JP2007152621A - 液滴吐出ヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ノズルの高密度化を可能にし、かつノズル間の圧力干渉を防止できる液滴吐出ヘッド及びその製造方法を提供する。
【解決手段】複数のノズル孔１１を有するノズル基板１と、各ノズル孔１１に連通し、室内に圧力を発生させて前記ノズル孔１１より液滴を吐出する複数の独立した吐出室３１を有するキャビティ基板３と、前記吐出室３１に対して共通に連通するリザーバ２３を有するリザーバ基板２とを少なくとも備えた液滴吐出ヘッドであって、前記リザーバ２３の壁の一部にダイアフラム部２５を設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、インクジェットヘッド等の液滴吐出ヘッド及びその製造方法に関する。

液滴を吐出するための液滴吐出ヘッドとして、例えばインクジェット記録装置に搭載されるインクジェットヘッドが知られている。インクジェットヘッドは、一般に、インク滴を吐出するための複数のノズル孔が形成されたノズル基板と、このノズル基板に接合されノズル基板との間で上記ノズル孔に連通する吐出室、リザーバ等のインク流路が形成されたキャビティ基板とを備え、駆動部により吐出室に圧力を加えることによりインク滴を選択されたノズル孔より吐出するように構成されている。駆動手段としては、静電気力を利用する方式や、圧電素子による圧電方式、発熱素子を利用する方式等がある。

このようなインクジェットヘッドでは、印刷速度の高速化およびカラー化を目的として、ノズル列を複数有する構造のインクジェットヘッドが求められている。さらに、近年ノズル密度は高密度化するとともに、長尺化（１列当たりのノズル数の増加）しており、インクジェットヘッド内のアクチュエータ数はますます増加している。
インクジェットヘッドでは、ノズル孔のそれぞれに共通に連通するリザーバが設けられているので、ノズル密度の高密度化に伴い、吐出室の圧力がリザーバにも伝わり、その圧力の影響が他のノズル孔にも及ぶことになる。例えば、アクチュエータを駆動することにより、リザーバに正圧がかかると本来インク滴を吐出するべきノズル孔（駆動ノズル）以外の非駆動ノズルからもインク滴が漏れ出たり、逆にリザーバに負圧がかかると駆動ノズルから吐出するべきインク滴の吐出量が減少したりして印字品質が劣化する。そこで、このようなノズル間の圧力干渉を防止するために、リザーバの圧力変動を緩衝させためのダイアフラム部をノズル基板に設けたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−１１５１７９号公報

しかし、従来のインクジェットヘッドでは、特許文献１にも示すように、リザーバが吐出室と同一の基板（キャビティ基板）に形成される構造であるため、リザーバの体積確保の観点から、リザーバと同一基板に圧力変動緩衝部すなわちダイアフラム部を設けるのは困難である。上記の理由からダイアフラム部はノズル基板に形成されているが、この構造だと強度の低い部位が外部に露出するため、ダイアフラム部を薄くするのにも限界があり、また保護カバー等が別途必要になる。

本発明は、ノズルの高密度化を可能にし、かつノズル間の圧力干渉を防止できる液滴吐出ヘッド及びその製造方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、複数のノズル孔を有するノズル基板と、各ノズル孔に連通し、室内に圧力を発生させて前記ノズル孔より液滴を吐出する複数の独立した吐出室を有するキャビティ基板と、前記吐出室に対して共通に連通するリザーバを有するリザーバ基板とを少なくとも備えた液滴吐出ヘッドであって、前記リザーバの壁の一部にダイアフラム部を設けたものである。

本発明の液滴吐出ヘッドでは、ダイアフラム部と吐出室が別々の基板（リザーバ基板とキャビティ基板）に設けられているので、リザーバの体積を確保できるとともにその内部にダイアフラム部を設けることができる。したがって、ノズルの高密度化が可能であるとともに、リザーバの壁の一部に設けられたダイアフラム部によってノズル間の圧力干渉を防止することができる。

また、本発明によれば、前記ダイアフラム部は、前記リザーバ基板の前記キャビティ基板との接合面（Ｃ面ともいう）側に形成されている。
ダイアフラム部をリザーバ基板のＣ面側に形成することにより、ダイアフラム部の面積を大きくすることができ、ダイアフラム部の圧力緩衝効果を大きくすることができる。

この場合、前記ダイアフラム部は、前記キャビティ基板により蓋をして外部から遮断されているものである。
この構成によって、ダイアフラム部に直接外力が加わることはないので、ダイアフラム部を薄くすることができ、かつ保護カバー等のような特別の保護部材を必要としない。

また、本発明によれば、前記ダイアフラム部は、前記リザーバ基板の前記ノズル基板との接合面（Ｎ面ともいう）側に形成されている。
ダイアフラム部は、リザーバ基板のＣ面と反対のＮ面側に設けてもよい。この場合でも、同様にダイアフラム部の面積を大きくすることができ、ダイアフラム部の圧力緩衝効果を大きくすることができる。

この場合、前記ダイアフラム部は、前記ノズル基板により蓋をして外部から遮断されているものである。
この構成によって前記と同様に、ダイアフラム部に直接外力が加わることはないので、ダイアフラム部を薄くすることができ、かつ保護カバー等のような特別の保護部材を必要としない。

