JP5277571B2 - ノズル基板の製造方法及び液滴吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、インクジェットヘッド等に使用されるノズル基板、液滴吐出ヘッド及びそれらの製造方法並びに液滴吐出装置に関する。
インクジェット記録装置に搭載されるインクジェットヘッドは、一般に、インク滴を吐出するための複数のノズル孔が形成されたノズル基板と、このノズル基板に接合されノズル基板との間で上記ノズル孔に連通する吐出室、リザーバ等のインク流路が形成されたキャビティ基板とを備え、駆動部により吐出室に圧力を加えることによりインク滴を選択されたノズル孔より吐出するように構成されている。駆動手段としては、静電気力を利用する方式や、圧電素子による圧電方式、発熱素子を利用する方式等がある。
近年、インクジェットヘッドに対して、印字、画質等の高品位化の要求が一段と強まり、そのためノズル列を複数にしたり、１列当たりのノズル数を増加して多ノズル化・長尺化するなど、ノズル密度の高密度化と吐出性能の向上が図られている。このような背景から、インクジェットヘッドのノズル部に関して、従来より様々な工夫、提案がなされている。
例えば、特許文献１には、（１００）面方位のシリコン基板に異方性ウェットエッチングで四角錐形状のノズルを貫通形成することが開示されている。
特許文献２には、等方性ドライエッチングと異方性ドライエッチングとを交互に繰り返すことにより、シリコン基板にテーパ形状のノズルを形成することが開示されている。
特許文献３には、（１００）面方位のシリコン基板に異方性ウェットエッチングで未貫通のテーパ状ノズル部を形成し、このシリコン基板の反対面側から異方性ドライエッチングで円筒状の垂直ノズル部を貫通形成することが開示されている。
特許文献４には、（１１０）面方位のシリコン基板に異方性ウェットエッチングでエッチピットを形成し、このシリコン基板を電解質溶液に浸し、逆バイアス電圧をかけた状態で異方性ウェットエッチングをすることによりノズルを形成することが開示されている。
特許文献５には、（１００）面方位のシリコン基板に異方性ドライエッチングで小径円筒状の第１のノズル部と、大径円筒状の第２のノズル部とを２段に形成することが開示されている。
特許文献２には、等方性ドライエッチングと異方性ドライエッチングとを交互に繰り返すことにより、シリコン基板にテーパ形状のノズルを形成することが開示されている。
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特許文献４には、（１１０）面方位のシリコン基板に異方性ウェットエッチングでエッチピットを形成し、このシリコン基板を電解質溶液に浸し、逆バイアス電圧をかけた状態で異方性ウェットエッチングをすることによりノズルを形成することが開示されている。
特許文献５には、（１００）面方位のシリコン基板に異方性ドライエッチングで小径円筒状の第１のノズル部と、大径円筒状の第２のノズル部とを２段に形成することが開示されている。
しかし、上記特許文献１〜５に記載の技術には、以下に示すような課題があった。
特許文献１では、ノズルを異方性ウェットエッチングで形成するため、ノズルテーパ部の傾斜角度がシリコン単結晶基板の面方位に依存してしまい、ノズル密度を上げることには限界がある。また、ノズル先端形状がシリコンの面方位のために四角形になってしまい、液滴の直進性を保つことが困難になる。さらに、ノズル吐出口に垂直部がないため、メニスカスを安定に維持することが困難である。
特許文献２では、等方性ドライエッチングでノズル側壁のアンダーカットが進むので、ノズル径の制御が困難になる。また、ノズル吐出口に垂直部がないため、メニスカスを安定に維持することが困難である。
特許文献３では、ノズルテーパ部を異方性ウェットエッチングで形成するため、ノズルテーパ部の傾斜角度がシリコン単結晶基板の面方位に依存してしまい、ノズル密度を上げることには限界がある。また、ノズルテーパ部と垂直部の両面位置合わせが必要になり、片面から位置合わせして加工する場合に比べて精度が劣る。
特許文献４では、ノズルテーパ部を異方性ウェットエッチングで形成するため、ノズルテーパ部の傾斜角度がシリコン単結晶基板の面方位に依存してしまい、ノズル密度を上げることには限界がある。また、ノズルテーパ部と垂直部の境界が曖昧になり、ノズルの流路抵抗の調整、すなわちノズル長さを調整することが難しくなる。
特許文献５では、第１のノズル部と第２のノズル部との間に円環状の段差部があり、この段差部でインク流れの淀みが生じるため、流れの乱れや流路抵抗増を生じさせるなどの問題がある。
特許文献１では、ノズルを異方性ウェットエッチングで形成するため、ノズルテーパ部の傾斜角度がシリコン単結晶基板の面方位に依存してしまい、ノズル密度を上げることには限界がある。また、ノズル先端形状がシリコンの面方位のために四角形になってしまい、液滴の直進性を保つことが困難になる。さらに、ノズル吐出口に垂直部がないため、メニスカスを安定に維持することが困難である。
特許文献２では、等方性ドライエッチングでノズル側壁のアンダーカットが進むので、ノズル径の制御が困難になる。また、ノズル吐出口に垂直部がないため、メニスカスを安定に維持することが困難である。
特許文献３では、ノズルテーパ部を異方性ウェットエッチングで形成するため、ノズルテーパ部の傾斜角度がシリコン単結晶基板の面方位に依存してしまい、ノズル密度を上げることには限界がある。また、ノズルテーパ部と垂直部の両面位置合わせが必要になり、片面から位置合わせして加工する場合に比べて精度が劣る。
