JP2008047689A - Piezoelectric actuator, manufacturing method therefor, droplet discharge head equipped with same, and droplet discharge device - Google Patents

Piezoelectric actuator, manufacturing method therefor, droplet discharge head equipped with same, and droplet discharge device Download PDF

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Atsushi Fukukawa
Michiaki Murata
Hiroyuki Usami
浩之 宇佐美
道昭 村田
敦 福川
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Fuji Xerox Co Ltd
富士ゼロックス株式会社
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric actuator which suppresses stress of a diaphragm formed of a thick film, and also to provide a manufacturing method therefor, a droplet discharge head equipped with the piezoelectric actuator, and a droplet discharge device. <P>SOLUTION: The piezoelectric actuator comprises a diaphragm 48, and a piezoelectric element 46 for displacing the diaphragm 48, wherein the diaphragm 48 is formed of a silicon oxide film 82 in which an impurity is doped. The droplet discharge head 32 comprises the piezoelectric actuator. The droplet discharge device 10 comprises the droplet discharge head 32. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、液滴吐出ヘッドからインク等の液滴を吐出するための圧電アクチュエーターと、その製造方法に関し、更には、その圧電アクチュエーターを備えた液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置に関する。   The present invention relates to a piezoelectric actuator for discharging droplets such as ink from a droplet discharge head and a method for manufacturing the same, and further relates to a droplet discharge head and a droplet discharge apparatus including the piezoelectric actuator.
従来から、液滴吐出ヘッドの一例としてのインクジェット記録ヘッドの複数のノズルから選択的にインク滴を吐出し、記録用紙等の記録媒体に画像(文字を含む)等を印刷するインクジェット記録装置(液滴吐出装置)は知られている。このようなインクジェット記録装置において、低コストで高密度かつ高精度のインクジェット記録ヘッドを実現するためには、振動板に発生する応力(ストレス)を抑制するなど、様々な課題がある。   2. Description of the Related Art Conventionally, an ink jet recording apparatus (liquid that ejects ink droplets selectively from a plurality of nozzles of an ink jet recording head as an example of a liquid droplet ejecting head and prints an image (including characters) on a recording medium such as recording paper Droplet discharge devices) are known. In such an ink jet recording apparatus, in order to realize a high-density and high-precision ink jet recording head at a low cost, there are various problems such as suppressing stress generated in the diaphragm.
振動板に発生する応力(ストレス)を改善する手法としては、例えばシリコン(Si)基板の両面に、膜応力の異なるテトラエトキシシラン(TEOS)膜を別々に成膜することで、膜厚が1μm以下の振動板において、振動板の撓み方向及び撓み量を容易に制御できるようにしたものがある(例えば、特許文献1参照)。   As a technique for improving the stress (stress) generated in the vibration plate, for example, a tetraethoxysilane (TEOS) film having different film stresses is separately formed on both sides of a silicon (Si) substrate, so that the film thickness is 1 μm. Among the following diaphragms, there is a diaphragm in which the deflection direction and the deflection amount of the diaphragm can be easily controlled (see, for example, Patent Document 1).
また、積層薄膜の残留応力による製造プロセス上の不良及び特性低下を改善するために、振動板を構成する弾性膜を、少なくともボロン(B)が拡散されたシリコン(Si)で構成して、振動板の膜応力を緩和できるようにしたものがある(例えば、特許文献2参照)。このように、振動板に発生する応力(ストレス)を抑制する手段は、従来から種々提案されているが、例えば、膜厚が1μm以上、例えば10μm程度とされた厚膜振動板の応力を抑制する手段等については、未だ改善の余地がある。
特開2003−300326号公報 特開平11−58730号公報
In addition, in order to improve defects in the manufacturing process due to the residual stress of the laminated thin film and deterioration in characteristics, the elastic film constituting the diaphragm is made of silicon (Si) in which at least boron (B) is diffused, and vibration is generated. There is one that can relieve the film stress of the plate (for example, see Patent Document 2). As described above, various means for suppressing the stress (stress) generated in the diaphragm have been conventionally proposed. For example, the stress of a thick film diaphragm having a thickness of 1 μm or more, for example, about 10 μm is suppressed. There is still room for improvement in the means to do so.
JP 2003-300366 A JP-A-11-58730
そこで、本発明は、このような問題点に鑑み、厚膜で形成する振動板の応力を抑制できる圧電アクチュエーターと、その製造方法、更には、その圧電アクチュエーターを備えた液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を得ることを目的とする。   Therefore, in view of such problems, the present invention provides a piezoelectric actuator capable of suppressing the stress of a diaphragm formed by a thick film, a manufacturing method thereof, and a droplet discharge head and a droplet including the piezoelectric actuator. It aims at obtaining a discharge device.
上記の目的を達成するために、本発明に係る請求項1に記載の圧電アクチュエーターは、振動板と、前記振動板を変位させる圧電素子と、を備えた圧電アクチュエーターであって、前記振動板が、不純物が添加されたシリコン酸化膜で形成されていることを特徴としている。   In order to achieve the above object, a piezoelectric actuator according to claim 1 of the present invention is a piezoelectric actuator comprising a diaphragm and a piezoelectric element that displaces the diaphragm, and the diaphragm is It is characterized by being formed of a silicon oxide film to which impurities are added.
また、本発明に係る請求項2に記載の圧電アクチュエーターは、振動板と、前記振動板を変位させる圧電素子と、を備えた圧電アクチュエーターであって、前記振動板が、不純物が添加されたシリコン酸化膜の片面又は両面に、該シリコン酸化膜に対して耐湿性を備えた保護膜が積層されて形成されていることを特徴としている。   According to a second aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric actuator comprising a diaphragm and a piezoelectric element for displacing the diaphragm, wherein the diaphragm is silicon doped with impurities. A protective film having moisture resistance against the silicon oxide film is laminated on one or both surfaces of the oxide film.
また、本発明に係る請求項3に記載の圧電アクチュエーターは、振動板と、前記振動板を変位させる圧電素子と、を備えた圧電アクチュエーターであって、前記振動板が、不純物が添加されたシリコン酸化膜の片面又は両面に、該シリコン酸化膜に対して耐薬品性を備えた保護膜が積層されて形成されていることを特徴としている。   According to a third aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric actuator comprising: a vibration plate; and a piezoelectric element that displaces the vibration plate, wherein the vibration plate is silicon doped with impurities. A protective film having chemical resistance against the silicon oxide film is laminated on one or both surfaces of the oxide film.
また、本発明に係る請求項4に記載の圧電アクチュエーターは、振動板と、前記振動板を変位させる圧電素子と、を備えた圧電アクチュエーターであって、前記振動板が、不純物が添加されたシリコン酸化膜の片面又は両面に、シリコン酸化膜が積層されて形成されていることを特徴としている。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric actuator comprising: a diaphragm; and a piezoelectric element that displaces the diaphragm, wherein the diaphragm is silicon doped with impurities. It is characterized in that a silicon oxide film is laminated on one side or both sides of the oxide film.
また、請求項5に記載の圧電アクチュエーターは、請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の圧電アクチュエーターにおいて、前記不純物が、ゲルマニウムであることを特徴としている。   A piezoelectric actuator according to claim 5 is the piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 4, wherein the impurity is germanium.
そして、請求項6に記載の圧電アクチュエーターは、請求項5に記載の圧電アクチュエーターにおいて、前記ゲルマニウムの添加量が、濃度にして35mol%以下であることを特徴としている。   A piezoelectric actuator according to claim 6 is characterized in that, in the piezoelectric actuator according to claim 5, the amount of germanium added is 35 mol% or less in terms of concentration.
また、請求項7に記載の圧電アクチュエーターは、請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の圧電アクチュエーターにおいて、前記不純物が、リンであることを特徴としている。   A piezoelectric actuator according to claim 7 is the piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 4, wherein the impurity is phosphorus.
そして、請求項8に記載の圧電アクチュエーターは、請求項7に記載の圧電アクチュエーターにおいて、前記リンの添加量が、濃度にして35mol%以下であることを特徴としている。   The piezoelectric actuator according to claim 8 is characterized in that, in the piezoelectric actuator according to claim 7, the amount of phosphorus added is 35 mol% or less in terms of concentration.
また、請求項9に記載の圧電アクチュエーターは、請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の圧電アクチュエーターにおいて、前記不純物が、ボロンであることを特徴としている。   The piezoelectric actuator according to claim 9 is the piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 4, wherein the impurity is boron.
そして、請求項10に記載の圧電アクチュエーターは、請求項9に記載の圧電アクチュエーターにおいて、前記ボロンの添加量が、濃度にして35mol%以下であることを特徴としている。   A piezoelectric actuator according to a tenth aspect is characterized in that, in the piezoelectric actuator according to the ninth aspect, the amount of boron added is 35 mol% or less in terms of concentration.
また、請求項11に記載の圧電アクチュエーターは、請求項1乃至請求項10の何れか1項に記載の圧電アクチュエーターにおいて、前記振動板の厚さが、1μm以上20μm以下であることを特徴としている。   The piezoelectric actuator according to claim 11 is the piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 10, wherein the thickness of the diaphragm is 1 μm or more and 20 μm or less. .
更に、請求項12に記載の圧電アクチュエーターは、請求項2乃至請求項11の何れか1項に記載の圧電アクチュエーターにおいて、前記不純物が添加されたシリコン酸化膜の膜厚が、前記振動板の厚さの1/2以上であることを特徴としている。   Furthermore, the piezoelectric actuator according to claim 12 is the piezoelectric actuator according to any one of claims 2 to 11, wherein the thickness of the silicon oxide film to which the impurity is added is equal to the thickness of the diaphragm. It is characterized by being 1/2 or more.
請求項1乃至請求項12に記載の発明によれば、シリコン酸化膜に、ゲルマニウム、リン、ボロンの何れかの不純物を、それぞれ濃度にして35mol%以下となるように添加したので、安定した剛性を得るために、膜厚が1μm以上20μm以下とされた厚膜振動板の応力(ストレス)を好適に制御(抑制)することができる。また、請求項2乃至請求項12に記載の発明によれば、吸湿による経時的な応力の変化を防止することができ、製造プロセスへの適合性を向上させることができる。   According to the first to twelfth aspects of the present invention, since any impurity of germanium, phosphorus, and boron is added to the silicon oxide film so as to have a concentration of 35 mol% or less, stable rigidity is achieved. Therefore, the stress (stress) of the thick film diaphragm having a film thickness of 1 μm or more and 20 μm or less can be suitably controlled (suppressed). In addition, according to the invention described in claims 2 to 12, it is possible to prevent a change in stress over time due to moisture absorption, and it is possible to improve adaptability to a manufacturing process.
また、本発明に係る請求項13に記載の圧電アクチュエーターの製造方法は、振動板と、前記振動板を変位させる圧電素子と、を備えた圧電アクチュエーターの製造方法であって、プラズマ−CVD法で、酸素及びシリコン原料を含むガスに、アルコキシド系のガスを添加することにより、不純物が添加されたシリコン酸化膜を成膜して、前記振動板を形成することを特徴としている。   A piezoelectric actuator manufacturing method according to a thirteenth aspect of the present invention is a piezoelectric actuator manufacturing method comprising a diaphragm and a piezoelectric element that displaces the diaphragm, and is a plasma-CVD method. The diaphragm is formed by adding an alkoxide-based gas to a gas containing oxygen and a silicon raw material to form a silicon oxide film to which impurities are added.
また、本発明に係る請求項14に記載の圧電アクチュエーターの製造方法は、振動板と、前記振動板を変位させる圧電素子と、を備えた圧電アクチュエーターの製造方法であって、プラズマ−CVD法で、酸素及びシリコン原料を含むガスにより、シリコン酸化膜を成膜し、更に酸素及びシリコン原料を含むガスに、アルコキシド系のガスを添加することにより、不純物が添加されたシリコン酸化膜を成膜する処理を連続的に行うことにより、前記振動板を形成することを特徴としている。   A piezoelectric actuator manufacturing method according to claim 14 of the present invention is a piezoelectric actuator manufacturing method comprising a diaphragm and a piezoelectric element that displaces the diaphragm, and is a plasma-CVD method. Then, a silicon oxide film is formed with a gas containing oxygen and silicon raw material, and further, an alkoxide-based gas is added to a gas containing oxygen and silicon raw material to form a silicon oxide film to which impurities are added. The diaphragm is formed by performing processing continuously.
また、請求項15に記載の圧電アクチュエーターの製造方法は、請求項13又は請求項14に記載の圧電アクチュエーターの製造方法において、前記不純物が添加されたシリコン酸化膜を成膜した後に熱処理を行うことを特徴としている。   The method for manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 15 is the method for manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 13 or 14, wherein a heat treatment is performed after forming the silicon oxide film to which the impurity is added. It is characterized by.
そして、請求項16に記載の圧電アクチュエーターの製造方法は、請求項15に記載の圧電アクチュエーターの製造方法において、前記熱処理の温度が、前記不純物が添加されたシリコン酸化膜を成膜した後の工程における最高熱処理温度よりも高い温度であることを特徴としている。   The method for manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 16 is the method for manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 15, wherein the heat treatment is performed after the silicon oxide film to which the impurity is added is formed. It is characterized by a temperature higher than the maximum heat treatment temperature.
更に、請求項17に記載の圧電アクチュエーターの製造方法は、請求項15又は請求項16に記載の圧電アクチュエーターの製造方法において、前記熱処理の温度が、600℃以上1100℃以下であることを特徴としている。   Furthermore, the method for manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 17 is the method for manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 15 or 16, wherein the temperature of the heat treatment is 600 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower. Yes.
また、請求項18に記載の圧電アクチュエーターの製造方法は、請求項13乃至請求項17の何れか1項に記載の圧電アクチュエーターの製造方法において、前記シリコン原料を含むガスが、テトラエトキシシラン、テトラメトキシシラン、シランの何れかであることを特徴としている。   The method for manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 18 is the method for manufacturing a piezoelectric actuator according to any one of claims 13 to 17, wherein the gas containing the silicon raw material is tetraethoxysilane, tetra It is characterized by being either methoxysilane or silane.
また、請求項19に記載の圧電アクチュエーターの製造方法は、請求項13乃至請求項18の何れか1項に記載の圧電アクチュエーターの製造方法において、前記アルコキシド系のガスが、テトラメチルゲルマニウムであることを特徴としている。   The method for manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 19 is the method for manufacturing a piezoelectric actuator according to any one of claims 13 to 18, wherein the alkoxide-based gas is tetramethylgermanium. It is characterized by.
また、請求項20に記載の圧電アクチュエーターの製造方法は、請求項13乃至請求項18の何れか1項に記載の圧電アクチュエーターの製造方法において、前記アルコキシド系のガスが、テトラメチルリンであることを特徴としている。   The method for manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 20 is the method for manufacturing a piezoelectric actuator according to any one of claims 13 to 18, wherein the alkoxide-based gas is tetramethyl phosphorus. It is characterized by.
また、請求項21に記載の圧電アクチュエーターの製造方法は、請求項13乃至請求項18の何れか1項に記載の圧電アクチュエーターの製造方法において、前記アルコキシド系のガスが、テトラメチルボロンであることを特徴としている。   The method for manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 21 is the method for manufacturing a piezoelectric actuator according to any one of claims 13 to 18, wherein the alkoxide-based gas is tetramethylboron. It is characterized by.
請求項13乃至請求項21に記載の発明によれば、シリコン酸化膜に、ゲルマニウム、リン、ボロンの何れかの不純物を添加して熱処理したので、厚膜とされた振動板でも、その応力(ストレス)を好適に制御(抑制)することができる。また、請求項14乃至請求項21に記載の発明によれば、吸湿による経時的な応力の変化を防止することができ、製造プロセスへの適合性を向上させることができる。   According to the thirteenth to twenty-first aspects of the present invention, since any one of germanium, phosphorous, and boron is added to the silicon oxide film and heat-treated, even in the thick diaphragm, the stress ( Stress) can be suitably controlled (suppressed). In addition, according to the invention described in claims 14 to 21, it is possible to prevent a change in stress over time due to moisture absorption, and to improve the adaptability to the manufacturing process.
また、本発明に係る請求項22に記載の液滴吐出ヘッドは、請求項1乃至請求項12の何れか1項に記載の圧電アクチュエーターを備えたことを特徴としている。   A droplet discharge head according to a twenty-second aspect of the present invention includes the piezoelectric actuator according to any one of the first to twelfth aspects.
そして、本発明に係る請求項23に記載の液滴吐出装置は、請求項22に記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴としている。   A droplet discharge device according to a twenty-third aspect of the present invention includes the droplet discharge head according to the twenty-second aspect.
