JP2010240854A - ノズル基板の製造方法、液滴吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ノズル基板の製造中に、ノズル孔内に撥インク膜やプライマー液が入り込むのを抑制して、ノズル孔内壁の親水化をより向上させる。
【解決手段】シリコン基板１をドライエッチングしてノズル孔１０となる部分を形成する工程と、ノズル孔１０となる部分が形成されたシリコン基板１の表面に酸化膜１０２を形成する工程と、ノズル孔１０となる部分に溶解性樹脂２０１を充填する工程と、支持基板１０３をシリコン基板１のノズル孔１０部を加工した面に貼り合せる工程と、支持基板１０３を貼り合せた面と反対側の面からシリコン基板１を研削及び研磨して薄板化し、ノズル孔１０を貫通させる工程と、シリコン基板１の研削及び研磨した面に撥インク膜１２を成膜する工程と、支持基板１０３を剥離し、シリコン基板１の撥インク膜１２成膜面をプライマー処理する工程と、溶解性樹脂２０１をノズル孔１０から除去する工程と、を備えたノズル基板の製造方法。
【選択図】図５

Description

本発明は、インクジェットヘッド等の液滴吐出ヘッドの製造方法に係り、特にそこに用いられるノズル基板の製造方法に関する。

従来のシリコンノズル基板の製造方法として、予めシリコン基板にノズル孔となる凹部を形成し、接着層の片面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剥離層を持った両面接着シートを用いて貼り合わせてから、シリコン基板を研削やＣＭＰ加工等により薄板化加工してノズル孔（凹部）を開口する方法がある。その場合、吐出面への撥インク膜の形成、及びキャビティとの接着強度を強化するため、接着面へのプライマー処理が施されている（例えば、特許文献１）。

特開２００６−１５９６６１号公報

しかしながら、上記のノズル基板の製造方法では、ノズル内壁へ撥インク膜が入り込むため、その撥インク膜に対してプラズマ処理による除去を実施し、ノズル内壁の親水化を行っている。しかしながら、撥インク膜の入り込み量やプラズマ処理のバラツキにより、ノズル内の親水性がバラツキ、吐出性能が不安定になるおそれがあった。また、ノズル内壁はインク吐出時のインクメニスカス挙動の安定化のため、親水化状態が一定であることが望ましいが、プライマー処理によりプライマー液がノズル内に入り込み、ノズル内壁表面が疎水化されるおそれもあった。
本発明は上記課題に対応したもので、ノズル基板の製造中に、ノズル孔内に撥インク膜やプライマー液が入り込むのを抑制して、ノズル孔内壁をより適切に親水化し吐出性能の安定を図ることを目的になされたものである。

本発明に係るノズル基板の製造方法は、
シリコン基板をドライエッチングしてノズル孔となる部分を形成する工程と、
前記ノズル孔となる部分が形成されたシリコン基板の表面に酸化膜を形成する工程と、
前記ノズル孔となる部分に溶解性樹脂を充填する工程と、
支持基板を前記シリコン基板の前記ノズル孔部を加工した面に貼り合せる工程と、
支持基板を貼り合せた面と反対側の面から前記シリコン基板を研削及び研磨して薄板化し、前記ノズル孔を貫通させる工程と、
前記シリコン基板の研削及び研磨した面に撥インク膜を成膜する工程と、
前記支持基板を剥離し、前記シリコン基板の撥インク膜成膜面をプライマー処理する工程と、
前記溶解性樹脂を前記ノズル孔から除去する工程と、を備えたものである。
本発明の方法によれば、ノズル孔部分に充填された溶解性樹脂が、ノズル内に撥インク膜やプライマー液が入り込むのを抑制するため、ノズル孔内壁がより適切に親水化されて吐出性能が安定する。

なお、前記ノズル孔となる部分に溶解性樹脂を充填する工程では、前記シリコン基板を回転させながら前記溶解性樹脂の溶剤を滴下し、前記シリコン基板の前記ノズル孔内のみに前記溶解性樹脂を残し、前記シリコン基板の表面の前記溶解性樹脂を除去することが好ましい。
このようにすることで、シリコン基板の表面の溶解性樹脂膜厚のバラツキに起因するノズル基板の厚みのバラツキが防止でき、形状精度の良いノズル基板が得られる。

本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、
ガラス基板に固定電極を形成し電極基板とする工程と、
前記ガラス基板にキャビティ基板となるシリコン基板を陽極接合する工程と、
前記シリコン基板にエッチングを施し、前記ガラス基板の固定電極に対向する部分を変形可能な底壁とする液滴吐出室を形成してキャビティ基板とする工程と、
前記キャビティ基板に請求項１または２のいずれかの方法により製造したノズル基板を接着する工程と、を備えたものである。
本発明の方法によれば、ノズル基板のノズル孔内壁がより適切に親水化されて、ノズル孔からの吐出性能が安定する。

