(57)【要約】【課題】  個別液室として液体の粘性抵抗を排除する為に必要な容積を確保しつつ、振動板の変位に対して充分な剛性を得る個別液室の形状を構成する液体吐出ヘッドを提供する。【解決手段】  吐出口に連通する個別液室と、該個別液室に対応して設けられた振動板と、液体を吐出する圧力を発生する圧電体素子と、を有し、前記個別液室内の液体を前記吐出口から吐出する液体吐出ヘッドであって、前記個別液室の断面形状において、前記個別液室の側壁は、前記振動板側から離れる方向に向かって、前記側壁の傾きが漸減するような曲率を持つことを特徴とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吐出口に連通する個別液室と、該個別液室に対応して設けられた振動板と、液体を吐出する圧力を発生する圧電体素子と、を有し、前記個別液室内の液体を前記吐出口から吐出する液体吐出ヘッドであって、
前記個別液室の断面形状において、前記個別液室の側壁は、前記振動板側から離れる方向に向かって、前記側壁の傾きが漸減するような曲率を持つことを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記個別液室はＰ＋型の単結晶シリコンで形成されることを特徴とする請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記個別液室の内壁は、高さ１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下、幅１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の凹凸形状を有することを特徴とする請求項２または３に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
請求項１に記載の液体吐出ヘッドの製造方法であって、
前記個別液室となる部分に、多孔度８０％以上９０％以下の多孔質シリコンを陽極化成により形成する工程と、
前記多孔質シリコンを加熱して、多孔質酸化シリコンとする工程と、
前記多孔質酸化シリコン上に前記振動板を形成する工程と、
前記多孔質酸化シリコンを除去して前記個別液室を形成する工程と、
を含むことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は振動板を振動させて発生した圧力により、個別液室内の液体を加圧してノズルから液滴を吐出させる液体吐出ヘッドの高密度化とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上下電極の間にチタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴと記載する）を配置した圧電素子を用いて、振動板に変位を与えインク液滴を吐出させて記録紙等にインク像を形成する液体吐出ヘッドが実用化されている。
【０００３】
特許文献１には、シリコン基板による接着工程の無い一体化構造で，薄膜ＰＺＴを用いた構成が開示されており、リソグラフィ法により精密かつ高密度の液体吐出ヘッドが作成できる。特許文献２には、シリコンウェーハ表面の所望の位置に多孔質シリコン部を形成し、その上層にエピタキシャル成長で振動板を形成後、ウエットエッチで多孔質構造部を除去して個別液室を製造する簡易的な工程が開示されている。
【０００４】
しかしながら、これら方式のヘッドにおいて個別液室を高密度に配置させると、側壁の厚さが充分にとれず剛性が得られない。その為、クロストークが発生し、高解像度の画質形成が達成できないことから、側壁の剛性向上を目指した従来技術がある。特許文献３には、個別液室の側壁間に梁状部を備えており、圧電素子の変位により側壁が歪まないようにしている。同公報では所望部に不純物イオンを添加して梁状部を形成している。また、特許文献４には、個別液室を異方性ウェットエッチングにより露出した単結晶シリコン基板の（１１１）面と振動板の内面とで形成することにより、断面形状として三角形の個別液室を形成して、側壁を台形状にして剛性をあげる例が開示されている。特許文献５には、振動板上に、オリフィスプレートを接着して、ノズルを形成する例が開示されている。
【特許文献１】特許第２９７６４７９号公報
【特許文献２】特開２００６−０６９１５２号公報
【特許文献３】特開平１０−１１９２６７号公報
【特許文献４】特開２００１−３５３８６９号公報
