JP4070175B2 - Droplet ejection head, inkjet recording apparatus, image forming apparatus, and apparatus for ejecting droplets - Google Patents

Droplet ejection head, inkjet recording apparatus, image forming apparatus, and apparatus for ejecting droplets Download PDF

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は液滴吐出ヘッドインクジェット記録装置、画像形成装置、液滴を吐出する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ等の画像記録装置(画像形成装置を含む。)に用いられるインクジェット記録装置における液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドとして、インク滴を吐出するノズルと、ノズルが連通する吐出室(インク流路、インク室、液室、圧力室、加圧室、加圧液室などとも称される。)と、吐出室の壁面を形成する第一電極を兼ねる振動板と、これに対向する電極(第二電極)とを備え、振動板を静電力で変形変位させてノズルからインク滴を吐出させる静電型インクジェットヘッドが知られている。
【0003】
従来の静電型インクジェットヘッドとしては、例えば特開平6−71882号公報や特開平5−50601号公報に開示されているように、吐出室及び振動板を形成する基板にシリコン基板(これを「振動板基板」という。)を用い、電極を設ける基板(これを「電極基板」という。)に硼珪酸ガラス(パイレックスガラス)やシリコン基板を用いている。
【0004】
このようなインクジェットヘッドの製造方法としては、▲1▼特開平9−286101号公報に記載されているように電極基板と振動板基板の接合に水ガラス(珪酸ナトリウム溶液)を用いるもの、▲2▼特開平10−286954号公報に記載されているように、電極基板と振動板基板とをポリシラザンを介して接合するもの、▲3▼特開平9−286101号公報に記載されているように電極基板と振動板基板とを陽極接合するもの、▲4▼特開平6−8449号公報に記載されているように電極基板と振動板基板とを直接接合するものなどが知られている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記▲1▼の電極基板と振動板基板の接合に水ガラス(珪酸ナトリウム溶液)を用いたものにあっては、この材料は低温で良好な接合性を示すが、水分の含有量が多いため膜中からの出ガス(水蒸気など)の影響が避けられず、また、高濃度にアルカリ金属を含んでいるため、アルカリ金属による汚染の問題を内在している。また、上記▲2▼の電極基板と振動板基板の接合にポリシラザンを利用したものにあっては、信頼性に優れるが、やはり出ガスの問題を内在している。
【0006】
さらに、上記▲3▼の陽極接合を利用するものあっては、条件によってはアルカリ金属による汚染の問題が発生したり、400℃程度の温度下で、100〜20000Vという高電圧を印加することによる振動板へのストレス蓄積などの問題を有している。また、上記▲4▼の直接接合を用いたものにあっては、原子、分子レベルで制御された接合面(鏡面、Ra<0.2nm以下)が必要とされ、しかも、接合には溶融温度に近い加熱(例えば1100℃)が必要など、製造コストが高くなり、利用できる範囲も限られているうえ、直接接合は接合材を使わない接合技術であるため、液体のシール性などには問題が出ることもある。
【0007】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、低コストで信頼性の高い液滴吐出ヘッド、この液滴吐出ヘッドを備えるインクジェット記録装置、画像形成装置、液滴を吐出する装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、振動板を設けた第1基板及び電極を設けた第2基板の各接合面の少なくとも一方に、燐及びホウ素を含まないシリコン酸化膜と、燐及びホウ素を含むシリコン酸化膜と、燐を含まず、ホウ素を含むシリコン酸化膜との3層構造を有し、接合面側が燐を含まず、ホウ素を含むシリコン酸化膜であるシリコン酸化膜層を積層し、シリコン酸化膜層を介して第1、第2基板が直接接合されている構成としたものである。
【0009】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、振動板を設けた第1基板及びノズルを形成した第3基板の各接合面の少なくとも一方に、燐及びホウ素を含まないシリコン酸化膜と、燐及びホウ素を含むシリコン酸化膜と、燐を含まず、ホウ素を含むシリコン酸化膜との3層構造を有し、接合面側が燐を含まず、ホウ素を含むシリコン酸化膜であるシリコン酸化膜層を積層し、シリコン酸化膜層を介して第1、第3基板が直接接合されている構成としたものである。
【0010】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、振動板を設けた第1基板及び蓋部材となる第4基板の各接合面の少なくとも一方に、燐及びホウ素を含まないシリコン酸化膜と、燐及びホウ素を含むシリコン酸化膜と、燐を含まず、ホウ素を含むシリコン酸化膜との3層構造を有し、接合面側が燐を含まず、ホウ素を含むシリコン酸化膜であるシリコン酸化膜層を積層し、シリコン酸化膜層を介して第1、第4基板が直接接合されている構成としたものである。
【0011】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、振動板を設けた第1基板及び電極を設けた第2基板の各接合面の少なくとも一方に、燐及びホウ素を含まないシリコン酸化膜と、燐及びホウ素を含むシリコン酸化膜と、ホウ素を含まず、燐を含むシリコン酸化膜との3層構造を有し、接合面側がホウ素を含まず、燐を含むシリコン酸化膜であるシリコン酸化膜層を積層し、シリコン酸化膜層を介して第1、第2基板が直接接合されている構成としたものである。
【0012】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、振動板を設けた第1基板及びノズルを形成した第3基板の各接合面の少なくとも一方に、燐及びホウ素を含まないシリコン酸化膜と、燐及びホウ素を含むシリコン酸化膜と、ホウ素を含まず、燐を含むシリコン酸化膜との3層構造を有し、接合面側がホウ素を含まず、燐を含むシリコン酸化膜であるシリコン酸化膜層を積層し、シリコン酸化膜層を介して第1、第3基板が直接接合されている構成としたものである。
【0013】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、振動板を設けた第1基板及び蓋部材となる第4基板の各接合面の少なくとも一方に、燐及びホウ素を含まないシリコン酸化膜と、燐及びホウ素を含むシリコン酸化膜と、ホウ素を含まず、燐を含むシリコン酸化膜との3層構造を有し、接合面側がホウ素を含まず、燐を含むシリコン酸化膜であるシリコン酸化膜層を積層し、シリコン酸化膜層を介して第1、第4基板が直接接合されている構成としたものである。
【0017】
本発明に係るインクジェット記録装置は、インクジェットヘッドが本発明に係る液滴吐出ヘッドである構成としたものである。本発明に係る画像形成装置、液滴を吐出する装置は、本発明に係る液滴吐出ヘッドを搭載したものである。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。図1は本発明の第1実施形態に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの分解斜視説明図、図2は同ヘッドの振動板長手方向の断面説明図、図3は同ヘッドの振動板短手方向の要部拡大断面図である。
【0019】
このインクジェットヘッドは、単結晶シリコン基板を用いた第1基板である流路基板1と、この流路基板1の下側に設けた単結晶シリコン基板を用いた第2基板である電極基板2と、流路基板1の上側に設けた単結晶シリコン基板を用いた第3基板であるノズル板3とを備え、インク滴を吐出する複数のノズル4、各ノズル4が連通するインク流路である吐出室6、各吐出室6にインク供給路を兼ねた流体抵抗部7を介して連通する共通液室8などを形成している。
【0020】
流路基板1にはノズル4が連通する複数の吐出室6及びこの吐出室6の壁面である底部をなす振動板10(電極を兼ねている)を形成する凹部を形成し、ノズル板3にはノズル4となる孔及び流体抵抗部7を形成する溝を形成し、また流路基板1と電極基板2には共通液室8を形成する貫通部を形成している。
【0021】
ここで、流路基板1は、単結晶シリコン基板を用いた場合、予め振動板厚さにボロンを注入してエッチングストップ層となる高濃度ボロン層を形成し、電極基板2と接合した後、吐出室6となる凹部をKOH水溶液などのエッチング液を用いて異方性エッチングすることにより、このとき高濃度ボロン層がエッチングストップ層となって振動板10が高精度に形成される。また、ベース基板と活性層基板とを酸化膜を介して接合したSOI基板を用いて、活性層基板を振動板10とすることもできる。
【0022】
また、電極基板2には、単結晶シリコン基板を用いて、熱酸化法などで酸化層2aを形成し、この酸化層2aに凹部14を形成して、この凹部14底面に振動板10に対向する電極15を設け、振動板10と電極15との間にギャップ16を形成し、これらの振動板10と電極15とによってアクチュエータ部(エネルギー発生手段)を構成している。このとき、凹部14の深さはギャップ16の長さを規定することになる。
【0023】
ここで、電極基板2の凹部14は図4にも示すように振動板短手方向で断面形状が傾斜面を有する形状とし、この凹部14の底面に電極15を形成することにより、振動板10と電極15とを振動板短手方向で非平行状態で対向させている。なお、このように非平行な振動板10と電極15で形成されるギャップ16を非平行ギャップと称する。もちろん、振動板10と電極15とを平行な状態で対向させることもできるし、振動板長手方向で非平行ギャップとすることもできる。
【0024】
電極基板2の電極15としては、金、或いは、通常半導体素子の形成プロセスで一般的に用いられるAl、Cr、Ni等の金属材料や、Ti、TiN、W等の高融点金属などを用いることができる。
【0025】
ノズル板3には、多数のノズル4を形成するとともに、共通液室8と吐出室6を連通するための流体抵抗部7を形成する溝部を形成している。ここでは、インク吐出面(ノズル表面側)には撥水性皮膜を成膜している。このノズル板3にはステンレス基板を用いているが、この他、エレクトロフォーミング(電鋳)工法によるニッケルメッキ膜、ポリイミド等の樹脂にエキシマレーザー加工をしたもの、金属プレートにプレス加工で穴加工をしたもの等でも用いることができる。
【0026】
ここで、流路基板1と電極基板2とは燐及び/又はホウ素を含むシリコン酸化膜層18を介して接合している。このシリコン酸化膜18は、電極基板2の全面に形成することにより、電極15表面では電極保護膜17を兼ねている。
【0027】
なお、シリコン酸化膜層18としては、燐及びホウ素を含まないシリコン酸化膜(NSG:Non-doped Silicate Glass)と、燐及びホウ素を含むシリコン酸化膜(BPSG:BoroPhospho-Silicate Glass)との2層構造とすることもできる。
【0028】
また、シリコン酸化膜層18としては、燐及びホウ素を含まないシリコン酸化膜(NSG)と、燐及びホウ素を含むシリコン酸化膜(BPSG)と、燐を含まず、ホウ素を含むシリコン酸化膜(BSG:Boro-Silicate Glass)との3層構造とすることもできる。
【0029】
或いは、燐及びホウ素を含まないシリコン酸化膜(NSG)と、燐及びホウ素を含むシリコン酸化膜(BPSG)と、ホウ素を含まず、燐素を含むシリコン酸化膜(PSG:Phospho-Silicate Glass)との3層構造とすることもできる。さらに、シリコン酸化膜層18としては、塗布型のシリコン酸化膜(SOG:Spin On Glass)を用いることができる。
【0030】
このインクジェットヘッドではノズル4を二列配置し、この各ノズル4に対応して吐出室6、振動板10、電極15なども二列配置し、各ノズル列の中央部に共通液室8を配置して、左右の吐出室6にインクを供給する構成を採用している。これにより、簡単なヘッド構成で多数のノズルを有するマルチノズルヘッドを構成することができる。
【0031】
そして、電極15は外部に延設して接続部(電極パッド部)15aとし、これにヘッド駆動回路であるドライバIC20をワイヤボンドによって搭載したFPCケーブル21を異方性導電膜などを介して接続している。このとき、電極基板2とノズル板3との間(ギャップ16入口)はエポキシ樹脂等の接着剤を用いたギャップ封止剤22にて気密封止し、ギャップ16内に湿気が侵入して振動板10が変位しなくなるのを防止している。
【0032】
さらに、インクジェットヘッド全体をフレーム部材25上に接着剤で接合している。このフレーム部材25にはインクジェットヘッドの共通液室8に外部からインクを供給するためのインク供給穴26を形成しており、またFPCケーブル21等はフレーム部材25に形成した穴部27に収納される。
【0033】
このフレーム部材25とノズル板3との間はエポキシ樹脂等の接着剤を用いたギャップ封止剤28にて封止し、撥水性を有するノズル板3表面のインクが電極基板2やFPCケーブル21等に回り込むことを防止している。そして、このヘッドのフレーム部材25にはインクカートリッジとのジョイント部材30が連結されて、フレーム部材25に熱融着したフィルタ31を介してインクカートリッジからインク供給穴26を通じて共通液室8にインクが供給される。
【0034】
このように構成したインクジェットヘッドにおいては、振動板10を共通電極とし、電極15を個別電極として、振動板10と電極15との間に駆動波形を印加することにより、振動板10と電極15との間に静電力(静電吸引力)が発生して、振動板10が電極15側に変形変位する。これにより、吐出室6の内容積が拡張されて内圧が下がるため、流体抵抗部7を介して共通液室8から吐出室6にインクが充填される。
【0035】
次いで、電極15への電圧印加を断つと、静電力が作用しなくなり、振動板10はそれ自身のもつ弾性によって復元する。この動作に伴い吐出室6の内圧が上昇し、ノズル5からインク滴が吐出される。再び電極に電圧を印加すると、再び静電吸引力によって振動板は電極側に引き込まれる。
【0036】
このインクジェットヘッドにおいては、ヘッドを構成する第1基板(流路基板1)、第2基板(電極基板2)及び第3基板(ノズル板3)が全てシリコン基板からなるため、基板間の熱膨張差がなくなり、ヘッド製造プロセスでの熱履歴による歪みの発生が無くなる。また、高密度ラインヘッド(長尺ヘッド)とした場合でも、使用上の温度変化による基板歪み等が発生しないので、印字特性やインクジェットヘッドの信頼性に影響がない。
【0037】
そして、第1基板(流路基板1)と第2基板(電極基板2)とを燐及び/又はホウ素を含むシリコン酸化膜層18を介して接合しているので、シリコン酸化膜18の軟化点が下がり、シリコン基板の直接接合に要する温度を下げることができ、また、加熱によりシリコン酸化膜18表面がリフローを起こして接合界面の平坦度がRa<0.2nm以下になり、良好な直接接合性が得られるようになるので、低コストで第1基板(流路基板1)と第2基板(電極基板2)とを接合することができるようになる。
【0038】
ここで、シリコン酸化膜層18としては、NSG膜とBPSG膜との2層構造膜とする(接合界面側がBPSG膜とする。)ことによって、接合界面をBPSG膜で覆うことができるので、インクシール性が向上する。
【0039】
また、シリコン酸化膜層18としては、NSG膜とBPSG膜とBSG膜との3層構造膜とする(接合界面側がBSG膜とする。)ことによって、流路基板1となるシリコン基板のドーパントとしてボロンを用いている場合に、ボロンの吸出しによる電気特性の変化を低減することができるとともに、接合界面をBSG膜とすることにより、BSG膜のみを軟化させてることができて、ギャップ精度の狂いが殆どなく、高精度ギャップを確保できる。
【0040】
さらに、シリコン酸化膜18としては、NSG膜とBPSG膜とPSG膜との3層構造膜とする(接合界面側がPSG膜とする。)ことによって、流路基板1となるシリコン基板のドーパントとして燐を用いている場合に、燐の吸出しによる電気特性の変化を低減することができるとともに、接合界面をPSG膜とすることにより、PSG膜の高い保護特性によって電極材料の劣化を防止することができる。
【0041】
さらにまた、シリコン酸化膜層18としては、SOG膜を用いることによって、厚膜のシリコン酸化膜層を容易に形成することができ、また、シリコン基板として未研磨基板を用いることができるようになり、一層のコストの低減を図れる。
【0042】
次に、第2実施形態に係るインクジェットヘッドについて図5乃至図7を参照して説明する。なお、図5は同ヘッドの振動板長手方向の断面説明図、図6は同ヘッドの振動板短手方向の断面説明図、図7は同ヘッドの平面説明図である。
このインクジェットヘッドは、第一基板である流路基板41と、この流路基板41の下側に設けた第二基板である電極基板42と、流路基板1の上側に設けた第三基板であるノズル板43とを備え、インク滴を吐出する複数のノズル44、各ノズル44が連通するインク流路である吐出室46、各吐出室46にインク供給路を兼ねた流体抵抗部47を介して連通する共通液室48などを形成している。
【0043】
流路基板41にはノズル44が連通する複数の吐出室46及びこの吐出室46の壁面である底部をなす振動板50(電極を兼ねている)を形成する凹部及び共通液室48を形成する凹部を形成し、ノズル板43にはノズル44となる孔及び流体抵抗部47を形成する溝並びに共通液室48に外部からインクを供給するためのインク供給孔49を形成している。
【0044】
電極基板42上にはシリコン酸化膜53を形成し、このシリコン酸化膜53に底面が振動板50と平行になる電極形成溝である凹部54を形成し、この凹部54底面に電極55を形成することで振動板50と電極55とをギャップ56を介して平行状態で配置している。
