JP2010143055A - ノズル基板、液滴吐出ヘッド、及びノズル基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】液との適合性に優れ、しかも微細で高精度のノズル孔を有するノズル基板、液滴吐出ヘッド等を提供すること。
【解決手段】液滴を吐出するためのノズル孔３０を有するノズル基板３であって、ノズル基板３がシリコン材料からなる基材４と硼珪酸ガラス材料からなる基材５とを積層して形成され、シリコン材料からなる基材４がノズル孔３０の液吐出側に配設され、硼珪酸ガラス材料からなる基材５がノズル孔３０の液導入側に配設されている。そして、ノズル孔３０の液吐出側に配設されたシリコン材料からなる基材４と、ノズル孔３０の液導入側に配設された硼珪酸ガラス材料からなる基材５とが、陽極接合されている。
【選択図】図２
【解決手段】液滴を吐出するためのノズル孔３０を有するノズル基板３であって、ノズル基板３がシリコン材料からなる基材４と硼珪酸ガラス材料からなる基材５とを積層して形成され、シリコン材料からなる基材４がノズル孔３０の液吐出側に配設され、硼珪酸ガラス材料からなる基材５がノズル孔３０の液導入側に配設されている。そして、ノズル孔３０の液吐出側に配設されたシリコン材料からなる基材４と、ノズル孔３０の液導入側に配設された硼珪酸ガラス材料からなる基材５とが、陽極接合されている。
【選択図】図２
Description
本発明は、ノズル基板、液滴吐出ヘッド、及びノズル基板の製造方法に関する。
近年、液滴吐出ヘッドをインクのみならずカラーフィルター、有機ＥＬ等の工業用途、生体分子等のバイオ関連用途に適用する動きが見られる。液滴吐出ヘッドは、ノズル基板やキャビティ基板などが積層された構造であり、各基板は様々な接合方法によって接合されている。しかしながら、各基板の接合に接着剤を用いた場合、工業用途液、バイオ関連用途液の場合に接着剤が溶ける恐れがある。
従来の液滴吐出ヘッドは、ノズル基板をガラス材料で形成し、接着剤を用いずにシリコン製のキャビティ基板と陽極接合により接合していた（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１記載の技術によれば、ノズル基板をガラス材料で形成したので、レーザー加工やドライエッチングを行って微細で高精度のノズル孔を形成することは必ずしも容易ではなかった。
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、液との適合性に優れ、しかも微細で高精度のノズル孔を有するノズル基板、液滴吐出ヘッド、及びノズル基板の製造方法を提供することを目的とする。
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を有するノズル基板であって、ノズル基板がシリコン材料からなる基材と硼珪酸ガラス材料からなる基材とを積層して形成され、シリコン材料からなる基材がノズル孔の液吐出側に配設され、硼珪酸ガラス材料からなる基材ノズル孔の液導入側に配設されたものである。
それぞれの基材に液吐出側及び液導入側のノズル部を形成すればよいので、微細で高精度なノズル孔を簡単に形成することができる。しかも、一方の基材はシリコン材料からなるため、加工性に優れる。
それぞれの基材に液吐出側及び液導入側のノズル部を形成すればよいので、微細で高精度なノズル孔を簡単に形成することができる。しかも、一方の基材はシリコン材料からなるため、加工性に優れる。
また、本発明に係るノズル基板は、ノズル孔の液吐出側に配設されたシリコン材料からなる基材と、ノズル孔の液導入側に配設された硼珪酸ガラス材料からなる基材とが、陽極接合されてなるものである。
ノズル基板は、シリコン材料からなる基材と硼珪酸ガラス材料からなる基材とが陽極接合されてなり、接着剤を用いていないため、液との適合性に優れる。
ノズル基板は、シリコン材料からなる基材と硼珪酸ガラス材料からなる基材とが陽極接合されてなり、接着剤を用いていないため、液との適合性に優れる。
また、本発明に係るノズル基板は、シリコン材料からなる基材側にノズル孔の液吐出側ノズル部を形成し、硼珪酸ガラス材料からなる基材側に液吐出側ノズル部よりも大径の液導入側ノズル部を液吐出側ノズル部と同軸上に形成した。
それぞれの基材にノズル部を形成し、同軸に配設することにより、吐出側が小径で導入側が大径のノズル孔を容易に形成することができる。
それぞれの基材にノズル部を形成し、同軸に配設することにより、吐出側が小径で導入側が大径のノズル孔を容易に形成することができる。
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、上記のノズル基板と、振動板が壁面の一部に形成されてノズル孔と連通する吐出室及び吐出室に液を供給するリザーバ凹部を有するキャビティ基板と、振動板と対向配置された個別電極を有する電極基板とを備え、振動板と個別電極との間の静電力により振動板を変位させて吐出室の液をノズル孔から吐出させる液滴吐出ヘッドであって、各基材及び各基板がそれぞれ陽極接合されたものである。
液滴吐出ヘッドの各基材及び各基板がそれぞれ陽極接合されており、接合に接着剤を用いていないため、液との適合性に優れ、長期駆動に耐え、高精度で信頼性が高い。
