(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インク滴を吐出するノズルと、該ノズルに連通するインク液室と、該インク液室と接して設けられた振動板と、該振動板に空間を経て対向して設けられた個別電極とを有し、該個別電極に電圧を印加することにより、前記振動板に変型を生じさせるインクジェットヘッドであって、前記振動板と前記個別電極との間にギャップを形成するための絶縁膜であるシリコン酸化膜からなるギャップスペーサを単結晶シリコン基板に形成し、前記個別電極は前記ギャップスペーサ内に前記振動板に対向して配設され、該個別電極に電圧を印加した時に、前記振動板を静電力により変形させ、前記ノズルからインク液滴を吐出するインクジェットヘッドにおいて、前記シリコン酸化膜からなるギャップスペーサの側壁内面が前記個別電極を挟んで前記個別電極から振動板に向けて側壁内面同士の間隔が広がるように傾斜して前記振動板に対して漸近して接合されていることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】
請求項１記載のインクジェットヘッドにおいて、インク液室の幅が前記ギャップスペーサの幅より小さいことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項３】
請求項１または２に記載のインクジェットヘッドにおいて、前記ギャップスペーサ内に形成された個別電極上に絶縁物が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。
【請求項４】
請求項１記載のインクジェットヘッドの作製方法であって、絶縁膜であるシリコン酸化膜からなるギャップスペーサはシリコン酸化膜上にフォトレジストの層を形成し、上記フォトレジストの層にフォトリソグラフィの手法により所望の形状とし、このフォトレジスト層をマスクとしてシリコン酸化膜を等方性及び／又は異方性エッチングを行うことによりシリコン酸化膜上にギャップスペーサの側壁内面が前記個別電極を挟んで前記個別電極から前記振動板に向けて側壁内面同士の間隔が広がるように傾斜しているギャップスペーサ形状を形成し、前記個別電極を前記ギャップスペーサ内部で、シリコン酸化膜上に配置する第１の工程、前記電極基板とシリコン基板を接合した後に該シリコン基板に振動板とインク液室、インクノズルを形成する工程、或いは、シリコン基板に振動板を形成した後に前記電極基板と接合してインク液室とインクノズルを形成する第２の工程を有し、順次作製することを特徴とするインクジェットヘッドの作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェットヘッド及びその作製方法に関し、より詳細には、振動板を静電引力によって駆動する静電型インクジェットヘッドにおける個別電極の構造及びその作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平６−７１８８２号公報には、オンデマンド方式のインクジェットプリンタに用いられる振動板を静電引力によって駆動する静電型インクジェットヘッドが開示されている。この特開平６−７１８８２号公報には、振動板と対向するｎ型又はｐ型の拡散層の個別電極が単結晶シリコン基板に形成され、ｐｎ接合により絶縁分離された、或いは、個別電極がガラス基板に形成されたギャップ溝内部に形成され、該個別電極に電圧を印加し、前記振動板を静電力により変形させ、その変形によりインク液を加圧し、前記ノズルからインク液滴を吐出する静電型インクジェットヘッドが開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特開平６−７１８８２号公報に開示されているインクジェットヘッドの構造は、振動板に対向するｎ型又はｐ型拡散層で形成されている個別電極に駆動電圧を印加し、静電力によって駆動する方式の静電型インクジェットヘッドであって、個別電極はｎ型又はｐ型の拡散層で形成されており、ｐｎ接合分離で個別電極間と単結晶シリコン基板を分離している。このようなｐｎ分離で個別電極間を分離したインクジェットヘッドは、その動作温度環境や、接合形成プロセスにより接合のリーク電流が大きく変化し、消費電力の増大や、不安定な動作、駆動ドライバのドライブ不足等、ｐｎ接合リークやｐｎ接合容量に関わる問題が多発する。
【０００４】
また、ｐ型又はｎ型の伝導型を示す不純物を導入して形成した拡散層からなる個別電極を用いてインクジェットヘッドの駆動電圧を印加した場合、印加できる駆動電圧は空乏層幅により制限されるため比較的低い駆動電圧しか印加できなかった。通常、接合破壊電圧に対して駆動電圧は十分余裕を持たせるのが一般的であるが、この空乏層の広がりに制限された比較的低い電圧しか印加できないため、印加できる駆動電圧のマージンが狭いといった問題があった。
【０００５】
