JP2007326231A - Manufacturing method for nozzle plate, manufacturing method for liquid droplet ejection head and manufacturing method for liquid droplet ejector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インク液滴を吐出するノズル孔を形成したノズルプレートの製造方法、液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出装置の製造方法に関し、特に製造工程を減らしつつ加工精度の高いノズル孔を形成するノズルプレートの製造方法、液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a nozzle plate in which nozzle holes for discharging ink droplets are formed, a method of manufacturing a droplet discharge head, and a method of manufacturing a droplet discharge device, and in particular, nozzle holes with high processing accuracy while reducing the number of manufacturing steps. The present invention relates to a method for manufacturing a nozzle plate, a method for manufacturing a droplet discharge head, and a method for manufacturing a droplet discharge device.
近年、シリコン等を加工して微小な素子等を形成する微細加工技術(MEMS:Micro Electro Mechanical Systems)が急激に進歩している。この微細加工技術により形成される微細加工素子には、たとえば、液滴吐出方式のプリンタのような記録(印刷)装置で用いられている液滴吐出ヘッド(インクジェットヘッド)やマイクロポンプ、光可変フィルタ、モータのような静電アクチュエータ、圧力センサ等がある。 In recent years, micro electro mechanical systems (MEMS) that process silicon or the like to form microelements or the like have rapidly advanced. The microfabricated elements formed by this microfabrication technology include, for example, a droplet discharge head (inkjet head), a micropump, and an optical variable filter used in a recording (printing) apparatus such as a droplet discharge type printer. There are electrostatic actuators such as motors, pressure sensors and the like.
このうち液滴吐出装置(インクジェット記録装置)のインク液滴を吐出させる方式には、静電気力を駆動手段に利用する方式や、圧電振動子を駆動手段に利用する方式、発熱素子を駆動手段に利用する方式等がある。その中でも、特に駆動手段に静電気力を利用してインク液滴を吐出させる方式の液滴吐出装置は、チップサイズの小型高密度化、印字性能の高品質化及び長寿命化できるということに優れている。 Among these, a method of discharging ink droplets of a droplet discharge device (inkjet recording device) includes a method using an electrostatic force as a driving means, a method using a piezoelectric vibrator as a driving means, and a heating element as a driving means. There are methods to use. Among them, a droplet discharge device that discharges ink droplets by using electrostatic force in the driving means is particularly excellent in that the chip size is small and the density is high, the printing performance is high, and the life is extended. ing.
このような液滴吐出装置に搭載されているインクジェットヘッドは、一般に、インク液滴を吐出するための複数のノズル孔が形成されたノズルプレートと、このノズルプレートに接合され、ノズル孔に連通する吐出室、リザーバ等のインク流路が形成されたキャビティプレートとを備え、駆動部により吐出室に圧力を加えることによりインク液滴を選択されたノズル孔より吐出するように構成されている。 An inkjet head mounted on such a droplet discharge device generally has a nozzle plate formed with a plurality of nozzle holes for discharging ink droplets, and is joined to the nozzle plate and communicates with the nozzle holes. And a cavity plate formed with an ink flow path such as a discharge chamber and a reservoir, and configured to discharge ink droplets from selected nozzle holes by applying pressure to the discharge chamber by a driving unit.
また、このように構成されたインクジェットヘッドに対しては、印字や画質等の高品位化の要求が一段と強くなってきているとともに、ノズル孔の高密度化及びインク吐出性能の向上の要求も強い。このような背景から、インクジェットヘッドのノズルプレートに関しては従来より様々な工夫が提案されている。インク吐出性能を改善するためには、ノズルプレートに設けられているノズル孔部でのインク液滴の流路抵抗を調整し、最適なノズル長さになるようにノズルプレートの厚みを調整することが望ましい。 In addition, for the ink jet head configured as described above, there is an increasing demand for higher quality such as printing and image quality, and there is also a strong demand for higher nozzle hole density and improved ink ejection performance. . Against this background, various devices have been proposed for the nozzle plate of an inkjet head. To improve ink discharge performance, adjust the flow resistance of the ink droplets at the nozzle holes provided in the nozzle plate, and adjust the thickness of the nozzle plate to achieve the optimal nozzle length. Is desirable.
そのようなものとして、「シリコン単結晶基板にエッチングを施して、ノズルを形成する噴射装置のノズル形成方法において、前記シリコン単結晶基板の表面にレジスト膜を形成し、前記ノズルの後端側に対応する部分の前記レジスト膜を取り除くことにより第1の開口パターンを形成し、前記ノズルの先端側に対応する部分の前記レジスト膜を取り除くことにより、前記第1の開口パターンより小さな第2の開口パターンを形成し、前記第1、第2の開口パターンによって露出された前記シリコン単結晶基板表面の露出部分に対して異方性ドライエッチングを施して、後端側から先端側に向けて階段状に断面が小さくなったノズルを形成することを特徴とする噴射装置のノズル形成方法」が提案されている(たとえば、特許文献1参照)。 As such, “in the nozzle forming method of an injection device that forms a nozzle by etching a silicon single crystal substrate, a resist film is formed on the surface of the silicon single crystal substrate, and the rear end side of the nozzle is formed. A first opening pattern is formed by removing the corresponding part of the resist film, and a second opening smaller than the first opening pattern is formed by removing the resist film of the part corresponding to the tip side of the nozzle. A pattern is formed, and anisotropic dry etching is performed on the exposed portion of the surface of the silicon single crystal substrate exposed by the first and second opening patterns to form a stepped shape from the rear end side toward the front end side. A nozzle forming method for an injection device characterized in that a nozzle having a smaller cross section is formed is proposed (for example, see Patent Document 1).
このノズル形成方法では、シリコン基板の一方の面からICP(Inductively Coupled Plasma)放電を用いた異方性ドライエッチングを施すことにより、ノズル部を構成するための内径の異なる第1の円筒状ノズル部(ノズル孔の噴射口部分)と第2の円筒状ノズル部(ノズル孔の導入口部分)とを2段に形成した後、反対側の面から一部分を異方性ウエットエッチングにより掘り下げてノズルの長さを調整する方式が採用されている。 In this nozzle forming method, anisotropic dry etching using ICP (Inductively Coupled Plasma) discharge is performed from one surface of a silicon substrate to thereby form a first cylindrical nozzle portion having a different inner diameter for constituting the nozzle portion. (Nozzle hole injection port portion) and the second cylindrical nozzle portion (nozzle hole introduction port portion) are formed in two stages, and then a part of the nozzle surface is dug down by anisotropic wet etching from the opposite surface. A method of adjusting the length is adopted.
また、「シリコン基板の一方の面にノズルに相当するノズルパターンを、他方の面にインク入り口穴に相当するパターンを形成し、一方の面には異方性ドライエッチングを施してノズルを形成し、他方の面にはある程度の異方性を兼ね備えた等方性エッチングを施してインク入り口穴を形成し、エッチングマスクを除去した後、熱酸化膜を形成するようにしたインクジェットヘッド用ノズルプレートの製造方法」が提案されている(たとえば、特許文献2参照)。このインクジェットヘッド用ノズルプレートの製造方法は、予めシリコン基板を所望の厚さに研磨した後、シリコン基板の両面にそれぞれドライエッチングを施すことにより、ノズル孔の噴射口部分と導入口部分とを形成している。 In addition, “a nozzle pattern corresponding to a nozzle is formed on one surface of a silicon substrate, a pattern corresponding to an ink inlet hole is formed on the other surface, and anisotropic dry etching is performed on one surface to form a nozzle. In addition, an isotropic etching having a certain degree of anisotropy is performed on the other surface to form an ink inlet hole, and after removing the etching mask, a thermal oxide film is formed. A “manufacturing method” has been proposed (see, for example, Patent Document 2). In this inkjet head nozzle plate manufacturing method, a silicon substrate is polished to a desired thickness in advance, and then dry etching is performed on both sides of the silicon substrate to form nozzle hole injection port portions and inlet port portions. is doing.
