JP6957171B2 - インクジェットプリントヘッドおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
また、特許文献1に記載されているようなインクジェットプリントヘッドでは、一般的に、保護基板はアクチュエータ基板に接着剤によって接合される。この際、保護基板はアクチュエータ基板に押圧された状態でアクチュエータ基板に接合されるが、両者間の接合圧が弱いと、両者間の接合強度が低下する。
この発明の目的は、アクチュエータ基板と保護基板との間の接合強度を高めることができる、インクジェットプリントヘッドを提供することである。
この発明の一実施形態では、前記接合圧増加用凹部は、前記アクチュエータ基板の前記第2表面の周縁部に点在するように形成された複数の接合圧増加用凹部を含む。
この発明の一実施形態では、前記接合圧増加用凹部が平面視正六角形状に形成されており、複数の正六角形状の前記接合圧増加用凹部がハニカム状に配列されている。
この発明の一実施形態では、前記圧電素子を覆うように前記アクチュエータ基板に接着剤によって接合される保護基板をさらに含む。前記保護基板は、前記アクチュエータ基板側に向かって開口しかつ前記圧電素子を収容する収容凹所と、平面視において前記収容凹所の一端の外方に形成され、前記インク流路の一端部に連通するインク供給路とを有している。
この発明の一実施形態では、前記アクチュエータ基板は、Si基板からなる。
この発明の一実施形態では、前記可動膜形成層は、前記アクチュエータ基板上に形成されたSi膜と、前記Si膜上に形成されSiO2膜と、前記SiO2膜上に形成されたSiN膜との積層膜からなる。
この発明の一実施形態では、前記圧電素子は、前記可動膜上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電体膜と、前記圧電体膜上に形成された上部電極とを含む。
この発明の一実施形態では、前記上部電極および前記圧電体膜の少なくとも側面全域と、前記下部電極の上面とを覆う水素バリア膜と、前記水素バリア膜上に形成され、前記水素バリア膜と前記上部配線との間に配置された絶縁膜とをさらに含む。前記水素バリア膜および前記絶縁膜に、前記上部電極の一部を露出させるコンタクト孔が形成されており、前記上部配線の一端部は、前記コンタクト孔を介して前記上部電極に接続されている。
この発明の一実施形態では、前記圧電体膜は、PZT膜からなる。
この発明の一実施形態では、前記上部電極は、Pt単膜からなる。
この発明の一実施形態では、前記上部電極は、前記圧電体膜上に形成されたIr02膜と、前記Ir02膜上に形成されたIr膜との積層膜からなる。
この発明の一実施形態では、前記接合圧増加用凹部を形成する工程では、前記アクチュエータ基板の前記第2表面の周縁部に、複数の接合圧増加用凹部が点在するように形成される。
この発明の一実施形態では、前記接合圧増加用凹部は、前記保護基板における前記アクチュエータ基板に対向する対向面の周縁部に点在するように形成された複数の接合圧増加用凹部を含む。
この発明の一実施形態では、前記接合圧増加用凹部が平面視正六角形状に形成されており、複数の正六角形状の前記接合圧増加用凹部がハニカム状に配列されている。
この発明の一実施形態では、前記保護基板は、前記アクチュエータ基板側に向かって開口しかつ前記圧電素子を収容する収容凹所と、平面視において前記収容凹所の一端の外方に形成され、前記インク流路の一端部に連通するインク供給路とを有している。
図1は、この発明の一実施形態に係るインクジェットプリントヘッドの構成を説明するための図解的な平面図である。図2は、アクチュエータ基板の裏面を示す底面図である。図3は、保護基板の裏面を示す底面図である。図4は、図1のA部を拡大して示す図解的な部分拡大平面図であって、保護基板を含む平面図である。図5は、図1のA部を拡大して示す図解的な部分拡大平面図であって、保護基板が省略された平面図である。図6は、図4のVI-VI線に沿う図解的な断面図である。図7は、図4のVII-VII線に沿う図解的な断面図である。
