JP6609977B2 - ノズルプレート、インクジェットヘッド、インクジェット装置およびノズルプレートの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ノズルプレート、インクジェットヘッド、インクジェット装置、およびノズルプレートの製造方法に関するものである。

ディスプレイや半導体集積回路は、基板上に複数層の電子材料膜をパターニングし、積層することで製造されている。従来ではフォトリソグラフィ技術によって高精細なパターニングを行っているが、近年、このプロセスを印刷プロセスにて実現しようとするプリンテッドエレクトロニクス分野が注目されている。

プリンテッドエレクトロニクス分野で用いる印刷プロセスとして、インクジェット法はその一つである。インクジェット技術は、画像形成装置向けに広く利用された技術分野である。しかし、プリンテッドエレクトロニクスとして用いるインクジェット装置の仕様として従来技術では対応できない課題も多い。

特に静電吐出型インクジェット記録装置においては、個別に仕切られたノズル孔に電極を形成し、この電極に吐出電圧を印加することにより、ノズル孔から吐出する液滴を制御する必要がある。

さらに、ノズル孔内に形成した電極に外部から高電圧を印加して安定した液滴の吐出を行うためには、ノズル孔内の電極とそれに接続する配線を形成し、配線とノズル孔内の電極を低抵抗に接続する事が必要である。

特許文献１のインクジェット記録装置の記録ヘッドは、ノズル溝に吐出電極を設けた基板に絶縁板の蓋を貼り合せることによってノズル孔を形成して、吐出電極の下面に基板を貫通する接続穴を形成し、この接続穴を通して吐出電極に対して接続する電圧印加用配線を形成している。また別の実施形態としてノズル孔内の吐出電極をノズル孔の先端から延長し、ノズル外に引き回して接続部を形成し配線接続するよう構成している。

特許文献２のインクジェットヘッドは、流路溝の側壁を形成する圧電物質に電圧を印加するための電極が形成され、それぞれの電極に個別に接続された導電線が形成された１対の上部基板と下部基板のうち少なくとも一方の基板の接続端部を貼合せ面に対して鈍角あるいは曲面で面取りすることにより半田などを用いて上下の対向する電極を接合しやすくするよう構成している。

しかしながら、特許文献１のインクジェット記録装置では、ノズル孔内に形成した数十ｎｍから数百ｎｍの膜厚の吐出電極とノズルプレート裏面に形成した電圧印加用電極の接触面積は吐出電極の膜厚と吐出電極の裏面における幅の積になるため非常に小さい面積となり、接触抵抗を十分低くすることができず、吐出電圧の上昇を招き、接続不良および断線の原因になる。
特許文献２のインクジェットヘッドは、電極及び流路を形成した上下の基板を電気的に接続するためのものであり、ノズル孔内の電極とノズルに垂直な平面を確実に接続することができない。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、吐出電圧の均一化を図ることにより、液滴の不吐出による不良発生を防止することが可能なノズルプレートを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るノズルプレートは、一の面に溝が形成された第１のプレート部と、該第１のプレート部における前記溝が形成された面と接合された第２のプレート部とを備えるノズルプレートであって、前記溝は、液滴を吐出する吐出口と、該吐出口と反対側の供給孔とを形成するとともに、前記液滴の流路となるノズル孔を形成し、前記第１のプレート部及び前記第２のプレート部は、前記供給孔側の面の少なくとも一部に第１の電極部を有し、前記第１のプレート部は、前記溝における前記第２のプレート部と対向する面に形成された第２の電極部を有するとともに、前記第１の電極部と前記第２の電極部とが接続する接続領域を有し、前記接続領域は、前記供給孔に向かって拡径されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、吐出電圧の均一化を図ることにより、液滴の不吐出によるノズルプレートの不良発生を防止することができる。

本発明の一実施形態に係るノズルプレートの構成の一例を示す概略図である。 図１で示したノズルプレート１００を２Ａ−２Ａ’断面で切断する様子を示す図である。 ノズルプレート１００の２Ａ−２Ａ’断面で切断した断面図である。 本発明の一実施形態に係るノズルプレートの製造工程を示す工程斜視図である。 本発明の一実施形態に係るノズルプレートの製造工程を示す工程斜視図である。 本発明の一実施形態に係るノズルプレートの製造工程を示す工程斜視図である。 本発明の一実施形態に係るノズルプレートの製造工程を示す工程斜視図である。 本発明の一実施形態に係るノズルプレートの製造工程を示す工程斜視図である。 本発明の一実施形態に係るノズルプレートの製造工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係るノズルプレートの製造方法の流れの一例を示したフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るノズルプレートの構成の一例を示す概略図である。 本発明の一実施形態(変形例１)に係る図で、ノズルプレート１００を７Ａ−７Ａ’断面で切断する様子を示す図である。 本発明の一実施形態(変形例１)に係る図で、ノズルプレート１００の７Ａ−７Ａ’断面で切断した断面図である。 本発明の一実施形態(変形例２)に係る図で、ノズルプレート１００を８Ａ−８Ａ’断面で切断する様子を示す図である。 本発明の一実施形態(変形例２)に係る図で、ノズルプレート１００の８Ａ−８Ａ’断面で切断した断面図である。 本発明の一実施形態に係るインクジェットヘッドの構成の一例を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係るインクジェットヘッドの構成の一例を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係るインクジェットヘッドの構成の一例を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係るインクジェットヘッドの構成の一例を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係るインクジェットヘッドの構成の一例を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係る液滴吐出装置の全体斜視図の一例である。 本発明の一実施形態に係る液滴吐出装置のコントローラのハードウエア構成図の一例である。 本発明の一実施形態に係る液滴吐出装置のコントローラの機能ブロック図の一例である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施形態に係るノズルプレートについて説明する。まず、図１を参照して、本発明の一実施形態に係るノズルプレートの概要について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るノズルプレートの構成の一例を示す概略図である。なお、図１において、Ｚ軸は鉛直方向を示している。また、Ｘ軸及びＹ軸は互いに直交し、尚且つ、Ｚ軸に対し直交するよう配置された３次元直交座標系となっている。

