JP2005053066A - Manufacturing method for nozzle plate, inkjet head, and inkjet recording device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ノズルプレートの製造方法、インクジェットヘッド及びインクジェット記録装置に関し、特に単結晶シリコン基板を使用したノズルプレートの低コストな製造方法、その製造方法で製造されたノズルプレートを使用したインクジェットヘッド及びこのインクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装置に関する。 The present invention relates to a nozzle plate manufacturing method, an ink jet head, and an ink jet recording apparatus, and in particular, a low cost manufacturing method of a nozzle plate using a single crystal silicon substrate, an ink jet head using a nozzle plate manufactured by the manufacturing method, and The present invention relates to an ink jet recording apparatus equipped with this ink jet head.
従来の噴射装置のノズル形成方法では、単結晶シリコン基板にICP放電等による異方性ドライエッチングを施して、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しているものがあった(例えば、特許文献1参照)。 In the conventional nozzle forming method of an injection apparatus, there is a method in which a single crystal silicon substrate is subjected to anisotropic dry etching by ICP discharge or the like to form a nozzle having a stepwise smaller section toward the tip side. (For example, see Patent Document 1).
また、従来のインクジェットヘッド用ノズルプレートの製造方法では、シリコン基板ではなく、ポリイミドシート等のプラスチック材料からなる基板にエッチングを施すことにより、ノズルプレートを製造して低コスト化を図っているものがあった(例えば、特許文献2参照)。 Further, in the conventional method for manufacturing a nozzle plate for an ink jet head, a nozzle plate is manufactured by etching a substrate made of a plastic material such as a polyimide sheet instead of a silicon substrate, thereby reducing the cost. (For example, see Patent Document 2).
従来の噴射装置のノズル形成方法では(例えば、特許文献1参照)、ノズルの深さやノズルの周辺部のワイピングの関係上、初めから180μmの厚さのシリコン基板を用いてノズルプレートを作製しているため、高価な薄いシリコン基板が必要となりコストが高くなるという問題点があった。また、薄いシリコン基板を用いるため、取り扱いが難しく歩留りが低くなるという問題点もあった。 In a conventional nozzle forming method of an injection device (see, for example, Patent Document 1), a nozzle plate is manufactured using a silicon substrate having a thickness of 180 μm from the beginning because of the depth of the nozzle and the wiping of the peripheral portion of the nozzle. Therefore, there is a problem that an expensive thin silicon substrate is required and the cost is increased. In addition, since a thin silicon substrate is used, there is a problem that handling is difficult and yield is lowered.
また従来のインクジェットヘッド用ノズルプレートの製造方法では(例えば、特許文献2参照)、エッチングによって凹部やノズル孔を形成するときに、プラスチック材料からなる基板を使用しているため、エッチングされる面にピット(くぼみ)等の凹凸が発生しやすく加工精度が悪いという問題点があった。また、キャビティプレートとノズルプレートを接合する際に、シリコン基板を用いた場合には直接接合等の直接的な接合方法を用いることができるのに対して、プラスチック材料からなる基板では接着剤を使用しなければならないという問題点があった。 Further, in the conventional method for manufacturing a nozzle plate for an ink jet head (see, for example, Patent Document 2), a substrate made of a plastic material is used when forming recesses and nozzle holes by etching. There is a problem that irregularities such as pits (dents) are likely to occur and the processing accuracy is poor. In addition, when a silicon substrate is used when bonding the cavity plate and the nozzle plate, a direct bonding method such as direct bonding can be used, whereas an adhesive is used for a substrate made of a plastic material. There was a problem that had to be done.
本発明は、単結晶シリコン基板を使用した高精度なノズルプレートの低コストな製造方法、その製造方法で製造されたノズルプレートを使用したインクジェットヘッド及びこのインクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装置を提供することを目的とする。 The present invention provides a low-cost manufacturing method of a high-precision nozzle plate using a single crystal silicon substrate, an ink jet head using the nozzle plate manufactured by the manufacturing method, and an ink jet recording apparatus equipped with the ink jet head. For the purpose.
本発明に係るノズルプレートの製造方法は、単結晶シリコン基板にエッチングを施して、溶液を吐出するためのノズル穴を有するノズルプレートを製造する方法であって、ノズルプレートとなる単結晶シリコン基板の少なくとも1つの面の全体をエッチングすることにより、単結晶シリコン基板を薄くする工程を有するものである。
ノズルプレートとなる単結晶シリコン基板の少なくとも1つの面の全体をエッチングすることにより、単結晶シリコン基板を薄くする工程を有することにより、安価な標準仕様のシリコン基板を使ってノズルプレートを製造することができ、低コストのノズルプレートの製造方法を実現することができる。また、単結晶シリコン基板を用いているため、加工精度の高いノズルプレートを製造することができる。
A manufacturing method of a nozzle plate according to the present invention is a method of manufacturing a nozzle plate having nozzle holes for discharging a solution by etching a single crystal silicon substrate, and is a method for manufacturing a single crystal silicon substrate to be a nozzle plate. The method includes a step of thinning the single crystal silicon substrate by etching the entire at least one surface.
