JP2009178948A

JP2009178948A - ノズル基板、ノズル基板の製造方法、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置

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Publication number: JP2009178948A
Application number: JP2008020351A
Authority: JP
Inventors: Mitsuaki Harada; 光明原田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2008-01-31
Publication date: 2009-08-13

Abstract

【課題】材料費を抑え、また撥水性処理を簡便にできるノズル基板、ノズル基板の製造方法、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を提供する。
【解決手段】液滴を吐出するノズル部１１ａと、このノズル部より断面積が大きくノズル部と同軸上に設けられた導入部１１ｂとを少なくとも備えたノズル孔１１を複数備えたノズル基板１であって、ノズル孔が多結晶シリコン基板を材料に用いて形成され、この多結晶シリコン基板の表面である吐出面に０．１〜５．０μｍの微小凹凸を有するものとする。
【選択図】図３

Description

本発明は、液滴吐出ヘッド用のノズル基板、そのノズル基板の製造方法、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置に関する。

従来より液滴を吐出するための液滴吐出ヘッドとしては、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一般的に知られている。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方式等がある。

このようなインクジェットヘッドのノズル基板には、一般に、バルク材として単結晶シリコン基板が用いられている。ノズル孔は、インク滴の飛行曲がりのない直進性とノズル密度の高密度化を実現するために、一般にインク滴を吐出するノズル部とインクの導入部とからなる２段の垂直孔を有する構造となっており、ＩＣＰ等の異方性ドライエッチングにより形成される。そして、ノズル孔の流路抵抗を調整するために、吐出面をウェットエッチングで掘り下げてノズル部の長さを調整する方法（例えば、特許文献１参照）と、吐出面をノズル部が開口するまで研削して薄板化する方法（例えば、特許文献２参照）とがある。

特開平１１−２８８２０号公報特開２００７−２６１１５２号公報

しかしながら、上記の従来技術ではいずれも、単結晶シリコン基板を用いてノズル基板を製造しているため、材料費が高くつきコスト高になるという問題があった。また、単結晶シリコン基板では、吐出面に撥水性をもたせるために、別途撥水膜を形成するか、もしくはエッチングで微小凹凸を形成する必要があり、撥水性処理のための加工費が増加し、これもコスト高の要因となっていた。

本発明は、上記のような課題に鑑み、材料費を抑え、また撥水性処理を簡便にできるノズル基板、ノズル基板の製造方法、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している。

本発明に係るノズル基板は、液滴を吐出するノズル部と、このノズル部より断面積が大きくノズル部と同軸上に設けられた導入部とを少なくとも備えたノズル孔を複数備えたノズル基板であって、ノズル孔が多結晶シリコン基板を材料に用いて形成され、この多結晶シリコン基板の表面である吐出面に０．１〜５．０μｍの微小凹凸を有するものである。

このように、本発明では多結晶シリコン基板を材料に用いてノズル基板を形成するため、従来の単結晶シリコン基板に比べて材料費を著しく低減でき、コスト低減が可能となる。また、多結晶シリコン基板の表面は０．１〜５．０μｍの微小凹凸を有するため、撥水性を有する吐出面となる。ここで、微小凹凸を０．１〜５．０μｍとしたのは、多結晶シリコンの結晶粒径を０．１〜５．０μｍの範囲に制御することからくる制限である。すなわち、微小凹凸が０．１μm未満では撥水性が不十分であるためであり、５．０μmを超えると、例えば１０μmのノズル孔径を精度よくつくることができず、また吐出面のワイピング時に凹部内に吐出液のかすが残留する可能性が高いからである。

また、本発明のノズル基板においては、吐出面、この吐出面と反対側の面及びノズル孔の内壁に耐吐出液保護膜を有し、吐出面側の耐吐出液保護膜の表面に０．１〜５．０μｍの微小凹凸を有するものである。
耐吐出液保護膜により多結晶シリコン製のノズル基板を吐出液から保護するとともに、吐出面となる耐吐出液保護膜の表面が下地の多結晶シリコン基板の微小凹凸に依存して０．１〜５．０μｍの微小凹凸を有する面となり、特別の撥水処理を行わなくても撥水性を有することになる。

また、本発明のノズル基板においては、ノズル孔の内壁及び吐出面と反対側の面を除く吐出面側の耐吐出液保護膜の表面全面に撥水膜を有するものである。
撥水膜は、吐出面側の耐吐出液保護膜上にのみ形成され、ノズル孔の吐出口縁部を境界にしてノズル孔の内壁及び吐出面と反対側の面には形成されない。従って、この撥水膜により、吐出面の撥水性がより向上する。

