JP5012484B2 - 液体吐出ヘッド用ノズルプレートの製造方法、液体吐出ヘッド用ノズルプレート及び液体吐出ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、液体吐出ヘッド用ノズルプレートの製造方法、液体吐出ヘッド用ノズルプレート及び液体吐出ヘッドに関する。

近年、インクジェット式プリンタは高速で高解像度の印刷が要求されている。このプリンタに用いられるインクジェット式記録ヘッドの構成部品の形成方法には、マイクロマシン分野の微細加工技術であるシリコン基板等を対象とした半導体プロセスが用いられているものがある。このようなインクジェット式記録ヘッドの構成部品の一つとして、ノズルプレートがあり、シリコン基板にエッチングを施すことにより液滴を吐出するノズル（吐出口を一方の開口とする貫通孔）を形成したものであることが知られている。

シリコン基板の垂直方向（厚み方向）に選択性の高いエッチング加工を行う方法としては、エッチングと側壁保護膜の形成（デポジション）とを交互に切り替えて繰り返す異方性エッチング方法が知られている。（例えば、特許文献１参照）。

このような異方性エッチング方法によるシリコンの深溝形成技術として、「ボッシュプロセス」又は「ＡＳＥ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）」プロセス等の呼称で知られるものがある。例えば、特許文献２では、シリコン基板にノズルを形成する方法として、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）型ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）装置を用いたボッシュプロセスによりノズルを形成している。

ドライエッチング（ボッシュプロセス）により２段以上の階段形状を形成する場合、ドライエッチングを２回以上行う必要があるが、一部のマスクを除去して２回目のドライエッチングを行うと、一回目のドライエッチングで形成されたデポジション膜が障壁となって、一部のマスクを除去して形成した段差形状面にフェンス状の残渣が残る。この残渣を除去する方法として、イオン衝撃を与えないアッシング処理を行う方法がある（特許文献３参照）。
特開平２−１０５４１３号公報 特開２００５−１４４５７１号公報（第５−６頁） 特開２００７−１４４９１５号公報

ノズルプレートのノズルをボッシュプロセスを用いて製造するに際し、エッチングのステップとデポジション（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）のステップを繰り返してＳｉ基板にエッチングを施すと、形成したノズルの側壁には、側壁保護膜に加えて付着物がある。これらの付着物が組み立て時や使用時に剥離浮遊しノズルに詰り、インク滴が良好に吐出されず形成する画像品質が劣化するという問題があった。

発明者らは、特許文献３に記載のアッシング方法、例えばＯ₂ガスを用いた酸化アッシング方法や、フッ素系堆積物を除去するとされる洗浄液等を用いて、ボッシュプロセスにより形成したノズルの側壁にある付着物の除去を試みたが、付着物を効率よく良好に除去するには至らなかった。

本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、液滴吐出が良好な液体吐出ヘッド用ノズルプレートを効率よく製造する液体吐出ヘッド用ノズルプレートの製造方法、液体吐出ヘッド用ノズルプレート及び液体吐出ヘッドを提供することである。