請求項22及び請求項23に記載の発明によれば、低コストで高密度かつ高精度の液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を実現することができる。また、液滴吐出ヘッドにおける圧力室の初期容量を精度よく制御することができる。   According to the invention described in claims 22 and 23, it is possible to realize a high-density and high-precision liquid droplet ejection head and liquid droplet ejection apparatus at low cost. In addition, the initial capacity of the pressure chamber in the droplet discharge head can be controlled with high accuracy.
以上のように、本発明によれば、厚膜で形成する振動板の応力を抑制できる圧電アクチュエーターと、その製造方法、更には、その圧電アクチュエーターを備えた液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を提供することができる。   As described above, according to the present invention, a piezoelectric actuator capable of suppressing stress of a diaphragm formed by a thick film, a manufacturing method thereof, and a droplet discharge head and a droplet discharge device including the piezoelectric actuator are provided. Can be provided.
以下、本発明の最良な実施の形態について、図面に示す実施例を基に詳細に説明する。なお、液滴吐出装置としてはインクジェット記録装置10を例に採って説明する。したがって、液体はインク110とし、液滴吐出ヘッドはインクジェット記録ヘッド32として説明をする。また、記録媒体は記録用紙Pとして説明をする。   DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The best mode for carrying out the present invention will be described below in detail based on the embodiments shown in the drawings. Note that the ink jet recording apparatus 10 will be described as an example of the droplet discharge apparatus. Therefore, the liquid will be described as ink 110, and the droplet discharge head will be described as an inkjet recording head 32. The recording medium will be described as recording paper P.
インクジェット記録装置10は、図1で示すように、記録用紙Pを送り出す用紙供給部12と、記録用紙Pの姿勢を制御するレジ調整部14と、インク滴を吐出して記録用紙Pに画像形成する記録ヘッド部16及び記録ヘッド部16のメンテナンスを行うメンテナンス部18を備える記録部20と、記録部20で画像形成された記録用紙Pを排出する排出部22とから基本的に構成されている。   As shown in FIG. 1, the inkjet recording apparatus 10 includes a paper supply unit 12 that feeds the recording paper P, a registration adjustment unit 14 that controls the posture of the recording paper P, and forms an image on the recording paper P by ejecting ink droplets. The recording head unit 16 and the recording unit 20 including the maintenance unit 18 that performs maintenance of the recording head unit 16 and the discharge unit 22 that discharges the recording paper P on which the image is formed by the recording unit 20 are basically configured. .
用紙供給部12は、記録用紙Pが積層されてストックされているストッカー24と、ストッカー24から1枚ずつ取り出してレジ調整部14に搬送する搬送装置26とから構成されている。レジ調整部14は、ループ形成部28と、記録用紙Pの姿勢を制御するガイド部材29とを有しており、記録用紙Pは、この部分を通過することによって、そのコシを利用してスキューが矯正されるとともに、搬送タイミングが制御されて記録部20に供給される。そして、排出部22は、記録部20で画像が形成された記録用紙Pを、排紙ベルト23を介してトレイ25に収納する。   The paper supply unit 12 includes a stocker 24 in which recording papers P are stacked and stocked, and a conveying device 26 that takes out the papers one by one from the stocker 24 and conveys them to the registration adjusting unit 14. The registration adjusting unit 14 includes a loop forming unit 28 and a guide member 29 that controls the posture of the recording paper P. The recording paper P passes through this portion, and uses the stiffness to skew. Is corrected, and the conveyance timing is controlled and supplied to the recording unit 20. The discharge unit 22 stores the recording paper P on which the image is formed by the recording unit 20 in the tray 25 via the discharge belt 23.
記録ヘッド部16とメンテナンス部18の間には、記録用紙Pが搬送される用紙搬送路27が構成されている(用紙搬送方向を矢印PFで示す)。用紙搬送路27は、スターホイール17と搬送ロール19とを有し、このスターホイール17と搬送ロール19とで記録用紙Pを挟持しつつ連続的に(停止することなく)搬送する。そして、この記録用紙Pに対して、記録ヘッド部16からインク滴が吐出され、記録用紙Pに画像が形成される。   Between the recording head unit 16 and the maintenance unit 18, a paper transport path 27 through which the recording paper P is transported is formed (the paper transport direction is indicated by an arrow PF). The paper conveyance path 27 includes a star wheel 17 and a conveyance roll 19, and conveys the recording paper P between the star wheel 17 and the conveyance roll 19 continuously (without stopping). Then, ink droplets are ejected from the recording head unit 16 to the recording paper P, and an image is formed on the recording paper P.
メンテナンス部18は、インクジェット記録ユニット30に対して対向配置されるメンテナンス装置21を有しており、インクジェット記録ヘッド32に対するキャッピングや、ワイピング、更には、ダミージェットやバキューム等の処理を行う。   The maintenance unit 18 includes a maintenance device 21 disposed to face the ink jet recording unit 30, and performs capping and wiping on the ink jet recording head 32, and further processes such as dummy jet and vacuum.
図2で示すように、各インクジェット記録ユニット30は、矢印PFで示す用紙搬送方向と直交する方向に配置された支持部材34を備えており、この支持部材34に複数のインクジェット記録ヘッド32が取り付けられている。インクジェット記録ヘッド32には、マトリックス状に複数のノズル56が形成されており、記録用紙Pの幅方向には、インクジェット記録ユニット30全体として一定のピッチでノズル56が並設されている。   As shown in FIG. 2, each inkjet recording unit 30 includes a support member 34 disposed in a direction orthogonal to the paper conveyance direction indicated by arrow PF, and a plurality of inkjet recording heads 32 are attached to the support member 34. It has been. A plurality of nozzles 56 are formed in a matrix in the inkjet recording head 32, and the nozzles 56 are arranged in parallel in the width direction of the recording paper P at a constant pitch as the entire inkjet recording unit 30.
そして、用紙搬送路27を連続的に搬送される記録用紙Pに対し、ノズル56からインク滴を吐出することで、記録用紙P上に画像が記録される。なお、インクジェット記録ユニット30は、例えば、いわゆるフルカラーの画像を記録するために、イエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、ブラック(K)の各色に対応して、少なくとも4つ配置されている。   An image is recorded on the recording paper P by ejecting ink droplets from the nozzles 56 onto the recording paper P that is continuously transported through the paper transporting path 27. For example, in order to record a so-called full-color image, at least four inkjet recording units 30 are arranged corresponding to each color of yellow (Y), magenta (M), cyan (C), and black (K). Has been.
図3で示すように、それぞれのインクジェット記録ユニット30のノズル56による印字領域幅は、このインクジェット記録装置10での画像記録が想定される記録用紙Pの用紙最大幅PWよりも長くされており、インクジェット記録ユニット30を紙幅方向に移動させることなく、記録用紙Pの全幅にわたる画像記録が可能とされている。つまり、このインクジェット記録ユニット30は、シングルパス印字が可能なFull Width Array(FWA)となっている。   As shown in FIG. 3, the print area width by the nozzle 56 of each inkjet recording unit 30 is longer than the maximum sheet width PW of the recording sheet P on which image recording by the inkjet recording apparatus 10 is assumed, Image recording over the entire width of the recording paper P is possible without moving the inkjet recording unit 30 in the paper width direction. That is, the inkjet recording unit 30 is a full width array (FWA) capable of single pass printing.
ここで、印字領域幅とは、記録用紙Pの両端から印字しないマージンを引いた記録領域のうち最大のものが基本となるが、一般的には印字対象となる用紙最大幅PWよりも大きくとっている。これは、記録用紙Pが搬送方向に対して所定角度傾斜して(スキューして)搬送されるおそれがあるためと、縁無し印字の要望が高いためである。   Here, the print area width is basically the largest of the recording areas obtained by subtracting the margins not to be printed from both ends of the recording paper P, but is generally larger than the maximum paper width PW to be printed. ing. This is because there is a possibility that the recording paper P is conveyed at a predetermined angle with respect to the conveying direction (skewed) and there is a high demand for borderless printing.
以上のような構成のインクジェット記録装置10において、次にインクジェット記録ヘッド32について詳細に説明する。図4は第1実施形態のインクジェット記録ヘッド32の構成を示す概略平面図である。すなわち、図4(A)はインクジェット記録ヘッド32の全体構成を示すものであり、図4(B)は1つの素子の構成を示すものである。   Next, the inkjet recording head 32 in the inkjet recording apparatus 10 configured as described above will be described in detail. FIG. 4 is a schematic plan view showing the configuration of the ink jet recording head 32 of the first embodiment. 4A shows the overall configuration of the inkjet recording head 32, and FIG. 4B shows the configuration of one element.
また、図5(A)乃至図5(C)は、それぞれ図4(B)の各部をA−A’線、B−B’線、C−C’線の断面にて示すものである。ただし、後述するシリコン基板72及びプール室部材39等は省略している。更に、図6はインクジェット記録ヘッド32を部分的に取り出して主要部分が明確になるように示した概略縦断面図である。   FIGS. 5A to 5C show sections of FIG. 4B in cross sections taken along lines A-A ′, B-B ′, and C-C ′, respectively. However, a silicon substrate 72 and a pool chamber member 39, which will be described later, are omitted. FIG. 6 is a schematic longitudinal sectional view showing the ink jet recording head 32 partially taken out so that the main part becomes clear.
このインクジェット記録ヘッド32には、天板部材40が配置されている。本実施形態では、天板部材40を構成するガラス製の天板41は板状で、かつ配線を有しており、インクジェット記録ヘッド32全体の天板となっている。天板部材40には、駆動IC60と、駆動IC60に通電するための金属配線90が設けられている。金属配線90は、樹脂保護膜92で被覆保護されており、インク110による浸食が防止されるようになっている。   A top plate member 40 is disposed on the ink jet recording head 32. In the present embodiment, the glass top plate 41 constituting the top plate member 40 is plate-shaped and has wiring, which is the top plate of the entire inkjet recording head 32. The top plate member 40 is provided with a driving IC 60 and a metal wiring 90 for energizing the driving IC 60. The metal wiring 90 is covered and protected by a resin protective film 92 so that erosion by the ink 110 is prevented.
また、この駆動IC60の下面には、図7で示すように、複数のバンプ60Bがマトリックス状に所定高さ突設されており、天板41上で、かつプール室部材39よりも外側の金属配線90にフリップチップ実装されるようになっている。したがって、圧電素子46に対する高密度配線と低抵抗化が容易に実現可能であり、これによって、インクジェット記録ヘッド32の小型化が実現可能となっている。なお、駆動IC60の周囲は樹脂材58で封止されている。   Further, as shown in FIG. 7, a plurality of bumps 60 </ b> B project in a matrix shape at a predetermined height on the lower surface of the drive IC 60, and the metal on the top plate 41 and outside the pool chamber member 39. The wiring 90 is flip-chip mounted. Therefore, it is possible to easily realize high-density wiring and low resistance for the piezoelectric element 46, and thus, the ink jet recording head 32 can be miniaturized. The periphery of the drive IC 60 is sealed with a resin material 58.
天板部材40には、耐インク性を有する材料で構成されたプール室部材39が貼着されており、天板41との間に、所定の形状及び容積を有するインクプール室38が形成されている。プール室部材39には、インクタンク(図示省略)と連通するインク供給ポート36が所定箇所に穿設されており、インク供給ポート36から注入されたインク110は、インクプール室38に貯留される。   A pool chamber member 39 made of a material having ink resistance is attached to the top plate member 40, and an ink pool chamber 38 having a predetermined shape and volume is formed between the top plate member 40 and the top plate member 40. ing. An ink supply port 36 communicating with an ink tank (not shown) is formed in the pool chamber member 39 at a predetermined location, and the ink 110 injected from the ink supply port 36 is stored in the ink pool chamber 38. .
天板41には、後述する圧力室115と1対1で対応するインク供給用貫通口112が形成されており、その内部が第1インク供給路114Aとなっている。また、天板41には、後述する上部電極54に対応する位置に、電気接続用貫通口42が形成されている。天板41の金属配線90は電気接続用貫通口42内にまで延長されて、その電気接続用貫通口42の内面を覆い、更に上部電極54に接触している。   The top plate 41 is formed with an ink supply through-hole 112 that corresponds one-to-one with a pressure chamber 115 to be described later, and the inside thereof is a first ink supply path 114A. The top plate 41 has an electrical connection through hole 42 at a position corresponding to an upper electrode 54 described later. The metal wiring 90 of the top plate 41 extends into the electrical connection through hole 42, covers the inner surface of the electrical connection through hole 42, and is in contact with the upper electrode 54.
これにより、金属配線90と上部電極54とが電気的に接続され、後述する圧電素子基板70の個別配線が不要になっている。なお、電気接続用貫通口42の下部は金属配線90によって閉塞された底部42B(図11−1(B)参照)となっており、電気接続用貫通口42は、上方にのみ開放された以外は閉じた空間となっている。   Thereby, the metal wiring 90 and the upper electrode 54 are electrically connected, and the individual wiring of the piezoelectric element substrate 70 described later is unnecessary. The lower part of the electrical connection through hole 42 is a bottom 42B (see FIG. 11B) closed by the metal wiring 90, and the electrical connection through hole 42 is opened only upward. Is a closed space.
流路基板としてのシリコン基板72には、インクプール室38から供給されたインク110が充填される圧力室115が形成され、圧力室115と連通するノズル56からインク滴が吐出されるようになっている。そして、インクプール室38と圧力室115とが同一水平面上に存在しないように構成されている。したがって、圧力室115を互いに接近させた状態に配置することが可能であり、ノズル56をマトリックス状に高密度に配設することが可能となっている。   A pressure chamber 115 filled with the ink 110 supplied from the ink pool chamber 38 is formed on the silicon substrate 72 as the flow path substrate, and ink droplets are ejected from the nozzles 56 communicating with the pressure chamber 115. ing. The ink pool chamber 38 and the pressure chamber 115 are configured not to exist on the same horizontal plane. Therefore, the pressure chambers 115 can be arranged close to each other, and the nozzles 56 can be arranged in a matrix at high density.
シリコン基板72の下面には、ノズル56が形成されたノズルプレート74が貼着され、シリコン基板72の上面には、圧電素子基板70が形成(作製)される。圧電素子基板70は振動板48を有しており、振動板48の振動によって圧力室115の容積を増減させて圧力波を発生させることで、ノズル56からのインク滴の吐出が可能になっている。したがって、振動板48が圧力室115の1つの面を構成している。   A nozzle plate 74 having nozzles 56 is attached to the lower surface of the silicon substrate 72, and a piezoelectric element substrate 70 is formed (produced) on the upper surface of the silicon substrate 72. The piezoelectric element substrate 70 has a vibration plate 48. By generating a pressure wave by increasing / decreasing the volume of the pressure chamber 115 by the vibration of the vibration plate 48, ink droplets can be ejected from the nozzle 56. Yes. Therefore, the diaphragm 48 forms one surface of the pressure chamber 115.
振動板48は、Plasma−Chemical Vapor Deposition(P−CVD)法で、ゲルマニウム(Ge)が添加されたシリコン酸化膜(SiO膜)で形成され、少なくとも上下方向に弾性を有し、圧電素子46に通電されると(電圧が印加されると)、上下方向に撓み変形する(変位する)構成になっている。なお、振動板48の厚さは、安定した剛性を得るために、1μm以上20μm以下(1μm〜20μm)とされている。 The diaphragm 48 is formed of a silicon oxide film (SiO 2 film) to which germanium (Ge) is added by Plasma-Chemical Vapor Deposition (P-CVD), has elasticity at least in the vertical direction, and has a piezoelectric element 46. When an electric current is applied to the capacitor (when a voltage is applied), it is configured to bend and deform (displace) in the vertical direction. In addition, the thickness of the diaphragm 48 is 1 μm or more and 20 μm or less (1 μm to 20 μm) in order to obtain stable rigidity.
また、圧電素子46は、圧力室115毎に振動板48の上面に接着されている。圧電素子46の下面には一方の極性となる下部電極52が配置され、圧電素子46の上面には他方の極性となる上部電極54が配置されている。そして、圧電素子46は、低透水性絶縁膜(SiOx膜)80で被覆保護されている。圧電素子46を被覆保護している低透水性絶縁膜(SiOx膜)80は、水分透過性が低くなる条件で着膜するため、水分が圧電素子46の内部に侵入して信頼性不良となること(PZT膜内の酸素を還元することにより生ずる圧電特性の劣化)を防止できる。   The piezoelectric element 46 is bonded to the upper surface of the diaphragm 48 for each pressure chamber 115. A lower electrode 52 having one polarity is disposed on the lower surface of the piezoelectric element 46, and an upper electrode 54 having the other polarity is disposed on the upper surface of the piezoelectric element 46. The piezoelectric element 46 is covered and protected by a low water-permeable insulating film (SiOx film) 80. Since the low water-permeable insulating film (SiOx film) 80 that covers and protects the piezoelectric element 46 is deposited under the condition that the moisture permeability is low, moisture penetrates into the piezoelectric element 46 and becomes unreliable. (Deterioration of piezoelectric characteristics caused by reducing oxygen in the PZT film) can be prevented.
