JP2008149659A - 薄膜の転写によるインクジェットヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 Si基板上のSi酸化膜とSiとの接合においては、SiとSi酸化膜との熱膨張係数の差による応力が発生する。
【解決手段】 薄膜ＰＪヘッドの振動板を直接接合を用いて転写する際、メンブレン上の振動板のクラック、破壊を防止するため応力調整層を設ける。
【選択図】 図２

Description

本発明は、転写方法により振動板を作製するインクジェットヘッドの製造方法に関する。

一般に、プリンターやファクシミリ等の画像記録装置として用いられるインクジェット記録装置において使用するマイクロアクチュエーターを含むインクジェットヘッドは、微少な液滴を吐出するノズル、ノズルと連通する個別液室（インク流路）、個別液室内のインクをノズルから液滴として吐出させるための液滴発生手段等から構成されている。

液滴発生手段としては、個別液室内に設置された発熱体により液体を発砲させて液滴を吐出させるバブル型のもの、個別液室の一部を形成している振動板を圧電素子により変形させることで液滴を形成させるピエゾ型のもの、静電気力で振動板を変形させることで液滴を吐出させる静電型と大きく3つに分類される。

上記3つのうち、振動板を用いるピエゾ型や静電型のインクジェットヘッドにおいては、高密度化、高精細化に伴い、振動板の薄膜化、大面積化が求められている。

特開平9-94965ではノズル、加圧室等の溝が形成されたシリコンインク室とほう珪酸ガラス板を静電接合し、静電接合されたほう珪酸ガラスを所定の厚さまで研磨して振動板を形成している。シリコンインク室形成に際して、シリコンの両面から加工できるので、ノズル、加圧室を比較的自由な形状にすることができる。しかし、振動板形成に際しては、ほう珪酸ガラスを研磨することにより振動板の厚みを調整しているので、振動板厚の面内ばらつきが生じる。また溝上のほう珪酸ガラスはメンブレンとなっているので研磨時に割れやすく、振動板の薄膜化に限界がある。

特開平9-234873号ではシリコン基板の一方の面に所定厚さの高濃度p型不純物層を形成し、前記高濃度p型不純物層をエッチングストップ層として、前記シリコン基板の他方の面からシリコンのエッチングを行うことにより振動板を高精度に形成している。しかし、ノズルや加圧室作製に際して、シリコンの片面からしかエッチングできないことより、加圧室の形状等に制限が加わってしまう。
特開平9-94965号公報 特開平9-234873号公報

このような背景を鑑みて、流路構成が比較的自由にできかつ薄膜の振動板を精度よく形成する手段として以下のものが考えられる。すなわち、薄膜の振動板として酸化膜などのを成膜したSiでできた支持基板と、所定の流路構造を備えたSiのインク室構造体とを直接接合した後に支持基板を除去することで、薄膜の振動板をインク室構造体に転写する方法である。

一般にSi同士の接合、または酸化膜を介してのSiの接合は室温で２枚の基板を貼り合わせ熱処理を施すことで接合を完了させる。接合面表面にできたOH基の水素結合で室温でもある程度自力的に密着している。その後、200℃から300℃程度の温度で熱処理を行うことでOH基の脱水縮合反応が始まり、水素結合がSi-O-Si結合となり接合が行われる。さらに1000℃以上の高温での熱処理でSi-Si結合となりより強固な接合となる。

しかし、Si基板上のSi酸化膜とSiとの接合においては、SiとSi酸化膜との熱膨張係数の差による応力が発生する。

例えば図1(a)のようにSiの第1基板101上に形成されたSi酸化膜102とSiの第2基板103とを1100℃で直接接合させる。直接接合後は室温でも応力のつりあいがとれている。しかし、図1(b)のように第1基板101を除去すると、Siよりも熱膨張係数の一桁小さいSi酸化膜102には圧縮応力が作用する。

特に図1(c)のように第2基板に流路などの構造物が形成されている場合は、Si酸化膜102に下が空洞となっているメンブレン部104があり、第1基板101の除去後、室温において圧縮応力により、薄膜のメンブレン部104に反りやクラック、破壊が生じるという問題点がある。

このような問題点を解決すべく、本発明はSi支持基板上に薄膜層が形成された支持基板体とSi基板に所定の構造を形成したインク室構造体とを直接接合した後にSi支持基板を除去して薄膜層をインク室構造体に転写するに際し、
第1の温度で支持基板体とインク室構造体を仮接合した後、Si支持基板のみを除去し、その後薄膜層上に引っ張り応力を有する調整層を形成する。その後、接合強度を上げるために第1の温度よりも高温の第2の温度で熱処理を行うことを特徴とする。これにより振動板の一部となる薄膜層に圧縮応力がかかりにくくなり、メンブレン部の振動板の破壊をなくし、均一な厚さの薄膜の振動板を構造物上に精度よく形成することができる。

