JP3943158B2 - インクジェットヘッドおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、記録を必要とする時にのみインク液滴を吐出し、記録紙面に付着させるインクジェットヘッド記録装置の主要部であるインクジェットヘッドおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェットプリンター用印字ヘッドは高精細印字の要求により、精密微細加工と複雑な所望形状が要求されるようになり、特に特開平６−７１８８２号公報に示されているような静電気力を駆動源とするインクジェットヘッドにおいては、振動板の機械的変形特性はインク吐出特性に大きく影響し、振動板の厚みを高精度に制御する必要がある。従来、振動板をＳｉ基板をエッチングして形成する場合、エッチング時間を管理して振動板の厚みを管理する方法が取られてきた。しかし、インクジェットヘッドが小型高性能化するにしたがって、振動板は薄膜化し、更に厚み精度が要求されるようになると、エッチング時間管理だけでは困難となってきた。そこで、特開平６−７１８８２号公報２０頁１５行にもあるようなエッチストップ技術を用い、ｐ型不純物層のエッチング速度が遅いことを利用し、ｐ型不純物層のみをエッチングにより残留せしめて、振動板となる薄膜を形成する方法が取られるようになってきた。
【０００３】
ｐ型不純物層の形成方法としては、液体・固体をソースとする気相拡散法、イオン注入法、拡散源を直接Ｓｉ基板にコーティングする塗布法などがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記の従来のｐ型不純物層形成方法には以下に記するような課題があった。
【０００５】
イオン注入法の場合、高価な注入装置を必要とする、あるいはドープできる濃度・深さに限界があると言った課題がある。また、気相拡散法では、基板に接するのが気体であるため、基板表面での拡散源濃度が低く、高濃度に深く拡散させることが難しい。一方、塗布法による不純物拡散ではＳｉ基板上に固体である高濃度拡散源が接しているため、ガスが接する気相拡散方法と比較して、高濃度・短時間の拡散が可能である。しかし、イオン注入法、気相拡散法より高濃度の拡散方法として適している塗布法ではあるが、拡散源が拡散前に基板上にコーティングされた拡散剤であり、拡散剤の拡散能力は有限である。すなわち、コーティングできる拡散剤の厚みには、均一性確保の理由により限界がある。したがって、深い拡散領域を形成するため長時間拡散を行うと、有限な拡散剤中の拡散源が枯渇し、拡散剤の拡散能力が低下して、深い高濃度の拡散が難しいと言う課題があった。
【０００６】
また、基板の片側のみに高濃度不純物層を形成すると、基板の厚みが薄い場合、高濃度不純物層の引っ張り応力により高濃度不純物層形成側に向かって凹型に反りが発生すると言う課題があった。
【０００７】
本発明の目的は、ｐ型不純物層を振動板とするインクジェットヘッドにおいて、所望の振動板の厚みを得るのに必要な深い高濃度不純物層を形成する方法を供給することにある。
【０００８】
また、高濃度不純物層を形成することによって生じる基板の反りを低減させる方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のインクジェットヘッドは、インク液滴を吐出するノズル孔と、該ノズル孔の各々に連結する吐出室と、該吐出室の少なくとも一方の壁を構成する振動板と、該振動板に変形を生じさせる駆動手段とを備え、前記駆動手段が前記振動板を静電気力により変形させる電極からなり、前記振動板が形成される基板がＳｉ基板であるインクジェットヘッドの製造方法において、
前記Ｓｉ基板の両面にｐ型不純物層を形成する工程と、
前記ｐ型不純物層を熱処理により拡散する工程と、
前記ｐ型不純物層が拡散されたＳｉ基板に熱酸化膜を形成する工程と、
前記熱酸化膜にマスクとなるパターンを形成し、該パターンの形状でエッチングすることにより、
前記インク液滴を吐出するノズル孔の各々に連結する前記吐出室と、前記吐出室の一方の壁を構成する前記振動板を形成し、
前記熱酸化膜を除去し、新たな熱酸化膜を再度形成したことを特徴とする。
【００１０】
本発明のインクジェットプリンタは、前記インクジェットヘッドの製造方法によることを特徴とする。
【００１１】
【作用】
インクジェットヘッドの製造方法における振動板形成方法として、高濃度にドープされたｐ型領域が、アルカリによるＳｉエッチングにおけるエッチングレートが非常に小さいことを利用し、高濃度不純物拡散層を振動板として残留させることによって形成する。したがって、高濃度不純物拡散層の厚みが振動板の厚みとなる。高濃度不純物層の形成方法において、不純物拡散を複数回行い、高濃度不純物拡散層厚みを厚くしていくことによって短時間で所望の厚みの振動板を形成できる。
【００１２】
また、基板の両面に高濃度不純物拡散層を形成することによって、高濃度不純物拡散層の応力による基板を緩和できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な例に関わるインクジェットヘッドについて詳細に説明する。
