JP3539126B2

JP3539126B2 - Method of manufacturing inkjet head

Info

Publication number: JP3539126B2
Application number: JP10230497A
Authority: JP
Inventors: 克治荒川; 里志藤沢
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1997-04-18
Filing date: 1997-04-18
Publication date: 2004-07-07
Anticipated expiration: 2017-04-18
Also published as: JPH10291322A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、記録を必要とする時にのみインク液滴を吐出し、記録紙面に付着させるインクジェットヘッド記録装置の主要部であるインクジェットヘッドの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェット記録装置は、記録時の騒音が極めて小さいこと、高速印字が可能であること、インクの自由が高く安価な普通紙を使用できることなど多くの利点を有する。この中でも記録が必要な時にのみインク液滴を吐出する、いわゆるインク・オン・デマンド方式が、記録に不要なインク液滴の回収を必要としないため現在主流となっている。
【０００３】
このインク・オン・デマンド方式のインクジェットヘッド記録装置には、インクを吐出させる方法として、駆動手段に静電気力を利用したインクジェットヘッド記録装置（特開平６−７１８８２号公報）があり、この方式は小型高密度・高印字品質及び長寿命とあるという利点を有している。
【０００４】
この静電気力を駆動力とするインクジェットヘッドにおいては、振動板の機械的変形特性はインク吐出特性に大きく影響し、振動板の厚みを高精度に制御する必要がある。そこで、振動板をＳｉ基板をエッチングして形成する手段として、特開平６−７１８８２号公報にあるように、エッチングストップ技術を用いてＰ型不純物層のエッチング速度が遅いことを利用し、Ｐ型不純物層のみをエッチングにより残留せしめて、振動板となるＳｉ薄膜を高精度に形成する方法が取られるようになってきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、振動板を形成したＳｉ基板を、絶縁膜形成のため熱酸化した後、ヘッドに組み立てて圧力室内にインクを注入すると、熱酸化処理によって振動板に微小なピンホールが発生し、振動板を透過したインクが静電駆動に必要な振動板と対向電極のギャップに侵入し、駆動が不可能になるという課題があった。したがって、本発明の目的は、振動板からインク漏れを発生しないインクジェットヘッドの製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のインクジェットヘッドの製造方法は、インク液滴を吐出する単一または複数のノズル孔と、該ノズル孔の各々に連結する吐出室と、該吐出室の少なくとも一方の壁を構成する振動板と、該振動板に変形を生じさせる駆動手段とを備え、前記駆動手段が前記振動板を静電気力に変形させる電極からなり、該振動板が形成される基板がＳｉ基板であるインクジェットヘッドにおいて、該Ｓｉ基板の最終工程である熱酸化工程での酸化温度を摂氏１０８０度以下として酸化温度を最適化することで、酸化による振動板欠陥の発生を抑えることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明のインクジェットヘッドの製造方法は、インク液滴を吐出する単一または複数のノズル孔と、該ノズル孔の各々に連結する吐出室と、該吐出室の少なくとも一方の壁を構成する振動板と、該振動板に変形を生じさせる駆動手段とを備え、前記駆動手段が前記振動板を静電気力に変形させる電極からなり、該振動板が形成される基板がＳｉ基板であるインクジェットヘッドにおいて、該Ｓｉ基板の最終工程である熱酸化工程後、該Ｓｉ基板表面に酸化物、窒化物あるいは金属の薄膜を形成し、熱酸化処理によって発生した振動板のピンホールを塞ぐことを特徴とする。また、Ｓｉ基板表面に形成する酸化物の薄膜の材質が酸化ケイ素、酸化チタン、酸化クロムであり、窒化物の薄膜の材質が窒化ケイ素、窒化チタンであり、金属の薄膜の材質がチタン、金、白金であることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な例を図面に基づいて詳細に説明する。
