JP2007038452A - 静電アクチュエータ及びその製造方法、液滴吐出ヘッド及びその製造方法、デバイス並びに液滴吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 振動板の駆動形態や当接順序を制御することができ、絶縁破壊を回避しながら静電気力を向上させることのできる静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置等を提供する。
【解決手段】 静電気力によって駆動される振動板４と、該振動板４にギャップを隔てて対向する対向電極１１とを備え、振動板４の対向電極１１側の面には、異なる材料からなる複数の領域（第１の領域３１、第２の領域３２）を有し、該複数の領域が同一平面上にある絶縁膜３０が形成されているものである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、静電アクチュエータ及びその製造方法、液滴吐出ヘッド及びその製造方法、デバイス並びに液滴吐出装置に関し、特に振動板等のアクチュエータ部が駆動を開始する位置を制御することができ、絶縁破壊を回避しながら静電気力を向上させることのできる静電アクチュエータ及びその製造方法、この静電アクチュエータを適用した液滴吐出ヘッド及びその製造方法、上記の静電アクチュエータを搭載したデバイス並びに上記の液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置に関する。

従来の静電アクチュエータでは、平板状の振動板と個別電極（対向電極）を平行な状態に対向させて両者に電圧を印加し、静電気力によって振動板を駆動するようにしていた（例えば、特許文献１参照）。なお静電アクチュエータを適用したインクジェットヘッドでは、一般的に、振動板が駆動したときに振動板と個別電極が当接するようになっている。

また静電アクチュエータの性能を向上させるためには、振動板にかけられる静電気力の向上や、高い電圧を印加するために振動板等の表面に形成される絶縁膜の絶縁耐圧の向上が必要となる。このため従来の静電アクチュエータには、比誘電率の高い材料と一般的な材料である酸化シリコンを組み合わせるなどして絶縁膜を形成しているものがあった。
特開平１１−１６５４１３号公報（図１） 特開平９−３９２３５号公報（図１、図４、図５） 特開平１０−２８６９５２号公報（図２１、図２３）

しかし従来の静電アクチュエータでは（例えば、特許文献１参照）、振動板がどの部分から駆動を始め、振動板と個別電極のどの部分から当接を始めるかは、製造プロセスにおける僅かな表面段差、振動板の撓み等に依存し、静電アクチュエータのチップ若しくはアクチュエータ部（ここでは、振動板と個別電極）ごとに異なり、振動板の駆動形態及び当接順序の制御ができないという問題点があった。

このため従来のインクジェットヘッドでは（例えば、特許文献２参照）、アクチュエータ部の駆動形態等を制御することを目的として、個別電極が形成されるガラス溝に段差を設けるようにしていた。また他のインクジェットヘッドでは（例えば、特許文献３参照）、振動板の厚みに段差を設けるようにしていた。しかし、個別電極が形成されるガラス溝等に段差を設ける場合には、製造工程が複雑になる等の問題点があった。

また比誘電率の高い酸化タンタルと酸化シリコン等を組み合わせて絶縁膜を形成した場合には、絶縁耐性の低い酸化タンタルと個別電極が当接すると絶縁破壊の恐れがあるため、高い電圧を印加することができないという問題点があった。このような問題点を解決するために、例えば酸化タンタルに酸化シリコンを積層して絶縁耐性を高めるという方法もあるが、絶縁耐性を確保できる程度の厚さで酸化シリコンを積層した場合には、高誘電率材料による静電気力向上の効果が薄れてしまうという問題点があった。

本発明は、振動板の駆動形態や当接順序を制御することができ、絶縁破壊を回避しながら静電気力を向上させることのできる静電アクチュエータ及びその製造方法、この静電アクチュエータを適用した液滴吐出ヘッド及びその製造方法、上記の静電アクチュエータを搭載したデバイス並びに上記の液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置を提供することを目的とする。

本発明に係る静電アクチュエータは、静電気力によって駆動される振動板と、該振動板にギャップを隔てて対向する対向電極とを備え、振動板の対向電極側の面には、異なる材料からなる複数の領域を有し、該複数の領域が同一平面上にある絶縁膜が形成されているものである。
振動板の対向電極側の面に、異なる材料からなる複数の領域を有しこの複数の領域が同一平面上にある絶縁膜が形成されているため、例えばこれらの領域を異なる比誘電率の材料で形成することにより、振動板の駆動形態や当接順序を制御することが可能となる。また絶縁膜の一部を比誘電率の高い領域で形成することにより、振動板にかかる静電気力を増大させることが可能となる。

また本発明に係る静電アクチュエータは、上記の絶縁膜が、振動板と対向する部分に２つの領域を有し、該２つの領域のうち１つの領域の比誘電率は、他の領域の比誘電率よりも高いものである。
絶縁膜が振動板と対向する部分に２つの領域を有し、この２つの領域のうち１つの領域の比誘電率は、他の領域の比誘電率よりも高くなっているため、比誘電率の高い絶縁膜が形成された部分から振動板が駆動を開始することになり、振動板の駆動形態や当接順序を制御することができ、振動板にかかる静電気力を向上させることが可能となる。

