JPH11277741A - Electrostatic actuator for inkjet head and method of manufacturing the same - Google Patents
Electrostatic actuator for inkjet head and method of manufacturing the sameInfo
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- JPH11277741A JPH11277741A JP8694898A JP8694898A JPH11277741A JP H11277741 A JPH11277741 A JP H11277741A JP 8694898 A JP8694898 A JP 8694898A JP 8694898 A JP8694898 A JP 8694898A JP H11277741 A JPH11277741 A JP H11277741A
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- Weting (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 インクジェットヘッドにおいて、p型不純物
原子(ボロン原子)を高密度に混入する利点(振動板の
厚さを制御よく形成すること)を利用すると共に、混入
したことによる欠点である振動板の残留応力及び、結晶
欠陥の発生を抑制防止する。
【解決手段】 ノズル31と、該ノズルに連通するイン
ク流路の一部に設けられた振動板35と、該振動板に対
向して設けられた個別電極36とを有し、前記振動板3
5に取り付けられた共通電極と前記個別電極間に駆動電
圧を印加し、前記振動板を静電力により変形させ、前記
ノズルからインク液滴を吐出するインクジェットヘッド
において、該振動板35をシリコン単結晶により形成
し、かつ、p型不純物原子の拡散領域34を前記振動板
35の流路側からその厚さの1/3以下の厚さの領域に
限定し、この領域にのみp型不純物原子(ボロン原子)
を高密度(1×1019個/cm3以上)で混入拡散す
る。
PROBLEM TO BE SOLVED: To utilize an advantage of mixing p-type impurity atoms (boron atoms) at a high density (forming the thickness of a diaphragm with good control) in an ink jet head, and to make use of the mixing. The present invention suppresses and suppresses the residual stress of the diaphragm and the generation of crystal defects, which are disadvantages. The vibration plate includes a nozzle, a vibration plate provided in a part of an ink flow path communicating with the nozzle, and an individual electrode provided to face the vibration plate.
In an inkjet head that applies a driving voltage between the common electrode attached to the individual electrode 5 and the individual electrode, deforms the vibration plate by electrostatic force, and discharges ink droplets from the nozzles, the vibration plate 35 is And the diffusion region 34 of the p-type impurity atoms is limited to a region having a thickness of 1/3 or less of the thickness from the flow path side of the diaphragm 35, and only the p-type impurity atoms (boron) are formed in this region. atom)
At a high density (1 × 10 19 / cm 3 or more).
Description
【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明はオンデマンド式イン
クジェットプリンタヘッド用静電アクチュエータ及びそ
の製造方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrostatic actuator for an on-demand type ink jet printer head and a method of manufacturing the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】インク液滴をノズルから直接記録媒体上
に噴射し記録するインクジェットプリンタにおいて、必
要な時のみインクを吐出するオンデマンド方式は、イン
クを回収するための機構が不要なため低価格化、小型化
が可能であり、カラー化にも容易に対応できる特徴を持
っている。インクを吐出させる方式としては、ピエゾ素
子の変位によりインク室に圧力波を発生させ、ノズルよ
りインクを吐出させる電気機械変換方式と、短時間で高
温まで加熱されるヒータによりインク室に気泡を発生さ
せ、気泡の体積膨張によりインクを吐出させる電気熱変
換方式などがある。2. Description of the Related Art In an ink-jet printer that ejects ink droplets directly from a nozzle onto a recording medium to perform recording, an on-demand method that ejects ink only when necessary does not require a mechanism for collecting the ink, so that the cost is low. It has features that it can be downsized and downsized, and can easily cope with colorization. The method of ejecting ink includes an electromechanical conversion method that generates a pressure wave in the ink chamber by the displacement of the piezo element and ejects ink from the nozzle, and a bubble that is generated in the ink chamber by a heater that is heated to high temperature in a short time Then, there is an electrothermal conversion method in which ink is ejected by volume expansion of bubbles.
【0003】一方、振動板を静電力により変位させイン
ク室に圧力波を発生させる静電アクチュエータ方式のイ
ンクジェットヘッドについては、ウエハプロセスでの作
製が可能であることから、高密度化が容易で、かつ大量
に特性の安定した素子を作製できる。また、平面構造を
基本とすることから小型化が容易である長所を持ち、特
開平2−289531号公報、特開平5−50601号
公報、特開平6−71882号公報等において、単結晶
シリコンを材料とした多くの構造が開示されている。こ
れらの静電方式ヘッドでは、液室の底面を構成する振動
板に対向する位置に平行平板電極が形成され、静電引力
と振動板の剛性による振動でインクを吸引、吐出する。On the other hand, an electrostatic actuator type ink jet head which generates a pressure wave in an ink chamber by displacing a vibration plate by electrostatic force can be manufactured by a wafer process, and therefore, it is easy to increase the density. In addition, elements with stable characteristics can be manufactured in large quantities. Further, it has an advantage that it can be easily miniaturized because it is based on a planar structure. In Japanese Patent Application Laid-Open Nos. Hei 2-289331, Hei 5-50601, Hei 6-71882, etc., monocrystalline silicon is used. Many structures have been disclosed as materials. In these electrostatic heads, a parallel plate electrode is formed at a position facing a diaphragm that forms the bottom surface of the liquid chamber, and suctions and discharges ink by vibration due to electrostatic attraction and rigidity of the diaphragm.
