JP3697255B2 - Method for manufacturing inkjet head valve - Google Patents
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Description
本発明はインクジェットヘッド用弁の製造方法及び該方法により製造されたインクジェットヘッド用弁に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing an inkjet head valve and an inkjet head valve manufactured by the method.
熱等のエネルギーをインクに与えることで、インクに急峻な体積変化(気泡の発生)を伴う状態変化を生じさせ、この状態変化に基づく作用力によって吐出口からインクを吐出し、これを被記録媒体上に付着させて画像形成を行なうインクジェット記録方法、いわゆるバブルジェット記録方法が従来知られている。このバブルジェット記録方法を用いる記録装置には、特許文献1等に開示されているように、インクを吐出するための吐出口と、この吐出口に連通するインク流路と、インク流路内に配されたインクを吐出するためのエネルギー発生手段としての電気熱変換体が一般的に配されている。
By applying energy such as heat to the ink, the ink undergoes a change in state accompanied by a steep volume change (bubble generation), and the ink is discharged from the discharge port by the action force based on this change in state, and this is recorded 2. Description of the Related Art An ink jet recording method for forming an image by adhering to a medium, a so-called bubble jet recording method is conventionally known. In a recording apparatus using this bubble jet recording method, as disclosed in
この様な記録方法によれば、品位の高い画像を高速、低騒音で記録することができるとともに、この記録方法を行うヘッドではインクを吐出するための吐出口を高密度に配置することができるため、小型の装置で高解像度の記録画像、さらにカラー画像をも容易に得ることができるという多くの優れた点を有している。このため、このバブルジェット記録方法は、近年、プリンタ、複写機、ファクシミリ等の多くのオフィス機器に利用されており、さらに、捺染装置等の産業用システムにまで利用されるようになってきている。 According to such a recording method, a high-quality image can be recorded at high speed and with low noise, and the ejection ports for ejecting ink can be arranged with high density in the head that performs this recording method. Therefore, it has many excellent points that a high-resolution recorded image and a color image can be easily obtained with a small apparatus. For this reason, in recent years, this bubble jet recording method has been used in many office devices such as printers, copiers, and facsimiles, and has also been used in industrial systems such as textile printing apparatuses. .
このようにバブルジェット技術が多方面の製品に利用されるに従って、次のような様々な要求が近年さらにたかまっている。 As the bubble jet technology is used in various products in this way, the following various demands have been increasing in recent years.
例えば、エネルギー効率の向上の要求に対する検討としては、保護膜の厚さを調整するといった発熱体の最適化が挙げられている。この手法は、発生した熱の液体への伝搬効率を向上させる点で効果がある。 For example, as a study on the demand for improvement in energy efficiency, optimization of a heating element such as adjusting the thickness of a protective film is cited. This method is effective in improving the propagation efficiency of the generated heat to the liquid.
また、高画質な画像を得るために、インクの吐出スピードが速く、安定した気泡発生に基づく良好なインク吐出を行える液体吐出方法等を与えるための駆動条件が提案されたり、また、高速記録の観点から、吐出された液体の液流路内への充填(リフィル)速度の速い液体吐出ヘッドを得るために流路形状を改良したものも提案されている。 In addition, in order to obtain a high-quality image, a drive condition for providing a liquid discharge method capable of performing a good ink discharge based on the generation of a stable bubble with a high ink discharge speed is proposed. From the viewpoint, there has also been proposed an improved flow channel shape in order to obtain a liquid discharge head having a high filling (refill) speed of discharged liquid into the liquid flow channel.
この流路形状の内、特許公報2等に記載されている流路構造やヘッド製造方法は、気泡の発生に伴って発生するバック波(吐出口へ向かう方向とは逆の方向へ向かう圧力、即ち、液室へ向かう圧力)に着目した発明である。このバック波は、吐出方向へ向かうエネルギーでないため損失エネルギーとして知られている。 Of these channel shapes, the channel structure and the head manufacturing method described in Japanese Patent Laid-Open No. 2004-228, etc. have a back wave generated with the generation of bubbles (pressure toward the direction opposite to the direction toward the discharge port, That is, the invention focuses on the pressure toward the liquid chamber. This back wave is known as loss energy because it is not energy in the ejection direction.