また本発明に係る静電アクチュエータは、絶縁膜の対向電極と対向しない部分の比誘電率は、絶縁膜の対向電極と対向する部分の比誘電率以下であるものである。
振動板（絶縁膜を含む）と対向電極は一種のコンデンサーを形成しているため、絶縁膜の対向電極と対向しない部分の比誘電率を下げることによりアクチュエータ部の時定数を小さくすることができ、振動板の応答性を向上させることができる。

また本発明に係る静電アクチュエータは、少なくとも絶縁膜の一部が、振動板が駆動されたときに対向電極と当接するものである。
振動板が駆動されたときに絶縁膜の一部が対向電極と当接するため、振動板の駆動可能範囲を大きくすることができる。例えば本発明の静電アクチュエータが液滴吐出ヘッドに適用された場合には、液滴の吐出量が多くなるため特に効果が大きい。

また本発明に係る静電アクチュエータは、絶縁膜の対向電極と当接する部分に第１の領域が形成され、絶縁膜の対向電極に対向し且つ対向電極と当接しない部分に第２の領域が形成されており、該第２の領域の比誘電率が、第１の領域の比誘電率よりも高いものである。
絶縁膜の対向電極と当接する部分に比誘電率の低い第１の領域が形成され、絶縁膜の対向電極に対向し且つ対向電極と当接しない部分に比誘電率の高い第２の領域が形成されているため、例えば酸化タンタルのように比誘電率が高く絶縁耐性の低い材料で第２の領域を形成した場合でも、絶縁破壊を回避しながら静電気力を向上させることが可能となる。

また本発明に係る静電アクチュエータは、上記の複数の領域の内、少なくとも１つの領域が酸化アルミニウム、酸化ハフニウム又は酸化ジルコニウムからなるものである。
絶縁膜の複数の領域の内、少なくとも１つの領域を酸化アルミニウム、酸化ハフニウム又は酸化ジルコニウムから形成することにより、比誘電率の高い領域を容易に形成することができる。

また本発明に係る静電アクチュエータは、上記の複数の領域の内、少なくとも１つの領域が酸化シリコンからなるものである。
絶縁膜の複数の領域の内、少なくとも１つの領域を酸化シリコンから形成することにより、比誘電率が低く絶縁耐性の高い領域を容易に形成することができる。

また本発明に係る静電アクチュエータは、上記の第２の領域が酸化タンタルからなるものである。
絶縁膜の第２の領域を酸化タンタルから形成することにより、比誘電率の高い領域を容易に形成することができる。なお酸化タンタルは絶縁耐性が低いため、酸化シリコンと組み合わせて絶縁膜を形成することが望ましい。

本発明に係る液滴吐出ヘッドは、上記のいずれかの静電アクチュエータが適用されているものである。
上記のいずれかの静電アクチュエータを適用することにより、振動板の駆動形態や当接順序の制御を行うことが可能となり、吐出精度の高い液滴吐出ヘッドを得ることができる。

また本発明に係る液滴吐出ヘッドは、上記のいずれかの静電アクチュエータが適用されており、液滴が吐出されるノズル穴を備え、絶縁膜が第１の領域と第２の領域を有し、該第２の領域が、絶縁膜が対向電極に対向する部分において第１の領域よりもノズル穴から離れた部分に形成され、第２の領域の比誘電率が、第１の領域の比誘電率よりも高いものである。
比誘電率の高い第２の領域が、絶縁膜が対向電極に対向する部分において第１の領域よりもノズル穴から離れた部分に形成されているため、振動板がノズル穴から離れた部分からノズル穴に近い部分へと順次駆動されて液滴の流れがスムーズとなり、液滴吐出ヘッドの吐出性能を向上させることができる。

本発明に係る静電アクチュエータの製造方法は、シリコン基板に第１の絶縁膜を形成する工程と、該第１の絶縁膜に開口部を形成する工程と、第１の絶縁膜上及び開口部に第２の絶縁膜を形成する工程と、第１の絶縁膜上に形成された第２の絶縁膜を除去する工程と、第１の絶縁膜及び第２の絶縁膜が形成されたシリコン基板をエッチングして静電気力によって駆動される振動板を形成する工程とを有するものである。
第１の絶縁膜に開口部を形成した後に、第１の絶縁膜上及び開口部に第２の絶縁膜を形成し、第１の絶縁膜上に形成された第２の絶縁膜を除去することにより、同一平面上にある２つの領域からなる絶縁膜を容易に形成することができる。

また本発明に係る静電アクチュエータの製造方法は、上記の第２の絶縁膜の比誘電率が、第１の絶縁膜の比誘電率よりも高いものである。
第２の絶縁膜の比誘電率が、第１の絶縁膜の比誘電率よりも高いため、比誘電率の高い絶縁膜が形成された部分から振動板が駆動を開始することになり、振動板の駆動形態や当接順序を制御することができ、振動板にかかる静電気力を向上させることが可能となる。

