(57)【要約】【課題】  本発明は、ヤング率の変動にほとんど影響を与えず応力緩和できるため、構成膜の膜厚比を変えることなく内部応力のバランスを変更でき、高精度、高密度、高い信頼性、かつ高い量産性を持った静電型アクチュエータを得ることができ、比較的容易に低電圧でインク吐出効率が高く、高画質印字が可能となる。【解決手段】  本発明の静電型アクチュエータは、静電力で変位する振動板と、該振動板に犠牲層除去孔を用いて犠牲層プロセスで形成された空隙を介して対向する下部電極とを有している。そして、本発明の静電型アクチュエータにおける振動板は、構成元素以外の元素をイオン注入され、残留応力が緩和されている応力調整膜を、少なくとも１層含む積層膜で構成されていることに特徴がある。【選択図】        図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電力で変位する振動板と、該振動板に犠牲層除去孔を用いて犠牲層プロセスで形成された空隙を介して対向する下部電極とを有する静電型アクチュエータにおいて、
前記振動板は、構成元素以外の元素をイオン注入され、残留応力が緩和されている応力調整膜を、少なくとも１層含む積層膜で構成されていることを特徴とする静電型アクチュエータ。
【請求項２】
前記応力調整膜は、残留応力緩和率：[１−（前記元素導入後の残留応力値）／（前記元素導入前の残留応力値）]×１００がヤング率の変化率の絶対値：｜[１−（前記元素導入後のヤング率）／（前記元素導入前のヤング率）]｜×１００より大きい請求項１記載の静電型アクチュエータ。
【請求項３】
前記元素導入前の前記残留応力緩和率が３０〜９０％の範囲であり、かつ前記ヤング率の変化率の絶対値が０〜２０％である請求項１又は２に記載の静電型アクチュエータ。
【請求項４】
前記応力調整膜へイオン注入される前記元素の平均含有率が０．１％以上である請求項１〜３のいずれかに記載の静電アクチュエータ。
【請求項５】
前記応力調整膜は、シリコン窒化膜である請求項１〜４のいずれかに記載の静電アクチュエータ。
【請求項６】
静電力で変位する振動板と、該振動板に犠牲層除去孔を用いて犠牲層プロセスで形成された空隙を介して対向して形成された下部電極とを有する静電型アクチュエータの製造方法において、
前記振動板は、残留応力が緩和されている応力調整膜を少なくとも１層含む積層され、前記応力調整膜に構成元素以外の元素をイオン注入することを特徴とする静電型アクチュエータの製造方法。
【請求項７】
前記応力調整膜へイオン注入される前記元素のイオン注入量が１×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ-２以上１×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ-２以下である請求項６記載の静電型アクチュエータの製造方法。
【請求項８】
吐出室内の液体を加圧する請求項１〜５のいずれかに記載の静電型アクチュエータと、前記吐出室を形成する基板と、ノズル孔を有する基板とを積層して構成することを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項９】
インク滴を吐出する請求項８記載の液滴吐出ヘッドと、該液滴吐出ヘッドにインクを供給するインクタンクとを一体化したことを特徴とするヘッドカートリッジ。
【請求項１０】
インク滴を吐出する請求項８記載の液滴吐出ヘッドを搭載したことを特徴とする液滴吐出記録装置。
【請求項１１】
請求項１〜５のいずれかに記載の静電型アクチュエータの振動板を変形させて液体を輸送することを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項１２】
請求項１〜５のいずれかに記載の静電型アクチュエータの振動板を変形させてミラーを変形させ、光の反射方向を変化させることを特徴とする光変調デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は静電型アクチュエータ、その製造方法、液滴吐出ヘッド、液滴吐出記録装置、マイクロポンプ及び光変調デバイスに関し、詳細には積層構造の振動板における応力緩和膜の膜厚を薄くできる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像記録装置あるいは画像形成装置として用いるインクジェット記録装置において使用する液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドとしては、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する吐出室（加圧液室、圧力室、インク流路等とも称される。）と、吐出室内のインクを加圧する圧力を発生する圧力発生手段とを備えて、圧力発生手段で発生した圧力で吐出室内インクを加圧することによってノズルからインク滴を吐出させる。
【０００３】
このような液滴吐出ヘッドとしては、圧力発生手段として圧電素子などの電気機械変換素子を用いて吐出室の壁面を形成している振動板を変形変位させることでインク滴を吐出させるピエゾ型のもの、吐出内に配設した発熱抵抗体などの電気熱変換素子を用いてインクの膜沸騰でバブルを発生させてインク滴を吐出させるバブル型（サーマル型）のもの、吐出室の壁面を形成する振動板を静電力で変形させることでインク滴を吐出させる静電型のものなどがある。
【０００４】
近年、環境問題から鉛フリーであるバブル型、静電型が注目を集め、鉛フリーに加え低消費電力の観点からも環境に影響が少ない静電型のものが多く提案されている。
【０００５】
