JP2008087367A - Liquid droplet jet head and orifice plate used therein - Google Patents

Liquid droplet jet head and orifice plate used therein Download PDF

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Osamu Shikame
修 鹿目
Tomohito Nozu
智史 野津
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To form an orifice plate with high dimensional accuracy and little variation and to provide a liquid jet head having good ejection stability by using the orifice plate. <P>SOLUTION: This orifice plate 106 used in the liquid jet head comprises a plurality of nozzles 103 for ejecting liquid droplets and a plurality of communication sections respectively communicating with the nozzles 103. The orifice plate 106 further comprises at least one of a common liquid chamber 105 communicating with a plurality of discrete liquid chambers and a plurality of supply holes connecting the discrete liquid chambers to the common liquid chamber 105. The orifice plate 106 is made of an SOI substrate having an SiO<SB>2</SB>layer 101 interposed between first and second Si layers. The nozzle 103 is formed on the first Si layer 100 on the SOI substrate in the layer thickness direction. At least one of the common liquid chamber 105 and the supply holes, and the coupling section are formed on the second Si layer 102 in the layer thickness direction. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、液滴を吐出させるためのノズルとこれに連通する個別液室を備え、この個別液室内に充填された液体を加圧することによりノズル開口から微小な液滴を吐出するインクジェットヘッド等の液滴吐出ヘッドに関する。特に、この液体吐出ヘッドに用いられ、前記ノズルを構成するオリフィスプレート(ノズルプレートとも呼ばれる。)に関する。   The present invention includes an inkjet head that includes a nozzle for discharging droplets and an individual liquid chamber communicating with the nozzle, and discharges minute droplets from the nozzle opening by pressurizing the liquid filled in the individual liquid chamber. The present invention relates to a droplet discharge head. In particular, the present invention relates to an orifice plate (also referred to as a nozzle plate) used in the liquid discharge head and constituting the nozzle.

また、本発明は、紙、布、革、不織布、OHPシート等に印刷するインクジェット記録装置や、基板、板材等の固体物に液体を付着させるパターニング装置や塗布装置等に適用可能な液滴吐出ヘッドに関する。   In addition, the present invention is a droplet discharge applicable to an inkjet recording apparatus that prints on paper, cloth, leather, nonwoven fabric, OHP sheet, etc., a patterning apparatus or a coating apparatus that attaches a liquid to a solid material such as a substrate or a plate. Regarding the head.

微少な液滴を噴射させる液滴吐出装置はプリンターなどの民生用のみならず、デバイス製造向けのパターニング装置や液晶のカラーフィルタ製造装置などの産業用途への展開が行われつつある。   Droplet ejection devices that eject minute droplets are being developed not only for consumer use such as printers, but also for industrial applications such as patterning devices for device manufacturing and liquid crystal color filter manufacturing devices.

このような液滴吐出装置は、液滴を吐出するための吐出口を開口したノズルと、ノズルより吐出する液体が充填される個別液室と、個別液室に液体を供給する供給口などから形成されている。   Such a droplet discharge device includes a nozzle having an opening for discharging droplets, an individual liquid chamber filled with liquid discharged from the nozzle, a supply port for supplying liquid to the individual liquid chamber, and the like. Is formed.

インク滴の吐出を行うためには個別液室内を加圧する必要があるが、その圧力発生手段としては、個別液室内に設置された発熱体により液体を発泡させてその圧力で液滴を吐出させるバブルジェット型のものがある。その他、個別液室の一部を形成している振動板を圧電素子により変形させることで液滴を形成させるピエゾ型のもの、静電気力で振動板を変形させることで液滴を吐出させる静電型が一般的に用いられている。特に産業用途においては、吐出させる液体の選択自由度の高さから、圧電素子を用いたタイプが用いられる。   In order to eject ink droplets, it is necessary to pressurize the individual liquid chambers. As the pressure generation means, the liquid is foamed by a heating element installed in the individual liquid chambers, and the liquid droplets are ejected at the pressure. There is a bubble jet type. In addition, a piezoelectric type that forms a droplet by deforming a diaphragm that forms a part of an individual liquid chamber by a piezoelectric element, or an electrostatic that ejects a droplet by deforming the diaphragm by electrostatic force A mold is commonly used. Particularly in industrial applications, a type using a piezoelectric element is used because of the high degree of freedom in selecting the liquid to be discharged.

これらのタイプの液滴吐出装置においては、近年の描画の高精細化の要求に伴い、個別液室をはじめとする液室を高密度かつ多数配列した高集積化が行なわれている。   In these types of liquid droplet ejection devices, with the recent demand for higher definition of drawing, higher integration is performed by arranging a large number of liquid chambers including individual liquid chambers in high density.

これらの要求に応えるため、ノズルや、個別液室などをフォトリソ技術を用いて加工することにより高密度かつ高精細な描画を形成できる液体吐出ヘッドが特許文献1に提案されている。   In order to meet these requirements, Patent Document 1 proposes a liquid discharge head capable of forming high-density and high-definition drawing by processing nozzles, individual liquid chambers, and the like using photolithography technology.

特許文献1に開示されたヘッドは、ノズル開口部及びこれに連通する個別液室とこの液室に液体供給する供給口とを含む凹溝が形成された基板と、この基板と接合された、個別液室を加圧するための振動板とで構成されている。ノズルや個別液室や供給口は、Si基板の一方の面から異方性エッチングによりSiを加工することで高精度に形成されている。また、供給口の流路断面積はノズル開口とほぼ同等で個別液室のそれよりも充分小さく設定されており、流路抵抗の役割も持っている。   The head disclosed in Patent Document 1 has a substrate formed with a groove including a nozzle opening, an individual liquid chamber communicating with the nozzle opening, and a supply port for supplying liquid to the liquid chamber, and the substrate is joined to the head. It is comprised with the diaphragm for pressurizing an individual liquid chamber. The nozzle, the individual liquid chamber, and the supply port are formed with high accuracy by processing Si by anisotropic etching from one surface of the Si substrate. Further, the channel cross-sectional area of the supply port is set to be substantially the same as that of the nozzle opening and sufficiently smaller than that of the individual liquid chamber, and also has a role of channel resistance.

このような構成のヘッドは振動板と基板の積層方向に概略垂直な面から液滴吐出を行う、所謂サイドシュータタイプであり、高密度化・高精細化に向いた形態と言われている。   The head having such a structure is a so-called side shooter type that discharges liquid droplets from a surface substantially perpendicular to the laminating direction of the diaphragm and the substrate, and is said to be suitable for high density and high definition.

その他に、オリフィスプレート(ノズルプレートとも呼ばれる。)にSOI(Silicon−on−insulator)基板を用いる発明が特許文献2に開示されている。
特開平5−229128号公報 特開平9−216368号公報
In addition, Patent Document 2 discloses an invention in which an SOI (Silicon-on-Insulator) substrate is used as an orifice plate (also referred to as a nozzle plate).
Japanese Patent Laid-Open No. 5-229128 JP-A-9-216368

一般に、液滴吐出装置における描画性能は、吐出液滴の大きさや液滴の吐出速度といった特性のばらつきに左右され、さらに、これらの特性は、ノズルの流体抵抗のばらつきや個別液室(圧力発生室)の寸法精度により大きく影響を受ける。   In general, the drawing performance of a droplet discharge device depends on variations in characteristics such as the size of the droplet to be discharged and the discharge speed of the droplet, and these characteristics also vary in the fluid resistance of the nozzle and the individual liquid chamber (pressure generation). It is greatly affected by the dimensional accuracy of the chamber.

さらに、より高い描画性能を得たい場合、特に、産業用途の液体吐出ヘッドにおいてはノズルの径や長さ等の寸法の公差がさらに厳しくなり、具体的には、±1ミクロン以下の加工精度が要求されている。   Furthermore, when it is desired to obtain higher drawing performance, especially in the liquid discharge head for industrial use, the tolerance of the dimensions such as the diameter and length of the nozzle becomes more strict. Specifically, the processing accuracy is ± 1 micron or less. It is requested.

そこで本発明は、上記したような課題に鑑みてなされたものである。その目的は、ノズルの寸法ばらつきが小さく且つ個別液室の寸法精度の影響を排除して吐出特性を向上させることができる液滴吐出ヘッド及びこれに用いるオリフィスプレートを提供することにある。   Therefore, the present invention has been made in view of the above-described problems. An object of the present invention is to provide a droplet discharge head capable of improving the discharge characteristics by reducing the dimensional variation of nozzles and eliminating the influence of the dimensional accuracy of individual liquid chambers, and an orifice plate used therefor.

また、特許文献1に開示されたようなヘッドでは、Siの異方性エッチングを用いて供給口を形成しているため、供給口の深さは供給口の幅に依存してしまい、供給口の幅と深さの両方を所望の寸法に形成することができない。   Further, in the head as disclosed in Patent Document 1, since the supply port is formed by using anisotropic etching of Si, the depth of the supply port depends on the width of the supply port. Both the width and depth cannot be formed to the desired dimensions.

その上、Siの一方の面から個別液室と供給口を形成すると、供給口は個別液室の深さ等にも依存してしまい、吐出性能を決める要因となり、流路抵抗の役割を果たす供給口を、単独で自由な寸法に決定することができない。   In addition, if the individual liquid chamber and the supply port are formed from one surface of Si, the supply port also depends on the depth of the individual liquid chamber and the like, which becomes a factor that determines the discharge performance and plays a role of flow path resistance The supply port cannot be determined to a free size by itself.

さらに、高密度のヘッド作製にあたっては、個別液室や吐出口は小型化となり、それに伴い供給口もさらに小型化、高精度とする必要があり、これらに対応した構成や製造方法が求められている。   Furthermore, when manufacturing high-density heads, the individual liquid chambers and discharge ports have become smaller, and accordingly the supply ports have to be further miniaturized and highly accurate, and there is a need for a configuration and manufacturing method corresponding to these. Yes.

本発明は、このような課題の解決や要求に応えられる液滴吐出ヘッド及びこれに用いるオリフィスプレートを提供することも目的とする。   Another object of the present invention is to provide a droplet discharge head that can solve such problems and meet demands, and an orifice plate used therefor.

また、特許文献2に記載のものはテーパーのついた形状となっており、ストレートのノズルとストレートのノズル連通部をあけているものではない。   Moreover, the thing of the patent document 2 becomes a shape with the taper, and does not open the straight nozzle and the straight nozzle communication part.

一般に、圧電アクチュエータを有する液滴吐出ヘッドにおいて、吐出効率を向上させるためにテーパー状のノズル(吐出穴)を有するオリフィスプレートが良いと考えられている。しかし、実際にテーパー形状を安定に作成するのは非常に困難であり、特に、4インチφ以上のSiウェハー上でエッチングを行った場合、±5%程度の寸法ばらつきが発生する。通常のSiウェハーを加工する場合、ボッシュプロセス等のドライエッチングにおいても、エッチレートの差によりウェハーの中央部分と周辺部分では±5%程度の深さばらつきが発生する。したがって、一枚のウェハーから得られた複数のオリフィスプレート間ではノズル寸法のばらつきが大きく発生していた。   In general, in a droplet discharge head having a piezoelectric actuator, an orifice plate having a tapered nozzle (discharge hole) is considered good for improving discharge efficiency. However, it is very difficult to actually form a tapered shape in a stable manner. In particular, when etching is performed on a Si wafer having a diameter of 4 inches or more, a dimensional variation of about ± 5% occurs. When processing a normal Si wafer, even in dry etching such as a Bosch process, a depth variation of about ± 5% occurs between the central portion and the peripheral portion of the wafer due to the difference in etch rate. Therefore, there is a large variation in nozzle dimensions between a plurality of orifice plates obtained from one wafer.

