JP4306364B2 - 液滴吐出ヘッドの製造方法、液滴吐出ヘッド並びにその吐出ヘッドを備えたプリンタ - Google Patents

液滴吐出ヘッドの製造方法、液滴吐出ヘッド並びにその吐出ヘッドを備えたプリンタ Download PDF

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Description

本発明は、必要とする時にのみ液滴を吐出させるインクジェットヘッドなどの液滴吐出ヘッドに関する。
インクジェットヘッドは、例えば、吐出室に設けた薄い振動板を変形させ、その変形によって吐出室の圧力を上昇させてインクを吐出させる。この振動板の変形は、例えば、振動板とそれに対向して形成された電極間に電界を印加することによってなされる。そして、振動板と電極の微小間隙（ギャップ）を構成するために、基板自体をエッチングして得られる振動板基板あるいは電極基板上の凹部、ＳｉＯ2膜あるいはホウケイ酸ガラス膜を形成しその一部をエッチングして得られる凹部を得ることが開示されている（例えば、特許文献１）。
また、窒化膜をマスクとしてシリコン基板の選択酸化を行い、部分的に形成された酸化膜を除去することによって凹部を形成し、上記間隙を作製しているものもある（例えば、特許文献２）。
特開平６−７１８８２号公報 特開２０００−９４６９６号公報
しかしながら、従来のエッチング方法による微小間隙の形成方法では、エッチング深さをエッチング時間でコントロールするため、エッチャントの温度、濃度の変動によってエッチング深さがバラツキ、その間隙の精度の確保が難しくなると言う課題がある。一方、窒化膜を利用する加工の場合、窒化膜の形成にはＣＶＤ装置を用いる必要があり装置コストが掛かる。また、窒化膜のパターニングにもドライエッチング装置を用いなければならないため、製造コストがかさむというう課題がある。
本発明はこれらの課題に鑑みなされたもので、インクジェットヘッドなどの液滴吐出ヘッドにおける、振動板と該振動板に対向する電極などの部材との微小間隙（ギャップ）を構成する凹部を精度良くしかも低コストで製作できる方法、それを利用した液滴吐出ヘッドの製造方法、並びにその方法で製造した液滴吐出ヘッドなどを提供することを目的とする。
本発明のインクジェットヘッドは、複数のノズル孔と、該ノズル孔の各々に連通する独立した吐出室と、該吐出室の一部を構成する振動板とを備え、該振動板の変形を利用して前記ノズル孔より前記吐出室内の液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドであって、前記吐出室及び振動板が基板に形成される液滴吐出ヘッドの製造方法において、前記基板を酸化させて第１酸化膜を成膜し、該第１酸化膜の一部をフォトリソグラフィ及びエッチングにより除去する工程と、前記基板の前記第１酸化膜の一部が除去された面側を再酸化させて第２酸化膜を成膜し、その後該第２酸化膜を除去する工程とを行い、前記振動板と該振動板に対向する部材とのギャップを構成する凹部を形成することを特徴とする。これにより、液滴吐出ヘッドを構成する振動板とその対向部材である電極などとのギャップを規定する凹部が精度良くしかも従来より低コストで形成される。
上記において、更に、前記基板の凹部形成面にボロン拡散を施し、前記振動板となるボロンドープ層を形成することを特徴とする。これにより凹部形成に連続して振動板が形成できる。
また、複数のノズル孔と、該ノズル孔の各々に連通する独立した吐出室と、該吐出室の一部を構成する振動板とを備え、該振動板の変形を利用して前記ノズル孔より前記吐出室内の液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドであって、前記吐出室及び振動板が基板に形成される液滴吐出ヘッドの製造方法において、前記基板を酸化させて第１酸化膜を成膜し、該第１酸化膜の一部をフォトリソグラフィ及びエッチングにより除去する工程と、前記基板の前記第１酸化膜の一部が除去された面にボロン拡散を施し、前記振動板となるボロンドープ層を形成する工程と、前記ボロンドープ層表面のボロン化合物を除去する工程とを行い、前記振動板と該振動板に対向する部材とのギャップを構成する凹部を形成することを特徴とする。これにより、液滴吐出ヘッドを構成する振動板とその対向部材である電極などとのギャップを規定する凹部が精度良くしかも従来より低コストで形成される。
