JP2008265019A - 静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド及びその製造方法並びに液滴吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】振動板を薄膜にしても、また絶縁膜にＨｉｇｈ−ｋ材や表面保護膜を使用しても、振動板の反りなどの変形を抑制できる静電アクチュエータ等を提供する。
【解決手段】振動板５と、この振動板に対向する電極（個別電極６）と、前記振動板を静電気力により変位させる駆動手段２０とを有する静電アクチュエータにおいて、前記振動板５は、前記電極に対する電極側対向面に絶縁膜７を有するとともに、前記電極側対向面と反対面に前記絶縁膜７の膜応力を打ち消すための応力調整膜８を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、インクジェットヘッド等に用いられる静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド及びその製造方法並びに液滴吐出装置に関する。

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は、一般に、インク滴を吐出するための複数のノズル孔が形成されたノズル基板と、このノズル基板に接合されノズル基板との間で上記ノズル孔に連通する吐出室、リザーバ等のインク流路が形成されたキャビティ基板とを備え、駆動部により吐出室に圧力を加えることによりインク滴を選択されたノズル孔より吐出するように構成されている。駆動手段としては、静電気力を利用する方式や、圧電素子による圧電方式、発熱素子を利用する方式等がある。ここでは、液滴を吐出させるために静電気力を利用する駆動方式を「静電アクチュエータ」と称するものとする。

ところで、昨今のインクジェット記録装置に求められる特性として高速・高画質印刷が挙げられる。これに伴って、インクジェットヘッドには、高密度化（多ノズル化）、高応答性及び高信頼性が要求される。インクジェットヘッドにおいてこれらの要求を満たすようにする場合、高密度化（多ノズル化）に対しては、ノズルのピッチをより小さくする必要が生じる。このため、静電アクチュエータにあっては、吐出室の底面で形成される振動板の幅を狭くすることが必要になる。
また、高応答性に対しては、振動板の厚さを薄くすることが望まれる。さらに、高信頼性に対しては、高速かつ連続で長期間にわたって安定した液滴吐出を行うことが必要となる。

インクジェットヘッドに用いられる静電アクチュエータは、一方の共通電極である振動板と、これに対向して電極（個別電極）が配置され、両電極間に駆動手段によりパルス電圧を印加することで静電気力を発生させ、これによって振動板を変位させることでインクジェットヘッドを駆動するようになっている。
一方、振動板には、静電アクチュエータの駆動時における絶縁破壊や短絡が生じるのを防ぐために電極に対する対向面（電極側対向面）に絶縁膜を形成するのが一般的である。しかし、振動板の厚さを薄くすると、絶縁膜の膜応力が振動板に影響するようになり、この膜応力によって振動板が反るなどの変形を引き起こしやすくなる。振動板の厚み精度の確保はもとより、振動板と電極間のギャップも所望の間隔距離に精度よく保持することが重要であり、振動板に反りなどの初期変形が生じると駆動時における変位量が変動することになり、その結果、吐出量や吐出速度にバラツキが生じ、高画質印刷が不可能になるなど吐出特性の安定性を損なうといった問題が生じる。

上記のような振動板の初期変形を抑制し振動板の平坦度を保持する従来技術として、振動板をシリコン窒化膜などの引張り応力性を有する絶縁膜で形成するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、ノズルの高密度化に伴い、静電アクチュエータの発生圧力を向上させて駆動耐久性及び安定性を実現するために、いわゆるＨｉｇｈ−ｋ材と呼ばれる、シリコンよりも比誘電率の高い高誘電率膜を絶縁膜として形成するものも提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−２７０１０５号公報（第８頁、図１２） 特開２００６−２７１１８３号公報（第９頁、図２）

しかし、上記の特許文献１は、絶縁膜の応力の特質に着目した考え方であるが、振動板の片面のみに引張り応力性を有する絶縁膜を形成する方法では、振動板を薄膜化するほど、インク流路をエッチングで形成したときにシリコン基板の表面部が解放されるため、ウェハの反りが発生する可能性があり、残留応力の除去が難しくなる。そのため、長期間の駆動によって絶縁膜の剥がれなどが生じる可能性がある。特に特許文献２のように、絶縁膜としてＨｉｇｈ−ｋ材を積層した場合にはなおさらに残留応力の除去が難しくなる。また、インクジェットヘッドに求められる信頼性は吐出特性のみならず長期安定性も確保しなければならない。長期安定性の確保のために硬質膜である表面保護膜を絶縁膜上に積層すると、表面保護膜は膜応力が高いため、表面保護膜の膜応力により振動板の変形を抑制することが困難になる。

本発明は、上記のような課題に鑑み、振動板を薄膜にしても、また絶縁膜にＨｉｇｈ−ｋ材や表面保護膜を使用しても、振動板の反りなどの変形を抑制できる静電アクチュエータを提供することを目的とする。また、かかる静電アクチュエータを備えることにより高密度化（多ノズル化）、高応答性及び高信頼性を実現し得る液滴吐出ヘッド及びその製造方法並びに液滴吐出装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明に係る静電アクチュエータは、振動板と、この振動板に対向する電極と、前記振動板を静電気力により変位させる駆動手段とを有する静電アクチュエータにおいて、前記振動板は、前記電極に対する電極側対向面に絶縁膜を有するとともに、前記電極側対向面と反対面に前記絶縁膜の膜応力を打ち消すための応力調整膜を有するものである。

