JP2009066947A - 液滴吐出ヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ノズル基板、キャビティ基板及び電極基板を接着剤レスで接合することができ、また、ノズル形状を高精度に形成することが可能な液滴吐出ヘッド及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ノズル基板３、キャビティ基板１及び電極基板２がこの順に重ねて接合された液滴吐出ヘッドであって、ノズル基板３と電極基板２とをシリコン基板で構成し、キャビティ基板１をガラス基板で構成したものである。
【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、従来より、液滴を吐出する複数のノズル孔が形成されたノズル基板と、液滴を溜めておく吐出室等の流路を有し、吐出室の底面が振動板を構成しているキャビティ基板と、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の３枚の基板を備え、ノズル基板、キャビティ基板及び電極基板がこの順で重ねて接合された構造のものがある。

これらの基板を接合（接着）する際には、接着剤を用いた接着法や、直接接合法（例えば特許文献１参照）が用いられている。

また、ノズル基板と電極基板をガラス基板で構成し、キャビティ基板をシリコン基板で構成し、３枚の基板の全てを陽極接合を用いて接合するようにしたものもある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００３−３４０３５号公報（[００３１]） 特開平６−５５７３２号公報（[００１４]、図５）

接着剤を用いた接着法では、接着剤が接着面からはみ出して流路を接着剤が埋めてしまうという課題があった。そこで、接着剤レスで各基板を接合する方法が検討されており、直接接合法が用いられたりしている。しかしながら、直接接合は１０００℃近くの高温加熱環境下で行われるため、キャビティ基板に形成された液滴保護膜や撥水膜が損傷してしまい、信頼性低下を招く恐れがあった。また、接合界面に少しでも異物を噛み込んだり、基板表面荒れがあったりすると接合が困難になるなど、プロセスや加工環境の制限が多く、接着強度に乏しいという問題もあった。

また、特許文献２の技術では、陽極接合を用いて接合しているため、強固な接合が可能である。しかしながら、ノズル基板をガラス基板で構成しているため、ノズル形状を高精度に形成することが難しい。ノズル形状は、液滴吐出ヘッドの吐出特性に大きな影響を及ぼすことから高精度に形成することが望まれているが、ガラス基板に対してノズル形状を高精度に形成するには限界があった。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、ノズル基板、キャビティ基板及び電極基板を接着剤レスで接合することができ、また、ノズル形状を高精度に形成することが可能な液滴吐出ヘッド及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出する複数のノズル孔が形成されたノズル基板と、液滴を溜めておく吐出室が各ノズル孔それぞれに対応して形成され、吐出室の底面が振動板を構成しているキャビティ基板と、振動板に対向する凹部を有し、凹部の底面に振動板を駆動する個別電極が形成された電極基板とを備え、ノズル基板、キャビティ基板及び電極基板がこの順に重ねて接合された液滴吐出ヘッドであって、ノズル基板と電極基板とをシリコン基板で構成し、キャビティ基板をガラス基板で構成したものである。
これにより、これらの３枚の基板を全て陽極接合で接合することが可能となり、接着剤レスの接合が可能になる。このため、接着剤がはみ出して流路（吐出室等）を塞ぐことによる歩留まり低下を防ぐことができる。また、接着剤が吐出室内の液滴に溶け出して液滴を汚染することを防止することができる。
また、ノズル基板をシリコン基板で構成しているので、ガラス基板で構成する場合に比べてノズル孔を精度良く形成することが可能である。

また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、キャビティ基板において、各振動板の電極基板側の面には、それぞれ配線が設けられ、また、各配線の全てに導通する共通配線がキャビティ基板の電極基板との接合面上に設けられており、電極基板は、キャビティ基板と重ね合わされた際に、共通配線を収容するための凹部を有しているものである。
これにより、キャビティ基板と電極基板とを接合した際に、キャビティ基板に形成した共通配線の厚みによってキャビティ基板が電極基板の接合面から浮き上がって接合不良が生じるのを防止することができる。

また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、電極基板上に、前記個別電極から延出された端子部が形成されており、当該端子部の形成面と同一面上に、キャビティ基板に設けられた共通配線と電気的に接続される共通配線接点部が形成されているものである。
このように、個別電極の端子部と、共通配線接点部とが同一平面上に形成されているので、配線接合部が平面状に並んで形成された構成のＦＰＣを、単に、導電性接着剤を介して端子部及び共通配線接点部に重ね合わせて加熱加圧するだけで、簡単に且つ確実に配線接続を行うことができる。このため、ＦＰＣの実装信頼性が向上する。

