JP2007301726A - 液体吐出装置の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流路基板とノズルプレートの接合工程における相対的な位置ずれが少なく、接合性が良好な歩留まりの高い液滴吐出装置の製造方法及び液滴吐出装置の製造装置を提供する。
【解決手段】流路基板１００とノズルプレート１０２の周辺部に基板の相対位置がずれないように空間保持部材１０４を挟み込んだ状態で固定し、その状態で基板中央部を変形させて接触・接合を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の流路基板を接合して構成された液滴吐出装置の製造方法及び製造装置に関し、特に産業用途に好適な液滴吐出装置の製造法及び製造装置に関する。

微少な液滴を噴射させる液滴吐出装置はプリンターなどの民生用のみならず、配線パターンの直描装置や液晶のカラーフィルタ製造などの産業用途への展開が行われつつある。液滴吐出装置は様々なタイプが実用化されているが、産業用途に於いてはインクに対する許容度の大きさから圧電素子を用いたタイプの開発が進んでいる。例えば特開平5-286131号公報に於いて、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電薄膜を形成し、この圧電薄膜をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に分割して各圧力発生室毎に独立するようにアクチュエータを形成したものが提案されている。これによればアクチュエータを振動板に貼付ける作業が不要となって、リソグラフィー法という精密で、かつ簡便な手法でアクチュエータを薄膜振動板上に作り付けることができるばかりでなく、振動板及びアクチュエータの厚みを薄くできて高速駆動が可能になるという利点がある。前記公報では液滴吐出口についてはほとんど言及されていないが、高密度化などの観点からは振動板と圧電膜の積層方向に概略垂直な面から液滴吐出を行う、所謂サイドシュータータイプが好ましい。サイドシュータータイプの液滴吐出装置は一般的にはアクチュエータを備えた流路基板と、微細な吐出口を有するノズルプレートを位置合わせし、接合して構成される。
特開平５ー２８６１３１号公報

流路基板とノズルプレートとの接合手法としては様々な手法があるが、流路内への接着剤の侵入が無い点や、耐液性、強度などの面から固相接合が特に好ましい手法の一つである。接合面と接合面を直接接触させて接合を行う方式であり、間に空気があると未接合の原因となるので、接合面の間の空間を排気した状態で接触させる事が好ましい。一般的にはまずある程度の距離を保った状態で位置合わせを行い、所定の厚みを有する空間保持部材を流路基板とノズルプレートの間に挿入し、相対位置がずれないように流路基板とノズルプレートを仮固定する。次に流路基板とノズルプレートの間に挿入された空間保持部材によって、流路基板とノズルプレートとの間に所定の距離がある状態で排気を行う。排気を行った後に空間保持部材を引き抜くことで基板とノズルプレートを接触させる。空間保持部材を引き抜く工程の前には基板及び空間保持部材の損傷を避けるため、流路基板とノズルプレートとの仮固定ははずされていた。又、流路基板とノズルプレートを接触させた後には全面を確実に接触させるために基板全面に渡って圧力を印加する事が行われていた。しかしながら、接合が行われた後に流路基板とノズルプレートとの相対的位置関係のずれが発生する事があった。本発明者の検討によれば、特に流路基板またはノズルプレートが薄く、反りが大きい場合に許容できないレベルの位置ずれが発生しやすい傾向があった。

そこで、本発明は前記問題を解決し、流路基板とノズルプレートの接合工程における相対的な位置ずれが少なく、接合性が良好な歩留まりの高い液滴吐出装置の製造方法及び液滴吐出装置の製造装置を提供する事を目的とする。

本発明は上記問題点を鑑みて為されたものであり、流路基板とノズルプレートの接合工程における相対的な位置ずれが少なく、接合性が良好な歩留まりの高い液滴吐出装置の製造方法及び液滴吐出装置の製造装置を提供する。すなはち、本発明に於ける液滴吐出装置の製造方法は、複数のエネルギー発生手段と、該複数のエネルギー発生手段に対応した流路とを備えた流路基板と、該複数の流路に対応した液体吐出口を備えたノズル基板とを位置合わせして接合する工程とを含む液滴吐出装置の製造方法に於いて、該流路基板と該ノズル基板とを位置合わせする工程と、該流路基板と該ノズル基板とを所定の空間を保持して相対位置を固定する工程と、該流路基板と該ノズル基板との間を排気する工程と、該流路基板と該ノズル基板との周辺部において所定の距離を保持しながら該流路基板又は該ノズル基板の中央部を変形させて接触させる工程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明による液滴吐出装置の製造方法は、前記流路基板と前記ノズル基板との所定の空間保持が、前記流路基板と前記ノズル基板の間に空間保持部材を挿入する事によって行われる事を特徴とする。

