JP4510234B2 - 液体吐出ヘッドの製造方法、該製造方法により製造された液体吐出ヘッド、および微小機械装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱エネルギーを液体に作用させることで起こる気泡の発生によって、所望の液体を吐出する液体吐出ヘッドおよび該液体吐出ヘッドの製造方法等に関する。特に、本発明は、気泡の発生を利用して変位する可動部材を有する液体吐出ヘッドの製造方法、該製造方法により製造された液体吐出ヘッド、および微小機械装置の製造方法に関する。
【０００２】
また、本発明は、紙、糸、繊維、布、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミック等の被記録媒体に対して記録を行う、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサ等の装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わされた産業用記録装置に適用することができるものである。
【０００３】
なお、本発明における「記録」とは、文字や図形等のように意味を持つ画像を被記録媒体に対して付与することだけでなく、パターン等のように意味を持たない画像を付与することをも意味するものである。
【０００４】
【従来の技術】
図１２は、従来の液体吐出ヘッドを、一部を破断した状態で示す斜視図である。
【０００５】
図１２に示すように、従来の液体吐出ヘッドは、液体に気泡を発生させるための熱エネルギーを与える気泡発生素子である複数個のヒーター１００５が並列に設けられた基板１００４と、この基板１００４上に接合された天板１００１とを有している。
【０００６】
基板１００４は、シリコン等の基体上に絶縁および蓄熱を目的とした酸化シリコン膜または窒化シリコン膜を成膜し、その上に、ヒーター１００５を構成する電気抵抗層および配線電極をパターニングしたものである。この配線電極から電気抵抗層に電圧を印加し、電気抵抗層に電流を流すことでヒーター１００５が発熱する。なお、基板１００４上には、ヒーター１００５へ電流を供給する外部端子（不図示）が接続される実装用電極１００３が設けられている。
【０００７】
天板１００１は、各ヒーター１００５に対応した複数の液流路１００７および各液流路１００７に液体を供給するための共通液室１０１０を構成するためのもので、天井部分から各ヒーター１００５の間に延びる流路側壁１００１ａが一体的に設けられている。また、天板１００１の上面には、外部から供給された液体を共通液室１０１０に流入させるためのインク供給連絡口１００２が設けられている。天板１００１はシリコン系の材料で構成され、液流路１００７および共通液室１０１０のパターンをエッチングで形成し、シリコン基板上にＣＶＤ等の公知の成膜方法により窒化シリコン、酸化シリコン等の流路側壁１００１ａとなる材料を堆積した後に、液流路１００７の部分をエッチングして形成することができる。
【０００８】
天板１００１の先端面には壁部が設けられており、この壁部には、各液流路１００７に対応しそれぞれ液流路１００７を介して共通液室１０１０に連通する複数の吐出口１００６が形成されている。
【０００９】
図１３は、従来の液体吐出ヘッドの他の例を、一部を破断した状態で示す斜視図である。
【００１０】
図１３に示す液体吐出ヘッドは、ヒーター２００５に対面して配置された片持梁状の可動部材２００９が設けられている。可動部材２００９は、窒化シリコンや酸化シリコン等のシリコン系の材料、あるいは弾性に優れたニッケル等で形成された薄膜からなる。この可動部材２００９は、ヒーター２００５よりも上流側に支点を有し、さらにこの支点に対して下流側に自由端を持つように、ヒーター２００５から所定の距離を隔てて配されている。
【００１１】
なお、液体吐出ヘッドの天板２００１、インク供給連絡口２００２、実装用電極２００３、基板２００４、ヒーター２００５、吐出口２００６、液流路２００７、および共通液室２０１３の構成は図１２に示した液体吐出ヘッドと同様であるので、詳しい説明は省略する。
【００１２】
図１４は、図１３に示した液体吐出ヘッドによる液体吐出方法を説明するための、流路方向に沿った断面図である。
【００１３】
図１４（ａ）に示すように、ヒーター２００５を発熱させると可動部材２００９とヒーター２００５との間のインクに熱が作用し、これによりヒーター２００５に膜沸騰現象に基づく気泡２００８が発生して成長する。この気泡２００８の成長に伴う圧力は可動部材２００９に優先的に作用し、可動部材２００９は同図（ｂ）に示すように支点を中心に吐出口２００６側に大きく開くように変位する。可動部材２００９の変位もしくは変位した状態によって、気泡２００８の発生に基づく圧力の伝播や気泡２００８自身の成長が吐出口２００６側に導かれ、同図（ｃ）に示すように吐出口２００６から液体が吐出する。
【００１４】
このように、ヒーター２００５上に、液流路２００７内の液体の流れの上流側（共通液室側）に支点を持ち下流側（吐出口２００６側）に自由端を持つ可動部材２００９を設けることによって、気泡２００８の圧力伝播方向が下流側へ導かれ、気泡２００８の圧力が直接的に効率よく吐出に寄与することになる。そして、気泡２００８の成長方向自体も圧力伝播方向と同様に下流方向に導かれ、上流より下流で大きく成長する。このように、気泡２００８の成長方向自体を可動部材２００９によって制御し、気泡２００８の圧力伝播方向を制御することで、吐出効率や吐出力または吐出速度などの根本的な吐出特性を向上させることができる。
【００１５】
一方、同図（ｄ）に示すように、気泡２００８が消泡工程に入ると、可動部材２００９自身の弾性力との相乗効果で気泡２００８は急速に消泡し、可動部材２００９も最終的には同図（ａ）に示した初期位置に復帰する。このとき、気泡の収縮体積を補うため、また、吐出された液体の体積分を補うために、上流側すなわち共通液室側から液体が流れ込み、液流路２００７への液体の充填（リフィル）が行われるが、この液体のリフィルは、可動部材２００９の復帰作用に伴って効率よく合理的かつ安定して行われる。
【００１６】
図１５は、図１３に示した従来の液体吐出ヘッドの製造方法を説明するための斜視図である。
【００１７】
図１５に示す従来の液体吐出ヘッドの製造方法では、まず最初に、ヒーター２００５等が設けられた基板２００４の上に可動部材２００９を形成する。可動部材２００９は、例えば、犠牲層アルミパターンの形成、可動部材２００９を成すＳｉＮ層の形成、およびＳｉＮ層のパターニングからなる一連の半導体プロセスによって作成される。このように、基板２００４の表面には可動部材等のデバイスが設けられることから、基板２００４の表面は３〜１０μｍ程度の高さの凹凸を有することとなる。
【００１８】
次に、基板２００４と天板２００１との間に液流路２００７および共通液室２０１３（共に図１３参照）を構成するためのノズル壁材２０１０を、基板２００４上に接合する。そして、ノズル壁材２０１０の天板２００１が接合される上面を平坦化する。
【００１９】
次に、ノズル壁材２０１０の上面に天板２００１を接合し、吐出口２００６が形成されたオリフィスプレート２０１１を、液流路２００７が開口している端面に接合する。以上の工程により、図１３に示した従来の液体吐出ヘッドが製造される。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１５を参照して説明した製造方法では、ノズル壁材２０１０を基板２００４上に精度良く接合させることが必要であり、さらに、天板２００１の接合前にノズル壁材２０１０の上面を平坦化させる必要があるため、製造工程が煩雑となっていた。
【００２１】
また、この壁材を有機材料で形成する場合には、ドライフィルムを用いれば上記の厚さの厚膜を形成することができるものの、基板の表面には上記の通りに凹凸があるため、壁材上面の平坦化を図ることが困難であるだけでなく、可動部材がドライフィルムによって変形してしまう虞があった。さらに、従来のウェットプロセスを用いて数十μｍの厚膜を形成することは困難であった。
【００２２】
そこで本発明は、壁部材の上面を平坦化しかつ製造時間を短縮することができ、さらに、数十μｍの厚膜に形成された壁部材を備えた液体吐出ヘッド、該液体吐出ヘッドの製造方法、微小機械装置および該微小機械装置の製造方法を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法は、液体を吐出するための吐出口と、該吐出口に液体を供給するために前記吐出口に連通された液流路を構成する壁部材と、前記液体に気泡を発生させるための発熱体が備えられた基板と、前記吐出口側を自由端として前記基板に支持固定されるとともに、前記液流路内の前記発熱体に対面する位置に前記基板との間に間隙をおいて設けられた片持梁状の可動部材と、を有し、前記気泡を発生させることにより生じる圧力によって、前記可動部材の自由端を前記基板と離れる方向に変位させて前記圧力を前記吐出口側に導き、前記吐出口から液体を吐出させる液体吐出ヘッドの製造方法であって、前記可動部材を備える基板を用意する工程と、光硬化性樹脂を、前記可動部材と前記基板との間の前記間隙を埋め、かつ、前記可動部材を被覆するように、スピンコートにて前記基板に塗布する工程と、前記光硬化性樹脂の少なくとも前記壁部材に相当する箇所を露光し、硬化させる工程と、前記基板を切断する工程と、前記光硬化性樹脂の未露光部を除去する工程と、をこの順に有することを特徴とする。
【００２４】
本発明の液体吐出ヘッドの製造方法によれば、ＳｉＮやＳｉＯ等の無機材料を成膜することによって壁部材を形成する場合に比べて製造時間を短縮することが可能となる。さらに、本発明によれば、壁部材は、基板上にスピンコートによって塗布された液状の光硬化性樹脂のうちの所定の箇所を露光して硬化させ、未露光の硬化していない部分を除去することによって形成されるため、従来のウェットプロセスとは異なり数十μｍの厚膜に形成することが可能となる。
【００２５】
さらに、光硬化性樹脂の未露光部を除去する工程の後に、硬化した光硬化性樹脂の融点以上の温度で樹脂のベークを行う工程を更に有することにより、壁部材の上面のレベリングフローが高精度に行われる。そのため、壁部材の上面を後工程の研磨等によって平坦化を行う必要がなく、液体吐出ヘッドの製造工程が簡素化され、ひいては液体吐出ヘッドを安価に製造することが可能になる。
【００２６】
さらには、樹脂は、５０％以上の固形成分を含み、平均分子量が１万以下である構成とすることにより、樹脂の粘性が比較的に低くなり、スピンコートによる塗布工程において樹脂を良好に平坦化させることが可能になるとともに、基板と可動部材との間の隙間にも樹脂を良好に流入させることができる。そのため、樹脂をスピンコートによって塗布する際に可動部材に撓みや曲がりが起こるおそれを低減することができる。