また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、液滴を吐出する複数のノズル孔が形成されたノズル基板と、液滴を溜めておく吐出室が各ノズル孔それぞれに対応して形成され、吐出室の底面が振動板を構成しているキャビティ基板と、振動板に対向する凹部を有し、凹部の底面に振動板を駆動する個別電極が形成された電極基板とを備え、ノズル基板、キャビティ基板及び電極基板がこの順に重ねて接合された液滴吐出ヘッドの製造方法であって、ノズル基板と電極基板とをシリコン基板で構成し、キャビティ基板をガラス基板で構成し、これらの基板を全て陽極接合で接合するものである。
これにより、接着剤レスの接合が可能になる。このため、接着剤がはみ出して流路（吐出室等）を塞ぐことによる歩留まり低下を防ぐことができる。また、接着剤が吐出室内の液滴に溶け出して液滴を汚染することを防止することができる。
また、ノズル基板をシリコン基板で構成しているので、ガラス基板で構成する場合に比べてノズル孔を精度良く形成することが可能である。

また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、キャビティ基板をガラス基板から製造する工程は、ガラス基板に電鋳法でエッチングマスクを形成する工程と、エッチングマスクの形成面とは反対側の面に、振動板となるエッチングストップ層を形成する工程と、エッチングストップ層の表面に、配線部材を成膜し、配線部材を選択的にエッチングして配線及び共通配線を形成する工程と、エッチングマスクを用いてガラス基板をドライエッチングし、エッチングストップ層でエッチングストップさせてガラス基板に吐出室となる貫通孔を形成するとともに、振動板を形成する工程とを備えているものである。
このようにして製造することにより、ガラス基板からキャビティ基板を製造することができる。

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ノズル孔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１〜３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ノズル孔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に係るインクジェットヘッドの分解斜視図である。図２は、図１のインクジェットヘッドの長手方向断面図である。図３は、図１のキャビティ基板の吐出室部分の短手方向断面図である。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、ノズルが並んでいる方向を短手方向、短手方向と垂直な方向を長手方向として説明する。
本実施の形態のインクジェットヘッドは、キャビティ基板１と、電極基板２と、ノズル基板３とを有し、ノズル基板３、キャビティ基板１及び電極基板２の順に重ねて接合された三層構造となっている。また、ノズル基板３と電極基板２とはシリコン基板で構成され、キャビティ基板１はガラス基板で構成されており、これら３枚の基板は全て陽極接合で接合されている。

キャビティ基板１は例えば厚さ約１００μｍのホウ珪酸系の耐熱硬質ガラスで構成されている。ガラス基板にドライエッチングを施すことにより、吐出室５と、各吐出室共通に吐出する液体を溜めておくためのリザーバ６とが形成されている。吐出室５及びリザーバ６の底部にはドライエッチングに対するエッチングストップ層４０が厚さ約１００ｎｍで形成されており、吐出室５及びリザーバ６の底部にはガラス部材が残らないようになっている。このエッチングストップ層４０は、本実施の形態ではＨｆＯ₂ 膜で構成されている。そして、吐出室５の底面部分のエッチングストップ層４０が振動板４となっており、振動板４の電極基板２との接合面側には、配線（振動板配線）７が厚さ約３００ｎｍで形成されている。

電極基板２は例えば厚さ約１ｍｍのシリコン基板で構成されており、図１で見るとキャビティ基板１の下面に接合される。電極基板２には、キャビティ基板１に形成される各吐出室５に対向する位置に、エッチングにより深さ約０．６μｍの凹部９が設けられている。そして、電極基板２のキャビティ基板１との接合面全面には、基板絶縁膜９Ａ（図２及び図３参照）が約０．１μｍで形成されている。基板絶縁膜９Ａには、本実施の形態では、絶縁性が高く、厚みを制御しやすい熱酸化膜を用いている。

また、基板絶縁膜９Ａが形成された凹部９の底面には、振動板４と対向して個別電極（対向電極）１０が形成され、振動板４と個別電極１０との間にギャップ（空隙）Ｇを形成している。また、電極基板２には、凹部９から電極基板２の端部まで延びる深さ約０．６μｍの凹部９ａが形成されており、凹部９ａの底面には、個別電極１０から延びるリード部１０ａ及び端子部１０ｂが形成されている（以下、個別電極１０、リード部１０ａ、端子部１０ｂを合わせて電極部と呼ぶ）。

本実施の形態では、凹部９，９ａ，９ｂ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、凹部９，９ａ，９ｂ内に例えば０．１μｍの厚さでスパッタ法を用いて成膜する。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。

