JP2008120003A - Inkjet recording head and manufacturing method for substrate for the head - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体に外部からエネルギーを加えることによって、所望の液体を吐出するインクジェット記録ヘッド、および該ヘッド用基板の製造方法に関する。 The present invention relates to an inkjet recording head that discharges a desired liquid by applying energy to the liquid from the outside, and a method for manufacturing the head substrate.
熱等のエネルギーをインクに与えることで、気泡の発生を促し、この体積変化を利用して吐出口からインクを吐出し、これを記録媒体上に付着させて画像形成を行うインクジェット記録方法が知られている。インクジェット方式の中で、基板に対し垂直にインクを吐出するサイドシューター型(特開平4−10940号公報)が提案されている。このサイドシューター型では、基板の裏面から表面の吐出圧発生素子部にインクを供給するために、図5にあるように基板901に貫通する穴902を開けている。
There is known an ink jet recording method in which the generation of bubbles is promoted by applying energy such as heat to the ink, the ink is ejected from the ejection port using this volume change, and this is deposited on the recording medium to form an image. It has been. Among ink jet systems, a side shooter type (Japanese Patent Laid-Open No. 4-10940) that ejects ink perpendicular to a substrate has been proposed. In this side shooter type, a
従来のサイドシューター型のインクジェット記録ヘッドでは、ヘッド幅が短かったので貫通口は開口部がつながった1つの穴になっていた。しかしながら、ヘッド幅を広くして、大面積に一度に印字できる長尺のヘッド作製しようとすると、インク供給口も長くなり、機械的強度が弱くなりヘッドの変形や破壊などの可能性が増加する。そこで、供給口の長手方向にハリを設ける供給口を分割する必要がある。特開平10ー138478号公報で、ハリによって複数に分割されたインクジェット記録ヘッド用の基板について開示されている。
一方、供給口の中に幅の広いハリを作ると、インクを加熱する吐出圧発生素子部と供給口との間の障害物になり、吐出口へのインクの充填速度に影響を与え、ハリ付近の吐出圧発生素子部は他の部分と均一な吐出性能が得られないという問題があった。いっぽう、ハリ幅を狭くすると十分な強度が得られないという問題もあった。 On the other hand, if a wide tension is created in the supply port, it becomes an obstacle between the discharge pressure generating element that heats the ink and the supply port, affecting the filling speed of the ink in the discharge port, There is a problem in that the discharge pressure generating element portion in the vicinity cannot obtain discharge performance uniform with other portions. On the other hand, there was also a problem that sufficient strength could not be obtained if the tension width was narrowed.
上記のような問題点は、シリコン単結晶基板にインク吐出圧力発生素子が設けられ、インク吐出圧力発生素子に対向するプレート側に吐出口が配されて、該吐出口基板に垂直にインクを吐出するインクジェット記録ヘッドで、基板にインク供給口が長手方向に複数連続して配置されたヘッドであって、連続するインク供給口の間のハリの上部を(111)方位を主面とする結晶面で囲まれた面で形成したことを特徴とするインクジェット記録ヘッドによって解決された。 The above-mentioned problems are that an ink discharge pressure generating element is provided on a silicon single crystal substrate, and a discharge port is disposed on the plate side facing the ink discharge pressure generating element, and ink is discharged vertically to the discharge port substrate. In the inkjet recording head, a plurality of ink supply ports are continuously arranged in the longitudinal direction on the substrate, and the upper surface of the gap between the continuous ink supply ports is a crystal plane with the (111) orientation as the main surface It was solved by an ink jet recording head characterized by being formed by a surface surrounded by.
本発明は、シリコン基板にインク供給口としてスルーホールを形成するインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法であって、該シリコン基板表面のインク供給口の形成部に選択的にエッチングが可能で前記シリコン基板裏面のインク供給口と相対する前記シリコン基板表面に、異方性エッチングの際に出現する(111)面が接するように、隣接する犠牲層を接近して設ける工程と、前記シリコン基板上に前記犠牲層を被覆するように耐エッチング性を有するパッシベーション層を形成する工程と、前記犠牲層に対応する基板裏面部に一部にハリを残すように分離されたエッチングマスク開口部を設ける工程と、該開口部より前記犠牲層が露出するまで基板を結晶軸異方性エッチングでエッチングする工程と、前記エッチング工程により露出した部分より前記犠牲層をエッチング除去し前記ハリ上部を基板面より低くなるまでエッチングし、かつハリ上部を(111)面で止める工程と、前記パッシベーション層を除去しインク供給口を形成する工程とを有することを特徴としたインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法によって実現する。 The present invention relates to a method for manufacturing a substrate for an ink jet recording head in which a through hole is formed as an ink supply port in a silicon substrate, and the silicon substrate can be selectively etched in a formation portion of an ink supply port on the surface of the silicon substrate. Providing an adjacent sacrificial layer close to the surface of the silicon substrate facing the ink supply port on the back so that the (111) surface appearing during anisotropic etching is in contact with the silicon substrate surface; A step of forming a passivation layer having etching resistance so as to cover the sacrificial layer, a step of providing an etching mask opening separated so as to leave a part of the back surface of the substrate corresponding to the sacrificial layer, and Etching the substrate by crystal axis anisotropic etching until the sacrificial layer is exposed from the opening, and exposing the substrate by the etching process. Etching the sacrificial layer from the etched portion, etching the upper portion of the relief until it becomes lower than the substrate surface, and stopping the upper portion of the relief at the (111) plane; and removing the passivation layer to form an ink supply port; It implement | achieves by the manufacturing method of the board | substrate for inkjet recording heads characterized by having.