さらに、特許文献2に開示されたオリフィスプレートを用いて液滴吐出ヘッドを作製する場合、共通液室用の凹溝とここから各ノズルに連絡する複数の流路用の凹溝とが形成された流路基板にオリフィスプレートを接合することとなる。しかし、この構成は、接合時のズレにより個別液室(圧力発生室)の寸法に誤差が生じるため、各ノズルへの供給路の流路抵抗がばらつき、ノズル間の吐出安定性が懸念される。   Further, when a droplet discharge head is manufactured using the orifice plate disclosed in Patent Document 2, a concave groove for a common liquid chamber and a plurality of concave grooves for a flow path communicating with each nozzle are formed. The orifice plate is bonded to the flow path substrate. However, in this configuration, an error occurs in the dimensions of the individual liquid chamber (pressure generation chamber) due to misalignment at the time of joining, so that the flow path resistance of the supply path to each nozzle varies, and there is a concern about the discharge stability between the nozzles. .

つまり、特許文献2に開示されたオリフィスプレートの構成では上記の課題を解決できないと考えられる。   That is, the configuration of the orifice plate disclosed in Patent Document 2 is considered to be unable to solve the above problem.

本発明は、液滴を吐出させるための複数のノズルと、該ノズルの各々と連通する複数の連通部と、を有し、複数の個別液室と連通する共通液室と、前記個別液室と前記共通液室とを繋ぐ複数の供給口と、の少なくとも一方を更に有する液体吐出ヘッドに用いられるオリフィスプレートであって、該オリフィスプレートは、第1及び第2のSi層間にSiO2層を有するSOI基板からなり、前記ノズルは、前記SOI基板における第1のSi層に層厚方向に形成され、前記共通液室と前記供給口の少なくとも一方と、前記連通部とは、前記第2のSi層に層厚方向に形成されているオリフィスプレートである。また、上記オリフィスプレートと、個別液室と振動板が設けられた流路基板と、前記個別液室内の液体を加圧してノズルの開口から吐出させるアクチュエータと、を有する液滴吐出ヘッドに関する。 The present invention includes a plurality of nozzles for discharging liquid droplets, a plurality of communication portions communicating with each of the nozzles, a common liquid chamber communicating with the plurality of individual liquid chambers, and the individual liquid chambers And an orifice plate for use in a liquid discharge head further comprising at least one of a plurality of supply ports connecting the common liquid chamber, wherein the orifice plate has a SiO 2 layer between the first and second Si layers. The nozzle is formed in the first Si layer of the SOI substrate in the layer thickness direction, and the at least one of the common liquid chamber, the supply port, and the communication portion is the second portion. It is an orifice plate formed on the Si layer in the layer thickness direction. The present invention also relates to a droplet discharge head including the orifice plate, a flow path substrate provided with an individual liquid chamber and a vibration plate, and an actuator that pressurizes and discharges the liquid in the individual liquid chamber from an opening of a nozzle.

さらに、前記オリフィスプレートを形成する前記SOI基板の、前記第1のSi層の前記ノズルに対応する部分と、前記第2のSi層の前記連通部と、前記第2のSi層の前記共通液室と前記供給口との少なくとも一方に対応する部分と、をボッシュプロセスにより前記SiO2層までエッチングする工程と、前記連通部と前記ノズルが連通するように前記SiO2層の一部を除去する工程と、を有するオリフィスプレートの製造方法に関する。 Furthermore, the portion of the SOI substrate that forms the orifice plate that corresponds to the nozzle of the first Si layer, the communicating portion of the second Si layer, and the common liquid of the second Si layer Etching a portion corresponding to at least one of the chamber and the supply port to the SiO 2 layer by a Bosch process, and removing a part of the SiO 2 layer so that the communication portion and the nozzle communicate with each other And a method of manufacturing an orifice plate having a process.

本発明によれば、ノズルや、ノズルと個別液室を連通させる連通部、供給口もしくは共通液室などの各部分の寸法安定性が良好な歩留まりの高い液滴吐出ヘッド用オリフィスプレートを提供することが出来る。また、上記オリフィスプレートを液滴吐出ヘッドに用いることにより、吐出安定性の良好な液滴吐出ヘッドを提供できる。   According to the present invention, there is provided an orifice plate for a droplet discharge head having a high yield and a good dimensional stability of each part such as a nozzle, a communicating portion for communicating the nozzle and the individual liquid chamber, a supply port or a common liquid chamber. I can do it. In addition, by using the orifice plate as a droplet discharge head, a droplet discharge head with good discharge stability can be provided.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

[オリフィスプレートについて]
本実施形態における、オリフィスプレートは、液滴を吐出させるための複数のノズルと、該ノズルの各々と連通する複数の個別液室の各々と前記ノズルを連通させる複数の連通部と、を有する。更に、前記複数の個別液室と連通する共通液室と、前記個別液室と前記共通液室とを繋ぎ、流路抵抗となる複数の供給口と、の少なくとも一方を有する。
[Orifice plate]
In this embodiment, the orifice plate has a plurality of nozzles for discharging droplets, a plurality of individual liquid chambers communicating with each of the nozzles, and a plurality of communication portions communicating the nozzles. Furthermore, it has at least one of a common liquid chamber that communicates with the plurality of individual liquid chambers, and a plurality of supply ports that connect the individual liquid chambers and the common liquid chamber and provide flow resistance.

ここで、ノズルの開口面積より広い断面積を有するノズル連通部を設けることで、吐出効率がよくなる。   Here, by providing the nozzle communication portion having a cross-sectional area wider than the opening area of the nozzle, the discharge efficiency is improved.

そして、本実施形態における、オリフィスプレートは、第1及び第2のSi層間にSiO2層を有する第1のSOI基板からなり、ノズルは、第1のSi層の層厚方向に形成される。共通液室と前記供給口の少なくとも一方と、連通部とは、第2のSi層に層厚方向に形成される。 In this embodiment, the orifice plate is composed of a first SOI substrate having a SiO 2 layer between the first and second Si layers, and the nozzle is formed in the layer thickness direction of the first Si layer. At least one of the common liquid chamber, the supply port, and the communication portion are formed in the second Si layer in the layer thickness direction.

上記オリフィスプレートの製造方法は、オリフィスプレートを形成する第1のSOI基板の、第1のSi層の、前記ノズルに対応する部分をボッシュプロセスにより前記SiO2層までエッチングする。同様に、第2のSi層の連通部と、前記第2のSi層の前記共通液室と前記供給口との少なくとも一方に対応する部分と、をボッシュプロセスにより前記SiO2層までエッチングする。 In the method of manufacturing the orifice plate, a portion corresponding to the nozzle of the first Si layer of the first SOI substrate forming the orifice plate is etched to the SiO 2 layer by a Bosch process. Similarly, the communicating portion of the second Si layer and the portion of the second Si layer corresponding to at least one of the common liquid chamber and the supply port are etched to the SiO 2 layer by a Bosch process.

そして、連通部とノズルが連通するように前記SiO2層の一部を除去する。 The communicating part and the nozzle to remove a portion of the SiO 2 layer so as to communicate.

[液体吐出ヘッドについて]
また、液体吐出ヘッドは、上記オリフィスプレートに加え、個別液室と振動板が設けられた流路基板と、前記個別液室内の液体を加圧してノズルの開口から吐出させるアクチュエータと、を有する。前記流路基板は、第1及び第2のSi層間にSiO2層を有する第2のSOI基板からなる。前記振動板は前記第2のSOI基板の第1のSi層に形成され、前記個別液室は前記第2のSOI基板の前記第2のSi層に形成される。振動板上にアクチュエータが設けられる。流路基板の作製方法は、オリフィスプレートと同様に、ボッシュプロセスにより前記SiO2層までエッチングすればよい。その後、上述の、オリフィスプレートを形成する第1のSOI基板と、流路基板を形成する第2のSOI基板を貼り合わせればよい。
[Liquid discharge head]
In addition to the orifice plate, the liquid discharge head includes a flow path substrate provided with an individual liquid chamber and a vibration plate, and an actuator that pressurizes and discharges the liquid in the individual liquid chamber from the opening of the nozzle. The flow path substrate includes a second SOI substrate having a SiO 2 layer between the first and second Si layers. The diaphragm is formed in the first Si layer of the second SOI substrate, and the individual liquid chamber is formed in the second Si layer of the second SOI substrate. An actuator is provided on the diaphragm. The flow path substrate may be manufactured by etching up to the SiO 2 layer by a Bosch process, as with the orifice plate. After that, the above-described first SOI substrate that forms the orifice plate and the second SOI substrate that forms the flow path substrate may be bonded together.

(実施形態1)
実施形態1では、オリフィスプレートを形成する第1のSOI基板の、第1のSi層にノズルを形成し、第2のSi層にノズル連通部と共通液室を形成する例を示す。
(Embodiment 1)
Embodiment 1 shows an example in which a nozzle is formed in a first Si layer of a first SOI substrate that forms an orifice plate, and a nozzle communication portion and a common liquid chamber are formed in a second Si layer.

まず、本実施形態の第1のSOI基板において、各層の好ましい厚さを開示する。第1のSi層の厚みは20μm以上100μm以下、好ましくは、40μm以上60μm以下が良い。これは、高密度のヘッド作製に際して、ノズル深さを小型化したいからである。次に、SiO2層の厚みは、ドライエッチングのエッチストップ層として用いるために0.3μm以上3.0μm以下がよい。この範囲内であれば、エッチングストップ層として機能し、かつ後述するウエットエッチングによって容易に除去し易い厚みだからである。   First, the preferable thickness of each layer in the first SOI substrate of this embodiment is disclosed. The thickness of the first Si layer is 20 μm to 100 μm, preferably 40 μm to 60 μm. This is because it is desired to reduce the nozzle depth when manufacturing a high-density head. Next, the thickness of the SiO 2 layer is preferably 0.3 μm or more and 3.0 μm or less in order to be used as an etch stop layer for dry etching. If it is within this range, the thickness functions as an etching stop layer and can be easily removed by wet etching described later.

第2のSi層の厚みは、50μm以上300μm以下がよい。この範囲である理由は、第2のSi層は、複数のノズルにインクを供給する共通液室が設けられるため、インク供給の観点から薄すぎないほうが良いからである。また、第2のSi層が厚すぎるとノズル連通部中の液体量が多くなり、吐出力が低下するからである。   The thickness of the second Si layer is preferably 50 μm or more and 300 μm or less. The reason for being in this range is that the second Si layer should be not too thin from the viewpoint of ink supply because a common liquid chamber for supplying ink to a plurality of nozzles is provided. Further, if the second Si layer is too thick, the amount of liquid in the nozzle communication portion increases, and the ejection force decreases.

また、本実施形態においては、第2のSi層内に共通液室とノズル連通部があるので、ドライエッチング用パターニングが一度のフォトプロセスで可能である。そのため、共通液室とノズル連通部の距離を常に一定にすることができる。つまり、個別液室とのアライメントが多少ずれても個別液室の長さは共通液室とノズル連通部の距離で規定されて一定に保たれるため、特性ばらつきが少なくなる。また、SOI基板は、BOX層(SiO層)の厚みが均一であるのでボッシュプロセスにより垂直穴加工を施した場合にエッチングは、BOX層で止まる。その結果、ノズル連通部と共通液室の深さも一定である。したがって、ウェハー面内でのエッチングレートの差による寸法変化をなくすことができるために各流路の液体への抵抗が均一となり、吐出ばらつきを抑えることが可能になる。 In the present embodiment, since there is a common liquid chamber and a nozzle communication portion in the second Si layer, dry etching patterning can be performed by a single photo process. Therefore, the distance between the common liquid chamber and the nozzle communication portion can be always constant. In other words, even if the alignment with the individual liquid chamber is slightly deviated, the length of the individual liquid chamber is defined by the distance between the common liquid chamber and the nozzle communication portion and is kept constant, so that the characteristic variation is reduced. Further, since the SOI substrate has a uniform BOX layer (SiO 2 layer) thickness, etching is stopped at the BOX layer when vertical hole processing is performed by the Bosch process. As a result, the depth of the nozzle communication part and the common liquid chamber is also constant. Therefore, since the dimensional change due to the difference in the etching rate within the wafer surface can be eliminated, the resistance to the liquid in each flow path becomes uniform, and the discharge variation can be suppressed.

