JP3758025B2

JP3758025B2 - Method for manufacturing ink jet recording head

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Publication number: JP3758025B2
Application number: JP2000262890A
Authority: JP
Inventors: 勝人島田; 明松沢; 哲司高橋
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2000-04-12
Filing date: 2000-08-31
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2020-08-31
Also published as: JP2001353869A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力発生室の内壁面の一部を構成する振動板を振動させることにより、圧力発生室内のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッド及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。
【０００３】
前者は、圧電素子の端面を振動板に当接させて圧電素子の伸縮動作により圧力発生室の容積を変化させるものであり、高密度印刷に適した記録ヘッドの製作が可能である反面、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた圧電素子を圧力発生室に位置決めして固定する作業が必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。
【０００４】
これに対して後者は、圧電材料のグリーンシートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電素子を作りつけることができるものの、たわみ振動を利用する関係上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難であるという問題がある。
【０００５】
一方、後者のたわみ振動モードのインクジェット式記録ヘッドの上記不都合を解消するための記録ヘッドの一例が特開平５−２８６１３１号公報に記載されており、この公報では、振動板の表面全体にわたって成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが提案されている。
【０００６】
これによれば、圧電素子を振動板に貼り付ける作業が不要となって、リソグラフィ法という精密で、かつ簡便な手法で圧電素子を作りつけることができるばかりでなく、圧電素子の厚みを薄くできて高速駆動が可能になるという利点がある。また、このようなインクジェット式記録ヘッドでは、基板の圧電素子とは反対側からエッチングすることにより厚さ方向に貫通して圧力発生室を形成しているため、寸法精度の高い圧力発生室を比較的容易且つ高密度に配設することができる。
【０００７】
上記従来のインクジェット式記録ヘッドを製造する際には、（１１０）面方位のシリコン単結晶基板の表面に圧電素子を含む薄膜アクチュエータを形成した後、圧力発生室をシリコン単結晶基板の裏面から貫通させて形成するようにしていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のインクジェット式記録ヘッドでは、圧力発生室を形成するシリコン単結晶基板として、例えば、直径が６〜１２インチ程度の比較的大きなものを用いようとする場合、ハンドリング等の問題により基板の厚さを厚くせざるを得ず、それに伴い圧力発生室の深さも深くなってしまう。
【０００９】
そのため、各圧力発生室同士を区画する隔壁の厚さを厚くしないと、十分な剛性は得られず、クロストークが発生し、所望の吐出特性が得られない等の問題がある。また、壁の厚さを厚くすると、高い配列密度でノズルを並べられないため、高解像度の印字品質を達成できないという問題がある。
【００１０】
本発明は上述した事情を考慮してなされたものであって、その目的とするところは、圧力発生室間の隔壁の剛性を向上させると共に圧力発生室を高密度で配設することができるインクジェット式記録ヘッド及びその製造方法を提供することにある。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、圧力発生室の内壁面の一部を構成する振動板を振動させることにより、前記圧力発生室内のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出するインクジェット式記録ヘッドの製造方法において、表面及び裏面を含む（１００）面方位のシリコン単結晶基板の前記表面上に多結晶シリコン膜を形成する工程と、前記圧力発生室となる領域を残して、前記多結晶シリコン膜及び前記シリコン単結晶基板の内部表面付近にホウ素を拡散する工程と、前記多結晶シリコン膜上に第１膜を形成する工程と、前記圧力発生室を形成する部分にエッチング液を供給するための供給孔を前記第１膜に形成する工程と、前記供給孔を介して前記圧力発生室を形成する部分にエッチング液を供給し、これによる等方性のウェットエッチングによりエッチングされた前記多結晶シリコン膜のアンドープ部分のパターンによって、前記シリコン単結晶基板の前記表面を異方性のウェットエッチングによりエッチングして前記圧力発生室を形成する工程と、前記第１膜上に第２膜を形成して前記供給孔を閉鎖する工程とを備えたことを特徴とする。
【００２８】
本発明は、圧力発生室の内壁面の一部を構成する振動板を振動させることにより、前記圧力発生室内のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出するインクジェット式記録ヘッドの製造方法において、表面及び裏面を含む（１００）面方位のシリコン単結晶基板の前記表面に多結晶シリコン膜を形成する工程と、前記圧力発生室となる領域を残して前記多結晶シリコン膜を除去して所定パターンの多結晶シリコン膜を形成する工程と、前記所定パターンの多結晶シリコン膜上及び前記シリコン単結晶基板の前記表面上に第１膜を形成する工程と、前記圧力発生室を形成する部分にエッチング液を供給するための供給孔を前記第１膜に形成する工程と、前記供給孔を介して前記圧力発生室を形成する部分にエッチング液を供給し、これによる等方性のウェットエッチングによりエッチングされた前記多結晶シリコン膜の前記所定のパターンによって、前記シリコン単結晶基板の前記表面を異方性のウェットエッチングによりエッチングして前記圧力発生室を形成する工程と、前記第１膜上に第２膜を形成して前記供給孔を閉鎖する工程とを備えたことを特徴とする。
【００３１】
また、好ましくは、前記圧力発生室は細長状に形成されており、前記供給孔は、前記圧力発生室の長手方向に沿って形成されたスリットから成る。
【００３２】
また、好ましくは、前記供給孔は、前記圧力発生室の形成領域に対応する領域に形成された複数の小孔より成る。
【００３３】
また、好ましくは、前記第２膜によって前記供給孔を閉鎖した後、前記第２膜上に下電極膜を形成する工程と、圧電体膜及び上電極膜を前記下電極膜上に所定のパターンにて形成する工程とをさらに有する。
【００３４】
また、好ましくは、前記第２膜は下電極膜であり、前記第２膜によって前記供給孔を閉鎖した後、圧電体膜及び上電極膜を前記第２膜上に所定のパターンにて直接形成する工程をさらに有する。
【００３５】
また、好ましくは、前記下電極膜を形成する前に、前記圧力発生室に供給するインクを貯留するためのリザーバをウェットエッチングにより形成する工程をさらに有する。
【００３６】
また、好ましくは、前記リザーバを前記シリコン単結晶基板の前記裏面側に形成する。
【００３７】
また、好ましくは、前記圧電体膜及び前記上電極膜を形成した後、前記ノズル開口と前記圧力発生室とを連通する連通孔を、前記第１膜及び前記第２膜を含む前記振動板に形成する工程をさらに有する。
【００３８】
また、好ましくは、前記第１膜は、酸化珪素膜、窒化珪素膜又は酸化ジルコニウム膜である。
【００３９】
また、好ましくは、前記第２膜は、酸化珪素膜、窒化珪素膜及び酸化ジルコニウム膜のいずれかの膜、或いはいずれかを積層した積層膜である。
【００４０】
また、好ましくは、前記連通孔を形成した後、前記シリコン単結晶基板を所定形状にカットして流路形成基板を形成する工程と、前記シリコン単結晶基板を前記流路形成基板にカットした後又はカットする前に、前記シリコン単結晶基板の前記表面側に、前記ノズル開口を有するノズルプレートを接合する工程とをさらに有する。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施形態によるインクジェット式記録ヘッド及びその製造方法について図面を参照して説明する。
【００４２】
図１は、本実施形態によるインクジェット式記録ヘッドの１つの圧力発生室及びその周辺を拡大して示した縦断面図である。図１に示したように、（１００）面方位のシリコン単結晶基板を所定形状にカットして形成された流路形成基板１の表面側に圧力発生室２が形成されている。
【００４３】
圧力発生室２は、流路形成基板１にカットする前のシリコン単結晶基板の表面に対する異方性のウェットエッチングによって形成されたものである。流路形成基板１の表面には、圧力発生室２の形成領域を除いて、ホウ素がドーピングされた多結晶シリコン膜３が形成されている。なお、圧力発生室２の上部空間４は、ホウ素がドーピングされていない多結晶シリコン膜を等方性のエッチングにより除去して形成した孔の部分である。多結晶シリコン膜３の上面及び圧力発生室２の上方には、圧力発生室２を覆うようにして略平板状の振動板５が形成されている。圧力発生室２の内壁面は、異方性のウェットエッチングにより露出したシリコン単結晶基板の（１１１）面６と振動板５の内面７とによって形成されている。
【００４４】
振動板５は、内面７を含む窒化珪素膜（第１膜）８と、この窒化珪素膜８上に積層された酸化ジルコニウム膜（第２膜）９と、その上面に積層された下電極膜１１とから構成されている。窒化珪素膜８には、圧力発生室２を形成する際にシリコン単結晶基板の表面にエッチング液を供給するための供給孔１０が形成されており、この供給孔１０は酸化ジルコニウム膜９によって閉鎖されている。
【００４５】
酸化ジルコニウム膜９上には下電極膜１１が形成されており、この下電極膜１１上に、圧電素子を構成する圧電体膜１２が所定パターンにて形成されている。圧電体膜１２上には上電極膜１３が形成されている。
【００４６】
なお、窒化珪素膜８から成る第１膜は、窒化珪素膜に代えて酸化珪素膜或いは酸化ジルコニウム膜とすることもできる。また、酸化ジルコニウム膜９から成る第２膜は、酸化ジルコニウム膜に代えて酸化珪素膜或いは窒化珪素膜とすることもできるし、或いは酸化珪素膜と窒化珪素膜と酸化ジルコニウム膜とのいずれかを積層した積層膜とすることもできる
また、酸化ジルコニウム膜９に代えて導電性膜により第２膜を構成することにより、図１に示した下電極膜１１を省略して導電性の第２膜を下電極膜として用いることもできる。これにより製造工程を簡略化することができる。
【００４７】
図２は、図１に示した流路形成基板１の表面側に、ノズル開口１４を有するノズルプレート１５が接合された状態を示した縦断面図である。ノズルプレート１５の内面側には凹部１６が形成されており、この凹部１６内に圧電体膜１２及び上電極膜１３が収納されている。振動板５には、ノズルプレート１５のノズル開口１４と圧力発生室２とを連通する連通孔１７が形成されている。圧力発生室２に供給するインクを貯留するリザーバ１８が流路形成基板１の裏面側に形成されている。
【００４８】
次に、本実施形態によるインクジェット式記録ヘッドの製造方法について図面を参照して説明する。
【００４９】
まず、図３（ａ）に示したように、（１００）面方位のシリコン単結晶基板２０の表面上に、多結晶シリコン膜３を形成する。次に、図３（ｂ）に示したように圧力発生室２（図１参照）となる領域にシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）２１を形成し、このシリコン酸化膜２１をマスクとして、圧力発生室２となる領域を除いて多結晶シリコン膜３及びシリコン単結晶基板２０の内部表面付近に高濃度のホウ素を拡散し、ホウ素拡散領域２２を形成する。ホウ素の拡散工程の後、図３（ｃ）に示したようにシリコン酸化膜２１を除去する
次に、図３（ｄ）に示したように多結晶シリコン膜３上に、エッチング耐性に優れた窒化珪素膜（第１膜）８を形成し、さらに、窒化珪素膜８上にレジスト膜２３を形成する。レジスト膜２３には、供給孔１０（図１参照）に対応する位置に孔２４が形成されている。このレジスト膜２３の孔２４を利用したエッチングにより、図４（ａ）に示したように窒化珪素膜８に供給孔１０を形成する。
【００５０】
次に、供給孔１０を介して圧力発生室２を形成する部分にエッチング液（例えばＫＯＨ）を供給する。すると、図４（ｂ）に示したように、まず初めに等方性のウェットエッチングにより多結晶シリコン膜３全体のうちのホウ素がドーピングされていないアンドープ部分がエッチングされて除去される。続いて、除去されたアンドープ部分の多結晶シリコン膜３のパターンによって、シリコン単結晶基板２０の表面が異方性のウェットエッチングによりエッチングされて圧力発生室２が形成される。
【００５１】
次に、図４（ｃ）に示したように、酸化ジルコニウム膜（第２膜）９を窒化珪素膜８上に形成して供給孔１０を閉鎖する。なお、第２膜の形成方法としては、熱酸化、化学気相成長（ＣＶＤ）、スパッタリング等を用いることができる。次に、図４（ｄ）に示したように、酸化ジルコニウム膜９上に下電極膜１１を形成する。
【００５２】
次に、図５（ａ）に示したように、下電極膜１１上に、圧電素子となる圧電体膜１２を形成し、この圧電体膜１２上に上電極膜１３を形成する。ここで、窒化珪素膜８、酸化ジルコニウム膜９及び下電極膜１１から成る振動板５は平板状を成しているので、スピンコート技術によって圧電体膜１２を所望の膜厚に形成することができる。
【００５３】
そして、図５（ｂ）に示したように所定パターンにてシリコン酸化膜２５を圧力発生室２の上方位置の上電極膜１３に形成する。この所定パターンのシリコン酸化膜２５をマスクとして利用したエッチングにより、図５（ｃ）に示したように圧電体膜１２及び上電極膜１３を所定パターンに加工する。
【００５４】
なお、供給孔１０は、図６（ａ）に示したように圧力発生室２の幅方向の中心にて長手方向に沿って形成されたスリットとすることもできるし、図６（ｂ）に示したように複数本の平行なスリットを長手方向に沿って形成することもできる。スリットの形成位置は、圧電体膜１２を投射した領域の内側でも外側でも良い。また、図６（ｃ）に示したように圧力発生室２の形成領域に形成された複数の小孔として供給孔１０を形成することもできる。供給孔１０を構成するスリットや小孔の大きさや形状は、酸化ジルコニウム膜９より成る第２膜によって埋めることができるように設定される。
【００５５】
また、第２膜を導電性材料で形成して下電極膜とした場合には、第２膜９によって供給孔１０を閉鎖した後（図４（ｃ））、下電極膜１１を形成する工程（図４（ｄ））を省略して、圧電体膜１２を第２膜９上に直接形成する。
【００５６】
また、圧力発生室２を形成した後、下電極膜１１（又は下電極膜を兼ねる第２膜）を形成する前に、圧力発生室２に供給するインクを貯留するためのリザーバ１８（図２参照）を、ウェットエッチングによりシリコン単結晶基板２０の裏面側に形成することができる。或いは、圧力発生室２とリザーバ１８を同一工程にて形成することもできる。圧電体膜１２を形成する前にウェットエッチングでリザーバ１８を形成することにより、エッチング液から圧電体膜１２を保護する必要がなくなる。
【００５７】
また、圧電体膜１２及び上電極膜１３を形成した後、ノズル開口１４（図２参照）と圧力発生室２とを連通する連通孔１７（図２、図６参照）を振動板５に形成することもできる。そして、連通孔１７を形成した後、シリコン単結晶基板２０を所定形状にカットして流路形成基板１（図１参照）を形成し、流路形成基板１の表面側に、ノズル開口１４を有するノズルプレート１５を接合する。或いは、シリコン単結晶基板２０とノズルプレート１５を接合してから、所定形状にカットしてもよい。
【００５８】