上記の課題は、以下の構成により解決される。

１． Ｓｉ基板に貫通孔を備え、
前記貫通孔は、前記Ｓｉ基板の一方の面に開口する小径部と、他方の面に開口し前記小径部の断面より大きな断面を有する大径部と、を有し、
前記小径部の開口を液滴が吐出する吐出孔とする液体吐出ヘッド用ノズルプレートの製造方法において、
前記大径部を形成するＳｉ層と前記小径部を形成するＳｉ層との間にＳｉよりエッチングレートが遅いエッチング停止層を有するＳｉ基板の前記大径部を形成するＳｉ層の面に、前記大径部を形成するエッチングマスクを設ける工程と、
前記Ｓｉ基板の前記小径部を形成するＳｉ層の面に、前記小径部を形成するエッチングマスクを設ける工程と、
前記大径部を形成するエッチングマスクを設けた前記Ｓｉ層の面に、エッチングと側壁保護膜の形成とを交互に繰り返すＳｉ異方性ドライエッチング方法により、所定の深さの前記大径部を形成する工程と、
前記大径部を形成する工程の後、形成された前記大径部に対しＳｉドライエッチングを行うことにより、前記Ｓｉ異方性ドライエッチング方法による前記大径部を形成する工程によって形成された付着物の除去を行うエッチング工程と、
前記小径部を形成するエッチングマスクを設けた前記Ｓｉ層の面に、前記Ｓｉ異方性ドライエッチング方法により、前記エッチング停止層が露出するまでエッチングを行うことにより、前記小径部を形成する工程と、
前記エッチング工程及び前記小径部を形成する工程の後、前記エッチングマスク及び前記小径部に露出する前記エッチング停止層を除去して前記大径部と前記小径部が連通した前記吐出孔を形成する工程と、
前記吐出孔を有する前記Ｓｉ基板の面に撥液層を設ける工程と、を有することを特徴とする液体吐出ヘッド用ノズルプレートの製造方法。

２． １に記載の液体吐出ヘッド用ノズルプレートの製造方法により製造されたことを特徴とする液体吐出ヘッド用ノズルプレート。

３． ２に記載された液体吐出ヘッド用ノズルプレートと、
前記液体吐出ヘッド用ノズルプレートの吐出孔から吐出する液体を供給する流路溝を有するボディプレートと、を備えていることを特徴とする液体吐出ヘッド。

本発明によれば、Ｓｉ基板にＳｉ異方性ドライエッチング方法により形成するノズルの大径部形成後に、大径部に対してＳｉドライエッチングを行う。よって、Ｓｉ異方性ドライエッチング方法により形成するノズルの大径部の壁面に生じる付着物を除去することができ、付着物が剥がれることによるノズルの目詰まり等の不具合の発生を抑えることができる。

従って、液滴吐出が良好な液体吐出ヘッド用ノズルプレートを効率よく製造する液体吐出ヘッド用ノズルプレートの製造方法、この液体吐出ヘッド用ノズルプレートの製造方法により製造された液体吐出ヘッド用ノズルプレート及び液体吐出ヘッドを提供することができる。

本発明を図示の実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限らない。

図１は液体吐出ヘッドの例であるインクジェット式記録ヘッド（以下、記録ヘッドと称する。）Ａを構成している、ノズルプレート１、ボディプレート２、圧電素子３を模式的に示している。

ノズルプレート１には、インク吐出のため吐出口（吐出面１２における開口）を有するノズル１１を複数個配列してある。また、ボディプレート２には、ノズルプレート１を貼り合わせることで、圧力室となる圧力室溝２４、インク供給路となるインク供給路溝２３及び共通インク室となる共通インク室溝２２、並びにインク供給口２１等の流路溝が形成されている。

そして、ノズルプレート１のノズル１１とボディプレート２の圧力室溝２４とが一対一で対応するようにノズルプレート１とボディプレート２とを貼り合わせることで流路ユニットＭを形成する。ここで、以後、上記で説明に使用した圧力室溝、供給路溝、共通インク室溝の各符号はそれぞれ圧力室、供給路、共通インク室にも使用する。

ここで、図２は、この記録ヘッドＡにおけるノズルプレート１のＹ−Ｙ’、及びボディプレート２のＸ−Ｘ’の位置での断面を模式的に示している。図２が示しているように、流路ユニットＭに圧電素子３をインク吐出用アクチュエータとしてボディプレート２のノズルプレート１を接着する面と反対の各圧力室２４の底部２５の面に接着することで、記録ヘッドＡが完成する。この記録ヘッドＡの各圧電素子３に駆動パルス電圧が印加され、圧電素子３から発生する振動が圧力室２４の底部２５に伝えられ、この底部２５の振動により圧力室２４内の圧力を変動させることでノズル１１からインク滴を吐出させる。尚、符号１６は、後述するエッチング停止層を示している。

