接合基板を３５ｗｔ％の濃度の水酸化カリウム水溶液に浸し、吐出室２１、貫通溝穴２６、電極取出し口２４となる部分の厚みが約１０μｍになるまで異方性ウェットエッチング（以下、ウェットエッチングという）を行う。さらに、接合基板を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５２が露出し、エッチングの進行が極度に遅くなるエッチングストップが十分効いたものと判断するまでウェットエッチングを続ける（図５（ｆ））。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、吐出室２１となる部分に形成される振動板２２の面荒れを抑制厚み精度を高くすることができる。その結果、液滴吐出ヘッドの吐出性能を安定化させることができる。

ウェットエッチングを終了すると、接合基板をふっ酸水溶液に浸し、シリコン基板５１表面のＴＥＯＳハードマスク５３を剥離する。次に、貫通溝穴２６及び電極取出し口２４となる部分のボロンドープ層５２を除去するため、貫通溝穴２６及び電極取出し口２４となる部分が開口したシリコンマスクを、接合基板のシリコン基板５１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３０分間行い、貫通溝穴２６、電極取出し口２４となる部分のみにプラズマを当てて、開口する（図５（ｇ））。ここで、例えば接合基板とマスクとのアライメント精度を高めるため、シリコンマスクの装着は、接合基板とシリコンマスクとにピンを通すピンアライメントにより行うようにするとよい。ここでは、異方性ドライエッチングにより開口しているが、ピン等で突くことで、ボロンドープ層５２を壊してもよい。

そして、貫通溝穴２６の部分を開口したマスク開口部６１を有するマスク６０を、接合基板のシリコン基板５１側の表面に取り付ける。ここで、マスク６０と接合基板のシリコン基板５１側の表面とをＯ₂プラズマ洗浄を行い、それぞれの表面を洗浄しておくと、マスク６０とシリコン基板５１との間で水酸基（ＯＨ）による水素結合が行われることにより、少なくとも外周面において隙間を生じさせることなく、材料の回り込みを防ぐことができる。また、マスク６０には大気開放溝６２が形成されている。大気開放溝６２は、マスク６０を装着することによって、凹部等とマスク６０とによってできる空間が完全に密閉状態にならないようにするため、空間と外部とを連通させる。マスク６０と接合基板とが密着してできる空間内の圧力が低いと、マスク６０が吸盤のようになり、接合基板に吸着してしまうのを防ぐためである。本実施の形態では、吐出室２１、リザーバ２８となる凹部及び電極取出し口２４となる開口部分について外部と連通させる。外部に連通する部分は、例えば封止材２５となる材料が凹部等に回り込まない部分に設けることが望ましい。ここでもマスク６０と接合基板との位置合わせはピンアライメントにより行うようにするとよい。

そして、例えばマスク６０を密着させた接合基板をＣＶＤ装置の反応室内に入れ、厚さ１μｍ程度のＢＰＳＧ層２５ａを貫通溝穴２６の側壁面から電極基板１０のリード部１３上を覆い、またがるように形成する。ＢＰＳＧ層２５ａの形成方法としては、例えば常圧ＣＶＤを用いて、原料ガスであるＴＥＯＳ及びＯ₃、ＴＭＯＰ（トリメチルオルソリン（トリメチルホスフェート））並びにＴＥＢ（トリエチルボロン（トリエトキシボラン））を反応室内に導入し、３５０〜４５０℃程度に加熱しながら、貫通溝穴２６内のリード部１３直上にＢＰＳＧを堆積させる。ここで、ＴＭＯＰ、ＴＥＢの代わりに、ＴＭＰ（トリメチルホスファイト）及びＴＭＢ（トリメトキシボラン）を用いてもよい。また、ＢＰＳＧ層２５ａにおけるボロン濃度及びリン濃度について、高いと吸水性（水分透過性）が上がり、低すぎると流動性を損なうため、それぞれ概ね３〜５ｗｔ％（重量パーセント）程度であることが望ましい。