静電型インクジェットヘッドとしては、例えば特許文献１、特許文献２に記載されているように、一対の電極対が空隙を介して設けられており、片方の電極が振動板として働き、振動板の対向する電極と反対側にインクが充填されている形態のものである。電極対に電圧を印加することによって電極間に静電引力が働き、電極（振動板）が変形し、電圧を除去すると振動板が弾性力によって元の状態に戻り、その力を用いてインクを吐出するものである。
【０００６】
ところで、静電型インクジェットヘッドでは、振動板と電極間隔、すなわち空隙の寸法精度がその性能に大きく影響を及ぼす。特に、インクジェットヘッドの場合、各アクチュエータの特性のバラツキが大きければ印字精度、画質の再現性が著しく低下することとなる。また、低電圧化を目指す場合、空隙間隔が０．１〜０．５μｍ程度と狭間隔となり、より寸法精度が求められる。そこで、特許文献１、２に記載されているように、犠牲層プロセスを適用して、振動板、空隙、電極を１つの基板で形成することにより、空隙寸法は、ほぼ犠牲層成膜工程のバラツキのみで決まるため、寸法バラツキを抑えることができ、高精度で信頼性の高いアクチュエータを得ることができる。
【特許文献１】特開２００４−０９８５０６号公報
【特許文献２】特開２００４−１０６０８９号公報
【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、振動板はプロセス上、あるいは機能上の目的で積層膜となっている。例えば、振動板は、下部電極と振動板電極の電気的ショート防止、及び犠牲層エッチのエッチングストップ膜としてのシリコン酸化膜、振動板電極のポリシリコン膜、振動板剛性調整膜としてシリコン窒化膜、内部応力調整膜としてシリコン酸化膜、及び振動板がインクと触れる最上層には耐インク性を有するポリイミド樹脂膜などで構成されている。これら各々の膜は、圧縮、あるいは引張の内部応力を有している。従って、振動板全体として残留応力のバランスが悪いと、空隙を形成後、振動板が撓んだり、壊れるといった課題がある。また、振動板の幅、長さ、厚さなどの寸法設計において、振動板の各構成膜のヤング率やポワソン比などに加え、振動板全体の残留応力を考慮した設計を行なわなければならず、設計が難しくなる。
【０００８】
また、上述した振動板の構成膜では、振動板剛性調整膜としてのシリコン窒化膜以外は数百ＭＰａ程度の圧縮応力を有するが、シリコン窒化膜はＧＰａオーダーの非常に大きな引張応力を有している。従って、振動板全体の内部応力の緩和目的のみにシリコン窒化膜厚のおよそ８〜１０倍程度の圧縮応力膜厚が必要となり、プロセス負荷増大によるコスト増だけでなく、工程増による歩留まりへの影響や振動板膜厚のばらつきも相対的に大きくなることから、特性バラツキへの影響が懸念される。
【０００９】
本発明はこれらの問題点を解決するためのものであり、積層膜からなる振動板を有する静電型アクチュエータにおいて、振動板の構成膜における応力バランスを取るために、残留応力低減のためにイオンを注入することにより、ヤング率の変動にほとんど影響を与えず応力緩和できるため、構成膜の膜厚比を変えることなく内部応力のバランスを変更できる。
【００１０】
従って、プロセスマージンが広がり、自由度の高い振動板設計、しいてはアクチュエータの設計が可能となり、従来技術では困難であった高精度、高密度、高い信頼性、かつ高い量産性を持った静電型アクチュエータを得ることができ、比較的容易に低電圧でインク吐出効率が高く、高画質印字が可能な液滴吐出ヘッド、この液滴吐出ヘッドを一体化したインクカートリッジ、この液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出記録装置、及び本発明の静電型アクチュエータを用いて、マイクロポンプ、光変調デバイス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】
【００１１】
前記問題点を解決するために、本発明の静電型アクチュエータは、静電力で変位する振動板と、該振動板に犠牲層除去孔を用いて犠牲層プロセスで形成された空隙を介して対向する下部電極とを有している。そして、本発明の静電型アクチュエータにおける振動板は、構成元素以外の元素をイオン注入され、残留応力が緩和されている応力調整膜を、少なくとも１層含む積層膜で構成されていることに特徴がある。よって、応力緩和膜の付加、あるいは他の構成膜の膜厚制御を行う必要がなく、応力を緩和したい応力調整膜の内部応力を振動板剛性に大きく影響するヤング率の変動を抑えつつ、緩和できるため、構成膜の層数を減らすことができる、あるいは応力緩和膜の膜厚を従来より薄くできると共に、静電型アクチュエータの特性ばらつきが小さく、かつ精度良く形成でき信頼性を向上できる。また、工数削減による量産性向上、歩留向上が期待でき、低コストで量産性の高い静電型アクチュエータを提供できる。
【００１２】
また、応力調整膜は、残留応力緩和率：[１−（元素導入後の残留応力値）／（元素導入前の残留応力値）]×１００がヤング率の変化率の絶対値：｜[１−（元素導入後のヤング率）／（元素導入前のヤング率）]｜×１００より大きいことにより、ヤング率の変動を抑えつつ応力緩和できるため、構成膜の膜厚比を変えることなく内部応力のバランスを変更できる。従って、プロセスマージンが広がり、自由度の高い振動板設計、しいてはアクチュエータ設計が可能となり、信頼性の高い静電型アクチュエータを提供することができる。
【００１３】
更に、元素導入前の残留応力緩和率が３０〜９０％の範囲であり、かつヤング率の変化率の絶対値が０〜２０％であることが好ましい。
【００１４】
また、応力調整膜へイオン注入される元素の平均含有率が０．１％以上であることにより、応力緩和効果が得られるため、従来の方法に比べ量産性、歩留まり向上が期待でき、信頼性の高い静電型アクチュエータを提供できる。
【００１５】
更に、応力調整膜はシリコン窒化膜であることにより、信頼性の高い静電型アクチュエータを実現することが可能となる。
【００１６】
