JP2007069478A - 液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 電圧をかけたときの発生圧力が高く、絶縁耐性に優れた絶縁膜を備えた液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出装置の製造方法を提供する。
【解決手段】 シリコン基板2aにボロン拡散層12aを形成し、ボロン拡散層12aを振動板12として形成する液滴吐出ヘッドの製造方法において、ボロン拡散層12aを形成した後、シリコン基板12aを酸化して酸化膜(B2O3層41)を形成する工程と、酸化膜をエッチングにより剥離する工程と、酸化膜を剥離した後、ボロン拡散層12aを平滑化する工程と、ボロン拡散層12aに絶縁膜16を形成する工程とを有することを特徴とする。また、ボロン拡散層12aを形成した後、ボロン拡散層12aを平滑化する工程と、ボロン拡散層12aに絶縁膜16を形成する工程とを有することを特徴とする。
【選択図】図5
【解決手段】 シリコン基板2aにボロン拡散層12aを形成し、ボロン拡散層12aを振動板12として形成する液滴吐出ヘッドの製造方法において、ボロン拡散層12aを形成した後、シリコン基板12aを酸化して酸化膜(B2O3層41)を形成する工程と、酸化膜をエッチングにより剥離する工程と、酸化膜を剥離した後、ボロン拡散層12aを平滑化する工程と、ボロン拡散層12aに絶縁膜16を形成する工程とを有することを特徴とする。また、ボロン拡散層12aを形成した後、ボロン拡散層12aを平滑化する工程と、ボロン拡散層12aに絶縁膜16を形成する工程とを有することを特徴とする。
【選択図】図5
Description
本発明は、液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出装置の製造方法に関し、特に絶縁信頼性及び発生圧力を向上させた液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出装置の製造方法に関する。
インクジェット記録装置は、高速印字が可能、記録時の騒音が極めて小さい、インクの自由度が高い、安価な普通紙を使用できる等の多くの利点を有する。近年、インクジェット記録装置の中でも、記録が必要なときにのみインク液滴を吐出する、いわゆるインク・オン・デマンド方式のインクジェット記録装置が主流となっている。このインク・オン・デマンド方式のインクジェット記録装置は、記録に不要なインク液滴の回収を必要としない等の利点がある。
このインク・オン・デマンド方式のインクジェット記録装置の中には、インク液滴を吐出させる方法として、駆動手段に静電気力を利用した、いわゆる静電駆動方式のインクジェット記録装置がある。また、駆動手段に圧電素子(ピエゾ素子)を利用した、いわゆる圧電駆動方式のインクジェット記録装置がある。さらに、発熱素子等を利用した、いわゆるバブルジェット(登録商標)方式のインクジェット記録装置がある。
静電駆動方式のインクジェット記録装置では、振動板と個別電極とを帯電させることによって振動板を個別電極側に吸引して撓ませ、その反動を利用してインク液滴を吐出するようになっている。このように小型の装置において2つのもの(振動板及び個別電極)を帯電させることにより、駆動を行う機構を一般的に静電アクチュエータと呼んでいる。インクジェット記録装置等の静電アクチュエータを適用した装置では、一般的に帯電した2つのもの(振動板及び個別電極)の間に、絶縁破壊やショート等を防止するための絶縁膜を形成するようになっている。
従来、「振動板と該振動板とギャップを介して接合された電極基板上に前記振動板に対向して設けられた個別電極を有し、前記振動板と前記個別電極間に駆動電圧を印加し、前記振動板を静電力により変形させる静電型アクチュエータであって、短辺と長辺の長方形で構成された前記振動板と個別電極との間に空隙を形成しているギャップを有し、該ギャップの短辺は凹形状であって、かつ、少なくとも二つ以上のギャップ長を持つ階段状に形成されていることを特徴とする」静電アクチュエータ及びその製造方法が開示されている(たとえば、特許文献1参照)。この静電アクチュエータ及びその製造方法では、振動板を駆動するための個別電極を階段状に形成し、絶縁破壊やショートを防止するための絶縁膜を個別電極上に形成していた。また絶縁膜の材料として、酸化シリコンや窒化シリコンを用いていた。