【０００９】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例に関わるインクジェットヘッドの分解斜視図で、一部断面図で示してある。本実施例はインク液滴をインクジェットヘッドの端部に設けたノズル孔から吐出させるフェイスインクジェットタイプの例を示すものである。図２は組み立てられた全体装置の側面の断面図、図３は図２のＡ−Ａ’線矢視図である。本実施例のインクジェットヘッドは、下記に詳記する構造を持つ３枚の基板１・２・３を重ねて接合した積層構造となっている。
【００１０】
中間の第１の基板１は、Ｓｉ基板であり、底壁を振動板５とする吐出室６を構成することになる凹部７と、凹部７の後部に設けられたオリフィス８を構成することになるインク流入口のための細溝９と、各々の吐出室６にインクを供給するための共通のインクキャビティ１０を構成することになる凹部１１を有する。第１の基板の全面に、熱酸化により酸化膜を０．１１ミクロン形成し絶縁膜としている。これは、インクジェット駆動時の絶縁破壊、ショートを防止するためである。
【００１１】
第１の基板１の下面に接合される第2の基板２は、ホウケイ酸ガラスを使用し、この基板２に電極１５を装着するための凹部１４を０．３ミクロンエッチングすることにより、振動板５とこれに対向して配置させる電極１５との対向間隔、すなわちギャップＧを形成している。この凹部１４はその内部に電極１５、リード部１６及び端子１７を装着できるように電極部形状に類似したやや大きめの形状にパターン形成している。電極は凹部１４内にＩＴＯを０．１ミクロンスパッタし、ＩＴＯパターンを形成することで作製する。したがって、本実施例における第１の基板１と第２の基板２を陽極接合した後のギャップＧは、０．２ミクロンとなっている。
【００１２】
また、第１の基板の上面に接合される第３の基板３には、厚さ１００ミクロンのＳｉ基板を用い、基板３の面部に、吐出室６用の凹部７と連結するようにそれぞれノズル孔１２を設け、またインクキャビティ１０用の凹部１１と連通するようにインク供給口１３を設ける。
【００１３】
上記のように構成されたインクジェットヘッドの動作を説明する。電極１５に発信回路２３により０Ｖから３５Ｖのパルス電極を印加し、電極１５の表面がプラスに帯電すると、対応する振動板５の下面はマイナス電位に帯電する。したがって、振動板５は静電気の吸引作用により下方へたわむ。次に、電極１５をＯＦＦにすると、振動板５は復元する。そのため、吐出室６内の圧力が急激に上昇し、ノズル孔１２よりインク液滴２１を記録紙２２に向けて吐出する。次に、振動板５が再び下方へたわむことにより、インクがインクキャビティ１０よりオリフィス８を通じて吐出室６内に補給される。なお、基板１と発信回路２３との接続は、ドライエッチングにより基板１の１部に開けた酸化膜の窓（図示せず）において行う。また、インクジェットヘッドへのインクの供給は、第３の基板３に設けたインク供給口１３により行う。
【００１４】
本実施例のインクジェットヘッドにおける振動板は、高濃度Ｐ型不純物層であって、高濃度Ｐ型不純物層は、所望の振動板厚と同じだけの厚さを有している。アルカリ水溶液によるＳｉエッチングにおけるエッチングレートは、ドーパントがボロンの場合、高濃度（約５×１０^１９ｃｍ^−３以上）の領域において、エッチングレートが非常に小さくなる。このことを利用し、振動板形成領域を高濃度ボロンドープ層とし、アルカリ異方性エッチングにより、吐出室、インクキャビティを形成する際に、ボロンドープ層が露出した時点でエッチングレートが極端に小さくなる、いわゆるエッチストップ技術によって、振動板は所望の板厚に作製される。
【００１５】
本実施例におけるインクジェットヘッドの第１の基板１の製造方法を、図４の第１の基板の拡散工程図、および図５の第１の基板のエッチング工程図において、Ｂ_２Ｏ_３を不純物拡散源として、厚さ２ミクロンの振動板を形成する場合について詳細に説明する。
【００１６】
まず、（１１０）を面方位とするＳｉ基板４１の両面を鏡面研磨し、１８０ミクロンの厚みの基板を作製する（図４（ａ））。Ｓｉ基板４１を、熱酸化炉にセットし、酸素および水蒸気雰囲気中で摂氏１１００度、４時間で熱酸化処理を施し、Ｓｉ基板４１表面に酸化膜４２を１．２ミクロン成膜する（図４（ｂ））。次いで、ボロンドープ層を形成する面４３の酸化膜４２を剥離するため、Ｓｉ基板４１のボロンドープ層を形成する面４３の反対の面４４にレジストをコートし、レジストを保護膜としてボロンドープ層を形成する面４３の酸化膜４２をふっ酸水溶液にてエッチング除去し、レジストを剥離する（図４（ｃ））。拡散源となるＢ_２Ｏ_３を有機溶剤中に３．１５ｗｔ％を分散した拡散剤４５を、酸化膜を除去したボロンドープ層を形成する面４３に２０００ｒｐｍ、１分間の条件でスピンコーティングし、クリーンオーブン中で摂氏１４０度の温度で３０分間ベークする（図４（ｄ））。