このように構成することにより、振動板の電極側対向面に形成される絶縁膜の膜応力を、振動板の前記電極側対向面と反対面に応力調整膜を形成することで打ち消すことができる。したがって、振動板を薄膜に形成しても反りなどの変形を抑制することができる。そのため、静電アクチュエータの駆動耐久性、長期安定性が向上する効果がある。

また、前記応力調整膜は、前記絶縁膜と同種材料の場合、厚みを同じにし、異種材料の場合、厚みを異ならせることにより、剛性を等しくする。これによって、振動板の変形を抑制することができる。

また、前記絶縁膜及び前記応力調整膜は、酸化シリコンよりも比誘電率の高い高誘電率膜を有する構成とすることが好ましい。
絶縁膜として、酸化シリコンよりも比誘電率の高い高誘電率膜を形成することにより、静電アクチュエータの発生圧力を向上させることができる。その結果、静電アクチュエータの低電圧駆動が可能となる。また、応力調整膜にも同じ高誘電率膜を使用する構成とすることにより簡単に絶縁膜の膜応力を打ち消すことができ、振動板の変形を抑制できる。

また、前記絶縁膜が表面保護膜を有する場合は、前記応力調整膜も表面保護膜を有する構成とすることが好ましい。
表面保護膜は絶縁膜の表面の摩耗や剥がれなどを防ぐために使用されるが、硬質膜であるため膜応力が高い。したがって、応力調整膜にも表面保護膜を使用することで簡単に絶縁膜の膜応力を打ち消すことができ、振動板の変形を抑制できる。
この場合、前記表面保護膜には、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜を使用することが好ましい。ＤＬＣ膜はシリコンとの密着性が良好で、緻密な膜質を有し、かつ摩擦係数が小さいため、静電アクチュエータの駆動耐久性、長期安定性の向上を図ることが可能となる。

また、前記応力調整膜の前記表面保護膜上にシリコン酸化膜を設けることが好ましい。インクジェットヘッドのようにキャビティ基板上にノズル基板と接着する接着層を有する構成の場合は、接着層との密着性を確保するために表面保護膜上にシリコン酸化膜を設けることが好ましい。

本発明に係る液滴吐出ヘッドは、液体流路中に設けられる吐出室の底部で形成される振動板を静電気力により変位させてノズル孔より液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、上記のいずれかの静電アクチュエータを備えることを特徴とする。
本発明の液滴吐出ヘッドは、上記のいずれかの静電アクチュエータを備えたものであるので、高密度化（多ノズル化）、高応答性及び高信頼性に優れた液滴吐出ヘッドを実現することができる。

本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、シリコン基板の片面に単層または複数層の絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜を介して前記シリコン基板を個別電極が区画形成された電極基板上に接合する工程と、この接合済みシリコン基板を所要の厚みに薄くする薄板化する工程と、この薄板化シリコン基板の前記個別電極に対応する位置にエッチングで吐出室となる凹部を区画形成することにより、前記凹部の底部を薄膜の振動板として形成する工程とを有する液滴吐出ヘッドの製造方法において、前記振動板を形成後のシリコン基板に前記絶縁膜の膜応力を打ち消すための応力調整膜を全面成膜する工程を有することを特徴とする。
この製造方法により、振動板の変形を抑制でき、高密度化（多ノズル化）、高応答性及び高信頼性に優れた液滴吐出ヘッドを製造することができる。

また、本発明の液滴吐出ヘッドの製造方法において、前記絶縁膜が表面保護膜を有する場合は、前記応力調整膜は下地層にシリコン酸化膜を形成後、その上に表面保護膜を形成する。
前述したように表面保護膜は膜応力が高いので、絶縁膜が表面保護膜を有する場合は、応力調整膜にも表面保護膜を用いるものとするが、シリコンとの密着性を確保するために下地層にシリコン酸化膜を形成後、その上に表面保護膜を形成することが好ましい。

また、前記表面保護膜がＤＬＣ膜の場合は、さらにこのＤＬＣ膜の上にシリコン酸化膜を形成することが好ましい。
前述のように、ＤＬＣ膜の上にシリコン酸化膜を形成することによって、接着層との密着性を確保することが可能となる。

本発明に係る液滴吐出装置は、上記の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とする。
これにより、小型で高速、高繊細な印刷が可能なインクジェットプリンタ等の液滴吐出装置が得られる。

以下、本発明を適用した静電アクチュエータを備える液滴吐出ヘッドの実施形態を図面に基づいて説明する。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ノズル孔からインク滴を吐出するフェイス吐出型の静電駆動方式のインクジェットヘッドについて図１から図４を参照して説明する。なお、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、吐出室とリザーバ部が別々の基板に設けられた４枚の基板を積層した４層構造のものや、基板の端部に設けられたノズル孔からインク滴を吐出するエッジ吐出型の液滴吐出ヘッドにも同様に適用することができるものである。