液滴吐出ヘッドの各基材及び各基板がそれぞれ陽極接合されており、接合に接着剤を用いていないため、液との適合性に優れ、長期駆動に耐え、高精度で信頼性が高い。
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、キャビティ基板がシリコン材料で形成され、電極基板が硼珪酸ガラス材料で形成され、上記のノズル基板のシリコン材料からなる基材と硼珪酸ガラス材料からなる基材とが陽極接合され、ノズル基板の硼珪酸ガラス材料からなる基材とキャビティ基板とが陽極接合され、キャビティ基板と電極基板とが陽極接合されたものである。
液滴吐出ヘッドの各基材及び各基板がそれぞれ陽極接合されており、接合に接着剤を用いていないため、液との適合性に優れ、長期駆動に耐え、高精度で信頼性が高い。このため、インクのみならず、カラーフィルター、有機ＥＬ等の工業用途、生体分子などのバイオ関連用途へも幅広く適用することができる。
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、キャビティ基板のリザーバ凹部の底部を吐出室の底部よりノズル基板側に配設してダイアフラムを形成したものである。
ダイアフラムをリザーバ凹部の底部に形成したため、圧力干渉機構を備え、吐出特性の安定化が可能である。
ダイアフラムをリザーバ凹部の底部に形成したため、圧力干渉機構を備え、吐出特性の安定化が可能である。
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、リザーバ凹部の底部にボロンドープ層により底壁を形成して圧力干渉ダイアフラムとしたものである。
リザーバ凹部の底部に形成された薄いボロンドープ層によりリザーバの深さが高精度に制御されているので、流路抵抗のばらつきを抑えることができる。
リザーバ凹部の底部に形成された薄いボロンドープ層によりリザーバの深さが高精度に制御されているので、流路抵抗のばらつきを抑えることができる。
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、ノズル基板の硼珪酸ガラス材料からなる基材に、キャビティ基板のリザーバ凹部側に開口する第２のリザーバ凹部を形成し、リザーバ凹部と第２のリザーバ凹部とによりリザーバを形成した。
リザーバ凹部と第２のリザーバ凹部とによりリザーバを形成したので、リザーバの体積を増加させることができる。
リザーバ凹部と第２のリザーバ凹部とによりリザーバを形成したので、リザーバの体積を増加させることができる。
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、電極基板に第１の液供給孔を設けると共にキャビティ基板に第１の液供給孔と連通する第２の液供給孔を設け、これら第１、第２の液供給孔がリザーバの外側の基板を上下方向に貫通され、第２の供給孔をその下流側で拡幅して液滴供給溝を形成し、第１、第２の液供給孔からの供給された液を、液供給溝から第２のリザーバ凹部を介して前記ーバ凹部に移送するようにしたものである。
リザーバ凹部と第２のリザーバ凹部とによりリザーバを形成したので、リザーバの体積を増加させることができ、これによってリザーバの流路抵抗を低減させることができる。
リザーバ凹部と第２のリザーバ凹部とによりリザーバを形成したので、リザーバの体積を増加させることができ、これによってリザーバの流路抵抗を低減させることができる。
本発明に係るノズル基板の製造方法は、シリコン材料からなる基材に液吐出側ノズル部を形成する工程と、シリコン材料からなる基材に硼珪酸ガラス材料からなる基材を陽極接合する工程と、硼珪酸ガラス材料からなる基材に、液吐出側ノズル部と同軸に液導入側ノズル部を形成して、液吐出側ノズル部と液導入側ノズル部とによりノズル孔を形成する工程とを備えたものである。
基材を陽極結合により接合しているため液との適合性に優れ、しかも微細で高精度のノズル孔を簡単に形成することができる。
実施の形態１．
図１は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２は図１の液滴吐出ヘッドを組み立てた状態の縦断面図である。なお、本実施の形態１は、液滴を基板の面部に設けたノズル孔から吐出させるフェイス型の液滴吐出ヘッドに関する。
図１、図２に示すように、液滴吐出ヘッドは３層構造からなり、振動板を有するキャビティ基板１と、電極部を有する電極基板２と、ノズル孔を有するノズル基板３とが積層されている。
図１は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２は図１の液滴吐出ヘッドを組み立てた状態の縦断面図である。なお、本実施の形態１は、液滴を基板の面部に設けたノズル孔から吐出させるフェイス型の液滴吐出ヘッドに関する。
図１、図２に示すように、液滴吐出ヘッドは３層構造からなり、振動板を有するキャビティ基板１と、電極部を有する電極基板２と、ノズル孔を有するノズル基板３とが積層されている。
３層構造の中間に位置するキャビティ基板１は、例えば約５０μｍの厚みの、（１１０）を面方位とするシリコン（Ｓｉ）単結晶基板（以下、シリコン基板ともいう）である。このキャビティ基板１は、シリコン基板に異方性ウェットエッチングを施して形成したもので、底壁が振動板１２となる吐出室１３、及び各ノズル孔（後述）に共通して吐出する液体を溜めておくリザーバ凹部１４ａ（リザーバ１４）を有する。
