JP2007111950A - 静電アクチュエータの製造方法、液滴吐出ヘッドの製造方法、液滴吐出装置の製造方法およびデバイスの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】電極基板の加工精度とギャップ形状の自由度を高め、加工コストを下げること、及びエッチングの終点を数値によって確実に管理することができる静電アクチュエータの製造方法等を提供する。
【解決手段】第1の基板2と、第2の基板4とを備え、振動板23と対向電極42の間に電圧を印加することによりこれらの間に静電力を発生させて、振動板23を変位させる静電アクチュエータの製造方法であって、第2の基板4を、第2の基板4の表面に転写層4bを設けたのち転写層4bにナノインプリント法によって凹凸部を形成する第1の工程と、転写層4bの凹凸部をドライエッチング法を用いて第2の基板4に転写して電極溝41を形成する第2の工程とによって製造し、この第2の基板4に転写された電極溝41に対向電極42を設けるようにした。
【選択図】図1
【解決手段】第1の基板2と、第2の基板4とを備え、振動板23と対向電極42の間に電圧を印加することによりこれらの間に静電力を発生させて、振動板23を変位させる静電アクチュエータの製造方法であって、第2の基板4を、第2の基板4の表面に転写層4bを設けたのち転写層4bにナノインプリント法によって凹凸部を形成する第1の工程と、転写層4bの凹凸部をドライエッチング法を用いて第2の基板4に転写して電極溝41を形成する第2の工程とによって製造し、この第2の基板4に転写された電極溝41に対向電極42を設けるようにした。
【選択図】図1
Description
本発明は、静電アクチュエータの製造方法、液滴吐出ヘッドの製造方法、液滴吐出装置の製造方法およびデバイスの製造方法に関するものである。
近年、印刷速度の高速化及びカラー化を目的として、ノズル列を複数有するインクジェットヘッドが求められている。ノズルは高密度化するとともに高駆動周波数化しており、インクジェットヘッド内のアクチュエータ構造は、ますます複雑化する傾向にある。
このようなインクジェットヘッドにおいて、従来の電極基板の製造方法においては、グレースケールマスク(面積諧調マスク)によって露光する等倍露光や、焦点をフォトレジスト層表面からずらして露光する縮小露光を用いて、傾斜部を有する凹部をフォトレジスト層に形成し、その凹部をドライエッチングによって電極基板に転写して、傾斜部を有するギャップを形成する技術があった(例えば、特許文献1、2参照)。
このようなインクジェットヘッドにおいて、従来の電極基板の製造方法においては、グレースケールマスク(面積諧調マスク)によって露光する等倍露光や、焦点をフォトレジスト層表面からずらして露光する縮小露光を用いて、傾斜部を有する凹部をフォトレジスト層に形成し、その凹部をドライエッチングによって電極基板に転写して、傾斜部を有するギャップを形成する技術があった(例えば、特許文献1、2参照)。
特許文献1及び2に記載された技術では、高精度にギャップ形状を制御することは困難であり、またギャップの表面も荒れてしまう。このため、電極基板の製造方法において、電極基板の素材を硼珪酸ガラスとし、電極基板上の微小ギャップをプレス成形で加工することも考えられる。
また、上記のドライエッチング工程において、ドライエッチングの終点を検出する場合に、終点検出層としてSiON層を成膜し、プラズマ発光における窒素由来の発光波長をモニタリングすることで終点を検出して、ドライエッチングの深さ精度を高める技術があった(例えば、特許文献2参照)。
また、上記のドライエッチング工程において、ドライエッチングの終点を検出する場合に、終点検出層としてSiON層を成膜し、プラズマ発光における窒素由来の発光波長をモニタリングすることで終点を検出して、ドライエッチングの深さ精度を高める技術があった(例えば、特許文献2参照)。
しかしながら、電極基板上の微小ギャップをプレス成形で加工するようにすると、硼珪酸ガラスの軟化点は800℃程度と非常に高温であるので、押し型の耐久性が大幅に低下する。800℃でも利用することができる押し型は、石英や単結晶シリコン、超硬合金に限られ、これらの素材によって押し型を成形することは困難を伴う。
また、プラズマ発光における窒素由来の発光波長をモニタリングすることによって終点を検出する場合は、不純物の多い硼珪酸ガラス等の加工には不向きである。
また、プラズマ発光における窒素由来の発光波長をモニタリングすることによって終点を検出する場合は、不純物の多い硼珪酸ガラス等の加工には不向きである。
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、電極基板の加工精度とギャップ形状の自由度を高め、加工コストを下げること、及びエッチングの終点を数値によって確実に管理することができる静電アクチュエータの製造方法、液滴吐出ヘッドの製造方法、液滴吐出装置の製造方法及びデバイスの製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る静電アクチュエータの製造方法は、振動板を有する第1の基板と、電極溝を有しこの電極溝に振動板とギャップを隔てて対向する対向電極が設けられた第2の基板とを備え、振動板と対向電極の間に電圧を印加することによりこれらの間に静電力を発生させて、振動板を変位させる静電アクチュエータの製造方法であって、第2の基板を、第2の基板の表面に転写層を設けたのち転写層にナノインプリント法によって凹凸部を形成する第1の工程と、転写層の凹凸部をドライエッチング法を用いて第2の基板に転写して電極溝を形成する第2の工程とによって製造し、この第2の基板に転写された電極溝に対向電極を設けるようにしたものである。