【００２７】
また、本発明の液体吐出ヘッドは、上記本発明の液体吐出ヘッドの製造方法によって製造されたものである。
【００２８】
また、本発明の微小機械装置の製造方法は、流路を構成する壁部材が表面に設けられた第１の基板と、前記第１の基板上の前記流路に前記第１の基板との間に間隙をおいて一方の端部を自由端として前記第１の基板に支持固定された可動部材と、前記壁部材の上面に接合される第２の基板と、を有する微小機械装置の製造方法であって、前記可動部材を備える第１の基板を用意する工程と、光硬化性樹脂を、前記可動部材と前記基板との間隙を埋め、かつ、前記可動部材を被覆するように、スピンコートにて前記第１の基板に塗布する工程と、前記光硬化性樹脂の少なくとも前記壁部材に相当する箇所を露光し、硬化させる工程と、前記光硬化性樹脂の未露光部を除去する工程と、を有することを特徴とする。
【００２９】
上記の発明において、光硬化性樹脂の未露光部を除去する工程の後に、硬化した光硬化性樹脂の融点以上の温度で樹脂のベークを行う工程を更に有することが好ましい。
【００３０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に適用可能な一実施形態として、液体を吐出する複数の吐出口と、互いに接合されることでそれぞれ吐出口と連通する複数の液流路を構成するための第１の基板および第２の基板と、電気エネルギーを液流路内の液体の吐出エネルギーに変換するために各液流路内に配された複数のエネルギー変換素子と、エネルギー変換素子の駆動条件を制御するための、機能が異なる複数の素子あるいは電気回路とを有し、上記素子あるいは電気回路がその機能に応じて第１の基板と第２の基板とに振り分けられている液体吐出ヘッドの説明を行う。
【００３１】
図１は、本発明の一実施形態である液体吐出ヘッドの液流路方向に沿った断面図である。
【００３２】
図１に示すように、この液体吐出ヘッドは、液体に気泡を発生させるための熱エネルギーを与える複数個（図１では１つのみ示す）の発熱体２が並列に設けられた素子基板１と、この素子基板１上に接合された天板３と、素子基板１および天板３の前端面に接合されたオリフィスプレート４と、素子基板１と天板３とで構成される液流路７内に設置された可動部材６とを有する。
【００３３】
素子基板１は、シリコン等の基板上に絶縁および蓄熱を目的としたシリコン酸化膜または窒化シリコン膜を成膜し、その上に、発熱体２を構成する電気抵抗層および配線をパターニングしたものである。この配線から電気抵抗層に電圧を印加し、電気抵抗層に電流を流すことで発熱体２が発熱する。
【００３４】
天板３は、各発熱体２に対応した複数の液流路７および各液流路７に液体を供給するための共通液室８を素子基板１との間に構成するためのものである。素子基板１上に複数の液流路７および共通液室８を構成する流路側壁９は、図８および図９を参照して後に説明するように、ネガ型の感光性エポキシ樹脂によって素子基板１上に設けられる。
【００３５】
オリフィスプレート４には、各液流路７に対応しそれぞれ液流路７を介して共通液室８に連通する複数の吐出口５が形成されている。オリフィスプレート４もシリコン系の材料からなるものであり、例えば、吐出口５を形成したシリコン基板を１０〜１５０μｍ程度の厚さに削ることにより形成される。なお、オリフィスプレート４は本発明には必ずしも必要な構成ではなく、オリフィスプレート４を設ける代わりに、天板３に液流路７を形成する際に天板３の先端面にオリフィスプレート４の厚さ相当の壁を残し、この部分に吐出口５を形成することで、吐出口付きの天板とすることもできる。
【００３６】
可動部材６は、液流路７を吐出口５に連通した第１の液流路７ａと、発熱体２を有する第２の液流路７ｂとに分けるように、発熱体２に対面して配置された片持梁状の薄膜であり、窒化シリコンや酸化シリコンなどのシリコン系の材料で形成される。
【００３７】
この可動部材６は、液体の吐出動作によって共通液室８から可動部材６を経て吐出口５側へ流れる大きな流れの上流側に支点６ａを持ち、この支点６ａに対して下流側に自由端６ｂを持つように、発熱体２に面した位置に発熱体２を覆うような状態で発熱体２から所定の距離を隔てて配されている。この発熱体２と可動部材６との間が気泡発生領域１０となる。
【００３８】
上記構成に基づき、発熱体２を発熱させると、可動部材６と発熱体２との間の気泡発生領域１０の液体に熱が作用し、これにより発熱体２上に膜沸騰現象に基づく気泡が発生し、成長する。この気泡の成長に伴う圧力は可動部材６に優先的に作用し、可動部材６は図１に破線で示されるように、支点６ａを中心に吐出口５側に大きく開くように変位する。可動部材６の変位もしくは変位した状態によって、気泡の発生に基づく圧力の伝搬や気泡自身の成長が吐出口５側に導かれ、吐出口５から液体が吐出する。
【００３９】
つまり、気泡発生領域１０上に、液流路７内の液体の流れの上流側（共通液室８側）に支点６ａを持ち下流側（吐出口５側）に自由端６ｂを持つ可動部材６を設けることによって、気泡の圧力伝搬方向が下流側へ導かれ、気泡の圧力が直接的に効率よく吐出に寄与することになる。そして、気泡の成長方向自体も圧力伝搬方向と同様に下流方向に導かれ、上流より下流で大きく成長する。このように、気泡の成長方向自体を可動部材によって制御し、気泡の圧力伝搬方向を制御することで、吐出効率や吐出力または吐出速度等の根本的な吐出特性を向上させることができる。
【００４０】
一方、気泡が消泡工程に入ると、可動部材６の弾性力との相乗効果で気泡は急速に消泡し、可動部材６も最終的には図１に実線で示した初期位置に復帰する。このとき、気泡発生領域１０での気泡の収縮体積を補うため、また、吐出された液体の体積分を補うために、上流側すなわち共通液室８側から液体が流れ込み、液流路７への液体の充填（リフィル）が行われるが、この液体のリフィルは、可動部材６の復帰作用に伴って効率よく合理的かつ安定して行われる。
【００４１】
また、本実施形態の液体吐出ヘッドは、発熱体２の駆動を制御するための回路や素子を有する。これら回路や素子は、その機能に応じて素子基板１または天板３に分担して配置されている。また、これら回路や素子は、素子基板１および天板３がシリコン材料で構成されていることから、半導体ウェハプロセス技術を用いて容易かつ微細に形成することができる。
【００４２】
以下に、半導体ウェハプロセス技術を用いて形成された素子基板１の構造について説明する。
【００４３】
図２は、図１に示す液体吐出ヘッドに用いられる素子基板の断面図である。図２に示すように、本実施形態の液体吐出ヘッドに用いられる素子基板１では、シリコン基板３０１の表面に、蓄熱層としての熱酸化膜３０２および、蓄熱層を兼ねる層間膜３０３がこの順番で積層されている。層間膜３０３としては、ＳｉＯ2膜またはＳｉ3Ｎ4膜が用いられている。層間膜３０３の表面に部分的に抵抗層３０４が形成され、抵抗層３０４の表面に部分的に配線３０５が形成されている。配線３０５としては、Ａｌ、またはＡｌ−Ｓｉ，Ａｌ−ＣｕなどのＡｌ合金配線が用いられている。この配線３０５、抵抗層３０４および層間膜３０３の表面に、ＳｉＯ2膜またはＳｉ3Ｎ4膜から成る保護膜３０６が形成されている。保護膜３０６の表面の、抵抗層３０４に対応する部分およびその周囲には、抵抗層３０４の発熱に伴う化学的および物理的な衝撃から保護膜３０６を守るための耐キャビテーション膜３０７が形成されている。抵抗層３０４表面の、配線３０５が形成されていない領域は、抵抗層３０４の熱が作用する部分となる熱作用部３０８である。
【００４４】
この素子基板１上の膜は半導体の製造技術によりシリコン基板３０１の表面に順に形成され、シリコン基板３０１に熱作用部３０８が備えられている。
【００４５】
図３は、図２に示す素子基板１の主要素子を縦断するように素子基板１を切断した模式的断面図である。
【００４６】
図３に示すように、Ｐ導電体であるシリコン基板３０１の表層にはＮ型ウェル領域４２２およびＰ型ウェル領域４２３が部分的に備えられている。そして、一般的なＭｏｓプロセスを用いてイオンプラテーションなどの不純物導入および拡散によって、Ｎ型ウェル領域４２２にＰ−Ｍｏｓ４２０が、Ｐ型ウェル領域４２３にＮ−Ｍｏｓ４２１が備えられている。Ｐ−Ｍｏｓ４２０は、Ｎ型ウェル領域４２２の表層に部分的にＮ型あるいはＰ型の不純物を導入してなるソース領域４２５およびドレイン領域４２６や、Ｎ型ウェル領域４２２の、ソース領域４２５およびドレイン領域４２６を除く部分の表面に厚さ数百Åのゲート絶縁膜４２８を介して堆積されたゲート配線４３５などから構成されている。また、Ｎ−Ｍｏｓ４２１は、Ｐ型ウェル領域４２３の表層に部分的にＮ型あるいはＰ型の不純物を導入してなるソース領域４２５およびドレイン領域４２６や、Ｐ型ウェル領域４２３の、ソース領域４２５およびドレイン領域４２６を除く部分の表面に厚さ数百Åのゲート絶縁膜４２８を介して堆積されたゲート配線４３５などから構成されている。ゲート配線４３５は、ＣＶＤ法により堆積した厚さ４０００Å〜５０００Åのポリシリコンから成るものである。これらのＰ−Ｍｏｓ４２０およびＮ−Ｍｏｓ４２１からＣ−Ｍｏｓロジックが構成されている。
【００４７】
Ｐ型ウェル領域４２３の、Ｎ−Ｍｏｓ４２１と異なる部分には、電気熱変換素子駆動用のＮ−Ｍｏｓトランジスタ４３０が備えられている。Ｎ−Ｍｏｓトランジスタ４３０も、不純物導入および拡散などの工程によりＰ型ウェル領域４２３の表層に部分的に備えられたソース領域４３２およびドレイン領域４３１や、Ｐ型ウェル領域４２３の、ソース領域４３２およびドレイン領域４３１を除く部分の表面にゲート絶縁膜４２８を介して堆積されたゲート配線４３３などから構成されている。
【００４８】
本実施形態では、電気熱変換素子駆動用のトランジスタとしてＮ−Ｍｏｓトランジスタ４３０を用いたが、複数の電気熱変換素子を個別に駆動できる能力を持ち、かつ、上述したような微細な構造を得ることができるトランジスタであれば、このトランジスタに限られない。
【００４９】
Ｐ−Ｍｏｓ４２０とＮ−Ｍｏｓ４２１との間や、Ｎ−Ｍｏｓ４２１とＮ−Ｍｏｓトランジスタ４３０との間などの各素子間には、５０００Å〜１００００Åの厚さのフィールド酸化により酸化膜分離領域４２４が形成されており、その酸化膜分離領域４２４によって各素子が分離されている。酸化膜分離領域４２４の、熱作用部３０８に対応する部分は、シリコン基板３０１の表面側から見て一層目の蓄熱層４３４としての役割を果たす。
【００５０】
