JP5728795B2 - ノズルプレートの製造方法、及び、液滴吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

ノズルプレートの製造方法、及び、液滴吐出ヘッドの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、液滴を吐出するためのノズル孔を有するノズルプレートの製造方法、及び、液滴吐出ヘッドの製造方法に関する。
液滴を吐出するためのノズルプレートを適用した液滴吐出ヘッドとして、例えば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が知られている。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プレートと、このノズルプレートに接合されノズルプレートとの間で上記ノズル孔に連通する圧力室、リザーバー等のインク流路が形成されたキャビティープレートとを備え、駆動部により圧力室に圧力を加えることにより、選択されたノズル孔よりインク滴を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バブルジェット(登録商標)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、そのため高密度化並びに吐出性能の向上が強く要求されている。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。
インク吐出特性を改善するためには、ノズル孔部での流路抵抗を調整し、ノズル長さが最適な長さになるように基板の厚みを調整することが望ましい。また、ノズル形状を全体として円筒状とするのではなく、内径の異なる第1ノズル部(インク吐出側)と第2ノズル部(インク供給側)とからなる2段ノズル形状とし、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で吐出特性を改善する方法もある。
このような多段構造のノズル孔を有するノズルプレートを製造する方法として、以下のような製造方法がある。すなわち、シリコン基板の一方の面側からICP放電を用いた異方性ドライエッチングを行い、最終的に第1ノズル部及び第2ノズル部となる2段の凹部を形成する。そして、シリコン基板全体に熱酸化により耐インク性を有する耐液保護膜(SiO2 膜)を形成する。次に、前記一方の面を支持基板で支持した状態で前記一方の面とは反対側の面(以下、吐出面という)側を研削加工して薄板化し、この薄板化の過程で前記2段の凹部の底面を削除して2段ノズル形状を完成する。そして、支持基板で前記一方の面を支持した状態で吐出面に耐インク性を有する耐液保護膜を形成した後、更に吐出面に撥インク処理を施す。このとき、ノズル孔(第1ノズル部及び第2ノズル部)の内壁も撥インク処理される。そして、前記吐出面にサポートテープを貼り付けてから支持基板を剥離し、前記一方の面側からプラズマ処理を行ってノズル孔の内壁に残った撥インク層を除去する。そして、サポートテープを剥離してノズルプレートを完成する(例えば、特許文献1参照)。
特開2007−168344号公報(図5〜図8)
上記特許文献1では、最終的にノズル孔となる2段の凹部を形成した後、この凹部の底面側(言い換えれば吐出面側)から研削加工を行っているため、ノズル孔の吐出口周縁にチッピングと呼ばれる欠けが発生し、歩留まりが低下するという問題があった。
また、ノズル孔の内壁に耐液保護膜を形成した後、吐出面に耐液保護膜を別途形成するようにしているため、それぞれの耐液保護膜同士の間に境界部分が存在する。このため、その境界部分からインク滴が入り込み、保護すべきシリコン基板にダメージを与えてしまうという問題があった。特に、その境界部分は、高い寸法精度が要求される第1ノズル部の吐出口部分であることから、この問題の改善が強く要望されている。
また、上述したように吐出口を有する第1ノズル部に対しては厳しい精度が要求されているが、特許文献1の技術では、2回のエッチングで深掘りして第1ノズル部を形成しているため、深掘先端側となる吐出口の径精度が十分に得られないという問題があった。
本発明はこのような点に鑑みなされたもので、吐出液に対する保護性に優れ、且つ高いノズル孔精度を有するノズルプレートを歩留まり良く製造することが可能なノズルプレートの製造方法、ノズルプレート、液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出ヘッドを提供することを目的とする。
本発明に係るノズルプレートの製造方法は、シリコン基板の一方の面に第1エッチングマスクを形成する第1エッチングマスク形成工程と、エッチングにより、前記シリコン基板の前記一方の面に第1凹部を形成する第1凹部形成工程と、前記第1エッチングマスクを除去する前記第1エッチングマスク除去工程と、耐液体性を有する第1耐液保護膜を、前記シリコン基板に形成する第1耐液保護膜形成工程と、前記シリコン基板の前記一方の面とは反対側の面である、前記シリコン基板の他方の面の外周部を残して薄板化して凹部を形成する一部除去工程と、前記シリコン基板の前記他方の面に、第2エッチングマスクを形成する第2エッチングマスク形成工程と、エッチングにより、前記シリコン基板の前記他方の面に第2凹部を形成する第2凹部形成工程と、前記第1耐液保護膜を除去する第1耐液保護膜除去工程と、を備え、前記他方の面の側から前記シリコン基板を平面視した場合に、前記凹部は円形をなしていることを特徴とする。
また、上記本発明に係るノズルプレートの製造方法において、前記一部除去工程では、前記他方の面の前記第1耐液保護膜及び前記シリコン基板の一部を除去することを特徴とする。
また、上記本発明に係るノズルプレートの製造方法において、前記シリコン基板に耐液体性を有する第2耐液保護膜を形成する第2耐液保護膜形成工程を、備えたことを特徴とする。
また、上記本発明に係るノズルプレートの製造方法において、前記シリコン基板に撥液性を有する撥液層を形成する撥液層形成工程を、備えたことを特徴とする。
また、上記本発明に係るノズルプレートの製造方法において、前記第1耐液保護膜除去工程では、前記第2凹部が含まれる領域を除去することを特徴とする。