本発明はまず、第1の温度で接合を行う。前記温度は基板がある程度の強度で接合される温度で、Si支持基板を除去する工程に耐えられる接着強度が得られる温度であればよい。接合界面は主にSi-O-Si結合が支配的であるが、低温で接合を行っていることより、Si支持基板除去後室温状態で、振動板の一部となるSi酸化膜表面にかかる圧縮応力は小さい。次にスパッタ等でSi酸化膜に引っ張り応力を与える調整層を成膜した後に1000℃以上の高温で熱処理を行い接合強度を上げる。調整層としてはSi窒化膜、ジルコニア酸化物、窒化チタン、酸化チタン、タングステン、白金など熱膨張係数がSi酸化膜のそれより大きく、Si酸化膜に引っ張り応力を与える薄膜で形成する。調整層を設けることで1000℃以上の高温状態にした後室温に戻しても、Si酸化膜に大きな圧縮応力がかかることはなく、これによりメンブレン部の膜の破壊を防ぐことができる。

以上、説明してきたように、Si支持基板上に薄膜層が形成された支持基板体とSi基板に所定の構造を形成したインク室構造体とを直接接合した後にSi支持基板を除去して薄膜層をインク室構造体に転写するに際し、第1の温度で支持基板体とインク室構造体を接合した後、Si支持基板のみを除去し、その後薄膜層上に引っ張り応力を有する調整層を形成する。その後、接合強度を上げるために第1の温度よりも高温の第2の温度で熱処理を行うことで、振動板の一部となる薄膜層に圧縮応力がかかりにくくなり、メンブレン部の振動板の破壊をなくし、均一な厚さの薄膜の振動板を構造物上に精度よく形成することができる。

（実施例１）
本発明の第1実施例を示す。図2（a）に示すように、両面研磨された400μm厚のSi基板201に流路202をドライエッチングにより形成したインク室構造体203を用意する。エッチング装置としてはInductively Coupled Plasmaを用いるリアクティブエッチング装置を用い、Siの深溝形成技術として公知であるボッシュプロセスを利用して、Siに流路構造物を作製する。Si基板201の両側から加工できることより、用途に合わせて流路形状を設計することができる。

次に、図2(b)に示すように両面研磨された400μm厚のSiの支持基板204の片面に薄膜層205を形成、支持基板体206を作製する。薄膜層205としては3μm厚のSi酸化膜とする。Si酸化膜からなる薄膜層205の膜厚分布は50nm以下と非常に精度の高いものであった。

このように作製したインク室構造体203を硫酸と過酸化水素水の混合液で洗浄した後水洗を10分間行う。支持基板体206はアセトン超音波洗浄後、水洗をし、酸化膜表面を洗浄化する。インク室構造体203と支持基板体206は洗浄後、水洗をすることで表面は親水性となっている。

これらインク室構造体203と支持基板体206を、クリーンルーム内で図2(c)のように貼り合わせる。200℃で熱処理を行い、両者を接合させる。本実施例では窒素雰囲気中で1時間熱処理を行っている。

接合後、Siの支持基板204をInductively Coupled Plasmaを用いるリアクティブエッチング装置を用いて、ドライエッチングにより除去する。（図2（d））本実施例ではエッチングガスとしてSF6を用いてSi支持基板204のエッチングを行っている。Siのエッチング速度はSi酸化膜のエッチング速度の200倍以上であるので、Si酸化膜をエッチストップ層として利用することができる。

なお、Si支持基板204の除去はInductively Coupled Plasmaによるドライエッチングのみで行ったが、必ずしもこれに限るものではなく、ラッピング研磨などによりSi支持基板204を除去しても構わない。

接合が200℃の低温で行われていることより、Si支持基板204を除去した後も室温状態で薄膜層205に大きな圧縮応力がかかっていることはない。

次に、図2(e)に示すように、Si酸化膜からなる薄膜層205上にSi酸化膜よりも熱膨張係数が大きく、Si酸化膜に引っ張り応力を与える調整層207を形成する。調整層207としてはSi窒化膜をCVD法で1μm形成する。CVD法としてはプラズマCVD法や減圧CVD法があるが、これら成膜方法や成膜条件を変えることで適切な応力値にすることができる。なお、調整層207としては必ずしもSi窒化膜である必要はなく、ジルコニア酸化物、窒化チタン、酸化チタン、タングステン、白金などSi酸化膜の熱膨張係数より大きい熱膨張係数を有し、Si酸化膜に引っ張り応力を与える薄膜であればよい。

その後、1100℃で30分間熱処理を行い、インク室構造体203と薄膜層205との接合強度を上げる。調整層207が薄膜層205にかかる圧縮応力を緩和するので、1100℃の高温状態から室温に戻しても薄膜層205に大きな圧縮応力はかからず、クラックや破壊が生じることはない。

