JP2005212132A

JP2005212132A - インクジェット記録ヘッド及びその製造方法

Info

Publication number: JP2005212132A
Application number: JP2004018250A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Fukukawa; 敦福川; Michiaki Murata; 道昭村田
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2004-01-27
Filing date: 2004-01-27
Publication date: 2005-08-11

Abstract

【課題】シリコン単結晶基板にノズルを形成したとき、吐出特性（吐出安定性）をより向上させたインクジェット記録ヘッドを提供すること。また、液体の吐出方向に向かって開口径が漸次小さくなるテーパー状のノズルを、ヘッドの作製制約の自由度が高く、精度良く且つ簡易にシリコン単結基板に形成することが可能なインクジェット記録ヘッドの製造方法を提供すること。
【解決手段】例えば、シリコン単結晶基板からなるノズルプレート１０と、シリコン単結晶基板からなるキャビティプレート１２と、ガラス基板１４とが積層して構成されたインクジェット記録ヘッドにおいて、インクノズル２２をインクの吐出方向に向かって開口径が漸次小さくなるテーパー状の断面形状とする。また、インクノズル２２をインクの吐出方向側のノズルプレート１０面から、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）により形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体（インク）を飛翔させて記録媒体に画像を記録するインクジェット方式の画像記録装置に利用されるインクジェット記録ヘッド及びその製造方法に関する。

近年、インクジェットプリンタのインクジェット記録ヘッドは、高精細文字を印字可能にするために、より精細でより微細な加工が要求されている。その一つとしてインクを吐出するノズルの形状は、インクの吐出特性に影響がでるため、種々の改良が施されている。

具体的には、例えば、特開昭５６−１３５０７５号公報には、シリコン単結晶基板に設けられるノズルとして、先端側に一定断面の細いノズル孔部分（円筒状ノズル部）が形成され、その後側に円錐状あるいは角錐状に広がったノズル孔部分（テーパー状ノズル部）が形成された断面形状のものが開示されている。

この提案では、ノズルの先端側を一定断面の円筒状ノズル部分にし、後ろ側を内周面が角錐状に広がったテーパ状ノズル部分することで、全体として円筒形状をしたインクノズルを使用する場合に比べて、インクキャビティの側からインクノズルに加わるインク圧力の方向をノズル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、インク滴の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している。また、インク吐出の応答性が向上するのでインク吐出用の駆動周波数の上昇可能にしている。

そして、特開平１０−３１５４６１号公報では、はシリコン単結晶基板に対し、異方性ドライエッチングにより円筒状ノズル部を形成し、異方性ウエットエッチングによりテーパー状ノズル部を形成して、特開昭５６−１３５０７５号公報に提案されているノズル形状を２種のエッチングを使い分けてエッチング時間を短縮し、精度良く形成することを実現している。
特開昭５６−１３５０７５号公報特開平１０−３１５４６１号公報

しかしながら、特開平１０−３１５４６１号公報では、２種類のエッチングを使い分けるため作製工程が複雑になったり、ウエットエッチングを採用しているため、開口形状が真円にならず、ノズル面の開口面積もばらつくことが多く精度良くノズルが形成できないといった問題が依然として残っているのが現状である。

また、上記提案では、ノズルを形成するためにシリコン単結晶基板の表裏面からエッチングを施すため、シリコン単結晶基板にノズルを形成した後、このシリコン単結晶基板に他の部材を積層させなければならないといった制約もある。

インクジェット記録ヘッドへの異物の混入を最大限抑制するためには、ノズルを形成してからの工程をできる限り少なくする方が望ましい。つまり、例えば、シリコン単結晶基板にノズルに連通したインクキャビティ（加圧室）、インクリザーバ、及びこれらを連通するインク供給口などのインク流路を形成した後、ノズルを液体の吐出方向側の面からエッチングを施して形成することが望ましい。このため、上記制約は非常に重要な問題であり、改善が望まれている。

さらに、加えて、シリコン単結晶材料で構成されたノズルプレートにおいて、さらなる吐出特性（吐出安定性）の向上が求められている。

従って、本発明の第１の目的は、シリコン単結晶基板にノズルを形成したとき、吐出特性（吐出安定性）をより向上させたインクジェット記録ヘッドを提供することである。
また、本発明の第２の目的は、液体の吐出方向に向かって開口径が漸次小さくなるテーパー状のノズルを、ヘッドの作製制約の自由度が高く、精度良く且つ簡易にシリコン単結基板に形成することが可能なインクジェット記録ヘッドの製造方法を提供することである。