インクジェット記録ヘッドの幅を広くした場合においても、機械強度が十分に確保され、インク流路の抵抗を増大させることなく高品位な印字が可能なインクジェット記録ヘッドを提供することができる。 Even when the width of the ink jet recording head is widened, it is possible to provide an ink jet recording head that has sufficient mechanical strength and can perform high-quality printing without increasing the resistance of the ink flow path.
以下に、まず本発明に係わる実験について述べ、次に実施態様例を示しさらには、実施例及び比較例を示すことにより、本発明を詳しく説明する。 Hereinafter, the experiment relating to the present invention will be described first, and then the present invention will be described in detail by showing embodiments and further showing examples and comparative examples.
[実験1]
以下に、本発明に係わる実験について述べる。連続する供給口間のハリ部と開口部での、インク吐出の周波数特性について調べた。
[Experiment 1]
Below, the experiment concerning this invention is described. The frequency characteristics of ink ejection at the ridges and openings between successive supply ports were examined.
図2は本発明にいたる実験に用いたインクジェット記録ヘッドの基板の吐出口付近の平面の概略を示したものである。吐出口のピッチは43μmとした。このインクジェット記録ヘッドでは、基板の強度を増すために図6のような断面を持ったハリ406を、インク供給口内部に設けている。この場合、ハリ上部は基板表面と同じ高さに形成されている。
FIG. 2 shows an outline of the plane in the vicinity of the discharge port of the substrate of the ink jet recording head used in the experiment of the present invention. The pitch of the discharge ports was 43 μm. In this ink jet recording head, a
インク供給口端部203から吐出口下部に位置する吐出圧発生素子(ヒーター)201までの距離CHは50μmとした。また吐出口からノズルフィルター205までの距離は40μm、間隔は25μmとした。この時、ハリ204の部分の基板面部の幅を25μmとして、5.5plのインク滴を吐出した時に、インク吐出が応答できる限界周波数を調べた。
The distance CH from the ink
図7は、各位置の吐出口の限界応答周波数の関係を示したものである。ハリがヒーターの真正面にある吐出口(bit No35)では、限界吐出周波数が10.5KHzであった。また、ハリから供給口に平行な方向に100μm以上離れた吐出口の限界応答周波数は15〜17kHzであった。 FIG. 7 shows the relationship between the limit response frequencies of the discharge ports at the respective positions. The critical discharge frequency was 10.5 KHz at the discharge port (bit No. 35) where the elasticity is directly in front of the heater. In addition, the limit response frequency of the discharge port that was 100 μm or more away from the sprout in the direction parallel to the supply port was 15 to 17 kHz.
[実験2]
図1は本発明による、インク供給口間の基板表面のハリ部をエッチングにより除去したインクジェット記録ヘッドの平面図である。図4は、ハリ断面を示したものであるハリの頂点308は、100ポイント測定したところ基板面から平均50μm下の位置にあった。それ以外のヘッド部の寸法は、実験1と同じ寸法に設計した。
[Experiment 2]
FIG. 1 is a plan view of an ink jet recording head according to the present invention, in which a cut portion of a substrate surface between ink supply ports is removed by etching. FIG. 4 shows the cross section of the cross section, and the
図8は、このインクジェット記録ヘッドを用いて印字した時の、各位置の吐出口の限界応答周波数の関係を示したものである。ハリの真横の吐出口(bit No35)でも、限界吐出周波数が16KHzで、ハリから離れて配置されている吐出口と変わらない性能を有していた。 FIG. 8 shows the relationship between the limit response frequencies of the ejection ports at each position when printing is performed using this ink jet recording head. Even the discharge port (bit No. 35) directly beside the sprung had a performance equal to that of the discharge port disposed away from the spruce at a limit discharge frequency of 16 KHz.