【特許文献５】特開２００１−２０５８０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
課題１：クロストーク対策の従来技術において、個別液室の側壁間に梁状部を配置したものは、振動板で発生した変位を効率良く個別液室の液体に圧力として伝播させることができないという課題があった。また、シリコン面方位に依存したエッチングにより形成した個別液室は、方位面の角度が決定される為、必要な容積を確保しようとすると、高密度化できない課題があった。
【０００６】
課題２：高価なＳＯＩウェーハを用いず、成膜による振動板の形成が可能な多孔質シリコンを用いた製造方法は簡易的であるが、フッ酸による高速除去が可能な多孔質シリコン部を熱酸化した場合は多孔質酸化物が表面から盛り上がってしまう。その為、その後成膜した振動板の性能に悪影響をあたえる課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のヘッドは、吐出口に連通する個別液室と、該個別液室に対応して設けられた振動板と、液体を吐出する圧力を発生する圧電体素子と、を有し、前記個別液室内の液体を前記吐出口から吐出する液体吐出ヘッドであって、前記個別液室の断面形状において、前記個別液室の側壁は、前記振動板側から離れる方向に向かって、前記側壁の傾きが漸減するような曲率を持つことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、個別液室として液体の粘性抵抗を排除する為に必要な容積を確保しつつ、振動板の変位に対して充分な剛性を得る個別液室の形状を構成することが出来る。
【０００９】
また、個別液室に相当する部分の多孔質シリコンの盛り上がりを抑制し、その上に成膜する振動板となる薄膜を精度良く形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（ヘッドの構造）
本実施形態の液体吐出ヘッドの構造を図２の断面図を用いて説明する。個別液室は長穴形状を有している。長穴形状が伸びる方向（長軸方向）とは垂直な方向に、複数の個別液室が並んで形成されている。図２は、長穴形状である個別液室が伸びる方向とは垂直な方向にヘッドを切った断面図である。
【００１１】
１はヘッド基板として、単結晶シリコン基板、２は個別液室、３は個別液室間にある側壁、４は振動板、５は下部電極、６は圧電体、７は上部電極、８は吐出口を示す。図２では、圧電体が形成される面と交わる面に吐出口が形成されるエッジ・シューター型のヘッドを示す。
【００１２】
個別液室を８４μｍピッチ（３００ｄｐｉ密度に相当）で配置した場合を示す。インクの粘性抵抗を考慮して、個別液室の図２における断面寸法は、振動板側の幅で４４μｍ、底辺側の幅で４μｍ、深さ３０μｍまでを曲線で結んだ船底形状をしている。個別液室の断面積として約１０２０μｍ２を持っている。この時、隣接した振動板の間隔は４０μｍとなる。このように、個別液室は、前記個別液室内に凹となるよう、前記振動板側から曲率を持って狭まる部分を有する為、下方向（振動板から離れる方向）に向かうに従って側壁の厚みが増すのでクロストークに強い構造となっている。
【００１３】
比較例として単結晶シリコン基板に、異方性エッチングにて（１１１）面による個別液室を作成した場合を図３に示す。この場合、エッチング進行角度が約５４度になり、図２と同じ断面積を有する個別液室の断面寸法は、振動板側の幅が５４μｍ、深さ３８μｍの逆三角形となる。これを図２と同じピッチで配列した場合、隣あう振動板の間隔は３０μｍとなってしまう。このように、比較例では、隣接する個別液室の間隔が近くなり、クロストークの影響を受け易い状態となる。
【００１４】
（ヘッドの製造方法）
本実施形態における個別液室を船底形状にする製法として、陽極化成法があげられる。陽極化成法とは、フッ酸溶液中において陽極にシリコン、陰極に白金を接続して電流を流すと、ホールの供給によりシリコン表面にあるＳｉ−Ｈの結合が弱まり、次に電気陰性度の最も強いＦ−イオンによってＳｉ−Ｈの結合が切られ、最表面にＳｉ−Ｆの結合となる。これが繰り返されＳｉＦ４として溶液中に溶け出すことによりシリコン表面に微細な孔を多数形成できるという技術である。
【００１５】
