JP3888459B2 - 液体噴射ヘッドの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被噴射液を吐出する液体噴射ヘッドの製造方法に関し、特に、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室に供給されたインクを圧電素子によって加圧することにより、ノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インク滴を吐出する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、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。
【０００３】
そして、たわみ振動モードのアクチュエータを使用したものとしては、例えば、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電体層を形成し、この圧電体層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが知られている。
【０００４】
この圧電体層としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体膜が用いられる。また、このような強誘電体膜は、例えば、ゾル−ゲル法等によって強誘電体前駆体膜が形成された後、この強誘電体前駆体膜を加熱処理（焼成）し結晶化することによって形成される。また、加熱処理方法としては、拡散炉内に強誘電体前駆体膜を成膜したシリコンウェハを挿入して輻射熱によって結晶化させる方法がある（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２０３４０４号公報（［００５１］−［００５４］、［００５９］−［００６０］、第６図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
インクジェット式記録ヘッドを大量生産しようとする場合、このような強誘電体前駆体膜の結晶化を複数枚のシリコンウェハで同時に行う必要がある。しかしながら、複数枚のシリコンウェハ上の強誘電体前駆体膜を同時に焼成しようとすると、次のような問題が生じてしまう。
【０００７】
例えば、複数のシリコンウェハを拡散炉に入れた状態で拡散炉を加熱して強誘電体前駆体膜を焼成しようとすると、拡散炉の温度上昇に時間がかかってしまい、強誘電体前駆体膜が良好に結晶化しないという問題がある。また、例えば、予め加熱した拡散炉に複数のシリコンウェハを順次挿入して焼成しようとすると、全てのシリコンウェハを挿入するまでに時間がかかってしまうため、各シリコンウェハへの熱のかかり方（熱履歴）にばらつきが生じ、シリコンウェハ上に形成されている圧電素子の電極となる金属層にかかる熱履歴にもばらつきが生じてしまう。そして、この熱履歴のばらつきによって金属層の硬度にばらつきが生じ、圧電素子の駆動による振動板の変位にばらつきが生じてしまい、均一なインク吐出特性が得られないという問題がある。なお、例えば、直径が６インチ程度の比較的大型のシリコンウェハを用いる場合には、同一のシリコンウェハ上であっても金属層にかかる熱履歴にばらつきが生じる場合もある。
【０００８】
なお、このような問題は、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッドの製造方法だけではなく、勿論、インク以外を吐出する他の液体噴射ヘッドの製造方法においても、同様に存在する。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑み、複数のシリコンウェハ上の強誘電体前駆体膜を同時に焼成でき且つ振動板の変位量を均一に保持できる液体噴射ヘッドの製造方法を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側の領域に振動板を介して設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドの製造方法において、前記流路形成基板となるシリコンウェハの表面に前記圧電素子の前記下電極となる金属層を形成後、該金属層上に強誘電体前駆体膜を形成する成膜工程と、一列に配置された複数のステージを有する保持部材の各ステージに前記シリコンウェハをそれぞれ固定し予め加熱された拡散炉内に前記保持部材をその一端のステージ側から挿入すると共に他端のステージ側から排出する一連の動作により前記シリコンウェハを介して前記強誘電体前駆体膜を加熱して焼成する焼成工程とを所定回数実行することにより前記圧電体層を構成する所定厚さの強誘電体膜を形成し、且つ前記所定回数の焼成工程を終了後に前記金属層にかかった熱履歴が略均一となるように、各焼成工程毎に前記ステージの順序を入れ替えることを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００１１】
かかる第１の態様では、焼成工程によって各シリコンウェハ上の金属層にかかる熱のかかり方（熱履歴）が均一になり、振動板の変位特性が均一になる。したがって、圧電素子の駆動による振動板の変位量が安定し、液体の吐出特性のばらつきを防止することができる。
【００１２】
本発明の第２の態様は、各焼成工程毎に、各シリコンウェハを面方向に直交する軸を中心として所定角度回転させて前記拡散炉に挿入するシリコンウェハの挿入方向を変更することを特徴とする第１の態様の液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００１３】
かかる第２の態様では、各シリコンウェハに形成された金属層の熱履歴が確実に均一化される。
【００１４】
本発明の第３の態様は、前記焼成工程では、各シリコンウェハを面方向に直交する軸を中心として自転させながら前記拡散炉に挿入することを特徴とする第１の態様の液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００１５】
かかる第３の態様では、各シリコンウェハに形成された金属層の熱履歴が確実に均一化される。
【００１６】
本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様において、前記保持部材の各ステージに、少なくとも２枚のシリコンウェハを、それぞれ前記強誘電体前駆体膜側が内側となるように厚さ方向に配置して固定することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００１７】
かかる第４の態様では、大量のシリコンウェハ上の強誘電体前駆体膜を同時に焼成でき、且つ強誘電体前駆体膜側からの輻射熱の影響が抑えられ、強誘電体前駆体膜を良好に結晶化できる。
【００１８】
本発明の第５の態様は、第４の態様において、前記各ステージ両端部に前記シリコンウェハを配置し、当該シリコンウェハの間に少なくとも１枚のダミーウェハを配置することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００１９】
かかる第５の態様では、強誘電体前駆体膜側からの輻射熱の影響を確実に防止でき、強誘電体前駆体膜を良好に結晶化できる。
【００２０】
本発明の第６の態様は、第１〜５の何れかの態様において、前記保持部材として前記焼成工程の回数と同一数のステージを具備するものを用いたことを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００２１】
