JP2007313701A - ノズルプレートの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液滴吐出ヘッドに用いられるノズルプレートの製造方法において、微小なノズルから正確で安定した液滴の吐出が可能なノズルプレートの製造方法を提供する。
【解決手段】ノズルプレートの基材である基板の第１の面に開口する断面形状が一定の大径孔部と、基板の他方の面である第２の面に吐出孔を開口し大径孔部の断面より小さな断面を有する断面形状が一定の小径孔部とで構成される貫通孔からなるノズルを形成する工程であって、基板に貫通孔が形成される部位の基板の厚みを測定する工程と、第１の面に切削により基板の測定された厚みに応じて所定の深さの大径孔部を形成する工程と、を有する第１の工程と、第１の工程に続いて第２の面にフォトリソグラフィ処理を行い小径孔部のパターンマスクを形成する工程と、パターンマスクを用いてドライエッチング処理を行い小径孔部を形成する工程と、を有する第２の工程と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ノズルプレートの製造方法に関し、特に液滴吐出ヘッドに用いられるノズルプレート製造方法に関する。

近年、インクジェット記録方式において、画質の高精細化の進展および工業用途における適用範囲の拡大等に伴い、微細パターン形成および高粘度のインク吐出の要望がますます高まっている。これらの課題を従来のインクジェット記録方式で解決するには、ノズルの微小化や高粘度のインク吐出による液吐出力の向上を図る必要が生じ、それに伴ってインクの吐出のための駆動電圧が高くなり、ヘッドや装置のコストが非常に高価になってしまうため、実用に適う装置は実現されていない。

そこで、前述の要望に応え、微小化されたノズルから低粘度のみならず高粘度の液滴を吐出させる技術として、ノズル内の液体を帯電させ、ノズルと液滴の着弾を受ける対象物となる各種の基材との間に形成される電界から受ける静電吸引力により吐出させる、所謂静電吸引方式の液滴吐出技術が知られている。

しかし、静電吸引方式の液滴吐出技術において、液滴吐出面がフラットな液体吐出ヘッドを用いる場合、ノズル内の液体や吐出孔部分のメニスカスへの電界集中の程度が小さく、必要な静電吸引力を得るためには、液体吐出ヘッドと基材との間に印加する電圧を非常に高い電圧にする必要があった。

そこで、この液滴吐出技術と、ピエゾ素子の変形や液体内部での気泡の発生による圧力を利用して液滴を吐出する技術とを組み合わせた、所謂電界アシスト方式を用いた液滴吐出装置の開発が進んでいる。この電界アシスト方式は、メニスカス形成手段と静電吸引力を用いてノズルの吐出孔に液体のメニスカスを隆起させることにより、メニスカスに対する静電吸引力を高め、液表面張力に打ち勝ってメニスカスを液滴化し吐出する方法である。

一方、印刷品質は液滴を吐出させる部分であるノズルの特性に大きく依存しており、このノズルの特性は、ノズル径のばらつきやノズルの形状によって略決定される。そして、電界を効果的に集中させる為には、ノズルの形状やその寸法に高い精度が要求される。

ここで、電界アシスト方式等に用いられるノズルの構成について図１を用いて説明する。図１は、ノズルプレート１の構成を示す断面図でる。

ノズルプレート１には、インク等の帯電可能な液体Ｌの液滴Ｄを吐出するノズル１０１が穿孔されて形成されており、各ノズル１０１には、それぞれノズルプレート１の吐出面１０ａに吐出孔１０１ｃを有する円筒状の小径孔部１０１ｂとその背後に位置する円筒状の大径孔部１０１ａとが同心円上に２段構造とされている。また、小径孔部１０１ｂに設けられた吐出孔１０１ｃの直径Ｄ２は数μｍ、大径孔部１０１ａの直径Ｄ１は数１０μｍ〜数１００μｍ、小径孔部１０１ｂの深さＬ２は数μｍ〜１０μｍのオーダーとされている。

