(57)【要約】【課題】  ノズルが高密度化しても振動板変位量低下を招きにくく、且つ各圧力室を隔てる隔壁のコンプライアンス増加を招きにくいインクジェットの構成とその作製方法を提供する。さらには高精細、高速印字記録が可能な記録装置を提供することである。【解決手段】  印加信号によって伸縮する駆動素子と、各圧力発生室の一部を構成する振動板、圧力発生室と各圧力発生室を分離する隔壁、インク供給路、インク供給液室、およびノズルで構成され、該駆動素子の変形によって該振動板を変位させ、該駆動素子に対応した該圧力発生室内のインク圧力を高めることによって該ノズルからインク滴を噴射させるインクジェットヘッドにおいて、前記振動板が振動板主面の面内方向で複数の異なる材料より構成されてなることを特徴とするインクジェットヘッドおよびその製造方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加信号によって伸縮する駆動素子と、各圧力発生室の一部を構成する振動板、圧力発生室と各圧力発生室を分離する隔壁、インク供給路、インク供給液室、およびノズルで構成され、該駆動素子の変形によって該振動板を変位させ、該駆動素子に対応した該圧力発生室内のインク圧力を高めることによって該ノズルからインク滴を噴射させるインクジェットヘッドにおいて、前記振動板が振動板主面の面内方向で複数の異なる材料より構成されてなることを特徴とするインクジェットヘッドおよびその製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の振動板が単結晶シリコンの一部と金属酸化物により形成されてなることを特徴とするインクジェットヘッドおよびその製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の振動板が単結晶ＳｉにＢ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃ、Ｔｉの少なくとも１つをドーピングした部分と金属酸化物を用いていることを特徴とするインクジェットヘッドおよびその製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の振動板が単結晶Ｓｉの（１００）面を、
用いて形成されていることを特徴とするインクジェットヘッドおよびその製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の振動板において、単結晶Ｓｉとともに形成される金属酸化物材料がＳｉＯｘ、ＺｒＳｉＯｘ、ＺｒＯｘの少なくとも１つから形成されることを特徴とするインクジェットヘッドおよびその製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のインクジェットヘッドにおいて、前記圧力室が振動板から垂直方向にノズルに向かって、狭くなるようテーパー形状を有することを特徴とするインクジェットヘッドおよびその製造方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載のインクジェットヘッドにおいて、隣接する圧力発生室間に位置する隔壁の最小幅が２０μｍ以下であることを特徴とする。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載のインクジェットヘッドの製造方法において、
１）単結晶Ｓｉにイオンをドーピングする工程。
２）該ドーピング層を、単結晶Ｓｉの〈１１０〉、〈０１１〉方位と交差する複数のライン状にエッチングする工程。
３）アルカリ水溶液を用いて、前記ドーピング層の下部に位置するＳｉをエッチングする工程。
４）ドーピング層とは逆側の面からエッチングを行い、インク連通口、並びに共通液室を形成する工程。
５）熱酸化処理により、ＳｉＯｘ層を形成する工程。
６）ドーピング層側より金属酸化物を成膜する工程。
を含むことを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載のドーピング層をライン状にエッチングする工程において、エッチングのライン幅が４μｍ以下であることを特徴とするインクジェットヘッドおよびその製造方法。
【請求項１０】
請求項８に記載のインクジェットヘッドの製造方法において、ドーピング層下部のＳｉをエッチングを行うアルカリ水溶液がＫＯＨ、ＥＤＰのいずれかであることを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項１１】
請求項８に記載のインクジェットヘッドの製造方法において、ドーピング層とは逆側からインク連通口、並びに共通液室を形成する方法が異方性ドライエッチングであることを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項１２】
請求項８に記載のインクジェットヘッドの製造方法において、ドーピング層とは逆側からインク連通口を形成する方法が異方性ドライエッチングであって、共通液室を形成する方法がアルカリ水溶液を用いた異方性エッチングであることを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項１３】
請求項８に記載のインクジェットヘッドの製造方法において、ドーピング層側より金属酸化物を成膜する方法がＬＰＣＶＤ、ＰＥＣＶＤの少なくとも一つを用いていることを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項１４】
