JP6899211B2 - ノズル基板、インクジェットプリントヘッドおよびノズル基板の製造方法 - Google Patents
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Description
また、この発明の目的は、撥水膜に形成されるインク吐出通路の横断面の形状および大きさが、シリコン基板に形成されるインク吐出通路の横断面の形状および大きさとほぼ等しいノズル基板を備えたインクジェットプリントヘッドを提供することである。
この発明の一実施形態では、平面視において、前記撥水膜に形成された前記第3インク吐出通路の内周面は、前記主基板に形成された第1インク吐出通路の内周面に対して外方に後退しており、その後退量が1.5μm以下である。
この発明の一実施形態では、前記凹部は、円柱状である。
この発明の一実施形態では、前記主基板はシリコン基板であり、前記密着層はSiOC層であり、撥水膜がFDTS膜からなる。
この発明の一実施形態は、第1表面および第2表面を有し、前記第1表面に開口する凹部と前記凹部の底壁を貫通しかつ前記第2表面に開口する第1インク吐出通路とを有する主基板を形成する第1工程と、前記主基板の前記第1表面に第1サポート基板を貼り付けた後、前記第2表面、前記凹部の内面および前記第1インク吐出通路の内面を含む前記主基板の露出面上に、密着層および撥水膜をその順番で形成する第2工程と、前記主基板の前記第2表面に前記密着層および前記撥水膜を介して第2サポート基板を貼り付けた後、前記第1サポート基板を前記主基板から分離する第3工程と、前記主基板における前記凹部の内面上および前記第1インク吐出通路の内面上に形成された前記密着層および前記撥水膜を、酸素プラズマアッシングによって除去することにより、前記第2表面上の前記密着層および前記撥水膜に、それぞれ、前記第1インク吐出通路に連通する第2インク吐出通路および第3インク吐出通路を形成する第4工程とを含む、ノズル基板の製造方法を提供する。
この発明の一実施形態では、前記第2工程において、前記主基板の前記第1表面への前記第1サポート基板の貼り付けは、前記主基板の前記第1表面に、第1耐熱保護テープおよび第1熱剥離テープをその順に介して前記第1サポート基板が貼り付けられることにより行われ、前記第3工程において、前記主基板の前記第2表面への前記第2サポート基板の貼り付けは、前記主基板の前記第2表面上の前記撥水膜の表面に、第2耐熱保護テープおよび第2熱剥離テープをその順に介して前記第2サポート基板が貼り付けられることにより行われる。
この発明の一実施形態では、前記凹部は、円柱状である。
この発明の一実施形態では、前記第1、第2および第3インク吐出通路は、横断面が円形状である。
図1は、この発明の一実施形態に係るインクジェットプリントヘッドの構成を説明するための図解的な平面図である。図2は、図1のA部を拡大して示す図解的な部分拡大平面図であって、保護基板を含む平面図である。図3は、図1のA部を拡大して示す図解的な部分拡大平面図であって、保護基板が省略された平面図である。図4は、図2のIV-IV線に沿う図解的な断面図である。図5は、図4のノズル孔を拡大して示す拡大断面図である。図6は、図5の矢印VI-VIから見た平面図である。図7は、図5のB部を拡大して示す部分拡大断面図である。図8は、図2のVIII-VIII線に沿う図解的な断面図である。図9は、図2のIX-IX線に沿う図解的な断面図である。
インクジェットプリントヘッド1は、アクチュエータ基板2および圧電素子9を含むアクチュエータ基板アセンブリSAと、ノズル基板3と、保護基板4とを備えている。以下において、アクチュエータ基板アセンブリSAを、基板アセンブリSAということにする。
図4〜図7を参照して、ノズル基板3には、ノズル孔20が形成されている。ノズル孔20は、圧力室7に臨む凹部20aと、凹部20aの底面に形成されたインク吐出通路20bとからなる。凹部20aはシリコン基板30におけるアクチュエータ基板2側の表面に形成されている。インク吐出通路20bは、凹部20aの底壁を貫通しており、圧力室7とは反対側にインク吐出口20cを有している。
可動膜形成層10の表面には、金属バリア膜8が形成されている。金属バリア膜8は、たとえば、Al2O3(アルミナ)からなる。金属バリア膜8の厚さは、50nm〜100nm程度である。金属バリア膜8の表面には、可動膜10Aの上方位置に、圧電素子9が配置されている。圧電素子9は、金属バリア膜8上に形成された下部電極11と、下部電極11上に形成された圧電体膜12と、圧電体膜12上に形成された上部電極13とを備えている。言い換えれば、圧電素子9は、圧電体膜12を上部電極13および下部電極11で上下から挟むことにより構成されている。