インクジェットプリントヘッド1は、アクチュエータ基板2および圧電素子9を含むアクチュエータ基板アセンブリSAと、ノズル基板3と、保護基板4とを備えている。以下において、アクチュエータ基板アセンブリSAを、基板アセンブリSAということにする。
可動膜形成層10の表面には、金属バリア膜8が形成されている。金属バリア膜8は、たとえば、Al2O3(アルミナ)からなる。金属バリア膜8の厚さは、50nm〜100nm程度である。金属バリア膜8の表面には、可動膜10Aの上方位置に、圧電素子9が配置されている。圧電素子9は、金属バリア膜8上に形成された下部電極11と、下部電極11上に形成された圧電体膜12と、圧電体膜12上に形成された上部電極13とを備えている。言い換えれば、圧電素子9は、圧電体膜12を上部電極13および下部電極11で上下から挟むことにより構成されている。
圧電体膜12としては、たとえば、ゾルゲル法またはスパッタ法によって形成されたPZT(PbZrxTi1−xO3:チタン酸ジルコン酸鉛)膜を適用することができる。このような圧電体膜12は、金属酸化物結晶の焼結体からなる。圧電体膜12は、上部電極13と平面視で同形状に形成されている。圧電体膜12の厚さは、1μm程度である。可動膜10Aの全体の厚さは、圧電体膜12の厚さと同程度か、圧電体膜12の厚さの2/3程度とすることが好ましい。前述の金属バリア膜8は、主として圧電体膜12から金属元素(圧電体膜12がPZTの場合には、Pb,Zr,Ti)が抜け出すことを防止し、圧電体膜12の圧電特性を良好に保つとともに、圧電体膜12の成膜時に、可動膜10Aに金属が拡散するのを防止する。金属バリア膜8は、圧電体膜12の水素還元による特性劣化を防止する機能も有している。
水素バリア膜14上に、絶縁膜15が積層されている。絶縁膜15は、たとえば、SiO2、低水素のSiN等からなる。絶縁膜15の厚さは、500nm程度である。絶縁膜15上には、上部配線17および下部配線(図示略)が形成されている。これらの配線は、Al(アルミニウム)を含む金属材料からなっていてもよい。これらの配線の厚さは、たとえば、1000nm(1μm)程度である。
パッシベーション膜21には、上部配線17の一部を露出させる上部電極用パッド開口35が形成されている。上部電極用パッド開口35は、圧力室7の外方領域に形成されており、たとえば、上部配線17の先端部(上部電極13へのコンタクト部の反対側端部)に形成されている。パッシベーション膜21上には、上部電極用パッド開口35を覆う上部電極用パッド42が形成されている。上部電極用パッド42は、上部電極用パッド開口35に入り込み、上部電極用パッド開口35内で上部配線17に接続されている。
図1に示すように、インクジェットプリントヘッド1の平面視形状は、前後方向に長い長方形状である。この実施形態では、アクチュエータ基板2、保護基板4およびノズル基板3の平面形状および大きさは、インクジェットプリントヘッド1の平面形状および大きさとほぼ同じである。
図1〜図7に示すように、アクチュエータ基板2には、各圧電素列の圧電素子毎に、インク流路5(圧力室7)が形成されている。したがって、アクチュエータ基板2には、平面視において、前後方向に間隔をおいてストライプ状に配列された複数のインク流路5(圧力室7)からなるインク流路列(圧力室列)が、左右方向に間隔をおいて2列分設けられている。
図1、図3、図4および図6に示すように、保護基板4には、左側のインク流路列に対する複数のインク供給用貫通孔22に連通する複数のインク供給路53(以下、「第1のインク供給路53」という場合がある)と、右側のインク流路列に対する複数のインク供給用貫通孔22に連通する複数のインク供給路53(以下、「第2のインク供給路53」という場合がある)とが形成されている。第1のインク供給路53は、平面視において、保護基板4の幅中央部よりも左側寄りの位置に、前後方向に間隔をおいて1列状に配置されている。第2のインク供給路53は、平面視において、保護基板4の幅中央よりも右側寄りの位置に、前後方向に間隔をおいて1列状に配置されている。保護基板4のインク供給路53は、平面視において、アクチュエータ基板2側のインク供給用貫通孔22と同じパターンの円形状である。インク供給路53は、平面視でインク供給用貫通孔22に整合している。
