JP2008000982A - Liquid droplet delivering head, liquid droplet delivering apparatus, method for manufacturing liquid droplet delivering head and method for manufacturing liquid droplet delivering apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、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。 The present invention relates to a droplet discharge head, a droplet discharge device, a method for manufacturing a droplet discharge head, and a method for manufacturing a droplet discharge device.
昨今の静電駆動方式のインクジェットプリンタは、高解像度画像の高速印刷および多色印刷のために、インクジェットヘッドの多ノズル化および多列化が進んでおり、それに伴って1列当たりのノズルおよび圧力室(吐出室)の数が増加し、ノズル列の長尺化が進んでいる。このようなインクジェットヘッドの製造には、予めガラス基板に個別電極がパターン形成された電極基板とシリコン基材とを接合してから、シリコン基材を薄板化し、そののちにこのシリコン基材に圧力室やリザーバ等のインク流路の各部分を形成する方法がある。 In recent electrostatic drive type inkjet printers, the number of nozzles and the number of rows of inkjet heads are increasing for high-speed printing and multicolor printing of high-resolution images. The number of chambers (discharge chambers) is increasing, and the length of nozzle rows is increasing. In manufacturing such an ink jet head, a silicon substrate is bonded to an electrode substrate in which individual electrodes are patterned on a glass substrate in advance, and then the silicon substrate is thinned, and then pressure is applied to the silicon substrate. There is a method of forming each part of an ink flow path such as a chamber or a reservoir.
このような製造方法では、圧力室の下部に位置する振動板を形成する場合、例えば、シリコン基材の所定深さにボロンドープ層を形成し、シリコン基材を水酸化カリウム水溶液でエッチングし、ボロンドープ層によってエッチングストップさせて、所定の振動板厚みを得ていた(例えば、特許文献1参照)。 In such a manufacturing method, when forming a diaphragm located below the pressure chamber, for example, a boron-doped layer is formed at a predetermined depth of the silicon substrate, the silicon substrate is etched with an aqueous potassium hydroxide solution, and boron-doped Etching was stopped by the layer to obtain a predetermined diaphragm thickness (see, for example, Patent Document 1).
また、例えば、振動板となる膜をECRスパッタリング法または熱CVD法およびレーザーアニール法により多結晶シリコン薄膜または単結晶シリコン薄膜として成膜し、かかる薄膜によって振動板を形成していた(例えば、特許文献2参照)。 Further, for example, a film to be a vibration plate is formed as a polycrystalline silicon thin film or a single crystal silicon thin film by an ECR sputtering method, a thermal CVD method, and a laser annealing method, and the vibration plate is formed by such a thin film (for example, patents) Reference 2).
特許文献1に係る技術では、厚みを制御するうえでボロンドープ層を所定の深さに制御することが重要であるが、拡散プロセスのばらつきにより、基板間もしくは基板内でのボロンドープ層深さにバラツキが生じ、エッチング終了時点において振動板の厚み精度が低下するという問題があった。
In the technique according to
特許文献2に係る技術では、振動板となる膜を成膜により得るため、バルクのシリコンと比べて結晶密度が粗く、機械強度が比較的低いため、振動板の耐久駆動特性が低くなるという問題があった。
In the technique according to
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、シリコン基材に振動板や圧力室を形成する際に、シリコン基材の内部に位置するSiO2 層をエッチングストップ層として用い、振動板厚みを高精度に制御することにより、インク吐出性能と安定性に優れたアクチュエータを有する液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、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ものである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and when forming a diaphragm or a pressure chamber on a silicon substrate, the SiO 2 layer located inside the silicon substrate is used as an etching stop layer. , Droplet Discharge Head, Droplet Discharge Device, Droplet Discharge Head Manufacturing Method, and Droplet Discharge Device Manufacturing Method Having an Actuator Excellent in Ink Discharge Performance and Stability by Highly Controlling the Diaphragm Thickness Is intended to provide.
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出するノズル孔と、該ノズル孔と連通して液体流路の一部を構成する圧力室と、該圧力室に液を供給する液体供給部と、前記圧力室の壁面の一部に形成された振動板と、該振動板と対向配置された個別電極と、該個別電極の電極取出部とを少なくとも備え、複数の基板を積層してなる液滴吐出ヘッドであって、前記複数の基板の一つであるSOI基板は、第1のシリコン層と第2のシリコン層の間にSiO2 層が介在したSOI基材からなり、該SOI基材の前記第1のシリコン層側に底面が前記SiO2 層によって構成される前記圧力室の凹部が少なくとも設けられ、前記第2のシリコン層の前記圧力室の凹部底面に対応する部分が振動板とされ、該振動板の前記SiO2 層が位置する面と反対側の面に前記個別電極と対向するSiO2 絶縁膜が設けられて構成されたものである。
これによって、高精度な振動板厚みを有し、液滴吐出性能が向上し安定性に優れた静電アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッドを提供することができる。
A droplet discharge head according to the present invention includes a nozzle hole that discharges a droplet, a pressure chamber that communicates with the nozzle hole and forms a part of a liquid channel, and a liquid supply unit that supplies liquid to the pressure chamber And at least a diaphragm formed on a part of the wall surface of the pressure chamber, an individual electrode disposed opposite to the diaphragm, and an electrode extraction portion of the individual electrode, and a plurality of substrates are laminated. The SOI substrate, which is one of the plurality of substrates, is a droplet discharge head, and is composed of an SOI base material in which an SiO 2 layer is interposed between a first silicon layer and a second silicon layer. At least a concave portion of the pressure chamber whose bottom surface is constituted by the SiO 2 layer is provided on the first silicon layer side of the material, and a portion corresponding to the concave bottom surface of the pressure chamber of the second silicon layer is a diaphragm and it is, the surface on which the SiO 2 layer of the diaphragm is positioned on the opposite side The individual electrodes facing the SiO 2 insulating film is one that is configured provided.
