JP2007276128A - 液滴吐出ヘッド、液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】吐出室を高密度化しても流路抵抗が高くなるのを抑えて、液滴の吐出性能を確保することができる液滴吐出ヘッド及びその製造方法並びに液滴吐出装置を提供する。
【解決手段】底壁を振動板12とし液滴を溜めておく複数の吐出室11と該複数の吐出室11に供給する液体を溜めておくリザーバ33を構成する第1リザーバ14とが形成されるキャビティ基板1と、各吐出室11それぞれに対応して形成され吐出室11内の液滴を吐出する複数のノズル孔31を有するノズル基板3とを少なくとも備えた液滴吐出ヘッドであって、ノズル基板3は、SOI基板で構成され、ノズル基板3においてキャビティ基板1の第1リザーバ14と対向する位置に、第1リザーバ14とともにリザーバ33を構成する第2リザーバ32となる凹部が、SOI基板を構成するSiO2 層をエッチングストップ層としたエッチングにより形成されているものである。
【選択図】図2
【解決手段】底壁を振動板12とし液滴を溜めておく複数の吐出室11と該複数の吐出室11に供給する液体を溜めておくリザーバ33を構成する第1リザーバ14とが形成されるキャビティ基板1と、各吐出室11それぞれに対応して形成され吐出室11内の液滴を吐出する複数のノズル孔31を有するノズル基板3とを少なくとも備えた液滴吐出ヘッドであって、ノズル基板3は、SOI基板で構成され、ノズル基板3においてキャビティ基板1の第1リザーバ14と対向する位置に、第1リザーバ14とともにリザーバ33を構成する第2リザーバ32となる凹部が、SOI基板を構成するSiO2 層をエッチングストップ層としたエッチングにより形成されているものである。
【選択図】図2
Description
本発明は、プリンタなどに使用される液滴吐出ヘッド、その製造方法及び液滴吐出装置に関する。
昨今の静電駆動方式のインクジェットプリンタでは、高解像度画像の高速印字、プリンタの省スペース化のために、インクジェットヘッドの多ノズル孔化及び小型化が進んでおり、それに伴って吐出室(圧力室などともいう)の高密度化が進んでいる。
従来の一般的な静電駆動方式のインクジェット記録装置(インクジェットヘッド)では、3枚の基板を接合して1枚の基板に静電駆動用の電極を形成し、真ん中の基板に複数の吐出室となる凹部及びリザーバ(共通インク室などともいう)となる凹部を形成していた(例えば、特許文献1参照)。
特開平11−115179号公報
従来の一般的な静電駆動方式のインクジェット記録装置では(例えば、特許文献1参照)、吐出室を高密度化したときに流路としての吐出室の断面積が小さくなり、インク流路の流路抵抗が全体として高くなってインクの吐出性能が低下してしまうという問題点があった。
上記のように吐出室を高密度化すると、複数の吐出室間の隔壁の厚さが薄くなり吐出室同士の圧力干渉(いわゆるクロストーク)が発生する。このクロストークを防止するために、一般のインクジェットヘッドでは吐出室となる凹部及び各吐出室に共通のリザーバとなる凹部が形成される基板(キャビティ基板と呼ぶ)を薄くして吐出室間の隔壁の高さを低くしていた。しかし吐出室となる凹部及びリザーバとなる凹部が形成される基板を薄くすると、さらに吐出室の断面積が小さくなるため、益々インク流路の流路抵抗が高くなる。また、リザーバの高さも小さくなるため、十分なリザーバ容積を取ることができず、リザーバのコンプライアンス(振動の吸収度合い)が低くなり、リザーバの流路抵抗が高くなる。そして、このようにリザーバのコンプライアンスが低くなると、ある吐出室に圧力が加わった場合に、その圧力がリザーバに与える振動をリザーバで十分吸収できず、他の吐出室にも伝わってしまい、依然としてクロストークの問題を解消するのが困難であるという問題があった。
本発明は、吐出室を高密度化しても流路抵抗が高くなるのを抑えて、液滴の吐出性能を確保することができる液滴吐出ヘッド及び液滴吐出ヘッドの製造方法並びに液滴吐出装置を提供することを目的とする。
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、底壁を振動板とし液滴を溜めておく複数の吐出室と複数の吐出室に供給する液体を溜めておくリザーバを構成する第1リザーバとが形成されるキャビティ基板と、各吐出室それぞれに対応して形成され吐出室内の液滴を吐出する複数のノズル孔を有するノズル基板とを少なくとも備えた液滴吐出ヘッドであって、ノズル基板は、絶縁層の両面にシリコン層が接合されたSOI基板で構成され、ノズル基板においてキャビティ基板の第1リザーバと対向する位置に、第1リザーバとともにリザーバを構成する第2リザーバとなる凹部が、第1リザーバとの対向面側から絶縁層をエッチングストップ層としたエッチングにより形成されているものである。
これにより、リザーバの容積を拡大することができ、コンプライアンスを高めてリザーバ内における圧力変動を緩衝することが可能となり、吐出室間の圧力干渉(クロストーク)を防止することができる。また、絶縁層をエッチングストップ層としたエッチングにより第2リザーバを形成するので、深さ精度高く第2リザーバを形成できる。また、第2リザーバを設けるにあたり、その分の厚みを出すために新たな基板を設けるのではなくノズル基板に設けるようにしたので、製造工数や製造コストの面で有効である。