請求項８に記載のインクジェットヘッドの製造方法において、ドーピング層側より成膜後、平坦化処理を行うことを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の平坦化処理がエッチバック法であることを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項１６】
インクを吐出するノズルを別途形成し、前記圧力室に連通する連通口に連通するよう張り付けて形成されてなることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載のインクジェットヘッドおよびその製造方法。
【請求項１７】
振動板の駆動素子が膜厚１０μｍ以下の薄膜で形成されていることを特徴とする請求項１〜１６のいずれかに記載のインクジェットヘッドおよびその製造方法。
【請求項１８】
振動板の駆動素子が膜厚１０μｍ以下の圧電体薄膜で形成されていることを特徴とする請求項１７に記載のインクジェットヘッドおよびその製造方法。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれかに記載のインクジェットヘッドにおいて、複数の駆動素子、振動板、圧力発生室、ノズルを備え、各駆動素子を伸縮させる電気信号を供給する手段を備えたことを特徴とする記録装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、印加信号によって伸縮する駆動素子から発生させた機械的エネルギーにより所望の液体を吐出する液体吐出ヘッドとその作製方法、及び該ヘッドを用いた記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から液体吐出装置は、微細加工、実験分析、画像形成等の様々な分野で応用されている。特にインクジェットによる記録方法では、インク滴を吐出し、これを被記録媒体上に付着させて画像形成を行なうことにより、高速記録が可能であり、また記録品位も高く、低騒音であるという利点を有している。さらに、この方法はカラー画像記録が容易であって、普通紙等にも記録でき、さらに装置を小型化し易いといった多くの優れた利点を有している。このようなインクジェット記録方法を用いる記録装置には、一般にインクを飛翔インク滴として吐出させるための吐出口と、この吐出口に連通するインク流路と、このインク流路の一部に設けられ、インク流路内のインクに吐出のための吐出エネルギーを与えるエネルギー発生手段とを有する記録ヘッドが備えられる。
【０００３】
インクを吐出させて記録を行うインクジェットヘッドの代表例としては、特許文献１に開示されているように、ピエゾ素子を振動させてインク室の容積を変化させて第１のタイミングでインクの吸引し、第２のタイミングでインクに圧力を加えて液滴として記録用紙に飛翔させるものや、また特許文献２に示されているように極めて細いノズル形成部材に発熱要素を内蔵させ、熱エネルギによりノズル形成部材に瞬間的に気泡を生じさせ、気泡の膨張力によりインクを吐出させるものなどが提案されている。
【０００４】
ピエゾ素子を用いたインクジェットヘッドは、電圧変位でインク滴の液滴サイズを可変させることができ、インクに熱を加えることがないためインク選択の幅が広がるという利点がある。そうした中、近年の高精細印字の要求により、多ノズル化に伴う精密微細加工と複雑な所望形状が必要とされるようになった。
【０００５】
そのような中、特許文献３（図１０）では、圧力発生室２形成の際、Ｓｉ単結晶基板の異方性エッチングとドライエッチングを組み合わせることで、圧力発生室側の振動板１支持部側壁にテーパー１３をもたせる構造を開示している。このようにすることで隔壁５のコンプライアンスを増加させず、振動板１のコンプライアンスを大きくすることができる。そのため圧電素子の変形量を大きくとりながらも、インクを高速で大量に吐出することができる。
【０００６】
また、特許文献４（図１１）においては、圧力発生室２側振動板１６の一部１７のエッチング有無を選択可能とし、振動板のコンプライアンス（変位量）を調整可能としたインクジェットヘッドを開示している。
【特許文献１】米国特許第３９４６３９８号
【特許文献２】特開昭５４−１６１９３５号公報
【特許文献３】特開平１０−２８６９６０号
【特許文献４】特開平１１−２２７１９０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら特許文献３に示されている作製方法は、テーパー１３形成時においてエッチング手法を切り替え、ドライエッチングを用いサイド進行パターン（テーパー）を形成している。そのため正確なテーパー切り込み量を、基板面積、位置依存なく形成することは明らかに難しい。
【０００８】
また特許文献４に示されている作製方法は、振動板支持部の切れ込み量をエッチングストップ層を用いたウェットエッチングにより制御している。これも上記と同様に、正確なテーパー切り込み量を面積、位置依存存なく形成することは難しい。またテーパー部１７が矩形形状となり、ほぼ狭窄した構造であることから、インク内に生じた気泡が一旦テーパー部に入り込むと排除されにくい。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、ノズルが高密度化しても振動板変位量低下を招きにくく、且つ各圧力室を隔てる隔壁のコンプライアンス増加を招きにくいインクジェットヘッドとその作製方法を提供することであり、さらには高精細、高速印字記録が可能な記録装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第一は、印加信号によって伸縮する駆動素子と、各圧力発生室の一部を構成する振動板、圧力発生室と各圧力発生室を分離する隔壁、インク供給路、インク供給液室、およびノズルで構成され、該駆動素子の変形によって該振動板を変位させ、該駆動素子に対応した該圧力発生室内のインク圧力を高めることによって該ノズルからインク滴を噴射させるインクジェットヘッドにおいて、前記振動板が振動板主面の面内方向で複数の異なる材料より構成されてなることを特徴とするインクジェットヘッドおよびその製造方法である。
