(57)【要約】【課題】  ボロンを拡散させる領域とボロンを拡散させない領域とを区画することにより、エッチング残りの発生を防止し、信頼性並びに回路設計の自由度の高い静電アクチュエータ、液体吐出ヘッド、インクジェットヘッドおよびそれらの製造方法を提供する。【解決手段】  ３枚の基板１、２、３の積層構造からなる静電アクチュエータ１０において、中間の基板がシリコン基板２からなり、該シリコン基板が、ボロンを拡散したボロン拡散領域Ａと、ボロンを拡散させないボロン非拡散領域Ｂとに区画されており、前記ボロン拡散領域Ａは振動板１２、流路１３およびリザーバ１４を含む領域に限定されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３枚の基板の積層構造からなる静電アクチュエータにおいて、中間の基板がシリコン基板からなり、該シリコン基板が、ボロンを拡散したボロン拡散領域と、ボロンを拡散させないボロン非拡散領域とに区画されており、前記ボロン拡散領域は振動板、流路およびリザーバを含む領域に限定されていることを特徴とする静電アクチュエータ。
【請求項２】
前記ボロン非拡散領域は、前記振動板と対向する対向電極の配線用貫通口を有することを特徴とする請求項１記載の静電アクチュエータ。
【請求項３】
前記ボロン非拡散領域は、前記シリコン基板のボロン拡散面側から形成された凹状の溝部をさらに有することを特徴とする請求項１または２記載の静電アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の静電アクチュエータを有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項５】
請求項４に記載の液体吐出ヘッドを記録ヘッドに用いることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項６】
シリコンウエハの両面に酸化膜を形成する工程と、シリコンウエハの一方の面の前記酸化膜上に、振動板、流路およびリザーバを含む第１の領域と、前記振動板と対向する対向電極の配線用貫通口を含む第２の領域とを区画するためのフォトレジストパターンを形成する工程と、前記第１の領域の前記酸化膜をエッチング除去し、露出したシリコン部分にボロンを拡散させる工程とを有することを特徴とする静電アクチュエータまたは液体吐出ヘッドもしくはインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項７】
前記第２の領域にボロン拡散面側から凹状の溝部をエッチングにより形成する工程をさらに有することを特徴とする請求項６記載の静電アクチュエータまたは液体吐出ヘッドもしくはインクジェットヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電引力によって駆動する方式の、静電アクチュエータ、液体吐出ヘッド、インクジェットヘッドおよびそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
静電アクチュエータの典型例であるインクジェットヘッドは、例えば特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開平６−７１８８２号公報  そのインクジェットヘッドの構造の一例を図７に示す。３枚の基板１０１、１０２、１０３を相互に接合して重ね合わせた３層構造となっており、中間のシリコン基板１０１にはウェットエッチングにより凹部や溝を形成することにより、底壁を振動板１０４とする吐出室１０５、および各吐出室１０５にそれぞれ流路１０６を介して連通する共通インク室１０７が形成される。吐出室１０５に連通するノズル孔は図示していないが、上側のシリコン基板１０３に貫通孔を設けるか、または中間のシリコン基板１０１の端面に延びる溝を吐出室１０５に連通するように形成することによってノズルが形成される。振動板１０４を静電引力によって駆動するための電極１０８は例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxicide）からなり、下側のガラス基板１０２に各振動板１０４に対向させて形成される。各電極１０８はガラス基板１０２に形成された凹部１０９内に配置されており、振動板１０４との間に所定間隔の空隙１１０を有するようになっている。空隙１１０の大気開放端はエポキシ樹脂等の封止部材１１１で封止され、空隙１１０内に湿気や埃等が入らないように気密封止される。
【０００３】