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特許文献５では、第１のノズル部と第２のノズル部との間に円環状の段差部があり、この段差部でインク流れの淀みが生じるため、流れの乱れや流路抵抗増を生じさせるなどの問題がある。
本発明は、上記のような課題に鑑み、吐出特性の向上とノズル密度の高密度化とを図ることができるノズル基板、液滴吐出ヘッド及びそれらの製造方法並びに液滴吐出装置を提供することを目的とする。
本発明に係るノズル基板は、シリコン基板と、シリコン基板に設けられかつ液滴の吐出に用いられるノズル孔とを有し、
当該ノズル孔は、シリコン基板の前記液滴の吐出される側の面において当該面に対し当該ノズル孔の内壁が垂直形成された第１のノズル部、第１のノズル部と同軸上に設けられシリコン基板の液滴の吐出される側の面とは反対側の面から見たときの開口平面積が第１のノズル部の開口平面積よりも大きく形成された第２のノズル部、および第１のノズル部から第２のノズル部に向けて連続して開口平面積が漸増する傾斜部を含み構成されているものである。
当該ノズル孔は、シリコン基板の前記液滴の吐出される側の面において当該面に対し当該ノズル孔の内壁が垂直形成された第１のノズル部、第１のノズル部と同軸上に設けられシリコン基板の液滴の吐出される側の面とは反対側の面から見たときの開口平面積が第１のノズル部の開口平面積よりも大きく形成された第２のノズル部、および第１のノズル部から第２のノズル部に向けて連続して開口平面積が漸増する傾斜部を含み構成されているものである。
このようなノズル形状・構造とすることにより、第１のノズル部と第２のノズル部との間が段差部を介さずに傾斜部で連結されているため、インク流れの乱れを抑制することができ、インク流れをノズル孔の中心軸方向に揃えて吐出させることができる。したがって、吐出特性を向上させることができる。
また、第１のノズル部は、円形孔であって、第２のノズル部および傾斜部は、シリコン基板の液滴の吐出される側の面とは反対側の面から見たときの開口面形状が正方形または長方形とするのが好ましい。
また、ノズル孔は、シリコン基板の液滴の吐出される側の面とは反対側の面に対して当該ノズル孔の内壁が垂直に形成された第２のノズル部を有するものである。
第２のノズル部および傾斜部の断面形状がシリコンの結晶方位に束縛されない形状であるので、ノズル密度を高密度化させることができる。
また、ノズル孔は、シリコン基板の液滴の吐出される側の面とは反対側の面に対して当該ノズル孔の内壁が垂直に形成された第２のノズル部を有するものである。
第２のノズル部および傾斜部の断面形状がシリコンの結晶方位に束縛されない形状であるので、ノズル密度を高密度化させることができる。
本発明に係るノズル基板の製造方法は、シリコン基板の液滴の吐出に用いられる面に対して当該ノズル孔の内壁が垂直な第１のノズル部と、第１のノズル部と同軸上にシリコン基板の液滴の吐出される側の面とは反対側の面から見たときの第１のノズル部よりも開口平面積が大きくかつ当該面形状が多角形である第２のノズル部とからなるノズル孔を異方性ドライエッチングにより形成する工程と、シリコン基板面に対して垂直な第１のノズル部と、第１のノズル部と同軸上に第１のノズル部よりも断面積が大きく、かつ当該断面形状が多角形である第２のノズル部とからなるノズル孔を異方性ドライエッチングにより形成する工程と、ノズル孔の内壁全面に保護膜を形成する工程と、第１のノズル部と第２のノズル部との間の段差部に形成された保護膜を選択的に除去する工程と、第２のノズル部から第１のノズル部に向けて連続して開口平面積が漸減する傾斜部を異方性ウェットエッチングにより形成する工程と、を有するものである。
本発明のノズル基板の製造方法では、第１のノズル部と断面形状が多角形である第２のノズル部とからなるノズル孔を異方性ドライエッチングにより形成した後に、ノズル孔の内壁全面に保護膜を形成し、第１のノズル部と第２のノズル部との間の段差部に形成された保護膜のみを選択的に除去した後、異方性ウェットエッチングで段差部を傾斜状に形成するものであり、これにより吐出特性の向上とノズル密度の高密度化とを実現することができるノズル基板を安価に製造することができる。
この場合、段差部に形成された保護膜の除去は異方性ドライエッチングで実施する。また、ノズル孔の内壁に形成された保護膜は熱酸化膜とするのが好ましい。さらに、段差部を異方性ウェットエッチングで傾斜状に形成するためには、傾斜部の断面形状を構成する辺のうち、少なくとも４辺と平行である（１１１）面と直交して現れる（１００）面方位の単結晶シリコン基板を使用するのが好ましい。
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、上記のいずれかのノズル基板を備えたものであり、吐出特性の向上とノズル密度の高密度化とを実現することができる。
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、上記のいずれかのノズル基板の製造方法を適用して液滴吐出ヘッドを製造するものであり、吐出特性の向上とノズル密度の高密度化とを実現することができる液滴吐出ヘッドを製造することができる。
本発明に係る液滴吐出装置は、上記の液滴吐出ヘッドを搭載したものであり、吐出特性の向上とノズル密度の高密度化とを実現することができる液滴吐出装置が得られる。
