液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置並びに液滴吐出ヘッドの製造方法
【課題】電極基板とキャビティ基板の接合不良や吐出能力の低下を防止でき、材料コスト及び製造コストの増加を抑え、小型化が可能な液滴吐出ヘッドを得る。
【解決手段】電極基板１０の個別電極１２が形成された面に形成され、吐出室２１に液体を供給するリザーバとなるリザーバ凹部１６と、電極基板１０の個別電極１２が形成された面の反対面に形成され、静電アクチュエータを制御するドライバＩＣ４０を実装する実装用凹部１３と、実装用凹部１３の底部において電極基板１０を貫通し、ドライバＩＣ４０と個別電極１２とを接続する埋め込み配線２６と、キャビティ基板に形成され、リザーバ凹部１６と吐出室２１を連通させる貫通穴２４と、キャビティ基板２０の個別電極１２と埋め込み配線１４との接続部と対向する位置に形成され、この接続部とキャビティ基板２０との接触を防止する接触防止用凹部２６とを備える。
【解決手段】電極基板１０の個別電極１２が形成された面に形成され、吐出室２１に液体を供給するリザーバとなるリザーバ凹部１６と、電極基板１０の個別電極１２が形成された面の反対面に形成され、静電アクチュエータを制御するドライバＩＣ４０を実装する実装用凹部１３と、実装用凹部１３の底部において電極基板１０を貫通し、ドライバＩＣ４０と個別電極１２とを接続する埋め込み配線２６と、キャビティ基板に形成され、リザーバ凹部１６と吐出室２１を連通させる貫通穴２４と、キャビティ基板２０の個別電極１２と埋め込み配線１４との接続部と対向する位置に形成され、この接続部とキャビティ基板２０との接触を防止する接触防止用凹部２６とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液滴吐出ヘッド、及びその液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置、並びにその液滴吐出ヘッドの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液滴を吐出するための液滴吐出ヘッドとして、例えばインクジェット記録装置に搭載されるインクジェットヘッドが知られている。インクジェットヘッドは、一般に、インク滴を吐出するための複数のノズル孔が形成されたノズル基板と、このノズル基板に接合されノズル基板との間で上記ノズル孔に連通する吐出室、リザーバ等のインク流路が形成されたキャビティ基板とを備え、駆動部により吐出室に圧力を加えることによりインク滴を選択されたノズル孔より吐出するように構成されている。駆動手段としては、静電気力を利用する方式や、圧電素子による圧電方式、発熱素子を利用するバブルジェット（登録商標）方式等がある。
【０００３】
近年、インクジェットヘッドに対して、印字、画質等の高品位化の要求が一段と強まっている。そのため、サイズが小さく、ノズルや吐出室等を高密度化、多列化することが可能で、また吐出性能及び耐久性に優れたインクジェットヘッドが望まれている。
【０００４】
このような要望を実現するために、例えば、ノズルが形成されたノズル基板と、ノズルに連通する吐出室及び振動板が形成されたキャビティ基板と、振動板とギャップを有して対向配置され、振動板と共に静電アクチュエータを構成する個別電極が形成された電極基板２とからなる３層構造の液滴吐出ヘッドにおいて、電極基板の個別電極が形成された面と反対側の面の一部に他の部分より凹んだ凹部を形成し、個別電極の電極端子を凹部の底部に引き出して、ドライバＩＣを凹部の内部に配置することにより小型化を図ったものが提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
また、例えば、電極基板にドライバＩＣを配置することにより小型化を図った液滴吐出ヘッドにおいて、ノズル基板とキャビティ基板との間にリザーバ基板を設け、リザーバ体積を確保した４層構造のものが提案されている（例えば特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−０８８６１１号公報
【特許文献２】特開２００６−２７２５７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の液滴吐出ヘッドの場合、個別電極を凹部へ引き出すための引き出し電極は、個別電極が形成された側の面から引き出し電極用の穴を設け、この穴に金属（Ｃｕ）を電解メッキにより埋め込むことで形成する。このため、引き出し電極の個別電極側端部は盛り上がって形成されることとなる。したがって、引き出し電極と個別電極側端部との接触部も盛り上がり、この接触部が逃げ空間となっている振動板と個別電極の間のギャップ量よりも大きくなった場合、接触部とキャビティ基板が接触し、キャビティ基板と電極基板の接合不良を引き起こすという課題があった。
【０００８】
ノズルや吐出室等を高密度化する場合、高密度化に応じて吐出室を構成する隔壁の厚みが薄くなるために隔壁の剛性が低下し、その結果、隣りの静電アクチュエータの影響を受けて非駆動のノズルからもインク滴が漏れ出るという、いわゆるクロストークが発生しやすくなってしまう。このクロストークを防止するためには、キャビティ基板を薄くする必要がある。しかしながら、キャビティ基板を薄くするとリザーバ体積までも小さくなるので、液体の流路抵抗が高くなり、吐出能力が低下するという課題があった。
【０００９】
一方、特許文献２に記載の液滴吐出ヘッドの場合、リザーバ基板を設けることでリザーバ体積を確保し、液体の流路抵抗の増加を抑制し、吐出能力の低下を防止している。しかしながら、従来の３層構造の液滴吐出ヘッドにリザーバ基板を追加している分、材料コスト及び製造コストが高くなるという課題があった。
【００１０】
本発明は上述のような課題を解消するためになされたものであり、電極基板とキャビティ基板の接合不良や吐出能力の低下を防止でき、材料コスト及び製造コストの増加を抑え、小型化が可能な液滴吐出ヘッド、及びその液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置、並びにその液滴吐出ヘッドの製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出するノズルが形成されたノズル基板と、ノズルと連通し、底壁が振動板となる吐出室が形成されたキャビティ基板と、振動板に隙間を有して対向し、振動板と共に静電アクチュエータを構成する個別電極が形成された電極基板とを備えた液滴吐出ヘッドであって、ノズル基板、キャビティ基板、電極基板はこの順に積層配置され、電極基板の個別電極が形成された面に形成され、吐出室に液体を供給するリザーバとなるリザーバ凹部と、電極基板の個別電極が形成された面の反対面に形成され、静電アクチュエータを制御するドライバＩＣを実装する実装用凹部と、実装用凹部の底部において電極基板を貫通し、ドライバＩＣと個別電極とを接続する埋め込み配線と、キャビティ基板に形成され、リザーバ凹部と吐出室を連通させる貫通穴と、キャビティ基板の個別電極と埋め込み配線との接続部と対向する位置に形成され、この接続部とキャビティ基板との接触を防止する接触防止用凹部とを備えるものである。
【００１２】
本発明によれば、静電アクチュエータを制御するドライバＩＣを実装用凹部に実装するので、液滴吐出ヘッドを小型化することができる。
電極基板にリザーバとなるリザーバ凹部を形成したので、リザーバ体積を確保し、液体の流路抵抗の増加を抑制し、吐出能力の低下を防止することができる。また、従来のリザーバ基板を追加する必要がないので、材料コスト及び製造コストの増加を抑えることができる。
キャビティ基板には、個別電極と埋め込み配線との接続部と対向する位置に、この接続部とキャビティ基板との接触を防止する接触防止用凹部を形成したので、この接続部とキャビティ基板が接触せず、キャビティ基板と電極基板の接合不良を防止することができる。
【００１３】
また、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たものである。
本発明によれば、上記の液滴吐出ヘッドを搭載しているので、吐出性能がよく、例えば、画像印刷等の用途の場合、高画質化を図ることができる。
【００１４】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、液滴を吐出するノズルが形成されたノズル基板と、ノズルと連通し、底壁が振動板となる吐出室が形成されたキャビティ基板と、振動板に隙間を有して対向し、振動板と共に静電アクチュエータを構成する個別電極が形成された電極基板とを備えた液滴吐出ヘッドの製造方法であって、電極基板となる第１の基材のキャビティ基板と対向する面に金属膜を形成する工程と、第１の基材のキャビティ基板と対向する面の反対面に、静電アクチュエータを制御するドライバＩＣを実装する実装用凹部を形成する工程と、実装用凹部の底部から、金属膜をエッチングストップ層として、エッチングにより第１の基材に貫通孔を形成する工程と、金属膜をシード層として、貫通孔に金属を埋め込み、ドライバＩＣと静電アクチュエータの個別電極とを接続する埋め込み配線を形成する工程と、実装用凹部にドライバＩＣを収容して、ドライバＩＣと埋め込み配線とを接続する工程とを有するものである。