【0004】静電型ヘッドでは静電アクチュエータの振
動板の厚さを制御良く形成することが必要である。振動
板の形成方法としては、特開平6−71882号公報、
特開平9−234873号公報に開示されているよう
に、p型不純物層のエッチング速度が遅いことを利用し
てシリコン基板中にボロンドープ領域を形成し、水酸化
カリウム溶液でエッチングを行い、ボロンドープ領域の
みを残留させて振動板となる薄膜を形成することができ
る。In an electrostatic head, it is necessary to form the thickness of the diaphragm of the electrostatic actuator with good control. Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-71882 discloses a method for forming a diaphragm.
As disclosed in JP-A-9-234873, a boron-doped region is formed in a silicon substrate by utilizing the low etching rate of a p-type impurity layer, and the boron-doped region is etched with a potassium hydroxide solution. A thin film serving as a diaphragm can be formed by leaving only the film.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】p型不純物層のエッチ
ング速度が遅いことを利用し、シリコン基板中にボロン
ドープ領域を形成し、水酸化カリウム溶液でエッチング
を行い、ボロンドープ領域のみを残留させて形成させた
振動板は、ボロン原子が高濃度に混入しているために残
量応力が発生し、またボロン原子の混入に誘起された結
晶欠陥が多く存在する。これら残留応力、結晶欠陥は振
動板の振動特性を劣化させ、また結晶欠陥が成長し振動
板に微細な孔が形成されることがある。Utilizing the fact that the etching rate of the p-type impurity layer is low, a boron-doped region is formed in a silicon substrate, and etching is performed with a potassium hydroxide solution to leave only the boron-doped region. In the vibrating plate, residual stress is generated due to the high concentration of boron atoms, and there are many crystal defects induced by the mixing of boron atoms. These residual stresses and crystal defects deteriorate the vibration characteristics of the diaphragm, and crystal defects may grow to form fine holes in the diaphragm.
【0006】本発明ではそのような高濃度ボロン混入の
振動板の欠点を解決することを目的とする。An object of the present invention is to solve the disadvantage of such a diaphragm containing high-concentration boron.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、ノズ
ルと、該ノズルに連通するインク流路と、流路の一部に
設けられた振動板と、該振動板に対向して設けられた個
別電極とを有し、前記振動板に取り付けられた共通電極
と前記個別電極間に駆動電圧を印加し、前記振動板を静
電力により変形させ、前記ノズルからインク液滴を吐出
するインクジェットヘッドにおいて、該振動板がシリコ
ン単結晶により形成され、該振動板の流路側からその厚
さの一部領域においてのみ、p型不純物原子が拡散され
ている領域が形成されているインクジェットヘッド用静
電アクチュエータである。According to a first aspect of the present invention, a nozzle, an ink flow path communicating with the nozzle, a vibration plate provided in a part of the flow path, and a vibration plate provided facing the vibration plate are provided. An ink jet that has an individual electrode provided thereon, applies a drive voltage between the common electrode attached to the diaphragm and the individual electrode, deforms the diaphragm by electrostatic force, and discharges ink droplets from the nozzles In the head, the diaphragm is formed of silicon single crystal, and a region in which p-type impurity atoms are diffused is formed only in a part of the thickness from the flow path side of the diaphragm. It is an electric actuator.
【0008】請求項2の発明は、請求項1に記載された
インクジェットヘッド用アクチュエータでの振動板にお
いて、前記p型不純物原子濃度が1×1019個/cm3
以上であるインクジェットヘッド用静電アクチュエータ
である。According to a second aspect of the present invention, in the vibration plate of the inkjet head actuator according to the first aspect, the p-type impurity atom concentration is 1 × 10 19 atoms / cm 3.
The above is the electrostatic actuator for an inkjet head.
【0009】請求項3の発明は、請求項1又は2に記載
されたインクジェットヘッド用アクチュエータにおい
て、前記振動板の濃度が1×1019個/cm3以上のp
型不純物原子が拡散されている領域は、少なくとも前記
振動板厚さの1/3以下であるインクジェットヘッド用
静電アクチュエータである。According to a third aspect of the present invention, in the actuator for an ink jet head according to the first or second aspect, the density of the diaphragm is 1 × 10 19 / cm 3 or more.
The region where the type impurity atoms are diffused is an electrostatic actuator for an inkjet head having at least 1 / or less of the thickness of the diaphragm.
【0010】請求項4の発明は、請求項1又は2に記載
されたインクジェットヘッド用アクチュエータにおい
て、前記振動板はその表面が単結晶シリコンの結晶面
(100)面に配向しているインクジェットヘッド用静
電アクチュエータである。According to a fourth aspect of the present invention, in the actuator for an ink jet head according to the first or second aspect, the vibration plate has a surface oriented to a crystal plane (100) of single crystal silicon. It is an electrostatic actuator.
【0011】請求項5の発明は、請求項1又は2に記載
されたインクジェットヘッド用アクチュエータにおい
て、前記振動板はその表面が単結晶シリコンの結晶面
(110)面に配向し、前記振動板の長辺方向は、前記
単結晶シリコンの結晶方位の〈111〉方向に沿って形
成されている、インクジェットヘッド用静電アクチュエ
ータである。According to a fifth aspect of the present invention, in the actuator for an ink jet head according to the first or second aspect, the surface of the vibration plate is oriented to a crystal plane (110) of single crystal silicon, and The long side direction is an electrostatic actuator for an inkjet head, which is formed along the <111> direction of the crystal orientation of the single crystal silicon.