ノズルプレート１００は、プレート部１０１、ノズル孔１０２、表面電極１０３、傾斜部１０４、ノズル内電極１０５、吐出口１０６を備える。さらに、表面電極１０３は、外部の電圧印加手段１１０、コントローラ１２０に接続されている。

プレート部１０１には、吐出口１０６に連通するノズル孔１０２が設けられている。ノズル孔１０２は、吐出口１０６から液滴を吐出する際の液滴の流路となる。図１において、プレート部１０１には４つのノズル孔１０２が設けられているが、ノズル孔１０２の数はこれに限定されるものではない。

プレート部１０１の材料としては、ＳｉＯ_２ガラス、硼珪酸ガラス等の酸化物ガラス基板、クォーツ、サファイア、Ｓｉ等の単結晶基板などが利用できる。プリンテッドエレクトロニクス用インクジェット装置に用いるインクジェットヘッド及びノズルプレートは、配線、半導体膜、絶縁膜などの目的に応じて、様々なインクの膜厚を制御して形成する必要があるため、多様なインク物性に対応しなければならない。また、インクの溶剤も水系、有機溶剤系、酸性インク等、多岐に渡るため、インクジェットヘッドの材質には、化学的耐久性が要求される。よって、本発明のノズルプレートでは、化学的、物理的な耐久性が良好で、かつ表面の平面性及び平滑性の高い基板を必要とする。

プレート部１０１における吐出口１０６が設けられた面（以下、吐出面とする）と正対するもう一方の表面（以下、電極面とする）には、表面電極１０３が設けられている。表面電極１０３には、外部の電圧印加手段１１０から所定の電圧が印加され、印加された電圧により液滴の吐出を行う。また、ノズル孔１０２の内部の壁面には、ノズル内電極１０５が設けられている。なお、表面電極１０２とノズル内電極１０５の形成領域又は形成方法については、後述する。

プレート部１０１における電極面には、ノズル孔１０２の内部に向けて傾斜する傾斜部１０４が設けられている。傾斜部１０４には、表面電極１０３及びノズル内電極１０５の双方が設けられている。

ここで、図２（ａ）（ｂ）を用いて、ノズルプレート１００におけるノズル孔１０２付近の構造について詳説する。

図２（ａ）は、図１で示したノズルプレート１００を２Ａ−２Ａ’断面で切断する様子を示す図であり、図２（ｂ）は、ノズルプレート１００の２Ａ−２Ａ’断面で切断した断面図の一例である。

図２（ｂ）に示すように、ノズルプレート１００のプレート部１０１は、ノズル孔１０２を介して、第１のプレート部２０１と第２のプレート部２０２とを有する。
第１のプレート部２０１における電極面には、傾斜部１０４が設けられている。

第１のプレート部２０１において、ノズル内電極１０５は、第２のプレート部２０２と正対する領域である液滴の流路に相当する箇所と傾斜部１０４とを覆っている。

第２のプレート部２０２は、第２のプレート部２０２の電極面である平坦な面に表面電極１０３を有する。
一方で、第１のプレート部２０１において、表面電極１０３は、第１のプレート部２０１の傾斜部１０４を含む電極面に形成されている。つまり、第１のプレート部２０１において、表面電極１０３とノズル内電極１０５は、傾斜部１０４でオーバーラップすることにより、ノズル内電極１０５と表面電極１０３の接触面積を大きくすることができるため、接触抵抗を小さくすることができる。

ノズルプレート１００に形成された傾斜部１０４の形状は、傾斜角（図２（ｂ）のａｒｃｔａｎ（ａ／ｂ））と溝深さ（図２（ｂ）のｂ）を調整することにより変形させることができる。傾斜角（図２（ｂ）のａｒｃｔａｎ（ａ／ｂ））の形成方法については、後述する。

次に、本発明の一実施形態に係るノズルプレートの製造方法について、図３〜図５を用いて説明する。

図３（ａ）〜（ｃ）及び図４（ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施形態に係るノズルプレートの製造工程を示す工程斜視図である。さらに、図５は、本発明の一実施形態に係るノズルプレートの製造工程の一例を示したフローチャートである。

図３（ａ）に示すように、プレート部１０１を構成する第１の基板３０１の表面に、フォトリソグラフィープロセスによって所望のパターンの溝部３０２を形成する。（図５のステップＳ１）

第１の基板３０１の材料としては、ＳｉＯ_２ガラス、硼珪酸ガラス等の酸化物ガラス基板、クォーツ、サファイア、Ｓｉ等の単結晶基板などが利用できる。

フォトマスクのパターンを転写する材料としては感光性レジストの他、Ｎｉ等の金属膜を利用してもよい。例えば、感光性レジストの塗布、露光、現像により、マスクパターンを形成した後、基板をエッチングすることにより、所望の形状を得ることができる。
エッチング方法としては、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などのドライエッチングや酸などを用いたウェットエッチングが利用できる。マスクパターンとエッチング条件により、溝の形状を制御することが可能である。

なお、フォトマスクの溝パターンのピッチは、ノズルプレートのノズルピッチとなる。フォトマスクの溝パターンの数及びピッチを調整することにより、所望のノズルプレート作成することができる。

また、溝部３０２の幅は、０．２μｍから１００μｍが好ましく、特に液滴の詰まりが無く安定した吐出を行うためには１μｍ以上が好ましく、ノズルから液滴の漏れを防止し、良好なメニスカスを形成するためには５０μｍ以下が好ましい。
さらに、溝部３０２の溝深さは、０．２μｍから５０μｍが好ましい。０．２μｍ以下では、ノズル作製における研磨時、及び印刷時における液滴吐出によりノズルが詰まり易くなり、５０μｍ以上では加工時間が非常に長くなるため生産性が悪くなる。
溝幅／溝深さ比は、２０／１から１／２が好ましく、良好なメニスカスを形成し吐出を安定させるためには１０／１から１／１が特に好ましい。

次に、図３（ｂ）に示すように、溝部３０２の所定の部分に溝部３０２と同様の方法で傾斜部１０４を形成する。（図５のステップＳ２）傾斜部１０４は、溝部３０２内で所定の間隔で設けられている。

