JP2008114462A - ノズル基板の製造方法、液滴吐出ヘッドの製造方法、液滴吐出装置の製造方法、ノズル基板、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノズル孔の傾斜部の傾斜角は結晶方位に拘束されることがなくノズル密度を高めることができ、ノズル孔の流路特性が最適化されて安定した吐出特性を有するノズル基板の製造方法。
【解決手段】シリコン基材４１の表面にエッチング保護膜４２を形成する工程と、エッチング保護膜４２に開口部４２ａを形成しシリコン基材４１をドライエッチングして円筒孔部１１ｃを形成する工程と、円筒孔部１１ｃ内に樹脂９０を充填する工程と、開口部４２ａより円筒孔部１１ｃ内の樹脂９０をアッシングしながらアンダーカットの大きい条件でシリコン基材４１をドライエッチングし、開口部４２ａ側に所望の傾斜角よりなる傾斜面がほぼテーパ状の第２のノズル孔部１１ｂを形成する工程と、酸化膜４２を除去する工程と、シリコン基材４１を第２のノズル孔部１１ｂを形成した側とは反対側の面から第１のノズル孔部１１ａが開口するまで薄板化する工程とを有する。
【選択図】図７

Description

本発明は、液滴を吐出するためのノズル孔を有するノズル基板の製造方法、液滴吐出ヘッドの製造方法、液滴吐出装置の製造方法、ノズル基板、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置に関する。

液滴を吐出するための液滴吐出ヘッドとして、例えばインクジェット記録装置に搭載されるインクジェットヘッドが知られている。インクジェットヘッドは、一般に、インク滴を吐出するための複数のノズル孔が形成されたノズル基板と、このノズル基板に接合されノズル基板との間で上記ノズル孔に連通する吐出室、リザーバ等のインク流路が形成されたキャビティ基板とを備え、駆動部により吐出室に圧力を加えることにより、インク滴を選択されたノズル孔より吐出するように構成されている。駆動手段としては、静電気力を利用する方式や、圧電素子による圧電方式、発熱素子を利用するバブルジェット（登録商標）方式等がある。

近年、インクジェットヘッドに対して、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構造が求められており、さらに加えて、ノズルは高密度化するとともに長尺化（１列あたりのノズル数が増加）しており、インクジェットヘッド内のアクチュエータ数は益々増加している。このような背景から、ノズル密度が高く、長尺かつ多数のノズル列を有する、小型で吐出特性に優れたインクジェットヘッドが要求され、従来より様々な工夫、提案がなされている。

従来のインクジェットヘッドに、（１００）面のシリコン基材に、ウエットエッチングによってピラミッド状のノズル孔を貫通させたノズル基板を備えたものがあった（例えば、特許文献１参照）。

また、従来のインクジェットヘッドに、シリコン基材に等方性ドライエッチングと異方性ドライエッチングを繰り返してテーパ形状のノズル孔を加工したノズル基板を備えたものがあった（例えば、特許文献２参照）。

さらに、従来のインクジェットヘッドに、（１００）面のシリコン基材にウエットエッチングで未貫通の傾斜ノズル部を形成し、反対側からドライエッチングで垂直ノズル部を貫通形成したノズル基板を備えたものがあった（例えば、特許文献３参照）。

特開昭５６−１３５０７５号公報（第２頁、図２） 特開２００６−４５６５６号公報（第１５頁、図１６） 特開平１０−３１５４６１号公報（第４頁−第５頁、図２）

特許文献１記載の技術によれば、ノズル孔を異方性ウエットエッチングで形成するため、傾斜角度がシリコン単結晶基板の面方位に依存してしまい、ノズル密度を高めることには限界があった。また、ノズル先端形状がシリコンの面方位のため四角くなってしまい、吐出物の直進性に悪影響を与えてしまう。さらに、ノズル吐出口に垂直部がないため、メニスカスを安定維持することが困難であった。

特許文献２記載の技術によれば、等方性ドライエッチングによってノズル孔の側壁のアンダーカットが進むので、ノズル孔の底部径の制御が困難になる。また、ノズル孔の吐出口に垂直部がないため、メニスカスを安定に維持することが困難であった。

特許文献３記載の技術によれば、ノズル孔の傾斜部を異方性ウエットエッチングで形成するため、傾斜角度がシリコン単結晶基板の面方向に依存してしまい、ノズル密度を高めることには限界があった。また、ノズルの傾斜部と垂直部の両面位置あわせが必要であった。

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、ノズル孔の傾斜部の傾斜角が結晶方位に拘束されることがないため所望の角度とすることができ、ノズル密度を高めることができ、しかもノズル孔の傾斜部が垂直部と段差を介さずに連続して形成され、ノズル孔の流路特性が最適化されて安定した吐出特性を有するノズル基板の製造方法、液滴吐出ヘッドの製造方法、液滴吐出装置の製造方法、ノズル基板、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を提供することを目的とする。

本発明に係るノズル基板の製造方法は、吐出方向の先端側に位置するほぼ円筒状の第１のノズル孔部と、吐出方向の後端側に位置しており、前記第１のノズル孔部から吐出方向の後端側に向けてノズル断面積が漸増する傾斜面がほぼテーパ状の第２のノズル孔部とから構成されるノズル孔を、シリコン基材をエッチングすることにより形成する製造方法であって、前記シリコン基材の表面にエッチング保護膜を形成する工程と、前記エッチング保護膜に開口部を形成し、該開口部より前記シリコン基材をドライエッチングして円筒孔部を形成する工程と、前記円筒孔部内に樹脂を充填する工程と、前記エッチング保護膜の開口部より前記円筒孔部内の樹脂を所定部分残して、アッシングしながら前記シリコン基材をドライエッチングし、前記円筒孔部の開口部側に所望の傾斜角で拡径する前記第２のノズル孔部を形成する工程と、アッシングされず残った前記樹脂を前記円筒孔部内より除去して該樹脂を除去した部分の円筒孔部を前記第１のノズル孔部とするとともに、前記シリコン基材表面に形成された前記酸化膜を除去する工程と、前記シリコン基材を、前記第２のノズル孔部を形成した側とは反対側の面から前記第１のノズル孔部が開口するまで薄板化する工程とを有するものである。