このようなインクジェットヘッドのシリコン基板１０１はＭＥＭＳ(MicroErectroMechanical System）技術を用いて製造される。この場合、振動板１０４の板厚精度を出すために、振動板１０４の形成過程で、振動板形成面側（シリコン基板１０１の裏面）にボロン拡散を行う技術が上記特許文献１に開示されている。すなわち、エッチングストップ技術を利用することによりボロン拡散層１２０の厚みでもって振動板１０４の厚みとして形成するものである。しかし、ボロン拡散を施している面側からウェットエッチングにより例えば封止部材充填用の溝１１２を形成すると、ボロン拡散部のエッチングレートが他のシリコン部分に比べて著しく低いために、溝形成後、溝１１２の開口端部に薄膜のエッチング残り１１３がバリのように形成されてしまう。このエッチング残り１１３は本来異物であるため除去が必要であるが、手数がかかるため通常は除去しない。そのため、エッチング残り１１３が破線で示すように垂れ下がったりすると回路の短絡といった不具合を引き起こす。また、シリコン基板の両面からエッチングを施して配線等のための貫通穴１１４を形成する場合にも同様のエッチング残り１１３が発生し問題となる。
【０００４】
図８は、エッチング残り１１３と電極１０８の配線との関係を模式的に示す上面図である。エッチング残り１１３は鋸歯状に一定のピッチで形成されるため、電極１０８の回路設計に当たっては図８（ａ）に示すように、なるべくリード部１０８ａがエッチング残り１１３の谷部近傍の下を通るように配線される。しかし、中間に例えば共通インク室１０７にインクを供給するためのインク供給口１１５があると、図８（ｂ）に示すようにインク供給口１１５を迂回するようにリード部１０８ａを配線しなければならない。したがって、このときにはリード部１０８ａがエッチング残り１１３の山部の下を通ることになり、短絡のおそれが大きくなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、ボロンを拡散させる領域とボロンを拡散させない領域とを区画することにより、エッチング残りの発生を防止し、信頼性並びに回路設計の自由度の高い静電アクチュエータ、液体吐出ヘッド、インクジェットヘッドおよびそれらの製造方法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】
【０００６】
本発明の静電アクチュエータは、３枚の基板の積層構造からなる静電アクチュエータにおいて、中間の基板がシリコン基板からなり、該シリコン基板が、ボロンを拡散したボロン拡散領域と、ボロンを拡散させないボロン非拡散領域とに区画されており、前記ボロン拡散領域は振動板、流路およびリザーバを含む領域に限定されていることを特徴とする。
【０００７】
本発明の静電アクチュエータにおいては、中間のシリコン基板におけるボロン拡散領域が振動板、流路およびリザーバを含む領域に限定されており、対向電極と配線するための貫通口や空隙封止用接着剤を充填するための凹状溝部にはボロンが拡散されないようになっているため、エッチング時に、これらの貫通口や凹状溝部の開口端に薄膜状のエッチング残りが生じない。したがって、回路の短絡が生じることはなく信頼性が向上するとともに、電極端子のピッチ変更など回路設計上自由度が高いものとなる。また、振動板の厚みをエッチングストップ技術を活用して高精度に形成することができるので、静電アクチュエータの性能向上を図ることが可能となる。
【０００８】
本発明の静電アクチュエータにおいては、前記ボロン非拡散領域は、前記振動板と対向する対向電極の配線用貫通口を有することを特徴とする。
対向電極の配線用貫通口にはボロンを拡散させないようにすることで、上記のエッチング残りの発生を防止することができる。
【０００９】
また、前記ボロン非拡散領域は、前記シリコン基板のボロン拡散面側から形成された凹状の溝部をさらに有することを特徴とする。
空隙封止用接着剤の充填用凹状溝部が形成されている場合には、該凹状溝部にもボロンを拡散させないようにすることで、上記のエッチング残りの発生を防止することができる。凹状溝部の存在理由については後述する。
【００１０】
本発明の静電アクチュエータは、液体吐出ヘッドとして利用することができる。また、印刷用の記録ヘッドとして用いる場合にはインクジェットヘッドとして利用することができる。液体吐出ヘッドは、吐出される液体（液滴）の種類、性質によって、例えば、ＤＮＡチップを作製するための、あるいはカラーフィルタを作製するための、吐出ヘッドとして機能する。
【００１１】
