JP2007045110A - Manufacturing method for liquid droplet discharging head, and manufacturing method for liquid droplet discharging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液状の材料を吐出する液滴吐出ヘッドの製造方法および液滴吐出装置の製造方法に関する。ここに、「液状の材料」とは、ノズルから吐出可能な粘度を有する材料をいい、材料が水性であると油性であるとを問わない。ノズルから吐出可能な流動性(粘度)を備えていれば十分で、固体物質が混入していても全体として流動体であればよい。 The present invention relates to a method for manufacturing a droplet discharge head that discharges a liquid material and a method for manufacturing a droplet discharge device. Here, the “liquid material” refers to a material having a viscosity that can be discharged from a nozzle, regardless of whether the material is aqueous or oily. It is sufficient if it has fluidity (viscosity) that can be discharged from the nozzle, and even if a solid substance is mixed, it may be a fluid as a whole.
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プレートと、このノズルプレートに接合されノズルプレート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プレートとを備え、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。 As a droplet discharge head for discharging droplets, for example, an inkjet head mounted on an inkjet recording apparatus is known. Ink jet heads generally include a nozzle plate in which a plurality of nozzle holes for discharging ink droplets are formed, and an ink in a discharge chamber, a reservoir, or the like that is joined to the nozzle plate and communicates with the nozzle holes. And a cavity plate in which a flow path is formed, and an ink droplet is ejected from a selected nozzle hole by applying pressure to the ejection chamber by a driving unit. As a driving means, there are a method using an electrostatic force, a piezoelectric method using a piezoelectric element, a bubble jet (registered trademark) method using a heating element, and the like.
近年、静電駆動方式のインクジェットヘッドにおいては、低コスト化、高密度化、吐出特性の安定化が求められている。それを実現するプロセスとして、インク流路のキャビティ部を形成するためのシリコン基板と電極パターンが形成された電極ガラス基板とを接合してから、シリコン基板を薄板化し、その後シリコン基板にウェットエッチングを施すことにより吐出室、リザーバ等となるキャビティ部を形成するプロセスが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
また、ボロンドープ層を有するシリコン基板に高濃度の水酸化カリウム水溶液と低濃度の水酸化カリウム水溶液を用いた2段階のエッチングを施すことにより、吐出室を形成する方法もある(例えば、特許文献2参照)。
In recent years, an electrostatic drive type inkjet head has been required to be low in cost, high in density, and stable in ejection characteristics. As a process to realize this, after joining the silicon substrate for forming the cavity part of the ink flow path and the electrode glass substrate on which the electrode pattern is formed, the silicon substrate is thinned and then wet etching is performed on the silicon substrate. A process for forming a cavity portion serving as a discharge chamber, a reservoir, or the like by applying is proposed (see, for example, Patent Document 1).
There is also a method of forming a discharge chamber by performing two-stage etching using a high concentration potassium hydroxide aqueous solution and a low concentration potassium hydroxide aqueous solution on a silicon substrate having a boron-doped layer (for example, Patent Document 2). reference).
静電駆動方式のインクジェットヘッドにおいて高密度化および吐出特性の安定化ならびに低コスト化を図るためには、キャビティプレートにあっては吐出室の寸法精度、特に幅方向(ノズルピッチ方向)の寸法精度が高い精度で確保されていることが必要である。
しかしながら、上記の従来技術は、いずれもシリコン基板のエッチングマスクをウェットエッチングによりパターニングして吐出室を形成するものであるため、エッチングマスクが垂直に切ることができず、だれが生じ、サイドエッチング量が多くなるため、吐出室の幅精度の低下や間隔壁の欠損等を引き起こすことがあった。
In order to achieve high density, stable discharge characteristics, and low cost in an electrostatically driven inkjet head, the cavity plate has a dimensional accuracy in the discharge chamber, especially in the width direction (nozzle pitch direction). Must be ensured with high accuracy.
However, in each of the above prior arts, the etching mask of the silicon substrate is patterned by wet etching to form the discharge chamber, so that the etching mask cannot be cut vertically, and the amount of side etching is increased. Therefore, the width accuracy of the discharge chamber may be reduced and the gap of the interval wall may be lost.
そこで本発明は、シリコン基板と電極ガラス基板とを陽極接合した後に該シリコン基板に吐出室等のキャビティ部を形成するプロセスにおいて、吐出室の幅精度を向上することができる液滴吐出ヘッドの製造方法および液滴吐出装置の製造方法を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention provides a droplet discharge head that can improve the width accuracy of a discharge chamber in a process of forming a cavity such as a discharge chamber on the silicon substrate after anodically bonding a silicon substrate and an electrode glass substrate. It is an object to provide a method and a manufacturing method of a droplet discharge device.
前記課題を解決するため、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、予め個別電極が形成された電極ガラス基板にシリコン基板を接合した後、そのシリコン基板を薄板化し、その後エッチングマスクをパターニングして吐出室となる凹部をエッチングにより形成する液滴吐出ヘッドの製造方法において、前記エッチングマスクをドライエッチングによりパターニングするものである。 In order to solve the above-described problems, a method for manufacturing a droplet discharge head according to the present invention includes bonding a silicon substrate to an electrode glass substrate on which individual electrodes are formed in advance, then thinning the silicon substrate, and then patterning an etching mask. Then, in the method of manufacturing a droplet discharge head in which the recess that becomes the discharge chamber is formed by etching, the etching mask is patterned by dry etching.
本発明によれば、電極ガラス基板に接合後のシリコン基板を薄板化し、そのシリコン基板に形成されたエッチングマスクをドライエッチングによりパターニングするので、エッチングマスクを垂直に切ることができ、パターンのだれが生じないため、パターンの寸法精度を向上させることができる。そのため、吐出室となる凹部を垂直にエッチングすることができるため、吐出室の幅精度を向上させることができる。 According to the present invention, the silicon substrate after being bonded to the electrode glass substrate is thinned, and the etching mask formed on the silicon substrate is patterned by dry etching. Since it does not occur, the dimensional accuracy of the pattern can be improved. For this reason, since the concave portion that becomes the discharge chamber can be etched vertically, the width accuracy of the discharge chamber can be improved.