このため、自由度の高い形状のギャップを第2に基板上に押し型の精度と同等な精度で一括して形成することができる。なお、製造工程において転写層に形成された凹凸部はエッチング耐性が高いので、転写精度が良好である。また、第2の基板上に設けた転写層を確実に除去するようにしたので、第2の基板に第1の基板を確実に接合することができる。
このため、自由度の高い形状のギャップを第2に基板上に押し型の精度と同等な精度で一括して形成することができる。なお、製造工程において転写層に形成された凹凸部はエッチング耐性が高いので、転写精度が良好である。また、第2の基板上に設けた転写層を確実に除去するようにしたので、第2の基板に第1の基板を確実に接合することができる。
また、本発明に係る静電アクチュエータの製造方法は、転写層の凹凸部以外の部分にエッチングを停止させるエッチングストップ層を形成し、このエッチングストップ層が転写層より露出するまでドライエッチングを行うようにしたものである。これにより、第2の基板上に設けた転写層を確実に除去するようにしたので、第2の基板に第1の基板を確実に接合することができる。
また、本発明に係る静電アクチュエータの製造方法は、転写層の凹凸部以外の部分を凹凸部より薄くして、凹凸部が周囲から突出する構造としたものである。凹凸部を周囲から突出させることで、押し型から転写層にパターンを転写した際に、転写層が収縮して押し型を噛み、押し型を転写層から剥離することができなくなるという現象を、構造的に回避することができる。
また、本発明に係る静電アクチュエータの製造方法は、エッチングストップ層をアルミナによって形成したものである。アルミナはエッチング耐性が高いため、ストップ層として確実に機能する。
また、本発明に係る静電アクチュエータの製造方法は、第2の基板の主成分を硼珪酸ガラスとしたものである。硼珪酸ガラスの熱膨張係数がシリコンと近似しているため、高温プロセスを用いても、第1の基板と第2の基板の部材間の熱膨張係数差による破壊が起こることはない。
また、本発明に係る静電アクチュエータの製造方法は、転写層をSOGによって製造するようにしたものである。SOGはガラスと同等のエッチング耐性を有するので、転写層のパターンを第2の基板にエッチングで転写する際に、同等の精度で転写することができる。
また、本発明に係る静電アクチュエータの製造方法は、マスターから複製したニッケル型よりなる押し型を用いて、転写層にナノインプリント法によって凹凸部を形成するようにしたものである。この場合、押し型の耐久性が良好で、マスターからの複製も容易であるため、消耗品である押し型のコストを低く抑えることができる。
また、本発明に係る静電アクチュエータの製造方法は、凹凸部に傾斜部を設けたものである。このため、対向電極は溝部の傾斜端部近傍で第1の基板の振動板と当接し、この当接位置において当接開始点のギャップを零とすることができる。よって、この当接位置での振動板の当接開始電圧を下げることができ、振動板の当接開始電圧を理論上零ボルトにすることができる。このため、駆動電圧の低減をはかりつつ、充分な発生力を得ることができる。
また、本発明に係る静電アクチュエータの製造方法は、凹凸部を多段構造にしたものである。このため、対向電極は電極溝の最浅部でキャビティ基板の振動板と最接近しており、この位置を当接開始点とすることができる。よって、この当接開始点で振動板の当接開始電圧を下げることができ、振動板の当接開始電圧を単段構造よりも小さくすることができる。そして、振動板の各部分が段階的に対向電極に吸引されることにより、微小なインク圧力波動が発生し、インク小滴が分断して噴射される。このため駆動電圧の低減をはかりつつ、充分な発生力を得ることができる。
また、本発明に係る静電アクチュエータの製造方法は、エッチングストップ層が露出して開口率が変化したときにこの開口率の変化を検出して、ドライエッチングの終点を検出するようにしたものである。このため、エッチングの終点を数値で管理することができ、品質を安定させることができる。
また、本発明に係る静電アクチュエータの製造方法は、プラズマ中のフッ素成分量の変化を検知してドライエッチングの終点を検出するようにしたものである。このため、エッチングの終点をプラズマ中のフッ素成分量の変化を検知することによって管理して、品質を安定化させることができる。
本発明に係る静電アクチュエータの製造方法は、第2の基板に陽極接合により第1の基板を接合するようにしたものである。陽極接合によるため、第1の基板と第2の基板を強固に接合することができる。また、第2の基板の熱膨張係数が第1の基板と近似しているため、高温プロセスを用いても第1、第2の基板の部材間の熱膨張係数差による破壊が起こることはない。
また、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静電アクチュエータの製造方法を適用して液滴吐出ヘッドを製造するようにしたものである。これにより、静電アクチュエータの構造が複雑であるにもかかわらず、吐出特性が向上した液滴吐出ヘッドを安価に提供することができる。
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ようにしたものである。これにより、吐出特性が向上した液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置を得ることができる。
本発明に係るデバイスの製造方法は、上記いずれかに記載の静電アクチュエータの製造方法を適用してデバイスを製造するようにしたものである。これにより、吐出特性の良好なデバイスを得ることができる。