[実験3]
図3は、インク供給口のハリ近傍のエッチング前の断面構造を示すものである。図9は、その上面で、図10は下面図である。基板301は、表面が(110)のSi単結晶である。表面のインク供給口パターン304は、Si上にAlCuで(111)方位に平行な平行四辺形で形成し、裏面から異方性エッチングした時の犠牲層となる。裏面のインク供給口パターン302は、Si上の酸化膜をエッチングしてSiを露出させ、同様に(111)方位に平行な平行四辺形とした。
[Experiment 3]
FIG. 3 shows a cross-sectional structure before etching in the vicinity of the elasticity of the ink supply port. 9 is a top view thereof, and FIG. 10 is a bottom view thereof. The
この時、裏面の供給口間の間隔303は120μmに固定し、上面の犠牲層間の幅305を変化させて、異方性エッチング後のハリ断面の形状を観察した。Siウエハの厚さは635μmとした。
At this time, the
83℃、濃度22%のTMAH水溶液中で、7〜8時間エッチングを行ったところ、犠牲層間隔が2μm以上20μm未満の時、図4のような形状を持ったハリ構造が形成できた。これは、ハリの最上部が基板表面より落ち込んでいて、インクジェット記録ヘッド作製時に、インクのリフィルを妨げることがない。 When etching was performed in a TMAH aqueous solution at 83 ° C. and a concentration of 22% for 7 to 8 hours, when the sacrificial layer interval was 2 μm or more and less than 20 μm, a relief structure having a shape as shown in FIG. 4 could be formed. This is because the uppermost part of the tension falls from the substrate surface and does not prevent ink refilling when the ink jet recording head is manufactured.
いっぽう犠牲層間隔が20μm以上の時、ハリ断面は図6のような形状になり、基板表面と同じ高さにハリの一部が残った。これは、インク流れに対して抵抗になってしまう。この時、更にエッチング時間を伸ばしてハリ最上部で(111)面がぶつかり合うまでエッチングを続けると、犠牲層によるインク供給口の成形効果が失われ供給口側面が大きくうねる現象が現れて、供給口とヒーター間の距離を一定に保てなくなってしまう。 On the other hand, when the distance between the sacrificial layers is 20 μm or more, the cross section has a shape as shown in FIG. 6, and a part of the hull remains at the same height as the substrate surface. This becomes resistance to ink flow. At this time, if the etching time is further extended and etching is continued until the (111) surface collides with the top of the tension, the effect of forming the ink supply port by the sacrificial layer is lost, and the phenomenon that the supply port side surface undulates appears. The distance between the mouth and the heater cannot be kept constant.
また、犠牲層間隔が2μm以下の時、ハリ上部断面は図20の703のような形状になった。これはハリの上部が無秩序にエッチングされ、ハリ形状や高さが均一にならなかったと考えられる。さらに、この構造はハリ上部が(111)面に近い方位の面で覆われていないので、アルカリ性のインクで急速にエッチングされ形状が変化してしまい、強度が維持できない可能性が高い。また、インク中に溶け出したシリコンは、ヒーター部に固着して不吐出ノズル発生の原因になる。 Further, when the sacrificial layer interval was 2 μm or less, the top section of the relief became a shape as indicated by 703 in FIG. It is thought that this is because the upper part of the elasticity was etched randomly, and the shape and height of the elasticity did not become uniform. Furthermore, in this structure, since the upper part of the rib is not covered with a plane having an orientation close to the (111) plane, the shape is changed rapidly by alkaline ink, and there is a high possibility that the strength cannot be maintained. Also, the silicon dissolved in the ink adheres to the heater part and causes non-ejection nozzles.
ここで、前述した図4のように上部が(111)方位を主面とする結晶面で囲まれたハリの断面を20個検査したところ、面方位には最大で15度の誤差が見つかった。これは、異方性エッチングする際のエッチング面の揺らぎに起因する。しかし、60℃4週間のインク浸漬テストの結果、面方位に15度程度のずれがある場合でも、ハリの浸食は実用上問題のないレベルであった。 Here, as shown in FIG. 4, when 20 cross sections of the upper part surrounded by a crystal plane with the (111) orientation as the main surface were inspected, an error of 15 degrees at the maximum was found in the plane orientation. . This is due to fluctuations in the etched surface during anisotropic etching. However, as a result of the ink immersion test at 60 ° C. for 4 weeks, even when the plane orientation has a deviation of about 15 degrees, the erosion of the elasticity is at a level that causes no problem in practice.
