JP2009018449A - 噴射ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡略化された方法で歩留まりの高い噴射ヘッドを製造することが可能な噴射ヘッドの製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の噴射ヘッドの製造方法は、第１開口部１３が形成された第１基板１０と、第１開口部１３と連通する第２開口部３１が形成された第２基板３０とを有する噴射ヘッドの製造方法であって、第１基板１０上に貴金属からなる隔離層９４を形成する工程と、隔離層９４を挟んで第１基板１０と第２基板３０とを接着する工程と、第１基板１０及び第２基板３０の隔離層９４を挟んで対向する位置に第１開口部１３及び第２開口部３１を形成する工程と、第１基板１０の表面に原子堆積法を用いて保護膜１５を形成する工程と、第１開口部１３にエッチング材を供給し、第１開口部１３と第２開口部３１との間に配置された隔離層９４を除去する工程と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、噴射ヘッドの製造方法に関するものである。

流体噴射装置は、インクジェットプリンタをはじめとする種々の工業製品に応用されている。流体噴射装置の噴射ヘッドとしては、ノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室の流体を加圧する圧電体方式の噴射ヘッドが知られている。一般に、噴射ヘッドは複数の基板によって構成されており、該複数の基板をエッチング等で加工することにより、圧力発生室や流体の流路及びリザーバ等が形成されている。

図９は、従来の噴射ヘッドの製造工程の一部を示す断面図である。同図はリザーバの形成工程の断面図である。図９（ａ）に示すように、噴射ヘッドは流路形成基板１０と保護基板３０とを接着剤３６で貼り合わせることにより形成される。流路形成基板１０には隔離層９４が形成されており、隔離層９４によって保護基板３０のリザーバ部３１と流路形成基板１０の連通部１３とが互いに隔離されている。リザーバ部３１と連通部１３とを隔離層９４で隔離するのは、流路形成基板１０に隔離層９４を形成しないで連通部１３を形成すると、ウェットエッチングの際のエッチング液が保護基板３０側に回りこみ、保護基板３０をエッチングしてしまうからである。なお、隔離層９４は、圧電素子の共通電極を構成する金、銀、銅等の導電部材によって形成されている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、流路形成基板１０の表面には、リザーバに供給された流体が流路形成基板１０の壁面を侵食しないように、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）等の保護膜１５を形成する必要がある。保護膜１５は、リザーバ内の流体と反応を起こさない材料であれば良く、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）の他に酸化タンタル（ＴａＯ_ｘ）等も使用可能である。保護膜１５は、流路形成基板１０に連通部１３を形成した後、流路形成基板１０の全面にＣＶＤやスパッタ法により酸化タンタル等を蒸着することにより形成される。

一方、隔離層９４は、流路形成基板１０及び保護基板３０を加工した後、ウェットエッチングにより除去される。ウェットエッチングは、保護基板３０の表面に保護フィルム９３を貼着した後、流路形成基板１０側からエッチング液を供給することにより行われる。この場合、エッチング液が流路形成基板１０の表面を侵食しないように、保護膜１５の材料として隔離層９４のエッチング液に溶解しない材料が選択される。

しかしながら、保護膜１５を隔離層９４のエッチング液に溶解しない材料で形成すると、隔離層９４の表面に形成された保護膜１５によって隔離層９４をエッチングすることができない。すなわち、保護膜１５は流路形成基板１０の表面を覆うと共に隔離層９４の表面をも覆うため、保護膜１５が流路形成基板１０だけでなく隔離層９４の保護膜としても機能してしまい、隔離層９４のエッチング液が十分に隔離層９４に供給されなくなる。

そのため、従来は、図９（ｂ）に示すように、保護膜１５の表面に応力の高いダミー膜９９を形成し、ダミー膜９９と保護膜１５の熱収縮力の違いを利用して隔離層９４の表面の保護膜１５を除去することが行われていた。例えば、ダミー膜９９としてチタンタングステン（ＴｉＷ）を形成した場合、流路形成基板１０の上面及び側面に形成された保護膜１５は、酸化シリコン等からなる流路形成基板１０との間で高い密着力を有するため、ダミー膜９９が積層されても、流路形成基板１０から剥離されない。一方、金、銀、銅等からなる隔離層９４は、保護膜１５との間で弱い密着力しか有しないため、保護膜１５の表面にダミー膜９９を積層すると、隔離層９４と保護膜１５との間に剥がれが生じ、隔離層９４から容易に除去できるようになる。

そのため、図９（ｃ）に示すように、保護基板３０の表面に保護フィルム９３を貼着してダミー膜９９をエッチングすると、隔離層９４上に形成された保護膜１５がダミー膜９９と共に隔離層９４から除去され、図９（ｄ）の工程において隔離層９４のエッチングが可能となる。
特開２００７−９８６５９号公報 特開２００３−２８６５７９号公報