振動板１２は、厚みが約０．８μｍであって、同じ厚みの高濃度のボロンドープ層Ｂにより形成されている。そして、アルカリ性水溶液でシリコン基板の異方性ウェットエッチングを行った場合、ボロンをドーパントとしたときには、高濃度（約５×１０19ａｔｏｍｓ・ｃｍ-3以上）の領域で極端にエッチングレートが小さくなるので、これを利用したいわゆるエッチングストップ技術を用いて、振動板１２の厚みや、吐出室１３の容積を精度よく形成する。
リザーバ凹部１４ａ（リザーバ１４）はボロンエッチングストップ技術を用いて形成されており、底部には裏に溝１ａが設けられ、電極基板２から浮かして圧力緩衝機能を有するダイアフラム１６が構成されている。ダイアフラム１６の底壁１６０は薄いボロンドープ層Ｂによって形成されている。
キャビティ基板１には液供給孔（第２の液供給孔）１７が設けられ、リザーバ凹部１４の外側の基板を上下方向に貫通し、その下流側（図１の上側）で拡幅して液供給溝１７ａを形成している。
キャビティ基板１の下面には、絶縁膜１５となるＴＥＯＳ（Tetraethyl orthosilicate Tetraethoxysilane：テトラエトキシシラン、珪酸エチル）膜が例えば０．１μｍの厚みで、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）により成膜されている。これは、液滴吐出ヘッドを駆動させたときの絶縁膜破壊及び短絡を防止するためである。
なお、キャビティ基板１上には共通電極の端子部１８が形成されている。
なお、キャビティ基板１上には共通電極の端子部１８が形成されている。
キャビティ基板１の下側（図１の下側）には電極基板２が配設され、キャビティ基板１と陽極接合（接合面イ）で接合している。この電極基板２は、厚みが約１ｍｍのホウ珪酸系の耐熱硬質ガラスよりなる。電極基板２には、キャビティ基板１に形成されている各吐出室１３に合わせて、エッチングにより深さ約０．２μｍの電極凹部２０が設けられており、その内部には、個別電極２１、リード部２２及び端子部２３（以下、これらを合わせて電極部Ａという）が形成されているので、電極凹部２０のパターン形状は電極部Ａの形状よりも少し大きめに作製してある。
電極凹部２０に設けた電極部Ａの材料としては、酸化錫を不純物としてドープした透明のＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウム錫酸化物）を用い、例えば０．１μｍの厚みにスパッタ法を用いて成膜する。
したがって、振動板１２と個別電極２１との間で形成されるギャップＧは、電極凹部２０の深さと個別電極２１の厚みとにより決まることになる。このギャップＧは吐出特性に大きく影響する。
ここで、電極部Ａ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材料に用いてもよいが、本実施の形態１では、透明で放電したかどうかの確認が行い易い等の理由でＩＴＯを用いている。
したがって、振動板１２と個別電極２１との間で形成されるギャップＧは、電極凹部２０の深さと個別電極２１の厚みとにより決まることになる。このギャップＧは吐出特性に大きく影響する。
ここで、電極部Ａ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材料に用いてもよいが、本実施の形態１では、透明で放電したかどうかの確認が行い易い等の理由でＩＴＯを用いている。
電極基板２には液供給孔（第１の液供給孔）２４がサンドブラスト加工または切削加工により形成されて、電極部Ａの外側の基板を上下方向に貫通し、キャビティ基板１の液供給孔１７と連通している。
なお、気相処理ライン２５は、電極基板２がキャビティ基板１と接合後に形成されるギャップＧ内の脱水処理及び疎水化処理を行うための溝である。
なお、気相処理ライン２５は、電極基板２がキャビティ基板１と接合後に形成されるギャップＧ内の脱水処理及び疎水化処理を行うための溝である。
キャビティ基板１の上側（図１の上側）にはノズル基板３が配設され、液吐出側に位置する第１のノズル基材４と液導入側に位置する第２のノズル基材５とで構成され、第１のノズル基材４はシリコン材料からなる約１５０μｍの厚みであり、第２のノズル基材５は硼珪酸ガラス材料からなる３０μｍの厚みである。そして、これら第１、第２の基材４、５同士は陽極接合（接合面ロ）により接合してノズル基板３を構成し、また、ノズル基板３の第２のノズル基材５はキャビティ基板１と陽極接合（接合面ハ）で接合している。
ノズル基板３のノズル凹面３４にはノズル孔３０が設けられており、第１のノズル基材４には液吐出側ノズル部である第１のノズル孔３１が形成され、第２のノズル基材５には第１のノズル孔３１よりも大径であって、第１のノズル孔３１と吐出室１３とを連通する液導入側ノズル部である第２のノズル孔３２が同軸上に形成されている。また、第２のノズル基材５には、キャビティ基板１の吐出室１３とリザーバ１４（リザーバ凹部１４ａ）とを連通するオリフィス３３が形成され、さらに、リザーバ凹部１４ａと液供給溝１７ａとを連通する第２のリザーバ凹部１４ｂが形成されている。