実施形態１．
図１は本発明の実施形態１に係るインクジェットヘッドの概略構成を分解して示す分解斜視図であり、一部を断面で表してある。図２は組立状態における図１の右半分の概略構成を示すインクジェットヘッドの断面図、図３は図２のＡ−Ａ拡大断面図、図４は図２のインクジェットヘッドの上面図である。
本実施形態１に示すインクジェットヘッド１０は、図１〜図４に示すように、複数枚（ここでは３枚）の基板１、２、３を貼り合わせて構成される積層構造体となっており、複数のノズル孔１１が所定のピッチで設けられたノズル基板１と、各ノズル孔１１に対して独立にインク流路が形成されたキャビティ基板２と、各インク流路に設けられた吐出室１２の底部をなす振動板５に対向して個別電極６が配置された電極基板３とを貼り合わせることで構成されている。

ここで、振動板５はエッチングストップ技術を用いて厚み精度を出すために、振動板５と同じ厚み（例えば、０．８μｍ）をもつ高濃度ボロン拡散層により形成されている。そして、この振動板５の下面すなわち個別電極６と対向する対向面（電極側対向面）には絶縁膜７が形成され、その反対面すなわち流路側の上面（キャビティ面）には絶縁膜７の膜応力を打ち消すための応力調整膜８が形成されている。絶縁膜７は、シリコン酸化膜（シリコンの熱酸化膜を含む）やシリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、あるいは酸化シリコンよりも比誘電率の高い高誘電率膜で形成されている。応力調整膜８は、絶縁膜７の膜応力を打ち消す材料であれば特に制限はない。絶縁膜７と同じ誘電材料でもよく、ステンレス、クロム、アルミニウム、銅等の金属材料でもかまわない。また、応力調整膜８として低抵抗の金属材料を使用した場合には共通電極としての振動板５の電気抵抗が低下するため、応答性が速くなる利点がある。

酸化シリコンよりも比誘電率の高い誘電材料、すなわちいわゆるＨｉｇｈ−ｋ材と呼ばれる高誘電率材料としては、例えば酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃、アルミナ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）、酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₃）、窒化ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＮ）、酸窒化ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯＮ）、窒化アルミ（ＡｌＮ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、酸化セリウム（ＣｅＯ₂）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）、ジルコニウムシリケート（ＺｒＳｉＯ）、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯ）、ジルコニウムアルミネート（ＺｒＡｌＯ）、窒素添加ハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌＯＮ）、及びこれらの複合膜（例えば、ハフニウムアルミネート（ＨｆｘＡｌｙＯｚ））等を挙げることができる。その中でも膜の低温成膜性、膜の均質性、プロセス適応性等を考慮した場合、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃、アルミナ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）、窒化ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＮ）、酸窒化ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯＮ）、ハフニウムアルミネート（ＨｆｘＡｌｙＯｚ）を使用することが望ましい。
また、応力調整膜８は、絶縁膜７と同種材料の場合、厚みを同じにし、異種材料の場合、厚みを異ならせることにより、剛性を等しくする。

個別電極６は、例えば硼珪酸系のガラス基板の表面にエッチングにより区画形成された凹部２２内に、電極材料として例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）をスパッタしＩＴＯ膜をパターニングすることで形成される。また、電極基板３には不図示のインクタンクに接続されるインク供給口１８が形成される。インク供給口１８は下記のリザーバ１４に連通する貫通孔により形成される。
キャビティ基板２は、例えば結晶面方位が（１１０）の単結晶のシリコン基板からなり、シリコン基板の異方性ウェットエッチングにより吐出室１２（底壁が振動板５）となる凹部１３と、リザーバ（共通インク室）１４となる凹部１５が形成される。
ノズル基板１は、例えば単結晶のシリコン基板からなり、シリコン基板のドライエッチングにより同心状２段の穴径をもつノズル孔１１と、上記リザーバ１４と各吐出室１２とを連通するための細溝状の供給口１６が形成される。さらに、リザーバ１４に対応する位置にはウェットエッチングによりダイヤフラム部１７が形成される。なお、供給口１６はキャビティ基板２のリザーバ１４と各吐出室１２間の隔壁上に形成してもよい。

そして、上記の電極基板３とキャビティ基板２は陽極接合され、さらにキャビティ基板２の上にノズル基板１が接着により接合される。また、振動板５と個別電極６間のギャップＧの開放端部をエポキシ系接着剤等の封止材１９により気密に封止する。さらに、図２、図４に模式的に示すように、ドライバＩＣ等の駆動手段２０を搭載したＦＰＣを導電性接着剤により各個別電極６の端子部６ａと、キャビティ基板２上に設けられた金属製の共通電極２１に配線接続する。以上のようにしてインクジェットヘッド１０が完成する。

