JP4086864B2 - Method for manufacturing liquid discharge head and method for manufacturing substrate for liquid discharge head - Google Patents
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Description
本発明は、液体に外部からエネルギーを加えることによって、液体を吐出する液体吐出ヘッド(以下、「インクジェット記録ヘッド」とも称する)の製造方法および液体吐出ヘッド用基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a liquid discharge head that discharges liquid by applying energy to the liquid from the outside (hereinafter also referred to as “inkjet recording head”) and a method for manufacturing a substrate for a liquid discharge head.
パソコンの印刷装置としてインクジェット記録装置を用いたプリンタは、印字性能が良く、低コストなので広く利用されるようになっている。インクジェット記録装置には、熱エネルギーによってインクに気泡を発生させ、その気泡による圧力波によりインク滴を吐出させるもの、静電力によりインク滴を吸引吐出させるもの、圧電素子のような振動子による圧力波を利用したもの等が開発されている。 Printers using an ink jet recording apparatus as a printing apparatus for personal computers are widely used because of their good printing performance and low cost. Inkjet recording devices generate bubbles in ink by thermal energy, eject ink droplets by pressure waves caused by the bubbles, suck ink droplets by electrostatic force, pressure waves by a vibrator such as a piezoelectric element. The one using is developed.
上記インクジェット記録装置のうち、圧電素子を用いたものは、インク吐出口に連通したインク流路と、そのインク流路に連通した圧力発生室と、この圧力発生室に設けられ、圧電体薄膜が接合された振動板膜圧電体薄膜に所定の電圧を印加すると、圧電体薄膜が伸縮することによって、圧電体薄膜と振動板膜とが一体となって振動を起こして圧力発生室内のインクが圧縮され、それによりインク吐出口からインク液滴が吐出するような構成である。 Among the above-described ink jet recording apparatuses, those using piezoelectric elements are provided with an ink flow path communicating with an ink discharge port, a pressure generation chamber communicating with the ink flow path, and the pressure generation chamber. When a predetermined voltage is applied to the bonded diaphragm film piezoelectric thin film, the piezoelectric thin film expands and contracts, causing the piezoelectric thin film and the diaphragm film to integrally vibrate and compress the ink in the pressure generating chamber. Thus, the ink droplet is ejected from the ink ejection port.
圧電体薄膜を単結晶または優勢配向させて形成すると、変位が大きく取れることや駆動波形にリニアに変位を制御できる。特開平10−181016号公報に、圧電体を単結晶基板上に単結晶または優勢配向させて形成した後、基板を除去して振動板の上に転写する方法が開示されている。 When the piezoelectric thin film is formed with a single crystal or preferentially oriented, a large displacement can be obtained and the displacement can be controlled linearly according to the drive waveform. Japanese Laid-Open Patent Publication No. 10-181016 discloses a method in which a piezoelectric body is formed on a single crystal substrate by single crystal or dominant orientation, and then the substrate is removed and transferred onto a vibration plate.
また、圧電素子を構成する圧電膜や振動板等を薄膜化することで、半導体プロセスで一般に用いられている微細加工を可能とするとともに耐久性や圧電特性にも優れた圧電素子構造体が、特開2002−234156号公報に開示されている。特開2002−234156号公報には、酸化膜上にSi単結晶を積層した所謂SOI基板上に、圧電体薄膜を単結晶または優勢配向させて形成する方法が開示されている。 In addition, by reducing the thickness of the piezoelectric film and the diaphragm constituting the piezoelectric element, a piezoelectric element structure that enables fine processing generally used in a semiconductor process and has excellent durability and piezoelectric characteristics, It is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-234156. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-234156 discloses a method of forming a piezoelectric thin film on a so-called SOI substrate in which an Si single crystal is stacked on an oxide film by single crystal or dominant orientation.
近年インクジェット記録ヘッドは、紙に文字あるいは画像情報を印字する民生用のプリンタだけでなく、型紙等を用いて材料を塗布していた分野あるいは有機材料(赤・青・緑)を基板に塗布する有機EL(Electro Luminescence)等の産業分野での使用が検討されている。 In recent years, inkjet recording heads are applied not only to consumer printers that print text or image information on paper, but also to fields where organic materials (red, blue, green) have been applied to substrates using pattern paper, etc. Use in an industrial field such as organic EL (Electro Luminescence) has been studied.
産業分野で使用される場合、時間当たりの処理量はコストに直接関係するパラメータであるためにインクジェット記録ヘッドには、民生用のプリンタで要求される高速性や微細な液滴を吐出する機能と同時に耐久性や信頼性が要求される。 When used in the industrial field, the throughput per hour is a parameter that is directly related to cost, so the inkjet recording head has the high speed required by consumer printers and the ability to eject fine droplets. At the same time, durability and reliability are required.
特開平10−181016号公報は、振動板とは直接接合されていない単結晶基板にチタン酸ジルコン酸鉛系またはチタン酸バリウム系を主成分としたペロブスカイト構造を示す単結晶あるいは分極方向に優先配向した薄膜を成長させて、その後で基板を除去して振動板と接合していた。このため、精細度の高いノズル配置のインクジェット記録ヘッドを作製することは困難であった。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-181016 discloses a single crystal having a perovskite structure mainly composed of lead zirconate titanate or barium titanate on a single crystal substrate that is not directly joined to the diaphragm, or preferential orientation in the polarization direction. The thin film was grown, and then the substrate was removed and bonded to the diaphragm. For this reason, it has been difficult to produce an inkjet recording head having a high-definition nozzle arrangement.
また、特開2002−234156号公報に開示されているプロセスは、微細加工を可能とするとともに耐久性や圧電特性にも優れた圧電素子構造体が得られるが、更に、液室の加工が簡便で、安価に歩留まり良く精細度が高く、高密度にノズルが配置されたインクジェット記録ヘッドを作製することが望まれている。 In addition, the process disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-234156 can achieve a piezoelectric element structure that can be finely processed and has excellent durability and piezoelectric characteristics. Therefore, it is desired to produce an ink jet recording head which is inexpensive and has a high yield and a high definition and has nozzles arranged at a high density.
上記の説明から明らかなように、本明細書中で使用するインクジェット記録ヘッドとは、インクを紙に吐出するタイプのヘッドだけを意味するのではなく、液体を所望の位置に配置された物体上に吐出するタイプのヘッドの総称として用いている。
本発明の目的の一つは、簡易なプロセスで歩留まり良く高密度な圧電素子駆動型インクジェット記録ヘッドを得ることのできる製造方法を提供することである。 One of the objects of the present invention is to provide a manufacturing method capable of obtaining a high-density piezoelectric element drive type ink jet recording head by a simple process.
