(57)【要約】【課題】圧電素子と圧力発生室との相対的な位置を高精度に位置決めして両者を比較的容易に形成することができると共に液体吐出特性を向上させることができる液体噴射ヘッドの製造方法を提供する。【解決手段】単結晶シリコンからなり複数の流路形成基板１０となるシリコン層を少なくとも含む流路形成基板用ウェハ１１０のシリコン層を貫通する位置決め孔１３０を異方性エッチングにより形成する工程と、位置決め孔１３０のシリコン層の一方面側の開口１３０ａの位置を基準として位置決めした位置に振動板を介して圧電素子３００を形成する工程と、位置決め孔１３０のシリコン層の他方面側の開口１３０ｂの位置を基準として位置決めした位置に異方性エッチングにより圧力発生室を形成する工程とを行うことにより、圧電素子３００と圧力発生室との相対的な位置を高精度に位置決めして両者を比較的容易に形成することができる。【選択図】　　　図７
2004066537.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を吐出するノズル開口に連通する圧力発生室が画成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドの製造方法において、
単結晶シリコンからなり複数の流路形成基板となるシリコン層を少なくとも含む流路形成基板用ウェハの当該シリコン層を貫通する位置決め孔を異方性エッチングにより形成する工程と、該位置決め孔の前記シリコン層の一方面側の開口位置を基準として位置決めした位置に前記振動板を介して前記圧電素子を形成する工程と、前記位置決め孔の前記シリコン層の他方面側の開口位置を基準として位置決めした位置に異方性エッチングにより前記圧力発生室を形成する工程とを有することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項２】
請求項１において、前記位置決め孔を前記シリコン層の何れか一方面から他方面側に向かって当該シリコン層を異方性エッチングにより貫通して形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記位置決め孔を前記シリコン層の前記流路形成基板となる領域以外に形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかにおいて、前記位置決め孔を形成する工程は、前記流路形成基板用ウェハを熱酸化してその表面に二酸化シリコン膜を形成する工程と、該二酸化シリコン膜をパターニングして前記位置決め孔が形成される領域に開口部を形成する工程と、該開口部から前記シリコン層を異方性エッチングして前記位置決め孔を形成する工程と、前記二酸化シリコン膜をエッチングにより除去する工程と、前記流路形成基板用ウェハを再度熱酸化することにより前記シリコン層の一方面側に前記振動板を形成する工程とを有することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項５】
請求項１において、前記流路形成基板用ウェハに二酸化シリコンからなる絶縁層の両面に単結晶シリコンからなるシリコン層が設けられたＳＯＩ基板を用いることを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法
【請求項６】
請求項５において、前記位置決め孔を形成する工程は、前記流路形成基板用ウェハを熱酸化してその表面に二酸化シリコン膜を形成する工程と、該二酸化シリコン膜をパターニングして前記絶縁層の一方側のシリコン層の前記位置決め孔が形成される領域に開口部を形成する工程と、該開口部から前記一方側のシリコン層を前記絶縁層に達するまで異方性エッチングして当該一方側のシリコン層に前記位置決め孔を形成する工程と、前記二酸化シリコン膜をエッチングにより除去する工程と、前記流路形成基板用ウェハを再度熱酸化することにより前記一方側のシリコン層上に前記振動板を形成する工程とを有することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項７】
請求項６において、前記圧力発生室を形成する工程の前に、前記流路形成基板用ウェハの前記絶縁層の他方側のシリコン層をエッチングにより除去する工程を有することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項８】
請求項７において、前記圧力発生室を形成する工程では、前記一方側のシリコン層の前記位置決め孔の前記絶縁層側の開口位置を基準として当該絶縁層をパターニングして前記一方側のシリコン層の前記圧力発生室が形成される領域に開口部を形成した後、当該開口部から前記一方側のシリコン層を前記振動板に達するまで異方性エッチングすることにより前記圧力発生室を形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項９】
請求項１〜８の何れかにおいて、前記シリコン層の結晶面方位を（１１０）とすることを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板の表面に圧電素子を形成して、圧電素子の変位によりノズル開口から液滴を噴射させる液体噴射ヘッドの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液体噴射装置としては、例えば、圧電素子や発熱素子によりインク滴吐出のための圧力を発生させる複数の圧力発生室と、各圧力発生室にインクを供給する共通のリザーバと、各圧力発生室に連通するノズル開口とを備えたインクジェット式記録ヘッドを具備するインクジェット式記録装置があり、このインクジェット式記録装置では、印字信号に対応するノズルと連通した圧力発生室内のインクに吐出エネルギを印加してノズル開口からインク滴を吐出させる。
【０００３】
