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JP2004223959A - Method for manufacturing liquid ejection head and method for adjusting film thickness of thin film structure - Google Patents

Method for manufacturing liquid ejection head and method for adjusting film thickness of thin film structure Download PDF

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JP2004223959A
JP2004223959A JP2003016587A JP2003016587A JP2004223959A JP 2004223959 A JP2004223959 A JP 2004223959A JP 2003016587 A JP2003016587 A JP 2003016587A JP 2003016587 A JP2003016587 A JP 2003016587A JP 2004223959 A JP2004223959 A JP 2004223959A
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substrate
thickness
diaphragm
oxide film
oxidation
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JP2003016587A
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Japanese (ja)
Inventor
Katsuharu Arakawa
克治 荒川
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Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】振動板の厚みを高精度に、しかも低コストで能率良く作製することができる液体吐出ヘッドの製造方法並びに高度な厚み精度が要求される薄膜構造体の膜厚調整方法を提供する。
【解決手段】Si基板1にボロンドープ層を形成し、該ボロンドープ層103を振動板11として形成する液体吐出ヘッドの製造方法において、振動板11aを形成した後、該Si基板1に熱酸化により熱酸化膜106を形成する工程と、前記熱酸化膜106をエッチングにより剥離する工程とを有する。
【選択図】 図2
An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a liquid discharge head which can efficiently manufacture a diaphragm with high precision at a low cost and a method of adjusting the thickness of a thin film structure which requires a high degree of thickness precision.
In a method for manufacturing a liquid discharge head in which a boron-doped layer is formed on a Si substrate and the boron-doped layer is formed as a vibration plate, after forming a vibration plate, the Si substrate is thermally oxidized by thermal oxidation. The method includes a step of forming the oxide film 106 and a step of removing the thermal oxide film 106 by etching.
[Selection] Fig. 2

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェットヘッドに代表される液体吐出ヘッドの製造方法に関し、特に、液体吐出ヘッドのダイヤフラムポンプの作用をする振動板の作製方法、さらには小型精密な薄膜構造体の膜厚調整方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
液体吐出ヘッドは、一般にインクジェット記録装置のインクジェットヘッドとして普及しており、またDNAチップ等のマイクロアレイ製造装置やカラーフィルタ製造装置等にも広く使用されている。代表的なインクジェットヘッドは、一般的に3枚の基板を積層した構造からなっており、中間の第1の基板(Si基板)に凹部からなる吐出室を形成し、その吐出室の底壁部分を振動板としている。この第1の基板の一方の面には振動板に対面するようにアクチュエータ電極が設けられた第2の基板が接合され、第1の基板の他方の面には吐出室を覆うように第3の基板が接合される。そして、インク液滴を吐出するノズル孔を、第3の基板の表面部に設ける方式(フェイスインクジェットタイプ)と、第1の基板の端部に設ける方式(エッジインクジェットタイプ)とがある。また、吐出駆動方式としては例えば、静電駆動方式が知られており、振動板とアクチュエータ電極との間で静電引力をON−OFFさせることで振動板をダイヤフラムポンプのように作動させてインク液滴を吐出させる。
このようなインクジェットヘッドの製造方法は、例えば特許文献1〜3に開示されている。
【0003】
【特許文献1】
特開平9−288037号公報(段落[0021]〜[0028]、図4)
【特許文献2】
特開2002−86734号公報(段落[0025]〜[0039]、図2、図3、図6)
【特許文献3】
特開2002−240299号公報(段落[0007]〜[0014、図1)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
液体吐出ヘッドの製造において、特に問題となるのは液滴の吐出性能を左右することになる振動板の厚みである。上記の各特許文献では、振動板を形成する基板材料にいずれもSi基板を用いて、特許文献1では、Si基板の片面にボロンを拡散し、その高濃度ボロンドープ層でのエッチングレートが極端に低下する現象(エッチングストップ)を利用して振動板を形成している。つまり、エッチングストップさせたときのボロンドープ層の厚みでもって振動板の厚みを調整している。しかし、この方法では、1000℃以上の高温で処理される熱酸化でエッチング保護膜となるSiO膜(熱酸化膜)が形成されるため、Si基板に高濃度に拡散したボロンがさらにSi基板内部に熱拡散し、ボロン濃度が低下してしまうという問題がある。その結果、エッチングストップが十分に働かず、サブミクロン厚みの振動板を作製することができなかった。
そこで、この問題を解決するために、特許文献2および特許文献3では、エッチング保護膜となるSiO膜を低温成膜が可能なCVDで形成することによって、ボロンの熱拡散を抑え、サブミクロン厚みの振動板を実現している。しかしながら、この方法では、高価な装置および材料ガスを用い、しかも一枚ずつの枚葉処理であるCVDによりエッチング保護膜を形成するものであるため、コスト、量産性の面で不利が大きいものであった。
【0005】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、振動板の厚みを高精度に、しかも低コストで能率良く作製することができる液体吐出ヘッドの製造方法を提供することを第1の目的としている。
また、本発明の第2の目的は、本発明の技術を利用することにより、高度な厚み精度が要求される薄膜構造体の膜厚調整方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る液体吐出ヘッドの第1の製造方法は、Si基板にボロンドープ層を形成し、該ボロンドープ層を振動板として形成する液体吐出ヘッドの製造方法において、
(1)前記振動板を形成した後、該Si基板に熱酸化により熱酸化膜を形成する工程と、
(2)前記熱酸化膜をエッチングにより剥離する工程と、
を有することを特徴としている。
【0007】
本発明に係る液体吐出ヘッドの第2の製造方法は、SOI基板の活性層を振動板として形成する液体吐出ヘッドの製造方法において、
(1)前記振動板を形成した後、該SOI基板に熱酸化により熱酸化膜を形成する工程と、
(2)前記熱酸化膜をエッチングにより剥離する工程と、
を有することを特徴とする。
【0008】