また、本発明は、シリコンウエハの両面に酸化膜を形成する工程と、シリコンウエハの一方の面の前記酸化膜上に、振動板、流路およびリザーバを含む第１の領域と、前記振動板と対向する対向電極の配線用貫通口を含む第２の領域とを区画するためのフォトレジストパターンを形成する工程と、前記第１の領域の前記酸化膜をエッチング除去し、露出したシリコン部分にボロンを拡散させる工程とを有することを特徴とする静電アクチュエータまたは液体吐出ヘッドもしくはインクジェットヘッドの製造方法である。
このような製造工程を経ることで、配線用貫通口にエッチング残りを発生させない、静電アクチュエータや液体吐出ヘッド、あるいはインクジェットヘッドを効率よく製造することができる。
【００１２】
また、本発明の製造方法は、前記第２の領域にボロン拡散面側から凹状の溝部をエッチングにより形成する工程をさらに有する。
この溝部は、前述のように空隙封止用接着剤の充填用であるので、必ずしも接着剤充填部を凹状の溝形状として形成する必要はない。凹状の溝部としたのは、空隙の封止すなわち振動板と対向電極間の空間（振動室）の気密をより確実にするためである。接着剤を溝内部に充満し硬化させることによりクラック等が入りにくくなり、大気中の水分や埃等の侵入を確実に防止することができるからである。そのような必要がある場合には、第２の領域にボロン拡散面側から凹状の溝部をエッチングにより形成することとしている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を適用した静電アクチュエータの一例としてインクジェットヘッドの場合を図面に基づいて説明する。図１は本発明のインクジェットヘッドの断面図、図２はそのインクジェットヘッドの斜視図、図３はそのインクジェットヘッドの分解斜視図である。  このインクジェットヘッド１０は、中間の第１基板としてのシリコン基板１が、ボロンを拡散したボロン拡散領域Ａと、ボロンを拡散させないボロン非拡散領域Ｂとに区画されており、ボロン拡散領域Ａは、吐出室１１、その底壁の振動板１２、流路１３およびリザーバ（共通インク室）１４を含む（カバーする）領域となっている。ボロン非拡散領域Ｂは、シリコン基板１のままとなっており、この例では対向電極２２に配線するための切欠き状の貫通口１５を含む（カバーする）領域である。したがって、貫通口１５の開口端部には図７に示すようなエッチング残りは発生しない。
【００１４】
シリコン基板１には、ウェットエッチングにより吐出室１１、振動板１２、流路１３およびリザーバ１４をそれぞれ構成することになる凹部や溝が形成される。また、貫通口１５はシリコン基板１の両面からウェットエッチングを施すことにより形成される。そして、振動板１２の厚みはボロン拡散層５８の厚みで規制される。この例では、振動板１２すなわちボロン拡散層５８の厚みは２μｍとしている。また、シリコン基板１は（１１０）面方位のシリコンウエハを用いると、異方性エッチングにより形成される凹部や溝の壁面がウエハ表面や裏面に垂直になるため、（１００）面方位のシリコンウエハに比べて振動板１２の高密度化を図ることができる。
【００１５】
シリコン基板１の下側に接合される第２基板であるガラス基板２は、例えばシリコンと熱膨張率が近いホウ珪酸系ガラスが用いられる。ガラス基板２には、図３に示すように、振動板１２に対向する位置に合わせて凹部２１がウェットエッチングにより形成され、これらの凹部２１の中に例えばＩＴＯからなる対向電極２２が形成される。対向電極２２のリード部２２ａは凹部２１に連通する溝２１ａの中を通して外部に引き出され、さらにガラス基板２の一端部（後端部）に形成される凹部２１ｂ内にて電極端子部２２ｂが形成される。また、ガラス基板２にはシリコン基板１のリザーバ１４底部に開口されたインク供給口１６に連通するインク供給口２３が設けられている。このインク供給口２３はガラス基板２上の台板部２４に設けられている。したがって、対向電極２２の一部のリード部２２ａは台板部２４を迂回して引き出される。
このガラス基板２と上記シリコン基板１とは例えば陽極接合により接合され、振動板１２と対向電極２２の間には図１に示すように、所定の間隔をもつ空隙（あるいは振動室）２５が形成される。空隙２５の間隔は例えば、０．１４μｍとなっている。空隙２５の大気開放端部はシリコン基板１の貫通口１５より例えばエポキシ樹脂による封止用接着剤２６を塗布して封止される。これにより空隙２５を気密封止することができる。各対向電極２２の端子部２２ｂとシリコン基板１上に形成された共通電極１７は駆動回路２７を介して配線接続される。
【００１６】