また、本発明の液滴吐出ヘッドの製造方法では、前記吐出室となる凹部のシリコンエッチングを、最初はドライエッチングで、最後はウェットエッチングで行うものである。
吐出室となる凹部のシリコンエッチングを、最初はドライエッチングで行うことにより、その凹部の側面を垂直に掘り下げることができる。そして、最後はウェットエッチングで行うことにより、その凹部の底面すなわち振動板の面荒れを抑制することができる。したがって、上記のパターン寸法精度の向上と相俟って、吐出室の幅精度の向上と振動板の表面粗さの低減が可能となり、液滴吐出ヘッドの高密度化および吐出特性の安定化ならびに低コスト化を図ることができる。
Further, in the method for manufacturing a droplet discharge head according to the present invention, the silicon etching of the recess that becomes the discharge chamber is performed first by dry etching and finally by wet etching.
By first performing silicon etching of the concave portion serving as the discharge chamber by dry etching, the side surface of the concave portion can be dug down vertically. Finally, by performing wet etching, the bottom surface of the recess, that is, the surface roughness of the diaphragm can be suppressed. Therefore, in combination with the improvement in the pattern dimension accuracy described above, it becomes possible to improve the width accuracy of the discharge chamber and reduce the surface roughness of the diaphragm, increase the density of the droplet discharge head, stabilize the discharge characteristics, and Cost reduction can be achieved.
また、本発明の液滴吐出ヘッドの製造方法では、前記吐出室となる凹部の底部の厚さが、目標値に近い値になるまではドライエッチングを行い、その後ウェットエッチングに切り替えて目標値になるまでウェットエッチングを行うものである。
これにより、吐出室の幅精度の向上効果および振動板の表面粗さの低減効果を一段と高めることができる。
In the method of manufacturing a droplet discharge head according to the present invention, dry etching is performed until the thickness of the bottom of the concave portion serving as the discharge chamber becomes a value close to the target value, and then the wet etching is switched to the target value. Wet etching is performed until
Thereby, the improvement effect of the width accuracy of a discharge chamber and the reduction effect of the surface roughness of a diaphragm can be improved further.
また、前記吐出室となる凹部のドライエッチングとしては、ICP(Inductively Coupled Plasma)放電による異方性ドライエッチングが好適である。 Further, as the dry etching of the concave portion serving as the discharge chamber, anisotropic dry etching by ICP (Inductively Coupled Plasma) discharge is suitable.
さらにこの場合、エッチングガスとして、SF6およびCF4またはC4F8を用いるのが好ましい。
SF6は凹部の垂直方向のエッチングを促進し、CF4またはC4F8は凹部の側面方向のエッチングが進行しないよう側面を保護する作用がある。したがって、これらのエッチングガスを交互に繰り返し使用することにより、吐出室となる凹部の側面を垂直にエッチングすることができる。
Furthermore, in this case, it is preferable to use SF 6 and CF 4 or C 4 F 8 as the etching gas.
SF 6 promotes the etching of the concave portion in the vertical direction, and CF 4 or C 4 F 8 functions to protect the side surface so that the etching in the side surface direction of the concave portion does not proceed. Therefore, by alternately and repeatedly using these etching gases, the side surfaces of the recesses serving as discharge chambers can be etched vertically.
また、前記吐出室となる凹部のウェットエッチングでは、低濃度の水酸化カリウム水溶液を用いるのが好ましい。
これにより、凹部底面の振動板の面粗さを低減することができるとともに、振動板の厚さを目標値に正確に加工することができる。
Moreover, it is preferable to use a low-concentration potassium hydroxide aqueous solution in the wet etching of the concave portion serving as the discharge chamber.
Thereby, the surface roughness of the diaphragm on the bottom surface of the recess can be reduced, and the thickness of the diaphragm can be accurately processed to a target value.
また、前記エッチングマスクのパターニングは、RIE(Reactive Ion Etching)ドライエッチングにより行うことが適している。 The etching mask is preferably patterned by RIE (Reactive Ion Etching) dry etching.
また、前記シリコン基板として、所要の厚さのボロンドープ層が形成された(110)面方位のシリコン単結晶基板を用いることが適している。
これによって吐出室の側面を垂直にエッチングすることができるとともに、ボロンドープ層の面でエッチングストップが十分に効くようにすることができるため、振動板の厚さを精度よくコントロールすることができる。
Further, as the silicon substrate, it is suitable to use a silicon single crystal substrate having a (110) plane orientation in which a boron-doped layer having a required thickness is formed.
As a result, the side surface of the discharge chamber can be etched vertically, and the etching stop can be sufficiently effective on the surface of the boron doped layer, so that the thickness of the diaphragm can be controlled with high accuracy.
また、本発明の液滴吐出ヘッドの製造方法では、前記シリコン基板にはさらにリザーバとなる凹部がウェットエッチングにより形成され、そのリザーバの底部の厚さを前記吐出室の底部の厚さよりも厚く形成することが好ましい。
リザーバは吐出室よりも底面積が大きいので底部の厚さが同等程度であると底部が割れたりすることがある。したがって、リザーバの底部の厚さを吐出室の底部(すなわち振動板)の厚さよりも厚く形成することで割れを防ぎ、エッチング液が電極間ギャップ内に浸入することを防止することができる。
Further, in the method for manufacturing a droplet discharge head according to the present invention, a recess serving as a reservoir is further formed in the silicon substrate by wet etching, and the thickness of the bottom of the reservoir is made thicker than the thickness of the bottom of the discharge chamber. It is preferable to do.
Since the reservoir has a larger bottom area than the discharge chamber, the bottom may be cracked if the thickness of the bottom is the same. Therefore, by forming the reservoir at the bottom portion thicker than the discharge chamber bottom portion (that is, the diaphragm), it is possible to prevent cracking and prevent the etching solution from entering the gap between the electrodes.
