JP3846552B2 - インクジェット式記録ヘッドの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を介して圧電素子を設けて、圧電素子の変位によりインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドの製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子が軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。
【０００３】
前者は圧電素子の端面を振動板に当接させることにより圧力発生室の容積を変化させることができて、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反面、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた圧電素子を圧力発生室に位置決めして固定する作業が必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。
【０００４】
これに対して後者は、圧電材料のグリーンシートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電素子を作り付けることができるものの、たわみ振動を利用する関係上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難であるという問題がある。
【０００５】
一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、特開平５−２８６１３１号公報に見られるように、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが提案されている。
【０００６】
これによれば圧電素子を振動板に貼付ける作業が不要となって、リソグラフィ法という精密で、かつ簡便な手法で圧電素子を作り付けることができるばかりでなく、圧電素子の厚みを薄くできて高速駆動が可能になるという利点がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなインクジェット式記録ヘッドでは、圧力発生室を高密度で配列した場合、各圧力発生室間の隔壁の厚さが薄くなることによって隔壁の剛性が不足し、各圧力発生室間のクロストークが発生するという問題がある。
【０００８】
一方、縦振動モードの圧電アクチュエータでは、圧力発生室の振動板側に幅広部を設け、それ以外の部分の圧力発生室の幅を低くして隔壁の厚さを大きくする構造が考えられているが、この場合には、圧力発生室の幅広部の加工や貼り合わせ等の作業が必要で作業性及び精度が低いという問題がある。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑み、高密度且つ各圧力発生室間のクロストークを低減すると共に製造工程を簡略化して製造コストを低減することができるインクジェット式記録ヘッドの製造方法を提供することを課題とする。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、ノズル開口に連通する圧力発生室が画成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して成膜及びリソグラフィ法により形成された薄膜からなる下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを有するインクジェット式記録ヘッドの製造方法において、前記流路形成基板に圧力発生室を形成する工程と、少なくとも一方面側に設けられた多孔質シリコン層又は水素イオンを含有する水素イオン層と、該多孔質シリコン層又は水素イオン層上に設けられた単結晶シリコン又は酸化シリコンからなる接合層とを有する振動板母材の前記接合層側を前記流路形成基板に接着剤を介さずに接合する工程と、前記振動板母材の前記多孔質シリコン層又は前記水素イオン層を除去して前記接合層と当該接合層以外の領域とを剥離して前記振動板を形成する工程と、前記振動板上に前記下電極膜、圧電体膜及び上電極膜を積層及びパターニングすることにより前記圧電素子を形成する工程とを有することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００３３】
かかる第１の態様は、流路形成基板上に接合層を容易に接合でき、製造コストを低減できる。
【００３４】
本発明の第２の態様は、前記流路形成基板は前記圧力発生室が形成された単結晶シリコンからなる流路形成層を有し、該流路形成層に前記振動板母材を接合することを特徴とする第１の態様のインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００３５】
かかる第２の態様は、高精度の圧力発生室を形成することができると共に流路形成基板と振動板母材とを容易に且つ確実に接合できる。
【００３６】
本発明の第３の態様は、前記振動板母材が絶縁体層の両側に単結晶シリコンからなるシリコン層を有するＳＯＩ基板からなり、前記接合層が前記絶縁体層と前記シリコン層の一方とからなることを特徴とする第１又は２の態様のインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００３７】
かかる第３の態様は、振動板母材の接合層以外の領域を容易に除去することができる。
【００３８】
本発明の第４の態様は、前記接合層がボロンの拡散された単結晶シリコンからなることを特徴とする第１又は２の態様のインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００３９】
かかる第４の態様は、ボロンの拡散された単結晶シリコンからなる接合層を用いることで、振動板母材の接合層以外の領域を容易且つ確実に除去して振動板を容易に形成できる。
【００４０】
本発明の第５の態様は、前記振動板母材がｐｎ接合を持つ単結晶シリコンからなり、前記接合層がｎ型単結晶シリコンであることを特徴とする第１又は２の態様のインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００４１】
かかる第５の態様は、ｎ型単結晶シリコンからなる接合層を用いることで、振動板母材の接合層以外の領域を容易且つ確実に除去して振動板を容易に形成できる。
【００４２】
本発明の第６の態様は、前記振動板母材が不純物濃度の異なる２層の単結晶シリコンからなると共に前記接合層が低濃度の層からなることを特徴とする第１又は２の態様のインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００４３】
かかる第６の態様は、接合層に低濃度の単結晶シリコンを用いることで、振動板母材の接合層以外の領域を容易且つ確実に除去して振動板を容易に形成できる。
【００４４】
本発明の第７の態様は、前記振動板母材を前記流路形成基板に接合する工程では、両者を直接接合又は常温接合により接合することを特徴とする第１〜６の何れかの態様のインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００４５】
かかる第７の態様は、振動板母材と流路形成基板とを直接接合又は常温接合により容易且つ確実に接合することができる。
【００４６】
本発明の第８の態様は、前記振動板母材を前記流路形成基板に接合する工程では、両者を陽極接合により接合することを特徴とする第１又は２の態様のインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００４７】
かかる第８の態様は、振動板母材と流路形成基板とを陽極接合により容易且つ確実に接合することができる。
【００４８】
本発明の第９の態様は、前記振動板を形成する工程では、前記流路形成基板を保護層で覆った後、前記振動板母材の前記接合層以外の領域を除去することを特徴とする第１〜８の何れかの態様のインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００４９】
かかる第９の態様は、振動板母材の接合層以外の領域を除去する際に、流路形成基板が除去されることがなく、高精度の振動板を形成することができる。
【００５０】
本発明の第１０の態様は、前記圧力発生室を形成する工程では、当該圧力発生室を前記流路形成基板を貫通することなく形成することを特徴とする第１〜９の何れかの態様のインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００５１】
かかる第１０の態様は、圧力発生室を画成する隔壁の剛性を向上して圧力発生室間のクロストークを防止することができ、インク吐出特性を向上することができる。
【００５２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００５３】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図であり、図２は、インクジェット式記録ヘッドの１つの圧力発生室の長手方向における断面構造を示す図である。
【００５４】
図示するように、圧力発生室１２が形成される流路形成基板１０は、例えば、１５０μｍ〜１ｍｍの厚さのシリコン単結晶基板からなり、その一方面側の表層部分には、異方性エッチングにより複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が形成されている。
【００５５】
また、各圧力発生室１２の長手方向一端部には、後述するリザーバ１５と圧力発生室１２とを接続するための中継室であるインク連通部１３が圧力発生室１２よりも幅の狭い狭隘部１４を介して連通されている。また、これらインク連通部１３及び狭隘部１４は、圧力発生室１２と共に異方性エッチングによって形成されている。なお、狭隘部１４は、圧力発生室１２のインクの流出入を制御するためのものである。
【００５６】
この異方性エッチングは、ウェットエッチング又はドライエッチングの何れの方法を用いてもよいが、シリコン単結晶板を厚さ方向に途中までエッチング（ハーフエッチング）することにより圧力発生室１２は浅く形成されており、その深さは、ハーフエッチングのエッチング時間によって調整することができる。
【００５７】
なお、本実施形態では、インク連通部１３を各圧力発生室１２毎に設けるようにしたが、これに限定されず、例えば、インク連通部１３を各圧力発生室１２に共通するようにしてもよく、この場合、このインク連通部１３が後述するリザーバ１５の一部を構成するようにしてもよい。
【００５８】
一方、流路形成基板１０の他方面側には、各インク連通部１３に連通し、各圧力発生室１２にインクを供給するリザーバ１５が形成されている。このリザーバ１５は、例えば、流路形成基板１０の他方面側から、保護膜５５ｂをマスクとして異方性エッチングすることによって形成されている。
【００５９】
このような流路形成基板１０の圧力発生室１２側には、単結晶シリコン又は酸化シリコンからなる、厚さが略１μｍ以下の弾性膜５０が接着剤を介さずに接合されて設けられている。この弾性膜５０は、その一方の面で圧力発生室１２の一壁面を構成している。なお、本実施形態では、弾性膜５０は酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなり、弾性膜５０と流路形成基板１０とは、詳しくは後述するが陽極接合により接合した。なお、流路形成基板１０の弾性膜５０との接合面には、酸化シリコンからなる保護膜５５ａが形成されている。この保護膜５５ａは流路形成基板１０に圧力発生室１２を形成する際のマスクとして使用されたものであり、弾性膜５０と流路形成基板１０とを陽極接合する際にも用いられる。
【００６０】
