JP3820747B2 - 噴射装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体、気体を噴射、噴霧する噴射装置におけるノズル形成方法に関するものである。例えば、インク滴を吐出するインクジェットヘッドに好適なノズルの形成方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、シリコン単結晶基板にエッチングを施して、先端側に向けて階段状に断面が小さくなったノズルを形成するノズル形成方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
例えば、インクジェットプリンタのインクジェットヘッドは、一般に、インク滴を外部に吐出する複数のノズルと、これらのノズルに連通したインク供給路とからなる。
【0003】
近年、インクジェットヘッドに対しては、高精細文字を印字可能にするために、より精密でより微細な加工が要求されている。このために、シリコン基板に異方性エッチングを施すことにより微細なノズルを形成する方法が数多く提案されている。
【0004】
インクジェットヘッドの各ノズルのインク吐出特性を改善するためには、ノズルとして、先端側に細いノズル孔部分が形成され、その後側に円錐状あるいは角錐状に広がったノズル孔部分が形成された断面形状のものを使用することが望ましい。例えば、特開昭56−135075号公報に開示されているように、ノズル形状を、先端側を円筒形状とし、後ろ側の部分の内周面を四角錐台形状とすると、円筒状のノズルを使用する場合に比べて、インクキャビティの側からノズルに加わるインク圧力の方向をノズル軸線方向に揃えることができ、安定したインク吐出特性を得ることができる。すなわち、インク滴の飛翔方向のばらつきを無くし、インク滴の飛び散りを無くし、インク滴の量のばらつきを抑制することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開昭56−135075号公報に開示されているようにノズルの後ろ側の部分の四角錐台形状の内周面は、シリコン基板を湿式の異方性エッチングを用いて形成されるため、シリコンの結晶方位に沿った形状となる。このため、更に、インクキャビティの側からノズルに加わるインク圧力の方向をノズル軸線方向に揃える作用を得るために、ノズルの後ろ側の部分の傾斜角度を小さくする、即ち、ノズルの後端側の断面積を小さくすることは、困難である。
【0006】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、従来のものと比較して、キャビティの側からノズルに加わる圧力の方向をノズル軸線方向に揃える作用が大きいノズルを、精度良く単結晶シリコン基板に形成することのできる噴射装置のノズル形成方法を提案することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、シリコン単結晶基板にエッチングを施して、先端側に向けて階段状に断面が小さくなったノズルを形成するために、異方性ドライエッチング方法であるICP(誘導結合プラズマ)放電によるドライエッチング方法を採用している。
【0008】
すなわち、本発明のノズル形成方法では、まず、シリコン単結晶基板の表面にレジスト膜として、例えばシリコン酸化膜が形成される。次に、前記ノズルの後端側に対応する部分の前記レジスト膜を取り除くことにより第1の開口パターンが形成され、前記ノズルの先端側に対応する部分の前記レジスト膜を取り除くことにより、前記第1の開口パターンより小さな第2の開口パターンを形成される。次に、前記第1、第2の開口パターンによって露出された前記シリコン単結晶基板表面の露出部分に対してプラズマ放電によるドライエッチングが施される。このとき、シリコン基板が置かれた処理槽内に、プラズマ放電によりプラズマ化してシリコンを腐食するガスと、プラズマ化してシリコンの腐食を抑制するガスが交互に注入される。これにより、ドライエッチングにより、各開口パターンの形状に一致した断面を有し、後端側から先端側に向けて階段状に断面が小さくなったノズルが形成される。
【0009】
更に、以下のように各開口パターンを形成すれば、シリコン基板の一方の側からのみドライエッチングを行うのみで、後端側から先端側に向けて階段状に断面が小さくなったノズルを形成することができ、製造工程をより簡略化できる。
【0010】
即ち、前記シリコン単結晶基板の表面にレジスト膜を形成した後、前記レジスト膜をハーフエッチングして、当該レジスト膜に対して前記ノズルの後端側の部分に対応した開口パターンを形成する(第1のパターニング工程)。次に、前記開口パターンが形成された前記レジスト膜のハーフエッチング領域の一部分をフルエッチングして、前記ノズルの先端側の部分に対応した開口パターンを前記シリコン単結晶基板表面の露出部分として形成する(第2のパターニング工程)。その後、前記シリコン単結晶基板の前記露出部分に対してプラズマ放電によるドライエッチングを施して、所定の深さの第1の溝を形成する(第1のドライエッチング工程)。そして、前記レジスト膜のハーフエッチング領域をフルエッチングして、前記シリコン単結晶基板表面を露出させた後に、当該シリコン単結晶基板に対してプラズマ放電によるドライエッチングを施して、底面に前記第1の溝が残った状態のままで第2の溝を所定の深さとなるように形成する(第2のドライエッチング工程)。