本発明は、面方位が{110}であるSi基板の表面上に、液体を吐出する吐出口に連通する圧力発生室と、該圧力発生室に対応して設けられ、圧電材膜と該圧電材膜を挟持する一対の電極膜とを含む圧電素子と、が設けられ、前記Si基板の前記圧電素子に対応する部分に空間が形成され、該空間の側面が(111)面と等価の面であり、前記Si基板に形成された前記空間の側面が、前記空間が形成される前の当該Si基板の主面にほぼ垂直である液体吐出ヘッドの製造方法であって、前記Si基板上に、選択的にエッチングを行うことが可能な犠牲層であって、上方から見た形状が、狭角が70.5度をなす平行四辺形である犠牲層を、前記平行四辺形の各辺が(111)面と等価の面に平行になる様に設ける工程と、前記Si基板の表面上にエッチングストップ層を介して単結晶Si層が積層された構造体を用意する工程と、前記単結晶Si層上に、前記一対の電極膜の一方を介して単結晶薄膜または分極方向に優先配向した薄膜からなる前記圧電材膜を形成する工程と、前記圧電材膜上に、前記圧力発生室を形成する工程と、前記Si基板の、前記平行四辺形の狭角の近傍部分に、前記Si基板の裏側から先導孔を設ける工程と、前記Si基板の裏面側から前記Si基板の前記圧電材膜に対応する個所と前記犠牲層とを、前記先導孔によって前記主面に対して斜めの(111)面と等価の面の形成を抑制しつつ異方性エッチングによって除去し、前記基板に前記空間を形成する工程と、を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法である。 The present invention is provided on a surface of a Si substrate having a surface orientation of {110}, a pressure generation chamber communicating with a discharge port for discharging a liquid, a piezoelectric material film and the piezoelectric film provided corresponding to the pressure generation chamber A piezoelectric element including a pair of electrode films sandwiching a material film, a space is formed in a portion of the Si substrate corresponding to the piezoelectric element, and a side surface of the space is a surface equivalent to the ( 111 ) surface A method of manufacturing a liquid discharge head, wherein a side surface of the space formed in the Si substrate is substantially perpendicular to a main surface of the Si substrate before the space is formed, A sacrificial layer that can be selectively etched, and a sacrificial layer that is a parallelogram having a narrow angle of 70.5 degrees as viewed from above is formed on each side of the parallelogram. A step of being provided so as to be parallel to a plane equivalent to the ( 111 ) plane, and the Si substrate A step of preparing a structure in which a single crystal Si layer is laminated on the surface of the substrate via an etching stop layer; and a single crystal thin film or a polarization direction on the single crystal Si layer via one of the pair of electrode films. Forming the piezoelectric material film composed of a thin film preferentially oriented to the surface, forming the pressure generating chamber on the piezoelectric material film, and a portion of the Si substrate near the narrow angle of the parallelogram. A step of providing a leading hole from the back side of the Si substrate, and a portion corresponding to the piezoelectric material film of the Si substrate and the sacrificial layer from the back side of the Si substrate to the main surface by the leading hole. And a step of forming the space in the substrate by removing by anisotropic etching while suppressing formation of a surface equivalent to an oblique (111) surface. .
以上述べたように本発明によれば、簡易なプロセスで歩留まり良く高密度な圧電素子駆動型インクジェット記録ヘッドを得ることが可能になる。これを用いて、インク種類適用性の高く、高品位な印字が可能なインクジェット記録ヘッドを提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a high-density piezoelectric element driving type ink jet recording head with a simple process. By using this, it is possible to provide an ink jet recording head having high applicability to ink types and capable of high-quality printing.
本発明は、インクだめと連通孔でつながった圧力発生室を備えたインク流路構造体に、インクを吐出させるための振動板と圧電素子が形成されたインクジェット記録ヘッドにおいて、圧電素子は、Si基板上に絶縁膜を介して形成された単結晶シリコン膜上に形成され、圧電素子の振動板後背部空間に面する側では前記絶縁膜を介して単結晶シリコン膜が露出していることを特徴とするインクジェット記録ヘッドである。圧電素子は、単結晶シリコン膜上にバッファー層および結晶性電極を堆積しチタン酸ジルコン酸鉛系、リラクサ系またはチタン酸バリウム系を主成分としたペロブスカイト構造を示す単結晶薄膜あるいは分極方向に優先配向した薄膜であることが好ましい。 The present invention relates to an ink jet recording head in which a vibration plate for ejecting ink and a piezoelectric element are formed on an ink flow path structure including a pressure generating chamber connected to an ink reservoir through a communication hole. It is formed on a single crystal silicon film formed on a substrate via an insulating film, and the single crystal silicon film is exposed via the insulating film on the side facing the rear space of the diaphragm of the piezoelectric element. The ink jet recording head is characterized. Piezoelectric elements have a perovskite structure mainly composed of lead zirconate titanate, relaxor or barium titanate based on a buffer layer and a crystalline electrode on a single crystal silicon film, or prioritize the polarization direction. An oriented thin film is preferred.
振動板は、少なくともシリコン層と絶縁膜を含み、絶縁膜は、窒化シリコン膜であることが好ましい。 The diaphragm includes at least a silicon layer and an insulating film, and the insulating film is preferably a silicon nitride film.
更に、圧電素子が形成される単結晶Si層の面方位が(100)であることが好ましく、Si基板は、面方位が(110)の基板であることが好ましい。 Furthermore, the plane orientation of the single crystal Si layer on which the piezoelectric element is formed is preferably (100), and the Si substrate is preferably a substrate having a plane orientation of (110).
また、バッファー層は、イットリウム安定化ジルコニア(YSZ)を少なくとも含んだ膜であることが好ましい。 The buffer layer is preferably a film containing at least yttrium-stabilized zirconia (YSZ).
インクジェット記録ヘッドが複数の圧力発生室を持つ場合、シリコン基板の(111)面に平行に形成され、シリコン基板の(111)面とは90度をなす方向に連続して形成されることが好ましい。 When the ink jet recording head has a plurality of pressure generating chambers, it is preferably formed in parallel to the (111) plane of the silicon substrate and continuously formed in a direction of 90 degrees with the (111) plane of the silicon substrate. .
更に、本発明は、シリコン基板の表面に少なくともエッチングストッパー膜となる絶縁膜を形成する工程と、シリコン基板の裏面にエッチング保護膜を形成する工程と、単結晶Si層を貼り合わせる工程と、該単結晶Si層上にバッファー層を積層する工程と、第一の電極膜を形成する工程と、さらにその上に圧電素子薄膜を形成する工程と、該圧電素子膜上に第二の電極膜を形成する工程と、振動板を形成する工程と、基板裏面の振動板に対応する部位とインク供給口に対応する部位のエッチング保護膜を除去し開口部を形成する工程と、該開口部よりエッチングストッパー層まで基板をエッチングする工程と、インク供給口に対応する部位の前記開口部の前記エッチングストッパー層を除去しインク供給口を形成する工程とを有することを特徴とするインクジェット記録ヘッドの製造方法である。 Further, the present invention includes a step of forming an insulating film serving as at least an etching stopper film on the surface of the silicon substrate, a step of forming an etching protective film on the back surface of the silicon substrate, a step of bonding a single crystal Si layer, A step of laminating a buffer layer on the single crystal Si layer, a step of forming a first electrode film, a step of forming a piezoelectric element thin film thereon, and a second electrode film on the piezoelectric element film Forming the diaphragm, forming the diaphragm, removing the etching protective film from the portion corresponding to the diaphragm on the back surface of the substrate and the portion corresponding to the ink supply port to form an opening, and etching from the opening Etching the substrate to the stopper layer, and removing the etching stopper layer at the opening corresponding to the ink supply port to form an ink supply port. A method for producing an ink jet recording head is characterized.
本発明のインクジェット記録ヘッドは、振動板を形成した後、前記シリコン基板上に溶解可能樹脂によって圧力発生室の型材となる第一パターンを形成する工程と、導電層を形成する工程と、前記導電層上に溶解可能樹脂によって吐出口の型材となる第二パターンを形成する工程と、前記導電層上にメッキ処理でメッキ層を形成する工程と、前記第二パターンを除去する工程と、前記第一のパターンを除去する工程とを有することができる。 In the ink jet recording head of the present invention, after the diaphragm is formed, a step of forming a first pattern serving as a mold material of the pressure generating chamber with a soluble resin on the silicon substrate, a step of forming a conductive layer, and the conductive layer Forming a second pattern to be a mold material for the discharge port with a soluble resin on the layer; forming a plating layer on the conductive layer by a plating process; removing the second pattern; Removing one pattern.
前記シリコン基板には、振動板開口部とインク供給口に相当する部分に犠牲層を設けることができる。 A sacrificial layer may be provided on the silicon substrate at portions corresponding to the diaphragm opening and the ink supply port.