【００１１】
上記本発明において、振動板が単結晶シリコンの一部と金属酸化物により形成されてなること、また、単結晶シリコンにＢ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃ、Ｔｉの少なくとも１つをドーピングした部分と金属酸化物を用いていること、また、単結晶Ｓｉの（１００）面を用いて形成されていること、単結晶Ｓｉとともに形成される金属酸化物材料がＳｉＯｘ、ＺｒＳｉＯｘ、ＺｒＯｘの少なくとも１つから形成されること、前記インクジェットヘッドにおいて、前記圧力室が振動板から垂直方向にノズルに向かって、狭くなるようテーパー形状を有すること、隣接する圧力発生室間に位置する隔壁の最小幅が２０μｍ以下であることを好ましい態様として含むものである。
【００１２】
本発明により、振動板のコンプライアンスを任意に調整可能であるとともに、振動板が単結晶シリコンの一部から構成されることにより、振動板の接着不良や剥離という問題が生じることがない。また、圧力室の形状が振動板から垂直方向にノズルに向かって狭くなるような形状を取ることによって、隔壁のコンプライアンスを増加させずに振動板変位量を増大させることが可能になる。
【００１３】
本発明の第二は、前記のインクジェットヘッドの製造方法において、
１）単結晶Ｓｉにイオンをドーピングする工程。
【００１４】
２）該ドーピング層を、単結晶Ｓｉの（１１０）、（０１１）方位と交差する複数のライン状にエッチングする工程。
【００１５】
３）アルカリ水溶液を用いて、前記ドーピング層の下部に位置するＳｉをエッチングする工程。
【００１６】
４）ドーピング層とは逆側の面からエッチングを行い、インク連通口、並びに共通液室を形成する工程。
【００１７】
５）熱酸化処理により、ＳｉＯｘ層を形成する工程。
【００１８】
６）ドーピング層側より金属酸化物を成膜する工程。
【００１９】
を含むことを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法である。
【００２０】
上記本発明において、ドーピング層をライン状にエッチングする工程において、エッチングのライン幅が４μｍ以下であること、ドーピング層下部のＳｉをエッチングを行うアルカリ水溶液がＫＯＨ、ＥＤＰのいずれかであること、ドーピング層とは逆側からインク連通口、並びに共通液室を形成する方法がＩＣＰ−ＲＩＥであること、もしくはドーピング層とは逆側からインク連通口を形成する方法がＩＣＰ−ＲＩＥであって、共通液室を形成する方法がアルカリ水溶液を用いた異方性エッチングであること、ドーピング層側より金属酸化物を成膜する方法がＬＰＣＶＤ、ＰＥＣＶＤの少なくとも一つを用いていること、ドーピング層側より成膜後、平坦化処理を行うことまた、前記の平坦化処理がエッチバック法であること、インクを吐出するノズルを別途形成し、前記圧力室に連通する連通口に連通するよう張り付けて形成されてなることを好ましい態様として含むものである。
【００２１】
本発明により、圧力室の加工を振動板側からアルカリ水溶液を用いて、ウエットエッチングを行うことができるため、圧力室の形状が振動板から垂直方向にノズルに向かって、狭くなるようなテーパー形状を容易に且つ精度良く形成することが可能となる。
【００２２】
本発明の第三は、振動板の駆動素子が膜厚１０μｍ以下の薄膜で形成されていることを特徴とする前記のインクジェットヘッドおよびその製造方法である。
【００２３】
上記本発明において、振動板の駆動素子が膜厚１０μｍ以下の圧電体薄膜で形成されていることを好ましい態様として含むものである。
【００２４】
本発明により、駆動素子に薄膜を用いることにより、従来の機械加工によらず、半導体の製造方法に用いられるフォトリソグラフィーによる高精度な加工を行うことができるとともに振動板変位の応答性の良いインクジェットヘッドを提供することが可能になる。
【００２５】
本発明の第四は、前記のインクジェットヘッドにおいて、複数の駆動素子、振動板、圧力発生室、ノズルを備え、各駆動素子を伸縮させる電気信号を供給する手段を備えたことを特徴とする記録装置である。
【００２６】
本発明により、任意の波形に対して各ノズルが、所望のインク吐出を得ることができ、更には高解像度・高速印字可能なインクジェット記録装置を提供する事ができる。
【発明の効果】
【００２７】
振動板のコンプライアンスを任意に調整可能であるとともに、振動板が単結晶シリコンの一部から構成されることにより、振動板の接着不良や剥離という問題が生じることがない。また、圧力室の形状が振動板から垂直方向にノズルに向かって狭くなるような形状を取ることによって、隔壁のコンプライアンスを増加させずに振動板変位量を増大させることが可能になる。また、圧力室の加工を振動板側からアルカリ水溶液を用いて、ウエットエッチングを行うことができるため、圧力室の形状が振動板から垂直方向にノズルに向かって、狭くなるようなテーパー形状を容易に且つ精度良く形成することが可能となる。
