JP2007118393A - Liquid jet head manufacturing method and liquid jet device provided with liquid jet head - Google Patents
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Description
本発明は、ノズル開口から液体を液滴として吐出可能な液体噴射ヘッドの製造方法、及び、その製造方法によって得られた液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a liquid ejecting head capable of ejecting liquid as droplets from a nozzle opening, and a liquid ejecting apparatus including a liquid ejecting head obtained by the manufacturing method.
液体噴射装置は液体を液滴として吐出可能な液体噴射ヘッドを備え、この液体噴射ヘッドから各種の液体を吐出する装置である。この液体噴射装置の代表的なものとして、例えば、インクジェット式記録ヘッド(以下、記録ヘッドという)を備え、この記録ヘッドから液体状のインクをインク滴として吐出させて記録を行うインクジェット式記録装置(以下、プリンタという)等の画像記録装置を挙げることができる。また、近年においては、この画像記録装置に限らず、ディスプレー製造装置などの各種の製造装置にも応用されている。 The liquid ejecting apparatus includes a liquid ejecting head capable of ejecting liquid as droplets, and ejects various liquids from the liquid ejecting head. As a typical example of this liquid ejecting apparatus, for example, an ink jet recording apparatus that includes an ink jet recording head (hereinafter referred to as a recording head) and performs recording by ejecting liquid ink from the recording head as ink droplets. Hereinafter, an image recording apparatus such as a printer) may be used. In recent years, the present invention is applied not only to this image recording apparatus but also to various manufacturing apparatuses such as a display manufacturing apparatus.
この液体噴射装置の一種であるプリンタに搭載される記録ヘッドとしては、ノズル開口に連通する圧力室と、この圧力室に供給する液体を導入する共通インク室と、この共通インク室と圧力室を連通して共通インク室内のインクを圧力室側に供給するインク供給路とを備え、駆動手段を作動させて圧力室内の液体に圧力変動を生じさせることによって、圧力室内のインクをノズル開口からインク滴として吐出可能に構成されたものがある。この記録ヘッドとしては、種々の駆動方式のものがある。例えば、圧電振動子や発熱素子等の圧力発生素子を備え、この圧力発生素子を作動させることでインク滴を吐出するように構成されているものや、対向電極間に発生する静電気力により、圧力室を区画する弾性面(振動板)を弾性変形させてインク滴を吐出するように構成されているもの等がある(例えば、特許文献1)。 As a recording head mounted on a printer which is a kind of the liquid ejecting apparatus, a pressure chamber communicating with a nozzle opening, a common ink chamber for introducing a liquid to be supplied to the pressure chamber, and the common ink chamber and the pressure chamber are provided. An ink supply path that communicates and supplies the ink in the common ink chamber to the pressure chamber side, and operates the drive means to cause pressure fluctuation in the liquid in the pressure chamber, whereby the ink in the pressure chamber is ejected from the nozzle opening. Some are configured to be ejected as droplets. As this recording head, there are various drive systems. For example, a pressure generating element such as a piezoelectric vibrator or a heating element is provided, and an ink droplet is ejected by operating the pressure generating element, or a pressure generated by an electrostatic force generated between opposing electrodes. There is one configured to eject an ink droplet by elastically deforming an elastic surface (vibration plate) that partitions a chamber (for example, Patent Document 1).
このような静電気力を駆動手段とする記録ヘッドでは、振動板の弾性変形の特性がインク滴の吐出特性に大きく影響するため、Si基板をエッチングして形成した振動板の厚みにムラがあると振動板内での剛性が一定とならず、吐出特性が安定しないという問題があった。そこで、エッチング面の表面粗度を小さくし、振動板の厚み精度を向上させるべく、高濃度ボロンドープ層が形成され、酸化膜がパターンニングされているSi基板を35wt%水酸化カリウム水溶液で高濃度ボロンドープ層に達する直前までエッチングし、次いで5wt%水酸化カリウム水溶液でエッチングを継続してエッチングストップさせる記録ヘッド製造方法が採られるようになった(例えば、特許文献2)。 In a recording head that uses such electrostatic force as a driving means, the elastic deformation characteristics of the vibration plate greatly affect the ink droplet ejection characteristics. Therefore, if the thickness of the vibration plate formed by etching the Si substrate is uneven. There was a problem that the rigidity in the diaphragm was not constant and the discharge characteristics were not stable. Therefore, in order to reduce the surface roughness of the etched surface and improve the thickness accuracy of the diaphragm, the Si substrate on which the high concentration boron-doped layer is formed and the oxide film is patterned is highly concentrated with a 35 wt% potassium hydroxide aqueous solution. A recording head manufacturing method has been adopted in which etching is performed immediately before reaching the boron-doped layer, and then etching is continued with a 5 wt% potassium hydroxide aqueous solution to stop etching (for example, Patent Document 2).