また、本発明のノズル基板においては、撥水膜は、フッ素含有有機ケイ素化合物を主成分とするものである。
これにより、耐吐出液保護膜表面のヒドロキシル基がフッ素含有有機ケイ素化合物のメトキシ基等の加水分解基と強固に結合するため、耐吐出液保護膜とその上の撥水膜との密着性が向上する。

また、本発明のノズル基板においては、多結晶シリコン基板は、結晶粒径が０．１〜５．０μｍの範囲に制御されているものである。
前述のように、多結晶シリコン基板の表面を０．１〜５．０μｍの微小凹凸を有する面とするためには、多結晶シリコンの結晶粒径を０．１〜５．０μｍの範囲に制御する必要がある。

本発明に係るノズル基板の製造方法は、結晶粒径が０．１〜５．０μｍの範囲に制御された多結晶シリコン基板に、ノズル部と、このノズル部より断面積が大きくノズル部と同軸上に位置する導入部とからなるノズル孔を異方性ドライエッチングにより複数形成する段階と、ノズル部側の吐出面、この吐出面と反対側の面及びノズル孔の内壁に耐吐出液保護膜を形成する段階と、ノズル孔の内壁及び前記反対側の面を除く吐出面側の耐吐出液保護膜の表面全面に撥水膜を形成する段階とを有するものである。
この製造方法により、撥水性を有し、かつノズル密度を高密度にした安価なノズル基板を製造することができる。

本発明に係る液滴吐出ヘッドは、上記のいずれかのノズル基板を備えたものである。
これにより、安価で高密度の液滴吐出ヘッドを提供することができる。

本発明に係る液滴吐出装置は、上記の液滴吐出ヘッドを搭載したものである。
これにより、安価で高密度の液滴吐出装置を提供することができる。

以下、本発明のノズル基板を備えた液滴吐出ヘッドの一実施の形態について、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４を参照して説明する。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、フェース吐出型に限らずエッジ吐出型にも適用することができる。さらには、液滴吐出のためのエネルギーを与える駆動方式についても静電駆動方式以外の他の異なる駆動方式を用いた液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置にも適用できるものである。

図１は本発明の実施の形態に係るインクジェットヘッドの概略構成を分解して示す分解斜視図で、一部を断面で表してある。図２は組立状態を表した図１の右半分の概略構成を示すインクジェットヘッドの部分断面図、図３は図２のノズル孔部分を拡大して示す断面図、図４は図２のインクジェットヘッドの上面図である。

本実施形態に係るインクジェットヘッド１０は、図１、図２及び図４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。

本発明が適用されるノズル基板１は、表面に０．１〜５．０μｍの微小凹凸（図示せず）を有する多結晶シリコン基板から作製される。微小凹凸の範囲については、前述のとおり多結晶シリコンの結晶粒径に基づいて定めたものであり、撥水性、ノズル孔径、ワイピング性を考慮して制限される。この多結晶シリコン基板を用いたノズル基板１の製造方法については後で詳しく説明する。

インク滴を吐出するためのノズル孔１１は、液滴を吐出するノズル部１１ａと、インク（吐出液）を導入する導入部１１ｂとから構成されている。ノズル部１１ａはノズル基板１の表面（インク吐出面）１ａに対して垂直に小径の円筒状に形成されており、導入部１１ｂはノズル部１１ａと同軸上に設けられ、ノズル部１１ａよりも断面積が大きく、断面形状が円筒状に形成されている。このようにノズル孔１１を２段の垂直孔を持つ構造とすることにより、インク液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、インク液滴の飛翔方向のばらつきがなくなり、またインク液滴の飛び散りがなく、インク液滴の吐出量のばらつきを抑制することができる。また、ノズル密度の高密度化も可能になる。なお、ここでは、ノズル孔１１を、２段の孔を持つ構造とした例を示したが、更に段階的に複数段としてもよく、また、ノズル孔の断面積が吐出方向に向かって連続的に減少する形状としてもよい。また、ノズル部１１ａと導入部１１ｂとの段差部をテーパ状に形成してもよい。

