JP3963341B2

JP3963341B2 - 液滴吐出ヘッド

Info

Publication number: JP3963341B2
Application number: JP2000260643A
Authority: JP
Inventors: 邦裕山中
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2000-08-30
Filing date: 2000-08-30
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2020-08-30
Also published as: JP2002067313A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は液滴吐出ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ等の画像記録装置或いは画像形成装置として用いるインクジェット記録装置において使用する液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドとしては、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する液室（加圧液室、圧力室、吐出室、インク流路等とも称される。）と、液室の壁面を形成する振動板と、この振動板に対向する電極とを備え、振動板を静電力で変形変位させて液室インクを加圧することによってノズルからインク滴を吐出させる静電型インクジェットヘッドがある。
【０００３】
このような静電型インクジェットヘッドにおいては、振動板の機械的変位特性はインク摘吐出特性に大きく影響し、振動板の薄膜化、高精度化が必要になるとともに、振動板と電極との間の微小ギャップを高精度に確保しなければならない。
【０００４】
そこで、従来の静電型インクジェットヘッドにあっては、特開平６−２３９８６号公報、特開平６−７１８８２号公報などに記載されているように、振動板を形成するシリコン基板にボロンを拡散した高濃度ボロン拡散層を形成し、このシリコン基板を異方性エッチングすることにより、高濃度ボロン拡散層でエッチングストップすることから、高濃度ボロン拡散層による振動板を形成するようにしている。
【０００５】
そして、振動板と電極との間の距離、即ちギャップ寸法を高精度に保つために、上記特開平６−２３９８６号公報や特開平９−２６７４７９号公報に記載されているように、振動板を設けたシリコン基板と電極を設けたシリコン基板とを１１００℃で直接接合するようにしている。この直接接合法は、ＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）ウエハの製造などに用いられ、信頼性の高い強固な接合力が得られる接合法として一般に知られているものであり、１１００〜１２００℃の高温で行うことでシリコン酸化膜の溶融の効果によって高い接合信頼性を得る接合法である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように従来の静電型インクジェットヘッドにあっては、１１００〜１２００℃という高温で直接接合を行わなければならないため、その温度管理を含めて接合装置が大型、複雑になって、ヘッドの製造コストが高くなる。また、電極やその保護膜を設けた電極基板に振動板を設ける振動板基板となるシリコン基板を直接接合した後エッチングにより振動板を形成するような場合には、電極基板側の構成要素にも高温接合に耐えるだけの耐熱性が要求されることになり、電極基板側の構成要素の材料が制限される。
【０００７】
さらに、上述したように振動板などに高濃度ボロン層を用いた場合などは、直接接合時の加熱によってボロンの再分布が生じ、振動板の厚さにばらつきが生じて、インク滴吐出特性がばらついたり、或いはボロン濃度の低下によってエッチングストップ不能になって振動板を形成できないことがある。
【０００８】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、低温で信頼性の高い直接接合を可能にし、高精度、高密度及び高信頼性の液滴吐出ヘッド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】
上記の課題を解決するため、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、振動板を設ける第１基板及び電極を設ける第２基板がいずれもシリコン基板からなり、第１基板の振動板は高濃度Ｐ型不純物を含む第１の不純物層で形成され、振動板が形成される層と第２基板との接合面の少なくともいずれか一方にボロンを含有するシリコン酸化膜からなる第２の不純物層を有している構成とした。
【００１０】