更に、低透水性絶縁膜(SiOx膜)80上には、隔壁樹脂層119が積層されている。図4(B)で示すように、隔壁樹脂層119は、圧電素子基板70と天板部材40との間の空間を区画している。隔壁樹脂層119には、天板41のインク供給用貫通口112と連通するインク供給用貫通口44が形成されており、その内部が第2インク供給路114Bとなっている。   Further, a partition resin layer 119 is laminated on the low water-permeable insulating film (SiOx film) 80. As shown in FIG. 4B, the partition resin layer 119 partitions the space between the piezoelectric element substrate 70 and the top plate member 40. The partition resin layer 119 is formed with an ink supply through-hole 44 that communicates with the ink supply through-hole 112 of the top plate 41, and the inside thereof is a second ink supply path 114 </ b> B.
第2インク供給路114Bは、第1インク供給路114Aの断面積よりも小さい断面積を有しており、インク供給路114全体での流路抵抗が所定の値になるように調整されている。つまり、第1インク供給路114Aの断面積は、第2インク供給路114Bの断面積よりも充分に大きくされており、第2インク供給路114Bでの流路抵抗と比べて実質的に無視できる程度とされている。したがって、インクプール室38から圧力室115へのインク供給路114の流路抵抗は、第2インク供給路114Bのみで規定される。   The second ink supply path 114B has a cross-sectional area smaller than the cross-sectional area of the first ink supply path 114A, and is adjusted so that the flow path resistance in the entire ink supply path 114 becomes a predetermined value. . That is, the cross-sectional area of the first ink supply path 114A is sufficiently larger than the cross-sectional area of the second ink supply path 114B, and can be substantially ignored as compared with the flow path resistance in the second ink supply path 114B. It is said to be about. Therefore, the flow resistance of the ink supply path 114 from the ink pool chamber 38 to the pressure chamber 115 is defined only by the second ink supply path 114B.
また、このように、隔壁樹脂層119に形成したインク供給用貫通口44によってインク110を供給するようにしたことで、供給途中における圧電素子46領域へのインク漏れが防止されている。なお、隔壁樹脂層119には大気連通孔116が形成されており、インクジェット記録ヘッド32の製造時や画像記録時における天板41と圧電素子基板70の空間の圧力変動を低減している。   In addition, since the ink 110 is supplied through the ink supply through-hole 44 formed in the partition resin layer 119 as described above, ink leakage to the piezoelectric element 46 region during supply is prevented. An air communication hole 116 is formed in the partition resin layer 119 to reduce pressure fluctuations in the space between the top plate 41 and the piezoelectric element substrate 70 when the inkjet recording head 32 is manufactured or when an image is recorded.
また、電気接続用貫通口42に対応する位置にも隔壁樹脂層118が積層されている。図4(B)で示すように、隔壁樹脂層118には、金属配線90が貫通する貫通孔120が形成されており、金属配線90の下端を上部電極54に接触可能としている。なお、図4(B)では、隔壁樹脂層118と隔壁樹脂層119が分離された位置での断面としているが、これらは、実際には部分的に繋がっている。   A partition resin layer 118 is also laminated at a position corresponding to the electrical connection through hole 42. As shown in FIG. 4B, a through hole 120 through which the metal wiring 90 penetrates is formed in the partition resin layer 118 so that the lower end of the metal wiring 90 can contact the upper electrode 54. In FIG. 4B, a cross section is taken at a position where the partition resin layer 118 and the partition resin layer 119 are separated, but these are actually partially connected.
また、隔壁樹脂層118、119によって、天板部材40と圧電素子46(厳密には、圧電素子46上の低透水性絶縁膜(SiOx膜)80)との間に間隙が構成され、空気層となっている。この空気層により、圧電素子46の駆動や振動板48の振動に影響を与えないようになっている。   In addition, the partition resin layers 118 and 119 form a gap between the top plate member 40 and the piezoelectric element 46 (strictly, the low water-permeable insulating film (SiOx film) 80 on the piezoelectric element 46), and the air layer It has become. The air layer prevents the drive of the piezoelectric element 46 and the vibration of the diaphragm 48 from being affected.
そして、電気接続用貫通口42の内部には、金属配線90に接触するようにして、半田86が充填されている。これにより、実質的に金属配線90が補強されて、上部電極54に対する接触状態(電気的な接続状態)が向上されており、例えば、熱ストレスや機械的ストレスなどによって接触状態が低下しそうになった場合でも、半田86によって、その接触状態が良好に維持される。   The inside of the electrical connection through hole 42 is filled with solder 86 so as to be in contact with the metal wiring 90. Thereby, the metal wiring 90 is substantially reinforced, and the contact state (electrical connection state) with respect to the upper electrode 54 is improved. For example, the contact state is likely to be lowered due to thermal stress or mechanical stress. Even in this case, the contact state is maintained well by the solder 86.
したがって、駆動IC60からの信号が、天板部材40の金属配線90に通電され、更に金属配線90から上部電極54に通電される。そして、所定のタイミングで圧電素子46に電圧が印加され、振動板48が上下方向に撓み変形することにより、圧力室115内に充填されたインク110が加圧されて、ノズル56からインク滴が吐出する。   Therefore, a signal from the driving IC 60 is energized to the metal wiring 90 of the top plate member 40 and further energized from the metal wiring 90 to the upper electrode 54. Then, a voltage is applied to the piezoelectric element 46 at a predetermined timing, and the vibration plate 48 is bent and deformed in the vertical direction, whereby the ink 110 filled in the pressure chamber 115 is pressurized and ink droplets are ejected from the nozzle 56. Discharge.
なお、振動板48、圧電素子46、上部電極54、下部電極52が圧電アクチュエーターの主構成要素である。また、隔壁樹脂層119と隔壁樹脂層118は、その上面の高さが一定、即ち面一になるように構成されている。したがって、天板41から測った隔壁樹脂層119と隔壁樹脂層118の対向面の高さ(距離)も同一になっている。これにより、天板41が接触する際の接触性が高くなり、シール性も高くなっている。また、金属配線90にはフレキシブルプリント基板(FPC)100も接続される。   The diaphragm 48, the piezoelectric element 46, the upper electrode 54, and the lower electrode 52 are main components of the piezoelectric actuator. Further, the partition wall resin layer 119 and the partition wall resin layer 118 are configured such that the heights of the upper surfaces thereof are constant, that is, flush with each other. Therefore, the height (distance) of the opposing surfaces of the partition resin layer 119 and the partition resin layer 118 measured from the top plate 41 is also the same. Thereby, the contact property at the time of the top plate 41 contacting becomes high, and the sealing performance is also high. A flexible printed circuit board (FPC) 100 is also connected to the metal wiring 90.
以上のような構成のインクジェット記録ヘッド32において、次に、その製造工程(製造プロセス)について、図8乃至図12を基に詳細に説明する。図8で示すように、このインクジェット記録ヘッド32は、流路基板としてのシリコン基板72の上面に圧電素子基板70を作製し、その後、シリコン基板72の下面にノズルプレート74(ノズルフィルム68)を接合(貼着)することによって製造される。   Next, the manufacturing process (manufacturing process) of the ink jet recording head 32 configured as described above will be described in detail with reference to FIGS. As shown in FIG. 8, the ink jet recording head 32 produces a piezoelectric element substrate 70 on the upper surface of a silicon substrate 72 as a flow path substrate, and then a nozzle plate 74 (nozzle film 68) on the lower surface of the silicon substrate 72. It is manufactured by bonding (sticking).
図9−1(A)で示すように、まず、シリコン基板72を用意する。そして、図9−1(B)で示すように、Reactive Ion Etching(RIE)法により、そのシリコン基板72の連通路50となる領域に開口部72Aを形成する。具体的には、ホトリソグラフィー法によるレジスト形成、パターニング、RIE法によるエッチング、酸素プラズマによるレジスト剥離である。   As shown in FIG. 9A, first, a silicon substrate 72 is prepared. Then, as shown in FIG. 9-1 (B), an opening 72A is formed in a region to be the communication path 50 of the silicon substrate 72 by a reactive ion etching (RIE) method. Specifically, resist formation by photolithography, patterning, etching by RIE, and resist removal by oxygen plasma.
次いで、図9−1(C)で示すように、RIE法により、そのシリコン基板72の圧力室115となる領域に溝部72Bを形成する。具体的には、上記と同様に、ホトリソグラフィー法によるレジスト形成、パターニング、RIE法によるエッチング、酸素プラズマによるレジスト剥離である。これにより、圧力室115と連通路50とからなる多段構造が形成される。   Next, as shown in FIG. 9-1 (C), a groove 72B is formed in a region to be the pressure chamber 115 of the silicon substrate 72 by the RIE method. Specifically, as described above, resist formation by photolithography, patterning, etching by RIE, and resist stripping by oxygen plasma. Thereby, a multistage structure including the pressure chamber 115 and the communication passage 50 is formed.
その後、図9−1(D)で示すように、連通路50を構成する開口部72Aと、圧力室115を構成する溝部72Bに、スクリーン印刷法(図13(B)参照)により、ガラスペースト76を充填する(埋め込む)。スクリーン印刷法を用いると、深い貫通開口部72Aや溝部72Bでも確実にガラスペースト76を埋め込むことができるので好ましい。   Thereafter, as shown in FIG. 9-1 (D), the glass paste is applied to the opening 72A constituting the communication path 50 and the groove 72B constituting the pressure chamber 115 by screen printing (see FIG. 13 (B)). 76 is filled (embedded). Use of the screen printing method is preferable because the glass paste 76 can be reliably embedded even in the deep through opening 72A and the groove 72B.
また、このガラスペースト76は、熱膨張係数が、1×10−6/℃〜6×10−6/℃であり、軟化点は、550℃〜900℃である。この範囲のガラスペースト76を使用することで、ガラスペースト76にクラックや剥離が発生するのを防止でき、更には、圧電素子46や振動板48となる膜に形状歪みが発生するのを防止できる。 Moreover, this glass paste 76 has a thermal expansion coefficient of 1 × 10 −6 / ° C. to 6 × 10 −6 / ° C., and a softening point of 550 ° C. to 900 ° C. By using the glass paste 76 in this range, it is possible to prevent the glass paste 76 from being cracked or peeled, and further to prevent the piezoelectric element 46 and the diaphragm 48 from being deformed. .
そして、ガラスペースト76を充填後、シリコン基板72を、例えば800℃で10分間、加熱処理する。このガラスペースト76の硬化熱処理に使用する温度は、後述する圧電素子46の成膜温度(例えば550℃)や振動板48の成膜温度(例えば700℃)よりも高い温度である。これにより、振動板48及び圧電素子46の成膜工程において、ガラスペースト76に高温耐性ができる。   Then, after the glass paste 76 is filled, the silicon substrate 72 is heat-treated at 800 ° C. for 10 minutes, for example. The temperature used for the curing heat treatment of the glass paste 76 is higher than the film formation temperature (for example, 550 ° C.) of the piezoelectric element 46 described later and the film formation temperature (for example, 700 ° C.) of the vibration plate 48. Thereby, the glass paste 76 can be resistant to high temperatures in the film forming process of the diaphragm 48 and the piezoelectric element 46.
つまり、少なくともガラスペースト76を硬化熱処理した温度までは、後工程で使用可能となるので、後工程での使用温度の許容範囲が広がる。その後、シリコン基板72の上面(表面)を研磨して余剰ガラスペースト76を除去し、その上面(表面)を平坦化する。これにより、圧力室115及び連通路50となる領域上にも薄膜等を精度よく形成することが可能となる。   That is, at least the temperature at which the glass paste 76 is cured and heat-treated can be used in the subsequent process, so that the allowable range of the use temperature in the subsequent process is widened. Thereafter, the upper surface (surface) of the silicon substrate 72 is polished to remove the excess glass paste 76, and the upper surface (surface) is flattened. As a result, a thin film or the like can be formed with high precision also on the areas to be the pressure chamber 115 and the communication path 50.
次に、図9−2(E)で示すように、シリコン基板72の上面(表面)に、スパッタ法により、ゲルマニウム(Ge)膜78(膜厚1μm)を着膜する。このGe膜78は、後工程でガラスペースト76をフッ化水素(HF)溶液でエッチング除去するときに、SiO膜82(振動板48)が一緒にエッチングされないように保護するエッチングストッパー層として機能する。なお、このGe膜78は、蒸着やCVD法でも成膜できる。また、エッチングストッパー層としては、シリコン(Si)膜も使用できる。 Next, as shown in FIG. 9B, a germanium (Ge) film 78 (film thickness: 1 μm) is deposited on the upper surface (surface) of the silicon substrate 72 by sputtering. This Ge film 78 functions as an etching stopper layer that protects the SiO 2 film 82 (vibrating plate 48) from being etched together when the glass paste 76 is etched away with a hydrogen fluoride (HF) solution in a later step. To do. The Ge film 78 can also be formed by vapor deposition or CVD. A silicon (Si) film can also be used as the etching stopper layer.
そして、図9−2(F)で示すように、そのGe膜78の上面に振動板48となる厚膜、即ちGeが添加されたSiO膜82(膜厚10μm)をP−CVD法により成膜する。具体的には、酸素(O)及びシリコン(Si)原料を含むガス、例えばテトラエトキシシラン(TEOS)、テトラメトキシシラン(TMOS)、シラン(SiH)の何れかを含むガスに、アルコキシド系のガスであるテトラメチルゲルマニウム(TMGe)を添加することにより成膜する。 Then, as shown in FIG. 9-2 (F), a thick film that becomes the vibration plate 48 on the upper surface of the Ge film 78, that is, a SiO 2 film 82 (film thickness 10 μm) to which Ge is added is formed by the P-CVD method. Form a film. Specifically, a gas containing oxygen (O 2 ) and silicon (Si) raw material, for example, a gas containing any of tetraethoxysilane (TEOS), tetramethoxysilane (TMOS), and silane (SiH 4 ) is used as an alkoxide system. A film is formed by adding tetramethyl germanium (TMGe) which is a gas of the above.
なお、SiO膜82(振動板48)に添加するGeの量、即ちSiO膜82(振動板48)におけるGe濃度は、図14で示すように、35mol%以下、好ましくは20mol%以下である。Ge濃度が35mol%より高いと、HF溶液によるエッチングレートが上昇し、インク耐性及び薬品耐性が低下する。つまり、後述するように、振動板48(Geが添加されたSiO膜82)をパターニングする際には、濃度20%のHF溶液によるウェットエッチングを行う場合がある。このとき、Ge濃度が35mol%より高いと、振動板48(Geが添加されたSiO膜82)全体がエッチングされてしまう。したがって、Ge濃度は上記範囲とする。 The amount of Ge added to the SiO 2 film 82 (diaphragm 48), i.e. the Ge concentration in the SiO 2 film 82 (diaphragm 48), as shown in Figure 14, 35 mol% or less, preferably less 20 mol% is there. When the Ge concentration is higher than 35 mol%, the etching rate by the HF solution increases, and the ink resistance and chemical resistance decrease. That is, as will be described later, when patterning the diaphragm 48 (the SiO 2 film 82 to which Ge is added), wet etching with a 20% concentration HF solution may be performed. At this time, if the Ge concentration is higher than 35 mol%, the entire diaphragm 48 (the SiO 2 film 82 to which Ge is added) is etched. Therefore, the Ge concentration is in the above range.
振動板48(Geが添加されたSiO膜82)を成膜したら、窒素(N)雰囲気下で1時間、これ以降の工程における最高温度よりも高い温度、例えば700℃でアニール(熱処理)する。図15で示すように、700℃でアニールすると、振動板48の応力(ストレス)増加は60MPaとなるが、一度アニールすることにより、それ以上に応力(ストレス)が変化しないようにできる。つまり、図16で示すように、700℃でアニールすると、Ge濃度が35mol%以下、特に20mol%程度とされた振動板48では、アニールしないものに比べて、応力(ストレス)を略0MPaにできる。なお、アニール温度は700℃に限定されるものではなく、600℃以上1100℃以下(600℃〜1100℃)であればよい。 After the diaphragm 48 (the SiO 2 film 82 to which Ge is added) is formed, annealing (heat treatment) is performed at a temperature higher than the maximum temperature in the subsequent steps, for example, 700 ° C. for 1 hour in a nitrogen (N 2 ) atmosphere. To do. As shown in FIG. 15, when annealing is performed at 700 ° C., the increase in stress (stress) of the diaphragm 48 becomes 60 MPa. However, by annealing once, the stress (stress) can be prevented from changing any more. That is, as shown in FIG. 16, when the annealing is performed at 700 ° C., the diaphragm 48 having a Ge concentration of 35 mol% or less, particularly about 20 mol%, can have a stress (stress) of about 0 MPa as compared with a case where annealing is not performed. . The annealing temperature is not limited to 700 ° C., and may be 600 ° C. or more and 1100 ° C. or less (600 ° C. to 1100 ° C.).