図1は本発明の実施形態1による液滴吐出ヘッド用オリフィスプレートを説明するための断面図である。図5は図1に示したオリフィスプレートを用いた液滴吐出ヘッドを説明するための断面図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining an orifice plate for a droplet discharge head according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining a droplet discharge head using the orifice plate shown in FIG.

図5に示される形態の液滴吐出ヘッドは、オリフィスプレート106を接合層120により、アクチュエータとなる圧電素子115を備えた流路基板126と一体化したものである。このようなヘッドでは、上下電極111,113により圧電体112に電圧印加して振動板114を個別液室118側に撓ませることにより、個別液室118が加圧され、ノズル103より液滴が吐出される。   In the droplet discharge head shown in FIG. 5, the orifice plate 106 is integrated with a flow path substrate 126 including a piezoelectric element 115 serving as an actuator by a bonding layer 120. In such a head, a voltage is applied to the piezoelectric body 112 by the upper and lower electrodes 111, 113 to deflect the diaphragm 114 toward the individual liquid chamber 118, whereby the individual liquid chamber 118 is pressurized and droplets are discharged from the nozzle 103. Discharged.

[オリフィスプレートについて]
以下、本実施形態のオリフィスプレート106を詳述する。
[Orifice plate]
Hereinafter, the orifice plate 106 of this embodiment will be described in detail.

図5に示すように、オリフィスプレート106は、個別液室118毎に形成され、個別液室118に在る液体を吐出するための複数のノズル(液滴吐出用の穴)103と、各ノズル103に個別液室118を連通させるノズル連通部104とから構成される。なお、ノズル103はオリフィスとも呼ばれる。   As shown in FIG. 5, the orifice plate 106 is formed for each individual liquid chamber 118, and a plurality of nozzles (droplet discharge holes) 103 for discharging the liquid in the individual liquid chamber 118, and each nozzle 103 and a nozzle communication portion 104 that allows the individual liquid chamber 118 to communicate with each other. The nozzle 103 is also called an orifice.

図1に示すように、オリフィスプレート106は、Si基板中にSiO2層を有する第1のSOI基板から作成される。すなわち、ハンドル層と呼ばれる第2のSi層102の上に、絶縁層であるSiO2層101が形成され、その上に活性層と呼ばれる第1のSi層100が形成されているSOI基板である。ここで、第1及び第2のSi層のうち、薄いほうのSi層100を活性層と呼び、厚いほうのSi層102をハンドル層と呼ぶ。本実施形態においては、薄いほうのSi層(活性層)100を、第1の層としてノズルを形成し、厚いほうのSi層(ハンドル層)102を第2の層としてノズル連通部を形成した。このような形態にすることで、吐出口深さを100μm以下と浅く形成したい場合に、活性層が薄いSOI基板を用いて活性層にノズルを形成することで、高精度な吐出口を形成することができる。逆に、薄いほうの層(活性層)を、第2の層としてノズル連通部を形成し、厚いほうの層(ハンドル層)を第1の層としてノズルを形成してもよい。 As shown in FIG. 1, the orifice plate 106 is made from a first SOI substrate having a SiO 2 layer in a Si substrate. That is, this is an SOI substrate in which a SiO 2 layer 101 as an insulating layer is formed on a second Si layer 102 called a handle layer, and a first Si layer 100 called an active layer is formed thereon. . Here, of the first and second Si layers, the thinner Si layer 100 is called an active layer, and the thicker Si layer 102 is called a handle layer. In this embodiment, a nozzle is formed with the thinner Si layer (active layer) 100 as the first layer, and a nozzle communication portion is formed with the thicker Si layer (handle layer) 102 as the second layer. . By adopting such a configuration, when it is desired to form the discharge port as shallow as 100 μm or less, a high-precision discharge port is formed by forming a nozzle in the active layer using an SOI substrate having a thin active layer. be able to. Conversely, the nozzle communication portion may be formed with the thinner layer (active layer) as the second layer and the nozzle with the thicker layer (handle layer) as the first layer.

オリフィスプレート106におけるノズル103の穴は、活性層と呼ばれる第1のSi層100に略垂直(即ち、層厚方向)に形成されており、ノズル103の長さは第1のSi層100の厚みに同等である。つまり、ノズル103はストレート状の穴である。また、SiO2層101はBOX層(Buried Oxide:埋め込み酸化膜)でありエッチングストップ層としての機能を有する。 The holes of the nozzle 103 in the orifice plate 106 are formed substantially perpendicular to the first Si layer 100 called the active layer (that is, in the layer thickness direction), and the length of the nozzle 103 is the thickness of the first Si layer 100. Is equivalent to That is, the nozzle 103 is a straight hole. The SiO 2 layer 101 is a BOX layer (Buried Oxide) and functions as an etching stop layer.

ノズル103に連通する連通部104はハンドル層と呼ばれる第2のSi層102に形成されている。そして、このSi層102に、流路基板に形成された複数の個別液室118(図5参照)に共通して繋がる共通液室105が形成されている。これらノズル連通部104と共通液室105はSi層102(ハンドル層)に略垂直(即ち、層厚方向)に形成される。つまり、ノズル連通部104も共通液室105もストレート状の穴である。ノズル連通部とノズルが貫通するように、SiO2層101を除去する為、バッファードフッ酸溶液によりエッチングした場合には、露出しているSiO2層が除去される。これにより、ノズル連通部104の深さ及び共通液室105の深さは、第2のSi層と、SiO2層とを足した深さになる。 A communicating portion 104 communicating with the nozzle 103 is formed in a second Si layer 102 called a handle layer. In the Si layer 102, a common liquid chamber 105 that is commonly connected to a plurality of individual liquid chambers 118 (see FIG. 5) formed on the flow path substrate is formed. The nozzle communication portion 104 and the common liquid chamber 105 are formed substantially perpendicular to the Si layer 102 (handle layer) (that is, in the layer thickness direction). That is, both the nozzle communication part 104 and the common liquid chamber 105 are straight holes. In order to remove the SiO 2 layer 101 so that the nozzle communicating part and the nozzle penetrate, when etching is performed with a buffered hydrofluoric acid solution, the exposed SiO 2 layer is removed. Thereby, the depth of the nozzle communication part 104 and the depth of the common liquid chamber 105 become the depth which added the 2nd Si layer and the SiO2 layer.

露出しているSiO2層は、全て除去しなくても、ノズル部が連通すれば構わない。しかし、多数あるノズルの吐出量のばらつきを抑えるためには、露出しているSiO2層を完全に除去するか、もしくは、ノズルが連通する部分のみのSiO2層を除去するのが望ましい。これは、各ノズルにおいて、大きさのばらつきを抑える為である。 The exposed SiO 2 layer does not need to be completely removed as long as the nozzle portion communicates. However, in order to suppress variations in the discharge amount of a large number of nozzles, it is desirable to completely remove the exposed SiO 2 layer or to remove only the SiO 2 layer where the nozzle communicates. This is to suppress variation in size in each nozzle.

本実施形態においては、第1のSi層(活性層)100の厚みを55μm、SiO2層(BOX層)101の厚みを1μm、第2のSi層(ハンドル層)102の厚みを200μmとした両面熱酸化膜付き6インチφSOIウェハーを用意した。また、このウェハーは各層の厚み精度が±1μm以下となるように研磨したものである。 In the present embodiment, the thickness of the first Si layer (active layer) 100 is 55 μm, the thickness of the SiO 2 layer (BOX layer) 101 is 1 μm, and the thickness of the second Si layer (handle layer) 102 is 200 μm. A 6-inch φ SOI wafer with a double-sided thermal oxide film was prepared. Further, this wafer is polished so that the thickness accuracy of each layer becomes ± 1 μm or less.

[共通液室とノズル連通部の位置関係]
また、図2は、図1に示したオリフィスプレート106の、流路基板と接合される側(ハンドル層側)の面を見た平面図である。
[Positional relationship between common liquid chamber and nozzle communication part]
FIG. 2 is a plan view of the orifice plate 106 shown in FIG. 1 as viewed from the side (handle layer side) joined to the flow path substrate.

オリフィスプレート106の片面(図1のSi層102)に、n個のノズル連通部104−1、104−2、・・・、104−nが一列に並んで形成されているとともに、一つの共通液室105が凹状に形成されている。不図示のインクタンクのインクが共通液室105に供給されて、共通液室105から各ノズル連通部104に各個別液室118(図5参照)を介して供給されるようになっている。   .., 104-n are formed in a line on one side of the orifice plate 106 (Si layer 102 in FIG. 1). The liquid chamber 105 is formed in a concave shape. Ink in an ink tank (not shown) is supplied to the common liquid chamber 105, and is supplied from the common liquid chamber 105 to each nozzle communication portion 104 via each individual liquid chamber 118 (see FIG. 5).

図2のように、夫々のノズル連通部104−1、104−2、・・・、104−nから共通液室105までの距離L1、L2、・・・、Lnは、一定となっている。 As shown in FIG. 2, the distances L 1 , L 2 ,..., L n from the respective nozzle communication portions 104-1, 104-2,. It has become.

本実施形態においては、オリフィスプレート1チップあたりのノズル数を32本とし、1ウェハーあたり21チップ分のオリフィスプレートを作製した。   In the present embodiment, the number of nozzles per chip of the orifice plate was 32, and an orifice plate of 21 chips per wafer was produced.

[オリフィスプレートの製造方法について]
次に、本実施形態のオリフィスプレートの製造方法を図13に示す。
[Production method of orifice plate]
Next, the manufacturing method of the orifice plate of this embodiment is shown in FIG.

図13(a)に示すように、第1のSi層(活性層)100の厚みが55μm、SiO2層(絶縁層)101の厚みが1μm、第2のSi層(ハンドル層)102の厚みが200μmである、6インチφの第1のSOI基板124を用意する。ハンドル層102はベース層とも呼ばれる。 As shown in FIG. 13A, the thickness of the first Si layer (active layer) 100 is 55 μm, the thickness of the SiO 2 layer (insulating layer) 101 is 1 μm, and the thickness of the second Si layer (handle layer) 102. A first SOI substrate 124 with a diameter of 6 inches and a diameter of 200 μm is prepared. The handle layer 102 is also called a base layer.

続いて、図13(b)に示すように、Si層(活性層)の表面にエッチングマスク127を施し、SiO2層(絶縁層)101をエッチングストップ層として第1のSi層(活性層)100のエッチングを行い、ノズル103を形成する。本実施例では、ノズル103は20μmφの円形状としている。 Subsequently, as shown in FIG. 13B, an etching mask 127 is applied to the surface of the Si layer (active layer), and the first Si layer (active layer) using the SiO 2 layer (insulating layer) 101 as an etching stop layer. 100 is etched to form the nozzle 103. In the present embodiment, the nozzle 103 has a circular shape of 20 μmφ.

エッチングには、Siの深堀り技術として知られているICP(Inductively Coupled Plasma)エッチング装置を用いる。本実施形態では、CF4とSF6のガスを用いたいわゆるボッシュプロセスによりエッチングを行っている。なお、エッチングマスク127はレジストのみで形成してもよいし、SiO2やSiONで形成してもよい。 For the etching, an ICP (Inductively Coupled Plasma) etching apparatus known as a Si deep-drilling technique is used. In this embodiment, etching is performed by a so-called Bosch process using CF 4 and SF 6 gases. Note that the etching mask 127 may be formed of only a resist, or may be formed of SiO 2 or SiON.