しかしながら、上記各文献の製造方法では、吐出特性の安定しない記録ヘッドは減少したが、依然としてなくなることはなかった。そして、この吐出特性の安定しない原因を追及したところ、流路形成基板における振動板をエッチングによって製作する際に、基材となるSi基板(Siウェハー)の外周に位置するエッチング面に発生する凸状エッチング残りに起因していると推測された。そこで、この凸状エッチング残りのない振動板を備えた記録ヘッドの吐出特性を検査したところ、吐出特性が安定していることがわかった。 However, in the manufacturing methods of the above-mentioned documents, the number of recording heads with unstable ejection characteristics has been reduced, but it has not disappeared. Then, in pursuit of the cause of the unstable discharge characteristics, when the diaphragm in the flow path forming substrate is manufactured by etching, the protrusion generated on the etching surface located on the outer periphery of the Si substrate (Si wafer) as the base material. It was presumed to be caused by the residual etching. Therefore, when the ejection characteristics of the recording head provided with the vibration plate having no convex etching residue were inspected, it was found that the ejection characteristics were stable.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、エッチングによって作製される振動板の凸状エッチング残りの発生を防止することで吐出特性を安定させた液体噴射ヘッドの製造方法、及び、その液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a liquid ejecting head in which ejection characteristics are stabilized by preventing occurrence of convex etching residue of a vibration plate produced by etching. A manufacturing method and a liquid ejecting apparatus including the liquid ejecting head are provided.
本発明の液体噴射ヘッドの製造方法は、上記目的を達成するために提案されたものであり、液滴を吐出するノズル開口に連通する圧力室と該圧力室の少なくとも一方の面を区画する振動板とを有する流路形成基板と、前記振動板を変形させることで圧力室の容積を変化させる駆動手段を備え、前記流路形成基板がSi基板からなる液体噴射ヘッドの製造方法であって、
前記Si基板の一方の面に高濃度p型不純物層が形成され、その面とは反対の面から前記Si基板の途中まで、濃度を30wt%以下に調整したエッチング液でエッチングする第1のエッチング工程を行い、その後、前記第1のエッチング工程でエッチングしたところから前記高濃度p型不純物層に到達するまで前記第1のエッチング工程で用いたエッチング液より濃度の低いエッチング液でエッチングをする第2のエッチング工程を行うことで、前記流路形成基板の圧力室と、前記振動板を形成することを特徴とする。
なお、「30wt%以下」については、0%を含まないものとする。
The method of manufacturing a liquid jet head according to the present invention has been proposed to achieve the above-described object, and includes a pressure chamber communicating with a nozzle opening for discharging droplets and a vibration partitioning at least one surface of the pressure chamber. A liquid jet head manufacturing method comprising: a flow path forming substrate having a plate; and a driving unit that changes the volume of the pressure chamber by deforming the vibration plate, wherein the flow path forming substrate is made of an Si substrate.
A high-concentration p-type impurity layer is formed on one surface of the Si substrate, and etching is performed with an etching solution whose concentration is adjusted to 30 wt% or less from the surface opposite to the surface to the middle of the Si substrate. And then etching is performed with an etchant having a lower concentration than the etchant used in the first etching step until the high-concentration p-type impurity layer is reached after the etching in the first etching step. The pressure chamber of the flow path forming substrate and the vibration plate are formed by performing the
Note that “30 wt% or less” does not include 0%.
上記方法によれば、前記Si基板の一方の面に高濃度p型不純物層が形成され、その面とは反対の面から前記Si基板の途中まで、濃度を30wt%以下に調整したエッチング液でエッチングする第1のエッチング工程を行い、その後、前記第1のエッチング工程でエッチングしたところから前記高濃度p型不純物層に到達するまで前記第1のエッチング工程で用いたエッチング液より濃度の低いエッチング液でエッチングをする第2のエッチング工程を行うことで、前記流路形成基板の圧力室と、前記振動板を形成するので、前記振動板のエッチングにより作られた圧力室側の底面の表面粗度を小さくでき、且つ、その面の凸状エッチング残りの最大高さを抑えることができる。これにより、振動板の厚みを高精度とすることができ、且つ、振動板の凸状エッチング残りの最大高さも許容範囲以下に抑えることができるので、振動板内の剛性を一定にすることができる。したがって、振動板の弾性変形を均一にでき、液体噴射ヘッドの吐出特性をより安定させることができる。 According to the above method, the high-concentration p-type impurity layer is formed on one surface of the Si substrate and the concentration is adjusted to 30 wt% or less from the surface opposite to the surface to the middle of the Si substrate. Etching is performed at a lower concentration than the etching solution used in the first etching process until the high-concentration p-type impurity layer is reached after the etching in the first etching process is performed after the first etching process is performed. Since the pressure chamber of the flow path forming substrate and the vibration plate are formed by performing the second etching step of etching with a liquid, the surface roughness of the bottom surface on the pressure chamber side made by etching of the vibration plate is formed. The degree can be reduced and the maximum height of the convex etching residue on the surface can be suppressed. Thereby, the thickness of the diaphragm can be made highly accurate, and the maximum height of the remaining convex etching of the diaphragm can be suppressed to an allowable range or less, so that the rigidity in the diaphragm can be made constant. it can. Accordingly, the elastic deformation of the diaphragm can be made uniform, and the ejection characteristics of the liquid ejecting head can be further stabilized.