【００１４】
図１は第１の実施例におけるインクジェットヘッドの分解斜視図で、一部断面図で示してある。本実施例はインク液滴を基板の面部に設けたノズル孔から吐出させるフェイスインクジェットタイプの例を示すものである。図２は組み立てられた全体装置の断面側面図、図３は図２のＡ−Ａ線矢視図である。
【００１５】
本実施例のインクジェットヘッドは、下記に詳記する構造を持つ３枚の基板１・２・３を重ねて接合した積層構造となっている。
【００１６】
中間の第１の基板１は、Ｓｉ基板であり、底壁を振動板５とする吐出室６を構成することになる凹部７と、凹部７の後部に設けられたオリフィス８を構成することになるインク流入口のための細溝９と、各々の吐出室６にインクを供給するための共通のインクキャビティ１０を構成することになる凹部１１を有する。第１の基板１の全面に熱酸化により酸化膜１２を０．１μｍ形成して絶縁膜とし、インクジェット駆動時の絶縁破壊、ショートを防止するための膜を形成している。
【００１７】
第１の基板１の下面に接合される第２の基板２は、ホウケイ酸ガラスを使用し、この基板２に電極１３を装着するための凹部１４を０．３μｍエッチングすることにより、振動板５とこれに対向して配置される電極１３との対向間隔、すなわちギャップＧを形成している。この凹部１４はその内部に電極１３、リード部１５及び端子部１６を装着できるように電極部形状に類似したやや大きめの形状にパターン形成している。電極１３は凹部１４内にＩＴＯを０．１μｍスパッタし、ＩＴＯパターンを形成することで作製する。
【００１８】
したがって、本実施例における第１の基板１と第２の基板２を陽極接合した後のギャップＧは０．２μｍとなっている。
【００１９】
また、第１の基板１の上面に接合される第３の基板３には、厚さ１００μｍのＳｉ基板を用い、基板３の面部に、吐出室６用の凹部７と連通するようにそれぞれノズル孔１７を設け、またインクキャビティ１０用の凹部１１と連通するようにインク供給口１８を設ける。
【００２０】
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。電極１３に発信回路１９により０Ｖから３５Ｖのパルス電位を印加し、電極１３の表面がプラスに帯電すると、対応する振動板５の下面はマイナス電位に帯電する。したがって、振動板５は静電気の吸引作用により下方へたわむ。次に、電極１３をＯＦＦにすると、振動板５は復元する。そのため、吐出室６内の圧力が急激に上昇し、ノズル孔１７よりインク液滴２０を記録紙２１に向けて吐出する。次に、振動板５が再び下方へたわむことにより、インクがインクキャビティ１０よりオリフィス８を通じて吐出室６内に補給される。なお、基板１と発信回路１９との接続はドライエッチングにより基板１の一部に開けた酸化膜１２の窓（図示せず）において行う。
【００２１】
本実施例のインクジェットヘッドにおける振動板５は、高濃度のＢ（ホウ素）ドープ層であって、ドープ層は所望の振動板厚と同じだけの厚さを有している。アルカリによるＳｉエッチングにおけるエッチングレートは、ドーパントがＢの場合、高濃度（約５×１０19ｃｍ-3以上）の領域において、エッチングレートが非常に小さくなる（図５）。本実施例では、このことを利用し、振動板形成領域を高濃度Ｂドープ層とし、アリカリ異方性エッチングにより、吐出室、インクキャビティを形成する際に、Ｂドープ層が露出した時点でエッチングレートが極端に小さくなる、いわゆるエッチストップ技術により、振動板５を所望の板厚に作製するものである。
【００２２】
本実施例におけるインクジェットヘッドの第１の基板１の製造方法を、図４の第１の基板の製造工程図において、Ｂ（ボロン）を不純物拡散源して、４μｍの振動板５を形成する場合について詳細に説明する。
【００２３】
先ず、（１１０）を面方位とするＳｉ基板の両面を鏡面研磨し、１８０μｍの厚みの基板４１を作製する（図４（ａ））。Ｓｉ基板４１を、熱酸化炉にセットし、酸素及び水蒸気雰囲気中で摂氏１１００度、４時間で熱酸化処理を施し、基板４１表面に酸化膜４２を１μｍ成膜する（図４（ｂ））。次いで、Ｂドープ層を形成する面４３の酸化膜４２を剥離するため、基板４１のＢドープ層を形成する面４３の反対側の面４４にレジストをコート、レジストを保護膜としてＢドープ層を形成する面４３の酸化膜４２をフッ酸水溶液にてエッチング除去し、レジストを剥離する（図４（ｃ））。拡散源となるＢ2 Ｏ3 を有機溶剤中に３．１５ｗ％を分散した拡散剤４５を、酸化膜４２を除去した面４３に２０００ｒｐｍ，１分間の条件でスピンコーティングし、クリーンオーブン中で摂氏１４０度の温度で３０分間ベークする（図４（ｄ））。このとき拡散剤の厚みは１．２μｍとなる。拡散剤４５は厚くコーティングできることが望ましく、スピン回転数を下げて膜厚を厚くする、拡散剤中のＢ2 Ｏ3 の濃度を高くすると言った方法が考えられるが、前者は基板内での膜厚のばらつきが大きくなる、後者は分散の均一性が悪くなると言った課題があり、前記のコーティング条件が現在入手可能な拡散剤においては最良な条件である。
