(57)【要約】【課題】開口を封止して中空構造部分を形成する場合であっても、当該開口の確実な封止を可能とし、その中空構造部分による機能実現の確実化を図ることのできる機能素子を提供する。【解決手段】た開口３を封止することで形成される中空構造部分２を有した機能素子１において、前記開口３の断面形状を、前記中空構造部分に向かって当該開口の径が狭くなるテーパ状に形成し、開口側壁部分が垂直面である場合に比べて、開口形成時の残渣物の除去を容易にし、前記開口３を封止する封止膜５の成膜材料を堆積させるのも容易にする。【選択図】図１
2006007459.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口を封止することで形成される中空構造部分を有した機能素子において、
前記開口の断面形状が、前記中空構造部分に向かって当該開口の径が狭くなるテーパ状に形成されている
ことを特徴とする機能素子。
【請求項２】
少なくとも前記開口におけるテーパ状傾斜面の部分に単層または複層の保護層が積層されている
ことを特徴とする請求項１記載の機能素子。
【請求項３】
前記中空構造部分が前記開口から犠牲層を除去することで形成されるものである場合に、前記保護層は、前記犠牲層に対するオーバーエッチング部にも積層されている
ことを特徴とする請求項２記載の機能素子。
【請求項４】
前記開口は、蒸着膜、スパッタ膜またはＰＥＣＶＤ膜のいずれかからなる封止膜によって封止されている
ことを特徴とする請求項１記載の機能素子。
【請求項５】
前記封止膜が単層または複層のカバー層で覆われている
ことを特徴とする請求項４記載の機能素子。
【請求項６】
前記カバー層は、プラズマシリコン窒化膜である
ことを特徴とする請求項５記載の機能素子。
【請求項７】
開口を封止することで形成される中空構造部分を有した機能素子の製造方法において、
前記開口の断面形状を、前記中空構造部分に向かって当該開口の径が狭くなるテーパ状に形成する工程
を含むことを特徴とする機能素子の製造方法。
【請求項８】
少なくとも前記開口におけるテーパ状傾斜面の部分に単層または複層の保護層を積層する工程
を含むことを特徴とする請求項７記載の機能素子の製造方法。
【請求項９】
前記中空構造部分が前記開口から犠牲層を除去することで形成されるものである場合に、前記保護層を積層する工程に先立って行う前記テーパ状を形成する工程にて、前記犠牲層に対するオーバーエッチングを行う
ことを特徴とする請求項８記載の機能素子の製造方法。
【請求項１０】
前記開口を、蒸着膜、スパッタ膜またはＰＥＣＶＤ膜のいずれかからなる封止膜によって封止する
ことを特徴とする請求項７記載の機能素子の製造方法。
【請求項１１】
前記封止膜を単層または複層のカバー層で覆う
ことを特徴とする請求項１０記載の機能素子の製造方法。
【請求項１２】
前記カバー層は、プラズマシリコン窒化膜である
ことを特徴とする請求項１１記載の機能素子の製造方法。
【請求項１３】
開口を封止することで形成される中空構造部分を有した機能素子を用いて構成された流体吐出ヘッドにおいて、
前記開口の断面形状が、前記中空構造部分に向かって当該開口の径が狭くなるテーパ状に形成されている
ことを特徴とする流体吐出ヘッド。
【請求項１４】
少なくとも前記開口におけるテーパ状傾斜面の部分に単層または複層の保護層が積層されている
ことを特徴とする請求項１３記載の流体吐出ヘッド。
【請求項１５】
前記中空構造部分が前記開口から犠牲層を除去することで形成されるものである場合に、前記保護層は、前記犠牲層に対するオーバーエッチング部にも積層されている
ことを特徴とする請求項１３記載の流体吐出ヘッド。
【請求項１６】
前記開口は、蒸着膜、スパッタ膜またはＰＥＣＶＤ膜のいずれかからなる封止膜によって封止されている
ことを特徴とする請求項１３記載の流体吐出ヘッド。
【請求項１７】
前記封止膜が単層または複層のカバー層で覆われている
ことを特徴とする請求項１６記載の流体吐出ヘッド。
【請求項１８】
前記カバー層は、プラズマシリコン窒化膜である
ことを特徴とする請求項１７記載の流体吐出ヘッド。
【請求項１９】
開口を封止することで形成される中空構造部分を有した機能素子を流体吐出ヘッドとして用いて構成された印刷装置において、
前記開口の断面形状が、前記中空構造部分に向かって当該開口の径が狭くなるテーパ状に形成されている
ことを特徴とする印刷装置。
【請求項２０】
少なくとも前記開口におけるテーパ状傾斜面の部分に保護層が積層されている
ことを特徴とする請求項１９記載の印刷装置。
【請求項２１】
前記中空構造部分が前記開口から犠牲層を除去することで形成されるものである場合に、前記保護層は、前記犠牲層に対するオーバーエッチング部にも積層されている
ことを特徴とする請求項２０記載の印刷装置。
【請求項２２】
前記開口は、蒸着膜、スパッタ膜またはＰＥＣＶＤ膜のいずれかからなる封止膜によって封止されている
ことを特徴とする請求項１９記載の印刷装置。
【請求項２３】
前記封止膜が単層または複層のカバー層で覆われている
ことを特徴とする請求項２２記載の印刷装置。
【請求項２４】
前記カバー層は、プラズマシリコン窒化膜である
ことを特徴とする請求項２３記載の印刷装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中空構造部分を有した機能素子およびその製造方法、並びに、その機能素子を用いて構成された流体吐出ヘッドおよび印刷装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、薄膜形成技術により形成される、中空構造部分を有した機能素子が利用されつつある。「薄膜形成技術」とは、例えば半導体製造プロセスにてシリコン半導体基板に微細加工を施す際に用いられるもののように、蒸着、スパッタ、エッチング等を行って薄膜を形成するための技術をいう。また、「中空構造部分を有した機能素子」とは、中空構造部分の内部素子またはその構造部分の内面若しくは表面が、入力信号に対して何らかの応答を示すように構成された素子のことをいい、中空構造部分に何らかの気体、液体または固体が注入されている場合も含む。中空構造部分は、完全に密閉されている場合と、一部開放されている場合とがある。