実施の形態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縦断面図である。なお、以下では、図1の上側を「上」、下側を「下」として説明する。図に示すように、インクジェットヘッド1は、キャビティ基板2(第1の基板)の上面にノズル基板3が接合され、キャビティ基板2の下面に電極基板4(第2の基板)が接合されている。すなわち、インクジェットヘッド1は、下方から上方へ電極基板4、キャビティ基板2、ノズル基板3が順次積層された3層構造となっている。
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縦断面図である。なお、以下では、図1の上側を「上」、下側を「下」として説明する。図に示すように、インクジェットヘッド1は、キャビティ基板2(第1の基板)の上面にノズル基板3が接合され、キャビティ基板2の下面に電極基板4(第2の基板)が接合されている。すなわち、インクジェットヘッド1は、下方から上方へ電極基板4、キャビティ基板2、ノズル基板3が順次積層された3層構造となっている。
キャビティ基板2は、ノズル基板3との間で、共通インク室21と、複数のインク吐出室22とを区画形成するように溝が形成され、ノズル基板3には、キャビティ基板2との間で、共通インク室21と複数のインク吐出室22とを連通させるインクオリフィス31を区画形成するように溝が形成されている。すなわち、キャビティ基板2とノズル基板3との間には、共通インク室21と、インクオリフィス31、複数のインク吐出室22が区画形成されている。このようなキャビティ基板2およびノズル基板3は、それぞれ、シリコンを主材料として構成されている。ノズル基板3には、各インク吐出室22の先端側に対応する位置にノズル孔32が形成されており、ノズル孔32はインク吐出室22に連通している。なお、キャビティ基板2の各インク吐出室22の下壁部分は薄肉とされており、上下方向に弾性変位可能な振動板23として機能するようになっている。
電極基板4は硼珪酸ガラスを主材料として構成されており、キャビティ基板2との接合面には、各振動板23に対応した位置に、先方に向けて下方傾斜する電極溝41が形成されている。なお、キャビティ基板2と電極基板4とは熱膨張係数が近似する材料によって構成されている。
電極基板4の電極溝41の底面にはITO等からなる個別電極42(対向電極)が設けられており、個別電極42は電極溝41の傾斜端部近傍でキャビティ基板2の振動板23と当接しており、この当接位置42aにおいて当接開始点のギャップを零にすることができる。よって、この当接位置42aで振動板42の当接開始電圧を下げることができ、振動板42の当接開始電圧を理論上ゼロボルトにすることができる。こうして、振動板23は、個別電極42に対応する電極として機能するようにしてある。なお、個別電極42は、電極基板4の後方まで引き出され、その後端近傍が、外部配線接続用の電極取出し部47となっており、この電極取出し部47には、個別電極42と振動板23との間に電圧を印加する電圧印加手段(図示せず)が接続されている。
電極基板4には、共通インク室21に連通するインク供給口43が形成されている。インクは、外部のインクタンク(図示せず)から、インク供給口43を通って共通インク室21に供給され、ここからインクオリフィス31を通って、各インク吐出室22に供給される。このようにして構成されたインクジェットヘッド1では、振動板23と個別電極42と電圧印加手段(図示せず)とが静電アクチュエータを構成している。
すなわち、電圧印加手段が振動板23と個別電極42との間に駆動電圧を印加すると、振動板23と個別電極42との間に静電気力が発生する。これにより、振動板23が個別電極42側へ撓んで変位し、インク吐出室22の容積が拡大する。次に、駆動電圧を解除すると、振動板23はその弾性復帰力によって復帰し、インク吐出室22の容積が急激に収縮する。このときに発生するインク圧力により、インク吐出室22を満たすインクの一部が、このインク吐出室22に連通しているノズル孔32からインク滴として吐出される。
次に、本発明に係るインクジェットヘッドの製造方法について説明する。図2〜図8はインクジェットヘッド1の製造工程を示す説明図である。
[1]キャビティ基板の不純物拡散層および絶縁膜形成工程
(a) まず、図2(a)に示すように、下面が研磨されたシリコンよりなるキャビティ基材2aを用意する。次に、キャビティ基材2aの下面に不純物をドープし、不純物拡散層23aを形成する。不純物としては、ボロン等が挙げられる。この不純物拡散層23aは、インクジェットヘッドにおいて振動板23を構成するものである。また、この不純物拡散層23aは、エッチング液に対するエッチング速度がキャビティ基材2aと異なるので、後工程で行うキャビティ基材2aのエッチングに際して、エッチングの停止層として機能する。したがって、この不純物拡散層23aの厚さを制御することによって、所望の厚さの振動板23を形成することができる。なお、不純物拡散層23aは、キャビティ基材2aに比べて低抵抗性であることから、特に、振動板23となる部分においては、共通電極として良好な導電性が得られる。
(a) まず、図2(a)に示すように、下面が研磨されたシリコンよりなるキャビティ基材2aを用意する。次に、キャビティ基材2aの下面に不純物をドープし、不純物拡散層23aを形成する。不純物としては、ボロン等が挙げられる。この不純物拡散層23aは、インクジェットヘッドにおいて振動板23を構成するものである。また、この不純物拡散層23aは、エッチング液に対するエッチング速度がキャビティ基材2aと異なるので、後工程で行うキャビティ基材2aのエッチングに際して、エッチングの停止層として機能する。したがって、この不純物拡散層23aの厚さを制御することによって、所望の厚さの振動板23を形成することができる。なお、不純物拡散層23aは、キャビティ基材2aに比べて低抵抗性であることから、特に、振動板23となる部分においては、共通電極として良好な導電性が得られる。