図6、図7および図10に示すように、保護基板4の対向面51には、各圧電素子列内の圧電素子9に対向する位置に、それぞれ収容凹所52が形成されている。各収容凹所52に対してインク流通方向41の上流側にインク供給路53が配置され、下流側に開口部54が配置されている。各収容凹所52は、平面視において、対応する圧電素子9の上部電極13のパターンよりも少し大きな矩形状に形成されている。そして、各収容凹所52に、対応する圧電素子9が収容されている。
この実施形態では、絶縁膜15およびパッシベーション膜21は、アクチュエータ基板2上において、平面視で保護基板4の収容凹所52の外側領域のほぼ全域に形成されている。ただし、この領域において、絶縁膜15には、インク供給用貫通孔22および下部電極用コンタクト孔が形成されている。この領域において、パッシベーション膜21には、インク供給用貫通孔22、上部電極用パッド開口35および下部電極用パッド開口が形成されている。
アクチュエータ基板2の元基板としての半導体ウエハ(アクチュエータウエハ)100が用意される。アクチュエータウエハ100は、例えばシリコンウエハからなる。アクチュエータウエハ100の表面100aは、アクチュエータ基板の表面2aに対応している。アクチュエータウエハ100の表面100aには、複数の機能素子形成領域101がマトリクス状に配列されて設定されている。隣接する機能素子形成領域101の間には、スクライブ領域(境界領域)102が設けられている。スクライブ領域102は、ほぼ一定の幅を有する帯状の領域であり、直交する二方向に延びて格子状に形成されている。スクライブ領域102には、切断予定線103が設定されている。アクチュエータウエハ100に対して必要な工程を行うことにより、インク流路5および第1接合圧増加用凹部61は形成されていないが、各機能素子形成領域101上に基板アセンブリSAの構成が形成された基板アセンブリ集合体(SA集合体)110が作成される。
図12A〜図12Nは、インクジェットプリントヘッド1の製造工程を示す断面図であり、図6の切断面に対応する断面図である。
まず、図12Aに示すように、アクチュエータウエハ100を用意する。ただし、アクチュエータウエハ100としては、最終的なアクチュエータ基板2の厚さより厚いものが用いられる。そして、アクチュエータウエハ100の表面100aに可動膜形成層10が形成される。具体的には、アクチュエータウエハ100の表面100aに酸化シリコン膜(たとえば、1.2μm厚)が形成される。可動膜形成層10が、シリコン膜と酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との積層膜で構成される場合には、アクチュエータ基板2の表面にシリコン膜(たとえば0.4μm厚)が形成され、シリコン膜上に酸化シリコン膜(たとえば0.4μm厚)が形成され、酸化シリコン膜上に窒化シリコン膜(たとえば0.4μm厚)が形成される。
次に、圧電体膜12の材料膜(圧電体材料膜)72が下部電極膜71上の全面に形成される。具体的には、たとえば、ゾルゲル法によって1μm〜3μm厚の圧電体材料膜72が形成される。このような圧電体材料膜72は、金属酸化物結晶粒の焼結体からなる。
次に、図12Gに示すように、絶縁膜15の表面に上部配線17および下部配線を覆うパッシベーション膜21が形成される。パッシベーション膜21は、例えば、SiNからなる。パッシベーション膜21は、例えば、プラズマCVDによって形成される。