更に、特開平６−７１８８２号公報には、ｐｎ接合分離を利用した個別電極を有するインクジェットヘッド以外に、ガラス基板に形成したギャップ溝内部に個別電極を形成した例が開示されている。このような個別電極の場合、ギャップ溝をドライ又はウエットエッチング法により形成しているため個別電極と振動板との間のギャップの精密な制御が困難であり、ウエハ面内のギャップ均一性が確保できない。このギャップはインクジェットヘッド駆動特性を決める重要な設計パラメータであって、このバラツキが、インクジェットヘッド特性のバラツキを大きくしていた。また、ギャップスペーサ側壁と振動板が垂直に接合されているためインクジェットヘッド動作時に、振動板に局所的な応力集中を生じ耐久性に問題があった。
【０００６】
また、インク液室の幅がギャップスペーサの幅よりも大きくなるように設計した場合、インクジェットヘッドの動作時に振動板の局所的な応力集中を生じ耐久性が問題となる。また、作製方法においてｎ型，ｐ型の伝導型をもつ不純物原子を含む薄膜シリコンを酸化してシリコン酸化膜ギャップスペーサを形成すると、このシリコン酸化ギャップスペーサに多量の不純物原子が含まれ、このような不純物原子を多量に含む酸化シリコン膜とインク液室や振動板が形成された単結晶シリコン基板を接合すると、接合の歩留まりが低下するといった問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、基板である単結晶シリコンを酸化してギャップスペーサを形成することで、上述の問題を解決することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、インクジェットヘッドの駆動電圧のマージンを広げると共に、特性のバラツキが少ない高耐久性のインクジェットヘッドを提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、インクジェットヘッドの駆動時に個別電極と振動板との短絡を防ぎ、信頼性の高いインクジェットヘッドを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、インク滴を吐出するノズルと、該ノズルに連通するインク液室と、該インク液室と接して設けられた振動板と、該振動板に空間を経て対向して設けられた個別電極とを有し、該個別電極に電圧を印加することにより、前記振動板に変型を生じさせるインクジェットヘッドであって前記振動板と前記個別電極との間にギャップを形成するための絶縁膜であるシリコン酸化膜からなるギャップスペーサを単結晶シリコン基板に形成し、前記個別電極は前記ギャップスペーサ内に前記振動板に対向して配設され、該個別電極に電圧を印加した時に、前記振動板を静電力により変形させ、前記ノズルからインク液滴を吐出するインクジェットヘッドにおいて、前記シリコン酸化膜からなるギャップスペーサの側壁内面が前記個別電極を挟んで前記個別電極から振動板に向けて側壁内面同士の間隔が広がるように傾斜して前記振動板に対して漸近して接合されていることを特徴としたものである。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、インク液室の幅が前記ギャップスペーサの幅より小さいことを特徴としたものである。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、前記ギャップスペーサ内に形成された個別電極上に絶縁物が形成されていることを特徴としたものである。
【００２２】
請求項４の発明は、請求項１記載のインクジェットヘッドの作製方法であって、絶縁膜であるシリコン酸化膜からなるギャップスペーサはシリコン酸化膜上にフォトレジストの層を形成し、上記フォトレジストの層にフォトリソグラフィの手法により所望の形状とし、このフォトレジスト層をマスクとしてシリコン酸化膜を等方性及び／又は異方性エッチングを行うことによりシリコン酸化膜上にギャップスペーサの側壁内面が個別電極を挟んで該個別電極から振動板に向けて側壁内面同士の間隔が広がるように傾斜しているギャップスペーサ形状を形成し、前記個別電極を前記ギャップスペーサ内部で、シリコン酸化膜上に配置する第１の工程、前記電極基板とシリコン基板を接合した後に該シリコン基板に振動板とインク液室、インクノズルを形成する工程、或いは、シリコン基板に振動板を形成した後に前記電極基板と接合してインク液室とインクノズルを形成する第２の工程を有し、順次作製することを特徴としたものである。
【００３４】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は、本発明によるインクジェットヘッドを説明するための図で、図１は、本発明によるインクジェットヘッドの上面図であり、図２（Ａ）は図１のＡ−Ａ線断面、図２（Ｂ）は図１のＢ−Ｂ線断面、図２（Ｃ）は図１のＣ−Ｃ線断面を示し、周知のように、振動板１２、インク液室１８、共通液室１６、インク流路１７を異方性エッチングにより形成した面方位１１０の単結晶シリコン基板１１等とから成るインク液室部１０と、インクノズル３１、インク供給路３２が形成されたガラス板、金属板等のインクカバー３３等から成るカバー部３０と、電極基板部２０の３つの部分から構成されており、これらの３つの部分が各々接合されている。
【００３５】