このような機能素子としては、例えばインクジェットヘッドを始めとする流体吐出装置、マイクロポンプ、μＴＡＳ（Micro Total Analysis Systems）、ＤＮＡチップ、その他、周波数フィルタ、各種センサやリレーを始めとするスイッチ等として用いられ得る、いわゆるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）が知られている。ただし、ここでいう機能素子は、ＭＥＭＳだけでなく、中空構造部分を有したものであれば、半導体素子、共振器、振動子、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）、ＳＡＷ（弾性表面波）フィルタ、ジャイロセンサ、液晶素子、有機電界発光素子、抵抗素子、リレー素子、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、レーザ素子、ＦＥＤ（Field Emission Display）等の光源素子、スピーカ素子、ダイアフラム型センサ（例えば、マイク、圧力センサ）、流路、管、撮像素子等の全てを含むものとする。
【０００３】
ところで、上述した機能素子において、その中空構造部分は、一般に、犠牲層を除去した後に当該除去に利用した開口を封止することで形成される。詳しくは、例えばダイアフラム型半導体装置を例に挙げると、以下のような手順で形成することが知られている（例えば、特許文献１参照）。すなわち、シリコン基板の表面に第１耐エッチング層を積層し、その第１耐エッチング層の表面の所定領域に犠牲層となるエッチング層を積層する。そして、そのエッチング層の表面に微少な開口を多数もつ第２耐エッチング層を積層した後、第２耐エッチング層の開口群からエッチング層をエッチングする。この結果、第１耐エッチング層と第２耐エッチング層の間に空間が形成されることになる。その空間形成後は、第２耐エッチング層の表面に封止膜を積層して、第２耐エッチング層の微少な開口群を封止する。以上の手順を経て、第２耐エッチング層と封止膜によってダイアフラムが形成され、そのダイアフラムの内側に中空構造部分となる密封空間が形成されたダイアフラム構造が実現されるのである。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３４３９７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来における機能素子では、中空構造部分を形成すべく、開口を封止する際に、ボイド（気泡）が発生してしまうおそれがある。これは、例えば開口の側壁部分に残ってしまう開口形成時の残渣物が封止膜成膜中の温度上昇によりガスを発生したり、陰の部分ができてボイドが残ったり（シャドウイング効果）、開口近傍における封止膜の成膜が容易でない（開口の側壁部分に成膜材料が堆積し難い）等の影響によるものである。このようなボイドの発生は、開口の封止を不完全なものとし、中空構造部分の形成を困難にしてしまい、機能素子の機能低下にも繋がってしまうものであるため、回避すべきである。
【０００６】
そこで、本発明は、犠牲層を除去した後に開口を封止して中空構造部分を形成する場合であっても、当該開口の確実な封止を可能とし、その中空構造部分による機能実現の確実化を図ることのできる機能素子およびその製造方法、インクジェットヘッド、並びにインクジェットプリンタ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記目的を達成するために案出された機能素子である。すなわち、開口を封止することで形成される中空構造部分を有した機能素子において、前記開口の断面形状が、前記中空構造部分に向かって当該開口の径が狭くなるテーパ状に形成されていることを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明は、上記目的を達成するために案出された機能素子の製造方法である。すなわち、開口を封止することで形成される中空構造部分を有した機能素子の製造方法において、前記開口の断面形状を、前記中空構造部分に向かって当該開口の径が狭くなるテーパ状に形成する工程を含むことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、上記目的を達成するために案出された流体吐出ヘッドである。すなわち、開口を封止することで形成される中空構造部分を有した機能素子を用いて構成された流体吐出ヘッドにおいて、前記開口の断面形状が、前記中空構造部分に向かって当該開口の径が狭くなるテーパ状に形成されていることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明は、上記目的を達成するために案出された印刷装置である。すなわち、開口を封止することで形成される中空構造部分を有した機能素子を流体吐出ヘッドとして用いて構成された印刷装置において、前記開口の断面形状が、前記中空構造部分に向かって当該開口の径が狭くなるテーパ状に形成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
上記構成の機能素子、上記手順の機能素子の製造方法、上記構成の流体吐出ヘッド、および上記構成の印刷装置によれば、開口の断面形状がテーパ状に形成されている。すなわち、開口は、中空構造部分に向かって、当該開口の径が狭くなるように形成されている。ここで、開口の「径」とは、当該開口が円形状であればその直径のことをいうが、必ずしもこれに限られることはなく、例えば矩形状の開口の一辺の長さをも含む意である。このようなテーパ状に開口が形成されていれば、そのテーパ状傾斜面に開口形成時の残渣物があっても、開口の側壁部分が垂直面である場合に比べて、その残渣物を容易に除去することができる。また、封止膜の成膜により開口を封止する場合においても、当該開口の側壁部分が垂直面である場合に比べて、当該封止膜の成膜材料を堆積させるのが容易となる。したがって、開口を封止する際のボイド発生を回避し得るようになり、開口の確実な封止が可能となるのである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、犠牲層を除去した後に開口を封止して中空構造部分を形成する場合であっても、ボイド発生を回避して開口の確実な封止が可能となるので、その中空構造部分による機能実現の確実化が図れるようになる。このことは、機能素子の性能（機能）向上や信頼性向上等の実現に繋がると言える。また、例えば気密を必要とするフィルタのようなデバイスにおいては、その封止（パッケージ）コストが製品価格の半分以上を占めることも多いことから、本発明のような中空構造部分の封止（ウエハレベルパッケージング）技術のニーズは高く、これを実現できる本発明の技術的価値は高いと言える。しかも、ウエハレベルパッケージングを実現することで、素子の小型化（高集積化）も容易に実現可能となることが期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面に基づき本発明に係る機能素子およびその製造方法、流体吐出ヘッド、並びに印刷装置について説明する。