以上述べたように本実施形態によれば、（１００）面方位のシリコン単結晶基板２０の表面に対する異方性エッチングにより圧力発生室２を形成するようにしたので、圧力発生室２間の隔壁の厚みを十分に確保することが可能であり、基板２０の厚みが増した場合でも隔壁の剛性を十分に高く維持することができ、高密度のノズル配列が可能となる。また、簡単な工程により精度よく圧力発生室を形成することができる。
【００５９】
また、ウェットエッチングにより圧力発生室２を形成する際には、まだ圧電体膜１２が形成されていないので、エッチング液から圧電体膜１２を保護する必要がない。
【００６０】
次に、本発明の第２実施形態によるインクジェット式記録ヘッド及びその製造方法について図面を参照して説明する。なお、本実施形態は上記第１実施形態の構成を一部変更したものであり、以下では第１実施形態と異なる部分について説明する。
【００６１】
図７は、本実施形態によるインクジェット式記録ヘッドの１つの圧力発生室及びその周辺を拡大して示した縦断面図であり、上記第１実施形態と同様に、（１００）面方位のシリコン単結晶基板を所定形状にカットして形成された流路形成基板１の表面側に圧力発生室２が形成されている。
【００６２】
そして、本実施形態においては、圧力発生室２の内壁面の一部を形成する振動板５の内面７は圧電体膜１２の方向に向かって凸形状を成しており、振動板５の内面の凸形状に対応して振動板５が圧電体膜１２の方向に向かって凸形状を成している。この凸形状の内面７により形成された空間部分３０は、供給孔１０からエッチング液を注入して多結晶シリコン膜をウェットエッチングすることにより形成されたものである。
【００６３】
また、本実施形態によるインクジェット式記録ヘッドは、上記第１実施形態におけるホウ素がドーピングされた多結晶シリコン膜３（図１参照）に相当する部分を備えていない。これは、上述した空間部分３０が圧力発生室２のエッチング形状を決めるからである。
【００６４】
次に、本実施形態によるインクジェット式記録ヘッドの製造方法について図面を参照して説明する。
【００６５】
まず初めに図８（ａ）に示したように、（１００）面方位のシリコン単結晶基板２０の表面に多結晶シリコン膜３０を形成する。次に、図８（ｂ）に示したように圧力発生室２（図７参照）となる領域にシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）３１を形成し、このシリコン酸化膜３１をマスクとしたエッチングにより多結晶シリコン膜３０を除去し、図８（ｃ）に示したように所定パターンの多結晶シリコン膜３０を形成する。
【００６６】
次に、所定パターンの多結晶シリコン膜３０上及びシリコン単結晶基板２０の表面上に、エッチング耐性に優れた窒化珪素膜（第１膜）８を形成し、さらに、窒化珪素膜８上にレジスト膜２３を形成する。レジスト膜２３には、供給孔１０（図７参照）に対応する位置に孔２４が形成されている。このレジスト膜２３の孔２４を利用したエッチングにより、図９（ｂ）に示したように窒化珪素膜８に供給孔１０を形成する。
【００６７】
次に、供給孔１０を介して圧力発生室２を形成する部分にエッチング液（例えばＫＯＨ）を供給する。すると、図９（ｃ）に示したように、まず初めに等方性のウェットエッチングにより多結晶シリコン膜３０が除去される。続いて、除去された多結晶シリコン膜３０のパターンによって、シリコン単結晶基板２０の表面が異方性のウェットエッチングによりエッチングされて圧力発生室２が形成される。
【００６８】
次に、図９（ｄ）に示したように、酸化ジルコニウム膜（第２膜）９を窒化珪素膜８上に形成して供給孔１０を閉鎖する。なお、第２膜の形成方法としては、熱酸化、化学気相成長（ＣＶＤ）、スパッタリング等を用いることができる。次に、図１０（ａ）に示したように、酸化ジルコニウム膜９上に下電極膜１１を形成する。
【００６９】
次に、図１０（ｂ）に示したように、下電極膜１１上に圧電体膜１２を形成し、この圧電体膜１２上に上電極膜１３を形成する。そして、図１０（ｃ）に示したように所定パターンにてシリコン酸化膜２５を圧力発生室２の上方位置の上電極膜１３に形成する。この所定パターンのシリコン酸化膜２５をマスクとしたエッチングにより、図１０（ｄ）に示したように圧電体膜１２及び上電極膜１３を所定パターンに加工する。
【００７０】
また、酸化ジルコニウム膜９に代えて導電性材料で第２膜を形成し、第２膜を下電極膜とした場合には、第２膜によって供給孔１０を閉鎖した後（図９（ｄ））、下電極膜１１を形成する工程（図１０（ａ））を省略して、圧電体膜１２を第２膜上に直接形成する。
【００７１】
また、圧力発生室２を形成した後、下電極膜１１（又は下電極膜を兼ねる第２膜）を形成する前に、圧力発生室２に供給するインクを貯留するためのリザーバ１８（図２参照）を、ウェットエッチングによりシリコン単結晶基板２０の裏面側に形成することができる。或いは、圧力発生室２とリザーバ１８を同一工程にて形成することもできる。圧電体膜１２を形成する前にウェットエッチングでリザーバ１８を形成することにより、エッチング液から圧電体膜１２を保護する必要がなくなる。
【００７２】
また、圧電体膜１２及び上電極膜１３を形成した後、ノズル開口１４（図２参照）と圧力発生室２とを連通する連通孔１７（図２、図６参照）を振動板５に形成することもできる。そして、連通孔１７を形成した後、シリコン単結晶基板２０を所定形状にカットして流路形成基板１（図７参照）を形成し、流路形成基板１の表面側に、ノズル開口１４を有するノズルプレート１５を接合する。
【００７３】
以上述べたように本実施形態によれば、上記第１実施形態と同様に、（１００）面方位のシリコン単結晶基板２０の表面に対する異方性エッチングにより圧力発生室２を形成するようにしたので、圧力発生室２間の隔壁の厚みを十分に確保することが可能であり、基板２０の厚みが増した場合でも隔壁の剛性を十分に高く維持することができ、高密度のノズル配列が可能となる。また、簡単な工程により精度よく圧力発生室を形成することができる。
【００７４】
また、ウェットエッチングにより圧力発生室２を形成する際には、まだ圧電体膜１２が形成されていないので、エッチング液から圧電体膜１２を保護する必要がない。
【００７５】
さらに、本実施形態においては、所定パターンで形成された多結晶シリコン膜３０を除去して形成された所定パターンの空間を利用したウェットエッチングにより圧力発生室２を形成するようにしたので、上述した第１実施形態の製造工程において必要であったホウ素のドーピング工程（図３（ｂ））を省略することができる。
【００７６】
次に、本発明の第３実施形態によるインクジェット式記録ヘッド及びその製造方法について図面を参照して説明する。なお、本実施形態は上記第１実施形態の構成を一部変更したものであり、以下では第１実施形態と異なる部分について説明する。なお、図１１は、本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの１つの圧力発生室及びその周辺を拡大して示した縦断面図である。
【００７７】
図１１に示すように、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、流路形成基板２０の表面には、例えば、窒化珪素からなり、圧力発生室２に対向する領域に開口部１９ａを有する保護層１９が設けられている。
【００７８】
また、供給孔１０は、第１膜８の圧力発生室２の周縁部に対向する領域に設けられており、圧力発生室２の開口側周縁部には、保護層１９と第１膜８との間に、供給孔１０が連通する空間部３３が画成されている以外、第１実施形態と同様である。
【００７９】
なお、この空間部３３は、詳しくは後述するが、供給孔１０からエッチング液を注入して犠牲層をウェットエッチングによって除去することにより形成されたものである。
【００８０】
以下に、本実施形態によるインクジェット式記録ヘッドの製造方法について図面を参照して説明する。
【００８１】
まず、図１２（ａ）に示すように、（１００）面方位の流路形成基板１０の表面に保護層１９を形成する。次に、図１２（ｂ）に示すように、保護層１９の圧力発生室２となる領域を、例えば、所定のマスクパターンを用いてエッチングすることにより除去して開口部１９ａを形成する。
【００８２】
次に、図１２（ｃ）に示すように、保護層１９上に、例えば、ポリシリコンからなる犠牲層９０を形成すると共に、例えば、所定のマスクパターン等を用いてエッチングすることにより、保護層１９の開口部１９ａを覆う領域を残留部９１として残す。なお、本実施形態では、残留部９１以外の領域を完全に除去するようにした。
【００８３】
次に、図１２（ｄ）に示すように、この犠牲層９０の残留部９１上及び流路形成基板２０の表面上に、エッチング耐性に優れた窒化珪素膜（第１膜）８を形成し、この窒化珪素膜８に、上述の実施形態と同様、レジスト膜等を用いて供給孔１０を形成する。具体的には、窒化珪素膜８の圧力発生室２となる領域の外側に対応する領域に供給孔１０を形成する。
【００８４】
次に、供給孔１０を介して圧力発生室２を形成する部分にエッチング液（例えばＫＯＨ）を供給する。すると、図１２（ｅ）に示すように、初めに等方性のウェットエッチングにより犠牲層９０の残留部９１が除去され、空間部３３が形成されて、これにより、保護層１９の開口部１９ａが露出される。続いて、この開口部１９ａを介して流路形成基板１０の表面が異方性のウェットエッチングによりエッチングされて圧力発生室２が形成される。
【００８５】
次に、図１２（ｆ）に示すように、酸化ジルコニウム膜（第２膜）９を窒化珪素膜８上に形成して供給孔１０を閉鎖する。なお、第２膜の形成方法としては、熱酸化、化学気相成長（ＣＶＤ）、スパッタリング等を用いることができる。
【００８６】
なお、その後は、上述の実施形態と同様に、この酸化ジルコニウム膜９上に下電極膜１１、圧電体膜１２及び上電極膜１３を順次成膜及びパターニングすることにより圧電素子を形成する。
【００８７】
このような本実施形態においても、上述の実施形態と同様に、圧力発生室２間の隔壁の厚みを十分に確保することが可能であり、流路形成基板１０の厚みが増した場合でも隔壁の剛性を十分に高く維持することができ、高密度のノズル配列が可能となる。また、簡単な工程により精度よく圧力発生室を形成することができる。
【００８８】
なお、本実施形態では、最終的に犠牲層９０が完全に除去されるようにしたが、これに限定されず、例えば、図１３に示すように、空間部３３の外側の領域に、残留部９１をエッチングする際には除去されない残留部９２を残すようにしてもよい。このような構成とする場合には、犠牲層９０をパターングする際に、開口部１９ａの周縁部に亘って溝部を形成して残留部９１と残留部９２とを完全に分離するようにすればよい。
【００８９】
図１４は、上述した第１〜第３実施形態によるインクジェット式記録ヘッドを搭載したインクジェット式記録装置の概略構成を示した斜視図である。図１４中符号４１はキャリッジであり、このキャリッジ４１の下面側に第１又は第２実施形態によるインクジェット式記録ヘッド（図示せず）が設けられている。キャリッジ４１はキャリッジモータ４２により駆動されるタイミングベルト４３を介し、ガイド部材４４に案内されてプラテン４５の軸方向に往復移動されるように構成されている。ここで、キャリッジ４１は熱可塑性樹脂によって形成されている。
【００９０】
キャリッジ４１には記録ヘッドにインクを供給するインク貯留部としてのブラックインクカートリッジ４７、およびカラーインクカートリッジ４８が着脱可能に装着されている。なお、キャリッジ４１は、典型的には、カートリッジ４７、４８からのインクを濾過するためのフィルタリング機構を備えており、濾過後のインクが記録ヘッドに供給されるようになっている。
【００９１】
この記録装置の非印字領域であるホームポジション(図中、右側)にはキャッピング手段４９が配置されており、このキャッピング手段４９はキャリッジ４１に搭載された記録ヘッドがホームポジションに移動した時に、記録ヘッドのノズル形成面を封止できるように構成されている。そして、キャッピング手段４９の下方には、キャッピング手段４９の内部空間に負圧を与えるためのポンプユニット５０が配置されている。
【００９２】
キャッピング手段４９における印字領域側の近傍には、ゴムなどの弾性板を備えたワイピング手段５１が記録ヘッドの移動軌跡に対して例えば水平方向に進退できるように配置されていて、キャリッジ４１がキャッピング手段４９側に往復移動するに際して、必要に応じて記録ヘッドのノズル形成面を払拭することができるように構成されている。
【００９３】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、（１００）面方位のシリコン単結晶基板の表面に対する異方性エッチングにより圧力発生室を形成するようにしたので、圧力発生室間の隔壁の厚みを十分に確保することが可能であり、基板の厚みが増した場合でも隔壁の剛性を十分に高く維持することができ、高密度のノズル配列が可能となる。また、簡単な工程により精度よく圧力発生室を形成することができる。
【００９４】
また、ウェットエッチングにより圧力発生室を形成する際には、まだ圧電体膜が形成されていないので、エッチング液から圧電体膜を保護する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態によるインクジェット式記録ヘッドの１つの圧力発生室及びその周辺を拡大して示した縦断面図。
【図２】図１に示した流路形成基板１の表面側に、ノズル開口を有するノズルプレートが接合された状態を示した縦断面図。
【図３】本発明の第１実施形態によるインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示した図。
【図４】本発明の第１実施形態によるインクジェット式記録ヘッドの製造工程を図３に続いて示した図。
【図５】本発明の第１実施形態によるインクジェット式記録ヘッドの製造工程を図４に続いて示した図。
【図６】本発明の第１実施形態によるインクジェット式記録ヘッドの供給孔の各種形態を示した図。
【図７】本発明の第２実施形態によるインクジェット式記録ヘッドの１つの圧力発生室及びその周辺を拡大して示した縦断面図。
【図８】本発明の第２実施形態によるインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示した図。
【図９】本発明の第２実施形態によるインクジェット式記録ヘッドの製造工程を図８に続いて示した図。
【図１０】本発明の第２実施形態によるインクジェット式記録ヘッドの製造工程を図９に続いて示した図。
【図１１】本発明の第３実施形態によるインクジェット式記録ヘッドの１つの圧力発生室及びその周辺を拡大して示した縦断面図。
【図１２】本発明の第３実施形態によるインクジェット式記録ヘッドの製造工程を示した図。
【図１３】本発明の第３実施形態によるインクジェット式記録ヘッドの変形例の１つの圧力発生室及びその周辺を拡大して示した縦断面図。
【図１４】本発明の第１〜第３実施形態によるインクジェット式記録ヘッドが搭載されたインクジェット式記録装置の概略構成を示した斜視図。
【符号の説明】
１流路形成基板
２圧力発生室
３多結晶シリコン膜
４、３０圧力発生室の上部空間
５振動板
６シリコン単結晶基板の（１１１）面
７振動板の内面
８窒化珪素膜（第１膜）
９酸化ジルコニウム膜（第２膜）
１０供給孔
１１下電極膜
１２圧電体膜（圧電素子）
１３上電極膜
１４ノズル開口
１５ノズルプレート
１７連通孔
１８リザーバ
２０シリコン単結晶基板
２１、３１シリコン酸化膜
２２ホウ素拡散領域[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ink jet recording head that pressurizes ink in a pressure generating chamber and ejects ink droplets from nozzle openings by vibrating a diaphragm that forms part of the inner wall surface of the pressure generating chamber, and a method for manufacturing the same. .
[0002]
[Prior art]