この後、図12Nに示すように、ノズル基板集合体150がアクチュエータウエハ100の裏面100bに張り合わされる。これにより、基板アセンブリ集合体110と、保護基板集合体130と、ノズル基板集合体150とからなるインクジェットプリントヘッド集合体170が得られる。この後、インクジェットプリントヘッド集合体170が、切断予定線103に沿ってダイシングブレードにより切断される。つまり、インクジェットプリントヘッド1を個別に切り出す工程が行われる。この工程が完了すると、基板アセンブリ集合体110におけるアクチュエータウエハ100は、個々のインクジェットプリントヘッド1のアクチュエータ基板2となる。また、保護基板集合体130は、個々のインクジェットプリントヘッド1の保護基板4となる。また、ノズル基板集合体150におけるノズルウエハ140、酸化シリコン膜142および撥水膜143は、それぞれ、個々のインクジェットプリントヘッド1のノズル基板3におけるシリコン基板30、酸化シリコン膜31および撥水膜32となる。こうして、図1〜図7に示す構造のインクジェットプリントヘッド1の個片が得られる。
まず、図13Aに示すように、ノズル基板3の元基板としての半導体ウエハ(ノズルウエハ)140が用意される。ただし、ノズルウエハ140としては、最終的なノズル基板3の厚さより厚いものが用いられる。ノズルウエハ140はシリコンウエハからなる。ノズルウエハ140は、アクチュエータ基板2の裏面2bに対向される側の表面140aと、その反対側の裏面140bとを有している。ノズルウエハ140の両面140a,140bが熱酸化されることにより、ノズルウエハ140の両面140a,140bに酸化シリコン(SiO2)膜141,142が形成される。
次に、図13Cに示すように、撥水膜143の表面に、保護テープ144および熱剥離テープ145を介してサポートウエハ146が貼り付けられる。保護テープ144は、例えば、カプトン(登録商標)テープである。サポートウエハ146はシリコンウエハからなる。
次に、図13Eに示すように、フォトリソグラフィによって、ノズル孔20に対応した開口を有するレジストマスク147が形成され、このレジストマスク147をマスクとして、ノズルウエハ140が表面からドライエッチングされる。この際、最初は等方性ドライエッチングが行われ、その後、異方性ドライエッチングが行われる。等方性ドライエッチングにより、ノズルウエハ140の表面140aにノズルウエハ140の裏面140b側に向かって横断面が小さくなる円錐台状の凹部(順テーパ状凹部)20aが形成される。そして、異方性ドライエッチングにより、ノズルウエハ140における順テーパ状凹部20aの底面に、酸化シリコン膜142に達する横断面円形の第1ストレート孔20b1が形成される。第1ストレート孔20b1の横断面積は、その長さ方向にわたってほぼ一定である。
まず、図14Aに示すように、基板アセンブリ集合体110のアクチュエータウエハ100の裏面100bに接着材160が塗布される。そして、サポートウエハ146付きのノズル基板集合体150のノズルウエハ140の表面140aが、基板アセンブリ集合体110のアクチュエータウエハ100の裏面100bに対向した状態で押圧されることにより、ノズルウエハ140の表面140aがアクチュエータウエハ100の裏面100bに貼り付けられる。
最後に、図14Cに示すように、保護テープ144をノズル基板集合体150から剥離する。
図15Aに示すノズル孔20は、シリコン基板30に形成された順テーパ状凹部20aと、酸化シリコン膜31および撥水膜32からなる積層膜に形成されたインク吐出通路20bとからなる。インク吐出通路20bの開口部がインク吐出口20cとなっている。順テーパ状凹部20aは、シリコン基板30の表面から酸化シリコン膜31側に向かって横断面が徐々に小さくなる円錐台状に形成されている。順テーパ状凹部20aは、シリコン基板30(ノズルウエハ140)を、レジストマスクを用いて、等方性ドライエッチングすることにより形成することができる。インク吐出通路20bは、横断面円形のストレート孔からなる。インク吐出通路20bは、順テーパ状凹部20aが形成されたシリコン基板30(ノズルウエハ140)をハードマスクとして、酸化シリコン膜31(142)および撥水膜32(143)からなる積層膜を、異方性ドライエッチングすることにより形成することができる。
また、前述の実施形態では、ノズル基板3は、シリコン基板30と、シリコン基板30上に形成された酸化シリコン膜31と、酸化シリコン膜31上に形成された撥水膜32とから構成されているが、酸化シリコン膜31は設けられていなくてもよい。つまり、ノズル基板3は、シリコン基板30と、シリコン基板30上に形成された撥水膜32とから構成されていてもよい。
