JP2018089893A - 液体吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】吐出口を高密度に配置することができ、振動板の十分な変位量を得ることができる液体吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】液体吐出ヘッド１００は、基板１０１と、基板１０１に設けられた圧電素子１２０と、基板１０１の圧電素子１２０が設けられた面に設けられ、液体を吐出するための吐出口１０８を有する吐出口形成部材１３０であって、基板１０１との間に、吐出口１０８に連通し圧電素子１２０を内部に備えた圧力室１０７を形成する吐出口形成部材１３０と、基板１０１と圧電素子１２０との間に設けられ、基板１０１との間に空間部１０２を形成する第１の薄膜１０３と、圧電素子１２０を挟んで第１の薄膜１０３の反対側に設けられた第２の薄膜１４０と、を有し、第１の薄膜１０３が、圧電素子１２０の側面に接しないように設けられているとともに、第２の薄膜１４０よりも高い剛性を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子を用いて吐出口から液体を吐出する液体吐出ヘッドに関する。

インクなどの液体を吐出して記録媒体に画像を記録する液体吐出装置には、多くの場合、液体を貯留する圧力室内に圧力を発生させることで、圧力室の一端に形成された吐出口から液体を吐出する方式の液体吐出ヘッドが用いられている。圧力を発生させる方法として、圧電素子によって圧力室を収縮させる方法が知られており、圧電素子を用いた液体吐出ヘッドとして、いわゆるベンドモード型の液体吐出ヘッドが知られている。ベンドモード型の液体吐出ヘッドは、圧電素子と振動板とからなる積層構造を有し、電圧を印加することで圧電素子を面内方向に収縮させ、それにより、振動板を面外方向に変形（曲げ変形）させることで、圧力室内に圧力を発生させるものである。
このような液体吐出ヘッドにおいて、高解像度の画像を記録するためには、吐出口を高密度に配置することが必要になる。特許文献１には、フォトリソグラフィによる高精度な加工によって吐出口を高密度に配置可能な液体吐出ヘッドの製造方法が記載されている。

特開２００７−１６８１１０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の製造方法では、基板上に、後のエッチングプロセスで除去されて空間部を形成する犠牲層を形成し、その上に圧電素子を形成し、さらにその上に振動板を形成するため、圧電素子の側面に振動板が接する構成になる。そのため、圧電素子が変位する際に、振動板が圧電素子の変位を拘束して変位効率を低下させ、結果的に、振動板の十分な変位量が得られなくなる。
そこで、本発明の目的は、吐出口を高密度に配置することができ、かつ振動板の十分な変位量が得られる液体吐出ヘッドおよびその製造方法を提供することである。

上述した目的を達成するために、本発明の液体吐出ヘッドは、基板と、基板に設けられた圧電素子と、基板の圧電素子が設けられた面に設けられ、液体を吐出するための吐出口を有する吐出口形成部材であって、基板との間に、吐出口に連通し圧電素子を内部に備えた圧力室を形成する吐出口形成部材と、基板と圧電素子との間に設けられ、基板との間に空間部を形成する第１の薄膜と、圧電素子を挟んで第１の薄膜の反対側に設けられた第２の薄膜と、を有し、第１の薄膜が、圧電素子の側面に接しないように設けられているとともに、第２の薄膜よりも高い剛性を有している。
また、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法は、基板の上に犠牲層を形成する工程と、犠牲層の上に第１の薄膜を形成する工程と、第１の薄膜の上に圧電素子を形成する工程と、圧電素子の上に、第１の薄膜よりも剛性が低い第２の薄膜を形成する工程と、基板の圧電素子が設けられた面に、液体を吐出するための吐出口を有する吐出口形成部材を設け、基板との間に、吐出口に連通し圧電素子を内部に備えた圧力室を形成する工程と、犠牲層を除去して基板と第１の薄膜との間に空間部を形成する工程と、を含んでいる。
このような液体吐出ヘッドおよび液体吐出ヘッドの製造方法では、第１の薄膜が第２の薄膜よりも高い剛性を有することで振動板として機能し、その第１の薄膜の上に圧電素子が形成されるため、振動板が圧電素子の側面に接することがない。そのため、振動板が圧電素子の変位を拘束して変位効率を低下させることを抑制することができる。

本発明によれば、吐出口を高密度に配置することができ、かつ振動板の十分な変位量が得られる液体吐出ヘッドおよびその製造方法を提供することができる。

第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの概略断面図である。 第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの概略平面図である。 第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法を示す概略断面図である。 第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法を示す概略断面図である。 第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの概略断面図である。 第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法を示す概略断面図である。 第３の実施形態に係る液体吐出ヘッドの概略断面図である。 第３の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法を示す概略断面図である。

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。

（第１の実施形態）
図１および図２を参照して、本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの構成について説明する。図１（ａ）は、本実施形態の液体吐出ヘッドを示す概略断面図であり、図１（ｂ）は、本実施形態の液体吐出ヘッドの変形例を示す概略断面図である。図２は、本実施形態の液体吐出ヘッドの概略平面図である。

