JP2006199036A - 圧電方式のインクジェットプリントヘッド及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】二つの単結晶シリコン基板上に具現され、上部基板には、インクインレットが貫通形成され、上部基板の底面には、インクインレットと連結されるマニホールドと、その少なくとも一側に配列される複数の圧力チャンバとが形成され、下部基板の上面には、マニホールドと複数の圧力チャンバとのそれぞれの一端部を連結する複数のリストリクタが形成され、下部基板には、複数の圧力チャンバのそれぞれの他端部に対応する位置に複数のノズルが垂直に貫通形成され、上部基板上には、複数の圧力チャンバのそれぞれにインクの吐出のための駆動力を提供する圧電アクチュエータが形成され、下部基板上に上部基板が積層されて互いに接合されることにより、インクインレットとマニホールドとで形成された共通流路とリストリクタ、圧力チャンバ及びノズルからなる個別流路とが形成される。
【選択図】図4
Description
図2に示すように、従来の圧電方式のインクジェットプリントヘッドは、複数の薄いプレート11ないし16を積層して接合することにより形成される。すなわち、プリントヘッドの最下側には、インクを吐出するためのノズル11aが形成された第1プレート11が配置され、その上にマニホールド12a及びインク排出口12bが形成されている第2プレート12が積層され、またその上には、インク流入口13a及びインク排出口13bが形成されている第3プレート13が積層される。そして、第3プレート13には、インク保存庫(図示せず)からマニホールド12aにインクを導入するためのインクインレット17が設けられている。第3プレート13上には、インク流入口14a及びインク排出口14bが形成されている第4プレート14が積層され、その上には両端部がそれぞれインク流入口14a及びインク排出口14bに連通された圧力チャンバ15aが形成されている第5プレート15が積層される。前記のインク流入口13a、14aは、マニホールド12aから圧力チャンバ15aにインクが流入される通路の役割を行い、インク排出口12b、13b、14bは、圧力チャンバ15aからノズル11a側にインクが排出される通路の役割を行う。第5プレート15上には、圧力チャンバ15aの上部を閉鎖する第6プレート16が積層され、その上には、圧電アクチュエータとして駆動電極20及び圧電膜21が形成されている。したがって、第6プレート16は、圧電アクチュエータにより振動する振動板としての機能を行い、その曲がり変形によりその下側の圧力チャンバ15aの体積を変化させる。
図3に示すインクジェットプリントヘッドは、3個のシリコン基板30,40,50が積層されて接合された構造を有する。3個の基板30,40,50のうち上部基板30の底面には、所定深さの圧力チャンバ32が形成されており、その一側には、インク保存庫(図示せず)と連結されたインクインレット31が貫通形成されている。前記圧力チャンバ32は、中間基板40に形成されたマニホールド41の両側に2列に配列されている。そして、上部基板30の上面には、圧力チャンバ32にインクの吐出のための駆動力を提供する圧電アクチュエータ60が形成されている。中間基板40には、インクインレット31と連結されるマニホールド41が形成されており、このマニホールド41の両側に、複数の圧力チャンバ32のそれぞれと連結されるリストリクタ42が形成されている。また、中間基板40には、上部基板30に形成された圧力チャンバ32に対応する位置にダンパー43が垂直に貫通形成されている。そして、下部基板50には、前記ダンパー43と連結されるノズル51が形成されている。
しかし、次第に高い駆動周波数を要求する最近の趨勢及び次第に深化されているコスト競争を鑑みれば、前記の3個の基板を使用して製造されるインクジェットプリントヘッドも、このような要求を十分に満足させ得ないという短所がある。
本発明において、前記複数のリストリクタのそれぞれは、その一端が前記隔壁に隣接するように延びた形状を有しうる。
本発明において、前記圧電アクチュエータは、前記上部基板上に形成される下部電極と、前記下部電極上に前記複数の圧力チャンバのそれぞれの上部に位置するように形成される圧電膜と、前記圧電膜上に形成されて、前記圧電膜に電圧を印加するための上部電極と、を備えうる。
前記上部基板の加工工程で、前記マニホールドは、一方向に長く形成され、前記複数の圧力チャンバは、前記マニホールドの両側に2列に配列されるように形成されうる。この場合、前記マニホールドの内部にその長手方向に延びた隔壁を形成することが望ましい。
この場合、前記上部基板の加工工程は、前記上部基板の上面及び底面のそれぞれにシリコン酸化膜を形成する工程と、前記上部基板の底面に形成されたシリコン酸化膜をパターニングして、前記マニホールドを形成するための第1開口部を形成する工程と、前記上部基板の底面に形成されたシリコン酸化膜をパターニングして、前記複数の圧力チャンバ及びインクインレットを形成するための第2開口部を形成する工程と、前記第2開口部を通じて前記上部基板の底面を所定の深さに1次エッチングする工程と、前記第1開口部及び第2開口部を通じて前記上部基板の底面を前記中間酸化膜が露出されるまで2次エッチングする工程と、を含み得る。