インク液室部１０の単結晶シリコン基板１１にはインク液室１８と個々のインクノズル３１に対応して、静電引力によって駆動されるシリコン薄膜振動板１２が形成されて、前記該インク液室１８へインクを供給するための共通液室１６が形成されており、インク液室１８と共通液室１６はインク流路１７によって連通されている。前述のように、個々のインクノズル３１に対応してインク液室１８を構成しているシリコン薄膜振動板１２は、更に、電極基板部２０の個別電極２３に対向して配置されている。この時、インク液室１８の幅ａは、個別電極２３を内部に形成しているギャップスペーサ２５の幅ｂより小さくする。
【００３６】
図２（Ａ）〜図２（Ｃ）において、２１はｎ型又はｐ型の不純物原子を含む単結晶シリコン基板で、通常は、面配向１００の単結晶シリコン基板を用いるが、プロセスに応じて面方位１１０又は１１１の単結晶シリコン基板を用いても何ら問題は無い。２３は互いに絶縁分離された個別電極であって、イオン注入法，塗布拡散法，固体拡散法等の種々の不純物導入法により形成した不純物原子を望ましくは１Ｅ１８／ｃｍ3以上含むｎ型又はｐ型の多結晶シリコン又は単結晶シリコン、或いは、窒化チタン等の高融点金属であって、単結晶シリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜に配置され、かつ、前記シリコン酸化膜のギャップスペーサ２５内に配置されている個別電極である。２４は振動板１２と前記個別電極２３の絶縁を確保するための望ましくは配置するシリコン窒化膜，シリコン酸化膜等の絶縁物である。２５は熱酸化法等により形成したシリコン酸化膜からなるギャップスペーサであって、振動板１２と個別電極２３の間にギャップ（空隙）を形成するためのものである。このギャップスペーサを介してシリコン薄膜振動板１２と対向した個別電極２３に電圧を印加することで静電引力を発生させる。２６は個別電極２３に対して導通するような駆動電圧印加パッドである。Ｒは電極基板に形成したパッド２６に外部から電圧を印加するＦＰＣやワイヤーボンディング等の実装を行うためのパッド取り出し部である。Ｙはインクノズルの配置方向によって決まるインクの吐出方向である。
【００３７】
次に、図３を参照して、本発明によりインクジェットヘッドの作成フローについて説明する。図３において、左側の図は、図１のＡ−Ａ線断面に対応する部分を示し、右側の図は、図３の左側の図のＩ−Ｉ線断面を各工程に対応させて示す。
【００３８】
（Ａ）：最初に、厚さ４００μｍ〜７００μｍ、抵抗率５〜３０Ω／ｃｍ、面配向１００又は１１１，１１０、ｐ型又はｎ型の単結晶シリコン基板２１上に熱酸化法、ＣＶＤ法、スパッタ法等の手段により酸化シリコン膜等の絶縁膜２２を形成する（図３（Ａ））。この絶縁膜２２は、イクジェッドヘッドの個別電極と単結晶シリコン基板２１の絶縁を確保するものであれば何ら問題はない。
【００３９】
（Ｂ）：次に、イオン注入法、塗布拡散法、固体拡散法等の種々の不純物導入法より不純物原子を望ましくは１Ｅ１８／ｃｍ3以上導入したｎ型又はｐ型の多結晶シリコン又は単結晶シリコン、或いは、高融点金属望ましくは窒化チタン２３を絶縁膜２２上に形成する（図３（Ｂ））。
【００４０】
（Ｃ）：前記シリコン２３上にシリコン窒化膜等の酸素拡散防止の絶縁膜２４をＣＶＤ法、スパッタ法により順次形成する（図３（Ｃ））。
（Ｄ）：次に、通常のフォトリソグラフィとドライエッチング又はウエットエッチングにより前記酸素拡散防止の絶縁膜２４と前記多結晶シリコン又は前記単結晶シリコン、或いは、前記高融点金属２３を単結晶シリコン基板２１上までセルフアライメントでパターンニングし、個別電極領域を形成する（図３（Ｄ））。
【００４１】
（Ｅ）：次に、少なくとも酸素ガスを含む電気炉で前記単結晶シリコン基板２１を酸化する。この時、シリコン窒化膜等の酸素拡散防止の絶縁膜２４の無い第１領域の前記単結晶シリコン２１上には酸化シリコン膜２５ａが形成される。この時、単結晶シリコン基板２１を酸化しているので第１領域上には不純物原子を含まない酸化シリコン膜２５ａが形成され、後の接合工程において接合のマージンを向上させる。一方、シリコン窒化膜等の酸素拡散防止の絶縁膜２４が存在する第２領域では前記単結晶シリコン２１の酸化が進行せず、絶縁膜２２と等しい膜厚の酸化シリコン膜２５ｂが形成され、第１の領域の酸化シリコン膜２５ａと第２の領域の酸化シリコン膜２５ｂの膜厚が各々異なるため領域間で段差ができる（図３（Ｅ））。この段差は本発明のインクジェットヘッドの振動板と個別電極のギャップとなる。ここで、前記酸素拡散防止の絶縁膜２４を除去しても何ら問題はないが、本発明では除去しない工程で説明する。
【００４２】
（Ｆ）：次に、伝導型がｐ型又はｎ型、面方位１１０の単結晶シリコン基板１１の片面に振動板膜厚に等しくなる深さまでｐ型或いはｎ型の伝導型を示す不純物を１Ｅ１９／ｃｍ3以上拡散させた拡散領域１２と、この拡散領域の反対の面にインク液室とインクノズルを規定する酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、５酸化タンタル等の単結晶シリコンエッチングマスクパターン１３が形成されたインク液室基板部１０を、図３（Ｄ）に示した電極基板部２０と接合する。この時、面方位１１０単結晶シリコン基板の上にシリコン酸化膜を介して振動板膜厚に等しい単結晶薄膜シリコンが形成されている所謂ＳＯＩ（シリコンSlicon on Insulater）基板と電極基板を接合してもよい。