圧電体膜12としては、たとえば、ゾルゲル法またはスパッタ法によって形成されたPZT(PbZrxTi1−xO3:チタン酸ジルコン酸鉛)膜を適用することができる。このような圧電体膜12は、金属酸化物結晶の焼結体からなる。圧電体膜12は、上部電極13と平面視で同形状に形成されている。圧電体膜12の厚さは、1μm程度である。可動膜10Aの全体の厚さは、圧電体膜12の厚さと同程度か、圧電体膜12の厚さの2/3程度とすることが好ましい。前述の金属バリア膜8は、主として圧電体膜12から金属元素(圧電体膜12がPZTの場合には、Pb,Zr,Ti)が抜け出すことを防止し、圧電体膜12の圧電特性を良好に保つとともに、圧電体膜12の成膜時に、可動膜10Aに金属が拡散するのを防止する。金属バリア膜8は、圧電体膜12の水素還元による特性劣化を防止する機能も有している。
水素バリア膜14上に、絶縁膜15が積層されている。絶縁膜15は、たとえば、SiO2、低水素のSiN等からなる。絶縁膜15の厚さは、500nm程度である。絶縁膜15上には、上部配線17および下部配線18(図2、図9参照)が形成されている。これらの配線は、Al(アルミニウム)を含む金属材料からなっていてもよい。これらの配線の厚さは、たとえば、1000nm(1μm)程度である。
パッシベーション膜21には、上部配線17の一部を露出させるパッド開口35が形成されている。パッド開口35は、圧力室7の外方領域に形成されており、たとえば、上部配線17の先端部(上部電極13へのコンタクト部の反対側端部)に形成されている。パッシベーション膜21上には、パッド開口35を覆う上部電極用パッド42が形成されている。上部電極用パッド42は、パッド開口35に入り込み、パッド開口35内で上部配線17に接続されている。下部配線18に対しても、下部電極用パッド43(図2、図9参照)が設けられているが、下部電極用パッド43については後述する。
図1に示すように、インクジェットプリントヘッド1の平面視形状は、前後方向に長い長方形状である。この実施形態では、アクチュエータ基板2、保護基板4およびノズル基板3の平面形状および大きさは、インクジェットプリントヘッド1の平面形状および大きさとほぼ同じである。
図2および図3に示すように、アクチュエータ基板2には、圧電素子9毎に、インク流路5(圧力室7)が形成されている。したがって、アクチュエータ基板2には、平面視において、前後方向に間隔をおいてストライプ状に配列された複数のインク流路5(圧力室7)からなるインク流路列(圧力室列)が、左右方向に間隔をおいて2列分設けられている。
パッシベーション膜21には、上部配線17の先端部表面の中央部を露出させる上部電極用パッド開口35が形成されている。パッシベーション膜21上に、上部電極用パッド開口35を覆うように上部電極用パッド42が設けられている。上部電極用パッド42は、上部電極用パッド開口35内で上部配線17に接続されている。左側の圧電素子列内の複数の圧電素子9に対応する複数の上部電極用パッド42は、図1に示すように、平面視で、左側の圧電素子列の左側において、前後方向に一列状に並んで配置されている。また、右側の圧電素子列内の複数の圧電素子9に対応する複数の上部電極用パッド42は、平面視で、右側の圧電素子列の右側において、前後方向に一列状に並んで配置されている。
図1、図2および図4に示すように、保護基板4には、左側のインク流路列に対する複数のインク供給用貫通孔22に連通する複数のインク供給路53(以下、「第1のインク供給路53」という場合がある)と、右側のインク流路列に対する複数のインク供給用貫通孔22に連通する複数のインク供給路53(以下、「第2のインク供給路53」という場合がある)とが形成されている。第1のインク供給路53は、平面視において、保護基板4の幅中央に対して左側にずれた位置に、前後方向に間隔をおいて1列状に配置されている。第2のインク供給路53は、平面視において、保護基板4の幅中央に対して右側にずれた位置に、前後方向に間隔をおいて1列状に配置されている。インク供給路53は、平面視において、アクチュエータ基板2側のインク供給用貫通孔22と同じパターンの円形状である。インク供給路53は、平面視でインク供給用貫通孔22に整合している。
