JP2010046971A - シリコン製ノズル基板の製造方法、液滴吐出ヘッドの製造方法、及び液滴吐出装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン基材の厚み精度を向上させ、かつ薄板化を容易に行なうことができるシリコン製ノズル基板の製造方法等を提供する。
【解決手段】シリコン基材１００の一方の面をドライエッチングして、ノズル孔１１となる凹部１１０とそれより深い終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０とを同時に形成する工程と、ノズル孔１１となる凹部１１０及び終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０を形成した側の面に支持基板５０を貼り合わせる工程と、ノズル孔１１となる凹部１１０及び終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０を形成した側の面と反対側の面１００ｃを研削して、終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０が貫通したことを検出する工程と、終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０が貫通したことを検出したときに研削を終了し、研削された面をさらに薄板化してノズル孔１１となる凹部１１０を開口する工程と、支持基板５０を剥離する工程とを有する。
【選択図】図８

Description

本発明は、シリコン製ノズル基板の製造方法、液滴吐出ヘッドの製造方法、及び液滴吐出装置の製造方法に関する。

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プリンタ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って、インク液を選択されたノズル孔から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１列あたりのノズル数が増加して長尺化しており、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。このため、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、従来から様々な工夫、提案がなされている。

従来のインクジェットヘッドは、ノズル基板を製造する際、エッチングによりシリコン基材の一方の面にノズル孔となる凹部を形成した後、その面に支持基板を貼り付けし、その反対側の面から研削及びドライエッチング等により薄板化してノズル孔となる凹部を開口していた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１５９６６１号公報（第１０頁、図６）

特許文献１記載の技術では、ノズル孔となる凹部を形成した側の面と反対側の面を研削する際に、シリコン基材の表面からの研削量を所望の研削量となるように研削時間を設定していた。しかしながら、この場合は、研削前のシリコン基材の厚さがばらついていたり、あるいは研削砥石の劣化等により研削量が安定しない場合、研削後のシリコン基材の厚さがばらついてしまうため、エッチング等を行ってノズル孔となる凹部を形成する際に、ノズル孔の深さが安定せず、吐出性能もばらついてしまうといった問題があった。

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、ノズル基板となるシリコン基材を研削及び研磨により薄板化する工程において、シリコン基材の厚み精度を向上させ、かつ薄板化を容易に行なうことができるシリコン製ノズル基板の製造方法、液滴吐出ヘッドの製造方法、及び液滴吐出装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係るシリコン製ノズル基板の製造方法は、シリコン基材の一方の面をドライエッチングして、ノズル孔となる凹部とノズル孔となる凹部より深い終点検出用貫通孔となる凹部とを同時に形成する工程と、ノズル孔となる凹部及び終点検出用貫通孔となる凹部を形成した側の面に支持基板を貼り合わせる工程と、ノズル孔となる凹部及び終点検出用貫通孔となる凹部を形成した側の面と反対側の面を研削して、終点検出用貫通孔となる凹部が貫通したことを検出する工程と、終点検出用貫通孔となる凹部が貫通したことを検出したときに研削を終了し、研削された面をさらに薄板化してノズル孔となる凹部を開口する工程と、支持基板を剥離する工程とを有するものである。

ノズル基板となるシリコン基材を研削により薄板化する際、研削における終点検出を行うための終点検出用貫通孔となる凹部をシリコン基材に設けたので、研削においてシリコン基材の厚み精度を向上することができ、これにより液滴の吐出ばらつきを低減することができる。
また、シリコン基材の元々の厚みを管理することなく、第１のノズル孔部となる凹部、第２のノズル孔部となる凹部、終点検出用貫通孔となる凹部のエッチング深さのみを管理すればよいので、作業工程を削減することができる。
さらに、第１のノズル孔部となる凹部及び第２のノズル孔部となる凹部の形成と同時に終点検出用貫通孔となる凹部を形成することができるので、工程が増えることなく容易に作成することが可能である。

また、本発明に係るシリコン製ノズル基板の製造方法は、ノズル孔が多段形状のノズル孔であって、ノズル孔となる凹部とノズル孔となる凹部より深い終点検出用貫通孔となる凹部とを同時に形成する際に、終点検出用貫通孔となる凹部の径を、多段形状のノズル孔となる凹部の大径側の径と等しいかまたはそれよりも大きくしたものである。
終点検出用貫通孔となる凹部の径を、多段形状のノズル孔となる凹部の大径側の径と等しいかまたはそれよりも大きくしたので、マイクロローディング効果により、ノズル孔となる凹部より深い終点検出用貫通孔となる凹部を形成することができる。これにより、研削時には、ノズル孔となる凹部が貫通する前に終点検出用貫通孔となる凹部が貫通して研削を終了するため、ノズル孔内に研削屑が侵入せず、ノズル孔内の異物付着を抑制することができる。