【００４３】
電極基板とインク液室基板の接合は８００℃以上の温度で減圧又は常圧の酸素又は窒素雰囲気で接合を行う直接接合やインク液室を形成する１１０単結晶シリコン基板上にＮａイオン，Ｈイオン等の可動イオンを含む絶縁膜をスパッタ法で全面形成し電界を印加しながら２００℃〜５００℃で接合する陽極接合で行う。また、前記接合を行う前には電極基板のシリコン酸化膜２５ａの表面をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等により研磨し接合表面を平滑にすることが望ましい（図３（Ｆ））。
【００４４】
（Ｇ）：電極基板とインク液室基板が接合された基板を単結晶シリコンエッチングマスクパターン１３が形成された側からＫＯＨ，ＴＭＡＨ等によって１１０単結晶シリコン基板１１を異方性エッチングする。この時、高濃度に不純物を含む拡散領域１２でエッチングはストップし、振動板１２が形成される。ＳＯＩ基板を異方性エッチングした場合はシリコン酸化膜上でエッチングはストップする。なお、この時、前記シリコン酸化膜を除去しても何ら問題はない（図３（Ｇ））。
【００４５】
（Ｈ）：接合された基板上部にサンドブラスト加工やレーザ加工でインク供給用の流路３２が形成されているガラス板や金属板からなるインク液室カバー３３を張り付ける。パッド領域のみシリコン薄膜振動板１２をエッチングにより除去しＡｕ等の電圧印加用パッド２６を形成し、本発明のインクジェットヘッドは完成する（図３（Ｈ））。なお、個別電極が窒化チタンなど金属あるいはその化合物の場合にはパッド２６の形成は不要の場合もある。
【００４６】
この時点で、インク液室側は異方性エッチングにより形成される個々のノズル１９に対応した個別液室１８と、該個別液室へインクを供給するための共通液室１６とを有し、これら個別液室１８と共通液室１６とが異方性エッチングで形成した流路１７で連通された構造となる。このインクジェットヘッドの個別電極パッド２６に電圧を印加した時、単結晶シリコン振動板１２と個別電極２３の間に静電力が働き、振動板１２は個別電極２３の方向にたわみ、液室１８は引圧となり、インク供給のための流路１７を経て共通液室１６から個別液室１８へとインクが供給される。電圧を切ると、単結晶シリコン振動板１２はシリコンの剛性によって元の位置へ戻り、このとき個別液室１８は加圧され、ノズル１９を経てＸ方向にインクが吐出され、記録紙上へ着弾する。
【００４７】
なお、ここではインクの吐出方向は基板に対して水平方向（Ｘ方向）の例で示したが、インクノズルの方向を変更することで基板の法線方向（Ｙ方向）にインクを吐出させることもできる。また、本インクジェットヘッド作製フローでは振動板とインク液室を形成する単結晶シリコン基板と電極基板を接合した後に異方性エッチングを行い振動板とインク液室とノズル部を形成した例を示したが、異方性エッチングによりインク液室と振動板を形成した単結晶シリコン基板と電極基板を接合してからノズル部を形成してもよい。その他、インク流路、共通液室、インク供給口等の配置、材料、工法などインクジェットヘッドにおける他の構成部分は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で最適に変更できる。
【００４８】
（実施例１）
図４は、本発明の実施例１を説明するための図で、図４（Ａ）は図１の個別電極部の断面であるＡ−Ａ線断面を示し、図４（Ｂ）は図１のパッド部の断面であるＢ−Ｂ線断面を示し、図４（Ｃ）は図１のＣ−Ｃ線断面を各々示した。本実施例のインクジェットヘッドは、前述の図３に示したフローに従って作製した。２１は面方位１００、抵抗率１０〜２０Ω／ｃｍのｎ型単結晶シリコン基板である。２５は振動板１２と個別電極２３のギャップスペーサであって、Ｈ２ガスとＯ２ガス雰囲気のパイロ酸化炉で形成したシリコン酸化膜である。この時、個別電極２３と単結晶シリコン基板２１との間のシリコン酸化膜厚は厚さ３００ｎｍであってギャップは０.５μｍである。２３はイオン注入法により形成したリン原子を不純物濃度１Ｅ２０／ｃｍ3含む厚さ２００ｎｍのｎ型多結晶シリコンからなる個別電極である。個別電極２３上にはＬＰＣＶＤ法により形成した厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜２４が配置されている。この窒化シリコン膜２４は振動板１２と個別電極２３の絶縁を確保するものであって、シリコン酸化膜のギャップスペーサ２５を熱酸化法により形成した時に酸素拡散防止膜として使用したものをそのまま用いた。２６はスパッタ法により形成したＡｕであって、駆動電圧を個別電極２３に印加する電極パッドである。
【００４９】
面方位１１０の単結晶シリコン基板１１をＫＯＨで異方性エッチングして形成したボロン不純物原子を１Ｅ２０／ｃｍ3以上含む膜厚３μｍの振動板１２がギャップスペーサ２５のシリコン酸化膜と接合されている。面方位１１０単結晶シリコン基板１１には、ＫＯＨの異方性エッチングで形成したインク液室１８と、そこへインクを供給する共通液室１６が形成され、両者が流路１７によって連通されている。更に、サンドブラスト加工でインク供給用の流路３２とインクノズル３１が形成されたガラス板３３がインク液室の上に張り付けられている。この時、インク液室１８の幅ａは個別電極を内部に形成しているギャップスペーサの幅ｂより小さい。