【００２４】
拡散剤４５をコーティングした基板４１を熱酸化炉にセットし、酸素雰囲気中、摂氏６００度の条件で加熱し、拡散剤４５中の有機バインダーを酸化除去しＢ2 Ｏ3 を焼成する。引き続き炉内を窒素雰囲気にし、温度を摂氏１１００度に上昇させ、そのまま温度を６時間保持し、ＢをＳｉ基板中に拡散させ、Ｂドープ層４６を形成する。Ｂ2 Ｏ3 と基板表面Ｂドープ層の界面にボロン化合物４７が形成されている（図４（ｅ））。炉温が低下したら基板４１を取り出し、拡散剤コーティングを繰り返し、拡散剤４５の上に拡散剤第２層４８を形成する。さらに焼成・拡散を行い、Ｂドープ層４６を厚くする（図４（ｆ））。同様に、拡散剤コーティングを行い、拡散剤第３層４９を形成し、焼成・拡散を行い、さらにＢドープ層４６を厚くする（図４（ｇ））。
【００２５】
Ｂドープ層４６を形成した面の反対側４４にレジストをコートし、拡散剤４５をフッ酸水溶液によりエッチング除去する。基板表面に現れたボロン化合物４７は耐エッチング性が高く、ウェトエッチングによる除去が不可能なため、次のような手段をとる。まず、基板４１のレジストを剥離した後、基板４１を酸化炉にセットし、酸素及び水蒸気雰囲気、摂氏６００度の条件でボロン化合物４７を１時間酸化し、フッ酸水溶液によるエッチングが可能なＢ2 Ｏ3 ＋ＳｉＯ2 ５０に化学変化させる（図４（ｈ））。なお、酸化の温度が低いため、拡散が進行することはなく、ボロン化合物４７をドライエッチングで除去することも可能である。
【００２６】
続けて、酸化膜側４４に吐出室６、インクキャビティ９を作り込むためのレジストパターニングを施し、フッ酸水溶液でエッチングし酸化膜４２をパターニングすると共に、Ｂ2 Ｏ3 ＋ＳｉＯ2 ５０をエッチング除去する。そして前記基板４１のレジストを剥離する（図４（ｉ））。
【００２７】
基板４１を１０ｗ％の濃度の水酸化カリウム水溶液に浸し、Ｓｉエッチングを行う。酸化膜４２をパターニングした側のＳｉが露出している部分５１から基板４１がエッチングされて行き、Ｂドープ層４６に達した時、エッチングが停止してＢドープ層４６が残留せしめ、Ｂドープ層４６が振動板５となる（図４（ｊ））。前記エッチングの際、Ｂドープ層形成側４３がエッチングされないように治具でＢドープ層形成側４３を保護し、エッチング液はＢドープ層４６でのエッチングレートの低下が著しい１０ｗ％の水酸化カリウム水溶液を用いる。
【００２８】
最後に、基板４１に残留する酸化膜４２をフッ酸水溶液を用いエッチング除去した後、基板４１の表面に熱酸化によって酸化膜１２を０．１μｍ成膜し、第１の基板１が作製される。
【００２９】
以上の方法により４±０．２μｍの厚み精度の振動板が作製できる。
【００３０】
なお、保護治具を使わずに、拡散が終了し、拡散面のボロン化合物４７を酸化してＢ2 Ｏ3 ＋ＳｉＯ2 ５０に化学変化させた（図４（ｈ））の状態でさらに熱酸化してＢドープ層側に１μｍの酸化膜を形成し、酸化膜を耐エッチング膜としてＳｉエッチングを行う方法も可能であるが、前記の方法では酸化膜成長による基板表面の侵食、及び熱酸化時の加熱に伴うＢドープ層からＢの内部拡散による高濃度Ｂドープ層厚みの低下により、得られる振動板厚みが低下する。
【００３１】
本実施例のインクジェットヘッドの製造方法における複数回の拡散を繰り返すことの効果について、図５・図６・図７により説明する。
【００３２】
図６は拡散時間を一定にして、拡散回数を変え、得られた振動板の厚みの変化を測定した結果である。１回の拡散で得られる振動板の厚みより、２回あるいは３回の拡散で得られる振動板の厚みが厚くなる。１８時間拡散の場合、１８時間、１回の拡散で３．４μｍの厚さの振動板が得られるのに対し、６時間の拡散３回で４．０μｍの厚さの振動板が得られている。したがって、拡散回数を増やした方が所望の厚みの振動板を全拡散時間を短くして製造することができる。一方、１回の拡散で３．５μｍを越える厚さの振動板を得ようする場合は、拡散源のＢ供給能力が著しく低下するため作製できない。
【００３３】
図７は、拡散回数を変えて作製された振動板の厚み精度を測定した結果である。拡散回数を複数回行い振動板を形成すると、振動板のエッチング表面の面荒れを低下させることができることを示している。前記のことは、拡散の繰り返しによってＢの拡散状態が変化し、図５のＨ部に示すエッチングレート低下のしきい値５×１０19ｃｍ-3付近でのＢ濃度変化が急峻になるためである。
【００３４】
以上に記してきたように、拡散を塗布法において複数回行うことの効果をまとめると以下のようになる。
【００３５】
（１）ドープ層形成における拡散時間を短縮できる。
【００３６】
（２）１回の拡散では形成できない厚いドープ層の形成ができる。
【００３７】
（３）板厚精度の高い振動板を形成できる。
【００３８】
次に、本発明の第２の実施例におけるインクジェットヘッドの、第１の基板１の製造方法を図８に示す製造工程図により詳細に説明する。なお、実施例１における製造工程と同一である拡散工程は一部省略してある。