すなわち、本発明の第1の製造方法では、基板材料にSi基板を用い、第2の製造方法では、SOI(Silicon On Insulator)基板を用いるものである。SOI基板は、Si基板に高濃度イオンビームにより酸素イオンを注入し、そのSi基板をアニーリングすることにより表面より所望の深さの位置にSiO膜を形成し、その表層部をSi単結晶の活性層として形成したものであり、高精密・高集積化・高速化等を果たすマイクロデバイス、あるいは薄膜構造体にとって最適な基板材料と目されている。なお、SOI基板の作製方法は、上記の酸素イオンを注入する方法の他に、酸化膜を形成したSi基板ともう1枚のSi基板を接合し(直接接合と呼ばれ、表面を清浄にしたSi基板同士を重ね合わせ、1000℃近い温度で処理することで接合する)、片側のSi基板を研削、研磨して活性層を形成する方法もあり、このような直接接合により作製されたSOI基板を用いてもよい。
【0009】
Si基板を用いる第1の製造方法では、液体吐出ヘッドの振動板をボロンドープ層で作製する。しかし、ボロンドープ層は、Si基板の表面に熱酸化によりエッチング保護膜となるSiO膜(熱酸化膜)を形成するために1000℃以上の高温に曝されると、ボロン濃度が低下し、エッチングストップが望み通りに機能しない場合があり得る。
一方、Si基板を熱酸化処理すると、成膜された(成長した)熱酸化膜の厚みの45%に相当する分のSiが酸化膜に変化する。換言すれば、Si基板の表面が熱酸化膜の厚みの45%に相当する分だけ浸食されることになる。
本発明は、この現象を利用することにより、振動板を目標の厚みに調整するものである。振動板の厚みの調整は、前記(1)のように熱酸化と前記(2)のように熱酸化膜剥離(エッチングによる熱酸化膜の除去)とを行うことによって、調整することができる。
SOI基板を用いる第2の製造方法でも、同様に熱酸化と熱酸化膜剥離とを行うことによって、活性層からなる振動板の厚みを調整することができる。
したがって、本発明によれば、振動板をサブミクロンレベルの厚みまで薄くすることができ、また振動板の厚み精度についてもバラツキの少ない極めて高い精度で作製することができる。さらに、熱酸化装置を用いてバッチ処理が可能なことから、量産性に優れ、かつ製造コストも安くつく。
【0010】
また、本発明の第1、第2の製造方法においては、Wet酸化またはDry酸化により熱酸化膜を形成する。
酸素および水蒸気雰囲気の熱酸化炉で熱処理を行うWet酸化を利用すれば、熱酸化膜を短時間で形成することができ、酸素雰囲気の熱酸化炉で熱処理するDry酸化を利用すれば、振動板の厚みをさらに微調整することができる。また、Wet酸化とDry酸化を併用しても良い。この場合、Wet酸化を先に行い、後でDry酸化を行う。ただし、Wet酸化後とDry酸化後に、前記(2)の熱酸化膜剥離の工程をそれぞれ実施する。
【0011】
また、前記(1)、(2)の工程を複数回繰り返すことにより、振動板の更なるサブミクロン厚みの微調整が可能となる。
したがって、高い信頼性を持ち、極めて微小粒の液滴吐出性能を持つ液体吐出ヘッドが得られる。これはまた、インクジェットヘッドの場合、小型化や画質の向上、マイクロアレイやカラーフィルタ等の製造に用いる液体吐出ヘッドの場合、小型・高密度化、品質の向上等に寄与するものとなる。
【0012】
液体吐出ヘッドが静電引力を利用した静電駆動方式の場合、振動板とアクチュエータ電極との短絡を防ぐために、前記(2)の工程の終了後に、振動板に絶縁膜を形成することが好ましい。
【0013】
また、前記(1)の工程において、前記振動板を形成後、該振動板の厚みを測定し、その測定結果に基づいて前記熱酸化の条件を決める。
熱酸化の条件は、酸化温度と酸化時間によって酸化膜の成長速度が異なる。したがって、振動板を目標の厚みに正確に調整するためには、酸化前の振動板の厚みを正確に測定し、その測定結果に基づいて、成膜すべき酸化膜の厚み、ひいては酸化時間、酸化温度を決める必要がある。
【0014】
また、本発明の前述した膜厚調整方法を利用すれば、マイクロデバイス、あるいはMEMSデバイスとして用いられる薄膜構造体に対してもその膜厚を極めて高精度に調整することが可能となる。
したがって、本発明に係る薄膜構造体の第1の膜厚調整方法は、(1)Si基板にボロンドープ層を形成する工程と、
(2)前記ボロンドープ層に達するまで前記Si基板の該ボロンドープ層と反対側の面からエッチングする工程と、
(3)前記エッチング後の前記ボロンドープ層に熱酸化により熱酸化膜を形成する工程と、
(4)前記熱酸化膜をエッチングにより剥離する工程と、
を有することを特徴とする。
【0015】
また、本発明に係る薄膜構造体の第2の膜厚調整方法は、(1)SOI基板の活性層に達するまで該SOI基板の該活性層と反対側の面からエッチングする工程と、
(2)前記エッチング後の前記活性層に熱酸化により熱酸化膜を形成する工程と、
(3)前記熱酸化膜をエッチングにより剥離する工程と、
を有することを特徴とする。
【0016】
すなわち、本発明の第1の膜厚調整方法は、Si基板を用い、そのSi基板に形成したボロンドープ層の膜厚を調整する方法であり、本発明の第2の膜厚調整方法は、SOI基板を用い、そのSOI基板の活性層の膜厚を調整する方法である。膜厚調整は、前述したとおり、対象のボロンドープ層または活性層に対し、熱酸化と熱酸化膜剥離(エッチングによる熱酸化膜の除去)を行うことによって調整することができる。
【0017】
また、本発明において、膜厚を調整するにあたっては、前述の通り、Wet酸化またはDry酸化により熱酸化膜を形成する。
第1の膜厚調整方法の場合は、前記(3)、(4)の工程を複数回繰り返す。
第2の膜厚調整方法の場合は、前記(2)、(3)の工程を複数回繰り返す。
また、第1の膜厚調整方法の場合、前記(3)の工程において、前記ボロンドープ層の厚みを測定し、その測定結果に基づいて前記熱酸化の条件を決める。
第2の膜厚調整方法の場合、前記(2)の工程において、前記活性層の厚みを測定し、その測定結果に基づいて前記熱酸化の条件を決める。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。まず最初に、本発明の対象とする液体吐出ヘッドの構成についてインクジェットヘッドの場合を例にとって説明する。
図3は、例えばフェイスインクジェットタイプの構成を示す断面図である。この例では、中間の第1の基板1はSi基板を用いて構成され、そのSi基板の下面部にボロンドープ層からなる振動板11が形成される。振動板11の厚みは、例えば0.5〜1μmの範囲内で所望の厚みに形成される。また、Si基板にはエッチングにより、底壁部分が振動板11となるように凹部を形成した吐出室12とインクを貯留するためのリザーバー13が形成され、さらに配線のための貫通孔14がエッチングにより形成される。
【0019】
第1の基板1の下面に接合される第2の基板2はガラス基板からなり、この基板2にアクチュエータ電極21を装着するための凹部22をエッチングにより形成している。アクチュエータ電極21は、上記振動板11との間に所定の対向間隙(ギャップG)を保つように、例えば、酸化錫を不純物としてドープした酸化インジウム膜、すなわちITO(Indium Tin Oxide:インジウム酸化第1錫)膜で凹部22内に形成されている。ただし、電極21はこれに限定されるものではない。なお、15は振動板11とアクチュエータ電極21との短絡を防ぐために設けられた絶縁膜で、第1の基板1の熱酸化により形成されるSiO膜である。
【0020】
第1の基板1の上面に接合される第3の基板3はSi基板からなり、インク液滴を吐出するノズル孔31と、インクの逆流を防ぎ、リザーバー13から吐出室12へインクを供給するための細溝32とが設けられている。
このように各要素が形成された3枚の基板1、2、3を互いに接合した後、上記貫通孔14を通じて振動板11を駆動するための発振回路4が第1の基板1とアクチュエータ電極21との間に配線される。
【0021】
インク液滴の吐出動作は次のようにして行われる。この実施形態で示すような静電駆動方式のインクジェットヘッドにおいては、発振回路4により、アクチュエータ電極21に所定のパルス電圧を印加し、アクチュエータ電極21を正に帯電させ、振動板11を負に帯電させる。そのため、振動板11は静電引力により電極21側へ引き寄せられてたわみ、吐出室12の容積が増加する。この状態で発振回路4によりアクチュエータ電極21への電荷の供給を止めると、振動板11が元に戻るため、そのときの圧力により容積変化の差分に相当する一定量のインク液滴がノズル31より吐出される。次に、振動板11が再び下方へたわむことにより、インクがリザーバー13より細溝32を通じて吐出室12内に補給される。以上のような動作を繰り返すことにより、紙やフィルム、シート、金属板、布帛等任意の記録媒体に文字、画像等を記録することができる。
【0022】
次に、上記のようなインクジェットヘッドの振動板11を所定の厚みに高精度に作製する製造方法について説明する。
第1の実施形態では、素材として、Si基板を用い、第2の実施形態ではSOI基板を用いている。
【0023】
実施の形態1.
