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JP4082424B2 - Inkjet head - Google Patents
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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Description

本発明は、記録を必要とする時にのみインク液滴を吐出し、記録紙面に付着させるインクジェットヘッド記録装置の主要部であるインクジェットヘッドの製造方法の関する。   The present invention relates to a method for manufacturing an ink jet head, which is a main part of an ink jet head recording apparatus, which ejects ink droplets only when recording is necessary and adheres them to a recording paper surface.

インクジェット記録装置は、記録時の騒音が極めて小さいこと、高速印字が可能であること、インクの自由度が高く安価な普通紙を使用できることなど多くの利点を有する。この中でも記録が必要な時にのみインク液滴を吐出する、いわゆるインク・オン・デマンド方式が、記録に不要なインク液滴の回収を必要としないため、現在主流となっている。   The ink jet recording apparatus has many advantages such as extremely low noise during recording, high-speed printing, and use of inexpensive plain paper with a high degree of freedom of ink. Among them, a so-called ink-on-demand system that discharges ink droplets only when recording is necessary does not require collection of ink droplets that are not necessary for recording, and is currently mainstream.

このインク・オン・デマンド方式の記録にインクジェットヘッド記録装置には、インク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インクジェットヘッド記録装置(特開平6−71882号公報)があり、この方式は小型高密度・高印字品質及び長寿命とあるという利点を有している。   Ink-jet head recording apparatuses for ink-on-demand recording include an ink-jet head recording apparatus (Japanese Patent Laid-Open No. 6-71882) using electrostatic force as a driving means as a method for ejecting ink. Has the advantage of small size, high density, high printing quality and long life.

また、振動板をSi基板をエッチングして形成する手段として、特願平8−43602号7頁9行記載のエッチングストップ技術を用い、P型不純物層のエッチング速度が遅いことを利用し、P型不純物層のみをエッチングにより残留せしめて、振動板となるSi薄膜を高精度に形成する方法が取られるようになってきた。   Further, as a means for forming the diaphragm by etching the Si substrate, an etching stop technique described in Japanese Patent Application No. 8-43602, page 7, line 9 is used. A method has been adopted in which only the type impurity layer is left by etching, and a Si thin film to be a vibration plate is formed with high accuracy.

特開平6−71882号公報Japanese Patent Laid-Open No. 6-71882 特願平8−43602号公報Japanese Patent Application No. 8-43602

しかしながら、振動板を形成したSi基板をヘッドに組み立てて長期間駆動させると、吐出室を構成する隔壁部と振動板の接続部に応力が集中し、この応力の集中により振動板接続部に亀裂が走り、インクが静電駆動に必要な振動板と対向電極のギャップに侵入して、駆動が不可能になる課題があった。そこで、本発明は上記した様な課題を解決するもので、その目的とするところは隔壁部と振動板の接続部の機械的強度を増し、振動板の長期間駆動に対する耐久性を向上させ、信頼性の高いインクジェットヘッドの製造方法を提供するところにある。     However, when the Si substrate on which the vibration plate is formed is assembled to the head and driven for a long period of time, stress concentrates on the connection portion between the partition wall and the vibration plate constituting the discharge chamber, and this concentration of stress causes cracks in the vibration plate connection portion. Running, the ink penetrates into the gap between the diaphragm and the counter electrode necessary for electrostatic driving, and there is a problem that driving becomes impossible. Therefore, the present invention solves the problems as described above, the purpose of which is to increase the mechanical strength of the connecting portion between the partition wall and the diaphragm, improve the durability of the diaphragm against long-term driving, An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a highly reliable inkjet head.

本発明のインクジェットは、
インク液滴を吐出する単一または複数のノズル孔と、該ノズル孔の各々に連結する吐出室と、該吐出室の少なくとも一方の壁を構成する振動板と、該振動板に変形を生じさせる駆動手段とを備え、該駆動手段が該振動板を静電気力に変形させる電極からなり、該振動板が形成される基板がSi基板であるインクジェットヘッドにおいて、該吐出室を構成する隔壁部と該振動板の接続部に斜面部を設けたことを特徴とする。
The inkjet of the present invention is
Single or a plurality of nozzle holes for discharging ink droplets, a discharge chamber connected to each of the nozzle holes, a vibration plate constituting at least one wall of the discharge chamber, and deformation of the vibration plate Drive means, and the drive means comprises an electrode that deforms the vibration plate to electrostatic force, and in the inkjet head in which the substrate on which the vibration plate is formed is a Si substrate, the partition wall portion that forms the discharge chamber, and the A slope portion is provided at the connection portion of the diaphragm.