これにより、リザーバの容積を拡大することができ、コンプライアンスを高めてリザーバ内における圧力変動を緩衝することが可能となり、吐出室間の圧力干渉(クロストーク)を防止することができる。また、絶縁層をエッチングストップ層としたエッチングにより第2リザーバを形成するので、深さ精度高く第2リザーバを形成できる。また、第2リザーバを設けるにあたり、その分の厚みを出すために新たな基板を設けるのではなくノズル基板に設けるようにしたので、製造工数や製造コストの面で有効である。
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、ノズル孔が、吐出方向の先端側の第1ノズル孔と、第1ノズル孔に連通し、第1ノズルより大きな孔径を有する第2ノズル孔とで構成され、第1ノズル孔と第2ノズル孔のどちらも絶縁層をエッチングストップ層としたエッチングにより形成されているものである。
これにより、深さ精度高く第1ノズル孔及び第2ノズル孔を形成できる。
これにより、深さ精度高く第1ノズル孔及び第2ノズル孔を形成できる。
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、振動板に対向し、各振動板を静電駆動する個別電極が形成された電極基板と、振動板の静電駆動を制御するドライバICとを備え、ノズル基板は、ドライバICを収容する収容部の一部を構成するIC収容凹部を備えており、IC収容凹部は、絶縁層をエッチングストップ層としたエッチングにより形成されているものである。
このようにノズル基板にIC収容凹部を設けたことにより、ノズル基板内にドライバICを収容できる。
このようにノズル基板にIC収容凹部を設けたことにより、ノズル基板内にドライバICを収容できる。
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、底壁を振動板とし液滴を溜めておく複数の吐出室と複数の吐出室に供給する液体を溜めておくリザーバを構成する第1リザーバとが形成されるキャビティ基板と、各吐出室それぞれに対応して形成され吐出室内の液滴を吐出する複数のノズル孔を有するノズル基板とを少なくとも有し、ノズル基板においてキャビティ基板の第1リザーバと対向する位置に形成され、第1リザーバとともにリザーバを構成する第2リザーバとなる凹部が形成された液滴吐出ヘッドの製造方法であって、ノズル基板は、絶縁層の両面にシリコン層が接合されたSOI基板で構成され、SOI基板を、キャビティ基板の第1リザーバとの対向面側から絶縁層をエッチングストップ層としたエッチングすることにより凹部を形成するものである。
これにより、第2リザーバを深さ精度高く形成できる。また、第2リザーバを設けるにあたり、その分の厚みを出すために新たな基板を設けるのではなく、ノズル基板に設けるようにしたので、製造工数や製造コストの面で有効である。
これにより、第2リザーバを深さ精度高く形成できる。また、第2リザーバを設けるにあたり、その分の厚みを出すために新たな基板を設けるのではなく、ノズル基板に設けるようにしたので、製造工数や製造コストの面で有効である。
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、ノズル孔は、吐出方向の先端側の第1ノズル孔と、第1ノズル孔に連通し、第1ノズル孔より大きな孔径を有する第2ノズル孔とで構成され、ノズル基板となるSOI基板をキャビティ基板との対向面側から絶縁層をエッチングストップ層としたエッチングを行うことにより第2ノズル孔を形成し、SOI基板において対向面とは反対側の面から絶縁層をエッチングストップ層としたエッチングを行うことにより第1のノズル孔を形成するものである。
これにより、深さ精度高く第1ノズル孔及び第2ノズル孔を形成できる。
これにより、深さ精度高く第1ノズル孔及び第2ノズル孔を形成できる。
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、前記第2リザーバを形成するのと同じエッチング工程で絶縁層をエッチングストップ層としたエッチングを行うことにより、振動板を駆動するドライバICを収容するための収容空間の一部を構成するIC収容凹部を形成するものである。
これにより、製造工数を簡略化できる。
これにより、製造工数を簡略化できる。
また、本発明に係る液滴吐出装置は、上記の何れかの液滴吐出ヘッドを備えたものである。
これにより、液滴吐出ヘッド駆動時にクロストークが生じない、高性能の液滴吐出装置が得られる。
これにより、液滴吐出ヘッド駆動時にクロストークが生じない、高性能の液滴吐出装置が得られる。
実施の形態1
図1は本発明の実施の形態1に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの概略構成を示す分解斜視図、図2は組付状態のインクジェットヘッドの断面図である。図1はフェイス型のインクジェットヘッドを表している。図1、図2に示す本実施形態に係るインクジェットヘッドは、キャビティ基板1、電極基板2、ノズル基板3の3つの基板を貼り合わせた3層構造で構成されている。以下、各基板の構成について詳述する。
図1は本発明の実施の形態1に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドの概略構成を示す分解斜視図、図2は組付状態のインクジェットヘッドの断面図である。図1はフェイス型のインクジェットヘッドを表している。図1、図2に示す本実施形態に係るインクジェットヘッドは、キャビティ基板1、電極基板2、ノズル基板3の3つの基板を貼り合わせた3層構造で構成されている。以下、各基板の構成について詳述する。