また「半導体基板上に、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜または酸窒化シリコン膜の単体膜からなる絶縁膜、もしくはこれらの単体膜のうちの選択された2以上の膜の積層膜からなる絶縁膜を化学気相成長法により堆積する工程と、前記絶縁膜に対して、酸素原子を含む雰囲気中においてプラズマ処理を施す工程とからなる」半導体装置の製造方法が開示されている(たとえば、特許文献2参照)。この半導体装置の製造方法では、電界効果型トランジシタのゲート絶縁膜の材料として、酸化シリコンや窒化シリコンの他に酸窒化シリコンを用い、これをプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)で形成するようにしていた。
さらに、「ウエハ上に堆積された第1絶縁膜に配線開口部を形成する工程と、前記配線開口部内に、銅の拡散に対してバリア性を有する第1導体膜及び銅を主成分とする第2導体膜を含む配線を形成する工程と、前記第1絶縁膜及び配線上に、前記第1導体膜を酸化から保護する第2絶縁膜を堆積した後、前記第2絶縁膜上に、酸素を含むガスを用いた化学気相成長法成によって第3絶縁膜を堆積する工程とからなる」半導体装置の製造方法が開示されている(たとえば、特許文献3参照)。この半導体装置の製造方法では、上述の半導体装置の製造方法と同様に、電界効果型トランジシタのゲート絶縁膜の材料として、酸化シリコンや窒化シリコンの他に酸窒化シリコンを用い、これをプラズマCVDで形成するようにしていた。
特許文献1に記載の静電アクチュエータ及びその製造方法では、絶縁膜の材料として酸化シリコンや窒化シリコンを用いているが、絶縁膜の材料として、たとえば酸化シリコンを用いた場合、同じ電圧をかけたときの発生圧力や絶縁耐性の値は製造方法によってバラツキはあるもののほぼ一定となってしまい、これ以上の発生圧力及び絶縁耐性の向上が望めないものであった。また、絶縁膜の材料として、たとえば窒化シリコン膜を用いた場合には、シリコンからなるキャビティ基板とホウ珪酸ガラスからなる電極基板とを陽極接合したときに、十分な接合強度が得られないという問題点があった。
特許文献2及び特許文献3に記載の半導体の製造方法では、ゲート酸化膜の材料として酸窒化シリコンを用いているが、これをそのまま静電アクチュエータの絶縁膜に適用すると、発生圧力を上げることと、絶縁耐性を上げることを両立させるのが困難であるという問題点があった。また、絶縁膜の材料として酸窒化シリコン膜を用いた場合には、シリコンからなるキャビティ基板とホウ珪酸ガラスからなる電極基板を陽極接合したときに、十分な接合強度が得られないという問題点もあった。
本発明は、電圧をかけたときの発生圧力が高く、絶縁耐性に優れた絶縁膜を備えた液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、シリコン基板にボロン拡散層を形成し、該ボロン拡散層を振動板として形成する液滴吐出ヘッドの製造方法において、ボロン拡散層を形成した後、該シリコン基板を酸化して酸化膜を形成する工程と、酸化膜をエッチングにより剥離する工程と、酸化膜を剥離した後、ボロン拡散層を平滑化する工程と、ボロン拡散層に絶縁膜を形成する工程とを有することを特徴とする。
シリコン基板に形成したボロン拡散層を平滑化して、基板表面荒れを低減することによって、ボロン拡散層に形成する絶縁膜の絶縁耐圧が向上する。すなわち、ボロン拡散層には、基板表面に粗さ(基板表面荒れ)が残っており、その基板表面荒れにより絶縁膜が均一に形成できなかったのである。したがって、その基板表面荒れを低減することで、絶縁膜を均一に成膜でき、絶縁膜の絶縁耐圧を向上するとともに、発生圧力(液滴の吐出パワー)の向上を可能としている。
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、シリコン基板にボロン拡散層を形成し、該ボロン拡散層を振動板として形成する液滴吐出ヘッドの製造方法において、ボロン拡散層を形成した後、該ボロン拡散層を平滑化する工程と、該ボロン拡散層に絶縁膜を形成する工程とを有することを特徴とする。酸化膜を形成する工程を省略するようにしているので、上述のような効果とともに、製造工程を簡素化することもできる。
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、ボロン拡散層の基板表面荒れを2nm以下にまで平滑にすることを特徴とする。ボロン拡散層の基板表面荒れを2nm以下にまで平滑化することで、その後に形成される絶縁膜の絶縁耐圧を向上させることができる。すなわち、基板表面荒れが2nm以下である場合に、良好な絶縁耐圧を得ることができることが分かっているので、その絶縁耐圧を得られるようになる厚さまでボロン拡散層を平滑化するのである。
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、ボロン拡散層の平滑化を、ドライポリッシュにより行うことを特徴とする。すなわち、ボロン拡散層を、ドライポリッシュにより研磨することで平滑化しているのである。こうすることで、何ら新しい装置を用いることなく、ボロン拡散層を平滑化することができる。したがって、作業効率が高くなるとともに、コストパフォーマンスの高い液滴吐出ヘッドの製造方法が提供できる。