このとき拡散剤４５の厚みは１．２ミクロンとなる。拡散剤４５をコーティングしたＳｉ基板４１を熱酸化炉にセットし、酸素雰囲気中、摂氏６００度の条件で加熱し、拡散剤４５中の有機バインダーを酸化除去しＢ_２Ｏ_３を焼成する。引き続き炉内を窒素雰囲気にし、温度を摂氏１１００度に上昇させ、そのまま温度を１２時間保持し、ボロンをＳｉ基板中に拡散させ、ボロンドープ層４６を形成する。このとき、拡散剤４５（Ｂ_２Ｏ_３）とＳｉ基板４１表面ボロンドープ層４６の界面にボロン化合物４７が形成されている（図４（ｅ））。ボロンドープ層４６を形成した面の反対側にレジストをコートし、拡散剤４５をふっ酸水溶液によりエッチング除去する（図４（ｆ））。Ｓｉ基板４１表面に現れたボロン化合物４７は耐エッチング性が高く、ウェットエッチングによる除去が不可能なため、次のような手段をとる。まず、Ｓｉ基板４１のレジストを剥離した後、Ｓｉ基板４１を酸化炉にセットし、酸素および水蒸気雰囲気、摂氏６００度の条件でボロン化合物４７を１時間酸化し、ふっ酸水溶液によるエッチングが可能なＢ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２に化学変化させる。なお、酸化の温度が低いため、拡散が進行することはなく、ボロン化合物４７を酸化せずドライエッチングで除去することも可能である。拡散面のボロン化合物４７を酸化してＢ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２に化学変化させた状態でさらに熱酸化して、ボロンドープ層側に１．２ミクロンの酸化膜４８を形成する（図４（ｇ））。続けて、酸化膜側に吐出室、インクキャビティを作り込むためのレジストパターニングを施し、ふっ酸水溶液でエッチングし酸化膜４２をパターニングする。そして前記基板のレジストを剥離する（図４（ｈ））。
【００１７】
以上が、高濃度ボロンドープ層４６の形成を塗布法で実施した場合であり、他の高濃度のドープ層を形成する手段として、ボロン拡散板をＳｉ基板に対向させて熱拡散を行う方法がある。
【００１８】
次に、エッチングによる振動板の作製方法を説明する。
【００１９】
ボロンドープ層４６が形成され、酸化膜４２をパターニングされているＳｉ基板４１（図５（ａ））を３５ｗｔ％水酸化カリウム水溶液で、エッチングがボロンドープ層に達する直前（残り１０ミクロン程度）まで行う（図５（ｂ））。このとき、エッチング面５１の平滑性が保たれる。次に、高濃度ボロンドープ層４６でのエッチングストップ性が高い５ｗｔ％水酸化カリウム水溶液で、Ｓｉ基板４１のエッチングを継続してエッチングストップさせる（図５（ｃ））。しかし、５ｗｔ％水酸化カリウム水溶液のような低濃度のエッチング液では、エッチング面の面粗れが大きく、エッチングストップの効果があるにも関らず振動板表面のエッチング面５２に若干の面粗れが残る。さらに、エッチングストップ状態からのエッチングを継続し、所定の振動板厚みになるまでエッチングすると、エッチングストップの効果によってエッチング面５３の面粗れが減少する（図５（ｄ））。以上の工程により、厚み精度が２±０．０２５ミクロンにすることができる
前記のように作製した振動板において、熱酸化処理によって１基板の全振動板に対してピンホールが発生した割合、すなわち振動板不良率の調査方法を図６の検査サンプルの断面図で説明する。また、酸化温度による不良率の変化を図７の酸化温度と振動板不良率の関係を示すグラフにより説明する。
【００２０】
振動板を形成したＳｉ基板４１を、酸素雰囲気中で酸化温度を摂氏１０００度から１１００度に変化させて、酸化膜厚が０．１１ミクロンになるように酸化時間を調整し、熱酸化処理を行い、酸化膜４２を形成した試験用サンプルを作製する。この試験用サンプルを図６（ａ）のように厚み１ｍｍのホウケイ酸ガラス６０に大気中で接合温度摂氏３８０度、接合電圧８００Ｖの条件で陽極接合する。接合温度摂氏３８０度の状態で、吐出室６１内の空気はＳｉ基板４１とホウケイ酸ガラス６０の接合により密閉状態となる。この状態で接合されたＳｉ基板４１とホウケイ酸ガラス６０が、室温まで冷却されると、吐出室６１内は密閉状態にあるため、吐出室６１内の空気の体積の収縮により吐出室６１内の圧力は低下する。この圧力の低下量は、振動板変形による体積変化は吐出室６１全体の体積に比べて小さいため、ボイルーシャルルの法則から求められる次式から接合時の圧力を１気圧とすると、吐出室内の圧力は０．４５気圧であり、圧力の低下量は０．５５気圧である。
【００２１】
Ｐ_１ ×Ｖ_１／Ｔ_１＝Ｐ_２ ×Ｖ_２／Ｔ_２
Ｖ_１＝Ｖ_２と仮定できるため、

