JP2008155472A - Liquid discharge head and its manufacturing process - Google Patents

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裕一 正木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a liquid discharge head which makes up the configuration of an individual liquid chamber which gets a sufficient rigidity against the displacement of an oscillating board while assuring the volume required for eliminating the viscous resistance of a liquid as the individual liquid chamber. <P>SOLUTION: The liquid discharge head includes the individual liquid chamber communicating with an outlet port, the oscillating board installed according to the individual liquid chamber and a piezoelectric element which generates a pressure for discharging the liquid while discharging the liquid in the individual liquid chamber from the outlet port. In the cross-section of the individual liquid chamber, the side-wall of the individual liquid chamber has a curvature which makes the inclination of the side-wall decrease gradually in the direction of leaving the oscillating board side. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は振動板を振動させて発生した圧力により、個別液室内の液体を加圧してノズルから液滴を吐出させる液体吐出ヘッドの高密度化とその製造方法に関するものである。   The present invention relates to an increase in density of a liquid discharge head that pressurizes a liquid in an individual liquid chamber and discharges liquid droplets from nozzles using a pressure generated by vibrating a diaphragm, and a manufacturing method thereof.

上下電極の間にチタン酸ジルコン酸鉛(以下、PZTと記載する)を配置した圧電素子を用いて、振動板に変位を与えインク液滴を吐出させて記録紙等にインク像を形成する液体吐出ヘッドが実用化されている。   A liquid that forms an ink image on recording paper or the like by using a piezoelectric element in which lead zirconate titanate (hereinafter referred to as PZT) is disposed between upper and lower electrodes to displace the diaphragm and eject ink droplets. A discharge head has been put into practical use.

特許文献1には、シリコン基板による接着工程の無い一体化構造で,薄膜PZTを用いた構成が開示されており、リソグラフィ法により精密かつ高密度の液体吐出ヘッドが作成できる。特許文献2には、シリコンウェーハ表面の所望の位置に多孔質シリコン部を形成し、その上層にエピタキシャル成長で振動板を形成後、ウエットエッチで多孔質構造部を除去して個別液室を製造する簡易的な工程が開示されている。   Patent Document 1 discloses a structure using a thin film PZT with an integrated structure without a bonding process using a silicon substrate, and a precise and high-density liquid discharge head can be produced by a lithography method. In Patent Document 2, a porous silicon part is formed at a desired position on the surface of a silicon wafer, a diaphragm is formed on the upper layer by epitaxial growth, and then the porous structure part is removed by wet etching to manufacture an individual liquid chamber. A simple process is disclosed.

しかしながら、これら方式のヘッドにおいて個別液室を高密度に配置させると、側壁の厚さが充分にとれず剛性が得られない。その為、クロストークが発生し、高解像度の画質形成が達成できないことから、側壁の剛性向上を目指した従来技術がある。特許文献3には、個別液室の側壁間に梁状部を備えており、圧電素子の変位により側壁が歪まないようにしている。同公報では所望部に不純物イオンを添加して梁状部を形成している。また、特許文献4には、個別液室を異方性ウェットエッチングにより露出した単結晶シリコン基板の(111)面と振動板の内面とで形成することにより、断面形状として三角形の個別液室を形成して、側壁を台形状にして剛性をあげる例が開示されている。特許文献5には、振動板上に、オリフィスプレートを接着して、ノズルを形成する例が開示されている。
特許第2976479号公報 特開2006−069152号公報 特開平10−119267号公報 特開2001−353869号公報 特開2001−205808号公報
However, if the individual liquid chambers are arranged with high density in these types of heads, the side wall thickness cannot be sufficiently obtained and rigidity cannot be obtained. For this reason, crosstalk occurs and high-resolution image formation cannot be achieved, so there is a conventional technique aimed at improving the rigidity of the side wall. In Patent Document 3, a beam-like portion is provided between the side walls of the individual liquid chamber so that the side walls are not distorted by the displacement of the piezoelectric element. In this publication, impurity ions are added to a desired part to form a beam-like part. Further, in Patent Document 4, the individual liquid chambers are formed by the (111) surface of the single crystal silicon substrate exposed by anisotropic wet etching and the inner surface of the diaphragm, thereby forming a triangular individual liquid chamber as a cross-sectional shape. An example in which the side wall is trapezoidally formed to increase the rigidity is disclosed. Patent Document 5 discloses an example in which an orifice plate is bonded to a diaphragm to form a nozzle.
Japanese Patent No. 2976479 JP 2006-0669152 A JP 10-119267 A JP 2001-353869 A JP 2001-205808 A

課題1:クロストーク対策の従来技術において、個別液室の側壁間に梁状部を配置したものは、振動板で発生した変位を効率良く個別液室の液体に圧力として伝播させることができないという課題があった。また、シリコン面方位に依存したエッチングにより形成した個別液室は、方位面の角度が決定される為、必要な容積を確保しようとすると、高密度化できない課題があった。   Problem 1: In the conventional technology for countermeasures against crosstalk, the arrangement in which the beam-like portion is arranged between the side walls of the individual liquid chamber cannot efficiently transmit the displacement generated in the diaphragm as pressure to the liquid in the individual liquid chamber. There was a problem. In addition, the individual liquid chamber formed by etching depending on the silicon surface orientation has a problem that it cannot be densified if an attempt is made to secure a necessary volume because the angle of the orientation surface is determined.