この場合、前記上部基板の加工工程は、前記上部基板の上面及び底面のそれぞれにシリコン酸化膜を形成する工程と、前記上部基板の底面に形成されたシリコン酸化膜をパターニングして、前記マニホールド、前記複数の圧力チャンバ及び前記インクインレットを形成するための開口部を形成する工程と、前記開口部を通じて前記上部基板の底面を前記中間酸化膜が露出されるまでエッチングする工程と、を含み得る。
前記インク導入部は、前記下部基板の上面を所定の深さに異方性湿式エッチングすることによって、前記下部基板の上面から前記インク吐出口側に行くほど順次その断面積が縮小する、実質的にピラミッド状に形成されることが望ましい。
前記接合工程で、前記二つの基板間の接合は、シリコン直接接合方法により行われうる。
第一に、本発明に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドは、二つのシリコン基板に構成されるので、その製造工程がさらに単純化される。これにより、収率が上昇して製造コストが低減しうる。
まず、図7Aに示すように、下部基板200の上面に所定の深さに形成されるリストリクタ220’は、互いに離隔された二つの部分221,222に分けられ、この二つの部分221,222は、上部基板100の底面に所定の深さに形成された連結溝223を通じて互いに連結され得る。
次いで、図7Bに示すように、リストリクタ220”は、図5に示すリストリクタ220に比べて深く、かつ長く形成され得る。すなわち、前記リストリクタ220”は、その一端が前記隔壁125に隣接するように延びた形状を有して、前記マニホールド120と重畳される部分が増加する。
以下では、前記のような構成を有する本発明に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドの作動を説明する。インク保存庫(図示せず)からインクインレット110を通じてマニホールド120の内部に流入されたインクは、複数のリストリクタ220,220’,220”を通じて複数の圧力チャンバ130のそれぞれの内部に供給される。前記圧力チャンバ130の内部にインクが充填されている状態で、圧電アクチュエータ190の上部電極193を通じて圧電膜192に電圧が印加されれば、圧電膜192は変形され、これにより振動板の役割を行う上部基板100の第2シリコン層103が下側に曲がる。前記第2シリコン層103の曲がり変形により圧力チャンバ130の体積が減少し、これによる圧力チャンバ130内の圧力の上昇により、圧力チャンバ130内のインクは、ノズル210を通じて外部へ吐出される。
以下では、前記の構成を有する本発明に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法を説明する。
図9Aに示すように、本実施形態で上部基板100は、単結晶シリコン基板で形成される。これは、半導体素子の製造に広く使用されるシリコンウェーハをそのまま使用できて、量産に効果的である。そして、上部基板100としてSOIウェーハを使用することが、圧力チャンバ(図4の130)の高さを正確に形成できるので望ましい。SOIウェーハは、前記のように、第1シリコン層101と、第1シリコン層101上に形成された中間酸化膜102と、中間酸化膜102上に接着された第2シリコン層103との積層構造を有している。
このようにクリーニングされた上部基板100を湿式及び乾式酸化させれば、上部基板100の上面及び底面には、約5,000Å〜15,000Åの厚さを有するシリコン酸化膜151a,151bが形成される。
図10Aないし図10Gは、上部基板にインクインレット、マニホールド及び圧力チャンバを形成する工程を説明するための断面図である。
まず、図10Aに示すように、上部基板100の底面のシリコン酸化膜151bの表面にフォトレジストPR2を塗布する。次いで、塗布されたフォトレジストPR2をパターニングすることにより、上部基板100の底面にマニホールド(図4の120)を形成するための開口部129を形成する。このとき、上部基板100の底面の端部にアラインメントマークを形成するための開口部149も共に形成され得る。そして、マニホールドの内部に隔壁(図4の125)を形成する場合には、隔壁が形成される部位にフォトレジストPR2を残存させる。
次いで、図10Gに示すように、露出された部位の上部基板100の底面を、シリコン酸化膜151bをエッチングマスクとして2次エッチングすることによって、圧力チャンバ130とマニホールド120とを形成する。このとき、インクインレット(図4の110)も圧力チャンバ130と同じ深さに形成され、アラインメントマーク142は、マニホールド120と同じ深さに形成される。そして、マニホールド120の内部には、これを左右に分離させる隔壁125が形成される。
図11Aに示すように、本実施形態で下部基板200も単結晶シリコン基板で形成される。まず、約650μmの厚さの下部基板200を準備する。次いで、下部基板200をCMPによりその厚さを約245μmに減らした後、下部基板200の全体をクリーニングする。このとき、下部基板200のクリーニングには、前記の有機クリーニング法と、酸クリーニング法と、SC1クリーニング法とが使用されうる。