ノズルプレート１００に形成された傾斜部１０４の形状は、加工条件により傾斜角（図２（ｂ）のａｒｃｔａｎ（ａ／ｂ））と溝深さ（図２（ｂ）のｂ）を調整することにより変形させることができる。ここで、ａ／ｂは、０．２から５の範囲であることが好ましい。

ＩＣＰ−ＲＩＥ（誘導結合プラズマ−リアクティブイオンエッチング）などの異方性ドライエッチング法により溝の傾斜角を調整するためには、レジストのエッチング速度と加工するガラス基板のエッチング速度の比を調整することにより傾斜角を調整することができる。またレジストの断面形状をテーパ状にしてガラス基板とともにレジストをエッチングすることにより傾斜角を調整することもできる。

なお、図５のステップＳ１とステップＳ２において、溝部３０２を形成した後、傾斜部１０４（図３では２００）を形成しているが、ステップＳ１とステップＳ２の処理を同時に行なっても良い。その際には、第１の基板３０１のエッチング工程において、溝部３０２の所定の間隔で傾斜部１０４が設けられるように、マスクパターンとエッチング条件を制御することにより、溝部３０２と傾斜部１０４を形成する。

次に、図３（ｃ）に示すように、溝部３０２及び傾斜部１０４を覆うようにノズル内電極１０５を形成する。（図５のステップＳ３）

溝部３０２及び傾斜部１０４にノズル内電極１０５を形成する場合、溝部３０２及び傾斜部１０４を形成した後に、フォトリソグラフィープロセスによって溝部３０２及び傾斜部１０４の表面にノズル内電極１０５として電極膜を形成する。電極膜としてはＰｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ等の金属や合金、ＩＴＯ、ＡＴＯ、ＡＺＯ等の透明導電性酸化物の単層或いは多層膜をスパッタリングや真空蒸着により５０ｎｍ〜１μｍ程度成膜した後、酸によるウェットエッチングまたは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などのドライエッチングによりパターニングすることができる。

溝部３０２及び傾斜部１０４におけるノズル内電極１０５の形成範囲および電極膜の材質については、上記に限られるものではない。なお、ノズル内電極１０５を吐出孔１０６の先端まで形成させると、メニスカス形成時に電極が露出し、液滴を飛翔、付着させるために対向して設置させる基板が導電性または基板上に金属などの導電性パターンがあらかじめ形成してある絶縁性基板の場合に、吐出電極から印加した吐出電圧によって電極−基板間で放電が生じるため、液滴の飛散、ノズルの破壊が生じる恐れがある。そのため、ノズル内電極１０５は、吐出口１０６の先端から一定距離を挟んで形成されることが好ましい。

次に、図４を用いて、ノズル内電極１０５が形成された第１の基板３０１を用いてノズルプレート１００を完成させるまでの工程を説明する。

図４（ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施形態に係るノズルプレートの製造工程を示す工程斜視図（その２）である。

図４（ａ）に示すように、第１の基板３０１の溝加工を施した面と、当該溝加工を施していない第２の基板３０３の平坦な表面とを接合する（図５のステップＳ４）。第２の基板３０３の表面は一様に平坦であるので、第１の基板３０１との精密な位置合わせは不要である。接合方法としては、熱融着、接着剤、陽極接合、直接接合、プラズマ活性化低温接合等の既存の技術を利用できる。

そして、図４（ｂ）に示すように、第１の基板３０１と第２の基板３０３とを接合した接合板３０４を、第１の基板３０１の溝３０２の配列方向に対する仮想線である切断線３０５に沿って垂直に切断する。（図５のステップＳ５）このとき、切断線３０５は、傾斜部１０４が露出するように切断位置及び研磨量を調整する。

切断にはレーザーダイシング装置、ダイヤモンドダイシング装置等の既存の装置が利用できる。切断面を平滑化するために精密研磨装置等で研磨を行ってもよい。切断及び研磨後の接合板３０４の長さが流路長となるので、切断幅及び研磨量を変えることで基本的に流路長を自由に設定できる。
また、切断、研磨時に発生する基板の欠片が吐出孔に入り込むのを防止するために、吐出孔内にホットメルト系ワックスを充填し切断、研磨後にワックスを除去することにより吐出孔の詰りを無くすことができる。

次に、図４（ｃ）に示すように、上記切断された接合板３０４における切断面のうち、傾斜部１０４が設けられた側の表面に表面電極１０３を形成する（図５のステップＳ６）。表面電極１０３は、外部電源と接続することによりノズル孔１０２内部に形成したノズル内電極１０５に吐出電圧を印加することができる。

表面電極１０３は、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ等の金属や合金、ＩＴＯ、ＡＴＯ、ＡＺＯ等の透明導電性酸化物の単層或いは多層膜をスパッタリングや真空蒸着により５０ｎｍ〜１μｍ程度の電極膜として成膜される。

また、フォトリソグラフィープロセスによって、ノズル孔１０２毎に独立して表面電極１０３を接続するようパターニングすることによって、液滴を吐出したいノズル孔１０２のノズル内電極１０５に電圧を印加することも可能である。これにより、ノズル孔１０２からの液滴の吐出をノズル孔毎に制御することができる。

なお、表面電極１０３の材料および形成方法は、上記に限られるものではなく、ノズル内電極１０５と同様の材料及び形成方法であってもよい。

上記ステップＳ１〜ステップＳ６までの工程を経て、ノズルプレート１００を作成することができる。

このように、本発明の一実施形態に係るノズルプレート及びノズルプレートの製造方法について説明したが、各工程の処理方法は、上記記載に限られるものではない。
必要があれば適宜研磨や洗浄の工程を入れてもよい。また、ステップＳ５の後、ノズルプレート１００の表面を撥液処理してもよい。さらに、ステップＳ５の後、吐出口周りをザグリ加工してもよい。

