JP2018051833A - ノズル基板、インクジェットプリントヘッドおよびノズル基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
この発明の目的は、インク吐出口の大きさが適切な大きさとなる、ノズル基板、インクジェットプリントヘッドおよびノズル基板の製造方法を提供することである。
この発明の一実施形態では、前記インク吐出口の直径は、前記インク吐出通路の横断面の直径の極小値よりも極大値に近い値である。
この発明の一実施形態では、前記半導体基板がシリコン基板であり、前記酸化膜が酸化シリコン膜であり、前記半導体膜がシリコン膜である。
この発明によるインクジェットプリントヘッドは、圧力室を含むインク流路を有するアクチュエータ基板と、前記圧力室上に配置されかつ前記圧力室の天面部を区画する可動膜を含む可動膜形成層と、前記可動膜上に形成された圧電素子と、前記アクチュエータ基板の前記可動膜側の表面とは反対側の表面に接着剤によって接合され、前記圧力室の底面部を区画し、前記圧力室に連通するノズル孔を有するノズル基板とを含む。当該ノズル基板は、前述のこの発明によるノズル基板であり、前記シリコン基板の第1表面が、前記アクチュエータ基板の前記可動膜側の表面とは反対側の表面に接合されている。
この発明の一実施形態では、前記凹部を形成する工程は、前記半導体基板の第1表面に前記凹部に対応する開口を有する第2レジストマスクを形成する工程と、前記第2レジストマスクをマスクとして、前記半導体基板をエッチングすることにより、前記半導体基板に第1凹部を形成する工程と、前記第1凹部側から前記酸化膜をエッチングすることにより、前記酸化膜に前記インク吐出通路と連通する第2凹部を形成する工程とを含む。
この発明の一実施形態では、前記インク吐出通路は、横断面が円形状である。
この発明の一実施形態では、前記半導体基板がシリコン基板であり、前記酸化膜が酸化シリコン膜であり、前記半導体膜がシリコン膜である。
図1は、この発明の一実施形態に係るインクジェットプリントヘッドの構成を説明するための図解的な平面図である。図2は、図1のA部を拡大して示す図解的な部分拡大平面図であって、保護基板を含む平面図である。図3は、図1のA部を拡大して示す図解的な部分拡大平面図であって、保護基板が省略された平面図である。図4は、図2のIV-IV線に沿う図解的な断面図である。図5は、図4のノズル孔を拡大して示す拡大断面図である。図6は、主としてインク吐出通路の断面形状を示す図5の部分拡大図である。図7は、図5の矢印VII-VIIから見た平面図である。図8は、図2のVIII-VIII線に沿う図解的な断面図である。図9は、図2のIX-IX線に沿う図解的な断面図である。
インクジェットプリントヘッド1は、アクチュエータ基板2および圧電素子9を含むアクチュエータ基板アセンブリSAと、ノズル基板3と、保護基板4とを備えている。以下において、アクチュエータ基板アセンブリSAを、基板アセンブリSAということにする。
ノズル基板3には、ノズル孔20が形成されている。ノズル孔20は、圧力室7に臨む凹部20aと、凹部20aの底面に形成されたインク吐出通路20bとからなる(図5〜図7も参照)。凹部20aは、シリコン基板30および酸化シリコン膜31を貫通し、その底部はシリコン膜32まで達している。インク吐出通路20bは、凹部20aの底壁を貫通しており、圧力室7とは反対側にインク吐出口20cを有している。凹部20aは、シリコン基板30を貫通する第1凹部20a1と、酸化シリコン膜31を貫通してインク吐出通路20bと連通する第2凹部20a2からなる。圧力室7の容積変化が生じると、圧力室7に溜められたインクは、インク吐出通路20bを通り、吐出口20cから吐出される。