Manufacturing a nozzle plate using an inexpensive standard specification silicon substrate by having a step of thinning the single crystal silicon substrate by etching the entire surface of at least one surface of the single crystal silicon substrate to be the nozzle plate Thus, a low-cost method for manufacturing a nozzle plate can be realized. In addition, since a single crystal silicon substrate is used, a nozzle plate with high processing accuracy can be manufactured.
また本発明に係るノズルプレートの製造方法は、上記のノズルプレートとなる単結晶シリコン基板の面方位が、(100)方位であるものである。
面方位が(100)方位である単結晶シリコン基板を用いてノズルプレートを製造すれば、ウェットエッチングの際のピットやマイクロピラミッド等の発生を抑制することができ、高精度のノズルプレートを製造することができる。
In the nozzle plate manufacturing method according to the present invention, the plane orientation of the single crystal silicon substrate to be the nozzle plate is a (100) orientation.
If a nozzle plate is manufactured using a single crystal silicon substrate having a plane orientation of (100), generation of pits and micropyramids during wet etching can be suppressed, and a highly accurate nozzle plate is manufactured. be able to.
また本発明に係るノズルプレートの製造方法は、上記の単結晶シリコン基板を薄くする工程において、単結晶シリコン基板の1つの面に、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜からなるエッチングマスクが形成されているものである。
エッチングによって単結晶シリコン基板を薄くする工程では、エッチングされる面に表面荒れが発生するが、単結晶シリコン基板の1つの面にエッチングマスクを形成して、エッチングがされないようにし、ノズルプレートのキャビティプレートと接合する面に表面荒れが発生しないようにすることができる。
In the nozzle plate manufacturing method according to the present invention, in the step of thinning the single crystal silicon substrate, an etching mask made of a silicon oxide film or a silicon nitride film is formed on one surface of the single crystal silicon substrate. Is.
In the process of thinning the single crystal silicon substrate by etching, surface roughness occurs on the surface to be etched, but an etching mask is formed on one surface of the single crystal silicon substrate to prevent the etching, and the cavity of the nozzle plate It is possible to prevent surface roughness from occurring on the surface to be joined to the plate.
また本発明に係るノズルプレートの製造方法は、上記のエッチングマスクが、CVD装置によって形成されるものである。
エッチングマスクを形成する際には、熱酸化によってエッチングマスクを形成することもできるが、単結晶シリコン基板の両面に熱酸化膜ができるため、一方の面の熱酸化膜を除去する工程が必要となる。このエッチングマスクをCVD装置によって形成するようにすれば、片方の面に選択的にエッチングマスクを形成することができるため、製造工程を簡略化することができる。
In the nozzle plate manufacturing method according to the present invention, the etching mask is formed by a CVD apparatus.
When forming an etching mask, the etching mask can be formed by thermal oxidation, but since a thermal oxide film is formed on both sides of the single crystal silicon substrate, a process of removing the thermal oxide film on one side is necessary. Become. When this etching mask is formed by a CVD apparatus, the etching mask can be selectively formed on one surface, and thus the manufacturing process can be simplified.
また本発明に係るノズルプレートの製造方法は、上記の単結晶シリコン基板を薄くする工程において、当該工程の後に単結晶シリコン基板の面積が縮小したときに所定の面積になるように、この所定の面積より大きい面積の単結晶シリコン基板を使用するものである。
単結晶シリコン基板をウェットエッチングによって薄くする工程では、単結晶シリコン基板の厚さが薄くなるだけでなく、単結晶シリコン基板の外周部(側面)もエッチングされるため面積が小さくなる。この単結晶シリコン基板の面積の縮小する度合いは予め予測できるため、単結晶シリコン基板をエッチングにより薄くする工程の後に所定の面積になるように、この所定の面積より大きい面積の単結晶シリコン基板を使用するものである。このようにすることにより、単結晶シリコン基板を薄くする工程の後に、所望の面積の単結晶シリコン基板を得ることができる。また、後に示すICP放電による異方性ドライエッチングをするときに吸着面が露出することがなく、吸着面がエッチングされて正常な吸着ができなくなるのを防止することができる。
Further, the nozzle plate manufacturing method according to the present invention provides a predetermined area when the area of the single crystal silicon substrate is reduced after the step in the step of thinning the single crystal silicon substrate. A single crystal silicon substrate having an area larger than the area is used.