さらに、本実施の形態では、ＢＰＳＧ層２５ａを形成した接合基板を熱処理炉に投入し、窒素雰囲気中でアニール処理を行う。不純物を添加した酸化シリコンをアニール処理を行うことで、層がさらに緻密になり、より確実な気密封止が可能となる。ここで、ボロン濃度及びリン濃度が３〜５ｗｔ％程度の場合、熱処理炉内の温度をＢＰＳＧの軟化点である約８００℃にするとＢＰＳＧに対するアニール処理の効果が最も大きくなる。ただ、接合基板が有する個別電極１２への熱の影響等を考慮し、本実施の形態においては、例えば５００〜７００℃程度の温度でアニール処理を行うものとする。

そして、マスク６０を密着させた接合基板をＣＶＤ装置の反応室内に入れ、ＴＥＯＳ層２５ａを約１μｍ形成する。ＴＥＯＳ層２５ｂの形成については、上述したＢＰＳＧ層２５ｂの形成の際に、ＴＭＯＰ並びにＴＥＢを導入せず、不純物となるホウ素及びリンを添加しないようにする。以上のような工程で封止部２６ａを形成する（図５（ｈ））。

封止が完了すると、例えば、さらに共通電極端子２７となる部分を開口したマスクを、接合基板のシリコン基板５１側の表面に取り付ける。そして、例えばプラチナ（Ｐｔ）をターゲットとしてスパッタ等を行い、共通電極端子２７を形成する。そして、あらかじめ別工程で作製していたノズル基板３０を、例えばエポキシ系接着剤により、接合基板のキャビティ基板２０側から接着し、接合する（図５（ｉ））。そして、ダイシングライン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。そして、例えばドライバＩＣと接続された配線４２と端子部１４とをＡＣＦ（Anisotropic Conductive Film ）等により接合する。端子部１４には封止材料が付着していないため、除去工程を行わなくても、配線等との間の電気的接続を損なうことなく、接続不良を防止することができる。

以上のように実施の形態１によれば、少なくとも不純物を添加しない酸化シリコンよりも適度な流動性を有し、段差が大きく、また、開口部分の隙間が小さくてもギャップを確実に密閉できるＢＰＳＧ層２５ａを形成し、さらに水分透過性の低い、不純物を添加しない酸化シリコンであるＴＥＯＳ層２５ｂを形成し、積層させて封止材２５を形成し、これにより封止部２６ａを形成するようにしたので、個別電極１２と振動板２２との間の空間であるギャップを確実に外気と遮断し、さらにギャップ内に水分を透過させない。これにより、異物混入、個別電極１２と振動板２２との間の水素結合等を防ぎ、アクチュエータ（液滴吐出ヘッド）の長寿命化を図ることができる。また、所望の範囲に封止材２５を堆積して封止部２６ａを形成して封止するようにしたので、封止材の拡がりを抑え、また、リード部１３を短縮できる等、液滴吐出ヘッドの小型化を図ることもできる。一度に複数の基板に対して堆積処理できるので、生産性を高めることができ、全体として時間短縮を図ることができる。

また、封止材２５として積層させる層を、ＢＰＳＧ層２５ａとＴＥＯＳ層２５ｂとしたので、雰囲気中に不純物を添加する材料を導入するかしないかだけの違いにより形成することができるので、形成が容易で時間的、費用的にも効率がよい。そして、不純物をリン及びホウ素とし、ＢＰＳＧ層２５ａを形成するようにしたので、適度な流動性を有し、段差被覆性に優れた層を封止材２５として形成することができる。ここで、ＴＥＯＳ層２５ｂの代わりに、窒化シリコン、窒酸化シリコン、酸化アルミニウム、ポリパラキシリレン等を用いて層を形成してもよく、材料選択の幅を拡げることができる。