ノズルプレート１の１つのノズル１１の周辺に注目した図を図３に示す。説明のため、図３においては、図２に示す吐出面１２に設けてある撥液層４５を省略している。ノズル１１は、吐出口を開口とする小径部１３、吐出口から吐出する液体のノズル１１への導入口として圧力室に開口している第１の大径部１５及び小径部１３と第１の大径部１５とを連通する第２の大径部１４から構成されている。ノズルプレート１を形成する基板Ｃは、小径部１３と第２の大径部１４との間にＳｉよりエッチングレートが遅い層であるエッチング停止層１６を有するＳｉ基板で、例えばＳｉＯ₂層を備えたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板がある。ＳＯＩ基板を用いることで、ＳｉとＳｉＯ₂とのエッチングレート差を用いて小径部１３の長さ（ノズル長）を精度良く加工することができる。エッチング停止層１６を構成する材料としては、ＳｉＯ₂の他、例えばＡｌ₂Ｏ₃などの絶縁材料、Ｎｉ、Ｃｒ等の金属等が挙げられるが、これらに限定されない。また、エッチング停止層１６を有していないＳｉ基板をノズルプレート１の基材としてもよい。尚、本実施形態のエッチング停止層１６であるＳｉＯ₂層の厚みは、０．２μｍとしている。

図３に示すような小径部１３、第２の大径部１４及び第１の大径部１５で構成するノズル１１をＳＯＩ基板（基板Ｃ）を用いて製造する工程を図４に示す。

図４（ａ）に示すように、基板Ｃの両面に基板Ｃをエッチングして小径部１３を形成するためのエッチングマスク６０ｂ、第２の大径部１４及び第１の大径部１５を形成するためのエッチングマスク６０ａを形成する。基板Ｃの符号１６はエッチング停止層、１７は第２の大径部１４及び第１の大径部１５を形成するＳｉ層、１８は小径部１３を形成するＳｉ層である。エッチングマスク６０ａ、６０ｂは、公知のフォトリソグラフィ処理及びエッチング処理により形成することができる。エッチングマスクとなる膜は、基板ＣのＳｉ層を後述のＳｉ異方性ドライエッチングする上でエッチングマスクとなるものであれば特に限定されることはなく、例えば、ＳｉＯ₂膜がある。尚、エッチングマスク６０ａには、図４（ａ）に示すように、基板ＣのＳｉ層１７に形成する第２の大径部１４及び第１の大径部１５の深さに対応した段差を設けてある。

第２の大径部１４となる穴を所定の深さに、ボッシュプロセスと称される深堀りを得意とするＳｉ異方性ドライエッチング方法を用いて形成する（図４（ｂ））。Ｓｉ異方性ドライエッチング方法を行うエッチング装置は、ＩＣＰ型ＲＩＥ装置が好ましく、例えば、エッチング時のエッチングガスとして、６フッ化硫黄（ＳＦ₆）、デポジション時のデポジションガスとしてフッ化炭素（Ｃ₄Ｆ₈）を交互に使用する。

次に、第１の大径部１５を形成するために不要なマスク部分を、例えばＣＨＦ₃を用いたドライエッチングにより除去し（図４（ｃ））、エッチングマスク６０ａを新たにエッチングマスク６０ａ−１とする。この後、エッチングマスク６０ａ−１を用いて、再度、Ｓｉ異方性ドライエッチング方法により、Ｓｉ層１７に対して、エッチング停止層１６が露出するまでエッチングを行う。エッチング停止層１６が第２の大径部１４の底面全体に亘って露出した状態でエッチングを停止し、これで第２の大径部１４、第１の大径部１５の形成が完了する（図４（ｄ））。エッチング停止層１６は、エッチングレートがＳｉ比較して小さく、Ｓｉ異方性ドライエッチングに対してエッチングが進み難いため、第２の大径部１４と第１の大径部１５と合わせた深さを精度良く形成することができる。

