JP2009012328A - インクジェットオリフィスプレートとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】寸法精度、吐出効率が高く、量産にも適したインクジェット用オリフィスプレートおよびその製造方法の提供。
【解決手段】ＳＯＩ基板９の片面から加工された連通孔２と、反対面から加工された吐出孔３を有するインクジェットオリフィスプレート１であって、吐出孔はＳＯＩ基板の埋め込み酸化膜（ＢＯＸ）層７をエッチストップ層としてドライエッチングにより加工され、吐出面側が略ストレート形状、ＢＯＸ層側ではテーパ形状となっている。
【選択図】図１

Description

本発明はインクジェット記録ヘッド、特により微細な液滴吐出に適したインクジェットヘッドのオリフィスプレートおよびその製造方法に関する。

従来のインクジェットヘッドのオリフィスプレートは、パンチング穴加工、Ｓｉ基板のドライエッチングやＳｉの異方性ウェットエッチングなどによりインクジェットの吐出用オリフィスを形成することにより作製されてきた。

パンチング穴加工によるオリフィスの加工では、例えば穴径が３０μｍ以下であるような微細な加工を精度よく多数繰り返すことは効率が悪く、また材質に金属や樹脂を用いる必要があり、流路や圧力室の微細な加工に適したＳｉ基板と組み合わせる場合に熱膨張係数の違いが大きな問題となる。

特開平９−２１６３６８には、基板としてＳＯＩ基板を用い、ＢＯＸ層の片側に連通孔に相当するテーパ穴、反対側に吐出孔を形成するオリフィスプレートに関する記載がある。

なお、本発明でいう連通孔とは、片側がインクを最終的にヘッドから吐出させるための吐出孔に連結し、もう一方の側がインクに吐出のための圧力を作用させる圧力室や、あるいは該圧力室に連結する流路に連結して、圧力室と吐出孔を連通させる管、あるいはその一部となるインクジェットヘッドの流路部分の呼称である。

前記公報に記載の方法は、連通孔、吐出孔とも長さに関してはＳＯＩ基板のＳＯＩ層および支持基板層の厚さで決まるため精度が高く優れた方法であるといえるが、例えば連通孔をＳｉの異方性ウェットエッチにより形成する場合には、形成されるテーパ角がＳｉの結晶構造により決まっているため、基板の厚みと連通孔の開口部分の大きさに自由度がない。例えばＳＯＩ基板の支持基板層厚さが１００μｍである場合、開口部の大きさは最低でも１４０μｍより大きくなる。このため、基板が厚い場合には連通孔の高密度配置が困難となり、高密度配置するために基板を薄くすれば、基板の強度が低くなって工程での破損の問題が生じてくる。また、連通孔を通常のドライエッチングで形成する場合、やはり基板がある程度の厚みになると、連通孔にテーパ形状を持たせながらその断面形状を精度よく形成することの難しさが増加する。支持基板厚を小さくすれば連通孔形状精度は向上するが、やはり基板強度が低下して、工程での破損の問題が生じる。
特開平９−２１６３６８号公報

インクジェットにおいて、液滴を極小化し、印字品質を高精細なものとするには、吐出孔、連通孔の加工もそれに対応して微細、高精度にする必要がある。一般に吐出孔、連通孔等の加工精度を高くするには、それらを形成する基板を薄くしてゆくことが有利であるが、一方で基板の強度が低下するため、大きな基板で工程を流動することが不可能となり、生産効率が低下する。

そこで本発明の目的は、比較的厚い基板を用いても微細かつ高精度の吐出孔、連通孔の形成が可能で、高品質の印字に適し、かつ量産にも適したインクジェットオリフィスプレートおよびその製造方法を提供することにある。

さらに本発明のもう一つの目的は、極小化した液滴であっても吐出効率の高いインクジェットヘッドが得られるインクジェットオリフィスプレートおよびその製造方法を提供することにある。