図1、図2は本発明の実施の形態1を示すインクジェットヘッドの製造工程図である。
この第1の実施形態は、Si基板を用い、その基板の振動板を形成する面にボロンドープ層を形成した後、両面にエッチング保護膜となる熱酸化膜(SiO膜)を形成し、その熱酸化膜にパターニングを施し、エッチングストップ技術によりキャビティ形状の吐出室やその吐出室の底壁部分で構成される振動板、その他の構成要素を形成し、その後さらに熱酸化と熱酸化膜剥離(エッチングによる熱酸化膜の除去)を行って、振動板を所定の厚みに高精度に調整するものである。
【0024】
以下、図1および図2に示す工程図に従って各工程を詳細に説明する。図1を参照して、
(a)まず、Si基板1の両面、すなわちCav面101とDope面102をそれぞれ鏡面研磨し、例えば厚み180μmの基板を作製する。
(b)次に、そのSi基板1のDope面102にボロン拡散板(図示せず)を対向させ、例えば1100℃の温度で6時間加熱処理をしてDope面102にボロン(B)を拡散させ、ボロンドープ層103を形成する。
(c)Dope面にボロンドープ層103を形成したSi基板1を熱酸化炉にセットして酸素および水蒸気雰囲気にし、例えば1075℃の温度で4時間熱酸化処理を施し、Si基板1の表面にエッチング保護膜となる1.2μmのSiO膜(熱酸化膜)104を形成する。
(d)次に、そのSi基板1の両面のSiO膜104上にレジスト105をコーティングし、Cav面101側に前記吐出室12、リザーバー13、貫通孔14等の構成要素を作り込むためのレジストパターニングを施す。
(e)そして、レジストパターニングを施したCav面101をフッ酸水溶液でエッチングしてCav面のSiO膜104にパターニングを施し、さらにSi基板1の両面のレジスト105を剥離する。
(f)次に、そのSi基板1を35wt%の高濃度の水酸化カリウム水溶液に浸し、Siエッチングを行う。この時、Si基板1のCav面に露出しているSiから基板がエッチングされていく。そして、エッチングによるSiの残留厚みが例えば、10μmになるまでエッチングを継続する。次に、そのSi基板1を3wt%の低濃度の水酸化カリウム水溶液に浸してSiエッチングを行い、ボロンドープ層103に達したときにエッチングをストップしてボロンドープ層103を残留させ、振動板11aを形成する。この時、振動板11aの厚みは、例えば2μmとなっている。
(g)Si基板1に残留したSiO膜104をフッ酸水溶液でエッチング除去する。
【0025】
この実施形態では、上述のように振動板11aを形成するボロンドープ層103がエッチング保護膜を形成するための熱酸化によって1000℃以上の高温に曝されており、そのため、ボロン濃度が低下し、エッチングストップが十分に働かないおそれがある。したがって、振動板11aの厚みのバラツキが大きいものとなりやすい。そこで、振動板11aの厚みを目標の厚みに高精度に調整するために、さらに図2に示す工程を実施する。
【0026】
また、以下の工程を実施する前に、図1に示した工程によって作製された振動板11aの一次厚みTを正確に測定しておくことが望ましい。その測定結果に基づいて、後述するように適宜な熱酸化の条件を決める。測定は、例えば赤外分光器(FT−IR)を用いて行う。
(h)まず、振動板11aが形成されたSi基板1を熱酸化炉にセットして酸素および水蒸気雰囲気にし、図4に示すような熱酸化(Wet酸化)の条件のもとで、例えば1000℃の温度で320分間熱酸化処理を施し、Si基板1の表面に厚み1.1μmのSiO膜106を形成する。
(i)ついで、そのSi基板1に形成したSiO膜106をフッ酸水溶液でエッチング除去する。
(j)最後に、振動板11とアクチュエータ電極21との短絡を防止するため、絶縁膜となるSiO膜15を熱酸化によってSi基板1の表面に形成する。なお、この工程は必要に応じて行えばよく、短絡のおそれがない場合にはこの工程を省略してもよい。
【0027】
ところで、上記の(h)工程において、熱酸化により酸化膜を形成するとき、酸化膜厚みの45%の厚みのSiが酸化膜に変化する。そこで、熱酸化によって変化する振動板の厚みをdTSiとし、酸化前の振動板11aの一次厚みをT、酸化膜剥離後の振動板11bの二次厚みをT、酸化膜の厚みをtとすると、酸化は振動板の両面で起こっているため、以下の関係が成り立つ。
dTSi=T−T
=2×t×0.45 ・・・式1
したがって、Wet酸化により振動板の厚みをdTSiだけ薄くしたいとき、成膜すべき酸化膜の厚みはtは、
t=dTSi/0.9 ・・・式2
となる。
【0028】
図4は、Wet酸化の条件を、酸化温度、酸化時間、酸化膜厚みの関係で示したものである。例えば、一次厚みの振動板11aを形成した後、そのSi基板1を酸素および水蒸気雰囲気で温度1000℃で熱酸化した場合において、上記のように、一度2μmの厚みTで形成した振動板11aを1μmの厚みTにしたい場合、式2より成膜すべき酸化膜厚みtは1.1μmであり、この酸化膜厚みtを成膜するのに必要な酸化時間は、図4から320分とすればよいことがわかる。
また、図4からわかるように、同じ温度の場合、酸化膜が厚くなると酸化膜の成長速度は遅くなり、酸化時間を長くしてもあまり厚くならない。また、温度を高くすると、同じ厚みの酸化膜を得るのに必要な酸化時間は短くなる。したがって、できるだけ高い温度で酸化時間を短くし、上記(h)の酸化と(i)の酸化膜剥離を複数回繰り返し行っても良く、これにより数μmレベルの振動板厚みの調整が可能となる。
【0029】
一方、振動板を形成したSi基板1の酸化を酸素雰囲気で熱処理するDry酸化で行っても良い。
図5は、Dry酸化の条件を、酸化温度、酸化時間、酸化膜厚みの関係で示したものである。この場合、酸化膜の成長速度はWet酸化の場合よりも一段と小さくなるため、数十nmレベルの振動板厚みの微調整が可能となる。なお、上記のWet酸化とDry酸化を併用することも可能であり、この場合、Wet酸化を先に行い、そしてその酸化膜剥離を行ってから、Dry酸化を行い、さらにその酸化膜剥離を行う。
【0030】
この実施形態では、以上のような方法によりSi基板に形成したボロンドープ層から振動板を作製し、さらにそのSi基板に対して、熱酸化と熱酸化膜剥離を行うことによって振動板の厚みを調整するものであるので、振動板を例えば、目標厚み1μmに対して、1±0.1μmの高精度に作製することができる。また、熱酸化膜の膜厚均一性は高いものであるので、上記のように熱酸化と熱酸化膜剥離を行うことによって、振動板のエッチング終了時の板厚精度を維持したままで振動板をサブミクロンレベルの厚みまで薄くすることができる。また、装置コストが安く、バッチ処理が可能な熱酸化装置を用いて製造することができるので、量産性、コストの面で有利である。
一方、振動板製造時のプロセスのバラツキにより、振動板が所望の厚みよりも厚くなったような場合、上記の熱酸化と熱酸化膜剥離を行うことで振動板を薄くすることができ、振動板の厚みの再調整(リペア)も可能となる。さらに、予め振動板を厚めに作製しておき、熱酸化の条件を適正に選ぶことによって、振動板の厚みを微調整することも可能である。
【0031】
実施の形態2.