しかしながら、上述の方法では、剥離した保護膜１５及びダミー膜９９がチャンバ内で漂った状態でプロセスを行わなければならないため、歩留まりが低下するという問題があった。また、ダミー膜９９は保護膜１５を除去するためだけに形成されるため、プロセス上無断が多く、製造コストの上昇及び製造時間の長期化を招くという問題もある。一方、特許文献２に開示されるように、保護膜１５を光を用いたパターニング方法によって隔離層９４の露出していない部分に選択的に形成する方法も考えられるが、この方法では露光が必要である上、現像も必要となり、プロセスが複雑化してしまう。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、簡略化された方法で歩留まりの高い噴射ヘッドを製造することが可能な噴射ヘッドの製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の噴射ヘッドの製造方法は、第１開口部が形成された第１基板と、前記第１開口部と連通する第２開口部が形成された第２基板とを有する噴射ヘッドの製造方法であって、前記第１基板上に貴金属からなる隔離層を形成する工程と、前記隔離層を挟んで前記第１基板と前記第２基板とを接着する工程と、前記第１基板及び前記第２基板の前記隔離層を挟んで対向する位置に前記第１開口部及び前記第２開口部を形成する工程と、前記第１基板の表面に原子堆積法を用いて保護膜を形成する工程と、前記第１開口部にエッチング材を供給し、前記第１開口部と前記第２開口部との間に配置された隔離層を除去する工程と、を備えたことを特徴とする。

原子層堆積法（Atomic Layer Deposition）は、原料ガスと基板表面の反応基との化学反応を利用して基板表面に１原子層ずつ薄膜を形成する方法である。原子層堆積法のプロセスでは、１種類又は２種類以上の原料ガスが基板の表面に交互に供給され、基板の表面に存在する反応基と結合する。全ての反応基が飽和すると、反応は停止し、それ以上の薄膜は形成されない。このようにして基板の表面に原子層１層分の薄膜が形成されると、不活性ガスが基板の表面に供給され、余分な原料ガスが除去される。このサイクルは薄膜が所望の厚みに達するまで繰り返され、１サイクル毎に単分子の薄膜が形成される。

原子層堆積法では、原料ガスと基板表面の反応基との化学反応を利用するため、表面に反応基が存在しない貴金属の表面には薄膜は形成されない。貴金属は化学的に安定な物質であるため、酸化反応等によって反応基が導入されないからである。したがって、隔離層を貴金属で形成すると、隔離層の表面には保護膜は形成されず、隔離層以外の第１基板の表面のみに選択的に保護膜が形成される。そうすると、従来問題となっていた隔離層の表面の保護膜がもともと存在しないことになり、それを除去する工程も不要になる。また、原子層堆積法では、原子層が１層ずつ緻密に形成されるため、第１基板への保護膜のカバレッジが良好になり、ピンホール等の発生も確実に防止できる。したがって、本発明の噴射ヘッドの製造方法によれば、従来に比べてダミー膜の形成工程が不要になり、簡略化された方法で歩留まりの高い噴射ヘッドを製造することができる。

本発明においては、前記保護膜を形成する前に、前記第１開口部の底面に露出した前記隔離層の表面を洗浄する工程を備えることが望ましい。前述のように、隔離層を貴金属で形成した場合、隔離層の表面には反応基は存在しないため、隔離層の表面にチャンバ内の分子が結合することはない。そのため、原理的には隔離層の表面に結合した不純物を除去する工程は不要である。しかしながら、チャンバ内には水分や酸素等の不純物が必然的に存在し、その不純物が隔離層上に付着して隔離層上に反応基を形成する場合がある。このような反応基は保護膜を形成する場合に結晶成長の核となり、その後の隔離層のエッチング工程に影響を与える。そこで、本発明では、保護膜を形成する前に予め隔離層の表面を洗浄し、隔離層上に付着した不純物を除去している。この方法によれば、隔離層上に付着した不純物によって隔離層上に保護膜が形成されることがない。そのため、その後の隔離層のエッチング工程をより確実に行うことができる。

本発明においては、前記隔離層の表面を洗浄する工程は、オゾン洗浄、ＵＶ洗浄又はプラズマ洗浄のいずれかにより行われることが望ましい。この方法によれば、隔離層の表面に付着した不純物を確実に除去することができる。また、第１基板の表面に水酸基等の反応基を導入できるため、保護膜の材料を供給したときに第１基板の表面全体に確実に保護膜の材料を結合させることができる。