図１（ａ）を参照すると、液体吐出ヘッド１００は、基板１０１と、圧電素子１２０と、吐出口形成部材１３０と、第１の薄膜１０３と、第２の薄膜１４０とを有している。圧電素子１２０は、基板１０１に設けられ、圧電体１０４、上部電極１０５、および下部電極１０６から構成されている。下部電極１０６と圧電体１０４と上部電極１０５とは、基板１０１の厚み方向にこの順で積層されている。吐出口形成部材１３０は、基板１０１の圧電素子１２０が設けられた面に設けられ、インクなどの液体を吐出するための吐出口１０８を有し、基板１０１との間に、吐出口１０８に連通し、圧電素子１２０を内部に備えた圧力室１０７を形成している。なお、基板１０１には、圧力室１０７に連通して圧力室１０７に液体を供給するための供給口１０９が基板１０１を貫通して形成されている。
第１の薄膜１０３は、基板１０１と圧電素子１２０との間に設けられ、基板１０１との間に空間部１０２を形成している。詳細は後述するが、第１の薄膜１０３は、圧力室１０７内に圧力を発生させる振動板として機能し、空間部１０２は、この振動板としての第１の薄膜１０３を変位させるために設けられている。すなわち、圧電素子１２０の駆動により振動板としての第１の薄膜１０３が変位し、それにより、圧力室１０７内に圧力を発生させることで、圧力室１０７内の液体を吐出口１０８から吐出することができる。高精細な画像記録を行うためには、各吐出口１０８について独立に液体の吐出動作を制御できることが好ましい。そのため、振動板としての第１の薄膜１０３は、複数の圧力室１０７に共通のものとして設けられていてもよいが、圧力室１０７ごとに独立して設けられていることが好ましい。第２の薄膜１４０は、２つの保護膜１１０，１１１から構成され、圧電素子１２０の保護膜として機能する。

基板１０１には、上述した供給口１０９の他に、空間部１０２に連通する連通孔２０２が基板１０１を貫通して形成されている。連通孔２０２は、空間部１０２の底面（基板１０１の空間部１０２に面する領域）の面積よりも小さい開口面積で空間部１０２に連通し、後述するように、空間部１０２を形成するためのエッチングプロセスにおいてエッチングホールとして用いられる。基板１０１の圧電素子１２０が設けられた面と反対側の面には、連通孔２０２の端部を閉塞する閉塞層２０８が設けられ、それにより、空間部１０２を、液体の流路である供給口１０９や圧力室１０７と連通しないようにすることができる。基板１０１と第１の薄膜１０３との間、すなわち、空間部１０２との間には、図１（ｂ）に示すように、上述したエッチングプロセスにおいて基板１０１を保護するための基板保護膜（第３の薄膜）２０５が設けられていてもよい。同様に、供給口１０９および連通孔２０２の内壁には、図１（ｂ）に示すように、供給口１０９および連通孔２０２をエッチャントから保護するための内壁保護膜（第４の薄膜）２０６が設けられていてもよい。

図２を参照すると、圧力室１０７はマトリクス状に配置され、それに応じて、吐出口１０８もマトリクス状に配置されて複数の吐出口列を形成している。ここでは、一例として、吐出口列内では吐出口１０８が１５０ｄｐｉ（約１６９μｍ）のピッチで配置され、隣接する吐出口列同士は吐出口１０８の配列方向に１２００ｄｐｉ（約２１μｍ）ずれて配置された場合の、各要素の平面サイズについて説明する。
圧力室１０７の平面サイズを１２０μｍ×２１０μｍとすると、各吐出口列において隣接する２つの圧力室１０７の間の壁幅は約４９μｍとなる。このとき、空間部１０２によって決定される圧電素子１２０の変位領域は、圧力室１０７の平面サイズよりも若干小さく、１１５μｍ×２００μｍとすることができる。このようなサイズの変位領域を有する圧電素子１２０による圧力室１０７の容積変化量（単位電圧当たりの容積変化）は、０．２６ｐＬ／Ｖ程度である。したがって、駆動電圧を２５Ｖとすれば、６．５ｐＬ程度の容積変化が得られ、４ｐＬ程度の液体を吐出することができる。また、供給口１０９の平面サイズは、クロストークを抑制でき、また、液体再充填に関する十分な性能を有することを考慮すると、１２０μｍ×８０μｍ程度である。また、隣接する吐出口列同士の間隔を３５０μｍとすると、その間の壁幅は３０μｍとなる。

以下に、図３および図４を参照して、本実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法について説明する。図３および図４は、本実施形態の製造方法の各工程における液体吐出ヘッドの概略断面図である。なお、以下の工程（３ａ）〜（３ｌ）は、図３（ａ）から図３（ｌ）に対応し、工程（４ａ）〜（４ｆ）は、図４（ａ）から図４（ｆ）に対応する。

（３ａ）基板１０１として、シリコン（Ｓｉ）からなる基板を用意する。基板１０１には予め配線層１０１ａが形成されている。配線層１０１ａの配線材料としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）やその化合物、または、タングステン（Ｗ）を使用することができる。Ａｌを用いると配線の電気抵抗を下げることができるが、配線の形成後に高温プロセスを行う場合にはＷを用いることが好ましい。また、配線１０１ａの表面は、後に上部電極１０５や下部電極１０６への引き出し配線を電気的に接続するために、一部を露出させ、それ以外の部分をＳｉＮやＳｉＯ_２などによって保護することができる。配線層１０１ａは、配線数を減らすために、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）のような集積回路を含んでいてもよい。ＣＭＯＳの機能としては、例えば、スイッチを構成し、画像データに合わせて吐出信号をＯＮ／ＯＦＦする機能などが挙げられる。