【0012】請求項6の発明は、請求項4又は5に記載
されたインクジェットヘッド用アクチュエータにおい
て、前記振動板はインク流路と一体に形成されている、
インクジェットヘッド用静電アクチュエータである。According to a sixth aspect of the present invention, in the actuator for an ink jet head according to the fourth or fifth aspect, the vibration plate is formed integrally with the ink flow path.
This is an electrostatic actuator for an inkjet head.
【0013】請求項7の発明は、請求項1に記載された
インクジェットヘッド用アクチュエータの製造方法であ
って、単結晶シリコン基板表面に、p型不純物原子の拡
散層であるボロン拡散層を形成し、該ボロン拡散層上に
単結晶シリコン層を形成し、該単結晶シリコン層を介し
て前記単結晶シリコン基板と個別電極を有する支持基板
とを接合し、エッチング速度が前記p型不純物原子の濃
度に依存するエッチング液により、前記単結晶シリコン
基板をエッチングして流路を形成する、インクジェット
ヘッド用静電アクチュエータの製造方法である。According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an actuator for an ink jet head according to the first aspect, wherein a boron diffusion layer, which is a diffusion layer of p-type impurity atoms, is formed on the surface of the single crystal silicon substrate. Forming a single-crystal silicon layer on the boron diffusion layer, bonding the single-crystal silicon substrate to a support substrate having individual electrodes via the single-crystal silicon layer, and controlling the etching rate to be equal to the concentration of the p-type impurity atom. And forming a flow path by etching the single crystal silicon substrate with an etchant depending on the method.
【0014】[0014]
【発明の実施の形態】実施例により本発明の構成及び製
造法を説明する。図1は、請求項1乃至5に係る発明の
インクジェットヘッド用静電アクチュエータの構成を示
す。図中、35は単結晶シリコンで形成される振動板で
ある。単結晶シリコン材料としてはシリコン(100)
ウエハー、あるいはシリコン(110)ウエハーを用い
ることができる。振動板厚は静電アクチュエータの変位
量と共通及び対向電極間に印加する電圧から決めること
ができるが、通常は2.0〜5.0μmの範囲である。こ
の振動板はシリコン基板表面にp型不純物原子拡散領域
を形成した後にシリコンのエピタキシャル成長法により
形成される。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The construction and manufacturing method of the present invention will be described with reference to examples. FIG. 1 shows a configuration of an electrostatic actuator for an ink jet head according to the first to fifth aspects of the present invention. In the figure, reference numeral 35 denotes a diaphragm made of single crystal silicon. Silicon (100) as single crystal silicon material
Wafers or silicon (110) wafers can be used. The thickness of the diaphragm can be determined from the amount of displacement of the electrostatic actuator and the voltage applied between the common and counter electrodes, but is usually in the range of 2.0 to 5.0 μm. This diaphragm is formed by epitaxial growth of silicon after forming a p-type impurity atom diffusion region on the surface of the silicon substrate.
【0015】振動板中の流路33に向いている側にp型
不純物原子が拡散している領域34が形成されている。
p型不純物原子としてはボロン原子を用いるのが一般的
であるので、本明細書では以後p型不純物原子という言
葉の代わりにボロン原子という言葉を用いる。拡散領域
34の厚さは振動板35の厚さの1/3以下であれば本
発明の目的を達成することができるが、厚さは形成可能
な範囲で薄いほど望ましい。また拡散領域34における
ボロン原子の濃度は1×1019個/cm3以上であれば
本発明の目的を達成することができるが、濃度は形成可
能な範囲で高いほど望ましい。A region 34 in which p-type impurity atoms are diffused is formed on the side of the diaphragm facing the flow path 33.
Since a boron atom is generally used as a p-type impurity atom, the term boron atom will be used hereinafter in place of the term p-type impurity atom. The object of the present invention can be achieved if the thickness of the diffusion region 34 is 1/3 or less of the thickness of the diaphragm 35, but the thickness is desirably as thin as possible. The object of the present invention can be achieved if the concentration of boron atoms in the diffusion region 34 is 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more.
【0016】図中、33は流路を形成する部材である。
その材料としては金属,ガラス,シリコン,有機材料等
種々可能であるが、インクジェットヘッドの液室流路と
しての信頼性の要求から適切なものを選択するべきであ
る。流路を構成する部材33にはインク液滴を吐出させ
るためのノズル31を形成したノズルプレート32が接
合されている。これら流路を構成する部材33,ノズル
31,ノズルプレート32の寸法は、本発明の静電アク
チュエータを用いてインクジェットヘッドを形成する場
合に最適な寸法に設計されるものである。In the drawing, reference numeral 33 denotes a member forming a flow path.
Although various materials such as metal, glass, silicon, and organic materials can be used as the material, an appropriate material should be selected from the requirement of reliability as a liquid chamber flow path of the ink jet head. A nozzle plate 32 on which nozzles 31 for discharging ink droplets are formed is joined to a member 33 constituting the flow path. The dimensions of the member 33, the nozzle 31, and the nozzle plate 32 that constitute these flow paths are designed to be optimal dimensions when an inkjet head is formed using the electrostatic actuator of the present invention.