さらに、「シリコン単結晶ウエファから成る基板に設けたテーパ付きノズル孔の吹出口の周囲の断面がナイフエッジ形の吹出端縁に面取りを施したノズル板」が提案されている(たとえば、特許文献3参照)。このノズル板は、片側に異方性ウエットエッチングを施し、角錐状に広がったノズル孔導入口部分(テーパ状ノズル孔)を形成するようにしたものである。 Furthermore, a “nozzle plate having a knife edge-shaped blow-off edge chamfered around the blow-out opening of the tapered nozzle hole provided in the substrate made of the silicon single crystal wafer” has been proposed (for example, Patent Documents). 3). In this nozzle plate, anisotropic wet etching is performed on one side to form a nozzle hole introduction port portion (tapered nozzle hole) that expands in a pyramid shape.
この場合、ノズル孔の噴射口部分を一定断面の円筒状ノズルにし、後ろ側のノズル孔の導入口部分を円錐状或いは角錐状に広がったテーパ状ノズルにすることで、全体として円筒形状をしたノズルを使用する場合に比べて、インクキャビティ側からノズルに加わるインク圧力の方向をインク軸線方向に揃えることができ、飛翔方向のばらつきを無くし、インク滴の飛び散りを無くし、インク滴量のばらつきを抑制して、安定したインク吐出特性を実現できた。 In this case, the nozzle part of the nozzle hole is a cylindrical nozzle having a constant cross section, and the inlet part of the nozzle hole on the back side is a tapered nozzle that expands in a conical shape or a pyramid shape, thereby forming a cylindrical shape as a whole. Compared to the case where nozzles are used, the direction of ink pressure applied to the nozzles from the ink cavity side can be aligned with the ink axis direction, eliminating variations in the flying direction, eliminating scattering of ink droplets, and variations in ink droplet volume. Suppressed and realized stable ink ejection characteristics.
特許文献1に記載のノズル孔形成方法は、ノズル孔が開口する吐出面が基板表面から深く一段下がった凹部の底面となっており、インク液滴の飛行曲がりが生じてしまうという問題があった。また、ノズル孔の目詰まりの原因となる紙粉や、インク等が吐出面である凹部の底面に付着した場合に、それらを排除するためにゴム片あるいはフェルト片等で凹部底面を払拭するワイピング作業が難しくなってしまうという問題もあった。
The nozzle hole forming method described in
特許文献2に記載のインクジェットヘッド用ノズルプレートの製造方法及び特許文献3に記載のノズル板では、インクジェットヘッドの高密度化が進むとシリコンノズルプレート基板の厚さを更に薄くしなければならないが、このようなシリコン基板は製造工程中に割れ易く、高価となってしまうという問題があった。また、ノズル孔の噴射口部分とノズル孔の導入口部分とを基板の両面に別々にパターニングを施してから形成するため、両面アライメントを高精度で行なわなければならないという問題があった。
In the manufacturing method of the nozzle plate for an ink jet head described in
高精度でアライメントを行わないと、ノズル孔の噴射口部分の中心軸線とノズル孔の導入口部分の中心軸線とに軸線ずれが生じ、その軸線ずれがインク吐出方向曲がりの原因となってしまうからである。さらに、アライメントの精度の影響は、インクジェットヘッドの高密度化が進むにつれて無視できないものとなってきた。つまり、各インク孔でインク吐出方向曲がりが生じると全体のインク吐出性能が悪いものとなり、安定したインク吐出特性の要求に応えられないことになるからである。 If alignment is not performed with high accuracy, an axial deviation occurs between the central axis of the nozzle hole injection port and the central axis of the nozzle hole introduction port, which causes the ink ejection direction to bend. It is. Furthermore, the influence of alignment accuracy has become non-negligible as the density of inkjet heads increases. In other words, if the ink ejection direction bends in each ink hole, the overall ink ejection performance is deteriorated and the demand for stable ink ejection characteristics cannot be met.
加えて、特許文献2に記載のインクジェットヘッド用ノズルプレートの製造方法の場合には、ドライエッチング加工の際に、加工形状が安定するように基板裏面からヘリウムガス等で冷却を行なうが、ノズル孔の貫通時にヘリウムガス等がリークしてしまうという問題があった。この問題は、ヘリウムガス等がリークしてしまった場合、このヘリウムガス等の影響でドライエッチングを不可能にしてしまっていた。
In addition, in the case of the manufacturing method of the nozzle plate for an ink jet head described in
この問題を解決するためには、たとえば、予めシリコン基板にノズル孔となる部分を形成し、接着層の片面に紫外線または熱等の刺激で容易に接着力が低下する剥離層を持った両面接着シートを用いて張り合わせてからシリコン基板を研削やエッチング加工等により薄板化加工してノズル孔を開口すればよい。また、石英ガラスなどの支持基板に樹脂を用いて張り合わせてからノズル孔を開口してもよい。しかしながら、このような方法を採用した場合には、ノズルプレートの製造に要する工程数を更に増やさなければならないことになる。 In order to solve this problem, for example, a double-sided adhesive having a part that becomes a nozzle hole in a silicon substrate in advance and having a release layer on which one side of the adhesive layer can be easily lowered by an stimulus such as ultraviolet rays or heat. After the sheets are bonded together, the silicon substrate may be thinned by grinding or etching to open the nozzle holes. Alternatively, the nozzle holes may be opened after the resin is attached to a support substrate such as quartz glass. However, when such a method is adopted, the number of steps required for manufacturing the nozzle plate must be further increased.
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、ノズルプレートの製造に要する製造工程を減らしつつ加工精度の高いノズル孔を形成し、安定的なインク吐出特性を実現したノズルプレートの製造方法、液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出装置の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems. A nozzle that has a high processing accuracy while reducing the number of manufacturing steps required to manufacture the nozzle plate and realizes stable ink ejection characteristics. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a plate, a method for manufacturing a droplet discharge head, and a method for manufacturing a droplet discharge device.
本発明に係るノズルプレートの製造方法は、シリコン基板に、第1のノズル孔と、第1のノズル孔に連通し、第1のノズル孔よりも漸次径を大きくしたテーパ状の第2のノズル孔とからなるノズル孔を形成するノズルプレートの製造方法であって、第2のノズル孔となる部分のパターニングをこの第2のノズル孔の中心軸線から外周に向かうにつれて径を大きくした複数のリング形状として第1のノズル孔となる部分のパターニングと同時に行なうことを特徴とする。 The method of manufacturing a nozzle plate according to the present invention includes a first nozzle hole, a tapered second nozzle that is in communication with the first nozzle hole and has a gradually larger diameter than the first nozzle hole. A method of manufacturing a nozzle plate for forming a nozzle hole comprising a plurality of holes, wherein a plurality of rings are formed such that patterning of a portion to be a second nozzle hole increases in diameter from the central axis of the second nozzle hole toward the outer periphery. It is characterized in that it is performed simultaneously with the patterning of the portion that becomes the first nozzle hole as a shape.
したがって、第1のノズル孔となる部分及び第2のノズル孔となる部分を同時にパターニングすることができ、別個にパターニングにするものに比べて製造工程数を少なくすることができる。また、第1のノズル孔となる部分及び第2のノズル孔となる部分に一括してパターニング形成できるので、後に行なうドライエッチングのエッチングマスクも一括して形成できることになる。つまり、パターニングの工程数を少なくするとともに、エッチングマスクの形成に要する工程数も減らすことが可能となる。 Therefore, the part to be the first nozzle hole and the part to be the second nozzle hole can be patterned at the same time, and the number of manufacturing steps can be reduced as compared with the patterning separately. Further, since patterning can be performed collectively on the portion to be the first nozzle hole and the portion to be the second nozzle hole, an etching mask for dry etching to be performed later can also be formed collectively. That is, the number of patterning steps can be reduced, and the number of steps required for forming an etching mask can be reduced.
本発明に係るノズルプレートの製造方法は、各リング形状の間に同心円状に壁が形成されるようにパターニングを行なうことを特徴とする。このようにすれば、第1のノズル孔の中心軸線と、第2のノズル孔の中心軸とがずれることなく、ノズル孔を形成することができる。したがって、安定したインク吐出特性を実現することができ、信頼性の高い液滴吐出ヘッドを提供できる。 The method for manufacturing a nozzle plate according to the present invention is characterized in that patterning is performed so that walls are formed concentrically between the ring shapes. In this way, the nozzle hole can be formed without the center axis of the first nozzle hole deviating from the center axis of the second nozzle hole. Therefore, stable ink ejection characteristics can be realized, and a highly reliable droplet ejection head can be provided.