[実施態様例]
図1は本発明による実施態様例を示すインクジェット記録ヘッドのベース基板の模式図である。(図4はAB断面図、図11は俯瞰図(ノズル図示せず))基板としては(110)方位のSiウエハが用いられる。基板の中心部にインクを裏面から供給するための貫通穴103があけられている。インクジェット記録ヘッドノズルの幅が広くなると、この供給口が基板中心を縦断しているために、基板の強度が低下して、変形や破損が起きる可能性が増える。そこで、図11のように供給口を複数に分割して、内部にハリ104を設けて強度増加をはかる。このときハリ上部(インク吐出圧発生素子形成面側)がインク流路の抵抗となり、高い周波数でインクジェットを駆動したときのインク供給の乱れが発生する。これを回避するために、図4のようにインク供給口の間のハリの上部を(111)面で囲まれた面でエッチングして、ハリの頂点をインク吐出圧力発生素子が形成された基板面よりも低い位置に形成する。この時、基板の表面部のみハリをエッチング除去するので、強度の低下は問題にならない程度ですむ。
[Example Embodiment]
FIG. 1 is a schematic view of a base substrate of an ink jet recording head showing an embodiment according to the present invention. (FIG. 4 is an AB cross-sectional view, and FIG. 11 is an overhead view (nozzle not shown)). A (110) -oriented Si wafer is used as the substrate. A through
Siウエハを基板として用いた場合、供給口の幅は一般には50〜300μm、望ましくは80〜200μm、最適には100〜200μmである。分割された供給口の長さは一般には0.5〜40mm、望ましくは1〜10mm、最適には1.5〜5mmである。裏面側のハリの幅は、一般には30〜300μm、望ましくは60〜200μm、最適には80〜150μmである。 When a Si wafer is used as a substrate, the width of the supply port is generally 50 to 300 μm, desirably 80 to 200 μm, and optimally 100 to 200 μm. The length of the divided supply port is generally 0.5 to 40 mm, preferably 1 to 10 mm, and most preferably 1.5 to 5 mm. The width of the back side tension is generally 30 to 300 μm, preferably 60 to 200 μm, and most preferably 80 to 150 μm.
図12は、図1の基板のCD断面部の構造を示したものである。下部のインク供給口506方向から供給されたインクがヒーター503で加熱され発泡しノズル505から吐出する。この時、平面的にハリの真横に位置するヒーター部でも、ハリ502上に供給速度に障害を与えないだけのインク流路が確保されているので、他のヒーター部と同等のインク吐出性能が得られる。
FIG. 12 shows the structure of the CD cross section of the substrate of FIG. The ink supplied from the direction of the lower
次に、本発明によるインクジェット記録ノズルのプロセスを図13から図19を使って順を追って説明する。なお、図13から図19の各工程は一連の工程であるため、便宜上、通し番号を付した。ただし、図19(19)は、図13(2)の工程における犠牲層パターンの平面図を示しており、図19(20)は、図16(13)の工程のシリコン基板601を裏面から見た平面図を示している。
Next, the process of the ink jet recording nozzle according to the present invention will be described step by step with reference to FIGS. Note that the steps in FIGS. 13 to 19 are a series of steps, and are therefore given serial numbers for convenience. However, FIG. 19 (19) shows a plan view of the sacrificial layer pattern in the step of FIG. 13 (2), and FIG. 19 (20) shows the
図13(1)基板面方位(110)のシリコン基板601に、例えば熱酸化やCVD法などで絶縁膜602を形成し、フォトリソ技術によって図13(1)のようにインク供給口を設けるための所望のパターン603を形成する。
13 (1) An insulating
図13(2)AlやCu等の抵抗が低く、TMAH(テトラ・メチル・アンモニウム・ハイドライド)等の異方性エッチング用エッチャントに対するエッチング速度が大きな金属を堆積しパターニングして、下層配線604と犠牲層605を形成する。エッチング犠牲層は、裏面からエッチングが進行してエッチャントが犠牲層に到達するとSiウエハよりエッチングレートが格段に速いので短時間にエッチングされ、犠牲層パターンに対応した開口部を開けることができるものである。この時のパターンは基板に対して垂直にエッチング穴があくように、図19(19)のように狭角が70.5度をなす平行四辺形とし、平行四辺形の長辺および短辺は(111)と等価の面に平行になるように配置する。
13 (2) A metal having a low resistance such as Al or Cu and a high etching rate for an etchant for anisotropic etching such as TMAH (tetramethylammonium hydride) is deposited and patterned to sacrifice the
この時、犠牲層の間隔は一般には2〜20μm、好ましくは、3〜15μm、最適には4〜13μmである。さらに犠牲層の膜厚は一般には3000Å以下、好ましくは2500Å、最適には2000Å以下である。 At this time, the distance between the sacrificial layers is generally 2 to 20 μm, preferably 3 to 15 μm, and optimally 4 to 13 μm. Further, the thickness of the sacrificial layer is generally 3000 mm or less, preferably 2500 mm, and optimally 2000 mm or less.