また、ノズル基板１のインク吐出面１ａは、基板材料が多結晶シリコンであるため、０．１〜５．０μｍの微小凹凸（図示せず）を有する面となっている。すなわち、インク吐出面１ａはそれ自体が機械構造的に撥水性（以下、構造撥水性という）を有するとともに、ワイピングに対する耐久性を有するものとなっている。また、ノズル孔１１の内壁とインク吐出面１ａおよびその反対面であるキャビティ基板２との接合面１ｂには、図３に示すように、例えばＳｉＯ₂からなる耐インク保護膜（耐吐出液保護膜）１２がスパッタ法や熱酸化法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等で形成されている。インク吐出面１ａ上の耐インク保護膜１２表面は、下地の多結晶シリコン基板の表面が０．１〜５．０μｍの微小凹凸を有するので、この微小凹凸に依存して０．１〜５．０μｍの微小凹凸を有することになる。従って、インク吐出面１ａ上に耐インク保護膜１２を形成したままでもインクに対する下地の多結晶シリコン基板の保護と撥水性の両機能を耐インク保護膜１２が有することになる。
さらに撥水性を向上させるためには、ノズル孔１１の内壁と接合面１ｂを除くインク吐出面１ａ側の耐インク保護膜１２上の全面に撥水膜１３をスパッタ法やＣＶＤ法等で形成する。なお、耐インク保護膜１２には、特にアルカリ性インクに対して耐薬品性の良い五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）等の金属系酸化物を用いることが望ましい。撥水膜１３はフッ素含有有機ケイ素化合物を主成分とするものが望ましい。その理由は、耐インク保護膜１２表面のヒドロキシル基がフッ素含有有機ケイ素化合物のメトキシ基等の加水分解基と強固に結合するため、耐インク保護膜１２とその表面上に形成される撥水膜１３との密着性が向上するからである。

このノズル基板１が接着接合されるキャビティ基板２は、単結晶シリコン基板から作製される。キャビティ基板２には、ノズル孔１１の各々に連通するインク流路溝が異方性ウェットエッチングにより形成される。このインク流路溝には、底壁を振動板２２とし吐出室２１となる吐出凹部２１０と、共通のインク室であるリザーバ２３となるリザーバ凹部２３０と、リザーバ凹部２３０と各吐出凹部２１０とを連通するオリフィス２４となるオリフィス凹部２４０が形成される。なお、振動板２２はボロン拡散層で形成することにより厚み精度を高精度に形成することができる。また、オリフィス２４はノズル基板１側に設けることもでき、この場合は接合面１ｂにリザーバ凹部２３０と各吐出凹部２１０とを連通する細溝状の凹部として形成される。

また、キャビティ基板２には、電極基板３との接合面全面に短絡や絶縁破壊等を防止するための絶縁膜２５が形成される。絶縁膜２５としてはＳｉＯ₂やＳｉＮ、あるいはＡｌ₂Ｏ₃やＨｆＯ₂等のいわゆるＨｉｇｈ−ｋ材などが目的に応じて用いられる。特に、Ｈｉｇｈ−ｋ材を用いると比誘電率がＳｉＯ₂よりも大きいため、アクチュエータ発生圧力を高めることができ、更なる高密度化を図ることが可能となる。また、インク流路溝側のキャビティ基板２全面には親水膜として耐インク保護膜２６が熱酸化法やスパッタ法、ＣＶＤ法等で形成され、さらにＰｔ等の金属膜からなる共通電極２７が形成される。

このキャビティ基板２と陽極接合される電極基板３は、例えばホウ珪酸系のガラス基板から作製される。このガラス基板に振動板２２と対向する位置にそれぞれ凹部３２がエッチングにより形成され、さらに各凹部３２の底面に一般にＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウム錫酸化物）からなる個別電極３１がスパッタ法により形成される。また、インクを供給するためにリザーバ２３と連通するインク供給口３３がサンドブラスト法等により形成される。インク供給口３３は図示しないインクタンクに接続される。

この電極基板３と上記のキャビティ基板２とは、個別電極３１と振動板２２とが所定（例えば、０．１μｍ）のギャップ３４を介して対向配置するように陽極接合される。これにより、ギャップ３４を介して対峙する個別電極３１と絶縁膜２５を有する振動板２２とで吐出室２１に所要の圧力を加えることができる静電アクチュエータ４が構成される。なお、ギャップ３４の開放端部は内部に水分や埃などが入らないようにエポキシ樹脂やスパッタ法による無機酸化物等の封止材３５で気密に封止する。これにより、静電アクチュエータ４の駆動耐久性、信頼性が向上する。
そして、図２、図４に示すように、静電アクチュエータ4を駆動するために、ドライバＩＣ等の駆動手段５を搭載したＦＰＣ（Flexible Print Circuit）を、電極取り出し部３６において、導電性接着剤により、各個別電極３１の端子部３１ａと、キャビティ基板２上に設けられた金属製の共通電極２７に配線接続する。以上のようにしてインクジェットヘッド１０が完成する。