可動膜形成層10の表面には、金属バリア膜8が形成されている。金属バリア膜8は、たとえば、Al2O3(アルミナ)からなる。金属バリア膜8の厚さは、50nm〜100nm程度である。金属バリア膜8の表面には、可動膜10Aの上方位置に、圧電素子9が配置されている。圧電素子9は、金属バリア膜8上に形成された下部電極11と、下部電極11上に形成された圧電体膜12と、圧電体膜12上に形成された上部電極13とを備えている。言い換えれば、圧電素子9は、圧電体膜12を上部電極13および下部電極11で上下から挟むことにより構成されている。
圧電体膜12としては、たとえば、ゾルゲル法またはスパッタ法によって形成されたPZT(PbZrxTi1−xO3:チタン酸ジルコン酸鉛)膜を適用することができる。このような圧電体膜12は、金属酸化物結晶の焼結体からなる。圧電体膜12は、上部電極13と平面視で同形状に形成されている。圧電体膜12の厚さは、1μm程度である。可動膜10Aの全体の厚さは、圧電体膜12の厚さと同程度か、圧電体膜12の厚さの2/3程度とすることが好ましい。前述の金属バリア膜8は、主として圧電体膜12から金属元素(圧電体膜12がPZTの場合には、Pb,Zr,Ti)が抜け出すことを防止し、圧電体膜12の圧電特性を良好に保つとともに、圧電体膜12の成膜時に、可動膜10Aに金属が拡散するのを防止する。金属バリア膜8は、圧電体膜12の水素還元による特性劣化を防止する機能も有している。
水素バリア膜14上に、絶縁膜15が積層されている。絶縁膜15は、たとえば、SiO2、低水素のSiN等からなる。絶縁膜15の厚さは、500nm程度である。絶縁膜15上には、上部配線17および下部配線18(図2、図9参照)が形成されている。これらの配線は、Al(アルミニウム)を含む金属材料からなっていてもよい。これらの配線の厚さは、たとえば、1000nm(1μm)程度である。
パッシベーション膜21には、上部配線17の一部を露出させるパッド開口35が形成されている。パッド開口35は、圧力室7の外方領域に形成されており、たとえば、上部配線17の先端部(上部電極13へのコンタクト部の反対側端部)に形成されている。パッシベーション膜21上には、パッド開口35を覆う上部電極用パッド42が形成されている。上部電極用パッド42は、パッド開口35に入り込み、パッド開口35内で上部配線17に接続されている。下部配線18に対しても、下部電極用パッド43(図2、図9参照)が設けられているが、下部電極用パッド43については後述する。
図1に示すように、インクジェットプリントヘッド1の平面視形状は、前後方向に長い長方形状である。この実施形態では、アクチュエータ基板2、保護基板4およびノズル基板3の平面形状および大きさは、インクジェットプリントヘッド1の平面形状および大きさとほぼ同じである。
図2および図3に示すように、アクチュエータ基板2には、圧電素子9毎に、インク流路5(圧力室7)が形成されている。したがって、アクチュエータ基板2には、平面視において、前後方向に間隔をおいてストライプ状に配列された複数のインク流路5(圧力室7)からなるインク流路列(圧力室列)が、左右方向に間隔をおいて2列分設けられている。
パッシベーション膜21には、上部配線17の先端部表面の中央部を露出させる上部電極用パッド開口35が形成されている。パッシベーション膜21上に、上部電極用パッド開口35を覆うように上部電極用パッド42が設けられている。上部電極用パッド42は、上部電極用パッド開口35内で上部配線17に接続されている。左側の圧電素子列内の複数の圧電素子9に対応する複数の上部電極用パッド42は、図1に示すように、平面視で、左側の圧電素子列の左側において、前後方向に一列状に並んで配置されている。また、右側の圧電素子列内の複数の圧電素子9に対応する複数の上部電極用パッド42は、平面視で、右側の圧電素子列の右側において、前後方向に一列状に並んで配置されている。