また、電極部の表面上には絶縁膜８が形成されている。この絶縁膜８は、インクジェットヘッドを駆動させた時の絶縁破壊や短絡を防止する目的で設けられる。絶縁膜８は、ここではＴＥＯＳ（Tetraethyl orthosilicate Tetraethoxysilane：テトラエトキシシラン、珪酸エチル）膜が０．１μｍの厚みでプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成されている（図２及び図３参照）。ここで絶縁膜８の材料はＴＥＯＳ膜に限定するものではなく、Ａｌ₂Ｏ₃膜等の絶縁材料を用いてもよい。

本実施の形態では、凹部９の深さが０．６μｍ、基板絶縁膜９Ａの厚みが０．１μｍ、絶縁膜８の厚みが０．１μｍ、個別電極１０の厚みが０．１μｍ、振動板配線７の厚みが０．３μｍであるため、振動板配線７と絶縁膜８との間には、ギャップ長０．１μｍのギャップＧが形成されている。また、電極基板２には、リザーバ６と連通するインク供給穴１３が設けられている。

個別電極１０から延出された端子部１０ｂは、配線のためにキャビティ基板１の末端部が開口された貫通穴２１内に露出しており、ＦＰＣ（Flexible Print Circuit）（図示せず）を介して発振回路１１に接続されている。また、端子部１０ｂが並設された形成面と同一面上に、各振動板配線７に共通の共通電極端子２０ａが形成されており、ＦＰＣ（図示せず）を介して発振回路１１に接続されている。共通電極端子２０ａと振動板配線７との接続については、後述の図４及び図５を用いて詳細に説明する。

発振回路１１は、端子部１０ｂを介して個別電極１０への電荷の供給及び停止の制御をする。また、ギャップＧの端部には、例えばエポキシ系樹脂で構成された封止材１２が充填されており、個別電極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４の底面や個別電極１０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個別電極１０と振動板４の貼り付き等の防止を図っている。

ノズル基板３は例えば厚さ約１８０μｍのシリコン基板で構成されており、複数のノズル孔１４が設けられる領域に凹部１７が形成され、凹部１７の底面に吐出室５と連通するノズル孔１４が開口している。ノズル孔１４は、ノズル基板３の表面に対して垂直な筒状の第一ノズル１４ａと、第一ノズル１４ａと同軸上に設けられ第一ノズル１４ａよりも径（あるいは横断面積）の大きい第二ノズル１４ｂとから構成されている。このようにノズル孔１４を２段の孔を持つ構造とすることにより、インク液滴の吐出方向をノズル孔１４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、インク液滴の飛翔方向のばらつきがなくなり、またインク液滴の飛び散りがなく、インク液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と接合される側の面）には、吐出室５とリザーバ６とを連通させるためのオリフィス１５が形成されている。また、ノズル基板３の両端には、キャビティ基板１に形成されているリザーバ６に対向してリザーバ６内の圧力変動を抑制するダイヤフラム１６が形成されている。ダイヤフラム１６は、リザーバ６のコンプライアンスを高め、インクジェットヘッド駆動時のクロストークを吸収するために設けられている。また、ノズル基板３において電極基板２の端子部１０ｂに対向する部分には、電極取り出し用の貫通穴２２が形成されている。

以下、振動板配線７と共通配線接点部２０（共通電極端子２０ａ）との接続について、図４及び図５を用いて詳細に説明する。
図４は、振動板配線７と共通電極端子２０ａとの接続状態の説明図で、ヘッドチップ（ダイシング前）のキャビティ基板１と電極基板２とを接合した状態をキャビティ基板１側から見た図である。なお、図４において、必要部分のみを抽出して示しており、その他の部分は図示省略している。また、図４において、振動板配線７及び振動板共通配線７ａを図の見やすさの観点から実線で図示している。図５は、ヘッドチップ（ダイシング前）の電極基板２の上面図である。なお、図４及び図５では、ヘッドチップがダイシングによって切断される前の、個々のインクジェットヘッドとなる部分の周辺を示している。また、図４及び図５のインクジェットヘッドでは、電極部等の部材を５つしか記載していないが、実際には１つのインクジェットヘッドには多くのノズル孔が存在し、その数に応じた電極部が形成されている。

キャビティ基板１において、振動板４の電極基板２との接合面側に振動板配線７が形成されていることについては上述した通りであるが、キャビティ基板１の電極基板２との接合面には更に、各振動板配線７の全てに導通する振動板共通配線７ａが形成され、キャビティ基板１の端面側へと延出されている。振動板配線７及び振動板共通配線７ａは、ボロンを拡散した多結晶シリコンで構成されている。