このような構成のノズルプレート１において、電界を効果的に集中させる為には、少なくとも以下の３つの要件を満たすことが肝要である。

１．それぞれの小径孔部１０１ｂの深さＬ２を均一にすべくばらつきを抑える。

２．吐出孔１０１ｃの直径Ｄ２の要求精度を確保する。

３．大径孔部１０１ａ及び小径孔部１０１ｂが孔方向に傾斜することなくノズルプレート１の面に対して略垂直にする。

そして、このような要件に応えるために、ノズルプレートの加工方法が種々検討されている。

例えば、ウェットエッチングを用いた周知の穿孔方法や機械加工とサンドブラスト及びウェットエッチングを用いて段階的に穿孔する荷電粒子線用転写マスクの加工方法（特許文献１参照）に準拠したノズルプレートの加工方法が提唱されている。
特開２００５−２８６２７６号公報

しかしながら、ウェットエッチングを用いた一般的な穿孔方法では、孔の側面が孔方向に逆すり鉢状に傾斜し、アスペクト比（孔径に対する孔深さの比）が高い孔の加工は困難なものと考えられる。また、前述の１、２項に示した要件の様に孔深さ、孔径等を高い精度で加工することは容易ではない。また、特許文献１に開示されている加工方法においては、機械加工、サンドブラスト及びウェットエッチングといった３つの工程を必要とし、工程の複雑化と製造コストの高価格化を招く恐れがある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、液滴吐出ヘッドに用いられるノズルプレートの製造方法において、工程の複雑化や製造コストの高価格化を招くことなく、微小なノズルから正確で安定した液滴の吐出が可能なノズルプレートの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的は、下記の１乃至７のいずれか１項に記載の発明によって達成される。

１．吐出孔から液体を液滴として吐出するノズルを備えた液滴吐出ヘッドに用いられるノズルプレートの製造方法において、
前記ノズルプレートの基材である基板の第１の面に開口する断面形状が一定の大径孔部と、前記基板の他方の面である第２の面に前記吐出孔を開口し前記大径孔部の断面より小さな断面を有する断面形状が一定の小径孔部とで構成される貫通孔からなるノズルを形成する工程であって、
前記基板に前記貫通孔が形成される部位の該基板の厚みを測定する工程と、
前記第１の面に切削により前記基板の測定された厚みに応じて所定の深さの前記大径孔部を形成する工程と、を有する第１の工程と、
前記第１の工程に続いて前記第２の面にフォトリソグラフィ処理を行い前記小径孔部のパターンマスクを形成する工程と、
前記パターンマスクを用いてドライエッチング処理を行い前記小径孔部を形成する工程と、を有する第２の工程と、を有することを特徴とするノズルプレートの製造方法。

２．前記大径孔部の径は、前記小径孔部の径より大きく、且つ、前記大径孔部の深さは、前記小径孔部の深さより深いことを特徴とする前記１に記載のノズルプレートの製造方法。

３．前記液滴吐出ヘッドは、静電吸引方式の液滴吐出ヘッドであることを特徴とする前記１または２に記載のノズルプレートの製造方法。

４．前記基板は、ガラスまたは石英であることを特徴とする前記１乃至３のいずれか１項に記載のノズルプレートの製造方法。

５．前記第２の工程は、
前記第２の面に金属膜を設ける工程と、
前記金属膜にフォトリソグラフィ処理及びエッチング処理を行い前記小径孔部の金属膜のパターンマスクを形成する工程と、
前記パターンマスクを用いてドライエッチング処理を行い前記小径孔部を形成する工程と、
前記金属膜を除去する工程と、を有することを特徴とする前記１乃至４のいずれか１項に記載のノズルプレートの製造方法。

６．前記ドライエッチング処理に用いるガスは、フッ素を含む炭化水素を高周波によりプラズマ化したものであることを特徴とする前記１乃至５のいずれか１項に記載のノズルプレートの製造方法。