A part of the pressure generation chamber communicating with the nozzle opening for discharging ink droplets is constituted by a vibration plate, and the vibration plate is deformed by a piezoelectric element to pressurize the ink in the pressure generation chamber to discharge ink droplets from the nozzle opening. Two types of ink jet recording heads have been put into practical use: those using a longitudinal vibration mode piezoelectric actuator that extends and contracts in the axial direction of the piezoelectric element, and those using a flexural vibration mode piezoelectric actuator.
[0003]
In the former, the end face of the piezoelectric element is brought into contact with the diaphragm, and the volume of the pressure generating chamber is changed by the expansion and contraction of the piezoelectric element. While the recording head suitable for high-density printing can be manufactured, the piezoelectric element Difficult process of cutting elements into a comb-teeth shape according to the arrangement pitch of nozzle openings, and the work of positioning and fixing the cut piezoelectric elements in the pressure generating chamber, which complicates the manufacturing process There is.
[0004]
On the other hand, the latter can flexibly vibrate, although a piezoelectric element can be built on the diaphragm by a relatively simple process of sticking a green sheet of piezoelectric material according to the shape of the pressure generating chamber and firing it. There is a problem that a certain amount of area is required for the use of, and high-density arrangement is difficult.
[0005]
On the other hand, an example of a recording head for solving the above disadvantages of the latter flexural vibration mode ink jet recording head is described in Japanese Patent Laid-Open No. 5-286131. In this publication, a film is formed over the entire surface of the diaphragm. A technique has been proposed in which a uniform piezoelectric material layer is formed by a technique, and the piezoelectric material layer is cut into a shape corresponding to the pressure generating chamber by a lithography method, and a piezoelectric element is formed independently for each pressure generating chamber. .
[0006]
According to this, it is not necessary to attach the piezoelectric element to the diaphragm, and not only can the piezoelectric element be created by a precise and simple technique called a lithography method, but also the thickness of the piezoelectric element can be reduced. The advantage is that high-speed driving is possible. In addition, in such an ink jet recording head, a pressure generating chamber is formed by etching in the thickness direction by etching from the side opposite to the piezoelectric element of the substrate, so a pressure generating chamber with high dimensional accuracy is compared. It can be arranged easily and with high density.
[0007]
When manufacturing the above-described conventional ink jet recording head, a thin film actuator including a piezoelectric element is formed on the surface of a (110) plane silicon single crystal substrate, and then the pressure generation chamber is penetrated from the back surface of the silicon single crystal substrate. To form.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional ink jet recording head described above, when a silicon single crystal substrate for forming the pressure generating chamber is to be used, for example, a relatively large one having a diameter of about 6 to 12 inches, due to problems such as handling. The thickness of the substrate must be increased, and the depth of the pressure generating chamber is increased accordingly.
[0009]
For this reason, unless the thickness of the partition partitioning each pressure generating chamber is increased, sufficient rigidity cannot be obtained, crosstalk occurs, and desired ejection characteristics cannot be obtained. In addition, when the wall thickness is increased, the nozzles cannot be arranged with a high arrangement density, and thus there is a problem that high-resolution print quality cannot be achieved.
[0010]
The present invention has been made in consideration of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to improve the rigidity of the partition between the pressure generating chambers and to arrange the pressure generating chambers at a high density. An object of the present invention is to provide a recording head and a method for manufacturing the same.
[0027]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a method of manufacturing an ink jet recording head that pressurizes ink in the pressure generating chamber and ejects ink droplets from nozzle openings by vibrating a diaphragm that forms part of the inner wall surface of the pressure generating chamber. Forming a polycrystalline silicon film on the front surface of the (100) plane silicon single crystal substrate including the front surface and the back surface, and leaving the region to be the pressure generation chamber, A step of diffusing boron in the vicinity of the inner surface of the single crystal substrate; a step of forming a first film on the polycrystalline silicon film; and a supply hole for supplying an etching solution to a portion for forming the pressure generating chamber. An etching solution is supplied to a portion where the pressure generating chamber is formed through the supply hole, and is etched by isotropic wet etching. Forming the pressure generating chamber by etching the surface of the silicon single crystal substrate by anisotropic wet etching according to the pattern of the undoped portion of the polycrystalline silicon film formed on the first film; Forming a second film and closing the supply hole.
[0028]
The present invention relates to a method of manufacturing an ink jet recording head that pressurizes ink in the pressure generating chamber and ejects ink droplets from nozzle openings by vibrating a diaphragm that forms part of the inner wall surface of the pressure generating chamber. A step of forming a polycrystalline silicon film on the front surface of the silicon single crystal substrate having a (100) plane orientation including the front surface and the back surface, and removing the polycrystalline silicon film while leaving a region serving as the pressure generating chamber. A step of forming a patterned polycrystalline silicon film, a step of forming a first film on the polycrystalline silicon film of the predetermined pattern and on the surface of the silicon single crystal substrate, and a portion for forming the pressure generating chamber Forming a supply hole for supplying an etchant in the first film, and supplying the etchant to a portion where the pressure generating chamber is formed through the supply hole; Forming the pressure generating chamber by etching the surface of the silicon single crystal substrate by anisotropic wet etching with the predetermined pattern of the polycrystalline silicon film etched by isotropic wet etching. And a step of forming a second film on the first film and closing the supply hole.
[0031]
Preferably, the pressure generating chamber is formed in an elongated shape, and the supply hole is formed of a slit formed along the longitudinal direction of the pressure generating chamber.
[0032]
Preferably, the supply hole includes a plurality of small holes formed in a region corresponding to the formation region of the pressure generating chamber.
[0033]