Ｐ−Ｍｏｓ４２０、Ｎ−Ｍｏｓ４２１およびＮ−Ｍｏｓトランジスタ４３０の各素子の表面には、厚さ約７０００ÅのＰＳＧ膜またはＢＰＳＧ膜などから成る層間絶縁膜４３６がＣＶＤ法により形成されている。熱処理により層間絶縁膜４３６を平坦化した後に、層間絶縁膜４３６およびゲート絶縁膜４２８を貫通するコンタクトホールを介して第１の配線層となるＡｌ電極４３７により配線が行われている。層間絶縁膜４３６およびＡｌ電極４３７の表面には、厚さ１００００Å〜１５０００ÅのＳｉＯ2膜から成る層間絶縁膜４３８がプラズマＣＶＤ法により形成されている。層間絶縁膜４３８の表面の、熱作用部３０８およびＮ−Ｍｏｓトランジスタ４３０に対応する部分には、厚さ約１０００ÅのＴａＮ0.8,hex膜から成る抵抗層３０４がＤＣスパッタ法により形成されている。抵抗層３０４は、層間絶縁膜４３８に形成されたスルーホールを介してドレイン領域４３１の近傍のＡｌ電極４３７と電気的に接続されている。抵抗層３０４の表面には、各電気熱変換素子への配線となる第２の配線層としての、Ａｌの配線３０５が形成されている。
【００５１】
配線３０５、抵抗層３０４および層間絶縁膜４３８の表面の保護膜３０６は、プラズマＣＶＤ法により形成された厚さ１００００ÅのＳｉ3Ｎ4膜から成るものである。保護膜３０６の表面に形成された耐キャビテーション膜３０７は、厚さ約２５００ÅのＴａなどの膜から成るものである。
【００５２】
このようにして得られた液体吐出ヘッドをヘッドカートリッジや液体吐出装置に搭載する場合には、図４に示すように、プリント配線基板２３が搭載されたベース基板２２上に固定し、液体吐出ヘッドユニット２０とされる。図４において、プリント配線基板２３には、液体吐出装置のヘッド制御部と電気的に接続される複数の配線パターン２４が設けられ、これら配線パターン２４は、ボンディングワイヤー２５を介して外部コンタクトパッド１５と電気的に接続される。外部コンタクトパッド１５は素子基板１のみに設けられているので、液体吐出ヘッド２１と外部との電気的接続は、従来の液体吐出ヘッドと同様にして行うことができる。ここでは、外部コンタクトパッド１５を素子基板１に設けた例について説明したが、素子基板１ではなく天板３のみに設けてもよい。
【００５３】
次に、フォトリソグラフィプロセスを利用した、素子基板への可動部材の製造方法について説明する。
【００５４】
図５は、図１に基づいて説明した液体吐出ヘッドへの可動部材６の製造方法の一例を説明するための図であり、図５では、図１に示した液流路７の流路方向に沿った断面が示されている。図５に基づいて説明する製造方法では、素子基板１上に可動部材６を形成してなるものと、天板に流路側壁を形成してなるものとを接合することで、図１に示した構成の液体吐出ヘッドを製造する。従って、この製造方法では、可動部材６が作り込まれた素子基板１に天板を接合する前に、天板に流路側壁が作り込まれる。
【００５５】
まず、図５（ａ）では、素子基板１の発熱体２側の面全体に、発熱体２との電気的な接続を行うための接続用パッド部分を保護するための第１の保護層としてのＴｉＷ膜７６をスパッタリング法によって約５０００Åの厚さで形成する。
【００５６】
次に、図５（ｂ）では、ＴｉＷ膜７６の表面に、間隙形成部材７１ａを形成するためのＡｌ膜をスパッタリング法によって約４μｍの厚さで形成する。間隙形成部材７１ａは、後述する図５（ｄ）の工程において、ＳｉＮ膜７２ａがエッチングされる領域までに延在されている。
【００５７】
形成されたＡｌ膜を、周知のフォトリソグラフィプロセスを用いてパターニングすることで、そのＡｌ膜の、可動部材６の支持固定部に対応する部分のみを除去し、ＴｉＷ膜７６の表面に間隙形成部材７１ａを形成する。従って、ＴｉＷ膜７６表面の、可動部材６の支持固定部に対応する部分が露出することになる。この間隙形成部材７１ａは、素子基板１と可動部材６との間の間隙を形成するための、Ａｌ膜からなるものである。間隙形成部材７１ａは、図１に示した発熱体２と可動部材６との間の気泡発生領域１０に対応する位置を含む、ＴｉＷ膜７６の表面の、可動部材６の支持固定部に対応する部分を除く部分全てに形成されている。従って、この製造方法では、ＴｉＷ膜７６の表面の、流路側壁に対応する部分にまで間隙形成部材７１ａが形成されている。
【００５８】
この間隙形成部材７１ａは、後述するようにドライエッチングにより可動部材６を形成する際のエッチングストップ層として機能する。これは、ＴｉＷ膜７６や、素子基板１における耐キャビテーション膜としてのＴａ膜、および抵抗体上の保護層としてのＳｉＮ膜が、液流路７を形成するために使用するエッチングガスによりエッチングされてしまうからであり、それらの層や膜のエッチングを防止するために、このような間隙形成部材７１ａを素子基板１上に形成する。これにより、可動部材６を形成するためにＳｉＮ膜のドライエッチングを行う際にＴｉＷ膜７６の表面が露出することがなく、そのドライエッチングによるＴｉＷ膜７６および、素子基板１内の機能素子の損傷が間隙形成部材７１ａによって防止される。
【００５９】
次に、図５（ｃ）では、間隙形成部材７１ａの表面全体および、ＴｉＷ膜７６の、露出した面全体に、プラズマＣＶＤ法を用いて、可動部材６を形成するための材料膜である厚さ約４．５μｍのＳｉＮ膜７２ａを、間隙形成部材７１ａを被覆するように形成する。ここで、プラズマＣＶＤ装置を用いてＳｉＮ膜７２ａを形成する際には、図６を参照して次に説明するように、素子基板１を構成するシリコン基板などを介して、素子基板１に備えられたＴａからなる耐キャビテーション膜を接地する。これにより、プラズマＣＶＤ装置の反応室内でのプラズマ放電により分解されたイオン種およびラジカルの電荷に対して素子基板１内の発熱体２やラッチ回路などの機能素子を保護することができる。
【００６０】
図６に示すように、ＳｉＮ膜７２ａを形成するためのプラズマＣＶＤ装置の反応室８３ａ内には、所定の距離をおいて互いに対向するＲＦ電極８２ａおよびステージ８５ａが備えられている。ＲＦ電極８２ａには、反応室８３ａの外部のＲＦ電源８１ａによって電圧が印加される。一方、ステージ８５ａのＲＦ電極８２ａ側の面上には素子基板１が取り付けられており、素子基板１の発熱体２側の面がＲＦ電極８２ａと対向している。ここで、素子基板１が有する、発熱体２の面上に形成されたＴａからなる耐キャビテーション膜は、素子基板１のシリコン基板と電気的に接続されており、間隙形成部材７１ａは、素子基板１のシリコン基板、およびステージ８５ａを介して接地されている。
【００６１】
このように構成されたプラズマＣＶＤ装置においては、前記耐キャビテーション膜が接地された状態で供給管８４ａを通して反応室８３ａ内にガスを供給し、素子基板１とＲＦ電極８２ａとの間にプラズマ４６を発生させる。反応室８３ａ内でのプラズマ放電により分解されたイオン種やラジカルが素子基板１上に堆積することで、ＳｉＮ膜７２ａが素子基板１上に形成される。その際、イオン種やラジカルにより素子基板１上に電荷が発生するが、上述したように耐キャビテーション膜が接地されていることにより、素子基板１内の発熱体２やラッチ回路などの機能素子がイオン種やラジカルの電荷によって損傷することが防止される。
【００６２】
次に、図５（ｄ）では、ＳｉＮ膜７２ａの表面に、スパッタリング法によりＡｌ膜を約６１００Åの厚さで形成した後、形成されたＡｌ膜を、周知のフォトリソグラフィプロセスを用いてパターニングし、ＳｉＮ膜７２ａ表面の、可動部材６に対応する部分に第２の保護層としてのＡｌ膜（不図示）を残す。その第２の保護層としてのＡｌ膜は、可動部材６を形成するためにＳｉＮ膜７２ａのドライエッチングを行う際の保護層（エッチングストップ層）すなわちマスクとなる。
【００６３】
そして、誘電結合プラズマを使ったエッチング装置を用い、前記第２の保護層をマスクにしてＳｉＮ膜７２ａをパターニングすることで、そのＳｉＮ膜７２ａの残った部分で構成される可動部材６を形成する。そのエッチング装置ではＣＦ4とＯ2の混合ガスを用いており、ＳｉＮ膜７２ａをパターニングする工程では、図１に示したように可動部材６の支持固定部が素子基板１に直接固定されるようにＳｉＮ膜７２ａの不要な部分を除去する。可動部材６の支持固定部と素子基板１との密着部の構成材料には、パッド保護層の構成材料であるＴｉＷ、および素子基板１の耐キャビテーション膜の構成材料であるＴａが含まれる。
【００６４】
ここで、ドライエッチング装置を用いてＳｉＮ膜７２ａをエッチングする際には、図７を参照して次に説明するように素子基板１などを介して間隙形成部材７１ａを接地する。これにより、ドライエッチングの際にＣＦ4ガスの分解により生じるイオン種およびラジカルの電荷が間隙形成部材７１ａに留まることを防止して、素子基板１の発熱体２やラッチ回路などの機能素子を保護することができる。また、このエッチングの工程において、ＳｉＮ膜７２ａの不要な部分を除去することで露出する部分、すなわちエッチングされる領域には、上述したように間隙形成部材７１ａが形成されているため、ＴｉＷ膜７６の表面が露出することがなく、間隙形成部材７１ａによって素子基板１が確実に保護される。
【００６５】
図７に示すように、ＳｉＮ膜７２ａをエッチングするためのドライエッチング装置の反応室８３ｂ内には、所定の距離をおいて互いに対向するＲＦ電極８２ｂおよびステージ８５ｂが備えられている。ＲＦ電極８２ｂには、反応室８３ｂの外部のＲＦ電源８１ｂによって電圧が印加される。一方、ステージ８５ｂのＲＦ電極８２ｂ側の面上には素子基板１が取り付けられており、素子基板１の発熱体２側の面がＲＦ電極８２ｂと対向している。ここで、Ａｌ膜からなる間隙形成部材７１ａは、素子基板１に備えれたＴａからなる耐キャビテーション膜と電気的に接続されており、かつ、その耐キャビテーション膜は、前述したように素子基板１のシリコン基板と電気的に接続されており、間隙形成部材７１ａは、素子基板１の耐キャビテーション膜やシリコン基板、およびステージ８５ｂを介して接地されている。
【００６６】
このように構成されたドライエッチング装置において、間隙形成部材７１ａが接地された状態で供給管８４ａを通して反応室８３ａ内にＣＦ4とＯ2の混合ガスを供給し、ＳｉＮ膜７２ａのエッチングを行う。その際、ＣＦ4ガスの分解により生じるイオン種やラジカルによって素子基板１上に電荷が発生するが、上述したように間隙形成部材７１ａが接地されていることにより、素子基板１内の発熱体２やラッチ回路などの機能素子がイオン種やラジカルの電荷によって損傷することが防止される。
【００６７】
本実施形態では、反応室８３ａの内部に供給するガスとして、ＣＦ4とＯ2の混合ガスを用いたが、Ｏ2が混合されていないＣＦ4ガスまたはＣ2Ｆ6ガス、あるいはＣ2Ｆ6とＯ2の混合ガスなどを用いてもよい。
【００６８】
次に、図５（ｅ）では、酢酸、りん酸および硝酸の混酸を用いて、可動部材６に形成したＡｌ膜からなる前記第２の保護層や、Ａｌ膜からなる間隙形成部材７１ａを溶出して除去し、素子基板１上に可動部材６を作り込む。その後、過酸化水素を用いて、素子基板１に形成したＴｉＷ膜７６の、気泡発生領域１０およびパッドに対応する部分を除去する。
【００６９】