陽極化成において、化成液を構成しているフッ酸濃度を変化させることで、形成する多孔質シリコンの多孔度（３次元における空隙率）を変化させることができる。図１に示す様に、多孔質の度合いを変えた多孔質シリコンが一部に形成されたシリコンウェーハを９００℃の酸素雰囲気で１時間酸化させる。そして、（酸化前の多孔質シリコン膜厚）÷（酸化後の膜厚）から計測される、多孔質シリコン膜厚の膨張率を計測すると、多孔度が８０％付近の条件から膨張率が概略ゼロとなり、９０％を越えると多孔質部の欠損などの欠陥を発生してしまう。つまり、多孔質シリコン膜厚の膨張率を抑えるには、多孔度が８０％以上９０％以下の範囲が好ましい。陽極化成において多孔度はフッ酸濃度と流す電流密度に依存する。具体的にはフッ酸濃度が低いと多孔度は大きくなり、電流密度を上げても同様に大きくなる。但し、フッ酸濃度１０％未満においては多孔度８０％付近の形成条件を充たす電流密度の設定は極めて狭くて困難となる。また、フッ酸濃度３０％を越える濃度においては膨大な電流密度を必要とする為、実用的な範囲としてはフッ酸濃度１０％以上３０％以下の範囲が望ましい。
【００１６】
これにより、本実施形態では、Ｐ＋シリコンウェーハを用いて、個別液室に相当する部分の多孔質シリコンを多孔度８０％以上９０％以下で形成してから熱酸化する。これにより、ウェーハ表面からの多孔質シリコンの盛り上がりを抑制し、その上に成膜する振動板となる薄膜を精度良く形成することができる。そして、多孔質部を除去することで曲率を持った側壁で構成された個別液室と圧電素子の変位を効率良く伝播する振動板を製造することができる。曲率を持った側壁とは、個別液室の断面形状において、個別液室の側壁が、振動板側から離れる方向に向かって、側壁の傾きが漸減するような曲率を持つことである。
【００１７】
また、本実施形態においては化成マスク材の選択により、個別液室の側壁の曲率を可変できる。化成液の耐フッ酸性により、マスク直下の拡がりが決定されるので本実施形態では深さ方向に対する横拡がりの比率が約０．７を採る窒化シリコン材が適していた。他の材料でも窒化シリコン材と同じか、それ以上の耐フッ酸性を持つものもあるが、金属系材料においてはシリコン基板との密着性に問題があり、この点を改善すれば使用は可能である。
【００１８】
（実施例１）
以下に本実施形態の液吐出ヘッドの製造方法を説明する。本実施形態の主要工程は図４と図５に示すように、「化成マスクの形成工程」、「陽極化成を行なう工程」、「振動板を形成する工程」、「圧電体を形成する工程」、「吐出口を形成する工程」、「多孔質部をエッチングする工程」を含む。更に各々の工程を詳細に説明して行く。
【００１９】
１．化成マスクの形成工程（図４−ａ）
ヘッド基板として、両面研磨処理された厚さ６２５μｍ、比抵抗１５ｍΩ・ｃｍのＰ＋シリコン単結晶基板１を用意する。ヘッド基板１上に、耐フッ酸性のあるマスク材料として、４００ｎｍ厚の窒化シリコン９を、プラズマＣＶＤで成膜する。次に、フォトリソグラフィにより開口幅４μｍのパターンを、個別液室を配置するピッチ（８４μｍピッチで３００本）で、形成し、窒化シリコン膜９を除去する。次の工程において、この窒化シリコン膜の除去された部分から、ポーラスシリコンを形成する。尚、窒化シリコン９の成膜方法については、スパッタや低圧ＣＶＤなどの手段もあり、更に成膜後アニール処理を行う事で耐フッ酸性を向上させる事ができる。
【００２０】
２．陽極化成を行なう工程（図４−ｂ）
次に、多孔質酸化シリコン層の形成を説明をする。陽極化成法によりシリコン単結晶基板１の流路となる部分をポーラス化させる。化成液としてフッ酸１５％とイソプロピルアルコール８％との水溶液中に化成マスクを形成したシリコン単結晶基板１を設置する。基板１の両側にプラチナ電極を対向配置して、多孔質シリコンを形成する面が陰極になるよう、プラチナ電極間に電流密度８０ｍＡ／ｃｍ２で１５分間通電する。これにより化成マスクの開口部から、シリコンが陽極化成され、シリコン単結晶基板の表面から多孔質シリコンが形成される。陽極化成は略等方的に進行する為、最終的に形成された多孔質シリコンの形状は、開口部を中心として船底のような断面形状になる。多孔度８５％の多孔質シリコン１０は、開口部から深さ方向に最深３０μｍ、開口部の両脇からそれぞれ２０μｍの幅に形成される。個別液室が伸びる方向に垂直な断面で見た場合、個別液室の側壁は、深さ方向に曲率を持ちながら３０μｍの深さでは拡がりがゼロになるように形成される。その後、シリコン基板を純水で充分に洗浄、乾燥してから、６００℃の炉に酸素ガスを５リットル／分の分量を流しながら９００℃まで３０分で昇温させる、これを１時間保持した後に４００℃まで６０分で降温して多孔質シリコン１０の酸化を終了させる。