本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、上記の静電アクチュエータの製造方法を適用して液滴吐出ヘッドを製造するものである。
上記の静電アクチュエータの製造方法を適用して液滴吐出ヘッドを製造することにより、振動板の駆動形態や当接順序が制御できるようになり、吐出性能の高い液滴吐出ヘッドを得ることができる。

本発明に係るデバイスは、上記のいずれかの静電アクチュエータを搭載しているものである。
上記のいずれかの静電アクチュエータを搭載することにより、振動板の駆動形態や当接順序が制御でき、駆動性能の高いデバイスを得ることができる。

本発明に係る液滴吐出装置は、上記の液滴吐出ヘッドを搭載しているものである。
上記の液滴吐出ヘッドを搭載することにより、印字性能等の高い液滴吐出装置を得ることができる。

実施形態１．
図１は、本発明の実施形態１に係る液滴吐出ヘッドを示した分解斜視図である。本実施形態１に係る液滴吐出ヘッドは、静電駆動方式のものであり、ノズル基板３に対して垂直方向に液滴を吐出するフェイスイジェクトタイプのものであるとする。なお吐出方式は、ノズル基板３に平行に液滴を吐出するサイドイジェクトタイプのものであってもよい。また図１では、ノズル基板３にノズル穴２０が２列設けられており、吐出室５及び対向電極１１も２列設けられているものを示しているが、これらは１列若しくは３列以上設けるようにしてもよい。本実施形態１では、静電アクチュエータの例として静電駆動方式の液滴吐出ヘッドを採り上げて説明する。

本実施形態１に係る液滴吐出ヘッドは、主にキャビティ基板１、電極基板２及びノズル基板３が接合されることにより構成されている。キャビティ基板１は、例えば厚さが５０μｍの単結晶シリコンからなり、以下に示す所定の加工が施されている。なお図１では、キャビティ基板１として（１１０）面方位の単結晶シリコンを使用している。キャビティ基板１には、単結晶シリコンを異方性ウェットエッチングすることにより、底壁が振動板４となっている複数の吐出室５及び各ノズル穴２０から吐出する液滴を溜めておくためのリザーバ７が形成されている。

またキャビティ基板１の電極基板２側には、振動板４と対向電極１１の短絡及び絶縁膜破壊を防止するための絶縁膜３０が形成されている（図１において図示せず、図２参照）。本実施形態１では、絶縁膜３０が例えばＴＥＯＳ−ＣＶＤ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ Ｔｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ−Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって形成され、酸化シリコンからなる第１の領域３１と、ＣＶＤ等から形成され酸化アルミニウムからなる第２の領域３２から形成されている。また、この第１の領域３１と第２の領域３２は積層されておらず、同一平面上に形成されている。なおこの絶縁膜３０については、後に説明する。

電極基板２は、例えば厚さが１ｍｍのホウ珪酸ガラスからなり、キャビティ基板１の振動板４側に接合されている。この電極基板２には、キャビティ基板１の振動板４及び吐出室５の位置に合わせて、例えば深さが０．２μｍの電極用凹部１０がエッチングにより形成されている。この電極用凹部１０の内部には対向電極１１が形成されており、リード部１２及び端子部１３に繋がっている。なお電極用凹部１０は、少なくともリード部１２の部分まで形成されているものとする。対向電極１１、リード部１２及び端子部１３は、酸化錫をドープしたＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ、インジウム錫酸化物）等からなり、電極用凹部１０の内部に例えばスパッタにより厚さ０．１μｍで形成されている。また電極基板２の対向電極１１が形成されていない部分には、リザーバ７に液滴を供給するための穴部１７が設けられている。

ノズル基板３は、例えば厚さ１８０μｍのシリコン基板からなり、キャビティ基板１の電極基板２が接合された面の反対側の面に接合されている。ノズル基板３には、吐出室５と連通するノズル穴２０が形成されており、キャビティ基板１の接合された面の反対側の面から液滴を吐出するようになっている。またノズル基板３のキャビティ基板１の接合された面には、吐出室５とリザーバ７を連通するためのオリフィス２１が設けられている。なおオリフィス２１は、キャビティ基板１に設けるようにしてもよい。

図２は、図１に示す液滴吐出ヘッドの縦断面図及び横断面図である。なお図２（ａ）は吐出室５の長手方向の縦断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のｂ−ｂ断面図（絶縁膜３０の部分の横断面図）である。また図２では、図１の液滴吐出ヘッドの右半分のみを示している。本実施形態１に係る液滴吐出ヘッドの絶縁膜３０は、上述のように酸化シリコン（ＳｉＯ₂、比誘電率３．９）からなる第１の領域３１と酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃、比誘電率７．０）からなる第２の領域３２から構成されており、第１の領域３１と第２の領域３２は同一平面上に形成されている。なお第２の領域３２は、酸化シリコンよりも比誘電率の高い酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂、比誘電率３０）や酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂、比誘電率３０）で形成するようにしてもよい。図２において第２の領域３２は、絶縁膜３０が対向電極１１と対向する部分（図２（ａ）において、吐出室５の下の部分）において第１の領域３１よりもノズル穴２０から離れた部分に形成されている。また絶縁膜３０の対向電極１１と対向しない部分は、比誘電率の低い酸化シリコンから形成されている。なおここで対向電極１１と対向しない部分とは、リード部１２と対向する部分や、複数の吐出室５の間のキャビティ基板１と電極基板２が接合されている部分をいうものとする。

