JP4697159B2 - Electrostatic actuator, droplet discharge head and method for manufacturing the same, droplet discharge apparatus and device - Google Patents
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Description
本発明は静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド及びその製造方法、液滴吐出装置並びにデバイスに関し、特に発生圧力及び絶縁信頼性の高い静電アクチュエータ、この静電アクチュエータを適用した液滴吐出ヘッド及びその製造方法、この液滴吐出ヘッドを適用した液滴吐出装置、上記の静電アクチュエータを適用したデバイスに関する。 The present invention relates to an electrostatic actuator, a droplet discharge head, a manufacturing method thereof, a droplet discharge apparatus, and a device, and more particularly, an electrostatic actuator having high generation pressure and insulation reliability, a droplet discharge head to which the electrostatic actuator is applied, and the device The present invention relates to a manufacturing method, a droplet discharge apparatus to which the droplet discharge head is applied, and a device to which the electrostatic actuator is applied.
インクジェット記録装置は、高速印字が可能、記録時の騒音が極めて小さい、インクの自由度が高い、安価な普通紙を使用できる等の多くの利点を有する。近年、インクジェット記録装置の中でも、記録が必要なときにのみインク液滴を吐出する、いわゆるインク・オン・デマンド方式のインクジェット記録装置が主流となっている。このインク・オン・デマンド方式のインクジェット記録装置は、記録に不要なインク液滴の回収を必要としない等の利点がある。 The ink jet recording apparatus has many advantages such as high-speed printing, extremely low noise during recording, high degree of freedom of ink, and use of inexpensive plain paper. In recent years, so-called ink-on-demand ink jet recording apparatuses, which eject ink droplets only when recording is necessary, have become mainstream among ink jet recording apparatuses. This ink-on-demand ink jet recording apparatus has an advantage that it does not require collection of ink droplets unnecessary for recording.
このインク・オン・デマンド方式のインクジェット記録装置には、インク液滴を吐出させる方法として、駆動手段に静電気力を利用した、いわゆる静電駆動方式のインクジェット記録装置がある。また、駆動手段に圧電素子(ピエゾ素子)を利用した、いわゆる圧電駆動方式のインクジェット記録装置や、発熱素子等を利用した、いわゆるバブルジェット(登録商標)方式のインクジェット記録装置等がある。 As an ink-on-demand type ink jet recording apparatus, there is a so-called electrostatic driving type ink jet recording apparatus using electrostatic force as a driving means as a method of ejecting ink droplets. In addition, there are so-called piezoelectric drive type ink jet recording apparatuses that use piezoelectric elements (piezo elements) as driving means, and so-called bubble jet (registered trademark) type ink jet recording apparatuses that use heating elements and the like.
上記の静電駆動方式のインクジェット記録装置では、振動板とそれに対向する個別電極を帯電させることにより振動板を個別電極側に吸引して撓ませる。このように小型の装置において2つの物を帯電させることにより、駆動を行う機構を一般的に静電アクチュエータと呼んでいる。インクジェット記録装置等の静電アクチュエータを適用した装置では、一般的に帯電した2つの物(振動板と個別電極)の間に、絶縁破壊やショートを防止するための絶縁膜が形成されている。 In the electrostatic drive type ink jet recording apparatus, the diaphragm and the individual electrode facing the diaphragm are charged to attract and bend the diaphragm toward the individual electrode. A mechanism that drives two objects by charging two objects in such a small device is generally called an electrostatic actuator. In an apparatus using an electrostatic actuator such as an ink jet recording apparatus, an insulating film for preventing dielectric breakdown or short-circuiting is generally formed between two charged objects (a diaphragm and individual electrodes).
従来の静電アクチュエータ及びその製造方法では、振動板を駆動するための個別電極を階段状に形成し、絶縁破壊やショートを防止するための絶縁膜を個別電極上に形成していた。また絶縁膜の材料として、酸化シリコンや窒化シリコンを用いていた(例えば、特許文献1参照)。 In the conventional electrostatic actuator and the manufacturing method thereof, the individual electrodes for driving the diaphragm are formed in a step shape, and the insulating film for preventing dielectric breakdown and short-circuiting is formed on the individual electrodes. Further, silicon oxide or silicon nitride is used as the material of the insulating film (see, for example, Patent Document 1).
また従来の半導体装置の製造方法では、電界効果型トランジスタのゲート絶縁膜の材料として、酸化シリコンや窒化シリコンの他に酸窒化シリコンを用い、これをプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)で形成するようにしていた(例えば、特許文献2、特許文献3参照)。
従来の静電アクチュエータ及びその製造方法では(例えば、特許文献1参照)、絶縁膜の材料として酸化シリコンや窒化シリコンを用いているが、例えば絶縁膜の材料として酸化シリコンを用いた場合、同じ電圧をかけたときの発生圧力や絶縁耐性の値は製造方法によってバラツキはあるもののほぼ一定となり、これ以上の発生圧力の向上及び絶縁耐性の向上は望めなかった。 In the conventional electrostatic actuator and the manufacturing method thereof (see, for example, Patent Document 1), silicon oxide or silicon nitride is used as the material of the insulating film. For example, when silicon oxide is used as the material of the insulating film, the same voltage is used. The value of the generated pressure and the insulation resistance when applied is approximately constant, although there are variations depending on the manufacturing method, and no further improvement in the generated pressure and insulation resistance can be expected.
また、従来の半導体装置の製造方法では(例えば、特許文献2、特許文献3参照)、ゲート酸化膜の材料として酸窒化シリコンを用いているが、これをそのまま静電アクチュエータの絶縁膜に適用すると、発生圧力を上げることと、絶縁耐性を上げることを両立させるのが困難であるという問題点があった。
In addition, in a conventional method for manufacturing a semiconductor device (see, for example,
従って本発明は、同じ電圧をかけたときの発生圧力が高く、絶縁耐性にも優れた絶縁膜を備えた静電アクチュエータ、この静電アクチュエータを適用した液滴吐出ヘッド及びその製造方法、この液滴吐出ヘッドを適用した印字性能等の高い液滴吐出装置並びに上記の静電アクチュエータを適用した駆動性能の高いデバイスを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention relates to an electrostatic actuator having an insulating film that has a high generated pressure when the same voltage is applied and has excellent insulation resistance, a droplet discharge head to which the electrostatic actuator is applied, a manufacturing method thereof, It is an object of the present invention to provide a droplet ejection apparatus having a high printing performance or the like to which a droplet ejection head is applied and a device having a high driving performance to which the electrostatic actuator is applied.
さらに、振動板形成時にその厚み精度確保を目的として振動板にボロン等の不純物をドープした場合、絶縁膜中へのボロン等の不純物の拡散により、絶縁膜の耐圧が低下し絶縁膜が破壊して駆動耐久性が失われるというおそれがあった。また、絶縁膜表面での残留電荷影響により静電吸引圧力が安定せず、アクチュエータの安定駆動が確保できないというおそれがあった。加えて、絶縁膜を単純に厚くすると、静電吸引力が低下するのでアクチュエータが大型化し易いという課題や、振動板が形成された基板を対向電極が形成された基板に陽極接合する際に、接合強度の低下や接合不良が起こるという課題もあった。
本発明は上記課題にも対応するものであり、振動板と対向電極との間で長期的に絶縁耐圧を確保し、かつアクチュエータ駆動電圧の低電圧化を実現して、小型でしかも駆動耐久性に優れた静電アクチュエータを提案するものである。また、振動板と対向電極との間の残留電化影響の低減を実現して、安定した駆動が可能な静電アクチュエータを提案するものである。本発明はさらに、その静電アクチュエータを備えた液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、静電アクチュエータ適用デバイス、並びに液滴吐出ヘッドの製造方法を提案するものである。
In addition, when the diaphragm is doped with impurities such as boron for the purpose of ensuring the thickness accuracy when the diaphragm is formed, the breakdown voltage of the insulating film decreases and the insulating film is destroyed due to diffusion of impurities such as boron into the insulating film. Drive durability may be lost. Further, the electrostatic attraction pressure is not stable due to the influence of the residual charge on the surface of the insulating film, and there is a fear that stable driving of the actuator cannot be ensured. In addition, when the insulating film is simply thickened, the electrostatic attraction force decreases, so that the actuator is likely to be large, and when the substrate on which the diaphragm is formed is anodic bonded to the substrate on which the counter electrode is formed, There was also a problem that joint strength was reduced and joint failure occurred.
The present invention responds to the above-described problems, and ensures a long-term dielectric strength between the diaphragm and the counter electrode and realizes a low actuator driving voltage to achieve a small size and driving durability. We propose an excellent electrostatic actuator. In addition, the present invention proposes an electrostatic actuator capable of reducing the influence of residual electrification between the diaphragm and the counter electrode and capable of stable driving. The present invention further proposes a droplet discharge head including the electrostatic actuator, a droplet discharge apparatus, a device to which the electrostatic actuator is applied, and a method for manufacturing the droplet discharge head.