本発明においては、前記保護膜を形成する工程では、前記第１基板の表面を酸化又は窒化する工程と、前記第１基板の表面に前記保護膜の材料を供給し、前記第１基板の表面に原子１層分の前記保護膜の形成材料を堆積させる工程と、を１サイクルとし、前記サイクルを複数回繰り返すことにより所定の厚みの前記保護膜を形成すると共に、前記サイクルが所定回数だけ行われた後、次のサイクルを行う前に、前記隔離層の表面に堆積した不純物又は保護膜をエッチングするエッチング処理が行われることが望ましい。前述のように、原子堆積法では、単分子の薄膜を１層ずつ形成していくため、所望の厚みの保護膜を形成するのに長時間を要する場合がある。しかしながら、長時間チャンバ内で成膜を行うと、水分等の不純物が隔離層に堆積し、その不純物を核として隔離層上に保護膜が形成される場合がある。そこで、本発明では、所定時間毎に隔離層表面の不純物等のエッチングを行い、隔離層上に付着した不純物とその不純物を核として形成された保護膜を除去している。この方法によれば、隔離層上に付着した不純物によって隔離層上に保護膜が形成されることがない。そのため、その後の隔離層のエッチング工程をより確実に行うことができる。

本発明においては、前記エッチング処理は、前記サイクルが１回ないし１０回行われた後に行われることが望ましい。前述のように、隔離層上の不純物（及びそれを核として形成される保護膜）をこまめに除去することは、その後の隔離層のエッチング工程を円滑に行う上で有効である。したがって、隔離層への不純物の付着を確実に防止する観点からは１サイクル毎にエッチング処理を行うことが望ましい。しかし、１サイクル毎にエッチング処理を行うと工程時間の長期化を招く場合があるので、一般的には複数サイクル経過後にエッチング処理を行うことが望ましい。何サイクルでエッチング処理を行うかは、隔離層上への不純物の堆積のし易さ等（チャンバ内の不純物の種類、量等）を考慮して決定することができるが、通常のチャンバの成膜条件では、１０サイクル程度経過後であっても広い面積で保護膜が隔離層上に形成されることはないと考えられるため、例えば１０サイクル経過後にエッチング処理を行うようにすれば、工程時間の増加を最小限に抑えながら、隔離層上への保護膜の堆積を確実に防止することができる。

本発明においては、前記エッチング処理は反応性イオンエッチングにより行われることが望ましい。この方法によれば、隔離層の表面に付着した不純物を確実に除去することができる。

本発明においては、前記第１基板はシリコン基板であり、前記隔離層は金からなることが望ましい。この方法によれば、隔離層の材料として化学的に最も安定な金を用いるため、銀や銅等の他の貴金属を用いる場合に比べて、隔離層の表面への反応基の導入を確実に防止することができる。

本発明においては、前記保護膜は、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、イリジウム、プラチナ、ルテニウム、ニッケル、クロムのいずれか１種又は２種以上の材料により形成されることが望ましい。これらの材料は、インクジェットプリンタのインクの溶媒として通常使用される有機溶剤に対して高い耐久性を有する。また、貴金属のエッチング材に対して高い耐久性を有するため、隔離層をエッチングする際に確実に第１基板の表面を保護することができる。

本発明においては、前記隔離層は、前記第１基板上に圧電素子を形成する際に前記圧電素子の一方の電極の形成工程と同時に形成されることが望ましい。この方法によれば、隔離層を形成するための工程を別途設ける必要がないので、プロセスが容易になる。

本発明においては、前記第１開口部及び前記第２開口部は、噴射ヘッドから噴射する流体を外部から供給するための流路（リザーバ）を構成するものであることが望ましい。噴射ヘッドに形成する開口部としては、リザーバの他、第１基板及び第２基板とヘッドケース等の他部材との相対的な位置決めを行うための基準ピンを挿入するための基準孔がある。本発明はこれら両方の形成方法に適用可能なものである。しかし、基準孔の大きさはリザーバの大きさに比べて非常に小さく、その基準孔内に露出した隔離層は圧空の噴射等によって容易に除去することができる。一方、リザーバの形成工程においてはそのような代替方法がないので、本発明を適用する効果は大きい。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。かかる実施の形態は本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではない。下記の実施形態において、各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。

図１は、本発明の噴射ヘッドの一実施形態であるインクジェット式記録ヘッド１及びヘッドケース２の分解斜視図である。図２は、インクジェット式記録ヘッド１の平面図である。図３は、図２のＡ−Ａ′断面図及びＢ−Ｂ′断面図である。

図１に示すように、本実施形態のインクジェット式記録ヘッド１は、ヘッドケース２に接着剤等を介して固定されている。インクジェット式記録ヘッド１とヘッドケース２とは、ヘッドケース２に設けられた基準孔３と、インクジェット式記録ヘッド１を構成する各部材に設けられた第１基準孔１６、第２基準孔３５、第３基準孔２２及び第４基準孔４５とに基準ピン４を挿入することで位置決めされて固定されている。

