KR100514711B1 - 분사 장치의 노즐 형성 방법 및 잉크 젯 헤드의 제조 방법 - Google Patents
분사 장치의 노즐 형성 방법 및 잉크 젯 헤드의 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
노즐 플레이트(2)를 형성하기 위한 실리콘 웨이퍼(200)에 에칭을 실시하고, 토출 방향의 앞측 부분에 형성된 작은 단면 노즐 부분(21a)과 뒤 측에 형성된 큰 단면 노즐 부분(21b)을 구비한 단 형상 단면의 노즐(21)을 형성하는 데 있어서, 실리콘 웨이퍼(200)의 표면(200a)에 레지스트막(210)을 형성하고, 이 레지스트막(210)에 대해, 하프 에칭에 의한 패터닝 및 풀 에칭에 의한 패터닝을 실시하고, 다음으로, ICP 방전에 의한 이방성 드라이 에칭을 실시하며, 풀 에칭된 부분에 홈을 형성하며, 다음으로, 하프 에칭 부분의 레지스트막을 에칭 제거하여, 해당 부분에 다시 ICP 방전에 의한 이방성 드라이 에칭을 실시한다. 이 결과, 단 형상 단면의 잉크 노즐을 효율 좋게, 더욱이, 종래의 것과 비교하여, 캐비티 측에서 노즐에 가해지는 압력 방향을 노즐 축선 방향으로 가지런히 하는 작용이 큰 노즐을 단결정 실리콘 기판에 간단히 형성할 수 있다.
Description
본 발명은, 액체, 기체를 분사, 분무하는 분사 장치에 있어서의 노즐 형성 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 실리콘 단결정 기판에 에칭을 실시하고, 선단 측을 향하여 계단 형상으로 단면이 작아진 노즐을 형성하는 노즐 형성 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 잉크 방울을 토출하는 잉크 젯 헤드에 적합한 노즐 플레이트의 형성 방법에 관한 것이다.
예를 들면, 잉크 젯 프린터의 잉크 젯 헤드는, 일반적으로, 잉크 방울을 외부로 토출하는 다수의 노즐과, 이들 노즐에 연이어 통한 잉크 공급로로 이루어진다.
최근, 잉크 젯 헤드에 대해서는, 고세밀 문자를 인자 가능하게 하기 위해, 보다 정밀하고 보다 미세한 가공이 요구되고 있다. 이 때문에, 실리콘 기판에 이방성 에칭을 실시함으로써 미세한 노즐을 형성하는 방법이 수많이 제안되고 있다.
잉크 젯 헤드의 각 노즐 잉크 토출 특성을 개선하기 위해서는, 노즐로서, 선단 측에 가는 노즐 구멍 부분이 형성되고, 그 뒤 측에 원뿔 형상 혹은 각뿔 형상으로 넓어진 노즐 구멍 부분이 형성된 단면 형상인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 일본국 공개 특허 공보 소56-135075호에 개시되어 있는 바와 같이, 노즐 형상을 선단 측을 원통 형상으로 하고, 뒤 측 부분의 내주면을 사각뿔 사다리 형상으로 하면, 원통 형상의 노즐을 사용하는 경우에 비하여, 잉크 캐비티 측에서 노즐에 가해지는 잉크 압력의 방향을 노즐 축선 방향으로 가지런하게 할 수 있어, 안정된 잉크 토출 특성을 얻을 수 있다. 즉, 잉크 방울의 비상 방향의 격차를 없애고, 잉크 방울의 흩날림을 없애, 잉크 방울량의 격차를 억제할 수 있다.
그렇지만, 일본국 공개 특허 공보 소56-135075호에 개시되어 있는 바와 같이 노즐의 뒤 측 부분의 사각뿔 사다리 형상의 내주면은, 실리콘 기판을 습식 이방성 에칭을 사용하여 형성되기 때문에, 실리콘의 결정 방위를 따른 형상이 된다. 이 때문에, 더욱이, 잉크 캐비티 측에서 노즐에 가해지는 잉크 압력 방향을 노즐 축선 방향으로 가지런히 하는 작용을 얻기 위해, 노즐 뒤 측 부분의 경사 각도를 작게 하는, 즉 노즐 후단 측의 단면적을 작게 하는 것은 불가능하다.
한편, 예를 들면, 본 출원인에 의한 일본국 공개 특허 공보 평5-50601호에는 정전 구동 방식 잉크 젯 헤드에 있어서, 실리콘 단결정 기판에 포토리소그래피 기술 및 습식 결정 이방성 에칭을 적용함으로써, 노즐 및 잉크 공급로를 고정밀도로 형성하기 위한 잉크 젯 헤드의 제조 방법이 개시되어 있다.
이 공개 공보에 개시되어 있는 잉크 젯 헤드는, 노즐, 리저버, 캐비티 등의 잉크 공급로, 진동판이 형성된 실리콘 단결정제 기판과, 진동판을 정전기력에 의해 휘게 하기 위한 전극이 형성된 유리제 전극 기판을 붙여 합친 구조를 채용하고 있다.