ここで、図２（ａ）を用いて本実施形態１の液滴吐出ヘッドの動作について説明する。吐出室５は、ノズル穴２０から吐出するための液滴を溜めており、吐出室５の底壁である振動板４を撓ませることにより吐出室５内の圧力を高め、ノズル穴２０から液滴を吐出させる。なお、振動板４を撓ませるために、対向電極１１と繋がった端子部１３と、キャビティ基板１に発振回路２３（図２（ａ）において模式的に図示）を接続し、対向電極１１と振動板４の間に電位差を生じさせるようにしている。このように、２つのものに電位差を生じさせて静電気力によって駆動を行う機構は、一般的に静電アクチュエータと呼ばれている。

本実施形態１では、振動板４が駆動したときに絶縁膜３０が対向電極１１と当接（接触）するようになっている。このとき比誘電率の高い第２の領域３２が形成された部分の振動板４は、比誘電率の低い第１の領域３１が形成された部分よりも強い静電気力が働くため、第２の領域３２が形成された部分の振動板４が先に駆動を始め、第１の領域３１が形成された部分よりも早く対向電極１１に当接する。そして、順次第１の領域３１が形成された部分の振動板４が駆動を始め、対向電極１１に当接する。このとき、振動板４の撓みがノズル穴２０から離れた位置（リザーバ７側）からノズル穴２０に近い位置に順次移動するため、インク等の液滴がリザーバ７からノズル穴２０へスムーズに流れる。なお、振動板４にかかる静電気力は以下の式（１）で表される。

ここで、Ｆは振動板４にかかる静電気力、ε₀は真空中の誘電率、Ｅは振動板４と対向電極１１の間の電位差、ｇは絶縁膜３０から対向電極１１までの距離、ｈは絶縁膜３０の厚さ、ε₁は絶縁膜３０（第１の領域３１又は第２の領域３２）の比誘電率、Ｓは振動板４の面積である。

また上述のように、絶縁膜３０の対向電極１１と対向しない部分は、比誘電率の低い酸化シリコンから形成されている。これは、振動板４（絶縁膜３０を含む）と対向電極１１が一種のコンデンサーを形成しているため、絶縁膜３０の対向電極１１と対向しない部分の比誘電率を下げることによりアクチュエータ部（ここでは、振動板４と対向電極１１）の時定数を小さくすることができ、振動板４の応答性を向上させることができるからである。ここで時定数τは、静電容量をＣ、電気抵抗をＲとして、τ＝Ｃ×Ｒで表される。なお絶縁膜３０の対向電極１１と対向しない部分を、酸化シリコンよりも比誘電率の低い他の材料で形成するようにしてもよい。

さらに本実施形態１の液滴吐出ヘッドの振動板４は、絶縁膜３０とボロン・ドープ層３４とから構成されている（図２（ａ）参照）。このボロン・ドープ層３４は、ボロンを高濃度（約５×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上）にドープして形成されており、例えばアルカリ性水溶液で単結晶シリコンをエッチングしたときに、エッチング速度が極端に遅くなるいわゆるエッチングストップ層となっている。ボロン・ドープ層３４がエッチングストップ層として機能するため、振動板４の厚み及び吐出室５の容積を高精度で形成することができる。なお振動板４と対向電極１１の間のギャップは、封止材２２によって封止されている。

図３及び図４は、本発明の実施形態１に係る液滴吐出ヘッドの製造工程を示す縦断面図である。なお図３及び図４は、図１及び図２に示す液滴吐出ヘッドを製造する工程を示しており、特に図１に示す電極基板２を製造する工程を示している。また図３及び図４は、吐出室５の長手方向の縦断面（図２（ａ）の断面）を示している。さらに図３及び図４は、個々の液滴吐出ヘッドのチップとなる部分の周辺部を示しているものとする。以下、図３から図７を用いて本発明の静電アクチュエータの製造方法を用いた液滴吐出ヘッドの製造方法について説明する。

まず、例えばホウ珪酸系耐熱硬質ガラスからなるガラス基板２ａを両面研磨して厚さを１ｍｍにしてから（図３（ａ））、ガラス基板２ａの片面にスパッタによって例えば厚さ０．１μｍのクロム膜４０を成膜する（図３（ｂ））。次に、クロム膜４０の表面に電極用凹部１０を作り込むためのレジストパターニングを施し（図１参照）、硝酸第２セリウムアンモニウム水溶液と過塩素酸水溶液の混合液を用いて電極用凹部１０の部分のクロム膜４０を除去する（図３（ｃ））。なお図３（ｃ）では、電極用凹部１０となる部分のクロム膜４０が除去された状態を示している。