【0011】
第1のドライエッチング工程において、プラズマ放電による異方性ドライエッチングが開始すると、フルエッチングされて表面が露出しているシリコン単結晶基板の表面部分のみが垂直にエッチ除去され、所定の深さの第1の溝が形成される。第2のドライエッチング工程においては、最初にエッチ除去された第1の溝がそのまま残った状態でシリコン単結晶基板表面のエッチングが進行して第2の溝が形成される。エッチング条件を適切に設定することにより、第1の溝の部分の深さ寸法をノズルの先端側の小断面側の部分に一致した寸法にでき、第2の溝の部分の深さ寸法をノズルの後側の大断面側の部分に一致した寸法にできる。
【0012】
この方法によれば、シリコン単結晶基板表面にマスクパターンを繰り返し形成する必要が無い。また、凹部が形成された後の段付き状態のシリコン単結晶基板表面に沿ってマスクパターンを形成する必要もない。従って、本発明のノズル形成方法によれば、段状断面のノズルを効率良く、しかも簡単に形成することが可能になる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明のインクジェットヘッドのノズル形成方法について説明する。
【0014】
図1には本発明の方法を適用可能なインクジェットヘッドの概略断面を示してある。なお、本発明の方法は、図1に示すインクジェットヘッド以外のインクジェットヘッド、及びインクジェットヘッド以外の噴射装置に段状断面のノズルを形成する場合にも適用できることは勿論である。
【0015】
図1を参照して説明すると、本例のインクジェットヘッド1は、本願人による特開平5−50601号公報に開示されているインクジェットヘッドと同様の静電駆動方式のインクジェットヘッドであり、シリコン単結晶基板からなるノズルプレート2と、同じくシリコン単結晶基板からなるキャビティプレート3と、ガラス基板4とを貼り合わせることにより構成されている。
【0016】
キャビティプレート3には、複数のインクキャビティ31と、各インクキャビティ31にインクを供給する共通のインクリザーバ32が形成されている。ノズルプレート2の側には、各インクキャビティ31に連通した複数のノズル21と、各インクキャビティ31を共通のインクリザーバ32に連通しているインク供給口22が形成されている。インク供給口22は一方の側に深溝部分22aが形成され、他方の側には浅溝部分22bが形成された断面形状となっている。また、ノズルプレート2には電極配線用の貫通孔23も形成されている。
【0017】
キャビティプレート3の裏面に貼り付けたガラス基板4において、キャビティ31の底面を規定している振動板33に対峙する部分には、凹部41が形成され、当該凹部の底面には、振動板33に対峙した個別電極42が形成されている。また、インクリザーバ32の底面にはインク供給孔34が形成され、このインク供給孔34は、ガラス基板4に形成したインク供給路43に連通している。このインク供給路43およびインク供給孔34を介して、外部のインク供給源からインクがインクリザーバ32に供給可能となっている。
【0018】
キャビティプレート3に形成した各キャビティ31の底面を規定している振動板33は共通電極として機能し、このキャビティプレート3と、各振動板33に対峙している個別電極42との間に電圧を印加すると、電圧が印加された個別電極42に対峙している振動板33が静電気力によって振動し、これに伴ってキャビティ31の容積変化が起こり、ノズル21からインク滴の吐出が行われる。
【0019】
ここで、ノズル21は段状断面をしたノズルである。すなわち、インク滴吐出方向の前側には円形の小断面ノズル部分21a(小断面側の部分)が形成され、後側には円形の大断面ノズル部分21b(大断面側の部分)が形成されており、これらの境界部分は環状の段面21cとなっている。従って、ノズル21の軸線方向に沿って切断した断面形状は先端側に向けて断面が階段状に小さくなっている。また、ノズル21の先端開口21dは、ノズルプレート2の反対側の面に形成した凹部24の底面に開口している。
【0020】
図2〜図5にはノズルプレート2の製造工程を示してある。これらの図を参照してノズルプレート2の製造手順を説明する。
【0021】
(Step1:第1の熱酸化膜形成工程)
先ず、図2(A)に示すように、厚さが180ミクロンのシリコンウエハ200を用意し、当該シリコンウエハ200を熱酸化させて、その表面にレジスト膜としての厚さが1.2ミクロン以上のSiO2 膜210を形成する。
【0022】
(Step2:SiO2 膜の第1のパターニング工程)
次に、図2(B)に示すように、シリコンウエハ200の表面200aを覆っているSiO2 膜210の部分にハーフエッチングを施すことにより、ノズル21の大断面ノズル部分21bおよびインク供給口22の浅溝部分22bを形成するためのパターン201bおよび202bを形成する。エッチング液としては、フッ化アンモニウム(HF:NH4F=880ml:5610ml)を使用することができる。また、エッチング深さは、例えば、0.5ミクロンに設定することができる。