このような弾性膜５０上の各圧力発生室１２に相対向する領域には、厚さが例えば、約０．５μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．１μｍの上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。本実施形態では、下電極膜６０を圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、各圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる弾性膜とを合わせて圧電アクチュエータと称する。なお、本実施形態では、弾性膜５０及び下電極膜６０を振動板とした。
【００６１】
また、流路形成基板１０の圧電素子３００側、本実施形態では、弾性膜５０及び下電極膜６０上には、圧電素子３００に対向する領域にその運動を阻害しない程度の空間を確保した状態でこの空間を密封可能な圧電素子保持部２２を有する封止板２０が接合されている。
【００６２】
なお、この封止板２０には、本実施形態では、各圧力発生室１２と連通するノズル開口２１が穿設されており、ノズルプレートの役割も兼ねている。また、ノズル開口２１と圧力発生室１２とは、弾性膜５０及び下電極膜６０を除去することにより設けられたノズル連通孔５１を介して連通されている。
【００６３】
ここで、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造工程、特に、流路形成基板１０に圧力発生室１２を形成する工程及びこの圧力発生室１２に対応する領域に圧電素子３００を形成する工程について説明する。なお、図３〜図５は、圧力発生室１２の長手方向の断面図である。
【００６４】
まず、図３（ａ）に示すように、流路形成基板１０となるシリコン単結晶基板のウェハを約１１００℃の拡散炉で熱酸化して、酸化シリコンからなる保護膜５５ａ及び５５ｂを形成すると共に一方面の保護膜５５ａの圧力発生室１２を形成する領域に開口１２ａを形成する。
【００６５】
次いで、図３（ｂ）に示すように、保護膜５５ａをマスクとして流路形成基板１０を異方性エッチングすることにより圧力発生室１２，インク連通部１３及び狭隘部１４を形成する。
【００６６】
次に、図３（ｃ）に示すように、流路形成基板１０の圧力発生室１２が開口する面に、例えば、厚さが２２０μｍの単結晶シリコンからなる弾性膜母材１５０を接合する。この弾性膜母材１５０は、流路形成基板１０との接合面に、例えば、熱酸化、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法又はウェット酸化等により形成された酸化シリコンからなる酸化シリコン層１５１を有する。
【００６７】
この酸化シリコン層１５１は、後の工程で、流路形成基板１０と接合後、弾性膜母材１５０の酸化シリコン層１５１以外の領域を除去することにより弾性膜５０となるため、略１μｍ以下の厚さで形成されている。
【００６８】
また、流路形成基板１０と弾性膜母材１５０との接合方法は、接着剤を介さずに接合できれば、特に限定されず、例えば、直接接合、常温接合及び陽極接合等を挙げることができる。本実施形態では、陽極接合により両者を接合した。
【００６９】
詳しくは、相対する面を鏡面状に研磨したシリコン単結晶基板からなる流路形成基板１０の保護膜５５ａと、弾性膜母材１５０の酸化シリコン層１５１とを当接させた状態で、全体を４５０℃近くに昇温させ、２００〜１０００Ｖの電位を両方の基板に印加する。このとき、酸化シリコンからなる保護膜５５ａ及び酸化シリコン層１５１中の正のＨ+イオンは酸化シリコンの中で動きやすくなるため、負の電界に引かれてそれぞれ保護膜５５ａ及び酸化シリコン層１５１の表面に到達する。一方、保護膜５５ａ及び酸化シリコン層１５１中のそれぞれに残った負のイオンが両者の接着面に空間電荷層を形成して、流路形成基板１０と弾性膜母材１５０との間に強い吸引力が生じることにより、両者が化学結合される。
【００７０】
なお、このように弾性膜母材１５０と流路形成基板１０とを陽極接合により接合した際に、表面に微少なゴミや汚れがあるとその部分は接着せずに接合界面にボイド層が形成されてしまう。
【００７１】
次に、図３（ｄ）示すように、弾性膜母材１５０の余分な領域を除去する。本実施形態では、酸化シリコン層１５１以外の領域、すなわち、単結晶シリコンのみを除去した。
【００７２】
この単結晶シリコンの除去は、本実施形態では、例えば、ＫＯＨ等のアルカリ水溶液を用いたウェットエッチングにより行った。
【００７３】
このように弾性膜母材１５０の酸化シリコン層１５１以外の領域を除去することにより、流路形成基板１０上に接合されて残った酸化シリコン層１５１が弾性膜５０となる。
【００７４】
このような方法によると略１μｍ以下という薄膜からなる弾性膜５０を、浅い圧力発生室１２が形成された流路形成基板１０に接着剤を介さずに接合することができるので、製造工程を簡略化することができ、製造コストを低減することができる。
【００７５】
また、単結晶シリコンの除去方法は、エッチングや研磨など、酸化シリコン層１５１のみを残留できる方法であれば、特に限定されず、単結晶シリコンを剥離するようにしてもよい。
【００７６】
例えば、弾性膜母材１５０の酸化シリコン層１５１と単結晶シリコンとの境界部分に多孔質シリコン層を設けておき、流路形成基板１０と弾性膜母材１５０とを接合後、この多孔質シリコン層をエッチング等によって除去することにより、酸化シリコン層１５１から単結晶シリコンを容易に剥離することができる。なお、このような弾性膜母材１５０は、単結晶シリコンからなる弾性膜母材１５０の表面に陽極化成処理によって多孔質シリコン層を形成し、この上にエピタキシャル成長法により薄いシリコン層を形成して表面を酸化処理することによって形成できる。
【００７７】
また、例えば、弾性膜母材１５０の単結晶シリコンと酸化シリコン層１５１との間に水素イオンを注入した水素イオン層を設けておき、流路形成基板１０と弾性膜母材１５０とを接合後に５００℃〜６００℃に加熱することによっても、酸化シリコン層１５１から単結晶シリコンを容易に剥離することができる。
【００７８】
このように、弾性膜母材１５０の単結晶シリコンを剥離することによって除去すれば、剥離した単結晶シリコンを再使用することができ、製造コストを削減することができる。
【００７９】
次に、各圧力発生室１２に対応して弾性膜５０上に圧電素子３００を形成する。
【００８０】
圧電素子３００を形成する工程としては、まず、図４（ａ）に示すように、スパッタリングで下電極膜６０を流路形成基板１０の圧力発生室１２側に全面に亘って形成すると共に所定形状にパターニングし、下電極膜６０を形成する。この下電極膜６０の材料としては、白金、イリジウム等が好適である。これは、スパッタリング法やゾル−ゲル法で成膜する後述の圧電体層７０は、成膜後に大気雰囲気下又は酸素雰囲気下で６００〜１０００℃程度の温度で焼成して結晶化させる必要があるからである。すなわち、下電極膜６０の材料は、このような高温、酸化雰囲気下で導電性を保持できなければならず、殊に、圧電体層７０としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いた場合には、酸化鉛の拡散による導電性の変化が少ないことが望ましく、これらの理由から白金、イリジウムが好適である。
【００８１】
次に、図４（ｂ）に示すように、圧電体層７０を成膜する。例えば、本実施形態では、金属有機物を触媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて形成した。圧電体層７０の材料としては、ＰＺＴ系の材料がインクジェット式記録ヘッドに使用する場合には好適である。なお、この圧電体層７０の成膜方法は、特に限定されず、例えば、スパッタリング法又はＭＯＤ法（有機金属熱塗布分解法）等のスピンコート法により成膜してもよい。
【００８２】
さらに、ゾル−ゲル法又はスパッタリング法もしくはＭＯＤ法等によりチタン酸ジルコン酸鉛の前駆体膜を形成後、アルカリ水溶液中での高圧処理法にて低温で結晶成長させる方法を用いてもよい。
【００８３】
何れにしても、このように成膜された圧電体層７０は、バルクの圧電体とは異なり結晶が優先配向しており、且つ本実施形態では、圧電体層７０は、結晶が柱状に形成されている。なお、優先配向とは、結晶の配向方向が無秩序ではなく、特定の結晶面がほぼ一定の方向に向いている状態をいう。また、結晶が柱状の薄膜とは、略円柱体の結晶が中心軸を厚さ方向に略一致させた状態で面方向に亘って集合して薄膜を形成している状態をいう。勿論、優先配向した粒状の結晶で形成された薄膜であってもよい。なお、このように薄膜工程で製造された圧電体層の厚さは、一般的に０．２〜５μｍである。
【００８４】
次に、図４（ｃ）に示すように、上電極膜８０を成膜する。上電極膜８０は、導電性の高い材料であればよく、アルミニウム、金、ニッケル、白金等の多くの金属や、導電性酸化物等を使用できる。本実施形態では、白金をスパッタリングにより成膜している。
【００８５】
次いで、図４（ｄ）に示すように、圧電体層７０及び上電極膜８０のみをエッチングして圧電素子３００のパターニングを行う。また、本実施形態では、同時に、圧力発生室１２の長手方向のインク連通部１３とは反対側の端部近傍の弾性膜５０及び下電極膜６０をパターニングしてノズル連通孔５１を形成する。
【００８６】
次に、図５（ａ）に示すように、リード電極９０を流路形成基板１０の全面に亘って形成すると共に各圧電素子３００毎にパターニングして、各圧電素子３００の上電極膜８０から弾性膜５０上に延びるリード電極９０を形成する。
【００８７】
次に、図５（ｂ）に示すように、流路形成基板１０の圧力発生室１２とは反対側の面に設けられた保護膜５５ｂのリザーバ１５となる領域をパターニングにより除去して開口部５６を形成すると共に、この開口部５６からインク連通部１３に達するまで流路形成基板１０を異方性エッチング、例えば、ウェットエッチングすることにより、リザーバ１５を形成する。
【００８８】
以上のような工程で、圧力発生室１２及び圧電素子３００が形成される。
【００８９】
その後、流路形成基板１０の圧電素子３００側、本実施形態では、下電極膜６０及び弾性膜５０上に封止板２０を接合する。
【００９０】
このように製造された本実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、図示しない外部インク供給手段からリザーバ１５にインクを取り込み、リザーバ１５からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、図示しない外部配線から出力された記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、下電極膜６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。
【００９１】
このように圧力発生室１２を流路形成基板１０を貫通することなく形成することで隔壁１１の剛性を向上でき、圧力発生室１２を高密度に配設しても圧力発生室１２間のクロストークを防止することができる。
【００９２】
なお、本実施形態では、インク連通部１３及び狭隘部１４を介して各圧力発生室１２とリザーバ１５とを連通するようにしたが、これに限定されず、例えば、図６（ａ）に示すように、各圧力発生室１２とリザーバ１５とを直接連通するようにしてもよい。
【００９３】
また、本実施形態では、狭隘部１４を圧力発生室１２よりも細い幅で形成して、圧力発生室１２のインクの流出入を制御するようにしたが、これに限定されず、例えば、図６（ｂ）に示すように、圧力発生室１２と同一幅として、深さを調整した狭隘部１４Ａとしてもよい。
【００９４】
（実施形態２）
図７は、実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す圧力発生室の長手方向の断面図である。
【００９５】
本実施形態は、弾性膜５０Ａが不純物の拡散された単結晶シリコンからなる例である。
【００９６】
