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JP6606933B2 - Substrate manufacturing method and droplet discharge head manufacturing method - Google Patents
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JP6606933B2 - Substrate manufacturing method and droplet discharge head manufacturing method - Google Patents

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Description

本発明は、基板の作製方法、および液滴吐出ヘッドの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a substrate and a method for manufacturing a droplet discharge head.

一般に、プリンタ、ファクシミリ、複写機、プロッタ、或いはこれらの内の複数の機能を複合した画像形成装置としては、例えばインク等の液滴を吐出する液滴吐出ヘッドを備えたインクジェット記録装置がある。   In general, printers, facsimiles, copiers, plotters, or image forming apparatuses that combine a plurality of these functions include, for example, an ink jet recording apparatus that includes a droplet discharge head that discharges droplets of ink or the like.

液滴吐出ヘッドは、インクなどの液体の液滴を吐出するノズル孔と、このノズル孔に連通し液体を収容した液室(加圧液室、圧力室、加圧室、吐出室などとも称される。)と、圧電素子などの電気機械変換素子とを備えた構成が知られている。この液滴吐出ヘッドでは、圧電素子に電圧が印加されることにより圧電素子は液室の壁の一部を形成する振動板を変形させるように振動し、その振動板の変形により液室内の液体が加圧され、ノズル孔から液滴を吐出させることができる。   The droplet discharge head is a nozzle hole that discharges a liquid droplet of ink or the like and a liquid chamber (pressure chamber, pressure chamber, pressurization chamber, discharge chamber, etc.) that communicates with the nozzle hole and contains liquid. And an electromechanical transducer such as a piezoelectric element are known. In this droplet discharge head, when a voltage is applied to the piezoelectric element, the piezoelectric element vibrates so as to deform a diaphragm that forms part of the wall of the liquid chamber, and the liquid in the liquid chamber is deformed by the deformation of the diaphragm. Is pressurized and droplets can be ejected from the nozzle holes.

液滴吐出ヘッドとして、加圧液室が形成される基板に接合される基板であって、外部から加圧液室に液体を供給するための流路の一部となる貫通孔を形成した基板を備えるものが広く用いられている。   As a droplet discharge head, a substrate bonded to a substrate on which a pressurized liquid chamber is formed, and a substrate having a through hole that becomes a part of a flow path for supplying liquid from outside to the pressurized liquid chamber Those equipped with are widely used.

この貫通孔が形成される基板は、シリコン基板を用いて作製することが知られており、従来、シリコン基板に異方性ウェットエッチングを適用して貫通孔(開口部)を形成することが知られている。   It is known that the substrate in which the through hole is formed is made using a silicon substrate, and it has been known that the through hole (opening) is formed by applying anisotropic wet etching to the silicon substrate. It has been.

しかしながら、例えば、面方位(110)のシリコン基板を用いて異方性ウェットエッチングを適用して貫通孔を形成する場合、複雑なプロセスや専用の設備が必要になり、また面方位による設計上の制約が大きく、高精度な寸法制御を行うことが困難であった。   However, for example, when a through-hole is formed by applying anisotropic wet etching using a silicon substrate having a surface orientation (110), a complicated process or dedicated equipment is required, and the design according to the surface orientation is required. The restrictions are large and it has been difficult to perform highly accurate dimensional control.

これに対し、特許文献1には、面方位(100)のシリコン基板を用いて、異方性ウェットエッチングおよびドライエッチング併用して貫通孔を形成することが開示されている。また、特許文献2にも、同様に、異方性ウェットエッチングおよびドライエッチをング併用して、
貫通孔を形成することが開示されている。
On the other hand, Patent Document 1 discloses that a through-hole is formed using a silicon substrate having a plane orientation (100) by using anisotropic wet etching and dry etching together. Similarly, Patent Document 2 also uses anisotropic wet etching and dry etching together,
It is disclosed to form a through hole.

しかしながら、特許文献1および2の技術では、作製工程が複雑になるとともに、開口部の面積やパターンによっては、寸法制御および形状制御が困難となり、高精度の基板を形成することができない場合があった。   However, in the techniques of Patent Documents 1 and 2, the manufacturing process is complicated, and depending on the area and pattern of the opening, dimensional control and shape control may be difficult, and a highly accurate substrate may not be formed. It was.

そこで本発明は、簡易かつ高精度に、寸法および形状制御をすることができる基板の作製方法を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a substrate capable of controlling dimensions and shapes easily and with high accuracy.

かかる目的を達成するため、本発明に係る基板の作製方法は、液滴吐出ヘッドに用いられる基板の作製方法であって、該基板に貫通孔を形成する部分の外径形状に沿った部分を、ドライエッチングにより溝状に貫通させて貫通孔形成溝を形成する溝形成工程と、前記貫通孔形成溝で囲まれる部分を除去する除去工程と、を有し、前記溝形成工程において、前記貫通孔形成溝で囲まれる部分に溝を貫通させるものである。 In order to achieve such an object, a substrate manufacturing method according to the present invention is a substrate manufacturing method used in a droplet discharge head, wherein a portion along the outer diameter of a portion in which a through hole is formed in the substrate is formed. and organic and groove forming step of forming a through hole forming a groove by penetrating into a groove shape by dry etching, and a removal step of removing the portion surrounded by the through hole forming a groove, in the groove forming step, said through The groove is passed through a portion surrounded by the hole forming groove .

本発明によれば、簡易かつ高精度に、寸法および形状制御をすることができる基板の作製方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a substrate capable of controlling dimensions and shapes easily and with high accuracy.

液滴吐出ヘッドの要部である液滴吐出部の概略構成を示す液室の配列方向の断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the liquid chamber in the arrangement direction showing a schematic configuration of a droplet discharge unit that is a main part of the droplet discharge head. 液滴吐出部の概略構成を示す液室の配列方向と直行する方向の断面図である。It is sectional drawing of the direction orthogonal to the arrangement direction of a liquid chamber which shows schematic structure of a droplet discharge part. 液滴吐出部の概略構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows schematic structure of a droplet discharge part. SRO膜(111)のXRDパターン図の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the XRD pattern figure of a SRO film | membrane (111). 溝およびくり抜き部が形成されたサブフレーム基板の上面図である。It is a top view of the sub-frame board | substrate with which the groove | channel and the hollow part were formed. 貫通孔が形成されたサブフレーム基板の上面図である。It is a top view of the sub-frame board | substrate with which the through-hole was formed. サブフレーム基板にザグリおよび貫通孔形成溝を形成した状態の上面図である。It is a top view of a state where counterbore and through-hole forming grooves are formed on the subframe substrate. サブフレーム基板の作製方法の第1の工程の説明図である。It is explanatory drawing of the 1st process of the manufacturing method of a sub-frame board | substrate. サブフレーム基板の作製方法の第2の工程の説明図である。It is explanatory drawing of the 2nd process of the manufacturing method of a sub-frame board | substrate. サブフレーム基板の作製方法の第3の工程の説明図である。It is explanatory drawing of the 3rd process of the manufacturing method of a sub-frame board | substrate. サブフレーム基板の作製方法の第4の工程の説明図である。It is explanatory drawing of the 4th process of the manufacturing method of a sub-frame board | substrate. サブフレーム基板の作製方法の第5の工程の説明図である。It is explanatory drawing of the 5th process of the manufacturing method of a sub-frame board | substrate. サブフレーム基板の作製方法の第6の工程の説明図である。It is explanatory drawing of the 6th process of the manufacturing method of a sub-frame board | substrate. サブフレーム基板の作製方法の第7の工程の説明図である。It is explanatory drawing of the 7th process of the manufacturing method of a sub-frame board | substrate. サブフレーム基板の作製方法の第8の工程の説明図である。It is explanatory drawing of the 8th process of the manufacturing method of a sub-frame board | substrate. サブフレーム基板にザグリおよび貫通孔形成溝を形成した状態の上面図である。It is a top view of a state where counterbore and through-hole forming grooves are formed on the subframe substrate. 液滴吐出ヘッドを備えたインクカートリッジの構成例を示す斜視図である。FIG. 6 is a perspective view illustrating a configuration example of an ink cartridge including a droplet discharge head. 液滴吐出ヘッドを備えたインクジェット記録装置の構成例を示す斜視図である。It is a perspective view showing an example of composition of an ink jet recording device provided with a droplet discharge head. 液滴吐出ヘッドを備えたインクジェット記録装置の機構部の構成例を示す側面図である。FIG. 4 is a side view illustrating a configuration example of a mechanism unit of an ink jet recording apparatus including a droplet discharge head.

以下、本発明に係る構成を図1から図19に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, the configuration according to the present invention will be described in detail based on the embodiment shown in FIGS.

本実施形態に係る基板の作製方法は、液滴吐出ヘッド(液滴吐出ヘッド1)に用いられる基板(サブフレーム基板30)の作製方法であって、該基板に貫通孔(貫通孔37)を形成する部分の外径形状に沿った部分を、ドライエッチングにより溝状に貫通させて貫通孔形成溝(貫通孔形成溝38)を形成する溝形成工程と、貫通孔形成溝で囲まれる部分(くり抜き部39)を除去する除去工程と、を有するものである。なお、括弧内は実施形態での符号、適用例を示す。   The substrate manufacturing method according to the present embodiment is a method for manufacturing a substrate (subframe substrate 30) used in a droplet discharge head (droplet discharge head 1), and a through hole (through hole 37) is formed in the substrate. A groove forming step of forming a through hole forming groove (through hole forming groove 38) by passing a portion along the outer diameter shape of the portion to be formed into a groove shape by dry etching, and a portion surrounded by the through hole forming groove ( And a removal step of removing the hollowed portion 39). In addition, the code | symbol in embodiment and the example of application are shown in a parenthesis.

(液滴吐出ヘッドの構成)
図1は液滴吐出ヘッド1の要部である液滴吐出部10の概略構成を示す液室の配列方向の断面図であり、便宜上、1つの液室に対応する部分のみ示している。また、図2は、液滴吐出部10の概略構成を示す液室の配列方向と直交する方向の断面図である。また、図3は、液滴吐出部10の概略構成を示す斜視図である。
(Configuration of droplet discharge head)
FIG. 1 is a cross-sectional view in the arrangement direction of liquid chambers showing a schematic configuration of a droplet discharge section 10 which is a main part of the droplet discharge head 1, and only a portion corresponding to one liquid chamber is shown for convenience. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the droplet discharge unit 10 in a direction orthogonal to the liquid chamber arrangement direction. FIG. 3 is a perspective view showing a schematic configuration of the droplet discharge unit 10.

図1に示すように、液滴吐出部10は、インクなどの液体の液滴を吐出するノズル孔11を有するノズル基板12と、ノズル孔11に連通し液体を収容した加圧液室13が形成されたアクチュエータ基板14とを備えている。このアクチュエータ基板14は、ノズル孔11と連通する加圧液室13の隔壁部、流体抵抗部21、共通液室22などが形成されている。アクチュエータ基板14上には、加圧液室13の一壁面となる振動板15を形成し、振動板15上に下部電極161、圧電体(PZT)162及び上部電極163からなる圧電素子16が設けられている。また、圧電素子16を覆うように第1の絶縁保護膜17、第2の絶縁保護膜18、第3の絶縁保護膜19及びサブフレーム基板30が設けられている。また、駆動IC20が設けられている。   As shown in FIG. 1, the droplet discharge unit 10 includes a nozzle substrate 12 having a nozzle hole 11 for discharging a liquid droplet of ink or the like, and a pressurized liquid chamber 13 communicating with the nozzle hole 11 and containing a liquid. And an actuator substrate 14 formed. The actuator substrate 14 is formed with a partition portion of the pressurized liquid chamber 13 communicating with the nozzle hole 11, a fluid resistance portion 21, a common liquid chamber 22, and the like. On the actuator substrate 14, a vibration plate 15 that forms one wall surface of the pressurized liquid chamber 13 is formed, and a piezoelectric element 16 including a lower electrode 161, a piezoelectric body (PZT) 162, and an upper electrode 163 is provided on the vibration plate 15. It has been. A first insulating protective film 17, a second insulating protective film 18, a third insulating protective film 19, and a subframe substrate 30 are provided so as to cover the piezoelectric element 16. A drive IC 20 is also provided.

