JP2007076141A

JP2007076141A - 液滴吐出ヘッドの製造方法

Info

Publication number: JP2007076141A
Application number: JP2005266479A
Authority: JP
Inventors: Koji Kitahara; 浩司北原; Kazufumi Otani; 和史大谷
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2005-09-14
Filing date: 2005-09-14
Publication date: 2007-03-29

Abstract

【課題】液滴吐出ヘッドを構成するキャビティ基板を効率よくしかも高精度に加工し、高精度の液滴吐出ヘッドを得る。
【解決手段】電極８が形成されたガラス基板２と、液体を貯えて吐出させる吐出室５となる凹部を含む液体流路が形成されるシリコン基板４１とを、電極８と吐出室５となる底面部分とをギャップＧを介して対向させて接合した後、シリコン基板４１に液体流路を形成する液滴吐出ヘッドの製造方法であって、ガラス基板２と接合されたシリコン基板４１を機械加工して薄板化し、その機械加工が施された面を鏡面化し、さらにシリコン基板４１の鏡面化された面の加工変質層をエッチングにより除去した後、ウェットエッチングを利用して該シリコン基板４１に液体流路を形成する。
【選択図】図４

Description

本発明はインクやその他の液体を吐出する液滴吐出装置に用いられる液滴吐出ヘッドに関する。

インクジェットヘッドなどの液滴吐出ヘッドの製造方法において、電極が形成されたガラス基板にシリコン基板を接合した後、そのシリコン基板をエッチングして吐出液体の流路となるキャビティを形成する方法が知られている（例えば特許文献１）。
また、電極が形成されたガラス基板にシリコン基板を接合した後、そのシリコン基板を機械加工により薄型化し、その薄型化された面の加工変質層をウェットエッチングまたはドライエッチングにより除去して、その後そのシリコン基板をエッチングして吐出液体の流路となるキャビティを形成する方法が知られている（例えば特許文献２）。

特開平１１−９９３号公報特開２００５−８１６２０号公報

しかしながら、電極基板に接合されたシリコン基板を機械加工して生じた加工変質層を、ウェットエッチングまたはドライエッチングだけを利用して除去したのでは、加工変質層は除去できても、その除去面はエッチングに起因して表面粗さの粗い面となる。従って、その後に上記加工面側から吐出室などをウェットエッチングにより形成する際、そのために形成するパターンに欠陥が生じたり、そのパターンが精度良く形成できないため、吐出室形状やその他の流路形状を高精度に形成できないという問題があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、吐出室を含む流路が形成されるキャビティプレートを、効率よくしかも高精度に加工するための方法を提案することにより、結果として、キャビティプレートを備える液滴吐出ヘッドを、高精度で生産性良く製造できる方法を提供しようとするものである。

本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、電極が形成された電極基板と、液体を貯えて吐出させる吐出室となる凹部を含む液体流路が形成されるシリコン基板とを、前記電極と前記凹部となる底面部分とをギャップを介して対向させて接合した後、前記シリコン基板に前記液体流路を形成する液滴吐出ヘッドの製造方法であって、前記電極基板と接合された前記シリコン基板を機械加工して薄板化し、前記シリコン基板の前記機械加工が施された面を鏡面化し、前記シリコン基板の鏡面化された面の加工変質層をエッチングにより除去した後、前記シリコン基板に前記液体流路を形成するものである。

鏡面化しかつ加工変質層をエッチングにより除去したシリコン基板の表面は、単にエッチングしただけのシリコン基板の表面よりその表面の面粗さが細かくなる。すなわち面の凹凸の度合いが低減する。このため、吐出室などをウェットエッチングにより形成する際のパターンの欠陥発生が抑制され、またそのパターンの精度も改善されるため、吐出室形状やその他の流路形状を高精度に形成できる。

なお、前記シリコン基板の鏡面化はドライポリッシングにより行うことが好ましい。これによれば、その処理時、電極基板に形成した液体供給口などの貫通穴からシリコン基板のポリッシング面と反対面にポリッシング液が侵入することがないため、加工に際して特別な処置が不要となる。

また、前記加工変質層の除去はドライエッチングまたはスピンエッチングにより行うことが好ましい。これらのエッチングによれば、その処理時、電極基板に形成した液体供給口などの貫通穴からシリコン基板のエッチング面と反対面にエッチング液が侵入することがないため、加工に際して特別な処置が不要となる。

さらに、前記シリコン基板に対する前記液体流路の形成をウェットエッチングを利用して行うことが好ましい。鏡面化しかつ加工変質層をエッチングにより除去した後のウェットエッチングは、エッチング速度のばらつきが小さくなり、吐出室形状やその他の流路形状を高精度にしかも効率良く形成することが可能となる。