また、図５に示すように、全ての個別電極１０は、各端子部１０ｂを結ぶ個別電極共通端子部１０ｃで導通している。そして、個別電極共通端子部１０ｃは更に延出され、その延出部分を一部覆うようにして共通配線接点部２０が形成されている。本実施の形態において共通配線接点部２０は、スパッタリング法により成膜した厚さ約０．２μｍのＣｒ（５０ｎｍ）／Ａｕ（１５０ｎｍ）で形成されている。ここで、共通配線接点部２０の材料はＣｒ／Ａｕに限定するものではなく、ＩＴＯ等を材料に用いてもよい。

また、電極基板２には、キャビティ基板１との接合のためにキャビティ基板１に重ね合わされた際に、キャビティ基板１に設けられた振動板共通配線７ａを収容するための凹部９ｂが設けられている。この凹部９，９ａ，９ｂにより、キャビティ基板１と電極基板２とを陽極接合する際に、振動板配線７及び振動板共通配線７ａの厚みによってキャビティ基板１が電極基板２の接合面と接触せずに浮き上がり、接合不良が生じるのを防止することができるようになっている。なお、凹部９ｂは、凹部９，９ａと連通しており、凹部９，９ａと同様に深さ約０．６μｍで構成されている。

また、キャビティ基板１と電極基板２との接合時に両基板を重ねることにより、振動板共通配線７ａの端部と共通配線接点部２０とが接触して電気的に接続する。これにより、陽極接合時に等電位を確保し、振動板４と個別電極１０との間で放電が起こるのを防ぐことができるようになっている。

なお、図４及び図５に示すダイシングラインは、ウェハに一体形成された複数のインクジェットヘッドを切り離す際のラインである。したがって、図４及び図５においてダイシングラインよりも右側にある部分は、完成されたインクジェットヘッドには残らない。このため、個別電極共通端子部１０ｃは切り離され、端子部１０ｂは、個々の個別電極１０毎に分離される。

ダイシング後、個別電極１０の端子部１０ｂはＦＰＣ（図示せず）と接続される。また、各振動板配線７は、振動板共通配線７ａを介して電極基板２上に設けられた共通配線接点部２０と電気的に接続されているが、その接続部分において個別電極共通端子部１０ｃ（ＩＴＯ膜）が下地に無い部分は各振動板配線７の共通電極端子２０ａとして機能し、ＦＰＣ（図示せず）と接続される。

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。
発振回路１１は例えば２４ｋＨｚで発振し、個別電極１０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１１が駆動し、個別電極１０に電荷を供給して正に帯電させると、振動板４の振動板配線７は負に帯電し、静電気力により個別電極１０に引き寄せられて撓む。これにより吐出室５の容積は広がる。そして個別電極１０への電荷供給を止めると振動板４は元に戻る。このとき、吐出室５の容積も元に戻るため、その圧力により差分のインク液滴が吐出する。このインク液滴が、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が行われる。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、振動板４が再び下方へ撓むことにより、インクがリザーバ６よりオリフィス１５を通じて吐出室５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、電極基板２上に形成したインク供給穴１３により行う。

次に、本実施の形態のインクジェットヘッドの製造方法について、図６〜図１１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、シリコン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６〜図１１ではその一部分だけを示している。

図６及び図７は、電極基板の製造方法を表す図で、以下、電極基板の製造方法について説明する。
（ａ）厚さ約１ｍｍの両面鏡面のシリコン基板２００を用意し、両面にエッチングマスクとなる熱酸化膜（ＳｉＯ₂膜）２０１を約１μｍの厚みで形成する。
（ｂ）形成したＳｉＯ₂膜２０１の片面にレジスト２０２を塗布し、凹部９、９ａ、９ｂを作りこむ為のレジストパターニングを施す。
（ｃ）緩衝フッ酸水溶液でＳｉＯ₂膜２０１をエッチングし、ＳｉＯ₂膜２０１をパターニングする。そしてレジスト２０２を剥離する。

（ｄ）ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）ドライエッチング装置を用いて、先にパターニングした面から凹部９、９ａ、９ｂを約０．６μｍ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２サイクル行う。
（ｅ）希釈フッ酸水溶液にシリコン基板２００を浸し、ＳｉＯ₂膜２０１を剥離する。

（ｆ）シリコン基板２００の両面に基板絶縁膜９Ａとなる熱酸化膜（ＳｉＯ₂膜）２０３を約０．１μｍ形成する。
（ｇ）例えばスパッタリング法を用いて、凹部９、９ａ、９ｂを形成した面全体に厚さ０．１μｍの電極膜２０４を形成する。本実施の形態では電極膜２０４としてＩＴＯを用いる。
（ｈ）電極膜２０４の表面にレジスト２０５を塗布し、凹部９、９ａ、９ｂ内に個別電極１０、リード部１０ａ、端子部１０ｂを形成するためのレジストパターニングを施す。
（ｉ）硝酸と塩酸の混合液を用いて電極膜２０４をエッチングする。