こうして、アニールが終了したら、図9−2(G)で示すように、スパッタ法により、例えば厚み0.5μm程度のIrとTiとの積層膜62、即ち下部電極52を成膜する。そして、図9−3(H)で示すように、下部電極52の上面に、圧電素子46の材料であるPZT膜64と、上部電極54となるIr膜66を順にスパッタ法で積層(成膜)し、図9−3(I)で示すように、圧電素子46(PZT膜64)及び上部電極54(Ir膜66)をパターニングする。   When the annealing is thus completed, as shown in FIG. 9-2 (G), a laminated film 62 of Ir and Ti having a thickness of, for example, about 0.5 μm, that is, the lower electrode 52 is formed by sputtering. Then, as shown in FIG. 9-3 (H), a PZT film 64, which is the material of the piezoelectric element 46, and an Ir film 66, which will be the upper electrode 54, are sequentially stacked on the upper surface of the lower electrode 52 (deposition). Then, as shown in FIG. 9-3 (I), the piezoelectric element 46 (PZT film 64) and the upper electrode 54 (Ir film 66) are patterned.
具体的には、PZT膜スパッタ(膜厚5μm)、Ir膜スパッタ(膜厚0.5μm)、ホトリソグラフィー法によるレジスト形成、パターニング(Cl系又はF系のガスを用いたドライエッチング)、酸素プラズマによるレジスト剥離である。下部及び上部の電極材料としては、圧電素子46であるPZT材料との親和性が高く、耐熱性がある、例えばIr、Au、Ru、Pt、Ta、PtO、TaO、IrO等が挙げられる。また、PZT膜64の成膜温度は550℃であり、PZT膜64の積層(成膜)には、AD法、ゾルゲル法等も用いることが可能である。 Specifically, PZT film sputtering (film thickness 5 μm), Ir film sputtering (film thickness 0.5 μm), resist formation by photolithography, patterning (dry etching using Cl 2 or F-based gas), oxygen This is resist peeling by plasma. The lower and upper electrode materials have high affinity with the PZT material that is the piezoelectric element 46 and heat resistance, such as Ir, Au, Ru, Pt, Ta, PtO 2 , TaO 4 , IrO 2 and the like. It is done. Further, the deposition temperature of the PZT film 64 is 550 ° C., and the AD method, the sol-gel method, or the like can be used for the lamination (film formation) of the PZT film 64.
次に、図9−3(J)で示すように、振動板48の上面に積層された下部電極52をパターニングする。具体的には、ホトリソグラフィー法によるレジスト形成、パターニング、RIE法による(Cl系のガスを用いた)ドライエッチング、酸素プラズマによるレジスト剥離である。この下部電極52が接地電位となる。 Next, as shown in FIG. 9-3 (J), the lower electrode 52 laminated on the upper surface of the diaphragm 48 is patterned. Specifically, resist formation by photolithography, patterning, dry etching (using Cl 2 gas) by RIE, and resist stripping by oxygen plasma. This lower electrode 52 becomes the ground potential.
その後、図9−4(K)で示すように、振動板48(Geが添加されたSiO膜82)にインク供給路114形成用の孔部48Aをパターニングする。具体的には、ホトリソグラフィー法によるレジスト形成、パターニング(濃度20%のHF溶液によるウェットエッチング又はHFを含むガスによるドライエッチング)、酸素プラズマによるレジスト剥離である。 Thereafter, as shown in FIG. 9-4 (K), the hole 48A for forming the ink supply path 114 is patterned in the vibration plate 48 (the SiO 2 film 82 to which Ge is added). Specifically, resist formation by photolithography, patterning (wet etching with a 20% concentration HF solution or dry etching with a gas containing HF), and resist stripping with oxygen plasma.
次に、図9−4(L)で示すように、上面に露出している下部電極52と上部電極54の上面に低透水性絶縁膜(SiOx膜)80を積層する。そして、パターニングにより、上部電極54と金属配線90を接続するための開口84(コンタクト孔)を形成する。具体的には、CVD法にてダングリングボンド密度が高い低透水性絶縁膜(SiOx膜)80を着膜する、ホトリソグラフィー法によるレジスト形成、パターニング(濃度20%のHF溶液によるウェットエッチング又はHFを含むガスによるドライエッチング)、酸素プラズマによるレジスト剥離である。なお、ここでは低透水性絶縁膜としてSiOx膜を用いたが、SiNx膜、SiOxNy膜等であってもよい。   Next, as shown in FIG. 9-4 (L), a low water permeable insulating film (SiOx film) 80 is laminated on the upper surface of the lower electrode 52 and the upper electrode 54 exposed on the upper surface. Then, an opening 84 (contact hole) for connecting the upper electrode 54 and the metal wiring 90 is formed by patterning. Specifically, a low water-permeable insulating film (SiOx film) 80 having a high dangling bond density is formed by CVD, resist formation by photolithography, patterning (wet etching by HF solution with a concentration of 20% or HF) Dry etching with a gas containing oxygen), and resist stripping with oxygen plasma. Although the SiOx film is used here as the low water permeable insulating film, it may be a SiNx film, a SiOxNy film, or the like.
次いで、図9−4(M)で示すように、隔壁樹脂層119及び隔壁樹脂層118をパターニングする。具体的には、隔壁樹脂層119、隔壁樹脂層118を構成する感光性樹脂を塗布し、露光・現像することでパターンを形成し、最後にキュアする。このとき、隔壁樹脂層119にインク供給用貫通口44を形成しておく。なお、隔壁樹脂層119と隔壁樹脂層118とは、同一膜であるが、設計パターンが異なっている。また、隔壁樹脂層119、隔壁樹脂層118を構成する感光性樹脂は、ポリイミド系、ポリアミド系、エポキシ系、ポリウレタン系、シリコーン系等、耐インク性を有していればよい。   Next, as shown in FIG. 9-4 (M), the partition resin layer 119 and the partition resin layer 118 are patterned. Specifically, a photosensitive resin constituting the partition wall resin layer 119 and the partition wall resin layer 118 is applied, exposed to light and developed to form a pattern, and finally cured. At this time, the ink supply through hole 44 is formed in the partition wall resin layer 119. The partition resin layer 119 and the partition resin layer 118 are the same film, but have different design patterns. In addition, the photosensitive resin constituting the partition resin layer 119 and the partition resin layer 118 may have ink resistance such as polyimide, polyamide, epoxy, polyurethane, and silicone.
こうして、シリコン基板72(流路基板)の上面に圧電素子基板70が作製され、この圧電素子基板70の上面に、例えばガラス板を支持体とする天板部材40が結合(接合)される。天板部材40の製造においては、図10(A)で示すように、天板部材40自体が支持体となる程度の強度を確保できる厚み(0.3mm〜1.5mm)の天板41を含んでいるので、別途支持体を設ける必要がない。この天板41に、図10(B)で示すように、インク供給用貫通口112及び電気接続用貫通口42を形成する。   Thus, the piezoelectric element substrate 70 is manufactured on the upper surface of the silicon substrate 72 (flow path substrate), and the top plate member 40 having, for example, a glass plate as a support is bonded (bonded) to the upper surface of the piezoelectric element substrate 70. In the manufacture of the top plate member 40, as shown in FIG. 10A, a top plate 41 having a thickness (0.3 mm to 1.5 mm) that can secure a strength that allows the top plate member 40 itself to be a support. Since it contains, it is not necessary to provide a separate support body. As shown in FIG. 10B, the ink supply through-hole 112 and the electrical connection through-hole 42 are formed in the top plate 41.
具体的には、ホトリソグラフィー法で感光性ドライフィルムのレジストをパターニングし、このレジストをマスクとしてサンドブラスト処理を行って開口を形成した後、そのレジストを酸素プラズマにて剥離する。なお、インク供給用貫通口112及び電気接続用貫通口42は、断面視で内面が下方に向かって次第に接近するようなテーパー状(漏斗状)に形成されている。   Specifically, a photosensitive dry film resist is patterned by a photolithography method, and an opening is formed by performing sand blasting using the resist as a mask, and then the resist is peeled off by oxygen plasma. The ink supply through-hole 112 and the electrical connection through-hole 42 are formed in a tapered shape (funnel shape) such that the inner surface gradually approaches downward in a cross-sectional view.
このようにしてインク供給用貫通口112及び電気接続用貫通口42が形成された天板41(天板部材40)を、図11−1(A)で示すように、圧電素子基板70に被せて、両者を熱圧着(例えば350℃、2kg/cmで20分間)により結合(接合)する。このとき、隔壁樹脂層119と隔壁樹脂層118とは面一(同一高さ)になるように構成されているので、天板41が接触する際の接触性が高くなり、高いシール性で接合することができる。 As shown in FIG. 11A, the top plate 41 (top plate member 40) in which the ink supply through-hole 112 and the electrical connection through-hole 42 are thus formed is covered with the piezoelectric element substrate 70. Then, they are bonded (joined) by thermocompression bonding (for example, at 350 ° C. and 2 kg / cm 2 for 20 minutes). At this time, since the partition wall resin layer 119 and the partition wall resin layer 118 are configured to be flush with each other (same height), the contactability when the top plate 41 comes into contact is increased, and the sealing resin is bonded with high sealing performance. can do.
そして、図11−1(B)で示すように、天板41の上面に金属配線90を成膜してパターニングする。具体的には、スパッタ法によるAl膜(膜厚1μm)の着膜、ホトリソグラフィー法によるレジストの形成、H3PO4薬液を用いたAl膜のウェットエッチング、酸素プラズマによるレジスト剥離である。 Then, as shown in FIG. 11B, metal wiring 90 is formed on the top surface of the top plate 41 and patterned. Specifically, deposition of an Al film (film thickness: 1 μm) by sputtering, formation of a resist by photolithography, wet etching of an Al film using H 3 PO 4 chemical solution, and resist stripping by oxygen plasma.
なお、電気接続用貫通口42の段差は非常に大きいので、ホトリソグラフィー工程ではレジストのスプレー塗布法と長焦点深度露光法を用いている。このとき、金属配線90の一部が、電気接続用貫通口42の内面から、上部電極54へと達するようにパターニングしておく。これにより、電気接続用貫通口42の底部42Bが金属配線90で閉塞され、電気接続用貫通口42は、上方にのみ開放された以外は閉じた空間となる。   In addition, since the level difference of the electrical connection through hole 42 is very large, a resist spray coating method and a long focal depth exposure method are used in the photolithography process. At this time, the metal wiring 90 is patterned so that a part of the metal wiring 90 reaches the upper electrode 54 from the inner surface of the through hole 42 for electrical connection. As a result, the bottom portion 42B of the electrical connection through hole 42 is closed by the metal wiring 90, and the electrical connection through hole 42 is a closed space except that it is opened only upward.
また、金属配線90を電気接続用貫通口42の深部まで厚く成膜したい場合には、スパッタ法よりも段差被覆性の良好なCVD法を採用すればよい。何れにしても、電気接続用貫通口42をテーパー状(漏斗状)に形成することで、開口部が広くなり、薄膜形成時の段差被覆性が改善するので、電気接続用貫通口42内の金属配線90(金属薄膜)を深部まで厚く形成することができる。   Further, when it is desired to form the metal wiring 90 thickly up to the deep part of the electrical connection through hole 42, a CVD method having better step coverage than the sputtering method may be employed. In any case, by forming the electrical connection through hole 42 in a tapered shape (funnel shape), the opening becomes wider and the step coverage during the formation of the thin film is improved. The metal wiring 90 (metal thin film) can be formed thick up to the deep part.
そして、このように金属配線90がパターニングされた電気接続用貫通口42内(上記空間内)に、図11−2(C)で示すように、半田86を搭載する。この方法としては、半田ボール86Bを電気接続用貫通口42内に直接搭載する半田ボール法を用いることができる。   Then, as shown in FIG. 11-2 (C), the solder 86 is mounted in the electrical connection through hole 42 (in the space) in which the metal wiring 90 is patterned in this way. As this method, a solder ball method in which the solder ball 86B is directly mounted in the electrical connection through hole 42 can be used.
なお、半田ボール法以外に、図13(A)で示すように、インクジェットの原理を応用した加熱溶融半田吐出供給法を用いてもよい。この方法では、天板41と非接触で、かつ、マスクを用いることなく、半田86を所定の位置に供給することができる。更に、図13(B)で示すように、スクリーン印刷法を用いて半田86を供給してもよい。何れの供給方法であっても、電気接続用貫通口42は、断面視で内面が下方に向かって次第に接近するようなテーパー状(漏斗状)に形成されているので、半田86が電気接続用貫通口42の内面に付着しやすい。   In addition to the solder ball method, as shown in FIG. 13A, a heated and melted solder discharge supply method applying the principle of ink jet may be used. In this method, the solder 86 can be supplied to a predetermined position without contact with the top plate 41 and without using a mask. Further, as shown in FIG. 13B, the solder 86 may be supplied using a screen printing method. In any supply method, the electrical connection through-hole 42 is formed in a taper shape (funnel shape) so that the inner surface gradually approaches downward in a cross-sectional view, so that the solder 86 is used for electrical connection. It tends to adhere to the inner surface of the through hole 42.
次に、図11−2(D)で示すように、半田86をリフロー(例えば280℃で10分間)し、電気接続用貫通口42の底部42Bにまで行き渡らせる。このとき、電気接続用貫通口42の底部42Bには、溶融した半田86が流れ出る経路がないので、高温の環境下で半田86を充分に溶融させて、電気接続用貫通口42の底部42Bまで確実に充填することができる。   Next, as shown in FIG. 11-2 (D), the solder 86 is reflowed (for example, at 280 ° C. for 10 minutes) and spreads to the bottom 42B of the through hole 42 for electrical connection. At this time, there is no path through which the melted solder 86 flows out at the bottom 42B of the electrical connection through hole 42. Therefore, the solder 86 is sufficiently melted in a high temperature environment to reach the bottom 42B of the electrical connection through hole 42. It can be filled reliably.
つまり、この段階で、半田86の最下部は、天板41の下面(金属配線90が形成されていない面)よりも下側の電気接続用貫通口42内に位置しており、電気接続用貫通口42内の金属配線90に確実に接触するようになっている。また、この段階で、溶融した半田86が、天板41の上面(厳密には、金属配線90の上面)よりも上方に位置しないように、充填する半田86の量は予め所定量に決められている。   That is, at this stage, the lowermost part of the solder 86 is located in the electrical connection through hole 42 below the lower surface of the top plate 41 (the surface where the metal wiring 90 is not formed). The metal wiring 90 in the through hole 42 is surely contacted. At this stage, the amount of solder 86 to be filled is determined in advance so that the melted solder 86 is not positioned above the upper surface of the top plate 41 (strictly, the upper surface of the metal wiring 90). ing.
ここで、金属配線90の底部、即ち上部電極54と接触している部位は、金属配線90を構成しているAl膜が薄くなることがあり、隔壁樹脂層119の熱膨張等で機械的ストレスを受けて、金属配線90が断線しているおそれがある。しかし、このような場合でも、底部42Bに充填された半田86が、底部42Bと電気接続用貫通口42内の金属配線90を接続しているので、半田86による導通確保が可能となる。また、溶融した半田86が流れ出ないので、電気接続用貫通口42の近傍部分を半田86が不用意に短絡させてしまうおそれもない。   Here, at the bottom portion of the metal wiring 90, that is, the portion in contact with the upper electrode 54, the Al film constituting the metal wiring 90 may be thin, and mechanical stress is caused by thermal expansion of the partition resin layer 119. In response, the metal wiring 90 may be disconnected. However, even in such a case, since the solder 86 filled in the bottom portion 42B connects the bottom portion 42B and the metal wiring 90 in the electrical connection through hole 42, conduction by the solder 86 can be ensured. Further, since the molten solder 86 does not flow out, there is no possibility that the solder 86 will inadvertently short-circuit the vicinity of the electrical connection through hole 42.
つまり、半田86が電気接続用貫通口42の上方部まで充填されていなくても、下層部の金属配線90(金属薄膜)が半田86と接触しているため、良好な電気接続を実現できる。なお、電気接続用貫通口42に充填されるものは半田86に限定されるものではなく、溶融金属、金属ペースト、導電性接着剤等でも構わない。これらの材料に求められる抵抗率は、素子に要求される特性に応じて異なって来るため、コストや工程マッチング(耐熱温度等)を考慮して適宜選択すればよい。   That is, even if the solder 86 is not filled up to the upper part of the electrical connection through-hole 42, the lower layer metal wiring 90 (metal thin film) is in contact with the solder 86, so that good electrical connection can be realized. In addition, what is filled in the through hole 42 for electrical connection is not limited to the solder 86, but may be a molten metal, a metal paste, a conductive adhesive, or the like. Since the resistivity required for these materials varies depending on the characteristics required for the element, it may be appropriately selected in consideration of cost and process matching (heat resistant temperature, etc.).