上記課題は、以下の手段により解決される。即ち、
本発明のインクジェット記録ヘッドは、液体を吐出するノズルが設けられると共に、前記ノズルに連通する加圧室の内壁の一部を構成する第１シリコン単結晶基板と、前記第１基板に積層されると共に、前記ノズルに連通する加圧室の内壁の一部を構成する第２シリコン単結晶基板と、を備え、前記ノズルは液体の吐出方向に向かって開口径が漸次小さくなるテーパー状の断面形状であることを特徴としている。

本発明のインクジェット記録ヘッドでは、ノズルが筒状部とテーパー部とで構成される場合に比べ、ノズルの内壁形状を全て上記テーパー状の断面形状とすることで、インクの吐出安定性をより向上させている。そして、これをシリコン単結晶材料で構成されたノズル形成基板で実現している。

一方、本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法は、液体を吐出するノズルが設けられると共に、前記ノズルに連通する加圧室の内壁の一部を構成する第１シリコン単結晶基板と、前記第１基板に積層されると共に、前記ノズルに連通する加圧室の内壁の一部を構成する第２シリコン単結晶基板と、を備え、前記ノズルは液体の吐出方向に向かって開口径が漸次小さくなるテーパー状であるインクジェット記録ヘッドの製造方法であり、
前記ノズルを、液体の吐出方向側の前記第１シリコン単結晶基板面から、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）により形成することを特徴としている。

本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法では、ヘッド完成時の外壁となる第１シリコン単結晶基板面から異方性エッチングとして反応性イオンエッチングを施すため、ヘッド作製工程においていつでもノズルを形成することができると共に、ウエットエッチングを採用する場合に比べ精度良く且つ簡易にノズルを形成することができる。

具体的には、前記反応性イオンエッチングとして、エッチングガス及びデポガスを交互に導入するサイクルエッチングを施すことがよい。これにより、簡易な設備で且つ連続的に上記ノズル形状を実現することができる。

また、前記サイクルエッチングにおいて、前記エッチングガスの１サイクル中に導入される導入時間をＴｅ、前記デポガスの１サイクル中における導入時間Ｔｄとしたとき、Ｔｅ／Ｔｄを制御することにより前記ノズルの内壁のテーパー角度を調整することがよい。これにより、簡単なエッチング条件の管理で上記ノズル形状を適宜調整して形成することができる。

また、前記第１シリコン単結晶基板と前記第２シリコン単結晶基板とを積層した後、第１シリコン単結晶基板に前記ノズルを形成することがよい。これにより、全てのシリコン単結晶基板の加工、組み立てが終了した後、ノズルを形成するためヘッド内部に異物の混入が最大限抑制することができる。

本発明のインクジェット記録ヘッドによれば、シリコン単結晶基板にノズルを形成したとき、吐出特性（吐出安定性）をより向上させる、といった効果を奏する。
本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法によれば、液体の吐出方向に向かって開口径が漸次小さくなるテーパー状のノズルを、ヘッドの作製制約の自由度が高く、精度良く且つ簡易にシリコン単結基板に形成することが可能になる、といった効果を奏する。

以下、本発明について、図面を参照しつつ説明する。なお、実質的に同一の機能を有する部材には全図面通して同じ符合を付与して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドを示す概略断面図である。図２は、本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの製造方法を示す工程図である。

本実施形態に係るインクジェット記録ヘッドは、シリコン単結晶基板からなるノズルプレート１０（第１シリコン単結晶基板）と、シリコン単結晶基板からなるキャビティプレート１２（第２シリコン単結晶基板）と、ガラス基板１４とが積層して構成されている。

キャビティプレート１２には、複数のインクキャビティ１６と、各インクキャビティ１６にインクを供給する共通のインクリザーバ１８が形成されている。ノズルプレート１０の側には、各インクキャビティ１６に連通した複数のインクノズル２２と、各インクキャビティ１６を共通のインクリザーバ１８に連通しているインク供給口２０が形成されている。そして、ノズルプレート１０とキャビティプレート１２とは重ね合わせた状態で、これらのインクキャビティ１６、インクリザーバ１８及びインク供給口２０の内壁を構成している。また、インクリザーバ１８には、不図示のインク供給路を介して外部のインク供給源からインクが供給可能となっている。

そして、ノズルプレート１０には、インクキャビティ１６と連通するインクノズル２２が設けられている。インクノズル２２は、截頭円錐状或いは截頭角錐状であり、インクの吐出方向に向かって開口径が漸次小さくなるテーパー状の断面形状をしている。このインクノズル２２の内壁は全てテーパー状の断面形状となっている。

なお、本実施形態では、インクを吐出させるための吐出手段については図示しないが、公知のピエゾ方式、或いはサーマル方式の吐出手段がインクキャビティ１６に対応して設けられる。例えば、ピエゾ方式の場合、圧電素子を配設しインクキャビティ１６の内の容積を変化させることおでインクをインクノズル２２から吐出させる。また、サーマル方式の場合、発熱抵抗体を配設しインクに熱エネルギーを付与させることでインクをインクノズル２２から吐出させる。