かかる第６の態様では、焼成工程毎にステージの順序を入れ替えることにより、容易且つ確実に金属層にかかる熱履歴を均一化できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を一実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの概略を示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及び断面図である。図示するように、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、その一方の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１〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。流路形成基板１０には、複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４を介して連通されている。なお、連通部１３は、後述する封止基板３０のリザーバ部３２と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバの一部を構成する。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。
【００２３】
このような圧力発生室１２等は、弾性膜５０とは反対側の面から流路形成基板１０を異方性エッチングすることによって形成されている。異方性エッチングは、シリコン単結晶基板のエッチングレートの違いを利用して行われる。例えば、本実施形態では、流路形成基板１０が面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなるため、シリコン単結晶基板の（１１０）面のエッチングレートと比較して（１１１）面のエッチングレートが約１／１８０であるという性質を利用して行われる。すなわち、シリコン単結晶基板をＫＯＨ等のアルカリ溶液に浸漬すると、徐々に侵食されて（１１０）面に垂直な第１の（１１１）面と、この第１の（１１１）面と約７０度の角度をなし且つ上記（１１０）面と約３５度の角度をなす第２の（１１１）面とが出現する。かかる異方性エッチングにより、二つの第１の（１１１）面と斜めの二つの第２の（１１１）面とで形成される平行四辺形状の深さ加工を基本として精密加工を行うことができ、圧力発生室１２を高密度に配列することができる。
【００２４】
本実施形態では、各圧力発生室１２の長辺を第１の（１１１）面で、短辺を第２の（１１１）面で形成している。この圧力発生室１２は、流路形成基板１０をほぼ貫通して弾性膜５０に達するまでエッチングすることにより形成されている。なお、弾性膜５０は、シリコン単結晶基板をエッチングするアルカリ溶液に侵される量がきわめて小さい。
【００２５】
このような圧力発生室１２等が形成される流路形成基板１０の厚さは、圧力発生室１２を配設する密度に合わせて最適な厚さを選択することが好ましい。例えば、１インチ当たり１８０個（１８０ｄｐｉ）程度に圧力発生室１２を配置する場合には、流路形成基板１０の厚さは、１８０〜２８０μｍ程度、より望ましくは、２２０μｍ程度とするのが好適である。また、例えば、３６０ｄｐｉ程度と比較的高密度に圧力発生室１２を配置する場合には、流路形成基板１０の厚さは、１００μｍ以下とするのが好ましい。これは、隣接する圧力発生室１２間の隔壁１１の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。なお、このような流路形成基板１０は、図３に示すように、シリコン単結晶基板からなるシリコンウェハ１００に複数個が一体的に形成される。そして、詳しくは後述するが、このシリコンウェハ１００に圧力発生室１２等を形成した後、シリコンウェア１００を分割することによって複数の流路形成基板１０となる。
【００２６】
また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。
【００２７】
一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側の弾性膜５０の上には、厚さが例えば、０．４μｍの絶縁体膜５５が形成され、この絶縁体膜５５上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１μｍの圧電体層を構成する強誘電体膜７０と、厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、強誘電体膜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、他方の電極及び強誘電体膜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強誘電体膜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、本実施形態では、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。
【００２８】
また、このような各圧電素子３００の上電極膜８０には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０がそれぞれ接続されている。このリード電極９０は、各圧電素子３００の長手方向端部近傍から引き出され、インク供給路１４に対応する領域の弾性膜５０上までそれぞれ延設されている。
【００２９】
また、流路形成基板１０の圧電素子３００側には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を確保した状態で、その空間を密封可能な圧電素子保持部３１を有する封止基板３０が接合され、圧電素子３００はこの圧電素子保持部３１内に密封されている。さらに、封止基板３０には、各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１１０の少なくとも一部を構成するリザーバ部３２が設けられ、このリザーバ部３２は、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１１０を構成している。また、封止基板３０の圧電素子保持部３１とリザーバ部３２との間の領域には、封止基板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は、その端部近傍が貫通孔３３内で露出されている。なお、このような封止基板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した。
【００３０】
さらに、このような封止基板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。ここで、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、この封止膜４１によってリザーバ部３２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）で形成される。この固定板４２のリザーバ１１０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となっているため、リザーバ１１０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。
【００３１】