上記方法において、前記エッチング液は、水酸化カリウム水溶液であることが望ましい。 In the above method, the etching solution is preferably an aqueous potassium hydroxide solution.
また、上記各方法において、前記第2のエッチング工程で用いられるエッチング液の濃度が、0.5〜10wt%であることが望ましい。 In each of the above methods, the concentration of the etching solution used in the second etching step is preferably 0.5 to 10 wt%.
上記方法によれば、第2のエッチング工程で用いられるエッチング液の濃度を、0.5〜10wt%としたので、エッチングにより高濃度p型不純物層が露出した時点で、高濃度p型不純物層でエッチングレートを急激に低下させることができ、確実にエッチングストップすることができる。したがって、高濃度p型不純物層で構成される振動板をさらに高精度で形成することができる。 According to the above method, since the concentration of the etchant used in the second etching step is 0.5 to 10 wt%, the high concentration p-type impurity layer is exposed when the high concentration p-type impurity layer is exposed by etching. Thus, the etching rate can be drastically reduced and the etching can be surely stopped. Therefore, the diaphragm composed of the high concentration p-type impurity layer can be formed with higher accuracy.
また、上記各方法において、前記高濃度p型不純物層が高濃度ボロンドープ層であることを特徴とする。 In each of the above methods, the high concentration p-type impurity layer is a high concentration boron doped layer.
また、本発明の液体噴射装置は、液滴を吐出するノズル開口に連通する圧力室と該圧力室の少なくとも一方の面を区画し、上記各方法の何れかの液体噴射ヘッドの製造方法で前記Si基板をエッチングすることにより形成された振動板とを有する流路形成基板と、前記振動板を変形させることで圧力室の容積を変化させる駆動手段を備えた液体噴射ヘッドを有する。 Further, the liquid ejecting apparatus of the invention divides a pressure chamber communicating with a nozzle opening for discharging droplets and at least one surface of the pressure chamber, and the liquid ejecting head manufacturing method according to any one of the above methods The liquid ejection head includes a flow path forming substrate having a vibration plate formed by etching the Si substrate, and a driving unit that changes the volume of the pressure chamber by deforming the vibration plate.
上記構成によれば、上記流路形成基板における振動板の厚みを高精度とすることができ、且つ、振動板の凸状エッチング残りの最大高さも許容範囲以下に抑えることができるので、この振動板内の剛性を一定にすることができる。したがって、振動板の弾性変形を均一にでき、液体噴射ヘッドの吐出特性をより安定させることができる。これにより、この液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置においては、記録画像の画質安定化を図ることができる。 According to the above configuration, the thickness of the diaphragm in the flow path forming substrate can be made highly accurate, and the maximum height of the remaining convex etching of the diaphragm can be suppressed to an allowable range or less. The rigidity in the plate can be made constant. Accordingly, the elastic deformation of the diaphragm can be made uniform, and the ejection characteristics of the liquid ejecting head can be further stabilized. As a result, in the liquid ejecting apparatus including the liquid ejecting head, the image quality of the recorded image can be stabilized.
上記構成において、前記振動板の前記圧力室側の面の表面粗度(PV)が、0.2μm以下の粗面であることを特徴とする。 The said structure WHEREIN: The surface roughness (PV) of the surface by the side of the said pressure chamber of the said diaphragm is a rough surface below 0.2 micrometer, It is characterized by the above-mentioned.
また、上記各構成において、前記振動板の前記圧力室側の面に発生する凸状エッチング残りの最大高さが、0.35μm以下であることを特徴とする。 In each of the above-described configurations, the maximum height of the convex etching residue generated on the pressure chamber side surface of the diaphragm is 0.35 μm or less.
上記これらの構成によれば、振動板の厚みムラを抑えて厚み精度が高くなるので、振動板内の剛性を一定にすることができる。したがって、振動板の弾性変形を均一にでき、液体噴射ヘッドにおける吐出特性を安定させることができる。 According to the above-described configurations, thickness unevenness of the diaphragm is suppressed and thickness accuracy is increased, so that the rigidity in the diaphragm can be made constant. Accordingly, the elastic deformation of the diaphragm can be made uniform, and the ejection characteristics of the liquid ejecting head can be stabilized.
以下、本発明を実施するための最良の形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以
下に述べる実施の形態では、本発明の好適な具体例として種々の限定がされているが、本
発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの
態様に限られるものではない。また、以下においては、本発明の液体噴射装置として、イ
ンクジェット式記録装置(インクジェット式プリンタ:以下、プリンタという)を例に挙げて説明する。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In the embodiments described below, various limitations are made as preferred specific examples of the present invention. However, the scope of the present invention is not limited to the following description unless otherwise specified. However, the present invention is not limited to these embodiments. In the following description, an ink jet recording apparatus (ink jet printer: hereinafter referred to as a printer) will be described as an example of the liquid ejecting apparatus of the invention.