さらに、溝部３０２はストレート形状であるが、これに限定する必要はなく溝幅が徐々に変わるテーパ形状、あるいは切断する場所によってノズルプレート毎に異なる径の吐出口を製造するために多段的に溝幅が変化する多段形状であってもよい。
好ましくは、図６に記載のように、吐出口１０６近傍のノズル孔１０２の溝幅より供給孔１０７の溝幅を大きくすることにより、表面電極１０３とノズル内電極１０５の接触面積を増大させ、接触抵抗を小さくすることができる。

なお、表面電極１０３をノズル毎に短絡して形成する場合には、供給孔１０７の溝幅は、ノズルピッチと同程度まで大きくすることが可能であるが、各ノズル内電極１０５に独立に接続した表面電極１０３を形成する場合は、クロストーク等を考慮して供給孔１０７の溝幅をやや小さく形成する必要がある。

ノズルプレート１００におけるノズル孔１０２の数及びピッチは、ステップＳ１で作成される溝部３０２の数及びピッチで決まるが、溝部３０２はフォトリソグラフィープロセスで作成することによって、ノズル孔１０２の数を増大しピッチの幅を狭くしても高精度に作成が可能である。また、レーザ穿孔プロセス等と異なりノズル数を増大させても一括で加工できるため、生産性に影響しない。このため、高密度化に有利である。

さらに、ステップＳ１〜ステップＳ３においてノズル孔１０２の形状が決定される。加工精度は概ねエッチング精度で決まるが、溝部３０２のアスペクト比（溝幅ａ／溝の深さｂ）は最小でも１程度なので高精度な加工が可能である。
また、ノズル孔１０２の流路長は、ステップＳ５で決まるが、切断幅を調整することにより、流路長を自由に設定可能である。

吐出口１０６に連通するノズル孔１０２の内壁及び切断後の吐出口１０６の周りの材質は、化学的耐久性に優れた誘電体材料から構成されていることが好ましい。例えば、ノズルプレートを酸化物材料で作製することは好ましい。特に、ＳｉＯ_２ガラスは好適である。珪酸塩ガラス、硼珪酸塩ガラス等も好ましい。単結晶シリコンで構造体を作製した後に熱処理等によりノズル流路を含む表面にＳｉＯ_２膜を形成してもよい。吐出のエネルギーとして静電気力を利用する場合には、高い絶縁性が要求されるので、ＳｉＯ_２ガラス、サファイア、クォーツなどで作製することは特に好ましい

（変形例１）
次に、本発明の一実施形態に係るノズルプレート１００の形状を変形させた別の実施形態（変形例１）について説明する。

図７（ａ）は、本発明の一実施形態(変形例１)に係るノズルプレート１００を示す図であり、図７（ｂ）は、ノズルプレート１００の７Ａ−７Ａ’断面で切断した断面図の一例である。

図７（ｂ）に示すように、ノズルプレート１００において凹部４０１が設けられている。

変形例１におけるノズルプレートの製造方法は、図４〜図６で示した処理の方法とは、図５のステップＳ２におけるフォトマスクのパターンが異なるが、その他の工程においては同様の処理を行う。

ステップＳ２で溝部３０２の底部に傾斜部１０４を形成する際に、等方性エッチングであるプラズマエッチングやフッ酸等を使ったウェットエッチングを行うとレジスト端部から横方向と縦方向に等方的エッチングが進行するためパターン端部は深さ方向に円弧状に形成される。その後の切断及び研磨によって円弧状の凹部４０１を露出させる。

図７（ｂ）において、ｂは溝部３０２の底部に形成する凹部４０１のエッチング深さであり、エッチング液組成、濃度及びエッチング時間によって制御することが可能である。図７（ｂ）において、ａはｂと同様にエッチング液組成、濃度及びエッチング時間に加えて切断後の研磨量によって制御することが可能である。

（変形例２）
さらに、本発明の一実施形態に係るノズルプレートの形状を変形させた別の実施形態（変形例２）について説明する。

図８（ａ）は、本発明の一実施形態(変形例２)に係るノズルプレート１００を示す図であり、図８（ｂ）はノズルプレート１００の８Ａ−８Ａ’断面で切断した断面図の一例である。

変形例２では、図３〜図５に記載の製造方法で第１のプレート部に傾斜部及びノズル内電極を形成した点は同様であるが、第２のプレート部にも第１のプレート部と同様の方法で傾斜部及びノズル内電極を形成した。傾斜部及び電極及び少なくとも傾斜部の一部が重なり合うように貼合せを行い、切断、研磨することにより溝の上下面両方にテーパを形成することができる。

（インクジェットヘッド）
次に、本発明の一実施形態に係るノズルプレートを搭載したインクジェットヘッドについて説明する。

図９は、本発明の一実施形態に係るインクジェットヘッドの構成の一例を示す概略図である。なお、図９において、Ｚ軸は鉛直方向を示している。また、Ｘ軸及びＹ軸は互いに直交し、尚且つ、Ｚ軸に対し直交するよう配置された３次元直交座標系となっている。なお、図９に示すインクジェットヘッドは駆動手段として静電気力を利用する場合のものである。

インクジェットヘッド６００は、ノズルプレート１００から吐出される液滴を用いて、テーブル６０６上に載置された吐出対象物６０５に描画を行うものである。

インクジェットヘッド６００は、プレートホルダー６０１と、電圧印加手段６０２と、位置調整手段６０３と、プレートホルダー６０１のノズル孔１０２に液滴を供給する流路に接続する液室６０４と、ノズルプレート１００とを備える。さらに、インクジェットヘッド６００は、外部のコントローラ１２０に接続されている。

プレートホルダー６０１は、本発明の一実施形態に係るノズルプレート１００を当該インクジェットヘッド６００に接着させるためのものである。

電圧印加手段６０２は、高電圧パルスアンプにより実現され、外部のコントローラ２０２からの駆動信号に基づいて、ノズルプレート１００内の電極に電圧を印加するものである。そして、液室６０４から供給された液滴に対してノズルプレート内の電極から電荷を印加され、電荷を有する液滴がノズルプレート１００の吐出口１０６から静電気力により吐出され、吐出された液滴はテーブル６０６上に載置された描画対象物６０５上に着弾する。