また、複数のノズル孔と、該ノズル孔の各々に連通する独立した吐出室と、該吐出室の一部を構成する振動板とを備え、該振動板の変形を利用して前記ノズル孔より前記吐出室内の液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドであって、前記吐出室及び振動板が基板に形成される液滴吐出ヘッドの製造方法において、前記基板を酸化させて第１酸化膜を成膜し、該第１酸化膜の一部をフォトリソグラフィ及びエッチングにより除去する工程と、前記基板の前記第１酸化膜の一部が除去された面側を再酸化させて第２酸化膜を成膜し、前記第１酸化膜が除去された部分に成膜された前記第２酸化膜をフォトリソグラフィ及びエッチングにより除去する工程と、前記基板の前記第２酸化膜が除去された面にボロン拡散を施し、前記振動板となるボロンドープ層を形成する工程と、前記ボロンドープ層表面のボロン化合物を除去する工程とを行い、前記振動板と該振動板に対向する部材とのギャップを構成する凹部を形成することを特徴とする。これにより、液滴吐出ヘッドを構成する振動板とその対向部材である電極などとのギャップを規定する凹部が精度良くしかも従来より低コストで形成される。
また、複数のノズル孔と、該ノズル孔の各々に連通する独立した吐出室と、該吐出室の一部を構成する振動板とを備え、該振動板の変形を利用して前記ノズル孔より前記吐出室内の液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドであって、前記吐出室及び振動板が基板に形成される液滴吐出ヘッドの製造方法において、前記基板を酸化させて第１酸化膜を成膜し、該第１酸化膜の一部をフォトリソグラフィ及びエッチングにより除去する工程と、前記基板の前記第１酸化膜が除去された面にボロン拡散を施し、前記振動板となるボロンドープ層を形成する工程と、前記ボロンドープ層表面のボロン化合物を除去する工程と、前記基板の前記ボロン化合物が除去された面側を再酸化させて第２酸化膜を成膜し、前記ボロン化合物が除去された部分に成膜された前記第２酸化膜を除去する工程とを行い、前記振動板と該振動板に対向する部材とのギャップを構成する凹部を形成することを特徴とする。これにより、液滴吐出ヘッドを構成する振動板とその対向部材である電極などとのギャップを規定する凹部が精度良くしかも従来より低コストで形成される。
なお、前記凹部形成面の反対面から前記ボロンドープ層まで前記基板をエッチングして前記吐出室を形成することを特徴とする。これによれば、ボロンドープ層がエッチングストップとして作用するという利点を有する。
また、本発明は、上記のいずれかの方法により製造された液滴吐出ヘッドを含む。この液滴吐出ヘッドによれば、振動板の変形量が一定となり、従って、ノズル孔からの液滴吐出量が安定する。
さらに、本発明は、インク吐出ヘッドとして上記液滴吐出ヘッドを備えたプリンタを含む。このプリンタによれば、ノズル孔からのインク吐出量が安定する。
図１は本発明に係る液滴吐出ヘッドの一例である静電型インクジェットヘッドの一部を断面図で示した分解斜視図である。図２は組み立てられた全体装置の断面側面図である。なお、ここでは、インク液滴を基板の端部に設けたノズル孔から吐出させるエッジインクジェットタイプの例を示すが、本発明は、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にも適用可能である。そして、いずれのタイプのインクジェットヘッドも、２枚以上の基板を重ねて接合した積層構造からなるが、ここでは３枚の基板から成るインクジェットヘッドを基に説明する。
３枚の積層基板のうち、中間の第１の基板１は、シリコン基板（例えば、結晶面方位が（１１０）である単結晶シリコン）であり、複数のノズル孔４を構成するように基板１の表面に一端より平行に等間隔で形成された複数のノズル溝１１と、各々のノズル溝１１に連通し底壁が振動板５となっている吐出室６を構成する凹部１２と、凹部１２の後部に設けられたオリフィス７を構成することになるインク流入口のための細溝１３と、各々の吐出室６にインクを供給するための共通のリザーバ８を構成する凹部１４を有する。また、振動板５の下面（実際には振動板を被膜している絶縁膜２４の下面）には後述する第２の基板上の電極２１とのギャップＧを構成することになる凹部１５が形成されている。さらに、第１の基板１の表面及び裏面には、凹部１５も含めて全体にＳｉＯ2等の絶縁膜２４がスパッタや蒸着により０．２μｍ程度成膜されている。この絶縁膜２４は、インクジェットヘッド駆動時の絶縁破壊やショートを防止するためのものである。
第１の基板１の下面には第２の基板２としてガラス基板、例えばホウ珪酸系ガラス、が接合される。この基板２には、基板１の振動板５に対応する各々の位置に振動板形状と類似した形状に金を０．１μｍスパッタし、振動板５とほぼ同じ形状に金パターンを形成して電極２１を形成している。電極２１はリード部２２及び端子部２３を持つ。