また、本発明によれば、前記ダイアフラム部は、前記リザーバとは反対側に、閉鎖された空間部を有するものである。
この空間部内でダイアフラム部の振動変位が可能となる。

そして、前記空間部は、前記リザーバとは反対側の前記リザーバ基板の表面に形成された凹部により形成することができる。

また、本発明によれば、前記ダイアフラム部は、選択的にボロンを拡散したボロン拡散層により構成することができる。
ダイアフラム部のみをボロン拡散層とすることにより、エッチングストップが働くため厚み精度の良いダイアフラム部を形成することができる。

また、前記リザーバ基板は、面方位が（１００）のシリコン基板を用いることが好ましい。
面方位（１００）のシリコン基板であれば、リザーバ基板のウェットエッチング工程において厚さが均一で表面荒れの小さいエッチング面を形成できるので、深さの均一なリザーバと厚さの均一なダイアフラム部を形成することができる。

また、本発明の液滴吐出ヘッドは、前記吐出室の底部の振動板を静電気力により駆動するための個別電極が凹部内に形成された電極基板を前記キャビティ基板に絶縁膜を介して接合してなるものである。
これにより、静電駆動方式の液滴吐出ヘッドを形成することができ、高密度で、ノズル間の圧力干渉の小さい、良好な吐出特性の液滴吐出ヘッドを提供することができる。

また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、シリコン基板の一方の面からダイアフラム部に対応する部分を所要の深さエッチングした後に、前記シリコン基板の反対側の面からリザーバとなる凹部をウェットエッチングにより加工して前記ダイアフラム部を形成するものである。

本発明の製造方法によれば、ダイアフラム部を有し、面積および深さが大きいリザーバを複数枚同時にエッチングすることで効率よく加工することができる。

また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、シリコン基板の一方の面からダイアフラム部に対応する部分を所要の深さエッチングし、これにより形成された凹部に選択的にボロンを拡散し、その後前記シリコン基板の反対側の面からリザーバとなる凹部をウェットエッチングにより加工して前記ダイアフラム部を形成するものである。

本発明の製造方法によれば、ボロン拡散領域はウェットエッチングでのエッチングレートが極端に低下するため、拡散領域の厚さを制御することにより厚み精度の良好な極薄ダイアフラム部を形成することができる。

また、本発明の液滴吐出ヘッドの製造方法は、前記リザーバとなる凹部のウェットエッチングによる加工において、ウェットエッチングを、エッチングレートの速い濃度で開始し、途中からエッチングレートの遅い濃度に切り替えて行うものである。
これにより、リザーバの加工効率とダイアフラム部の厚み精度の両方を向上させることができる。

以下、本発明を適用した液滴吐出ヘッドの実施形態を図面に基づいて説明する。ここでは、液滴吐出ヘッドの一例として、ノズル基板の表面に設けられたノズル孔からインク滴を吐出するフェイス吐出型のインクジェットヘッドについて図１乃至図４を参照して説明する。なお、本発明は、以下の図に示す構造、形状に限定されるものではなく、基板の端部に設けられたノズル孔からインク滴を吐出するエッジ吐出型の液滴吐出ヘッドにも同様に適用することができるものである。また、アクチュエータは静電駆動方式で示してあるが、その他の駆動方式でもよいものである。

実施形態１．
図１は本発明の第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図２は組立状態を示すインクジェットヘッドの断面図である。また、図３および図４はこのインクジェットヘッドの構成要素であるリザーバ基板の平面図と背面図である。なお、図１および図２では、通常使用される状態とは上下逆に示されている。

図１、図２に示す本実施形態に係るインクジェットヘッド（液滴吐出ヘッドの一例）１０は、従来の一般的な静電駆動方式のインクジェットヘッドのようにノズル基板、キャビティ基板、電極基板の３つの基板を貼り合わせた３層構造ではなく、ノズル基板１、リザーバ基板２、キャビティ基板３、電極基板４の４つの基板をこの順に貼り合わせた４層構造で構成されている。すなわち、吐出室３１とリザーバ２３が別々の基板に設けられている。以下、各基板の構成について詳述する。

ノズル基板１は、例えば厚さ約５０μｍのシリコン基板から作製されている。ノズル基板１には多数のノズル孔１１が所定のピッチで設けられている。ただし、図１には簡明のため１列５つのノズル孔１１で示してある。また、ノズル列は複数列とすることもある。
各ノズル孔１１は、基板面に対し垂直にかつ同軸上に小さい穴の噴射口部分１１ａと噴射口部分１１ａよりも径の大きい導入口部分１１ｂとから構成されている。

リザーバ基板２は、例えば厚さ約１８０μｍの面方位が（１００）のシリコン基板から作製されている。このリザーバ基板２には、リザーバ基板２を垂直に貫通し各ノズル孔１１に独立して連通する少し大きい径（導入口部分１１ｂの径と同等もしくはそれよりも大きい径）のノズル連通孔２１が設けられている。また、各ノズル連通孔２１および各ノズル孔１１に対して各供給口２２を介して連通する共通のリザーバ（共通インク室）２３となる凹部２４が形成されている。この凹部２４は、平面方向に延び、面積の大きい矩形形状で形成されており、ノズル基板１と接合する側の面（以下、Ｎ面ともいう）が開口されている。そして、この凹部２４の底部の一部にダイアフラム部２５が形成されている。また、ダイアフラム部２５の下方、すなわちキャビティ基板３と接合する側の面（以下、Ｃ面ともいう）には凹部２６が形成されており、凹部２６はダイアフラム部２５のたわみを許容する空間部となっている。この空間部２６はキャビティ基板３によって蓋がされ密閉されている。