本発明に係るノズルプレートの製造方法は、各リング形状にリブを形成して所定の間隔でシリコン基板が露出するようにパターニングを行なうことを特徴とする。したがって、第2のノズル孔となる部分のパターニングを完全なリング形状に限定することなく、パターニング形成することができる。つまり、ドライエッチング装置特有の現象であるマイクロローディング効果の特徴を考慮して第2のノズル孔となる部分をパターニングすればよいのである。 The method for manufacturing a nozzle plate according to the present invention is characterized in that ribs are formed in each ring shape and patterning is performed so that the silicon substrate is exposed at a predetermined interval. Accordingly, the patterning of the portion that becomes the second nozzle hole can be performed without being limited to a complete ring shape. That is, the portion that becomes the second nozzle hole may be patterned in consideration of the characteristics of the microloading effect that is a phenomenon peculiar to the dry etching apparatus.
本発明に係るノズルプレートの製造方法は、各リング形状の間のリング幅を中心軸線から外周に向かうにつれて漸次狭くしたことを特徴とする。こうすることによって、ドライエッチング装置特有の現象であるマイクロローディング効果を利用、つまり開口部が狭くなるに従って、エッチングの深さが浅くなることを利用して、加工精度の高いテーパ状の第2のノズル孔を形成可能にしている。 The nozzle plate manufacturing method according to the present invention is characterized in that the ring width between the ring shapes is gradually narrowed from the central axis toward the outer periphery. By doing so, the microloading effect that is a phenomenon peculiar to the dry etching apparatus is used, that is, the etching depth becomes shallower as the opening becomes narrower. A nozzle hole can be formed.
本発明に係るノズルプレートの製造方法は、中心軸線を第1のノズル孔の中心軸線と同一としたことを特徴とする。したがって、第1のノズル孔と第2のノズル孔との中心軸のずれをなくすためのアライメント調整が不要となる。つまり、インク吐出方向曲がりをなくし、安定したインク吐出特性が実現できるので、信頼性の高い液滴吐出ヘッドを提供することが可能となる。 The manufacturing method of the nozzle plate according to the present invention is characterized in that the central axis is the same as the central axis of the first nozzle hole. Therefore, alignment adjustment for eliminating the shift of the central axis between the first nozzle hole and the second nozzle hole becomes unnecessary. That is, since the ink discharge direction is not bent and stable ink discharge characteristics can be realized, a highly reliable droplet discharge head can be provided.
本発明に係るノズルプレートの製造方法は、第1のノズル孔となる部分及び第2のノズル孔となる部分をドライエッチングした後に、シリコン基板の表面を酸化処理し、第1のノズル孔となる部分及び第2のノズル孔となる部分の側面及び底面に形成される酸化膜を除去することを特徴とする。つまり、第2のノズル孔となる部分の各リング形状の間に形成される壁がすべて酸化膜になる厚みに計算されているので、酸化膜を除去するだけで加工精度の高いテーパ状の第2のノズル孔が形成できる。 In the method for manufacturing a nozzle plate according to the present invention, after the portion to be the first nozzle hole and the portion to be the second nozzle hole are dry-etched, the surface of the silicon substrate is oxidized to form the first nozzle hole. The oxide film formed on the side surface and the bottom surface of the portion that becomes the portion and the second nozzle hole is removed. In other words, since the wall formed between the ring shapes of the portion serving as the second nozzle hole is all calculated to be a thickness that becomes an oxide film, the taper-shaped first film with high processing accuracy can be obtained simply by removing the oxide film. Two nozzle holes can be formed.
本発明に係るノズルプレートの製造方法は、ドライエッチングがICP放電による異方性ドライエッチングであることを特徴とする。このように、異方性ドライエッチングでノズル孔を形成するので、加工精度の高いノズル孔を形成することができる。つまり、インク液滴の飛行曲がりをなくし、安定性及び信頼性の高い液滴吐出ヘッドを提供することができる。 The method for manufacturing a nozzle plate according to the present invention is characterized in that the dry etching is anisotropic dry etching by ICP discharge. Thus, since the nozzle hole is formed by anisotropic dry etching, it is possible to form a nozzle hole with high processing accuracy. In other words, it is possible to provide a droplet ejection head that eliminates the flight bending of ink droplets and has high stability and reliability.
本発明に係るノズルプレートの製造方法は、シリコン基板の第2のノズル孔が形成されている面に支持基板を張り合わせ、シリコン基板の支持基板が張り合わせられた面の反対面を薄板化し、薄板化されたシリコン基板側から第1のノズル孔を開口し、シリコン基板の表面に撥水処理を施した後、支持基板をシリコン基板から剥離することを特徴とする。このように、撥水処理を施してから、支持基板をシリコン基板から剥離するので、ノズル孔部分に形成される撥水膜が一緒に剥がし取られることがない。 The method for manufacturing a nozzle plate according to the present invention includes laminating a support substrate to a surface of a silicon substrate on which a second nozzle hole is formed, and thinning the opposite surface of the silicon substrate to which the support substrate is adhered. The first nozzle hole is opened from the side of the silicon substrate, the surface of the silicon substrate is subjected to water repellent treatment, and then the support substrate is peeled off from the silicon substrate. Thus, since the support substrate is peeled from the silicon substrate after the water repellent treatment, the water repellent film formed on the nozzle hole portion is not peeled off together.
本発明に係るノズルプレートの製造方法は、シリコン基板と支持基板との張り合わせを真空中で行なうことを特徴とする。すなわち、シリコン基板と支持基板との張り合わせを真空中で行なうことによって、シリコン基板と支持基板との間に気泡等が溜まることなく張り合わせることが可能となるのである。したがって、基板の間に気泡が残らないのでシリコン基板の表面が平滑になり、シリコン基板の板厚のばらつきがなくなる。 The method for manufacturing a nozzle plate according to the present invention is characterized in that the silicon substrate and the support substrate are bonded together in a vacuum. In other words, by bonding the silicon substrate and the support substrate in a vacuum, it becomes possible to bond the silicon substrate and the support substrate without causing bubbles or the like to accumulate. Accordingly, since no bubbles remain between the substrates, the surface of the silicon substrate becomes smooth, and variations in the thickness of the silicon substrate are eliminated.
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、上記のいずれかに記載のノズルプレートに、底壁が振動板を形成し液滴を溜めて吐出させる複数の吐出室を含む液体流路が形成されたシリコン基板と、振動板にギャップを隔てて対向し該振動板を駆動する個別電極が形成されたガラス基板とで形成した接合基板を接合することを特徴とする。したがって、上記の効果を有するとともに、インク液滴の吐出性能の高い液滴吐出ヘッドを製造することが可能となる。 In the method of manufacturing a droplet discharge head according to the present invention, a liquid flow path including a plurality of discharge chambers in which a bottom wall forms a vibration plate to collect and discharge droplets is formed on any of the nozzle plates described above. It is characterized in that a bonded substrate formed by the formed silicon substrate and a glass substrate on which an individual electrode for driving the vibrating plate is formed facing the vibrating plate with a gap is bonded. Therefore, it is possible to manufacture a droplet discharge head having the above effects and high ink droplet discharge performance.