圧電素子16は、振動板15側で共通電極となる下部電極161と、電気機械変換膜としてのPZTなどからなる圧電体162と、圧電体162の振動板15側とは反対側で個別電極となる上部電極163とが積層されている。下部電極161は、第1の絶縁保護膜17に形成されたコンタクトホール17aにより配線31に接続されており、この配線31を介して外部接続用の端子電極としての共通電極用のパッド電極に接続されている。また、上部電極163は、第2の絶縁保護膜18に形成されたコンタクトホール18aにより配線32に接続されており、この配線32を介して外部接続用の端子電極としての個別電極用のパッド電極33に接続されている。   The piezoelectric element 16 includes a lower electrode 161 serving as a common electrode on the diaphragm 15 side, a piezoelectric body 162 made of PZT or the like as an electromechanical conversion film, and an individual electrode on the opposite side of the piezoelectric body 162 from the diaphragm 15 side. The upper electrode 163 is laminated. The lower electrode 161 is connected to the wiring 31 by a contact hole 17a formed in the first insulating protective film 17, and is connected to a pad electrode for a common electrode as a terminal electrode for external connection through the wiring 31. Has been. The upper electrode 163 is connected to the wiring 32 through a contact hole 18a formed in the second insulating protective film 18, and a pad electrode for an individual electrode as a terminal electrode for external connection through the wiring 32. 33.

サブフレーム基板30には、下部電極161及び上部電極163に電気的に接続される共通電極用の配線31、個別電極用の配線32を含めて圧電素子16の保護空間としてのザグリ34が形成されている。また、外部から液滴を供給する液滴供給口35、および共通液滴流路36となる貫通孔が形成されている。この共通液滴流路36は、液滴供給口35から共通液室22に連通している。   The subframe substrate 30 is formed with a counterbore 34 as a protective space for the piezoelectric element 16 including a common electrode wiring 31 and an individual electrode wiring 32 electrically connected to the lower electrode 161 and the upper electrode 163. ing. In addition, a droplet supply port 35 for supplying droplets from the outside and a through hole serving as a common droplet channel 36 are formed. The common droplet channel 36 communicates with the common liquid chamber 22 from the droplet supply port 35.

ノズル基板12、振動板15等が設けられたアクチュエータ基板14およびサブフレーム基板30を接合することにより液滴吐出部10が形成される。   The droplet discharge section 10 is formed by joining the actuator substrate 14 provided with the nozzle substrate 12, the vibration plate 15, and the like and the subframe substrate 30.

上記構成の液滴吐出部10において、各加圧液室13内に液体(例えば、記録液としてのインク)が充填された状態で、駆動IC20から画像データに基づいて、インクの吐出を行いたいノズル孔11に対応する上部電極163に対して、発振回路により、例えば、20Vのパルス電圧を印加する。   In the droplet discharge section 10 having the above-described configuration, it is desired to discharge ink from the drive IC 20 based on image data in a state where each pressurizing liquid chamber 13 is filled with liquid (for example, ink as recording liquid). For example, a pulse voltage of 20 V is applied to the upper electrode 163 corresponding to the nozzle hole 11 by an oscillation circuit.

このパルス電圧印加により、圧電体162は、電歪効果により振動板15と平行方向に縮むことにより、振動板15が加圧液室13方向に撓む。これにより、加圧液室13内の圧力が急激に上昇して、加圧液室13に連通するノズル孔11からインクが吐出する。次に、パルス電圧印加後は、縮んだ圧電体162が元に戻ることから撓んだ振動板15は、元の位置に戻るため、加圧液室13内が共通液室22内に比べて負圧となり、外部から液滴供給口35を介して供給されているインクが共通液滴流路36、共通液室22から流体抵抗部21を介して加圧液室13に供給される。これを繰り返すことにより、インクを連続的に吐出でき、液滴吐出ヘッド1に対向して配置した被記録媒体(用紙)に画像を形成するものである。   By applying this pulse voltage, the piezoelectric body 162 contracts in the direction parallel to the diaphragm 15 due to the electrostrictive effect, so that the diaphragm 15 bends in the direction of the pressurized liquid chamber 13. As a result, the pressure in the pressurizing liquid chamber 13 rapidly increases, and ink is ejected from the nozzle holes 11 communicating with the pressurizing liquid chamber 13. Next, since the contracted piezoelectric body 162 returns to the original position after the pulse voltage is applied, the deflected diaphragm 15 returns to the original position, so that the inside of the pressurized liquid chamber 13 is compared with the inside of the common liquid chamber 22. Ink supplied from the outside via the droplet supply port 35 is supplied from the common droplet flow path 36 and the common liquid chamber 22 to the pressurized liquid chamber 13 via the fluid resistance portion 21. By repeating this, ink can be ejected continuously, and an image is formed on a recording medium (paper) disposed facing the droplet ejection head 1.

次に、液滴吐出ヘッド1を構成する構成要素である各部及び部材などの材料及び工法について、より具体的に説明する。   Next, the materials and construction methods of the respective parts and members, which are constituent elements constituting the droplet discharge head 1, will be described more specifically.

〔基板〕
アクチュエータ基板14としては、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、通常100[μm]以上600[μm]以下の範囲の厚みを持つことが好ましい。面方位としては、(100)、(110)、(111)と3種あるが、半導体産業では一般的に(100)、(111)が広く使用されており、本構成例においては、主に(100)の面方位を持つ単結晶基板を主に使用した。また、図1に示すような加圧液室13を作製していく場合、エッチングを利用してシリコン単結晶基板を加工していく。この場合のエッチング方法としては、異方性エッチングを用いることが一般的である。異方性エッチングとは結晶構造の面方位に対してエッチング速度が異なる性質を利用したものである。例えばKOH等のアルカリ溶液に浸漬させた異方性エッチングでは、(100)面に比べて(111)面は約1/400程度のエッチング速度となる。従って、面方位(100)では約54°の傾斜を持つ構造体が作製できるのに対して、面方位(110)では深い溝をほることができるため、より剛性を保ちつつ、配列密度を高くすることができることが分かっている。本構成例としては(110)の面方位を持った単結晶基板を使用することも可能である。但し、この場合、マスク材であるSiOもエッチングされてしまうため、この点も留意して利用することが好ましい。
〔substrate〕
As the actuator substrate 14, it is preferable to use a silicon single crystal substrate, and it is preferable that the actuator substrate 14 usually has a thickness in a range of 100 [μm] to 600 [μm]. There are three types of plane orientations: (100), (110), and (111), but (100) and (111) are generally widely used in the semiconductor industry. In this configuration example, A single crystal substrate having a (100) plane orientation was mainly used. Further, when the pressurized liquid chamber 13 as shown in FIG. 1 is manufactured, the silicon single crystal substrate is processed by using etching. As an etching method in this case, it is common to use anisotropic etching. Anisotropic etching utilizes the property that the etching rate differs with respect to the plane orientation of the crystal structure. For example, in anisotropic etching immersed in an alkaline solution such as KOH, the (111) plane has an etching rate of about 1/400 compared to the (100) plane. Therefore, while a structure having an inclination of about 54 ° can be produced in the plane orientation (100), a deep groove can be removed in the plane orientation (110), so that the arrangement density is increased while maintaining rigidity. I know you can. As this configuration example, it is possible to use a single crystal substrate having a (110) plane orientation. However, in this case, SiO 2 which is a mask material is also etched, so it is preferable to use this point in consideration.

〔振動板〕
図1に示すように電気機械変換素子としての圧電素子16によって発生した力を受けて、その下地の振動板15が変形して、加圧液室13のインクなどの液体の液滴を吐出させる。そのため、振動板15としては所定の強度を有したものであることが好ましい。材料としては、Si、SiO、Siなどを例えばCVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長)法により作製したものが挙げられる。さらに図1に示すような共通電極(下部電極)161及び圧電体162の線膨張係数に近い材料を選択することが好ましい。特に、圧電体162としては、一般的に材料としてPZTが使用される場合が多い。従って、振動板15の材料は、PZTの線膨張係数8×10−6(1/K)に近い5×10−6(1/K)以上10×10−6(1/K)以下の範囲の線膨張係数を有した材料が好ましい。さらには7×10−6(1/K)以上9×10−6(1/K)以下の範囲の線膨張係数を有した材料がより好ましい。具体的な材料としては、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化オスミウム、酸化レニウム、酸化ロジウム、酸化パラジウム及びそれらの化合物等が挙げられる。これらの材料を、例えばスパッタ法又はゾルゲル法を用いてスピンコーターにて作製することができる。膜厚としては0.1[μm]以上10[μm]以下の範囲が好ましく、0.5[μm]以上3[μm]以下の範囲がさらに好ましい。この範囲より小さいと、図1に示すような加圧液室13の加工が難しくなる。また、上記範囲より大きいと振動板15が変形しにくくなり、インク滴などの液滴の吐出が不安定になる。
(Diaphragm)
As shown in FIG. 1, upon receiving the force generated by the piezoelectric element 16 as an electromechanical conversion element, the underlying diaphragm 15 is deformed to discharge a liquid droplet such as ink in the pressurized liquid chamber 13. . Therefore, it is preferable that the diaphragm 15 has a predetermined strength. Examples of the material include those made of Si, SiO 2 , Si 3 N 4 and the like by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Further, it is preferable to select a material close to the linear expansion coefficient of the common electrode (lower electrode) 161 and the piezoelectric body 162 as shown in FIG. In particular, as the piezoelectric body 162, PZT is generally used as a material in many cases. Therefore, the material of the diaphragm 15 is in the range of 5 × 10 −6 (1 / K) to 10 × 10 −6 (1 / K), which is close to the linear expansion coefficient 8 × 10 −6 (1 / K) of PZT. A material having a linear expansion coefficient of is preferable. Furthermore, a material having a linear expansion coefficient in the range of 7 × 10 −6 (1 / K) to 9 × 10 −6 (1 / K) is more preferable. Specific examples of the material include aluminum oxide, zirconium oxide, iridium oxide, ruthenium oxide, tantalum oxide, hafnium oxide, osmium oxide, rhenium oxide, rhodium oxide, palladium oxide, and compounds thereof. These materials can be produced by a spin coater using, for example, a sputtering method or a sol-gel method. The film thickness is preferably in the range of 0.1 [μm] to 10 [μm], and more preferably in the range of 0.5 [μm] to 3 [μm]. If it is smaller than this range, it becomes difficult to process the pressurized liquid chamber 13 as shown in FIG. On the other hand, if it is larger than the above range, the diaphragm 15 is not easily deformed, and ejection of droplets such as ink droplets becomes unstable.

〔下部電極(共通電極)〕
下部電極(共通電極)161としては、金属もしくは金属と酸化物からなっていることが好ましい。ここで、どちらの材料も振動板15と下部電極161を構成する金属膜との間に密着層を入れて剥がれ等を抑制するように工夫している。以下に密着層含めて金属電極膜及び酸化物電極膜の詳細について記載する。
[Lower electrode (common electrode)]
The lower electrode (common electrode) 161 is preferably made of metal or metal and oxide. Here, both materials are devised so as to suppress peeling and the like by putting an adhesion layer between the diaphragm 15 and the metal film constituting the lower electrode 161. Details of the metal electrode film and the oxide electrode film including the adhesion layer are described below.