ここで、インクジェットヘッド１０の動作について説明する。任意のノズル孔１１よりインク滴を吐出させるためには、そのノズル孔１１に対応する静電アクチュエータ４を以下のように駆動する。
駆動手段５により当該個別電極３１と共通電極である振動板２２間にパルス電圧を印加する。パルス電圧の印加によって発生する静電気力により振動板２２が個別電極３１側に引き寄せられて当接し、吐出室２１内に負圧を発生させ、リザーバ２３内のインクを吸引し、インクの振動（メニスカス振動）を発生させる。このインクの振動が略最大となった時点で、電圧を解除すると、振動板２２は個別電極３１から離脱して、その時の振動板２２の復元力によりインクを当該ノズル孔１１から押出し、インク滴を吐出する。

本実施形態に係るインクジェットヘッド１０によれば、ノズル基板１が多結晶シリコン基板から構成されているので、材料費を従来の単結晶シリコン基板に比べて著しく低減でき、安価なインクジェットヘッド１０が得られる。また、ノズル基板１のインク吐出面１ａは０．１〜０．５μｍの微小凹凸を有する面となっているため、インク吐出面１ａの表面自体が構造撥水性を有し、かつワイピングに対する耐久性を有するため、より安価になる。従って、安価で、ノズル密度の高密度化が可能なインクジェットヘッド１０を提供することができる。

上記のように構成されたインクジェットヘッド１０の製造方法について、図５〜図１４を用いて説明する。図５はノズル基板１の主要な製造段階を示す説明図で、より詳細な製造工程は図６〜図１１に断面図で示してある。また、図１２〜図１３は電極基板３の製造と電極基板３上に接合したシリコン基板からキャビティ基板２を製造する工程を示す部分断面図、図１４は図１３に続くインクジェットヘッド１０の製造工程を示す部分断面図である。

まず、図５について説明する。図５にはノズル基板１の４つの製造段階が示されている。すなわち、図５（Ａ）はノズル孔１1の製造段階で、ウエハの多結晶シリコン基板１００を用いてノズル孔１1のノズル部１１ａと導入部１１ｂとを異方性ドライエッチングにより形成した段階である。
図５（Ｂ）は第１の耐インク保護膜１２ａの形成段階で、ノズル孔１１の内壁及びキャビティ基板２との接合面１ｂに第１の耐インク保護膜１２ａを形成した段階である。
図５（Ｃ）は第２の耐インク保護膜１２ｂの形成段階で、インク吐出面１ａ全面に第２の耐インク保護膜１２ｂを形成した段階である。
図５（Ｄ）は撥水膜１３の形成段階で、ノズル孔１１の内壁及び接合面１ｂを除くインク吐出面１ａ側の第２の耐インク保護膜１２ｂ上全面に撥水膜１３を形成した段階である。

次に、図６〜図１１についてさらに詳しく説明する。なお、以下に記載する基板の厚さ、膜厚、エッチング深さ、温度、圧力等についての数値はその一例を示すもので、これに限定されるものではない。
（ａ）まず、厚み２８０μｍの多結晶シリコン基板１００を用意する。多結晶シリコン基板１００は、結晶粒径が０．１〜５．０μｍの範囲に制御（調整）されていることが望ましい。これによって、多結晶シリコン基板１００の表面は、０．１〜５．０μｍの微小凹凸を有する面となる。結晶粒径を制御（調整）するには、バルクの多結晶シリコンを製造する際に、水素の濃度や、冷却速度を制御することで結晶粒径を制御することができる。
そして、上記のように作製された多結晶シリコン基板１００を熱酸化装置（図示せず）にセットして、酸化温度１０７５℃、酸化時間４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、多結晶シリコン基板１００の表面に膜厚１μｍのＳｉＯ₂膜１０１を均一に成膜する（図６（ａ））。