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、ボロン拡散層の平滑化を、ミラーポリッシュにより行うことを特徴とする。すなわち、ボロン拡散層を、ミラーポリッシュにより研磨することで平滑化しているのである。こうすることで、何ら新しい装置を用いることなく、ボロン拡散層を平滑化することができる。したがって、作業効率が高くなるとともに、コストパフォーマンスの高い液滴吐出ヘッドの製造方法が提供できる。
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、ボロン拡散層の平滑化を、RIE(Reactive Ion Etching:反応性イオンエッチング)により行うことを特徴とする。すなわち、ボロン拡散層を、上述のような研磨ではなく、RIEにより平滑化しているのである。こうすることで、何ら新しい装置を用いることなく、ボロン拡散層を平滑化することができる。したがって、作業効率が高くなるとともに、コストパフォーマンスの高い液滴吐出ヘッドの製造方法が提供できる。
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、絶縁膜は、少なくとも酸化シリコンよりも比誘電率が高い物質で形成することを特徴とする。こうすることにより、酸化シリコンで形成した絶縁膜に比べて、同じ電圧を印可したときの発生圧力を高くすることが可能となる。したがって、発生圧力が高くなれば、インク等の液滴の吐出パワーも高くなり、吐出性能に優れた液滴吐出ヘッドを提供することができる。
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、絶縁膜を、酸化アルミニウム、酸窒化シリコン、酸化タンタル、窒化ハフニウムシリケート、酸窒化ハフニウムシリケート、窒化シリコン、ハフニウム−アルミニウム酸化物、ダイヤモンド、酸化ジルコニウムのいずれかで形成することを特徴とする。これらは、いずれも酸化シリコンよりも比誘電率が高い物質であるので、酸化シリコンに印加する電圧と同じ電圧を印可したときの発生圧力を酸化シリコンよりも高くすることが可能となる。
本発明に係る液滴吐出装置の製造方法は、請求項1〜7のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドの製造方法を含むことを特徴とする。したがって、上記のいずれかの液滴吐出ヘッドの製造方法で製造方法された液滴吐出ヘッドが搭載されているため、上記のような効果を得ることが可能となる。さらに、製造工程の簡素化、コストパフォーマンスのよい液滴吐出装置を提供することが可能となる。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係る液滴吐出ヘッド100の分解斜視図であり、図2は、液滴吐出ヘッド100の要部の断面を示す縦断面図である。なお、この液滴吐出ヘッド100は、静電気力により駆動される静電駆動方式の静電アクチュエータの代表として、ノズル基板の表面側に設けられたノズル孔から液滴を吐出するフェイスイジェクトタイプの液滴吐出ヘッドを表している。
図1は、本発明の実施の形態に係る液滴吐出ヘッド100の分解斜視図であり、図2は、液滴吐出ヘッド100の要部の断面を示す縦断面図である。なお、この液滴吐出ヘッド100は、静電気力により駆動される静電駆動方式の静電アクチュエータの代表として、ノズル基板の表面側に設けられたノズル孔から液滴を吐出するフェイスイジェクトタイプの液滴吐出ヘッドを表している。
図1に示すように、液滴吐出ヘッド100は、シリコン製のキャビティ基板2を電極基板1とシリコン製のノズル基板3とが上下から挟む構造になっている。そして、この液滴吐出ヘッド100は、電極基板1、キャビティ基板2、ノズル基板3の順に積層接合して構成されている3層構造である。なお、ここでは液滴吐出ヘッド100が3層構造である場合を例に説明するが、これに限定するものではなく、4層構造であってもよい。
[ノズル基板3]
ノズル基板3は、たとえば厚さ100μm(マイクロメートル)のシリコン基板からなり、複数のノズル孔32が形成されている。このノズル孔32は、キャビティ基板2との接合面の反対面に開口するように形成されている。また、このノズル基板3には、細溝状のオリフィス31が形成されている。このオリフィス15は、各吐出室13に対して1つずつ形成されている。なお、オリフィス31は、ノズル基板3ではなく、キャビティ基板2に形成するようにしてもよい。