本発明のインクジェットオリフィスプレートは、図１に示されるように基板としてＳＯＩ基板を用い、その片面からは基板に略垂直な側壁を有する連通孔がＢＯＸ層に到達するまで形成され、もう一方の面からはＢＯＸ層をエッチストップ層としてドライエッチングにより吐出孔が形成されているものであり、該吐出孔の吐出面側は内径が略一定のストレート形状、ＢＯＸ層側はＢＯＸ層に向かって内径が大きくなるテーパ形状であることを特徴とし、さらに、このテーパ形状は吐出面側からのドライエッチングにより形成されることを特徴とする。

オリフィスプレートの基板としてＳＯＩ基板を用いることにより、ＳＯＩ基板のＢＯＸ層を連通孔および吐出孔形成の際のエッチストップ層とすることができる。このため、連通孔、吐出孔の長さはＳＯＩ基板の支持基板層、ＳＯＩ層の厚さで決定され、エッチングの分布に左右されない高い精度になる。

連通孔、吐出孔の形成方法として好ましい方法は、フォトリソグラフィー等でエッチング用マスクのパターンを形成し、そのマスクを用いてエッチングガスとデポジションガスを同時或いは交互に流す異方性のドライエッチングプロセスを用いる方法であり。この方法により、エッチマスクパターンに忠実な、側壁が基板面に略垂直なパターンの連通孔および吐出孔をそれぞれＢＯＸ層に到達するまで掘り込むことが可能である。エッチマスクパターンの基板面内方向の寸法はフォトリソグラフィーで決定され、エッチングで形成される形状がそのマスクパターンに忠実なため、形成される吐出孔、連通孔の基板面内方向寸法精度も非常に高いものとなる。つまり、本発明の方法によって形成される連通孔、吐出孔は、長さと、それに垂直な方向のどちらも非常に寸法精度の高いものとすることが可能である。

連通孔の側壁は基板面に略垂直に形成されるため、連通孔の基板表面における開口部の大きさは、エッチングによるＢＯＸ層までの貫通が可能な限り基板の厚さには左右されず、必要に応じてエッチマスクパターンを変えればよい。そのため、基板の厚さが比較的大きくなっても連通孔（従って吐出孔）を高密度に配置することが可能である。基板を厚くすることで基板強度が増加し、例えばチップに切断しないウェハの状態であっても十分工程を流動させることが可能となり、オリフィスプレートの生産効率が向上する。

本発明のもう一つの特徴は、吐出孔が吐出面側のストレート部分と、ＢＯＸ層（連通孔）に接する側のテーパ部分からなり、かつ該テーパ部分を吐出面側からのドライエッチングにより形成することにある。吐出孔を形成するための異方性エッチングの際、エッチングがＢＯＸ層に到達すると、ＢＯＸ層が絶縁性のため、エッチング条件によっては、イオンの流入によるチャージアップが生じ、さらにそのチャージアップによりイオンが反跳して側壁がエッチングされ、ノッチが発生することがある。通常、異方性エッチングでのノッチの発生を抑制するようにエッチング条件を設定するのであるが、発明者らは故意にドライエッチングでのノッチを発生させ、それを制御することにより、連通孔から吐出孔へインクが流れる際に流体損失の少ないテーパ形状の形成に利用できることを見出し本発明に至ったものである。

本発明のインクジェットオリフィスプレートは、連通孔や吐出孔の基板面内方向、長さ方向の寸法精度が共に高く、高品質の印字に適したものである。また、高密度に吐出孔を形成する場合でも比較的厚い基板の使用が可能であって、例えばウェハの状態でも十分工程の流動が可能なため量産に適している。さらにインク流速の大きな連通孔と吐出孔の連結部の流体損失が小さく吐出効率の高いインクジェットの作製が可能となる。