また、前記流路基板と前記ノズル基板の中央部を変形させて接触させ、前記流路基板と前記ノズル基板との相対位置を接触部分に於いて固定した後に、前記空間保持部材を除去する事を特徴とする。

また、本発明に於ける液滴吐出装置の製造方法は、前記流路基板と前記ノズル基板とを接合する手法が、固相接合である事を特徴とする。

また、前記流路基板と前記ノズル基板とを接合する手法が、金と金を直接接合させて接合する手法である事を特徴とする。

また、本発明に於ける液滴吐出装置の製造方法は、前記流路基板と前記ノズル基板とを接合する手法が、各々の接合面をプラズマ処理して接合する手法である事を特徴とする。

また、本発明に於ける液滴吐出装置の製造装置は、互いに所定の相対関係を有する複数の基板の相対的位置合わせを行って接合を行う基板の接合装置に於いて、該互いに所定の相対関係を有する複数の基板の相対的位置合わせ手段と、該互いに所定の相対関係を有する複数の基板とを所定の空間を保持して相対位置を固定する手段と、該互いに所定の相対関係を有する複数の基板との間を排気する手段と、該互いに所定の相対関係を有する複数の基板との周辺部において所定の距離を保持しながら該互いに所定の相対関係を有する複数の基板の中央部を変形させて接触させる手段と、を有する事を特徴とする。

また、本発明に於ける液滴吐出装置の製造装置は、前記互いに所定の相対関係を有する複数の基板の間に所定の空間を保持する空間保持部材を有した状態で、該互いに所定の相対関係を有する複数の基板の空間保持部材の近傍を除いて圧力を印加する手段を有することを特徴とする。

また、本発明に於ける液滴吐出装置の製造装置は、前記互いに所定の相対関係を有する複数の基板との周辺部において所定の距離を保持した状態で該互いに所定の相対関係を有する複数の基板の中心部のみを接触させ、該互いに所定の相対関係を有する複数の基板との相対位置を固定した後に、前記空間保持部材を前記複数の基板の間から除去する手段を有する事を特徴とする。

本発明の液滴吐出装置の製造方法及び製造装置によれば、流路基板とノズルプレートの接合工程における相対的な位置ずれが少なく、接合性が良好な歩留まりの高い液滴吐出装置を提供する事が出来る。

以上説明したように本発明によれば、反りがある基板に於いても相対的位置ずれする事無く流路基板とノズル基板とを接合出来る。

以下に本発明を図面に基づいて説明する。本発明は基本的には図３に示すようなステップによって実行される。図３に示されるステップの工程の断面図を図１に示す。図１（Ａ）に示すように、エネルギー発生手段と流路を備えた第１の基板100、吐出口が形成されたノズル基板である第２の基板102を位置合わせし、空間保持部材104を基板周辺に挿入した状態で相対位置がずれないようにを固定機構106で基板ステージ108に固定する。本実施例に於いて、第１の基板としては圧電アクチュエータを備えたシリコン基板を用いた。その構造及び製法を図６によって説明する。

図６（Ａ）は第１の基板を作製するための基板であり、厚さ200μmの単結晶シリコン基板である300上に厚さ5μmの単結晶シリコン層302、0.3μm厚の白金層304、厚さ3μmのチタン酸ジルコン酸鉛層306、0.3μm厚の白金層308が積層された構造である。厚さ5μmの単結晶シリコン層は振動板として機能する層であり、単結晶シリコン基板300との間には図示していないが、1μm厚の二酸化シリコン層がエッチングストップ層として形成されている。また、0.3μm厚さの白金層304、308はそれぞれ圧電アクチュエータの下部電極、上部電極としての機能を有し、各々の層の下部には例えば厚さ30nmのチタンなどの不図示の密着層が設けられている。図６（Ｂ）は図６（Ａ）に示された基板を白金層308側からフォトリソグラフィー法によって各層をパターニングし、圧電アクチュエータ310を形成した図である。電極である白金層や圧電体層のチタン酸ジルコン酸鉛のエッチング手法としてはウェットエッチングやドライエッチングなど既知のエッチング手法を用いることが出来る。本実施例に於いては誘導結合性プラズマを用いたドライエッチングを使用して各層のエッチングを行った。次に単結晶シリコン基板300のアクチュエータ310が形成された面と対向する面から、不図示の熱酸化膜1μmとフォトレジスト2μmからなるエッチングマスクを用いてエッチングを行い、図６（Ｃ）に示すように、圧力発生室となる流路312を形成した。エッチングマスク及び単結晶基板300の結晶方位を適切に選択すればウェットエッチングによっても形成できるが、本実施例に於いては誘導結合性プラズマを用いたドライエッチングを用いて流路312を形成し、第１の基板100を形成した。本実施例に於いて、基板サイズは6インチの物を使用したが、圧電アクチュエータ及び流路を形成した後に、圧電アクチュエータ側を凸として100μm程度の反りを生じていた。また、第２の基板102として本実施例に於いては厚さ200μmの単結晶シリコン基板に異方性エッチングによって直径30μmの吐出口を形成したノズル基板を用いた。このノズル基板も6インチサイズを用いたが、吐出口形成後には接合面側を凹として30μm程度の反りが生じていた。