次に、第1のSOI基板124の第2のSi層(ハンドル層)102側から加工を行なう。図13(c)に示すように、第2のSi層(ハンドル層)102の表面にエッチングマスク128を施し、SiO2層(絶縁層)101をエッチングストップ層として第2のSi層(ハンドル層)102のエッチングを行い、ノズル連通部104及び共通液室105を形成する。本実施形態ではICP(Inductively Coupled Plasma)エッチング装置により、40μmφのノズル連通部104を形成した。 Next, processing is performed from the second Si layer (handle layer) 102 side of the first SOI substrate 124. As shown in FIG. 13C, an etching mask 128 is applied to the surface of the second Si layer (handle layer) 102, and the second Si layer (handle layer) is formed using the SiO 2 layer (insulating layer) 101 as an etching stop layer. ) 102 is etched to form the nozzle communication portion 104 and the common liquid chamber 105. In this embodiment, the nozzle communication portion 104 of 40 μmφ is formed by an ICP (Inductively Coupled Plasma) etching apparatus.

最後に、図13(d)に示すように、露出したSiO2層(絶縁層)の一部をバッファードフッ酸溶液によりエッチングし、ノズル連通部104とノズル103とを貫通させてオリフィスプレート106を作製する。 Finally, as shown in FIG. 13D, a part of the exposed SiO 2 layer (insulating layer) is etched with a buffered hydrofluoric acid solution, penetrating the nozzle communication portion 104 and the nozzle 103 and passing through the orifice plate 106. Is made.

ノズル103、ノズル連通部104及び共通液室105はそれぞれSiO2層(絶縁層)101をエッチストップ層として加工していることより、深さ方向で精度よく加工することができる。また、ICPエッチング装置を利用したボッシュプロセスを利用して加工していることより、面内方向において精度よく加工することができ、ウェハーの周辺部のチップと中央部のチップでの加工寸法ばらつきは、±1μm以下に収まっていた。 The nozzle 103, the nozzle communication portion 104, and the common liquid chamber 105 can be processed with high precision in the depth direction since the SiO 2 layer (insulating layer) 101 is processed as an etch stop layer. In addition, since it is processed using the Bosch process using an ICP etching apparatus, it can be processed accurately in the in-plane direction, and the processing size variation between the peripheral chip and the central chip of the wafer is , Within ± 1 μm.

[流路基板について]
続いて、上記オリフィスプレート106と接合される流路基板126について述べる。図3は流路基板126のもととなる、第2のSOI基板110を示す断面図である。流路基板126は、図4(d)に示すように、第2のSOI基板の第1のSi層(活性層)110aを振動板114とし、第2のSOI基板の第2のSi層(ハンドル層)に個別液室118を形成する。この第2のSOI基板110上に、振動板114の個別液室118側とは反対側に形成された圧電素子115とから構成される。圧電素子(アクチュエータ)115は、振動板114上に配置された共通電極としての下電極113と、下電極113上に個別液室118の夫々に対応して位置する圧電体112と、下電極113とで圧電体112を挟むように配置された上電極111とからなる。上電極111は圧電体112毎に個別に設けられている。
[About flow path board]
Next, the flow path substrate 126 joined to the orifice plate 106 will be described. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the second SOI substrate 110 that is the basis of the flow path substrate 126. As shown in FIG. 4D, the flow path substrate 126 uses the first Si layer (active layer) 110a of the second SOI substrate as the vibration plate 114, and the second Si layer ( An individual liquid chamber 118 is formed in the handle layer). The piezoelectric element 115 is formed on the second SOI substrate 110 on the opposite side of the diaphragm 114 from the individual liquid chamber 118 side. The piezoelectric element (actuator) 115 includes a lower electrode 113 as a common electrode disposed on the vibration plate 114, a piezoelectric body 112 positioned on the lower electrode 113 corresponding to each of the individual liquid chambers 118, and a lower electrode 113. And the upper electrode 111 disposed so as to sandwich the piezoelectric body 112 therebetween. The upper electrode 111 is individually provided for each piezoelectric body 112.

[流路基板の製造方法について]
図4は図3の第2のSOI基板110を用いた流路基板126の作製工程を示す断面図である。
[Manufacturing method of flow path substrate]
4 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the flow path substrate 126 using the second SOI substrate 110 of FIG.

図3に示すように、流路基板126のSOI基板110として、第1のSi層(活性層)110aが6μm、SiO2層(BOX層)110bが0.5μm、第2のSi層(ハンドル層)110cが200μmのものを準備する。 As shown in FIG. 3, as the SOI substrate 110 of the flow path substrate 126, the first Si layer (active layer) 110a is 6 μm, the SiO 2 layer (BOX layer) 110b is 0.5 μm, and the second Si layer (handle) A layer) 110c having a thickness of 200 μm is prepared.

SOIウェハーの表裏面には2μmの酸化膜がついている。しかし、SOI基板110の表裏面の酸化膜(SiO2層117,118)は任意の膜厚でよく、第1のSi層(活性層)110aおよび第2のSi層(ハンドル層)110cの表面に酸化膜が形成されていなくてもよい。 An oxide film of 2 μm is attached to the front and back surfaces of the SOI wafer. However, the oxide films (SiO 2 layers 117, 118) on the front and back surfaces of the SOI substrate 110 may have any film thickness, and the surfaces of the first Si layer (active layer) 110a and the second Si layer (handle layer) 110c. The oxide film does not have to be formed.

第2のSOI基板110の第1のSi層(活性層)110a上に下電極113、圧電体112をこの順番にスパッタ法によりそれぞれ成膜する。   A lower electrode 113 and a piezoelectric body 112 are formed in this order on the first Si layer (active layer) 110a of the second SOI substrate 110 by sputtering.

下電極113としてPt/Tiを300/30nm成膜したが、電極材料、電極膜厚はこれに限定するものではない。   Although the Pt / Ti film of 300/30 nm is formed as the lower electrode 113, the electrode material and the electrode film thickness are not limited to these.

圧電体112としては鉛、チタン、ジルコニウムから構成されたPb(Zr,Ti)O3ペロブスカイト型酸化物(以下、PZTと略す)をスパッタ法で3μm成膜した。良好な圧電性を得るため、PZT薄膜の組成がPb(Zr0.52,Ti0.48)O3となるようにする。PZT膜の組成としては必ずしも上記組成に限定されず、他の組成でも構わない。またPZT膜厚も望ましい性能を実現するための厚みを任意で決めればよい。 As the piezoelectric body 112, a Pb (Zr, Ti) O 3 perovskite oxide (hereinafter abbreviated as PZT) composed of lead, titanium, and zirconium was formed into a 3 μm film by sputtering. In order to obtain good piezoelectricity, the composition of the PZT thin film is Pb (Zr 0.52 , Ti 0.48 ) O 3 . The composition of the PZT film is not necessarily limited to the above composition, and other compositions may be used. Further, the PZT film thickness may be arbitrarily determined to achieve a desired performance.

次に、圧電体112が成膜された第2のSOI基板110をスパッタ装置から取り出した後、酸素雰囲気中で700℃で焼成を行い、PZT膜を結晶化させる。   Next, after the second SOI substrate 110 with the piezoelectric body 112 formed thereon is taken out of the sputtering apparatus, baking is performed at 700 ° C. in an oxygen atmosphere to crystallize the PZT film.

その後、上電極111として、Ti30nm、Pt300nmを成膜する。ここで電極材料、電極膜厚は下電極同様、上記に限定するものではない。   Thereafter, Ti 30 nm and Pt 300 nm are formed as the upper electrode 111. Here, the electrode material and the electrode film thickness are not limited to the above, like the lower electrode.

続いて、各々の個別液室118に対応するように、圧電体薄膜112と上電極111をエッチングにより加工する(図5参照)。まず、上電極111上にフォトレジストを設け、パターニング後、ドライエッチングにより上電極111を加工する。同様に、圧電体112のパターニング及びエッチングを行う。続いて、上電極同様に下電極113のドライエッチング、Si層(活性層)110aをドライエッチングにより不図示のインク供給口の一部を形成し、圧電素子デバイス115を形成する。   Subsequently, the piezoelectric thin film 112 and the upper electrode 111 are processed by etching so as to correspond to the individual liquid chambers 118 (see FIG. 5). First, a photoresist is provided on the upper electrode 111, and after patterning, the upper electrode 111 is processed by dry etching. Similarly, patterning and etching of the piezoelectric body 112 are performed. Subsequently, a part of an ink supply port (not shown) is formed by dry etching of the lower electrode 113 and dry etching of the Si layer (active layer) 110a in the same manner as the upper electrode, thereby forming the piezoelectric element device 115.

次に、ICP(Inductively Coupled Plasma)エッチング装置を用い、第2のSOI基板110の第2のSi層(ハンドル層)110cに個別液室118等の流路を形成する。そこで、エッチングマスクとするため、厚さ2μmの酸化膜121を第2のSi層(ハンドル層)110c表面に形成する(図4(a))。個別液室118を形成するため、第2のSOI基板110の酸化膜121上にレジストパターン122を形成し、酸化膜121をエッチングする(図4(b))。その後、ICPエッチング装置で、SiO2層(BOX層)110bの位置まで第2のSi層(ハンドル層)110cをボッシュプロセスによりエッチングする(図4(c))。続いて、レジスト122を剥離後、SiO2層(BOX層)110bの露出部と、第2のSi層(ハンドル層)110c表面の酸化膜121をバッファードフッ酸により剥離することで、個別液室118および振動板114を形成する。個別液室118の幅は100μm、長さは3.0mmとしたが、これに限られるものではないのは言うまでもない。 Next, using an ICP (Inductively Coupled Plasma) etching apparatus, a flow path such as the individual liquid chamber 118 is formed in the second Si layer (handle layer) 110c of the second SOI substrate 110. Therefore, an oxide film 121 having a thickness of 2 μm is formed on the surface of the second Si layer (handle layer) 110c to serve as an etching mask (FIG. 4A). In order to form the individual liquid chamber 118, a resist pattern 122 is formed on the oxide film 121 of the second SOI substrate 110, and the oxide film 121 is etched (FIG. 4B). Thereafter, the second Si layer (handle layer) 110c is etched by the Bosch process up to the position of the SiO 2 layer (BOX layer) 110b with an ICP etching apparatus (FIG. 4C). Subsequently, after peeling off the resist 122, the exposed portion of the SiO 2 layer (BOX layer) 110b and the oxide film 121 on the surface of the second Si layer (handle layer) 110c are peeled off with buffered hydrofluoric acid, whereby individual liquids are separated. A chamber 118 and a diaphragm 114 are formed. Although the individual liquid chamber 118 has a width of 100 μm and a length of 3.0 mm, it goes without saying that the present invention is not limited to this.

図3及び図4に基づく上記の工程により、オリフィスプレート106と接合される圧電素子付き流路基板126が作製される。   Through the above-described steps based on FIGS. 3 and 4, the flow path substrate 126 with a piezoelectric element to be bonded to the orifice plate 106 is manufactured.

[液滴吐出ヘッドについて]
続いて、上記のように圧電素子115と個別液室118が形成された第2のSOI基板110からなる流路基板126を、図5に示すように第1のSOI基板から形成されたオリフィスプレート106と接合層120を介してあるいは、Siの直接接合により接合することにより、液滴吐出ヘッドが完成する。なお、図5はノズル連通部104を通り圧電体112及び個別液室118の長手方向と直交する方向で切断した図である。したがって、図面に垂直な方向に圧電体112及び個別液室118が長く延びている。
[Droplet ejection head]
Subsequently, the flow path substrate 126 made of the second SOI substrate 110 in which the piezoelectric element 115 and the individual liquid chamber 118 are formed as described above is replaced with the orifice plate formed from the first SOI substrate as shown in FIG. The droplet discharge head is completed by bonding with 106 and the bonding layer 120 or by direct bonding of Si. FIG. 5 is a view taken along a direction orthogonal to the longitudinal direction of the piezoelectric body 112 and the individual liquid chamber 118 through the nozzle communication portion 104. Therefore, the piezoelectric body 112 and the individual liquid chamber 118 extend long in the direction perpendicular to the drawing.

