(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インク液滴を吐出する単一または複数のノズル孔と、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、該駆動手段が該振動板を静電気力に変形させる電極からなり、該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において、前記Ｓｉ基板を摂氏１０８０度以上で熱酸化させた後、Ｓｉ基板表面に酸化物または窒化物あるいは金属の薄膜を形成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２】
前記Ｓｉ基板表面に形成する酸化物の薄膜の材質が、酸化ケイ素または酸化チタンあるいは酸化クロムであることを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項３】
前記Ｓｉ基板表面に形成する窒化物の薄膜の材質が、窒化ケイ素または窒化チタンであることを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項４】
前記Ｓｉ基板表面に形成する金属の薄膜の材質が、チタンまたは金あるいは白金であることを特徴とする請求項１記載のインクジェットヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【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の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェット記録装置は、記録時の騒音が極めて小さいこと、高速印字が可能であること、インクの自由が高く安価な普通紙を使用できることなど多くの利点を有する。この中でも記録が必要な時にのみインク液滴を吐出する、いわゆるインク・オン・デマンド方式が、記録に不要なインク液滴の回収を必要としないため現在主流となっている。
【０００３】
このインク・オン・デマンド方式のインクジェットヘッド記録装置には、インクを吐出させる方法として、駆動手段に静電気力を利用したインクジェットヘッド記録装置（特開平６−７１８８２号公報）があり、この方式は小型高密度・高印字品質及び長寿命とあるという利点を有している。
【０００４】
この静電気力を駆動力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。そこで、振動板をＳｉ基板をエッチングして形成する手段として、特開平６−７１８８２号公報にあるように、エッチングストップ技術を用いて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Ｓｉ薄膜を高精度に形成する方法が取られるようになってきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、振動板を形成したＳｉ基板を、絶縁膜形成のため熱酸化した後、ヘッドに組み立てて圧力室内にインクを注入すると、熱酸化処理によって振動板に微小なピンホールが発生し、振動板を透過したインクが静電駆動に必要な振動板と対向電極のギャップに侵入し、駆動が不可能になるという課題があった。したがって、本発明の目的は、振動板からインク漏れを発生しないインクジェットヘッドの製造方法を提供することにある。
【０００６】
【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の製造方法は、インク液滴を吐出する単一または複数のノズル孔と、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変形させる電極からなり、該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において、該Ｓｉ基板の最終工程である熱酸化工程での酸化温度を摂氏１０８０度以下として酸化温度を最適化することで、酸化による振動板欠陥の発生を抑えることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明のインクジェットヘッドの製造方法は、インク液滴を吐出する単一または複数のノズル孔と、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変形させる電極からなり、該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において、該Ｓｉ基板の最終工程である熱酸化工程後、該Ｓｉ基板表面に酸化物、窒化物あるいは金属の薄膜を形成し、熱酸化処理によって発生した振動板のピンホールを塞ぐことを特徴とする。また、Ｓｉ基板表面に形成する酸化物の薄膜の材質が酸化ケイ素、酸化チタン、酸化クロムであり、窒化物の薄膜の材質が窒化ケイ素、窒化チタンであり、金属の薄膜の材質がチタン、金、白金であることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な例を図面に基づいて詳細に説明する。
【０００９】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例に関わ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インクジェットヘッドの端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側面の断面図、図３は図２のＡ−Ａ’線矢視図である。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。
【００１０】
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の基板の全面に、熱酸化により酸化膜を０．１１ミクロン形成し絶縁膜としている。これは、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である。
【００１１】
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１５を装着するための凹部１４を０．３ミクロン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せる電極１５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１５、リード部１６及び端子１７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。電極は凹部１４内にＩＴＯを０．１ミクロンスパッタし、ＩＴＯパターンを形成することで作製する。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、０．２ミクロンとなっている。