【００１４】
〔機能素子の説明〕
先ず、機能素子の概略構成について説明する。機能素子は、既に説明したように、中空構造部分を有した素子の全てを含むが、その一例として図１に示すようなものがある。図１は、本発明に係る機能素子の概略構成の一例を示す説明図である。
【００１５】
図例のように、ここで説明する機能素子１は、中空構造部分２を有している。この中空構造部分２を有することによって、機能素子１では、中空構造部分２を覆う層が振動板を構成することになり、図示せぬ電極に電圧を印加して当該振動板を振動させ得るようになるのである。
【００１６】
中空構造部分２は、いわゆる犠牲層エッチングによって形成されたものである。すなわち、中空構造部分２が形成される箇所に犠牲層となるエッチング層を積層し、さらにそのエッチング層の表面に開口３を持つ耐エッチング層４を積層し、その開口３からエッチング層をエッチングして除去した後に、当該除去に利用した開口３を封止することで形成されたものである。
【００１７】
開口３は、その形成箇所に封止膜５が成膜されることによって封止されている。この封止膜５による開口３の封止は、蒸着、スパッタまたはＰＥＣＶＤ（plasma-enhanced chemical vapor deposition）のいずれかによって行うことが考えられる。特に、メタルスパッタによって行うことが望ましい。封止プロセスの際に中空構造部分２への成膜があると、機能素子１のデバイス特性が変化してしまうおそれがあるが、スパッタであればこの問題が軽微となるからである。ただし、スパッタの場合のみならず、蒸着またはＰＥＣＶＤの場合であっても、一連の成膜プロセスにて封止を行えるようになるので、例えば開口３を部材の貼り合わせによって封止する場合に比べれば、当該封止が非常に容易かつ確実なものとなる。しかも、蒸着、スパッタ、ＰＥＣＶＤは、いずれも真空チャンバ内で行われることから、中空構造部分２の内部環境を好適に保つ上で非常に有効である。
【００１８】
この封止膜５の上には、外気や流体等の侵入を防止するためのカバー層６が成膜されていてもよい。カバー層６で封止膜５を覆えば、その封止膜５による開口３の封止が、より一層確実なものとなるからである。このようなカバー層６としては、耐湿性等に優れており、流体等の侵入を防止する上で有効となるプラズマシリコン窒化（ＰＥ−ＳｉＮ）膜が考えられる。ただし、カバー層６は、必ずしも単層である必要はなく、複層のものであっても構わない。
【００１９】
ところで、開口３の封止は、単にスパッタにより行おうとすると、既に説明したように、シャドウイング効果によりボイドが生じてしまい、中空構造部分２と外部とを通じさせるエアパスが残ってしまう可能性がある。このことから、ここで説明する機能素子１では、開口３の断面形状が、中空構造部分２に向かってその開口径が狭くなるテーパ状に形成されている。つまり、開口３は、その側壁部分に、テーパ状傾斜面を有している。なお、テーパ状傾斜面は、鉛直方向との角度（傾斜角度）が３０°以上であることが望ましい。また、ここでいう開口径とは、開口３が円形状であればその直径のことをいうが、必ずしもこれに限られるものではない。例えば、開口３が矩形状である場合には、その一辺の長さがここでいう開口径に相当する。その場合に、開口３は、その全ての側壁部分がテーパ状傾斜面であることが望ましいが、テーパ状傾斜面を有していれば、そのテーパ状傾斜面と垂直面とが混在していても構わない。
【００２０】
このように、ここで説明する機能素子１では、開口３の断面形状がテーパ状に形成されているため、そのテーパ状傾斜面に開口形成時の残渣物があっても、開口３の側壁部分が垂直面である場合に比べて、その残渣物を容易に除去することができる。つまり、側壁に副生成物が残渣物として残ると、封止膜５の成膜中におけるの温度上昇によりガスを発生しボイドが生じるが、その残渣物をアッシングや洗浄等で取れない場合でも、テーパ状傾斜面であればエッチバックや逆スパッタ等によって除去し易くなる。また、シャドウイング効果、すなわちテーパ状傾斜面がないと陰の部分ができてボイドが残る、といったことも抑制し得る。しかも、封止膜５の成膜により開口３を封止する場合においても、当該開口３の側壁部分が垂直面である場合に比べて、当該封止膜５の成膜材料を堆積させるのが容易となる。そして、テーパ状傾斜面上に成膜される封止膜５は、自ずと開口３を埋める方向に成長する。これらのことは、特にテーパ状傾斜面の傾斜角度が３０°以上である場合に顕著となる。したがって、開口３の断面形状がテーパ状に形成されていれば、開口３を封止する際のボイド発生を回避し得るようになり、エアパスの残ることがない確実な開口３の封止が可能となるのである。
【００２１】
ただし、上述したように、単に開口３の断面形状をテーパ状に形成しただけであっても、中空構造部分２の高さ方向（各層の積層方向）における大きさ（以下「ギャップ高さ」という）が小さければ、図２（ａ）に示すように、確実な開口３の封止が可能となるが、ギャップ高さが大きくなると、図２（ｂ）に示すように、開口３の封止が困難になるおそれがある。この点については、選択酸化によりギャップ高さを狭めることで対応することも考えられるが、熱酸化により膜圧を増やすこの方法ではプロセス温度が800℃を超えてしまい、機能素子１のデバイス特性がこの温度により変化してしまうため、好ましくない。また、トランジスタや配線等の形成工程後にこのような高温プロセスを行うと、トランジスタ特性が劣化し、アルミ（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）にヒーロックが発生してしまい、機能素子１の信頼性低下に繋がるため、この点においても高温プロセスは好ましくない。その一方で、低温で酸化膜を成長させることも考えられるが、その場合には非常に長い時間が必要となってしまうため、プロセスの効率という点で難がある。