（ｂ）次に、多結晶シリコン基板１００の接合面（キャビティ基板２と接合される面をいう）１００ｂにレジスト１０２をコーティングし、導入部１１ｂとなる部分１１０ａをパターニングする（図６（ｂ））。
（ｃ）この多結晶シリコン基板１００を、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）でハーフエッチングし、ＳｉＯ₂膜１０１を薄くする。このとき、インク吐出側の面１ａのＳｉＯ₂膜１０１もエッチングされ、ＳｉＯ₂膜１０１の厚みが減少する（図６（ｃ））。
（ｄ）多結晶シリコン基板１００のレジスト１０２を硫酸洗浄などにより剥離する（図６（ｄ））。

（ｅ）次に、多結晶シリコン基板１００の接合面１００ｂ側にレジスト１０３をコーティングし、ノズル部１１ａとなる部分１１０ｂをパターニングする（図７（ｅ））。
（ｆ）多結晶シリコン基板１００を緩衝フッ酸水溶液（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、ノズル部１１ａとなる部分１１０ｂのＳｉＯ₂膜１０１を開口する。このとき、インク吐出側の面１ａのＳｉＯ₂膜１０１はエッチングされ、完全に除去される（図７（ｆ））。
（ｇ）多結晶シリコン基板１００の接合面１００ｂ側に設けたレジスト１０３を、硫酸洗浄などにより剥離する（図７（ｇ））。

（ｈ）次に、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）ドライエッチング装置（図示せず）により、ＳｉＯ₂膜１０１の開口部を、深さ２５μｍで垂直に異方性ドライエッチングし、ノズル部１１ａを形成する（図８（ｈ））。この場合のエッチングガスとしては、Ｃ₄Ｆ₈、ＳＦ₆を使用し、これらのエッチングガスを交互に使用すればよい。ここで、Ｃ₄Ｆ₈は形成される孔の側面のエッチングが進行しないように孔側面を保護するために使用し、ＳＦ₆は孔の垂直方向のエッチングを促進させるために使用する。
（ｉ）次に、導入部１１ｂとなる部分のＳｉＯ₂膜１０１のみがなくなるように、緩衝フッ酸水溶液でハーフエッチングする（図８（ｉ））。
（ｊ）再度、ＩＣＰドライエッチング装置により、ＳｉＯ₂膜１０１の開口部を深さ４０μｍで垂直に異方性ドライエッチングし、導入部１１ｂを形成する（図８（ｊ））。

以上の工程（図６（ａ）〜図８（ｊ））により、図５（Ａ）に示したノズル孔１１が高精度に形成される。

（ｋ）そして、多結晶シリコン基板１００の表面に残るＳｉＯ₂膜１０１をフッ酸水溶液で除去した後、多結晶シリコン基板１００を熱酸化装置（図示せず）にセットし、酸化温度１０００℃、酸化時間２時間、酸素雰囲気中の条件で熱酸化処理を行い、多結晶シリコン基板１００の接合面１００ｂ及びインク吐出側の面１００ａに、さらにノズル部１１ａ及び導入部１１ｂの側面及び底面に、耐インク保護膜として、膜厚０．１μｍのＳｉＯ₂膜１２ａを均一に成膜する（図８（ｋ））。

（ｌ）次に、多結晶シリコン基板１００の上下を逆転し、ガラス等の透明材料の支持基板１２０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５１を持った両面テープ５０を貼り合わせる（図９（ｌ））。支持基板１２０に貼り合わせた両面テープ５０の自己剥離層５１の面と、多結晶シリコン基板１００の接合面１００ｂとを向かい合わせ、真空中で貼り合わせると、接着界面に気泡が残らずにきれいに接着される。ここで、接着界面に気泡が残ると、研磨加工で薄板化したときに、多結晶シリコン基板１００の板厚がばらつく原因となる。両面テープ５０は、例えば、ＳＥＬＦＡ−ＢＧ（登録商標：積水化学工業製）を用いる。

（ｍ）多結晶シリコン基板１００のインク吐出側の面１００ａをバックグラインダー（図示せず）によって研削加工し、ノズル部１１ａの先端が開口するまで多結晶シリコン基板１００を薄くする（図９（ｍ））。さらに、ポリッシャー、ＣＭＰ装置によってインク吐出側の面１００ａを研磨し、ノズル部１１ａの先端部の開口を行っても良い。このとき、ノズル部１１ａ及び導入部１１ｂの内壁は、ノズル内の研磨材の水洗除去工程などによって洗浄する。
あるいは、ノズル部１１ａの先端部の開口を、ドライエッチングで行っても良い。例えば、ＳＦ₆をエッチングガスとするドライエッチングで、ノズル部１１ａの先端部まで多結晶シリコン基板１００を薄くし、表面に露出したノズル部１１ａの先端部のＳｉＯ₂膜１２ａを、ＣＦ₄又はＣＨＦ₃等のエッチングガスとするドライエッチングによって除去してもよい。

