JP3858942B2 - 噴射装置のノズル形成方法 - Google Patents

Description

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。

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。

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。

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、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（例えば特許文献１）。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。
特開昭５６−１３５０７５号公報

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。

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。

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。

本発明のノズル形成方法は、シリコン単結晶基板にエッチングを施して、ノズルを形成する噴射装置のノズル形成方法において、
前記シリコン単結晶基板の表面にレジスト膜を形成し、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の開口パターンを形成し、前記第１の開口パターン形成部における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し、前記第１、第２の開口パターンが形成された部分に対して異方性ドライエッチングを施す。
なお、ドライエッチングは、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して行うことができる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

（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。

（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。

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。

（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。

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。

（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。

この後は、ＳｉＯ₂ 膜２１０をフッ酸水溶液（例えば、ＨＦ：Ｈ₂Ｏ＝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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

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。

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。

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。

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。 （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。 （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。 （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 (4)

1. シリコン単結晶基板にエッチングを施して、ノズルを形成する噴射装置のノズル形成方法において、
   前記シリコン単結晶基板の表面にレジスト膜を形成し、
   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の開口パターンを形成し、
   前記第１の開口パターン形成部における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し、
   前記第１、第２の開口パターンが形成された部分に対して異方性ドライエッチングを施して、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を特徴とする噴射装置のノズル形成方法。
2. 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ノズル形成方法。
3. 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ノズル形成方法。
4. 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ノズル形成方法。

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