JP3633431B2 - インクジェットヘッドの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、記録を必要とする時にのみインク液滴を吐出し、記録紙面に付着させるインクジェットヘッド記録装置の主要部であるインクジェットヘッドの製造方法の関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェット記録装置は、記録時の騒音が極めて小さいこと、高速印字が可能であること、インクの自由が高く安価な普通紙を使用できることなど多くの利点を有する。この中でも記録が必要な時にのみインク液滴を吐出する、いわゆるインク・オン・デマンド方式が、記録に不要なインク液滴の回収を必要としないため、現在主流となってきている。
【０００３】
このインク・オン・デマンド方式の記録にインクジェットヘッド記録装置には、インクを吐出させる方法として、駆動手段に静電気力を利用したインクジェットヘッド記録装置（特開平６−７１８８２号公報）があり、この方式は小型高密度・高印字品質及び長寿命とあるという利点を有している。
一方、インクジェットヘッドが高密度化されると、吐出室を隔てる隔壁の厚さが薄くなり、隔壁の剛性が低下してしまう。そのため、インク吐出時に振動板の変形によって吐出室内に発生する圧力で隔壁が変形し、この変形量は、隣接する非駆動吐出室内のインクをノズルから押し出すのに充分な量である。この隔壁の変形を防ぐためには、隔壁の高さを低くし、隔壁の剛性を向上させる必要が生じ、隔壁の高さを低くするため薄いＳｉ基板を用いるようになった。
【０００４】
しかし、そのような薄いＳｉ基板は高価であるだけでなく、取扱いが困難で生産性が低いため、特開平９−９４４４５号公報にあるように安価で取扱いの容易な厚いＳｉ基板をガラス基板に接合し、その状態でＳｉ基板部をエッチングし、Ｓｉ基板部を所望の厚さにする方法が取られるようになった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、湿式エッチング、特に水酸化カリウム水溶液でエッチングしたときに発生する表面荒れについては考慮されておらず、表面荒れによる吐出室パターニング精度の悪化を招いていた。また、表面荒れが大きいと、それによりパターニング時のレジストの厚みに局所的なばらつきが生じ、レジストの厚いところが十分に露光されず、エッチングマスクとなる酸化膜がその部分に残り、それが吐出室形成部に発生すると吐出室が形成されないと言う課題があった。また、一般にエッチング液である水酸化カリウム水溶液濃度が高い場合、エッチング面には１０数ミクロンの微小な突起（以降マイクロピラミッドと記す）が発生し、マイクロピラミッドは、パターニング不良及び第１の基板と第３の基板との接着工程における接着不良の原因となると言う課題があった。
【０００６】
本発明は、上記のような課題を解決するもので、その目的とするところは、全面エッチング面の表面粗さを抑えることによりパターニング不良を無くし、生産性の高いインクジェットヘッドの製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のインクジェットヘッドの製造方法は、振動板が形成されてなる第１の基板と、電極が形成されてなる第２の基板とを有するインクジェットヘッドの製造方法において、第１の基板と第２の基板を接合する工程と、第１の基板を第１の水酸化カリウム酸水溶液により湿式エッチングする工程と、前記第１の基板を前記第１の水酸化カリウム酸水溶液の濃度とは異なる第２の水酸化カリウム酸水溶液によりエッチングする工程と、を有することを特徴とする。
また、本発明のインクジェットの製造方法は、前記第１の水酸化カリウム酸水溶液の濃度が前記第２の水酸化カリウム酸水溶液の濃度より高いことを特徴する。特に、前記第１の水酸化カリウム酸水溶液の濃度が３７ｗｔ％以上であり、前記第２の水酸化カリウム酸水溶液の濃度が３２ｗｔ％未満であることを特徴とする。このような製法方法とすることにより、エッチング面の表面粗さを良好なパターニング可能なレベルに抑え、エッチング面に発生するマイクロピラミッドを減少させることができる。