In the step of thinning the single crystal silicon substrate by wet etching, not only the thickness of the single crystal silicon substrate is reduced, but also the outer peripheral portion (side surface) of the single crystal silicon substrate is etched, so that the area is reduced. Since the degree of reduction of the area of the single crystal silicon substrate can be predicted in advance, a single crystal silicon substrate having an area larger than the predetermined area is selected so that the predetermined area is obtained after the step of thinning the single crystal silicon substrate by etching. It is what you use. In this manner, a single crystal silicon substrate having a desired area can be obtained after the step of thinning the single crystal silicon substrate. Further, when performing anisotropic dry etching by ICP discharge described later, the adsorption surface is not exposed, and it is possible to prevent the adsorption surface from being etched and normal adsorption cannot be performed.
また本発明に係るノズルプレートの製造方法は、上記の単結晶シリコン基板を薄くする工程が、20重量%〜30重量%の水酸化カリウム水溶液によるウェットエッチングであるものである。
20重量%以下の水酸化カリウム水溶液でエッチングを行うと、エッチングされた面にピット(くぼみ)が多く発生し、低濃度となるほどこのピットは大きくなる。また30重量%以上の水酸化カリウム水溶液でエッチングを行うと、単結晶シリコン基板の外周部(側面)が鋸状にエッチングされて、単結晶シリコン基板の割れや傷の原因となる。そのため、これらの問題が最も少ない20重量%〜30重量%の水酸化カリウム水溶液によってウェットエッチングを行うものである。
In the nozzle plate manufacturing method according to the present invention, the step of thinning the single crystal silicon substrate is wet etching with a 20 wt% to 30 wt% potassium hydroxide aqueous solution.
When etching is performed with an aqueous potassium hydroxide solution of 20% by weight or less, many pits (dents) are generated on the etched surface, and the pits become larger as the concentration becomes lower. Further, when etching is performed with an aqueous potassium hydroxide solution of 30% by weight or more, the outer peripheral portion (side surface) of the single crystal silicon substrate is etched in a saw shape, which causes cracks and scratches on the single crystal silicon substrate. Therefore, wet etching is performed with a 20 wt% to 30 wt% aqueous potassium hydroxide solution that has the least of these problems.
また本発明に係るノズルプレートの製造方法は、上記の単結晶シリコン基板を薄くする工程が、10重量%以上のエタノールを添加した10重量%〜30重量%の水酸化カリウム水溶液によるウェットエッチングであるものである。
水酸化カリウム水溶液によるエッチングの際にエタノールを添加したものを使用すると、エッチング速度の面方位依存性が変化し、エッチングされる面にピットが発生するのを抑制することができる。しかし、10重量%以下のエタノールではピットが発生してしまうため、10重量%以上のエタノールを添加した10重量%〜30重量%の水酸化カリウム水溶液によるウェットエッチングを行うようにしたものである。なおエタノールの添加量の上限は、水酸化カリウム水溶液のエタノールの溶解度までである。
In the nozzle plate manufacturing method according to the present invention, the step of thinning the single crystal silicon substrate is wet etching using a 10 wt% to 30 wt% potassium hydroxide aqueous solution to which 10 wt% or more ethanol is added. Is.
When an ethanol-added solution is used for etching with an aqueous potassium hydroxide solution, the plane orientation dependency of the etching rate is changed, and generation of pits on the etched surface can be suppressed. However, since pits are generated with 10% by weight or less of ethanol, wet etching is performed with a 10% to 30% by weight potassium hydroxide aqueous solution to which 10% by weight or more of ethanol is added. In addition, the upper limit of the addition amount of ethanol is to the solubility of ethanol of potassium hydroxide aqueous solution.
また本発明に係るノズルプレートの製造方法は、上記の単結晶シリコン基板を薄くする工程が、水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液によるウェットエッチングであるものである。
水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)水溶液によるウェットエッチングを行えば、20重量%〜30重量%の水酸化カリウム水溶液等と同様に、エッチングされる面の表面荒れを抑制することができる。
In the nozzle plate manufacturing method according to the present invention, the step of thinning the single crystal silicon substrate is wet etching with a tetramethylammonium hydroxide aqueous solution.
If wet etching with a tetramethylammonium hydroxide (TMAH) aqueous solution is performed, surface roughness of the surface to be etched can be suppressed as in the case of a 20 wt% to 30 wt% potassium hydroxide aqueous solution.
また本発明に係るノズルプレートの製造方法は、ノズル穴を、ICP放電による異方性ドライエッチングによって形成するものである。
ICP放電による異方性ドライエッチングによれば、高い異方性で比較的深いノズル穴を形成することができるため、精度が高いノズル穴を形成することができる。
In the nozzle plate manufacturing method according to the present invention, the nozzle holes are formed by anisotropic dry etching using ICP discharge.
According to anisotropic dry etching by ICP discharge, a relatively deep nozzle hole can be formed with high anisotropy, so that a nozzle hole with high accuracy can be formed.