異方性ウエットエッチングに依ることなく、ドライエッチングでノズル孔の第２のノズル孔部を形成するため、第２のノズル孔部の傾斜角はシリコンの結晶方位に拘束されず、このためノズル密度を高めることができる。また、第２のノズル孔部の加工時に加工されずに残った円筒孔部の部分は樹脂で保護されているため、円筒孔部を形成した際のノズル径が保存されており、このためノズル径を高精度に制御することができる。こうして、第１のノズル孔部と第２のノズル孔部との境界部分を段差などを介さずになめらかな連続形状とすることができるため、ノズル孔の流路特性が最適化され、安定した吐出特性を有する。

また、本発明に係るノズル基板の製造方法は、前記ドライエッチングがＩＣＰ放電によるドライエッチングによるものである。
ノズル孔を、短時間で高精度に形成することができる。

また、本発明に係るノズル基板の製造方法は、前記第１のノズル孔部を形成するドライエッチングが、Ｃ₄Ｆ₈ とＳＦ₆ よりなるエッチングガスを交互に使用してドライエッチングを行い、前記円筒孔部を形成するものである。
Ｃ₄ Ｆ₈ は円筒孔部の側面にエッチングが進行しないように側面を保護し、ＳＦ₆ は円筒孔部の垂直方向のエッチングを促進させ、こうして円筒孔部の軸方向にドライエッチングを行って、高い精度の円筒孔部を形成することができる。

また、本発明に係るノズル基板の製造方法は、前記第２のノズル孔部を形成するドライエッチングは、前記第２のノズル孔部の深さ方向のエッチングを促進する第１のガスと、前記第２のノズル孔部の側面方向のエッチングを抑制して該側面を保護するための保護膜を形成する第２のガスと、前記保護膜をエッチングして前記第２のノズル孔部のテーパ角を調整するための第３のガスとの混合ガスを導入して行うものである。
混合ガスの混合比を変えることによって、第２のノズル孔部のテーパ角を自由にかつ高い精度で制御し、シリコンの結晶方位に拘束されない傾斜角を有するノズル孔を形成することができる。

また、本発明に係るノズル基板の製造方法は、前記第１のガスがＳＦ₆ であり、前記第２のガスがＣ₄Ｆ₈であり、前記第３のガスはＯ₂ であり、これらの混合ガスによってドライエッチングを行うものである。
ＳＦ₆ 、Ｃ₄Ｆ₈、Ｏ₂ よりなる混合ガスの混合比を変えることによって、第２のノズル孔部のテーパ角を自由にかつ高い精度で制御し、シリコンの結晶方位に拘束されない傾斜角を形成することができる。この場合、０₂ によって、樹脂をアッシングしながら第２のノズル孔部を掘り進むことが可能となる。

また、本発明に係るノズル基板の製造方法は、ＳＦ₆ とＣ₄Ｆ₈ とＯ₂ とのガスの混合比が、１：２：３である。
ＳＦ₆ とＣ₄Ｆ₈ とＯ₂ よりなる混合ガスの混合比を１：２：３にすることによって、アンダーカットの大きい条件でドライエッチングを行ってノズル孔を形成することができる。

また、本発明に係るノズル基板の製造方法は、真空雰囲気で樹脂を充填したあとに大気雰囲気に曝すことにより前記円筒孔部内に前記樹脂を充填するものである。
円筒孔部内に、安価で歩留まり良く樹脂を充填することができる。

本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、吐出方向の先端側に位置するほぼ円筒状の第１のノズル孔部と、吐出方向の後端側に位置しており、前記第１のノズル孔部から吐出方向の後端側に向けてノズル断面積が漸増する傾斜面がほぼテーパ状の第２のノズル孔部とから構成されるノズル孔を、シリコン基材をエッチングすることにより形成するノズル基板の製造方法を用いた製造方法であって、前記シリコン基材の表面にエッチング保護膜を形成する工程と、前記エッチング保護膜に開口部を形成し、該開口部より前記シリコン基材をドライエッチングして円筒孔部を形成する工程と、前記円筒孔部内に樹脂を充填する工程と、前記エッチング保護膜の開口部より前記円筒孔部内の樹脂を所定部分残して、アッシングしながら前記シリコン基材をドライエッチングし、前記円筒孔部の開口部側に所望の傾斜角で拡径する前記第２のノズル孔部を形成する工程と、アッシングされず残った前記樹脂を前記円筒孔部内より除去して該樹脂を除去した部分の円筒孔部を前記第１のノズル孔部とするとともに、前記シリコン基材表面に形成された前記酸化膜を除去する工程と、前記シリコン基材を、前記第２のノズル孔部を形成した側とは反対側の面から前記第１のノズル孔部が開口するまで薄板化する工程とを有するものである。
ノズルが高密度化し、ノズルの流路特性が最適化されて、安定した吐出特性を有する液滴吐出ヘッドを製造することができる。