第２のリザーバ凹部１４ｂはキャビティ基板１のリザーバ凹部１４ａ側に開口しており、リザーバ凹部１４ａと第２のリザーバ凹部１４ｂとによりリザーバ１４を形成する。そして、液供給孔２４、１７から供給された液を、液供給溝１７ａから第２のリザーバ凹部１４ｂを介してリザーバ凹部１４ａに移送する。こうして、第２のリザーバ凹部１４ｂにより液供給溝１７ａからリザーバ凹部１４ａへ液の移送を行い、またリザーバ１４の体積を増加させてリザーバ１４の流路抵抗を低減する。
上記の液滴吐出ヘッドにおいて、振動板１２と個別電極２１とからなるアクチュエーターは、封止材５０によって個別電極２１毎に封止されている。これにより、アクチュエーターを駆動させた際の個別電極２１と振動板１２との貼り付き等を防止することができる。
なお、電極基板２上に形成した電極部Ａの端子部２３は、キャビティ基板１上に形成した共通電極の端子部１８とともに、発振回路４０に接続されている。
なお、電極基板２上に形成した電極部Ａの端子部２３は、キャビティ基板１上に形成した共通電極の端子部１８とともに、発振回路４０に接続されている。
上記のように構成した液滴吐出ヘッドの動作を説明する。
図２に示すように、吐出室１３にはノズル孔３０から吐出する吐出液体を溜めておく。そして、吐出室１３の底壁である振動板１２を撓ませ、吐出室１３内の圧力を高めて、ノズル孔３０から液滴を吐出させる。
図２に示すように、吐出室１３にはノズル孔３０から吐出する吐出液体を溜めておく。そして、吐出室１３の底壁である振動板１２を撓ませ、吐出室１３内の圧力を高めて、ノズル孔３０から液滴を吐出させる。
この際、発振回路４０は、個別電極２１への電荷の供給及び停止を制御する。例えば、２４ｋＨｚで発振し、個別電極２１に０Ｖと３０Ｖのパルス電位を印加して電荷供給を行う。
個別電極２１に電荷を供給して正に帯電させると、振動板１２は負に帯電し、静電気力により個別電極２１に引き寄せられて撓む。これにより吐出室１３の体積は広がる。そして個別電極２１への電荷供給を止めると振動板１２は元に戻るが、そのときの吐出室１３の体積も元に戻って急激に縮小されるため、その圧力により差分の液滴がノズル孔３０から吐出し、例えば液滴がインクである場合は、記録対象となる記録紙に着弾することによって記録が行われる。
個別電極２１に電荷を供給して正に帯電させると、振動板１２は負に帯電し、静電気力により個別電極２１に引き寄せられて撓む。これにより吐出室１３の体積は広がる。そして個別電極２１への電荷供給を止めると振動板１２は元に戻るが、そのときの吐出室１３の体積も元に戻って急激に縮小されるため、その圧力により差分の液滴がノズル孔３０から吐出し、例えば液滴がインクである場合は、記録対象となる記録紙に着弾することによって記録が行われる。
本発明に係るノズル基板３は、シリコン材料からなる第１のノズル基材４と硼珪酸ガラス材料からなる第２のノズル基材５とを接着剤を用いずに陽極接合で接合しているので、液適合性に優れる。また、第１のノズル基材４側に液吐出側の第１のノズル孔３１を形成し、第２のノズル基材５側に液吐出側の第１のノズル孔３１よりも大径の液導入側の第２のノズル孔３２を形成して、これらのノズル基材４、５を接合した状態でノズル孔３０を形成したので、微細で高精度なノズル孔３０を簡単に製造することができる。この際、液吐出側の第１のノズル基材４はシリコン材料で形成されているので加工性に優れる。
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、キャビティ基板１がシリコン材料で形成され、電極基板２が硼珪酸ガラス材料で形成され、ノズル基板３はシリコン材料からなる基材４と硼珪酸ガラス材料からなる基材５とが陽極接合されており、ノズル基板３の硼珪酸ガラス材料からなる基材５とキャビティ基板１とが陽極接合され、キャビティ基板１と電極基板２とが陽極接合されており、これらの接合に接着剤を用いていないため液適合性に優れ、長期駆動に耐え、高精度で信頼性が高い。
上記のように構成した液滴吐出ヘッドの製造方法を図３〜図１４により説明する。
なお、以下の説明で記載した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。
なお、以下の説明で記載した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。
図３〜図５は電極基板２と陽極接合する前のキャビティ基板１の製造方法を示す製造工程図である。
（ａ） （１１０）を面方位とする酸素濃度の低いシリコン材からなるキャビティ基板１の片面を鏡面研磨し、例えば２２０μｍの厚みの基板を作製する（図３（ａ））。
（ａ） （１１０）を面方位とする酸素濃度の低いシリコン材からなるキャビティ基板１の片面を鏡面研磨し、例えば２２０μｍの厚みの基板を作製する（図３（ａ））。
（ｂ） 酸素及び水蒸気雰囲気中において、例えば１０７５℃の条件で４時間酸化することで、キャビティ基板１の両面に約１．２μｍのＳｉＯ2 膜１００を成膜する（図３（ｂ））。
（ｃ） キャビティ基板１の両面にレジストを塗布し、リザーバ裏の溝１ａ（図３（ｄ）参照）を作り込むためのレジストパターニングを施し、ふっ酸水溶液でエッチングして、ＳｉＯ2 膜１００をパターニングする（図３（ｃ））。そして、レジストを剥離する。