ここで、このように弾性膜５０Ａを設ける方法を詳細に説明する。なお、上述した実施形態１の製造方法と同様の工程については、重複する説明を省略する。
【００９７】
まず、図７（ａ）に示すように、上述した実施形態１と同様の工程で流路形成基板１０に圧力発生室１２を形成する。
【００９８】
次いで、図７（ｂ）に示すように、圧力発生室１２の形成された流路形成基板１０に、弾性膜母材１５０Ａを接合する。
【００９９】
この弾性膜母材１５０Ａは、本実施形態では、単結晶シリコンからなり、流路形成基板１０との接合面に、不純物を拡散した不純物層１５１Ａを有する。この不純物層１５１Ａは、本実施形態では、例えば、単結晶シリコンの表面にボロンをドーピング又は単結晶シリコンの表面にボロンの拡散された単結晶シリコンをエピタキシャル形成することにより設けることができる。
【０１００】
そして、このように不純物層１５１Ａの形成された弾性膜母材１５０Ａと流路形成基板１０との接合方法は、特に限定されず、例えば、直接接合又は常温接合等を挙げることができる。本実施形態では、直接接合により両者を接合した。
【０１０１】
具体的には、流路形成基板１０及び弾性膜母材１５０Ａの接合面を鏡面に研磨して、表面を洗浄してごみや汚れを除去して乾燥させ、清浄な雰囲気下で互いの表面を接触させることにより両者が接着される。
【０１０２】
なお、弾性膜母材１５０Ａと流路形成基板１０とを直接接合により接合する場合、それぞれの結晶格子を整合させることは困難であり、接合界面には結晶格子不整合面が形成される。また、両者の結晶格子のずれを１度以内の精度で接合した場合には、接合界面で結晶格子がつながり、エピタキシャル同様の連続性が保たれるが、転移面が形成される。さらに、上述した実施形態１と同様に接合界面にボイド層が形成されることもある。
【０１０３】
次に、図７（ｃ）に示すように、弾性膜母材１５０Ａの余分な領域を除去する。本実施形態では、不純物層１５１Ａ以外の領域、すなわち、他方面側の単結晶シリコンのみを除去した。本実施形態では、ＫＯＨによるウェットエッチングにより単結晶シリコンを除去した。
【０１０４】
ここで、ＫＯＨによるウェットエッチングでは、ボロンの拡散された不純物層１５１Ａのエッチングの速度が、単結晶シリコンの領域に比べボロン濃度の比の４乗倍で減少するという特性から、単結晶シリコンのみをエッチングにより除去し、不純物層１５１Ａのみを残すことができる。
【０１０５】
なお、本実施形態では、このようなウェットエッチングにより流路形成基板１０上に不純物層１５１Ａのみを形成後、不純物層１５１Ａの表面を電解研磨により平滑にすることで、弾性膜５０Ａを形成した。
【０１０６】
その後の圧電素子３００及びリザーバ１５等を形成する工程は、上述した実施形態１と同様である。
【０１０７】
このように、弾性膜母材１５０Ａにボロンの拡散された不純物層１５１Ａを有する単結晶シリコンを用いても、上述した実施形態１と同様の効果を得ることができる。
【０１０８】
（実施形態３）
図８は、実施形態３に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す圧力発生室の長手方向の断面図である。
【０１０９】
本実施形態は、弾性膜母材１５０Ｂをｐｎ接合を持つ単結晶シリコンとし、弾性膜５０Ｂがｎ型の単結晶シリコンからなる例である。
【０１１０】
ここで、このように弾性膜５０Ｂを設ける方法を詳細に説明する。なお、上述した実施形態１の製造方法と同様の工程については、重複する説明を省略する。
【０１１１】
まず、図８（ａ）に示すように、上述した実施形態１と同様の工程で流路形成基板１０に圧力発生室１２を形成する。
【０１１２】
次に、図８（ｂ）に示すように、圧力発生室１２の形成された流路形成基板１０に、弾性膜母材１５０Ｂを接合する。
【０１１３】
この弾性膜母材１５０Ｂは、ｐｎ接合を持つ単結晶シリコン、すなわちｎ型シリコン層１５１Ｂとｐ型シリコン層１５２Ｂとで構成されていれば、特に限定されず、例えば、ｐ型シリコン層１５２Ｂにリン等をドーピング又はｐ型シリコン層１５２の表面にｎ型シリコン層１５１Ｂをエピタキシャル形成することによりｎ型シリコン層１５１Ｂとｐ型シリコン層１５２Ｂとで構成されるｐｎ接合を持つ弾性膜母材１５０Ｂを形成することができる。
【０１１４】
そして、このように形成された弾性膜母材１５０Ｂと流路形成基板１０との接合方法は、特に限定されず、例えば、直接接合及び陽極接合等により両者を接合することができる。本実施形態では、上述した実施形態２と同様に直接接合により接合した。
【０１１５】
次に、図８（ｃ）に示すように、弾性膜母材１５０Ｂの余分な領域を除去する。本実施形態では、ｎ型シリコン層１５１Ｂ以外の領域、すなわち、ｐ型シリコン層１５２Ｂのみを除去した。本実施形態では、ＫＯＨ等のアルカリ水溶液による電気化学エッチングによりｐ型シリコン層１５２Ｂを除去した。
【０１１６】
ここで、電気化学エッチングは、ｐｎ接合を持つ単結晶シリコンからなる弾性膜母材１５０Ｂに印加する電圧の大きさを変化させてｐ型シリコン層１５２Ｂのみをエッチングし、ｎ型シリコン層１５１Ｂのみを残すものである。
【０１１７】
詳しくは、ｎ型シリコン層１５１Ｂ及びｐ型シリコン層１５２Ｂはパシベーション電圧（電流がピーク値になるよりも少し高い）よりも高い電圧を印加したときに、シリコンのエッチング速度が著しく小さくなる。この性質を利用して、エッチングを進行させたいｐ型シリコン層１５２Ｂにパシベーション電圧よりも低い電圧を印加し、エッチングを停止させたいｎ型シリコン層１５１Ｂにパシベーション電圧よりも高い電圧を印加してＫＯＨ等のアルカリ水溶液でエッチングを行うことにより、ｐ型シリコン層１５２Ｂのみをエッチングしてｎ型シリコン層１５１Ｂを残すことができる。
【０１１８】
なお、本実施形態では、このような電気化学エッチングにより流路形成基板１０上にｎ型シリコン層１５１Ｂのみを形成後、ｎ型シリコン層１５１Ｂの表面を電解研磨により平滑にすることで弾性膜５０Ｂを形成した。
【０１１９】
その後の圧電素子３００及びリザーバ１５等を形成する工程は、上述した実施形態１と同様である。
【０１２０】
このように、弾性膜母材１５０Ｂにｐｎ接合を持つ単結晶シリコンを用いても、上述した実施形態１と同様の効果を得ることができる。
【０１２１】
なお、本実施形態では、弾性膜母材１５０Ｂと流路形成基板１０とを直接接合によって接合したため、上述した実施形態２と同様に、弾性膜５０Ｂと流路形成基板１０との接合界面に結晶格子不整合面、転移面又はボイド層を有する。
【０１２２】
（実施形態４）
図９は、実施形態４に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す圧力発生室の長手方向の断面図である。
【０１２３】
本実施形態は、弾性膜母材１５０Ｃとして不純物濃度の異なる単結晶シリコンからなる高不純物層１５２Ｃ及び低不純物層１５１Ｃを有する単結晶シリコンを用い、弾性膜５０Ｃが低不純物層１５１Ｃからなる例である。
【０１２４】
ここで、このように弾性膜５０Ｃを設ける方法を詳細に説明する。なお、上述した実施形態１の製造方法と同様の工程については、重複する説明を省略する。
【０１２５】
まず、図９（ａ）に示すように、上述した実施形態１と同様の工程で流路形成基板１０に圧力発生室１２を形成する。
【０１２６】
次いで、図９（ｂ）に示すように、圧力発生室１２の形成された流路形成基板１０に、弾性膜母材１５０Ｃを接合する。
【０１２７】
この弾性膜母材１５０Ｃは、本実施形態では、高濃度で不純物を含む高不純物層１５２Ｃと、これに対して低濃度で不純物を含む低不純物層１５１Ｃとを有する単結晶シリコンを用いた。この不純物を含む低不純物層１５１Ｃと高不純物層１５２Ｃとの組み合わせは、特に限定されず、例えば、Ｎ／Ｎ＋、Ｎ／Ｐ＋、Ｐ／Ｎ＋、Ｐ／Ｐ＋の全ての組み合わせを用いることができる。
【０１２８】
そして、このような弾性膜母材１５０Ｃと流路形成基板１０との接合方法は、特に限定されず、例えば、直接接合又は常温接合等を挙げることができる。本実施形態では、上述した実施形態２と同様に直接接合により両者を接合した。
【０１２９】
次に、図９（ｃ）に示すように、弾性膜母材１５０Ｃの余分な領域を除去する。
【０１３０】
本実施形態では、ＨＦ−ＨＮＯ３系を用いた電気化学エッチングにより、低不純物層１５１Ｃ以外の領域、すなわち、高不純物層１５２Ｃのみを除去した。
【０１３１】
ここで、ＨＦ−ＨＮＯ３系を用いた電気化学エッチングとは、まず、弾性膜母材１５０Ｃをエッチング液に対してプラス側にバイアスするように電極を配置する。一方、エッチング液の電位を固定するためにマイナス側にバイアスした白金電極を溶液中に置く、このエッチング液としてはＨＦとＨ２Ｏとの混合液が用いられている。Ｈ２Ｏは、ＨＮＯ３に比べ酸化作用が小さいために、単結晶シリコンのエッチング速度は電流を流さない状態ではきわめて小さい。しかしプラスの電圧を単結晶シリコンに印加したとき、電極からホールが注入されるために、溶液中のＯＨ−イオンが付着して単結晶シリコンの酸化が起こる。この酸化物はＨＦ溶液中に容易に反応してエッチング溶液に溶けるため単結晶シリコンの溶解が進行する。このとき、高濃度の不純物を有する高不純物層１５２Ｃでは抵抗が小さいために大きな電流が流れ、シリコン表面の酸化が早く進みエッチング速度が大きくなる。反対に低濃度の不純物の低不純物層１５１Ｃでは、エッチング速度が減少する。このようにＨＦ−ＨＮＯ３系を用いた電気化学エッチングでは、高濃度の不純物を含む高不純物層１５２Ｃをエッチングして、低濃度の不純物を含む低不純物層１５１Ｃのみを残すことができる。
【０１３２】
なお、本実施形態では、このようなＨＦ−ＨＮＯ３系を用いた電気化学エッチングにより流路形成基板１０上に低不純物層１５１Ｃのみを形成後、表面を電解研磨により平滑にすることで、弾性膜５０Ｃを形成した。
【０１３３】
その後の圧電素子３００及びリザーバ１５等を形成する工程は、上述した実施形態１と同様である。
【０１３４】
このように、弾性膜母材１５０Ｃに高濃度の不純物を含む高不純物層１５２Ｃとそれに比べ低濃度の不純物を含む低不純物層１５１Ｃを用いて、弾性膜５０Ｃを低不純物層１５１Ｃで形成しても上述した実施形態１と同様の効果を得ることができる。
【０１３５】
なお、本実施形態では、弾性膜母材１５０Ｃと流路形成基板１０とを直接接合によって接合したため、上述した実施形態２と同様に弾性膜５０Ｃと流路形成基板１０との接合界面に結晶格子不整合面、転移面又はボイド層を有する。
【０１３６】
（実施形態５）
図１０は、実施形態５に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す圧力発生室の長手方向の断面図である。
【０１３７】
本実施形態は、弾性膜５０Ｄとして流路形成基板１０の圧力発生室１２側に単結晶シリコンからなるシリコン層５２と、下電極膜６０側に酸化シリコンからなる絶縁体層５３とを有する例である。
【０１３８】
ここで、このように弾性膜５０Ｄを設ける方法について詳細に説明する。なお、上述した実施形態１の製造方法と同様の工程については、重複する説明を省略する。
【０１３９】
まず、図１０（ａ）に示すように、上述した実施形態１と同様の工程で流路形成基板１０に圧力発生室１２を形成する。また、流路形成基板１０上のマスクパターンである保護膜５５ａをフッ酸等により除去し、流路形成基板１０の接合面に単結晶シリコンが露出するようにした。
【０１４０】
次いで、図１０（ｂ）に示すように、圧力発生室１２の形成された流路形成基板１０に弾性膜母材１５０Ｄを接合する。
【０１４１】
弾性膜母材１５０Ｄは、本実施形態では、酸化シリコンからなる絶縁体層５３の両側にそれぞれ単結晶シリコンからなるシリコン層５２及び５４とを有するＳＯＩ基板を用いて、一方のシリコン層５２が流路形成基板１０側となるように接合した。なお、本実施形態では、シリコン層５２及び絶縁体層５３が弾性膜５０Ｄとなるため、シリコン層５２の厚さが略１μｍ以下のＳＯＩ基板を用いた。
【０１４２】