第2の実施形態は、SOI基板を用いて振動板を作製する方法である。SOI基板は、Si基板に高濃度イオンビームで酸素イオンを注入した後、そのSi基板を熱処理することにより表面より内部にSiO膜を形成し、その表層部にSi単結晶の活性層を形成したものであり、あるいはSOI基板は、前述したようにSi基板同士の直接接合により作製したものを用いても良く、既に形成された活性層を対象に振動板を作製する。
【0032】
以下、図6、図7を参照してその製造方法を説明する。まず、図6において、(a)SOI基板10の両面、すなわちSi基板1のCav面101と活性層108をそれぞれ鏡面研磨し、例えば厚み180μmの基板を作製する。また、活性層108の厚みは、例えば2μmである。図中、109は高濃度酸素イオンの注入より形成されたSiO膜である。
(b)から(f)の工程は、図1の(c)から(g)の工程と同様である。すなわち、SOI基板10を熱酸化炉にセットして酸素および水蒸気雰囲気にし、例えば1075℃の温度で4時間熱酸化処理を施し、SOI基板10の表面にエッチング保護膜となる1.2μmのSiO膜(熱酸化膜)104を形成する。
(c)次に、そのSOI基板10の両面のSiO膜104上にレジスト105をコーティングし、Cav面101側に前記吐出室12、リザーバー13、貫通孔14等の構成要素を作り込むためのレジストパターニングを施す。
(d)そして、レジストパターニングを施したCav面101をフッ酸水溶液でエッチングしてCav面のSiO膜104にパターニングを施し、さらにSOI基板10の両面のレジスト105を剥離する。
(e)次に、そのSOI基板10を35wt%の高濃度の水酸化カリウム水溶液に浸し、Siエッチングを行う。この時、SOI基板10のCav面に露出しているSiから基板がエッチングされていく。そして、エッチングによるSiの残留厚みが例えば、10μmになるまでエッチングを継続する。次に、そのSOI基板10を3wt%の低濃度の水酸化カリウム水溶液に浸してSiエッチングを行い、活性層108に達したときにエッチングをストップして活性層108を残留させ、振動板11aを形成する。この時、振動板11aの厚みは、例えば2μmとなっている。
(f)SOI基板10に残留したSiO膜104をフッ酸水溶液でエッチング除去する。
【0033】
また、上記工程により作製した振動板11aの厚みを調整する工程(図7参照)も基本的に図2の工程と同じである。したがって、上記(f)で振動板11aの一次厚みTが形成された後、その振動板11aを目標の厚みTに調整するためには、そのSOI基板10に対して、式2および図4に示したWet酸化の条件、あるいは図5のDry酸化の条件を適用して、熱酸化(図7(g))と熱酸化膜(SiO膜)106の剥離(図7(h))を行うものである。そして最後に、目標厚みとなった振動板11bに必要に応じて、絶縁膜(SiO膜)15を施す。
【0034】
この実施形態では、SOI基板を用い、既に形成されている活性層から目的の振動板を作製するものであるから、第1の実施形態に比べて少なくとも1工程省略することができ、コスト低減を図ることができる。また、活性層の厚みを自由にコントロールできることから、振動板を自在な厚みに作製することができる。振動板の板厚精度は第1の実施形態と同様である。量産性、コスト面についても同様の効果が得られる。
【0035】
実施の形態3.
以上の実施形態ではインクジェットヘッドの場合で説明したが、本発明の製造方法は、インクジェットヘッドに限られるものでないことはいうまでもない。液体吐出ヘッドとしては、インクジェットヘッドのほかに、DNAチップ等のマイクロアレイやカラーフィルタなどの作製にも利用することができる。また、医療用のマイクロポンプ、マイクロアクチュエータ等にも利用でき、その用途は広いものである。
そしてさらに、前述した振動板の厚み調整技術を利用すれば、高度な厚み精度が要求される薄膜構造体の膜厚調整が可能となる。既に明らかなように、この膜厚調整方法では、基板材料として、Si基板またはSOI基板を用いる。
Si基板を用いる場合には、そのSi基板の片面にボロンドープ層を形成し、ボロンドープ層が素子部(素子ウェハー)となるようにボロンドープ層と反対側の面からエッチングを施す。その後は、ボロンドープ層に対して、前述したように熱酸化と熱酸化膜剥離(エッチングによる熱酸化膜の除去)を行う(1回以上適当な回数繰り返す)ことによって、ボロンドープ層の膜厚を調整していく。このとき、熱酸化の条件についてもWet酸化(図4)、あるいはDry酸化(図5)の条件に従って、適正な条件を選択する。
このようにすれば、目的の素子部(素子ウェハー)を高精度の厚みで作製することができる。
また、SOI基板を用いる場合には、上記のボロンドープ層をSOI基板の活性層と読み替えればよい。
したがって、この実施形態によれば、薄膜構造体を用いるMEMSデバイス(光学ミラー、マイクロヒータ、マイクロモータ、マイクロアクチュエータ等)を高精度に製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1のインクジェットヘッドの製造工程図。
【図2】図1に続く製造工程図。
【図3】インクジェットヘッドの構成を示す断面図。
【図4】Wet酸化の条件を示す温度−酸化時間−酸化膜厚みの相関図。
【図5】Dry酸化の条件を示す温度−酸化時間−酸化膜厚みの相関図。
【図6】本発明の実施の形態2のインクジェットヘッドの製造工程図。
【図7】図6に続く製造工程図。
【符号の説明】
1 第1の基板(Si基板)、2 第2の基板(ガラス基板)、3 第3の基板(Si基板)、4 発振回路、10 SOI基板、11、11a、11b 振動板、12 吐出室、13 リザーバー、14 貫通孔、15 絶縁膜、21 アクチュエータ電極、22 凹部、31 ノズル孔、32 細溝、101 Cav面、102 Dope面、103 ボロンドープ層、104 SiO膜(熱酸化膜)、105 レジスト、106 SiO膜(熱酸化膜)、108 活性層、109 SiO
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a liquid discharge head represented by an ink jet head, and more particularly, to a method for manufacturing a diaphragm acting as a diaphragm pump of a liquid discharge head, and a method for adjusting the thickness of a small and precise thin film structure. .
[0002]
[Prior art]
The liquid discharge head is generally used as an ink jet head of an ink jet recording apparatus, and is also widely used in a microarray manufacturing apparatus such as a DNA chip and a color filter manufacturing apparatus. A typical ink jet head generally has a structure in which three substrates are stacked, a discharge chamber including a concave portion is formed in an intermediate first substrate (Si substrate), and a bottom wall portion of the discharge chamber is formed. Is a diaphragm. A second substrate provided with an actuator electrode so as to face the diaphragm is bonded to one surface of the first substrate, and a third substrate is provided on the other surface of the first substrate so as to cover the discharge chamber. Substrates are bonded. Then, there are a method of providing a nozzle hole for discharging ink droplets on the surface of the third substrate (face inkjet type) and a method of providing a nozzle hole at an end of the first substrate (edge inkjet type). As a discharge drive method, for example, an electrostatic drive method is known, and by turning on and off an electrostatic attraction between a diaphragm and an actuator electrode, the diaphragm is operated like a diaphragm pump, and ink is discharged. Discharge droplets.
Methods for manufacturing such an ink jet head are disclosed in, for example, Patent Documents 1 to 3.
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-9-288037 (paragraphs [0021] to [0028], FIG. 4)
[Patent Document 2]
JP-A-2002-86734 (paragraphs [0025] to [0039], FIGS. 2, 3, and 6)
[Patent Document 3]
JP-A-2002-240299 (paragraphs [0007] to [0014, FIG. 1)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the manufacture of the liquid discharge head, a particular problem is the thickness of the diaphragm which affects the discharge performance of the liquid droplet. In each of the above Patent Documents, a Si substrate is used as a substrate material for forming the diaphragm. In Patent Document 1, boron is diffused on one side of the Si substrate, and the etching rate of the high-concentration boron-doped layer is extremely high. The diaphragm is formed by utilizing the phenomenon of dropping (etching stop). That is, the thickness of the diaphragm is adjusted by the thickness of the boron-doped layer when the etching is stopped. However, according to this method, SiO 2 which becomes an etching protection film by thermal oxidation treated at a high temperature of 1000 ° C. or more2Since a film (thermal oxide film) is formed, there is a problem that boron diffused in a Si substrate at a high concentration further diffuses heat inside the Si substrate, thereby lowering the boron concentration. As a result, the etching stop did not work sufficiently, and a diaphragm with a submicron thickness could not be manufactured.