また、本発明の液滴吐出ヘッドの製造方法では、前記電極ガラス基板には前記個別電極の全てと短絡する等電位接点が形成され、前記シリコン基板と陽極接合する際、前記等電位接点が前記シリコン基板に接触するように形成されている。
これにより、陽極接合時、シリコン基板と電極ガラス基板が等電位となるため、両基板の間で短絡を生じることはない。
In the method for manufacturing a droplet discharge head of the present invention, an equipotential contact that is short-circuited with all of the individual electrodes is formed on the electrode glass substrate, and the equipotential contact is anodic bonded to the silicon substrate. It is formed in contact with the silicon substrate.
Thereby, at the time of anodic bonding, since the silicon substrate and the electrode glass substrate are equipotential, no short circuit occurs between the two substrates.
また、本発明の液滴吐出ヘッドの製造方法では、前記電極ガラス基板には前記個別電極が形成される凹部と前記等電位接点が形成される凹部とに連通する大気開放穴が設けられ、該大気開放穴は、前記電極ガラス基板と前記シリコン基板の陽極接合時までは開放され、陽極接合後は閉鎖される。
大気開放穴は、陽極接合時までは開放されているので、陽極接合時に発生するガスを外部に排出することができるため、電極間ギャップ内が正圧とならず、振動板の破損を防止することができる。一方、陽極接合後は、閉鎖されているため、薬液が電極間ギャップ内に浸入することを防止することができる。
In the method for manufacturing a droplet discharge head according to the present invention, the electrode glass substrate is provided with an air opening hole communicating with the recess where the individual electrode is formed and the recess where the equipotential contact is formed, The air opening hole is opened until anodic bonding of the electrode glass substrate and the silicon substrate, and is closed after anodic bonding.
Since the air opening hole is open until anodic bonding, the gas generated during anodic bonding can be discharged to the outside, so the gap between the electrodes does not become a positive pressure and the diaphragm is prevented from being damaged. be able to. On the other hand, since it is closed after anodic bonding, the chemical solution can be prevented from entering the gap between the electrodes.
本発明に係る液滴吐出装置の製造方法は、上記のいずれかの液滴吐出ヘッドの製造方法を用いて液滴吐出装置を製造するものである。
本発明により、安定した吐出特性を有し、高密度で安価な液滴吐出ヘッドが得られるので、同様の効果を持つ液滴吐出装置を提供することができる。
A method for manufacturing a droplet discharge device according to the present invention is a method for manufacturing a droplet discharge device using any one of the above-described methods for manufacturing a droplet discharge head.
According to the present invention, a liquid droplet discharge head having stable discharge characteristics, high density, and low cost can be obtained. Therefore, a liquid droplet discharge device having the same effect can be provided.
以下、本発明の製造方法により製造された液滴吐出ヘッドの実施形態を図面に基づいて説明する。ここでは、液滴吐出ヘッドの一例として、フェイス吐出型の静電駆動方式のインクジェットヘッドについて図1乃至図3を参照して説明する。なお、本発明は、以下の図に示す構造、形状に限定されるものではなく、エッジ吐出型の液滴吐出ヘッドにも同様に適用することができるものである。 Hereinafter, embodiments of a droplet discharge head manufactured by the manufacturing method of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, as an example of the droplet discharge head, a face discharge type electrostatic drive type inkjet head will be described with reference to FIGS. Note that the present invention is not limited to the structure and shape shown in the following drawings, and can be similarly applied to an edge discharge type liquid droplet discharge head.
図1は、本実施形態に係るインクジェットヘッドの概略構成を分解して示す分解斜視図であり、一部を断面で表してある。図2は、図1の右半分の概略構成を示すインクジェットヘッドの断面図である。図3は、図2のインクジェットヘッドの上面図である。なお、図1および図2では、通常使用される状態とは上下逆に示されている。 FIG. 1 is an exploded perspective view showing an exploded schematic configuration of the ink jet head according to the present embodiment, and a part thereof is shown in cross section. FIG. 2 is a cross-sectional view of the inkjet head showing a schematic configuration of the right half of FIG. FIG. 3 is a top view of the inkjet head of FIG. 1 and 2 are shown upside down from a state in which they are normally used.