【００３９】
先ず、（１１０）を面方位とするＳｉ基板の両面を鏡面研磨し、１８０μｍの厚みの基板８１を作製する（図８（ａ））。拡散剤８２を、基板８１の両面に２０００ｒｐｍ，１分間の条件でスピンコーティングし、クリーンオーブン中で摂氏１４０度の温度で３０分間ベークする（図８（ｂ））。拡散剤８２をコーティングした基板８１を熱酸化炉にセットし、焼成、６時間の拡散を行い、Ｂドープ層８３を形成する。同様に拡散剤コーティング、焼成、拡散を２回繰り返して、さらにＢドープ層８３を厚く形成する。そして、拡散剤８２をフッ酸水溶液にてエッチング除去し、実施例１に記した方法と同様の方法で表面に形成されたボロン化合物を酸化した後、ボロン化合物が酸化され生成したＢ2 Ｏ3 ＋ＳｉＯ2 をフッ酸水溶液によって除去する（図８（ｃ））。基板８１を熱酸化炉にセットし、酸素及び水蒸気雰囲気中で摂氏１１００度、４時間で熱酸化し、基板８１表面に酸化膜８４を１μｍ成膜する（図８（ｄ））。
【００４０】
なお、実施例１で記した酸化膜成長による基板表面の侵食、及び熱酸化時の加熱に伴うＢドープ層からＢの内部拡散による高濃度Ｂドープ層厚みの低下を考慮し、拡散時間を延長しておくことは言うまでもない。
【００４１】
次いで、基板８１の片側に吐出室６、インクキャビティ９を作り込むためのレジストパターニングを施し、フッ酸水溶液を用いて酸化膜８４をエッチングしてパターニングした後、前記のレジストを剥離する（図８（ｅ））。続いて、１０ｗ％の水酸化カリウム水溶液を使用してＳｉ基板８１をエッチングし、実施例１と同様に振動板５を形成する（図８（ｆ））。エッチングはＳｉが露出した部分８５より始まるが、Ｂドープ層８３が存在するためエッチングがあまり進まず、Ｂドープ層８３をエッチングするのに要する時間だけエッチング時間が長くなる。
【００４２】
最後に、基板８１に残留する酸化膜８４の除去、および熱酸化処理による基板８１への０．１μｍの厚さの酸化膜８４の成膜によって、第１の基板１が完成する。
【００４３】
以上に記してきた製造方法では、Ｓｉ基板の両面に高濃度Ｂドープ層が形成されているため、高濃度Ｂドープ層の応力が基板表裏で打ち消し合い、第１の基板１の反りをなくすことができた。第１の基板１の反りをなくしたことにより、第１の基板１と、第１の基板１に接合する第２の基板２および第３の基板３との接合強度が増した。
【００４４】
【発明の効果】
本発明により、エッチストップ技術によって作製される振動板形成において、所望の振動板の厚さを得るために必要とされ、かつ１回の拡散では不可能な厚みのｐ型不純分物拡散層の形成ができる。また、複数回拡散を行うことによって、Ｂ濃度変化を急峻することができ、板厚精度の高い振動板の形成が可能になる。
【００４５】
さらに、基板の両面に高濃度不純物層を形成することによって、特に基板の厚みが薄い場合に、高濃度不純物層の引っ張り応力により高濃度不純物層形成側に向かって発生する凹型反りを防止することができる。基板の反りの防止したことにより、印字ヘッド組立時におけるホウケイ酸ガラスとの接合強度を増すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例におけるインクジェットヘッドの構造を分解して示す斜視図である。
【図２】本発明の第１実施例におけるインクジェットヘッド製造方法の断面側面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線矢視図である。
【図４】本発明の第１の実施例におけるインクジェットヘッドの第１の基板の製造工程図である。
【図５】アルカリ異方性エッチングにおけるＢ濃度とエッチングレートの関係を示す図である。
【図６】本発明の第１実施例におけるインクジェットヘッド製造方法の拡散回数と振動板の厚さの関係を示す図である。
【図７】 本発明の第１実施例におけるインクジェットヘッド製造方法の拡散回数と振動板の厚み精度の関係を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施例における第１の基板の製造工程図である。
【符号の説明】
１ 第１の基板
２ 第２の基板
３ 第３の基板
５ 振動板
６ 吐出室
８ オリフィス
１０ インクキャビティ
１２ 酸化膜
１３ 電極
１７ インク孔
１８ インク供給口
４１ 基板
４２ 酸化膜
４５ 拡散剤
４６ Ｂドープ層
４７ ボロン化合物
８１ 基板
８２ 拡散剤
８３ Ｂドープ層
【発明の属する技術分野】