実施の形態１
図１は本発明の第１の実施の形態に係る液滴吐出ヘッドを分解して表した図である。図１はフェイス吐出型の液滴吐出ヘッドを表している。図１に示すように、この液滴吐出ヘッドは、キャビティプレート１、ガラス基板２、ノズルプレート３の３つの基板が積層されてなる。
キャビティプレート１は、例えば厚さ約５０μｍで、１１０面方位のシリコン単結晶基板（以下、単にシリコン基板という）から構成されている。キャビティプレート１には、吐出される前の液滴が保持される複数の吐出室５、各吐出室５に供給する液体をためておく各吐出室に共通のリザーバ７などの流路が形成されている。なお、吐出室５の底面を構成する底壁は吐出室５の液圧を変化させる振動板４として作用する。

また、キャビティプレート１の下面（ガラス基板２と対向する面）には、絶縁膜となるＴＥＯＳ膜（Tetraethyl orthosilicate Tetraethoxysilane：テトラエトキシシランを用いてできるＳｉＯ₂ 膜をいう）１４を、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などを用いて０．１μｍ程度成膜している。これは、液滴吐出ヘッドを駆動させた時の絶縁膜破壊及び短絡を防止するためである。さらに、キャビティプレート１の上面（ノズルプレート３と対向する面）には、液体保護膜１５となるＳｉＯ₂ 膜（ＴＥＯＳ膜を含む）を、プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法により成膜している。これはインク等の液体によって流路が腐食するのを防ぐためである。また、液体保護膜１５の応力とキャビティプレート１の下面に成膜したＴＥＯＳ膜１４の応力とを相殺させ、振動板４の反りを小さくすることができる効果も期待できる。
また、キャビティプレート１には、キャビティプレート１の通電部として共通電極１９が設けられている。

ガラス基板２（電極基板ともいう）は、厚さ約１ｍｍであり、図１で見るとキャビティプレート１の下面に接合される基板である。本実施の形態では、ガラス基板２となるガラスとして、ホウ珪酸系の耐熱硬質ガラスを用いることにする。ガラス基板２には、キャビティプレート１に形成される各吐出室５に合わせて、エッチングにより深さ約０．２μｍの凹部９が設けられる。そして、凹部９の内側に、個別電極８、リード部１０及び電極端子１１からなる複数の電極を設ける。リード部１０は個別電極８と電極端子１１を繋ぐ部分であり、電極端子１１は個別電極８を外部機器（例えば電源）に接続する際などに利用される部分である。なお、特に区別する必要がない場合は、個別電極８、リード部１０及び電極端子１１を合わせて個別電極（又は電極）８として説明する。

本実施の形態では、個別電極８の材料として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、例えばスパッタ法を用いて０．１μｍの厚さで凹部９内側に形成するものとする。その際、後述するように、個別電極８とガラス基板２に接合するシリコン基板とを等電位にするための接点（以下、等電位接点という）となるＩＴＯパターン２４も個別電極８と同時に成膜しておく。
なお、個別電極８の材料はＩＴＯに限定するものではなく、クロム等の金属等を材料に用いてもよい。本実施の形態においては、透明であるので放電したかどうかの確認が行い易い等の理由でＩＴＯを用いることとする。
また、ガラス基板２には、リザーバ７と連通して外部タンク（図示せず）からリザーバ７への流路となる液体供給口１３も設けられている。

振動板４と個別電極８との間には、後述する図２に示すように、振動板４の振動空間として機能するギャップＧが構成されるが、その幅は凹部９の深さ、個別電極８及び振動板４（ＴＥＯＳ膜１４）の厚さにより決まる。この例の場合、そのギャップ幅は約０．１μｍとなっている。ギャップＧの幅は液滴吐出ヘッドの吐出特性に大きく影響するため、厳格な精度管理が行われる。

ノズルプレート３は、例えば厚さ約１８０μｍのシリコン基板で構成され、ガラス基板２とは反対の面（図１の場合には上面）で、キャビティプレート１と接合されている。図１から見て、ノズルプレート３の上面には、吐出室５で加圧されたインク等の液体を液滴として吐出するノズル孔１２が形成されている。また、キャビティプレート１のリザーバ７に対応する部分には、リザーバ７内の液体の圧力変動を吸収するためのダイヤフラム１８が形成されている。さらに、ノズルプレート３の下面には、吐出室５とリザーバ７とを連通させるオリフィス６も形成されている。
なお、ここではノズル孔１２を有するノズルプレート３を上面とし、ガラス基板２を下面として説明するが、実際には、ノズルプレート３の方がガラス基板２よりも下面となって用いられることが多い。