Therefore, in order to solve this problem, Patent Documents 2 and 3 disclose a SiO 2 film serving as an etching protection film.2By forming the film by CVD capable of forming a film at a low temperature, thermal diffusion of boron is suppressed, and a diaphragm having a submicron thickness is realized. However, in this method, an expensive apparatus and a material gas are used, and the etching protective film is formed by CVD, which is a single wafer processing, so that there is a great disadvantage in terms of cost and mass productivity. there were.
[0005]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and provides a method of manufacturing a liquid discharge head that can efficiently manufacture a diaphragm with high accuracy at a low cost. This is the first purpose.
A second object of the present invention is to provide a method for adjusting the thickness of a thin film structure requiring a high degree of thickness accuracy by utilizing the technology of the present invention.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
A first method for manufacturing a liquid discharge head according to the present invention is a method for manufacturing a liquid discharge head, wherein a boron-doped layer is formed on a Si substrate, and the boron-doped layer is formed as a diaphragm.
(1) after forming the diaphragm, forming a thermal oxide film on the Si substrate by thermal oxidation;
(2) removing the thermal oxide film by etching;
It is characterized by having.
[0007]
A second method for manufacturing a liquid ejection head according to the present invention is a method for manufacturing a liquid ejection head in which an active layer of an SOI substrate is formed as a diaphragm.
(1) after forming the diaphragm, forming a thermal oxide film on the SOI substrate by thermal oxidation;
(2) removing the thermal oxide film by etching;
It is characterized by having.
[0008]
That is, in the first manufacturing method of the present invention, a Si substrate is used as a substrate material, and in the second manufacturing method, an SOI (Silicon On Insulator) substrate is used. The SOI substrate is formed by implanting oxygen ions into a Si substrate by a high-concentration ion beam and annealing the Si substrate to obtain a SiO.sub.2A film is formed and its surface layer is formed as an active layer of Si single crystal.It is considered to be the optimal substrate material for microdevices or thin film structures that achieve high precision, high integration, high speed, etc. I have. Note that, in addition to the above-described method of implanting oxygen ions, an SOI substrate is formed by bonding an Si substrate on which an oxide film is formed and another Si substrate (this is called direct bonding, and the surface is cleaned). There is also a method in which Si substrates are overlapped and bonded by processing at a temperature close to 1000 ° C.), and an Si layer on one side is ground and polished to form an active layer. An SOI substrate manufactured by such direct bonding May be used.
[0009]
In a first manufacturing method using a Si substrate, a diaphragm of a liquid discharge head is made of a boron-doped layer. However, the boron-doped layer is formed on the surface of the Si substrate by thermal oxidation to form an SiO.2If the film is exposed to a high temperature of 1000 ° C. or more to form a film (thermal oxide film), the boron concentration may decrease, and the etching stop may not function as desired.
On the other hand, when the Si substrate is thermally oxidized, Si equivalent to 45% of the thickness of the formed (grown) thermal oxide film is changed to an oxide film. In other words, the surface of the Si substrate is eroded by an amount corresponding to 45% of the thickness of the thermal oxide film.
The present invention utilizes this phenomenon to adjust the diaphragm to a target thickness. The thickness of the diaphragm can be adjusted by performing thermal oxidation as described in (1) and peeling (removing the thermal oxide film by etching) as in (2).
Also in the second manufacturing method using the SOI substrate, the thickness of the diaphragm made of the active layer can be adjusted by similarly performing the thermal oxidation and the thermal oxide film peeling.
Therefore, according to the present invention, it is possible to reduce the thickness of the diaphragm to a submicron level, and it is possible to manufacture the diaphragm with extremely high accuracy with little variation in thickness accuracy. Furthermore, since batch processing can be performed using a thermal oxidation apparatus, mass productivity is excellent and manufacturing costs are low.
[0010]
In the first and second manufacturing methods of the present invention, a thermal oxide film is formed by wet oxidation or dry oxidation.
A thermal oxide film can be formed in a short time by using Wet oxidation that performs heat treatment in a thermal oxidation furnace in an oxygen and water vapor atmosphere, and a diaphragm can be formed by using Dry oxidation that performs heat treatment in a thermal oxidation furnace in an oxygen atmosphere. Can be further fine-tuned. Further, wet oxidation and dry oxidation may be used in combination. In this case, wet oxidation is performed first, and dry oxidation is performed later. However, after the Wet oxidation and the Dry oxidation, the step (2) of removing the thermal oxide film is performed.
[0011]
Further, by repeating the steps (1) and (2) a plurality of times, it is possible to further finely adjust the submicron thickness of the diaphragm.
Therefore, it is possible to obtain a liquid discharge head which has high reliability and has an extremely fine droplet discharge performance. This also contributes to downsizing and improvement of image quality in the case of an ink jet head, and to downsizing and high density and improvement of quality in the case of a liquid ejection head used for manufacturing a microarray, a color filter and the like.
[0012]
In the case where the liquid ejection head is of an electrostatic drive system using electrostatic attraction, it is preferable to form an insulating film on the diaphragm after the step (2) in order to prevent a short circuit between the diaphragm and the actuator electrode. .
[0013]
In the step (1), after forming the diaphragm, the thickness of the diaphragm is measured, and the thermal oxidation conditions are determined based on the measurement result.
In the thermal oxidation conditions, the growth rate of the oxide film varies depending on the oxidation temperature and the oxidation time. Therefore, in order to accurately adjust the diaphragm to the target thickness, the thickness of the diaphragm before oxidation is accurately measured, and based on the measurement result, the thickness of the oxide film to be formed, and thus the oxidation time, It is necessary to determine the oxidation temperature.
[0014]
Further, by using the above-described film thickness adjusting method of the present invention, it is possible to adjust the film thickness of a thin film structure used as a micro device or a MEMS device with extremely high precision.
Therefore, the first method for adjusting the film thickness of the thin film structure according to the present invention includes: (1) a step of forming a boron-doped layer on a Si substrate;
(2) etching from the surface of the Si substrate opposite to the boron-doped layer until reaching the boron-doped layer;
(3) forming a thermal oxide film by thermal oxidation on the boron-doped layer after the etching;
(4) removing the thermal oxide film by etching;
It is characterized by having.
[0015]
The second method for adjusting the thickness of a thin film structure according to the present invention includes: (1) etching from the surface of the SOI substrate on the side opposite to the active layer until reaching the active layer of the SOI substrate;
(2) forming a thermal oxide film on the active layer after the etching by thermal oxidation;
(3) removing the thermal oxide film by etching;
It is characterized by having.
[0016]
That is, the first film thickness adjusting method of the present invention is a method of using a Si substrate and adjusting the film thickness of a boron-doped layer formed on the Si substrate. In this method, a substrate is used and the thickness of the active layer of the SOI substrate is adjusted. As described above, the film thickness can be adjusted by performing thermal oxidation and peeling of the thermal oxide film (removal of the thermal oxide film by etching) on the target boron-doped layer or active layer.
[0017]
In the present invention, when adjusting the film thickness, as described above, a thermal oxide film is formed by wet oxidation or dry oxidation.
In the case of the first film thickness adjusting method, the steps (3) and (4) are repeated a plurality of times.
In the case of the second film thickness adjusting method, the steps (2) and (3) are repeated a plurality of times.
In the case of the first film thickness adjusting method, in the step (3), the thickness of the boron-doped layer is measured, and the condition of the thermal oxidation is determined based on the measurement result.