以上のようにして、可動部材６が設けられた素子基板１が製造される。ここでは、図１に示したように可動部材６の支持固定部が素子基板１に直接固定されているものを製造する場合で説明したが、この製造方法を適用して、可動部材が台座部を介して素子基板に固定された液体吐出ヘッドを製造することもできる。この場合、図５（ｂ）に示した間隙形成部材７１ａを形成する工程の前に、可動部材の、自由端と反対側の端部を素子基板に固定するための台座部を素子基板の発熱体側の面上に形成する。この場合でも、台座部と素子基板との密着部の構成材料には、パッド保護層の構成材料であるＴｉＷ、および素子基板の耐キャビテーション膜の構成材料であるＴａが含まれる。
【００７０】
次に、上記のように可動部材６が形成された素子基板１（図８（ａ）、図９（ａ）参照）の上に、下記の表１に示す材料からなるネガ型の感光性エポキシ樹脂１００をスピンコートによって５０μｍの厚さで塗布する（図８（ｂ）、図９（ｂ）参照）。
【００７１】
【表１】
これにより、感光性エポキシ樹脂１００を可動部材６と素子基板１との間に設けるとともに、可動部材６の表面にも設けることができるため、樹脂による可動部材６の変形を抑制し信頼性の高い可動部材６を有する液体吐出ヘッドを製造することが可能となる。
【００７２】
次に、本発明に用いる壁部材の材料について説明する。壁部材の材料としては液流路をフォトリソグラフィーで容易にかつ精度よく形成できることから、感光性樹脂が好ましい。このような感光性樹脂は、構造材料としての高い機械的強度、素子基板１との密着性、及び耐インク性、と同時に、液流路の微細なパターンを高アスペクトでパターニングするための高い解像性が要求される。ここで、本発明者は、鋭意検討の結果、エポキシ樹脂のカチオン重合硬化物が構造材料として優れた強度、密着性、耐インク性を有し、また、前記エポキシ樹脂が常温にて固体状であれば、優れたパターニング特性を有することを見い出した。常温で固体状のエポキシ樹脂を用いる場合は、塗布の際には溶媒に溶かして液状とする。
【００７３】
まず、エポキシ樹脂のカチオン重合硬化物は、通常の酸無水物もしくはアミンによる硬化物に比較して高い架橋密度（高Ｔｇ）を有するため、構造材として優れた特性を示す。
【００７４】
また、常温にて固体状のエポキシ樹脂を用いることで、光照射によりカチオン重合開始剤より発生した重合開始種のエポキシ樹脂中への拡散が抑えられ、優れたパターニング精度、形状を得ることができる。
【００７５】
ここで、可動部材６のような片持ち梁状の弁部材が表面に設けられている場合には、粘性が高い樹脂をスピンコートによって塗布しようとすると、樹脂が拡散する際に弁部材が撓んだり曲がったりするおそれがある。しかしながら、本実施形態におけるネガ型の感光性エポキシ樹脂として用いられる上記の材料は比較的に粘性が低いので、スピンコートによって塗布する際に弁部材に撓みや曲がりが起こるおそれがなく、さらに、素子基板１と可動部材６との間の隙間にも樹脂を良好に流し込むことができる。
【００７６】
そして、本発明者らは、可動部材の変形を防止し、かつ、光硬化性樹脂の塗布表面を平滑にするために、上述のような光硬化性樹脂の材料としては、固形成分が十分に多くかつ塗布工程でのレベリング（平坦化）がし易い材料であること、具体的には５０％以上の固形成分を含んでいる材料が好ましいことが判った。さらに、スピンコートによる塗布を可能にするには、樹脂の分子量が小さいこと、具体的には樹脂の平均分子量が１万以下であることが好ましいことが判った。
【００７７】
なお、このスピンコート工程において、余分な樹脂コート材料（光硬化性樹脂）が、外周部の空気抵抗との関係から飛びきれないために、ウェハー周辺部が盛り上がる傾向にある。これは、コートの膜厚が厚くなればなる程、精度における問題となる。そこで、本実施形態では、図１０に示すように、樹脂コート材料を溶解するアセトンおよびＩＰＡ（イソプロピルアルコール）の混合液等をウェハーの周辺部に滴下することにより（サイドリンス工程）、ウェハー上の樹脂コート膜の厚さの均一性を向上することができた。
【００７８】
続いて、上記の表１に示すように、ホットプレートを用いて９０℃，５分の条件で感光性エポキシ樹脂１００のプリベークを行った後に、露光装置（ＭＰＡ６００）を用いて２［Ｊ／ｃｍ2］の露光光量で感光性エポキシ樹脂１００を所定のパターンに露光する（図８（ｃ）参照）。
【００７９】
ネガ型の感光性樹脂である光硬化性樹脂は、露光された部分１００ｂが硬化し、露光されない部分１００ａは硬化しない。そのため、上記の露光工程ではマスク１０１により流路側壁９を形成すべき箇所のみを露光し、その他の箇所は露光しない。なお、可動部材６と素子基板１との間の領域に流入している樹脂は、マスク１０１によって露光光が遮られるために硬化しない。また、上記のようにスピンコート工程（塗布工程）とサイドリンス工程とを同時に行うことにより、可動部材６が素子基板１との間に間隙形成部を形成した後に壁部材を平坦に形成することができる（図１１参照）。さらに、可動部材６と素子基板１との間に流れ込んだネガ型の樹脂は硬化しないので、簡単に除去することができる。
【００８０】
そして、再びホットプレートを用いて９０℃，５分の条件で感光性エポキシ樹脂１００のＰＥＢを行い、上記の現像液を用いてエッチングを行った後に、２００℃，１時間の条件で本ベークを行う。ここで、光硬化後の樹脂のレベリングを行う工程（本ベーク工程）では、上述のように樹脂の融点（上記の樹脂では９０℃）以上の温度でベークを行ってレベリングフローをさせることが、レベリングの精度を向上させるために有効である。
【００８１】
以上の工程により、図８（ｄ）、図９（ｃ）に示すように、表面に可動部材６および流路側壁９が設けられた素子基板１が形成される。
【００８２】
この後、素子基板１をダイシングによって所定の形状に切断し、素子基板１に天板３およびオリフィスプレート４を接着剤によって接合する。なお、上記のような条件で本ベークを行うことにより、流路側壁９の高さ精度を±０．５μｍ以下とすることができるので、天板３を接合する際に流路側壁９の上面に塗布する接着剤層の厚さを薄くすることができる。
【００８３】
ここでは素子基板１の切断を、感光性エポキシ樹脂１００の未露光部を除去して流路側壁９が形成された後、天板３が接合される前に行っているが、感光性エポキシ樹脂１００の露光後であれば、天板３を接合した後に切断してもよいし、感光性エポキシ樹脂１００の未露光部が除去される前、すなわち液流路部分に未硬化樹脂が充填されている状態で切断してもよい。
【００８４】
以上説明した実施形態では本発明を液体吐出ヘッドに適用した例について説明したが、本発明が適用されるのは上記のような液体吐出ヘッドに限られず、例えば、液流路を構成する壁部材が表面に設けられた第１の基板と、第１の基板上の液流路に第１の基板との間に間隙をおいて一方の端部を自由端として第１の基板に支持固定された可動部材と、壁部材の上面に接合される第２の基板とを有する微小機械装置全般に適用することができる。
【００８５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、基板上に設けられる壁部材が、露光されると硬化するネガ型の感光性樹脂によって構成されているので、ＳｉＮやＳｉＯ等の無機材料を成膜することによって壁部材を形成する場合に比べて製造時間を短縮することができ、さらに、従来のウェットプロセスとは異なり数十μｍの厚膜を形成することができる。
【００８６】
また、硬化した樹脂の融点以上の温度でその樹脂のベークを行うことにより、壁部材の上面のレベリングフローが高精度に行われるため、壁部材の上面を研磨等によって後工程で平坦化を行う必要がなく、製造工程が簡素化され、ひいては製造コストを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である液体吐出ヘッド構造を説明するための、液流路方向に沿った断面図である。
【図２】図１に示した液体吐出ヘッドに用いられる素子基板の断面図である。
【図３】図２に示した素子基板の主要素子を縦断するように素子基板を切断した模式的断面図である。
【図４】図１に示す液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出ヘッドユニットの平面図である。
【図５】素子基板上に可動部材を形成する方法を説明するための図である。
【図６】プラズマＣＶＤ装置を用いて素子基板上にＳｉＮ膜を形成する方法を説明するための図である。
【図７】ドライエッチング装置を用いてＳｉＮ膜を形成する方法を説明するための図である。
【図８】素子基板上に可動部材及び流路側壁を形成する方法を説明するための工程を示す、液流路の横断面図である。
【図９】素子基板上に可動部材及び流路側壁を形成する方法を説明するための斜視図である。
【図１０】流路側壁の形成工程におけるサイドリンス工程を説明するための図である。
【図１１】流路側壁の形成工程において、スピンコート工程およびサイドリンス工程を行った後の状態を示す図である。
【図１２】従来の液体吐出ヘッドを、一部を破断した状態で示す斜視図である。
【図１３】従来の液体吐出ヘッドの他の例を、一部を破断した状態で示す斜視図である。
【図１４】図１３に示した液体吐出ヘッドによる液体吐出方法を説明するための、流路方向に沿った断面図である。
【図１５】図１３に示した従来の液体吐出ヘッドの製造方法を説明するための斜視図である。
【符号の説明】
１ 素子基板
２ 発熱体
３ 天板
４ オリフィスプレート
５ 吐出口
６ 可動部材
６ａ 支点
６ｂ 自由端
７ 液流路
７ａ 第１の液流路
７ｂ 第２の液流路
８ 共通液室
９ 流路側壁
１０ 気泡発生領域
１５ 外部コンタクトパッド
２０ 液体吐出ヘッドユニット
２１ 液体吐出ヘッド
２２ ベース基板
２３ プリント配線基板
２４ 配線パターン
２５ ボンディングワイヤー
７１ａ 間隙形成部材
７２ａ ＳｉＮ膜
７６ ＴｉＷ膜
１００ 感光性エポキシ樹脂
１０１ マスク
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱エネルギーを液体に作用させることで起こる気泡の発生によって、所望の液体を吐出する液体吐出ヘッドおよび該液体吐出ヘッドの製造方法等に関する。特に、本発明は、気泡の発生を利用して変位する可動部材を有する液体吐出ヘッドの製造方法、該製造方法により製造された液体吐出ヘッド、および微小機械装置の製造方法に関する。
【０００２】
また、本発明は、紙、糸、繊維、布、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミック等の被記録媒体に対して記録を行う、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサ等の装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わされた産業用記録装置に適用することができるものである。
【０００３】
なお、本発明における「記録」とは、文字や図形等のように意味を持つ画像を被記録媒体に対して付与することだけでなく、パターン等のように意味を持たない画像を付与することをも意味するものである。
