JP3846031B2 - インクジェットヘッド - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェットヘッドおよびその製造方法に関するものであり、特に、シリコンウェハを用いたインクジェットヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリコンウェハを用いたインクジェットヘッドの製造においては、（１１０）面を主表面とするシリコンウェハを異方性エッチングする際のエッチングストップ層として、シリコンウェハにボロンをドーピングして拡散した層を設けていた。
【０００３】
たとえば、特開平９−２６７４７２号公報には、高濃度のボロンをドープし、拡散した層をエッチングストップ層として用いたインクジェットヘッドの製造方法が開示されている。このように構成されるインクジェットヘッドにおいては、ボロンドーピング拡散層は、エッチングストップ層としての作用に加えて、振動板としても作用する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ボロンドーピング拡散層を振動板として作用させるためには、機械的強度上、ボロンドーピング拡散層の厚さを５μｍ以上に厚くする必要がある。一方、ボロンドーピング拡散層の厚さを５μｍ以上まで厚くすると、ボロンドーピング拡散層のボロン濃度が極端に低下してしまうため、シリコンウェハをＫＯＨ溶液を用いて異方性エッチングする際に、エッチングストップ層として十分に機能しないおそれがあるという問題があった。
【０００５】
また、ボロンドーピング拡散層をエッチングストップ層として異方性エッチングを行なった場合、エッチング底面の荒れが大きく、インクジェットヘッドとして使う場合、インク中の気泡の滞留が発生するおそれがあるという問題もあった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上述の問題点を解決し、エッチング工程を良好に行なうことを可能にすることにより、特性に優れたインクジェットヘッドを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によるインクジェットヘッドは、シリコンウェハを用いたインクジェットヘッドであって、（１１０）面を主表面とするシリコンウェハ表面に、ＳｉＸm （Ｘは、Ｏ、ＮおよびＣからなる群から選ばれるいずれかの元素；ｍは任意の数）で表わされる材料からなるエッチングストップ層が形成され、エッチングストップ層は、インクが吐出されるノズルを備えるノズルプレートとインクを吐出させるために駆動される圧電部材との間に配置されるシリコンウェハの前記圧電部材に面する側に形成され、シリコンウェハの一部は、ノズルプレートに面する側からエッチングストップ層が露出するまでエッチング除去されて、吐出させるためのインクが充填される空間が形成され、エッチングストップ層の圧電部材に面する側の層上に、ポリシリコンからなる補強層が形成され、圧電部材の駆動が補強層とエッチングストップ層とを介して空間に充填されているインクに加えられることにより、ノズルからインクを吐出させることを特徴としている。
【０００９】
請求項２の発明によるインクジェットヘッドは、請求項１の発明の構成において、ＳｉＸm で表わされる材料からなるエッチングストップ層の厚さは、０．１μｍ〜１０．０μｍの範囲内である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳しく説明する。なお、各図において同一符号は同一または相当部分を示す。
【００１５】
図１は、本発明による一例のインクジェットヘッド３を用いたインクジェット記録装置１の概略構成を示す斜視図である。
【００１６】
図１を参照して、インクジェット記録装置１は、用紙やプラスチック薄板などの記録媒体である記録シート２と、インクジェット方式のプリンタヘッドであるインクジェットヘッド３と、インクジェットヘッド３を保持するキャリッジ４と、キャリッジ４を記録シート２の記録面に平行に往復移動させるための揺動軸５、６と、キャリッジ４を揺動軸５、６に沿って往復駆動させる駆動モータ（図示せず）と、駆動モータの回転をキャリッジの往復運動に変えるためのタイミングベルト９、アイドルプーリ８とを含んでいる。また、このインクジェット記録装置１は、インクジェットヘッド３のメンテナンスを行なうメンテナンス装置１４と、記録シート２を手動で搬送するための紙送りノブ１５とを含んでいる。
【００１７】
インクジェットヘッド３には、インクを加圧するためのエネルギ発生体としての圧電部材であるＰＺＴが用いられている。ＰＺＴには電圧が印加され、歪が生じる。この歪は、インクで満たされたインクチャネルの容積を変化させる。この容積の変化により、インクチャネルに設けられたノズルからインクが吐出され、記録シート２への記録が行なわれる。
【００１８】
キャリッジ４は、駆動モータ、アイドルプーリ８、タイミングベルト９により、記録シート２を横切る方向である記録シート２の桁方向に主走査し、キャリッジ用に取付けられたプリンタヘッド３は１ライン分の画像を記録する。１ラインの記録が終わるごとに、記録シート２は縦方向に送られ副走査され、次のラインが記録される。
【００１９】
図２〜図４は、インクジェットヘッド３の構成を説明するための図である。図２は図１に示すインクジェットヘッド３の一部を示す平面図であり、図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図であり、図４は図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【００２０】
インクジェットヘッド３は、ノズルプレート３０３、セラミック基板３００とを、一体に重ねた構成となっている。
【００２１】
ノズルプレート３０３は、金属、セラミック、ガラスまたは合成樹脂などからなる。ノズルプレート３０３には、電鋳、成形、フォトリソグラフィなどによりノズルプレートの形成と同時に、あるいはノズルプレート形成後の微細加工等により、インク３０７を収容する複数のインクチャネル３０８と、各インクチャネル３０８と共通インク室３１０とを連結するインクインレット３１１とが形成されている。
【００２２】
ノズルプレート３０３とＰＺＴ３１５の間には、シリコンウェハ３０６を裏面から異方性エッチングする際に作用するエッチングストップ層３５０が形成されている。このエッチングストップ層３５０は、振動板としても作用する。エッチングストップ層３５０には、個別電極３１４が形成されている。また、エッチングストップ層３５０は、接着剤３４０によりセラミック基板３００と接着されている。さらに、このインクジェットヘッド３は、フレキシブル配線３２０を介してドライバ回路３３０に接続されている。