また、本発明に係るシリコン製ノズル基板の製造方法は、ノズル孔が軸方向に同径で段差のないノズル孔であって、ノズル孔となる凹部とノズル孔となる凹部より深い終点検出用貫通孔となる凹部とを同時に形成する際に、終点検出用貫通孔となる凹部の径を、軸方向に同径で段差のないノズル孔となる凹部の径よりも大きくしたものである。
終点検出用貫通孔となる凹部の径を、軸方向に同径で段差のないノズル孔となる凹部の径よりも大きくしたので、マイクロローディング効果により、ノズル孔となる凹部よりも深い終点検出用貫通孔となる凹部を形成することができる。これにより、研削時には、ノズル孔となる凹部が貫通する前に終点検出用貫通孔となる凹部が貫通して研削を終了するため、ノズル孔内に研削屑が侵入せず、ノズル孔内の異物付着を抑制することができる。

また、本発明に係るシリコン製ノズル基板の製造方法は、終点検出用貫通孔となる凹部が貫通したときに、この凹部内の圧力変化を検知して凹部が貫通したことを検出するものである。
終点検出用貫通孔となる凹部内の圧力変化を圧力検出装置により検出することができるので、凹部が貫通したことを容易かつ確実に検出することができる。

また、本発明に係るシリコン製ノズル基板の製造方法は、終点検出用貫通孔となる凹部が貫通したときに、この凹部内の流量変化を検知して凹部が貫通したことを検出するものである。
終点検出用貫通孔となる凹部内の流量変化を流量検出装置により検出することができるので、凹部が貫通したことを容易かつ確実に検出することができる。

また、本発明に係るシリコン製ノズル基板の製造方法は、終点検出用貫通孔となる凹部が貫通したことを検出したときに研削を終了し、研削された面をさらに薄板化する際に、ドライエッチングにより薄板化し、またはＣＭＰにより研磨して薄板化するようにしたものである。
終点検出用貫通孔となる凹部の貫通後、さらに、ドライエッチングにより薄板化し、またはＣＭＰにより研磨して薄板化するので、シリコン基材の厚み精度を高めることができるとともに研削面における加工変質層の除去、及び研削面の面粗さ低減が可能となる。

また、本発明に係るシリコン製ノズル基板の製造方法は、終点検出用貫通孔となる凹部を液滴の吐出に影響を与えないヘッドチップ内及びヘッドチップ外に複数設けるものである。
終点検出用貫通孔となる凹部を液滴の吐出に影響を与えないヘッドチップ内及びヘッドチップ外に複数設けるので、終点検出用貫通孔の深さばらつきの影響を低減でき、終点検出精度の向上、さらにはシリコン基材の厚み精度を向上することができる。

また、本発明に係るシリコン製ノズル基板の製造方法は、終点検出用貫通孔となる凹部をノズル孔となる凹部の近傍に形成するものである。
終点検出用貫通孔となる凹部をノズル孔となる凹部の近傍に形成するので、薄板化の精度が向上、ひいては、ノズル孔の深さ精度が向上し、信頼性が高くなる。

本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、上記いずれかのシリコン製ノズル基板の製造方法を適用して、液滴吐出ヘッドのシリコン製ノズル基板部分を形成するものである。
シリコン製ノズル基板の厚み精度が向上し、液滴の吐出ばらつきが低減して、液滴吐出が安定した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の製造方法は、上記の液滴吐出ヘッドの製造方法を適用して、液滴吐出装置の液滴吐出ヘッド部分を形成するものである。
液滴吐出が安定した高性能の液滴吐出装置を得ることができる。

実施の形態１．
図１は本実施の形態１に係る液滴吐出ヘッドの一部を断面で示した分解斜視図、図２は図１を組立てた状態の要部を示す縦断面図、図３は図２のノズル孔の近傍を拡大して示した縦断面図である。
液滴吐出ヘッド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には液滴を吐出するための二段形状のノズル孔１１が開口されており、各ノズル孔１１は、例えば、径の異なる円筒状に形成されたノズル孔部分、すなわち、液滴吐出面１ａ側に位置して先端が液滴吐出面１ａに開口する径の小さい吐出部（以下、第１のノズル孔部という）１１ａと、キャビティ基板２と接合する接合面１ｂ側に位置して後端が接合面１ｂに開口する径の大きい導入部（以下、第２のノズル孔部という）１１ｂとから構成され、基板面に対して垂直にかつ同軸上に形成されている。