接合直後の吐出室の圧力、体積、温度：
Ｐ_１、Ｖ_１、Ｔ_１（＝２７３＋３８０℃）
冷却後の吐出室の圧力、体積、温度：
Ｐ_２、Ｖ_２、Ｔ_２（＝２７３＋２５℃）
振動板にピンホールがなく正常ならば、図６（ｂ）のように振動板６２は吐出室６３の圧力低下により吐出室側に変形する。逆に、振動板６４にピンホールがあると、ピンホール欠陥部６６より吐出室６５に空気が流入するため、吐出室６５内の圧力低下が起こらず振動板６４は変形しない。接合後の振動板の様子をノルマンスキー干渉計を備えた金属顕微鏡で観察することにより、振動板変形の有無を確認でき、変形の無い振動板、すなわちピンホールのある振動板数をカウントして、１基板におけるピンホールの発生した振動板の割合、すなわち振動板不良率を算出する。
【００２２】
以上のように求めた熱酸化処理における酸化温度と振動板不良率の関係をまとめると図７のようなグラフになる。この結果から、酸化温度摂氏１０８０度以下では、振動板不良率は０％となり、酸化温度摂氏１０８０度以下の条件において振動板のピンホールをなくせる。
【００２３】
（実施例２）
本発明第２の実施例におけるＳｉ基板表面に酸化物、窒化物、金属の薄膜を形成する場合について図８の第１の基板の断面図で説明する。
【００２４】
インクジェットヘッド駆動に必要な絶縁膜として酸化膜の形成は必須であり、耐電圧の問題により酸化温度を１０８０℃以上の高温で行わなけらばならない場合がある。そのような場合、まず熱酸化処理によりＳｉ基板４１表面に酸化膜４２を形成する（図８（ａ））。吐出室６側の酸化膜４２の表面に酸化ケイ素、窒化ケイ素、チタン、窒化チタン、酸化クロム、金、白金などを０．１ミクロンの厚みに成膜する。これらの膜は、インクに接してもインクによって腐食されることがなく、振動板に存在する微小なピンホールを塞ぐことができる。成膜手段として、スパッタ、ＣＶＤが適しており、スパッタにより酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、チタン、窒化チタン、酸化クロム、金、白金が形成でき、ＣＶＤにおいては酸化ケイ素、窒化ケイ素、チタン、窒化チタンが成膜できる。
【００２５】
一方、振動板の変形は、駆動ギャップの変化となり、吐出特性が安定しない原因となる。したがって、保護膜の選定にあっては保護膜の応力による振動板の変形に留意しなければならず、上記の保護膜については、厚み０．１ミクロン以下では、その応力による変形量は、許容量０．０５ミクロン以下であった。なお、変形量はレーザー干渉計により測定し求めている。
【００２６】
以上に説明したように、Ｓｉ基板に耐インク性を有する酸化物、窒化物、金属の薄膜を形成し、振動板のピンホールを塞ぐことによって、振動板の不良をなくすことができる。
【００２７】
【発明の効果】
インクジェットヘッドの製造工程であり、振動板形成後のＳｉ基板に対して酸化膜形成のために行う熱酸化処理において、酸化温度を摂氏１０８０度以下に制限したことによって、振動板へのピンホールの発生を防ぐことができた。
【００２８】
さらに、振動板にピンホールが存在していても、振動板上に酸化物、窒化物、金属の薄膜を形成することによって、振動板のピンホールを薄膜で塞ぐことができる。
【００２９】
以上の方法により、振動板からの駆動ギャップへのインク侵入によるインクジェットヘッド不良が無くなり、安定したインクジェットヘッドの製造が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例におけるインクジェットヘッドの構造を分解して示す斜視図。
【図２】本発明の第１の実施例のおけるインクジェットヘッドの断面側面図。
【図３】図２のＡ−Ａ’線矢視図。
【図４】本発明の第１の実施例におけるインクジェットヘッドの第１の基板の製造工程を構成する拡散の工程断面図。
【図５】本発明の第１の実施例におけるインクジェットヘッドの第１の基板の製造工程を構成するエッチングの工程断面図。
【図６】本発明の第１の実施例における振動板不良率調査用の試験サンプルの断面図。
【図７】本発明の第１の実施例における酸化温度と振動板不良率の関係を示す図。
【図８】本発明の第２の実施例におけるインクジェットヘッドの第１の基板の断面図。
【符号の説明】
１第１の基板
２第２の基板
３第３の基板
５振動板
６吐出室
７凹部
８オリフィス
９細溝
１０インクキャビティ
１１凹部
１２ノズル孔
１３インク供給口
１４凹部
１５電極
１６リード部
１７端子
２１インク液滴
２２記録紙
２３発信回路
４１Ｓｉ基板
４２酸化膜
４３ボロンドープ層を形成する面
４４反対の面
４５拡散剤
４６ボロンドープ層
４７ボロン化合物
４８酸化膜
５１、５２、５３エッチング面
６０ホウケイ酸ガラス
６１、６３、６５吐出室
６２、６４振動板
６６ピンホール欠陥部
８１薄膜[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing an ink jet head, which is a main part of an ink jet head recording apparatus that ejects ink droplets only when recording is necessary and attaches the ink droplets to a recording paper surface.
[0002]
[Prior art]
The ink jet recording apparatus has many advantages such as extremely low noise at the time of recording, high-speed printing, and the use of inexpensive plain paper with high ink freedom. Among them, the so-called ink-on-demand method, which discharges ink droplets only when recording is necessary, is currently the mainstream because it does not require collection of ink droplets unnecessary for recording.
[0003]
In this ink-on-demand type ink jet head recording apparatus, there is an ink jet head recording apparatus (JP-A-6-71882) which uses electrostatic force as a driving means as a method of ejecting ink. It has the advantages of high density, high printing quality and long life.
[0004]
In an ink jet head using the electrostatic force as a driving force, the mechanical deformation characteristics of the diaphragm greatly affect the ink ejection characteristics, and it is necessary to control the thickness of the diaphragm with high accuracy. Therefore, as a means for forming a vibration plate by etching a Si substrate, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-71882, the fact that the etching rate of a P-type impurity layer is low by using an etching stop technique is utilized. A method of forming an Si thin film serving as a diaphragm with high precision by leaving only the impurity layer by etching has been adopted.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the Si substrate on which the diaphragm is formed is thermally oxidized to form an insulating film, and then assembled into a head and ink is injected into the pressure chamber, minute pinholes are generated in the diaphragm due to the thermal oxidation process. There is a problem that the ink penetrating through the gap penetrates into the gap between the diaphragm and the counter electrode required for electrostatic driving, and the driving becomes impossible. Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing an ink jet head that does not cause ink leakage from a diaphragm.