JP2008230116A - 液滴吐出ヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ノズルの高密度化を可能にし、かつノズル間の圧力干渉を防止することができる液滴吐出ヘッド及びその製造方法を得る。
【解決手段】底壁が振動板１３を形成し、液滴を溜めておく吐出室１１となる吐出室１１用凹部１１ａが複数形成され且つ各吐出室１１に共通のリザーバ１２となる第１リザーバ凹部１２ａが形成されたキャビティ基板１と、振動板１３に対向し、振動板１３を駆動する個別電極２２が形成された電極ガラス基板２と、吐出室１１内の液滴を吐出するノズル孔１１が複数形成されたノズル基板３とを備え、ノズル基板３と電極ガラス基板２との間にキャビティ基板１が挟んで接合された液滴吐出ヘッドであって、キャビティ基板１の第１リザーバ凹部１２ａと反対側の部分にはザグリが形成され、第１リザーバ凹部１２ａの底面が圧力を緩衝するダイヤフラム１５となっている。
【選択図】図１

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及びその製造方法に関する。

液滴を吐出するための液滴吐出ヘッドとして、例えばインクジェット記録装置に搭載されるインクジェットヘッドが知られている。インクジェットヘッドとして、従来より、底壁が振動板を形成し、インクを溜めておく吐出室となる吐出室用凹部が複数形成され且つ各吐出室に共通のリザーバが形成されたキャビティ基板と、振動板に対向し、振動板を駆動する個別電極が形成された電極基板と、吐出室内のインクを吐出するノズル孔が複数形成されたノズル基板とを備え、ノズル基板と電極ガラス基板との間にキャビティ基板を挟んで接合した構造のものがある（例えば、特許文献１参照）。

このようなインクジェットヘッドでは、印刷速度の高速化およびカラー化を目的として、ノズル列を複数有する構造のインクジェットヘッドが求められている。さらに、近年ノズル密度は高密度化するとともに、長尺化（１列当たりのノズル数の増加）しており、インクジェットヘッド内のアクチュエータ数はますます増加している。
インクジェットヘッドでは、ノズル孔のそれぞれに共通に連通するリザーバが設けられているので、ノズル密度の高密度化に伴い、吐出室の圧力がリザーバにも伝わり、その圧力の影響が他のノズル孔にも及ぶことになる。例えば、アクチュエータを駆動することにより、リザーバに正圧がかかると本来インク滴を吐出するべきノズル孔（駆動ノズル）以外の非駆動ノズルからもインク滴が漏れ出たり、逆にリザーバに負圧がかかると駆動ノズルから吐出するべきインク滴の吐出量が減少したりして、印字品質が劣化する。そこで、このようなノズル間の圧力干渉を防止するために、リザーバの圧力変動を緩衝させるためのダイヤフラムをノズル基板に設けたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１１９０４４号公報（図１）

しかしながら、特許文献１のインクジェットヘッドのように、ダイヤフラムをノズル基板に設けた構造では、強度の低い部位が外部に露出することになるため、破損防止等の観点からダイヤフラムを薄くするのにも限界があった。このため、圧力緩衝効果が十分に得られず、更なる改善が望まれていた。

本発明はこのような点に鑑みなされたもので、ノズルの高密度化を可能にし、かつノズル間の圧力干渉を防止することができる液滴吐出ヘッド及びその製造方法を得ることを目的とする。

本発明に係る液滴吐出ヘッドは、底壁が振動板を形成し、液滴を溜めておく吐出室となる吐出室用凹部が複数形成され且つ各吐出室に共通のリザーバとなる第１リザーバ凹部が形成されたキャビティ基板と、振動板に対向し、振動板を駆動する個別電極が形成された電極基板と、吐出室内の液滴を吐出するノズル孔が複数形成されたノズル基板とを備え、ノズル基板と電極基板との間にキャビティ基板が挟んで接合された液滴吐出ヘッドであって、キャビティ基板の第１リザーバ凹部と反対側の部分にはザグリが形成され、第１リザーバ凹部の底面が圧力を緩衝するダイヤフラムとなっているものである。
このように、キャビティ基板にダイヤフラムを設けたため、ダイヤフラムが外部に露出しない構造とすることができる。このため、ダイヤフラムを必要十分に薄く形成することが可能となり、高い圧力緩衝効果を得ることができる。その結果、ノズル孔の高密度化が可能で、且つ液滴吐出時に発生するノズル孔間の圧力干渉を防止して吐出特性が良好な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は、ノズル基板においてキャビティ基板の第１リザーバ凹部と対向する位置には、第１リザーバ凹部とともにリザーバを構成する第２リザーバ凹部が形成され、また、キャビティ基板には、一端が電極基板に貫通形成した液滴供給孔に連通し、他端がノズル基板の第２リザーバ凹部に連通する液滴供給孔が貫通形成されており、外部からのリザーバへの液滴の供給が、電極基板及びキャビティ基板に設けた液滴供給孔を介してノズル基板の第２リザーバ凹部経由で行われる構造としたものである。
このように、ノズル基板のキャビティ基板との接合面側に第２リザーバ凹部を設けてリザーバの体積を拡大した構造としたため、流路抵抗を低減できクロストークを防止することが可能となり、吐出特性の安定化を図ることが可能となる。