【００１２】
また、第１の基板の上面に接合される第３の基板３には、厚さ１００ミクロンのＳｉ基板を用い、基板３の面部に、吐出室６用の凹部７と連結するようにそれぞれノズル孔１２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１３を設ける。
【００１３】
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１５に発信回路２３により０Ｖから３５Ｖのパルス電極を印加し、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１５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１２よりインク液滴２１を記録紙２２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２３との接続は、ドライエッチングにより基板１の１部に開けた酸化膜の窓（図示せず）において行う。また、インクジェットヘッドへのインクの供給は、第３の基板３に設けたインク供給口１３により行う。
【００１４】
本実施例のインクジェットヘッドにおける振動板は、高濃度Ｐ型不純物層であって、高濃度Ｐ型不純物層は、所望の振動板厚と同じだけの厚さを有している。アルカリ水溶液によるＳｉエッチングにおけるエッチングレートは、ドーパントがボロンの場合、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。このことを利用し、振動板形成領域を高濃度ボロンドープ層とし、アル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、ボロン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って、振動板は所望の板厚に作製される。
【００１５】
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の基板の拡散工程図、および図５の第１の基板のエッチング工程図において、Ｂ２ Ｏ３ を不純物拡散源として、厚さ２ミクロンの振動板を形成する場合について詳細に説明する。
【００１６】
まず、（１１０）を面方位とするＳｉ基板４１の両面を鏡面研磨し、１８０ミクロンの厚みの基板を作製する（図４（ａ））。Ｓｉ基板４１を、熱酸化炉にセットし、酸素およ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、Ｓｉ基板４１表面に酸化膜４２を１．２ミクロン成膜する（図４（ｂ））。次いで、ボロンドープ層を形成する面４３の酸化膜４２を剥離するため、Ｓｉ基板４１のボロンドープ層を形成する面４３の反対の面４４にレジストをコートし、レジストを保護膜としてボロンドープ層を形成する面４３の酸化膜４２をふっ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３．１５ｗｔ％を分散した拡散剤４５を、酸化膜を除去したボロンドープ層を形成する面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４５の厚みは１．２ミクロンとなる。拡散剤４５をコーティングしたＳｉ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１２時間保持し、ボロンをＳｉ基板中に拡散させ、ボロンドープ層４６を形成する。このとき、拡散剤４５（Ｂ２ Ｏ３ ）とＳｉ基板４１表面ボロンドープ層４６の界面にボロン化合物４７が形成されている（図４（ｅ））。ボロンドープ層４６を形成した面の反対側にレジストをコートし、拡散剤４５をふっ酸水溶液によりエッチング除去する（図４（ｆ））。Ｓｉ基板４１表面に現れたボロン化合物４７は耐エッチング性が高く、ウェッ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、Ｓｉ基板４１のレジストを剥離した後、Ｓｉ基板４１を酸化炉にセットし、酸素および水蒸気雰囲気、摂氏６００度の条件でボロン化合物４７を１時間酸化し、ふっ酸水溶液によるエッチングが可能なＢ２ Ｏ３ ＋ＳｉＯ２ に化学変化させる。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を酸化せずドライエッチングで除去することも可能である。拡散面のボロン化合物４７を酸化してＢ２ Ｏ３ ＋ＳｉＯ２ に化学変化させた状態でさらに熱酸化して、ボロンドープ層側に１．２ミクロンの酸化膜４８を形成する（図４（ｇ））。続けて、酸化膜側に吐出室、インクキャビティを作り込むためのレジストパターニングを施し、ふっ酸水溶液でエッチングし酸化膜４２をパターニングする。そして前記基板のレジストを剥離する（図４（ｈ））。
【００１７】
以上が、高濃度ボロンドープ層４６の形成を塗布法で実施した場合であり、他の高濃度のドープ層を形成する手段として、ボロン拡散板をＳｉ基板に対向させて熱拡散を行う方法がある。
【００１８】
次に、エッチングによる振動板の作製方法を説明する。
【００１９】
ボロンドープ層４６が形成され、酸化膜４２をパターニングされているＳｉ基板４１（図５（ａ））を３５ｗｔ％水酸化カリウム水溶液で、エッチングがボロンドープ層に達する直前（残り１０ミクロン程度）まで行う（図５（ｂ））。このとき、エッチング面５１の平滑性が保たれる。次に、高濃度ボロンドープ層４６でのエッチングストップ性が高い５ｗｔ％水酸化カリウム水溶液で、Ｓｉ基板４１のエッチングを継続してエッチングストップさせる（図５（ｃ））。しかし、５ｗｔ％水酸化カリウム水溶液のような低濃度のエッチング液では、エッチング面の面粗れが大きく、エッチングストップの効果があるにも関らず振動板表面のエッチング面５２に若干の面粗れが残る。さらに、エッチングストップ状態からのエッチングを継続し、所定の振動板厚みになるまでエッチングすると、エッチングストップの効果によってエッチング面５３の面粗れが減少する（図５（ｄ））。以上の工程により、厚み精度が２±０．０２５ミクロンにすることができる
前記のように作製した振動板において、熱酸化処理によって１基板の全振動板に対してピンホールが発生した割合、すなわち振動板不良率の調査方法を図６の検査サンプルの断面図で説明する。また、酸化温度による不良率の変化を図７の酸化温度と振動板不良率の関係を示すグラフにより説明する。
【００２０】