また、別の発明としての静電型アクチュエータの製造方法によれば、振動板は、残留応力が緩和されている応力調整膜を少なくとも１層含む積層され、応力調整膜に構成元素以外の元素をイオン注入する。よって、残留応力を緩和するためには、Si-N結合を切断することにより得られる。従って、イオン注入法によりシリコン窒化膜へ加速された元素を打ち込むことで、容易にかつ効果的にSi-N結合を切断することができる。また、イオン注入法では、イオンの加速エネルギーを容易に変えることができ、下層膜への影響がほとんどなく、応力緩和したい膜のみに選択的に元素を注入できる。従って、量産性に優れ、安定した信頼性の高い静電型アクチュエータが形成できる。
【００１７】
更に、応力調整膜へイオン注入される元素のイオン注入量が１×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２以上１×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ２以下であることにより、最もプロセス的に効率的な注入量であり、量産性に優れ、安定した信頼性の高い静電型アクチュエータが得られる。
【００１８】
また、別の発明としての液滴吐出ヘッドは、吐出室内の液体を加圧する上記静電型アクチュエータと、吐出室を形成する基板と、ノズル孔を有する基板とを積層して構成する。よって、製造不良が減少し、低コスト化を図ることができる。
【００１９】
更に、別の発明としてのインクカートリッジは、インク滴を吐出する上記液滴吐出ヘッドと、該液滴吐出ヘッドにインクを供給するインクタンクとを一体化したことに特徴がある。よって、製造不良が減少し、低コスト化を図ることができる。
【００２０】
また、別の発明としての液滴吐出記録装置は、インク滴を吐出する上記液滴吐出ヘッドを搭載したことに特徴がある。よって、製造不良が減少し、低コスト化を図ることができる。
【００２１】
更に、別の発明としてのマイクロポンプは、上記静電型アクチュエータの振動板を変形させて液体を輸送する。よって、小型であり、低消費電極のマイクロポンプが実現できる。
【００２２】
また、別の発明としての光変調デバイスは、上記静電型アクチュエータの振動板を変形させてミラーを変形させ、光の反射方向を変化させる。よって、小型であり、低消費電極の光変調デバイスが実現できる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明では、応力緩和膜の付加、あるいは他の構成膜の膜厚制御を行なう必要がなく、応力を緩和したい膜そのものの内部応力を振動板剛性に大きく影響するヤング率の変動を抑えつつ、緩和できるため、構成膜の層数を減らすことができる、あるいは応力緩和膜の膜厚を従来より薄くできる。従って、アクチュエータの特性ばらつきが小さく、かつ精度良く形成でき信頼性を向上できる。また、工数削減による量産性向上、歩留向上が期待でき、低コストで量産性の高いアクチュエータが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１は本発明の第１の実施例に係る静電型アクチュエータを有する液滴吐出ヘッドの分解斜視図、図２は図１の各基板を重ね合せた斜視図である。また、図３は図２のＡ−Ａ’線断面図、図４は図２のＢ−Ｂ’線断面図である。図１〜図４に示す本実施の形態例の静電型アクチュエータを有する液滴吐出ヘッド１は、インク液滴を基板の面部に設けたノズル孔から吐出させるサイドシュータタイプの例である。図１〜図４に示すように、本実施の形態例の液滴吐出ヘッド１は、３枚の基板を重ねた積層構造となっている。
【００２５】
第１の基板１０は、結晶面方位＜１００＞のシリコン基板１１上に積層膜により個別電極１２と、空隙１３を介して振動板１４とが形成されている。また、空隙１３と大気開放部１５を連通するための通気管１６が形成されている。更に、振動板１４の下面には空隙１３を介して個別電極１２が形成されている。空隙１３、大気開放部１５及び通気管１６は、後に除去することを前提とした犠牲層を個別電極材料や振動板材料と同様に積層膜として成膜しておき、後に図４に示す犠牲層除去孔１７から犠牲層を除去することで形成する。また、第１の基板１０の上面に接合される第２の基板２０においては、結晶面方位＜１１０＞のシリコン基板２１に、振動板１４を底壁とする吐出室２２と、各吐出室２２にインクを供給するための共通液室２３と、吐出室２２と共通液室２３を連通させる個別液室２４と、流体抵抗２５とが形成されている。更に、第２の基板２０の上面に接合される第３の基板３０においては、厚さ５０ミクロンのニッケル基板３１を用い、当該ニッケル基板３１に吐出室２２と連通するようにそれぞれノズル孔３２が形成されている。また、第１の基板１０には、共通液室２３と連通するようにインク供給口１８が設けられている。
【００２６】
次に、このような構成を有する本実施の形態例の静電型アクチュエータを有する液滴吐出ヘッドの動作について説明する。
吐出室２２内にインクが満たされた状態で個別電極１２に発振回路（図示せず）により４０Ｖのパルス電位が印加される。電圧印加により個別電極１２の表面がプラスに帯電すると、振動板１４との間に静電気の吸引作用が働き振動板１４が下方へ撓み、共通液室２３より流体抵抗２５を通じて吐出室２２へインクが流入する。その後個別電極１２へのパルス電圧を０Ｖにすると静電気力により下方へ撓んだ振動板１４が自身の剛性により元に戻る。その結果、吐出室２２内の圧力が急激に上昇し、ノズル孔３２よりインク液滴を記録紙に向けて吐出する。これを繰り返すことによりインクを連続的に吐出することができる。
【００２７】
電極間に働く力Ｆは下記の式（１）に示すように電極間距離ｄの２乗に反比例して大きくなる。低電圧で駆動するためには個別電極１２と振動板１４の空隙間隔を狭く形成することが重要となる。
【００２８】
【数１】