また、前記インクジェットヘッドの製造方法において、振動板が高濃度p型不純物層からなるSi基板であって、該Si基板の高濃度p型不純物層が形成された面の反対面の、該高濃度p型不純物層の近傍までのSi基板のエッチングを高濃度水酸化カリウム水溶液で行い、該高濃度p型不純物層の近傍から該高濃度p型不純物層までのエッチングを低濃度水酸化カリウム水溶液で行い、該高濃度p型不純物層を残留させて該振動板を形成することを特徴とする。   Further, in the method of manufacturing an ink jet head, the vibration plate is a Si substrate made of a high concentration p-type impurity layer, and the high concentration of the Si substrate opposite to the surface on which the high concentration p-type impurity layer is formed. Etching of the Si substrate to the vicinity of the p-type impurity layer is performed with a high concentration potassium hydroxide aqueous solution, and etching from the vicinity of the high concentration p-type impurity layer to the high concentration p-type impurity layer is performed with a low concentration potassium hydroxide aqueous solution. And the diaphragm is formed by leaving the high-concentration p-type impurity layer.

また、前記インクジェットヘッドの製造方法において、振動板が高濃度p型不純物層からなるSi基板であって、該Si基板の高濃度p型不純物層が形成された面の反対面の、該高濃度p型不純物層の近傍までのSi基板のエッチングを複数の厚みでパターニングされた酸化膜をエッチングマスクで行うことを特徴とする。   Further, in the method of manufacturing an ink jet head, the vibration plate is a Si substrate made of a high concentration p-type impurity layer, and the high concentration of the Si substrate opposite to the surface on which the high concentration p-type impurity layer is formed. Etching of the Si substrate up to the vicinity of the p-type impurity layer is performed using an oxide mask patterned with a plurality of thicknesses using an etching mask.

前記した低濃度水酸化カリウム水溶液の濃度が、0.5〜10wt%であることを特徴とし、あるいは、高濃度水酸化カリウム水溶液の濃度が、35〜55wt%であることを特徴とする。   The low concentration potassium hydroxide aqueous solution has a concentration of 0.5 to 10 wt%, or the high concentration potassium hydroxide aqueous solution has a concentration of 35 to 55 wt%.

インクジェットヘッドの吐出室を構成する隔壁部と振動板の接続部に斜面を形成したことにより、隔壁部と振動板の接続部への応力集中が減少し、接続部の耐久性が向上する。そして、接続部への応力集中による振動板の破損を防いだことによってインクジェットヘッドの長期駆動における信頼性を高めることができる。     By forming the inclined surface at the connecting portion between the partition wall and the diaphragm constituting the discharge chamber of the inkjet head, the stress concentration on the connecting portion between the partition wall and the diaphragm is reduced, and the durability of the connecting portion is improved. And the reliability in the long-term drive of an inkjet head can be improved by preventing the failure | damage of the diaphragm by the stress concentration to a connection part.

(実施例1)
図1は、本発明の第1の実施例に関わるインクジェットヘッドの分解斜視図で、一部断面図で示してある。本実施例はインク液滴を基板の面部に設けたノズル孔から吐出させるフェイスインクジェットヘッドの例を示すものである。図2は組み立てられた全体装置の側面の断面図、図3は図2のA−A‘線矢視図である。本実施例のインクジェットヘッドは、下記に詳記する構造を持つ3枚の基板1・2・3を重ねて接合した積層構造となっている。
Example 1
FIG. 1 is an exploded perspective view of the ink jet head according to the first embodiment of the present invention, and is a partial cross-sectional view. This embodiment shows an example of a face inkjet head that ejects ink droplets from nozzle holes provided on the surface of a substrate. 2 is a side sectional view of the assembled entire apparatus, and FIG. 3 is a view taken along the line AA ′ in FIG. The ink jet head of this embodiment has a laminated structure in which three substrates 1, 2, 3 having a structure described in detail below are stacked and joined.

中間の第1の基板1は、Si基板であり、底壁を振動板5とする吐出室6を構成することになる凹部7と、凹部7の後部に設けられたオリフィス8を構成することになるインク流入口のための細溝9と、各々の吐出室6にインクを供給するための共通のインクキャビティ10を構成することになる凹部11を有する。そして、隔壁部18と振動板5の接続部19に斜面20を儲けている。第1の基板の全面に、熱酸化により酸化膜を0.1ミクロン形成し絶縁膜としている。これは、インクジェット駆動時の絶縁破壊、ショートを防止するためである。   The intermediate first substrate 1 is a Si substrate, and constitutes a recess 7 that constitutes a discharge chamber 6 having a bottom wall as a diaphragm 5 and an orifice 8 provided at the rear of the recess 7. A narrow groove 9 for an ink inflow port, and a recess 11 that constitutes a common ink cavity 10 for supplying ink to each discharge chamber 6. A slope 20 is provided on the connecting portion 19 between the partition wall 18 and the diaphragm 5. An oxide film having a thickness of 0.1 microns is formed on the entire surface of the first substrate by thermal oxidation to form an insulating film. This is to prevent dielectric breakdown and short-circuit during ink jet driving.