本発明の実施形態に係るノズル基板を備えた液滴吐出ヘッドの縦断面図。 図１の液滴吐出ヘッドのノズル基板を液滴吐出面側から見た図。 本発明の実施形態に係るノズル基板の製造方法を示す工程図。 図３に続く工程図。 図４に続く工程図。 図５に続く工程図。 本発明の実施形態に係る液滴吐出ヘッドの製造方法を示すフローチャート。

図１は、本発明の実施形態に係るノズル基板を備えた液滴吐出ヘッドを示した縦断面図である。なお図１では、駆動回路４の部分を模式的に示している。実施形態１に係る液滴吐出ヘッドは、ノズル基板１、キャビティ基板２、電極基板３が順に積層されて構成されている。

ノズル基板１は、シリコン基板からなり、狭い孔径の第１ノズル孔部分１０ａとそれより広い孔径の第２ノズル孔部分１０ｂとが連通したノズル穴１０が形成されている。第１ノズル孔部分１０ａは、液滴吐出面１ａの側に形成されており、第２ノズル孔部分１０ｂは、キャビティ基板２との接合面１ｂの側に形成されている。
ノズル基板１は、液滴吐出面１ａに液滴保護膜１１を有する。また、液滴吐出面１ａには撥水膜（又は撥インク膜）１２も形成されている。
なお、ノズル基板１の接合面１ｂ側及びノズル孔１０の内壁にも、液滴保護膜（後述する図６の符号１０２）が形成されている。

キャビティ基板２は、例えば単結晶シリコンからなり、底壁が変形可能な振動板２３に形成された吐出室（圧力室ともいう）２０が複数形成されている。吐出室２０はノズル基板１のノズル孔１０に連通している。なお、吐出室２０は、図１の紙面奥側又は紙面手前側に並んで形成されているものとする。また、キャビティ基板２には、各吐出室２０にインク等の液滴を供給するためのリザーバ２２が形成されており、このリザーバ２２と各吐出室２０の間には細溝状のオリフィス２１が形成されている。さらに、キャビティ基板２の電極基板３との対向面には、例えば熱酸化によって酸化シリコンからなる絶縁膜２４が形成されている。この絶縁膜２４は、液滴吐出ヘッドの駆動時の絶縁破壊やショートを防止するために設けられる。

電極基板３は、キャビティ基板２の振動板２３と対向する位置に配置されたガラスから成る基板である。電極基板３には、複数の溝が形成され、各溝内に各振動板２３と対向するそれぞれ独立した複数の固定電極（個別電極ともいう）３１が形成されて、そのリード部３１ａが端部の開口部まで引き出されている。振動板２３と固定電極３１との間にはギャップ３０が形成されており、そのギャップ３０は封止材３３で封止されている。このギャップ３０を介した振動板２３と固定電極３１とにより、振動板２３が静電力により変形する静電アクチュエータが構成される。
電極基板３にはまた、リザーバ２２と連通するインク供給孔３２が形成されている。このインク供給孔３２は、リザーバ２２の底壁に設けられた孔２５と繋がっており、リザーバ２２にインク等の液滴を外部から供給するために設けられている。

ここで図１に示す液滴吐出ヘッドの動作について説明する。なお、キャビティ基板２と各固定電極３１の間には駆動回路４が接続されている。駆動回路４によりキャビティ基板２と固定電極３１の間にパルス電圧が印加されると、振動板２３が静電力によって固定電極３１の側に撓み、リザーバ２２の内部に溜まっていたインク等の液滴が吐出室２０に流れ込む。そして、キャビティ基板２と固定電極３１の間に印加された電圧がなくなると、振動板２３が元の位置に戻るため吐出室２０の内部圧力が高くなり、その圧力によってノズル孔１０からインク等の液滴が吐出される。

図２は、ノズル基板１を液滴吐出面側１ａから見た上面図である。図２に示すように、ノズル基板１の表面には複数のノズル孔１０が直線状に列を形成して配置されている。なお、符号１３は、ノズル基板１をキャビティ基板２に接合する際に利用するピンアライメント穴である。

図３〜図６は、本発明の実施形態に係るノズル基板１の製造工程の一例を示した工程図である。これに基づいて、ノズル基板１の製造方法を説明する。
（Ａ）まず、厚み２８０μｍのシリコン基板１（ノズル基板１となるものなので同じ符号１で表す）を用意し、熱酸化装置にセットし、例えば、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を行い、シリコン基板１の表面に膜厚１μｍのＳｉＯ₂ 膜１０２を均一に成膜する。
（Ｂ）シリコン基板１の接合面１ｂにレジスト１２１をコーティングし、第２ノズル孔１０ｂとなる部分をパターニングする。
（Ｃ）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１０２を薄くする。このとき、裏面のＳｉＯ₂ 膜１０２もエッチングされ、その厚みが薄くなる。
（Ｄ）レジスト１２１を硫酸洗浄などにより剥離する。
（Ｅ）シリコン基板１の接合面１ｂに再度レジスト１２１をコーティングし、接合面１ｂに第１ノズル孔１０ａとなる部分をパターニングする。
（Ｆ）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、第１ノズル孔１０ａとなる部分のＳｉＯ₂ 膜１０２を除去する。このとき、裏面のＳｉＯ₂ 膜１０２もエッチングされ完全に除去される。
（Ｇ）レジスト１２１を硫酸洗浄などにより剥離する。