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部インク供給手段からインクを取り込み、リザーバ１１０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、図示しない駆動ＩＣからの駆動信号に従い、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との間に駆動電圧を印加し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、下電極膜６０及び強誘電体膜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。
【００３２】
図４、図５、図８及び図９は、圧力発生室１２の長手方向のシリコンウェハの断面図であり、図６は、拡散炉の概略図であり、図７は強誘電体前駆体膜の焼成工程を説明する概略図である。以下、これら図４〜図９を参照して、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法について説明する。まず、図４（ａ）に示すように、流路形成基板１０となるシリコンウェハ１００を約１１００℃の拡散炉で熱酸化して弾性膜５０及びマスク膜５１を構成する二酸化シリコン膜５２を全面に形成する。次いで、図４（ｂ）に示すように、弾性膜５０（二酸化シリコン膜５２）上に、ジルコニウム（Ｚｒ）層を形成後、例えば、５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化して酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる絶縁体膜５５を形成する。次いで、図４（ｃ）に示すように、例えば、少なくとも白金とイリジウムとからなる下電極形成膜（金属層）６５を絶縁体膜５５上に形成後、下電極形成膜６５をパターニングすることにより、圧力発生室１２の列に対向する領域に所定幅で下電極膜６０を形成する。
【００３３】
次いで、図４（ｄ）に示すように、シリコンウェハ１００の全面に、各圧電素子を構成する強誘電体膜となる強誘電体形成膜７５を所定の厚さで形成する。本実施形態では、金属有機物を触媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに６００〜８００℃の高温で焼成することで金属酸化物からなる強誘電体形成膜７５を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて形成することにより、結晶が配向している強誘電体形成膜７５とした。具体的には、図５に示すように、複数、本実施形態では、１０枚のシリコンウェハ１００の下電極膜６０上に、それぞれ強誘電体であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜を所定の厚さ、本実施形態では、０．２μｍ程度の厚さで成膜してＰＺＴ膜（強誘電体前駆体膜）７６を形成する。一度の成膜によるＰＺＴ膜７６の厚さは約０．１μｍ程度であるため、本実施形態では、２度の成膜により約０．２μｍ程度の厚さのＰＺＴ膜７６を形成する。次いで、これら１０枚のシリコンウェハを所定の配列で所定の治具に固定して拡散炉に挿入することによって焼成してＰＺＴ膜７６を結晶化する。そして、このようなＰＺＴ膜７６を成膜する成膜工程と、ＰＺＴ膜７６を焼成する焼成工程とを複数回、本実施形態では、５回繰り返すことにより、強誘電体形成膜７５を約１μｍの厚さで形成した。
【００３４】
ここで、本実施形態の焼成工程で用いられる拡散炉は、図６に示すように、例えば、シリコンウェハ１００が挿入される炉口２０１を有すると共に、他端に反応ガスの送入口２０２を有する炉心管２０３と、炉心管２０３の外側に配置されたヒータ２０４とで構成され、炉口２０１はシャッタ２０５により開閉可能となっている。そして、本実施形態では、このような拡散炉を用い、以下のような手順でＰＺＴ膜７６の焼成を行っている。
【００３５】
まず、図７（ａ）に示すように、一列に配置された複数、本実施形態では、５つのステージ２５１（２５１Ａ〜２５１Ｅ）を有する保持部材２５０に複数枚のシリコンウェハ１００をそれぞれ固定する。ここで、実際に流路形成基板として用いられるシリコンウェハ１００は、各ステージ２５１の両端にＰＺＴ膜７６が内側となるように固定した。また、両シリコンウェハ１００の間には、実際に流路形成基板としては使用されないダミーウェハ１０５を複数枚、本実施形態では、３枚配置するようにした。
【００３６】
このダミーウェハ１０５のサイズは、シリコンウェハ１００と略同一サイズであり、またシリコンウェハ１００とダミーウェハ１０５との間の距離は、複数枚用いられているダミーウェハ１０５同士の距離と同じにする。このダミーウェハ１０５は、シリコンウェハ１００を介してのみＰＺＴ膜７６が加熱されるように、すなわち、ＰＺＴ膜７６側からの輻射熱の影響を抑えるためのものである。そして、このようにシリコンウェハ１００を固定した保持部材２５０を、その一端のステージ２５１Ａ側から炉心管２０３内に挿入し、他端のステージ２５１Ｅまで全てが炉心管２０３内に挿入されるとシャッタ２０５を閉じて所定時間焼成する（図７（ｂ））。その後、焼成が終了すると、シャッタ２０５を開けて他端のステージ２５１Ｅ側から炉心管２０３の外に排出する（図７（ｃ））。
【００３７】
ここで、一列に配置された複数のステージ２５１Ａ〜２５１Ｅに固定されたシリコンウェハ１００を炉心管２０３内に完全に挿入するまでには数分程度要し、排出にも同一の時間を要する。このため、シリコンウェハ１００が何れのステージ２５１Ａ〜２５１Ｅに固定されているかによって、シリコンウェハ１００への熱のかかり方（熱履歴）が異なってしまう。この現象は、高温で焼成する際に顕著に現れる。各シリコンウェハ１００の熱履歴の差は、下電極膜６０の硬度に影響し、結果として振動板の変位量にばらつきが生じてしまう。このため、本発明では、複数回行う各焼成工程でステージ２５１Ａ〜２５１Ｅの順序を入れ替えることで、下電極膜６０への熱のかかり方（熱履歴）を各シリコンウェハ１００で均一となるようにしている。
【００３８】
すなわち、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、１回目の焼成工程で保持部材２５０をステージ２５１Ａ〜２５１Ｅの順で炉心管２０３内に挿入して焼成する場合、２回目の焼成工程では、図７（ｄ）に示すように、ステージ２５１Ａ〜２５１Ｅの順序を入れ替え、２５１Ｂ〜２５１Ｅ、２５１Ａの順で保持部材２５０を炉心管２０３内に挿入してシリコンウェハ１００の焼成を行う。さらに、３回目の焼成工程において、ステージ２５１Ｃ〜２５１Ｅ、２５１Ａ、Ｂの順で炉心管２０３内に挿入するようにする。このようにステージ２５１の順序を入れ替えながら焼成工程を行うことにより、最終的な下電極膜６０の熱履歴を均一とすることができ、下電極膜６０の硬度を均一にすることができる。したがって、圧電素子３００の駆動による振動板の変位量のばらつきを防止することができ、常に均一なインク吐出特性を得ることができる。
【００３９】
また、一列に配置するステージ２５１の数、すなわち、一列に配置するシリコンウェハ１００の数は、特に限定されないが、本実施形態のように、焼成回数と一致していることが好ましい。さらに、各焼成工程時にステージ２５１の順序を入れ替えると共に、各シリコンウェハ１００を面方向に直交する軸を中心として所定角度、例えば、９０度程度ずつ回転するようにしてもよい。また、各焼成工程を実行する際に、各シリコンウェハ１００が面方向に直交する軸を中心として常に自転しているようにしてもよい。これにより、下電極膜６０にかかる熱履歴をより均一にすることができ、圧電素子３００の駆動による振動板の変位量のばらつきを確実に防止することができる。また、例えば、６インチ程度の比較的大型のシリコンウェハを用いた場合でも、各シリコンウェハ内での下電極膜の熱履歴に差が生じるのを防止することができる。