キャビティ基板1は、例えば厚さ約50μmで表裏面の面方位が(110)のシリコン単結晶基板で構成されている。このキャビティ基板1には後述のノズル孔31のそれぞれに独立して連通する吐出室11となる凹部13と、各吐出室11に共通のリザーバを構成する第1リザーバ14となる貫通孔とが設けられている。また、吐出室11を構成する凹部13の底壁が可撓性を有し変形可能な振動板12を構成している。本例の振動板12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。このボロンドープ層は、振動板12の所望の厚みと同じ厚みに形成される。これは、アルカリ性水溶液で単結晶シリコンを異方性エッチングを行った場合、ボロンを高濃度(約5×1019atoms/cm3 以上)にドープした部分では極端にエッチングレートが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たものであり、かかるエッチングストップ技術を用いることにより、振動板12の厚み及び吐出室11の容積を高精度で形成することができるようになっている。
キャビティ基板1の少なくとも下面(電極基板3と対向する面)には、例えばTEOS(Tetraethylorthosilicate Tetraethoxysilane:テトラエトキシシラン、珪酸エチル)を原料としたプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長法)によるSiO2膜からなる絶縁膜(図示せず)が、例えば0.1μmの厚さで形成されている。この絶縁膜は、インクジェットヘッドの駆動時における絶縁破壊や短絡を防止するために設けられている。
また、キャビティ基板1のノズル基板3との接合面には、インクによるシリコンの腐食を防ぐために、例えばTEOS膜からなるインク保護膜(図示せず)が形成されている。
さらに、キャビティ基板1には、中央部に後述するドライバIC4を収容する空間を形成するためのIC収容口41が貫通形成され、端部にそのドライバIC4から延びる電極基板2の配線の接続端部を開放する配線取出口42が開口されている。なお、キャビティ基板1には、キャビティ基板1を電源などへ電気的に接続する共通電極15も設けられている。
また、キャビティ基板1のノズル基板3との接合面には、インクによるシリコンの腐食を防ぐために、例えばTEOS膜からなるインク保護膜(図示せず)が形成されている。
さらに、キャビティ基板1には、中央部に後述するドライバIC4を収容する空間を形成するためのIC収容口41が貫通形成され、端部にそのドライバIC4から延びる電極基板2の配線の接続端部を開放する配線取出口42が開口されている。なお、キャビティ基板1には、キャビティ基板1を電源などへ電気的に接続する共通電極15も設けられている。
電極基板2は、例えば厚さ約1mmのガラス基板から製作されている。中でも、キャビティ基板1となるシリコン基板と熱膨張係数の近い硼珪酸系の耐熱硬質ガラスを用いるのが適している。硼珪酸系の耐熱硬質ガラスを用いることにより、電極基板2とシリコン基板を陽極接合する際、両基板の熱膨張係数が近いため、電極基板2とシリコン基板との間に生じる応力を低減することができ、その結果剥離等の問題を生じることなく、電極基板2とシリコン基板を強固に接合することができるからである。
電極基板2には、キャビティ基板1の各振動板12に対向する表面の位置にそれぞれ凹部22が設けられている。各凹部22は、エッチングにより例えば約0.2μmの深さで形成されている。そして、各凹部22の底面には、一般に、ITO(Indium Tin Oxide:インジウム錫酸化物)からなる個別電極21が、例えば0.1μmの厚さでスパッタにより形成されている。したがって振動板12と個別電極21との間に形成されるギャップ(振動板12の動作空間)23は、本実施形態の場合、0.1μmとなっている。このギャップ23の開放端部は、キャビティ基板1に設けた封止穴16から注入されたエポキシ接着剤等からなる封止材24により気密に封止される。これにより異物や湿気等がギャップ23へ侵入するのを防止することができ、インクジェットヘッドの信頼性を高く保持することができる。
なお、個別電極21の材料はITOに限定するものではなく、クロムやIZO(Indium Zinc Oxide )あるいは金、銅等の金属を用いてもよい。ただ、ITOは透明であるので振動板の当接具合の確認が行いやすいことなどの理由から、一般にはITOが用いられている。
なお、個別電極21の材料はITOに限定するものではなく、クロムやIZO(Indium Zinc Oxide )あるいは金、銅等の金属を用いてもよい。ただ、ITOは透明であるので振動板の当接具合の確認が行いやすいことなどの理由から、一般にはITOが用いられている。
また、個別電極21の一方の端部は電極端子部21aとなっており、キャビティ基板1のIC収容口41に対応する領域で、動作制御用のドライバIC4と接続されている。
さらに、ドライバIC4に対する信号線や電源線が、キャビティ基板1の配線取出口42の領域まで配線され、そこで露出した状態とされる。そして、その配線の露出部が外部機器との接続に供される接続端部25となっている。接続端部25には、例えばFPC(Flexible Printed Circuit)のコネクタ部が接続され、それを介してドライバIC4が、駆動回路を有した外部機器などに接続される。
さらに、ドライバIC4に対する信号線や電源線が、キャビティ基板1の配線取出口42の領域まで配線され、そこで露出した状態とされる。そして、その配線の露出部が外部機器との接続に供される接続端部25となっている。接続端部25には、例えばFPC(Flexible Printed Circuit)のコネクタ部が接続され、それを介してドライバIC4が、駆動回路を有した外部機器などに接続される。