本発明に係る液滴吐出装置の製造方法は、吐出方向の先端側に位置するほぼ円筒状の第１のノズル孔部と、吐出方向の後端側に位置しており、前記第１のノズル孔部から吐出方向の後端側に向けてノズル断面積が漸増する傾斜面がほぼテーパ状の第２のノズル孔部とから構成されるノズル孔を、シリコン基材をエッチングすることにより形成するノズル基板の製造方法を用いた液滴吐出ヘッドの製造方法を用いて行う製造方法であって、前記シリコン基材の表面にエッチング保護膜を形成する工程と、前記エッチング保護膜に開口部を形成し、該開口部より前記シリコン基材をドライエッチングして円筒孔部を形成する工程と、前記円筒孔部内に樹脂を充填する工程と、前記エッチング保護膜の開口部より前記円筒孔部内の樹脂を所定部分残して、アッシングしながら前記シリコン基材をドライエッチングし、前記円筒孔部の開口部側に所望の傾斜角で拡径する前記第２のノズル孔部を形成する工程と、アッシングされず残った前記樹脂を前記円筒孔部内より除去して該樹脂を除去した部分の円筒孔部を前記第１のノズル孔部とするとともに、前記シリコン基材表面に形成された前記酸化膜を除去する工程と、前記シリコン基材を、前記第２のノズル孔部を形成した側とは反対側の面から前記第１のノズル孔部が開口するまで薄板化する工程とを有するものである。
ノズルが高密度化し、ノズルの流路特性が最適化されて、安定した吐出特性を有する液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置を製造することができる。

本発明に係るノズル基板は、液滴を吐出するためのノズル孔が、基板面に対して垂直な筒状の噴射口部分からなるほぼ円筒状の第１のノズル孔部と、該第１のノズル孔部と同軸上に設けられ該第１のノズル孔部よりも径の大きい導入口部分を有する傾斜面がほぼテーパ状の第２のノズル孔部とを有し、前記第１のノズル孔部と前記第２のノズル孔部との境界部が段差なく連通しているものである。
ノズル基板のノズル孔は、第１のノズル孔部と第２のノズル孔部との境界部が段差なく連通して形成されているので、流路特性が最適化され、境界部で渦などを生じることがなく、流路抵抗を減少させることができる。したがって、液滴をノズル孔の中心軸方向に吐出させることができ、安定した液滴吐出性能を有する。加えて、ノズルの高密度化も可能となる。

本発明に係る液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出するためのノズル孔が、基板面に対して垂直な筒状の噴射口部分からなるほぼ円筒状の第１のノズル孔部と、該第１のノズル孔部と同軸上に設けられ該第１のノズル孔部よりも径の大きい導入口部分を有する傾斜面がほぼテーパ状の第２のノズル孔部とを有し、前記第１のノズル孔部と前記第２のノズル孔部との境界部が段差なく連通しているノズル基板を備えたものである。
ノズルが高密度化し、ノズルの流路特性が最適化されて、安定した吐出特性を有する液滴吐出ヘッドを得ることができる。

本発明に係る液滴吐出装置は、液滴を吐出するためのノズル孔が、基板面に対して垂直な筒状の噴射口部分からなるほぼ円筒状の第１のノズル孔部と、該第１のノズル孔部と同軸上に設けられ該第１のノズル孔部よりも径の大きい導入口部分を有する傾斜面がほぼテーパ状の第２のノズル孔部とを有し、前記第１のノズル孔部と前記第２のノズル孔部との境界部が段差なく連通しているノズル基板を有する液滴吐出ヘッドを搭載したものである。
ノズルが高密度化し、ノズルの流路特性が最適化されて、安定した吐出特性を有する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。

実施の形態１．
以下、本発明に係るノズル基板を備えた液滴吐出ヘッドについて図面に基づいて説明する。ここでは、液滴吐出ヘッドの一例として、静電駆動方式のインクジェットヘッドについて、図１〜図３を用いて説明する。なお、本発明は、以下の図に示す構造、形状に限定されるものではなく、また、駆動方式についても他の異なる駆動方式により液滴を吐出する液滴吐出ヘッドにも適用することができる。

図１は、本実施の形態１に係るインクジェットヘッド（液滴吐出ヘッドの一例）の分解斜視図であり、一部を断面で表してある。また、図２は、図１を組立てた要部を示す縦断面図であり、図３は図２のノズル孔の近傍を拡大して示した縦断面である。なお、図１〜図３では、通常使用される状態とは上下逆に示されている。

インクジェットヘッド１０は、図１および図２に示すように、複数のノズル孔１１が所定のピッチで設けられたノズル基板１と、各ノズル孔１１に対して独立にインク供給路が設けられたキャビティ基板２と、キャビティ基板２の振動板２２に対峙して個別電極３１が配設された電極基板３とを貼り合わせることにより構成されている。

ノズル基板１は、シリコン単結晶基材（以下、単にシリコン基材ともいう）から作製されている。ノズル基板１にはインク滴を吐出するためのノズル孔１１が開口されており、各ノズル孔１１は、図３に詳述するように、吐出方向の先端側の面１ｂに開口しておりほぼ円筒状をなす円筒状ノズル孔部（以下、第１のノズル孔部という）１１ａと、吐出方向の後端側に位置しており第１のノズル孔部１１ａの後端から吐出方向の後端面１ｂに向けてノズル断面積が漸増し後端面１ｂで最も拡径して開口する傾斜面がほぼテーパ状をなすノズル孔部で、実施の形態１ではほぼ截頭円錐状の截頭円錐状ノズル孔部（以下、第２のノズル孔部という）１１ｂとによって構成されている。なお、第１のノズル孔部１１ａはノズル基板１の表面（吐出方向の先端側の面１ａ）に対して垂直に形成されており、第１のノズル孔部１１ａと第２のノズル孔部１１ｂとは同軸上に形成されている。かかる構成により、インク滴の吐出方向をノズル孔１１の中心軸方向に揃えることができ、安定したインク吐出特性を発揮させることができる。すなわち、インク滴の飛翔方向のばらつきがなくなり、またインク滴の飛び散りがなく、インク滴の吐出量のばらつきを抑制することができる。

キャビティ基板２は、シリコン単結晶基材（この基材も以下、単にシリコン基材ともいう）から作製されている。シリコン基材に異方性ウェットエッチングを施し、インク流路の吐出室２４およびリザーバ２５を構成するための凹部２４０、２５０が形成される。凹部２４０はノズル孔１１に対応する位置に独立に複数形成される。したがって、ノズル基板１とキャビティ基板２を接合した際、各凹部２４０は吐出室２４を構成し、それぞれがノズル孔１１に連通し、またインク供給口であるオリフィス１３ともそれぞれ連通している。そして、吐出室２４（凹部２４０）の底壁が振動板２２となっている。

