(57)【要約】【課題】圧力室の深さなどを小さくしながら、そのために薄い基板を用いても製造プロセスでの破損を抑制して高い製造歩留で量産可能な液体吐出ヘッドの製法を提供する。【解決手段】Ｓｉ基板であるアクチュエータ形成基板１０などにドライエッチングによって溝および穴を形成し、この溝および穴を、圧力室１７などからなる流路とする。この際、流路の、Ｓｉ基板の表面に平行な面内におけるパターンを、角部が丸められているか、或いは鈍角になったパターンとする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ基板にドライエッチングによって溝と穴の少なくとも一方を形成する工程を有する、前記溝と穴の少なくとも一方によって形成された流路を有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
前記流路の、前記Ｓｉ基板の表面に平行な面内におけるパターンを、角部が丸められているか、或いは鈍角になったパターンとすることを特徴とする、液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項２】
前記Ｓｉ基板の、前記流路を形成した部分の残り厚さが１００μｍ以下である、請求項１に記載の、液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項３】
前記流路のパターンにおける角の丸めの半径が５μｍ以上である、請求項１または２に記載の、液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項４】
前記Ｓｉ基板に前記溝と穴の少なくとも一方を形成するためのドライエッチングを、エッチングガスとデポジションガスを同時或いは交互に流して行う、請求項１から３のいずれか１項に記載の、液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項５】
前記Ｓｉ基板としてＳＯＩウェハを用いる、請求項１から４のいずれか１項に記載の、液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の製造方法によって作製された液体吐出ヘッド。
【請求項７】
溝と穴の少なくとも一方が形成されたＳｉ基板を有し、前記溝と穴の少なくとも一方によって液体の流路が形成された液体吐出ヘッドにおいて、
前記流路の、前記Ｓｉ基板の表面に平行な面内におけるパターンが、角部が丸められているか、或いは鈍角になったパターンであることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小液滴を吐出する液体吐出ヘッド、特に、高精細な記録を行うことができるインクジェット記録ヘッド、およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット記録ヘッドの主な製法の１つとして、吐出のための圧力をインクに作用させるための複数の圧力室などを形成した流路形成基板と、インクが吐出される複数のノズル孔などが形成されたノズル基板を貼り合わせる方法を挙げる事ができる。このノズル基板には、場合によっては、圧力室とノズル孔を連通させるノズル連通孔が形成される。
【０００３】
この方法は、ノズル孔やノズル連通孔の加工と、圧力室の加工を別々の基板に対してそれぞれ行った後にこれらの基板を貼り合わせるため、各部材の加工に対する自由度の大きな製法であるということができる。従来、このような積層構造を有するインクジェットヘッドの材料として、種々のセラミックや金属、樹脂などが用いられてきているが、微細かつ高精度な加工に適した材料として、半導体作製用に普及しているＳｉ基板を用いる方法が近年とみに注目を集めている。
【０００４】
このような製法によって作製されるインクジェット記録ヘッドとして、特許文献１には、流路形成基板として面方位が（１１０）であるＳｉ基板を用いたものが記載されている。このインクジェット記録ヘッドでは、Ｓｉのウェット異方性エッチングを利用して圧力室とその他の、基板面に垂直な壁を持った流路されている。この製法では、微細かつ高精度な加工が可能であるが、実際には、異方性エッチングでは、基板面に対して斜めとなる（１１１）面が形成され、得られる流路の形状はＳｉの結晶方位のために自由度を制限される。
【０００５】
また、特許文献２には、圧力室とその他の流路を異方性ドライエッチングにより形成するインクジェットヘッドの製造方法の記載がある。この方法は、フォトリソグラフィ等の手法と併せて用いることにより、微細、高精度、かつ自由度の高い形状で流路を形成することのできる優れた方法と言える。
【０００６】
また、特許文献３には、ＳＯＩ(Silicon On Insulator)ウェハを用いて厚み精度の高い振動板を形成する手法の記載がある。