〔密着層〕
密着層は、例えば次のように形成する。Tiをスパッタ成膜後、成膜したチタン膜をRTA(Rapid Thermal Annealing)装置を用いて熱酸化して酸化チタン膜にする。熱酸化の条件は、例えば、650[℃]以上800[℃]以下の範囲の温度、1[分]以上30[分]以下の範囲の処理時間、及びO雰囲気である。酸化チタン膜を作成するには反応性スパッタでもよいがチタン膜の高温による熱酸化法が望ましい。反応性スパッタによる作製では、シリコン基板を高温で加熱する必要があるため、特別なスパッタチャンバ構成を必要とする。さらに、一般の炉による酸化よりも、RTA装置による酸化の方がチタン酸化膜の結晶性が良好になる。なぜなら、通常の加熱炉による酸化によれば、酸化しやすいチタン膜は、低温においてはいくつもの結晶構造を作るため、一旦、それを壊す必要が生じるためである。したがって、昇温速度の速いRTAによる酸化の方が良好な結晶を形成するために有利になる。また、Ti以外の材料としては、Ta、Ir、Ru等の材料を用いることもできる。密着層の膜厚としては、10[nm]以上50[nm]以下の範囲が好ましく、15[nm]以上30[nm]以下の範囲がさらに好ましい。この範囲以下の場合においては、密着性に懸念がある。また、この範囲以上になってくると、下部電極の表面粗さが大きくなり圧電膜との密着性が低下し、圧電膜の結晶性に悪影響を及ぼしインク吐出に十分な変位が得られないような不具合が発生する。
[Adhesion layer]
The adhesion layer is formed as follows, for example. After Ti is formed by sputtering, the formed titanium film is thermally oxidized using an RTA (Rapid Thermal Annealing) apparatus to form a titanium oxide film. The conditions for thermal oxidation are, for example, a temperature in the range of 650 [° C.] to 800 [° C.], a treatment time in the range of 1 [min] to 30 [min], and an O 2 atmosphere. To form the titanium oxide film, reactive sputtering may be used, but thermal oxidation of the titanium film at a high temperature is desirable. The production by reactive sputtering requires a special sputtering chamber configuration because the silicon substrate needs to be heated at a high temperature. Furthermore, the crystallinity of the titanium oxide film is better in the oxidation by the RTA apparatus than in the oxidation by a general furnace. This is because, according to oxidation in a normal heating furnace, a titanium film that is easily oxidized forms several crystal structures at a low temperature, and thus it is necessary to break it once. Therefore, oxidation by RTA having a high temperature rising rate is advantageous in order to form better crystals. Moreover, as materials other than Ti, materials such as Ta, Ir, and Ru can be used. The thickness of the adhesion layer is preferably in the range of 10 [nm] to 50 [nm], and more preferably in the range of 15 [nm] to 30 [nm]. If it is less than this range, there is concern about adhesion. Also, if the value exceeds this range, the surface roughness of the lower electrode will increase and the adhesion to the piezoelectric film will decrease, adversely affecting the crystallinity of the piezoelectric film, and sufficient displacement for ink ejection will not be obtained. Trouble occurs.

〔金属電極膜〕
金属電極膜の金属材料としては、従来から高い耐熱性と低い反応性を有する白金が用いられているが、鉛に対しては十分なバリア性を持つとはいえない場合もあり、イリジウムや白金−ロジウムなどの白金族元素や、これらの合金膜も挙げられる。また、白金を使用する場合には下地(特にSiO)との密着性が悪いために、前述の密着層を先に積層することが好ましい。作製方法としては、スパッタ法や真空蒸着等の真空成膜が一般的である。膜厚としては、80[nm]以上200[nm]以下の範囲が好ましく、100[nm]以上150[nm]以下の範囲がより好ましい。この範囲より薄い場合においては、下部電極161として十分な電流を供給することができなくなり、液滴の吐出をする際に不具合が発生する。さらに、この範囲より厚い場合においては、白金族元素の高価な材料を使用する場合においては、コストアップとなる。また、白金を材料とした場合においては、膜厚を厚くしていたったときに表面粗さが大きくなり、その上に作製する酸化物電極膜やPZTの表面粗さや結晶配向性に影響を及ぼして、インク吐出に十分な変位が得られないような不具合が発生する。
[Metal electrode film]
Conventionally, platinum having high heat resistance and low reactivity has been used as the metal material of the metal electrode film, but it may not be said that it has sufficient barrier properties against lead. -Platinum group elements, such as rhodium, and these alloy films are also mentioned. Further, when platinum is used, it is preferable that the above-mentioned adhesion layer is laminated first because adhesion to the base (particularly SiO 2 ) is poor. As a manufacturing method, vacuum film formation such as sputtering or vacuum deposition is generally used. The film thickness is preferably in the range of 80 [nm] to 200 [nm], and more preferably in the range of 100 [nm] to 150 [nm]. When the thickness is smaller than this range, a sufficient current cannot be supplied as the lower electrode 161, and a problem occurs when ejecting a droplet. Further, when the thickness is larger than this range, the cost increases when an expensive material of a platinum group element is used. In the case of using platinum as a material, the surface roughness increases when the film thickness is increased, which affects the surface roughness and crystal orientation of the oxide electrode film and PZT produced thereon. This causes a problem that sufficient displacement for ink ejection cannot be obtained.

〔酸化物電極膜〕
酸化物電極膜の材料としてはSrRuO(単にSROと称することもある)用いることが好ましい。他に、Sr(A)(1−x)Ru(B)(1−y)、A=Ba、Ca、B=Co、Ni、x、y=0〜0.5で記述されるような材料についても挙げられる。成膜方法についてはスパッタ法により作製される。なお、スパッタ条件によってSrRuO薄膜の膜質が変わるが、特に結晶配向性を重視し、第1電極のPt(111)にならってSrRuO膜についても(111)配向させるためには、成膜温度については500[℃]以上での基板加熱を行い、成膜することが好ましい。
[Oxide electrode film]
As a material for the oxide electrode film, it is preferable to use SrRuO 3 (sometimes simply referred to as SRO). Otherwise, Sr x (A) (1-x) Ru y (B) (1-y) , A = Ba, Ca, B = Co, Ni, x, y = 0 to 0.5 Also mentioned are other materials. The film forming method is produced by sputtering. The film quality of the SrRuO 3 thin film varies depending on the sputtering conditions. In particular, in order to place the SrRuO 3 film in the (111) orientation in accordance with the Pt (111) of the first electrode, in particular, the crystal orientation is important. Is preferably formed by heating the substrate at 500 [° C.] or higher.

例えば、特許第3782401号公報に記載のSRO成膜条件について、室温成膜でその後、RTA処理にて結晶化温度(650[℃])で熱酸加する場合、SRO膜としては、十分結晶化され、電極としての比抵抗としても十分な値が得られるが、膜の結晶配向性としては、(110)が優先配向しやすくなり、その上に成膜したPZTについても(110)配向しやすくなる。   For example, with respect to the SRO film formation conditions described in Japanese Patent No. 3784401, when thermal acidification is performed at a crystallization temperature (650 [° C.]) by RTA treatment after film formation at room temperature, the SRO film is sufficiently crystallized. Although a sufficient value is obtained as the specific resistance as an electrode, (110) is likely to be preferentially oriented as the crystal orientation of the film, and (110) orientation is also easy for PZT formed thereon. Become.

Pt(111)上に作製したSRO結晶性については、PtとSROで格子定数が近いため、通常のθ−2θ測定では、SRO(111)とPt(111)の2θ位置が重なってしまい判別が難しい。Ptについては消滅則の関係からPsi=35°傾けた2θが約32°付近の位置には回折線が打ち消し合い、回折強度が見られない。そのため、Psi方向を約35°傾けて、2θが約32°付近のピーク強度で判断することでSROが(111)に優先配向しているかを確認することができる。   Regarding SRO crystallinity produced on Pt (111), since the lattice constants of Pt and SRO are close to each other, in the normal θ-2θ measurement, the 2θ positions of SRO (111) and Pt (111) are overlapped, so that discrimination difficult. With respect to Pt, diffraction lines cancel each other at a position where 2θ tilted by Psi = 35 ° is about 32 ° due to the disappearance rule, and no diffraction intensity is observed. Therefore, it is possible to confirm whether the SRO is preferentially oriented to (111) by inclining the Psi direction by about 35 ° and judging from the peak intensity where 2θ is about 32 °.

図4に、2θ=32°に固定し、Psiを振ったときの測定結果の例を示す。Psi=0°ではSRO(110)ではほとんど回折強度が見られず、Psi=35°付近において、回折強度が見られることから、本成膜条件にて作製したものについては、SROが(111)配向していることが確認できる。また、上述の室温成膜+RTA処理により作製されたSROについては、Psi=0°のときにSRO(110)の回折強度が見られる。   FIG. 4 shows an example of a measurement result when 2θ = 32 ° is fixed and Psi is shaken. At Psi = 0 °, almost no diffraction intensity is observed at SRO (110), and diffraction intensity is observed at around Psi = 35 °. It can be confirmed that it is oriented. In addition, regarding the SRO produced by the above-described room temperature film formation + RTA process, the diffraction intensity of SRO (110) is observed when Psi = 0 °.

また、圧電アクチュエータとして連続動作したときに、駆動させた後の変位量が、初期変位に比べてどのくらい劣化したかを見積もったところ、PZTの配向性が非常に影響しており、(110)では変位劣化抑制において不十分である。さらにSRO膜の表面粗さを見たときに、成膜温度に影響し、室温から300[℃]では表面粗さが非常に小さく2[nm]以下になる。粗さについてはAFMにより測定される表面粗さ(平均粗さ)を指標としている。   In addition, when the amount of displacement after being driven was estimated to be deteriorated compared to the initial displacement when continuously operating as a piezoelectric actuator, the orientation of PZT has a great influence. (110) Insufficient displacement suppression is insufficient. Further, when the surface roughness of the SRO film is observed, the film formation temperature is affected, and the surface roughness is very small from room temperature to 300 [° C.] and becomes 2 [nm] or less. As for the roughness, the surface roughness (average roughness) measured by AFM is used as an index.

表面粗さとしては、非常にフラットにはなっているが結晶性が十分でなく、その後成膜したPZTの圧電アクチュエータとしての初期変位や連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られない。表面粗さとしては、4〜15[nm]になっていることが好ましく、6〜10[nm]がさらに好ましい。この範囲を超えると、その後成膜したPZTの絶縁耐圧が非常に悪く、リークしやすくなる。したがって、上述に示すような、結晶性や表面粗さを得るためには、成膜温度としては500〜700[℃]、好ましくは520〜600[℃]の範囲で成膜を実施している。   Although the surface roughness is very flat, the crystallinity is not sufficient, and sufficient characteristics cannot be obtained with respect to initial displacement as a piezoelectric actuator of PZT formed after that and displacement deterioration after continuous driving. . The surface roughness is preferably 4 to 15 [nm], and more preferably 6 to 10 [nm]. If this range is exceeded, the dielectric breakdown voltage of the PZT deposited thereafter is very poor and leaks easily. Therefore, in order to obtain the crystallinity and the surface roughness as described above, the film formation temperature is 500 to 700 [° C.], preferably 520 to 600 [° C.]. .

成膜後のSrとRuの組成比については、Sr/Ruが0.82以上1.22以下であることが好ましい。この範囲から外れると比抵抗が大きくなり、電極として十分な導電性が得られなくなる。   Regarding the composition ratio of Sr and Ru after film formation, Sr / Ru is preferably 0.82 or more and 1.22 or less. If it is out of this range, the specific resistance increases, and sufficient conductivity as an electrode cannot be obtained.

さらに、SRO膜の膜厚としては、40〜150[nm]が好ましく、50〜80[んm]がさらに好ましい。この膜厚範囲よりも薄いと初期変位や連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られない場合があり、また、PZTのオーバーエッチングを抑制するためのストップエッチング層としての機能も得られにくくなる。この範囲を超えると、その後成膜したPZTの絶縁耐圧が非常に悪く、リークしやすくなる。   Furthermore, the film thickness of the SRO film is preferably 40 to 150 [nm], and more preferably 50 to 80 [m]. If the thickness is smaller than this range, sufficient characteristics may not be obtained for initial displacement and displacement deterioration after continuous driving, and a function as a stop etching layer for suppressing overetching of PZT is also obtained. It becomes difficult. If this range is exceeded, the dielectric breakdown voltage of the PZT deposited thereafter is very poor and leaks easily.

また比抵抗としては、5×10−3[Ω・cm]以下になっていることが好ましく、さらに1×10−3[Ω・cm]以下になっていることがさらに好ましい。この範囲よりも大きくなると十分な電流を供給することができなくなり、インク吐出をする際に不具合が発生する。 The specific resistance is preferably 5 × 10 −3 [Ω · cm] or less, and more preferably 1 × 10 −3 [Ω · cm] or less. If it is larger than this range, a sufficient current cannot be supplied, and a problem occurs when ink is ejected.