図4、図8および図12に示すように、保護基板4の対向面51には、各圧電素子列内の圧電素子9に対向する位置に、それぞれ収容凹所52が形成されている。各収容凹所52に対してインク流通方向41の上流側にインク供給路53が配置され、下流側に開口部54が配置されている。各収容凹所52は、平面視において、対応する圧電素子9の上部電極13のパターンよりも少し大きな矩形状に形成されている。そして、各収容凹所52に、対応する圧電素子9が収容されている。
この実施形態では、絶縁膜15およびパッシベーション膜21は、アクチュエータ基板2上において、平面視で保護基板4の収容凹所52の外側領域のほぼ全域に形成されている。ただし、この領域において、絶縁膜15には、インク供給用貫通孔22およびコンタクト孔34が形成されている。この領域において、パッシベーション膜21には、インク供給用貫通孔22、パッド開口35,36が形成されている。
図13は、アクチュエータ基板の元基板としての半導体ウエハの平面図であり、一部の領域を拡大して示してある。
アクチュエータ基板2の元基板としての半導体ウエハ(アクチュエータウエハ)100は、たとえばシリコンウエハからなる。アクチュエータウエハ100の表面100aは、アクチュエータ基板の表面2aに対応している。アクチュエータウエハ100の表面100aには、複数の機能素子形成領域101がマトリクス状に配列されて設定されている。隣接する機能素子形成領域101の間には、スクライブ領域(境界領域)102が設けられている。スクライブ領域102は、ほぼ一定の幅を有する帯状の領域であり、直交する二方向に延びて格子状に形成されている。スクライブ領域102には、切断予定線103が設定されている。アクチュエータウエハ100に対して必要な工程を行うことにより、インク流路5は形成されていないが、各機能素子形成領域101上に基板アセンブリSAの構成が形成された基板アセンブリ集合体(SA集合体)110(図14J参照)が作成される。
図14A〜図14Mは、インクジェットプリントヘッド1の製造工程を示す断面図であり、図4の切断面に対応する断面図である。
まず、図14Aに示すように、アクチュエータウエハ100を用意する。ただし、アクチュエータウエハ100としては、最終的なアクチュエータ基板2の厚さよりも厚いものが用いられる。そして、アクチュエータウエハ100の表面100aに可動膜形成層10が形成される。具体的には、アクチュエータウエハ100の表面100aに酸化シリコン膜(たとえば1.2μm厚)が形成される。可動膜形成層10が、シリコン膜と酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との積層膜で構成される場合には、アクチュエータ基板2の表面にシリコン膜(たとえば0.4μm厚)が形成され、シリコン膜上に酸化シリコン膜(たとえば0.4μm厚)が形成され、酸化シリコン膜上に窒化シリコン膜(たとえば0.4μm厚)が形成される。
次に、圧電体膜12の材料である圧電体材料膜72が下部電極膜71上の全面に形成される。具体的には、たとえば、ゾルゲル法によって1μm〜3μm厚の圧電体材料膜72が形成される。このような圧電体材料膜72は、金属酸化物結晶粒の焼結体からなる。
次に、図14Gに示すように、絶縁膜15の表面に各配線17,18を覆うパッシベーション膜21が形成される。パッシベーション膜21は、たとえばSiNからなる。パッシベーション膜21は、たとえばプラズマCVDによって形成される。
次に、図14Lに示すように、アクチュエータウエハ100を薄くするための裏面研削が行われる。アクチュエータウエハ100が裏面100bから研磨されることにより、アクチュエータウエハ100が薄膜化される。たとえば、初期状態で670μm厚程度のアクチュエータウエハ100が、300μm厚程度に薄型化されてもよい。この後、アクチュエータウエハ100の裏面100b側に、フォトリソグラフィによってインク流路5(インク流入部6および圧力室7)に対応した開口を有するレジストマスクが形成され、このレジストマスクをマスクとして、アクチュエータウエハ100が裏面100bからエッチングされる。これにより、アクチュエータウエハ100に、インク流路5(インク流入部6および圧力室7)が形成される。
この後、図14Mに示すように、ノズル基板集合体150がアクチュエータウエハ100の裏面100bに張り合わされる。これにより、基板アセンブリ集合体110と、保護基板集合体130と、ノズル基板集合体150とからなるインクジェットプリントヘッド集合体170が得られる。この後、インクジェットプリントヘッド集合体170が、切断予定線103に沿ってダイシングブレードにより切断される。つまり、インクジェットプリントヘッド1を個別に切り出すための工程が行われる。