図２は図１の液滴吐出ヘッドの断面図である。図２（ａ）は吐出室５を長手方向に割断した部分の断面図、図２（ｂ）は等電位接点部分の拡大断面図を表している。吐出室５は吐出前の液体を溜めておき、吐出室５の底壁を構成する振動板４を撓ませることにより、吐出室５内の圧力を高めて、液滴をノズル孔１２から吐出させる作用を果たす。本実施の形態で振動板４は、高濃度のボロン（Ｂ）をシリコン基板に拡散したボロンドープ層から構成している。振動板４となるボロンドープ層の厚さは、例えば約０．８μｍである。
また、ギャップＧに、異物、水分（水蒸気）等が浸入しないように、ギャップＧを外気から遮断し、密閉する封止材２６がギャップＧの端部に設けられている。

キャビティプレート１の共通電極１９は、ワイヤ２３を介して発振回路２２に接続されている。また、ガラス基板２の電極端子１１も、ワイヤ２３を介して発振回路２２に接続されている。発振回路２２は、例えば２４ｋＨｚで発振し、個別電極８に０Ｖと３０Ｖのパルス電位を印加して電荷の供給及び停止を行う。すなわち、発振回路２２が発振駆動することで、例えば個別電極８に電荷を供給して正に帯電させ、振動板４を相対的に負に帯電させると、静電気力により個別電極８に引き寄せられて撓む。これにより吐出室５の容積は広がる。そして電荷供給を止めると振動板４は元に戻るが、そのときの吐出室５の容積も元に戻るから、その圧力により差分の液滴２０が吐出する。この液滴２０が例えば記録対象となる記録紙２１に着弾することによって印刷等の記録が行われる。なお、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。

図３はガラス基板２を上面から見た図である。通常、液滴吐出ヘッドはウェハー単位で作られ、最終的に各液滴吐出ヘッド（ヘッドチップ）に切り離される。本実施の形態では、等電位接点を各ヘッドチップに独立して設け、それを利用して陽極接合時にキャビティプレート１と個別電極８との間を等電位に保つようにする。等電位接点となる部分については、ガラス基板２に凹部９を形成する際、エッチングせず残しておく。そして、その上に、導電性であるＩＴＯ０．１μｍを個別電極８とともに成膜し、ＩＴＯパターン２４を形成する。したがって、等電位接点は、ガラス基板２表面よりもＩＴＯパターン２４の分だけ０．１μｍ突出していることとなる。一方、キャビティプレート１においては、等電位接点に対応する部分のＴＥＯＳ膜（０．１μｍ）を取り除き、キャビティプレート１の主となる材料であるシリコン基板（ボロンドープ層）を露出する窓を形成する。この窓を介してシリコン基板とＩＴＯパターン２４とを接触させることで、陽極接合時において、ＩＴＯパターン２４と電気的に接続されている個別電極８とシリコン基板との等電位を確保する。

大気開放穴２８はこの液滴吐出ヘッドの外部と凹部９とを連通させ、陽極接合によって形成される前述したギャップＧが密閉された状態になるのを防ぐためのものである。たとえば、陽極接合時等、各基板への加熱等による酸素等の気体発生によってギャップＧ内が加圧されるのを防ぐためのものである。なお、この大気開放穴２８は、サンドブラスト法や切削加工等により形成する。また大気開放穴２８は、最終的にはダイシングにより液滴吐出ヘッドと切り離されるので、完成した液滴吐出ヘッドには残らない。

ダイシングライン２７は、ウェハーに一体形成された複数の液滴吐出ヘッドを切り離す際のラインである。したがって、図３においてダイシングライン２７よりも右側及び上側にある部分は、完成した液滴吐出ヘッドには残らない。なお、図３の液滴吐出ヘッドでは、個別電極８等の部材を５つしか記載していないが、実際には１つの液滴吐出ヘッドには多くのノズル孔１２が存在し、その数に応じた個別電極８が形成されている。

図４及び図５は第１の実施の形態に係る液滴吐出ヘッドの製造工程を表す図である。以下、これらの図４及び図５に示す工程に沿って上記液滴吐出ヘッドの製造方法を説明する。なお、これらの図では、吐出室５と個別電極８からなる静電アクチュエータの部分が基本的に表されているが、図の左端部はその静電アクチュエータの部分ではなく、等電位接点の部分を表している。