また、上記本発明に係るノズルプレートの製造方法において、前記第1耐液保護膜除去工程では、前記シリコン基板の外周部は除去しないことを特徴とする。
また、上記本発明に係るノズルプレートの製造方法において、前記一部除去工程は、研削加工法で行われることを特徴とする。
また、上記本発明に係るノズルプレートの製造方法において、前記エッチングはドライエッチングであることを特徴とする。
また、上記本発明に係るノズルプレートの製造方法において、前記シリコン基板の前記一方の面に垂直な方向からの平面視において、前記第2凹部の面積は前記第1凹部の面積よりも大きいことを特徴とする。
また、上記本発明に係るノズルプレートの製造方法において、第2凹部は、前記平面視における面積が前記一方の面から前記他方の面に向かって漸増することを特徴とする。
これにより、以下の効果が得られる。
(1)シリコン基板に第1ノズル部となる凹部を形成した後、シリコン基板の表面全体に耐液保護膜を形成するようにしたので、第1ノズル部の内壁と吐出面に、境界の無い連続する耐液保護膜を形成することができる。したがって、ノズル孔内壁と吐出面のそれぞれに別工程で耐液保護膜を形成していた従来製法(上記特許文献1)による、インク浸食による吐出口へのダメージの問題を解消することができる。
(2)吐出口を有する第1ノズル部となる凹部を形成した後、その形成面と反対側から薄板化加工を行い、薄板化後に第2ノズル部を形成するため、第1ノズル部及び第2ノズル部のどちらにもチッピングが発生することがない。よって、歩留まりを向上することができる。
(3)ドライエッチングマスクをパターニングした面が吐出面となるため、ノズル径精度を格段に向上することが可能となる。その結果、ノズルプレートに形成される各ノズル孔の吐出口の形状や寸法を均一なものとしてインク滴の吐出特性を揃えることができる。
また、本発明に係るノズルプレートの製造方法は、シリコン基板の一方の面に、液滴吐出側の第1ノズル部となる凹部を形成するための第1ドライエッチングマスクとなる膜を形成し、膜を用いてドライエッチングを行い、第1ノズル部となる凹部を形成する工程と、第1ドライエッチングマスクとなる膜を除去した後、第1ノズル部となる凹部の内壁を含むシリコン基板の表面全体に第2ドライエッチングマスクを形成する工程と、シリコン基板の全面ではなく、最低限、ノズル孔形成領域部分を他方の面側から所望の厚さとなるまで薄板化し、薄板化後もシリコン基板を単独で搬送可能な強度を維持可能とする薄板化加工を行う工程と、シリコン基板の他方の面から第1ノズル部となる凹部の底面が開口するまでドライエッチングを施し、第1ノズル部に連通する液滴供給側の第2ノズル部を形成し、第1ノズル部及び第2ノズル部からなるノズル孔を完成する工程と、シリコン基板上に形成された全ての膜を除去した後、ノズル孔の内壁を含むシリコン基板の表面全体に耐液体性を有する第1耐液保護膜と撥液性を有する撥液層とを順次形成する工程と、撥液層のうち、ノズル孔の吐出口周囲を除く不要部分を除去する工程とを備えたものである。
これにより、上記(1)〜(3)の効果が得られることに加え、以下の効果(4)、(5)の効果が得られる。
(4)ノズル長を調整するためのシリコン基板の薄板化を行うに際し、シリコン基板の全面ではなく、最低限、ノズル孔形成領域部分を薄板化し、薄板化後もシリコン基板を単独で搬送可能な強度を維持可能としたので、ノズルプレートを作製するにあたり、全工程に渡って支持基板を不要とすることができる。よって、製造工程を簡略化することができる。また、支持基板が不要なため、支持基板を貼るための接着剤等の異物がシリコン基板に残存する不都合を解消できる。
(5)支持基板不要の製造方法であるため、ノズル孔の開口が支持基板等で閉塞されることなく貫通した状態で洗浄に供することが可能であり、ノズル孔内の洗浄を良好に行うことができる。
また、本発明に係るノズルプレートの製造方法は、第1耐液保護膜を形成する工程が、熱酸化膜を形成する工程であるものである。
第1耐液保護膜はノズル孔の内壁及び吐出口に形成されることからノズル孔の寸法精度に影響を与える。その第1耐液保護膜に、膜厚の制御性が高く、また緻密で均一性の高い特徴を有する熱酸化膜を形成することにより、結果的にノズル孔を高精度で形成でき、且つ各ノズル孔径のばらつきを抑えることが可能となる。
また、本発明に係るノズルプレートの製造方法は、第2ノズル部を形成する際のドライエッチングが、等方性ドライエッチングであるものである。
これにより、テーパー形状を容易に形成することができる。
また、本発明に係るノズルプレートの製造方法は、第2ノズル部を形成する際のドライエッチングが、異方性ドライエッチングであるものである。
これにより、シリコン基板面に対して垂直な円筒形状を容易に形成することができる。
また、本発明に係るノズルプレートは、上記の製造方法で製造されたノズルプレートである。
これにより、吐出液に対する保護性に優れ、且つ高いノズル孔精度を有するノズルプレートを得ることができる。
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、液滴を吐出するための複数のノズル孔を有するノズルプレートと、ノズルプレートの複数のノズルそれぞれに連通して液滴を収容する複数の圧力室を有するキャビティー基板と、圧力室に液滴を吐出させる圧力変化を与える圧力発生手段とを有する液滴吐出ヘッドの製造方法であって、ノズルプレートを、上記のノズルプレートの製造方法により製造するものである。
これにより、吐出液に対する保護性に優れ、安定したインク吐出特性(吐出方向、吐出量)を発揮することが可能な液滴吐出ヘッドを製造できる。
また、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、上記の液滴吐出ヘッドの製造方法で製造された液滴吐出ヘッドである。
これにより、吐出液に対する保護性に優れ、安定したインク吐出特性(吐出方向、吐出量)を発揮することが可能な液滴吐出ヘッドを得ることができる。
本発明の一実施の形態のノズルプレートを備えたインクジェットヘッドの分解斜視図。 図1のインクジェットヘッドの概略縦断面図。 図1のノズルプレートの膜構成を説明するための拡大図。 ノズルプレートの製造方法(その1)を示す製造工程の断面図。 図4に続くノズルプレートの製造工程の断面図。 ノズルプレートの製造方法(その1)を示す製造工程の断面図。 図6(E)のシリコン基板の説明図。 図6に続くノズルプレートの製造工程の断面図。 図8に続くノズルプレートの製造工程の断面図。 図9に続くインクジェットヘッドの製造工程の断面図。 図10に続くインクジェットヘッドの製造工程の断面図。 本発明の一実施の形態に係るインクジェットヘッドを使用したインクジェットプリンタの斜視図。