本発明は、記録を必要とする時にのみインク液滴を吐出し、記録紙面に付着させるインクジェットヘッド記録装置の主要部であるインクジェットヘッドおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェットプリンター用印字ヘッドは高精細印字の要求により、精密微細加工と複雑な所望形状が要求されるようになり、特に特開平６−７１８８２号公報に示されているような静電気力を駆動源とするインクジェットヘッドにおいては、振動板の機械的変形特性はインク吐出特性に大きく影響し、振動板の厚みを高精度に制御する必要がある。従来、振動板をＳｉ基板をエッチングして形成する場合、エッチング時間を管理して振動板の厚みを管理する方法が取られてきた。しかし、インクジェットヘッドが小型高性能化するにしたがって、振動板は薄膜化し、更に厚み精度が要求されるようになると、エッチング時間管理だけでは困難となってきた。そこで、特開平６−７１８８２号公報２０頁１５行にもあるようなエッチストップ技術を用い、ｐ型不純物層のエッチング速度が遅いことを利用し、ｐ型不純物層のみをエッチングにより残留せしめて、振動板となる薄膜を形成する方法が取られるようになってきた。
【０００３】
ｐ型不純物層の形成方法としては、液体・固体をソースとする気相拡散法、イオン注入法、拡散源を直接Ｓｉ基板にコーティングする塗布法などがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記の従来のｐ型不純物層形成方法には以下に記するような課題があった。
【０００５】
イオン注入法の場合、高価な注入装置を必要とする、あるいはドープできる濃度・深さに限界があると言った課題がある。また、気相拡散法では、基板に接するのが気体であるため、基板表面での拡散源濃度が低く、高濃度に深く拡散させることが難しい。一方、塗布法による不純物拡散ではＳｉ基板上に固体である高濃度拡散源が接しているため、ガスが接する気相拡散方法と比較して、高濃度・短時間の拡散が可能である。しかし、イオン注入法、気相拡散法より高濃度の拡散方法として適している塗布法ではあるが、拡散源が拡散前に基板上にコーティングされた拡散剤であり、拡散剤の拡散能力は有限である。すなわち、コーティングできる拡散剤の厚みには、均一性確保の理由により限界がある。したがって、深い拡散領域を形成するため長時間拡散を行うと、有限な拡散剤中の拡散源が枯渇し、拡散剤の拡散能力が低下して、深い高濃度の拡散が難しいと言う課題があった。
【０００６】
また、基板の片側のみに高濃度不純物層を形成すると、基板の厚みが薄い場合、高濃度不純物層の引っ張り応力により高濃度不純物層形成側に向かって凹型に反りが発生すると言う課題があった。
【０００７】
本発明の目的は、ｐ型不純物層を振動板とするインクジェットヘッドにおいて、所望の振動板の厚みを得るのに必要な深い高濃度不純物層を形成する方法を供給することにある。
【０００８】
また、高濃度不純物層を形成することによって生じる基板の反りを低減させる方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のインクジェットヘッドは、インク液滴を吐出するノズル孔と、該ノズル孔の各々に連結する吐出室と、該吐出室の少なくとも一方の壁を構成する振動板と、該振動板に変形を生じさせる駆動手段とを備え、前記駆動手段が前記振動板を静電気力により変形させる電極からなり、前記振動板が形成される基板がＳｉ基板であるインクジェットヘッドの製造方法において、
前記Ｓｉ基板の両面にｐ型不純物層を形成する工程と、
前記ｐ型不純物層を熱処理により拡散する工程と、
前記ｐ型不純物層が拡散されたＳｉ基板に熱酸化膜を形成する工程と、
前記熱酸化膜にマスクとなるパターンを形成し、該パターンの形状でエッチングすることにより、
前記インク液滴を吐出するノズル孔の各々に連結する前記吐出室と、前記吐出室の一方の壁を構成する前記振動板を形成し、
前記熱酸化膜を除去し、新たな熱酸化膜を再度形成したことを特徴とする。
【００１０】
本発明のインクジェットプリンタは、前記インクジェットヘッドの製造方法によることを特徴とする。
【００１１】
【作用】
インクジェットヘッドの製造方法における振動板形成方法として、高濃度にドープされたｐ型領域が、アルカリによるＳｉエッチングにおけるエッチングレートが非常に小さいことを利用し、高濃度不純物拡散層を振動板として残留させることによって形成する。したがって、高濃度不純物拡散層の厚みが振動板の厚みとなる。高濃度不純物層の形成方法において、不純物拡散を複数回行い、高濃度不純物拡散層厚みを厚くしていくことによって短時間で所望の厚みの振動板を形成できる。
【００１２】
また、基板の両面に高濃度不純物拡散層を形成することによって、高濃度不純物拡散層の応力による基板を緩和できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な例に関わるインクジェットヘッドについて詳細に説明する。
【００１４】
図１は第１の実施例におけるインクジェットヘッドの分解斜視図で、一部断面図で示してある。本実施例はインク液滴を基板の面部に設けたノズル孔から吐出させるフェイスインクジェットタイプの例を示すものである。図２は組み立てられた全体装置の断面側面図、図３は図２のＡ−Ａ線矢視図である。
【００１５】
本実施例のインクジェットヘッドは、下記に詳記する構造を持つ３枚の基板１・２・３を重ねて接合した積層構造となっている。
【００１６】