ここで、インクジェット式記録ヘッド１について図２及び図３を参照して説明する。図示するように、ベース基板となる流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その両面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ０．５〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。

流路形成基板１０には、その他方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁によって区画された圧力発生室１２が２列並設され、その長手方向外側には、各圧力発生室１２の列毎に共通のインク室となるリザーバ１００の一部を構成する連通部１３が形成され、各圧力発生室１２の長手方向一端部とそれぞれインク供給路１４を介して連通されている。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。

流路形成基板１０には、圧力発生室１２の並設方向の両端部側の角部に厚さ方向に貫通した第１基準孔１６が形成されている。本実施形態の場合、第１基準孔は流路形成基板１０の圧力発生室１２の並設方向の両端部にそれぞれ１つずつ、合計２つ設けられている。

第１基準孔１６は、本実施形態の場合、流路形成基板１０の他方面側から異方性エッチングすることにより形成されている。このため、第１基準孔１６は、開口が菱形状で形成されている。なお、第１基準孔１６の形状はこれに限定されず、例えば、開口が円又は楕円などであってもよい。

流路形成基板１０の圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４の内壁表面には、耐インク性を有する材料、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）からなる保護膜１５が、約５０ｎｍの厚さで設けられている。なお、ここで言う耐インク性とは、アルカリ性のインクに対する耐エッチング性のことである。なお、保護膜１５の材料は、酸化ジルコニウムに限定されず、使用するインクのｐＨ値によっては、例えば、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）等の酸化タンタル（ＴａＯ_ｘ）、イリジウム（Ｉｒ）、プラチナ（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ニッケル（Ｎｉ）及びクロム（Ｃｒ）等を用いてもよい。

流路形成基板１０の開口面側には、圧力発生室１２を形成する際のマスクとして用いられた保護膜５１を介して、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側で連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が常温下で接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。ノズルプレート２０は、厚さが例えば、０．０１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば、２．５〜４．５［×１０^−６／℃］であるガラスセラミックス又はステンレス鋼（ＳＵＳ）などからなる。ノズルプレート２０は、一方の面で流路形成基板１０の一面を全面的に覆い、シリコン単結晶基板を衝撃や外力から保護する補強板の役目も果たす。

ノズルプレート２０には、流路形成基板１０の第１基準孔１６に連通する第３基準孔２２が設けられている。第３基準孔２２は、例えばノズルプレート２０が金属からなる場合、ノズル開口２１と共にポンチ等により機械的に打ち抜くことで形成されている。

流路形成基板１０の開口面とは反対側には、二酸化シリコンからなり厚さが例えば約１．０μｍの弾性膜５０が形成されている。弾性膜５０上には、酸化ジルコニウム等からなり厚さが例えば約０．４μｍの絶縁体膜５５が形成されている。絶縁体膜５５上には、白金及びイリジウム等からなり厚さが例えば約０．２μｍの下電極膜６０と、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなり厚さが例えば約１．０μｍの圧電体層７０と、イリジウム等からなり厚さが例えば約０．０５μｍの上電極膜８０とが積層形成され、圧電素子３００が構成されている。

ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。本実施形態では、下電極膜６０は圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、各圧力発生室１２毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。

なお、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び下電極膜６０が振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜５０及び絶縁体膜５５を設けずに、下電極膜６０のみが振動板として作用するようにしてもよい。

各圧電素子３００の上電極膜８０には、チタンタングステン（ＴｉＷ）からなる密着層９１と、金（Ａｕ）からなる金属層９２とで構成された引き出し配線であるリード電極９０がそれぞれ接続されている。そして、このリード電極９０を介して各圧電素子３００に選択的に電圧が印加されるようになっている。

このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上、すなわち、下電極膜６０、弾性膜５０及びリード電極９０上には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有して接合基板となる保護基板３０が接合されている。リザーバ部３１は、本実施形態では、保護基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００を構成している。また、保護基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部３２が設けられている。

このような保護基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成されている。

また、保護基板３０には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられている。そして、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０の端部近傍は、貫通孔３３内に露出するように設けられている。

さらに、保護基板３０の流路形成基板１０の第１基準孔１６に相対向する領域には、厚さ方向に貫通した第２基準孔３５が設けられている。第２基準孔３５は、流路形成基板１０に設けられた第１基準孔１６と同じ内径で形成されている。本実施形態では、保護基板３０として、シリコン単結晶基板を用いているため、保護基板３０を異方性エッチングすることにより、第２基準孔３５を形成することができる。このような第２基準孔３５は、第１基準孔と同様に開口が菱形状に形成されている。