本発明を、図面を用いてより詳細に説明する。 The present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
図1は本発明の一実施形態を示すインクジェット記録ヘッドの断面模式図である。基板としてはSiウエハが用いられる。Si基板上に、Si3N4膜103、SiO2膜104、Si単結晶層105、バッファー層(YSZ:イットリウム安定化ジルコニア)106、電極、単結晶または配向性圧電膜(圧電材膜)、電極(電極膜)、振動板109が順次形成されている。
FIG. 1 is a schematic sectional view of an ink jet recording head showing an embodiment of the present invention. A Si wafer is used as the substrate. On a Si substrate, Si 3 N 4 film 103, SiO 2
シリコン基板101には振動板の背面の空間を形成するためにエッチングによって穴107とインクを裏面から供給するためのインク供給口108となる貫通穴が設けられている。
The
Si基板の穴107の上部には、振動板109、圧電体薄膜110、上部電極111、下部電極112および保護膜113等が形成されている。
A
基板上には、個別圧力発生室114が形成されている。個別圧力発生室114の材質としては、樹脂、感光性樹脂、金属、セラミックなどが適用できる。個別圧力発生室114の右端に設けられた連通孔115は、共通液室(不図示)と繋がっている。
An individual
個別圧力発生室114の左端にはインク吐出口116が形成され、振動板の変形によって押し出されたインクが、経路117を通って吐出され媒体に印字される。
An
図2は基板の上面図である。(電極等は省略)隣接した圧力発生室が、並列して配置されている。図3は裏面図である。エッチングで振動板背面空間107およびインク供給口108が形成されている。
FIG. 2 is a top view of the substrate. (Electrodes and the like are omitted) Adjacent pressure generating chambers are arranged in parallel. FIG. 3 is a rear view. The diaphragm back
次に、本実施形態のインクジェット記録ヘッドの製造工程を図4〜図8の工程断面図を用いて順を追って説明する。
(1)基板面方位(110)のシリコン基板101に、高密度プラズマエッチング装置(ICP)で、上面図、図8に示すように、各辺が(111)面と等価の面に平行になるような、狭角が70.5度をなす振動板後背部空間107、インク供給口108に対応する平行四辺形の凹部を形成する。
(2)シリコン基板101の少なくとも平行四辺形の凹部が形成された面上に、LPCVD法などにより、ポリシリコンまたは、アモルファスシリコンを堆積して研磨して、凹部が埋められたような犠牲層102を形成する(図4(1)参照)。
Next, the manufacturing process of the ink jet recording head of this embodiment will be described step by step using the process cross-sectional views of FIGS.
(1) Using a high-density plasma etching apparatus (ICP) on a
(2) The
基板を異方性エッチングしポリシリコンからなる犠牲層102に達すると、ポリシリコンのエッチング速度が基板の結晶シリコンよりも速いために速やかにエッチング除去される。基板の厚さにバラつきがある場合でも犠牲層102が露出すると速やかにエッチング除去されるので、供給口を精度良く形成することができる。犠牲層102の材料としては本実施例では、ポリシリコンあるいはアモルファスシリコンを用いたが、Al(アルミニウム)等の結晶シリコンよりもエッチング速度が速い材料であれば使用することができる。(3)シリコン基板101の少なくとも平行四辺形の凹部が形成された面に、CVD法で厚さが100〜400nmのSi3N4膜103を形成後、同様にCVD法で厚さが100〜400nmのSiO2膜104をシリコン基板101の両面に形成する(図4(2)参照)。
When the substrate is anisotropically etched to reach the
厚さ100〜400nmのSi3N4単層膜を形成するだけでも良いことはいうまでもない。 Needless to say, a Si 3 N 4 single layer film having a thickness of 100 to 400 nm may be formed.
尚、Si3N4膜は、後述の基板をウエットエッチングする際のエッチングストッパー膜(エッチングストップ層)としての機能を有していればシリコンと窒素の組成比が正確に3:4でなくとも良いし、酸窒化膜でも良いことは言うまでもない。
(4)この基板に面方位(100)の単結晶のSi基板を高温下で貼り合わせて、単結晶Si層105を厚さ1〜5μmまで研磨する。単結晶シリコン層の貼り合わせは他の方法を用いても良い(図4(3)参照)。
It should be noted that the Si 3 N 4 film has a function as an etching stopper film (etching stop layer) when wet etching a substrate described later, and the composition ratio of silicon and nitrogen is not exactly 3: 4. Needless to say, an oxynitride film may be used.
(4) A single crystal Si substrate having a plane orientation (100) is bonded to this substrate at a high temperature, and the single
面方位を(100)の単結晶シリコン層にする理由は、圧電・電歪膜を単結晶成長させるためである。
(5)厚さ10nmのYSZ膜106からなるバッファー層を、基板温度600〜900℃、Ar/O2雰囲気下で、高温スパッター法で堆積する(図4(4)参照)。
The reason why the plane orientation is a (100) single crystal silicon layer is to grow a piezoelectric / electrostrictive film in a single crystal.
(5) A buffer layer made of a 10 nm
バッファー層としては、ZrO2、CeO2、SrTiO3で表される金属酸化物が好ましく用いられ、ZrO2が好ましい。 As the buffer layer, a metal oxide represented by ZrO 2 , CeO 2 , or SrTiO 3 is preferably used, and ZrO 2 is preferable.
インクジェットヘッドとしては、ZrO2にScやYやPrを含む希土類金属元素を含む物がより好ましい。例えば、Yを含む物が好ましい。圧電体膜を単結晶膜、単一配向膜として結晶制御するのに、Yを含有する式(Y2O3)x(ZrO2)1-xで表されるYSZ系材料(ここでxは、0.01から0.2)は好ましいバッファー層である。
(6)振動板後背部を形成する犠牲層102に合わせて、成膜温度は、400〜800℃でPt等の結晶性を保って高温に耐える金属で下層電極112となる金属膜を形成する。
As the ink jet head, a material containing rare earth metal elements including Sc, Y and Pr in ZrO 2 is more preferable. For example, the thing containing Y is preferable. In order to control the crystal as a single crystal film and a single orientation film, the piezoelectric film is a YSZ-based material represented by the formula (Y 2 O 3 ) x (ZrO 2 ) 1-x containing Y (where x is 0.01 to 0.2) is a preferred buffer layer.
(6) In accordance with the
電極材料としては、金属材料あるいは導電性金属酸化物を用いることが出来る。金属材料としては、面心立方晶材料、体心立方晶材料、六方最密構造材料を用いることが出来るが、面心立方晶材料が好ましく、例えば、Pt、Ir、Pd、Rh、Ag、Al、Au、Cu、Ni等を用いることが好ましく、Pt、Irがより好ましい。 As the electrode material, a metal material or a conductive metal oxide can be used. As the metal material, a face-centered cubic material, a body-centered cubic material, or a hexagonal close-packed structure material can be used, but a face-centered cubic material is preferable, for example, Pt, Ir, Pd, Rh, Ag, Al Au, Cu, Ni, etc. are preferably used, and Pt and Ir are more preferable.