(b) 続いて、図2(b)に示すように、不純物拡散層23aの表面に絶縁膜63を形成する。絶縁膜63としては、SiO2 等の酸化膜系絶縁膜、Si3N4等の窒化膜系絶縁膜等が挙げられる。絶縁膜63の形成方法としては、プラズマCVD、熱CVD、レーザーCVDのような化学成膜法(CVD)、スパッタリング等の物理成膜法等が挙げられる。
[2] 電極基板の作製工程
(a) 次に、電極基板4を作製する。まず、図3(a)に示すように、電極基材4aを用意する。電極基材4aは、シリコンと熱膨張係数が近い硼珪酸ガラスのようなガラスを主材料としており、これによりシリコン製のキャビティ基板2と硼珪酸ガラス製の電極基板4との熱膨張係数が近似するため、熱変化に起因する剥離などの問題を抑制することができる。すなわち、キャビティ基板2と電極基板4を接合するに際して、これらの基板2,4に生じる応力が小さく抑えられ、基板の破損を防止することができる。
(a) 次に、電極基板4を作製する。まず、図3(a)に示すように、電極基材4aを用意する。電極基材4aは、シリコンと熱膨張係数が近い硼珪酸ガラスのようなガラスを主材料としており、これによりシリコン製のキャビティ基板2と硼珪酸ガラス製の電極基板4との熱膨張係数が近似するため、熱変化に起因する剥離などの問題を抑制することができる。すなわち、キャビティ基板2と電極基板4を接合するに際して、これらの基板2,4に生じる応力が小さく抑えられ、基板の破損を防止することができる。
(b) 次に、図4(b)に示すように、電極基材4a上に、無機SOG(スピン−オン−グラス、Spin−on Glass)からなる転写層4bを塗布する。
(c) 次に、図4(c)に示すように、押し型81を、転写層4bの上部より押圧する。この場合の押し型81は、マスターから複製したニッケル(Ni)型で、平面部より下方に断面ほぼ台形状に突設した突設部81aを有し、一方が平面部に対してほぼ直交する高さ面81bを形成し、その対向辺に傾斜面81cを形成され、これらの辺の間に挟まれて底面81dを形成する。
こうして、押し型81を転写層4bの上部より転写層4bに押圧すると、転写層4bに押し型81の形状と凹凸パターンが反転した形状のギャップ形状が、ナノインプリント法によって低温で転写される。すなわち、転写層4bに断面ほぼ台形状のギャップが形成され、そのギャップは立設面41b、傾斜面41c及び底面41dよりなる凹部410を形成する(図3(d)参照)。
こうして、押し型81を転写層4bの上部より転写層4bに押圧すると、転写層4bに押し型81の形状と凹凸パターンが反転した形状のギャップ形状が、ナノインプリント法によって低温で転写される。すなわち、転写層4bに断面ほぼ台形状のギャップが形成され、そのギャップは立設面41b、傾斜面41c及び底面41dよりなる凹部410を形成する(図3(d)参照)。
(d) そして、図3(d)に示すように、押し型81を転写層4bより剥離させ、そののち、転写層4bを焼成する。
(e) 次に、転写層4bのパターンを、図4(e)に示すように、ドライエッチングする。こうすると、転写層4bがエッチングされて、電極基材4a上にギャップ形状のパターンが形成されていく。図4(e)は、電極基材4aの前側、後側に転写層の一部が残っている状態を示している。
(f)そして、ドライエッチングが終了すると、図4(f)に示すように、転写層4bのパターンが電極基材4a上に写し取られ、電極溝41が形成される。この際、転写層4bは完全にエッチングされた状態にある。
(g) 次に、図4(g)に示すように、上面の全体、すなわち電極溝41が形成された側の上面全体に、個別電極42となるITO420をスパッタにより成膜する。
(h) 次に、ITO420上に、フォトリソグラフィ法によって、個別電極42に対応する平面形状のフォトレジストを形成する。そして、このフォトレジストをマスクとして、ITO420をエッチングした後、フォトレジストを剥離除去する。これにより、図4(h)に示すように、電極基材4aの電極溝41に個別電極42が形成される。
次に、図4(i)に示すように、サンドブラストでインク供給孔43aを開ける。
以上の工程により電極基板4が作製される。
以上の工程により電極基板4が作製される。
[3]キャビティ基材と電極基板の接合工程
(a)次に、図5(a)に示すように、電極基板4とキャビティ基材2aとを、電極基板42の電極溝41側の面と、キャビティ基材2aの絶縁膜63側の面とが対向するようにして配置する。
(b)そして、図5(b)に示すように、電極基板4とキャビティ基材2aとを陽極接合によって接合し、接合基板71を形成する。
(a)次に、図5(a)に示すように、電極基板4とキャビティ基材2aとを、電極基板42の電極溝41側の面と、キャビティ基材2aの絶縁膜63側の面とが対向するようにして配置する。
(b)そして、図5(b)に示すように、電極基板4とキャビティ基材2aとを陽極接合によって接合し、接合基板71を形成する。
[4]インク吐出室、共通インク室および電極取出し部形成工程
(a)次に、図6(a)に示すように、キャビティ基材2aの上側をグラインダー等で切削し、キャビティ基材2aを薄板化する。
ついで、キャビティ基材2aの上面全体にウェットエッチングを行い、さらにキャビティ基材2を薄板化する。エッチング液としては、水酸化カリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液、TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)水溶液等を用いる。