また、リザーバ２３となる凹部２４の底部にはダイアフラム部２５を回避した位置にそれぞれ貫通孔により、上記の供給口２２と外部からリザーバ２３にインクを供給するためのインク供給孔２７が設けられている。
さらに、リザーバ基板２のＣ面には、次に述べるキャビティ基板３の吐出室３１の一部を構成する細溝状の第２の凹部２８が形成されている。第２の凹部２８は、キャビティ基板３を薄くすることによる吐出室３１での流路抵抗の増加を防ぐために設けられているが、第２の凹部２８は省略することも可能である。
なお、図示は省略するが、リザーバ基板２の全面にはインクによるシリコンの腐食を防ぐために例えば熱酸化膜（ＳｉＯ₂膜）からなるインク保護膜が形成されている。

リザーバ基板２を貫通するノズル連通孔２１は、ノズル基板１のノズル孔１１と同軸上に設けられているので、インク滴の吐出の直進性が得られ、そのため吐出特性が格段に向上するものとなる。特に、微小なインク滴を狙い通りに着弾させることができるため、色ずれ等を生じることなく微妙な階調変化を忠実に再現することができ、より鮮明で高品位の画質を実現することができる。

キャビティ基板３は、例えば厚さ約３０μｍのシリコン基板から作製されている。このキャビティ基板３にはノズル連通孔２１のそれぞれに独立して連通する吐出室３１となる第１の凹部３３が設けられている。そして、この第１の凹部３３と上記の第２の凹部２８とで各吐出室３１が区画形成されている。また、吐出室３１（第１の凹部３３）の底壁が振動板３２を構成している。振動板３２は、シリコンに高濃度のボロンを拡散することにより形成されるボロン拡散層により構成することができる。ボロン拡散層とすることにより、エッチングストップを十分に働かせることができるので振動板３２の厚さや面荒れを精度よく調整することができる。

キャビティ基板３の少なくとも下面には、例えばＴＥＯＳ（Tetraethylorthosilicate Tetraethoxysilane：テトラエトキシシラン、珪酸エチル）を原料としたプラズマＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition：化学気相成長法)によるＳｉＯ₂膜からなる絶縁膜３４が例えば０．１μｍの厚さで形成されている。この絶縁膜３４は、インクジェットヘッド１０の駆動時における絶縁破壊や短絡を防止するために設けられている。 キャビティ基板３の上面にはリザーバ基板２と同様のインク保護膜（図示せず）が形成されている。また、キャビティ基板３にはリザーバ基板２のインク供給孔２７に連通するインク供給孔３５が設けられている。

電極基板４は、例えば厚さ約１ｍｍのガラス基板から作製されている。中でも、キャビティ基板３のシリコン基板と熱膨張係数の近い硼珪酸系の耐熱硬質ガラスを用いるのが適している。硼珪酸系の耐熱硬質ガラスを用いることにより、電極基板４とキャビティ基板３を陽極接合する際、両基板の熱膨張係数が近いため、電極基板４とキャビティ基板３との間に生じる応力を低減することができ、その結果剥離等の問題を生じることなく電極基板４とキャビティ基板３を強固に接合することができる。

電極基板４には、キャビティ基板３の各振動板３２に対向する表面の位置にそれぞれ凹部４２が設けられている。各凹部４２は、エッチングにより約０．３μｍの深さで形成されている。そして、各凹部４２の底面には、一般に、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウム錫酸化物）からなる個別電極４１が、例えば０．１μｍの厚さでスパッタにより形成されている。したがって、振動板３２と個別電極４１との間に形成されるギャップＧ（空隙）は、この凹部４２の深さ、個別電極４１および振動板３２を覆う絶縁膜３４の厚さにより決まることになる。このギャップ（電極間ギャップ）Ｇはインクジェットヘッドの吐出特性に大きく影響する。本実施形態の場合、電極間ギャップＧは０．２μｍとなっている。この電極間ギャップＧの開放端部はエポキシ接着剤等からなる封止材４３により気密に封止される。これにより異物や湿気等が電極間ギャップへ侵入するのを防止することができ、インクジェットヘッド１０の信頼性を高く保持することができる。
なお、個別電極４１の材料はＩＴＯに限定するものではなく、ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）あるいは金、銅等の金属を用いてもよい。ただ、ＩＴＯは透明であるので振動板の当接具合の確認が行いやすいことなどの理由から、一般にはＩＴＯが用いられている。

また、個別電極４１の端子部４１ａは、リザーバ基板２およびキャビティ基板３の端部が開口された電極取り出し部４４に露出しており、電極取り出し部４４において例えばドライバＩＣ等の駆動制御回路５が搭載されたフレキシブル配線基板（図示せず）が各個別電極４１の端子部４１ａとキャビティ基板３の端部に設けられた共通電極３６とに接続されている。

電極基板４にはインクカートリッジ（図示せず）に接続されるインク供給孔４５が設けられている。インク供給孔４５は、キャビティ基板３に設けられたインク供給孔３６およびリザーバ基板２に設けられたインク供給孔２７を通じてリザーバ２３に連通している。