７．前記切削に用いる切削工具は、ダイヤモンド、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＴｉＮ（窒化チタン）、ＷＣ（タングステンカーバイト）、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）で表面処理を施したものあることを特徴とする前記１乃至６のいずれか１項に記載のノズルプレートの製造方法。

本発明によれば、ノズルプレートのノズルを形成する際に、高精度が要求されず加工による損傷が懸念されない大径孔部の加工と、高精度が要求され、加工による損傷を避けたい小径孔部の加工を２つの工程に分け、大径孔部は切削法を、小径孔部はドライエッチング法をとするそれぞれに適切な加工方法を選択することができる。したがって、必要な機能や精度を充分に確保しながら生産性の良いノズルプレートの製造方法を提供することができる。また、大径孔部は切削法により穿孔する様にしているので、孔が基板に対して傾斜することなく垂直に穿孔することができる。また、大径孔部の深さは、基板の厚みに応じて調整する様にしているので、小径孔部の深さは孔毎のばらつきが抑えられ精度良く均一にすることができる。また、小径孔部はドライエッチング法により穿孔する様にしているので、孔が基板に対して傾斜することなく垂直に穿孔することができる。

また、大きな孔（大径孔部）を穿孔した後に小さな孔（小径孔部）を穿孔する様にしているので、高精度が要求される小さな孔周辺は加工による損傷を被ることがなくなる。

また、電界集中に効果的であるノズルは、２段の軸対称の円柱貫通孔で、且つ、ノズルの吐出孔の径が１０μｍ以下が好適であり、特に、小径孔部の深さは均一であることが肝要である。したがって、本発明に係るノズルプレートを静電吸引方式の液滴吐出ヘッドに利用することが可能となる。

また、ノズルプレートの基材は、ガラスまたは石英を用いる様にしている。ガラス、石英は体積低効率が高いので、電界集中に好適な基材である。また、基材に結晶性のものを用いた場合は、ドライエッチング処理を行う際に、結晶軸を起点に破損する恐れがあるが、ガラスは非晶質であることから破損することなく安定して処理を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図２は前述の図１のノズルプレート１を製造する工程の概略を断面図でもって模式的に示した図であり、完成したノズルプレートは図２（ｈ）にノズルプレート１０−３として示している。このノズルプレート１０−３の製造は以下で説明する大径孔部１０１ａを形成する第１の工程と小径穴部１０１ｂを形成する第２の工程の２つの工程を有している。

ノズルプレート１０−３となる基板１０は、ガラスまたは石英とする。また、本発明における製造方法は、大径孔部１０１ａ、小径孔部１０１ｂのサイズが以下の関係を有する場合に効果的である。

１．１ｍｍ＞大径孔部１０１ａの深さ＞小径孔部１０１ｂの深さ
２．大径孔部１０１ａの径＞小径孔部１０１ｂの径
３．大径孔部１０１ａ、小径孔部１０１ｂのアスペクト比＞０．５
最初に、第１の工程とする大径孔部１０１ａの形成に関して図２（ａ）、（ｂ）に沿って説明する。

先ず、ノズル１０１を形成する部位の基板１０の厚みを、光学式測長装置を用いて計測し、計測された基板１０の厚みに応じて大径孔部１０１ａの深さを設定する。すなわち、高い精度が要求される小径孔部１０１ｂの深さが均一になる様に、基板１０の厚みムラを大径孔部１０１ａの深さで調整するものである。次に、切削加工により、孔毎に設定された深さの大径孔部１０１ａを形成する（図２（ｂ））。

切削加工は切削工具を用いて行い、回転数は４０００〜１５００００ｒｐｍの範囲とする。４０００ｒｐｍ未満の場合は、基板１０にチッピング（切削面の欠け）が発生し、１５００００ｒｐｍを越えるの場合は、切削工具の寿命を短くするといった問題がある。また、切込み速度は４ｍｍ／ｍｉｎ以下が好ましい。この速度より著しく速い場合は、基板１０の損傷や切削工具の破損を招く恐れがあり、また、切削時の発熱により非常に高温になることから好ましくない。