また、キャビティ基板２０に貫通溝穴２６を設け、貫通溝穴２６を介して、貫通溝穴側壁面とリード部１３の直上部分にまたがって、ＢＰＳＧ層２５ａを形成するようにしたので、所望範囲（貫通溝穴２６の範囲）内に効率よく、確実な封止部２６ａの形成を行うことができる。また、封止部２６ａを形成する工程において、電極取出し口２４の部分は、マスク６０により、端子部１４には余分な封止材２５が付着しない。そのため、除去工程を行わなくても、配線等との間の電気的接続を損なうことなく、接続不良を防止することができる。

実施の形態２．
上述の実施の形態では、電極基板１０、キャビティ基板２０及びノズル基板３０の３つの基板が積層されて構成された液滴吐出ヘッドについて説明したがこれに限定されるものではない。例えば、吐出室とリザーバとをそれぞれ別の基板に形成し、積層した４層の基板で構成した液滴吐出ヘッドについても適用することができる。

実施の形態３．
図６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（プリンタ１００）の外観図である。また、図７は液滴吐出装置の主要な構成手段の一例を表す図である。図６及び図７の液滴吐出装置は液滴吐出方式（インクジェット方式）による印刷を目的とする。また、いわゆるシリアル型の装置である。図７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、有機化合物等の電界発光素子を用いた表示パネル（ＯＬＥＤ等）の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４．
図８は本発明を利用した波長可変光フィルタを表す図である。上述の実施の形態は、液滴吐出ヘッドを例として説明したが、本発明は液滴吐出ヘッドだけに限定されず、他の微細加工による静電アクチュエータを利用した静電型のデバイスにも適用することができる。例えば、図８の波長可変光フィルタは、ファブリ・ペロー干渉計の原理を利用し、可動鏡１２０と固定鏡１２１との間隔を変化させながら選択した波長の光を出力するものである。可動鏡１２０を変位させるためには、可動鏡１２０が設けられている、シリコンを材料とする可動体１２２を変位させる。そのために固定電極１２３と可動体１２２（可動鏡１２０）とを所定の間隔（ギャップ）で対向配置する。ここで、固定電極に電荷を供給するために固定電極端子１２４を取り出す。その際、可動体を有する基板と固定電極１２３を有する基板との間を封止材１２５により確実に気密封止するため、本発明のように、貫通溝穴１２６を設け、さらに別の基板で塞ぐことにより、封止を確実にする。

同様にモータ、センサ、ＳＡＷフィルタのような振動素子（レゾネータ）、波長可変光フィルタ、ミラーデバイス等、他の種類の微細加工のアクチュエータ、圧力センサ等のセンサ等にも上述の封止部の形成等を適用することができる。また、本発明は、静電方式のアクチュエータ等には特に有効であるが、他に基板間の小さな開口部分を封止する場合にも適用することができる。

実施の形態５．
上述の実施の形態では、固定された電極を有する基板の厚さの方が厚く、またガラス基板であることから、振動板２２等の可動する電極を有する基板の方に貫通溝穴２６を形成したが、特にこれに限定されるものではない。構成、プロセス等の上で形成しやすい方に貫通溝穴２６を形成するようにすればよい。また、上述の第１の実施の形態では、貫通溝穴２６は１つであったが、これに限定するものではなく、封止効果を損なわない範囲で、複数の貫通溝穴等を形成してもよい。

実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドを分解して表した図である。液滴吐出ヘッドの断面図である。貫通溝穴２６と電極基板１０上のリード部１３との関係を表す図である。実施の形態１の液滴吐出ヘッドの製造工程（その１）を表す図である。実施の形態１の液滴吐出ヘッドの製造工程（その２）を表す図である。液滴吐出ヘッドを用いた液滴吐出装置の外観図である。液滴吐出装置の主要な構成手段の一例を表す図である。本発明を利用した波長可変光フィルタを表す図である。