一方、導電性金属酸化物も電極として用いることができる。導電性金属酸化物としては、ペロブスカイト系酸化物の導電性物質を選択して用いることができる。ペロブスカイト系酸化物としては、例えば、式La1-xSrxVO3で表せ、0.23<x≦1である化合物、Gd1-xSrxVO3で表せ、0.4<x<0.5である化合物、La1-xSrxCoO3で表せ、0<x<1である化合物、Ca1-xSrxRuO3で表せ、0<x<1である化合物、(Ba,Ca,Sr)TiO3-xで表せ、x≠0である化合物、SrRuO3、CaRuO3、BaPbO3、La2SrCu2VO6.2、SrCrO3、LaNiO3、LaCuO3、BaRuO3、SrMoO3、CaMoO3、BaMoO3、SrIrO3等であり、SrRuO3、LaNiO3、BaPbO3、CaRuO3が好ましい。
(7)下層電極112上に、スパッターやCVD等の方法でチタン酸ジルコン酸鉛系またはチタン酸バリウム系を主成分としたペロブスカイト構造を示す単結晶あるいは分極方向に優先配向した薄膜からなる圧電素子膜110を形成する。
On the other hand, a conductive metal oxide can also be used as an electrode. As the conductive metal oxide, a perovskite oxide conductive material can be selected and used. Examples of perovskite-based oxides are compounds represented by the formula La 1-x Sr x VO 3 , 0.23 <x ≦ 1, Gd 1-x Sr x VO 3 , 0.4 <x <0 .5, a compound represented by La 1-x Sr x CoO 3 , a compound represented by 0 <x <1, a compound represented by Ca 1-x Sr x RuO 3 and 0 <x <1, (Ba, Ca , Sr) represented by TiO 3-x, compound is x ≠ 0, SrRuO 3, CaRuO 3,
(7) A piezoelectric element comprising a single crystal having a perovskite structure mainly composed of lead zirconate titanate or barium titanate as a main component on the
このときの成膜は、400〜700℃の加熱成膜を行うか、または低温で成膜後に400〜800℃の焼成を行うこともできる。 The film formation at this time may be performed by heating at 400 to 700 ° C., or baking at 400 to 800 ° C. after film formation at a low temperature.
本発明の圧電・電歪膜は、圧電膜及び/又は電歪膜を意味する。圧電・電歪膜に用いられる材料としては、ペロブスカイト型化合物が挙げられる。例えば、チタン酸ジルコン酸鉛PZT[Pb(ZrxTi1-x)O3]やチタン酸バリウムBaTiO3などの圧電材料やリラクサ系材料の電歪材料である。チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)のxは0.40から0.65のMPB(morphotoropic phase boundary)組成が好ましいが、それ以外の組成比でも良い。PZTの結晶構造は正方晶、菱面体晶のいずれの結晶構造でも良い。BaTiO3は、正方晶で(001)配向された膜が好ましい。また、BaTiO3は微量の鉛、ビスマス、Fe,カリウムが含有されていても良い。 The piezoelectric / electrostrictive film of the present invention means a piezoelectric film and / or an electrostrictive film. Examples of the material used for the piezoelectric / electrostrictive film include perovskite compounds. For example, an electrostrictive material of the piezoelectric material and a relaxor material such as lead zirconate titanate PZT [Pb (Zr x Ti 1 -x) O 3] or barium titanate BaTiO 3. An xB of lead zirconate titanate (PZT) is preferably an MPB (morphotropic phase boundary) composition of 0.40 to 0.65, but other composition ratios may be used. The crystal structure of PZT may be either tetragonal or rhombohedral. BaTiO 3 is preferably a tetragonal (001) -oriented film. BaTiO 3 may contain a trace amount of lead, bismuth, Fe, and potassium.
本発明で使用する電歪材料としては以下の物が選択出来る。例えば、PMN[Pb(MgxNb1-x)O3]、PNN[Pb(NbxNi1-x)O3]、PSN[Pb(ScxNb1-x)O3]、PZN[Pb(ZnxNb1-x)O3]、PMN−PT((1-y)[Pb(MgxNb1-x)O3]−y[PbTiO3])、PSN−PT((1-y)[Pb(ScxNb1-x)O3]−y[PbTiO3])、PZN−PT((1-y)[Pb(ZnxNb1-x)O3]−y[PbTiO3])、LN[LiNbO3]、KN[KNbO3]である。ここで、xおよびyは1以下で0以上の数である。例えば、PMNの場合xは0.2〜0.5で、PSNではxは0.4〜0.7が好ましく、PMN−PTのyは0.2〜0.4、PSN−PTのyは0.35〜0.5、PZN−PTのyは0.03〜0.35が好ましい。また、PMN−PT、PZN−PT、PNN−PT、PSN−PTにZrがTiに代替されて含まれたPMN−PZT、PZN−PZT、PNN−PZT、PSN−PZT化合物であっても良い。 The following can be selected as the electrostrictive material used in the present invention. For example, PMN [Pb (Mg x Nb 1-x) O 3], PNN [Pb (Nb x Ni 1-x) O 3], PSN [Pb (Sc x Nb 1-x) O 3], PZN [Pb (Zn x Nb 1-x) O 3], PMN-PT ((1-y) [Pb (Mg x Nb 1-x) O 3] - y [PbTiO 3]), PSN-PT ((1-y ) [Pb (Sc x Nb 1 -x) O 3] - y [PbTiO 3]), PZN-PT ((1-y) [Pb (Zn x Nb 1-x) O 3] - y [PbTiO 3] ), LN [LiNbO 3 ], KN [KNbO 3 ]. Here, x and y are numbers of 1 or less and 0 or more. For example, in the case of PMN, x is 0.2 to 0.5, and in PSN, x is preferably 0.4 to 0.7, y of PMN-PT is 0.2 to 0.4, and y of PSN-PT is 0.35-0.5, y of PZN-PT is preferably 0.03-0.35. Further, PMN-PZT, PZN-PZT, PNN-PZT, and PSN-PZT compounds in which Zr is substituted for Ti in PMN-PT, PZN-PT, PNN-PT, and PSN-PT may be used.
圧電・電歪膜は単一組成であっても良いし、2種類以上の組み合わせでも良い。又、上記主成分に微量の元素をドーピングした組成物であっても良い。本発明の圧電・電歪膜は、優れた圧電性を発現するために、結晶制御されたものが良く、X線回折で特定の結晶構造の特定の方位が50%以上あるものが好ましく、さらには、90%以上のものがより好ましい。
(8)圧電体上に電極として、例えばPt/Tiなどの金属の積層膜を形成し、その後、フォトリソグラフィー法を用いたフォトレジストをマスクにPt/Tiなどの金属の積層膜と圧電素子膜110とをエッチッグにより除去し所望の形状の圧電素子を生成する。
The piezoelectric / electrostrictive film may have a single composition or a combination of two or more. Moreover, the composition which doped the trace amount element to the said main component may be sufficient. The piezoelectric / electrostrictive film of the present invention is preferably crystal-controlled in order to exhibit excellent piezoelectricity, and preferably has a specific orientation of a specific crystal structure of 50% or more by X-ray diffraction. Is more preferably 90% or more.
(8) A laminated film of a metal such as Pt / Ti is formed as an electrode on the piezoelectric body, and then a laminated film of a metal such as Pt / Ti and a piezoelectric element film using a photoresist using a photolithography method as a
この際に用いたドライエッチングは、Pt/Tiなどの金属および圧電素子膜のエッチングは、公知の条件を用いた。例えば、Pt/Tiのエッチングは、Cl2とBCl3の混合ガスをもちいたRIE(リアクティブイオンエッチング)を用いた。 In the dry etching used at this time, a known condition was used for etching the metal such as Pt / Ti and the piezoelectric element film. For example, the Pt / Ti etching was performed by RIE (reactive ion etching) using a mixed gas of Cl 2 and BCl 3 .