また本発明に係るノズルプレートの製造方法は、ノズル穴が、第1の溝と第2の溝からなり、第1の溝の横断面の面積が第2の溝の横断面の面積よりも小さく、階段状となっているものである。
ノズル穴を、第1の溝の横断面の面積が第2の溝の横断面の面積よりも小さい階段状に形成することにより、液滴の吐出時の直進性を増すことができる。
In the nozzle plate manufacturing method according to the present invention, the nozzle hole includes the first groove and the second groove, and the area of the cross section of the first groove is smaller than the area of the cross section of the second groove. It is a staircase.
By forming the nozzle holes in a staircase pattern in which the area of the cross section of the first groove is smaller than the area of the cross section of the second groove, it is possible to increase the straightness during droplet discharge.
本発明に係るインクジェットヘッドは、上記のいずれかのノズルプレートの製造方法で製造されたノズルプレートを使用したものである。
このインクジェットヘッドは、低コストのノズルプレートの製造方法で製造されたノズルプレートを使用しているため、製造コストを抑えることができる。また、ノズルプレートに単結晶シリコン基板を用いているため、吐出精度の高いインクジェットヘッドである。
An ink jet head according to the present invention uses a nozzle plate manufactured by any one of the above-described nozzle plate manufacturing methods.
Since this inkjet head uses a nozzle plate manufactured by a low-cost nozzle plate manufacturing method, the manufacturing cost can be reduced. In addition, since a single crystal silicon substrate is used for the nozzle plate, the inkjet head has high ejection accuracy.
本発明に係るインクジェット記録装置は、上記のインクジェットヘッドを搭載したものである。
上記のインクジェットヘッドを搭載しているため、低コストで吐出精度の高いインクジェット記録装置である。
An ink jet recording apparatus according to the present invention is equipped with the above ink jet head.
Since the above-described ink jet head is mounted, the ink jet recording apparatus is low in cost and high in discharge accuracy.
実施形態1.
図1は本発明の実施形態1に係るインクジェットヘッドの分解斜視図であり、図2はこのインクジェットヘッドの右半分の縦断面図である。なお図1は、一部を断面で示している。また本実施形態1では、インク等の液滴を基板の上面側から吐出するフェイスインクジェットヘッドについて示している。図1に示すように、本実施形態1に係るインクジェットヘッドは、キャビティプレート1、電極基板2及びノズルプレート3を重ねて接合した積層構造となっており、キャビティプレート1は電極基板2及びノズルプレート3に挟まれている。
FIG. 1 is an exploded perspective view of an inkjet head according to
キャビティプレート1は単結晶シリコン基板からなり、底面が振動板4となる凹部5aが形成されている。この凹部5aの上にノズルプレート3が接合されることにより吐出室5(図2参照)が形成される。またキャビティプレート1には、各吐出室5に液滴を供給するための共通リザーバー6を形成するための凹部6aがあり、キャビティプレート1とノズルプレート3が接合されることにより、共通リザーバー6が形成される。キャビティプレート1には、全面にプラズマCVD(プラズマ化学蒸着法)によって、TEOS膜(テトラエチルオルソシリケート膜、図示せず)を例えば0.1μm形成して絶縁膜としている。このTEOS膜は、インクジェットヘッドの駆動時の絶縁破壊やショートを防止し、またインク等の液滴によるキャビティプレート1のエッチングを防止するためのものである。
The
電極基板2はホウ珪酸ガラスからなり、電極基板2の上面には電極7を装着するための凹部8が形成されている。この凹部8は、電極7と振動板4の間にギャップG(隙間)を設けるためのものであり(図2参照)、振動板4と対向して形成されている。また凹部8は、その内部に電極7,リード部9及び端子部10を装着できるように形成されており、電極7を装着する部分は、電極7よりやや大きめの形状にパターン形成されている。電極7は、電極基板2の凹部8の内部にITO膜(インジウム錫酸化物膜)をスパッタすることにより形成する。
ここで例えば、凹部8を0.3μmの深さでエッチングして電極7のITO膜を0.1μmの厚さで形成したとすると、ギャップGは0.2μmとなる。
なお、電極基板2はホウ珪酸ガラスではなく、シリコン基板等で形成してもよい。
The
Here, for example, if the recess 8 is etched to a depth of 0.3 μm and the ITO film of the
The
ノズルプレート3は、例えば厚さ180μmの単結晶シリコン基板からなり、ノズルプレート3の厚さ方向に貫通するノズル穴11が形成されている。ノズル穴11は、ノズルプレート3の下面側が吐出室5に連通し、ノズルプレート3の上面側が液滴を吐出するための開口部となっている。このノズル穴11は、ノズルプレート3の上面側が横断面の面積の小さい第1の溝11aからなり、ノズルプレート3の下面側が横断面の面積の広い第2の溝11bとなっており、階段状の2段ノズルとなっている。またノズルプレート3の下面には、吐出室5と共通リザーバー6を連通するためのオリフィス12となる凹部12aと、リザーバーダイヤフラム13を設けるための凹部13a(図2参照)が設けられている。ノズルプレート3の上面のリザーバーダイヤフラム13に対応する部分は凹部になっている。このようにしてリザーバーダイヤフラム13の部分を薄くすることにより、外気圧の変動があった場合でも液滴の吐出が安定して行えるようになっている。
なお図1では、ノズル穴11及び吐出室5が2列に並んだインクジェットヘッドを示しているが、ノズル穴11及び吐出室5が1列に並んだものであってもよい。
The
Although FIG. 1 shows an inkjet head in which the nozzle holes 11 and the discharge chambers 5 are arranged in two rows, the nozzle holes 11 and the discharge chambers 5 may be arranged in one row.