（３ｂ）フォトリソグラフィによって、基板１０１上に犠牲層２０１を形成する。犠牲層２０１は、後のエッチングプロセスで除去されるため、その材料としては、周囲の部材に対するエッチング選択性が高く、また、エッチング速度が速いものを用いることが好ましい。このような犠牲層２０１、周囲の部材、およびエッチャントの組み合わせには、以下のようなものがある。例えば、第１の組み合わせとしては、犠牲層２０１をＡｌとし、周囲の部材をＳｉとし、エッチャントをＡｌウェットエッチャントとする組み合わせがある。また、第２の組み合わせとしては、犠牲層２０１をＳｉＯ_２とし、周囲の部材をＳｉとし、エッチャントをＨＦとする組み合わせがある。特にエッチャントとして気相ＨＦを用いると、狭い犠牲層２０１でも効率よくエッチングすることができる。ただし、犠牲層２０１にＳｉＯ_２を用い、他の部材にもＳｉＯ_２を用いる場合、他の部材の表面を予め保護しておく必要がある。また、第３の組み合わせとしては、犠牲層２０１をＳｉとし、周囲の部材をＳｉＯ_２とし、エッチャントをＸｅＦ_２（ドライエッチング）とする組み合わせがある。この場合、図１（ｂ）に示すように、Ｓｉからなる基板１０１を保護するために、犠牲層２０１の成膜前に、基板１０１上に基板保護膜２０５を成膜する必要がある。この他にもエッチング選択性を確保することができれば、別の組み合わせを用いることもできる。
圧電素子１２０の変位量を数百ｎｍ程度とする場合、犠牲層２０１の厚さは、５００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下であることが好ましい。これは、犠牲層２０１が厚くなると圧電素子１２０の断面形状における段差が大きくなるためである。犠牲層２０１の平面サイズは、液体の吐出量や吐出周波数、吐出口１０８のレイアウトによって適宜設定される。例えば、４ｐＬ程度の液滴を１００ｋＨｚ程度で吐出する場合、犠牲層２０１の平面サイズは、吐出口１０８のピッチが本実施形態のように１５０ｄｐｉでは１１５μｍ×２００μｍ程度に設定され、２００ｄｐｉでは８０μｍ×５００μｍ程度に設定される。

（３ｃ）基板１０１および犠牲層２０１の上に、振動板として機能する第１の薄膜１０３を成膜する。第１の薄膜１０３としては、例えば、厚さが５００〜２０００ｎｍ程度のＳｉＮを成膜することができる。その成膜方法としては、プラズマ励起化学気相堆積（ＰＥ−ＣＶＤ）法、減圧化学気相堆積（ＬＰ−ＣＶＤ）法などを用いることができる。ＬＰ−ＣＶＤ法を用いると、より振動板に適した低応力で高密度な膜が得られるが、基板１０１が集積回路を含む場合には、成膜温度を下げるためにＰＥ−ＣＶＤ法を用いることが好ましい。また、第１の薄膜１０３としては、ＳｉＯ_２を用いることもでき、その成膜方法としては、ＰＥ−ＣＶＤ法を用いることが好ましい。その他、第１の薄膜１０３としてＳｉを用いることもできる。また、第１の薄膜１０３は、単一膜ではなく複数の材料からなる多層膜であってもよく、例えば、第１層にＳｉＮを用い、第２層にＳｉＯ_２を用いることもできる。これらの膜の選択は、内部応力、密着性、他のプロセスとのエッチング選択比などから判断される。また、第１の薄膜１０３に加えて、第１の薄膜１０３を形成した面と反対側の面に、第１の薄膜１０３と同じ材料からなる基板保護膜２０７を形成する。
さらに、第１の薄膜１０３の上に、下部電極１０６、圧電体１０４、および上部電極１０５をこの順で成膜する。下部電極１０６としては、例えば、スパッタ法により、厚さが５０〜１５０ｎｍ程度のＰｔを成膜することができる。下部電極１０６の密着性を高めるために、第１の薄膜１０３との間に、例えば、Ｔｉ、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ、ＳｒＯ、ＬＮＯなどからなる厚さが１〜５０ｎｍ程度の密着層を設けてもよい。圧電体１０４としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）や、ＰＺＴにニオブ（Ｎｂ）などをドーピングしたものなどが用いられる。その成膜方法としては、ゾルゲル法が一般的に用いられるが、特に、基板１０１が集積回路を含む場合には、約５００℃以下での成膜およびアニールが必要であり、成膜温度を下げる必要がある。この場合、低温スパッタ法、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法、転写法などが適切に用いられる。特に、スパッタ法は、結晶性が高く、また、絶縁耐圧が高い液体吐出ヘッドに適した圧電体を得ることができる点で好ましい。圧電体１０４の適切な厚さは５００〜３０００ｎｍである。圧電体１０４の結晶配向制御や密着性を高めるために、下部電極１０６との間に、例えば、Ｔｉ、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ、ＳｒＯ、ＬＮＯなどからなる厚さが１〜５ｎｍ程度の密着層を設けてもよい。上部電極１０５としては、例えば、厚さが５０〜１５０ｎｍ程度のＰｔ、ＩｒＯ、ＲｕＯ、ＴｉＷなどを成膜することができる。その成膜方法としてはスパッタ法を用いることが好ましい。上部電極１０５の密着性を高めるために、圧電体１０４との間に、例えば、Ｔｉ、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ、ＳｒＯ、ＬＮＯなどからなる厚さが１〜５ｎｍ程度の密着層を設けてもよい。

（３ｄ）フォトリソグラフィによって、上部電極１０５、圧電体１０４、および下部電極１０６をパターニングし、圧電素子１２０を形成する。このときのエッチングには、ウェットエッチングおよびドライエッチングのいずれも用いることができるが、圧電体１０４へのプロセスダメージが少なく、また、サイドエッチングを低減することができる点で、ドライエッチングを用いることが好ましい。また、圧電体１０４のエッチングには、パターニングされた上部電極１０５をハードマスクとして使用することができる。パターニングの際に圧電体１０４の短辺幅を犠牲層２０１の短辺幅よりも２〜６μｍ程度小さくすることで、圧電素子１２０の変位効率をより高めることができる。

（３ｅ）フォトリソグラフィによって第１の薄膜１０３をパターニングし、上部電極１０５および下部電極１０６からの引き出し配線のための貫通孔を形成する。パターニングにはドライエッチングを用いることができる。