本実施形態においては、流路基板126とオリフィスプレート106との接合にはAu−Au接合を用いた。個別液室118が形成された第2のSOI基板110からなる流路基板126と第1のSOI基板から形成されたオリフィスプレート106とを真空中で250℃に加熱して一体化した。さらに、ダイサーによりチップに切断し、電気接続用フレキおよび液体供給用部材を取り付け、微細な液体を吐出する液滴吐出ヘッドを21個得た。得られた液滴吐出ヘッド間の吐出速度ばらつきを測定したところ、±4%以内に収まっていた。   In the present embodiment, Au—Au bonding is used for bonding the flow path substrate 126 and the orifice plate 106. The flow path substrate 126 formed of the second SOI substrate 110 on which the individual liquid chamber 118 was formed and the orifice plate 106 formed of the first SOI substrate were integrated by heating to 250 ° C. in a vacuum. Furthermore, it cut | disconnected to the chip | tip with the dicer, the flexible for electrical connection, and the member for liquid supply were attached, and 21 droplet discharge heads which discharge a fine liquid were obtained. When the discharge speed variation between the obtained droplet discharge heads was measured, it was within ± 4%.

同じプロセスで他に2ウェハー分の液滴吐出ヘッドを作製したところ、1ウェハーに関しては、個別液室118が形成されたSOI基板110と、オリフィスプレート106とを接合するときに20μmほどアライメントずれが生じてしまった。しかし、このウェハーから得られた液滴吐出ヘッド間の吐出速度ばらつきを測定したところ、±5%以内に収まっていた。   When another two-wafer droplet discharge head was manufactured by the same process, when one wafer was bonded to the SOI substrate 110 on which the individual liquid chamber 118 was formed and the orifice plate 106, the alignment deviation was about 20 μm. It has occurred. However, when the discharge speed variation between the droplet discharge heads obtained from this wafer was measured, it was within ± 5%.

(実施形態2)
本実施形態2では、オリフィスプレートの作製のために、実施形態1と異なる第1のSOIウェハーを用意した以外は、実施形態1と同様である。前述の実施例と同様の構成及び効果については記載を省略する。本実施形態のオリフィスプレートの材料としては、第1のSi層(活性層)100の厚みを50μm、SiO2層(BOX層)101の厚みを1μm、第2のSi層(ハンドル層)102の厚みを145μmとした6インチφSOIウェハーを用意した。さらに、このウェハーは両面に熱酸化層を2μmずつ形成したものである。また、このウェハーは各層の厚み精度が±1μm以下となるように研磨したものである。
(Embodiment 2)
The second embodiment is the same as the first embodiment except that a first SOI wafer different from the first embodiment is prepared for the production of the orifice plate. The description of the same configurations and effects as those of the above-described embodiment is omitted. As the material of the orifice plate of this embodiment, the first Si layer (active layer) 100 has a thickness of 50 μm, the SiO 2 layer (BOX layer) 101 has a thickness of 1 μm, and the second Si layer (handle layer) 102 has a thickness of A 6-inch φ SOI wafer having a thickness of 145 μm was prepared. Further, this wafer has a thermal oxide layer formed on each side by 2 μm. Further, this wafer is polished so that the thickness accuracy of each layer becomes ± 1 μm or less.

このようなSOIウェハーを用いて上記の実施形態1と同様の製法で、21チップ分のオリフィスプレート106を作製する。そして、作製したオリフィスプレート106を用いて、上記の実施形態1と同様に液滴吐出ヘッドを21個得た。得られた液滴吐出ヘッドの吐出速度ばらつきを測定したところ、±3%以内に収まっていた。   Using such an SOI wafer, the orifice plate 106 for 21 chips is manufactured by the same manufacturing method as in the first embodiment. Then, using the produced orifice plate 106, 21 droplet discharge heads were obtained in the same manner as in the first embodiment. The variation in the ejection speed of the obtained droplet ejection head was measured and found to be within ± 3%.

(実施形態3)
図6は本発明の実施形態3によるオリフィスプレートの、流路基板と接合される側の面を示す平面図である。前述の実施例と同様の構成及び効果については記載を省略する。
(Embodiment 3)
FIG. 6 is a plan view showing the surface of the orifice plate according to Embodiment 3 of the present invention on the side to be joined to the flow path substrate. The description of the same configurations and effects as those of the above-described embodiment is omitted.

本実施形態3では、オリフィスプレート106の片面(図1の第2のSi層(ハンドル層)側の面)に、図6に示す配置で複数のノズル連通部204−1−1〜204−n−4が並んで形成されているとともに、一つの共通液室205が凹状に形成されている。ノズル連通部204−1−1〜204−n−4の配置は、共通液室205の長手方向に対してノズル配列方向が斜めとなる4個1組のノズル連通部204−1〜204−4をn組、共通液室205の長手方向に配列している。   In the third embodiment, a plurality of nozzle communication portions 204-1-1 to 204-n are arranged on one side of the orifice plate 106 (the surface on the second Si layer (handle layer) side in FIG. 1) in the arrangement shown in FIG. -4 are formed side by side, and one common liquid chamber 205 is formed in a concave shape. The arrangement of the nozzle communication portions 204-1-1 to 204-n-4 is a set of four nozzle communication portions 204-1 to 204-4 in which the nozzle arrangement direction is oblique with respect to the longitudinal direction of the common liquid chamber 205. Are arranged in the longitudinal direction of the common liquid chamber 205.

この形態は、時分割駆動に対応するように設計されたものであり、この場合も各ノズル連通部204と共通液室205との距離L1−1〜Ln−4は等しくなるように配置されている。したがって、共通液室205の形成において、SOI基板に対して夫々のノズル連通部が図中の右側にずれている分だけ階段状に右側にせり出すようにエッチングしてある。 This configuration is designed to support time-division driving, and in this case as well, the distances L 1 -1 to L n -4 between the nozzle communication portions 204 and the common liquid chamber 205 are arranged to be equal. Has been. Therefore, in the formation of the common liquid chamber 205, etching is performed so that each nozzle communication portion protrudes to the right side in a stepped manner with respect to the SOI substrate by the amount shifted to the right side in the drawing.

本実施形態においては、上記4個1組のノズル連通部の組数nを8として32ノズルのチップを設計、製作した。そして、夫々のノズル連通部204と共通液室205との距離L1−1〜Ln−4のばらつきは全て±1μm以内に収めた。 In the present embodiment, a 32-nozzle chip was designed and manufactured by setting the number n of the four nozzle communication portions to 8 as described above. All the variations in the distances L 1 -1 to L n -4 between the respective nozzle communication portions 204 and the common liquid chamber 205 were kept within ± 1 μm.

本実施形態では、4分割駆動の例を示したが、分割数は自然数であれば良くこれに限定するものではない。   In the present embodiment, an example of four-division driving is shown, but the division number may be a natural number and is not limited to this.

このように作製したオリフィスプレート106に、上記の実施形態1と同様に、個別液室及び振動板等が形成されたSOI基板を接合する。この接合体をダイサーによりチップに切断し、電気接続用フレキおよび液体供給用部材を取り付け、微細な液体を吐出する液滴吐出ヘッドを21個得た。得られた液滴吐出ヘッド間の吐出速度ばらつきを測定したところ、±5%以内に収まっていた。   In the same way as in the first embodiment, an SOI substrate on which an individual liquid chamber, a vibration plate, and the like are formed is bonded to the orifice plate 106 thus manufactured. The joined body was cut into chips by a dicer, and the flexible liquid for electrical connection and the liquid supply member were attached to obtain 21 droplet discharge heads for discharging fine liquid. When the discharge speed variation between the obtained droplet discharge heads was measured, it was within ± 5%.

(比較例1)
次に、上記実施形態1乃至3のオリフィスプレートに対する比較例を挙げる。
(Comparative Example 1)
Next, a comparative example for the orifice plate of the first to third embodiments will be described.

比較例のオリフィスプレートの材料としては、両面研磨し、厚み200±1μmとした6インチφSiウェハーを用意した。これを、ICP加工によりノズル穴深さ50μmとなるようにエッチングした。しかし、エッチレートの差によりウェハー中央部分のノズルとウェハー周辺部のノズルとの間で最大20%の深さ方向のばらつきが生じてしまい、1枚のウェハーから得られた複数のチップ間の吐出速度のばらつきも約15%生じていた。   As a material for the orifice plate of the comparative example, a 6-inch φSi wafer having both thicknesses polished to 200 ± 1 μm was prepared. This was etched by ICP processing so that the nozzle hole depth was 50 μm. However, due to the difference in etch rate, a variation in the depth direction of up to 20% occurs between the nozzle at the wafer central portion and the nozzle at the wafer peripheral portion, and the discharge between a plurality of chips obtained from one wafer is performed. There was also about 15% variation in speed.

これに対し、実施形態1乃至3のオリフィスプレートにおいては、ノズル103の長さを第1のSi層(活性層)100の厚みで制御できるので、非常に高い形状精度とすることができる。   On the other hand, in the orifice plates of the first to third embodiments, the length of the nozzle 103 can be controlled by the thickness of the first Si layer (active layer) 100, so that the shape accuracy can be very high.

(実施形態4)
実施形態4では、オリフィスプレートを形成する第1のSOI基板の、第1のSi層にノズルを形成し、第2のSi層にノズル連通部と供給口を形成する例を示す。前述の実施例と同様の構成及び効果については記載を省略する。
(Embodiment 4)
The fourth embodiment shows an example in which a nozzle is formed in the first Si layer of the first SOI substrate that forms the orifice plate, and a nozzle communication portion and a supply port are formed in the second Si layer. The description of the same configurations and effects as those of the above-described embodiment is omitted.

まず、本実施形態の第1のSOI基板において、各層の好ましい厚さを開示する。第1のSi層の厚みは50μm以上300μm以下、好ましくは、40μm以上200μm以下である。これは、ハンドリングが容易で、かつエッチングにより精度よくノズルを形成できる範囲である。さらに、高密度ヘッドに対応した小型なノズルを形成することが可能となる。   First, the preferable thickness of each layer in the first SOI substrate of this embodiment is disclosed. The thickness of the first Si layer is 50 μm or more and 300 μm or less, preferably 40 μm or more and 200 μm or less. This is a range in which handling is easy and the nozzle can be formed with high precision by etching. Further, it is possible to form a small nozzle corresponding to the high density head.

次に、SiO2層の厚みは、ドライエッチングのエッチストップ層として用いるために0.3μm以上3.0μm以下がよい。これは、エッチングストップ層として機能し、かつウエットエッチングによって容易に除去し易い厚みだからである。 Next, the thickness of the SiO 2 layer is preferably 0.3 μm or more and 3.0 μm or less in order to be used as an etch stop layer for dry etching. This is because the thickness functions as an etching stop layer and can be easily removed by wet etching.

次に、第2のSi層は、5μm以上50μm以下が好ましい。これは、液滴吐出時の流路抵抗の役割を担う供給口125の深さを浅くかつ精度よく形成するためである。   Next, the second Si layer is preferably 5 μm or more and 50 μm or less. This is because the depth of the supply port 125, which plays a role of flow path resistance when droplets are discharged, is shallow and formed with high accuracy.

図7は、本発明の実施形態4による液滴吐出ヘッド用オリフィスプレートを模式的に示す斜視図である。図8は図7に示したオリフィスプレートを用いた液滴吐出ヘッドを模式的に示した斜視図である。   FIG. 7 is a perspective view schematically showing an orifice plate for a droplet discharge head according to Embodiment 4 of the present invention. FIG. 8 is a perspective view schematically showing a droplet discharge head using the orifice plate shown in FIG.