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The method for manufacturing an ink jet head according to the present invention is characterized in that a single or a plurality of nozzle holes for discharging ink droplets, a discharge chamber connected to each of the nozzle holes, and a diaphragm constituting at least one wall of the discharge chamber And a driving unit for causing the diaphragm to deform, wherein the driving unit includes an electrode for deforming the diaphragm to electrostatic force, wherein the substrate on which the diaphragm is formed is an Si substrate, By optimizing the oxidation temperature by setting the oxidation temperature in the thermal oxidation step, which is the final step of the Si substrate, to 1080 degrees Celsius or less, generation of vibration plate defects due to oxidation is suppressed.
[0007]
Further, the method of manufacturing an ink jet head according to the present invention includes forming one or more nozzle holes for discharging ink droplets, a discharge chamber connected to each of the nozzle holes, and at least one wall of the discharge chamber. An ink jet head comprising: a vibration plate; and driving means for deforming the vibration plate, wherein the driving means includes an electrode for deforming the vibration plate into an electrostatic force, and a substrate on which the vibration plate is formed is a Si substrate. In the method, after the thermal oxidation step as the final step of the Si substrate, a thin film of an oxide, a nitride or a metal is formed on the surface of the Si substrate, and a pinhole of the diaphragm generated by the thermal oxidation treatment is closed. I do. The material of the oxide thin film formed on the surface of the Si substrate is silicon oxide, titanium oxide, and chromium oxide, the material of the nitride thin film is silicon nitride and titanium nitride, and the material of the metal thin film is titanium and gold. , Platinum.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred examples of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0009]
(Example 1)
FIG. 1 is an exploded perspective view of an ink jet head according to a first embodiment of the present invention, which is partially shown in a sectional view. This embodiment shows an example of a face ink jet type in which ink droplets are ejected from a nozzle hole provided at an end of an ink jet head. FIG. 2 is a side sectional view of the assembled overall device, and FIG. 3 is a view taken along line AA ′ of FIG. The ink jet head of this embodiment has a laminated structure in which three substrates 1, 2, and 3 having a structure described in detail below are stacked and joined.
[0010]
The intermediate first substrate 1 is a Si substrate, and has a concave portion 7 for forming a discharge chamber 6 having a bottom wall as a vibration plate 5 and an orifice 8 provided at a rear portion of the concave portion 7. And a concave portion 11 which forms a common ink cavity 10 for supplying ink to each ejection chamber 6. An oxide film is formed on the entire surface of the first substrate by thermal oxidation to a thickness of 0.11 μm to form an insulating film. This is to prevent dielectric breakdown and short circuit during ink jet driving.
[0011]
The second substrate 2 bonded to the lower surface of the first substrate 1 is made of borosilicate glass, and the concave portion 14 for mounting the electrode 15 on the substrate 2 is etched by 0.3 μm to form a diaphragm. A gap G is formed between the electrode 5 and the electrode 15 disposed to face the electrode 5. The concave portion 14 is formed in a slightly larger shape similar to the shape of the electrode portion so that the electrode 15, the lead portion 16 and the terminal 17 can be mounted therein. The electrodes are formed by sputtering ITO 0.1 μm in the recesses 14 to form an ITO pattern. Therefore, the gap G after the anodic bonding of the first substrate 1 and the second substrate 2 in this embodiment is 0.2 μm.
[0012]
Further, as the third substrate 3 bonded to the upper surface of the first substrate, an Si substrate having a thickness of 100 μm is used, and nozzles are formed on the surface of the substrate 3 so as to be connected to the recesses 7 for the discharge chambers 6. A hole 12 is provided, and an ink supply port 13 is provided so as to communicate with the concave portion 11 for the ink cavity 10.
[0013]