他方の凹部２５０は、液状材料のインクを貯留するためのものであり、各吐出室２４に共通のリザーバ（共通インク室）２３を構成する。そして、リザーバ２３（凹部２３０）はそれぞれオリフィス２３を介して全ての吐出室２４に連通している。また、リザーバ２３の底部には後述する電極基板３を貫通する孔が設けられ、この孔のインク供給孔３４を通じて図示しないインクカートリッジからインクが供給されるようになっている。

また、キャビティ基板２の全面、もしくは少なくとも電極基板３との対向面には、熱酸化や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）によるＳｉＯ₂ 膜等からなる絶縁膜２６が施されている。この絶縁膜２６は、インクジェットヘッドを駆動させたときに、絶縁破壊や短絡を防止する。

電極基板３は、ガラス基材から作製されている。なかでも、キャビティ基板２のシリコン基材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好ましい。これは、電極基板３とキャビティ基板２を陽極接合する際、両基板３、２の熱膨張係数が近いため、電極基板３とキャビティ基板２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３とキャビティ基板２を強固に接合することができるからである。

電極基板３のキャビティ基板２と対向する面には、キャビティ基板２の各振動板２２に対向する位置にそれぞれ凹部３２が設けられている。そして、各凹部３２内には、一般に、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウム錫酸化物）からなる個別電極３１がスパッタにより形成されている。そして、振動板２２と個別電極３１との間に形成されるギャップ（空隙）Ｇは、インクジェットヘッドの吐出特性に大きく影響する。ここで、個別電極３１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用いてもよいが、ＩＴＯは透明であるので放電したかどうかの確認が行いやすい等の理由から、一般にＩＴＯが用いられる。

個別電極３１は、リード部３１ａと、フレキシブル配線基板（図示せず）に接続される端子部３１ｂとを有する。これらの端子部３１ｂは、図２に示すように、配線のためにキャビティ基板２の末端部が開口された電極取り出し部２９内に露出している。

上述したように、ノズル基板１、キャビティ基板２、および電極基板３は、一般に個別に作製され、これらを図２に示すように貼り合わせることにより、インクジェットヘッド１０の本体部が作製される。すなわち、キャビティ基板２と電極基板３は陽極接合により接合され、そのキャビティ基板２の上面（図２の上面）にノズル基板１が接着剤等により接合されている。さらに、振動板２２と個別電極３１との間に形成される電極間ギャップＧの開放端部は、エポキシ等の樹脂による封止材２７（図１３（ｈ）参照）で封止されている。これにより、湿気や塵埃等が電極間ギャップＧ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１０の信頼性を高く保持することができる。

そして、図２に簡略化して示すように、ＩＣドライバ等の駆動制御回路４が、各個別電極３１の端子部３１ｂと、キャビティ基板２上に設けられた共通電極２８とに、前記フレキシブル配線基板（図示せず）を介して接続されている。

上記のように構成されたインクジェットヘッド１０においては、駆動制御回路４によりキャビティ基板２と個別電極３１の間にパルス電圧が印加されると、振動板２２と個別電極３１との間に静電気力が発生し、その吸引作用により振動板２２が個別電極３１側に引き寄せられて撓み、吐出室２１の容積が拡大する。これにより、リザーバ２５の内部に溜まっていたインクがオリフィス２３を通じて吐出室２４に流れ込む。次に、個別電極３１への電圧の印加を停止すると、静電吸引力が消滅して振動板２２が復元し、吐出室２４の容積が急激に収縮する。これにより、吐出室２４内の圧力が急激に上昇し、この吐出室２４に連通しているノズル孔１１からインク液滴が吐出される。

次に、インクジェットヘッド１０の製造方法について、図４〜図１３を用いて説明する。図４は本発明の実施の形態１に係るノズル基板１を示す上面図、図５〜図１１はノズル基板１の製造工程を示す断面図（図４をＡ−Ａ線で切断した断面図）である。図１２、図１３はキャビティ基板２と電極基板３との接合工程を示す断面図であり、ここでは、主に、電極基板３にシリコン基材１００を接合した後に、キャビティ基板２を製造する方法を示す。
まず最初に、ノズル基板１の製造方法を説明する。

（ａ）図５（ａ）に示すように、シリコン基材４１を用意して熱酸化装置にセットする。

（ｂ）シリコン基材４１を、所定の酸化温度、酸化時間、酸素と水蒸気の混合雰囲気中の条件で熱酸化処理し、図５（ｂ）に示すように、シリコン基材４１の両面４１ａ、４１ｂに、エッチング保護膜となるＳｉＯ₂ 膜４２を均一に成膜する。

（ｃ）図６（ｃ）に示すように、シリコン基材４１において、キャビティ基板２と接合される側の接合面４１ａにレジスト４３をコーティングし、そのレジスト４３から円筒状の第１のノズル孔部１１ａとなる部分に対応する部分４３ａを除去し、レジストパターンを形成する。

（ｄ）図６（ｄ）に示すように、そのレジストパターンをマスクとして、例えば、緩衝フッ酸水溶液（フッ酸水溶液：フッ化アンモニウム水溶液＝１：６）でエッチングし、ＳｉＯ₂ 膜４２から第１のノズル孔部１１ａに対応する部分４２ａを開口する。このとき、裏面４１ｂのＳｉＯ₂ 膜４２はエッチングされ、完全に除去される。