図13(3)基板表面上にエッチングストップ層606として、プラズマCVD法によって、SiNまたはSiON膜を堆積する。エッチングストップ層は、膜応力を調整するために2種以上の膜を積層しても良い。
In FIG. 13 (3), an SiN or SiON film is deposited as an
積層されたエッチングストップ膜のトータルの膜厚は、一般には2000Å〜2μm、好ましくは3000〜15000Å、最適には4000〜13000Åである。また積層されたエッチングストップ膜のトータルの応力は、一般には2×10exp−9dyne/cm2以下、より好ましくは1.8×10exp−9dyne/cm2以下、最適には1.5×10exp−9dyne/cm2以下である。 The total thickness of the laminated etching stop film is generally 2000-2 μm, preferably 3000-15000 mm, and most preferably 4000-13000 mm. The total stress of the laminated etching stop film is generally 2 × 10 exp-9 dyne / cm 2 or less, more preferably 1.8 × 10 exp-9 dyne / cm 2 or less, and most preferably 1.5 × 10 exp-9 dyne / cm 2. / cm 2 or less.
図13(4)プラズマCVD等を使って、SiNやSiON、SiO2等の膜を堆積して層間絶縁膜607とする。さらに、層間絶縁膜にコンタクトホール608を形成する。
13 (4) A film such as SiN, SiON, or SiO 2 is deposited by plasma CVD or the like to form an
図13(5)インク供給口に合わせて、インク吐出圧力発生素子としてヒーター部609形成する。ヒーター材料としては、Ta、TaN、TaNSi等などの金属膜をスパッターや真空蒸着等によって堆積しパターニングする。さらに電力供給用の上層電極610としてAl、Mo、Ni,Cu等の金属膜を同様にして形成する。
In FIG. 13 (5), a
図14(6)ヒーターには耐久性の向上を目的としてプラズマCVDでSiN膜611を堆積し保護膜とする。
In FIG. 14 (6), a
図14(7)この上に、耐キャビテーション膜612としてスパッター法等でTaを堆積しパターニングする。この膜の膜厚は、好ましくは1000〜5000Å、さらに好ましくは2000〜4000Å、最適には2500〜3500Åである。
14 (7) On this, Ta is deposited and patterned as a cavitation
また、配線とヒーターの形成の順番等に特に制限がないのは言うまでもない。 Needless to say, there is no particular limitation on the order of forming the wiring and the heater.
図14(8)樹脂製のノズルの密着性を上げるためと、裏面をアルカリ性エッチャントから保護するために、耐食性の高い樹脂膜613を形成する。そして、ヒーター部とインク供給口部をパターニングする。
FIG. 14 (8) A
図15(9)インク流路確保のために、強アルカリや有機溶剤等で溶解可能な樹脂でパターン614を形成する。このパターンは、印刷法や感光性樹脂によるパターニング等で形成する。
FIG. 15 (9) In order to secure the ink flow path, the
図15(10)インク流路のパターンの上に、被覆樹脂層615を形成する。この被覆樹脂層は微細パターンを形成するので感光性レジストが望ましく、さらに流路を形成した樹脂層を除去する際のアルカリや溶剤等によって変形変質しない性質が必要である。
FIG. 15 (10) A
図15(11)次に流路の被覆樹脂層をパターニングして、ヒーター部609に対応したインク吐出口616と電極の外部接続部を形成する。この後、被覆樹脂層を光や熱等によって硬化する。
FIG. 15 (11) Next, the coating resin layer of the flow path is patterned to form the
図16(12)この基板のノズル形成面側を保護するためレジストで保護膜617を形成する。
FIG. 16 (12) A
図16(13)裏面のSiNまたはSiO2などをフォトリソ技術を使って、裏面のインク供給口のパターン部分618を除去しウエハ面を露出させる。このパターンの形状は、図19(20)のように犠牲層とは鏡像関係になるように形成する。裏面のエッチングマスク膜の製法は、プラズマCVDに限定されるものではなく、LPCVD法や常圧CVD、熱酸化法などでも良い。
In FIG. 16 (13), the
図16(14)次に裏面の平行四辺形の狭角の近傍部分(裏面の平面図19(20))に、エッチング先導孔619をあける。一般的には、レーザー加工などが用いられるが、放電加工、ブラスト等でも良い。
Next, an
この先導孔は、エッチングストップ層に限りなく近くまであける。先導孔の深さは、一般には基板厚さの60%以上、好ましくは70%以上、最適には80%以上である。また、基板を貫通してはならない。この先導孔によって、異方性エッチングの際に平行四辺形の狭角から発生する斜めの(111)面が抑制される。 This lead hole can be as close as possible to the etching stop layer. The depth of the leading hole is generally 60% or more of the substrate thickness, preferably 70% or more, and optimally 80% or more. Also, it must not penetrate the substrate. This leading hole suppresses the oblique (111) plane generated from the narrow angle of the parallelogram during anisotropic etching.