ノズル基板3は、たとえば厚さ100μm(マイクロメートル)のシリコン基板からなり、複数のノズル孔32が形成されている。このノズル孔32は、キャビティ基板2との接合面の反対面に開口するように形成されている。また、このノズル基板3には、細溝状のオリフィス31が形成されている。このオリフィス15は、各吐出室13に対して1つずつ形成されている。なお、オリフィス31は、ノズル基板3ではなく、キャビティ基板2に形成するようにしてもよい。
図2に示すように、ノズル孔32を2段に形成して液滴を吐出する際の直進性を向上させるようにしている。また、電極基板1、キャビティ基板2及びノズル基板3を接合するときに、シリコンからなる基板とホウ珪酸ガラスからなる基板を接合する場合は陽極接合により、シリコンからなる基板同士を接合する場合は直接接合によって接合することができる。また、シリコンからなる基板同士は、接着剤を用いて接合することもできる。なお、ノズル基板3をシリコン製に限定するものでない。たとえば、ノズル基板3をホウ珪酸ガラス等で形成してもよい。
[キャビティ基板2]
キャビティ基板2は、たとえば厚さ約50μmの(110)面方位のシリコン単結晶基板(以下、単にシリコン基板と称する)で形成されている。このシリコン基板にドライエッチングまたはウェットエッチングのいずれかあるいは双方を行い、底壁が振動板12を形成する吐出室13が複数形成される。この複数の吐出室13は、図1の紙面手前側から紙面奥側にかけて平行に並んで形成されているものとする。
キャビティ基板2は、たとえば厚さ約50μmの(110)面方位のシリコン単結晶基板(以下、単にシリコン基板と称する)で形成されている。このシリコン基板にドライエッチングまたはウェットエッチングのいずれかあるいは双方を行い、底壁が振動板12を形成する吐出室13が複数形成される。この複数の吐出室13は、図1の紙面手前側から紙面奥側にかけて平行に並んで形成されているものとする。
また、キャビティ基板2には、各吐出室13にインク等の液滴を供給するためのリザーバ14が形成される。この液滴吐出ヘッド100では、リザーバ14が単一の凹部から形成されている場合を例に示している。なお、キャビティ基板2には、図示省略の駆動回路が接続されるようになっている。この駆動回路は、ドライバIC等の集積回路で構成するのが好ましい。また、この駆動回路が、液滴吐出ヘッド100の内部に備えられていてもよく、外部に備えられていてもよい。
キャビティ基板2の電極基板1が接合される側の面には、絶縁膜16が形成されている。ここでは、酸化アルミニウム(アルミナ(Al2O3))を成膜して絶縁膜16を形成している場合を示すものとする。この絶縁膜16は、ECR(Electron Cyclotron Resonance)スパッタ装置を用いて成膜するようになっている。たとえば、絶縁膜16は、ECRスパッタ装置で厚さ0.08μm程度に成膜される。
この絶縁膜16は、液滴吐出ヘッド100の駆動時の絶縁破壊やショート(短絡)を防止するために形成されるものである。実施の形態では、絶縁膜16の形成にアルミナ(Al2O3)を用いた場合を例に示しているが、これに限定するものではない。たとえば、絶縁性能が向上する物質であればよい。なお、この絶縁膜16については後に詳述する(図3参照)。
振動板12は、高濃度のボロン拡散層で形成するとよい。水酸化カリウム水溶液等のアルカリ溶液による単結晶シリコンのエッチングにおけるエッチングレートは、ドーパントがボロンの場合、約5×1019atoms/cm3 以上の高濃度の領域において、非常に小さくなる。このため、振動板12の部分を高濃度のボロン拡散層とし、アルカリ溶液による異方性エッチングによって吐出室13を形成する際に、ボロン拡散層が露出してエッチングレートが極端に小さくなる、いわゆるエッチングストップ技術を用いることにより、振動板12を所望の厚さに形成することができる。つまり、ボロン拡散層を熱拡散により形成し、このボロン拡散層をエッチングストップ層とし、ウェットエッチングを用いて所望の厚さ(たとえば、0.6μm)の振動板12を形成することができるのである。
[電極基板1]
キャビティ基板2の振動板12側には、たとえばホウ珪酸ガラスからなる電極基板1が接合されるようになっている。ここでは、電極基板1がホウ珪酸ガラスで形成されている場合を例に示すが、これに限定するものではない。たとえば、電極基板1を単結晶シリコンで形成してもよい。電極基板1には、振動板12と対向する複数の個別電極17(対向電極)が形成されている。この個別電極17は、たとえばITO(Indium Tin Oxide)をECRスパッタ装置で0.1μmの厚さに作製するとよい。
キャビティ基板2の振動板12側には、たとえばホウ珪酸ガラスからなる電極基板1が接合されるようになっている。ここでは、電極基板1がホウ珪酸ガラスで形成されている場合を例に示すが、これに限定するものではない。たとえば、電極基板1を単結晶シリコンで形成してもよい。電極基板1には、振動板12と対向する複数の個別電極17(対向電極)が形成されている。この個別電極17は、たとえばITO(Indium Tin Oxide)をECRスパッタ装置で0.1μmの厚さに作製するとよい。