【００１５】
本発明によれば、基材のキャビティ基板と対向する面の反対面から、金属膜をシード層として埋め込み配線を形成しているので、埋め込み配線のキャビティ基板側端部の盛り上がりを防止することができる。したがって、キャビティ基板と電極基板の接合不良を防止するのに効果的である。また、エッチング前の面に金属膜を形成しているので、金属膜の形成不良による埋め込み配線の形成不良を防止することができる。また、金属膜をエッチング工程におけるエッチングストップ層としても共用しているので、シード層の形成工程又はエッチングストップ層の形成工程を省略することができる。
【００１６】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、上記製造方法に加え、キャビティ基板となる第２の基材の電極基板と対向する面の、埋め込み配線と個別電極との接続部と対向する位置に、接続部と第２の基材との接触を防止する接触防止用凹部を形成する工程を有するものである。
本発明によれば、キャビティ基板と電極基板の接合不良をより防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドを分解して表した図である。図１では液滴吐出ヘッドの一部を示している。本実施の形態１では、フェイスイジェクト型の液滴吐出ヘッドについて説明する。液滴吐出ヘッドは、例えば液滴を吐出して画像を形成する等の目的のために、複数の静電アクチュエータが集約されたデバイスである。なお、構成部材を図示し、見やすくするため、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものと異なる場合がある。また、図の上側を上とし、下側を下として説明する。ここで、ノズル３１が並んでいる方向を液滴吐出ヘッドの長手方向とし、各ノズルへの液体の流路が形成されている方向を液滴吐出ヘッドの短手方向とする。
【００１８】
図１に示すように、本実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドは、電極基板１０、キャビティ基板２０及びノズル基板３０の３つの基板が下から順に積層されて構成される。例えば電極基板１０とキャビティ基板２０とは陽極接合により接合している。また、例えばキャビティ基板２０とノズル基板３０とはエポキシ樹脂等の接着剤を用いて接合している。
【００１９】
図１において、キャビティ基板は例えば厚さ約５０μｍの（１１０）面方位のシリコン単結晶基板（以下、シリコン基板という）を主要な材料としている。このキャビティ基板２０には、吐出させる液体を一時的にためる吐出室２１となる凹部（底壁が可動電極となる振動板２２となっている）が形成されている。また、吐出室２１となる凹部と後述のリザーバとなるリザーバ凹部１６を連通させる貫通穴２４が形成されている。これら吐出室２１となる凹部及び貫通穴２４は異方性ウェットエッチングによって形成される。
【００２０】
さらに、キャビティ基板２０の下面（電極基板１０と対向する面）には、ＴＥＯＳ膜（ここでは、Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ Ｔｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ：テトラエチルオルソシリケート（珪酸エチル）を原料ガスとして用いてできるＳｉＯ2 膜をいう）による絶縁膜２３を０．１μｍ（１００ｎｍ）プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成している。これは、振動板２２を後述の電極部１２と電気的に絶縁して、液滴吐出ヘッドを駆動させた時の絶縁膜破壊及び短絡を防止するためである。ここでは絶縁膜２３をＴＥＯＳ膜で形成しているが、例えばＡｌ2Ｏ3（酸化アルミニウム（アルミナ））等を用いてもよい。また、外部の電力供給手段（図示せず）からキャビティ基板２０（振動板２２）に電荷を供給する際の端子となる共通電極端子２７を備えている。
【００２１】
電極基板１０は、厚さ約１ｍｍの例えばホウ珪酸系の耐熱硬質ガラス基板を主要な材料としている。本実施形態ではガラス基板とするが、例えば単結晶シリコンを基板とすることもできる。この電極基板１０の上面には、例えば深さ約０．２μｍの凹部１１が複数形成されている。この凹部１１の内部に個別電極１２ａを設けるので、凹部１１のパターン形状は個別電極１２ａよりも少し大きめに形成する。
【００２２】
各凹部１１の内側（特に底部）に、キャビティ基板２０の振動板２２と対向するように、固定電極部となる矩形状の個別電極１２ａが設けられている。この個別電極１２ａには、端子部１２ｂが一体となって形成されている。この端子部１２ｂは、凹部１１を乗り上げるようにして電極基板１０の上面に設けられている。（以下、特に区別する必要がない限り、これらを合わせて電極部１２として説明する）。
【００２３】
電極基板１０の下面には、長手方向沿ってドライバＩＣ実装用の実装用凹部１３が設けられており、この実装用凹部１３にはドライバＩＣ４０が実装されている。ドライバＩＣ４０と端子部１２ｂは、実装用凹部１３から端子部１２ｂの下方にかけて貫通して設けられた埋め込み配線１４によって接続されている。この埋め込み配線１４がドライバＩＣ４０の出力側配線となる。また、実装用凹部１３にはドライバＩＣの入力側配線１５も設けられており、ＦＰＣ５０と実装される。
【００２４】
さらに、電極基板１０の上面には、キャビティ基板２０の貫通穴２４と対応する位置に、リザーバとなるリザーバ凹部１６が、例えば深さ約３００μｍで形成されている。また、リザーバ凹部１６には、外部のタンク（図示せず）から供給された液体を取り入れる流路となる液体供給口１７が設けられている。
【００２５】
本実施の形態１では、電極部１２は、例えばスパッタリング等により、酸化錫を不純物としてドープした、可視光領域で透明のＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：インジウム錫酸化物）を約０．１μｍの厚さで凹部１１の内側に成膜することで形成される。したがって、振動板２２と個別電極１２ａとの間で形成されるギャップは、凹部１１の深さ、個別電極１２ａ及び振動板２２（ＴＥＯＳ膜）の厚さにより決まることになる。このギャップは吐出特性に大きく影響する。ここで、電極部１２の材料はＩＴＯに限定するものではなく、クロム等の金属等を材料に用いてもよいが、本実施の形態では、ギャップ内の観察がしやすい、透明であるので放電したかどうかの確認が行い易い等の理由でＩＴＯを用いることとする。
【００２６】
ノズル基板３０は、例えば厚さ約１８０μｍのシリコン基板であり、下面でキャビティ基板２０と接着している。ノズル基板には、吐出室２１と連通するノズル３１が形成される。各ノズル３１は、振動板２２の変位により加圧された液体を液滴として外部に吐出する。本実施の形態１では、吐出した液滴の直進性向上を図るため、ノズル３１の孔を複数段で形成する。ここではノズル３１を有するノズル基板３０を上面とし、電極基板１０を下面として説明するが、実際に用いられる場合には、ノズル基板３０の方が電極基板１０よりも下面になることが多い。
【００２７】
図２は実施の形態１における液滴吐出ヘッドの断面図である。図２では液滴吐出ヘッドを短手方向から見ている。吐出室２１はノズル３１から吐出させる液体をためておく。吐出室２１の底壁である振動板２２を撓ませることにより、吐出室２１内の圧力を高め、ノズル３１から液滴を吐出させる。ノズル基板３０には、振動板２２が撓むことでリザーバ１６方向に加わる圧力を緩衝するダイヤフラム３２が設けられている。また、吐出室２１とリザーバ１６とを連通させるための溝となる連通溝３３が設けられている。
【００２８】
本実施の形態１では、振動板２２は、高濃度のボロンドープ層で形成されている。所望の厚さの振動板２２を形成するために、同じだけの厚さのボロンドープ層を形成する。アルカリ性水溶液でシリコンの異方性ウェットエッチングを行った場合、ボロンをドーパントとしたときには高濃度（約５×１０19ａｔｏｍｓ・ｃｍ-3以上）の領域で極端にエッチングレートが小さくなることを利用した、いわゆるエッチングストップ技術を用いて、振動板２２の厚さ、吐出室２１の容積を高精度で形成する。
【００２９】