ここで、上記のように構成されたインクジェットヘッド１０の動作について概要を説明する。
インクジェットヘッド１０には、外部のインクカートリッジ（図示せず）内のインクがインク供給孔４５、３５、２７を通じてリザーバ２３内に供給され、さらにインクは個々の供給口２２からそれぞれの吐出室３１、ノズル連通孔２１を経てノズル孔１１の先端まで満たされている。また、このインクジェットヘッド１０の動作を制御するためのドライバＩＣ等の駆動制御回路５が各個別電極４１とキャビティ基板３に設けられた共通電極３６との間に接続されている。したがって、この駆動制御回路５により個別電極４１に駆動信号（パルス電圧）を供給すると、個別電極４１には駆動制御回路５からパルス電圧が印加され、個別電極４１をプラスに帯電させ、一方これに対応する振動板３２はマイナスに帯電する。このとき、個別電極４１と振動板３２間に静電気力（クーロン力）が発生するため、この静電気力により振動板３２は個別電極４１側に引き寄せられて撓む。これによって吐出室３１の容積が増大する。次に、パルス電圧をオフにすると、上記静電気力がなくなり振動板３２はその弾性力により元に戻り、その際、吐出室３１の容積が急激に減少するため、そのときの圧力により、吐出室３１内のインクの一部がノズル連通孔２１を通過しインク滴となってノズル孔１１から吐出される。そして、再びパルス電圧が印加され、振動板３２が個別電極４１側に撓むことにより、インクがリザーバ２３から供給口２２を通って吐出室３１内に補給される。

この第１の実施形態に係るインクジェットヘッド１０の構成によれば、上記のようなインクジェットヘッド１０の駆動時において、吐出室３１の圧力はリザーバ２３にも伝達される。このとき、リザーバ２３には底部の一部にダイアフラム部２５が設けられているので、リザーバ２３が正圧になるとダイアフラム部２５は凹部２６の空間部内で下方へ撓み、逆にリザーバ２３が負圧になるとダイアフラム部２５は上方へ撓むため、リザーバ２３内の圧力変動を緩衝することができ、ノズル間の圧力干渉を防止することができる。そのため、駆動ノズル以外の非駆動ノズルからインクが漏れ出たり、駆動ノズルから吐出に必要な吐出量が減少するといったような不具合をなくすことができる。
また、ダイアフラム部２５はリザーバ２３の底部に設けられているため、ダイアフラム部２５の面積を大きくすることができ、圧力緩衝効果を大きくすることができる。
さらに、ダイアフラム部２５はキャビティ基板３によって蓋がされ外部に露出していないので、薄膜部からなるダイアフラム部２５を外力から確実に保護することができ、かつ保護カバー等特別な保護部材を全く必要としない。そのため、インクジェットヘッド１０の小型化およびコスト低減が可能となる。

なお、ダイアフラム部２５は上記のように広い面積を有するので、密閉された空間部２６内でも確実に変位（振動）させることができる。また必要に応じて、外部から空間部２６に連通する小さい通気孔（図示せず）をキャビティ基板３および電極基板４に設けても構わない。

次に、第１の実施形態に係るインクジェットヘッド１０の製造方法について図５乃至図９を参照して説明する。なお、以下において示す基板の厚さやエッチング深さ、温度、圧力等の値はあくまでも一例を示すものであり、本発明はこれらの値によって限定されるものではない。

初めに、第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの製造のために使用するリザーバ基板の製造方法を図５および図６の工程断面図により説明する。

まず、面方位（１００）、厚さ１８０μｍのシリコン基板２００を用意し、このシリコン基板２００の全面に厚さ１．６μｍのＳｉＯ₂膜２０１を形成する（図５（ａ））。ＳｉＯ₂膜２０１は、例えば熱酸化装置にシリコン基板２００をセットし、酸化温度１０７５℃、酸素と水蒸気の混合雰囲気中で８時間熱酸化を行うことにより形成する。ＳｉＯ₂膜２０１はシリコンの耐エッチング材として使用するものである。

次に、シリコン基板２００のキャビティ基板との接合面（以下、Ｃ面という）側のＳｉＯ₂膜２０１にレジストをコーティングし、フォトリソグラフィーによりノズル連通孔２１、第２の凹部２８、供給口２２、インク供給孔２７の外周部、およびダイアフラム部２５にそれぞれ対応する部分２１ａ、２８ａ、２２ａ、２７ａ、２５ａをパターニングしてエッチングする（図５（ｂ））。このとき、例えばフッ酸水溶液とフッ化アンモニウム水溶液を混合した緩衝フッ酸水溶液を用いてＣ面における各部分２１ａ、２８ａ、２２ａ、２７ａ、２５ａのＳｉＯ₂膜２０１の残り膜厚が次の関係となるようにエッチングする。
ＳｉＯ₂膜２０１の残り膜厚：ノズル連通孔部分２１ａ＝０＜供給口部分２２ａ＝インク供給孔外周部分２７ａ＜第２の凹部部分２８ａ＝ダイアフラム部分２５ａ
その後レジストを剥離する。

次に、Ｃ面のノズル連通孔２１に対応する部分２１ａをＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）ドライエッチングによって深さ１５０μｍ程度異方性ドライエッチングする（図５（ｃ））。この場合のエッチングガスとしては、例えば、Ｃ₄Ｆ₈（フッ化炭素）、ＳＦ₆（フッ化硫黄）を交互に使用するとよい。ここで、Ｃ₄Ｆ₈は穴部２１ａの側面方向にエッチングが進行しないように穴部２１ａの側面を保護するために使用し、ＳＦ₆は穴部２１ａの垂直方向のエッチングを促進するために使用する。