（ｄ） キャビティ基板１を３５ｗｔ％の濃度の水酸化カリウム水溶液に浸し、リザーバ裏の溝１ａの深さが約５μｍになるまでエッチングを行う（図３（ｄ））。
（ｅ） キャビティ基板１をふっ酸水溶液に浸し、両面のＳｉＯ2 膜１００を剥離する（図４（ｅ））。
（ｆ） 酸素及び水蒸気雰囲気中において、例えば１０７５℃の条件で１２時間酸化することで、キャビティ基板１の両面に約２．０μｍのＳｉＯ2 膜１０１を成膜する（図４（ｆ））。
（ｇ） キャビティ基板１の両面にレジストを塗布し、選択拡散部６０（図４（ｈ）参照）を作り込むためのレジストパターニングを施し、ふっ酸水溶液でエッチングして、ＳｉＯ2 膜１０１をパターニングする（図４（ｇ））。そして、レジストを剥離する。
（ｈ） キャビティ基板１のボロンドープ層を形成する側の面をＢ2Ｏ3を主成分とする固体の拡散源に対向させて、石英ボートにセットする。この石英ボートを縦型炉にセットし、炉内を窒素雰囲気にし、温度を例えば１１００℃に上昇させ、そのまま温度を例えば６時間保持し、ボロンをキャビティ基板１中に拡散させ、選択拡散部６０にボロンドープ層Ｂを形成する（図３（ｈ））。ボロンドープ工程では、キャビティ基板１の投入温度を例えば８００℃とし、キャビティ基板１の取出し温度も８００℃とする。これにより、酸素欠陥の成長速度が速い領域（６００℃から８００℃）をすばやく通過することができるため、酸素欠陥の発生を抑えることができる。
このとき、選択拡散部６０以外の部分及び拡散面と反対側の面にはＳｉＯ2 膜１０１が残っているため、ＳｉＯ2 膜１０１がマスクとなってボロンが拡散されることがない。
このとき、選択拡散部６０以外の部分及び拡散面と反対側の面にはＳｉＯ2 膜１０１が残っているため、ＳｉＯ2 膜１０１がマスクとなってボロンが拡散されることがない。
（ｉ） ボロンドープ層Ｂの表面にはボロン化合物ＳｉＢ6 が形成されるが（図示せず）、酸素及び水蒸気雰囲気中において、例えば６００℃の条件で１時間３０分酸化することで、ふっ酸水溶液によるエッチングが可能なＢ2Ｏ3＋ＳｉＯ2 に化学変化させることができる。
選択拡散した面と反対側の面にレジストを塗布し、キャビティ基板１をふっ酸水溶液に例えば１０分間浸す。こうすると、選択拡散部６０のＢ2Ｏ3＋ＳｉＯ2 膜及び拡散面側のＳｉＯ2 膜１０１がエッチング除去される（図３（ｉ））。そして、レジストを剥離する。
選択拡散した面と反対側の面にレジストを塗布し、キャビティ基板１をふっ酸水溶液に例えば１０分間浸す。こうすると、選択拡散部６０のＢ2Ｏ3＋ＳｉＯ2 膜及び拡散面側のＳｉＯ2 膜１０１がエッチング除去される（図３（ｉ））。そして、レジストを剥離する。
（ｊ） 工程（ｈ）と同様に、キャビティ基板１のボロンドープ層を形成する側の面をＢ2Ｏ3を主成分とする固体の拡散源に対向させて、石英ボートにセットする。この石英ボートを縦型炉にセットし、炉内を窒素雰囲気にし、温度を例えば１０５０℃に上昇させ、そのまま温度を例えば７時間保持し、ボロンをキャビティ基板１中に拡散させ、拡散面側の全面にボロンドープ層Ｂを形成する（図５（ｊ）参照）。ボロンドープ工程では、キャビティ基板１の投入温度を例えば８００℃とし、キャビティ基板１の取出し温度も８００℃とする。これにより、酸素欠陥の成長速度が速い領域（６００℃から８００℃）をすばやく通過することができるため、酸素欠陥の発生を抑えることができる。
このとき、拡散面と反対面にはＳｉＯ2 膜１０１が残っているため、ボロンが反対面に回り込んでも、ＳｉＯ2 膜１０１がマスクとなって反対面に拡散されることがない。
先に選択拡散した選択拡散部６０のボロン濃度は他の部分に比べて濃くなり、キャビティ基板１のより内部へボロンが拡散される（図５（ｊ））。
このとき、拡散面と反対面にはＳｉＯ2 膜１０１が残っているため、ボロンが反対面に回り込んでも、ＳｉＯ2 膜１０１がマスクとなって反対面に拡散されることがない。
先に選択拡散した選択拡散部６０のボロン濃度は他の部分に比べて濃くなり、キャビティ基板１のより内部へボロンが拡散される（図５（ｊ））。
（ｋ） 工程（ｉ）と同様に、ボロンドープ層Ｂの表面にはボロン化合物ＳｉＢ6 が形成されるが（図示せず）、酸素及び水蒸気雰囲気中、例えば６００℃の条件で１時間３０分酸化することで、ふっ酸水溶液によるエッチングが可能なＢ2Ｏ3＋ＳｉＯ2 膜に化学変化させることができる。そして、キャビティ基板１をふっ酸水溶液に例えば１０分間浸す。こうすると、拡散面のＢ2Ｏ3＋ＳｉＯ2 膜、及び反対面のＳｉＯ2 膜１０１がエッチング除去される（図５（ｋ））。
（ｌ） ボロンドープ層Ｂを形成した側の面に、プラズマＣＶＤ法によりＴＥＯＳ絶縁膜１５を、例えば成膜時の処理温度は３６０℃、高周波出力は２５０Ｗ、圧力は６６．７Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）、ガス流量はＴＥＯＳ流量１００ｃｍ3 ／ｍｉｎ（１００ｓｃｃｍ）、酸素流量１０００ｃｍ３／ｍｉｎ（１０００ｓｃｃｍ）の条件で、０．１μｍ成膜する（図５（ｌ））。
図６〜図１０は、ノズル基板３の製造方法を示す製造工程図である。