図４（ｄ）に示す形成された第２の大径部１４、第１の大径部１５の内壁を観察すると、付着物が観察される。発明者らは、この付着物が剥がれ落ちることによりノズル１１の目詰まり等が生じ、液滴吐出に不具合が生じることを突き止め、この付着物を除去することを試みた。Ｓｉ異方性ドライエッチング方法による側壁の保護膜は、デポジション（保護膜の形成）のステップ時にＣ₄Ｆ₈のプラズマ中のＣＦｘラジカル及びそれらのイオンによる重合反応によって、テフロン（登録商標）に近い組成を有するポリマー膜が堆積しているもと考えられている（デンソーテクニカルレビュー ｖｏｌ．５ Ｎｏ．１ ２０００ ｐ４５〜 大原など 「二重側壁保護膜を用いた新しいディープＲＩＥ技術の開発」）。しかしながら、発明者らが観察した上記の付着物の中には、上記のポリマー膜を除去する方法では除去できないものがあった。付着物は、第２の大径部１４と第１の大径部１５との段差部に突起状の付着物が目立つが、内周壁にもある。発明者らの鋭意検討した結果、Ｓｉを化学的に除去するＳｉドライエッチングが、スパッタリングの効果も含めて有効であることを突き止め、本発明に至った。側壁の付着物の中には、Ｓｉ異方性ドライエッチングのプロセスが行われる過程において、側壁保護膜である上記のポリマー膜とは別に、Ｓｉを主な成分とする加工変質層が形成され、これらが、第２の大径部１４や第１の大径部１５の壁面（側壁や底面）に付着物として残っているものと推測される。

上記で説明した通り、第２の大径部１４、第１の大径部１５を形成した後、Ｓｉドライエッチングを行い、第２の大径部１４、第１の大径部１５の壁面Ｄの付着物を除去する（図４（ｅ））。

エッチング条件の例を以下に示す。付着物を除去する装置としては、Ｓｉ異法性エッチングを行ったと同じ装置（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｌｉｍｉｔｅｄ製Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ−ＩＣＰ）を使用した。形成した第１の大径部１５は直径１００μｍ深さ２５０μｍ、第２の大径部１４は直径６０μｍ深さ５０μｍとした。
（エッチング条件の例）
使用ガス：ＳＦ₆
ガス流量：１３０ｓｃｃｍ
プロセス圧力：２．６７Ｐａ
高周波電力：６００Ｗ
バイアス電力：１５Ｗ
エッチング時間：９０秒
上記の条件で、付着物の除去を行った後、電子顕微鏡により観察した結果、第２の大径部１４、第１の大径部１５の壁面は約２μｍ除去され、特に目立っていた第２の大径部１４と第１の大径部１５との段差部に見られた突起状の付着物が良好に除去されていることが確認できた。付着物除去を良好に行う好ましいエッチング量としては、側壁面で０．２μｍから５μｍ程度の範囲が好ましい。０．２μｍ未満の場合、付着物除去が十分でなく、また５μｍを超える場合はＳｉ異方性ドライエッチングにより形成された側壁保護膜がほぼ除去された状態となるため付着物除去の更なる効果は期待できない。上記からも明かな通り、付着物除去のＳｉドライエッチング方法は、Ｓｉ異方性ドライエッチング方法の２つのステップの内の一つのステップであるため、第２の大径部１４、第１の大径部１５の形成後、容易に行うことができる。Ｓｉドライエッチング方法は、上記の方法（反応性イオンエッチング）に限定されることはなく、Ｓｉを化学的に除去できるドライエッチング方法であればよく、例えば反応性ガスエッチングがある。