（ｊ）レジスト２０５を剥離する。
（ｋ）電極膜２０４を形成した面にプラズマＣＶＤ法により絶縁膜８を形成する。ここでは、ＴＥＯＳ絶縁膜を形成するものとし、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。ここで絶縁膜８の材料はＴＥＯＳ膜に限定するものではなく、Ａｌ₂Ｏ₃膜等の絶縁材料を用いてもよい。

（ｌ）絶縁膜８の表面にレジスト２０６を塗布し、レジスト２０６をマスクとしたエッチング後に凹部９、９ａ、９ｂ内に絶縁膜８が残るようにレジストパターニングを施す。ただし、凹部９ａ内の端子部１０ｂ上に関しては絶縁膜８が残らないようにレジスト２０６をパターニングする。
（ｍ）ＲＩＥドライエッチングを行い、凹部９、９ａ、９ｂ以外に付いた絶縁膜８及び端子部１０ｂに付いた絶縁膜８をエッチングする。
（ｎ）レジスト２０６を剥離する。

（ｏ）シリコンマスク（図示せず）をパターニング面に取り付け、スパッタリング法により共通配線接点部２０を形成する。共通配線接点部２０は、Ｃｒ（５０ｎｍ）膜とＡｕ（１５０ｎｍ）膜とを順次選択的に形成し、全体として厚さ約０．２μｍに形成して構成する。ここで、共通配線接点部２０の材料はＣｒ／Ａｕに限定するものではなく、ＩＴＯ等を材料に用いてもよい。そしてシリコンマスクを取り外す。
（ｐ）サンドブラスト加工または切削加工によりインク供給穴１３を形成する。
以上により、電極基板２が作製される。

図８及び図９は、キャビティ基板の製造方法を表す図である。キャビティ基板の製造工程は、大きく分けて以下の５つの工程から構成されている。すなわち、エッチングマスクを形成する第１工程と、最終的に振動板となるエッチングストップ層を形成する第２工程と、振動板配線及び振動板共通配線を形成する第３工程と、エッチングマスクを用いてドライエッチングを行う第４工程と、エッチングマスクを除去する第５工程とから構成されている。以下、順に説明する。

＜第１工程＞
（ａ）厚さ約１ｍｍの両面鏡面のホウ珪酸系の耐熱硬質ガラスで構成されたガラス基板１００を用意し、片面にスパッタリング法を用いて後述の電鋳法におけるシード層１０１を形成する。ここでは、Ｃｒ（８０ｎｍ）膜を形成した後、Ａｕ（８０ｎｍ）膜を形成することによりシード層１０１を構成する。
（ｂ）シード層１０１成膜面にレジスト１０２を塗布し、吐出室５、リザーバ６、貫通穴２１に対応したレジストパターニングを施す。
（ｃ）電鋳法によりシード層１０１部分に、エッチングマスクとなるニッケル膜１０３を厚み１５μｍで形成する。ここで形成される膜は、後述の（ｈ）工程におけるドライエッチングに対する耐性があることが好ましく、また、エッチングマスクとして用いられることから高密度にパターニングできることが望まれ、ここではニッケルを用いるようにしている。

＜第２工程＞
（ｄ）レジスト１０２を剥離する。そして、ニッケル膜１０３が形成された面とは反対側の面にエッチングストップ層１０４を形成する。ここでは、エッチングストップ層１０４としてＨｆＯ₂膜１０４を用いる。ＨｆＯ₂膜１０４は、熱ＣＶＤ法により成膜時の処理温度は２５０℃、使用ガスはＴＥＭＡＨ（Tetra N-ethyl-N-methylamino Hafnium）、オゾン流量４０００ｃｍ₃／ｍｉｎ（４０００ｓｃｃｍ）の条件で、厚み０．１μｍに形成する。エッチングストップ層１０４は、ＨｆＯ₂膜に限定するものではなく、ＳｉＯ₂膜等のドライエッチングガスに耐性を示し、陽極接合が可能な膜を用いてもよい。このエッチングストップ層１０４は、最終的に振動板４となるものである。