この流路形成基板１０と弾性膜母材１５０Ｄとの接合方法は、特に限定されず、例えば、常温接合、直接接合等を挙げることができる。本実施形態では、常温接合により両者を接合した。
【０１４３】
具体的には、流路形成基板１０と弾性膜母材１５０Ｄとの表面にアルゴン高速原子ビーム（ＦＡＢ）を照射して自然酸化膜等の表面層を取り除くことにより表面活性化を行い、超高真空中でその表面を加圧接触させることで両者が接合される。
【０１４４】
なお、弾性膜母材１５０Ｄと流路形成基板１０とを常温接合により接合する場合であっても、上述した実施形態２〜４の直接接合の場合と同様に、弾性膜母材１５０Ｄと流路形成基板１０との接合界面に、結晶格子不整合面、転移面又はボイド層が形成される。
【０１４５】
次に、図１０（ｃ）に示すように、弾性膜母材１５０Ｄの余分な領域を除去する。本実施形態では、シリコン層５２及び絶縁体層５３以外の領域、すなわち、他方面に設けられたシリコン層５４のみを除去した。
【０１４６】
このシリコン層５４の除去では、本実施形態では、ＫＯＨ等のアルカリ水溶液によるウェットエッチングにより行った。なお、このウェットエッチングでは単結晶シリコンからなる流路形成基板１０がエッチングにより溶解しないように流路形成基板１０の接合面とは反対側の面等に保護膜を形成するのが好ましい。この保護膜としては、例えば、パリレン（商品名；ポリパラキシリレン）が挙げられる。このパリレンからなる保護膜はＣＶＤ法によって均一な厚さで容易に成膜することができる。
【０１４７】
そして、このようにシリコン層５４を除去することで、シリコン層５２及び絶縁体層５３からなる弾性膜５０Ｄとなる。
【０１４８】
その後の圧電素子３００及びリザーバ１５等を形成する工程は、上述した実施形態１と同様である。
【０１４９】
このように、弾性膜母材１５０ＤにＳＯＩ基板を用いても、上述した実施形態１と同様の効果を得ることができる。
【０１５０】
なお、本実施形態では、流路形成基板１０と弾性膜母材１５０Ｄとを、常温接合により接合したが、これに限定されず、例えば、上述した実施形態１と同様に陽極接合により接合するようにしてもよい。この陽極接合では、流路形成基板及び弾性膜母材のそれぞれの接合面に酸化シリコン層を形成する必要があり、これにより弾性膜５０Ｄは、単結晶シリコンと、その両面に形成された酸化シリコン層との三層となる。
【０１５１】
（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、インクジェット式記録ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。
【０１５２】
例えば、上述した実施形態１〜５では、圧力発生室１２を流路形成基板１０を貫通することなく浅く設けるようにしたが、これに限定されず、厚さの薄い流路形成基板に圧力発生室を貫通して設けるようにしても、圧力発生室を画成する隔壁の剛性を保って、圧力発生室間のクロストークを防止することができ、インク吐出特性を向上することができる。なお、このように流路形成基板に圧力発生室を貫通して設ける場合も、上述の製造方法で製造することにより、略１μｍ以下の弾性膜を接着剤を介さずに接合により設けることができる。これにより、製造工程を簡略化して製造コストを低減することができる。
【０１５３】
また、上述した実施形態１〜５では、流路形成基板１０にシリコン単結晶基板を用いて、圧力発生室１２をハーフエッチングにより浅く形成したが、これに限定されず、例えば、流路形成基板に、ＳＯＩ基板を用いて、ＳＯＩ基板の一方面側の単結晶シリコンからなる流路形成層に、この流路形成層を貫通する圧力発生室を形成するようにしてもよい。これにより、圧力発生室の深さを容易に制御することができ、高精度の圧力発生室を形成することができる。
【０１５４】
さらに、上述した実施形態１〜５では、陽極接合、直接接合及び常温接合のそれぞれを例示したが、接着剤を介さずに流路形成基板と弾性膜とを接合できれば、本発明はこれに限定されるものではない。
【０１５５】
また、上述した実施形態１〜５の弾性膜５０〜５０Ｄの形成では、弾性膜母材１５０〜１５０Ｄの余分な領域を除去する際にエッチングを行ったが、これに限定されず、例えば、途中まで機械研磨により除去し、その後エッチングを行うようにすれば、製造時間を短縮して製造コストを低減することができる。
【０１５６】
さらに、上述した実施形態１〜５では、流路形成基板１０の圧電素子３００側にノズル開口２１を有するインクジェット式記録ヘッドとしたが、これに限定されず、例えば、流路形成基板の圧電素子とは反対側にノズル開口を有するインクジェット式記録ヘッドとしてもよい。このような例を図１１に示す。なお、図１１は、圧力発生室の長手方向の断面図である。
【０１５７】
図示するように、流路形成基板１０Ａには、圧力発生室１２の両端のそれぞれに連通して、圧電素子３００とは反対側まで貫通するノズル連通路１６とインク供給路１７とが設けられている。このノズル連通路１６及びインク供給路１７は、例えば、圧電素子３００とは反対側からウェットエッチングすることにより形成されている。
【０１５８】
一方、流路形成基板１０Ａのノズル連通孔１６及びインク供給路１７の開口する面側には、ノズル連通路１６に連通するノズル開口２１Ａと、インク供給路１７に連通するインク供給孔２３とを有するノズルプレート２０Ａが接合されている。
【０１５９】
また、ノズルプレート２０Ａのインク供給孔２３に対向する領域には、リザーバ１５Ａを画成するリザーバ形成基板３０及びコンプライアンス基板４０が順次接合されており、圧力発生室１２とリザーバ１５Ａとはノズルプレート２０Ａに設けられたインク供給孔２３を介して連通されている。
【０１６０】
さらに、リザーバ１５Ａに供給されるインクは、ノズルプレート２０Ａのリザーバ１５Ａに対向する領域に形成されたインク導入口２４により供給される。
【０１６１】
リザーバ形成基板３０は、リザーバ１５Ａの周壁を形成するものであり、ノズル開口数、インク滴吐出周波数に応じた適正な厚みのステンレス板を打ち抜いて作製されたものである。
【０１６２】
インク室側板４０は、ステンレス基板からなり、一方の面でリザーバ１５Ａの一壁面を構成するものである。また、インク室側板４０には、他方の面の一部にハーフエッチングにより凹部４０ａを形成することにより薄肉壁４１が形成されている。なお、薄肉壁４１は、インク滴吐出の際に発生するノズル開口２１Ａと反対側へ向かう圧力を吸収するためのもので、他の圧力発生室１２Ａに、リザーバ１５Ａを経由して不要な正又は負の圧力が加わるのを防止する。
【０１６３】
このような構成のインクジェット式記録ヘッドとしても、上述した実施形態１〜５と同様の効果を得ることができる。
【０１６４】
また、これら各実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図１２は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。
【０１６５】
図１２に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。
【０１６６】
そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。
【０１６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、振動板の圧力発生室に対向する接合層を単結晶シリコン又は酸化シリコンで形成し、流路形成基板と接合層とを接着剤を介さずに接合するようにしたため、製造工程を簡略化して製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの概略を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの圧力発生室の長手方向の断面図である。
【図３】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図６】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの変形例を示す圧力発生室の長手方向の断面図である。
【図７】本発明の実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図８】本発明の実施形態３に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図９】本発明の実施形態４に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施形態５に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図１１】本発明の他の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの変形例を示す圧力発生室の長手方向の断面図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略図である。
【符号の説明】
１０，１０Ａ 流路形成基板
１１ 隔壁
１２、１２Ａ 圧力発生室
１３ インク連通部
１４ 狭隘部
１５、１５Ａ リザーバ
２０ 封止板
２０Ａ ノズルプレート
２１ ノズル開口
２２ 圧電素子保持部
２３ インク供給孔
２４ インク導入口
３０ リザーバ形成基板
４０ コンプライアンス基板
５０、５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ 弾性膜
５１ ノズル連通孔
５２ シリコン層
５３ 絶縁層
５４ シリコン層
６０ 下電極膜
７０ 圧電体層
８０ 上電極膜
９０ リード電極
１５０、１５０Ａ、１５０Ｂ、１５０Ｃ、１５０Ｄ 弾性膜母材
１５１ 酸化シリコン層
１５１Ａ 不純物層
１５１Ｂ ｎ型シリコン層
１５１Ｃ 低不純物層
１５２Ｂ ｐ型シリコン層
１５２Ｃ 高不純物層
３００ 圧電素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を介して圧電素子を設けて、圧電素子の変位によりインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドの製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子が軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。
【０００３】
前者は圧電素子の端面を振動板に当接させることにより圧力発生室の容積を変化させることができて、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反面、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた圧電素子を圧力発生室に位置決めして固定する作業が必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。
【０００４】
これに対して後者は、圧電材料のグリーンシートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電素子を作り付けることができるものの、たわみ振動を利用する関係上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難であるという問題がある。
【０００５】
一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、特開平５−２８６１３１号公報に見られるように、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが提案されている。
【０００６】