【0045】
そして、流路基板41と電極基板42とは燐及び/又はホウ素を含むシリコン酸化膜層であるBPSG膜58を介して接合している。このBPSG膜58は、電極基板42の全面に形成することにより、電極55表面では電極保護膜57を兼ねている。なお、燐及び/又はホウ素を含むシリコン酸化膜層としては、BPSG膜58に代えて、BSG膜、PSG膜、NSG膜とBPSG膜の2層構造膜、NSG膜とBPSG膜及びBSG膜との3層構造膜、又は、NSG膜とBPSG膜及びPSGとの3層構造膜などを用いることもできる。
【0046】
また、図7にも示すように、電極55は外部に延設して電極パッド部55aを形成している。さらに、ノズル板43には振動板50を外部と接続するための電極パッド部50aを形成している。
【0047】
また、流路基板41とノズル板43とも燐及び/又はホウ素を含むシリコン酸化膜層であるBPSG膜59を介して接合している。なお、ここでも、燐及び/又はホウ素を含むシリコン酸化膜層としては、BPSG膜59に代えて、BSG膜、PSG膜、NSG膜とBPSG膜の2層構造膜、NSG膜とBPSG膜及びBSG膜との3層構造膜、又は、NSG膜とBPSG膜及びPSGとの3層構造膜などを用いることもできる。
【0048】
そこで、この第2実施形態に係るインクジェットヘッドの製造方法について図8乃至図11をも参照して説明する。なお、図8乃至図10は同製造工程を示す振動板短手方向での模式的説明図、図11乃至図13は同じく振動板長手方向での模式的説明図である。なお、最終工程前の用語は異なる部分もあるが、符号は便宜上図5乃至図7と同一のものを用いる。
【0049】
図8(a)及び図11(a)に示すように低抵抗品として市販されているp型の単結晶シリコン(ウエハを用いる。)で、結晶面方位が(110)または(100)であり、電極基板となるシリコン基板42上に、ウェット或いはドライの熱酸化法によって保護膜となるシリコン酸化膜53を約2μmの厚さに形成する。なお、ここでは、p型の単結晶シリコン基板を用いたが、n型の基板であっても良い。
【0050】
続いて、各図(b)に示すように、シリコン酸化膜53に電極形成溝である凹部54を掘り込む。ここでは、シリコン酸化膜53上にフォトレジストを塗布し、電極を形成するためのパターニングを行い、このフォトレジストパターンをマスクとして、弗化アンモニウムなどの緩衝成分を含む弗化水素溶液(例えば、ダイキン工業製:BHF−63Uなど、商品名)を用いて凹部54を掘り込む。
【0051】
このときの掘り込み量は電極材料の厚さと、電極55と振動板50との間に必要な空間量を足した分だけ掘り込むことになる。このときの掘り込み量は約1μm程度と少ないので、弗化水素溶液を用いたウェットエッチングによる掘り込みにおいても、ウェハ面内の掘り込み量のばらつきは極めて小さくできる。
【0052】
そして、シリコン酸化膜53の全面に電極材料となる多結晶シリコン膜を約300nmの厚さに堆積し、フォトエッチングの手法を用いて所望の電極形状に加工することにより、各図(c)に示すように、凹部54底面に電極55を形成する。ここでは、不純物がドーピングされたポリシリコンを電極55に使用しているが、高融点金属を利用しても良いし、窒化チタンのような導電性のセラミックスを電極としても良いことは前述したとおりである。
【0053】
次いで、各図(d)に示すように、シリコン酸化膜53の全面(ウエハ全面)にCVDなどの手法を用いて燐及び/又はホウ素を含むシリコン酸化膜層であるBPSG膜58を約150nmの厚さに堆積させる。この場合のBPSG膜58は、電極55を保護する保護膜57の目的も併せ持っている。
【0054】
ここでは、BPSG膜58は、燐濃度4.5%、ボロン濃度4.0%になるように成膜した。このときの燐、ボロンの濃度は、半導体プロセスで一般的に使われている濃度であるが、この濃度に限定されるものではない。また、燐及び/又はホウ素を含むシリコン酸化膜層としては、前述したように、ボロンを含まないPSG膜であっても良いし、燐を含まないBSG膜であってもよい。
【0055】
すなわち、本発明の重点はシリコン酸化膜層中に、燐あるいはボロンを含有させることによって、軟化点を下げることで、直接接合に必要な温度を低下させることにある。この軟化点を下げるという目的を達成するだけであれば、ゲルマニウムなどの、燐・ボロン以外の不純物を含有させる手法もあるが、電極材料との親和性やデバイスとしての信頼性を考えた場合、半導体プロセスで実績のある燐・ボロンを用いる方が本発明を達成する上でより利点が大きくなる。
【0056】
次に、図9(a)及び図12(a)に示すように、このシリコンウェハ(電極基板42)を窒素ガス雰囲気下で熱処理することにより、BPSG膜58が軟化して凹部14の側壁と電極55との間を埋めるようになる。
【0057】
このときの熱処理条件は、850℃、2時間とした。ここで、この850℃という温度は、この次に行う直接接合の温度800℃よりも50℃だけ高い温度になっている。もちろん、直接接合の温度がこれよりも低ければ、これよりも低い温度での熱処理で良い。ただし、BPSG膜58がリフロー性を示す温度よりも高い温度とする。
【0058】
この熱処理によって、BPSG膜58中に存在する水分や水素ガスなどが放出され、直接接合時の出ガスによるボイドの発生を防ぐことができる。また、この熱処理によってBPSG膜58表面がリフローを起こし、成膜直後にはAFMを用いた表面評価で、Ra値で1〜3nm程度あった表面の荒れが0.1〜0.2nmとなり、非常に良好な直接接合性を持つようにできる。
【0059】
そして、各図(b)に示すように、振動板を設ける流路基板となるシリコン基板41はp型の極性を持ち、(110)の面方位を持つ両面研磨のシリコン基板を利用した。このようなシリコン基板を利用する目的は、シリコンのウェットエッチング時のエッチング速度の面異方性を利用し、精度の良い加工形状を得るためのものである。このシリコン基板41の接合面になる面には、高濃度のホウ素を注入(5×1019原子/cm3以上)後これを活性化し、所定の深さ(振動板の厚さ)まで拡散させて振動板となる拡散層50を形成している。
【0060】
なお、ここでは、高濃度に不純物が注入されたシリコン基板を用いているが、前述したように、例えばSOI(Silicon On Insulator)基板の活性層を振動板として使用することも可能であるし、或いは、高濃度不純物基板上に、シリコンをエピ成長させた基板のエピ層を振動板とすることもできる。
【0061】
その後、各図(c)に示すように、流路基板となるシリコン基板41と電極基板となるシリコン基板42とを接合する。
【0062】
ここでは、各基板41、42をRCA洗浄で知られる基板洗浄法を用いて洗浄した後、硫酸と過酸化水素水の熱混合液に浸漬し、接合面を親水化させることで直接接合をし易い表面状態とする。その後、これらの基板41、42を静かにアライメントし各基板41、42を接合する。
【0063】
次いで、アライメントが完了した基板41、42を真空チャンバー中に導入し、1×10-3mbar以下の真空度になるまで減圧する。続いて、各基板41、42のアライメントがずれない様な状態で、各ウェハを押さえつけることでプリ接合を完了した。この時、位置ずれしないように押さえると共に、押圧力は基板41、42に歪みを与えたり、位置ずれを起こさない限り強く押さえることが重要である。さらにこの後、貼り合わせたウェハを窒素ガス雰囲気下で、800℃、2時間焼成し強固な接合を得た。
【0064】
その後、シリコン基板41を研磨、研削、CMP等などの機械的、物理的あるいは、化学的手法によってウェハの初期厚さよりも薄くする。この場合、直接接合によって接合した界面が剥離したり破壊されることはない。ここでは、シリコン基板41として、市販の400μm厚さのシリコンウェハを貼り合わせた後、液室高さ(吐出室の高さ)が95±5μmになるまで研磨した。なお、シリコンウエハの初期厚さをそのまま用いる場合には研磨は不要である。
【0065】
続いて、図10(a)及び図13(a)に示すように、シリコン基板41をエッチングして吐出室46及び振動板50を形成する凹部並びに共通液室48を形成する凹部を形成する。
【0066】
ここでは、基板を熱処理しバッファ酸化膜を約50nmの厚さに形成し、更に後工程でのエッチングバリア層となるシリコン窒化膜をCVDなどの方法で約100んmの厚さに形成して、フォトエッチングの手法を用いて、液室などを形成するためのパターニングを行い、フォトレジスト膜をマスクにして、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜を順次エッチングし、基板上に液室パターンに対応する開口を有するパターンを形成する。
【0067】
そして、この基板を高濃度の水酸化カリウム溶液(例えば、80℃に加熱した30%濃度のKOH溶液)中に浸漬し、シリコン基板41の異方性エッチングを行うことにより、吐出室46及び共通液室48となる凹部を形成する。ここで、エッチング液が高濃度ボロン拡散層50に到達した時、エッチングレートが著しく低下することで、ほぼ自動的にエッチングが停止した状態になり、高濃度ボロン拡散層からなる振動板50が形成される。
【0068】
なお、高濃度のアルカリ金属の水溶液を用いたエッチング以外にも、TMAH(テトラ・メチル・アンンモニウム・ヒドロキシド)を使ったウェットエッチングでも良い。この後、超純水を使ってリンス(約10分間)した後、スピン乾燥等で乾燥させる。
【0069】
また、各図(b)に示すように、シリコン基板からなるノズル板43にもCVD等の方法でシリコン酸化膜であるBPSG膜49を堆積する。このときの成膜条件は、前記電極基板42上に形成したBPSG膜48と同じとしたが、もちろん、この組成などはデバイスの構造や製造方法によって自由に変更できることは言うまでもない。
【0070】
そして、BPSG膜59を形成したノズル板43を前記工程と同様にして、窒素ガス雰囲気下で熱処理(850℃、2時間)を行う。もちろん、直接接合の温度がこれよりも低ければ、これよりも低い温度での熱処理で良いが、BPSG膜59がリフロー性を示す温度よりも高い温度とする。この熱処理によって、BPSG膜59中に存在する水分や水素ガスなどが放出され、接合時の出ガスによるボイドの発生を防ぐことができる。また、この処理によってBPSG膜59表面がリフローを起こし、成膜直後にはAFMを用いた表面評価で、Ra値で1〜3nm程度あった表面の荒れが0.1〜0.2nmとなり、非常に良好な直接接合性を持つようにできる。
【0071】
そして、このノズル板43と流路基板41とをアライメントした後、両基板を貼り合わせ、前記と同じ条件で焼成して接合し、その後、ノズル板43の表面(インク吐出面)には撥水層を形成する処理を行って、図5及び図6に示すインクジェットヘッドを完成する。このとき、先に接合したウェハ(基板41、42)よりも低い温度で焼成することが好ましいが、少なくとも先に接合した基板と同じ温度で焼成するようにすれば、出ガスなどの問題も無く接合することができる。
【0072】
また、このときのプロセス中に生じる微細な表面傷は、BPSG膜58、59がリフローするときに埋められるため、インクなどの液体を通した場合のリークなどの発生を防止することができる。もちろん深い傷や幅の広い傷などは埋めきれないので、そのような傷が付かないような工程設計を行う必要はある。接合強度も前述のように十分な強度を持っている。
【0073】
なお、この実施形態のヘッドではノズル板43を流路基板41に接合しているが、ノズル板43をノズル連通路を形成する流路板とノズルを形成したノズル形成部材の複層構造とすることもできる。また、上記の工程では、電極となる基板から順次接合していったが、各基板を所望の形状に加工した後、接合面にBPSG膜などを成膜し、ウェハ貼り合わせ用のアライナー(例えば、EV社400シリーズ:商品名など)を用いて一度に接合することもできる。
【0074】
このようにして製造したインクジェットヘッドは、ヘッドを構成する主要部材がシリコンであるため、実使用時の温度上昇等によってもヘッドの膨張が均一であるので、ヘッドの反りや歪みの発生がない。ヘッドの設計を工夫すれば、ラインヘッドと呼ばれる長尺ヘッド(例えばA4サイズヘッド)を作ることも可能となる。
【0075】
次に、本発明の第3実施形態に係るインクジェットヘッドについて図14及び図15を参照して説明する。なお、図14は同ヘッドの振動板長手方向の断面説明図、図15は同ヘッドの振動板短手方向の断面説明図である。
この実施形態は、上記第2実施形態のインクジェットヘッドにおいて、流路基板41の流路側にも燐及び/又はホウ素を含むシリコン酸化膜層であるBPSG膜60を前記第2実施形態のヘッドの製造工程で説明した同様な条件で成膜し、ノズル板43と流路基板41とをシリコン酸化膜59、60同士の接合としたものである。
【0076】
なお、ここでも、燐及び/又はホウ素を含むシリコン酸化膜層としては、BPSG膜60に代えて、BSG膜、PSG膜、NSG膜とBPSG膜の2層構造膜、NSG膜とBPSG膜及びBSG膜との3層構造膜、又は、NSG膜とBPSG膜及びPSGとの3層構造膜などを用いることもできる。
【0077】
このようにすれば、各製造プロセスを経て得られる流路基板41の流路面をBPSG膜等のシリコン酸化膜60で被覆することができて、流路面の表面傷などを低減することができ、インクの流動性が安定する。
【0078】
次に、本発明の第4実施形態に係るインクジェットヘッドについて図16及び図17を参照して説明する。なお、図16は同ヘッドの振動板長手方向の断面説明図、図17は同ヘッドの振動板短手方向の断面説明図である。
【0079】
この実施形態は、上記第2実施形態のインクジェットヘッドと電極基板42側の構成が異なるだけであるので、この点について説明すると、電極基板42上にはシリコン酸化膜53を形成し、このシリコン酸化膜53表面に振動板50に対向する電極55を形成し、このシリコン酸化膜53及び電極55上に燐及び/又はホウ素を含むシリコン酸化膜層であるBPSG膜58を堆積形成し、このBPSG膜58に振動板50と電極55とのギャップ56を形成する凹部54を形成している。この凹部54の底面は振動板50に対して振動板短手方向の断面で非平行に形成することにより、ギャップ56を非平行ギャップとしている。
【0080】
そこで、この第4実施形態に係るインクジェットヘッドの製造工程について図18乃至図21を参照して説明する。なお、図18及び図19は同製造工程を示す振動板短手方向での模式的説明図、図20及び図21は同じく振動板長手方向での模式的説明図である。なお、最終工程前の用語は異なる部分もあるが、符号は便宜上図16及び図17と同一のものを用いる。
【0081】
先ず、図18(a)及び図20(a)に示すように、低抵抗品として販売されているp型の単結晶シリコンで、面方位が(110)または(100)である電極基板となるシリコン基板41上に、ウェット或いはドライの熱酸化法によってギャップ層および絶縁膜となるシリコン酸化膜53を2.5μmの厚さに形成する。ここでは、p型の単結晶シリコン基板を用いたが、n型の基板であっても良い。
【0082】
続いて、各図(b)に示すようにシリコン酸化膜53上に電極55を形成する。ここでは、電極材料となる窒化チタンをスパッタ法でシリコン酸化膜53の全面に堆積させ、更にマスクとなるシリコン酸化膜をCVD法等を用いて堆積した後、フォトエッチングの手法を用いて、電極を形成するためのパターニングを行い、フォトレジスト膜をマスクにして、マスクとしてのシリコン酸化膜を弗化水素水にてエッチングし、続いて、フォトレジスト膜及びシリコン酸化膜をマスクとして、アンモニア水+過酸化水素水+純水の混合溶液を用いて、窒化チタンをエッチングすることで所望の電極形状の電極55を形成した。
【0083】
さらに、電極55を形成したシリコン酸化膜53の全面に、燐及び/又はホウ素を含むシリコン酸化膜であるBPSG膜58をCVDなどの手法を用いて、約400nmの厚さに堆積させる。この場合のBPSG膜58は、電極を保護する目的も併せ持っている。このときのBPSG膜58は、燐濃度4.5%、ボロン濃度4.0%になるように成膜した。この燐及びボロンの濃度は、半導体プロセスで一般的に使われている濃度であるが、この濃度に限定されるものではない。また、ボロンを含まないPSG膜となっても良いし、燐を含まないBSG膜となっても良い。
【0084】
次に、同図(c)に示すように、BPSG膜58の表面を平坦化する処理を行う。この平坦化処理の第1例は、CMPの手法を用いて、電極基板42のBPSG膜58面を研磨して、BPSG膜58表面の凹凸を平坦化し、接合可能な表面形状とする。現在のCMPの技術では、0.01μm程度の研磨量で、研磨ばらつき0.008μm程度に仕上げることができ、非常に良い平面性が得られる。また、その表面粗さはRa値で、0.1〜0.2nmと極めて平滑な面が得られ、これによって直接接合性が高まる。
【0085】
その後、このシリコンウェハ(電極基板42)を窒素ガス雰囲気下で例えば850℃、2時間の熱処理を行う。もちろん、直接接合の温度がこれよりも低ければ、これよりも低い温度での熱処理で良いが、前述したように、BPSG膜58がリフロー性を示す温度よりも低くなってはいけない。この熱処理によって、BPSG膜58中に存在する水分や水素ガスなどが放出され、接合時の出ガスによるボイドの発生を防ぐことができる。
【0086】
また、平坦化処理の第2例としては、シリコンウェハ(電極基板42)を窒素ガス雰囲気下で、例えば1000℃、2時間の熱処理を行う。この熱処理によって、BPSG膜58中に存在する水分や水素ガスなどが放出され、接合時の出ガスによるボイドの発生を防ぐことができるとともに、BPSG膜58の流動性が高まり、電極55の高さによって生じていたBPSG膜58の凸部がグローバルに平坦化され、直接接合が可能な平面となる。それと同時に、Ra値で1〜3nm程度あった表面の荒れが0.1〜0.2nmとなり、非常に良好な直接接合性を持つようにできる。
【0087】
このような平坦化処理を行った後、各図(d)に示すように、平坦化したBPSG膜58上にレジストを塗布し、ギャップを形成するためのパターニングを行い、このフォトレジストパターンをマスクとして、弗化アンモニウムなどの緩衝成分を含む弗化水素溶液(例えば、ダイキン工業製:BHF−63U(商品名)など)を用いて、BPSG膜58に電極形成溝となる凹部54を掘り込む。
【0088】