【００４０】
なお、このように形成される強誘電体形成膜７５（強誘電体膜７０）の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛系の材料を用いたが、インクジェット式記録ヘッドに使用する材料としては、良好な変位特性を得られればチタン酸ジルコン酸鉛系の材料に限定されない。また、このように成膜された強誘電体形成膜７５は、バルクの圧電体とは異なり結晶が優先配向しており、且つ本実施形態では、強誘電体形成膜７５は、結晶が柱状に形成されている。なお、優先配向とは、結晶の配向方向が無秩序ではなく、特定の結晶面がほぼ一定の方向に向いている状態をいう。また、結晶が柱状の薄膜とは、略円柱体の結晶が中心軸を厚さ方向に略一致させた状態で面方向に亘って集合して薄膜を形成している状態をいう。勿論、優先配向した粒状の結晶で形成された薄膜であってもよい。なお、このように薄膜工程で製造された強誘電体形成膜の厚さは、一般的に０．２〜５μｍである。
【００４１】
また、このように強誘電体形成膜７５を形成した後は、図８（ａ）に示すように、例えば、イリジウム（Ｉｒ）からなる上電極形成膜８５を積層形成し、強誘電体形成膜７５及び上電極形成膜８５を各圧力発生室１２に対向する領域内にパターニングすることにより下電極膜６０、強誘電体膜７０及び上電極膜８０からなる圧電素子３００を形成する（図８（ｂ））。次いで、図８（ｃ）に示すように、金（Ａｕ）からなるリード電極形成膜９５を流路形成基板１０の全面に亘って形成後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン（図示なし）を介してリード電極形成膜９５を各圧電素子３００毎にパターニングすることによってリード電極９０を形成する。
【００４２】
以上が膜形成プロセスである。このようにして膜形成を行った後、前述したアルカリ溶液によるシリコンウェハ１００の異方性エッチングを行い、圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４を形成する。具体的には、まず、図９（ａ）に示すように、シリコンウェハ１００の圧電素子３００側に、予め圧電素子保持部３１、リザーバ部３２等が形成された封止基板形成材１２０を接合する。次に、図９（ｂ）に示すように、シリコンウェハ１００の封止基板形成材１２０との接合面とは反対側の面に形成されている二酸化シリコン膜５２を所定形状にパターニングしてマスク膜５１とし、このマスク膜５１を介して前述したアルカリ溶液による異方性エッチングを行うことにより、シリコンウェハ１００に圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４等を形成する。なお、このように異方性エッチングを行う際には、封止基板形成材１２０の表面を封止した状態で行う。
【００４３】
また、その後は、シリコンウェハ１００の封止基板形成材１２０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、封止基板形成材１２０にコンプライアンス基板４０を接合して各チップサイズに分割することにより、図１に示すような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとする。
【００４４】
（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、勿論、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、各ステージに複数のシリコンウェハを固定して焼成工程を実行するようにしたが、勿論、各ステージに一枚のシリコンウェハを固定して焼成工程を実行するようにしてもよい。また、上述の実施形態では、各焼成工程で、各ステージの順序を入れ替えるようにしたが、例えば、各ステージの並び順は固定しておき、各焼成工程毎に、炉心管に挿入する順序を逆にするようにしてもよい。さらに、上述の実施形態では、強誘電体前駆体膜をゾル−ゲル法で形成するようにしたが、これに限定されず、例えば、スパッタリング法で形成してもよい。
【００４５】
なお、このようなインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図１０は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。図１０に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８上に搬送されるようになっている。
【００４６】
また、液体噴射ヘッドとしてインクを吐出するインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置を一例として説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド及び液体噴射装置全般を対象としたものである。液体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を挙げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。
【図２】 実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。
【図３】 シリコンウェハの概略斜視図である。
【図４】 実施形態１に係る製造工程を示す断面図である。
【図５】 実施形態１に係る製造工程を示す拡大断面図である。
【図６】 製造工程で用いる拡散炉の概略図である。
【図７】 実施形態１に係る焼成工程を示す概略図である。
【図８】 実施形態１に係る製造工程を示す断面図である。
【図９】 実施形態１に係る製造工程を示す断面図である。
【図１０】 一実施形態に係る記録装置の概略図である。
【符号の説明】
１０ 流路形成基板、 １２ 圧力発生室、 １３ 連通部、 １４ インク供給路、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 封止基板、 ３１ 圧電素子保持部、 ３２ リザーバ部、 ４０ コンプライアンス基板、５０ 弾性膜、 ６０ 下電極膜、 ７０ 強誘電体膜、 ７５ 強誘電体形成膜、 ７６ ＰＺＴ膜、 ８０ 上電極膜、１００ シリコンウェハ、 ３００ 圧電素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、被噴射液を吐出する液体噴射ヘッドの製造方法に関し、特に、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室に供給されたインクを圧電素子によって加圧することにより、ノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インク滴を吐出する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、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。
【０００３】
そして、たわみ振動モードのアクチュエータを使用したものとしては、例えば、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電体層を形成し、この圧電体層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが知られている。
【０００４】