In the case of the second film thickness adjusting method, in the step (2), the thickness of the active layer is measured, and the thermal oxidation conditions are determined based on the measurement result.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the configuration of a liquid ejection head to which the present invention is applied will be described by taking an inkjet head as an example.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of a face ink jet type, for example. In this example, the intermediate first substrate 1 is formed using a Si substrate, and a diaphragm 11 made of a boron-doped layer is formed on the lower surface of the Si substrate. The thickness of the diaphragm 11 is formed to a desired thickness within a range of, for example, 0.5 to 1 μm. Further, a discharge chamber 12 having a recess formed so that a bottom wall portion becomes a vibration plate 11 and a reservoir 13 for storing ink are formed on the Si substrate by etching, and a through hole 14 for wiring is further etched. Formed by
[0019]
The second substrate 2 bonded to the lower surface of the first substrate 1 is formed of a glass substrate, and a concave portion 22 for mounting the actuator electrode 21 is formed on the second substrate 2 by etching. The actuator electrode 21 is, for example, an indium oxide film doped with tin oxide as an impurity, that is, ITO (Indium Tin Oxide: Indium oxide A tin) film is formed in the recess 22. However, the electrode 21 is not limited to this. Reference numeral 15 denotes an insulating film provided to prevent a short circuit between the vibration plate 11 and the actuator electrode 21, and an insulating film 15 formed by thermal oxidation of the first substrate 1.2It is a membrane.
[0020]
The third substrate 3 joined to the upper surface of the first substrate 1 is made of a Si substrate, and supplies a nozzle hole 31 for discharging ink droplets, a backflow of ink, and ink from the reservoir 13 to the discharge chamber 12. And a narrow groove 32 are provided.
After the three substrates 1, 2, and 3 on which the respective elements are formed are joined to each other, the oscillation circuit 4 for driving the vibration plate 11 through the through-hole 14 includes the first substrate 1 and the actuator electrode 21. Is wired between
[0021]
The ink droplet ejection operation is performed as follows. In the electrostatic drive type ink jet head as shown in this embodiment, a predetermined pulse voltage is applied to the actuator electrode 21 by the oscillation circuit 4 to charge the actuator electrode 21 positively and to charge the diaphragm 11 negatively. Let it. Therefore, the diaphragm 11 is attracted to the electrode 21 side by the electrostatic attraction and flexes, and the volume of the discharge chamber 12 increases. When the supply of electric charge to the actuator electrode 21 is stopped by the oscillation circuit 4 in this state, the diaphragm 11 returns to its original state, and a constant amount of ink droplets corresponding to the difference in volume change is generated from the nozzle 31 by the pressure at that time. Discharged. Next, when the vibration plate 11 bends downward again, ink is supplied from the reservoir 13 into the ejection chamber 12 through the narrow groove 32. By repeating the above operations, characters, images, and the like can be recorded on any recording medium such as paper, film, sheet, metal plate, and cloth.
[0022]
Next, a manufacturing method for manufacturing the above-described diaphragm 11 of the inkjet head to a predetermined thickness with high precision will be described.
In the first embodiment, a Si substrate is used as a material, and in the second embodiment, an SOI substrate is used.
[0023]
Embodiment 1 FIG.
1 and 2 are manufacturing process diagrams of an ink-jet head according to Embodiment 1 of the present invention.
In the first embodiment, a silicon oxide substrate is used, a boron-doped layer is formed on a surface of the substrate on which a diaphragm is formed, and then a thermal oxide film (SiO 2) serving as an etching protection film is formed on both surfaces.2Film), patterning the thermal oxide film, forming a cavity-shaped discharge chamber, a diaphragm composed of a bottom wall portion of the discharge chamber, and other components by etching stop technology, and then further heating. Oxidation and thermal oxide film peeling (removal of thermal oxide film by etching) are performed to adjust the diaphragm to a predetermined thickness with high accuracy.
[0024]
Hereinafter, each step will be described in detail with reference to the step diagrams shown in FIGS. Referring to FIG.
(A) First, both surfaces of the Si substrate 1, that is, the Cav surface 101 and the Dope surface 102 are each mirror-polished to produce a substrate having a thickness of, for example, 180 μm.
(B) Next, a boron diffusion plate (not shown) is made to face the Dope surface 102 of the Si substrate 1, and a heat treatment is performed at a temperature of, for example, 1100 ° C. for 6 hours to diffuse boron (B) to the Dope surface 102. Then, a boron doped layer 103 is formed.
(C) The Si substrate 1 having the boron doped layer 103 formed on the Dope surface is set in a thermal oxidation furnace to be in an atmosphere of oxygen and water vapor, subjected to a thermal oxidation treatment at a temperature of, for example, 1075 ° C. for 4 hours, and etched on the surface of the Si substrate 1 1.2 μm SiO serving as protective film2A film (thermal oxide film) 104 is formed.
(D) Next, the SiO 2 on both surfaces of the Si substrate 12A resist 105 is coated on the film 104, and resist patterning is performed on the Cav surface 101 side to form components such as the discharge chamber 12, the reservoir 13, and the through hole 14.
(E) Then, the Cav surface 101 on which the resist patterning has been performed is etched with a hydrofluoric acid aqueous solution to remove the Cav surface SiO2The film 104 is patterned, and the resists 105 on both sides of the Si substrate 1 are peeled off.
(F) Next, the Si substrate 1 is immersed in a 35 wt% aqueous solution of potassium hydroxide at a high concentration, and Si etching is performed. At this time, the substrate is etched from the Si exposed on the Cav surface of the Si substrate 1. Then, the etching is continued until the residual thickness of Si by the etching becomes, for example, 10 μm. Next, the Si substrate 1 is immersed in a 3 wt% aqueous solution of potassium hydroxide having a low concentration to perform Si etching. When the Si substrate 1 reaches the boron-doped layer 103, the etching is stopped to leave the boron-doped layer 103, and the diaphragm 11a is moved. Form. At this time, the thickness of the diaphragm 11a is, for example, 2 μm.
(G) SiO remaining on Si substrate 12The film 104 is removed by etching with a hydrofluoric acid aqueous solution.
[0025]
In this embodiment, as described above, the boron-doped layer 103 forming the diaphragm 11a is exposed to a high temperature of 1000 ° C. or more by thermal oxidation for forming an etching protection film, so that the boron concentration is reduced, Stops may not work well. Therefore, the thickness of the diaphragm 11a tends to vary greatly. Therefore, in order to adjust the thickness of the diaphragm 11a to a target thickness with high accuracy, a process shown in FIG. 2 is further performed.
[0026]
Before performing the following steps, the primary thickness T of the diaphragm 11a manufactured by the steps shown in FIG.1Is desirably measured accurately. Based on the measurement results, appropriate thermal oxidation conditions are determined as described later. The measurement is performed using, for example, an infrared spectrometer (FT-IR).
(H) First, the Si substrate 1 on which the vibration plate 11a is formed is set in a thermal oxidation furnace to be in an atmosphere of oxygen and water vapor, and under a condition of thermal oxidation (wet oxidation) as shown in FIG. The substrate is subjected to a thermal oxidation treatment at a temperature of2A film 106 is formed.
(I) Next, the SiO formed on the Si substrate 12The film 106 is removed by etching with a hydrofluoric acid aqueous solution.
(J) Finally, in order to prevent a short circuit between the diaphragm 11 and the actuator electrode 21, SiO 2 serving as an insulating film is used.2A film 15 is formed on the surface of the Si substrate 1 by thermal oxidation. Note that this step may be performed as needed, and may be omitted if there is no risk of short circuit.