【００２３】
このインクジェットヘッドにおいては、エッチングストップ層３５０は、ＳｉＸm （Ｘは、Ｏ、ＮおよびＣからなる群から選ばれるいずれかの元素；ｍは任意の数）で表わされる材料から形成されている。また、このエッチングストップ層３５０の厚さは、好ましくは０．１μｍ〜１０．０μｍの範囲内であり、より好ましくは０．４μｍ〜２．０μｍの範囲内であるとよい。さらに、エッチングストップ層３５０上には、金属またはポリシリコンからなる補強層がさらに形成されていてもよい。補強層の厚さは、金属の場合は１μｍ〜５μｍの範囲内であることが好ましく、ポリシリコンの場合は１μｍ〜３０μｍの範囲内であることが好ましい。
【００２４】
以上のような構成のインクジェットヘッド３では、図示しないインクタンクから共通インク室３１０にインク３０７が供給される。共通インク室３１０内のインク３０７は、インクインレット３１１を介して各インクチャネル３０８に分配される。
【００２５】
ヘッドドライバから所定の電圧が印加されると、ＰＺＴ３１５は変形する。これにより、インクチャネル３０８内のインク３０７が加圧され、ノズル３０９を介してインク滴が記録シート２に向かって飛翔する。
【００２６】
図５〜図１１は、本発明によるインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるイオンチャネル形成工程の一例を説明するための断面図である。なお、図５〜図１１においては、シリコンウェハの裏面を上側に、表面を下側にそれぞれ示す。
【００２７】
まず、図５を参照して、（１１０）面を主表面とするシリコンウェハ３０６の表面および裏面をラッピングし、２００μｍの厚さとする。
【００２８】
次に、図６を参照して、熱酸化炉において、シリコンウェハ３０６の表裏両面に、厚さが１μｍの酸化膜３５０を形成する。
【００２９】
次に、図７を参照して、シリコンウェハ３０６の表面上に形成された酸化膜３５０上に、エピタキシャル成長により、厚さが６μｍのポリシリコンからなる補強層３６０を形成する。
【００３０】
次に、図８を参照して、シリコンウェハ３０６の裏面上に形成された酸化膜３５０上、およびシリコンウェハ３０６の表面側上に形成された補強層３６０上に、熱酸化炉において、それぞれ厚さが０．２μｍの酸化膜３７０を形成する。続いて、シリコンウェハ３０６の表裏両面側上に形成された酸化膜３７０上に、窒化膜成膜装置を用いて、それぞれ厚さが０．１７５μｍの窒化膜３８０を形成する。
【００３１】
次に、図９を参照して、シリコンウェハ３０６の裏面側上に形成された窒化膜３８０上に、スピンコータによりレジスト（図示せず）を塗布する。続いて、所定形状のマスクを介して露光および現像を行なった後、エッチング液として熱リン酸を用いて、シリコンウェハ３０６の裏面側上に形成された窒化膜３８０の一部をエッチング除去する。続いて、エッチング液としてフッ酸溶液を用いて、シリコンウェハ３０６の裏面側上に形成された酸化膜３７０および酸化膜３５０の一部をエッチング除去する。
【００３２】
次に、図１０を参照して、レジスト（図示せず）を除去した後、エッチング液として１７％ＫＯＨ溶液を用いて、シリコンウェハ３０６の裏面側から異方性エッチングを行ない、シリコンウェハ３０６の一部を、シリコンウェハ３０６の表面上に形成された酸化膜（エッチングストップ層）３５０が露出するまで除去する。
【００３３】
次に、図１１を参照して、エッチング液として熱リン酸を用いて、図９に示す工程においてエッチング除去されずに残った窒化膜３８０をエッチング除去する。続いて、エッチング液としてフッ酸を用いて、同様に図９に示す工程においてエッチング除去されずに残った酸化膜３７０をエッチング除去する。
【００３４】
その後、シリコンウェハ３０６の表面側上に形成された補強層３６０上に、スパッタ法によりＣｒ＋Ａｕからなる裏面電極層（図示せず）を形成する。
【００３５】
なお、上述した例においては、補強層３６０として、厚さが６μｍのポリシリコン層をエピタキシャル成長により形成したが、ポリシリコン層の代わりに、たとえば厚さが３．５μｍのＡｌ層を、蒸着装置を用いて蒸着してもよい。
【００３６】
図１２および図１３は、図１１に示すように裏面から異方性エッチングが行なわれたシリコンウェハを用いて組立てられたインクジェットヘッドの例の構造を示す断面図である。
【００３７】
図１２は、焼結体ＰＺＴの貼付けまたはスクリーン印刷により組立てられたインクジェットヘッドの例を示す断面図であり、図１３は、積層ＰＺＴ貼付けにより組立てられたインクジェットヘッドの例を示す断面図である。
【００３８】
この実施の形態においては、上述したように、シリコンウェハに対して異方性エッチングを行なっている。そのため、高精度の加工を行なうことができる。また、加工と組立を同時に進行できるため、部品点数、ハンドリングを減らし、製品の歩留りが向上する。さらに、一度に大量の部品をコピーすることができるため、量産性がある。
【００３９】
また、この実施の形態においては、エッチングストップ層として、シリコンウェハの熱酸化膜が形成されている。エッチング溶液としてＫＯＨを用いた場合、ＳｉＯ2 に対するＳｉのエッチング選択比は約５００倍である。したがって、ＫＯＨによりシリコンウェハをエッチングする場合、ＳｉＯ2 （熱酸化膜）は、エッチングストップ層として作用する。また、ＫＯＨによりシリコンウェハをエッチングすると、ＳｉＯ2 （熱酸化膜）上は非常に滑らかな面になるとともに、エッチング深さのばらつきもなくなる。
【００４０】
以上のように、この実施の形態によれば、各インクチャネルの吐出量、スピードのばらつきがなくなる。また、インクチャネル内で発生した気泡が滞留することがないため、安定に長期間インクを吐出することができるようになる。
【００４１】
次に、シリコンウェハ表面へのエッチングストップ層の形成の別の例について説明する。
【００４２】
上述した例では、シリコンウェハ表面を熱酸化することにより、ＳｉＯ2 からなるエッチングストップ層を形成する例について説明した。この他、たとえば、シリコンウェハに薄いガラスを貼付けることによっても、振動板としての作用を兼ね備えたエッチングストップ層を形成することができる。シリコンウェハとガラスとは、陽極接合により強固に接合させることができる。また、ガラスの材質としては、シリコンウェハと強固に陽極接合するため、シリコンと熱膨張係数の近いパイレックスガラス、硼珪酸ガラス（低熱膨張ガラス）等が好ましく用いられる。