このインクジェットヘッド１０における静電アクチュエータ４は、前記絶縁膜７及び応力調整膜８をそれぞれ下面（電極側対向面）と上面（キャビティ面）に有する振動板５と、振動板５にギャップＧを介して対向配置された個別電極６と、振動板５を静電気力により変位させる駆動手段２０とにより構成されている。ギャップＧの距離は例えば１００ｎｍで設計されている。
したがって、任意のノズル孔１１よりインク滴を吐出させるためには、そのノズル孔１１に対応する静電アクチュエータ４を以下のように駆動する。
駆動手段２０により当該個別電極６と共通電極である振動板５間にパルス電圧を印加すると、これによって発生する静電気力により振動板５が個別電極６側に引き寄せられて吸着し、吐出室１２内に負圧を発生させ、リザーバ１４内のインクを吸引し、インクの振動（メニスカス振動）を発生させる。このインクの振動が略最大となった時点で、電圧を解除すると、振動板５は離脱して、その時の振動板５の復元力によりインクを当該ノズル孔１１から押出し、インク滴を吐出する。

本実施形態１によれば、振動板５の電極側対向面に形成された絶縁膜７の膜応力を、キャビティ面に形成された応力調整膜８によって打ち消すことできるので、振動板５を薄膜にしても反りなどの変形を抑制でき、高い精度で振動板５の平坦度を確保することができる。その結果、静電アクチュエータ４の駆動時における振動板５の変位量を一定に保つことができるため、吐出特性の長期安定性を保持することが可能となる。

また、少なくとも絶縁膜７を前述したアルミナ等のＨｉｇｈ−ｋ材で形成すれば、比誘電率が酸化シリコンの約３．８に対し７．９程度と大きいため、前記特許文献２に示すように静電アクチュエータの発生圧力を高めることが可能となる。したがって、振動板５の面積を小さくしてもインク滴の吐出に必要なパワーを得ることが可能となる。このため、インクジェットヘッド１０において振動板５の幅を小さくして、吐出室１２のピッチ、すなわちノズルのピッチを小さくすることにより解像度を上げることができ、より高精細な印刷を高速で行うことのできるインクジェットヘッド１０を得ることができる。さらに振動板５の長さを短くすることにより、インク流路における応答性を向上して駆動周波数を上げることができ、より高速の印刷を行うことが可能となる。さらに、絶縁膜７の比誘電率を全体として２倍にすれば、絶縁膜７の厚さを２倍にしてもほぼ同じ発生圧力が得られるため、静電アクチュエータにおけるＴＤＤＢ（Time Depend Dielectric Breakdown、長時間の絶縁破壊強度）、ＴＺＤＢ（Time Zero Dielectric Breakdown、瞬間における絶縁破壊強度）等の耐絶縁破壊強度をほぼ２倍にすることが可能である。

実施形態２．
図５は本発明の実施形態２に係るインクジェットヘッドの概略断面図で、図６は図５のＢ−Ｂ拡大断面図である。なお、本実施形態２以下において、前記実施形態１に対応する構成要素には特に断らない限り同じ符号を用いて説明は省略する。
本実施形態２では、絶縁膜７及び応力調整膜８を共に誘電材料を用いて積層構造とするものである。この場合において、振動板５の電極側対向面に形成される絶縁膜７の積層体全体としての膜応力を、キャビティ面に形成する応力調整膜８の積層体によって打ち消すようにする。これによって、薄膜の振動板５の平坦度を保持することができる。
例えば、電極側対向面における絶縁膜７の積層体は、下地層にシリコン熱酸化膜７ａを熱酸化法により形成し、その上に表面層としてアルミナ等からなる高誘電率膜７ｂをＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）スパッタ法により積層することができる。その後、高誘電率膜７ｂをパターニングし、振動板５に対応する領域以外の膜部分をＣＨＦ₃によるＲＩＥ（Reactive Ion Etching）ドライエッチングにより除去する。
一方、キャビティ面における応力調整膜８の積層体は、例えば、下地層にアルミナ等の高誘電率膜８ｂをＥＣＲスパッタ法により形成し、その上にＴＥＯＳ（Tetraethoxysilane：テトラエトキシシラン）を原料ガスとして用いたＲＦ−ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によりシリコン酸化膜８ａを積層する。

なお、絶縁膜７の積層体を構成する各絶縁膜の材料、膜厚、積層数、及び積層順序は、絶縁耐圧、リーク電流の防止、静電アクチュエータの発生圧力、接合強度の確保等を考慮して決めればよい。応力調整膜８の積層体については耐薬品性、ノズル基板１との接着性等を考慮して積層数、積層順序を決めればよい。なお、応力調整膜積層体の積層数は、必ずしも絶縁膜積層体の積層数と同じにする必要はなく、実施形態１と同様に単層とすることもできる。

本実施形態の場合、絶縁膜積層体は下地層にシリコン熱酸化膜７ａを有し、このシリコン熱酸化膜７ａを介してキャビティ基板２と電極基板３とを陽極接合しているため、絶縁耐圧に優れ、リーク電流を防止できるとともに、接合強度を従来のものと同程度に確保することができる。また、表面層に高誘電率膜７ｂを有するため、静電アクチュエータの発生圧力を向上させることができる。その結果、高密度化が可能であるとともに吐出特性の長期安定性、駆動耐久性に優れたインクジェットヘッドを実現できる。
また、応力調整膜積層体は表面層にシリコン酸化膜８ａを有するため、ボイド（微小気孔）が発生しにくいので、ノズル基板１と接着するためのキャビティ基板２の接着層との密着性が良好なものとなる。