【0023】
(Step3:SiO2 膜の第2のパターニング工程)
この後は、図2(C)に示すように、ノズル21の小断面ノズル部分21aおよびインク供給口22の深溝部分22aを形成するためのパターン201aおよび202aを、SiO2 膜210のハーフエッチング領域であるパターン201b、202bの部分に形成する。すなわち、これらのハーフエッチング領域を完全にエッチングして、シリコンウエハ表面を露出させたパターン201a、202aを形成する。これらのパターンと共に、電極用の貫通孔23を形成するためのパターン203も、SiO2 膜210をフルエッチングすることにより形成する。この場合に使用するエッチング液も上記と同様なフッ化アンモニウムを使用できる。
【0024】
ここで、SiO2 膜を部分的にエッチングするためのレジスト膜には感光性の樹脂レジスト膜が用いられる。樹脂レジスト膜の塗布後は、露光現像後し、その後、前述したようにSiO2 膜をエッチングし、シリコンエッチング用のレジスト膜を形成する。
【0025】
(Step4:第1のドライエッチング工程)
このようにして、SiO2 膜210に2回のパターニングを施した後は、図3(A)に示すように、ICP放電による異方性ドライエッチングをシリコンウエハ200に施す。これにより、上記のStep3で形成されたパターン201b、202bおよび203に対応した形状で、シリコンウエハ200の表面が垂直にエッチングされて、それぞれ、同一の深さの溝221、222、223が形成される。この場合のエッチングガスとしては、例えば、フッ化炭素(CF、CF4)、6フッ化硫黄(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、CF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はシリコンウエハの垂直方向のエッチングを促進させるために使用する。
【0026】
このようにして、例えば、エッチング深さが35ミクロンの溝221、222、223を形成した後は、SiO2 膜210をフッ酸水溶液によって0.7ミクロンの厚さでエッチ除去する。この結果、図3(B)に示すように、Step2で形成したパターン201b、202bの部分が完全に除去されて、シリコンウエハ200の表面が露出した状態になる。
【0027】
(Step5:第2のドライエッチング工程)
次に、図3(C)に示すように、再度、ICP放電による異方性ドライエッチングを行なう。この結果、パターン201b、202bおよび203から露出しているシリコンウエハの表面部分は、その断面形状を保った状態で厚さ方向に向けて垂直にエッチングが進行する。この場合のエッチングガスも上記のStep4と同一であり、エッチング深さを例えば55ミクロンとする。この結果、段状のノズル21に対応する断面形状のノズル溝231、インク供給口22に対応する断面形状の溝232が形成される。また、電極配置用の貫通孔23の半分の深さの溝233も形成される。
【0028】
この後は、SiO2 膜210をフッ酸水溶液(例えば、HF:H2 O=1:5vol,25℃)で全て剥離する。図3(D)にはこの状態を示してある。
【0029】
(Step6:第2の熱酸化膜形成工程)
この後は、再び、SiO2 膜210の表面を熱酸化して、レジスト膜としてのSiO2 膜240を形成する。この場合においても、SiO2 膜240の厚みは1.2ミクロン以上にすればよい。
【0030】
(Step7:SiO2 膜の第3のパターニング工程)
次に、図4(B)に示すように、シリコンウエハ200の反対側の表面200bを覆っているSiO2 膜240の部分をエッチングして、ノズル21が開口している凹部24に対応したパターン204、および貫通孔23に対応したターン203Aを形成する。この場合のエッチング液は上記のStep2で使用したものを使用できる。
【0031】
(Step8:ウエットエッチング工程)
次に、図4(C)に示すように、シリコンウエハ200をエッチング液に漬けてシリコンウエハ200の露出部分に対して異方性湿式エッチングを施し、凹部24に対応した溝244を形成してノズル21を貫通させる。また、貫通孔23に対応した溝233Aを形成して、貫通孔23を貫通させる。この場合に使用するエッチング液は、水酸化カリウム水溶液であり、その濃度は2wtパーセントで液温80℃のものを使用できる。また、エッチング深さは例えば110ミクロンとする。エッチング終了後は、図4(D)に示すように、SiO2 膜240をフッ酸水溶液で全て剥離する。
【0032】
(Step9:最終熱酸化工程)
最後に、図5に示すように、シリコンウエハの耐インク性とノズル面の撥水処理の密着性を確保するために、再度シリコンウエハを熱酸化して、SiO2 膜を形成する。以上により、ノズルプレート2が得られる。
【0033】
(その他の実施例)
その他の異方性ドライエッチング方式として、ECR(電子サイクロトロン共鳴)放電、HWP(ヘリコン波プラズマ)放電、RIE(リアクティブイオンエッチング)などを用いても良い。