そして、クロム膜４０をエッチングマスクとしてフッ化アンモニウム水溶液を用いてガラス基板２ａをエッチングし、電極用凹部１０を形成する（図３（ｄ））。その後、例えば有機剥離液を用いて図３（ｃ）の工程で形成したレジストを剥離する。それから、硝酸第２セリウムアンモニウム水溶液と過塩素酸水溶液の混合液を用いてガラス基板２ａの表面に形成されたクロム膜４０をすべて除去する（図３（ｅ））。次に、ガラス基板２ａの電極用凹部１０が形成されている面の全体に酸化錫をドープしたＩＴＯを例えば厚さ０．１μｍでスパッタし、ＩＴＯ膜４１を成膜する（図４（ｆ））。

その後、ＩＴＯ膜４１の表面にレジストを対向電極１１（リード部１２及び端子部１３を含む）の形状にパターニングした後、ＩＴＯ膜４１を硝酸と塩酸の混合液を用いてエッチングして対向電極１１（リード部１２及び端子部１３を含む）を形成する（図４（ｇ））。そしてガラス基板２ａの対向電極１１が形成されていない部分に、サンドブラスト法を用いてリザーバ７に液滴を供給するための穴部１７を形成する（図４（ｈ））。なお穴部１７は、ドリル加工によって形成してもよいが、本実施形態１ではサンドブラスト法によって形成するものとする。これにより、図１に示すような電極基板２が完成する。

図５、図６及び図７は、本発明の実施形態１に係る液滴吐出ヘッドの製造工程を示す縦断面図である。なお図５から図７は、図１及び図２に示す液滴吐出ヘッドを製造する工程を示しており、特にキャビティ基板１となるシリコン基板１ａを製造する工程及びシリコン基板１ａとガラス基板２ａを接合してから液滴吐出ヘッドを製造する工程を示している。また図５から図７は、吐出室５の長手方向の縦断面（図２（ａ）の断面）を示している。さらに図５から図７は、個々の液滴吐出ヘッドのチップとなる部分の周辺部を示しているものとする。

まず、例えば面方位が（１１０）で酸素濃度の低いシリコン基板１ａの片面を鏡面研磨して厚さが２２０μｍのシリコン基板１ａを作製し、吐出室５等が形成される面の反対面にボロン・ドープ層３４を形成する（図５（ａ））。具体的には、シリコン基板１ａをＢ₂Ｏ₃を主成分とする固体の拡散源に対向させて石英ボートにセットし、この石英ボートを例えば縦型炉に入れる。そして縦型炉の内部を、温度が１０５０℃の窒素雰囲気にして７時間保持し、シリコン基板１ａにボロンを拡散させて、ボロン・ドープ層３４を形成する。このとき、シリコン基板１ａの投入温度を８００℃とし、温度を１０５０℃まで上げた後に、シリコン基板１ａの取出し時の温度も８００℃とする。これにより、シリコン基板１ａの酸素欠陥の成長速度が早い６００℃から８００℃の領域を素早く通過させることができ、酸素欠陥の成長を抑制することができる。

なお上記のボロン拡散の工程において、ボロン・ドープ層３４の表面にＳｉＢ₆膜（図示せず）が形成されるが、温度が６００℃の酸素及び水蒸気雰囲気中で１時間３０分程度酸化することで、フッ酸水溶液でエッチング可能なＢ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂に化学変化させることができる。このようにＳｉＢ₆膜をＢ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂に化学変化させた後に、緩衝フッ酸溶液によってＢ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂をエッチングして除去する。

そして、例えばＴＥＯＳ−ＣＶＤによって厚さ０．１μｍの酸化シリコンからなる第１の絶縁膜３１ａをシリコン基板１ａのボロン・ドープ層３４側の面に形成する（図５（ｂ））。このときの第１の絶縁膜３１ａの成膜条件は、例えば、温度３６０℃、高周波出力２５０Ｗ、圧力６６．７Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）、ＴＥＯＳ流量１００ｃｍ³／分（１００ｓｃｃｍ）、酸素流量１０００ｃｍ³／分（１０００ｓｃｃｍ）である。なおこの第１の絶縁膜３１ａは、絶縁膜３０の第１の領域３１となるものである。それから、ボロン・ドープ層３４の形成された側の面に、第２の領域３２を形成するための開口部４０の形状にレジストをパターニングする（図２（ｂ）参照）。そしてシリコン基板１ａをエッチングすることにより開口部４０の部分の第１の絶縁膜３１ａを除去する（図５（ｃ））。

その後、第１の絶縁膜３１ａ上及び開口部４０の部分に、ＣＶＤ等によって酸化アルミニウムからなる第２の絶縁膜３２ａを厚さ０．１μｍで形成する（図５（ｄ））。この第２の絶縁膜３２ａは、絶縁膜３０の第２の領域３２となるものである。なお上述のように、第２の絶縁膜３２ａは、酸化シリコンよりも比誘電率の高い酸化ハフニウムや酸化ジルコニウムで形成するようにしてもよい。それから、開口部４０の部分に形成された第２の絶縁膜３２ａの表面にレジストをパターニングした後、第２の絶縁膜３２ａをエッチングして第１の絶縁膜３１ａ上に形成された第２の絶縁膜３２ａを除去する（図５（ｅ））。これにより、第１の領域３１と第２の領域３２が同一平面上にある絶縁膜３０が形成される。