【００５０】
上述のごときインクジェットヘッドにおいて、振動板１２を電気的に接地し電極パッド２６を介して個別電極２３に正の駆動電圧を印加し、一定周波数で駆動した。電圧を印加したとき、振動板１２と個別電極２３との間に静電引力が働き、振動板１２は個別電極２３の方向に引かれた。このときインク液室１８は引圧となりインク供給のための流路１７を経て共通液室１６から個別液室１８へインクが供給された。駆動電圧の周波数に対応して振動板１２はシリコンの剛性により元の位置へと戻り、このとき個別液室１８は加圧され、ノズル３１を経てインクがＹ方向へ吐出され記録紙上へ着弾し記録された。
【００５１】
（実施例２）
図５は、本発明の実施例２を説明するための図で、図５（Ａ）は図１の個別電極部の断面であるＡ−Ａ線断面を示し、図５（Ｂ）は図１のパッド部の断面であるＢ−Ｂ線断面を示し、図５（Ｃ）は図１のＣ−Ｃ線断面を各々示した。本実施例のインクジェットヘッドは、前述の図３に示したフローに従って作製した。２１は面方位１００、抵抗率１０〜２０Ω／ｃｍのｐ型単結晶シリコン基板である。２５は振動板１２と個別電極２３のギャップスペーサであって、Ｈ2ガスとＯ2ガス雰囲気のパイロ酸化炉で形成したシリコン酸化膜である。この時、個別電極と単結晶シリコン基板２１との間のシリコン酸化膜は厚さ３００ｎｍであって、ギャップは０.５μｍである。２３はチタンをターゲットとして反応性スパッタ法により形成した厚さ１５０ｎｍの窒化チタンからなる個別電極である。
【００５２】
個別電極２３上にはＣＶＤ法により形成した厚さ１５０ｎｍの酸化シリコン膜２４が配置されている。前記酸化シリコン膜２４は振動板１２と個別電極２３の絶縁を確保するものである。２６はスパッタ法により形成したＡｕであって駆動電圧を個別電極２３に印加する電極パッドである。
【００５３】
面方位１１０の単結晶シリコン基板１１を厚さ１５０ｎｍのシリコン酸化膜１２ｂ上までＫＯＨの異方性エッチングで形成した厚さ３μｍの単結晶シリコン振動板１２ａがギャップスペーサのシリコン酸化膜２５と接合されている。面方位１１０単結晶シリコン基板１１には、ＫＯＨの異方性エッチングで形成したインク液室１８と、そこへインクを供給する共通液室１６が形成され、両者が流路１７によって連通されている。更に、サンドブラスト加工でインク供給用の流路３２が形成されたＳＵＳ板３３がインク液室の上に張り付けられている。
【００５４】
この時、インク液室１８の幅ａは個別電極を内部に形成しているギャップスペーサの幅ｂより小さい。このようなインクジェットヘッドにおいて、振動板１２を電気的に接地し、電極パッド２６を介して個別電極２３に正の駆動電圧を印加し、一定周波数で駆動した。電圧を印加したとき振動板１２と個別電極２３との間に静電引力が働き、振動板１２は個別電極２３の方向に引かれた。このときインク液室１８は引圧となりインク供給のための流路１７を経て共通液室１６から個別液室１８へインクが供給された。駆動電圧の周波数に対応して振動板１２はシリコンの剛性により元の位置へと戻り、このとき個別液室１８は加圧され、単結晶シリコン基板１１中に形成されたノズル１９を経てインクがＸ方向へ吐出され記録紙上へ着弾し記録された。
【００５５】
（実施例３）
図６は、本発明の実施例３を説明するための図で、図６（Ａ）は図１の個別電極部の断面であるＡ−Ａ線断面を示し、図６（Ｂ）は図１のパッド部の断面であるＢ−Ｂ線断面を示し、図６（Ｃ）は図１のＣ−Ｃ線断面を各々示した。本実施例のインクジェットヘッドは、前述の図３に示したフローに従って作製した。２１は面方位１００、抵抗率１０〜２０Ω／ｃｍのｎ型単結晶シリコン基板である。２５は振動板１２と個別電極２３のギャップスペーサであって、Ｈ２ガスとＯ２ガス雰囲気のパイロ酸化炉で形成したシリコン酸化膜である。この時、個別電極２３と単結晶シリコン基板２１との間のシリコン酸化膜厚は厚さ３００ｎｍであってギャップは０.５μｍである。２３はイオン注入法により形成したボロン原子を不純物濃度１Ｅ２０／ｃｍ3含む厚さ２００ｎｍのｐ型多結晶シリコンからなる個別電極である。２６はスパッタ法により形成したＡｕであって駆動電圧を個別電極２３に印加する電極パッドである。
【００５６】
面方位１１０の単結晶シリコン基板１１をＫＯＨで異方性エッチングして形成したリン不純物原子を１Ｅ２０／ｃｍ3以上含む膜厚３μｍの振動板１２がギャップスペーサのシリコン酸化膜２５と接合されている。面方位１１０単結晶シリコン基板１１には、ＫＯＨの異方性エッチングで形成したインク液室１８と、そこへインクを供給する共通液室１６が形成され、両者が流路１７によって連通されている。
【００５７】