このようなインクジェット式記録ヘッドには、前述したように圧力発生室として圧力発生室内に駆動信号によりジュール熱を発生する抵抗線等の発熱素子を設け、この発熱素子の発生するバブルによってノズル開口からインク滴を吐出させるものと、圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させてノズル開口からインク滴を吐出させる圧電振動式の２種類のものに大別される。
【０００４】
また、圧電振動式のインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子を軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。
【０００５】
前者は圧電素子の端面を振動板に当接させることにより圧力発生室の容積を変化させることができて、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反面、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた圧電素子を圧力発生室に位置決めして固定する作業が必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。
【０００６】
これに対して後者は、圧電材料のグリーンシートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電素子を作り付けることができるものの、たわみ振動を利用する関係上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難であるという問題がある。
【０００７】
一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、特開平５−２８６１３１号公報に見られるように、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが提案されている。
【０００８】
これによれば圧電素子を振動板に貼付ける作業が不要となって、リソグラフィ法という精密で、かつ簡便な手法で圧電素子を作り付けることができるばかりでなく、圧電素子の厚みを薄くできて高速駆動が可能になるという利点がある。
【０００９】
このようなインクジェット式記録ヘッドの製造方法では、一般的に、シリコン単結晶基板の一方面側に振動板を介して圧電素子を形成し、その他方面側の圧電素子に対応する領域を異方性エッチングにより厚さ方向に貫通して圧力発生室を形成している。そして、インク吐出の際には、圧電素子により振動板が変形（変位）して圧力発生室の容積が変化することにより、ノズル開口からインク滴を吐出させるようになっている。
【００１０】
なお、このような構成とすると、振動板の振動領域は、圧力発生室の圧電素子側の幅で実質的に規定されるため、圧電素子と圧力発生室の圧電素子側の開口領域とを高精度に位置決めする必要がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の製造方法では、圧電素子と圧力発生室とを高精度に位置決めするのは、比較的難しいという問題がある。
【００１２】
例えば、シリコン単結晶基板として、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板を用いる場合、その一方面側に予め位置決めマークを形成し、この位置決めマークを基準として圧電素子と圧力発生室とを形成していた。すなわち、位置決めマークを基準として、シリコン単結晶基板の一方面側に振動板を介して圧電素子を形成する。そして、同一の一方面側の位置決めマークを基準として、シリコン単結晶基板の他方面側から異方性エッチングにより圧力発生室を形成する。
【００１３】
このため、圧力発生室の側面を構成するシリコン単結晶基板の（１１１）面がその表面に対して垂直でない場合には、シリコン単結晶基板の一方面側の位置決めマークを基準として圧電素子及び圧力発生室を形成したとしても、圧電素子と圧力発生室の圧電素子側の開口領域との相対的な位置がズレてしまうという問題がある。
【００１４】
そして、圧電素子と圧力発生室の圧電素子側の開口領域との位置がズレてしまうと、例えば、振動板の変位（変形）量を所定量とすることができず、インク吐出特性が低下してしまうという問題もある。
【００１５】
なお、このような問題は、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッドだけでなく、勿論、インク以外の液体を噴射する他の液体噴射ヘッドにおいても、同様に存在する。
【００１６】
本発明は、このような事情に鑑み、圧電素子と圧力発生室との相対的な位置を高精度に位置決めして両者を比較的容易に形成することができると共に液体吐出特性を向上させることができる液体噴射ヘッドの製造方法を提供することを課題とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、液体を吐出するノズル開口に連通する圧力発生室が画成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドの製造方法において、単結晶シリコンからなり複数の流路形成基板となるシリコン層を少なくとも含む流路形成基板用ウェハの当該シリコン層を貫通する位置決め孔を異方性エッチングにより形成する工程と、該位置決め孔の前記シリコン層の一方面側の開口位置を基準として位置決めした位置に前記振動板を介して前記圧電素子を形成する工程と、前記位置決め孔の前記シリコン層の他方面側の開口位置を基準として位置決めした位置に異方性エッチングにより前記圧力発生室を形成する工程とを有することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００１８】
かかる第１の態様では、圧電素子と圧力発生室との相対的な位置を高精度に位置決めして両者を比較的容易に形成することができる。これにより、液体吐出特性を向上させることができる。