【0017】振動板35は、その流路を構成する部材3
3と接合されている反対側の面が個別電極36が形成さ
れた支持基板37と接合されている。支持基板の材料と
してガラスを選択する場合には振動板35を形成する単
結晶シリコンと膨張係数が近く、単結晶シリコンと陽極
接合可能なガラスを選択する必要がある。例えばコーニ
ング社製パイレックスガラス#7740,岩城硝子社製
SW3,ホーヤ社製SD2とが支持基板のガラス材料と
して適切である。本実施例では振動板35と個別電極3
6との間に静電力を発生させるために必要なギャップG
をガラス基板側に形成したが、このギャップGは振動板
35側に形成することもできる。ギャップGの寸法は静
電アクチュエータの変位量tと共通及び対向電極間に印
加する電圧から決めることができるが、通常は0.2か
ら1.0μmの範囲である。ギャップ形成法としてはガ
ラスのウエット/ドライエッチング法を用いる。個別電
極としてはPt,Ni,Ti,Alなどの金属薄膜単体
及びそれらの合金化薄膜を使用することができる。薄膜
の形成方法としてはスパッタ法,真空蒸着等を用いるこ
とができる。こうして形成されたガラス製支持基板37
は、陽極接合法により振動板35と接合されている。The vibration plate 35 is a member for forming the flow path.
The surface on the opposite side joined to 3 is joined to a support substrate 37 on which the individual electrodes 36 are formed. When glass is selected as the material of the supporting substrate, it is necessary to select glass which has a similar expansion coefficient to that of the single crystal silicon forming the diaphragm 35 and can be anodic-bonded to the single crystal silicon. For example, Pyrex glass # 7740 manufactured by Corning, SW3 manufactured by Iwaki Glass, and SD2 manufactured by Hoya are suitable as glass materials for the support substrate. In this embodiment, the diaphragm 35 and the individual electrode 3
Gap G required to generate an electrostatic force between
Is formed on the glass substrate side, but the gap G may be formed on the diaphragm 35 side. The size of the gap G can be determined from the displacement amount t of the electrostatic actuator and the voltage applied between the common and counter electrodes, but is usually in the range of 0.2 to 1.0 μm. A wet / dry etching method of glass is used as a gap forming method. As the individual electrode, a single metal thin film of Pt, Ni, Ti, Al or the like and an alloyed thin film thereof can be used. As a method of forming a thin film, a sputtering method, a vacuum deposition, or the like can be used. The glass supporting substrate 37 thus formed
Are joined to the diaphragm 35 by an anodic bonding method.
【0018】単結晶シリコンも支持基板37の材料とし
て用いることができる。この場合個別電極36としては
シリコン基板との間に絶縁層を介して金属薄膜で形成す
る、あるいは基板と反対の導電型を有する不純物を基板
中に拡散させて形成する等の方法を用いる。この場合は
支持基板37は振動板35とシリコン/シリコンの直接
接合法で接合されている。Single crystal silicon can also be used as a material for the support substrate 37. In this case, as the individual electrode 36, a method of forming a metal thin film between the silicon substrate and the silicon substrate via an insulating layer, or a method of diffusing an impurity having a conductivity type opposite to that of the substrate into the substrate is used. In this case, the support substrate 37 is joined to the vibration plate 35 by a silicon / silicon direct joining method.
【0019】図2に請求項6に係る発明のインクジェッ
トヘッド用静電アクチュエータの構成を示す。図中、振
動板45,ボロン原子拡散領域44,ノズル41,ノズ
ルプレート42,個別電極46,支持基板47はそれぞ
れ図1に示した振動板35,ボロン原子拡散領域34,
ノズル31,ノズルプレート32,個別電極36,支持
基板37と同様である。図2の構成では流路を構成する
部材〔図中(43)〕が振動板45と一体に作られてい
る。FIG. 2 shows the structure of an electrostatic actuator for an ink jet head according to the present invention. In the drawing, the diaphragm 45, the boron atom diffusion region 44, the nozzle 41, the nozzle plate 42, the individual electrode 46, and the support substrate 47 are respectively the vibration plate 35, the boron atom diffusion region 34,
This is the same as the nozzle 31, the nozzle plate 32, the individual electrodes 36, and the support substrate 37. In the configuration of FIG. 2, members (43 in the figure) constituting the flow path are formed integrally with the diaphragm 45.
【0020】図3は、図1に示す静電アクチュエータの
具体的な作製プロセスを説明するための図である。単結
晶シリコン基板としてシリコン(100)ウエハーを用
いた(図3(A))。この基板表面に、p型不純物原子
拡散領域52を形成するためにBF3をソースガスとし
たイオン注入法を用いた。イオン注入時の加速電圧を4
0KeV、ドーズ量1.5×1015atom/cm2で打
ち込み、その後電気炉中で窒素雰囲気中800℃、30
分間熱処理した。以上の処理で、単結晶シリコン基板5
1の表面から深さ0.7ミクロンの位置までボロン原子
の濃度が1.2×1019個/cm3である拡散領域52が
形成された(図3(B))。FIG. 3 is a view for explaining a specific manufacturing process of the electrostatic actuator shown in FIG. A silicon (100) wafer was used as a single crystal silicon substrate (FIG. 3A). An ion implantation method using BF3 as a source gas was used to form a p-type impurity atom diffusion region 52 on the substrate surface. Acceleration voltage during ion implantation is 4
0 KeV, a dose of 1.5 × 10 15 atoms / cm 2 , and then 800 ° C., 30 ° C. in a nitrogen atmosphere in an electric furnace.
Heat treated for minutes. With the above processing, the single crystal silicon substrate 5
A diffusion region 52 having a boron atom concentration of 1.2 × 10 19 atoms / cm 3 was formed from the surface of Sample No. 1 to a position at a depth of 0.7 μm (FIG. 3B).