シリコン基板１の上側に接合される第３基板であるノズル基板３は、例えばシリコン基板またはガラス基板からなり、このノズル基板３には吐出室１１に連通するノズル孔３１がエッチングにより形成される。ノズル基板３は、シリコン基板同士の場合は直接接合により、ガラス基板の場合は陽極接合により接合される。また、接着剤を用いて接合してもよい。ノズル基板３がガラス基板の場合は第２基板と同様にホウ珪酸系ガラスが用いられる。
以上のようにして、フェイスイジェクトタイプのインクジェットヘッド１０が構成される。また、エッジイジェクトタイプの場合は、第３基板は単なる蓋基板とするか、あるいは第２基板のインク供給口２３の代わりに第３基板にインク供給口を設けることができる。ノズル孔は、第１基板のシリコン基板１の表面に吐出室１１に連通する溝を基板端面まで延長して形成することによって構成することができる。
【００１７】
このインクジェットヘッド１０の動作は以下のように行われる。駆動回路２７は、一方の出力が対向電極２２の電極端子部２２ｂに、他方の出力がシリコン基板１上の共通電極１７に接続されており、対向電極２２はプラスに帯電し、振動板１２はマイナスに帯電している。したがって、対向電極２２と振動板１２間には静電引力が発生し、この静電引力により振動板１２は図１において下方へ変位し（たわみ）、吐出室１１の容積が増大する。印字信号等に応じて駆動回路２７にパルス状の電圧を印加し、対向電極２２および振動板１２への電荷の供給をＯＦＦにすると、振動板１２はその弾性力により復帰し、これにより吐出室１１の容積が急激に減少するため、そのときに圧力により吐出室１１内のインクの一部がノズル孔３１から吐出する。振動板１２が次に下方へ変位すると、インクがリザーバ１４から流路１３を通じて吐出室１１内に補給される。
【００１８】
次に、このインクジェットヘッド１０におけるシリコン基板１の製造方法を図面に従って説明する。図４は本発明の製造方法の一例を示すシリコンウエハの上面図、図５はそのシリコンウエハの下面図、図６は図４のＡ−Ａ断面で示す製造工程図である。ここでは、図４に示すように、１枚のシリコンウエハ５０より４個のシリコン基板１を製造する例を示している。方形状の点線が製造後におけるシリコン基板１の切断ライン６０である。また、図５において、方形状の斜線部分がボロン拡散領域Ａであり、その他の部分はボロン非拡散領域Ｂである。このシリコンウエハ５０には、ウエットエッチングにより、前記吐出室１１を形成するための凹部５１、前記流路１３を形成するための溝５２、前記リザーバ１４を形成するための凹部５３、および前記貫通口１５を形成するための孔５４が形成される。また、最後に蒸着やスパッタ等により、共通電極１７が１つまたは２つ形成される。
【００１９】
図６の工程図において、まず、（１１０）面方位のシリコンウエハの両面を鏡面研磨し、厚み１８０μｍのシリコンウエハ５０を形成する。次に、このシリコンウエハ５０に酸素および水蒸気雰囲気中で１１００℃、４時間の熱酸化処理を施し、シリコンウエハ５０の両面に厚み１μｍのＳｉＯ2膜５５ａおよび５５ｂを形成する（図６（ａ））。なお、シリコンウエハは（１１０）面方位のものに限定されるものではなく、（１００）面方位のものでもよいものである。
【００２０】
次に、下面のＳｉＯ2膜５５ｂに、ボロン拡散を施す第１の領域５６と、ボロン拡散を施さない第２の領域５７とを区画したフォトレジストパターン（図示せず）を形成し、ＳｉＯ2膜５５ｂの露出部分（第１の領域部分）をフッ酸系エッチング液にてエッチング除去し、そのフォトレジストパターンを除去する（図６（ｂ））。これにより、ＳｉＯ2膜５５ｂに第１の領域５７に相当する方形状の窓が形成される。
【００２１】
次いで、シリコンウエハ５０の露出した第１の領域５６内のシリコン部分に厚み２μｍのボロン拡散層５８を形成する（図６（ｃ））。ボロンの濃度は約５×１０19ｃｍ-3以上であればエッチングストップ効果が良好に発揮されるので、ここでは５×１０20ｃｍ-3としている。ボロン拡散層５８は、イオン注入法やＢ2Ｏ3剤のスピンコート法、あるいはＢＮ板を用いる拡散法により形成することができる。
【００２２】
次いで、上面のＳｉＯ2膜５５ａ上に、吐出室１１、リザーバ１４、貫通口１５等の形状に相当するフォトレジストパターン（図示せず）を形成し、ＳｉＯ2膜５５ａの露出部分をフッ酸系エッチング液にてエッチング除去し、そのフォトレジストパターンを除去する（図６（ｄ））。また、貫通口１５の部分については、同様に、下面のＳｉＯ2膜５５ｂ上にフォトレジストパターン（図示せず）を形成し、ＳｉＯ2膜５５ｂの露出部分をフッ酸系エッチング液にてエッチング除去し、そのフォトレジストパターンを除去する。
【００２３】