この圧電体層としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体膜が用いられる。また、このような強誘電体膜は、例えば、ゾル−ゲル法等によって強誘電体前駆体膜が形成された後、この強誘電体前駆体膜を加熱処理（焼成）し結晶化することによって形成される。また、加熱処理方法としては、拡散炉内に強誘電体前駆体膜を成膜したシリコンウェハを挿入して輻射熱によって結晶化させる方法がある（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２０３４０４号公報（［００５１］−［００５４］、［００５９］−［００６０］、第６図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
インクジェット式記録ヘッドを大量生産しようとする場合、このような強誘電体前駆体膜の結晶化を複数枚のシリコンウェハで同時に行う必要がある。しかしながら、複数枚のシリコンウェハ上の強誘電体前駆体膜を同時に焼成しようとすると、次のような問題が生じてしまう。
【０００７】
例えば、複数のシリコンウェハを拡散炉に入れた状態で拡散炉を加熱して強誘電体前駆体膜を焼成しようとすると、拡散炉の温度上昇に時間がかかってしまい、強誘電体前駆体膜が良好に結晶化しないという問題がある。また、例えば、予め加熱した拡散炉に複数のシリコンウェハを順次挿入して焼成しようとすると、全てのシリコンウェハを挿入するまでに時間がかかってしまうため、各シリコンウェハへの熱のかかり方（熱履歴）にばらつきが生じ、シリコンウェハ上に形成されている圧電素子の電極となる金属層にかかる熱履歴にもばらつきが生じてしまう。そして、この熱履歴のばらつきによって金属層の硬度にばらつきが生じ、圧電素子の駆動による振動板の変位にばらつきが生じてしまい、均一なインク吐出特性が得られないという問題がある。なお、例えば、直径が６インチ程度の比較的大型のシリコンウェハを用いる場合には、同一のシリコンウェハ上であっても金属層にかかる熱履歴にばらつきが生じる場合もある。
【０００８】
なお、このような問題は、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッドの製造方法だけではなく、勿論、インク以外を吐出する他の液体噴射ヘッドの製造方法においても、同様に存在する。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑み、複数のシリコンウェハ上の強誘電体前駆体膜を同時に焼成でき且つ振動板の変位量を均一に保持できる液体噴射ヘッドの製造方法を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側の領域に振動板を介して設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドの製造方法において、前記流路形成基板となるシリコンウェハの表面に前記圧電素子の前記下電極となる金属層を形成後、該金属層上に強誘電体前駆体膜を形成する成膜工程と、一列に配置された複数のステージを有する保持部材の各ステージに前記シリコンウェハをそれぞれ固定し予め加熱された拡散炉内に前記保持部材をその一端のステージ側から挿入すると共に他端のステージ側から排出する一連の動作により前記シリコンウェハを介して前記強誘電体前駆体膜を加熱して焼成する焼成工程とを所定回数実行することにより前記圧電体層を構成する所定厚さの強誘電体膜を形成し、且つ前記所定回数の焼成工程を終了後に前記金属層にかかった熱履歴が略均一となるように、各焼成工程毎に前記ステージの順序を入れ替えることを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００１１】
かかる第１の態様では、焼成工程によって各シリコンウェハ上の金属層にかかる熱のかかり方（熱履歴）が均一になり、振動板の変位特性が均一になる。したがって、圧電素子の駆動による振動板の変位量が安定し、液体の吐出特性のばらつきを防止することができる。
【００１２】
本発明の第２の態様は、各焼成工程毎に、各シリコンウェハを面方向に直交する軸を中心として所定角度回転させて前記拡散炉に挿入するシリコンウェハの挿入方向を変更することを特徴とする第１の態様の液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００１３】
かかる第２の態様では、各シリコンウェハに形成された金属層の熱履歴が確実に均一化される。
【００１４】
本発明の第３の態様は、前記焼成工程では、各シリコンウェハを面方向に直交する軸を中心として自転させながら前記拡散炉に挿入することを特徴とする第１の態様の液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００１５】
かかる第３の態様では、各シリコンウェハに形成された金属層の熱履歴が確実に均一化される。
【００１６】
本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様において、前記保持部材の各ステージに、少なくとも２枚のシリコンウェハを、それぞれ前記強誘電体前駆体膜側が内側となるように厚さ方向に配置して固定することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００１７】
かかる第４の態様では、大量のシリコンウェハ上の強誘電体前駆体膜を同時に焼成でき、且つ強誘電体前駆体膜側からの輻射熱の影響が抑えられ、強誘電体前駆体膜を良好に結晶化できる。
【００１８】
本発明の第５の態様は、第４の態様において、前記各ステージ両端部に前記シリコンウェハを配置し、当該シリコンウェハの間に少なくとも１枚のダミーウェハを配置することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００１９】
かかる第５の態様では、強誘電体前駆体膜側からの輻射熱の影響を確実に防止でき、強誘電体前駆体膜を良好に結晶化できる。
【００２０】
本発明の第６の態様は、第１〜５の何れかの態様において、前記保持部材として前記焼成工程の回数と同一数のステージを具備するものを用いたことを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００２１】
かかる第６の態様では、焼成工程毎にステージの順序を入れ替えることにより、容易且つ確実に金属層にかかる熱履歴を均一化できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を一実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの概略を示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及び断面図である。図示するように、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、その一方の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１〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。流路形成基板１０には、複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４を介して連通されている。なお、連通部１３は、後述する封止基板３０のリザーバ部３２と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバの一部を構成する。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。