保護基板３０上の貫通孔３３の両側、すなわち、圧力発生室１２の各列に対応する領域のそれぞれには、圧電素子３００を駆動するための駆動回路１１０が固定されている。駆動回路１１０としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等を用いることができる。そして、駆動回路１１０とリード電極９０とはボンディングワイヤ等の導電性ワイヤからなる接続配線（図示なし）を介して電気的に接続されている。また、図１に示すように、駆動回路１１０には、外部からの印刷信号が入力される外部配線１１１が電気的に接続されている。

また、保護基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、封止膜４１によってリザーバ部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成されている。固定板４２のリザーバ１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっており、リザーバ１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。

また、このリザーバ１００の長手方向略中央部外側のコンプライアンス基板４０上には、リザーバ１００にインクを供給するためのインク導入口４４が形成されている。

さらに、コンプライアンス基板４０には、保護基板３０の第２基準孔３５に連通する第４基準孔４５が設けられている。

そして、図１に示すように、流路形成基板１０、保護基板３０、コンプライアンス基板４０及びノズルプレート２０からなるインクジェット式記録ヘッド１は、コンプライアンス基板４０側に接合されたヘッドケース２に保持されている。このとき、インクジェット式記録ヘッド１の第１基準孔２２、第２基準孔３５、第３基準孔２２及び第４基準孔４５と、ヘッドケース２の基準孔３とに基準ピン４を挿入することで両者は位置決めされて固定されている。

このようなインクジェット式記録ヘッド１では、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口４４からインクを取り込み、リザーバ１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路１１０からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、下電極膜６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。

次に、インクジェット式記録ヘッド１の製造方法について図４〜図８を参照して説明する。図４及び図５はインクジェット式記録ヘッド１の製造工程のうちリザーバ１００の形成工程を中心に説明する断面工程図である。図６は、流路形成基板に保護膜を形成する工程の詳細説明図である。図７は、保護膜の形成工程における原料ガス等の供給サイクルを示すタイミングチャートである。図８は、原料ガス等の供給サイクルと保護膜の膜厚との関係を示すグラフである。なお、図４及び図５において左側は基準孔の近傍を示す断面図、右側はリザーバの近傍を示す断面図である。図４及び図５では流路形成基板１０を上側、保護基板３０を下側として図示しており、その工程の説明では図１〜図３に記載した符号を用いる。

まず、図４（ａ）に示すように、流路形成基板（第１基板）１０の一面上に隔離層９４、９６を形成し、接着剤３６を介して保護基板（第２基板）３０と接着する。流路形成基板１０の一面上には予め弾性膜５０、圧電素子３００及びリード電極９０等が形成されており、保護基板３０の前記一面と対向する面には予めリザーバ部（第２開口部）３１、圧電素子保持部３２、貫通孔３３及び第２基準孔（第２開口部）３５等が形成されている。そして、流路形成基板１０と保護基板３０とを接着した後、流路形成基板１０の圧電素子が形成された面とは反対側の面をウェットエッチングし、流路形成基板１０に圧力発生室１２、連通部（第１開口部）１３、インク供給路１４及び第１基準孔（第１開口部）１６を形成する。

ここで、隔離層９４は流路形成基板１０の連通部１３と保護基板３０のリザーバ部３１とを隔離する層であり、隔離層９６は流路形成基板１０の第１基準孔１６と保護基板３０の第２基準孔３５とを隔離する層である。符号９５及び符号９７は、流路形成基板１０と隔離層９４及び９６との密着力を高めるための密着層である。隔離層９４及び９６並びに密着層９５及び９７は、圧電素子３００のリード電極９０をパターニングする際に同時に形成される。本実施形態の場合、リード電極９０の金属層９２が金、密着層９１がチタンタングステンであるため、隔離層９４及び９６は金、密着層９５及び９７はチタンタングステンとなる。

次に、図４（ｂ）に示すように、流路形成基板１０をチャンバ内（成膜装置）に導入し、原子層堆積法（Atomic Layer Deposition）を用いて隔離層９４及び９６を除く流路形成基板１０の全面に保護膜１５を形成する。原子層堆積法は、原料ガスと流路形成基板１０の表面の反応基との化学反応を利用して流路形成基板１０の表面に１原子層ずつ薄膜を形成する方法である。

保護膜１５を形成する前には、予め連通部１３及び第１基準孔１６の底面に露出した隔離層９４、９６の表面を洗浄することが望ましい。洗浄工程は、例えば、オゾン洗浄、ＵＶ洗浄又はプラズマ洗浄のいずれかにより行われるものとすることができる。この方法によれば、隔離層９４、９６の表面に付着した不純物を確実に除去することができると共に、流路形成基板１０の表面に水酸基等の反応基を導入できるため、保護膜１５の材料を供給したときに流路形成基板１０の表面全体に確実に保護膜１５の材料を結合させることができる。