これによれば圧電素子を振動板に貼付ける作業が不要となって、リソグラフィ法という精密で、かつ簡便な手法で圧電素子を作り付けることができるばかりでなく、圧電素子の厚みを薄くできて高速駆動が可能になるという利点がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなインクジェット式記録ヘッドでは、圧力発生室を高密度で配列した場合、各圧力発生室間の隔壁の厚さが薄くなることによって隔壁の剛性が不足し、各圧力発生室間のクロストークが発生するという問題がある。
【０００８】
一方、縦振動モードの圧電アクチュエータでは、圧力発生室の振動板側に幅広部を設け、それ以外の部分の圧力発生室の幅を低くして隔壁の厚さを大きくする構造が考えられているが、この場合には、圧力発生室の幅広部の加工や貼り合わせ等の作業が必要で作業性及び精度が低いという問題がある。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑み、高密度且つ各圧力発生室間のクロストークを低減すると共に製造工程を簡略化して製造コストを低減することができるインクジェット式記録ヘッドの製造方法を提供することを課題とする。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、ノズル開口に連通する圧力発生室が画成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して成膜及びリソグラフィ法により形成された薄膜からなる下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを有するインクジェット式記録ヘッドの製造方法において、前記流路形成基板に圧力発生室を形成する工程と、少なくとも一方面側に設けられた多孔質シリコン層又は水素イオンを含有する水素イオン層と、該多孔質シリコン層又は水素イオン層上に設けられた単結晶シリコン又は酸化シリコンからなる接合層とを有する振動板母材の前記接合層側を前記流路形成基板に接着剤を介さずに接合する工程と、前記振動板母材の前記多孔質シリコン層又は前記水素イオン層を除去して前記接合層と当該接合層以外の領域とを剥離して前記振動板を形成する工程と、前記振動板上に前記下電極膜、圧電体膜及び上電極膜を積層及びパターニングすることにより前記圧電素子を形成する工程とを有することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００３３】
かかる第１の態様は、流路形成基板上に接合層を容易に接合でき、製造コストを低減できる。
【００３４】
本発明の第２の態様は、前記流路形成基板は前記圧力発生室が形成された単結晶シリコンからなる流路形成層を有し、該流路形成層に前記振動板母材を接合することを特徴とする第１の態様のインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００３５】
かかる第２の態様は、高精度の圧力発生室を形成することができると共に流路形成基板と振動板母材とを容易に且つ確実に接合できる。
【００３６】
本発明の第３の態様は、前記振動板母材が絶縁体層の両側に単結晶シリコンからなるシリコン層を有するＳＯＩ基板からなり、前記接合層が前記絶縁体層と前記シリコン層の一方とからなることを特徴とする第１又は２の態様のインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００３７】
かかる第３の態様は、振動板母材の接合層以外の領域を容易に除去することができる。
【００３８】
本発明の第４の態様は、前記接合層がボロンの拡散された単結晶シリコンからなることを特徴とする第１又は２の態様のインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００３９】
かかる第４の態様は、ボロンの拡散された単結晶シリコンからなる接合層を用いることで、振動板母材の接合層以外の領域を容易且つ確実に除去して振動板を容易に形成できる。
【００４０】
本発明の第５の態様は、前記振動板母材がｐｎ接合を持つ単結晶シリコンからなり、前記接合層がｎ型単結晶シリコンであることを特徴とする第１又は２の態様のインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００４１】
かかる第５の態様は、ｎ型単結晶シリコンからなる接合層を用いることで、振動板母材の接合層以外の領域を容易且つ確実に除去して振動板を容易に形成できる。
【００４２】
本発明の第６の態様は、前記振動板母材が不純物濃度の異なる２層の単結晶シリコンからなると共に前記接合層が低濃度の層からなることを特徴とする第１又は２の態様のインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００４３】
かかる第６の態様は、接合層に低濃度の単結晶シリコンを用いることで、振動板母材の接合層以外の領域を容易且つ確実に除去して振動板を容易に形成できる。
【００４４】
本発明の第７の態様は、前記振動板母材を前記流路形成基板に接合する工程では、両者を直接接合又は常温接合により接合することを特徴とする第１〜６の何れかの態様のインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００４５】
かかる第７の態様は、振動板母材と流路形成基板とを直接接合又は常温接合により容易且つ確実に接合することができる。
【００４６】
本発明の第８の態様は、前記振動板母材を前記流路形成基板に接合する工程では、両者を陽極接合により接合することを特徴とする第１又は２の態様のインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００４７】
かかる第８の態様は、振動板母材と流路形成基板とを陽極接合により容易且つ確実に接合することができる。
【００４８】
本発明の第９の態様は、前記振動板を形成する工程では、前記流路形成基板を保護層で覆った後、前記振動板母材の前記接合層以外の領域を除去することを特徴とする第１〜８の何れかの態様のインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００４９】
かかる第９の態様は、振動板母材の接合層以外の領域を除去する際に、流路形成基板が除去されることがなく、高精度の振動板を形成することができる。
【００５０】
本発明の第１０の態様は、前記圧力発生室を形成する工程では、当該圧力発生室を前記流路形成基板を貫通することなく形成することを特徴とする第１〜９の何れかの態様のインクジェット式記録ヘッドの製造方法にある。
【００５１】
かかる第１０の態様は、圧力発生室を画成する隔壁の剛性を向上して圧力発生室間のクロストークを防止することができ、インク吐出特性を向上することができる。
【００５２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００５３】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図であり、図２は、インクジェット式記録ヘッドの１つの圧力発生室の長手方向における断面構造を示す図である。
【００５４】
図示するように、圧力発生室１２が形成される流路形成基板１０は、例えば、１５０μｍ〜１ｍｍの厚さのシリコン単結晶基板からなり、その一方面側の表層部分には、異方性エッチングにより複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が形成されている。
【００５５】
また、各圧力発生室１２の長手方向一端部には、後述するリザーバ１５と圧力発生室１２とを接続するための中継室であるインク連通部１３が圧力発生室１２よりも幅の狭い狭隘部１４を介して連通されている。また、これらインク連通部１３及び狭隘部１４は、圧力発生室１２と共に異方性エッチングによって形成されている。なお、狭隘部１４は、圧力発生室１２のインクの流出入を制御するためのものである。
【００５６】
この異方性エッチングは、ウェットエッチング又はドライエッチングの何れの方法を用いてもよいが、シリコン単結晶板を厚さ方向に途中までエッチング（ハーフエッチング）することにより圧力発生室１２は浅く形成されており、その深さは、ハーフエッチングのエッチング時間によって調整することができる。
【００５７】
なお、本実施形態では、インク連通部１３を各圧力発生室１２毎に設けるようにしたが、これに限定されず、例えば、インク連通部１３を各圧力発生室１２に共通するようにしてもよく、この場合、このインク連通部１３が後述するリザーバ１５の一部を構成するようにしてもよい。
【００５８】
一方、流路形成基板１０の他方面側には、各インク連通部１３に連通し、各圧力発生室１２にインクを供給するリザーバ１５が形成されている。このリザーバ１５は、例えば、流路形成基板１０の他方面側から、保護膜５５ｂをマスクとして異方性エッチングすることによって形成されている。
【００５９】
このような流路形成基板１０の圧力発生室１２側には、単結晶シリコン又は酸化シリコンからなる、厚さが略１μｍ以下の弾性膜５０が接着剤を介さずに接合されて設けられている。この弾性膜５０は、その一方の面で圧力発生室１２の一壁面を構成している。なお、本実施形態では、弾性膜５０は酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなり、弾性膜５０と流路形成基板１０とは、詳しくは後述するが陽極接合により接合した。なお、流路形成基板１０の弾性膜５０との接合面には、酸化シリコンからなる保護膜５５ａが形成されている。この保護膜５５ａは流路形成基板１０に圧力発生室１２を形成する際のマスクとして使用されたものであり、弾性膜５０と流路形成基板１０とを陽極接合する際にも用いられる。
【００６０】
このような弾性膜５０上の各圧力発生室１２に相対向する領域には、厚さが例えば、約０．５μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．１μｍの上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。本実施形態では、下電極膜６０を圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、各圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる弾性膜とを合わせて圧電アクチュエータと称する。なお、本実施形態では、弾性膜５０及び下電極膜６０を振動板とした。
【００６１】
また、流路形成基板１０の圧電素子３００側、本実施形態では、弾性膜５０及び下電極膜６０上には、圧電素子３００に対向する領域にその運動を阻害しない程度の空間を確保した状態でこの空間を密封可能な圧電素子保持部２２を有する封止板２０が接合されている。
【００６２】
なお、この封止板２０には、本実施形態では、各圧力発生室１２と連通するノズル開口２１が穿設されており、ノズルプレートの役割も兼ねている。また、ノズル開口２１と圧力発生室１２とは、弾性膜５０及び下電極膜６０を除去することにより設けられたノズル連通孔５１を介して連通されている。
【００６３】
ここで、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造工程、特に、流路形成基板１０に圧力発生室１２を形成する工程及びこの圧力発生室１２に対応する領域に圧電素子３００を形成する工程について説明する。なお、図３〜図５は、圧力発生室１２の長手方向の断面図である。
【００６４】
まず、図３（ａ）に示すように、流路形成基板１０となるシリコン単結晶基板のウェハを約１１００℃の拡散炉で熱酸化して、酸化シリコンからなる保護膜５５ａ及び５５ｂを形成すると共に一方面の保護膜５５ａの圧力発生室１２を形成する領域に開口１２ａを形成する。
【００６５】
次いで、図３（ｂ）に示すように、保護膜５５ａをマスクとして流路形成基板１０を異方性エッチングすることにより圧力発生室１２，インク連通部１３及び狭隘部１４を形成する。
【００６６】