以下、本発明のノズルプレートの製造方法で製造されたノズルプレートを備える液滴吐出ヘッドの実施形態を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、静電駆動式のインクジェットヘッドについて図1及び図2を参照して説明する。なお、アクチュエータ(圧力発生手段)は静電駆動方式に限られたものではなく、その他の圧電素子や発熱素子等を利用する方式であってもよい。
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、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である。なお、図1及び図2では、通常使用される状態とは上下逆に示されている。
本実施の形態のインクジェットヘッド10は、図1及び図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プレート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ープレート2と、キャビティープレート2の振動板22に対向して個別電極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。
ノズルプレート1は、例えば厚さ65μmのシリコン単結晶基板(以下、単にシリコン基板とも称する)から作製されている。ノズルプレート1は、複数のノズル孔11を有している。各ノズル孔11は、インク滴吐出側となる円筒状の第1ノズル部11aと、第1ノズル部11aから吐出方向の後端側に向けてノズル断面積が漸増しているテーパー状の第2ノズル部11bとを有している。なお、第1ノズル部11aはノズルプレート1の表面に対して垂直に設けられており、第1ノズル部11aと第2ノズル部11bとは同軸上に設けられている。こうして、インク滴の吐出方向をノズル孔11の中心軸方向に揃えることによって、安定したインク吐出特性を発揮することができる。すなわち、インク滴の吐出方向のばらつきがなくなり、またインク滴の飛び散りがなく、インク滴の吐出量のばらつきを抑制することができる。なお、ここではインク滴供給側となる第2ノズル部11bをテーパー状としたが、本発明はこれに限られたものではなく、第1ノズル部11aよりも径の大きい円筒状としてもよい。
図3は、図1のノズルプレート1の膜構成を説明するための拡大図である。なお、図3には、後述のノズルプレート1の製造方法(その1)で作製されたノズルプレート1を示している。
ノズルプレート1の吐出面100a及び第1ノズル部11aの内壁には耐液保護膜103が形成されている。この耐液保護膜103は、吐出面100aと第1ノズル部11aの内壁に対して一度の成膜工程で形成されたものである。また、吐出面100aには撥液層104が形成されている。さらに、第1ノズル部11aの内壁、第2ノズル部11bの内壁には耐液保護膜106が形成されている。
本例のノズルプレート1は、後述する製造方法により製造し、図3に示す膜構成とすることで、インク滴に対する保護性に優れ、また、高いノズル孔精度を有している。また、ノズルプレート1に複数形成された各ノズル孔11の吐出口の径のばらつきが抑えられ、安定したインク吐出特性(吐出方向、吐出量)を有するものとなっている。
キャビティープレート2はシリコン基板から作製されている。このシリコン基板にウェットエッチングを施すことにより、インク流路の圧力室21となる凹部25、オリフィス23となる凹部26、及びリザーバー24となる凹部27が形成される。凹部25は前記ノズル孔11に対応する位置に独立に複数形成される。したがって、図2に示すようにノズルプレート1とキャビティープレート2を接合した際、各凹部25は圧力室21を構成し、それぞれノズル孔11に連通しており、またインク供給口である前記オリフィス23ともそれぞれ連通している。そして、圧力室21(凹部25)の底壁が振動板22となっている。
凹部26は、細溝状のオリフィス23を構成し、この凹部26を介して凹部25(圧力室21)と凹部27(リザーバー24)とが連通している。
凹部27は、インク等の液状材料を貯留するためのものであり、各圧力室21に共通のリザーバー(共通インク室)24を構成する。そして、リザーバー24(凹部27)はそれぞれオリフィス23を介して全ての圧力室21に連通しており、圧力室21、リザーバー24及びオリフィス23によりインク流路が形成されている。なお、オリフィス23(凹部26)はノズルプレート1の裏面(キャビティープレート2との接合側の面)に設けることもできる。また、リザーバー24の底部には後述する電極基板3に設けたインク供給孔33に連通するインク供給孔28が設けられている。このインク供給孔33及びインク供給孔28を通じて図示しないインクカートリッジからインクが供給されるようになっている。
また、キャビティープレート2の全面又は少なくとも電極基板3との対向面には熱酸化やプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)によりSiO2 やTEOS(Tetraethylorthosilicate Tetraethoxysilane:テトラエトキシシラン、珪酸エチル)膜等からなる絶縁膜2aが膜厚0.1μmで施されている。この絶縁膜2aは、インクジェットヘッド10を駆動させた時の絶縁破壊や短絡を防止する目的で設けられる。
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。中でも、キャビティープレート2のシリコン基板と熱膨張係数の近い硼珪酸系の耐熱硬質ガラスを用いるのが適している。これは、電極基板3とキャビティープレート2を陽極接合する際、両基板の熱膨張係数が近いため、電極基板3とキャビティープレート2との間に生じる応力を低減することができ、その結果剥離等の問題を生じることなく電極基板3とキャビティープレート2を強固に接合することができるからである。