課題2:高価なSOIウェーハを用いず、成膜による振動板の形成が可能な多孔質シリコンを用いた製造方法は簡易的であるが、フッ酸による高速除去が可能な多孔質シリコン部を熱酸化した場合は多孔質酸化物が表面から盛り上がってしまう。その為、その後成膜した振動板の性能に悪影響をあたえる課題があった。   Problem 2: Although a manufacturing method using porous silicon that can form a diaphragm by film formation without using an expensive SOI wafer is simple, the porous silicon portion that can be removed at high speed by hydrofluoric acid is heated. When oxidized, the porous oxide rises from the surface. For this reason, there has been a problem of adversely affecting the performance of the diaphragm formed thereafter.

本発明のヘッドは、吐出口に連通する個別液室と、該個別液室に対応して設けられた振動板と、液体を吐出する圧力を発生する圧電体素子と、を有し、前記個別液室内の液体を前記吐出口から吐出する液体吐出ヘッドであって、前記個別液室の断面形状において、前記個別液室の側壁は、前記振動板側から離れる方向に向かって、前記側壁の傾きが漸減するような曲率を持つことを特徴とする。   A head according to the present invention includes an individual liquid chamber communicating with an ejection port, a diaphragm provided corresponding to the individual liquid chamber, and a piezoelectric element that generates a pressure for ejecting the liquid. A liquid discharge head that discharges liquid in a liquid chamber from the discharge port, wherein in the cross-sectional shape of the individual liquid chamber, the side wall of the individual liquid chamber is inclined toward the direction away from the diaphragm side. It has a curvature that gradually decreases.

本発明によれば、個別液室として液体の粘性抵抗を排除する為に必要な容積を確保しつつ、振動板の変位に対して充分な剛性を得る個別液室の形状を構成することが出来る。   According to the present invention, it is possible to configure the shape of the individual liquid chamber that obtains sufficient rigidity with respect to the displacement of the diaphragm while securing the volume necessary for eliminating the viscous resistance of the liquid as the individual liquid chamber. .

また、個別液室に相当する部分の多孔質シリコンの盛り上がりを抑制し、その上に成膜する振動板となる薄膜を精度良く形成することができる。   Further, the swell of the porous silicon in the portion corresponding to the individual liquid chamber can be suppressed, and a thin film to be a vibration plate formed thereon can be formed with high accuracy.

(ヘッドの構造)
本実施形態の液体吐出ヘッドの構造を図2の断面図を用いて説明する。個別液室は長穴形状を有している。長穴形状が伸びる方向(長軸方向)とは垂直な方向に、複数の個別液室が並んで形成されている。図2は、長穴形状である個別液室が伸びる方向とは垂直な方向にヘッドを切った断面図である。
(Head structure)
The structure of the liquid ejection head of this embodiment will be described with reference to the cross-sectional view of FIG. The individual liquid chamber has a long hole shape. A plurality of individual liquid chambers are formed side by side in a direction perpendicular to the direction in which the elongated hole shape extends (long axis direction). FIG. 2 is a sectional view in which the head is cut in a direction perpendicular to the direction in which the individual liquid chamber having a long hole shape extends.

1はヘッド基板として、単結晶シリコン基板、2は個別液室、3は個別液室間にある側壁、4は振動板、5は下部電極、6は圧電体、7は上部電極、8は吐出口を示す。図2では、圧電体が形成される面と交わる面に吐出口が形成されるエッジ・シューター型のヘッドを示す。   1 is a single crystal silicon substrate, 2 is an individual liquid chamber, 3 is a side wall between individual liquid chambers, 4 is a diaphragm, 5 is a lower electrode, 6 is a piezoelectric body, 7 is an upper electrode, and 8 is a discharge Indicates an exit. FIG. 2 shows an edge / shooter type head in which an ejection port is formed on a surface intersecting with a surface on which a piezoelectric body is formed.

個別液室を84μmピッチ(300dpi密度に相当)で配置した場合を示す。インクの粘性抵抗を考慮して、個別液室の図2における断面寸法は、振動板側の幅で44μm、底辺側の幅で4μm、深さ30μmまでを曲線で結んだ船底形状をしている。個別液室の断面積として約1020μmを持っている。この時、隣接した振動板の間隔は40μmとなる。このように、個別液室は、前記個別液室内に凹となるよう、前記振動板側から曲率を持って狭まる部分を有する為、下方向(振動板から離れる方向)に向かうに従って側壁の厚みが増すのでクロストークに強い構造となっている。 The case where the individual liquid chambers are arranged at a pitch of 84 μm (corresponding to a density of 300 dpi) is shown. In consideration of the viscous resistance of the ink, the cross-sectional dimensions of the individual liquid chambers in FIG. 2 have a bottom shape in which the diaphragm side width is 44 μm, the bottom side width is 4 μm, and the depth is 30 μm. . The sectional area of the individual liquid chamber is about 1020 μm 2 . At this time, the interval between adjacent diaphragms is 40 μm. Thus, since the individual liquid chamber has a portion that narrows with a curvature from the diaphragm side so as to be concave in the individual liquid chamber, the thickness of the side wall becomes smaller in the downward direction (the direction away from the diaphragm). Since it increases, it has a strong structure against crosstalk.