ここで、第２基板には電極を設けるための凹部を形成するシリコン酸化膜が形成され、このシリコン酸化膜の少なくとも第１基板との接合面側にボロンを含有している構成とできる。
【００１１】
また、第１基板と第２基板とは第２の不純物層を介して直接接合されていることが好ましい。さらに、シリコン酸化膜にはイオン注入法によりボロンが含有されていることが好ましい。
【００１２】
また、第２の不純物層には第１の不純物層の形成温度を越えない温度での直接接合を可能にする低融点化処理が施されていることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。本発明に係る静電型インクジェットヘッドの一例について図１乃至図４を参照して説明する。なお、図１は分解斜視説明図、図２は同ヘッドの透過状態で示す上面説明図、図３は同ヘッドの振動板長手方向に沿う模式的断面説明図、図４は同ヘッドの振動板短手方向に沿う模式的断面説明図である。
【００１４】
このインクジェットヘッドは、第一シリコン基板（第１基板）である流路基板１と、流路基板１の下側に設けた第二シリコン基板（第２基板）である電極基板３と、流路基板１の上側に設けた第三基板であるノズル板４とを重ねて接合した積層構造体であり、これらにより、複数のノズル５、各ノズル５が連通するインク流路である液室６、液室６に流体抵抗部７を介して連通する共通インク室８などを形成している。
【００１５】
流路基板１には、シリコン基板（第一シリコン基板）を用いて、液室６及びこの液室６の底部となる壁面を形成する振動板１０、各液室６を隔てる隔壁１１を形成する凹部、共通インク室８を形成する凹部などを形成している。
【００１６】
この流路基板１は、シリコン基板に振動板となる厚み（深さ）に高濃度Ｐ型不純物であるボロンを拡散し、この高濃度ボロン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うことにより液室６となる凹部等を形成するときに高濃度ボロン拡散層を残して所定の処理を施すことにより高濃度Ｐ型不純物を含む第１の不純物層で形成される所望厚さの振動板５を得たものである。
【００１７】
なお、高濃度Ｐ型不純物としては、ボロンの他、ガリウム、アルミニウム等も用いることができる。また、アルカリ異方性エッチングストップ層としてシリコン酸化膜やシリコン窒化膜を用いて、振動板主材料に単結晶シリコン（この構造の基板は一般にＳＯＩ構造と呼ばれる。）や多結晶シリコンを用いることもできる。
【００１８】
電極基板３には、シリコン基板（第二シリコン基板）を用いて、熱酸化法などで厚さ１μｍのシリコン酸化膜１１を形成し、このシリコン酸化膜１１に深さ０．３μｍの凹部１４を形成して、この凹部１４の底面に振動板１０に所定のギャップ１６を置いて対向する電極１５を形成し、この電極１５と振動板１０によって、振動板１５を変位させて液室６の内容積を変化させるアクチュエータ部を構成している。
【００１９】
ここでは、電極１５は、凹部１４内にチタンナイトライドを０．１μｍの厚さにスパッタし、このチタンナイトライドを電極形状にパターン化して形成している。したがって、このヘッドにおいては、電極基板３と流路基板１とを接合した後のギャップ１６の長さ（振動板１０と電極１５との間隔）は、０．２μｍとなっている。なお、電極１５は、チタンナイトライドに代えて、ドープドポリシリコンやタングステンなどの高融点金属を用いることもできる。
【００２０】
また、電極１５の表面はＣＶＤ法により形成した０．１μｍ厚さのシリコン酸化膜などの絶縁層１７により被膜して、インクジェットヘッド駆動時の絶縁破壊やショートが起こるのを防止するようにしている。この絶縁層１７は製造プロセス中のチタンナイトライドからなる電極１５の酸化を防止する機能も有している。さらに、電極１５は電極基板３の端部付近まで延設して外部駆動回路と接続手段を介して接続するためのリード部１５ａ及び電極パッド部１５ｂを形成している。
【００２１】
そして、これらの流路基板１と電極基板３とは１０００℃を越えない温度、例えば８００℃でシリコン酸化膜１１を介して直接接合している。なお、本明細書においては、「１０００℃を越えない温度による直接接合」を「低温直接接合」としている。この低温直接接合を行うため、流路基板１の接合面は、研磨加工面、もしくは研磨加工面を酸化した面として、極めて表面粗さの小さい良好な表面性を持つ面とすることで、電極基板３との直接接合を容易にしている。
【００２２】
また、電極基板３のシリコン酸化膜１１の接合部（接合面を含む部分）１１ａには、イオン注入などにより、ボロンもしくはＢ２Ｏ３を含有させて、１０００℃を越えない温度での直接接合を可能にする低融点化処理を施すことで、電極基板３の接合部１１ａの低融点化を図っている。なお、本実施形態では電極１５を設ける凹部１４を形成するための電極基板３のシリコン酸化膜１１に低融点化処理を施した接合部１１ａを形成しているが、流路基板１の振動板１０の接合面側に低融点化処理を施したシリコン酸化膜を形成することもできる。つまり、振動板が形成される層と第２基板との接合面の少なくともいずれか一方にボロンを含有するシリコン酸化膜からなる第２の不純物層を有する構成とすればよい。