電極基板3には、キャビティープレート2の各振動板22に対向する面の位置にそれぞれ凹部32が設けられている。凹部32は、エッチングにより深さ約0.3μmで形成されている。そして、各凹部32内には、一般にITO(Indium Tin Oxide)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との間に形成されるギャップ(空隙)は、この凹部32の深さ、個別電極31及び振動板22を覆う絶縁膜2aの厚さにより決まることになる。このギャップはインクジェットヘッド10の吐出特性に大きく影響するため、高精度に形成される。
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、図2に示すように、配線のためにキャビティープレート2の末端部が開口された電極取り出し部30内に露出している。振動板22と個別電極31との間に形成される電極間ギャップの開放端部はエポキシ等の樹脂による封止材34で封止される。これにより、湿気や塵埃等が電極間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、ICドライバ等の駆動制御回路35が各個別電極31の端子部31bとキャビティープレート2上に設けられた共通電極29とに前記フレキシブル配線基板(図示せず)を介して接続されている。
次に、以上のように構成されたインクジェットヘッド10の動作を説明する。
駆動制御回路35は例えば24kHzで発振し、キャビティープレート2の共通電極端子29と個別電極31の間にパルス電圧を印加して個別電極31に電荷供給を行う。個別電極31に電荷を供給して正に帯電させると、振動板22は負に帯電し、振動板22と個別電極31との間に静電気力が発生する。この静電気力の吸引作用により振動板22が個別電極31側に引き寄せられて撓み、圧力室21の容積が拡大する。これによりリザーバー24の内部に溜まっていたインク滴がオリフィス23を通じて圧力室21に流れ込む。次に、個別電極31への電圧の印加を停止すると、静電吸引力が消滅して振動板22が復元し、圧力室21の容積が急激に収縮する。これにより、圧力室21内の圧力が急激に上昇し、この圧力室21に連通しているノズル孔11からインク滴が吐出される。
ここで、本実施の形態のインクジェットヘッド10は、上述したように高いノズル孔精度を有し、安定したインク吐出特性(吐出量、吐出方向)を有するノズルプレート1を備えているため、インク滴の吐出方向や吐出量のばらつきが抑えられ、着弾位置精度の高い安定した吐出が行われる。よって、高精細で高品質の印字が可能である。
次に、このインクジェットヘッド10の製造方法を図4〜図11を参照して説明する。図4〜図9は、ノズルプレート1の製造工程を示す断面図である。図10及び図11は、キャビティープレート及び電極基板の製造工程を示す断面図である。
まず最初に、本発明の特徴部分であるノズルプレート1の製造方法を説明する。ここでは、2通りの製造方法を説明する。
<ノズルプレート1の製造方法(その1)>
図4及び図5は、ノズルプレートの製造方法(その1)を示す図である。以下、図4及び図5を参照してノズルプレートの製造方法(その1)について説明する。
(A)まず、例えば厚さ725μmのシリコンウエハ(以下、シリコン基板100という)を用意する。そして、シリコン基板100の表面100aにドライエッチングマスクとしてのレジスト101を塗布し、フォトリソグラフィーによりレジスト101をパターニングし、第1ノズル部11aに対応する部分に開口101aを形成する。なお、表面100aは、最終的に吐出面となることから以下では吐出面100aという。
(B)そして、ICPドライエッチング装置によりレジスト101の開口101aから垂直に異方性ドライエッチングを行い、第1ノズル部11aとなる凹部102を形成する。なお、この場合のエッチングガスとしては、例えばC48、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、C48は、凹部102の側面方向にエッチングが進行しないように第1ノズル部11aの側面を保護するために使用し、SF6は、シリコン基板100の垂直方向のエッチングを促進させるために使用する。なお、ここでは、C48を2秒、SF6を3.5秒で交互にエッチングするようにしている。
(C)レジストパターン101を硫酸洗浄などにより剥離する。
(D)シリコン基板100の表面全体(第1ノズル部11aとなる凹部102の内壁も含む)に、耐インク性を有する耐液保護膜103を形成する。ここでは、シリコン基板100を熱酸化炉に投入し、シリコン基板100の表面全体(第1ノズル部11aとなる凹部102の内壁も含む)に例えば膜厚0.1μmの熱酸化膜(SiO2 膜)を形成する。続いて、シリコン基板100の表面全体(第1ノズル部11aとなる凹部102の内壁も含む)に、インクに対する撥インク性を付与するための撥液処理を行う。具体的には、フッ素原子を含むケイ素化合物を主成分とする撥液性を持った材料を蒸着やディッピングで成膜し、撥液層104を形成する。このとき、第1ノズル部11aとなる凹部102の内壁にも撥液層104が形成される。
(E)シリコン基板100の吐出面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110を貼り付ける。具体的には、支持基板110に貼り合わせた両面接着シート50の自己剥離層51の面と、支持基板110とを向かい合わせ、真空中で貼り合わせる。これにより接着界面に気泡が残らないきれいな接着が可能になる。この接着の際に接着界面に気泡が残ると、次の(F)の研削加工でシリコン基板100を薄板化する際に板厚がばらつく原因となる。
ここで、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。
このように自己剥離層51を備えた両面接着シート50を用いて支持基板110を貼り合わせるようにしたので、シリコン基板100の薄板化加工時には、シリコン基板100と支持基板110とを強固に接着してシリコン基板100を破損することなく加工することができる。また、研削加工後には後述するように支持基板110をシリコン基板100から剥離する際に、糊残り無く容易に剥離することができる。