振動板２２と電極部１２とで形成されるギャップは、貫通孔２８から封止材２５によって封止され、水分等が混入しないように施されている。これにより、振動板２２が電極部１２に貼りつくことを防ぐことができる。
【００３０】
ドライバＩＣ４０は、個別電極１２ａへの電荷の供給及び停止を制御する。例えば２４ｋＨｚで発振し、個別電極１２ａに０Ｖと３０Ｖのパルス電位を印加して電荷供給を行う。個別電極１２ａに電荷を供給して正に帯電させると、振動板２２は負に帯電し、静電気力により個別電極１２ａに引き寄せられて撓む。これにより吐出室２１の容積は広がる。そして個別電極１２ａへの電荷供給を止めると振動板２２は元に戻るが、そのときの吐出室２１の容積も元に戻るから、その圧力により差分の液滴が吐出し、例えば記録対象となる記録紙に着弾することによって記録が行われる。なお、このような方法は引き打ちと呼ばれるものであるが、バネ等を用いて液滴を吐出する押し打ちと呼ばれる方法もある。
【００３１】
上述のように、端子部１２ｂは、凹部１１を乗り上げるようにして電極基板１０の上面に設けられている。つまり、電極基板１０の上面よりも突出しているので、この端子部１２ｂがキャビティ基板２０と接触し、電極基板１０とキャビティ基板２０の接合不良が発生しないように、キャビティ基板２０の下面には配線逃げ用の接触防止用凹部２６が形成されている。
【００３２】
次に、液滴吐出ヘッドの製造方法について図３〜図８を参照して説明する。ここでは、電極基板１０にシリコン基板２００を接合した後にキャビティプレート２０を製造する方法を示す。実際にはシリコンウェハ等から複数個分の液滴吐出ヘッドの部材を同時形成するが、図３〜図８ではその一部分だけを示している。
【００３３】
最初に、図３〜図６を用いて、電極基板１０の製造方法を説明する。
厚さ約１ｍｍの両面鏡面のホウ珪酸系の耐熱硬質ガラス１００を用意し、上面及び下面に、スパッタリング法を用いて厚さ約８０μｍのＣｒ膜１０１を形成する。その後、Ｃｒ膜１０１上に、スパッタリング法を用いて厚さ約８０μｍのＡｕ膜１０２を形成する（図３（ａ））。次に、硬質ガラス１００の上面及び下面に形成されたＡｕ膜１０２の表面にレジスト１０３を塗布し、下面側にドライバＩＣ実装用の実装用凹部１３を作りこむためのレジストパターニングを施す（図３（ｂ））。その後、このレジストパターニング部のＡｕ膜１０２及びＣｒ膜１０１をエッチングする（図３（ｃ））。このとき用いるエッチング液は、Ａｕ膜１０２に対してはヨウ素とヨウ化カリウム混合水溶液で、Ｃｒ膜１０１に対しては硝酸セリウムアンモニウム水溶液である。そして、レジストパターニング部の耐熱硬質ガラス１００を、フッ化アンモニウム水溶液を用いて３５０μｍエッチングし、ドライバＩＣ実装用の実装用凹部１３を形成する（図３（ｄ））。
なお、本実施の形態１では、Ｃｒ膜１０１及びＡｕ膜１０２を形成しているが、どちらか一方の膜を形成するだけでもよいし、フッ化アンモニウム水溶液に耐性を有する他の金属膜を用いてもよい。
【００３４】
硬質ガラス１００の上面に塗布されたレジスト１０３に、個別電極１２ａ用の凹部１１を作りこむためのレジストパターニングを施す（図３（ｅ））。そして、このレジストパターニング部のＡｕ膜１０２及びＣｒ膜１０１をエッチングする（図４（ｆ））。このとき用いるエッチング液は、Ａｕ膜１０２に対してはヨウ素とヨウ化カリウム混合水溶液で、Ｃｒ膜１０１に対しては硝酸セリウムアンモニウム水溶液である。そして、レジストパターニング部の耐熱硬質ガラス１００を、フッ化アンモニウム水溶液を用いて０．２μｍエッチングし、個別電極１２ａ用の凹部１１を形成する（図４（ｇ））。このとき、ドライバＩＣ実装用の実装用凹部１３も０．２μｍエッチングされる。
【００３５】
耐熱硬質ガラス１００の上面及び下面に残ったレジスト１０３を剥離する（図４（ｈ））。次に、耐熱硬質ガラス１００の上面及び下面にレジスト１０４を塗布し、実装用凹部１３の底部に埋め込み配線１４を作りこむためのレジストパターニングを施す（図４（ｉ））。そして、耐熱硬質ガラス１００に、埋め込み配線１４用の貫通穴１０７をドライエッチングする（図４（ｊ））。このとき、耐熱硬質ガラス１００の上面に形成されたＣｒ膜１０１がエッチングストップ層となる。エッチング条件は、エッチングガスがＳＦ6 、チャンバー圧力０．２Ｐａ、ＲＦパワー１５０Ｗ、プラテン温度２０℃である。
【００３６】
次に、電鋳法により、埋め込み配線１４用の貫通穴へＮｉを埋め込んで、埋め込み配線１４を形成する（図５（ｋ））。本実施の形態１では、耐熱硬質ガラス１００の上面に形成されたＣｒ膜１０１をシード層として、耐熱硬質ガラス１００の下面側から埋め込み配線１４を形成している。つまり、このＣｒ膜１０１を、エッチングストップ層及びシード層として共用している。埋め込み配線１４は耐熱硬質ガラス１００の下面側から形成されることとなるので、耐熱硬質ガラス１００の上面に盛り上がることがない。また、シード層となるＣｒ膜１０１はエッチングのされていない鏡面上の表面に形成されているので、Ｃｒ膜１０１の形成不良による埋め込み配線１４の形成不良（メッキ不良）を防止することができる。
なお、埋め込み配線１４はＮｉに限られるものではなく、ＡｌやＷ等の導電性に優れた他の金属も利用できる。
【００３７】
次に、耐熱硬質ガラス１００の表面に形成されているＣｒ膜１０１、Ａｕ膜１０２、及びレジスト１０４を剥離し（図５（ｌ））、耐熱硬質ガラス１００の上面にＩＴＯ膜１０５を０．１μｍ形成する（図５（ｍ））。そして、耐熱硬質ガラス１００の上面及び下面にレジスト１０６を塗布し、上面には、電極部１２にのみＩＴＯ膜１０５が残るようにレジストパターニングを施す（図５（ｎ））。その後、硝酸と塩酸の混合液を用いてＩＴＯ膜１０５をエッチングし、電極部１２を形成する（図５（ｏ））。
【００３８】
耐熱硬質ガラス１００の上面及び下面のレジスト１０６を剥離する（図６（ｐ））。次に、サンドブラスト法により耐熱硬質ガラス１００の上面を約３００μｍ削り、リザーバとなるリザーバ凹部１６を形成する。そして、液体供給口１７をサンドブラスト法または切削加工によって掘り、リザーバ凹部１６と連通させる。その後、Ｓｉマスク等を用いたスパッタリング法により、実装用凹部１３の底部に入力側配線１５となる金属膜（例：Ｃｒ／ＡｕやＴｉ／Ｐｔなど）を形成し（図６（ｑ））、電極基板１０が完成する。
【００３９】
続いて、図７及び図８を用いて、液滴吐出ヘッドの製造方法について説明する。
まず、被加工基板として、例えば厚さが２２０μｍである（１１０）を面方位とする酸素濃度の低いシリコン基板２００を作製する。シリコン基板２００は、片面（図７及び図８における下面）が鏡面研磨されている。このシリコン基板２００の下面にレジスト２０１を塗布し、配線逃げ用の接触防止用凹部２６を作りこむ為のレジストパターニングを施す（図７（ａ））。 そして、このレジストパターニング部のシリコン基板２００をドライエッチングし、配線逃げ用の接触防止用凹部２６を形成する（図７（ｂ））。エッチング条件は、エッチングガスがＳＦ6 、チャンバー圧力０．２Ｐａ、ＲＦパワー１５０Ｗ、プラテン温度２０℃である。
【００４０】
次に、シリコン基板２００の下面に形成されているレジスト２０１を剥離する。そして、シリコン基板２００の下面に振動板２２の厚みと同等の厚みの高濃度ボロンドープ層（図示せず）を形成する。また、ボロンドープ層の表面にはＴＥＯＳ絶縁膜２３を０．１μｍ形成する（図７（ｃ））。
【００４１】
このシリコン基板２００と電極基板１０を３６０℃に加熱した後、電極基板１０に負極、シリコン基板２００に正極を接続して、８００Ｖの電圧を印加して陽極接合する（図７（ｄ））。
このとき、シリコン基板２００の下面（接合面）側に接触防止用凹部２６を形成している為、端子部１２ｂがキャビティ基板２０を押し上げることがなく、シリコン基板２００と電極基板１０の接合不良が発生しない。
【００４２】
陽極接合後、シリコン基板２００の厚みが約６０μｍになるまで、シリコン基板２００の上面に研削加工を行う。その後、加工変質層を除去する為に、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈ）加工を施し、シリコン基板２００の上面を約１０μｍ研磨する。これによりシリコン基板２００の厚みは約５０μｍとなる（図７（ｅ））。
【００４３】
次に、シリコン基板２００の上面にＴＥＯＳ膜を約１μｍ形成し、シリコン基板２００の上面に、吐出室２１及び貫通孔２８となる凹部を作りこむためのパターニングをＴＥＯＳ膜に施す（図示せず）。そして、水酸化カリウム水溶液を用いてボロンドープ層までエッチングし、吐出室２１及び貫通孔２８となる凹部２０２を形成する。その後、シリコン基板２００の上面に形成されたＴＥＯＳ膜を剥離する（図８（ｆ））。このエッチング工程では、ボロンドープ層で極端にエッチングレートが小さくなることを利用した、いわゆるエッチングストップ技術を用いて、振動板２２の厚さ、吐出室２１の容積を高精度で形成する。これにより、振動板２２の面荒れを抑制し、厚み精度を０．８０±０．０５μｍ以下にすることができ、液滴吐出ヘッドの吐出性能を安定化することができる。