（ａ） （１００）を面方位とするシリコン材からなる第１のノズル基材４の片面を鏡面研磨し、例えば１５０μｍの厚みとする（図６（ａ））。
（ａ） （１００）を面方位とするシリコン材からなる第１のノズル基材４の片面を鏡面研磨し、例えば１５０μｍの厚みとする（図６（ａ））。
（ｂ） 酸素及び水蒸気雰囲気中において、例えば１０７５℃の条件で８時間酸化することで、第１のノズル基材４の両面に約１．８μｍのＳｉＯ2 膜１０２を成膜する（図６（ｂ））。
（ｃ） 第１のノズル基材４の両面にレジストを塗布し、鏡面側に第１のノズル孔３１及び上部電極取出し部３５ａ（図８（ｉ）参照）を作り込むためのレジストパターニングを施し、ふっ酸水溶液でエッチングして、ＳｉＯ2 膜１０２をパターニングする。そして、レジストを剥離する（図６（ｃ））。
（ｄ） ＩＣＰドライエッチング装置を用いて、第１のノズル孔３１及び上部電極取出し部３５ａの深さが約２０μｍになるまでエッチングする（図７（ｄ））。エッチング条件は、例えばエッチングプロセスがＳＦ6 流量４００ｃｍ2 ／ｍｉｎ（４００ｓｃｃｍ）、エッチング時間３．５秒、チャンバー圧力８Ｐａ、コイルパワー２２００Ｗ、プラテンパワー５５Ｗ、プラテン温度２０℃で、デポジションプロセスがＣ4Ｆ8流量２００ｃｍ3 ／ｍｉｎ（２００ｓｃｃｍ）、エッチング時間２．５秒、チャンバー圧力２．７Ｐａ、コイルパワー１８００Ｗ、プラテン温度２０℃である。エッチングプロセスとデポジションプロセスを組み合わせて１サイクルとし、約５０サイクル行う。
（ｅ） ふっ酸水溶液に第１のノズル基材４を浸し、第１のノズル基材４の両面に残っているＳｉＯ2 膜１０２を剥離する（図７（ｅ））。
（ｆ） 酸素及び水蒸気雰囲気中において、例えば１０７５℃の条件で４時間酸化することで、第１のノズル基材４の両面に約１．２μｍのＳｉＯ2 膜１０３を成膜する（図７（ｆ））。
（ｇ） 第１のノズル基材４の両面にレジストを塗布し、鏡面と反対側にノズル凹面３４及び上部電極取出し部３５ａ（図８（ｉ）参照）を作り込むためのレジストパターニングを施し、ふっ酸水溶液でエッチングして、ＳｉＯ2 膜１０３をパターニングする。そして、レジストを剥離する（図８（ｇ））。
（ｈ） 第１のノズル基材４を例えば２５ｗｔ％の濃度の水酸化カリウム水溶液に浸し、ノズル凹面３４及び上部電極取出し部３５ａの深さが約１３０μｍになるまでエッチングを行う（図８（ｈ））。
（ｉ） ふっ酸水溶液に第１のノズル基材４を浸し、第１のノズル基材４の両面に残っているＳｉＯ2 膜１０３を剥離する。これにより、第１のノズル基材４の第１のノズル孔３１が貫通し、また、第１のノズル基材４の上部電極取出し部３５ａが開く（図８（ｉ））。
（ｊ） 硼珪酸系の耐熱硬質ガラスの片面を鏡面研磨した例えば５００μｍ厚みのガラス材料からなる第２のノズル基材５を用意する。そして、図６〜図８の工程で加工済みのシリコン材からなる第１のノズル基材４と、ガラス材料からなる未加工の第２のノズル基材５とを、例えば３６０℃に加熱した後、第２のノズル基材５に負極、第１のノズル基材４に正極を接続し、例えば８００Ｖの電圧を印加して、第１のノズル基材４と第２のノズル基材５とを陽極接合（接合面ロ）する（図９（ｊ））。
（ｋ） 第２のノズル基材５を、厚みが約３０μｍになるまで研削、研磨加工する（図９（ｋ））。
（ｌ） 第２のノズル基材５の、第１のノズル基材４と反対側の面に、Ｃｒ/Ａｕ膜１０４（Ｃｒ膜が第２のノズル基材５側）をスパッタリング法により成膜する（図９（ｌ））。
（ｍ） Ｃｒ/Ａｕ膜１０４上にレジストを塗布し、第２のノズル孔３２、オリフィス３３、第２のリザーバ凹部１４ｂ、上部電極取出し部３５ｂ（図１０（ｎ）参照）を作り込むためのレジストパターニングを施す。そして、Ａｕ膜をヨウ素−ヨウ化カリウム水溶液でエッチングし、続けて、Ｃｒ膜を硝酸セリウム第２アンモニウム水溶液でエッチングする（図１０（ｍ））。
（ｎ） ふっ酸水溶液で第２のノズル基材５をエッチングする。これにより、第２のノズル孔３２、オリフィス３３、第２のリザーバ凹部１４ｂ、上部電極取出し部３５ｂが形成され、第１のノズル孔３１と第２のノズル孔３２が連通してノズル孔３０が形成され、及び電極取り出し側端部３５（３５ａ、３５ｂ）が開かれる（図１０（ｎ））。
（ｏ） レジスト、Ａｕ膜、Ｃｒ膜をそれぞれ剥離する（図１０（ｏ））。
図１１〜図１４は、電極基板２、キャビティ基板１及びノズル基板３を積層して液滴吐出ヘッドを製造する方法を示す製造工程図である。
なお、実際には、基板から複数個分の液滴吐出ヘッドの部材を同時形成するが、図１１〜図１４ではその一部分だけを示している。
（ａ） 個別電極２１、リード部２２、端子部２３、気相処理ライン２５（図１参照）、及び液供給穴２４を形成したガラス材料からなる電極基板２を作製する（図１１（ａ））。
なお、実際には、基板から複数個分の液滴吐出ヘッドの部材を同時形成するが、図１１〜図１４ではその一部分だけを示している。
（ａ） 個別電極２１、リード部２２、端子部２３、気相処理ライン２５（図１参照）、及び液供給穴２４を形成したガラス材料からなる電極基板２を作製する（図１１（ａ））。
（ｂ） 図３〜図５の製造方法により作製したシリコン材からなるキャビティ基板１と、ガラス材料からなる電極基板２とを、例えば３６０℃に加熱した後、電極基板２に負極、キャビティ基板１に正極を接続して、８００Ｖの電圧を印加して陽極接合（接合面イ）する（図１１（ｂ））。