本発明に係る液滴吐出装置の製造方法は、上記の液滴吐出ヘッドの製造方法を適用して液滴吐出装置を製造することを特徴とする。したがって、上記の効果を有するとともに、インク液滴の吐出性能の高い液滴吐出装置を製造することが可能となる。 A method for manufacturing a droplet discharge device according to the present invention is characterized in that a droplet discharge device is manufactured by applying the method for manufacturing a droplet discharge head described above. Accordingly, it is possible to manufacture a droplet discharge device having the above-described effects and high ink droplet discharge performance.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係る液滴吐出ヘッド100を分解した状態を示す分解斜視図である。また、図2は、液滴吐出ヘッド100の断面構成を示す縦断面図である。なお、この液滴吐出ヘッド100は、静電気力により駆動される静電駆動方式の静電アクチュエータの代表として、ノズルプレートの表面側に設けられたノズル孔から液滴を吐出するフェイスイジェクトタイプの液滴吐出ヘッドを例として表している。図1及び図2に基づいて、液滴吐出ヘッド100の構成及び動作について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a state in which a
図1に示すように、この液滴吐出ヘッド100は、主にシリコン製のキャビティ基板1、ガラス基板2、及びノズルプレート3が順に積層されるように接合された3層構造として構成されている。つまり、キャビティ基板1をガラス基板2とノズルプレート3とが上下から挟む構造となっている。ここでは、液滴吐出ヘッド100が3層構造である場合を例に説明するが、これに限定するものではない。たとえば、液滴吐出ヘッド100がガラス基板、キャビティ基板、リザーバ基板及びノズルプレートからなる4層構造であってもよい。
As shown in FIG. 1, the
[ノズルプレート3]
ノズルプレート3は、後に示すような所定の加工を施し易いようにシリコン単結晶基板(以下、単にシリコン基板と称する)で構成するのが望ましい。たとえば、厚さ約180μm(マイクロメートル)のシリコン基板を主要な材料としてノズルプレート3を構成するとよい。そして、ノズルプレート3は、その下面(キャビティ基板1との接合面11)でキャビティ基板1と接合するようになっている。
[Nozzle plate 3]
The
このノズルプレート3には、たとえば円筒状の第1のノズル孔6と、第1のノズル孔6と連通し、漏斗状(テーパ状)の第2のノズル孔7とで構成されるノズル孔8が形成されている。このノズル孔8は、後に説明するキャビティ基板1に形成される各吐出室13と連通するように複数形成されている。そして、ノズルプレート3に形成される各ノズル孔8からは、各吐出室13から移送されたインク等の液滴が外部に吐出されるようになっている。
The
ノズル孔8を構成する第1のノズル孔6と第2のノズル孔7とは、中心軸線を同じとして形成されている。また、第1のノズル孔6は、インク吐出面10(キャビティ基板1との接合面11の反対面)に開口するように形成されており、第2のノズル孔7は、接合面11に開口するように形成されている。なお、漏斗状の第2のノズル孔7は、ノズル径が接合面11側に向けて漸次大きくなるように形成されている。このようにノズル孔8を形成すれば、液滴を吐出する際の直進性の向上が期待できる。
The
[キャビティ基板1]
キャビティ基板1は、たとえば厚さ約50μmの(110)面方位のシリコン基板で構成し、底壁が可撓性を有し、変形可能な振動板12として作用する吐出室(圧力室)13となる凹部を複数形成するのが望ましい。また、キャビティ基板1には、各ノズル孔8共通に吐出する液滴を貯め、各吐出室13にインク等の液滴を供給するためのリザーバ14となる凹部と、このリザーバ14と各吐出室13とを連通させる細溝状のオリフィス15となる凹部とを形成するとよい。
[Cavity substrate 1]
The
これらの吐出室13、リザーバ14及びオリフィス15は、シリコン基板にドライエッチングまたは異方性ウエットエッチングのいずれかあるいは双方を行い形成するとよい。そして、これらの吐出室13、リザーバ14及びオリフィス15が液滴の流路として作用するようになっている。なお、この複数の吐出室13は、図1の紙面手前側から紙面奥側にかけて平行に並んで形成されているものとする。また、この液滴吐出ヘッド100では、リザーバ14は単一の凹部から形成されており、オリフィス15は各吐出室13に対して1つずつ形成されている。なお、オリフィス15は、ノズルプレート3の接合面11に形成するようにしてもよい。
The
このキャビティ基板1の全面には、たとえばプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)又は熱酸化によってTEOS(TetraEthyl Orthosilicate Tetraethoxysilane:テトラエトキシシラン、珪酸エチル)等の酸化シリコン(SiO2 )からなる厚さ0.1μmの絶縁膜16を成膜するとよい。この絶縁膜16は、液滴吐出ヘッド100の駆動時の絶縁破壊やショートを防止をする役目を果たすものである。
The entire surface of the
また、絶縁膜16をキャビティ基板1の全面に成膜することによって、吐出室13やリザーバ14の内部の液滴によりキャビティ基板1がエッチングされて腐食されるのを防止するための役目も果たすことができる。さらに、絶縁膜16をキャビティ基板1の全面に成膜すれば、キャビティ基板1の上面の応力とキャビティ基板1の下面の応力とを相殺させることができ、振動板12の反りを小さく抑えることができるという効果もある。なお、絶縁膜16が酸化シリコンからなる場合を例に示しているが、これに限定するものではない。
In addition, by forming the insulating
キャビティ基板1には、さらにキャビティ基板1の外部電極端子としての共通電極19が形成されているほか、ガラス基板2の外部機器との接続部に対応した部分が電極取り出し口25として開口され形成されている。この共通電極19は、発振回路22(図2参照)から振動板12に個別電極17と反対の極性の電荷を供給する際の端子となるものである。また、キャビティ基板1に形成される吐出室13及びリザーバ14は、(110)面方位のシリコン基板に異方性ウエットエッチングを行って形成するため、鋸歯形状をしている。さらに、キャビティ基板1のリザーバ14には、ガラス基板2に設けられたインク供給口18と連通するようにインク供給口18が設けられている。
The
[ガラス基板2]
ガラス基板2は、厚さ約1mmであり、キャビティ基板1の振動板12側に接合されるようになっている。このガラス基板2となるガラスには、たとえばホウ珪酸系の耐熱硬質ガラスを用いるとよい。ガラス基板2には、キャビティ基板1に形成される各吐出室13に対向させて、深さ約0.2μmの凹部9がエッチングにより複数形成されている。この凹部9のパターン形状は、その内部に個別電極(電極)17を設けるので、それらの形状よりも少し大きめに作製するとよい。
[Glass substrate 2]
The
この個別電極17の材料としては、酸化錫を不純物としてドープした透明のITO(Indium Tin Oxide:インジウム錫酸化物)を用い、たとえば0.1μmの厚さにECR(Electorn Cyclotron Resonance)スパッタ法を用いて成膜するとよい。このようにITOで個別電極17を作製すると、透明なので放電したかどうかの確認が行いやすく、また等電位接点も同時に成膜できるという利点がある。なお、個別電極17をITOで作製した場合を例に示したが、これに限定するものではなく、クロム等の金属等で作製してもよい。
As the material of the
また、ガラス基板2には、リザーバ14と連通するインク供給口18が形成されている。このインク供給口18は、リザーバ14の底壁に設けられた孔と繋がっており、リザーバ14にインク等の液滴を外部から供給するために設けられている。なお、キャビティ基板1が単結晶シリコンからなり、ガラス基板2がホウ珪酸ガラスからなる場合には、キャビティ基板1とガラス基板2との接合を陽極接合によって行なうことができる。
In addition, an
キャビティ基板1とガラス基板2とを接合すると、振動板12と個別電極17との間に振動板12の動作空間となるギャップ(空隙)20が形成される。このギャップ20は、凹部9の深さ、個別電極17及び振動板12(絶縁膜16)の厚さにより決まることになる。このギャップ20は、液滴吐出ヘッド100の吐出特性に大きく影響するため、厳格な精度管理が要求される。
When the
このギャップ20は、各振動板12に対向する位置に細長い一定の深さを有するように形成されている。なお、ギャップ20は、ガラス基板2に凹部9を形成する他に、キャビティ基板1となるシリコン基板に凹部を形成したり、スペーサを挟むことによって設けたりすることも可能である。また、個別電極17は、一定の間隔の隙間をもって振動板12に対向しており、ギャップ20の底面に沿ってガラス基板2の末端(電極取り出し口25)まで伸びている。そして、この電極取り出し口25で発振回路22と接続されるようになっている(図2参照)。
The
キャビティ基板1に形成される吐出室13は、ノズル孔8から吐出させるインク等の吐出液体を溜めておくものであり、吐出室13の底壁を構成する振動板12の変形を利用し、吐出室13内の圧力を高めて、ノズル孔8から液滴を吐出させる作用を果たす。この実施の形態では、振動板12は、高濃度のボロンをシリコン基板に拡散したボロンドープ層で構成され、その表面にTEOS等の酸化シリコンからなる絶縁膜16を被覆している。
The