【００４４】
次に、貫通孔２８となる凹部に対応する位置が開口したシリコンマスク（図示せず）をシリコン基板２００の上面に取り付け、ＲＩＥドライエッチングを行って、貫通孔２８となる凹部のみにプラズマを当てる。そして、貫通孔２８となる凹部の底部に残ったボロンドープ層を除去して貫通孔２８を形成し（図８（ｇ））、キャビティ基板２０が完成する。その後、貫通孔２８から封止材２５を流し込み、振動板２２と電極部１２とで形成されるギャップを封止する。これによって、ギャップは密閉状態になる（図８（ｈ））。
【００４５】
次に、電極基板１０の実装用凹部１３にドライバＩＣ４０を実装し、埋め込み配線１４及び入力側配線１５と接続する（図８（ｊ））。そして、キャビティ基板２０の上面にノズル基板３０をエポキシ系接着剤により接着する。その後、ダイシングを行い、液滴吐出ヘッドが完成する。
【００４６】
このような液滴吐出ヘッドにおいては、ドライバＩＣ４０を電極基板１０の実装用凹部１３に実装するので、液滴吐出ヘッドを小型化することができる。
電極基板１０にリザーバとなるリザーバ凹部１６を形成したので、リザーバ体積を確保し、液体の流路抵抗の増加を抑制し、吐出能力の低下を防止することができる。また、従来のリザーバ基板を追加する必要がないので、材料コスト及び製造コストの増加を抑えることができる。
キャビティ基板２０には、端子部１２ｂと埋め込み配線１４との接続部と対向する位置に、この接続部とキャビティ基板２０との接触を防止する接触防止用凹部２６を形成したので、この接続部とキャビティ基板２０が接触せず、キャビティ基板２０と電極基板１０の接合不良を防止することができる。
【００４７】
実施の形態２．
図９は上述の実施の形態で製造した液滴吐出ヘッドを用いた液滴吐出装置（プリンタ４００）の外観図である。また、図１０は液滴吐出装置の主要な構成手段の一例を表す図である。図９及び図１０の液滴吐出装置は液滴吐出方式（インクジェット方式）による印刷を目的とする。また、いわゆるシリアル型の装置である。図１０において、被印刷物であるプリント紙４１０が支持されるドラム４０１と、プリント紙４１０にインクを吐出し、記録を行う液滴吐出ヘッド４０２とで主に構成される。また、図示していないが、液滴吐出ヘッド４０２にインクを供給するためのインク供給手段がある。プリント紙４１０は、ドラム４０１の軸方向に平行に設けられた紙圧着ローラ４０３により、ドラム４０１に圧着して保持される。そして、送りネジ４０４がドラム４０１の軸方向に平行に設けられ、液滴吐出ヘッド４０２が保持されている。送りネジ４０４が回転することによって液滴吐出ヘッド４０２がドラム４０１の軸方向に移動するようになっている。
【００４８】
一方、ドラム４０１は、ベルト４０５等を介してモータ４０６により回転駆動される。また、駆動制御回路４０は、印刷用データ及び制御信号に基づいて送りネジ４０４、モータ４０６を駆動させる。また、ここでは図示していないが、実施の形態１で説明したようにドライバＩＣ４０から各電極部１２に対する電荷供給を制御して電圧を印加し、各振動板２２を振動させ、吐出量を変化させながらプリント紙４１０に印刷を行わせる。
【００４９】
ここでは液体をインクとしてプリント紙４１０に吐出するようにしているが、液滴吐出ヘッドから吐出する液体はインクに限定されない。例えば、カラーフィルタとなる基板に吐出させる用途においては、カラーフィルタ用の顔料を含む液体、有機化合物等の電界発光素子を用いた表示パネル（ＯＬＥＤ等）の基板に吐出させる用途においては、発光素子となる化合物を含む液体、基板上に配線する用途においては、例えば導電性金属を含む液体を、それぞれの装置において設けられた液滴吐出ヘッドから吐出させるようにしてもよい。また、液滴吐出ヘッドをディスペンサとし、生体分子のマイクロアレイとなる基板に吐出する用途に用いる場合では、ＤＮＡ（Ｄｅｏｘｙｒｉｂｏ Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄｓ ：デオキシリボ核酸）、他の核酸（例えば、Ｒｉｂｏ Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄ：リボ核酸、Ｐｅｐｔｉｄｅ Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄｓ：ペプチド核酸等）タンパク質等のプローブを含む液体を吐出させるようにしてもよい。その他、布等の染料の吐出等にも利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドを分解して表した図である。
【図２】実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドの断面図である。
【図３】実施の形態１に係る電極基板の製造方法を示す製造工程の断面図である。
【図４】図３に続く製造工程を示す断面図である。
【図５】図４に続く製造工程を示す断面図である。
【図６】図５に続く製造工程を示す断面図である。
【図７】実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドの製造方法を示す製造工程の断面図である。
【図８】図７に続く製造工程を示す断面図である。
【図９】液滴吐出ヘッドを用いた液滴吐出装置の外観図である。
【図１０】液滴吐出装置の主要な構成手段の一例を表す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０ 電極基板、１１ 凹部、１２ 電極部、１２ａ 個別電極、１２ｂ 端子部、１３ 実装用凹部、１４ 埋め込み配線、１５ 入力側配線、１６ リザーバ凹部、１７ 液体供給口、２０ キャビティ基板、２１ 吐出室、２２ 振動板、２３ 絶縁膜、２４ 貫通穴、２５ 封止材、２６ 接触防止用凹部、２７ 共通電極端子、２８ 貫通孔、３０ ノズル基板、３１ ノズル、３２ ダイヤフラム、３３ 連通溝、４０ ドライバＩＣ、５０ ＦＰＣ、１００ 耐熱硬質ガラス、１０１ Ｃｒ膜、１０２ Ａｕ膜、１０３ レジスト、１０４ レジスト、１０５ ＩＴＯ膜、１０６ レジスト、１０７ 貫通穴、２００ シリコン基板、２０１ レジスト、２０２ 凹部、４００ プリンタ、４０１ ドラム、４０２ 液滴吐出ヘッド、４０３ 紙圧着ローラ、４０４ 送りネジ、４０５ ベルト、４０６ モータ、４０７ プリント制御手段、４１０ プリント紙。
【技術分野】
【０００１】
本発明は液滴吐出ヘッド、及びその液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置、並びにその液滴吐出ヘッドの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液滴を吐出するための液滴吐出ヘッドとして、例えばインクジェット記録装置に搭載されるインクジェットヘッドが知られている。インクジェットヘッドは、一般に、インク滴を吐出するための複数のノズル孔が形成されたノズル基板と、このノズル基板に接合されノズル基板との間で上記ノズル孔に連通する吐出室、リザーバ等のインク流路が形成されたキャビティ基板とを備え、駆動部により吐出室に圧力を加えることによりインク滴を選択されたノズル孔より吐出するように構成されている。駆動手段としては、静電気力を利用する方式や、圧電素子による圧電方式、発熱素子を利用するバブルジェット（登録商標）方式等がある。
【０００３】
近年、インクジェットヘッドに対して、印字、画質等の高品位化の要求が一段と強まっている。そのため、サイズが小さく、ノズルや吐出室等を高密度化、多列化することが可能で、また吐出性能及び耐久性に優れたインクジェットヘッドが望まれている。
【０００４】
このような要望を実現するために、例えば、ノズルが形成されたノズル基板と、ノズルに連通する吐出室及び振動板が形成されたキャビティ基板と、振動板とギャップを有して対向配置され、振動板と共に静電アクチュエータを構成する個別電極が形成された電極基板２とからなる３層構造の液滴吐出ヘッドにおいて、電極基板の個別電極が形成された面と反対側の面の一部に他の部分より凹んだ凹部を形成し、個別電極の電極端子を凹部の底部に引き出して、ドライバＩＣを凹部の内部に配置することにより小型化を図ったものが提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
また、例えば、電極基板にドライバＩＣを配置することにより小型化を図った液滴吐出ヘッドにおいて、ノズル基板とキャビティ基板との間にリザーバ基板を設け、リザーバ体積を確保した４層構造のものが提案されている（例えば特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−０８８６１１号公報