まず、図15Aに示すように、ノズル基板3の元基板としての半導体ウエハ(ノズルウエハ)140が用意される。ただし、ノズルウエハ140としては、最終的なノズル基板3の厚さより厚いものが用いられる。ノズルウエハ140はシリコンウエハからなる。ノズルウエハ140は、アクチュエータ基板2の裏面2bに対向される側の表面(第1表面)140aと、その反対側の裏面(第2表面)140bとを有している。
次に、図15Fに示すように、酸素プラズマアッシングが行われる。この酸素プラズマアッシング時のステージ温度は、第2熱剥離テープ147が熱発泡を起こさない温度(たとえば15℃以下)に設定される。これにより、第1耐熱保護テープ143の剥がし面(ノズルウエハ140の第1表面140a)上に残っている粘着剤が除去されるとともに、凹部20aおよび第1インク吐出通路20b1の内面(側面)に形成された材料膜141,142が除去される。これにより、ノズルウエハ140の第1表面140aとは反対側の表面上の密着材料膜141に第1インク吐出通路20b1と連通する第2インク吐出通路20b2が形成される。また、その密着材料膜141上の撥水材料膜142に第2インク吐出通路20b2と連通する第3インク吐出通路20b3が形成される。
以上、この発明の実施形態について説明したが、この発明はさらに他の実施形態で実施することもできる。前述の実施形態では、凹部20aは、シリコン基板30の表面から密着層31側に向かって横断面が徐々に小さくなる円錐台形状に形成されているが、図16に示すように、凹部20aは、長さ方向にわたってその横断面が円形状のストレート孔であってもよい。言い換えれば、凹部20aは、円柱状であってもよい。なお、図16は、図5の切断面に対応した断面図である。
また、前述の実施形態では、水素バリア膜14の表面の一部に絶縁膜15が形成されているが、水素バリア膜14の表面の全域に絶縁膜15が形成されていてもよい。
また、前述の実施形態では、圧電体膜の材料としてPZTを例示したが、そのほかにも、チタン酸鉛(PbPO3)、ニオブ酸カリウム(KNbO3)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)などに代表される金属酸化物からなる圧電材料が適用されてもよい。
2 アクチュエータ基板
2a 表面
2b 裏面
3 ノズル基板
4 保護基板
5 インク流路
6 インク流入部
7 圧力室(キャビティ)
8 金属バリア膜
9 圧電素子
10 可動膜形成層
10A 可動膜
11 下部電極
11A 主電極部
11B 延長部
12 圧電体膜
13 上部電極
14 水素バリア膜
15 絶縁膜
17 上部配線
18 下部配線
20 ノズル孔
20a 凹部
20b インク吐出通路
20b1 第1インク吐出通路
20b2 第2インク吐出通路
20b3 第3インク吐出通路
20c インク吐出口
21 パッシベーション膜
22 インク供給用貫通孔
23 貫通孔(下部電極)
30 シリコン基板
31 密着層
32 撥水膜
33 コンタクト孔(上部配線)
34 コンタクト孔(下部配線)
35 パッド開口(上部配線)
36 パッド開口(下部配線)
37 開口(絶縁膜およびパッシベーション膜)
41 インク流通方向
42 上部電極用パッド
43 下部電極用パッド
50 接着剤
51 対向面
52 収容凹所
53 インク供給路
54 開口部
71 下部電極膜
72 圧電体材料膜
73 上部電極膜
100 アクチュエータウエハ
100a 表面
100b 裏面
101 機能素子形成領域
102 スクライブ領域
103 切断予定線
110 基板アセンブリ集合体
130 保護基板集合体
140 ノズルウエハ
140a 第1表面
140b 第2表面
141 密着材料膜
142 撥水材料膜
143 第1耐熱保護テープ
144 第1熱剥離テープ
145 第1サポートウエハ
146 第2耐熱保護テープ
147 第2熱剥離テープ
148 第2サポートウエハ
150 ノズル基板集合体
170 インクジェットプリントヘッド集合体
SA 基板アセンブリ
Claims (13)
- 厚さ方向に貫通するノズル孔を有するノズル基板であって、
前記ノズル基板は、第1表面および第2表面を有する主基板と、前記主基板の前記第2表面に形成された密着層と、前記密着層における前記主基板側とは反対側の表面に形成された撥水膜とを含み、
前記ノズル孔は、前記主基板の前記第1表面に形成された凹部と、前記凹部の底面に形成され、前記凹部の底壁を貫通するインク吐出通路とからなり、