（Ｈ）ＩＣＰドライエッチング装置によりＳｉＯ₂ 膜１０２の開口部を、例えば、深さ２５μmで垂直に異方性ドライエッチングし、第１ノズル孔１０ａ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と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はシリコン基板１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、第２ノズル孔１０ｂとなる部分のＳｉＯ₂ 膜１０２のみが無くなるように、緩衝フッ酸水溶液でハーフエッチングする。
（Ｊ）ＩＣＰドライエッチング装置によりＳｉＯ₂ 膜１０２の開口部を、例えば、深さ４０μmで垂直に異方性ドライエッチングし、第２ノズル孔１０ｂを形成する。

（Ｋ）シリコン基板１の表面に残るＳｉＯ₂ 膜１０２をフッ酸水溶液で除去する。その後、シリコン基板１を熱酸化装置にセットし、例えば、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、ＩＣＰドライエッチング装置で加工した第１ノズル孔１０ａ及び第２ノズル孔１０ｂの側面、底面に膜厚０．１μｍのＳｉＯ₂ 膜１０２を再度均一に成膜する。
その後さらに、溶剤等で溶解可能な溶解性樹脂２０１をノズル孔１０（１０ａ，１０ｂ）開口面側からコートして、ノズル孔１０（１０ａ，１０ｂ）内に溶解性樹脂２０１を充填する。なお、基板１にコートした溶解性樹脂２０１に膜厚バラツキがあると、基板薄板化後のノズル基板１の厚みのバラツキとなる。それを回避するため、シリコン基板１をスピンナーで回転させながら、溶解性樹脂２０１専用の溶剤を滴下し、ノズル孔１０内の溶解性樹脂２０１を残し、基板１の表面の溶解性樹脂を除去するのがよい。
溶解性樹脂２０１は、例えば、シリコン基板やガラス基板を研磨する際に治具固定用に使用するペースト等とすることができる。溶解性樹脂２０１の一例としては、日化精工社製の商品名「スカイリキッド」を挙げることができ、溶剤の一例としては、日化精工社製の商品名「キララクリーン」を挙げることができる。
（Ｌ）次にガラス等の第１の支持基板１０３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１３１を持った両面テープ１３０を貼り合わせる。第１の支持基板１０３に貼り合わせた両面テープ１３０の自己剥離層１３１の面と、シリコン基板１の接合面１ｂを向かい合わせ、真空中で貼り合せることによって接着界面に気泡が残らないきれいな接着が可能になる。もし接着界面に気泡が残ると研磨加工で薄板化されるシリコン基板の板厚がばらつく原因となる。両面テープとしては、例えば、住友化学工業社製の商品名「ＳＥＬＦＡ−ＢＧ」を挙げることができる。
（Ｍ）シリコン基板１の吐出面１ａ側からバックグラインダーで研削加工を行い、所望の板厚、例えば７１μｍまでシリコン基板１を薄くし、第１ノズル孔１０ａの先端を開口させる。さらに、ポリッシャー、ＣＭＰ（ケミカルメカニカルポリッシング）装置によって、シリコン基板１の研削面を研磨し、所定の板厚、例えば６５μｍにする。

（Ｎ）シリコン基板１の吐出面１ａに、液滴保護膜１１として作用し、かつ、後述する撥インク膜の下地となる酸化物系金属膜、例えば、ＳｉＯ₂ 膜をスパッタ装置で０．１μｍの厚みで成膜する。ここで、酸化物系金属膜の成膜は、自己剥離層１３１が劣化しない温度（１００℃程度）以下で実施できれば良く、スパッタリング法に限るものではない。酸化物系金属膜としては、酸化ハフニウム膜、酸化タンタル、酸化チタン、酸化インジウム錫、酸化ジルコニウムも使用できる。自己剥離層に影響しない温度で成膜することができ、シリコン基板１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等の手法でも良い。
（Ｏ）続いて、シリコン基板１の吐出面１ａの表面に撥インク処理を施す。ここでは、フッ素（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、撥インク膜１２を形成する。
（Ｐ）その後、支持基板１０３側からＵＶ光を照射し、シリコン基板１から、両面テープ１３０及び支持基板１０３を剥離する。
（Ｑ）次に、Ａｒプラズマ若しくはＯ₂ プラズマ処理によって、シリコン基板１の接合面１ｂやノズル孔１０の周囲に余分に形成された撥インク膜１２を除去する。
（Ｒ）さらに、接着強度を上げるため、シリコン基板１を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、東レダウ社製）を用いる。その後、シリコン基板１を溶解性樹脂２０１専用の溶剤に浸し、超音波を印加しながらノズル孔１０内部の溶解性樹脂２０１を溶解除去して、ノズル基板１を完成させる。