Preferably, after the supply hole is closed by the second film, a lower electrode film is formed on the second film, and the piezoelectric film and the upper electrode film are formed on the lower electrode film in a predetermined pattern. And a step of forming the layer.
[0034]
Preferably, the second film is a lower electrode film, and after the supply hole is closed by the second film, the piezoelectric film and the upper electrode film are directly formed on the second film in a predetermined pattern. The method further includes the step of:
[0035]
Preferably, the method further includes a step of forming a reservoir for storing ink to be supplied to the pressure generation chamber by wet etching before forming the lower electrode film.
[0036]
Preferably, the reservoir is formed on the back side of the silicon single crystal substrate.
[0037]
Preferably, after the piezoelectric film and the upper electrode film are formed, a communication hole that communicates the nozzle opening and the pressure generating chamber is formed in the diaphragm including the first film and the second film. It further has the process of forming.
[0038]
Preferably, the first film is a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a zirconium oxide film.
[0039]
Preferably, the second film is any one of a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a zirconium oxide film, or a laminated film in which any one is laminated.
[0040]
Preferably, after the communication hole is formed, the silicon single crystal substrate is cut into a predetermined shape to form a flow path forming substrate, and the silicon single crystal substrate is cut into the flow path forming substrate. Or before cutting, it further has the process of joining the nozzle plate which has the said nozzle opening to the said surface side of the said silicon single crystal substrate.
[0041]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an ink jet recording head and a manufacturing method thereof according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0042]
FIG. 1 is an enlarged longitudinal sectional view showing one pressure generating chamber and its periphery of the ink jet recording head according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, a pressure generating chamber 2 is formed on the surface side of a flow path forming substrate 1 formed by cutting a silicon single crystal substrate having a (100) plane orientation into a predetermined shape.
[0043]
The pressure generating chamber 2 is formed by anisotropic wet etching with respect to the surface of the silicon single crystal substrate before being cut into the flow path forming substrate 1. A polycrystalline silicon film 3 doped with boron is formed on the surface of the flow path forming substrate 1 except for the formation region of the pressure generating chamber 2. The upper space 4 of the pressure generating chamber 2 is a hole formed by removing a polycrystalline silicon film not doped with boron by isotropic etching. A substantially flat diaphragm 5 is formed on the upper surface of the polycrystalline silicon film 3 and above the pressure generation chamber 2 so as to cover the pressure generation chamber 2. The inner wall surface of the pressure generating chamber 2 is formed by the (111) surface 6 of the silicon single crystal substrate exposed by anisotropic wet etching and the inner surface 7 of the diaphragm 5.
[0044]
The diaphragm 5 includes a silicon nitride film (first film) 8 including an inner surface 7, a zirconium oxide film (second film) 9 stacked on the silicon nitride film 8, and a lower electrode film stacked on the upper surface thereof. 11. The silicon nitride film 8 is provided with a supply hole 10 for supplying an etching solution to the surface of the silicon single crystal substrate when the pressure generating chamber 2 is formed. The supply hole 10 is closed by the zirconium oxide film 9. Has been.
[0045]
A lower electrode film 11 is formed on the zirconium oxide film 9, and a piezoelectric film 12 constituting a piezoelectric element is formed on the lower electrode film 11 in a predetermined pattern. An upper electrode film 13 is formed on the piezoelectric film 12.
[0046]
The first film made of the silicon nitride film 8 may be a silicon oxide film or a zirconium oxide film instead of the silicon nitride film. The second film made of the zirconium oxide film 9 can be a silicon oxide film or a silicon nitride film instead of the zirconium oxide film, or any one of a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a zirconium oxide film can be used. It can also be a laminated film
In addition, by forming the second film with a conductive film instead of the zirconium oxide film 9, the lower electrode film 11 shown in FIG. 1 can be omitted and the conductive second film can be used as the lower electrode film. . Thereby, a manufacturing process can be simplified.
[0047]
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a state in which a nozzle plate 15 having nozzle openings 14 is bonded to the surface side of the flow path forming substrate 1 shown in FIG. A recess 16 is formed on the inner surface side of the nozzle plate 15, and the piezoelectric film 12 and the upper electrode film 13 are accommodated in the recess 16. The diaphragm 5 is formed with a communication hole 17 that communicates the nozzle opening 14 of the nozzle plate 15 and the pressure generating chamber 2. A reservoir 18 for storing ink to be supplied to the pressure generating chamber 2 is formed on the back side of the flow path forming substrate 1.
[0048]
Next, the method for manufacturing the ink jet recording head according to the present embodiment will be described with reference to the drawings.
[0049]
First, as shown in FIG. 3A, a polycrystalline silicon film 3 is formed on the surface of a silicon single crystal substrate 20 having a (100) plane orientation. Next, as shown in FIG. 3B, a silicon oxide film (SiO 2) is formed in the region that becomes the pressure generating chamber 2 (see FIG. 1). ₂ ) 21, and using the silicon oxide film 21 as a mask, high-concentration boron is diffused in the vicinity of the inner surfaces of the polycrystalline silicon film 3 and the silicon single crystal substrate 20 except for the region to be the pressure generating chamber 2. A diffusion region 22 is formed. After the boron diffusion step, the silicon oxide film 21 is removed as shown in FIG.
Next, as shown in FIG. 3D, a silicon nitride film (first film) 8 having excellent etching resistance is formed on the polycrystalline silicon film 3, and the resist film 23 is further formed on the silicon nitride film 8. Form. A hole 24 is formed in the resist film 23 at a position corresponding to the supply hole 10 (see FIG. 1). The supply hole 10 is formed in the silicon nitride film 8 by etching using the hole 24 of the resist film 23 as shown in FIG.
[0050]
Next, an etching solution (for example, KOH) is supplied to a portion where the pressure generating chamber 2 is formed through the supply hole 10. Then, as shown in FIG. 4B, first, an undoped portion of the entire polycrystalline silicon film 3 which is not doped with boron is etched and removed by isotropic wet etching. Subsequently, the surface of the silicon single crystal substrate 20 is etched by anisotropic wet etching by the pattern of the removed undoped portion of the polycrystalline silicon film 3 to form the pressure generating chamber 2.