（３ｆ）第２の薄膜１４０の第１層として、第１の保護膜１１０を成膜し、パターニングして、引き出し配線のための貫通孔を開口させる。第１の保護膜１１０は、上部電極１０５からの引き出し配線と下部電極１０６との間を絶縁するために、絶縁材料で形成されている必要がある。そのような第１の保護膜１１０としては、例えば、低温で成膜可能なテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）−ＣＶＤ法によるＳｉＯ_２膜が使用される。第１の保護膜１１０の厚さは１００〜３００ｎｍであることが好ましい。パターニングには、ドライエッチングを用いることが好ましい。

（３ｇ）例えば、スパッタ法により、厚さが５００〜１０００ｎｍ程度のＡｌまたはＡｌ化合物などを成膜してパターニングし、上部電極１０５および下部電極１０６を基板１０１上の配線層１０１ａに接続するための引き出し配線１０１ｂを形成する。パターニングには、ドライエッチングまたはウェットエッチングを用いることができる。

（３ｈ）第２の薄膜１４０の第２層として、第２の保護膜１１１を成膜し、引き出し配線１０１ｂを保護するとともに、パターニングして、後で形成される供給口１０９に連通する貫通孔を開口させる。パターニングにはドライエッチングを用いる。第２の保護膜１１１は、インクなどの液体から配線１０１ｂを絶縁するために、絶縁材料で形成されている必要がある。また、第２の保護膜１１１には、液体に対する耐性も要求される。そのような第２の保護膜１１１としては、例えば、低温で成膜可能なＴＥＯＳ−ＣＶＤ法によるＳｉＯ_２膜、はＰＥ−ＣＶＤ法によるＳｉＮ、または原子層堆積（ＡＬＤ）法による酸化膜が使用される。第２の保護膜１１１の厚さは１００〜３００ｎｍであることが好ましいが、ＡＬＤ法を用いた場合にはコンフォーマルな膜が得られるため、数ｎｍ程度であってもよい。

（３ｉ）後工程で除去することで圧力室１０７を形成するための第１の型材６０９を形成する。形成方法としては、プリント技術やフォトリソグラフィ技術を用いることができるが、微細パターンを形成することができる点で、感光性樹脂を利用したフォトリソグラフィ技術を用いることが好ましい。第１の型材６０９の材料としては、厚い膜厚でもパターニングが可能であり、後工程でアルカリ溶液や有機溶剤によって除去可能なものが好ましい。そのような材料として、ＪＳＲ社製のＴＨＢシリーズ（商品名）や東京応化工業社製のＰＭＥＲシリーズ（商品名）などを使用することができる。あるいは、第１の型材６０９を形成するために、フィルム状に加工された感光性ドライフィルムをラミネートすることもできる。ドライフィルムを用いると、型材の厚さを厚くすることができ、それにより、圧力室１０７の流路抵抗を低減して液体再充填を迅速に行うことができ、吐出周波数を高めることができる。第１の型材６０９の厚さは２０〜６０μｍであることが好ましい。

（３ｊ）第１の型材６０９の上に、後工程で除去することで吐出口１０８を形成するための第２の型材６１１を形成する。第２の型材６１１の材料としては、ＪＳＲ社製のＴＨＢシリーズ（商品名）や東京応化工業社製のＰＭＥＲシリーズ（商品名）などを使用できる。ただし、厚い膜厚でもパターニングが可能であり、後工程でアルカリ溶液や有機溶剤によって除去可能なものであれば、第２の型材６１１の材料は、これに限定されるものではない。

（３ｋ）第１の型材６０９および第２の型材６１１の上に、例えば、スパッタ法により、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉなどからなる導電層６１０を成膜する。導電層６１０の厚さは５０ｎｍ以上であることが好ましい。

（３ｌ）めっき処理により、吐出口形成部材１３０となる被覆層６１２を形成する。めっきの種類としては電気めっきや無電解めっきなどがあり、これらは適宜使い分けることができるが、ここでは電気めっきを用い、Ｎｉからなる被覆層６１２を形成する。なお、電気めっきは、処理液が安価である点、廃液処理が簡易である点で有利であり、無電解めっきは、つき回りがよい点、均一な膜が形成できる点、および、めっき皮膜が硬く耐摩耗性がある点で優れている。被覆層６１２の厚さは１０〜３０μｍ程度であることが好ましい。

（４ａ）被覆層６１２の表面を研磨し、平坦化する。具体的には、第２の型材６１１が露出するまで、被覆層６１２および導電層６１０を研磨により除去する。

（４ｂ）被覆層６１２の上に、撥水膜１１２として、電気めっきにより、Ｎｉ−ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）複合めっき層を薄く形成する。このとき、露出した第２の型材６１１の上には、導電層６１０が存在しないため、Ｎｉ−ＰＴＦＥ層は成膜されない。

（４ｃ）基板１０１の被覆層６１２が形成された面側をエッチャントから保護するために、この面に、後工程で除去可能なテープを貼り付けたり、支持基板と貼り合わせたりする。そして、その面の反対側から深掘り反応性イオンエッチング（Ｄ−ＲＩＥ）を行い、基板１０１に供給口１０９およびエッチングホール（連通孔）２０２を形成する。ここで、エッチングホール２０２は、犠牲層２０１の底面（基板１０１に対向する領域）の面積よりも小さい開口面積で犠牲層２０１の一端に連通するように、基板１０１を貫通して形成される。これにより、基板１０１の犠牲層２０１に対向する領域の大部分を、配線や集積回路を配置するスペースとして有効に利用することができ、吐出口１０８を高密度に配置することが可能になる。供給口１０９の開口径は６０〜１２０μｍ程度（図２に示す吐出口１０８の配列では８０μｍ×１２０μｍ）であることが好ましく、エッチングホール２０２の開口径は１０〜１００μｍ程度であることが好ましい。