第１の基板100と第２の基板102は基板周辺の３箇所に配置された厚さ100μmの銅合金である空間保持部材104を挟み込んで相対位置が固定されている。この状態に於いて真空チャンバ112を不図示の排気手段によって排気し、第１の基板100と第２の基板102との間の排気を行い、1×10-3Paまで減圧した。第１の基板100と第２の基板102の位置合わせはあらかじめ真空チャンバ112外で行って於いても良いし、真空チャンバ112内で行っても良い。次に図１（Ｂ）に示すように加圧部材110を用いて第１の基板100の中央部を加圧し、第１の基板100を変形させて第２の基板102と接触させた。加圧部材110としては第１の基体100と接する面に厚さ2mmのグラファイトを有するSiCのプレートを用いた。この時、図に示されるように、第１の基体100と第２の基体102とは周辺部に空間保持部材104を挟み込んで固定機構106で相対位置を固定されたままである。本発明者らは従来の接合方法による相対的な位置ずれは、基板が変形する際に生じる事を見いだしており、基板の周辺部において基板の相対位置がずれないように固定したまま基板を変形させて接触させる事によりずれの低減を実現した。第１の基板100及び第２の基板102の接合面が十分清浄でかつ滑らかであれば、この状態である程度の接合力が生じるが、必要で有ればこの状態で加圧・加熱を行い、接合力を強化しても良い。その後のハンドリングでずれない程度の接合力が生じていれば特に加熱・加圧する必要は無い。次に図１（Ｃ）に示すように、固定機構106による固定を解放し、周辺部に挿入されていた空間保持部材104を除去する。第１の基板100と第２の基板102は基板中央部において接合力が発生しているため、この工程によって第１の基板100と第２の基板102の相対位置がずれる事は無かった。本発明者らは、従来工程の空間保持部材の除去工程に於いてもずれが発生する事を見いだしていたが、本発明による製造方法ではこのずれも低減できている。この後、真空チャンバ112から取り出し、オーブンに入れて300℃にて2時間の加熱を行い、接合強度をバルクのシリコンと同程度まで高めて液滴吐出装置を完成した。図３及び図１によって説明される工程では基板周辺部の空間保持部材104の為に、周辺部には接合されない領域が出来る。この領域は空間保持部材104の厚みや挿入長さ、第１の基板や第２の基板102の厚み、基板中央部の加圧領域などによって左右される。本実施例に於いては基板端部から15mm程度の領域が接合されていなかった。この基板周辺の未接合領域も接合するために、図４に示すステップを行う事も出来る。図５、図２を用いて説明する。

図５（Ａ）は図１で説明した工程により第１の基板100と第２の基板102の中央部を接合し、周辺部に挿入されていた空間保持部材104を除去した状態である。この後、第１の基板100の全面を加圧出来る加圧部材300を用いて第１の基板100を加圧する。固定機構106は加圧部材300と接触しないように十分な距離退避されており、加圧部材300によって破損する事は無い。この工程に於いて固定機構106は解除されており第１の基板100と第２の基板102は基板ステージ108に対して自由に動ける状態であるが、中央部において接合されているために、相対的位置関係は固定された状態である。従って基板を変形させる工程によって相対的位置関係がずれる事は無い。図２は基板上面から見た工程図である。図２（Ａ）のように基板の周辺部に空間保持部材104を３箇所配置した状態で第１の基板100と第２の基板102の中央部のみ接触させて接合する。図番200は基板中央部の接合された領域を示す。図２（Ｂ）は中央部200が接合された状態で空間保持部材104を除去する工程の図である。図２（Ｃ）は空間保持部材104を除去した後に基板周辺部まで接触させて接合領域200を基板全面に拡大したイメージ図である。本実施例に於いて、基板中央部を接合した後、空間保持部材104を除去してから基板全面に加圧を行っているが、すでに接合されている領域を除いて加圧を行っても本発明の範囲からはずれるものではない。この構成に於いては、圧力を印加する面積が狭くて済むため、同じ力を持つ装置でも高い圧力を加えることが出来、より確実な接合を得る事が出来る。本実施例に於いて用いた第１の基板100と第２の基板102と同じ構成の基板を従来手法にて接合した所、70μmの位置ずれが発生したが、本実施例に於いては5μm未満に押さえる事が出来ていた。