【0034】
また、上述の実施例では、インクジェットプリンタに用いられるインクジェットヘッドについて説明したが、これに限らず、液体、気体を噴射・噴霧するためのノズルを備えた噴射装置のノズルについて、本発明のノズルの形成方法を適用することは効果的である。例えば、エンジンの燃料噴射装置のノズルを形成するために本発明を適用しても良い。
【0035】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のノズル形成方法においては、プラズマ放電による異方性ドライエッチングを用いてシリコン単結晶基板をエッチング加工するようにしている。従って、従来のものと比較して、キャビティの側からノズルに加わる圧力の方向をノズル軸線方向に揃える作用が大きいノズルを、精度良く単結晶シリコン基板に形成することが可能である。
【0036】
また、シリコン単結晶基板の表面のレジスト膜に対してハーフエッチングおよびフルエッチングによるパターニングを行なうと共に、プラズマ放電による異方性ドライエッチングを用いてシリコン単結晶基板をエッチング加工するより、段状断面のノズルをエッチング加工するためにシリコン単結晶基板表面に対してマスクパターンを繰り返し形成する必要が無く、また、凹部が形成された後の段付き状態のシリコン単結晶基板表面にマスクパターンを形成する必要もない。よって、本発明の方法は、段状断面のノズルを効率良く、簡単に形成できるので、量産に適しているという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用可能な静電駆動方式のインクジェットヘッドの概略断面図である。
【図2】(A)は図1のインクジェットヘッドのノズルプレートの製造工程における第1の熱酸化膜形成工程を示す説明図、(B)はSiO2 膜の第1のパターニング工程を示す説明図、(C)はSiO2 膜の第2のパターニング工程を示す説明図である。
【図3】(A)は図1のインクジェットヘッドのノズルプレートの製造工程におけるシリコンウエハに対する第1のドライエッチング工程を示す説明図、(B)はハーフエッチング部分を除去した後の状態を示す説明図、(C)はシリコンウエハに対する第2のドライエッチング工程を示す説明図、(D)はSiO2 膜を除去した後の状態を示す説明図である。
【図4】(A)は 図1のインクジェットヘッドのノズルプレートの製造工程における第2の熱酸化膜形成工程を示す説明図、(B)はSiO2 膜の第3のパターニング工程を示す説明図、(C)はシリコンウエハに対するウエットエッチング工程を示す説明図、(D)はSiO2 膜を除去した後の状態を示す説明図である。
【図5】図1のインクジェットヘッドのノズルプレートの製造工程における最終の熱酸化膜形成工程を示す説明図である。
【符号の説明】
1 インクジェットヘッド
2 ノズルプレート
21 ノズル
21a 前側ノズル部分
21b 後側ノズル部分
21c 環状の段面
22 インク供給口
22a 深溝部分
22b 浅溝部分
23 貫通孔
3 キャビティプレート
31 キャビティ
32 インクリザーバ
201b ハーフエッチングによる開口パターン
201b フルエッチングによる開口パターン
221 第1の溝
231 第2の溝
Claims (5)
- ノズルの先端側に向けて前記ノズルの断面が階段状に小さく形成される噴射装置の製造方法において、
シリコン単結晶基板の表面にレジスト膜を形成するレジスト膜形成工程と、
前記レジスト膜の所定領域をハーフエッチングして、前記ノズルの後端側の断面部分に対応した開口パターンを形成する第1のパターニング工程と、
前記開口パターンの一部分をフルエッチングして、前記ノズルの先端側の断面部分に対応した第1の露出部分を形成する第2のパターニング工程と、
前記第1の露出部分に対して、所定の深さまで異方性ドライエッチングを施して第1の溝を形成する第1のドライエッチング工程と、
残る開口パターンをフルエッチングして第2の露出部分を形成し、前記第1の溝と前記第2の露出部分に対して、異方性ドライエッチングを施して、前記ノズルの先端側に向けて前記ノズルの断面が階段状に小さく形成される第2のドライエッチング工程と、
を含むことを特徴とする噴射装置の製造方法。 - 請求項1において、前記レジスト膜がシリコン酸化膜であることを特徴とする噴射装置の製造方法。
- 請求項1において、プラズマ放電によりプラズマ化してシリコンを腐食するガスと、プラズマ化してシリコンの腐食を抑制するガスを交互に用いてドライエッチングを行うことを特徴とする噴射装置の製造方法。
- 請求項3において、プラズマ化してシリコンを腐食するガスがフッ化硫黄であり、プラズマ化してシリコンの腐食を抑制するガスがフッ化炭素であることを特徴とする噴射装置の製造方法。
- 前記シリコン単結晶基板において、前記開口パターンの反対側の表面からパターンを形成し、エッチングにより前記ノズルを貫通させる工程を有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噴射装置の製造方法。
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