JP3740807B2

JP3740807B2 - Ink jet head and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP3740807B2
Application number: JP30218797A
Authority: JP
Inventors: 克治荒川; 真一四谷
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1997-11-04
Filing date: 1997-11-04
Publication date: 2006-02-01
Anticipated expiration: 2017-11-04
Also published as: JPH11129473A

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の関する。
【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、インクの自由度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・デマンド方式の記録に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】
また、振動板をＳｉ基板をエッチングして形成する手段として、特願平８−４３６０２号７頁９行記載のエッチングストップ技術を用い、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基板をヘッドに組み立てて長期間駆動させると、吐出室を構成する隔壁部と振動板の接続部に応力が集中し、この応力の集中により振動板接続部に亀裂が走り、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て、駆動が不可能になる課題があった。そこで、本発明は上記した様な課題を解決するもので、その目的とするところは隔壁部と振動板の接続部の機械的強度を増し、振動板の長期間駆動に対する耐久性を向上させ、信頼性の高いインクジェットヘッドの製造方法を提供するところにある。
【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、該駆動手段が該振動板を静電気力により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の製造方法において、
前記Ｓｉ基板は高濃度p型不純物層を形成したＳｉ基板を使用し、
前記Ｓｉ基板の面方位は（１１０）面を選択し、
前記Ｓｉ基板の高濃度ｐ型不純物層が形成された面の反対面からエッチングを開始し、
前記Ｓｉ基板の表層から前記高濃度ｐ型不純物層の近傍までのエッチングを高濃度のエッチング液で行い、エッチングされた凹部の側壁と底面の間に第一の斜面を形成し、
前記高濃度p型不純物層の近傍から前記高濃度ｐ型不純物層までのエッチングを、ボロンドープされたＳｉのエッチングレートに対するボロンドープされていないＳｉのエッチングレートの差を利用して行い、前記凹部の側壁と底面の間に、前記第一の斜面と異なる第二の斜面を形成し、
得られた前記第二の斜面を持つ凹部を前記吐出室とす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、振動板が高濃度p型不純物層からなるＳｉ基板であって、
該Ｓｉ基板の高濃度ｐ型不純物層が形成された面の反対面から、該高濃度ｐ型不純物層の近傍までのＳｉ基板のエッチングを、複数の厚みでパターニングされた酸化膜をエッチングマスクとして行い、
前記第一の斜面を形成することを特徴とする。
また、本発明のインクジェットヘッドの製造方法は、
非高濃度 p 型不純物層のエッチングレートに対する高濃度 p 型不純物層のエッチングレートの差と、前記第一の斜面の高濃度 p 型不純物層からの高さを調整することにより、前記第二の斜面に異なる傾斜角をもつ斜面を形成することを特徴とする。
【０００８】
本発明のインクジェットヘッドは、
前記エッチング方法により製造され、前記吐出室を構成する隔壁部と該振動板の接続部に斜面部を設けたたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明のインクジェットヘッドは、
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、該駆動手段が該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、
エッチングにより前記吐出室を形成し、前記吐出室を構成する隔壁部と振動板の接続部に、異なる傾斜角からなる斜面部を設けたことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（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基板の面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ヘッド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。
【００１１】
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。そして、隔壁部１８と振動板５の接続部１９に斜面２０を儲けている。第１の基板の全面に、熱酸化により酸化膜を０．１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。
【００１２】
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、この第一の基板１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。