ノズル孔１１の内壁１１ｃから接合面１ｂにかけては酸化物からなる第１の保護膜１３が形成され、また、ノズル孔１１の液滴吐出面１ａ側には酸化物からなる第２の保護膜１４（以下、液滴保護膜１４という）が形成されている。さらに、液滴保護膜１４の上には、フッ素含有有機化合物からなる撥水膜１５が形成されている。
なお、ノズル孔１１の吐出口縁部１１ｄを境にして、ノズル孔１１の内壁１１ｃは親水化処理されている。

ノズル基板１には、さらにストレート形状の、例えば円筒状に形成された１個または複数個の終点検出用貫通孔１２が設けられている。これは、ノズル基板１となるシリコン基材１００を研削によって薄板化する際（図８（ｍ）、（ｎ）参照）、研削における終点検出時に貫通された検出孔であって、研削時に研削が終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０（図８（ｍ）参照）まで達したとき（図８（ｎ）参照）の凹部１２０内の圧力変化を検出することにより、シリコン基材１００の研削を終了させるためのものである。
なお、この終点検出用貫通孔１２は、ノズル孔１１の近傍に形成すると、研削における終点検出における精度を向上させることができる。

このストレート形状の終点検出用貫通孔１２の径は、二段形状のノズル孔１１の大径側の第２のノズル孔部１１ｂの径よりも大きく形成されている。これは、エッチング時に、マイクロローディング効果により、孔径が大きいほどエッチングレートが大きくなるため、終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０の方がノズル孔１１となる凹部１１０より深くエッチングされるためである。
ただし、本実施の形態１では、ノズル孔１が二段形状（多段形状）で構成されているため、終点検出用貫通孔１２の径が大径側の第２のノズル孔部１１ｂの径と等しい場合であっても、終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０の方が深くエッチングされる。これは、小径側の第１のノズル孔部１１ａの径が終点検出用貫通孔１２の径よりも小さいため、マイクロローディング効果により、第１のノズル孔部１１ａとなる凹部１１０ａの形成時に終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０とエッチング深さに差異が生じ、全体として終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０の方が深くなるためである。
三段以上の多段ノズルの場合も同様に、終点検出用貫通孔１２の径が大径側のノズル孔部の径より大きい場合のみならず、等しい場合であっても、全体として終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０の方が深くなる。
なお、ノズル孔の形状が軸方向に同径のストレート形状、例えば円筒状に形成されて段差がない場合は、終点検出用貫通孔１２の径は、ノズル孔部１１の径より大きくなければならず、同径である場合は、凹部のエッチング深さに差異が生じない。

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。そして、シリコン基材に異方性ウェットエッチングを施し、液体流路の吐出室２４、リザーバ２５をそれぞれ構成するための凹部２４０、２５０、及びオリフィス２３を構成するための凹部２３０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、また液体供給口であるオリフィス２３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、液体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）２５を構成する。そして、リザーバ２５（凹部２５０）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２５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ており、この孔で形成された液体供給孔３４を通じて図示しないインクカートリッジから液体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、シリコン酸化膜等からなる絶縁膜２６が形成されており、この絶縁膜２６は、液滴吐出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。このガラス基材は、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とを陽極接合する際、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と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が形成されており、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、液滴吐出ヘッドの吐出特性に大きく影響する。なお、個別電極３１の材料には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ため、一般にＩＴＯが用いられている。

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。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。

上述したノズル基板１、キャビティ基板２、及び電極基板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、液滴吐出ヘッド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は例えば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）にはノズル基板１が接着剤等により接合される。さらに、振動板２２と個別電極３１との間に形成されるギャップＧの開放端部は、エポキシ等の樹脂による封止材２７で封止されている。これにより、湿気や塵埃等がギャップＧ内へ侵入するのを防止することができる。

そして、図２に示すように、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、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液滴吐出ヘッド１０において、駆動制御回路４によりキャビティ基板２と個別電極３１と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２４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液体がオリフィス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から液滴が吐出される。

次に、液滴吐出ヘッド１０の製造方法について、図４〜図１４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１２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１３、図１４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２００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、図５〜図１２により、ノズル基板１の製造方法を説明する。なお、以下に記載の数値はその一例を示すもので、これに限定するものではない。

（ａ） 図５（ａ）に示すように、シリコン基材１００（ノズル基板１）を用意して熱酸化装置にセットする。

（ｂ） シリコン基材１００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１００の両面１００ｂ、１００ｃに、エッチング保護膜となるシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂ 膜）１０１を均一に形成する。