所望の厚さの振動板12を形成するためには、同じだけの厚さのボロンドープ層をキャビティ基板1となるシリコン基板に形成すればよい。これは、アルカリ性水溶液でシリコンの異方性ウエットエッチングを行った場合、ボロンをドーパントとしたときには高濃度(5×1019atoms/cm3 以上)の領域で極端にエッチングレートが小さくなるという性質を利用するとよい。つまり、吐出室13、リザーバ14を異方性ウエットエッチングで形成する場合に、ボロンドープ層が露出するとエッチングレートが極端に小さくなることを利用した、いわゆるエッチングストップ技術を用いて、振動板12の厚さ、吐出室13の容積を高精度で形成することができる。
In order to form the
図2には、液滴吐出ヘッド100の振動板12を動作させる機器(発振回路22)も示されている。ここでは、キャビティ基板1の共通電極19とガラス基板2の個別電極17とが、接続ケーブルを介して発振回路22に接続されている場合を例に示している。この接続ケーブルには、図示省略のFPCを利用することができる。このFPCの端子は、ガラス基板2の電極取り出し口25に対応する位置に装着され、キャビティ基板1の共通電極19とガラス基板2の個別電極17とを電気的に接続するようになっている。
FIG. 2 also shows a device (oscillation circuit 22) for operating the
発振回路22は、FPCを介して個別電極17と接続され、その個別電極17に電荷の供給及び停止を制御する役目を果たすものである。この発振回路22は、たとえば24kHzで発振し、個別電極17に0Vと30Vのパルス電位を印加して電荷供給を行なうようになっている。なお、この発振回路22は、ドライバIC等の集積回路で構成するのが好ましい。また、この発振回路22が、液滴吐出ヘッド100の内部に備えられていてもよく、外部に備えられていてもよい。
The
つまり、この発振回路22が発振駆動し、個別電極17に電荷を供給して正に帯電させると、振動板12は負に帯電し、静電気力により個別電極17に引き寄せられて撓む。これにより吐出室13の容積は広がる。そして、個別電極17への電荷供給を止めると振動板12は元に戻るが、そのときの吐出室13の容積も元に戻るから、その圧力により差分のインク等の液滴が吐出し、たとえば記録対象となる記録紙に着弾することによって記録(印字)が行われる。このような方法は、引き打ちと呼ばれるものであるが、バネ等を用いて液滴を吐出する押し打ちと呼ばれる方法もある。また、キャビティ基板1と発振回路22とについてもFPCで接続されるが、ドライエッチングにより基板の一部に開けた酸化膜の窓(図示せず)にワイヤを差し込んで接続するとよい。
That is, when the
図3は、ノズルプレート3をインク吐出面10側から見た上面図である。図3に示すように、第1のノズル孔6がノズルプレート3のインク吐出面10側に複数開口している。なお、第2のノズル孔7は、図3の個々のノズル孔6の紙面奥側に形成されている。また、キャビティ基板1の吐出室13は、個々の第1のノズル孔6(ノズル孔8)ごとに形成されており、A−A線方向に細長い形状となっているものとする。
FIG. 3 is a top view of the
次に、液滴吐出ヘッド100の動作について簡単に説明する。液滴吐出ヘッド100のキャビティ基板1と各個別電極17とには、上述したように発振回路22が接続されている。そして、この発振回路22によりキャビティ基板1と個別電極17との間にパルス電圧が印加される。そうすると、キャビティ基板1と個別電極17との間に電位差が生じ、静電気力が発生する。そのために、振動板12が個別電極17側に撓み、リザーバ14の内部に溜まっていたインク等の液滴が吐出室13に流れ込む。その後、キャビティ基板1と個別電極17との間に印加されていたパルス電圧がなくなると、振動板12が元の状態位置に復元して吐出室13の内部の圧力が高くなり、ノズル孔8から液滴が吐出される。
Next, the operation of the
次に、ノズルプレート3を製造するためのシリコン基板の加工方法について説明する。図4〜図8は、ノズルプレート3の製造工程を示した縦断面図である。なお、図4〜図8は、図3に示したA−A線に沿った縦断面におけるノズル孔8の周辺部を示している。この図4〜図8に基づいてノズルプレート3の製造工程について説明する。また、この液滴吐出ヘッド100は、上述したように第1のノズル孔6と第2のノズル孔7との中心軸線が高い精度で一致しているものとする。
Next, a silicon substrate processing method for manufacturing the
(A)まず、たとえば厚さが280μmのシリコン基板3aを準備し、熱酸化装置にセットし、このシリコン基板3aの表面全面に膜厚1μmのシリコン酸化膜(SIO2 膜)50を均一に成膜する。たとえば、このシリコン酸化膜50は、熱酸化装置により温度1075℃、酸素と水蒸気との混合雰囲気中で4時間熱酸化することにより形成するようになっている。
(A) First, for example, a
(B)次に、シリコン基板3aの接合面11に図示省略のレジストをコーティングし、第1のノズル孔6となる部分6aと第2のノズル孔7となる部分7aをパターニングして、その部分のレジストを除去する。第1のノズル孔6となる部分6aは、円筒状に形成する第1のノズル孔6の直径と同じ直径の円形状にパターニングされるようになっている。また、後に詳述するが、第2のノズル孔7となる部分7aは、大きさの異なる複数のリング形状にパターニングされるようになっている。この複数のリング形状のパターニングは、中心軸線から外周に向かうにつれて、そのリング形状の径が大きくなっている。また、各リング形状の間のリング幅が中心軸線から外周に向かうにつれて狭くなっている(図9参照)。
(B) Next, a resist (not shown) is coated on the
そして、たとえばフッ酸水溶液とフッ化アンモニウム水溶液を1対6で混合した緩衝フッ酸水溶液でシリコン酸化膜50をエッチングしてシリコン基板3aを露出させ、硫酸洗浄等によってレジストを剥離する。このパターニングが施されたシリコン酸化膜50がエッチングマスクとして機能することになる。なお、レジストのコーティングされた面は、後にノズルプレート3の接合面11となる。また、第2のノズル孔7となる部分7aのパターニングは、完全なリング形状に限定するものではない。たとえば、熱酸化でSiO2 化できるリング幅が確保できればよく、リブを形成して所定の間隔でシリコン基板3aを露出させるようなパターニングでもよい(図10参照)。
Then, for example, the
(C)第1のノズル孔6となる部分6a及び第2のノズル孔7となる部分7aをパターニングしたら、ICPドライエッチング装置によりシリコン酸化膜50の開口された部分を、たとえば第1のノズル孔6となる部分6aの中心部が深さ70μmとなるように垂直に異方性ドライエッチングし、第1のノズル孔6を形成する。この異方性ドライエッチングのエッチングガスとして、C4F8、SF6 を交互に使用することができる。このとき、C4F8は側面方向にエッチングが進行しないように側面を保護するために使用し、SF6 は垂直方向のエッチングを促進するために使用するとよい。
(C) After patterning the
同時に、第2のノズル孔7となる部分7aに形成されているパターニングでシリコン酸化膜50の開口された部分もエッチングされることになる。このとき、ドライエッチング装置特有の現象であるマイクロローディング効果(開口部が狭くなるに従って、エッチングの深さが浅くなる現象)によって、外周に向かって幅が狭く形成されているリング形状の深さが漸次浅くなるようにエッチングされることになる。つまり、第2のノズル孔7となる部分7aにパターニングするリング形状の幅寸法を特に限定するものではないが、このマイクロローディング効果に基づいて決定するとよい。
At the same time, the opened portion of the
(D)シリコン基板3aの表面に残るシリコン酸化膜50をフッ酸水溶液で除去する。
(E)そして、シリコン基板3aを熱酸化装置にセットし、シリコン基板3aにおける第1のノズル孔6となる部分6a及び第2のノズル孔7となる部分7aの側面及び底面に厚さ1μmのシリコン酸化膜55を均一に成膜する。このシリコン酸化膜55は、たとえば熱酸化装置により酸化温度1075℃、酸素と水蒸気の混合雰囲気中の条件で4時間熱酸化することで形成するとよい。このとき、第2のノズル孔7となる部分7aの各リング形状の間に形成される壁は完全にSiO2 化されることになる。一般的に、熱酸化によりシリコンに酸化膜を形成するとき、酸化膜の膜厚の45%の厚みのシリコンが酸化膜に変化する。
(D) The
(E) Then, the
つまり、熱酸化によって変化させたいリング形状の幅をWとし、酸化膜の膜厚をTとすると、リング形状エッチング部分の間に形成される壁の両側面されることになるために、W=2×T×0.45の関係が成立する。したがって、Wを大きくしたいとき、T=W/0.9となるようにTの値を設定すればよい。なお、ここでは、シリコン酸化膜55の膜厚を1μmとして成膜した場合を例に説明したが、これに限定するものではない。
That is, if the width of the ring shape desired to be changed by thermal oxidation is W and the film thickness of the oxide film is T, both sides of the wall formed between the ring-shaped etched portions are formed. The
(F)再度、シリコン酸化膜55をフッ酸水溶液で除去する。そうすると、第2のノズル孔7となる部分7aの各リング形状の間に形成される壁は完全にSiO2 化されているので、漏斗状の第2のノズル孔7が形成されることになる。つまり、第1のノズル孔6と第2のノズル孔7とを同時に形成することができるのである。したがって、第1のノズル孔6と第2のノズル孔7とを個別に形成する場合と比べて製造に要する工程数を減少させることが可能になる。
(F) The
また、シリコン基板3aを熱酸化により酸化した時の厚み精度は、基板面内の均一性も含めて高いものであり、第1のノズル孔6の加工精度も高く保つことができる。さらに、第1のノズル孔6及び第2のノズル孔7を同時に形成できるので、第1のノズル孔6及び第2のノズル孔7の中心軸線のずれを無くすことが可能になる。すなわち、第1のノズル孔6と第2のノズル孔7との中心線軸のアライメント調整をしなくても、高精度に第1のノズル孔6及び第2のノズル孔7の中心軸線を一致させることができるのである。したがって、インクの吐出性能が更に向上することになる。