Accordingly, it is possible to provide a droplet discharge head including an electrostatic actuator having a highly accurate diaphragm thickness, improved droplet discharge performance, and excellent stability.
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、個別電極を有する電極基板と、液体流路の一部を構成する圧力室と該圧力室の壁面の一部に形成され前記個別電極と対向配置された振動板を備えたSOI基板(キャビティ基板)と、前記圧力室に液を供給する液体供給部を備えたリザーバ基板と、前記圧力室と連通して液滴を吐出するノズル孔を有するノズル基板とを積層して構成されたものである。
これによって、液滴吐出性能が向上して安定性に優れた4層構造の液滴吐出ヘッドを提供することができる。
A droplet discharge head according to the present invention includes an electrode substrate having individual electrodes, a pressure chamber that forms part of a liquid flow path, and a vibration that is formed on a part of the wall surface of the pressure chamber and is disposed to face the individual electrode. An SOI substrate (cavity substrate) having a plate, a reservoir substrate having a liquid supply part for supplying a liquid to the pressure chamber, and a nozzle substrate having a nozzle hole communicating with the pressure chamber and discharging droplets It is configured by stacking.
As a result, a droplet discharge head having a four-layer structure with improved droplet discharge performance and excellent stability can be provided.
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、前記第1のシリコン層より前記SiO2 層を貫通して前記第2のシリコン層に至る共通電極が設けられたものである。
これによって、第1のシリコン層と第2のシリコン層の間にSiO2 層が設けられているにもかかわらず、共通電極はSiO2 層を貫通して第2のシリコン層と接触するので、一の基材は電極機能を維持することができる。
The droplet discharge head according to the present invention is provided with a common electrode extending from the first silicon layer through the SiO 2 layer to the second silicon layer.
Thereby, even though the SiO 2 layer is provided between the first silicon layer and the second silicon layer, the common electrode penetrates the SiO 2 layer and comes into contact with the second silicon layer. One substrate can maintain the electrode function.
本発明に係る液滴吐出装置は、上記の液滴吐出ヘッドを備えたものである。
これによって、インク吐出性能が向上し安定性に優れた液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置を提供することができる。
A droplet discharge apparatus according to the present invention includes the above-described droplet discharge head.
As a result, it is possible to provide a droplet discharge device including a droplet discharge head with improved ink discharge performance and excellent stability.
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孔と、該ノズル孔と連通して液体流路の一部を構成する圧力室と、該圧力室に液を供給する液体供給部と、前記圧力室の壁面の一部に形成された振動板と、該振動板と対向配置された個別電極と、該個別電極の電極取出部とを少なくとも備えた液滴吐出ヘッドの製造方法であって、シリコン基材の間にSiO2 層を充填して該SiO2 層の両側に第1のシリコン層と第2のシリコン層を備えたSOI基材を形成する工程と、前記SOI基材の第2のシリコン層の前記SiO2 層が位置する面と反対側の面にSiO2 絶縁膜を設ける工程と、前記第1のシリコン層をエッチングし前記SiO2 層によってエッチングストップして底面を該SiO2 層とする前記圧力室となる凹部を形成し、該凹部の底面に位置する前記第2のシリコン層を振動板とする工程とを少なくとも含み、少なくとも前記工程を経て前記シリコン基材よりSOI基板を形成して液滴吐出ヘッドを製造するものである。
このように、SOI基材内に充填されたSiO2 層を振動板形成の際にエッチングストップ層として用いるため、レート選択比を極めて大きくすることができ、高精度な振動板厚みの制御を容易に行うことが可能になる。また、アクチュエータ電気絶縁膜にSOI基材のSiO2 層を用いるため、プロセスの簡素化が図れる。こうして、液滴吐出性能が向上し安定性に優れた液滴吐出ヘッドを提供することができる。
A method for manufacturing a droplet discharge head according to the present invention includes a nozzle hole for discharging a droplet, a pressure chamber that communicates with the nozzle hole and forms a part of a liquid flow path, and supplies a liquid to the pressure chamber. A droplet discharge head comprising at least a liquid supply unit, a diaphragm formed on a part of a wall surface of the pressure chamber, an individual electrode disposed to face the diaphragm, and an electrode extraction unit of the individual electrode A method of manufacturing, comprising filling an SiO 2 layer between silicon substrates to form an SOI substrate having a first silicon layer and a second silicon layer on both sides of the SiO 2 layer; A step of providing a SiO 2 insulating film on the surface of the second silicon layer of the SOI substrate opposite to the surface on which the SiO 2 layer is located, etching the first silicon layer and stopping the etching by the SiO 2 layer; It forms a recess serving as the pressure chamber of the bottom and the SiO 2 layer Te And manufacturing a droplet discharge head by forming an SOI substrate from the silicon base material through at least the above-described process. It is.