本実施形態のインクジェットヘッド(液滴吐出ヘッドの一例)10は、図1および図2に示すように、複数のノズル孔11が所定のピッチで設けられたノズルプレート1と、各ノズル孔11に対して独立にインク供給路が設けられたキャビティプレート2と、キャビティプレート2の振動板22に対峙して個別電極31が配設された電極基板3とが貼り合わされた構成となっている。その製造方法については後で詳しく説明する。
As shown in FIGS. 1 and 2, the inkjet head (an example of a droplet discharge head) 10 according to this embodiment includes a
ノズルプレート1は、例えば厚さ180μmのシリコン単結晶基板(以下、単にシリコン基板とも称する)から作製されている。ノズルプレート1は、複数のノズル孔11が設けられる領域に凹部12が形成され、この凹部12の底面にインク液滴を吐出するためのノズル孔11が開口している。すなわち、ノズル部分の長さ(基板厚み)を凹部12により薄肉化することにより各ノズル孔11の流路抵抗を調整している。これにより、均一な吐出性能を確保するとともに、吐出面(凹部12の底面)に記録用紙などの他の物体が直接接触することがないので、記録用紙の汚損やノズル孔11の先端の損傷などを防止することができる。
The
インク滴を吐出するためのノズル孔11は、例えば径の異なる2段の円筒状に形成されたノズル孔部分、すなわち径の小さい噴射口部分11aとこれよりも径の大きい導入口部分11bとから構成されている。噴射口部分11aおよび導入口部分11bは基板面に対して垂直にかつ同軸上に設けられており、噴射口部分11aは先端がノズルプレート1の表面に開口し、導入口部分11bはノズルプレート1の裏面(キャビティプレート2と接合される接合側の面)に開口している。
The nozzle holes 11 for ejecting ink droplets are composed of, for example, two-stage cylindrical nozzle holes having different diameters, that is, an ejection port portion 11a having a smaller diameter and an
上記のように、ノズル孔11を噴射口部分11aとこれよりも径の大きい導入口部分11bとから2段に構成することにより、インク滴の吐出方向をノズル孔11の中心軸方向に揃えることができ、安定したインク吐出特性を発揮させることができる。すなわち、インク滴の飛翔方向のばらつきがなくなり、またインク滴の飛び散りがなく、インク滴の吐出量のばらつきを抑制することができる。また、ノズル密度を高密度化することが可能である。
As described above, the nozzle hole 11 is configured in two stages from the ejection port portion 11a and the
また、ノズルプレート1の図2において下面(キャビティプレート2との接合側の面)にはインク流路の一部を形成するオリフィス(細溝)13が設けられている。また、後述するキャビティプレート2のリザーバ23に対応する位置に凹部により薄肉化されたダイヤフラム部14が設けられている。ダイヤフラム部14はリザーバ23内の圧力変動を抑制するために設けられている。
Further, in FIG. 2 of the
キャビティプレート2は、例えば厚さ約50μmの(110)面方位のシリコン単結晶基板(この基板も以下、単にシリコン基板とも称する)から作製されている。このシリコン基板はボロンドープ層を有し、シリコン基板に異方性ドライエッチングおよび異方性ウェットエッチングを施すことにより、インク流路の吐出室21およびリザーバ23を構成するための凹部24、25が高精度に形成される。凹部24は前記ノズル孔11に対応する位置に独立に複数形成される。したがって、図2に示すようにノズルプレート1とキャビティプレート2を接合した際、各凹部24は吐出室21を構成し、それぞれノズル孔11に連通しており、またインク供給口である前記オリフィス13ともそれぞれ連通している。そして、吐出室21(凹部24)の底壁を構成するボロンドープ層の厚さにより厚さ精度の高い振動板22が構成されている。
The
他方の凹部25は、液状材料のインクを貯留するためのものであり、各吐出室21に共通のリザーバ(共通インク室)23を構成する。そして、リザーバ23(凹部25)はそれぞれオリフィス13を介して全ての吐出室21に連通している。また、リザーバ23の底部には後述する電極基板3を貫通する孔が設けられ、この孔のインク供給口35を通じて図示しないインクカートリッジからインクが供給されるようになっている。
The other recess 25 is for storing liquid material ink, and constitutes a common reservoir (common ink chamber) 23 for each
また、上述のように、キャビティプレート2に(110)面方位のシリコン単結晶基板を用いるのは、このシリコン基板に異方性ドライエッチングと異方性ウエットエッチングの2段階のエッチングを行うことにより、凹部や溝の側面をシリコン基板の上面または下面に対して垂直にかつ高い寸法精度でエッチングすることができるためであり、これによりインクジェットヘッドの高密度化および吐出特性の安定化ならびに低コスト化を図ることができる。
Further, as described above, the (110) orientation silicon single crystal substrate is used for the
また、キャビティプレート2の下面すなわち電極基板3と対向する面にはプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)によりTEOS(Tetraethylorthosilicate Tetraethoxysilane:テトラエトキシシラン、珪酸エチル)膜からなる絶縁膜26が0.1μmの厚さで形成されている。この絶縁膜26は、インクジェットヘッドを駆動させた時の絶縁破壊や短絡を防止する目的で設けられる。
キャビティプレート2の上面すなわちノズルプレート1と対向する面(吐出室21、リザーバ23の内面を含む)には、インク保護膜27となるSiO2膜(TEOS膜を含む)がプラズマCVDまたはスパッタにより形成されている。このインク保護膜27は、インクにより流路の腐食を防ぐために設けられている。
An insulating
On the upper surface of the
電極基板3は、例えば厚さ約1mmのガラス基板から作製される。中でも、キャビティプレート2のシリコン基板と熱膨張係数の近い硼珪酸系の耐熱硬質ガラスを用いるのが適している。これは、電極基板3とキャビティプレート2を陽極接合する際、両基板の熱膨張係数が近いため、電極基板3とキャビティプレート2との間に生じる応力を低減することができ、その結果剥離等の問題を生じることなく電極基板3とキャビティプレート2を強固に接合することができるからである。
The
電極基板3には、キャビティプレート2の各振動板22に対向する面の位置にそれぞれ凹部32が設けられている。凹部32は、エッチングにより深さ約0.2μmで形成されている。そして、各凹部32の底面には、一般に、ITO(Indium Tin Oxide:インジウム錫酸化物)からなる個別電極31が、例えば0.1μmの厚さでスパッタにより形成されている。その際、等電位接点33となるITOパターンも同時に形成されている。