また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、上記の液滴吐出ヘッドの製造方法であって、シリコン基板の一方の面に前記ザグリを形成する工程と、シリコン基板の一方の面全体にボロンを拡散してボロンドープ層を形成する工程と、シリコン基板の他方の面に吐出室用凹部及び第１リザーバ凹部を形成するためのエッチングパターンを形成する工程と、エッチングパターンを用いてウェットエッチングを行い、ボロンドープ層でエッチングストップさせ、吐出室用凹部及び第１リザーバ凹部を形成する工程とを有するものである。
このように、第１リザーバ凹部を形成するに際し、ボロンエッチングストップ技術を用いるため、第１リザーバ凹部の深さを高精度に制御できる。これにより、ヘッド毎に第１リザーバ凹部の深さが異なることによる流路抵抗のばらつきを防止することができる。

以下、本発明の一実施の形態の液滴吐出ヘッドについて説明する。なお、ここでは液滴吐出ヘッドの一例として、ノズル基板の表面に設けられたインクノズルからインク液滴を吐出するフェイス吐出型のインクジェットヘッドについて図１及び図２を参照して説明する。また、本発明は、以下の図に示す構造、形状に限定されるものではなく、基板の端部に設けられたインクノズルからインク液滴を吐出するエッジ吐出型のインクジェットヘッドにも適用できるものである。

図１は、本発明の一実施の形態のインクジェットヘッドの分解斜視図である。
図１に示すように、このインクジェットヘッドは、キャビティ基板１、電極ガラス基板２、ノズル基板３の３つの基板を有し、ノズル基板３と電極ガラス基板２の間にキャビティ基板１を挟んで接合した構成を有している。
キャビティ基板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Ｓｉ基板という）から構成されている。キャビティ基板１には、底壁が振動板１３を形成し、インクを溜めておく吐出室１１となる複数の吐出室用凹部１１ａと、各吐出室１１に共通のリザーバ１２となる第１リザーバ凹部１２ａとが形成されている。振動板１３は、シリコンに高濃度のボロンを拡散することにより形成されるボロン拡散層で構成されている。このようにボロン拡散層で構成することにより、Ｓｉ基板をエッチングしたときにエッチング速度が極端に遅くなるいわゆるエッチングストップを十分に働かせることができ、振動板１３の厚み及び吐出室１１の容積を高精度で形成でき、また、面荒れも小さくすることが可能となる。

また、キャビティ基板１において、第１リザーバ凹部１２ａの反対側の部分にはザグリ１４が形成されている。これにより、第１リザーバ凹部１２ａの底面は電極ガラス基板２の表面から浮いた状態となっており、リザーバ１２内の圧力変動を緩衝するダイヤフラム１５となっている。このようなダイヤフラム１５を設けることにより、ノズル間の圧力干渉を防止することが可能となっている。このダイヤフラム１５も、振動板１３と同様に、シリコンに高濃度のボロンを拡散することによるボロン拡散層により構成されている。これにより、上記と同様にエッチングストップを十分に働かせることができ、第１リザーバ凹部１２ａの深さを高精度に形成することができる。したがって、各ヘッド毎に流路抵抗がばらつくのを抑えることができる。また、ノズル基板３と電極ガラス基板２との間に接合されるキャビティ基板１にダイヤフラム１５を形成しているため、ダイヤフラムが外部に露出しない構造となり、破損等を考慮することなくダイアフラム１５を必要十分に薄く形成することが可能である。

また、キャビティ基板１には更に、一端が、電極ガラス基板２に貫通形成された後述のインク供給孔２９に連通し、他端がノズル基板３の後述の第２リザーバ凹部３４に連通するインク供給孔１６が貫通形成されている。