【００２３】
また、ノズル板４は、厚さ５０μｍのステンレス材（ＳＵＳ）を用いて、ノズル５、液体抵抗部７及び共通インク液室へ外部からインクを供給するためのインク供給口１９を形成している。
【００２４】
このインクジェットヘッドにおいては、電極１５に駆動回路（ドライバＩＣ）によって０Ｖから３５Ｖのパルス電位を印加し、電極１５の表面がプラスに帯電すると、対応する振動板１０の下面はマイナス電位に帯電する。したがって、振動板１０は静電気の吸引作用により下方へ撓む。次いで、電極１５の電位をＯＦＦにすると、振動板１０は復元する。これにより、加圧室６内の圧力が急激に上昇し、ノズル５よりインク滴が吐出される。次に、振動板１０が再び電極１５側へ撓むことにより、インクが共通液室８より流体抵抗部７を通じて加圧室６内に補給される。
【００２５】
この場合、振動板１０が電極側絶縁膜１７に当接するまで変位させる当接駆動方式で駆動したとき、振動板１０の電極１５と対向する面、すなわち絶縁膜１７と接する面が極めて表面粗さの小さい良好な表面性を持つ研磨加工面であるため、絶縁膜１７の絶縁破壊に対して高い信頼性を保証することができる。
【００２６】
次に、このインクジェットヘッドの電極基板３の製造工程について図５を参照して説明する。
まず、同図（ａ）に示すように、厚さ６２５μｍの結晶面方位（１００）の第二シリコン基板である電極基板３の片側に厚さ１μｍの熱酸化膜（シリコン酸化膜）１１を形成する。そして、この熱酸化膜１１表面からボロンを３０ｋｅＶ、１Ｅ１６(／ｃｍ³)で注入し、熱処理（酸素雰囲気中で９００℃、１０ｍｉｎ）を施して、熱酸化膜１１の接合面側にボロンを注入することで低融点化した接合部１１ａを形成する。ここで、ボロンを含む低融点化された接合部１１ａは、帯電しやすく絶縁耐圧も低くなるため、振動駆動部に影響を与えない接合面側のみにあることが好ましい。
【００２７】
次いで、同図（ｂ）に示すように、熱酸化膜１１にフォトリソグラフィー技術、ウエットエッチング（フッ酸水溶液を使用）によって、深さ０．３μｍの凹部１４を形成する。なお、ウエットエッチングに代えてドライエッチングを用いてもよい。
【００２８】
そして、同図（ｃ）に示すように、凹部１４が形成された電極基板３にチタンナイトライドをリアクティブスパッタにより厚み０．１μｍに成膜し、リソグラフィー及びドライエッチングによりパターンニングして電極１５を形成する。さらに、ＣＶＤ法によりシリコン酸化膜を成膜し、リソグラフィー及びドライエッチングにより電極１５を被覆するようにパターニングして絶縁膜１７を形成する。
【００２９】
次に、流路基板１の製造方法について図６乃至図８を参照して説明する。
まず、図６（ａ）に示すように、厚さ５００μｍ、結晶面方位（１１０）の第一シリコン基板４１の片側に、例えば固体拡散法によりボロン（Ｂ）を拡散する。なお、拡散方法は、この他にＢＢｒ₃を用いた気相拡散法、イオン注入法、Ｂ₂Ｏ₃を有機溶媒に分散させウエハ上にスピンコートする塗布拡散法などを用いることもできる。
【００３０】
この固体拡散として、１１５０℃（Ｏ₂：Ｎ₂＝０．２５：１）で１時間の拡散を行った結果、ピーク値が１．５Ｅ２０／ｃｍ³、深さ２．０μｍで１Ｅ２０／ｃｍ³である高濃度Ｂドープシリコン層５１が得られ、高濃度Ｂドープシリコン層５１の形成の際、第一シリコン基板４１の最表面に厚さが約１５０ｎｍのガラス層５３が形成され、ガラス層５３と高濃度Ｂドープシリコン層５１との間には厚さが約３０ｎｍのシリコン−ボロン合金（ＳｉＢ₄ _〜 ₆）層５２（合金層）が形成される。
【００３１】
そこで、同図（ｂ）に示すように、ガラス層５３をフッ酸（フッ化水素酸（ＨＦ）の濃度１０％）水溶液に１５分浸すことによりエッチング除去する。これにより、第一シリコン基板４１の表面にはシリコン−ボロン合金層５２が現出する。この合金層５２の表面は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により測定した結果、表面粗さが大きく（Ｒａ＝１．８ｎｍ：測定エリアは１０μｍ□）、このままでは直接接合することができない。
【００３２】
そこで、同図（ｃ）に示すように、第一シリコン基板４１のシリコン−ボロン合金層５２表面側から、ＣＭＰ（Ｃhemical-ＭechaＮical-ＰＯlishiＮg）を行って、合金層５２を完全に除去する。
【００３３】
このＣＭＰでは、図７に示すように、所定のテーブル速度で回転する研磨プレート５５に設けた研磨パッド５６に対して、所定のキャリア速度で回転する研磨ヘッド５７に取り付けたウエハＷ（ここでは第一シリコン基板４１）の研磨する面を所定の加圧力で押し付け、スラリー液５８を滴下しながら研磨する。