以上の方法によれば、ノズル孔１０部分に充填された溶解性樹脂２０１が、ノズル内に撥インク膜やプライマー液が入り込むのを防止するため、ノズル孔１０内壁がより適切に親水化されて、このノズル基板１を使用した吐出ヘッドの吐出性能が安定する。

次に、ノズル基板１を利用した液滴吐出ヘッドの製造方法の一例を図７のフローチャートを基に簡単に説明しておく。
まず、ガラス基板に溝を形成し（Ｓ１）、その溝内に導体であるＩＴＯを成膜して固定電極（個別電極）３１及びリード部３１ａを形成して（Ｓ２）、電極基板３を製造する。
続いて、キャビティ基板２となるシリコン基板を電極基板３に陽極接合する（Ｓ３）。このとき、シリコン基板と固定電極３１との間には、後に形成される振動板２３が変形する空間となるギャップ３０を介在させる。
続いて、電極基板３に接合されたシリコン基板にウェットエッチング等を施し、振動板２３を底面とした吐出室２０、オリフィス２１及びリザーバ２２等の流路を形成してキャビティ基板２とする（Ｓ４）。
その後、固定電極３１と振動板２３との間のギャップ３０を封止材３３で封止する（Ｓ５）。
最後に、先に製造しておいたノズル基板１を、キャビティ基板２の流路形成面側に接着剤で接合して、液滴吐出ヘッドが完成する（Ｓ６）。

上記の方法で製造した液滴吐出ヘッドは、インクジェットヘッドとしてプリンタに使用できる他に、有機エレクトロルミネッセンス表示装置の製造装置や、液晶表示装置のカラーフィルタの製造装置、ＤＮＡデバイスの製造装置等にも適用できる。

１ ノズル基板（シリコン基板）、１ａ ノズル基板の液滴吐出面、１ｂ ノズル基板の接合面、２ キャビティ基板、３ 電極基板、４ 駆動回路、１０ ノズル孔、１０ａ 第１ノズル孔、１０ｂ 第２ノズル孔、１１ 液滴保護膜、１２ 撥水膜（又は撥インク膜）、２０ 吐出室（圧力室）、２１ オリフィス、２２ リザーバ、２３ 振動板、２４ 絶縁膜、２５ キャビティ基板の液滴供給孔、２６ 共通電極、３０ ギャップ、３１ 固定電極（個別電極）、３１ａ リード部、３２ 電極基板の液滴供給孔、３３ 封止材、１０２ 液滴保護膜（ＳｉＯ₂ 膜）、２０１ 溶解性樹脂。

Claims (3)

1. シリコン基板をドライエッチングしてノズル孔となる部分を形成する工程と、
   前記ノズル孔となる部分が形成されたシリコン基板の表面に酸化膜を形成する工程と、
   前記ノズル孔となる部分に溶解性樹脂を充填する工程と、
   支持基板を前記シリコン基板の前記ノズル孔部を加工した面に貼り合せる工程と、
   支持基板を貼り合せた面と反対側の面から前記シリコン基板を研削及び研磨して薄板化し、前記ノズル孔を貫通させる工程と、
   前記シリコン基板の研削及び研磨した面に撥インク膜を成膜する工程と、
   前記支持基板を剥離し、前記シリコン基板の撥インク膜成膜面をプライマー処理する工程と、
   前記溶解性樹脂を前記ノズル孔から除去する工程と、
   を備えたことを特徴とするノズル基板の製造方法。
2. 前記ノズル孔となる部分に溶解性樹脂を充填する工程では、
   前記シリコン基板を回転させながら前記溶解性樹脂の溶剤を滴下し、前記シリコン基板の前記ノズル孔内のみに前記溶解性樹脂を残し、前記シリコン基板の表面の前記溶解性樹脂を除去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。
3. ガラス基板に固定電極を形成し電極基板とする工程と、
   前記ガラス基板にキャビティ基板となるシリコン基板を陽極接合する工程と、
   前記シリコン基板にエッチングを施し、前記ガラス基板の固定電極に対向する部分を変形可能な底壁とする液滴吐出室を形成してキャビティ基板とする工程と、
   前記キャビティ基板に請求項１または２のいずれかの方法により製造したノズル基板を接着する工程と、
   を備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。

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