更に、サンドブラスト加工でインク供給用の流路３２とインクノズル３１が形成されたガラス板３３がインク液室の上に張り付けられている。この時、インク液室１８の幅ａは個別電極を内部に形成しているギャップスペーサの幅ｂより小さい。このようなインクジェットヘッドにおいて、振動板１２を電気的に接地し、電極パッド２６を介して個別電極２３に正の駆動電圧を印加し、一定周波数で駆動した。電圧を印加したとき、振動板１２と個別電極２３との間に静電引力が働き、振動板１２は個別電極２３の方向に引かれた。このときインク液室１８は引圧となり、インク供給のための流路１７を経て共通液室１６から個別液室１８へインクが供給された。駆動電圧の周波数に対応して振動板１２はシリコンの剛性により元の位置へと戻り、このとき個別液室１８は加圧され、ノズル３１を経てインクがＹ方向へ吐出され記録紙上へ着弾し記録された。
【００５８】
（実施例４）
図７は、本発明の実施例４を説明するための図で、図７（Ａ）は図１の個別電極部の断面であるＡ−Ａ線断面を示し、図７（Ｂ）は図１のパッド部の断面であるＢ−Ｂ線断面を示し、図７（Ｃ）は図１のＣ−Ｃ線断面を各々示した。本実施例のインクジェットヘッドは、前述の図３に示したフローに従って作製した。２１は面方位１００、抵抗率１０〜２０Ω／ｃｍのｎ型単結晶シリコン基板である。２５は振動板１２（１２ａ）と個別電極２３のギャップスペーサであってＨ２ガスとＯ２ガス雰囲気のパイロ酸化炉で形成したシリコン酸化膜である。この時、個別電極２３と単結晶シリコン基板２１との間のシリコン酸化膜厚は厚さ３００ｎｍであってギャップは０.５μｍである。２３はイオン注入法により形成した原子を不純物濃度１Ｅ２０／ｃｍ3含む厚さ２００ｎｍのｎ型多結晶シリコンからなる個別電極である。個別電極２３上にはＬＰＣＶＤ法により形成した厚さ１００ｎｍの窒化シリコン膜２４が配置されている。この窒化シリコン膜２４は振動板１２（１２ａ）と個別電極２３の絶縁を確保するものであって、シリコン酸化膜のギャップスペーサ２５を熱酸化法により形成した時に酸素拡散防止膜として使用したものをそのまま用いた。２６はスパッタ法により形成したＡｕであって駆動電圧を個別電極２３に印加する電極パッドである。
【００５９】
面方位１１０の単結晶シリコン基板１１を厚さ１５０ｎｍのシリコン酸化膜１２ｂ上までＫＯＨの異方性エッチングで形成し、更に前記シリコン酸化膜１２ｂをエッチング除去し、厚さ３μｍの単結晶シリコンからなる振動板１２ａ（１２）がギャップスペーサのシリコン酸化膜２５と接合されている。面方位１１０単結晶シリコン基板１１には、ＫＯＨの異方性エッチングで形成したインク液室１８と、そこへインクを供給する共通液室１６が形成され、両者が流路１７によって連通されている。更に、サンドブラスト加工でインク供給用の流路３２が形成されたガラス板３３がインク液室の上に張付けられている。
【００６０】
この時、インク液室１８の幅ａは個別電極を内部に形成しているギャップスペーサの幅ｂより小さい。このようなインクジェットヘッドにおいて、振動板１２（１２ａ）を電気的に接地し電極パッド２６を介して個別電極２３に正の駆動電圧を印加し、一定周波数で駆動した。電圧を印加したとき、振動板１２（１２ａ）と個別電極２３との間に静電引力が働き、振動板１２（１２ａ）は個別電極２３の方向に引かれた。このときインク液室１８は引圧となりインク供給のための流路１７を経て共通液室１６から個別液室１８へインクが供給された。駆動電圧の周波数に対応して振動板１２（１２ａ）はシリコンの剛性により元の位置へと戻り、このとき個別液室１８は加圧され、単結晶シリコン基板１１に形成されたノズル１９を経てインクがＸ方向へ吐出され記録紙へ着弾し記録された。
【００６１】
（実施例５）
図８は、本発明の実施例５を説明するための図で、図８（Ａ）は図１の個別電極部の断面であるＡ−Ａ線断面を示し、図８（Ｂ）は図１のパッド部の断面であるＢ−Ｂ線断面を示し、図８（Ｃ）は図１のＣ−Ｃ線断面を各々示した。本実施例のインクジェットヘッドは、前述の図３に示したフローに従って作製した。２１は面方位１００、抵抗率１０〜２０Ω／ｃｍのｐ型単結晶シリコン基板である。２５は振動板１２と個別電極２３のギャップスペーサであって、Ｈ2ガスとＯ2ガス雰囲気のパイロ酸化炉で形成したシリコン酸化膜である。この時、個別電極２３と単結晶シリコン基板２１との間のシリコン酸化膜厚は厚さ３００ｎｍであってギャップは０.５μｍである。２３はチタンをターゲットとして反応性スパッタ法により形成した厚さ１５０ｎｍの窒化チタンからなる個別電極である。個別電極２３上にはＣＶＤ法により形成した厚さ１５０ｎｍの酸化シリコン膜２４が配置されている。この酸化シリコン膜２４は振動板１２と個別電極２３の絶縁を確保するものである。２６はスパッタ法により形成したＡｕであって駆動電圧を個別電極２３に印加する電極パッドである。
【００６２】
面方位１１０の単結晶シリコン基板１１をＫＯＨで異方性エッチングして形成したボロン不純物原子を１Ｅ２０／ｃｍ3以上含む膜厚２μｍの振動板１２がギャップスペーサのシリコン酸化膜２５と接合されている。面方位１１０単結晶シリコン基板１１には、ＫＯＨの異方性エッチングで形成したインク液室１８と、そこへインクを供給する共通液室１６が形成され、両者が流路１７によって連通されている。更に、サンドブラスト加工でインク供給用の流路３２とインクノズル３１が形成されたＳＵＳ板３３がインク液室の上に張り付けられている。
【００６３】