次に、図３（ｃ）に示すように、流路形成基板１０の圧力発生室１２が開口する面に、例えば、厚さが２２０μｍの単結晶シリコンからなる弾性膜母材１５０を接合する。この弾性膜母材１５０は、流路形成基板１０との接合面に、例えば、熱酸化、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法又はウェット酸化等により形成された酸化シリコンからなる酸化シリコン層１５１を有する。
【００６７】
この酸化シリコン層１５１は、後の工程で、流路形成基板１０と接合後、弾性膜母材１５０の酸化シリコン層１５１以外の領域を除去することにより弾性膜５０となるため、略１μｍ以下の厚さで形成されている。
【００６８】
また、流路形成基板１０と弾性膜母材１５０との接合方法は、接着剤を介さずに接合できれば、特に限定されず、例えば、直接接合、常温接合及び陽極接合等を挙げることができる。本実施形態では、陽極接合により両者を接合した。
【００６９】
詳しくは、相対する面を鏡面状に研磨したシリコン単結晶基板からなる流路形成基板１０の保護膜５５ａと、弾性膜母材１５０の酸化シリコン層１５１とを当接させた状態で、全体を４５０℃近くに昇温させ、２００〜１０００Ｖの電位を両方の基板に印加する。このとき、酸化シリコンからなる保護膜５５ａ及び酸化シリコン層１５１中の正のＨ+イオンは酸化シリコンの中で動きやすくなるため、負の電界に引かれてそれぞれ保護膜５５ａ及び酸化シリコン層１５１の表面に到達する。一方、保護膜５５ａ及び酸化シリコン層１５１中のそれぞれに残った負のイオンが両者の接着面に空間電荷層を形成して、流路形成基板１０と弾性膜母材１５０との間に強い吸引力が生じることにより、両者が化学結合される。
【００７０】
なお、このように弾性膜母材１５０と流路形成基板１０とを陽極接合により接合した際に、表面に微少なゴミや汚れがあるとその部分は接着せずに接合界面にボイド層が形成されてしまう。
【００７１】
次に、図３（ｄ）示すように、弾性膜母材１５０の余分な領域を除去する。本実施形態では、酸化シリコン層１５１以外の領域、すなわち、単結晶シリコンのみを除去した。
【００７２】
この単結晶シリコンの除去は、本実施形態では、例えば、ＫＯＨ等のアルカリ水溶液を用いたウェットエッチングにより行った。
【００７３】
このように弾性膜母材１５０の酸化シリコン層１５１以外の領域を除去することにより、流路形成基板１０上に接合されて残った酸化シリコン層１５１が弾性膜５０となる。
【００７４】
このような方法によると略１μｍ以下という薄膜からなる弾性膜５０を、浅い圧力発生室１２が形成された流路形成基板１０に接着剤を介さずに接合することができるので、製造工程を簡略化することができ、製造コストを低減することができる。
【００７５】
また、単結晶シリコンの除去方法は、エッチングや研磨など、酸化シリコン層１５１のみを残留できる方法であれば、特に限定されず、単結晶シリコンを剥離するようにしてもよい。
【００７６】
例えば、弾性膜母材１５０の酸化シリコン層１５１と単結晶シリコンとの境界部分に多孔質シリコン層を設けておき、流路形成基板１０と弾性膜母材１５０とを接合後、この多孔質シリコン層をエッチング等によって除去することにより、酸化シリコン層１５１から単結晶シリコンを容易に剥離することができる。なお、このような弾性膜母材１５０は、単結晶シリコンからなる弾性膜母材１５０の表面に陽極化成処理によって多孔質シリコン層を形成し、この上にエピタキシャル成長法により薄いシリコン層を形成して表面を酸化処理することによって形成できる。
【００７７】
また、例えば、弾性膜母材１５０の単結晶シリコンと酸化シリコン層１５１との間に水素イオンを注入した水素イオン層を設けておき、流路形成基板１０と弾性膜母材１５０とを接合後に５００℃〜６００℃に加熱することによっても、酸化シリコン層１５１から単結晶シリコンを容易に剥離することができる。
【００７８】
このように、弾性膜母材１５０の単結晶シリコンを剥離することによって除去すれば、剥離した単結晶シリコンを再使用することができ、製造コストを削減することができる。
【００７９】
次に、各圧力発生室１２に対応して弾性膜５０上に圧電素子３００を形成する。
【００８０】
圧電素子３００を形成する工程としては、まず、図４（ａ）に示すように、スパッタリングで下電極膜６０を流路形成基板１０の圧力発生室１２側に全面に亘って形成すると共に所定形状にパターニングし、下電極膜６０を形成する。この下電極膜６０の材料としては、白金、イリジウム等が好適である。これは、スパッタリング法やゾル−ゲル法で成膜する後述の圧電体層７０は、成膜後に大気雰囲気下又は酸素雰囲気下で６００〜１０００℃程度の温度で焼成して結晶化させる必要があるからである。すなわち、下電極膜６０の材料は、このような高温、酸化雰囲気下で導電性を保持できなければならず、殊に、圧電体層７０としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いた場合には、酸化鉛の拡散による導電性の変化が少ないことが望ましく、これらの理由から白金、イリジウムが好適である。
【００８１】
次に、図４（ｂ）に示すように、圧電体層７０を成膜する。例えば、本実施形態では、金属有機物を触媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層７０を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて形成した。圧電体層７０の材料としては、ＰＺＴ系の材料がインクジェット式記録ヘッドに使用する場合には好適である。なお、この圧電体層７０の成膜方法は、特に限定されず、例えば、スパッタリング法又はＭＯＤ法（有機金属熱塗布分解法）等のスピンコート法により成膜してもよい。
【００８２】
さらに、ゾル−ゲル法又はスパッタリング法もしくはＭＯＤ法等によりチタン酸ジルコン酸鉛の前駆体膜を形成後、アルカリ水溶液中での高圧処理法にて低温で結晶成長させる方法を用いてもよい。
【００８３】
何れにしても、このように成膜された圧電体層７０は、バルクの圧電体とは異なり結晶が優先配向しており、且つ本実施形態では、圧電体層７０は、結晶が柱状に形成されている。なお、優先配向とは、結晶の配向方向が無秩序ではなく、特定の結晶面がほぼ一定の方向に向いている状態をいう。また、結晶が柱状の薄膜とは、略円柱体の結晶が中心軸を厚さ方向に略一致させた状態で面方向に亘って集合して薄膜を形成している状態をいう。勿論、優先配向した粒状の結晶で形成された薄膜であってもよい。なお、このように薄膜工程で製造された圧電体層の厚さは、一般的に０．２〜５μｍである。
【００８４】
次に、図４（ｃ）に示すように、上電極膜８０を成膜する。上電極膜８０は、導電性の高い材料であればよく、アルミニウム、金、ニッケル、白金等の多くの金属や、導電性酸化物等を使用できる。本実施形態では、白金をスパッタリングにより成膜している。
【００８５】
次いで、図４（ｄ）に示すように、圧電体層７０及び上電極膜８０のみをエッチングして圧電素子３００のパターニングを行う。また、本実施形態では、同時に、圧力発生室１２の長手方向のインク連通部１３とは反対側の端部近傍の弾性膜５０及び下電極膜６０をパターニングしてノズル連通孔５１を形成する。
【００８６】
次に、図５（ａ）に示すように、リード電極９０を流路形成基板１０の全面に亘って形成すると共に各圧電素子３００毎にパターニングして、各圧電素子３００の上電極膜８０から弾性膜５０上に延びるリード電極９０を形成する。
【００８７】
次に、図５（ｂ）に示すように、流路形成基板１０の圧力発生室１２とは反対側の面に設けられた保護膜５５ｂのリザーバ１５となる領域をパターニングにより除去して開口部５６を形成すると共に、この開口部５６からインク連通部１３に達するまで流路形成基板１０を異方性エッチング、例えば、ウェットエッチングすることにより、リザーバ１５を形成する。
【００８８】
以上のような工程で、圧力発生室１２及び圧電素子３００が形成される。
【００８９】
その後、流路形成基板１０の圧電素子３００側、本実施形態では、下電極膜６０及び弾性膜５０上に封止板２０を接合する。
【００９０】
このように製造された本実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、図示しない外部インク供給手段からリザーバ１５にインクを取り込み、リザーバ１５からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、図示しない外部配線から出力された記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、下電極膜６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。
【００９１】
このように圧力発生室１２を流路形成基板１０を貫通することなく形成することで隔壁１１の剛性を向上でき、圧力発生室１２を高密度に配設しても圧力発生室１２間のクロストークを防止することができる。
【００９２】
なお、本実施形態では、インク連通部１３及び狭隘部１４を介して各圧力発生室１２とリザーバ１５とを連通するようにしたが、これに限定されず、例えば、図６（ａ）に示すように、各圧力発生室１２とリザーバ１５とを直接連通するようにしてもよい。
【００９３】
また、本実施形態では、狭隘部１４を圧力発生室１２よりも細い幅で形成して、圧力発生室１２のインクの流出入を制御するようにしたが、これに限定されず、例えば、図６（ｂ）に示すように、圧力発生室１２と同一幅として、深さを調整した狭隘部１４Ａとしてもよい。
【００９４】
（実施形態２）
図７は、実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す圧力発生室の長手方向の断面図である。
【００９５】
本実施形態は、弾性膜５０Ａが不純物の拡散された単結晶シリコンからなる例である。
【００９６】
ここで、このように弾性膜５０Ａを設ける方法を詳細に説明する。なお、上述した実施形態１の製造方法と同様の工程については、重複する説明を省略する。
【００９７】
まず、図７（ａ）に示すように、上述した実施形態１と同様の工程で流路形成基板１０に圧力発生室１２を形成する。
【００９８】
次いで、図７（ｂ）に示すように、圧力発生室１２の形成された流路形成基板１０に、弾性膜母材１５０Ａを接合する。
【００９９】
この弾性膜母材１５０Ａは、本実施形態では、単結晶シリコンからなり、流路形成基板１０との接合面に、不純物を拡散した不純物層１５１Ａを有する。この不純物層１５１Ａは、本実施形態では、例えば、単結晶シリコンの表面にボロンをドーピング又は単結晶シリコンの表面にボロンの拡散された単結晶シリコンをエピタキシャル形成することにより設けることができる。
【０１００】
そして、このように不純物層１５１Ａの形成された弾性膜母材１５０Ａと流路形成基板１０との接合方法は、特に限定されず、例えば、直接接合又は常温接合等を挙げることができる。本実施形態では、直接接合により両者を接合した。
【０１０１】
具体的には、流路形成基板１０及び弾性膜母材１５０Ａの接合面を鏡面に研磨して、表面を洗浄してごみや汚れを除去して乾燥させ、清浄な雰囲気下で互いの表面を接触させることにより両者が接着される。
【０１０２】
なお、弾性膜母材１５０Ａと流路形成基板１０とを直接接合により接合する場合、それぞれの結晶格子を整合させることは困難であり、接合界面には結晶格子不整合面が形成される。また、両者の結晶格子のずれを１度以内の精度で接合した場合には、接合界面で結晶格子がつながり、エピタキシャル同様の連続性が保たれるが、転移面が形成される。さらに、上述した実施形態１と同様に接合界面にボイド層が形成されることもある。
【０１０３】
次に、図７（ｃ）に示すように、弾性膜母材１５０Ａの余分な領域を除去する。本実施形態では、不純物層１５１Ａ以外の領域、すなわち、他方面側の単結晶シリコンのみを除去した。本実施形態では、ＫＯＨによるウェットエッチングにより単結晶シリコンを除去した。