[0027]
By the way, in the step (h), when an oxide film is formed by thermal oxidation, Si having a thickness of 45% of the oxide film thickness is changed to an oxide film. Therefore, the thickness of the diaphragm that changes due to thermal oxidation is set to dTSiAnd the primary thickness of the vibration plate 11a before oxidation is T1The secondary thickness of the vibration plate 11b after the oxide film is stripped is T2Assuming that the thickness of the oxide film is t, oxidation occurs on both sides of the diaphragm, and the following relationship is established.
dTSi= T1−T2
= 2 × t × 0.45 Equation 1
Therefore, the thickness of the diaphragm is set to dT by wet oxidation.SiWhen the thickness of the oxide film to be formed is t,
t = dTSi/0.9 ・ ・ ・ Equation 2
Becomes
[0028]
FIG. 4 shows the conditions of wet oxidation in relation to oxidation temperature, oxidation time, and oxide film thickness. For example, when the diaphragm 11a having the primary thickness is formed and the Si substrate 1 is thermally oxidized at a temperature of 1000 ° C. in an atmosphere of oxygen and water vapor, as described above, once the thickness T of 2 μm is obtained.1The vibration plate 11a formed by the above method has a thickness T of 1 μm.2According to the equation (2), the thickness t of the oxide film to be formed is 1.1 μm, and the oxidation time required to form the thickness t of the oxide film may be 320 minutes from FIG. Understand.
Also, as can be seen from FIG. 4, at the same temperature, as the oxide film becomes thicker, the growth rate of the oxide film becomes slower, and the oxide film does not become so thick even if the oxidation time is made longer. When the temperature is increased, the oxidation time required to obtain an oxide film having the same thickness is shortened. Therefore, the oxidation time may be shortened at a temperature as high as possible, and the oxidation of (h) and the peeling of the oxide film of (i) may be repeated a plurality of times, whereby the thickness of the diaphragm at a level of several μm can be adjusted. .
[0029]
On the other hand, the oxidation of the Si substrate 1 on which the diaphragm is formed may be performed by dry oxidation in which heat treatment is performed in an oxygen atmosphere.
FIG. 5 shows the conditions of Dry oxidation in relation to the oxidation temperature, oxidation time, and oxide film thickness. In this case, since the growth rate of the oxide film is much lower than in the case of wet oxidation, fine adjustment of the diaphragm thickness on the order of several tens of nm is possible. It is also possible to use the above-mentioned wet oxidation and dry oxidation in combination. In this case, wet oxidation is performed first, the oxide film is stripped, dry oxidation is performed, and the oxide film is further stripped. .
[0030]
In this embodiment, a diaphragm is manufactured from a boron-doped layer formed on a Si substrate by the above-described method, and the thickness of the diaphragm is adjusted by performing thermal oxidation and thermal oxide film peeling on the Si substrate. Therefore, the diaphragm can be manufactured with high accuracy of 1 ± 0.1 μm for a target thickness of 1 μm, for example. In addition, since the thermal oxide film has high film thickness uniformity, the thermal oxidation and thermal oxide film peeling are performed as described above, thereby maintaining the accuracy of the diaphragm thickness at the end of etching of the diaphragm. Can be reduced to a submicron level. In addition, since the apparatus can be manufactured using a thermal oxidation apparatus that is inexpensive and can perform batch processing, it is advantageous in terms of mass productivity and cost.
On the other hand, when the diaphragm becomes thicker than a desired thickness due to a process variation in manufacturing the diaphragm, the diaphragm can be thinned by performing the above-described thermal oxidation and thermal oxide film peeling. It is also possible to readjust the thickness of the plate (repair). Further, it is also possible to finely adjust the thickness of the diaphragm by preparing the diaphragm in advance and selecting the conditions of thermal oxidation appropriately.
[0031]
Embodiment 2 FIG.
The second embodiment is a method for manufacturing a diaphragm using an SOI substrate. The SOI substrate is formed by implanting oxygen ions into a Si substrate with a high-concentration ion beam, and then subjecting the Si substrate to a heat treatment so that SiO2A film is formed, and an active layer of Si single crystal is formed on the surface thereof. Alternatively, the SOI substrate may be formed by direct bonding between Si substrates as described above, and may be used. A diaphragm is manufactured for the active layer thus obtained.
[0032]
Hereinafter, the manufacturing method will be described with reference to FIGS. First, in FIG. 6, (a) both surfaces of the SOI substrate 10, that is, the Cav surface 101 and the active layer 108 of the Si substrate 1 are mirror-polished, respectively, to produce a substrate having a thickness of, for example, 180 μm. The thickness of the active layer 108 is, for example, 2 μm. In the figure, reference numeral 109 denotes SiO 2 formed by implantation of high-concentration oxygen ions.2It is a membrane.
The steps (b) to (f) are the same as the steps (c) to (g) in FIG. That is, the SOI substrate 10 is set in a thermal oxidation furnace to be in an atmosphere of oxygen and water vapor, and subjected to a thermal oxidation treatment at a temperature of, for example, 1075 ° C. for 4 hours, so that a 1.2 μm SiO 2 serving as an etching protection film is formed on the surface of the SOI substrate 10.2A film (thermal oxide film) 104 is formed.
(C) Next, the SiOI on both sides of the SOI substrate 102A resist 105 is coated on the film 104, and resist patterning is performed on the Cav surface 101 side to form components such as the discharge chamber 12, the reservoir 13, and the through hole 14.
(D) Then, the Cav surface 101 on which the resist patterning has been performed is etched with a hydrofluoric acid aqueous solution to remove the SiO on the Cav surface.2The film 104 is patterned, and the resists 105 on both sides of the SOI substrate 10 are removed.
(E) Next, the SOI substrate 10 is immersed in an aqueous solution of potassium hydroxide having a high concentration of 35 wt%, and Si etching is performed. At this time, the substrate is etched from the Si exposed on the Cav surface of the SOI substrate 10. Then, the etching is continued until the residual thickness of Si by the etching becomes, for example, 10 μm. Next, the SOI substrate 10 is immersed in an aqueous solution of potassium hydroxide having a low concentration of 3 wt% to perform Si etching. Form. At this time, the thickness of the diaphragm 11a is, for example, 2 μm.
(F) SiO remaining on SOI substrate 102The film 104 is removed by etching with a hydrofluoric acid aqueous solution.
[0033]
The process of adjusting the thickness of the diaphragm 11a manufactured by the above process (see FIG. 7) is basically the same as the process of FIG. Therefore, in the above (f), the primary thickness T of the diaphragm 11a is obtained.1Is formed, the diaphragm 11a is moved to the target thickness T.2In order to adjust the SOI substrate 10, thermal oxidation (FIG. 7 (g)) is applied to the SOI substrate 10 by applying the wet oxidation conditions shown in Equation 2 and FIG. 4 or the dry oxidation conditions shown in FIG. 5. And thermal oxide film (SiO2(FIG. 7 (h)). Finally, if necessary, an insulating film (SiO 2) is formed on the diaphragm 11b having the target thickness.2(Film) 15 is applied.
[0034]
In this embodiment, since a target diaphragm is manufactured from an active layer already formed using an SOI substrate, at least one step can be omitted as compared with the first embodiment, and cost reduction can be achieved. Can be planned. Further, since the thickness of the active layer can be freely controlled, the diaphragm can be manufactured to have an arbitrary thickness. The thickness accuracy of the diaphragm is the same as in the first embodiment. Similar effects can be obtained in terms of mass productivity and cost.
[0035]
Embodiment 3 FIG.
In the above embodiment, the case of the inkjet head has been described, but it goes without saying that the manufacturing method of the present invention is not limited to the inkjet head. As a liquid discharge head, in addition to an ink jet head, it can be used for producing a microarray such as a DNA chip and a color filter. It can also be used for micropumps, microactuators, and the like for medical use, and its uses are wide.