【特許文献２】特開２００６−２７２５７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の液滴吐出ヘッドの場合、個別電極を凹部へ引き出すための引き出し電極は、個別電極が形成された側の面から引き出し電極用の穴を設け、この穴に金属（Ｃｕ）を電解メッキにより埋め込むことで形成する。このため、引き出し電極の個別電極側端部は盛り上がって形成されることとなる。したがって、引き出し電極と個別電極側端部との接触部も盛り上がり、この接触部が逃げ空間となっている振動板と個別電極の間のギャップ量よりも大きくなった場合、接触部とキャビティ基板が接触し、キャビティ基板と電極基板の接合不良を引き起こすという課題があった。
【０００８】
ノズルや吐出室等を高密度化する場合、高密度化に応じて吐出室を構成する隔壁の厚みが薄くなるために隔壁の剛性が低下し、その結果、隣りの静電アクチュエータの影響を受けて非駆動のノズルからもインク滴が漏れ出るという、いわゆるクロストークが発生しやすくなってしまう。このクロストークを防止するためには、キャビティ基板を薄くする必要がある。しかしながら、キャビティ基板を薄くするとリザーバ体積までも小さくなるので、液体の流路抵抗が高くなり、吐出能力が低下するという課題があった。
【０００９】
一方、特許文献２に記載の液滴吐出ヘッドの場合、リザーバ基板を設けることでリザーバ体積を確保し、液体の流路抵抗の増加を抑制し、吐出能力の低下を防止している。しかしながら、従来の３層構造の液滴吐出ヘッドにリザーバ基板を追加している分、材料コスト及び製造コストが高くなるという課題があった。
【００１０】
本発明は上述のような課題を解消するためになされたものであり、電極基板とキャビティ基板の接合不良や吐出能力の低下を防止でき、材料コスト及び製造コストの増加を抑え、小型化が可能な液滴吐出ヘッド、及びその液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置、並びにその液滴吐出ヘッドの製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出するノズルが形成されたノズル基板と、ノズルと連通し、底壁が振動板となる吐出室が形成されたキャビティ基板と、振動板に隙間を有して対向し、振動板と共に静電アクチュエータを構成する個別電極が形成された電極基板とを備えた液滴吐出ヘッドであって、ノズル基板、キャビティ基板、電極基板はこの順に積層配置され、電極基板の個別電極が形成された面に形成され、吐出室に液体を供給するリザーバとなるリザーバ凹部と、電極基板の個別電極が形成された面の反対面に形成され、静電アクチュエータを制御するドライバＩＣを実装する実装用凹部と、実装用凹部の底部において電極基板を貫通し、ドライバＩＣと個別電極とを接続する埋め込み配線と、キャビティ基板に形成され、リザーバ凹部と吐出室を連通させる貫通穴と、キャビティ基板の個別電極と埋め込み配線との接続部と対向する位置に形成され、この接続部とキャビティ基板との接触を防止する接触防止用凹部とを備えるものである。
【００１２】
本発明によれば、静電アクチュエータを制御するドライバＩＣを実装用凹部に実装するので、液滴吐出ヘッドを小型化することができる。
電極基板にリザーバとなるリザーバ凹部を形成したので、リザーバ体積を確保し、液体の流路抵抗の増加を抑制し、吐出能力の低下を防止することができる。また、従来のリザーバ基板を追加する必要がないので、材料コスト及び製造コストの増加を抑えることができる。
キャビティ基板には、個別電極と埋め込み配線との接続部と対向する位置に、この接続部とキャビティ基板との接触を防止する接触防止用凹部を形成したので、この接続部とキャビティ基板が接触せず、キャビティ基板と電極基板の接合不良を防止することができる。
【００１３】
また、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たものである。
本発明によれば、上記の液滴吐出ヘッドを搭載しているので、吐出性能がよく、例えば、画像印刷等の用途の場合、高画質化を図ることができる。
【００１４】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、液滴を吐出するノズルが形成されたノズル基板と、ノズルと連通し、底壁が振動板となる吐出室が形成されたキャビティ基板と、振動板に隙間を有して対向し、振動板と共に静電アクチュエータを構成する個別電極が形成された電極基板とを備えた液滴吐出ヘッドの製造方法であって、電極基板となる第１の基材のキャビティ基板と対向する面に金属膜を形成する工程と、第１の基材のキャビティ基板と対向する面の反対面に、静電アクチュエータを制御するドライバＩＣを実装する実装用凹部を形成する工程と、実装用凹部の底部から、金属膜をエッチングストップ層として、エッチングにより第１の基材に貫通孔を形成する工程と、金属膜をシード層として、貫通孔に金属を埋め込み、ドライバＩＣと静電アクチュエータの個別電極とを接続する埋め込み配線を形成する工程と、実装用凹部にドライバＩＣを収容して、ドライバＩＣと埋め込み配線とを接続する工程とを有するものである。
【００１５】
本発明によれば、基材のキャビティ基板と対向する面の反対面から、金属膜をシード層として埋め込み配線を形成しているので、埋め込み配線のキャビティ基板側端部の盛り上がりを防止することができる。したがって、キャビティ基板と電極基板の接合不良を防止するのに効果的である。また、エッチング前の面に金属膜を形成しているので、金属膜の形成不良による埋め込み配線の形成不良を防止することができる。また、金属膜をエッチング工程におけるエッチングストップ層としても共用しているので、シード層の形成工程又はエッチングストップ層の形成工程を省略することができる。
【００１６】
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、上記製造方法に加え、キャビティ基板となる第２の基材の電極基板と対向する面の、埋め込み配線と個別電極との接続部と対向する位置に、接続部と第２の基材との接触を防止する接触防止用凹部を形成する工程を有するものである。
本発明によれば、キャビティ基板と電極基板の接合不良をより防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドを分解して表した図である。図１では液滴吐出ヘッドの一部を示している。本実施の形態１では、フェイスイジェクト型の液滴吐出ヘッドについて説明する。液滴吐出ヘッドは、例えば液滴を吐出して画像を形成する等の目的のために、複数の静電アクチュエータが集約されたデバイスである。なお、構成部材を図示し、見やすくするため、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものと異なる場合がある。また、図の上側を上とし、下側を下として説明する。ここで、ノズル３１が並んでいる方向を液滴吐出ヘッドの長手方向とし、各ノズルへの液体の流路が形成されている方向を液滴吐出ヘッドの短手方向とする。
【００１８】
図１に示すように、本実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドは、電極基板１０、キャビティ基板２０及びノズル基板３０の３つの基板が下から順に積層されて構成される。例えば電極基板１０とキャビティ基板２０とは陽極接合により接合している。また、例えばキャビティ基板２０とノズル基板３０とはエポキシ樹脂等の接着剤を用いて接合している。
【００１９】
図１において、キャビティ基板は例えば厚さ約５０μｍの（１１０）面方位のシリコン単結晶基板（以下、シリコン基板という）を主要な材料としている。このキャビティ基板２０には、吐出させる液体を一時的にためる吐出室２１となる凹部（底壁が可動電極となる振動板２２となっている）が形成されている。また、吐出室２１となる凹部と後述のリザーバとなるリザーバ凹部１６を連通させる貫通穴２４が形成されている。これら吐出室２１となる凹部及び貫通穴２４は異方性ウェットエッチングによって形成される。
【００２０】
さらに、キャビティ基板２０の下面（電極基板１０と対向する面）には、ＴＥＯＳ膜（ここでは、Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ Ｔｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ：テトラエチルオルソシリケート（珪酸エチル）を原料ガスとして用いてできるＳｉＯ2 膜をいう）による絶縁膜２３を０．１μｍ（１００ｎｍ）プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成している。これは、振動板２２を後述の電極部１２と電気的に絶縁して、液滴吐出ヘッドを駆動させた時の絶縁膜破壊及び短絡を防止するためである。ここでは絶縁膜２３をＴＥＯＳ膜で形成しているが、例えばＡｌ2Ｏ3（酸化アルミニウム（アルミナ））等を用いてもよい。また、外部の電力供給手段（図示せず）からキャビティ基板２０（振動板２２）に電荷を供給する際の端子となる共通電極端子２７を備えている。