Further, the thickness accuracy when the
(G)シリコン基板3aを熱酸化装置にセットし、シリコン基板3aの全面に厚さ1μmのシリコン酸化膜56を均一に成膜する。このシリコン酸化膜56は、たとえば熱酸化装置により酸化温度1000℃、酸素雰囲気中の条件で2時間熱酸化することで形成するとよい。なお、熱酸化によりシリコン酸化膜56を成膜するため、第1のノズル孔6となる部分6a及び第2のノズル孔7となる部分7aの内壁にも均一にシリコン酸化膜56が成膜されることになる。
(G) The
(H)次に、シリコン基板3a(図6では上下反転させた状態を示している)の接合面11に、たとえばガラス等の透明材料からなる支持基板40を張り付ける。この支持基板40は、片面に紫外線や熱等の刺激で容易に接着力が低下する自己剥離層41を備えた両面テープ45を介してシリコン基板3aに張り付けるとよい。なお、支持基板40と、両面テープ45と、自己剥離層41とでWSS(Wafer Support System)基板49と称することとする。
(H) Next, a
このWSS基板49の自己剥離層41の面と、シリコン基板3aの接合面11とを向かい合わせ、真空中で張り合わせることによって接着界面に気泡を残すことなくきれいに接着することができる。このようにすれば、自己剥離層41とシリコン基板3aとの接着界面に気泡が残ってしまうということを防止することができる。つまり、気泡が残らないのでシリコン基板3aのインク吐出面10の表面が平滑になり、研磨加工の工程で薄板化された際のシリコン基板3aの板厚のばらつきがなくなる。
The surface of the self-peeling
(I)シリコン基板3aにWSS基板49を張り付けたら、シリコン基板3aのインク吐出面10側からバックグラインダーやポリッシャー、CMP(Chemical Mechanical Polishing)等によって研磨加工を行い、第1のノズル孔6の先端のシリコン酸化膜56が除去されるまでシリコン基板3aを薄板化する。このとき、第1のノズル孔6及び第2のノズル孔7の内壁は、ノズル孔8内の研磨材の水洗除去工程等で洗浄されるようになっている。また、バックグラインダーで第1のノズル孔6の先端のシリコン酸化膜56の付近までシリコン基板3aを薄板化し、薄板化の仕上げをポリッシャー又はCMPによって行なうようにすれば、シリコン基板3aの表面を鏡面状に仕上げることができる。
(I) After the
なお、第1のノズル孔6の先端部のシリコン酸化膜56の除去をドライエッチングで行っても良い。たとえば、SF6 をエッチングガスとするドライエッチングで、第1のノズル孔6の先端部までシリコン基板3aを薄板化し、表面に露出した第1のノズル孔6の先端部のシリコン酸化膜56をCF4 やCHF3 等をエッチングガスとするドライエッチングで除去してもよい。
The removal of the
(J)シリコン基板3aのインク吐出面10にシリコン酸化膜(SIO2 膜)57をスパッタ装置を用いて0.1μmの厚みで成膜する。なお、このシリコン酸化膜57の成膜は、自己剥離層41が劣化しない程度の温度(たとえば、100℃程度)以下で行なうことができればよく、スパッタ装置を使用したスパッタリング法に限定するものではない。ただし、耐インク性等を考慮すると緻密なシリコン酸化膜57を形成する必要があり、常温で緻密な膜を成膜できるスパッタ装置等の装置を使用することが望ましい。
(J) A silicon oxide film (SIO 2 film) 57 is formed on the
(K)続いて、シリコン基板3aのインク吐出面10の表面に撥インク処理を施す。この撥インク処理は、F(フッ素)原子を含む撥インク性を持った材料を蒸着やディッピング等でインク吐出面10に成膜し、たとえば厚さ0.1μmの撥インク層46を形成することで行なうとよい。このとき、第1のノズル孔6及び第2のノズル孔7の内壁にも、撥インク層46が形成される。すなわち、撥インク層46は、蒸着やディッピングで成膜されるために、ノズル孔8の内壁全体も同時に撥インク処理されることになる。
(K) Subsequently, ink repellent treatment is performed on the surface of the
(L)ノズル孔8の内壁全体に撥インク処理を施したら、シリコン基板3aに接合してあるWSS基板49を剥離する。このWSS基板49の剥離は、まず、インク吐出面10にダイシングテープ47をサポートテープとして張り付けることから始める。なお、インク吐出面10にダイシングテープ47を張り付ける場合を例に示しているが、これに限定するものではない。たとえば、シリコンマスクやメタルマスク等のようなマスク基板をインク吐出面10に接合して張り付けるようにしてもよい。
(L) When ink repellent treatment is applied to the entire inner wall of the
(M)ダイシングテープ47をインク吐出面10に張り付けたら、WSS基板49側からUV(紫外線)光を照射して、WSS基板49をシリコン基板3aから剥離する。たとえば、UV光の照射は、インク吐出面10を吸着ステージ等に真空吸着固定して行なうとよい。このUV光は、WSS基板49の自己剥離層41の内部やシリコン基板3aとの接着界面において剥離(層内剥離又は界面剥離という)を起こさせるために照射される。
(M) When the dicing
すなわち、自己剥離層41は、所定の強度の光(ここでは、UV光)を受けることにより、自己剥離層41を構成する材料の原子又は分子間の結合力が消失若しくは減少することにより、アブレーション(ablation、切除又は除去)を生じて剥離し易くするためのものである。このような剥離には、たとえば、自己剥離層41の構成材料中の成分が気体となって放出され分離に至る場合(層内剥離)と、剥離層41が光を吸収して気体になり、その蒸気が放出されて分離に至る場合(界面剥離)とがある。
That is, when the self-peeling
こうすることによって、シリコン基板3aからWSS基板49を容易に剥離することができる。なお、WSS基板49を構成する支持基板40は、光を透過するガラス等からなるものを用いるのが望ましい。それは、シリコン基板3aから支持基板40を剥離するときに、支持基板40の裏面(シリコン基板3aが接合された面の反対面)から照射される光の有する剥離エネルギーを自己剥離層41に確実に到達させるためである。つまり、支持基板40が光を透過する材料で構成されていれば、自己剥離層41に十分な剥離エネルギーが与えられることになる。
By doing so, the
また、自己剥離層41を構成する材料は、上記のような特性を有するものであればよく、特に限定するものでない。たとえば、非晶質シリコン(a−Si、アモルファスシリコン)や酸化ケイ素、ケイ酸化合物や、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化チタン等の窒化セラミックス等を材料とするとよい。また、光の照射によって原子間結合が切断される有機高分子材料等を材料としてもよい。さらに、アルミニウム、リチウム、チタン、マンガン、インジウム、錫、イットリウム、ランタン、セリウム、ネオジウム、プラセオジム、ガドリニウム、サマリウム等の金属や、それらの金属を少なくとも1種以上含んだ合金等を材料としてもよい。
Moreover, the material which comprises the
(N)WSS基板49を剥離したら、Arプラズマ処理もしくはO2 プラズマ処理を施すことによって接合面11の表面、第1のノズル孔6及び第2のノズル孔7の内壁に形成された余分な撥インク層46を除去する。なお、インク吐出面10に形成してある撥インク層46にはダイシングテープ47が張り付けられているので、インク吐出面10に形成してある撥インク層46は、Arプラズマ処理もしくはO2 プラズマ処理を行なっても保護されるようになっている。
(N) After the
(O)次に、シリコン基板3aのインク吐出面10にサポートテープとして張り付けられているダイシングテープ47を剥離する。このダイシングテープ47の剥離は、たとえばシリコン基板3aの接合面11を吸着治具70等によって真空吸着固定してから行なうとよい。なお、ここでは、吸着治具70で真空吸着する場合を例に示しているが、これに限定するものではない。
(O) Next, the dicing
(P)最後に、吸着冶具70の吸着固定を解除してシリコン基板3aからノズルプレート3を回収する。このシリコン基板3aには、各ノズルプレート3の外輪溝が彫られている。したがって、シリコン基板3aを吸着冶具70からピックアップする段階でノズルプレート3は個片に分割されて回収可能になっている。以上の工程により、ノズルプレート3が作製される。
(P) Finally, the suction fixing of the
図9及び図10は、ノズル孔8のパターニング例を上から見た状態を示す上面図である。図9及び図10に基づいて、本発明の特徴部分であるノズル孔8の加工時、つまり第1のノズル孔6となる部分6a及び第2のノズル孔7となる部分7aのエッチングパターニング形状について説明する。なお、シリコン酸化膜50を第1のノズル孔6となる部分及び第2のノズル孔7となる部分をエッチングする際のエッチングマスクとして利用している(図4(B)参照)。
9 and 10 are top views showing a patterning example of the
図9は、図4(B)で説明したように、第1のノズル孔6となる部分6aを円形状にパターニング形成するとともに、第2のノズル孔7となる部分7aを大きさの異なる複数のリング形状にパターニング形成するようになっている。各リング形状の間の幅は、中心線軸から外周に向かって漸次狭くなるように形成されている。これは、ドライエッチング装置特有の現象であるマイクロローディング効果を利用して第2のノズル孔7を形成するためである。たとえば、第1のノズル孔6の縁と第1のノズル孔6に一番近いリング形状との間の幅をA、1番近いリング形状と2番目に近いリング形状との間の幅をB、2番目に近いリング形状と3番目に近いリング形状との幅をCとするとA>B>Cとなっているのである。
9B, as described in FIG. 4B, the