第１の基板１の上面には第３の基板３としてシリコン基板又はガラス基板が接合され、この基板３が蓋のように作用して、ノズル孔４、吐出室６、オリフィス７及びリザーバ８が構成されている。そして、基板３にはリザーバ８に連通するインク供給口３１を設ける。インク供給口３１は接続パイプ３２及びチューブ３３を介して図示しないインクタンクに接続される。
これら３つの基板の接合は陽極接合により行われる。例えば、第１の基板１と第２の基板２とは、振動板５と電極２１の位置合わせを行った後、温度３００℃、電圧５００Ｖの印加で陽極接合する。また第１の基板１と第３の基板３もほぼ同じ条件で接合できる。そして、図２のようにインクジェットヘッドを組み立てる。なお、陽極接合後における、振動板５（実際には絶縁膜２４）と第２の基板２上の電極２１との間のギャップＧは、この例の場合０．１〜０．３μｍ、より詳しくは０．１５程度となる。
上記のようにインクジェットヘッドを組み立てた後は、図１に示すように、基板１と電極２１の端子部２３間にそれぞれ配線１０１により発振回路１０２を接続し、インクジェットヘッドの駆動回路を構成する。また、図２に示すように、インク１０３は、図示しないインクタンクよりインク供給口３１を経て基板１の内部に供給されて、リザーバ８、吐出室６等を満たしている。なお、１０４はノズル孔４より吐出されるインク液滴、１０５は記録紙を示している。
上記インクジェットヘッドは次のように動作する。電極２１に発振回路１０２により０Ｖから１５０Ｖのパルス電圧を印加し、電極２１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撓む。次に、電極２１をＯＦＦにすると、該振動板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４よりインク液滴１０４を記録紙１０５に向けて吐出する。そして次に、振動板５が再び下方へ撓むことにより、インク１０３がリザーバ８よりオリフィス７を通じて吐出室６内に補給される。
次に、本願発明の特徴をなす上記第１の基板１の製造方法、特にその凹部１５及び振動板５の形成方法について詳述する。
実施の形態１．
本発明の実施の形態１は、基板に先に成膜された酸化膜を選択酸化マスクとして利用し、基板を再酸化することによってギャップＧを構成する凹部１５を形成するものである。図３は本発明の実施の形態１に係る第１の基板１に凹部１５を形成するプロセスを説明するための図、図４は本実施の形態における酸化条件の１例を説明するための図である。以下、図３に沿って第１の基板１に凹部１５を形成する方法を説明する。
まず、シリコン基板１の表面に１回目のＷｅｔ酸化を施し、酸化温度１０７５℃、４ｈｒの条件でＳｉＯ2膜４１ａ（これを第１酸化膜とする）を形成する（図３（ａ））。続いて、ＳｉＯ2膜４１ａにレジスト（図示せず）をコートし、そのレジストの所定部位をフォトリソグラフィを利用してパターニングし、そのレジストの開口部となるべき部位をバッファードフッ酸水溶液でエッチングして、レジストを剥離し、さらにギャップとなる凹部を形成する部分４２のＳｉＯ2膜４１ａを開口する（図３（ｂ））。このとき、ＳｉＯ2膜４１ａはシリコン基板を消費しながら成長し、消費させるシリコン基板表面の厚みは、成長したＳｉＯ2膜４１ａの厚さの約４５％になることが知られている。次に、シリコン基板１に２回目のＷｅｔ酸化を施し、酸化温度１０７５℃、５ｈｒ１０分の条件でＳｉＯ2膜４１ｂ（これを第２酸化膜とする）を形成する（図３（ｃ））。このときシリコン基板１の表面に残っていたＳｉＯ2膜が酸化を抑制するバリアとなり、ＳｉＯ2膜が除去されていた部分４２とＳｉＯ2膜が残存していた部分でＳｉＯ2膜厚の成長量が異なるため、シリコン基板１の表面に厚みの異なるＳｉＯ2膜４１（４１ａ、４１ｂの総称）が形成される。最後に、シリコン基板１の表面のＳｉＯ2膜４１をフッ酸水溶液で除去すれば、凹部１５がシリコン基板１の表面に形成される（図３（ｄ））。
ここで、図４を使って本例の酸化条件で形成される凹部の深さについて説明する。図４のグラフは１０７５℃の条件でＷｅｔ酸化を行った場合の酸化時間によるＳｉＯ2膜厚の変化を示すものである。このグラフを基に、酸化時間をＸ、ＳｉＯ2膜厚をＹとして、それらの関係を累乗近似で近似すると、
Ｙ＝３５２．５３×Ｘ(0.6968)
となる。ここで、本実施の形態の場合における凹部の深さＤを求めると次のようになる。
第１回目の酸化時間をｔ１、第２回目の酸化時間をｔ２とすると、１回目の酸化でシリコン基板１の表面に形成されるＳｉＯ2膜の厚みＹ1は、
Ｙ1＝３５２．５３×ｔ１(0.6366)
となり、酸化によって消費されるシリコン基板１の表面の厚みＴ1は、
Ｔ1＝Ｙ1×０．４５
となる。
次に２回目の酸化でＳｉＯ2膜開口部に形成されるＳｉＯ2膜の厚みＹ20は、
Ｙ20＝３５２．５３×ｔ２(0.6366)