（ｅ）図６（ｅ）に示すように、レジスト４３を硫酸洗浄などにより剥離する。

（ｆ）図６（ｆ）に示すように、ＩＣＰドライエッチング装置によりＳｉＯ₂ 膜４２の開口４２ａを介して、所定の深さに異方性ドライエッチングを行い、円筒孔部１１ｃを形成する。この場合のエッチングガスとしては、例えば、Ｃ₄Ｆ₈、ＳＦ₆ を使用し、これらのエッチングガスを交互に使用する。ここで、Ｃ₄Ｆ₈ は形成される溝の側面にエッチングが進行しないように溝側面を保護するために使用し、ＳＦ₆ はシリコン基材の垂直方向のエッチングを促進させるために使用する。

（ｇ）図７（ｇ）に示すように（図７（ｇ）より図７（ｊ）に至る図は、ノズル部近傍のみを拡大して示している）、図６（ｆ）の工程により形成した円筒孔部１１ｃ内に樹脂９０を充填する。この際の樹脂９０の充填は、真空チャンバ内で実施する。すなわち、真空チャンバ内において、真空雰囲気下で樹脂を塗布し、その後、大気雰囲気に曝して、円筒孔部１１ｃ内に樹脂９０を充填する。このようにして、安価で歩留まり良く樹脂９０を充填することができる。

（ｈ）図７（ｈ）に示すように、ＩＣＰドライエッチング装置により、ＳｉＯ₂ 膜４２をエッチングマスクとして、開口孔４２ａより円筒孔部１１ｃに、アンダーカットの大きい条件でドライエッチング施して、傾斜面を有する截頭円筒状の第２のノズル孔部１１ｂを形成していく。截頭円筒状の第２のノズル孔部１１ｂを形成する際に使用するエッチングガスとしては、例えばＳＦ₆ 等のようなシリコン基材４１のエッチングを促進するガス（第１のガス）と、Ｃ₄Ｆ₈ 等のような側面方向のエッチングを抑制して側面を保護する保護膜を生成するガス（第２のガス）と、Ｏ₂ 等のような前記保護膜をエッチングして除去しテーパ角を調整するガス（第３のガス）が用いられ、これらのガスを混合して導入する。

第２のノズル孔部１１ｂをドライエッチングによって形成する際に、エッチングガスに酸素Ｏ₂ を適量混合しているので、樹脂９０をアッシングしながら傾斜部分を掘り進んでいく。この場合、エッチングガスの混合比を変えることによって、第２のノズル孔部１１ｂの傾斜角は、シリコンの結晶方位に拘束されることなく所望の角度になるように制御することができる。ドライエッチングを施して第２のノズル孔部１１ｂを形成していく場合、アンダーカットの大きい条件としては、例えば、エッチングガスの混合比を、第１のガス（ＳＦ₆）と、第２のガス（Ｃ₄Ｆ₈）と、第３のガス（Ｏ₂）との比率が、１：２：３になるようにすれば良い。

（ｉ）図７（ｈ）に示した円筒孔部１１ｃをさらにドライエッチングし、第２のノズル孔部１１ｂの傾斜部分をさらに形成していく。そして、図７（ｉ）に示すように、所定の深さにエッチングして、傾斜部分を有する截頭円錐状の第２のノズル孔部１１ｂを完成する。傾斜部分の加工時に加工されずに残った円筒孔部１１ｃの部分は樹脂９０で保護されているため、円筒孔部１１ｃを加工した際のノズル径がそのまま保存されており、ノズル径を高精度に制御することができる。

（ｊ）図７（ｊ）に示すように、円筒孔部１１ｃ内に残った樹脂９０を除去してその部分を第１のノズル孔部１１ａとし、シリコン基材４１の板表面の酸化膜４２を除去する。
こうして、加工されずに残った第１のノズル孔部１１ａと、円筒孔部１１ｃのうちエッチングガスによって形成された第２のノズル孔部１１ｂとによってノズル孔１１が完成する。そして、第２のノズル孔部１１ｂは第１のノズル孔部１１ａと反対側方向にノズル断面積が漸増して拡径し、その縮径側において、第１のノズル孔部１１ａと連続して繋がることになる。こうして、ノズル孔１１は段差等を介さずに連通し、しかも第２のノズル孔部１１ｂの傾斜角はシリコンの結晶方位に拘束されない所望の角度を有するため、これによって、ノズル孔１１の流路特性の最適化と高密度化を両立して達成することが可能となる。

（ｋ）シリコン基材４１を熱酸化装置にセットし、所定の酸化温度、酸化時間、酸素雰囲気中の条件で熱酸化処理し、図８（ｋ）に示すように、ＩＣＰドライエッチング装置で加工した第１のノズル孔部１１ａ及び第２のノズル孔部１１ｂの側面及び底面を含むシリコン基材４１の表面全体にＳｉＯ₂ 膜４６を均一に成膜する。

（ｌ）図９（ｌ）に示すように（図９（ｌ）より図９（ｏ）に至るまでは図８（ｋ）の上下を逆転した図を示す）、透明材料（ガラス等）の支持基板５０に、紫外線または熱などの刺激で容易に接着力が低下する自己剥離層６１を持った両面テープ６０を張り合わせる。具体的には、支持基板５０に張り合わせた両面テープ６０の自己剥離層６１の面と、シリコン基材４１の接合面４１ａとを向かい合わせ、真空中で貼り合わせる。これにより接着界面に気泡が残らないきれいな接着が可能となる。この接着の際に接着界面に気泡が残ると、次の（ｍ）工程の研削加工で薄板化されるシリコン基材４１の板厚がばらつく原因となる。

（ｍ）図９（ｍ）に示すように、シリコン基材４１の吐出面側からバックグラインダーで研削加工を行い、第１のノズル孔部１１ａの先端部１１ｄが開口するまでシリコン基材４１を薄くする。この薄板化の方法としては、他にポリッシャー、ＣＭＰ装置による方法がある。これらの加工方法を用いた場合、研磨剤のカス等がノズル孔１１内に残るため、ノズル孔１１内の研磨材の水洗除去工程などで第１のノズル孔部１１ａ及び第２のノズル孔部１１ｂの内壁は洗浄される。