次いで、上記により開口されたＳｉＯ2膜５５ａ、５５ｂの窓を通じてシリコンウエハ５０のアルカリ異方性エッチングを行う。貫通口１５の部分については両面からエッチングを行う。エッチング液としては、８０℃に加熱した２０重量％のＫＯＨ水溶液を用いた。なお、この濃度は状況に応じて変更することができ、特にエッチングストップを効かせるときにはＫＯＨ水溶液の濃度を２０重量％から例えば３重量％程度の低濃度へ切り替える。またその組成についてもＫＯＨ水溶液に限定されるものではない。例えば、アンモニア水溶液または有機アミン系アルカリ水溶液等のアルカリ水溶液を用いることができる。
このときのエッチングレートは、シリコン部分では約１．５μｍ／分であり、ボロン拡散層５８の部分では約０．０１μｍ／分であるため、ボロン拡散層５８に達すると急速にエッチングレートがダウンする結果、その時点をエッチング終了と判定することができる（図６（ｅ））。これによって、振動板１２の厚みを高精度に形成することが可能となる。
【００２４】
そして、流路１３およびリザーバ１４に通じるインク供給口（図示せず）を形成するためのフォトレジストパターン並びにアルカリ異方性エッチングを行い（図６（ｆ））、その後、点線６０の位置でシリコンウエハ５０を切断することにより、図１、図２に示したシリコン基板１が得られる。
【００２５】
本実施形態で示したインクジェットヘッド１０およびその製造方法によれば、ボロン拡散領域Ａが振動板１２、流路１３およびリザーバ１４を含み、貫通口１５の部分には及ばないようになっているため、貫通口１５の開口端部に図７に示したようなエッチング残りは発生しない。したがって、かかるエッチング残りが無いため、振動板１２と対向電極２２間のギャップが狭くても回路の短絡の問題は生じない。よって、インクジェットヘッドの信頼性を向上させることができる。また、エッチング残りを意識せずに配線パターンを形成することができるため、対向電極２２の回路設計の自由度が高い。
なお、リザーバ１４に連通するインク供給口１６の開口端部にはエッチング残りが発生するが、この部分では前述のように対向電極２２のリード部２２ａが台板部２４の周りを迂回しているため短絡は生じない。また必要ならば、高圧流体（ジェット水等）の噴射によってエッチング残りを除去してもよい。
【００２６】
また、図示は省略するが、封止用接着剤２６を注入するための凹状の溝部（図７の溝１１２参照）をシリコン基板１の下面（ボロン拡散面）側よりエッチングで形成したものでも、該溝部がボロンを拡散させないボロン非拡散領域Ｂに含まれているので、同様にエッチング残りは発生せず、回路の短絡といった不具合は生じない。
また、本実施形態では、インクジェットヘッドについて説明したが、本発明は、静電引力により駆動する方式のものであれば何でも適用することができる。このような静電アクチュエータの例としては、マイクロスイッチ、光スイッチ、気圧センサ、マイクロミラー、マイクロポンプ、光干渉フィルタ等を挙げることができる。また、インクジェットヘッドの応用例としてあげられる液体吐出ヘッドにも本発明は適用できるものであり、このような例としては、ＤＮＡチップやカラーフィルタの製造用ヘッドを挙げることができる。なお、ヘッドのノズル数は１または複数とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明を適用したインクジェットヘッドの断面図。
【図２】このインクジェットヘッドの斜視図。
【図３】このインクジェットヘッドの分解斜視図。
【図４】本発明の製造方法の一例を示すシリコンウエハの上面図。
【図５】図４の下面図。
【図６】本発明の製造方法の工程図。
【図７】従来のインクジェットヘッドの概略断面図。
【図８】従来のインクジェットヘッドにおける電極配線の例を示す説明図。
【符号の説明】
【００２８】
Ａ  ボロン拡散領域、Ｂ  ボロン非拡散領域、１  シリコン基板、２  ガラス基板、３  ノズル基板、１１  吐出室、１２  振動板、１３  流路、１４  リザーバ、１５  貫通口、１６  インク供給口、１７  共通電極、２１  凹部、２１ａ  溝、２１ｂ  凹部、２２  対向電極、２２ａ  リード部、２２ｂ  電極端子部、２３  インク供給口、２４  台板部、２５  空隙、２６  封止用接着剤、２７  駆動回路、３１  ノズル孔、５０  シリコンウエハ、５１  凹部、５２  溝、５３  凹部、５４  孔、５５ａ  ＳｉＯ2膜、５５ｂ  ＳｉＯ2膜、５６  第１の領域、５７  第２の領域、５８  ボロン拡散層、６０  切断ライン
【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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