次いで、図11Bに示すように、下部基板200の底面の端部にアラインメントマーク242を形成できる。前記アラインメントマーク242は、前記の図9Aないし図9Cに示す方法と同じ方法により形成され得る。
そして、図7Bに示すリストリクタ220”を形成する場合には、前記開口部228を、上部基板100に形成された隔壁125に対応する部分に隣接するように延びた形状に形成する。
次いで、図11Gに示すように、露出された部位の下部基板200をシリコン酸化膜251aをエッチングマスクとして所定の深さ、例えば、約230μm〜235μmの深さにエッチングすることによって、ノズルのインク導入部211を形成する。このとき、下部基板200のエッチングは、シリコン用のエッチング液として、例えば、TMAHまたはKOHを使用した湿式エッチング法により行われ得る。それにより、下部基板200の内部の結晶面による異方性湿式エッチングの特性によりピラミッド状のインク導入部211が形成され得る。
これにより、インク導入部211及びインク吐出口212で形成されたノズル210が貫通形成され、リストリクタ220がその上面に形成された下部基板200が完成される。
図12に示すように、前記工程を経て準備された下部基板200上に上部基板100を積層し、それらを互いに接合させる。このとき、二つの基板100,200のそれぞれに形成されたアラインメントマーク141,142,241,242を利用すれば、配列精度が向上し得る。そして、二つの基板100,200の接合は、公知のシリコン直接接合(Silicon Direct Bonding:SDB)法により行われ得る。
図13は、上部基板上に圧電アクチュエータを形成して、本発明に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドを完成する工程を説明するための断面図である。
以上、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明したが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるということが理解できるであろう。例えば、本発明でプリントヘッドの各構成要素を形成する方法は、単に例示されたものであって、多様なエッチング法が適用され、製造方法の各工程の順序も例示されたものと異なり得る。したがって、本発明の真の技術的な保護範囲は、特許請求の範囲によって決まらねばならない。
101 第1シリコン層
102 中間酸化膜
103 第2シリコン層
110 インクインレット
120 マニホールド
125 隔壁
130 圧力チャンバ
180 シリコン酸化膜
190 圧電アクチュエータ
191 下部電極
192 圧電膜
193 上部電極
200 下部基板
210 ノズル
211 インク導入部
212 インク吐出口
220 リストリクタ
Claims (34)
- インクが導入されるインクインレットが貫通形成され、その底面には、前記インクインレットと連結されるマニホールド、及び前記マニホールドの少なくとも一側に配列されて吐出されるインクが充填される複数の圧力チャンバが形成された上部基板と、
その上面には、前記マニホールドと前記複数の圧力チャンバとのそれぞれの一端部を連結する複数のリストリクタが形成され、前記複数の圧力チャンバのそれぞれの他端部に対応する位置には、インクを吐出するための複数のノズルが垂直に貫通形成された下部基板と、
前記上部基板上に形成されて、前記複数の圧力チャンバのそれぞれにインクの吐出のための駆動力を提供する圧電アクチュエータと、を備え、
前記上部基板及び下部基板は、シリコン基板で形成され、前記下部基板上に前記上部基板が積層されて互いに接合されることを特徴とする圧電方式のインクジェットプリントヘッド。 - 前記上部基板は、第1シリコン層、中間酸化膜及び第2シリコン層が順次積層された構造を有するSOIウェーハで形成されたことを特徴とする請求項1に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
- 前記第1シリコン層に前記マニホールド及び前記複数の圧力チャンバが形成され、前記第2シリコン層は、前記圧電アクチュエータの駆動により曲がり変形される振動板としての役割を行うことを特徴とする請求項2に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
- 前記複数の圧力チャンバのそれぞれの深さは、前記第1シリコン層の厚さと実質的に同じであり、前記マニホールドの深さは、前記複数の圧力チャンバのそれぞれの深さより小さいことを特徴とする請求項3に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
- 前記マニホールドは、一方向に長く形成され、前記複数の圧力チャンバは、前記マニホールドの両側に2列に配列されたことを特徴とする請求項1ないし請求項4のうち何れか1項に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
- 前記マニホールドの内部には、その長手方向に延びた隔壁が形成されたことを特徴とする請求項5に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