（ｃ）図５（ｃ）に示すように、シリコン基材１００の接合面１００ｂ（キャビティ基板２と接合されることとなる面であって、大径孔側の面ともいう）にレジスト１０２をコーティングし、第２のノズル孔部１１ｂとなる部分１０２ｂと、終点検出用貫通孔１２となる部分１０２ｃをレジストパターニングする。なお、終点検出用貫通孔１２となる部分１０２ｃは、終点検出する際の圧力変化を検出しやすくするため、液滴の吐出に影響を与えないヘッドチップ内及びヘッドチップ外に複数個設けることが望ましい。
この場合、終点検出用貫通孔１２となる部分１０２ｃの径は、第２のノズル孔部１１ｂとなる部分１０２ｂの径より大きく形成する。こうすると、マイクロローディング効果により、孔径が大きいほどエッチングレートが大きくなるため、終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０の方がノズル孔１１となる凹部１１０よりも深くエッチングされるためである（図７（ｋ）参照）。
本実施の形態１では、ノズル孔１１は二段形状（多段形状）であるため、終点検出用貫通孔１２となる部分１０２ｃの径は、第２のノズル孔部１１ｂとなる部分１０２ｂの径と等しく形成してもよく、この場合であっても、終点検出用貫通孔１２となる部分１０３ｃの径は、第１のノズル孔部１１ａとなる部分１０３ａの径より大きいため（図５（ｄ）、図６（ｆ）参照）、終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０の方が深くエッチングされる。
なお、ノズル孔１１を多段形状ではなく軸方向に同径のストレート形状とする場合は、この径のみと終点検出用貫通孔となる部分の径との比較となるため、終点検出用貫通孔となる凹部をより深く形成するためには、終点検出用貫通孔となる部分の径はストレート形状のノズル孔となる部分の径よりも大きくする必要がある。

（ｄ）図５（ｄ）に示すように、シリコン酸化膜１０１を、例えばＢＨＦ（Buffered HF 、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、第２のノズル孔となる部分１０１ｂと終点検出用貫通孔１２となる部分１０１ｃのシリコン酸化膜１０１を薄くする。このとき、液滴吐出側の面１００ｃ（薄板化した後、液滴吐出面１００ａとなる）のシリコン酸化膜１０１もエッチングされ、シリコン酸化膜１０１の厚みが減少する。

（ｅ）図６（ｅ）に示すように、シリコン基材１００のレジスト１０２を硫酸洗浄などにより剥離する。

（ｆ）図６（ｆ）に示すように、シリコン基材１００の接合面１００ｂ側にレジスト１０３をコーティングし、第１のノズル孔部１１ａとなる部分１０３ａと、終点検出用貫通孔１２となる部分１０３ｃをレジストパターニングする。
この場合、第１のノズル孔部１１ａとなる部分１０３ａの径は、図５（ｃ）に示した第２のノズル孔部１１ｂとなる部分１０２ｂの径よりも小径になるようにレジストパターニングし、終点検出用貫通孔１２となる部分１０３ｃの径は、図５（ｃ）で形成した終点検出用貫通孔１２となる部分１０２ｃの径と同径になるようにレジストパターニングする。

（ｇ）図６（ｇ）に示すように、シリコン酸化膜１０１を、ＢＨＦ（Buffered HF 、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）でフルエッチングし、第１のノズル孔部１１ａとなる部分１０１ａと終点検出用貫通孔１２となる部分１０１ｃのシリコン酸化膜１０１を開口する。このとき、液滴吐出側の面１００ｃのシリコン酸化膜１０１はエッチングされ、完全に除去される。

（ｈ）図６（ｈ）に示すように、シリコン基材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。

（ｉ）図７（ｉ）に示すように、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）によって、垂直に異方性ドライエッチングして、第１のノズル孔部１１ａとなる凹部１１０ａ（例えば４０μｍ）を形成する。このとき、同時に、終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０も形成する。終点検出用貫通孔１２となる部分１０１ｃの径は第１のノズル孔部１１ａとなる部分１０１ａの径より大きいので、マイクロローディング効果により、第１のノズル孔部１１ａとなる凹部１１０ａのエッチングレートが遅れ、終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０の方が深くエッチングされる。

（ｊ）図７（ｊ）に示すように、シリコン酸化膜１０１をＢＨＦによりエッチングして、第２のノズル孔部１１ｂとなる部分１０１ｂが開口するまで酸化膜１０１をウェットエッチングし、第２のノズル孔部１１ｂとなる部分１０１ｂの残し厚さが零になるようにする。