符号の説明

１０電極基板、１１凹部、１２個別電極、１３リード部、１４端子部、１５液体取り入れ口、２０キャビティ基板、２１吐出室、２２振動板、２３絶縁膜、２４電極取出し口、２５封止材、２６貫通溝穴、２７共通電極端子、２８リザーバ、２９オリフィス、３０ノズル基板、３１ノズル孔、３２ダイヤフラム、４１発振駆動回路、４２配線、５１シリコン基板、５２ボロンドープ層、５３ＴＥＯＳハードマスク、６０マスク、６１マスク開口部、６２大気開放溝、１００プリンタ、１０１ドラム、１０２液滴吐出ヘッド、１０３紙圧着ローラ、１０４送りネジ、１０５ベルト、１０６モータ、１０７プリント制御手段、１１０プリント紙、１２０可動鏡、１２１固定鏡、１２２可動体、１２３固定電極、１２４固定電極端子、１２５封止材、１２６貫通溝穴。

Claims

可動電極、及び封止材が形成される面を有する第１の基板と、
前記可動電極と一定距離で対向し、前記可動電極との間で静電力を発生させて前記可動電極を動作させる固定電極を有する第２の基板とを備え、
前記封止材は、前記固定電極と前記可動電極との間で形成される空間を外気と遮断するため、該空間の開口部分に、前記第１の基板が有する前記面と前記第２の基板とにまたがって、複数の材料が積層して形成され、前記第１の基板が有する面と前記第２の基板とに近い層は、遠い層に比べて流動性を有する材料で形成され、前記遠い層は、前記近い層に比べて水分透過性が低い材料で形成されることを特徴とする静電アクチュエータ。
流動性を有する材料による層は不純物を添加した酸化シリコンを材料とし、水分透過性が低い材料による層は不純物を添加しない酸化シリコンを材料とすることを特徴とする請求項１記載の静電アクチュエータ。
前記不純物はリン及びホウ素とすることを特徴とする請求項２記載の静電アクチュエータ。
前記封止材が形成される面は、前記封止材を所望範囲内に形成するために前記第１の基板に形成した貫通溝穴の側壁面であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の静電アクチュエータ。
酸化シリコンの代わりに、窒化シリコン、窒酸化シリコン、酸化アルミニウム又はポリパラキシリレンのうち、１又は複数を前記水分透過性が低い材料による層として用いることを特徴とする請求項２又は４記載の静電アクチュエータ。
請求項１〜５のいずれかに記載の静電アクチュエータを有し、
液体が充填される吐出室の少なくとも一部分を前記可動電極として、前記可動電極の変位により前記吐出室と連通するノズルから液滴を吐出させることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
請求項６に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。
請求項１〜５のいずれかに記載の静電アクチュエータを搭載したことを特徴とする静電デバイス。
固定電極を有する第１の基板と前記固定電極と距離をおいて対向し、前記固定電極との間で発生した静電気力により動作する可動電極を有する第２の基板とを接合した接合基板に対し、前記固定電極と前記可動電極との間で形成される空間を外気と遮断する封止材を、第１の基板と前記第２の基板とにまたがった所望範囲内に形成するためのマスク基板を取り付ける工程と、
前記第１の基板が有する面と前記第２の基板とに近い層が、遠い層に比べて流動性を有する材料となり、前記遠い層が、前記近い層に比べて水分透過性が低い材料となるように、複数の材料を前記所望範囲に堆積させて積層して前記封止材を形成する工程と
を有することを特徴とする静電アクチュエータの製造方法。
流動性を有する材料による層は不純物を添加した酸化シリコンを材料とし、水分透過性が低い材料による層は不純物を添加しない酸化シリコンを材料とすることを特徴とする請求項９記載の静電アクチュエータの製造方法。
前記不純物を含ませた酸化シリコンを材料とする層を堆積させた後、熱処理を行ってから、前記不純物を含まない酸化シリコンを材料とする層を積層させることを特徴とする請求項９又は１０記載の静電アクチュエータの製造方法。
請求項９〜１１のいずれかに記載の静電アクチュエータの製造方法を適用して液滴吐出ヘッドを製造することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
請求項１２に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法を適用して液滴吐出装置を製造することを特徴とする液滴吐出装置の製造方法。
請求項９〜１１のいずれかに記載の静電アクチュエータの製造方法を適用してデバイスを製造することを特徴とする静電デバイスの製造方法。