また、第１の基板の表面を硫酸・過酸化水素混合液、アンモニア・過酸化水素混合あるいは硝酸等で洗浄し、第１の基板の表面を親水性にすることによって、さらにエッチング面のマイクロピラミッドの発生を抑えることができる。なお、第１の基板の表面に紫外線照射することによっても、Ｓｉ基板表面を酸化することが可能であり、同様なＳｉ基板表面の親水化の効果が得られる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例に関わるインクジェットヘッドの分解斜視図で、一部断面図で示してある。本実施例はインク液滴をインクジェットヘッドの上部平面部に設けたノズル孔から吐出させるフェイスインクジェットヘッドの例を示すものである。図２は組み立てられた全体装置の側面の断面図である。本実施例のインクジェットヘッドは、下記に詳記する構造を持つ３枚の基板１・２・３を重ねて接合した積層構造となっている。
【０００９】
中間の第１の基板１は、Ｓｉ基板であり、底壁を振動板５とする吐出室６を構成することになる凹部７と、凹部７の後部に設けられたオリフィス８を構成することになるインク流入口のための細溝９と、各々の吐出室６にインクを供給するための共通のインクキャビティ１０を構成することになる凹部１１を有する。そして、第３の基板３は、Ｓｉ基板であり、吐出室６のインク流入口のための細溝９に対向する側にノズル孔１２と、インクキャビティ１０にインクを供給するためのインク供給口１３を有する。第１の基板１の第２の基板と対向する面には、熱酸化により酸化膜を０．１ミクロン形成し絶縁膜としている。これは、インクジェット駆動時の絶縁破壊、ショートを防止するためである。
【００１０】
第１の基板１の下面に接合される第２の基板２は、ホウケイ酸ガラスを使用し、この第一の基板１に電極１５を装着するための凹部１４を０．３ミクロンエッチングすることにより、振動板５とこれに対向して配置させる電極１５との対向間隔、すなわちギャップＧを形成している。この凹部１４はその内部に電極１５、リード部１６及び端子１７を装着できるように電極部形状に類似したやや大きめの形状にパターン形成している。電極１５は凹部１４内にＩＴＯを０．１ミクロンスパッタし、ＩＴＯパターンを形成することで作製する。したがって、本実施例における第１の基板１と第２の基板２を陽極接合した後のギャップＧは、０．２ミクロンとなっている。
上記のように構成されたインクジェットヘッドの動作を説明する。電極１５に発信回路２３により０Ｖから３５Ｖのパルス電極を印加し、電極１５の表面がプラスに帯電すると、対応する振動板５の下面はマイナス電位に帯電する。したがって、振動板５は静電気の吸引作用により下方へたわむ。次に、電極１５をＯＦＦにすると、振動板５は復元する。そのため、吐出室６内の圧力が急激に上昇し、ノズル孔１２よりインク液滴２１を記録紙２２に向けて吐出する。
【００１１】
次に、振動板５が再び下方へたわむことにより、インクがインクキャビティ１０よりオリフィス８を通じて吐出室６内に補給される。なお、基板１と発信回路２３との接続は、ドライエッチングにより基板１の１部に開けた酸化膜の窓（図示せず）において行う。また、インクジェットヘッドへのインクの供給は、インクキャビティ１０の上部のインク供給口１３により行う。
【００１２】
本実施例のインクジェットヘッドにおける振動板は、高濃度にＰ型不純物を拡散したＳｉ薄膜である。このＳｉ薄膜は、アルカリ水溶液によるＳｉエッチングにおけるエッチングレートが、ドーパントがボロンの場合、高濃度（約５×１０^１９ｃｍ^−３以上）の領域において、エッチングレートが非常に小さくなることを利用して作製される。すなわち、振動板形成領域を高濃度ボロンドープ層とし、アルカリ異方性エッチングにより、吐出室、インクキャビティを形成する際に、ボロンドープ層が露出した時点でエッチングレートが極端に小さくなる、いわゆるエッチストップ技術によって、振動板は所望の板厚に作製される。