比較例として単結晶シリコン基板に、異方性エッチングにて(111)面による個別液室を作成した場合を図3に示す。この場合、エッチング進行角度が約54度になり、図2と同じ断面積を有する個別液室の断面寸法は、振動板側の幅が54μm、深さ38μmの逆三角形となる。これを図2と同じピッチで配列した場合、隣あう振動板の間隔は30μmとなってしまう。このように、比較例では、隣接する個別液室の間隔が近くなり、クロストークの影響を受け易い状態となる。   As a comparative example, FIG. 3 shows a case where an individual liquid chamber having a (111) plane is formed on a single crystal silicon substrate by anisotropic etching. In this case, the etching progress angle is about 54 degrees, and the cross-sectional dimensions of the individual liquid chamber having the same cross-sectional area as in FIG. 2 are inverted triangles having a width of 54 μm on the diaphragm side and a depth of 38 μm. When these are arranged at the same pitch as in FIG. 2, the distance between adjacent diaphragms is 30 μm. As described above, in the comparative example, the interval between the adjacent individual liquid chambers becomes close, and the state is easily affected by crosstalk.

(ヘッドの製造方法)
本実施形態における個別液室を船底形状にする製法として、陽極化成法があげられる。陽極化成法とは、フッ酸溶液中において陽極にシリコン、陰極に白金を接続して電流を流すと、ホールの供給によりシリコン表面にあるSi−Hの結合が弱まり、次に電気陰性度の最も強いF−イオンによってSi−Hの結合が切られ、最表面にSi−Fの結合となる。これが繰り返されSiF4として溶液中に溶け出すことによりシリコン表面に微細な孔を多数形成できるという技術である。
(Head manufacturing method)
An anodizing method is mentioned as a manufacturing method which makes the individual liquid chamber in this embodiment the ship bottom shape. In the anodizing method, when silicon is connected to the anode and platinum is connected to the cathode in a hydrofluoric acid solution and a current is passed, the Si-H bond on the silicon surface is weakened by the supply of holes, and then the electronegativity is the highest. The strong F- ion breaks the Si-H bond, resulting in a Si-F bond on the outermost surface. This is a technique in which many fine holes can be formed on the silicon surface by repeating this process and dissolving it in the solution as SiF4.

陽極化成において、化成液を構成しているフッ酸濃度を変化させることで、形成する多孔質シリコンの多孔度(3次元における空隙率)を変化させることができる。図1に示す様に、多孔質の度合いを変えた多孔質シリコンが一部に形成されたシリコンウェーハを900℃の酸素雰囲気で1時間酸化させる。そして、(酸化前の多孔質シリコン膜厚)÷(酸化後の膜厚)から計測される、多孔質シリコン膜厚の膨張率を計測すると、多孔度が80%付近の条件から膨張率が概略ゼロとなり、90%を越えると多孔質部の欠損などの欠陥を発生してしまう。つまり、多孔質シリコン膜厚の膨張率を抑えるには、多孔度が80%以上90%以下の範囲が好ましい。陽極化成において多孔度はフッ酸濃度と流す電流密度に依存する。具体的にはフッ酸濃度が低いと多孔度は大きくなり、電流密度を上げても同様に大きくなる。但し、フッ酸濃度10%未満においては多孔度80%付近の形成条件を充たす電流密度の設定は極めて狭くて困難となる。また、フッ酸濃度30%を越える濃度においては膨大な電流密度を必要とする為、実用的な範囲としてはフッ酸濃度10%以上30%以下の範囲が望ましい。   In anodizing, the porosity (porosity in three dimensions) of the porous silicon to be formed can be changed by changing the concentration of hydrofluoric acid constituting the chemical forming solution. As shown in FIG. 1, a silicon wafer partially formed with porous silicon having a different degree of porosity is oxidized in an oxygen atmosphere at 900 ° C. for 1 hour. Then, when the expansion rate of the porous silicon film thickness is measured from (porous silicon film thickness before oxidation) / (film thickness after oxidation), the expansion coefficient is roughly estimated from the condition where the porosity is around 80%. When it becomes zero and exceeds 90%, defects such as a defect in the porous portion are generated. That is, in order to suppress the expansion rate of the porous silicon film thickness, the porosity is preferably in the range of 80% to 90%. In anodization, the porosity depends on the hydrofluoric acid concentration and the current density. Specifically, when the concentration of hydrofluoric acid is low, the porosity increases, and increases even if the current density is increased. However, when the hydrofluoric acid concentration is less than 10%, the setting of the current density satisfying the formation condition of the porosity of about 80% is extremely narrow and difficult. Moreover, since a huge current density is required at a concentration exceeding 30% hydrofluoric acid concentration, a practical range of 10% to 30% hydrofluoric acid concentration is desirable.