【特許文献１】特許第３１８６３２１号明細書
【特許文献２】特開平９−２４８９１４号公報
【特許文献３】特開平１０−４４４０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のような方法を組み合わせることにより、高精度な形状を有するインクジェット記録ヘッドの作製が可能となる。しかしながら、インクジェット記録ヘッドに対しては、近年、記録画像の高精細化への要求がますます高まっており、そのために、より微小な液滴を吐出可能とすることが望まれてきている。上述のような方法を用いてインクジェット記録ヘッドを形成する際にも、微小な液滴の吐出のためには、圧力室の深さや、ノズル孔、ノズル連通孔の長さをより小さくする必要があり、そのためには、用いる基板の厚さを薄くする必要がある。こうして基板の厚さを薄くしていくと、強度低下による基板の破損の危険性が高まる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、微小な液滴の吐出に適し、すなわち圧力室の深さなどを小さくしながら、そのために薄い基板を用いても製造プロセスでの破損を抑制して高い製造歩留で量産可能な液体吐出ヘッドの製法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の目的は、Ｓｉ基板にドライエッチングによって溝と穴の少なくとも一方を形成する工程を有する、前記溝と穴の少なくとも一方によって形成された流路を有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、流路の、Ｓｉ基板の表面に平行な面内におけるパターンを、角部が丸められているか、或いは鈍角になったパターンとすることを特徴とする、液体吐出ヘッドの製造方法によって達成される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明においては、液体吐出ヘッドの圧力室や共通液室、ノズル孔やノズル連通孔等の流路の形成をＳｉのドライエッチングの手法を用いて行うため、高い基板面方向寸法精度での加工が可能である。そして、流路の角部を、容易に精度良く丸めが入れられた、或いは鈍角となったパターンとすることができる。それによって、Ｓｉ基板の、流路を形成することによって薄くなった部分の角部への応力集中を緩和し、角部を起点とした破損を抑制して、製造プロセスにおけるＳｉ基板の破損を抑制することができる。このようにして、本発明によれば、圧力室の深さなどを小さくしながら、製造プロセスでの破損を抑制して高い製造歩留で量産可能な液体吐出ヘッドの製法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
本実施形態では、液滴を吐出する液体吐出ヘッドとして、プリンター等に用いられて広く普及しているインクジェット記録ヘッドについて説明する。なお、液体吐出ヘッドは、種々の薬品などを所定の平面パターンで供給する装置などとしても応用されており、本発明は、そのような液体吐出ヘッドにも適用可能である。
【００１３】
本実施形態のインクジェット記録ヘッドを、図１〜３に示す。図１はこのインクジェット記録ヘッドの、内部を透視して示す部分拡大図、図２、図３は図１のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線にそれぞれ沿った部分断面図である。
【００１４】
これらの図に示すように、このインクジェット記録ヘッドは、アクチュエータ形成基板１０とノズル形成基板２０を貼り合せて作製されている。アクチュエータ形成基板１０とノズル形成基板２０は、後述するように、それぞれＳＯＩ(Silicon On Insulator)ウェハ１，２（図７、図１０など参照）を用いて作製され、溝や穴が形成されている。これらの溝や穴によって、インクジェット記録ヘッドには、インクなどの吐出液体（発色調整用の薬品などであってもよいが、以下、単にインクと称する）が通る流路が形成されている。
【００１５】
より具体的には、アクチュエータ形成基板１０には、インクを吐出させるための圧力を発生するアクチュエータとしての複数のピエゾ素子５が形成され、各ピエゾ素子５に対応して圧力室１６が形成されている。ノズル形成基板２０には、インクを吐出するための微小なノズル孔２６、およびノズル孔２６と圧力室１６とを連通させるノズル連通孔２７が各圧力室１６に対応して形成されている。また、ノズル形成基板２０には、複数の圧力室１６と連通する共通液室２８が形成されている。図示していないが、アクチュエータ形成基板１０には、共通液室２８に対応する位置に、インク供給系に接続される供給口が貫通穴として形成されている。
【００１６】