この後、基板Ｃのもう一つのＳｉ層１８の面に形成したエッチングマスク６０ｂを用いて、エッチング停止層１６が露出するまでＳｉ層１８をＳｉ異方性ドライエッチングを行い小径部１３を形成する（図４（ｆ））。この後、基板Ｃを希釈フッ酸溶液に浸漬して、エッチングマスク６０ａ−１、６０ｂ及びエッチング停止層１６を除去する。エッチング停止層１６の除去により小径部１３と第２の大径部１４、第１の大径部１５とが連通してノズルが形成でき、ノズルプレート１が完成する（図４（ｇ））。厚みが決まっているＳＯＩ基板に対して第１の大径部及び第２の大径部の深さが精度良く形成されているため、必然的に液滴の吐出性能に大きく影響を及ぼす小径部１３の長さ（ノズル長）を精度良く形成できる。小径部１３の深さ（長さ）は５μｍ程度であり、孔の直径はφ１μｍからφ１０μｍ程度である。尚、小径部１３の内周壁にも、上記同様に付着物が存在すると推測されるが、Ｓｉ異方性ドライエッチングを行う時間が短いことや内周壁の面積が小さいことから、剥離してノズルからの液滴吐出に問題を生じるような大きさの付着物は生じないものと推測される。

この後、後述する撥液層４５をエッチングマスク６０ｂを除去した吐出面１２に設けるのが好ましい。

上記で説明したＳｉドライエッチングによる第２の大径部１４と第１の大径部１５の壁面の付着物除去は、エッチング停止層１６を除去する前に行うのが好ましい。エッチング停止層１６があることによりＳｉドライエッチングが小径部１３の形成に影響を及ぼさないで、より良好な小径部１３を形成できる。

尚、Ｓｉドライエッチングの代わりにアルカリ溶液によるウエットエッチングを行うことにより、付着物除去を行うこともできる。例えば図４（ｄ）に示す状態でエッチング液に浸漬する場合、小径部１３を形成するエッチングマスク６０ｂの開口部を閉じておくことが好ましく、また、ウエットエッチング工程の後に洗浄やリンス工程等が必要である。

また、基板Ｃを、エッチング停止層１６を備えていないＳｉ基板とすることもできる。この場合、エッチング停止層１６を除いて、図４と同じ工程でノズルプレート１を製造することができる。この場合、第２の大径部１４と第１の大径部１５の形成の際に、付着物除去を行うＳｉドライエッチングによるＳｉ除去量を考慮した深さの第２の大径部１４と第１の大径部１５を形成することにより、所望の小径部１３の長さ（ノズル長）を得ることができる。また、より良好な小径部１３を形成するには、小径部１３を形成する工程を付着物除去を行う工程の後とすると、Ｓｉドライエッチングが小径部１３の形成に影響を及ぼさないため好ましい。

撥液層４５に関して説明する。図１に示すノズルプレート１の吐出孔が存在する吐出面１２に撥液層４５を設けるのが好ましい。撥液層４５を設けることで、吐出孔から液体が吐出面１２に馴染むことによる染み出しや広がりを抑制することができる。具体的には、例えば液体が水性であれば撥水性を有する材料が用いられ、液体が油性であれば撥油性を有する材料が用いられるが、一般に、ＦＥＰ（四フッ化エチレン、六フッ化プロピレン）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフロロエチレン）、フッ素シロキサン、フルオロアルキルシラン、アモルファスパーフルオロ樹脂等のフッ素樹脂等が用いられることが多く、塗布や蒸着等の方法で吐出面１２に成膜されている。膜厚の厚みは、特に限定されるものではないが、概ね０．１μｍから３μｍとするのが好ましい。