以下に実施例を示し、本発明をより具体的に説明する。

ＳＯＩ基板として直径が１５０ｍｍ、ＳＯＩ層厚が５０μｍ、ＢＯＸ層厚が１μｍ、支持基板層厚が１５０μｍであり、さらに基板の両側表面に１μｍの厚さに熱酸化膜を形成したウェハを用意した。（図３）
このウェハの支持基板層側に既知のフォトリソ工程を行ってフォトレジストによるエッチングマスクパターンを形成し、さらに通常のリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）により支持基板側表面の熱酸化膜をエッチングして、支持基板層のシリコンがΦ６０μｍの穴で露出するパターンを多数形成した。（図４）
次いで、表面の熱酸化膜をエッチングマスクとし、エッチングガスとしてＳＦ６（六フッ化硫黄）、デポジションガスにＣ４Ｆ８（八フッ化ブタン）を用い、それらを交互に切り替えながらＩＣＰ（誘導結合プラズマ）によるエッチングを行ういわゆるボッシュプロセスを実施して支持基板層のシリコンをＢＯＸ層に至るまでエッチングし、直径が６０μｍ、長さ１５０μｍの連通孔となる部分を作製した（図５）。シリコン酸化膜とシリコンは十分大きなエッチング選択比があるためＢＯＸ層はエッチストップ層として十分な働きをする。そのため、ウェハ内のエッチングレートに分布がある場合でも、略支持基板層の厚さによって決まる穴の深さは非常にばらつきの少ないものとなる。また、このエッチング方法を用いることで、断面形状がエッチングマスクのパターンに忠実、かつ側面がウェハ面に略垂直な穴の形成が可能であり、そのためウェハ面内方向の加工寸法は略表面酸化膜のパターンを形成する際のフォトリソグラフィーに対応したものなる。つまり、作製された連通孔は、ウェハ面内方法、ウェハ厚さ方向共に非常に寸法精度の高いものとなる。

次いで今度はＳＯＩウェハのＳＯＩ層側に同様のフォトリソ工程やＲＩＥによるエッチングを実施して、ＳＯＩ層側の熱酸化膜に吐出孔のパターンを形成した。この時のフォトリソ工程には両面アライナーを使用し、ＳＯＩ層側に設けるパターンが支持基板側に形成された連通孔のパターンの位置に対応するものとした（図６）。

さらに、支持基板側のシリコンに連通孔を形成したのと同様なボッシュプロセスを用いたエッチングを実施し、ＳＯＩ層のシリコンをＢＯＸ層に至るまでエッチングし、吐出孔となる部分の穴を形成した（図７）。

ボッシュプロセスにおいては、通常被エッチ基板にプラズマに対する負のバイアス電圧を印加し、その電圧によりイオンが被エッチ基板に衝突するイオン衝撃をエッチングに利用している。この基板バイアス電圧は、ＲＦや、パルスにより印加されるのが一般的である。通常のエッチングにおいては、エッチストップ層でのノッチの発生を嫌うため、この基板バイアス電圧は、できるだけノッチ発生が生じ難いように制御する。本実施例においても、吐出孔のエッチングがエッチストップ層に到達するまでは通常のノッチが発生し難い基板バイアス電圧印加条件でのエッチングを行い、続いてエッチングが大体ＢＯＸ層に到達した後に、今度はノッチを発生し易い基板バイアス電圧印加条件に切り替えてエッチングを続行し、吐出孔のエッチストップ層近傍に故意にノッチを発生させた（図８）。

具体的には、基板バイアス電圧をパルスで印加し、エッチングがＢＯＸ層に到達するまではパルスのオン時間を１０ｍｓｅｃ、続いてオフ時間を９０ｍｓｅｃとするサイクルで実施し、エッチングがＢＯＸ層に到達したと思われる時間の後に、今度はパルスのオン時間を３０ｍｓｅｃ、オフ時間を７０ｍｓｅｃとしてエッチングを続行してノッチを発生させた。

パルスのオン時間が短くオフ時間が長い場合には、絶縁性のエッチストップ層がイオンの流入によりチャージアップし難く、また、十分な中和の時間が与えられるため、チャージアップによるイオンの反跳を原因とするノッチの発生が抑制されるが、オン時間を長く、オフ時間を短くすることにより、今度はチャージアップによるイオンの反跳を増加させノッチの発生を促進させた。