Thus, since the SiO 2 layer filled in the SOI substrate is used as an etching stop layer when forming the diaphragm, the rate selectivity can be extremely increased, and the diaphragm thickness can be easily controlled with high accuracy. It becomes possible to do. Further, since the SiO 2 layer of the SOI base material is used for the actuator electrical insulating film, the process can be simplified. Thus, a droplet discharge head with improved droplet discharge performance and excellent stability can be provided.
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、前記SOI基材を形成する工程が、前記シリコン基材に酸素イオンビームによって酸素イオンを注入し、該シリコン基材をアニーリングして、該シリコン基材の間に前記SiO2 層を形成する工程により行われるものである。
第1、第2のシリコン層の間に充填したSiO2 層をエッチングストップ層として振動板の厚み制御を行うので、レート選択比を極めて大きくすることができ、高精度な振動板厚み制御を容易に行うことが可能になる
Further, in the method for manufacturing a droplet discharge head according to the present invention, the step of forming the SOI substrate includes implanting oxygen ions into the silicon substrate by an oxygen ion beam, annealing the silicon substrate, This is performed by a step of forming the SiO 2 layer between silicon substrates.
Since the thickness of the diaphragm is controlled by using the SiO 2 layer filled between the first and second silicon layers as an etching stop layer, the rate selection ratio can be extremely increased, and high-precision diaphragm thickness control is easy. To be able to do
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、前記第1のシリコン層をエッチングし前記圧力室となる凹部の底面に振動板を形成する前記工程の後に、前記シリコン基材にドライエッチングをし、前記第1のシリコン層より前記SiO2 層を貫通し前記第2のシリコン層に至る開口部を形成し、該開口部に共通電極を取り付ける工程を含むものである。
こうして、共通電極は中間に位置するSiO2 層を貫通して第2のシリコン層と直接接触する位置まで埋め込まれ、シリコン基材の電極機能が維持される。
Also, the method for manufacturing a droplet discharge head according to the present invention includes dry etching on the silicon substrate after the step of etching the first silicon layer and forming a diaphragm on the bottom surface of the concave portion serving as the pressure chamber. And forming an opening extending from the first silicon layer through the SiO 2 layer to the second silicon layer, and attaching a common electrode to the opening.
In this way, the common electrode is embedded to the position where it passes through the intermediate SiO 2 layer and directly contacts the second silicon layer, and the electrode function of the silicon substrate is maintained.
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、前記共通電極を取り付ける前記開口部を、前記第2のシリコン層の表面あるいはそれよりも深い位置に至るまで貫通させるものである。
こうして、共通電極は中間に位置するSiO2 層を貫通して第2のシリコン層と直接接触する位置、すなわち第2のシリコン層の表面あるいはそれよりも深い位置に至るまで埋め込まれ、これによってシリコン基材の電極機能が確実に維持される。
In the method of manufacturing a droplet discharge head according to the present invention, the opening for attaching the common electrode is penetrated to the surface of the second silicon layer or a position deeper than the surface.
In this way, the common electrode is buried through the intermediate SiO 2 layer to a position in direct contact with the second silicon layer, that is, to the surface of the second silicon layer or deeper than that. The electrode function of the substrate is reliably maintained.
本発明に係る液滴吐出装置の製造方法は、上記のいずれに記載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。
これによって、液滴吐出性能が向上し安定性に優れた液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置を提供することができる。
The method for manufacturing a droplet discharge device according to the present invention is a method for manufacturing a droplet discharge device using any of the above-described methods for manufacturing a droplet discharge head.
As a result, it is possible to provide a droplet discharge device including a droplet discharge head with improved droplet discharge performance and excellent stability.
実施の形態1.
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の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および図2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。
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 a droplet discharge head, a face discharge type electrostatic drive type inkjet head will be described with reference to FIGS. 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 droplet discharge head.
