JP2010240939A - ノズル基板、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置、並びにノズル基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造中にシリコン基板が割れたり欠けたりすることを低減する。
【解決手段】シリコン基板１の片側面をエッチングして、ノズル孔１０、位置決め用のピンアライメント穴１３ａ及びトラック穴１３ｂ、外周部１４となる部分を形成する工程と、シリコン基板１に酸化膜１１ａを形成する工程と、ピンアライメント穴１３ａ、トラック穴１３ｂ及び外周部１４の部分の酸化膜１１ａを除去する工程と、エッチングによる加工面と反対側の面からシリコン基板１を研磨及び研削して、ノズル孔１０、ピンアライメント穴１３ａ、トラック穴１３ｂ及び外周部１４を開口する工程とを備える。その際の研磨は、シリコン研磨用スラリーと酸化膜研磨用スラリーを混合した混合スラリーを用いて、ＣＭＰ加工により行う。
【選択図】図３

Description

本発明はインクジェットプリンタなどの液滴吐出ヘッドや液滴吐出装置に係り、特にノズル孔が形成されるノズル基板に関する。

液滴吐出ヘッドの一種であるインクジェットヘッド用ノズル基板の製造においては、シリコン基板にノズル孔を形成した後、そのシリコン基板を支持基板にテープで貼り合わせてから、ノズル孔形成面と反対側面から基板をＣＭＰ等により研削して薄くし、ノズル孔を貫通させる方法が利用されている（例えば、特許文献１参照）。なお、「ＣＭＰ」とは、Chemichal Mechanichal Polishingの略称で、化学的機械的研磨のことである。

特開２００６−１５９６６１号公報

しかしながら、研削により薄くしてノズル孔を貫通させる場合に、ノズル基板となるシリコン基板の外周溝、位置決め用のアラインメント穴及びトラック穴などの開口面積が大きい場所については、製造時にチッピングが発生し易くなる。もしシリコン基板にチッピングが発生した場合には、そこを起点にクラックが発生するなどして、製品の歩留まりを低下させる要因となる。
本発明は、上記課題に対応したものであり、ノズル基板及びそれを用いた液滴吐出ヘッドの製造時に、ノズル基板が割れたり欠けたりすることを低減できるノズル基板およびその製造方法を提案するものである。また併せて、そのノズル基板を備えた液滴吐出ヘッドや液滴吐出装置を提案するものである。

本発明に係るノズル基板は、
液滴吐出面側に開口した直線形状の第１ノズル孔と、前記液滴吐出面側と反対側に開口した前記第１ノズル孔より断面積が大きい第２ノズル孔とが連続したノズル孔と、
前記液滴吐出面側の開口端が面取された形状の位置決め用のピンアライメント穴及びトラック穴と、
前記液滴吐出面側が面取りされた形状の外周部と、を有する。
このノズル基板によれば、ノズル孔などに比して開口面積が大きいピンアライメント穴及びトラック穴の液滴吐出面側開口端が面取りされ、かつノズル基板の外周部が面取りされた形状になっているため、ノズル基板の加工時やノズル基板を液滴吐出ヘッドに組み付ける際に、それらの開口端でのチッピングが低減して、歩留まりが向上する。

本発明に係る液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置は、液滴吐出部に上記のノズル基板を備えたものである。これにより液滴吐出ヘッドや液滴吐出装置の製造歩留まりが向上する。

本発明に係るノズル基板の製造方法は、
シリコン基板の片側面をエッチングして、ノズル孔、位置決め用のピンアライメント穴及びトラック穴となる部分、シリコン基板の外周部を形成する工程と、
前記シリコン基板に酸化膜を形成する工程と、
前記ピンアライメント穴、前記トラック穴及び前記外周部の部分に形成された前記酸化膜を除去する工程と、
前記エッチングによる加工面とは反対側の面から前記シリコン基板を研磨及び研削して、前記ノズル孔、前記ピンアライメント穴、前記トラック穴及び前記外周部を開口する工程とを備えたものである。
この方法によれば、ピンアライメント穴、トラック穴及び外周部の部分では酸化膜が除去され、一方ノズル孔の部分では酸化膜が除去されていないため、シリコン研磨用の研磨剤を使用して研磨を行うと、酸化膜が除去されていないノズル孔開口端の直線性を維持したまま、液滴吐出面側のピンアライメント穴、トラック穴の開口端、外周部の端部を曲面状に形成することができる。

なお、研磨をＣＭＰ加工により行うことが好ましい。ＣＭＰ加工は化学的機械的研磨のため、加工時、ノズル孔の損傷をより少なくすることができるからである。
また、ＣＭＰ加工においては、シリコン研磨用スラリーと酸化膜研磨用スラリーを混合した混合スラリーを用いることが好ましい。このように、シリコン研磨用スラリーと酸化膜研磨用スラリーとの混合比を調整することで、アライメント穴及びトラック穴の開口端の曲面形状、ノズル基板の外周部の曲面形状を所望の形状に調整することができる。