【００１９】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記位置決め孔を前記シリコン層の何れか一方面から他方面側に向かって当該シリコン層を異方性エッチングにより貫通して形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００２０】
かかる第２の態様では、圧力発生室と同じようにシリコン層の一方面から他方面側に向かって異方性エッチングによりシリコン層を貫通して位置決め孔を形成し、位置決め孔の各開口の位置を圧電素子と圧力発生室の圧電素子側の開口領域との相対的な位置を高精度に位置決めするための基準とする。
【００２１】
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記位置決め孔を前記シリコン層の前記流路形成基板となる領域以外に形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００２２】
かかる第３の態様では、流路形成基板用ウェハの流路形成基板として使用しない領域を有効活用する。これにより、流路形成基板に位置決め孔を形成するためのスペースを別途確保する必要がないため、液体噴射ヘッドが大型化するのを防止することができる。
【００２３】
本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様において、前記位置決め孔を形成する工程は、前記流路形成基板用ウェハを熱酸化してその表面に二酸化シリコン膜を形成する工程と、該二酸化シリコン膜をパターニングして前記位置決め孔が形成される領域に開口部を形成する工程と、該開口部から前記シリコン層を異方性エッチングして前記位置決め孔を形成する工程と、前記二酸化シリコン膜をエッチングにより除去する工程と、前記流路形成基板用ウェハを再度熱酸化することにより前記シリコン層の一方面側に前記振動板を形成する工程とを有することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００２４】
かかる第４の態様では、流路形成基板用ウェハに位置決め孔を容易且つ高精度に形成でき、且つ振動板を所定の厚さで形成できる。
【００２５】
本発明の第５の態様は、第１の態様において、前記流路形成基板用ウェハに二酸化シリコンからなる絶縁層の両面に単結晶シリコンからなるシリコン層が設けられたＳＯＩ基板を用いることを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００２６】
かかる第５の態様では、流路形成基板用ウェハ全体の製造時の剛性が実質的に高められ、圧電素子と圧力発生室との相対的な位置が高精度に位置決めされた液体噴射ヘッドを比較的容易に製造することができる。
【００２７】
本発明の第６の態様は、第５の態様において、前記位置決め孔を形成する工程は、前記流路形成基板用ウェハを熱酸化してその表面に二酸化シリコン膜を形成する工程と、該二酸化シリコン膜をパターニングして前記絶縁層の一方側のシリコン層の前記位置決め孔が形成される領域に開口部を形成する工程と、該開口部から前記一方側のシリコン層を前記絶縁層に達するまで異方性エッチングして当該一方側のシリコン層に前記位置決め孔を形成する工程と、前記二酸化シリコン膜をエッチングにより除去する工程と、前記流路形成基板用ウェハを再度熱酸化することにより前記一方側のシリコン層上に前記振動板を形成する工程とを有することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００２８】
かかる第６の態様では、流路形成基板用ウェハに位置決め孔を容易且つ高精度に形成でき、且つ振動板を所定の厚さで形成できる。
【００２９】
本発明の第７の態様は、第６の態様において、前記圧力発生室を形成する工程の前に、前記流路形成基板用ウェハの前記絶縁層の他方側のシリコン層をエッチングにより除去する工程を有することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００３０】
かかる第７の態様では、他方側のシリコン層を除去した後、絶縁層を介して位置決め孔の開口位置を認識することにより、圧電素子と圧力発生室との相対的な位置を高精度に位置決めして両者を比較的容易に形成することができる。
【００３１】
本発明の第８の態様は、第７の態様において、前記圧力発生室を形成する工程では、前記一方側のシリコン層の前記位置決め孔の前記絶縁層側の開口位置を基準として当該絶縁層をパターニングして前記一方側のシリコン層の前記圧力発生室が形成される領域に開口部を形成した後、当該開口部から前記一方側のシリコン層を前記振動板に達するまで異方性エッチングすることにより形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００３２】
かかる第８の態様では、圧電素子と圧力発生室との相対的な位置を高精度に位置決めした状態で、圧力発生室を確実に形成することができる。
【００３３】
本発明の第９の態様は、第１〜８の何れかの態様において、前記シリコン層の結晶面方位を（１１０）とすることを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
【００３４】
かかる第９の態様では、高密度に配列した圧力発生室を形成することができる。
【００３５】
【発明の実施形態】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００３６】
図１は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの概略を示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及び断面図である。また、図３は、流路形成基板用ウェハを示す概略斜視図である。さらに、図４は、図２のＡ−Ａ′断面図である。