となり、酸化によって消費されたシリコン基板１の表面の厚みＴ20は、第１回目の酸化での消費分も含め、
Ｔ20＝Ｙ20×０．４５＋Ｔ1
となる。一方、ＳｉＯ2膜開口部に形成されるＳｉＯ2膜の厚みＹ2Sは、
Ｙ2S＝３５２．５３×（ｔ１＋ｔ２）(0.6366)
となり、酸化によって消費されたシリコン基板１の表面の厚みＴ2Sは
Ｔ2S＝Ｙ2S×０．４５
となる。凹部の深さＤは、酸化によって消費されるシリコン基板１の表面の厚みの差に等しくなるため、
Ｄ＝Ｔ20−Ｔ2S
となり、例えば、ｔ１＝２４０分、ｔ２＝３１０分とすれば、凹部の深さＤは０．２５μｍとなる。
したがって、第１回目の酸化時間ｔ１と第２回目の酸化時間ｔ２を調整することにより、シリコン基板１に形成される凹部１５の深さＤを簡単に変更することができる。
次に、上記凹部形成方法を利用して、基板１に凹部１５及び振動板５を形成するプロセスについて説明する。図５、図６は、実施の形態１に係る第１の基板の製造工程図であって、先に成膜された酸化膜を選択酸化マスクとしてシリコン基板を再酸化することによって凹部１５を形成し、さらにシリコン基板１の表面にボロン拡散を行って、凹部１５に振動板５を形成するプロセスを説明するための図である。
まず、シリコン基板の両面を鏡面研磨して、厚さ２００μｍのシリコン基板１を形成し、その基板１に酸化温度１０７５℃、４ｈｒの条件で１回目のＷｅｔ酸化を施し、その両面に所定厚さのＳｉＯ2 膜４１ａを形成する（図５（ａ））。続いて、ＳｉＯ2膜４１ａにレジスト（図示せず）をコートし、そのレジストの所定部位をフォトリソグラフィを利用してパターニングし、そのレジストの開口部となるべき部位をバッファードフッ酸水溶液でエッチングして、レジストを剥離し、さらに微小ギャップとなる凹部を形成しようとする部分４２のＳｉＯ2膜４１ａを開口する（図５（ｂ））。次に、シリコン基板１を酸化温度１０７５℃、５ｈｒ１０分の条件で２回目のＷｅｔ酸化を施し、シリコン基板１の両面に所定厚さのＳｉＯ2 膜４１ｂを形成する（図５（ｃ））。そして、シリコン基板１の表面のＳｉＯ2膜４１をフッ酸水溶液で除去すると、凹部１５がシリコン基板１の表面に形成される（図５（ｄ））。
以上の工程によりシリコン基板１に凹部１５が形成された後、シリコン基板１の凹部形成面に窒化ホウ素（ＢＮ）などのボロン拡散板（図示せず）を対向させ、例えば摂氏１０５０度の温度で８時間加熱処理して凹部１５を形成した面にボロン（Ｂ）を拡散させ、ボロンドープ層４５を約１〜１０μｍの厚さに形成する。なお、その場合のボロンの濃度は約５×１０19ｃｍ-3以上とするのがよい。このとき、ボロンドープ層４５の表面には、ＳｉＢ6４４が形成される（図５（ｅ））。このＳｉＢ6４４を除去するため、６００℃、１．５ｈｒの条件でシリコン基板１にＷｅｔ酸化を行い、ＳｉＢ6４４をＳｉＯ2とＢ2Ｏ3４６に変化させる（図５（ｆ））。そして、裏面のＳｉＯ2膜４１をレジスト（図示せず）で保護し、フッ酸水溶液にて表面のＳｉＯ2とＢ2Ｏ3４６を除去した後、裏面のレジストを剥離する（図５（ｇ））。
続いて、シリコン基板１をプラズマＣＶＤ装置にセットして例えば摂氏３６０度の温度で成膜処理を施し、凹部１５を形成した面に例えば２μｍのＳｉＯ2膜４７をエッチング保護膜として形成する（図６（ｈ））。さらに、凹部１５を形成した面と反対側面のＳｉＯ2膜４１を、形成すべく吐出室６に対応させてパターニングし（図６（ｉ））、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液にてＳｉのエッチング（例えば異方性エッチング）を行う。エッチングがボロンドープ層４５に達すると、エッチングレートが極端に遅くなり、あたかもエッチングがストップした様になって、ボロンドープ層４５が振動板５となって残り、それにより吐出室６が形成される（図６（ｊ））。なお、ＫＯＨ水溶液の条件は、例えば、濃度；３重量％、温度；摂氏８０度とする。最後に、シリコン基板１に残るＳｉＯ2膜４１，４７をフッ酸水溶液でエッチング除去する（図６（ｋ））。
なお、リザーバ８やノズル溝１１など第１の基板１のその他の構造は、従来から既知のエッチング方法などを利用して形成してよい。以上のような方法によれば、シリコン基板１のＷｅｔ酸化の条件、特に２回目のＷｅｔ酸化条件を変更することによって、インク吐出用静電アクチュエータを構成する振動板５と該振動板５に対向することになる第２の基板２の電極２１とのギャップＧを構成する凹部１５の深さが高精度に形成される。
実施の形態２．
本発明の実施の形態２は、基板に先に成膜された酸化膜を選択拡散マスクとして基板表面にボロン拡散を行い、それによってギャップＧを構成する凹部１５を形成するものである。図７は本発明の実施の形態２に係る第１の基板１に凹部１５を形成するプロセスを説明するための図、図８はボロンの選択拡散によって生じる凹部深さが拡散条件によって変化することを説明するための図である。以下、図７に沿って第１の基板１に凹部１５を形成する方法を説明する。