本発明の実施形態１に係る液滴吐出ヘッドを示した縦断面図。 実施形態１の液滴吐出ヘッドで用いるノズル基板を液滴吐出面側から見た上面図。 図２のノズル基板のＡ−Ａ部分の断面形状図。 実施形態２に係るノズル基板の製造方法を示す工程図。 図４に続く工程図。 図５に続く工程図。 本発明の実施形態３に係る液滴吐出装置の例示図。

実施形態１（ノズル基板、液滴吐出ヘッド）
図１は、本発明の実施形態１に係る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、例えば狭い孔径の第１ノズル孔１０ａとそれより広い孔径の第２ノズル孔１０ｂからなるノズル穴１０が形成されている。第１ノズル孔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との接着面１ｂの側に形成されている。

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のある側に配置されたガラス等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により、静電力により振動板２３が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１３ａは、ノズル基板１をキャビティ基板２に接合する際のピンアライメント穴、符号１３ｂは、ピンアライメント穴１３ａと共にノズル基板１をキャビティ基板２に接合する際の位置調整用のトラック穴である。

図３は、図２のノズル基板１のＡ−Ａ部分の断面形状図である。図３に示すように、ノズル基板１のノズル穴１０は、その第１ノズル孔１０ａが液滴吐出面１ａ側の終端まで直線形状に形成されている。一方、ピンアライメント穴１３ａやトラック穴（図３にはない）は、液滴吐出面１ａ側の開口端が面取された形状に形成され、さらにノズル基板１の液滴吐出面１ａ側の外周部も、液滴吐出面１ａ側の端部が面取りされた形状となっている。
このため、ノズル基板１の製造時や液滴吐出ヘッドの組み立て時に、チッピングが生じにくく歩留まりが向上する。また、ピンアライメント穴１３ａやトラック穴１３ｂの液滴吐出面１ａ側の端部が面取りされた形状のため、ノズル基板１をキャビティ基板２に接合する際のアラインメント作業も容易である。

実施形態２（ノズル基板及び液滴吐出ヘッドの製造方法）
図４〜図６は、実施形態１で説明したノズル基板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、例えば厚さが６２５μｍの単結晶シリコン基板（以下、ノズル基板１と称する）を準備し、このノズル基板１の両面に熱酸化膜（ＳｉＯ２）１５を厚さ０．５μｍ程度形成する。そして、接着面１ｂ側の第２ノズル孔１０ｂとなる部分、ピンアライメント穴１３ａ及びトラック穴１３ｂとなる部分、外周部１４となる部分の熱酸化膜１５を除去するパターニングを施す。
（Ｂ）ノズル基板１の接着面１ｂ側に厚さ１．０μｍのレジスト膜１６を形成し、第１ノズル孔１０ａとなる部分、ピンアライメント穴１３ａ及びトラック穴１３ｂとなる部分、外周部１４となる部分のレジスト膜１６を除去するパターニングを施す。
（Ｃ）異方性ドライエッチングで、第１ノズル孔１０ａとなる部分、ピンアライメント穴１３ａ及びトラック穴１３ｂとなる部分、外周部１４となる部分を所定の深さ（例えば４０μｍ）までエッチングする。
（Ｄ）レジスト膜１６を除去し、異方性ドライエッチングで第２ノズル孔１０ｂを所定の深さ（例えば４０μｍ）までエッチングする。この際、第１ノズル孔１０ａとなる部分、ピンアライメント穴１３ａ及びトラック穴１３ｂとなる部分、外周部１４となる部分も対応して所定量エッチングされる。
（Ｅ）酸化膜１５を剥離し、厚さ０．３μｍの液滴保護膜１１ａを熱酸化で形成する。
（Ｆ）ピンアライメント穴１３ａ及びトラック穴１３ｂとなる部分、外周部１４となる部分が開口したシリコンマスク１９を、ノズル基板１の異方性ドライエッチングが行われた面に重ねて、ピンアライメント穴１３ａ及びトラック穴１３ｂとなる部分、外周部１４となる部分の液滴保護膜（酸化膜）１１ａをドライエッチングにより除去する。
（Ｇ）接着面１ｂにサポート基板１７を貼り付けた後、液滴吐出面１ａ側を所定の板厚になるまで、研削及び研磨して薄くし、ノズル孔１０、ピンアライメント穴１３ａ、トラック穴１３ｂ及び外周部１４を貫通させる。
なお、ここでの研磨にはＣMP加工を利用するのが好ましい。そのＣＭＰ加工において、シリコン研磨用スラリーに酸化膜用スラリーを適切に混合した混合スラリーを用いることで、酸化膜が形成されていないアライメント穴及びトラック穴と、チップ外周部（外縁部に同じ）を滑らかな面取り形状（曲面形状）にしつつ、ノズル孔１０の開口端は直線性を維持させることができる。
（Ｈ）液滴吐出面１ａ側からプラズマＣＶＤにより酸化膜を０．２μｍ形成する。これにより、液滴吐出面１ａ、ノズル孔１０の内面、ピンアライメント穴１３ａの内面、トラック穴１３ｂの内面、及び外周部１４に液滴保護膜１１となる厚さ０．２の酸化膜が形成される。
（Ｉ）シランカップリング材をディップコートし、液滴吐出面１ａに撥水膜１２を形成する。この際、ノズル孔１０の内壁にも撥水膜１２が形成される。
（Ｊ）液滴吐出面１ａにサポートテープ１８を貼り付けてから、接着面１ｂのサポート基板１７を剥離し、接着面１ｂから酸素若しくはアルゴンのプラズマ処理をすることで、ノズル孔１０の内面の撥水膜１２を親水化する。
（Ｋ）最後にサポートテープ１８を剥離して、ノズル基板１が完成する。
以上により、液滴吐出面側１ａの開口端が直線性を維持したノズル孔１０と、液滴吐出面側１ａの開口端や外縁部を曲面形状にしたアライメント穴１３ａ、トラック穴１３ｂ及び外周部１４を同時に形成することができる。