電極基板2にはインクカートリッジ(図示せず)に接続されるインク供給孔26が設けられている。インク供給孔26は、キャビティ基板1の第1リザーバ14に連通している。
ノズル基板3は、厚さ例えば約210μmのSOI(Silicon On Insulator)基板で構成されている。このSOI基板は、絶縁層の両面にシリコン層が接合された構成を有するもので、本例では、例えば厚み30μmの第1シリコン層3aと、厚み1μmのSiO2 層3bと、厚み180μmの第2シリコン層3cとで構成されている。このノズル基板3には、多数のノズル孔31が所定のピッチで設けられている。各ノズル孔31は、吐出方向の先端側の第1ノズル孔31aと、第2ノズル孔31bよりも大きな孔径を有し後述の吐出室11と連通する第2ノズル孔31bとから構成されており、各ノズル孔31は複数の吐出室11にそれぞれ対応している。また、ノズル基板3において、第1リザーバ14に対向する位置には、凹部で構成された第2リザーバ32が形成されており、第1リザーバ14を構成する貫通孔と共にリザーバ33を形成している。第2リザーバ32は、第1リザーバ14との対向面側からSiO2 層3bをエッチングストップ層としたエッチングにより形成されており、深さ精度が高く形成されている。また、第2リザーバ32の底部33aはダイアフラムとして機能する。このように、本例においては、ノズル基板3に第2リザーバ32を設けてリザーバ33の容積拡大を図り、また、第2リザーバ32の底部33aをダイアフラムとして機能させてリザーバ33内の液体の圧力変動を吸収することにより、リザーバ33のコンプライアンスを高め、インクジェット駆動時のクロストークを吸収するようにしている。さらに、ノズル基板3の下面には、吐出室11とリザーバ33とを連通させる連通溝35も形成されている。
また、ノズル基板3にも、中央部に後述するドライバIC4を収容する空間としてのIC収容凹部34が形成されている。このIC収容凹部34も第2リザーバ32と同様、SiO2 層3bをエッチングストップ層としたエッチングにより形成される。なお、図示は省略するが、ノズル基板3のキャビティ基板1との接合面側の全面にはインクによるシリコンの腐食を防ぐために、例えば熱酸化膜(SiO2 膜)からなるインク保護膜が形成されている。
ここで、上記のように構成されたインクジェットヘッドの動作について概要を説明する。なお、インクジェットヘッドには、外部のインクカートリッジからインクがインク供給孔26を通じてリザーバ33内に供給され、さらにインクは個々の吐出室11を経てノズル孔31の先端まで満たされている。また、キャビティ基板1の共通電極15と電極基板2の接続端子部21aとが、FPCを介して別体の駆動回路に接続されて、振動板12と個別電極21との電極間に、電荷を付加できる状態となっているものとする。なお、各個別電極21への電圧供給はドライバIC4により制御される。
ドライバIC4は、例えば24kHzで発振し、個別電極21に0Vと30Vのパルス電位を印加して電荷供給を行う。例えば、個別電極21に電荷を供給してプラスに帯電させると、振動板12はマイナスに帯電し、静電気力により個別電極21側に引き寄せられて撓む。これによって吐出室11の容積が増大する。次に、その電荷供給を停止すると、静電気力がなくなり振動板12はその弾性力により元に戻る。その際、吐出室11の容積が急激に減少するため、そのときの圧力により、吐出室11内のインクの一部がインク滴となってノズル孔31から吐出され、例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が行われる。そして、再びパルス電圧が印加され、振動板12が個別電極21側に撓むことにより、インクがリザーバ33から連通溝35を介して吐出室11内に補給される。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。
上記のようなインクジェットヘッドの駆動時において、吐出室11の圧力変動はリザーバ33にも伝達される。しかし、リザーバ33は、従来よりキャビティ基板に形成されている第1リザーバ14に加え、更に第2リザーバ32を形成した構成であるので、容積の拡大が図られ、コンプライアンスが高められている。したがって、リザーバ33内における圧力変動を緩衝することができ、吐出室11間の圧力干渉(クロストーク)を防止することができる。そのため、駆動ノズル孔以外の非駆動ノズル孔からインクが漏れ出たり、駆動ノズル孔から吐出に必要な吐出量が減少するといったような不具合をなくすことができる。
図3、図4は上記のノズル基板3の製造方法の一例を示す製造工程図である。これらの図の(a)〜(m)に従って、ノズル基板3の製造方法を順に説明する。なお、以下に示す各種条件は一例であり、それらの条件に限定されるものではない。また、実際にはウエハから複数個分のインクジェットヘッドの部材を同時形成するが、図3、図4ではその一部だけ示している。
(a)両面研磨したSOI基板301を用意する。ここでは、例えば厚み30μmの第1シリコン層3aと、厚み1μmのSiO2 層3bと、厚み180μmの第2シリコン層3cとで構成されたものを使用する。次に、酸素及び水蒸気雰囲気中、1075℃の条件で4時間酸化することで、SOI基板の両面に約1.2μmのSiO2 膜302を成膜する。
(b)SOI基板301の両面にレジストを塗布し、第2シリコン層3c側に第2ノズル孔31bのレジストパターニングを施し、ふっ酸水溶液でエッチングして、SiO2 膜をパターニングする。そして両面のレジストを剥離する。