以下、本発明のノズル基板を備えた液滴吐出ヘッドの一実施の形態について、図面に基づいて説明する。ここでは、液滴吐出ヘッドの一例として、静電駆動方式のインクジェットヘッドについて図１〜図４を参照して説明する。なお、本発明は、ノズル形状を除き、以下の図に示す構造、形状に限定されるものではなく、また、フェース吐出型に限らずエッジ吐出型にも適用することができる。さらには、駆動方式についても他の異なる駆動方式により液滴を吐出する液滴吐出ヘッドおよび液滴吐出装置にも適用できるものである。
図１は本実施形態に係るインクジェットヘッドの概略構成を分解して示す分解斜視図であり、一部を断面で表してある。図２は組立状態における図１の右半分の概略構成を示すインクジェットヘッドの断面図、図３は図２のインクジェットヘッドの上面図である。また、図４はノズル形状の一例を示した拡大図で、（ａ）はノズル基板を下面からみたときの背面図、（ｂ）は（ａ）図のＡ−Ａ断面図である。
本実施形態のインクジェットヘッド１０は、図１および図２に示すように、複数のノズル孔１１が所定のピッチで設けられたノズル基板１と、各ノズル孔１１に対して独立にインク供給路が設けられたキャビティ基板２と、キャビティ基板２の振動板２２に対峙して個別電極３１が配設された電極基板３とを貼り合わせることにより構成されている。
ノズル基板１は、例えば面方位が（１００）の単結晶シリコン基板から作製されている。ここで、インク滴を吐出するためのノズル孔１１は、第１のノズル部１１ａと、第２のノズル部１１ｂと、傾斜部１１ｃとから構成されている。第１のノズル部１１ａはノズル基板１の表面（インク吐出面）１ａに対して垂直に小径の円筒状に形成されており、第２のノズル部１１ｂは第１のノズル部１１ａと同軸上に設けられ、第１のノズル部１１ａよりも断面積が大きく、断面形状が多角形、例えば四角形であるように形成されている。そして、傾斜部１１ｃは第１のノズル部１１ａから第２のノズル部１１ｂに向けて断面積が漸増するように形成されている。したがって、第１のノズル部１１ａと第２のノズル部１１ｂとの間に段差部はなく、傾斜部１１ｃによって多角形断面の第２のノズル部１１ｂから円形断面の第１のノズル部１１ａへスムーズに断面積を縮小しながら連結している。
ノズルの流路抵抗は、この第１のノズル部１１ａの口径と長さとで規定される。第１のノズル部１１ａと傾斜部１１ｃの接続位置１１ｄ（図４（ｂ）参照）は、第２のノズル部１１ｂの大きさが決まれば単結晶シリコン基板の面方位の角度θによって一義的に決まるので、第１のノズル部１１ａの長さ（ノズル長さ）は単結晶シリコン基板の厚み、すなわち基板表面（インク吐出面）１ａを研削あるいはエッチング加工することで正確に調整することができる。なお、傾斜部１１ｃの断面形状は接続位置１１ｄでは円形になっている。
ノズルの流路抵抗は、この第１のノズル部１１ａの口径と長さとで規定される。第１のノズル部１１ａと傾斜部１１ｃの接続位置１１ｄ（図４（ｂ）参照）は、第２のノズル部１１ｂの大きさが決まれば単結晶シリコン基板の面方位の角度θによって一義的に決まるので、第１のノズル部１１ａの長さ（ノズル長さ）は単結晶シリコン基板の厚み、すなわち基板表面（インク吐出面）１ａを研削あるいはエッチング加工することで正確に調整することができる。なお、傾斜部１１ｃの断面形状は接続位置１１ｄでは円形になっている。
このノズル孔１１は上記のような形状及び構造となっているので、第２のノズル部１１ｂは流入するインクの流れを整流し、傾斜部１１ｃはこのインクの流れをノズル中心軸１１０方向にスムーズに導き、第１のノズル部１１ａは円筒状の垂直部となっているため、メニスカスを安定に維持しつつノズル中心軸１１０方向に真っ直ぐにインク滴を吐出する。
したがって、第１のノズル部１１ａと第２のノズル部１１ｂとの間に段差部等がなく、淀みが生じないため、安定したインク吐出量で、ノズル中心軸１１０方向に真っ直ぐにインク滴を吐出することができる。
したがって、第１のノズル部１１ａと第２のノズル部１１ｂとの間に段差部等がなく、淀みが生じないため、安定したインク吐出量で、ノズル中心軸１１０方向に真っ直ぐにインク滴を吐出することができる。
第２のノズル部１１ｂの断面形状は、図４に示すように正方形に形成されているが、正方形に限るものではなく、例えば図５に示すように長方形に形成してもよいものである。この場合、長方形の長辺がノズル列方向に対して直角の方向に向くように配置すると、ノズルピッチをより小さくすることが可能となり、ノズル密度が向上し、１列当たりのノズル数の増加つまり多ノズル化及び長尺化が可能となる。
また、円筒状の第１のノズル部１１ａは、第２のノズル部１１ｂの正方形または長方形の長辺に内接する内接円以下の小さい円形孔であればよい。
よって、本実施形態のノズル孔１１の構成によれば、ノズルの流路特性の性能向上と高密度化を両立させることができる。
また、円筒状の第１のノズル部１１ａは、第２のノズル部１１ｂの正方形または長方形の長辺に内接する内接円以下の小さい円形孔であればよい。
よって、本実施形態のノズル孔１１の構成によれば、ノズルの流路特性の性能向上と高密度化を両立させることができる。
キャビティ基板２は、例えば面方位が（１１０）の単結晶シリコン基板から作製されている。シリコン基板に異方性ウェットエッチングを施し、インク流路の吐出室２１およびリザーバ２３を構成するための凹部２４、２５が区画形成される。このキャビティ基板２上に上記のノズル基板１が接着接合され、図２に示すようにノズル基板１とキャビティ基板２との間に各ノズル孔１１に連通するインク流路が区画形成される。そして、吐出室２１（凹部２４）の底壁が振動板２２として機能するようになっている。