そして、シリコン基板100の吐出面100aと反対側の表面100b側からグラインダー(図示せず)で研削加工を行い、所望の板厚まで薄板化する。
ここで、従来の製造方法では、薄板化加工(研削加工)の際に吐出口周縁にチッピングが発生する問題があったが、本例の製造方法では、吐出口を有する第1ノズル部11aとなる凹部102を形成した後、その形成面と反対側から研削加工を行っている。そして、研削加工を行った後に、以下の工程で説明するように第2ノズル部11bを形成する。このため、第1ノズル部11a及び第2ノズル部11bのどちらにもチッピングが発生することがない。よって、歩留まりを向上することができる。
(F)次に、シリコン基板100の表面100bにレジスト105を塗布し、フォトリソグラフィーによりレジスト105をパターニングし、第2ノズル部11bに対応する部分に開口105aを形成する。
(G)そして、ICPドライエッチング装置によりレジスト105の開口105aから等方性ドライエッチングを行い、テーパー状の第2ノズル部11bを形成する。これにより、第1ノズル部11aと第2ノズル部11bとが連通してノズル孔11が形成される。なお、等方性ドライエッチングは寸法制御が難しいという不都合はあるものの、容易にテーパー形状を形成できる利点がある。第2ノズル部11bにはさほど寸法精度が要求されていないことから、ここではテーパー形状を形成できる利点を鑑みて等方性ドライエッチングを用いている。なお、第1ノズル部11aの内壁にはエッチングマスクとしても機能する耐液保護膜(SiO2 膜)103が形成されており、エッチングから保護されていることから、第2ノズル部11bを形成するためのドライエッチングの際に、同時にエッチングされることはない。なお、第2ノズル部11bの形状をテーパー状とした場合、円筒状とする場合に比べて流路抵抗を小さくできる利点があり好ましいが、上述したように第2ノズル部11bの形状はテーパー形状に限られたものではなく第1ノズル部11aよりも大径の円筒状でも良い。円筒状とする場合は第1ノズル部11aと同様に異方性ドライエッチングによりシリコン基板100を垂直方向にエッチングすれば良い。
(H)続いて、レジストパターン105を硫酸洗浄などにより剥離する。そして、第1ノズル部11aとなる凹部の底面に相当する部分に第2ノズル部11b側に突出するようにして残っている耐液保護膜103及び撥液層104と、第1ノズル部11aの内壁に残る撥液層104とをArスパッタもしくは02プラズマ処理によって除去する。
(I)続いて、シリコン基板100の表面100bに耐インク性を有する耐液保護膜106を形成する。この耐液保護膜106は、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)により例えば5酸化タンタルで構成される。なお、耐液保護膜106は、他には例えば、酸化ハフニウム膜、酸化チタン、酸化インジウム錫、酸化ジルコニウムも使用できる。耐液保護膜106の成膜は、自己剥離層51が劣化しない温度(100℃程度)以下で実施できればよく、CVDに限るものではなく、スパッタ等でもよい。
(J)次に、支持基板110側からUV光を照射し、両面接着シート50の自己剥離層51を発泡させて支持基板110をシリコン基板100の吐出面100aから剥離する。
以上により、ノズルプレート1が作製される。なお、図示を省略したが、シリコン基板100にはノズル孔11を形成するのと同時にノズルチップの外形となる部分に貫通溝を形成するようにしており、(J)工程で支持基板110を剥離することにより、ノズルプレート1が個片に分割されるようになっている。
以上に説明したノズルプレート1の製造方法(その1)によれば、以下の効果を得ることができる。
(1a)シリコン基板100に第1ノズル部11aとなる凹部102を形成した後、シリコン基板100の表面全体に耐液保護膜103を形成するようにしたので、第1ノズル部11aの内壁と吐出面100aに、境界の無い連続する耐液保護膜103を形成することができる。したがって、ノズル孔内壁と吐出面のそれぞれに別工程で耐液保護膜を形成していた従来製法による、インク浸食による吐出口へのダメージの問題を解消することができる。よって、ノズル孔精度を向上できる。
(1b)薄板化する前の厚板状態のシリコン基板100に耐液保護膜103を形成するようにしているので、耐液保護膜103の形成工程(図4(D))において支持基板が不要である。ここで、仮に支持基板を用いた場合、支持基板を貼り付けるための接着シートや支持基板自体の耐熱性の問題から高温処理が行えない。このため、低温での成膜が可能なCVD等を用いて例えばSiO2 膜を耐液保護膜103として形成することになる。しかしながら、CVDでは緻密なSiO2 膜を形成できないことから、インクに対する必要な保護性を得ようとすると膜厚を厚くする必要がある。このため、ノズル孔の寸法精度に影響し、結果的にノズル孔径のばらつきに繋がる。これに対し、本例では支持基板を用いないため、シリコン基板100を高温(700℃〜1000℃程度)の熱酸化炉に投入し、耐液保護膜103として熱酸化膜を形成することができる。熱酸化膜は、膜厚の制御性が高く、また緻密で均一性の高い膜であることから、CVDで形成したSiO2 膜に比べて約10分の1程度の膜厚で十分な保護性を確保できる。したがって、結果的にノズル孔11を高精度で形成でき、且つ各ノズル孔径のばらつきを抑えることが可能となる。
(1c)吐出口を有する第1ノズル部11aとなる凹部102を形成した後、その形成面と反対側から研削加工(薄板化)を行い、研削加工後に第2ノズル部11bを形成するため、第1ノズル部11a及び第2ノズル部11bのどちらにもチッピングが発生することがない。よって、歩留まりを向上することができる。
(1d)図4(B)に示すように、レジスト(ドライエッチングマスク)101をパターニングした面が吐出面100aとなるため、エッチングにより深掘りしてその先端側を吐出面とする従来製法に比べ、ノズル径精度を格段に向上することが可能となる。その結果、ノズルプレート1に形成される各ノズル孔11の吐出口の形状や寸法を均一なものとしてインク滴の吐出特性を揃えることができる。