（ｋ）図７（ｋ）に示すように、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによって、垂直に異方性ドライエッチングして、第２のノズル孔部１１ｂとなる凹部１１０ｂを形成する。このとき、同時に第１のノズル孔部１１ａとなる凹部１１０ａ、及び終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０もさらにエッチングされる。
終点検出用貫通孔１２となる部分１０１ｃの径は第２のノズル孔部１１ｂとなる部分１０１ｂの径より大きいので、マイクロローディング効果により、第２のノズル孔部１１ｂとなる凹部１１０ｂのエッチングレートが遅れ、終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０の方が深くエッチングされる。
こうして、終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０（例えば約６５μｍ）が、ノズル孔１１となる凹部１１０（例えば６０μｍ）よりも深くなる。
次に、シリコン基材１００の表面に残るシリコン酸化膜１０１を除去する。

（ｌ）図８（ｌ）に示すように（図８（ｌ）より図１２（ｓ）に至るまでは図７（ｋ）のシリコン基材１００の上下を逆転した図を示す）、シリコン基材１００を熱酸化装置によって熱酸化処理し、シリコン基材１００の接合面１００ｂ、ノズル孔１１となる凹部１１０の内壁、終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０の内壁、及び液滴吐出側の面１００ｃに、シリコン酸化膜１３０を形成する。

（ｍ） 図８（ｍ）に示すように、第１の支持基板５０の片面に剥離層５１をスピンコート（またはスプレーコート等）で塗布し、その上に樹脂層５２をスピンコート（またはスプレーコート等）で塗布する。こうして、第１の支持基板５０に、ノズル基材１００の終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０及びノズル孔１１となる凹部１１０が形成された側の面、すなわち接合面１００ｂを貼り付ける。

（ｎ）図８（ｎ）に示すように、研削装置により、シリコン基材１００の液滴吐出側の面１００ｃを、終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０が貫通するまで研削する。研削が終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０まで達して貫通した際の終点検出用貫通孔１２内の圧力変化を検知して凹部１２０が貫通したことを検出し、研削を終了する（このとき、ノズル基材１００の厚さは例えば６５μm）。こうして、ノズル孔１１となる凹部１１０（第１のノズル孔部１１ａとなる凹部１１０ａ）が貫通する前に研削を終了する。

終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０が貫通した際の圧力変化の検出は、貫通を検出するための圧力計のような圧力検出装置によって行う。この圧力検出装置は、シリコン基材１００を研削する研削装置に設けることができる。
圧力検出装置は、図９に示すように、ウエハーチャック６０に真空口６１を有する真空溝６２が複数設けられており、真空溝６２はウエハーチャック６０の外部に繋がる真空管６３に接続している。真空管６３には圧力ゲージ６４が設けられ、その端部に真空ポンプ６５が設けられている。
そして、第１の支持基板５０の孔部５０ａに圧力検出装置の真空口６１を位置させる。終点検出用貫通孔１２が未貫通のときは、凹部内の圧力は、例えば−６００ｍｍＨｇである。
図１０に示すように、終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０が貫通したとき（凹部１２０は終点検出用貫通孔１２となる）には、貫通部の圧力は、例えば−５００ｍｍＨｇとなり、−５００ｍｍＨｇを超えたときはこれを検出して、研削を終了する。
なお、終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０が貫通した際の変化は、圧力検出装置でなく、例えば流量検出計により終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０内の液体の流量の変化を検出して、終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０の貫通を検出するようにしてもよい。

（ｏ）図１１（ｏ）に示すように、ドライエッチング（またはＣＭＰ研磨）により、シリコン基材１００を、ノズル孔１１となる凹部１１０（第１のノズル孔部１１ａとなる凹部１１０ａ）が開口するまで薄板化する。ノズル孔１１となる凹部１１０（第１、第２のノズル孔部１１ａ、１１ｂとなる凹部１１０ａ、１１０ｂ）が開口すると、ノズル孔１１（第１、第２のノズル孔部１１ａ、１１ｂ）となる。この際のエッチング量（又は研磨量）は、約５μｍである。薄板化された面は液滴吐出面１００ａとなる。

（ｐ）図１１（ｐ）に示すように、シリコン基材１００の第１の支持基板５０が接合された側の面と反対側の面、すなわち液滴吐出面１００ａ側に、酸化シリコンからなる液滴保護膜１４０を、ＥＣＲ（Electorn Cyclotron Resonance）スパッタ装置等の常温スパッタ装置を用いて成膜する。さらに、液滴保護膜１４０の上に、例えば蒸着やディッピング（浸漬）によって、撥水膜１５０を形成する。撥水膜１５０の材料としては、フッ素原子を含有した撥水材料を用いる。