また、電極基板1には、リザーバ14と連通するインク供給孔18が形成されている。このインク供給孔18は、リザーバ14の底壁に設けられた孔と繋がっており、リザーバ14にインク等の液滴を外部から供給するために設けられている。なお、電極基板1には、各個別電極17を装着できるように、これらの形状に類似したやや大きめの形状の空間部21(ギャップ)がパターン形成されている。
この空間部21は、各振動板12に対向する位置に細長い一定の深さを有するように形成されている。なお、この空間部21は、電極基板1に凹部を形成する他に、キャビティ基板2に凹部を形成したり、スペーサを挟むことによって設けることも可能である。また、キャビティ基板2が単結晶シリコンからなり、電極基板1がホウ珪酸ガラスからなる場合には、キャビティ基板2と電極基板1との接合を陽極接合によって行うこと一般的となっている。
個別電極17は、その一端が図示省略の駆動回路と接続されており、この駆動回路から駆動信号が供給されるようになっている。この個別電極17は、一定の間隔の隙間をもって振動板12に対向しており、空間部21の底面に沿って電極基板1の末端(電極取出部27)まで伸びている。そして、この個別電極17は、電極取出部27で駆動回路と接続されるようになっている。
次に、液滴吐出ヘッド100の動作について説明する。液滴吐出ヘッド100のキャビティ基板2と各個別電極17とには、上述したように、図示省略の駆動回路が接続されている。そして、この駆動回路によりキャビティ基板2と個別電極17との間にパルス電圧が印加される。そうすると、キャビティ基板2と個別電極17との間に電位差が生じ、静電気力が発生する。そのために、振動板12が個別電極17側に撓み、リザーバ14の内部に溜まっていたインク等の液滴が吐出室13に流れ込む。その後、キャビティ基板2と個別電極17との間に印加されていたパルス電圧がなくなると、振動板12が元の状態位置に復元して吐出室13の内部の圧力が高くなり、ノズル孔32からインク液滴が吐出される。
図3は、キャビティ基板2の断面を拡大した詳細断面図である。上述したように、キャビティ基板2の電極基板1が接合される側の面には、厚さ0.08μmの絶縁膜16が形成されている。上述したように、振動板12をボロン拡散層で形成し、その振動板12の表面(キャビティ基板2の電極基板1が接合される面)にECRスパッタ装置で絶縁膜16を形成するようにしている。ここでは、アルミナ(Al2O3)で絶縁膜16を形成している。
絶縁膜16は、一般的に酸化シリコン(SiO2 )で形成されることが多い。しかしながら、ここでは、酸化シリコン(SiO2 )ではなく、アルミナ(Al2O3)で絶縁膜16を形成している場合を示している。それは、アルミナ(Al2O3)が酸化シリコン(SiO2 )に比べて比誘電率が高いからである。したがって、酸化シリコン(SiO2 )に比べて比誘電率が高い物質で絶縁膜16を形成すればよく、アルミナ(Al2O3)で形成するものに限定するものではない。
たとえば、酸化シリコン(SiO2 )に比べて比誘電率が高い物質として、酸窒化シリコン(SiON)や酸化タンタル(Ta2O5)、窒化ハフニウムシリケート(HfSiN)、酸窒化ハフニウムシリケート(HfSiON)、窒化シリコン(Si3N4)、ハフニウム−アルミニウム酸化物(HfAlOx)、ダイヤモンド、酸化ジルコニウム(ZrO2)等が存在する。これらの物質は、一般的にHigh−k材と呼ばれる絶縁材料であり、酸化シリコンよりも比誘電率が高いものである。したがって、これらの物質を用いて絶縁膜16を形成してもよい。なお、絶縁耐性が低く実際の適用は困難であるが、圧電材料(PZT)やバリウム−チタン酸化物(BaTiO3 )等の強誘電体を用いて絶縁膜16を形成することも考えられる。また、絶縁膜16を、高誘電率膜と酸化シリコン膜の2層構造としてもよい。
図4は、基板表面荒れ(Rmax)の異なる複数のサンプルの絶縁耐圧を示す説明図である。ここでは、振動板12の基板表面荒れの違いで各サンプルを決定している。この基板表面荒れとは、振動板12を形成するボロン拡散層の表面粗さ(すなわち、絶縁膜16を成膜する前段階での表面粗さ)のことである。図4において、サンプル1〜サンプル8は、基板表面荒れが4nm以上であることを示しており、サンプル9及びサンプル10は、基板表面荒れが2nm以下であることを示している。