【００２８】
駆動素子に薄膜を用いることにより、従来の機械加工によらず、半導体の製造方法に用いられるフォトリソグラフィーによる高精度な加工を行うことができるとともに振動板変位の応答性の良いインクジェットヘッドを提供することが可能になる。さらには高精細、
高速印字記録が可能な記録装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
（インクジェットヘッドの構成）
本発明実施の形態を図面を用いて説明する。図１、図２に本発明実施のインクジェットヘッドの主要部の断面模式図を示す。図１は図２のＡ−Ａ’切断面から見た断面図を示している。図１に示すように、インクジェットヘッドの主要部は圧力室２と振動板１が一体で形成され、振動板上に駆動素子７が形成されて構成されている。圧力室が形成された基板の他方の面には、ノズル９を有するノズルプレート４が貼り合わせられている。
【００３０】
各圧力室は隔壁を介して、並行に形成され、前記の各圧力室はインク共通液室と絞り１１部を介して連通し、共通液室からインクが各圧力室に充填可能に形成されてなる。
【００３１】
振動板は駆動素子に生じた体積変化によって撓むことにより、圧力室の体積変化を起こさせるものである。振動板上に設けられた駆動素子に信号を印加するため、駆動素子の下部に下部電極６が形成されている。下部電極は共通電極として、振動板全面に設けられても良いし、駆動素子の部分やその他必要な部分にのみに設けるものであっても良い。
【００３２】
前記駆動素子が圧電体によって、形成されている場合の吐出原理は、下部電極と上部電極との間に電圧が印加されていない場合、圧電体素子の体積変化は生じない。従って、電圧が印加されていない圧電体素子に対応する圧力発生室の圧力は変化することなく、ノズルからインクは吐出しない。一方、圧電体素子の下部電極と上部電極の間に、圧電体素子に体積変化を生じさせる電圧が印加された場合には圧電体に体積変化が生じ、電圧が印加されている圧電体素子の取り付けられている振動板は大きく撓み、それに対応する圧力発生室の圧力が瞬間的に高まり、ノズルから液体が吐出される。
【００３３】
本発明実施の形態においては、振動板は振動板主面の面内方向で異なる材料から構成される。これによって、振動板の変位可能部分でのヤング率を任意に調整可能となる。具体的には後に説明するように振動板は主にシリコン基板の一部にアルカリ水溶液に不溶となるようイオンをドーピングする事によって形成される。ドーピングのイオン種を変えることによって振動板のヤング率を変化させることができる。そのイオン種としてはＢ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃ、Ｔｉの少なくとも１つから選ばれることが望ましく、その中でもＢが好適に用いられる。また、前述したイオンドーピングによるアルカリ水溶液不溶部の間隙に設けられる材料として、金属酸化物を用いるがこの材料によっても振動板の性質を調整することが可能となる。ここで用いる金属酸化物としては、ＳｉＯｘ、ＺｒＳｉＯｘ、ＺｒＯｘの少なくとも１つから選ばれてなることが望ましく、シリコン基板を熱酸化することによって容易に形成可能なＳｉＯｘが好適に用いられる。また、振動板形成時の応力調整のため、ＺｒＳｉＯｘ、ＺｒＯｘを同時に用いても良い。
【００３４】
前述したように本発明においては振動板として、シリコン基板の一部を用いることから振動板形成のために別途振動板を用いる必要がなく、当然それを接着や各種の接合方法によって、貼り合わせる必要がない。このため、接着不良や振動板の剥離といった従来問題となっていた製造上の不具合が生じる心配もない。また、接着や各種の陽極接合などの各種の接合方法を用いた場合には、接合面がある程度の面積が必要であるため、各圧力発生室間の隔壁を狭くすることは製法上困難であるが、本発明においては、アルカリ水溶液によるエッチングの精度、すなわちシリコンの異方性エッチングの精度によるため、前述の接着や各種接合方法を用いた場合には隔壁の最小幅を２０μｍ以下に形成することも可能である。
【００３５】
本発明において、圧力発生室が振動板から垂直方向にノズルに向かって、狭くなるようテーパー形状を有する。一般的にノズルが高密度化すると、振動板幅が狭くなり、振動板撓み変形による変形体積量が得にくくなる。ここで圧電素子の撓み変形による振動板の変形体積量Ｖは、振動板の幅をｗ、厚さをｔ、圧力室の長さＬとすると、概ね以下の関係である（図８）。
【００３６】
Ｖ  ∝  ｗ３・１／ｔ２・Ｌ    ・・・・式１
式１より振動板の変形体積量において、構造値としては振動板の幅が最も大きく寄与することが分かる。そのためヘッドが高密度化しても変形体積量を低下させないためには、振動板幅を極力大きくとることが望ましい。
【００３７】
結果として図８のａに示すように振動板幅を大きく取ることが必要となる。
【００３８】
次に隔壁の深さ方向（深さｄ）については、リフィル特性を考慮した設計が必要となる。今回のようなインクジェットヘッド構成のリフィル周期は、等価回路表現においてメニスカスコンプライアンスと圧力室インクイナータンスとの連成振動で記述される。
【００３９】
インクのイナータンスは、インク密度をρ、流路断面積をＳ、圧力室長さをＬとするとρ・１／Ｓ・Ｌに比例する。リフィル周期を低下させないためには、インクイナータンスＬを少なくする必要がある。これは圧力室断面積を大きくすることに相当し、圧力室深さ（深さｄ）に直接関係してくる。