このときの掘り込み量がギャップ深さになる。このときの掘り込み量は約1μm程度と少ないので、弗化水素溶液を用いたウェットエッチングによる掘り込みにおいても、ウェハ面内の掘り込み量のばらつきは極めて小さくなる。また、この場合、レジストパターンの厚さに傾斜を付け、そのレジスト越しにドライエッチングを行うことによって、ギャップ形状を非平行状態に形成している。
【0089】
その後、図19(a)及び図21(a)にも示すように、前述した第2実施形態の製造工程と同様、流路基板となるシリコン基板41を電極基板42にBPSG膜58を介して直接接合した後、各図(b)に示すように異方性エッチングをして流路基板41に吐出室46、振動板50及び共通液室48などを形成し、続いてノズル板43を同じくBPSG膜49を介して流路基板41上に直接接合する。なお、この工程の詳細は、前述した第2実施形態の製造工程と同様である。
【0090】
次に、本発明の第5実施形態に係るインクジェットヘッドについて図22及び図23を参照して説明する。なお、図22は同ヘッドの振動板長手方向の断面説明図、図23は同ヘッドの振動板短手方向の断面説明図である。
この実施形態は、上記第4実施形態のインクジェットヘッドにおいて、流路基板41の流路側にも燐及び/又はホウ素を含むシリコン酸化膜層であるBPSG膜60を前記第4実施形態のヘッドの製造工程で説明した同様な条件で成膜し、ノズル板43と流路基板41とをBPSG膜59、60同士の接合としたものである。
【0091】
このようにすれば、各製造プロセスを経て得られる流路基板41の流路面をBPSG膜60で被覆することができて、流路面の表面傷などを低減することができ、インクの流動性が安定する。なお、ここでも、燐及び/又はホウ素を含むシリコン酸化膜層としては、BPSG膜60に代えて、BSG膜、PSG膜、NSG膜とBPSG膜の2層構造膜、NSG膜とBPSG膜及びBSG膜との3層構造膜、又は、NSG膜とBPSG膜及びPSGとの3層構造膜などを用いることもできる。
【0092】
次に、本発明の第6実施形態に係るインクジェットヘッドについて図24及び図25を参照して説明する。なお、図24は同ヘッドの振動板長手方向の断面説明図、図25は同ヘッドの振動板短手方向の断面説明図である。
この実施形態は、上記第4実施形態のインクジェットヘッドと電極基板42側の構成が異なるだけであるので、この点について説明する。
【0093】
電極基板42上にはシリコン酸化膜であるNSG膜61を形成し、このNSG膜61上に振動板50に対向する電極55を形成し、このシNSG膜61及び電極55上にNSG膜62を成膜し、更にこのNSG膜62上に燐及び/又はホウ素を含むシリコン酸化膜であるBPSG膜58を堆積形成し、このBPSG膜58に振動板50と電極55とのギャップ56を形成する凹部54を形成している。この凹部54の底面は振動板50に対して振動板短手方向の断面で非平行に形成することにより、ギャップ56を非平行ギャップとしている。
【0094】
そこで、この第6実施形態に係るインクジェットヘッドの製造工程について図26及び図27を参照して説明する。なお、図26は同製造工程を示す振動板短手方向での模式的説明図、図27は同じく振動板長手方向での模式的説明図である。なお、最終工程前の用語は異なる部分もあるが、符号は便宜上図24及び図25と同一のものを用いる。
【0095】
先ず、各図(a)に示すように、低抵抗品として販売されているp型の単結晶シリコンで、面方位が(110)または(100)である基板上に、CVDなどの方法でNSG膜61を形成する。ここでは、p型の単結晶シリコン基板を用いたが、n型の基板であっても良い。また、SOGをスピンコータなどを用いて回転塗布し、酸化膜層を形成した後、熱処理して用いても良い。
【0096】
続いて、各図(b)に示すように、電極材料となる窒化チタンをスパッタ法で基板全面に堆積させ、更にマスクとなるシリコン酸化膜をCVD法等を用いて堆積した後、フォトエッチングの手法を用いて、電極を形成するためのパターニングを行い、フォトレジスト膜をマスクにして、シリコン酸化膜を弗化水素水にてエッチングし、続いて、フォトレジスト膜及びシリコン酸化膜をマスクとして、アンモニア水+過酸化水素水+純水の混合溶液を用いて、窒化チタンをエッチングし所望の形状の電極55を形成する。
【0097】
そして、NSG膜61及び電極55上にCVDなどの方法でNSG膜62を成膜する。このときのNSG膜62は電極55を十分にカバーするだけの厚さがあれば良い。続いて、連続的にBPSG膜58を約150nmの厚さに堆積させる。このときのBPSG膜58は、燐濃度4.5%、ボロン濃度4.0%になるように成膜した。この燐、ボロンの濃度は、半導体プロセスで一般的に使われている濃度であるが、この濃度に限定されるものではない。また、ボロンを含まないPSG膜となっても良いし、燐を含まないBSG膜となっても良い。また、成膜の最後の段階で、ガス種を切り替え、BPSG膜58の表面側にBSG膜を形成したり、PSG膜を形成することも簡単である。
【0098】
次に、各図(c)に示すように、BPSG膜58の表面を平坦化する処理(前述した平坦化処理の第1例、第2例と同様である。)をした後、各図(d)に示すように、BPSG膜58にギャップ形成溝となる凹部54を掘り込む。その後は、前述した各実施形態の製造工程と同様であるので説明を省略する。
【0099】
次に、本発明の第7実施形態に係るインクジェットヘッドについて図28及び図29を参照して説明する。なお、図28は同ヘッドの振動板長手方向の断面説明図、図29は同ヘッドの振動板短手方向の断面説明図である。
この実施形態は、上記第4実施形態のインクジェットヘッドと電極基板42側の構成が異なるだけであるので、この点について説明する。
【0100】
電極基板42上にはシリコン酸化膜であるSOG膜64を形成し、このSOG膜64上に振動板50に対向する電極55を形成し、このSOG膜64及び電極55上にSOG膜65を成膜し、更にこのSOG膜65に振動板50と電極55とのギャップ56を形成する凹部54を形成している。この凹部54の底面は振動板50に対して振動板短手方向の断面で非平行に形成することにより、ギャップ56を非平行ギャップとしている。
【0101】
そこで、この第7実施形態に係るインクジェットヘッドの製造工程について説明する。先ず、前記各実施形態の製造工程と同様に、低抵抗品として販売されているp型の単結晶シリコンで、面方位が(110)または(100)であるシリコン基板を用いて、この基板上にスピンコートなどの方法でSOG膜64を形成する。その後、熱処理を施して、安定な酸化膜を得た。
【0102】
続いて、電極材料となる窒化チタンをスパッタ法でSOG膜64の全面に堆積させ、更にマスクとなるシリコン酸化膜をCVD法等を用いて堆積して、フォトエッチングの手法を用いて、電極を形成するためのパターニングを行い、フォトレジスト膜をマスクにして、シリコン酸化膜を弗化水素水にてエッチングし、続いて、フォトレジスト膜、シリコン酸化膜をマスクとして、アンモニア水+過酸化水素水+純水の混合溶液を用いて、窒化チタンをエッチングし所望の形状の電極55を得る。
【0103】
次いで、SOG膜65をスピンコートなどの方法でSOG膜64及び電極55上に形成し、熱処理を施してSOG膜65を安定化させる。この後、前述したCMP法による平坦化処理、或いは熱処理温度を上げてリフロー性を高める平坦化処理などを施して、ギャップを形成する凹部54をSOG膜65に形成した後、流路基板41、ノズル板45を接合して、インクジェットヘッドを完成する。
【0104】
次に、本発明の第8実施形態に係るインクジェットヘッドについて図30及び図31を参照して説明する。なお、図30は同ヘッドの振動板長手方向の断面説明図、図31は同ヘッドの振動板短手方向の断面説明図である。
【0105】
この実施形態は、上記第2実施形態のインクジェットヘッドと流路基板41側の構成が異なるだけであるので、この点について説明する。流路基板71には第四基板である蓋部材73を接合して、ノズル74、ノズル74にノズル連通路75を介して連通する吐出室76、流体抵抗部77及び共通液室78を形成している。
【0106】
そして、ここでは、流路基板71にノズル74及びノズル連通路75を形成する溝、吐出室76及び振動板80を形成する凹部、流体抵抗部77を形成する溝、及び共通液室78を形成する凹部をそれぞれ形成し、蓋部材73は単なる板材としている。そして、この蓋部材73と流路基板71とは前述したノズル板43と同様にBPSG膜59を介して接合している。なお、蓋部材73にはインク供給穴79を形成している。
【0107】
このインクジェットヘッドはエッジシュータ方式のものであるが、蓋部材73側にノズル74、ノズル連通路75を形成する溝や流体抵抗部77を形成する溝を設ける構成でも良く、この場合には蓋部材73はノズル板となる。
【0108】
次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドを搭載した本発明に係る液滴を吐出する装置を含む、本発明に係る画像形成装置としてのインクジェット記録装置の機構部の概要について図32及び図33を参照して簡単に説明する。
【0109】
この記録装置は、両側の側板間に主支持ガイドロッド101及び従支持ガイドロッド102を略水平な位置関係で横架し、これらの主支持ガイドロッド101及び従支持ガイドロッド102でキャリッジ103を主走査方向に摺動自在に支持している。このキャリッジ103の下面側には、イエロー(Y)インク、マゼンタ(M)インク、シアン(C)インク、ブラック(Bk)インクをそれぞれ吐出する本発明に係るインクジェットヘッドからなるヘッド104を、その吐出面(ノズル面)を下方に向けて搭載し、またキャリッジ103の上面側にはヘッド104に各色のインクを供給するための各色のインクカートリッジ105を交換可能に搭載している。
【0110】
なお、ヘッド104としては、各色のインク滴を吐出する複数のヘッドを用いてもよいし、或いは各色のインク滴を吐出するノズルを有する1個のヘッドを用いてもよい。
【0111】
そして、キャリッジ103は主走査モータ107で回転される駆動プーリ(駆動タイミングプーリ)108と従動プーリ(アイドラプーリ)109との間に張装したタイミングベルト110に連結して、主走査モータ107を駆動制御することによってキャリッジ103を主走査方向に移動走査するようにしている。
【0112】
また、図33に示すように、図示しない側板間に用紙111を主走査方向と直交する副走査方向に送るための搬送ローラ112を回転自在に保持している。この搬送ローラ112は図32に示す副走査モータ113の回転を図示しないギヤ列を介して伝達される。この搬送ローラ112は給紙カセット114にセットされて給紙ローラ115で給紙される用紙111を反転させて搬送する。
【0113】
この搬送ローラ112の周面には、用紙111を搬送ローラ112面に沿ってターンさせる(反転させる)ための加圧コロ116及び押さえコロである先端コロ117を回転自在に配設している。そして、搬送ローラ112の用紙搬送方向下流側には、ヘッド104に対向し、キャリッジ103の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ112から送り出された用紙111をヘッド104の下方側で案内する印写受け部材118を配置している。
【0114】
この印写受け部材118は、主走査方向印写領域におけるキャリッジ103の移動範囲に相当する長さを有し、主走査方向に多数のリブ119及び複数のリブ120が所要の間隔で形成されている。用紙111はリブ119、120の最上面と当接しつつ案内されることで、ヘッド104との用紙111表面(印写面)との間隔が規定される。
【0115】
そして、印写受け部材118の用紙搬送方向上流側には、この印写受け部材118のリブ120に対応した位置に、弾性部材としてのねじりコイルバネからなる用紙押さえ部材121を、リブ120側に付勢して、押さえコロである先端コロ117の支軸に回動可能に取り付けている。
【0116】
また、印写受け部材118の用紙搬送方向下流側には、用紙111を排紙方向へ送り出すために回転駆動される第1排紙ローラ125及びこれに当接する拍車ローラ126、搬送路形成部材127、第2排紙ローラ128及びこれに当接する拍車ローラ129とを配置し、排紙される用紙111をストックする傾斜状態で装着した排紙トレイ130を設けている。
【0117】
このインクジェット記録装置においては、給紙ローラ115でカセット114から用紙111を給紙することで、搬送ローラ112の周面に沿って中間コロ116で反転され、先端コロ117で押さえられながら搬送ローラ112から送り出されて、印写受け部材118に案内され、用紙111はヘッド104との間隔が規定されて搬送される。そこで、ヘッド104からインク滴を吐出させて例えばインターレス印字方式で用紙111上に画像を印写し、排紙トレイ130に排紙する。
【0118】
なお、上記実施形態においては、主として本発明を振動板変位方向とインク滴吐出方向が同じになるサイドシュータ方式のインクジェットヘッドに適用したが、前述したように振動板変位方向とインク滴吐出方向と直交するエッジシュータ方式のインクジェットヘッドにも同様に適用することができる。さらに、インクジェットヘッドだけでなく液体レジスト等を吐出させる液滴吐出ヘッドなどにも適用できる。また、振動板と液室基板とを同一基板から形成したが、振動板と液室基板とを別体にして接合することもできる。また、前述したようにプリンタ、ファクシミリ、プロッタ等の画像形成装置及び液滴を吐出する装置にも本発明に係る液滴吐出ヘッドを搭載することができる。
【0119】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、振動板を設けた第1基板及び電極を設けた第2基板、振動板を設けた第1基板及びノズルを形成した第3基板、振動板を設けた第1基板及び蓋部材となる第4基板とを、各接合面の少なくとも一方に、燐及びホウ素を含まないシリコン酸化膜と、燐及びホウ素を含むシリコン酸化膜と、燐を含まず、ホウ素を含むシリコン酸化膜との3層構造を有し、接合面側が燐を含まず、ホウ素を含むシリコン酸化膜であるシリコン酸化膜層を積層し、シリコン酸化膜層を介して、直接接合されているので、振動板を設ける基板のドーパントにボロンを用いている場合の電気特性の変化を低減できるとともに、ギャップ精度の向上を図れる。
【0120】
本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、振動板を設けた第1基板及び電極を設けた第2基板、振動板を設けた第1基板及びノズルを形成した第3基板、振動板を設けた第1基板及び蓋部材となる第4基板とを、各接合面の少なくとも一方に、燐及びホウ素を含まないシリコン酸化膜と、燐及びホウ素を含むシリコン酸化膜と、ホウ素を含まず、燐を含むシリコン酸化膜との3層構造を有し、接合面側がホウ素を含まず、燐を含むシリコン酸化膜であるシリコン酸化膜層を積層し、シリコン酸化膜層を介して、直接接合されているので、振動板を設ける基板のドーパントに燐を用いている場合の電気特性の変化を低減できるとともに、電極保護特性を向上できる。
【0126】
本発明に係るインクジェット記録装置によれば、インクジェットヘッドが本発明に係る液滴吐出ヘッドである構成としたので、低コストで信頼性の高い記録装置を得られる。本発明に係る画像形成装置、液滴を吐出する装置によれば、本発明に係る液滴吐出ヘッドを備えているので、低コストで信頼性の高い装置を得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの分解斜視説明図
【図2】同ヘッドの振動板長手方向の断面説明図
【図3】図2の要部拡大説明図
【図4】同ヘッドの振動板短手方向の要部拡大断面図
【図5】本発明の第2実施形態に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの振動板長手方向の断面説明図
【図6】同ヘッドの振動板短手方向の断面説明図
【図7】同ヘッドの平面説明図
【図8】同ヘッドの製造工程を説明する振動板短手方向の説明図
【図9】同ヘッドの製造工程を説明する振動板短手方向の説明図
【図10】同ヘッドの製造工程を説明する振動板短手方向の説明図
【図11】同ヘッドの製造工程を説明する振動板長手方向の説明図
【図12】同ヘッドの製造工程を説明する振動板長手方向の説明図
【図13】同ヘッドの製造工程を説明する振動板長手方向の説明図
【図14】本発明の第3実施形態に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの振動板長手方向の断面説明図
【図15】同ヘッドの振動板短手方向の断面説明図
【図16】本発明の第4実施形態に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの振動板長手方向の断面説明図
【図17】同ヘッドの振動板短手方向の断面説明図
【図18】同ヘッドの製造工程を説明する振動板短手方向の説明図
【図19】同ヘッドの製造工程を説明する振動板短手方向の説明図
【図20】同ヘッドの製造工程を説明する振動板長手方向の説明図
【図21】同ヘッドの製造工程を説明する振動板長手方向の説明図
【図22】本発明の第5実施形態に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの振動板長手方向の断面説明図
【図23】同ヘッドの振動板短手方向の断面説明図
【図24】本発明の第6実施形態に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの振動板長手方向の断面説明図
【図25】同ヘッドの振動板短手方向の断面説明図
【図26】同ヘッドの製造工程を説明する振動板短手方向の説明図
【図27】同ヘッドの製造工程を説明する振動板長手方向の説明図
【図28】本発明の第7実施形態に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの振動板長手方向の断面説明図
【図29】同ヘッドの振動板短手方向の断面説明図
【図30】本発明の第8実施形態に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの振動板長手方向の断面説明図
【図31】同ヘッドの振動板短手方向の断面説明図
【図32】本発明に係るインクジェット記録装置の一例を説明する斜視説明図
【図33】同記録装置の機構部の説明図
【符号の説明】