中間の第１の基板１は、Ｓｉ基板であり、底壁を振動板５とする吐出室６を構成することになる凹部７と、凹部７の後部に設けられたオリフィス８を構成することになるインク流入口のための細溝９と、各々の吐出室６にインクを供給するための共通のインクキャビティ１０を構成することになる凹部１１を有する。第１の基板１の全面に熱酸化により酸化膜１２を０．１μｍ形成して絶縁膜とし、インクジェット駆動時の絶縁破壊、ショートを防止するための膜を形成している。
【００１７】
第１の基板１の下面に接合される第２の基板２は、ホウケイ酸ガラスを使用し、この基板２に電極１３を装着するための凹部１４を０．３μｍエッチングすることにより、振動板５とこれに対向して配置される電極１３との対向間隔、すなわちギャップＧを形成している。この凹部１４はその内部に電極１３、リード部１５及び端子部１６を装着できるように電極部形状に類似したやや大きめの形状にパターン形成している。電極１３は凹部１４内にＩＴＯを０．１μｍスパッタし、ＩＴＯパターンを形成することで作製する。
【００１８】
したがって、本実施例における第１の基板１と第２の基板２を陽極接合した後のギャップＧは０．２μｍとなっている。
【００１９】
また、第１の基板１の上面に接合される第３の基板３には、厚さ１００μｍのＳｉ基板を用い、基板３の面部に、吐出室６用の凹部７と連通するようにそれぞれノズル孔１７を設け、またインクキャビティ１０用の凹部１１と連通するようにインク供給口１８を設ける。
【００２０】
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。電極１３に発信回路１９により０Ｖから３５Ｖのパルス電位を印加し、電極１３の表面がプラスに帯電すると、対応する振動板５の下面はマイナス電位に帯電する。したがって、振動板５は静電気の吸引作用により下方へたわむ。次に、電極１３をＯＦＦにすると、振動板５は復元する。そのため、吐出室６内の圧力が急激に上昇し、ノズル孔１７よりインク液滴２０を記録紙２１に向けて吐出する。次に、振動板５が再び下方へたわむことにより、インクがインクキャビティ１０よりオリフィス８を通じて吐出室６内に補給される。なお、基板１と発信回路１９との接続はドライエッチングにより基板１の一部に開けた酸化膜１２の窓（図示せず）において行う。
【００２１】
本実施例のインクジェットヘッドにおける振動板５は、高濃度のＢ（ホウ素）ドープ層であって、ドープ層は所望の振動板厚と同じだけの厚さを有している。アルカリによるＳｉエッチングにおけるエッチングレートは、ドーパントがＢの場合、高濃度（約５×１０19ｃｍ-3以上）の領域において、エッチングレートが非常に小さくなる（図５）。本実施例では、このことを利用し、振動板形成領域を高濃度Ｂドープ層とし、アリカリ異方性エッチングにより、吐出室、インクキャビティを形成する際に、Ｂドープ層が露出した時点でエッチングレートが極端に小さくなる、いわゆるエッチストップ技術により、振動板５を所望の板厚に作製するものである。
【００２２】
本実施例におけるインクジェットヘッドの第１の基板１の製造方法を、図４の第１の基板の製造工程図において、Ｂ（ボロン）を不純物拡散源して、４μｍの振動板５を形成する場合について詳細に説明する。
【００２３】
先ず、（１１０）を面方位とするＳｉ基板の両面を鏡面研磨し、１８０μｍの厚みの基板４１を作製する（図４（ａ））。Ｓｉ基板４１を、熱酸化炉にセットし、酸素及び水蒸気雰囲気中で摂氏１１００度、４時間で熱酸化処理を施し、基板４１表面に酸化膜４２を１μｍ成膜する（図４（ｂ））。次いで、Ｂドープ層を形成する面４３の酸化膜４２を剥離するため、基板４１のＢドープ層を形成する面４３の反対側の面４４にレジストをコート、レジストを保護膜としてＢドープ層を形成する面４３の酸化膜４２をフッ酸水溶液にてエッチング除去し、レジストを剥離する（図４（ｃ））。拡散源となるＢ2 Ｏ3 を有機溶剤中に３．１５ｗ％を分散した拡散剤４５を、酸化膜４２を除去した面４３に２０００ｒｐｍ，１分間の条件でスピンコーティングし、クリーンオーブン中で摂氏１４０度の温度で３０分間ベークする（図４（ｄ））。このとき拡散剤の厚みは１．２μｍとなる。拡散剤４５は厚くコーティングできることが望ましく、スピン回転数を下げて膜厚を厚くする、拡散剤中のＢ2 Ｏ3 の濃度を高くすると言った方法が考えられるが、前者は基板内での膜厚のばらつきが大きくなる、後者は分散の均一性が悪くなると言った課題があり、前記のコーティング条件が現在入手可能な拡散剤においては最良な条件である。
【００２４】
拡散剤４５をコーティングした基板４１を熱酸化炉にセットし、酸素雰囲気中、摂氏６００度の条件で加熱し、拡散剤４５中の有機バインダーを酸化除去しＢ2 Ｏ3 を焼成する。引き続き炉内を窒素雰囲気にし、温度を摂氏１１００度に上昇させ、そのまま温度を６時間保持し、ＢをＳｉ基板中に拡散させ、Ｂドープ層４６を形成する。Ｂ2 Ｏ3 と基板表面Ｂドープ層の界面にボロン化合物４７が形成されている（図４（ｅ））。炉温が低下したら基板４１を取り出し、拡散剤コーティングを繰り返し、拡散剤４５の上に拡散剤第２層４８を形成する。さらに焼成・拡散を行い、Ｂドープ層４６を厚くする（図４（ｆ））。同様に、拡散剤コーティングを行い、拡散剤第３層４９を形成し、焼成・拡散を行い、さらにＢドープ層４６を厚くする（図４（ｇ））。