また、キャビティ基板１の下面（電極ガラス基板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）１７（図２参照）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、インクジェット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。また、キャビティ基板１には、キャビティ基板１の通電部として共通電極１８が設けられている。

電極ガラス基板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基板１の下面に接合される基板である。本実施の形態では、電極ガラス基板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。電極ガラス基板２には、キャビティ基板１に形成される各吐出室１１に合わせて、エッチングにより深さ約０．２μｍの電極形成用凹部２１が設けられる。そして、電極形成用凹部２１の内側に、個別電極２２、リード部２３及び端子部２４（以下、個別電極２２、リード部２３、端子部２４を合わせて電極部と呼ぶ）が設けられている。端子部２４は個別電極２２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、図２に示すように、配線のためにキャビティ基板１の末端部に貫通形成された電極取出し用貫通穴部２５内に露出している。

本実施の形態では、電極形成用凹部２１の底面に形成する電極部の材料として、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、電極形成用凹部２１内に例えば０．１μｍの厚さにスパッタ法を用いて成膜する。したがって、絶縁膜１７と個別電極２２との間に形成されるギャップは、この電極形成用凹部２１の深さ及び電極部の厚さにより決まることになる。このギャップは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。ここで、電極部の材料は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が、本実施の形態では、透明であるので放電したかどうかの確認が行い易い等の理由でＩＴＯを用いることとする。

また、端子部２４は、図２に示すように、発振回路２６に接続されている。発振回路２６は、端子部２４を介して個別電極２２に電荷の供給及び停止を制御する。また、振動板１３と個別電極２２との間に形成されるギャップの端部には封止材２７が充填されており、個別電極２２単位で封止が行われるようになっている。このように封止を行うことにより、振動板１３の底面や個別電極２２の表面に水分が付着するのを防止し、水分付着に起因した電極と振動板１３の貼り付き等の防止を図っている。

また、電極ガラス基板２には、各電極形成用凹部２１を相互に連通するように結ぶ気相処理溝２８が電極形成用凹部２１と同様の深さ約０．２μｍで形成されている。気相処理溝２８はギャップ内の水分除去を行った後、疎水処理を行うために用いられるものである。本例では、各電極形成用凹部２１の端部の封止を行った後、ギャップ内の気相処理（脱水処理及び疎水処理）を行い、そして、その気相処理を行うための気相処理溝２８の端部を封止するといった２段階で気密封止を行うようにしている。これは、ギャップ内の疎水処理のための化合物の濃度を高く保つためである。この気相処理（疎水処理）により、絶縁膜１７の表面及び個別電極２２の表面にはヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）で構成された疎水化膜（図示せず）が形成されている。

また、電極ガラス基板２には、外部のインクカートリッジ（図示せず）に接続されるインク供給孔２９が設けられている。インク供給孔２９は、キャビティ基板１に設けられたインク供給孔１６を通じてノズル基板３に設けられた後述の第２リザーバ凹部３４に連通している。

ノズル基板３は、例えば厚さ約１８０μｍのＳｉ基板で構成される。ノズル基板３は、複数のノズル孔３１が設けられる領域に凹部３２が形成され、この凹部３２の底面にインク液滴を吐出するための複数のノズル孔３１が開口している。すなわち、ノズル部分の長さ（基板厚み）を凹部３２により薄肉化することにより各ノズル孔３１の流路抵抗を調整している。これにより、均一な吐出性能を確保するとともに、吐出面（凹部３２の底面）に記録用紙などの他の物体が直接接触することがないので、記録用紙の汚損やノズル孔３１の先端の損傷などを防止することができる。

各ノズル孔３１は、ここでは、基板面に対し垂直にかつ同軸上に小さい穴の第１ノズル３１ａと第１ノズル３１ａよりも径の大きい第２ノズル３１ｂとから構成されている。このように２段に構成することにより、インク滴の吐出方向をノズル孔３１の中心軸方向に揃えることができ、安定したインク吐出特性を発揮させることができる。すなわち、インク滴の飛翔方向のばらつきがなくなり、またインク滴の飛び散りがなく、インク滴の吐出量のばらつきを抑制することができる。また、ノズル密度を高密度化することが可能である。