図7に示すように、本実施形態のオリフィスプレートは、液滴を吐出する吐出口を持つ複数のノズル(オリフィス)103と、夫々のノズル103に連通するノズル連通部104と、流路抵抗となる複数の供給口125とが形成された第1のSOI基板からなる。尚、各々のノズル連通部104とこれに対応する供給口125までの距離は一定となっている。   As shown in FIG. 7, the orifice plate of the present embodiment includes a plurality of nozzles (orifices) 103 having discharge ports for discharging droplets, nozzle communication portions 104 communicating with the respective nozzles 103, flow path resistance, and the like. And a first SOI substrate on which a plurality of supply ports 125 are formed. In addition, the distance to each nozzle communication part 104 and the supply port 125 corresponding to this is constant.

図8に示すように、オリフィスプレート106上に流路基板126を接合して液滴吐出ヘッドを作製した際、供給口125の一部及びノズル連通部104は、流路基板126の個別液室118とそれぞれ重なり合って連通している。また、供給口125の、個別液室と連通していない部分は、流路基板126に形成された共通液室105と連通している。この構成により、インクタンクなどの外部容器から一つの共通液室105に液体が供給されるとともに、各供給口125を介して各個別液室118に充填されるようになっている。   As shown in FIG. 8, when the flow path substrate 126 is joined on the orifice plate 106 to produce a droplet discharge head, a part of the supply port 125 and the nozzle communication portion 104 are separated from the individual liquid chambers of the flow path substrate 126. 118 and communicate with each other. Further, the portion of the supply port 125 not communicating with the individual liquid chamber communicates with the common liquid chamber 105 formed in the flow path substrate 126. With this configuration, liquid is supplied from an external container such as an ink tank to one common liquid chamber 105, and each individual liquid chamber 118 is filled via each supply port 125.

また、各々の個別液室118の上部には、個別液室118の一面となる振動板114が在り、振動板114の上部には、下電極と圧電体薄膜と上電極をこの順番で積層してなるアクチュエータとしての圧電素子115が配置されている。この製法は図3及び図4を用いて前述したとおりである。   In addition, a diaphragm 114 serving as one surface of the individual liquid chamber 118 is provided above each individual liquid chamber 118, and a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode are stacked in this order on the upper portion of the diaphragm 114. A piezoelectric element 115 as an actuator is arranged. This manufacturing method is as described above with reference to FIGS.

以上のように構成された液滴吐出ヘッドでは、圧電素子115が給電され振動板114がたわみ変形する。これにより、振動板114に接する個別液室118内に貯留されているインク等の液体が加圧され、ノズル連通部104を介しノズル103の開口(吐出口)から液滴として吐出される。またその際、供給口125は液滴吐出時の流路抵抗の役割を果たす。   In the droplet discharge head configured as described above, the piezoelectric element 115 is supplied with power and the diaphragm 114 is bent and deformed. As a result, a liquid such as ink stored in the individual liquid chamber 118 in contact with the vibration plate 114 is pressurized and discharged as droplets from the opening (discharge port) of the nozzle 103 via the nozzle communication portion 104. At that time, the supply port 125 plays a role of flow path resistance when droplets are discharged.

次に、本実施形態の液滴吐出ヘッドの製造方法について、図8及び図9を参照して説明する。   Next, a method for manufacturing the droplet discharge head of this embodiment will be described with reference to FIGS.

図9(a)に示すように、Si層(活性層)100の厚みが50μm、SiO2層(絶縁層)101の厚みが1μm、Si層(ハンドル層)102の厚みが150μmである、6インチφの第1のSOI基板124を用意する。ハンドル層102はベース層とも呼ばれる。 As shown in FIG. 9A, the thickness of the Si layer (active layer) 100 is 50 μm, the thickness of the SiO 2 layer (insulating layer) 101 is 1 μm, and the thickness of the Si layer (handle layer) 102 is 150 μm. A first SOI substrate 124 of inch φ is prepared. The handle layer 102 is also called a base layer.

続いて、図9(b)に示すように、Si層(活性層)100を、第2のSi層とする。活性層の表面にエッチングマスク127を施し、SiO2層(絶縁層)101をエッチングストップ層として第2のSi層(活性層)100のエッチングを行い、供給口125及びノズル連通部104を形成する。本実施形態では供給口125は、長手方向に対する幅は25μm、長手方向長さ200μmとした。また、ノズル連通部104は40μmφの円形状とした。 Subsequently, as shown in FIG. 9B, the Si layer (active layer) 100 is a second Si layer. An etching mask 127 is applied to the surface of the active layer, the second Si layer (active layer) 100 is etched using the SiO 2 layer (insulating layer) 101 as an etching stop layer, and the supply port 125 and the nozzle communication portion 104 are formed. . In the present embodiment, the supply port 125 has a width in the longitudinal direction of 25 μm and a length in the longitudinal direction of 200 μm. In addition, the nozzle communication portion 104 has a circular shape of 40 μmφ.

エッチングには、Siの深堀り技術として知られているICP(Inductively Coupled Plasma)エッチング装置を用いる。本実施形態では、CF4とSF6のガスを用いてエッチングを行っている。なお、エッチングマスク127はレジストのみで形成してもよいし、SiO2やSiONで形成してもよい。 For the etching, an ICP (Inductively Coupled Plasma) etching apparatus known as a Si deep-drilling technique is used. In this embodiment, etching is performed using CF 4 and SF 6 gases. Note that the etching mask 127 may be formed of only a resist, or may be formed of SiO 2 or SiON.

次に、第1のSOI基板124のSi層(ハンドル層)102を第1のSi層とし、ハンドル層側から加工を行なう。図9(c)に示すように、Si層(ハンドル層)102の表面にエッチングマスク128を施し、SiO2層(絶縁層)101をエッチングストップ層として第1のSi層(ハンドル層)102のエッチングを行い、ノズル103を形成する。本実施形態ではICP(Inductively Coupled Plasma)エッチング装置により、φ20μmのノズル103(吐出穴)を形成した。 Next, the Si layer (handle layer) 102 of the first SOI substrate 124 is used as the first Si layer, and processing is performed from the handle layer side. As shown in FIG. 9C, an etching mask 128 is applied to the surface of the Si layer (handle layer) 102, and the first Si layer (handle layer) 102 is formed using the SiO 2 layer (insulating layer) 101 as an etching stop layer. Etching is performed to form the nozzle 103. In this embodiment, a nozzle 103 (ejection hole) having a diameter of 20 μm is formed by an ICP (Inductively Coupled Plasma) etching apparatus.

ストレート状の穴である、供給口125、ノズル連通部104、およびノズル103は、ICPによるドライエッチングにより、高精度に形成することができる。なお、これらは、ICPによるドライエッチングの他に、アルカリ溶液を用いた異方性エッチングを用いてもよい。   The supply port 125, the nozzle communication portion 104, and the nozzle 103, which are straight holes, can be formed with high accuracy by dry etching using ICP. In addition to these, dry etching by ICP may be used for these, and anisotropic etching using an alkaline solution may be used.

最後に、図9(d)に示すように、露出したSiO2層(絶縁層)の一部をバッファードフッ酸溶液によりエッチングし、ノズル連通部104とノズル103とを貫通させてオリフィスプレート106を作製する。 Finally, as shown in FIG. 9D, a part of the exposed SiO 2 layer (insulating layer) is etched with a buffered hydrofluoric acid solution, and the nozzle communicating portion 104 and the nozzle 103 are penetrated to make the orifice plate 106. Is made.

続いて、上記のように作製したオリフィスプレート106と、別途用意した流路基板126とを接合して液滴吐出ヘッドを作製する(図8)。尚、本実施形態の流路基板126の構成については前述したとおりである。   Subsequently, the orifice plate 106 produced as described above and the separately prepared flow path substrate 126 are joined to produce a droplet discharge head (FIG. 8). The configuration of the flow path substrate 126 of the present embodiment is as described above.

本実施形態のオリフィスプレートによれば、準備する第1のSOI基板124の第2のSi層(活性層)100とSiO2層101とを足した深さの厚みが供給口125の深さとなるので、主にSi層(活性層)100の厚みで所望の供給口125の深さを設定することができる。そして、供給口125の長手方向に対する幅や長さは第1のSOI基板124の面内方向で自由に設計することができる。よって、液滴吐出時の流路抵抗となる供給口125は、所望の吐出性能に合わせ自由にかつ高精度に形成することが可能となる。 According to the orifice plate of the present embodiment, the depth of the supply port 125 is the depth obtained by adding the second Si layer (active layer) 100 and the SiO 2 layer 101 of the first SOI substrate 124 to be prepared. Therefore, the desired depth of the supply port 125 can be set mainly by the thickness of the Si layer (active layer) 100. The width and length of the supply port 125 with respect to the longitudinal direction can be freely designed in the in-plane direction of the first SOI substrate 124. Therefore, the supply port 125 serving as a flow path resistance during droplet discharge can be freely and accurately formed in accordance with desired discharge performance.

また、供給口125はオリフィスプレート106に形成されていることより、圧電素子駆動時の振動板114の振動の影響を受けづらく、流路抵抗として安定した機能を果たすことができる。   Further, since the supply port 125 is formed in the orifice plate 106, the supply port 125 is less susceptible to the vibration of the vibration plate 114 when the piezoelectric element is driven, and can perform a stable function as a channel resistance.

なお、本実施形態では第2のSi層(活性層)100の厚みが50μm、SiO2層(絶縁層)101の厚みが1μm、第1のSi層(ハンドル層)102の厚みが150μmである、6インチφの第1のSOI基板124を用いた。しかし、これに限られず、供給口125の所望の寸法に合わせてSOI基板124の各層厚を決定してもよい。また、供給口125、ノズル連通部104及びノズル103は上記寸法に限定したものではない。 In the present embodiment, the thickness of the second Si layer (active layer) 100 is 50 μm, the thickness of the SiO 2 layer (insulating layer) 101 is 1 μm, and the thickness of the first Si layer (handle layer) 102 is 150 μm. A first SOI substrate 124 having a diameter of 6 inches was used. However, the present invention is not limited to this, and each layer thickness of the SOI substrate 124 may be determined in accordance with a desired dimension of the supply port 125. Further, the supply port 125, the nozzle communication portion 104, and the nozzle 103 are not limited to the above dimensions.

本実施形態ではノズル103が形成される第1のSi層を、厚いほうのハンドル層102とし、供給口125やノズル連通部104が形成される第2のSi層を、薄いほうの活性層100とした。これは、液滴吐出時の流路抵抗の役割を担うように、供給口125の深さを浅くかつ精度よく形成するためである。しかし、図1に示した実施形態1のようにノズル103を薄いほうの活性層100に形成し、供給口125やノズル連通部104を厚いほうのハンドル層102に形成しても勿論かまわない。   In this embodiment, the first Si layer in which the nozzle 103 is formed is the thicker handle layer 102, and the second Si layer in which the supply port 125 and the nozzle communication portion 104 are formed is the thinner active layer 100. It was. This is because the depth of the supply port 125 is shallow and formed with high precision so as to play a role of flow path resistance during droplet discharge. However, the nozzle 103 may be formed in the thinner active layer 100 and the supply port 125 and the nozzle communication portion 104 may be formed in the thicker handle layer 102 as in the first embodiment shown in FIG.

(実施形態5)
実施形態5では、オリフィスプレートを形成する第1のSOI基板の、第1のSi層にノズルを形成し、第2のSi層にノズル連通部と供給口と共通液室を形成する例を示す。前述の実施例と同様の構成及び効果については記載を省略する。
(Embodiment 5)
Embodiment 5 shows an example in which a nozzle is formed in the first Si layer of the first SOI substrate that forms the orifice plate, and a nozzle communication portion, a supply port, and a common liquid chamber are formed in the second Si layer. . The description of the same configurations and effects as those of the above-described embodiment is omitted.