【００４０】
また隔壁の深さ、厚さについては、隔壁コンプライアンスを考慮した設計も必要となる。一般に、ノズルが高密度化すると隔壁が薄くなり、隔壁コンプライアンスが増加する。そのため隣接圧力室とのクロストーク現象や、アクチュエーターとインクとの連成周波数の低下から吐出液滴速度の低下にもつながる。ここで隔壁のコンプライアンスＣ（変形量／単位圧力）は、隔壁の構造値（厚さｔ、深さｗ、長さＬ）と以下の関係がある（図４）。
【００４１】
Ｃ  ∝  ｗ５・１／ｔ３・Ｌ    ・・・・式２
隔壁の構造値（厚さｔ、深さｗ）はコンプライアンス量に大きく寄与する。そのため、吐出液滴の速度の低下を防ぐには、隔壁コンプライアンスを小さくする必要がある。すなわち、圧力発生室の深さｗを小さくし、隔壁の厚さｔを小さくすることが望ましい。
【００４２】
高密度ヘッドとなると、圧力発生室幅、隔壁厚双方が狭く、薄くなり、且つ剛性確保の問題から深さも浅くなるので、結果としてヘッド性能（吐出速度、リフィル周期）、作製歩留まりが低下する。しかし上述したようなヘッド構造にすることで、ヘッド性能を大きく劣化させることがなく、作製歩留まりも向上させることができる。
【００４３】
尚、本発明においては隔壁の振動板および圧力発生室の形成時に正確なテーパーを形成するために、Ｓｉ（１００）単結晶基板のアルカリ水溶液による異方性エッチングを用いることが望ましい。シリコンの異方性エッチングを用いることによって、結晶方位に依存した形状を作製できる。このため、圧力室長さ方向、断面方向においても結晶方位＜１１０＞に沿った形状となり、テーパー部は｛１１１｝面で形成される。結果として、精度を左右するのはマスクパターンのみとなり必要十分な精度の形状が得られる。
【００４４】
（インクジェットヘッドの製造方法）
次に本発明のインクジェットヘッドの製造方法を図４〜８を用いて詳述する。まず、基板として、シリコンウエファを用意する。圧力室の深さ、連通口の長さ、インク共通液室の容積を考慮し、シリコンウエファの厚さを決めるが、２００〜３００μｍ程度の厚さの基板を用いることが望ましい。前記の単結晶シリコン基板の面方位は、圧力室が振動板から垂直方向にノズルに向かって、狭くなるようテーパー形状を形成するためには（１００）であることが望ましい。
【００４５】
前記のシリコンウエファに高濃度にイオンドーピングを施す。ドーピングに用いるイオン種としては、Ｂ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃ、Ｔｉの少なくとも１つを用いる。ドーピングのイオン種および濃度によって、後に行われるアルカリ水溶液によるエッチングに対するエッチングレートや振動板として用いる場合の振動板ヤング率に影響を与える。アルカリ水溶液に対する不溶性の観点からＢのドーピングが好適に用いられる。ドーピング濃度としては５×１０１９ｃｍ−３以上とすることが望ましい。
【００４６】
次に前記のイオンドーピング層を貫通するようライン上にエッチングを行う。スピンナ法、スプレイ法等の方法を用いて、均一な厚さのレジストを塗布し、露光・現像を行い、圧力室の上部に図５に示すようにライン上のパターンを形成する。その後、反応性イオンエッチングによって、前記イオンドーピング層を貫通するようドライエッチングを施す。このときエッチングされたライン状のパターンの幅は４μｍ以下であることが望ましい、より望ましくは２．５μｍ以下であることによって、後の成膜工程における振動板形成が容易になる。前記のラインパターンは図４に示すように、シリコン基板の〈１１０〉、〈０１１〉方位と交差するように設けられる。図４（ｂ）のように圧力発生室の上部に斜めに設けられても良いが、図４（ａ）のように〈１１０〉、〈０１１〉方位と交差する２つの直線によって、くの字となるよう圧力発生室の上部に配列されても良い。このようなライン状にイオンドーピング層をエッチングしておくと、アルカリ水溶液に対してシリコン基板のエッチングがイオンドーピング層の下部で図４の矢印で示す方向にエッチングが進行し、エッチングレートの極端に遅い（１１１）面を残すようにエッチングを行うことができる。このときに用いるアルカリ水溶液としてはＫＯＨ水溶液、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）、ＥＤＰ（エチレンジアミン・ピロカテコール）が好適に用いられる。中でもＫＯＨ水溶液、ＥＤＰは（１１１）に対する（１１０）のエッチングレートが大きく、マスクパターンから（１１１）方向へのサイドエッチングが小さいため、隔壁の形状制御が容易になるため好ましい。このようにアルカリ水溶液によるウエットエッチングを施すことにより図７（ｂ）に示すようにイオンドーピング層の一部を梁状に残しつつ、その下部を図に示すように圧力発生室がイオンドーピング面から垂直方向にノズルに向かって、狭くなるようテーパー形状を形成する事ができる。
【００４７】
次に連通口と共通液室を形成する。連通口は図７（ｃ）に示すように振動板に向かって垂直に形成されることが望ましく、異方性ドライエッチングを用いて形成する。異方性ドライエッチングはエッチングガスとしてＳＦ６（六フッ化硫黄）ガス、あるいはフッ素元素を含む有機ガス、あるいはあるいはＳＦ６とフッ素元素を含む有機物の混合ガスを使用し、エッチング後の連通口が目的の形状となるよう反応圧力と前記混合ガスの混合割合を適宜調整し、常温にて、連通口が圧力発生室と貫通するまで行う。同様にインク共通液室についても圧力発生室と絞り部を介して貫通するまでドライエッチングを行う。絞り部の面積はドライエッチングの進行によって広くなるため、反応圧力や前記混合ガスの混合割合、エッチング時間などは精密制御されることが望ましい。また、連通口、インク共通液室の形成は同時に行っても良い。