これにより、本実施形態では、P+シリコンウェーハを用いて、個別液室に相当する部分の多孔質シリコンを多孔度80%以上90%以下で形成してから熱酸化する。これにより、ウェーハ表面からの多孔質シリコンの盛り上がりを抑制し、その上に成膜する振動板となる薄膜を精度良く形成することができる。そして、多孔質部を除去することで曲率を持った側壁で構成された個別液室と圧電素子の変位を効率良く伝播する振動板を製造することができる。曲率を持った側壁とは、個別液室の断面形状において、個別液室の側壁が、振動板側から離れる方向に向かって、側壁の傾きが漸減するような曲率を持つことである。   Thus, in this embodiment, a portion of porous silicon corresponding to the individual liquid chamber is formed with a porosity of 80% or more and 90% or less using a P + silicon wafer and then thermally oxidized. Thereby, the swelling of the porous silicon from the wafer surface can be suppressed, and a thin film to be a vibration plate formed thereon can be accurately formed. Then, by removing the porous portion, it is possible to manufacture a diaphragm that efficiently propagates the displacement of the individual liquid chamber constituted by the side wall having the curvature and the piezoelectric element. The side wall having a curvature means that, in the cross-sectional shape of the individual liquid chamber, the side wall of the individual liquid chamber has a curvature such that the inclination of the side wall gradually decreases in a direction away from the diaphragm side.

また、本実施形態においては化成マスク材の選択により、個別液室の側壁の曲率を可変できる。化成液の耐フッ酸性により、マスク直下の拡がりが決定されるので本実施形態では深さ方向に対する横拡がりの比率が約0.7を採る窒化シリコン材が適していた。他の材料でも窒化シリコン材と同じか、それ以上の耐フッ酸性を持つものもあるが、金属系材料においてはシリコン基板との密着性に問題があり、この点を改善すれば使用は可能である。   In this embodiment, the curvature of the side wall of the individual liquid chamber can be varied by selecting the chemical mask material. Since the spread directly under the mask is determined by the hydrofluoric acid resistance of the chemical liquid, a silicon nitride material having a ratio of the lateral spread in the depth direction of about 0.7 is suitable in this embodiment. Other materials have the same or better resistance to hydrofluoric acid than silicon nitride, but metal materials have problems with adhesion to the silicon substrate, and can be used if this is improved. is there.

(実施例1)
以下に本実施形態の液吐出ヘッドの製造方法を説明する。本実施形態の主要工程は図4と図5に示すように、「化成マスクの形成工程」、「陽極化成を行なう工程」、「振動板を形成する工程」、「圧電体を形成する工程」、「吐出口を形成する工程」、「多孔質部をエッチングする工程」を含む。更に各々の工程を詳細に説明して行く。
(Example 1)
A method for manufacturing the liquid discharge head of this embodiment will be described below. As shown in FIGS. 4 and 5, the main steps of this embodiment are “a formation mask formation step”, “anode formation step”, “diaphragm formation step”, and “piezoelectric body formation step”. , “A step of forming a discharge port”, and “a step of etching the porous portion”. Further, each step will be described in detail.

1.化成マスクの形成工程(図4−a)
ヘッド基板として、両面研磨処理された厚さ625μm、比抵抗15mΩ・cmのP+シリコン単結晶基板1を用意する。ヘッド基板1上に、耐フッ酸性のあるマスク材料として、400nm厚の窒化シリコン9を、プラズマCVDで成膜する。次に、フォトリソグラフィにより開口幅4μmのパターンを、個別液室を配置するピッチ(84μmピッチで300本)で、形成し、窒化シリコン膜9を除去する。次の工程において、この窒化シリコン膜の除去された部分から、ポーラスシリコンを形成する。尚、窒化シリコン9の成膜方法については、スパッタや低圧CVDなどの手段もあり、更に成膜後アニール処理を行う事で耐フッ酸性を向上させる事ができる。
1. Chemical mask forming process (FIG. 4-a)
As a head substrate, a P + silicon single crystal substrate 1 having a thickness of 625 μm and a specific resistance of 15 mΩ · cm subjected to double-side polishing treatment is prepared. A 400 nm thick silicon nitride film 9 is formed on the head substrate 1 by plasma CVD as a mask material having hydrofluoric acid resistance. Next, a pattern having an opening width of 4 μm is formed by photolithography at a pitch for arranging individual liquid chambers (300 at a pitch of 84 μm), and the silicon nitride film 9 is removed. In the next step, porous silicon is formed from the removed portion of the silicon nitride film. As for the method of forming the silicon nitride 9, there are means such as sputtering and low-pressure CVD, and the hydrofluoric acid resistance can be improved by performing an annealing treatment after the film formation.