（ａ）ここではガラス基板２を作製する。まず約１ｍｍのガラス基板を用意し、その一方の面に対し、個別電極８の形状パターンに合わせて０．２μｍの深さの凹部９を形成する。凹部９は、例えばクロム／金の膜をガラス基板２にスパッタで形成し、それをフォトリソグラフィーによりパターニングしてマスクとし、その後、ふっ酸水溶液でガラス基板２をエッチングして形成することができる。なお、等電位接点となる部分については、エッチングを行わずに残しておく。等電位接点の形状については、キャビティプレート１のシリコン基板と個別電極８とを接触させて等電位にすることができればその形状は問わない。凹部９及び等電位接点の形成後、例えばスパッタリング法を用いて、０．１μｍの厚さの個別電極８及びＩＴＯパターン２４を同時に形成する。最後に液体供給口１３及び大気開放穴２８をサンドブラスト法または切削加工により形成する。これにより、ガラス基板２が作製される。

（ｂ）一方で、ガラス基板２に接合されてキャビティプレート１となるシリコン基板を準備する。表面が（１１０）面方位の酸素濃度の低いシリコン基板４１の片面（ガラス基板２との接合面側となる）を鏡面研磨し、例えば２２０μｍの厚みのシリコン基板４１を作製する。
次に、シリコン基板４１の鏡面研磨した面を、Ｂ₂Ｏ₃を主成分とする固体の拡散源に対向させて石英ボートにセットする。さらに縦型炉に石英ボートをセットして、炉内を窒素雰囲気にし、温度を１０５０℃に上昇させて７時間保持することで、ボロンをシリコン基板中に拡散させ、ボロンドープ層４２を形成する。ここでボロンドープ層４２の形成工程においては、炉へのシリコン基板４１（石英ボート）の投入温度を８００℃とし、さらにシリコン基板４１の取出し温度も８００℃とする。これにより、シリコン基板４１内の酸素による酸素欠陥の成長速度が速い領域（６００℃から８００℃）をすばやく通過させることができる為、酸素欠陥の発生を抑えることができる。取り出したボロンドープ層４２の表面にはボロン化合物が形成されているが（図示なし）、酸素及び水蒸気雰囲気中、６００℃の条件で１時間３０分酸化することで、ふっ酸水溶液によるエッチングが可能なＢ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂に化学変化させることができる。Ｂ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂に化学変化させた状態で、Ｂ₂Ｏ₃＋ＳｉＯ₂をふっ酸水溶液にてエッチング除去する。

続いて、シリコン基板４１のボロンドープ層４２を形成した面に、プラズマＣＶＤ法により、ＴＥＯＳ膜１４を、成膜時の処理温度は３６０℃、高周波出力は２５０Ｗ、圧力は６６．７Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）、ガス流量はＴＥＯＳ流量１００ｃｍ³／ｍｉｎ（１００ｓｃｃｍ）、酸素流量１０００ｃｍ³／ｍｉｎ（１０００ｓｃｃｍ）の条件で０．１μｍ成膜する。さらに、成膜したＴＥＯＳ膜１４の表面にレジストを塗布し、等電位接点においてシリコンを露出させる窓を作り込む為のレジストパターニングを施す。そして、ふっ酸水溶液でウェットエッチングを行ってＴＥＯＳ膜１４をパターニングし、窓を形成する。パターニングした後レジストを剥離する。

（ｃ）その後、シリコン基板４１とガラス基板２を３６０℃に加熱した後、ガラス基板２に負極、シリコン基板４１に正極を接続して、８００Ｖの電圧を印加して陽極接合を行う。この時、電圧の昇圧レートを速くし過ぎると、等電位接点に大電流が流れ、電極８となるＩＴＯにダメージが加わってしまう為、電流が１０ｍＡを越さないように確認しながら、接合すると良い。この陽極接合時に、シリコン基板４１とガラス基板２の界面において、ガラスが電気化学的に分解され酸素が気体となって発生する場合がある。また加熱によって表面に吸着していたガス（気体）が発生する場合もある。しかしながら、これらの気体が大気開放穴２８から逃げる為、ギャップ内が正圧になることは無い。

（ｄ）続いて、陽極接合後のシリコン基板４１の厚みが約６０μｍになるまでシリコン基板４１表面の機械加工（研削加工）を行う。この加工によって、シリコン基板４１の表面には研削跡が残り、その表面粗さ（Rmax）は１００ｎｍ程度となる。さらに、シリコン基板４１の機械加工面を、研削面が残らないノンダイヤモンド砥石からなるドライポリッシャーなどを利用したドライポリッシングにより２μｍ程度研削しながら、その表面を鏡面化する。これによりシリコン基板４１の表面粗さを１０ｎｍ程度とすることができる。ドライポリッシングの条件は、例えば、スピンドル回転数１５００ｒｐｍ、ウェハー（シリコン基板４１）回転数３００ｒｐｍ、加工荷重５０−６０Ｎである。
その後、シリコン基板４１の鏡面化した側の全面をドライエッチングにより８〜１０μｍ程度エッチングし、機械加工により生じた加工変質層を除去する。このドライエッチングには、ＣＦ₄をエッチングガスとした反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、またはＳＦ₆をエッチングガスとした誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）エッチングなどが利用できる。