【0021】次いで、この単結晶シリコン基板51のボ
ロン原子の拡散領域52の上に振動板となる単結晶シリ
コン53を形成する。単結晶シリコンの形成は原料ガス
としてシリコンH4(100%)を用い、温度950℃
でのシリコンエピタキシャル成長法により行った。エピ
タキシャル成長した単結晶シリコン53の膜厚は1.8
ミクロンである(図3(C))。Next, a single crystal silicon 53 serving as a vibration plate is formed on the boron atom diffusion region 52 of the single crystal silicon substrate 51. Single crystal silicon is formed using silicon H4 (100%) as a source gas at a temperature of 950 ° C.
By a silicon epitaxial growth method. The thickness of the epitaxially grown single crystal silicon 53 is 1.8.
Microns (FIG. 3 (C)).
【0022】個別電極54を形成する支持基板55は、
コーニング社製パイレックスガラス#7740を用い
た。パイレックスガラス#7740上にエッチングガス
CF4,H2を用いたドライエッチングの手法により深
さ0.5ミクロンのギャップを幅100ミクロンで形成
した。次いで、Pt膜を2000オングストローム、T
a205膜を1000オングストロームで連続形成し、
フォトリソ、ドライエッチングの手法を用いてギャップ
中に個別電極54を形成した。The supporting substrate 55 on which the individual electrodes 54 are formed
Corning Pyrex glass # 7740 was used. A gap having a depth of 0.5 μm and a width of 100 μm was formed on Pyrex glass # 7740 by a dry etching method using etching gases CF4 and H2. Next, the Pt film was formed to a thickness of 2000 angstroms and T
a205 film is continuously formed at 1000 Å,
The individual electrode 54 was formed in the gap by using the photolithography and the dry etching.
【0023】単結晶シリコン基板51と個別電極支持基
板55は陽極接合法により接合する。ガラス支持基板側
55に針電極により負に、シリコン基板51を置いた台
電極には正になるように配線する。大気圧の空気中また
はAr,N2,Heなど不活性ガス中で、400℃に加
熱し、前記電極に前記極性に800Vを印加する。この
ようにして、ガラス支持基板55とシリコン基板51と
を陽極接合する(図3(D))。The single crystal silicon substrate 51 and the individual electrode support substrate 55 are joined by an anodic bonding method. Wiring is performed so as to be negative on the glass support substrate side 55 by a needle electrode and positive on the base electrode on which the silicon substrate 51 is placed. Heat to 400 ° C. in air at atmospheric pressure or in an inert gas such as Ar, N 2 , He, and apply 800 V to the electrode to the polarity. Thus, the glass support substrate 55 and the silicon substrate 51 are anodically bonded (FIG. 3D).
【0024】次いで、振動板を形成するために、シリコ
ン基板側を濃度20wt%の水酸化カリウム(KOH)
溶液でエッチングする。エッチング温度は80℃で行っ
た。この濃度20wt%の水酸化カリウム(KOH)溶
液によるエッチングでは、ボロンが高濃度に拡散してい
る領域ではエッチング速度が低下する。例えば、ボロン
濃度が1×1018個/cm3から1×1019個/cm3に
増加するとエッチングレートは1.7ミクロン/分から
0.5ミクロン/分と1/3以下になる。またボロン濃
度が1×1020個/cm3まで増加した場合にはエッチ
ングレートは0.1ミクロン/分と著しく低下する。こ
のエッチングレートの低下を利用して容易にエッチング
の終点が検出できた。エッチングにより形成した単結晶
シリコンの振動板の厚さは2.4ミクロンであった。こ
の工程で静電アクチュエータの部分が完成する(図3
(E))。最後に、別途形成した流路を構成する部材5
7,ノズル59を備えたノズルプレート58を上記静電
アクチュエータ部に接着(接合)し、インクジェットヘ
ッドが完成する(図3(F))。Next, in order to form a vibrating plate, a 20 wt% concentration of potassium hydroxide (KOH) is applied to the silicon substrate side.
Etch with solution. The etching temperature was 80 ° C. In the etching using a potassium hydroxide (KOH) solution having a concentration of 20 wt%, the etching rate is reduced in a region where boron is diffused at a high concentration. For example, when the boron concentration increases from 1 × 10 18 / cm 3 to 1 × 10 19 / cm 3 , the etching rate decreases from 1.7 μm / min to 0.5 μm / min, which is 1/3 or less. When the boron concentration is increased to 1 × 10 20 / cm 3 , the etching rate is remarkably reduced to 0.1 μm / min. The end point of the etching was easily detected by utilizing the decrease in the etching rate. The thickness of the single crystal silicon diaphragm formed by etching was 2.4 microns. This step completes the electrostatic actuator part (FIG. 3).
(E)). Finally, a member 5 constituting a separately formed flow channel
7. The nozzle plate 58 provided with the nozzle 59 is bonded (joined) to the electrostatic actuator section, and the ink jet head is completed (FIG. 3 (F)).