図1は、本発明の実施の形態1に係るインクジェットヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、入力信号を供給するためのFPC(Flexible Printed Circuit)の一部を含めて示している。図2は、図1のインクジェットヘッドを組立てた右半分の概略構成を示す断面図である。なお、図1および図2では、ドライバICに入力信号を供給するためのリード部を模式的に示している。また、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 a schematic configuration of an inkjet head according to
図1、図2に示す実施の形態1に係るインクジェットヘッド(液滴吐出ヘッドの一例)10は、従来の一般的な静電駆動方式のインクジェットヘッドのように、ノズル基板、キャビティ基板、電極基板の3つの基板を貼り合わせた3層構造ではなく、ノズル基板1、リザーバ基板2、キャビティ基板3、電極基板4の4つの基板を貼り合わせた4層構造で構成されている。リザーバ基板2の一方の面にはノズル基板1が接合されており、リザーバ基板2の他方の面にはキャビティ基板3が接合されている。また、キャビティ基板3のリザーバ基板2が接合された面の反対側の面には、電極基板4が接合されている。すなわち、図1、図2において下から、電極基板4、キャビティ基板3、リザーバ基板2、ノズル基板1の順で接合されている。また、キャビティ基板3の製造方法については、後で詳しく説明するが、実際には、キャビティ基板3は、電極基板4に接合されたシリコン基材から作製されている。なお以下の説明では、説明の便宜上、各基板の図の上の方の面を「上面または表面」、図の下の方の面を「下面または裏面」と記すものとする。
また、このインクジェットヘッド10は、後述する個別電極41に駆動信号を供給するドライバIC5が設けられている。
An inkjet head (an example of a droplet discharge head) 10 according to
In addition, the
まず、ノズル基板1は、例えば厚さ約50μmのシリコン単結晶基板から作製されている。ノズル基板1には多数のノズル孔11が所定のピッチで2列設けられている。各ノズル孔11は、基板面に対し垂直にかつ同軸上に小さい穴の噴射口部分11aと噴射口部分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。また、ノズル基板1の両側の端部はリザーバ基板2およびキャビティ基板3と同様にコ字状に切り欠いてあり、このコ字状の切欠き部7aは、FPC6を接続するためのFPC接続用開口部7を構成する。
First, the
次に、リザーバ基板2は、例えば厚さ約180μmのシリコン単結晶基板から作製されている。このリザーバ基板2には、リザーバ基板2を貫通し各ノズル孔11に連通する少し大きい径(導入口部分11bの径と同等もしくはそれよりも大きい径)のノズル連通孔21と、両側にそれぞれ設けられた共通のリザーバ(共通インク室)22となる凹部23と、リザーバ22とキャビティ基板3の各圧力室31とを連通する供給口24と、さらにドライバIC5を実装するため中央部に設けられたIC実装用開口部8となる長方形状の開口部8aとが設けられている。
Next, the
各リザーバ22となる凹部23の底部にはインクカートリッジ(図示せず)から電極基板4およびキャビティ基板3を通じてインクを供給するためのインク供給孔26が設けられている。さらに、リザーバ基板2の両端部には、上記のようにFPC接続用開口部7となるコ字状の切欠き部7bが設けられている。
なお、リザーバ基板2の下面には、キャビティ基板3を薄くすることによる圧力室31での流路抵抗の増加を防ぐために、圧力室31とノズル連通孔21とに連通する細溝状の供給路28(図2参照)が設けられている。
An
In addition, in order to prevent an increase in flow resistance in the
リザーバ基板2を貫通するノズル連通孔21は、ノズル基板1のノズル孔11と同軸上に設けられているので、インク滴の吐出の直進性が得られ、そのため吐出特性が格段に向上するものとなる。特に、微小のインク滴を狙い通りに着弾させることができるため、色ずれ等を生じることなく階調変化を忠実に再現することができ、より鮮明で高品位の画質を実現することができる。
Since the
次に、キャビティ基板(SOI基板)3は、例えば厚さ約30μmの電極機能を有するSOI(Silicon On Insulator)基材を用いて作製される。このSOI基材はシリコン基材300内にSiO2 層37を介在させて構成したもので、SiO2 層37はシリコン基材に振動板(後述)を形成する際のエッチングストップ層となる。SOI基材のSiO2 層37を介して一方の側(上面側)には第1のシリコン層36aが形成され、他方の側(下面側)には第2のシリコン層36bが形成されている。第1のシリコン層36aには、ノズル連通孔21と供給路28に連通する圧力室(吐出室)31となる凹部31aが設けられている。そして、圧力室31となる凹部31aの底壁には、SiO2 層37を介して、第2のシリコン層36bによって振動板36が構成されている。
Next, the cavity substrate (SOI substrate) 3 is manufactured using an SOI (Silicon On Insulator) base material having an electrode function of, for example, a thickness of about 30 μm. The SOI substrate which was composed by interposing the SiO 2 layer 37 on the
SOI基材の振動板36の下面には、SiO2 絶縁膜38が形成されており、この絶縁膜38はインクジェットヘッド10の駆動時において絶縁破壊や短絡を防止する。また、SOI基材の第1のシリコン層36aの上面には、エッチングマスクとなるTEOS膜35が形成されている。
