JP2008302588A - インクジェットヘッド及びインクジェットヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高性能なアクチュエータを有する薄膜圧電インクジェットヘッドの提供。
【解決手段】 Si流路基板とノズルプレートがAu-Au接合されており、Si基板とAuの間に熱酸化膜を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の流路基板を接合して構成されたインクジェットヘッド及びその製造方法に関し、特に産業用途に好適な薄膜圧電アクチュエータを用いたインクジェットヘッド及びその製造方法に関する。

微少な液滴を噴射させるインクジェットヘッドはプリンターなどの民生用のみならず、配線パターンの直描装置や液晶のカラーフィルタ製造などの産業用途への展開が行われつつある。インクジェットヘッドは様々なタイプが実用化されているが、産業用途に於いてはインクに対する許容度の大きさから圧電素子を用いたタイプの開発が進んでいる。例えば特開平5-286131号公報に於いて、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電薄膜を形成し、この圧電薄膜をリソグラフィー法により個別液室に対応する形状に分割して各個別液室毎に独立するようにアクチュエータを形成したものが提案されている。これによればアクチュエータを振動板に貼付ける作業が不要となって、リソグラフィー法という精密で、かつ簡便な手法でアクチュエータを薄膜振動板上に作り付けることができるばかりでなく、振動板及びアクチュエータ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。前記公報では液滴を基板面と平行な方向に吐出させるように吐出口を形成する、所謂エッジシュータータイプであるが、高密度化などの観点からは振動板と圧電膜の積層方向に概略垂直な面から液滴吐出を行う、所謂サイドシュータータイプが好ましい。サイドシュータータイプのインクジェットヘッドは一般的にはアクチュエータを備えた流路基板と、微細な吐出口を有するノズルプレートを接合して構成される。

流路基板とノズルプレートとの接合手法としては接着剤を用いる手法や、Auなどを用いて固相で接合する方法があるが、特に後者の固相で接合する手法は接着剤の流路への流れ込みなどが無いなど、インクジェットヘッドの接合方法として優れた特徴を備えている。固相接合の手法としては、清浄かつ平滑な表面を有するシリコン基板同士を1000℃程度の高温にて貼り合わせる手法や、高真空中にて平滑な表面を有する基板を活性化し、貼り合わせる手法などがある。特にAuを介して貼り合わせるAu-Au接合は、特殊な設備や高温を必要とせず、接合面のゴミに対しても他の固相接合手法より許容度が高いため、工業用途として優れた手法である。Au-Au接合を用いてインクジェットヘッドを形成した例として、特開2006-76180が開示されている。
特開平5-286131号公報 特開2006-76180号公報

薄膜圧電体をリソグラフィー法によって加工し、アクチュエータを形成するヘッドではリソグラフィー法という精密な加工法を用いている為、従来法と比較してアクチュエータを極めて高精度に作製する事が可能である。この利点を最大限に生かすためには個別液室なども高精度に形成する事が要求される。個別液室などのアスペクト比の高い微細構造を高精度に形成する手法としてはMEMS技術があり、MEMS技術を用いる基板材料としてはシリコン基板が一般的である。特にノズルプレートは吐出口の形状が吐出性能に多大な影響を与えるために高精度に形成する必要があり、シリコン基板にMEMS技術を用いて形成したものが好適である。また、一般的に固相接合に於いては接合表面の平滑性が極めて重要であり、好ましくは1nm以下の表面粗さが要求される。この要求される接合表面平滑性の点からもシリコン基板は好適な材料である。

しかしながらシリコン基板に加工を施した部材をAu-Au接合を用いて接合し、薄膜圧電インクジェットヘッドを形成しようとした場合に以下のような問題点がある事を本発明者は見出した。

流路や圧電体を高精細に加工するためにはドライエッチングが用いられるが、圧電体の厚さが数μmと薄いため、ドライエッチング工程によるプロセスダメージを受けやすく、特性が劣化しやすい。従って、流路形成時などのプロセスダメージによる特性劣化を避けるために、圧電体はなるべくヘッド作製工程の最後に形成するのが好ましい。しかしながら、シリコン部材をAu-Au接合したヘッドに圧電体を形成すると、接合部に多数の未接合部（ボイド）が生じる事を見出した。このボイドは接合強度の低下を引き起こすのみならず、ボイドが個別液室などの流路にかかって存在していると、泡溜まりになりやすく、吐出が不安定になるなど、吐出特性に対しても不具合が生じる。このボイドの発生について鋭意検討を行った結果、圧電体形成過程で行われる熱処理が原因である事がわかった。一般的には高性能な圧電体を得るためには700℃程度の熱処理が必要である。先に示した特開平5-286131公報では500℃で圧電体の焼成を行っているが、本発明者の検討によれば、Au-Au接合したヘッドでは500℃以上の熱処理を行うとボイドが多数発生する事が判明している。従って、Au-Au接合を用いたヘッドにおいては薄膜圧電体の形成をヘッド作製工程の最後に持ってくる事が出来なかった。従って、Au-Au接合を用いたヘッドではプロセスダメージを受けて特性が劣化したアクチュエータを使用せざるを得なかった。