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【００２９】
但し、Ｆは電極間に働く力、εは誘電率、Ｓは電極の対抗する面の面積、ｄは電極間距離、Ｖは印加電圧である。
【００３０】
以上説明した本実施の形態例の静電型アクチュエータを有する液滴吐出ヘッドによれば、個別電極と振動板間の微小な空隙間隔を精度良く、かつ安定して製造することが可能であり、静電力による振動板の動作を最大となるよう設計できる。
【００３１】
図５は本発明の第１の実施例に係る静電型アクチュエータを有する液滴吐出ヘッドにおける圧力発生機構の構成を示す平面図である。図６は図５のＣ−Ｃ’線断面図であり、図７は図５のＤ−Ｄ’線断面図である。
【００３２】
図５に示すように、振動板領域４１は、分離溝４２で隔壁部４３から分離されている。振動板の膜構成は、図６に示すように、下層から絶縁膜４４、上部電極４５、振動板膜剛性調整膜４６、振動板応力調整膜４７及び樹脂膜４８を含んで構成された積層膜４９で形成されている。ここで、振動板応力調整膜４７は、ＧＰａオーダーの引張応力を有するＬＰ−ＣＶＤで成膜された窒化膜であり、この引張内部応力を緩和するためにイオン注入により、例えば硼素、リン、ヒ素、アルゴンなどの元素が窒化膜中に取り込まれている。分離溝４２は、隔壁部４３と振動板領域４１で段差が生じないように設計されている。また、振動板領域４１の短辺長ａ、長辺長ｂは、例えば短辺長ａ：６０μｍ、長辺長ｂ：１０００μｍであり、振動板領域４１を静電気力で変位させるために、電圧を印加できるようになっており下部電極５０がシリコン基板５１上に絶縁膜５２を介して所望のパターニングがされている。また、下部電極５０上には、上部電極４５と電気的ショートを防止するため、絶縁膜５３が例えば０．１０μｍ厚で形成されている。
【００３３】
また、空隙５４の形成には、犠牲層プロセスを適用し、積層膜４９に犠牲層除去孔５５が形成されている。犠牲層除去孔５５は、振動板領域４１の長辺方向に等間隔に振動板領域４１の短辺長以下の間隔で配置されており、対向する辺の同位置に犠牲層除去孔５５が形成されている。このように犠牲層除去孔５５を複数配置することにより、空隙５４を効率良く形成することができる。また、この空隙５４の形成と同時に通気管５６とこれに連通した大気開放部（図示しない）の空隙５４も形成する。
【００３４】
更に、静電型アクチュエータを有する液滴吐出ヘッドの場合、液滴を吐出するアクチュエータは細長い長方形であり、この長辺側には隔壁部４３を挟んで隣接するアクチュエータが並んでいるのが一般的である。犠牲層エッチングは、等方性のため、図示していないが振動板領域４１中央に犠牲層除去孔５５が並んでいる方が犠牲層の除去効率は高い。しかし、振動板の変位領域に犠牲層除去孔５５があるとアクチュエータの振動特性に影響を及ぼす可能性があるため、犠牲層除去孔５５は振動板領域外に配置することが好ましい。一方、大気開放部は、振動板領域４１との面積比を考慮して、効率よく犠牲層がエッチングされるように犠牲層除去孔５５を大気開放部内に配置してもよい。
【００３５】
その後、犠牲層除去孔５５を振動板応力調整膜４７で完全封止する。その後図示していないが、外部電極への取り出しのため、配線層形成し、裏面貫通して、インク供給孔５７を形成し、通気管５６に連通した大気開放孔（図示しない）を形成後、振動板領域４１の空隙５４へのガス導入、あるいは大気開放を行う。このとき、大気開放孔（図示しない）は、例えば微細加工が可能なリソエッチ法で形成することにより、レーザ法や物理的開口に比べて大気開放部面積を小さくでき、またパーティクルの発生が抑えられるだけでなく、表面状態が平坦なため、次工程への影響がほとんど無い。次に、スプレーコート法、蒸着重合法などで液滴の接液膜として樹脂膜４８を形成する。
【００３６】
このように、従来技術に比べ高精度、高密度、かつ高い信頼性を持った静電型アクチュエータを有する液滴吐出ヘッドが実現できるため、後述するように、この静電型アクチュエータを有する液滴吐出ヘッドを一体化したインクカートリッジ、この液滴吐出ヘッドを搭載したイ液滴吐出記録装置に提供することができる。また、従来技術では困難であった良好な生産性、及び生産効率を有する寸法制御に優れた高精度、高密度、かつ高い信頼性を持った液滴吐出ヘッドの製造に適用できる製造方法が提供できる。
【００３７】
次に、本実施の形態例の静電型アクチュエータを有する液滴吐出ヘッドの製造工程を図８の工程断面図に従って説明する。
先ず、図８の（ａ）に示すように、厚さ４００μｍシリコン基板６０上に絶縁膜（熱酸化膜）６１を１．６μｍ形成する。次に、下部電極材としてＰドープポリシリコンを０．３μｍ成膜する。そして、リソエッチ法で下部電極６２、一部の隔壁部６３、一部の通気管６４との分離、及び裏面貫通のインク供給孔６５となるポリシリコン層を除去する。その後、下部電極６２と一部の隔壁部６３の絶縁膜（ＣＶＤ酸化膜）６６を０．１μｍ堆積させる。この絶縁膜６６は犠牲層プロセスでの下部電極６２を保護するマスク材、かつ下部電極６２と後述する上部電極７０との短絡を防止する保護膜として作用する。
【００３８】
次に、図８の（ｂ）に示すように、犠牲層（ノンドープポリシリコン）を空隙間隔となる例えば０．２μｍをＣＶＤ法で成膜し、リソエッチ法により空隙６７となる領域と一部の隔壁部６８を分離、及び裏面貫通のインク供給孔６５となるポリシリコン層を除去する。その後、犠牲層プロセスでの後述する上部電極７０を保護するマスク材、かつ下部電極６２と上部電極７０との短絡を防止する保護膜として作用する絶縁膜（ＣＶＤ酸化膜）６９を０．１μｍ堆積させる。
【００３９】