このようにシリコン基板４１の表面をドライポリッシングにより鏡面化した後、ドライエッチングすることにより、シリコン基板４１の表面は鏡面化した状態よりは悪化するが、研削加工したままの表面より面粗さを細かくできる。すなわち、表面粗さ（Rmax）を１００ｎｍ以下に抑制できる。これにより、この表面に形成する流路形成のためのパターンの欠陥が低減し、そのパターン精度も向上する。また、ドライエッチングは、基板の全体をエッチング液に浸す加工方法ではないため、ガラス基板２に形成された液体供給口１３などから、シリコン基板４１側にエッチング液が入り込むのを回避する処理が不要となり、エッチング工程も簡略化できる。

なお、ドライエッチングに代えて、基板を回転させながらエッチングを行うスピンエッチングにより、シリコン基板４１の表面をエッチングして上記加工変質層を除去してもよい。その場合に基板上に塗布するエッチング液としては、例えばふっ酸と硝酸の混合液などを用いることができる。スピンエッチングも基板の全体をエッチング液に浸す加工方法ではないため、ガラス基板に形成された液体供給口１３などから、シリコン基板４１側にエッチング液が入り込むのを回避する処理が不要となりエッチング工程を簡略化できる。

（ｅ）次に、ウェットエッチングを行った面に対し、ＴＥＯＳによるエッチングマスク（以下、ＴＥＯＳエッチングマスクという）４３をプラズマＣＶＤ法により成膜する。成膜条件としては、例えば、成膜時の処理温度は３６０℃、高周波出力は７００Ｗ、圧力は３３．３Ｐａ（０．２５Ｔｏｒｒ）、ガス流量はＴＥＯＳ流量１００ｃｍ³ ／ｍｉｎ（１００ｓｃｃｍ）、酸素流量１０００ｃｍ³ ／ｍｉｎ（１０００ｓｃｃｍ）の条件で１．０μｍ成膜する。ＴＥＯＳを用いた成膜は比較的低温で行うことができるので、基板の加熱をできる限り抑えられる点で都合がよい。

（ｆ）続いて、大気開放穴２８に例えばエポキシ系接着剤２８Ａを流し込み、大気開放穴２８を封止する。これによりギャップＧは密閉状態となるため、以後の工程で大気開放穴２８からギャップＧへ液体等が入り込むことが無くなる。なお、大気開放穴２８の封止は、ＴＥＯＳエッチングマスクを成膜した後に行うのが好ましい。ＴＥＯＳエッチングマスクの成膜前に大気開放穴２８の封止を行うと、閉じこめられたギャップＧ内の気圧が、ＴＥＯＳエッチングマスク成膜時に膨張し、薄くなったシリコン基板を押し上げて、シリコン基板が割れる可能性があるからである。
ついで、吐出室５に対応する部分のＴＥＯＳエッチングマスク４３をエッチングするために、レジストパターニングを施す。そしてＲＩＥ（Reactive Ion Etching)プラズマエッチング装置を用いて、ＴＥＯＳエッチングマスク４３がなくなるまでエッチングし、ＴＥＯＳエッチングマスク４３をパターニングする。エッチング条件は、例えば、高周波出力２５０Ｗ、圧力は１．３Ｐａ（０．０１Ｔｏｒｒ）、ＣＨＦ₃ガス流量５ｃｍ³ ／ｍｉｎ（５ｓｃｃｍ）である。エッチング後、レジストを剥離する。このように、ＴＥＯＳエッチング膜４３をドライエッチングによりパターニングすることで、吐出室５に対応する部分を垂直に開口させることができ、パターン寸法精度を向上させることができる。

（ｇ）さらに、リザーバ７及び電極取出し口２５となる部分のＴＥＯＳエッチングマスク４３をエッチングするため、レジストパターニングを施す。そして、ふっ酸水溶液でそれらの部分のＴＥＯＳエッチングマスク４３を０．７μｍエッチングしてＴＥＯＳエッチングマスク４３をパターニングする。これによりリザーバ及び電極取出し口となる部分に残っているＴＥＯＳエッチングマスク４３の厚みは０．３μｍとなるがシリコン基板は露出しない。ここでは、残すＴＥＯＳエッチングマスク４３の厚みを０．３μｍとするが、所望するリザーバ７の深さによって、この厚みを調整する必要がある。そして、エッチングした後にレジストを剥離する。