また、流路材料としては前述したようにシリコン基板が好適ではあるが、シリコンはアルカリ性溶液に対する耐性が低く、高アルカリ性のインクが使用できないため、工業用途での展開が限定されていた。さらに、先に述べたように固相接合に於いては接合面の表面粗さがきわめて重要であり、好ましくは1nm以下の表面粗さが必要であるが、この条件を満たすヘッドの具体的な構成、作製法などを開示した例は本発明者が知る限り無い。

尚、構造体を接合する手法としてAuバンプを用いる、所謂バンプ接合という手法が知られているが、バンプ接合に於いては一般的に超音波を印加するため、数μmという薄膜振動板を有するタイプのインクジェットヘッドには不適である。さらにバンプ接合の場合にはバンプ厚さが数μm以上であり、メッキ法を用いて形成されるため、表面粗さが数十nm以上と良好な固相接合が行える領域から大きくはずれている。さらに、バンプ接合の際には100MPa以上の高い圧力をかけてバンプを潰して接合しているが、このような高い圧力は薄膜振動板を有するインクジェットヘッドの製法としては不適である。このような高い圧力を印加するために、一般的にはバンプの面積は非常に小さいものでなければならず、インクジェットヘッドの流路をシールするような目的には不適である。以上の理由から同じAuを用いた接合でもバンプ接合は本発明とは全く次元が異なるものであり、比較して論じる事は不適である。

従って本発明の目的は接合にAu-Au接合を用いた高性能なアクチュエータを有する薄膜圧電インクジェットヘッドを提供する事である。又、本発明の目的はシリコン基板を用いていても使用出来るインクの限定が少ない、薄膜圧電インクジェットヘッドを提供する事である。さらに本発明の別の目的は、Au-Au接合を用いた高性能なアクチュエータを有する薄膜圧電インクジェットヘッドの製造方法を提供する事である。また、本発明の別の目的は精度の高い加工が可能なシリコン基板を用いていても、使用出来るインクの限定が少ない薄膜圧電インクジェットヘッドの製造方法を提供する事である。

本発明は上記問題点を鑑みて為されたものであり、本発明によるインクジェットヘッドはシリコン基板上にインク流路が形成されたシリコン基板と、前記基板と他の部材とがAuを介して接合されているインクジェットヘッドに於いて、少なくとも接合部に設けられている接合用のAuとシリコン部材との間にはシリコンとAuの拡散を防止する為の部材が設けられている事を特徴とする。また、シリコン部材に形成されている流路の内部が前記シリコンとAuの拡散を防止する為の部材と同じ材質の部材によって被覆されている事を特徴とする。また、前記シリコン部材に形成されている流路の内部に設けられているシリコンとAuの拡散を防止する為の部材と同じ材質の部材が、接合部に設けられた接合用Auとシリコン部材との間に設けられているAuとシリコンの拡散を防止する為の部材より薄く形成されている事を特徴とする。さらに前記Auとシリコンの拡散を防止する為に設けられた部材がシリコンの熱酸化膜である事を特徴とする。また、本発明によるインクジェットヘッドの製造方法はシリコン基板に流路が形成された基板を含み、該流路が形成されたシリコン基板と他の部材とがAuを介して接合されているインクジェットヘッドの製造方法に於いて、シリコン基板に流路を形成するステップと、シリコン基板に流路を形成した後に該基板にAuとシリコンとの拡散を防止する為の部材を設けるステップと、前記シリコン基板にAuとシリコンとの拡散を防止する為の部材を設けるステップの後に接合用のAuを形成するステップと、を含むことを特徴とする。また、シリコン基板に流路が形成された基板を含み、該流路が形成されたシリコン基板と他の部材とがAuを介して接合されているインクジェットヘッドの製造方法に於いて、シリコン基板にAuとシリコンとの拡散を防止する為の部材を設けるステップと、シリコン基板にAuとシリコンとの拡散を防止する為の部材を設けるステップの後にシリコン基板に流路を形成するステップと、シリコン基板に流路を形成した後に接合用のAuを形成するステップと、を含むことを特徴とする。さらにシリコン基板に流路を形成した後に流路内にAuとシリコンとの拡散を防止する為の部材を設けるステップを有することを特徴とする。

本発明のインクジェットヘッド及びその製造方法によれば、インクジェットヘッドの接合方法として優れたAu-Au接合を用い、かつ流路などの作製プロセスダメージによる特性劣化の少ない薄膜圧電アクチュエータを有する薄膜圧電インクジェットヘッドを得る事が出来る。