【００１３】
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と連通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。
【００１４】
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、インクキャビティ１０の端部のインク供給口１３により行う。
【００１５】
本発明第一の実施例におけるインクジェットヘッドの振動板と隔壁部に斜面を形成した場合について、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】
本実施例のインクジェットヘッドにおける振動板は、高濃度にＰ型不純物を拡散したＳｉ薄膜である。このＳｉ薄膜は、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が、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とを利用して作製される。すなわち、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。
【００１７】
先ず、（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。
【００１８】
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））。
【００１９】
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））。
【００２０】
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。
【００２１】
次に、エッチングによる振動板および振動板斜面部の作製方法を説明する。
【００２２】
ボロンドープ層４６が形成され、酸化膜４２を成膜したＳｉ基板４１のボロンドープ側と反対面にレジストをコートし、キャビティとなる部分５１をパターニングし、フッ酸水溶液で酸化膜４２をエッチングする。さらに、レジストを剥離して、酸化膜４２がパターニングされた状態になる（図５（ａ））。次に、４０ｗｔ％水酸化カリウム水溶液でエッチングがボロンドープ層４６（厚み３ミクロン）に達し、エッチングストップが起こり始めるエッチング深さ（残り３ミクロン程度）まで行う（図５（ｂ））。このとき、高濃度水酸化カリウム水溶でのエッチングではキャビティ底部５２に斜面５３が残る性質があり、４０ｗｔ％水酸化カリウム水溶液においては高さ１８ミクロンの斜面５３が形成される。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においては、キャビティ底部５２に斜面５３を形成しない性質があり、所定厚みの振動板５４になるまでエッチングを継続すると、斜面５３は消失していき斜面５３のテーパー角は小さくなっていく。
【００２３】
以上の工程により、隔壁部と振動板の接続部に微小なテーパー角を持つ斜面を有するインクジェットキャビティを形成することができる。このことにより、振動板の耐久性が向上し、インクジェットヘッドの安定した長期駆動を実現できた。
【００２４】
（実施例２）
本発明第２の実施例である複数の厚みでパターニングされた酸化膜をエッチングマスクとして斜面部を形成する方法について図６のエッチング工程図において説明する。
【００２５】
高濃度水酸化カリウム水溶液で形成されるキャビティ底部の斜面部の大きさは、エッチング液濃度のほぼ規定されるため、より大きな斜面を形成しようとした場合、次のような方法をとる。
【００２６】
Ｓｉ基板４１にボロンドープ層４６を形成し、酸化膜４６の形成までを前記実施例の拡散工程と同様に行う。Ｓｉ基板４１のボロンドープ側と反対面にレジストをコートし、キャビティとなる部分６１をパターニングし、ふっ酸水溶液で酸化膜４２をハーフエッチングする（図６（ａ））。一度レジストを除去した後、再度レジストをコートし振動板となる部分６２の酸化膜４２をふっ酸水溶液で完全に除去し、レジストを剥離する（図６（ｂ））。この酸化膜４２をパターニングしたＳｉ基板４１を３０ｗｔ％の水酸化カリウム水溶液で振動板となる部分６２を６０ミクロンの深さでエッチングする（図６（ｃ））。次にハーフエッチングで薄くした酸化膜部分６３のみをエッチング除去できるように、エッチング時間を調整しＳｉ基板４１を浸漬する（図６（ｄ））。そして、最初にエッチングした振動板となる部分６２の厚みが３ミクロン程度になるように水酸化カリウム水溶液によるエッチングを継続する。この時、酸化膜４２を除去した部分もエッチングされていき、角６４が徐々にエッチングされて（図６（ｅ））、最終的には大きなテーパー形状の斜面６５となる（図６（ｆ））。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所定の厚みの振動板６６を形成する（図６（ｇ））。高濃度エッチング終了後の斜面６５のテーパーが大きいため最終的に残るテーパー形状も大きくできた。このことにより、隔壁部と振動板の接続部の強度が増し、振動板の耐久性がさらに向上した。
【００２７】
（実施例３）
本発明第３の実施例である高濃度水酸化カリウム水溶液と低濃度水酸化カリウム水溶液の濃度について、エッチング液濃度と斜面幅の関係を示した図７、及びエッチング液濃度とエッチングストップ選択比（ボロンドープされたＳｉのエッチングレートに対するドープされていないＳｉのエッチングレートの比）の関係を示した図８、さらにエッチングの状況をシュミレーションして示した図９において説明する。
【００２８】