本発明による液滴吐出装置の製造工程の断面図。 本発明による液滴吐出装置の製造工程の俯瞰図。 本発明による液滴吐出装置の製造工程フロー。 本発明による液滴吐出装置の製造工程フロー。 本発明による液滴吐出装置の製造工程の断面図。 第１の基板の製造工程。

符号の説明

100 第１の基板
102 第２の基板
104 空間保持部材
106 固定機構
108 基板ステージ
110 加圧部材
112 真空チャンバ
200 接合領域
300 シリコン基板
302 振動板層
304 下電極層
306 圧電体層
308 上電極層
310 圧電アクチュエータ
312 流路

Claims (9)

1. 複数のエネルギー発生手段と、該複数のエネルギー発生手段に対応した流路とを備えた流路基板と、該複数の流路に対応した液体吐出口を備えたノズル基板とを位置合わせして接合する工程とを含む液滴吐出装置の製造方法に於いて、該流路基板と該ノズル基板とを位置合わせする工程と、該流路基板と該ノズル基板とを所定の空間を保持して相対位置を固定する工程と、該流路基板と該ノズル基板との間を排気する工程と、該流路基板と該ノズル基板との周辺部において所定の距離を保持しながら該流路基板又は該ノズル基板の中央部を変形させて接触させる工程と、を含むことを特徴とする液体吐出装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の液体吐出装置の製造方法に於いて、前記流路基板と前記ノズル基板との所定の空間保持が、前記流路基板と前記ノズル基板の間に空間保持部材を挿入する事によって行われる事を特徴とする液体吐出装置の製造方法。
3. 請求項２に記載の液体吐出装置の製造方法に於いて、前記流路基板と前記ノズル基板の中央部を変形させて接触させ、前記流路基板と前記ノズル基板との相対位置を接触部分に於いて固定した後に、前記空間保持部材を除去する事を特徴とする液体吐出装置の製造方法。
4. 請求項１乃至３に記載の液体吐出装置の製造方法に於いて、前記流路基板と前記ノズル基板とを接合する手法が、固相接合である事を特徴とする液体吐出装置の製造方法。
5. 請求項４に記載の液体吐出装置の製造方法に於いて、前記流路基板と前記ノズル基板とを接合する手法が、金と金を直接接合させて接合する手法である事を特徴とする液体吐出装置の製造方法。
6. 請求項４に記載の液体吐出装置の製造方法に於いて、前記流路基板と前記ノズル基板とを接合する手法が、各々の接合面をプラズマ処理して接合する手法である事を特徴とする液体吐出装置の製造方法。
7. 互いに所定の相対関係を有する複数の基板の相対的位置合わせを行って接合を行う基板の接合装置に於いて、該互いに所定の相対関係を有する複数の基板の相対的位置合わせ手段と、該互いに所定の相対関係を有する複数の基板とを所定の空間を保持して相対位置を固定する手段と、該互いに所定の相対関係を有する複数の基板との間を排気する手段と、該互いに所定の相対関係を有する複数の基板との周辺部において所定の距離を保持しながら該互いに所定の相対関係を有する複数の基板の中央部を変形させて接触させる手段と、を有する事を特徴とする液体吐出装置の製造装置。
8. 請求項７に記載された液体吐出装置の製造装置に於いて、該互いに所定の相対関係を有する複数の基板の間に所定の空間を保持する空間保持部材を有した状態で、該互いに所定の相対関係を有する複数の基板の空間保持部材の近傍を除いて圧力を印加する手段を有することを特徴とする液体吐出装置の製造装置。
9. 請求項８に記載された液体吐出装置の製造装置に於いて、該互いに所定の相対関係を有する複数の基板との周辺部において所定の距離を保持した状態で該互いに所定の相対関係を有する複数の基板の中心部のみを接触させ、該互いに所定の相対関係を有する複数の基板との相対位置を固定した後に、前記空間保持部材を前記複数の基板の間から除去する手段を有する事を特徴とする液体吐出装置の製造装置。

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