이러한 구조를 채용함으로써, 개개의 잉크 젯 헤드의 패턴(노즐, 잉크 공급로, 전극)을 각각의 기판에 형성한 후, 기판을 접합하고, 접합한 기판을 절단하여 개개의 잉크 젯 헤드로 분리한다는 제조 방법(소위 다수 개 선택)을 채용할 수 있으며, 잉크 젯 헤드를 염가로 제조할 수 있다. 또한, 다수 개 선택의 예는 본 출원인에 의한 일본국 공개 특허 공보 평9-300630호에 개시되어 있다. 즉, 아래쪽 기판에 형성된 신호 혹은 전력을 헤드에 공급하기 위한 단자가 노출하도록, 다수의 덮개 기판을 열 형상으로 유로 기판에 접합하는 방법이 제안되고 있다.
그런데, 잉크 공급로를 덮는 덮개 기판에 노즐을 형성하여, 덮개 기판 자체를 노즐 플레이트로서 사용할 경우, 일본국 공개 특허 공보 평9-300630호에 개시된 방법보다도 1장의 노즐 플레이트를 유로 기판에 접합한 후, 개개의 잉크 젯 헤드로 분리하는 편이 정밀도 상 바람직하다.
이 경우, 이들 3장의 기판 중 제일 위쪽 기판인 노즐 플레이트에는, 노즐 외에, 하부 기판에 형성된 단자를 노출시키기 위한 관통 구멍을 형성할 필요가 있다.
노즐용 구멍을 형성하는 공정에서는, 지극히 높은 가공 정밀도가 요구되기 때문에, 비교적 느린 에칭 레이트로 에칭되며, 이에 비교하여 비교적 정밀도가 요구되지 않는 상기 관통 구멍을 형성하는 공정에서는, 가공 정밀도보다도 에칭에 요하는 시간을 단축하는 것이 우선되기 때문에, 비교적 빠른 에칭 레이트로 에칭이 행해진다. 이 때문에, 서로 에칭 조건이 다른 노즐용 구멍을 형성하는 공정, 상기 관통 구멍을 형성하는 공정은 통상 서로 독립된 공정에서 행해지고 있었다. 즉, 관통 구멍을 에칭으로 연 후, 노즐 구멍을 에칭으로 형성하든지, 또는 노즐을 형성한 후, 관통 구멍을 열고 있었다.
이 때문에, 에칭 공정에 관련되는 레지스트막의 형성, 마스킹, 레지스트막 제거 등의 패터닝 및, 세정 등 모든 서브 공정을 2회 행해야만 하며, 제조 공정이 복잡해짐과 동시에, 제조에 시간이 걸린다는 과제를 갖고 있었다.
본 발명은 이러한 점에 비추어져 이루어진 것이며, 그 해결하고자 하는 과제는 주로 이하의 2점에 있다.
1) 종래의 것과 비교하여, 캐비티 측에서 노즐에 가해지는 압력 방향을 노즐축선 방향으로 가지런하게 하는 작용이 큰 노즐을, 단결정 실리콘 기판에 형성할 수 있는 분사 장치의 노즐 형성 방법을 제안하는 것에 있다.
2) 노즐의 가공 정밀도를 저하시키지 않고, 노즐을 형성함과 동시에 노즐에 비하여 대단히 큰 관통 구멍을 동시에 단결정 실리콘 기판에 형성할 수 있는 잉크 젯 헤드의 제조 방법을 제안하여, 제조 공정을 간략화하고, 제조에 걸리는 시간을 단축하는 것에 있다.
도 1은 본 발명에 따른 방법의 적용 가능한 정전 구동 방식인 잉크 젯 헤드의 일례를 도시하는 분해 사시도.
도 2는 도 1에 도시하는 잉크 젯 헤드의 개략 단면.
도 3a는 도 1의 잉크 젯 헤드의 노즐 플레이트의 제조 공정에 있어서의 제 1 열산화막 형성 공정을 도시하는 설명도, 도 3b는 같은 제조 공정에 있어서의 SiO2막의 제 1 패터닝 공정을 도시하는 설명도, 도 3c는 같은 제조 공정에 있어서의 SiO2막의 제 2 패터닝 공정을 도시하는 설명도.
도 4a는 도 1의 잉크 젯 헤드의 노즐 플레이트의 제조 공정에 있어서의 실리콘 웨이퍼에 대한 제 1 드라이 에칭 공정을 도시하는 설명도, 도 4b는 같은 제조 공정에 있어서의 하프 에칭 부분을 제거한 후의 상태를 도시하는 설명도, 도 4c는 같은 제조 공정에 있어서의 실리콘 웨이퍼에 대한 제 2 드라이 에칭 공정을 도시하는 설명도, 도 4d는 같은 제조 공정에 있어서의 SiO2막을 제거한 후의 상태를 도시하는 설명도.
도 5a는 도 1의 잉크 젯 헤드의 노즐 플레이트의 제조 공정에 있어서의 제 2 열산화막 형성 공정을 도시하는 설명도, 도 5b는 같은 제조 공정에 있어서의 SiO2막의 제 3 패터닝 공정을 도시하는 설명도, 도 5c는 같은 제조 공정에 있어서의 실리콘 웨이퍼에 대한 웨트 에칭 공정을 도시하는 설명도, 도 5d는 같은 제조 공정에 있어서의 SiO2막을 제거한 후의 상태를 도시하는 설명도.