〔圧電体(電気機械変換膜)〕
圧電体162の材料としては、PZTを主に使用した。PZTとはジルコン酸鉛(PbZrO)とチタン酸(PbTiO)の固溶体で、その比率により特性が異なる。一般的に優れた圧電特性を示す組成はPbZrOとPbTiOの比率が53:47の割合で、化学式で示すとPb(Zr0.53,Ti0.47)O、一般PZT(53/47)と示される。PZT以外の複合酸化物としてはチタン酸バリウムなどが挙げられ、この場合はバリウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒に溶解させることでチタン酸バリウム前駆体溶液を作製することも可能である。これら材料は一般式ABOで記述され、A=Pb、Ba、Sr、 B=Ti、Zr、Sn、Ni、Zn、Mg、Nbを主成分とする複合酸化物が該当する。その具体的な記述として(Pb1−x,Ba)(Zr,Ti)O、(Pb1−x,Sr)(Zr,Ti)O、これはAサイトのPbを一部BaやSrで置換した場合である。このような置換は2価の元素であれば可能であり、その効果は熱処理中の鉛の蒸発による特性劣化を低減させる作用を示す。
[Piezoelectric body (electromechanical conversion film)]
As a material of the piezoelectric body 162, PZT was mainly used. PZT is a solid solution of lead zirconate (PbZrO 3 ) and titanic acid (PbTiO 3 ), and the characteristics differ depending on the ratio. In general, the composition exhibiting excellent piezoelectric characteristics has a ratio of PbZrO 3 and PbTiO 3 of 53:47. When expressed by a chemical formula, Pb (Zr0.53, Ti0.47) O 3 , general PZT (53/47) It is shown. Examples of composite oxides other than PZT include barium titanate. In this case, it is also possible to prepare a barium titanate precursor solution by dissolving barium alkoxide and a titanium alkoxide compound in a common solvent. is there. These materials are described by the general formula ABO 3 , and A = Pb, Ba, Sr, B = Ti, Zr, Sn, Ni, Zn, Mg, and a composite oxide mainly composed of Nb. Specifically, (Pb1-x, Ba) (Zr, Ti) O 3 , (Pb1-x, Sr) (Zr, Ti) O 3 , which partially replaces Pb of the A site with Ba or Sr. This is the case. Such substitution is possible with a divalent element, and the effect thereof has an effect of reducing characteristic deterioration due to evaporation of lead during heat treatment.

圧電体162の作製方法としては、スパッタ法もしくは、ゾルゲル法を用いてスピンコーターにて作製することができる。その場合は、パターニング化が必要となるので、フォトリソエッチング(リソエッチともいう)等により所望のパターンを得る。PZTをゾルゲル法により作製した場合、出発材料に酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒としてメトキシエタノールに溶解させ均一溶液を得ることで、PZT前駆体溶液が作製できる。金属アルコキシド化合物は大気中の水分により容易に加水分解してしまうので、前駆体溶液に安定剤としてアセチルアセトン、酢酸、ジエタノールアミンなどの安定化剤を適量、添加してもよい。   As a method for manufacturing the piezoelectric body 162, it can be manufactured by a spin coater using a sputtering method or a sol-gel method. In that case, since patterning is required, a desired pattern is obtained by photolithography etching (also called lithoetching) or the like. When PZT is produced by the sol-gel method, a PZT precursor solution can be produced by using lead acetate, zirconium alkoxide, and titanium alkoxide compounds as starting materials and dissolving them in methoxyethanol as a common solvent to obtain a uniform solution. Since the metal alkoxide compound is easily hydrolyzed by moisture in the atmosphere, an appropriate amount of a stabilizer such as acetylacetone, acetic acid or diethanolamine may be added to the precursor solution as a stabilizer.

アクチュエータ基板14の全面に圧電体162の膜(PZT膜)を得る場合、スピンコートなどの溶液塗布法により塗膜を形成し、溶媒乾燥、熱分解、結晶化の各々の熱処理を施すことで得られる。塗膜から結晶化膜への変態には体積収縮が伴うので、クラックフリーな膜を得るには一度の工程で100[nm]以下の膜厚が得られるように前駆体濃度の調整が必要になる。   When a film of the piezoelectric body 162 (PZT film) is obtained on the entire surface of the actuator substrate 14, it is obtained by forming a coating film by a solution coating method such as spin coating and performing heat treatments such as solvent drying, thermal decomposition, and crystallization. It is done. Since the transformation from the coating film to the crystallized film involves volume shrinkage, it is necessary to adjust the precursor concentration so that a film thickness of 100 nm or less can be obtained in one step in order to obtain a crack-free film. Become.

圧電体162の膜厚としては0.5[μm]以上5[μm]以下の範囲が好ましく、1[μm]以上2[μm]以下の範囲がより好ましい。この範囲より小さいと十分な変形(変位)を発生することができなくなり、この範囲より大きいと何層も積層させていくため、工程数が多くなりプロセス時間が長くなる。   The film thickness of the piezoelectric body 162 is preferably in the range of 0.5 [μm] to 5 [μm], and more preferably in the range of 1 [μm] to 2 [μm]. If it is smaller than this range, it will not be possible to generate sufficient deformation (displacement), and if it is larger than this range, many layers will be laminated, resulting in an increase in the number of steps and a longer process time.

また、圧電体162の比誘電率としては600以上2000以下の範囲になっていることが好ましく、さらに1200以上1600以下の範囲になっていることが好ましい。このとき、この範囲よりも小さいときには十分な変形(変位)特性が得られず、この範囲より大きくなると、分極処理が十分行われず、連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られないといった不具合が発生する。   The relative permittivity of the piezoelectric body 162 is preferably in the range of 600 to 2000, and more preferably in the range of 1200 to 1600. At this time, when it is smaller than this range, sufficient deformation (displacement) characteristics cannot be obtained, and when it is larger than this range, polarization processing is not performed sufficiently, and sufficient characteristics cannot be obtained for displacement deterioration after continuous driving. A malfunction occurs.

〔上部電極(個別電極)〕
上部電極(個別電極)163は、下部電極材料層とは異なり、圧電体162の膜を形成する際のような高温のプロセスが後の工程で無く、圧電体162の膜との格子定数マッチングも必要とならないため材料選択幅が下部電極161に比較し広くなる。上部電極163においては、白金膜、イリジウムや金などの金属電極を用いることができる。また、酸化物電極層と金属電極の積層膜を利用することもできる。
[Upper electrode (individual electrode)]
Unlike the lower electrode material layer, the upper electrode (individual electrode) 163 is not subjected to a high-temperature process such as that for forming the film of the piezoelectric body 162 and the lattice constant matching with the film of the piezoelectric body 162 is not performed later. Since it is not necessary, the material selection width is wider than that of the lower electrode 161. For the upper electrode 163, a platinum film, a metal electrode such as iridium or gold can be used. A laminated film of an oxide electrode layer and a metal electrode can also be used.

上部電極163としては、金属もしくは酸化物と金属からなっていることが好ましい。以下に酸化物電極膜及び金属電極膜の詳細について記載する。   The upper electrode 163 is preferably made of metal or oxide and metal. Details of the oxide electrode film and the metal electrode film are described below.

〔酸化物電極膜〕
酸化物電極膜の材料としては、前述の下部電極(共通電極)161で使用した酸化物電極膜について記載したものと同様なものを挙げることができる。酸化物電極膜は、例えばスパッタ法等の成膜方法により作製することができる。酸化物電極膜の膜厚としては、20[nm]以上80[nm]以下の範囲が好ましく、40[nm]以上60[nm]以下の範囲がさらに好ましい。この膜厚範囲よりも薄いと初期変形(変位)や変形(変位)の劣化特性については十分な特性が得られない。また、この範囲を超えると、その後に成膜したPZT膜の絶縁耐圧が悪くなり、リークしやすくなる。
[Oxide electrode film]
Examples of the material for the oxide electrode film include the same materials as those described for the oxide electrode film used in the lower electrode (common electrode) 161 described above. The oxide electrode film can be produced by a film forming method such as sputtering. The thickness of the oxide electrode film is preferably in the range of 20 [nm] to 80 [nm], and more preferably in the range of 40 [nm] to 60 [nm]. If the thickness is less than this range, sufficient characteristics cannot be obtained for the deterioration characteristics of initial deformation (displacement) and deformation (displacement). On the other hand, if it exceeds this range, the withstand voltage of the PZT film formed thereafter deteriorates and leaks easily.

〔金属電極膜〕
金属電極膜の材料等については、前述の下部電極(共通電極)161で使用した金属電極膜について記載したものと同様なものを挙げることができる。金属電極膜の膜厚としては30[nm]以上200[nm]以下の範囲が好ましく、50[nm]以上120[nm]以下の範囲がさらに好ましい。この範囲より薄い場合においては、上部電極(個別電極)163として十分な電流を供給することができなくなり、液滴を吐出する際に不具合が発生する。また、上記範囲より厚いと、白金族元素の高価な材料を使用する場合にコストアップとなる。また、白金を材料とした場合に膜厚を厚くしていたったときに表面粗さが大きくなり、絶縁保護膜を介して配線などを作製する際に、膜剥がれ等のプロセス不具合が発生しやすくなる。
[Metal electrode film]
Examples of the material for the metal electrode film include the same materials as those described for the metal electrode film used in the lower electrode (common electrode) 161 described above. The thickness of the metal electrode film is preferably in the range of 30 [nm] to 200 [nm], and more preferably in the range of 50 [nm] to 120 [nm]. When the thickness is smaller than this range, a sufficient current cannot be supplied as the upper electrode (individual electrode) 163, and a problem occurs when ejecting a droplet. On the other hand, when the thickness is larger than the above range, the cost increases when an expensive material of a platinum group element is used. In addition, when platinum is used as the material, the surface roughness increases when the film thickness is increased, and process defects such as film peeling are likely to occur when wiring is formed through an insulating protective film. .

〔第1の絶縁保護膜〕
成膜・エッチングの工程による圧電素子へのダメージを防ぐとともに、大気中の水分が透過しづらい材料を選定する必要があるため、第1の絶縁保護膜17の材料は緻密な無機材料とする必要がある。また、第1の絶縁保護膜17として有機材料を用いる場合は、十分な保護性能を得るために膜厚を厚くする必要があるため、適さない。第1の絶縁保護膜17を厚い膜とした場合、振動板15の振動を著しく阻害してしまうため、吐出性能の低い液滴吐出ヘッドになってしまう。薄膜で高い保護性能を得るには、酸化物,窒化物,炭化膜を用いるのが好ましいが、第1の絶縁保護膜17の下地となる電極材料、圧電体材料及び振動板材料と密着性が高い材料を選定する必要がある。また、第1の絶縁保護膜17の成膜法も、圧電素子16を損傷しない成膜方法を選定する必要がある。すなわち、反応性ガスをプラズマ化して基板上に堆積するプラズマCVD法やプラズマをターゲット材に衝突させて飛ばすことで成膜するスパッタリング法は好ましくない。第1の絶縁保護膜17の好ましい成膜方法としては、蒸着法、ALD(Atomic Layer Deposition:原子層堆積)法などが例示できるが、使用できる材料の選択肢が広いALD法が好ましい。好ましい材料としては、Al,ZrO,Y2O,Ta,TiOなどのセラミクス材料に用いられる酸化膜が例として挙げられる。特にALD法を用いることで、膜密度の非常に高い薄膜を作製し、プロセス中でのダメージを抑制することができる。
[First insulating protective film]
The material of the first insulating protective film 17 needs to be a dense inorganic material because it is necessary to select a material that prevents moisture in the atmosphere from being transmitted through while preventing damage to the piezoelectric element due to the film formation / etching process. There is. Further, when an organic material is used for the first insulating protective film 17, it is not suitable because it is necessary to increase the film thickness in order to obtain sufficient protection performance. When the first insulating protective film 17 is a thick film, the vibration of the diaphragm 15 is remarkably hindered, resulting in a droplet discharge head having a low discharge performance. In order to obtain high protection performance with a thin film, it is preferable to use an oxide, nitride, or carbide film. However, the electrode material, the piezoelectric material, and the diaphragm material serving as the base of the first insulating protective film 17 have adhesiveness. It is necessary to select a high material. In addition, it is necessary to select a film forming method that does not damage the piezoelectric element 16 as a method for forming the first insulating protective film 17. That is, a plasma CVD method in which a reactive gas is turned into plasma and deposited on a substrate, or a sputtering method in which a film is formed by causing a plasma to collide with a target material and flying away is not preferable. Examples of a preferable film formation method for the first insulating protective film 17 include an evaporation method and an ALD (Atomic Layer Deposition) method, but an ALD method with a wide range of materials that can be used is preferable. Preferred materials, Al 2 O 3, ZrO 2 , Y2O 3, Ta 2 O 3, an oxide film used in the ceramic material, such as TiO 2 can be cited as examples. In particular, by using the ALD method, a thin film having a very high film density can be produced and damage in the process can be suppressed.