次に、図11−3(E)で示すように、金属配線90が形成された面に樹脂保護膜92(例えば、富士フイルムエレクトロニクスマテリアルズ社製の感光性ポリイミド Durimide7320)を積層してパターニングする。なお、このとき、第1インク供給路114Aを樹脂保護膜92が覆わないようにする。また、この樹脂保護膜92としては、ポリイミド系、ポリアミド系、エポキシ系、ポリウレタン系、シリコーン系等、耐インク性を有していればよい。   Next, as shown in FIG. 11-3 (E), a resin protective film 92 (for example, photosensitive polyimide Durimide 7320 manufactured by FUJIFILM Electronics Materials) is laminated and patterned on the surface on which the metal wiring 90 is formed. . At this time, the resin protective film 92 is not covered with the first ink supply path 114A. The resin protective film 92 only needs to have ink resistance such as polyimide, polyamide, epoxy, polyurethane, and silicone.
次いで、図11−3(F)で示すように、樹脂保護膜92の上面及びインク供給路114内に、耐HF保護用レジスト88を塗布する。そして、図11−4(G)で示すように、シリコン基板72に充填した(埋め込んだ)ガラスペースト76を、HFを含む溶解液によって選択的にエッチング除去する。   Next, as shown in FIG. 11-3 (F), an anti-HF protection resist 88 is applied to the upper surface of the resin protective film 92 and the ink supply path 114. Then, as shown in FIG. 11-4 (G), the glass paste 76 filled (embedded) in the silicon substrate 72 is selectively removed by etching with a solution containing HF.
このとき、Geが添加されたSiO膜82からなる振動板48は、Ge膜78によりHF溶液から保護されるため、エッチングされることはない。つまり、このGe膜78は、上記したように、ガラスペースト76をHF溶液でエッチング除去する際に、Geが添加されたSiO膜82からなる振動板48が一緒にエッチング除去されてしまうのを防止するエッチングストッパー層として機能する。 At this time, the diaphragm 48 made of the SiO 2 film 82 to which Ge is added is not etched because it is protected from the HF solution by the Ge film 78. In other words, as described above, when the glass paste 76 is removed by etching with the HF solution, the diaphragm 48 made of the SiO 2 film 82 to which Ge is added is removed together with the Ge film 78 by etching. Functions as an etching stopper layer to prevent.
なお、ここではガラスペースト76の除去に、HFを含んだ液体を用いたが、ガラスペースト76の除去には、HFを含んだガスや蒸気を使用してもよい。エッチング液を狭い入口から供給する場合には、被エッチング材(この場合はガラスペースト76)をエッチングした際に発生する気泡が抜けなかったり、新しいエッチング液との置換ができなかったりするため、エッチングの進行が阻害されることがある。ガスや蒸気を用いると、このような不具合は起きないため、上記のような場合には、ガスや蒸気とした方が好ましい。   In addition, although the liquid containing HF was used for the removal of the glass paste 76 here, you may use the gas and vapor | steam containing HF for the removal of the glass paste 76. When the etching solution is supplied from a narrow inlet, bubbles generated when the material to be etched (in this case, the glass paste 76) is etched cannot be removed or cannot be replaced with a new etching solution. Progression may be inhibited. When gas or steam is used, such a problem does not occur. In such a case, it is preferable to use gas or steam.
その後、図11−4(H)で示すように、Ge膜78の溶解液、例えば60℃に加熱した過酸化水素(H)を圧力室115側から供給して、Ge膜78の一部をエッチングして除去する。この段階で圧力室115及び連通路50が完成する。こうして、Ge膜78をエッチング除去したら、図11−5(I)で示すように、耐HF保護用レジスト88をアセトンによって除去する。なお、圧力室115及び連通路50を形成した部位以外では、Ge膜78が残ったままとなるが、特に問題はない。 Thereafter, as shown in FIG. 11-4 (H), a solution of the Ge film 78, for example, hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) heated to 60 ° C. is supplied from the pressure chamber 115 side, and the Ge film 78 A part is removed by etching. At this stage, the pressure chamber 115 and the communication path 50 are completed. After the Ge film 78 is removed by etching in this way, the resist for HF protection 88 is removed with acetone as shown in FIG. 11-5 (I). It should be noted that the Ge film 78 remains except for the portion where the pressure chamber 115 and the communication path 50 are formed, but there is no particular problem.
そして次に、シリコン基板72の下面にノズルプレート74を貼着する。すなわち、図12−1(A)で示すように、ノズル56となる開口68Aが形成されたノズルフィルム68をシリコン基板72の下面に貼り付ける。その後、図12−1(B)で示すように、金属配線90に駆動IC60をフリップチップ実装する。このとき、駆動IC60は、予め半導体ウエハプロセスの終りに実施されるグラインド工程にて、所定の厚さ(70μm〜300μm)に加工されている。   Next, a nozzle plate 74 is attached to the lower surface of the silicon substrate 72. That is, as shown in FIG. 12A, the nozzle film 68 in which the opening 68 </ b> A that becomes the nozzle 56 is formed is attached to the lower surface of the silicon substrate 72. After that, as shown in FIG. 12A, the driving IC 60 is flip-chip mounted on the metal wiring 90. At this time, the drive IC 60 is processed to a predetermined thickness (70 μm to 300 μm) in a grinding process performed in advance at the end of the semiconductor wafer process.
そして、駆動IC60の周囲を樹脂材58で封止し、駆動IC60を水分等の外部環境から保護できるようにする。これにより、後工程でのダメージ、例えば、できあがった圧電素子基板70をダイシングによってインクジェット記録ヘッド32に分割する際の水や研削片によるダメージを回避することができる。そして、図12−2(C)で示すように、金属配線90にフレキシブルプリント基板(FPC)100を接続する。   Then, the periphery of the drive IC 60 is sealed with a resin material 58 so that the drive IC 60 can be protected from an external environment such as moisture. Thereby, damage in a subsequent process, for example, damage caused by water or a grinding piece when the completed piezoelectric element substrate 70 is divided into the ink jet recording head 32 by dicing can be avoided. Then, as shown in FIG. 12-2 (C), a flexible printed circuit board (FPC) 100 is connected to the metal wiring 90.
次に、図12−2(D)で示すように、駆動IC60よりも内側の天板部材40(天板41)の上面にプール室部材39を装着して、これらの間にインクプール室38を構成する。これにより、インクジェット記録ヘッド32が完成し、図12−3(E)で示すように、インクプール室38や圧力室115内にインク110が充填可能とされる。   Next, as shown in FIG. 12D, a pool chamber member 39 is mounted on the top surface of the top plate member 40 (top plate 41) inside the drive IC 60, and the ink pool chamber 38 is interposed therebetween. Configure. As a result, the ink jet recording head 32 is completed, and the ink 110 can be filled into the ink pool chamber 38 and the pressure chamber 115 as shown in FIG.
以上のようにして製造されるインクジェット記録ヘッド32を備えたインクジェット記録装置10において、次に、その作用を説明する。まず、インクジェット記録装置10に印刷を指令する電気信号が送られると、ストッカー24から記録用紙Pが1枚ピックアップされ、搬送装置26により搬送される。   Next, the operation of the inkjet recording apparatus 10 including the inkjet recording head 32 manufactured as described above will be described. First, when an electrical signal for instructing printing is sent to the inkjet recording apparatus 10, one sheet of recording paper P is picked up from the stocker 24 and conveyed by the conveying device 26.
一方、インクジェット記録ユニット30では、すでにインクタンクからインク供給ポートを介してインクジェット記録ヘッド32のインクプール室38にインク110が注入(充填)され、インクプール室38に充填されたインク110は、インク供給路114を経て圧力室115へ供給(充填)されている。そして、このとき、ノズル56の先端(吐出口)では、インク110の表面が圧力室115側に僅かに凹んだメニスカスが形成されている。   On the other hand, in the ink jet recording unit 30, the ink 110 has already been injected (filled) from the ink tank into the ink pool chamber 38 of the ink jet recording head 32 via the ink supply port. The pressure chamber 115 is supplied (filled) through the supply path 114. At this time, a meniscus in which the surface of the ink 110 is slightly recessed toward the pressure chamber 115 is formed at the tip (ejection port) of the nozzle 56.
そして、記録用紙Pを搬送しながら、複数のノズル56から選択的にインク滴を吐出することにより、記録用紙Pに、画像データに基づく画像の一部を記録する。すなわち、駆動IC60により、所定のタイミングで、所定の圧電素子46に電圧を印加し、振動板48を上下方向に撓み変形させて(面外振動させて)、圧力室115内のインク110を加圧し、所定のノズル56からインク滴として吐出させる。こうして、記録用紙Pに、画像データに基づく画像が完全に記録されたら、排紙ベルト23により記録用紙Pをトレイ25に排出する。これにより、記録用紙Pへの印刷処理(画像記録)が完了する。   A part of the image based on the image data is recorded on the recording paper P by selectively ejecting ink droplets from the plurality of nozzles 56 while conveying the recording paper P. That is, a voltage is applied to a predetermined piezoelectric element 46 by a driving IC 60 at a predetermined timing, and the vibration plate 48 is bent and deformed in the vertical direction (vibrated out of plane) to apply the ink 110 in the pressure chamber 115. And ejected as ink droplets from a predetermined nozzle 56. Thus, when the image based on the image data is completely recorded on the recording paper P, the recording paper P is discharged onto the tray 25 by the paper discharge belt 23. Thereby, the printing process (image recording) on the recording paper P is completed.
ここで、このインクジェット記録ヘッド32は、インクプール室38と圧力室115の間に振動板48(圧電素子46)が配置され、インクプール室38と圧力室115が同一水平面上に存在しないように構成されている。したがって、圧力室115が互いに近接配置され、ノズル56が高密度に配設されている。   Here, in the ink jet recording head 32, the vibration plate 48 (piezoelectric element 46) is disposed between the ink pool chamber 38 and the pressure chamber 115 so that the ink pool chamber 38 and the pressure chamber 115 do not exist on the same horizontal plane. It is configured. Therefore, the pressure chambers 115 are arranged close to each other, and the nozzles 56 are arranged with high density.
また、圧電素子46に電圧を印加する駆動IC60は、圧電素子基板70よりも外方側へ突出しない構成とされている(インクジェット記録ヘッド32内に内蔵されている)。したがって、インクジェット記録ヘッド32の外部に駆動IC60を実装する場合に比べて、圧電素子46と駆動IC60の間を接続する金属配線90の長さが短くて済み、これによって、駆動IC60から圧電素子46までの低抵抗化が実現されている。   The drive IC 60 for applying a voltage to the piezoelectric element 46 is configured not to protrude outward from the piezoelectric element substrate 70 (built in the ink jet recording head 32). Therefore, compared with the case where the drive IC 60 is mounted outside the ink jet recording head 32, the length of the metal wiring 90 connecting the piezoelectric element 46 and the drive IC 60 can be shortened. Low resistance is realized.
つまり、実用的な配線抵抗値で、ノズル56の高密度化、即ちノズル56の高密度なマトリックス状配設が実現されており、これによって、高解像度化(高精度化)が実現可能になっている。しかも、その駆動IC60は、天板41上にフリップチップ実装されているので、高密度の配線接続が容易にでき、更には駆動IC60の高さの低減も図れて(薄くできて)、部品点数も低減できる。したがって、インクジェット記録ヘッド32の小型化及び製造コストの低減が実現される。   In other words, with a practical wiring resistance value, the nozzle 56 has a high density, that is, a high-density matrix arrangement of the nozzles 56, thereby achieving a high resolution (high accuracy). ing. In addition, since the drive IC 60 is flip-chip mounted on the top plate 41, high-density wiring connection can be facilitated, and further, the height of the drive IC 60 can be reduced (made thinner), and the number of parts can be reduced. Can also be reduced. Therefore, the ink jet recording head 32 can be reduced in size and manufacturing cost.
また、天板41の金属配線90が、樹脂保護膜92によって被覆されているので、インク110による金属配線90の腐食を防止することができる。また、駆動IC60と上部電極54とは、天板41に形成された電気接続用貫通口42内の金属配線90で接続されるが、更に電気接続用貫通口42内は半田86が充填されており、底部42B(図11−2(B)参照)が補強されている。   In addition, since the metal wiring 90 of the top plate 41 is covered with the resin protective film 92, corrosion of the metal wiring 90 by the ink 110 can be prevented. The drive IC 60 and the upper electrode 54 are connected by a metal wiring 90 in the electrical connection through hole 42 formed in the top plate 41, and the electrical connection through hole 42 is further filled with solder 86. The bottom portion 42B (see FIG. 11B) is reinforced.
このため、底部42Bへ熱ストレスや機械的ストレスが作用した場合でも金属配線90と上部電極54との接触状態を確実に維持できる。また、万が一、金属配線90が断線した場合であっても、半田86によって導通状態を確保できる。また、天板41の裏面(下面)に、配線やバンプを形成することなく、天板部材40を圧電素子基板70と電気的に接続できる。すなわち、天板41に対して片面(上面)のみに加工を施せばよいので、製造が容易になる。   For this reason, the contact state between the metal wiring 90 and the upper electrode 54 can be reliably maintained even when thermal stress or mechanical stress is applied to the bottom 42B. Further, even if the metal wiring 90 is disconnected, the conductive state can be secured by the solder 86. Further, the top plate member 40 can be electrically connected to the piezoelectric element substrate 70 without forming wirings or bumps on the back surface (lower surface) of the top plate 41. That is, since it is only necessary to process the top plate 41 only on one side (upper surface), the manufacturing becomes easy.
しかも、例えばバンプ等によって金属配線90と上部電極54とを電気的に接続する場合には、バンプの高さに大きなばらつきがあると接合が困難になることがあるが、本実施形態では、半田86の量にばらつきがあっても、過分の半田86は電気接続用貫通口42内に収容されているので、天板部材40と圧電素子基板70とを好適に接合できる。つまり、半田86の量のばらつきに対して、マージンを大きくとれるので、この点においても製造が容易になっている。   In addition, for example, when the metal wiring 90 and the upper electrode 54 are electrically connected by bumps or the like, joining may be difficult if there is a large variation in the height of the bumps. Even if there is a variation in the amount of 86, since the excess solder 86 is accommodated in the electrical connection through hole 42, the top plate member 40 and the piezoelectric element substrate 70 can be suitably joined. In other words, the margin can be increased with respect to the variation in the amount of the solder 86, and the manufacturing is facilitated also in this respect.
また、金属配線90と上部電極54との接続部分では、実質的に、金属配線90と、上部電極54と、半田86のみが存在しており、これらは高温耐性がある。このため、加工方法や材料選択の自由度が高くなる。更に、シリコン基板72が圧電素子基板70の支持体となって形成される(圧電素子基板70をシリコン基板72で支持した状態で作製できる)ので、インクジェット記録ヘッド32を製造しやすい。しかも、製造された(完成した)インクジェット記録ヘッド32は、天板41によっても支持されるので(天板41が支持体になるので)、その剛性は充分に確保される。   Further, in the connection portion between the metal wiring 90 and the upper electrode 54, substantially only the metal wiring 90, the upper electrode 54, and the solder 86 exist, and these are resistant to high temperatures. For this reason, the freedom degree of a processing method and material selection becomes high. Further, since the silicon substrate 72 is formed as a support for the piezoelectric element substrate 70 (can be manufactured with the piezoelectric element substrate 70 supported by the silicon substrate 72), the inkjet recording head 32 can be easily manufactured. In addition, since the manufactured (completed) ink jet recording head 32 is also supported by the top plate 41 (since the top plate 41 becomes a support), its rigidity is sufficiently ensured.
また、本実施形態における振動板48は、Geが添加されたSiO膜82が、P−CVD法により成膜されて形成されている。振動板48の材料に求められる性能は、例えば膜厚10μm程度で、所望とする安定した剛性が確保できることであり、前後の熱プロセスや加工プロセスとの適合性などから、SiO膜が有効とされている。SiO膜は、1000℃までの耐熱性に優れるとともに、数十μmまでの膜厚制御が容易であり、更に膜の剛性を表すヤング率も、数十GPaと充分な値が得られる。 Further, the diaphragm 48 in the present embodiment is formed by forming a SiO 2 film 82 to which Ge is added by a P-CVD method. The performance required for the material of the diaphragm 48 is, for example, a film thickness of about 10 μm and the desired stable rigidity can be ensured. The SiO 2 film is effective from the viewpoint of compatibility with the thermal process and processing process before and after. Has been. The SiO 2 film is excellent in heat resistance up to 1000 ° C., can be easily controlled in film thickness up to several tens of μm, and a Young's modulus representing the rigidity of the film can be a sufficient value of several tens GPa.