＜第３工程＞
（ｅ）エッチングストップ層１０４の上に多結晶シリコン膜１０５をＥＣＲスパッタリング法により０．２μｍに形成する。そしてボロンをイオン注入して、多結晶シリコン膜１０５の抵抗値を下げる。ここでは、０．０１Ωｃｍ以下に下げることができる。
（ｆ）多結晶シリコン膜１０５上にレジスト１０６を塗布し、振動板配線７となる部分及び振動板共通配線７ａとなる部分が残るようにレジストパターニングを施す。
（ｇ）パターニングされたレジスト１０６をマスクとしてＲＩＥドライエッチングを行い、振動板配線７となる部分及び振動板共通配線７ａとなる部分以外の多結晶シリコン膜１０５をエッチング除去する。そしてレジスト１０６を剥離する。これにより、振動板配線７及び振動板共通配線７ａ（図９には図示せず）が形成される。

＜第４工程＞
（ｈ）ニッケル膜１０３をエッチングマスクとしてＩＣＰドライエッチングを行い、吐出室５に対応する部分５ａ、リザーバ６に対応する部分６ａ及び貫通穴２１に対応する部分２１ａのシード層（Ｃｕ／Ａｕ層）１０１及びガラス基板１００をエッチングする。エッチング条件は、エッチングガスはＳＦ₆、チャンバー圧力０．２Ｐａ、ＲＦパワー１５０Ｗ、プラテン温度２０℃である。エッチングストップ層１０４に達した時点でエッチングを終了する。これにより、吐出室５及びリザーバ６が形成される。そして、エッチングストップ層１０４において、吐出室５に対応する部分が振動板４となる。

＜第５工程＞
（ｉ）硝酸水溶液でニッケル膜１０３を、ヨウ素とヨウ化カリウム混合水溶液でシード層１０１のＡｕを、硝酸セリウムアンモニウム水溶液でシード層１０１のＣｒを剥離する。
（ｊ）シリコンマスク（図示せず）を取り付け、貫通穴２１に対応する部分２１ａのエッチングストップ層１０４をエッチングし、貫通させる。ＨｆＯ₂膜をエッチングストップ層１０４とした場合、ＣＨＦ₃ガスを用いたＲＩＥドライエッチングによりエッチングする。エッチング後、シリコンマスクを取り外す。
以上により、キャビティ基板１が作製される。

図１０は、ノズル基板の製造方法を表す図である。
（ａ）厚さ１８０μｍ、結晶方位（１００）、片面鏡面のシリコン基板３００を用意し、酸素及び水蒸気雰囲気中、１０７５℃の温度で、８時間熱酸化処理を施し、シリコン基板３００の両面に約１．８μｍのＳｉＯ₂膜３０１を形成する。
（ｂ）鏡面側のＳｉＯ₂膜３０１にレジストを塗布し、第一ノズル（径の小さい方）１４ａ及び電極取出し用の貫通穴２２を作り込む為のパターニングを施す。そして、ＳｉＯ₂ 膜３０１をエッチングして、第一ノズル１４ａに対応する部分３１１及び電極取り出し用の貫通穴２２に対応する部分３１２のＳｉＯ₂ 膜３０１を開口する。パターニング時にはパターニング面と反対面にレジストを塗布して、ＳｉＯ₂膜３０１が剥離されないようにする。
（ｃ）前記パターニングを施した面と同一面にレジストを塗布し、第二ノズル１４ｂ、オリフィス１５及びダイヤフラム１６を作り込む為のパターニングを施す。そして、ＳｉＯ₂ 膜３０１をハーフエッチングして、第二ノズル１４ｂに対応する部分３１３、オリフィス１５に対応する部分３１４及びダイヤフラム１６に対応する部分３１５のＳｉＯ₂膜３０１を薄くし、約１．０μｍのＳｉＯ₂膜３０１が残るようにする。

（ｄ）パターニングされたＳｉＯ₂膜３０１をマスクとしてシリコン基板３００にＩＣＰドライエッチング加工を施す。これにより、第一ノズル１４ａとなる部分と電極取り出し用の貫通穴２２となる部分がまず約２２μｍエッチングする。その後、シリコン基板３００をＨＦ水溶液に浸し、第二ノズル１４ｂに対応する部分３１３、オリフィス１５に対応する部分３１４及びダイヤフラム１６に対応する部分３１５のＳｉＯ₂膜３０１をエッチングする。そしてもう一度ＩＣＰエッチングを行い、約５５μｍエッチングする。これにより、第一ノズル１４ａ及び電極取り出し用の貫通穴２２の深さは約７７μｍとなり、第二ノズル１４ｂ、オリフィス１５及びダイヤフラム１６の深さは約５５μｍとなる。ＩＣＰエッチング後、シリコン基板３００をＨＦ水溶液に浸し、シリコン基板全面に成膜されているＳｉＯ₂膜３０１を剥離する。