また、ノズル基板３の図１において下面（キャビティ基板１と接合される接合側の面）には、吐出室１１とリザーバ１２とを連通させるためのオリフィス３３が形成されている。また、更に、ノズル基板３においてキャビティ基板１の第１リザーバ凹部１２ａと対向する位置には、第１リザーバ凹部１２ａとともにリザーバ１２を構成する第２リザーバ凹部３４が形成されている。このようにキャビティ基板１に形成した第１リザーバ凹部１２ａに加え、更にノズル基板３に第２リザーバ凹部３４を形成することにより、リザーバ１２の体積拡大が図られている。

上記のように構成されたインクジェットヘッドの動作を説明する。
図２に示すように発振回路２６はキャビティ基板１の共通電極１８と端子部２４とに接続されている。そして、例えば２４ｋＨｚで発振し、個別電極２２に０Ｖと３０Ｖのパルス電位を印加して電荷供給を行う。このように発振回路２６が駆動し、個別電極２２に電荷を供給して正に帯電させると、振動板１３は負に帯電し、静電気力により個別電極２２に引き寄せられて撓む。これにより吐出室１１の容積は広がる。そして個別電極２２への電荷供給を止めると振動板１３は元に戻る。このとき、吐出室１１の容積も元に戻るため、その圧力により差分の液滴が吐出し、例えば記録対象となる記録紙に着弾することによって記録が行われる。
次に、振動板１３が再び下方へ撓むことにより、インクがリザーバ１２よりオリフィス３３を通じて吐出室１１内に補給される。また、インクジェットヘッドへのインクの供給は、外部のインクカートリッジから、電極ガラス基板２のインク供給孔２９及びキャビティ基板１のインク供給孔１６を介して第２リザーバ凹部１２経由でリザーバ１２に供給されるようになっている。
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。

次に、本実施の形態のインクジェットヘッド１０の製造方法について、図３〜図６を用いて説明する。なお、以下において示す基板の厚さやエッチング深さ、温度、圧力等の値はあくまでも一例を示すものであり、本発明はこれらの値によって限定されるものではない。また、実際には、Ｓｉ基板から複数個分のインクジェットヘッドの部材を同時形成するが、図３〜図６ではその一部分だけを示している。

図３は、ノズル基板の製造方法を示す製造工程の断面図である。図４は、キャビティ基板を電極ガラス基板に接合するまでのキャビティ基板の製造工程の断面図である。図５及び図６は、キャビティ基板及び電極ガラス基板の製造方法を示す製造工程の断面図であり、ここでは、主に、電極ガラス基板にキャビティ基板となるＳｉ基板を接合した後にキャビティ基板を製造する方法を示す。

まず最初に、図３を参照してノズル基板の製造方法を説明する。
（ａ）（１００）を面方位とするＳｉ基板３００を用意する。そして、Ｓｉ基板３００のキャビティ基板１との接合面３００ａを鏡面研磨し、１８０μｍの厚みの基板を作製する。
（ｂ）酸素及び水蒸気雰囲気中、１０７５℃の条件で８時間酸化することで、Ｓｉ基板３００の両面に約１．８μｍのＳｉＯ₂膜３０１を成膜する。
（ｃ）Ｓｉ基板３００の両面にレジストを塗布し、接合面３００ａ側のＳｉＯ₂ 膜３０１から第１ノズル３１ａに対応する部分３０２及び電極取出し用貫通穴部２５に対応する部分３０３をエッチング除去するためのレジストパターニングを施す。そして、このレジストパターンをマスクとしてＳｉＯ₂ 膜３０１をふっ酸水溶液でエッチングし、ＳｉＯ₂ 膜３０１をパターニングする。そしてレジストを剥離する。

（ｄ）Ｓｉ基板３００の両面にレジストを塗布し、先にパターニングされたＳｉＯ₂ 膜３０１上にレジストパターニングを施し、ふっ酸水溶液でＳｉＯ₂膜３０１をエッチングする。このとき、第２ノズル３１ｂに対応する部分３０４、オリフィス３３に対応する部分３０５及び第２リザーバ凹部３４に対応する部分３０６を完全に除去せずハーフエッチングし、約１．０μｍのＳｉＯ₂膜３０１が残るようにする。以上によりＳｉＯ₂膜３０１によるエッチングパターンが形成される。そしてレジストを剥離する。