以下、本実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの製造方法について説明する。
本実施形態に係るインクジェット記録ヘッドは、ノズルプレート１０、キャビティプレート１２及びガラス基板１４を個別に製造し、しかる後に、これらを貼り合わせることにより製造される。キャビティプレート１２及びガラス基板１４は、例えば、特開平５−５０６０１号公報などに記載されている公知の方法によって製造できる。従って、本明細書においては、インクノズル２２のエッチング方法を中心にノズルプレート１０の製造方法を説明する。

先ず、例えば、厚さが１８０μｍのシリコンウエハ２４を用意し、当該シリコンウエハ２４を熱酸化させて、その全周囲にマスクしての厚さが例えば１．２μｍのＳｉＯ₂膜２６ａを形成する。

次に、図２（Ａ）に示すように、シリコンウエハ２４の一方の側の表面２４ｂを覆っているＳｉＯ₂膜２６の一部分をエッチングして、インク供給口２０及びインクリザーバ１８を形成するためのパターン２８ａを形成する。エッチング液としては、フッ化アンモニウム（ＨＦ：ＮＨ₄Ｆ＝８８０ｍｌ：５６１０ｍｌ）を使用することができる。

次に、図２（Ｂ）に示すように、シリコンウエハ２４をエッチング液に漬けてシリコンウエハ２４の露出部分（パターン２８ａの部分）に対して異方性ウエットエッチングを施し、インク供給口２０及びインクリザーバ１８に対応する三角形断面の溝３０を形成する。この場合に使用するエッチング液としては、水酸化カリウム水溶液であって、濃度が１５ｗｔパーセントで液温９０℃のものを使用できる。エッチング終了後は、ＳｉＯ₂膜２６ａをフッ酸水溶液で全て剥離する。

次に、図２（Ｃ）に示すように、再度、シリコンウエハ２００の全周囲を熱酸化して、マスクとしてのＳｉＯ₂膜２６ｂを形成する。この場合においても、ＳｉＯ₂膜２６ｂの厚みは１．２μｍにすればよい。そして、シリコンウエハ２４の反対側の表面２４ａを覆っているＳｉＯ₂膜２６ｂの一部分をエッチングして、インクノズル２２を開口させる領域周辺に対応したパターン２８ｂを形成する。エッチング液としては、フッ化アンモニウム（ＨＦ：ＮＨ₄Ｆ＝８８０ｍｌ：５６１０ｍｌ）を使用することができる。

次に、図２（Ｄ）に示すように、シリコンウエハ２４をエッチング液に漬けてシリコンウエハ２４の露出部分（パターン２８ｂ）に対して異方性ウエットエッチングを施し、インクノズル２２を開口させる領域周辺に対応した溝３２を形成する。この場合に使用するエッチング液は、水酸化カリウム水溶液であり、その濃度は１５ｗｔパーセントで液温９０℃のものを使用できる。エッチング終了後は、ＳｉＯ₂膜２６ｂをフッ酸水溶液で全て剥離する。

次に、図２（Ｅ）に示すように、ノズルプレート１０とは別に作製された、キャビティプレート１２、及びガラス基板１４を張り合わせる。ノズルプレート１０とキャビティプレート１２とを張り合わせることで、当該プレート壁を内壁として構成されたインクキャビティ１６、インク供給口２０、インクリザーバ１８が形成される。

次に、図２（Ｆ）に示すように、シリコンウエハ２４の表面２４ａにレジスト膜３４を形成し、インクノズル２２に対応したパターン３４ａを形成する。ここで、シリコンウエハ２４を部分エッチングするためのレジスト膜３４には感光性の樹脂レジスト膜が用いられる。パターン３４ａを形成するための樹脂レジスト膜を、溝３２の表面に均一に形成することは、スピンコートを用いては困難である。故に、この部分の樹脂レジスト膜は、均一な厚さになるようにスプレーを用いて塗布することにより形成される。このようにしてシリコンエッチング用のレジスト膜３４を形成する。

次に、図２（Ｇ）に示すように、インク吐出方向側の表面から、ＩＣＰ放電による異方性ドライエッチングをシリコンウエハ２４に施す。これにより、パターン３４ａに対応した形状で、インク吐出方向側の表面から漸次開口が大きくなるテーパ状（即ち、インク吐出方向に向かって漸次開口が小さくなるテーパー状）にエッチングされて、シリコンウエハ２４を貫通する貫通孔３６が形成される。この貫通孔３６が、インクノズル２２となる。