[0051]
Next, as shown in FIG. 4C, a zirconium oxide film (second film) 9 is formed on the silicon nitride film 8 and the supply hole 10 is closed. As a method for forming the second film, thermal oxidation, chemical vapor deposition (CVD), sputtering, or the like can be used. Next, as shown in FIG. 4D, a lower electrode film 11 is formed on the zirconium oxide film 9.
[0052]
Next, as shown in FIG. 5A, a piezoelectric film 12 serving as a piezoelectric element is formed on the lower electrode film 11, and an upper electrode film 13 is formed on the piezoelectric film 12. Here, since the vibration plate 5 composed of the silicon nitride film 8, the zirconium oxide film 9, and the lower electrode film 11 has a flat plate shape, the piezoelectric film 12 can be formed to a desired film thickness by spin coating. it can.
[0053]
Then, as shown in FIG. 5B, a silicon oxide film 25 is formed on the upper electrode film 13 above the pressure generating chamber 2 in a predetermined pattern. As shown in FIG. 5C, the piezoelectric film 12 and the upper electrode film 13 are processed into a predetermined pattern by etching using the silicon oxide film 25 of the predetermined pattern as a mask.
[0054]
In addition, the supply hole 10 can also be made into the slit formed along the longitudinal direction in the center of the width direction of the pressure generation chamber 2 as shown to Fig.6 (a). As shown, a plurality of parallel slits can be formed along the longitudinal direction. The formation position of the slit may be inside or outside the region where the piezoelectric film 12 is projected. Moreover, as shown in FIG.6 (c), the supply hole 10 can also be formed as several small holes formed in the formation area of the pressure generation chamber 2. As shown in FIG. The size and shape of the slits and small holes constituting the supply hole 10 are set so as to be filled with the second film made of the zirconium oxide film 9.
[0055]
In the case where the second film is formed of a conductive material to form the lower electrode film, the process of forming the lower electrode film 11 after closing the supply hole 10 with the second film 9 (FIG. 4C). (FIG. 4D) is omitted, and the piezoelectric film 12 is formed directly on the second film 9.
[0056]
In addition, after forming the pressure generating chamber 2 and before forming the lower electrode film 11 (or the second film also serving as the lower electrode film), a reservoir 18 for storing ink to be supplied to the pressure generating chamber 2 (FIG. 2). Can be formed on the back side of the silicon single crystal substrate 20 by wet etching. Alternatively, the pressure generating chamber 2 and the reservoir 18 can be formed in the same process. By forming the reservoir 18 by wet etching before forming the piezoelectric film 12, it is not necessary to protect the piezoelectric film 12 from the etching solution.
[0057]
In addition, after the piezoelectric film 12 and the upper electrode film 13 are formed, a communication hole 17 (see FIGS. 2 and 6) that connects the nozzle opening 14 (see FIG. 2) and the pressure generating chamber 2 is formed in the diaphragm 5. You can also Then, after forming the communication hole 17, the silicon single crystal substrate 20 is cut into a predetermined shape to form the flow path forming substrate 1 (see FIG. 1), and the nozzle opening 14 is formed on the surface side of the flow path forming substrate 1. The nozzle plate 15 which has is joined. Alternatively, the silicon single crystal substrate 20 and the nozzle plate 15 may be joined and then cut into a predetermined shape.
[0058]
As described above, according to the present embodiment, the pressure generating chambers 2 are formed by anisotropic etching with respect to the surface of the silicon single crystal substrate 20 having the (100) orientation. It is possible to ensure a sufficient thickness, and even when the thickness of the substrate 20 increases, the rigidity of the partition wall can be maintained sufficiently high, and a high-density nozzle arrangement is possible. In addition, the pressure generating chamber can be formed with high accuracy by a simple process.
[0059]
Further, when the pressure generating chamber 2 is formed by wet etching, the piezoelectric film 12 is not yet formed, so that it is not necessary to protect the piezoelectric film 12 from the etching solution.
[0060]
Next, an ink jet recording head according to a second embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof will be described with reference to the drawings. Note that this embodiment is a partial modification of the configuration of the first embodiment, and the following description will be focused on differences from the first embodiment.
[0061]
FIG. 7 is an enlarged longitudinal sectional view showing one pressure generating chamber and its periphery of the ink jet recording head according to the present embodiment. Similarly to the first embodiment, a silicon unit having a (100) plane orientation is shown. A pressure generating chamber 2 is formed on the surface side of the flow path forming substrate 1 formed by cutting the crystal substrate into a predetermined shape.
[0062]
In this embodiment, the inner surface 7 of the diaphragm 5 that forms a part of the inner wall surface of the pressure generating chamber 2 has a convex shape toward the piezoelectric film 12, and the inner surface of the diaphragm 5. Corresponding to the convex shape, the diaphragm 5 has a convex shape toward the piezoelectric film 12. The space portion 30 formed by the convex inner surface 7 is formed by injecting an etching solution from the supply hole 10 and wet-etching the polycrystalline silicon film.
[0063]
The ink jet recording head according to the present embodiment does not include a portion corresponding to the polycrystalline silicon film 3 (see FIG. 1) doped with boron in the first embodiment. This is because the above-described space portion 30 determines the etching shape of the pressure generating chamber 2.
[0064]
Next, the method for manufacturing the ink jet recording head according to the present embodiment will be described with reference to the drawings.
[0065]
First, as shown in FIG. 8A, a polycrystalline silicon film 30 is formed on the surface of a silicon single crystal substrate 20 having a (100) plane orientation. Next, as shown in FIG. 8B, a silicon oxide film (SiO 2) is formed in a region that becomes the pressure generating chamber 2 (see FIG. 7). ₂ ) 31 is formed, and the polycrystalline silicon film 30 is removed by etching using the silicon oxide film 31 as a mask to form a polycrystalline silicon film 30 having a predetermined pattern as shown in FIG.
[0066]
Next, a silicon nitride film (first film) 8 having excellent etching resistance is formed on the polycrystalline silicon film 30 having a predetermined pattern and on the surface of the silicon single crystal substrate 20, and a resist is formed on the silicon nitride film 8. A film 23 is formed. A hole 24 is formed in the resist film 23 at a position corresponding to the supply hole 10 (see FIG. 7). By using the holes 24 of the resist film 23, the supply holes 10 are formed in the silicon nitride film 8 as shown in FIG. 9B.