【００３７】
図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ１〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。
【００３８】
この流路形成基板１０には、シリコン単結晶基板をその一方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が幅方向に並設されている。また、その長手方向外側には、後述する封止基板３０のリザーバ部３２と連通される連通部１３が形成されている。また、この連通部１３は、各圧力発生室１２の長手方向一端部でそれぞれインク供給路１４を介して連通されている。
【００３９】
ここで、異方性エッチングは、シリコン単結晶基板のエッチングレートの違いを利用して行われる。例えば、本実施形態では、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板をＫＯＨ等のアルカリ溶液に浸漬すると、徐々に侵食されて（１１０）面に垂直な第１の（１１１）面と、この第１の（１１１）面と約７０度の角度をなし且つ上記（１１０）面と約３５度の角度をなす第２の（１１１）面とが出現し、（１１０）面のエッチングレートと比較して（１１１）面のエッチングレートが約１／１８０であるという性質を利用して行われる。かかる異方性エッチングにより、二つの第１の（１１１）面と斜めの二つの第２の（１１１）面とで形成される平行四辺形状の深さ加工を基本として精密加工を行うことができ、圧力発生室１２を高密度に配列することができる。
【００４０】
本実施形態では、各圧力発生室１２の長辺を第１の（１１１）面で、短辺を第２の（１１１）面で形成している。この圧力発生室１２は、流路形成基板１０をほぼ貫通して弾性膜５０に達するまでエッチングすることにより形成されている。
【００４１】
ここで、弾性膜５０は、シリコン単結晶基板をエッチングするアルカリ溶液に侵される量がきわめて小さい。また、各圧力発生室１２の一端に連通する各インク供給路１４は、圧力発生室１２より浅く形成されており、圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。すなわち、インク供給路１４は、シリコン単結晶基板を厚さ方向に途中までエッチング（ハーフエッチング）することにより形成されている。なお、ハーフエッチングは、エッチング時間の調整により行われる。
【００４２】
このような圧力発生室１２等が形成される流路形成基板１０の厚さは、圧力発生室１２を配設する密度に合わせて最適な厚さを選択することが好ましい。例えば、１インチ当たり１８０個（１８０ｄｐｉ）程度に圧力発生室１２を配置する場合には、流路形成基板１０の厚さは、１８０〜２８０μｍ程度、より望ましくは、２２０μｍ程度とするのが好適である。また、例えば、３６０ｄｐｉ程度と比較的高密度に圧力発生室１２を配置する場合には、流路形成基板１０の厚さは、１００μｍ以下とするのが好ましい。これは、隣接する圧力発生室１２間の隔壁１１の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。
【００４３】
なお、このような流路形成基板１０は、図３に示すように、シリコン単結晶基板からなる流路形成基板用ウェハ１１０に複数個が一体的に形成される。そして、詳しくは後述するが、流路形成基板用ウェハ１１０と後述する封止基板用ウェハとを接合後、その接合体を所定の大きさに分割する。
【００４４】
また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側で連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。なお、ノズルプレート２０は、厚さが例えば、０．１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば２．５〜４．５［×１０−６／℃］であるガラスセラミックス、又は不錆鋼などからなる。なお、このノズルプレート２０は、一方の面で流路形成基板１０の一面を全面的に覆い、シリコン単結晶基板を衝撃や外力から保護する補強板の役目も果たす。また、ノズルプレート２０は、流路形成基板１０と熱膨張係数が略同一の材料で形成するようにしてもよい。この場合には、流路形成基板１０とノズルプレート２０との熱による変形が略同一となるため、熱硬化性の接着剤等を用いて容易に接合することができる。
【００４５】
一方、流路形成基板１０の開口面とは反対側の弾性膜５０の上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．１μｍの上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０、及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。本実施形態では、下電極膜６０は圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、各圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。
【００４６】
そして、このような構成とすると、振動板の振動領域は、図４に示すように、圧力発生室１２の圧電素子３００側の幅Ｘで実質的に規定される。そして、振動板の変位量や変位特性は、圧電素子３００と振動板の振動領域との相対的な位置により変動するため、圧力発生室１２の開口領域内の所定位置に圧電素子３００を形成する必要があるが、後述する本発明の製造方法によれば、圧電素子３００と圧力発生室１２（振動板の振動領域）とを高精度に位置決めすることが可能となる。
【００４７】