第1の基板1の下面に接合される第2の基板2は、ホウケイ酸ガラスを使用し、この第一の基板1に電極15を装着するための凹部14を0.3ミクロンエッチングすることにより、振動板5とこれに対向して配置させる電極15との対向間隔、すなわちギャップGを形成している。この凹部14はその内部に電極15、リード部16及び端子17を装着できるように電極部形状に類似したやや大きめの形状にパターン形成している。電極は凹部14内にITOを0.1ミクロンスパッタし、ITOパターンを形成することで作製する。したがって、本実施例における第1の基板1と第2の基板2を陽極接合した後のギャップGは、0.2ミクロンとなっている。   The second substrate 2 bonded to the lower surface of the first substrate 1 uses borosilicate glass, and the recess 14 for mounting the electrode 15 on the first substrate 1 is etched by 0.3 microns. A gap G, that is, a gap G, is formed between the diaphragm 5 and the electrode 15 disposed to face the diaphragm 5. The concave portion 14 is patterned in a slightly larger shape similar to the shape of the electrode portion so that the electrode 15, the lead portion 16 and the terminal 17 can be mounted therein. The electrode is manufactured by sputtering ITO into the recess 14 by 0.1 microns to form an ITO pattern. Therefore, the gap G after the anodic bonding of the first substrate 1 and the second substrate 2 in this embodiment is 0.2 microns.

また、第1の基板の上面に接合される第3の基板3には、厚さ100ミクロンのSi基板を用い、基板3の面部に、吐出室6用の凹部7と連通するようにそれぞれノズル孔12を設け、またインクキャビティ10用の凹部11と連通するようにインク供給口13を設ける。   Further, a Si substrate having a thickness of 100 microns is used as the third substrate 3 bonded to the upper surface of the first substrate, and nozzles are respectively connected to the surface portion of the substrate 3 so as to communicate with the recess 7 for the discharge chamber 6. A hole 12 is provided, and an ink supply port 13 is provided so as to communicate with the recess 11 for the ink cavity 10.

上記のように構成されたインクジェットヘッドの動作を説明する。電極15に発信回路23により0Vから35Vのパルス電極を印加し、電極15の表面がプラスに帯電すると、対応する振動板5の下面はマイナス電位に帯電する。したがって、振動板5は静電気の吸引作用により下方へたわむ。次に、電極15をOFFにすると、振動板5は復元する。そのため、吐出室6内の圧力が急激に上昇し、ノズル孔12よりインク液滴21を記録紙22に向けて吐出する。次に、振動板5が再び下方へたわむことにより、インクがインクキャビティ10よりオリフィス8を通じて吐出室6内に補給される。なお、基板1と発信回路23との接続は、ドライエッチングにより基板1の1部に開けた酸化膜の窓(図示せず)において行う。また、インクジェットヘッドへのインクの供給は、インクキャビティ10の端部のインク供給口13により行う。   The operation of the ink jet head configured as described above will be described. When a pulse electrode of 0V to 35V is applied to the electrode 15 by the transmission circuit 23 and the surface of the electrode 15 is positively charged, the lower surface of the corresponding diaphragm 5 is charged to a negative potential. Therefore, the diaphragm 5 bends downward due to electrostatic attraction. Next, when the electrode 15 is turned off, the diaphragm 5 is restored. For this reason, the pressure in the discharge chamber 6 rapidly increases, and the ink droplets 21 are discharged from the nozzle holes 12 toward the recording paper 22. Next, when the vibration plate 5 is bent downward again, ink is supplied from the ink cavity 10 into the discharge chamber 6 through the orifice 8. The connection between the substrate 1 and the transmission circuit 23 is made in an oxide film window (not shown) opened in a part of the substrate 1 by dry etching. Further, ink is supplied to the inkjet head through the ink supply port 13 at the end of the ink cavity 10.

本発明第一の実施例におけるインクジェットヘッドの振動板と隔壁部に斜面を形成した場合について、第1の基板1の製造方法を図4の第1の基板の拡散工程図および図5の第1の基板のエッチング工程図において、B2O3を不純物拡散源として、厚さ2ミクロンの振動板を形成する場合について詳細に説明する。   In the first embodiment of the present invention, when the inclined surface is formed on the diaphragm and the partition wall of the ink jet head, the manufacturing method of the first substrate 1 is the diffusion process diagram of the first substrate of FIG. 4 and the first of FIG. In the substrate etching process diagram, a case where a diaphragm having a thickness of 2 microns is formed using B2O3 as an impurity diffusion source will be described in detail.

本実施例のインクジェットヘッドにおける振動板は、高濃度にP型不純物を拡散したSi薄膜である。このSi薄膜は、アルカリ水溶液によるSiエッチングにおけるエッチングレートが、ドーパントがボロンの場合、高濃度(約5×1019cm−3以上)の領域において、エッチングレートが非常に小さくなることを利用して作製される。すなわち、振動板形成領域を高濃度ボロンドープ層とし、アルカリ異方性エッチングにより、吐出室、インクキャビティを形成する際に、ボロンドープ層が露出した時点でエッチングレートが極端に小さくなる、いわゆるエッチストップ技術によって、振動板は所望の板厚に作製される。   The diaphragm in the ink jet head of this example is a Si thin film in which P-type impurities are diffused at a high concentration. This Si thin film is manufactured by utilizing the fact that the etching rate in Si etching with an alkaline aqueous solution is very small in the region of high concentration (about 5 × 10 19 cm −3 or more) when the dopant is boron. The That is, a so-called etch stop technique in which the diaphragm forming region is a high-concentration boron-doped layer and the etching rate becomes extremely small when the boron-doped layer is exposed when forming discharge chambers and ink cavities by alkali anisotropic etching. Thus, the diaphragm is manufactured to a desired plate thickness.