まず、シリコン基板１の表面にＷｅｔ酸化を施し、酸化温度１０７５℃、４ｈｒの条件でＳｉＯ2膜４１ａ（第１酸化膜）を形成する（図７（ａ））。続いて、ＳｉＯ2膜４１ａにレジスト（図示せず）をコートし、そのレジストの所定部位をフォトリソグラフィを利用してパターニングし、そのレジストの開口部となるべき部位をバッファードフッ酸水溶液でエッチングして、レジストを剥離し、さらに凹部１５を形成しようとする部分４２のＳｉＯ2膜４１ａを開口する（図７（ｂ））。続いて、シリコン基板１のＳｉＯ2膜４１ａを開口した部位にボロン拡散板（図示せず）を対向させ、例えば摂氏１０５０度の温度で８時間加熱処理して基板１の表面にボロン（Ｂ）を拡散させて、ボロンドープ層４５を形成する。このとき、残っているＳｉＯ2膜４１ａが拡散マスクとして働くため、ボロンはＳｉＯ2膜４１ａの開口部４２のみに選択拡散される。また、ボロンドープ層４５の表面には、ＳｉＢ6４４が形成される（図７（ｃ））。このＳｉＢ6４４を除去するため、６００℃、１．５ｈｒの条件でシリコン基板１にＷｅｔ酸化を行い、ＳｉＢ6４４をＳｉＯ2とＢ2Ｏ3４６に変化させる（図７（ｄ））。そして、フッ酸水溶液でＳｉＯ2とＢ2Ｏ3４６をエッチング除去することによって、ボロン拡散部に凹部１５が形成される（図７（ｅ））。
基板表面の選択拡散によって発生する凹部の深さは、拡散条件によって変わる。例えば、図８に示したように、拡散温度が摂氏１０５０度、拡散時間が８ｈｒの本例の場合、凹部の深さは０．０７μｍとなる。しかしながら、拡散条件は振動板の厚みによって決ってしまうため、結局凹部の深さは振動板の厚みに応じて一意的に決まることになる。なお、本実施例の場合、局所的にボロンドープ層を形成しているため、ボロンドープ層の応力による反りの発生を軽減することができる。
次に、この凹部形成方法を利用して、基板１に凹部１５及び振動板５を形成するプロセスについて説明する。図９、図１０は、実施の形態２に係る第１の基板の製造工程図であって、酸化膜を選択拡散マスクとして利用し、シリコン基板の表面にボロン拡散を行って、基板１に凹部１５及び振動板５を形成するプロセスを説明するための図である。
まず、シリコン基板の両面を鏡面研磨して、厚さ２００μｍのシリコン基板１を形成し、その基板１に酸化温度１０７５℃、４ｈｒの条件でＷｅｔ酸化を施し、その両面に所定厚さ（図４参照）のＳｉＯ2 膜４１ａを形成する（図９（ａ））。続いて、ＳｉＯ2膜４１ａ表面にレジスト（図示せず）をコートし、そのレジストの所定部位をフォトリソグラフィを利用してパターニングし、そのレジストの開口部となるべき部位をバッファードフッ酸水溶液でエッチングして、レジストを剥離し、さらに凹部１５を形成しようとする部分４２のＳｉＯ2膜４１ａを開口する（図９（ｂ））。続いて、シリコン基板１のＳｉＯ2膜４１ａを開口した部位にボロン拡散板（図示せず）を対向させ、例えば摂氏１０５０度の温度で８時間加熱処理して基板１の表面にボロン（Ｂ）を拡散させて、ボロンドープ層４５を約１〜１０μｍの厚さに形成する。なお、ボロンの濃度は約５×１０19ｃｍ-3以上とするのがよい。このときボロンドープ層４５の表面には、ＳｉＢ6４４が形成される（図９（ｃ））。このＳｉＢ6４４を除去するため、６００℃、１．５ｈｒの条件でシリコン基板１にＷｅｔ酸化を行い、ＳｉＢ6４４をＳｉＯ2とＢ2Ｏ3４６に変化させる（図９（ｄ））。そして、フッ酸水溶液でＳｉＯ2とＢ2Ｏ3４６をエッチング除去することによってボロン拡散部に凹部１５が形成される（図９（ｅ））。
次に、凹部１５が形成されたシリコン基板１をプラズマＣＶＤ装置にセットして例えば摂氏３６０度の温度で成膜処理を施し、凹部１５を形成した面に例えば２μｍのＳｉＯ2膜４７をエッチング保護膜として形成する（図１０（ｆ））。さらに、凹部１５を形成した面と反対側面のＳｉＯ2膜４１ａを、形成すべく吐出室６に対応させてパターニングし（図１０（ｇ））、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液にてＳｉのエッチング（例えば異方性エッチング）を行う。エッチングがボロンドープ層４５に達すると、エッチングレートが極端に遅くなり、あたかもエッチングがストップした様になって、ボロンドープ層４５が振動板５となって残り、それにより吐出室６が形成される（図１０（ｈ））。なお、ＫＯＨ水溶液の条件は、例えば、濃度；３重量％、温度；摂氏８０度とする。最後に、シリコン基板１に残るＳｉＯ2膜４１ａ，４７をフッ酸水溶液でエッチング除去する（図１０（ｉ））。