本発明に係る静電アクチュエータは、振動板と、該振動板にギャップを隔てて対向する対向電極と、前記振動板の対向電極側の表面に形成された前記振動板の発生圧力を高めるための絶縁膜とを備えた静電アクチュエータであって、前記絶縁膜は、前記振動板に含まれる不純物の該絶縁膜への拡散を抑制するキャップ層と、少なくとも酸化シリコンよりも比誘電率が高い強誘電材料からなる強誘電体膜と、前記絶縁膜の表面電荷密度を抑制する表面層とを積層したものである。
振動板の発生圧力を高めるための絶縁膜として、酸化シリコンよりも比誘電率が高い強誘電材料からなる強誘電体膜と、酸化シリコン膜とを積層した構成とすることにより、必要な絶縁耐圧を確保しつつ、酸化シリコンのみの絶縁膜に比べて同じ電圧をかけたときの発生圧力を高くすることが可能となる。また、強誘電体膜の自発分極により、電圧印加時に、大きな撓みを発生させ、より振動板を対向電極側に静電吸引し易くなり、より低電圧で大きな振動板の変位を得ることが可能となる。更に、自発分極により、逆電圧を印加した場合、振動板を静電吸引する方向とは逆方向に撓ませ、インク圧力室内のインクを加圧することにより、振動板の振幅の増大や、制振による振動板の制御がより容易に可能となる。また、酸化シリコン膜と、その上に強誘電体膜を積層した絶縁膜の構成とした場合は、酸化シリコン膜がパッシベーション層(化学的不活性層)や応力緩和層として機能し、強誘電体膜として広範囲の材料の使用が可能となる。
An electrostatic actuator according to the present invention is for increasing a generated pressure of a diaphragm , a counter electrode facing the diaphragm with a gap therebetween, and the diaphragm formed on the counter electrode side surface of the diaphragm. An electrostatic actuator comprising an insulating film, wherein the insulating film includes a cap layer that suppresses diffusion of impurities contained in the diaphragm into the insulating film, and a strong relative dielectric constant that is at least higher than that of silicon oxide. A ferroelectric film made of a dielectric material and a surface layer for suppressing the surface charge density of the insulating film are laminated.
As the insulation film for increasing the pressure generated by the diaphragm, the required dielectric strength is achieved by stacking a ferroelectric film made of a ferroelectric material having a relative dielectric constant higher than that of silicon oxide and a silicon oxide film. It is possible to increase the generated pressure when the same voltage is applied as compared with the insulating film made of only silicon oxide. In addition, due to the spontaneous polarization of the ferroelectric film, a large deflection is generated when a voltage is applied, making it easier to electrostatically attract the diaphragm toward the counter electrode, and a large displacement of the diaphragm can be obtained at a lower voltage. It becomes. Furthermore, when a reverse voltage is applied due to spontaneous polarization, the vibration plate is deflected in a direction opposite to the electrostatic suction direction, and the ink in the ink pressure chamber is pressurized to increase the amplitude of the vibration plate or to suppress vibration. The diaphragm can be controlled more easily. In addition, when a silicon oxide film and an insulating film having a ferroelectric film laminated thereon are used, the silicon oxide film functions as a passivation layer (chemically inactive layer) or a stress relaxation layer, and the ferroelectric material A wide range of materials can be used as the membrane.
また本発明に係る静電アクチュエータは、上記の強誘電体膜が、PZT、PZTN、PLZT、PLT、PTN、SBT、SBTN、BTOのいずれかからなるものである。
比誘電率が高い強誘電材料としては上に示したものが適切であり、いわゆるHigh−k材と呼ばれる高誘電率材料よりも比誘電率が高い。
In the electrostatic actuator according to the present invention, the ferroelectric film is made of any one of PZT, PZTN, PLZT, PLT, PTN, SBT, SBTN, and BTO.
As the ferroelectric material having a high relative dielectric constant, those shown above are suitable, and the relative dielectric constant is higher than that of a high dielectric constant material called a so-called High-k material.
また本発明に係る静電アクチュエータは、上記の酸化シリコン膜が、強誘電体膜よりも対向電極側に形成されているものである。
例えば強誘電体膜の上に酸化シリコン膜をCVD等によって形成することにより、2層構造の絶縁膜を容易に形成することができる。
In the electrostatic actuator according to the present invention, the silicon oxide film is formed on the counter electrode side with respect to the ferroelectric film.
For example, a two-layer insulating film can be easily formed by forming a silicon oxide film on the ferroelectric film by CVD or the like.
また本発明に係る静電アクチュエータは、上記の強誘電体膜が、酸化シリコン膜よりも対向電極側に形成されているものである。
強誘電体膜が、酸化シリコン膜よりも対向電極側に形成されているため、酸化シリコン膜がパッシベーション層(化学的不活性層)や応力緩和層として機能し、強誘電体膜として広範囲の材料が使用可能となる。
In the electrostatic actuator according to the present invention, the ferroelectric film is formed closer to the counter electrode than the silicon oxide film.
Since the ferroelectric film is formed closer to the counter electrode than the silicon oxide film, the silicon oxide film functions as a passivation layer (chemically inactive layer) and a stress relaxation layer, and a wide range of materials as a ferroelectric film Can be used.
また本発明に係る静電アクチュエータは、振動板が形成されるキャビティ基板と接合され、対向電極が形成される電極基板を備え、キャビティ基板と電極基板が接合される部分には、酸化シリコン膜のみが形成されているものである。
キャビティ基板と電極基板が接合される部分に酸化シリコン膜のみが形成されているため、例えばキャビティ基板がシリコンで電極基板がホウ珪酸ガラスからなる場合には、陽極接合が可能となり、十分な接合強度が得られる。またキャビティ基板と電極基板の接合部分から電流がリークするのを防止することもできる。
The electrostatic actuator according to the present invention includes an electrode substrate that is bonded to a cavity substrate on which a vibration plate is formed and a counter electrode is formed, and only a silicon oxide film is provided at a portion where the cavity substrate and the electrode substrate are bonded. Is formed.
Since only the silicon oxide film is formed at the part where the cavity substrate and electrode substrate are bonded, for example, when the cavity substrate is silicon and the electrode substrate is made of borosilicate glass, anodic bonding is possible and sufficient bonding strength is achieved. Is obtained. It is also possible to prevent current from leaking from the joint portion between the cavity substrate and the electrode substrate.
また本発明に係る静電アクチュエータは、上記の振動板が、シリコン又は不純物がドープされたシリコンからなるものである。
例えば、振動板が形成される基板(上記のキャビティ基板)をシリコンから形成し、振動板をボロンがドープされたシリコンから形成するようにすれば、エッチングによる加工が容易となる。
In the electrostatic actuator according to the present invention, the diaphragm is made of silicon or silicon doped with impurities.
For example, if the substrate on which the diaphragm is formed (the cavity substrate described above) is formed from silicon and the diaphragm is formed from silicon doped with boron, processing by etching becomes easy.
本発明の静電アクチュエータは、振動板と、該振動板にギャップを隔てて対向し該振動板との間で電圧が印加される対向電極と、前記振動板の前記対向電極との対向面に形成された絶縁膜とを備え、該絶縁膜は、前記振動板に含まれる不純物の該絶縁膜への拡散を抑制するキャップ層と、酸化シリコンよりも比誘電率が高い強誘電材料からなる強誘電体膜とが積層されてなるものである。
これによれば、キャップ層により絶縁膜中へのボロン等の不純物の拡散が防止又は低減されて絶縁膜の絶縁耐圧が長期的に確保される。また、強誘電体膜が絶縁膜全体の酸化膜換算厚みを薄くして絶縁耐圧を確保すると共に静電圧力を高める。従って、振動板と対向電極との間に適正な絶縁耐圧が確保され、かつアクチュエータ駆動電圧の低電圧化が実現されて、小型でしかも駆動耐久性に優れた静電アクチュエータが得られる。
前記絶縁膜は、前記絶縁膜の表面電荷密度を抑制する表面層をさらに積層してなる。
これによれば、振動板の表面を構成している絶縁膜表面での残留電化影響の低減が図られ、静電アクチュエータの安定駆動が可能となる。
前記キャップ層は、酸化シリコン又は窒化シリコンから構成するのが好ましい。振動板が形成される基板は通常シリコン基板であり、酸化シリコンは容易に形成できる。また、窒化シリコンはボロンに対するバリア性に優れている。
また、前記表面層は、酸化シリコン膜又は窒化シリコンを成膜しても良く、あるいはシラン系又はフッ素系のコーティング剤をコーティングして形成しても良い。
An electrostatic actuator according to the present invention is provided on a facing surface of a diaphragm, a counter electrode facing the diaphragm with a gap applied thereto, and a voltage applied between the diaphragm and the counter electrode of the diaphragm. An insulating film formed, the insulating film including a cap layer that suppresses diffusion of impurities contained in the diaphragm into the insulating film, and a ferroelectric material having a relative dielectric constant higher than that of silicon oxide. A dielectric film is laminated.