先ず、(110)を面方位とするSi基板41の両面を鏡面研磨し、180ミクロンの厚みの基板を作製する(図4(a))。Si基板41を、熱酸化炉にセットし、酸素および水蒸気雰囲気中で摂氏1100度、4時間で熱酸化処理を施し、Si基板41表面に酸化膜42を1.2ミクロン成膜する(図4(b))。次いで、ボロンドープ層を形成する面43の酸化膜42を剥離するため、Si基板41のボロンドープ層を形成する面43の反対の面44にレジストをコートし、レジストを保護膜としてボロンドープ層を形成する面43の酸化膜42をふっ酸水溶液にてエッチング除去し、レジストを剥離する(図4(c))。拡散源となるB2O3を有機溶剤中に3.15wt%を分散した拡散剤45を、酸化膜を除去したボロンドープ層を形成する面43に2000rpm、1分間の条件でス
ピンコーティングし、クリーンオーブン中で摂氏140度の温度で30分間ベークする(図4(d))。このとき拡散剤45の厚みは1.2ミクロンとなる。
First, both surfaces of the Si substrate 41 having a plane orientation of (110) are mirror-polished to produce a substrate having a thickness of 180 microns (FIG. 4A). The Si substrate 41 is set in a thermal oxidation furnace, and is subjected to thermal oxidation treatment at 1100 degrees Celsius for 4 hours in an oxygen and water vapor atmosphere to form an oxide film 42 on the surface of the Si substrate 41 with a thickness of 1.2 microns (FIG. 4). (B)). Next, in order to remove the oxide film 42 on the surface 43 on which the boron doped layer is to be formed, a resist is coated on the surface 44 opposite to the surface 43 on which the boron doped layer is to be formed on the Si substrate 41, and a boron doped layer is formed using the resist as a protective film. The oxide film 42 on the surface 43 is removed by etching with a hydrofluoric acid aqueous solution, and the resist is peeled off (FIG. 4C). A diffusion agent 45 in which 3.15 wt% of B2O3 serving as a diffusion source is dispersed in an organic solvent is spin-coated on the surface 43 on which the boron-doped layer from which the oxide film has been removed is formed at 2000 rpm for 1 minute. Bake for 30 minutes at a temperature of 140 degrees Celsius (FIG. 4D). At this time, the thickness of the diffusing agent 45 is 1.2 microns.

拡散剤45をコーティングしたSi基板41を熱酸化炉にセットし、酸素雰囲気中、摂氏600度の条件で加熱し、拡散剤45中の有機バインダーを酸化除去しB2O3を焼成する。引き続き炉内を窒素雰囲気にし、温度を摂氏1100度に上昇させ、そのまま温度を12時間保持し、ボロンをSi基板中に拡散させ、ボロンドープ層46を形成する。このとき、拡散剤45(B2O3)とSi基板41表面ボロンドープ層46の界面にボロン化合物47が形成されている(図4(e))。   The Si substrate 41 coated with the diffusing agent 45 is set in a thermal oxidation furnace, heated in an oxygen atmosphere at a temperature of 600 degrees Celsius, the organic binder in the diffusing agent 45 is oxidized and removed, and B 2 O 3 is baked. Subsequently, the inside of the furnace is put into a nitrogen atmosphere, the temperature is raised to 1100 degrees Celsius, the temperature is maintained for 12 hours, and boron is diffused into the Si substrate to form the boron doped layer 46. At this time, a boron compound 47 is formed at the interface between the diffusing agent 45 (B 2 O 3) and the boron-doped layer 46 on the surface of the Si substrate 41 (FIG. 4E).

ボロンドープ層46を形成した面の反対側にレジストをコートし、拡散剤45をふっ酸水溶液によりエッチング除去する(図4(f))。Si基板41表面に現れたボロン化合物47は耐エッチング性が高く、ウェットエッチングによる除去が不可能なため、次のような手段をとる。まず、Si基板41のレジストを剥離した後、Si基板41を酸化炉にセットし、酸素および水蒸気雰囲気、摂氏600度の条件でボロン化合物47を1時間酸化し、ふっ酸水溶液によるエッチングが可能なB2O3+SiO2 に化学変化させる。なお、酸化の温度が低いため、拡散が進行することはなく、ボロン化合物47を酸化せずドライエッチングで除去することも可能である。拡散面のボロン化合物47を酸化してB2O3+SiO2 に化学変化させた状態でさらに熱酸化して、ボロンドープ層側に1.
2ミクロンの酸化膜48を形成する(図4(g))。
A resist is coated on the side opposite to the surface on which the boron doped layer 46 is formed, and the diffusing agent 45 is removed by etching with a hydrofluoric acid aqueous solution (FIG. 4F). Since the boron compound 47 appearing on the surface of the Si substrate 41 has high etching resistance and cannot be removed by wet etching, the following measures are taken. First, after removing the resist on the Si substrate 41, the Si substrate 41 is set in an oxidation furnace, and the boron compound 47 is oxidized for 1 hour in an oxygen and water vapor atmosphere at 600 degrees Celsius, so that etching with a hydrofluoric acid aqueous solution is possible. Chemical change to B2O3 + SiO2. Since the oxidation temperature is low, diffusion does not proceed and the boron compound 47 can be removed by dry etching without being oxidized. In a state where the boron compound 47 on the diffusion surface is oxidized and chemically changed to B 2 O 3 + SiO 2, it is further thermally oxidized.
A 2 micron oxide film 48 is formed (FIG. 4G).