The operation of the inkjet head configured as described above will be described. When a pulse electrode of 0 V to 35 V is applied to the electrode 15 by the transmission circuit 23 and the surface of the electrode 15 is positively charged, the corresponding lower surface of the diaphragm 5 is charged to a negative potential. Therefore, the diaphragm 5 bends downward due to the electrostatic attraction. Next, when the electrode 15 is turned off, the diaphragm 5 is restored. Therefore, the pressure in the ejection chamber 6 rises sharply, and the ink droplets 21 are ejected from the nozzle holes 12 toward the recording paper 22. Next, the diaphragm 5 bends downward again, so that ink is supplied from the ink cavity 10 into the ejection chamber 6 through the orifice 8. The connection between the substrate 1 and the transmission circuit 23 is made in an oxide film window (not shown) opened in a part of the substrate 1 by dry etching. Further, the supply of ink to the inkjet head is performed through an ink supply port 13 provided in the third substrate 3.
[0014]
The diaphragm in the ink jet head of this embodiment is a high-concentration P-type impurity layer, and the high-concentration P-type impurity layer has the same thickness as the desired diaphragm thickness. When the dopant is boron, the etching rate in the Si etching using an alkaline aqueous solution is extremely small in a high-concentration (about 5 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ or more) region. Utilizing this, the diaphragm formation region is a high-concentration boron-doped layer, and when forming a discharge chamber and an ink cavity by alkali anisotropic etching, the etching rate becomes extremely small when the boron-doped layer is exposed. The diaphragm is manufactured to a desired thickness by a so-called etch stop technique.
[0015]
The first method of manufacturing the substrate 1 of the ink jet head of this embodiment, the diffusion process diagram of a first substrate of FIG. 4, and in the etching process diagram of a first substrate of FIG. 5, B ₂ O ₃ The case where a diaphragm having a thickness of 2 microns is formed by using as an impurity diffusion source will be described in detail.
[0016]
First, both surfaces of an Si substrate 41 having a plane orientation of (110) are mirror-polished to produce a substrate having a thickness of 180 microns (FIG. 4A). The Si substrate 41 is set in a thermal oxidation furnace, and subjected to a thermal oxidation treatment in an atmosphere of oxygen and water vapor at 1100 ° C. for 4 hours to form an oxide film 42 of 1.2 μm on the surface of the Si substrate 41 (FIG. 4). (B)). Next, in order to remove the oxide film 42 on the surface 43 on which the boron-doped layer is formed, a resist is coated on the surface 44 of the Si substrate 41 opposite to the surface 43 on which the boron-doped layer is formed, and a boron-doped layer is formed using the resist as a protective film. The oxide film 42 on the surface 43 is removed by etching with a hydrofluoric acid aqueous solution, and the resist is stripped (FIG. 4C). The diffusion source _{B 2} O ₃ Is dispersed in an organic solvent at a temperature of 140 degrees Celsius in a clean oven at 2000 rpm for 1 minute on a surface 43 on which a boron-doped layer from which an oxide film has been removed is formed. And bake for 30 minutes (FIG. 4D). At this time, the thickness of the diffusing agent 45 is 1.2 microns. The Si substrate 41 coated with the diffusing agent 45 is set in a thermal oxidation furnace, and heated in an oxygen atmosphere at a temperature of 600 degrees Celsius to oxidize and remove the organic binder in the diffusing agent 45 to remove B _2. O ₃ Is fired. Subsequently, the inside of the furnace is set to a nitrogen atmosphere, the temperature is increased to 1100 degrees Celsius, the temperature is maintained for 12 hours, and boron is diffused into the Si substrate to form a boron doped layer 46. At this time, the diffusing agent 45 (B ₂ O ₃ 4) and a boron compound 47 is formed at the interface between the boron doped layer 46 on the surface of the Si substrate 41 (FIG. 4E). A resist is coated on the side opposite to the surface on which the boron doped layer 46 is formed, and the diffusing agent 45 is removed by etching with a hydrofluoric acid aqueous solution (FIG. 4F). Since the boron compound 47 appearing on the surface of the Si substrate 41 has high etching resistance and cannot be removed by wet etching, the following means is employed. First, after