ここで、上記（Ｇ）工程の研磨加工について補足をしておく。
貫通孔に酸化膜が形成されているノズル孔１０を、シリコン研磨用スラリーのみで研磨した場合、貫通孔内壁の酸化膜が研磨除去されにくいため、貫通孔の垂直性が維持される。但し、酸化膜用のスラリーを全く混入しない場合は、残った酸化膜がシリコンの研磨を阻害するため、ノズル孔１０の先端部に対してその周囲が凹んだ形状となりやすい。
これに対して、貫通孔に酸化膜が形成されていないアライメント穴１３ａやトラック穴１３ｂでは、貫通孔内壁に酸化膜がない為、シリコンの研磨は阻害されず、垂直方向だけではなく、水平方向にも研磨が行われ、その結果、表面が滑らかな面取り形状となる。
以上を考慮して、シリコン研磨用スラリーと酸化膜用スラリーの混合比を適宜選択することにより、ノズル基板１の貫通孔の先端形状を所望の形状に制御することが可能となる。一般的に言えば、シリコン研磨用スラリーの混合比をＵＰさせると、アライメント穴、トラック穴、外周部の面取り部分が大きくなる。
なお、ＣＭＰ加工の際に、研磨パッドの柔軟性をＵＰし、かつ研磨時の荷重をＵＰさせることにより、アライメント穴、トラック穴、外周部の面取り部分を大きくできることがわかっている。

次に、液滴吐出ヘッドの製造方法の一例を簡単に説明しておく。
まず、ガラス基板に溝を形成し、その溝内に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、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、固定電極３１に陽極接合する。この際、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。そして、そのシリコン基板にウェットエッチング等を施して、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。
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。
最後に、実施の形態１で説明したノズル基板１を、電極基板３と一体となっているキャビティ基板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。

実施形態３（液滴吐出装置）
図７は、本発明の実施形態３に係る液滴吐出装置の例を示すインクジェット記録装置１００である。このインクジェット記録装置１００は、実施形態１で説明したノズル基板１を有した液滴吐出ヘッドを備えたものであり、ピンアライメント穴やトラック穴等の液滴吐出面側の開口端や基板外周部が面取りされた形状となっているため、チッピングが生じにくく、装置の歩留まりや耐久性が向上している。
なお、本発明に係る液滴吐出装置は、上記のインクジェットプリンタの他に、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、１ａ ノズル基板の液滴吐出面、１ｂ ノズル基板の接着面、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、１１，１１ａ 液滴保護膜、１２ 撥水膜、１３ａ ピンアライメント穴、１３ｂ トラック穴、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。

Claims (6)

1. 液滴吐出面側に開口した直線形状の第１ノズル孔と、前記液滴吐出面側と反対側に開口した前記第１ノズル孔より断面積が大きい第２ノズル孔とが連続したノズル孔と、
   前記液滴吐出面側の開口端が面取された形状の位置決め用のピンアライメント穴及びトラック穴と、
   前記液滴吐出面側が面取りされた形状の外周部と、
   を有することを特徴とするノズル基板。
2. 請求項１記載のノズル基板を液滴吐出部に備えた液滴吐出ヘッド。
3. 請求項２記載の液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置。
4. 請求項１記載のノズル基板の製造方法であって、
   シリコン基板の片側面をエッチングして、ノズル孔、位置決め用のピンアライメント穴及びトラック穴となる部分、シリコン基板の外周部を形成する工程と、
   前記シリコン基板に酸化膜を形成する工程と、
   前記ピンアライメント穴、前記トラック穴及び前記外周部の部分に形成された前記酸化膜を除去する工程と、
   前記エッチングによる加工面とは反対側の面から前記シリコン基板を研磨及び研削して、前記ノズル孔、前記ピンアライメント穴、前記トラック穴及び前記外周部を開口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。
5. 前記研磨をＣＭＰ加工により行うことを特徴とする請求項４記載のノズル基板の製造方法。
6. 前記ＣＭＰ加工において、シリコン研磨用スラリーと酸化膜研磨用スラリーを混合した混合スラリーを用いることを特徴とする請求項５記載のノズル基板の製造方法。

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