以上が、高濃度ボロンドープ層46の形成を塗布法で実施した場合であり、他の高濃度のドープ層を形成する手段として、ボロン拡散板をSi基板に対向させて熱拡散を行う方法がある。   The above is the case where the high-concentration boron dope layer 46 is formed by a coating method. As another means for forming the high-concentration dope layer, there is a method of performing thermal diffusion with a boron diffusion plate facing the Si substrate. .

次に、エッチングによる振動板および振動板斜面部の作製方法を説明する。   Next, the manufacturing method of the diaphragm and diaphragm slope part by an etching is demonstrated.

ボロンドープ層46が形成され、酸化膜42を成膜したSi基板41のボロンドープ側と反対面にレジストをコートし、キャビティとなる部分51をパターニングし、フッ酸水溶液で酸化膜42をエッチングする。さらに、レジストを剥離して、酸化膜42がパターニングされた状態になる(図5(a))。次に、40wt%水酸化カリウム水溶液でエッチングがボロンドープ層46(厚み3ミクロン)に達し、エッチングストップが起こり始めるエッチング深さ(残り3ミクロン程度)まで行う(図5(b))。このとき、高濃度水酸化カリウム水溶でのエッチングではキャビティ底部52に斜面53が残る性質があり、40wt%水酸化カリウム水溶液においては高さ18ミクロンの斜面53が形成される。次に高濃度ボロンドープ層46でのエッチングストップ性が高い5wt%水酸化カリウ
ム水溶液で、Si基板41のエッチングを継続してエッチングストップさせる(図5(c))。しかし、5wt%水酸化カリウム水溶液のような低濃度のエッチング液においては、キャビティ底部52に斜面53を形成しない性質があり、所定厚みの振動板54になるまでエッチングを継続すると、斜面53は消失していき斜面53のテーパー角は小さくなっていく。
A boron-doped layer 46 is formed, a resist is coated on the surface opposite to the boron-doped side of the Si substrate 41 on which the oxide film 42 is formed, the cavity 51 is patterned, and the oxide film 42 is etched with a hydrofluoric acid aqueous solution. Further, the resist is removed, and the oxide film 42 is patterned (FIG. 5A). Next, etching reaches the boron dope layer 46 (thickness 3 microns) with a 40 wt% potassium hydroxide aqueous solution, and is performed up to an etching depth at which etching stops (the remaining 3 microns) (FIG. 5B). At this time, the etching with the high-concentration potassium hydroxide aqueous solution has the property that the slope 53 remains in the cavity bottom 52, and the slope 53 having a height of 18 microns is formed in the 40 wt% potassium hydroxide aqueous solution. Next, the etching of the Si substrate 41 is continuously stopped with a 5 wt% potassium hydroxide aqueous solution having a high etching stop property in the high-concentration boron-doped layer 46 (FIG. 5C). However, an etchant with a low concentration such as a 5 wt% potassium hydroxide aqueous solution has a property that the slope 53 is not formed at the cavity bottom 52, and the slope 53 disappears when the etching is continued until the diaphragm 54 has a predetermined thickness. As a result, the taper angle of the slope 53 becomes smaller.

以上の工程により、隔壁部と振動板の接続部に微小なテーパー角を持つ斜面を有するインクジェットキャビティを形成することができる。このことにより、振動板の耐久性が向上し、インクジェットヘッドの安定した長期駆動を実現できた。   Through the above steps, an ink jet cavity having an inclined surface with a small taper angle at the connecting portion between the partition wall and the diaphragm can be formed. As a result, the durability of the diaphragm was improved, and stable long-term driving of the inkjet head could be realized.

(実施例2)
本発明第2の実施例である複数の厚みでパターニングされた酸化膜をエッチングマスクとして斜面部を形成する方法について図6のエッチング工程図において説明する。
(Example 2)
A method of forming a slope portion using an oxide film patterned with a plurality of thicknesses as an etching mask according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to the etching process diagram of FIG.

高濃度水酸化カリウム水溶液で形成されるキャビティ底部の斜面部の大きさは、エッチング液濃度のほぼ規定されるため、より大きな斜面を形成しようとした場合、次のような方法をとる。   Since the size of the slope at the bottom of the cavity formed with the high-concentration potassium hydroxide aqueous solution is almost regulated by the concentration of the etching solution, the following method is used when attempting to form a larger slope.