1、41…流路基板、2、42…電極基板、3、43…ノズル板、4、44…ノズル、6、46…吐出室、7、47…流体抵抗部、8、48…共通液室、10、50…振動板、14、54…凹部、15、55…電極、16、56…ギャップ、18…燐及び/又はホウ素を含むシリコン酸化膜、58…BSPG膜。
[0001]
[Industrial application fields]
  The present invention is a droplet discharge head,The present invention relates to an ink jet recording apparatus, an image forming apparatus, and an apparatus for discharging droplets.
[0002]
[Prior art]
In general, as an inkjet head which is a droplet ejection head in an inkjet recording apparatus used in an image recording apparatus (including an image forming apparatus) such as a printer, a facsimile machine, a copying apparatus, and a plotter, a nozzle for ejecting ink droplets and a nozzle are provided. A discharge chamber (also referred to as an ink flow path, an ink chamber, a liquid chamber, a pressure chamber, a pressurization chamber, a pressurization liquid chamber, etc.) that communicates, and a diaphragm that also serves as a first electrode that forms the wall surface of the discharge chamber An electrostatic ink jet head that includes an electrode (second electrode) facing the electrode and discharges ink droplets from a nozzle by deforming and displacing a diaphragm with an electrostatic force is known.
[0003]
As a conventional electrostatic ink jet head, for example, as disclosed in JP-A-6-71882 and JP-A-5-50601, a silicon substrate (this is referred to as “ A diaphragm substrate ”is used, and a borosilicate glass (pyrex glass) or a silicon substrate is used as a substrate on which an electrode is provided (referred to as“ electrode substrate ”).
[0004]
As a method for manufacturing such an ink jet head, (1) a method using water glass (sodium silicate solution) for bonding the electrode substrate and the diaphragm substrate as described in JP-A-9-286101, (2) As described in Japanese Patent Laid-Open No. 10-286554, an electrode substrate and a diaphragm substrate are joined via polysilazane. As shown in Japanese Patent Laid-Open No. 9-286101, an electrode is used. Known are those for anodically bonding a substrate and a diaphragm substrate, and (4) those for directly bonding an electrode substrate and a diaphragm substrate as described in JP-A-6-8449.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of using water glass (sodium silicate solution) for bonding the electrode substrate and the diaphragm substrate of the above (1), this material shows good bonding properties at a low temperature, but the water content is low. Due to the large amount, the influence of the outgas (such as water vapor) from the film is unavoidable, and the alkali metal is contained at a high concentration, so that there is a problem of contamination by alkali metal. Further, in the case of using the polysilazane for bonding the electrode substrate and the diaphragm substrate of the above (2), the reliability is excellent, but the problem of the outgas is still inherent.
[0006]
Further, in the case of using the anodic bonding described in (3) above, there is a problem of contamination by alkali metal depending on the conditions, or by applying a high voltage of 100 to 20000 V at a temperature of about 400 ° C. It has problems such as stress accumulation on the diaphragm. In addition, in the case of using the direct bonding described in the above (4), a bonding surface (mirror surface, Ra <0.2 nm or less) controlled at the atomic and molecular level is required. The manufacturing cost is high, such as the need for heating near 1 ° C (for example, 1100 ° C), and the range that can be used is limited. In addition, since direct bonding is a bonding technique that does not use a bonding material, there is a problem with liquid sealing properties. May appear.
[0007]
  The present invention has been made in view of the above problems, and is a low-cost and highly reliable droplet discharge head.Equipped with this droplet discharge headAn object of the present invention is to provide an ink jet recording apparatus, an image forming apparatus, and an apparatus for ejecting droplets.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above problems, a droplet discharge head according to the present invention is provided on at least one of the bonding surfaces of a first substrate provided with a diaphragm and a second substrate provided with an electrode., Having a three-layer structure of a silicon oxide film not containing phosphorus and boron, a silicon oxide film containing phosphorus and boron, and a silicon oxide film not containing phosphorus and containing boron, and the bonding surface side does not contain phosphorus, It is a silicon oxide film containing boronA silicon oxide film layer is laminated, and the first and second substrates are directly bonded via the silicon oxide film layer.
[0009]
  The droplet discharge head according to the present invention is provided on at least one of the bonding surfaces of the first substrate provided with the vibration plate and the third substrate formed with the nozzle., Having a three-layer structure of a silicon oxide film not containing phosphorus and boron, a silicon oxide film containing phosphorus and boron, and a silicon oxide film not containing phosphorus and containing boron, and the bonding surface side does not contain phosphorus, It is a silicon oxide film containing boronA silicon oxide film layer is laminated, and the first and third substrates are directly bonded via the silicon oxide film layer.
[0010]
  The droplet discharge head according to the present invention is provided on at least one of the bonding surfaces of the first substrate provided with the vibration plate and the fourth substrate serving as the lid member., Having a three-layer structure of a silicon oxide film not containing phosphorus and boron, a silicon oxide film containing phosphorus and boron, and a silicon oxide film not containing phosphorus and containing boron, and the bonding surface side does not contain phosphorus, It is a silicon oxide film containing boronA silicon oxide film layer is laminated, and the first and fourth substrates are directly bonded via the silicon oxide film layer.
[0011]
  The droplet discharge head according to the present invention includes a silicon oxide film not containing phosphorus and boron, phosphorus and boron on at least one of the bonding surfaces of the first substrate provided with the vibration plate and the second substrate provided with the electrode. A silicon oxide film having a three-layer structure including a silicon oxide film including phosphorus and a silicon oxide film including no phosphorus and including phosphorus, and a bonding surface side does not include boron and is a silicon oxide film including phosphorusLaminating a silicon oxide film layer,In this configuration, the first and second substrates are directly bonded via the silicon oxide film layer.
[0012]
  The droplet discharge head according to the present invention includes a silicon oxide film not containing phosphorus and boron, phosphorus and boron on at least one of the bonding surfaces of the first substrate provided with the vibration plate and the third substrate formed with the nozzle. A silicon oxide film having a three-layer structure of a silicon oxide film containing phosphorus and a silicon oxide film containing no phosphorus and containing phosphorus, and a silicon oxide film layer that is a silicon oxide film containing phosphorus and containing no boron on the bonding surface side; The first and third substrates are directly bonded via the silicon oxide film layer.
[0013]
  The droplet discharge head according to the present invention is provided on at least one of the bonding surfaces of the first substrate provided with the vibration plate and the fourth substrate serving as a lid member,It has a three-layer structure of a silicon oxide film that does not contain phosphorus and boron, a silicon oxide film that contains phosphorus and boron, and a silicon oxide film that does not contain boron and contains phosphorus. It is a silicon oxide film containingA silicon oxide film layer is laminated, and the first and fourth substrates are directly bonded via the silicon oxide film layer.