（ｈ）次に、接合済み基板を３５ｗｔ％の濃度の水酸化カリウム水溶液に浸し、吐出室５となる部分の厚みが約１０μｍになるまでウェットエッチングを行う。

（ｉ）そしてリザーバ７及び電極取出し口と２５なる部分のＴＥＯＳエッチングマスク４３を除去する為、ふっ酸水溶液に接合済み基板を浸してエッチングを行い、除去する。

（ｊ）さらに、接合済み基板を３ｗｔ％の濃度の水酸化カリウム水溶液に浸し、ボロンドープ層４２において、エッチングストップが十分効いたものと判断するまでエッチングを続ける。このように、前記２種類の濃度の異なる水酸化カリウム水溶液を用いたエッチングを行うことによって、形成される振動板４の面荒れを抑制し、厚み精度を０．８０±０．０５μｍ以下にすることができる。その結果、液滴吐出ヘッドの吐出性能を安定化することができる。

ここで、本実施の形態ではリザーバ７及び電極取出し口２５となる部分の厚みが所定の厚さとなるようにウェットエッチングを行う時間を制御する。本実施の形態では、約５μｍ又はそれ以上（より好ましくは２０μｍ）となるようにウェットエッチングを行う時間を制御する。電極取出し口２５となる部分は、吐出室５（振動板４）となる部分に比べ、大きな面積を有する。そのため、ウェットエッチングにより、電極取出し口２５となる部分に振動板４と同じ厚みの薄膜（ボロンドープ層４２）しか残らないようにしてしまうと、この部分の剛性が非常に弱くなってしまい、機械的な振動、ギャップ内に挟まった異物が押し上げる力等によって、割れる場合がある。特にギャップ内に気体が発生すると、成膜等、真空チャンバ内での工程を行う場合には、ギャップ内外の気圧差が大きくなるため割れやすくなる。そのため、割れた際の破片等の異物がギャップに混入したり、後の工程でエッチャント等の液体がギャップに浸入するおそれがある。とはいえ、ウェットエッチングを全く行わずに残したままでは、後の工程で電極取出し口２５となる部分を除去するのに時間がかかることになる。

そこで、電極取出し口２５となる部分にウェットエッチングを行う際に、その工程の後も電極取出し口２５となる部分に対して必要な厚さを持たせ、剛性を持たせる構造にする。そして、ウェットエッチング工程、またその後の工程において、電極取出し口２５となる部分からシリコン基板４１が割れるのを防ぎ、ギャップ内に異物、薬液等が浸入するのを防ぐ。

一方、リザーバ７となる部分に対して、２０μｍ程度の厚みによる剛性を持たせるのは、リザーバ７の下側（図１等参照）にも位置する電極８（リード部１０）により、静電引力が生じるが、これによりリザーバ７が撓んで変形するのを防ぐためである。ここで、本実施の形態では、前述した（ｇ）の工程において、ＴＥＯＳエッチングマスク４３のパターニングを同時に行って、同じ厚さのＴＥＯＳエッチングマスク４３を残す関係で、リザーバ７及び電極取出し口２５となる部分の厚みが同じになっているが、それに限定されるものではない。その目的に応じた剛性を持たせることができれば、それぞれ異なる厚さにしてもよい。

（ｋ）ウェットエッチングを終了すると、接合済み基板をふっ酸水溶液に浸し、シリコン基板４１表面のＴＥＯＳエッチングマスク４３を剥離する。

（ｌ）次に、シリコン基板４１の電極取出し口２５となる部分のシリコンを除去する為に、電極取出し口２５となる部分が開口したシリコンマスクを接合済み基板のシリコン基板４１側の表面に取り付ける。そして、例えば、ＲＦパワー２００Ｗ、圧力４０Ｐａ（０．３Ｔｏｒｒ）、ＣＦ₄流量３０ｃｍ³／ｍｉｎ（３０ｓｃｃｍ）の条件で、ＲＩＥドライエッチング（異方性ドライエッチング）を２時間行い、電極取出し口２５となる部分のみにプラズマを当てて、開口する。開口することでギャップについても大気開放される。