このドライエッチング条件は、下部電極を構成するメタルと圧電素子膜とのエッチング選択比がとれる条件を用いれば、圧電素子膜をエッチング後にオーバーエッチングを行っても下部電極を構成するメタルはほとんどエッチングされない。その後、同様にフォトリソグラフィー法を用いフォトレジストをマスクに所望の形状の下部電極112を形成する(図4(5)参照)。
If the dry etching conditions are such that the etching selectivity between the metal constituting the lower electrode and the piezoelectric element film can be taken, the metal constituting the lower electrode is hardly etched even if overetching is performed after etching the piezoelectric element film. . Thereafter, similarly, a photolithography method is used to form a
ドライエッチングは、公知のエッチング条件を用いた。
(9)形成した圧電素子部上に、プラズマCVD等を使って、SiNxやSiOx膜を堆積して振動板113とする(後述の実施例2参照)、あるいは、本実施例のように、圧電素子部上のSiNxやSiOx膜の厚さを薄く形成し単なる保護膜113として、下部のSi単結晶膜105を振動板とすることもできる(図5(1)参照)。
(10)インク供給口につながる連通孔115の一部となる開口を保護膜113、バッファー層106、単結晶シリコン層105およびSi3N4膜103を、フォトリソグラフィー法を用いて形成したフォトレジストをマスクに通常のドライエッチングを行い形成する(図5(2)参照)。
For dry etching, known etching conditions were used.
(9) A SiN x or SiO x film is deposited on the formed piezoelectric element portion using plasma CVD or the like to form the diaphragm 113 (see Example 2 described later), or as in this example Alternatively, the SiN x or SiO x film on the piezoelectric element portion can be thinly formed, and the lower Si
(10) Photoresist in which the
尚、単結晶シリコンおよびSi3N4膜のようなシリコン窒化膜のエッチングは通常のシリコン半導体の製造方法で公知な方法であるのでエッチング条件は省略する。
(11)その後、除去することで圧力発生室などを形成するための型材となる第1パターン118を形成する(図5(3)参照)。形成方法としては印刷法やフォトリソグラフィー法を用いることができるが、微細パターンを形成できるので感光性樹脂を利用したフォトリソグラフィー法が好ましい。
Etching of silicon nitride films such as single crystal silicon and Si 3 N 4 film is a well-known method for producing ordinary silicon semiconductors, and therefore the etching conditions are omitted.
(11) After that, a
型材としては厚い膜のパターニングが可能で、後にアルカリ溶液や有機溶剤で除去可能なものが好ましので、型材としては、THBシリーズ(JSR製)やPMERシリーズ(東京応化工業製)などが使用できる。 As the mold material, it is possible to pattern a thick film, which can be removed later with an alkaline solution or an organic solvent. Therefore, as the mold material, the THB series (manufactured by JSR) or the PMER series (manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) can be used. .
後述する実施例では東京応化工業製の商品名:PMER HM−3000を使用しているが当然これに限定されるものではない。膜厚としては1度塗りで60μm以下、複数塗りでも90μm以下が膜厚分布やパターニング性の観点から好ましい。
(12)第1パターン上にメッキシード層となる導電層119をスパッタリング等により成膜する(図5(4))。導電層としてはPt、Au、Cu、Ni、Ti等を使用することができる。後述の樹脂と導電層の密着性がある程度良好でなくては微細なパターンを形成することができないので、他の金属膜を成膜した後にPt、Au、Cu、Ni等を成膜した積層構造にすることもできる。後述の型材を除去する工程で吐出口に対応する部分の導電層を除去できる必要であるので、導電層の厚さの上限は、150nm以下が好ましく、100nm以下であることがより好ましい。150nmより厚いと型材を除去する工程で吐出口に対応する分の導電層を完全に除去しきれない場合がある。導電層の厚さの下限は、10nm以上であることが好ましい。導電層の厚さが10nm以上であればメッキの成長を阻害することはない。
(13)導電層が形成された第1パターン上に後に除去することで吐出口となる第2パターン(吐出口型材レジスト120)を形成する(図6(1)参照)。型材としては、THBシリーズ(JSR製)やPMERシリーズ(東京応化工業製)などが使用できる。本実施例ではPMER LA−900PMを使用しているが当然これに限るものではなく、厚い膜のパターニングが可能で後にアルカリ溶液や有機溶剤で除去可能なものであれば良い。膜厚はとしては第1パターンよりパターニングの精度が必要で30μm以下が好ましい。つまり第1パターンと第2パターンの合計としては120μm以下に作成するのが好ましい。
In the examples to be described later, the product name: PMER HM-3000 manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd. is used, but the present invention is not limited to this. The film thickness is preferably 60 μm or less for a single coating and 90 μm or less for a plurality of coatings from the viewpoint of film thickness distribution and patterning properties.
(12) A
(13) A second pattern (discharge port type material resist 120) to be a discharge port is formed by removing the conductive layer on the first pattern later (see FIG. 6A). As the mold material, THB series (manufactured by JSR), PMER series (manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) and the like can be used. In this embodiment, PMER LA-900PM is used. However, the present invention is not limited to this, and any film can be used as long as a thick film can be patterned and later removed with an alkaline solution or an organic solvent. The film thickness is preferably 30 μm or less because the patterning accuracy is more required than the first pattern. That is, the total of the first pattern and the second pattern is preferably 120 μm or less.
圧力発生室で発生した力を効率良く吐出力に利用するために第1パターン・第2パターンともに上面が下面より小さいテーパになっているのが好ましい。シミュレーションなどを利用して最適な形状を求めることができる。テーパの形成方法としては様々だが、プロキシミティタイプの露光機の場合には基板とマスク間の距離(ギャップ)を離すことで可能である。またグレイスケールマスクなどを利用しても可能である。当然1/5や1/10などの縮小露光を利用すれば微小な吐出口の形成が容易である。さらにグレイスケールマスクを利用すれば単純なテーパ形状ではなく螺旋状にするなど複雑な形状にすることも容易である。
(14)メッキ処理により圧力発生室・吐出口を含む流路構造体114を形成する(図6(2)参照)。メッキの種類には電気メッキや無電解メッキなどがあり単独あるいは組み合わせて使うことがきる。電気メッキは処理液が安価である点、廃液処理が簡易であるという長所があり、無電解メッキはつき回りがよく、均一な膜が形成でき、メッキ皮膜が硬く耐摩耗性があるという長所がある。
In order to efficiently use the force generated in the pressure generating chamber as the discharge force, it is preferable that the upper surface of each of the first pattern and the second pattern has a smaller taper than the lower surface. An optimum shape can be obtained by using a simulation. There are various methods for forming the taper, but in the case of a proximity type exposure machine, it is possible to increase the distance (gap) between the substrate and the mask. It is also possible to use a gray scale mask. Of course, if reduced exposure such as 1/5 or 1/10 is used, it is easy to form minute discharge ports. Furthermore, if a gray scale mask is used, it is easy to form a complicated shape such as a spiral shape instead of a simple tapered shape.
(14) The
電気メッキや無電解メッキを組み合わせる方法は、例えば、まず電気メッキでNi層を厚く形成しその後無電解メッキによりNi−PTFE複合メッキ層を薄く形成するという方法がある。この方法の場合、所望の特性の皮膜を持つメッキ層を安価に形成することができるという利点がある。 As a method of combining electroplating and electroless plating, for example, there is a method of first forming a thick Ni layer by electroplating and then forming a thin Ni-PTFE composite plating layer by electroless plating. In the case of this method, there is an advantage that a plating layer having a film having a desired characteristic can be formed at low cost.
メッキの種類としてはCu、Ni、Cr、Zn、Sn、Ag、Auなどの単金属メッキ、合金メッキ、PTFEなどを析出させる複合メッキなどがあげられる。耐薬品性、強度からNiが好ましく用いられる。また前述したようにメッキ膜に撥水性を与えるにはNi−PTFE複合メッキなどをメッキ工程の仕上げに使用することで得ることができる。 Examples of the plating include single metal plating such as Cu, Ni, Cr, Zn, Sn, Ag, and Au, alloy plating, and composite plating that deposits PTFE. Ni is preferably used because of its chemical resistance and strength. Further, as described above, Ni-PTFE composite plating or the like can be used for finishing the plating process in order to impart water repellency to the plating film.