[0017]
  The ink jet recording apparatus according to the present invention is configured such that the ink jet head is the liquid droplet ejection head according to the present invention.The image forming apparatus and the apparatus for ejecting droplets according to the present invention are equipped with the droplet ejection head according to the present invention.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is an exploded perspective view of an ink jet head which is a droplet discharge head according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view of the head in the longitudinal direction, and FIG. It is a principal part expanded sectional view of a hand direction.
[0019]
The inkjet head includes a flow path substrate 1 that is a first substrate using a single crystal silicon substrate, and an electrode substrate 2 that is a second substrate using a single crystal silicon substrate provided below the flow path substrate 1. A nozzle plate 3 that is a third substrate using a single crystal silicon substrate provided on the upper side of the flow path substrate 1, and is a plurality of nozzles 4 for discharging ink droplets, and an ink flow path in which each nozzle 4 communicates. A discharge chamber 6 and a common liquid chamber 8 that communicates with each discharge chamber 6 via a fluid resistance portion 7 that also serves as an ink supply path are formed.
[0020]
The flow path substrate 1 is formed with a plurality of discharge chambers 6 with which the nozzles 4 communicate with each other and concave portions that form a vibration plate 10 (also serving as an electrode) that forms the bottom of the wall of the discharge chamber 6. Forms a hole for forming the nozzle 4 and a groove for forming the fluid resistance portion 7, and a through-hole for forming the common liquid chamber 8 is formed in the flow path substrate 1 and the electrode substrate 2.
[0021]
Here, when a single crystal silicon substrate is used as the flow path substrate 1, boron is injected into the vibration plate thickness in advance to form a high-concentration boron layer serving as an etching stop layer, and after bonding to the electrode substrate 2, By anisotropically etching the concave portion that becomes the discharge chamber 6 using an etching solution such as an aqueous KOH solution, the high-concentration boron layer becomes an etching stop layer at this time, and the diaphragm 10 is formed with high accuracy. In addition, the active layer substrate can be used as the vibration plate 10 by using an SOI substrate in which the base substrate and the active layer substrate are bonded via an oxide film.
[0022]
Further, a single crystal silicon substrate is used as the electrode substrate 2, an oxide layer 2 a is formed by a thermal oxidation method or the like, a recess 14 is formed in this oxide layer 2 a, and the bottom surface of the recess 14 faces the diaphragm 10. The electrode 15 is provided, a gap 16 is formed between the diaphragm 10 and the electrode 15, and the diaphragm 10 and the electrode 15 constitute an actuator part (energy generating means). At this time, the depth of the recess 14 defines the length of the gap 16.
[0023]
Here, the concave portion 14 of the electrode substrate 2 has a shape in which the cross-sectional shape has an inclined surface in the lateral direction of the diaphragm as shown in FIG. 4, and the electrode 15 is formed on the bottom surface of the concave portion 14. And the electrode 15 are opposed to each other in a non-parallel state in the lateral direction of the diaphragm. The gap 16 formed by the non-parallel diaphragm 10 and the electrode 15 is referred to as a non-parallel gap. Of course, the diaphragm 10 and the electrode 15 can be opposed to each other in a parallel state, or a non-parallel gap can be formed in the longitudinal direction of the diaphragm.
[0024]
As the electrode 15 of the electrode substrate 2, gold, a metal material such as Al, Cr, or Ni generally used in a process for forming a semiconductor element, or a refractory metal such as Ti, TiN, or W is used. Can do.
[0025]
In the nozzle plate 3, a large number of nozzles 4 are formed, and a groove portion for forming a fluid resistance portion 7 for communicating the common liquid chamber 8 and the discharge chamber 6 is formed. Here, a water-repellent film is formed on the ink ejection surface (nozzle surface side). This nozzle plate 3 uses a stainless steel substrate, but in addition to this, a nickel plated film by electroforming (electroforming) method, excimer laser processing on a resin such as polyimide, and punching a metal plate by pressing. It can also be used.
[0026]
Here, the flow path substrate 1 and the electrode substrate 2 are bonded via a silicon oxide film layer 18 containing phosphorus and / or boron. By forming the silicon oxide film 18 on the entire surface of the electrode substrate 2, the surface of the electrode 15 also serves as the electrode protective film 17.
[0027]
The silicon oxide film layer 18 includes two layers of a silicon oxide film (NSG: Non-doped Silicate Glass) that does not contain phosphorus and boron and a silicon oxide film (BPSG: BoroPhospho-Silicate Glass) that contains phosphorus and boron. It can also be a structure.
[0028]
The silicon oxide film layer 18 includes a silicon oxide film (NSG) that does not contain phosphorus and boron, a silicon oxide film (BPSG) that contains phosphorus and boron, and a silicon oxide film (BSG) that does not contain phosphorus and contains boron. : Boro-Silicate Glass).
[0029]
Alternatively, a silicon oxide film (NSG) not containing phosphorus and boron, a silicon oxide film (BPSG) containing phosphorus and boron, and a silicon oxide film (PSG: Phospho-Silicate Glass) not containing boron and containing phosphorus A three-layer structure can also be used. Further, as the silicon oxide film layer 18, a coating type silicon oxide film (SOG: Spin On Glass) can be used.
[0030]
In this ink jet head, two rows of nozzles 4 are arranged, and two rows of discharge chambers 6, diaphragms 10 and electrodes 15 are arranged corresponding to each nozzle 4, and a common liquid chamber 8 is arranged in the center of each nozzle row. Thus, a configuration is adopted in which ink is supplied to the left and right ejection chambers 6. Thus, a multi-nozzle head having a large number of nozzles can be configured with a simple head configuration.
[0031]
The electrode 15 is extended to the outside to form a connection portion (electrode pad portion) 15a, and an FPC cable 21 on which a driver IC 20 as a head drive circuit is mounted by wire bonding is connected via an anisotropic conductive film or the like. is doing. At this time, the gap between the electrode substrate 2 and the nozzle plate 3 (gap 16 inlet) is hermetically sealed with a gap sealant 22 using an adhesive such as epoxy resin, and moisture enters the gap 16 and vibrates. The plate 10 is prevented from being displaced.
[0032]
Further, the entire inkjet head is bonded onto the frame member 25 with an adhesive. An ink supply hole 26 for supplying ink from the outside to the common liquid chamber 8 of the ink jet head is formed in the frame member 25, and the FPC cable 21 and the like are accommodated in a hole portion 27 formed in the frame member 25. The
[0033]
The frame member 25 and the nozzle plate 3 are sealed with a gap sealant 28 using an adhesive such as an epoxy resin, and the ink on the surface of the nozzle plate 3 having water repellency is transferred to the electrode substrate 2 or the FPC cable 21. To prevent it from going around. A joint member 30 with an ink cartridge is connected to the frame member 25 of the head, and ink is supplied from the ink cartridge to the common liquid chamber 8 through the ink supply hole 26 through a filter 31 thermally fused to the frame member 25. Supplied.
[0034]
In the ink jet head configured as described above, the diaphragm 10 is used as a common electrode, the electrode 15 is used as an individual electrode, and a drive waveform is applied between the diaphragm 10 and the electrode 15, whereby During this time, an electrostatic force (electrostatic attractive force) is generated, and the diaphragm 10 is deformed and displaced toward the electrode 15. As a result, the internal volume of the discharge chamber 6 is expanded and the internal pressure is lowered, so that the discharge chamber 6 is filled with ink from the common liquid chamber 8 via the fluid resistance portion 7.
[0035]
Next, when the voltage application to the electrode 15 is cut off, the electrostatic force stops working, and the diaphragm 10 is restored by its own elasticity. With this operation, the internal pressure of the discharge chamber 6 increases, and ink droplets are discharged from the nozzle 5. When a voltage is applied to the electrode again, the diaphragm is again pulled toward the electrode by electrostatic attraction.
[0036]
In this ink jet head, the first substrate (flow path substrate 1), the second substrate (electrode substrate 2) and the third substrate (nozzle plate 3) constituting the head are all made of a silicon substrate, so that thermal expansion between the substrates is achieved. There is no difference, and distortion due to thermal history in the head manufacturing process is eliminated. Further, even when a high-density line head (long head) is used, there is no influence on the printing characteristics and the reliability of the inkjet head because substrate distortion or the like due to temperature change during use does not occur.
[0037]
Since the first substrate (flow path substrate 1) and the second substrate (electrode substrate 2) are joined via the silicon oxide film layer 18 containing phosphorus and / or boron, the softening point of the silicon oxide film 18 The temperature required for the direct bonding of the silicon substrate can be lowered, and the surface of the silicon oxide film 18 is reflowed by heating, and the flatness of the bonding interface becomes Ra <0.2 nm or less. Therefore, the first substrate (flow path substrate 1) and the second substrate (electrode substrate 2) can be bonded at low cost.
[0038]
Here, since the silicon oxide film layer 18 is a two-layer structure film of an NSG film and a BPSG film (the bonding interface side is a BPSG film), the bonding interface can be covered with the BPSG film. Sealability is improved.
[0039]
Further, as the silicon oxide film layer 18, a three-layer structure film of an NSG film, a BPSG film, and a BSG film (a bonding interface side is a BSG film) is used as a dopant for a silicon substrate that becomes the flow path substrate 1. When boron is used, it is possible to reduce changes in electrical characteristics due to boron absorption, and by making the bonding interface a BSG film, only the BSG film can be softened, resulting in a gap accuracy error. There is almost no and a high-precision gap can be secured.
[0040]
Further, the silicon oxide film 18 is a three-layer structure film of an NSG film, a BPSG film, and a PSG film (the bonding interface side is a PSG film), whereby phosphorus as a dopant for the silicon substrate that becomes the flow path substrate 1 is used. In this case, it is possible to reduce the change in electrical characteristics due to phosphorus absorption, and by using a PSG film as the bonding interface, it is possible to prevent deterioration of the electrode material due to the high protection characteristics of the PSG film. .
[0041]
Furthermore, by using an SOG film as the silicon oxide film layer 18, a thick silicon oxide film layer can be easily formed, and an unpolished substrate can be used as the silicon substrate. Further cost reduction can be achieved.
[0042]
Next, an inkjet head according to a second embodiment will be described with reference to FIGS. 5 is a cross-sectional explanatory diagram of the head in the longitudinal direction of the diaphragm, FIG. 6 is a cross-sectional explanatory diagram of the head in the lateral direction of the diaphragm, and FIG. 7 is a plan explanatory diagram of the head.
The inkjet head includes a flow path substrate 41 that is a first substrate, an electrode substrate 42 that is a second substrate provided below the flow path substrate 41, and a third substrate that is provided above the flow path substrate 1. A plurality of nozzles 44 that discharge ink droplets, discharge chambers 46 that are ink flow paths communicating with the nozzles 44, and fluid resistance units 47 that also serve as ink supply paths to the discharge chambers 46. A common liquid chamber 48 and the like communicating with each other are formed.
[0043]
The flow path substrate 41 is formed with a plurality of discharge chambers 46 with which the nozzles 44 communicate with each other, and a concave portion and a common liquid chamber 48 that form a diaphragm 50 (also serving as an electrode) that forms the bottom of the discharge chamber 46. A recess is formed, and a nozzle plate 43 is provided with a hole for forming the nozzle 44, a groove for forming the fluid resistance portion 47, and an ink supply hole 49 for supplying ink to the common liquid chamber 48 from the outside.
[0044]
A silicon oxide film 53 is formed on the electrode substrate 42, a recess 54 that is an electrode formation groove whose bottom surface is parallel to the diaphragm 50 is formed in the silicon oxide film 53, and an electrode 55 is formed on the bottom surface of the recess 54. Thus, the diaphragm 50 and the electrode 55 are arranged in parallel through the gap 56.
[0045]
The flow path substrate 41 and the electrode substrate 42 are bonded via a BPSG film 58 that is a silicon oxide film layer containing phosphorus and / or boron. The BPSG film 58 is also formed on the entire surface of the electrode substrate 42, so that it also serves as the electrode protective film 57 on the surface of the electrode 55. As the silicon oxide film layer containing phosphorus and / or boron, instead of the BPSG film 58, a BSG film, a PSG film, a two-layer structure film of an NSG film and a BPSG film, an NSG film, a BPSG film, and a BSG film are used. A three-layer structure film or a three-layer structure film of an NSG film, a BPSG film, and PSG can also be used.
[0046]
In addition, as shown in FIG. 7, the electrode 55 is extended outside to form an electrode pad portion 55a. Further, the nozzle plate 43 is formed with an electrode pad portion 50a for connecting the diaphragm 50 to the outside.
[0047]
Further, the flow path substrate 41 and the nozzle plate 43 are bonded together via a BPSG film 59 which is a silicon oxide film layer containing phosphorus and / or boron. In this case, as the silicon oxide film layer containing phosphorus and / or boron, the BSG film, the PSG film, the NSG film and the BPSG film, the NSG film, the BPSG film, and the BSG are used instead of the BPSG film 59. A three-layer structure film with a film, or a three-layer structure film with an NSG film, a BPSG film, and a PSG can also be used.
[0048]
Therefore, a method of manufacturing the ink jet head according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 8 to 10 are schematic explanatory diagrams in the diaphragm lateral direction showing the manufacturing process, and FIGS. 11 to 13 are schematic explanatory diagrams in the longitudinal direction of the diaphragm. Note that the terminology before the final process may be different, but the same reference numerals as those in FIGS. 5 to 7 are used for convenience.
[0049]
As shown in FIGS. 8A and 11A, p-type single crystal silicon (wafer is used) commercially available as a low-resistance product, and the crystal plane orientation is (110) or (100). A silicon oxide film 53 serving as a protective film is formed on the silicon substrate 42 serving as an electrode substrate to a thickness of about 2 μm by wet or dry thermal oxidation. Although a p-type single crystal silicon substrate is used here, an n-type substrate may be used.
[0050]
Subsequently, as shown in each figure (b), a recess 54 which is an electrode formation groove is dug in the silicon oxide film 53. Here, a photoresist is applied on the silicon oxide film 53 and patterning is performed to form electrodes. Using this photoresist pattern as a mask, a hydrogen fluoride solution containing a buffer component such as ammonium fluoride (for example, Daikin). The concave portion 54 is dug using an industrial product: BHF-63U or the like.
[0051]
The amount of digging at this time is digged by an amount corresponding to the thickness of the electrode material and a necessary space amount between the electrode 55 and the diaphragm 50. Since the digging amount at this time is as small as about 1 μm, even when digging by wet etching using a hydrogen fluoride solution, variation in the digging amount in the wafer surface can be extremely small.