【００２３】
このような圧力発生室１２等は、弾性膜５０とは反対側の面から流路形成基板１０を異方性エッチングすることによって形成されている。異方性エッチングは、シリコン単結晶基板のエッチングレートの違いを利用して行われる。例えば、本実施形態では、流路形成基板１０が面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなるため、シリコン単結晶基板の（１１０）面のエッチングレートと比較して（１１１）面のエッチングレートが約１／１８０であるという性質を利用して行われる。すなわち、シリコン単結晶基板をＫＯＨ等のアルカリ溶液に浸漬すると、徐々に侵食されて（１１０）面に垂直な第１の（１１１）面と、この第１の（１１１）面と約７０度の角度をなし且つ上記（１１０）面と約３５度の角度をなす第２の（１１１）面とが出現する。かかる異方性エッチングにより、二つの第１の（１１１）面と斜めの二つの第２の（１１１）面とで形成される平行四辺形状の深さ加工を基本として精密加工を行うことができ、圧力発生室１２を高密度に配列することができる。
【００２４】
本実施形態では、各圧力発生室１２の長辺を第１の（１１１）面で、短辺を第２の（１１１）面で形成している。この圧力発生室１２は、流路形成基板１０をほぼ貫通して弾性膜５０に達するまでエッチングすることにより形成されている。なお、弾性膜５０は、シリコン単結晶基板をエッチングするアルカリ溶液に侵される量がきわめて小さい。
【００２５】
このような圧力発生室１２等が形成される流路形成基板１０の厚さは、圧力発生室１２を配設する密度に合わせて最適な厚さを選択することが好ましい。例えば、１インチ当たり１８０個（１８０ｄｐｉ）程度に圧力発生室１２を配置する場合には、流路形成基板１０の厚さは、１８０〜２８０μｍ程度、より望ましくは、２２０μｍ程度とするのが好適である。また、例えば、３６０ｄｐｉ程度と比較的高密度に圧力発生室１２を配置する場合には、流路形成基板１０の厚さは、１００μｍ以下とするのが好ましい。これは、隣接する圧力発生室１２間の隔壁１１の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。なお、このような流路形成基板１０は、図３に示すように、シリコン単結晶基板からなるシリコンウェハ１００に複数個が一体的に形成される。そして、詳しくは後述するが、このシリコンウェハ１００に圧力発生室１２等を形成した後、シリコンウェア１００を分割することによって複数の流路形成基板１０となる。
【００２６】
また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。
【００２７】
一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側の弾性膜５０の上には、厚さが例えば、０．４μｍの絶縁体膜５５が形成され、この絶縁体膜５５上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１μｍの圧電体層を構成する強誘電体膜７０と、厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、強誘電体膜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、他方の電極及び強誘電体膜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強誘電体膜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、本実施形態では、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。
【００２８】
また、このような各圧電素子３００の上電極膜８０には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０がそれぞれ接続されている。このリード電極９０は、各圧電素子３００の長手方向端部近傍から引き出され、インク供給路１４に対応する領域の弾性膜５０上までそれぞれ延設されている。
【００２９】
また、流路形成基板１０の圧電素子３００側には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を確保した状態で、その空間を密封可能な圧電素子保持部３１を有する封止基板３０が接合され、圧電素子３００はこの圧電素子保持部３１内に密封されている。さらに、封止基板３０には、各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１１０の少なくとも一部を構成するリザーバ部３２が設けられ、このリザーバ部３２は、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１１０を構成している。また、封止基板３０の圧電素子保持部３１とリザーバ部３２との間の領域には、封止基板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は、その端部近傍が貫通孔３３内で露出されている。なお、このような封止基板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した。
【００３０】
さらに、このような封止基板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。ここで、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、この封止膜４１によってリザーバ部３２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）で形成される。この固定板４２のリザーバ１１０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となっているため、リザーバ１１０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。
【００３１】
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部インク供給手段からインクを取り込み、リザーバ１１０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、図示しない駆動ＩＣからの駆動信号に従い、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との間に駆動電圧を印加し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、下電極膜６０及び強誘電体膜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。
【００３２】
図４、図５、図８及び図９は、圧力発生室１２の長手方向のシリコンウェハの断面図であり、図６は、拡散炉の概略図であり、図７は強誘電体前駆体膜の焼成工程を説明する概略図である。以下、これら図４〜図９を参照して、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法について説明する。まず、図４（ａ）に示すように、流路形成基板１０となるシリコンウェハ１００を約１１００℃の拡散炉で熱酸化して弾性膜５０及びマスク膜５１を構成する二酸化シリコン膜５２を全面に形成する。次いで、図４（ｂ）に示すように、弾性膜５０（二酸化シリコン膜５２）上に、ジルコニウム（Ｚｒ）層を形成後、例えば、５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化して酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる絶縁体膜５５を形成する。次いで、図４（ｃ）に示すように、例えば、少なくとも白金とイリジウムとからなる下電極形成膜（金属層）６５を絶縁体膜５５上に形成後、下電極形成膜６５をパターニングすることにより、圧力発生室１２の列に対向する領域に所定幅で下電極膜６０を形成する。