なお、このような各圧電素子３００の上電極膜８０には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０がそれぞれ接続されている。このリード電極９０は、各圧電素子３００の長手方向端部近傍から圧力発生室１２の外側までそれぞれ延設され、例えば、ワイヤボンディング等により図示しない駆動ＩＣ等と接続される。
【００４８】
また、流路形成基板１０の圧電素子３００側には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を確保した状態でその空間を密封可能な圧電素子保持部３１を有する封止基板３０が、例えば、熱硬化性の接着剤等によって接合され、圧電素子３００はこの圧電素子保持部３１内に密封されている。これにより、圧電素子３００は外部環境と遮断されるため、大気中の水分等による圧電素子３００の破壊を防止することができる。
【００４９】
また、封止基板３０には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３２が設けられている。このリザーバ部３２は、本実施形態では、封止基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の並設方向に亘って形成されており、上述したように流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００を構成している。
【００５０】
さらに、このリザーバ部３２と圧電素子保持部３１との間には、封止基板３０を厚さ方向に貫通する貫通部３３が設けられている。そして、圧電素子３００から引き出されたリード電極９０は、この貫通部３３に対向する領域まで延設され、この貫通部３３を介してワイヤボンディング等により図示しない駆動ＩＣと接続される。
【００５１】
なお、この封止基板３０は、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料で形成することが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料であるシリコン単結晶基板を用いて形成した。
【００５２】
なお、封止基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３２の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成される。この固定板４２のリザーバ１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっており、リザーバ１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。
【００５３】
このようなインクジェット式記録ヘッドは、図示しない外部インク供給手段からインクを取り込み、リザーバ１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、図示しない駆動回路からの記録信号に従い、外部配線を介して圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、下電極膜６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。
【００５４】
ここで、本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法について図５〜８を参照して説明する。なお、図５、図７及び図８は、圧力発生室の長手方向の断面図であり、図６は、流路形成基板用ウェハの概略斜視図である。
【００５５】
まず、図５（ａ）に示すように、（１１０）面方位のシリコン単結晶基板からなり複数の流路形成基板１０となる流路形成基板用ウェハ１１０を約１１００℃の拡散炉で熱酸化することによりその表面に二酸化シリコン膜１２０を全面に亘って形成する。
【００５６】
次に、図５（ｂ）に示すように、二酸化シリコン膜１２０をパターニングして、流路形成基板１０となる領域以外の所定位置に開口部１２１を形成する。例えば、本実施形態では、開口部１２１は、流路形成基板用ウェハ１１０の一方面側の流路形成基板１０となる領域を挟んだ両側にそれぞれ形成するようにした。
【００５７】
なお、この開口部１２１が形成された二酸化シリコン膜１２０は、後述する圧電素子３００及び圧力発生室１２の位置決めに用いられる位置決め孔を形成するためのマスクとして用いられる。
【００５８】
次に、図５（ｃ）に示すように、二酸化シリコン膜１２０をマスクとして、各開口部１２１から流路形成基板用ウェハ１１０を厚さ方向に異方性エッチングにより貫通して、位置決め孔１３０を形成する。このとき、流路形成基板用ウェハ１１０は、上述したように、（１１０）面に垂直な第１の（１１１）面に沿ってエッチングされるため、位置決め孔１３０の内面は圧力発生室１２の隔壁１１の側面と同様に、第１の（１１１）面で形成される。
【００５９】
次に、図５（ｄ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０の表面の二酸化シリコン膜１２０をエッチング等により完全に除去する。その後、図５（ｅ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０を再び熱酸化することにより、位置決め孔１３０の内壁表面と流路形成基板用ウェハ１１０の表面とに弾性膜５０となる二酸化シリコン膜１４０を形成する。
【００６０】
そして、本実施形態では、後述するプロセスにて、流路形成基板用ウェハ１１０の両面の開口１３０ａ，１３０ｂのそれぞれの位置を基準として圧電素子３００と圧力発生室１２とを形成するようにした。
【００６１】