このＩＣＰ放電による異方性ドライエッチングはサイクルエッチングであり、例えば、エッチングガスとしてＳＦ₆、デポガスとしてＣ₄Ｆ₈を使用し、これらのエッチングガスを交互に使用する。ここで、デポガスとしてのＣ₄Ｆ₈は形成される溝の側面にエッチングが進行しないように溝側面を保護するために使用し、エッチングガスとしてのＳＦ₆はシリコンウエハの垂直方向のエッチングを促進させるために使用する。このサイクルエッチングを施すことで、簡易な設備で且つ連続的に上記テーパー状のインクノズル２２が形成される。

また、このエッチングガスの導入時間をＴｅ、デポガスの導入時間をＴｄとしたとき、これらの比（Ｔｅ／Ｔｄ）を制御することでインクノズルのテーパー角度（側壁形状）を調整することができる。このＴｅ／Ｔｄ比を適宜制御することこれにより、簡単なエッチング条件の管理で任意のテーパー角度のノズル形状を実現できる。その例を下記表１に示す。またその関係図も図３に示す。図３はエッチングガスの導入時間Ｔｅとデポガスの導入時間Ｔｄとのサイクル時間比（Ｔｅ／Ｔｄ）とテーパー角度との関係を示す図である。なお、テーパー角度とはインクノズル２２の内壁とノズルプレート１０のインクノズル２２形成面との角度である。

ここで、インクノズル２２のテーパー角度は、インクの吐出安定性から９２°〜９６°の範囲が好ましい。このため、上記表１の結果から、Ｔｅ／Ｔｄ比は２．００〜２．４０の範囲であることが好ましい。

以上、説明したように、本実施形態では、シリコン単結晶材料からなるノズルプレート１０において、インクノズル２２の内壁形状を全て上記テーパー状の断面形状を実現している。このため。インクノズル２２が筒状部とテーパー部とで構成される場合に比べ、インクの吐出安定性をより向上させている。

また、本実施形態では、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）としてＩＣＰ放電による異方性ドライエッチングを施して上記テーパー状のインクノズル２２を形成するので、ヘッド作製工程においていつでもインクノズル２２を形成することができると共に、ウエットエッチングを採用する場合に比べ精度良く且つ簡易にノズルを形成することができる。

また、本実施形態では、ノズルプレート１０の外壁からＩＣＰ放電による異方性ドライエッチングを施すので、任意のヘッド作製工程でインクノズル２２を形成でき、その一例としてノズルプレート１０と、キャビティプレート１２と、ガラス基板１４と、を貼り合わせた後、インクノズル２２を形成している。このように、全ての部材の加工、組み立てが終了した後、インクノズル２２を形成することで、ヘッド内部に異物の混入が最大限抑制することができる。

本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドを示す概略断面図である。本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの製造方法を示す工程図である。本発明の実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの製造方法において、サイクル時間比（Ｔｅ／Ｔｄ）とノズルのテーパー角度との関係を示す図である。

符号の説明

１０ノズルプレート
１２キャビティプレート
１４ガラス基板
１６インクキャビティ
１８インクリザーバ
２０インク供給口
２２インクノズル
２４シリコンウエハ

Claims

液体を吐出するノズルが設けられると共に、前記ノズルに連通する加圧室の内壁の一部を構成する第１シリコン単結晶基板と、
前記第１基板に積層されると共に、前記ノズルに連通する加圧室の内壁の一部を構成する第２シリコン単結晶基板と、
を備え、
前記ノズルは液体の吐出方向に向かって開口径が漸次小さくなるテーパー状の断面形状であるインクジェット記録ヘッド。
液体を吐出するノズルが設けられると共に、前記ノズルに連通する加圧室の内壁の一部を構成する第１シリコン単結晶基板と、
前記第１基板に積層されると共に、前記ノズルに連通する加圧室の内壁の一部を構成する第２シリコン単結晶基板と、
を備え、
前記ノズルは液体の吐出方向に向かって開口径が漸次小さくなるテーパー状の断面形状であるインクジェット記録ヘッドの製造方法であって、
前記ノズルを、液体の吐出方向側の前記第１シリコン単結晶基板面から、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）により形成することを特徴とするインクジェット記録ヘッドの製造方法。
前記反応性イオンエッチングは、エッチングガス及びデポガスを交互に導入するサイクルエッチングであることを特徴とする請求項２に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。
前記サイクルエッチングにおいて、前記エッチングガスの１サイクル中に導入される導入時間をＴｅ、前記デポガスの１サイクル中における導入時間Ｔｄとしたとき、Ｔｅ／Ｔｄを制御することにより前記ノズルの内壁のテーパー角度を調整することを特徴とする請求項３に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。
前記第１シリコン単結晶基板と前記第２シリコン単結晶基板とを積層した後、第１シリコン単結晶基板に前記ノズルを形成することを特徴とする請求項２に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。