【００２５】
Ｂドープ層４６を形成した面の反対側４４にレジストをコートし、拡散剤４５をフッ酸水溶液によりエッチング除去する。基板表面に現れたボロン化合物４７は耐エッチング性が高く、ウェトエッチングによる除去が不可能なため、次のような手段をとる。まず、基板４１のレジストを剥離した後、基板４１を酸化炉にセットし、酸素及び水蒸気雰囲気、摂氏６００度の条件でボロン化合物４７を１時間酸化し、フッ酸水溶液によるエッチングが可能なＢ2 Ｏ3 ＋ＳｉＯ2 ５０に化学変化させる（図４（ｈ））。なお、酸化の温度が低いため、拡散が進行することはなく、ボロン化合物４７をドライエッチングで除去することも可能である。
【００２６】
続けて、酸化膜側４４に吐出室６、インクキャビティ９を作り込むためのレジストパターニングを施し、フッ酸水溶液でエッチングし酸化膜４２をパターニングすると共に、Ｂ2 Ｏ3 ＋ＳｉＯ2 ５０をエッチング除去する。そして前記基板４１のレジストを剥離する（図４（ｉ））。
【００２７】
基板４１を１０ｗ％の濃度の水酸化カリウム水溶液に浸し、Ｓｉエッチングを行う。酸化膜４２をパターニングした側のＳｉが露出している部分５１から基板４１がエッチングされて行き、Ｂドープ層４６に達した時、エッチングが停止してＢドープ層４６が残留せしめ、Ｂドープ層４６が振動板５となる（図４（ｊ））。前記エッチングの際、Ｂドープ層形成側４３がエッチングされないように治具でＢドープ層形成側４３を保護し、エッチング液はＢドープ層４６でのエッチングレートの低下が著しい１０ｗ％の水酸化カリウム水溶液を用いる。
【００２８】
最後に、基板４１に残留する酸化膜４２をフッ酸水溶液を用いエッチング除去した後、基板４１の表面に熱酸化によって酸化膜１２を０．１μｍ成膜し、第１の基板１が作製される。
【００２９】
以上の方法により４±０．２μｍの厚み精度の振動板が作製できる。
【００３０】
なお、保護治具を使わずに、拡散が終了し、拡散面のボロン化合物４７を酸化してＢ2 Ｏ3 ＋ＳｉＯ2 ５０に化学変化させた（図４（ｈ））の状態でさらに熱酸化してＢドープ層側に１μｍの酸化膜を形成し、酸化膜を耐エッチング膜としてＳｉエッチングを行う方法も可能であるが、前記の方法では酸化膜成長による基板表面の侵食、及び熱酸化時の加熱に伴うＢドープ層からＢの内部拡散による高濃度Ｂドープ層厚みの低下により、得られる振動板厚みが低下する。
【００３１】
本実施例のインクジェットヘッドの製造方法における複数回の拡散を繰り返すことの効果について、図５・図６・図７により説明する。
【００３２】
図６は拡散時間を一定にして、拡散回数を変え、得られた振動板の厚みの変化を測定した結果である。１回の拡散で得られる振動板の厚みより、２回あるいは３回の拡散で得られる振動板の厚みが厚くなる。１８時間拡散の場合、１８時間、１回の拡散で３．４μｍの厚さの振動板が得られるのに対し、６時間の拡散３回で４．０μｍの厚さの振動板が得られている。したがって、拡散回数を増やした方が所望の厚みの振動板を全拡散時間を短くして製造することができる。一方、１回の拡散で３．５μｍを越える厚さの振動板を得ようする場合は、拡散源のＢ供給能力が著しく低下するため作製できない。
【００３３】
図７は、拡散回数を変えて作製された振動板の厚み精度を測定した結果である。拡散回数を複数回行い振動板を形成すると、振動板のエッチング表面の面荒れを低下させることができることを示している。前記のことは、拡散の繰り返しによってＢの拡散状態が変化し、図５のＨ部に示すエッチングレート低下のしきい値５×１０19ｃｍ-3付近でのＢ濃度変化が急峻になるためである。
【００３４】
以上に記してきたように、拡散を塗布法において複数回行うことの効果をまとめると以下のようになる。
【００３５】
（１）ドープ層形成における拡散時間を短縮できる。
【００３６】
（２）１回の拡散では形成できない厚いドープ層の形成ができる。
【００３７】
（３）板厚精度の高い振動板を形成できる。
【００３８】
次に、本発明の第２の実施例におけるインクジェットヘッドの、第１の基板１の製造方法を図８に示す製造工程図により詳細に説明する。なお、実施例１における製造工程と同一である拡散工程は一部省略してある。
【００３９】
先ず、（１１０）を面方位とするＳｉ基板の両面を鏡面研磨し、１８０μｍの厚みの基板８１を作製する（図８（ａ））。拡散剤８２を、基板８１の両面に２０００ｒｐｍ，１分間の条件でスピンコーティングし、クリーンオーブン中で摂氏１４０度の温度で３０分間ベークする（図８（ｂ））。拡散剤８２をコーティングした基板８１を熱酸化炉にセットし、焼成、６時間の拡散を行い、Ｂドープ層８３を形成する。同様に拡散剤コーティング、焼成、拡散を２回繰り返して、さらにＢドープ層８３を厚く形成する。そして、拡散剤８２をフッ酸水溶液にてエッチング除去し、実施例１に記した方法と同様の方法で表面に形成されたボロン化合物を酸化した後、ボロン化合物が酸化され生成したＢ2 Ｏ3 ＋ＳｉＯ2 をフッ酸水溶液によって除去する（図８（ｃ））。基板８１を熱酸化炉にセットし、酸素及び水蒸気雰囲気中で摂氏１１００度、４時間で熱酸化し、基板８１表面に酸化膜８４を１μｍ成膜する（図８（ｄ））。