According to this, diffusion of impurities such as boron into the insulating film is prevented or reduced by the cap layer, and the withstand voltage of the insulating film is ensured for a long time. In addition, the ferroelectric film reduces the equivalent oxide thickness of the entire insulating film to ensure a withstand voltage and increase the electrostatic pressure. Accordingly, an appropriate withstand voltage is ensured between the diaphragm and the counter electrode, and the actuator drive voltage is reduced, so that an electrostatic actuator having a small size and excellent driving durability can be obtained.
The insulating film is formed by further laminating a surface layer for suppressing the surface charge density of the insulating film.
According to this, the effect of residual electrification on the surface of the insulating film constituting the surface of the diaphragm can be reduced, and the electrostatic actuator can be driven stably.
The cap layer is preferably made of silicon oxide or silicon nitride. The substrate on which the diaphragm is formed is usually a silicon substrate, and silicon oxide can be easily formed. Further, silicon nitride has an excellent barrier property against boron.
The surface layer may be formed by forming a silicon oxide film or silicon nitride, or may be formed by coating a silane-based or fluorine-based coating agent.
また本発明に係る静電アクチュエータは、前記対向電極の表面上に酸化シリコン等の絶縁膜を形成したものである。
対向電極上にも更に酸化シリコン等の絶縁膜を形成することにより、絶縁耐圧をより向上させることができる。
In the electrostatic actuator according to the present invention, an insulating film such as silicon oxide is formed on the surface of the counter electrode.
By further forming an insulating film such as silicon oxide on the counter electrode, the withstand voltage can be further improved.
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、上記いずれかに記載の静電アクチュエータを備え、前記振動板が形成されたキャビティ基板と、前記対向電極が形成された電極基板とが接合され、前記振動板が吐出液滴を貯える液滴吐出室の底面を構成しているものである。これにより、低電圧で高い液滴吐出圧力を有した液滴吐出ヘッドを得ることができる。 A liquid droplet ejection head according to the present invention includes the electrostatic actuator according to any one of the above, wherein a cavity substrate on which the vibration plate is formed and an electrode substrate on which the counter electrode is formed are joined, and the vibration plate Constitutes the bottom surface of a droplet discharge chamber for storing discharged droplets. Thereby, a droplet discharge head having a high droplet discharge pressure at a low voltage can be obtained.
本発明に係る液滴吐出装置は、上記の液滴吐出ヘッドが適用されているものである。これにより、駆動性能が高い液滴吐出装置を得ることができる。 A droplet discharge apparatus according to the present invention is one to which the above-described droplet discharge head is applied. Thereby, a droplet discharge device with high driving performance can be obtained.
本発明に係るデバイスは、上記いずれかの静電アクチュエータが適用されているものである。これにより、駆動性能が高いデバイスを得ることができる。 A device according to the present invention is one to which any of the electrostatic actuators described above is applied. Thereby, a device with high driving performance can be obtained.
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、振動板と、該振動板にギャップを隔てて対向する対向電極と、前記振動板の対向電極側の表面に形成された前記振動板の発生圧力を高めるための絶縁膜とを備えた静電アクチュエータの製造方法であって、前記振動板が形成される基板の表面に前記振動板に含まれる不純物の前記絶縁膜への拡散を抑制するキャップ層を形成する工程と、前記キャップ層の表面に酸化シリコンよりも比誘電率が高い強誘電材料からなる絶縁膜を形成する工程と、前記強誘電材料からなる絶縁膜をエッチングすることにより区画形成して、前記振動板上に強誘電体膜を形成する工程と、前記強誘電体膜の表面に前記絶縁膜の表面電荷密度を抑制する表面層を形成する工程と、を有するものである。
振動板が形成される基板の表面にキャップ層と強誘電体膜を形成し、その上に絶縁膜の表面電荷密度を抑制する表面層を形成するため、同じ電圧をかけたときに振動板に発生する圧力が高く、且つ絶縁耐性の高い液滴吐出ヘッドを得ることができる。
The method for manufacturing a droplet discharge head according to the present invention includes a diaphragm, a counter electrode facing the diaphragm with a gap, and a generated pressure of the diaphragm formed on the counter electrode side surface of the diaphragm. And a cap layer that suppresses diffusion of impurities contained in the diaphragm into the insulating film on a surface of the substrate on which the diaphragm is formed. forming and forming an insulation Enmaku ing of a ferroelectric material is higher relative dielectric constant than silicon oxide on the surface of the cap layer, defined by etching the insulating film made of the ferroelectric material Forming a ferroelectric film on the diaphragm, and forming a surface layer for suppressing a surface charge density of the insulating film on the surface of the ferroelectric film. .
A cap layer and a ferroelectric film are formed on the surface of the substrate on which the vibration plate is formed, and a surface layer that suppresses the surface charge density of the insulating film is formed thereon, so that when the same voltage is applied, the vibration plate It is possible to obtain a droplet discharge head that generates high pressure and has high insulation resistance.
本発明の液滴吐出ヘッドの製造方法は、振動板が形成されるキャビティ基板の表面に、前記振動板に含まれる不純物の拡散を抑制するキャップ層と前記振動板の発生圧力を高めるための酸化シリコンよりも比誘電率が高い強誘電材料からなる強誘電体膜とを積層して絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、前記絶縁膜が形成された前記キャビティ基板と、前記振動板に対応する対向電極が形成された電極基板とを、前記振動板の形成領域と前記対向電極を対向させて接合する基板接合工程と、前記電極基板と接合された前記キャビティ基板をエッチングして前記振動板を含む液滴吐出室を形成するキャビテイ基板エッチング工程と、前記キャビティ基板の開口面にノズル基板を接合する工程と、を備えたものである。
また、振動板が形成されるキャビティ基板の表面に、前記振動板に含まれる不純物の拡散を抑制するキャップ層と前記振動板の発生圧力を高めるための酸化シリコンよりも比誘電率が高い強誘電材料からなる強誘電体膜とを積層して絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、前記絶縁膜が形成された前記キャビティ基板をエッチングして前記振動板を含む液滴吐出室を形成するキャビテイ基板エッチング工程と、前記液滴吐出室が形成された前記キャビティ基板と、前記振動板に対応する対向電極が形成された電極基板とを、前記振動板と前記対向電極を対向させて接合する基板接合工程と、前記キャビティ基板の開口面にノズル基板を接合する工程と、を備えたものである。
これらの方法により、振動板と対向電極との間で長期的に絶縁耐圧が確保され、かつアクチュエータ駆動電圧の低電圧化が実現された、小型でしかも駆動耐久性に優れた静電アクチュエータが製造できる。
さらに、前記絶縁膜形成工程において、前記強誘電体膜の外側面に前記絶縁膜の表面電荷密度を抑制する表面層を形成するものである。
この方法により、振動板の表面を構成している絶縁膜表面での残留電化影響の低減が可能となり、安定した駆動を可能とする静電アクチュエータが製造できる。
The method for manufacturing a droplet discharge head according to the present invention includes a cap layer for suppressing diffusion of impurities contained in the diaphragm and an oxidation for increasing a generated pressure of the diaphragm on a surface of a cavity substrate on which the diaphragm is formed. Corresponding to an insulating film forming step of forming an insulating film by laminating a ferroelectric film made of a ferroelectric material having a relative dielectric constant higher than that of silicon, the cavity substrate on which the insulating film is formed, and the vibration plate A substrate bonding step of bonding the electrode substrate on which the counter electrode is formed with the formation region of the diaphragm facing the counter electrode, and etching the cavity substrate bonded to the electrode substrate to form the diaphragm And a cavity substrate etching step for forming a droplet discharge chamber including the step of bonding a nozzle substrate to the opening surface of the cavity substrate.
In addition, a cap layer that suppresses diffusion of impurities contained in the vibration plate on the surface of the cavity substrate on which the vibration plate is formed and a ferroelectric having a higher relative dielectric constant than silicon oxide for increasing the pressure generated by the vibration plate An insulating film forming step for forming an insulating film by laminating a ferroelectric film made of a material; and a cavity for forming a droplet discharge chamber including the diaphragm by etching the cavity substrate on which the insulating film is formed. A substrate for bonding a substrate etching step, the cavity substrate on which the droplet discharge chamber is formed, and an electrode substrate on which a counter electrode corresponding to the diaphragm is formed with the diaphragm and the counter electrode facing each other. A bonding step and a step of bonding the nozzle substrate to the opening surface of the cavity substrate.
By these methods, a small-sized electrostatic actuator with excellent driving durability is manufactured, which has a long-term dielectric strength between the diaphragm and the counter electrode and realizes low actuator driving voltage. it can.
Further, in the insulating film forming step, a surface layer for suppressing the surface charge density of the insulating film is formed on the outer surface of the ferroelectric film.
By this method, it is possible to reduce the influence of residual electrification on the surface of the insulating film constituting the surface of the diaphragm, and it is possible to manufacture an electrostatic actuator that enables stable driving.
実施形態1.