以上の工程（図８（ｋ）〜図９（ｍ））により、図５（Ｂ）に示した第１の耐インク保護膜（ＳｉＯ₂膜）１２ａがノズル孔１１の内壁と接合面１ｂに形成される。

（ｎ）多結晶シリコン基板１００のインク吐出側の面１００ａに、対向ターゲット式スパッタ装置で、耐インク保護膜として、酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）よりなる金属系酸化膜１２ｂを、０．１μｍの厚みで成膜する（図９（ｎ））。ここで、酸化ハフニウムからなる金属系酸化膜１２ｂの成膜は、自己剥離層５１が反応しない温度（１００℃程度）以下で実施できれば良い。なお、イオンビームスパッタ等で行っても良く、また、スパッタリング法に限るものではない。ただし、耐久性等を考慮すると、緻密な膜を形成する必要があり、ＥＣＲスパッタ装置等のように、常温で緻密な膜を成膜できる装置を使用することが望ましい。自己剥離層５１に影響しない温度で成膜することができ、多結晶シリコン基板１００への密着性を確保することができれば、成膜方法はスパッタ等に限らず、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等の手法でも良い。

この工程（（図９（ｎ）））により、図５（Ｃ）に示した第２の耐インク保護膜（金属系酸化膜）１２ｂが多結晶シリコン基板１００のインク吐出面１ａに形成される。

（ｏ）多結晶シリコン基板１００のインク吐出側の面１００ａに撥水処理（撥インク処理）を施す（図９（ｏ））。すなわち、インク吐出側の面１００ａに形成した酸化ハフニウムよりなる金属系酸化膜１２ｂの上に、さらに、Ｆ原子を含む撥水性を持った材料を蒸着やディッピングで成膜し、インク吐出側の面１００ａに金属系酸化膜１２ｂを介して撥水膜１３を形成する。このとき、ノズル部１１ａ及び導入部１１ｂの内壁も撥水処理される。

（ｐ）多結晶シリコン基板１００の上下を再度逆転し、撥水処理されたインク吐出側の面１００ａに、保護フィルム６０を貼り付ける（図１０（ｐ））。ここでは、例えば、Ｅ−ＭＡＳＫ（登録商標：日東電工製）を用いる。
（ｑ）そして、支持基板１２０側からＵＶ光を照射する（図１０（ｑ））。
（ｒ）両面テープ５０の自己剥離層５１を多結晶シリコン基板１００の接合面１００ｂから剥離させ、支持基板１２０を多結晶シリコン基板１００から取り外す（図１０（ｒ））。

（ｓ）ＡｒスパッタもしくはＯ₂プラズマ処理によって、多結晶シリコン基板１００の接合面１００ｂ側、およびノズル部１１ａ、導入部１１ｂの内壁に余分に形成された撥水膜１３を除去する（図１０（ｓ））。
その後、ノズル基板１００の接着強度を上げるため、プライマー処理液に１時間浸漬した後、純水でリンスし、８０℃で１時間の条件でベーキングする。このとき、プライマー処理液として、例えば、シランカップリング剤（型番：ＳＨ６０２０、東レダウ製）を用いる。

（ｔ）次に、多結晶シリコン基板１００の上下を再度逆転し、多結晶シリコン基板１００の接合面１００ｂ（保護フィルム６０が貼り付けられているインク吐出側の面１００ａと反対側に位置する面）を吸着治具７０に吸着固定し、インク吐出側の面１００ａにサポートテープとして貼り付けられている保護フィルム６０を剥離する（図１１（ｔ））。

（ｕ）吸着治具７０の吸着固定を解除する。こうして、インク吐出側の面１００ａに、酸化ハフニウムからなる金属系酸化膜１２ｂと撥水膜１３とが積層して形成されたノズル基板１が形成される（図１１（ｕ））。
以上の工程を経ることにより、図５（Ｄ）に示したように、多結晶シリコン基板１００よりノズル基板１を形成する。