実施形態３．
図７は本発明の実施形態３に係るインクジェットヘッドの概略断面図で、図８は図７のＣ−Ｃ拡大断面図である。
本実施形態３では、表面保護膜９としてＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜を有する構成とするものである。ＤＬＣ膜９は、振動板５の絶縁膜積層体と個別電極６上の絶縁膜６ｂ上に形成されている。また、応力調整膜積層体にもＤＬＣ膜９を含む構成となっている。ＤＬＣ膜９は、シリコン酸化膜との密着性が良好で、表面平滑性が高く、低摩擦性を有する反面、膜応力が非常に大きいので、絶縁膜積層体の膜応力を打ち消すために、応力調整膜積層体にもＤＬＣ膜９を含む構成としている。これによって、薄膜の振動板５の平坦度を保持することができる。
応力調整膜積層体は、例えば、下地層にシリコン酸化膜８ａを形成してその上にＤＬＣ膜９を積層し、シリコンとの密着性を確保する。また、このＤＬＣ膜９上に更にシリコン酸化膜８ｃを積層して前記接着層との密着性を確保している。なお、ＤＬＣ膜９はトルエンガスを原料ガスに用いたＲＦ−ＣＶＤ法により形成することができる。
一方、絶縁膜積層体は、例えば、下地層に高誘電率膜としてＨｆ_xＡｌ_yＯ_z膜７ｃを原子層堆積法（ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法という）により形成し、その上にシリコン酸化膜７ａをＴＥＯＳを原料ガスとして用いたＲＦ−ＣＶＤ法により形成する。更にこのシリコン酸化膜７ａ上にＤＬＣ膜９をトルエンガスを原料ガスとして用いたＲＦ−ＣＶＤ法により形成する。その後、振動板５部分のみにＤＬＣ膜９を残すために、パターニング後Ｏ₂アッシングすることで振動板５部分以外のＤＬＣ膜９を除去する。

また、個別電極６上にもＤＬＣ膜９を形成することとしている。個別電極６のＩＴＯとの密着性を図るために、絶縁膜としてシリコン酸化膜６ｂを形成し、その上にＤＬＣ膜９を形成する。また、個別電極６の電極部分のみにＤＬＣ膜９を残すために、パターニング後Ｏ₂アッシングすることで電極部分以外のＤＬＣ膜９を除去する。更に、電極部分以外のシリコン酸化膜６ｂもＣＨＦ₃によるＲＩＥドライエッチングにより除去する。

静電アクチュエータは、振動板５が単層の絶縁膜７あるいは複数層の絶縁膜７の積層体を介して個別電極６と当接・離脱を繰り返し行うものであるので、絶縁膜表面の摩耗や剥がれなどを引き起こすことがある。そこで、表面保護膜としてＤＬＣ膜９を設けることで、絶縁膜表面の摩耗や剥がれなどが生じないため、吐出特性の長期安定性、駆動耐久性をさらに向上させることが可能となる。なお、表面保護膜は振動板５、個別電極６の少なくとも一方に設けてあればよく、両方に設けてあれば更に良好なものとなる。なお、表面保護膜は上記ＤＬＣのほか、セラミックスを用いてもよい。

また、本実施形態３では、Ｈｉｇｈ−ｋ材のＨｆ_xＡｌ_yＯ_z膜７ｃをＡＬＤ法により形成するので、ＡＬＤ法は原子層レベルで成膜できるため、膜質がきわめて緻密である。しかもきわめて均一で極薄の膜厚を高精度に成膜できる利点がある。また、ｘ対ｙの比率を１：１だけでなく、２：１、あるいは５：１などのように変えることができ、この比率を変えることでＨｆ_xＡｌ_yＯ_z膜の比誘電率を変化させることができる。
例えば、Ｈｆの原料ガスであるＴＥＭＡＨ（テトラキス（Ｎ−エチルメチルアミノ）ハフニウム）とＯ₃ガス、Ａｌの原料ガスであるＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）の供給時間比を変更することによって、ｘ対ｙの比率を変えている。
また、Ｈｆ_xＡｌ_yＯ_z膜の比誘電率は１１〜１５であり、シリコン酸化膜やアルミナに比べてはるかに高いため、静電アクチュエータの発生圧力を更に向上させることが可能である。その他の効果は実施形態２と同様である。

実施形態４．
次に、本発明の別の適用例を図９に示す。図９は本発明の実施形態４に係るインクジェットヘッドの概略断面図である。本実施形態４は、個別電極６の電極部分を長手方向に階段状に形成してギャップＧを階段状の凹湾曲状に形成するものである。なお、個別電極６の絶縁膜及び振動板５の絶縁膜、応力調整膜については実施形態３と同様の構成としているが、実施形態１及び２を適用してもよいものである。
このように、個別電極６の電極部分を長手方向に階段状に形成することによって、静電アクチュエータ４の駆動時、振動板５が階段状の個別電極６の電極部分に沿って両側の最上段部から中央の最下段部へと順次当接（連成当接という）していくので、振動板５の変位量を大きくすることができる。したがって、本実施形態４の静電アクチュエータ４を備えたインクジェットヘッド１０では、低電圧駆動が可能となり、また大きな吐出パワーが得られるとともに、安定したインク吐出量を確保することができる。