保護膜形成工程の途中では、図４（ｃ）に示すように、隔離層９４、９６上に堆積した不純物又は該不純物を核として形成された保護膜１５Ａを除去するためのエッチング処理を行う。エッチング処理としては、フッ素含有ガス（例えば、ＣＦ_４ガス）を用いた反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching; RIE）を用いることができる。

図６は、原子層堆積法による薄膜形成メカニズムの説明図である。保護膜形成工程では、まず図６（ａ）に示すように、第１原料ガス（前駆ガス）であるジルコニウムＩＶトリフロロエトキシドを流路形成基板１０の表面に１００ｃｃｍで５秒間供給する。シリコン単結晶基板である流路形成基板１０の表面には水酸基等の反応基が存在するため、第１原料ガスは流路形成基板１０の表面の反応基と化学反応で結合（化学吸着）し、流路形成基板１０の表面に原子層１層分の薄膜を形成する。

次に、図６（ｂ）に示すように、アルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスを流路形成基板１０の表面に２００ｃｃｍで５秒間供給する。これにより、不要な原料ガスが除去され、流路形成基板１０の表面に１原子層分の原料ガス（ジルコニウムＩＶトリフロロエトキシド）の層が形成される。なお、流路形成基板１０の表面には、基板表面の反応基と化学結合せずに物理的に堆積（物理吸着）した原料ガスの層が形成されるが、この層は不活性ガスを供給した際にチャンバ内に存在する他の原料ガスと共に除去される。

次に、図６（ｃ）に示すように、第２原料ガス（酸化剤）であるオゾン（Ｏ_３）を流路形成基板１０の表面に２００ｃｃｍで５秒間供給する。これにより、流路形成基板１０の表面に化学結合したジルコニウムＩＶトリフロロエトキシドが酸化され、１原子層分の酸化ジルコニウムの層が形成される。また同時に、酸化ジルコニウムの層に水酸基等の反応基が導入され、次のサイクルで流路形成基板１０の表面に第１原料ガスを供給したときに、酸化ジルコニウムの層の表面に第１原料ガスが化学的に結合可能な状態となる。

なお、本実施形態では、第２原料ガスとして酸化剤を用いたが、酸化剤の代わりに窒素（Ｎ_２）やアンモニア（ＮＨ_３）等の窒化剤を用いることもできる。この場合、保護膜１５は窒化物膜となる。保護膜１５を酸化物膜とするか窒化物膜とするかは、インクジェット式記録ヘッドで使用する流体の種類によって決めることができる。

次に、図６（ｄ）に示すように、アルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスを流路形成基板１０の表面に２００ｃｃｍで５秒間供給する。これにより、不要な第２原料ガスが除去され、流路形成基板１０の表面に１原子層分の酸化ジルコニウムの層（１原子層分の保護膜１５）が形成される。

そして、上記原料ガスの供給工程、不活性ガスの供給工程、酸化剤の供給工程及び不活性ガスの供給工程を１サイクルとし、該サイクルを複数回繰り返すことにより、流路形成基板１０の表面に所望の膜厚の酸化ジルコニウムの層（保護膜１５）を形成する。

図７は、原料ガス等の供給サイクルを示すタイムチャートである。図７において、横軸は保護膜形成工程を開始してからの時間であり、縦軸は原料ガスの供給等の有無を示している。

前述のように、保護膜形成工程においては、第１原料ガス（前駆ガス）の供給工程、不活性ガスの供給工程、第２原料ガス（酸化剤）の供給工程及び不活性ガスの供給工程を１サイクルとし、該サイクルを複数回繰り返すことにより、所望の膜厚の保護膜１５を形成する。このとき、第１原料ガス及び第２原料ガスは隔離層９４、９６の表面にも供給されるが、金（Ａｕ）等の貴金属からなる隔離層９４、９６の表面には反応基が存在しないので、保護膜１５はシリコンの露出した基板表面のみに形成され、隔離層９４、９６の表面には保護膜１５は形成されない、しかし、チャンバ内には水分や酸素等の不純物が存在しており、それが隔離層９４，９６の表面に付着（物理吸着）すると、その不純物が核となって隔離層９４、９６の表面に保護膜が形成される場合がある。特に、原子層堆積法では成膜時間が長時間に及ぶ場合があり、その間に厚い保護膜の層が形成されると、その後の隔離層のエッチング工程に影響を及ぼす場合がある。

そこで、本実施形態では、所定のサイクルが経過した後に流路形成基板１０の表面を定期的にプラズマ処理し、隔離層９４、９６の表面に堆積した保護膜を除去することとしている。流路形成基板１０の表面をプラズマ処理すると、基板表面に化学結合（化学吸着）した保護膜１５は除去されないが、単に基板表面に物理的に堆積（物理吸着）しただけの保護膜は容易に除去される。そのため、図８に示すように、隔離層以外の領域の保護膜は上記サイクルの回数に応じて膜厚を増加していくが、隔離層上の保護膜は所定サイクル経過後、プラズマ処理によって除去され、膜厚がゼロとなる。そして、このようなサイクルを繰り返すことにより、隔離層上の保護膜を除去しつつ隔離層以外の領域の保護膜を所望の厚みに形成することができる。