図1は、プリンタ1の基本構成を説明する斜視図である。この図1に示すように、プリンタ1は、液体噴射ヘッドの一種である記録ヘッド2が取付けられると共に、インクカートリッジ3が着脱可能に取り付けられるキャリッジ4と、記録ヘッド2の下方に配設されたプラテン5と、記録ヘッド2(キャリッジ4)を記録紙6(吐出対象物の一種)の紙幅方向に移動させるキャリッジ移動機構7と、ヘッド移動方向に直交する方向である紙送り方向に記録紙6を搬送する紙送り機構8等を備えて概略構成されている。ここで、紙幅方向とは、主走査方向であり、紙送り方向とは、副走査方向である。なお、インクカートリッジ3としては、キャリッジ4に装着するタイプでも、或いはプリンタ1の筐体側に装着してインク供給チューブを介して記録ヘッド2に供給するタイプでもよい。以下、この記録ヘッド2について説明する。
FIG. 1 is a perspective view illustrating the basic configuration of the printer 1. As shown in FIG. 1, the printer 1 is provided with a
図2は、本実施形態の記録ヘッド2の構成を示す分解斜視図であり、図3は、記録ヘッド2の圧力室長手方向の断面図である。記録ヘッド2(ヘッドチップ)は、シリコン製の流路形成基板12の一方の面に、ガラス製の電極基板14を、流路形成基板12の他方の面に、シリコン製のノズル形成基板13を各々配置して積層し、各部材間を接着剤によって接合することで3層構造となっている。
FIG. 2 is an exploded perspective view showing the configuration of the
上記ノズル形成基板13は、ドット形成密度に対応したピッチ(例えば180dpi)で複数のノズル開口15を列状に開設した板材である。上記流路形成基板12には、その表面から異方性エッチングを施すことにより、インク流路となる溝部が形成されており、この溝部の開口部分がノズル形成基板13によって塞がれることにより、各ノズル開口15に対応して設けられた複数の圧力室16、各圧力室共通のインクが導入される共通インク室17、及び、共通インク室17と各圧力室16とを連通するインク供給路18から成る一連のインク流路が区画される。
The
この流路形成基板12において、共通インク室17となる溝部の底面には、基板厚さ方向に貫通したインク導入口24が開設されている。また、各圧力室16となる溝部の底面には、ヘッド積層方向(図3において上下方向)に弾性変位可能な弾性面として機能する振動板19が形成されている。すなわち、この振動板19は、圧力室16の少なくとも一方の面を区画するように構成される。そして、流路形成基板12には共通電極端子20が形成されており、この流路形成基板12は導電性を有するので、上記振動板19は、共通電極としても機能するようになっている。なお、流路形成基板12における電極基板14が接合される面には、無機ガラスからなる絶縁層(図示せず)が設けられている。また、本実施形態において、流路形成基板12は、Si基板をエッチング処理することによって作製される。この点については、後で詳述する。
In the flow
上記電極基板14は、ホウ珪酸ガラスによって作製されている。このホウ珪酸ガラスは、熱膨張率がシリコンと同程度である。このため、温度変化によるヘッド構成部材間の剥離が生じ難くなっている。この電極基板14の流路形成基板12に接合される面において、圧力室16の振動板19に対向する位置には、トレイ状に浅くエッチングされた凹部14aが、各圧力室16に対応して形成されている。この凹部14aの底面には、インジウムスズ酸化物(ITO)などの薄膜を積層して形成された個別電極21がそれぞれ敷設されている。各個別電極21は、各圧力室16に対応して延在するセグメント電極21aと、外部に露出している電極端子部21bとから構成されている。そして、電極基板14を流路形成基板12に接合すると、各圧力室16の振動板19と各個別電極21のセグメント電極21aとが、狭小な隙間を形成した状態でそれぞれ対向する。この隙間は封止材22によって封止されて密閉状態となっている。
The
また、この電極基板14には、基板厚さ方向を貫通したインク導入路23が形成されており、このインク導入路23は、流路形成基板12との接合状態でインク導入口24と連通するようになっている。このインク導入路23とインク導入口24を通じて、例えばプリンタ1側に設けられたインクタンク(図示せず)からのインクが共通インク室17内に導入されるようになっている。そして、共通インク室17のインクは、この共通インク室17から分岐したインク供給路18を通って各圧力室16に分配供給される。
The
流路形成基板12の共通電極端子20と、電極基板14の個別電極21との間には、駆動電圧供給源25が電気的に接続されている。この駆動電圧供給源25によって、各個別電極21と共通電極端子20との間に駆動電圧が印加される。これにより、共通電極として機能する振動板19と個別電極21との間に静電気力が発生し、この静電気力によって、振動板19が弾性変形して個別電極21側に撓み、セグメント電極21aの表面に吸着する。この結果、圧力室16の容積が増加して、インク供給路18を通じて共通インク室17側からインクが圧力室16内に流入する。そして、駆動電圧供給源25からの駆動電圧が非印加状態となって静電気力が解除されると、振動板19はその弾性力によってセグメント電極21aの表面から離れて初期状態に復帰する。その結果、圧力室16の容積が急激に減少する。これにより、圧力室16内のインクに圧力変動が生じ、この圧力変動によって圧力室16内のインクの一部が、ノズル開口15からインク滴として吐出される。即ち、振動板19、共通電極端子20、個別電極21、及び駆動電圧供給源25は、本発明における駆動手段として機能する。
A drive