次に、供給口２２に対応する部分２２ａおよびインク供給孔２７の外周部に対応する部分２７ａのＳｉＯ₂膜２０１を適量エッチングしてこれらの部分２２ａ、２７ａを開口させた後、上記２種類のエッチングガスを使用したＩＣＰドライエッチングにより深さ１５μｍ程度異方性ドライエッチングする（図５（ｄ））。

次に、第２の凹部２８に対応する部分２８ａおよびダイアフラム部２５に対応する部分２５ａのＳｉＯ₂膜２０１を適量エッチングしてこれらの部分２８ａ、２５ａを開口させた後、上記２種類のエッチングガスを使用したＩＣＰドライエッチングにより深さ２５μｍ程度異方性ドライエッチングする（図６（ｅ））。このとき、上記のノズル連通孔２１に対応する穴部２１ａはさらに深くエッチングされてシリコン基板２００を貫通しノズル連通孔２１が形成される。

次に、上記ＳｉＯ₂膜２０１をすべて剥離した後、再度シリコン基板２００の全面に熱酸化によりＳｉＯ₂膜２０２を１．１μｍの厚さで形成する。そして、シリコン基板２００のノズル基板との接合面（以下、Ｎ面という）側のＳｉＯ₂膜２０２にレジストをコーティングし、フォトリソグラフィーによりリザーバ２３となる凹部２４に対応する部分２４ａをパターニングしてエッチングする（図６（ｆ））。その後レジストを剥離する。

そして、水酸化カリウム水溶液にシリコン基板２００を浸漬し、リザーバ２３となる凹部２４を深さ１５０μｍ程度ウェットエッチングする（図６（ｇ））。その結果、ダイアフラム部２５の厚さは５μｍ程度となる。なおこのウェットエッチング工程では、最初は、エッチングレートの速い濃度（例えば３５ｗｔ％）の水酸化カリウム水溶液を用いて開始し、途中からエッチングレートの遅い濃度（例えば３ｗｔ％）の水酸化カリウム水溶液に切り替えてエッチングを行うことが好ましい。これによりダイアフラム部２５の面荒れを抑制することができ、表面精度の向上および表面欠陥の防止に効果がある。

最後に、ＳｉＯ₂膜２０２をすべて剥離した後、再度ドライ酸化によりシリコン基板２００の全面にインク保護膜２９を厚さ０．１μｍで形成する（図６（ｈ））。なおＳｉＯ₂膜２０２を剥離したとき、インク供給孔２７は貫通孔となる。
以上により、リザーバ基板２の各部２１〜２８が形成される。

次に、第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの製造方法を図７乃至図９により説明する。
ここでは、電極基板４にシリコン基板３００を接合した後、そのシリコン基板３００からキャビティプレート３を製造する方法について図７、図８を参照して簡単に説明する。

電極基板４は以下のようにして製造される。
まず、硼珪酸ガラス等からなる厚さ約１ｍｍのガラス基板４００に、例えば金・クロムのエッチングマスクを使用してフッ酸によってエッチングすることにより凹部４２を形成する。なお、この凹部４２は個別電極４１の形状より少し大きめの溝状のものであり、個別電極４１ごとに複数形成される。
そして、凹部４２の内部に、例えばスパッタによりＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなる個別電極４１を形成する。
その後、ブラスト等によってインク供給孔４５となる孔部４５ａを形成することにより、電極基板４が作製される（図７（ａ））。

次に、例えば厚さ約２２０μｍに表面加工および表面の加工変質層の除去処理（前処理）がなされたシリコン基板３００を用意し、このシリコン基板３００の片面に例えばＴＥＯＳを原料としたプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）によって厚さ０．１μｍのＳｉＯ₂膜からなる絶縁膜３４を成膜する（図７（ｂ））。絶縁膜３４の成膜は、例えば、温度３６０℃、高周波出力２５０Ｗ、圧力６６．７Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）、ガス流量はＴＥＯＳ流量１００ｃｍ³／ｍｉｎ（１００ｓｃｃｍ）、酸素流量１０００ｃｍ³／ｍｉｎ（１０００ｓｃｃｍ）の条件で行う。また、シリコン基板３００は所要の厚さのボロンドープ層（図示せず）を有するものを用いるのが望ましい。

次に、このシリコン基板３００と、図７（ａ）のように個別電極４１が作製された電極基板４とを、絶縁膜３４を介して陽極接合する（図７（ｃ））。陽極接合は、シリコン基板３００と電極基板４を３６０℃に加熱した後、電極基板４に負極、シリコン基板３００に正極を接続して、８００Ｖの電圧を印加して陽極接合する。

次に、陽極接合された上記シリコン基板３００の表面を、例えばバックグラインダーや、ポリッシャーによって研削加工し、さらに例えば水酸化カリウム水溶液で表面を１０〜２０μｍエッチングして加工変質層を除去し、厚さが例えば３０μｍになるまで薄くする（図７（ｄ））。