図1、図2および図4に示すように、保護基板4には、左側のインク流路列に対する複数のインク供給用貫通孔22に連通する複数のインク供給路53(以下、「第1のインク供給路53」という場合がある)と、右側のインク流路列に対する複数のインク供給用貫通孔22に連通する複数のインク供給路53(以下、「第2のインク供給路53」という場合がある)とが形成されている。第1のインク供給路53は、平面視において、保護基板4の幅中央に対して左側にずれた位置に、前後方向に間隔をおいて1列状に配置されている。第2のインク供給路53は、平面視において、保護基板4の幅中央に対して右側にずれた位置に、前後方向に間隔をおいて1列状に配置されている。インク供給路53は、平面視において、アクチュエータ基板2側のインク供給用貫通孔22と同じパターンの円形状である。インク供給路53は、平面視でインク供給用貫通孔22に整合している。
図4、図8および図12に示すように、保護基板4の対向面51には、各圧電素子列内の圧電素子9に対向する位置に、それぞれ収容凹所52が形成されている。各収容凹所52に対してインク流通方向41の上流側にインク供給路53が配置され、下流側に開口部54が配置されている。各収容凹所52は、平面視において、対応する圧電素子9の上部電極13のパターンよりも少し大きな矩形状に形成されている。そして、各収容凹所52に、対応する圧電素子9が収容されている。
この実施形態では、絶縁膜15およびパッシベーション膜21は、アクチュエータ基板2上において、平面視で保護基板4の収容凹所52の外側領域のほぼ全域に形成されている。ただし、この領域において、絶縁膜15には、インク供給用貫通孔22およびコンタクト孔34が形成されている。この領域において、パッシベーション膜21には、インク供給用貫通孔22、パッド開口35,36が形成されている。
図13は、アクチュエータ基板の元基板としての半導体ウエハの平面図であり、一部の領域を拡大して示してある。
アクチュエータ基板2の元基板としての半導体ウエハ(アクチュエータウエハ)100は、例えばシリコンウエハからなる。アクチュエータウエハ100の表面100aは、アクチュエータ基板の表面2aに対応している。アクチュエータウエハ100の表面100aには、複数の機能素子形成領域101がマトリクス状に配列されて設定されている。隣接する機能素子形成領域101の間には、スクライブ領域(境界領域)102が設けられている。スクライブ領域102は、ほぼ一定の幅を有する帯状の領域であり、直交する二方向に延びて格子状に形成されている。スクライブ領域102には、切断予定線103が設定されている。アクチュエータウエハ100に対して必要な工程を行うことにより、インク流路5は形成されていないが、各機能素子形成領域101上に基板アセンブリSAの構成が形成された基板アセンブリ集合体(SA集合体)110が作成される。
図14A〜図14Mは、インクジェットプリントヘッド1の製造工程を示す断面図であり、図4の切断面に対応する断面図である。
まず、図14Aに示すように、アクチュエータウエハ100を用意する。ただし、アクチュエータウエハ100としては、最終的なアクチュエータ基板2の厚さよりも厚いものが用いられる。そして、アクチュエータウエハ100の表面100aに可動膜形成層10が形成される。具体的には、アクチュエータウエハ100の表面100aに酸化シリコン膜(たとえば、1.2μm厚)が形成される。可動膜形成層10が、シリコン膜と酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との積層膜で構成される場合には、アクチュエータ基板2の表面にシリコン膜(たとえば0.4μm厚)が形成され、シリコン膜上に酸化シリコン膜(たとえば0.4μm厚)が形成され、酸化シリコン膜上に窒化シリコン膜(たとえば0.4μm厚)が形成される。
次に、圧電体膜12の材料である圧電体材料膜72が下部電極膜71上の全面に形成される。具体的には、たとえば、ゾルゲル法によって1μm〜3μm厚の圧電体材料膜72が形成される。このような圧電体材料膜72は、金属酸化物結晶粒の焼結体からなる。
次に、図14Gに示すように、絶縁膜15の表面に各配線17,18を覆うパッシベーション膜21が形成される。パッシベーション膜21は、例えば、SiNからなる。パッシベーション膜21は、例えば、プラズマCVDによって形成される。