しかし、SiO膜は、成膜条件下で応力(ストレス)が発生する問題がある。すなわち、振動板48の形成直後及び製造プロセス完了時のSiO膜82自体の応力制御が難しく、結果として、上下に積層される膜(下部電極52、Ge膜78)に、剥離やクラックが発生したり、圧力室115の初期的な容量の精度にも影響するなどの不具合が発生する。つまり、インクジェット記録ヘッド32の性能及び信頼性が劣化する懸念がある。 However, the SiO 2 film has a problem that stress (stress) is generated under the deposition conditions. That is, it is difficult to control the stress of the SiO 2 film 82 immediately after the formation of the diaphragm 48 and at the time of completion of the manufacturing process, and as a result, peeling and cracking occur in the upper and lower laminated films (lower electrode 52 and Ge film 78). Or a problem such as affecting the accuracy of the initial capacity of the pressure chamber 115 occurs. That is, there is a concern that the performance and reliability of the inkjet recording head 32 may deteriorate.
これを具体的に説明すると、P−CVD法による成膜では、RFパワーにより応力を制御できるが、+数MPa〜−数十MPaの低応力の膜を得る場合、図17(A)で示すように、電力の印加領域がかなり狭く、圧力などの他のパラメーターにも影響を受ける。このため、制御性に乏しいといった傾向が見受けられる。つまり、RFパワーによる応力制御は不安定である。   Specifically, in the film formation by the P-CVD method, the stress can be controlled by the RF power, but when a low-stress film of + several MPa to −several tens of MPa is obtained, it is shown in FIG. Thus, the application area of power is quite narrow and is also affected by other parameters such as pressure. For this reason, there is a tendency that controllability is poor. That is, stress control by RF power is unstable.
しかし、SiO膜82に所定量のGeを添加し、所定温度でアニールすると、振動板48の応力(ストレス)を制御(抑制)することが容易にできる。図17(B)に、TEOS/OガスにTMGeを添加したときのSiO膜の応力値を示す。このグラフから、TMGeの添加量が増加するに従って、膜応力は圧縮から引っ張り側に変化することが判る。そして、プロセス条件(RFパワー)による応力制御と比べて、応力値ゼロ付近の応力変化量が少なく、制御性があることが判る。 However, when a predetermined amount of Ge is added to the SiO 2 film 82 and annealed at a predetermined temperature, the stress (stress) of the diaphragm 48 can be easily controlled (suppressed). FIG. 17B shows the stress value of the SiO 2 film when TMGe is added to the TEOS / O 2 gas. From this graph, it can be seen that as the amount of TMGe added increases, the film stress changes from compression to tension. Then, it can be seen that the amount of stress change near the stress value of zero is small compared to the stress control by the process condition (RF power) and there is controllability.
この応力値は、圧力やRFパワーといったパラメーターには殆ど依存せず、TMGeの添加量によってほぼ決定される。Geの添加量は、P−CVD法による成膜プロセスの際に添加するガス(TMGe)の量をコントロールすることで容易に制御できる。本実施形態では、図14乃至図16で示すように、振動板48(SiO膜82)のGe濃度を35mol%以下としている。また、振動板48は、アニールすることにより、応力(ストレス)が増加するが、一度アニールすると、それ以上、応力が変化しない。これにより、応力の変化を抑制することができる。 This stress value hardly depends on parameters such as pressure and RF power, and is almost determined by the amount of TMGe added. The addition amount of Ge can be easily controlled by controlling the amount of gas (TMGe) added during the film-forming process by the P-CVD method. In the present embodiment, as shown in FIGS. 14 to 16, the Ge concentration of the diaphragm 48 (SiO 2 film 82) is set to 35 mol% or less. In addition, the vibration of the diaphragm 48 increases when it is annealed, but once it is annealed, the stress does not change any more. Thereby, the change of stress can be suppressed.
なお、SiO膜82に添加する不純物としては、Geの他にリン(P)やボロン(B)でもよい。この場合、添加するアルコキシド系のガスは、テトラメチルリン(TMP)、テトラメチルボロン(TMB)とされる。そして、このときの振動板48(SiO膜82)のP濃度は35mol%以下とされ、B濃度も35mol%以下とされる。何れにしても、こうして作製された振動板48の応力値は殆ど変化せず、優れた熱安定性を有している。これにより、圧力室115の初期容量を精度よく制御することが可能となる。 The impurity added to the SiO 2 film 82 may be phosphorus (P) or boron (B) in addition to Ge. In this case, the alkoxide gas to be added is tetramethyl phosphorus (TMP) or tetramethyl boron (TMB). At this time, the P concentration of the diaphragm 48 (SiO 2 film 82) is set to 35 mol% or less, and the B concentration is set to 35 mol% or less. In any case, the stress value of the diaphragm 48 manufactured in this way hardly changes and has excellent thermal stability. Thereby, the initial capacity of the pressure chamber 115 can be controlled with high accuracy.
次に、第2実施形態のインクジェット記録ヘッド32について説明する。なお、以下において、第1実施形態のインクジェット記録ヘッド32と同一の構成要素、部材等は同一符号を付して、その詳細な説明(作用を含む)を省略する。Geを添加したSiO膜82は、何も添加しないSiO膜に比べて吸湿性能が顕著となり、その結果、経時的に応力が変化してしまう懸念がある。また、過酸化水素(H)を始めとする洗浄プロセス中の薬品に対する耐性が乏しいことから、製造プロセス適合性が懸念される。 Next, the ink jet recording head 32 of the second embodiment will be described. In the following description, the same components, members, and the like as those of the ink jet recording head 32 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof (including operation) is omitted. The SiO 2 film 82 to which Ge is added has a remarkable moisture absorption performance as compared with the SiO 2 film to which nothing is added, and as a result, there is a concern that the stress may change over time. Further, since the resistance to chemicals during the cleaning process including hydrogen peroxide (H 2 O 2) is poor, fabrication process compatibility is concerned.
そこで、第2実施形態のインクジェット記録ヘッド32においては、図18で示すように、振動板48を、Geが添加されたSiO膜82の単層のみで形成するのではなく、Geが添加されたSiO膜82の上下に、不純物が何も添加されていないSiO膜81、83を積層して形成した3層構造とした。以下、この第2実施形態のインクジェット記録ヘッド32の製造方法(製造工程)について、図19乃至図21を基に詳細に説明する。 Therefore, in the inkjet recording head 32 of the second embodiment, as shown in FIG. 18, the diaphragm 48 is not formed of only a single layer of the SiO 2 film 82 to which Ge is added, but Ge is added. In addition, a three-layer structure was formed by laminating SiO 2 films 81 and 83 to which no impurities were added above and below the SiO 2 film 82. Hereinafter, the manufacturing method (manufacturing process) of the ink jet recording head 32 according to the second embodiment will be described in detail with reference to FIGS.
まず、図19−1(A)で示すように、シリコン基板72を用意する。そして、図19−1(B)で示すように、RIE法により、そのシリコン基板72の連通路50となる領域に開口部72Aを形成する。具体的には、ホトリソグラフィー法によるレジスト形成、パターニング、RIE法によるエッチング、酸素プラズマによるレジスト剥離である。   First, as shown in FIG. 19A, a silicon substrate 72 is prepared. Then, as shown in FIG. 19B, an opening 72A is formed in a region to be the communication path 50 of the silicon substrate 72 by the RIE method. Specifically, resist formation by photolithography, patterning, etching by RIE, and resist removal by oxygen plasma.
次いで、図19−1(C)で示すように、RIE法により、そのシリコン基板72の圧力室115となる領域に溝部72Bを形成する。具体的には、上記と同様に、ホトリソグラフィー法によるレジスト形成、パターニング、RIE法によるエッチング、酸素プラズマによるレジスト剥離である。これにより、圧力室115と連通路50とからなる多段構造が形成される。   Next, as shown in FIG. 19-1 (C), a groove 72B is formed in a region to be the pressure chamber 115 of the silicon substrate 72 by the RIE method. Specifically, as described above, resist formation by photolithography, patterning, etching by RIE, and resist stripping by oxygen plasma. Thereby, a multistage structure including the pressure chamber 115 and the communication passage 50 is formed.
その後、図19−1(D)で示すように、連通路50を構成する開口部72Aと、圧力室115を構成する溝部72Bに、スクリーン印刷法(図13(B)参照)により、ガラスペースト76を充填する(埋め込む)。そして、ガラスペースト76を充填後、シリコン基板72を、例えば800℃で10分間、加熱処理する。その後、シリコン基板72の上面(表面)を研磨して余剰ガラスペースト76を除去し、その上面(表面)を平坦化する。これにより、圧力室115及び連通路50となる領域上にも薄膜等を精度よく形成することが可能となる。   Thereafter, as shown in FIG. 19D, glass paste is applied to the opening 72A constituting the communication path 50 and the groove 72B constituting the pressure chamber 115 by screen printing (see FIG. 13B). 76 is filled (embedded). Then, after the glass paste 76 is filled, the silicon substrate 72 is heat-treated at 800 ° C. for 10 minutes, for example. Thereafter, the upper surface (surface) of the silicon substrate 72 is polished to remove the excess glass paste 76, and the upper surface (surface) is flattened. As a result, a thin film or the like can be formed with high precision also on the areas to be the pressure chamber 115 and the communication path 50.
次に、図19−2(E)で示すように、シリコン基板72の上面(表面)に、スパッタ法により、Ge膜78(膜厚1μm)を着膜する。このGe膜78は、後工程でガラスペースト76をフッ化水素(HF)溶液でエッチング除去するときに、SiO膜81(振動板48)が一緒にエッチングされないように保護するエッチングストッパー層として機能する。なお、このGe膜78は、蒸着やCVD法でも成膜できる。また、エッチングストッパー層としては、シリコン(Si)膜も使用できる。 Next, as shown in FIG. 19-2 (E), a Ge film 78 (film thickness: 1 μm) is deposited on the upper surface (surface) of the silicon substrate 72 by sputtering. This Ge film 78 functions as an etching stopper layer that protects the SiO 2 film 81 (vibrating plate 48) from being etched together when the glass paste 76 is etched away with a hydrogen fluoride (HF) solution in a later step. To do. The Ge film 78 can also be formed by vapor deposition or CVD. A silicon (Si) film can also be used as the etching stopper layer.
そして、図19−2(F)で示すように、そのGe膜78の上面に振動板48の一部となる薄膜、即ち不純物が何も添加されていないSiO膜81(膜厚0.4μm)をP−CVD法により成膜し、次いで、振動板48の一部となる薄膜、即ちGeが添加されたSiO膜82(膜厚9.2μm)をP−CVD法により成膜し、更に、振動板48の一部となる薄膜、即ち不純物が何も添加されていないSiO膜83(膜厚0.4μm)をP−CVD法により成膜する。 Then, as shown in FIG. 19-2 (F), a thin film that becomes a part of the diaphragm 48 on the upper surface of the Ge film 78, that is, an SiO 2 film 81 to which no impurities are added (film thickness 0.4 μm). ) By a P-CVD method, and then a thin film that becomes a part of the diaphragm 48, that is, a SiO 2 film 82 (film thickness: 9.2 μm) to which Ge is added, is formed by a P-CVD method, Further, a thin film that becomes a part of the diaphragm 48, that is, a SiO 2 film 83 (film thickness 0.4 μm) to which no impurities are added is formed by a P-CVD method.
なお、Geが添加されたSiO膜82の成膜の仕方は、上記第1実施形態と同様である。また、Geが添加されたSiO膜82の厚さは、振動板48全体の厚さの1/2以上となるようにする。更に、そのSiO膜82(振動板48)におけるGe濃度は、35mol%以下、好ましくは20mol%以下とする。そして、SiO膜81、82、83を連続して成膜したら、窒素(N)雰囲気下で1時間、これ以降の工程における最高温度よりも高い温度、例えば700℃でアニール(熱処理)する。 The method of forming the SiO 2 film 82 to which Ge is added is the same as that in the first embodiment. Further, the thickness of the SiO 2 film 82 to which Ge is added is set to be ½ or more of the entire thickness of the diaphragm 48. Further, the Ge concentration in the SiO 2 film 82 (diaphragm 48) is 35 mol% or less, preferably 20 mol% or less. When the SiO 2 films 81, 82, 83 are continuously formed, annealing (heat treatment) is performed in a nitrogen (N 2 ) atmosphere for 1 hour at a temperature higher than the maximum temperature in the subsequent processes, for example, 700 ° C. .
こうして、SiO膜81、82、83を成膜してアニールし、3層構造の振動板48を形成したら、図19−2(G)で示すように、スパッタ法により、例えば厚み0.5μm程度のIrとTiとの積層膜62、即ち下部電極52を振動板48(SiO膜83)の上に成膜する。そして、図19−3(H)で示すように、下部電極52の上面に、圧電素子46の材料であるPZT膜64と、上部電極54となるIr膜66を順にスパッタ法で積層(成膜)し、図19−3(I)で示すように、圧電素子46(PZT膜64)及び上部電極54(Ir膜66)をパターニングする。 After the SiO 2 films 81, 82, 83 are thus formed and annealed to form the three-layered diaphragm 48, as shown in FIG. 19-2 (G), for example, the thickness is 0.5 μm. A laminated film 62 of about Ir and Ti, that is, the lower electrode 52 is formed on the vibration plate 48 (SiO 2 film 83). Then, as shown in FIG. 19-3 (H), a PZT film 64 that is a material of the piezoelectric element 46 and an Ir film 66 that becomes the upper electrode 54 are sequentially stacked on the upper surface of the lower electrode 52 by sputtering. Then, as shown in FIG. 19-3 (I), the piezoelectric element 46 (PZT film 64) and the upper electrode 54 (Ir film 66) are patterned.
具体的には、PZT膜スパッタ(膜厚5μm)、Ir膜スパッタ(膜厚0.5μm)、ホトリソグラフィー法によるレジスト形成、パターニング(Cl系又はF系のガスを用いたドライエッチング)、酸素プラズマによるレジスト剥離である。なお、PZT膜64の成膜温度は550℃である。次に、図19−3(J)で示すように、振動板48の上面に積層された下部電極52をパターニングする。具体的には、ホトリソグラフィー法によるレジスト形成、パターニング、RIE法による(Cl系のガスを用いた)ドライエッチング、酸素プラズマによるレジスト剥離である。 Specifically, PZT film sputtering (film thickness 5 μm), Ir film sputtering (film thickness 0.5 μm), resist formation by photolithography, patterning (dry etching using Cl 2 or F-based gas), oxygen This is resist peeling by plasma. The deposition temperature of the PZT film 64 is 550 ° C. Next, as shown in FIG. 19-3 (J), the lower electrode 52 laminated on the upper surface of the diaphragm 48 is patterned. Specifically, resist formation by photolithography, patterning, dry etching (using Cl 2 gas) by RIE, and resist stripping by oxygen plasma.
その後、図19−4(K)で示すように、3層構造の振動板48(不純物が何も添加されていないSiO膜83/Geが添加されたSiO膜82/不純物が何も添加されていないSiO膜81)にインク供給路114形成用の孔部48Aをパターニングする。具体的には、ホトリソグラフィー法によるレジスト形成、パターニング(HFを含むガスによるドライエッチング)、酸素プラズマによるレジスト剥離である。なお、この場合、HF溶液によるウェットエッチングでは、振動板48のエッチング面(孔部48Aにおいて露出する面)に段差が生じてしまうため、不適である。 Thereafter, as shown in FIG. 19-4 (K), the diaphragm 48 having a three-layer structure (the SiO 2 film 83 to which no impurities are added / the SiO 2 film 82 to which Ge is added / the impurities are added) The hole 48A for forming the ink supply path 114 is patterned in the SiO 2 film 81) that has not been formed. Specifically, resist formation by photolithography, patterning (dry etching with a gas containing HF), and resist removal by oxygen plasma. In this case, wet etching with an HF solution is not suitable because a step is generated on the etching surface of the diaphragm 48 (surface exposed at the hole 48A).