したがって、振動板22と個別電極31との間に形成されるギャップ(空隙)は、この凹部32の深さ、個別電極31および振動板22を覆う絶縁膜26の厚さにより決まることになる。このギャップ(電極間ギャップ)はインクジェットヘッドの吐出特性に大きく影響する。ここで、個別電極31および等電位接点33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用いてもよいが、後述するように等電位接点33も同時に形成できること、ITOは透明であるので放電したかどうかの確認が行いやすいことなどの理由から、一般にITOが用いられる。
The
Therefore, the gap (gap) formed between the
個別電極31は、リード部31aと、フレキシブル配線基板(図示せず)に接続される端子部31bとを有する。これらの端子部31bは、図1乃至図3に示すように、配線のためにキャビティプレート2の末端部が開口された電極取り出し部29内に露出している。
The
上述したように、ノズルプレート1、キャビティプレート2、および電極基板3は、図2に示すように貼り合わせることによりインクジェットヘッド10の本体部が作製される。さらに、振動板22と個別電極31との間に形成される電極間ギャップの開放端部はエポキシ等の樹脂による封止材37で封止される。これにより、湿気や塵埃等が電極間ギャップへ侵入するのを防止することができ、インクジェットヘッド10の信頼性を高く保持することができる。
As described above, the
そして最後に、図2、図3に簡略化して示すように、ICドライバ等の駆動制御回路4が各個別電極31の端子部31bとキャビティプレート2上に設けられた共通電極28とに前記フレキシブル配線基板(図示せず)を介して接続される。
以上により、インクジェットヘッド10が完成する。
Finally, as shown in a simplified manner in FIGS. 2 and 3, a
Thus, the
次に、以上のように構成されるインクジェットヘッド10の動作を説明する。
駆動制御回路4は、個別電極31に電荷の供給および停止を制御する発振回路である。この発振回路は例えば24kHzで発振し、個別電極31に例えば0Vと30Vのパルス電位を印加して電荷供給を行う。発振回路が駆動し、個別電極31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、個別電極31と振動板22間に静電気力(クーロン力)が発生する。したがって、この静電気力により振動板22は個別電極31に引き寄せられて撓む(変位する)。これによって吐出室21の容積が増大する。そして、個別電極31への電荷の供給を止めると振動板22はその弾性力により元に戻り、その際、吐出室21の容積が急激に減少するため、そのときの圧力により吐出室21内のインクの一部がインク滴としてノズル孔11より吐出する。振動板22が次に同様に変位すると、インクがリザーバ23からオリフィス13を通じて吐出室21内に補給される。
Next, the operation of the
The
本実施形態のインクジェットヘッド10は、前述したように、ノズル孔11がノズルプレート1の表面(吐出面)に対して垂直な筒状の噴射口部分11aと、この噴射口部分11aと同軸上に設けられ噴射口部分11aよりも径の大きい導入口部分11bとから構成されているため、インク滴をノズル孔11の中心軸方向に真っ直ぐに吐出させることができ、きわめて安定した吐出特性を有する。
さらに、導入口部分11bの横断面形状を円形や四角形などに形成することができるので、インクジェットヘッド10の高密度化を図ることができる。
As described above, the
Furthermore, since the cross-sectional shape of the
なお、ノズル孔11の噴射口部分11aおよび導入口部分11bの横断面形状は特に限定されるものではなく、角形や円形などに形成される。但し、円形にする方が吐出特性や加工性の面で有利となるので好ましい。
In addition, the cross-sectional shape of the injection port portion 11a and the
次に、このインクジェットヘッド10の製造方法について図4乃至図7を参照して説明する。なお、以下において示す具体的な数値等の物理量はあくまでも一例を示すものであり、これに限定されるものではない。
図4は電極ガラス基板301の一部分を上から見た上面図であり、あるヘッドチップ(インクジェットヘッド)の電極ガラス基板を表している。図5は電極ガラス基板301の等電位接点33部分を拡大して表した断面図である。図6および図7はインクジェットヘッド10の製造方法を示す製造工程の断面図である。なお、図6(a)から(d)までは電極ガラス基板301の等電位接点33部分における断面を示し、図6(e)以降および図7は電極ガラス基板301の個別電極31部分における断面を示す。
Next, a method for manufacturing the
FIG. 4 is a top view of a part of the
まず、図4および図6(a)に示すように、個別電極31と等電位接点33を有する電極基板3の基本となる電極ガラス基板301を作製する。この工程では、ガラス基板300として、例えば厚さ約1mmの硼珪酸系の耐熱硬質ガラス基板を使用し、このガラス基板300に対し、例えば金・クロムのエッチングマスクを使用してフッ酸によってエッチングすることにより、電極部(個別電極31、リード部31a、および端子部31bからなる電極部をいう)の形状パターンに合わせて0.2μmの深さの凹部32を形成する。等電位接点33となる部分については、図4に示すように、ガラス基板300の表面上に接点部を形成するようにエッチングを行わずに、残しておく。したがって、等電位接点33の部分はガラス基板300の表面上に0.1μmの厚さで突出している。ここで、等電位接点33の形状については、電極部とシリコン基板とを接触させて等電位にすることができればその形状は問わない。なお、全ての個別電極用の凹部32と等電位接点用の凹部34は一端部でつながっており、かつガラス基板300を貫通する大気開放穴38と連通している。
そして、凹部32、34の形成後、ガラス基板300の表面に、例えばスパッタ法により0.1μmの厚さで電極部となるITO膜を成膜し、フォトリソグラフィー方式で凹部32の底面に個別電極31を形成するとともに、等電位接点33を凹部34内から延長してガラス基板300の表面上に形成する。また、全ての個別電極31と等電位接点33とは接続部39により短絡するように形成されている。
そして最後に、ガラス基板300の表面側から、例えばサンドブラスト法またはドリル等を用いた切削加工によりインク供給口35および大気開放穴38を形成する。
以上により、電極ガラス基板301が作製される。
First, as shown in FIG. 4 and FIG. 6A, an
Then, after the formation of the
Finally, the
Thus, the
次に、図6(b)に示すように、(110)を面方位とする酸素濃度の低い単結晶シリコン基板の片面を鏡面研磨し、220μmの厚さのシリコン基板200を作製する。
その後、このシリコン基板200に振動板22となるボロンドープ層201を形成する方の面を、B2O3を主成分とする固体の拡散源に対向させて石英ボートにセットする。そして、縦型炉にその石英ボートをセットし、炉内を窒素雰囲気にし、温度を1050℃に上昇させ、そのまま温度を7時間保持して、ボロンをシリコン基板200中に拡散させ、厚さ0.8μmのボロンドープ層201を形成する。ボロンドープ工程では、シリコン基板200の投入温度を800℃とし、シリコン基板の取出し温度も800℃とすることが好ましい。これにより、酸素欠陥の成長速度が速い領域(600℃から800℃)をすばやく通過することができるため、酸素欠陥の発生を抑えることができる。また、ボロンドープ層201の表面にはボロン化合物が形成されるが(図示せず)、酸素及び水蒸気雰囲気中、600℃の条件で1時間30分酸化することで、ふっ酸水溶液によるエッチングが可能なB2O3+SiO2に化学変化させることができる。B2O3+SiO2に化学変化させた状態で、B2O3+SiO2をふっ酸水溶液にてエッチング除去する。