(1e)第2ノズル部11bを等方性ドライエッチングにより形成しているため、テーパー形状を容易に形成することができる。よって、第2ノズル部11bを円筒状とする場合に比べて流路抵抗を小さくでき、吐出性能(例えば、吐出方向の直進性)を向上することができる。なお、第2ノズル部11bの形状は上述したようにテーパー形状に限られたものではなく円筒状でも良い。円筒状とする場合は第1ノズル部11aと同様に異方性ドライエッチングを用いる。異方性ドライエッチングを用いることにより、シリコン基板面に対して垂直な円筒形状を容易に形成でき、ノズル孔11全体を段差の無い円筒状とする場合に比べて吐出性能(例えば、吐出方向の直進性)を向上することができる。
(1f)従来製法では、ノズル孔内壁の余分な撥液層を除去するプラズマ処理を行うに際し、吐出面にサポートテープを貼り付けた上で、吐出面の反対側の支持基板を剥がし、前記反対側の面側からプラズマ処理を行っていた。言い換えれば支持部材を反対面側から吐出面側に貼り替える必要があり、要は、支持部材を2回貼り付ける必要があった。これに対し、本例ではシリコン基板100に第1ノズル部11aとなる凹部102を形成した後、凹部102の内壁を含む吐出面100a側に耐液保護膜103と撥液層104とを順に形成し、その後、支持基板110を吐出面100a側に貼り合わせる(図4(E))ようにしている。そして、これ以降の処理を全て反対面100b側から行うようにしている。このため、シリコン基板100への支持部材の貼り替えが不要で、支持部材を貼り合わせる工程が1回で済み、特許文献1の製造方法に比べて工程を簡略化できる。また、支持部材の貼り合わせに要する接着剤等の異物がシリコン基板100に残存する割合も低減することができる。
<ノズルプレート1の製造方法(その2)>
上記ノズルプレート1の製造方法(その1)では支持基板110を用いていたが、ノズルプレート1の製造方法(その2)では支持基板110を不要とし、更に製造工程の簡略化を図ったものである。
図6〜図9は、ノズルプレートの製造方法(その2)を示す図である。以下、図6〜図9を参照してノズルプレートの製造方法(その2)について説明する。なお、図6〜図9において図4に示したノズルプレートの製造方法(その1)と同一部分には同一符号を付している。また、図6〜図9では図示簡略化し、シリコンウエハに複数形成されるノズル孔11のうち、一つのノズル孔のみを図示して製造工程を示している。
(A)〜(C)までの工程は図4に示したノズルプレート1の製造方法(その1)の(A)〜(C)と同様であり、例えば厚さ725μmのシリコンウエハ(以下、シリコン基板100という)に対して第1ノズル部11aとなる凹部102を形成する。
(D)そして、シリコン基板100の表面全体(第1ノズル部11aとなる凹部102の内壁も含む)に、後工程のドライエッチングマスクとなる酸化膜(SiO2 膜)120を形成する。
(E)そして、シリコン基板100の第1ノズル部11aとなる凹部102形成側の面100a(以下、吐出面100aという)と反対側の面100bを、シリコン基板100の全面ではなく、最低限、ノズル孔形成領域部分を他方の面側から所望の厚さとなるまで薄板化する。ここでは、外周部のみを残してノズル孔形成領域部分を薄板化する。これにより、シリコン基板100に凹部121が形成された状態となる。
図7は、図6(E)部分の詳細図で、図7(a)は、シリコン基板100の平面図、図7(b)は、図7(a)のA−A断面図である。なお、図7(a)の点線は最終的にダイシングされるダイシングラインを参考のため図示したものである。また、図7(b)において酸化膜120の図示は省略している。
図7に示すように、シリコン基板100の外周部を残してノズル孔形成領域部分を薄板化することにより、薄板化後もシリコン基板100を単独で搬送可能な強度を維持することができる。これにより、支持基板を用いることなく、シリコン基板100単独でこれ以降の製造工程に供することが可能となる。
(F)次に、図8(F)に示すように、シリコン基板100の凹部121形成側の表面100bにレジスト122を塗布し、フォトリソグラフィーによりレジスト122をパターニングし、第2ノズル部11bに対応する部分に開口122aを形成する。
(G)そして、ICPドライエッチング装置によりレジスト122の開口122aから等方性ドライエッチングを行い、テーパー状の第2ノズル部11bを形成する。これにより、第1ノズル部11aと第2ノズル部11bとが連通してノズル孔11が形成される。
(H)そして、レジストパターン122及び酸化膜120を硫酸洗浄などにより剥離する。
(I)シリコン基板100の表面全体(ノズル部11の内壁も含む)に、耐インク性を有する耐液保護膜103を形成する。ここでは、シリコン基板100を熱酸化炉に投入し、シリコン基板100の表面全体(第1ノズル部11aとなる凹部102の内壁も含む)に例えば膜厚0.1μmの熱酸化膜(SiO2 膜)を形成する。そして、シリコン基板100の洗浄を行う。この洗浄の際、ノズル孔11の開口が支持基板等で閉塞されることなく貫通しているため、ノズル孔11内の洗浄を良好に行うことができる。
(J)続いて、吐出液(ここではインク)に対する撥液性を持たせるための撥液処理を行う。具体的には、フッ素原子を含むケイ素化合物を主成分とする撥液性を持った材料を蒸着やディッピングで成膜し、シリコン基板100の表面全体に撥液層104を形成する。このとき、ノズル孔11の内壁にも撥液層104が形成される。
(K)そして、シリコン基板100の吐出面100a全体のうち、撥液性を確保しておきたい部分、すなわちノズル孔11の吐出口周囲に保護テープ123を貼り付ける。
(L)そして、図9(L)に示すように、保護テープ123で保護した部分以外の撥液層104をArスパッタもしくは02 プラズマ処理によって除去する。吐出面100aにおいてノズル孔11の吐出口周囲以外の部分は、最終的にインクジェットヘッドとして組み立てられる際にヘッドカバー(図示せず)に接着されるため、接着剤との接着性を得る上で撥液処理がされていないことが好ましい。よって、ここで除去するようにしている。
(M)シリコン基板100の吐出面100aと反対側の面100bは、キャビティープレート2と接合されることから、キャビティープレート2との接合性を高めるためのプライマー層107を形成する。なお、プライマー層107はシリコン基板100においてキャビティープレート2との接合面に形成されていれば十分であるが、製造工程上、シリコン基板100の表面全体に形成される。