図1及び図2に示されるインクジェットヘッドの動作を説明する。電極7と振動板4の間に発信回路(図示せず)によって30ボルト程度の電圧を印加して、静電気力によって振動板4を電極7側に撓ませる。次に、印加した電圧を除去すると撓んでいた振動板4が元の状態に復元する。このとき、吐出室5の内部の圧力が急激に上昇するためノズル穴11から液滴が吐出することとなる。再び電極7と振動板4の間に電圧が印加されると振動板4が電極7側に撓み、リザーバー6に溜まっていたインク等の液滴がオリフィス12を通って吐出室5内へ供給される。なお振動板4への電圧の印加は、キャビティ基板1の一部に開けられた酸化膜の窓15から行う。またリザーバー6への液滴の供給は、電極基板2を貫通するインク供給穴14及びリザーバー6の底面に設けられたインク供給孔14aを介して行われる。
なお本実施形態1では、静電気力で振動板4を撓ませることにより液滴を吐出する静電駆動方式のインクジェットヘッドを示しているが、後の示すノズルプレートの製造方法で得られたノズルプレートは、圧電駆動方式等のインクジェットヘッドにも使用することができる。
The operation of the ink jet head shown in FIGS. 1 and 2 will be described. A voltage of about 30 volts is applied between the
In the first embodiment, an electrostatic drive type inkjet head that discharges droplets by deflecting the
本実施形態1に示すインクジェットヘッドの振動板4は、絶縁膜の部分を除いて高濃度のボロンドープ層からできている。アルカリ水溶液によるシリコン基板のエッチングでは、ボロンが高濃度でドープされている領域においてエッチング速度が非常に小さくなる。このため本実施形態1では、振動板4を高濃度のボロンドープ層とし、アルカリ水溶液によるキャビティプレート1の異方性エッチングにおいて、吐出室5となる凹部5aを形成する際に、エッチングが振動板4の部分で止まるようにし所望の厚さの振動板4を得るようにしている。
The
図3及び図4は、図1及び図2に示したインクジェットヘッドのノズルプレート3の製造工程を示した縦断面図である。なお図3及び図4は、図1に示すノズルプレート3の右半分を示している。
まず、厚さが525μmで面方位が(100)方位である単結晶シリコン基板3aを準備する(図3(a))。なお、単結晶シリコン基板の厚さは525μmに限られないが、この程度の厚みの安価な単結晶シリコン基板を準備すればよい。またこの単結晶シリコン基板3aは、以下に示す図3(d)の単結晶シリコン基板3aの厚さを薄くする工程において面積が縮小するため、図3(d)の工程の後に所定の面積になるように、この所定の面積よりも大きい面積のシリコン基板を使用する。例えば、予め単結晶シリコン基板3aの外周部(側面)から直径が2mm縮小することが分かっている場合には、直径が2mm大きく面積の広い単結晶シリコン基板3aを準備する。
3 and 4 are longitudinal sectional views showing manufacturing steps of the
First, a single
次に単結晶シリコン基板3aに、水蒸気を含んだ酸素雰囲気の中で熱酸化処理を行い、表側表面及び裏側表面に約1.8μmのシリコン酸化膜を形成する(図3(b))。この熱酸化処理は、温度1075℃で8時間程度行う。
そして、単結晶シリコン基板3aの裏側表面にレジストを形成して、緩衝フッ酸水溶液に単結晶シリコン基板3aを浸し表側表面のシリコン酸化膜を取り除く(図3(c))。
なお図3(b)では、熱酸化処理によって単結晶シリコン基板3aの表側表面と裏側表面にシリコン酸化膜を形成しているが、熱酸化処理の代わりにCVD(Chemical Vapor Deposition)装置によって裏側表面のみにシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜を形成してもよい。このようにCVD装置によって、裏側表面のみにシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜を形成すれば、図3(c)の工程を省くことができる。
Next, thermal oxidation treatment is performed on the single
Then, a resist is formed on the back surface of the single
In FIG. 3B, a silicon oxide film is formed on the front side surface and the back side surface of the single
その後、シリコン酸化膜を取り除いた表側表面の全体をエッチングして、単結晶シリコン基板3aを180μmまで薄くする(図3(d))。なおこの工程では、単結晶シリコン基板3aの裏側表面に形成されたシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜がエッチングマスクとして機能する。この全面エッチングの工程はウェットエッチングで行い、20重量%〜30重量%の水酸化カリウム水溶液、10重量%以上のエタノールを添加した10重量%〜30重量%の水酸化カリウム水溶液又は水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液を使用する。