水酸化カリウム水溶液によるＳｉ基板のエッチングにおいて、エッチング溝底部に形成される斜面の斜面幅と濃度には図７のような関係があり、３２ｗｔ％以上で斜面が形成され、３０ｗｔ％以下では斜面は全く形成されない。すなわち、水酸化カリウム水溶液の最高濃度は５５ｗｔ％であり、振動板形成において斜面部形成を目的とした高濃度水酸化カリウム水溶液の最適な濃度は、３２〜５５ｗｔ％である。
【００２９】
一方、水酸化カリウム水溶液の低濃度エッチング液の濃度選定のポイントは、いかにエッチングストップ選択比を大きく取るかと言うことである。すなわち、エッチングストップによって、Ｓｉ基板厚みのばらつきをどれだけ吸収できるかを意味し、エッチングストップ選択比は高いことが望ましい。Ｓｉ基板厚みばらつきが１０ミクロン程度であることを考慮すると、振動板厚み精度を最悪でも±０．３ミクロン以内に抑えるため、必要となる選択比は１６以上である。すなわち、選択比１６以上を確保するためには、図８より水酸化カリウム水溶液の濃度は、１０ｗｔ％以下で良いことが解る。一方、水酸化カリウム水溶液は濃度が極端に低くなると、Ｓｉに対するエッチング能力が不安定になり易く、０．５ｗｔ％より低い濃度では実用的ではない。したがって、振動板形成においてエッチングストップを目的とした低濃度水酸化カリウム水溶液の最適な濃度は０．５〜１０ｗｔ％である。
【００３０】
高濃度エッチング後の隔壁部９１と振動板部９２の接続部の斜面９３の形状は、図９（０）のようになり斜面幅ｄ、斜面高さｈはほぼ等しい。ここで、低濃度エッチング後の形状を推定するため、低濃度エッチング液でのエッチングストップ選択比をＳとし、高濃度ボロンドープ層９５に達してからのエッチング量をａすると、ｈとＳの関係において低濃度エッチング後の形状は図９（Ι）、（П）、（Ш）のように３タイプになる。低濃度エッチング後の斜面部の高さをｘとすると、
Ｓ×ａ＜ｈのとき、
ｘ＝ｈ−（Ｓ×ａ）＋ａ
Ｓ×ａ=ｈのとき、
ｘ＝ａ
Ｓ×ａ＞ｈのとき、
斜面部上部９４が高濃度ボロンドープ層に達するまでに高濃度ボロンドープ層がエッチングされる量をａ_１とし、斜面部上部９４が高濃度ボロンドープ層に達してからのエッチング量をａ_２とすると、

ここで、高濃度ボロンドープ層９５の厚みは３ミクロンであり、振動板９６の目標厚みは２ミクロンであるため、高濃度ボロンドープ層９５のエッチング量はａ＝１ミクロンとなる。例えば、高濃度エッチング液の濃度を４０ｗｔ％、低濃度エッチング液の濃度を５ｗｔ％とすると、図７及び図８のグラフより、
ｈ＝１８ミクロン、Ｓ＝２２であり、
Ｓ×ａ＝２２＞ｈ＝１８となるため、
ｘは、
ｘ＝ｈ／Ｓ＝１８／２２＝０．８２
したがって、この場合、エッチング終了後の斜面部高さは０．８２ミクロンとなる。
【００３１】
以上のことより、高濃度エッチング液及び低濃度エッチング液の濃度選定により斜面形状を任意に制御可能できる。
【００３２】
【発明の効果】
インクジェットヘッドの吐出室を構成する隔壁部と振動板の接続部に斜面を形成したことにより、隔壁部と振動板の接続部への応力集中が減少し、接続部の耐久性が向上する。そして、接続部への応力集中による振動板の破損を防いだことによってインクジェットヘッドの長期駆動における信頼性を高めることができる。
【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図。
【図６】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の基板の製造工程を構成するエッチングの工程図。
【図７】本発明の第３の実施例における水酸化カリウム水溶液濃度と斜面幅の関係図。
【図８】本発明の第３の実施例における水酸化カリウム水溶液濃度と選択比の関係図。
【図９】本発明の第３の実施例における隔壁部と振動板接続部の斜面部のエッチング形状をシュミレートし、説明する概略図。
【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
１８隔壁部
１９接続部
２０斜面
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キャビティとなる部分
５２キャビティ底部
５３斜面
５４振動板
５５隔壁部
５６斜面
６１キャビティとなる部分
６２振動板となる部分
６３薄くした酸化膜部分
６４角
６５斜面
６６振動板
９１隔壁部
９２振動板部
９３斜面
９４斜面上部
９５ボロンドープ層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing an ink jet head, which is a main part of an ink jet head recording apparatus, which ejects ink droplets only when recording is necessary and adheres them to a recording paper surface.
[0002]
[Prior art]
The ink jet recording apparatus has many advantages such as extremely low noise during recording, high-speed printing, and use of inexpensive plain paper with a high degree of freedom of ink. Among them, a so-called ink-on-demand system that discharges ink droplets only when recording is necessary does not require collection of ink droplets that are not necessary for recording, and is currently mainstream.