図1は、本発明の実施形態1に係る液滴吐出ヘッドを示した縦断面図である。なお図1では、駆動回路21の部分を模式的に示している。また図1では、本発明に係る静電アクチュエータを液滴吐出ヘッドに適用した例を示しており、この液滴吐出ヘッドは静電駆動方式でフェイスイジェクトタイプのものである。なお、本発明は、以下の図に示す構造、形状に限定されるものではなく、吐出室とリザーバ部が別々の基板に設けられた4枚の基板を積層した4層構造のものや、基板の端部に設けられたノズル孔から液滴を吐出するエッジ吐出型の液滴吐出ヘッドにも同様に適用することができるものである。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a droplet discharge head according to
本実施形態1に係る液滴吐出ヘッド1は、主にキャビティ基板2、電極基板3、及びノズル基板4が接合されることにより構成されている。ノズル基板4はシリコンからなり、例えば、円筒状の第1のノズル孔6と、第1のノズル孔6と連通し、第1のノズル孔6よりも径の大きい円筒状の第2のノズル孔7を有するノズル8が形成されている。第1のノズル孔6は、液滴吐出面10(キャビティ基板2との接合面11の反対面)に開口するように形成されており、第2のノズル孔7は、キャビティ基板2との接合面11に開口するように形成されている。
The
キャビティ基板2は、例えば単結晶シリコンからなり、底壁が振動板12である吐出室13となる凹部が複数形成されている。なお複数の吐出室13は、図1の紙面手前側から紙面奥側にかけて平行に並んで形成されているものとする。またキャビティ基板2には、各吐出室13にインク等の液滴を供給するためのリザーバ14となる凹部と、このリザーバ14と各吐出室13を連通する細溝状のオリフィス15となる凹部が形成されている。図1に示す液滴吐出ヘッド1では、リザーバ14は単一の凹部から形成されており、オリフィス15は各吐出室13に対して1つずつ形成されている。なおオリフィス15は、ノズル基板4の接合面11に形成するようにしてもよい。
さらに、キャビティ基板2の電極基板3が接合される側の面には、絶縁膜16が形成されている。この絶縁膜16は、液滴吐出ヘッド1の駆動時の絶縁破壊やショートを防止するためのものである。なお絶縁膜16は、強誘電体膜16aと酸化シリコン膜16bから構成されている(図2参照)。この絶縁膜16については後に詳述する。また、キャビティ基板2のノズル基板4が接合される側の面には、耐液滴保護膜19が形成されている。この耐液滴保護膜19は、吐出室13やリザーバ14の内部の液滴によりキャビティ基板2がエッチングされるのを防止するためのものである。
The
Furthermore, an insulating
キャビティ基板2の振動板12側には、例えばホウ珪酸ガラスからなる電極基板3が接合されている。電極基板3には、ギャップ20を介して振動板12と対向する複数の対向電極(個別電極)17が形成されている。この対向電極17は、例えばITO(Indium Tin Oxide)をスパッタすることにより形成する。また電極基板3には、リザーバ14と連通する液体供給孔18が形成されている。この液体供給孔18は、リザーバ14の底壁に設けられた孔と繋がっており、リザーバ14にインク等の液滴を外部から供給するために設けられている。
なお、キャビティ基板2が単結晶シリコンからなり、電極基板3がホウ珪酸ガラスからなる場合には、キャビティ基板2と電極基板3の接合を陽極接合によって行うことができる。
An
When the
ここで、図1に示す液滴吐出ヘッド1の動作について説明する。キャビティ基板2と個々の対向電極17には駆動回路21が接続されている。駆動回路21によりキャビティ基板2と電極17の間にパルス電圧が印加されると、振動板12が対向電極17の側に撓み、リザーバ14の内部に溜まっていたインク等の液滴が吐出室13に流れ込む。なお本実施形態1では、振動板12が撓んだときに、対向電極17と振動板12(絶縁膜16)が当接するようになっている。そして、キャビティ基板2と電極17の間に印加されていた電圧がなくなると、振動板12が元の位置に戻って吐出室13の内部の圧力が高くなり、ノズル8からインク等の液滴が吐出される。
以上から分かるように、液滴吐出ヘッド1の場合には、絶縁膜16を備えた振動板12と対向電極17とが、駆動回路21で駆動される静電アクチュエータを構成している。
Here, the operation of the
As can be seen from the above, in the case of the
図2は、図1のA−A断面を示した拡大断面図である。なお図2では、1つの吐出室13のみを示しているが、実際には吐出室13等が図2の紙面横方向に複数形成されているものとする。
図2に示すように、本実施形態1に係る液滴吐出ヘッド1の絶縁膜16は、高誘電率膜として強誘電体膜16aと酸化シリコン膜16bの2層構造となっている。高誘電率膜は、酸化シリコン(SiO2)よりも比誘電率が高い強誘電材料からなり、例えば圧電材料(PZT)やバリウム−チタン酸化物(BaTiO3)等の材料で構成される。強誘電体は酸化シリコン(SiO2)や高誘電体と呼ばれる窒化シリコン(Si3N4)、ハフニウム−アルミニウム酸化物(HfAlOx)、ダイヤモンド、酸化ジルコニウム(ZrO2)等よりもはるかに高い比誘電率を有しており、本実施形態1では高誘電率膜として強誘電材料により形成される強誘電体膜16aと、絶縁耐圧や接合強度の高い酸化シリコン膜16bとを組み合わせた積層構造の絶縁膜16の構成とするものである。
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing the AA cross section of FIG. In FIG. 2, only one
As shown in FIG. 2, the insulating
誘電体は、大別すると、常誘電体と強誘電体に分類できる。ここに、「常誘電体」とは、外部電場などの外力が働くことによって分極する誘電体をいい、「強誘電体」とは、外部電場がなくても自発的に分極する誘電体をいう。また、前記High−k材と呼ばれる「高誘電体」は、強誘電体ではないもので、酸化シリコン(SiO2)よりも高い比誘電率を有するものである。
強誘電体としては、例えば、PZT:Pb(Zr,Ti)O3、PZTN:Pb(Zr,Ti)Nb2O8、PLZT:(Pb,La)(Zr,Ti)O3、PLT:PbLaTiOX、PTN:PbTiNbOX、SBT:SrBi2Ta2O9、SBTN:SrBi2(Ta,Nb)2O9、BTO:Bi4Ti3O12などを挙げることができる。これらの強誘電体は、比誘電率が酸化シリコンの約3.9や、高誘電体の5〜50であるのに対し、1000程度ときわめて高い比誘電率を有する。
Dielectrics can be roughly classified into paraelectrics and ferroelectrics. Here, “paraelectric” refers to a dielectric that polarizes when an external force such as an external electric field acts, and “ferroelectric” refers to a dielectric that spontaneously polarizes without an external electric field. . The “high dielectric” called the High-k material is not a ferroelectric, and has a higher dielectric constant than silicon oxide (SiO 2 ).
As the ferroelectric, for example, PZT: Pb (Zr, Ti) O 3 , PZTN: Pb (Zr, Ti) Nb 2 O 8 , PLZT: (Pb, La) (Zr, Ti) O 3 , PLT: PbLaTiO 3 X , PTN: PbTiNbO x , SBT: SrBi 2 Ta 2 O 9 , SBTN: SrBi 2 (Ta, Nb) 2 O 9 , BTO: Bi 4 Ti 3 O 12 and the like. These ferroelectrics have an extremely high relative dielectric constant of about 1000, while the relative dielectric constant is about 3.9 for silicon oxide and 5 to 50 for high dielectrics.
表1に、絶縁膜の種類による比誘電率とTZDB(瞬時絶縁破壊強度)を示す。 Table 1 shows the relative dielectric constant and TZDB (instantaneous breakdown strength) depending on the type of insulating film.