【００４３】
また、さらに他の例として、シリコンウェハ上にスパッタリング法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法等によりＳｉＯ2 膜を成膜し、これをエッチングストップ層とすることもできる。このような方法により成膜できるＳｉＯ2 膜の厚さは、せいぜい３μｍ程度が限度であるため、必要に応じて振動板として作用する際の補強層として、ポリシリコンまたはＡｌ等の電極をこの上にさらに形成することが好ましい。
【００４４】
また、さらに他の例として、エッチングストップ層が形成されたシリコンウェハとして、ＳＯＩ（Silicon-on-Insulator）ウェハを用いることもできる。
【００４５】
このＳＯＩウェハの作製方法としては、たとえば、ＳＩＭＯＸ（Separation by Implanted Oxigen）や結合ＳＯＩ等がある。ＳＩＭＯＸウェハの作製工程は、シリコンウェハにイオン注入により酸素を打込んだ後、高温アニールを行なうものである。また、結合ＳＯＩウェハの作製工程は、ＳＯＩ活性層となるボンドウェハを熱酸化し、酸化膜のないベースウェハと室温で貼合わせた後、結合強度を高めるため結合アニールを酸素雰囲気下で行なうというものである。
【００４６】
また、本発明において、シリコンウェハをエッチングする際のエッチング液としては、エッチングストップ層とシリコンウェハとのエッチング選択比が大きくとれるものであれば、特に限定されるものではない。たとえば、エッチングストップ層として、ＳｉＯ2 層を用いる場合には、エッチング液としては、ＫＯＨ、ヒドラジン、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）、ＥＰＷ（エチレンジアミン−ピロカテコール水）等が好ましく用いられる。
【００４７】
次に、比較のため、従来のボロンドーピング拡散層を用いた場合のインクジェットヘッドの製造方法について、以下に説明する。
【００４８】
図１４〜図２０は、従来のインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるイオンチャネルの形成工程の一例を説明するための断面図である。なお、図１４〜図２０においては、シリコンウェハの裏面を上側に、表面を下側にそれぞれ示す。
【００４９】
まず、図１４を参照して、（１１０）面を主表面とするシリコンウェハ３０６の表面および裏面をラッピングおよびポリッシュし、０．２ｍｍの厚さにする。
【００５０】
次に、図１５を参照して、熱酸化炉において１１００℃にて、シリコンウェハ３０６の裏面上にのみ、シリコンエッチング用マスクとして酸化膜３７０を形成する。
【００５１】
次に、図１６を参照して、インプランテーション装置を用いて、シリコンウェハ３０６の表面に１０19個／ｃｍ2 ボロンをドーピングし、拡散炉において拡散することにより、厚さが７μｍまたは３０μｍのエッチングストップ層３５５を形成する。
【００５２】
次に、図１７を参照して、シリコンウェハ３０６の裏面上に形成された酸化膜３７０上、およびシリコンウェハ３０６の表面側上に形成されたエッチングストップ層３５５上に、窒化膜成膜装置を用いて、それぞれ厚さが０．１７５μｍの窒化膜３８０を形成する。
【００５３】
次に、シリコンウェハ３０６の裏面側上に形成された窒化膜３８０上に、スピンコータによりレジスト（図示せず）を塗布する。続いて、所定形状のマスクを介して露光および現像を行なった後、エッチング液として熱リン酸を用いて、シリコンウェハ３０６の裏面側上に形成された窒化膜３８０の一部をエッチング除去する。
【００５４】
次に、図１８を参照して、レジスト（図示せず）を除去した後、エッチング液としてフッ酸溶液を用いて、シリコンウェハ３０６の裏面側上に形成された酸化膜３７０の一部を、シリコンウェハ３０６の裏面が露出するまでエッチング除去する。
【００５５】
次に、図１９を参照して、エッチング液としてＫＯＨ溶液を用いてシリコンウェハ３０６の裏面側から異方性エッチングを行ない、シリコンウェハ３０６の一部を、シリコンウェハ３０６の表面上に形成されたエッチングストップ層３５５が露出するまで除去する。
【００５６】
次に、図２０を参照して、シリコンウェハ３０６の表裏両面側上の窒化膜３８０をそれぞれ除去する。その後、シリコンウェハ３０６の表面側上に形成されたエッチングストップ層３５５上に、スパッタ法により、Ｃｒ＋Ａｕからなる裏面電極３９０を成膜する。
【００５７】
【実施例】
直径が４インチの（１１０）面を主表面とするシリコンウェハを用いて、種々の条件で異方性エッチングを行ない、インクチャネルを形成した。
【００５８】
（実施例１）
表１に示すエッチング条件およびウェハ仕様により、シリコンウェハの裏面側から異方性エッチングを行なった。
【００５９】
【表１】
【００６０】
その結果、シリコンウェハとシリコン酸化膜とのエッチング選択比が５００：１であり、シリコン酸化膜はエッチングストップ層として十分に機能していることがわかった。また、エッチング底面は、酸化膜が露出して滑らかな面になっており、底面の荒れが改善されていた。
【００６１】
また、表２に、エッチングレート、表面との最大傾斜角、オーバーエッチング量および底面の荒れについて測定した結果を示す。なお、底面の荒れは、「◎」がＲａ＜０．０５、「○」が０．０５≦Ｒａ＜０．３、「△」が０．３≦Ｒａ＜０．８、「×」がＲａ≧０．８（但し、Ｒａは表面粗さを表す）として評価した。
【００６２】
【表２】
【００６３】
（比較例１）
表３に示すエッチング条件およびウェハ仕様により、シリコンウェハの裏面側から異方性エッチングを行なった。
【００６４】
【表３】
【００６５】
その結果、立壁構造は、エッチング条件において、濃度が１７％、温度が８０℃の場合に、オリフィスフラットから５５°付近のパターンで出現した。
【００６６】
また、表４に、エッチングレート、表面との最大傾斜角、オーバーエッチング量および底面の荒れについて測定した結果を示す。
【００６７】
【表４】
【００６８】
（比較例２）
表５に示すエッチング条件およびウェハ仕様により、シリコンウェハの裏面側から異方性エッチングを行なった。
【００６９】
【表５】
【００７０】
その結果、エッチング溶液の濃度が低いと立壁構造になりやすいが、エッチング底面が荒れる傾向にあった。また、エッチング溶液の温度が高いと、エッチングレートが速くなることがわかった。さらに、エッチング液の濃度が高いと、エッチング角が低くなり、高密度化できなくなることがわかった。