[0067]
Next, an etching solution (for example, KOH) is supplied to a portion where the pressure generating chamber 2 is formed through the supply hole 10. Then, as shown in FIG. 9C, first, the polycrystalline silicon film 30 is removed by isotropic wet etching. Subsequently, the surface of the silicon single crystal substrate 20 is etched by anisotropic wet etching with the removed pattern of the polycrystalline silicon film 30 to form the pressure generating chamber 2.
[0068]
Next, as shown in FIG. 9D, a zirconium oxide film (second film) 9 is formed on the silicon nitride film 8 and the supply hole 10 is closed. As a method for forming the second film, thermal oxidation, chemical vapor deposition (CVD), sputtering, or the like can be used. Next, as shown in FIG. 10A, the lower electrode film 11 is formed on the zirconium oxide film 9.
[0069]
Next, as shown in FIG. 10B, the piezoelectric film 12 is formed on the lower electrode film 11, and the upper electrode film 13 is formed on the piezoelectric film 12. Then, as shown in FIG. 10C, a silicon oxide film 25 is formed on the upper electrode film 13 at a position above the pressure generating chamber 2 in a predetermined pattern. The piezoelectric film 12 and the upper electrode film 13 are processed into a predetermined pattern by etching using the silicon oxide film 25 of the predetermined pattern as a mask, as shown in FIG.
[0070]
When the second film is formed of a conductive material instead of the zirconium oxide film 9 and the second film is a lower electrode film, the supply hole 10 is closed by the second film (FIG. 9D). ), The step of forming the lower electrode film 11 (FIG. 10A) is omitted, and the piezoelectric film 12 is directly formed on the second film.
[0071]
In addition, after forming the pressure generating chamber 2 and before forming the lower electrode film 11 (or the second film also serving as the lower electrode film), a reservoir 18 for storing ink to be supplied to the pressure generating chamber 2 (FIG. 2). Can be formed on the back side of the silicon single crystal substrate 20 by wet etching. Alternatively, the pressure generating chamber 2 and the reservoir 18 can be formed in the same process. By forming the reservoir 18 by wet etching before forming the piezoelectric film 12, it is not necessary to protect the piezoelectric film 12 from the etching solution.
[0072]
In addition, after the piezoelectric film 12 and the upper electrode film 13 are formed, a communication hole 17 (see FIGS. 2 and 6) that connects the nozzle opening 14 (see FIG. 2) and the pressure generating chamber 2 is formed in the diaphragm 5. You can also Then, after forming the communication hole 17, the silicon single crystal substrate 20 is cut into a predetermined shape to form the flow path forming substrate 1 (see FIG. 7), and the nozzle opening 14 is formed on the surface side of the flow path forming substrate 1. The nozzle plate 15 which has is joined.
[0073]
As described above, according to the present embodiment, as in the first embodiment, the pressure generating chamber 2 is formed by anisotropic etching on the surface of the silicon single crystal substrate 20 having the (100) plane orientation. Therefore, it is possible to secure a sufficient thickness of the partition wall between the pressure generating chambers 2, and even when the thickness of the substrate 20 is increased, the rigidity of the partition wall can be maintained sufficiently high. It becomes possible. In addition, the pressure generating chamber can be formed with high accuracy by a simple process.
[0074]
Further, when the pressure generating chamber 2 is formed by wet etching, the piezoelectric film 12 is not yet formed, so that it is not necessary to protect the piezoelectric film 12 from the etching solution.
[0075]
Furthermore, in the present embodiment, the pressure generating chamber 2 is formed by wet etching using the space of the predetermined pattern formed by removing the polycrystalline silicon film 30 formed in the predetermined pattern. The boron doping step (FIG. 3B), which was necessary in the manufacturing process of the first embodiment, can be omitted.
[0076]
Next, an ink jet recording head according to a third embodiment of the present invention and a method for manufacturing the same will be described with reference to the drawings. Note that this embodiment is a partial modification of the configuration of the first embodiment, and the following description will be focused on differences from the first embodiment. FIG. 11 is an enlarged longitudinal sectional view showing one pressure generating chamber and its periphery of the ink jet recording head according to the present embodiment.
[0077]
As shown in FIG. 11, in the ink jet recording head of this embodiment, the surface of the flow path forming substrate 20 is made of, for example, silicon nitride, and has a protective layer having an opening 19 a in a region facing the pressure generating chamber 2. 19 is provided.
[0078]
The supply hole 10 is provided in a region of the first film 8 facing the peripheral edge of the pressure generating chamber 2, and the protective layer 19, the first film 8, and the opening peripheral edge of the pressure generating chamber 2 are provided. In the same manner as in the first embodiment except that a space 33 communicating with the supply hole 10 is defined.
[0079]
The space 33 is formed by injecting an etching solution from the supply hole 10 and removing the sacrificial layer by wet etching, as will be described in detail later.
[0080]
Hereinafter, the method of manufacturing the ink jet recording head according to the present embodiment will be described with reference to the drawings.
[0081]
First, as shown in FIG. 12A, the protective layer 19 is formed on the surface of the flow path forming substrate 10 having the (100) plane orientation. Next, as shown in FIG. 12B, the region to be the pressure generation chamber 2 of the protective layer 19 is removed by etching using, for example, a predetermined mask pattern to form an opening 19a.
[0082]
Next, as shown in FIG. 12C, a sacrificial layer 90 made of, for example, polysilicon is formed on the protective layer 19, and the protective layer is etched by using, for example, a predetermined mask pattern. A region covering the 19 openings 19 a is left as a remaining portion 91. In the present embodiment, the region other than the remaining portion 91 is completely removed.
[0083]
Next, as shown in FIG. 12D, a silicon nitride film (first film) 8 having excellent etching resistance is formed on the remaining portion 91 of the sacrificial layer 90 and the surface of the flow path forming substrate 20. The supply holes 10 are formed in the silicon nitride film 8 using a resist film or the like, as in the above-described embodiment. Specifically, the supply hole 10 is formed in a region corresponding to the outside of the region that becomes the pressure generating chamber 2 of the silicon nitride film 8.
[0084]