第2のノズル孔7をドライエッチングで形成する際に、マイクロローディング効果を利用すれば、一度のドライエッチングによって第2のノズル孔7となる部分7aの各リング形状のエッチング深さを異なるものとすることができる。つまり、リング形状の幅が狭いほど、エッチング深さが浅いものとなるのである。そして、第2のノズル孔7となる部分7aのリング形状エッチング部分の間に形成される壁は完全にSiO2 化されることになる。
When the
したがって、形成されたシリコン酸化膜55を除去すれば、第1のノズル孔6の形成と同時に第2のノズル孔7も形成することができるのである。また、マイクロローディング効果の特徴を考慮してリング形状の個数や幅を決定すれば、ノズル孔8の形成に要する工程数を減じつつ、加工精度の高い漏斗状の第2のノズル孔7を容易に形成することができる。なお、各リング形状の幅は、上記の式に基づいて決定するとよい。
Therefore, if the formed
図10は、第1のノズル孔6となる部分6aを円形状にパターニング形成するとともに、第2のノズル孔7となる部分7aをリング形状にリブを形成して所定の間隔でシリコン基板が露出するようにパターニングを行なうようになっている。つまり、マイクロローディング効果を利用して、一度のドライエッチングによって第2のノズル孔7となる部分7aの各リブのエッチング深さを異なるものにできればよいのである。
In FIG. 10, the
なお、このとき、第2のノズル孔7となる部分7aのエッチング部分の間に形成される壁が完全にSiO2 化されるようにリブの個数や間隔を決定するとよい。また、マイクロローディング効果の特徴を考慮してリブの個数や幅を決定すれば、ノズル孔8の形成に要する工程数を減じつつ、加工精度の高い漏斗状の第2のノズル孔7を容易に形成することができる。なお、各リブの所定の間隔は、上記の式に基づいて決定するとよい。
At this time, may wall formed between the etched portion of the
図9及び図10では、マイクロローディング効果と、熱酸化と、酸化膜除去とによって漏斗状の第2のノズル孔7を形成する一例について示したものである。したがって、マイクロローディング効果と、熱酸化と、酸化膜除去とによって漏斗状(テーパ状)の第2のノズル孔7が形成できればよく、図9や図10のようなパターニングに限定するものではない。
9 and 10 show an example in which the funnel-shaped
次に、液滴吐出ヘッド100の製造工程について説明する。
図11及び図12は、キャビティ基板1とガラス基板2とを接合させて接合基板60を製造する工程を示す縦断面図である。図11及び図12に基づいて、キャビティ基板1とガラス基板2とを接合させた接合基板60の製造工程について説明する。なお、接合基板60の製造工程の中で、ガラス基板2及びキャビティ基板1の製造工程についても簡単に説明するものとする。また、キャビティ基板1及びガラス基板2の製造方法は、図10及び図11に示されるものに限定されるものではない。
Next, the manufacturing process of the
11 and 12 are longitudinal sectional views showing a process of manufacturing the bonded
まず、ホウ珪酸ガラス等からなるガラス基板2aを、たとえば金・クロム等をエッチングマスクとしてフッ酸によってエッチングすることにより凹部9を形成する。この凹部9は、個別電極17の形状より少し大きい溝状のものであって複数形成するものとする。そして、凹部9の内部に、たとえばスパッタによってITOからなる個別電極17を形成する。その後、ドリル等によってインク供給口18となる孔部を形成してガラス基板2を作製する(図11(a))。
First, the
次に、たとえば厚さが525μmのシリコン基板1aの両面を鏡面研磨した後に、シリコン基板1aの片面にプラズマCVDによってTEOSからなる厚さ0.1μmのシリコン酸化膜23を形成する(図11(b))。なお、このシリコン酸化膜23を形成する前に、エッチングストップのためのボロンドープ層を形成するようにしてもよい。振動板12をボロンドープ層から形成することにより、厚み精度の高い振動板12を形成することができる。
Next, for example, after both surfaces of a
それから、図11(b)に示すシリコン基板1aと、図11(a)に示すガラス基板2とを、たとえば360℃に加熱し、シリコン基板1aに陽極、ガラス基板2に陰極を接続して800V程度の電圧を印加して陽極接合を行い接合基板60を作製する(図11(c))。シリコン基板1aとガラス基板2とを陽極接合した後に、この接合基板60を水酸化カリウム水溶液等でエッチングすることにより、シリコン基板1aの全体を、たとえば厚さ140μmになるまで薄板化する(図11(d))。
Then, the
そして、シリコン基板1aの上面(ガラス基板2が接合されている面の反対面)の全面にプラズマCVDによって、たとえば厚さ1.5μmのTEOS膜26を形成する。そして、このTEOS膜26に、吐出室13やリザーバ14、オリフィス15となる凹部となる部分を形成するためのレジストをパターニングし、この部分のTEOS膜26をエッチング除去する。その後、シリコン基板1aを水酸化カリウム水溶液等でエッチングすることにより、吐出室13やリザーバ14、オリフィス15となる凹部を形成する(図12(e))。
Then, a
なお、図12(e)のウエットエッチングの工程では、たとえば初めに35重量%の水酸化カリウム水溶液を使用し、その後、3重量%の水酸化カリウム水溶液を使用することができる。こうすることで、振動板12の面荒れを抑制することができる。シリコン基板1aのエッチングが終了した後に、接合基板60をフッ酸水溶液でエッチングしてシリコン基板1aに形成されたTEOS膜26を除去する。
In the wet etching step of FIG. 12 (e), for example, a 35% by weight aqueous potassium hydroxide solution can be used first, and then a 3% by weight aqueous potassium hydroxide solution can be used. By carrying out like this, the surface roughness of the
また、ガラス基板2のインク供給口18となる孔部にレーザー加工を施し、インク供給口18がガラス基板2を貫通するようにする(図12(f))。次に、シリコン基板1aの吐出室13となる凹部等の形成された面に、たとえばCVDによってTEOS等からなる液滴保護膜24を、たとえば厚さ0.1μmで形成する(図12(g))。それから、RIE(Reactive Ion Etching)等によって電極取り出し口25となる部分を開放する。
Further, laser processing is performed on the hole portion that becomes the
また、シリコン基板1aに機械加工又はレーザー加工を行って、インク供給口18をリザーバ14となる部分まで貫通させる。これにより、キャビティ基板1とガラス基板2とが接合された接合基板60が完成する。そして、この接合基板60を上述のノズルプレート3と接合して液滴吐出ヘッド100が完成することとなる。なお、振動板12と個別電極17との間の空間(ギャップ20)を封止するために封止剤(図示せず)を塗布するとよい。
In addition, the
図13は、上述の液滴吐出ヘッド100を搭載した液滴吐出装置150の一例を示した斜視図である。図13に示す液滴吐出装置150は、一般的なインクジェットプリンタを表しているものである。なお、この液滴吐出装置150は、周知の製造方法によって製造することができる。また、上述の液滴吐出ヘッド100は、図4〜図10に示したように、ノズルプレート3の製造工程に特徴を有するものである。
FIG. 13 is a perspective view showing an example of a
なお、実施の形態で得られた液滴吐出ヘッド100は、図13に示す液滴吐出装置150の他に、液滴を種々変更することで、液晶ディスプレイのカラーフィルタの製造、有機EL表示装置の発光部分の形成、生体液体の吐出等にも適用することができる。また、実施の形態で得られた液滴吐出ヘッド100は、圧電駆動方式の液滴吐出装置や、バブルジェット(登録商標)方式の液滴吐出装置にも使用できる。
In addition to the
たとえば、液滴吐出ヘッド100をディスペンサとし、生体分子のマイクロアレイとなる基板に吐出する用途に用いる場合では、DNA(Deoxyribo Nucleic Acids :デオキシリボ核酸)、他の核酸(例えば、Ribo Nucleic Acid:リボ核酸、Peptide Nucleic Acids:ペプチド核酸等)タンパク質等のプローブを含む液体を吐出させるようにしてもよい。
For example, when the
なお、本発明の実施の形態に係る液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出装置の製造方法は、上述の実施の形態で説明した内容に限定されるものではなく、本発明の思想の範囲内において変更することができる。また、実施の形態に係る液滴吐出ヘッド100がガラス基板2、キャビティ基板1及びノズルプレート3からなる3層構造である場合を例に説明したが、これに限定するものではない。たとえば、液滴吐出ヘッド100がガラス基板、キャビティ基板、リザーバ基板及びノズルプレートからなる4層構造として構成してもよい。
Note that the droplet discharge head, the droplet discharge device, the method for manufacturing the droplet discharge head, and the method for manufacturing the droplet discharge device according to the embodiment of the present invention are limited to the contents described in the above embodiments. It can be modified within the scope of the idea of the present invention. Moreover, although the case where the