ここで、（ｄ）工程におけ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２２μｍエッチングする場合は約４０サイクル行い、約５５μｍエッチングする場合は約１００サイクル行う。

（ｅ）シリコン基板３００を酸素及び水蒸気雰囲気中、１０７５℃の温度で、４時間熱酸化処理を施し、シリコン基板３００の両面に約１．２μｍのＳｉＯ₂膜３０２を形成する。
（ｆ）シリコン基板３００の両面にレジストを塗布し、ＩＣＰ加工を施した面と反対面に凹部１７、ダイヤフラム１６及び電極取出し用の貫通穴２２を作り込む為のパターニングを施す。そして、ＳｉＯ₂膜３０２をエッチングしてＳｉＯ₂膜３０２をパターニングし、凹部１７に対応する部分３２１、ダイヤフラム１６に対応する部分３２２及び電極取出し用の貫通穴２２に対応する部分３２３のＳｉＯ₂膜３０２を開口する。ＳｉＯ₂膜３０２のパターニング時にはパターニング面と反対面にもレジストを塗布することで、ＳｉＯ₂膜３０２が剥離されないようにする。

（ｇ）パターニングされたＳｉＯ₂膜３０２をマスクとして２５ｗｔ％ＫＯＨ水溶液で約１０３μｍエッチングを行う。これにより、凹部１７が形成されるとともに、ダイヤフラム１６となる部分には厚み約２２μｍの薄板が残った状態に形成される。
（ｈ）シリコン基板３００をＨＦ水溶液に浸し、全面に成膜されているＳｉＯ₂膜３０２を剥離する。これにより、第一ノズル１４ａが貫通してノズル孔１４が形成され、電極取り出し用の貫通穴２２が貫通する。
（ｉ）インクによるシリコン基板３００のエッチングの防止を行う為に、シリコン基板３００を酸素雰囲気中、１０００℃の温度で、３．５時間熱酸化処理を施し、シリコン基板３００の両面に約０．１μｍのＳｉＯ₂膜３０３を形成する。
以上により、ノズル基板３が作製される。

図１１は、インクジェットヘッドの製造方法を表す図である。なお、実際には、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１１ではその一部分だけを示している。
（ａ）キャビティ基板１と電極基板２とを重ね合わせた状態で３６０℃に加熱した後、キャビティ基板１に負極、電極基板２に正極を接続して、８００Ｖの電圧を印加して陽極接合する。この時、個別電極１０の配線と振動板配線７とは、共通電極端子２０ａ部分（図４参照）で電気的に接続されており、放電が起こることが無い。また、電極基板２には、振動板配線７及び振動板共通配線７ａに対応する部分に凹部９，９ａ，９ｂが設けられているため、キャビティ基板１と電極基板２とを重ね合わせた際に、両基板が互いの接合面で密接に接触し、接合不良が生じるのを防止することができるようになっている。
（ｂ）電極基板２のインク供給穴１３に対応するリザーバ６底のエッチングストップ層１０４をピン等で突いて開口する。
（ｃ）ギャップＧ内の水分除去及び疎水化処理を行った後、エポキシ系樹脂で構成された封止材１２を盛り、個別電極１０毎の封止を行う。
（ｄ）キャビティ基板１と電極基板２とを接合した接合基板とノズル基板３とを３６０℃に加熱した後、キャビティ基板１に負極、ノズル基板３に正極を接続して、８００Ｖの電圧を印加して陽極接合する。そして、ダイシングライン（図４，図５参照）に沿ってダイシングを行い、個々のヘッドに切断する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ノズル基板３と電極基板２とをシリコン基板で構成し、キャビティ基板１をガラス基板で構成し、これらの基板を全て陽極接合で接合するようにしたので、接着剤レスの接合が可能になる。このため、接着剤がはみ出して流路（吐出室５，リザーバ６等）を塞ぐことによる歩留まり低下を防ぐことができる。また、接着剤が吐出室５内のインク液滴に溶け出してインク液滴を汚染することを防止することができる。また、ノズル基板３をシリコン基板で構成しているので、従来のようにノズル基板３をガラス基板で構成する場合のノズル孔の精度面での不都合を回避でき、３枚の全ての基板の陽極接合を可能としながらもノズル孔を精度良く形成することが可能となる。

また、電極基板２に、振動板共通配線７ａに対応した凹部９ｂを形成したので、キャビティ基板１と電極基板２とを接合した際に、キャビティ基板１に形成した振動板共通配線７ａの厚みによってキャビティ基板１が電極基板２の接合面から浮き上がって接合不良が生じるのを防止することができる。