薄膜層205の転写終了後、薄膜層205と調整層207を振動板とし、図3(a)に示すように前記振動板上に圧電体材料からなるアクチュエータ、電極を積層して、パターニングで流路に対応した個別素子を作製する。最後に図3(b)に示すようにSUSなどで形成されたオリフィスプレート301を接合または接着することで、圧電素子を用いたインクジェットヘッドを作製することができる。

（実施例２）
本発明の第2実施例を示す。図4（a）に示すように、両面研磨された300μm厚のSi基板401に流路402をドライエッチングにより形成したインク室構造体403を用意する。流路402の形成に際してはドライエッチングでもウエットエッチングを用いてもよく、インクジェットヘッドの用途に合わせてSi基板401の両面から自由に加工することができる。

次に、図4(b)に示すように両面研磨された200μm厚のSiの支持基板404の片面に薄膜層405を形成、支持基板体406を作製する。薄膜層405としては2μm厚のSi酸化膜とする。

インク室構造体403と支持基板体406を洗浄後、図4(c)のように貼り合わせる。300℃で熱処理を行い、両者を仮接合させる。本実施例では酸素雰囲気中で2時間熱処理を行っている。

接合後、Siの支持基板404をドライエッチングにより除去する。（図4（d））接合が300℃で行われていることより、Si支持基板404を除去した後も室温状態で薄膜層405に大きな圧縮応力がかかっていることはない。

次に、図4(e)に示すように、Si酸化膜からなる薄膜層405上にSi酸化膜よりも熱膨張係数が大きく、Si酸化膜に引っ張り応力を与えるジルコニア酸化物からなる調整層407を1μm形成する。その後、1000℃で30分間熱処理を行い、インク室構造体403と薄膜層405との接合強度を上げる。調整層407が薄膜層405にかかる圧縮応力を緩和するので、1000℃の高温状態から室温に戻しても薄膜層405に大きな圧縮応力はかからず、流路上でメンブレンとなっている薄膜層405にクラックや破壊が生じることはない。

薄膜層405の転写終了後、図4(f)に示すように調整層407上に振動板調整層408をスパッタ法で1μm成膜し、薄膜層405、調整層407そして振動板調整層408の3層で振動板409を形成する。本実施例では振動板調整層408として1μmの白金をスパッタ法で成膜することで形成した。

調整層407は接合時の熱履歴による薄膜層405のクラック、破壊防止の目的でその材料の種類、膜厚等を決めればよく、必ずしもインクジェットヘッドとして用いる際の振動板の膜厚や特性を満たしてなくてもよい。接合後、調整層407上に適切な振動板調整層408を低温成膜することで所望の振動板厚に調整することができる。なお、振動板調整層408としては必ずしも白金でなくてもよく、調整層407と同じ酸化ジルコニウムや、金やタングステン、クロムなどのヤング率の高い金属で形成してもよい。振動板409を構成する薄膜層405、調整層407及び振動板調整層408はどれも成膜技術により作製しており、均一な厚さの薄膜の振動板を構造物上に精度よく形成することができる。

次に、図5(a)に示すように前記振動板上に圧電体材料からなるアクチュエータ、電極を積層して、パターニングで流路に対応した個別素子を作製する。最後に図5(b)に示すようにSUSなどで形成されたオリフィスプレート501を接合または接着することで、圧電素子を用いたインクジェットヘッドを作製することができる。

課題の項目で述べた基板にかかる応力についての説明図 本発明の第1実施例を説明する図 本発明の第１実施例を説明する図 本発明の第2実施例を説明する図 本発明の第2実施例を説明する図

符号の説明

101 第1基板
102 Si酸化膜
103 第2基板
104 メンブレン部
201 Si基板
202 流路
203 インク室構造体
204 支持基板
205 薄膜層
206 支持基板体
207 調整層
301 オリフィスプレート
401 Si基板
402 流路
403 インク室構造体
404 支持基板
405 薄膜層
406 支持基板体
407 調整層
408 振動板調整層
409 振動板
501 オリフィスプレート

Claims (7)

1. Si支持基板上に薄膜層を形成した支持基板体とSi基板に流路を形成したインク室構造体とを直接接合した後に、Si支持基板を除去して薄膜層をインク室構造体に転写するインクジェットヘッドの製造方法において、
   1 第1の温度で支持基板体とインク室構造体を接合し
   2 接合した支持基板体とインク室構造体のSi支持基板のみを除去し
   3 薄膜層上に調整層を形成し
   4 第1の温度よりも高温の第2の温度で熱処理を行い
   薄膜層をインク室構造体に転写する事を特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
2. 請求項1に記載の薄膜層はSi酸化膜であることを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
3. 請求項1に記載の調整層は引っ張り応力を有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1に記載の第1の温度が300℃以下で第2の温度が300℃以上であることを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
5. 請求項1に記載のSi支持基板の除去をドライエッチング法で行うことを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
6. 請求項1から請求項3に記載の転写した薄膜層及び調整層の積層を振動板または振動板の一部と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。
7. 請求項6に記載の振動板上に電極、圧電素子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。

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