【００３４】
ここでは、スラリー液５７としてヒュームドシリカを含有するＫＯＨベースのスラリー（SEMI-SPRESE25：商品名）を脱イオン水にて１：１に希釈したものを用いた。希釈後のスラリー液のｐＨ値は１０．８であった。ここで、スラリー液５７は被研磨材料によって研磨レートが異なってくるため、被研磨材料により最適なスラリー液を選定することが好ましい。また、研磨パッド５６も研磨する基板によって使用するパッドを選定することが好ましい。
【００３５】
例えば、酸化膜研磨用などによく使用されるパッドでＩＣ１０００・ＳＵＢＡでもよいが、より表面粗さを小さくするにはシリコンウエハの鏡面研磨加工や仕上げ研磨用に用いられるソフト型の研磨パッド (サーフィンなど)を用いることが好ましいので、これを用いて研磨した。
【００３６】
この場合、
テーブル速度／キャリア速度＝３８ｒｐｍ／２５ｒｐｍ
研磨加圧＝１００ｇ／ｃｍ²
研磨時間＝２分(なお、研磨レートは４５ｎｍ／ｍｉｎであった。)
として、研磨を行った後、ウェハの洗浄ではスクラブ洗浄（１％ＨＦディップ）１分間、純水リンスを２０分間施した。
【００３７】
更にクリーン度を求めるときには、汚染物（contamination）除去として硫酸過水（Ｈ₂ＳＯ₄：Ｈ₂Ｏ₂：Ｈ₂Ｏ＝１：１：５）洗浄やアンモニア過水洗浄（ＮＨ₄ＯＨ：Ｈ₂Ｏ：Ｈ₂Ｏ=１：１：５）などをこれに加えることが好ましい。
【００３８】
この研磨加工により、合金層５２を研磨除去すると共に、信頼性の高い直接接合が可能な表面粗さ（原子間力顕微鏡により測定した結果、表面粗さ（Ｒａ＝０．２ｎｍ：測定エリアは１０μｍ□））をもつ高濃度Ｂドープシリコン層５１が得られる。
【００３９】
この研磨加工では、合金層５２とその下の高濃度Ｂドープシリコン層５１の一部を研磨除去することになるが、高濃度Ｂドープシリコン層５１の研磨除去量（厚さ）の変動はそのまま振動板厚さの変動となるため、高い精度で研磨除去量を管理する必要がある。そのためには、研磨量を小さく（好ましくは２０００Å以下に）抑える。ここでは、高濃度Ｂドープシリコン層５１の研磨量（とり代）は９００Åで研磨量のばらつきは±１５０Å以下であった。
【００４０】
次に、図８（ａ）に示すように、凹部１４、電極１５などを形成した電極基板３と第一シリコン基板４１とを硫酸過水（硫酸と過酸化水素水を体積比２：１で混合したもの、温度１００℃）にて洗浄し、乾燥後、電極基板３に第一シリコン基板４１を減圧下（室温）で重ね合わせ、窒素雰囲気中にて８００℃、２時間の加熱処理を行って、電極基板３と第一シリコン基板４１とを直接接合した。
【００４１】
このとき、電極基板３の酸化膜１１の接合部１１ａはボロンの注入によって低融点化しているので、８００℃程度の加熱処理でも溶融し、強固な結合が得られる。また、第一シリコン基板４１の接合面は前述したように研磨加工によって表面ラフネスが極めて小さな面となっているので、高い信頼性での接合が可能となる。この結果、ボイドが無く、ギャップ寸法を高精度に保つ、強固な接合状態が得られた。
【００４２】
次いで、同図（ｂ）に示すように、厚さ５００μｍの第一シリコン基板４１を厚さ１００μｍまで研磨によって薄くする。その後、同図（ｃ）に示すように、接合した基板６３全体にＬＰ−ＣＶＤによりシリコン窒化膜６４を形成し、シリコン窒化膜６４上にレジストをコートし、露光、現像により吐出室６や共通インク室８などの液室形状のレジストパターンを形成する。このとき、電極基板３の電極１５と吐出室６のパターンの位置が一致するようにＩＲ光によりアライメントする。そして、同図（ｄ）に示すように、レジストの開口部のシリコン窒化膜６４をドライエッチによりエッチング除去し、レジストを除去して、シリコン窒化膜６４のマスクパターンを形成する。
【００４３】
そして、基板６３をＫＯＨ（１０ｗｔ％）水溶液に浸し、第一シリコン基板４１をエッチングする。パターニングしたシリコン窒化膜６４側の開口部からエッチングが進み、ボロン濃度が１Ｅ２０／ｃｍ³である深さに達した時エッチングがストップし（エッチレートが極端に下がり）、同図（ｅ）に示すように、高濃度ボロンドープシリコン層５１から成る振動板１０及び吐出室６等を形成した流路基板１が形成される。
【００４４】
このようにして形成された振動板１０の厚さはウエハ面内において２μｍ±０．１μｍのバラツキに抑えることができた。なお、このバラツキにはＣＭＰ工程時に起因したバラツキ（±０．０１５μm）が含まれている。
【００４５】
なお、上記実施形態においては、振動板の変位方向とインク滴吐出方向が同じになるサイドシュータタイプのインクジェットヘッドを例として説明したが、振動板の変位方向とインク滴吐出方向が直交する方向になる（この場合、第三基板は単なる蓋部材となる。）エッジシュータタイプのインクジェットヘッドにおいても適用することができ、クロストークの低減、接合面積を大きくすることができる。