次に、図14Lに示すように、アクチュエータウエハ100を薄くするための裏面研削が行われる。アクチュエータウエハ100が裏面100bから研磨されることにより、アクチュエータウエハ100が薄膜化される。たとえば、初期状態で670μm厚程度のアクチュエータウエハ100が、300μm厚程度に薄型化されてもよい。この後、アクチュエータウエハ100の裏面100b側に、フォトリソグラフィによってインク流路5(インク流入部6および圧力室7)に対応した開口を有するレジストマスクが形成され、このレジストマスクをマスクとして、アクチュエータウエハ100が裏面100bからエッチングされる。これにより、アクチュエータウエハ100に、インク流路5(インク流入部6および圧力室7)が形成される。
この後、図14Mに示すように、ノズル基板集合体150がアクチュエータウエハ100の裏面100bに張り合わされる。この際、ノズル基板集合体150におけるシリコン膜142の表面には、粘着面を有する支持テープ143が貼着される。これにより、基板アセンブリ集合体110と、保護基板集合体130と、ノズル基板集合体150とからなり、支持テープ143が貼着されたインクジェットプリントヘッド集合体170が得られる。この後、支持テープ143が貼着された状態で、インクジェットプリントヘッド集合体170が、保護基板集合体130側から、切断予定線103に沿ってダイシングブレードにより切断される。ただし、支持テープ143は切断されない。これにより、インクジェットプリントヘッド集合体170が、複数のインクジェットプリントヘッド1に個片化される。ただし、個片化された複数のインクジェットプリントヘッド1は、支持テープ143に貼着された状態となる。
まず、図15Aに示すように、第1表面140aおよび第2表面140bを有するシリコンウエハ(ノズルウエハ)140と、シリコンウエハ140の第2表面140bに形成された酸化シリコン膜(酸化膜)141と、酸化シリコン膜141の表面に形成されたシリコン膜(半導体膜)142とを含む積層膜が用意される。このような積層膜としては、SOI(Silicon on Insulator)ウエハを用いることができる。
次に、図15Cに示すように、エッチングガスを変更して、酸化シリコン膜141をエッチングすることにより、インク吐出通路20bに連通する連通孔20dを酸化シリコン膜141に形成する。
図16A〜図16Eを参照して、図15Bのインク吐出通路20bを形成する工程の詳細について説明する。なお、図16A〜図16Eは、図15Bに対して上下が反対である。
次に、図16Cに示すように、シリコンウエハ140、酸化シリコン膜141およびシリコン膜142からなる積層膜にバイアスをかけた状態で、エッチングが所定時間だけ行われることにより、側壁保護膜148の底面部が除去される。エッチングガスは、前述のエッチングガスと同じである。
次に、図16B〜図16Cの工程と同様な工程(側壁保護膜の形成、側壁保護膜の底面部の除去およびシリコン膜のエッチング)が、少なくとも1サイクル分行われる。この実施形態では、説明の便宜上、図16B〜図16Cの工程と同様な工程が1サイクル分のみ行われるとしている。ただし、実際には、図16B〜図16Cの工程と同様な工程が、数十サイクル分行われることが多い。この後、アッシング処理によって、レジストマスク147および側壁保護膜148が除去される。これにより、図16Eに示すように、シリコン膜142を貫通し、酸化シリコン膜141に達するインク吐出通路20bが形成される。
まず、図17Aに示すように、シリコン膜142の酸化シリコン膜141側とは反対側の表面にインク吐出通路20bに対応する開口147aを有するレジストマスク147が形成される。そして、レジストマスク147の表面および開口147aの内面(側面および底面)を覆うように側壁保護膜(デポジション膜)148が形成される。