【００７１】
また、表６に、エッチングレート、表面との最大傾斜角、オーバーエッチング量および底面の荒れについて測定した結果を示す。
【００７２】
【表６】
【００７３】
（比較例３）
表７に示すエッチング条件およびウェハ仕様により、シリコンウェハの裏面側から異方性エッチングを行なった。
【００７４】
【表７】
【００７５】
その結果、ボロンドーピング層とノンドープ層（シリコンウェハ）とのエッチング選択比が十分でなかった。また、ボロンドーピング層において、エッチング底面が荒れることがわかった。さらに、オリフィスフラット面が（１１０）面の場合、立壁構造はオリフィスフラットから３５°付近のパターンで出現した。
【００７６】
また、表８に、エッチングレート、表面との最大傾斜角、オーバーエッチング量および底面の荒れについて測定した結果を示す。
【００７７】
【表８】
【００７８】
（比較例４）
表９に示すエッチング条件およびウェハ仕様により、シリコンウェハの裏面側から異方性エッチングを行なった。
【００７９】
【表９】
【００８０】
その結果、ボロンドーピング層とノンドープ層（シリコンウェハ）とのエッチング選択比が十分でなかった。これは、深さ方向への拡散によりボロン濃度が薄くなったと推測される。また、ヒドラジンによるエッチングの場合、この表９に示す条件では、底面の荒れは十分でないもののかなり改善されるが、オーバーエッチング量が大きく、高密度化できないことがわかった。
【００８１】
また、表１０に、エッチングレート、表面との最大傾斜角、オーバーエッチング量および底面の荒れについて測定した結果を示す。
【００８２】
【表１０】
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、インクジェットヘッドの製造において、エッチング工程を良好に行なうことができる。その結果、特性に優れたインクジェットヘッドが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一例のインクジェットヘッドを用いたインクジェット記録装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示すインクジェットヘッドの一部を示す平面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】本発明によるインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるイオンチャネルの形成工程の一例を説明するための断面図である。
【図６】本発明によるインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるイオンチャネルの形成工程の一例を説明するための断面図である。
【図７】本発明によるインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるイオンチャネルの形成工程の一例を説明するための断面図である。
【図８】本発明によるインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるイオンチャネルの形成工程の一例を説明するための断面図である。
【図９】本発明によるインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるイオンチャネルの形成工程の一例を説明するための断面図である。
【図１０】本発明によるインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるイオンチャネルの形成工程の一例を説明するための断面図である。
【図１１】本発明によるインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるイオンチャネルの形成工程の一例を説明するための断面図である。
【図１２】裏面から異方性エッチングが行なわれたシリコンウェハを用いて組立てられたインクジェットヘッドの一例の構造を示す断面図である。
【図１３】裏面から異方性エッチングが行なわれたシリコンウェハを用いて組立てられたインクジェットヘッドの他の例の構造を示す断面図である。
【図１４】従来のインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるインクチャネルの形成工程の一例を説明するための断面図である。
【図１５】従来のインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるインクチャネルの形成工程の一例を説明するための断面図である。
【図１６】従来のインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるインクチャネルの形成工程の一例を説明するための断面図である。
【図１７】従来のインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるインクチャネルの形成工程の一例を説明するための断面図である。
【図１８】従来のインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるインクチャネルの形成工程の一例を説明するための断面図である。
【図１９】従来のインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるインクチャネルの形成工程の一例を説明するための断面図である。
【図２０】従来のインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるインクチャネルの形成工程の一例を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１ インクジェット記録装置
３ インクジェットヘッド
３０６ シリコンウェハ
３１５ ＰＺＴ
３５０ エッチングストップ層
３６０ 補強層
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェットヘッドおよびその製造方法に関するものであり、特に、シリコンウェハを用いたインクジェットヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリコンウェハを用いたインクジェットヘッドの製造においては、（１１０）面を主表面とするシリコンウェハを異方性エッチングする際のエッチングストップ層として、シリコンウェハにボロンをドーピングして拡散した層を設けていた。