他方の凹部２５は、液状材料のインクを貯留するためのものであり、各吐出室２１に共通に連通するリザーバ（共通インク室）２３を構成する。そして、リザーバ２３（凹部２５）はそれぞれ細溝状のオリフィス２６を介して各吐出室２１に連通している。また、リザーバ２３の底部には後述する電極基板３を貫通する孔が設けられ、この孔のインク供給孔３４を通じて図示しないインクタンクからインクが供給されるようになっている。なお、オリフィス２６はノズル基板１の裏面、すなわちキャビティ基板２と接合する接合面１ｂ側に形成しても良い。
また、キャビティ基板２の全面もしくは少なくとも電極基板３との対向面には熱酸化法やＴＥＯＳ（Tetraethylorthosilicate Tetraethoxysilane：テトラエトキシシラン、珪酸エチル）を原料ガスとするプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により、ＳｉＯ2膜やいわゆるＨｉｇｈ−ｋ材（高誘電率ゲート絶縁膜）等からなる絶縁膜２７が形成されている。この絶縁膜２７は、インクジェットヘッド駆動時における絶縁破壊や短絡を防止する目的で設けられる。
キャビティ基板２の下側に接合される電極基板３は、例えば厚さ約１ｍｍのガラス基板から作製される。電極基板３には、キャビティ基板２の各振動板２２に対向する位置に所望の深さの凹部３２がエッチングで形成されている。さらに、各凹部３２内には、一般に、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウム錫酸化物）からなる個別電極３１が、例えば０．１μｍの厚さでスパッタにより形成される。したがって、振動板２２と個別電極３１との間に所定の間隔をもつギャップ（空隙）が形成される。
個別電極３１は、リード部３１ａと、フレキシブル配線基板（図示せず）に接続される端子部３１ｂとを有する。端子部３１ｂは、配線のためにキャビティ基板２の末端部が開口された電極取り出し部３５内に露出している。
上述のように作製された、ノズル基板１、キャビティ基板２、および電極基板３を、図２に示すように貼り合わせることによりインクジェットヘッド１０の本体部が作製される。すなわち、キャビティ基板２と電極基板３は陽極接合により接合され、そのキャビティ基板２の上面にノズル基板１が接着により接合される。さらに、振動板２２と個別電極３１との間に形成されるギャップの開放端部はエポキシ系樹脂等による封止材３６で気密に封止される。これにより、湿気や塵埃等がギャップへ侵入するのを防止することができ、インクジェットヘッド１０の信頼性を高く保持することができる。
そして最後に、図２、図３に簡略化して示すように、ドライバＩＣ等の駆動制御回路４０を搭載した前記フレキシブル配線基板（図示せず）が各個別電極３１の端子部３１ｂとキャビティ基板２上に設けられた共通電極２８とに導電性接着剤等を用いて接続される。
以上により、インクジェットヘッド１０が完成する。
以上により、インクジェットヘッド１０が完成する。
次に、以上のように構成されるインクジェットヘッド１０の動作を説明する。
インクは、リザーバ２３からノズル基板１のノズル孔１１の先端に至るまで、各インク流路内に気泡を生じることなく満たされている。
印刷を行う際には、ドライバＩＣ等の駆動制御回路４０によりノズル選択し、振動板２２と個別電極３１との間に所定のパルス電圧を印加すると、静電引力が発生して振動板２２は個別電極３１側へ引き寄せられて撓み、個別電極３１に当接して、吐出室２１内に負圧を発生させる。これにより、リザーバ２３内のインクがオリフィス２６を通じて吐出室２１内に吸引され、インクの振動（メニスカス振動）を発生させる。このインクの振動が略最大となった時点で、電圧を解除すると、振動板２２は個別電極３１から離脱して、その時の振動板２２の復元力によりインクをノズル孔１１から押し出し、インク滴を記録紙（図示せず）に向けて吐出する。
インクは、リザーバ２３からノズル基板１のノズル孔１１の先端に至るまで、各インク流路内に気泡を生じることなく満たされている。
印刷を行う際には、ドライバＩＣ等の駆動制御回路４０によりノズル選択し、振動板２２と個別電極３１との間に所定のパルス電圧を印加すると、静電引力が発生して振動板２２は個別電極３１側へ引き寄せられて撓み、個別電極３１に当接して、吐出室２１内に負圧を発生させる。これにより、リザーバ２３内のインクがオリフィス２６を通じて吐出室２１内に吸引され、インクの振動（メニスカス振動）を発生させる。このインクの振動が略最大となった時点で、電圧を解除すると、振動板２２は個別電極３１から離脱して、その時の振動板２２の復元力によりインクをノズル孔１１から押し出し、インク滴を記録紙（図示せず）に向けて吐出する。
次に、このインクジェットヘッド１０の製造方法について、ここでは主に、ノズル基板１の製造方法について、図６〜図１０を参照して説明する。図６〜図１０はノズル基板１の製造工程を示す部分断面図である。
（ａ）まず、図６（ａ）に示すように、厚みが２８０μｍ、面方位が（１００）の単結晶シリコン基板１００を用意し、このシリコン基板１００の全面に膜厚１μｍの熱酸化膜（ＳｉＯ2膜）１０１を均一に成膜する。このＳｉＯ2膜１０１は、例えば熱酸化装置にシリコン基板１００をセットし、酸化温度１０７５℃、酸素と水蒸気の混合雰囲気中で４時間熱酸化を行うことにより形成する。ＳｉＯ2膜１０１はシリコンの耐エッチング材として使用するものである。
（ｂ）次に、図６（ｂ）に示すように、シリコン基板１００の片面、すなわちキャビティ基板２と接合される側の面（接合面）１００ａのＳｉＯ2膜１０１上にレジスト１０２をコーティングし、ノズル孔１１の第２のノズル部１１ｂとなる多角形部１１０ａ（例えば、正方形となる部分）をパターニングする。