1 キャビティ基板、1a シリコン基板、2 ガラス基板、2a ガラス基板、3 ノズルプレート、6 第1のノズル孔、6a 第1のノズル孔6となる部分、7 第2のノズル孔、7a 第2のノズル孔7となる部分、8 ノズル孔、9 凹部、10 インク吐出面、11 接合面、12 振動板、13 吐出室、14 リザーバ、15 オリフィス、16 絶縁膜、17 個別電極、18 インク供給口、19 共通電極、20 ギャップ、22 発振回路、23 シリコン酸化膜、24 液滴保護膜、25 電極取り出し口、26 TEOS膜、40 支持基板、41 自己剥離層、45 両面テープ、46 撥インク層、47 ダイシングテープ、49 WSS基板、50 シリコン酸化膜、55 シリコン酸化膜、56 シリコン酸化膜、57 シリコン酸化膜、60 接合基板、70 吸着治具、100 液滴吐出ヘッド、150 液滴吐出装置。
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記第2のノズル孔となる部分のパターニングをこの第2のノズル孔の中心軸線から外周に向かうにつれて径を大きくした複数のリング形状として前記第1のノズル孔となる部分のパターニングと同時に行なう
ことを特徴とするノズルプレートの製造方法。 A nozzle hole comprising a first nozzle hole and a tapered second nozzle hole which is in communication with the first nozzle hole and has a diameter gradually larger than the first nozzle hole is formed in the silicon substrate. A nozzle plate manufacturing method comprising:
The patterning of the portion serving as the second nozzle hole is performed simultaneously with the patterning of the portion serving as the first nozzle hole as a plurality of ring shapes whose diameters increase from the central axis of the second nozzle hole toward the outer periphery. A manufacturing method of a nozzle plate characterized by the above.
ことを特徴とする請求項1に記載のノズルプレートの製造方法。 2. The method of manufacturing a nozzle plate according to claim 1, wherein patterning is performed so that walls are concentrically formed between the ring shapes.
ことを特徴とする請求項1または2に記載のノズルプレートの製造方法。 3. The method of manufacturing a nozzle plate according to claim 1, wherein a rib is formed in each ring shape and patterning is performed so that the silicon substrate is exposed at a predetermined interval.
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のノズルプレートの製造方法。 The method of manufacturing a nozzle plate according to any one of claims 1 to 3, wherein a ring width between the ring shapes is gradually narrowed from the central axis toward the outer periphery.
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のノズルプレートの製造方法。 The method for manufacturing a nozzle plate according to any one of claims 1 to 4, wherein the central axis is the same as the central axis of the first nozzle hole.
前記シリコン基板の表面を酸化処理し、
前記第1のノズル孔となる部分及び前記第2のノズル孔となる部分の側面及び底面に形成される酸化膜を除去する
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のノズルプレートの製造方法。 After dry etching the portion to be the first nozzle hole and the portion to be the second nozzle hole,
Oxidizing the surface of the silicon substrate;
6. The nozzle plate according to claim 1, wherein an oxide film formed on a side surface and a bottom surface of the portion serving as the first nozzle hole and the portion serving as the second nozzle hole is removed. Manufacturing method.
ことを特徴とする請求項6に記載のノズルプレートの製造方法。 The method for manufacturing a nozzle plate according to claim 6, wherein the dry etching is anisotropic dry etching by ICP discharge.
薄板化された前記シリコン基板側から前記第1のノズル孔を開口し、
前記シリコン基板の表面に撥水処理を施した後、
前記支持基板を前記シリコン基板から剥離する
ことを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載のノズルプレートの製造方法。 Bonding a support substrate to the surface of the silicon substrate on which the second nozzle holes are formed, and thinning the opposite surface of the silicon substrate to which the support substrate is bonded;
Opening the first nozzle hole from the thinned silicon substrate side;
After performing a water repellent treatment on the surface of the silicon substrate,
The said support substrate is peeled from the said silicon substrate. The manufacturing method of the nozzle plate in any one of Claims 1-7 characterized by the above-mentioned.
ことを特徴とする請求項8に記載のノズルプレートの製造方法。 The method for manufacturing a nozzle plate according to claim 8, wherein the silicon substrate and the support substrate are bonded together in a vacuum.
底壁が振動板を形成し液滴を溜めて吐出させる複数の吐出室を含む液体流路が形成されたシリコン基板と、前記振動板にギャップを隔てて対向し該振動板を駆動する個別電極が形成されたガラス基板とで形成した接合基板を接合する
ことを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。 In the nozzle plate according to any one of claims 1 to 9,
A silicon substrate on which a liquid flow path including a plurality of discharge chambers for forming and vibrating droplets by forming a diaphragm on the bottom wall is formed, and individual electrodes for driving the diaphragm while facing the diaphragm with a gap A method of manufacturing a droplet discharge head, comprising: bonding a bonding substrate formed with a glass substrate on which the liquid crystal is formed.
ことを特徴とする液滴吐出装置の製造方法。
A method for manufacturing a droplet discharge device, wherein the method for manufacturing a droplet discharge head according to claim 10 is applied to manufacture a droplet discharge device.
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