すなわち、流路形成基板用ウェハ１１０の一方面側の位置決め孔１３０の開口１３０ａの位置を基準として圧電素子３００を形成し、他方面側の開口１３０ｂの位置を基準として圧力発生室１２を形成するようにした。これによれば、流路形成基板用ウェハ１１０の表面に対する（１１１）面の角度ズレが生じていても圧力発生室１２は位置決め孔１３０に沿って形成されるため、圧力発生室１２の圧電素子３００側の開口領域は、実質的に開口１３０ａを基準として位置決めされることになる。したがって、位置決め孔１３０を基準として形成した圧電素子３００と圧力発生室１２の圧電素子３００側の開口領域との相対的な位置を高精度に位置決めすることができる。より詳細には、圧電素子３００と振動板の振動領域との相対的な位置を高精度に位置決めすることができ、インク吐出特性を向上させることができる。
【００６２】
なお、上述したように、位置決め孔１３０を形成するためのマスクとなる二酸化シリコン膜１２０を一旦除去し、再度熱酸化することで二酸化シリコン膜１４０を形成することにより、弾性膜５０となる二酸化シリコン膜１４０の厚さが流路形成基板用ウェハ１１０の全面において一定となる。また、位置決め孔１３０の各開口１３０ａ，１３０ｂの形状が一定となり、圧電素子３００と圧力発生室１２との位置決め精度が向上するという効果もある。
【００６３】
このような位置決め孔１３０は、本実施形態では、図６に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０の二箇所に設けられているが、勿論、位置決め孔１３０を一箇所、若しくは三個以上設けるようにしてもよい。また、位置決め孔１３０は、本実施形態では、流路形成基板１０となる領域以外に設けられているが、流路形成基板１０となる領域内に設けるようにしてもよい。
【００６４】
以下、図７及び図８を参照して、このような位置決め孔１３０の各開口１３０ａ，１３０ｂを位置決めの基準として、圧電素子３００及び圧力発生室１２等を形成するプロセスについて具体的に説明する。
【００６５】
まず、図７（ａ）に示すように、スパッタリング法で下電極膜６０を弾性膜５０の全面に形成後、下電極膜６０をパターニングして全体パターンを形成する。
【００６６】
なお、このような下電極膜６０の材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）等が好適である。これは、スパッタリング法やゾル−ゲル法で成膜する後述の圧電体層７０は、成膜後に大気雰囲気下又は酸素雰囲気下で６００〜１０００℃程度の温度で焼成して結晶化させる必要があるからである。すなわち、下電極膜６０の材料は、このような高温、酸化雰囲気下で導電性を保持できなければならず、特に、圧電体層７０としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いた場合には、酸化鉛の拡散による導電性の変化が少ないことが望ましく、これらの理由から白金が好適である。
【００６７】
次に、図７（ｂ）に示すように、圧電体層７０を成膜する。なお、このような圧電体層７０は、結晶が配向していることが好ましい。例えば、本実施形態では、金属有機物を触媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて形成することにより、結晶が配向している圧電体層７０を得ることができる。圧電体層７０の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の材料がインクジェット式記録ヘッドに使用する場合には好適である。なお、この圧電体層７０の成膜方法は、特に限定されず、例えば、スパッタリング法で形成してもよい。
【００６８】
さらに、ゾル−ゲル法又はスパッタリング法等によりチタン酸ジルコン酸鉛の前駆体膜を形成後、アルカリ水溶液中での高圧処理法にて低温で結晶成長させる方法を用いてもよい。
【００６９】
何れにしても、このように成膜された圧電体層７０は、バルクの圧電体とは異なり結晶が優先配向しており、且つ本実施形態では、圧電体層７０は、結晶が柱状に形成されている。なお、優先配向とは、結晶の配向方向が無秩序ではなく、特定の結晶面がほぼ一定の方向に向いている状態をいう。また、結晶が柱状の薄膜とは、略円柱体の結晶が中心軸を厚さ方向に略一致させた状態で面方向に亘って集合して薄膜を形成している状態をいう。勿論、優先配向した粒状の結晶で形成された薄膜であってもよい。なお、このように薄膜工程で製造された圧電体層７０の厚さは、一般的に０．２〜５．０μｍである。
【００７０】
次に、図７（ｃ）に示すように、上電極膜８０を成膜する。なお、このような上電極膜８０は、導電性の高い材料であればよく、アルミニウム、金、ニッケル、白金等の多くの金属や、導電性酸化物等を使用できる。本実施形態では、白金をスパッタリングにより成膜している。
【００７１】
次に、図７（ｄ）に示すように、圧電体層７０及び上電極膜８０のみをエッチングして圧電素子３００のパターニングを行う。
【００７２】
具体的には、流路形成基板用ウェハ１１０の下電極膜６０が形成された一方面側にある位置決め孔１３０の開口１３０ａの位置を基準として、圧電体層７０及び上電極膜８０をパターニングして圧電素子３００を形成する。ここでは、位置決め孔１３０の開口１３０ａと圧電素子３００との相対的な位置が高精度に位置決めされる。
【００７３】
なお、このような圧電素子３００上には、図７（ｅ）に示すように、リード電極９０を形成する。具体的には、例えば、金（Ａｕ）等からなる導電層を流路形成基板１０の全面に亘って形成後、この導電層を圧電素子３００毎にパターニングすることにより、リード電極９０とする。勿論、このリード電極９０も流路形成基板用ウェハ１１０の圧電素子側にある位置決め孔１３０の開口１３０ａの位置を基準として形成する。
【００７４】
以上が膜形成プロセスである。このようにして膜形成を行った後、流路形成基板用ウェハ１１０の圧電素子３００側に、図８（ａ）に示すように、複数の封止基板３０となる封止基板用ウェハ１５０を接合する。