このように、キャビティ基材2aを切削加工とエッチングの2段階で薄板化すると、切削加工によって比較的厚い厚さ分を高速で切削することができ、また、エッチングによって、キャビティ基材2aの切削された加工面を比較的滑らかで欠陥の少ない面とすることができる。したがって、キャビティ基材2aを短時間で薄板化することができ、また良好な表面を得ることができる。
(a)次に、図6(a)に示すように、キャビティ基材2aの上側をグラインダー等で切削し、キャビティ基材2aを薄板化する。
ついで、キャビティ基材2aの上面全体にウェットエッチングを行い、さらにキャビティ基材2を薄板化する。エッチング液としては、水酸化カリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液、TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)水溶液等を用いる。
このように、キャビティ基材2aを切削加工とエッチングの2段階で薄板化すると、切削加工によって比較的厚い厚さ分を高速で切削することができ、また、エッチングによって、キャビティ基材2aの切削された加工面を比較的滑らかで欠陥の少ない面とすることができる。したがって、キャビティ基材2aを短時間で薄板化することができ、また良好な表面を得ることができる。
(b)次に、図6(b)に示すように、キャビティ基材2aの上に、SiO2 膜72を成膜する。SiO2 膜72の成膜方法としては、プラズマCVD、熱CVD、レーザーCVDのような化学成膜法(CVD)、スパッタリング等の物理成膜法等を用いる。
(c)そして、このSiO2 膜72上に、フォトリソグラフィ法によって、共通インク室21、インク吐出室22および電極取出し部47に対応する部分に開口部を有するフォトレジストを形成する。そして、このフォトレジストをマスクとして、SiO2 膜72をエッチングする。このとき、図6(c)に示すように、インク吐出室22および電極取出し部47に対応する部分22a,47aではSiO2 膜72がほぼ完全に除去されるようにし、共通インク室21に対応する部分21aではSiO2 膜72が一部残るようにエッチング(ハーフエッチング)する。
(d)その後、図6(d)に示すように、水酸化カリウム水溶液によって、共通インク室21、インク吐出室22および電極取出し部47に対応する部分21a,22a,47aのキャビティ基材2aを、インク吐出室22および電極取出し部47に対応する部分22a,47aで不純物拡散層23aが露出するまでエッチングする。水酸化カリウム水溶液に対するエッチングレートは、キャビティ基材2aよりも不純物拡散層23aの方が小さいので、この不純物拡散層23aが露出したところで確実にエッチングを停止することができる。一方、共通インク室21に対応する部分21aでは、水酸化カリウム水溶液によるエッチング開始時間を、インク吐出室22および電極取出し部47に対応する部分22a,47aよりも遅らせているので、不純物拡散層23a上にキャビティ基材2aが薄く残存した状態でエッチングが終了する。このとき、インク吐出室22に対応する部分22aに残存した層は振動板23となるので、その厚さが適正範囲であることが重要となる。
(e)次に、図7(e)に示すように、フッ酸水溶液を使用して、キャビティ基材aの表面に残存するSiO2 膜を除去する。
(f)そして、図7(f)に示すように、共通インク室21に対応する部分21aの底部を、例えばレーザー加工によって開口し、インク供給孔43aと共通インク室21とを連通させてインク供給口43を形成する。
以上の工程によってキャビティ基板2が作製される。
(f)そして、図7(f)に示すように、共通インク室21に対応する部分21aの底部を、例えばレーザー加工によって開口し、インク供給孔43aと共通インク室21とを連通させてインク供給口43を形成する。
以上の工程によってキャビティ基板2が作製される。
[5]キャビティ基板とノズル基板の接合工程
(a)次に、図8(a)に示すように、キャビティ基板2と、インクオリフィス31およびノズル孔32が形成されたノズル基板3とを、ノズル孔32がインク吐出室22となる部分の先端付近となるようにして接合する。これにより、キャビティ基板2とノズル基板3との間に、共通インク室21、インク吐出室22およびインクオリフィス31が画成される。
(a)次に、図8(a)に示すように、キャビティ基板2と、インクオリフィス31およびノズル孔32が形成されたノズル基板3とを、ノズル孔32がインク吐出室22となる部分の先端付近となるようにして接合する。これにより、キャビティ基板2とノズル基板3との間に、共通インク室21、インク吐出室22およびインクオリフィス31が画成される。
(b)そして、このようにして形成された積層体を、図8(b)に示すようにチップ毎にダイシングすることによって、インクジェットヘッドが製造される。
本実施の形態1によれば、電極基材4aに転写層4bを形成し、この転写層4bに低温で成形可能なナノインプリント法でギャップに対応する凹凸部410を形成し、この凹凸部410を電極基材4a側に転写するようにしたので、自由度の高い形状のギャップを第2の基板4上に押し型81の精度と同等な精度で一括して形成することができる。なお、製造工程において転写層4bに形成された凹凸部410は電極基材4aと同等のエッチング耐性を有するので、同等の精度で転写できる。また、第2の基板上に設けた転写層を確実に除去するようにしたので、陽極接合によって、電極基板4をキャビティ基板2と強固に接合することができる。このようにして接合した後でも、電極基板4の熱膨張係数がキャビティ基板2の熱膨張係数と近似しているため、高温プロセスを用いても両部材間の熱膨張係数差による破壊が起こることはない。こうして複雑なアクチュエータ構造を有する液滴吐出ヘッドを、吐出特性を向上させ、かつ安価に提供することができる。
実施形態2.