- 前記複数のリストリクタのそれぞれは、その一端が前記隔壁に隣接するように延びた形状を有することを特徴とする請求項6に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
- 前記複数のリストリクタのそれぞれは、相互離隔された二つの部分に分けられ、前記二つの部分は、前記上部基板の底面に所定の深さに形成された連結溝を通じて互いに連結されることを特徴とする請求項1ないし請求項4のうち何れか1項に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
- 前記圧電アクチュエータは、
前記上部基板上に形成される下部電極と、
前記下部電極上に前記複数の圧力チャンバのそれぞれの上部に位置するように形成される圧電膜と、
前記圧電膜上に形成されて、前記圧電膜に電圧を印加するための上部電極と、を備えることを特徴とする請求項1ないし請求項4のうち何れか1項に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。 - 前記下部電極は、Ti及びPtでそれぞれ形成された二つの金属薄膜層から構成されたことを特徴とする請求項9に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
- 前記上部基板と前記下部電極との間には、絶縁膜としてシリコン酸化膜が形成されたことを特徴とする請求項9に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
- 前記複数のノズルのそれぞれは、
前記下部基板の上面から所定の深さに形成されるインク導入部と、
前記下部基板の底面から前記インク導入部と連通して形成されるインク吐出口と、を備えることを特徴とする請求項1ないし請求項4のうち何れか1項に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。 - 前記インク導入部は、前記下部基板の上面から前記インク吐出口側に行くほどその断面積が縮小する、実質的にピラミッド状に形成されていることを特徴とする請求項12に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
- 単結晶シリコン基板で形成された上部基板と下部基板とを準備する工程と、
準備された前記上部基板を微細加工して、インクが導入されるインクインレットと、前記インクインレットと連結されるマニホールドと、吐出されるインクが充填される複数の圧力チャンバと、を形成する上部基板の加工工程と、
準備された前記下部基板を微細加工して、前記マニホールドと前記複数の圧力チャンバのそれぞれの一端部とを連結する複数のリストリクタと、インクを吐出するための複数のノズルと、を形成する下部基板の加工工程と、
前記下部基板上に前記上部基板を積層して互いに接合する工程と、
前記上部基板上に前記複数の圧力チャンバのそれぞれにインクの吐出のための駆動力を提供する圧電アクチュエータを形成する工程と、を含むことを特徴とする圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。 - 前記上部基板の加工工程及び前記下部基板の加工工程で、前記上部基板と下部基板とのそれぞれに前記接合工程での配列基準として利用されるアラインメントマークを形成することを特徴とする請求項14に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記上部基板の加工工程で、前記マニホールドは、一方向に長く形成され、前記複数の圧力チャンバは、前記マニホールドの両側に2列に配列されるように形成されることを特徴とする請求項14に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記上部基板の加工工程で、前記マニホールドの内部にその長手方向に延びた隔壁を形成することを特徴とする請求項16に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記基板準備工程で、前記上部基板として第1シリコン層、中間酸化膜及び第2シリコン層が順次積層された構造を有するSOIウェーハを準備することを特徴をする請求項14ないし請求項17のうち何れか1項に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記上部基板の加工工程で、前記複数の圧力チャンバ及び前記インクインレットは、前記中間酸化膜をエッチング停止層として前記第1シリコン層をエッチングすることによって形成されることを特徴とする請求項18に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記上部基板の加工工程で、前記マニホールドは、前記複数の圧力チャンバの深さより浅く形成されることを特徴とする請求項19に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記上部基板の加工工程は、