【０００３】
たとえば、特開平９−２６７４７２号公報には、高濃度のボロンをドープし、拡散した層をエッチングストップ層として用いたインクジェットヘッドの製造方法が開示されている。このように構成されるインクジェットヘッドにおいては、ボロンドーピング拡散層は、エッチングストップ層としての作用に加えて、振動板としても作用する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ボロンドーピング拡散層を振動板として作用させるためには、機械的強度上、ボロンドーピング拡散層の厚さを５μｍ以上に厚くする必要がある。一方、ボロンドーピング拡散層の厚さを５μｍ以上まで厚くすると、ボロンドーピング拡散層のボロン濃度が極端に低下してしまうため、シリコンウェハをＫＯＨ溶液を用いて異方性エッチングする際に、エッチングストップ層として十分に機能しないおそれがあるという問題があった。
【０００５】
また、ボロンドーピング拡散層をエッチングストップ層として異方性エッチングを行なった場合、エッチング底面の荒れが大きく、インクジェットヘッドとして使う場合、インク中の気泡の滞留が発生するおそれがあるという問題もあった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上述の問題点を解決し、エッチング工程を良好に行なうことを可能にすることにより、特性に優れたインクジェットヘッドを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によるインクジェットヘッドは、シリコンウェハを用いたインクジェットヘッドであって、（１１０）面を主表面とするシリコンウェハ表面に、ＳｉＸm （Ｘは、Ｏ、ＮおよびＣからなる群から選ばれるいずれかの元素；ｍは任意の数）で表わされる材料からなるエッチングストップ層が形成され、エッチングストップ層は、インクが吐出されるノズルを備えるノズルプレートとインクを吐出させるために駆動される圧電部材との間に配置されるシリコンウェハの前記圧電部材に面する側に形成され、シリコンウェハの一部は、ノズルプレートに面する側からエッチングストップ層が露出するまでエッチング除去されて、吐出させるためのインクが充填される空間が形成され、エッチングストップ層の圧電部材に面する側の層上に、ポリシリコンからなる補強層が形成され、圧電部材の駆動が補強層とエッチングストップ層とを介して空間に充填されているインクに加えられることにより、ノズルからインクを吐出させることを特徴としている。
【０００９】
請求項２の発明によるインクジェットヘッドは、請求項１の発明の構成において、ＳｉＸm で表わされる材料からなるエッチングストップ層の厚さは、０．１μｍ〜１０．０μｍの範囲内である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳しく説明する。なお、各図において同一符号は同一または相当部分を示す。
【００１５】
図１は、本発明による一例のインクジェットヘッド３を用いたインクジェット記録装置１の概略構成を示す斜視図である。
【００１６】
図１を参照して、インクジェット記録装置１は、用紙やプラスチック薄板などの記録媒体である記録シート２と、インクジェット方式のプリンタヘッドであるインクジェットヘッド３と、インクジェットヘッド３を保持するキャリッジ４と、キャリッジ４を記録シート２の記録面に平行に往復移動させるための揺動軸５、６と、キャリッジ４を揺動軸５、６に沿って往復駆動させる駆動モータ（図示せず）と、駆動モータの回転をキャリッジの往復運動に変えるためのタイミングベルト９、アイドルプーリ８とを含んでいる。また、このインクジェット記録装置１は、インクジェットヘッド３のメンテナンスを行なうメンテナンス装置１４と、記録シート２を手動で搬送するための紙送りノブ１５とを含んでいる。
【００１７】
インクジェットヘッド３には、インクを加圧するためのエネルギ発生体としての圧電部材であるＰＺＴが用いられている。ＰＺＴには電圧が印加され、歪が生じる。この歪は、インクで満たされたインクチャネルの容積を変化させる。この容積の変化により、インクチャネルに設けられたノズルからインクが吐出され、記録シート２への記録が行なわれる。
【００１８】
キャリッジ４は、駆動モータ、アイドルプーリ８、タイミングベルト９により、記録シート２を横切る方向である記録シート２の桁方向に主走査し、キャリッジ用に取付けられたプリンタヘッド３は１ライン分の画像を記録する。１ラインの記録が終わるごとに、記録シート２は縦方向に送られ副走査され、次のラインが記録される。
【００１９】
図２〜図４は、インクジェットヘッド３の構成を説明するための図である。図２は図１に示すインクジェットヘッド３の一部を示す平面図であり、図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図であり、図４は図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【００２０】
インクジェットヘッド３は、ノズルプレート３０３、セラミック基板３００とを、一体に重ねた構成となっている。
【００２１】
ノズルプレート３０３は、金属、セラミック、ガラスまたは合成樹脂などからなる。ノズルプレート３０３には、電鋳、成形、フォトリソグラフィなどによりノズルプレートの形成と同時に、あるいはノズルプレート形成後の微細加工等により、インク３０７を収容する複数のインクチャネル３０８と、各インクチャネル３０８と共通インク室３１０とを連結するインクインレット３１１とが形成されている。
【００２２】
ノズルプレート３０３とＰＺＴ３１５の間には、シリコンウェハ３０６を裏面から異方性エッチングする際に作用するエッチングストップ層３５０が形成されている。このエッチングストップ層３５０は、振動板としても作用する。エッチングストップ層３５０には、個別電極３１４が形成されている。また、エッチングストップ層３５０は、接着剤３４０によりセラミック基板３００と接着されている。さらに、このインクジェットヘッド３は、フレキシブル配線３２０を介してドライバ回路３３０に接続されている。
【００２３】
このインクジェットヘッドにおいては、エッチングストップ層３５０は、ＳｉＸm （Ｘは、Ｏ、ＮおよびＣからなる群から選ばれるいずれかの元素；ｍは任意の数）で表わされる材料から形成されている。また、このエッチングストップ層３５０の厚さは、好ましくは０．１μｍ〜１０．０μｍの範囲内であり、より好ましくは０．４μｍ〜２．０μｍの範囲内であるとよい。さらに、エッチングストップ層３５０上には、金属またはポリシリコンからなる補強層がさらに形成されていてもよい。補強層の厚さは、金属の場合は１μｍ〜５μｍの範囲内であることが好ましく、ポリシリコンの場合は１μｍ〜３０μｍの範囲内であることが好ましい。