図17(15)この基板をアルカリ系エッチャント(KOH、TMAH、ヒドラジン等)に浸け、(111)面が出るように異方性エッチングすると、平面形状が平行四辺形の貫通穴が形成される。 FIG. 17 (15) When this substrate is immersed in an alkali-based etchant (KOH, TMAH, hydrazine, etc.) and anisotropic etching is performed so that the (111) plane appears, a through hole having a parallelogram shape in the plane is formed.
図17(16)エッチングストップ層606のSiN等の膜をフッ酸等の薬液または、ドライエッチ等で部分的に除去してインク供給口を開口する。最後にインク流路形成材614を除去し、インクの流路620を確保する。
In FIG. 17 (16), the SiN film of the
図17(17)上記プロセスにおいて、基板の加工手順は特に限定されるものではなく、任意に選ぶことができる。 FIG. 17 (17) In the above process, the substrate processing procedure is not particularly limited, and can be arbitrarily selected.
以下に、本発明の実施例を説明する。 Examples of the present invention will be described below.
図1は、本発明によるインクジェット記録ヘッドのベース基板の構造を示した模式図である。(110)の面方位を持った厚さ630μmのSiウエハ(基板)に、基板に対して垂直にエッチングして形成された基板のインク供給口103周辺部は図4のようになっている。図4に示す基板の供給口周辺部において、ハリの頂点308は基板表面より60μm下に形成された。なお、このインク供給口は平面構造において長辺が(111)面に平行で、幅100μm、長さ2mm、短辺と長辺のなす角が70.5度である。裏面の幅が140μmのハリ104を挟んで30個縦列に配置された。図11は、インク供給口を基板表面から見た俯瞰図(ノズル部は図示せず)である。貫通穴は長辺が(111)面に平行で、幅100μm、長さ2mm、短辺と長辺のなす角が70.5度で基板に対して垂直に開けられた。インク供給口の両側に、厚さ200Å、24μm□のTaNヒーター106が、60μm間隔で配置された。各ヒーターには、厚さ3000ÅのAl配線108が接続され、個々に電気信号が供給できるようになっている。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of a base substrate of an ink jet recording head according to the present invention. FIG. 4 shows the peripheral portion of the
図12は、図1のCD断面の模式図である。各ヒーター503の直上にはノズル形成樹脂に開口部505が設けられ、この部分よりインクを吐出するようになっている。
FIG. 12 is a schematic view of the CD cross section of FIG. An
このインクジェット記録ヘッドを使って、5.5plのインク滴を吐出した時、最大吐出周波数は15KHzで、60mm幅全域にわたって、印字のカスレ、濃度ムラ、インクの不吐出のない高品位な印字物が得られた。 When ink droplets of 5.5 pl are ejected using this ink jet recording head, the maximum ejection frequency is 15 KHz, and high-quality printed matter free from printing blur, density unevenness, and non-ejection of ink over the entire width of 60 mm. Obtained.
[比較例1]
以下に、本発明の比較例を説明する。
[Comparative Example 1]
Below, the comparative example of this invention is demonstrated.
基板表面のヒーター、電極、ノズル等の構成は実施例1と同じ構造で、図2のように基板の表面にハリを残した構造にした。表面のハリ幅は30μmとした。 The structure of the heater, electrodes, nozzles, and the like on the substrate surface is the same as that of Example 1, and the structure is such that the surface of the substrate remains sharp as shown in FIG. The surface width was 30 μm.
基板上面のヒーター、電極、ノズル形成樹脂等の構造は、実施例1と同様にした。 The structure of the heater, electrode, nozzle forming resin, etc. on the upper surface of the substrate was the same as in Example 1.
このインクジェット記録ヘッドを使って、5.5plのインク滴を吐出周波数15KHzで印字テストを行ったが、2mm周期でハリの真横にあたるノズル部からの吐出が乱れ、印字の濃度ムラが見られる部分があった。 Using this ink jet recording head, a printing test was performed with 5.5 pl of ink droplets at a discharge frequency of 15 KHz. Discharge from the nozzle portion directly beside the sprout with a period of 2 mm was disturbed, and there was a portion where printing density unevenness was seen. there were.
以下に、本発明の他実施例を説明する。 Other embodiments of the present invention will be described below.