従来は電極取出し口２５となる部分に残った薄膜をピン等で突いて壊し、大気開放させる方法を採っていた。しかしながら、壊した際に異物が周囲に飛び散り、ノズルプレート３とキャビティプレート１との接着不良、ギャップへの異物混入による封止不良を引き起こしていた。このようにドライエッチングにより電極取出し口２５となる部分のシリコンを除去することで、異物を発生させずに大気開放することができる。ここで、本実施の形態では、接合済み基板とシリコンマスクとのアライメント精度を高めるため、シリコンマスクの装着は、接合済み基板とシリコンマスクとにピンを通すピンアライメントにより行うものとする。

（ｍ）キャビティプレート１の上面にプラズマＣＶＤ法によりＴＥＯＳ膜による液体保護膜１５を、成膜時の処理温度は３６０℃、高周波出力は２５０Ｗ、圧力は６６．７Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）、ガス流量はＴＥＯＳ流量１００ｃｍ³／ｍｉｎ（１００ｓｃｃｍ）、酸素流量１０００ｃｍ³／ｍｉｎ（１０００ｓｃｃｍ）の条件で０．１μｍ成膜する。液体保護膜１５は、上述したように、プラズマＣＶＤ法以外にもスパッタリング法によって成膜したＳｉＯ₂膜で形成してもよい。

本実施の形態では、電極取出し口２５となる部分を開口した後に液体保護膜１５を成膜している。電極取出し口２５の開口前に液体保護膜１５を成膜するとなると、ギャップ内が密閉状態になっているので、成膜時の処理温度によってギャップ内の気体が膨張して、薄膜部を破壊する可能性があるからである。したがって、このように、まず電極取出し口２５となる部分を開口してギャップ内を大気開放するのが好ましい。

（ｎ）電極取出し口部２５（電極端子１１）に残っている液体保護膜１５を除去する為に、再度、シリコンマスクをシリコン基板４１表面に取り付け、例えば、ＲＦパワー２００Ｗ、圧力４０Ｐａ（０．３Ｔｏｒｒ）、ＣＦ₄流量３０ｃｍ³／ｍｉｎ（３０ｓｃｃｍ）の条件でＲＩＥドライエッチングを２０分間行い、電極取出し口部２５のみに、プラズマにより励起されたイオンを当てて、異方性エッチングを行う。ここで、本工程においても、シリコンマスクの装着は、接合済み基板とシリコンマスクとにピンを通して行うピンアライメントにより行う。

（ｏ）そして、例えばエポキシ樹脂からなる封止材２６を、電極取出し口２５の端部（キャビティプレート１とガラス基板２の凹部との間で形成されるギャップの開口部分）に沿って流し込み、ギャップＧを封止する。これにより、接合済み基板に行う加工処理は完了する。

（ｐ）その後、あらかじめ作製していたノズルプレート３を例えば、エポキシ系接着剤により、接合済み基板のキャビティプレート１側から接着する。

（ｑ）さらに、ダイシングライン２７に沿ってダイシングを行い、個々の液滴吐出ヘッドに切断し、液滴吐出ヘッドが完成する。ここで、陽極接合時に、電気的につながっていた各電極８は分断され、ノズル毎に独立する。また、大気開放穴２８及びそこに連通するガラス溝も切断される。

以上のような方法によれば、ガラス基板２とシリコン基板４１を接合した後に、接合されたシリコン基板４１に対して吐出室等の各流路を形成するため、取り扱いが容易で、基板の割れも低減することができ、且つ基板の大口径化が可能となる。大口径化が可能となれば、一枚の基板から多くの液滴吐出ヘッドを取出すことができるため、生産性を向上させることができる。
また、機械加工により生じた加工変質層を鏡面化した後、エッチングにより除去したことで、その面粗さが細かくなる。このため、その面側から吐出室などをウェットエッチングにより形成する際のパターンの欠陥発生が抑制され、またそのパターンの精度も改善されるため、吐出室形状やその他の流路形状を高精度にしかも効率よく形成できる。

さらに、電極取出し口２５となる部分を機械的に割るのではなく、ドライエッチング法を用いて電極取出し口２５となる部分の開口を行うようにしたので、破片等の異物が発生することなく、異物付着によるノズルプレート３とキャビティプレート１との接着不良、封止材２６を用いた際のギャップ封止不良等を防ぐことができる。また、ＴＥＯＳを用いたプラズマＣＶＤ、スパッタリングにより、液体保護膜１５を成膜するようにしたので、低温で緻密な成膜を行うことができる。
さらに、電極取出し口２５となる部分をドライエッチングする際、開口位置を高精度に作製することができるＳｉＯ₂膜をマスクに用いたので、電極取出し口２５となる部分だけを高精度にドライエッチングすることができる。