また、キャビティ基板１側に形成した振動板共通配線７ａを、電極基板２側に設けた共通配線接点部２０に電気的に接続させる構造とし、また、その共通配線接点部２０から構成される共通電極端子２０ａを、端子部１０ｂと同一面上に設けたので、配線接合部が平面状に並んで形成された構成のＦＰＣを、単に、導電性接着剤を介して端子部１０ｂ及び共通電極端子２０ａに重ね合わせて加熱加圧するだけで、簡単に且つ確実に配線接続を行うことができる。このため、ＦＰＣの実装信頼性が向上する。

上記の実施の形態では、インクを吐出するインクジェットヘッド及びそ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、本発明の技術思想の範囲内で種々変更することができる。例えば、ノズル孔１４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、プリント配線基板製造装置にて製造する配線基板の配線部分の形成、生体液体の吐出（プロテインチップやＤＮＡチップの製造）など、様々な用途の液滴吐出装置に適用することができる。また、本発明の液滴吐出ヘッドは、上述したように接着剤レスの接合が可能であるため、接着剤が吐出液体に溶け出して吐出液体を汚染することがないため、吐出液体として生体液体を用いる場合に好適である。

本発明の一実施の形態に係る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長手方向断面図。 図１のキャビティ基板の吐出室部分の短手方向断面図。 振動板配線及び振動板共通配線と振動板配線接点部との接続状態の説明図。 電極基板となるガラス基板の上面図。 電極基板の製造方法を表す図。 図６に続く電極基板の製造方法を表す図。 キャビティ基板の製造方法を表す図。 図８に続くキャビティ基板の製造方法を表す図。 ノズル基板の製造方法を表す図。 インクジェットヘッドの製造方法を表す図。

符号の説明

１ キャビティ基板、２ 電極基板、３ ノズル基板、４ 振動板、５ 吐出室、７ 振動板配線、７ａ 振動板共通配線、９ 凹部、９ａ 凹部、９ｂ 凹部、１０ 個別電極、１４ ノズル孔、２０ 共通配線接点部、２０ａ 共通電極端子、１０４ エッチングストップ層。

Claims (5)

1. 液滴を吐出する複数のノズル孔が形成されたノズル基板と、
   前記液滴を溜めておく吐出室が前記各ノズル孔それぞれに対応して形成され、前記吐出室の底面が振動板を構成しているキャビティ基板と、
   前記振動板に対向する凹部を有し、前記凹部の底面に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を備え、前記ノズル基板、前記キャビティ基板及び前記電極基板がこの順に重ねて接合された液滴吐出ヘッドであって、
   前記ノズル基板と前記電極基板とをシリコン基板で構成し、前記キャビティ基板をガラス基板で構成したことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
2. 前記キャビティ基板において、前記各振動板の前記電極基板側の面には、それぞれ配線が設けられ、また、前記各配線の全てに導通する共通配線が前記キャビティ基板の前記電極基板との接合面上に設けられており、前記電極基板は、前記キャビティ基板と重ね合わされた際に、前記共通配線を収容するための凹部を有していることを特徴とする請求項１記載の液滴吐出ヘッド。
3. 前記電極基板上には、前記個別電極から延出された端子部が形成されており、当該端子部の形成面と同一面上に、前記キャビティ基板に設けられた前記共通配線と電気的に接続される共通配線接点部が形成されていることを特徴とする請求項２記載の液滴吐出ヘッド。
4. 液滴を吐出する複数のノズル孔が形成されたノズル基板と、前記液滴を溜めておく吐出室が前記各ノズル孔それぞれに対応して形成され、前記吐出室の底面が振動板を構成しているキャビティ基板と、前記振動板に対向する凹部を有し、前記凹部の底面に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を備え、前記ノズル基板、前記キャビティ基板及び前記電極基板がこの順に重ねて接合された液滴吐出ヘッドの製造方法であって、
   前記ノズル基板と前記電極基板とをシリコン基板で構成し、前記キャビティ基板をガラス基板で構成し、これらの基板を全て陽極接合で接合することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
5. 前記キャビティ基板を前記ガラス基板から製造する工程は、前記ガラス基板に電鋳法でエッチングマスクを形成する工程と、前記エッチングマスクの形成面とは反対側の面に、前記振動板となるエッチングストップ層を形成する工程と、前記エッチングストップ層の表面に、配線部材を成膜し、前記配線部材を選択的にエッチングして配線及び共通配線を形成する工程と、前記エッチングマスクを用いて前記ガラス基板をドライエッチングし、前記エッチングストップ層でエッチングストップさせて前記ガラス基板に前記吐出室となる貫通孔を形成するとともに、前記振動板を形成する工程とを備えていることを特徴とする請求項４記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。

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