尚、基板でメッキを行う場合は、ダイの切断領域に例えばフォトリソグラフィー法を用いてメッキの保護膜となるフォトレジストを形成しておくことがこのましい。
(15)前工程で作成されたシリコン基板101の表面側をエッチャントから保護するため、耐アルカリ性を持ち後に有機溶剤などで除去可能な樹脂(エッチング保護膜121)を基板表面に塗布するとともに、シリコン基板101の裏面の開口部を形成する位置のSiO2膜104を除去する(図6(3)参照)。尚、裏面側のみエッチャントに接触させることが可能な治具に基板を装着しても良い。
When plating is performed on the substrate, it is preferable to form a photoresist serving as a protective film for plating using, for example, a photolithography method in the die cutting region.
(15) In order to protect the surface side of the
裏面の図1の振動板後背部空間107に対応する境界部の平行四辺形の狭角の近傍部分に、レーザー加工などによる先導孔122を開けても良い(図7(1)参照)。これにより異方性エッチングの際に平行四辺形の狭角から発生する斜めの(111)面と等価の面が抑制される。この先導孔はエッチングストップ層に限りなく近くまであけるのが好ましい。先導孔の深さは、一般には基板厚さの60%以上好ましくは70%以上、最適には80%以上である。当然基板を貫通してはならない。
A leading
この基板をエッチャントに浸漬し、側面に(111)面と等価の面が出るように異方性エッチングすれば平面形状が平行四辺形の自由空間およびインク供給口を形成することができる(図7(2)参照)。アルカリ系エッチャントとしてはKOH、TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)などがあるが、環境の面からTMAHが好適に使用される。 If this substrate is immersed in an etchant and anisotropic etching is performed so that a surface equivalent to the (111) surface appears on the side surface, a free space having a parallelogram plane and an ink supply port can be formed (FIG. 7). (See (2)). Examples of the alkaline etchant include KOH and TMAH (tetramethylammonium hydroxide). TMAH is preferably used from the viewpoint of the environment.
エッチング後、耐アルカリ性の保護膜121を有機溶剤などで除去する(図7(3)参照)。
(16)次に、アルカリ系エッチャントによるエッチングストップ層であるSiN層を、ドライエッチング等を用いて除去する。
(17)圧力発生室・吐出口を含む流路構造体の型材となっている第1パターンと第2パターン(吐出口型材レジスト120)をアルカリ溶液や有機溶剤によって除去する。
(18)第2パターン(吐出口型材レジスト120)が除去された後、開口部の底部に露出するメッキシード層119を、個別圧力発生室壁114をマスクに例えばドライエッチング法を用いてエッチング除去する。
After the etching, the alkali-resistant
(16) Next, the SiN layer, which is an etching stop layer using an alkaline etchant, is removed using dry etching or the like.
(17) The first pattern and the second pattern (discharge port mold material resist 120), which are the mold material of the flow path structure including the pressure generating chamber / discharge port, are removed with an alkaline solution or an organic solvent.
(18) After the second pattern (discharge port type material resist 120) is removed, the
その後、基板を切断してインクジェット記録ヘッド用のダイを得ることができる。(1)〜(16)の工程はこれに限られるものではなく、異方性エッチングを用いないで、裏面の貫通穴をICPで開けることも可能である。この場合には、最初の犠牲層102の埋め込み工程が不要になる。エッチングストップ層も、Si3N4単層膜、またはSiO2とSi3N4の積層のどちらでも選ぶことが可能である。
Thereafter, the substrate can be cut to obtain an ink jet recording head die. The steps (1) to (16) are not limited to this, and it is also possible to open a through hole on the back surface with ICP without using anisotropic etching. In this case, the first step of filling the
また、メッキのシードの形成も、シードの場所や作製手順を入れ替えても良い。 In addition, the formation of the seed for plating may be performed by changing the location of the seed and the manufacturing procedure.
尚、本発明のインクジェット記録ヘッドは、インクだめに複数の圧力発生室が連通孔を介して接続された形態をとることも、インクだめに圧力発生室が連通孔を介して接続されたインクジェット部を複数個設ける形態をとることもできることはいうまでもない。 The ink jet recording head of the present invention may take a form in which a plurality of pressure generating chambers are connected to the ink reservoirs through the communication holes, or an ink jet unit in which the pressure generating chambers are connected to the ink reservoirs through the communication holes. Needless to say, it is possible to adopt a form in which a plurality of layers are provided.
<実施例1>
図1は本発明による実施例を示すインクジェット記録ヘッドの断面模式図である。基板として厚さ635μmの面方位(110)のSi基板101を用いた。
<Example 1>
FIG. 1 is a schematic sectional view of an ink jet recording head showing an embodiment according to the present invention. A
Si基板101上に、Si3N4膜103をLPCVDで300nm、SiO2膜104をCVDで200nm、貼り合わせと研磨でSi単結晶層105を2μm形成し、バッファー層105としてYSZ膜をスパッターで10nm堆積し、電極112としてPtを150nmスパッターで堆積し、単結晶チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)110を2μmスパッターで堆積した、上部電極111としてTi/Ptを10/150nm、その上に保護膜113のSiO2を100nm堆積した。
On
シリコン基板には振動板109の背面の空間を形成するために異方性エッチングによって振動板後背部空間となる穴107と裏面からインク供給口108となる穴を形成した。
In order to form a space behind the
基板上には、個別圧力発生室114を形成した。圧力発生室の材質はNiでメッキによって形成した。圧力発生室の内壁の高さは60μm、壁厚さは20μmであった。圧力発生室の端には連通孔115を設け、共通液室(不図示)と繋げた。
An individual
個別圧力発生室の逆の端には直径26μmのインク吐出口116を形成し、振動板109の変形によって押し出されたインクが、矢印117の経路を通って吐出され媒体に印字されるようにした。
An
図2は基板の上面図である(電極等は不図示)。隣接した圧力発生室を、Siの(111)面に垂直な方向に150個並列して配置した。図中では個別圧力発生壁114で示した。ノズル(吐出口116)は個別圧力発生壁114で覆われているが、配列のピッチは84.7μmとした。
FIG. 2 is a top view of the substrate (electrodes and the like are not shown). Adjacent pressure generation chambers were arranged in parallel in a direction perpendicular to the Si (111) plane. In the figure, it is indicated by an individual
図3は裏面図である。Siの(111)面に平行に、平行四辺形の長辺がくるようにパターンを形成し、TMAHを用いたウエットエッチングにより振動板背面空間107およびインク供給口108を形成した。振動板背面空間の長辺方向の長さは700μm、インク供給口の長辺方向の長さは500μmとした。
FIG. 3 is a rear view. A pattern was formed so that the long sides of the parallelogram were parallel to the (111) plane of Si, and the diaphragm back
このヘッドを使って、粘度5cpの水性インクを用いて、30KHzで3plの液滴、幅12.5mmで不吐出のない高品位な印字物が得られた。 Using this head, a high-quality printed matter having 3 pl droplets at 30 KHz and a width of 12.5 mm with no ejection was obtained using aqueous ink having a viscosity of 5 cp.
<実施例2>
図9を使って、本発明の第2の実施例を説明する。
<Example 2>
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
第1の実施例では振動板が圧電素子の下に形成されているのに対して、第2の実施例では、振動板が圧電素子の上に形成されている。 In the first embodiment, the diaphragm is formed below the piezoelectric element, whereas in the second embodiment, the diaphragm is formed on the piezoelectric element.