位置調整手段６０３は、ノズルプレート１００の吐出面と描画対象物との間の間隔や平行度を調節するためのものである。図９では、位置調整手段６０３とプレートホルダー６０１とが接続されているが、位置調整手段６０３とプレートホルダー６０１は一体として形成されても良い。

なお、インクジェットヘッド６００の構成は、上記に限定されるものではなく、ノズルプレートのノズル面のクリーニング機構等を設けても良い。

ここで、ノズルプレート１００を接着したプレートホルダー６０１の作製方法および構造について説明する。

図１０（ａ）に示す複数の吐出口１０６を有するノズルプレート１００の吐出面にフッ素系撥液材料をスピンコートする。その後、６０［℃］３０［分］オーブンで乾燥し、表面を撥液処理する。そして、同１０（ｂ）に示す流路プレート７０１には、メタルマスクを介し電極７０２としてＭｏをＤＣスパッタリングにより２００［ｎｍ］成膜した。このとき電極７０２と電気的に接続されている電極膜７０３が液室６０４の内壁に成膜される。図１０（ｃ）に示す液滴注入プレート７０５には、外部から液滴を液室６０４に注入するための液滴注入口７０４が設けられている。そして、ノズルプレート１００を流路プレート７０１上に設けられているアライメントマークに沿ってＵＶ硬化樹脂で接着し、更にその上に液滴注入プレート７０５をＵＶ硬化樹脂で接着し、図１０（ｄ）に示すプレートホルダー６０１を作製した。

流路プレート７０１は、ノズルプレート１００に接合され、かつノズルプレート１００との間でノズル孔１０２に連通する液室やリザーバ等のインク流路が形成された液室形成プレートに相当するプレートである。そして、駆動手段によりノズル先端に形成されるメニスカスに力を加えることにより液滴を選択された吐出口１０６から吐出するように構成されている。

なお、液滴は、図１０における液滴注入口７０４から液室６０４に予め注入しておいてもよく、液滴注入口７０４にチューブを介してインクタンクと連通しインクをインクタンクから吐出室６０４に送液してもよい。

（液滴吐出装置）
次に、本発明の一実施形態に係るノズルプレート及びインクジェットヘッドを搭載した液滴吐出装置について説明する。

図１１は、本発明の一実施形態に係る液滴吐出装置の一例を示した全体斜視図である。なお、図１１において、Ｚ軸は鉛直方向を、θ軸は鉛直方向に対する回転方向を、それぞれ示している。また、Ｘ軸及びＹ軸は互いに直交し、尚且つ、Ｚ軸に対し直交するよう配置された３次元直交座標系となっている。

図１１に示す液滴吐出装置８００は、本発明の一実施形態に係るインクジェットヘッド６００を用いて、吐出対象物６０５に対して所定の液滴吐出を行うものである。本発明の一実施形態に係る液滴吐出装置８００を用いて電子デバイス等を製造するために必要となる高精度なパターニングを行うことができる。

液滴吐出装置８００は、定盤８０１、ＸＹＺθステージ８０２、吸着テーブル８０３、ガントリ８０４、ガントリＺステージ８０５、ノズルヘッドユニット８０６、ワークギャップ測定部８０７、カメラユニット８０８、Ｘ軸ガイドレール８０９、Ｙ軸ガイドレール８１０、Ｘ軸直線移動可能ステージ８１１、Ｙ軸直線移動可能ステージ８１２、除振台８１３、コントローラ１２０により主に構成されている。

定盤８０１には、ＸＹＺθステージ８０２を往復可能に取付けられるためのＸ軸ガイドレール８０９及びＹ軸ガイドレール８１０、ガントリＺステージ８０５を鉛直方向に往復移動可能に取り付けるためのガントリ８０４と、周囲の振動が伝わらないように除振台１８１３と、が備わっている。

ＸＹＺθステージ８０２のＸ軸方向には、定盤８０１に固定されたＸ軸ガイドレール８０９に沿って往復移動可能なＸ軸直線移動可能ステージ８１１が備わっている。ＸＹＺθステージ８０２のＹ軸方向には、定盤８０１に固定されたＹ軸ガイドレール８１０に沿って往復移動可能なＹ軸直線移動可能ステージ８１２が備わっている。ＸＹＺθステージ８０２のＺ軸方向には、ＸＹＺθステージ８０２と吸着テーブル８０３との間に、Ｚ軸方向に沿って往復移動可能なＺ軸直線移動可能ステージが備わっている。ＸＹＺθステージ８０２のθ軸方向には、ＸＹＺθステージ８０２と吸着テーブル８０３との間に、回動（正逆方向に円運動することを意味する）可能な回転ステージが備わっている。

吸着テーブル８０３は、ＸＹＺθステージ８０２に固定されており、吐出対象物６０５を吸着によって固定して載置するためのテーブルである。例えば、吸着テーブル８０３と吐出対象物６０５との間を減圧ないしは真空に近い状態にすることによって、吐出対象物６０５を固定できるように構成されている。例えば、吸着テーブル表面には、減圧ないし真空状態にするための複数の空気孔が設けられていて、この複数の空気孔は、これらに連結するパイプを通じて吸引手段として真空ポンプ等に連結・接続されている。

ガントリ８０５は、門型構造であり、ＸＹＺθステージ８０２及び吸着テーブル８０３を跨ぐように定盤８０１に固定されている。ガントリ８０４には、ガントリＺステージ８０５がＺ軸方向に往復移動可能に取り付けられている。ガントリＺステージ８０５には、ノズルヘッドユニット８０６と、カメラユニット８０８とが取り付けられている。

ガントリＺステージ８０５は、例えば、サーボ機構を備えたリニアモータ等の制御可能な駆動手段により、Ｚ軸方向に往復移動可能に構成されている。ガントリＺステージ８０５は、駆動手段を介して、所定の制御量に基づいてノズルヘッドユニット８０６及びカメラユニット８０８が所定のＺ軸座標に位置するように制御される。

ノズルヘッドユニット８０６は、本発明の一実施形態に係るノズルプレート１００とインクジェットヘッド６００、液滴を吐出するための吐出機構が備わっている。吐出機構から吐出される液滴は、例えば、電子デバイスを作成するための機能性材料の塗布液である。なお、液滴の種類や状態については、特に限定されるものではなく、インクや粘着液などであってもよい。