the resist of the Si substrate 41 is stripped, the Si substrate 41 is set in an oxidation furnace, and the boron compound 47 is oxidized for 1 hour under the conditions of oxygen and water vapor at 600 degrees Celsius, and can be etched with a hydrofluoric acid aqueous solution. B ₂ O ₃ + SiO ₂ Chemical change to Since the oxidation temperature is low, the diffusion does not proceed, and the boron compound 47 can be removed by dry etching without being oxidized. The boron compound 47 on the diffusion surface is oxidized to B ₂ O ₃ + SiO ₂ Further, thermal oxidation is performed in a state where the oxide film is chemically changed to form a 1.2-micron oxide film 48 on the boron-doped layer side (FIG. 4G). Subsequently, resist patterning for forming a discharge chamber and an ink cavity is performed on the oxide film side, and the oxide film 42 is patterned by etching with a hydrofluoric acid aqueous solution. Then, the resist on the substrate is removed (FIG. 4H).
[0017]
The above is the case where the high-concentration boron-doped layer 46 is formed by the coating method. As another means for forming the high-concentration boron-doped layer, there is a method in which a boron diffusion plate is opposed to a Si substrate to perform thermal diffusion. .
[0018]
Next, a method for manufacturing a diaphragm by etching will be described.
[0019]
The Si substrate 41 (FIG. 5A) on which the boron-doped layer 46 is formed and on which the oxide film 42 is patterned is etched with a 35 wt% aqueous solution of potassium hydroxide until just before the boron-doped layer is reached (about 10 microns remaining) ( FIG. 5 (b)). At this time, the smoothness of the etching surface 51 is maintained. Next, the etching of the Si substrate 41 is continuously stopped with a 5 wt% aqueous solution of potassium hydroxide having a high etching stop property in the high-concentration boron doped layer 46 (FIG. 5C). However, in the case of a low-concentration etching solution such as a 5 wt% aqueous solution of potassium hydroxide, the surface roughness of the etching surface is large, and despite the effect of the etching stop, the surface roughness of the etching surface 52 on the diaphragm surface slightly increases. This remains. Further, when the etching is continued from the etching stop state until the thickness of the diaphragm reaches a predetermined value, the surface roughness of the etched surface 53 is reduced by the effect of the etching stop (FIG. 5D). Through the above steps, in the diaphragm manufactured as described above whose thickness accuracy can be set to 2 ± 0.025 microns, the ratio of pinholes generated with respect to all the vibration plates of one substrate by the thermal oxidation treatment, that is, A method for examining the diaphragm failure rate will be described with reference to a cross-sectional view of the test sample in FIG. Further, the change in the defect rate due to the oxidation temperature will be described with reference to the graph of FIG. 7 showing the relationship between the oxidation temperature and the diaphragm defect rate.
[0020]
The oxidation time of the Si substrate 41 on which the vibration plate is formed is changed from 1000 ° C. to 1100 ° C. in an oxygen atmosphere so that the oxide film thickness becomes 0.11 μm. Then, a test sample on which the oxide film 42 is formed is manufactured. This test sample is anodically bonded to borosilicate glass 60 having a thickness of 1 mm in air at a bonding temperature of 380 degrees Celsius and a bonding voltage of 800 V as shown in FIG. 6A. At a joining temperature of 380 degrees Celsius, the air in the discharge chamber 61 is sealed by joining the Si substrate 41 and the borosilicate glass 60. When the Si substrate 41 and the borosilicate glass 60 bonded in this state are cooled to room temperature, the inside of the discharge chamber 61 is closed due to the contraction of the volume of air in the discharge chamber 61 because the inside of the discharge chamber 61 is in a sealed state. The pressure drops. Since the change in volume due to the deformation of the diaphragm is smaller than the volume of the entire discharge chamber 61, the pressure drop at the time of joining is set to 1 atm from the following equation obtained from Boyle-Charles' law. The pressure is 0.45 atm, and the pressure decrease is 0.55 atm.
[0021]
P ₁ × V ₁ / T ₁ = _{P 2} × V ₂ / T ₂
V ₁ = _{V 2} Can be assumed,