【０１０４】
ここで、ＫＯＨによるウェットエッチングでは、ボロンの拡散された不純物層１５１Ａのエッチングの速度が、単結晶シリコンの領域に比べボロン濃度の比の４乗倍で減少するという特性から、単結晶シリコンのみをエッチングにより除去し、不純物層１５１Ａのみを残すことができる。
【０１０５】
なお、本実施形態では、このようなウェットエッチングにより流路形成基板１０上に不純物層１５１Ａのみを形成後、不純物層１５１Ａの表面を電解研磨により平滑にすることで、弾性膜５０Ａを形成した。
【０１０６】
その後の圧電素子３００及びリザーバ１５等を形成する工程は、上述した実施形態１と同様である。
【０１０７】
このように、弾性膜母材１５０Ａにボロンの拡散された不純物層１５１Ａを有する単結晶シリコンを用いても、上述した実施形態１と同様の効果を得ることができる。
【０１０８】
（実施形態３）
図８は、実施形態３に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す圧力発生室の長手方向の断面図である。
【０１０９】
本実施形態は、弾性膜母材１５０Ｂをｐｎ接合を持つ単結晶シリコンとし、弾性膜５０Ｂがｎ型の単結晶シリコンからなる例である。
【０１１０】
ここで、このように弾性膜５０Ｂを設ける方法を詳細に説明する。なお、上述した実施形態１の製造方法と同様の工程については、重複する説明を省略する。
【０１１１】
まず、図８（ａ）に示すように、上述した実施形態１と同様の工程で流路形成基板１０に圧力発生室１２を形成する。
【０１１２】
次に、図８（ｂ）に示すように、圧力発生室１２の形成された流路形成基板１０に、弾性膜母材１５０Ｂを接合する。
【０１１３】
この弾性膜母材１５０Ｂは、ｐｎ接合を持つ単結晶シリコン、すなわちｎ型シリコン層１５１Ｂとｐ型シリコン層１５２Ｂとで構成されていれば、特に限定されず、例えば、ｐ型シリコン層１５２Ｂにリン等をドーピング又はｐ型シリコン層１５２の表面にｎ型シリコン層１５１Ｂをエピタキシャル形成することによりｎ型シリコン層１５１Ｂとｐ型シリコン層１５２Ｂとで構成されるｐｎ接合を持つ弾性膜母材１５０Ｂを形成することができる。
【０１１４】
そして、このように形成された弾性膜母材１５０Ｂと流路形成基板１０との接合方法は、特に限定されず、例えば、直接接合及び陽極接合等により両者を接合することができる。本実施形態では、上述した実施形態２と同様に直接接合により接合した。
【０１１５】
次に、図８（ｃ）に示すように、弾性膜母材１５０Ｂの余分な領域を除去する。本実施形態では、ｎ型シリコン層１５１Ｂ以外の領域、すなわち、ｐ型シリコン層１５２Ｂのみを除去した。本実施形態では、ＫＯＨ等のアルカリ水溶液による電気化学エッチングによりｐ型シリコン層１５２Ｂを除去した。
【０１１６】
ここで、電気化学エッチングは、ｐｎ接合を持つ単結晶シリコンからなる弾性膜母材１５０Ｂに印加する電圧の大きさを変化させてｐ型シリコン層１５２Ｂのみをエッチングし、ｎ型シリコン層１５１Ｂのみを残すものである。
【０１１７】
詳しくは、ｎ型シリコン層１５１Ｂ及びｐ型シリコン層１５２Ｂはパシベーション電圧（電流がピーク値になるよりも少し高い）よりも高い電圧を印加したときに、シリコンのエッチング速度が著しく小さくなる。この性質を利用して、エッチングを進行させたいｐ型シリコン層１５２Ｂにパシベーション電圧よりも低い電圧を印加し、エッチングを停止させたいｎ型シリコン層１５１Ｂにパシベーション電圧よりも高い電圧を印加してＫＯＨ等のアルカリ水溶液でエッチングを行うことにより、ｐ型シリコン層１５２Ｂのみをエッチングしてｎ型シリコン層１５１Ｂを残すことができる。
【０１１８】
なお、本実施形態では、このような電気化学エッチングにより流路形成基板１０上にｎ型シリコン層１５１Ｂのみを形成後、ｎ型シリコン層１５１Ｂの表面を電解研磨により平滑にすることで弾性膜５０Ｂを形成した。
【０１１９】
その後の圧電素子３００及びリザーバ１５等を形成する工程は、上述した実施形態１と同様である。
【０１２０】
このように、弾性膜母材１５０Ｂにｐｎ接合を持つ単結晶シリコンを用いても、上述した実施形態１と同様の効果を得ることができる。
【０１２１】
なお、本実施形態では、弾性膜母材１５０Ｂと流路形成基板１０とを直接接合によって接合したため、上述した実施形態２と同様に、弾性膜５０Ｂと流路形成基板１０との接合界面に結晶格子不整合面、転移面又はボイド層を有する。
【０１２２】
（実施形態４）
図９は、実施形態４に係るインクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す圧力発生室の長手方向の断面図である。
【０１２３】
本実施形態は、弾性膜母材１５０Ｃとして不純物濃度の異なる単結晶シリコンからなる高不純物層１５２Ｃ及び低不純物層１５１Ｃを有する単結晶シリコンを用い、弾性膜５０Ｃが低不純物層１５１Ｃからなる例である。
【０１２４】
ここで、このように弾性膜５０Ｃを設ける方法を詳細に説明する。なお、上述した実施形態１の製造方法と同様の工程については、重複する説明を省略する。
【０１２５】
まず、図９（ａ）に示すように、上述した実施形態１と同様の工程で流路形成基板１０に圧力発生室１２を形成する。
【０１２６】
次いで、図９（ｂ）に示すように、圧力発生室１２の形成された流路形成基板１０に、弾性膜母材１５０Ｃを接合する。
【０１２７】
この弾性膜母材１５０Ｃは、本実施形態では、高濃度で不純物を含む高不純物層１５２Ｃと、これに対して低濃度で不純物を含む低不純物層１５１Ｃとを有する単結晶シリコンを用いた。この不純物を含む低不純物層１５１Ｃと高不純物層１５２Ｃとの組み合わせは、特に限定されず、例えば、Ｎ／Ｎ＋、Ｎ／Ｐ＋、Ｐ／Ｎ＋、Ｐ／Ｐ＋の全ての組み合わせを用いることができる。
【０１２８】
そして、このような弾性膜母材１５０Ｃと流路形成基板１０との接合方法は、特に限定されず、例えば、直接接合又は常温接合等を挙げることができる。本実施形態では、上述した実施形態２と同様に直接接合により両者を接合した。
【０１２９】
次に、図９（ｃ）に示すように、弾性膜母材１５０Ｃの余分な領域を除去する。
【０１３０】
本実施形態では、ＨＦ−ＨＮＯ３系を用いた電気化学エッチングにより、低不純物層１５１Ｃ以外の領域、すなわち、高不純物層１５２Ｃのみを除去した。
【０１３１】
ここで、ＨＦ−ＨＮＯ３系を用いた電気化学エッチングとは、まず、弾性膜母材１５０Ｃをエッチング液に対してプラス側にバイアスするように電極を配置する。一方、エッチング液の電位を固定するためにマイナス側にバイアスした白金電極を溶液中に置く、このエッチング液としてはＨＦとＨ２Ｏとの混合液が用いられている。Ｈ２Ｏは、ＨＮＯ３に比べ酸化作用が小さいために、単結晶シリコンのエッチング速度は電流を流さない状態ではきわめて小さい。しかしプラスの電圧を単結晶シリコンに印加したとき、電極からホールが注入されるために、溶液中のＯＨ−イオンが付着して単結晶シリコンの酸化が起こる。この酸化物はＨＦ溶液中に容易に反応してエッチング溶液に溶けるため単結晶シリコンの溶解が進行する。このとき、高濃度の不純物を有する高不純物層１５２Ｃでは抵抗が小さいために大きな電流が流れ、シリコン表面の酸化が早く進みエッチング速度が大きくなる。反対に低濃度の不純物の低不純物層１５１Ｃでは、エッチング速度が減少する。このようにＨＦ−ＨＮＯ３系を用いた電気化学エッチングでは、高濃度の不純物を含む高不純物層１５２Ｃをエッチングして、低濃度の不純物を含む低不純物層１５１Ｃのみを残すことができる。
【０１３２】
なお、本実施形態では、このようなＨＦ−ＨＮＯ３系を用いた電気化学エッチングにより流路形成基板１０上に低不純物層１５１Ｃのみを形成後、表面を電解研磨により平滑にすることで、弾性膜５０Ｃを形成した。
【０１３３】
その後の圧電素子３００及びリザーバ１５等を形成する工程は、上述した実施形態１と同様である。
【０１３４】
このように、弾性膜母材１５０Ｃに高濃度の不純物を含む高不純物層１５２Ｃとそれに比べ低濃度の不純物を含む低不純物層１５１Ｃを用いて、弾性膜５０Ｃを低不純物層１５１Ｃで形成しても上述した実施形態１と同様の効果を得ることができる。
【０１３５】
なお、本実施形態では、弾性膜母材１５０Ｃと流路形成基板１０とを直接接合によって接合したため、上述した実施形態２と同様に弾性膜５０Ｃと流路形成基板１０との接合界面に結晶格子不整合面、転移面又はボイド層を有する。
【０１３６】
（実施形態５）
図１０は、実施形態５に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す圧力発生室の長手方向の断面図である。
【０１３７】
本実施形態は、弾性膜５０Ｄとして流路形成基板１０の圧力発生室１２側に単結晶シリコンからなるシリコン層５２と、下電極膜６０側に酸化シリコンからなる絶縁体層５３とを有する例である。
【０１３８】
ここで、このように弾性膜５０Ｄを設ける方法について詳細に説明する。なお、上述した実施形態１の製造方法と同様の工程については、重複する説明を省略する。
【０１３９】
まず、図１０（ａ）に示すように、上述した実施形態１と同様の工程で流路形成基板１０に圧力発生室１２を形成する。また、流路形成基板１０上のマスクパターンである保護膜５５ａをフッ酸等により除去し、流路形成基板１０の接合面に単結晶シリコンが露出するようにした。
【０１４０】
次いで、図１０（ｂ）に示すように、圧力発生室１２の形成された流路形成基板１０に弾性膜母材１５０Ｄを接合する。
【０１４１】
弾性膜母材１５０Ｄは、本実施形態では、酸化シリコンからなる絶縁体層５３の両側にそれぞれ単結晶シリコンからなるシリコン層５２及び５４とを有するＳＯＩ基板を用いて、一方のシリコン層５２が流路形成基板１０側となるように接合した。なお、本実施形態では、シリコン層５２及び絶縁体層５３が弾性膜５０Ｄとなるため、シリコン層５２の厚さが略１μｍ以下のＳＯＩ基板を用いた。
【０１４２】
この流路形成基板１０と弾性膜母材１５０Ｄとの接合方法は、特に限定されず、例えば、常温接合、直接接合等を挙げることができる。本実施形態では、常温接合により両者を接合した。
【０１４３】
具体的には、流路形成基板１０と弾性膜母材１５０Ｄとの表面にアルゴン高速原子ビーム（ＦＡＢ）を照射して自然酸化膜等の表面層を取り除くことにより表面活性化を行い、超高真空中でその表面を加圧接触させることで両者が接合される。
【０１４４】
なお、弾性膜母材１５０Ｄと流路形成基板１０とを常温接合により接合する場合であっても、上述した実施形態２〜４の直接接合の場合と同様に、弾性膜母材１５０Ｄと流路形成基板１０との接合界面に、結晶格子不整合面、転移面又はボイド層が形成される。
【０１４５】
次に、図１０（ｃ）に示すように、弾性膜母材１５０Ｄの余分な領域を除去する。本実施形態では、シリコン層５２及び絶縁体層５３以外の領域、すなわち、他方面に設けられたシリコン層５４のみを除去した。
【０１４６】
このシリコン層５４の除去では、本実施形態では、ＫＯＨ等のアルカリ水溶液によるウェットエッチングにより行った。なお、このウェットエッチングでは単結晶シリコンからなる流路形成基板１０がエッチングにより溶解しないように流路形成基板１０の接合面とは反対側の面等に保護膜を形成するのが好ましい。この保護膜としては、例えば、パリレン（商品名；ポリパラキシリレン）が挙げられる。このパリレンからなる保護膜はＣＶＤ法によって均一な厚さで容易に成膜することができる。
【０１４７】
そして、このようにシリコン層５４を除去することで、シリコン層５２及び絶縁体層５３からなる弾性膜５０Ｄとなる。
【０１４８】
その後の圧電素子３００及びリザーバ１５等を形成する工程は、上述した実施形態１と同様である。
【０１４９】
このように、弾性膜母材１５０ＤにＳＯＩ基板を用いても、上述した実施形態１と同様の効果を得ることができる。
【０１５０】