この時、インク液室１８の幅ａは個別電極を内部に形成しているギャップスペーサの幅ｂより小さい。このようなインクジェットヘッドにおいて、振動板１２を電気的に接地し電極パッド２６を介して個別電極２３に正の駆動電圧を印加し、一定周波数で駆動した。電圧を印加したとき振動板１２と個別電極２３との間に静電引力が働き、振動板１２は個別電極２３の方向に引かれた。このときインク液室１８は引圧となりインク供給のための流路１７を経て共通液室１６から個別液室１８へインクが供給された。駆動電圧の周波数に対応して振動板１２はシリコンの剛性により元の位置へと戻り、このとき個別インク液室１８は加圧されノズル３１を経てインクがＹ方向へ吐出され記録紙上へ着弾し記録された。
【００６４】
（実施例６）
図１０は、本発明に係るインクジェットヘッドのギャップスペーサ２５の形成プロセスを具体的に説明するための理解図である。
（Ａ）：シリコンウエハー上に熱酸化膜を形成した電極基板材料２５にフォトレジスト４１（ＯＦＰＲ−８００）を厚さ1μmに形成する（図１０（Ａ））。
（Ｂ）：次いで、フォトマスクを用いてギャップとなる領域のフォトレジス
トを露光除去する（図１０（Ｂ））。
（Ｃ）：フォトレジストを開口した後に改めてフォトレジスト４２を塗布する（図１０（Ｃ））。
（Ｄ）：塗布後に、このレジスト層４１，４２を熱処理する事によりレジスト４２は熱による流動性を得て、その表面張力とのバランスによりレジスト４１の開口部の周辺で形状が滑らかな凸形状また開口部の中央部で滑らかな凸形状に変化する。これによりレジスト形状でギャップの側壁（ギャップスペーサとなる部分）上部が振動板に対して漸近している形状が形成された（図１０（Ｄ））。
【００６５】
（Ｅ）：このレジスト層４１，４２の合成で形成された新たなレジスト層４３と電極基板材料２５を深さ方向に異方性ドライエッチすると、エッチングの進行に従い、レジスト層４３の滑らかな凹凸形状が電極基板材料２５に転写され、ギャップ形状４４が形成される（図１０（Ｅ））。エッチングガスとしてはＳＦ6，Ｏ2の混合ガスを用いた。エッチングの条件はレジスト層４３のエッチングレートと電極基板材料２５のエッチングレートが等しくなるように調整した。こうすることにより、レジスト層４３に形成したギャップスペーサ形状の高さと電極基板材料２５に形成される高さが等しく得られる。また、二つの材料のエッチングレート比を意識的の変えて、電極基板材料２５に形成されるギャップスペーサ高さを調整することも可能である。
（Ｆ）：エッチング終了後、電極基板材料２５上に残ったレジスト層を除去して、本発明のインクジェットヘッドを構成するギャップスペーサ形状が完成した（図１０（Ｆ））。
【００６６】
図１０では、エッチング終了時には振動板との接合面の保護のためにギャップの周辺にレジスト層を残してあるが、接合に問題が無い場合にはレジスト層を残す必要は無い。このギャップスペーサ内部に個別電極を形成する方法及びそれ以降のインクジェットヘッドを形成する方法は前述の実施例と同様の方法でよいのでここでは説明を省く。
【００６７】
（実施例７）
図１１は、本発明の実施例７を説明するための図で、図１１（Ａ）は図１の個別電極部の断面であるＡ−Ａ線断面を示し、図１１（Ｂ）は図１のパッド部の断面であるＢ−Ｂ線断面を示し、図１１（Ｃ）は図１のＣ−Ｃ線断面を各々示した。本実施例のインクジェットヘッドは、前述の図１０に示したフローに従って作製した。２１は面方位１００、抵抗率１０〜２０Ω／ｃｍのｐ型単結晶シリコン基板である。２５は振動板１２と個別電極２８のギャップスペーサであって、Ｈ2ガスとＯ2ガス雰囲気のパイロ酸化炉で形成したシリコン酸化膜である。この時、個別電極２８と単結晶シリコン基板２１との間のシリコン酸化膜厚は厚さ３００ｎｍであって実施例６で説明したようにレジストの形状制御とドライエッチング法により形成したギャップは０.５μｍである。２８はチタンをターゲットとして反応性スパッタ法により形成した厚さ１５０ｎｍの窒化チタンからなる個別電極である。
【００６８】
個別電極２８上にはＣＶＤ法により形成した多結晶シリコン膜２９（厚さ５０ｎｍ）とこの多結晶シリコン膜を熱酸化して形成された酸化シリコン膜２７（厚さ１００ｎｍ）が配置されている。この酸化シリコン膜２７は振動板１２と個別電極２８の絶縁を確保するものであり、多結晶シリコン膜２９と酸化シリコン膜２７は個別電極２８の端部を包み込むように形成されている。このように窒化チタン個別電極の端部を絶縁膜で包み込むように形成すると、個別電極と振動板の間隔が小さくなっても、端部からの短絡が防げるばかりでなく、電極基板形成後に振動板を接合するときに接合強度を確保するために高温の熱処理を加えても窒化チタンからのガス放出を絶縁膜が防ぎ、接合の歩留まりを上げる効果もある。
【００６９】
面方位１１０の単結晶シリコン基板１１をＫＯＨで異方性エッチングして形成したボロン不純物原子を１Ｅ２０／ｃｍ3以上含む膜厚２μｍの振動板１２がギャップスペーサのシリコン酸化膜２５と接合されている。面方位１１０単結晶シリコン基板１１には、ＫＯＨの異方性エッチングで形成したインク液室１８と、そこへインクを供給する共通液室１６が形成され、両者が流路１７によって連通されている。更に、サンドブラスト加工でインク供給用の流路３２とインクノズル３１が形成されたＳＵＳ板３３がインク液室の上に張り付けられている。この時、インク液室１８の幅ａは個別電極を内部に形成しているギャップスペーサの幅ｂより小さい。