また、前述の実施形態では、水素バリア膜14表面の一部に絶縁膜15が形成されているが、絶縁膜15はなくてもよい。
また、前述の実施形態では、圧電体膜の材料としてPZTを例示したが、そのほかにも、チタン酸鉛(PbPO3)、ニオブ酸カリウム(KNbO3)、ニオブ酸ニチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)などに代表される金属酸化物からなる圧電材料が適用されてもよい。
2 アクチュエータ基板
3 ノズル基板
4 保護基板
5 インク流路
6 インク流入部
7 圧力室
8 金属バリア膜
9 圧電素子
10 可動膜形成層
10A 可動膜
11 下部電極
11A 主電極部
11B 延長部
12 圧電体膜
13 上部電極
14 水素バリア膜
15 絶縁膜
17 上部配線
20 ノズル孔
20a 凹部
20b インク吐出通路
20b1 第1ストレート孔
20b2 第2ストレート孔
20c インク吐出口
21 パッシベーション膜
22 インク供給用貫通孔
23 貫通孔(下部電極)
30 シリコン基板(主基板)
31 酸化シリコン膜
32 撥水膜
33 上部電極用コンタクト孔
35 上部電極用パッド開口
37 開口
41 インク流通方向
42 上部電極用パッド
43 下部電極用パッド
50 接着剤
51 対向面
52 収容凹所
53 インク供給路
54 開口部
61 第1接合圧増加用凹部
62 第2接合圧増加用凹部
71 下部電極膜
72 圧電体材料膜
73 上部電極膜
75 サポートウエハ
100 アクチュエータウエハ
100a 表面
100b 裏面
101 機能素子形成領域
102 スクライブ領域
103 切断予定線
110 基板アセンブリ集合体
130 保護基板集合体
140 ノズルウエハ
141,142 酸化シリコン膜
143 撥水膜
144 保護テープ
145 熱剥離テープ
146 サポートウエハ
147 レジストマスク
150 ノズル基板集合体
160接着剤
170 インクジェットプリントヘッド集合体
SA 基板アセンブリ
Claims (14)
- 圧力室を含むインク流路を有するアクチュエータ基板と、
前記圧力室上に配置されかつ前記圧力室の天面部を区画する可動膜を含む可動膜形成層と、
前記可動膜上に形成された圧電素子と、
前記アクチュエータ基板の前記可動膜側の表面である第1表面とは反対側の第2表面に接着剤によって接合され、前記圧力室の底面部を区画し、前記圧力室に連通するノズル孔を有するノズル基板とを含み、
前記アクチュエータ基板の前記第2表面の周縁部に、接合圧増加用凹部が形成されており、
前記接合圧増加用凹部は、前記アクチュエータ基板の前記第2表面の周縁部に点在するように形成された複数の接合圧増加用凹部を含み、
前記接合圧増加用凹部が平面視正六角形状に形成されており、複数の正六角形状の前記接合圧増加用凹部がハニカム状に配列されている、インクジェットプリントヘッド。 - 前記圧電素子を覆うように前記アクチュエータ基板に接着剤によって接合される保護基板をさらに含み、
前記保護基板は、前記アクチュエータ基板側に向かって開口しかつ前記圧電素子を収容する収容凹所と、平面視において前記収容凹所の一端の外方に形成され、前記インク流路の一端部に連通するインク供給路とを有している、請求項1に記載のインクジェットプリントヘッド。 - 前記ノズル基板は、Si基板からなる主基板と、前記主基板上に形成されたSiO2膜と、前記SiO2膜上に形成された撥水膜とからなり、前記主基板における前記SiO2膜とは反対側の表面が、前記アクチュエータ基板の前記第2表面に接合されている、請求項1または2に記載のインクジェットプリントヘッド。
- 前記アクチュエータ基板は、Si基板からなる、請求項1〜3のいずれか一項に記載のインクジェットプリントヘッド。
- 前記可動膜形成層は、SiO2単膜からなる、請求項1〜4のいずれか一項に記載のインクジェットプリントヘッド。