まず、本実施形態の第1のSOI基板において、各層の好ましい厚さを開示する。第1のSi層の厚みは50μm以上300μm以下、好ましくは40μm以上200μm以下が良い。   First, the preferable thickness of each layer in the first SOI substrate of this embodiment is disclosed. The thickness of the first Si layer is 50 μm or more and 300 μm or less, preferably 40 μm or more and 200 μm or less.

これは、ハンドリングが容易で、かつエッチングにより精度よくノズルを形成できる厚みだからである。さらに、高密度ヘッドに対応した小型なノズルを形成することが可能となる。   This is because the thickness is such that the handling is easy and the nozzle can be accurately formed by etching. Further, it is possible to form a small nozzle corresponding to the high density head.

次に、SiO2層の厚みは、ドライエッチングのエッチストップ層として用いるために0.3μm以上3.0μm以下がよい。これは、エッチングストップ層として機能し、かつウエットエッチングによって容易に除去し易い厚みだからである。 Next, the thickness of the SiO 2 layer is preferably 0.3 μm or more and 3.0 μm or less in order to be used as an etch stop layer for dry etching. This is because the thickness functions as an etching stop layer and can be easily removed by wet etching.

次に、第2のSi層は、5μm以上50μm以下が好ましい。   Next, the second Si layer is preferably 5 μm or more and 50 μm or less.

これは、液滴吐出時の流路抵抗の役割を担う供給口125の深さを浅く精度よく形成し、かつ、連通部との吐出バランスを考慮するとこの範囲が好ましいからである。   This is because this range is preferable when the depth of the supply port 125 that plays the role of flow path resistance during droplet discharge is shallow and accurate, and the discharge balance with the communication portion is taken into consideration.

図10は、本発明の実施形態5による液滴吐出ヘッド用オリフィスプレートを模式的に示す斜視図である。図11は図10に示したオリフィスプレートを用いた液滴吐出ヘッドを模式的に示した斜視図である。   FIG. 10 is a perspective view schematically showing an orifice plate for a droplet discharge head according to Embodiment 5 of the present invention. FIG. 11 is a perspective view schematically showing a droplet discharge head using the orifice plate shown in FIG.

本実施形態5はオリフィスプレート106に共通液室105を形成する点及び供給口125の形状が異なる他は実施形態4と同様である。   The fifth embodiment is the same as the fourth embodiment except that the common liquid chamber 105 is formed in the orifice plate 106 and the shape of the supply port 125 is different.

図10に示すように、本実施形態のオリフィスプレートは、吐出口を持つ複数のノズル(オリフィス)103と、夫々のノズル103に連通するノズル連通部104と、複数の供給口125と、一つの共通液室105とが形成されたSOI基板からなる。各供給口125は、前方供給口125aと後方供給口125bからなる形状の供給口である。共通液室105は複数の供給口125に繋がっている。尚、各々のノズル連通部104とこれに対応する前方供給口125aまでの距離は一定となっている。   As shown in FIG. 10, the orifice plate of this embodiment includes a plurality of nozzles (orifices) 103 having discharge ports, a nozzle communication portion 104 communicating with each nozzle 103, a plurality of supply ports 125, and one It consists of an SOI substrate on which a common liquid chamber 105 is formed. Each supply port 125 is a supply port having a shape including a front supply port 125a and a rear supply port 125b. The common liquid chamber 105 is connected to a plurality of supply ports 125. In addition, the distance to each nozzle communication part 104 and the front supply port 125a corresponding to this is constant.

図11に示すように、オリフィスプレート106上に流路基板126を接合して液滴吐出ヘッドを作製した際、前方供給口125a及びノズル連通部104は、流路基板126の個別液室118とそれぞれ重なり合って連通している。また、後方供給口125bは、オリフィスプレート106に形成された共通液室105と連通している。この構成により、インクタンクなどの外部容器から一つの共通液室105に液体が供給されるとともに、各供給口125(後方供給口125b及び125a)を介して各個別液室118に充填されるようになっている。   As shown in FIG. 11, when the flow path substrate 126 is joined on the orifice plate 106 to produce the droplet discharge head, the front supply port 125a and the nozzle communication portion 104 are connected to the individual liquid chamber 118 of the flow path substrate 126. Each overlaps and communicates. The rear supply port 125 b communicates with the common liquid chamber 105 formed in the orifice plate 106. With this configuration, liquid is supplied from an external container such as an ink tank to one common liquid chamber 105, and filled into each individual liquid chamber 118 via each supply port 125 (rear supply ports 125b and 125a). It has become.

また、各々の個別液室118の上部には、個別液室118の一面となる振動板114が在り、振動板114の上部には、下電極と圧電体薄膜と上電極をこの順番で積層してなるアクチュエータとしての圧電素子115が配置されている。この製法は図3及び図4を用いて前述したとおりである。   In addition, a diaphragm 114 serving as one surface of the individual liquid chamber 118 is provided above each individual liquid chamber 118, and a lower electrode, a piezoelectric thin film, and an upper electrode are stacked in this order on the upper portion of the diaphragm 114. A piezoelectric element 115 as an actuator is arranged. This manufacturing method is as described above with reference to FIGS.

以上のように構成された液滴吐出ヘッドでは、圧電素子115が給電され振動板114がたわみ変形する。これにより、振動板114に接する個別液室118内に貯留されているインク等の液体が加圧され、ノズル連通部104を介しノズル103の開口(吐出口)から液滴として吐出される。またその際、供給口125の後方供給口125bは液滴吐出時の流路抵抗の役割を果たす。   In the droplet discharge head configured as described above, the piezoelectric element 115 is supplied with power and the diaphragm 114 is bent and deformed. As a result, a liquid such as ink stored in the individual liquid chamber 118 in contact with the vibration plate 114 is pressurized and discharged as droplets from the opening (discharge port) of the nozzle 103 via the nozzle communication portion 104. Further, at that time, the rear supply port 125b of the supply port 125 plays a role of channel resistance at the time of droplet discharge.

次に、本実施形態の液滴吐出ヘッドの製造方法について、図11及び図12を参照して説明する。   Next, a method for manufacturing the droplet discharge head of this embodiment will be described with reference to FIGS.

図12(a)に示すように、第2のSi層(活性層)100の厚みが30μm、SiO2層(絶縁層)101の厚みが0.3μm、第1のSi層(ハンドル層)102の厚みが100μmである、6インチφの第1のSOI基板124を用意する。ハンドル層102はベース層とも呼ばれる。 As shown in FIG. 12A, the thickness of the second Si layer (active layer) 100 is 30 μm, the thickness of the SiO 2 layer (insulating layer) 101 is 0.3 μm, and the first Si layer (handle layer) 102. A first SOI substrate 124 of 6 inches φ having a thickness of 100 μm is prepared. The handle layer 102 is also called a base layer.

続いて、図12(b)に示すように、第2のSi層(活性層)100の表面にエッチングマスク127を施す。そして、SiO2層(絶縁層)101をエッチングストップ層として第2のSi層(活性層)100のエッチングを行い、供給口125、ノズル連通部104及び共通液室105を形成する。 Subsequently, as shown in FIG. 12B, an etching mask 127 is applied to the surface of the second Si layer (active layer) 100. Then, the second Si layer (active layer) 100 is etched using the SiO 2 layer (insulating layer) 101 as an etching stop layer to form the supply port 125, the nozzle communication portion 104, and the common liquid chamber 105.

本実施形態では、供給口125は、個別液室(不図示)と連通する前方供給口125aと液滴吐出時の流路抵抗を担う後方供給口125bとで形成される。   In the present embodiment, the supply port 125 is formed by a front supply port 125a that communicates with an individual liquid chamber (not shown) and a rear supply port 125b that bears flow path resistance during droplet discharge.

ここで、前方供給口125aの長手方向に対する幅は20μm以上150μm以下、長手方向長さは5μm以上100μm以下が好ましい。また、後方供給口125bの長手方向に対する幅は5μm以上50μm以下、長手方向長さは50μm以上400μm以下が好ましい。これは、個別液室と供給口125とのアライメントずれが多少生じても、所望の流路抵抗が得られ安定した液滴吐出が実現できるからである。   Here, the width of the front supply port 125a in the longitudinal direction is preferably 20 μm or more and 150 μm or less, and the length in the longitudinal direction is preferably 5 μm or more and 100 μm or less. The width of the rear supply port 125b in the longitudinal direction is preferably 5 μm or more and 50 μm or less, and the length in the longitudinal direction is preferably 50 μm or more and 400 μm or less. This is because even if there is a slight misalignment between the individual liquid chamber and the supply port 125, a desired flow path resistance can be obtained and stable droplet discharge can be realized.

本実施形態においては、前方供給口125aは長手方向に対する幅は50μm、長手方向長さ50μmとし、後方供給口125bは長手方向に対する幅は15μm、長手方向長さは100μmとした。また、ノズル連通部104は30μmφの円形状とし、共通液室105は幅20mm、長さ1mmとした。   In the present embodiment, the front supply port 125a has a width of 50 μm and a length of 50 μm in the longitudinal direction, and the rear supply port 125b has a width of 15 μm and a length of 100 μm in the longitudinal direction. In addition, the nozzle communication portion 104 has a circular shape of 30 μmφ, and the common liquid chamber 105 has a width of 20 mm and a length of 1 mm.

エッチングには、Siの深堀り技術として知られているICP(Inductively Coupled Plasma)エッチング装置を用いる。本実施形態では、CF4とSF6のガスを用いてエッチングを行っている。なお、エッチングマスク127はレジストのみで形成してもよいし、SiO2やSiONで形成してもよい。 For the etching, an ICP (Inductively Coupled Plasma) etching apparatus known as a Si deep-drilling technique is used. In this embodiment, etching is performed using CF 4 and SF 6 gases. Note that the etching mask 127 may be formed of only a resist, or may be formed of SiO 2 or SiON.

次に、第1のSOI基板124の第1のSi層(ハンドル層)102側から加工を行なう。図12(c)に示すように、第1のSi層(ハンドル層)102の表面にエッチングマスク128を施し、SiO2層(絶縁層)101をエッチングストップ層として第1のSi層(ハンドル層)102のエッチングを行い、ノズル103を形成する。本実施形態ではICP(Inductively Coupled Plasma)エッチング装置により、φ15μmのノズル103(吐出穴)を形成した。 Next, processing is performed from the first Si layer (handle layer) 102 side of the first SOI substrate 124. As shown in FIG. 12C, an etching mask 128 is applied to the surface of the first Si layer (handle layer) 102, and the first Si layer (handle layer) is formed using the SiO 2 layer (insulating layer) 101 as an etching stop layer. ) 102 is etched to form the nozzle 103. In this embodiment, a nozzle 103 (ejection hole) having a diameter of 15 μm is formed by an ICP (Inductively Coupled Plasma) etching apparatus.

供給口125、ノズル連通部104、ノズル103及び共通液室105はICPによるドライエッチングにより、高精度に形成することができる。なお、これらは、ICPによるドライエッチングの他に、アルカリ溶液を用いた異方性エッチングを用いてもよい。   The supply port 125, the nozzle communication portion 104, the nozzle 103, and the common liquid chamber 105 can be formed with high accuracy by dry etching using ICP. In addition to these, dry etching by ICP may be used for these, and anisotropic etching using an alkaline solution may be used.

最後に、図12(d)に示すように、露出したSiO2層(絶縁層)の一部をバッファードフッ酸溶液によりエッチングし、ノズル連通部104とノズル103とを貫通させてオリフィスプレート106を作製する。 Finally, as shown in FIG. 12 (d), a part of the exposed SiO 2 layer (insulating layer) is etched with a buffered hydrofluoric acid solution, and the nozzle communicating portion 104 and the nozzle 103 are penetrated to make the orifice plate 106 Is made.