2.陽極化成を行なう工程(図4−b)
次に、多孔質酸化シリコン層の形成を説明をする。陽極化成法によりシリコン単結晶基板1の流路となる部分をポーラス化させる。化成液としてフッ酸15%とイソプロピルアルコール8%との水溶液中に化成マスクを形成したシリコン単結晶基板1を設置する。基板1の両側にプラチナ電極を対向配置して、多孔質シリコンを形成する面が陰極になるよう、プラチナ電極間に電流密度80mA/cmで15分間通電する。これにより化成マスクの開口部から、シリコンが陽極化成され、シリコン単結晶基板の表面から多孔質シリコンが形成される。陽極化成は略等方的に進行する為、最終的に形成された多孔質シリコンの形状は、開口部を中心として船底のような断面形状になる。多孔度85%の多孔質シリコン10は、開口部から深さ方向に最深30μm、開口部の両脇からそれぞれ20μmの幅に形成される。個別液室が伸びる方向に垂直な断面で見た場合、個別液室の側壁は、深さ方向に曲率を持ちながら30μmの深さでは拡がりがゼロになるように形成される。その後、シリコン基板を純水で充分に洗浄、乾燥してから、600℃の炉に酸素ガスを5リットル/分の分量を流しながら900℃まで30分で昇温させる、これを1時間保持した後に400℃まで60分で降温して多孔質シリコン10の酸化を終了させる。
2. Step of anodizing (FIG. 4-b)
Next, formation of the porous silicon oxide layer will be described. The part which becomes the flow path of the silicon single crystal substrate 1 is made porous by anodizing. A silicon single crystal substrate 1 in which a chemical conversion mask is formed in an aqueous solution of 15% hydrofluoric acid and 8% isopropyl alcohol as a chemical conversion solution is placed. Platinum electrodes are arranged opposite to each other on both sides of the substrate 1, and current is applied between the platinum electrodes at a current density of 80 mA / cm 2 for 15 minutes so that the surface on which the porous silicon is formed becomes a cathode. As a result, silicon is anodized from the opening of the chemical conversion mask, and porous silicon is formed from the surface of the silicon single crystal substrate. Since the anodization proceeds substantially isotropically, the finally formed porous silicon has a cross-sectional shape like a ship bottom with the opening as a center. The porous silicon 10 having a porosity of 85% is formed with a depth of 30 μm in the depth direction from the opening and a width of 20 μm from both sides of the opening. When viewed in a cross section perpendicular to the direction in which the individual liquid chamber extends, the side walls of the individual liquid chamber are formed so as to have zero curvature at a depth of 30 μm while having a curvature in the depth direction. Thereafter, the silicon substrate was sufficiently washed with pure water and dried, and then heated to 900 ° C. in 30 minutes while flowing an oxygen gas at a flow rate of 5 liters / minute into a 600 ° C. furnace, and this was maintained for 1 hour. Thereafter, the temperature is lowered to 400 ° C. in 60 minutes to complete the oxidation of the porous silicon 10.

3.振動板を形成する工程(図4−c)
化成マスク9を除去した後、多孔質酸化シリコン11上に、振動板4となる、ポリシリコン12を、低圧CVD(化学気相成長法:Chemical Vapor Deposition)により3μm厚で成膜する。振動板の材料としては、酸化シリコン、窒化シリコンなどの絶縁材や、Crなどの金属材などをスパッタリングして形成してもよい。
3. Step of forming a diaphragm (FIG. 4-c)
After the chemical mask 9 is removed, a polysilicon 12 to be the diaphragm 4 is formed on the porous silicon oxide 11 with a thickness of 3 μm by low pressure CVD (Chemical Vapor Deposition). As a material of the diaphragm, an insulating material such as silicon oxide or silicon nitride, a metal material such as Cr, or the like may be formed by sputtering.

4.圧電体を形成する工程(図4−d)
振動板上に、スパッタにてTiを50nm、Ptを300nm成膜し、フォトリソグラフィを用いたパターニング加工により共通下電極5を形成する。次に下部電極上にPZTをスパッタにて3μm厚で成膜する。このPZTを、フォトリソグラフィにて、個別液室2の幅以内に形成し、圧電体6とする。圧電体6上に、下電極5と同様に、スパッタとフォトリソグラフィにより上電極7を形成する。
4). Step of forming piezoelectric body (FIG. 4-d)
On the vibration plate, a Ti film having a thickness of 50 nm and a Pt film having a thickness of 300 nm are formed by sputtering, and the common lower electrode 5 is formed by patterning using photolithography. Next, PZT is formed to a thickness of 3 μm on the lower electrode by sputtering. This PZT is formed within the width of the individual liquid chamber 2 by photolithography to form a piezoelectric body 6. Similar to the lower electrode 5, the upper electrode 7 is formed on the piezoelectric body 6 by sputtering and photolithography.

5.吐出口を形成する工程(図5−a)
図4に対して垂直方向に基板を切った断面図を図5に示す。
液体を吐出する吐出口8を形成する為に、吐出口に対応する箇所に、波長266nmでQスイッチ周波数15kHzのレーザー光を100mWの出力で照射する。吐出口の直径は30μmである。図5においては、単結晶シリコン基板1の側面(圧電体が形成される面と垂直な面)に対してレーザー照射して吐出口を形成した。本実施例では、エッジ・シューター型としたが、裏面(圧電体が形成される面と逆方向)に吐出口が形成される、サイド・シューター型ヘッドでもいい。また、吐出口の形成には、レーザー照射に限らず、ICPエッチングでも可能である。更に、吐出口形成工程にて、次工程で説明を行う、エッチング液を供給する孔を同時に形成してもよい。
6.多孔質部をエッチングする工程(図5−b)
前工程にて形成した吐出口8から10%フッ酸水溶液を浸透させて、多孔質酸化シリコンをエッチング除去し、吐出口8に繋がる個別液室2を形成する。
5. Step of forming discharge port (FIG. 5-a)
FIG. 5 shows a cross-sectional view of the substrate cut in a direction perpendicular to FIG.
In order to form the discharge port 8 for discharging the liquid, a laser beam having a wavelength of 266 nm and a Q switch frequency of 15 kHz is irradiated to the portion corresponding to the discharge port with an output of 100 mW. The diameter of the discharge port is 30 μm. In FIG. 5, the discharge port is formed by irradiating the side surface of the single crystal silicon substrate 1 (surface perpendicular to the surface on which the piezoelectric body is formed) with laser irradiation. In this embodiment, the edge shooter type is used, but a side shooter type head in which an ejection port is formed on the back surface (the direction opposite to the surface on which the piezoelectric body is formed) may be used. Further, the formation of the discharge port is not limited to laser irradiation, and ICP etching is also possible. Further, in the discharge port forming step, holes for supplying an etching solution, which will be described in the next step, may be formed at the same time.
6). Step of etching the porous portion (FIG. 5-b)
A 10% hydrofluoric acid aqueous solution is infiltrated from the discharge port 8 formed in the previous step, and the porous silicon oxide is removed by etching to form the individual liquid chamber 2 connected to the discharge port 8.