[0003]
Ink-jet head recording apparatuses for ink-on-demand recording include an ink-jet head recording apparatus (Japanese Patent Laid-Open No. 6-71882) using electrostatic force as a driving means as a method for ejecting ink. Has the advantage of small size, high density, high printing quality and long life.
[0004]
Further, as a means for forming the diaphragm by etching the Si substrate, an etching stop technique described in Japanese Patent Application No. 8-43602, page 7, line 9 is used. A method has been adopted in which only the type impurity layer is left by etching, and a Si thin film to be a vibration plate is formed with high accuracy.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the Si substrate on which the vibration plate is formed is assembled to the head and driven for a long period of time, stress concentrates on the connection portion between the partition wall and the vibration plate constituting the discharge chamber, and this concentration of stress causes cracks in the vibration plate connection portion. Running, the ink penetrates into the gap between the diaphragm and the counter electrode necessary for electrostatic driving, and there is a problem that driving becomes impossible. Therefore, the present invention solves the problems as described above, the purpose of which is to increase the mechanical strength of the connecting portion between the partition wall and the diaphragm, improve the durability of the diaphragm against long-term driving, An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a highly reliable inkjet head.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The manufacturing method of the inkjet head of the present invention is as follows:
Single or a plurality of nozzle holes for discharging ink droplets, a discharge chamber connected to each of the nozzle holes, a vibration plate constituting at least one wall of the discharge chamber, and deformation of the vibration plate In the method of manufacturing an ink jet head, the driving unit includes an electrode that deforms the diaphragm by electrostatic force, and the substrate on which the diaphragm is formed is a Si substrate.
The Si substrate uses a Si substrate on which a high concentration p-type impurity layer is formed,
The (110) plane is selected as the plane orientation of the Si substrate,
Etching is started from the surface opposite to the surface on which the high concentration p-type impurity layer of the Si substrate is formed,
Etching from the surface layer of the Si substrate to the vicinity of the high-concentration p-type impurity layer with a high-concentration etchant , forming a first slope between the side wall and the bottom surface of the etched recess,
Etching from the vicinity of the high-concentration p-type impurity layer to the high-concentration p-type impurity layer is performed using the difference in the etching rate of boron-undoped Si with respect to the etching rate of boron-doped Si, and the sidewall of the recess A second slope different from the first slope between the bottom surface and the bottom surface;
A recess having said obtained second inclined surface, characterized in that said discharge chamber.
[0007]
Further, the manufacturing method of the inkjet head of the present invention is a Si substrate in which the vibration plate is formed of a high concentration p-type impurity layer,
From the opposite surface of the surface of the high-concentration p-type impurity layer is formed in the Si substrate, the etching of the Si substrate to the vicinity of the high-concentration p-type impurity layer, the patterned oxide film in a plurality of thickness as an etch mask There line,
The first inclined surface is formed .
In addition, the method for manufacturing the inkjet head of the present invention includes:
By adjusting the difference between the etching rate of the high-concentration p- type impurity layer relative to the etching rate of the non-high-concentration p- type impurity layer and the height of the first slope from the high-concentration p- type impurity layer, It is characterized in that slopes having different slope angles are formed on the slope .
[0008]
The inkjet head of the present invention is
It is manufactured by the etching method, and is characterized in that a slope portion is provided at a connection portion between the partition wall constituting the discharge chamber and the diaphragm.
[0009]
The inkjet head of the present invention is
Single or a plurality of nozzle holes for discharging ink droplets, a discharge chamber connected to each of the nozzle holes, a vibration plate constituting at least one wall of the discharge chamber, and deformation of the vibration plate In the inkjet head, the driving means comprises an electrode that deforms the diaphragm to electrostatic force, and the substrate on which the diaphragm is formed is a Si substrate.
The discharge chamber is formed by etching, and a slope portion having a different inclination angle is provided at a connection portion between the partition wall and the diaphragm constituting the discharge chamber.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Example 1
FIG. 1 is an exploded perspective view of the ink jet head according to the first embodiment of the present invention, and is a partial cross-sectional view. This embodiment shows an example of a face inkjet head that ejects ink droplets from nozzle holes provided on the surface of a substrate. 2 is a side sectional view of the assembled entire apparatus, and FIG. 3 is a view taken along the line AA ′ in FIG. The ink jet head of this embodiment has a laminated structure in which three

substrates

1, 2, 3 having a structure described in detail below are stacked and joined.