本実施形態の記録ヘッド2における振動板19は、高濃度p型不純物層であって、例えば、2μmの板厚に設定している。なお、高濃度p型不純物層を形成する不純物としては、ボロン・ガリウム・アルミニウム等があるが、半導体分野においてはp型不純物を形成する不純物としてボロンが一般的であり、本実施形態においてもボロンを不純物としている。したがって、本発明における高濃度p型不純物層は、高濃度ボロンドープ層としている。
The
次に、高濃度p型不純物層を高濃度ボロンドープ層とした場合の流路形成基板12を作製するための基材となるSi基板としての基板28の作製方法について説明する。図4は、基板28の断面図であり、拡散工程図である。
Next, a method for manufacturing the
まず、(110)面を面方位とするSi基板の両面を鏡面研磨し、厚さ180μmの基板28を作製する(図4(a))。この基板28を熱酸化炉に投入し、酸素及び水蒸気雰囲気中で1100℃、4時間の熱酸化処理を施し、基板28の表面に1.2μmの酸化膜29を形成する(図4(b))。次に、基板28の高濃度ボロンドープ層を形成する一方の面30を除いた他の表面にレジストをコーティングし、このレジストを保護膜として一方の面30に形成された酸化膜29をフッ酸水溶液にて除去した後に、基板28の一方の面30を除いた他の表面にコーティングされたレジストを除去する(図4(c))。ここで、拡散源となるB2O3を有機溶剤中に、例えば、3.15wt%で分散させた拡散剤32を、酸化膜29を除去した一方の面30に2000rpm、1分間の条件でスピンコーティングし、クリーンオーブン中で140℃、30分間ベークする。このときの拡散剤32の厚みは、1.2μmとなる(図4(d))。
First, both surfaces of a Si substrate having a (110) plane as a plane orientation are mirror-polished to produce a
そして、この拡散剤32を一方の面30にコーティングした基板28を熱酸化炉にセットし、酸素雰囲気中、600℃の条件で加熱し、拡散剤32中の有機バインダーを酸化除去し、B2O3を焼成する。引き続き熱酸化炉内を窒素雰囲気にし、温度を1100℃に上昇させ、そのままの温度を8時間保持し、ボロンを基板28中に拡散させ、高濃度ボロンドープ層33を形成する。このとき拡散剤32(B2O3)と一方の面30に形成された高濃度ボロンドープ層33の界面にボロン化合物34が形成される(図4(e))。
Then, the
再び高濃度ボロンドープ層33を形成した一方の面30を除いた他の表面にレジストをコーティングし、拡散剤32をフッ酸水溶液によりエッチング除去する(図4(f))。ここで、基板28の一方の面30に現れたボロン化合物34は耐エッチング性が高く、ウェットエッチングによる除去が不可能なため、次のような手段で除去する。まず、基板28のレジストを剥離した後、基板28を熱酸化炉にセットし、酸素及び水蒸気雰囲気中、600℃でボロン化合物34を1時間酸化し、フッ酸水溶液によってエッチングが可能なB2O3+SiO2に化学変化させる。なお、酸化の温度が低いため拡散が進行することはないので、ボロン化合物34を酸化せずにドライエッチングで除去することも可能である。そして、拡散面のボロン化合物を酸化してB2O3+SiO2に化学変化させた状態でさらに熱酸化して、高濃度ボロンドープ層33側に1.2μmの酸化膜35を形成する(図4(g))。続けて、基板28の一方の面30の反対の他方の面に形成された酸化膜29に圧力室16や共通インク室17等を作り込むためのレジストパターニングを施し、フッ酸水溶液でエッチングし、酸化膜29をパターニングする。その後、基板28のレジストを剥離する。このようにして、流路形成基板12の基材となる基板28が作製される(図4(h))。
The resist is coated on the other surface except the one
なお、本実施形態では、上述したように、高濃度ボロンドープ層33を塗布法で形成した方法を例示したが、これに限らず、ボロン拡散板をSi基板に対向させて熱拡散を行う方法を用いてもよい。
In the present embodiment, as described above, the method of forming the high-concentration boron-doped
また、本実施形態では、上記の高濃度p型不純物を拡散した基板28のドーパントがボロンの場合、高濃度(約5×1019cm−3以上)の領域において、アルカリによるSiエッチングにおけるエッチングレートが非常に小さくなることを利用して、異方性エッチングにより流路形成基板12が作製される。すなわち、振動板19の形成領域を基板28の高濃度ボロンドープ層33とし、アルカリ異方性エッチングにより圧力室16や共通インク室17等を形成する際に、高濃度ボロンドープ層33が露出した時点でエッチングレートが極端に小さくなる、いわゆるエッチングストップ技術により、流路形成基板12の振動板19を、例えば、2μmの板厚に作製するものである。以下、この振動板19と圧力室16の作製方法について説明する。
Further, in the present embodiment, when the dopant of the
図5は、流路形成基板12の製造工程を構成するエッチングの工程図であり、図6は、第1のエッチング工程に用いる水酸化カリウム水溶液の濃度とエッチング面(エッチングストップ時のエッチング面40)の表面粗度(PV)・凸状エッチング残りの最大高さとの関係を示すグラフである。
FIG. 5 is an etching process diagram that constitutes the manufacturing process of the flow