以上により製造された本実施形態の液体吐出ヘッドを駆動する為、フレキ実装を行って吐出テストを行ったところ、30Vパルス印加で15KHzの吐出周波数においても隣接したノズルの吐出は安定化しており、高密度ノズルヘッドとして問題なかった。   In order to drive the liquid discharge head according to the present embodiment manufactured as described above, the discharge test was performed by performing flexible mounting. As a result, the discharge of adjacent nozzles was stabilized even at a discharge frequency of 15 KHz by applying a 30 V pulse. There was no problem as a high-density nozzle head.

また、本実施形態において形成された個別液室内のSEM写真を図6に示す。(a)は3000倍での写真、(b)は60000倍での写真である。図6に示す様に、個別液室内には、多孔質酸化シリコンのエッチングで形成された、深さ10nm以上50nm以下、幅100nm以上500nm以下の凹部が多数形成される。これにより、個別液室内の壁は、微細な凹凸形状となり、表面積が増大されてインクとの濡れ性が向上し、気泡の付着を防止することが出来る。   Moreover, the SEM photograph in the separate liquid chamber formed in this embodiment is shown in FIG. (A) is a photograph at 3000 times, and (b) is a photograph at 60000 times. As shown in FIG. 6, a large number of recesses having a depth of 10 nm to 50 nm and a width of 100 nm to 500 nm formed by etching of porous silicon oxide are formed in the individual liquid chambers. As a result, the walls in the individual liquid chamber have a fine uneven shape, the surface area is increased, the wettability with the ink is improved, and bubbles can be prevented from adhering.

(実施例2)
本実施例では、振動板上に吐出口を一体形成したヘッドを説明する。実施例1と同様の部分の説明は省略する。実施例1と同様の方法で、圧電体の形成までを行なう。その後、個別液室の端に対応する部分で圧電体を形成していない部分に、吐出口へ連通する連通部14を形成する。連通部14は、ICPまたはエッチングによって、振動板4を貫通して形成する(図7−a)。本実施例では、吐出口の直径は30μmで、連通部14もそれに対応して形成される。振動板4の下面は、多孔質酸化シリコン11なので、連通部14を形成する為のICPやエッチングは多孔質酸化シリコン11で停止し、精度良く貫通させることができる。
(Example 2)
In this embodiment, a head in which discharge ports are integrally formed on a diaphragm will be described. A description of the same parts as those in the first embodiment will be omitted. The piezoelectric material is formed by the same method as in the first embodiment. Thereafter, the communication portion 14 communicating with the discharge port is formed in a portion corresponding to the end of the individual liquid chamber where the piezoelectric body is not formed. The communication portion 14 is formed through the diaphragm 4 by ICP or etching (FIG. 7A). In the present embodiment, the diameter of the discharge port is 30 μm, and the communication portion 14 is formed correspondingly. Since the lower surface of the diaphragm 4 is the porous silicon oxide 11, ICP and etching for forming the communication portion 14 can be stopped at the porous silicon oxide 11 and penetrated with high accuracy.

次に吐出口(ノズル)を振動板上に形成する。従来の吐出口は、薄膜で脆弱な振動板上にオリフィスプレートを高精度に接合する必要があった為、製造が困難であった。一方、本実施例では、吐出口を振動板上に一体形成するため、薄膜で脆弱な振動板上であっても、容易に、かつ、高精度に吐出口を製造することが可能である。また、吐出口の長さ(深さ)も容易に設計変更可能である。吐出口はメッキまたは樹脂によって形成することができる。ただし、吐出口を構成する材料は、多孔質酸化シリコン11のエッチングに耐性があることが必要である。   Next, discharge ports (nozzles) are formed on the diaphragm. The conventional discharge port is difficult to manufacture because it is necessary to join the orifice plate with high precision on a diaphragm that is brittle with a thin film. On the other hand, in this embodiment, since the discharge port is integrally formed on the diaphragm, it is possible to manufacture the discharge port easily and with high accuracy even on a fragile diaphragm with a thin film. Also, the length (depth) of the discharge port can be easily changed in design. The discharge port can be formed by plating or resin. However, the material constituting the discharge port needs to be resistant to the etching of the porous silicon oxide 11.