（ｎ）オゾンを溶存させた洗浄水にシリコン基材４１を１０分間浸し、図９（ｎ）に示すように、吐出面４１ｂに酸化膜４７を形成する。このとき、ノズル孔１１内に入り込んだ自己剥離層６１の一部も除去される。また、シリコン基材４１の表面が洗浄され、異物、汚れの付着が無くなり、これにより、次の工程で形成される撥インク膜の均一なコーティングが可能となる。

（ｏ）図９（ｏ）に示すように、シリコン基板４１の吐出面４１ｂに撥インク処理を施す。すなわち、Ｆ原子を含む撥インク性を持った材料を蒸着やディッピングで成膜し、撥インク層４８を形成する。このとき、第１のノズル孔部１１ａ及び第２のノズル孔部１１ｂの内壁も撥インク処理される。

（ｐ）図１０（ｐ）（図１０（ｐ）より図１０（ｓ）に至るまでは図９（ｏ）の上下を逆転した図を示す）に示すように、吐出面４１ｂにダイシングテープ７０をサポートテープとして貼り付ける。

（ｑ）図１０（ｑ）に示すように、支持基板５０側からＵＶ光を照射する。

（ｒ）図１０（ｒ）に示すように、両面テープ６０の自己剥離層６１をシリコン基材４１から剥離する。

（ｓ）図１０（ｓ）に示すように、Ａｒスパッタもしくは０₂ プラズマ処理によってシリコン基材４１の第１のノズル孔部１１ａ及び第２のノズル孔部１１ｂの内壁に余分に形成された撥インク層４８を除去する。

（ｔ）図１１（ｔ）に示すように（図１１（ｔ）より図１１（ｕ）に至るまでは図１０（ｓ）の上下を逆転した図を示す）、シリコン基材４１においてダイシングテープ７０を貼り付けている面とは反対側の面４１ａを真空ポンプに連通した吸着冶具８０に吸着固定し、その状態でダイシングテープ７０を剥離する。
（ｕ）図１１（ｕ）に示すように、吸着冶具８０の吸着固定を解除し、ノズル基板１が完成する。なお、図示省略したが、シリコン基材４１にはノズル孔１１を形成するのと同時にノズル基材外輪となる部分に貫通溝を形成するようにしており、吸着冶具８０を取り外す段階でノズル基材１が個片に分割されるようになっている。

実施の形態１によれば、異方性ウェットエッチングに依ることなく、ドライエッチングで第２のノズル孔部１１ｂを形成するため、ノズル密度を高めることができる。また、第２のノズル孔部１１ｂをドライエッチングによって形成する際に、樹脂９０をアッシングしながら傾斜部分を掘り進んで行くので、第１のノズル孔部１１ａと第２のノズル孔部１１ｂとの境界部分に段差がなく、なめらかで連続した形状とすることができ、これによってノズルの流路特性が最適化され、安定した吐出特性を有する。さらに、エッチング時において混合ガスの混合比を変えることによって、第２のノズル孔部１１ｂの傾斜角をシリコンの結晶方位に拘束されない所望の角度に制御することができる。
本実施の形態１のノズル基板１の製造方法は、静電駆動方式のインクジェットヘッドに用いるノズル基板の場合を例に説明したが、圧電駆動方式やバブルジェット（登録商標）方式など、他方式のインクジェットヘッドのノズル基板にも適用可能である。

次に、キャビティ基板２および電極基板３の製造方法について説明する。
ここでは、電極基板３にシリコン基材１００を接合した後、そのシリコン基板１００からキャビティ基板２を製造する方法について、図１２、図１３を用いて説明する。

（ａ） 図１２（ａ）に示すように、硼珪酸ガラス等からなるガラス基材２００に、例えば金・クロムのエッチングマスクを使用してフッ酸によってエッチングして、凹部３２を形成する。この凹部３２は個別電極３１の形状より少し大きめの溝状であり、個別電極３１ごとに複数形成される。
そして、凹部３２の内部に、例えばスパッタによりＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなる個別電極３１を形成する。
その後、ドリル等によってインク供給孔３４となる孔部３４ａを形成することにより、電極基板３が作製される。

（ｂ） 図１１（ｂ）に示すように、シリコン基材１００の両面を鏡面研磨した後、シリコン基材１００の片面にプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）によってＴＥＯＳ（TetraEthylorthosilicate）からなるシリコン酸化膜（絶縁膜）２６を形成する。なお、シリコン基材１００を形成する前に、エッチングストップ技術を利用し、振動板２２の厚みを高精度に形成するためのボロンドープ層を形成するようにしてもよい。エッチングストップとはエッチング面から発生する気泡が停止した状態と定義し、実際のウェットエッチングにおいては、気泡の発生の停止をもってエッチングがストップしたものと判断する。

（ｃ） このシリコン基材１００と、図１２（ａ）のようにして作製された電極基板３を、図１２（ｃ）に示すように、例えば３６０℃に加熱し、シリコン基材１００に陽極を、電極基板３を陰極に接続して、８００Ｖ程度の電圧を印加して陽極接合により接合する。

（ｄ） シリコン基材１００と電極基板３を陽極接合した後に、水酸化カリウム水溶液等で接合状態のシリコン基材１００をエッチングし、図１２（ｄ）に示すように、シリコン基材１００を薄板化する。

（ｅ） シリコン基材１００の上面（電極基板３が接合されている面と反対側の面）の全面にプラズマＣＶＤによって、シリコン酸化膜を形成する。そして、このシリコン酸化膜に、吐出室２４となる凹部２４０およびリザーバ２５となる凹部２５０を形成するためのレジストをパターニングし、これらの部分のシリコン酸化膜をエッチング除去する。
その後、シリコン基材１００を水酸化カリウム水溶液等でエッチングして、図１３（ｅ）に示すように、吐出室２４となる凹部２４０およびリザーバ２５となる凹部２５０を形成する。このとき、配線のための電極取り出し部２９となる部分もエッチングして薄板化しておく。なお、図１３（ｅ）のウェットエッチングの工程では、例えば初めに３５重量％の水酸化カリウム水溶液を使用し、その後、３重量％の水酸化カリウム水溶液を使用することができる。これにより、振動板２２の面荒れを抑制することができる。