(c)SOI基板301の両面にレジストを塗布し、第2シリコン層3c側に連通溝35のレジストパターニングを施し、ふっ酸水溶液で0.8μmエッチングして、SiO2 膜302が約0.4μm残るようにパターニングする。そして両面のレジストを剥離する。
(d)SOI基板301の両面にレジストを塗布し、第1シリコン層3a側に第1ノズル孔31aのレジストパターニングを施し、ふっ酸水溶液でエッチングして、SiO2 膜302をパターニングする。そして両面のレジストを剥離する。
(a)両面研磨したSOI基板301を用意する。ここでは、例えば厚み30μmの第1シリコン層3aと、厚み1μmのSiO2 層3bと、厚み180μmの第2シリコン層3cとで構成されたものを使用する。次に、酸素及び水蒸気雰囲気中、1075℃の条件で4時間酸化することで、SOI基板の両面に約1.2μmのSiO2 膜302を成膜する。
(b)SOI基板301の両面にレジストを塗布し、第2シリコン層3c側に第2ノズル孔31bのレジストパターニングを施し、ふっ酸水溶液でエッチングして、SiO2 膜をパターニングする。そして両面のレジストを剥離する。
(c)SOI基板301の両面にレジストを塗布し、第2シリコン層3c側に連通溝35のレジストパターニングを施し、ふっ酸水溶液で0.8μmエッチングして、SiO2 膜302が約0.4μm残るようにパターニングする。そして両面のレジストを剥離する。
(d)SOI基板301の両面にレジストを塗布し、第1シリコン層3a側に第1ノズル孔31aのレジストパターニングを施し、ふっ酸水溶液でエッチングして、SiO2 膜302をパターニングする。そして両面のレジストを剥離する。
(e)ICPドライエッチング装置を用いて、第2ノズル孔31bの深さが約150μmになるまでエッチングする。エッチング条件は、エッチングプロセスがSF6流量400cm3/min(400sccm)、エッチング時間3.5秒、チャンバー圧力8Pa、コイルパワー2200W、プラテンパワー55W、プラテン温度20℃で、デポジションプロセスがC4F8流量200cm3/min(200sccm)、エッチング時間2.5秒、チャンバー圧力2.7Pa、コイルパワー1800W、プラテン温度20℃である。エッチングプロセスとデポジションプロセスを組み合わせて1サイクルとし、約270サイクル行う。
(f)ふっ酸水溶液にSOI基板301を浸し、連通溝35に残っているSiO2 膜302をエッチングする。
(f)ふっ酸水溶液にSOI基板301を浸し、連通溝35に残っているSiO2 膜302をエッチングする。
(g)ICPドライエッチング装置を用いて、連通溝35の深さが約20μmになるまでエッチングする。エッチング条件は、エッチングプロセスがSF6流量400cm3/min(400sccm)、エッチング時間3.5秒、チャンバー圧力8Pa、コイルパワー2200W、プラテンパワー55W、プラテン温度20℃で、デポジションプロセスがC4F8流量200cm3/min(200sccm)、エッチング時間2.5秒、チャンバー圧力2.7Pa、コイルパワー1800W、プラテン温度20℃である。エッチングプロセスとデポジションプロセスを組み合わせて1サイクルとし、約50サイクル行う。この時、第2ノズル孔31bはSiO2 層でエッチングストップする為、深さ精度良く第2ノズル孔31bを形成でき、第2シリコン層3aの厚みと同じ深さで形成することができる。
(h)ICPドライエッチング装置を用いて、第1ノズル孔31aがSiO2 層3bでエッチングストップするまでエッチングする。エッチング条件は、エッチングプロセスがSF6流量400cm3/min(400sccm)、エッチング時間3.5秒、チャンバー圧力8Pa、コイルパワー2200W、プラテンパワー55W、プラテン温度20℃で、デポジションプロセスがC4F8流量200cm3/min(200sccm)、エッチング時間2.5秒、チャンバー圧力2.7Pa、コイルパワー1800W、プラテン温度20℃である。エッチングプロセスとデポジションプロセスを組み合わせて1サイクルとし、約75サイクル行う。このように第1ノズル孔31aを形成するエッチングの形成に際しても、SiO2 層3bがエッチングストップ層として機能するため、深さ精度良く第1ノズル孔31aを形成でき、第1シリコン層3aの厚みと同じ深さで形成することができる。
(i)SOI基板301をふっ酸水溶液に浸し、両面に残っているSiO2 膜302を全て除去する。この時、第1ノズル孔31aと第2ノズル孔31bとの境界部分に残っているSiO2 層3bも除去される。
(j)酸素及び水蒸気雰囲気中、1075℃の条件で8時間酸化することで、SOI基板301の表面及びノズル孔31の内周面に約1.7μmのSiO2 膜303を成膜する。
(k)SOI基板301の第2シリコン層3c側にレジストを塗布する。この時、貫通しているノズル孔31からレジストが抜けていかないように、SOI基板301の第1シリコン層3c側の表面にはポリエステルテープを貼る。そして、ドライバIC4を実装する部分に対応したIC収容凹部34及び第2リザーバ32を形成するためのレジストパターニングを施し、ポリエステルテープを貼った状態でふっ酸水溶液でエッチングして、SiO2 膜303をパターニングする。そしてポリエステルテープを剥がした後、レジストを剥離する。
(l)SOI基板301を25w%の水酸化カリウム水溶液に浸し、SiO2 層3bでエッチングストップするまでエッチングする。これによりIC収容凹部34及び第2リザーバ32が形成される。このようにエッチングストップ技術を用いてIC収容凹部34及び第2リザーバ32を形成するので、IC収容凹部34及び第2リザーバ32の深さは第2シリコン層3cの厚みと同じになり、高い深さ精度で形成することができる。