そして、ボロンドープ層201を形成した面にプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法によりTEOS絶縁膜26を0.1μmの厚さで成膜する。TEOS絶縁膜26の成膜は、例えば、温度360℃、高周波出力250W、圧力66.7Pa(0.5Torr)、ガス流量はTEOS流量100cm3/min(100sccm)、酸素流量1000cm3/min(1000sccm)の条件で行う。
次に、成膜したTEOS絶縁膜26の表面にレジストを塗布し、陽極接合時に等電位接点33が接触する窓部26aを開けるためのレジストパターニングを施し、ふっ酸水溶液でエッチングしTEOS絶縁膜26をパターニングする。そしてレジストを剥離する。
Next, as shown in FIG. 6B, one surface of a single crystal silicon substrate having a low oxygen concentration with a plane orientation of (110) is mirror-polished to produce a
Thereafter, the surface on which the boron doped
Then, a
Next, a resist is applied to the surface of the formed
次に、図6(c)に示すように、シリコン基板200と電極ガラス基板301を360℃に加熱した後、電極ガラス基板301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。このとき、図4、図5に示すように、全ての個別電極31に短絡している等電位接点33がTEOS絶縁膜26の窓部26aを介してシリコン基板200のボロンドープ層201に接触しているので、陽極接合時の強電界によるシリコン基板200と個別電極31間の放電短絡等を防ぐことができる。
また、陽極接合時にはシリコン基板と電極ガラス基板の界面でガラスが電気化学的に分解され酸素が発生するケースがある。また加熱によって基板表面に吸着していたガスが発生するケースがある。これらのガスは大気開放穴38から外部へ排出されるので、電極間ギャップ内が正圧になることはない。したがって、後述するように吐出室となる凹部をエッチングにより形成したときに振動板が割れたりするような事態を防止することができる。
Next, as shown in FIG. 6C, after heating the
In addition, during anodic bonding, there are cases where glass is electrochemically decomposed at the interface between the silicon substrate and the electrode glass substrate to generate oxygen. In some cases, gas adsorbed on the substrate surface is generated by heating. Since these gases are discharged to the outside from the
次に、図6(d)に示すように、陽極接合後、シリコン基板200の表面を、シリコン基板200の厚さが約60μmになるまで研削加工を行う。その後、加工変質層を除去するために、32wt%の濃度の水酸化カリウム溶液でシリコン基板200を約10μmエッチングする。これによりシリコン基板200の厚さは約50μmとなる。
なお、この研削工程及び加工変質層除去工程では、大気開放穴38からエッチング液が電極間ギャップ内に入り込まないように、例えば片面保護治具やテープ等を用いて、大気開放穴38を塞いで電極間ギャップ内部を保護する。なお、インク供給口35はこの段階ではシリコン基板200とガラス基板300の接合面で閉鎖されているので、インク供給口35を通じてエッチング液が電極間ギャップ内に入り込むことはない。
Next, as shown in FIG. 6D, after anodic bonding, the surface of the
In this grinding step and work-affected layer removal step, the
次に、図6(e)に示すように、シリコン基板200のエッチング面全面にプラズマCVDを用いてTEOSエッチングマスク204を0.5μmの厚さで成膜する。TEOSエッチングマスク204の成膜は、例えば、温度360℃、高周波出力700W、圧力は33.3Pa(0.25Torr)、ガス流量はTEOS流量100cm3/min(100sccm)、酸素流量1000cm3/min(1000sccm)の条件で行う。
Next, as shown in FIG. 6E, a
次に、図6(f)に示すように、大気開放穴38に例えばエポキシ系接着剤を流し込み、大気開放穴38を封止する。これにより電極間ギャップは密閉状態となり、以後の工程で大気開放穴38から液体および気体が入り込むことはなくなる。
ついで、吐出室に対応する部分21aのTEOSエッチングマスク204をエッチングするために、レジストパターニングを施す。そしてRIE(Reactive Ion Etching)プラズマエッチング装置を用いて、TEOSエッチングマスク204がなくなるまでエッチングし、TEOSエッチングマスク204をパターニングする。エッチング条件は、例えば、高周波出力250W、圧力1.3Pa(0.01Torr)、CHF3ガス流量5cm3/min(5sccm)である。エッチング後、レジストを剥離する。
このように、TEOSエッチングマスク204をドライエッチングによりパターニングすることで、吐出室に対応する部分21aを垂直に開口させることができ、パターン寸法精度を向上させることができる。
Next, as shown in FIG. 6 (f), for example, an epoxy adhesive is poured into the
Next, resist patterning is performed to etch the
Thus, by patterning the
次に、図6(g)に示すように、リザーバ部及び電極取出し部に対応する部分23a、29aのTEOSエッチングマスク204をエッチングするために、レジストパターニングを施す。そしてRIEプラズマエッチング装置を用いて、TEOSエッチングマスク204を0.2μmエッチングし、TEOSエッチングマスク204をパターニングする。エッチング条件は、例えば、高周波出力250W、圧力1.3Pa(0.01Torr)、CHF3ガス流量5cm3/min(5sccm)である。これによりリザーバ部及び電極取出し部に残っているTEOSエッチングマスク204の厚さは0.3μmとなる。この残し厚さは所望のリザーバ部の深さによって変える必要がある。エッチング後、レジストを剥離する。
Next, as shown in FIG. 6G, resist patterning is performed in order to etch the