次に、この薄板化されたシリコン基板３００の表面に、エッチングマスクとなるＴＥＯＳ酸化膜３０１を、例えばプラズマＣＶＤによって厚さ約１．０μｍで成膜する（図７（ｅ））。
そして、そのＴＥＯＳ酸化膜３０１の表面上にレジスト（図示せず）をコーティングし、フォトリソグラフイーによってレジストをパターニングし、ＴＥＯＳ酸化膜３０１をエッチングすることにより、吐出室３１、インク供給孔３５、および電極取り出し部４４に対応する部分３１ａ、３５ａ、４４ａを開口する（図７（ｆ））。そして、開口後にレジストを剥離する。

次に、この陽極接合済みの基板を水酸化カリウム水溶液でエッチングすることにより、薄板化されたシリコン基板３００に、吐出室３１となる第１の凹部３３とインク供給孔３５となる貫通孔を形成する（図８（ｇ））。このとき、電極取り出し部４４となる部分４４ａは未だ貫通させず基板厚さが薄くなる程度にとどめておく。また、ＴＥＯＳエッチングマスク３０１の厚さも薄くなる。なおこのエッチング工程では、最初は、濃度３５ｗｔ％の水酸化カリウム水溶液を用いて、シリコン基板３００の残りの厚さが例えば５μｍになるまでエッチングを行い、ついで濃度３ｗｔ％の水酸化カリウム水溶液に切り替えてエッチングを行う。これにより、エッチングストップが十分に働くため、振動板３２の面荒れを防ぎ、かつその厚さを０．８０±０．０５μｍと高精度の厚さに形成することができる。エッチングストップとは、エッチング面から発生する気泡が停止した状態と定義し、実際のウェットエッチングにおいては、気泡の発生の停止をもってエッチングがストップしたものと判断する。
そして、エッチング後、レジストを剥離する。

シリコン基板３００のエッチングが終了した後に、フッ酸水溶液でエッチングすることによりシリコン基板３００の上面に形成されているＴＥＯＳ酸化膜３０１を除去する（図８（ｈ））。
次に、シリコン基板３００の吐出室３１となる第１の凹部３３が形成された表面に、プラズマＣＶＤによりＴＥＯＳ膜からなるインク保護膜３７を例えば厚さ０．１μｍで形成する（図８（ｉ））。

その後、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等によって電極取り出し部４４を開口する。また、振動板３２と個別電極４１の間の電極間ギャップの開放端部をエポキシ樹脂等の封止材４３で気密に封止する（図８（ｊ））。また、Ｐｔ（白金）等の金属電極からなる共通電極３６がスパッタによりシリコン基板３００の表面の端部に形成される。

以上により、電極基板４に接合した状態のシリコン基板３００からキャビティ基板３が作製される。
そして、このキャビティ基板３に、前述のようにノズル連通孔２１、供給口２２、リザーバ２３、ダイアフラム部２５等が作製されたリザーバ基板２を接着剤により接着する（図９（ｋ））。

最後に、予めノズル孔１１が形成されたノズル基板１をリザーバ基板２上に接着剤により接着する（図９（ｌ））。そして、ダイシングにより個々のヘッドに分離すれば、図２に示したインクジェットヘッド１０の本体部が作製される（図９（ｍ））。

以上のように、本実施形態のインクジェットヘッドの製造方法によれば、シリコン基板３００と電極基板４を接合した後に、吐出室等の各部分を形成する方法を用いることで、シリコン基板３００の取り扱いが容易となるため、基板の割れを低減することができ、かつ基板の大口径化が可能となる。大口径化が可能となれば、一枚の基板から多くのインクジェットヘッドを取り出すことができるため、生産性を向上させることができる。

実施形態２．
図１０は本発明の第２の実施形態に係るインクジェットヘッド１０の概略構成を示す分解斜視図、図１１は組立状態を示すインクジェットヘッドの断面図、図１２および図１３は図１０のインクジェットヘッドのリザーバ基板の平面図と背面図である。

第２の実施形態に係るインクジェットヘッド１０は、面方位（１００）のシリコン基板からなるリザーバ基板２におけるダイアフラム部２５Ａを第１の実施形態とは逆にリザーバ基板２のＮ面（ノズル基板１との接合面）側に設けたものである。すなわち、リザーバ２３Ａとなる凹部２４Ａ（図１１乃至図１３参照）はＣ面（キャビティ基板３との接合面）側に開口しており、ダイアフラム部２５Ａの上方への変位を許容する空間部となる凹部２６Ａはリザーバ基板２のＮ面側に開口している。また、ダイアフラム部２５Ａは後述するリザーバ基板２の製造工程図で示すように、選択的にボロンを拡散したボロン拡散層から形成されており、これにより厚み精度の高い薄膜部により構成されている。但し、ダイアフラム部２５Ａはボロン拡散層によるものに限られない。

また、第２の実施形態では、リザーバ基板２以外のノズル基板１、キャビティ基板３および電極基板４は第１の実施形態と同じ構成であるので各部には同一の符号を付して説明は省略する。
このリザーバ基板２においては、ノズル基板１のノズル孔１１に連通する円筒状のノズル連通孔２１が同様に形成されている。また、各吐出室３１の一部を構成する第２の凹部２８と、リザーバ２３Ａとなる凹部２４Ａとは細溝状の供給口２２Ａで連通している。また、キャビティ基板３に設けられたインク供給孔３５はこの凹部２４Ａの開口面に開口している。