【0025】図4は、図2に示す静電アクチュエータの
具体的な作製プロセスを説明するため図である。単結晶
シリコン基板61としてシリコン(110)ウエハーを
用いた(図4(A))。この基板表面にp型不純物原子
拡散領域62を形成するためにBF3をソースガスとし
たイオン注入法を用いた。イオン注入時の加速電圧を4
0KeV、ドーズ量1.7×1015atom/cm2で打
ち込み、その後電気炉中で窒素雰囲気800℃、30分
間熱処理した。以上の処理で、単結晶シリコン基板61
の表面から深さ0.7ミクロンの位置までボロン原子の
濃度が1.2×1020個/cm3である拡散領域62が形
成された(図4(B))。FIG. 4 is a diagram for explaining a specific manufacturing process of the electrostatic actuator shown in FIG. A silicon (110) wafer was used as the single crystal silicon substrate 61 (FIG. 4A). In order to form a p-type impurity atom diffusion region 62 on the substrate surface, an ion implantation method using BF3 as a source gas was used. Acceleration voltage during ion implantation is 4
It was implanted at 0 KeV and a dose of 1.7 × 10 15 atoms / cm 2 , and then heat-treated in an electric furnace at 800 ° C. in a nitrogen atmosphere for 30 minutes. With the above processing, the single crystal silicon substrate 61
A diffusion region 62 having a boron atom concentration of 1.2 × 10 20 atoms / cm 3 was formed from the surface to a depth of 0.7 μm (FIG. 4B).
【0026】次いで、この単結晶シリコン基板61のボ
ロン原子の拡散領域62の上に振動板となる単結晶シリ
コン63を形成する。単結晶シリコンの形成は原料ガス
としてSiH4(100%)を用い、温度950℃での
シリコンエピタキシャル成長法により行った。エピタキ
シャル成長した前記単結晶シリコン63の膜厚は1.8
ミクロンである(図4(C))。個別電極64を形成す
る支持基板65はシリコン(100)p型低抵抗ウエハ
ーを用いた。シリコンウエハー上にエッチングガスSF
6、H2を用いたドライエッチングの手法により深さ0.
5ミクロンのギャップを幅100ミクロンで形成した。
次いで、イオン注入法によりリンを基板中に注入し、ギ
ャップ中にn型の個別電極64を形成した。Next, a single crystal silicon 63 serving as a diaphragm is formed on the boron atom diffusion region 62 of the single crystal silicon substrate 61. Single crystal silicon was formed by a silicon epitaxial growth method at 950 ° C. using SiH 4 (100%) as a source gas. The thickness of the single crystal silicon 63 epitaxially grown is 1.8.
Microns (FIG. 4C). As the support substrate 65 on which the individual electrodes 64 are formed, a silicon (100) p-type low-resistance wafer was used. Etching gas SF on silicon wafer
6, H 2 depth 0 by the method of dry etching using.
A 5 micron gap was formed with a width of 100 microns.
Next, phosphorus was implanted into the substrate by an ion implantation method, and an n-type individual electrode 64 was formed in the gap.
【0027】単結晶シリコン基板61と個別電極支持基
板65は酸化膜を介したシリコン/シリコン直接接合法
により接合する。両方のシリコン基板の接合面に熱酸化
膜をそれぞれ1000オングストローム形成してこの酸
化膜を介して密着させ、減圧、窒素雰囲気中で800
℃、2時間熱処理した。このようにしてシリコン基板で
ある個別電極支持基板65とシリコン基板61とを接合
する(図4(D))。The single crystal silicon substrate 61 and the individual electrode support substrate 65 are bonded by a silicon / silicon direct bonding method via an oxide film. A 1000 Å thermal oxide film is formed on the bonding surface of both silicon substrates, and adhered to each other through this oxide film.
C. for 2 hours. Thus, the individual electrode support substrate 65, which is a silicon substrate, and the silicon substrate 61 are joined (FIG. 4D).
【0028】次いで、振動板63と流路を構成する部材
61aを一体で形成するためにエッチングのマスクとな
るTa205膜66をスパッタ法により5000オング
ストローム形成し、流路形状にフォトリソエッチングし
た。この時流路の長手方向の壁61aがシリコン(11
1)面で形成されるようにマスク66の方向を設定する
(図4(E))。このTa205膜66をエッチングマ
スクとして、シリコン基板61側を濃度20wt%の水
酸化カリウム(KOH)溶液でエッチングする。エッチ
ング温度は80℃で行った。エッチングにより形成した
単結晶シリコンの振動板63の厚さは2.5ミクロンで
あり、流路の長手方向の壁61aは振動板に対して垂直
に形成された。この工程で流路を一体形成した静電アク
チュエータが完成する(図4(F))。最後に、別途形
成したノズル68を備えたノズルプレート67を上記静
電アクチュエータ部に接着(接合)し、インクジェット
ヘッドが完成する(図4(G))。Next, in order to integrally form the vibration plate 63 and the member 61a constituting the flow path, a Ta205 film 66 serving as an etching mask was formed to a thickness of 5000 angstroms by a sputtering method and photolithographically etched into a flow path shape. At this time, the wall 61a in the longitudinal direction of the flow path is made of silicon (11
1) The direction of the mask 66 is set so as to be formed on the surface (FIG. 4E). Using the Ta205 film 66 as an etching mask, the silicon substrate 61 side is etched with a potassium hydroxide (KOH) solution having a concentration of 20 wt%. The etching temperature was 80 ° C. The thickness of the single crystal silicon diaphragm 63 formed by etching was 2.5 microns, and the longitudinal wall 61a of the flow path was formed perpendicular to the diaphragm. In this step, an electrostatic actuator integrally formed with a flow path is completed (FIG. 4F). Finally, a nozzle plate 67 provided with a separately formed nozzle 68 is adhered (joined) to the electrostatic actuator section to complete an ink jet head (FIG. 4G).