(N)そして、保護テープ123を剥がす。
(O)そして、シリコン基板100の吐出面100a側にダイシングテープ130を貼る。
(P)シリコン基板100をダイシングにより個々のノズルチップに分離する。
(Q)そして、個々のノズルチップをダイシングテープ130から剥離してノズルプレート1が作製される。
以上に説明したノズルプレート1の製造方法(その2)によれば、ノズルプレート1の製造方法(その1)の上記(1a)〜(1e)と同様の効果を得ることができると共に、更に以下の効果を得ることができる。
(2a)ノズル長を調整するための薄板化工程(図6(E))で、シリコン基板100の外周部を残し、ノズル孔形成領域部分を薄板化するようにしたので、支持基板を用いなくてもシリコン基板100を単独で搬送可能な強度を維持することができる。よって、ノズルプレート1を作製するにあたり、全工程に渡って支持基板を不要とすることができ、製造工程を更に簡略化することができる。また、支持基板が不要なため、支持基板を貼るための接着剤等の異物がシリコン基板100に残存する不都合を解消できる。
(2b)支持基板不要の製造方法であるため、ノズル孔11の開口が支持基板等で閉塞されることなく貫通した状態で洗浄に供することが可能であり、ノズル孔11内の洗浄を良好に行うことができる。
以上により、本発明の特徴部分であるノズルプレート1の製造方法が明らかになったところで、続いてキャビティープレート2及び電極基板3の製造方法について説明する。
(2)キャビティープレート2及び電極基板3の製造方法
ここでは、電極基板3にシリコン基板200を接合した後、そのシリコン基板200からキャビティープレート2を製造する方法について図10、図11を参照して簡単に説明する。
電極基板3は以下のようにして製造される。
(A)まず、硼珪酸ガラス等からなる板厚約1mmのガラス基板300に、例えば金・クロムのエッチングマスクを使用してフッ酸によってエッチングすることにより凹部32を形成する。なお、この凹部32は個別電極31の形状より少し大きめの溝状のものであり、個別電極31ごとに複数形成される。
そして、凹部32の内部に、例えばスパッタによりITO(Indium Tin Oxide)からなる個別電極31を形成する。
その後、ドリル等によってインク供給孔33を形成することにより、電極基板3が作製される。
(B)次に、厚さが例えば525μmのシリコン基板200の両面を鏡面研磨した後に、シリコン基板200の片面にプラズマCVDによって厚さ0.1μmのSiO2 膜(絶縁膜)2aを形成する。なお、シリコン基板200を形成する前に、エッチングストップ技術を利用し振動板22の厚みを高精度に形成するためのボロンドープ層を形成するようにしてもよい。エッチングストップとは、エッチング面から発生する気泡が停止した状態と定義し、実際のウェットエッチングにおいては、気泡の発生の停止をもってエッチングがストップしたものと判断する。
(C)そして、このシリコン基板200と、図10(A)のように作製された電極基板3とを、例えば360℃に加熱し、シリコン基板200に陽極を、電極基板3に陰極を接続して800V程度の電圧を印加して陽極接合により接合する。
(D)シリコン基板200と電極基板3とを陽極接合した後に、水酸化カリウム水溶液等で接合状態のシリコン基板200をエッチングすることにより、シリコン基板200の厚さを例えば140μmになるまで薄板化する。
(E)次に、シリコン基板200の上面(電極基板3が接合されている面と反対側の面)の全面にプラズマCVDによって例えば厚さ1.5μmのTEOS膜201を形成する。
そして、このTEOS膜201に、圧力室21となる凹部25およびリザーバー24となる凹部27を形成するためのレジストをパターニングし、これらの部分のTEOS膜201をエッチング除去する。
その後、シリコン基板200を水酸化カリウム水溶液等でエッチングすることにより、圧力室21となる凹部25およびリザーバー24となる凹部27を形成する。このとき、配線のための電極取り出し部30となる部分もエッチングして薄板化しておく。なお、図11(E)のウェットエッチングの工程では、例えば初めに35重量%の水酸化カリウム水溶液を使用し、その後3重量%の水酸化カリウム水溶液を使用することができる。これにより、振動板22の面荒れを抑制することができる。
(F)シリコン基板200のエッチングが終了した後に、フッ酸水溶液でエッチングすることによりシリコン基板200の上面に形成されているTEOS膜201を除去する。
(G)次に、シリコン基板200の圧力室21となる凹部25等が形成された面に、プラズマCVDによりSiO2 膜(絶縁膜2a)を例えば厚さ0.1μmで形成する。
(H)その後、RIE(Reactive Ion Etching)等によって電極取り出し部30を開放する。また、電極基板3のインク供給孔33からレーザ加工を施してシリコン基板200のリザーバー24となる凹部27の底部を貫通させ、インク供給孔28を形成する。また、振動板22と個別電極31との間のギャップの開放端部をエポキシ樹脂等の封止材34(図2参照)を充填することにより封止する。また、図1、図2に示すように共通電極29がスパッタによりシリコン基板200の上面(ノズルプレート1との接合側の面)の端部に形成される。
以上により、電極基板3に接合した状態のシリコン基板200からキャビティープレート2が作製される。
そして最後に、このキャビティープレート2に、上述のように作製されたノズルプレート1を接着剤により接合する。この接合の際には、ノズルプレート1に形成されたプライマー層107側をキャビティープレート2と接合する。これによりノズルプレート1とキャビティープレート2とを接合性良く接合できる。
以上により、図2に示したインクジェットヘッド10の本体部が作製される。
以上のようにして作製されたインクジェットヘッド10は、上記製造方法で製造したノズルプレート1を備えているため、インク滴に対する耐久性(保護性)に優れ、安定したインク吐出特性(吐出方向、吐出量)を発揮することが可能である。
また、本実施の形態のノズルプレート1の製造方法は、静電駆動方式のインクジェットヘッドに用いるノズルプレートの場合を例に説明したが、圧電駆動方式やバブルジェット(登録商標)方式など、他方式のアクチュエータ(圧力発生手段)を用いたインクジェットヘッドのノズルプレートにも適用可能である。