ワークギャップ測定部８０７は、ノズルヘッドユニット８０６と吸着テーブル８０３との間の距離（以下、ワークギャップとする）を測定するためのものである。
なお、ワークギャップは、ノズルヘッドユニット８０６と吸着テーブル８０３に載置された吐出対象物６０５との間の距離であってもよい。
ワークギャップ測定部８０７は、一例として、ノズルヘッドユニット８０６の四隅に取付けられている。

カメラユニット８０８には、吸着テーブル８０３に載置された吐出対象物６０５の印刷面に対してＺ軸方向に沿って垂直に、及びＸＹＺθステージ８０２の移動範囲内で吐出対象物を撮像・観察できるように構成された撮像手段である。なお、撮像手段としては、一般的にアライメントカメラに用いるＣＣＤカメラ又は上記機能を発揮する同等の撮像手段でもよい。

ＸＹＺθステージ８０２のＸ軸方向には、定盤８０１に固定されたＸ軸ガイドレール８０９に沿って往復移動可能なＸ軸直線移動可能ステージ８１１が備わっている。Ｘ軸直線移動可能ステージ８１１は、例えばサーボ機構を備えたリニアモータ等の制御可能な駆動手段により、Ｘ軸方向に往復移動可能に構成されている。Ｘ軸直線移動可能ステージ８１１は、駆動手段を介して、吸着テーブル８０３が所定のＸ軸座標に位置するように制御されるようになっている。この場合のＸ軸の位置精度としては、高精細な電子デバイスを製造するためにはサブミクロンから１０μｍまでの精度を有することが好ましい。

ＸＹＺθステージ８０２のＹ軸方向には、定盤８０１に固定されたＹ軸ガイドレール８１０に沿って往復移動可能なＹ軸直線移動可能ステージ８１２が備わっている。Ｙ軸直線移動可能ステージ８１２は、例えば、サーボ機構を備えたリニアモータ等の制御可能な駆動手段により、Ｙ軸方向に往復移動可能に構成されている。Ｙ軸直線移動可能ステージ８１２は、駆動手段を介して、吸着テーブル８０３が所定のＹ軸座標に位置するように制御されるようになっている。この場合のＹ軸の位置精度としては、高精細な電子デバイスを製造するためにはサブミクロンから１０μｍの精度を有することが好ましい。
ＸＹＺθステージ８０２のＺ軸方向には、ＸＹＺθステージ８０２と吸着テーブル８０３との間に、Ｚ軸方向に沿って往復移動可能なＺ軸直線移動可能ステージが備わっている。

ＸＹＺθステージ８０２のθ軸方向には、ＸＹＺθステージ８０２と吸着テーブル８０３との間に、回動（正逆方向に円運動することを意味する）可能な回転ステージが備わっている。この回転ステージは、例えば、サーボ機構を備えたリニアモータ等の制御可能な駆動手段により、所定の回転軸方向に回動可能に構成されている。また、回転ステージは、駆動手段を介して、所定の制御量に基づいて吸着テーブル８０３が所定のθ位置に制御されるようになっている。この場合のθ軸は、吐出対象物６０５を載置した際の初期操作に用いることを主としている。

コントローラ１２０は、液滴吐出装置８００の動作を制御するものである。ここで、図１２を用いて、液滴吐出装置８００が備えるコントローラ１２０のハードウエア構成の一例について説明する。

コントローラ１２０は、ＣＰＵ９０１、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）９０２、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）９０３、通信インターフェース９０４を備える。

ＣＰＵ９０１は、後述するＲＯＭ９０２に記憶されているプログラム等を実行するためのものである。

ＲＯＭ９０２は、プログラムやデータの格納用メモリとして用いる読み出し専用のメモリである。ＲＯＭ９０２は、後述にて詳細に説明するが、算出機能及び制御機能を発現するためのＣＰＵ９０１によって実現されるプログラムや、算出機能及び制御機能を発現するための関係データが予め記憶する。

ＲＡＭ９０３は、プログラムやデータの展開用メモリとして用いる書き込み及び読み出し可能なメモリである。

通信インターフェース９０４は、外部機器と通信を行うためのインターフェースであり、通信インターフェース９０４を介して外部機器と通信可能である。通信インターフェース９０４は、有線通信または無線通信により外部機器と通信を行う。

次に、図１２に示すコントローラ１２０が備えるＣＰＵ９０１により実現される機能について説明する。

図１３は、ＣＰＵ９０１により実現される機能の一例を説明した図である。

ＣＰＵ９０１により実現される機能は、液滴吐出指示部１００１、ＸＹＺθステージ移動指示部１００２、ガントリＺステージ移動指示部１００３、ワークギャップ測定指示部１００４を含む機能である。

液滴吐出指示部１００１は、ノズルヘッドユニット８０６に対して、液滴の吐出のタイミングや液滴の吐出量等に関する液滴の吐出に関わる情報を指示する。

ＸＹＺθステージ移動指示部１００２は、ＸＹＺθステージ８０２の各軸方向に対する移動を制御するものである。

ガントリＺステージ移動指示部１００３は、ガントリＺステージ８０５のＺ軸方向に対する移動を制御するものである。

ワークギャップ測定指示部１００４は、ワークギャップ測定部８０７におけるワークギャップの測定に関する動作を制御するものである。

なお、ＣＰＵ８０１により実現される機能については、通信インターフェイス８０４を介して通信を行う外部機器により実現されてもよい。

以下、本発明のノズルプレート及びその製造方法の実施例、及び当該実施例におけるノズルプレートを搭載した液滴吐出装置を用いた液滴の吐出結果について説明するが、本発明は下記実施例に何ら限定されるものではない。