【０００４】
【従来の技術】
図１２は、従来の液体吐出ヘッドを、一部を破断した状態で示す斜視図である。
【０００５】
図１２に示すように、従来の液体吐出ヘッドは、液体に気泡を発生させるための熱エネルギーを与える気泡発生素子である複数個のヒーター１００５が並列に設けられた基板１００４と、この基板１００４上に接合された天板１００１とを有している。
【０００６】
基板１００４は、シリコン等の基体上に絶縁および蓄熱を目的とした酸化シリコン膜または窒化シリコン膜を成膜し、その上に、ヒーター１００５を構成する電気抵抗層および配線電極をパターニングしたものである。この配線電極から電気抵抗層に電圧を印加し、電気抵抗層に電流を流すことでヒーター１００５が発熱する。なお、基板１００４上には、ヒーター１００５へ電流を供給する外部端子（不図示）が接続される実装用電極１００３が設けられている。
【０００７】
天板１００１は、各ヒーター１００５に対応した複数の液流路１００７および各液流路１００７に液体を供給するための共通液室１０１０を構成するためのもので、天井部分から各ヒーター１００５の間に延びる流路側壁１００１ａが一体的に設けられている。また、天板１００１の上面には、外部から供給された液体を共通液室１０１０に流入させるためのインク供給連絡口１００２が設けられている。天板１００１はシリコン系の材料で構成され、液流路１００７および共通液室１０１０のパターンをエッチングで形成し、シリコン基板上にＣＶＤ等の公知の成膜方法により窒化シリコン、酸化シリコン等の流路側壁１００１ａとなる材料を堆積した後に、液流路１００７の部分をエッチングして形成することができる。
【０００８】
天板１００１の先端面には壁部が設けられており、この壁部には、各液流路１００７に対応しそれぞれ液流路１００７を介して共通液室１０１０に連通する複数の吐出口１００６が形成されている。
【０００９】
図１３は、従来の液体吐出ヘッドの他の例を、一部を破断した状態で示す斜視図である。
【００１０】
図１３に示す液体吐出ヘッドは、ヒーター２００５に対面して配置された片持梁状の可動部材２００９が設けられている。可動部材２００９は、窒化シリコンや酸化シリコン等のシリコン系の材料、あるいは弾性に優れたニッケル等で形成された薄膜からなる。この可動部材２００９は、ヒーター２００５よりも上流側に支点を有し、さらにこの支点に対して下流側に自由端を持つように、ヒーター２００５から所定の距離を隔てて配されている。
【００１１】
なお、液体吐出ヘッドの天板２００１、インク供給連絡口２００２、実装用電極２００３、基板２００４、ヒーター２００５、吐出口２００６、液流路２００７、および共通液室２０１３の構成は図１２に示した液体吐出ヘッドと同様であるので、詳しい説明は省略する。
【００１２】
図１４は、図１３に示した液体吐出ヘッドによる液体吐出方法を説明するための、流路方向に沿った断面図である。
【００１３】
図１４（ａ）に示すように、ヒーター２００５を発熱させると可動部材２００９とヒーター２００５との間のインクに熱が作用し、これによりヒーター２００５に膜沸騰現象に基づく気泡２００８が発生して成長する。この気泡２００８の成長に伴う圧力は可動部材２００９に優先的に作用し、可動部材２００９は同図（ｂ）に示すように支点を中心に吐出口２００６側に大きく開くように変位する。可動部材２００９の変位もしくは変位した状態によって、気泡２００８の発生に基づく圧力の伝播や気泡２００８自身の成長が吐出口２００６側に導かれ、同図（ｃ）に示すように吐出口２００６から液体が吐出する。
【００１４】
このように、ヒーター２００５上に、液流路２００７内の液体の流れの上流側（共通液室側）に支点を持ち下流側（吐出口２００６側）に自由端を持つ可動部材２００９を設けることによって、気泡２００８の圧力伝播方向が下流側へ導かれ、気泡２００８の圧力が直接的に効率よく吐出に寄与することになる。そして、気泡２００８の成長方向自体も圧力伝播方向と同様に下流方向に導かれ、上流より下流で大きく成長する。このように、気泡２００８の成長方向自体を可動部材２００９によって制御し、気泡２００８の圧力伝播方向を制御することで、吐出効率や吐出力または吐出速度などの根本的な吐出特性を向上させることができる。
【００１５】
一方、同図（ｄ）に示すように、気泡２００８が消泡工程に入ると、可動部材２００９自身の弾性力との相乗効果で気泡２００８は急速に消泡し、可動部材２００９も最終的には同図（ａ）に示した初期位置に復帰する。このとき、気泡の収縮体積を補うため、また、吐出された液体の体積分を補うために、上流側すなわち共通液室側から液体が流れ込み、液流路２００７への液体の充填（リフィル）が行われるが、この液体のリフィルは、可動部材２００９の復帰作用に伴って効率よく合理的かつ安定して行われる。
【００１６】
図１５は、図１３に示した従来の液体吐出ヘッドの製造方法を説明するための斜視図である。
【００１７】
図１５に示す従来の液体吐出ヘッドの製造方法では、まず最初に、ヒーター２００５等が設けられた基板２００４の上に可動部材２００９を形成する。可動部材２００９は、例えば、犠牲層アルミパターンの形成、可動部材２００９を成すＳｉＮ層の形成、およびＳｉＮ層のパターニングからなる一連の半導体プロセスによって作成される。このように、基板２００４の表面には可動部材等のデバイスが設けられることから、基板２００４の表面は３〜１０μｍ程度の高さの凹凸を有することとなる。
【００１８】
次に、基板２００４と天板２００１との間に液流路２００７および共通液室２０１３（共に図１３参照）を構成するためのノズル壁材２０１０を、基板２００４上に接合する。そして、ノズル壁材２０１０の天板２００１が接合される上面を平坦化する。
【００１９】
次に、ノズル壁材２０１０の上面に天板２００１を接合し、吐出口２００６が形成されたオリフィスプレート２０１１を、液流路２００７が開口している端面に接合する。以上の工程により、図１３に示した従来の液体吐出ヘッドが製造される。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１５を参照して説明した製造方法では、ノズル壁材２０１０を基板２００４上に精度良く接合させることが必要であり、さらに、天板２００１の接合前にノズル壁材２０１０の上面を平坦化させる必要があるため、製造工程が煩雑となっていた。
【００２１】
また、この壁材を有機材料で形成する場合には、ドライフィルムを用いれば上記の厚さの厚膜を形成することができるものの、基板の表面には上記の通りに凹凸があるため、壁材上面の平坦化を図ることが困難であるだけでなく、可動部材がドライフィルムによって変形してしまう虞があった。さらに、従来のウェットプロセスを用いて数十μｍの厚膜を形成することは困難であった。
【００２２】
そこで本発明は、壁部材の上面を平坦化しかつ製造時間を短縮することができ、さらに、数十μｍの厚膜に形成された壁部材を備えた液体吐出ヘッド、該液体吐出ヘッドの製造方法、微小機械装置および該微小機械装置の製造方法を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法は、液体を吐出するための吐出口と、該吐出口に液体を供給するために前記吐出口に連通された液流路を構成する壁部材と、前記液体に気泡を発生させるための発熱体が備えられた基板と、前記吐出口側を自由端として前記基板に支持固定されるとともに、前記液流路内の前記発熱体に対面する位置に前記基板との間に間隙をおいて設けられた片持梁状の可動部材と、を有し、前記気泡を発生させることにより生じる圧力によって、前記可動部材の自由端を前記基板と離れる方向に変位させて前記圧力を前記吐出口側に導き、前記吐出口から液体を吐出させる液体吐出ヘッドの製造方法であって、前記可動部材を備える基板を用意する工程と、光硬化性樹脂を、前記可動部材と前記基板との間の前記間隙を埋め、かつ、前記可動部材を被覆するように、スピンコートにて前記基板に塗布する工程と、前記光硬化性樹脂の少なくとも前記壁部材に相当する箇所を露光し、硬化させる工程と、前記基板を切断する工程と、前記光硬化性樹脂の未露光部を除去する工程と、をこの順に有することを特徴とする。
【００２４】
本発明の液体吐出ヘッドの製造方法によれば、ＳｉＮやＳｉＯ等の無機材料を成膜することによって壁部材を形成する場合に比べて製造時間を短縮することが可能となる。さらに、本発明によれば、壁部材は、基板上にスピンコートによって塗布された液状の光硬化性樹脂のうちの所定の箇所を露光して硬化させ、未露光の硬化していない部分を除去することによって形成されるため、従来のウェットプロセスとは異なり数十μｍの厚膜に形成することが可能となる。
【００２５】
さらに、光硬化性樹脂の未露光部を除去する工程の後に、硬化した光硬化性樹脂の融点以上の温度で樹脂のベークを行う工程を更に有することにより、壁部材の上面のレベリングフローが高精度に行われる。そのため、壁部材の上面を後工程の研磨等によって平坦化を行う必要がなく、液体吐出ヘッドの製造工程が簡素化され、ひいては液体吐出ヘッドを安価に製造することが可能になる。
【００２６】
さらには、樹脂は、５０％以上の固形成分を含み、平均分子量が１万以下である構成とすることにより、樹脂の粘性が比較的に低くなり、スピンコートによる塗布工程において樹脂を良好に平坦化させることが可能になるとともに、基板と可動部材との間の隙間にも樹脂を良好に流入させることができる。そのため、樹脂をスピンコートによって塗布する際に可動部材に撓みや曲がりが起こるおそれを低減することができる。
【００２７】
また、本発明の液体吐出ヘッドは、上記本発明の液体吐出ヘッドの製造方法によって製造されたものである。
【００２８】
また、本発明の微小機械装置の製造方法は、流路を構成する壁部材が表面に設けられた第１の基板と、前記第１の基板上の前記流路に前記第１の基板との間に間隙をおいて一方の端部を自由端として前記第１の基板に支持固定された可動部材と、前記壁部材の上面に接合される第２の基板と、を有する微小機械装置の製造方法であって、前記可動部材を備える第１の基板を用意する工程と、光硬化性樹脂を、前記可動部材と前記基板との間隙を埋め、かつ、前記可動部材を被覆するように、スピンコートにて前記第１の基板に塗布する工程と、前記光硬化性樹脂の少なくとも前記壁部材に相当する箇所を露光し、硬化させる工程と、前記光硬化性樹脂の未露光部を除去する工程と、を有することを特徴とする。
【００２９】
上記の発明において、光硬化性樹脂の未露光部を除去する工程の後に、硬化した光硬化性樹脂の融点以上の温度で樹脂のベークを行う工程を更に有することが好ましい。