図21は、ハリ部分の断面図で、実施例1とは、途中工程の犠牲層間の間隔を広げて、ハリ断面の形状だけを変化させたものである。 FIG. 21 is a cross-sectional view of a cut portion. In the first embodiment, only the shape of the cut cross section is changed by widening the interval between the sacrificial layers in the intermediate process.
ハリ表面がエッチングされて(111)面に近い面で囲まれており、ハリの頂点は基板表面より20μm下に形成された。他の部分は、実施例1と同様にした。 The relief surface was etched and surrounded by a surface close to the (111) plane, and the vertex of the relief was formed 20 μm below the substrate surface. The other parts were the same as in Example 1.
このインクジェット記録ヘッドを使って、5.5plのインク滴を吐出周波数12KHzで印字テストを行ったが、60mm幅全域にわたって、印字のカスレ、濃度ムラ、インクの不吐出のない高品位な印字物が得られた。 Using this ink jet recording head, a printing test was performed with 5.5 pl of ink droplets at an ejection frequency of 12 KHz, but a high-quality printed matter without blurring, density unevenness, and non-ejection of ink was observed over the entire 60 mm width. Obtained.
以下に、本発明によるインクジェット記録ヘッドの製造方法について、順を追って説明する。 Below, the manufacturing method of the ink jet recording head according to the present invention will be explained step by step.
図13(1)のように、厚さ630μm、6インチΦの(110)面のSiウエハ601の上を熱酸化して、SiO2層602を6000Å形成し、さらにSiO2をパターニングして供給口開口部303を形成した。スパッターでAlCu膜を2000Å堆積した。この膜のCuの含有量は0.5%であった。フォトリソ技術によって図10のように犠牲層605下層電極配線604を形成した。犠牲層の幅は180μm、長辺方向は2mmで、隣接した犠牲層間の部分の幅は6μmとした。犠牲層は、実施態様例と同様に短辺と長辺のなす角が70.5度である平行四辺形で、ハリを挟んで40本直列に並べた。
As shown in FIG. 13 (1), the (110)
次に、エッチングストップ層として、プラズマCVDでSiN膜606を12000Å堆積した。
Next, 12000 mm of
この時の成膜条件は、SiH4/NH3/N2= 500/1500/6300sccm、圧力1500mtorr、基板温度400℃、RF1700Wであった。 The film formation conditions at this time were SiH 4 / NH 3 / N 2 = 500/1500/6300 sccm, pressure 1500 mtorr, substrate temperature 400 ° C., and RF 1700 W.
フォトリソ技術を使い、図13(3)のようにエッチングストップ層をパターニングした後、層間絶縁膜607としてSiONを14000Å成膜した。この時の成膜パラメーターは、SiH4/N2O/N2= 250/1200/4000sccm、圧力1500mtorr、基板温度380℃、RF1700W、組成比Si/O/N=37/61/2であった。
The photolithographic technique was used to pattern the etching stop layer as shown in FIG. 13 (3), and then 14000 nm of SiON was formed as the
この後は、図13(4)のように層間絶縁膜にコンタクトホール608を形成し、TaSiN(組成比44/43/13)を500ÅとAlを3000Å連続成膜してパターニングして、図13(5)のようにヒーター609と上部配線610を形成した。
Thereafter, as shown in FIG. 13 (4), a
次にヒーター保護膜611として、プラズマCVDのSiNを3000Å堆積、パターニングした。成膜条件は、SiH4/NH3/N2=180/480/2000sccm、圧力1500mtorr、基板温度320℃、RF1700Wであった。
Next, 3000 nm of plasma CVD SiN was deposited and patterned as the heater
さらに、インクの発泡によるキャビテーションからヒーターを保護するため、Taを2300Åをスパッターで堆積パターニングして、耐キャビテーション膜612を形成した。
Further, in order to protect the heater from cavitation due to ink bubbling, 2300 liters of Ta was deposited and patterned by sputtering to form a cavitation
樹脂製のノズルの密着性を上げるためと、裏面をアルカリエッチャントから保護するために、耐食性の高いポリエーテルアミド系樹脂膜(日立化成製 HIMAL)613を2μm塗布焼成して形成した。それにより、図14(8)のようにヒーター部とインク供給口部をパターニングで露出させた。 In order to increase the adhesion of the resin nozzle and to protect the back surface from the alkali etchant, a polyetheramide resin film (HIMAL manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd.) 613 having a high corrosion resistance was formed by applying and baking 2 μm. Thereby, the heater part and the ink supply port part were exposed by patterning as shown in FIG.