以上説明したように本発明によれば、接合にAu-Au接合を用いた高性能なアクチュエータを有する薄膜圧電インクジェットヘッドを得る事が出来た。又、シリコン基板を用いていても使用出来るインクの限定が少ない薄膜圧電インクジェットヘッドを得る事が出来た。特に接合層の下に熱酸化膜をバリア層として設けたことにより、接合の信頼性が向上し耐久性に優れたインクジェットヘッドを得ることが出来るようになった。

以下に本発明を図面に基づいて説明する。図１は本発明によるインクジェットヘッドの断面図である。

シリコン基板2に個別液室9が形成された流路基板15と、シリコン基板1にインク吐出口11及び個別液室9への連通路10が形成されたノズルプレート16とをAu-Au接合によって接合し、インクジェットヘッドを形成している。流路基板15は薄膜振動板3、絶縁膜4と、共通電極5、圧電体薄膜6、個別電極7から構成される薄膜圧電アクチュエータ8を備えている。Au-Au接合層12と、流路基板15のシリコン基板2、また、ノズルプレートのシリコン基板1との間にはAuとシリコンとの拡散防止層としてシリコン熱酸化膜13a及び13bが設けてある。本発明者はシリコン基板をAu-Au接合したヘッドを熱処理した際に生じるボイドがAuとシリコンの熱による拡散である事を見出し、Auとシリコンとの拡散を防止する層をAuとシリコン基板との間に設ける事によりこの問題が解決出来る事を見出したためである。又、拡散防止層の材質としてはシリコンの熱酸化膜が拡散防止能も高く、また表面平滑性も良好であり、かつプロセス適合性などを考慮に入れると好ましい材料である事も見出した。スパッタ法やCVD法などで成膜したシリコン酸化膜も検討したが、表面平滑性が熱酸化によって形成したシリコン酸化膜に比較して十分でなく、かつ熱処理時のシリコンとAuの拡散防止能も熱酸化シリコン膜よりも劣っていた。しかしながら、CVD法やスパッタ法などによって成膜したシリコン酸化膜であっても、成膜条件の最適化や、成膜後に表面研磨などの平滑化を行う事で使用する事は可能である。表面研磨法としてはCMP法や、クラスタイオンビームを接合面の表面に垂直に近い角度で当てて平滑化を行う方法、イオンもしくはプラズマを接合面の表面に対して浅い角度で入射させる方法などを用いることが出来る。尚、Auとシリコン熱酸化膜は密着性が悪いため、Au-Au接合層12とシリコン酸化膜13a及び13bの間には密着層としてチタン層を設けてある（不図示）。