図2に示す液滴吐出ヘッド1では、強誘電体膜16aが対向電極17と対向する部分(振動板12)のみに形成されており、酸化シリコン膜16bは強誘電体膜16aの上、及びそれ以外のキャビティ基板2の表面(電極基板3との接合面)全体に形成されている。これにより、酸化シリコン膜16bが強誘電体膜16aよりも対向電極17側に形成され、キャビティ基板2と電極基板3が接合される部分には酸化シリコン膜16bのみが形成されることとなる。
なお後に示すように、本実施形態1ではキャビティ基板2と電極基板3は陽極接合により接合するが、酸化シリコンは陽極接合に適した物質である。また接合部分の酸化シリコン膜16bは薄いのが望ましい。本実施形態1の液滴吐出ヘッド1では、キャビティ基板2と電極基板3の接合部分が酸化シリコン膜16bのみで形成されているため、十分な接合強度の陽極接合が可能となる。また酸化シリコン膜16bは、静電アクチュエータにおける絶縁耐圧を十分に確保するとともに、対向電極17からキャビティ基板2に電流がリークするのを防止する機能も有する。
In the
As will be described later, in the first embodiment, the
ここで、図2に示す強誘電体膜16aと酸化シリコン膜16bからなる絶縁膜16について説明する。
駆動時における振動板12を吸引する静電圧力(発生圧力)Pは、静電エネルギーをE、振動板12から対向電極17までの距離(駆動時を含む)をx、振動板12の面積をS、印加電圧をV、絶縁膜16の厚さをt、真空中の誘電率をε0、絶縁膜16の比誘電率をεrとすると、以下の式で表される。
The electrostatic pressure (generated pressure) P that attracts the
上記の式(2)から、絶縁膜16の全体としての比誘電率が大きいほど、平均圧力Peが高くなることが分かる。このため、表1に示すように、絶縁膜として比誘電率がきわめて高い強誘電体を適用すれば、静電アクチュエータにおける発生圧力をより高くすることができる。
また液滴吐出ヘッド1に強誘電体を適用した場合には、振動板12の面積を小さくしても液滴の吐出に必要なパワーを得ることが可能となる。このため、液滴吐出ヘッド1において振動板12の幅を小さくして、吐出室13のピッチ、即ちノズル8のピッチを小さくすることによりノズル8の解像度を上げて、より高精細な印刷を高速で行うことのできる液滴吐出ヘッド1を得ることができる。さらに振動板12の長さを短くすることにより、液滴の流路における応答性を向上して駆動周波数を上げることができ、より高速な印刷を行うことが可能となる。
また例えば、絶縁膜16の比誘電率を全体として2倍にすれば、絶縁膜16の厚さを2倍にしてもほぼ同じ発生圧力が得られるため、静電アクチュエータにおけるTDDB(Time Depend Dielectric Breakdown、長時間の絶縁破壊強度)、TZDB(Time Zero Dielectric Breakdown、瞬間における絶縁破壊強度)等の耐絶縁破壊強度をほぼ2倍にできることが分かる。
From the above equation (2), as the dielectric constant is large as a whole of the insulating
Further, when a ferroelectric is applied to the
Further, for example, if the relative dielectric constant of the insulating
図3は、絶縁膜を積層した場合の静電アクチュエータの等価回路を表すものである。本実施形態1のように強誘電体膜16aと酸化シリコン膜16bを積層した場合、2つのコンデンサを直列に接続した回路と考えることができる。各々の静電容量をC1、C2、電圧をVとするとき、各々のコンデンサに印加される電圧V1、V2は
V1=V×C2(C1+C2)
V2=V×C1(C1+C2)
と表せる。したがって、各コンデンサにかかる印加電圧が絶縁膜の耐圧を超えないように絶縁膜の膜厚を定める。
FIG. 3 shows an equivalent circuit of the electrostatic actuator when insulating films are stacked. When the
V2 = V × C1 (C1 + C2)
It can be expressed. Therefore, the film thickness of the insulating film is determined so that the applied voltage applied to each capacitor does not exceed the withstand voltage of the insulating film.
絶縁膜の膜厚を変えた場合の印加電圧と等価酸化膜厚み(EOT)について計算したグラフを図4、図5に示す。図4は強誘電体の厚みと印加電圧の関係を表し、図5はSiO2の厚みと印加電圧の関係を表したもので、強誘電体の比誘電率を1000、耐圧を0.1MV/cm、SiO2の厚みを25nm、印加電圧を25Vとして計算したものである。
ここで、EOTは等価酸化膜厚みで、小さいほど静電アクチュエータの性能が上がるものである。また、強誘電体の厚みが300nm以上であれば、図4、図5のどちらでも印加電圧は耐圧よりも低いため、静電アクチュエータの駆動は可能であると考えられる。
本実施形態1では、強誘電体膜16aの厚みを330nmとし、酸化シリコン膜16bの厚みを30nmとしている。また、ギャップ20の距離は100nmとしている。
4 and 5 show graphs calculated for the applied voltage and equivalent oxide thickness (EOT) when the thickness of the insulating film is changed. 4 shows the relationship between the thickness of the ferroelectric and the applied voltage, and FIG. 5 shows the relationship between the thickness of SiO 2 and the applied voltage. The relative permittivity of the ferroelectric is 1000, and the withstand voltage is 0.1 MV / The calculation is based on cm, the thickness of SiO 2 is 25 nm, and the applied voltage is 25V.
Here, EOT is the equivalent oxide thickness, and the smaller the EOT, the higher the performance of the electrostatic actuator. Further, if the thickness of the ferroelectric material is 300 nm or more, the applied voltage is lower than the withstand voltage in both FIG. 4 and FIG.
In the first embodiment, the
本実施形態1では、前述のように静電アクチュエータの絶縁膜として、比誘電率がきわめて高い強誘電体膜16aと、酸化シリコン膜16bとを振動板12の対向電極17側の表面上に積層したものであるため、酸化シリコンのみからなる絶縁膜に比べて同じ電圧をかけたときの発生圧力を高くすることができる。
また、酸化シリコン膜16bを用いているので、絶縁耐圧を向上させることができるとともに、十分な接合強度を確保することができる。また接合部分からの電流のリークを防止することができる。
In the first embodiment, as described above, the
In addition, since the
図6及び図7は、本発明の実施形態1に係る液滴吐出ヘッドの製造工程を示す断面図である。図6及び図7では、図1及び図2に示す液滴吐出ヘッド1を製造する工程を示し、図1における液滴吐出ヘッド1のA−A断面について示している。なおキャビティ基板2及び電極基板3の製造方法は、図6及び図7に示されるものに限定されるものではない。 まず、例えば厚さが525μmのシリコン基板2aの両面を鏡面研磨した後に、ECR(Electron Cyclotron Resonance)スパッタやプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)、AD法(Aerosol Depositon法)等によって、例えばPZTからなる第1の絶縁膜16cを例えば厚さ330nmで形成する(図6(a))。ここでAD法を用いた場合には、比較的低温または常温で低応力の絶縁膜を形成することができ、ECRスパッタを用いた場合には、緻密な絶縁膜を形成することができる。
なおPZTの代わりに、上に示した他の強誘電体を成膜してもよい。また第1の絶縁膜16cを形成する前に、アンモニア水溶液等で成膜表面を洗浄するのが望ましい。さらに第1の絶縁膜16cを形成する前に、シリコン基板2aの成膜表面側にボロンを拡散して、ボロンドープ層を形成するようにしてもよい。このボロンドープ層は、後の図7(h)の工程におけるウェットエッチングの際に、エッチングストップ層として機能する。
6 and 7 are cross-sectional views showing manufacturing steps of the droplet discharge head according to
Instead of PZT, the other ferroelectrics shown above may be formed. In addition, before forming the first insulating
次に、第1の絶縁膜16cの表面にフォトリソグラフィー(露光、現像等)によってレジスト30をパターニングする(図6(b))。なお図6(b)においては、第1の絶縁膜16c(後の強誘電体膜16a)の対向電極17に対向する部分のみが残るようにパターニングを行うものとする(図2参照)。
そして、例えば緩衝フッ酸水溶液で第1の絶縁膜16cをウェットエッチングすることにより区画形成して強誘電体膜16aを形成する(図6(c))。なお緩衝フッ酸水溶液によるウェットエッチングの代わりに、CHF3を用いたRIE(Reactive Ion Etching)によって強誘電体膜16aを形成してもよい。
それから、レジスト30を例えば酸素プラズマにより除去して、純水洗浄等を行う(図3(d))。
その後、シリコン基板2aの第1の絶縁膜16cの形成されている面の全面に、例えばTEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)によって厚さ30nmの酸化シリコン膜16bを形成する(図6(e))。
Next, the resist 30 is patterned on the surface of the first insulating
Then, for example, the first insulating
Then, the resist 30 is removed by oxygen plasma, for example, and pure water cleaning or the like is performed (FIG. 3D).