（ｆ） シリコン基材１００のエッチングが終了した後に、図１３（ｆ）に示すように、フッ酸水溶液でエッチングして、シリコン基材１００の上面に形成されているシリコン酸化膜を除去する。

（ｇ） シリコン基材１００の吐出室２１となる凹部２４０等が形成された面に、図１３（ｇ）に示すように、プラズマＣＶＤによりシリコン酸化膜（絶縁膜２６）を形成する。

（ｈ） 図１３（ｈ）に示すように、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等によって電極取り出し部１００を開放する。また、電極基板３のインク供給孔３４となる孔部３４ａからレーザ加工を施して、シリコン基材１００のリザーバ２５となる凹部２５０の底部を貫通させ、インク供給孔３４を形成する。また、振動板２２と個別電極３１の間の電極間ギャップＧの開放端部にエポキシ樹脂等の封止材２７を充填して封止を行う。また、図１、図２に示した共通電極２８を、スパッタにより、シリコン基材１００の上面（ノズル基板１との接合側の面）の端部に形成する。

以上により、電極基板３に接合した状態のシリコン基材１００からキャビティ基板２が作製される。
そして最後に、このキャビティ基板２に、前述のようにして作製されたノズル基板１を接着等により接合することにより、図２に示したインクジェットヘッド１０の本体部が作製される。

本実施の形態１によれば、キャビティ基板２を、予め作製された電極基板３に接合した状態のシリコン基材２００から作製するものであるので、その電極基板３によりキャビティ基板２を支持した状態となるため、キャビティ基板２を薄板化しても割れたり欠けたりすることがなく、ハンドリングが容易となる。したがって、キャビティ基板２を単独で製造する場合よりも歩留まりが向上する。

実施の形態２．
図１４は、実施の形態１に係るインクジェットヘッド１０を搭載したインクジェット記録装置を示す斜視図である。図１４に示すインクジェット記録装置３００は、インクジェットプリンタであり、実施の形態１のインクジェットヘッド１０を搭載しているため、ノズルの流路特性が最適化し、このため吐出特性が良く、また高密度化が可能なため、液滴の着弾位置の高精度化が可能で、安定した高品質の印字が可能である。
なお、実施の形態１に係るインクジェットヘッド１０は、図１４に示すインクジェットプリンタの他に、液滴を種々変更することで、液晶ディスプレイのカラーフィルタの製造、有機ＥＬ表示装置の発光部分の形成、遺伝子検査等に用いられる生体分子溶液のマイクロアレイの製造など様々な用途の液滴吐出装置として利用することができる。

本発明の実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドの分解斜視図。 図１のインクジェットヘッドを組立てた状態の要部の縦断面図。 図２のノズル孔部分を拡大した縦断面図。 図１のノズル基板の上面図。 ノズル基板の製造方法を示す製造工程の断面図。 図５に続くノズル基板の製造工程の断面図。 図６に続くノズル基板の製造工程の断面図。 図７に続くノズル基板の製造工程の断面図。 図８に続くノズル基板の製造工程の断面図。 図９に続くノズル基板の製造工程の断面図。 図１０に続くノズル基板の製造工程の断面図。 キャビティ基板および電極基板の製造方法を示す製造工程の断面図。 図１２に続く製造工程の断面図。 インクジェット記録装置を示す斜視図。

符号の説明

１ ノズル基板、２ キャビティ基板、３ 電極基板、４ 駆動制御回路、１０ インクジェットヘッド、１１ ノズル孔、１１ａ 円筒状ノズル孔部（第１のノズル孔部）、１１ｂ 截頭円錐状ノズル孔部（第２のノズル孔部）、１１ｃ 円筒孔部、１１ｄ 先端部、２２ 振動板、２３ オリフィス、２４ 吐出室、２５ リザーバ、２８ 共通電極、３１ 個別電極、３１ａ リード部、３１ｂ 端子部、３２ 凹部、３４ インク供給孔、４１ シリコン基材、４２ ＳｉＯ₂ 膜、４２ａ 開口、９０ 樹脂、３００ インクジェット記録装置。

Claims (12)