次に、図８の（ｃ）に示すように、Ｐドープドポリシリコンを０．１μｍ堆積させ、リソエッチ法で上部電極７０と一部の隔壁部７１を分離、及び裏面貫通のインク供給孔６５となるポリシリコン層を除去する。この時同時に、犠牲層除去時犠牲層と同じ材質の上部電極７０がエッチングされないように保護孔７２を後に形成する犠牲層除去孔７４より大きく開口する。また、同様に大気開放部（図示しない）では、大気開放孔を後に形成する大気開放孔より大きく開口する。次に、振動板の撓み防止層、及び剛性調整膜として窒化膜７３をＬＰ−ＣＶＤ法で０．３μｍ堆積させる。その後、イオン注入法により、窒化膜７３に元素を注入する。
【００４０】
ここで、成膜直後ＧＰａオーダーの引張応力を有するＬＰ−ＣＶＤ法で成膜した窒化膜（膜厚：０．１５μｍ、０．３μｍ）への硼素イオン注入量と引張応力緩和の関係を図９、窒化膜中の硼素含有率と引張応力緩和の関係を図１０、及び成膜直後に対する内部応力を基準とした硼素注入後の内部応力緩和率の硼素含有率依存を図１１に示す。図９からイオン注入により内部応力が緩和されることがわかり、注入量が１×１０１５ａｔｏｍ／ｃｍ−２までは急激に内部応力が低下するが、１×１０１６ａｔｏｍ／ｃｍ−２以上では、ほぼ飽和傾向になる。また、図１０のように窒化膜中に注入された硼素の窒化膜に対する含有量でみると、０．１％程度で成膜特後の半分程度となり、０．３％以上でほぼ飽和傾向になることがわかる。図１１に示すように、硼素の含有率が０．３％以上でその応力緩和率は、最大で８０〜９０％程度になる。以上より、硼素イオン注入量１×１０１４ａｔｏｍ／ｃｍ−２以上、硼素含有量で０．１％以上とすることで、内部応力の緩和率は３０〜９０％となり、内部応力の緩和効果が期待できる。よって、窒化膜へイオン注入されるイオン注入量が１×１０１４ｉｏｎｓ／ｃｍ-２以上１×１０１６ｉｏｎｓ／ｃｍ-２以下であることが好ましい。
【００４１】
量産性、プロセスマージン、応力緩和の安定性を考慮すると注入量、あるいは含有量に対し、応力値が依存しない領域、例えば硼素イオン注入量１×１０１５ａｔｏｍ／ｃｍ−２以上、硼素含有量０．３％以上で、かつこれ以上イオン注入量、あるいは硼素含有量を増やしても内部応力は低下せず応力緩和率は飽和するため、装置の負荷、量産性を考慮すると、イオン注入量で６×１０１５ａｔｏｍ／ｃｍ−２以下、硼素含有量で１．８％以下がもっとも好ましいイオン注入量、あるいは硼素含有量である。
【００４２】
また、前述した０．３μｍ膜厚の窒化膜の成膜直後、硼素を窒化膜下地層に突き抜けないように８０ｋｅＶ、２×１０１５ａｔｏｍ／ｃｍ−２で注入後、及び熱履歴８００℃、６時間処理後の引張応力、及びヤング率を図１２、成膜直後に対する内部応力とヤング率の各処理における変化割合を図１３に示す。
【００４３】
図１２より、窒化膜の内部応力は、硼素をイオン注入すると大幅に低下し、その後の熱履歴で若干増加する。しかし、ヤング率は、成膜直後、イオン注入後、及び熱履歴後とも大きな変動は見られない。また、各処理における内部応力は成膜直後の値に対しては、２０〜４０％程度まで緩和されている。
【００４４】
以上によりここでは、図９〜図１３より、窒化膜７３の応力をプロセスマージン、プロセス工数を考慮し、硼素を８０ｋｅＶ、２×１０１５ａｔｏｍ／ｃｍ−２（含有率：０．５％）でイオン注入する。
【００４５】
今回は、応力緩和に硼素を窒化膜７３中にイオン注入したが、ヤング率の変動がほとんど無く、内部応力のみ緩和できるのであれば、硼素以外の元素を窒化膜７３中にイオン注入してもよい。
【００４６】
次に、図８の（ｄ）に示すように、リソエッチ法で開口径２μｍの犠牲層除去孔７４と裏面貫通のインク供給孔となる箇所の絶縁膜を除去し、加工孔７５を形成する。そして、犠牲層エッチング、例えばＳＦ６プラズマ処理やＸｅＦ２ガスによるドライエッチングで空隙となる領域６７と通気管７６となる領域のポリシリコンを完全に除去し、空隙７７と通気管７６を形成する。ここで、犠牲層エッチングをドライエッチングで行っているが、ＴＭＡＨ溶液、ＫＯＨ溶液のウェットエッチングでもかまわない。
【００４７】
次に、図８の（ｅ）に示すように、犠牲層除去孔７４の封止膜７８を、犠牲層除去孔７４が封止される膜厚、例えば０．６μｍ厚を減圧ＣＶＤ法でシリコン基板６０の表面に形成する。この工程により、空隙７７は、外気と完全に遮断され封止される。ここでは図示していないが、空隙７７が大気圧に比べ負圧になっているため、振動板が凹に撓む。その後、図示していないが電極配線を形成する。
【００４８】
次に、図８の（ｆ）に示すように、リソエッチ法で裏面貫通のインク供給孔７９となる箇所の封止膜７８と絶縁膜６１を除去し、異方性エッチング、例えばＩＣＰエッチャーでシリコン基板６０の表面からエッチングし、裏面貫通のインク供給孔７９を形成する。このように、異方性エッチングで裏面貫通のインク供給孔７９を形成することにより、加工形状制御性、微細加工性、加工精度の面、及び高密度化の面でも効果が大きい。また、大気開放部(図示しない)では、大気開放孔(図示しない)をリソエッチ法で形成することにより、アクチュエータ部の負圧になった空隙を大気に戻す。また、必要であれば、空隙にガス導入を行なう。このとき、振動板の信頼性を向上させるため、例えば、疎水性を示すＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラザン）を空隙７７内へ通気管７６を介して導入する。
【００４９】
そして、図８の（ｇ）に示すように、接液膜として樹脂膜８０を被覆性の優れた蒸着重合法でシリコン基板全面に１μｍ厚成膜する。取りだしパッド部（図示せず）のみリソエッチ法で開口する。この樹脂膜８０により、大気開放孔(図示しない)は、封止され外部からの異物や水分の混入を防ぐことができる。この時、樹脂膜８０は、アクチュエータ空隙へ侵入せず、大気開放部で止まっている。ここで樹脂膜８０としては、例えばＰＢＯ膜（ポリベンゾオキサゾール）、ポリイミド膜、ポリパラキシリレンなどのように液滴に対して耐腐食性が有り、蒸着重合法で形成できる材料であれば何れでもよい。ここでは、大気開放孔(図示しない)の封止を接液膜形成と同時に行ったが、例えば接液膜形成前に封止剤、例えばエポキシ系接着剤等で封止してもよい。