Si基板41にボロンドープ層46を形成し、酸化膜46の形成までを前記実施例の拡散工程と同様に行う。Si基板41のボロンドープ側と反対面にレジストをコートし、キャビティとなる部分61をパターニングし、ふっ酸水溶液で酸化膜42をハーフエッチングする(図6(a))。一度レジストを除去した後、再度レジストをコートし振動板となる部分62の酸化膜42をふっ酸水溶液で完全に除去し、レジストを剥離する(図6(b))。この酸化膜42をパターニングしたSi基板41を30wt%の水酸化カリウム水溶液で振動板となる部分62を60ミクロンの深さでエッチングする(図6(c))。次にハーフエッチングで薄くした酸化膜部分63のみをエッチング除去できるように、エッチング時間を調整しSi基板41を浸漬する(図6(d))。そして、最初にエッチング
した振動板となる部分62の厚みが3ミクロン程度になるように水酸化カリウム水溶液によるエッチングを継続する。この時、酸化膜42を除去した部分もエッチングされていき、角64が徐々にエッチングされて(図6(e))、最終的には大きなテーパー形状の斜面65となる(図6(f))。次に高濃度ボロンドープ層46でのエッチングストップ性が高い5wt%水酸化カリウム水溶液で、Si基板41のエッチングを継続して所定の厚みの振動板66を形成する(図6(g))。高濃度エッチング終了後の斜面65のテーパーが大きいため最終的に残るテーパー形状も大きくできた。このことにより、隔壁部と振動板の接続部の強度が増し、振動板の耐久性がさらに向上した。
The boron doped layer 46 is formed on the Si substrate 41 and the process up to the formation of the oxide film 46 is performed in the same manner as the diffusion process of the above embodiment. A resist is coated on the surface opposite to the boron-doped side of the Si substrate 41, the cavity 61 is patterned, and the oxide film 42 is half-etched with an aqueous hydrofluoric acid solution (FIG. 6A). After removing the resist once, the resist is coated again, and the oxide film 42 in the portion 62 to be the vibration plate is completely removed with a hydrofluoric acid aqueous solution, and the resist is peeled off (FIG. 6B). The Si substrate 41 patterned with the oxide film 42 is etched with a 30 wt% potassium hydroxide aqueous solution at a depth 62 of 60 μm (FIG. 6C). Next, the etching time is adjusted and the Si substrate 41 is immersed so that only the oxide film portion 63 thinned by half etching can be removed (FIG. 6D). Then, the etching with the potassium hydroxide aqueous solution is continued so that the thickness of the portion 62 to be the first etched diaphragm becomes about 3 microns. At this time, the portion from which the oxide film 42 is removed is also etched, and the corner 64 is gradually etched (FIG. 6E), and finally becomes a large tapered slope 65 (FIG. 6F). ). Next, the Si substrate 41 is continuously etched with a 5 wt% potassium hydroxide aqueous solution having a high etching stop property in the high-concentration boron-doped layer 46 to form a diaphragm 66 having a predetermined thickness (FIG. 6G). Since the taper of the slope 65 after the high-concentration etching is large, the finally remaining taper shape can be increased. As a result, the strength of the connecting portion between the partition wall and the diaphragm is increased, and the durability of the diaphragm is further improved.

(実施例3)
本発明第3の実施例である高濃度水酸化カリウム水溶液と低濃度水酸化カリウム水溶液の濃度について、エッチング液濃度と斜面幅の関係を示した図7、及びエッチング液濃度とエッチングストップ選択比(ボロンドープされたSiのエッチングレートに対するドープされていないSiのエッチングレートの比)の関係を示した図8、さらにエッチングの状況をシュミレーションして示した図9において説明する。
(Example 3)
FIG. 7 showing the relationship between the etchant concentration and the slope width for the concentrations of the high-concentration potassium hydroxide aqueous solution and the low-concentration potassium hydroxide aqueous solution according to the third embodiment of the present invention, and the etchant concentration and the etch stop selection ratio ( The relationship of the ratio of the etching rate of undoped Si to the etching rate of boron-doped Si) will be described with reference to FIG.

水酸化カリウム水溶液によるSi基板のエッチングにおいて、エッチング溝底部に形成される斜面の斜面幅と濃度には図7のような関係があり、32wt%以上で斜面が形成され、30wt%以下では斜面は全く形成されない。すなわち、水酸化カリウム水溶液の最高濃度は55wt%であり、振動板形成において斜面部形成を目的とした高濃度水酸化カリウム水溶液の最適な濃度は、32〜55wt%である。   In the etching of the Si substrate with an aqueous potassium hydroxide solution, the slope width and concentration of the slope formed at the bottom of the etching groove have a relationship as shown in FIG. 7, and the slope is formed at 32 wt% or more, and the slope is formed at 30 wt% or less. Not formed at all. That is, the maximum concentration of the potassium hydroxide aqueous solution is 55 wt%, and the optimum concentration of the high concentration potassium hydroxide aqueous solution for the purpose of forming the slope portion in the diaphragm formation is 32 to 55 wt%.