このようにして構成されたキャビティ基板3には、リザーバ基板2のリザーバ22に連通するインク供給孔33が設けられ、さらに両端部には前述のようにFPC接続用開口部7となるコ字状の切欠き部7cが設けられている。この切欠き部7cの両側には、TEOS膜35より第1のシリコン層36a、SiO2 層37を貫通して第2のシリコン層36bの表面にまで達する一対の共通電極39が埋設して取り付けられている。なお、一対の共通電極39は、SiO2 層位置よりも深い位置まで、すなわち第2のシリコン層36b内にまで埋設してもよい。電極機能を有する第1のシリコン層36aと第2のシリコン層36bの間には、上記のSiO2 層37が設けられているため、共通電極39はSiO2 層37を貫通して第2のシリコン層36bと接触する位置まで埋め込まれる必要があるからである。
An SiO 2 insulating film 38 is formed on the lower surface of the
The
共通電極39には、FPC6のCOM配線62が導電性接着剤等を用いて接続されている。また、キャビティ基板3の中央部には、ドライバIC5を実装するためのIC実装用開口部8となる長方形状の開口部8bが設けられている。このIC実装用開口部8は、振動板36と個別電極41との間に形成されるギャップ(電極間ギャップまたは空隙)42と、電極取出部46bの封止孔部46aを介して連通している。
A COM wiring 62 of the
次に、電極基板4は、例えば厚さ約1mmのガラス基板から作製されている。なかでも、キャビティ基板3のシリコン基材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4とシリコン基材を陽極接合する際、両基板の熱膨張係数が近いため、電極基板4とシリコン基材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4とシリコン基材を強固に接合することができるからである。
Next, the
電極基板4には、キャビティ基板3の各振動板36に対向する位置にそれぞれ凹部(ギャップ段差部)42aが並列に2列設けられている。そして、これら2列の凹部42aの列の間には各凹部42aに連通する溝部43が電極基板4の中央部に設けられている。各凹部42aおよび中央の溝部43は、エッチングにより約0.3μmの深さで形成されている。そして、各凹部42a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41が、例えば0.1μmの厚さでスパッタにより形成されている。したがって、振動板36と個別電極41との間に形成されるギャップ42は、この凹部42aの深さ、個別電極41および振動板36を覆うSiO2 絶縁膜38の厚さにより決まることになる。このギャップ42は、インクジェットヘッドの吐出特性に大きく影響する。実施の形態1の場合、ギャップ42は0.2μmとなっている。このギャップ42の封止孔部46aは、エポキシ接着剤等からなる封止材46により封止されている。これにより、湿気や塵埃等がギャップ42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の信頼性を保持することができる。
The
また、中央の溝部43には、ドライバIC5およびFPC6に接続するためのリード部44が同じくITOパターンにより形成されている。リード部44は、複数本のリード(配線)から構成されている。なお、実施の形態1において、リード部44とは、1つのドライバIC5に接続される複数のリードをいうものとする。リード部44は、電極基板4の端部にてFPC6のIC入力配線61と接続されるFPC実装部44aとなっており、ドライバIC5の入力端子に2箇所で接続されるIC入力実装部44b,44cと、ドライバIC5の下に配線されるIC入力信号配線44dとから構成されている。ドライバIC5の出力端子は各列の個別電極41に接続されている。
Further, a
このように、リード部44の配線が電極基板4とドライバIC5に挟まれた状態で形成されているため、インクジェットヘッド10の面積を増やす(横方向に大きく)ことなくコンパクトに配線することができる。
また、リード部44は個別電極41と同様にITOにより形成されているので、個別電極41と同時形成が可能となり、製造工程を簡略化することができる。
なお、個別電極41およびリード部44の材料はITOに限定するものではなく、金、銅等の金属を用いてもよいが、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が用いられている。
また、この電極基板4の両側には前述したようにインクカートリッジ(図示せず)に接続されるインク供給孔45が設けられている。
Thus, since the wiring of the
Further, since the
The material of the
In addition, ink supply holes 45 connected to an ink cartridge (not shown) are provided on both sides of the
ここで、上記のように構成されたインクジェットヘッド10の動作について説明する。FPC6の一方の端部はインクジェットヘッド10の制御部(図示せず)に接続されており、他方の端部のCOM配線62はキャビティ基板3の共通電極39に接続され、IC入力配線61は電極基板4のリード部44を介して電極基板4上に実装されたドライバIC5に接続されている。したがって、インクジェットヘッド10の制御部(図示せず)からドライバIC5に駆動信号(パルス電圧)が供給されると、個別電極41にはドライバIC5からパルス電圧が印加され、個別電極41をプラスに帯電させ、一方これに対応する振動板36はマイナスに帯電する。このとき、個別電極41と振動板36間に静電気力(クーロン力)が発生するため、この静電気力により振動板36は個別電極41側に引き寄せられて撓む。これによって、圧力室31の容積が増大する。次に、パルス電圧をオフにすると、上記静電気力がなくなり、振動板36はその弾性力により元に戻り、その際、圧力室31の容積が急激に減少するため、そのときの圧力により、圧力室31内のインクの一部がノズル連通孔21を通過し、インク滴となってノズル孔11から吐出される。そして、再びパルス電圧が印加され、振動板36が個別電極41側に撓むことにより、インクがリザーバ22から供給口24を通って圧力室31内に補給される。
Here, the operation of the
以上のように、実施の形態1に係るインクジェットヘッド10によれば、ノズル基板1、リザーバ基板2、キャビティ基板3および電極基板4を貼り合わせた4層構造とすることにより、内部に複数のドライバIC5を実装することができ、小型で多ノズル化された高性能のインクジェットヘッドを構成することができる。