[0052]
Then, a polycrystalline silicon film serving as an electrode material is deposited on the entire surface of the silicon oxide film 53 to a thickness of about 300 nm, and processed into a desired electrode shape using a photoetching technique, whereby each figure (c) is obtained. As shown, an electrode 55 is formed on the bottom surface of the recess 54. Here, polysilicon doped with impurities is used for the electrode 55. However, as described above, a refractory metal may be used or a conductive ceramic such as titanium nitride may be used as the electrode. It is.
[0053]
Next, as shown in each figure (d), a BPSG film 58, which is a silicon oxide film layer containing phosphorus and / or boron, is formed on the entire surface of the silicon oxide film 53 (the entire surface of the wafer) using a technique such as CVD. Deposit to thickness. The BPSG film 58 in this case also has the purpose of the protective film 57 that protects the electrode 55.
[0054]
Here, the BPSG film 58 was formed to have a phosphorus concentration of 4.5% and a boron concentration of 4.0%. The concentration of phosphorus and boron at this time is a concentration generally used in a semiconductor process, but is not limited to this concentration. Further, as described above, the silicon oxide film layer containing phosphorus and / or boron may be a PSG film containing no boron or a BSG film containing no phosphorus.
[0055]
That is, the emphasis of the present invention is to reduce the temperature required for direct bonding by lowering the softening point by containing phosphorus or boron in the silicon oxide film layer. If you only want to achieve the purpose of lowering the softening point, there is a technique to contain impurities other than phosphorus and boron, such as germanium, but when considering the compatibility with electrode materials and reliability as a device, The use of phosphorus / boron, which has a proven record in semiconductor processes, is more advantageous in achieving the present invention.
[0056]
Next, as shown in FIGS. 9A and 12A, the silicon wafer (electrode substrate 42) is heat-treated in a nitrogen gas atmosphere, so that the BPSG film 58 is softened and the side walls of the recesses 14 are formed. The gap between the electrodes 55 is filled.
[0057]
The heat treatment conditions at this time were 850 ° C. and 2 hours. Here, the temperature of 850 ° C. is higher by 50 ° C. than the temperature of 800 ° C. of the next direct bonding to be performed next. Of course, if the temperature of direct bonding is lower than this, heat treatment at a lower temperature may be used. However, the temperature is higher than the temperature at which the BPSG film 58 exhibits reflow properties.
[0058]
By this heat treatment, moisture, hydrogen gas, and the like present in the BPSG film 58 are released, and generation of voids due to outgas during direct bonding can be prevented. In addition, the surface of the BPSG film 58 is reflowed by this heat treatment. Immediately after the film formation, the surface evaluation using the AFM shows that the surface roughness of the Ra value of about 1 to 3 nm is 0.1 to 0.2 nm. It can be made to have good direct bondability.
[0059]
Then, as shown in each figure (b), a silicon substrate 41 which is a flow path substrate provided with a vibration plate is a double-side polished silicon substrate having p-type polarity and having a (110) plane orientation. The purpose of using such a silicon substrate is to obtain an accurate processed shape by utilizing the surface anisotropy of the etching rate during wet etching of silicon. High-concentration boron is implanted into the bonding surface of the silicon substrate 41 (5 × 10 519Atom / cmThreeAfter that, this is activated and diffused to a predetermined depth (thickness of the diaphragm) to form a diffusion layer 50 to be a diaphragm.
[0060]
Here, a silicon substrate into which impurities are implanted at a high concentration is used. However, as described above, for example, an active layer of an SOI (Silicon On Insulator) substrate can be used as a vibration plate. Alternatively, an epitaxial layer of a substrate obtained by epitaxially growing silicon on a high concentration impurity substrate can be used as a vibration plate.
[0061]
Then, as shown in each figure (c), the silicon substrate 41 used as a flow path board | substrate and the silicon substrate 42 used as an electrode substrate are joined.
[0062]
Here, after each substrate 41, 42 is cleaned using a substrate cleaning method known as RCA cleaning, it is immersed in a hot mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide water to directly bond the bonding surfaces by making them hydrophilic. Easy surface condition. Thereafter, the substrates 41 and 42 are gently aligned, and the substrates 41 and 42 are joined.
[0063]
Next, the substrates 41 and 42 that have been aligned are introduced into a vacuum chamber, and 1 × 10-3Depressurize until the degree of vacuum is below mbar. Subsequently, pre-bonding was completed by pressing the wafers in a state where the alignment of the substrates 41 and 42 did not shift. At this time, it is important to hold the pressure so as not to be displaced, and to strongly press the pressing force as long as the substrates 41 and 42 are not distorted or displaced. Thereafter, the bonded wafers were baked at 800 ° C. for 2 hours in a nitrogen gas atmosphere to obtain a strong bond.
[0064]
Thereafter, the silicon substrate 41 is made thinner than the initial thickness of the wafer by mechanical, physical, or chemical methods such as polishing, grinding, and CMP. In this case, the interface joined by direct joining is not peeled off or destroyed. Here, a commercially available 400 μm thick silicon wafer was bonded as the silicon substrate 41 and then polished until the liquid chamber height (discharge chamber height) became 95 ± 5 μm. Note that polishing is not required when the initial thickness of the silicon wafer is used as it is.
[0065]
Subsequently, as shown in FIGS. 10A and 13A, the silicon substrate 41 is etched to form a recess for forming the discharge chamber 46 and the vibration plate 50 and a recess for forming the common liquid chamber 48.
[0066]
Here, the substrate is heat-treated to form a buffer oxide film with a thickness of about 50 nm, and a silicon nitride film as an etching barrier layer in a later process is formed to a thickness of about 100 nm by a method such as CVD. Then, patterning for forming a liquid chamber or the like is performed using a photo-etching method, and the silicon nitride film and the silicon oxide film are sequentially etched using the photoresist film as a mask to correspond to the liquid chamber pattern on the substrate. A pattern having openings is formed.
[0067]
Then, the substrate is immersed in a high concentration potassium hydroxide solution (for example, a 30% concentration KOH solution heated to 80 ° C.) and anisotropic etching of the silicon substrate 41 is performed. A recess to be the liquid chamber 48 is formed. Here, when the etching solution reaches the high-concentration boron diffusion layer 50, the etching rate is remarkably lowered, so that the etching is almost automatically stopped, and the diaphragm 50 composed of the high-concentration boron diffusion layer is formed. Is done.
[0068]
In addition to the etching using a high concentration aqueous solution of alkali metal, wet etching using TMAH (tetramethylammonium hydroxide) may be used. Then, after rinsing with ultrapure water (about 10 minutes), it is dried by spin drying or the like.
[0069]
Further, as shown in each figure (b), a BPSG film 49, which is a silicon oxide film, is also deposited on the nozzle plate 43 made of a silicon substrate by a method such as CVD. The film forming conditions at this time are the same as those of the BPSG film 48 formed on the electrode substrate 42, but it goes without saying that the composition and the like can be freely changed depending on the structure of the device and the manufacturing method.
[0070]
Then, the nozzle plate 43 on which the BPSG film 59 is formed is subjected to heat treatment (850 ° C., 2 hours) in a nitrogen gas atmosphere in the same manner as in the above process. Of course, if the temperature of direct bonding is lower than this, heat treatment at a temperature lower than this may be used, but the temperature is higher than the temperature at which the BPSG film 59 exhibits reflow properties. By this heat treatment, moisture, hydrogen gas, and the like present in the BPSG film 59 are released, and generation of voids due to outgas at the time of bonding can be prevented. In addition, the surface of the BPSG film 59 is reflowed by this treatment, and immediately after the film formation, the surface evaluation using the AFM shows that the roughness of the surface, which has a Ra value of about 1 to 3 nm, becomes 0.1 to 0.2 nm. It can be made to have good direct bondability.
[0071]
Then, after aligning the nozzle plate 43 and the flow path substrate 41, the two substrates are bonded together, fired and bonded under the same conditions as described above, and then the surface (ink ejection surface) of the nozzle plate 43 is water repellent. The ink jet head shown in FIGS. 5 and 6 is completed by performing a layer forming process. At this time, it is preferable to bake at a temperature lower than that of the previously bonded wafer (substrates 41 and 42). However, if baking is performed at least at the same temperature as the previously bonded substrate, there is no problem of outgassing. Can be joined.
[0072]
In addition, since minute surface scratches generated during the process at this time are filled when the BPSG films 58 and 59 are reflowed, it is possible to prevent the occurrence of leakage or the like when a liquid such as ink is passed. Of course, since deep scratches and wide scratches cannot be filled, it is necessary to design a process that does not cause such scratches. The bonding strength is sufficient as described above.
[0073]
In the head of this embodiment, the nozzle plate 43 is joined to the flow path substrate 41. However, the nozzle plate 43 has a multilayer structure of a flow path plate that forms a nozzle communication path and a nozzle formation member that forms a nozzle. You can also. Further, in the above process, the substrates are sequentially joined from the substrate to be an electrode, but after processing each substrate into a desired shape, a BPSG film or the like is formed on the joining surface, and an aligner for wafer bonding (for example, , EV 400 series: trade name, etc.).
[0074]
In the ink jet head manufactured in this way, since the main member constituting the head is silicon, the expansion of the head is uniform even when the temperature rises during actual use, and therefore no warping or distortion of the head occurs. If the head design is devised, it is possible to produce a long head (for example, an A4 size head) called a line head.
[0075]
Next, an inkjet head according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 14 is a cross-sectional explanatory view of the head in the longitudinal direction of the diaphragm, and FIG. 15 is a cross-sectional explanatory view of the head in the lateral direction of the diaphragm.
In this embodiment, in the ink jet head of the second embodiment, the BPSG film 60 which is a silicon oxide film layer containing phosphorus and / or boron is also formed on the flow path side of the flow path substrate 41 to manufacture the head of the second embodiment. A film is formed under the same conditions as described in the process, and the nozzle plate 43 and the flow path substrate 41 are joined to each other between the silicon oxide films 59 and 60.
[0076]
In this case, as the silicon oxide film layer containing phosphorus and / or boron, the BSG film, the PSG film, the NSG film and the BPSG film, the NSG film, the BPSG film, and the BSG are used instead of the BPSG film 60. A three-layer structure film with a film, or a three-layer structure film with an NSG film, a BPSG film, and a PSG can also be used.
[0077]
In this way, the flow path surface of the flow path substrate 41 obtained through each manufacturing process can be covered with the silicon oxide film 60 such as a BPSG film, and the surface damage on the flow path surface can be reduced. Ink fluidity is stabilized.
[0078]
Next, an inkjet head according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 16 is a sectional explanatory view of the head in the longitudinal direction of the diaphragm, and FIG. 17 is a sectional explanatory view of the head in the lateral direction of the diaphragm.
[0079]
This embodiment is different from the ink jet head of the second embodiment only in the configuration on the electrode substrate 42 side. To explain this point, a silicon oxide film 53 is formed on the electrode substrate 42, and this silicon oxide film An electrode 55 facing the vibration plate 50 is formed on the surface of the film 53, and a BPSG film 58, which is a silicon oxide film layer containing phosphorus and / or boron, is deposited on the silicon oxide film 53 and the electrode 55, and this BPSG film A concave portion 54 for forming a gap 56 between the diaphragm 50 and the electrode 55 is formed in 58. The bottom surface of the recess 54 is formed non-parallel to the diaphragm 50 in a cross-section in the diaphragm lateral direction, thereby making the gap 56 a non-parallel gap.
[0080]
A manufacturing process of the ink jet head according to the fourth embodiment will be described with reference to FIGS. 18 and 19 are schematic explanatory diagrams in the diaphragm lateral direction showing the manufacturing process, and FIGS. 20 and 21 are schematic explanatory diagrams in the longitudinal direction of the diaphragm. Note that the terminology before the final process may be different, but the same reference numerals as those in FIGS. 16 and 17 are used for convenience.
[0081]
First, as shown in FIGS. 18 (a) and 20 (a), an electrode substrate of p-type single crystal silicon sold as a low resistance product and having a plane orientation of (110) or (100) is obtained. A silicon oxide film 53 serving as a gap layer and an insulating film is formed on the silicon substrate 41 to a thickness of 2.5 μm by wet or dry thermal oxidation. Although a p-type single crystal silicon substrate is used here, an n-type substrate may be used.
[0082]
Subsequently, an electrode 55 is formed on the silicon oxide film 53 as shown in each drawing (b). Here, titanium nitride serving as an electrode material is deposited on the entire surface of the silicon oxide film 53 by sputtering, and further a silicon oxide film serving as a mask is deposited using a CVD method or the like, and then a photo-etching technique is used to form the electrode. The silicon oxide film as a mask is etched with hydrogen fluoride water using the photoresist film as a mask, and then ammonia water + An electrode 55 having a desired electrode shape was formed by etching titanium nitride using a mixed solution of hydrogen peroxide water + pure water.
[0083]
Further, a BPSG film 58 which is a silicon oxide film containing phosphorus and / or boron is deposited on the entire surface of the silicon oxide film 53 on which the electrode 55 is formed to a thickness of about 400 nm using a technique such as CVD. The BPSG film 58 in this case also has the purpose of protecting the electrodes. At this time, the BPSG film 58 was formed to have a phosphorus concentration of 4.5% and a boron concentration of 4.0%. The concentrations of phosphorus and boron are those generally used in semiconductor processes, but are not limited to these concentrations. Further, it may be a PSG film that does not contain boron or a BSG film that does not contain phosphorus.
[0084]
Next, as shown in FIG. 3C, a process for flattening the surface of the BPSG film 58 is performed. In the first example of this flattening process, the surface of the BPSG film 58 of the electrode substrate 42 is polished by using a CMP method to flatten the irregularities on the surface of the BPSG film 58 to obtain a surface shape that can be bonded. With the current CMP technology, a polishing variation of about 0.008 μm can be achieved with a polishing amount of about 0.01 μm, and very good flatness can be obtained. Moreover, the surface roughness is Ra value, and a very smooth surface of 0.1 to 0.2 nm is obtained, which increases the direct bondability.
[0085]
Thereafter, the silicon wafer (electrode substrate 42) is heat-treated at 850 ° C. for 2 hours in a nitrogen gas atmosphere. Of course, if the temperature of the direct bonding is lower than this, the heat treatment may be performed at a temperature lower than this. However, as described above, the temperature should not be lower than the temperature at which the BPSG film 58 exhibits reflow properties. By this heat treatment, moisture, hydrogen gas, and the like present in the BPSG film 58 are released, and generation of voids due to outgas at the time of bonding can be prevented.
[0086]
As a second example of the planarization process, the silicon wafer (electrode substrate 42) is heat-treated at 1000 ° C. for 2 hours in a nitrogen gas atmosphere. By this heat treatment, moisture, hydrogen gas, and the like present in the BPSG film 58 are released, and generation of voids due to outgassing during bonding can be prevented, the fluidity of the BPSG film 58 is increased, and the height of the electrode 55 is increased. The projections of the BPSG film 58 generated by the above are flattened globally and become a plane that can be directly joined. At the same time, the roughness of the surface having a Ra value of about 1 to 3 nm becomes 0.1 to 0.2 nm, and it is possible to have a very good direct bonding property.