前記インク吐出通路は、前記主基板における前記凹部の底壁を貫通する第1インク吐出通路と、前記第1インク吐出通路に連通しかつ前記密着層を貫通する第2インク吐出通路と、前記第2インク吐出通路に連通しかつ前記撥水膜を貫通する第3インク吐出通路とからなり、
前記第3インク吐出通路の横断面積が前記第1インク吐出通路の横断面積とほぼ等しくかつ、前記第3インク吐出通路の内周面が、前記主基板の第2表面に対してほぼ垂直であり、
平面視において、前記撥水膜を貫通している前記第3インク吐出通路の内周面は、前記主基板に形成された前記第1インク吐出通路の内周面に対して外方に後退している、ノズル基板。 - 前記撥水膜を貫通している前記第3インク吐出通路の内周面の前記主基板に形成された前記第1インク吐出通路の内周面に対する後退量が1.5μm以下である、請求項1に記載のノズル基板。
- 前記凹部は、前記主基板の前記第1表面側から前記第2表面側に向かって横断面が徐々に小さくなる円錐台形状である、請求項1または2に記載のノズル基板。
- 前記凹部は、円柱状である、請求項1または2に記載のノズル基板。
- 前記主基板はシリコン基板であり、前記密着層はSiOC層であり、撥水膜がFDTS膜からなる、請求項1〜4のいずれか一項に記載のノズル基板。
- 圧力室を含むインク流路を有するアクチュエータ基板と、
前記圧力室上に配置されかつ前記圧力室の天面部を区画する可動膜を含む可動膜形成層と、
前記可動膜上に形成された圧電素子と、
前記アクチュエータ基板の前記可動膜側の表面とは反対側の表面に接合され、前記圧力室の底面部を区画し、前記圧力室に連通するノズル孔を有するノズル基板とを含み、
前記ノズル基板は、前記請求項1〜5のいずれか一項に記載のノズル基板であり、前記主基板の前記第1表面が、前記アクチュエータ基板の前記可動膜側の表面とは反対側の表面に接合されている、インクジェットプリントヘッド。 - 前記圧電素子を覆うように前記アクチュエータ基板に接合される保護基板をさらに含み、
前記保護基板は、前記アクチュエータ基板側に向かって開口しかつ前記圧電素子を収容する収容凹所と、平面視において前記収容凹所の一端の外方に形成され、前記インク流路の一端部に連通するインク供給路とを有している、請求項6に記載のインクジェットプリントヘッド。 - 第1表面および第2表面を有し、前記第1表面に開口する凹部と前記凹部の底壁を貫通しかつ前記第2表面に開口する第1インク吐出通路とを有する主基板を形成する第1工程と、
前記主基板の前記第1表面に第1サポート基板を貼り付けた後、前記第2表面、前記凹部の内面および前記第1インク吐出通路の内面を含む前記主基板の露出面上に、密着層および撥水膜をその順番で形成する第2工程と、
前記主基板の前記第2表面に前記密着層および前記撥水膜を介して第2サポート基板を貼り付けた後、前記第1サポート基板を前記主基板から分離する第3工程と、
前記主基板における前記凹部の内面上および前記第1インク吐出通路の内面上に形成された前記密着層および前記撥水膜を、酸素プラズマアッシングによって除去することにより、前記第2表面上の前記密着層および前記撥水膜に、それぞれ、前記第1インク吐出通路に連通する第2インク吐出通路および第3インク吐出通路を形成する第4工程とを含み、
平面視において、前記撥水膜を貫通している前記第3インク吐出通路の内周面が、前記第1インク吐出通路の内周面に対して外方に後退している、ノズル基板の製造方法。 - 前記第2工程において、前記主基板の前記第1表面への前記第1サポート基板の貼り付けは、前記主基板の前記第1表面に、第1耐熱保護テープおよび第1熱剥離テープをその順に介して前記第1サポート基板が貼り付けられることにより行われ、
前記第3工程において、前記主基板の前記第2表面への前記第2サポート基板の貼り付けは、前記主基板の前記第2表面上の前記撥水膜の表面に、第2耐熱保護テープおよび第2熱剥離テープをその順に介して前記第2サポート基板が貼り付けられることにより行われる、請求項8に記載のノズル基板の製造方法。 - 前記凹部は、前記主基板の前記第1表面側から前記第2表面側に向かって横断面が徐々に小さくなる円錐台形状である、請求項8または9に記載のノズル基板の製造方法。
- 前記凹部は、円柱状である、請求項8または9に記載のノズル基板の製造方法。
- 前記第1、第2および第3インク吐出通路は、横断面が円形状である、請求項8〜11のいずれか一項に記載のノズル基板の製造方法。
- 前記主基板はシリコン基板であり、前記密着層はSiOC層であり、撥水膜がFDTS膜からなる、請求項8〜12のいずれか一項に記載のノズル基板の製造方法。
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