このようにシリコン基板1，2とAu接合層12の間に拡散防止層としてシリコン熱酸化膜13a及び13bが設けてある事により、従来までのAu-Au接合を用いたヘッドと比較して耐熱性が向上している。また、接合部分を流路の周辺に限定し、非接合領域に対して凸形状にしたことにより少ない力で接合することができる。図３は本実施例のヘッドに圧電体の焼成条件と同じ700℃の熱処理を行った後、超音波顕微鏡によって接合状況を評価した例である。図３において、白部は空隙がある所であり、流路または未接合部である。図３から流路以外に顕著な未接合部が見られない事がわかる。比較例として拡散防止層を設けないヘッドを作製し、同様に700℃の熱処理を行った後に接合状況を評価した例を図４に示す。図３と比較して、流路以外の部分に未接合部分が多数発生している事が分かる。次に本発明によるインクジェットヘッドの製造方法を説明する。図５は本発明によるインクジェットヘッドの個別液室基板部分の作製法を示す図である。図５（A）に示すように、薄膜振動板3を備えたシリコン基板2を用意する。ここで薄膜振動板は厚さ5μmの単結晶シリコン、絶縁膜4は厚さ1μmの熱酸化シリコン、単結晶シリコン基板2の厚さが200μmであるSOI（Silicon On Insulator）を用いており、シリコン単結晶である薄膜振動板3と単結晶シリコン基板2の間には1μm厚さのシリコン熱酸化膜が設けてある（不図示）。ここで、使用する基板は、接合される面（図では下側の面）の表面が十分に平滑（好ましくは表面粗さRaが1nm以下）の物を使用する。注意深く研磨されたシリコン基板面であれば通常は問題なく使用出来る。次に図５（B）に示すように拡散防止層13aを設ける。ここでは拡散防止層として1μm厚さの熱酸化シリコンを用いた。シリコン基板2を熱酸化して拡散防止層13aを設けている事より、拡散防止層13aの表面は平滑なシリコン基板2の表面の平滑性を反映しており、同等の平滑性を有している。この拡散防止層13aを設ける工程と同時に薄膜振動板3の上に1μm厚さの熱酸化シリコンである絶縁膜4を設ける。ここではSOI基板を熱酸化して拡散防止層13a、絶縁膜4を形成しているが、基板両面に適当な厚さの熱酸化膜を備えるSOI基板を使用しても良い。次に個別液室をエッチングするためのエッチングマスク15を図に示されるように設ける。ここではエッチングマスク15としてノボラック樹脂を主成分とするポジ型フォトレジストを用いた。このエッチングマスク15を用いて図５（C）に示すように拡散防止層13 aをエッチングする。エッチング手法としてはフッ素系ガスを用いたドライエッチングによって行った。次に図５（D）に示すように個別液室のエッチングを行った。ここではシリコンを200μmの深さに渡って垂直にエッチングを行う必要がある。本実施例においてはエッチング装置として高密度プラズマを発生可能な誘導性結合プラズマ（ICP）エッチング装置を用い、フッ素系ガスとフロロカーボン系ガスを用いてエッチングを行い、個別液室を形成した。このとき、薄膜振動板3と単結晶シリコン基板2の間にある不図示の1μm厚の熱酸化膜をエッチングストップ層としてエッチングを行い、均一な深さの個別液室９及び均一な厚さの薄膜振動板3を形成している。次に個別液室用のエッチングマスク15を除去し、拡散防止層13aを露出させる（図５（E））。エッチングマスク15の除去法としては酸素プラズマやオゾンを用いるアッシングや、有機溶媒を用いて除去するウェット剥離、或いはこれらを併用しても良い。露出された拡散防止層13aの表面は先に述べたようにシリコン基板2の平滑な表面を反映して平滑であり、固相接合に好適な表面を有している。エッチングマスク15を除去して拡散防止層13aを露出させた後に、拡散防止層13aの表層をエッチングなどで除去する事もゴミやプロセスダメージの除去の点から好ましい。この場合、エッチングによって拡散防止層13aの表面の平滑性を損なう事の無いようにする事が重要である。フッ化水素酸を用いた軽いウェットエッチングなどを好適に用いる事が出来る。次に図５（F）に示すように露出された拡散防止層13aの表面に接合層12としてチタン、Auをスパッタ法にて成膜する。Auの表面粗さは成膜した厚さに依存しているため、Auの膜厚は注意して選択する必要がある。図１２にAuの膜厚と表面粗さの関係を示す。いずれも1nm以下の表面粗さであるが、本発明者の検討によれば表面が平滑であれば接合に要する圧力が少なくてすむため、本実施例においては最も表面が平滑である厚さの100nmを選択した。また、接合層の形成法としてスパッタ法を用いたが、密着性、平滑性が良好であれば他の手法、例えば真空蒸着法なども可能である。次にノズルプレートの製造工程を説明する。図７（A）に示すように、厚さ200μmである単結晶シリコン基板1に拡散防止層13bとして厚さ1μmの熱酸化シリコンを形成する。次に図７（B）に示すように、個別液室とノズルとの連通路10用のエッチングマスク16、ノズル11用のエッチングマスク17を基板の両面に形成する。本実施例においてはノボラック樹脂を主成分とするポジ型のフォトレジストをエッチングマスクとして用いた。次に図７（C）に示すように形成したエッチングマスク16を用いて拡散防止層13bをエッチングする。エッチング手法としてはフッ素系ガスを用いたドライエッチングによって行った。次に図７（D）に示すように、エッチングマスク16、エッチングマスク17を用いて両面からシリコンのエッチングを行い、個別液室とノズルとの連通路10、ノズル11を形成する。本実施例に於いては連通路10の深さを150μmとし、ノズル11の深さを50μmとした。個別液室のエッチングと同様に高密度プラズマを発生可能な誘導性結合プラズマ（ICP）エッチング装置を用い、フッ素系ガスとフロロカーボン系ガスを用いてエッチングを行った。シリコンのエッチングを行った後にエッチングマスク16、17を除去し、拡散防止層13bの表面を露出させ（図７（E））、露出させた拡散防止層13bの表面にチタン30nm、Au100nmをスパッタ法により成膜し、図７（F）に示すノズルプレートを作製した。こうして作製したノズルプレートと個別液室基板とを位置あわせし、真空中にて温度300℃、圧力2Mpaの条件でAu-Au接合し、流路基板を作製した。次に薄膜圧電体アクチュエータを作製した。図８は薄膜圧電体アクチュエータの製造工程を説明する図である。簡略化のために図１における薄膜振動板3より下の部分は省略してある。図８（A）に示すように薄膜振動板3上の絶縁膜4の上にチタン30nm、Pt300nmを順次スパッタ法にて成膜し、下電極5を形成した。次にジルコン酸鉛（PZT）をスパッタ法にて3μmの厚さに成膜し、酸素雰囲気中で700℃の熱処理を行い、薄膜圧電体6を形成した。さらに薄膜圧電体6の上にチタン30nm、Pt300nmをスパッタ法にて成膜し、上電極7とした。上電極7を成膜した後に、図８（B）に示すように上電極用のエッチングマスク18を形成する。エッチングマスク18を用いてPt、チタンのドライエッチングを行い、上電極7を形成する。（図８（C）） 次に図８（D）のようにエッチングマスク18を除去し、PZT用のエッチングマスク19を図８（E）のように形成する。このエッチングマスク19を用い、PZTのエッチングを行う（図８（F））。最後にエッチングマスク19を除去し、薄膜圧電体アクチュエータ8を完成する（図８（G））。本実施例に於いて作製された薄膜圧電体インクジェットヘッドは、個別液室基板とノズルプレートを接合した後に薄膜圧電体の熱工程の700℃を通っているが、接合部に劣化は見られず、安定した吐出特性が得られた。また、拡散防止層13に引き続き接合層12を形成し、その上にシリコンエッチング用マスクを形成してその後のプロセスに進んでも良い。この場合には接合層表面が作製工程によってダメージを受けないように、シリコンエッチング用マスクの材質及び厚さ、除去方法に十分注意を払う必要がある。