特許公報2に開示されているヘッドは、発熱素子が形成する気泡の発泡領域よりも離れ、かつ、発熱素子に関して吐出口とは反対側に位置するインクジェットヘッド用弁を有する。この弁は、板材等を利用する製造方法によって流路の天井に貼り付いたように初期位置を持ち、気泡の発生に伴って流路内に垂れ下がる。この発明は、上述したバック波の一部を弁によって制御することでエネルギー損失を制御するものとして開示されている。 The head disclosed in Patent Document 2 has a valve for an ink-jet head that is located farther from the bubble foaming region formed by the heat generating element and located on the opposite side of the discharge port with respect to the heat generating element. The valve has an initial position as if attached to the ceiling of the flow path by a manufacturing method using a plate material or the like, and hangs down in the flow path as bubbles are generated. The present invention is disclosed as controlling energy loss by controlling a part of the above-described back wave with a valve.
上記のようなインクジェットヘッド用弁を具備した液体吐出ヘッドの一例の部分破断斜視図を図4に示す。 FIG. 4 shows a partially cutaway perspective view of an example of a liquid discharge head provided with the above-described ink jet head valve.
この図4の液体吐出ヘッドは、液体を吐出するための吐出エネルギー発生素子として、液体に熱エネルギーを作用させる発熱体2が素子基板1に設けられており、この素子基板1上に発熱体2に対応して液流路7が配されている。液流路7は吐出口5に連通しているとともに、複数の液流路7に液体を供給するための共通液室13に連通しており、吐出口から吐出された液体に見合う量の液体をこの共通液室13から受け取る。
In the liquid discharge head shown in FIG. 4, a heating element 2 that causes thermal energy to act on the liquid is provided on the
この液流路7の素子基板1上には、前述の発熱体2に対向するように面して薄膜の樹脂、金属等の弾性を有する材料で構成され、平面部を有する厚さ1μmの板状の可動部材6が片持梁状に設けられたインクジェットヘッド用弁が配設される。
On the
図4において発熱体2を発熱させると可動部材6と発熱体との間の気泡発生領域の液体に熱が作用し、膜沸騰現象に基づく気泡を発生させる。気泡の発生に基づく圧力と気泡は可動部材6に作用し、図4のように支点6aを中心に吐出側に大きく開くように変位し、気泡の発生に伴う圧力や気泡自身を吐出口5が配された下流側に導くことができる。 In FIG. 4, when the heating element 2 is heated, heat acts on the liquid in the bubble generation region between the movable member 6 and the heating element, thereby generating bubbles based on the film boiling phenomenon. The pressure based on the generation of bubbles and the bubbles act on the movable member 6 and are displaced so as to open largely toward the discharge side around the fulcrum 6a as shown in FIG. It can lead to the arranged downstream side.
上記のようなインクジェットヘッド用弁を製造するには従来は電鋳法等によって形成した弁材料を用い基板上に貼り合わせにより行っていた。
そしてこの弁材料を基板上に貼り合わせる際、可動部材の効果を十分に引き出すために可動部材と発熱体との間に1〜20μm程度の隙間を設ける必要がある。そして、電鋳法等で形成した弁を可動部分に隙間ができるように貼り合わせるためには予め弁が基板に固定できるように基板上に台座部分を形成する必要がある。しかも隙間の高さだけ台座部分を例えば5μm形成し、しかもその台座部分がインクに対し、腐食しないようにするためには、Auメッキなどの方法で形成する必要がある。そしてこのAuメッキを形成するためには、Auのスパッタやフオトリソグラフィ(以下「フォトリソ」と略す)のパターニングが必要である。またAuメッキ形成後このAu台座の面に電鋳弁を置き、位置を合わせ、スタッドバンプ法等の方法で固定する必要があり、高精度な弁の位置合わせは困難である。 When this valve material is bonded onto the substrate, it is necessary to provide a gap of about 1 to 20 μm between the movable member and the heating element in order to bring out the effect of the movable member sufficiently. In order to attach the valve formed by electroforming or the like so that there is a gap in the movable part, it is necessary to previously form a pedestal part on the substrate so that the valve can be fixed to the substrate. Moreover, in order to form a pedestal portion of, for example, 5 μm as high as the gap, and to prevent the pedestal portion from corroding the ink, it is necessary to form it by a method such as Au plating. In order to form the Au plating, Au sputtering or photolithography (hereinafter abbreviated as “photolitho”) patterning is required. Further, after forming the Au plating, it is necessary to place an electroformed valve on the surface of the Au pedestal, align the position, and fix it by a method such as a stud bump method, and it is difficult to align the valve with high accuracy.