（ｑ）図１２（ｑ）に示すように、第２の支持基板５５の片面に剥離層５６をスピンコート（またはスプレーコート等）で塗布し、その上に樹脂層５７をスピンコート（またはスプレーコート等）で塗布する。こうして、第２の支持基板５５に、ノズル基材１００の液滴吐出面１００ａ（第２の支持基板５５が張り合わされている面と反対側の面）を貼り付ける。
次に、第１の支持基板５０側からレーザ光等を照射して、剥離層５１の部分から第１の支持基板５０を剥離し、次に、樹脂層５２をシリコン基材１００からゆっくと剥がし取る。

（ｒ） 図１２（ｒ）に示すように、ノズル孔１１（第１のノズル孔部１１ａ及び第２のノズル孔部１１ｂ）の内壁に付着した撥水膜１５０を、ノズル孔１１側からプラズマ処理によって除去する。この際、液滴吐出面１００ａ側の撥水膜１５０は樹脂層５７によって保護されるために、ノズル孔１１の内壁に付着した撥水膜１５０のみが除去される。このとき、同時に終点検出用貫通孔１２の内壁に付着した撥水膜１５０も除去される。
こうして、シリコン基材１００からノズル基板１が形成される。

（ｓ） 図１２（ｓ）に示すように、ノズル基板１の第２の支持基板５５が貼り合わされた側の面と反対側の面、すなわち接合面１ｂ側に接着剤等を転写して接着層を形成し、電極基板３が接合されたキャビティ基板２と、ノズル基板１とを接合する（電極基板３とキャビティ基板２との接合基板の製造方法は後述する）。
それから、第２の支持基板５５側からレーザ光等を照射して、剥離層５６の部分から第２の支持基板５５を剥離して、樹脂層５７をノズル基板１からゆっくりと剥がし取る。
最後に、ノズル基板１、キャビティ基板２、及び電極基板３が接合された接合基板をダイシング（切断）により分離して、液滴吐出ヘッド１０が完成する。

実施の形態１に係る液滴吐出ヘッド１０のノズル基板１の製造方法によれば、ノズル基板１となるシリコン基材１００を研削により薄板化する際、研削における終点検出を行うための検出孔、すなわち終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０をシリコン基材１００に設けたので、シリコン基材１００の研削において厚み精度を向上、ひいてはノズル孔の深さ精度を向上することができ、このため液滴の吐出ばらつきを低減することができる。
また、シリコン基材１００の元々の厚みを管理することなく、第１のノズル孔部１１ａとなる凹部１１０ａ、第２のノズル孔部１１ｂとなる凹部１１０ｂ、終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０のエッチング深さのみを管理すればよいので、作業工程を削減することができる。
さらに、終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０が貫通した際に研削を終了するため、ノズル孔１１内に研削屑が浸入せず、ノズル孔１１内の異物付着を抑制することができる。
また、第１のノズル孔部となる凹部１１０ａ、第２のノズル孔部１１ｂとなる凹部１１０ｂの形成と同時に終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０を形成することができるので、工程が増えることなく容易に作成することが可能である。

図１３及び図１４は、キャビティ基板及び電極基板を接合した接合基板の接合工程を示す縦断面図である。ここでは、電極基板３にシリコン基材２００を接合した後、そのシリコン基材２００からキャビティ基板２を製造する方法について説明する。

（ａ） 図１３（ａ）に示すように、硼珪酸ガラス等からなるガラス基材３００（ガラス基板３）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の底部に、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１３（ｂ）に示すように、シリコン基材２００（キャビティ基板２）の両面を鏡面研磨した後、シリコン基材２００の片面に、プラズマＣＶＤによってＴＥＯＳ（TetraEthyl Ortho Silicate）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２００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２００と、図１３（ａ）のようにして作製された電極基板３とを、図１３（ｃ）に示すように、例えば３６０℃に加熱して、シリコン基材２００に陽極を、電極基板３に陰極を接続し、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２００と電極基板３と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２００をエッチングし、図１３（ｄ）に示すように、シリコン基材２００を薄板化する。