【００２４】
以上のような構成のインクジェットヘッド３では、図示しないインクタンクから共通インク室３１０にインク３０７が供給される。共通インク室３１０内のインク３０７は、インクインレット３１１を介して各インクチャネル３０８に分配される。
【００２５】
ヘッドドライバから所定の電圧が印加されると、ＰＺＴ３１５は変形する。これにより、インクチャネル３０８内のインク３０７が加圧され、ノズル３０９を介してインク滴が記録シート２に向かって飛翔する。
【００２６】
図５〜図１１は、本発明によるインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるイオンチャネル形成工程の一例を説明するための断面図である。なお、図５〜図１１においては、シリコンウェハの裏面を上側に、表面を下側にそれぞれ示す。
【００２７】
まず、図５を参照して、（１１０）面を主表面とするシリコンウェハ３０６の表面および裏面をラッピングし、２００μｍの厚さとする。
【００２８】
次に、図６を参照して、熱酸化炉において、シリコンウェハ３０６の表裏両面に、厚さが１μｍの酸化膜３５０を形成する。
【００２９】
次に、図７を参照して、シリコンウェハ３０６の表面上に形成された酸化膜３５０上に、エピタキシャル成長により、厚さが６μｍのポリシリコンからなる補強層３６０を形成する。
【００３０】
次に、図８を参照して、シリコンウェハ３０６の裏面上に形成された酸化膜３５０上、およびシリコンウェハ３０６の表面側上に形成された補強層３６０上に、熱酸化炉において、それぞれ厚さが０．２μｍの酸化膜３７０を形成する。続いて、シリコンウェハ３０６の表裏両面側上に形成された酸化膜３７０上に、窒化膜成膜装置を用いて、それぞれ厚さが０．１７５μｍの窒化膜３８０を形成する。
【００３１】
次に、図９を参照して、シリコンウェハ３０６の裏面側上に形成された窒化膜３８０上に、スピンコータによりレジスト（図示せず）を塗布する。続いて、所定形状のマスクを介して露光および現像を行なった後、エッチング液として熱リン酸を用いて、シリコンウェハ３０６の裏面側上に形成された窒化膜３８０の一部をエッチング除去する。続いて、エッチング液としてフッ酸溶液を用いて、シリコンウェハ３０６の裏面側上に形成された酸化膜３７０および酸化膜３５０の一部をエッチング除去する。
【００３２】
次に、図１０を参照して、レジスト（図示せず）を除去した後、エッチング液として１７％ＫＯＨ溶液を用いて、シリコンウェハ３０６の裏面側から異方性エッチングを行ない、シリコンウェハ３０６の一部を、シリコンウェハ３０６の表面上に形成された酸化膜（エッチングストップ層）３５０が露出するまで除去する。
【００３３】
次に、図１１を参照して、エッチング液として熱リン酸を用いて、図９に示す工程においてエッチング除去されずに残った窒化膜３８０をエッチング除去する。続いて、エッチング液としてフッ酸を用いて、同様に図９に示す工程においてエッチング除去されずに残った酸化膜３７０をエッチング除去する。
【００３４】
その後、シリコンウェハ３０６の表面側上に形成された補強層３６０上に、スパッタ法によりＣｒ＋Ａｕからなる裏面電極層（図示せず）を形成する。
【００３５】
なお、上述した例においては、補強層３６０として、厚さが６μｍのポリシリコン層をエピタキシャル成長により形成したが、ポリシリコン層の代わりに、たとえば厚さが３．５μｍのＡｌ層を、蒸着装置を用いて蒸着してもよい。
【００３６】
図１２および図１３は、図１１に示すように裏面から異方性エッチングが行なわれたシリコンウェハを用いて組立てられたインクジェットヘッドの例の構造を示す断面図である。
【００３７】
図１２は、焼結体ＰＺＴの貼付けまたはスクリーン印刷により組立てられたインクジェットヘッドの例を示す断面図であり、図１３は、積層ＰＺＴ貼付けにより組立てられたインクジェットヘッドの例を示す断面図である。
【００３８】
この実施の形態においては、上述したように、シリコンウェハに対して異方性エッチングを行なっている。そのため、高精度の加工を行なうことができる。また、加工と組立を同時に進行できるため、部品点数、ハンドリングを減らし、製品の歩留りが向上する。さらに、一度に大量の部品をコピーすることができるため、量産性がある。
【００３９】
また、この実施の形態においては、エッチングストップ層として、シリコンウェハの熱酸化膜が形成されている。エッチング溶液としてＫＯＨを用いた場合、ＳｉＯ2 に対するＳｉのエッチング選択比は約５００倍である。したがって、ＫＯＨによりシリコンウェハをエッチングする場合、ＳｉＯ2 （熱酸化膜）は、エッチングストップ層として作用する。また、ＫＯＨによりシリコンウェハをエッチングすると、ＳｉＯ2 （熱酸化膜）上は非常に滑らかな面になるとともに、エッチング深さのばらつきもなくなる。
【００４０】
以上のように、この実施の形態によれば、各インクチャネルの吐出量、スピードのばらつきがなくなる。また、インクチャネル内で発生した気泡が滞留することがないため、安定に長期間インクを吐出することができるようになる。
【００４１】
次に、シリコンウェハ表面へのエッチングストップ層の形成の別の例について説明する。
【００４２】
上述した例では、シリコンウェハ表面を熱酸化することにより、ＳｉＯ2 からなるエッチングストップ層を形成する例について説明した。この他、たとえば、シリコンウェハに薄いガラスを貼付けることによっても、振動板としての作用を兼ね備えたエッチングストップ層を形成することができる。シリコンウェハとガラスとは、陽極接合により強固に接合させることができる。また、ガラスの材質としては、シリコンウェハと強固に陽極接合するため、シリコンと熱膨張係数の近いパイレックスガラス、硼珪酸ガラス（低熱膨張ガラス）等が好ましく用いられる。
【００４３】
また、さらに他の例として、シリコンウェハ上にスパッタリング法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法等によりＳｉＯ2 膜を成膜し、これをエッチングストップ層とすることもできる。このような方法により成膜できるＳｉＯ2 膜の厚さは、せいぜい３μｍ程度が限度であるため、必要に応じて振動板として作用する際の補強層として、ポリシリコンまたはＡｌ等の電極をこの上にさらに形成することが好ましい。