また、基板１０はガラスあるいは石英であることから、切削工具の切削面に接触する面にはダイヤモンド、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＴｉＮ（窒化チタン）、ＷＣ（タングステンカーバイト）、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）等で表面処理を施す。特にダイアモンド処理（ＤＬＣ）を施したものは好適である。なお、切削加工時に切削工具を潤滑および冷却することは言うまでもない。

また、大径孔部１０１ａの径に対する切削工具の回転数は、以下の範囲とする。この範囲をから外れる場合は、前述の様にチッピングや異常発熱、切削工具の短命化等を招く恐れがある。

φ０．０８ｍｍ；２００００〜１５００００ｒｐｍ
φ０．１ｍｍ ；１００００〜 ８００００ｒｐｍ
φ０．２ｍｍ ； ７０００〜 ５００００ｒｐｍ
φ０．５ｍｍ ； ４０００〜 １５０００ｒｐｍ
φ１．０ｍｍ ； ４０００〜 ８０００ｒｐｍ
次に、第２の工程とする小径孔部１０１ｂの形成に関して図２（ｃ）乃至（ｈ）に沿って説明する。

小径孔部１０１ｂの形成は、大径孔部１０１ａが形成された基板１０−１を用い、大径孔部１０１ａに連通するように形成する。形成する小径孔部１０１ｂの直径は、大径孔部１０１ａの径より小さい。

まず、基板１０−１の大径孔部１０１ａを設けた面の反対面上に、公知のマグネトロンスパッタ法や真空蒸着法、メッキ法等によりマスクとする金属膜２０を形成する（図２（ｃ））。ここで、使用する金属は、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｔｉ等が挙げられるが、これらに限定される必要はなく次に説明するエッチングレート比を考慮してマスクとして使用できればよい。金属膜２０の膜厚は、基板１０−１に形成する小径孔部１０１ｂの長さ（深さ）と、基板１０−１と金属膜２０とのエッチングレート比（基板と金属膜とが除去される比率で、エッチング選択比とも言う。）とにより適宜決めれば良い。例えば、金属膜２０をＣｒとする場合、このエッチングレート比は１０から３０程度であり、基板１０−１に深さ１０μｍの孔をエッチングにて設ける場合、エッチングレート比を２０とするとＣｒ膜の厚みは０．５μｍとすれば良い。実際には、予め実験等を行い使用する金属及び厚みを決めれば良い。尚、本実施形態では、マスクをエッチング処理による加工精度をより良くするために金属膜としているが、公知のドライフィルム等のフォトレジスト膜としてもよい。

次に、この金属膜２０の上に、公知のフォトリソグラフィ技術（レジスト塗布、露光、現像）により吐出孔１０１ｃ及び小径孔部１０１ｂを形成するためのフォトレジストパターン３０を形成する（図２（ｄ））。次に、このフォトレジストパターン３０をマスクとして、塩素ガスを用いた公知の反応性ドライエッチング法を用いてマスクされてない金属膜を除去してパターニングされた金属膜２０−１を形成する（図２（ｅ））。この後、公知の酸素プラズマによるアッシング法によりフォトレジストパターン３０の除去を行う（図２（ｆ））。次に、上記でパターンニングされた金属膜２０−１をエッチング加工用マスクとして、公知の反応性ドライエッチング法を用いて、小径孔部１０１ｂを形成する（図２（ｇ））。ドライエッチングは、ガラスや石英等のシリカ系材料に効果的であるＣＨＦ₃ガスを用いたＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置で行う。真空槽内にＣＨＦ₃ガスを導入して１．３３〜２６．６Ｐａの圧力で加圧し高周波でプラズマを発生させて、対向する電極間に配置された被エッチング基板をエッチングする。尚、小径孔部１０１ｂの深さが深い場合は、ドライエッチングを分割して行うことにより形状誤差を抑えることができる。最後に、金属膜２０−１を除去することでノズルプレート１０−３が完成する（図２（ｈ））。