【００３０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に適用可能な一実施形態として、液体を吐出する複数の吐出口と、互いに接合されることでそれぞれ吐出口と連通する複数の液流路を構成するための第１の基板および第２の基板と、電気エネルギーを液流路内の液体の吐出エネルギーに変換するために各液流路内に配された複数のエネルギー変換素子と、エネルギー変換素子の駆動条件を制御するための、機能が異なる複数の素子あるいは電気回路とを有し、上記素子あるいは電気回路がその機能に応じて第１の基板と第２の基板とに振り分けられている液体吐出ヘッドの説明を行う。
【００３１】
図１は、本発明の一実施形態である液体吐出ヘッドの液流路方向に沿った断面図である。
【００３２】
図１に示すように、この液体吐出ヘッドは、液体に気泡を発生させるための熱エネルギーを与える複数個（図１では１つのみ示す）の発熱体２が並列に設けられた素子基板１と、この素子基板１上に接合された天板３と、素子基板１および天板３の前端面に接合されたオリフィスプレート４と、素子基板１と天板３とで構成される液流路７内に設置された可動部材６とを有する。
【００３３】
素子基板１は、シリコン等の基板上に絶縁および蓄熱を目的としたシリコン酸化膜または窒化シリコン膜を成膜し、その上に、発熱体２を構成する電気抵抗層および配線をパターニングしたものである。この配線から電気抵抗層に電圧を印加し、電気抵抗層に電流を流すことで発熱体２が発熱する。
【００３４】
天板３は、各発熱体２に対応した複数の液流路７および各液流路７に液体を供給するための共通液室８を素子基板１との間に構成するためのものである。素子基板１上に複数の液流路７および共通液室８を構成する流路側壁９は、図８および図９を参照して後に説明するように、ネガ型の感光性エポキシ樹脂によって素子基板１上に設けられる。
【００３５】
オリフィスプレート４には、各液流路７に対応しそれぞれ液流路７を介して共通液室８に連通する複数の吐出口５が形成されている。オリフィスプレート４もシリコン系の材料からなるものであり、例えば、吐出口５を形成したシリコン基板を１０〜１５０μｍ程度の厚さに削ることにより形成される。なお、オリフィスプレート４は本発明には必ずしも必要な構成ではなく、オリフィスプレート４を設ける代わりに、天板３に液流路７を形成する際に天板３の先端面にオリフィスプレート４の厚さ相当の壁を残し、この部分に吐出口５を形成することで、吐出口付きの天板とすることもできる。
【００３６】
可動部材６は、液流路７を吐出口５に連通した第１の液流路７ａと、発熱体２を有する第２の液流路７ｂとに分けるように、発熱体２に対面して配置された片持梁状の薄膜であり、窒化シリコンや酸化シリコンなどのシリコン系の材料で形成される。
【００３７】
この可動部材６は、液体の吐出動作によって共通液室８から可動部材６を経て吐出口５側へ流れる大きな流れの上流側に支点６ａを持ち、この支点６ａに対して下流側に自由端６ｂを持つように、発熱体２に面した位置に発熱体２を覆うような状態で発熱体２から所定の距離を隔てて配されている。この発熱体２と可動部材６との間が気泡発生領域１０となる。
【００３８】
上記構成に基づき、発熱体２を発熱させると、可動部材６と発熱体２との間の気泡発生領域１０の液体に熱が作用し、これにより発熱体２上に膜沸騰現象に基づく気泡が発生し、成長する。この気泡の成長に伴う圧力は可動部材６に優先的に作用し、可動部材６は図１に破線で示されるように、支点６ａを中心に吐出口５側に大きく開くように変位する。可動部材６の変位もしくは変位した状態によって、気泡の発生に基づく圧力の伝搬や気泡自身の成長が吐出口５側に導かれ、吐出口５から液体が吐出する。
【００３９】
つまり、気泡発生領域１０上に、液流路７内の液体の流れの上流側（共通液室８側）に支点６ａを持ち下流側（吐出口５側）に自由端６ｂを持つ可動部材６を設けることによって、気泡の圧力伝搬方向が下流側へ導かれ、気泡の圧力が直接的に効率よく吐出に寄与することになる。そして、気泡の成長方向自体も圧力伝搬方向と同様に下流方向に導かれ、上流より下流で大きく成長する。このように、気泡の成長方向自体を可動部材によって制御し、気泡の圧力伝搬方向を制御することで、吐出効率や吐出力または吐出速度等の根本的な吐出特性を向上させることができる。
【００４０】
一方、気泡が消泡工程に入ると、可動部材６の弾性力との相乗効果で気泡は急速に消泡し、可動部材６も最終的には図１に実線で示した初期位置に復帰する。このとき、気泡発生領域１０での気泡の収縮体積を補うため、また、吐出された液体の体積分を補うために、上流側すなわち共通液室８側から液体が流れ込み、液流路７への液体の充填（リフィル）が行われるが、この液体のリフィルは、可動部材６の復帰作用に伴って効率よく合理的かつ安定して行われる。
【００４１】
また、本実施形態の液体吐出ヘッドは、発熱体２の駆動を制御するための回路や素子を有する。これら回路や素子は、その機能に応じて素子基板１または天板３に分担して配置されている。また、これら回路や素子は、素子基板１および天板３がシリコン材料で構成されていることから、半導体ウェハプロセス技術を用いて容易かつ微細に形成することができる。
【００４２】
以下に、半導体ウェハプロセス技術を用いて形成された素子基板１の構造について説明する。
【００４３】
図２は、図１に示す液体吐出ヘッドに用いられる素子基板の断面図である。図２に示すように、本実施形態の液体吐出ヘッドに用いられる素子基板１では、シリコン基板３０１の表面に、蓄熱層としての熱酸化膜３０２および、蓄熱層を兼ねる層間膜３０３がこの順番で積層されている。層間膜３０３としては、ＳｉＯ2膜またはＳｉ3Ｎ4膜が用いられている。層間膜３０３の表面に部分的に抵抗層３０４が形成され、抵抗層３０４の表面に部分的に配線３０５が形成されている。配線３０５としては、Ａｌ、またはＡｌ−Ｓｉ，Ａｌ−ＣｕなどのＡｌ合金配線が用いられている。この配線３０５、抵抗層３０４および層間膜３０３の表面に、ＳｉＯ2膜またはＳｉ3Ｎ4膜から成る保護膜３０６が形成されている。保護膜３０６の表面の、抵抗層３０４に対応する部分およびその周囲には、抵抗層３０４の発熱に伴う化学的および物理的な衝撃から保護膜３０６を守るための耐キャビテーション膜３０７が形成されている。抵抗層３０４表面の、配線３０５が形成されていない領域は、抵抗層３０４の熱が作用する部分となる熱作用部３０８である。
【００４４】
この素子基板１上の膜は半導体の製造技術によりシリコン基板３０１の表面に順に形成され、シリコン基板３０１に熱作用部３０８が備えられている。
【００４５】
図３は、図２に示す素子基板１の主要素子を縦断するように素子基板１を切断した模式的断面図である。
【００４６】
図３に示すように、Ｐ導電体であるシリコン基板３０１の表層にはＮ型ウェル領域４２２およびＰ型ウェル領域４２３が部分的に備えられている。そして、一般的なＭｏｓプロセスを用いてイオンプラテーションなどの不純物導入および拡散によって、Ｎ型ウェル領域４２２にＰ−Ｍｏｓ４２０が、Ｐ型ウェル領域４２３にＮ−Ｍｏｓ４２１が備えられている。Ｐ−Ｍｏｓ４２０は、Ｎ型ウェル領域４２２の表層に部分的にＮ型あるいはＰ型の不純物を導入してなるソース領域４２５およびドレイン領域４２６や、Ｎ型ウェル領域４２２の、ソース領域４２５およびドレイン領域４２６を除く部分の表面に厚さ数百Åのゲート絶縁膜４２８を介して堆積されたゲート配線４３５などから構成されている。また、Ｎ−Ｍｏｓ４２１は、Ｐ型ウェル領域４２３の表層に部分的にＮ型あるいはＰ型の不純物を導入してなるソース領域４２５およびドレイン領域４２６や、Ｐ型ウェル領域４２３の、ソース領域４２５およびドレイン領域４２６を除く部分の表面に厚さ数百Åのゲート絶縁膜４２８を介して堆積されたゲート配線４３５などから構成されている。ゲート配線４３５は、ＣＶＤ法により堆積した厚さ４０００Å〜５０００Åのポリシリコンから成るものである。これらのＰ−Ｍｏｓ４２０およびＮ−Ｍｏｓ４２１からＣ−Ｍｏｓロジックが構成されている。
【００４７】
Ｐ型ウェル領域４２３の、Ｎ−Ｍｏｓ４２１と異なる部分には、電気熱変換素子駆動用のＮ−Ｍｏｓトランジスタ４３０が備えられている。Ｎ−Ｍｏｓトランジスタ４３０も、不純物導入および拡散などの工程によりＰ型ウェル領域４２３の表層に部分的に備えられたソース領域４３２およびドレイン領域４３１や、Ｐ型ウェル領域４２３の、ソース領域４３２およびドレイン領域４３１を除く部分の表面にゲート絶縁膜４２８を介して堆積されたゲート配線４３３などから構成されている。
【００４８】
本実施形態では、電気熱変換素子駆動用のトランジスタとしてＮ−Ｍｏｓトランジスタ４３０を用いたが、複数の電気熱変換素子を個別に駆動できる能力を持ち、かつ、上述したような微細な構造を得ることができるトランジスタであれば、このトランジスタに限られない。
【００４９】
Ｐ−Ｍｏｓ４２０とＮ−Ｍｏｓ４２１との間や、Ｎ−Ｍｏｓ４２１とＮ−Ｍｏｓトランジスタ４３０との間などの各素子間には、５０００Å〜１００００Åの厚さのフィールド酸化により酸化膜分離領域４２４が形成されており、その酸化膜分離領域４２４によって各素子が分離されている。酸化膜分離領域４２４の、熱作用部３０８に対応する部分は、シリコン基板３０１の表面側から見て一層目の蓄熱層４３４としての役割を果たす。
【００５０】
Ｐ−Ｍｏｓ４２０、Ｎ−Ｍｏｓ４２１およびＮ−Ｍｏｓトランジスタ４３０の各素子の表面には、厚さ約７０００ÅのＰＳＧ膜またはＢＰＳＧ膜などから成る層間絶縁膜４３６がＣＶＤ法により形成されている。熱処理により層間絶縁膜４３６を平坦化した後に、層間絶縁膜４３６およびゲート絶縁膜４２８を貫通するコンタクトホールを介して第１の配線層となるＡｌ電極４３７により配線が行われている。層間絶縁膜４３６およびＡｌ電極４３７の表面には、厚さ１００００Å〜１５０００ÅのＳｉＯ2膜から成る層間絶縁膜４３８がプラズマＣＶＤ法により形成されている。層間絶縁膜４３８の表面の、熱作用部３０８およびＮ−Ｍｏｓトランジスタ４３０に対応する部分には、厚さ約１０００ÅのＴａＮ0.8,hex膜から成る抵抗層３０４がＤＣスパッタ法により形成されている。抵抗層３０４は、層間絶縁膜４３８に形成されたスルーホールを介してドレイン領域４３１の近傍のＡｌ電極４３７と電気的に接続されている。抵抗層３０４の表面には、各電気熱変換素子への配線となる第２の配線層としての、Ａｌの配線３０５が形成されている。
【００５１】
配線３０５、抵抗層３０４および層間絶縁膜４３８の表面の保護膜３０６は、プラズマＣＶＤ法により形成された厚さ１００００ÅのＳｉ3Ｎ4膜から成るものである。保護膜３０６の表面に形成された耐キャビテーション膜３０７は、厚さ約２５００ÅのＴａなどの膜から成るものである。
【００５２】