次に、図５（ｅ）に示されるシリコン基板１ａと図４（ｈ）の工程で形成された電極基板２を陽極接合により接合して接合基板を形成する（図６（ｆ））。この陽極接合は、例えばシリコン基板１ａと電極基板２を３６０℃に加熱した後に、シリコン基板１ａと電極基板２の間に８００Ｖの電圧を印加して行う。なお、陽極接合の際にＩＴＯ等の損傷を防止するため例えば１０ｍＡ以上の電流が流れないようにするのが望ましい。なおこの陽極接合の際に、電極用凹部１０の部分（ギャップ）は密閉されることとなる。

シリコン基板１ａと電極基板２を陽極接合した後に、例えば研削加工によってシリコン基板１ａを厚さが６０μｍになるまで薄板化する。そして、例えば３２重量％の水酸化カリウム水溶液を用いてシリコン基板１ａを１０μｍエッチングし、研削加工の際に発生した加工変質層を除去する（図６（ｇ））。これにより、シリコン基板１ａの厚さは５０μｍとなる。なお図６（ｇ）のシリコン基板１ａの薄板化の工程は、すべてエッチングによって行うようにしてもよい。

それから、シリコン基板１ａの表面全体に例えばＴＥＯＳ−ＣＶＤによって厚さ１．５μｍの酸化シリコン膜５１を形成する（図６（ｈ））。このＴＥＯＳ−ＣＶＤによる酸化シリコン膜５１の成膜条件は、例えば、温度３６０℃、高周波出力７００Ｗ、圧力３３．３Ｐａ（０．２５Ｔｏｒｒ）、ＴＥＯＳ流量１００ｃｍ³／分（１００ｓｃｃｍ）、酸素流量１０００ｃｍ³／分（１０００ｓｃｃｍ）である。この酸化シリコン膜５１は、後の水酸化カリウム水溶液によるエッチングの際のエッチングマスクとなる。

そしてこの酸化シリコン膜５１に、吐出室５となる凹部５ａ、リザーバ７となる凹部７ａ及び電極取出し部を形成するためのレジストをシリコン基板１ａにパターニングし、例えば緩衝フッ酸溶液によって吐出室５となる凹部５ａの部分、リザーバ７となる凹部７ａの部分及び電極取出し部の部分の酸化シリコン膜５１をエッチング除去する。なおここで電極取出し部とは、端子部１３が露出している部分をいうものとする（図２（ａ）参照）。その後、シリコン基板１ａを３５重量％の水酸化カリウム水溶液で、吐出室５となる凹部５ａの部分及び電極取出し部を形成する部分の厚さが１０μｍになるまでエッチングして薄板化する。なおこのときリザーバ７となる凹部７ａの部分は、酸化シリコン膜５１をハーフエッチングすることによりエッチングを遅らせている。さらに、シリコン基板１ａを３重量％の水酸化カリウム水溶液でエッチングを行い、吐出室５となる凹部５ａとなる部分及び電極取出し部を形成する部分において、ボロン・ドープ層３４によるエッチングストップが十分効くまでエッチングを続ける（図６（ｉ））。

ここでエッチングストップとは、エッチングされるシリコン基板１ａの表面から気泡が発生しなくなった状態をいうものとし、実際には気泡が発生しなくなるまでエッチングを行う。これにより吐出室５となる凹部５ａ、リザーバ７となる凹部７ａ及び電極取出し部の部分が形成されることとなる。上記のように、２種類の濃度の異なる水酸化カリウム水溶液を使用してエッチングを行うことにより、吐出室５の底壁である振動板４の面荒れを０．０５μｍ以下に抑えることができ、液滴吐出ヘッドの吐出性能を安定化することができる。なおここでは、振動板４の厚さを０．８μｍとしている。

それから、フッ酸水溶液を用いてシリコン基板１ａに形成されている酸化シリコン膜５１をすべて除去する。その後、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）によってシリコン基板１ａの電極取出し部の部分を除去する（図６（ｊ））。このＲＩＥはドライエッチングの一種であり、例えば出力２００Ｗ、圧力４０Ｐａ（０．３Ｔｏｒｒ）、ＣＦ₄流量３０ｃｍ³／分（３０ｓｃｃｍ）の条件で、シリコンマスクを用いて３０分行う。この際、ギャップの内部が大気解放される。

そして、エポキシ系樹脂等の封止材２２を電極取出し部の端部に沿って流し込み、振動板４と対向電極１１の間のギャップ（電極用凹部１０の部分）を封止する（図７（ｋ））。これによって振動板４と対向電極１１の間のギャップは、再び密封されることとなる。それから、シリコン基板１ａにエポキシ系接着剤等を用いてノズル基板３を接着する（図７（ｌ））。最後に、ダイシング（切断）を行って個々のチップに分割することにより複数の液滴吐出ヘッドが完成する（図７（ｍ））。