構成要素は実施例1のSiの振動板をエッチングして、圧電素子208の下にはPt電極とYSZが配置され、圧電素子の上にはプラズマCVDで堆積された2μmのSiNx膜が配置され振動板209として機能する。
The constituent elements are obtained by etching the Si diaphragm of Example 1, and a Pt electrode and YSZ are disposed under the
このヘッドを使って、粘度3cpのトルエンを主成分とするインクを用いて、15KHzで3plの液滴、幅12.5mmで不吐出のない高品位な印字物が得られた。 Using this head, an ink mainly composed of toluene having a viscosity of 3 cp was used, and a 3 pl droplet at 15 KHz, a width of 12.5 mm and a high-quality printed matter without ejection failure was obtained.
<実施例3>
本実施例によるインクジェット記録ヘッドのプロセスの実施例を、図4を使って順を追って説明する。
(1)外径150mm、厚さ630μm、基板面方位(110)のシリコン基板101に、高密度プラズマエッチング装置(ICP)で、上面から見た図8のように各辺が(111)と等価の面に平行になるような、狭角が70.5度をなす長辺の長さが3mm、短辺の長さが70μmの平行四辺形の凹部(振動板後背部空間107に対応する位置)と、長辺の長さが500μm、短辺の長さが70μmの平行四辺形の凹部(インク供給口108に対応する位置)を形成した。
(2)シリコン基板101の平行四辺形の凹部が形成された面に、LPCVD法でポリシリコンを堆積して研磨して、凹部が埋められたような犠牲層102を形成した(図4(1)参照)。
(3)シリコン基板101の平行四辺形の凹部が形成された面に、LPCVD法でSi3N4膜103を300nm形成した。
(4)さらに、熱CVD法でSiO2膜104をシリコン基板101の100nm堆積した(図4(2)参照)。
(5)シリコン基板101の平行四辺形の凹部が形成された面に面方位が(100)の単結晶Si基板を高温下で貼り合わせ、その後研磨して、単結晶Si層105を形成する(図4(3)参照)。厚さ10nmのYSZ膜106をバッファー層として、基板温度800℃でAr/O2雰囲気下でスパッター法を用いて形成する(図4(4)参照)。
(6)振動板後背部空間107を形成する犠牲層102に合わせて、厚さ150nmのPtを基板温度800℃、Ar雰囲気下でスパッター法を用いて堆積して下層電極112を形成した。
(7)下層電極112上に、厚さ2μmのPZTの単結晶を、反応性スパッター法を用い、基板温度600℃、Ar/O2雰囲気下で堆積し圧電素子膜110をエピタキシャル成長した。
(8)その後、上部電極111として、Ti10nm、Pt150nmをスパッター法で堆積し、フォトリソグラフィー法を用いてエッチングを用いてパターニングし圧電素子部を形成した(図4(5)参照)。
(9)形成した圧電素子部上に、プラズマCVD法を使って、SiOx膜を100nm堆積して保護膜113を形成した(図5(1)参照)。
(10)インク供給口につながる連通孔115をエッチングにより形成した(図5(2)参照)。
(11)基板上に圧力発生室の型材118となるフォトレジスト(東京応化工業製の商品名 PMER HM−3000PM)をスピンナ−で60μm厚に形成し乾燥後フォトリソグラフィー法を用いてパターニングした(図5(3)参照)。
(12)メッキの際のメッキシード層となる導電層119となるTi/Cuをそれぞれ25nm/75nmの厚さにスパッタリングにより成膜、パターニングした。TiはCuの基板に対する密着性向上や導電性向上を目的に成膜した。
(13)吐出口型材120となるフォトレジスト(東京応化工業製の商品名 PMER LA−900PM)をスピンナで25μmに形成し乾燥後、パターニングした。型材の露光にはプロキシミティタイプの露光機を使いマスクと基板のギャップを120μmにすることでテーパ形状にした。
(14)次に、電気メッキでNi層を18μm形成し、その後無電解メッキによりNi−PTFE複合メッキ層を3μm形成し圧力室壁114とした。
(15)次に、基板表面に、基板表面側を保護するために東京応化工業製の環化ゴム系樹脂であるOBCを塗布しエッチング保護膜121を形成した(図6(3)参照)。その後、裏面の平行四辺形の狭角の近傍部分にレーザー加工で先導孔129を開けた(図7(1)参照)。先導孔は、直径20μmで深さは基板の厚さの80%にした。基板に対してTMAH22wt%、80℃にて所定の時間、異方性エッチングを行った。
<Example 3>
An embodiment of the process of the ink jet recording head according to the present embodiment will be described step by step with reference to FIG.
(1) A
(2) On the surface of the
(3) A 300 nm Si 3 N 4 film 103 was formed by LPCVD on the surface of the
(4) Further, a SiO 2 film 104 was deposited to a thickness of 100 nm on the
(5) A single crystal Si substrate having a plane orientation of (100) is bonded to the surface of the
(6) In accordance with the
(7) On the
(8) Thereafter, Ti 10 nm and Pt 150 nm were deposited by sputtering as the
(9) A
(10) The
(11) A photoresist (trade name PMER HM-3000PM, manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) having a thickness of 60 μm is formed on a substrate to a thickness of 60 μm by using a spinner and patterned using a photolithography method (FIG. 5 (3)).
(12) Ti / Cu to be a
(13) A photoresist (trade name PMER LA-900PM manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) to be the discharge
(14) Next, a Ni layer was formed to 18 μm by electroplating, and then a Ni—PTFE composite plating layer was formed to 3 μm by electroless plating to form a
(15) Next, in order to protect the substrate surface side, OBC, which is a cyclized rubber resin manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., was applied to the substrate surface to form an etching protective film 121 (see FIG. 6 (3)). Thereafter, a leading hole 129 was formed by laser processing in the vicinity of the narrow angle of the parallelogram on the back surface (see FIG. 7 (1)). The lead hole had a diameter of 20 μm and a depth of 80% of the thickness of the substrate. The substrate was subjected to anisotropic etching at TMAH 22 wt% and 80 ° C. for a predetermined time.
先導孔の直径が狭くなりすぎると基板の80%(約500μm)の深い孔を開口することが困難となり、直径が広すぎると、深い開口を形成するのに時間がかかりすぎるので、先導孔の直径は約15〜30μmが好ましい。
(16)異方性エッチング後エッチング保護膜121をキシレンで除去し、その後エッチングストップ層であるSi3N4層103をケミカルドライエッチング(CDE法)で除去した。ここで、振動板109が形成された。最後に荒川化学工業製のダイレクトパスを使って型材を除去した。この時、溶剤としては荒川化学工業株式会社製の商品名パインアルファST−380を使用した。
If the diameter of the leading hole is too narrow, it becomes difficult to open a deep hole of 80% (about 500 μm) of the substrate, and if the diameter is too wide, it takes too much time to form the deep opening. The diameter is preferably about 15-30 μm.
(16) After anisotropic etching, the etching
完成したヘッドの吐出口上面は20μm、下面は30μmであった。圧力発生室の隔壁は21μmであった。形成された自由空間の長辺方向の長さは3mm、インク供給口の長辺方向の長さは500μmであった。 The completed head had a discharge port upper surface of 20 μm and a lower surface of 30 μm. The partition wall of the pressure generating chamber was 21 μm. The length of the formed free space in the long side direction was 3 mm, and the length of the ink supply port in the long side direction was 500 μm.
このヘッドを使って、粘度2cpの水性インクを用いて、25KHzで5plの液滴で不吐出のない高品位な印字物が得られた。 Using this head, a high-quality printed matter having no ejection with 5 pl droplets at 25 KHz was obtained using aqueous ink having a viscosity of 2 cp.