Next, an etching solution (for example, KOH) is supplied to a portion where the pressure generating chamber 2 is formed through the supply hole 10. Then, as shown in FIG. 12 (e), the residual portion 91 of the sacrificial layer 90 is first removed by isotropic wet etching, and the space portion 33 is formed, whereby the opening 19 a of the protective layer 19 is formed. Is exposed. Subsequently, the surface of the flow path forming substrate 10 is etched by anisotropic wet etching through the opening 19a to form the pressure generating chamber 2.
[0085]
Next, as shown in FIG. 12 (f), a zirconium oxide film (second film) 9 is formed on the silicon nitride film 8 and the supply hole 10 is closed. As a method for forming the second film, thermal oxidation, chemical vapor deposition (CVD), sputtering, or the like can be used.
[0086]
Thereafter, similarly to the above-described embodiment, a piezoelectric element is formed by sequentially forming and patterning the lower electrode film 11, the piezoelectric film 12, and the upper electrode film 13 on the zirconium oxide film 9.
[0087]
In this embodiment as well, as in the above-described embodiment, it is possible to ensure a sufficient thickness of the partition wall between the pressure generation chambers 2, and the partition wall even when the thickness of the flow path forming substrate 10 is increased. The rigidity of the nozzle can be kept sufficiently high, and a high-density nozzle arrangement is possible. In addition, the pressure generating chamber can be formed with high accuracy by a simple process.
[0088]
In the present embodiment, the sacrificial layer 90 is finally completely removed. However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. When etching 91, a remaining portion 92 that is not removed may be left. In such a configuration, when the sacrificial layer 90 is patterned, a groove is formed over the peripheral edge of the opening 19a so that the residual portion 91 and the residual portion 92 are completely separated. Good.
[0089]
FIG. 14 is a perspective view showing a schematic configuration of an ink jet recording apparatus equipped with the ink jet recording head according to the first to third embodiments. In FIG. 14, reference numeral 41 denotes a carriage, and an ink jet recording head (not shown) according to the first or second embodiment is provided on the lower surface side of the carriage 41. The carriage 41 is configured to be reciprocated in the axial direction of the platen 45 by being guided by a guide member 44 via a timing belt 43 driven by a carriage motor 42. Here, the carriage 41 is formed of a thermoplastic resin.
[0090]
A black ink cartridge 47 and a color ink cartridge 48 serving as an ink reservoir for supplying ink to the recording head are detachably mounted on the carriage 41. The carriage 41 is typically provided with a filtering mechanism for filtering ink from the cartridges 47 and 48, and the filtered ink is supplied to the recording head.
[0091]
A capping means 49 is disposed at a home position (right side in the figure) which is a non-printing area of the recording apparatus. The capping means 49 is used for recording when the recording head mounted on the carriage 41 moves to the home position. The nozzle forming surface of the head can be sealed. A pump unit 50 for applying a negative pressure to the internal space of the capping unit 49 is disposed below the capping unit 49.
[0092]
In the vicinity of the printing area side of the capping means 49, a wiping means 51 provided with an elastic plate such as rubber is arranged so as to be able to advance and retreat in the horizontal direction with respect to the movement trajectory of the recording head. When reciprocating toward the 49 side, the nozzle forming surface of the recording head can be wiped off as necessary.
[0093]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the pressure generating chambers are formed by anisotropic etching with respect to the surface of the (100) -oriented silicon single crystal substrate. Even when the thickness of the substrate is increased, the rigidity of the partition wall can be maintained sufficiently high, and a high-density nozzle arrangement is possible. In addition, the pressure generating chamber can be formed with high accuracy by a simple process.
[0094]
Further, when the pressure generating chamber is formed by wet etching, since the piezoelectric film is not yet formed, it is not necessary to protect the piezoelectric film from the etching solution.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an enlarged longitudinal sectional view showing one pressure generating chamber and its periphery of an ink jet recording head according to a first embodiment of the present invention.
2 is a longitudinal sectional view showing a state in which a nozzle plate having nozzle openings is bonded to the surface side of the flow path forming substrate 1 shown in FIG.
FIG. 3 is a view showing a manufacturing process of the ink jet recording head according to the first embodiment of the invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating the manufacturing process of the ink jet recording head according to the first embodiment of the invention, following FIG. 3;
FIG. 5 is a diagram illustrating the manufacturing process of the ink jet recording head according to the first embodiment of the invention, following FIG. 4;
FIG. 6 is a diagram showing various forms of supply holes of the ink jet recording head according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an enlarged longitudinal sectional view showing one pressure generation chamber and its periphery of an ink jet recording head according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a manufacturing process of an ink jet recording head according to a second embodiment of the invention.
FIG. 9 is a view showing the manufacturing process of the ink jet recording head according to the second embodiment of the invention, following FIG. 8;
FIG. 10 is a diagram illustrating the manufacturing process of the ink jet recording head according to the second embodiment of the invention, following FIG. 9;
FIG. 11 is an enlarged longitudinal sectional view showing one pressure generating chamber and its periphery of an ink jet recording head according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 12 shows a manufacturing process of an ink jet recording head according to a third embodiment of the invention.
FIG. 13 is an enlarged longitudinal sectional view showing one pressure generating chamber and its periphery in a modified example of the ink jet recording head according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a perspective view showing a schematic configuration of an ink jet recording apparatus equipped with an ink jet recording head according to first to third embodiments of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Channel formation substrate
2 Pressure generation chamber
3 Polycrystalline silicon film
4, 30 Upper space of pressure generation chamber
5 Diaphragm
6 (111) face of silicon single crystal substrate
7 Inner surface of diaphragm
8 Silicon nitride film (first film)
9 Zirconium oxide film (second film)
10 Supply hole
11 Lower electrode membrane
12 Piezoelectric film (piezoelectric element)
13 Upper electrode film
14 Nozzle opening
15 Nozzle plate
17 Communication hole
18 Reservoir
20 Silicon single crystal substrate
21, 31 Silicon oxide film
22 Boron diffusion region