エタノールが添加されていない水酸化カリウム水溶液で全面エッチングを行った場合、20重量%以下の濃度ではエッチングされる面にピットが大量に発生し、低濃度であるほどピットが大きくなる。また、20重量%以上の濃度であればエッチングされる面のピットはほとんど発生しなくなるが、30重量%以上の濃度になると単結晶シリコン基板3aの外周部(側面)が鋸状にエッチングされてガタガタになり、取り扱いの際の割れや傷の原因となる。このためエタノールが添加されていない水酸化カリウム水溶液を使って全面エッチングを行う場合は、20重量%〜30重量%の濃度のものを使用する。
Thereafter, the entire front surface from which the silicon oxide film has been removed is etched to thin the single
When the entire surface is etched with a potassium hydroxide aqueous solution to which ethanol is not added, a large amount of pits are generated on the surface to be etched at a concentration of 20% by weight or less, and the pits become larger as the concentration is lower. If the concentration is 20% by weight or more, almost no pits on the surface to be etched are generated, but if the concentration is 30% by weight or more, the outer peripheral portion (side surface) of the single
図5は、エタノールを添加した水酸化カリウム水溶液で全面エッチングを行った場合の、水酸化カリウムの濃度及びエタノールの濃度によってエッチングされる面及び単結晶シリコン基板3aの外周部がどのような状態になるかを示した図である。図5に示すように、水酸化カリウムの濃度が10重量%以下の領域及びエタノールの濃度が10重量%以下の領域では、エッチングされる面にピットが大量に発生する。また、水酸化カリウムの濃度が30重量%以上の領域では、単結晶シリコン基板3aの外周部が鋸状にエッチングされてガタガタになる。このため、エタノールを添加した水酸化カリウム水溶液を使って全面エッチングを行う場合は、10重量%以上のエタノールを添加した10重量%〜30重量%の水酸化カリウム水溶液を使用する。
なおエタノールの添加量の上限は、水酸化カリウム水溶液にエタノールが溶解できるように、水酸化カリウム水溶液のエタノールの溶解度までとする。
FIG. 5 shows the state of the surface etched by the potassium hydroxide concentration and the ethanol concentration and the outer peripheral portion of the single
The upper limit of the amount of ethanol added is up to the solubility of ethanol in the potassium hydroxide aqueous solution so that ethanol can be dissolved in the potassium hydroxide aqueous solution.
また図3(d)の全面エッチングの工程は、水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)水溶液によるウェットエッチングでもよい。水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液による全面エッチングでは、20重量%〜30重量%の水酸化カリウム水溶液と同様に、エッチングされる面のピット等の表面荒れを抑制することができる。この表面荒れの抑制は、水酸化テトラメチルアンモニウムの濃度に関係がなく、どのような濃度でもよい。しかし、水酸化テトラメチルアンモニウムの濃度が低くなると、エッチング速度が遅くなりエッチングに要する時間が長くなるため、通常市販されている中で最高濃度の25重量%のものを使用するのが望ましい。 3D may be wet etching using an aqueous tetramethylammonium hydroxide (TMAH) solution. In the whole surface etching with tetramethylammonium hydroxide aqueous solution, surface roughness such as pits on the surface to be etched can be suppressed as in the case of 20% by weight to 30% by weight potassium hydroxide aqueous solution. The suppression of the surface roughness is not related to the concentration of tetramethylammonium hydroxide and may be any concentration. However, when the concentration of tetramethylammonium hydroxide is lowered, the etching rate is slowed down and the time required for the etching is increased.