（４ｄ）エッチングにより犠牲層２０１を除去し、空間部１０２を形成する。具体的なエッチング方法は、上述したように、犠牲層２０１の材料に応じて適宜選択される。なお、犠牲層２０１にＳｉを用いた場合、エッチングを行う前に、図１（ｂ）に示すように、エッチャントから基板１０１を保護するために、供給口１０９およびエッチングホール２０２の内壁にＳｉＯ_２などからなる内壁保護膜２０６を形成しておく。その成膜方法としては、低温で成膜可能なＴＥＯＳ−ＣＶＤ法が適しており、成膜後、バイアス電圧を印加したドライエッチングにより、エッチングホール２０２の底部に成膜されたＳｉＯ_２を選択的に除去することができる。また、犠牲層２０１にＳｉＯ_２を用いた場合、第２の保護膜１１１をＳｉＯ_２以外の材料、例えばＳｉＮで形成しておくか、あるいは、エッチングを行う前に、供給口１０９を仮封止しておく必要がある。

（４ｅ）エッチングホール２０２を封止（閉塞）する。封止方法としては、基板１０１のエッチングホール２０２が開口する面に、エッチングホール２０２を閉塞する閉塞層２０８を設ける方法が挙げられる。具体的には、第１に、エッチングホール２０２を予め１μｍ以下の複数の微細孔として形成しておき、基板１０１のエッチングホール２０２が開口する面にＳｉＯ_２やＳｉＮなどからなる層２０８を形成することで、その微細孔を閉塞する方法がある。また、第２に、供給口１０９に対応した開口のみを有する別基板２０８を貼り合わせてエッチングホール２０２を閉塞する方法もある。

（４ｆ）基板１０１の供給口１０９が開口する面の側からドライエッチングを行い、第１の薄膜１０３のうち供給口１０９に対向する部分を除去する。さらに、第１の型材６０９および第２の型材６１１をアルカリ溶液や有機溶剤によって除去し、圧力室１０７および吐出口１０８を形成する。こうして、図１（ａ）に示す液体吐出ヘッド１００が完成する。

本実施形態では、犠牲層２０１上に振動板（第１の薄膜）１０３を成膜した後、犠牲層２０１を除去することで空間部１０２を形成しているが、空間部１０２を形成する方法はこれに限定されるものではない。例えば、基板１０１上に、後に空間部１０２になる部分を除いて構造部材を形成し、その上に振動板１０３を貼り合わせることで空間部１０２を形成することもできる。このときの貼り合わせは、その後で行われる加熱プロセスによって空間部１０２内の空気の膨張による変形を抑制するために、真空中で行うことが好ましい。ただし、本実施形態で述べた、犠牲層２０１上に振動板１０３を成膜する方法が、振動板１０３を薄く形成することができ、より小さな圧力室１０７を形成することができる点で適している。

ここで、再び図１（ａ）を参照して、本実施形態の圧電素子１２０の剛性および変位について説明する。上部電極１０５と下部電極１０６との間に電圧を印加すると、圧電体１０４は、印加電界に平行な方向に膨張しようとするとともに、印加電界に垂直な方向に収縮しようとする。しかしながら、圧電体１０４は、一方の面が下部電極１０６と第１の薄膜１０３とに拘束され、他方の面が上部電極１０５と第２の薄膜１４０とに拘束され、さらに側面が第２の薄膜１４０に拘束されている。これらの拘束と圧電体１０４の収縮力とのバランスにより、圧電体１０４の運動が制限されることで、第１の薄膜１０３、圧電素子１２０、および第２の薄膜１４０にたわみが発生し、圧力室１０７に液体の吐出に必要な容積変化が生じる。
このとき、本実施形態では、第２の薄膜１４０に比べて第１の薄膜１０３の剛性を高くすることで、第１の薄膜１０３を振動板として機能させることができ、電圧印加時に圧力室１０７を膨張させるように変位させることができる。また、第１の薄膜１０３の剛性を高くすると、圧電体１０４の側面には、より剛性の低い第２の薄膜１４０が接することになる。その結果、圧電体１０４の側面側と圧力室１０７に対向する面側の拘束を弱めることで、圧電素子１２０の変位効率を高くすることができ、振動板としての第１の薄膜１０３を大きく変位させることができる。

第１の薄膜１０３の剛性を高くする方法としては、よりヤング率の高い材料で第１の薄膜１０３を形成することや、より厚い膜厚で第１の薄膜１０３を形成することなどが挙げられ、第２の薄膜１４０の剛性を低くするためには、その逆を行えばよい。よりヤング率の高い材料としてはＳｉＮが挙げられ、よりヤング率の低い材料としてはＳｉＯ_２が挙げられる。また、例えば、圧電体１０４の厚さを２μｍとし、ＳｉＮからなる第１の薄膜１０３の厚さを８００ｎｍとすると、第２の薄膜１４０を以下のように構成することで、第２の薄膜１４０に比べて第１の薄膜１０３の剛性を高くすることができる。すなわち、第２の薄膜１４０の第１層１１０を厚さ３００ｎｍのＳｉＯ_２で形成し、第２層１１１を厚さ２００ｎｍで形成することで、第２の薄膜１４０に比べて第１の薄膜１０３の剛性を高くすることができる。このような構成では、第２の薄膜１４０の剛性よりも第１の薄膜１０３の剛性が低い場合に比べ、約３０倍の変位を得ることができる。また、第１の薄膜１０３を２層構造にすることもでき、その場合には、例えば、第１層を厚さが６００ｎｍのＳｉＮで形成し、第２層を厚さが４００ｎｍのＳｉＯ_２で形成することができる。
なお、上部電極１０５および下部電極１０６の剛性も振動板の変位に影響を与えるが、一般に平板の剛性は厚さの３乗に比例するため、その影響は小さい。すなわち、第１の薄膜１０３の厚さ８００〜１０００ｎｍに比べて電極１０５，１０６の厚さ５０〜１５０ｎｍは十分に薄いため、上部電極１０５および下部電極１０６の剛性が振動板の変位に与える影響は小さい。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの一構成例を示す概略断面図である。本実施形態は、吐出口形成部材１３０の構成が第１の実施形態と異なっている。具体的には、吐出口形成部材１３０は、第１の実施形態とは異なり、２つの部材２０３，２０４から構成されている。一つは、圧力室１０７を有し、樹脂材料からなる第１の部材２０３であり、もう一つは、吐出口１０８を有し、無機材料からなる第２の部材２０４である。これ以外の構成については、第１の実施形態と同様である。