本実施形態の記録ヘッド2における流路形成基板12は、Si基板である基板28の一方の面30に高濃度p型不純物層として高濃度ボロンドープ層33が形成され、その一方の面30と反対の面(他方の面31)から基板28の途中まで、濃度を30wt%以下に調整したエッチング液でエッチングする第1のエッチング工程を行い、その後、第1のエッチング工程でエッチングをしたところから高濃度ボロンドープ層33に到達するまで、第1のエッチング工程で用いたエッチング液より濃度の低いエッチング液でエッチングをする第2のエッチング工程を行うことで、圧力室16と該圧力室16の少なくとも一方の面を区画する振動板19とを形成している。なお、本実施形態のエッチング液は、一般的にSi基板のエッチングに用いられる水酸化カリウム水溶液とする。また、「30wt%以下」については、0wt%を含まないものとする。
The flow
ここで、本実施形態においては、振動板19のエッチング面40に凸状エッチング残りの最大高さを抑えるため、第1のエッチング工程に用いるエッチング液(水酸化カリウム水溶液)の濃度を如何に設定するかが肝要であり、図6に示すように、水酸化カリウム水溶液の濃度とエッチング面40の表面粗度(PV)・凸状エッチング残りの最大高さとの関係の実験結果から、30wt%以下と定めている。これは、エッチングによりSi基板(Siウェハー)の外周に位置するエッチング面に発生する凸状エッチング残りの発生を防止するに当たって、エッチングに用いる水酸化カリウム水溶液の濃度と凸状エッチング残りの発生とに因果関係があることが判明したため、その実験を行うことによって、エッチング面の表面粗度を小さく抑えつつ、凸状エッチング残りの生じ難い水酸化カリウム水溶液の濃度の範囲を定めたものである。具体的には、従来のエッチング工程で用いられていた濃度35wt%の水酸化カリウム水溶液では、エッチングストップ時のエッチング面40(圧力室16の底面)の表面粗度PV=0.10μmの粗面となり、振動板19の厚みムラを抑えることはできるが、凸状エッチング残りの最大高さが、厚みが2.00μmの振動板19に対して約3.00μmとなり、これにより、振動板19内の剛性が一定でなくなる。したがって、振動板19の弾性変形が均一でなくなり、記録ヘッド2の吐出特性が不安定となっていた。そして、図6に示すように、この水酸化カリウム水溶液の濃度が30wt%より大きくなると、凸状エッチング残りの最大高さが、記録ヘッド2の吐出特性が不安定となる1.00μm以上となることがわかる。そこで、第1のエッチング工程に用いる水酸化カリウム水溶液を濃度30wt%以下に調整することで、振動板19のエッチング面40の表面粗度PV=0.20μm以下の粗面、且つ、凸状エッチング残りの最大高さが0.35μm以下にできることがわかった。そして、この濃度の条件で作製した振動板19を備えた記録ヘッド2を用いて吐出特性検査を行ったところ、記録ヘッド2の吐出特性が安定することが確認できた。これにより、本実施形態における記録ヘッド2は、振動板19の圧力室側の面が表面粗度PV=0.20μm以下の粗面、且つ、凸状エッチング残りの最大高さが0.35μm以下のものを良品としている。
Here, in the present embodiment, in order to suppress the maximum height of the convex etching residue on the
ところで、第1のエッチング工程に用いる水酸化カリウム水溶液は、濃度を低くするほど凸状エッチング残りの発生を抑えられるが、ただ単にその濃度を低くすればよいものではなく、図6に示すように、特にその濃度が25wt%以下となると、エッチング面40の表面粗度PV=0.30μmの粗面となり、厚みムラにより振動板19内の剛性が一定にならず、従来と同様に、弾性変形が均一でなくなることで記録ヘッド2の吐出特性が不安定になってしまう。したがって、本発明における第1のエッチング工程におけるエッチング液(水酸化カリウム水溶液)の濃度は、振動板の弾性変形の特性を考慮するとエッチング面の表面粗度と凸状エッチング残りの最大高さとのバランスが肝要であり、上記の実験結果より25wt%以上、30wt%以下と設定することが望ましい。
特に、個々の製品バラツキを考慮すると、量産ではエッチング液の濃度を、凸状エッチング残りが殆ど発生しなくなる27〜28.5wt%とすることが好ましい。以下は、実験によりエッチング面の表面粗度と凸状エッチング残りの最大高さとの最もバランスの良いとされる28.5wt%の濃度の水酸化カリウム水溶液を例に挙げて、エッチング工程について説明する。
By the way, the potassium hydroxide aqueous solution used in the first etching step can suppress the occurrence of the convex etching residue as the concentration is lowered. However, the concentration is not simply reduced, as shown in FIG. In particular, when the concentration is 25 wt% or less, the
In particular, in consideration of individual product variations, in mass production, it is preferable to set the concentration of the etching solution to 27 to 28.5 wt% at which almost no convex etching residue occurs. In the following, the etching process will be described by taking as an example a potassium hydroxide aqueous solution having a concentration of 28.5 wt%, which is considered to have the best balance between the surface roughness of the etched surface and the maximum height of the convex etching residue by experiment. .