【００２１】
電極基板１０は、厚さ約１ｍｍの例えばホウ珪酸系の耐熱硬質ガラス基板を主要な材料としている。本実施形態ではガラス基板とするが、例えば単結晶シリコンを基板とすることもできる。この電極基板１０の上面には、例えば深さ約０．２μｍの凹部１１が複数形成されている。この凹部１１の内部に個別電極１２ａを設けるので、凹部１１のパターン形状は個別電極１２ａよりも少し大きめに形成する。
【００２２】
各凹部１１の内側（特に底部）に、キャビティ基板２０の振動板２２と対向するように、固定電極部となる矩形状の個別電極１２ａが設けられている。この個別電極１２ａには、端子部１２ｂが一体となって形成されている。この端子部１２ｂは、凹部１１を乗り上げるようにして電極基板１０の上面に設けられている。（以下、特に区別する必要がない限り、これらを合わせて電極部１２として説明する）。
【００２３】
電極基板１０の下面には、長手方向沿ってドライバＩＣ実装用の実装用凹部１３が設けられており、この実装用凹部１３にはドライバＩＣ４０が実装されている。ドライバＩＣ４０と端子部１２ｂは、実装用凹部１３から端子部１２ｂの下方にかけて貫通して設けられた埋め込み配線１４によって接続されている。この埋め込み配線１４がドライバＩＣ４０の出力側配線となる。また、実装用凹部１３にはドライバＩＣの入力側配線１５も設けられており、ＦＰＣ５０と実装される。
【００２４】
さらに、電極基板１０の上面には、キャビティ基板２０の貫通穴２４と対応する位置に、リザーバとなるリザーバ凹部１６が、例えば深さ約３００μｍで形成されている。また、リザーバ凹部１６には、外部のタンク（図示せず）から供給された液体を取り入れる流路となる液体供給口１７が設けられている。
【００２５】
本実施の形態１では、電極部１２は、例えばスパッタリング等により、酸化錫を不純物としてドープした、可視光領域で透明のＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：インジウム錫酸化物）を約０．１μｍの厚さで凹部１１の内側に成膜することで形成される。したがって、振動板２２と個別電極１２ａとの間で形成されるギャップは、凹部１１の深さ、個別電極１２ａ及び振動板２２（ＴＥＯＳ膜）の厚さにより決まることになる。このギャップは吐出特性に大きく影響する。ここで、電極部１２の材料はＩＴＯに限定するものではなく、クロム等の金属等を材料に用いてもよいが、本実施の形態では、ギャップ内の観察がしやすい、透明であるので放電したかどうかの確認が行い易い等の理由でＩＴＯを用いることとする。
【００２６】
ノズル基板３０は、例えば厚さ約１８０μｍのシリコン基板であり、下面でキャビティ基板２０と接着している。ノズル基板には、吐出室２１と連通するノズル３１が形成される。各ノズル３１は、振動板２２の変位により加圧された液体を液滴として外部に吐出する。本実施の形態１では、吐出した液滴の直進性向上を図るため、ノズル３１の孔を複数段で形成する。ここではノズル３１を有するノズル基板３０を上面とし、電極基板１０を下面として説明するが、実際に用いられる場合には、ノズル基板３０の方が電極基板１０よりも下面になることが多い。
【００２７】
図２は実施の形態１における液滴吐出ヘッドの断面図である。図２では液滴吐出ヘッドを短手方向から見ている。吐出室２１はノズル３１から吐出させる液体をためておく。吐出室２１の底壁である振動板２２を撓ませることにより、吐出室２１内の圧力を高め、ノズル３１から液滴を吐出させる。ノズル基板３０には、振動板２２が撓むことでリザーバ１６方向に加わる圧力を緩衝するダイヤフラム３２が設けられている。また、吐出室２１とリザーバ１６とを連通させるための溝となる連通溝３３が設けられている。
【００２８】
本実施の形態１では、振動板２２は、高濃度のボロンドープ層で形成されている。所望の厚さの振動板２２を形成するために、同じだけの厚さのボロンドープ層を形成する。アルカリ性水溶液でシリコンの異方性ウェットエッチングを行った場合、ボロンをドーパントとしたときには高濃度（約５×１０19ａｔｏｍｓ・ｃｍ-3以上）の領域で極端にエッチングレートが小さくなることを利用した、いわゆるエッチングストップ技術を用いて、振動板２２の厚さ、吐出室２１の容積を高精度で形成する。
【００２９】
振動板２２と電極部１２とで形成されるギャップは、貫通孔２８から封止材２５によって封止され、水分等が混入しないように施されている。これにより、振動板２２が電極部１２に貼りつくことを防ぐことができる。
【００３０】
ドライバＩＣ４０は、個別電極１２ａへの電荷の供給及び停止を制御する。例えば２４ｋＨｚで発振し、個別電極１２ａに０Ｖと３０Ｖのパルス電位を印加して電荷供給を行う。個別電極１２ａに電荷を供給して正に帯電させると、振動板２２は負に帯電し、静電気力により個別電極１２ａに引き寄せられて撓む。これにより吐出室２１の容積は広がる。そして個別電極１２ａへの電荷供給を止めると振動板２２は元に戻るが、そのときの吐出室２１の容積も元に戻るから、その圧力により差分の液滴が吐出し、例えば記録対象となる記録紙に着弾することによって記録が行われる。なお、このような方法は引き打ちと呼ばれるものであるが、バネ等を用いて液滴を吐出する押し打ちと呼ばれる方法もある。
【００３１】
上述のように、端子部１２ｂは、凹部１１を乗り上げるようにして電極基板１０の上面に設けられている。つまり、電極基板１０の上面よりも突出しているので、この端子部１２ｂがキャビティ基板２０と接触し、電極基板１０とキャビティ基板２０の接合不良が発生しないように、キャビティ基板２０の下面には配線逃げ用の接触防止用凹部２６が形成されている。
【００３２】
次に、液滴吐出ヘッドの製造方法について図３〜図８を参照して説明する。ここでは、電極基板１０にシリコン基板２００を接合した後にキャビティプレート２０を製造する方法を示す。実際にはシリコンウェハ等から複数個分の液滴吐出ヘッドの部材を同時形成するが、図３〜図８ではその一部分だけを示している。
【００３３】
最初に、図３〜図６を用いて、電極基板１０の製造方法を説明する。
厚さ約１ｍｍの両面鏡面のホウ珪酸系の耐熱硬質ガラス１００を用意し、上面及び下面に、スパッタリング法を用いて厚さ約８０μｍのＣｒ膜１０１を形成する。その後、Ｃｒ膜１０１上に、スパッタリング法を用いて厚さ約８０μｍのＡｕ膜１０２を形成する（図３（ａ））。次に、硬質ガラス１００の上面及び下面に形成されたＡｕ膜１０２の表面にレジスト１０３を塗布し、下面側にドライバＩＣ実装用の実装用凹部１３を作りこむためのレジストパターニングを施す（図３（ｂ））。その後、このレジストパターニング部のＡｕ膜１０２及びＣｒ膜１０１をエッチングする（図３（ｃ））。このとき用いるエッチング液は、Ａｕ膜１０２に対してはヨウ素とヨウ化カリウム混合水溶液で、Ｃｒ膜１０１に対しては硝酸セリウムアンモニウム水溶液である。そして、レジストパターニング部の耐熱硬質ガラス１００を、フッ化アンモニウム水溶液を用いて３５０μｍエッチングし、ドライバＩＣ実装用の実装用凹部１３を形成する（図３（ｄ））。
なお、本実施の形態１では、Ｃｒ膜１０１及びＡｕ膜１０２を形成しているが、どちらか一方の膜を形成するだけでもよいし、フッ化アンモニウム水溶液に耐性を有する他の金属膜を用いてもよい。
【００３４】
硬質ガラス１００の上面に塗布されたレジスト１０３に、個別電極１２ａ用の凹部１１を作りこむためのレジストパターニングを施す（図３（ｅ））。そして、このレジストパターニング部のＡｕ膜１０２及びＣｒ膜１０１をエッチングする（図４（ｆ））。このとき用いるエッチング液は、Ａｕ膜１０２に対してはヨウ素とヨウ化カリウム混合水溶液で、Ｃｒ膜１０１に対しては硝酸セリウムアンモニウム水溶液である。そして、レジストパターニング部の耐熱硬質ガラス１００を、フッ化アンモニウム水溶液を用いて０．２μｍエッチングし、個別電極１２ａ用の凹部１１を形成する（図４（ｇ））。このとき、ドライバＩＣ実装用の実装用凹部１３も０．２μｍエッチングされる。
【００３５】
耐熱硬質ガラス１００の上面及び下面に残ったレジスト１０３を剥離する（図４（ｈ））。次に、耐熱硬質ガラス１００の上面及び下面にレジスト１０４を塗布し、実装用凹部１３の底部に埋め込み配線１４を作りこむためのレジストパターニングを施す（図４（ｉ））。そして、耐熱硬質ガラス１００に、埋め込み配線１４用の貫通穴１０７をドライエッチングする（図４（ｊ））。このとき、耐熱硬質ガラス１００の上面に形成されたＣｒ膜１０１がエッチングストップ層となる。エッチング条件は、エッチングガスがＳＦ6 、チャンバー圧力０．２Ｐａ、ＲＦパワー１５０Ｗ、プラテン温度２０℃である。