本実施形態の場合、プラズマ処理を行うタイミングは上記サイクルが１０回終了した後としている。前述のように、隔離層上の不純物（及びそれを核として形成される保護膜）をこまめに除去することは、その後の隔離層のエッチング工程を円滑に行う上で有効である。したがって、隔離層への不純物の付着を確実に防止する観点からは１サイクル毎にプラズマ処理を行うことが望ましい。しかし、１サイクル毎にプラズマ処理を行うと工程時間の長期化を招く場合があるので、一般的には複数サイクル経過後にプラズマ処理を行うことが望ましい。

何サイクルでプラズマ処理を行うかは、隔離層上への不純物の堆積のし易さ等（チャンバ内の不純物の種類、量等）を考慮して決定することができる。通常のチャンバの成膜条件では、１０サイクル程度経過後であっても広い面積で保護膜が隔離層上に形成されることはないと考えられるため、例えば１０サイクル経過後にプラズマ処理を行うようにすれば、工程時間の増加を最小限に抑えながら、隔離層上への保護膜の堆積を確実に防止することができる。すなわち、１０サイクル程度であれば、隔離層上に保護膜が形成されるとしても、その厚みは１ｎｍ程度であり、隔離層の表面にまばらに形成されるのみであるため、このような状態でプラズマ処理を行えば、隔離層上の保護膜を容易に除去することができる。

図５（ａ）は、上記サイクルを複数回繰り返すことにより、流路形成基板１０の表面に所望の厚みの保護膜１５を形成した状態の断面図である。流路形成基板１０の表面には、隔離層９４、９６を除く基板全面に保護膜１５が形成されている。隔離層９４、９６の表面には保護膜１５は形成されておらず、形成されていたとしても、その厚みは１ｎｍ以下である。

流路形成基板１０の表面に保護膜１５が形成されたら、図５（ｂ）に示すように、第１基準孔１６に圧縮された気体９８を噴射し、隔離層９６を除去する。気体９８としては、窒素ガス（Ｎ_２）等の不活性ガスを用いることができる。気体９８は、流路形成基板１０側から隔離層９６の形成された領域に向けて選択的に噴射され、これにより、第１基準孔１６と第２基準孔３５とが連通される。

次に、図５（ｃ）に示すように、保護基板３０の表面に保護フィルム９３を貼着し、流路形成基板１０の連通部１３にエッチング液（エッチング材）を供給することにより、隔離層９４を除去する。これにより、保護基板３０のリザーバ部３１と流路形成基板１０の連通部１３とが連通され、流路形成基板１０及び保護基板３０を貫通するリザーバ１００が形成される。なお、隔離層９４のエッチングはドライエッチングによって行っても良い。また、隔離層９４をエッチングする際には、隔壁層９４以外の流路形成基板１０の表面は保護膜１５によってエッチング液から保護される。

その後は、流路形成基板１０の保護基板３０とは反対側の面にノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０を接合すると共に、保護基板３０にコンプライアンス基板４０を接合することで、図１に示すようなインクジェット式記録ヘッド１が形成される。このとき、流路形成基板１０の第１基準孔１６及び保護基板３０の第２基準孔３５と、ノズルプレート２０の第３基準孔２２やコンプライアンス基板４０の第４の基準孔４５とに基準ピン４を挿入することで、各部材の位置決めが行われる。また、このように形成されたインクジェット式記録ヘッドは、保護基板３０側に接合されるヘッドケース２に設けられた基準孔３と、インクジェット式記録ヘッド１に設けられた基準孔とに基準ピンを挿入することでヘッドケース２と位置決めされる。

以上説明したように、本実施形態では、流路形成基板１０と保護基板３０との間に隔離層９４、９６を設けているため、流路形成基板１０に圧力発生室１２等をエッチングにより形成する際に、エッチング液が保護基板３０側に流出するのを防止することができ、保護基板３０や保護基板３０上に設けられた図示しない配線等が破壊されるのを防止することができる。また、保護膜１５を原子層堆積法を用いて形成するため、貴金属で形成した隔離層９４、９６以外の領域に選択的に保護膜１５を形成することができる。そうすると、従来問題となっていた隔離層９４、９６の表面の保護膜１５がもともと存在しないことになり、それを除去する工程も不要になる。また、原子層堆積法では、原子層が１層ずつ緻密に形成されるため、流路形成基板１０への保護膜１５のカバレッジが良好になり、ピンホール等の発生も確実に防止できる。したがって、従来に比べてダミー膜の形成工程が不要になり、簡略化された方法で歩留まりの高いインクジェット式記録ヘッドを提供することができる。