【００２２】
このことから、ここで説明する機能素子１では、図１に示すように、開口３におけるテーパ状傾斜面の部分に保護層７が積層されているとともに、その保護層７が犠牲層に対するオーバーエッチング部８にも積層されているのである。保護層７は、封止膜５を考慮した形成材料（例えば、封止膜５との親和性が高い材料）で、かつ、絶縁材料によって成膜されていることが望ましい。このような条件を満たすために、保護層７は、必ずしも単層である必要はなく、複層のものであっても構わない。なお、保護層７は、少なくともテーパ状傾斜面に積層されていればよいが、当該テーパ状傾斜面以外に積層されていてもよいことは勿論である。また、犠牲層に対するオーバーエッチング部８とは、開口３の形成時に、耐エッチング層４のみならず犠牲層となるエッチング層についてもエッチングにより除去された部分のことをいう。
【００２３】
このように、単層または複層の保護層７が積層されていれば、その保護層７によって開口３におけるテーパ状傾斜面の部分が覆われることになるため、そのテーパ状傾斜面に除去しきれない残渣物があっても、当該残渣物が開口３を封止する際のボイド発生の要因となるのを極力抑制し得るようになる。また、保護層７が封止膜５を考慮した形成材料で成膜されていれば、例えばメタルスパッタによって行う封止膜５の成膜材料を保護層７上に堆積し易くなるので、この点によっても封止膜５による確実な開口３の封止が実現可能となる。また同時に、不要なエッチングがされ難くなることにも繋がる。
【００２４】
さらに、単層または複層の保護層７が積層されていれば、オーバーエッチング部８の形成、すなわち犠牲層に対するオーバーエッチングを行った後に封止膜５を成膜することが可能となる。オーバーエッチング部８を形成すれば、その形成深さに応じて、図２（ｃ）に示すように、封止膜５を成膜して開口３を封止する際のギャップ高さを制御（コントロール）することが可能となり、中空構造部分２のギャップ高さが大きい場合であっても、確実な開口３の封止が可能となるのである。つまり、中空構造部分２のギャップ高さが大きい場合であっても、オーバーエッチング部８を形成することによって、開口３を封止する際の実質的なギャップ高さを、当該開口３を封止膜５の成膜によって封止し得る大きさにまで小さくすることができる。したがって、中空構造部分２のギャップ高さは機能素子１が実現する機能やデバイス特性等によって決まるが、そのギャップ高さに拘わらずに、確実な開口３の封止を実現することが可能となるのである。
【００２５】
〔機能素子の製造方法の説明〕
次に、以上のように構成された機能素子１の製造方法について説明する。ただし、ここでは、主に、開口３の形成およびその封止の手順について説明する。図３〜４は、本発明に係る機能素子の製造方法の概要を示す説明図である。
【００２６】
開口３の形成は、例えば、半導体シリコン基板１１上に、犠牲層（エッチング層）となるポリシリコン膜１２が積層され、さらに耐エッチング層となるシリコン窒化膜１３が積層された積層体に対して、その開口形成位置に対応するパターニングがされたレジスト膜１４を形成した後に、等方エッチングを用いることで行う。この等方エッチングの際には、四フッ化炭素（ＣＦ4）等のエッチングガス以外に酸素（Ｏ2）を導入することでアッシングを行い、レジスト膜１４を後退させながらエッチングを行う。これにより、シリコン窒化膜１３に対しては、図３（ａ）に示すように、単なる等方エッチングの場合よりも、広い開口角でのエッチングを行うが可能となる。
【００２７】
その後は、反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching；以下「ＲＩＥ」と略す）を行って、図３（ｂ）に示すように、シリコン窒化膜１３における被エッチング箇所の側壁面を逆Ｒ曲面（凹状の円弧を描く曲面）からテーパ状傾斜面（ポリシリコン膜１２側に向かって狭くなるテーパ状の傾斜面）に変化させ、かつ、ポリシリコン膜１２の残り膜厚が、封止可能なギャップ高さに相当する厚さとなるまで、ポリシリコン膜１２を十分にオーバーエッチングする。
【００２８】
テーパ状傾斜面の傾斜角度およびオーバーエッチングの深さは、等方エッチングまたはＲＩＥの際における処理パラメータ（処理時間や処理条件等）を適宜調整することで、所望の角度および深さにコントロールすることが可能である。
【００２９】
ポリシリコン膜１２をオーバーエッチングしたら、その後は、図３（ｃ）に示すように、レジスト膜１４を除去し、保護層となるシリコン酸化膜１５を成膜する。そして、新たなレジスト膜１６を積層し、そのレジスト膜１６に対して開口形成位置に対応するパターニングを行った後にポリシリコン膜１２を除去する、いわゆる犠牲層エッチングを行う。
【００３０】
その後は、レジスト膜１６を除去してから、犠牲層エッチングに利用した開口を封止すべく、図４（ａ）に示すように、蒸着、スパッタまたはＰＥＣＶＤを行って、封止膜１７を成膜する。このとき、開口はテーパ状傾斜面を有していることから、封止膜１７で封止する際のボイド発生を回避し得るようになり、エアパスの残ることがない確実な封止が可能となる。しかも、テーパ状傾斜面の部分に保護層１５が積層されているとともに、その保護層１５がポリシリコン膜１２の封止可能なギャップ高さまでオーバーエッチングされた部分にも積層されているので、開口の確実な封止を可能にしつつ、その封止を中空構造部分のギャップ高さに拘わらずに行えるのである。
【００３１】