上記の説明では、インク吐出側の面１００ａの耐インク保護膜として、酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）よりなる金属系酸化膜１３を使用した場合について示した。かかる酸化ハフニウムは、耐薬品性が非常に高く、ウェットエッチングが不可能な難エッチング材料であり、耐インク保護膜として適している。また、金属系酸化膜１２ｂとして、酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）及び酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）を用いてもよい。この場合も、耐薬品性が高く、ウェットエッチングが不可能な難エッチング材料であり、耐インク保護膜として適している。
上記の材料に限らず、耐薬品性の高い材料であれば、金属系酸化膜１２ｂとして、他の材料を用いることができる。なお、撥水膜１３は、下地材料と脱水縮合反応で強固に結合する性質があり、耐インク保護膜は、撥水膜１３の最適下地材として、表面にＯＨ基が着きやすい上記のような酸化膜が望ましい。

本実施形態に係るノズル基板１の製造方法よれば、多結晶シリコン基板１００を用いてＩＣＰ等の異方性ドライエッチングにより、ノズル部１１ａと導入部１１ｂとを有する２段の孔構造のノズル孔１１を高精度に形成することができ、安価で高密度のノズル基板１を製造することができる。
また、ノズル孔１１を形成した側の面、すなわち接合面１００ｂに、両面テープ５０を介して支持基板１２０を貼り合わせ、多結晶シリコン基板１００をインク吐出側の面１００ａより薄板化してノズル孔１１を開口するようにしたので、ノズル孔１１の製造工程において、多結晶シリコン基板１００が割れたり欠けたりすることがなく、ハンドリングが容易で、歩留まりが向上する。
さらに、上記の製造工程において、多結晶シリコン基板１００のインク吐出側の面１００ａに、耐インク性の高い酸化ハフニウム等の金属系酸化膜１２ｂを形成し、そのうえに撥水膜１３を形成するようにしたので、下地材が侵食されることによって起こる撥水膜１３の剥れがなくなる。このことにより、長期にわたり、インク吐出側の面１００ａの撥水性を保持することができ、インク吐出の安定性を確保することができる。

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に単結晶シリコン基板（以下、シリコン基板という）２００を接合した後、そのシリコン基板２００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）まず、硼珪酸ガラス等からなるガラス基板３００に、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することにより、凹部３２を形成する。なお、この凹部３２は個別電極３１の形状より少し大きめの溝状のものであり、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３３となる孔部３３ａを形成することにより、電極基板３を作製する（図１２（ａ））。

（ｂ）シリコン基板２００の両面を鏡面研磨した後に、シリコン基板２００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）２５を形成する（図１２（ｂ））。なお、シリコン基板２００を形成する前に、エッチングストップ技術を用いて、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）このシリコン基板２００と、図１２（ａ）のようにして作製された電極基板３とを３６０℃に加熱し、シリコン基板２００を陽極に、電極基板３を陰極に接続して８００Ｖ程度の電圧を印加して、図１２（ｃ）に示すように、陽極接合により接合する。

（ｄ）シリコン基板２００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板２００をエッチングし、シリコン基板２００を薄板化する（図１２（ｄ））。

（ｅ）シリコン基板２００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、ＴＥＯＳ膜２６０を形成する。そして、このＴＥＯＳ膜２６０に、吐出室２１となる凹部２１０、オリフィス２４となる溝部２４０およびリザーバ２３となる凹部２３０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ＴＥＯＳ膜２６０をエッチング除去する。
その後、シリコン基板２００を水酸化カリウム水溶液等でエッチングすることにより、吐出室２１となる凹部２１０、オリフィス２４となる溝部２４０及びリザーバ２３となる凹部２３０を形成する（図１３（ｅ））。このとき、配線のための電極取り出し部３６となる部分もエッチングして薄板化しておく。なお、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）シリコン基板２００のエッチングが終了した後に、フッ酸水溶液でエッチングし、図１３（ｆ）に示すように、シリコン基板２００の上面に形成されているＴＥＯＳ膜２６０を除去する（図１３（ｆ））。

（ｇ）シリコン基板２００の吐出室２１となる凹部２１０等が形成された面に、プラズマＣＶＤによりＴＥＯＳ膜（絶縁膜）２６を形成する（図１３（ｇ））。

（ｈ）ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等によって、電極取り出し部２９を開放する。また、電極基板３のインク供給口３３となる孔部にレーザ加工を施して、シリコン基板２００のリザーバ２３となる凹部２３０の底部を貫通させ、インク供給口３３を形成する。また、振動板２２と個別電極３１の間のギャップ３４の開放端部にエポキシ樹脂等の封止材３５を充填して封止する。さらに、共通電極２７をスパッタにより、シリコン基板２００の端部に形成する（図１３（ｈ））。