Thereafter, a
それから図6(e)に示すシリコン基板2aと、対向電極17等の形成された電極基板3を例えば360℃に加熱し、シリコン基板2aに陽極、電極基板3に陰極を接続して800V程度の電圧を印加して陽極接合を行う(図7(f))。なお図7(f)に示す電極基板3は、例えば金・クロムのエッチングマスクを使用してホウ珪酸ガラスからなる基板をフッ酸水溶液等でエッチングして凹部を形成した後に、凹部内にスパッタ等によりITO(Indium Tin Oxide)からなる対向電極17を形成することで作製することができる。
シリコン基板2aと電極基板3を陽極接合した後に、例えば機械研削によってシリコン基板2aの全体を例えば厚さ140μmになるまで薄板化する(図7(g))。ここで機械研削を行った後に、加工変質層を除去するため水酸化カリウム水溶液等でライトエッチングを行うのが望ましい。なお機械研削の代わりに、水酸化カリウム水溶液によるウェットエッチングによってシリコン基板2aの薄板化を行ってもよい。
Then, the
After anodic bonding of the
それから、シリコン基板2aの上面(電極基板3が接合されている面の反対面)の全面にTEOSプラズマCVDによって例えば厚さ1.5μmの酸化シリコン膜を形成する。 そしてこの酸化シリコン膜に、吐出室13となる凹部、リザーバ14となる凹部及びオリフィス15となる凹部を形成するためのレジストをパターニングし、この部分の酸化シリコン膜をエッチング除去する。
その後、シリコン基板2aを水酸化カリウム水溶液等で異方性ウェットエッチングすることにより、吐出室13となる凹部13a、リザーバ14となる凹部(図示せず)及びオリフィス15となる凹部(図示せず)を形成した後、酸化シリコン膜を除去する(図7(h))。なお図7(h)のウェットエッチングの工程では、例えば初めに35重量%の水酸化カリウム水溶液を使用し、その後3重量%の水酸化カリウム水溶液を使用することができる。これにより、振動板12の面荒れを抑制することができる。
なお図7(h)の工程の後に、シリコン基板2aの吐出室13となる凹部13a等の形成された面に、例えばCVDによって酸化シリコン等からなる耐液滴保護膜19を例えば厚さ0.1μmで形成するが、図7においてはそれを省略している。
Then, a silicon oxide film having a thickness of, for example, 1.5 μm is formed on the entire upper surface of the
Thereafter, the
After the step of FIG. 7 (h), a droplet-resistant
次に、ICP(Inductively Coupled Plasma)放電等によってノズル8が形成されたノズル基板4を、接着剤等によりシリコン基板2a(キャビティ基板2)に接合する(図7(i))。
最後に、例えばキャビティ基板2、電極基板3、及びノズル基板4が接合された接合基板をダイシング(切断)により分離して、液滴吐出ヘッド1が完成する。
Next, the
Finally, for example, the bonded substrate to which the
本実施形態1では、絶縁膜16に、酸化シリコンよりも比誘電率が高い強誘電材料からなる強誘電体膜16aを設けることにより、酸化シリコンのみの絶縁膜に比べて同じ電圧をかけたときの発生圧力を高くすることができる。
また絶縁膜16に、比誘電率の高い強誘電体膜16aと絶縁耐圧の高い酸化シリコン膜16bを形成することにより、同じ電圧をかけたときの発生圧力を高め、且つ絶縁耐圧を向上させることが可能となる。
さらにシリコンからなるキャビティ基板2とホウ珪酸ガラスからなる電極ガラス基板3を陽極接合する際に接合する部分を酸化シリコンのみで形成しているため、十分な接合強度を得ることができる。また接合部分から電流がリークするのを防止することもできる。
In the first embodiment, when the
In addition, by forming the
Furthermore, since the portion to be bonded when the
実施形態2.
図8は、本発明の実施形態2に係る液滴吐出ヘッドを示した断面図である。なお図8では、図2と同様に図1のA−A断面に対応する部分を示している。また本実施形態2に係る液滴吐出ヘッド1は、強誘電体膜16aが酸化シリコン膜16bよりも対向電極17側に形成されている点を除いて実施形態1の液滴吐出ヘッド1と同様であり、同じ構成要素には同じ符号を付して説明する。
本実施形態2に係る液滴吐出ヘッド1では、強誘電体膜16aが酸化シリコン膜16bよりも対向電極17側に形成されており、強誘電体膜16aは対向電極17に対向する位置に区画形成されている。また酸化シリコン膜16bは、キャビティ基板2の電極基板3と接合される側の面の全体に形成されている。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a droplet discharge head according to
In the
なお、本実施形態2に係る液滴吐出ヘッド1を製造するには、例えば実施形態1の図6(a)の工程において第1の絶縁膜16cの代わりに、熱酸化又はプラズマCVDによって酸化シリコン膜16bをシリコン基板2aの片面全体に形成する。その後、酸化シリコン膜16bの表面全体に強誘電体膜を全面成膜して、フォトリソグラフィーによってレジストをパターニングし、CHF3を用いたRIEドライエッチングにより振動板12部分以外をエッチング除去して、強誘電体膜16aを形成する。これにより図8に示すような酸化シリコン膜16b及び強誘電体膜16aを形成することができる。
In order to manufacture the
本実施形態2では、強誘電体膜16aが酸化シリコン膜16bよりも対向電極17側に形成されているため、酸化シリコン膜16bがパッシベーション層(化学的不活性層)や応力緩和層として機能し、強誘電体膜16aとして広範囲の材料が使用可能となる。
その他の効果については、実施形態1に係る液滴吐出ヘッド1と同様である。
In the second embodiment, since the
Other effects are the same as those of the
実施形態3.
図9は、本発明の実施形態3に係る液滴吐出ヘッド1の断面図である。なお図8では、図2と同様に図1のA−A断面に対応する部分を示している。また本実施形態3に係る液滴吐出ヘッド1は、対向電極17上に絶縁膜として酸化シリコン膜を形成した点を除いて構成は実施形態1の液滴吐出ヘッド1と同様であり、同じ構成要素には同じ符号を付して説明する。
本実施形態3に係る液滴吐出ヘッド1では、TEOSプラズマCVDにより対向電極17上に絶縁膜として酸化シリコン膜16dを形成し、振動板12側の絶縁膜の構成は実施形態1と同じにしたものであるため、絶縁耐圧をより向上させることができる。
その他の効果については、実施形態1および実施形態2に係る液滴吐出ヘッド1と同様である。
なお、本実施形態3に係る液滴吐出ヘッド1を製造するには、例えば実施形態1の図7(f)の工程の前、すなわち電極基板3上にシリコン基板2aを接合する前に、その電極基板3の対向電極17上にTEOSプラズマCVDにより酸化シリコン膜16dを成膜し、その後フォトリソグラフィーによりレジストをパターニングして、対向電極17の表面上以外の部分の酸化シリコン膜をCHF3を用いたRIEドライエッチングにより除去する。
FIG. 9 is a cross-sectional view of the
In the
Other effects are the same as those of the
In order to manufacture the
また、本実施形態3では、実施形態1と組み合わせた液滴吐出ヘッド1の構成を示したが、実施形態2と組み合わせても同様の効果が得られる。さらに、対向電極17上に形成される上記酸化シリコン膜16dに代えて、Al2O3等の高誘電率膜とすることも可能である。
In the third embodiment, the configuration of the
実施形態4.
次に、さらに別の態様の絶縁膜16について説明する。図10は図1の液滴吐出ヘッド1の静電アクチュエータ部、すなわち振動板12、絶縁膜16、対向電極17及び駆動回路21の部分を拡大して示す模式図である。図10から分かるように、絶縁膜16は、シリコン(Si)からなる振動板12の表面から順に、絶縁膜16への不純物の拡散、特にボロン拡散を抑制できる窒化シリコン(SiN)等からなるキャップ層16A、酸化シリコンより比誘電率が高いPZT等からなる強誘電体膜16B、絶縁膜16の表面電荷密度を抑制する酸化シリコン(SiO2)等からなる表面層16Cが積層されて構成されている。キャップ層16Aと強誘電体膜16Bとを積層したことで、振動板12と対向電極17との間に長期的に絶縁耐圧を確保でき、かつアクチュエータ駆動電圧が低電圧化されるため、小型でしかも駆動耐久性に優れた静電アクチュエータが実現できる。さらに、表面層16Cにより、振動板12の表面を構成している絶縁膜16表面での残留電化影響が低減され、安定した駆動が可能な静電アクチュエータが実現できる。
Next, another embodiment of the insulating
キャップ層16Aは、酸化シリコン(SiO2)又は窒化シリコン(SiN)から構成するのが好ましい。なお、ボロンに対するバリア性の観点からは、窒化シリコンが優れている。
また、強誘電体膜16Bは、従来絶縁膜として採用されていた酸化シリコンの比誘電率(4.4)より高い比誘電率を有するもので形成する。それらには、前述のPZT、PZTN、PLZT、PLT、PTN、SBT、SBTN、BTO等が挙げられる。また、この強誘電体膜の代わりに、前述の一般的にHigh−k材と呼ばれる高誘電率膜を使用してもよい。強誘電体膜あるいは高誘電率膜を使用することにより、絶縁膜全体の酸化膜換算厚みを薄くして絶縁耐圧を確保するとともに静電圧力を高める作用を果たす。
また、表面層16Cは、酸化シリコン又は窒化シリコンを成膜して形成できる。なお、表面層16Cの表面の水酸基密度を抑制して、表面層16Cと対向電極17の吸着を防止する。更に、表面層16Cの表面の水酸基を不活性として、水分子の吸着を更に防止して、表面電荷密度を抑制するために、電極基板3とキャビティ基板2を陽極接合した後に、ギャップ20内部の表面にシラン系又はフッ素系のコーティング剤をコーティングしても良い。これらコーティングは、単分子層とすることが好ましい。
The
The
The
この絶縁膜16は、振動板12と対向電極17が吸着したときの放電によるアクチュエータの破壊を防止し、残留電荷による発生圧力の変動を抑制する作用を果たす。
The insulating
図11及び図12は、本発明の実施形態4に係る液滴吐出ヘッドの製造工程の一例を示す工程図である。なお、キャビティ基板2及び電極基板3の製造方法は、図11及び図12に示されたものに限定されるものではない。
11 and 12 are process diagrams showing an example of a manufacturing process of a droplet discharge head according to