<参考例>
本参考例のインクジェット記録ヘッドの製造工程を図10〜13を用いて順を追って説明する。
(1)外径150mm、厚さ200μmのシリコン基板301を熱酸化し、その後、表面をエッチングし裏面にSiO2膜302を600nm形成した。
(2)その後、シリコン基板301の表面に、LPCVD法で厚さ300nmのSi3N4膜303を堆積した(図10(1)参照)。
(3)基板面方位(100)の単結晶Si基板の表面を陽極化成して多孔質にしたものに、Siを200nmエピ成長した単結晶Si基板のエピ成長したシリコン層とシリコン基板301のSi3N4膜303とを高温下で貼り合わせた後、単結晶Si基板を多孔質層から引きはがし、表面をフッ酸0.3%、過酸化水素20%の入った水溶液でエッチングし、さらにH2中で1000℃のアニールを行い、単結晶Si層304を形成した(図10(2)参照)。
(4)単結晶Si層304上に厚さ10nmのYSZ膜をバッファー層305として、スパッター法を用い、基板温度800℃、Ar/O2雰囲気で形成した(図10(3)参照)。
(5)下層電極306として厚さ150nmのPtを、スパッター法を用い基板温度800℃、Ar雰囲気で形成した。
(6)下層電極306上に、反応性スパッター法を用いて、Ar/O2雰囲気下、基板温度600℃でPZTの単結晶を2μm堆積し圧電素子膜307をエピタキシャル成長した。
(7)圧電素子膜307上に上部電極308として、Ti:10nm、Pt:150nmをスパッター法で堆積してパターニングした(図10(4)参照)。
(8)形成した圧電素子部上に、プラズマCVD法を使って、SiNx膜を2μm堆積して保護膜309を形成した(図11(1)参照)。
(9)バッファー層305、単結晶シリコン層304およびSi3N4膜303をエッチング除去して、インク供給口につながる連通孔310を形成した。
(10)基板上に圧力発生室の型材311となるフォトレジスト(東京応化工業製 商品名 PMER HM−3000PM)をスピンナで60μmの厚さに形成し、乾燥後パターニングした。
(11)メッキの際の導電層312となるTi/Cuをそれぞれ25nm/75nmの厚さにスパッタリングにより成膜後、パターニングした。TiはCuの基板に対する密着性向上や導電性向上を目的に成膜した。
(12)吐出口の型材313となるフォトレジスト(東京応化工業株式会社製 商品名 PMER LA−900PM)をスピンナで25μmの厚さに形成し、乾燥後パターニングした。型材の露光にはプロキシミティタイプの露光機を使いマスクと基板のギャップを120μmにすることでテーパ形状にした。
(13)次に電気メッキでNi層を18μm形成し、その後無電解メッキによりNi−PTFE複合メッキ層を3μm形成し圧力室壁314とした(図12(2)参照)。
(14)裏面のSiO2302を図12(3)のようにパターニングして、開口部315及び開口部316を形成した。次いで、これらの開口部を利用して、ICPにてSiをエッチングし、Si3N4までの深さを掘り込んだ。
(15)エッチングストップ層であるSiN層303とSi層304をケミカルドライエッチング(CDE法)で除去した(図13(2)参照)。荒川化学工業製のダイレクトパスを使って型材311を除去した。この時、溶剤としては荒川化学工業株式会社製の商品名 パインアルファST−380を使用した(図13(3)及び図14参照)。吐出口の型材とそこにあるメッキシード層とを除去して、液体吐出ヘッドを製造した。
< Reference example >
The manufacturing process of the ink jet recording head of this reference example will be described step by step with reference to FIGS.
(1) A
(2) Thereafter, a Si 3 N 4 film 303 having a thickness of 300 nm was deposited on the surface of the
(3) An epitaxially grown silicon layer of a single-crystal Si substrate obtained by epitaxially growing Si to 200 nm and Si of the
(4) A YSZ film having a thickness of 10 nm was formed as a
(5) Pt having a thickness of 150 nm was formed as the
(6) On the
(7) Ti: 10 nm and Pt: 150 nm were deposited by sputtering on the
(8) On the formed piezoelectric element portion, a
(9) The
(10) A photoresist (trade name PMER HM-3000PM, manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) having a thickness of 60 μm was formed on the substrate with a spinner, and patterned after drying.
(11) Ti / Cu to be the
(12) A photoresist (trade name PMER LA-900PM, manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) to be a
(13) Next, an Ni layer was formed to 18 μm by electroplating, and then a Ni—PTFE composite plating layer was formed to 3 μm by electroless plating to form a pressure chamber wall 314 (see FIG. 12 (2)).
(14) The
(15) The
完成したヘッドの吐出口上面は26μm、下面は33μmであった。圧力発生室の隔壁は21μmであった。形成された自由空間の長辺方向の長さは3mm、インク供給口の長辺方向の長さは500μmであった。 The completed head had a discharge port upper surface of 26 μm and a lower surface of 33 μm. The partition wall of the pressure generating chamber was 21 μm. The length of the formed free space in the long side direction was 3 mm, and the length of the ink supply port in the long side direction was 500 μm.
このヘッドを使って、粘度2cpの水性インクを用いて、15KHzで20plの液滴で不吐出のない高品位な印字物が得られた。 Using this head, a high-quality printed matter having no ejection with a 20 pl droplet at 15 KHz was obtained using a water-based ink having a viscosity of 2 cp.
Claims (4)
前記Si基板上に、選択的にエッチングを行うことが可能な犠牲層であって、上方から見た形状が、狭角が70.5度をなす平行四辺形である犠牲層を、前記平行四辺形の各辺が(111)面と等価の面に平行になる様に設ける工程と、
前記Si基板の表面上にエッチングストップ層を介して単結晶Si層が積層された構造体を用意する工程と、
前記単結晶Si層上に、前記一対の電極膜の一方を介して単結晶薄膜または分極方向に優先配向した薄膜からなる前記圧電材膜を形成する工程と、
前記圧電材膜上に、前記圧力発生室を形成する工程と、
前記Si基板の、前記平行四辺形の狭角の近傍部分に、前記Si基板の裏側から先導孔を設ける工程と、
前記Si基板の裏面側から前記Si基板の前記圧電材膜に対応する個所と前記犠牲層とを、前記先導孔によって前記主面に対して斜めの(111)面と等価の面の形成を抑制しつつ異方性エッチングによって除去し、前記基板に前記空間を形成する工程と、を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。 A pressure generating chamber communicating with a discharge port for discharging a liquid is provided on the surface of a Si substrate having a surface orientation of {110}, and the piezoelectric material film is sandwiched between the piezoelectric material film and the pressure generating chamber. A piezoelectric element including a pair of electrode films, and a space is formed in a portion of the Si substrate corresponding to the piezoelectric element, and a side surface of the space is a surface equivalent to the ( 111 ) surface, A method of manufacturing a liquid ejection head, wherein the side surface of the space formed in the Si substrate is substantially perpendicular to the main surface of the Si substrate before the space is formed,
A sacrificial layer that can be selectively etched on the Si substrate, and the sacrificial layer as viewed from above is a parallelogram having a narrow angle of 70.5 degrees. Providing each side of the shape in parallel with a plane equivalent to the ( 111 ) plane;
Preparing a structure in which a single crystal Si layer is laminated on the surface of the Si substrate via an etching stop layer;
Forming the piezoelectric material film formed of a single crystal thin film or a thin film preferentially oriented in the polarization direction on one of the pair of electrode films on the single crystal Si layer;
Forming the pressure generating chamber on the piezoelectric material film;
A step of providing a leading hole from the back side of the Si substrate in the vicinity of the narrow angle of the parallelogram of the Si substrate;
The portion corresponding to the piezoelectric material film of the Si substrate from the back surface side of the Si substrate and the sacrificial layer are suppressed by the leading hole from forming a surface equivalent to the (111) plane oblique to the main surface. And a step of forming the space in the substrate by removing the layer by anisotropic etching.
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