【００２１】
３．振動板を形成する工程（図４−ｃ）
化成マスク９を除去した後、多孔質酸化シリコン１１上に、振動板４となる、ポリシリコン１２を、低圧ＣＶＤ（化学気相成長法：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により３μｍ厚で成膜する。振動板の材料としては、酸化シリコン、窒化シリコンなどの絶縁材や、Ｃｒなどの金属材などをスパッタリングして形成してもよい。
【００２２】
４．圧電体を形成する工程（図４−ｄ）
振動板上に、スパッタにてＴｉを５０ｎｍ、Ｐｔを３００ｎｍ成膜し、フォトリソグラフィを用いたパターニング加工により共通下電極５を形成する。次に下部電極上にＰＺＴをスパッタにて３μｍ厚で成膜する。このＰＺＴを、フォトリソグラフィにて、個別液室２の幅以内に形成し、圧電体６とする。圧電体６上に、下電極５と同様に、スパッタとフォトリソグラフィにより上電極７を形成する。
【００２３】
５．吐出口を形成する工程（図５−ａ）
図４に対して垂直方向に基板を切った断面図を図５に示す。
液体を吐出する吐出口８を形成する為に、吐出口に対応する箇所に、波長２６６ｎｍでＱスイッチ周波数１５ｋＨｚのレーザー光を１００ｍＷの出力で照射する。吐出口の直径は３０μｍである。図５においては、単結晶シリコン基板１の側面（圧電体が形成される面と垂直な面）に対してレーザー照射して吐出口を形成した。本実施例では、エッジ・シューター型としたが、裏面（圧電体が形成される面と逆方向）に吐出口が形成される、サイド・シューター型ヘッドでもいい。また、吐出口の形成には、レーザー照射に限らず、ＩＣＰエッチングでも可能である。更に、吐出口形成工程にて、次工程で説明を行う、エッチング液を供給する孔を同時に形成してもよい。
６．多孔質部をエッチングする工程（図５−ｂ）
前工程にて形成した吐出口８から１０％フッ酸水溶液を浸透させて、多孔質酸化シリコンをエッチング除去し、吐出口８に繋がる個別液室２を形成する。
【００２４】
以上により製造された本実施形態の液体吐出ヘッドを駆動する為、フレキ実装を行って吐出テストを行ったところ、３０Ｖパルス印加で１５ＫＨｚの吐出周波数においても隣接したノズルの吐出は安定化しており、高密度ノズルヘッドとして問題なかった。
【００２５】
また、本実施形態において形成された個別液室内のＳＥＭ写真を図６に示す。（ａ）は３０００倍での写真、（ｂ）は６００００倍での写真である。図６に示す様に、個別液室内には、多孔質酸化シリコンのエッチングで形成された、深さ１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下、幅１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の凹部が多数形成される。これにより、個別液室内の壁は、微細な凹凸形状となり、表面積が増大されてインクとの濡れ性が向上し、気泡の付着を防止することが出来る。
【００２６】
（実施例２）
本実施例では、振動板上に吐出口を一体形成したヘッドを説明する。実施例１と同様の部分の説明は省略する。実施例１と同様の方法で、圧電体の形成までを行なう。その後、個別液室の端に対応する部分で圧電体を形成していない部分に、吐出口へ連通する連通部１４を形成する。連通部１４は、ＩＣＰまたはエッチングによって、振動板４を貫通して形成する（図７−ａ）。本実施例では、吐出口の直径は３０μｍで、連通部１４もそれに対応して形成される。振動板４の下面は、多孔質酸化シリコン１１なので、連通部１４を形成する為のＩＣＰやエッチングは多孔質酸化シリコン１１で停止し、精度良く貫通させることができる。
【００２７】
次に吐出口（ノズル）を振動板上に形成する。従来の吐出口は、薄膜で脆弱な振動板上にオリフィスプレートを高精度に接合する必要があった為、製造が困難であった。一方、本実施例では、吐出口を振動板上に一体形成するため、薄膜で脆弱な振動板上であっても、容易に、かつ、高精度に吐出口を製造することが可能である。また、吐出口の長さ（深さ）も容易に設計変更可能である。吐出口はメッキまたは樹脂によって形成することができる。ただし、吐出口を構成する材料は、多孔質酸化シリコン１１のエッチングに耐性があることが必要である。
【００２８】
（実施例２−１：メッキによる吐出口の形成）