【００７０】
このようなインクジェットヘッドにおいて、振動板１２を電気的に接地し電極パッド２６を介して個別電極２８に正の駆動電圧を印加し、一定周波数で駆動した。電圧を印加したとき振動板１２と個別電極２８との間に静電引力が働き、振動板１２は個別電極２８の方向に引かれた。このときインク液室１８は引圧となりインク供給のための流路１７を経て共通液室１６から個別液室１８へインクが供給された。駆動電圧の周波数に対応して振動板１２はシリコンの剛性により元の位置へと戻り、このとき個別インク液室１８は加圧されノズル３１を経てインクがＹ方向へ吐出され記録紙上へ着弾し記録された。本実施例で個別電極として用いた窒化チタンは高融点金属（化合物）であるが、このような材料をインクジェットヘッドの形成に用いることは、例えば電極基板と液室振動板とを接合する時に高温雰囲気下での直接接合方法で行っても電極が損傷を受けることがない。この高融点金属材料を使用する効果は電極が形成されているギャップの形状に依らずに発揮される。
【００７１】
【発明の効果】
請求項１に対応する作用効果：図９に拡大して示すように、シリコン酸化膜からなるギャップスペーサ２５の側壁内面２５′が個別電極を挟んで個別電極から振動板に向けて側壁内面同士の間隔が広がるように傾斜して接合されているので、インクジェットヘッド動作時に振動板の局所的な応力集中が緩和され耐久性が向上する。また、個別電極は酸化シリコン膜からなるギャップスペーサ内部で、かつ、単結晶シリコン基板に形成されたシリコン酸化膜上に配置されているので個別電極間や個別電極と支持体である単結晶シリコン基板間のリーク電流を抑制でき低消費電力のインクジェットヘッドが実現できる。また、個別電極間の耐圧マージンが向上しインクジェットの駆動電圧の自由度が広がる。
【００７２】
請求項２に対応する作用効果：請求項１記載のインクジェットヘッドにおいて、インク液室の幅がギャップスペーサの幅より小さいので振動板の局所的な応力集中が効果的に緩和され信頼性が更に向上する。
【００７７】
請求項７に対応する作用効果：請求項１または２に記載のインクジェットヘッドにおいて、ギャップスペーサ内に形成された個別電極上に絶縁物が形成されているので、インクジェットヘッド動作時に振動板と個別電極間の短絡による動作不良を防止することができる。
【００８３】
請求項４に対する作用効果：請求項１記載のインクジェットヘッドの作製方法であって、絶縁膜であるシリコン酸化膜からなるギャップスペーサはシリコン酸化膜上にフォトレジストの層を形成し、上記フォトレジストの層にフォトリソグラフィの手法により所望の形状とし、このフォトレジスト層をマスクとしてシリコン酸化膜を等方性及び／又は異方性エッチングを行うことによりシリコン酸化膜上にギャップスペーサの側壁内面が個別電極を挟んで該個別電極から振動板に向けて側壁内面同士の間隔が広がるように傾斜しているギャップスペーサ形状を形成し、前記個別電極を前記ギャップスペーサ内部で、シリコン酸化膜上に配置する第１の工程、前記電極基板とシリコン基板を接合した後に該シリコン基板に振動板とインク液室、インクノズルを形成する工程、或いは、シリコン基板に振動板を形成した後に前記電極基板と接合してインク液室とインクノズルを形成する第２の工程を有し、順次作製しているので、ギャップスペーサ形状の設計範囲が広がり、より高性能なインクジェットヘッドを製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるインクジェットヘッドの一例を説明するための上面図である。
【図２】  本発明によるインクジェットヘッドの要部断面図である。
【図３】  本発明によるインクジェットヘッドの作製方法の一例を説明するための工程図である。
【図４】  本発明の実施例１を説明するための図である。
【図５】  本発明の実施例２を説明するための図である。
【図６】  本発明の実施例３を説明するための図である。
【図７】  本発明の実施例４を説明するための図である。
【図８】  本発明の実施例５を説明するための図である。
【図９】  ギャップスペーサと振動板との接合の仕方を説明するための要部断面図である。
【図１０】  本発明の実施例６を説明するための図である。
【図１１】  本発明の実施例７を説明するための図である。
【符号の説明】
１０…インク液室部、１１…シリコン基板、１２…振動板、１６…共通液室、１７…インク流路、１８…インク液室、１９…ノズル、２０…電極基板部、２１…シリコン基板、２３…個別電極、２４…絶縁物、２５…ギャップスペーサ（電極基板）、２６…電極パッド、２７…多結晶シリコンの熱酸化膜、２８…窒化チタン電極、２９…多結晶シリコン、４１…第１のレジスト層、４２…第２のレジスト層、４３…合成レジスト層、４４…ギャップ層。
【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】
0004251729.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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