ところで、封止膜１７は、開口封止に伴ってその膜厚が厚くならざるを得ないため、図４（ｂ）に示すように、開口封止箇所以外の部分をパターニングにより除去するようにしても構わない。ただし、その場合には、封止膜１７の除去によって下地層との界面が露出し、外気がその界面を伝って中空構造部分のギャップ内に浸入してしまうことも考えられる。このことから、封止膜１７をパターニングにより除去する場合には、可能な限り薄い膜（例えば、シリコン酸化膜１５）を露出する全面に残すか、または封止膜１７のエッチング除去後にカバー層を成膜してオーバーコートすることが望ましい。前者（膜を残す場合）は、封止した膜に厚みの差があっても全面を覆っているため界面は生じないが、残す膜が絶縁膜であることが好ましい。一方、後者（オーバーコートする場合）は、パターニングにより開口近傍のみ封止膜１７を残し、それ以外の場所では封止膜１７が除去されて界面が生じるため、これを別途カバー層で覆うというものである。このときのカバー層は、１００ｎｍ厚以上の絶縁膜であることが好ましい。
【００３２】
以上のような手順で、開口の形成およびその封止を行えば、高温プロセスが不要であり、３００℃以下で製造可能となるため、トランジスタや配線等の形成工程の後であっても、上述した一連の工程を行うことが可能となり、その場合であっても高温プロセスに起因する機能素子の信頼性低下を招いてしまうことがない。
【００３３】
なお、上述した一連の手順では、等方エッチングおよびＲＩＥを利用してテーパ状傾斜面を形成する場合を例に挙げたが、その他にも、ハーフトーンマスクや三次元リソグラフィ等によってレジスト膜の開口壁を予めテーパ形状にしておき、そのレジスト膜とのエッチング速度比を適宜設定することにより、テーパ状傾斜面を形成することが考えられる。さらに、等方エッチングを行わず、ＲＩＥだけで開口する場合であっても、副生成物を側壁に成膜しながらエッチングを進めることで、テーパ状傾斜面を形成することが可能である。
【００３４】
また、上述した一連の手順では、シリコン窒化膜１３に開口を形成する際にテーパエッチングを行う場合を例に挙げたが、保護層となるシリコン酸化膜１５に犠牲層エッチングのための開口を形成する場合についても、そのシリコン酸化膜１５の膜厚が厚ければ、テーパエッチングによるテーパ状傾斜面を形成することで、封止膜１７による封止が容易かつ確実なものとなる。
【００３５】
〔流体吐出ヘッドおよび印刷装置の説明〕
次に、以上のような機能素子１を用いて構成された流体吐出ヘッドおよび印刷装置について説明する。
【００３６】
先ず、印刷装置について説明する。印刷装置としては、その一例として、インクジェットプリンタ装置が知られている。図５は、インクジェットプリンタ装置の概要を示す説明図である。インクジェットプリンタ装置は、インクを細かい粒状にして用紙に吐出することで、写真画質の印刷物を高速で印刷出力するものである。このようなインクジェットプリンタ装置には、大別すると、シリアルヘッド方式のものと、ラインヘッド方式のものとがある。
【００３７】
シリアルヘッド方式のものでは、図５（ａ）に示すように、印刷対象物である用紙２１をその主走査方向に送るローラ２２と、その用紙２１の副走査方向に移動可能なキャリッジ２３に搭載されたインクジェットヘッド２４とを備えている。そして、用紙２１およびキャリッジ２３を移動させつつ、インクジェットヘッド２４が用紙２１にインクを吐出することで、印刷出力を行うようになっている。
一方、ラインヘッド方式のものでは、図５（ｂ）に示すように、用紙２１をその主走査方向に送るローラ２２と、その用紙２１の副走査方向に沿ってインクの吐出口がライン状に配されたインクジェットヘッド２５とを備えている。そして、用紙２１を移動させつつ、インクジェットヘッド２５の各吐出口から用紙２１にインクを吐出することで、印刷出力を行うようになっている。
なお、上述したインクジェットプリンタ装置の構成は、印刷装置の一例であり、流体を吐出させるヘッド部と印刷対象物の相対位置を変化させることで印刷を行うことができれば、この構成にはこだわらない。
【００３８】
ところで、インクジェットプリンタ装置に対しては、シリアルヘッドまたはラインヘッドのいずれの方式であっても、さらに高い画質を高速に印刷するというニーズに対応するため、消費電力を増加させず、吐出性能を落とさずに、さらに画素数の高密度化を実現することが求められている。このような要求に応えるべく、インクジェットプリンタ装置の中には、静電ＭＥＭＳ方式によるインクジェットヘッド２４，２５を用いて構成されたものがある。静電ＭＥＭＳ方式によるものでは、インクジェットヘッド２４，２５が、上述したような機能素子を用いて構成されており、その機能素子における振動を圧力印加手段として利用することで、用紙２１へのインクの吐出を行うようになっている。なお、インクジェットプリンタ装置におけるインクジェットヘッド２４，２５以外の構成要素については、公知技術により実現すればよいため、ここではその説明を省略する。
【００３９】
続いて、インクジェットプリンタ装置に用いられるインクジェットヘッド、すなわち上述した機能素子を用いて構成される流体吐出ヘッドの一例であるインクジェットヘッドについて説明する。ただし、ここでは、シリアルヘッド方式とラインヘッド方式との別に関係なく、上述した機能素子を用いて構成された、流体吐出ヘッドとしてのインクジェットヘッドの要部についてのみ説明する。図６〜８は本発明に係る流体吐出ヘッドの要部構成の一例を示す模式図であり、図６はその斜視図、図７はその平面図、図８はその側断面図である。
【００４０】
図６に示すように、ここで説明するインクジェットヘッドは、微小流体駆動部３０と、流体供給部４０とを備えている。微小流体駆動部３０は、静電気力により駆動（振動）される複数の振動板３１を高密度に並列配置してなるものである。一方、流体供給部４０は、各振動板３１上に対応する位置に配され、流体であるインク４１が溜められる圧力室（いわゆるキャビティ）４２と、その圧力室４２を形成するための外壁となる隔壁構体４３と、圧力室４２内のインク４１を外部に吐出するための吐出部（いわゆるノズル）４４と、を備えてなるものである。
【００４１】
また、微小流体駆動部３０は、図７および図８に示すように、基板３２上に、導電性物質薄膜からなる共通の基板側電極３３が形成され、その基板側電極３３の表面に絶縁膜が形成され、この基板側電極３３に対向するように中空構造の空間（以下「中空構造部分」という）３４を挟んで各々独立に駆動される複数の振動板側電極３５および振動板３１が一体かつ並列に配置され、さらに各振動板３１を両持ち梁で支持するように支柱３６が基板３２上に形成されて、構成されたものである。
【００４２】