このインクジェット記録ヘッドでは、各ピエゾ素子５を所定のパルス電圧で駆動することによって、対応する圧力室１６内に圧力が発生し、それによって、対応するノズル孔２６からインクが吐出される。インクが吐出された後には、吐出量に見合った量のインクがインク供給系から供給口、共通液室２８を介して、対応する圧力室１６、ノズル連通孔２７、およびノズル孔２６に再充填される。
【００１７】
このようなインクジェット記録ヘッドは、ピエゾ素子５の駆動用電気系およびインク供給系を備えるインクジェット記録装置に搭載される。詳細には示さないが、インクジェット記録装置は、一般に、上記の駆動用電気系やインク供給系の他、被記録媒体とインクジェットヘッドの位置を変化させる、被記録媒体の搬送機構やヘッドの移動機構などを有している。それによって、インクジェット記録装置は、所望の形成画像に応じて、被記録媒体とヘッドの相対位置の調整と、各ノズル孔２６からのインクの吐出とを繰り返して、被記録媒体の、適切な位置にインクを付着させ、画像記録を行う。
【００１８】
次に、本実施形態のインクジェット記録ヘッドの製造方法について、具体的な作製例によって説明する。
【００１９】
アクチュエータ形成基板１０の作製のために、図７に示す、直径が１５０ｍｍΦのＳＯＩウェハ１を用意した。ＳＯＩウェハ１は、図６に示すように、Ｓｉからなる活性層１１および支持層１３と、その間の、ＳｉＯ2からなる埋め込み酸化膜（BOX: Buried Oxide）層１２を有している。各層の厚さは、活性層１１が５μｍ、埋め込み酸化膜層１２が１μｍ、支持層１３が２００μｍである。さらに、ＳＯＩウェハ１の両面には、ＳｉＯ2からなる１μｍの厚さの熱酸化膜１４，１５が形成されている。
【００２０】
このＳＯＩウェハ１の活性層１１側に、スパッタリングによる成膜、焼成、フォトリソグラフィとドライエッチングとによるパターニングの手法を用いて、電極がＴｉとＰｔ、圧電体がＰＺＴからなる多数のピエゾ素子５を形成した。
【００２１】
次に、図４に示すように、今度はＳＯＩウェハ１の支持層１３側に、圧力室１６の形成のためにフォトレジスト３０を塗布し、両面露光機を用いたフォトリソグラフィによってパターニングし、フォトレジストパターンを形成した。フォトレジストパターンは、活性層１１側に形成したピエゾ素子５に対応する位置に、圧力室１６の平面パターンに対応する形状の、幅約１００μｍ、長さ約５ｍｍの開口部３１をそれぞれ有している。開口部３１は、幅が狭くなった部分を共通液室２８側に有しており、ここに生じる各角部には、Ｒ＝５μｍの丸め３１ａが入れてある。開口部３１の、共通液室とは反対側の端部３１ｂは半円形状になっている。
【００２２】
次いで、一般的なリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）の手法を用い、前記のフォトレジストパターンをエッチングマスクとして熱酸化膜１５のエッチングを実施し、圧力室１６に対応する平面パターン部分の熱酸化膜を除去した。
【００２３】
さらに今度は、上記のようにパターニングされたフォトレジスト３０と熱酸化膜１５をエッチングマスクとし、支持層１３の、露出した部分を、埋め込み酸化膜層１２に到達するまでＳＯＩウェハ１の表面に実質的に垂直にエッチングした。このエッチングには、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）を用いたＲＩＥ装置を用い、エッチングガスとしてＳＦ6、側壁を保護するためのデポジションガスとしてＣ4Ｆ8を交互に用いる、いわゆるボッシュプロセスと呼ばれるＳｉ深掘りエッチング手法を用いた。エッチングガスとデポジションガスは同時に流してもよい。この際、支持層１３を構成するＳｉと埋め込み酸化膜層１２を構成する熱酸化膜（ＳｉＯ2）とでは、エッチング選択比が非常に大きいため、埋め込み酸化膜層１２は良好なエッチングストップ層になる。
【００２４】
このようにして、幅約１００μｍ、深さ約２００μｍ、長さ約５ｍｍであり、かつその角部にＲ＝約５μｍの丸めのある圧力室１６を多数形成した。図５には、この時のＳＯＩウェハ１の部分平面図、図６には、部分断面図を示す。図６から分かるように、圧力室１６の、ピエゾ素子５が形成された、ＳＯＩウェハ１の表面に平行な壁は、活性層１１、熱酸化膜４、および埋め込み酸化膜層１２からなる薄膜となっており、ピエゾ素子５によって駆動される振動板として機能する。このようにして、たわみモードのピエゾアクチュエータが形成されている。
【００２５】
この際、圧力室１６の、ＳＯＩウェハ１の表面に平行な壁、すなわちＳＯＩウェハ１の、圧力室１６部分の残り厚さは、活性層１１、熱酸化膜１４、および埋め込み酸化膜層１２だけで非常に薄く（ここでは７μｍ程度）、強度的に弱い部分となる。また、圧力室１６の角部は、ＳＯＩウェハ１のハンドリングの際、その部分に応力集中が生じやすい。これに対して、本実施形態では、角部を丸めており、それによって応力集中を緩和し、ひいては、角部を起点としたＳＯＩウェハ１の割れを抑制することができる。また、本作製例では、フォトリソグラフィを利用することによって、露光マスクパターンの角に容易に精度よく丸めを入れることができ、角部に丸めのある圧力室１６を容易に精度よく得ることができる。この際、丸めの半径は、割れの抑制のため、５μｍ以上とするのが好ましい。