図3(d)に示す水酸化カリウム水溶液等によるウェットエッチングの工程では、単結晶シリコン基板3aの外周部もエッチングされて単結晶シリコン基板3aの面積が縮小するが(図3(d)の点線参照)、図3(d)の工程の後に所定の面積になるように予め大きい面積の単結晶シリコン基板3aを使用しているため、所望の面積の単結晶シリコン基板3aが得られ、また後に示す図4(h)のICP放電による異方性ドライエッチング時に吸着面が露出して、吸着面がダメージを受けることがなくなる。
さらに、面方位が(100)方位の単結晶シリコン基板3aを使用しているため、図3(d)の全面エッチングの際にエッチングされる面のピットやマイクロピラミッド等の表面荒れを抑制することができる。
また、図3(d)の工程の際に、単結晶シリコン基板3aの裏側表面にシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜からなるエッチングマスクが形成されているため、この面が全面エッチングによって表面荒れを起こすのを防ぎ、ノズルプレート3とキャビティプレート1を接合する面を平坦に保つことができる。
In the step of wet etching with an aqueous potassium hydroxide solution or the like shown in FIG. 3D, the outer peripheral portion of the single
Further, since the single
In addition, since an etching mask made of a silicon oxide film or a silicon nitride film is formed on the back surface of the single
図3(d)の単結晶シリコン基板3aを薄くする工程の後、単結晶シリコン基板3aの裏側表面に形成されているシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜をフッ酸水溶液によって除去し、改めて単結晶シリコン基板3aの表側表面及び裏側表面に熱酸化処理によって厚さ1.8μmのシリコン酸化膜を形成する(図3(e))。この熱酸化処理も、温度1075℃の水蒸気を含んだ酸素雰囲気中で8時間程度行う。
次に単結晶シリコン基板3aの裏側表面の、ノズル穴11の第1の溝11aに対応する部分11c及び電極取り出し用の窓15と端子部10を露出させる部分15aをフォトリソグラフィーによりパターニングし、これらの部分のシリコン酸化膜をエッチングにより除去する(図3(f))。なおパターニングは、シリコン酸化膜を除去しない部分(単結晶シリコン基板3aの表側表面を含む)にレジストを塗布して行う。
そして単結晶シリコン基板3aの裏側表面の、ノズル穴11の第2の溝11bに対応する部分11d、オリフィス12に対応する部分12b及びリザーバーダイヤフラム13に対応する部分13bをフォトリソグラフィーによりパターニングし、これらの部分のシリコン酸化膜をハーフエッチングする(図3(g))。なおパターニングは図3(f)と同様に行い、ハーフエッチングではシリコン酸化膜が1.0μmの厚さに残るようにする。
After the step of thinning the single
Next, the
Then, a portion 11d corresponding to the
図4は、図3に示したノズルプレート3の製造工程の続きを示した縦断面図である。図3(g)でシリコン酸化膜をハーフエッチングした単結晶シリコン基板3aの裏側表面に、ICP(誘導結合プラズマ)放電による異方性ドライエッチングを施し22μmの深さにエッチングする。このときシリコン酸化膜の残った部分(ハーフエッチングされた部分を含む)はエッチングされない。その後、フッ酸水溶液で単結晶シリコン基板3aをエッチングし、ハーフエッチングされた部分に残っているシリコン酸化膜の厚みだけ薄くする。このとき、図3(g)でハーフエッチングされた部分はシリコン酸化膜がすべて除去され、残りの部分はエッチングした分だけシリコン酸化膜が薄くなる。そして再び裏側表面に、ICP放電による異方性ドライエッチングを行い、55μmエッチングする。これにより、ノズル穴11の第1の溝11aに対応する部分11c及び電極取り出し用の窓15と端子部10を露出させる部分15aは77μmエッチングされ、ノズル穴11の第2の溝11bに対応する部分11d、オリフィス12に対応する部分12b及びリザーバーダイヤフラム13に対応する部分13bは55μmエッチングされることとなる。その後、単結晶シリコン基板3aをフッ酸水溶液に浸し、残ったすべてのシリコン酸化膜を除去する(図4(h))。
FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing a continuation of the manufacturing process of the
図4(h)の工程では、ノズル穴11の第1の溝11a及び第2の溝11bをICP放電による異方性ドライエッチングで形成しているため、単結晶シリコン基板3aに垂直にエッチングすることができ、精度の高いノズル穴11を形成することができる。また、ノズル穴11は2段ノズルとなっているので、第2の溝11bで液滴の流れが整えられ、液滴の吐出時の直進性を増すことができる。
なお図4(h)の工程では、オリフィス12に対応する部分12b及びリザーバーダイヤフラム13に対応する部分13bから、オリフィス12となる凹部12aと、リザーバーダイヤフラム13を設けるための凹部13aが形成されることとなる。
In the process of FIG. 4H, the
In the step of FIG. 4 (h), a
その後、単結晶シリコン基板3aに水蒸気を含んだ酸素雰囲気中で熱酸化処理を施し、全面に厚さ1.2μmのシリコン酸化膜を形成する(図4(i))。この熱酸化処理は、温度1075℃の水蒸気を含んだ酸素雰囲気中で4時間程度行う。
そして単結晶シリコン基板3aの表側表面に、ノズル穴11を開口させるための凹部11eを形成する部分(図4(k)参照)、リザーバーダイヤフラム13を形成するための凹部13bを形成する部分(図4(k)参照)及び電極取り出し用の窓15と端子部10を露出させるための切り欠き15bを形成する部分(図4(k)参照)をフォトリソグラフィーによってパターニングし、これらの部分のシリコン酸化膜をエッチングにより除去する(図4(j))。なおパターニングは図3(f)と同様に行う。
次に、単結晶シリコン基板3aを25重量%の水酸化カリウム水溶液に浸し、図4(j)の工程でシリコン酸化膜を除去した部分から103μmエッチングを行う(図4(k))。なおこの図4(k)の工程では、単結晶シリコン基板3aの表側表面から斜めにエッチングが進むため、図4(j)の工程ではそれに合わせたパターニングを行うようにする。凹部11eを形成するのは、ノズル穴11の周辺部以外の部分の単結晶シリコン基板3aの厚みを確保するためであるが、