Further, if the above-described diaphragm thickness adjusting technology is used, it is possible to adjust the thickness of the thin film structure requiring a high degree of thickness accuracy. As is already clear, in this film thickness adjusting method, a Si substrate or an SOI substrate is used as a substrate material.
When a Si substrate is used, a boron-doped layer is formed on one surface of the Si substrate, and etching is performed from the surface opposite to the boron-doped layer so that the boron-doped layer becomes an element portion (element wafer). Thereafter, the thickness of the boron-doped layer is adjusted by performing thermal oxidation and peeling of the thermal oxide film (removal of the thermal oxide film by etching) as described above (one or more appropriate times). I will do it. At this time, appropriate conditions for the thermal oxidation are selected in accordance with the conditions of the wet oxidation (FIG. 4) or the dry oxidation (FIG. 5).
In this way, a target element portion (element wafer) can be manufactured with a high-precision thickness.
When an SOI substrate is used, the above boron-doped layer may be replaced with the active layer of the SOI substrate.
Therefore, according to this embodiment, it is possible to manufacture a MEMS device (optical mirror, micro heater, micro motor, micro actuator, etc.) using the thin film structure with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a manufacturing process diagram of an inkjet head according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a manufacturing process diagram following FIG. 1;
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a configuration of an inkjet head.
FIG. 4 is a correlation diagram showing temperature-oxidation time-oxide film thickness showing wet oxidation conditions.
FIG. 5 is a correlation diagram of temperature-oxidation time-oxide film thickness showing Dry oxidation conditions.
FIG. 6 is a manufacturing process diagram of the inkjet head according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a manufacturing process diagram following FIG. 6;
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 1 first substrate (Si substrate), 2 second substrate (glass substrate), 3rd substrate (Si substrate), 4 oscillation circuit, 10 SOI substrate, 11, 11a, 11b diaphragm, 12 discharge chamber, Reference Signs List 13 reservoir, 14 through hole, 15 insulating film, 21 actuator electrode, 22 recess, 31 nozzle hole, 32 narrow groove, 101 Cav plane, 102 Dope plane, 103 boron doped layer, 104 SiO2Film (thermal oxide film), 105 resist, 106 SiO2Film (thermal oxide film), 108 active layer, 109 SiO2film

Claims (13)

Si基板にボロンドープ層を形成し、該ボロンドープ層を振動板として形成する液体吐出ヘッドの製造方法において、
(1)前記振動板を形成した後、該Si基板に熱酸化により熱酸化膜を形成する工程と、
(2)前記熱酸化膜をエッチングにより剥離する工程と、
を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
In a method for manufacturing a liquid discharge head in which a boron-doped layer is formed on a Si substrate and the boron-doped layer is formed as a diaphragm,
(1) after forming the diaphragm, forming a thermal oxide film on the Si substrate by thermal oxidation;
(2) removing the thermal oxide film by etching;
A method for manufacturing a liquid discharge head, comprising:
SOI基板の活性層を振動板として形成する液体吐出ヘッドの製造方法において、
(1)前記振動板を形成した後、該SOI基板に熱酸化により熱酸化膜を形成する工程と、
(2)前記熱酸化膜をエッチングにより剥離する工程と、
を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
In a method for manufacturing a liquid ejection head in which an active layer of an SOI substrate is formed as a diaphragm,
(1) after forming the diaphragm, forming a thermal oxide film on the SOI substrate by thermal oxidation;
(2) removing the thermal oxide film by etching;
A method for manufacturing a liquid discharge head, comprising:
Wet酸化またはDry酸化により前記熱酸化膜を形成することを特徴とする請求項1または2記載の液体吐出ヘッドの製造方法。3. The method according to claim 1, wherein the thermal oxide film is formed by wet oxidation or dry oxidation. 前記(1)、(2)の工程を複数回繰り返すことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。4. The method according to claim 1, wherein the steps (1) and (2) are repeated a plurality of times. 前記(2)の工程の終了後に、前記振動板に絶縁膜を形成する工程をさらに有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。The method according to claim 1, further comprising, after the step (2), forming an insulating film on the diaphragm. 前記(1)の工程において、前記振動板を形成後、該振動板の厚みを測定し、その測定結果に基づいて前記熱酸化の条件を決めることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。6. The method according to claim 1, wherein in the step (1), after forming the diaphragm, a thickness of the diaphragm is measured, and the thermal oxidation condition is determined based on the measurement result. 5. The method for manufacturing a liquid ejection head according to item 1. (1)Si基板にボロンドープ層を形成する工程と、
(2)前記ボロンドープ層に達するまで前記Si基板の該ボロンドープ層と反対側の面からエッチングする工程と、
(3)前記エッチング後の前記ボロンドープ層に熱酸化により熱酸化膜を形成する工程と、
(4)前記熱酸化膜をエッチングにより剥離する工程と、
を有することを特徴とする薄膜構造体の膜厚調整方法。
(1) forming a boron doped layer on a Si substrate;
(2) etching from the surface of the Si substrate opposite to the boron-doped layer until reaching the boron-doped layer;
(3) forming a thermal oxide film by thermal oxidation on the boron-doped layer after the etching;
(4) removing the thermal oxide film by etching;
A method for adjusting the thickness of a thin film structure, comprising:
(1)SOI基板の活性層に達するまで該SOI基板の該活性層と反対側の面からエッチングする工程と、
(2)前記エッチング後の前記活性層に熱酸化により熱酸化膜を形成する工程と、
(3)前記熱酸化膜をエッチングにより剥離する工程と、
を有することを特徴とする薄膜構造体の膜厚調整方法。
(1) etching from the surface of the SOI substrate opposite to the active layer until reaching the active layer of the SOI substrate;
(2) forming a thermal oxide film on the active layer after the etching by thermal oxidation;
(3) removing the thermal oxide film by etching;
A method for adjusting the thickness of a thin film structure, comprising:
Wet酸化またはDry酸化により前記熱酸化膜を形成することを特徴とする請求項7または8記載の薄膜構造体の膜厚調整方法。9. The method according to claim 7, wherein the thermal oxide film is formed by wet oxidation or dry oxidation. 前記(3)、(4)の工程を複数回繰り返すことを特徴とする請求項7または9記載の薄膜構造体の膜厚調整方法。10. The method according to claim 7, wherein the steps (3) and (4) are repeated a plurality of times. 前記(2)、(3)の工程を複数回繰り返すことを特徴とする請求項8または9記載の薄膜構造体の膜厚調整方法。The method according to claim 8, wherein the steps (2) and (3) are repeated a plurality of times. 前記(3)の工程において、前記ボロンドープ層の厚みを測定し、その測定結果に基づいて前記熱酸化の条件を決めることを特徴とする請求項7、9、10のいずれかに記載の薄膜構造体の膜厚調整方法。11. The thin film structure according to claim 7, wherein in the step (3), the thickness of the boron-doped layer is measured, and the thermal oxidation condition is determined based on the measurement result. How to adjust body thickness. 前記(2)の工程において、前記活性層の厚みを測定し、その測定結果に基づいて前記熱酸化の条件を決めることを特徴とする請求項8、9、11のいずれかに記載の薄膜構造体の膜厚調整方法。12. The thin film structure according to claim 8, wherein, in the step (2), the thickness of the active layer is measured, and the condition of the thermal oxidation is determined based on the measurement result. How to adjust body thickness.
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JP2006150955A (en) * 2004-10-28 2006-06-15 Brother Ind Ltd Piezoelectric actuator manufacturing method, liquid transfer device manufacturing method, and piezoelectric actuator manufacturing apparatus
JP2006255896A (en) * 2005-03-15 2006-09-28 Tohoku Univ Microinjector and method of manufacturing microinjector

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