【００５０】
以上で、図１及び図２に示す第１の基板１のアクチュエータ部が完成する。この第１の基板１に図１及び図２の第２の基板２、第３の基板３を組み合わせ液滴吐出ヘッドが完成する。
【００５１】
よって、従来技術では困難であった良好な生産性、及び生産効率を有する高精度、高密度、かつ高い信頼性を持った圧力発生機構を備えた基板が実現できる。
【００５２】
図１４は本発明の第１の実施の形態例の静電型アクチュエータを有する液滴吐出ヘッドにおける振動板部を示す拡大断面図である。図１５は本発明の第２の実施の形態例の静電型アクチュエータを有する液滴吐出ヘッドにおける振動板部を示す拡大断面図である。図１４及び図１５において、図６と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。
【００５３】
図１４において、振動板の膜構成は、下層から絶縁膜４４、上部電極膜４５、振動板膜剛性調整膜４６、振動板応力調整膜４７及び樹脂膜４８から構成された積層膜４９で形成されている。振動板剛性調整膜４６の残留応力を緩和するため、膜中にイオン注入により、例えば硼素を取り込んでいるが、イオン注入時、あるいはその後の熱履歴により下層の上部電極膜４５へイオン注入種が拡散する可能性がある。イオン注入種が上部電極膜４５へ拡散すると、電気的特性、例えば抵抗値のバラツキを生ずる可能性があり、アクチュエータ駆動特性のバラツキ要因となる。そこで、図１５に示す第２の実施の形態例の静電型アクチュエータを有する液滴吐出ヘッドにおける振動板部において、振動板の膜構成は、下層から絶縁膜４４、上部電極膜４５、イオン注入種バリア層８１、振動板膜剛性調整膜４６、振動板応力調整膜４７及び樹脂膜４８から構成された積層膜８２で形成されている。イオン注入種バリア層８１は、例えばＣＶＤ法によるシリコン酸化膜を０．１μｍとすることにより、実施例１で懸念される上部電極膜４５へのイオン種拡散が確実に防止でき、第１の実施の形態例に比べ、高精度、高密度、かつ高い信頼性を持った圧力発生機構を備えた基板が実現できる。
【００５４】
次に、本発明の静電型アクチュエータを有する液滴吐出ヘッドを搭載した別の発明のインクカートリッジについて図１６を参照して説明する。
図１６に示す別の発明のインクカートリッジ９０は、ノズル９１等を有する上記各実施の形態例の液滴吐出ヘッド９２と、当該液滴吐出ヘッド９２に対してインクを供給するインクタンク９３とを一体化したものである。このように、液滴吐出ヘッドとインクタンクの一体型のインクカートリッジの場合、アクチュエータ部を高信頼性化することで、インクカートリッジの歩留まり、信頼性が向上し、インクタンク・液滴吐出ヘッド一体型のインクカートリッジの低コスト化が図れる。
【００５５】
次に、本発明の静電型アクチュエータを有する液滴吐出ヘッドを搭載した別の発明の液滴吐出記録装置の一例について図１７及び図１８を参照して説明する。なお、図１７は別の発明の液滴吐出記録装置の機構部を示す概略断面図であり、図１８は別の発明の液滴吐出記録装置の要部を示す概略斜視図である。
【００５６】
図１７及び図１８に示す別の発明の液滴吐出記録装置は、装置本体１０１の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ１０２、キャリッジ１０２に搭載した本発明の液滴吐出ヘッドからなる記録ヘッド１０３、記録ヘッド１０３へインクを供給するインクカートリッジ１０４等で構成される印字機構部１０５等を収納し、装置本体１０１の下方部には前方側から多数枚の用紙１０６を積載可能な給紙カセット（あるいは給紙トレイでもよい。）１０７を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙１０６を手差しで給紙するための手差しトレイ１０８を開倒することができ、給紙カセット１０７或いは手差しトレイ１０８から給送される用紙１０６を取り込み、印字機構部１０５によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ１０９に排紙する。
【００５７】
印字機構部１０５は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド１１０と従ガイドロッド１１１とでキャリッジ１０２を主走査方向（図１７で紙面垂直方向）に摺動自在に保持し、このキャリッジ１０２にはイエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出する本発明に係る液滴吐出ヘッドからなる記録ヘッド１０３を複数のインク吐出口（ノズル）を主走査方向と交差する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。またキャリッジ１０２には記録ヘッド１０３に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ１０４を交換可能に装着している。
【００５８】
インクカートリッジ１０４は上方に大気と連通する大気口、下方には記録ヘッド１０３へインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力により記録ヘッド１０３へ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、記録ヘッドとしてここでは各色の記録ヘッド１０３を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する１個のヘッドでもよい。
【００５９】