なお、本実施形態４では個別電極６の電極部分を長手方向に階段状に形成する例を示したが、個別電極６の幅方向に階段状に形成してもよい。また、図示は省略するが、階段状の電極部分の形成方法としては、図９のような階段状の凹部を形成することなく深掘りした平坦な凹部を形成し、この平坦な凹部上に電極材料を複数層積層しパターニングとエッチング除去を繰り返すことにより、階段状の凹湾曲状の電極部分を形成することもできる。

次に、本発明のインクジェットヘッドの製造方法の一例について図１０から図１２を参照して概要を説明する。図１０は電極基板の製造工程の概要を示す断面図、図１１及び図１２はインクジェットヘッド１０の製造工程の概要を示す断面図である。ここでは、前記実施形態３に係るインクジェットヘッド１０の製造工程を説明する。他の実施形態１、２、４に係るインクジェットヘッド１０については以下に示す製造方法に準じて製造することができる。

ウエハ状の電極基板３Ａは以下のようにして製造される。
まず、硼珪酸ガラス等からなる板厚約１ｍｍのガラス基板３００に、例えば金・クロムのエッチングマスクを使用してフッ酸によってエッチングすることにより所望の深さの凹部２２を形成する。なお、この凹部２２は個別電極６の形状より少し大きめの溝状のものであり、個別電極６ごとに複数形成される。
そして、例えば、スパッタ法によりＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜を１００ｎｍの厚さで形成し、このＩＴＯ膜をフォトリソグラフィーによりパターニングして個別電極６となる部分以外をエッチング除去して、凹部２２の内部に個別電極６を形成する（図１０（ａ））。

次に、個別電極６側の絶縁膜として、ガラス基板３００の接合面側の表面全体に、ＴＥＯＳ（Tetraethoxysilane：テトラエトキシシラン）を原料ガスとして用いたＲＦ−ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によりＳｉＯ₂膜６ｂを例えば２０ｎｍの厚さで形成する。ついで、このＳｉＯ₂膜６ｂの上に、表面保護膜として、トルエンガスを原料ガスに用いた平行平板型ＲＦ−ＣＶＤ法により、ＤＬＣ膜９を例えば１０ｎｍの厚さで全面成膜する（図１０（ｂ））。

次に、ガラス基板３００の個別電極６の振動板５に対する対向面以外の部分をパターニングして、その部分のＤＬＣ膜９をＯ₂アッシングにより除去する。ＤＬＣ膜除去後、さらにその部分のＳｉＯ₂膜６ｂをＣＨＦ₃によるＲＩＥ（Reactive Ion Etching）ドライエッチングにより除去する（図１０（ｃ））。その後、マイクロブラスト加工等によってインク供給口１８となる孔部１８ａを形成する。
以上により、実施形態３の電極ガラス基板３Ａを作製することができる。

次に、ウエハ状のキャビティ基板２Ａは上記により作製されたウエハ状の電極ガラス基板３Ａにシリコン基板２００を陽極接合してから作製される。

まず、例えば厚さが２８０μｍのシリコン基板２００の片面全面に、例えば厚さが０．８μｍの高濃度ボロン拡散層２０１を形成したシリコン基板２００を作製する。次に、そのシリコン基板２００のボロン拡散層２０１の表面（下面）上に、絶縁膜７として、まずＨｆ_xＡｌ_yＯ_z膜７ｃを熱ＣＶＤ装置を用いたＡＬＤ法により、例えば６０ｎｍの厚さで全面成膜する。この成膜は以下のようにして行う。まず、シリコン基板２００を熱ＣＶＤ装置に入れ、２５０〜４００℃程度に加熱し、真空引きを行う。次に、原料ガスであるＴＥＭＡＨ（テトラキス（Ｎ−エチルメチルアミノ）ハフニウム）を一定時間導入した後、パージにより余剰ガスを除去し、次に、Ｏ₃を一定時間導入する。次に、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を一定時間導入した後、パージにより余剰ガスを除去し、次に、Ｏ₃を一定時間導入する。このサイクルを所要回数繰り返しＨｆ_xＡｌ_yＯ_z膜７ａを成膜する。

実施例では以下のような条件で成膜した。
・加工条件
温度 ３００℃、ＴＥＭＡＨ供給量 ０．１（ｇ／ｍｉｎ）、Ｏ₃供給量 ２００（ｇ／Ｎｍ³）、ＴＭＡ供給量 １００（ｃｃ／ｍｉｎ）
・成膜サイクル
ＴＥＭＡＨを２００ｓｅｃ供給、パージを行った後、Ｏ₃を４００ｓｅｃ供給、これを５回繰り返す。次に、ＴＭＡを１０ｓｅｃ供給、パージを行った後、Ｏ₃を３０ｓｅｃ供給、これを５回繰り返す。以上の成膜を１サイクルと考えた場合、これを３０サイクル繰り返すことで、総膜厚６０ｎｍを成膜した。