（実施例１）
基材としてＳｉＯ_２ガラス基板（４０［ｍｍ］角、板厚１．１［ｍｍ］）を２枚準備した。各ＳｉＯ_２ガラス基板を、洗浄、乾燥後、更にＵＶ−オゾン処理を９０［℃］で１０分間行った。ＳｉＯ_２ガラス基板１枚にフォトレジストをスピンコートし、所定のフォトマスクを介して露光、現像し、基板上にレジストパターンを形成した。パターンとして幅２［μｍ］の溝を長さ３０［ｍｍ］、ピッチ２５５［μｍ］で１２８本形成した。（図５のステップＳ１）そして、４０［％］ＨＦ溶液でガラス基板をエッチングして深さ２［μｍ］の溝を形成した。

流水洗浄後、レジストを剥離した。次に、各溝内に幅２［μｍ］長さ１００［μｍ］のパターンを１［ｍｍ］ピッチで配置したフォトマスクを介して同様に露光、現像及び前記溝に重ね合わせて露光、現像を行い、レジストパターンを形成した。次にＩＣＰ−ＲＩＥ（誘導結合プラズマ−リアクティブイオンエッチング）装置を用いてＣＦ_４／Ｈ_２（ガス流量比５０／５０）の混合ガスを流しながらＲＦ電力を印加しガラスのエッチングを行い、溝底部に深さ５［μｍ］の穴を形成した。（図５のステップＳ２）

次にモリブデンターゲットを用いてＤＣマグネトロンスパッタリング法により膜厚２００［ｎｍ］のモリブデン薄膜を形成した、次に各溝内に幅２［μｍ］、長さ７００［μｍ］の細長いノズル内電極用フォトマスクを介して同様に露光、現像及びエッチングを行い、溝底部にノズル内電極を形成した。（図５のステップＳ３）

溝加工及び溝内にノズル内電極１０５を形成したＳｉＯ_２ガラス基板の加工面ともう１枚のＳｉＯ_２ガラス基板の表面とを合わせ、Ａｒ＋Ｈ_２還元ガス雰囲気中１１５０［℃］で３０分加熱して接合した。（図５のステップＳ４）
精密切断機により１ｍｍピッチで切断後、液滴供給孔の傾斜部分の長さがノズルプレート上面から５μｍとなるように両面を研磨し、縦２．２［ｍｍ］、横４０［ｍｍ］、厚さ０．７［ｍｍ］のノズルプレートが得られた。（図５のステップＳ５）
そして、作成したノズルプレートの傾斜部分が設けられた面に対して、メタルマスクを介しモリブデンをＤＣマグネトロンスパッタリング法により膜厚２００［ｎｍ］の表面電極１０３を生成した。（図５のステップＳ６）

（実施例２−６）
上記実施例１と同様のプロセスにより、実施例２−６に係るノズルプレートを作製した。各実施例の異なる点は、溝部３０２が有する傾斜部３０５の形状を変化させた点である。実施例２−６に係るノズルプレートの傾斜部２０５の形状は、表１に示す通りである。傾斜部の形状は、フォトマスクのパターンとエッチング条件を変化させることにより調整した。

（比較例１）
実施例１と同様に、各ＳｉＯ_２ガラス基板を、洗浄、乾燥後、更にＵＶ−オゾン処理を９０［℃］で１０分間行った。ＳｉＯ_２ガラス基板１枚にフォトレジストをスピンコートし、所定のフォトマスクを介して露光、現像し、基板上にレジストパターンを形成した。パターンとして２［μｍ］の溝を長さ３０［ｍｍ］、ピッチ２５５［μｍ］で１２８本形成した。（図５のステップＳ１）
次に、４０［％］ＨＦ溶液でガラス基板をエッチングして深さ２［μｍ］の溝を形成した。

次にモリブデンターゲットを用いてＤＣマグネトロンスパッタリング法により膜厚２００［ｎｍ］のモリブデン薄膜を形成した、次に各溝内に幅２［μｍ］、長さ７００［μｍ］の細長いノズル内電極用フォトマスクを介して同様に露光、現像及びエッチングを行い、溝底部にノズル内電極を形成した。（図５のステップＳ３）

溝加工及び溝内にノズル内電極を形成したＳｉＯ_２ガラス基板の加工面ともう１枚のＳｉＯ_２ガラス基板の表面とを合わせ、Ａｒ＋Ｈ_２還元ガス雰囲気中１１５０［℃］で３０分加熱して接合した。（図５のステップＳ４）
精密切断機により１ｍｍピッチで切断後、液滴供給孔の傾斜部分の長さがノズルプレート上面から５μｍとなるように両面を研磨し、縦２．２［ｍｍ］、横４０［ｍｍ］、厚さ０．７［ｍｍ］のノズルプレートが得られた。（図５のステップＳ５）

下記の表１に実施例１〜６及び比較例１で作製したノズルプレートの傾斜部の形状と上面電極とノズル内電極の接続状態を評価した結果を示す。接続状態の評価方法として、全部で１２８本のノズルのうち、液滴吐出時の液滴が吐出されない不良ノズルの本数を接続不良数として示す。

基板は熱酸化膜付きシリコン基板、液滴はハリマ化成製の金ナノペーストＮＰＧ−Ｊを使用した。印加電圧７００Ｖ、５０Ｈｚの矩形波でインクジェットヘッドを駆動し、ステージ速度は１ｍｍ／ｓで走査した。

その結果、実施例１〜６のノズルプレートを用いて液滴を吐出した場合、ノズルピッチが２５５μｍの間隔で連続吐出された液滴のドット（着弾）が分離して観察された。ドット半径２．８μｍ、ドット高さ１１０ｎｍ、吐出量１４ｆＬであった。

実施例１〜５のノズルプレートを用いて液滴を吐出した場合、液滴の粘度によらず、全てのノズルで１［ｐＬ］未満の微小液滴を均一に吐出することに成功した。また、ミストやサテライトも発生せず、高品質な描画をすることができた。
実施例６のノズルプレートを用いて液滴を吐出した場合、液滴が吐出されない不良ノズルが、実施例１〜５と比較し、若干多く存在する結果となった。

一方、比較例１のノズルプレートを用いて液滴を吐出した場合は、接続不良数が極めて多く使用不可能であり、所望の描画像を得ることが出来なかった

したがって、本発明の一実施形態に係るノズルプレートのノズル孔に設けた傾斜を所望の形状に変化させることで、ミストやサテライトが発生せず、微小な液滴を均一に安定して吐出することができる。
さらに、ノズルプレートのノズル孔に設けた傾斜を所望の形状に変化させることで、より精度の高い描画を行うことが可能となる。