上記基板28は、図5(a)に示すように、一方の面30に高濃度ボロンドープ層33を形成し、この一方の面30と反対の他方の面31に圧力室16や共通インク室17等を作り込むためのレジストパターニングを施したならば、例えば、温度80℃、濃度28.5wt%に調整された水酸化カリウム水溶液からなるエッチング溶液を用いて、他方の面31から基板28の途中、すなわち、高濃度ボロンドープ層33に達する直前(残り10μm程度:エッチング面38)まで異方性エッチングする(第1のエッチング工程:同図(b))。
As shown in FIG. 5A, the
次に、第1のエッチング工程でエッチングしたエッチング面38から高濃度ボロンドープ層33に到達するまで、第1のエッチング工程で用いた濃度28.5wt%の水酸化カリウム水溶液より濃度の低い水酸化カリウム水溶液でエッチングをする第2のエッチング工程を行う。ここで、第2のエッチング工程の低濃度の水酸化カリウム水溶液において、従来と同様に濃度を設定している。すなわち、第1のエッチング工程でのエッチング面の表面粗度(10μm程度)とエッチングストップの際の振動板19の厚み精度(±0.35μm以内)を考慮すると、水酸化カリウム水溶液の濃度と選択比の関係から、水酸化カリウム水溶液の濃度は、10wt%以下に設定することが望ましい。そして、その濃度が0.5wt%以下になると、エッチング能力が不安定となり実用的でないことから、本実施形態における第2のエッチング工程で用いられるエッチング液(水酸化カリウム水溶液)の濃度を0.5〜10wt%に設定している。そして、この濃度の範囲0.5〜10wt%であれば、高濃度p型不純物層(高濃度ボロンドープ層33)でエッチングレートを極端に小さくすることができ、確実にエッチングストップすることができる。また、実験的に、第2のエッチング工程で用いられるエッチング液の濃度を2.5%に調整すると好適であることがわかった。
Next, potassium hydroxide having a concentration lower than that of the 28.5 wt% potassium hydroxide aqueous solution used in the first etching step until the high-concentration boron doped
そこで、本実施形態においては、第1のエッチング工程が終了したならば、図5(b)から(c)に示すように、例えば、温度80℃、濃度2.5wt%に調整された水酸化カリウム水溶液からなるエッチング溶液を用いて、第1のエッチング工程でのエッチング面38からエッチングを継続し、高濃度ボロンドープ層33まで到達したらエッチングストップさせる。これにより、流路形成基板12における圧力室16と、高濃度ボロンドープ層33で構成された板厚が2μmの振動板19とを形成することができる。
Therefore, in the present embodiment, when the first etching step is completed, as shown in FIGS. 5B to 5C, for example, hydroxylation adjusted to a temperature of 80 ° C. and a concentration of 2.5 wt%. Etching is continued from the
最後に、基板28のエッチング工程を経た後、基板28に残留する酸化膜29,35をフッ酸水溶液を用いエッチング除去した後(図5(d))、基板28の表面全体に熱酸化によって酸化膜(図示せず)を0.1μmで形成し、記録ヘッド2における流路形成基板12が作製される。
Finally, after the etching process of the
このように、Si基板である基板28の高濃度ボロンドープ層33が形成された一方の面30と反対の面から基板28の途中まで、濃度を30wt%以下に調整した水酸化カリウム水溶液でエッチングする第1のエッチング工程を行い、その後、第1のエッチング工程のエッチング面38から高濃度ボロンドープ層33に到達するまで、第1のエッチング工程で用いた水酸化カリウム水溶液より濃度の低い水酸化カリウム水溶液でエッチングをする第2のエッチング工程を行うことで、圧力室16と振動板19とを形成すると、流路形成基板12における振動板19の圧力室16側の面の表面粗度を小さくでき、その面の凸状エッチング残りの最大高さを抑えることができる。具体的には、振動板19の圧力室16側の面の表面粗度(PV)を0.2μm以下の粗面となり、厚みムラを抑えることができ、振動板19の厚み精度を向上させることができる。また、振動板19の圧力室16側の面に発生する凸状エッチング残りの最大高さを0.35μm以下とすることができ、振動板の厚みムラを抑えることができる。以上のことから、振動板19の厚みを高精度とすることができ、且つ、振動板19の凸状エッチング残りの最大高さも許容範囲以下に抑えることができるので、振動板19内の剛性を一定にすることができる。したがって、振動板19の弾性変形を均一にでき、記録ヘッド2の吐出特性をより安定させることができる。さらに、記録ヘッド2の製造工程においては、歩留りの向上に寄与することができる。また、第1のエッチング工程の水酸化カリウム水溶液の濃度を27〜28.5wt%とした場合は、凸状エッチング残りが振動板19の圧力室16側の面に殆ど発生することがないので、振動板19内の剛性をより一定とすることができる。これにより、記録ヘッド2の吐出特性をより一層安定させることができる。そして、上記の製造方法で製造された記録ヘッド2を備えたプリンタ1においては、記録画像の画質安定化を図ることができる。
In this way, etching is performed with a potassium hydroxide aqueous solution whose concentration is adjusted to 30 wt% or less from the surface opposite to the one
また、第2のエッチング工程に用いる水酸化カリウム水溶液の濃度を、0.5〜10wt%に設定すると、エッチングにより高濃度ボロンドープ層33が露出した時点で、高濃度ボロンドープ層33でエッチングレートを急激に低下させることができ、確実にエッチングストップすることができる。したがって、高濃度ボロンドープ層33で構成される振動板19をさらに高精度で形成することができる。特に、上記の濃度を2.5wt%に設定した場合は、その効果が顕著になる。
Further, when the concentration of the potassium hydroxide aqueous solution used in the second etching step is set to 0.5 to 10 wt%, the etching rate is rapidly increased in the high concentration boron doped