ここで、キャリッジ１０２は後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド１１０に摺動自在に嵌装し、前方側（用紙搬送方向上流側）を従ガイドロッド１１１に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ１０２を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ１１２で回転駆動される駆動プーリ１１３と従動プーリ１１４との間にタイミングベルト１１５を張装し、このタイミングベルト１１５をキャリッジ１０２に固定しており、主走査モータ１１２の正逆回転によりキャリッジ１０２が往復駆動される。
【００６０】
一方、給紙カセット１０７にセットした用紙１０６を記録ヘッド１０３の下方側に搬送するために、給紙カセット１０７から用紙１０６を分離給装する給紙ローラ１１６及びフリクションパッド１１７と、用紙１０６を案内するガイド部材１１８と、給紙された用紙１０６を反転させて搬送する搬送ローラ１１９と、この搬送ローラ１１９の周面に押し付けられる搬送コロ１２０及び搬送ローラ１１９からの用紙１０６の送り出し角度を規定する先端コロ１２１とを設けている。搬送ローラ１１９は副走査モータ１２２によってギヤ列を介して回転駆動される。
【００６１】
そして、キャリッジ１０２の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ１１９から送り出された用紙１０６を記録ヘッド１０３の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材１２３を設けている。この印写受け部材１２３の用紙搬送方向下流側には、用紙１０６を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ１２４及び拍車１２５を設け、更に用紙１０６を排紙トレイ１０９に送り出す排紙ローラ１２６及び拍車１２７と、排紙経路を形成するガイド部材１２８，１２９とを配設している。
【００６２】
記録時には、キャリッジ１０２を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド１０３を駆動することにより、停止している用紙１０６にインクを吐出して１行分又は複数行一括分を記録し、用紙１０６を所定量搬送後次の行分又は次の複数行一括分の記録を行う。記録終了信号または、用紙１０６の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙１０６を排紙する。
【００６３】
また、キャリッジ１０２の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、記録ヘッド１０３の吐出不良を回復するための維持回復装置１３０を配置している。この維持回復装置１３０はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ１０２は印字待機中にはこの維持回復装置１３０側に移動されてキャッピング手段で記録ヘッド１０３をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。
【００６４】
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段で記録ヘッド１０３の吐出口（ノズル）を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜（不図示）に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
【００６５】
このように、別の発明の液滴吐出記録装置においては本発明の静電型アクチュエータを有する液滴吐出ヘッドを搭載しているので、振動板駆動不良によるインク滴吐出不良がなく、安定したインク滴吐出特性が得られて、画像品質が向上する。また低電圧で駆動できる液滴吐出ヘッドを搭載するので、液滴吐出記録装置全体の消費電力も低減できる。
【００６６】
なお、上記実施の形態例においては、インク以外の液滴、例えばパターニング用の液体レジストを吐出する液滴吐出ヘッドにも適用することできる。
【００６７】
図１９は本発明の静電型アクチュエータを用いたマイクロポンプを示す断面図である。同図に示すマイクロポンプは、上述した静電型アクチュエータを複数、振動板領域の長手方向の側壁部が隣接するように適当数並設し、その上に流路板を積層した構造である。マイクロポンプの動作原理を図１９に基づいて説明すると、基板上に形成された電極１４１と空隙を介して設けられた振動板１４２が、隣接する振動板との間に一定の時間差をもって順次駆動され、振動板１４２と流路板１４３との間に形成される流路１４４の中を流体が流れる構造となっている。振動板１４２を図中右側から順次駆動することによって流路１４４内の流体は矢印方向へ流れが生じ、流体の輸送が可能となる。図１９のマイクロポンプでは静電型アクチュエータを複数設けた例を示したが、静電型アクチュエータは１つでも良く、また輸送効率を上げるために弁などを設けても良い。
【００６８】
図２０は本発明の静電型アクチュエータを用いた光変調デバイスを示す断面図である。同図に示す光変調デバイスは、基板上に形成された電極１５１と空隙を介して設けられた振動板１５２が複数配列され、振動板１５２はミラーを兼ねている。振動板１５２の表面は反射率を増加させるため誘電体多層膜や金属膜を形成すると良い。光源１５３からの光はレンズ１５４を介してミラーとしての振動板１５２の表面に照射される。ミラーとしての振動板１５２を駆動しない場合、光は入射角と同じ角度で反射する。ミラーとしての振動板１５２を駆動した場合は凹面ミラーとなるので反射光は発散光となる。このように本発明により光変調デバイスが実現できる。
【００６９】