このようにして得られた液体吐出ヘッドをヘッドカートリッジや液体吐出装置に搭載する場合には、図４に示すように、プリント配線基板２３が搭載されたベース基板２２上に固定し、液体吐出ヘッドユニット２０とされる。図４において、プリント配線基板２３には、液体吐出装置のヘッド制御部と電気的に接続される複数の配線パターン２４が設けられ、これら配線パターン２４は、ボンディングワイヤー２５を介して外部コンタクトパッド１５と電気的に接続される。外部コンタクトパッド１５は素子基板１のみに設けられているので、液体吐出ヘッド２１と外部との電気的接続は、従来の液体吐出ヘッドと同様にして行うことができる。ここでは、外部コンタクトパッド１５を素子基板１に設けた例について説明したが、素子基板１ではなく天板３のみに設けてもよい。
【００５３】
次に、フォトリソグラフィプロセスを利用した、素子基板への可動部材の製造方法について説明する。
【００５４】
図５は、図１に基づいて説明した液体吐出ヘッドへの可動部材６の製造方法の一例を説明するための図であり、図５では、図１に示した液流路７の流路方向に沿った断面が示されている。図５に基づいて説明する製造方法では、素子基板１上に可動部材６を形成してなるものと、天板に流路側壁を形成してなるものとを接合することで、図１に示した構成の液体吐出ヘッドを製造する。従って、この製造方法では、可動部材６が作り込まれた素子基板１に天板を接合する前に、天板に流路側壁が作り込まれる。
【００５５】
まず、図５（ａ）では、素子基板１の発熱体２側の面全体に、発熱体２との電気的な接続を行うための接続用パッド部分を保護するための第１の保護層としてのＴｉＷ膜７６をスパッタリング法によって約５０００Åの厚さで形成する。
【００５６】
次に、図５（ｂ）では、ＴｉＷ膜７６の表面に、間隙形成部材７１ａを形成するためのＡｌ膜をスパッタリング法によって約４μｍの厚さで形成する。間隙形成部材７１ａは、後述する図５（ｄ）の工程において、ＳｉＮ膜７２ａがエッチングされる領域までに延在されている。
【００５７】
形成されたＡｌ膜を、周知のフォトリソグラフィプロセスを用いてパターニングすることで、そのＡｌ膜の、可動部材６の支持固定部に対応する部分のみを除去し、ＴｉＷ膜７６の表面に間隙形成部材７１ａを形成する。従って、ＴｉＷ膜７６表面の、可動部材６の支持固定部に対応する部分が露出することになる。この間隙形成部材７１ａは、素子基板１と可動部材６との間の間隙を形成するための、Ａｌ膜からなるものである。間隙形成部材７１ａは、図１に示した発熱体２と可動部材６との間の気泡発生領域１０に対応する位置を含む、ＴｉＷ膜７６の表面の、可動部材６の支持固定部に対応する部分を除く部分全てに形成されている。従って、この製造方法では、ＴｉＷ膜７６の表面の、流路側壁に対応する部分にまで間隙形成部材７１ａが形成されている。
【００５８】
この間隙形成部材７１ａは、後述するようにドライエッチングにより可動部材６を形成する際のエッチングストップ層として機能する。これは、ＴｉＷ膜７６や、素子基板１における耐キャビテーション膜としてのＴａ膜、および抵抗体上の保護層としてのＳｉＮ膜が、液流路７を形成するために使用するエッチングガスによりエッチングされてしまうからであり、それらの層や膜のエッチングを防止するために、このような間隙形成部材７１ａを素子基板１上に形成する。これにより、可動部材６を形成するためにＳｉＮ膜のドライエッチングを行う際にＴｉＷ膜７６の表面が露出することがなく、そのドライエッチングによるＴｉＷ膜７６および、素子基板１内の機能素子の損傷が間隙形成部材７１ａによって防止される。
【００５９】
次に、図５（ｃ）では、間隙形成部材７１ａの表面全体および、ＴｉＷ膜７６の、露出した面全体に、プラズマＣＶＤ法を用いて、可動部材６を形成するための材料膜である厚さ約４．５μｍのＳｉＮ膜７２ａを、間隙形成部材７１ａを被覆するように形成する。ここで、プラズマＣＶＤ装置を用いてＳｉＮ膜７２ａを形成する際には、図６を参照して次に説明するように、素子基板１を構成するシリコン基板などを介して、素子基板１に備えられたＴａからなる耐キャビテーション膜を接地する。これにより、プラズマＣＶＤ装置の反応室内でのプラズマ放電により分解されたイオン種およびラジカルの電荷に対して素子基板１内の発熱体２やラッチ回路などの機能素子を保護することができる。
【００６０】
図６に示すように、ＳｉＮ膜７２ａを形成するためのプラズマＣＶＤ装置の反応室８３ａ内には、所定の距離をおいて互いに対向するＲＦ電極８２ａおよびステージ８５ａが備えられている。ＲＦ電極８２ａには、反応室８３ａの外部のＲＦ電源８１ａによって電圧が印加される。一方、ステージ８５ａのＲＦ電極８２ａ側の面上には素子基板１が取り付けられており、素子基板１の発熱体２側の面がＲＦ電極８２ａと対向している。ここで、素子基板１が有する、発熱体２の面上に形成されたＴａからなる耐キャビテーション膜は、素子基板１のシリコン基板と電気的に接続されており、間隙形成部材７１ａは、素子基板１のシリコン基板、およびステージ８５ａを介して接地されている。
【００６１】
このように構成されたプラズマＣＶＤ装置においては、前記耐キャビテーション膜が接地された状態で供給管８４ａを通して反応室８３ａ内にガスを供給し、素子基板１とＲＦ電極８２ａとの間にプラズマ４６を発生させる。反応室８３ａ内でのプラズマ放電により分解されたイオン種やラジカルが素子基板１上に堆積することで、ＳｉＮ膜７２ａが素子基板１上に形成される。その際、イオン種やラジカルにより素子基板１上に電荷が発生するが、上述したように耐キャビテーション膜が接地されていることにより、素子基板１内の発熱体２やラッチ回路などの機能素子がイオン種やラジカルの電荷によって損傷することが防止される。
【００６２】
次に、図５（ｄ）では、ＳｉＮ膜７２ａの表面に、スパッタリング法によりＡｌ膜を約６１００Åの厚さで形成した後、形成されたＡｌ膜を、周知のフォトリソグラフィプロセスを用いてパターニングし、ＳｉＮ膜７２ａ表面の、可動部材６に対応する部分に第２の保護層としてのＡｌ膜（不図示）を残す。その第２の保護層としてのＡｌ膜は、可動部材６を形成するためにＳｉＮ膜７２ａのドライエッチングを行う際の保護層（エッチングストップ層）すなわちマスクとなる。
【００６３】
そして、誘電結合プラズマを使ったエッチング装置を用い、前記第２の保護層をマスクにしてＳｉＮ膜７２ａをパターニングすることで、そのＳｉＮ膜７２ａの残った部分で構成される可動部材６を形成する。そのエッチング装置ではＣＦ4とＯ2の混合ガスを用いており、ＳｉＮ膜７２ａをパターニングする工程では、図１に示したように可動部材６の支持固定部が素子基板１に直接固定されるようにＳｉＮ膜７２ａの不要な部分を除去する。可動部材６の支持固定部と素子基板１との密着部の構成材料には、パッド保護層の構成材料であるＴｉＷ、および素子基板１の耐キャビテーション膜の構成材料であるＴａが含まれる。
【００６４】
ここで、ドライエッチング装置を用いてＳｉＮ膜７２ａをエッチングする際には、図７を参照して次に説明するように素子基板１などを介して間隙形成部材７１ａを接地する。これにより、ドライエッチングの際にＣＦ4ガスの分解により生じるイオン種およびラジカルの電荷が間隙形成部材７１ａに留まることを防止して、素子基板１の発熱体２やラッチ回路などの機能素子を保護することができる。また、このエッチングの工程において、ＳｉＮ膜７２ａの不要な部分を除去することで露出する部分、すなわちエッチングされる領域には、上述したように間隙形成部材７１ａが形成されているため、ＴｉＷ膜７６の表面が露出することがなく、間隙形成部材７１ａによって素子基板１が確実に保護される。
【００６５】
図７に示すように、ＳｉＮ膜７２ａをエッチングするためのドライエッチング装置の反応室８３ｂ内には、所定の距離をおいて互いに対向するＲＦ電極８２ｂおよびステージ８５ｂが備えられている。ＲＦ電極８２ｂには、反応室８３ｂの外部のＲＦ電源８１ｂによって電圧が印加される。一方、ステージ８５ｂのＲＦ電極８２ｂ側の面上には素子基板１が取り付けられており、素子基板１の発熱体２側の面がＲＦ電極８２ｂと対向している。ここで、Ａｌ膜からなる間隙形成部材７１ａは、素子基板１に備えれたＴａからなる耐キャビテーション膜と電気的に接続されており、かつ、その耐キャビテーション膜は、前述したように素子基板１のシリコン基板と電気的に接続されており、間隙形成部材７１ａは、素子基板１の耐キャビテーション膜やシリコン基板、およびステージ８５ｂを介して接地されている。
【００６６】
このように構成されたドライエッチング装置において、間隙形成部材７１ａが接地された状態で供給管８４ａを通して反応室８３ａ内にＣＦ4とＯ2の混合ガスを供給し、ＳｉＮ膜７２ａのエッチングを行う。その際、ＣＦ4ガスの分解により生じるイオン種やラジカルによって素子基板１上に電荷が発生するが、上述したように間隙形成部材７１ａが接地されていることにより、素子基板１内の発熱体２やラッチ回路などの機能素子がイオン種やラジカルの電荷によって損傷することが防止される。
【００６７】
本実施形態では、反応室８３ａの内部に供給するガスとして、ＣＦ4とＯ2の混合ガスを用いたが、Ｏ2が混合されていないＣＦ4ガスまたはＣ2Ｆ6ガス、あるいはＣ2Ｆ6とＯ2の混合ガスなどを用いてもよい。
【００６８】
次に、図５（ｅ）では、酢酸、りん酸および硝酸の混酸を用いて、可動部材６に形成したＡｌ膜からなる前記第２の保護層や、Ａｌ膜からなる間隙形成部材７１ａを溶出して除去し、素子基板１上に可動部材６を作り込む。その後、過酸化水素を用いて、素子基板１に形成したＴｉＷ膜７６の、気泡発生領域１０およびパッドに対応する部分を除去する。
【００６９】
以上のようにして、可動部材６が設けられた素子基板１が製造される。ここでは、図１に示したように可動部材６の支持固定部が素子基板１に直接固定されているものを製造する場合で説明したが、この製造方法を適用して、可動部材が台座部を介して素子基板に固定された液体吐出ヘッドを製造することもできる。この場合、図５（ｂ）に示した間隙形成部材７１ａを形成する工程の前に、可動部材の、自由端と反対側の端部を素子基板に固定するための台座部を素子基板の発熱体側の面上に形成する。この場合でも、台座部と素子基板との密着部の構成材料には、パッド保護層の構成材料であるＴｉＷ、および素子基板の耐キャビテーション膜の構成材料であるＴａが含まれる。
【００７０】
次に、上記のように可動部材６が形成された素子基板１（図８（ａ）、図９（ａ）参照）の上に、下記の表１に示す材料からなるネガ型の感光性エポキシ樹脂１００をスピンコートによって５０μｍの厚さで塗布する（図８（ｂ）、図９（ｂ）参照）。
【００７１】
【表１】
【００７２】
次に、本発明に用いる壁部材の材料について説明する。壁部材の材料としては液流路をフォトリソグラフィーで容易にかつ精度よく形成できることから、感光性樹脂が好ましい。このような感光性樹脂は、構造材料としての高い機械的強度、素子基板１との密着性、及び耐インク性、と同時に、液流路の微細なパターンを高アスペクトでパターニングするための高い解像性が要求される。ここで、本発明者は、鋭意検討の結果、エポキシ樹脂のカチオン重合硬化物が構造材料として優れた強度、密着性、耐インク性を有し、また、前記エポキシ樹脂が常温にて固体状であれば、優れたパターニング特性を有することを見い出した。常温で固体状のエポキシ樹脂を用いる場合は、塗布の際には溶媒に溶かして液状とする。