なお、本実施の形態では、ノズルプレート1、キャビティープレート2及び電極基板3を備えた3層構造のインクジェットヘッドにおけるノズルプレートの製造方法について説明したが、ノズルプレート、リザーバー基板、キャビティープレート及び電極基板を備えた4層構造のインクジェットヘッドにおけるノズルプレートの製造方法としても、本発明を適用できる。
また、上記の実施の形態では、ノズルプレート1の構造及びその製造方法、並びにインクジェットヘッド及びその製造方法について述べたが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術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11より吐出される液状材料を変更することにより、図12に示すインクジェットプリンタ400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、プリント配線基板製造装置にて製造する配線基板の配線部分の形成、生体液滴の吐出(プロテインチップやDNAチップの製造)など、様々な用途の液滴吐出装置に適用することができる。
1 ノズルプレート、2 キャビティープレート、2a 絶縁膜、3 電極基板、10 インクジェットヘッド、11 ノズル孔、11a 第1ノズル部、11b 第2ノズル部、21 圧力室、22 振動板、23 オリフィス、24 リザーバー、25 凹部、26 凹部、27 凹部、28 インク供給孔、29 共通電極、30 電極取り出し部、31 個別電極、31a リード部、31b 端子部、32 凹部、33 インク供給孔、34 封止材、35 駆動制御回路、50 両面接着シート、51 自己剥離層、100 シリコン基板、100a 表面(吐出面)、100b 表面(反対面)、101 レジスト(ドライエッチングマスク)、101a 開口、102 凹部、103 耐液保護膜(熱酸化膜)、104 撥液層、105 レジスト、105a 開口、106 耐液保護膜、107 プライマー層、110 支持基板、120 酸化膜(ドライエッチングマスク)、121 凹部、122 レジスト、122a 開口、125 保護テープ、130 ダイシングテープ、200 シリコン基板、201 TEOS膜、300 ガラス基板、400 インクジェットプリンタ。

Claims (14)

  1. シリコン基板の一方の面に第1エッチングマスクを形成する第1エッチングマスク形成工程と、
    エッチングにより、前記シリコン基板の前記一方の面に第1凹部を形成する第1凹部形成工程と、
    前記第1エッチングマスクを除去する前記第1エッチングマスク除去工程と、
    耐液体性を有する第1耐液保護膜を、前記シリコン基板に形成する第1耐液保護膜形成工程と、
    前記シリコン基板の前記一方の面とは反対側の面である、前記シリコン基板の他方の面の外周部を残して薄板化して凹部を形成する一部除去工程と、
    前記シリコン基板の前記他方の面に、第2エッチングマスクを形成する第2エッチングマスク形成工程と、
    エッチングにより、前記シリコン基板の前記他方の面に第2凹部を形成する第2凹部形成工程と、
    前記第1耐液保護膜を除去する第1耐液保護膜除去工程と、を備え、
    前記他方の面の側から前記シリコン基板を平面視した場合に、前記凹部は円形をなしていることを特徴とするノズルプレートの製造方法。
  2. 前記一部除去工程では、前記他方の面の前記第1耐液保護膜及び前記シリコン基板の一部を除去することを特徴とする請求項1に記載のノズルプレートの製造方法。
  3. 前記シリコン基板に耐液体性を有する第2耐液保護膜を形成する第2耐液保護膜形成工程を、備えたことを特徴とする請求項1又は2の何れかに記載のノズルプレートの製造方法。
  4. 前記シリコン基板に撥液性を有する撥液層を形成する撥液層形成工程を、備えたことを特徴とする請求項1又は3の何れかに記載のノズルプレートの製造方法。
  5. 前記第1耐液保護膜除去工程では、前記第2凹部が含まれる領域を除去することを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れかに記載のノズルプレートの製造方法。
  6. 前記第1耐液保護膜除去工程では、前記シリコン基板の外周部は除去しないことを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れかに記載のノズルプレートの製造方法。
  7. 前記一部除去工程は、研削加工法で行われることを特徴とする請求項1乃至請求項6の何れかに記載のノズルプレートの製造方法。
  8. 前記エッチングはドライエッチングであることを特徴とする請求項1乃至請求項7の何れかに記載のノズルプレートの製造方法。
  9. 前記第2凹部の形成は、等方性ドライエッチングで行われることを特徴とする請求項8に記載のノズルプレートの製造方法。
  10. 前記第2凹部の形成は、異方性ドライエッチングで行われることを特徴とする請求項8に記載のノズルプレートの製造方法。
  11. 前記シリコン基板の前記一方の面に垂直な方向からの平面視において、前記第2凹部の面積は前記第1凹部の面積よりも大きいことを特徴とする請求項1乃至請求項10の何れかに記載のノズルプレートの製造方法。
  12. 第2凹部は、前記平面視における面積が前記一方の面から前記他方の面に向かって漸増することを特徴とする請求項1乃至請求項11の何れかに記載のノズルプレートの製造方法。
  13. 前記第1耐液保護膜は熱酸化膜であることを特徴とする請求項1乃至請求項12の何れかに記載のノズルプレートの製造方法。
  14. 液体を吐出するノズル孔を複数有するノズルプレートと、
    前記ノズル孔に連通し、液体を収容するキャビティーを複数有するキャビティー基板と、
    前記キャビティーに液体を吐出させる圧力変化を与える圧力発生手段と、を有する液滴吐出ヘッドの製造方法であって、
    前記ノズルプレートは、請求項1乃至請求項13の何れかに記載の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滴吐出ヘッドの製造方法。
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