１００ ノズルプレート
１０１ プレート部
１０２ ノズル孔
１０３ 表面電極
１０４ 傾斜部
１０５ ノズル内電極
１０６ 吐出口
１０７ 供給口
１１０ 電圧印加手段
１２０ コントローラ
２０１ 第１のプレート部
２０２ 第２のプレート部
３０１ 第１の基板
３０２ 溝部
３０３ 第２の基板
３０４ 接合部
３０５ 切断線
４０１ 凹部
５０１ 第２の傾斜部
６００ インクジェットヘッド
６０１ プレートホルダー
６０２ 電圧印加手段
６０３ 位置調整手段
６０４ 液室
６０５ 吐出対象物
６０６ テーブル
７０１ 流路プレート
７０２ 電極
７０３ 電極膜
７０４ 液滴注入口
７０５ 液滴注入プレート
８００ 液滴吐出装置
８０１ 定盤
８０２ ＸＹＺθステージ
８０３ 吸着テーブル
８０４ ガントリ
８０５ ガントリＺステージ
８０６ ノズルヘッドユニット
８０７ ワークギャップ測定部
８０８ カメラユニット
８０９ Ｘ軸ガイドレール
８１０ Ｙ軸ガイドレール
８１１ Ｘ軸直線移動可能ステージ
８１２ Ｙ軸直線移動可能ステージ
８１３ 除震台
９０１ ＣＰＵ
９０２ ＲＯＭ
９０３ ＲＡＭ
９０４ 通信インターフェース
１００１ 液滴吐出指示部
１００２ ＸＹＺθステージ移動指示部
１００３ ガントリＺステージ移動指示部
１００４ ワークギャップ測定指示部

特開平１１−１０８８５ 特開平４−３１０７４６

Claims (9)

1. 一の面に溝が形成された第１のプレート部と、該第１のプレート部における前記溝が形成された面と接合された第２のプレート部とを備えるノズルプレートであって、
   前記溝は、液滴を吐出する吐出口と、該吐出口と反対側の供給孔とを形成するとともに、前記液滴の流路となるノズル孔を形成し、
   前記第１のプレート部及び前記第２のプレート部は、前記供給孔側の面の少なくとも一部に第１の電極部を有し、
   前記第１のプレート部は、前記溝における前記第２のプレート部と対向する面に形成された第２の電極部を有するとともに、前記第１の電極部と前記第２の電極部とが接続する接続領域を有し、
   前記接続領域は、前記供給孔に向かって拡径されていることを特徴とするノズルプレート。
2. 前記吐出口の開口径は、前記供給孔の開口径に比べて小さいことを特徴とする請求項１に記載のノズルプレート。
3. 前記接続領域は、前記第１のプレート部の内部方向に凹となる円弧状であることを特徴とする請求項１または２に記載のノズルプレート。
4. 前記接続領域は、平坦な形状であることを特徴とする請求項１または２に記載のノズルプレート。
5. 前記第１のプレート部における前記接続領域は、前記拡径が始まる地点から、前記第１のプレート部における前記供給孔が形成された面の垂直方向に対して、前記拡径が最大となる地点までの長さを前記接続領域の深さ（ａ）とし、前記拡径が始まる地点から、前記第１のプレート部における前記供給孔が形成された面の水平方向に対して、前記拡径が最大となる地点までの長さを前記接続領域の長さ（ｂ）としたとき、前記深さ（ａ）／長さ（ｂ）が０．２から５の範囲であ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ノズルプレート
6. 前記第２のプレート部は、前記第１のプレート部と対向する面に、前記ノズル孔を形成する第２の溝を有し、前記第２の溝における前記第１のプレート部と対向する面に前記第２の電極部が形成されているとともに、当該第２のプレート部に形成された前記第１の電極部と、当該第２のプレート部に形成された前記第２の電極部とが接続する第２の接続領域を有し、
   前記第２の接続領域は、前記供給孔に向かって拡径されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のノズルプレート。
7. 少なくとも、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載のノズルプレートと、
   前記ノズル孔に接続され、前記ノズル孔に前記液滴を供給する一以上の流路と、
   を備えていることを特徴とするインクジェットヘッド。
8. 少なくとも、
   請求項７記載のインクジェットヘッドと、
   前記インクジェットヘッドを駆動するための駆動部と
   前記インクジェットヘッドから吐出される液滴を用いてパターンが描画される描画対象物を保持し、前記インクジェットヘッドに対してＸＹＺ方向に相対的に移動する移動部と、
   前記描画対象物に対するパターン描画に基づいて、前記駆動部と前記移動部の動作を制御する制御部と
   を備えたことを特徴とする液滴吐出装置。
9. 請求項１乃至６のいずれかに記載のノズルプレートの製造方法であって、
   前記第１のプレート部となる第１の基板の一の面に溝部を形成する第１の溝部形成工程と、
   前記溝部に対して更に深い部分を形成し、浅い部分を第１の溝部、深い部分を第２の溝部としたときに、前記第１の溝部から前記第２の溝部への方向に向かって徐々に深さが大きくなる傾斜部を形成する第２の溝部形成工程と、
   前記第１の溝部及び前記傾斜部に前記第２の電極部を形成する第２の電極部形成工程と、
   前記第１の基板における前記溝部が形成された面に対して、前記第２のプレート部となる第２の基板を接合する接合工程と、
   前記第１の溝部が形成された任意の箇所であり、前記溝部の長手方向と垂直な方向において切断し、かつ、切断された前記第１の溝部と隣接する前記第２の溝部が形成された任意の箇所であり、前記溝部の長手方向と垂直な方向において切断する切断工程と、
   前記切断された面における前記第２の溝部側の面において、前記第１の基板の少なくとも一部及び前記第２の基板の少なくとも一部に、前記第１の電極を形成する第１の電極部形成工程と、
   を有することを特徴とするノズルプレートの製造方法。