[0011]
The intermediate first substrate 1 is a Si substrate, and constitutes a recess 7 that constitutes a discharge chamber 6 having a bottom wall as a diaphragm 5 and an orifice 8 provided at the rear of the recess 7. A narrow groove 9 for an ink inflow port, and a recess 11 that constitutes a common ink cavity 10 for supplying ink to each discharge chamber 6. A slope 20 is provided on the connecting portion 19 between the partition wall 18 and the diaphragm 5. An oxide film having a thickness of 0.1 microns is formed on the entire surface of the first substrate by thermal oxidation to form an insulating film. This is to prevent dielectric breakdown and short-circuit during ink jet driving.
[0012]
The second substrate 2 bonded to the lower surface of the first substrate 1 uses borosilicate glass, and the recess 14 for mounting the electrode 15 on the first substrate 1 is etched by 0.3 microns. A gap G, that is, a gap G, is formed between the diaphragm 5 and the electrode 15 disposed to face the diaphragm 5. The concave portion 14 is patterned 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 electrode is manufactured by sputtering ITO into the recess 14 by 0.1 microns 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 microns.
[0013]
Further, a Si substrate having a thickness of 100 microns is used as the third substrate 3 bonded to the upper surface of the first substrate, and nozzles are respectively connected to the surface portion of the substrate 3 so as to communicate with the recess 7 for the discharge chamber 6. A hole 12 is provided, and an ink supply port 13 is provided so as to communicate with the recess 11 for the ink cavity 10.
[0014]
The operation of the ink jet head configured as described above will be described. When a pulse electrode of 0V to 35V is applied to the electrode 15 by the transmission circuit 23 and the surface of the electrode 15 is positively charged, the lower surface of the corresponding diaphragm 5 is charged to a negative potential. Therefore, the diaphragm 5 bends downward due to electrostatic attraction. Next, when the electrode 15 is turned off, the diaphragm 5 is restored. For this reason, the pressure in the discharge chamber 6 rapidly increases, and the ink droplets 21 are discharged from the nozzle holes 12 toward the recording paper 22. Next, when the vibration plate 5 is bent downward again, ink is supplied from the ink cavity 10 into the discharge 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, ink is supplied to the inkjet head through the ink supply port 13 at the end of the ink cavity 10.
[0015]
In the first embodiment of the present invention, when the inclined surface is formed on the diaphragm and the partition wall of the ink jet head, the manufacturing method of the first substrate 1 is the diffusion process diagram of the first substrate of FIG. 4 and the first of FIG. In the substrate etching process diagram, a case where a diaphragm having a thickness of 2 microns is formed using B ₂ O ₃ as an impurity diffusion source will be described in detail.
[0016]
The diaphragm in the ink jet head of this example is a Si thin film in which P-type impurities are diffused at a high concentration. This Si thin film utilizes the fact that the etching rate in Si etching with an alkaline aqueous solution is very low in a high concentration region (about 5 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ or more) when the dopant is boron. Produced. That is, a so-called etch stop technique in which the diaphragm forming region is a high-concentration boron-doped layer and the etching rate becomes extremely small when the boron-doped layer is exposed when forming discharge chambers and ink cavities by alkali anisotropic etching. Thus, the diaphragm is manufactured to a desired plate thickness.
[0017]
First, both surfaces of the 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 is subjected to thermal oxidation treatment at 1100 degrees Celsius for 4 hours in an oxygen and water vapor atmosphere to form an oxide film 42 on the surface of the Si substrate 41 with a thickness of 1.2 microns (FIG. 4). (B)). Next, in order to remove the oxide film 42 on the surface 43 on which the boron doped layer is to be formed, a resist is coated on the surface 44 opposite to the surface 43 on which the boron doped layer is to be formed on the Si substrate 41, 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 peeled off (FIG. 4C). A diffusion agent 45 in which 3.15 wt% of B ₂ O _{3 serving} as a diffusion source is dispersed in an organic solvent is spin-coated on the surface 43 on which the boron doped layer from which the oxide film has been removed is formed at 2000 rpm for 1 minute, and clean. Bake in an oven at a temperature of 140 degrees Celsius for 30 minutes (FIG. 4 (d)). At this time, the thickness of the diffusing agent 45 is 1.2 microns.