図６を参照して、本実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法について説明する。図６は、本実施形態の製造方法の各工程における液体吐出ヘッドの概略断面図である。なお、以下の工程（６ａ）〜（６ｇ）は、図６（ａ）から図６（ｇ）に対応する。また、本実施形態の製造方法において、工程（６ａ）までの工程は、第１の実施形態の工程（３ｈ）までの工程と同様であり、その説明を省略する。

（６ａ）感光性ドライフィルムをラミネートしてパターニングすることで、圧力室１０７を有する第１の部材２０３を形成する。第１の部材２０３の厚さは２０〜６０μｍであることが好ましい。

（６ｂ）第１の部材２０３に、Ｓｉからなる第２の部材２０４を貼り合わせ、所望の厚さに研磨する。第２の部材２０４の適切な厚さは、後で形成される吐出口１０８の直径にもよるが１０〜３０μｍ程度である。第１の部材２０３と第２の部材２０４を貼り合わせる方法としては、接着剤によって両者を接着する方法や、加圧・加熱により、ドライフィルムからなる第１の部材２０３を硬化させることで両者を接合する方法を用いることができる。

（６ｃ）第１の実施形態の工程（４ｃ）と同様の手順および条件で、基板１０１に供給口１０９およびエッチングホール（連通孔）２０２を形成する。

（６ｄ）第１の実施形態の工程（４ｄ）と同様の手順および条件で、犠牲層２０１を除去し、空間部１０２を形成する。

（６ｅ）第１の実施形態の工程（４ｅ）と同様の手順および条件で、閉塞層２０８によりエッチングホール２０２を封止（閉塞）する。
この工程の後、あるいは工程（６ａ）の後に、各部材をインクなどの液体から保護するための保護膜を形成する工程を行ってもよい。このときの保護膜には、例えば、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法によるＳｉＯ_２膜やＡＬＤ法によるＴａＯ膜などが適している。

（６ｆ）第２の部材２０４の上に撥水膜１１２を形成する。撥水膜１１２の材料としては、フッ素系やシラン系のカップリング剤を用いることができ、成膜方法としては、蒸着などの方法を用いることができる。

（６ｇ）フォトリソグラフィおよびＤ−ＲＩＥにより、第２の部材２０４に吐出口１０８を形成する。こうして、図４に示す液体吐出ヘッド１００が完成する。
なお、撥水膜１０２にフォトレジストを塗布しようとしても、撥水膜１０２はフォトレジストをはじいてしまう。そのため、フォトリソグラフィの際には、感光性ドライフィルムをラミネートしたものをマスクとして用いることが好ましい。あるいは、撥水膜１１２の上にＴｉなどの撥水保護膜を蒸着することで撥水膜１０２の表面を非撥水化しておき、その表面にフォトレジストを塗布してフォトリソグラフィを行い、その後、レジストを除去した後に撥水保護膜を除去するようにしてもよい。

本実施形態によれば、第１の実施形態で得られる効果に加えて、以下に示す効果を得ることができる。すなわち、圧力室１０７の側壁の高さを２０〜６０μｍと比較的低くすることができ、また、隣接する圧力室１０７との壁幅を３０μｍ以上にすることができる。したがって、第１の部材２０３として、ヤング率の低い有機樹脂である感光性ドライフィルムを用いた場合にも、壁の変形によるクロストークや吐出エネルギーの消耗を十分に低減することができる。さらに、第２の部材２０４にはヤング率の高いＳｉを用いるため、第１の部材２０３の壁倒れを抑制するとともに、第２の部材２０４の吐出口１０８が開口する面の変形による吐出エネルギーの消耗を十分に低減することができる。
また、本実施形態の製造方法によれば、感光性ドライフィルムからなる第１の部材２０３とＳｉからなる第２の部材２０４の両方を基板１０１に貼り合わせた後で、吐出口１０８を形成するための感光性樹脂を露光、現像してパターニングする。このため、第１の部材２０３と第２の部材２０４との貼り合わせによる両者の位置合わせ精度が、液体吐出ヘッド１００における各部材の位置精度に影響することがなく、高精度に液体吐出ヘッド１００を製造することができる。したがって、吐出ばらつきを低減することができる上に、吐出口１０８をより高密度に配置することも可能になる。

（第３の実施形態）
図７を参照して、本発明の第３の実施形態に係る液体吐出ヘッドの構成について説明する。図７（ａ）は、本実施形態の液体吐出ヘッドを示す概略断面図であり、図７（ｂ）および図７（ｃ）は、本実施形態の液体吐出ヘッドの変形例を示す概略断面図である。