【００４８】
インク共通液室の形成はアルカリ水溶液によるシリコンの異方性ウエットエッチングによって形成されても良い。異方性ウエットエッチングを用いることによって、複数枚のバッチ処理を行うことが可能となるため、量産性に優れる製造方法となる。
【００４９】
次にＳｉＯｘを熱酸化法により形成する。これによって、シリコン基板全面に膜厚１．０〜２．０μｍ程度のＳｉＯｘが形成されるため、イオンドーピング層からなる圧力発生室上部の梁にもＳｉＯｘが形成され、最終的に振動板となる部分の一部を形成する。さらにインクジェットヘッドとしては、連通口およびインク共通液室の壁面はＳｉＯｘ膜に覆われることになるため、アルカリ性の液体を吐出させる場合にも、壁面が浸食されるおそれがなく耐久性において問題のないインクジェットヘッドとなる。続いて、ＬＰＣＶＤ法によりさらにＳｉＯｘを堆積することによって、圧力発生室の上面は完全にシールされ、図８（ｄ）のように振動板が形成される。
【００５０】
このとき、成膜法はＬＰＣＶＤ法に限らず、デポレートの早い成膜法であれば構わない。ＬＰＣＶＤ法以外ではＰＥＣＶＤ法が好適に用いることができる。また、成膜する材料としても、ＳｉＯｘ以外であっても、圧力発生室を完全にシールすることができれば良い。応力の観点からはＺｒＳｉＯｘ、ＺｒＯｘが望ましい。また、これらの材料から複数の材料を用いても構わない。
【００５１】
前述した連通口およびインク共通液室の形成は熱酸化、成膜による振動板の形成後に行っても良い。この場合、熱酸化法によって形成されたＳｉＯｘ膜が異方性ドライエッチング、アルカリ水溶液によるインク共通液室の異方性ウエットエッチングの双方において、エッチストップ層として機能させることも可能である。
【００５２】
また、金属酸化膜形成後の振動板の上面が平坦でない場合には、平坦化処理を行っても良い。例えば、上記のＬＰＣＶＤによるＳｉＯｘ膜を厚く形成しておき、後にエッチングによって、表面を一部除去する方法でも良いし、エッチバックの手法を用いても良い。エッチバックでは、平坦化する振動板表面にレジストを塗布し、振動板の構成材料、すなわちＳｉＯｘとレジストのエッチングレートが等しい条件でエッチングを行う。このとき、エッチングガスとしてはＳｉＯｘの場合、ＣＦ４とＯ２の混合ガスなどを用い、この混合比を適宜調整することによって、ＳｉＯｘとレジストのエッチングレートを調整する。また、必要に応じて、Ｈ２を添加しても良い。
【００５３】
次に図８（ｅ）に示すように下部電極６を形成する。下部電極としては導電性を有する材料が用いられる。たとえば、白金、イリジウム、パラジウム、あるいはイリジウムとプラチナとの合金、イリジウムとパラジウムの積層膜などを用いることができる。下部電極は共通電極として、振動板上全面に設けられても良いし、駆動素子を形成する部分やその他必要な部分にのみ設けるものであっても良い。
【００５４】
下部電極上に図８（ｅ）に示す駆動素子７を形成する。駆動素子としては圧電体が望ましく、圧電特性を示す強誘電性セラミックスが好適に用いられる。強誘電性セラミックスとしては、例えば、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３：ＰＺＴ、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ３）、ジルコニウム酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３）：ＰＬＺＴ）またはマグネシウムニオブ酸ジルコニウム酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）０．１（Ｚｒ、Ｔｉ）０．９Ｏ３）等を用いることができる。
【００５５】
前述の圧電体の形成には、ゾルーゲル（ｓｏｌ−ｇｅｌ）法やスパッタリング法あるいは、ＭＯＣＶＤ法などが用いられる。圧電体層の厚みはあまり厚くすると、製造工程が長くなりコスト高となったり、高い駆動電圧が必要になる。あまり薄くすると、厚みを均一に形成できずエッチング後に分離された各圧電体素子の特性がばらついたりする。従って、圧電体層の厚みは、０．５μｍ〜１０μｍ程度が好ましい。より望ましくは０．５μｍ〜２μｍ程度であることによって、振動板との兼ね合いによる変位量を大きくとることができるため、効率の良い吐出を可能にする。
【００５６】
上部電極は圧電体に電圧を印加するための電極である。上部電極は下部電極同様に導電性を有する材料、例えば、白金をスパッタ等により形成する。圧電体および上部電極は各圧力室の形状に合わせた形状になるようマスクし、その周囲をエッチングして圧電体および上部電極をパターニングする。すなわちレジストを塗布し、露光・現像を行い、レジストを上部電極上に形成する。これにイオンミリング、ドライエッチング等を適用して、不要な層構造部分を除去する。
【００５７】
振動板上に下部電極、圧電体、上部電極が形成された後に圧電体材料に合わせて、焼結を行う。圧電体としてＰＺＴをスパッタリングにて成膜した場合には酸素雰囲気下７００℃で焼結することにより、圧電体の特性が向上する。
【００５８】