（ｅ） 次に、シリコン基材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、シリコン酸化膜２０１を形成する（図１４（ｅ）参照）。そして、このシリコン酸化膜２０１に、吐出室２４となる凹部２４０、オリフィス２３となる凹部２３０、及びリザーバ２５となる凹部２５０等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２０１をエッチング除去する。
その後、シリコン基材２００を水酸化カリウム水溶液等でエッチングして、図１４（ｅ）に示すように、吐出室２４となる凹部２４０、オリフィス２３となる凹部２３０、及びリザーバ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となる部分２９ａもエッチングして薄板化しておく。なお、図１４（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２００のエッチングが終了した後に、図１４（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２００の上面に形成されているシリコン酸化膜２０１を除去する。

（ｇ）シリコン基材２００の吐出室２４となる凹部２４０等が形成された面に、図１４（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１４（ｈ）に示すように、ＲＩＥ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２００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との間のギャップ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２に示した共通電極２８を、スパッタにより、シリコン基材２００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２００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（図５〜図１２参照）ノズル基板１を接着剤等により接合する（図１２（ｓ）参照）。

本実施の形態１に係るキャビティ基板２および電極基板３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材２００から作製するので、電極基板３によりシリコン基材２００を支持した状態となり、シリコン基材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。

実施の形態２．
図１５は、実施の形態１に係る液滴吐出ヘッド１０がインクジェットヘッドであって、斯かるインクジェットヘッドを搭載したインクジェットプリンタを示す斜視図である。このインクジェットプリンタは、インクジェットヘッドのノズル基板の厚み精度に優れ、液滴の吐出ばらつきが低減してインク吐出が安定するため、高品質の印字が可能である。
なお、実施の形態１に係る液滴吐出ヘッド１０は、図１５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。

実施例１．
シリコン基材１００をドライエッチングして、円筒形のノズル孔（軸方向に同径となる段差のないストレート形のノズル孔）となる凹部、及び円筒形の終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０を形成した。
図１６は、ＩＣＰエッチング装置を用いて、シリコン基材１００をドライエッチングしたときの、孔径とエッチングレートの相関を示した線図である。図において、横軸に孔径（μｍ）をとり、縦軸にエッチングレート（μｍ／ｍｉｎ）をとっている（以下の実施例２においても同様）。
ノズル孔となる凹部の径は２０μｍであり、終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０の径は３０μｍであった。すなわち、終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０の径を、ノズル孔となる凹部の径よりも大きくした。

ノズル孔となる凹部の深さが４０μｍとなるようにエッチングした。この場合、終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０の深さは、約４２．５μｍとなった。
これは、図１６に示すように、ノズル孔となる凹部の径が２０μｍでそのエッチングレートが３．４μｍ／分であり、終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０の径が３０μｍでそのエッチングレートが３．６μｍ／分であり、このためマイクロローディング効果により、終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０の方が深くエッチングされるためである。

実施例２．
シリコン基材１００をドライエッチングして、小径、大径の円筒を同軸にして二段に重ねた二段型のノズル孔１１となる凹部１１０、及び円筒形の終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０を形成した。
ノズル孔１１となる凹部１１０の径は、第１のノズル孔１１ａとなる凹部１１０ａの径が２０μｍであり、第２のノズル孔１１ｂとなる凹部１１０ｂの径が３０μｍであった。また、終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０の径は３０μｍであった。
すなわち、本実施例２は、終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０の径を、ノズル孔１１となる凹部１１０の大径側の径すなわち第２のノズル孔部１１ｂとなる凹部１１０ｂの径と等しくした。

ノズル孔１１となる凹部１１０の深さが６０μｍとなるようにエッチングした。この場合、終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０の深さは、約６４μｍとなった。
これは、図１６に示すように、第１、第２のノズル孔１１ａ、１１ｂとなる凹部１１０ａ、１１０ｂの径が２０μｍ、３０μｍであり、エッチングレートがそれぞれ３．４μｍ／分、３．６μｍ／分であり、終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０の径が３０μｍでそのエッチングレートが３．６μｍ／分であり、終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０の径が第２のノズル孔１１ｂとなる凹部１１０ｂの径と等しいが、第１のノズル孔１１ａとなる凹部１１０ａの径よりも大きいため、マイクロローディング効果により、終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０の方が全体として約４μｍ深くエッチングされるためである。
なお、上記の実施例２では、終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０の径を、ノズル孔１１となる凹部１１０の大径側の径すなわち第２のノズル孔１１ｂとなる凹部１１０ｂの径と等しくしたが、第２のノズル孔１１ｂとなる凹部１１０ｂの径よりも大きくした場合は、マイクロローディング効果により、終点検出用貫通孔１２となる凹部１２０の方がさらに深くエッチングされる。