このうち、基板３２は、例えばシリコン基板３２ａ上にシリコン酸化膜等による絶縁膜３２ｂを形成したものを用いることが考えられるが、その他にも、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）等の半導体基板上に絶縁膜を形成したものや、石英基板を含むガラス基板のように絶縁性を有したものを用いるようにしてもよい。
【００４３】
基板側電極３３は、例えば不純物をドーピングした多結晶シリコン膜で形成することが考えられるが、金属膜（例えばＰｔ、Ｔｉ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ等の蒸着膜）やＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜等で形成されたものであってもよい。また、振動板側電極３５についても同様に、不純物ドープの多結晶シリコン膜、金属膜、ＩＴＯ膜等で形成すればよい。
【００４４】
振動板３１は、絶縁膜で形成されたものであるが、特に高い反発力が得られるシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）で形成するのが好ましい。ただし、振動板３１は、ＳｉＮ膜の上面および下面にシリコン酸化膜が形成されて、実質的にこれらの各膜の積層によって構成される。また、振動板３１は、例えば短冊状に形成され、その両側に長手方向に沿って夫々所定間隔（支柱間ピッチ）を置いて形成された複数の支柱３６によって支持されている。この所定間隔は２μｍ以上、１０μｍ以下が好ましく、５μｍ程度が最適である。そして、並列配置されたうちの隣り合う振動板３１は、支柱３６を介して連続して形成され、かつ、支柱３６も振動板３１と同じ材料で一体に形成されている。したがって、振動板３１と基板側電極３３間の空間を構成する中空構造部分３５は、並列する複数の振動板３１の間で連通していることになり、また密閉空間になるように形成されたものとなる。
【００４５】
また、各振動板３１の支柱３６の近傍、具体的には例えば一つの振動板３１の長手方向に沿う各支柱３６間には、中空構造部分３５を形成するための犠牲層エッチングを行う際に利用する開口３７が形成される。この開口３７は、犠牲層エッチングの後には、封止膜３８によって閉塞される。開口３７の大きさは、小さいほど閉塞し易いことから、□２μｍ以下とすることが考えられるが、犠牲層エッチングがドライエッチングの場合であれば、□０.５μｍでも十分である。
【００４６】
なお、振動板３１には、絶縁膜を介して振動板側電極３５が接合されており、しかもその振動板３１の折曲された下面凹部内に挿入されるように振動板側電極３５が配設されているものとする。また、振動板３１の下方には、当該振動板３１が薄く形成された場合の反発力を高めるべく、支柱（いわゆるアンカー）３６と合わせて、その中央部直下近傍に補助支柱（いわゆるポスト）３９を形成してもよい（例えば、図６参照）。
【００４７】
このような微小流体駆動部３０に対し、振動板３１の支柱３６に対応する位置に隔壁構体４３における隔壁４３ａが形成されるように流体供給部４０が配設されて、インクジェットヘッドが構成されているのである。なお、微小流体駆動部３０上に配設された流体供給部４０の圧力室４２には、その圧力室４２内への被吐出流体４１の供給を行うために、図示せぬ流体供給路が連通しているものとする。
【００４８】
ここで、以上のような構成のインクジェットヘッドにおける処理動作を説明する。インクジェットヘッドでは、微小流体駆動部３０における基板側電極３３と振動板側電極３５との間に所要の電圧を印加すると、図９（ａ）に示すように、各電極間に静電引力が発生して、振動板側電極３５と一体な振動板３１が基板側電極３３の側に撓む。逆に、基板側電極３３と振動板側電極３５との間への電圧印加を開放すると、図９（ｂ）に示すように、振動板３１が静電引力から開放され、自身の復元力により減衰振動する。この振動板３１の上下振動に伴う流体供給部４０における圧力室４２の容積変動で、インクジェットヘッドでは、圧力室４２内の被吐出流体４１がノズル４４から外部に吐出され、また圧力室４２内へ流体供給路を通じて被吐出流体４１が供給されるのである。
【００４９】
このとき、振動板３１が基板側電極３３の側に撓むと、中空構造部分３５が閉空間であるため、その中空構造部分３５内の空気は圧縮されて、振動板３１の撓みを阻害しようとする。ところが、振動板３１が支柱３６、補助支柱３９等による支持構造であれば、隣接する振動板３１の下の中空構造部分３５内に圧縮された空気を逃がすことができ、結果として十分に振動板３１を撓ませることが可能となる。
【００５０】
次に、以上のような構成のインクジェットヘッドの製造方法について説明する。図１０〜１２は、インクジェットヘッドの製造方法の概要を示す説明図である。
【００５１】
インクジェットヘッドの製造、特にその微小流体駆動部３０および流体供給部４０の製造にあたっては、先ず、図１０（ａ）に示すように、基板５１を用意する。基板５１は、既に説明したように、例えばシリコン基板５１ａ上にシリコン酸化膜等による絶縁膜５１ｂを形成したものを用いればよい。
【００５２】
そして、図１０（ｂ）に示すように、その基板５１上に、基板側電極３３となる例えば不純物ドープのポリシリコン膜５２を選択的に形成し、さらにその表面に絶縁膜５３を形成する。この絶縁膜５３は、基板側電極３３の保護膜であり、後述する犠牲層エッチングに際して耐性のある膜により形成する。具体的には、例えば犠牲層エッチングがＳＦ6、ＣＦ4、ＸｅＦ2等のエッチングガスを用いるときはシリコン酸化膜により形成し、またフッ酸によるエッチングガスを用いるときはシリコン窒化膜により形成すればよい。
【００５３】
その後は、図１０（ｃ）に示すように、静電ＭＥＭＳ素子による微小流体駆動部３０を形成すべき領域に、支柱３６、補助支柱３９等による支持箇所を除いて、選択的に犠牲層５４を形成する。犠牲層５４の膜種は、エッチャントにより決まる。なお、支柱３６等の間隔は、既に説明したように、例えば２μｍ以上で１０μｍ以下が好ましく、５μｍ程度が最適である。
【００５４】