【００４６】
また、上記各実施形態においては本発明を静電型インクジェットヘッドに適用した例で説明したが、インク滴を吐出するインクジェットヘッド以外にも、例えば液体レジストを吐出するための液滴吐出ヘッドなどにも同様に適用することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、振動板を設ける第１基板及び電極を設ける第２基板がいずれもシリコン基板からなり、第１基板の振動板は高濃度Ｐ型不純物を含む第１の不純物層で形成され、振動板が形成される層と第２基板との接合面の少なくともいずれか一方にボロンを含有するシリコン酸化膜からなる第２の不純物層を有している構成としたので、低温直接接合が可能になり、高精度、高密度、高信頼性のヘッドを得ることができる。
【００４８】
ここで、第２基板には電極を設けるための凹部を形成するシリコン酸化膜が形成され、このシリコン酸化膜の少なくとも第１基板との接合面側にボロンを含有している構成とすることで、低温直接接合が可能になり、高精度、高密度、高信頼性のヘッドを得ることができる。
【００４９】
また、第１基板と第２基板とは第２の不純物層を介して直接接合されていることにより、低温直接接合を行うことができて、低コストで、高精度、高密度、高信頼性のヘッドを得ることができる
さらに、シリコン酸化膜にはイオン注入法によりボロンを含有することで、比較的容易に注入深さなどを高精度に制御することができる。
【００５０】
また、第２の不純物層には第１の不純物層の形成温度を越えない温度での直接接合を可能にする低融点化処理が施されていることで、低温直接接合が可能になって高精度、高密度、高信頼性のヘッドを得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る静電型インクジェットヘッドの分解斜視説明図
【図２】同ヘッドの透過状態で示す上面説明図
【図３】同ヘッドの振動板長手方向に沿う模式的断面説明図
【図４】同ヘッドの振動板短手方向に沿う模式的断面説明図
【図５】同ヘッドの電極基板の製造工程の説明に供する説明図
【図６】同ヘッドの流路基板の製造工程の説明に供する説明図
【図７】図６の研磨工程の説明に供する説明図
【図８】同ヘッドの製造工程の説明に供する説明図
【符号の説明】
１…流路基板、３…電極基板、４…ノズル板、５…ノズル、６…液室、１０…振動板、１１…熱酸化膜、１１ａ…ボロンを含有する接合部、１５…電極、４１…第一シリコン基板。

Claims

液滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する吐出室と、この吐出室の壁面を形成する振動板と、この振動板に対向する電極とを備え、前記振動板を静電気力で変位変形させて、前記ノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、
前記振動板を設ける第１基板及び前記電極を設ける第２基板がいずれもシリコン基板からなり、
前記第１基板の振動板は高濃度Ｐ型不純物を含む第１の不純物層で形成され、
前記振動板が形成される層と第２基板との接合面の少なくともいずれか一方にボロンを含有するシリコン酸化膜からなる第２の不純物層を有している
ことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
請求項１に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記第２基板には前記電極を設けるための凹部を形成するシリコン酸化膜が形成され、このシリコン酸化膜の少なくとも前記第１基板との接合面側にボロンを含有していることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
請求項１又は２に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記第１基板と前記第２基板とは前記第２の不純物層を介して直接接合されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
請求項１乃至３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記シリコン酸化膜にはイオン注入法によりボロンが含有されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
請求項３に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記第２の不純物層には前記第１の不純物層の形成温度を越えない温度での直接接合を可能にする低融点化処理が施されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。