【0029】[0029]
【発明の効果】請求項1に対応する効果:振動板中にp
型不純物原子が拡散されている領域が限定されているの
で、残留応力が小さく、結晶欠陥が少ない振動板とする
ことができる。According to the first aspect of the present invention, p is included in the diaphragm.
Since the region where the type impurity atoms are diffused is limited, a diaphragm having small residual stress and few crystal defects can be obtained.
【0030】請求項2に対応する効果:拡散領域が限定
されたp型不純物原子濃度が1×1019個/cm3以上
あるので、エッチング速度が十分に遅くなり、振動板板
厚の制御性を高くすることができる。According to the second aspect of the present invention, since the concentration of p-type impurity atoms in which the diffusion region is limited is 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more, the etching rate is sufficiently reduced, and the controllability of the diaphragm thickness is controlled. Can be higher.
【0031】請求項3に対応する効果:濃度が1×10
19個/cm3以上のp型不純物原子が拡散されている領
域が振動板板厚の1/3以下であるので、振動板の残量
応力及び結晶欠陥も十分に少なくすることができる。The effect corresponding to claim 3 is that the density is 1 × 10
Since the region where p-type impurity atoms of 19 atoms / cm 3 or more are diffused is 1/3 or less of the thickness of the diaphragm, residual stress and crystal defects of the diaphragm can be sufficiently reduced.
【0032】請求項4に対応する効果:その振動板の表
面がシリコン(100)面であるので、エッチングによ
る表面がなめらかに得られ、振動時に応力集中の少ない
振動板とすることができる。According to the fourth aspect of the present invention, since the surface of the diaphragm is a silicon (100) surface, a smooth surface can be obtained by etching, and a diaphragm with less stress concentration during vibration can be obtained.
【0033】請求項5に対応する効果:振動板上に振動
板と一体化してシリコンの結晶面(111)で形成され
る垂直な壁が形成できるので、振動板アクチュエータの
利用範囲を広げることができる。According to a fifth aspect of the present invention, since a vertical wall formed by a silicon crystal plane (111) can be formed on the vibration plate integrally with the vibration plate, the range of use of the vibration plate actuator can be expanded. it can.
【0034】請求項6に対応する効果:インク流路が振
動板と一体で形成されているので、インク漏れのない信
頼性の高いインクジェットヘッドとすることができる。According to the sixth aspect of the invention, since the ink flow path is formed integrally with the vibration plate, a highly reliable ink jet head without ink leakage can be provided.
【0035】請求項7に対する効果:振動板中にp型不
純物原子が拡散されている領域が限定され、残留応力が
小さく結晶欠陥が少ない振動板を有するインクジェット
ヘッド用アクチュエータを形成することができる。Effect on Claim 7: The region where the p-type impurity atoms are diffused in the vibration plate is limited, and an actuator for an ink jet head having a vibration plate with small residual stress and few crystal defects can be formed.
【図1】 本発明の静電アクチュエータを用いたインク
ジェットヘッドの実施例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of an inkjet head using the electrostatic actuator of the present invention.
【図2】 本発明の流路と一体化して形成された静電ア
クチュエータを用いたインクジェットヘッドの実施例を
示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an embodiment of an ink jet head using an electrostatic actuator formed integrally with a flow channel of the present invention.
【図3】 本発明の静電アクチュエータの作製工程の一
例を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining an example of a manufacturing process of the electrostatic actuator of the present invention.
【図4】 本発明の流路と一体化して形成される静電ア
クチュエータの作製工程の他の例を説明するための図で
ある。FIG. 4 is a view for explaining another example of the manufacturing process of the electrostatic actuator formed integrally with the flow channel of the present invention.
31,41,59,68…ノズル、32,42,58,
67…ノズルプレート、33,43,57,61a…流
路を構成する部材、34,44,52,62…p型不純
物原子拡散領域(ボロン原子拡散領域)、35,45…
シリコン振動板、36,46…個別電極、37,47…
支持基板、51,65…シリコン(100)基板、5
3,63…エピタキシャルシリコン層、54…Ta20
5/Pt電極、55…支持基板(パイレックスガラス#
7740)、61…シリコン(110)基板、64…n
型拡散電極、66…Ta205マスク。31, 41, 59, 68... Nozzles, 32, 42, 58,
67: nozzle plate; 33, 43, 57, 61a: members constituting flow paths, 34, 44, 52, 62: p-type impurity atom diffusion regions (boron atom diffusion regions), 35, 45 ...
Silicon diaphragm, 36, 46 ... individual electrode, 37, 47 ...
Support substrate, 51, 65: silicon (100) substrate, 5
3, 63: epitaxial silicon layer, 54: Ta20
5 / Pt electrode, 55 ... Support substrate (Pyrex glass #
7740), 61 ... silicon (110) substrate, 64 ... n
Diffusion electrode, 66 ... Ta205 mask.