第２の実施形態に係るインクジェットヘッド１０は、その駆動時において、リザーバ２３Ａの底部に設けられたダイアフラム部２５Ａが大きな面積を有して上下方向に振動するので、第１の実施形態と同様の効果がありノズル間の圧力干渉を防止することができる。また、ダイアフラム部２５Ａはノズル基板１で蓋がされているので、外力に対して確実に保護され、かつ特別な保護カバー等も必要としない。

次に、第２の実施形態に係るインクジェットヘッドの製造のために使用するリザーバ基板の製造方法を図１４および図１５の工程断面図により説明する。

まず、面方位（１００）、厚さ１８０μｍのシリコン基板２００を用意し、このシリコン基板２００の全面に厚さ１μｍのＳｉＯ₂膜２０１を形成する（図１４（ａ））。ＳｉＯ₂膜２０１は、例えば熱酸化装置にシリコン基板２００をセットし、酸化温度１０７５℃、酸素と水蒸気の混合雰囲気中で４時間熱酸化を行うことにより形成する。ＳｉＯ₂膜２０１はシリコンの耐エッチング材として使用するものである。

次に、シリコン基板２００のＮ面側のＳｉＯ₂膜２０１にレジストをコーティングし、フォトリソグラフィーによりダイアフラム部２５Ａに対応する部分２５ａをパターニングしてエッチングにより開口する（図１４（ｂ））。その後、上記レジストを剥離する。

次に、水酸化カリウム水溶液にシリコン基板２００を浸漬し、ダイアフラム部２５Ａに対応する部分２５ａを深さ２５μｍ程度ウェットエッチングする（図１４（ｃ））。これにより、ダイアフラム部２５Ａに対応する凹部２６Ａが形成される。

次に、この凹部２６Ａの部分のみに選択的に高濃度のボロンを適量拡散する（図１４（ｄ））。ボロンを拡散したボロン拡散層２０３の厚さは最終的にダイアフラム部２５Ａの厚さと同じになり、所望の薄い厚さ（５μｍ以下）に調整することができる。

次に、シリコン基板２００のＣ面側のＳｉＯ₂膜２０１にレジストをコーティングし、フォトリソグラフィーによりノズル連通孔２１に対応する部分２１ａをパターニングしてエッチングにより開口する（図１４（ｅ））。その後レジストを剥離する。

次に、Ｃ面のノズル連通孔２１に対応する部分２１ａをＩＣＰドライエッチングによってシリコン基板２００を貫通するまで異方性ドライエッチングする（図１５（ｆ））。この場合のエッチングガスとしては、例えば、Ｃ₄Ｆ₈（フッ化炭素）、ＳＦ₆（フッ化硫黄）を交互に使用するとよい。ここで、Ｃ₄Ｆ₈は穴部の側面方向にエッチングが進行しないように穴部の側面を保護するために使用し、ＳＦ₆は穴部の垂直方向のエッチングを促進するために使用する。

次に、上記ＳｉＯ₂膜２０１をすべて剥離した後、再度シリコン基板２００の全面に熱酸化によりＳｉＯ₂膜２０２を１．１μｍの厚さで形成する。そして、シリコン基板２００のＣ面側のＳｉＯ₂膜２０２にレジストをコーティングし、フォトリソグラフィーにより供給口２２Ａ、リザーバ２３Ａ、第２の凹部２８にそれぞれ対応する部分２２ａ、２３ａ、２８ａをパターニングしてエッチングにより開口する（図１５（ｇ））。このとき、各部分のパターン幅が次の関係となるようにパターニングする。
パターン幅：リザーバ部分２３ａ＞第２の凹部部分２８ａ＞供給口部分２２ａ
その後レジストを剥離する。

次に、Ｃ面のリザーバ２３Ａとなる凹部２４Ａを水酸化カリウム水溶液によるウェットエッチングにより形成する（図１５（ｈ））。その際、リザーバ２３Ａとなる凹部２４Ａはボロン拡散層２０３でエッチングストップがかかり、ボロン拡散層２０３の厚さに対応したダイアフラム部２５Ａが形成される。なおこのウェットエッチング工程においても、前述したように２種類の異なる濃度の水酸化カリウム水溶液を用いるのがよい。すなわち、最初はエッチングレートの速い濃度（例えば３５ｗｔ％）で開始し、途中からエッチングレートの遅い濃度（例えば３ｗｔ％）に切り替えてエッチングするのが好ましい。また、第２の凹部２８と供給口２２Ａは、面方位が（１００）のシリコン基板であるため、開口幅に応じた深さでエッチングがストップする。
すなわち、各部の深さは、リザーバ２３Ａ＞第２の凹部２８＞供給口２２Ａとなる。

最後に、上記のＳｉＯ₂膜２０２を剥離後、再度ドライ酸化によりシリコン基板２００の全面にインク保護膜２９を厚さ０．１μｍで形成する（図１５（ｉ））。
以上によりリザーバ基板２が作製される。

そして、上記のように作製されたリザーバ基板２を用いて、前述の図７乃至図９で説明したように製造すれば、第２の実施形態に係るインクジェットヘッド１０を製造することができる。

第２の実施形態のインクジェットヘッド１０の製造方法によれば、ダイアフラム部２５Ａが選択的にボロンを拡散したボロン拡散層により形成されているため、厚み精度の高い、表面精度の良い、表面欠陥の少ない、薄膜からなるダイアフラム部を形成することができる。