本実施形態１では、振動板４の対向電極１１側の面に、比誘電率の異なる複数の領域を有しこの複数の領域が同一平面上にある絶縁膜３０を形成するため、振動板４の駆動形態や当接順序を制御することが可能となり、振動板４にかかる静電気力を増大させることができる。また比誘電率の高い第２の領域３２が、絶縁膜３０が対向電極１１に対向する部分において第１の領域３１よりもノズル穴２０から離れた部分に形成されているため、振動板４がノズル穴２０から離れた部分からノズル穴２０に近い部分へと順次駆動されて液滴の流れがスムーズとなり、液滴吐出ヘッドの吐出性能を向上させることができる。さらに絶縁膜３０の対向電極１１と対向しない部分を比誘電率の低い材料で形成することによりアクチュエータ部の時定数を小さくすることができ、振動板４の応答性を向上させることができる。

実施形態２．
図８は、本発明の実施形態２に係る液滴吐出ヘッドの縦断面図及び横断面図である。また図９は、図８（ａ）のｃ−ｃ断面を示した図である。なお図８（ａ）は吐出室５の長手方向の縦断面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のｂ−ｂ断面図（絶縁膜３０の部分の横断面図）である。また図８（ｂ）及び図９は、１つのアクチュエータ部（振動板４及び対向電極１１）に相当する部分のみを示している。さらに図９は、本実施形態２に係る静電アクチュエータが駆動しているときのｃ−ｃ断面を示しているものとする。本実施形態２に係る静電アクチュエータは、絶縁膜３０の構造を除いて実施形態１に係る静電アクチュエータと同様であり、同じ構成要素については同じ符号を付して説明を省略する。本実施形態２では実施形態１と同様に、静電アクチュエータの例として静電駆動方式の液滴吐出ヘッドを採り上げて説明する。

本実施形態２に係る液滴吐出ヘッドの絶縁膜３０は、酸化シリコン（ＳｉＯ₂、比誘電率３．９）からなる第１の領域３１と、酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅、比誘電率２５）からなる第２の領域３２から形成されており、第１の領域３１と第２の領域３２は同一平面上に形成されている。なお酸化タンタルは、比誘電率は高いが絶縁耐性が低い（５ＭＶ／ｃｍ）材料である。また本実施形態２に係る液滴吐出ヘッドは、実施形態１に係る液滴吐出ヘッドと同様に、振動板４が駆動されたときに絶縁膜３０が対向電極１１に当接するようになっている（図９参照）。そして図８（ｂ）及び図９に示すように、絶縁膜３０の対向電極１１と当接する部分には第１の領域３１が形成され、絶縁膜３０の対向電極１１に対向し且つ対向電極１１と当接しない部分には第２の領域３２が形成されている。なおここで対向電極１１と対向する部分とは、図８（ａ）及び図９における吐出室５の下の部分をいうものとする。また実施形態１に係る液滴吐出ヘッドと同様に、絶縁膜３０の対向電極１１と対向しない部分は、比誘電率の低い第１の領域３１（酸化シリコン）となっている。なおここで対向電極１１と対向しない部分とは、リード部１２と対向する部分や、複数の吐出室５の間のキャビティ基板１と電極基板２が接合されている部分をいうものとする（図１参照）。

本実施形態２では、絶縁膜３０の対向電極１１と当接する部分に比誘電率の低い第１の領域３１が形成され、絶縁膜３０の対向電極１１に対向し且つ対向電極１１と当接しない部分に比誘電率の高い第２の領域３２が形成されているため、酸化タンタルのように比誘電率が高く絶縁耐性の低い材料で第２の領域３２を形成した場合でも、絶縁破壊を回避しながら静電気力を向上させることが可能となる。なお図８（ｂ）において、第２の領域３２がロの字状に形成されているが、例えば第２の領域３２をノズル穴２０側の端部及びリザーバ７側の端部のみに形成するようにしてもよい。また本実施形態２に係る液滴吐出ヘッドは、実施形態１の図５（ｃ）の工程でレジストのパターニング形状を変更することにより製造することができる。

実施形態３．
図１０は、本発明の実施形態３に係る液滴吐出装置の例を示した図である。図１０に示される液滴吐出装置１００は、一般的なインクジェットプリンタであり、実施形態１又は実施形態２に示される液滴吐出ヘッドを備えている。実施形態１又は実施形態２に示される液滴吐出ヘッドは、吐出精度の高い液滴吐出ヘッドであるため、本実施形態３に係る液滴吐出装置１００は、印字性能等の高いものである。なお図１０に示すような液滴吐出装置１００は、周知の製造方法を用いて製造することができる。

本発明の実施形態１及び実施形態２に示される液滴吐出ヘッドは、図１０に示すようなインクジェットプリンタの他に、有機ＥＬ表示装置の製造や、液晶表示装置のカラーフィルタの製造、ＤＮＡデバイスの製造等にも使用することができる。また本発明の実施形態１及び実施形態２に係る静電アクチュエータは、液滴吐出ヘッドだけでなく、マイクロポンプ、静電容量型圧力センサ、光ＭＥＭＳデバイスなどの他のデバイスにも適用することができる。このようなデバイスについては、例えば特開２００４−２４５７５３号公報等を参照されたい。