（ｂ）次に、図６（ｂ）に示すように、シリコン基板１００の片面、すなわちキャビティ基板２と接合される側の面（接合面）１００ａのＳｉＯ2膜１０１上にレジスト１０２をコーティングし、ノズル孔１１の第２のノズル部１１ｂとなる多角形部１１０ａ（例えば、正方形となる部分）をパターニングする。
（ｃ）次に、図６（ｃ）に示すように、例えばフッ酸水溶液とフッ化アンモニウム水溶液を１対６で混合した緩衝フッ酸水溶液でＳｉＯ2膜１０１をハーフエッチングし、第２のノズル部１１ｂとなる多角形部１１０ａのＳｉＯ2膜１０１を薄くする。このとき、インク吐出側の面１００ｂのＳｉＯ2 膜１０１もエッチングされ、ＳｉＯ2 膜１０１の厚みが減少する。
（ｄ）次に、図６（ｄ）に示すように、上記レジスト１０２を硫酸洗浄などにより剥離する。
（ｅ）次に、図６（ｅ）に示すように、シリコン基板１００の接合面１００ａ側に再度レジスト１０３をコーティングし、ノズル孔１１の第１のノズル部１１ａとなる小円形部１１０ｂをパターニングする。
（ｄ）次に、図６（ｄ）に示すように、上記レジスト１０２を硫酸洗浄などにより剥離する。
（ｅ）次に、図６（ｅ）に示すように、シリコン基板１００の接合面１００ａ側に再度レジスト１０３をコーティングし、ノズル孔１１の第１のノズル部１１ａとなる小円形部１１０ｂをパターニングする。
（ｆ）次に、図７（ｆ）に示すように、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置でＳｉＯ2 膜１０１をドライエッチングして、第１のノズル部１１ａとなる小円形部１１０ｂのＳｉＯ2膜１０１を開口する。
第１のノズル部１１ａとなる小円形部１１０ｂのＳｉＯ2膜１０１をドライエッチングで開口することで、ウェットエッチングの場合よりもノズル径の精度を向上させることができる。
（ｇ）次に、図７（ｇ）に示すように、シリコン基板１００の接合面１００ａ側に設けたレジスト１０３を、硫酸洗浄などにより剥離する。
第１のノズル部１１ａとなる小円形部１１０ｂのＳｉＯ2膜１０１をドライエッチングで開口することで、ウェットエッチングの場合よりもノズル径の精度を向上させることができる。
（ｇ）次に、図７（ｇ）に示すように、シリコン基板１００の接合面１００ａ側に設けたレジスト１０３を、硫酸洗浄などにより剥離する。
（ｈ）次に、図７（ｈ）に示すように、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）ドライエッチング装置を用いてＳｉＯ2膜１０１の開口部を、例えば深さ５０μｍで垂直に異方性ドライエッチングして、円形穴の第１のノズル部１１ａを形成する。この場合、エッチングガスとして、例えば、Ｃ4Ｆ8（フッ化炭素）、ＳＦ6（フッ化硫黄）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、Ｃ4Ｆ8は形成される円形穴部の側面方向にエッチングが進行しないように円形穴部の側面を保護するために使用し、ＳＦ6は円形穴部の垂直方向のエッチングを促進するために使用する。
（ｉ）次に、図７（ｉ）に示すように、第２のノズル部１１ｂとなる角穴部のＳｉＯ2膜１０１のみが無くなるように、緩衝フッ酸水溶液でハーフエッチングする。
（ｊ）次に、図７（ｊ）に示すように、再度ＩＣＰドライエッチング装置によりＳｉＯ2膜１０１の開口部を、例えば２０μｍの深さで垂直に異方性ドライエッチングして、角穴状の第２のノズル部１１ｂを形成する。
（ｊ）次に、図７（ｊ）に示すように、再度ＩＣＰドライエッチング装置によりＳｉＯ2膜１０１の開口部を、例えば２０μｍの深さで垂直に異方性ドライエッチングして、角穴状の第２のノズル部１１ｂを形成する。
（ｋ）次に、図８（ｋ）に示すように、上記（ｊ）の工程におけるシリコン基板表面のＳｉＯ2膜１０１を除去せず残したまま、シリコン基板１００を熱酸化し、熱酸化膜（ＳｉＯ2膜）１０４を形成する。このＳｉＯ2膜１０４は、ノズル孔１１の内壁（第１のノズル部１１ａと第２のノズル部１１ｂの側面及び底面）全面に保護膜として形成する。これには、シリコン基板１００を熱酸化装置にセットし、酸化温度１０００℃、酸化時間３時間、酸素雰囲気中の条件で熱酸化処理を行うことにより、ノズル孔１１内壁を含むシリコン基板１００全面にさらに膜厚０．１μｍのＳｉＯ2膜１０４を形成する。これにより、ＳｉＯ2膜１０４の膜厚は、ノズル孔１１内壁よりもシリコン基板表面の方が厚く形成される。
（ｌ）次に、図８（ｌ）に示すように、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）ドライエッチング装置を用いて異方性ドライエッチングを行うことにより、第１のノズル部１１ａの底部１１ｆ及び段差部１１ｅのＳｉＯ2膜１０４を選択的に除去する。このとき、第１のノズル部１１ａの垂直な側面のＳｉＯ2膜１０４はほとんど浸食されない。
（ｍ）次に、図８（ｍ）に示すように、２５％ＴＭＡＨ水溶液でシリコン基板１００を異方性ウェットエッチングすることにより、第１のノズル部１１ａの段差部１１ｅを逆四角錐形状に形成する。これにより、第１のノズル部１１ａと第２のノズル部１１ｂとの間に傾斜部１１ｃが形成される。
ここで、図１１、図１２を参照してさらに詳しく説明する。図１１（ａ）は上記（ｌ）の工程、図１１（ｂ）は上記（ｍ）の工程におけるノズル形態を示す上面図（上図）とＢ−Ｂ断面図（下図）である。但し、上面図ではＳｉＯ2膜１０４は図示を省略している。図１２（ａ）は従来のノズル形態に対して本発明の加工法を適用した場合、図１２（ｂ）は本発明のノズル形態を示す説明図である。