次に、このＨｆ_xＡｌ_yＯ_z膜７ｃの上に、ＴＥＯＳを原料ガスとして用いたＲＦ−ＣＶＤ法によりＳｉＯ₂膜７ａを例えば２０ｎｍの厚さで全面成膜する。そしてさらに、このＳｉＯ₂膜７ａ上に、表面保護膜として、トルエンガスを原料ガスに用いた平行平板型ＲＦ−ＣＶＤ法により、ＤＬＣ膜９を例えば１０ｎｍの厚さで全面成膜する（図１１（ａ））。
次に、マスクを用いてシリコン基板２００の振動板５の電極側対向面以外のＤＬＣ膜９をＯ₂アッシングにより除去する（図１１（ｂ））。これにより、接合部２３及び電極取り出し部となる部分２４ａのＤＬＣ膜９が除去される。
以上により、実施形態３の接合前のシリコン基板２００を作製することができる。

次に、以上により作製されたシリコン基板２００を上記電極基板３Ａ上にアライメントして陽極接合する（図１１（ｃ））。
ついで、この接合済みシリコン基板２００の表面全面を研磨加工して、厚さを例えば５０μｍ程度に薄くし（図１１（ｄ））、さらにこのシリコン基板２００の表面全面をウエットエッチングによりライトエッチングして加工痕を除去する。

次に、薄板に加工された接合済みシリコン基板２００の表面にフォトリソグラフィーによってレジスト２０２をパターニングし（図１１（ｅ））、異方性ウェットエッチングによってインク流路溝を形成する。これによって、吐出室１２となる凹部１３、リザーバ部１４となる凹部１５および電極取り出し部２４となる凹部２４ｂが形成される（図１２（ｆ））。その際、高濃度ボロン拡散層２０１の表面でエッチングストップがかかるので、振動板５の厚さを高精度に形成することができるとともに、表面荒れを防ぐことができる。

次に、レジスト２０２を除去後、接合済みシリコン基板２００のキャビティ面全面に、応力調整膜８として、まずＳｉＯ₂膜８ａをＴＥＯＳを原料ガスとして用いたＲＦ−ＣＶＤ法により例えば２０ｎｍの厚さで全面成膜する。次に、このＳｉＯ₂膜７ａの上にＤＬＣ膜９をトルエンガスを原料ガスに用いた平行平板型ＲＦ−ＣＶＤ法により例えば１０ｎｍの厚さで全面成膜する。さらにこのＤＬＣ膜９の上にＳｉＯ₂膜８ｃを例えば厚さ２０ｎｍで全面成膜する（図１２（ｇ））。よって、振動板５を薄膜に形成しても接合済みシリコン基板２００のキャビティ面全面に応力調整膜８を形成することによって、振動板５の電極側対向面に形成した絶縁膜７の膜応力を打ち消すことができるので、振動板５の反りなどの変形を抑制することができる。

次に、電極取り出し部２４以外をマスクして、凹部２４ｂのＳｉＯ₂膜８ｃをＣＨＦ₃によるＲＩＥドライエッチングにより除去し、ついでＤＬＣ膜９をＯ₂アッシングにより除去する。さらに、下地層のＳｉＯ₂膜８ａをＣＨＦ₃によるＲＩＥドライエッチングにより除去する。その後、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）ドライエッチングにより、凹部２４ｂの底部を除去して電極取り出し部２４を開口した後（図１２（ｈ））、静電アクチュエータの内部に付着している水分を除去する。水分除去はこのシリコン基板を例えば真空チャンバ内に入れ、真空引きを行い、ついで窒素ガスを導入して窒素雰囲気下で水分を除去する。そして、所要時間経過後、窒素雰囲気下でギャップ開放端部にエポキシ樹脂等の封止材１９を塗布して気密に封止する。このように静電アクチュエータ内部（ギャップ内）の付着水分を除去した後、気密封止することによって、静電アクチュエータの駆動耐久性を向上させることができる。
また、マイクロブラスト加工やレーザ加工等によりリザーバ部の底部を貫通させてインク供給口１８を形成する。さらに、シリコン基板上に金属からなる共通電極２１を形成する（図１２（ｉ））。

以上の工程を経て電極ガラス基板２Ａに接合されたシリコン基板１００からキャビティ基板１Ａが作製される。
その後、このキャビティ基板１Ａの表面上に、予めノズル孔１１等が形成されたノズル基板３Ａを接着により接合する（図１２（ｊ））。そして最後に、ダイシングにより個々のヘッドチップに切断すれば、上述したインクジェットヘッド１０の本体部が完成する。

このインクジェットヘッド１０の製造方法によれば、前述したように、振動場５の反りなどの変形を抑制でき、高密度化、高応答性及び高信頼性に優れたインクジェットヘッドを製造することができる。
また、キャビティ基板２Ａを、予め作製された電極基板３Ａに接合した状態のシリコン基板２００から作製するものであるので、その電極基板３Ａによりキャビティ基板２Ａを支持した状態となるため、キャビティ基板２Ａを薄板化しても、割れたり欠けたりすることがなく、ハンドリングが容易となる。したがって、キャビティ基板を単独で製造する場合よりも歩留まりが向上する。