なお、本実施形態では、隔離層９６の除去工程を圧縮された気体９８を用いて行ったが、隔離層９６の除去工程は隔離層９４の除去工程と同時にエッチングによって行っても良い。

また、本実施形態では、ノズル開口からインクを噴射する圧力発生手段として圧電素子を説明したが、圧力発生手段としては圧電素子に限定されず、例えば、圧力発生室内に発熱素子を配置して、発熱素子の発熱で発生するバブルによってノズル開口からインクを噴射するものや、振動板と電極との間に静電気を発生させて、静電気力によって振動板を変形させてノズル開口からインクを噴射させるいわゆる静電式アクチュエータなどを使用することができる。

また、本実施形態では、噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを挙げたが、本発明は広く流体を噴射する噴射ヘッドの製造方法全般を対象としたものであり、インク以外の流体を噴射する噴射ヘッドの製造方法に広く適用することができる。その他の噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられ、さらに液体以外の流体、例えば粉体等を噴射する噴射ヘッドにも応用可能なものである。

インクジェット式記録ヘッド及びヘッドケースの分解斜視図である。 インクジェット式記録ヘッドの平面図である。 インクジェット式記録ヘッドの断面図である。 インクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 インクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 原子層堆積法による反応メカニズムの説明図である。 原子堆積法による成膜プロセスの説明図である。 原料ガス等の導入サイクルと膜厚との関係の説明図である。 従来のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。

符号の説明

１…インクジェット式記録ヘッド（噴射ヘッド）、１０…流路形成基板（第１基板）、１３…第１基準孔（第１開口部）、１５…保護膜、３０…保護基板（第２基板）、３５…第２基準孔（第２開口部）、９０…リード電極、９４，９６…隔離層、１００…リザーバ、３００…圧電素子

Claims (10)

1. 第１開口部が形成された第１基板と、前記第１開口部と連通する第２開口部が形成された第２基板とを有する噴射ヘッドの製造方法であって、
   前記第１基板上に貴金属からなる隔離層を形成する工程と、
   前記隔離層を挟んで前記第１基板と前記第２基板とを接着する工程と、
   前記第１基板及び前記第２基板の前記隔離層を挟んで対向する位置に前記第１開口部及び前記第２開口部を形成する工程と、
   前記第１基板の表面に原子堆積法を用いて保護膜を形成する工程と、
   前記第１開口部にエッチング材を供給し、前記第１開口部と前記第２開口部との間に配置された隔離層を除去する工程と、を備えたことを特徴とする噴射ヘッドの製造方法。
2. 前記保護膜を形成する前に前記第１開口部の底面に露出した前記隔離層の表面を洗浄する工程を備えることを特徴とする請求項１に記載の噴射ヘッドの製造方法。
3. 前記隔離層の表面を洗浄する工程は、オゾン洗浄、ＵＶ洗浄又はプラズマ洗浄のいずれかにより行われることを特徴とする請求項２に記載の噴射ヘッドの製造方法。
4. 前記保護膜を形成する工程では、
   前記第１基板の表面を酸化又は窒化する工程と、前記第１基板の表面に前記保護膜の材料を供給し、前記第１基板の表面に原子１層分の前記保護膜の形成材料を堆積させる工程と、を１サイクルとし、前記サイクルを複数回繰り返すことにより所定の厚みの前記保護膜を形成すると共に、
   前記サイクルが所定回数だけ行われた後、次のサイクルを行う前に、前記隔離層の表面に堆積した不純物又は保護膜をエッチングするエッチング処理が行われることを特徴とする請求項１に記載の噴射ヘッドの製造方法。
5. 前記エッチング処理は、前記サイクルが１回ないし１０回行われた後に行われることを特徴とする請求項４に記載の噴射ヘッドの製造方法。
6. 前記エッチング処理は反応性イオンエッチングにより行われることを特徴とする請求項５に記載の噴射ヘッドの製造方法。
7. 前記第１基板はシリコン基板であり、
   前記隔離層は金からなることを特徴とする請求項１に記載の噴射ヘッドの製造方法。
8. 前記保護膜は、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、イリジウム、プラチナ、ルテニウムニッケル、クロムのいずれか１種又は２種以上の材料により形成されることを特徴とする請求項７に記載の噴射ヘッドの製造方法。
9. 前記隔離層は、前記第１基板上に圧電素子を形成する際に前記圧電素子の一方の電極の形成工程と同時に形成されることを特徴とする請求項１に記載の噴射ヘッドの製造方法。
10. 前記第１開口部及び前記第２開口部は、噴射ヘッドから噴射する流体を外部から供給するための流路を構成するものであることを特徴とする請求項１に記載の噴射ヘッドの製造方法。

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