【００４０】
なお、実施例１で記した酸化膜成長による基板表面の侵食、及び熱酸化時の加熱に伴うＢドープ層からＢの内部拡散による高濃度Ｂドープ層厚みの低下を考慮し、拡散時間を延長しておくことは言うまでもない。
【００４１】
次いで、基板８１の片側に吐出室６、インクキャビティ９を作り込むためのレジストパターニングを施し、フッ酸水溶液を用いて酸化膜８４をエッチングしてパターニングした後、前記のレジストを剥離する（図８（ｅ））。続いて、１０ｗ％の水酸化カリウム水溶液を使用してＳｉ基板８１をエッチングし、実施例１と同様に振動板５を形成する（図８（ｆ））。エッチングはＳｉが露出した部分８５より始まるが、Ｂドープ層８３が存在するためエッチングがあまり進まず、Ｂドープ層８３をエッチングするのに要する時間だけエッチング時間が長くなる。
【００４２】
最後に、基板８１に残留する酸化膜８４の除去、および熱酸化処理による基板８１への０．１μｍの厚さの酸化膜８４の成膜によって、第１の基板１が完成する。
【００４３】
以上に記してきた製造方法では、Ｓｉ基板の両面に高濃度Ｂドープ層が形成されているため、高濃度Ｂドープ層の応力が基板表裏で打ち消し合い、第１の基板１の反りをなくすことができた。第１の基板１の反りをなくしたことにより、第１の基板１と、第１の基板１に接合する第２の基板２および第３の基板３との接合強度が増した。
【００４４】
【発明の効果】
本発明により、エッチストップ技術によって作製される振動板形成において、所望の振動板の厚さを得るために必要とされ、かつ１回の拡散では不可能な厚みのｐ型不純分物拡散層の形成ができる。また、複数回拡散を行うことによって、Ｂ濃度変化を急峻することができ、板厚精度の高い振動板の形成が可能になる。
【００４５】
さらに、基板の両面に高濃度不純物層を形成することによって、特に基板の厚みが薄い場合に、高濃度不純物層の引っ張り応力により高濃度不純物層形成側に向かって発生する凹型反りを防止することができる。基板の反りの防止したことにより、印字ヘッド組立時におけるホウケイ酸ガラスとの接合強度を増すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例におけるインクジェットヘッドの構造を分解して示す斜視図である。
【図２】本発明の第１実施例におけるインクジェットヘッド製造方法の断面側面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線矢視図である。
【図４】本発明の第１の実施例におけるインクジェットヘッドの第１の基板の製造工程図である。
【図５】アルカリ異方性エッチングにおけるＢ濃度とエッチングレートの関係を示す図である。
【図６】本発明の第１実施例におけるインクジェットヘッド製造方法の拡散回数と振動板の厚さの関係を示す図である。
【図７】 本発明の第１実施例におけるインクジェットヘッド製造方法の拡散回数と振動板の厚み精度の関係を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施例における第１の基板の製造工程図である。
【符号の説明】
１ 第１の基板
２ 第２の基板
３ 第３の基板
５ 振動板
６ 吐出室
８ オリフィス
１０ インクキャビティ
１２ 酸化膜
１３ 電極
１７ インク孔
１８ インク供給口
４１ 基板
４２ 酸化膜
４５ 拡散剤
４６ Ｂドープ層
４７ ボロン化合物
８１ 基板
８２ 拡散剤
８３ Ｂドープ層
Claims (2)
- インク液滴を吐出するノズル孔と、該ノズル孔の各々に連結する吐出室と、該吐出室の少なくとも一方の壁を構成する振動板と、該振動板に変形を生じさせる駆動手段とを備え、前記駆動手段が前記振動板を静電気力により変形させる電極からなり、前記振動板が形成される基板がＳｉ基板であるインクジェットヘッドの製造方法において、
前記Ｓｉ基板の両面にｐ型不純物層を形成する工程と、
前記ｐ型不純物層を熱処理により拡散する工程と、
前記ｐ型不純物層が拡散されたＳｉ基板に熱酸化膜を形成する工程と、
前記熱酸化膜にマスクとなるパターンを形成し、該パターンの形状でエッチングすることにより、前記インク液滴を吐出するノズル孔の各々に連結する前記吐出室と、前記吐出室の一方の壁を構成する前記振動板を形成する工程と、
前記熱酸化膜を除去し、新たな熱酸化膜を再度形成する工程と、を有することを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。 - 請求項１によりヘッドが製造されている事を特徴とするインクジェットプリンタ。
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