Claims

In a method of manufacturing an ink jet recording head that pressurizes ink in the pressure generating chamber and ejects ink droplets from nozzle openings by vibrating a diaphragm that forms part of the inner wall surface of the pressure generating chamber.
A step of forming a polycrystalline silicon film on the front surface of the (100) plane silicon single crystal substrate including the front surface and the back surface, and leaving the region to be the pressure generation chamber, the polycrystalline silicon film and the silicon single crystal A step of diffusing boron in the vicinity of the inner surface of the crystal substrate; a step of forming a first film on the polycrystalline silicon film; and a supply hole for supplying an etching solution to a portion for forming the pressure generating chamber. An undoped portion of the polycrystalline silicon film etched by isotropic wet etching by supplying an etchant to the portion forming the pressure generating chamber through the supply hole and the step of forming the first film; Etching the surface of the silicon single crystal substrate by anisotropic wet etching according to the pattern of forming the pressure generating chamber; and Method of manufacturing the ink jet recording head characterized by comprising the step of closing the supply hole to form a second layer on the membrane.

In a method of manufacturing an ink jet recording head that pressurizes ink in the pressure generating chamber and ejects ink droplets from nozzle openings by vibrating a diaphragm that forms part of the inner wall surface of the pressure generating chamber.
A step of forming a polycrystalline silicon film on the front surface of the silicon single crystal substrate having a (100) plane orientation including the front surface and the back surface; and removing the polycrystalline silicon film while leaving a region serving as the pressure generating chamber; Forming a polycrystalline silicon film, forming a first film on the polycrystalline silicon film of the predetermined pattern and on the surface of the silicon single crystal substrate, and etching a portion where the pressure generating chamber is formed Forming a supply hole for supplying a liquid in the first film, and supplying an etching liquid to the portion where the pressure generating chamber is formed through the supply hole, and etching by isotropic wet etching using the etching liquid The surface of the silicon single crystal substrate is etched by anisotropic wet etching according to the predetermined pattern of the polycrystalline silicon film. Process and method of the ink jet recording head in the first film to form a second layer characterized by comprising the step of closing the supply hole to form a force-generating chamber.

3. The method of manufacturing an ink jet recording head according to claim 1, wherein the pressure generating chamber is formed in an elongated shape, and the supply hole is formed from a slit formed along the longitudinal direction of the pressure generating chamber. An ink jet recording head manufacturing method comprising:

3. The method of manufacturing an ink jet recording head according to claim 1, wherein the supply hole includes a plurality of small holes formed in a region corresponding to a region where the pressure generating chamber is formed. A manufacturing method of a recording head.

5. The method of manufacturing an ink jet recording head according to claim 1, wherein after the supply hole is closed by the second film, a lower electrode film is formed on the second film; And a step of forming a film and an upper electrode film on the lower electrode film in a predetermined pattern.

5. The method of manufacturing an ink jet recording head according to claim 1, wherein the second film is a lower electrode film, and the supply film is closed by the second film, and then the piezoelectric film and the upper electrode A method of manufacturing an ink jet recording head, further comprising a step of directly forming a film on the second film in a predetermined pattern.

7. The method of manufacturing an ink jet recording head according to claim 5, further comprising: forming a reservoir for storing ink to be supplied to the pressure generating chamber by wet etching before forming the lower electrode film. A method for manufacturing an ink jet recording head, comprising:

8. The method of manufacturing an ink jet recording head according to claim 7, wherein the reservoir is formed on the back side of the silicon single crystal substrate.

In the method of manufacturing an ink jet recording head according to any one of claims 5 to 8, after forming the piezoelectric film and the upper electrode film, a communication hole that communicates the nozzle opening and the pressure generating chamber, A method of manufacturing an ink jet recording head, further comprising forming the diaphragm including the first film and the second film.

10. The method of manufacturing an ink jet recording head according to claim 1, wherein the first film is a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a zirconium oxide film. Method.

11. The method of manufacturing an ink jet recording head according to claim 1, wherein the second film is a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a zirconium oxide film, or a laminate in which any one of them is laminated. A method for manufacturing an ink jet recording head, wherein the recording head is a film.

10. The method of manufacturing an ink jet recording head according to claim 9, wherein after forming the communication hole, the silicon single crystal substrate is cut into a predetermined shape to form a flow path forming substrate, and the silicon single crystal substrate. And a step of bonding a nozzle plate having the nozzle opening to the surface side of the silicon single crystal substrate after or before cutting the substrate into the flow path forming substrate. Manufacturing method of the head.