ボッシュプロセスにおいて最初のエッチング開始時には、側壁保護膜148のデポジション・レートが高く、側壁保護膜148のエッチングレートが低い。このため、側壁保護膜148の底面部を除去するための最初のエッチング工程において、レジストマスク147の開口147aの底面上の側壁保護膜(シリコン膜142の表面上の側壁保護膜)148が完全に除去されずに、一部が残るといったことが起こりやすい。側壁保護膜148の底面部を除去するための最初のエッチング工程において、レジストマスク147の開口147aの底面上の側壁保護膜148が完全に除去された場合を正常時といい、レジストマスク147の開口147aの底面上の側壁保護膜148が完全に除去されない場合を異常時ということにする。
次に、図17Cに示すように、シリコン膜142に対するエッチングが所定時間だけ行われる。このエッチングによって、レジストマスク147の開口147aの底面上に残っていた側壁保護膜148の薄膜が除去されるとともに、シリコン膜142もエッチングされる。しかしながら、シリコン膜142のエッチング量は、正常時に比べて減少する。つまり、シリコン膜142に最初に形成される凹部の直径および深さが、正常時に比べて小さくなる。正常時においてシリコン膜142に最初に形成される凹部の底面を一点鎖線Cで示す。
次に、図17Eに示すように、積層膜にバイアスをかけた状態で、エッチングが所定時間だけ行われることにより、側壁保護膜148の底面部が除去される。
次に、図17Fに示すように、側壁保護膜148から露出したシリコン膜142のエッチングが所定時間だけ行われる。
以上、この発明の実施形態について説明したが、この発明はさらに他の実施形態で実施することもできる。例えば、図15Cの第1凹部20a1を形成する工程においても、図15Bのインク吐出通路20bを形成する工程と同様な方法を用いて、第1凹部20a1を形成してもよい。
また、前述の実施形態では、水素バリア膜14の表面の一部に絶縁膜15が形成されているが、水素バリア膜14の表面の全域に絶縁膜15が形成されていてもよい。
また、前述の実施形態では、圧電体膜の材料としてPZTを例示したが、そのほかにも、チタン酸鉛(PbPO3)、ニオブ酸カリウム(KNbO3)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)などに代表される金属酸化物からなる圧電材料が適用されてもよい。
2 アクチュエータ基板
2a 表面
2b 裏面
3 ノズル基板
4 保護基板
5 インク流路
6 インク流入部
7 圧力室(キャビティ)
8 金属バリア膜
9 圧電素子
10 可動膜形成層
10A 可動膜
11 下部電極
11A 主電極部
11B 延長部
12 圧電体膜
13 上部電極
14 水素バリア膜
15 絶縁膜
17 上部配線
18 下部配線
20 ノズル孔
20a 凹部
20a1 第1凹部
20a2 第2凹部
20b インク吐出通路
20c インク吐出口
21 パッシベーション膜
22 インク供給用貫通孔
23 貫通孔(下部電極)
30 シリコン基板
31 酸化シリコン膜
32 シリコン膜
33 コンタクト孔(上部配線)
34 コンタクト孔(下部配線)
35 パッド開口(上部配線)
36 パッド開口(下部配線)
37 開口(絶縁膜およびパッシベーション膜)
41 インク流通方向
42 上部電極用パッド
43 下部電極用パッド
50 接着剤
51 対向面
52 収容凹所
53 インク供給路
54 開口部
71 下部電極膜
72 圧電体材料膜
73 上部電極膜
100 アクチュエータウエハ
100a 表面
100b 裏面
101 機能素子形成領域
102 スクライブ領域
103 切断予定線
110 基板アセンブリ集合体
130 保護基板集合体
140 ノズルウエハ
141 酸化シリコン膜
142 シリコン膜
143 支持テープ
147 レジストマスク
147a 開口
150 ノズル基板集合体
170 インクジェットプリントヘッド集合体
SA 基板アセンブリ
Claims (11)
- 厚さ方向に貫通するノズル孔を有するノズル基板であって、
前記ノズル基板は、第1表面および第2表面を有する半導体基板と、前記半導体基板の前記第2表面に形成された酸化膜と、前記酸化膜の表面に形成された半導体膜とを含み、