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のノズル孔及び終点検出用貫通孔の近傍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。 終点検出用貫通孔となる凹部の圧力変化を検出する圧力検出装置の断面図。 終点検出用貫通孔となる凹部が貫通した直後の圧力変化を検出する圧力検出装置の断面図。 図８に続くノズル基板の製造工程の断面図。 図１１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１３に続く製造工程の断面図。 インクジェットヘッドを示す斜視図。 シリコン基材をドライエッチングしたときの、孔径とエッチングレートの相関を示す線図。

符号の説明

１ ノズル基板、１ａ、１００ａ 液滴吐出面、１ｂ、１００ｂ 接合面、２ キャビティ基板、３ 電極基板、１０ 液滴吐出ヘッド、１１ ノズル孔、１１ａ 第１のノズル孔部、１１ｂ 第２のノズル孔部、１２ 終点検出用貫通孔、２２ 振動板、２３ オリフィス、２４ 吐出室、２５ リザーバ、３１ 個別電極、５０ 第１の支持基板（支持基板）、５５ 第２の支持基板、６４ 圧力ゲージ、６５ 真空ポンプ、１００ シリコン基材、１００ｃ 液滴吐出側の面、１０１ａ 第１のノズル孔となる部分、１０１ｂ 第２のノズル孔となる部分、１０１ｃ 終点検出用貫通孔となる部分、１１０ ノズル孔となる凹部、１１０ａ 第１のノズル孔部となる凹部、１１０ｂ 第２のノズル孔部となる凹部、１２０ 終点検出用貫通孔となる凹部。

Claims (10)

1. シリコン基材の一方の面をドライエッチングして、ノズル孔となる凹部と前記ノズル孔となる凹部より深い終点検出用貫通孔となる凹部とを同時に形成する工程と、
   前記ノズル孔となる凹部及び前記終点検出用貫通孔となる凹部を形成した側の面に支持基板を貼り合わせる工程と、
   前記ノズル孔となる凹部及び前記終点検出用貫通孔となる凹部を形成した側の面と反対側の面を研削し、前記終点検出用貫通孔となる凹部が貫通したことを検出する工程と、
   前記終点検出用貫通孔となる凹部が貫通したことを検出したときに前記研削を終了し、前記研削された面をさらに薄板化して前記ノズル孔となる凹部を開口する工程と、
   前記支持基板を剥離する工程と、
   を有することを特徴とするシリコン製ノズル基板の製造方法。
2. 前記ノズル孔が多段形状のノズル孔であって、前記ノズル孔となる凹部と前記ノズル孔となる凹部より深い終点検出用貫通孔となる凹部とを同時に形成する際に、前記終点検出用貫通孔となる凹部の径を、前記多段形状のノズル孔となる凹部の大径側の径と等しいかまたはそれよりも大きくしたことを特徴とする請求項１記載のシリコン製ノズル基板の製造方法。
3. 前記ノズル孔が軸方向に同径で段差のないノズル孔であって、前記ノズル孔となる凹部と前記ノズル孔部となる凹部より深い終点検出用貫通孔となる凹部とを同時に形成する際に、前記終点検出用貫通孔となる凹部の径を、前記軸方向に同径で段差のないノズル孔となる凹部の径よりも大きくしたことを特徴とする請求項１記載のシリコン製ノズル基板の製造方法。
4. 前記終点検出用貫通孔となる凹部が貫通したときに、前記凹部内の圧力変化を検知して前記凹部が貫通したことを検出することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のシリコン製ノズル基板の製造方法。
5. 前記終点検出用貫通孔となる凹部が貫通したときに、前記凹部内の流量変化を検知して前記凹部が貫通したことを検出することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のシリコン製ノズル基板の製造方法。
6. 前記終点検出用貫通孔となる凹部が貫通したことを検出したときに前記研削を終了し、前記研削された面をさらに薄板化する際に、ドライエッチングにより薄板化し、またはＣＭＰにより研磨して薄板化することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のシリコン製ノズル基板の製造方法。
7. 前記終点検出用貫通孔となる凹部を、液滴の吐出に影響を与えないヘッドチップ内及びヘッドチップ外に複数設けることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のシリコン製ノズル基板の製造方法。
8. 前記終点検出用貫通孔となる凹部を前記ノズル孔となる凹部の近傍に形成することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のシリコン製ノズル基板の製造方法。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載のシリコン製ノズル基板の製造方法を適用して、液滴吐出ヘッドのシリコン製ノズル基板部分を形成することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
10. 請求項９記載の液滴吐出ヘッドの製造方法を適用して、液滴吐出装置の液滴吐出ヘッド部分を形成することを特徴とする液滴吐出装置の製造方法。

Images