また、シリコン基板４１とガラス基板２との陽極接合の際、あらかじめガラス基板２に大気開放穴２８を設け、ギャップの密閉状態を防ぐようにしたので、陽極接合時にギャップ部分に発生した気体によりシリコン基板４１を加圧して、薄膜化した部分から割れるのを防ぐことができる。そして、ウェットエッチングが行われる前に大気開放穴２８を塞ぐようにしたので、大気開放穴２８からのエッチャントの浸入を防ぐことができる。
なお、上記に示した液滴吐出ヘッドの製造方法は一例であり、そこで使用した温度、圧力、時間、厚みなどの値は上記に説明したものに限られるものではない。

実施の形態２
図６は上述の実施の形態で製造した液滴吐出ヘッドを用いた液滴吐出装置の概略構成図である。図６の液滴吐出装置はインクジェット方式による印刷を目的とするプリンタである。図６において、被印刷物であるプリント紙１００が支持されるドラム１０１と、プリント紙１００にインクを吐出し、記録を行う液滴吐出ヘッド１０２とで主に構成される。また、図示していないが、液滴吐出ヘッド１０２にインクを供給するためのインク供給手段がある。プリント紙１１０は、ドラム１０１の軸方向に平行に設けられた紙圧着ローラ１０３により、ドラム１０１に圧着して保持される。そして、送りネジ１０４がドラム１０１の軸方向に平行に設けられ、液滴吐出ヘッド１０２が保持されている。送りネジ１０４が回転することによって液滴吐出ヘッド１０２がドラム１０１の軸方向に移動するようになっている。

一方、ドラム１０１は、ベルト１０５等を介してモータ１０６により回転駆動される。また、プリント制御手段１０７は、印画データ及び制御信号に基づいて送りネジ１０４、モータ１０６を駆動させ、また、ここでは図示していないが、発振駆動回路を駆動させて振動板４を振動させ、制御をしながらプリント紙１１０に印刷を行わせる。

ここでは液体をインクとしてプリント紙１１０に吐出するようにしているが、液滴吐出ヘッドから吐出する液体はインクに限定されない。例えば、カラーフィルタとなる基板に吐出させる用途においては、カラーフィルタ用の顔料を含む液体、有機ＥＬ等の表示基板に吐出させる用途においては、発光素子となる化合物を含む液体、基板上に配線する用途においては、例えば導電性金属を含む液体を、それぞれの装置において設けられた液滴吐出ヘッドから吐出させるようにしてもよい。また、液滴吐出ヘッド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。その他、布等の染料の吐出等にも利用することができる。

実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドの分解図。図１の液滴吐出ヘッドの断面図であり、吐出室の部分を長手方向に割断した部分の断面図（ａ）、等電位接点部分の拡大部分断面図（ｂ）。図１の液滴吐出ヘッドを構成するガラス基板を上面から見た図。実施の形態１の液滴吐出ヘッドの製造工程図。図４に続く液滴吐出ヘッドの製造工程図。実施の形態１の液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置の概略構成図。

符号の説明

１キャビティプレート、２ガラス基板、３ノズルプレート、４振動板、５吐出室、６オリフィス、７リザーバ、８個別電極、９凹部、１０リード部、１１電極端子、１２ノズル孔、１３液体供給口、１４ＴＥＯＳ膜、１５液体保護膜、１８ダイヤフラム、１９共通電極、２０液滴、２１記録紙、２２発振回路、２３ワイヤ、２４ＩＴＯパターン、２５電極取出し口、２６封止材、２７ダイシングライン、２８大気開放穴、２８Ａ接着剤、４１シリコン基板、４２ボロンドープ層、４３ＴＥＯＳエッチングマスク、１００プリンタ、１０２液滴吐出ヘッド。

Claims

電極が形成された電極基板と、液体を貯えて吐出させる吐出室となる凹部を含む液体流路が形成されるシリコン基板とを、前記電極と前記凹部となる底面部分とをギャップを介して対向させて接合した後、前記シリコン基板に前記液体流路を形成する液滴吐出ヘッドの製造方法であって、
前記電極基板と接合された前記シリコン基板を機械加工して薄板化し、前記シリコン基板の前記機械加工が施された面を鏡面化し、前記シリコン基板の鏡面化された面の加工変質層をエッチングにより除去した後、前記シリコン基板に前記液体流路を形成する、ことを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
前記シリコン基板の鏡面化をドライポリッシングにより行うことを特徴とする請求項１記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
前記加工変質層の除去をドライエッチングにより行うことを特徴とする請求項１または２記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
前記加工変質層の除去をスピンエッチングにより行うことを特徴とする請求項１または２記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
前記シリコン基板に対する前記液体流路の形成をウェットエッチングを利用して行うことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。