【００２６】
本作製例では、前記の寸法の圧力室１６と、それに対応した、反対面のピエゾ素子５を約１７０μｍピッチで１５０個配置したものを１単位とし、それを１０ｍｍ×３５ｍｍの矩形部分に配置したものを１チップとした。そして、そのチップを、図７に示すように、１つのＳＯＩウェハ１内に２８個配置した。また、詳細には説明しないが、ＳＯＩウェハ１の両側からのフォトリソグラフィとエッチングにより、１チップあたり１つずつ、インクの供給口となる８００μｍΦの貫通穴も形成した。
【００２７】
次に、ノズル形成基板２０の作製のために、図１０に示す、別のＳＯＩウェハ２を用意した。ＳＯＩウェハ２は、直径が１５０ｍｍΦ、活性層２１の厚さが５０μｍ、埋め込み酸化膜層２２の厚さが１μｍ、支持層２３の厚さが１５０μｍであり、さらに両面に熱酸化膜２４，２５を１μｍ形成されている（図９参照）。
【００２８】
そして最初に、このＳＯＩウェハ２の片側にフォトリソグラフィにより３０μｍΦのノズル孔２６のパターンのフォトレジスト像を形成し、それをエッチングマスクとしてＲＩＥの手法により表面の熱酸化膜２４のエッチングを行った。
【００２９】
次いで、ＳＯＩウェハ２の反対面に、両面露光機を用いたフォトリソグラフィによりノズル連通孔２７と共通液室２８のパターンのフォトレジスト像を形成し、同様にＲＩＥの手法により熱酸化膜のエッチングを実施した。この時、露光マスクの、ノズル連通孔２７に対応するパターンは、ノズル孔２６のパターンと対応する位置の、Φ７０μｍの円形とした。共通液室２７に対応するパターン（図８の、フォトレジスト４０の開口部４１参照）は、両端部が半円形に丸められ、角となる部分の無いパターンとした。
【００３０】
続いて、まず、ノズル孔２６のパターンが形成された面に対し、前記のレジストと熱酸化膜２４のパターンをエッチングマスクとして埋め込み酸化膜層２２に至るまでエッチングを行った。それによって、直径が約３０μｍ、深さが約５０μｍの円柱形のノズル孔２６を形成した。次いで、ＳＯＩウェハ２を反転させ、今度はノズル連通孔２７と共通液室２８のパターンが形成された面に、同様にエッチングを実施した。それによって、直径７０μｍ、深さが１５０μｍの円柱形のノズル連通孔２７、および、幅が１ｍｍ、長さが約３０ｍｍ、深さが１５０μｍの共通液室２８を形成した。これらのエッチングには、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用いた、ボッシュプロセスと呼ばれるＳｉ深掘りエッチングの手法を用いた。この時のノズル形成基板２０の部分断面図を図９に示す。
【００３１】
この際、ＳＯＩウェハ２の、共通液室２８部分の残り厚さは約５０μｍと薄くなっている。さらに、共通液室２８は、複数の圧力室１６に連通する部分であることから比較的長く、図１０に示されるように、この薄い部分がＳＯＩウェハ２の全幅に対して大きな割合を占めている。これらのことから、共通液室２８が形成された後のＳＯＩウェハ２では、応力が加わると、共通液室２８部分に応力が集中しやすい。これに対して、本実施形態では、前述のように、共通液室２８を、丸められて角となる部分の無いパターンとしていることによって、応力集中を緩和し、ＳＯＩウェハ２の破損を抑制することができる。そして、アクチュエータ形成基板１０の時と同様に、本作製例では、露光用マスクのパターンを丸めることにより、実際の共通液室２８のパターンに容易に精度よく丸めを入れることができる。
【００３２】
その後の工程では、ＳＯＩウェハ２のレジストをアッシングにより除去した後、ＳＯＩウェハ２全体をフッ酸に浸漬してノズル連通孔２７とノズル孔２６の間に残る埋め込み酸化膜層２２を除去した。それによって、ノズル連通孔２７とノズル孔２６が貫通し、ノズル形成基板２０が完成する。
【００３３】
次に、先に用意したＳＯＩウェハ１の、圧力室１６側の面と、ＳＯＩウェハ２の、ノズル連通孔２７および共通液室２８側の面とに、それぞれスパッタリングにより３０ｎｍのＴｉ膜と５００ｎｍのＡｕ膜を連続成膜した。そして、ＳＯＩウェハ１と２の、Ａｕを成膜した面を向かい合わせ、圧力室１６とノズル連通孔２７が所望の位置関係になるようアライメントしてから圧接し、３００℃の温度と４ＭＰａの圧力をかけてＡｕ−Ａｕ接合を行った。
【００３４】