（ｃ） 陽極接合後、キャビティ基板１の厚みが約６０μｍになるまで研削加工を行う。その後、加工変質層を除去するために、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）を用いて、キャビティ基板１を約１０μｍ研磨する（図１１（ｃ））。これにより、キャビティ基板１の厚みは約５０μｍとなる。
（ｄ） 研磨面にプラズマＣＶＤを用いて、例えば成膜時の処理温度は３６０℃、高周波出力は７００Ｗ、圧力は３３．３Ｐａ（０．２５Ｔｏｒｒ）、ガス流量はＴＥＯＳ流量１００ｃｍ3 ／ｍｉｎ（１００ｓｃｃｍ）、酸素流量１０００ｃｍ3 ／ｍｉｎ（１０００ｓｃｃｍ）の条件で、ＴＥＯＳエッチングマスク１０５を１．０μｍ成膜する（図１１（ｄ））。
（ｅ） ＴＥＯＳエッチングマスク１０５にレジストパターニングを施し、ふっ酸水溶液でエッチングし、吐出室１３、リザーバ凹部１４ａ（リザーバ１４）、上部電極取出し部３６、液供給溝１７ａ（図１２（ｇ）参照）を作り込むためのパターニングを行う。そして、レジストを剥離する（図１１（ｅ））。
（ｆ） 接合済み基板を３５ｗｔ％の濃度の水酸化カリウム水溶液に浸し、吐出室１３及び上部電極取出し部３６の厚みが約１０μｍになるまでエッチングを行う。リザーバ凹部１４ａは裏に溝１ａがあるため、厚みが約５μｍとなる。しかしながら、電極基板２に設けられた液供給孔２４に対応する液供給溝１７ａでは、水酸化カリウム水溶液の濃度が高いため、ボロンドープ層Ｂでのエッチングレートが低下するものの、接合面側からエッチングが進行していく（図１２（ｆ））。
（ｇ） 接合済み基板を３ｗｔ％の濃度の水酸化カリウム水溶液に浸し、ボロンドープ層Ｂでのエッチングレート低下によるエッチングストップが十分効くまでエッチングを続ける。前記２種類の濃度の異なる水酸化カリウム水溶液を用いたエッチングを行うことによって、振動板１２の面荒れを抑制し、振動板１２の厚み精度を０．８０±０．０５μｍ以下にすることができ、液滴吐出ヘッドの吐出性能を安定化することができる。リザーバ凹部１４ａの底にも、振動板１２と同様に、厚み０．８μｍのボロンドープ層Ｂを底壁１６０とするダイアフラム１６が形成される（図１２（ｇ））。
選択拡散されている上部電極取出し部３６は高濃度で深いボロンドープ層Ｂが形成されているため、エッチングストップが振動板１２側のボロンドープ層Ｂに比べ、早く効き始め、上部電極取出し部３６の厚みは約３μｍとなる。このため、強度が向上し、シリコンエッチング中に広い面積を持つ上部電極取出し部３６が割れることがなくなり、歩留まりが向上する。
選択拡散されている上部電極取出し部３６は高濃度で深いボロンドープ層Ｂが形成されているため、エッチングストップが振動板１２側のボロンドープ層Ｂに比べ、早く効き始め、上部電極取出し部３６の厚みは約３μｍとなる。このため、強度が向上し、シリコンエッチング中に広い面積を持つ上部電極取出し部３６が割れることがなくなり、歩留まりが向上する。
（ｈ） シリコンエッチングが終了したら、接合基板をふっ酸水溶液に浸し、キャビティ基板１の表面のＴＥＯＳエッチングマスク１０５を剥離する（図１３（ｈ））。
（ｉ） 上部電極取出し部３６に残っているシリコン薄膜及びＴＥＯＳ絶縁膜を除去するために、シリコンマスクをキャビティ基板１の表面に取り付け、例えばＲＦパワー２００Ｗ、圧力４０Ｐａ（０．３Ｔｏｒｒ）、ＣＦ4 流量３０ｃｍ3 ／ｍｉｎ（３０ｓｃｃｍ）の条件で、ＲＩＥドライエッチングを例えば１時間行い、所望の場所のみにプラズマを当て、開口し、上部電極取出し部３６を開口する。上部電極取出し部３６の開口によって、電極取出し部３７が開かれる。このとき、ギャップＧは大気開放される（図１３（ｉ））。
（ｊ） 封止部にエポキシ系樹脂を盛り、封止材５０により個別電極２１毎の封止を行う。エポキシ系樹脂の代わりに、ＴＥＯＳ膜等の無機材料を成膜して封止しても良い。この時点では、ギャップＧは密閉されていない。そして、気相処理ライン２５（図１参照）の端部を介してギャップＧ内の水分除去及び疎水化処理を行った後、エポキシ系樹脂を気相処理ライン２５の端部に盛り、ギャップＧを封止する（図１３（ｊ））。
（ｋ） 図６〜図１０の製造方法により作製したノズル基板３を、キャビティ基板１と陽極接合（接合面ハ）する（図１４（ｋ））。
（ｌ） ダイシングを行い、個々のヘッドに切断する（図１４（ｌ））。
こうして、ガラス基板２、キャビティ基板１、及びノズル基板３が積層された液滴吐出ヘッドが完成する。
こうして、ガラス基板２、キャビティ基板１、及びノズル基板３が積層された液滴吐出ヘッドが完成する。
実施の形態２．
図１５は、実施の形態１の液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置を示す斜視図である。図１５に示す液滴吐出装置は、一般的なインクジェットプリンタである。
実施の形態１の液滴吐出ヘッドは、接着剤を用いず陽極接合のみで基板を接合したので、液適合性に優れて長期駆動に耐えることができ、このため高精度で信頼性が高い液滴吐出装置を得ることができる。