【００７５】
なお、このような封止基板用ウェハ１５０は、流路形成基板用ウェハ１１０と同様に、シリコン単結晶基板からなり、例えば、異方性エッチングによって圧電素子保持部３１、リザーバ部３２、貫通部３３等が予め形成されている。
【００７６】
次に、図８（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０の圧電素子３００側とは反対の他方面側にある位置決め孔１３０の開口１３０ｂの位置を基準として二酸化シリコン膜１４０をパターニングして圧力発生室１２を形成するための開口部１４１を形成する。そして、図８（ｃ）に示すように、二酸化シリコン膜１４０をマスクとして、開口部１４１から流路形成基板用ウェハ１１０を弾性膜５０に達するまでアルカリ溶液によって異方性エッチングすることにより、（１１１）面方位に沿って圧力発生室１２が形成されると共に、連通部１３及びインク供給路１４も同様に形成される。これにより、位置決め孔１３０の開口１３０ｂと圧力発生室１２との相対的な位置が高精度に位置決めされる。そして、上述したように、位置決め孔１３０の開口１３０ａと圧電素子３００との相対的な位置が高精度に位置決めされているため、圧電素子３００と圧力発生室１２の圧電素子３００側の開口領域との相対的な位置を高精度に位置決めすることができる。
【００７７】
なお、その後は、図１及び図２に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０の封止基板用ウェハ１５０とは反対側の面にノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０を接合すると共に、封止基板用ウェハ１５０にコンプライアンス基板４０を接合し、これらの接合体を図１に示すような一つのチップサイズの流路形成基板１０に分割することによって、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドが製造される。
【００７８】
以上説明したように、本実施形態の製造方法によれば、位置決め孔１３０の一方側の開口１３０ａの位置を基準として圧電素子３００を形成し、他方側の開口１３０ｂの位置を基準として圧力発生室１２を形成するようにしたので、流路形成基板用ウェハ１１０の表面に対する（１１１）面の角度ズレが生じても、圧電素子３００と圧力発生室１２との相対的な位置を高精度に位置決めして両者を比較的容易に形成することができる。これにより、圧電素子３００と振動板の振動領域との相対的な位置を高精度に位置決めすることができるため、振動板の変位量を所定量とすることができる。したがって、インク吐出特性を向上させることができる。
【００７９】
また、本実施形態では、流路形成基板用ウェハ１１０の流路形成基板１０として使用しない領域に位置決め孔１３０を設けるようにしたので、流路形成基板用ウェハ１１０を有効活用することができる。これにより、製造時だけに使用する位置決め孔１３０が製品に残ることを防ぐことができる。さらに、流路形成基板用ウェハ１１０に位置決め孔１３０を形成するためのスペースを確保する必要がなく、液体噴射ヘッドが大型化するのを防止するメリットもある。
【００８０】
なお、本実施形態の製造方法に使用する流路形成基板用ウェハ１１０として、圧電素子３００等を形成する際の剛性を確保するため比較的厚い流路形成基板用ウェハを用いる場合には、上述した圧力発生室１２を形成する工程の前工程として、封止基板用ウェハ１５０により圧電素子３００を封止した状態で流路形成基板用ウェハの厚さをエッチングにより薄くする工程を設けるようにしてもよい。
【００８１】
（実施形態２）
図９〜図１０は、本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法を説明する図である。なお、上述した実施形態１と同一部分には同じ符号を付して重複する説明は省略する。
【００８２】
本実施形態の製造方法では、流路形成基板用ウェハとして、二酸化シリコンからなる絶縁層と、この絶縁層の両面に単結晶シリコンからなるシリコン層とから構成される、いわゆるＳＯＩ基板を用いた。このようなＳＯＩ基板を流路形成基板用ウェハとして用いれば、圧電素子等を形成する際の剛性を十分に確保することができる。
【００８３】
以下、本実施形態の製造方法の具体的な手順について詳細に説明する。
【００８４】
まず、図９（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０Ａを熱酸化することにより、その全面に二酸化シリコン膜１２０Ａを形成する。
【００８５】
次に、図９（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０Ａの一方面側の二酸化シリコン膜１２０Ａをパターニングして所定位置に開口部１２１Ａを形成する。
【００８６】
次いで、図９（ｃ）に示すように、二酸化シリコン膜１２０Ａをマスクとして、各開口部１２１Ａから流路形成基板用ウェハ１１０Ａの一方側のシリコン層１６０を異方性エッチングにより貫通して位置決め穴１３０Ａを形成する。
【００８７】
そして、図９（ｄ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０Ａの表面の二酸化シリコン膜１２０Ａを完全に除去した後、図９（ｅ）に示すように、再び熱酸化することにより、シリコン層１６０だけに位置決め孔１３０Ａを形成すると共に、弾性膜となる二酸化シリコン膜１４０Ａを形成する。
【００８８】
次に、図１０（ａ）に示すように、圧電素子３００を形成する。具体的には、シリコン層１６０の絶縁層１７０側とは反対側の位置決め孔１３０Ａの開口１３０ａの位置を基準として、上述した実施形態１の図７のプロセスと同じ様に、圧電素子３００を形成する。
【００８９】