[0018]
The Si substrate 41 coated with the diffusing agent 45 is set in a thermal oxidation furnace, heated in an oxygen atmosphere at a temperature of 600 degrees Celsius, the organic binder in the diffusing agent 45 is oxidized and removed, and B ₂ O ₃ is baked. Subsequently, the inside of the furnace is put into a nitrogen atmosphere, the temperature is raised to 1100 degrees Celsius, the temperature is maintained for 12 hours, and boron is diffused into the Si substrate to form the boron doped layer 46. At this time, a boron compound 47 is formed at the interface between the diffusing agent 45 (B ₂ O ₃ ) and the boron doped layer 46 on the surface of the Si substrate 41 (FIG. 4E).
[0019]
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 measures are taken. First, after removing the resist on the Si substrate 41, the Si substrate 41 is set in an oxidation furnace, and the boron compound 47 is oxidized for 1 hour in an oxygen and water vapor atmosphere at 600 degrees Celsius, so that etching with a hydrofluoric acid aqueous solution is possible. B ₂ O ₃ + SiO ₂ Chemical change. Since the oxidation temperature is low, 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 Then, thermal oxidation is further performed in the state of being chemically changed to form an oxide film 48 of 1.2 microns on the boron doped layer side (FIG. 4G).
[0020]
The above is the case where the high-concentration boron dope layer 46 is formed by a coating method. As another means for forming the high-concentration dope layer, there is a method of performing thermal diffusion with a boron diffusion plate facing the Si substrate. .
[0021]
Next, the manufacturing method of the diaphragm and diaphragm slope part by an etching is demonstrated.
[0022]
A boron-doped layer 46 is formed, a resist is coated on the surface opposite to the boron-doped side of the Si substrate 41 on which the oxide film 42 is formed, the cavity 51 is patterned, and the oxide film 42 is etched with a hydrofluoric acid aqueous solution. Further, the resist is removed, and the oxide film 42 is patterned (FIG. 5A). Next, etching reaches the boron dope layer 46 (thickness 3 microns) with a 40 wt% potassium hydroxide aqueous solution, and is performed up to an etching depth at which etching stops (the remaining 3 microns) (FIG. 5B). At this time, the etching with the high-concentration potassium hydroxide aqueous solution has the property that the slope 53 remains in the cavity bottom 52, and the slope 53 having a height of 18 microns is formed in the 40 wt% potassium hydroxide aqueous solution. Next, the etching of the Si substrate 41 is continuously stopped with a 5 wt% potassium hydroxide aqueous solution having a high etching stop property in the high-concentration boron-doped layer 46 (FIG. 5C). However, an etchant with a low concentration such as a 5 wt% potassium hydroxide aqueous solution has a property that the slope 53 is not formed at the cavity bottom 52, and the slope 53 disappears when the etching is continued until the diaphragm 54 has a predetermined thickness. As a result, the taper angle of the slope 53 becomes smaller.
[0023]
Through the above steps, an ink jet cavity having an inclined surface with a small taper angle at the connecting portion between the partition wall and the diaphragm can be formed. As a result, the durability of the diaphragm was improved, and stable long-term driving of the inkjet head could be realized.
[0024]
(Example 2)
A method of forming a slope portion using an oxide film patterned with a plurality of thicknesses as an etching mask according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to the etching process diagram of FIG.
[0025]
Since the size of the slope at the bottom of the cavity formed with the high-concentration potassium hydroxide aqueous solution is almost regulated by the concentration of the etching solution, the following method is used when attempting to form a larger slope.
[0026]
The boron doped layer 46 is formed on the Si substrate 41 and the process up to the formation of the oxide film 46 is performed in the same manner as the diffusion process of the above embodiment. A resist is coated on the surface opposite to the boron-doped side of the Si substrate 41, the cavity 61 is patterned, and the oxide film 42 is half-etched with an aqueous hydrofluoric acid solution (FIG. 6A). After removing the resist once, the resist is coated again, and the oxide film 42 in the portion 62 to be the vibration plate is completely removed with a hydrofluoric acid aqueous solution, and the resist is peeled off (FIG. 6B). The Si substrate 41 patterned with the oxide film 42 is etched with a 30 wt% potassium hydroxide aqueous solution at a depth 62 of 60 μm (FIG. 6C). Next, the etching time is adjusted and the Si substrate 41 is immersed so that only the oxide film portion 63 thinned by half etching can be removed (FIG. 6D). Then, the etching with the potassium hydroxide aqueous solution is continued so that the thickness of the portion 62 to be the first etched diaphragm becomes about 3 microns. At this time, the portion from which the oxide film 42 is removed is also etched, and the corner 64 is gradually etched (FIG. 6E), and finally becomes a large tapered slope 65 (FIG. 6F). ). Next, the Si substrate 41 is continuously etched with a 5 wt% potassium hydroxide aqueous solution having a high etching stop property in the high-concentration boron-doped layer 46 to form a diaphragm 66 having a predetermined thickness (FIG. 6G). Since the taper of the slope 65 after the high-concentration etching is large, the finally remaining taper shape can be increased. As a result, the strength of the connecting portion between the partition wall and the diaphragm is increased, and the durability of the diaphragm is further improved.