第1の絶縁保護膜17の膜厚は、圧電素子16の保護性能を確保できる十分な薄膜とする必要があると同時に、振動板15の変形(変位)を阻害しないように可能な限り薄くする必要がある。第1の絶縁保護膜17の膜厚は、20[nm]以上100[nm]以下の範囲が好ましい。100[nm]より厚い場合は、振動板15の変形(変位)量が低下するため、吐出効率の低い液滴吐出ヘッドとなる。一方、20[nm]より薄い場合は、圧電素子16の保護層としての機能が不足してしまうため、圧電素子16の性能が前述の通り低下してしまう。   The film thickness of the first insulating protective film 17 needs to be thin enough to ensure the protection performance of the piezoelectric element 16, and at the same time, it is made as thin as possible so as not to inhibit the deformation (displacement) of the diaphragm 15. There is a need. The thickness of the first insulating protective film 17 is preferably in the range of 20 [nm] to 100 [nm]. When the thickness is greater than 100 [nm], the deformation (displacement) amount of the vibration plate 15 is reduced, so that a droplet discharge head with low discharge efficiency is obtained. On the other hand, when the thickness is smaller than 20 [nm], the function of the piezoelectric element 16 as a protective layer is insufficient, so that the performance of the piezoelectric element 16 is deteriorated as described above.

〔第2の絶縁保護膜〕
第2の絶縁保護膜18としては、任意の酸化物,窒化物,炭化物又はこれらの複合化合物を用いることができ、また、半導体デバイスで一般的に用いられるSiOを用いることもできる。第2の絶縁保護膜18の成膜は任意の手法を用いることができ、例えばCVD法、スパッタリング法、ALD法等が例示できる。電極形成部等のパターン形成部の段差被覆を考慮すると等方的に成膜できるCVD法を用いることが好ましい。第2の絶縁保護膜18の膜厚は共通電極(下部電極)161と個別電極の配線32との間に印加される電圧で絶縁破壊されない膜厚とする必要がある。すなわち第2の絶縁保護膜18に印加される電界強度を、絶縁破壊しない範囲に設定する必要がある。さらに、第2の絶縁保護膜18の下地の表面性やピンホール等を考慮すると、第2の絶縁保護膜18の膜厚は200[nm]以上必要であり、さらに好ましくは500[nm]以上である。
[Second insulating protective film]
As the second insulating protective film 18, any oxide, nitride, carbide, or composite compound thereof can be used, and SiO 2 generally used in semiconductor devices can also be used. Arbitrary methods can be used for forming the second insulating protective film 18, and examples thereof include a CVD method, a sputtering method, and an ALD method. It is preferable to use a CVD method capable of forming an isotropic film in consideration of the step coverage of the pattern forming portion such as the electrode forming portion. The film thickness of the second insulating protective film 18 needs to be a film thickness that does not cause dielectric breakdown by a voltage applied between the common electrode (lower electrode) 161 and the wiring 32 of the individual electrode. That is, it is necessary to set the electric field strength applied to the second insulating protective film 18 within a range that does not cause dielectric breakdown. Furthermore, in consideration of the surface property of the base of the second insulating protective film 18, pinholes, etc., the thickness of the second insulating protective film 18 needs to be 200 [nm] or more, more preferably 500 [nm] or more. It is.

〔配線、パッド電極〕
配線31、22及びパッド電極の材料は、Ag合金、Cu、Al、Au、Pt、Irのいずれかから成る金属電極材料であることが好ましい。これらの電極の作製方法としては、スパッタ法、スピンコート法を用いて作製し、その後フォトリソエッチング等により所望のパターンを得る。膜厚としては、0.1[μm]以上20[μm]以下の範囲が好ましく、0.2[μm]以上10[μm]以下の範囲がさらに好ましい。この範囲より小さいと抵抗が大きくなり電極に十分な電流を流すことができなくなりヘッド吐出が不安定になる。一方、この範囲より大きいとプロセス時間が長くなる。また、下部電極161及び上部電極163に接続されるコンタクトホール部(例えば10[μm]×10[μm])での接触抵抗としては、共通電極である下部電極161に対して10[Ω]以下、個別電極である上部電極163に対して1[Ω]以下が好ましい。さらに好ましくは、下部電極161に対して5[Ω]以下、上部電極163に対して0.5[Ω]以下である。この範囲を超えると十分な電流を供給することができなくなり、液滴を吐出をする際に不具合が発生する。
[Wiring, pad electrode]
The material of the wirings 31 and 22 and the pad electrode is preferably a metal electrode material made of Ag alloy, Cu, Al, Au, Pt, or Ir. As a method for manufacturing these electrodes, a sputtering method or a spin coating method is used, and then a desired pattern is obtained by photolithography etching or the like. The film thickness is preferably in the range of 0.1 [μm] to 20 [μm], and more preferably in the range of 0.2 [μm] to 10 [μm]. If it is smaller than this range, the resistance becomes large, and a sufficient current cannot flow through the electrodes, making the head ejection unstable. On the other hand, if it is larger than this range, the process time becomes longer. Further, the contact resistance in the contact hole portion (for example, 10 [μm] × 10 [μm]) connected to the lower electrode 161 and the upper electrode 163 is 10 [Ω] or less with respect to the lower electrode 161 that is a common electrode. The upper electrode 163 that is an individual electrode is preferably 1 [Ω] or less. More preferably, it is 5 [Ω] or less for the lower electrode 161 and 0.5 [Ω] or less for the upper electrode 163. If it exceeds this range, it will not be possible to supply a sufficient current, and problems will occur when discharging droplets.

〔第3の絶縁保護膜〕
第3の絶縁保護膜19としての機能は、共通電極用の配線31や個別電極用の配線32の保護層としての機能を有するパッシベーション層である。図2に示したように、上部電極163の引き出し部と、下部電極161の引き出し部(コンタクトホール18a)と、を除き、上部電極163及び下部電極161を被覆する。これにより、電極材料に安価なAlもしくはAlを主成分とする合金材料を用いることができる。その結果、低コストかつ信頼性の高い液滴吐出ヘッド(インクジェットヘッド)とすることができる。第3の絶縁保護膜19の材料としては、任意の無機材料、有機材料を使用することができるが、透湿性の低い材料とする必要がある。無機材料としては、酸化物、窒化物、炭化物等が例示でき、有機材料としてはポリイミド、アクリル樹脂、ウレタン樹脂等が例示できる。ただし、有機材料の場合には厚膜とすることが必要となるため、パターニングに適さない。そのため、薄膜で配線保護機能を発揮できる無機材料とすることが好ましい。特に、Al配線上にSiを用いることが、半導体デバイスで実績のある技術であるため好ましい。また、膜厚は200[nm]以上とすることが好ましく、さらに好ましくは500[nm]以上である。膜厚が薄い場合は十分なパッシベーション機能を発揮できないため、配線材料の腐食による断線が発生し、インクジェットの信頼性を低下させてしまう。
[Third insulating protective film]
The function as the third insulating protective film 19 is a passivation layer having a function as a protective layer of the common electrode wiring 31 and the individual electrode wiring 32. As shown in FIG. 2, the upper electrode 163 and the lower electrode 161 are covered except for the lead portion of the upper electrode 163 and the lead portion (contact hole 18a) of the lower electrode 161. Thereby, an inexpensive Al or an alloy material containing Al as a main component can be used as the electrode material. As a result, a low-cost and highly reliable droplet discharge head (inkjet head) can be obtained. As the material of the third insulating protective film 19, any inorganic material or organic material can be used, but it is necessary to use a material with low moisture permeability. Examples of the inorganic material include oxides, nitrides, and carbides, and examples of the organic material include polyimide, acrylic resin, and urethane resin. However, an organic material is not suitable for patterning because it needs to be a thick film. Therefore, it is preferable to use an inorganic material that can exhibit a wiring protection function with a thin film. In particular, it is preferable to use Si 3 N 4 on the Al wiring because it is a proven technology for semiconductor devices. The film thickness is preferably 200 [nm] or more, and more preferably 500 [nm] or more. When the film thickness is small, a sufficient passivation function cannot be exhibited, so that disconnection due to corrosion of the wiring material occurs, and the reliability of the ink jet is lowered.

また、圧電素子16上とその周囲の振動板15上に開口部をもつ構造が好ましい。これは、前述の第1の絶縁保護膜17の加圧液室13に対応した領域を薄くしていることと同様の理由である。これにより、高効率かつ高信頼性の液滴吐出ヘッド(インクジェットヘッド)とすることが可能になる。第1,第2の絶縁保護膜17,18で圧電素子16が保護されているため、第3の絶縁保護膜19の開口部の形成には、フォトリソグラフィー法とドライエッチングを用いることができる。なお、パッド電極の面積については、50×50[μm]以上になっていることが好ましく、さらに100×300[μm]以上になっていることが好ましい。 Further, a structure having openings on the piezoelectric element 16 and the surrounding diaphragm 15 is preferable. This is the same reason that the region corresponding to the pressurized liquid chamber 13 of the first insulating protective film 17 is thinned. As a result, a highly efficient and highly reliable droplet discharge head (inkjet head) can be obtained. Since the piezoelectric element 16 is protected by the first and second insulating protective films 17 and 18, a photolithography method and dry etching can be used to form the opening of the third insulating protective film 19. Note that the area of the pad electrode is preferably 50 × 50 [μm 2 ] or more, and more preferably 100 × 300 [μm 2 ] or more.

(サブフレーム基板の作製・第1の実施形態)
[作製工程概要]
先ず、サブフレーム基板30の作製の概要について説明する。
(Production of Subframe Substrate, First Embodiment)
[Production process overview]
First, an outline of manufacturing the subframe substrate 30 will be described.

図5は、サブフレーム基板30の上面図である。サブフレーム基板30は、アクチュエータ基板14において圧電素子16が形成された面に接合される基板である。   FIG. 5 is a top view of the subframe substrate 30. The subframe substrate 30 is a substrate bonded to the surface of the actuator substrate 14 on which the piezoelectric element 16 is formed.

<溝形成工程>
図5に示すサブフレーム基板30は、シリコン基板であって、貫通孔37を形成する部分(すなわち、共通液滴流路36となる部分)の周囲(外径形状に沿った内側の所定範囲)を、ドライエッチングで貫通させて貫通孔形成溝38を形成したものである。
貫通孔形成溝38で囲まれる部分にくり抜き部39が形成される。このとき、貫通孔形成溝38の溝幅は、単一の溝幅であることが好ましい。また、ザグリ34が形成される。
<Groove formation process>
The subframe substrate 30 shown in FIG. 5 is a silicon substrate, and around a portion where the through hole 37 is formed (that is, a portion that becomes the common droplet flow path 36) (a predetermined range on the inner side along the outer diameter shape). The through hole forming groove 38 is formed by penetrating the film by dry etching.
A cutout portion 39 is formed in a portion surrounded by the through hole forming groove 38. At this time, the groove width of the through-hole forming groove 38 is preferably a single groove width. Also, counterbore 34 is formed.

<除去工程>
そして、図6に示すように、くり抜き部39を除去することで、貫通孔37が形成されたサブフレーム基板30が作成される。
<Removal process>
Then, as shown in FIG. 6, the subframe substrate 30 in which the through holes 37 are formed is created by removing the cutout portions 39.