次に、図19−4(L)で示すように、上面に露出している下部電極52と上部電極54の上面に低透水性絶縁膜(SiOx膜)80を積層する。そして、パターニングにより、上部電極54と金属配線90を接続するための開口84(コンタクト孔)を形成する。具体的には、CVD法にてダングリングボンド密度が高い低透水性絶縁膜(SiOx膜)80を着膜する、ホトリソグラフィー法によるレジスト形成、パターニング(濃度20%のHF溶液によるウェットエッチング又はHFを含むガスによるドライエッチング)、酸素プラズマによるレジスト剥離である。   Next, as shown in FIG. 19-4 (L), a low water-permeable insulating film (SiOx film) 80 is laminated on the upper surfaces of the lower electrode 52 and the upper electrode 54 exposed on the upper surface. Then, an opening 84 (contact hole) for connecting the upper electrode 54 and the metal wiring 90 is formed by patterning. Specifically, a low water-permeable insulating film (SiOx film) 80 having a high dangling bond density is formed by CVD, resist formation by photolithography, patterning (wet etching by HF solution with a concentration of 20% or HF) Dry etching with a gas containing oxygen), and resist stripping with oxygen plasma.
次いで、図19−4(M)で示すように、隔壁樹脂層119及び隔壁樹脂層118をパターニングする。具体的には、隔壁樹脂層119、隔壁樹脂層118を構成する感光性樹脂を塗布し、露光・現像することでパターンを形成し、最後にキュアする。このとき、隔壁樹脂層119にインク供給用貫通口44を形成しておく。こうして、シリコン基板72(流路基板)の上面に圧電素子基板70が作製され、この圧電素子基板70の上面に、例えばガラス板を支持体とする天板部材40が結合(接合)される。天板部材40の製造については、第1実施形態と同様であるため、その説明は省略する。   Next, as shown in FIG. 19-4 (M), the partition resin layer 119 and the partition resin layer 118 are patterned. Specifically, a photosensitive resin constituting the partition wall resin layer 119 and the partition wall resin layer 118 is applied, exposed to light and developed to form a pattern, and finally cured. At this time, the ink supply through hole 44 is formed in the partition wall resin layer 119. Thus, the piezoelectric element substrate 70 is manufactured on the upper surface of the silicon substrate 72 (flow path substrate), and the top plate member 40 having, for example, a glass plate as a support is bonded (bonded) to the upper surface of the piezoelectric element substrate 70. About manufacture of the top plate member 40, since it is the same as that of 1st Embodiment, the description is abbreviate | omitted.
次に、図20−1(A)で示すように、天板41(天板部材40)を、圧電素子基板70に被せて、両者を熱圧着(例えば350℃、2kg/cmで20分間)により結合(接合)する。そして、図20−1(B)で示すように、天板41の上面に金属配線90を成膜してパターニングする。具体的には、スパッタ法によるAl膜(膜厚1μm)の着膜、ホトリソグラフィー法によるレジストの形成、H3PO4薬液を用いたAl膜のウェットエッチング、酸素プラズマによるレジスト剥離である。 Next, as shown in FIG. 20A, the top plate 41 (top plate member 40) is placed on the piezoelectric element substrate 70, and both are thermocompression bonded (for example, at 350 ° C. and 2 kg / cm 2 for 20 minutes). ) To join (join). Then, as shown in FIG. 20-1 (B), a metal wiring 90 is formed on the top surface of the top plate 41 and patterned. Specifically, deposition of an Al film (film thickness: 1 μm) by sputtering, formation of a resist by photolithography, wet etching of an Al film using H 3 PO 4 chemical solution, and resist stripping by oxygen plasma.
このとき、金属配線90の一部が、電気接続用貫通口42の内面から、上部電極54へと達するようにパターニングしておく。これにより、電気接続用貫通口42の底部42Bが金属配線90で閉塞され、電気接続用貫通口42は、上方にのみ開放された以外は閉じた空間となる。そして、このように金属配線90がパターニングされた電気接続用貫通口42内(上記空間内)に、図20−2(C)で示すように、半田86を搭載する。   At this time, the metal wiring 90 is patterned so that a part of the metal wiring 90 reaches the upper electrode 54 from the inner surface of the through hole 42 for electrical connection. As a result, the bottom portion 42B of the electrical connection through hole 42 is closed by the metal wiring 90, and the electrical connection through hole 42 is a closed space except that it is opened only upward. Then, as shown in FIG. 20-2 (C), the solder 86 is mounted in the electrical connection through hole 42 (in the space) in which the metal wiring 90 is patterned in this way.
次に、図20−2(D)で示すように、半田86をリフロー(例えば280℃で10分間)し、電気接続用貫通口42の底部42Bにまで行き渡らせる。そして、図20−3(E)で示すように、金属配線90が形成された面に樹脂保護膜92(例えば、富士フイルムエレクトロニクスマテリアルズ社製の感光性ポリイミド Durimide7320)を積層してパターニングする。なお、このとき、第1インク供給路114Aを樹脂保護膜92が覆わないようにする。   Next, as shown in FIG. 20-2 (D), the solder 86 is reflowed (for example, at 280 ° C. for 10 minutes) and spreads to the bottom 42B of the through hole 42 for electrical connection. Then, as shown in FIG. 20-3 (E), a resin protective film 92 (for example, photosensitive polyimide Durimide 7320 manufactured by FUJIFILM Electronics Materials) is laminated and patterned on the surface on which the metal wiring 90 is formed. At this time, the resin protective film 92 is not covered with the first ink supply path 114A.
次いで、図20−3(F)で示すように、樹脂保護膜92の上面及びインク供給路114内に、耐HF保護用レジスト88を塗布する。そして、図20−4(G)で示すように、シリコン基板72に充填した(埋め込んだ)ガラスペースト76を、HFを含む溶解液によって選択的にエッチング除去する。このとき、振動板48(SiO膜81)は、Ge膜78によりHF溶液から保護されるため、エッチングされることはない。 Next, as shown in FIG. 20-3 (F), an anti-HF protection resist 88 is applied to the upper surface of the resin protective film 92 and the ink supply path 114. Then, as shown in FIG. 20-4 (G), the glass paste 76 filled (embedded) in the silicon substrate 72 is selectively etched away with a solution containing HF. At this time, the diaphragm 48 (SiO 2 film 81) is not etched because it is protected from the HF solution by the Ge film 78.
その後、図20−4(H)で示すように、Ge膜78の溶解液、例えば60℃に加熱した過酸化水素(H)を圧力室115側から供給して、Ge膜78の一部をエッチングして除去する。この段階で圧力室115及び連通路50が完成する。こうして、Ge膜78をエッチング除去したら、図20−5(I)で示すように、耐HF保護用レジスト88をアセトンによって除去する。 Thereafter, as shown in FIG. 20-4 (H), a solution of the Ge film 78, for example, hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) heated to 60 ° C. is supplied from the pressure chamber 115 side, and the Ge film 78 A part is removed by etching. At this stage, the pressure chamber 115 and the communication path 50 are completed. When the Ge film 78 is removed by etching in this way, the resist for HF protection 88 is removed with acetone as shown in FIG. 20-5 (I).
そして次に、シリコン基板72の下面にノズルプレート74を貼着する。すなわち、図21−1(A)で示すように、ノズル56となる開口68Aが形成されたノズルフィルム68をシリコン基板72の下面に貼り付ける。その後、図21−1(B)で示すように、金属配線90に駆動IC60をフリップチップ実装する。そして、駆動IC60の周囲を樹脂材58で封止し、駆動IC60を水分等の外部環境から保護できるようにする。その後、図21−2(C)で示すように、金属配線90にフレキシブルプリント基板(FPC)100を接続する。   Next, a nozzle plate 74 is attached to the lower surface of the silicon substrate 72. That is, as shown in FIG. 21A, the nozzle film 68 in which the opening 68A to be the nozzle 56 is formed is attached to the lower surface of the silicon substrate 72. Thereafter, as shown in FIG. 21A, the drive IC 60 is flip-chip mounted on the metal wiring 90. Then, the periphery of the drive IC 60 is sealed with a resin material 58 so that the drive IC 60 can be protected from an external environment such as moisture. Thereafter, a flexible printed circuit board (FPC) 100 is connected to the metal wiring 90 as shown in FIG.
次いで、図21−2(D)で示すように、駆動IC60よりも内側の天板部材40(天板41)の上面にプール室部材39を装着して、これらの間にインクプール室38を構成する。これにより、インクジェット記録ヘッド32が完成し、図21−3(E)で示すように、インクプール室38や圧力室115内にインク110が充填可能とされる。   Next, as shown in FIG. 21D, a pool chamber member 39 is mounted on the top surface of the top plate member 40 (top plate 41) inside the drive IC 60, and the ink pool chamber 38 is formed between them. Constitute. Thereby, the ink jet recording head 32 is completed, and the ink 110 can be filled into the ink pool chamber 38 and the pressure chamber 115 as shown in FIG. 21E.
以上、説明したように、この第2実施形態のインクジェット記録ヘッド32においては、振動板48が3層構造とされている。つまり、この振動板48は、Geが添加されたSiO膜82を、Ge等の不純物が添加されていないSiO膜81、83で、上下から挟んで構成されるとともに、Geが添加されたSiO膜82が振動板48の大部分を占めるように、そのSiO膜82の厚さが他のSiO膜81、83の厚さよりも厚くされている(振動板48全体の厚さの1/2以上を占めている)。 As described above, in the ink jet recording head 32 of the second embodiment, the diaphragm 48 has a three-layer structure. That is, the diaphragm 48 is configured by sandwiching the SiO 2 film 82 to which Ge is added with the SiO 2 films 81 and 83 to which impurities such as Ge are not added from above and below, and to which Ge is added. as the SiO 2 film 82 occupies a large portion of the vibration plate 48, the thickness of the SiO 2 film 82 is thicker than the thickness of the other of the SiO 2 film 81 and 83 (the entire diaphragm 48 thickness More than half).
したがって、第1実施形態のインクジェット記録ヘッド32と同様に、応力(ストレス)及び圧力室115の初期容量を制御することができる。図22に、3層構造の振動板48を形成した後の各工程時、即ち下部電極52形成時、圧電素子46形成時、上部電極54形成時における応力(ストレス)による圧電素子基板70の反り量の変化を表したグラフを示す。なお、SiO膜82におけるGe濃度は7%、18%、0%(Geの添加無し)とした。また、反り方が凹のときをプラス値とし、反り方が凸のときをマイナス値とした。 Therefore, similarly to the ink jet recording head 32 of the first embodiment, the stress (stress) and the initial capacity of the pressure chamber 115 can be controlled. In FIG. 22, the warp of the piezoelectric element substrate 70 due to the stress (stress) at each step after forming the diaphragm 48 having the three-layer structure, that is, when the lower electrode 52 is formed, the piezoelectric element 46 is formed, and the upper electrode 54 is formed. The graph showing the change of quantity is shown. The Ge concentration in the SiO 2 film 82 was 7%, 18%, and 0% (no addition of Ge). A positive value was given when the warping was concave, and a negative value was given when the warping was convex.
このグラフで示すように、SiO膜82にGeが添加されている場合は、上部電極54形成後の圧電素子基板70の反り量を略0にすることができる。また、この第2実施形態によれば、Geを添加したSiO膜82のみ(単層膜)で振動板48が構成されることによって生じた問題、即ち吸湿による経時的な応力変化や、過酸化水素(H)を始めとする薬品耐性などの製造プロセス適合性の問題を解決することができる。 As shown in this graph, when Ge is added to the SiO 2 film 82, the warpage amount of the piezoelectric element substrate 70 after the formation of the upper electrode 54 can be made substantially zero. Further, according to the second embodiment, the problem caused by the diaphragm 48 being composed of only the SiO 2 film 82 (single-layer film) to which Ge is added, that is, stress change with time due to moisture absorption, It is possible to solve the problem of compatibility with the manufacturing process such as chemical resistance including hydrogen oxide (H 2 O 2 ).
図23に、温度70℃で300時間経過した後の単層構造とされた振動板48(Geが添加されたSiO膜82)と、3層構造とされた振動板48(不純物が何も添加されていないSiO膜83/Geが添加されたSiO膜82/不純物が何も添加されていないSiO膜81)に対するインク接液の結果を、インク110の種類毎に評価した表を示す。この表から、3層構造とされた振動板48では、どの種類のインク110でもSiO膜81、82、83に損傷が無いことが判る。なお、この3層構造とするためのSiO膜81、82、83の着膜は、P−CVDプロセスの添加ガスを切り替えるだけで済むため、製造時間や工数を殆ど増大させることなく実現できる。 FIG. 23 shows a diaphragm 48 having a single-layer structure after 300 hours at a temperature of 70 ° C. (SiO 2 film 82 to which Ge is added) and a diaphragm 48 having a three-layer structure (no impurities) A table in which the results of ink contact with the SiO 2 film 83 to which no additive is added / SiO 2 film 82 to which Ge is added / SiO 2 film 81 to which no impurities are added is evaluated for each type of ink 110 Show. From this table, it can be seen that in the diaphragm 48 having the three-layer structure, the SiO 2 films 81, 82, 83 are not damaged by any kind of ink 110. It should be noted that deposition of the SiO 2 films 81, 82, and 83 for forming the three-layer structure can be realized with almost no increase in manufacturing time and man-hours because it is only necessary to switch the additive gas in the P-CVD process.
また、この第2実施形態のインクジェット記録ヘッド32では、振動板48を、不純物が何も添加されていないSiO膜83/Geが添加されたSiO膜82/不純物が何も添加されていないSiO膜81の3層構造としたが、この振動板48は、少なくともGe膜78に積層する下側のSiO膜81と、Geが添加されたSiO膜82で構成されていればよく、本発明における「片面」とは、SiO膜81側のことを指す。そして、本発明における「耐湿性、耐薬品性を備えた保護膜」とは、不純物が何も添加されていないSiO膜81、83を指す。 Further, in the ink jet recording head 32 of the second embodiment, the diaphragm 48 is not added with the SiO 2 film 83 with no impurities added / the SiO 2 film 82 with added impurities / no impurities. Although the three-layer structure of the SiO 2 film 81 is used, the diaphragm 48 only needs to be composed of at least the lower SiO 2 film 81 laminated on the Ge film 78 and the SiO 2 film 82 to which Ge is added. In the present invention, “single side” refers to the SiO 2 film 81 side. The “protective film having moisture resistance and chemical resistance” in the present invention refers to the SiO 2 films 81 and 83 to which no impurities are added.
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドとして、イエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、ブラック(K)の各色のインク滴を吐出するインクジェット記録ヘッド32を挙げ、液滴吐出装置としても、インクジェット記録ヘッド32を備えたインクジェット記録装置10を挙げたが、本発明に係る液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置は、記録用紙P上への画像(文字を含む)の記録に限定されるものではない。   Further, as the liquid droplet ejection head according to the present invention, an ink jet recording head 32 that ejects ink droplets of each color of yellow (Y), magenta (M), cyan (C), and black (K) is cited. However, the ink jet recording apparatus 10 provided with the ink jet recording head 32 has been described. However, the liquid droplet ejection head and the liquid droplet ejection apparatus according to the present invention are limited to recording images (including characters) on the recording paper P. Is not to be done.
すなわち、上記実施形態のインクジェット記録装置10では各色のインクジェット記録ユニット30のインクジェット記録ヘッド32から画像データに基づいて選択的にインク滴が吐出されてフルカラーの画像が記録用紙Pに記録されるようになっているが、記録媒体は記録用紙Pに限定されるものでなく、また、吐出する液体もインク110に限定されるものではない。   That is, in the ink jet recording apparatus 10 of the above-described embodiment, ink droplets are selectively ejected from the ink jet recording head 32 of the ink jet recording unit 30 of each color based on the image data so that a full color image is recorded on the recording paper P. However, the recording medium is not limited to the recording paper P, and the liquid to be ejected is not limited to the ink 110.
例えば、高分子フィルムやガラス上にインク110を吐出してディスプレイ用カラーフィルターを作成したり、溶接状態の半田を基板上に吐出して部品実装用のバンプを形成するなど、工業的に用いられる液滴噴射装置全般に対して、本発明に係るインクジェット記録ヘッド32を適用することができる。更に、上記実施形態のインクジェット記録装置10では、FWAを例に挙げたが、主走査機構と副走査機構を有するPartial Width Array(PWA)に本発明を適用してもよい。   For example, it is used industrially, such as forming a color filter for display by discharging ink 110 onto a polymer film or glass, or forming bumps for component mounting by discharging solder in a welded state onto a substrate. The inkjet recording head 32 according to the present invention can be applied to all droplet ejecting apparatuses. Furthermore, in the inkjet recording apparatus 10 of the above-described embodiment, FWA has been described as an example, but the present invention may be applied to a partial width array (PWA) having a main scanning mechanism and a sub-scanning mechanism.