従って弁の厚さのコントロール及び高精度な弁の位置合わせが困難ばかりでなく製造工程も極めて複雑なものであった。 Therefore, it is difficult not only to control the thickness of the valve and to position the valve with high accuracy, but also to make the manufacturing process extremely complicated.
本発明は前記の問題点を解決した新規のインクジェットヘッド用弁の製造方法及び該方法により製造したインクジェットヘッド用弁を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a novel method for manufacturing an ink jet head valve that solves the above-described problems, and an ink jet head valve manufactured by the method.
前記の目的は以下の手段によって達成される。 The above object is achieved by the following means.
すなわち、本発明は、インクを吐出するための吐出口と、この吐出口に連通するインク流路と、該インク流路内にインクを吐出するためのエネルギー発生手段としての電気熱変換体と、を配してなるインクジェットヘッドの、前記電気熱変換体に対向して前記インク流路内に配置されるインクジェットヘッド用弁の製造方法において、インクジェットヘッド用弁の構造が引っ張りと圧縮の異なる応力を持つ金属を積層した構造であり、かつ、圧縮応力を持つ金属層をスパッタリング法により形成する工程、および、引っ張り応力を持つ金属層をメタルCVD法により形成する工程を有することを特徴とするインクジェットヘッド用弁の製造方法を提案するものであり、前記インクジェットヘッド用弁をTa、W、Pt、Mo、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuを用いて製造することを含む。 That is, the present invention includes a discharge port for discharging ink, an ink flow path communicating with the discharge port, and electrothermal transducers as energy generating means for ejecting ink to the ink flow path, In the method of manufacturing an ink jet head valve arranged in the ink flow path facing the electrothermal transducer of the ink jet head, the structure of the ink jet head valve has different stresses in tension and compression. An inkjet head having a structure in which a metal having a laminated structure is formed, and a step of forming a metal layer having a compressive stress by a sputtering method and a step of forming a metal layer having a tensile stress by a metal CVD method A valve manufacturing method is proposed, and the inkjet head valve is replaced with Ta, W, Pt, Mo, Cr, Mn, F Involves produced using Co, Ni, and Cu.
本発明によればフォトリソ工程を用いた高精度な弁の位置合わせが可能となると共に弁の厚みのコントロールが容易となり工程の簡略化を図ることが可能である。また、本発明によれば、作製された弁は予め反った構造であるので、発泡時に弁を変形させるパワーが不要となり、リフィル時にのみ可動するため、エネルギーのロス分を減らすことが出来る。 According to the present invention, it is possible to position the valve with high accuracy using a photolithography process and to easily control the thickness of the valve, thereby simplifying the process. In addition, according to the present invention, since the manufactured valve has a warped structure in advance, the power for deforming the valve at the time of foaming is not necessary, and it can be moved only at the time of refilling, so that the energy loss can be reduced.
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples.
(参考例1)
図1−a〜e及び図2−f〜jの図は、本発明の構造を達成するための工程フローを示す。
(Reference Example 1)
Figures 1-a-e and 2-f-j show the process flow for achieving the structure of the present invention.