最後にノズルプレートを貼り合わせる。ノズルプレートを構成する金属材料としては、ニッケル、ジュラルミン、ステンレスなどが用いることができ、機械加工、放電加工、エッチングなどにより、ノズルを形成しておく。必要に応じて、ノズルの表面には撥水剤などを塗布しても良い。各ノズルが各連通口と一致するように位置合わせを行い貼り合わせる。貼り合わせに用いる接着剤としては例えばエポキシ樹脂等を用いる。
【００５９】
このようにして形成された圧力発生室、連通口、インク共通液室、およびノズルの形状を透視した模式図を図６に示す。圧力発生室はノズルに向かって、狭くなるように形成され、その長手方向の片側にノズルに通じる連通口が形成されている。また、長手方向のもう一方にはインク共通液室が絞りを介して形成されている。
【００６０】
以上の製造工程において、振動板がシリコン基板の一部と金属酸化物から形成され、駆動素子として薄膜材料、すなわち薄膜圧電体を用いることによって、製造工程において、ノズルプレートの貼り合わせ以外は従来の機械加工によらず、半導体の製造方法に用いられるフォトリソグラフィーによる高精度な加工方法によるため、インクジェットヘッドを高精度に形成することが可能となる。
【００６１】
以下に具体的な実施例を示すが駆動素子、振動板、圧力発生室、連通口、インク共通液室、およびノズル等の寸法や形状、材質、駆動条件等は一例であり、設計事項として任意に変更できるものである。
【００６２】
（実施例）
以下に実施例を用いて、本発明をさらに詳細に説明する。
【実施例１】
【００６３】
図１２は本発明実施のインクジェットヘッドのノズル列方向の断面図である。基板としては２００μｍ厚の（１００）方位のシリコン単結晶基板を用いた。まずはアルカリ不溶層を形成するため、Ｂのドーピングを行った。シリコン基板を石英管中に石英ホルダにて固定し、Ｎ２をキャリアガスとして用い、ＢＢｒ３をバブリングした蒸気をＯ２とともに石英管中に導入し、１１００℃にて所定時間処理を行った。このときＢイオン濃度は７×１０１９ｃｍ−３となるように設定した。次に図５に示すような複数のライン状パターンをレジストを露光現像することにより形成した。このとき、各ラインの線幅は２．５μｍとなるように設定した。レジストパターンが形成されたシリコン基板を反応性イオンエッチングによって、シリコン基板を２μｍの深さとなるようにＢドーピング層を貫通するようにエッチングを行った。
【００６４】
次にアルカリ水溶液による異方性エッチングによって、圧力発生室を形成する。アルカリ水溶液としては濃度：２０重量％のＫＯＨ水溶液を用い、８０℃で処理を行った。
【００６５】
次いで、基板反対側より、パターニングを行い、連通口およびインク共通液室のマスクパターンを形成する。ＩＣＰーＲＩＥ装置を用いて、ＳＦ６を主成分とするガスを用いて、圧力発生室に貫通するまで垂直方向にエッチングを行った。これにより、連通口およびインク共通液室が基板裏面形成される。
【００６６】
その後、シリコン基板を酸素および水蒸気雰囲気中で１１００℃、４時間熱酸化処理を施し、シリコン基板の表面全体に厚さ１μｍのＳｉＯｘ膜を形成する。さらにＬＰＣＶＤによって、ＳｉＯｘ膜を成膜し、圧力発生室が形成された開口部を完全にシールすることによって、シリコン基板の一部とＳｉＯｘからなる振動板が形成される。
【００６７】
圧電素子の形成には、下部電極として、Ｐｔをスパッタリングにより厚さ１５０ｎｍで形成した後、圧電体として、Ｐｂ（Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８）Ｏ３膜を厚さ１μｍ、上部電極としてＰｔを厚さ１５０ｎｍで成膜した後、各圧力発生室に対応した形状にパターニングを行う。最後に７００℃酸素雰囲気下にて焼成を行う。
【００６８】
圧電体を形成された面と逆の面には、ノズルが２０μｍφ、インク連通口と接する部分の穴径が５０μｍφとなるよう機械加工が施されたステンレス製の厚さ５０μｍのノズルプレートを接着剤を用いて接着する。最後にインク供給のための部材、各圧電素子を駆動するため、電気信号を伝達するフレキケーブルを接合した。
【００６９】
作製したインクジェットヘッドは以下の様にして、インクの吐出状況を観察した。最初にインクを供給せず、ヘッドに関してレーザードップラー変位計で圧力室の振動板変位（駆動素子）を観察した。電気信号としては、矩形波電圧３０Ｖの矩形パルスを印可したところ、振動板中心部では２００ｎｍ程度の変位量が確認できた。
【００７０】
次に、圧力発生室にインクを供給し、先端ノズル側から供給インクの流入を確認後、駆動波形を印加して液体吐出を試みた。その際、ヘッドに関して外部ノズル側からＣＣＤ顕微鏡で吐出状態、及びレーザードップラー変位計で隣接する圧力室の振動板変位、更には隣接ノズルのメニスカス面を観察した。
【００７１】
吐出ヘッドの圧電素子の駆動条件を、矩形波電圧３０Ｖ、周波数１０ｋＨｚの矩形パルスよりなる電気信号とし、状況をパルス光源と顕微鏡を用い観察した。すなわち、圧電体を駆動するための駆動パルスに同期し、かつ所定の遅延時間をおいてパルス光を発光させながら、吐出状況、及び駆動したノズルの隣接ノズルにおける振動板変位、メニスカス変位を観察した。
【００７２】
ヘッドからは１０ｍ／ｓ、８ｐｌ程度の安定した液滴飛翔を確認できた。また、隔壁における剛性を確保することで、隣接するヘッドにおいて顕著なクロストークは観測されなかった。更には、駆動波形の印加周期と吐出速度を測定することで、リフィル周期の確認を行った。リフィル周期としては、１０ＫＨｚ以上を確保することができ、大きなリフィルの悪化はみられなかった。
【実施例２】
【００７３】