【００４４】
また、さらに他の例として、エッチングストップ層が形成されたシリコンウェハとして、ＳＯＩ（Silicon-on-Insulator）ウェハを用いることもできる。
【００４５】
このＳＯＩウェハの作製方法としては、たとえば、ＳＩＭＯＸ（Separation by Implanted Oxigen）や結合ＳＯＩ等がある。ＳＩＭＯＸウェハの作製工程は、シリコンウェハにイオン注入により酸素を打込んだ後、高温アニールを行なうものである。また、結合ＳＯＩウェハの作製工程は、ＳＯＩ活性層となるボンドウェハを熱酸化し、酸化膜のないベースウェハと室温で貼合わせた後、結合強度を高めるため結合アニールを酸素雰囲気下で行なうというものである。
【００４６】
また、本発明において、シリコンウェハをエッチングする際のエッチング液としては、エッチングストップ層とシリコンウェハとのエッチング選択比が大きくとれるものであれば、特に限定されるものではない。たとえば、エッチングストップ層として、ＳｉＯ2 層を用いる場合には、エッチング液としては、ＫＯＨ、ヒドラジン、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）、ＥＰＷ（エチレンジアミン−ピロカテコール水）等が好ましく用いられる。
【００４７】
次に、比較のため、従来のボロンドーピング拡散層を用いた場合のインクジェットヘッドの製造方法について、以下に説明する。
【００４８】
図１４〜図２０は、従来のインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるイオンチャネルの形成工程の一例を説明するための断面図である。なお、図１４〜図２０においては、シリコンウェハの裏面を上側に、表面を下側にそれぞれ示す。
【００４９】
まず、図１４を参照して、（１１０）面を主表面とするシリコンウェハ３０６の表面および裏面をラッピングおよびポリッシュし、０．２ｍｍの厚さにする。
【００５０】
次に、図１５を参照して、熱酸化炉において１１００℃にて、シリコンウェハ３０６の裏面上にのみ、シリコンエッチング用マスクとして酸化膜３７０を形成する。
【００５１】
次に、図１６を参照して、インプランテーション装置を用いて、シリコンウェハ３０６の表面に１０19個／ｃｍ2 ボロンをドーピングし、拡散炉において拡散することにより、厚さが７μｍまたは３０μｍのエッチングストップ層３５５を形成する。
【００５２】
次に、図１７を参照して、シリコンウェハ３０６の裏面上に形成された酸化膜３７０上、およびシリコンウェハ３０６の表面側上に形成されたエッチングストップ層３５５上に、窒化膜成膜装置を用いて、それぞれ厚さが０．１７５μｍの窒化膜３８０を形成する。
【００５３】
次に、シリコンウェハ３０６の裏面側上に形成された窒化膜３８０上に、スピンコータによりレジスト（図示せず）を塗布する。続いて、所定形状のマスクを介して露光および現像を行なった後、エッチング液として熱リン酸を用いて、シリコンウェハ３０６の裏面側上に形成された窒化膜３８０の一部をエッチング除去する。
【００５４】
次に、図１８を参照して、レジスト（図示せず）を除去した後、エッチング液としてフッ酸溶液を用いて、シリコンウェハ３０６の裏面側上に形成された酸化膜３７０の一部を、シリコンウェハ３０６の裏面が露出するまでエッチング除去する。
【００５５】
次に、図１９を参照して、エッチング液としてＫＯＨ溶液を用いてシリコンウェハ３０６の裏面側から異方性エッチングを行ない、シリコンウェハ３０６の一部を、シリコンウェハ３０６の表面上に形成されたエッチングストップ層３５５が露出するまで除去する。
【００５６】
次に、図２０を参照して、シリコンウェハ３０６の表裏両面側上の窒化膜３８０をそれぞれ除去する。その後、シリコンウェハ３０６の表面側上に形成されたエッチングストップ層３５５上に、スパッタ法により、Ｃｒ＋Ａｕからなる裏面電極３９０を成膜する。
【００５７】
【実施例】
直径が４インチの（１１０）面を主表面とするシリコンウェハを用いて、種々の条件で異方性エッチングを行ない、インクチャネルを形成した。
【００５８】
（実施例１）
表１に示すエッチング条件およびウェハ仕様により、シリコンウェハの裏面側から異方性エッチングを行なった。
【００５９】
【表１】
その結果、シリコンウェハとシリコン酸化膜とのエッチング選択比が５００：１であり、シリコン酸化膜はエッチングストップ層として十分に機能していることがわかった。また、エッチング底面は、酸化膜が露出して滑らかな面になっており、底面の荒れが改善されていた。
【００６１】
また、表２に、エッチングレート、表面との最大傾斜角、オーバーエッチング量および底面の荒れについて測定した結果を示す。なお、底面の荒れは、「◎」がＲａ＜０．０５、「○」が０．０５≦Ｒａ＜０．３、「△」が０．３≦Ｒａ＜０．８、「×」がＲａ≧０．８（但し、Ｒａは表面粗さを表す）として評価した。
【００６２】
【表２】
（比較例１）
表３に示すエッチング条件およびウェハ仕様により、シリコンウェハの裏面側から異方性エッチングを行なった。
【００６４】
【表３】
その結果、立壁構造は、エッチング条件において、濃度が１７％、温度が８０℃の場合に、オリフィスフラットから５５°付近のパターンで出現した。
【００６６】
また、表４に、エッチングレート、表面との最大傾斜角、オーバーエッチング量および底面の荒れについて測定した結果を示す。
【００６７】
【表４】
（比較例２）
表５に示すエッチング条件およびウェハ仕様により、シリコンウェハの裏面側から異方性エッチングを行なった。
【００６９】
【表５】
その結果、エッチング溶液の濃度が低いと立壁構造になりやすいが、エッチング底面が荒れる傾向にあった。また、エッチング溶液の温度が高いと、エッチングレートが速くなることがわかった。さらに、エッチング液の濃度が高いと、エッチング角が低くなり、高密度化できなくなることがわかった。
【００７１】
また、表６に、エッチングレート、表面との最大傾斜角、オーバーエッチング量および底面の荒れについて測定した結果を示す。
【００７２】
【表６】
（比較例３）
表７に示すエッチング条件およびウェハ仕様により、シリコンウェハの裏面側から異方性エッチングを行なった。
【００７４】
【表７】
その結果、ボロンドーピング層とノンドープ層（シリコンウェハ）とのエッチング選択比が十分でなかった。また、ボロンドーピング層において、エッチング底面が荒れることがわかった。さらに、オリフィスフラット面が（１１０）面の場合、立壁構造はオリフィスフラットから３５°付近のパターンで出現した。