詳細は後述するが、本実施形態に係るサブフレーム基板30の作製方法では、サブフレーム基板30に、貫通孔形成溝38をドライエッチングにより貫通させる際に、エッチャー(エッチング装置)の電極にダメージを与えないように、サブフレーム基板30の裏面側に保護基板としてのサポート基板50を、接着シート42を介して貼り付けている(図10等)。   Although details will be described later, in the method for manufacturing the subframe substrate 30 according to the present embodiment, when the through-hole forming groove 38 is penetrated through the subframe substrate 30 by dry etching, the electrode of the etcher (etching apparatus) is damaged. In order not to give, the support substrate 50 as a protective substrate is affixed on the back surface side of the sub-frame substrate 30 via the adhesive sheet 42 (FIG. 10 etc.).

細い溝を貫通孔37とする周囲にマスクとして形成し、この溝を貫通させて、図5および図6に示した貫通孔形成溝38を形成する。貫通孔形成溝38の形成後、サポート基板50および接着シート42を剥がす際、接着シート42の粘着力で、くり抜き部39が除去される。これにより、貫通孔37が形成される。   A narrow groove is formed as a mask around the through hole 37, and the groove is penetrated to form the through hole forming groove 38 shown in FIGS. When the support substrate 50 and the adhesive sheet 42 are peeled off after the through-hole forming groove 38 is formed, the cut-out portion 39 is removed by the adhesive force of the adhesive sheet 42. Thereby, the through-hole 37 is formed.

すなわち、本実施形態に係るサブフレーム基板30の作製方法では、様々な形状や面積の貫通したいパターンの開口部全面をエッチングするのではなく、単一の幅の溝で貫通孔37となる部分の周囲をエッチングするため、エッチングのマイクロローディング効果によるエッチングレート差が生じず、また開口面積差による深さ方向の形状変化も生じないため、開口面積の異なるパターンにおいても、寸法精度よく、且つ形状のバラツキなく貫通孔37が形成できる。このため、歩留まりの向上が図れるとともに、微細化にも対応が可能である。   That is, in the manufacturing method of the subframe substrate 30 according to the present embodiment, the entire portion of the opening of the pattern to be penetrated having various shapes and areas is not etched, but the portion that becomes the through hole 37 is formed by a single width groove. Since the periphery is etched, there is no difference in etching rate due to the microloading effect of etching, and there is no change in shape in the depth direction due to the difference in opening area. The through-hole 37 can be formed without variation. Therefore, it is possible to improve the yield and cope with miniaturization.

また、エッチング時の反応生成物も少なくなるため、エッチング装置への堆積物付着も少なくすることができ、例えば、エッチング装置のメンテナンス周期を長期化することができ、装置の維持コストも抑制することができる。   In addition, the amount of reaction products during etching is reduced, so that deposits on the etching apparatus can be reduced. For example, the maintenance cycle of the etching apparatus can be extended, and the maintenance cost of the apparatus can be suppressed. Can do.

[作製工程詳細]
以下、図7〜図15を参照して、サブフレーム基板30の作製工程の詳細について説明する。なお、以下に説明する第1〜第6の工程が溝形成工程、第7の工程が除去工程である。
[Production process details]
Hereinafter, details of the manufacturing process of the subframe substrate 30 will be described with reference to FIGS. In addition, the 1st-6th process demonstrated below is a groove | channel formation process, and a 7th process is a removal process.

図7は、サブフレーム基板30にザグリ34および貫通孔形成溝38を形成した状態の上面図、図8〜図15は、サブフレーム基板30の短辺長方向の断面図(A−A’断面図)であって、サブフレーム基板30の作製工程の説明図である。なお、以下の説明では、サブフレーム基板30の図中上側の面を表面(アクチュエータ基板14側となる面)、図中下側の面を裏面という。   7 is a top view of the subframe substrate 30 in which the counterbore 34 and the through hole forming groove 38 are formed. FIGS. 8 to 15 are cross-sectional views of the subframe substrate 30 in the short side length direction (AA ′ cross section). FIG. 6 is an explanatory diagram of a manufacturing process of the subframe substrate 30. In the following description, the upper surface of the subframe substrate 30 in the drawing is referred to as the front surface (the surface on the actuator substrate 14 side), and the lower surface in the drawing is referred to as the back surface.

<第1の工程>
先ず、図8に示すように、サブフレーム基板30として面方位(110)の両面ミラー面のシリコン単結晶基板40(例えば、板厚400μm)に、後に貫通孔形成溝38およびザグリ34の形成時のエッチングマスクとなるSiO膜41をLP−CVD法により、シリコン単結晶基板40の両面に成膜する(例えば、500nm厚)。
<First step>
First, as shown in FIG. 8, when a through-hole forming groove 38 and counterbore 34 are formed on a silicon single crystal substrate 40 (for example, 400 μm thick) having a double-sided mirror surface with a plane orientation (110) as a subframe substrate 30 later. The SiO 2 film 41 serving as an etching mask is formed on both surfaces of the silicon single crystal substrate 40 by LP-CVD (for example, having a thickness of 500 nm).

<第2の工程>
次いで、図9に示すように、サブフレーム基板30の裏面側において、後に貫通孔形成溝38に位置する箇所のSiO膜41をリソエッチ法(リソグラフィー・エッチング法)で除去する(図中の符号41a)。
<Second step>
Next, as shown in FIG. 9, on the back side of the subframe substrate 30, the SiO 2 film 41 at a location that will later be located in the through-hole forming groove 38 is removed by a litho-etching method (lithography / etching method). 41a).

また、サブフレーム基板30の表面側において、後にザグリ34となる箇所のSiO膜41をリソエッチ法で除去する(図中の符号41b)。 Further, on the surface side of the sub-frame substrate 30, the SiO 2 film 41 that will be the counterbore 34 later is removed by a litho-etching method (reference numeral 41 b in the figure).

<第3の工程>
次いで、図10に示すように、貫通孔形成溝38をドライエッチングにより貫通させる際に、エッチャーの電極をプラズマから保護するために、接着シート42を用いて、サブフレーム基板30にサポート基板50を貼り合せる。接着シート42は、後に剥離可能なものであって、例えば、熱剥離タイプの貼り合せテープを用いることができる。
<Third step>
Next, as shown in FIG. 10, when the through hole forming groove 38 is penetrated by dry etching, the support substrate 50 is attached to the subframe substrate 30 using an adhesive sheet 42 in order to protect the electrode of the etcher from plasma. Paste. The adhesive sheet 42 can be peeled later, and for example, a heat peeling type bonding tape can be used.

また、サブフレーム基板30の表面にレジスト43を塗布し、貫通孔形成溝38のパターン43aを一般的なフォトマスクを用いて露光、現像して形成する。   Further, a resist 43 is applied to the surface of the subframe substrate 30, and a pattern 43a of the through hole forming groove 38 is formed by exposure and development using a general photomask.

<第4の工程>
次いで、図11に示すように、レジストパターンを介して、一般的な酸化膜ドライエッチングにて、後に、貫通孔形成溝38となる箇所のSiO膜41を除去して、パターン41cを形成する。
<4th process>
Next, as shown in FIG. 11, the SiO 2 film 41 at a location that will later become the through hole forming groove 38 is removed by a general oxide film dry etching through the resist pattern to form a pattern 41 c. .

<第5の工程>
次いで、図12に示すように、例えば、高密度プラズマ源を用いたICP(Inductively Coupled Plasma)エッチング装置を用いて、シリコン単結晶基板40を貫通させ、レジスト43のパターン41aで貫通孔形成溝38を形成する。これにより、貫通孔形成溝38で囲まれたくり抜き部39も形成される。
<Fifth step>
Next, as shown in FIG. 12, for example, an ICP (Inductively Coupled Plasma) etching apparatus using a high-density plasma source is used to penetrate the silicon single crystal substrate 40, and a through-hole forming groove 38 is formed with a pattern 41 a of a resist 43. Form. Thereby, a cutout portion 39 surrounded by the through hole forming groove 38 is also formed.

<第6の工程>
次いで、図13に示すように、レジスト43をアッシングで除去する。そして、再度、ICPエッチングでSiO膜41をマスクとして、ザグリ34を、例えば10〜30umの深さでエッチングする。
<Sixth step>
Next, as shown in FIG. 13, the resist 43 is removed by ashing. Then, again, the counterbore 34 is etched to a depth of 10 to 30 μm, for example, using the SiO 2 film 41 as a mask by ICP etching.

<第7の工程>
次いで、図14に示すように、サブフレーム基板30からサポート基板50を剥がすために、熱剥離する温度まで加熱し、接着シート42をサブフレーム基板30に残したまま、サポート基板50を剥離する。
<Seventh step>
Next, as shown in FIG. 14, in order to peel the support substrate 50 from the sub-frame substrate 30, the support substrate 50 is peeled while being heated to a temperature at which heat separation is performed and the adhesive sheet 42 remains on the sub-frame substrate 30.

次いで、接着シート42を、サブフレーム基板30から剥離する。この時、くり抜き部39を、接着シート42に付着させたまま除去するようにする。   Next, the adhesive sheet 42 is peeled from the subframe substrate 30. At this time, the cut-out portion 39 is removed while attached to the adhesive sheet 42.

これにより、貫通孔形成溝38の形成部分と、くり抜き部39が形成されていた部分と、により、貫通孔37が形成されることとなる。   Thereby, the through-hole 37 is formed by the part where the through-hole forming groove 38 is formed and the part where the cut-out portion 39 is formed.

<第8の工程>
次いで、図15に示すように、SiO膜41をウェットエッチ層(例えば、弗酸)で除去する。その後、サブフレーム基板30に、インク耐性を持たせるために、使用するインクに合わせて、接液膜44をALD(原子層堆積法)法などを用いて成膜する。以上の工程により、サブフレーム基板30が完成する。
<Eighth process>
Next, as shown in FIG. 15, the SiO 2 film 41 is removed by a wet etch layer (for example, hydrofluoric acid). Thereafter, in order to provide the subframe substrate 30 with ink resistance, a liquid contact film 44 is formed using an ALD (atomic layer deposition) method or the like according to the ink to be used. The subframe substrate 30 is completed through the above steps.

サブフレーム基板30(第3の基板)は、ノズル基板12(第1の基板)が接合されたアクチュエータ基板14(第2の基板)に接合されることで、液滴吐出ヘッド1が作成される。   The subframe substrate 30 (third substrate) is bonded to the actuator substrate 14 (second substrate) to which the nozzle substrate 12 (first substrate) is bonded, whereby the droplet discharge head 1 is created. .

以上説明したように、本実施形態に係る基板の作製方法によれば、簡易かつ高精度に、寸法および形状制御をすることができる。   As described above, according to the substrate manufacturing method according to the present embodiment, the size and shape can be controlled easily and with high accuracy.

より詳しくは、本実施形態に係る基板の作製方法では、シリコン基板に貫通孔を形成する際に、ドライエッチングのみを用いて、貫通孔を形成するものである。したがって、プロセスの簡略化、プロセスコスト、設備コストの低減、及び歩留りの向上を図ることができる。また、プロセス、設計上の制約が従来技術に比べ小さいため、自由度の高い設計、プロセス構築ができる。   More specifically, in the substrate manufacturing method according to the present embodiment, when forming a through hole in a silicon substrate, the through hole is formed using only dry etching. Therefore, simplification of the process, reduction of process cost, equipment cost, and improvement of yield can be achieved. In addition, since the process and design restrictions are smaller than in the prior art, design and process construction with a high degree of freedom can be performed.

また、貫通孔の貫通時に、ドライエッチング装置の電極をプラズマに曝さないように貫通孔を形成する基板の裏面に、剥離可能な接着部材を介してサポート基板を貼り付けた状態でエッチングするようにしている。   In addition, during penetration of the through hole, etching should be performed with the support substrate attached to the back surface of the substrate on which the through hole is formed so as not to expose the electrode of the dry etching apparatus to plasma through a peelable adhesive member. ing.