なお、撥液層４５は、ノズルプレート１の吐出面１２に直接成膜してもよいし、撥液層４５の密着性を向上させるために中間層を介して成膜することも可能である。

次に図１に示す様なボディプレート２を製造する。例えば、Ｓｉ基板を用いて、公知のフォトリソグラフィ処理（レジスト塗布、露光、現像）及び上記で説明したＳｉ異方性ドライエッチング方法を用いて、ノズル１１にそれぞれ連通する複数の圧力室となる圧力室溝２４、この圧力室にそれぞれ連通する複数のインク供給路となるインク供給溝２３及びこのインク供給に連通する共通インク室となる共通インク室溝２２、並びにインク供給口２１等の流路溝を形成する。この後、これまでに用意したノズルプレート１とボディプレート２とを接着剤等を用いて貼り合わせ、更にボディプレート２の各圧力室２４の背面に圧力発生手段である圧電素子３を取り付けて液滴吐出ヘッド（液滴吐出ヘッドＪとする。）とすることができる。

インクジェット式記録ヘッドの例を示す図である。 インクジェット式記録ヘッドの断面を示す図である。 ノズルプレートに形成されたノズル周辺の例を示す図である。 小径部、第１の大径部及び第２の大径部を形成する工程を示す図である。

符号の説明

１ ノズルプレート
２ ボディプレート
３ 圧電素子
１１ ノズル
１２ 吐出面
１３ 小径部
１４ 第２の大径部
１５ 第１の大径部
１６ エッチング停止層
１７、１８ Ｓｉ層
２１ インク供給口
２２ 共通インク室（溝）
２３ インク供給路（溝）
２４ 圧力室（溝）
４５ 撥液層
６０ａ、６０ａ−１、６０ｂ エッチングマスク
Ａ インクジェット式記録ヘッド
Ｃ 基板

Claims (3)

1. Ｓｉ基板に貫通孔を備え、
   前記貫通孔は、前記Ｓｉ基板の一方の面に開口する小径部と、他方の面に開口し前記小径部の断面より大きな断面を有する大径部と、を有し、
   前記小径部の開口を液滴が吐出する吐出孔とする液体吐出ヘッド用ノズルプレートの製造方法において、
   前記大径部を形成するＳｉ層と前記小径部を形成するＳｉ層との間にＳｉよりエッチングレートが遅いエッチング停止層を有するＳｉ基板の前記大径部を形成するＳｉ層の面に、前記大径部を形成するエッチングマスクを設ける工程と、
   前記Ｓｉ基板の前記小径部を形成するＳｉ層の面に、前記小径部を形成するエッチングマスクを設ける工程と、
   前記大径部を形成するエッチングマスクを設けた前記Ｓｉ層の面に、エッチングと側壁保護膜の形成とを交互に繰り返すＳｉ異方性ドライエッチング方法により、所定の深さの前記大径部を形成する工程と、
   前記大径部を形成する工程の後、形成された前記大径部に対しＳｉドライエッチングを行うことにより、前記Ｓｉ異方性ドライエッチング方法による前記大径部を形成する工程によって形成された付着物の除去を行うエッチング工程と、
   前記小径部を形成するエッチングマスクを設けた前記Ｓｉ層の面に、前記Ｓｉ異方性ドライエッチング方法により、前記エッチング停止層が露出するまでエッチングを行うことにより、前記小径部を形成する工程と、
   前記エッチング工程及び前記小径部を形成する工程の後、前記エッチングマスク及び前記小径部に露出する前記エッチング停止層を除去して前記大径部と前記小径部が連通した前記吐出孔を形成する工程と、
   前記吐出孔を有する前記Ｓｉ基板の面に撥液層を設ける工程と、を有することを特徴とする液体吐出ヘッド用ノズルプレートの製造方法。
2. 請求項１に記載の液体吐出ヘッド用ノズルプレートの製造方法により製造されたことを特徴とする液体吐出ヘッド用ノズルプレート。
3. 請求項２に記載された液体吐出ヘッド用ノズルプレートと、
   前記液体吐出ヘッド用ノズルプレートの吐出孔から吐出する液体を供給する流路溝を有するボディプレートと、を備えていることを特徴とする液体吐出ヘッド。

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