(a)まず、例えば厚さが525μmのシリコン基板2aの両面を鏡面研磨した後、基板2a表面にキャップ層16Aを形成する。キャップ層16Aの形成は、TESOプラズマCVD等による酸化シリコンの成膜か、あるいはプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)やECR(Electron Cyclotron Resonance)スパッタによる窒化シリコンの成膜により行う。
なお、キャップ層16Aを形成する前に、シリコン基板2aの成膜表面側にボロンを拡散して、振動板12となるボロンドープ層を形成するようにしてもよい。このボロンドープ層は、後の工程(図12(h))におけるウェットエッチングの際に、エッチングストップ層としても機能する。
キャップ層16Aとして酸化シリコン膜を用いる場合、それは比較的低応力で容易に成膜できる。一方、キャップ層16Aとして窒化シリコン膜を用いる場合は、400℃〜1000℃程度でアニールを行う等して低応力化し、ボロンに対してバリア性に優れたキャップ層16Aが形成できる。
(b)続いて、キャップ層16Aの表面に強誘電体膜16Bを形成する。強誘電体膜16Bの形成は、前述した圧電材料(PZT)やバリウム−チタン酸化物(BaTiO3)を、ECRスパッタ又はAD法により成膜して行う。
(c)さらに、強誘電体膜16Bの表面に表面層16Cを形成するが、これは必ずしも必須の工程ではない。表面層16Cの形成は、TEOSプラズマCVDにより緻密な酸化シリコンを成膜し、その酸化シリコンに表面処理を行って表面を不活性にすることにより、残留電荷の蓄積が抑制できる表面層16Cとすることができる。また、プラズマCVDやECRスパッタにより窒化シリコンを成膜して表面層16Cとすることもできる。窒化シリコンは膜表面の水酸基密度が低いため、残留電荷が蓄積しにくい。
(A) First, for example, after both surfaces of a
Note that before the
When a silicon oxide film is used as the
(B) Subsequently, a
(C) Further, the
上記に形成した絶縁膜16の各層の厚さの組み合わせとして、例えば、キャップ層16Aを約100nm、強誘電体膜16Bを約800nm、表面層16Cを約10nmとすることができる。しかしながら、これらの値は絶縁膜16に求められる絶縁耐圧と静電圧力(発生圧力)の向上を考慮して、適宜決定するものとする。
As a combination of the thicknesses of the respective layers of the insulating
(d)以上のようにして絶縁膜16が形成されたキャビティ基板2と、キャビティ基板2に形成される振動板12に対応する対向電極17が形成された電極基板3とを接合する。ここでは、電極基板3を例えば360℃に加熱し、シリコン基板2aに陽極、電極基板3に陰極をそれぞれ接続して800V程度の電圧を印加して陽極接合を行う。
なお、電極基板3は、例えば金・クロムのエッチングマスクを使用してホウ珪酸ガラスからなる基板をフッ酸水溶液等でエッチングして凹部を形成した後に、凹部内にスパッタ等によりITOからなる対向電極17を形成することで作製することができる。
(D) The
The
(e)続いて、電極基板3に接合されたシリコン基板2aの全体を、例えば機械研削によって、厚さ140μm程度になるまで薄板化する。なお、機械研削を行った後には、加工変質層を除去するため水酸化カリウム水溶液等でライトエッチングを行うのが望ましい。なお機械研削の代わりに、水酸化カリウム水溶液によるウェットエッチングによってシリコン基板2aの薄板化を行ってもよい。
(E) Subsequently, the
(f)それから、シリコン基板2aの上面(電極基板3が接合されている面の反対面)の全面にTEOSプラズマCVDによって例えば厚さ1.5μmの酸化シリコン膜22を形成する。
(g)そして、この酸化シリコン膜22に、吐出室13となる凹部、リザーバ14となる凹部及びオリフィス15となる凹部を形成するためのレジストをパターニングし、この部分の酸化シリコン膜をエッチングして除去する。
(h)その後、シリコン基板2aを水酸化カリウム水溶液等で異方性ウェットエッチングすることにより、吐出室13となる凹部13a、リザーバ14となる凹部(図示せず)及びオリフィス15となる凹部(図示せず)を形成した後、酸化シリコン膜を除去する。このウェットエッチングの工程では、例えば初めに35重量%の水酸化カリウム水溶液を使用し、その後3重量%の水酸化カリウム水溶液を使用する2段階のエッチングを実施するのが好ましい。これにより、振動板12の面荒れを抑制することができるからである。
また、この後、シリコン基板2aの吐出室13となる凹部13a等の形成された面に、例えばCVDによって酸化シリコン等からなる耐液滴保護膜(図1の符号19)を例えば厚さ0.1μmで形成するが、ここでは図示を省略する。
(F) Then, a
(G) Then, a resist for forming a recess to be the
(H) Thereafter, the
Thereafter, a droplet-resistant protective film (
(i)次に、ICP(Inductively Coupled Plasma)放電等によってノズル8が形成されたノズル基板4を、接着剤等によりシリコン基板2a(キャビティ基板2)の開口面側に接合する。
最後に、例えばキャビティ基板2、電極基板3、及びノズル基板4が接合された接合基板をダイシング(切断)により分離して、液滴吐出ヘッド1が完成する。
(I) Next, the
Finally, for example, the bonded substrate to which the
上記の方法は、振動板12が形成されるシリコン基板2aの表面に絶縁膜16を形成する絶縁膜形成工程と、絶縁膜16が形成されたシリコン基板2aと、振動板12に対応する対向電極17が形成された電極基板3とを、振動板12の形成領域と対向電極17を対向させて接合する基板接合工程と、電極基板3と接合されたシリコン基板2aをエッチングして振動板12を含む吐出室13やリザーバ14等を形成するキャビティ基板2の形成工程と、キャビティ基板2の開口面にノズル基板4を接合する工程とが順次実行されるものである。この方法では、電極基板3と接合されたシリコン基板2aをエッチングして振動板12を含む吐出室13やリザーバ14等を形成しているため、割れ易いシリコン基板2aの取り扱いが比較的容易にできるという利点がある。また、強誘電体をレジストパターニングして区画形成する必要がなく、より容易に製造が可能となるという利点もある。 なお、振動板12が形成されるシリコン基板2aの表面に絶縁膜16を形成する絶縁膜形成工程と、絶縁膜16が形成されたシリコン基板2aをエッチングして振動板12を含む吐出室13やリザーバ14等を形成するキャビティ基板2の形成工程と、吐出室13等が形成されたキャビティ基板2と、振動板12に対応する対向電極17が形成された電極基板3とを、振動板12と対向電極17を対向させて接合する基板接合工程と、キャビティ基板2の開口面にノズル基板4を接合する工程とを、順次実行して液滴吐出ヘッド1を製造しても良い。
In the above method, the insulating film forming step of forming the insulating
これらの方法により、振動板12と対向電極17との間に長期的に絶縁耐圧が確保され、かつアクチュエータ駆動電圧の低電圧化が実現された、小型でしかも駆動耐久性に優れた静電アクチュエータが製造できる。また、振動板12の表面を構成している絶縁膜16表面での残留電化影響の低減が可能となり、安定した駆動を可能とする静電アクチュエータが製造できる。
By these methods, an electrostatic actuator having a small size and excellent driving durability, in which a dielectric breakdown voltage is ensured for a long time between the
実施形態5.
図13は、これまでに説明した実施形態に係る液滴吐出ヘッドを、液滴吐出部に適用した液滴吐出装置の一例を示した斜視図である。図13に示した液滴吐出装置100は、液滴としてインクを吐出するインクジェットプリンタである。
このインクジェットプリンタは、そこに適用されている液滴吐出ヘッド1の作用により、振動板12に発生する圧力が高く、液滴吐出装置100はドット抜け等がなく吐出性能が高いものである。また耐久性や、吐出安定性にも優れたものである。さらに、小型でしかも駆動耐久性に優れたものとなる。また、静電アクチュエータ部分の残留電荷影響が低減されるため、安定した駆動による高精度の印字が可能となる。
なお本実施形態に示す液滴吐出ヘッド1は、図13に示すインクジェットプリンタの他に、液滴を種々変更することで、液晶ディスプレイのカラーフィルタの製造、有機EL表示装置の発光部分の形成、生体液体の吐出等にも適用することができる。
FIG. 13 is a perspective view showing an example of a droplet discharge device in which the droplet discharge head according to the embodiment described so far is applied to a droplet discharge unit. The
In this inkjet printer, the pressure generated in the
In addition to the inkjet printer shown in FIG. 13, the
また、各実施形態では、本発明に係る静電アクチュエータを適用した例として液滴吐出ヘッドを示しているが、本発明の実施形態に示す静電アクチュエータは、その他のデバイスにも適用することができる。具体的には、波長可変フィルタ、ミラーデバイス、マイクロポンプ等のMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスに適用が可能であり、これらはプロジェクターやレーザープリンタのスキャナー等に応用することができる。 In each embodiment, a droplet discharge head is shown as an example to which the electrostatic actuator according to the present invention is applied. However, the electrostatic actuator shown in the embodiment of the present invention can be applied to other devices. it can. Specifically, the present invention can be applied to MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) devices such as a tunable filter, a mirror device, and a micropump, and these can be applied to a projector, a scanner of a laser printer, and the like.