なお、実施の形態１の液滴吐出ヘッドは、図１５に示すインクジェットプリンタの他に、液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、生体液体の吐出等にも適用することができる。
図１５は、実施の形態１の液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置を示す斜視図である。図１５に示す液滴吐出装置は、一般的なインクジェットプリンタである。
実施の形態１の液滴吐出ヘッドは、接着剤を用いず陽極接合のみで基板を接合したので、液適合性に優れて長期駆動に耐えることができ、このため高精度で信頼性が高い液滴吐出装置を得ることができる。
なお、実施の形態１の液滴吐出ヘッドは、図１５に示すインクジェットプリンタの他に、液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、生体液体の吐出等にも適用することができる。
１ キャビティ基板、２ 電極基板、３ ノズル基板、４ シリコン材料からなる基材（第１のノズル基材）、５ 硼珪酸ガラス材料からなる基材（第２のノズル基材）、１２ 振動板、１３ 吐出室、１４ リザーバ、１４ａ リザーバ凹部、１４ｂ 第２のリザーバ凹部、１５ 絶縁膜、１６ ダイアフラム、１７ 液供給孔（第２の液供給孔）、１７ａ 液供給溝、２１ 個別電極、２２ リード部、２３ 端子部、２４ 液供給孔（第１の液供給孔）、３０ ノズル孔、３１ 第１のノズル孔（液吐出側ノズル部）、３２ 第２のノズル孔（液導入側ノズル孔）、３７ 電極取出し部、１６０ ダイアフラムの底壁、イ、ロ、ハ 陽極接合の接合面、Ａ 電極部、Ｂ ボロンドープ層、Ｇ ギャップ。
Claims (10)
- 液滴を吐出するためのノズル孔を有するノズル基板であって、
前記ノズル基板がシリコン材料からなる基材と硼珪酸ガラス材料からなる基材とを積層して形成され、前記シリコン材料からなる基材が前記ノズル孔の液吐出側に配設され、前記硼珪酸ガラス材料からなる基材が前記ノズル孔の液導入側に配設されたことを特徴とするノズル基板。 - 前記ノズル孔の液吐出側に配設された前記シリコン材料からなる基材と、前記ノズル孔の液導入側に配設された前記硼珪酸ガラス材料からなる基材とが、陽極接合されてなることを特徴とする請求項１記載のノズル基板。
- 前記シリコン材料からなる基材側に前記ノズル孔の液吐出側ノズル部を形成し、前記硼珪酸ガラス材料からなる基材側に前記液吐出側ノズル部よりも大径の液導入側ノズル部を前記液吐出側ノズル部と同軸上に形成したことを特徴とする請求項１または２記載のノズル基板。
- 請求項１記載のノズル基板、
振動板が壁面の一部に形成されて前記ノズル孔と連通する吐出室及び前記吐出室に液を供給するリザーバ凹部を有するキャビティ基板と、
前記振動板と対向配置された個別電極を有する電極基板とを備え、
前記振動板と前記個別電極との間の静電力により前記振動板を変位させて前記吐出室の液を前記ノズル孔から吐出させる液滴吐出ヘッドであって、
前記各基材及び各基板がそれぞれ陽極接合されてなることを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 前記キャビティ基板がシリコン材料で形成され、前記電極基板が硼珪酸ガラス材料で形成され、
請求項１記載のノズル基板のシリコン材料からなる基材と硼珪酸ガラス材料からなる基材とが陽極接合され、前記ノズル基板の硼珪酸ガラス材料からなる基材と前記キャビティ基板とが陽極接合され、前記キャビティ基板と前記電極基板とが陽極接合されてなることを特徴とする請求項４記載の液滴吐出ヘッド。 - 前記キャビティ基板のリザーバ凹部の底部を前記吐出室の底部より前記ノズル基板側に配設してダイアフラムを形成したことを特徴とする請求項５記載の液滴吐出ヘッド。
- 前記リザーバ凹部の底部にボロンドープ層により底壁を形成して圧力干渉ダイアフラムとしたことを特徴とする請求項６記載の液滴吐出ヘッド。
- 前記ノズル基板の硼珪酸ガラス材料からなる基材に、前記キャビティ基板のリザーバ凹部側に開口する第２のリザーバ凹部を形成し、
前記リザーバ凹部と前記第２のリザーバ凹部とによりリザーバを形成したことを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。 - 前記電極基板に第１の液供給孔を設けると共に前記キャビティ基板に前記第１の液供給孔と連通する第２の液供給孔を設け、これら第１、第２の液供給孔が前記リザーバの外側の基板を上下方向に貫通され、前記第２の供給孔をその下流側で拡幅して液滴供給溝を形成し、
前記第１、第２の液供給孔からの供給された液を、前記液供給溝から前記第２のリザーバ凹部を介して前記リザーバ凹部に移送することを特徴とする請求項４〜８のいずれかに記載の液滴吐出ヘッド。 - シリコン材料からなる基材に液吐出側ノズル部を形成する工程と、
前記シリコン材料からなる基材に硼珪酸ガラス材料からなる基材を陽極接合する工程と、
前記硼珪酸ガラス材料からなる基材に、前記液吐出側ノズル部と同軸に液導入側ノズル部を形成して、前記液吐出側ノズル部と液導入側ノズル部とによりノズル孔を形成する工程と、
を備えたことを特徴とするノズル基板の製造方法。
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