一方、水酸化カリウム水溶液の低濃度エッチング液の濃度選定のポイントは、いかにエッチングストップ選択比を大きく取るかと言うことである。すなわち、エッチングストップによって、Si基板厚みのばらつきをどれだけ吸収できるかを意味し、エッチングストップ選択比は高いことが望ましい。Si基板厚みばらつきが10ミクロン程度であることを考慮すると、振動板厚み精度を最悪でも±0.3ミクロン以内に抑えるため、必要となる選択比は16以上である。すなわち、選択比16以上を確保するためには、図8より水酸化カリウム水溶液の濃度は、10wt%以下で良いことが解る。一方、水酸化カリウム水溶液は濃度が極端に低くなると、Siに対するエッチング能力が不安定になり易く、0.5wt%より低い濃度では実用的ではない。したがって、振動板形成においてエッチン
グストップを目的とした低濃度水酸化カリウム水溶液の最適な濃度は0.5〜10wt%である。
On the other hand, the point of selecting the concentration of the low-concentration etching solution of the potassium hydroxide aqueous solution is how to increase the etching stop selection ratio. That is, it means how much variation in the Si substrate thickness can be absorbed by the etching stop, and it is desirable that the etching stop selection ratio is high. Considering that the thickness variation of the Si substrate is about 10 microns, the necessary selectivity is 16 or more in order to suppress the vibration plate thickness accuracy to within ± 0.3 microns at the worst. That is, in order to ensure a selectivity of 16 or more, it can be seen from FIG. 8 that the concentration of the potassium hydroxide aqueous solution may be 10 wt% or less. On the other hand, when the concentration of the potassium hydroxide aqueous solution becomes extremely low, the etching ability with respect to Si tends to become unstable, and it is not practical at a concentration lower than 0.5 wt%. Therefore, the optimum concentration of the low-concentration potassium hydroxide aqueous solution for the purpose of etching stop in the diaphragm formation is 0.5 to 10 wt%.

高濃度エッチング後の隔壁部91と振動板部92の接続部の斜面93の形状は、図9(0)のようになり斜面幅d、斜面高さhはほぼ等しい。ここで、低濃度エッチング後の形状を推定するため、低濃度エッチング液でのエッチングストップ選択比をSとし、高濃度ボロンドープ層95に達してからのエッチング量をaすると、hとSの関係において低濃度エッチング後の形状は図9(Ι)、(П)、(Ш)のように3タイプになる。低濃度エッチング後の斜面部の高さをxとすると、
S×a<hのとき、
x=h−(S×a)+a
S×a=hのとき、
x=a
S×a>hのとき、
斜面部上部94が高濃度ボロンドープ層に達するまでに高濃度ボロンドープ層がエッチングされる量をa1 とし、斜面部上部94が高濃度ボロンドープ層に達してからのエッチング量をa2 とすると、
S×a1 =d、 a=a1 +a2
a1 =h/S
x=a−a2
=a1
=h/S
ここで、高濃度ボロンドープ層95の厚みは3ミクロンであり、振動板96の目標厚みは2ミクロンであるため、高濃度ボロンドープ層95のエッチング量はa=1ミクロンとなる。例えば、高濃度エッチング液の濃度を40wt%、低濃度エッチング液の濃度を5wt%とすると、図7及び図8のグラフより、
h=18ミクロン、S=22であり、
S×a=22>h=18となるため、
xは、
x=h/S=18/22=0.82
したがって、この場合、エッチング終了後の斜面部高さは0.82ミクロンとなる。
The shape of the slope 93 at the connecting portion between the partition wall 91 and the diaphragm 92 after the high concentration etching is as shown in FIG. 9 (0), and the slope width d and slope height h are substantially equal. Here, in order to estimate the shape after the low-concentration etching, when the etching stop selection ratio in the low-concentration etchant is S and the etching amount after reaching the high-concentration boron-doped layer 95 is a, the relationship between h and S There are three types of shapes after low-concentration etching, as shown in FIGS. 9 (Ι), (П), and (Ш). If the height of the slope after low concentration etching is x,
When S × a <h,
x = h− (S × a) + a
When S × a = h,
x = a
When S × a> h,
The amount of etching of the high-concentration boron-doped layer before the slope portion upper portion 94 reaches the high-concentration boron-doped layer is a1, and the etching amount after the slope-top portion 94 reaches the high-concentration boron-doped layer is a2.
S × a1 = d, a = a1 + a2
a1 = h / S
x = a−a2
= A1
= H / S
Here, since the thickness of the high-concentration boron doped layer 95 is 3 microns and the target thickness of the diaphragm 96 is 2 microns, the etching amount of the high-concentration boron doped layer 95 is a = 1 micron. For example, when the concentration of the high concentration etching solution is 40 wt% and the concentration of the low concentration etching solution is 5 wt%, from the graphs of FIGS. 7 and 8,
h = 18 microns, S = 22,
Since S × a = 22> h = 18,
x is
x = h / S = 18/22 = 0.82
Therefore, in this case, the height of the slope after etching is 0.82 microns.

以上のことより、高濃度エッチング液及び低濃度エッチング液の濃度選定により斜面形状を任意に制御可能できる。   From the above, the slope shape can be arbitrarily controlled by selecting the concentration of the high-concentration etching solution and the low-concentration etching solution.