本実施例は、大径孔部１０１ａの径を１００μｍ、深さを１５０μｍ、小径孔部１０１ｂの径を５μｍ、深さを２０μｍとしたノズル１０１を等間隔に１０００個開いたノズルプレートを例にとって図２に沿って具体的に説明する。基材は石英基板（厚み１７０μｍ、直径７６ｍｍ）とした。

最初に、ノズル１０１を形成する領域の基板１０の厚みを、オリンパス（株）製の測長装置ＳＴＭ−ＵＭとＭＭＤＣ３５１を用いて測定した。厚みは１７０μｍを中心に＋８〜−５μｍの範囲で分布していた。この測定した厚みデータに基づいてそれぞれの孔の穿孔深さを設定して、安田工業（株）製の加工機ＹＢＭ６４０に入力し、大径孔部１０１ａの穿孔を行った（図２（ｂ））。尚、切削条件は、回転数１２０００ｒｐｍ、切込み速度０．４ｍｍ／ｍｉｎ、一回での切込み深さ１５μｍとした。

次に基板１０−１の大径孔部１０１ａを設けた面の反対面上に、マグネトロンスパッタ法によりマスクとする膜厚０．６μｍのＮｉ膜（金属膜２０）を形成した（図２（ｃ））。次に、このＮｉ膜の上に、公知のフォトリソグラフィ技術により吐出孔１０１ｃ及び小径孔部１０１ｂを形成するためのフォトレジストパターン３０を形成した（図２（ｄ））。次に、このフォトレジストパターン３０をマスクとして、塩素ガスを用いた公知の反応性ドライエッチング法を用いてマスクされてないＮｉ膜を除去してパターニングされたＮｉ膜（金属膜２０−１）を形成した（図２（ｅ））。パターンニングされたマスクは吐出孔１０１ｃが形成される部分のみ石英が露出し、その他の部分はＮｉ膜によって遮蔽される構成である。この後、公知の酸素プラズマによるアッシング法によりフォトレジストパターン３０の除去を行った（図２（ｆ））。次に、上記でパターンニングされたＮｉ膜（金属膜２０−１）をエッチング加工用マスクとして、ＣＨＦ₃ガスを用いた公知の反応性ドライエッチング法を用いて、深さ２０μｍの小径孔部１０１ｂを形成した。この結果小径孔部１０１ｂと大径孔部１０１ａとは貫通状態となっている（図２（ｇ））。

ドライエッチングは、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置で行った。真空槽内にＣＨＦ₃ガスを導入して１３．３Ｐａの圧力の雰囲気で５００Ｗの高周波でプラズマを発生させて深さ２０μｍの孔を穿孔した。エッチングレートは０．３μｍ／ｍｉｎで、総時間は６７分であるが、基板の発熱によるエッチングマスクのダメージを回避する為に１５分毎に１０分間の冷却期間（高周波の停止期間）を設けた。

最後に、Ｎｉ膜（金属膜２０−１）を除去することでノズルプレート１０−３を完成させた（図２（ｈ））。

完成したノズルプレート１０−３をダイシングソーで中心を切断し、ＳＥＭを用いて断面の形状を観察した結果、精度良く加工できていることを確認した。

比較例として、大径孔部１０１ａを切削加工の代わりにサンドブラスト加工により穿孔し、ドライエッチングで小径孔部１０１ｂを穿孔して製作したノズルプレート１０−３と前述の実施例のノズルプレート１０−３の断面図を図３に示す。図３（ａ）は本実施例によるノズルプレート１０−３の断面図、図３（ｂ）はサンドブラスト加工によるノズルプレート１０−３の断面図である。

サンドブラスト加工したものは、大径孔部１０１ａがすり鉢状に傾斜しているが（図３（ｂ））、本実施例によるノズルプレート１０−３は、傾斜のない２段の貫通孔が形成されていることが確認できる。

また、基板１０の厚みの分布を考慮せずに、基板１０の厚みを均一に１７０μｍとして、大径孔部１０１ａを加工したところ、穿孔した孔の深さのばらつきが大きい各所で、底面にクラック状の亀裂が発生し、さらに、小径孔部１０１ｂを２０μｍドライエッチングにて開口すべく加工したが、一部の孔は開口していなかった。