図9は本発明の実施の形態2にかかるインクジェットヘッド1の製造工程のうち、電極基板4の製造工程を示す説明図である。なお、電極基板4の製造工程以外の製造工程は、実施の形態1で示した製造工程と実質的に同一なので、説明を省略する。
[2] 電極基板の作製工程
(a)電極基板4を製造するには、まず、図9(a)に示すように、電極基材4aを用意する。電極基材4aは、シリコンと熱膨張係数が近い硼珪酸ガラスのようなガラスを主材料としている。そして、電極基材4aの表面に、アルミのようなエッチングストップ層100a,100bをスパッタによって成膜し、パターンニング化する。
図9は本発明の実施の形態2にかかるインクジェットヘッド1の製造工程のうち、電極基板4の製造工程を示す説明図である。なお、電極基板4の製造工程以外の製造工程は、実施の形態1で示した製造工程と実質的に同一なので、説明を省略する。
[2] 電極基板の作製工程
(a)電極基板4を製造するには、まず、図9(a)に示すように、電極基材4aを用意する。電極基材4aは、シリコンと熱膨張係数が近い硼珪酸ガラスのようなガラスを主材料としている。そして、電極基材4aの表面に、アルミのようなエッチングストップ層100a,100bをスパッタによって成膜し、パターンニング化する。
(b)次に、図9(b)に示すように、エッチングストップ層100a,100bを含む電極基材4a上に、無機SOG(Spin−on Glass)よりなる転写層4bを塗布する。
(c)次に、図9(c)に示すように、押し型81を、転写層4bの上部より転写層41に押圧する。この場合の押し型81は、マスターから複製したニッケル(Ni)型で、平面部より下方にほぼ断面台形状に突設した突設部81aを有し、一方が平面部に対してほぼ直交する高さ面81bを構成し、その対向辺が傾斜面81cを構成し、これらの辺の間に挟まれて底面81dを構成する。
こうして、押し型81を転写層4bの上部より転写層4bに押圧すると、転写層4bに押し型81の形状と凹凸パターンが反転した形状のギャップ形状がナノインプリント法によって低温で転写される。すなわち、転写層4bに断面ほぼ台形状のギャップが形成され、そのギャップは立設面41b、傾斜面41c及び底面41dよりなる凹部410を形成する(図9(d)参照)。
こうして、押し型81を転写層4bの上部より転写層4bに押圧すると、転写層4bに押し型81の形状と凹凸パターンが反転した形状のギャップ形状がナノインプリント法によって低温で転写される。すなわち、転写層4bに断面ほぼ台形状のギャップが形成され、そのギャップは立設面41b、傾斜面41c及び底面41dよりなる凹部410を形成する(図9(d)参照)。
(d)そして、図9(d)に示すように、押し型81を転写層4bより剥離させ、そののち、転写層4bを焼成する。
(e)次に、図9(e)に示すように、転写層4bのパターンをドライエッチングする。こうすると、転写層4b側から電極基材4a側に、転写層4bに形成されたギャップ形状が形成されていく。図9(e)は、転写層4bのドライエッチングが行われて、エッチング位置がエッチングストップ層100a,100bの表面に達した場合を示している。このとき、エッチングストップ層100a,100bは完全に露出しており、開口面積が大幅に減少する。また、エッチングストップ層100bの前方(図の左側)に転写層4cが残っている。
(f)さらに、そこから一定時間ドライエッチングを行うと、図9(f)に示すように、エッチングストップ層100bの前方の転写層4cがエッチングされ、ドライエッチングが終了する。
この場合のドライエッチングの終了は、エッチングの進行に伴って変化していた開口面積が、エッチングストップ層100a,100bが露出することで変化しなくなり、開口面積の変化が大幅に減少するので、プラズマ中のフッ素ラジカルの変化量をモニタリングして、プラズマ中のフッ素成分量の変化を検知することによって、ドライエッチングの終点を検出する。
この場合のドライエッチングの終了は、エッチングの進行に伴って変化していた開口面積が、エッチングストップ層100a,100bが露出することで変化しなくなり、開口面積の変化が大幅に減少するので、プラズマ中のフッ素ラジカルの変化量をモニタリングして、プラズマ中のフッ素成分量の変化を検知することによって、ドライエッチングの終点を検出する。
(g)そして最後に、エッチングストップ層をエッチングで除去する。
なお、上記の製造工程ののち、電極溝41に個別電極42を設ける工程は実施の形態1で示した場合と同様である(図示せず)。
なお、上記の製造工程ののち、電極溝41に個別電極42を設ける工程は実施の形態1で示した場合と同様である(図示せず)。
本実施の形態2によれば、エッチングの終点を数値で管理するようにしたので、品質を安定させることができる。
実施形態3.
図10は本発明の実施の形態3にかかるインクジェットヘッド1の製造工程のうち、電極基板4の製造工程を示す説明図である。なお、実施の形態2と同一部分には同じ符号を付し、説明を省略する。
[2] 電極基板の作製工程
(a)電極基板4を製造するには、まず、図10(a)に示すように、電極基材4aを用意し、電極基材4aの表面に、アルミナなどのエッチングストップ層100a,100b,100cをスパッタによって成膜し、パターンニング化する。
図10は本発明の実施の形態3にかかるインクジェットヘッド1の製造工程のうち、電極基板4の製造工程を示す説明図である。なお、実施の形態2と同一部分には同じ符号を付し、説明を省略する。
[2] 電極基板の作製工程
(a)電極基板4を製造するには、まず、図10(a)に示すように、電極基材4aを用意し、電極基材4aの表面に、アルミナなどのエッチングストップ層100a,100b,100cをスパッタによって成膜し、パターンニング化する。
(b)次に、図10(b)に示すように、電極基材4a上に、無機SOGよりなる転写層4bを塗布する。
(c)次に、図10(c)に示すように、押し型81を、転写層4bの上部より押圧する。この場合の押し型81は、マスターから複製したニッケル(Ni)型で、平面部より上方にほぼ断面台形状に奧設した奧設部81eを有し、奧設部81eの両側に同一高さの底面を有する前方突設部820及び後方突設部830を有する。