【００１３】
本実施例におけるインクジェットヘッドの製造方法を、図３の拡散工程図、図４の第１の基板の全面エッチング工程図及び図５の振動板エッチング工程図において、厚さ１ミクロンの振動板を形成する場合について詳細に説明する。
【００１４】
先ず、（１１０）を面方位とするＳｉ基板３１の片面を鏡面研磨し、４００ミクロンの厚みの基板を作製する（図３（ａ））。次に、Ｓｉ基板３１にボロン拡散板を対向させ、摂氏１１００度の温度で２時間加熱処理し、Ｓｉ基板３１の表面にボロンを拡散し、ボロンドープ層３２を形成する（図３（ｂ））。他の高濃度のドープ層を形成する手段として、Ｓｉ基板表面にボロンドープ剤を塗布し、熱拡散を行う方法もある。
【００１５】
次にＳｉ基板３１に対して酸化温度１０００℃、酸化時間２時間１５分の条件で乾燥酸素による酸化を行い、絶縁膜となる酸化膜３３を０．１２μｍ形成する（図３（ｃ））。ボロンドープ層３２側の面の酸化膜３３をレジストで保護した後、ふっ酸水溶液に浸し、ボロンドープ層３２を形成した反対面の酸化膜３３を除去し、最後にレジストを剥離する（図３（ｄ））。電極１５が形成された第２の基板１の電極形成面と第１の基板１のボロンドープ層を重ね合せるようにして（図４（ａ））、２つの基板を陽極接合する（図４（ｂ））。第２の基板２が接合された第１の基板１を液温摂氏８０度の３８ｗｔ％水酸化カリウム水溶液で初期厚み４００ミクロンのＳｉ基板３１を厚みが１６０ミクロンになるまで均一にエッチングする。次に液温摂氏８０度の３２ｗｔ％水酸化カリウム水溶液でＳｉ基板３１を厚みが所望の１４０ミクロンになるまで均一にエッチングする（図４（ｃ））。続けて、ＣＶＤ装置により酸化膜５１を１ミクロンの厚みで成膜し（図５（ａ））、酸化膜５１側に吐出室、インクキャビティ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酸化膜５１をパターニングした後、レジストを剥離する（図５（ｂ））。
【００１６】
次に、エッチングによる振動板の作製方法を説明する。
【００１７】
ボロンドープ層３２が形成され、酸化膜５１をパターニングされているＳｉ基板３１を３５ｗｔ％水酸化カリウム水溶液で、エッチングがボロンドープ層に達する直前（残り１０ミクロン程度）まで行う（図５（ｃ））。続いて、３ｗｔ％水酸化カリウム水溶液で所定の厚み１ミクロンになるまでエッチングを行う。酸化膜５１をふっ酸でエッチング除去した後、電極取出し部に対応する部分を穴開け加工したＳｉ基板ないしＳＵＳ基板をエッチングマスクとして第１の基板に重ね、ドライエッチングにより電極取出し部５２のＳｉをエッチング除去し、電極取出し部を開口する。（図５（ｅ））
以上の方法により、エッチング表面での良好なパターニングを行うことができ、吐出室のエッチング不良を無くすことにより、ヘッドの生産性を上げることができた。
【００１８】
（実施例２）
前記実施例の全面エッチング工程におけるである水酸化カリウム水溶液濃度の選定について詳細に説明する。先ず、第１の基板の全面エッチング後の表面粗さが２μｍ以上において、パターニング不良を原因とするエッチング不良が発生するため、エッチング不良が発生しない表面荒れを２μｍ以下とする必要がある。さらに、一般にエッチング液である水酸化カリウム水溶液濃度が高い場合、エッチング面にはマイクロピラミッドが発生し、マイクロピラミッドは、パターニング不良及び第１の基板と第３の基板との接着工程における接着不良の原因となることから、マイクロピラミッドの発生を無くすことも必要である。
【００１９】
エッチング量が１８０ミクロン及び２６０ミクロンの時のエッチング液濃度による表面粗さの変化を図６に、エッチング液濃度によるマイクロピラミッド発生数の変化を図７に示す。
【００２０】