- 前記可動膜形成層は、前記アクチュエータ基板上に形成されたSi膜と、前記Si膜上に形成されSiO2膜と、前記SiO2膜上に形成されたSiN膜との積層膜からなる、請求項1〜5のいずれか一項に記載のインクジェットプリントヘッド。
- 前記圧電素子は、前記可動膜上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電体膜と、前記圧電体膜上に形成された上部電極とを含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載のインクジェットプリントヘッド。
- 平面視において、前記上部電極は、前記可動膜よりも前記圧力室の内方に後退した周縁を有しており、
平面視において、一端部が前記上部電極の上面に接続され、他端部が前記圧力室の周縁の外側に引き出された上部配線をさらに含む、請求項7に記載のインクジェットプリントヘッド。 - 前記上部電極および前記圧電体膜の少なくとも側面全域と、前記下部電極の上面とを覆う水素バリア膜と、
前記水素バリア膜上に形成され、前記水素バリア膜と前記上部配線との間に配置された絶縁膜とをさらに含み、
前記水素バリア膜および前記絶縁膜に、前記上部電極の一部を露出させるコンタクト孔が形成されており、前記上部配線の一端部は、前記コンタクト孔を介して前記上部電極に接続されている、請求項8に記載のインクジェットプリントヘッド。 - 前記絶縁膜上に形成され、前記配線を被覆するパッシベーション膜をさらに含む、請求項9に記載のインクジェットプリントヘッド。
- アクチュエータ基板上に可動膜形成領域を含む可動膜形成層を形成する工程と、
前記可動膜形成層の前記可動膜形成領域上に、下部電極と、前記下部電極に対して前記可動膜形成層とは反対側に配置された上部電極と、それらに挟まれた圧電体膜とを含む圧電素子を形成する工程と、
前記圧電素子を覆うように前記アクチュエータ基板に保護基板を接合する工程と、
前記アクチュエータ基板における前記可動膜形成層側の表面である第1表面とは反対側の第2表面の周縁部に、接合圧増加用凹部を形成する工程と、
前記アクチュエータ基板の前記第2表面側からエッチングすることにより、前記可動膜形成領域に対向する圧力室を含むインク流路を形成する工程と、
前記アクチュエータ基板の前記第2表面に、前記圧力室の底面部を区画し、前記圧力室に連通するノズル孔を有するノズル基板を接合する工程とを含み、
前記接合圧増加用凹部を形成する工程では、前記アクチュエータ基板の前記第2表面の周縁部に、複数の接合圧増加用凹部が点在するように形成され、
前記接合圧増加用凹部は平面視正六角形状であり、複数の正六角形状の前記接合圧増加用凹部がハニカム状に配列されている、インクジェットプリントヘッドの製造方法。 - 圧力室を含むインク流路を有するアクチュエータ基板と、
前記圧力室上に配置されかつ前記圧力室の天面部を区画する可動膜を含む可動膜形成層と、
前記可動膜上に形成された圧電素子と、
前記圧電素子を覆うように前記アクチュエータ基板に接着剤によって接合される保護基板とを含み、
前記保護基板における前記アクチュエータ基板に対向する対向面の周縁部に、接合圧増加用凹部が形成されており、
前記接合圧増加用凹部は、前記保護基板における前記アクチュエータ基板に対向する対向面の周縁部に点在するように形成された複数の接合圧増加用凹部を含み、
前記接合圧増加用凹部が平面視正六角形状に形成されており、複数の正六角形状の前記接合圧増加用凹部がハニカム状に配列されている、インクジェットプリントヘッド。 - 前記保護基板は、前記アクチュエータ基板側に向かって開口しかつ前記圧電素子を収容する収容凹所と、平面視において前記収容凹所の一端の外方に形成され、前記インク流路の一端部に連通するインク供給路とを有している、請求項12に記載のインクジェットプリントヘッド。
- 前記アクチュエータ基板の前記可動膜側の表面である第1表面とは反対側の第2表面に接着剤によって接合され、前記圧力室の底面部を区画し、前記圧力室に連通するノズル孔を有するノズル基板をさらに含む、請求項13に記載のインクジェットプリントヘッド。
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