異方性エッチングによって、圧力発生室を形成するまでは実施例１と同様に作成した後、先に振動板の形成を行う。シリコン基板を酸素および水蒸気雰囲気中で１１００℃、４時間熱酸化処理を施し、シリコン基板の表面全体に厚さ１μｍのＳｉＯｘ膜を形成する。さらにＬＰＣＶＤによって、ＳｉＯｘ膜を成膜し、圧力発生室が形成された開口部を完全にシールすることによって、シリコン基板とＳｉＯｘからなる振動板を形成した。
【００７４】
次に裏面よりＩＣＰーＲＩＥ装置を用いて、ＳＦ６を主成分とするガスを用いて、圧力発生室に垂直方向にエッチングを行い、連通口およびインク共通液室の形成を行った。このとき熱酸化によって、形成されたＳｉＯｘ膜がエッチストップ層として機能させることができるため、より精密に形状を制御することができた。次にこのＳｉＯｘ層を取り除くため、バッファード弗酸エッチングを行った。
【００７５】
圧電素子の形成、ノズルプレートの貼り合わせ、インク供給のための部材とフレキケーブルの接合は実施例１と同様に行いインクジェットヘッドを完成した。
【００７６】
実施例１と同様な評価の結果、ヘッドからは１０ｍ／ｓ、８ｐｌ程度の安定した液滴飛翔を確認できた。また、隔壁における剛性を確保することで、隣接するヘッドにおいて顕著なクロストークは観測されなかった。更には、駆動波形の印加周期と吐出速度を測定することで、リフィル周期の確認を行った。リフィル周期としては、１０ＫＨｚ以上を確保することができ、大きなリフィルの悪化はみられなかった。
【実施例３】
【００７７】
熱酸化処理工程までは実施例１と同様に作成した後、スパッタリング法によって、ＺｒＯｘを成膜し、圧力発生室が形成された開口部を完全にシールすることによって、シリコン基板の一部とＳｉＯｘとＺｒＯｘからなる振動板が形成される。
【００７８】
圧電素子の形成、ノズルプレートの貼り合わせ、インク供給のための部材とフレキケーブルの接合は実施例１と同様に行いインクジェットヘッドを完成した。
【００７９】
実施例１と同様な評価の結果、ヘッドからは９ｍ／ｓ、８ｐｌ程度の安定した液滴飛翔を確認できた。また、隔壁における剛性を確保することで、隣接するヘッドにおいて顕著なクロストークは観測されなかった。更には、駆動波形の印加周期と吐出速度を測定することで、リフィル周期の確認を行った。リフィル周期としては、１０ＫＨｚ以上を確保することができ、大きなリフィルの悪化はみられなかった。
【実施例４】
【００８０】
異方性エッチングインク共通液室。
【００８１】
異方性エッチングによって、圧力発生室を形成するまでは実施例１と同様に作成した後、裏面より、アルカリ水溶液を用いた異方性エッチングによって、インク共通液室を形成する。アルカリ水溶液としては濃度：２０重量％のＫＯＨ水溶液を用い、８０℃で処理を行った。その後、ＩＣＰーＲＩＥ装置を用いて、ＳＦ６を主成分とするガスを用いて、圧力発生室に垂直方向にエッチングを行い、連通口の形成を行った。これによって、インク共通液室と圧力発生室の間の絞りの大きさと連通口と圧力発生室を連通するためエッチングの制御が独立に行えるため、より精密な加工が可能となる。
【００８２】
以後の振動板形成、圧電素子の形成、ノズルプレートの貼り合わせ、インク供給のための部材とフレキケーブルの接合は実施例１と同様に行いインクジェットヘッドを完成した。
【００８３】
実施例１と同様な評価の結果、ヘッドからは９ｍ／ｓ、８ｐｌ程度の安定した液滴飛翔を確認できた。また、隔壁における剛性を確保することで、隣接するヘッドにおいて顕著なクロストークは観測されなかった。更には、駆動波形の印加周期と吐出速度を測定することで、リフィル周期の確認を行った。リフィル周期としては、１０ＫＨｚ以上を確保することができ、大きなリフィルの悪化はみられなかった。
【００８４】
本実施例のように振動板からノズルに向かい垂直方向に狭くなる形状を有することによって、相対的に圧力発生室幅が拡大することで、変位量の減少の防止、隔壁を介したクロストークの防止、リフィルの悪化も招きにくいことを確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明実施の形態に係わるインクジェットヘッドの一部を示すノズル列方向の断面図
【図２】本発明実施の形態に係わるインクジェットヘッドの一部を示す圧力発生室長手方向断面図
【図３】隔壁のコンプライアンスを示す模式図
【図４】シリコンの異方性ウエットエッチングの進行を示す模式図
【図５】ドライエッチングパターンを示す模式図
【図６】本発明実施の形態における内部構造を示す模式図
【図７】本発明実施の形態に係わるインクジェットヘッドの製造工程を示す工程断面図
【図８】本発明実施の形態に係わる同工程断面図
【図９】振動板コンプライアンスを説明する概念図
【図１０】従来例におけるテーパー構造を示す模式図
【図１１】他の従来例におけるテーパー構造を示す模式図
【図１２】本発明実施の一例におけるインクジェットヘッドの断面図
【符号の説明】
【００８６】
１  振動板
２  圧力発生室
３  連通口
４  ノズルプレート
５  隔壁
６  下部電極
７  駆動素子
８  上部電極
９  ノズル
１０  インク共通液室
１１  絞り
１２  ウエットエッチング用開口部
１３  テーパー
１４  連通口を有する基板
１５  第一の振動板
１６  窪みを有する第二の振動板
１７  振動板の窪み
【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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