図２１は図２０に示す光変調デバイスの応用例を示す斜視図である。同図に示す光変調デバイスの応用例は、例えば図５に示すような静電型アクチュエータがＸ、Ｙ方向に密接して配設され、振動板の表面が鏡面に仕上げられた構成である。図２０の光源１５３からの光はレンズ１５４を介してミラーとしての振動板１５２の鏡面仕上げの表面に照射され、振動板を駆動していないところに入射した光は、投影用レンズ１５５へ入射する。一方、電極１５１に電圧を印加して振動板１５２を変形させているところは凹面ミラーとなるので、光は発散し投影用レンズ１５５にほとんど入射しない。投影用レンズ１５５に入射した光はスクリーン（図示しない）などに投影される。この構造を図２１のように２次元に配列し、それぞれのミラーを独立に駆動することによって、スクリーンに画像を表示できる。なお、図２１では例として４×４の配列を示したがもっと多数配列することも可能でありこの限りではない。
【００７０】
図１９に示すマイクロポンプや図２０及び図２１の光変調デバイスでは動作原理を簡単に述べたが、図１９に示すマイクロポンプや図２０及び図２１の光変調デバイスに上述した製造方法や構成も適用することもできる。
【００７１】
なお、本発明の静電型アクチュエータの応用例として、液滴吐出ヘッド、インクカートリッジ、マイクロポンプ、光変調デバイスを例として挙げたが、これ以外の光学デバイス、マイクロアクチュエータなどにも適用可能である。
【００７２】
また、本発明は上記実施の形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変形や置換可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の第１の実施例に係る静電型アクチュエータを有する液滴吐出ヘッドの分解斜視図である。
【図２】図１の各基板を重ね合せた斜視図である。
【図３】図２のＡ−Ａ’線断面図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ’線断面図である。
【図５】本発明の第１の実施例に係る静電型アクチュエータを有する液滴吐出ヘッドにおける圧力発生機構の構成を示す平面図である。
【図６】図５のＣ−Ｃ’線断面図である。
【図７】図５のＤ−Ｄ’線断面図である。
【図８】本実施の形態例の静電型アクチュエータを有する液滴吐出ヘッドの製造工程を示す工程断面図である。
【図９】窒化膜への硼素イオン注入量と引張応力緩和の関係を示す特性図である。
【図１０】窒化膜中の硼素含有率と引張応力緩和の関係を示す特性図である。
【図１１】成膜直後に対する内部応力を基準とした硼素注入後の内部応力緩和率の硼素含有率依存を示す特性図である。
【図１２】引張応力とヤング率の関係を示す特性図である。
【図１３】成膜直後に対する内部応力とヤング率の各処理における変化割合を示す特性図である。
【図１４】本発明の第１の実施の形態例の静電型アクチュエータを有する液滴吐出ヘッドにおける振動板部を示す拡大断面図である。
【図１５】本発明の第２の実施の形態例の静電型アクチュエータを有する液滴吐出ヘッドにおける振動板部を示す拡大断面図である。
【図１６】本発明の静電型アクチュエータを有する液滴吐出ヘッドを搭載した別の発明のインクカートリッジの構成を示す斜視図である。
【図１７】図１７は別の発明のインクジェット記録装置の機構部を示す概略断面図である。
【図１８】別の発明のインクジェット記録装置の要部を示す概略斜視図である。
【図１９】本発明の静電型アクチュエータを用いたマイクロポンプを示す断面図である。
【図２０】本発明の静電型アクチュエータを用いた光変調デバイスを示す断面図である。
【図２１】図２０に示す光変調デバイスの応用例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００７４】
１；液滴吐出ヘッド、１０；第１の基板、
１１，２１，５１，６０；シリコン基板、１２；個別電極、
１３，５４，６７，７７；空隙、１４，１４２，１５２；振動板、
１５；大気開放部、１６，５６，６４，７６；通気管、
１７，５５，７４；犠牲層除去孔、１８；インク供給口、
２０；第２の基板、２２；吐出室、２３；共通液室、２４；個別液室、
２５；流体抵抗、３０；第３の基板、３１；ニッケル基板、
３２；ノズル孔、４１；振動板領域、４２；分離溝、
４３，６３，６８，７１；隔壁部、
４４，５２，５３，６１，６６，６９；絶縁膜、
４５，７０；上部電極、４６；振動板膜剛性調整膜、
４７；振動板応力調整膜、４８；樹脂膜、４９；積層膜、
５０，６２；下部電極、５７，６５，７９；インク供給孔、
７２；保護孔、７３；窒化膜、７５；加工孔、７８；封止膜、
８０；樹脂膜、８１；イオン注入種バリア層８１、
９０，１０４；インクカートリッジ、９１；ノズル、
９２；液滴吐出ヘッド、９３；インクタンク、１０１；装置本体、
１０２；キャリッジ、１０３；記録ヘッド、１０５；印字機構部、
１０６；用紙、１０７；給紙カセット、１０８；手差しトレイ、
１０９；排紙トレイ、１１０；主ガイドロッド、
１１１；従ガイドロッド、１１２；主走査モータ、
１１３；駆動プーリ、１１４；従動プーリ、
１１５；タイミングベルト、１１６；給紙ローラ、
１１７；フリクションパッド、１１８，１２８，１２９；ガイド部材、
１１９；搬送ローラ、１２０；搬送コロ、１２１；先端コロ、
１２２；副走査モータ、１２３；印写受け部材、１２４；搬送コロ、
１２５，１２７；拍車、１２６；排紙ローラ、１３０；維持回復装置、
１４１，１５１；電極、１４３；流路板、１４４；流路、
１５３；光源、１５４；レンズ、１５５；投影用レンズ。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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