【００３３】
次いで、図４（ｄ）に示すように、シリコンウェハ１００の全面に、各圧電素子を構成する強誘電体膜となる強誘電体形成膜７５を所定の厚さで形成する。本実施形態では、金属有機物を触媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに６００〜８００℃の高温で焼成することで金属酸化物からなる強誘電体形成膜７５を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて形成することにより、結晶が配向している強誘電体形成膜７５とした。具体的には、図５に示すように、複数、本実施形態では、１０枚のシリコンウェハ１００の下電極膜６０上に、それぞれ強誘電体であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜を所定の厚さ、本実施形態では、０．２μｍ程度の厚さで成膜してＰＺＴ膜（強誘電体前駆体膜）７６を形成する。一度の成膜によるＰＺＴ膜７６の厚さは約０．１μｍ程度であるため、本実施形態では、２度の成膜により約０．２μｍ程度の厚さのＰＺＴ膜７６を形成する。次いで、これら１０枚のシリコンウェハを所定の配列で所定の治具に固定して拡散炉に挿入することによって焼成してＰＺＴ膜７６を結晶化する。そして、このようなＰＺＴ膜７６を成膜する成膜工程と、ＰＺＴ膜７６を焼成する焼成工程とを複数回、本実施形態では、５回繰り返すことにより、強誘電体形成膜７５を約１μｍの厚さで形成した。
【００３４】
ここで、本実施形態の焼成工程で用いられる拡散炉は、図６に示すように、例えば、シリコンウェハ１００が挿入される炉口２０１を有すると共に、他端に反応ガスの送入口２０２を有する炉心管２０３と、炉心管２０３の外側に配置されたヒータ２０４とで構成され、炉口２０１はシャッタ２０５により開閉可能となっている。そして、本実施形態では、このような拡散炉を用い、以下のような手順でＰＺＴ膜７６の焼成を行っている。
【００３５】
まず、図７（ａ）に示すように、一列に配置された複数、本実施形態では、５つのステージ２５１（２５１Ａ〜２５１Ｅ）を有する保持部材２５０に複数枚のシリコンウェハ１００をそれぞれ固定する。ここで、実際に流路形成基板として用いられるシリコンウェハ１００は、各ステージ２５１の両端にＰＺＴ膜７６が内側となるように固定した。また、両シリコンウェハ１００の間には、実際に流路形成基板としては使用されないダミーウェハ１０５を複数枚、本実施形態では、３枚配置するようにした。
【００３６】
このダミーウェハ１０５のサイズは、シリコンウェハ１００と略同一サイズであり、またシリコンウェハ１００とダミーウェハ１０５との間の距離は、複数枚用いられているダミーウェハ１０５同士の距離と同じにする。このダミーウェハ１０５は、シリコンウェハ１００を介してのみＰＺＴ膜７６が加熱されるように、すなわち、ＰＺＴ膜７６側からの輻射熱の影響を抑えるためのものである。そして、このようにシリコンウェハ１００を固定した保持部材２５０を、その一端のステージ２５１Ａ側から炉心管２０３内に挿入し、他端のステージ２５１Ｅまで全てが炉心管２０３内に挿入されるとシャッタ２０５を閉じて所定時間焼成する（図７（ｂ））。その後、焼成が終了すると、シャッタ２０５を開けて他端のステージ２５１Ｅ側から炉心管２０３の外に排出する（図７（ｃ））。
【００３７】
ここで、一列に配置された複数のステージ２５１Ａ〜２５１Ｅに固定されたシリコンウェハ１００を炉心管２０３内に完全に挿入するまでには数分程度要し、排出にも同一の時間を要する。このため、シリコンウェハ１００が何れのステージ２５１Ａ〜２５１Ｅに固定されているかによって、シリコンウェハ１００への熱のかかり方（熱履歴）が異なってしまう。この現象は、高温で焼成する際に顕著に現れる。各シリコンウェハ１００の熱履歴の差は、下電極膜６０の硬度に影響し、結果として振動板の変位量にばらつきが生じてしまう。このため、本発明では、複数回行う各焼成工程でステージ２５１Ａ〜２５１Ｅの順序を入れ替えることで、下電極膜６０への熱のかかり方（熱履歴）を各シリコンウェハ１００で均一となるようにしている。
【００３８】
すなわち、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、１回目の焼成工程で保持部材２５０をステージ２５１Ａ〜２５１Ｅの順で炉心管２０３内に挿入して焼成する場合、２回目の焼成工程では、図７（ｄ）に示すように、ステージ２５１Ａ〜２５１Ｅの順序を入れ替え、２５１Ｂ〜２５１Ｅ、２５１Ａの順で保持部材２５０を炉心管２０３内に挿入してシリコンウェハ１００の焼成を行う。さらに、３回目の焼成工程において、ステージ２５１Ｃ〜２５１Ｅ、２５１Ａ、Ｂの順で炉心管２０３内に挿入するようにする。このようにステージ２５１の順序を入れ替えながら焼成工程を行うことにより、最終的な下電極膜６０の熱履歴を均一とすることができ、下電極膜６０の硬度を均一にすることができる。したがって、圧電素子３００の駆動による振動板の変位量のばらつきを防止することができ、常に均一なインク吐出特性を得ることができる。
【００３９】
また、一列に配置するステージ２５１の数、すなわち、一列に配置するシリコンウェハ１００の数は、特に限定されないが、本実施形態のように、焼成回数と一致していることが好ましい。さらに、各焼成工程時にステージ２５１の順序を入れ替えると共に、各シリコンウェハ１００を面方向に直交する軸を中心として所定角度、例えば、９０度程度ずつ回転するようにしてもよい。また、各焼成工程を実行する際に、各シリコンウェハ１００が面方向に直交する軸を中心として常に自転しているようにしてもよい。これにより、下電極膜６０にかかる熱履歴をより均一にすることができ、圧電素子３００の駆動による振動板の変位量のばらつきを確実に防止することができる。また、例えば、６インチ程度の比較的大型のシリコンウェハを用いた場合でも、各シリコンウェハ内での下電極膜の熱履歴に差が生じるのを防止することができる。
【００４０】
なお、このように形成される強誘電体形成膜７５（強誘電体膜７０）の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛系の材料を用いたが、インクジェット式記録ヘッドに使用する材料としては、良好な変位特性を得られればチタン酸ジルコン酸鉛系の材料に限定されない。また、このように成膜された強誘電体形成膜７５は、バルクの圧電体とは異なり結晶が優先配向しており、且つ本実施形態では、強誘電体形成膜７５は、結晶が柱状に形成されている。なお、優先配向とは、結晶の配向方向が無秩序ではなく、特定の結晶面がほぼ一定の方向に向いている状態をいう。また、結晶が柱状の薄膜とは、略円柱体の結晶が中心軸を厚さ方向に略一致させた状態で面方向に亘って集合して薄膜を形成している状態をいう。勿論、優先配向した粒状の結晶で形成された薄膜であってもよい。なお、このように薄膜工程で製造された強誘電体形成膜の厚さは、一般的に０．２〜５μｍである。
【００４１】