（ｅ）ＩＣＰドライエッチング装置を用いて、第１ノズル３１ａとなる部分３０７及び電極取出し用貫通穴部２５となる部分３０８の深さが約２０μｍになるまでエッチングする。エッチング条件は、エッチングプロセスがＳＦ₆流量４００ｃｍ³／ｍｉｎ（４００ｓｃｃｍ）、エッチング時間３．５秒、チャンバー圧力8Ｐａ、コイルパワー２２００Ｗ、プラテンパワー５５Ｗ、プラテン温度２０℃で、デポジションプロセスがＣ₄Ｆ₈流量２００ｃｍ³／ｍｉｎ（２００ｓｃｃｍ）、エッチング時間２．５秒、チャンバー圧力２．７Ｐａ、コイルパワー１８００Ｗ、プラテン温度２０℃である。エッチングプロセスとデポジションプロセスを組み合わせて１サイクルとし、約５０サイクル行う。

（ｆ）ふっ酸水溶液にＳｉ基板３００を浸し、第２ノズル３１ｂに対応する部分３０４、オリフィス３３に対応する部分３０５及び第２リザーバ凹部３４に対応する部分３０６に残っているＳｉＯ₂膜３０１をエッチングする。そしてレジストを剥離する。
（ｇ）再度ＩＣＰドライエッチング装置を用いて、第２ノズル３１ｂとなる部分３０９、オリフィス３３となる部分３１０及び第２リザーバ凹部３４となる部分３１１の深さが約５０μｍになるまでエッチングする。エッチング条件は、エッチングプロセスがＳＦ₆流量４００ｃｍ³／ｍｉｎ（４００ｓｃｃｍ）、エッチング時間３．５秒、チャンバー圧力８Ｐａ、コイルパワー２２００Ｗ、プラテンパワー５５Ｗ、プラテン温度２０℃で、デポジションプロセスがＣ₄Ｆ₈流量２００ｃｍ³／ｍｉｎ（２００ｓｃｃｍ）、エッチング時間２．５秒、チャンバー圧力２．７Ｐａ、コイルパワー１８００Ｗ、プラテン温度２０℃である。エッチングプロセスとデポジションプロセスを組み合わせて１サイクルとし、約１２５サイクル行う。
このとき、第１ノズル３１ａとなる部分３０７及び電極取出し用貫通穴部２５となる部分３０８の深さは約７０μｍとなる。

（ｈ）ふっ酸水溶液にＳｉ基板３００を浸し、Ｓｉ基板３００の両面に残っているＳｉＯ₂膜３０１を剥離する。
（ｉ）酸素及び水蒸気雰囲気中、１０７５℃の条件で４時間酸化することで、Ｓｉ基板３００の両面に約１．２μｍのＳｉＯ₂膜３２０を成膜する。
（ｊ）Ｓｉ基板３００の両面にレジストを塗布し、Ｓｉ基板３００の接合面３００ａと反対側のＳｉＯ₂膜３２０から、凹部３２に対応する部分３２１及び電極取出し用貫通穴部２５に対応する部分３２２をエッチング除去するためのレジストパターニングを施す。そして、このレジストパターンをマスクとしてＳｉＯ₂膜３２０をふっ酸水溶液でエッチングして、ＳｉＯ₂膜３２０をパターニングする。そしてレジストを剥離する。
（ｋ）Ｓｉ基板３００を２５ｗｔ％の濃度の水酸化カリウム水溶液に浸し、凹部３２となる部分３２３及び電極取出し用貫通穴部２５となる部分３２４の深さが約１１０μｍになるまでエッチングする。
（ｌ）ふっ酸水溶液にＳｉ基板３００を浸し、Ｓｉ基板３００の両面に残っているＳｉＯ₂膜３２０を剥離する。これによりノズル孔３１及び電極取出し用貫通穴部２５が貫通し、ノズル基板３が作製される。

次に、電極ガラス基板２と陽極接合する前のキャビティ基板１の製造方法について図４を参照して説明する。
（ａ）（１１０）を面方位とする酸素濃度の低いＳｉ基板１００を用意する。そして、Ｓｉ基板１００の電極ガラス基板２と接合される接合面１００ａを鏡面研磨し、２２０μｍの厚みの基板を作製する。
（ｂ）酸素及び水蒸気雰囲気中、１０７５℃の条件で４時間酸化することで、Ｓｉ基板１００の両面に約１．２μｍのＳｉＯ₂膜１０１を成膜する。
（ｃ）Ｓｉ基板１００の両面にレジストを塗布し、接合面１００ａ側のＳｉＯ₂膜１０１からザグリ１４に対応する部分１０２をエッチング除去するためのレジストパターニングを施す。そして、このレジストパターンをマスクとしてＳｉＯ₂膜１０１をふっ酸水溶液でエッチングし、ＳｉＯ₂膜１０１をパターニングする。そしてレジストを剥離する。