図１１（ａ）に示すように、ノズル孔１１に対して異方性ドライエッチングを行うと、第１のノズル部１１ａの底部１１ｆと段差部１１ｅのＳｉＯ2膜１０４のみが選択的に除去される。次に、図１１（ｂ）に示すように、異方性ウェットエッチングを行うと、シリコンの（１００）面方位に従って斜め方向にエッチングされ、第１のノズル部１１ａの底部１１ｆ及び段差部１１ｅは逆四角錐形状に加工される。このため、段差部１１ｅは第２のノズル部１１ｂから第１のノズル部１１ａに向けて断面積が漸減する傾斜部１１ｃとなる。このノズル形態を模式的に示すと、図１２（ｂ）のようになる。これに対して、従来のノズル形態（特許文献５参照）に対して本発明の加工方法を適用した場合、すなわち２段の円筒状に形成された第１のノズル部１１ａと第２のノズル部１１ｂ’と円環状の段差部１１ｅ’とを有するノズル孔に対して、段差部１１ｅ’のＳｉＯ2膜を除去した後に、異方性ウェットエッチングを行うと、この段差部１１ｅ’の円の接線方向がシリコンの（１１１）面となるため、エッチングが辺方向と四隅方向に進行して、段差部１１ｅ’が逆四角錐形状に加工される。このため、四隅部にアンダーカットが発生し、ノズル断面積が段差部１１ｅ’で急激に変化するため、インクの流れが乱されて渦等が生じてしまい、吐出特性上好ましくない。
したがって、本発明では、はじめから第２のノズル部１１ｂを角穴状に形成し、段差部１１ｅに上記のようなアンダーカットが生じないようにするものである。
図１１（ａ）に示すように、ノズル孔１１に対して異方性ドライエッチングを行うと、第１のノズル部１１ａの底部１１ｆと段差部１１ｅのＳｉＯ2膜１０４のみが選択的に除去される。次に、図１１（ｂ）に示すように、異方性ウェットエッチングを行うと、シリコンの（１００）面方位に従って斜め方向にエッチングされ、第１のノズル部１１ａの底部１１ｆ及び段差部１１ｅは逆四角錐形状に加工される。このため、段差部１１ｅは第２のノズル部１１ｂから第１のノズル部１１ａに向けて断面積が漸減する傾斜部１１ｃとなる。このノズル形態を模式的に示すと、図１２（ｂ）のようになる。これに対して、従来のノズル形態（特許文献５参照）に対して本発明の加工方法を適用した場合、すなわち２段の円筒状に形成された第１のノズル部１１ａと第２のノズル部１１ｂ’と円環状の段差部１１ｅ’とを有するノズル孔に対して、段差部１１ｅ’のＳｉＯ2膜を除去した後に、異方性ウェットエッチングを行うと、この段差部１１ｅ’の円の接線方向がシリコンの（１１１）面となるため、エッチングが辺方向と四隅方向に進行して、段差部１１ｅ’が逆四角錐形状に加工される。このため、四隅部にアンダーカットが発生し、ノズル断面積が段差部１１ｅ’で急激に変化するため、インクの流れが乱されて渦等が生じてしまい、吐出特性上好ましくない。
したがって、本発明では、はじめから第２のノズル部１１ｂを角穴状に形成し、段差部１１ｅに上記のようなアンダーカットが生じないようにするものである。
再び図８に戻って説明を続ける。
（ｎ）図８（ｎ）に示すように、上記のＳｉＯ2膜１０４をフッ酸水溶液で全て除去し、再度熱酸化膜（ＳｉＯ2膜）１０５を０．１μｍの厚みで形成する。熱酸化膜１０５の成膜条件は、上記（ｋ）の工程で示した条件と同じである。
（ｎ）図８（ｎ）に示すように、上記のＳｉＯ2膜１０４をフッ酸水溶液で全て除去し、再度熱酸化膜（ＳｉＯ2膜）１０５を０．１μｍの厚みで形成する。熱酸化膜１０５の成膜条件は、上記（ｋ）の工程で示した条件と同じである。
（ｏ）次に、図８（ｏ）（以後、図９（ｒ）に至るまで、図８（ｎ）に示したシリコン基板１００の上下を逆転した状態で示す）に示すように、シリコン基板１００の接合面１００ａに、両面接着シート５０を介して、ガラス等の透明材料よりなる支持基板１２０を貼り付ける。この両面接着シート５０には、例えば、セルファＢＧ（登録商標：積水化学工業）を用いる。両面接着シート５０は自己剥離層５１を持ったシート（自己剥離型シート）で、その両面には接着面を有し、その一方の面にはさらに自己剥離層５１を備え、この自己剥離層５１は紫外線または熱などの刺激によって接着力が低下するようになっている。
このように、両面接着シート５０の接着面のみよりなる面５０ａを支持基板１２０の面と向かい合わせ、両面接着シート５０の自己剥離層５１を備えた側の面５０ｂをシリコン基板１００の接合面１００ａと向かい合わせ、これらの面を減圧環境下（１０Ｐａ以下）、例えば真空中で貼り合わせる。こうすることによって、接着界面に気泡が残らず、きれいな接着が可能になる。接着界面に気泡が残ると、研磨加工で薄板化されるシリコン基板１００の板厚がばらつく原因となる。また、シリコン基板１００と支持基板１２０を両面接着シート５０を介して貼り合わせるだけでよいので、従来のようにシリコン基板１００のノズル孔１１に接着樹脂等の異物が入り込むことがなく、このためシリコン基板１００から両面接着シート５０を分離する際にシリコン基板１００に割れや欠けが生じることはなく、ノズル基板１の歩留まりを向上させ、生産性を飛躍的に向上させることができる。
このように、両面接着シート５０の接着面のみよりなる面５０ａを支持基板１２０の面と向かい合わせ、両面接着シート５０の自己剥離層５１を備えた側の面５０ｂをシリコン基板１００の接合面１００ａと向かい合わせ、これらの面を減圧環境下（１０Ｐａ以下）、例えば真空中で貼り合わせる。こうすることによって、接着界面に気泡が残らず、きれいな接着が可能になる。接着界面に気泡が残ると、研磨加工で薄板化されるシリコン基板１００の板厚がばらつく原因となる。また、シリコン基板１００と支持基板１２０を両面接着シート５０を介して貼り合わせるだけでよいので、従来のようにシリコン基板１００のノズル孔１１に接着樹脂等の異物が入り込むことがなく、このためシリコン基板１００から両面接着シート５０を分離する際にシリコン基板１００に割れや欠けが生じることはなく、ノズル基板１の歩留まりを向上させ、生産性を飛躍的に向上させることができる。