以上の実施形態では、静電アクチュエータおよびインクジェットヘッド、ならびにこれらの製造方法について述べたが、本発明は上記の実施形態に限定されるものでなく、本発明の思想の範囲内で種々変更することができる。例えば、本発明の静電アクチュエータは、光スイッチやミラーデバイス、マイクロポンプ、レーザプリンタのレーザ操作ミラーの駆動部などにも利用することができる。また、ノズル孔より吐出される液状材料を変更することにより、インクジェットプリンタのほか、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、遺伝子検査等に用いられる生体分子溶液のマイクロアレイの製造など様々な用途の液滴吐出装置として利用することができる。

例えば、図１３は本発明のインクジェットヘッドを備えるインクジェットプリンタの概要を示すものである。
このインクジェットプリンタ５００は、記録紙５０１を副走査方向Ｙに向けて搬送するプラテン５０２と、このプラテン５０２にインクノズル面が対峙しているインクジェットヘッド１０と、このインクジェットヘッド１０を主走査方向Ｘに向けて往復移動させるためのキャリッジ５０３と、インクジェットヘッド１０の各インクノズルにインクを供給するインクタンク５０４とを有している。
したがって、高解像度、高速駆動の小型インクジェットプリンタを実現できる。

本発明の実施形態１に係るインクジェットヘッドの概略構成を示す分解斜視図。 組立状態における図２の右半分の概略構成を示すインクジェットヘッドの断面図。 図２のＡ−Ａ拡大断面図。 図２のインクジェットヘッドの上面図。 本発明の実施形態２に係るインクジェットヘッドの概略断面図。 図５のＢ−Ｂ拡大断面図。 本発明の実施形態３に係るインクジェットヘッドの概略断面図。 図７のＣ−Ｃ拡大断面図。 本発明の実施形態４に係るインクジェットヘッドの概略断面図。 電極基板の製造工程の一例を示す断面図。 本発明のインクジェットヘッドの製造工程の一例を示す断面図。 図１１に続く工程断面図。 本発明のインクジェットヘッドを適用したインクジェットプリンタの一例を示す概略斜視図。

符号の説明

１ ノズル基板、２ キャビティ基板、３ 電極基板、４ 静電アクチュエータ、５ 振動板、６ 個別電極、７ 絶縁膜、８ 応力調整膜、９ 表面保護膜（ＤＬＣ膜）、１０ インクジェットヘッド、１１ ノズル孔、１２ 吐出室、１４ リザーバ、１６ 供給口、１７ ダイヤフラム部、１８ インク供給口、１９ 封止材、２０ 駆動手段、２１ 共通電極、２２ 凹部、２００ シリコン基板、３００ ガラス基板。

Claims (11)

1. 振動板と、この振動板に対向する電極と、前記振動板を静電気力により変位させる駆動手段とを有する静電アクチュエータにおいて、
   前記振動板は、前記電極に対する電極側対向面に絶縁膜を有するとともに、前記電極側対向面と反対面に前記絶縁膜の膜応力を打ち消すための応力調整膜を有することを特徴とする静電アクチュエータ。
2. 前記応力調整膜は、前記絶縁膜と同種材料の場合、厚みを同じにし、異種材料の場合、厚みを異ならせることにより、剛性を等しく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。
3. 前記絶縁膜及び前記応力調整膜は、酸化シリコンよりも比誘電率の高い高誘電率膜を有することを特徴とする請求項１または２記載の静電アクチュエータ。
4. 前記絶縁膜が表面保護膜を有する場合は、前記応力調整膜も表面保護膜を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の静電アクチュエータ。
5. 前記表面保護膜は、ＤＬＣ膜からなることを特徴とする請求項４記載の静電アクチュエータ。
6. 前記応力調整膜の前記表面保護膜上にシリコン酸化膜を設けたことを特徴とする請求項４または５記載の静電アクチュエータ。
7. 液体流路中に設けられる吐出室の底部で形成される振動板を静電気力により変位させてノズル孔より液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、請求項１乃至６のいずれかに記載の静電アクチュエータを備えることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
8. シリコン基板の片面に単層または複数層の絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜を介して前記シリコン基板を個別電極が区画形成された電極基板上に接合する工程と、この接合済みシリコン基板を所要の厚みに薄くする薄板化する工程と、この薄板化されたシリコン基板の前記個別電極に対応する位置にエッチングで吐出室となる凹部を区画形成することにより、前記凹部の底部を薄膜の振動板として形成する工程とを有する液滴吐出ヘッドの製造方法において、
   前記振動板を形成後のシリコン基板に前記絶縁膜の膜応力を打ち消すための応力調整膜を全面成膜する工程を有することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
9. 前記絶縁膜が表面保護膜を有する場合は、前記応力調整膜は下地層にシリコン酸化膜を形成後、その上に表面保護膜を形成することを特徴とする請求項８記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
10. 前記表面保護膜がＤＬＣ膜の場合は、さらにこのＤＬＣ膜の上にシリコン酸化膜を形成することを特徴とする請求項９記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
11. 請求項７記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とする液滴吐出装置。

Images