インクジェット記録装置を示す概略正面図Schematic front view showing an inkjet recording apparatus インクジェット記録ヘッドの配列を示す説明図Explanatory drawing showing the arrangement of inkjet recording heads 記録媒体の幅と印字領域の幅との関係を示す説明図Explanatory diagram showing the relationship between the width of the recording medium and the width of the print area (A)インクジェット記録ヘッドの全体構成を示す概略平面図、(B)インクジェット記録ヘッドの1素子の構成を示す概略平面図(A) Schematic plan view showing the overall configuration of the inkjet recording head, (B) Schematic plan view showing the configuration of one element of the inkjet recording head (A)図4(B)のA−A’線断面図、(B)図4(B)のB−B’線断面図、(C)図4(B)のC−C’線断面図4A is a cross-sectional view taken along line A-A ′ in FIG. 4B, FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line B-B ′ in FIG. 4B, and FIG. 4C is a cross-sectional view taken along line C-C ′ in FIG. 第1実施形態のインクジェット記録ヘッドの構成を示す概略断面図Schematic sectional view showing the configuration of the ink jet recording head of the first embodiment. インクジェット記録ヘッドの駆動ICのバンプを示す概略平面図Schematic plan view showing bumps of drive IC for inkjet recording head インクジェット記録ヘッドを製造する全体工程の説明図Explanatory drawing of the entire process for manufacturing an inkjet recording head 第1実施形態に係るシリコン基板上に圧電素子基板を製造する工程(A)〜(D)を示す説明図Explanatory drawing which shows process (A)-(D) which manufactures a piezoelectric element board | substrate on the silicon substrate which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係るシリコン基板上に圧電素子基板を製造する工程(E)〜(G)を示す説明図Explanatory drawing which shows process (E)-(G) which manufactures a piezoelectric element board | substrate on the silicon substrate which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係るシリコン基板上に圧電素子基板を製造する工程(H)〜(J)を示す説明図Explanatory drawing which shows process (H)-(J) which manufactures a piezoelectric element board | substrate on the silicon substrate which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係るシリコン基板上に圧電素子基板を製造する工程(K)〜(M)を示す説明図Explanatory drawing which shows process (K)-(M) which manufactures a piezoelectric element board | substrate on the silicon substrate which concerns on 1st Embodiment. 天板部材を製造する工程(A)〜(B)を示す説明図Explanatory drawing which shows process (A)-(B) which manufactures a top-plate member 第1実施形態に係る圧電素子基板に天板部材を接合した後の工程(A)〜(B)を示す説明図Explanatory drawing which shows process (A)-(B) after joining a top plate member to the piezoelectric element substrate which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る圧電素子基板に天板部材を接合した後の工程(C)〜(D)を示す説明図Explanatory drawing which shows process (C)-(D) after joining a top plate member to the piezoelectric element substrate which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る圧電素子基板に天板部材を接合した後の工程(E)〜(F)を示す説明図Explanatory drawing which shows process (E)-(F) after joining a top plate member to the piezoelectric element board | substrate which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る圧電素子基板に天板部材を接合した後の工程(G)〜(H)を示す説明図Explanatory drawing which shows process (G)-(H) after joining a top plate member to the piezoelectric element substrate which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る圧電素子基板に天板部材を接合した後の工程(I)を示す説明図Explanatory drawing which shows process (I) after joining a top plate member to the piezoelectric element substrate which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係るシリコン基板にノズルプレートを接合した後の工程(A)〜(B)を示す説明図Explanatory drawing which shows process (A)-(B) after joining a nozzle plate to the silicon substrate which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係るシリコン基板にノズルプレートを接合した後の工程(C)〜(D)を示す説明図Explanatory drawing which shows process (C)-(D) after joining a nozzle plate to the silicon substrate which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係るシリコン基板にノズルプレートを接合した後の工程(E)を示す説明図Explanatory drawing which shows the process (E) after joining a nozzle plate to the silicon substrate which concerns on 1st Embodiment. (A)半田を搭載する別の方法を示す説明図、(B)半田を搭載する更に別の方法を示す説明図(A) An explanatory view showing another method for mounting solder, (B) an explanatory view showing still another method for mounting solder 振動板のGe濃度とHF溶液によるエッチングレートの関係を示すグラフThe graph which shows the relationship between the Ge density | concentration of a diaphragm, and the etching rate by HF solution アニール温度と応力増加値の関係を示すグラフGraph showing the relationship between annealing temperature and stress increase value 振動板のGe濃度と応力値の関係を示すグラフGraph showing the relationship between Ge concentration and stress value of diaphragm (A)RFパワーと振動板の応力値の関係を示すグラフ、(B)Geの添加量と振動板の応力値の関係を示すグラフ(A) Graph showing relationship between RF power and diaphragm stress value, (B) Graph showing relationship between Ge addition amount and diaphragm stress value 第2実施形態のインクジェット記録ヘッドの構成を示す概略断面図Schematic sectional view showing the configuration of the ink jet recording head of the second embodiment 第2実施形態に係るシリコン基板上に圧電素子基板を製造する工程(A)〜(D)を示す説明図Explanatory drawing which shows process (A)-(D) which manufactures a piezoelectric element board | substrate on the silicon substrate which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係るシリコン基板上に圧電素子基板を製造する工程(E)〜(G)を示す説明図Explanatory drawing which shows process (E)-(G) which manufactures a piezoelectric element board | substrate on the silicon substrate which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係るシリコン基板上に圧電素子基板を製造する工程(H)〜(J)を示す説明図Explanatory drawing which shows process (H)-(J) which manufactures a piezoelectric element board | substrate on the silicon substrate which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係るシリコン基板上に圧電素子基板を製造する工程(K)〜(M)を示す説明図Explanatory drawing which shows process (K)-(M) which manufactures a piezoelectric element board | substrate on the silicon substrate which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る圧電素子基板に天板部材を接合した後の工程(A)〜(B)を示す説明図Explanatory drawing which shows process (A)-(B) after joining a top plate member to the piezoelectric element board | substrate which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る圧電素子基板に天板部材を接合した後の工程(C)〜(D)を示す説明図Explanatory drawing which shows process (C)-(D) after joining a top plate member to the piezoelectric element board | substrate which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る圧電素子基板に天板部材を接合した後の工程(E)〜(F)を示す説明図Explanatory drawing which shows process (E)-(F) after joining a top plate member to the piezoelectric element board | substrate which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る圧電素子基板に天板部材を接合した後の工程(G)〜(H)を示す説明図Explanatory drawing which shows process (G)-(H) after joining a top plate member to the piezoelectric element substrate which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る圧電素子基板に天板部材を接合した後の工程(I)を示す説明図Explanatory drawing which shows process (I) after joining a top plate member to the piezoelectric element board | substrate which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係るシリコン基板にノズルプレートを接合した後の工程(A)〜(B)を示す説明図Explanatory drawing which shows process (A)-(B) after joining a nozzle plate to the silicon substrate which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係るシリコン基板にノズルプレートを接合した後の工程(C)〜(D)を示す説明図Explanatory drawing which shows process (C)-(D) after joining a nozzle plate to the silicon substrate which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係るシリコン基板にノズルプレートを接合した後の工程(E)を示す説明図Explanatory drawing which shows the process (E) after joining a nozzle plate to the silicon substrate which concerns on 2nd Embodiment. Ge濃度を変えて3層構造の振動板を形成した後の各工程時における反り量の変化を示すグラフThe graph which shows the change of the curvature amount in each process after forming the diaphragm of 3 layer structure by changing Ge density | concentration 単層構造とされた振動板と3層構造とされた振動板に対する経時的なインク接液の結果をインクの種類毎に評価した表Table in which the results of ink contact over time with respect to a diaphragm having a single layer structure and a diaphragm having a three layer structure were evaluated for each ink type
符号の説明Explanation of symbols
10 インクジェット記録装置(液滴吐出装置)
32 インクジェット記録ヘッド(液滴吐出ヘッド)
38 インクプール室
40 天板部材
41 天板
42 電気接続用貫通口
44 インク供給用貫通口
46 圧電素子
48 振動板
50 連通路
52 下部電極
54 上部電極
56 ノズル
60 駆動IC
64 PZT膜
68 ノズルフィルム
70 圧電素子基板
72 シリコン基板
74 ノズルプレート
76 ガラスペースト
78 Ge膜
80 SiOx膜
81 SiO
82 SiO
83 SiO
110 インク(液体)
112 インク供給用貫通口
114 インク供給路
115 圧力室
10 Inkjet recording device (droplet ejection device)
32 Inkjet recording head (droplet ejection head)
38 Ink pool chamber 40 Top plate member 41 Top plate 42 Electrical connection through port 44 Ink supply through port 46 Piezoelectric element 48 Diaphragm 50 Communication path 52 Lower electrode 54 Upper electrode 56 Nozzle 60 Drive IC
64 PZT film 68 Nozzle film 70 Piezoelectric element substrate 72 Silicon substrate 74 Nozzle plate 76 Glass paste 78 Ge film 80 SiOx film 81 SiO 2 film 82 SiO 2 film 83 SiO 2 film 110 Ink (liquid)
112 Ink supply through-hole 114 Ink supply path 115 Pressure chamber

Claims (23)

  1. 振動板と、
    前記振動板を変位させる圧電素子と、
    を備えた圧電アクチュエーターであって、
    前記振動板は、不純物が添加されたシリコン酸化膜で形成されていることを特徴とする圧電アクチュエーター。
    A diaphragm,
    A piezoelectric element for displacing the diaphragm;
    A piezoelectric actuator comprising:
    The piezoelectric actuator is characterized in that the diaphragm is formed of a silicon oxide film to which impurities are added.
  2. 振動板と、
    前記振動板を変位させる圧電素子と、
    を備えた圧電アクチュエーターであって、
    前記振動板は、不純物が添加されたシリコン酸化膜の片面又は両面に、該シリコン酸化膜に対して耐湿性を備えた保護膜が積層されて形成されていることを特徴とする圧電アクチュエーター。
    A diaphragm,
    A piezoelectric element for displacing the diaphragm;
    A piezoelectric actuator comprising:
    The piezoelectric actuator is characterized in that a protective film having moisture resistance with respect to the silicon oxide film is laminated on one or both surfaces of the silicon oxide film to which impurities are added.
  3. 振動板と、
    前記振動板を変位させる圧電素子と、
    を備えた圧電アクチュエーターであって、
    前記振動板は、不純物が添加されたシリコン酸化膜の片面又は両面に、該シリコン酸化膜に対して耐薬品性を備えた保護膜が積層されて形成されていることを特徴とする圧電アクチュエーター。
    A diaphragm,
    A piezoelectric element for displacing the diaphragm;
    A piezoelectric actuator comprising:
    The piezoelectric actuator is characterized in that a protective film having chemical resistance against the silicon oxide film is laminated on one side or both sides of a silicon oxide film to which impurities are added.
  4. 振動板と、
    前記振動板を変位させる圧電素子と、
    を備えた圧電アクチュエーターであって、
    前記振動板は、不純物が添加されたシリコン酸化膜の片面又は両面に、シリコン酸化膜が積層されて形成されていることを特徴とする圧電アクチュエーター。
    A diaphragm,
    A piezoelectric element for displacing the diaphragm;
    A piezoelectric actuator comprising:
    The diaphragm is formed by laminating a silicon oxide film on one side or both sides of a silicon oxide film to which impurities are added.
  5. 前記不純物が、ゲルマニウムであることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の圧電アクチュエーター。   The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 4, wherein the impurity is germanium.
  6. 前記ゲルマニウムの添加量は、濃度にして35mol%以下であることを特徴とする請求項5に記載の圧電アクチュエーター。   The piezoelectric actuator according to claim 5, wherein the amount of germanium added is 35 mol% or less in terms of concentration.
  7. 前記不純物が、リンであることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の圧電アクチュエーター。   The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 4, wherein the impurity is phosphorus.
  8. 前記リンの添加量は、濃度にして35mol%以下であることを特徴とする請求項7に記載の圧電アクチュエーター。   The piezoelectric actuator according to claim 7, wherein the amount of phosphorus added is 35 mol% or less in terms of concentration.
  9. 前記不純物が、ボロンであることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の圧電アクチュエーター。   The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 4, wherein the impurity is boron.
  10. 前記ボロンの添加量は、濃度にして35mol%以下であることを特徴とする請求項9に記載の圧電アクチュエーター。   The piezoelectric actuator according to claim 9, wherein the amount of boron added is 35 mol% or less in terms of concentration.
  11. 前記振動板の厚さが、1μm以上20μm以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項10の何れか1項に記載の圧電アクチュエーター。   11. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the diaphragm has a thickness of 1 μm to 20 μm.
  12. 前記不純物が添加されたシリコン酸化膜の膜厚が、前記振動板の厚さの1/2以上であることを特徴とする請求項2乃至請求項11の何れか1項に記載の圧電アクチュエーター。   12. The piezoelectric actuator according to claim 2, wherein a film thickness of the silicon oxide film to which the impurity is added is not less than ½ of a thickness of the diaphragm.
  13. 振動板と、
    前記振動板を変位させる圧電素子と、
    を備えた圧電アクチュエーターの製造方法であって、
    プラズマ−CVD法で、酸素及びシリコン原料を含むガスに、アルコキシド系のガスを添加することにより、不純物が添加されたシリコン酸化膜を成膜して、前記振動板を形成することを特徴とする圧電アクチュエーターの製造方法。
    A diaphragm,
    A piezoelectric element for displacing the diaphragm;
    A method of manufacturing a piezoelectric actuator comprising:
    The diaphragm is formed by forming a silicon oxide film doped with impurities by adding an alkoxide-based gas to a gas containing oxygen and a silicon raw material by a plasma-CVD method. A method for manufacturing a piezoelectric actuator.
  14. 振動板と、
    前記振動板を変位させる圧電素子と、
    を備えた圧電アクチュエーターの製造方法であって、
    プラズマ−CVD法で、酸素及びシリコン原料を含むガスにより、シリコン酸化膜を成膜し、更に酸素及びシリコン原料を含むガスに、アルコキシド系のガスを添加することにより、不純物が添加されたシリコン酸化膜を成膜する処理を連続的に行うことにより、前記振動板を形成することを特徴とする圧電アクチュエーターの製造方法。
    A diaphragm,
    A piezoelectric element for displacing the diaphragm;
    A method of manufacturing a piezoelectric actuator comprising:
    A silicon oxide film is formed by a plasma-CVD method using a gas containing oxygen and a silicon raw material, and further an alkoxide-based gas is added to the gas containing the oxygen and the silicon raw material, thereby adding silicon oxide to which impurities are added. A method of manufacturing a piezoelectric actuator, wherein the diaphragm is formed by continuously performing a film forming process.
  15. 前記不純物が添加されたシリコン酸化膜を成膜した後に熱処理を行うことを特徴とする請求項13又は請求項14に記載の圧電アクチュエーターの製造方法。   15. The method for manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 13, wherein a heat treatment is performed after forming the silicon oxide film to which the impurity is added.
  16. 前記熱処理の温度は、前記不純物が添加されたシリコン酸化膜を成膜した後の工程における最高熱処理温度よりも高い温度であることを特徴とする請求項15に記載の圧電アクチュエーターの製造方法。   The method of manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 15, wherein the temperature of the heat treatment is higher than a maximum heat treatment temperature in a step after forming the silicon oxide film to which the impurities are added.
  17. 前記熱処理の温度は、600℃以上1100℃以下であることを特徴とする請求項15又は請求項16に記載の圧電アクチュエーターの製造方法。   The method of manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 15 or 16, wherein a temperature of the heat treatment is 600 ° C or higher and 1100 ° C or lower.
  18. 前記シリコン原料を含むガスが、テトラエトキシシラン、テトラメトキシシラン、シランの何れかであることを特徴とする請求項13乃至請求項17の何れか1項に記載の圧電アクチュエーターの製造方法。   The method for manufacturing a piezoelectric actuator according to any one of claims 13 to 17, wherein the gas containing the silicon raw material is any one of tetraethoxysilane, tetramethoxysilane, and silane.
  19. 前記アルコキシド系のガスが、テトラメチルゲルマニウムであることを特徴とする請求項13乃至請求項18の何れか1項に記載の圧電アクチュエーターの製造方法。   The method of manufacturing a piezoelectric actuator according to any one of claims 13 to 18, wherein the alkoxide-based gas is tetramethylgermanium.
  20. 前記アルコキシド系のガスが、テトラメチルリンであることを特徴とする請求項13乃至請求項18の何れか1項に記載の圧電アクチュエーターの製造方法。   The method for manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 13, wherein the alkoxide-based gas is tetramethyl phosphorus.
  21. 前記アルコキシド系のガスが、テトラメチルボロンであることを特徴とする請求項13乃至請求項18の何れか1項に記載の圧電アクチュエーターの製造方法。   19. The method for manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 13, wherein the alkoxide-based gas is tetramethylboron.
  22. 請求項1乃至請求項12の何れか1項に記載の圧電アクチュエーターを備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。   A droplet discharge head comprising the piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 12.
  23. 請求項22に記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とする液滴吐出装置。   A droplet discharge apparatus comprising the droplet discharge head according to claim 22.
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