As described above, according to 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3〜図7を参照して説明する。なお、図3〜図7では図1に示したインクジェットヘッド10が左右対称であるので、便宜上、右側の半分の断面を示すが、実際には左側の部分も同時に形成される。また、以下において示す基板の厚さやエッチング深さ等はあくまでも一例を示すものであり、本発明はこれに限定されるものではない。
Next, a method for manufacturing the
(a) まず、図3(a)に示すように、例えば厚さ約220μmに表面加工および表面の加工変質層の除去処理(前処理)がなされた単結晶(110)シリコン基材300を準備する。
(A) First, as shown in FIG. 3A, for example, a single crystal (110)
(b) 次に、図3(b)に示すように、シリコン基材300に酸素イオンビームによって酸素のイオンを注入する。酸素イオンを注入する際は、基板温度400℃、加速エネルギー180keV、および酸素ドーズ量4×1017cm-2の条件で行う。
(B) Next, as shown in FIG. 3B, oxygen ions are implanted into the
(c) 次に、シリコン基材300を、図3(c)に示すように、高温アニールする。高温アニールは、温度1350℃(1300℃以上)で、4時間行う。こうすると、シリコン基材300の内部にSiO2 層37が形成される。そして、SiO2 層37の上部は第1のシリコン層36aとなり、下部はこれよりも薄層の第2のシリコン層36bとなる。こうして、SOI(Silicon On Insulator)基材が形成される。
(C) Next, the
(d) 次に、図3(d)に示すように、シリコン基材300の第2のシリコン層36bの表面(下面)に、例えばTEOSを原料としたプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)によって厚さ0.1μmの酸化膜からなる絶縁膜(SiO2 絶縁膜)38を成膜する。この絶縁膜38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。
(D) Next, as shown in FIG. 3 (d), the surface (lower surface) of the
(e) 次に、図4(e)に示すように、シリコン基材300を、SiO2 絶縁膜38を介して、ガラス基板に予め個別電極41や凹部42a、リード部(図示せず)等が作製された電極基板4上に、個別電極41に対向させて陽極接合する。陽極接合は、シリコン基材300と電極基板4を360℃に加熱した後、電極基板4に負極、シリコン基材300に正極を接続して、800Vの電圧を印加して陽極接合する。また、電極基板4にはインク供給孔45が、例えばドリル等を用いた切削加工により形成されている。
(E) Next, as shown in FIG. 4 (e), the
(f) 次に、陽極接合されたシリコン基材300の表面を、例えばバックグラインダーや、ポリッシャーによって研削加工し、さらに例えばフッ酸水溶液で表面を10〜20μmエッチングして加工変質層を除去し、図4(f)に示すように、厚さが例えば30μmになるまで薄くする。
(F) Next, the surface of the anodic bonded
(g) 次に、図4(g)に示すように、薄板化されたシリコン基材300の表面に、エッチングマスクとなるTEOS膜35を、例えばプラズマCVDによって厚さ約0.8μmに成膜する。
(G) Next, as shown in FIG. 4G, a
(h) 次に、TEOS膜35の表面にレジスト(図示せず)を形成し、フォトリソグラフィーによってレジストをパターニングしてエッチングすることにより、図5(h)に示すように、圧力室31、インク供給孔33、FPC接続用開口部(図示せず)、およびドライバIC5のIC実装用開口部8に対応する開口部をTEOS膜35に形成する。
(H) Next, a resist (not shown) is formed on the surface of the
(i) 次に、この陽極接合済みの基板を水酸化カリウム水溶液でエッチングすることにより、薄板化されたシリコン基材300に、図5(i)に示すように、圧力室31となる凹部31a、インク供給孔33となる部分33a、IC実装用開口部8となる部分8aおよびFPC接続用開口部7となる部分7cを形成する。
この際、圧力室31となる凹部31a、インク供給孔33となる部分33a、IC実装用開口部8となる部分8aおよびFPC接続用開口部7となる部分7cは、第1のシリコン層36aをエッチングして形成されるが、エッチングはシリコン基材300内に設けたエッチングストップ層として機能するSiO2 層37の表面に達したときに停止する。
このとき、圧力室31となる凹部31aの部分では、SiO2 層37の下面に位置する第2のシリコン層36bが一定の振動板厚みを高精度に維持した状態で振動板36を形成する。
(I) Next, by etching this anodic bonded substrate with an aqueous potassium hydroxide solution, a
At this time, the
At this time, in the portion of the
なお、上記のエッチング工程では、最初は、濃度35wt%の水酸化カリウム水溶液を用いて、第1のシリコン層36aの残りの厚さが例えば5μmになるまでエッチングを行い、ついで濃度3wt%の水酸化カリウム水溶液に切り替えてエッチングを行う。これにより、エッチングストップが十分に働くため、振動板36上に位置するSiO2 層37の面荒れを防ぎ、振動板36となる部分を高精度の厚さに形成することができる。エッチングストップとは、エッチング面から発生する気泡が停止した状態と定義し、実際のウェットエッチングにおいては、気泡の発生の停止をもってエッチングがストップしたものと判断する。そして、エッチング後、レジストを剥離する。
In the above etching process, first, etching is performed using a potassium hydroxide aqueous solution having a concentration of 35 wt% until the remaining thickness of the