（ｄ）Ｓｉ基板１００を３５ｗｔ％の濃度の水酸化カリウム水溶液に浸し、ザグリ１４となる部分１０３の深さが約５μｍになるまでエッチングを行う。
（ｅ）Ｓｉ基板１００をふっ酸水溶液に浸し、両面のＳｉＯ₂膜１０１を剥離する。
（ｆ）酸素及び水蒸気雰囲気中、１０７５℃の条件で１２時間酸化することで、Ｓｉ基板１００の両面に約２．０μｍのＳｉＯ₂膜１０４を成膜する。
（ｇ）Ｓｉ基板１００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（電極取出し用貫通穴部２５に対応する部分）１０５のＳｉＯ₂膜１０４をエッチング除去するための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１０４をパターニングする。そしてレジストを剥離する。

（ｈ）Ｓｉ基板１００のボロンドープ層を形成する面１００ａ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１１００℃に上昇させ、そのまま温度を６時間保持し、ボロンをＳｉ基板中に拡散させ、選択拡散部１０５にボロンドープ層１０６を形成する。ボロンドープ工程では、Ｓｉ基板１００の投入温度を８００℃とし、Ｓｉ基板１００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、選択拡散部以外の部分及び拡散面１００ａと反対面１００ｂにはＳｉＯ₂膜１０４が残っているため、ＳｉＯ₂膜１０４がマスクとなってボロンが拡散されることは無い。

（ｉ）ボロンドープ層１０６の表面にはボロン化合物（ＳｉＢ₆）が形成されるが（図示せず）、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。
選択拡散した面と反対面にレジストを塗布し、Ｓｉ基板１００をふっ酸水溶液に１０分間浸す。すると、選択拡散部１０５のＢ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂膜及び拡散面側のＳｉＯ₂膜１０４がエッチング除去される。そしてレジストを剥離する。

（ｊ）工程（ｈ）と同様に、Ｓｉ基板１００のボロンドープ層を形成する面１００ａ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Ｓｉ基板中に拡散させ、拡散面側全面にボロンドープ層１０６を形成する。ボロンドープ工程では、Ｓｉ基板１００の投入温度を８００℃とし、Ｓｉ基板１００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１００ａの反対面１００ｂにはＳｉＯ₂膜１０４が残っているため、ボロンが反対面に回り込んでも、ＳｉＯ₂膜１０４がマスクとなって反対面１００ｂに拡散されることが無い。
先に選択拡散した部分１０５のボロン濃度は他の部分に比べて濃くなり、Ｓｉ基板１００のより内部へボロンが拡散される。

（ｋ）工程（ｉ）と同様に、ボロンドープ層１０６の表面にはボロン化合物（ＳｉＢ₆）が形成されるが（図示せず）、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。そして、Ｓｉ基板１００をふっ酸水溶液に１０分間浸す。すると、拡散面１００ａのＢ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂膜及び反対面１００ｂのＳｉＯ₂膜１０４がエッチング除去される。
（ｌ）ボロンドープ層１０６を形成した面にプラズマＣＶＤ法によりＴＥＯＳ絶縁膜１０７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。

次に、インクジェットヘッドの完成までの製造方法について図５及び図６を用いて説明する。
（ａ）図１に示すような各部（個別電極、リード部、端子部、気相処理溝、インク供給孔）を形成した電極ガラス基板２を作製する。
（ｂ）図４の製造方法により作製したＳｉ基板１００と電極ガラス基板２とを３６０℃に加熱した後、電極ガラス基板２に負極、Ｓｉ基板に正極を接続して、８００Ｖの電圧を印加して陽極接合する。
（ｃ）陽極接合後、Ｓｉ基板１００の厚みが約６０μｍになるまで研削加工を行う。その後、加工変質層を除去するために、３２ｗ％の濃度の水酸化カリウム溶液でＳｉ基板１００を約１０μｍエッチングする。これによりＳｉ基板１００の厚みは約５０μｍとなる。

（ｄ）全面エッチング面にプラズマＣＶＤを用いて、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ＴＥＯＳエッチングマスク１１０を１．０μｍ成膜する。
（ｅ）ＴＥＯＳエッチングマスク１１０に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、吐出室１１に対応する部分１１１、第１リザーバ凹部１２ａに対応する部分１１２、電極取出し用貫通穴部２５に対応する部分１１３、インク供給孔となる部分（図示せず）を除去してパターニングする。そしてレジストを剥離する。