本発明の第1の実施例におけるインクジェットヘッドの構造を分解して示す斜視図。1 is an exploded perspective view showing the structure of an inkjet head according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施例のおけるインクジェットヘッドの断面側面図。1 is a cross-sectional side view of an ink jet head according to a first embodiment of the present invention. 図2のA−A‘線矢視図。FIG. 3 is a view taken along line A-A ′ in FIG. 2. 本発明の第1の実施例におけるインクジェットヘッドの第1の基板の製造工程を構成する拡散の工程図。FIG. 6 is a diffusion process diagram that constitutes a manufacturing process of the first substrate of the ink jet head according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施例におけるインクジェットヘッドの第1の基板の製造工程を構成するエッチングの工程図。FIG. 5 is an etching process chart constituting the manufacturing process of the first substrate of the inkjet head in the first embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施例におけるインクジェットヘッドの第1の基板の製造工程を構成するエッチングの工程図。The etching process figure which comprises the manufacturing process of the 1st board | substrate of the inkjet head in the 2nd Example of this invention. 本発明の第3の実施例における水酸化カリウム水溶液濃度と斜面幅の関係図。The relationship figure of potassium hydroxide aqueous solution concentration and slope width in the 3rd example of the present invention. 本発明の第3の実施例における水酸化カリウム水溶液濃度と選択比の関係図。The relationship figure of potassium hydroxide aqueous solution concentration and selectivity in the 3rd example of the present invention. 本発明の第3の実施例における隔壁部と振動板接続部の斜面部のエッチング形状をシュミレートし、説明する概略図。Schematic which simulates and demonstrates the etching shape of the slope part of the partition part and diaphragm connection part in 3rd Example of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 第1の基板
2 第2の基板
3 第3の基板
5 振動板
6 吐出室
7 凹部
8 オリフィス
9 細溝
10 インクキャビティ
11 凹部
12 ノズル孔
13 インク供給口
14 凹部
15 電極
16 リード部
17 端子
18 隔壁部
19 接続部
20 斜面
21 インク液滴
22 記録紙
23 発信回路
41 Si基板
42 酸化膜
43 ボロンドープ層を形成する面
44 反対の面
45 拡散剤
46 ボロンドープ層
47 ボロン化合物
48 酸化膜
51 キャビティとなる部分
52 キャビティ底部
53 斜面
54 振動板
55 隔壁部
56 斜面
61 キャビティとなる部分
62 振動板となる部分
63 薄くした酸化膜部分
64 角
65 斜面
66 振動板
91 隔壁部
92 振動板部
93 斜面
94 斜面上部
95 ボロンドープ層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st board | substrate 2 2nd board | substrate 3 3rd board | substrate 5 Diaphragm 6 Discharge chamber 7 Recessed part 8 Orifice 9 Narrow groove 10 Ink cavity 11 Recessed part 12 Nozzle hole 13 Ink supply port 14 Recessed part 15 Electrode 16 Lead part 17 Terminal 18 Partition part 19 Connection part 20 Slope 21 Ink droplet 22 Recording paper 23 Transmission circuit 41 Si substrate 42 Oxide film 43 Surface to form boron doped layer 44 Opposite surface 45 Diffusion agent 46 Boron doped layer 47 Boron compound 48 Oxide film 51 Become a cavity Part 52 Cavity bottom part 53 Slope 54 Vibration plate 55 Bulkhead part 56 Slope 61 Part to be cavity 62 Part to be diaphragm 63 Thinned oxide film part 64 Angle 65 Slope 66 Diaphragm 91 Bulkhead part 92 Diaphragm part 93 Slope 94 Slope upper part 95 Boron doped layer

Claims (2)

インク液滴を吐出する単一または複数のノズル孔と、該ノズル孔の各々に連結する吐出室と、該吐出室の少なくとも一方の壁を構成する振動板と、該振動板に変形を生じさせる駆動手段とを備え、該駆動手段が該振動板を静電気力に変形させる電極からなり、該振動板が形成される基板がSi基板であるインクジェットヘッドにおいて、
前記基板の前記振動板側はp型不純物層が形成され、
各々の前記吐出室を隔てる隔壁部と前記振動板の接続部は異なる傾斜角からなる2つの斜面により構成され、
前記2つの斜面は前記基板の前記p型不純物層の境界部にて接していることを特徴とするインクジェットヘッド。
Single or a plurality of nozzle holes for discharging ink droplets, a discharge chamber connected to each of the nozzle holes, a vibration plate constituting at least one wall of the discharge chamber, and deformation of the vibration plate In the inkjet head, the driving means comprises an electrode that deforms the diaphragm to electrostatic force, and the substrate on which the diaphragm is formed is a Si substrate.
A p-type impurity layer is formed on the diaphragm side of the substrate,
The partition wall part that separates each of the discharge chambers and the connecting part of the diaphragm are constituted by two inclined surfaces having different inclination angles,
The inkjet head according to claim 2, wherein the two inclined surfaces are in contact with each other at a boundary portion of the p-type impurity layer of the substrate.
請求項1記載の前記基板は面方位は(110)面の基板であることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. The inkjet head according to claim 1, wherein the substrate has a (110) plane orientation.
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