【００３６】
次に、電鋳法により、埋め込み配線１４用の貫通穴へＮｉを埋め込んで、埋め込み配線１４を形成する（図５（ｋ））。本実施の形態１では、耐熱硬質ガラス１００の上面に形成されたＣｒ膜１０１をシード層として、耐熱硬質ガラス１００の下面側から埋め込み配線１４を形成している。つまり、このＣｒ膜１０１を、エッチングストップ層及びシード層として共用している。埋め込み配線１４は耐熱硬質ガラス１００の下面側から形成されることとなるので、耐熱硬質ガラス１００の上面に盛り上がることがない。また、シード層となるＣｒ膜１０１はエッチングのされていない鏡面上の表面に形成されているので、Ｃｒ膜１０１の形成不良による埋め込み配線１４の形成不良（メッキ不良）を防止することができる。
なお、埋め込み配線１４はＮｉに限られるものではなく、ＡｌやＷ等の導電性に優れた他の金属も利用できる。
【００３７】
次に、耐熱硬質ガラス１００の表面に形成されているＣｒ膜１０１、Ａｕ膜１０２、及びレジスト１０４を剥離し（図５（ｌ））、耐熱硬質ガラス１００の上面にＩＴＯ膜１０５を０．１μｍ形成する（図５（ｍ））。そして、耐熱硬質ガラス１００の上面及び下面にレジスト１０６を塗布し、上面には、電極部１２にのみＩＴＯ膜１０５が残るようにレジストパターニングを施す（図５（ｎ））。その後、硝酸と塩酸の混合液を用いてＩＴＯ膜１０５をエッチングし、電極部１２を形成する（図５（ｏ））。
【００３８】
耐熱硬質ガラス１００の上面及び下面のレジスト１０６を剥離する（図６（ｐ））。次に、サンドブラスト法により耐熱硬質ガラス１００の上面を約３００μｍ削り、リザーバとなるリザーバ凹部１６を形成する。そして、液体供給口１７をサンドブラスト法または切削加工によって掘り、リザーバ凹部１６と連通させる。その後、Ｓｉマスク等を用いたスパッタリング法により、実装用凹部１３の底部に入力側配線１５となる金属膜（例：Ｃｒ／ＡｕやＴｉ／Ｐｔなど）を形成し（図６（ｑ））、電極基板１０が完成する。
【００３９】
続いて、図７及び図８を用いて、液滴吐出ヘッドの製造方法について説明する。
まず、被加工基板として、例えば厚さが２２０μｍである（１１０）を面方位とする酸素濃度の低いシリコン基板２００を作製する。シリコン基板２００は、片面（図７及び図８における下面）が鏡面研磨されている。このシリコン基板２００の下面にレジスト２０１を塗布し、配線逃げ用の接触防止用凹部２６を作りこむ為のレジストパターニングを施す（図７（ａ））。 そして、このレジストパターニング部のシリコン基板２００をドライエッチングし、配線逃げ用の接触防止用凹部２６を形成する（図７（ｂ））。エッチング条件は、エッチングガスがＳＦ6 、チャンバー圧力０．２Ｐａ、ＲＦパワー１５０Ｗ、プラテン温度２０℃である。
【００４０】
次に、シリコン基板２００の下面に形成されているレジスト２０１を剥離する。そして、シリコン基板２００の下面に振動板２２の厚みと同等の厚みの高濃度ボロンドープ層（図示せず）を形成する。また、ボロンドープ層の表面にはＴＥＯＳ絶縁膜２３を０．１μｍ形成する（図７（ｃ））。
【００４１】
このシリコン基板２００と電極基板１０を３６０℃に加熱した後、電極基板１０に負極、シリコン基板２００に正極を接続して、８００Ｖの電圧を印加して陽極接合する（図７（ｄ））。
このとき、シリコン基板２００の下面（接合面）側に接触防止用凹部２６を形成している為、端子部１２ｂがキャビティ基板２０を押し上げることがなく、シリコン基板２００と電極基板１０の接合不良が発生しない。
【００４２】
陽極接合後、シリコン基板２００の厚みが約６０μｍになるまで、シリコン基板２００の上面に研削加工を行う。その後、加工変質層を除去する為に、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈ）加工を施し、シリコン基板２００の上面を約１０μｍ研磨する。これによりシリコン基板２００の厚みは約５０μｍとなる（図７（ｅ））。
【００４３】
次に、シリコン基板２００の上面にＴＥＯＳ膜を約１μｍ形成し、シリコン基板２００の上面に、吐出室２１及び貫通孔２８となる凹部を作りこむためのパターニングをＴＥＯＳ膜に施す（図示せず）。そして、水酸化カリウム水溶液を用いてボロンドープ層までエッチングし、吐出室２１及び貫通孔２８となる凹部２０２を形成する。その後、シリコン基板２００の上面に形成されたＴＥＯＳ膜を剥離する（図８（ｆ））。このエッチング工程では、ボロンドープ層で極端にエッチングレートが小さくなることを利用した、いわゆるエッチングストップ技術を用いて、振動板２２の厚さ、吐出室２１の容積を高精度で形成する。これにより、振動板２２の面荒れを抑制し、厚み精度を０．８０±０．０５μｍ以下にすることができ、液滴吐出ヘッドの吐出性能を安定化することができる。
【００４４】
次に、貫通孔２８となる凹部に対応する位置が開口したシリコンマスク（図示せず）をシリコン基板２００の上面に取り付け、ＲＩＥドライエッチングを行って、貫通孔２８となる凹部のみにプラズマを当てる。そして、貫通孔２８となる凹部の底部に残ったボロンドープ層を除去して貫通孔２８を形成し（図８（ｇ））、キャビティ基板２０が完成する。その後、貫通孔２８から封止材２５を流し込み、振動板２２と電極部１２とで形成されるギャップを封止する。これによって、ギャップは密閉状態になる（図８（ｈ））。
【００４５】
次に、電極基板１０の実装用凹部１３にドライバＩＣ４０を実装し、埋め込み配線１４及び入力側配線１５と接続する（図８（ｊ））。そして、キャビティ基板２０の上面にノズル基板３０をエポキシ系接着剤により接着する。その後、ダイシングを行い、液滴吐出ヘッドが完成する。
【００４６】
このような液滴吐出ヘッドにおいては、ドライバＩＣ４０を電極基板１０の実装用凹部１３に実装するので、液滴吐出ヘッドを小型化することができる。
電極基板１０にリザーバとなるリザーバ凹部１６を形成したので、リザーバ体積を確保し、液体の流路抵抗の増加を抑制し、吐出能力の低下を防止することができる。また、従来のリザーバ基板を追加する必要がないので、材料コスト及び製造コストの増加を抑えることができる。
キャビティ基板２０には、端子部１２ｂと埋め込み配線１４との接続部と対向する位置に、この接続部とキャビティ基板２０との接触を防止する接触防止用凹部２６を形成したので、この接続部とキャビティ基板２０が接触せず、キャビティ基板２０と電極基板１０の接合不良を防止することができる。
【００４７】
実施の形態２．
図９は上述の実施の形態で製造した液滴吐出ヘッドを用いた液滴吐出装置（プリンタ４００）の外観図である。また、図１０は液滴吐出装置の主要な構成手段の一例を表す図である。図９及び図１０の液滴吐出装置は液滴吐出方式（インクジェット方式）による印刷を目的とする。また、いわゆるシリアル型の装置である。図１０において、被印刷物であるプリント紙４１０が支持されるドラム４０１と、プリント紙４１０にインクを吐出し、記録を行う液滴吐出ヘッド４０２とで主に構成される。また、図示していないが、液滴吐出ヘッド４０２にインクを供給するためのインク供給手段がある。プリント紙４１０は、ドラム４０１の軸方向に平行に設けられた紙圧着ローラ４０３により、ドラム４０１に圧着して保持される。そして、送りネジ４０４がドラム４０１の軸方向に平行に設けられ、液滴吐出ヘッド４０２が保持されている。送りネジ４０４が回転することによって液滴吐出ヘッド４０２がドラム４０１の軸方向に移動するようになっている。
【００４８】
一方、ドラム４０１は、ベルト４０５等を介してモータ４０６により回転駆動される。また、駆動制御回路４０は、印刷用データ及び制御信号に基づいて送りネジ４０４、モータ４０６を駆動させる。また、ここでは図示していないが、実施の形態１で説明したようにドライバＩＣ４０から各電極部１２に対する電荷供給を制御して電圧を印加し、各振動板２２を振動させ、吐出量を変化させながらプリント紙４１０に印刷を行わせる。
【００４９】