(j) 次に、図6(j)に示すように、圧力室31となる凹部31aが形成されたシリコン基材300上にシリコンマスク302をセットし、RIE(Reactive Ion Etching)ドライエッチングにより、IC実装用開口部8(電極取出部46bを含む)、FPC接続用開口部(図示せず)およびインク供給孔33を開口する。このエッチングの条件は、例えば、高周波出力200W、チャンバ圧力39.9Pa(0.3Torr)、CF4 ガス流量30cm3/min(30sccm)、エッチング時間60分である。
(J) Next, as shown in FIG. 6 (j), a
(k) 次に、図6(k)に示すように、シリコンマスク302とは別のシリコンマスク303をシリコン基材300上にセットし、同じくRIEドライエッチングにより、共通電極39を埋設するための開口部39aを、TEOS膜35より第1のシリコン層36a、SiO2 層37を貫通して第2のシリコン層36bに接触する位置まで形成する。なお、開口部39aは、第2のシリコン層36bの表面よりも下方位置(中間のSiO2 層37よりも深い位置)にまで形成するようにしてもよい。例えば、エッチング深さが約35μmとなるようにする。
(K) Next, as shown in FIG. 6 (k), a
(l) 次に、図6(l)に示すように、シリコンマスク303を用いて、上記のようにして開口された開口部39aに、例えばPtをスパッタリングして共通電極39を埋設する。
(L) Next, as shown in FIG. 6 (l), using the
(m) 次に、図6(m)に示すように、電極取出部46bに位置するギャップ42の封止孔部46aを封止材46で封止する。
以上のようにして、個別電極41がパターン形成された電極基板4に、シリコン基材300を接合した状態で、キャビティ基板3を作製することができる。
(M) Next, as shown in FIG. 6 (m), the sealing
As described above, the
(n) その後、図7(n)に示すように、予めノズル連通孔21やリザーバ22、供給口24となる部分が形成されたリザーバ基板2を、上記のように作製されたキャビティ基板3上に接着剤により接着する。このとき、リザーバ基板2とキャビティ基板3とは、TEOS膜35を介して接合される。
(N) After that, as shown in FIG. 7 (n), the
(o) ついで、図7(o)に示すように、ドライバIC5をキャビティ基板3のIC実装開口部8から電極基板4の溝部43上にセットして電極基板4の個別電極41およびリード部(図示せず)に接続し、さらにFPC(図示せず)のIC入力配線をリード部の端部(FPC実装部)に、またそのFPCのCOM配線を上記共通電極38に、導電性接着剤を用いて接続する。
(O) Next, as shown in FIG. 7 (o), the
(p) 最後に、図7(p)に示すように、予めノズル孔11が形成されたノズル基板1をリザーバ基板2上に接着剤により接着する。そして、ダイシングにより個々のヘッドに分離すれば、図2に示したインクジェットヘッド10が作製される。
(P) Finally, as shown in FIG. 7 (p), the
以上のように、実施の形態1に係るインクジェットヘッドによれば、内部のSiO2 層37を振動板36を形成する際のエッチングストップ層として用いるため、レート選択比を極めて大きくすることができ、高精度な振動板厚み制御を容易に行うことが可能になる。また、アクチュエータの電気絶縁膜にSOI基材のSiO2 層37を用いるため、プロセスの簡素化を図ることができる。こうして、インク吐出性能向上と安定性に優れた静電駆動型のインクジェットヘッドを提供することができる。
As described above, according to the ink jet head according to the first embodiment, since the internal SiO 2 layer 37 is used as an etching stop layer when the
なお、実施の形態1では液滴吐出ヘッドの一例としてのインクジェットヘッドについて説明したが、液滴吐出ヘッドはインクジェットヘッドに限定されるものではなく、液滴を種々変更することによって、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、生体液体の吐出等にも適用することができる。
また、実施の形態1では、4層構造のインクジェットヘッドについて述べたが、本発明は実施の形態1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、従来の一般的な3層構造のインクジェットヘッドについても本発明を適用することができる。
Although the ink jet head as an example of the liquid droplet ejection head has been described in the first embodiment, the liquid droplet ejection head is not limited to the ink jet head, and the color of the liquid crystal display can be changed by variously changing the liquid droplets. The present invention can also be applied to the manufacture of filters, the formation of light emitting portions of organic EL display devices, the discharge of biological liquids, and the like.
In the first embodiment, an ink jet head having a four-layer structure has been described. However, the present invention is not limited to the first embodiment, and various modifications can be made within the scope of the idea of the present invention. For example, the present invention can be applied to a conventional general three-layer ink jet head.