実施形態6.
本発明に係る静電アクチュエータは、既に説明したように、液滴吐出ヘッドへの適用に限られるものではなく、様々なデバイスに適用することができる。ここではその一例を挙げておく。
図14は、本発明に係る静電アクチュエータを適用した本発明の実施形態6に係るデバイスの一例を示す斜視図である。図14に示す静電アクチュエータ適用デバイスは波長可変フィルタ200である。この波長可変フィルタ200は、可動反射面223を有し、可動反射面223と垂直な方向に変位することで所定の波長の光を透過させ所定の波長以外の光を反射させる可動体221a、可動体221aを変位可能にした上で支持する連結部221b及び支持部221c並びにスペーサ221eが一体形成された可動部220と、可動体221aと静電ギャップをEGを有して設けられ、可動体221aの位置を変位させる駆動電極212及び可動反射面223と光学ギャップOGを有して設けられ、可動反射面223で反射された光をさらに反射する固定反射面218を有し、可動反射面223と固定反射面18とが対向するように、スペーサ221eを形成した側と反対側で可動部220と接合された駆動電極部210と、可動部220のスペーサ221e部分と接合されたパッケージ部230とを備えている。ここでの可動体221aは、図1の振動板12に、駆動電極212は図1の対向電極17にそれぞれ対応しており、それらが静電アクチュエータを構成している。従って、可動体221aの駆動電極212側表面に、各実施形態の絶縁膜16に相当する絶縁膜を形成することで、その静電アクチュエータの絶縁耐圧及び静電圧力の改善が図れる。これにより、波長可変フィルタ200を小型でしかも駆動耐久性に優れたものとすることができる。また、静電アクチュエータの残留電荷影響が低減されて、安定した駆動による高精度の光フィルタリングが可能となる。
As described above, the electrostatic actuator according to the present invention is not limited to application to a droplet discharge head, and can be applied to various devices. Here is an example.
FIG. 14 is a perspective view showing an example of a device according to
このように、本発明に係る静電アクチュエータは各種のデバイス、特にマイクロマシンのアクチュエータとしての利用が可能である。それらの例を挙げれば、マイクロポンプのポンプ部、光スイッチのスイッチ駆動部、超小型のミラーを多数配置しそれらのミラーを傾けて光の方向を制御するミラーデバイスのミラー駆動部に、更にレーザプリンタのレーザ操作ミラーの駆動部等に本発明に係る静電アクチュエータを適用することができる。 Thus, the electrostatic actuator according to the present invention can be used as an actuator for various devices, particularly a micromachine. For example, the pump unit of the micro pump, the switch drive unit of the optical switch, the mirror drive unit of the mirror device that controls the direction of the light by tilting these mirrors, and further lasers The electrostatic actuator according to the present invention can be applied to a drive unit of a laser operation mirror of a printer.
なお、本発明に係る静電アクチュエータ、液滴吐出ヘッド及びその製造方法、液滴吐出装置並びにデバイスは、本発明の実施形態に限定されるものではなく、本発明の思想の範囲内において変更することができる。 The electrostatic actuator, the droplet discharge head and the manufacturing method thereof, the droplet discharge apparatus, and the device according to the present invention are not limited to the embodiments of the present invention, and are changed within the scope of the idea of the present invention. be able to.
1 液滴吐出ヘッド、2 キャビティ基板、3 電極基板、4 ノズル基板、6 第1のノズル孔、7 第2のノズル孔、8 ノズル、10 液滴吐出面、11 接合面、12 振動板、13 吐出室、14 リザーバ、15 オリフィス、16 絶縁膜、16a 強誘電体膜、16b 酸化シリコン膜、16d 酸化シリコン膜、16A キャップ層、16B 強誘電体膜、16C 表面層、17 対向電極、18 液体供給孔、19 耐液滴保護膜、20 ギャップ、21 駆動回路、100 液滴吐出装置、200 波長可変フィルタ。
DESCRIPTION OF
Claims (17)
前記絶縁膜は、前記振動板に含まれる不純物の該絶縁膜への拡散を抑制するキャップ層と、少なくとも酸化シリコンよりも比誘電率が高い強誘電材料からなる強誘電体膜と、前記絶縁膜の表面電荷密度を抑制する表面層とを積層したものであることを特徴とする静電アクチュエータ。 An electrostatic actuator comprising: a diaphragm; a counter electrode facing the diaphragm with a gap; and an insulating film for increasing a generated pressure of the diaphragm formed on a surface of the diaphragm on the counter electrode side Because
The insulating film includes a cap layer that suppresses diffusion of impurities contained in the diaphragm into the insulating film, a ferroelectric film made of a ferroelectric material having a relative dielectric constant higher than that of at least silicon oxide , and the insulating film An electrostatic actuator characterized by being laminated with a surface layer that suppresses the surface charge density .
前記振動板が形成される基板の表面に前記振動板に含まれる不純物の前記絶縁膜への拡散を抑制するキャップ層を形成する工程と、
前記キャップ層の表面に酸化シリコンよりも比誘電率が高い強誘電材料からなる絶縁膜を形成する工程と、
前記強誘電材料からなる絶縁膜をエッチングすることにより区画形成して、前記振動板上に強誘電体膜を形成する工程と、
前記強誘電体膜の表面に前記絶縁膜の表面電荷密度を抑制する表面層を形成する工程と、
を有することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。 An electrostatic actuator comprising: a diaphragm; a counter electrode facing the diaphragm with a gap; and an insulating film for increasing a generated pressure of the diaphragm formed on a surface of the diaphragm on the counter electrode side A manufacturing method of
Forming a suppressing cap layer from diffusing into the insulating film of an impurity contained in the diaphragm to the surface of the substrate where the diaphragm is formed,
Forming a insulation Enmaku ing of a ferroelectric material is higher relative dielectric constant than silicon oxide on the surface of the cap layer,
Partitioning the insulating film made of the ferroelectric material by etching to form a ferroelectric film on the diaphragm; and
Forming a surface layer for suppressing the surface charge density of the insulating film on the surface of the ferroelectric film;
A method of manufacturing a droplet discharge head, comprising:
前記絶縁膜が形成された前記キャビティ基板と、前記振動板に対応する対向電極が形成された電極基板とを、前記振動板の形成領域と前記対向電極を対向させて接合する基板接合工程と、
前記電極基板と接合された前記キャビティ基板をエッチングして前記振動板を含む液滴吐出室を形成するキャビテイ基板エッチング工程と、
前記キャビティ基板の開口面にノズル基板を接合する工程と、
を備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。 On the surface of the cavity substrate on which the diaphragm is formed, a cap layer that suppresses diffusion of impurities contained in the diaphragm and a ferroelectric material having a higher relative dielectric constant than silicon oxide for increasing the pressure generated by the diaphragm An insulating film forming step of forming an insulating film by laminating a ferroelectric film to be formed;
A substrate bonding step for bonding the cavity substrate on which the insulating film is formed and an electrode substrate on which a counter electrode corresponding to the diaphragm is formed, with the formation region of the diaphragm facing the counter electrode;
A cavity substrate etching step for forming a droplet discharge chamber including the diaphragm by etching the cavity substrate bonded to the electrode substrate;
Bonding a nozzle substrate to the opening surface of the cavity substrate;
A method for manufacturing a droplet discharge head, comprising:
前記絶縁膜が形成された前記キャビティ基板をエッチングして前記振動板を含む液滴吐出室を形成するキャビテイ基板エッチング工程と、
前記液滴吐出室が形成された前記キャビティ基板と、前記振動板に対応する対向電極が形成された電極基板とを、前記振動板と前記対向電極を対向させて接合する基板接合工程と、
前記キャビティ基板の開口面にノズル基板を接合する工程と、
を備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。 On the surface of the cavity substrate on which the diaphragm is formed, a cap layer that suppresses diffusion of impurities contained in the diaphragm and a ferroelectric material having a higher relative dielectric constant than silicon oxide for increasing the pressure generated by the diaphragm An insulating film forming step of forming an insulating film by laminating a ferroelectric film to be formed;
A cavity substrate etching step of forming a droplet discharge chamber including the diaphragm by etching the cavity substrate on which the insulating film is formed;
A substrate bonding step of bonding the cavity substrate in which the droplet discharge chamber is formed and an electrode substrate on which a counter electrode corresponding to the vibration plate is formed with the vibration plate and the counter electrode facing each other;
Bonding a nozzle substrate to the opening surface of the cavity substrate;
A method for manufacturing a droplet discharge head, comprising:
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