1. 吐出方向の先端側に位置するほぼ円筒状の第１のノズル孔部と、吐出方向の後端側に位置しており、前記第１のノズル孔部から吐出方向の後端側に向けてノズル断面積が漸増する傾斜面がほぼテーパ状の第２のノズル孔部とから構成されるノズル孔を、シリコン基材をエッチングすることにより形成するノズル基板の製造方法であって、
   前記シリコン基材の表面にエッチング保護膜を形成する工程と、
   前記エッチング保護膜に開口部を形成し、該開口部より前記シリコン基材をドライエッチングして円筒孔部を形成する工程と、
   前記円筒孔部内に樹脂を充填する工程と、
   前記エッチング保護膜の開口部より前記円筒孔部内の樹脂を所定部分を残して、アッシングしながら前記シリコン基材をドライエッチングし、前記円筒孔部の開口部側に所望の傾斜角で拡径する前記第２のノズル孔部を形成する工程と、
   アッシングされず残った前記樹脂を前記円筒孔部内より除去して該樹脂を除去した部分の円筒孔部を前記第１のノズル孔部とするとともに、前記シリコン基材表面に形成された前記酸化膜を除去する工程と、
   前記シリコン基材を、前記第２のノズル孔部を形成した側とは反対側の面から前記第１のノズル孔部が開口するまで薄板化する工程と、
   を有することを特徴とするノズル基板の製造方法。
2. 前記ドライエッチングは、ＩＣＰ放電によるドライエッチングであることを特徴とする請求項１記載のノズル基板の製造方法。
3. 前記第１のノズル孔部を形成するドライエッチングは、前記開口部から、Ｃ₄Ｆ₈とＳＦ₆ よりなるエッチングガスを交互に使用してドライエッチングを行い、前記円筒孔部を形成することを特徴とする請求項２に記載のノズル基板の製造方法。
4. 前記第２のノズル孔部を形成するドライエッチングは、前記第２のノズル孔部の深さ方向のエッチングを促進する第１のガスと、前記第２のノズル孔部の側面方向のエッチングを抑制して該側面を保護する保護膜を形成する第２のガスと、前記保護膜をエッチングして前記第２のノズル孔部のテーパ角を調整するための第３のガスとよりなる混合ガスを導入して行うことを特徴とする請求項２記載のノズル基板の製造方法。
5. 前記第１のガスがＳＦ₆ であり、前記第２のガスがＣ₄Ｆ₈であり、前記第３のガスがＯ₂ であり、これらの混合ガスによってドライエッチングを行うことを特徴とする請求項３記載のノズル基板の製造方法。
6. ＳＦ₆ とＣ₄Ｆ₈とＯ₂ とのガスの混合比が、１：２：３であることを特徴とする請求項５記載のノズル基板の製造方法。
7. 真空雰囲気で樹脂を充填したあと該樹脂を大気雰囲気に曝すことにより、前記円筒孔部内に前記樹脂を充填することを特徴とする請求項１記載のノズル基板の製造方法。
8. 吐出方向の先端側に位置するほぼ円筒状の第１のノズル孔部と、吐出方向の後端側に位置しており、前記第１のノズル孔部から吐出方向の後端側に向けてノズル断面積が漸増する傾斜面がほぼテーパ状の第２のノズル孔部とから構成されるノズル孔を、シリコン基材をエッチングすることにより形成するノズル基板の製造方法を用いた液滴吐出ヘッドの製造方法であって、
   前記シリコン基材の表面にエッチング保護膜を形成する工程と、
   前記エッチング保護膜に開口部を形成し、該開口部より前記シリコン基材をドライエッチングして円筒孔部を形成する工程と、
   前記円筒孔部内に樹脂を充填する工程と、
   前記エッチング保護膜の開口部より前記円筒孔部内の樹脂を所定部分残して、アッシングしながら前記シリコン基材をドライエッチングし、前記円筒孔部の開口部側に所望の傾斜角で拡径する前記第２のノズル孔部を形成する工程と、
   アッシングされずに残った前記樹脂を前記円筒孔部内より除去して該樹脂を除去した部分の円筒孔部を前記第１のノズル孔部とするとともに、前記シリコン基材表面に形成された酸化膜を除去する工程と
   前記シリコン基材を、前記第２のノズル孔部を形成した側とは反対側の面から前記第１のノズル孔部が開口するまで薄板化する工程と、
   を有するノズル基板の製造方法を用い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。
9. 吐出方向の先端側に位置するほぼ円筒状の第１のノズル孔部と、吐出方向の後端側に位置しており、前記第１のノズル孔部から吐出方向の後端側に向けてノズル断面積が漸増する傾斜面がほぼテーパ状の第２のノズル孔部とから構成されるノズル孔を、シリコン基材をエッチングすることにより形成するノズル基板の製造方法を用いた液滴吐出ヘッドの製造方法を用いて行う製造方法であって、
   前記シリコン基材の表面にエッチング保護膜を形成する工程と、
   前記エッチング保護膜に開口部を形成し、該開口部より前記シリコン基材をドライエッチングして円筒孔部を形成する工程と、
   前記円筒孔部内に樹脂を充填する工程と、
   前記エッチング保護膜の開口部より前記円筒孔部内の樹脂を所定部分残して、アッシングしながら前記シリコン基材をドライエッチングし、前記円筒孔部の開口部側に所望の傾斜角で拡径する前記第２のノズル孔部を形成する工程と、
   アッシングされずに残った前記樹脂を前記円筒孔部内より除去して該樹脂を除去した部分の円筒孔部を前記第１のノズル孔部とするとともに、前記シリコン基材表面に形成された酸化膜を除去する工程と
   前記シリコン基材を、前記第２のノズル孔部を形成した側とは反対側の面から前記第１のノズル孔部が開口するまで薄板化する工程と、
   を有するノズル基板の製造方法を用いた液滴吐出ヘッドの製造方法を用い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。
10. 液滴を吐出するためのノズル孔が、基板面に対して垂直な筒状の噴射口部分からなるほぼ円筒状の第１のノズル孔部と、該第１のノズル孔部と同軸上に設けられ該第１のノズル孔部よりも径の大きい導入口部分を有する傾斜面がほぼテーパ状の第２のノズル孔部とを有し、前記第１のノズル孔部と前記第２のノズル孔部との境界部が段差なく連通していることを特徴とするノズル基板。
11. 液滴を吐出するためのノズル孔が、基板面に対して垂直な筒状の噴射口部分からなるほぼ円筒状の第１のノズル孔部と、該第１のノズル孔部と同軸上に設けられ該第１のノズル孔部よりも径の大きい導入口部分を有する傾斜面がほぼテーパ状の第２のノズル孔部とを有し、前記第１のノズル孔部と前記第２のノズル孔部との境界部が段差なく連通しているノズル基板を備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
12. 液滴を吐出するためのノズル孔が、基板面に対して垂直な筒状の噴射口部分からなるほぼ円筒状の第１のノズル孔部と、該第１のノズル孔部と同軸上に設けられ該第１のノズル孔部よりも径の大きい導入口部分を有する傾斜面がほぼテーパ状の第２のノズル孔部とを有し、前記第１のノズル孔部と前記第２のノズル孔部との境界部が段差なく連通しているノズル基板を有する液滴吐出ヘッドを搭載したことを特徴とする液滴吐出装置。

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