次いで、ＳＯＩウェハ１と２を接合したものをダイシングしてチップ化し、インクジェット記録ヘッドを得た。このインクジェット記録ヘッドの製法では、Ｓｉのドライエッチングの手法を用いることによって、ＳＯＩウェハ１，２の表面に平行な方向の精度の高い加工が可能である。すなわち、圧力室１６、ノズル孔２６、ノズル連通孔２７、および共通液室２８を精度良く所望の平面パターンに形成することができる。さらに、ＳＯＩウェハ１，２を用いることによって、振動板の厚さ、圧力室１６の深さ（高さ）、ノズル孔２６やノズル連通孔２７の長さ、共通液室２８の深さ（高さ）等、ＳＯＩウェハ１，２の厚み方向でも高い精度での加工が可能である。これらのことから、本作製例のインクジェット記録ヘッドによれば、大きさが例えば数ｎｇ程度の微小液滴を安定して再現性（ノズル毎、吐出毎）良く吐出することができる。それによって、高精細な記録が可能である。
【００３５】
本作製例に基づいて、それぞれ１０枚ずつのＳＯＩウェハ１，２にアクチュエータ形成基板１０とノズル形成基板２０を作り込み、接合、ダイシングを経てインクジェット記録ヘッドを作製した所、割れが発生することは無かった。
【００３６】
なお、本実施形態では、圧力室１６および共通液室２８の形成パターンとして、角部に丸めを入れたパターンについて説明した。しかし、例えば、側壁が直角に交わる角部を、各側壁に対して斜めに延びる辺を有するパターンとして、角部を鈍角とすることによっても、応力集中を緩和し、割れを抑制する効果が得られる。また、本実施形態における割れの抑制効果は、特に、ＳＯＩウェハの残り厚さが１００μｍ以下と薄くなる場合において、有効に発揮される。
【００３７】
（比較例）
圧力室４２を形成するために用いる露光マスクパターン４３の開口部４３aに丸めを入れず、圧力室４２が実質的に直角の角を持つようなパターン（先端半径０．１５μｍ以下、図１１）としたマスクを用いた。さらに、共通液室５２用の露光マスクパターン５３の開口部５３ａに角を持たせた（先端半径０．１５μｍ以下、図１２）。それ以外は、上記の本発明に基づく作製例と同様にしてＳＯＩウェハ４０，５０にアクチュエータ形成基板４１とノズル形成基板５１をそれぞれ作り込んだものをそれぞれ１０枚ずつ作製した。その結果、ＳＯＩウェハ４０，５０の接合までに、アクチュエータ形成基板４１を作り込んだＳＯＩウェハ４０では２枚、ノズル形成基板５１を作り込んだＳＯＩウェハ５０では４枚が破損してしまった。この際、アクチュエータ形成基板４１を作りこんだＳＯＩウェハ４０では、図１３に示すように、圧力室４２の、端部に直角な角部のある長手方向の側壁に沿うような形での割れ４５が見られた。ノズル形成基板５１を作り込んだＳＯＩウェハ５０では、図１４に示すように、共通液室５２の、端部に直角な角部のある長手方向の側壁に沿うような形での割れ５５が見られた
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態のインクジェット記録ヘッドの、内部を透視して示す部分平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った断面図。
【図３】図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図。
【図４】本発明に基づくインクジェット記録ヘッドの作製例における圧力室形成のためのフォトレジストパターンを示す部分平面図。
【図５】作製例のアクチュエータ形成基板の部分平面図。
【図６】作製例のアクチュエータ形成基板の部分断面図。
【図７】作製例のＳＯＩウェハにおけるアクチュエータ形成基板の形成パターンを示す平面図。
【図８】作製例における共通液室形成のためのフォトレジストパターンを示す部分平面図。
【図９】作製例のノズル形成基板の部分断面図。
【図１０】作製例のＳＯＩウェハにおけるノズル形成基板の形成パターンを示す平面図であり、共通液室の配置を併せて示す図。
【図１１】比較例における圧力室形成のためのフォトレジストパターンを示す部分平面図。
【図１２】比較例における共通液室形成のためのフォトレジストパターンを示す部分平面図。
【図１３】比較例におけるアクチュエータ形成基板を作り込んだＳＯＩウェハの破損状態の例を示す平面図。
【図１４】比較例におけるノズル形成基板を作り込んだＳＯＩウェハの破損状態の例を示す平面図。
【符号の説明】
【００３９】
１０    アクチュエータ形成基板（Ｓｉ基板）
１６    圧力室（流路の構成要素）
２０    ノズル形成基板（Ｓｉ基板）
２６    ノズル孔（流路の構成要素）
２７    ノズル連通孔（流路の構成要素）
２８    共通液室（流路の構成要素）
【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】
2008087371.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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