なお、本実施形態では、流路形成基板１０と弾性膜母材１５０Ｄとを、常温接合により接合したが、これに限定されず、例えば、上述した実施形態１と同様に陽極接合により接合するようにしてもよい。この陽極接合では、流路形成基板及び弾性膜母材のそれぞれの接合面に酸化シリコン層を形成する必要があり、これにより弾性膜５０Ｄは、単結晶シリコンと、その両面に形成された酸化シリコン層との三層となる。
【０１５１】
（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、インクジェット式記録ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。
【０１５２】
例えば、上述した実施形態１〜５では、圧力発生室１２を流路形成基板１０を貫通することなく浅く設けるようにしたが、これに限定されず、厚さの薄い流路形成基板に圧力発生室を貫通して設けるようにしても、圧力発生室を画成する隔壁の剛性を保って、圧力発生室間のクロストークを防止することができ、インク吐出特性を向上することができる。なお、このように流路形成基板に圧力発生室を貫通して設ける場合も、上述の製造方法で製造することにより、略１μｍ以下の弾性膜を接着剤を介さずに接合により設けることができる。これにより、製造工程を簡略化して製造コストを低減することができる。
【０１５３】
また、上述した実施形態１〜５では、流路形成基板１０にシリコン単結晶基板を用いて、圧力発生室１２をハーフエッチングにより浅く形成したが、これに限定されず、例えば、流路形成基板に、ＳＯＩ基板を用いて、ＳＯＩ基板の一方面側の単結晶シリコンからなる流路形成層に、この流路形成層を貫通する圧力発生室を形成するようにしてもよい。これにより、圧力発生室の深さを容易に制御することができ、高精度の圧力発生室を形成することができる。
【０１５４】
さらに、上述した実施形態１〜５では、陽極接合、直接接合及び常温接合のそれぞれを例示したが、接着剤を介さずに流路形成基板と弾性膜とを接合できれば、本発明はこれに限定されるものではない。
【０１５５】
また、上述した実施形態１〜５の弾性膜５０〜５０Ｄの形成では、弾性膜母材１５０〜１５０Ｄの余分な領域を除去する際にエッチングを行ったが、これに限定されず、例えば、途中まで機械研磨により除去し、その後エッチングを行うようにすれば、製造時間を短縮して製造コストを低減することができる。
【０１５６】
さらに、上述した実施形態１〜５では、流路形成基板１０の圧電素子３００側にノズル開口２１を有するインクジェット式記録ヘッドとしたが、これに限定されず、例えば、流路形成基板の圧電素子とは反対側にノズル開口を有するインクジェット式記録ヘッドとしてもよい。このような例を図１１に示す。なお、図１１は、圧力発生室の長手方向の断面図である。
【０１５７】
図示するように、流路形成基板１０Ａには、圧力発生室１２の両端のそれぞれに連通して、圧電素子３００とは反対側まで貫通するノズル連通路１６とインク供給路１７とが設けられている。このノズル連通路１６及びインク供給路１７は、例えば、圧電素子３００とは反対側からウェットエッチングすることにより形成されている。
【０１５８】
一方、流路形成基板１０Ａのノズル連通孔１６及びインク供給路１７の開口する面側には、ノズル連通路１６に連通するノズル開口２１Ａと、インク供給路１７に連通するインク供給孔２３とを有するノズルプレート２０Ａが接合されている。
【０１５９】
また、ノズルプレート２０Ａのインク供給孔２３に対向する領域には、リザーバ１５Ａを画成するリザーバ形成基板３０及びコンプライアンス基板４０が順次接合されており、圧力発生室１２とリザーバ１５Ａとはノズルプレート２０Ａに設けられたインク供給孔２３を介して連通されている。
【０１６０】
さらに、リザーバ１５Ａに供給されるインクは、ノズルプレート２０Ａのリザーバ１５Ａに対向する領域に形成されたインク導入口２４により供給される。
【０１６１】
リザーバ形成基板３０は、リザーバ１５Ａの周壁を形成するものであり、ノズル開口数、インク滴吐出周波数に応じた適正な厚みのステンレス板を打ち抜いて作製されたものである。
【０１６２】
インク室側板４０は、ステンレス基板からなり、一方の面でリザーバ１５Ａの一壁面を構成するものである。また、インク室側板４０には、他方の面の一部にハーフエッチングにより凹部４０ａを形成することにより薄肉壁４１が形成されている。なお、薄肉壁４１は、インク滴吐出の際に発生するノズル開口２１Ａと反対側へ向かう圧力を吸収するためのもので、他の圧力発生室１２Ａに、リザーバ１５Ａを経由して不要な正又は負の圧力が加わるのを防止する。
【０１６３】
このような構成のインクジェット式記録ヘッドとしても、上述した実施形態１〜５と同様の効果を得ることができる。
【０１６４】
また、これら各実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図１２は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。
【０１６５】
図１２に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。
【０１６６】
そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。
【０１６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、振動板の圧力発生室に対向する接合層を単結晶シリコン又は酸化シリコンで形成し、流路形成基板と接合層とを接着剤を介さずに接合するようにしたため、製造工程を簡略化して製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの概略を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの圧力発生室の長手方向の断面図である。
【図３】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図６】本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの変形例を示す圧力発生室の長手方向の断面図である。
【図７】本発明の実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図８】本発明の実施形態３に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図９】本発明の実施形態４に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施形態５に係るインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示す断面図である。
【図１１】本発明の他の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの変形例を示す圧力発生室の長手方向の断面図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略図である。
【符号の説明】
１０，１０Ａ 流路形成基板
１１ 隔壁
１２、１２Ａ 圧力発生室
１３ インク連通部
１４ 狭隘部
１５、１５Ａ リザーバ
２０ 封止板
２０Ａ ノズルプレート
２１ ノズル開口
２２ 圧電素子保持部
２３ インク供給孔
２４ インク導入口
３０ リザーバ形成基板
４０ コンプライアンス基板
５０、５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ 弾性膜
５１ ノズル連通孔
５２ シリコン層
５３ 絶縁層
５４ シリコン層
６０ 下電極膜
７０ 圧電体層
８０ 上電極膜
９０ リード電極
１５０、１５０Ａ、１５０Ｂ、１５０Ｃ、１５０Ｄ 弾性膜母材
１５１ 酸化シリコン層
１５１Ａ 不純物層
１５１Ｂ ｎ型シリコン層
１５１Ｃ 低不純物層
１５２Ｂ ｐ型シリコン層
１５２Ｃ 高不純物層
３００ 圧電素子
Claims (10)
- ノズル開口に連通する圧力発生室が画成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して成膜及びリソグラフィ法により形成された薄膜からなる下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを有するインクジェット式記録ヘッドの製造方法において、
前記流路形成基板に圧力発生室を形成する工程と、少なくとも一方面側に設けられた多孔質シリコン層又は水素イオンを含有する水素イオン層と、該多孔質シリコン層又は水素イオン層上に設けられた単結晶シリコン又は酸化シリコンからなる接合層とを有する振動板母材の前記接合層側を前記流路形成基板に接着剤を介さずに接合する工程と、前記振動板母材の前記多孔質シリコン層又は前記水素イオン層を除去して前記接合層と当該接合層以外の領域とを剥離して前記振動板を形成する工程と、前記振動板上に前記下電極膜、圧電体膜及び上電極膜を積層及びパターニングすることにより前記圧電素子を形成する工程とを有することを特徴とするインクジェット式記録ヘッドの製造方法。 - 前記流路形成基板は前記圧力発生室が形成された単結晶シリコンからなる流路形成層を有し、該流路形成層に前記振動板母材を接合することを特徴とする請求項１記載のインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
- 前記振動板母材が絶縁体層の両側に単結晶シリコンからなるシリコン層を有するＳＯＩ基板からなり、前記接合層が前記絶縁体層と前記シリコン層の一方とからなることを特徴とする請求項１又は２記載のインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
- 前記接合層がボロンの拡散された単結晶シリコンからなることを特徴とする請求項１又は２記載のインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
- 前記振動板母材がｐｎ接合を持つ単結晶シリコンからなり、前記接合層がｎ型単結晶シリコンであることを特徴とする請求項１又は２記載のインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
- 前記振動板母材が不純物濃度の異なる２層の単結晶シリコンからなると共に前記接合層が低濃度の層からなることを特徴とする請求項１又は２記載のインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
- 前記振動板母材を前記流路形成基板に接合する工程では、両者を直接接合又は常温接合により接合することを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載のインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
- 前記振動板母材を前記流路形成基板に接合する工程では、両者を陽極接合により接合することを特徴とする請求項１又は２記載のインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
- 前記振動板を形成する工程では、前記流路形成基板を保護層で覆った後、前記振動板母材の前記接合層以外の領域を除去することを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載のインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
- 前記圧力発生室を形成する工程では、当該圧力発生室を前記流路形成基板を貫通することなく形成することを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載のインクジェット式記録ヘッドの製造方法。
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