前記上部基板の上面及び底面のそれぞれにシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記上部基板の底面に形成されたシリコン酸化膜をパターニングして、前記マニホールドを形成するための第1開口部を形成する工程と、
前記上部基板の底面に形成されたシリコン酸化膜をパターニングして、前記複数の圧力チャンバ及びインクインレットを形成するための第2開口部を形成する工程と、
前記第2開口部を通じて前記上部基板の底面を所定の深さに1次エッチングする工程と、
前記第1開口部及び第2開口部を通じて前記上部基板の底面を前記中間酸化膜が露出されるまで2次エッチングする工程と、を含むことを特徴とする請求項20に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。 - 前記上部基板の加工工程で、前記マニホールドは、前記複数の圧力チャンバの深さと実質的に同じく形成されることを特徴とする請求項19に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記上部基板の加工工程は、
前記上部基板の上面及び底面のそれぞれにシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記上部基板の底面に形成されたシリコン酸化膜をパターニングして、前記マニホールド、前記複数の圧力チャンバ及び前記インクインレットを形成するための開口部を形成する工程と、
前記開口部を通じて前記上部基板の底面を前記中間酸化膜が露出されるまでエッチングする工程と、を含むことを特徴とする請求項22に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。 - 前記上部基板に対するエッチングは、誘導結合プラズマを利用した反応性イオンエッチング法により行われることを特徴とする請求項21または請求項23に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記上部基板の底面に形成された前記インクインレットは、前記圧電アクチュエータの形成工程後に貫通されることを特徴とする請求項19に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記下部基板の加工工程で、前記複数のリストリクタのそれぞれは、前記下部基板の上面を所定の深さに乾式または湿式エッチングすることによって形成されることを特徴とする請求項14に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記複数のリストリクタのそれぞれは、互いに離隔された二つの部分に分けられて形成されることを特徴とする請求項26に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記下部基板の加工工程で、前記複数のノズルのそれぞれは、
前記下部基板の上面から所定の深さに形成されるインク導入部と、
前記下部基板の底面から前記インク導入部と連通して形成されるインク吐出口と、を備えることを特徴とする請求項14に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。 - 前記インク導入部は、前記下部基板の上面を所定の深さに異方性湿式エッチングすることによって、前記下部基板の上面から前記インク吐出口側に行くほど次第にその断面積が縮小する、実質的にピラミッド状に形成されることを特徴とする請求項28に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記インク吐出口は、前記下部基板の底面を乾式エッチングして前記インク導入部と連通して形成されることを特徴とする請求項28に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記接合工程で、前記二つの基板間の接合は、シリコン直接接合方法により行われることを特徴とする請求項14に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記圧電アクチュエータの形成工程は、
前記上部基板上に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極上に圧電膜を形成する工程と、
前記圧電膜上に上部電極を形成する工程と、
前記圧電膜に電界を加えて圧電特性を発生させるポーリング工程と、を含むことを特徴とする請求項14に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。 - 前記下部電極は、前記上部基板上にTi及びPtをそれぞれ所定の厚さにスパッタリングすることにより形成されることを特徴とする請求項32に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
- 前記圧電膜は、前記下部電極上の前記複数の圧力チャンバのそれぞれに対応する位置にペースト状態の圧電材料を塗布した後、これを焼結させることによって形成されることを特徴とする請求項32に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
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