そして、図１０（ｄ）〜（ｆ）に示すように、犠牲層５４の上に、選択的に、絶縁膜である例えばシリコン酸化膜５５、振動板側電極３５となる例えば膜厚３００ｎｍ程度のポリシリコン膜５６、絶縁膜である膜厚７０ｎｍ程度のシリコン酸化膜５７、引張り応力を有する例えば減圧ＣＶＤ（成膜温度は７００℃〜９００℃）による膜厚３００ｎｍ程度のシリコン窒化膜５８、および、絶縁保護膜となる例えばＣＶＤによる膜厚７０ｎｍ程度のシリコン酸化膜５９を、順次形成して積層する。なお、シリコン酸化膜５９は省略することも可能である。また、ポリシリコン膜５６は、成膜後に所定不純物をイオン注入しアニールすることで、その抵抗値を下げ、その後にパターニングすることも考えられる。また、ポリシリコン膜５６に代えて、リンドープド・アモルファスシリコンを用いてもよく、その後、シリコン窒化膜５８、シリコン酸化膜５９を形成することも考えられる。
【００５５】
このようにして各膜５５〜５９を積層した積層膜は、その後、図１１（ａ）〜（ｂ）に示すように、流体供給路の側壁に対応する部分が露出（開口）するよう選択的にパターニングされて、開口６１が形成される。この開口６１は、犠牲層エッチングにより犠牲層５４を選択的に除去するためのものである。
【００５６】
ここで、開口６１を形成について詳しく説明する。開口６１の形成にあたっては、先ず、図１１（ａ）のように、等方エッチングを行う。このときに、開口６１の口元の角度が決まるので、等方エッチングは、浅めに行うものとする。そして、図１１（ｂ）に示すように、ＣＦ4、Ｃ4Ｆ8等のガスを用いたＲＩＥにより、開口６１の掘り下げを行う。これにより、開口６１は、略４５°のテーパ状傾斜面を有することになる。その後は、さらに開口６１の掘り下げを行い、その開口６１の封止が可能であり、かつ、犠牲層エッチングの妨げにならないギャップ高さである１００ｎｍ程度の膜厚の犠牲層５４を残すまで、その犠牲層５４に対するオーバーエッチングを行う。
【００５７】
このようにして開口６１を形成したら、次いで、図１１（ｃ）に示すように、その開口６１の側壁保護層としてのシリコン酸化膜６２を、１００nm程度の膜厚でＣＶＤにより成膜する。そして、図１１（ｄ）に示すように、開口６１をパターニングする際に用いた露光用マスクを再度利用し、または当該露光用マスクとは別の露光用マスクを利用して、テーパ状傾斜面を有してすり鉢状に形成された開口６１の穴底に、φ0.5μｍ程度の孔６３をパターニングして形成する。なお、この孔６３は、φ１０μｍ程度でも埋めることは可能であるが、支柱３６等の間隔を考慮するとφ0.5μｍ程度であることが望ましい。
【００５８】
なお、図１１（ａ）〜（ｄ）に示した各工程では、開口６１の形成と合わせて、外部との接続用の電極とのコンタクトホールの形成も同時に行うことも考えられる。そして、この外部との接続用の電極を形成するために、メタルスパッタとパターニングが行われる。このときメタルスパッタは、Ａｌが最適である。
【００５９】
その後は、図１１（ｅ）に示すように、開口６１およびその開口６１に形成された孔６３を利用した犠牲層エッチングを行って、犠牲層５４を選択的に除去する。犠牲層５４がポリシリコン膜からなる場合には、エッチャントにＸｅＦ2、ＳＦ6、ＣＦ4等のガスを用いればよい。また、絶縁膜５３、５５がシリコン窒化膜からなり、犠牲層５４がシリコン酸化膜からなる場合には、エッチャントにフッ酸溶液を用いればよい。このような犠牲層５４の除去により、基板側電極３３と、中空構造部分３４と、振動板側電極３５と、振動板３１とを備えてなる静電ＭＥＭＳ構造の微小流体駆動部３０が形成されるのである。
【００６０】
ただし、犠牲層エッチングを行っただけでは、開口６１および孔６３は、封止されていない。そのため、犠牲層エッチングを行った後は、図１２（ａ）に示すように、まだ開いたままである開口６１および孔６３をメタルスパッタにより封止する。このときのスパッタ材料は、アルミが適している。また、このときの成膜厚さは、１μｍ以下で十分である。そして、メタルスパッタによる成膜結果に対するパターニングを行って、開口６１の部分にのみ残し除去する。これにより、開口６１の部分には、封止膜６４が形成されることになる。また、中空構造部分３４は、真空封止される。これにより、中空構造部分３４の空気の移動による、いわゆるクロストーク、スクイーズドダンプ効果が無視できる。
【００６１】
その後は、封止膜６４と微小流体駆動部３０の最表層のシリコン酸化膜との界面からの外気や流体等の浸入を防止するために、図１２（ｂ）に示すように、カバー層となるプラズマシリコン窒化膜６５を例えば３０ｎｍ以上の膜厚で積層する。なお、カバー層は、プラズマ酸化膜であってもよい。
【００６２】
このようにして微小流体駆動部３０を構成したら、その後は、図１２（ｃ）に示すように、流体供給部４０を構成する隔壁４３ａとなる厚膜ネガレジスト６６を５０μｍ以上の高さに形成し、さらに図１２（ｄ）に示すように、その上にノズル６７ａを有したノズルシート６７を接着する。これにより、微小流体駆動部３０上に流体供給部４０が形成されることになり、その結果、微小流体駆動部３０と流体供給部４０とを備えてなるインクジェットヘッドが構成されることになる。なお、隔壁４３ａは、例えばガラスをエッチングまたはサンドブラストにてパターンニングして接着することによって形成してもよい。また、隔壁４３ａとノズルシート６７とを、例えば樹脂により一体成型で形成することも可能である。
【００６３】
以上のように構成されたインクジェットヘッドおよびそのインクジェットヘッドを用いたインクジェットプリンタ装置によれば、中空構造部分３５を有した機能素子、すなわち振動板３１を静電引力で振動させる機能素子を利用しているため、微小流体であるインク４１を精度良く制御して吐出することが可能になる。さらには、上述したような薄膜形成技術により形成されるため、インク４１に対する駆動力を確保しつつ、高密度化への対応も非常に容易となる。したがって、消費電力を増加させず、吐出性能を落とさずに、画素数の高密度化を実現することが可能となるので、高い画質を高速に印刷するというニーズに十分に対応し得るものとになる。
【００６４】
しかも、上述したインクジェットヘッドおよびインクジェットプリンタ装置では、中空構造部分３５を形成するための開口３７，６１がテーパ状に形成されているため、ボイド発生を回避して確実に開口３７，６１を封止することが可能となる。さらに、開口３７，６１のテーパ状傾斜面に保護層が積層されており、また犠牲層に対するオーバーエッチングが行われていれば、開口３７，６１の封止の確実化を図る上でより一層好適なものとなる。これらのことは、微小流体であるインク４１を取り扱うインクジェットヘッドに適用する場合においても、特に中空構造部分３５内のように、インク４１が侵入すべきでない箇所への当該インク４１の侵入を確実に防止できるようになるため、非常に有効なものとなる。