続いて、上記のように作製したオリフィスプレート106と、別途用意した流路基板126とを接合して液滴吐出ヘッドを作製する(図11)。尚、本実施形態の流路基板126の構成については前述したとおりである。本実施形態では個別液室118の幅は100μm、長さは3.0mmとした。前方供給口125aの幅は後方供給口125bの幅以上でかつ個別液室118の幅以下である。そのため、個別液室118と重なり合う前方供給口125aとの接合のりしろが設けられ、オリフィスプレート106と流路基板126に接合ずれが生じても、所望の流路抵抗が確保することができる。   Subsequently, the orifice plate 106 produced as described above and the separately prepared flow path substrate 126 are joined to produce a droplet discharge head (FIG. 11). The configuration of the flow path substrate 126 of the present embodiment is as described above. In the present embodiment, the individual liquid chamber 118 has a width of 100 μm and a length of 3.0 mm. The width of the front supply port 125a is not less than the width of the rear supply port 125b and not more than the width of the individual liquid chamber 118. For this reason, a margin for joining the individual liquid chamber 118 and the front supply port 125a overlapping with each other is provided, and a desired flow path resistance can be ensured even if a joint displacement occurs between the orifice plate 106 and the flow path substrate 126.

本実施形態のオリフィスプレートにおいても、準備する第1のSOI基板124の第2のSi層(活性層)100とSiO2層101とを足した深さがの厚みが供給口125の深さとなるので、主に第2のSi層(活性層)100の厚みで所望の供給口125の深さを設定することができる。そして、供給口125の長手方向に対する幅や長さはSOI基板124の面内方向で自由に設計することができる。よって、液滴吐出時の流路抵抗となる供給口125は、所望の吐出性能に合わせ自由にかつ高精度に形成することが可能となる。また、共通液室105を供給口125と同一のSi層に形成したため、供給口125の寸法を精度よく確保しつつも共通液室105を自由に設計することができる。 Also in the orifice plate of the present embodiment, the depth obtained by adding the second Si layer (active layer) 100 and the SiO 2 layer 101 of the first SOI substrate 124 to be prepared is the depth of the supply port 125. Therefore, the desired depth of the supply port 125 can be set mainly by the thickness of the second Si layer (active layer) 100. The width and length of the supply port 125 with respect to the longitudinal direction can be freely designed in the in-plane direction of the SOI substrate 124. Therefore, the supply port 125 serving as a flow path resistance during droplet discharge can be freely and accurately formed in accordance with desired discharge performance. Further, since the common liquid chamber 105 is formed in the same Si layer as the supply port 125, the common liquid chamber 105 can be freely designed while ensuring the dimensions of the supply port 125 with high accuracy.

また、供給口125はオリフィスプレート106に形成されていることより、圧電素子駆動時の振動板114の振動の影響を受けづらく、流路抵抗として安定した機能を果たすことができる。   Further, since the supply port 125 is formed in the orifice plate 106, the supply port 125 is less susceptible to the vibration of the vibration plate 114 when the piezoelectric element is driven, and can perform a stable function as a channel resistance.

なお、本実施形態では第2のSi層(活性層)100の厚みが30μm、SiO2層(絶縁層)101の厚みが0.3μm、第1のSi層(ハンドル層)102の厚みが100μmである第1のSOI基板124を用いた。しかし、これに限られず、供給口125の所望の寸法に合わせて第1のSOI基板124の各層厚を決定してもよい。 In the present embodiment, the thickness of the second Si layer (active layer) 100 is 30 μm, the thickness of the SiO 2 layer (insulating layer) 101 is 0.3 μm, and the thickness of the first Si layer (handle layer) 102 is 100 μm. The first SOI substrate 124 is used. However, the present invention is not limited to this, and the thickness of each layer of the first SOI substrate 124 may be determined in accordance with a desired dimension of the supply port 125.

また、供給口125、ノズル連通部104、ノズル103及び共通液室105は上記寸法に限定したものではない。また、本実施形態ではノズル103をSi層(ハンドル層)102に形成し、共通液室105、供給口125、ノズル連通部104をSi層(活性層)100に形成した。しかし、図1に示した実施形態1のようにノズル103をSi層(活性層)100に形成し、共通液室105、供給口125、ノズル連通部104をSi層(ハンドル層)102に形成しても勿論かまわない。   Further, the supply port 125, the nozzle communication portion 104, the nozzle 103, and the common liquid chamber 105 are not limited to the above dimensions. In this embodiment, the nozzle 103 is formed in the Si layer (handle layer) 102, and the common liquid chamber 105, the supply port 125, and the nozzle communication portion 104 are formed in the Si layer (active layer) 100. However, as in the first embodiment shown in FIG. 1, the nozzle 103 is formed in the Si layer (active layer) 100, and the common liquid chamber 105, the supply port 125, and the nozzle communication portion 104 are formed in the Si layer (handle layer) 102. Of course it doesn't matter.

このような実施形態5の構成および製法においても実施形態4と同様の効果を得ることができる。   In the configuration and manufacturing method of the fifth embodiment, the same effect as that of the fourth embodiment can be obtained.

本発明の実施形態1による液滴吐出ヘッド用オリフィスプレートを説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the orifice plate for droplet discharge heads by Embodiment 1 of this invention. 図1に示したオリフィスプレートの、流路基板と接合される側の面を見た平面図である。It is the top view which looked at the surface by which the orifice plate shown in FIG. 1 was joined with the flow-path board | substrate. 図1に示したオリフィスプレートが接合される第2のSOI基板を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the 2nd SOI substrate to which the orifice plate shown in FIG. 1 is joined. 図3のSOI基板を用いた流路基板の作製工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the flow-path board | substrate using the SOI substrate of FIG. 図1に示したオリフィスプレートを用いた液滴吐出ヘッドを説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the droplet discharge head using the orifice plate shown in FIG. 本発明の実施形態3によるオリフィスプレートの、流路基板と接合される側の面を示す平面図である。It is a top view which shows the surface by the side of the orifice plate by Embodiment 3 of this invention joined with a flow-path board | substrate. 本発明の実施形態4による液滴吐出ヘッド用オリフィスプレートを模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the orifice plate for droplet discharge heads by Embodiment 4 of this invention. 図7に示したオリフィスプレートを用いた液滴吐出ヘッドを模式的に示した斜視図である。It is the perspective view which showed typically the droplet discharge head using the orifice plate shown in FIG. 図7に示したオリフィスプレートの作製工程を示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the orifice plate shown in FIG. 7. 本発明の実施形態5による液滴吐出ヘッド用オリフィスプレートを模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the orifice plate for droplet discharge heads by Embodiment 5 of this invention. 図10に示したオリフィスプレートを用いた液滴吐出ヘッドを模式的に示した斜視図である。It is the perspective view which showed typically the droplet discharge head using the orifice plate shown in FIG. 図10に示したオリフィスプレートの作製工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the preparation process of the orifice plate shown in FIG. 実施形態1のオリフィスプレートの製造方法を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the orifice plate according to the first embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

100 第1のSOI基板の第1のSi層
101 第1のSOI基板のSiO2
102 第1のSOI基板の第2のSi層
103 ノズル
104、104−1、104−2、104−3 ノズル連通部
105 共通液室
106 オリフィスプレート
110 第2のSOI基板
118 個別液室
124 第1のSOI基板
125 供給口
125a 前方供給口
125b 後方供給口
126 第2のSOI基板である流路基板
100 First Si layer 101 of first SOI substrate 101 SiO 2 layer 102 of first SOI substrate Second Si layer 103 of first SOI substrate Nozzle 104, 104-1, 104-2, 104-3 Nozzle Communication unit 105 Common liquid chamber 106 Orifice plate 110 Second SOI substrate 118 Individual liquid chamber 124 First SOI substrate 125 Supply port 125a Front supply port 125b Rear supply port 126 Flow path substrate which is the second SOI substrate

Claims (6)

液滴を吐出させるための複数のノズルと、
該ノズルの各々と連通する複数の連通部と、を有し、
複数の個別液室と連通する共通液室と、前記個別液室と前記共通液室とを繋ぐ複数の供給口と、の少なくとも一方を更に有する液体吐出ヘッドに用いられるオリフィスプレートであって、
該オリフィスプレートは、第1及び第2のSi層間にSiO2層を有するSOI基板からなり、
前記ノズルは、前記SOI基板における第1のSi層に層厚方向に形成され、前記共通液室と前記供給口の少なくとも一方と、前記連通部とは、前記第2のSi層に層厚方向に形成されていることを特徴とするオリフィスプレート。
A plurality of nozzles for discharging droplets;
A plurality of communicating portions communicating with each of the nozzles,
An orifice plate used in a liquid discharge head further comprising at least one of a common liquid chamber communicating with a plurality of individual liquid chambers, and a plurality of supply ports connecting the individual liquid chamber and the common liquid chamber,
The orifice plate comprises an SOI substrate having a SiO 2 layer between the first and second Si layers,
The nozzle is formed in a layer thickness direction on the first Si layer in the SOI substrate, and the common liquid chamber, at least one of the supply port, and the communication portion are formed in the layer thickness direction on the second Si layer. An orifice plate, characterized in that it is formed.
前記共通液室の深さと前記連通部の深さは同一であることを特徴とする請求項1に記載のオリフィスプレート。   2. The orifice plate according to claim 1, wherein the common liquid chamber has the same depth as the communication portion. 前記連通部の深さと前記供給口の深さは同一であることを特徴とする請求項1または2に記載のオリフィスプレート。   The orifice plate according to claim 1 or 2, wherein a depth of the communication portion and a depth of the supply port are the same. 請求項1乃至3のいずれかに記載のオリフィスプレートと、
個別液室と振動板が設けられた流路基板と、
前記個別液室内の液体を加圧してノズルの開口から液滴を吐出させるアクチュエータと、を有することを特徴とする液滴吐出ヘッド。
An orifice plate according to any one of claims 1 to 3;
A flow path substrate provided with an individual liquid chamber and a diaphragm;
An actuator for pressurizing the liquid in the individual liquid chamber and ejecting the liquid droplet from the opening of the nozzle.
前記流路基板が第1及び第2のSi層間にSiO2層を有する第2のSOI基板からなり、
前記振動板は前記第2のSOI基板の第1のSi層に形成され、前記個別液室は前記第2のSOI基板の前記第2のSi層に層厚方向に形成されることを特徴とする請求項4に記載の液滴吐出ヘッド。
The flow path substrate comprises a second SOI substrate having a SiO 2 layer between the first and second Si layers;
The diaphragm is formed in a first Si layer of the second SOI substrate, and the individual liquid chamber is formed in a layer thickness direction in the second Si layer of the second SOI substrate. The droplet discharge head according to claim 4.
請求項1乃至3のいずれかに記載のオリフィスプレートの製造方法であって、
前記オリフィスプレートを形成する前記SOI基板の、前記第1のSi層の前記ノズルに対応する部分と、前記第2のSi層の前記連通部と、前記第2のSi層の前記共通液室と前記供給口との少なくとも一方に対応する部分と、をボッシュプロセスにより前記SiO2層までエッチングする工程と、
前記連通部と前記ノズルが連通するように前記SiO2層の一部を除去する工程と、
を有することを特徴とするオリフィスプレートの製造方法。
A method for producing an orifice plate according to any one of claims 1 to 3,
A portion of the SOI substrate forming the orifice plate corresponding to the nozzle of the first Si layer, the communicating portion of the second Si layer, and the common liquid chamber of the second Si layer; Etching the portion corresponding to at least one of the supply ports to the SiO 2 layer by a Bosch process;
Removing a part of the SiO 2 layer so that the communication part and the nozzle communicate with each other;
A method for producing an orifice plate, comprising:
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