次に、図6(h)に示すように、ICP(Inductively Coupled Plasma)ドライエッチング装置を用いて、吐出室21となる凹部24の底部の厚さが目標値(例えば0.80μm)に近い値(例えば約5μm)になるまで、シリコン基板200を異方性ドライエッチングする。エッチング条件は、例えば、エッチングプロセスがSF6流量300cm3/min(300sccm)、エッチング時間3秒、チャンバー圧力8Pa、コイルパワー2200W、プラテンパワー55W、プラテン温度30℃で、デポジションプロセスがCF4流量200cm3/min(200sccm)、エッチング時間2.5秒、チャンバー圧力2.7Pa、コイルパワー1800W、プラテン温度30℃である。このエッチングプロセスとデポジションプロセスを組み合わせて1サイクルとし、約30サイクル行う。ここで、SF6は凹部24の垂直方向のエッチングを促進するために使用し、CF4は凹部24の側面方向にエッチングが進行しないように凹部24の側面を保護するために使用する。また、CF4のほかにC4F8を使用することもできる。
Next, as shown in FIG. 6 (h), using an ICP (Inductively Coupled Plasma) dry etching apparatus, the thickness of the bottom of the
次に、図7(i)に示すように、リザーバ部及び電極取出し部のTEOSエッチングマスク204を除去するため、ふっ酸水溶液に接合済み基板(シリコン基板200と電極ガラス基板301との接合後の基板をいう)を浸し、除去する。
次に、図7(j)に示すように、接合済み基板を3wt%の濃度の水酸化カリウム水溶液に浸し、ボロンドープ層201でのエッチングレート低下によるエッチングストップが十分効くまで異方性ウェットエッチングを続ける。前記異方性ドライエッチングと異方性ウェットエッチングを組み合わせた2段階のエッチングを行うことによって、吐出室21の幅の寸法精度が向上し、振動板22の面荒れが抑制され、振動板21の厚さ精度を0.80±0.05μm以下にすることができ、インクジェットヘッドの吐出性能を安定化することができる。またリザーバ23部及び電極取出し部29の厚さが約20μmとなるようにエッチング時間を制御する。
これは、リザーバ部及び電極取出し部は振動板部に比べ、大きな面積を持つため、シリコンエッチングによって底部を薄くしていく場合、従来のように振動板と同じ程度の厚さの薄膜が残るような構造であると、非常に剛性が弱く、機械的な振動や電極間ギャップ内に挟まった異物が押し上げる力等によって、割れる場合があるからである。そこで本実施形態のように、20μm程度の厚さを持たせる構造にすれば、薄膜化していく工程で割れることがなくなり、電極間ギャップ内に薬液が浸入することを防ぐことができる。
Next, as shown in FIG. 7I, in order to remove the
Next, as shown in FIG. 7J, the bonded substrate is immersed in a 3 wt% potassium hydroxide aqueous solution, and anisotropic wet etching is performed until the etching stop due to the etching rate reduction in the boron doped
This is because the reservoir part and electrode extraction part have a larger area than the diaphragm part, so that when the bottom part is thinned by silicon etching, a thin film with the same thickness as the diaphragm remains as before. This is because such a structure has very low rigidity and may be broken by mechanical vibrations or a force that pushes up a foreign substance sandwiched in the gap between the electrodes. Therefore, if a structure having a thickness of about 20 μm is provided as in the present embodiment, it will not break in the thinning process, and the chemical solution can be prevented from entering the gap between the electrodes.
次に、図7(k)に示すように、シリコンエッチングが終了したら、接合済み基板をふっ酸水溶液に浸し、シリコン基板表面のTEOSエッチングマスク204を剥離する。
次に、図7(l)に示すように、電極取出し部29に残っているシリコン薄膜を除去するために、シリコンマスクをシリコン基板表面に取り付け、RFパワー200W、圧力40Pa(0.3Torr)、CF4流量30cm3/min(30sccm)の条件で、RIEドライエッチングを1時間行い、電極取出し部分のみにプラズマを当て、開口する。この時、電極間ギャップ内は大気開放される。
シリコンマスクの装着は接合済み基板とシリコンマスクにピンを通すピンアライメントにより行われる。
Next, as shown in FIG. 7K, after the silicon etching is completed, the bonded substrate is immersed in a hydrofluoric acid aqueous solution, and the
Next, as shown in FIG. 7 (l), in order to remove the silicon thin film remaining on the
The silicon mask is mounted by pin alignment in which pins are passed through the bonded substrate and the silicon mask.
次に、図7(m)に示すように、TEOSインク保護膜27を成膜したい部分(吐出室及びリザーバ部)のみ開口したシリコンマスクをシリコン基板の表面に取り付ける。そして、シリコン基板の上面にプラズマCVD法によりTEOSインク保護膜27を0.1μmの厚さで成膜する。TEOSインク保護膜27の成膜は、例えば、温度360℃、高周波出力250W、圧力66.7Pa(0.5Torr)、ガス流量はTEOS流量100cm3/min(100sccm)、酸素流量1000cm3/min(1000sccm)の条件で行う。TEOSインク保護膜は、プラズマCVD法以外にもスパッタ法によって成膜したSiO2膜でもよい。
シリコンマスクの装着は接合済み基板とシリコンマスクにピンを通すピンアライメントにより行われる。
インク保護膜27にはインクによる流路の腐食を防ぐといった効果のほか、絶縁膜26の応力とインク保護膜27の応力が相殺されるため、振動板部の反りが小さくなるといった効果もある。
また、金属マスク等を用いてAl等の金属からなる共通電極28をスパッタ法によってシリコン基板の表面の端部に形成する。
さらに、電極ガラス基板301のインク供給口35となる孔部からレーザ加工を施してシリコン基板200のリザーバ部の底部を貫通させて、インク供給口35を形成する。
Next, as shown in FIG. 7 (m), a silicon mask having an opening only in a portion (discharge chamber and reservoir portion) where the TEOS ink
The silicon mask is mounted by pin alignment in which pins are passed through the bonded substrate and the silicon mask.