まず基板上に弁の台座を形成するため、耐キャビテーション膜としてのTa上に約5μmの厚さにPSG膜を350℃の条件でプラズマCVD法によって形成する(図1−a)。次にフォトリソ法によってパターニングするため、レジストをスピンコートし、露光現像を行なう。ここで弁の台座形成用にPSGを用いたがこれに限らず、後述するメタルCVD工程において変質しなければ他の材料、例えばBPSGあるいはSiO等の無機材料、あるいは有機材料でも良い。次にバッファードフッ酸によるエッチングによってPSGを所定のパターンに形成する(図1−b)。次にこの基板を選択タングステン(W)CVD法によってWF6/SiH4/H2=10/7/1000sccm、圧力26.6Pa、260℃の条件で約5μmの厚さにタングステンを形成する。このタングステンは、選択的にTaの露出している部分のみ成膜され、弁の台座となる(図1−c)。本実施例は弁の台座としてWを選択したが、これにかかわらず弁の台座あるいは弁の材料としての機能を備えているものであれば良く、Ta、Pt、Mo、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等、他の膜でもかまわない。あるいは機能別に台座と弁の材料を変更する事ができる。 First, in order to form a valve pedestal on a substrate, a PSG film having a thickness of about 5 μm is formed on Ta as a cavitation resistant film by a plasma CVD method at 350 ° C. (FIG. 1A). Next, in order to perform patterning by a photolithographic method, a resist is spin-coated and exposure development is performed. Here, PSG is used for forming the valve pedestal. However, the present invention is not limited to this, and other materials, for example, an inorganic material such as BPSG or SiO, or an organic material may be used as long as it does not change in the metal CVD process described later. Next, PSG is formed in a predetermined pattern by etching with buffered hydrofluoric acid (FIG. 1-b). Next, tungsten is formed to a thickness of about 5 μm on the substrate by selective tungsten (W) CVD under the conditions of WF 6 / SiH 4 / H 2 = 10/7/1000 sccm, pressure 26.6 Pa, 260 ° C. This tungsten is selectively deposited only on the portion where Ta is exposed, and serves as a valve seat (FIG. 1-c). In this embodiment, W is selected as the valve pedestal. Regardless of this, any material having a function as a valve pedestal or a valve material may be used. Ta, Pt, Mo, Cr, Mn, Fe, Other films such as Co, Ni, and Cu may be used. Or the material of a base and a valve can be changed according to a function.
続いて、この上に、弁材料としてのメタルCVDのための配線層をPdを材料として、スパッタリング法によって1000オングストロームの厚さに形成する(図1−d)。ここで配線をPdとしたが、他のメタルでもかまわない。次にプラズマCVD法によってPSG膜を350℃の条件で約5μmの厚さに形成する(図1−e)。ここではPSG膜としたが、これに限らず、後述するメタルCVD工程において変質しなければ他の材料、例えばBPSGあるいはSiO等の無機材料、あるいは有機材料でも良い。次にバッファードフッ酸によるエッチングによってPSGを所定のパターンに形成する(図2−f)。 Subsequently, on this, a wiring layer for metal CVD as a valve material is formed to a thickness of 1000 angstrom by sputtering using Pd as a material (FIG. 1-d). Here, the wiring is Pd, but other metal may be used. Next, a PSG film is formed to a thickness of about 5 μm at 350 ° C. by plasma CVD (FIG. 1-e). Although the PSG film is used here, the present invention is not limited to this, and other materials, for example, an inorganic material such as BPSG or SiO, or an organic material may be used as long as they do not change in the metal CVD process described later. Next, PSG is formed in a predetermined pattern by etching with buffered hydrofluoric acid (FIG. 2-f).
次に、この基板を選択タングステン(W)CVD法によってWF6/SiH4/H2=10/7/1000sccm、圧力26.6Pa、260℃の条件で約5μmの厚さにタングステンを形成する。このタングステンは選択的にPdの露出している部分のみ成膜され弁となる(図2−g)。 Next, tungsten is formed to a thickness of about 5 μm on this substrate under the conditions of WF 6 / SiH 4 / H 2 = 10/7/1000 sccm, pressure 26.6 Pa, 260 ° C. by selective tungsten (W) CVD. This tungsten is selectively deposited only on the exposed portion of Pd to form a valve (FIG. 2-g).
次に、バッファードフッ酸によって弁の周辺のPSGを除去する(図2−h)。次に過酸化水素水によって配線層としてのPdを除去する(図2−i)。最後にバッファードフッ酸によってPSGを除去して台座と弁を形成する(図2−j)。
(実施例1)
参考例1における図1−a〜図2−jで示すような工程において、下引きの配線層とメタルCVDの応力を調製すれば最終形態として図2−jのような断面構造ではなく図5で示すような弁が予め反った形状とすることができる。例えば、下引きの配線層の成膜時応力1×109dyn/cm2の圧縮応力で形成し、メタルCVD側を1×109dyn/cm2の引っぱり応力で形成すれば、弁は、図5のようにメタルCVD側に反って変形する。このようにして形成した弁は、発泡時に弁を変形させるパワーが不要となり、リフィル時にのみ可動するため、エネルギーのロス分を減らすことが出来る。
(使用例1)
図3は、本発明の液体吐出ヘッドの基本的な構造を説明するための、液流路方向に沿った断面図である。
Next, PSG around the valve is removed by buffered hydrofluoric acid (FIG. 2-h). Next, Pd as a wiring layer is removed with hydrogen peroxide (FIG. 2-i). Finally, PSG is removed by buffered hydrofluoric acid to form a pedestal and a valve (FIG. 2-j).