なお、上記の説明では両面接着シート５０の一方の面５０ｂにのみ自己剥離層５１を備えている場合を示したが、自己剥離層５１は両面接着シート５０の両方の面５０ａ、５０ｂに設けたものであってもよい。この場合は、シリコン基板１００の薄板化加工時には、自己剥離層を持った両面５０ａ、５０ｂでそれぞれシリコン基板１００と支持基板１２０に接着した状態でシリコン基板１００を加工することができ、処理後には自己剥離層を有する両面５０ａ、５０ｂにおいて、シリコン基板１００と支持基板１２０を剥離することができる。
（ｐ）次に、図９（ｐ）に示すように、シリコン基板１００のインク吐出側の面１００ｂをバックグラインダー（図示せず）によって研削加工し、第１のノズル部１１ａの先端が開口するまでシリコン基板１００を薄くする。さらに、ポリッシャー、ＣＭＰ装置によってノズル面１００ｂを研磨し、第１のノズル部１１ａの先端部の開口を行っても良い。このとき、第１のノズル部１１ａ及び第２のノズル部１１ｂの内壁は、ノズル内の研磨材の水洗除去工程などによって洗浄する。
あるいは、第１のノズル部１１ａの先端部の開口を、ドライエッチングで行っても良い。例えば、ＳＦ6 をエッチングガスとするドライエッチングで、第１のノズル部１１ａの先端部までシリコン基板１００を薄くし、表面に露出した第１のノズル部１１ａの先端部のＳｉＯ2 膜１０５を、ＣＦ4又はＣＨＦ3等のエッチングガスとするドライエッチングによって除去してもよい。
あるいは、第１のノズル部１１ａの先端部の開口を、ドライエッチングで行っても良い。例えば、ＳＦ6 をエッチングガスとするドライエッチングで、第１のノズル部１１ａの先端部までシリコン基板１００を薄くし、表面に露出した第１のノズル部１１ａの先端部のＳｉＯ2 膜１０５を、ＣＦ4又はＣＨＦ3等のエッチングガスとするドライエッチングによって除去してもよい。
（ｑ）次に、図９（ｑ）に示すように、シリコン基板１００のインク吐出側の面１００ｂに、スパッタ装置でＳｉＯ2 膜１０６を０．１μｍの厚みで成膜する。ここで、ＳｉＯ2 膜１０６の成膜は、両面接着シート５０が劣化しない温度（２００℃程度）以下で実施できればよく、スパッタリング法に限るものではない。ただし、耐インク性等を考慮すると緻密な膜を成膜する必要があり、ＥＣＲスパッタ装置等の常温で緻密な膜を成膜できる装置を使用することが望ましい。
（ｒ）次に、図９（ｒ）に示すように、シリコン基板１００のインク吐出側の面１００ｂにさらに撥インク処理を施す。この場合、Ｆ原子を含む撥インク性を持った材料を蒸着やディッピングで成膜し、撥インク層１０７を形成する。このとき、第１のノズル部１１ａ及び第２のノズル部１１ｂの内壁も、撥インク処理される。
（ｒ）次に、図９（ｒ）に示すように、シリコン基板１００のインク吐出側の面１００ｂにさらに撥インク処理を施す。この場合、Ｆ原子を含む撥インク性を持った材料を蒸着やディッピングで成膜し、撥インク層１０７を形成する。このとき、第１のノズル部１１ａ及び第２のノズル部１１ｂの内壁も、撥インク処理される。
（ｓ）次に、図９（ｓ）（以後、図１０（ｖ）に至るまで、図９（ｒ）に示したシリコン基板１００の上下を逆転した状態で示す）に示すように、撥インク処理されたインク吐出側の面１００ｂに、ダイシングテープ６０をサポートテープとして貼り付ける。
（ｔ）次に、図９（ｔ）に示すように、支持基板１２０側からＵＶ光を照射する。
（ｕ）こうして、図１０（ｕ）に示すように、両面接着シート５０の自己剥離層５１をシリコン基板１００の接合面１００ａから剥離させ、支持基板１２０をシリコン基板１００から取り外す。
（ｖ）次に、図１０（ｖ）に示すように、ＡｒスパッタもしくはＯ2 プラズマ処理によって、シリコン基板１００の接合面１００ａ側および第１のノズル部１１ａ、第２のノズル部１１ｂの内壁に余分に形成された撥インク層１０７を除去する。
（ｔ）次に、図９（ｔ）に示すように、支持基板１２０側からＵＶ光を照射する。
（ｕ）こうして、図１０（ｕ）に示すように、両面接着シート５０の自己剥離層５１をシリコン基板１００の接合面１００ａから剥離させ、支持基板１２０をシリコン基板１００から取り外す。
（ｖ）次に、図１０（ｖ）に示すように、ＡｒスパッタもしくはＯ2 プラズマ処理によって、シリコン基板１００の接合面１００ａ側および第１のノズル部１１ａ、第２のノズル部１１ｂの内壁に余分に形成された撥インク層１０７を除去する。
（ｗ）次に、図１０（ｗ）（以後、図１０（ｘ）に至るまで、図１０（ｖ）に示したシリコン基板１００の上下を逆転した状態で示す）に示すように、シリコン基板１００の接合面１００ａ（ダイシングテープ６０が貼り付けられているインク吐出側の面１００ｂと反対側に位置する面）を吸着治具７０に吸着固定し、インク吐出側の面１００ｂにサポートテープとして貼り付けられているダイシングテープ６０を剥離する。
（ｘ）最後に、図１０（ｘ）に示すように、吸着治具７０の吸着固定を解除して、シリコン基板１００からノズル基板１を回収する。
シリコン基板１００にはノズル基板外輪溝が彫られているため、吸着治具７０からピックアップする段階でノズル基板１は個片に分割されている。
以上の工程を経ることにより、シリコン基板１００よりノズル基板１を形成する。なお、ノズル内に入り込んだ自己剥離層５１が、接合面１００ａ側のノズル稜線部に付着して残る場合もあるが、硫酸洗浄等により除去することができる。