この様に、本発明に係るノズルプレートの製造方法によれば、ノズルプレートのノズルを形成する際に、高精度が要求されず加工による損傷が懸念されない大径孔部の加工と、高精度が要求され、加工による損傷を避けたい小径孔部の加工を２つの工程に分け、大径孔部は切削法を、小径穴部はドライエッチング法をとするそれぞれに適切な加工方法を選択することができる。したがって、必要な機能や精度を充分に確保しながら生産性の良いノズルプレートの製造方法を提供することができる。また、大径孔部は切削法により穿孔する様にしているので、孔が基板に対して傾斜することなく垂直に穿孔することができる。また、大径孔部の深さは、基板の厚みに応じて調整する様にしているので、小径孔部の深さは孔毎のばらつきが抑えられ均一にすることができる。また、小径孔部はドライエッチング法により穿孔する様にしているので、孔が基板に対して傾斜することなく垂直に穿孔することができる。

本発明に係るノズルプレートの構成を示す断面図である。 本発明に係るノズルプレートの製造工程の一例を説明する断面図である。 本発明に係るノズルプレートの製造工程、及び従来の製造工程によって製作されたノズルプレートの断面図である。

符号の説明

１ ノズルプレート
１０ 基板（基材）
１０ａ 吐出面
１０１ ノズル
１０１ａ 大径孔部
１０１ｂ 小径孔部
１０１ｃ 吐出孔
２０ 金属膜
３０ フォトレジスタパターン
Ｄ 液滴
Ｌ 液体

Claims (7)

1. 吐出孔から液体を液滴として吐出するノズルを備えた液滴吐出ヘッドに用いられるノズルプレートの製造方法において、
   前記ノズルプレートの基材である基板の第１の面に開口する断面形状が一定の大径孔部と、前記基板の他方の面である第２の面に前記吐出孔を開口し前記大径孔部の断面より小さな断面を有する断面形状が一定の小径孔部とで構成される貫通孔からなるノズルを形成する工程であって、
   前記基板に前記貫通孔が形成される部位の該基板の厚みを測定する工程と、
   前記第１の面に切削により前記基板の測定された厚みに応じて所定の深さの前記大径孔部を形成する工程と、を有する第１の工程と、
   前記第１の工程に続いて前記第２の面にフォトリソグラフィ処理を行い前記小径孔部のパターンマスクを形成する工程と、
   前記パターンマスクを用いてドライエッチング処理を行い前記小径孔部を形成する工程と、を有する第２の工程と、を有することを特徴とするノズルプレートの製造方法。
2. 前記大径孔部の径は、前記小径孔部の径より大きく、且つ、前記大径孔部の深さは、前記小径孔部の深さより深いことを特徴とする請求項１に記載のノズルプレートの製造方法。
3. 前記液滴吐出ヘッドは、静電吸引方式の液滴吐出ヘッドであることを特徴とする請求項１または２に記載のノズルプレートの製造方法。
4. 前記基板は、ガラスまたは石英であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のノズルプレートの製造方法。
5. 前記第２の工程は、
   前記第２の面に金属膜を設ける工程と、
   前記金属膜にフォトリソグラフィ処理及びエッチング処理を行い前記小径孔部の金属膜のパターンマスクを形成する工程と、
   前記パターンマスクを用いてドライエッチング処理を行い前記小径孔部を形成する工程と、
   前記金属膜を除去する工程と、を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のノズルプレートの製造方法。
6. 前記ドライエッチング処理に用いるガスは、フッ素を含む炭化水素を高周波によりプラズマ化したものであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のノズルプレートの製造方法。
7. 前記切削に用いる切削工具は、ダイヤモンド、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＴｉＮ（窒化チタン）、ＷＣ（タングステンカーバイト）、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）で表面処理を施したものあることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のノズルプレートの製造方法。

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