図4(h)の工程で第1の溝11aと第2の溝11bを深く形成して、凹部11eを形成しないようにしてもよい。なお図4(k)の工程では、厚さ22μmのリザーバーダイヤフラム13が形成されることとなる。
Thereafter, the single
And the part which forms the recessed part 11e for opening the nozzle hole 11 (refer FIG.4 (k)) in the front side surface of the single
Next, the single
In the process of FIG. 4H, the
そして、単結晶シリコン基板3aに残っているシリコン酸化膜をフッ酸水溶液によって除去し、ノズル穴11の第1の溝11aを貫通させる(図4(l))。この際、電極取り出し用の窓15と端子部10を露出させるための切り欠き15bの部分のシリコン酸化膜も除去される。
最後に、単結晶シリコン基板3aの全面に酸素雰囲気中で熱酸化処理を行い、厚さ0.1μmのシリコン酸化膜を形成してノズルプレート3が完成する(図4(m))。この熱酸化処理は、温度1000℃で3.5時間程度行う。最後にシリコン酸化膜を形成するのは、インク等の液滴によるエッチングの防止と、ノズル穴11の側面及びその周辺部の撥水処理のためである。
Then, the silicon oxide film remaining on the single
Finally, thermal oxidation is performed on the entire surface of the single
本実施形態1では、ノズルプレートとなる単結晶シリコン基板の少なくとも1つの面の全体をエッチングすることにより、単結晶シリコン基板を薄くする工程を有することにより、安価な標準仕様のシリコン基板を使ってノズルプレートを製造することができ、低コストのノズルプレートの製造方法を実現することができる。また、単結晶シリコン基板を用いているため、加工精度の高いノズルプレートを製造することができる。
さらに、図1及び図2に示すインクジェットヘッドは、本実施形態1に示す低コストのノズルプレートの製造方法で製造されたノズルプレートを使用しているため、製造コストを抑えることができる。
In the first embodiment, an inexpensive standard specification silicon substrate is used by having a step of thinning the single crystal silicon substrate by etching the entire at least one surface of the single crystal silicon substrate to be the nozzle plate. A nozzle plate can be manufactured, and a low-cost method for manufacturing a nozzle plate can be realized. In addition, since a single crystal silicon substrate is used, a nozzle plate with high processing accuracy can be manufactured.
Furthermore, since the inkjet head shown in FIGS. 1 and 2 uses the nozzle plate manufactured by the low-cost nozzle plate manufacturing method shown in the first embodiment, the manufacturing cost can be reduced.
実施形態2.
図6は、実施形態1で得られたインクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装置の1例を示した斜視図である。インクジェット記録装置100は、一般的なインクジェットプリンタである。
なお実施形態1で得られるインクジェットヘッドは、化学的に安定な物質のみで構成されているため、一般的にアルカリ性でない液滴の吐出に使用することができ、例えば、液晶ディスプレイのカラーフィルタの製造、有機ELの発光部分の形成、生体液体の吐出等に適用することができる。
FIG. 6 is a perspective view showing an example of an ink jet recording apparatus equipped with the ink jet head obtained in the first embodiment. The ink
Since the ink jet head obtained in
本実施形態2のインクジェット記録装置は、実施形態1の製造方法で得られたノズルプレート3を使用したインクジェットヘッドを搭載しているため、低コストで製造することができ、吐出精度の高いものである。
Since the ink jet recording apparatus of the second embodiment is equipped with an ink jet head using the
1 キャビティプレート、2 電極基板、3 ノズルプレート、4 振動板、5 吐出室、6 共通リザーバー、7 電極、8 凹部、9 リード部、10 端子部、11 ノズル穴、12 オリフィス、13 リザーバーダイヤフラム、14 インク供給穴、15 窓。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記ノズルプレートとなる前記単結晶シリコン基板の少なくとも1つの面の全体をエッチングすることにより、前記単結晶シリコン基板を薄くする工程を有することを特徴とするノズルプレートの製造方法。 A method of manufacturing a nozzle plate having a nozzle hole for discharging a solution by etching a single crystal silicon substrate,
A method of manufacturing a nozzle plate, comprising: a step of thinning the single crystal silicon substrate by etching the entire at least one surface of the single crystal silicon substrate to be the nozzle plate.
An ink jet recording apparatus comprising the ink jet head according to claim 11.
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