こうして、押し型81を転写層4bの上部より転写層4bに押圧すると、転写層4bに押し型81の形状と凹凸パターンが反転した形状のギャップ形状が、ナノインプリント法によって低温で転写される。すなわち、転写層4bに断面ほぼ台形状のギャップが形成され、そのギャップは、立設面41b、前側(図の右側)に向かって下方傾斜する傾斜面41c及びそれらの間に位置する底面41dよりなる断面ほぼ台形状の凸部410、及び断面L字状の前方凹部420及び後方凹部430を形成する(図10(d)参照)。従って、このギャップは、転写層4bの凹凸部以外の部分が凹凸部より薄くなっている。
こうして、押し型81を転写層4bの上部より転写層4bに押圧すると、転写層4bに押し型81の形状と凹凸パターンが反転した形状のギャップ形状が、ナノインプリント法によって低温で転写される。すなわち、転写層4bに断面ほぼ台形状のギャップが形成され、そのギャップは、立設面41b、前側(図の右側)に向かって下方傾斜する傾斜面41c及びそれらの間に位置する底面41dよりなる断面ほぼ台形状の凸部410、及び断面L字状の前方凹部420及び後方凹部430を形成する(図10(d)参照)。従って、このギャップは、転写層4bの凹凸部以外の部分が凹凸部より薄くなっている。
(d)そして、図10(d)に示すように、転写層4bを焼成した後に、押し型81を転写層4bより剥離する。
(e)次に、図10(e)に示すように、転写層4bのパターンをドライエッチングする。こうすると、転写層4b側から電極基材4a側に、転写層4bに形成されたギャップ形状が形成されていく。
この場合、エッチングストップ層100a,100bが設けられている部分ではエッチングが早期に停止し、エッチングストップ層100a,100bが設けられていない部分ではさらにエッチングが続けられる。
この場合、エッチングストップ層100a,100bが設けられている部分ではエッチングが早期に停止し、エッチングストップ層100a,100bが設けられていない部分ではさらにエッチングが続けられる。
図10(e)は、転写層4bにドライエチイングが行われて、転写層4bがエッチングストップ層100a,100bの表面位置に達した状態を示している。このとき、エッチングストップ層100bの前方(図の左側)に転写層4cが残っている。
(f)さらにドライエッチングが行われると、エッチングストップ層100bの前方に位置する転写層4cがエッチングされ、図10(f)に示すように、エッチングストップ層100a〜100bが完全に露出し、電極溝41が形成されてドライエッチングが終了する。
(g)そして最後に、エッチングストップ層をエッチングで除去する。
なお、上記の製造工程ののち、電極溝41に個別電極42を設ける工程は実施の形態1で示した場合と同様である(図示せず)。
なお、上記の製造工程ののち、電極溝41に個別電極42を設ける工程は実施の形態1で示した場合と同様である(図示せず)。
本実施の形態3によれば、エッチングの終点を数値で管理するようにしたので、品質を安定化させることができる。また、押し型81から転写層4bにパターンを転写し、そのまま焼成した際に、転写層4bに収縮が起こっても、転写層4bの凹凸部を周囲よりも突出させてあるので、転写層4bが押し型81を噛んで、押し型81が転写層4bから剥離できなくなるという現象を構造的に回避することができる。従って、押し型81を押し当てたままで転写層4bを焼成することができ、ダレなどの少ないより高度な転写が可能となる。
実施の形態4
図11は本発明の実施の形態4に係るインクジェットヘッドの縦断面図である。なお、図1と同一部分には同じ符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態4に係るインクジェットヘッド1は、電極基板4に形成された電極溝41及び個別電極42の形状が、実施の形態1に示した電極溝41及び個別電極42の形状と異なっているが、それ以外の部分は、図1に示したインクジェットヘッド1と実質的に同一である。
図11は本発明の実施の形態4に係るインクジェットヘッドの縦断面図である。なお、図1と同一部分には同じ符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態4に係るインクジェットヘッド1は、電極基板4に形成された電極溝41及び個別電極42の形状が、実施の形態1に示した電極溝41及び個別電極42の形状と異なっているが、それ以外の部分は、図1に示したインクジェットヘッド1と実質的に同一である。
電極基板4の転写層4bの上部には、キャビティ基板2の各振動板23に対応した位置に、電極溝41が形成されている。この電極溝41は、電極基板4の先端側(図の左側)から後端側(図の右側)に段階的に小さくなるギャップG1、G2によって形成され、電極溝41の底面が階段状になっている。すなわち、電極溝41はその深さが異なる部分を有しており、深さが電極基板4の長手方向においてその先端から後端に向かって段階的に漸減し、多段構造(本実施の形態4では2段構造)を形成している。電極溝41の底面には個別電極42が設けられており、個別電極42はギャップG2の後部でキャビティ基板2の下面と接合している。よって、この接合部42aで振動板42の当接開始電圧を下げることができ、振動板42の当接開始電圧を理論上ゼロボルトにすることができる。
このインクジェットヘッド1によれば、駆動電圧を印加したときに、振動板23は、ギャップG2に対応する部分が先ず個別電極42に吸引され、次にギャップG1に対応する部分が個別電極42に吸引される。このように、振動板23の各部分が段階的に個別電極42に吸引されることにより、微小なインク圧力波動が発生し、インク小滴が分断して噴射される。こうして、駆動電圧の低減を図りつつ十分な発生力を得ることができ、良好なインク吐出特性を得ることができる。
本発明にかかるインクジェットヘッド1を製造するには、マスターから複製したNi型の押し型(図示せず)を用い、この押し型には、電極基板4の転写層4bに転写すべき階段状をなす凹凸部が形成されている。この押し型を用いて、ナノインプリンタ法によって押し型のギャップ形状を転写層4bに低温で転写する。
その他の構成、作用、効果は、実施の形態1に示した場合と実質的に同様なので、説明は省略する。
その他の構成、作用、効果は、実施の形態1に示した場合と実質的に同様なので、説明は省略する。
実施の形態5.