なお本発明に係る静電アクチュエータ及びその製造方法、液滴吐出ヘッド及びその製造方法、デバイス並びに液滴吐出装置は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の思想の範囲内において変更することができる。例えば絶縁膜３０は、第１の領域３１及び第２の領域３２の２つ領域だけでなく、３つ以上の異なる材料からなる領域で形成してもよい。

本発明の実施形態１に係る液滴吐出ヘッドを示した分解斜視図。 図１に示す液滴吐出ヘッドの縦断面図及び横断面図。 本発明の実施形態１に係る液滴吐出ヘッドの製造工程を示す縦断面図。 図３の製造工程の続きの工程を示す縦断面図。 本発明の実施形態１に係る液滴吐出ヘッドの製造工程を示す縦断面図。 図５の製造工程の続きの工程を示す縦断面図。 図６の製造工程の続きの工程を示す縦断面図。 本発明の実施形態２に係る液滴吐出ヘッドの縦断面図及び横断面図。 図８（ａ）のｃ−ｃ断面を示した図。 本発明の実施形態３に係る液滴吐出装置の例を示した図。

符号の説明

１ キャビティ基板、２ 電極基板、３ ノズル基板、４ 振動板、５ 吐出室、７ リザーバ、１０ 電極用凹部、１１ 対向電極、１２ リード部、１３ 端子部、１７ 穴部、２０ ノズル穴、２１ オリフィス、２２ 封止材、２３ 発振回路、３０ 絶縁膜、３１ 第１の領域、３２ 第２の領域、３４ ボロン・ドープ層、１００ 液滴吐出装置。

Claims (15)

1. 静電気力によって駆動される振動板と、該振動板にギャップを隔てて対向する対向電極とを備え、
   前記振動板の対向電極側の面には、異なる材料からなる複数の領域を有し、該複数の領域が同一平面上にある絶縁膜が形成されていることを特徴とする静電アクチュエータ。
2. 前記絶縁膜は、前記振動板と対向する部分に２つの領域を有し、該２つの領域のうち１つの領域の比誘電率は、他の領域の比誘電率よりも高いことを特徴とする請求項１記載の静電アクチュエータ。
3. 前記絶縁膜の前記対向電極と対向しない部分の比誘電率は、前記絶縁膜の前記対向電極と対向する部分の比誘電率以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の静電アクチュエータ。
4. 少なくとも前記絶縁膜の一部は、前記振動板が駆動されたときに前記対向電極と当接することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の静電アクチュエータ。
5. 前記絶縁膜の前記対向電極と当接する部分に第１の領域が形成され、前記絶縁膜の前記対向電極に対向し且つ前記対向電極と当接しない部分に第２の領域が形成されており、該第２の領域の比誘電率は、前記第１の領域の比誘電率よりも高いことを特徴とする請求項４記載の静電アクチュエータ。
6. 前記複数の領域の内、少なくとも１つの領域が酸化アルミニウム、酸化ハフニウム又は酸化ジルコニウムからなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の静電アクチュエータ。
7. 前記複数の領域の内、少なくとも１つの領域が酸化シリコンからなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の静電アクチュエータ。
8. 前記第２の領域が酸化タンタルからなることを特徴とする請求項５記載の静電アクチュエータ。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の静電アクチュエータが適用されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
10. 請求項１〜４のいずれかに記載の静電アクチュエータが適用されており、液滴が吐出されるノズル穴を備え、前記絶縁膜は第１の領域と第２の領域を有し、該第２の領域は、前記絶縁膜が前記対向電極に対向する部分において前記第１の領域よりも前記ノズル穴から離れた部分に形成され、前記第２の領域の比誘電率は、前記第１の領域の比誘電率よりも高いことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
11. シリコン基板に第１の絶縁膜を形成する工程と、
    該第１の絶縁膜に開口部を形成する工程と、
    前記第１の絶縁膜上及び前記開口部に第２の絶縁膜を形成する工程と、
    前記第１の絶縁膜上に形成された前記第２の絶縁膜を除去する工程と、
    前記第１の絶縁膜及び前記第２の絶縁膜が形成されたシリコン基板をエッチングして静電気力によって駆動される振動板を形成する工程と
    を有することを特徴とする静電アクチュエータの製造方法。
12. 前記第２の絶縁膜の比誘電率は、前記第１の絶縁膜の比誘電率よりも高いことを特徴とする請求項１１記載の静電アクチュエータの製造方法。
13. 請求項１１又は１２記載の静電アクチュエータの製造方法を適用して液滴吐出ヘッドを製造することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
14. 請求項１〜８のいずれかに記載の静電アクチュエータを搭載していることを特徴とするデバイス。
15. 請求項９又は１０記載の液滴吐出ヘッドを搭載していることを特徴とする液滴吐出装置。
    

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