感光性樹脂としてポリメチルイソプロペニルケトン(東京応化ODUR−1010)を20μm塗布してパターニングして、図15(9)のようにインク流路形成材614を形成した。
Polymethylisopropenyl ketone (Tokyo Ohka ODUR-1010) as a photosensitive resin was applied by 20 μm and patterned to form an ink flow
さらに表1に示した感光性樹脂615を10μm塗布しパタ−ニングして、図15(10)のようにインク吐出口316を形成した。
Furthermore, 10 μm of
次に裏面のインク供給口パターン部の平行四辺形の窓の狭角に隣接した部分に、YAGレーザーで非貫通のエッチング先導孔619を開けた。この時の穴の径は30〜35μm、深さは440〜550μmであった。
Next, a non-penetrating
この基板を22%のTMAH水溶液に浸漬して異方性エッチングした。エッチャント温度は83℃、エッチング時間は7時間30分とした。これは基板の厚み630μmをジャストエッチする時間に対して10%のオーバーエッチ時間とした。
This substrate was immersed in a 22% TMAH aqueous solution and anisotropically etched. The etchant temperature was 83 ° C. and the etching time was 7
エッチングは図17(15)のようにAlCuの犠牲層まで進み、エッチングストップ層606の前で止まっている。この時、エッチングストップ層に亀裂はなく、流路形成樹脂層やノズル部へのエッチング液の浸入は見られなかった。
The etching proceeds to the AlCu sacrificial layer as shown in FIG. 17 (15), and stops in front of the
この時のハリ部の断面は、図21のようにSi(111)面に囲まれた構造になっていて、ハリ部の頂点807は基板面から20μm下に形成されていた。
The cross section of the groove portion at this time has a structure surrounded by the Si (111) surface as shown in FIG. 21, and the
次に、図17(16)のようにエッチングストップ層のSiNをCDE法によって除去した。エッチング条件は、CF4/O2/N2=300/250/5sccm、RF800W、圧力250mtorrであった。 Next, as shown in FIG. 17 (16), SiN in the etching stop layer was removed by the CDE method. The etching conditions were CF 4 / O 2 / N 2 = 300/250/5 sccm, RF 800 W, and pressure 250 mtorr.
図18(18)のようにメチルイソブチルケトンに浸漬後、キシレン中で超音波を掛け保護膜を除去して、乳酸メチル中で超音波を掛け樹脂614を除去して、インク流路を形成しインクジェット記録ヘッドができた。
After immersion in methyl isobutyl ketone as shown in FIG. 18 (18), the protective film is removed by applying ultrasonic waves in xylene, and the
このインクジェット記録ヘッドを使って、吐出液滴5.5plの時、最大吐出周波数は12KHzで、80mm幅全域にわたって、印字のカスレ、濃度ムラ、インクの不吐出のない高品位な印字物が得られた。 Using this ink jet recording head, when ejected droplets are 5.5 pl, the maximum ejection frequency is 12 KHz, and high-quality printed matter free from printing blur, density unevenness, and non-ejection of ink can be obtained over the entire 80 mm width. It was.
101 インク吐出口
102 液室壁
103 インク供給口
104 ハリ
105 ノズルフィルター
201 インク吐出口
202 液室壁
203 インク供給口
204 ハリ
205 ノズルフィルター
301 シリコン基板
302 インク供給口開口部
303 SiO2(裏面マスク部)
304 犠牲層
305 犠牲層間隔
306 ハリ
307 Si(111)面
308 ハリ頂上部
401 シリコン基板
402 インク供給口開口部
403 SiO2(裏面マスク部)
404 犠牲層
405 犠牲層間隔
406 ハリ
407 Si(111)面
501 シリコン基板
502 ハリ
503 ヒーター
504 電極
505 インク吐出口
601 Si基板
602 絶縁膜
603 インク供給口パターン
604 下層配線
605 犠牲層
606 エッチングストップ層
607 層間絶縁膜
608 コンタクトホール
609 ヒーター
610 上層配線
611 ヒーター保護膜
612 耐キャビテーション膜
613 ポリエーテルアミド樹脂膜
614 流路形成樹脂
615 ノズル形成樹脂
616 インク吐出口
617 エッチング保護膜
618 インク供給口パターン
619 レーザー加工先導孔
620 インク流路
701 シリコン基板
702 ハリ
703 ハリ頂上部
704 SiO2(裏面マスク部)
801 ハリ
802 Si(111)面
803 Si(111)面
804 Si(111)面
805 Si(111)面
806 Si(111)面
DESCRIPTION OF
304
404 Sacrificial layer 405
Claims (8)
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---|---|---|---|---|
JP2010142972A (en) * | 2008-12-16 | 2010-07-01 | Canon Inc | Method for manufacturing inkjet recording head |
JP2010179601A (en) * | 2009-02-06 | 2010-08-19 | Canon Inc | Inkjet recording head |
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2006
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US8746847B2 (en) | 2009-02-06 | 2014-06-10 | Canon Kabushiki Kaisha | Ink jet print head |
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