振動板を形成したＳｉ基板４１を、酸素雰囲気中で酸化温度を摂氏１０００度から１１００度に変化させて、酸化膜厚が０．１１ミクロンになるように酸化時間を調整し、熱酸化処理を行い、酸化膜４２を形成した試験用サンプルを作製する。この試験用サンプルを図６（ａ）のように厚み１ｍｍのホウケイ酸ガラス６０に大気中で接合温度摂氏３８０度、接合電圧８００Ｖの条件で陽極接合する。接合温度摂氏３８０度の状態で、吐出室６１内の空気はＳｉ基板４１とホウケイ酸ガラス６０の接合により密閉状態となる。この状態で接合されたＳｉ基板４１とホウケイ酸ガラス６０が、室温まで冷却されると、吐出室６１内は密閉状態にあるため、吐出室６１内の空気の体積の収縮により吐出室６１内の圧力は低下する。この圧力の低下量は、振動板変形による体積変化は吐出室６１全体の体積に比べて小さいため、ボイルーシャルルの法則から求められる次式から接合時の圧力を１気圧とすると、吐出室内の圧力は０．４５気圧であり、圧力の低下量は０．５５気圧である。
【００２１】
Ｐ１ ×Ｖ１ ／Ｔ１ ＝Ｐ２ ×Ｖ２ ／Ｔ２ 
Ｖ１ ＝Ｖ２ と仮定できるため、
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接合直後の吐出室の圧力、体積、温度：
Ｐ１ 、Ｖ１ 、Ｔ１ （＝２７３＋３８０℃）
冷却後の吐出室の圧力、体積、温度：
Ｐ２ 、Ｖ２ 、Ｔ２ （＝２７３＋２５℃）
振動板にピンホールがなく正常ならば、図６（ｂ）のように振動板６２は吐出室６３の圧力低下により吐出室側に変形する。逆に、振動板６４にピンホールがあると、ピンホール欠陥部６６より吐出室６５に空気が流入するため、吐出室６５内の圧力低下が起こらず振動板６４は変形しない。接合後の振動板の様子をノルマンスキー干渉計を備えた金属顕微鏡で観察することにより、振動板変形の有無を確認でき、変形の無い振動板、すなわちピンホールのある振動板数をカウントして、１基板におけるピンホールの発生した振動板の割合、すなわち振動板不良率を算出する。
【００２２】
以上のように求めた熱酸化処理における酸化温度と振動板不良率の関係をまとめると図７のようなグラフになる。この結果から、酸化温度摂氏１０８０度以下では、振動板不良率は０％となり、酸化温度摂氏１０８０度以下の条件において振動板のピンホールをなくせる。
【００２３】
（実施例２）
本発明第２の実施例におけるＳｉ基板表面に酸化物、窒化物、金属の薄膜を形成する場合について図８の第１の基板の断面図で説明する。
【００２４】
インクジェットヘッド駆動に必要な絶縁膜として酸化膜の形成は必須であり、耐電圧の問題により酸化温度を１０８０℃以上の高温で行わなけらばならない場合がある。そのような場合、まず熱酸化処理によりＳｉ基板４１表面に酸化膜４２を形成する（図８（ａ））。吐出室６側の酸化膜４２の表面に酸化ケイ素、窒化ケイ素、チタン、窒化チタン、酸化クロム、金、白金などを０．１ミクロンの厚みに成膜する。これらの膜は、インクに接してもインクによって腐食されることがなく、振動板に存在する微小なピンホールを塞ぐことができる。成膜手段として、スパッタ、ＣＶＤが適しており、スパッタにより酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、チタン、窒化チタン、酸化クロム、金、白金が形成でき、ＣＶＤにおいては酸化ケイ素、窒化ケイ素、チタン、窒化チタンが成膜できる。
【００２５】
一方、振動板の変形は、駆動ギャップの変化となり、吐出特性が安定しない原因となる。したがって、保護膜の選定にあっては保護膜の応力による振動板の変形に留意しなければならず、上記の保護膜については、厚み０．１ミクロン以下では、その応力による変形量は、許容量０．０５ミクロン以下であった。なお、変形量はレーザー干渉計により測定し求めている。
【００２６】
以上に説明したように、Ｓｉ基板に耐インク性を有する酸化物、窒化物、金属の薄膜を形成し、振動板のピンホールを塞ぐことによって、振動板の不良をなくすことができる。
【００２７】
【発明の効果】
インクジェットヘッドの製造工程であり、振動板形成後のＳｉ基板に対して酸化膜形成のために行う熱酸化処理において、酸化温度を摂氏１０８０度以下に制限したことによって、振動板へのピンホールの発生を防ぐことができた。
【００２８】
さらに、振動板にピンホールが存在していても、振動板上に酸化物、窒化物、金属の薄膜を形成することによって、振動板のピンホールを薄膜で塞ぐことができる。
【００２９】
以上の方法により、振動板からの駆動ギャップへのインク侵入によるインクジェットヘッド不良が無くなり、安定したインクジェットヘッドの製造が可能となった。
【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。
【図２】本発明の第１の実施例のおけるインクジェットヘッドの断面側面図。
【図３】図２のＡ−Ａ’線矢視図。
【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の基板の製造工程を構成する拡散の工程断面図。
【図５】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の基板の製造工程を構成するエッチングの工程断面図。
【図６】本発明の第１の実施例における振動板不良率調査用の試験サンプルの断面図。
【図７】本発明の第１の実施例における酸化温度と振動板不良率の関係を示す図。
【図８】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の基板の断面図。
【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
７      凹部
８      オリフィス
９      細溝
１０      インクキャビティ
１１      凹部
１２      ノズル孔
１３      インク供給口
１４      凹部
１５      電極
１６      リード部
１７      端子
２１      インク液滴
２２      記録紙
２３      発信回路
４１      Ｓｉ基板
４２      酸化膜
４３      ボロンドープ層を形成する面
４４      反対の面
４５      拡散剤
４６      ボロンドープ層
４７      ボロン化合物
４８      酸化膜
５１、５２、５３  エッチング面
６０      ホウケイ酸ガラス
６１、６３、６５  吐出室
６２、６４        振動板
６６      ピンホール欠陥部
８１      薄膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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