実施の形態1,2,3では電極基板4のギャップ形状を断面ほぼ台形状に形成し、実施の形態4では段差状に形成したが、本実施の形態5ではギャップ形状を上方にコ字状に開口して形成したものである(図示せず)。
電極基板4の転写層4bの上部には、キャビティ基板2の各振動板23に対応した位置に、上方にコ字状に開口した凹部が形成され、この凹部には個別電極42が設けられている。
その他の、構成、作用、効果は、実施の形態1に示した場合と実質的に同様なので、説明は省略する。
実施の形態1,2,3では電極基板4のギャップ形状を断面ほぼ台形状に形成し、実施の形態4では段差状に形成したが、本実施の形態5ではギャップ形状を上方にコ字状に開口して形成したものである(図示せず)。
電極基板4の転写層4bの上部には、キャビティ基板2の各振動板23に対応した位置に、上方にコ字状に開口した凹部が形成され、この凹部には個別電極42が設けられている。
その他の、構成、作用、効果は、実施の形態1に示した場合と実質的に同様なので、説明は省略する。
実施の形態6
図12は本実施の形態6にかかる液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置の斜視図である。なお、図12に示す液滴吐出装置200は、一般的なインクジェットプリンタである。
本実施の形態6にかかる液滴吐出装置によれば、電極基板4の加工精度とギャップ形状の自由度が高く、静電アクチュエータは高密度かつ複雑な構造とすることができるため、液滴吐出装置の性能が向上する。
なお、上記の静電アクチュエータは、インクジェットプリンタに限らず、他の液滴吐出装置にも用いることができる。例えば、他の液滴吐出装置としては、プロテインチップやDNAチップの作製、有機EL製造装置や液晶表示装置のカラーフィルタの製造、インクジェット法による配線基板の作製などに用いることが挙げられる。また、かかる静電アクチュエータは、光スキャナなど、液滴吐出装置以外の装置にも用いることができる。
図12は本実施の形態6にかかる液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置の斜視図である。なお、図12に示す液滴吐出装置200は、一般的なインクジェットプリンタである。
本実施の形態6にかかる液滴吐出装置によれば、電極基板4の加工精度とギャップ形状の自由度が高く、静電アクチュエータは高密度かつ複雑な構造とすることができるため、液滴吐出装置の性能が向上する。
なお、上記の静電アクチュエータは、インクジェットプリンタに限らず、他の液滴吐出装置にも用いることができる。例えば、他の液滴吐出装置としては、プロテインチップやDNAチップの作製、有機EL製造装置や液晶表示装置のカラーフィルタの製造、インクジェット法による配線基板の作製などに用いることが挙げられる。また、かかる静電アクチュエータは、光スキャナなど、液滴吐出装置以外の装置にも用いることができる。
1 インクジェットヘッド、2 キャビティ基板(第1の基板)、3 ノズル基板、4 電極基板(第2の基板)、4a 電極基材、4b 転写層、23 振動板、41 電極溝、42 個別電極(対向電極)、81 押し型、100a〜100c エッチングストップ層、200 インクジェットプリンタ。
Claims (15)
- 振動板を有する第1の基板と、電極溝を有し該電極溝に前記振動板とギャップを隔てて対向する対向電極が設けられた第2の基板とを備え、前記振動板と対向電極の間に電圧を印加することによりこれらの間に静電力を発生させて、前記振動板を変位させる静電アクチュエータの製造方法において、
前記第2の基板を、該第2の基板の表面に転写層を設けたのち該転写層にナノインプリント法によって凹凸部を形成する第1の工程と、該転写層の凹凸部をドライエッチング法を用いて前記第2の基板に転写して電極溝を形成する第2の工程とによって製造し、該第2の基板に転写された電極溝に対向電極を設けることを特徴とする静電アクチュエータの製造方法。 - 前記転写層の凹凸部以外の部分にエッチングを停止させるエッチングストップ層を形成し、該エッチングストップ層が前記転写層より露出するまでドライエッチングを行うことを特徴とする請求項1記載の静電アクチュエータの製造方法。
- 前記転写層の凹凸部以外の部分を凹凸部より薄くすることを特徴とする請求項1または2記載の静電アクチュエータの製造方法。
- 前記エッチングストップ層をアルミナによって形成したことを特徴とする請求項2記載の静電アクチュエータの製造方法。
- 前記第2の基板の主成分を硼珪酸ガラスとしたことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の静電アクチュエータの製造方法。
- 前記転写層をSOG(Spin On Glass)によって製造することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の静電アクチュエータの製造方法。
- マスターから複製したニッケル型よりなる押し型を用いて、前記転写層をナノインプリント法によって前記凹凸部を形成することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の静電アクチュエータの製造方法。
- 前記凹凸部に傾斜部を設けたことを特徴とする請求項7記載の静電アクチュエータの製造方法。
- 前記凹凸部を多段構造にしたことを特徴とする請求項7記載の静電アクチュエータの製造方法。
- 前記エッチングストップ層が露出して開口率が変化したときに該開口率の変化を検出して、前記ドライエッチングの終点を検出することを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の静電アクチュエータの製造方法。
- プラズマ中のフッ素成分量の変化を検知してドライエッチングの終点を検出することを特徴とする請求項10記載の静電アクチュエータの製造方法。
- 前記第2の基板に陽極接合により前記第1の基板を接合することを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の静電アクチュエータの製造方法。
- 請求項1〜12のいずれかに記載の静電アクチュエータの製造方法を適用して液滴吐出ヘッドを製造することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
- 請求項13に記載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液滴吐出装置の製造方法。
- 請求項1〜12のいずれかに記載の静電アクチュエータの製造方法を適用してデバイスを製造することを特徴とするデバイスの製造方法。
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