シリコン基板１００にはノズル基板外輪溝が彫られているため、吸着治具７０からピックアップする段階でノズル基板１は個片に分割されている。
以上の工程を経ることにより、シリコン基板１００よりノズル基板１を形成する。なお、ノズル内に入り込んだ自己剥離層５１が、接合面１００ａ側のノズル稜線部に付着して残る場合もあるが、硫酸洗浄等により除去することができる。
次に、上記のようにして構成したノズル基板１の接合面１００ａに、キャビティ基板２の接合面を貼り合せる（接合工程は図示せず）。
以上の工程を経ることにより、ノズル基板１とキャビティ基板２の接合体を形成する。
以上の工程を経ることにより、ノズル基板１とキャビティ基板２の接合体を形成する。
その後、ノズル基板１とキャビティ基板２からなる接合体において、キャビティ基板２の他の接合面に電極基板３の接合面を貼り付ける（接合工程は図示せず）。
以上の工程を経ることにより、ノズル基板１、キャビティ基板２及び電極基板３の接合体を形成し、インクジェットヘッド１０を完成する。
以上の工程を経ることにより、ノズル基板１、キャビティ基板２及び電極基板３の接合体を形成し、インクジェットヘッド１０を完成する。
なお、前記図７（ｈ）〜図８（ｏ）の工程において、第１のノズル部１１ａはシリコン基板１００を貫通しない状態で形成してあるが、貫通させてもかまわない。
本実施形態に係るノズル基板の製造方法によれば、以下のような効果がある。
（１）円筒状の第１のノズル部１１ａと角穴状の第２のノズル部１１ｂとを段差部を介さずに傾斜状に連続形成することができるため、吐出特性の向上とノズル密度の高密度化とを両立させることができる。
（２）傾斜部１１ｃの形状が角穴状の第２のノズル部１１ｂを外縁とした逆四角錐形状となるため、形状制御が容易である。
（３）従来の２段ノズル加工工程のように段差部１１ｅを形成する工程を追加するだけでよく、既存の設備で実施することができ、追加投資は不要である。
（４）マスク等を必要とせず、ノズル内壁の段差部および底部の酸化膜のみを選択的に除去することができる。
（５）ノズル内壁に良好なカバレッジで酸化膜を形成できる。
（１）円筒状の第１のノズル部１１ａと角穴状の第２のノズル部１１ｂとを段差部を介さずに傾斜状に連続形成することができるため、吐出特性の向上とノズル密度の高密度化とを両立させることができる。
（２）傾斜部１１ｃの形状が角穴状の第２のノズル部１１ｂを外縁とした逆四角錐形状となるため、形状制御が容易である。
（３）従来の２段ノズル加工工程のように段差部１１ｅを形成する工程を追加するだけでよく、既存の設備で実施することができ、追加投資は不要である。
（４）マスク等を必要とせず、ノズル内壁の段差部および底部の酸化膜のみを選択的に除去することができる。
（５）ノズル内壁に良好なカバレッジで酸化膜を形成できる。
上記の実施形態では、ノズル基板およびインクジェットヘッド、ならびにこれらの製造方法について述べたが、本発明は上記の実施形態に限定されるものでなく、本発明の思想の範囲内で種々変更することができる。例えば、ノズル孔より吐出される液状材料を変更することにより、図１３に示すインクジェットプリンタ２００のほか、液晶ディスプレイのカラーフィルタの製造、有機ＥＬ表示装置の発光部分の形成、遺伝子検査等に用いられる生体分子溶液のマイクロアレイの製造など様々な用途の液滴吐出装置として利用することができる。
１ ノズル基板、２ キャビティ基板、３ 電極基板、１０ インクジェットヘッド、１１ ノズル孔、１１ａ 第１のノズル部、１１ｂ 第２のノズル部、１１ｃ 傾斜部、２１ 吐出室、２２ 振動板、２３ リザーバ、２６ オリフィス、２７ 絶縁膜、２８ 共通電極、３１ 個別電極、３２ 凹部、３４ インク供給孔、３５ 電極取り出し部、３６ 封止材、４０ 駆動制御回路、１００ シリコン基板、１０４ ＳｉＯ2膜（熱酸化膜）、２００ インクジェットプリンタ。
Claims (5)
- シリコン基板の液滴の吐出に用いられる面に対して当該ノズル孔の内壁が垂直な第１のノズル部と、前記第１のノズル部と同軸上に前記シリコン基板の前記液滴の吐出される側の面とは反対側の面から見たときの前記第１のノズル部よりも開口平面積が大きくかつ当該面形状が多角形である第２のノズル部とからなるノズル孔を異方性ドライエッチングにより形成する工程と、
前記ノズル孔の内壁全面に保護膜を形成する工程と、
前記第１のノズル部と前記第２のノズル部との間の段差部に形成された前記保護膜を選択的に除去する工程と、
前記第２のノズル部から前記第１のノズル部に向けて連続して開口平面積が漸減する傾斜部を異方性ウェットエッチングにより形成する工程と、
を有することを特徴とするノズル基板の製造方法。 - 前記段差部に形成された前記保護膜の除去は、異方性ドライエッチングで実施することを特徴とする請求項１記載のノズル基板の製造方法。
- 前記ノズル孔の内壁に形成された前記保護膜は、熱酸化膜であることを特徴とする請求
項１または２記載のノズル基板の製造方法。 - 面方位が（１００）の単結晶シリコン基板を使用し、前記第２のノズル部の断面形状を構成する辺のうち、少なくとも４辺が結晶方位（１１１）と平行にな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ノズル基板の製造方法。
- 請求項１乃至４のいずれかに記載のノズル基板の製造方法を適用して液滴吐出ヘッドを製造することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
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