（ｆ）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、ＴＥＯＳエッチングマスク１１０を用いてエッチングし、吐出室１１となる部分１１４及び電極取出し用貫通穴部２５となる部分１１６の厚みが約１０μｍになるまで行う。第１リザーバ凹部１２ａとなる部分１１５は反対側にザグリ１４があるため、厚みが約５μｍとなる。
また、このエッチング工程でインク供給孔１６が貫通する。すなわち、電極ガラス基板２のインク供給孔２９から水酸化カリウム水溶液が侵入し、Ｓｉ基板１００の表面をエッチングしてインク供給孔１６を貫通させる。なお、Ｓｉ基板１００の電極ガラス基板２との接合面にはボロンドープ層１０６が形成されているため、ボロンドープ層１０６の部分でエッチングレートが低下するが、水酸化カリウム水溶液の濃度が高いためエッチングが進行し、インク供給孔１６を貫通させることができる。

（ｇ）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１０６でのエッチングレート低下によるエッチングストップが十分効くまでエッチングを続ける。これにより、吐出室用凹部１１ａ及び第１リザーバ凹部１２ａが形成されるとともに、０．８μｍの厚みの振動板１３が形成される。このように前記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、振動板１３の面荒れを抑制し、厚み精度を０．８０±０．０５μｍ以下にすることができ、インクジェットヘッドの吐出性能を安定化することができる。
また、第１リザーバ凹部１２ａの底面にも振動板１３と同様に厚み０．８μｍのダイヤフラム１５が形成される。このように、ボロンドープ層によるエッチングストップ技術を用いて第１リザーバ凹部１２ａを形成することにより、第１リザーバ凹部１２ａの深さを高精度に形成することができる。このため、ヘッド毎の流路抵抗のばらつきを抑えることが可能となる。
また、電極取出し用貫通穴部２５は高濃度で深いボロンドープ層１０６が形成されているため、振動板１３部分に比べてエッチングストップが早く効き始め、電極取出し用貫通穴部２５の残し厚みは約３μｍとなる。このため、強度が向上し、広い面積を持つ電極取出し用貫通穴部２５がＳｉエッチング中に割れるのを防止でき、歩留まりを向上することができる。

（ｈ）Ｓｉエッチングが終了したら、接合済み基板をふっ酸水溶液に浸し、シリコン基板表面のＴＥＯＳエッチングマスク１１０を剥離する。
（ｉ）電極取出し用貫通穴部２５に残っているＳｉ薄膜及びＴＥＯＳ絶縁膜を除去するために、電極取出し用貫通穴部２５に対応した部分が開口したＳｉマスク（図示せず）をＳｉ基板１００表面に取り付け、ＲＦパワー２００Ｗ、圧力４０Ｐａ（０．３Ｔｏｒｒ）、ＣＦ₄流量３０ｃｍ³／ｍｉｎ（３０ｓｃｃｍ）の条件で、ＲＩＥドライエッチングを１時間行い、電極取出し用貫通穴部２５のみにプラズマを当て、開口する。このとき、ギャップは大気開放される。
以上によりキャビティ基板１が作製される。

（ｊ）ギャップの端部に例えばエポキシ系樹脂の封止材１２を盛り、個別電極２２毎の封止を行う。エポキシ系樹脂の代わりにＴＥＯＳ膜等の無機材料を成膜して封止しても良い。なお、この時点では、気相処理溝２８（図１参照）によって各電極形成用凹部２１は大気連通しており、ギャップは密閉されていない。そして、気相処理溝２８の端部（図示せず）を介してギャップ内の水分除去及び疎水化処理を行った後、エポキシ系樹脂を気相処理溝２８の端部に盛り、ギャップを封止する。これによって、ギャップは密閉状態になる。
（ｋ）図３の製造方法により作製したノズル基板３をエポキシ系接着剤によりキャビティ基板１の上面に接着する。
（ｌ）ダイシングを行い、個々のヘッドに切断する。
以上により、インクジェットヘッドが完成する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、キャビティ基板１にダイヤフラム１５を設けたため、ダイヤフラム１５が外部に露出しない構造とすることができる。このため、ダイヤフラム１５を必要十分に薄く形成することが可能となり、高い圧力緩衝効果を得ることができる。その結果、ノズル孔の高密度化が可能で、且つ液滴吐出時に発生するノズル孔間の圧力干渉を防止して吐出特性が良好な液滴吐出ヘッドを得ることができる。