次に別の実施例である薄膜圧電体インクジェットヘッドを図２に示す。図１と同じ番号は図１で説明済みのため、説明を省略する。個別液室9、連通路10、ノズル11などの流路を形成した後に基板全体を熱酸化する事により、拡散防止層13を形成すると同時に流路内にも熱酸化膜14を形成してある。この流路内に形成された熱酸化膜はアルカリ性インクに対して化学的に安定であるため、シリコンをアタックするようなアルカリ性のインクをも使用する事が可能である。次に図２に示す薄膜圧電体インクジェットヘッドの個別液室基板部分の作製方法を説明する。図６（A）に示すように、薄膜振動板3を備えたシリコン基板2を用意する。ここで薄膜振動板は厚さ5μmの単結晶シリコン、単結晶シリコン基板2の厚さが200μmであるSOI基板を用いており、シリコン単結晶である薄膜振動板3と単結晶シリコン基板2の間には1μm厚さのシリコン熱酸化膜が設けてある（不図示）。ここで、使用する基板は、接合される面（図では下側の面）の表面が十分に平滑（好ましくは表面粗さRaが1nm以下）の物を使用する。注意深く研磨されたシリコン基板面であれば通常は問題なく使用出来る。このSOI基板の、アクチュエータが形成される面と対抗する側の面に個別液室形成用のエッチングマスク15をフォトリソグラフィー法によって形成する。エッチングマスク15の材質としてはエッチング速度がシリコンのエッチング速度より十分に遅ければ良い。本実施例においては厚さ6μmのノボラック樹脂を主成分とするポジ型フォトレジストを用いた。シリコン熱酸化膜や他の手法によって形成されるシリコン酸化膜、又、アルミなどもエッチングマスクとして用いる事が出来る。次に図６（B）に示すように、シリコン基板2をエッチングして個別液室9を形成する。個別液室9を形成した後に熱酸化を行い、絶縁膜4、拡散防止層13a、流路内熱酸化膜14aを同時に形成する。このとき、拡散防止層13aの厚さが0.5μmになるように熱酸化を行った（図６（C））。本実施例では個別液室形成用エッチングマスクとしてフォトレジストを用いたので、熱酸化処理前にエッチングマスクをすべて剥離した後に行っている。しかし、エッチングマスクとしてあらかじめシリコン熱酸化膜を形成しておいて使用する場合には、表面の一部のみを除去するだけでも良いし、プロセスで発生するゴミ除去の意味で全て除去しても良い。また、ゴミ除去の観点からは、あらかじめ熱酸化膜を形成しておき、その上にフォトレジストなどで圧力室形成用エッチングマスクを形成し、圧力室をエッチングした後にエッチングマスク、及び熱酸化膜を全て除去する事が好ましい。最後に図６（D）に示すように接合層としてチタン30nm、Au100nmをスパッタ法にて成膜した。又、ノズルプレートも同様に連通路10、ノズル11をエッチングにて形成した後に熱酸化を行い、拡散防止層13b、流路内熱酸化膜14bを同時に形成した。その後、拡散防止層13b上に接合層12としてチタン30nm、Au100nmを順次スパッタ法により成膜した。こうして作製したノズルプレートと個別液室基板とを位置あわせし、真空中にて温度300℃、圧力2Mpaの条件でAu-Au接合し、流路基板を作製した。薄膜圧電アクチュエータは実施例と同様に作製した。