ここでも、リザーバ８やノズル溝１１など第１の基板１のその他の構造は、従来から既知の方法で形成してよい。以上のように先に成膜された酸化膜を利用してボロンの選択拡散を行うことで、インク吐出用静電アクチュエータを構成する振動板５と該振動板５に対向することになる第２の基板２の電極２１とのギャップＧを構成する凹部１５の深さが高精度に形成される。
実施の形態３．
本発明の実施の形態３は、実施の形態１と実施の形態２を組み合わせたものである。すなわち、先に成膜された酸化膜を選択酸化マスクとして基板を再酸化することによって凹部を形成し、さらに成膜されている酸化膜を選択拡散マスクとして利用し、凹部のみを選択的にボロン拡散してその凹部を深くし、そこに振動板を形成するものである。なお、凹部１５と振動板５の形成方法を除いては実施の形態１，２と相違するところはない。図１１、１２は、本発明の実施の形態３による凹部１５及び振動板５の形成方法を説明する製造工程図であり、以下これに沿って説明する。
まず、シリコン基板の両面を鏡面研磨して、厚さ２００μｍのシリコン基板１を形成し、その基板１に酸化温度１０７５℃、４ｈｒの条件で１回目のＷｅｔ酸化を施し、その両面に所定厚さのＳｉＯ2 膜４１ａ（第１酸化膜）を形成する（図１１（ａ））。続いて、ＳｉＯ2膜４１ａにレジスト（図示せず）をコートし、そのレジストの所定部位をフォトリソグラフィを利用してパターニングし、そのレジストの開口部となるべき部位をバッファードフッ酸水溶液でエッチングして、レジストを剥離し、さらに凹部１５を形成使用とする部分４２のＳｉＯ2膜４１ａを開口する（図１１（ｂ））。次に、シリコン基板１を酸化温度１０７５℃、５ｈｒ１０分の条件で２回目のＷｅｔ酸化を施し、シリコン基板１の両面に所定厚さのＳｉＯ2 膜４１ｂ（第２酸化膜）を形成する（図１１（ｃ））。続いて、シリコン基板１の両面のＳｉＯ2膜４１にレジスト（図示せす）をコートし、図１１（ｂ）と同様にして、凹部１５を形成しようとする部分４２のＳｉＯ2膜４１ｂを開口する（図１１（ｄ））。
次に、ボロン拡散板（図示せず）を対向させ、例えば摂氏１０５０度の温度で８時間加熱処理して表面にボロン（Ｂ）を拡散させ、ボロンドープ層４５を形成する。このとき、ボロンはＳｉＯ2膜４１ｂの開口部のみに選択拡散され、ボロンドープ層４５の表面には、ＳｉＢ6４４が形成される（図１１（ｅ））。このＳｉＢ6４４を除去するため、６００℃、１．５ｈｒの条件でシリコン基板１にＷｅｔ酸化を行い、ＳｉＢ6４４をＳｉＯ2とＢ2Ｏ3４６に変化させる（図１１（ｆ））。そして、フッ酸水溶液でＳｉＯ2とＢ2Ｏ3４６をエッチング除去することによってボロン拡散部に凹部１５が形成される（図１１（ｇ））。
続いて、シリコン基板１をプラズマＣＶＤ装置にセットして例えば摂氏３６０度の温度で成膜処理を施し、凹部１５を形成した面に例えば２μｍのＳｉＯ2膜４７をエッチング保護膜として形成する（図１２（ｈ））。さらに、凹部１５を形成した面と反対側面のＳｉＯ2膜４１を、形成すべく吐出室６に対応させてパターニングし（図１２（ｉ））、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液にてＳｉのエッチングを行う。エッチングがボロンドープ層４５に達すると、エッチングレートが極端に遅くなり、あたかもエッチングがストップした様になって、ボロンドープ層４５が振動板５となって残り、それにより吐出室６が形成される（図１２（ｊ））。なお、ＫＯＨ水溶液の条件は、例えば、濃度；３重量％、温度；摂氏８０度とする。最後に、シリコン基板１に残るＳｉＯ2膜４１，４７をフッ酸水溶液でエッチング除去する。
このような選択拡散による加工によって凹部１５をより深く高精度に形成できる。
実施の形態４．
本発明の実施の形態４もまた、実施の形態１と実施の形態２を組み合わせたものである。ただしここでは、先に成膜された酸化膜を選択拡散マスクとして、基板にボロン拡散を行うことによって凹部を形成し、その後、成膜されている酸化膜を利用して基板を選択酸化することによって凹部を深くし、そこに振動板を形成するものである。なお、凹部１５と振動板５の形成方法を除いては実施の形態１，２と相違するところはない。図１３、図１４は、本発明の実施の形態４による凹部１５及び振動板５の形成方法を説明する製造工程図であり、以下これに沿って説明する。