ここでは液体をインクとしてプリント紙４１０に吐出するようにしているが、液滴吐出ヘッドから吐出する液体はインクに限定されない。例えば、カラーフィルタとなる基板に吐出させる用途においては、カラーフィルタ用の顔料を含む液体、有機化合物等の電界発光素子を用いた表示パネル（ＯＬＥＤ等）の基板に吐出させる用途においては、発光素子となる化合物を含む液体、基板上に配線する用途においては、例えば導電性金属を含む液体を、それぞれの装置において設けられた液滴吐出ヘッドから吐出させるようにしてもよい。また、液滴吐出ヘッドをディスペンサとし、生体分子のマイクロアレイとなる基板に吐出する用途に用いる場合では、ＤＮＡ（Ｄｅｏｘｙｒｉｂｏ Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄｓ ：デオキシリボ核酸）、他の核酸（例えば、Ｒｉｂｏ Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄ：リボ核酸、Ｐｅｐｔｉｄｅ Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄｓ：ペプチド核酸等）タンパク質等のプローブを含む液体を吐出させるようにしてもよい。その他、布等の染料の吐出等にも利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドを分解して表した図である。
【図２】実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドの断面図である。
【図３】実施の形態１に係る電極基板の製造方法を示す製造工程の断面図である。
【図４】図３に続く製造工程を示す断面図である。
【図５】図４に続く製造工程を示す断面図である。
【図６】図５に続く製造工程を示す断面図である。
【図７】実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドの製造方法を示す製造工程の断面図である。
【図８】図７に続く製造工程を示す断面図である。
【図９】液滴吐出ヘッドを用いた液滴吐出装置の外観図である。
【図１０】液滴吐出装置の主要な構成手段の一例を表す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０ 電極基板、１１ 凹部、１２ 電極部、１２ａ 個別電極、１２ｂ 端子部、１３ 実装用凹部、１４ 埋め込み配線、１５ 入力側配線、１６ リザーバ凹部、１７ 液体供給口、２０ キャビティ基板、２１ 吐出室、２２ 振動板、２３ 絶縁膜、２４ 貫通穴、２５ 封止材、２６ 接触防止用凹部、２７ 共通電極端子、２８ 貫通孔、３０ ノズル基板、３１ ノズル、３２ ダイヤフラム、３３ 連通溝、４０ ドライバＩＣ、５０ ＦＰＣ、１００ 耐熱硬質ガラス、１０１ Ｃｒ膜、１０２ Ａｕ膜、１０３ レジスト、１０４ レジスト、１０５ ＩＴＯ膜、１０６ レジスト、１０７ 貫通穴、２００ シリコン基板、２０１ レジスト、２０２ 凹部、４００ プリンタ、４０１ ドラム、４０２ 液滴吐出ヘッド、４０３ 紙圧着ローラ、４０４ 送りネジ、４０５ ベルト、４０６ モータ、４０７ プリント制御手段、４１０ プリント紙。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴を吐出するノズルが形成されたノズル基板と、
前記ノズルと連通し、底壁が振動板となる吐出室が形成されたキャビティ基板と、
前記振動板に隙間を有して対向し、前記振動板と共に静電アクチュエータを構成する個別電極が形成された電極基板とを備えた液滴吐出ヘッドであって、
前記ノズル基板、前記キャビティ基板、前記電極基板はこの順に積層配置され、
前記電極基板の前記個別電極が形成された面に形成され、前記吐出室に液体を供給するリザーバとなるリザーバ凹部と、
前記電極基板の前記個別電極が形成された面の反対面に形成され、前記静電アクチュエータを制御するドライバＩＣを実装する実装用凹部と、
前記実装用凹部の底部において前記電極基板を貫通し、前記ドライバＩＣと前記個別電極とを接続する埋め込み配線と、
前記キャビティ基板に形成され、前記リザーバ凹部と前記吐出室を連通させる貫通穴と、
前記キャビティ基板の前記個別電極と前記埋め込み配線との接続部と対向する位置に形成され、該接続部と前記キャビティ基板との接触を防止する接触防止用凹部と、
を備えることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項２】
請求項１に記載の液滴吐出ヘッドを搭載したことを特徴とする液滴吐出装置。
【請求項３】
液滴を吐出するノズルが形成されたノズル基板と、
前記ノズルと連通し、底壁が振動板となる吐出室が形成されたキャビティ基板と、
前記振動板に隙間を有して対向し、前記振動板と共に静電アクチュエータを構成する個別電極が形成された電極基板とを備えた液滴吐出ヘッドの製造方法であって、
前記電極基板となる第１の基材の前記キャビティ基板と対向する面に金属膜を形成する工程と、
前記第１の基材の前記キャビティ基板と対向する面の反対面に、前記静電アクチュエータを制御するドライバＩＣを実装する実装用凹部を形成する工程と、
前記実装用凹部の底部から、前記金属膜をエッチングストップ層として、エッチングにより前記第１の基材に貫通孔を形成する工程と、
前記金属膜をシード層として、前記貫通孔に金属を埋め込み、前記ドライバＩＣと前記静電アクチュエータの個別電極とを接続する埋め込み配線を形成する工程と、
前記実装用凹部に前記ドライバＩＣを収容して、該ドライバＩＣと前記埋め込み配線とを接続する工程と、
を有することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
【請求項４】
前記キャビティ基板となる第２の基材の前記電極基板と対向する面の、前記埋め込み配線と前記個別電極との接続部と対向する位置に、該接続部と前記第２の基材との接触を防止する接触防止用凹部を形成する工程を有することを特徴とする請求項３に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
【請求項１】
液滴を吐出するノズルが形成されたノズル基板と、
前記ノズルと連通し、底壁が振動板となる吐出室が形成されたキャビティ基板と、
前記振動板に隙間を有して対向し、前記振動板と共に静電アクチュエータを構成する個別電極が形成された電極基板とを備えた液滴吐出ヘッドであって、
前記ノズル基板、前記キャビティ基板、前記電極基板はこの順に積層配置され、
前記電極基板の前記個別電極が形成された面に形成され、前記吐出室に液体を供給するリザーバとなるリザーバ凹部と、
前記電極基板の前記個別電極が形成された面の反対面に形成され、前記静電アクチュエータを制御するドライバＩＣを実装する実装用凹部と、
前記実装用凹部の底部において前記電極基板を貫通し、前記ドライバＩＣと前記個別電極とを接続する埋め込み配線と、
前記キャビティ基板に形成され、前記リザーバ凹部と前記吐出室を連通させる貫通穴と、
前記キャビティ基板の前記個別電極と前記埋め込み配線との接続部と対向する位置に形成され、該接続部と前記キャビティ基板との接触を防止する接触防止用凹部と、
を備えることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項２】
請求項１に記載の液滴吐出ヘッドを搭載したことを特徴とする液滴吐出装置。
【請求項３】
液滴を吐出するノズルが形成されたノズル基板と、
前記ノズルと連通し、底壁が振動板となる吐出室が形成されたキャビティ基板と、
前記振動板に隙間を有して対向し、前記振動板と共に静電アクチュエータを構成する個別電極が形成された電極基板とを備えた液滴吐出ヘッドの製造方法であって、
前記電極基板となる第１の基材の前記キャビティ基板と対向する面に金属膜を形成する工程と、
前記第１の基材の前記キャビティ基板と対向する面の反対面に、前記静電アクチュエータを制御するドライバＩＣを実装する実装用凹部を形成する工程と、
前記実装用凹部の底部から、前記金属膜をエッチングストップ層として、エッチングにより前記第１の基材に貫通孔を形成する工程と、
前記金属膜をシード層として、前記貫通孔に金属を埋め込み、前記ドライバＩＣと前記静電アクチュエータの個別電極とを接続する埋め込み配線を形成する工程と、
前記実装用凹部に前記ドライバＩＣを収容して、該ドライバＩＣと前記埋め込み配線とを接続する工程と、
を有することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
【請求項４】
前記キャビティ基板となる第２の基材の前記電極基板と対向する面の、前記埋め込み配線と前記個別電極との接続部と対向する位置に、該接続部と前記第２の基材との接触を防止する接触防止用凹部を形成する工程を有することを特徴とする請求項３に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−１９０２４２（Ｐ２００９−１９０２４２Ａ）
【公開日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３２７８６（Ｐ２００８−３２７８６）
【出願日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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