(実施例2−1:メッキによる吐出口の形成)
吐出口をNiを用いて形成する。まず、連通部が形成された振動板4上に、吐出口形成部材が設けられる部分に対応して、シード層21を成膜し、パターニングした。シード層21はPt/Tiを用いた(図7−b)。次に、連通部14上に、吐出口となる型(吐出口の型)22をレジストで形成する(図7−c)。連通部14の下に多孔質酸化シリコン層11が存在するため、レジストにより吐出口の型22を形成できる。このレジストによる吐出口の型22により、電解メッキで精度良く吐出口形成部材23(オリフィスプレート)を形成することが可能になる。最後にNiを電流密度1A/dmで、295分電解メッキし、吐出口の長さが50μmのNiからなる吐出口形成部材23を得た(図7−d)。その後、吐出口の型22を除去した(図7−e)。これにより、標準偏差で10%の精度でNi吐出口23を形成できた。吐出口の形成後、実施例1と同様に多孔質部のエッチングを行い、個別液室2を形成した。
(Example 2-1: Formation of discharge port by plating)
The discharge port is formed using Ni. First, the seed layer 21 was formed and patterned on the diaphragm 4 in which the communication portion was formed, corresponding to the portion where the discharge port forming member was provided. The seed layer 21 was made of Pt / Ti (FIG. 7-b). Next, a mold (discharge port mold) 22 serving as a discharge port is formed on the communication portion 14 with a resist (FIG. 7C). Since the porous silicon oxide layer 11 exists under the communication portion 14, the discharge port mold 22 can be formed of a resist. The discharge port mold 22 made of resist makes it possible to accurately form the discharge port forming member 23 (orifice plate) by electrolytic plating. Finally, Ni was electroplated at a current density of 1 A / dm 2 for 295 minutes to obtain a discharge port forming member 23 made of Ni having a discharge port length of 50 μm (FIG. 7-d). Thereafter, the ejection port mold 22 was removed (FIG. 7E). As a result, the Ni discharge port 23 was formed with an accuracy of 10% with a standard deviation. After forming the discharge port, the porous portion was etched in the same manner as in Example 1 to form the individual liquid chamber 2.

(実施例2−2:樹脂による吐出口の形成)
実施例2−1ではメッキによる吐出口の形成を示したが、本実施例では、樹脂による吐出口の形成の例を示す。図7−fに、スピンコートあるいはロールコート等の塗布手段を用いて、50μmの厚みの樹脂層からなる吐出口を、形成する例を示す。連通部14の下の多孔質酸化シリコン層11は、厚みの精度良く樹脂層を形成する効果がある。
(Example 2-2: Formation of discharge port by resin)
In Example 2-1, the discharge port was formed by plating, but in this example, an example of the discharge port formed by resin is shown. FIG. 7F shows an example in which a discharge port made of a resin layer having a thickness of 50 μm is formed by using a coating means such as spin coating or roll coating. The porous silicon oxide layer 11 under the communication portion 14 has an effect of forming a resin layer with high thickness accuracy.

連通部が形成された振動板4上に、吐出口形成部材が設けられる部分に対応して、フォトリソグラフィによって、吐出口形成部材である樹脂層を形成して吐出口を形成した(図7−f)。この際、樹脂は、感光性樹脂として、エポキシ樹脂であるEHPE−3150(ダイセル化学工業(株)社製)脂環式エポキシ樹脂)を用いた。混合触媒として、熱硬化性のカチオン重合触媒である4、4’−ジ−t−ブチルジフェニルヨードニウムヘキサフルオロアンチモネート/銅トリフラートを用いた。エポキシ樹脂は、インクジェットヘッドの構造物として十分な機械的強度、基板に対する密着性、耐インク性を有している。   On the diaphragm 4 in which the communication portion is formed, a resin layer that is a discharge port forming member is formed by photolithography corresponding to a portion where the discharge port forming member is provided (FIG. 7-). f). In this case, EHPE-3150 (produced by Daicel Chemical Industries, Ltd.) alicyclic epoxy resin, which is an epoxy resin, was used as the photosensitive resin. As the mixed catalyst, 4,4'-di-t-butyldiphenyliodonium hexafluoroantimonate / copper triflate, which is a thermosetting cationic polymerization catalyst, was used. The epoxy resin has sufficient mechanical strength as a structure of the inkjet head, adhesion to the substrate, and ink resistance.

また、樹脂層を形成後、耐ドライエッチング層を用いてドライエッチングによって樹脂層に吐出口を形成することもできる。樹脂層上に、シリコン含有ポジ型レジストFH−SP(富士ハント(株)社製)を耐ドライエッチング層として、塗布し、フォトリソグラフィでパターニングして、吐出口を開口させた。その後、酸素プラズマエッチングで、吐出口の樹脂をエッチングする。   In addition, after forming the resin layer, a discharge port can be formed in the resin layer by dry etching using a dry etching resistant layer. On the resin layer, a silicon-containing positive resist FH-SP (manufactured by Fuji Hunt Co., Ltd.) was applied as a dry etching resistant layer and patterned by photolithography to open the discharge port. Thereafter, the resin at the discharge port is etched by oxygen plasma etching.

吐出口の形成後、実施例1と同様に多孔質部のエッチングを行い、個別液室2を形成した。   After forming the discharge port, the porous portion was etched in the same manner as in Example 1 to form the individual liquid chamber 2.

上述したように、成膜プロセスによる薄膜の振動板が可能なことから、本実施形態の液体吐出ヘッドは低電圧駆動ができる。さらに、コスト面においても高価なSOIウェーハを必要とせず、フッ酸による高選択比と高速エッチングによる工程時間の短縮化が可能であり、安価で高性能な液体吐出ヘッドが提供できる。   As described above, since the thin film diaphragm can be formed by the film forming process, the liquid discharge head of this embodiment can be driven at a low voltage. Furthermore, in terms of cost, an expensive SOI wafer is not required, the process time can be shortened by a high selectivity with hydrofluoric acid and high-speed etching, and an inexpensive and high-performance liquid discharge head can be provided.