(m)そしてSOI基板301をふっ酸水溶液に浸す。これにより、SOI基板301の全面のSiO2 膜303が剥離されるとともに、IC収容凹部34及び第2リザーバ32の底面部分から露呈したSiO2 層3b部分も剥離される。そして、第2リザーバ32の底部33aはリザーバダイアフラムとなる。以上によりノズル基板3が完成する。
(j)酸素及び水蒸気雰囲気中、1075℃の条件で8時間酸化することで、SOI基板301の表面及びノズル孔31の内周面に約1.7μmのSiO2 膜303を成膜する。
(k)SOI基板301の第2シリコン層3c側にレジストを塗布する。この時、貫通しているノズル孔31からレジストが抜けていかないように、SOI基板301の第1シリコン層3c側の表面にはポリエステルテープを貼る。そして、ドライバIC4を実装する部分に対応したIC収容凹部34及び第2リザーバ32を形成するためのレジストパターニングを施し、ポリエステルテープを貼った状態でふっ酸水溶液でエッチングして、SiO2 膜303をパターニングする。そしてポリエステルテープを剥がした後、レジストを剥離する。
(l)SOI基板301を25w%の水酸化カリウム水溶液に浸し、SiO2 層3bでエッチングストップするまでエッチングする。これによりIC収容凹部34及び第2リザーバ32が形成される。このようにエッチングストップ技術を用いてIC収容凹部34及び第2リザーバ32を形成するので、IC収容凹部34及び第2リザーバ32の深さは第2シリコン層3cの厚みと同じになり、高い深さ精度で形成することができる。
(m)そしてSOI基板301をふっ酸水溶液に浸す。これにより、SOI基板301の全面のSiO2 膜303が剥離されるとともに、IC収容凹部34及び第2リザーバ32の底面部分から露呈したSiO2 層3b部分も剥離される。そして、第2リザーバ32の底部33aはリザーバダイアフラムとなる。以上によりノズル基板3が完成する。
図5、図6は、インクジェットヘッドの製造方法の一例を示す工程図である。ここでは、図4に示した製造工程で製造されたノズル基板3が接合される、キャビティ基板1と電極基板2との接合基板を製造するまでの工程について説明する。なお、実際にはウエハから複数個分のインクジェットヘッドの部材を同時形成するが、図5、図6ではその一部だけ示している。
(1)約1mmのガラス基板201に対し、電極部(個別電極21及び電極端子部21aからなる電極部をいう)の形状パターンに合わせて約0.2μmの深さの凹部22を形成する。凹部22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21及び電極端子部21aを形成する。その後、インク供給孔26をサンドブラスト法または切削加工により形成して、電極基板2とする。
(2)(110)を面方位とする酸素濃度の低いシリコン基板101の片面を鏡面研磨した220μmの厚みの基板を作製する。そのシリコン基板101の鏡面側に、振動板12の厚みと同等の高濃度ボロンドープ層を形成する(図示せず)。そして、そのボロンドープ層の表面にTEOS絶縁膜を0.1μm成膜する(図示せず)。
(2)(110)を面方位とする酸素濃度の低いシリコン基板101の片面を鏡面研磨した220μmの厚みの基板を作製する。そのシリコン基板101の鏡面側に、振動板12の厚みと同等の高濃度ボロンドープ層を形成する(図示せず)。そして、そのボロンドープ層の表面にTEOS絶縁膜を0.1μm成膜する(図示せず)。
次に、シリコン基板101と電極部パターン形成後の電極基板2とを360℃に加熱した後、電極基板2に負極、シリコン基板101に正極を接続して、800Vの電圧を印加してそれらの基板を陽極接合する。なお、シリコン基板101のTEOS絶縁膜と電極基板2の個別電極21との間には、凹部22に起因するギャップ23が形成される。
(3)陽極接合後、シリコン基板101の表面を、その厚みが約60μmになるまで研削加工を行う。その後、加工変質層を除去する為に、32w%の濃度の水酸化カリウム溶液でシリコン基板101を約10μmエッチングする。これによりシリコン基板101の厚みは約50μmとなる。
(4)電極基板2とシリコン基板101との接合済み基板を水酸化カリウム水溶液を用いてエッチングし、シリコン基板101に吐出室11を形成する。このエッチング工程では、ボロンドープ層でのエッチングレートの低下を利用してエッチングをストップさせる。これにより、吐出室11の底面を構成する振動板12の面荒れを抑制し、その厚み精度を0.80±0.05μm以下にして、インクジェットヘッドの吐出性能を安定化することができる。
また、シリコン基板101には、IC収容口41、封止穴16、第1リザーバ14などの貫通孔を形成し、キャビティ基板1とする。これらの貫通孔は、吐出室11を形成する際のウェットエッチングと同時にシリコン基板101をエッチングすることにより途中まで形成し、シリコン基板101表面にそれら貫通孔部分が開口したシリコンマスクを取り付けて、RIEドライエッチングを行い、それらの貫通穴部のみにプラズマを当てて、残存部を除去し開口する。これにより、キャビティ基板1が完成する。
(4)電極基板2とシリコン基板101との接合済み基板を水酸化カリウム水溶液を用いてエッチングし、シリコン基板101に吐出室11を形成する。このエッチング工程では、ボロンドープ層でのエッチングレートの低下を利用してエッチングをストップさせる。これにより、吐出室11の底面を構成する振動板12の面荒れを抑制し、その厚み精度を0.80±0.05μm以下にして、インクジェットヘッドの吐出性能を安定化することができる。