エッチング液濃度による表面荒れとマイクロピラミッドの発生状況の関係をみると、表面荒れが２ミクロン以下となるエッチング液濃度は３７ｗｔ％以上であり、マイクロピラミッド発生数が０となるのはエッチング液濃度３２ｗｔ％以下である。すなわち、単一のエッチング液で全面エッチングを行う場合、マイクロピラミッドを発生させず、表面粗さを２ミクロン以下に抑えることができる最適なエッチング液濃度は無い。 したがって、エッチング濃度２種のエッチング液を用い、３７ｗｔ％以上のエッチング液で表面粗さを抑えながら目標板厚の近くまでエッチングし、表面粗さが増加することを許容してマイクロピラミッドの発生がない３２ｗｔ％以下のエッチング液でエッチングすれば良いことになる。
【００２１】
１例として３８ｗｔ％水酸化カリウム水溶液で１回目の全面エッチングを行い、３２ｗｔ％水酸化カリウム水溶液で２回目の全面エッチングを行う場合について説明する。３８ｗｔ％水酸化カリウム水溶液でＳｉ基板表面を２６０ミクロンのエッチング量でエッチングした後、３２ｗｔ％水酸化カリウム水溶液でさらにエッチングしたときの、エッチング時間による表面粗さの変化を図８に、エッチング時間によるマイクロピラミッドの発生数の変化を図９に示す。
【００２２】
３２ｗｔ％水酸化カリウム水溶液でのエッチング時間が長くなるほど、マイクロピラミッドは減少し、エッチング時間１０分以上ではマイクロピラミッド発生は低く抑えられる。一方、エッチング時間が長くなるほど、表面粗さは増加するものの１５分以内であれば、表面粗さは２ミクロン以内に抑えることは可能である。３８ｗｔ％水酸化カリウム水溶液で１回目の全面エッチングを行い、３２ｗｔ％水酸化カリウム水溶液で続く全面エッチングをエッチング時間１０〜１５分で行うことよって、表面粗さを２ミクロン以下に抑え、かつマイクロピラミッドの発生を抑えた全面エッチングが可能となる。
【００２３】
（実施例３）
前記実施例の方法において、マイクロピラミッドが完全に０とならない場合があることや、及びエッチング表面に外観上の曇り（微小な荒れ）が発生する場合があることから、２回目のエッチング前の洗浄方法を変更することが望ましい。３８ｗｔ％水酸化カリウム水溶液及び３２ｗｔ％水酸化カリウム水溶液でのエッチング時間を７８分及び１０分に固定し、３２ｗｔ％水酸化カリウム水溶液でのエッチング前の洗浄方法を変更して得られた表面状態の結果を表１に示す。
【００２４】
【表１】

【００２５】
表１中の実施例１は液温摂氏７０度のアンモニア水＋過酸化水素水混合液で１０分間、実施例２は液温摂氏９０度の硫酸＋過酸化水素水混合液で１０分間洗浄した場合であり、どちらも表面外観上の曇りは無くなり、マイクロピラミッドの発生は無くなった。一方、比較例１に示した洗浄を行わない場合、比較例２に示す摂氏２５度のふっ酸水溶液で洗浄した場合では、白曇り、マイクロピラミッドが発生している。基板表面の濡れ性を観察すると、硫酸・過酸化水素混合液、アンモニア・過酸化水素混合液で洗浄したものは表面がよく濡れ、親水性になっていることが解り、逆にふっ酸水溶液での洗浄では表面は疎水性になっている。すなわち、このことよりエッチング面の曇り、マイクロピラミッドの発生をさらに抑えるためには、２回目のエッチング前にアンモニア水＋過酸化水素水混合液等による洗浄を行い、基板表面を弱く酸化して表面を親水化することが必要である。同様に、基板表面を酸化する方法として、硝酸による洗浄、紫外線照射によるオゾン酸化も有効である。
【００２６】
【発明の効果】
インクジェットヘッドの製造方法であって、第１の基板と第２の基板を接合する工程と第１の基板のＳｉ基板の厚みを湿式エッチングで減ずる工程において、湿式エッチングが濃度の異なる２種の水酸化カリウム水溶液を用いた２段階のエッチングで行われることによって、エッチング面の表面粗さを良好なパターニング可能なレベルに抑え、エッチング面に発生するマイクロピラミッドを減少させることができる。
【００２７】
また、２段階のエッチングにおいて、２回目のエッチングの前に、第１の基板の表面を硫酸・過酸化水素混合液、アンモニア・過酸化水素混合液あるいは硝酸等で洗浄し、第１の基板の表面を親水性にすることによって、さらにエッチング面のマイクロピラミッドの発生を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例におけるインクジェットヘッドの構造を分解して示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施例のおけるインクジェットヘッドの断面側面図である。