(Example 1)
In the steps shown in FIGS. 1A to 2J in Reference Example 1, if the underlayer wiring layer and the stress of metal CVD are prepared, the final form is not the sectional structure as shown in FIG. It can be set as the shape which the valve as shown in FIG. For example, if the underlayer wiring layer is formed with a compressive stress of 1 × 10 9 dyn / cm 2 and the metal CVD side is formed with a tensile stress of 1 × 10 9 dyn / cm 2 , the valve As shown in FIG. 5, it is deformed by warping to the metal CVD side. Since the valve formed in this way does not require power for deforming the valve at the time of foaming and moves only at the time of refilling, energy loss can be reduced.
(Usage example 1)
FIG. 3 is a cross-sectional view along the liquid flow path direction for explaining the basic structure of the liquid discharge head of the present invention.
図3に示すように、この液体吐出ヘッドは、液体に気泡を発生させるための熱エネルギーを与える複数個(図3では1つのみ示す)の発熱体2が並列に設けられた素子基板1と、この素子基板1上に接合された天板3と、素子基板1および天板3の前端面に接合されたオリフィスプレート4とを有する。
As shown in FIG. 3, this liquid discharge head includes an
素子基板1は、シリコン等の基板上に絶縁および蓄熱を目的としたシリコン酸化膜または窒化シリコン膜を成膜し、その上に、発熱体2を構成する電気抵抗層および配線をパターニングしたものである。この配線から電気抵抗層に電圧を印加し、電気抵抗層に電流を流すことで発熱体2が発熱する。
The
天板3は、各発熱体2に対応した複数の液流路7および各液流路7に液体を供給するための共通液室8を構成するためのもので、天井部分から各発熱体2の間に延びる流路側壁9が一体的に設けられている。天板3はシリコン系の材料で構成され、液流路7および共通液室8のパターンをエッチングで形成したり、シリコン基板上にCVD等の公知の成膜方法により窒化シリコン、酸化シリコンなど、流路側壁9となる材料を堆積した後、液流路7の部分をエッチングして形成することができる。
The top plate 3 is for constituting a plurality of liquid flow paths 7 corresponding to the respective heat generating elements 2 and a
オリフィスプレート4には、各液流路7に対応しそれぞれ液流路7を介して共通液室8に連通する複数の吐出口5が形成されている。オリフィスプレート4もシリコン系の材料からなるものであり、例えば、吐出口5を形成したシリコン基板を10〜150μm程度の厚さに削ることにより形成される。なお、オリフィスプレート4は本発明には必ずしも必要な構成ではなく、オリフィスプレート4を設ける代わりに、天板3に液流路7を形成する際に天板3の先端面にオリフィスプレート4の厚さ相当の壁を残し、この部分に吐出口5を形成することで、吐出口付きの天板とすることもできる。
In the orifice plate 4, a plurality of discharge ports 5 corresponding to the respective liquid flow paths 7 and communicating with the
さらに、この液体吐出ヘッドには、液流路7を吐出口5に連通した第1の液流路7aと、発熱体2を有する第2の液流路7bとに分けるように、発熱体2に対面して配置された片持梁状の可動部材6が設けられている。 Further, in this liquid discharge head, the heating element 2 is divided so that the liquid path 7 is divided into a first liquid path 7 a communicating with the discharge port 5 and a second liquid path 7 b having the heating element 2. A cantilever-like movable member 6 is provided so as to face the surface.