本実施例では図９に示したＳＯＩ基板を用いた。この基板を用いてインクジェットヘッド素子を形成する。以下具体的な形成方法を順を追って説明する。

図１０（A）に示すように、薄膜振動板3を備えたシリコン基板2を用意する。ここで薄膜振動板は厚さ5μmの単結晶シリコン、単結晶シリコン基板2の厚さが200μmであるSOI基板を用いており、シリコン単結晶である薄膜振動板3と単結晶シリコン基板2の間には1μm厚さのシリコン熱酸化膜が設けてある（図１０（Ａ）４）。このSOI基板の、アクチュエータが形成される面と対抗する側の面に個別液室形成用のエッチングマスク15をフォトリソグラフィー法によって形成する。エッチングマスク材料としてはフォトレジストＯＦＰＲ（登録商標）８００（東京応化工業製品）を用い、スピンコートにて4.5μｍ膜厚になるように塗布した。その後、乾燥、露光、現像処理を行い、エッチングマスクパターンを得た。レジストの塗布、乾燥、現像にはＣＤＳ630（キヤノンマーケティングジャパン製品）を用い、露光はプロキシミティ方式のＵＸ３０００（ウシオ電機社製品）を使用した。そして、このレジストマスクを用いて絶縁層をドライエッチングした。絶縁層は熱酸化膜でありＲａｉｎｂｏｗ４５００（ラムリサーチ社製品）を用いてドライエッチングを行なった。その後、図１０（Ｂ）に示すような個別液室を形成するためにボッシュプロセスを用いたドライエッチング処理を行なった。ＡＭＳ２０００（アルカテル社製品）を使用し約３０分かけて２００μｍの深さまでドライエッチング処理を行なった。エッチングは時間管理して制御しているが、薄膜振動板の下に位置する熱酸化膜が実質的なエッチングストップ層としての役割を果たしている。

その後、フォトレジストによるエッチングマスクをドライ剥離した。剥離には前回同様ＭＡＳ８２２０（キヤノンマーケティングジャパン製品）を用い、２５０℃ ６０sec処理をおこなった。そして、エッチング処理で露出されたＳｉを加熱処理することにより熱酸化膜を設ける（図１０（Ｃ））。熱酸化膜の形成にはＶＦ５１００（光洋サーモシステム社製品）を用いＯ２ガス下で７００℃ ２時間 加熱処理を行なった。この加熱処理によりエッチングされたＳｉ表面に熱酸化膜を0.2μｍ設けることが出来た。この熱酸化膜によりＳｉが露出した流路では使用できないインクも使えるようになる。

次に、薄膜圧電体アクチュエータを形成する工程について説明する。図１０（Ｃ）に示した熱酸化膜を形成するところまで終了した基板の上面側に圧電膜を形成していく。以下、図８を参照して説明する。

図８では簡略化の為、振動板より下側（個別液室側）の表記を省略した。

図８は薄膜圧電体アクチュエータの製造工程を説明する図である。図８（A）に示すように薄膜振動板3上の絶縁膜4の上にチタン30nm、Pt300nmを順次スパッタリング法にて連続成膜し、下電極5を形成した。薄膜振動板はＳＯＩ基板の一部であり図９-3に示されたものと同じである。また絶縁膜４は、ＳＯＩ基板の熱酸化膜であり膜厚は１μｍである。下電極膜のチタンは熱酸化膜との密着層として使用した。スパッタリング装置は！ミラー（芝浦メカトロニクス社製品）を使用し、ＤＣ放電による成膜を行なった。次にチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）をスパッタリング法にて3μmの厚さに成膜し、酸素雰囲気中で700℃の熱処理を行い、薄膜圧電体6を形成した。ＰＺＴの成膜にはＭＰＳ６０００（ＵＬＶＡＣ社製品）を使用した。さらに薄膜圧電体6の上にチタン30nm、Pt300nmをスパッタリング法にて成膜し、上電極7とした。この上電極も下電極と同様にチタンを密着層として用いた。上電極7を成膜した後に、図８（B）に示すように上電極用のエッチングマスク18を形成する。エッチングマスクは、フォトレジスト（ＯＦＰＲ（登録商標）800 東京応化製品）を２μｍ膜厚スピンコートした後に、乾燥、露光、現像することにより所望のエッチングマスクパターンを得た。このエッチングマスク18を用いてPt、チタンのドライエッチングを行い、上電極7を形成した。（図８（C）） ドライエッチング装置はＮＥ５５０（ULVAC製品）を用いた。そして図８（D）のようにエッチングマスク18を除去した。エッチングマスクの除去はドライエッチング方式を用い、使用した装置はＭＡＳ８２２０（キヤノンマーケティングジャパン製品）である。次にPZT用のエッチングマスク19を図８（E）のように形成する。このエッチングマスクも上電極の時と同様にフォトレジストを用いた。フォトレジスト（ＯＦＰＲ（登録商標）８００ 東京応化製品）を4.5μｍ膜厚になるようにスピンコートした後、乾燥、露光、現像して所望のエッチングマスクパターンを得た。このエッチングマスク19を用い、PZTのエッチングを行う（図８（F））。 ＰＺＴのエッチングも上電極同様ドライエッチング方式で行い、装置も同様に ＮＥ５５０（ULVAC製品）を用いた。このエッチングでエッチング量をＰＺＴ膜厚分にコントロールすることにより、下電極がベタ膜の圧電素子ユニットになる。また、ＰＺＴのエッチングと同時に下電極膜もエッチングすることにより下電極パターンを形成することも可能である。この場合、下電極の下にある熱酸化膜はエッチングストップ層としての役割も果たす。そして、最後にエッチングマスク19を除去し、薄膜圧電体アクチュエータ8を完成する（図８（G））。このエッチングマスク除去の前記と同じくドライエッチング方式で行い、装置はＭＡＳ８２２０（キヤノンマーケティングジャパン製品）を使用した。このようにして図９に示したＳＯＩ基板の上側に設ける薄膜圧電体アクチュエータを形成した。