また、シリコン基板101には、IC収容口41、封止穴16、第1リザーバ14などの貫通孔を形成し、キャビティ基板1とする。これらの貫通孔は、吐出室11を形成する際のウェットエッチングと同時にシリコン基板101をエッチングすることにより途中まで形成し、シリコン基板101表面にそれら貫通孔部分が開口したシリコンマスクを取り付けて、RIEドライエッチングを行い、それらの貫通穴部のみにプラズマを当てて、残存部を除去し開口する。これにより、キャビティ基板1が完成する。
(5)接合済み基板を乾燥し、ギャップ23内部の水分を除去した後、エポキシなどの封止材24を封止穴16に流し込み、ギャップ23を封止する。これによって、ギャップ23は密閉状態となる。
(6)IC収容口41を利用して、電極基板2の電極端子部21aにドライバIC4を実装する。
(7)ノズル基板3をエポキシ系接着剤によりキャビティ基板1に接着する。そして、ダイシングを行い、個々のヘッドに切断し、インクジェットヘッドとする。
(6)IC収容口41を利用して、電極基板2の電極端子部21aにドライバIC4を実装する。
(7)ノズル基板3をエポキシ系接着剤によりキャビティ基板1に接着する。そして、ダイシングを行い、個々のヘッドに切断し、インクジェットヘッドとする。
このように本実施の形態1によれば、吐出室11に供給する液滴を溜めておくリザーバ33を、従来よりキャビティ基板に形成されている第1リザーバ14に加え、更にもう一つの第2リザーバ32をノズル基板3に設けた構成としたので、リザーバ33の容積が拡大されてコンプライアンスを高めることができる。したがって、リザーバ33内における圧力変動を緩衝することができ、吐出室11間の圧力干渉(クロストーク)を防止することができる。ここで、第2リザーバ32を設けるに際し、第2リザーバ専用の新たな基板を設けるのではなくノズル基板3に設けたので、製造コストや製造工数の面からも有効である。また、ノズル基板3にSOI基板(構造)を用いるため、各部をエッチングする際に、SiO2 層3bでエッチングストップさせることが可能となり、ノズル孔31やリザーバ33を高い深さ精度で製造することができる。
また、本実施の形態1では、シリコン基板101と電極基板2とを接合した後に、シリコン基板101に吐出室11等の各部位を形成してキャビティ基板1としているため、シリコン基板101の取り扱いが容易となる。これにより、シリコン基板101の割れを低減することができ、その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インクジェットヘッドを取出すことができ、生産性を向上させることができる。
なお、図2には、ドライバIC4の放熱に関する構成を特に図示していないが、放熱が必要な場合は、ドライバIC4とノズル基板3との間に熱伝導性部材を充填してドライバIC4の熱をノズル基板5に熱を逃すように構成してもよい。
実施の形態2
図7は実施の形態1の液滴吐出ヘッド(インクジェットヘッド)を用いた液滴吐出装置の概略構成図である。図7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7において、被印刷物であるプリント紙410が支持されるドラム401と、プリント紙410にインクを吐出し、記録を行う液滴吐出ヘッド402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402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410は、ドラム401の軸方向に平行に設けられた紙圧着ローラ403により、ドラム401に圧着して保持される。そして、送りネジ404がドラム401の軸方向に平行に設けられ、液滴吐出ヘッド402が保持されている。送りネジ404が回転することによって液滴吐出ヘッド402がドラム401の軸方向に移動するようになっている。
図7は実施の形態1の液滴吐出ヘッド(インクジェットヘッド)を用いた液滴吐出装置の概略構成図である。図7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7において、被印刷物であるプリント紙410が支持されるドラム401と、プリント紙410にインクを吐出し、記録を行う液滴吐出ヘッド402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402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410は、ドラム401の軸方向に平行に設けられた紙圧着ローラ403により、ドラム401に圧着して保持される。そして、送りネジ404がドラム401の軸方向に平行に設けられ、液滴吐出ヘッド402が保持されている。送りネジ404が回転することによって液滴吐出ヘッド402がドラム401の軸方向に移動するようになっている。
一方、ドラム401は、ベルト405等を介してモータ406により回転駆動される。また、プリント制御手段407は、印画データ及び制御信号に基づいて送りネジ404、モータ406を駆動させ、また、図示していない発振駆動回路を駆動させて振動板12を振動させ、プリント紙410に印刷を行わせる。
本実施の形態2の液滴吐出装置は、実施の形態1の液滴吐出装置(インクジェットヘッド)を用いているため、インクジェット駆動時にクロストークが生じない、高性能の液滴吐出装置が得られる。
なお、本実施の形態1、2ではインクを吐出する液滴吐出ヘッドの例を示したが、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、染料や顔料を含む液体、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。