本実施形態は、第１および第２の実施形態に対して、空間部１０２を形成するためのエッチングホールとして用いられる連通孔２０２の構成を変更したものである。具体的には、連通孔２０２は、基板１０１にではなく、第１の薄膜１０３に形成されている。これに応じて、連通孔２０２を封止（閉塞）する構成も第１および第２の実施形態と異なっている。具体的には、図７（ａ）に示すように、連通孔２０２は、第２の保護膜１１１によって封止されている。ただし、連通孔２０２のアスペクト比、犠牲層２０１の高さ、および第２の保護膜１１１の厚さの関係で、第２の保護膜１１１だけでは封止が不十分な場合には、図７（ｂ）に示すように、第１の保護膜１１０も連通孔２０２の封止に使用することができる。さらには、図７（ｃ）に示すように、上部電極１０５および下部電極１０６からの引き出し配線１０１ｂの材料からなる層１０１ｃも連通孔２０２の封止に使用することができる。
なお、図７には、吐出口形成部材１３０が２つの部材２０３，２０４から構成されている第２の実施形態に対して連通孔２０の構成を変更した場合を示しているが、第１の実施形態に対しても同様の変更が可能であることに留意されたい。

図８を参照して、本実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法について説明する。図８は、本実施形態の製造方法の各工程における液体吐出ヘッドの概略断面図である。なお、以下の工程（８ａ）〜（８ｌ）は、図８（ａ）から図８（ｌ）に対応する。ここでは、エッチングホール（連通孔）２０２の封止を第２の保護膜１１１のみで行った場合（図７（ａ）参照）の製造方法について説明する。

（８ａ）第１の実施形態の工程（３ａ）で用意したものと同様の基板１０１を用意し、その上に基板保護膜２０５を成膜した後、第１の実施形態の工程（３ｂ）と同様の手順および条件で、犠牲層２０１を形成する。基板保護膜２０５としては、犠牲層２０１とのエッチング選択性が高い材料を成膜する。例えば、上述した第１の組み合わせのように、犠牲層２０１がＡｌの場合、基板保護膜２０５にはＳｉを用いることができるが、ＳｉＯ_２やＳｉＮなどが用いられていてもよく、あるいは、基板保護膜２０５が形成されていなくてもよい。ただし、基板保護膜２０５を形成しない場合には、上部電極１０５および下部電極１０６からの引き出し配線の材料にＡｌウェットエッチャントで溶けない材料（Ａｕなど）を用いるか、犠牲層２０１を除去する前に引き出し配線の表面を保護しておく必要がある。また、上述した第２の組み合わせのように、犠牲層がＳｉＯ_２の場合にも、基板保護膜２０５には、Ｓｉの他、ＳｉＮを用いることもでき、あるいは、基板保護膜２０５が形成されていなくてもよい。また、上述した第３の組み合わせのように、犠牲層がＳｉの場合、基板保護膜２０５にはＳｉＯ_２やＳｉＮなどが適している。

（８ｂ）第１の実施形態の工程（３ｃ）と同様の手順および条件で、基板１０１および犠牲層２０１の上に、振動板として機能する第１の薄膜１０３、下部電極１０６、圧電体１０４、および上部電極１０５をこの順で成膜する。また、第１の薄膜１０３に加えて、第１の薄膜１０３を形成した面と反対側の面に、第１の薄膜１０３と同じ材料からなる基板保護膜２０７を形成する。

（８ｃ）第１の実施形態の工程（３ｄ）と同様の手順および条件で、フォトリソグラフィによって、上部電極１０５、圧電体１０４、および下部電極１０６をパターニングし、圧電素子１２０を形成する。
その後、フォトリソグラフィによって、第１の薄膜１０３をパターニングし、上部電極１０５および下部電極１０６からの引き出し配線のための貫通孔とエッチングホール（連通孔）２０２を形成する。パターニングにはドライエッチングを用いることができる。ここで、エッチングホール２０２は、犠牲層２０１の上面（第１の薄膜１０３に対向する領域）の面積よりも小さい開口面積で犠牲層２０１の一端に連通するように、第１の薄膜１０３を貫通して形成される。エッチングホール２０２の適切な開口径は１〜１０μｍ程度である。開口径が小さい場合、犠牲層２０１を除去する際のエッチング速度を速めるために、エッチングホール２０２を複数設けることが好ましい。なお、エッチングホール２０２は、下部電極１０６のパターンがエッチングホール２０２を迂回して引き出し配線との接続部に接続できるような位置に形成される。

（８ｄ）第１の実施形態の工程（３ｆ）と同様の手順および条件で、第１の保護膜１１０を成膜し、パターニングして、引き出し配線のための貫通孔やエッチングホール２０２に連通する貫通孔を開口させる。

（８ｅ）第１の実施形態の工程（３ｇ）と同様の手順および条件で、上部電極１０５および下部電極１０６を基板１０１上の配線層１０１ａに接続するための引き出し配線１０１ｂを形成する。このとき、パターニングによって、エッチングホール２０２に連通する貫通孔を開口させる。

（８ｆ）エッチングにより犠牲層２０１を除去し、空間部１０２を形成する。具体的なエッチング方法は、上述したように、犠牲層２０１の材料に応じて適宜選択される。一例として、基板保護膜２０５がＳｉＯ_２、振動板として機能する第１の薄膜１０３がＳｉＮ、第１の保護膜１１０がＳｉＯ_２、犠牲層２０１がＳｉである場合には、ＸｅＦ_２によるドライエッチングを用いることができる。

（８ｇ）第１の実施形態の工程（３ｈ）と同様の手順および条件で、第２の保護膜１１１を成膜し、引き出し配線１０１ｂの保護とエッチングホール２０２の封止を行うと共に、パターニングして、後で形成される供給口１０９に連通する貫通孔を開口させる。
なお、第２の保護膜１１１としてＡＬＤ法による酸化膜を用いる場合、エッチングホール２０２を封止するのに十分な厚さで第２の保護膜１１１を成膜するのは困難であるため、エッチングホール２０２の封止層として他の層を併用することができる。すなわち、図７（ｂ）に示すように、第１の保護膜１１０を併用したり、図７（ｃ）に示すように、第１の保護膜１１０および引き出し配線１０１ｂを構成する材料からなる層を併用したりすることができる。このような封止は、工程（８ｃ）の後、工程（８ｄ）や工程（８ｅ）を行う前に、犠牲層２０１を除去することで可能になる。なお、この場合には、犠牲層２０１の材料およびエッチャントとして、圧電体１０４、上部電極１０５、および下部電極１０６とのエッチング選択比が十分に取れるものを選択する必要がある。