次にノズルプレートの形成に関して説明する。図７（A）に示すように、厚さ200μmである単結晶シリコン基板1に拡散防止層13bとして厚さ1μmの熱酸化シリコンを形成する。酸化膜の形成には熱酸化炉 ＶＦ5100（光洋サーモシステム社製品）を使用し、１０００℃にて４時間処理を行なった。その後、片面をドライエッチング処理により熱酸化膜を除去した。膜の除去にはレインボー４５００（ラムズリサーチ社製品）を使用した。次に図７（B）に示すように、個別液室とノズルとの連通路10用のエッチングマスク16、ノズル11用のエッチングマスク17を基板の両面に形成する。エッチングマスクにはフォトレジストＯＦＰＲ（登録商標）800（東京応化工業製品）を使用し、ＣＤＳ６３０（キヤノンマーケティングジャパン）にて塗布現像をおこなった。レジスト膜厚は4.5μｍとし、露光はＵＸ3000（ウシオ電機株式会社）を用い所望のパターンを焼き付けた。

次に図７（C）に示すように形成したエッチングマスク16を用いて拡散防止層13bをエッチングする。エッチングはフッ素系ガスを用いたドライエッチングで、レインボー４５００（ラムズリサーチ社製品）を使用した。次に図７（D）に示すように、エッチングマスク16、エッチングマスク17を用いて両面からシリコンのエッチングを行い、個別液室とノズルとの連通路10、ノズル11を形成する。本実施例に於いては連通路10の深さを150μmとし、ノズル11の深さを50μmとした。エッチングには高密度プラズマを発生させる誘導性結合プラズマ（ICP）エッチング装置（ＡＭＳ２００ アルカテル社製品）を用い、フッ素系ガスとフロロカーボン系ガスを交互に用いるボッシュプロセスによりエッチングを行った。シリコンのエッチングを行った後にエッチングマスク16、17を除去した。エッチングマスクの剥離処理には剥離液１０６（東京応化工業製品）を用いてウエット剥離を行なった。そしてノズル内に熱酸化膜を形成する為にＶＦ5100（光洋サーモシステム社製品）を用いて熱処理を行なった。７００℃、２時間処理することにより0.2μｍの薄い熱酸化膜を得た（図中不記）。そして、露出させた拡散防止層13b（図７（E））の表面にチタン30nm、Au100nmをスパッタリング法により成膜し、図７（F）に示すノズルプレートを作製した。チタン、Ａｕの成膜には芝浦メカトロニクス社製品！ミラーを使用した。

次に、前述した図１０（Ｃ）まで形成した基板を用い、図１０（Ｄ）に示したようにフォトレジストを塗布する。レジストはＯＦＰＲ（登録商標）800（東京応化工業製品）を用い塗布現像にはＣＤＳ６３０（キヤノンマーケティングジャパン）を、露光はＵＸ３０００（ウシオ電機製品）を使用した。このプロセスではリフトオフを行なう為のレジスト塗布であるため、6μｍ膜厚に厚く塗布した。その後、図１０（Ｅ）に示したように、露光、現像処理にて所望のパターンを得た。そしてチタン30ｎｍ、Ａｕ100ｎｍをスパッタリングにより連続成膜した（図１０（Ｆ））。この成膜にも芝浦メカトロニクス社の！ミラーを用いた。そしてアセトンに基板を浸しレジストを除去した。図１０（Ｇ）。このレジストの除去によりレジスト上のチタン、Ａｕ膜も同時に除去され接合に必要な領域のみにチタン、Ａｕ膜が残ることになる。接合領域は個別液室、共通液室を囲むように設計され接合時の圧力を有効に使う為、接合面積を最小限に抑えるようにした。（図１１）
以上のように作成したノズルプレート（図７（Ｆ））と個別液室基板（図１０（Ｇ）+ 図８（Ｇ））とを位置あわせし、真空中にて温度300℃、圧力2Mpa、加圧時間６０minの条件でAu-Au接合し、インクジェットヘッドを得た。得られたインクジェットヘッドの断面図を図２に示す。接合時のアライメントにはボンドアライナー（ＢＡ６ ズースマイクロテック株式会社製品）を、接合にはウエハ接合装置（ＳＢ６ ズースマイクロテック株式会社製品）を使用した。