The ink
Further, a
Further, the
次に、図7(n)に示すように、エポキシ樹脂を電極間ギャップの開放端部に沿って流し込み、電極間ギャップを封止する。これによって、電極間ギャップは再び密閉状態になる。また、封止状態の大気開放穴38へ連通する溝(凹部32、34)と個別電極31および等電位接点33は封止材37によって個々に絶縁分離される(図3、図4参照)。
以上により、キャビティプレート2の各部分が作製される。そして、このキャビティプレート2の上面に、図7(o)に示すように、予め作製されたノズルプレート1をエポキシ系接着剤により接着する。
Next, as shown in FIG. 7 (n), epoxy resin is poured along the open end of the interelectrode gap to seal the interelectrode gap. As a result, the gap between the electrodes is again sealed. Further, the grooves (
As described above, each part of the
最後に、図7(p)および図4に示すように、ダイシングライン50に沿ってダイシングを行い、個々のヘッドに切断すれば、図2に示したインクジェットヘッド10の本体部が得られる。この時、陽極接合時には短絡していた個別電極31および等電位接点33は、個々に分断される。また、封止状態の大気開放穴38及びそこに連通するガラス基板上の溝も切断され、完成されたインクジェットヘッド10から分離される。
Finally, as shown in FIG. 7 (p) and FIG. 4, if the dicing is performed along the dicing
図8は、シリコン基板200に対するエッチングマスクのパターンニング方法を従来法と本発明法とを比較した説明図である。
従来法は、レジストパターンを形成後、ふっ酸水溶液を用いて、TEOSエッチングマスクをエッチングし、パターニングを行っていた。この場合、等方的にエッチングされるため、レジスト下のTEOSエッチングマスクも若干エッチングされ、パターンがだれる。この状態でシリコンのエッチングを行うと、サイドエッチングが大きくなったり、パターン寸法精度が低下したりする。
これに対し、本発明法では、RIEプラズマエッチング装置を用いて、ドライエッチングによりTEOSエッチングマスクをパターニングするため、垂直にTEOSエッチングマスクをパターニングすることができる。このため、パターン寸法精度を向上することができる。ちなみに、パターニング精度で比較すると、従来法の±0.6μmに対し、本発明法では±0.1μmであった。
その結果、吐出室の幅精度が向上し、振動板の表面粗さが低減し、振動板の厚さのばらつきが低減する。
FIG. 8 is an explanatory diagram comparing the etching mask patterning method for the
In the conventional method, after forming a resist pattern, a TEOS etching mask is etched using a hydrofluoric acid aqueous solution to perform patterning. In this case, since the etching is isotropic, the TEOS etching mask under the resist is also slightly etched and a pattern is formed. If silicon is etched in this state, side etching increases or pattern dimensional accuracy decreases.
On the other hand, in the method of the present invention, since the TEOS etching mask is patterned by dry etching using an RIE plasma etching apparatus, the TEOS etching mask can be patterned vertically. For this reason, pattern dimension accuracy can be improved. Incidentally, when compared with patterning accuracy, it was ± 0.1 μm in the method of the present invention compared with ± 0.6 μm of the conventional method.
As a result, the width accuracy of the discharge chamber is improved, the surface roughness of the diaphragm is reduced, and variations in the thickness of the diaphragm are reduced.
以上のように、本実施形態のインクジェットヘッドの製造方法によれば、シリコン基板と電極ガラス基板を接合した後に、吐出室等の各部分を形成する方法を用いることで、取り扱いが容易となるため、基板の割れを低減することができ、かつ基板の大口径化が可能となる。大口径化が可能となれば、一枚の基板から多くのインクジェットヘッドを取り出すことができるため、生産性を向上させることができる。
また、吐出室のエッチングマスクをパターニングする際に、ドライエッチング法を用いているため、エッチングマスクのだれがなくなり、吐出室の幅精度を向上させることができる。
そして、吐出室のエッチングをドライエッチングとウェットエッチングの2段階で行うため、吐出室の幅精度を向上しつつ、振動板の表面粗さを低減し、振動板の厚さのばらつきを低減することができる。
さらには、吐出室エッチングの工程で、ドライエッチング法を採用するため、従来のものより薬液に基板が浸される状態が少なくなり、電極間ギャップ内に薬液が入り込む不良を少なくすることができる。
As described above, according to the method of manufacturing the ink jet head of the present embodiment, the method of forming each part such as the discharge chamber after bonding the silicon substrate and the electrode glass substrate facilitates handling. Further, it is possible to reduce the cracking of the substrate and to increase the diameter of the substrate. If the diameter can be increased, a large number of inkjet heads can be taken out from a single substrate, so that productivity can be improved.
In addition, since the dry etching method is used when patterning the etching mask in the discharge chamber, the etching mask is free from dripping and the width accuracy of the discharge chamber can be improved.
Since the discharge chamber is etched in two stages, dry etching and wet etching, the width accuracy of the discharge chamber is improved, the surface roughness of the diaphragm is reduced, and variations in the thickness of the diaphragm are reduced. Can do.
Furthermore, since the dry etching method is employed in the discharge chamber etching process, the state in which the substrate is immersed in the chemical solution is less than that in the conventional method, and defects in which the chemical solution enters the gap between the electrodes can be reduced.
上記の実施形態では、インクジェットヘッドの製造方法について述べたが、本発明は上記の実施形態に限定されるものでなく、本発明の思想の範囲内で種々変更することができる。例えば、ノズル孔より吐出される液状材料を変更することにより、インクジェットプリンタのほか、液晶ディスプレイのカラーフィルタの製造、有機EL表示装置の発光部分の形成、遺伝子検査等に用いられる生体分子溶液のマイクロアレイの製造など様々な用途の液滴吐出装置として利用することができる。 In the above embodiment, the method for manufacturing an ink jet head has been described. However, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made within the scope of the idea of the present invention. For example, by changing the liquid material ejected from the nozzle holes, in addition to inkjet printers, the production of color filters for liquid crystal displays, the formation of light-emitting portions of organic EL display devices, the microarray of biomolecule solutions used for genetic testing, etc. It can be used as a droplet discharge device for various uses such as manufacture of
1 ノズルプレート、2 キャビティプレート、3 電極基板、4 駆動制御回路、10 インクジェットヘッド、11 ノズル孔、12 凹部、13 オリフィス、14 ダイヤフラム部、21 吐出室、22 振動板、23 リザーバ、24 凹部、25 凹部、26 絶縁膜、27 インク保護膜、28 共通電極、29 電極取り出し部、31 個別電極、32 凹部、33 等電位接点、34 凹部、35 インク供給口、37 封止材、38 大気開放穴、39 接続部、200 シリコン基板、201 ボロンドープ層、204 TEOSエッチングマスク、300 ガラス基板、301 電極ガラス基板。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記エッチングマスクをドライエッチングによりパターニングすることを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。 In a method of manufacturing a droplet discharge head, a silicon substrate is bonded to an electrode glass substrate on which individual electrodes have been formed in advance, and then the silicon substrate is thinned, and then an etching mask is patterned to form a recess serving as a discharge chamber by etching. ,
A method of manufacturing a droplet discharge head, wherein the etching mask is patterned by dry etching.
A method for manufacturing a droplet discharge device, comprising: manufacturing a droplet discharge device using the method for manufacturing a droplet discharge head according to claim 1.
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