また、以上では、液体噴射装置に搭載される液体噴射ヘッドとして、インクジェット式記録ヘッド2を例に挙げて説明したが、本発明は他の液体噴射ヘッドにも適用することができる。例えば、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機EL(Electro Luminescence)ディスプレー、FED(面発光ディスプレー)等の電極形成に用いられる電極材噴射ヘッド、バイオチップ(生物化学素子)の製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等にも本発明を適用することができる。
In the above description, the ink
1…プリンタ,2…記録ヘッド,3…インクカートリッジ,4…キャリッジ,5…プラテン,6…記録紙,7…キャリッジ移動機構,8…紙送り機構,12…流路形成基板,13…ノズル形成基板,14…電極基板,14a…凹部,15…ノズル開口,16…圧力室,17…共通インク室,18…インク供給路,19…振動板,20…共通電極端子,21…個別電極,21a…セグメント電極,21b…電極端子部,22…封止材,23…インク導入路,24…インク導入口,25…駆動電圧供給源,28…基板,29…酸化膜,30…一方の面,31…他方の面,32…拡散剤,33…高濃度ボロンドープ層,34…ボロン化合物,35…酸化膜,38…エッチング面,40…エッチング面 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Printer, 2 ... Recording head, 3 ... Ink cartridge, 4 ... Carriage, 5 ... Platen, 6 ... Recording paper, 7 ... Carriage moving mechanism, 8 ... Paper feed mechanism, 12 ... Channel formation board, 13 ... Nozzle formation Substrate, 14 ... electrode substrate, 14a ... recess, 15 ... nozzle opening, 16 ... pressure chamber, 17 ... common ink chamber, 18 ... ink supply path, 19 ... diaphragm, 20 ... common electrode terminal, 21 ... individual electrode, 21a ... segment electrode, 21b ... electrode terminal, 22 ... sealing material, 23 ... ink introduction path, 24 ... ink introduction port, 25 ... drive voltage supply source, 28 ... substrate, 29 ... oxide film, 30 ... one surface, 31 ... The other surface, 32 ... Diffusing agent, 33 ... High-concentration boron doped layer, 34 ... Boron compound, 35 ... Oxide film, 38 ... Etching surface, 40 ... Etching surface
Claims (7)
前記Si基板の一方の面に高濃度p型不純物層が形成され、その面とは反対の面から前記Si基板の途中まで、濃度を30wt%以下に調整したエッチング液でエッチングする第1のエッチング工程を行い、その後、前記第1のエッチング工程でエッチングしたところから前記高濃度p型不純物層に到達するまで前記第1のエッチング工程で用いたエッチング液より濃度の低いエッチング液でエッチングをする第2のエッチング工程を行うことで、前記流路形成基板の圧力室と、前記振動板を形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。 A flow path forming substrate having a pressure chamber communicating with a nozzle opening for ejecting liquid droplets and a diaphragm that partitions at least one surface of the pressure chamber, and changing the volume of the pressure chamber by deforming the diaphragm. A liquid ejecting head manufacturing method comprising a driving unit, wherein the flow path forming substrate is an Si substrate,
A high-concentration p-type impurity layer is formed on one surface of the Si substrate, and etching is performed with an etching solution whose concentration is adjusted to 30 wt% or less from the surface opposite to the surface to the middle of the Si substrate. And then etching is performed with an etchant having a lower concentration than the etchant used in the first etching step until the high-concentration p-type impurity layer is reached after the etching in the first etching step. A method of manufacturing a liquid jet head, wherein the pressure chamber of the flow path forming substrate and the vibration plate are formed by performing the etching step 2.
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