前記ノズル孔は、前記半導体基板の第1表面に形成されかつ前記半導体基板を貫通する凹部と、前記凹部の底面に形成され、前記凹部の底壁を貫通する横断面円形状のインク吐出通路とからなり、
前記インク吐出通路は、その直径が深さ方向に周期的に変化しており、その前記凹部側とは反対側の開口端であるインク吐出口の直径は、前記インク吐出通路の直径の極小値と極大値の平均値よりも大きい、ノズル基板。 - 前記インク吐出口の直径は、前記インク吐出通路の横断面の直径の極小値よりも極大値に近い値である、請求項1に記載のノズル基板。
- 前記凹部は、横断面が円形状である、請求項1または2に記載のノズル基板。
- 前記半導体基板がシリコン基板であり、
前記酸化膜が酸化シリコン膜であり、
前記半導体膜がシリコン膜である、請求項1〜3のいずれか一項に記載のノズル基板。 - 圧力室を含むインク流路を有するアクチュエータ基板と、
前記圧力室上に配置されかつ前記圧力室の天面部を区画する可動膜を含む可動膜形成層と、前記可動膜上に形成された圧電素子と、
前記アクチュエータ基板の前記可動膜側の表面とは反対側の表面に接着剤によって接合され、前記圧力室の底面部を区画し、前記圧力室に連通するノズル孔を有するノズル基板とを含み、
当該ノズル基板は、請求項1〜4のいずれか一項に記載の前記ノズル基板であり、前記シリコン基板の第1表面が、前記アクチュエータ基板の前記可動膜側の表面とは反対側の表面に接合されている、インクジェットプリントヘッド。 - 前記圧電素子を覆うように前記アクチュエータ基板に接着剤によって接合される保護基板をさらに含み、
前記保護基板は、前記アクチュエータ基板側に向かって開口しかつ前記圧電素子を収容する収容凹所と、平面視において前記収容凹所の一端の外方に形成され、前記インク流路の一端部に連通するインク供給路とを有している、請求項5に記載のインクジェットプリントヘッド。 - 第1表面および第2表面を有する半導体基板と、前記半導体基板の前記第2表面に形成された酸化膜と、前記酸化膜における前記半導体基板とは反対側の表面に形成された半導体膜とを含む積層膜を用意する工程と、
前記積層膜の前記半導体膜側から前記半導体膜を貫通し、前記酸化膜に達するインク吐出通路を形成する工程と、
前記積層膜の前記半導体基板の第1表面側から前記半導体基板および前記酸化膜を貫通し、前記インク吐出通路と連通する凹部を形成する工程とを含み、
前記インク吐出通路を形成する工程は、
前記半導体膜の表面に前記インク吐出通路に対応する開口を有する第1レジストマスクを形成する第1工程と、
前記第1レジストマスクをマスクとして、前記半導体膜をエッチングする第2工程と、
エッチング面に側壁保護膜を形成する第3工程と、
前記側壁保護膜の底面部を除去する第4工程と、
前記側壁保護膜から露出した半導体膜をエッチングする第5工程と、
前記第5工程の後に、前記第3工程、第4工程および第5工程と同様な工程を少なくとも1サイクル分行った後に、前記第1レジストマスクおよび前記側壁保護膜を除去する工程とを含む、ノズル基板の製造方法。 - 前記凹部を形成する工程は、前記半導体基板の第1表面に前記凹部に対応する開口を有する第2レジストマスクを形成する工程と、
前記第2レジストマスクをマスクとして、前記半導体基板をエッチングすることにより、前記半導体基板に第1凹部を形成する工程と、
前記第1凹部側から前記酸化膜をエッチングすることにより、前記酸化膜に前記インク吐出通路と連通する第2凹部を形成する工程とを含む、請求項7に記載のノズル基板の製造方法。 - 前記凹部は、横断面が円形状である、請求項7または8に記載のノズル基板の製造方法。
- 前記インク吐出通路は、横断面が円形状である、請求項7〜9のいずれか一項に記載のノズル基板の製造方法。
- 前記半導体基板がシリコン基板であり、
前記酸化膜が酸化シリコン膜であり、
前記半導体膜がシリコン膜である、請求項7〜10のいずれか一項に記載のノズル基板。
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