【図３】本発明の第１の実施例のおける拡散工程のプロセス断面図である。
【図４】本発明の第１の実施例における全面エッチング工程のプロセス断面図である。
【図５】本発明の第１の実施例における振動板形成工程のプロセス断面図である。
【図６】本発明の第２の実施例におけるエッチング液濃度による表面粗さの変化を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施例におけるエッチング液濃度によるマイクロピラミッド発生数の変化を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施例における３２％水酸化カリウム水溶液におけるエッチング時間による表面粗さの変化を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施例における３２％水酸化カリウム水溶液におけるエッチング時間によるマイクロピラミッド発生数の変化を示す図である。
【符号の説明】
１ 第１の基板
２ 第２の基板
３ 第３の基板
５ 振動板
６ 吐出室
７ 凹部
８ オリフィス
９ 細溝
１０ インクキャビティ
１１ 凹部
１２ ノズル孔
１３ インク供給口
１４ 凹部
１５ 電極
１６ リード部
１７ 端子
１８ 酸化膜
２１ インク液滴
２２ 記録紙
２３ 発信回路
３１ Ｓｉ基板
３２ ボロンドープ層
５１ 酸化膜
５２ 電極取出し部
Ｇ ギャップ

Claims (6)

1. 底壁を振動板とする吐出室を構成する凹部が形成されてなる第１の基板と、
   前記第１の基板に接合され、前記振動板に対向して配置される電極が形成されてなる第２の基板と、
   前記第２の基板が接合された面とは反対側の面の前記第１の基板に接合され、ノズル孔が形成されてなる第３の基板とを有し、
   前記電極を帯電させ、静電気作用により前記振動板をたわませ、前記吐出室の圧力を変化させて前記ノズル孔よりインク液滴を吐出させるインクジェットヘッドの製造方法であって、
   前記第１の基板と前記第２の基板を接合する工程と、
   前記第１の基板表面を親水性に処理する工程と、
   前記第１の基板を第１の水酸化カリウム水溶液により湿式エッチングする工程と、
   前記第１の基板を前記第１の水酸化カリウム水溶液の濃度とは異なる第２の水酸化カリウム水溶液によりエッチングする工程と、を有することを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
2. 前記第１の水酸化カリウム水溶液の濃度が前記第２の水酸化カリウム水溶液の濃度より高いことを特徴する請求項１に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
3. 前記第１の水酸化カリウム水溶液の濃度が３７ｗｔ％以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
4. 前記第２の水酸化カリウム水溶液の濃度が３２ｗｔ％未満であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のインクジェットヘッドの製造方法。
5. 硫酸・過酸化水素混合液、アンモニア・過酸化水素混合液あるいは硝酸等の洗浄液により前記第１の基板表面を親水性にす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インクジェットヘッドの製造方法。
6. 紫外線照射によって発生したオゾンガスにより前記第１の基板の表面を親水性に処理す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インクジェットヘッドの製造方法。

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