[0087]
After performing such planarization, as shown in each figure (d), a resist is applied on the planarized BPSG film 58, patterning is performed to form a gap, and this photoresist pattern is masked. As described above, a recess 54 serving as an electrode formation groove is dug into the BPSG film 58 using a hydrogen fluoride solution containing a buffer component such as ammonium fluoride (for example, BHF-63U (trade name) manufactured by Daikin Industries, Ltd.).
[0088]
The amount of digging at this time becomes the gap depth. Since the digging amount at this time is as small as about 1 μm, even in the digging by wet etching using a hydrogen fluoride solution, the variation in the digging amount in the wafer surface becomes extremely small. In this case, the gap shape is formed in a non-parallel state by inclining the thickness of the resist pattern and performing dry etching over the resist.
[0089]
Thereafter, as shown in FIGS. 19A and 21A, the silicon substrate 41 to be the flow path substrate is placed on the electrode substrate 42 through the BPSG film 58, as in the manufacturing process of the second embodiment described above. After the direct bonding, anisotropic etching is performed to form the discharge chamber 46, the vibration plate 50, the common liquid chamber 48, etc. on the flow path substrate 41 as shown in FIG. Bonding directly on the flow path substrate 41 via the BPSG film 49. The details of this process are the same as the manufacturing process of the second embodiment described above.
[0090]
Next, an inkjet head according to a fifth embodiment of the invention will be described with reference to FIGS. 22 is a cross-sectional explanatory view of the head in the longitudinal direction of the diaphragm, and FIG. 23 is a cross-sectional explanatory view of the head in the short side of the diaphragm.
In this embodiment, in the ink jet head of the fourth embodiment, a BPSG film 60 which is a silicon oxide film layer containing phosphorus and / or boron is also formed on the flow path side of the flow path substrate 41 to manufacture the head of the fourth embodiment. A film is formed under the same conditions as described in the process, and the nozzle plate 43 and the flow path substrate 41 are joined to each other between the BPSG films 59 and 60.
[0091]
In this way, the flow path surface of the flow path substrate 41 obtained through each manufacturing process can be covered with the BPSG film 60, surface damage on the flow path surface can be reduced, and the fluidity of the ink can be reduced. Stabilize. In this case, as the silicon oxide film layer containing phosphorus and / or boron, the BSG film, the PSG film, the NSG film and the BPSG film, the NSG film, the BPSG film, and the BSG are used instead of the BPSG film 60. A three-layer structure film with a film, or a three-layer structure film with an NSG film, a BPSG film, and a PSG can also be used.
[0092]
Next, an inkjet head according to a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 24 is a cross-sectional explanatory view of the head in the longitudinal direction of the diaphragm, and FIG. 25 is a cross-sectional explanatory view of the head in the lateral direction of the diaphragm.
This embodiment is different from the inkjet head of the fourth embodiment only in the configuration on the electrode substrate 42 side, and this point will be described.
[0093]
An NSG film 61, which is a silicon oxide film, is formed on the electrode substrate 42, an electrode 55 facing the diaphragm 50 is formed on the NSG film 61, and an NSG film 62 is formed on the NSG film 61 and the electrode 55. Further, a BPSG film 58, which is a silicon oxide film containing phosphorus and / or boron, is deposited on the NSG film 62, and a recess for forming a gap 56 between the diaphragm 50 and the electrode 55 is formed on the BPSG film 58. 54 is formed. The bottom surface of the recess 54 is formed non-parallel to the diaphragm 50 in a cross-section in the diaphragm lateral direction, thereby making the gap 56 a non-parallel gap.
[0094]
A manufacturing process for the ink jet head according to the sixth embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 26 is a schematic explanatory view in the lateral direction of the diaphragm showing the same manufacturing process, and FIG. 27 is a schematic explanatory view in the longitudinal direction of the diaphragm. Note that the terminology before the final process may be different, but the same reference numerals as those in FIGS. 24 and 25 are used for convenience.
[0095]
First, as shown in each figure (a), NSG is formed by a method such as CVD on a p-type single crystal silicon sold as a low-resistance product and having a plane orientation of (110) or (100). A film 61 is formed. Although a p-type single crystal silicon substrate is used here, an n-type substrate may be used. Alternatively, SOG may be spin-coated using a spin coater or the like to form an oxide film layer, and then heat-treated.
[0096]
Subsequently, as shown in each figure (b), titanium nitride serving as an electrode material is deposited on the entire surface of the substrate by sputtering, and a silicon oxide film serving as a mask is deposited using CVD or the like, followed by photoetching. Using the technique, patterning to form electrodes is performed, using the photoresist film as a mask, etching the silicon oxide film with hydrogen fluoride water, and then using the photoresist film and the silicon oxide film as a mask, Using a mixed solution of ammonia water + hydrogen peroxide water + pure water, titanium nitride is etched to form an electrode 55 having a desired shape.
[0097]
Then, an NSG film 62 is formed on the NSG film 61 and the electrode 55 by a method such as CVD. The NSG film 62 at this time only needs to be thick enough to cover the electrode 55. Subsequently, a BPSG film 58 is continuously deposited to a thickness of about 150 nm. At this time, the BPSG film 58 was formed to have a phosphorus concentration of 4.5% and a boron concentration of 4.0%. The phosphorus and boron concentrations are those generally used in semiconductor processes, but are not limited to these concentrations. Further, it may be a PSG film that does not contain boron or a BSG film that does not contain phosphorus. It is also easy to switch the gas type at the final stage of film formation to form a BSG film on the surface side of the BPSG film 58 or to form a PSG film.
[0098]
Next, as shown in each figure (c), after performing the process which planarizes the surface of the BPSG film | membrane 58 (similar to the 1st example of the planarization process mentioned above, the 2nd example), each figure ( As shown in d), a recess 54 to be a gap forming groove is dug in the BPSG film 58. After that, since it is the same as the manufacturing process of each embodiment mentioned above, description is abbreviate | omitted.
[0099]
Next, an inkjet head according to a seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 28 is a cross-sectional explanatory view of the head in the longitudinal direction of the diaphragm, and FIG. 29 is a cross-sectional explanatory view of the head in the lateral direction of the diaphragm.
This embodiment is different from the inkjet head of the fourth embodiment only in the configuration on the electrode substrate 42 side, and this point will be described.
[0100]
An SOG film 64, which is a silicon oxide film, is formed on the electrode substrate 42, an electrode 55 facing the vibration plate 50 is formed on the SOG film 64, and an SOG film 65 is formed on the SOG film 64 and the electrode 55. In addition, a recess 54 is formed in the SOG film 65 to form a gap 56 between the diaphragm 50 and the electrode 55. The bottom surface of the recess 54 is formed non-parallel to the diaphragm 50 in a cross-section in the diaphragm lateral direction, thereby making the gap 56 a non-parallel gap.
[0101]
Therefore, a manufacturing process of the ink jet head according to the seventh embodiment will be described. First, similarly to the manufacturing process of each of the above-described embodiments, a p-type single crystal silicon sold as a low-resistance product and having a (110) or (100) plane orientation is used. Then, the SOG film 64 is formed by a method such as spin coating. Thereafter, heat treatment was performed to obtain a stable oxide film.
[0102]
Subsequently, titanium nitride serving as an electrode material is deposited on the entire surface of the SOG film 64 by sputtering, and a silicon oxide film serving as a mask is deposited using a CVD method or the like, and the electrode is formed using a photoetching technique. The silicon oxide film is etched with hydrogen fluoride water using the photoresist film as a mask, followed by ammonia water + hydrogen peroxide water using the photoresist film and silicon oxide film as a mask. The titanium nitride is etched using a mixed solution of + pure water to obtain an electrode 55 having a desired shape.
[0103]
Next, the SOG film 65 is formed on the SOG film 64 and the electrode 55 by a method such as spin coating, and heat treatment is performed to stabilize the SOG film 65. Thereafter, a planarization process by the above-described CMP method or a planarization process to increase the reflow property by increasing the heat treatment temperature is performed to form the recess 54 for forming the gap in the SOG film 65, and then the flow path substrate 41, The nozzle plate 45 is joined to complete the ink jet head.
[0104]
Next, an inkjet head according to an eighth embodiment of the invention will be described with reference to FIGS. 30 is an explanatory sectional view of the head in the longitudinal direction of the diaphragm, and FIG. 31 is an explanatory sectional view of the head in the lateral direction of the diaphragm.
[0105]
Since this embodiment is different only in the configuration of the ink jet head of the second embodiment and the flow path substrate 41 side, this point will be described. A lid member 73 that is a fourth substrate is joined to the flow path substrate 71 to form a nozzle 74, a discharge chamber 76 that communicates with the nozzle 74 via a nozzle communication path 75, a fluid resistance portion 77, and a common liquid chamber 78. ing.
[0106]
And here, the groove | channel which forms the nozzle 74 and the nozzle communication path 75 in the flow-path board | substrate 71, the recessed part which forms the discharge chamber 76 and the diaphragm 80, the groove | channel which forms the fluid resistance part 77, and the common liquid chamber 78 are formed. The lid member 73 is a simple plate material. The lid member 73 and the flow path substrate 71 are bonded via the BPSG film 59 in the same manner as the nozzle plate 43 described above. An ink supply hole 79 is formed in the lid member 73.
[0107]
This ink jet head is of an edge shooter type, but it may have a structure in which a groove for forming the nozzle 74, the nozzle communication path 75 and a groove for forming the fluid resistance portion 77 are provided on the lid member 73 side. 73 is a nozzle plate.
[0108]
  Next, an ink jet head which is a droplet discharge head according to the present invention is mounted.As an image forming apparatus according to the present invention, including an apparatus for discharging droplets according to the present inventionAn outline of the mechanism of the ink jet recording apparatus will be briefly described with reference to FIGS. 32 and 33. FIG.
[0109]
In this recording apparatus, a main support guide rod 101 and a sub support guide rod 102 are horizontally mounted between side plates on both sides in a substantially horizontal positional relationship, and the carriage 103 is controlled by the main support guide rod 101 and the sub support guide rod 102. It is slidably supported in the scanning direction. On the lower surface side of the carriage 103, a head 104 composed of an inkjet head according to the present invention that discharges yellow (Y) ink, magenta (M) ink, cyan (C) ink, and black (Bk) ink, respectively, is discharged. A surface (nozzle surface) is mounted facing downward, and an ink cartridge 105 for each color for supplying ink of each color to the head 104 is mounted on the upper surface side of the carriage 103 in a replaceable manner.
[0110]
As the head 104, a plurality of heads that eject ink droplets of each color may be used, or a single head having a nozzle that ejects ink droplets of each color may be used.
[0111]
The carriage 103 is connected to a timing belt 110 that is stretched between a driving pulley (drive timing pulley) 108 and a driven pulley (idler pulley) 109 that are rotated by the main scanning motor 107 to drive the main scanning motor 107. By controlling, the carriage 103 is moved and scanned in the main scanning direction.
[0112]
As shown in FIG. 33, a conveyance roller 112 for feeding the paper 111 in a sub-scanning direction orthogonal to the main scanning direction is rotatably held between side plates (not shown). The conveyance roller 112 transmits the rotation of the sub-scanning motor 113 shown in FIG. 32 through a gear train (not shown). The transport roller 112 is set in the paper feed cassette 114 and transports the paper 111 fed by the paper feed roller 115 while being reversed.
[0113]
A pressure roller 116 for turning (reversing) the paper 111 along the surface of the transport roller 112 and a tip roller 117 as a pressing roller are rotatably disposed on the peripheral surface of the transport roller 112. Then, on the downstream side of the conveyance roller 112 in the sheet conveyance direction, the sheet 111 facing the head 104 and fed from the conveyance roller 112 corresponding to the movement range of the carriage 103 in the main scanning direction is guided below the head 104. A printing receiving member 118 is disposed.
[0114]
The printing receiving member 118 has a length corresponding to the moving range of the carriage 103 in the main scanning direction printing area, and a large number of ribs 119 and a plurality of ribs 120 are formed at a required interval in the main scanning direction. Yes. The sheet 111 is guided while being in contact with the uppermost surfaces of the ribs 119 and 120, whereby the distance between the head 104 and the surface of the sheet 111 (printing surface) is defined.
[0115]
Then, on the upstream side of the printing receiving member 118 in the paper conveyance direction, a paper pressing member 121 made of a torsion coil spring as an elastic member is attached to the rib 120 side at a position corresponding to the rib 120 of the printing receiving member 118. It is attached to the support shaft of the tip roller 117 which is a pressing roller so as to be rotatable.
[0116]
Further, on the downstream side of the printing receiving member 118 in the paper transport direction, a first paper discharge roller 125 that is rotationally driven to send the paper 111 in the paper discharge direction, a spur roller 126 that contacts the first paper discharge roller 125, and a transport path forming member 127. A second paper discharge roller 128 and a spur roller 129 in contact with the second paper discharge roller 128 are arranged, and a paper discharge tray 130 mounted in an inclined state for stocking the paper 111 to be discharged is provided.
[0117]
In this ink jet recording apparatus, the paper 111 is fed from the cassette 114 by the paper feed roller 115, thereby being reversed by the intermediate roller 116 along the peripheral surface of the transport roller 112 and being pressed by the leading roller 117. The paper 111 is guided by the printing receiving member 118, and the paper 111 is conveyed with a predetermined distance from the head 104. Therefore, ink droplets are ejected from the head 104, and an image is printed on the paper 111 by, for example, an interlaced printing method and discharged onto the paper discharge tray 130.
[0118]
  In the above embodiment, the present invention is mainly applied to a side shooter type inkjet head in which the vibration plate displacement direction and the ink droplet ejection direction are the same. However, as described above, the vibration plate displacement direction and the ink droplet ejection direction are the same. The present invention can be similarly applied to an orthogonal edge shooter type inkjet head. Furthermore, the present invention can be applied not only to an ink jet head but also to a droplet discharge head that discharges a liquid resist or the like. Further, although the diaphragm and the liquid chamber substrate are formed from the same substrate, the diaphragm and the liquid chamber substrate can be joined separately.Further, as described above, the liquid droplet ejection head according to the present invention can be mounted on an image forming apparatus such as a printer, a facsimile machine, or a plotter, and an apparatus for ejecting liquid droplets.