1 キャビティ基板、2 電極基板、3 ノズル基板、3a 第1シリコン層、3b SiO2 層、3c 第2シリコン層、11 吐出室、12 振動板、13 凹部、14 第1リザーバ、15 共通電極、21 個別電極、31 ノズル孔、31a 第1ノズル孔、31b 第2ノズル孔、32 第2リザーバ、33 リザーバ、33a 底部、34 IC収容凹部、401 ドラム、402 液滴吐出ヘッド、403 紙圧着ローラ、404 送りネジ、405 ベルト、406 モータ、407 プリント制御手段、410 プリント紙。
Claims (7)
- 底壁を振動板とし液滴を溜めておく複数の吐出室と該複数の吐出室に供給する液体を溜めておくリザーバを構成する第1リザーバとが形成されるキャビティ基板と、
前記各吐出室それぞれに対応して形成され前記吐出室内の液滴を吐出する複数のノズル孔を有するノズル基板とを少なくとも備えた液滴吐出ヘッドであって、
前記ノズル基板は、絶縁層の両面にシリコン層が接合されたSOI基板で構成され、前記ノズル基板において前記キャビティ基板の前記第1リザーバと対向する位置に、前記第1リザーバとともに前記リザーバを構成する第2リザーバとなる凹部が、前記第1リザーバとの対向面側から前記絶縁層をエッチングストップ層としたエッチングにより形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 前記ノズル孔は、吐出方向の先端側の第1ノズル孔と、前記第1ノズル孔に連通し、第1ノズルより大きな孔径を有する第2ノズル孔とで構成され、第1ノズル孔と第2ノズル孔のどちらも前記絶縁層をエッチングストップ層としたエッチングにより形成されていることを特徴とする請求項1記載の液滴吐出ヘッド。
- 前記振動板に対向し、前記各振動板を静電駆動する個別電極が形成された電極基板と、前記振動板の静電駆動を制御するドライバICとを備え、前記ノズル基板は、前記ドライバICを収容する収容部の一部を構成するIC収容凹部を備えており、該IC収容凹部は、前記絶縁層をエッチングストップ層としたエッチングにより形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の液滴吐出ヘッド。
- 底壁を振動板とし液滴を溜めておく複数の吐出室と該複数の吐出室に供給する液体を溜めておくリザーバを構成する第1リザーバとが形成されるキャビティ基板と、前記各吐出室それぞれに対応して形成され前記吐出室内の液滴を吐出する複数のノズル孔を有するノズル基板とを少なくとも有し、該ノズル基板において前記キャビティ基板の前記第1リザーバと対向する位置に形成され、前記第1リザーバとともに前記リザーバを構成する第2リザーバとなる凹部が形成された液滴吐出ヘッドの製造方法であって、
前記ノズル基板は、絶縁層の両面にシリコン層が接合されたSOI基板で構成され、該SOI基板を、前記キャビティ基板の前記第1リザーバとの対向面側から前記絶縁層をエッチングストップ層としたエッチングすることにより前記凹部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。 - 前記ノズル孔は、吐出方向の先端側の第1ノズル孔と、前記第1ノズル孔に連通し、第1より大きな孔径を有する第2ノズル孔とで構成され、前記ノズル基板となるSOI基板を前記キャビティ基板との対向面側から前記絶縁層をエッチングストップ層としたエッチングを行うことにより前記第2ノズル孔を形成し、前記SOI基板において前記対向面とは反対側の面から前記絶縁層をエッチングストップ層としたエッチングを行うことにより前記第1のノズル孔を形成することを特徴とする請求項4記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
- 前記第2リザーバを形成するのと同じエッチング工程で前記絶縁層をエッチングストップ層としたエッチングを行うことにより、振動板を駆動するドライバICを収容するための収容空間の一部を構成するIC収容凹部を前記ノズル基板に形成することを特徴とする請求項4又は請求項5記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
- 請求項1乃至請求項3の何れかに記載の液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置。
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JP2006101548A JP2007276128A (ja) | 2006-04-03 | 2006-04-03 | 液滴吐出ヘッド、液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出装置 |
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JP2012000785A (ja) * | 2010-06-14 | 2012-01-05 | Fujifilm Corp | 液体吐出ヘッドの製造方法 |
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- 2006-04-03 JP JP2006101548A patent/JP2007276128A/ja not_active Withdrawn
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