また、ノズル基板３のキャビティ基板１との接合面側に第２リザーバ凹部３４を設け、リザーバの体積を拡大した構造としたため、流路抵抗を低減できクロストークを防止することが可能となり、吐出特性の安定化を図ることが可能となる。

また、第１リザーバ凹部１２ａを形成するに際し、ボロンエッチングストップ技術を用いるため、第１リザーバ凹部１２ａの深さを高精度に制御できる。したがって、ヘッド毎に第１リザーバ凹部１２ａの深さが異なることによる流路抵抗がばらつきを防止することができる。

なお、本実施の形態では、第２リザーバ凹部３４を第２ノズル３１ｂと同じ工程で作製する製造方法を採用しているため、第２リザーバ凹部３４の深さを第２ノズル３１ｂの深さと同じ深さに形成しているが、第２ノズル３１ｂの製造工程と分けることで更に深く形成するようにしても良い。これにより、更にリザーバ体積の拡大が図れ、流路抵抗を更に低減することが可能となる。

なお、本実施の形態のインクジェットヘッドは、吐出する液滴を種々変更することで、液晶ディスプレイのカラーフィルタの製造、有機ＥＬ表示装置の発光部分の形成、生体液体の吐出等にも適用することができる。

本発明の一実施の形態のインクジェットヘッドの分解斜視図。 図１のインクジェットヘッドの断面図。 ノズル基板の製造方法を示す製造工程の断面図。 キャビティ基板を電極ガラス基板に接合するまでのキャビティ基板の製造工程の断面図。 キャビティ基板及び電極ガラス基板の製造方法を示す製造工程の断面図(１／２)。 キャビティ基板及び電極ガラス基板の製造方法を示す製造工程の断面図(２／２)。

符号の説明

１ キャビティ基板、２ 電極ガラス基板、３ ノズル基板、１０ インクジェットヘッド、１１ 吐出室、１１ａ 吐出室用凹部、１２ リザーバ、１２ａ 第１リザーバ凹部、１３ 振動板、１４ ザグリ、１５ ダイヤフラム、１６ インク供給孔、２２ 個別電極、２９ インク供給孔、３１ ノズル孔、３１ａ 第１ノズル、３１ｂ 第２ノズル、３４ 第２リザーバ凹部。

Claims (3)

1. 底壁が振動板を形成し、液滴を溜めておく吐出室となる吐出室用凹部が複数形成され且つ前記各吐出室に共通のリザーバとなる第１リザーバ凹部が形成されたキャビティ基板と、前記振動板に対向し、前記振動板を駆動する個別電極が形成された電極基板と、前記吐出室内の液滴を吐出するノズル孔が複数形成されたノズル基板とを備え、前記ノズル基板と前記電極基板との間に前記キャビティ基板が挟んで接合された液滴吐出ヘッドであって、
   前記キャビティ基板の前記第１リザーバ凹部と反対側の部分にはザグリが形成され、前記第１リザーバ凹部の底面が圧力を緩衝するダイヤフラムとなっていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
2. 前記ノズル基板において前記キャビティ基板の前記第１リザーバ凹部と対向する位置には、前記第１リザーバ凹部とともに前記リザーバを構成する第２リザーバ凹部が形成され、また、前記キャビティ基板には、一端が前記電極基板に貫通形成した液滴供給孔に連通し、他端が前記ノズル基板の前記第２リザーバ凹部に連通する液滴供給孔が貫通形成されており、外部からの前記リザーバへの液滴の供給が、前記電極基板及び前記キャビティ基板に設けた前記液滴供給孔を介して前記ノズル基板の第２リザーバ凹部経由で行われる構造とし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。
3. 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であって、
   シリコン基板の一方の面にザグリを形成する工程と、
   前記シリコン基板の前記一方の面全体にボロンを拡散してボロンドープ層を形成する工程と、
   前記シリコン基板の他方の面に前記吐出室用凹部及び前記第１リザーバ凹部を形成するためのエッチングパターンを形成する工程と、
   前記エッチングパターンを用いてウェットエッチングを行い、前記ボロンドープ層でエッチングストップさせ、前記吐出室用凹部及び前記第１リザーバ凹部を形成する工程とを有することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。

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