なお、第１の実施形態のダイアフラム部２５も第１の実施形態と同様に、選択的にボロンを拡散したボロン拡散層により形成することができる。
また、ダイアフラム部２５、２５Ａの変位可能な空間部は、リザーバ基板２とキャビティ基板３あるいはノズル基板１との接合面の間に形成されていればよく、いずれか一方もしくは両方の基板に凹部２６、２６Ａが形成されていればよい。

上記の実施形態では、静電駆動方式のインクジェットヘッドおよびその製造方法について述べたが、本発明は上記の実施形態に限定されるものでなく、本発明の思想の範囲内で種々変更することができる。例えば、静電駆動方式以外の駆動方式によるインクジェットヘッドについても本発明を適用することができる。圧電方式の場合は、電極基板に代えて、圧電素子を各吐出室の底部に接着すればよく、バブル方式の場合は各吐出室の内部に発熱素子を設ければよい。また、ノズル孔より吐出される液状材料を変更することにより、インクジェットプリンタのほか、液晶ディスプレイのカラーフィルタの製造、有機ＥＬ表示装置の発光部分の形成、遺伝子検査等に用いられる生体分子溶液のマイクロアレイの製造など様々な用途の液滴吐出装置として利用することができる。

本発明の第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの概略構成を示す分解斜視図。 組立状態を示すインクジェットヘッドの断面図。 図１のインクジェットヘッドのリザーバ基板の平面図。 同リザーバ基板の背面図。 第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの製造のために使用するリザーバ基板の製造工程の断面図。 図５に続くリザーバ基板の製造工程の断面図。 第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの製造方法を示す製造工程の断面図。 図７に続く製造工程の断面図。 図８に続く製造工程の断面図。 本発明の第１の実施形態に係るインクジェットヘッドの概略構成を示す分解斜視図。 組立状態を示すインクジェットヘッドの断面図。 図１０のインクジェットヘッドのリザーバ基板の平面図。 図１０のインクジェットヘッドのリザーバ基板の背面図。 第２の実施形態に係るインクジェットヘッドの製造のために使用するリザーバ基板の製造工程の断面図。 図１４に続く製造工程の断面図。

符号の説明

１ ノズル基板、２ リザーバ基板、３ キャビティ基板、４ 電極基板、５ 駆動制御回路、１０ インクジェットヘッド、１１ ノズル孔、２１ ノズル連通孔、２２、２２Ａ 供給口、２３、２３Ａ リザーバ、２４、２４Ａ 凹部、２５、２５Ａ ダイアフラム部、２６、２６Ａ 凹部（空間部）、２７ インク供給孔、２８ 第２の凹部、２９ インク保護膜、３１ 吐出室、３２ 振動板、３３ 第１の凹部、３４ 絶縁膜、３５ インク供給孔、３６ 共通電極、３７ インク保護膜、４１ 個別電極、４２ 凹部、４３ 封止材、４４ 電極取り出し部、４５ インク供給孔、２００ シリコン基板、２０３ ボロン拡散層。

Claims (13)

1. 複数のノズル孔を有するノズル基板と、各ノズル孔に連通し、室内に圧力を発生させて前記ノズル孔より液滴を吐出する複数の独立した吐出室を有するキャビティ基板と、前記吐出室に対して共通に連通するリザーバを有するリザーバ基板とを少なくとも備えた液滴吐出ヘッドであって、
   前記リザーバの壁の一部にダイアフラム部を設けたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
2. 前記ダイアフラム部は、前記リザーバ基板の前記キャビティ基板との接合面側に形成されていることを特徴とする請求項１記載の液滴吐出ヘッド。
3. 前記ダイアフラム部は、前記キャビティ基板により蓋をして外部から遮断されていることを特徴とする請求項２記載の液滴吐出ヘッド。
4. 前記ダイアフラム部は、前記リザーバ基板の前記ノズル基板との接合面側に形成されていることを特徴とする請求項１記載の液滴吐出ヘッド。
5. 前記ダイアフラム部は、前記ノズル基板により蓋をして外部から遮断されていることを特徴とする請求項４記載の液滴吐出ヘッド。
6. 前記ダイアフラム部は、前記リザーバとは反対側に、閉鎖された空間部を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
7. 前記空間部は、前記リザーバとは反対側の前記リザーバ基板の表面に形成された凹部からなることを特徴とする請求項６記載の液滴吐出ヘッド。
8. 前記ダイアフラム部は、選択的にボロンを拡散したボロン拡散層からなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
9. 前記リザーバ基板は、面方位が（１００）のシリコン基板を用いることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
10. 前記吐出室の底部の振動板を静電気力により駆動するための個別電極が凹部内に形成された電極基板を前記キャビティ基板に絶縁膜を介して接合してなることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。
11. シリコン基板の一方の面からダイアフラム部に対応する部分を所要の深さエッチングした後に、前記シリコン基板の反対側の面からリザーバとなる凹部をウェットエッチングにより加工して前記ダイアフラム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。
12. シリコン基板の一方の面からダイアフラム部に対応する部分を所要の深さエッチングし、これにより形成された凹部に選択的にボロンを拡散し、その後前記シリコン基板の反対側の面からリザーバとなる凹部をウェットエッチングにより加工して前記ダイアフラム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。
13. 前記リザーバとなる凹部のウェットエッチングによる加工において、ウェットエッチングを、エッチングレートの速い濃度で開始し、途中からエッチングレートの遅い濃度に切り替えて行うことを特徴とする請求項１１または１２記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
    

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