以上により、電極基板３に接合した状態のシリコン基板２００からキャビティ基板２が作製される。
最後に、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１４に示したインクジェットヘッド１０が完成する。

本実施形態に係るインクジェットヘッド１０の製造方法によれば、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板２００から作製するので、その電極基板３によりシリコン基板２００を支持した状態となり、シリコン基板２００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。

上記の実施形態では、ノズル基板及びインクジェットヘッド、ならびにこれらの製造方法について述べたが、本発明は上記の実施形態に限定されるものでなく、本発明の思想の範囲内で種々変更することができる。例えば、ノズル孔より吐出される液状材料を変更することにより、図１５に示すインクジェットプリンタ４００のほか、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。液滴吐出ヘッド（インクジェットヘッド）及び液滴吐出装置に、本実施の形態のノズル基板の製造方法で製造されたノズル基板を搭載することにより、良好な吐出特性を実現できる液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を得ることができる。

本発明の実施の形態に係るインクジェットヘッドの概略構成を示す分解斜視図。組立状態における図１の右半分の概略構成を示すインクジェットヘッドの部分断面図。図２のノズル孔部分の拡大断面図。図２のインクジェットヘッドの上面図。ノズル基板の主要な製造段階を示す説明図。ノズル基板の製造工程を示す部分断面図。図６に続くノズル基板の製造工程を示す部分断面図。図７に続くノズル基板の製造工程を示す部分断面図。図８に続くノズル基板の製造工程を示す部分断面図。図９に続くノズル基板の製造工程を示す部分断面図。図１０に続くノズル基板の製造工程を示す部分断面図。電極基板の製造と電極基板上に接合したシリコン基板からキャビティ基板を製造する工程を示す部分断面図。図１２に続くキャビティ基板の製造工程を示す部分断面図。図１３に続くインクジェットヘッドの製造工程を示す部分断面図。本発明の一実施の形態に係るインクジェットヘッドを使用したインクジェットプリンタの斜視図。

符号の説明

１ノズル基板、１ａインク吐出面、１ｂ接合面、２キャビティ基板、３電極基板、４静電アクチュエータ、５駆動手段、１０インクジェットヘッド、１１ノズル孔、１１ａノズル部、１１ｂ導入部、１２耐インク保護膜（耐吐出液保護膜）、１３撥水膜、２１吐出室、２２振動板、２３リザーバ、２４オリフィス、２５絶縁膜、２６耐インク保護膜、２７共通電極、３１個別電極、３２凹部、３３インク供給口、３４ギャップ、３５封止材、３６電極取り出し部、１００多結晶シリコン基板、４００インクジェットプリンタ。

Claims

液滴を吐出するノズル部と、前記ノズル部より断面積が大きく前記ノズル部と同軸上に設けられた導入部とを少なくとも備えたノズル孔を複数備えたノズル基板であって、
前記ノズル孔が多結晶シリコン基板を材料に用いて形成され、前記多結晶シリコン基板の表面である吐出面に０．１〜５．０μｍの微小凹凸を有することを特徴とするノズル基板。
前記吐出面、前記吐出面と反対側の面及び前記ノズル孔の内壁に耐吐出液保護膜を有し、前記吐出面側の前記耐吐出液保護膜の表面に０．１〜５．０μｍの微小凹凸を有することを特徴とする請求項１記載のノズル基板。
前記ノズル孔の内壁及び前記吐出面と反対側の面を除く前記吐出面側の前記耐吐出液保護膜の表面全面に撥水膜を有することを特徴とする請求項２記載のノズル基板。
前記撥水膜は、フッ素含有有機ケイ素化合物を主成分とすることを特徴とする請求項3記載のノズル基板。
前記多結晶シリコン基板は、結晶粒径が０．１〜５．０μｍの範囲に制御されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のノズル基板。
結晶粒径が０．１〜５．０μｍの範囲に制御された多結晶シリコン基板に、ノズル部と、このノズル部より断面積が大きく前記ノズル部と同軸上に位置する導入部とからなるノズル孔を異方性ドライエッチングにより複数形成する段階と、
前記ノズル部側の吐出面、前記吐出面と反対側の面及び前記ノズル孔の内壁に耐吐出液保護膜を形成する段階と、
前記ノズル孔の内壁及び前記反対側の面を除く前記吐出面側の前記耐吐出液保護膜の表面全面に撥水膜を形成する段階と、
を有することを特徴とするノズル基板の製造方法。
請求項１乃至５のいずれかに記載のノズル基板を備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
請求項７記載の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。