[0027]
Example 3
FIG. 7 showing the relationship between the etchant concentration and the slope width for the concentrations of the high-concentration potassium hydroxide aqueous solution and the low-concentration potassium hydroxide aqueous solution according to the third embodiment of the present invention, and the etchant concentration and the etch stop selection ratio ( The relationship of the ratio of the etching rate of undoped Si to the etching rate of boron-doped Si) will be described with reference to FIG.
[0028]
In the etching of the Si substrate with an aqueous potassium hydroxide solution, the slope width and concentration of the slope formed at the bottom of the etching groove have a relationship as shown in FIG. 7, and the slope is formed at 32 wt% or more, and the slope is formed at 30 wt% or less. Not formed at all. That is, the maximum concentration of the potassium hydroxide aqueous solution is 55 wt%, and the optimum concentration of the high concentration potassium hydroxide aqueous solution for the purpose of forming the slope portion in the diaphragm formation is 32 to 55 wt%.
[0029]
On the other hand, the point of selecting the concentration of the low-concentration etching solution of the potassium hydroxide aqueous solution is how to increase the etching stop selection ratio. That is, it means how much variation in the Si substrate thickness can be absorbed by the etching stop, and it is desirable that the etching stop selection ratio is high. Considering that the thickness variation of the Si substrate is about 10 microns, the necessary selectivity is 16 or more in order to suppress the vibration plate thickness accuracy to within ± 0.3 microns at the worst. That is, in order to ensure a selectivity of 16 or more, it can be seen from FIG. 8 that the concentration of the potassium hydroxide aqueous solution may be 10 wt% or less. On the other hand, when the concentration of the potassium hydroxide aqueous solution becomes extremely low, the etching ability with respect to Si tends to become unstable, and it is not practical at a concentration lower than 0.5 wt%. Therefore, the optimum concentration of the low-concentration potassium hydroxide aqueous solution for the purpose of etching stop in the diaphragm formation is 0.5 to 10 wt%.
[0030]
The shape of the slope 93 at the connecting portion between the partition wall 91 and the diaphragm 92 after the high-concentration etching is as shown in FIG. 9 (0), and the slope width d and slope height h are substantially equal. Here, in order to estimate the shape after the low-concentration etching, if the etching stop selection ratio in the low-concentration etchant is S and the etching amount after reaching the high-concentration boron-doped layer 95 is a, the relationship between h and S There are three types of shapes after low-concentration etching, as shown in FIGS. 9 (Ι), (П), and (Ш). If the height of the slope after low concentration etching is x,
When S × a <h,
x = h− (S × a) + a
When S × a = h,
x = a
When S × a> h,
When the high-concentration boron-doped layer up to the inclined surface portion top 94 reaches the high-concentration boron-doped layer is the amount to be etched with a _1, the amount of etching from the slope portion upper 94 reaches the high-concentration boron doped layer and a _2,

Here, since the thickness of the high-concentration boron doped layer 95 is 3 microns and the target thickness of the diaphragm 96 is 2 microns, the etching amount of the high-concentration boron doped layer 95 is a = 1 micron. For example, when the concentration of the high concentration etching solution is 40 wt% and the concentration of the low concentration etching solution is 5 wt%, from the graphs of FIGS. 7 and 8,
h = 18 microns, S = 22,
Since S × a = 22> h = 18,
x is
x = h / S = 18/22 = 0.82
Therefore, in this case, the height of the slope after etching is 0.82 microns.
[0031]
From the above, the slope shape can be arbitrarily controlled by selecting the concentration of the high-concentration etching solution and the low-concentration etching solution.