【００６５】
なお、本実施形態では、流体吐出ヘッドの代表的なものとしてインクジェットヘッドを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。流体吐出ヘッドとしては、インクジェットヘッドの他に、例えば有機ＥＬ等の高分子または低分子有機材料塗布装置、プリント基板配線印刷装置、ハンダバンプ印刷装置、三次元モデリング装置、μＴＡＳ（Micro Total Analysis Systems）として薬液その他の液体をｐｌ（ピコリットル）以下の微小単位にて精度良くコントロールして供給する供給ヘッド、さらには気体を微小量精度良くコントロールして供給する供給ヘッド等が挙げられるが、これらにも全く同様に本発明を適用することが可能である。
このことは、印刷装置についても同様である。すなわち、本発明に係る印刷装置は、流体吐出ヘッドを用いたものであれば、インクジェットプリンタ装置に限定されるものではない。
さらに、流体吐出ヘッドを構成する機能素子についても同様であり、中空構造部分を有したものであれば、本発明を適用することが可能である。このような機能素子としては、流体吐出ヘッドを構成するもの以外にも、例えばＭＥＭＳ、半導体素子、共振器、振動子周波数フィルタ、ＦＢＡＲ、ＳＡＷフィルタ、ジャイロセンサ、液晶素子、有機電界発光素子、抵抗素子、リレー素子、ＬＥＤ、レーザ素子、ＦＥＤ等の光源素子、スピーカ素子、ダイアフラム型センサ（例えば、マイク、圧力センサ）、流路、管、撮像素子、光スイッチ、その他各種センサやリレー等があり、これらのいずれについても本発明を容易に適用することが可能であり、その場合には小型化、低コスト化、高性能化等に貢献することになる。また、これらの機能素子については、中空構造部分が完全に密閉されているものと一部開放されているものとがあるが、いずれのものであっても、本発明を適用することが可能である。
【００６６】
また、本実施形態では、中空構造部分３５が犠牲層エッチングにより形成され、このための開口３７，６１がテーパ状である場合を例に挙げて説明した。ただし、中空構造部分は、必ずしも犠牲層エッチングにより形成されるものに限定されず、例えばシリコン基板上に機能素子を形成し、その機能素子が形成された膜または機能素子の保護膜に開口されたテーパ孔を通してそのシリコン基板をエッチングすることで、そのシリコン基板に中空構造部分を形成し、その後にテーパ孔を封止するといったことも可能である。
このことから、本発明は、例えば流体供給路を形成するための開口に適用することも考えられる。すなわち、図１３に示すように、中空構造部分３５と同様に、流体供給路７１についても、犠牲層もしくはシリコン基板まで到達したスリット状の溝７２からのエッチングにより犠牲層もしくはシリコン基板の一部７１を除去した後に、当該除去に利用した溝７２を封止することで形成されるものであれば、その溝７２をテーパ状に形成することによって確実な封止が可能となるので、基板の貼り合せなどが不要となり、低コストで流体の洩れ防止を可能とした流路が形成できるようになる。このように形成される流体供給路は、流体吐出ヘッドの代表的な例であるインクジェットヘッドについての流体供給路、具体的には図６に示した流体供給部４０への流体４１の供給を行うための流体供給路として用いることができる。
【００６７】
つまり、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明に係る機能素子の概略構成の一例を示す説明図である。
【図２】開口に封止とギャップ高さとの関係の具体例を示す説明図である。
【図３】本発明に係る機能素子の製造方法の概要を示す説明図（その１）である。
【図４】本発明に係る機能素子の製造方法の概要を示す説明図（その２）である。
【図５】インクジェットプリンタ装置の概要を示す説明図である。
【図６】本発明に係る流体吐出ヘッドの要部構成の一例を模式的に示す斜視図である。
【図７】本発明に係る流体吐出ヘッドの要部構成の一例を模式的に示す平面図である。
【図８】本発明に係る流体吐出ヘッドの要部構成の一例を模式的に示す側断面図である。
【図９】本発明に係る流体吐出ヘッドにおける処理動作の概要を模式的に示す説明図である。
【図１０】本発明に係る流体吐出ヘッドの製造方法の概要を示す説明図（その１）である。
【図１１】本発明に係る流体吐出ヘッドの製造方法の概要を示す説明図（その２）である。
【図１２】本発明に係る流体吐出ヘッドの製造方法の概要を示す説明図（その３）である。
【図１３】本発明に係る機能素子の概略構成の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６９】
１…機能素子、２…中空構造部分、３…開口、４…耐エッチング層、５…封止膜、６…カバー層、７…保護層、８…オーバーエッチング部、１１…半導体シリコン基板、１２…ポリシリコン膜、１３…シリコン窒化膜、１４，１６…レジスト膜、１５…シリコン酸化膜、１７…封止膜、２１…用紙、２２…ローラ、２３…キャリッジ、２４，２５…インクジェットヘッド、３０…微小流体駆動部、３１…振動板、３２…基板、３３基板側電極、３４…中空構造部分、３５…振動板側電極、３６…支柱、３７…開口、３８…封止膜、３９…補助支柱（ポスト）、４０…流体供給部、４１…インク、４２…圧力室（キャビティ）、４３…隔壁構体、４３ａ…隔壁、４４…吐出部（ノズル）、５１…基板、５２…ポリシリコン膜、５３…絶縁膜、５４…犠牲層、５５…シリコン酸化膜、５６…ポリシリコン膜、５７…シリコン酸化膜、５８…シリコン窒化膜、５９…シリコン酸化膜、６１…開口、６２…シリコン酸化膜、６３…孔、６４…封止膜、６５…プラズマシリコン窒化膜、６６…厚膜ネガレジスト、６７…ノズルシート、６７ａ…ノズル、７１…流体供給路、７２…開口
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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