（８ｈ）基板１０１の圧電素子１２０が形成された面と反対側の面から、Ｄ−ＲＩＥを行い、基板１０１に供給口１０９を形成する。供給口１０９の開口径は６０〜１２０μｍ程度（図２に示す吐出口１０８の配列では８０μｍ×１２０μｍ）であることが好ましい。

（８ｉ）第２の実施形態の工程（６ａ）と同様の手順および条件で、圧力室１０７を有する第１の部材２０３を形成する。

（８ｊ）第２の実施形態の工程（６ｂ）と同様の手順および条件で、第１の部材２０３に、Ｓｉからなる第２の部材２０４を貼り合わせ、所望の厚さに研磨する。

（８ｋ）第２の実施形態の工程（６ｆ）と同様の手順および条件で、第２の部材２０４の上に撥水膜１１２を形成する。

（８ｌ）第２の実施形態の工程（６ｇ）と同様の手順および条件で、第２の部材２０４に吐出口１０８を形成する。こうして、図７（ａ）に示す液体吐出ヘッド１００が完成する。

本実施形態によれば、第１および第２の実施形態で得られる効果に加えて、以下に示す効果を得ることができる。すなわち、エッチングホール２０２を第１の薄膜１０３に設けることで、基板１０１の犠牲層２０１に対向する領域全体を、配線や集積回路を配置するスペースとして有効に利用することができ、吐出口１０８をさらに高密度に配置することが可能になる。また、基板１０１に貫通孔であるエッチングホール２０２を設けることによる基板１０１の剛性の低下を抑制することができる。また、基板１０１に形成したエッチングホール２０２は狭く深いため、犠牲層２０１を除去するためのエッチャントが入りにくく、エッチングに時間がかかってしまうのに対して、本実施形態には、エッチング時間を短縮できるというメリットがある。

１００ 液体吐出ヘッド
１０１ 基板
１０３ 第１の薄膜
１２０ 圧電素子
１３０ 吐出口形成部材
１４０ 第２の薄膜

Claims (13)

1. 基板と、
   前記基板に設けられた圧電素子と、
   前記基板の前記圧電素子が設けられた面に設けられ、液体を吐出するための吐出口を有する吐出口形成部材であって、前記基板との間に、前記吐出口に連通し前記圧電素子を内部に備えた圧力室を形成する吐出口形成部材と、
   前記基板と前記圧電素子との間に設けられ、前記基板との間に空間部を形成する第１の薄膜と、
   前記圧電素子を挟んで前記第１の薄膜の反対側に設けられた第２の薄膜と、を有し、
   前記第１の薄膜が、前記圧電素子の側面に接しないように設けられているとともに、前記第２の薄膜よりも高い剛性を有する、液体吐出ヘッド。
2. 前記第２の薄膜が、前記圧電素子の側面に接するように設けられている、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記第１の薄膜が、前記第２の薄膜よりもヤング率の高い材料からなる、請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記第１の薄膜が、前記第２の薄膜よりも厚い膜厚を有する、請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記第１および第２の薄膜の少なくとも一方が、多層膜である、請求項１から４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記吐出口形成部材が、前記圧力室を有し、樹脂材料からなる第１の部材と、前記吐出口を有し、無機材料からなる第２の部材と、を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記吐出口形成部材が、無機材料からなる、請求項１から５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
8. 基板の上に犠牲層を形成する工程と、
   前記犠牲層の上に第１の薄膜を形成する工程と、
   前記第１の薄膜の上に圧電素子を形成する工程と、
   前記圧電素子の上に、前記第１の薄膜よりも剛性が低い第２の薄膜を形成する工程と、
   前記基板の前記圧電素子が設けられた面に、液体を吐出するための吐出口を有する吐出口形成部材を設け、前記基板との間に、前記吐出口に連通し前記圧電素子を内部に備えた圧力室を形成する工程と、
   前記犠牲層を除去して前記基板と前記第１の薄膜との間に空間部を形成する工程と、
   を含む、液体吐出ヘッドの製造方法。
9. 前記第２の薄膜を形成する工程が、前記圧電素子の側面に接するように前記第２の薄膜を形成することを含む、請求項８に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
10. 前記第２の薄膜を形成する工程が、前記第１の薄膜よりもヤング率の小さい材料で前記第２の薄膜を形成することを含む、請求項８または９に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
11. 前記第２の薄膜を形成する工程が、前記第１の薄膜よりも薄い膜厚で前記第２の薄膜を形成することを含む、請求項８または９に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
12. 前記吐出口と前記圧力室とを形成する工程が、前記基板の前記圧電素子が設けられた面に、樹脂材料からなる第１の部材を形成する工程と、前記第１の部材の上に、無機材料からなる第２の部材を接合して、前記圧力室を形成する工程と、前記第２の部材に前記吐出口を形成する工程と、を含む、請求項８から１１のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
13. 前記吐出口と前記圧力室とを形成する工程が、前記基板の前記圧電素子が設けられた面に、前記圧力室を形成するための第１の型材を形成する工程と、前記第１の型材の上に、前記吐出口を形成するための第２の型材を形成する工程と、前記第１の型材および前記第２の型材を覆うように、無機材料からなり、前記吐出口形成部材となる被覆層を形成する工程と、前記第１の型材および前記第２の型材を除去する工程と、を含む、請求項８から１１のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。

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