その後、図１０（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０Ａの圧電素子３００側に封止基板用ウェハ１５０Ａを接合する。
【００９０】
次に、図１０（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０Ａの封止基板用ウェハ１５０Ａが接合される側とは反対側のシリコン層１８０をエッチングにより完全に除去する。
【００９１】
次いで、図１０（ｄ）に示すように、位置決め孔１３０Ａの絶縁層１７０側の開口１３０ｂの位置を基準として、絶縁層１７０をパターニングして開口部１７１を形成する。すなわち、絶縁層１７０を介して位置決め孔１３０Ａの開口１３０ｂの位置を認識し、絶縁層１７０をパターニングして開口部１７１を形成する。その後、絶縁層１７０をマスクパターンとして、開口部１７１からシリコン層１６０を弾性膜５０に達するまで異方性エッチングすることにより、圧力発生室１２を形成する。なお、このとき、実施形態１と同じ様に、連通部１３及びインク供給路１４も形成する。
【００９２】
このような手順で形成したとしても、上述した実施形態１と同様に、圧電素子３００と圧力発生室１２との相対的な位置を高精度に位置決めして両者を形成することができる。これにより、圧電素子３００と振動板の振動領域との相対的な位置を高精度に位置決めすることができるため、振動板の変位量を所定量とすることができる。したがって、インク吐出特性を向上させることができる。
【００９３】
また、本実施形態では、流路形成基板用ウェハとして比較的剛性が高いＳＯＩ基板を使用するようにしたので、圧電素子等を形成する際の作業負担を軽減することができる。
【００９４】
（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態について説明したが、勿論、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。
【００９５】
例えば、上述した実施形態では、成膜及びリソグラフィ法を応用して製造される薄膜型のインクジェット式記録ヘッドを例にしたが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型のインクジェット式記録ヘッドにも本発明を採用することができる。
【００９６】
また、上述した実施形態では、液体噴射ヘッドとして、印刷媒体に所定の画像や文字を印刷するインクジェット式記録ヘッドを一例として説明したが、勿論、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材噴射ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機噴射ヘッド等、他の液体噴射ヘッドにも適用することができる。
【００９７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、単結晶シリコンからなるシリコン層を含む流路形成基板用ウェハのシリコン層を異方性エッチングにより貫通してそのシリコン層に位置決め孔を形成し、位置決め孔の一方側の開口位置を基準に圧電素子を形成し、他方側の開口位置を基準に圧力発生室を形成するようにしたので、圧電素子と圧力発生室の圧電素子側の開口領域との相対的な位置を高精度に位置決めすることができる。これにより、圧電素子と振動板の振動領域との相対的な位置を高精度に位置決めすることができるため、振動板の変位量を所定量とすることができ、インク吐出特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの概略を示す分解斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドを示す平面図及び断面図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る流路形成基板用ウェハを示す概略斜視図である。
【図４】本発明の実施形態１に係る図２のＡ−Ａ′断面図である。
【図５】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図６】本発明の実施形態１に係る流路形成基板用ウェハを示す概略斜視図である。
【図７】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図８】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図９】本発明の他の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図１０】本発明の他の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１０　流路形成基板
１２　圧力発生室
１３　連通部
１４　インク供給路
２０　ノズルプレート
２１　ノズル開口
３０　封止基板
３１　圧電素子保持部
３２　リザーバ部
５０　弾性膜
６０　下電極膜
７０　圧電体層
８０　上電極膜
９０　リード電極
１００　リザーバ
１１０　流路形成基板用ウェハ
１２０　二酸化シリコン膜
１３０　位置決め孔
１３０ａ，１３０ｂ　開口
１４０　二酸化シリコン膜
１５０　封止基板形成用ウェハ
１６０，１８０　シリコン層
１７０　絶縁層
３００　圧電素子
【図１】
2004066537.tif 000003
【図２】
2004066537.tif 000004
【図３】
2004066537.tif 000005
【図４】
2004066537.tif 000006
【図５】
2004066537.tif 000007
【図６】
2004066537.tif 000008
【図７】
2004066537.tif 000009
【図８】
2004066537.tif 000010
【図９】
2004066537.tif 000011
【図１０】
2004066537.tif 000012