そして、この基板表面荒れの違いに応じて、絶縁耐圧(TZDB)が変化することが分かる。このTZDB(Time Zero Dielectric Breakdown)とは、瞬間における絶縁破壊強度のことを表しており、単位はMV(メガボルト)/cmである。図4に示すように、基板表面荒れの大きいものほど絶縁耐圧が低く、基板表面荒れの小さいものほど絶縁耐圧が大きいことがわかる。すなわち、基板表面荒れの大きいサンプル1〜サンプル8は、絶縁耐圧が低く(3.00MV/cm前後)、基板表面荒れの小さいサンプル9及びサンプル10は、絶縁耐圧が高く(7.00MV/cm以上)なっているのである。
このような、振動板12の基板表面荒れは、ボロン拡散層を形成する際に発生していると考えられる。それは、今まではボロン拡散層に表面荒れが生じた状態(換言すると、ボロン拡散層を何もしない状態)のままで絶縁膜16を成膜していたので、絶縁膜16を均一の厚さに成膜できていなかったからである。したがって、ボロン拡散層の基板表面荒れによって、厚い部分と薄い部分とを有する絶縁膜16が形成されてしまい、その結果として絶縁耐圧に変化が生じてしまっていた。そこで、本発明は、ボロンを熱拡散した後に、ボロン拡散層を平滑化することで、ボロン拡散層の基板表面荒れが2nm以下になるようにしたのである。
次に、キャビティ基板2に絶縁膜16を成膜するまでの製造工程について説明する。
図5は、キャビティ基板2に絶縁膜16を成膜する製造工程の一例を示す断面工程図である。まず、液滴吐出ヘッド100のキャビティ基板2となる一面が研磨された厚さ525μmのシリコン基板2aを用意する。シリコン基板2aの研磨された面にボロンを高濃度に拡散する(a)。そうすると、シリコン基板2a表面にボロンの熱拡散によりSiB6 層40が生ずる。
図5は、キャビティ基板2に絶縁膜16を成膜する製造工程の一例を示す断面工程図である。まず、液滴吐出ヘッド100のキャビティ基板2となる一面が研磨された厚さ525μmのシリコン基板2aを用意する。シリコン基板2aの研磨された面にボロンを高濃度に拡散する(a)。そうすると、シリコン基板2a表面にボロンの熱拡散によりSiB6 層40が生ずる。
次に、このSiB6 層40を除去するためにSiB6 層40を酸化する(b)。SiB6 層40を酸化反応させると、B2O3層41が生じる。このように、SiB6 層40を酸化反応させるのは、SiB6 層40のままではウェットエッチングによりSiB6 層40を取り除くことができないからである。そして、B2O3層41が形成されたのを確認して、B2O3層41をウェットエッチングによって剥離する(c)。従来は、このB2O3層41が剥離された状態で絶縁膜16を形成していた。
ここでは、B2O3層41を剥離して絶縁膜16を形成する前に、ボロン拡散層12aを平滑化するようにした(d)。B2O3層41剥離後の基板(すなわち、ボロン拡散層12a)に対して、ドライポリッシングやミラーポリッシング等の研磨、RIE(Reactive Ion Etching:反応性イオンエッチング)等によってボロン拡散層12aを平滑化して、基板表面荒れを2nm以下に低減する。その後、絶縁膜16を形成する(e)。この絶縁膜16は、上述したようにアルミナ(Al2O3)からなり、厚さ約0.1μmとして形成されているものとする。こうすることにより、絶縁膜16の絶縁耐圧が向上する(図4参照)。なお、絶縁膜16の形成は、プラズマCVD装置により行うとよい。
図6は、キャビティ基板2に絶縁膜16を成膜する製造工程の他の一例を示す断面工程図である。まず、液滴吐出ヘッド100のキャビティ基板2となる一面が研磨された厚さ525μmのシリコン基板2aを用意する。シリコン基板2aの研磨された面にボロンを高濃度に拡散する(a)。ここまでは、上記の製造工程と変わらない。次に、このSiB6 層40を酸化するのではなく、このSiB6 層40をドライポリッシングやミラーポリッシング等の研磨、RIE等によって除去し、ボロン拡散層12a表面の平滑化を行うようにした(b)。
こうすることによって、SiB6 層40の除去とボロン拡散層12a表面の平滑化とを同時に行うようにしている。なお、ボロン拡散層12aの基板表面荒れを2nm以下になるまで平滑化を行う。その後、絶縁膜16を形成する(c)。この絶縁膜16は、アルミナ(Al2O3)からなり、厚さ約0.1μmとして形成されているものとする。こうすることにより、絶縁膜16の絶縁耐圧(TZDB)が向上する(図4参照)。また、SiB6 層40の除去とボロン拡散層12a表面の平滑化とを同時に行うので、製造工程を簡素化することも可能となる。
図7は、電極基板1の製造工程を示す断面工程図である。液滴吐出ヘッド100の電極基板1となる硼珪酸ガラス製の厚さ1mmのガラス基板1aの上面(表側表面)にCr/Au膜51(クロム・金合金膜)をECRスパッタ装置により形成する(a)。次に、フォトリソグラフィー(ステッパーやマスクアライナー等)により空間部21に対応する形状にCr/Au膜51をパターニングし、エッチングによりCr/Au膜51の空間部21に対応する部分を除去する(b)。そして、Cr/Au膜51をエッチングマスクとして、フッ酸水溶液でガラス基板1aをエッチングして空間部21を形成する(c)。