Pressure, volume and temperature of the discharge chamber immediately after joining:
P ₁ , V ₁ , T ₁ (= 273 + 380 ° C)
Pressure, volume and temperature of the discharge chamber after cooling:
P ₂ , V ₂ , T ₂ (= 273 + 25 ° C)
If the diaphragm has no pinholes and is normal, the diaphragm 62 is deformed toward the discharge chamber due to the pressure drop of the discharge chamber 63 as shown in FIG. Conversely, if the diaphragm 64 has a pinhole, air flows into the discharge chamber 65 from the pinhole defect 66, so that the pressure in the discharge chamber 65 does not drop and the diaphragm 64 is not deformed. By observing the state of the diaphragm after bonding with a metal microscope equipped with a Normansky interferometer, it is possible to confirm the presence or absence of diaphragm deformation, and count the number of diaphragms without deformation, that is, the number of diaphragms with pinholes First, the ratio of the vibrating plate having a pinhole on one substrate, that is, the defective ratio of the vibrating plate is calculated.
[0022]
FIG. 7 is a graph summarizing the relationship between the oxidation temperature and the defective rate of the diaphragm in the thermal oxidation treatment obtained as described above. From this result, when the oxidation temperature is 1080 degrees Celsius or less, the diaphragm failure rate is 0%, and the pinholes of the diaphragm can be eliminated under the oxidation temperature of 1080 degrees Celsius or less.
[0023]
(Example 2)
A case where a thin film of an oxide, a nitride, or a metal is formed on the surface of a Si substrate according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to a cross-sectional view of the first substrate in FIG.
[0024]
The formation of an oxide film as an insulating film necessary for driving the ink jet head is essential, and the oxidation temperature may have to be increased to a high temperature of 1080 ° C. or higher due to the problem of withstand voltage. In such a case, first, an oxide film 42 is formed on the surface of the Si substrate 41 by a thermal oxidation process (FIG. 8A). Silicon oxide, silicon nitride, titanium, titanium nitride, chromium oxide, gold, platinum and the like are formed on the surface of the oxide film 42 on the discharge chamber 6 side to a thickness of 0.1 μm. These films are not corroded by the ink even when they come into contact with the ink, and can close minute pinholes present on the diaphragm. Sputtering and CVD are suitable as film forming means, and silicon oxide, silicon nitride, titanium oxide, titanium, titanium nitride, chromium oxide, gold, and platinum can be formed by sputtering. In CVD, silicon oxide, silicon nitride, titanium, Titanium nitride can be deposited.
[0025]
On the other hand, the deformation of the diaphragm causes a change in the drive gap, which causes unstable ejection characteristics. Therefore, it is necessary to pay attention to the deformation of the diaphragm due to the stress of the protective film when selecting the protective film. For the above-mentioned protective film, if the thickness is 0.1 μm or less, the amount of deformation due to the stress is not allowed. The volume was less than 0.05 microns. The amount of deformation is determined by measuring with a laser interferometer.
[0026]
As described above, a defect of the diaphragm can be eliminated by forming a thin film of an oxide, a nitride, or a metal having resistance to ink on the Si substrate and closing the pinhole of the diaphragm.
[0027]
【The invention's effect】
In the thermal oxidation process for forming an oxide film on the Si substrate after the diaphragm is formed in the inkjet head manufacturing process, by limiting the oxidation temperature to 1080 degrees Celsius or less, a pinhole on the diaphragm is formed. The occurrence could be prevented.
[0028]
Further, even if a pinhole exists in the diaphragm, the pinhole of the diaphragm can be closed by forming a thin film of an oxide, a nitride, or a metal on the diaphragm.
[0029]
According to the above-mentioned method, the ink jet head defect due to the intrusion of the ink into the driving gap from the diaphragm is eliminated, and the stable ink jet head can be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view showing the structure of an inkjet head according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional side view of the inkjet head according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a view taken along line AA ′ of FIG. 2;
FIG. 4 is a sectional view of a diffusion process constituting a manufacturing process of the first substrate of the inkjet head according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a sectional view of an etching step constituting a manufacturing step of the first substrate of the ink jet head according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a test sample for investigating a diaphragm failure rate according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a relationship between an oxidation temperature and a diaphragm failure rate in the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a sectional view of a first substrate of an inkjet head according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st board | substrate 2 2nd board | substrate 3 3rd board | substrate 5 Vibration plate 6 Discharge chamber 7 Depression 8 Orifice 9 Narrow groove 10 Ink cavity 11 Depression 12 Nozzle hole 13 Ink supply port 14 Depression 15 Electrode 16 Lead part 17 Terminal 21 Ink droplets 22 Recording paper 23 Transmission circuit 41 Si substrate 42 Oxide film 43 Surface on which boron-doped layer is formed 44 Opposite surface 45 Diffusing agent 46 Boron-doped layer 47 Boron compound 48

Oxide films

51, 52, 53 Etched surface 60

Borosilicate glass

61 , 63, 65

Discharge chambers

62, 64 Vibration plate 66 Pinhole defect 81 Thin film

Claims

A single or a plurality of nozzle holes for discharging ink droplets, a discharge chamber connected to each of the nozzle holes, a diaphragm constituting at least one wall of the discharge chamber, and causing the diaphragm to deform A driving means comprising an electrode for deforming the vibrating plate into an electrostatic force, wherein the substrate on which the vibrating plate is formed is an Si substrate. A method for manufacturing an ink jet head, comprising forming a thin film of an oxide, a nitride, or a metal on a surface of a Si substrate after the oxidation.

2. The method according to claim 1, wherein the material of the oxide thin film formed on the surface of the Si substrate is silicon oxide, titanium oxide, or chromium oxide.

2. The method according to claim 1, wherein the material of the nitride thin film formed on the surface of the Si substrate is silicon nitride or titanium nitride.

2. The method according to claim 1, wherein the material of the metal thin film formed on the surface of the Si substrate is titanium, gold, or platinum.