吐出口をＮｉを用いて形成する。まず、連通部が形成された振動板４上に、吐出口形成部材が設けられる部分に対応して、シード層２１を成膜し、パターニングした。シード層２１はＰｔ／Ｔｉを用いた（図７−ｂ）。次に、連通部１４上に、吐出口となる型（吐出口の型）２２をレジストで形成する（図７−ｃ）。連通部１４の下に多孔質酸化シリコン層１１が存在するため、レジストにより吐出口の型２２を形成できる。このレジストによる吐出口の型２２により、電解メッキで精度良く吐出口形成部材２３（オリフィスプレート）を形成することが可能になる。最後にＮｉを電流密度１Ａ／ｄｍ２で、２９５分電解メッキし、吐出口の長さが５０μｍのＮｉからなる吐出口形成部材２３を得た（図７−ｄ）。その後、吐出口の型２２を除去した（図７−ｅ）。これにより、標準偏差で１０％の精度でＮｉ吐出口２３を形成できた。吐出口の形成後、実施例１と同様に多孔質部のエッチングを行い、個別液室２を形成した。
【００２９】
（実施例２−２：樹脂による吐出口の形成）
実施例２−１ではメッキによる吐出口の形成を示したが、本実施例では、樹脂による吐出口の形成の例を示す。図７−ｆに、スピンコートあるいはロールコート等の塗布手段を用いて、５０μｍの厚みの樹脂層からなる吐出口を、形成する例を示す。連通部１４の下の多孔質酸化シリコン層１１は、厚みの精度良く樹脂層を形成する効果がある。
【００３０】
連通部が形成された振動板４上に、吐出口形成部材が設けられる部分に対応して、フォトリソグラフィによって、吐出口形成部材である樹脂層を形成して吐出口を形成した（図７−ｆ）。この際、樹脂は、感光性樹脂として、エポキシ樹脂であるＥＨＰＥ−３１５０（ダイセル化学工業（株）社製）脂環式エポキシ樹脂）を用いた。混合触媒として、熱硬化性のカチオン重合触媒である４、４’−ジ−ｔ−ブチルジフェニルヨードニウムヘキサフルオロアンチモネート／銅トリフラートを用いた。エポキシ樹脂は、インクジェットヘッドの構造物として十分な機械的強度、基板に対する密着性、耐インク性を有している。
【００３１】
また、樹脂層を形成後、耐ドライエッチング層を用いてドライエッチングによって樹脂層に吐出口を形成することもできる。樹脂層上に、シリコン含有ポジ型レジストＦＨ−ＳＰ（富士ハント（株）社製）を耐ドライエッチング層として、塗布し、フォトリソグラフィでパターニングして、吐出口を開口させた。その後、酸素プラズマエッチングで、吐出口の樹脂をエッチングする。
【００３２】
吐出口の形成後、実施例１と同様に多孔質部のエッチングを行い、個別液室２を形成した。
【００３３】
上述したように、成膜プロセスによる薄膜の振動板が可能なことから、本実施形態の液体吐出ヘッドは低電圧駆動ができる。さらに、コスト面においても高価なＳＯＩウェーハを必要とせず、フッ酸による高選択比と高速エッチングによる工程時間の短縮化が可能であり、安価で高性能な液体吐出ヘッドが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】多孔質シリコンの多孔度と熱酸化後の盛り上がり量を示したグラフ
【図２】本発明に適用可能な液吐出ヘッドの断面図
【図３】従来例として異方性エッチングで作成した液吐出ヘッドの断面図
【図４】本発明に適用可能なの液体吐出ヘッドの製造工程を示す模式図（ａ）化成マスクの形成工程、（ｂ）多孔質シリコンの形成工程、（ｃ）振動板の形成工程、（ｄ）圧電体の形成工程
【図５】図４と垂直な面で切断した断面図（ａ）吐出口の形成、（ｂ）多孔質部のエッチング
【図６】本発明に適用可能な個別液室の内壁面を観察したＳＥＭ像（ａ）３０００倍での観察、（ｂ）６００００倍での観察
【図７】振動板上への吐出口の形成工程（ａ）吐出口への連通部の形成、（ｂ）メッキのシード層形成、（ｃ）メッキの型形成、（ｄ）メッキの吐出口形成、（ｅ）メッキの型の除去、（ｆ）樹脂の吐出口形成
【符号の説明】
【００３５】
１  単結晶シリコン基板
２  個別液室
３  側壁
４  振動板
５  下電極
６  圧電体
７  上電極
８  吐出口
９  窒化シリコン
１０  多孔質シリコン
１１  多孔質酸化シリコン
１２  ポリシリコン
１４  吐出口への連通部
【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】
2008155472.tif 000007
【図６】
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【図７】
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