その後、Cr/Au膜51をエッチングによりすべて除去する(d)。Cr/Au膜51を除去したら、上面全体にITO膜17aをECRスパッタ装置により成膜する(e)。次に、フォトリソグラフィー(ステッパーやマスクアライナー等)によりITO膜17aに個別電極17に対応する形状をパターニングし、個別電極17となる部分以外のITO膜17aをエッチングにより除去して個別電極17を形成する(f)。そして、インク供給孔18を形成する部分をダイヤモンドドリルで穿孔してインク供給孔18を形成する(g)。
図8及び図9は、シリコン基板2aとガラス基板1aとを製造接合する工程及びそれ以降の製造工程を示す断面工程図である。図5あるいは図6で示したボロン拡散層12a及び絶縁膜16を形成したシリコン基板2aと、図7の工程で示したインク供給孔18を形成したガラス基板1aとを準備する(a)。そして、シリコン基板2aとガラス基板1aとの間に電圧をかけて陽極接合し、接合基板61を作成する(b)。
次に、シリコン基板2aの上面(表側表面)をグラインダーで研削して厚さを約150μmにする。このとき、基板の表面には中心から放物線を描く研削跡が残り、その表面荒れは0.1μm程度である。続いて、32重量%、80℃の水酸化カリウム水溶液でシリコン基板2aの上面全体をエッチングし、機械加工(グラインダーで研削)で発生した加工変質層を除去する(c)。このエッチングによってシリコン基板2a表面は荒れてしまうことになるが、シリコン基板2aの表面荒れは1μm程度であることから後工程のノズルプレート接着に問題はない。
続いて、接合基板61のシリコン基板2aの表面に、CVD装置によって厚さ1μmのSiO2 膜62(酸化シリコン膜)を形成する(d)。その後、SiO2 膜62の吐出室13に対応する部分13a、リザーバ14に対応する部分14a及び電極取り出し部27に対応する部分27aをフォトリソグラフィー(ステッパーやマスクアライナー等)によりパターニングし、これらの部分のSiO2 膜62をエッチングにより除去する(e)。なお、リザーバ14となる部分14aのSiO2 膜62は完全に除去しないようにハーフエッチングする。
それから、接合基板61を35重量%、80℃の水酸化カリウム水溶液に浸し、吐出室13、電極取り出し部27を途中までエッチングする。そして、リザーバ14に残したフッ酸水溶液でSiO2 膜62を除去し、35重量%、80℃の水酸化カリウム水溶液でエッチングを継続する。こうして、ボロン拡散層12aがエッチングされずに残り、吐出室13の底面のボロン拡散層12aは振動板12となるようになっている。一方、エッチングのスタートを遅らせたリザーバ14は、ボロン拡散層12aまでエッチングが進行せずに、底部となるシリコンを厚く残すことができる(f)。それから、接合基板61をフッ酸水溶液に浸し、シリコン基板2aの表面に残るSiO2 膜62をすべて除去する(g)。
ここまでの工程では、キャビティ基板2と電極基板1との間に形成された空間部21は完全に密閉されているため、途中工程の処理液が空間部21内(すなわち、アクチュエータ内部)に入り込むということはない。そして、電極取り出し部27に残るボロン拡散層12aと絶縁膜16である薄膜と除去するために、電極取り出し部27を開口したメタルマスクをキャビティ基板2に重ねて、ボロン拡散層12aと絶縁膜16をドライエッチングで除去する(h)。
次に、封止材28を電極取り出し部27の開口部からキャビティ基板2と電極基板1との間に形成されている空間部21(ギャップ)を塞ぐように塗布し、アクチュエータを封止する(i)。それから、キャビティ基板2の上面(表側表面)にノズル基板3を接合剤でする(j)。最後に、ダイシングして不要な部分除去することで液滴吐出ヘッド100が完成する(k)。
図10は、実施の形態で製造した液滴吐出ヘッド100を搭載した液滴吐出装置150の一例を示した斜視図である。この液滴吐出装置150は、一般的なインクジェットプリンタである。液滴吐出装置150に搭載される液滴吐出ヘッド100は、上述したように、キャビティ基板2の振動板12を作製する際に、ボロン拡散層12a表面を平滑化するので、絶縁信頼性及び発生圧力を高いものとすることができる。