また、このように強誘電体形成膜７５を形成した後は、図８（ａ）に示すように、例えば、イリジウム（Ｉｒ）からなる上電極形成膜８５を積層形成し、強誘電体形成膜７５及び上電極形成膜８５を各圧力発生室１２に対向する領域内にパターニングすることにより下電極膜６０、強誘電体膜７０及び上電極膜８０からなる圧電素子３００を形成する（図８（ｂ））。次いで、図８（ｃ）に示すように、金（Ａｕ）からなるリード電極形成膜９５を流路形成基板１０の全面に亘って形成後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン（図示なし）を介してリード電極形成膜９５を各圧電素子３００毎にパターニングすることによってリード電極９０を形成する。
【００４２】
以上が膜形成プロセスである。このようにして膜形成を行った後、前述したアルカリ溶液によるシリコンウェハ１００の異方性エッチングを行い、圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４を形成する。具体的には、まず、図９（ａ）に示すように、シリコンウェハ１００の圧電素子３００側に、予め圧電素子保持部３１、リザーバ部３２等が形成された封止基板形成材１２０を接合する。次に、図９（ｂ）に示すように、シリコンウェハ１００の封止基板形成材１２０との接合面とは反対側の面に形成されている二酸化シリコン膜５２を所定形状にパターニングしてマスク膜５１とし、このマスク膜５１を介して前述したアルカリ溶液による異方性エッチングを行うことにより、シリコンウェハ１００に圧力発生室１２、連通部１３及びインク供給路１４等を形成する。なお、このように異方性エッチングを行う際には、封止基板形成材１２０の表面を封止した状態で行う。
【００４３】
また、その後は、シリコンウェハ１００の封止基板形成材１２０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、封止基板形成材１２０にコンプライアンス基板４０を接合して各チップサイズに分割することにより、図１に示すような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとする。
【００４４】
（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、勿論、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、各ステージに複数のシリコンウェハを固定して焼成工程を実行するようにしたが、勿論、各ステージに一枚のシリコンウェハを固定して焼成工程を実行するようにしてもよい。また、上述の実施形態では、各焼成工程で、各ステージの順序を入れ替えるようにしたが、例えば、各ステージの並び順は固定しておき、各焼成工程毎に、炉心管に挿入する順序を逆にするようにしてもよい。さらに、上述の実施形態では、強誘電体前駆体膜をゾル−ゲル法で形成するようにしたが、これに限定されず、例えば、スパッタリング法で形成してもよい。
【００４５】
なお、このようなインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図１０は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。図１０に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８上に搬送されるようになっている。
【００４６】
また、液体噴射ヘッドとしてインクを吐出するインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置を一例として説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド及び液体噴射装置全般を対象としたものである。液体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を挙げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。
【図２】 実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。
【図３】 シリコンウェハの概略斜視図である。
【図４】 実施形態１に係る製造工程を示す断面図である。
【図５】 実施形態１に係る製造工程を示す拡大断面図である。
【図６】 製造工程で用いる拡散炉の概略図である。
【図７】 実施形態１に係る焼成工程を示す概略図である。
【図８】 実施形態１に係る製造工程を示す断面図である。
【図９】 実施形態１に係る製造工程を示す断面図である。
【図１０】 一実施形態に係る記録装置の概略図である。
【符号の説明】
１０ 流路形成基板、 １２ 圧力発生室、 １３ 連通部、 １４ インク供給路、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 封止基板、 ３１ 圧電素子保持部、 ３２ リザーバ部、 ４０ コンプライアンス基板、５０ 弾性膜、 ６０ 下電極膜、 ７０ 強誘電体膜、 ７５ 強誘電体形成膜、 ７６ ＰＺＴ膜、 ８０ 上電極膜、１００ シリコンウェハ、 ３００ 圧電素子
Claims (6)
- 液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側の領域に振動板を介して設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドの製造方法において、
前記流路形成基板となるシリコンウェハの表面に前記圧電素子の前記下電極となる金属層を形成後、該金属層上に強誘電体前駆体膜を形成する成膜工程と、一列に配置された複数のステージを有する保持部材の各ステージに前記シリコンウェハをそれぞれ固定し予め加熱された拡散炉内に前記保持部材をその一端のステージ側から挿入すると共に他端のステージ側から排出する一連の動作により前記シリコンウェハを介して前記強誘電体前駆体膜を加熱して焼成する焼成工程とを所定回数実行することにより前記圧電体層を構成する所定厚さの強誘電体膜を形成し、且つ前記所定回数の焼成工程を終了後に前記金属層にかかった熱履歴が略均一となるように、各焼成工程毎に前記ステージの順序を入れ替えることを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。 - 各焼成工程毎に、各シリコンウェハを面方向に直交する軸を中心として所定角度回転させて前記拡散炉に挿入するシリコンウェハの挿入方向を変更することを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
- 前記焼成工程では、各シリコンウェハを面方向に直交する軸を中心として自転させながら前記拡散炉に挿入することを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
- 前記保持部材の各ステージに、少なくとも２枚のシリコンウェハを、それぞれ前記強誘電体前駆体膜側が内側となるように厚さ方向に配置して固定することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
- 前記各ステージ両端部に前記シリコンウェハを配置し、当該シリコンウェハの間に少なくとも１枚のダミーウェハを配置することを特徴とする請求項４に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
- 前記保持部材として前記焼成工程の回数と同一数のステージを具備するものを用いたことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
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