まず、シリコン基板の両面を鏡面研磨して、厚さ２００μｍのシリコン基板１を形成し、その基板１に酸化温度１０７５℃、４ｈｒの条件で１回目のＷｅｔ酸化を施し、その両面に所定厚さのＳｉＯ2 膜４１ａを形成する（図１３（ａ））。続いて、ＳｉＯ2膜４１ａにレジスト（図示せず）をコートし、そのレジストの所定部位をフォトリソグラフィを利用してパターニングし、そのレジストの開口部となるべき部位をバッファードフッ酸水溶液でエッチングして、レジストを剥離し、さらに凹部１５を形成しようとする部分４２のＳｉＯ2膜４１ａを開口する（図１３（ｂ））。続いて、ボロン拡散板（図示せず）を対向させ、例えば摂氏１０５０度の温度８時間加熱処理して表面にボロン（Ｂ）を拡散させ、ボロンドープ層４５を形成する。このとき、ＳｉＯ2膜４１ａが拡散マスクとして働くため、ボロンはＳｉＯ2膜の開口部のみに選択拡散される。また、ボロンドープ層４５の表面には、ＳｉＢ6４４が形成される（図１３（ｃ））。このＳｉＢ6４４を除去するため、６００℃、１．５ｈｒの条件でＷｅｔ酸化を行い、ＳｉＢ6４４をＳｉＯ2とＢ2Ｏ3４６に変化させる（図１３（ｄ））。そして、シリコン基板１の両面のＳｉＯ2膜に再度レジスト（図示せず）をコートし、フォトリソグラフィによりレジストパターニングした後、レジストの開口部をバッファードフッ酸水溶液でエッチングし、レジストを剥離することによって、凹部１５となる部分に残るＳｉＯ2とＢ2Ｏ3４６を除去する（図１３（ｅ））。
続いて、シリコン基板１に２回目のＷｅｔ酸化を施し、酸化温度１０７５℃、５ｈｒ１０ｍｉｎの条件でＳｉＯ2膜４１ｂ（第２酸化膜）を形成する（図１３（ｆ））。このとき、ＳｉＯ2膜が除去された部分とＳｉＯ2膜が残存している部分とでＳｉＯ2膜厚の成長量が異なるため、シリコン基板１の表面により深い凹部１５が形成される。さらに、凹部１５を形成した面と反対側面のＳｉＯ2膜４１を、形成すべく吐出室６に対応させてパターニングし（図１４（ｇ））、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液にてＳｉのエッチングを行う。エッチングがボロンドープ層４５に達すると、エッチングレートが極端に遅くなり、あたかもエッチングがストップした様になって、ボロンドープ層４５が振動板５となって残り、それにより吐出室６が形成される（図１４（ｈ））。なお、ＫＯＨ水溶液の条件は、例えば、濃度；３重量％、温度；摂氏８０度とする。最後に、シリコン基板１に残るＳｉＯ2膜４１をフッ酸水溶液でエッチング除去する。
以上のように、選択拡散を行ってから選択酸化を行うことによって、凹部１５を形成した面に、アクチュエータ・ギャップとなる凹部をより深く高精度に形成できる。
以上の実施形態１から実施形態４により、基板（第１の基板１）にインク吐出のために機能する振動板とその振動板が対向することになる電極とのギャップが形成できる。なお、図１に示すリザーバ８やノズル溝１１などの第１の基板１のその他の要素又は構造は、従来から既知のエッチング方法などを利用して形成する。また、第２の基板２及び第３の基板３も従来と同様の方法で作るものとする。そして、それらの第１の基板１、第２の基板２、及び第３の基板３を既に説明したような陽極接合などにより一体化して、インクジェットヘッドに組み立てる。
ところで、上記のようにして製造されたインクジェットヘッドは、図１５に示すように、プリンタに組み込まれてプリンタのインク吐出機構を構成する。なお、図１５において、３００はプラテン、３０１はインクタンク、３０２はインクジェットヘッド１０のキャリッジ、３０３はポンプ、３０４はキャップ、３０５は排インク溜、３０６はインク供給チューブ、３０７はインク排出チューブ、３０８は噴射口排出チューブである。また、本発明のインクジェットヘッドは、プリンタへの適用の他、インク以外の液滴、例えば、導電性物質を含んだ溶液を吐出するパターン形成装置、又は生体物質や試薬を含んだ溶液を吐出する検査液吐出装置にも適用できる。
以上説明したように、基板に先に成膜された酸化膜をマスクとして利用し、選択酸化あるいは選択拡散を行うことによって、安価で量産に適した方法で、インクジェットヘッドなどの液滴吐出ヘッドの構成に要求される微小ギャップが高精度に形成できる。
本発明に係るインクジェットヘッドの実施例を示す分解斜視図。 図１のインクジェットヘッドの断面側面図。 実施の形態１に係る第１の基板の振動板部分の凹部製造工程図。 シリコン基板の酸化時間とその酸化により形成される酸化膜の膜厚との関係図。 実施の形態１に係る第１の基板の製造工程図（その１）。 実施の形態１に係る第１の基板の製造工程図（その２）。 実施の形態２に係る第１の基板の振動板部分の凹部製造工程図。 シリコン基板にボロンを選択拡散して形成される凹部とその拡散条件の関係図。 実施の形態２に係る第１の基板の製造工程図（その１）。 実施の形態２に係る第１の基板の製造工程図（その２）。 実施の形態３に係る第１の基板の製造工程図（その１）。 実施の形態３に係る第１の基板の製造工程図（その２）。 実施の形態４に係る第１の基板の製造工程図（その１）。 実施の形態４に係る第１の基板の製造工程図（その２）。 本発明の方法により製造されたインクジェットヘッドを組み込んだプリンタを示す概要図である。