また、貫通孔の貫通時に、開口部パターン全面でなく、開口部の周囲(貫通孔の形成領域の外径形状)に沿った溝をエッチングするものであるため、エッチング面積を少なく抑えることができる。このため、エッチング時の反応生成物が少なくなり、エッチング装置チャンバー内の堆積物付着を抑制することができる。よって、チャンバーの清掃周期を長くでき、メンテナンスコストの低減を図ることができる。   In addition, when the through hole is penetrated, the etching area is reduced because the groove is not etched over the entire surface of the opening pattern but along the periphery of the opening (the outer diameter shape of the through hole forming region). . For this reason, the reaction product at the time of etching decreases, and deposit adhesion in the etching apparatus chamber can be suppressed. Therefore, the chamber cleaning cycle can be lengthened, and the maintenance cost can be reduced.

また、溝幅を単一の溝幅とすることにより、エッチングのマイクロローディング効果によるエッチングレート差が生じず、また、開口面積差による深さ方向の形状変化も生じないため、開口面積の異なるパターンにおいても、加工精度を向上させて、寸法精度よく、かつ形状のバラツキなく貫通孔を形成することができる。このように、高精度に寸法および形状制御を可能とすることで、高精度、微細化に有利な製品の作製が実現できる。また、歩留まりを向上させて、コストの低減も図ることができる。   In addition, by making the groove width a single groove width, there is no difference in etching rate due to the microloading effect of etching, and there is no change in shape in the depth direction due to the difference in opening area. However, it is possible to improve the processing accuracy, and to form the through hole with high dimensional accuracy and without variation in shape. Thus, by enabling the size and shape control with high accuracy, it is possible to realize production of a product that is advantageous for high accuracy and miniaturization. In addition, the yield can be improved and the cost can be reduced.

また、本実施形態に係る基板の作製方法にて作成された基板をサブフレーム基板30として備えた液滴吐出ヘッド1とすることで、高精度で信頼性が高く安定した液滴吐出ヘッドを歩留まりよく実現することができる。   Further, by using the droplet discharge head 1 provided with the substrate produced by the substrate manufacturing method according to the present embodiment as the subframe substrate 30, a highly accurate, reliable and stable droplet discharge head can be obtained. Well realized.

(第2の実施形態)
以下、本発明に係る基板の作製方法の他の実施形態について説明する。なお、上記実施形態と同様の点についての説明は適宜省略する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, another embodiment of a method for manufacturing a substrate according to the present invention will be described. In addition, the description about the same point as the said embodiment is abbreviate | omitted suitably.

図16は、サブフレーム基板30にザグリ34および貫通孔形成溝38を形成した状態の上面図の他の例である。   FIG. 16 is another example of a top view of the subframe substrate 30 in which the counterbore 34 and the through hole forming groove 38 are formed.

第1の実施形態では、貫通孔形成溝38を貫通孔37の外径形状に沿って形成し、くり抜き部39は、サブフレーム基板30の長辺長方向が長い直方体形状となっている(図7)。   In the first embodiment, the through-hole forming groove 38 is formed along the outer diameter shape of the through-hole 37, and the cutout portion 39 has a rectangular parallelepiped shape with a long side length direction of the subframe substrate 30 being long (see FIG. 7).

このため、除去工程において、接着シート42をサブフレーム基板30の端部から引き剥がして剥離する際に、例えば、接着シート42の曲率が小さいと、くり抜き部39が接着シート42の曲率に追随できずに、くり抜き部39の剥離途中に接着シート42から剥がれたり、割れたりするケースが考えられる。この場合、貫通孔37の内壁を傷つけたり、異物が付着したりする原因となってしまう。   For this reason, in the removing process, when the adhesive sheet 42 is peeled off from the end portion of the subframe substrate 30 and peeled, for example, if the curvature of the adhesive sheet 42 is small, the cut-out portion 39 can follow the curvature of the adhesive sheet 42. Instead, there may be a case in which the peeled portion 39 is peeled off or broken from the adhesive sheet 42 during the peeling. In this case, the inner wall of the through-hole 37 may be damaged or foreign matter may adhere.

そこで、第2の実施形態に係る基板の作製方法では、接着シート42をサブフレーム基板30から剥がす時の曲率に追随できるように、貫通孔形成溝38で囲まれるくり抜き部39にも、貫通孔形成溝38を形成するものである。また、この貫通孔形成溝38は、図16に示すように、くり抜き部39の短辺方向に形成することが好ましい。   Therefore, in the substrate manufacturing method according to the second embodiment, the through-hole 39 surrounded by the through-hole forming groove 38 is also formed in the through-hole 39 so as to follow the curvature when the adhesive sheet 42 is peeled off from the subframe substrate 30. The formation groove 38 is formed. Further, the through hole forming groove 38 is preferably formed in the short side direction of the cut-out portion 39 as shown in FIG.

このように、貫通孔形成溝38を形成することにより、第1の実施形態の例に比べてより好適に、接着シート42の剥離時に、くり抜き部39を確実に接着シート42に付着した状態のまま剥がすことが可能となる。   Thus, by forming the through-hole forming groove 38, the cut-out portion 39 is reliably attached to the adhesive sheet 42 when the adhesive sheet 42 is peeled off more preferably than the example of the first embodiment. It can be peeled off as it is.

したがって、くり抜き部39の剥離途中に接着シート42から剥がれたり、割れたりすることがなく、また、貫通孔37の内壁を傷つけたり、異物が付着することがない。よって、サブフレーム基板30を高品質で歩留りよく作製することができる。   Therefore, it is not peeled off or broken from the adhesive sheet 42 in the middle of peeling of the cut-out portion 39, and the inner wall of the through hole 37 is not damaged or foreign matter is not attached. Therefore, the subframe substrate 30 can be manufactured with high quality and high yield.

(インクカートリッジ)
次に、本実施形態に係る液滴吐出ヘッド1を備えたインクカートリッジについて説明する。
(ink cartridge)
Next, an ink cartridge provided with the droplet discharge head 1 according to the present embodiment will be described.

図17は液滴吐出ヘッド1を備えたインクカートリッジの構成例を示す斜視図である。インクカートリッジ90は、上述した液滴吐出ヘッド1(インクジェットヘッド)と、液滴吐出ヘッド1に対してインクを供給するインクタンク91とを一体化したものである。   FIG. 17 is a perspective view illustrating a configuration example of an ink cartridge including the droplet discharge head 1. The ink cartridge 90 is obtained by integrating the above-described droplet discharge head 1 (inkjet head) and an ink tank 91 that supplies ink to the droplet discharge head 1.

液滴吐出ヘッド1とインクタンク91とを一体とした場合、液滴吐出ヘッド1の性能向上は、ただちにインクカートリッジ90の全体の性能向上につながる。よって、液滴吐出ヘッド1の性能向上を図ることで、ヘッド一体型のインクカートリッジ90の性能向上を図ることができる。   When the droplet discharge head 1 and the ink tank 91 are integrated, the performance improvement of the droplet discharge head 1 immediately leads to the improvement of the overall performance of the ink cartridge 90. Therefore, by improving the performance of the droplet discharge head 1, the performance of the head-integrated ink cartridge 90 can be improved.

(画像形成装置)
次に、本実施形態に係る液滴吐出ヘッド1を備えた画像形成装置であるインクジェット記録装置について説明する。
(Image forming device)
Next, an ink jet recording apparatus which is an image forming apparatus provided with the droplet discharge head 1 according to the present embodiment will be described.

図18は液滴吐出ヘッドを搭載したインクジェット記録装置の構成例を示す斜視図であり、図19は同記録装置の機構部の構成例を示す側面図である。   FIG. 18 is a perspective view showing a configuration example of an ink jet recording apparatus equipped with a droplet discharge head, and FIG. 19 is a side view showing a configuration example of a mechanism section of the recording apparatus.

インクジェット記録装置100は、装置本体の内部に印字機構部103等を収納し、装置本体の下方部には前方側から多数枚の記録紙130を積載可能な給紙カセット(或いは給紙トレイでもよい)104を抜き差し自在に装着されている。また、記録紙130を手差しで給紙するために開かれる手差しトレイ105を有している。給紙カセット104あるいは手差しトレイ105から給送される記録紙130を取り込み、印字機構部103によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ106に排紙する。   The ink jet recording apparatus 100 houses a printing mechanism 103 and the like inside the apparatus main body, and may be a paper feed cassette (or a paper feed tray) on which a large number of recording sheets 130 can be stacked from the front side in the lower part of the apparatus main body. ) 104 is removably mounted. Further, it has a manual feed tray 105 that is opened to manually feed the recording paper 130. The recording paper 130 fed from the paper feed cassette 104 or the manual feed tray 105 is taken in, a required image is recorded by the printing mechanism unit 103, and then discharged to the paper discharge tray 106 mounted on the rear side.

印字機構部103は、主走査方向に移動可能なキャリッジ101とキャリッジ101に搭載した液滴吐出ヘッド及び液滴吐出ヘッドに対してインクを供給するインクカートリッジ102等で構成される。また、印字機構部103は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド107と従ガイドロッド108とでキャリッジ101を主走査方向に摺動自在に保持する。このキャリッジ101にはイエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(Bk)の各色のインク滴を吐出する液滴吐出ヘッドを複数のインク吐出口(ノズル孔)を主走査方向と交差する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。また、キャリッジ101には液滴吐出ヘッドに各色のインクを供給するための各インクカートリッジ102を交換可能に装着している。   The printing mechanism 103 includes a carriage 101 that can move in the main scanning direction, a droplet discharge head mounted on the carriage 101, an ink cartridge 102 that supplies ink to the droplet discharge head, and the like. Further, the printing mechanism 103 holds the carriage 101 slidably in the main scanning direction with a main guide rod 107 and a sub guide rod 108 which are guide members horizontally mounted on left and right side plates (not shown). The carriage 101 has a droplet discharge head for discharging ink droplets of each color of yellow (Y), cyan (C), magenta (M), and black (Bk) through a plurality of ink discharge ports (nozzle holes) in the main scanning direction. And are mounted with the ink droplet ejection direction facing downward. In addition, each ink cartridge 102 for supplying ink of each color to the droplet discharge head is replaceably mounted on the carriage 101.

インクカートリッジ102は上方に大気と連通する大気口、下方には液滴吐出ヘッドへインクを供給する供給口が設けられている。インクカートリッジ102の内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力により液滴吐出ヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、液滴吐出ヘッドとしては各色の液滴吐出ヘッドを用いているが、各色のインク滴を吐出するノズル孔を有する1個の液滴吐出ヘッドでもよい。   The ink cartridge 102 is provided with an air opening communicating with the atmosphere above, and a supply opening for supplying ink to the droplet discharge head below. The ink cartridge 102 has a porous body filled with ink, and the ink supplied to the droplet discharge head is maintained at a slight negative pressure by the capillary force of the porous body. Further, although the droplet discharge heads of the respective colors are used as the droplet discharge heads, one droplet discharge head having nozzle holes for discharging the ink droplets of the respective colors may be used.

ここでキャリッジ101は後方側(用紙搬送方向下流側)を主ガイドロッド107に摺動自在に嵌装し、前方側(用紙搬送方向上流側)を従ガイドロッド108に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ101を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ109aで回転駆動される駆動プーリ110と従動プーリ111との間にタイミングベルト112を張装し、このタイミングベルト112をキャリッジ101に固定している。これにより、主走査モータa109の正逆回転によりキャリッジ101が往復駆動される。   Here, the carriage 101 is slidably fitted to the main guide rod 107 on the rear side (downstream side in the paper conveyance direction), and is slidably mounted on the sub guide rod 108 on the front side (upstream side in the paper conveyance direction). ing. In order to move and scan the carriage 101 in the main scanning direction, a timing belt 112 is stretched between a driving pulley 110 and a driven pulley 111 that are rotationally driven by a main scanning motor 109a. It is fixed to. As a result, the carriage 101 is driven to reciprocate by forward and reverse rotation of the main scanning motor a109.