[0032]
【The invention's effect】
By forming the inclined surface at the connecting portion between the partition wall and the diaphragm constituting the discharge chamber of the inkjet head, the stress concentration on the connecting portion between the partition wall and the diaphragm is reduced, and the durability of the connecting portion is improved. And the reliability in the long-term drive of an inkjet head can be improved by preventing the failure | damage of the diaphragm by the stress concentration to a connection part.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view showing the structure of an ink jet head according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional side view of the ink jet head according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a view taken along the line AA ′ in FIG. 2;
FIG. 4 is a diffusion process diagram constituting the manufacturing process of the first substrate of the ink jet head in the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an etching process chart constituting a manufacturing process of the first substrate of the ink jet head in the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an etching process chart constituting the manufacturing process of the first substrate of the ink jet head in the second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the concentration of aqueous potassium hydroxide solution and the slope width in the third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a relationship diagram between potassium hydroxide aqueous solution concentration and selectivity in the third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic view illustrating the etching shape of a partition wall portion and a slope portion of a diaphragm connection portion according to a third embodiment of the present invention and explaining the etching shape.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st board | substrate 2 2nd board | substrate 3 3rd board | substrate 5 Diaphragm 6 Discharge chamber 7 Recessed part 8 Orifice 9 Narrow groove 10 Ink cavity 11 Recessed part 12 Nozzle hole 13 Ink supply port 14 Recessed part 15 Electrode 16 Lead part 17 Terminal 18 Partition portion 19 Connection portion 20 Slope 21 Ink droplet 22 Recording paper 23 Transmitter circuit 41 Si substrate 42 Oxide film 43 Surface 44 for forming boron doped layer 44 Opposite surface 45 Diffusing agent 46 Boron doped layer 47 Boron compound 48 Oxide film 51 Cavity Part 52 Cavity bottom 53 Slope 54 Diaphragm 55 Bulkhead part 56 Slope 61 Cavity part 62 Diaphragm part 63 Thinned oxide part 64 Corner 65 Slope 66 Diaphragm 91 Diaphragm part 92 Diaphragm part 93 Slope 94 Slope upper part 95 Boron doped layer

Claims

Single or a plurality of nozzle holes for discharging ink droplets, a discharge chamber connected to each of the nozzle holes, a vibration plate constituting at least one wall of the discharge chamber, and deformation of the vibration plate In the method of manufacturing an ink jet head, the driving unit includes an electrode that deforms the diaphragm by electrostatic force, and the substrate on which the diaphragm is formed is a Si substrate.
The Si substrate uses a Si substrate on which a high concentration p-type impurity layer is formed,
The (110) plane is selected as the plane orientation of the Si substrate,
Etching is started from the surface opposite to the surface on which the high concentration p-type impurity layer of the Si substrate is formed,
Etching from the surface layer of the Si substrate to the vicinity of the high-concentration p-type impurity layer with a high-concentration etchant, forming a first slope between the side wall and the bottom surface of the etched recess,
Etching from the vicinity of the high-concentration p-type impurity layer to the high-concentration p-type impurity layer is performed using the difference in the etching rate of boron-undoped Si with respect to the etching rate of boron-doped Si, and the sidewall of the recess Forming a second slope different from the first slope between the bottom surface and the bottom surface;
A method of manufacturing an ink jet head, wherein the obtained concave portion having the second inclined surface is used as the discharge chamber.

2. The method of manufacturing an ink jet head according to claim 1, wherein the vibration plate is a Si substrate made of a high concentration p-type impurity layer,
Etching the Si substrate from the surface opposite to the surface on which the high-concentration p-type impurity layer is formed to the vicinity of the high-concentration p-type impurity layer, using an oxide film patterned in a plurality of thicknesses as an etching mask Done
A method for manufacturing an inkjet head, wherein the first inclined surface is formed.

In the manufacturing method of the ink-jet head according to claim 1,
By adjusting the difference between the etching rate of the high-concentration p-type impurity layer relative to the etching rate of the non-high-concentration p-type impurity layer and the height of the first slope from the high-concentration p-type impurity layer, A method of manufacturing an ink-jet head, comprising forming inclined surfaces having different inclination angles on the inclined surface.

Produced by the method according to any one of claims 1 to 3, the ink jet head is characterized in that providing the inclined surface portion to the connecting portion of the partition wall and the diaphragm constituting the discharge chamber .