多孔質シリコンの多孔度と熱酸化後の盛り上がり量を示したグラフGraph showing the porosity of porous silicon and the amount of swelling after thermal oxidation 本発明に適用可能な液吐出ヘッドの断面図Sectional view of a liquid discharge head applicable to the present invention 従来例として異方性エッチングで作成した液吐出ヘッドの断面図Sectional view of a liquid discharge head created by anisotropic etching as a conventional example 本発明に適用可能なの液体吐出ヘッドの製造工程を示す模式図(a)化成マスクの形成工程、(b)多孔質シリコンの形成工程、(c)振動板の形成工程、(d)圧電体の形成工程Schematic diagram showing a manufacturing process of a liquid discharge head applicable to the present invention (a) formation mask formation process, (b) porous silicon formation process, (c) vibration plate formation process, (d) piezoelectric body Formation process 図4と垂直な面で切断した断面図(a)吐出口の形成、(b)多孔質部のエッチングSectional view cut along a plane perpendicular to FIG. 4 (a) Formation of discharge port, (b) Etching of porous portion 本発明に適用可能な個別液室の内壁面を観察したSEM像(a)3000倍での観察、(b)60000倍での観察SEM image observing inner wall surface of individual liquid chamber applicable to the present invention (a) Observation at 3000 times, (b) Observation at 60000 times 振動板上への吐出口の形成工程(a)吐出口への連通部の形成、(b)メッキのシード層形成、(c)メッキの型形成、(d)メッキの吐出口形成、(e)メッキの型の除去、(f)樹脂の吐出口形成Step of forming discharge port on diaphragm (a) Formation of communication portion to discharge port, (b) Formation of plating seed layer, (c) Plating mold formation, (d) Plating discharge port formation, (e ) Plating mold removal, (f) Resin discharge port formation

符号の説明Explanation of symbols

1 単結晶シリコン基板
2 個別液室
3 側壁
4 振動板
5 下電極
6 圧電体
7 上電極
8 吐出口
9 窒化シリコン
10 多孔質シリコン
11 多孔質酸化シリコン
12 ポリシリコン
14 吐出口への連通部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Single crystal silicon substrate 2 Individual liquid chamber 3 Side wall 4 Diaphragm 5 Lower electrode 6 Piezoelectric body 7 Upper electrode 8 Discharge port 9 Silicon nitride 10 Porous silicon 11 Porous silicon oxide 12 Polysilicon 14 Communication part to discharge port

Claims (4)

吐出口に連通する個別液室と、該個別液室に対応して設けられた振動板と、液体を吐出する圧力を発生する圧電体素子と、を有し、前記個別液室内の液体を前記吐出口から吐出する液体吐出ヘッドであって、
前記個別液室の断面形状において、前記個別液室の側壁は、前記振動板側から離れる方向に向かって、前記側壁の傾きが漸減するような曲率を持つことを特徴とする液体吐出ヘッド。
An individual liquid chamber communicating with the discharge port; a diaphragm provided corresponding to the individual liquid chamber; and a piezoelectric element that generates a pressure for discharging the liquid, and the liquid in the individual liquid chamber is A liquid discharge head that discharges from a discharge port,
In the cross-sectional shape of the individual liquid chamber, the side wall of the individual liquid chamber has a curvature such that the inclination of the side wall gradually decreases in a direction away from the diaphragm side.
前記個別液室はP+型の単結晶シリコンで形成されることを特徴とする請求項2に記載の液体吐出ヘッド。   The liquid discharge head according to claim 2, wherein the individual liquid chamber is made of P + type single crystal silicon. 前記個別液室の内壁は、高さ10nm以上50nm以下、幅100nm以上500nm以下の凹凸形状を有することを特徴とする請求項2または3に記載の液体吐出ヘッド。   4. The liquid discharge head according to claim 2, wherein an inner wall of the individual liquid chamber has an uneven shape having a height of 10 nm to 50 nm and a width of 100 nm to 500 nm. 請求項1に記載の液体吐出ヘッドの製造方法であって、
前記個別液室となる部分に、多孔度80%以上90%以下の多孔質シリコンを陽極化成により形成する工程と、
前記多孔質シリコンを加熱して、多孔質酸化シリコンとする工程と、
前記多孔質酸化シリコン上に前記振動板を形成する工程と、
前記多孔質酸化シリコンを除去して前記個別液室を形成する工程と、
を含むことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
It is a manufacturing method of the liquid discharge head according to claim 1,
A step of forming anodized porous silicon having a porosity of 80% or more and 90% or less in a portion to be the individual liquid chamber;
Heating the porous silicon to form porous silicon oxide;
Forming the diaphragm on the porous silicon oxide;
Removing the porous silicon oxide to form the individual liquid chamber;
A method for manufacturing a liquid discharge head, comprising:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2014512673A (en) * 2011-03-08 2014-05-22 アライアンス フォー サステイナブル エナジー リミテッド ライアビリティ カンパニー Efficient black silicon photovoltaic device with improved blue sensitivity
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