Claims (7)
路と、流路の一部に設けられた振動板と、該振動板に対
向して設けられた個別電極とを有し、前記振動板に取り
付けられた共通電極と前記個別電極間に駆動電圧を印加
し、前記振動板を静電力により変形させ、前記ノズルか
らインク液滴を吐出するインクジェットヘッドにおい
て、該振動板がシリコン単結晶により形成され、該振動
板の流路側からその厚さの一部領域においてのみ、p型
不純物原子が拡散されている領域が形成されていること
を特徴としたインクジェットヘッド用静電アクチュエー
タ。An ink passage communicating with the nozzle, a vibrating plate provided in a part of the flow passage, and an individual electrode provided facing the vibrating plate; A driving voltage is applied between a common electrode attached to a plate and the individual electrodes, the diaphragm is deformed by electrostatic force, and in an ink jet head that discharges ink droplets from the nozzles, the diaphragm is made of silicon single crystal. An electrostatic actuator for an ink jet head, wherein a region in which p-type impurity atoms are diffused is formed only in a part of the thickness from the flow path side of the diaphragm.
ッド用アクチュエータでの振動板において、前記p型不
純物原子濃度が1×1019個/cm3以上であることを
特徴とするインクジェットヘッド用静電アクチュエー
タ。2. The electrostatic device according to claim 1, wherein the p-type impurity atom concentration is 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more. Actuator.
ットヘッド用アクチュエータにおいて、前記振動板の濃
度が1×1019個/cm3以上のp型不純物原子が拡散
されている領域は、少なくとも前記振動板厚さの1/3
以下であることを特徴とするインクジェットヘッド用静
電アクチュエータ。3. The inkjet head actuator according to claim 1, wherein the region in which the p-type impurity atoms having a concentration of the vibrating plate of 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more are diffused is at least the region. 1/3 of diaphragm thickness
An electrostatic actuator for an ink jet head, characterized in that:
ットヘッド用アクチュエータにおいて、前記振動板はそ
の表面が単結晶シリコンの結晶面(100)面に配向し
ていることを特徴とするインクジェットヘッド用静電ア
クチュエータ。4. The actuator for an ink jet head according to claim 1, wherein a surface of the vibration plate is oriented to a crystal plane (100) of single crystal silicon. Electrostatic actuator.
ットヘッド用アクチュエータにおいて、前記振動板はそ
の表面が単結晶シリコンの結晶面(110)面に配向
し、前記振動板の長辺方向は、前記単結晶シリコンの結
晶方位の〈111〉方向に沿って形成されている、こと
を特徴とするインクジェットヘッド用静電アクチュエー
タ。5. The actuator for an ink jet head according to claim 1, wherein a surface of the vibration plate is oriented to a crystal plane (110) of single crystal silicon, and a long side direction of the vibration plate is: An electrostatic actuator for an ink jet head, wherein the electrostatic actuator is formed along the <111> direction of the crystal orientation of the single crystal silicon.
ットヘッド用アクチュエータにおいて、前記振動板はイ
ンク流路と一体に形成されている、ことを特徴とするイ
ンクジェットヘッド用静電アクチュエータ。6. The electrostatic actuator for an ink jet head according to claim 4, wherein the vibration plate is formed integrally with an ink flow path.
ッド用アクチュエータの製造方法であって、単結晶シリ
コン基板表面に、p型不純物原子の拡散層であるボロン
拡散層を形成し、該ボロン拡散層上に単結晶シリコン層
を形成し、該単結晶シリコン層を介して前記単結晶シリ
コン基板と個別電極を有する支持基板とを接合し、エッ
チング速度が前記p型不純物原子の濃度に依存するエッ
チング液により、前記単結晶シリコン基板をエッチング
して流路を形成することを特徴とする、インクジェット
ヘッド用静電アクチュエータの製造成方法。7. The method for manufacturing an actuator for an ink jet head according to claim 1, further comprising: forming a boron diffusion layer, which is a diffusion layer of p-type impurity atoms, on a surface of the single crystal silicon substrate; An etching solution in which a single-crystal silicon layer is formed thereon, and the single-crystal silicon substrate and a supporting substrate having individual electrodes are joined through the single-crystal silicon layer, and an etching rate depends on the concentration of the p-type impurity atom. Forming a flow path by etching the single-crystal silicon substrate.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8694898A JPH11277741A (en) | 1998-03-31 | 1998-03-31 | Electrostatic actuator for inkjet head and method of manufacturing the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8694898A JPH11277741A (en) | 1998-03-31 | 1998-03-31 | Electrostatic actuator for inkjet head and method of manufacturing the same |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11277741A true JPH11277741A (en) | 1999-10-12 |
Family
ID=13901104
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8694898A Pending JPH11277741A (en) | 1998-03-31 | 1998-03-31 | Electrostatic actuator for inkjet head and method of manufacturing the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11277741A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7743503B2 (en) | 2004-09-06 | 2010-06-29 | Canon Kabushiki Kaisha | Method for manufacturing inkjet head |
| WO2025192849A1 (en) * | 2024-03-11 | 2025-09-18 | 한국과학기술원 | Capacitive micromachined ultrasonic transducer and manufacturing method therefor |
-
1998
- 1998-03-31 JP JP8694898A patent/JPH11277741A/en active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7743503B2 (en) | 2004-09-06 | 2010-06-29 | Canon Kabushiki Kaisha | Method for manufacturing inkjet head |
| WO2025192849A1 (en) * | 2024-03-11 | 2025-09-18 | 한국과학기술원 | Capacitive micromachined ultrasonic transducer and manufacturing method therefor |
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