[0119]
【The invention's effect】
  As described above, according to the droplet discharge head according to the present invention, the first substrate provided with the diaphragm and the second substrate provided with the electrode.A first substrate provided with a vibration plate, a third substrate formed with a nozzle, a first substrate provided with a vibration plate, and a fourth substrate serving as a lid member,On at least one of the joint surfaces, Having a three-layer structure of a silicon oxide film not containing phosphorus and boron, a silicon oxide film containing phosphorus and boron, and a silicon oxide film not containing phosphorus and containing boron, and the bonding surface side does not contain phosphorus, It is a silicon oxide film containing boronSince the silicon oxide film layer is stacked and bonded directly via the silicon oxide film layerIn addition, it is possible to reduce the change in electrical characteristics when boron is used as the dopant of the substrate on which the diaphragm is provided, and to improve the gap accuracy.
[0120]
  According to the droplet discharge head according to the present invention, the first substrate provided with the vibration plate, andA second substrate provided with an electrode, a first substrate provided with a diaphragm, a third substrate formed with a nozzle, a first substrate provided with a diaphragm, and a fourth substrate serving as a lid member,On at least one of the joint surfaces, Having a three-layer structure of a silicon oxide film that does not contain phosphorus and boron, a silicon oxide film that contains phosphorus and boron, and a silicon oxide film that does not contain boron and contains phosphorus, the bonding surface side does not contain boron, A silicon oxide film layer which is a silicon oxide film containing phosphorusBecause they are stacked and bonded directly via a silicon oxide film layerIn addition, it is possible to reduce the change in electrical characteristics when phosphorus is used as the dopant of the substrate on which the diaphragm is provided, and to improve the electrode protection characteristics.
[0126]
  According to the ink jet recording apparatus according to the present invention, since the ink jet head is the droplet discharge head according to the present invention, a recording apparatus with low cost and high reliability can be obtained.According to the image forming apparatus and the apparatus for ejecting liquid droplets according to the present invention, since the liquid droplet ejection head according to the present invention is provided, a low-cost and highly reliable apparatus can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of an ink jet head which is a liquid droplet ejection head according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional explanatory view of the head in the longitudinal direction of the diaphragm.
3 is an enlarged explanatory view of the main part of FIG.
FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the main part of the head in the short direction of the diaphragm.
FIG. 5 is a cross-sectional explanatory view in the longitudinal direction of a diaphragm of an ink jet head which is a liquid droplet ejection head according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional explanatory view of the head in the lateral direction of the diaphragm.
FIG. 7 is an explanatory plan view of the head.
FIG. 8 is an explanatory diagram of the diaphragm in the lateral direction explaining the manufacturing process of the head
FIG. 9 is an explanatory view of the diaphragm in the lateral direction explaining the manufacturing process of the head
FIG. 10 is an explanatory diagram of the diaphragm short side direction explaining the manufacturing process of the head
FIG. 11 is an explanatory view in the longitudinal direction of the diaphragm for explaining the manufacturing process of the head
FIG. 12 is an explanatory view in the longitudinal direction of the diaphragm for explaining the manufacturing process of the head
FIG. 13 is an explanatory view in the longitudinal direction of the diaphragm for explaining the manufacturing process of the head
FIG. 14 is a cross-sectional explanatory view in the longitudinal direction of a diaphragm of an ink jet head which is a liquid droplet ejection head according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a cross-sectional explanatory view of the head in the lateral direction of the diaphragm.
FIG. 16 is a cross-sectional explanatory view in the longitudinal direction of a diaphragm of an ink jet head which is a liquid droplet ejection head according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a cross-sectional explanatory diagram of the head in the lateral direction of the diaphragm.
FIG. 18 is an explanatory diagram of the diaphragm in the lateral direction explaining the manufacturing process of the head
FIG. 19 is an explanatory diagram of the diaphragm short direction explaining the manufacturing process of the head
FIG. 20 is an explanatory diagram in the longitudinal direction of the diaphragm for explaining the manufacturing process of the head
FIG. 21 is an explanatory view in the longitudinal direction of the diaphragm for explaining the manufacturing process of the head
FIG. 22 is a cross-sectional explanatory view in the longitudinal direction of a diaphragm of an ink jet head which is a droplet discharge head according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 23 is a cross-sectional explanatory view of the head in the short direction of the diaphragm.
FIG. 24 is a cross-sectional explanatory view in the longitudinal direction of a diaphragm of an ink jet head which is a liquid droplet ejection head according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 25 is a cross-sectional explanatory diagram of the head in the lateral direction of the diaphragm.
FIG. 26 is an explanatory diagram of the diaphragm short side direction explaining the manufacturing process of the head
FIG. 27 is an explanatory view in the longitudinal direction of the diaphragm for explaining the manufacturing process of the head
FIG. 28 is a cross-sectional explanatory view in the longitudinal direction of a diaphragm of an ink jet head which is a droplet discharge head according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 29 is a cross-sectional explanatory view of the head in the lateral direction of the diaphragm.
FIG. 30 is a cross-sectional explanatory view in the longitudinal direction of a diaphragm of an ink jet head which is a liquid droplet ejection head according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 31 is a cross sectional explanatory view of the head in the short direction of the diaphragm.
FIG. 32 is an explanatory perspective view illustrating an example of an ink jet recording apparatus according to the present invention.
FIG. 33 is an explanatory diagram of a mechanism unit of the recording apparatus.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 41 ... Flow path substrate, 2, 42 ... Electrode substrate, 3, 43 ... Nozzle plate, 4, 44 ... Nozzle, 6, 46 ... Discharge chamber, 7, 47 ... Fluid resistance part, 8, 48 ... Common liquid chamber DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 50 ... Diaphragm, 14, 54 ... Recess, 15, 55 ... Electrode, 16, 56 ... Gap, 18 ... Silicon oxide film containing phosphorus and / or boron, 58 ... BSPG film.

Claims (9)

液滴を吐出するノズルと、ノズルが連通する吐出室と、吐出室の壁面を形成する振動板と、この振動板に対向する電極とを有し、前記振動板を静電力で変形させて液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、
前記振動板を設けた第1基板及び前記電極を設けた第2基板の各接合面の少なくとも一方に、燐及びホウ素を含まないシリコン酸化膜と、燐及びホウ素を含むシリコン酸化膜と、燐を含まず、ホウ素を含むシリコン酸化膜との3層構造を有し、接合面側が燐を含まず、ホウ素を含むシリコン酸化膜であるシリコン酸化膜層を積層し、
前記シリコン酸化膜層を介して前記第1、第2基板が直接接合されている
ことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
A nozzle for discharging droplets; a discharge chamber in communication with the nozzle; a diaphragm that forms a wall surface of the discharge chamber; and an electrode that faces the diaphragm; In a droplet discharge head for discharging droplets,
At least one of the bonding surfaces of the first substrate provided with the diaphragm and the second substrate provided with the electrode is provided with a silicon oxide film not containing phosphorus and boron, a silicon oxide film containing phosphorus and boron, and phosphorus. It does not contain, it has a three-layer structure with a silicon oxide film containing boron, the silicon oxide film layer which is a silicon oxide film containing boron and does not contain phosphorus on the bonding surface side is laminated,
A liquid droplet ejection head, wherein the first and second substrates are directly bonded via the silicon oxide film layer.
液滴を吐出するノズルと、ノズルが連通する吐出室と、吐出室の壁面を形成する振動板と、この振動板に対向する電極とを有し、前記振動板を静電力で変形させて液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、
前記振動板を設けた第1基板及び前記ノズルを形成した第3基板の各接合面の少なくとも一方に、燐及びホウ素を含まないシリコン酸化膜と、燐及びホウ素を含むシリコン酸化膜と、燐を含まず、ホウ素を含むシリコン酸化膜との3層構造を有し、接合面側が燐を含まず、ホウ素を含むシリコン酸化膜であるシリコン酸化膜層を積層し、
前記シリコン酸化膜層を介して前記第1、第3基板が直接接合されている
ことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
A nozzle for discharging droplets; a discharge chamber in communication with the nozzle; a diaphragm that forms a wall surface of the discharge chamber; and an electrode that faces the diaphragm; In a droplet discharge head for discharging droplets,
A silicon oxide film not containing phosphorus and boron, a silicon oxide film containing phosphorus and boron, and a phosphorus oxide on at least one of the bonding surfaces of the first substrate provided with the vibration plate and the third substrate formed with the nozzle It does not contain, it has a three-layer structure with a silicon oxide film containing boron, the silicon oxide film layer which is a silicon oxide film containing boron and does not contain phosphorus on the bonding surface side is laminated,
A droplet discharge head, wherein the first and third substrates are directly bonded via the silicon oxide film layer.
液滴を吐出するノズルと、ノズルが連通する吐出室と、吐出室の壁面を形成する振動板と、この振動板に対向する電極とを有し、前記振動板を静電力で変形させて液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、
前記振動板を設けた第1基板及び蓋部材となる第4基板の各接合面の少なくとも一方に、燐及びホウ素を含まないシリコン酸化膜と、燐及びホウ素を含むシリコン酸化膜と、燐を含まず、ホウ素を含むシリコン酸化膜との3層構造を有し、接合面側が燐を含まず、ホウ素を含むシリコン酸化膜であるシリコン酸化膜層を積層し、
前記シリコン酸化膜層を介して前記第1、第4基板が直接接合されている
ことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
A nozzle for discharging droplets; a discharge chamber in communication with the nozzle; a diaphragm that forms a wall surface of the discharge chamber; and an electrode that faces the diaphragm; In a droplet discharge head for discharging droplets,
At least one of the bonding surfaces of the first substrate provided with the diaphragm and the fourth substrate serving as a lid member includes a silicon oxide film that does not contain phosphorus and boron, a silicon oxide film that contains phosphorus and boron, and phosphorus. First, a silicon oxide film having a three-layer structure with a silicon oxide film containing boron, a silicon oxide film layer that is a silicon oxide film containing boron and does not contain phosphorus on the bonding surface side, is laminated,
A liquid droplet ejection head, wherein the first and fourth substrates are directly bonded via the silicon oxide film layer.
液滴を吐出するノズルと、ノズルが連通する吐出室と、吐出室の壁面を形成する振動板と、この振動板に対向する電極とを有し、前記振動板を静電力で変形させて液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、
前記振動板を設けた第1基板及び前記電極を設けた第2基板の各接合面の少なくとも一方に、燐及びホウ素を含まないシリコン酸化膜と、燐及びホウ素を含むシリコン酸化膜と、ホウ素を含まず、燐を含むシリコン酸化膜との3層構造を有し、接合面側がホウ素を含まず、燐を含むシリコン酸化膜であるシリコン酸化膜層を積層し、
前記シリコン酸化膜層を介して前記第1、第2基板が直接接合されている
ことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
A nozzle for discharging droplets; a discharge chamber in communication with the nozzle; a diaphragm that forms a wall surface of the discharge chamber; and an electrode that faces the diaphragm; In a droplet discharge head for discharging droplets,
A silicon oxide film containing no phosphorus and boron, a silicon oxide film containing phosphorus and boron, and boron on at least one of the bonding surfaces of the first substrate provided with the diaphragm and the second substrate provided with the electrode It does not contain, has a three-layer structure with a silicon oxide film containing phosphorus, the silicon oxide film layer which is a silicon oxide film containing phosphorus and does not contain boron on the bonding surface side is laminated,
The first and second substrates are directly bonded via the silicon oxide film layer.
A droplet discharge head characterized by that.
液滴を吐出するノズルと、ノズルが連通する吐出室と、吐出室の壁面を形成する振動板と、この振動板に対向する電極とを有し、前記振動板を静電力で変形させて液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、A nozzle for discharging droplets; a discharge chamber in communication with the nozzle; a diaphragm that forms a wall surface of the discharge chamber; and an electrode that faces the diaphragm; In a droplet discharge head for discharging droplets,
前記振動板を設けた第1基板及び前記ノズルを形成した第3基板の各接合面の少なくとも一方に、燐及びホウ素を含まないシリコン酸化膜と、燐及びホウ素を含むシリコン酸化膜と、ホウ素を含まず、燐を含むシリコン酸化膜との3層構造を有し、接合面側がホウ素を含まず、燐を含むシリコン酸化膜であるシリコン酸化膜層を積層し、A silicon oxide film not containing phosphorus and boron, a silicon oxide film containing phosphorus and boron, It does not contain, has a three-layer structure with a silicon oxide film containing phosphorus, the silicon oxide film layer which is a silicon oxide film containing phosphorus and does not contain boron on the bonding side,
前記シリコン酸化膜層を介して前記第1、第3基板が直接接合されているThe first and third substrates are directly bonded via the silicon oxide film layer.
ことを特徴とする液滴吐出ヘッド。A droplet discharge head characterized by that.
液滴を吐出するノズルと、ノズルが連通する吐出室と、吐出室の壁面を形成する振動板と、この振動板に対向する電極とを有し、前記振動板を静電力で変形させて液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、
前記振動板を設けた第1基板及び蓋部材となる第4基板の各接合面の少なくとも一方に、燐及びホウ素を含まないシリコン酸化膜と、燐及びホウ素を含むシリコン酸化膜と、ホウ素を含まず、燐を含むシリコン酸化膜との3層構造を有し、接合面側がホウ素を含まず、燐を含むシリコン酸化膜であるシリコン酸化膜層を積層し、
前記シリコン酸化膜層を介して前記第1、第4基板が直接接合されている
ことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
A nozzle for discharging droplets; a discharge chamber in communication with the nozzle; a diaphragm that forms a wall surface of the discharge chamber; and an electrode that faces the diaphragm; In a droplet discharge head for discharging droplets,
A silicon oxide film not containing phosphorus and boron, a silicon oxide film containing phosphorus and boron, and boron are included in at least one of the bonding surfaces of the first substrate provided with the diaphragm and the fourth substrate serving as a lid member A silicon oxide film layer having a three-layer structure with a silicon oxide film containing phosphorus, a bonding surface side not containing boron, and a silicon oxide film that is a silicon oxide film containing phosphorus ;
The first and fourth substrates are directly bonded via the silicon oxide film layer.
A droplet discharge head characterized by that.
インクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装置において、前記インクジェットヘッドが前記請求項1乃至のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドであることを特徴とするインクジェット記録装置。7. An ink jet recording apparatus equipped with an ink jet head, wherein the ink jet head is the droplet discharge head according to any one of claims 1 to 6 . 液滴吐出ヘッドを搭載した画像形成装置において、前記液滴吐出ヘッドが前記請求項1乃至のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドであることを特徴とする画像形成装置。7. An image forming apparatus equipped with a droplet discharge head, wherein the droplet discharge head is the droplet discharge head according to any one of claims 1 to 6 . 液滴吐出ヘッドによって液滴を吐出する装置において、前記液滴吐出ヘッドが前記請求項1乃至のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドであることを特徴とする液滴を吐出する装置。An apparatus for ejecting droplets by a droplet ejection head, wherein the droplet ejection head is the droplet ejection head according to any one of claims 1 to 6 .
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