この可動部材6は、液体の吐出動作によって共通液室8から可動部材6を経て吐出口5側へ流れる大きな流れの上流側に支点6aを持ち、この支点6aに対して下流側に自由端6bを持つように、発熱体2に面した位置に発熱体2を覆うような状態で発熱体2から所定の距離を隔てて配されている。この発熱体2と可動部材6との間が気泡発生領域10となる。
The movable member 6 has a fulcrum 6a on the upstream side of a large flow flowing from the
上記構成に基づき、発熱体2を発熱させると、可動部材6と発熱体2との間の気泡発生領域10の液体に熱が作用し、これにより発熱体2上に膜沸騰現象に基づく気泡が発生し、成長する。この気泡の成長に伴う圧力は可動部材6に優先的に作用し、可動部材6は図3に破線で示されるように、支点6aを中心に吐出口5側に大きく開くように変位する。可動部材6の変位もしくは変位した状態によって、気泡の発生に基づく圧力の伝搬や気泡自身の成長が吐出口5側に導かれ、吐出口5から液体が吐出する。
Based on the above configuration, when the heating element 2 is heated, heat acts on the liquid in the
つまり、気泡発生領域10上に、液流路7内の液体の流れの上流側(共通液室8側)に支点6aを持ち下流側(吐出口5側)に自由端6bを持つ可動部材6を設けることによって、気泡の圧力伝搬方向が下流側へ導かれ、気泡の圧力が直接的に効率よく吐出に寄与することになる。そして、気泡の成長方向自体も圧力伝搬方向と同様に下流方向に導かれ、上流より下流で大きく成長する。このように、気泡の成長方向自体を可動部材によって制御し、気泡の圧力伝搬方向を制御することで、吐出効率や吐出力または吐出速度等の根本的な吐出特性を向上させることができる。
That is, on the
一方、気泡が消泡工程に入ると、可動部材6の弾性力との相乗効果で気泡は急速に消泡し、可動部材6も最終的には図3に実線で示した初期位置に復帰する。このとき、気泡発生領域10での気泡の収縮体積を補うため、また、吐出された液体の体積分を補うために、上流側すなわち共通液室8側から液体が流れ込み、液流路7への液体の充填(リフィル)が行われるが、この液体のリフィルは、可動部材6の復帰作用に伴って効率よく合理的かつ安定して行われる。
On the other hand, when the bubble enters the defoaming step, the bubble rapidly disappears due to a synergistic effect with the elastic force of the movable member 6, and the movable member 6 finally returns to the initial position shown by the solid line in FIG. . At this time, in order to supplement the contraction volume of the bubbles in the
本発明によればフォトリソ工程を用いた高精度な弁の位置合わせが可能となり、弁の厚さのコントロールが極めて容易となり、成膜プロセスで弁を形成することによって工程の簡略化を図ることができるものである。 According to the present invention, highly accurate valve positioning using a photolithographic process becomes possible, control of the valve thickness becomes extremely easy, and the process can be simplified by forming the valve in a film forming process. It can be done.
また下引きの金属の応力コントロールとCVDの応力コントロールにより弁を反った形状にすることも可能である。 It is also possible to make the valve warped by stress control of the undercoating metal and stress control of the CVD.
1 素子基板
2 発熱体
3 天板
4 オリフィスプレート
5 吐出口
6 可動部材
6a 支点
6b 自由端
7 液流路
7a 第1の液流路
7b 第2の液流路
8、13 共通液室
9 流路側壁
10 気泡発生領域
34 支持部材
DESCRIPTION OF
Claims (2)
インクジェットヘッド用弁の構造が引っ張りと圧縮の異なる応力を持つ金属を積層した構造であり、かつ、
圧縮応力を持つ金属層をスパッタリング法により形成する工程、および、
引っ張り応力を持つ金属層をメタルCVD法により形成する工程
を有することを特徴とするインクジェットヘッド用弁の製造方法。 A discharge port for discharging ink, ink jet ink flow path communicating with the discharge port, formed by arranging an electro-thermal converting member as energy generating means for ejecting ink to the ink flow path In the method of manufacturing a valve for an ink jet head, which is disposed in the ink flow path facing the electrothermal transducer of the head ,
The structure of the valve for the inkjet head is a structure in which metals having different stresses in tension and compression are laminated, and
Forming a metal layer having a compressive stress by a sputtering method; and
Forming a metal layer with tensile stress by metal CVD
A method for manufacturing a valve for an ink jet head, comprising:
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