一方、給紙カセット104にセットした記録紙130を液滴吐出ヘッドの下方側に搬送するために、給紙カセット104から記録紙130を分離給装する給紙ローラ113及びフリクションパッド114と、記録紙130を案内するガイド部材115とを有する。また、給紙された記録紙130を反転させて搬送する搬送ローラ116と、この搬送ローラ116の周面に押し付けられる搬送コロ117及び搬送ローラ116からの記録紙130の送り出し角度を規定する先端コロ118とを有する。搬送ローラ116は副走査モータ109bによってギヤ列を介して回転駆動される。   On the other hand, in order to convey the recording paper 130 set in the paper feeding cassette 104 to the lower side of the droplet discharge head, a paper feeding roller 113 and a friction pad 114 for separating and feeding the recording paper 130 from the paper feeding cassette 104, and recording And a guide member 115 for guiding the paper 130. Further, a conveyance roller 116 that reverses and conveys the fed recording paper 130, a conveyance roller 117 that is pressed against the peripheral surface of the conveyance roller 116, and a leading roller that defines the feeding angle of the recording paper 130 from the conveyance roller 116. 118. The conveyance roller 116 is rotationally driven via a gear train by the sub-scanning motor 109b.

そして、キャリッジ101の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ116から送り出された記録紙130を液滴吐出ヘッドの下方側で案内するため用紙ガイド部材である印写受け部材119を設けている。この印写受け部材119の用紙搬送方向下流側には、記録紙130を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ120と拍車121とを設けている。さらに記録紙130を排紙トレイ106に送り出す排紙ローラ123と拍車124と、排紙経路を形成するガイド部材125,126とを配設している。   In addition, a printing receiving member 119 that is a paper guide member is provided to guide the recording paper 130 fed from the transport roller 116 corresponding to the range of movement of the carriage 101 in the main scanning direction on the lower side of the droplet discharge head. Yes. On the downstream side of the printing receiving member 119 in the paper conveyance direction, a conveyance roller 120 and a spur 121 that are rotationally driven to send the recording paper 130 in the paper discharge direction are provided. Further, a discharge roller 123 and a spur 124 for feeding the recording paper 130 to the discharge tray 106, and guide members 125 and 126 for forming a discharge path are provided.

このインクジェット記録装置100で記録時には、キャリッジ101を移動させながら画像信号に応じて液滴吐出ヘッドを駆動することにより、停止している記録紙130にインクを吐出して1行分を記録する。その後、記録紙130を所定量搬送した後、次の行の記録を行う。記録終了信号または記録紙130の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ記録紙130を排紙する。   At the time of recording with the ink jet recording apparatus 100, the droplet discharge head is driven in accordance with the image signal while moving the carriage 101, whereby ink is discharged onto the stopped recording paper 130 to record one line. Thereafter, the recording paper 130 is conveyed by a predetermined amount, and then the next line is recorded. Upon receiving a recording end signal or a signal that the trailing edge of the recording paper 130 reaches the recording area, the recording operation is terminated and the recording paper 130 is discharged.

また、キャリッジ101の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、液滴吐出ヘッドの吐出不良を回復するための回復装置127を配置している。回復装置127はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段とを有している。キャリッジ101は印字待機中にはこの回復装置127側に移動されてキャッピング手段で液滴吐出ヘッドをキャッピングして吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。   Further, a recovery device 127 for recovering the ejection failure of the droplet ejection head is disposed at a position outside the recording area on the right end side in the movement direction of the carriage 101. The recovery device 127 includes a cap unit, a suction unit, and a cleaning unit. During printing standby, the carriage 101 is moved to the recovery device 127 side, and the droplet ejection head is capped by the capping unit to keep the ejection port portion in a wet state, thereby preventing ejection failure due to ink drying. Further, by ejecting ink that is not related to recording during recording or the like, the ink viscosity of all the ejection ports is made constant and stable ejection performance is maintained.

吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段で液滴吐出ヘッド1の吐出口(ノズル孔)を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出す。このように、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。このように、本実施形態のインクジェット記録装置100においては回復装置127を備えているので、液滴吐出ヘッドの吐出不良が回復されて、安定したインク滴吐出特性が得られ、画像品質を向上することができる。   When a discharge failure occurs, the discharge port (nozzle hole) of the droplet discharge head 1 is sealed with a capping unit, and bubbles and the like are sucked out from the discharge port through the tube with the suction unit. In this way, ink or dust adhering to the ejection port surface is removed by the cleaning means, and the ejection failure is recovered. The sucked ink is discharged to a waste ink reservoir installed at the lower part of the main body, and is absorbed and held by an ink absorber inside the waste ink reservoir. As described above, since the inkjet recording apparatus 100 of the present embodiment includes the recovery device 127, the ejection failure of the droplet ejection head is recovered, stable ink droplet ejection characteristics are obtained, and the image quality is improved. be able to.

以上、本実施形態のインクジェット記録装置(画像形成装置)100では、本実施形態に係る液滴吐出ヘッド1を記録ヘッドとして備えるので、高品位な液滴吐出ヘッド1を備えたインクジェット記録装置100とすることができる。   As described above, since the ink jet recording apparatus (image forming apparatus) 100 according to the present embodiment includes the liquid droplet ejection head 1 according to the present embodiment as a recording head, the ink jet recording apparatus 100 including the high quality liquid droplet ejection head 1 and can do.

なお、画像形成装置として、インクジェットプリンタを例として説明したが、インクジェットコピー、インクジェットファックス、あるいはそれらの複合型記録装置にも適用できる。また、画像形成装置には、特に限定しない限り、シリアル型画像形成装置及びライン型画像形成装置のいずれも含まれる。   In addition, although an inkjet printer has been described as an example of the image forming apparatus, the present invention can also be applied to an inkjet copy, an inkjet fax, or a composite recording apparatus thereof. Further, the image forming apparatus includes both a serial type image forming apparatus and a line type image forming apparatus, unless otherwise limited.

また、インクジェット記録装置では、媒体を搬送しながら液滴吐出ヘッドによりインク滴を用紙に付着させて画像形成を行う。ここでの媒体は「用紙」ともいうが材質を限定するものではなく、被記録媒体、記録媒体、転写材、記録紙なども同義で使用する。また、画像形成装置は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の媒体に液滴を吐出して画像形成を行う装置を意味する。   Further, in an ink jet recording apparatus, an image is formed by adhering ink droplets to a sheet by a droplet discharge head while conveying a medium. The medium here is also referred to as “paper”, but the material is not limited, and a recording medium, a recording medium, a transfer material, a recording paper, and the like are also used synonymously. The image forming apparatus means an apparatus for forming an image by ejecting liquid droplets on a medium such as paper, thread, fiber, fabric, leather, metal, plastic, glass, wood, or ceramic.

そして、画像形成とは、文字や図形等の意味を持つ画像を媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を媒体に付与する(単に液滴を吐出する)ことをも意味する。また、インクとは、所謂インクに限るものではなく、吐出されるときに液滴となるものであれば特に限定されるものではなく、例えばDNA試料、レジスト、パターン材料なども含まれる液体の総称として用いる。例えば、インクジェット記録装置以外にも、インクジェット技術を用いたカラーフィルタ製造装置、金属配線製造装置、捺染装置、DNAチップ製造装置などの工業用製造装置にも適用できる。   The image formation is not only giving an image having a meaning such as a character or a figure to the medium but also giving an image having no meaning such as a pattern to the medium (simply ejecting a droplet). Also means. The ink is not limited to so-called ink, and is not particularly limited as long as it becomes a droplet when ejected. For example, the ink is a generic term for liquids including DNA samples, resists, pattern materials, and the like. Used as For example, in addition to an inkjet recording apparatus, the present invention can be applied to industrial manufacturing apparatuses such as a color filter manufacturing apparatus, a metal wiring manufacturing apparatus, a textile printing apparatus, and a DNA chip manufacturing apparatus using an inkjet technique.

尚、上述の実施形態は本発明の好適な実施の例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。   The above-described embodiment is a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

1 液滴吐出ヘッド
10 液滴吐出部
11 ノズル孔
12 ノズル基板
13 加圧液室
14 アクチュエータ基板
15 振動板
16 圧電素子
161 下部電極
162 圧電体
163 上部電極
17 第1の絶縁保護膜
17a コンタクトホール
18 第2の絶縁保護膜
18a コンタクトホール
19 第3の絶縁保護膜
20 駆動IC
21 流体抵抗部
22 共通液室
30 サブフレーム基板
31,32 配線
33 パッド電極
34 ザグリ
35 液滴供給口
36 共通液滴流路
37 貫通孔
38 貫通孔形成溝
39 くり抜き部
40 シリコン単結晶基板
41 SiO
42 接着シート
43 レジスト
44 接液膜
50 サポート基板
90 インクカートリッジ
100 インクジェット記録装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Droplet discharge head 10 Droplet discharge part 11 Nozzle hole 12 Nozzle board 13 Pressurized liquid chamber 14 Actuator board 15 Diaphragm 16 Piezoelectric element 161 Lower electrode 162 Piezoelectric body 163 Upper electrode 17 1st insulating protective film 17a Contact hole 18 Second insulating protective film 18a Contact hole 19 Third insulating protective film 20 Driving IC
21 Fluid resistance portion 22 Common liquid chamber 30 Sub-frame substrate 31, 32 Wiring 33 Pad electrode 34 Counterbore 35 Droplet supply port 36 Common droplet flow path 37 Through hole 38 Through hole forming groove 39 Cutout portion 40 Silicon single crystal substrate 41 SiO 2 film 42 adhesive sheet 43 resist 44 wetted film 50 support substrate 90 ink cartridge 100 inkjet recording apparatus

特開2004−167951号公報JP 2004-167951 A 特開2013− 43437号公報JP2013-43437A

Claims (5)

液滴吐出ヘッドに用いられる基板の作製方法であって、
該基板に貫通孔を形成する部分の外径形状に沿った部分を、ドライエッチングにより溝状に貫通させて貫通孔形成溝を形成する溝形成工程と、
前記貫通孔形成溝で囲まれる部分を除去する除去工程と、
を有し、
前記溝形成工程において、前記貫通孔形成溝で囲まれる部分に溝を貫通させることを特徴とする基板の作製方法。
A method for producing a substrate used in a droplet discharge head,
A groove forming step of forming a through hole forming groove by allowing a portion along the outer diameter shape of the portion forming the through hole in the substrate to pass through in a groove shape by dry etching;
A removing step of removing a portion surrounded by the through hole forming groove;
Have a,
In the groove forming step, a groove is penetrated in a portion surrounded by the through hole forming groove .
前記溝形成工程では、前記貫通孔形成溝を形成しはじめる面の反対側の面に、シート状の接着部材を接着させており、
前記除去工程では、前記接着部材を該基板から剥離することで、前記貫通孔形成溝で囲まれる部分を除去することを特徴とする請求項1に記載の基板の作製方法。
In the groove forming step, a sheet-like adhesive member is bonded to the surface opposite to the surface on which the through-hole forming groove starts to be formed,
2. The method for manufacturing a substrate according to claim 1, wherein, in the removing step, a portion surrounded by the through hole forming groove is removed by peeling the adhesive member from the substrate.
前記溝形成工程では、該基板に前記接着部材を挟んで保護基板を接着させており、
前記除去工程では、前記保護基板を前記接着部材から剥離した後、前記接着部材を該基板から剥離することを特徴とする請求項2に記載の基板の作製方法。
In the groove forming step, a protective substrate is bonded to the substrate with the adhesive member interposed therebetween,
3. The method for manufacturing a substrate according to claim 2, wherein, in the removing step, the adhesive member is peeled from the substrate after the protective substrate is peeled from the adhesive member.
前記溝形成工程において、前記貫通孔形成溝の溝幅を単一の溝幅として形成することを特徴とする請求項1から3までのいずれかに記載の基板の作製方法。   4. The method for manufacturing a substrate according to claim 1, wherein, in the groove forming step, a groove width of the through hole forming groove is formed as a single groove width. 前記溝形成工程において、前記貫通孔形成溝で囲まれる部分の短辺方向に溝を貫通させることを特徴とする請求項1から4までのいずれかに記載の基板の作製方法。 In the groove forming step, a method for manufacturing a substrate according to any one of claims 1 to 4, characterized in that passing the groove in the short side direction of the portion surrounded by the through hole forming groove.
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