符号の説明
１…第１の基板、２…第２の基板、３…第３の基板、４…ノズル孔、５…振動板、６…吐出室、７…オリフィス、８…リザーバ、１５…凹部、２１…電極、２４…絶縁膜、４５…ボロンドープ層（振動板）、Ｇ…ギャップ。

Claims (6)

  1. 複数のノズル孔と、該ノズル孔の各々に連通する独立した吐出室と、該吐出室の一部を構成する振動板とを備え、該振動板の変形を利用して前記ノズル孔より前記吐出室内の液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドであって、前記吐出室及び振動板が基板に形成される液滴吐出ヘッドの製造方法において、
    前記基板を酸化させて第１酸化膜を成膜し、該第１酸化膜の一部をフォトリソグラフィ及びエッチングにより除去する工程と、
    前記エッチングにより残った前記第１酸化膜をボロン拡散のための選択拡散マスクとして使用して、前記基板の前記第１酸化膜の一部が除去された面にボロン拡散を施し、前記振動板となるボロンドープ層を形成する工程と、
    前記ボロンドープ層表面に形成されたホウ化ケイ素ＳｉＢ 6 を除去する工程とを行い、
    前記振動板と該振動板に対向する部材との間でギャップを構成する凹部を形成することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
  2. 複数のノズル孔と、該ノズル孔の各々に連通する独立した吐出室と、該吐出室の一部を構成する振動板とを備え、該振動板の変形を利用して前記ノズル孔より前記吐出室内の液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドであって、前記吐出室及び振動板が基板に形成される液滴吐出ヘッドの製造方法において、
    前記基板を酸化させて第１酸化膜を成膜し、該第１酸化膜の一部をフォトリソグラフィ及びエッチングにより除去する工程と、
    前記基板の前記第１酸化膜の一部が除去された面側を再酸化させて第２酸化膜を成膜し、前記第１酸化膜が除去された部分に成膜された前記第２酸化膜をフォトリソグラフィ及びエッチングにより除去する工程と、
    前記エッチングにより残った前記第２酸化膜をボロン拡散のための選択拡散マスクとして使用して、前記基板の前記第２酸化膜が除去された面にボロン拡散を施し、前記振動板となるボロンドープ層を形成する工程と、
    前記ボロンドープ層表面に形成されたホウ化ケイ素ＳｉＢ 6 を除去する工程とを行い、
    前記振動板と該振動板に対向する部材との間でギャップを構成する凹部を形成することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
  3. 複数のノズル孔と、該ノズル孔の各々に連通する独立した吐出室と、該吐出室の一部を構成する振動板とを備え、該振動板の変形を利用して前記ノズル孔より前記吐出室内の液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドであって、前記吐出室及び振動板が基板に形成される液滴吐出ヘッドの製造方法において、
    前記基板を酸化させて第１酸化膜を成膜し、該第１酸化膜の一部をフォトリソグラフィ及びエッチングにより除去する工程と、
    前記エッチングにより残った前記第１酸化膜をボロン拡散のための選択拡散マスクとして使用して、前記基板の前記第１酸化膜が除去された面にボロン拡散を施し、前記振動板となるボロンドープ層を形成する工程と、
    前記ボロンドープ層表面に形成されたホウ化ケイ素ＳｉＢ 6 を除去する工程と、
    前記基板の前記ホウ化ケイ素ＳｉＢ 6 が除去された面側を再酸化させて第２酸化膜を成膜し、前記ホウ化ケイ素ＳｉＢ 6 が除去された部分に成膜された前記第２酸化膜を除去する工程とを行い、
    前記振動板と該振動板に対向する部材との間でギャップを構成する凹部を形成することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
  4. 前記凹部形成面の反対面から前記ボロンドープ層まで前記基板をエッチングして前記吐出室を形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法により製造されたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
  6. インク吐出ヘッドとして請求項５に記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とするプリンタ。
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