【００７６】
また、表８に、エッチングレート、表面との最大傾斜角、オーバーエッチング量および底面の荒れについて測定した結果を示す。
【００７７】
【表８】
（比較例４）
表９に示すエッチング条件およびウェハ仕様により、シリコンウェハの裏面側から異方性エッチングを行なった。
【００７９】
【表９】
その結果、ボロンドーピング層とノンドープ層（シリコンウェハ）とのエッチング選択比が十分でなかった。これは、深さ方向への拡散によりボロン濃度が薄くなったと推測される。また、ヒドラジンによるエッチングの場合、この表９に示す条件では、底面の荒れは十分でないもののかなり改善されるが、オーバーエッチング量が大きく、高密度化できないことがわかった。
【００８１】
また、表１０に、エッチングレート、表面との最大傾斜角、オーバーエッチング量および底面の荒れについて測定した結果を示す。
【００８２】
【表１０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、インクジェットヘッドの製造において、エッチング工程を良好に行なうことができる。その結果、特性に優れたインクジェットヘッドが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一例のインクジェットヘッドを用いたインクジェット記録装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示すインクジェットヘッドの一部を示す平面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】本発明によるインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるイオンチャネルの形成工程の一例を説明するための断面図である。
【図６】本発明によるインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるイオンチャネルの形成工程の一例を説明するための断面図である。
【図７】本発明によるインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるイオンチャネルの形成工程の一例を説明するための断面図である。
【図８】本発明によるインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるイオンチャネルの形成工程の一例を説明するための断面図である。
【図９】本発明によるインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるイオンチャネルの形成工程の一例を説明するための断面図である。
【図１０】本発明によるインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるイオンチャネルの形成工程の一例を説明するための断面図である。
【図１１】本発明によるインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるイオンチャネルの形成工程の一例を説明するための断面図である。
【図１２】裏面から異方性エッチングが行なわれたシリコンウェハを用いて組立てられたインクジェットヘッドの一例の構造を示す断面図である。
【図１３】裏面から異方性エッチングが行なわれたシリコンウェハを用いて組立てられたインクジェットヘッドの他の例の構造を示す断面図である。
【図１４】従来のインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるインクチャネルの形成工程の一例を説明するための断面図である。
【図１５】従来のインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるインクチャネルの形成工程の一例を説明するための断面図である。
【図１６】従来のインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるインクチャネルの形成工程の一例を説明するための断面図である。
【図１７】従来のインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるインクチャネルの形成工程の一例を説明するための断面図である。
【図１８】従来のインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるインクチャネルの形成工程の一例を説明するための断面図である。
【図１９】従来のインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるインクチャネルの形成工程の一例を説明するための断面図である。
【図２０】従来のインクジェットヘッドの製造方法において、シリコンウェハの異方性エッチングによるインクチャネルの形成工程の一例を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１ インクジェット記録装置
３ インクジェットヘッド
３０６ シリコンウェハ
３１５ ＰＺＴ
３５０ エッチングストップ層
３６０ 補強層
Claims (2)
- シリコンウェハを用いたインクジェットヘッドであって、（１１０）面を主表面とするシリコンウェハ表面に、ＳｉＸm （Ｘは、Ｏ、ＮおよびＣからなる群から選ばれるいずれかの元素；ｍは任意の数）で表わされる材料からなるエッチングストップ層が形成され、
前記エッチングストップ層は、インクが吐出されるノズルを備えるノズルプレートとインクを吐出させるために駆動される圧電部材との間に配置されるシリコンウェハの前記圧電部材に面する側に形成され、
前記シリコンウェハの一部は、前記ノズルプレートに面する側から前記エッチングストップ層が露出するまでエッチング除去されて、吐出させるためのインクが充填される空間が形成され、
前記エッチングストップ層の前記圧電部材に面する側の層上に、ポリシリコンからなる補強層が形成され、
前記圧電部材の駆動が前記補強層と前記エッチングストップ層とを介して前記空間に充填されているインクに加えられることにより、前記ノズルからインクを吐出させることを特徴とする、インクジェットヘッド。 - 前記ＳｉＸm で表わされる材料からなるエッチングストップ層の厚さは、０．１μｍ〜１０．０μｍの範囲内である、請求項１に記載のインクジェットヘッド。
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