【００７３】
まず、エポキシ樹脂のカチオン重合硬化物は、通常の酸無水物もしくはアミンによる硬化物に比較して高い架橋密度（高Ｔｇ）を有するため、構造材として優れた特性を示す。
【００７４】
また、常温にて固体状のエポキシ樹脂を用いることで、光照射によりカチオン重合開始剤より発生した重合開始種のエポキシ樹脂中への拡散が抑えられ、優れたパターニング精度、形状を得ることができる。
【００７５】
ここで、可動部材６のような片持ち梁状の弁部材が表面に設けられている場合には、粘性が高い樹脂をスピンコートによって塗布しようとすると、樹脂が拡散する際に弁部材が撓んだり曲がったりするおそれがある。しかしながら、本実施形態におけるネガ型の感光性エポキシ樹脂として用いられる上記の材料は比較的に粘性が低いので、スピンコートによって塗布する際に弁部材に撓みや曲がりが起こるおそれがなく、さらに、素子基板１と可動部材６との間の隙間にも樹脂を良好に流し込むことができる。
【００７６】
そして、本発明者らは、可動部材の変形を防止し、かつ、光硬化性樹脂の塗布表面を平滑にするために、上述のような光硬化性樹脂の材料としては、固形成分が十分に多くかつ塗布工程でのレベリング（平坦化）がし易い材料であること、具体的には５０％以上の固形成分を含んでいる材料が好ましいことが判った。さらに、スピンコートによる塗布を可能にするには、樹脂の分子量が小さいこと、具体的には樹脂の平均分子量が１万以下であることが好ましいことが判った。
【００７７】
なお、このスピンコート工程において、余分な樹脂コート材料（光硬化性樹脂）が、外周部の空気抵抗との関係から飛びきれないために、ウェハー周辺部が盛り上がる傾向にある。これは、コートの膜厚が厚くなればなる程、精度における問題となる。そこで、本実施形態では、図１０に示すように、樹脂コート材料を溶解するアセトンおよびＩＰＡ（イソプロピルアルコール）の混合液等をウェハーの周辺部に滴下することにより（サイドリンス工程）、ウェハー上の樹脂コート膜の厚さの均一性を向上することができた。
【００７８】
続いて、上記の表１に示すように、ホットプレートを用いて９０℃，５分の条件で感光性エポキシ樹脂１００のプリベークを行った後に、露光装置（ＭＰＡ６００）を用いて２［Ｊ／ｃｍ2］の露光光量で感光性エポキシ樹脂１００を所定のパターンに露光する（図８（ｃ）参照）。
【００７９】
ネガ型の感光性樹脂である光硬化性樹脂は、露光された部分１００ｂが硬化し、露光されない部分１００ａは硬化しない。そのため、上記の露光工程ではマスク１０１により流路側壁９を形成すべき箇所のみを露光し、その他の箇所は露光しない。なお、可動部材６と素子基板１との間の領域に流入している樹脂は、マスク１０１によって露光光が遮られるために硬化しない。また、上記のようにスピンコート工程（塗布工程）とサイドリンス工程とを同時に行うことにより、可動部材６が素子基板１との間に間隙形成部を形成した後に壁部材を平坦に形成することができる（図１１参照）。さらに、可動部材６と素子基板１との間に流れ込んだネガ型の樹脂は硬化しないので、簡単に除去することができる。
【００８０】
そして、再びホットプレートを用いて９０℃，５分の条件で感光性エポキシ樹脂１００のＰＥＢを行い、上記の現像液を用いてエッチングを行った後に、２００℃，１時間の条件で本ベークを行う。ここで、光硬化後の樹脂のレベリングを行う工程（本ベーク工程）では、上述のように樹脂の融点（上記の樹脂では９０℃）以上の温度でベークを行ってレベリングフローをさせることが、レベリングの精度を向上させるために有効である。
【００８１】
以上の工程により、図８（ｄ）、図９（ｃ）に示すように、表面に可動部材６および流路側壁９が設けられた素子基板１が形成される。
【００８２】
この後、素子基板１をダイシングによって所定の形状に切断し、素子基板１に天板３およびオリフィスプレート４を接着剤によって接合する。なお、上記のような条件で本ベークを行うことにより、流路側壁９の高さ精度を±０．５μｍ以下とすることができるので、天板３を接合する際に流路側壁９の上面に塗布する接着剤層の厚さを薄くすることができる。
【００８３】
ここでは素子基板１の切断を、感光性エポキシ樹脂１００の未露光部を除去して流路側壁９が形成された後、天板３が接合される前に行っているが、感光性エポキシ樹脂１００の露光後であれば、天板３を接合した後に切断してもよいし、感光性エポキシ樹脂１００の未露光部が除去される前、すなわち液流路部分に未硬化樹脂が充填されている状態で切断してもよい。
【００８４】
以上説明した実施形態では本発明を液体吐出ヘッドに適用した例について説明したが、本発明が適用されるのは上記のような液体吐出ヘッドに限られず、例えば、液流路を構成する壁部材が表面に設けられた第１の基板と、第１の基板上の液流路に第１の基板との間に間隙をおいて一方の端部を自由端として第１の基板に支持固定された可動部材と、壁部材の上面に接合される第２の基板とを有する微小機械装置全般に適用することができる。
【００８５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、基板上に設けられる壁部材が、露光されると硬化するネガ型の感光性樹脂によって構成されているので、ＳｉＮやＳｉＯ等の無機材料を成膜することによって壁部材を形成する場合に比べて製造時間を短縮することができ、さらに、従来のウェットプロセスとは異なり数十μｍの厚膜を形成することができる。
【００８６】
また、硬化した樹脂の融点以上の温度でその樹脂のベークを行うことにより、壁部材の上面のレベリングフローが高精度に行われるため、壁部材の上面を研磨等によって後工程で平坦化を行う必要がなく、製造工程が簡素化され、ひいては製造コストを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である液体吐出ヘッド構造を説明するための、液流路方向に沿った断面図である。
【図２】図１に示した液体吐出ヘッドに用いられる素子基板の断面図である。
【図３】図２に示した素子基板の主要素子を縦断するように素子基板を切断した模式的断面図である。
【図４】図１に示す液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出ヘッドユニットの平面図である。
【図５】素子基板上に可動部材を形成する方法を説明するための図である。
【図６】プラズマＣＶＤ装置を用いて素子基板上にＳｉＮ膜を形成する方法を説明するための図である。
【図７】ドライエッチング装置を用いてＳｉＮ膜を形成する方法を説明するための図である。
【図８】素子基板上に可動部材及び流路側壁を形成する方法を説明するための工程を示す、液流路の横断面図である。
【図９】素子基板上に可動部材及び流路側壁を形成する方法を説明するための斜視図である。
【図１０】流路側壁の形成工程におけるサイドリンス工程を説明するための図である。
【図１１】流路側壁の形成工程において、スピンコート工程およびサイドリンス工程を行った後の状態を示す図である。
【図１２】従来の液体吐出ヘッドを、一部を破断した状態で示す斜視図である。
【図１３】従来の液体吐出ヘッドの他の例を、一部を破断した状態で示す斜視図である。
【図１４】図１３に示した液体吐出ヘッドによる液体吐出方法を説明するための、流路方向に沿った断面図である。
【図１５】図１３に示した従来の液体吐出ヘッドの製造方法を説明するための斜視図である。
【符号の説明】
１ 素子基板
２ 発熱体
３ 天板
４ オリフィスプレート
５ 吐出口
６ 可動部材
６ａ 支点
６ｂ 自由端
７ 液流路
７ａ 第１の液流路
７ｂ 第２の液流路
８ 共通液室
９ 流路側壁
１０ 気泡発生領域
１５ 外部コンタクトパッド
２０ 液体吐出ヘッドユニット
２１ 液体吐出ヘッド
２２ ベース基板
２３ プリント配線基板
２４ 配線パターン
２５ ボンディングワイヤー
７１ａ 間隙形成部材
７２ａ ＳｉＮ膜
７６ ＴｉＷ膜
１００ 感光性エポキシ樹脂
１０１ マスク
Claims (8)
- 液体を吐出するための吐出口と、
該吐出口に液体を供給するために前記吐出口に連通された液流路を構成する壁部材と、前記液体に気泡を発生させるための発熱体が備えられた基板と、
前記吐出口側を自由端として前記基板に支持固定されるとともに、前記液流路内の前記発熱体に対面する位置に前記基板との間に間隙をおいて設けられた片持梁状の可動部材と、を有し、
前記気泡を発生させることにより生じる圧力によって、前記可動部材の自由端を前記基板と離れる方向に変位させて前記圧力を前記吐出口側に導き、前記吐出口から液体を吐出させる液体吐出ヘッドの製造方法であって、
前記可動部材を備える前記基板を用意する工程と、
光硬化性樹脂を、前記可動部材と前記基板との間の前記間隙を埋め、かつ、前記可動部材を被覆するように、スピンコートにて前記基板に塗布する工程と、
前記光硬化性樹脂の少なくとも前記壁部材に相当する箇所を露光し、硬化させる工程と、
前記基板を切断する工程と、
前記光硬化性樹脂の未露光部を除去する工程と、をこの順に有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。 - 前記光硬化性樹脂の未露光部を除去する前記工程の後に、硬化した前記光硬化性樹脂の融点以上の温度で前記樹脂のベークを行う工程をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記可動部材は、ＳｉＮ膜からなることを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記基板を切断する前記工程では、前記壁部材上にさらに天板が接合された状態で、前記基板を切断することを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記光硬化性樹脂は、常温で固体状のエポキシ樹脂を溶媒に溶かした状態で塗布されることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記壁部材は、エポキシ樹脂のカチオン重合硬化物であることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記光硬化性樹脂は、５０％以上の固形成分を含み、平均分子量が１万以下であることを特徴とする請求項５に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記基板および前記天板は、シリコン材料により形成されることを特徴とする請求項４に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
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