このようにして得られたインクジェットヘッドは、接合不良のないものであり耐久性に優れたものであった。

本発明によるインクジェットヘッドの模式図。 本発明によるインクジェットヘッドの別な例を示す模式図。 熱処理による未接合部の発生を示す超音波顕微鏡像。 本発明での熱処理後の接合部を示す超音波顕微鏡像。 本発明による個別液室基板の作製工程図。 本発明による個別液室基板の別の作製工程図。 本発明によるノズルプレートの作製工程図。 薄膜圧電アクチュエータの作製工程図。 ＳＯＩ基板の断面図。 熱処理工程を伴う個別液室基板の作製工程図。 接合領域を示す図。 Auの膜厚と表面粗さの関係を示す表。

符号の説明

1 シリコン基板
2 シリコン基板
3 薄膜振動板
4 絶縁層
5 下電極
6 薄膜圧電体
7 上電極
8 薄膜圧電アクチュエータ
9 個別液室
10 連通路
11 ノズル
12 接合層
13 拡散防止層
14 流路内熱酸化膜
15 個別液室形成用エッチングマスク
16 連通路形成用エッチングマスク
17 ノズル形成用エッチングマスク
18 上電極形成用エッチングマスク
19 薄膜圧電体部形成用エッチングマスク

Claims (9)

1. シリコン基板上にインク流路が形成されたシリコン基板と、前記基板と他の部材とがAuを介して接合されているインクジェットヘッドに於いて、少なくとも接合部に設けられている接合用のAuとシリコン部材との間にはシリコンとAuの拡散を防止する為の部材が設けられている事を特徴とするインクジェットヘッド。
2. 請求項１に記載のインクジェットヘッドに於いて、シリコン部材に形成されている流路の内部が前記シリコンとAuの拡散を防止する為の部材と同じ材質の部材によって被覆されている事を特徴とするインクジェットヘッド。
3. 請求項１に記載のインクジェットヘッドに於いて接合部は非接合部に対して段差を有し、凸形状になっていることを特徴とするインクジェットヘッド。
4. 請求項１乃至２に記載のインクジェットヘッドにおいて、前記シリコン部材に形成されている流路の内部に設けられているシリコンとAuの拡散を防止する為の部材と同じ材質の部材が、接合部に設けられた接合用Auとシリコン部材との間に設けられているAuとシリコンの拡散を防止する為の部材より薄く形成されている事を特徴とするインクジェットヘッド。
5. 請求項１乃至４に記載のインクジェットヘッドに於いて接合用Ａｕは流路を囲むように形成してあることを特徴とするインクジェットヘッド。
6. 請求項１乃至５に記載のインクジェットヘッドに於いて、前記Auとシリコンの拡散を防止する為に設けられた部材がシリコンの熱酸化膜である事を特徴とするインクジェットヘッド。
7. シリコン基板に流路が形成された基板を含み、該流路が形成されたシリコン基板と他の部材とがAuを介して接合されているインクジェットヘッドの製造方法に於いて、シリコン基板に流路を形成するステップと、シリコン基板に流路を形成した後に該基板にAuとシリコンとの拡散を防止する為の部材を設けるステップと、前記シリコン基板にAuとシリコンとの拡散を防止する為の部材を設けるステップの後に接合用のAuを形成するステップと、を含むことを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
8. シリコン基板に流路が形成された基板を含み、該流路が形成されたシリコン基板と他の部材とがAuを介して接合されているインクジェットヘッドの製造方法に於いて、シリコン基板にAuとシリコンとの拡散を防止する為の部材を設けるステップと、シリコン基板にAuとシリコンとの拡散を防止する為の部材を設けるステップの後にシリコン基板に流路を形成するステップと、シリコン基板に流路を形成した後に接合用のAuを形成するステップと、を含むことを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
9. シリコン基板に流路が形成された基板を含み、該流路が形成されたシリコン基板と他の部材とがAuを介して接合されているインクジェットヘッドの製造方法に於いて、シリコン基板にAuとシリコンとの拡散を防止する為の部材を設けるステップと、接合用のAuを設けるステップと、接合用のAuが設けられた後にシリコン基板に流路を形成するステップと、を含むことを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。

Images