実施の形態2.
図8は、本発明の実施の形態2に係るインクジェットプリンタ(液滴吐出装置の一例)の斜視図である。実施の形態1で得られたインクジェットヘッドを用いて、図8に示すようなインクジェットプリンタ500を得ることができる。
実施の形態2によれば、電気絶縁性が安定して高く、気密性に優れた圧力室を有するインクジェットヘッドを備えた信頼性の高いインクジェットプリンタを提供することができる。
FIG. 8 is a perspective view of an ink jet printer (an example of a droplet discharge device) according to
According to the second embodiment, it is possible to provide a highly reliable ink jet printer provided with an ink jet head having a pressure chamber that has stable and high electrical insulation and excellent airtightness.
1 ノズル基板、2 リザーバ基板、3 キャビティ基板(SOI基板)、4 電極基板、5 ドライバIC、8 IC実装用開口部、10 インクジェットヘッド、11 ノズル孔、22 リザーバ、26 インク供給孔、31 圧力室、31a 圧力室となる凹部、33 インク供給孔、35 TEOS膜、36 振動板、36a 第1のシリコン層、36b 第2のシリコン層、37 SiO2 層、38 SiO2 絶縁膜、39 共通電極、39a 共通電極を埋設するための開口部、41 個別電極、42 ギャップ、42a 凹部(ギャップ段差部)、43 溝部、44 リード部、45 インク供給孔、46 封止材、46a 封止孔部、46b 電極取出部、300 シリコン基材、302、303 シリコンマスク、500 インクジェットプリンタ。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記複数の基板の一つであるSOI基板は、第1のシリコン層と第2のシリコン層の間にSiO2 層が介在したSOI基材からなり、該SOI基材の前記第1のシリコン層側に底面が前記SiO2 層によって構成される前記圧力室の凹部が少なくとも設けられ、前記第2のシリコン層の前記圧力室の凹部底面に対応する部分が振動板とされ、該振動板の前記SiO2 層が位置する面と反対側の面に前記個別電極と対向するSiO2 絶縁膜が設けられて構成されたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。 A nozzle hole for discharging droplets, a pressure chamber that communicates with the nozzle hole and forms part of the liquid flow path, a liquid supply unit that supplies liquid to the pressure chamber, and a part of the wall surface of the pressure chamber A droplet discharge head comprising at least a diaphragm formed on the substrate, an individual electrode disposed opposite to the diaphragm, and an electrode extraction portion of the individual electrode, wherein a plurality of substrates are laminated,
The SOI substrate, which is one of the plurality of substrates, comprises an SOI base material in which a SiO 2 layer is interposed between a first silicon layer and a second silicon layer, and the first silicon layer of the SOI base material At least a concave portion of the pressure chamber whose bottom surface is constituted by the SiO 2 layer is provided, and a portion corresponding to the concave bottom surface of the pressure chamber of the second silicon layer is a diaphragm, A droplet discharge head comprising a SiO 2 insulating film facing the individual electrode on a surface opposite to a surface on which the SiO 2 layer is located.
シリコン基材の間にSiO2 層を充填して該SiO2 層の両側に第1のシリコン層と第2のシリコン層を備えたSOI基材を形成する工程と、
前記SOI基材の前記第2のシリコン層のSiO2 層が位置する面と反対側の面にSiO2 絶縁膜を設ける工程と、
前記SOI基材の第1のシリコン層をエッチングし前記SiO2 層によってエッチングストップして底面を該SiO2 層とする前記圧力室となる凹部を形成し、該凹部の底面に位置する前記第2のシリコン層を振動板とする工程とを少なくとも含み、
少なくとも前記工程を経て前記シリコン基材よりSOI基板を形成して液滴吐出ヘッドを製造することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。 A nozzle hole for discharging droplets, a pressure chamber that communicates with the nozzle hole and forms part of the liquid flow path, a liquid supply unit that supplies liquid to the pressure chamber, and a part of the wall surface of the pressure chamber A manufacturing method of a liquid droplet ejection head comprising at least a diaphragm formed on the substrate, an individual electrode disposed opposite to the diaphragm, and an electrode extraction portion of the individual electrode,
Filling an SiO 2 layer between silicon substrates to form an SOI substrate having a first silicon layer and a second silicon layer on both sides of the SiO 2 layer;
Providing a SiO 2 insulating film on the surface of the SOI substrate opposite to the surface on which the SiO 2 layer of the second silicon layer is located;
Wherein the first silicon layer of the SOI substrate by etching the bottom surface by etching stop forming the recess to serve as the pressure chamber to the SiO 2 layer by the SiO 2 layer, the second located on the bottom surface of the recess And at least a step of using the silicon layer as a diaphragm,
A method for manufacturing a droplet discharge head, comprising manufacturing an droplet discharge head by forming an SOI substrate from the silicon base material through at least the above steps.
A method for manufacturing a droplet discharge device, wherein the droplet discharge device is manufactured using the method for manufacturing a droplet discharge head according to claim 5.
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