なお、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法で得られた液滴吐出ヘッド100は、図10に示したインクジェットプリンタの他に、液滴を種々変更することで、液晶ディスプレイのカラーフィルタの製造、有機EL表示装置の発光部分の形成、生体液体の吐出等にも適用することが可能である。また、本発明の実施の形態に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、本発明の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において変形可能である。たとえば、静電アクチュエータを用いたマイクロポンプやミラーデバイス等のMEMS(micro Electro Mechanical Systems)デバイスの製造にも応用することができる。さらに、本発明の実施の形態に係る液滴吐出ヘッドの製造方法で製造される液滴吐出ヘッド100が3層構造である場合を例に説明したが、これに限定するものではなく、4層構造であってもよい。
1 電極基板、1a ガラス基板、2 キャビティ基板、2a シリコン基板、3 ノズル基板、12 振動板、12a ボロン拡散層、13 吐出室、13a 吐出室に対応する部分、14 リザーバ、14a リザーバに対応する部分、16 絶縁膜、17 個別電極、17a ITO膜、18 インク供給孔、21 空間部、27 電極取出部、27a 電極取出部に対応する部分、28 封止材、31 オリフィス、32 ノズル孔、40 SiB6 層、41 B2O3層、51 Cr/Au膜、61 接合基板、62 SiO2 膜、100 液滴吐出ヘッド、150 液滴吐出装置。
Claims (9)
- シリコン基板にボロン拡散層を形成し、該ボロン拡散層を振動板として形成する液滴吐出ヘッドの製造方法において、
前記ボロン拡散層を形成した後、前記シリコン基板を酸化して酸化膜を形成する工程と、
前記酸化膜をエッチングにより剥離する工程と、
前記酸化膜を剥離した後、前記ボロン拡散層を平滑化する工程と、
該ボロン拡散層に絶縁膜を形成する工程とを有する
ことを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。 - シリコン基板にボロン拡散層を形成し、該ボロン拡散層を振動板として形成する液滴吐出ヘッドの製造方法において、
前記ボロン拡散層を形成した後、該ボロン拡散層を平滑化する工程と、
該ボロン拡散層に絶縁膜を形成する工程とを有する
ことを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。 - 前記ボロン拡散層の基板表面荒れを2nm以下にまで平滑にする
ことを特徴とする請求項1または2に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。 - 前記ボロン拡散層の平滑化を、
ドライポリッシュにより行う
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。 - 前記ボロン拡散層の平滑化を、
ミラーポリッシュにより行う
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。 - 前記ボロン拡散層の平滑化を、
RIEにより行う
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。 - 前記絶縁膜は、少なくとも酸化シリコンよりも比誘電率が高い物質で形成する
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。 - 前記絶縁膜を、酸化アルミニウム、酸窒化シリコン、酸化タンタル、窒化ハフニウムシリケート、酸窒化ハフニウムシリケート、窒化シリコン、ハフニウム−アルミニウム酸化物、ダイヤモンド、酸化ジルコニウムのいずれかで形成する
ことを特徴とする請求項7に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。 - 前記請求項1〜8のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドの製造方法を含む
ことを特徴とする液滴吐出装置の製造方法。
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US8083328B2 (en) | 2007-01-09 | 2011-12-27 | Seiko Epson Corporation | Electrostatic actuator, droplet discharging head, method of manufacturing thereof and droplet discharging device |
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2005
- 2005-09-07 JP JP2005259458A patent/JP2007069478A/ja not_active Withdrawn
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