次いで基板をフッ酸に浸漬してエッチストップ層として用いたＢＯＸ層を除去し、図９に示すインクジェット用オリフィスプレートを得た。さらに、このオリフィスプレートを別途作製した圧力室と、圧力を印加するためのアクチュエータやインクを供給経路を有する別の基板と接合し、吐出孔を通る断面が図２で示されるようなインクジェットヘッドを得ることができる。このようにして得たインクジェットオリフィスプレートは、吐出の際インクの流速が比較的大きい連通孔と吐出孔の連結部にテーパが形成されているため、連結部での流体損失が小さくなり、吐出効率を向上させることができる。

本発明のインクジェットオリフィスプレートの例の部分断面図である。 本発明のインクジェットオリフィスプレートを用いたインクジェットヘッドの一例の部分断面図である。 本発明のインクジェットオリフィスプレートの製造工程図であり、（ａ）は部分平面図、（ｂ）はＡＡ’断面図である。 本発明のインクジェットオリフィスプレートの製造工程図であり、（ａ）は部分平面図、（ｂ）はＡＡ’断面図である。 本発明のインクジェットオリフィスプレートの製造工程図であり、（ａ）は部分平面図、（ｂ）はＡＡ’断面図である。 本発明のインクジェットオリフィスプレートの製造工程図であり、（ａ）は部分平面図、（ｂ）はＡＡ’断面図である。 本発明のインクジェットオリフィスプレートの製造工程図であり、（ａ）は部分平面図、（ｂ）はＡＡ’断面図である。 本発明のインクジェットオリフィスプレートの製造工程図であり、（ａ）は部分平面図、（ｂ）はＡＡ’断面図である。 本発明のインクジェットオリフィスプレートの製造工程図であり、（ａ）は部分平面図、（ｂ）はＡＡ’断面図である。

符号の説明

１ オリフィスプレート
２ 連通孔
３ 吐出孔
４ 吐出孔テーパ部
５ 吐出孔ストレート部
６ ＳＯＩ層
７ ＢＯＸ（埋め込み酸化膜）層
８ 支持基板層
９ ＳＯＩ基板
１０ 表面酸化膜
１１ 表面酸化膜
２０ 圧力室形成基板
２１ 圧力室
２２ 振動板
２３ ピエゾアクチュエータ
２４ インク液滴

Claims (6)

1. ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板の片面から加工された連通孔と、反対面から加工された吐出孔を有するインクジェットオリフィスプレートであって、該吐出孔はＳＯＩ基板の埋め込み酸化膜（ＢＯＸ）層をエッチストップ層としてドライエッチングにより加工され、吐出面側が略ストレート形状、前記ＢＯＸ層側ではテーパ形状となっていることを特徴とするインクジェットオリフィスプレート。
2. 連通孔の側壁がＳＯＩ基板面に略垂直に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットオリフィスプレート。
3. 連通孔および吐出孔が、エッチングガスとデポジションガスを同時或いは交互に流すドライエッチングプロセスにより形成される請求項１に記載のインクジェットオリフィスプレート。
4. ＳＯＩ基板の片側からドライエッチングを行って連通孔となる部分をＢＯＸ層に至るまで貫通させる工程と、該ＳＯＩ基板の反対面からドライエッチングによって該連通孔と対応する部分に吐出孔をＢＯＸ層に至るまで貫通させる工程と、該吐出孔のＢＯＸ層近傍に吐出面側からのドライエッチングによってテーパを形成させる工程とを有するインクジェットオリフィスプレートの製造方法。
5. ドライエッチングにより形成される連通孔の側壁がＳＯＩ基板面に略垂直に形成されていることを特徴とする請求項４に記載のインクジェットオリフィスプレート製造方法。
6. ドライエッチングがエッチングガスとデポジションガスを同時或いは交互に流すプロセスである請求項４に記載のインクジェットオリフィスプレート製造方法。

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