도 6은 도 1의 잉크 젯 헤드의 노즐 플레이트의 제조 공정에 있어서의 최종 열산화막 형성 공정을 도시하는 설명도.
도 7a는 도 1의 잉크 젯 헤드의 노즐 플레이트의 다른 실시예의 제조 공정에 있어서의 제 1 열산화막 형성 공정을 도시하는 설명도, 도 7b는 같은 제조 공정에 있어서의 SiO2막의 제 1 패터닝 공정을 도시하는 설명도, 도 7c는 같은 제조 공정에 있어서의 SiO2막의 제 2 패터닝 공정을 도시하는 설명도.
도 8a는 도 1의 잉크 젯 헤드의 노즐 플레이트의 다른 실시예에서의 제조 공정에 있어서의 실리콘 웨이퍼에 대한 제 1 드라이 에칭 공정을 도시하는 설명도, 도 8b는 같은 제조 공정에 있어서의 하프 에칭 부분을 제거한 후의 상태를 도시하는 설명도, 도 8c는 같은 제조 공정에 있어서의 실리콘 웨이퍼에 대한 제 2 드라이 에칭 공정을 도시하는 설명도, 도 8d는 같은 제조 공정에 있어서의 SiO2막을 제거한 후의 상태를 도시하는 설명도.
도 9a는 도 1의 잉크 젯 헤드의 노즐 플레이트의 다른 실시예에서의 제조 공정에 있어서의 제 2 열산화막 형성 공정을 도시하는 설명도, 도 9b는 같은 제조 공정에 있어서의 SiO2막의 제 3 패터닝 공정을 도시하는 설명도, 도 9c는 같은 제조 공정에 있어서의 실리콘 웨이퍼에 대한 웨트 에칭 공정을 도시하는 설명도, 도 9d는 같은 제조 공정에 있어서의 SiO2막을 제거한 후의 상태를 도시하는 설명도.
도 10은 실리콘 웨이퍼의 드라이 에칭 공정에 있어서, 실리콘 웨이퍼의 개구율과 에칭 속도의 관계를 도시하는 그래프.
상기 과제 1)을 해결하기 위해, 본 발명은, 실리콘 단결정 기판에 에칭을 실시하고, 선단 측을 향하여 계단 형상으로 단면이 작아진 노즐을 형성하기 위해, 이방성 드라이 에칭 방법인 ICP(유도 결합 플라스마) 방전에 의한 드라이 에칭 방법을 채용하고 있다.
즉, 본 발명의 노즐 형성 방법에서는, 우선, 실리콘 단결정 기판의 표면에 레지스트막으로서, 예를 들면 실리콘 산화막이 형성된다. 다음으로, 상기 노즐의 후단 측에 대응하는 부분의 상기 레지스트막을 제거함으로써, 제 1 개구 패턴이 형성되고, 상기 노즐의 선단 측에 대응하는 부분의 상기 레지스트막을 제거함으로써, 상기 제 1 개구 패턴보다 작은 제 2 개구 패턴이 형성된다. 다음으로, 상기 제 1,제 2 개구 패턴에 의해 노출된 상기 실리콘 단결정 기판 표면의 노출 부분에 대해 플라스마 방전에 의한 드라이 에칭이 실시된다. 이 때, 실리콘 기판이 놓여진 처리조 내에, 플라스마 방전에 의해 플라스마화하여 실리콘을 부식하는 가스와, 플라스마화하여 실리콘 부식을 억제하는 가스가 교대로 주입된다. 이로써, 드라이 에칭에 의해, 각 개구 패턴의 형상에 일치한 단면을 가지며, 후단 측에서 선단 측을 향하여 계단 형상으로 단면이 작아진 노즐이 형성된다.
또한, 이하와 같이 각 개구 패턴을 형성하면, 실리콘 기판의 한쪽 측에서만 드라이 에칭을 행하는 것 만으로, 후단 측으로부터 선단 측을 향하여 계단 형상으로 단면이 작아진 노즐을 형성할 수 있어, 제조 공정을 보다 간략화할 수 있다.
즉, 상기 실리콘 단결정 기판의 표면에 레지스트막을 형성한 후, 상기 레지스트막을 하프 에칭하여, 해당 레지스트막에 대해 상기 노즐 후단 측 부분에 대응한 개구 패턴을 형성한다(제 1 패터닝 공정). 다음으로, 상기 개구 패턴이 형성된 상기 레지스트막의 하프 에칭 영역의 일부분을 풀 에칭하여, 상기 노즐의 선단 측 부분에 대응한 개구 패턴을 상기 실리콘 단결정 기판 표면의 노출 부분으로서 형성한다(제 2 패터닝 공정). 그 후, 상기 실리콘 단결정 기판의 상기 노출 부분에 대해 플라스마 방전에 의한 드라이 에칭을 실시하여, 소정 깊이의 제 1 홈을 형성한다(제 1 드라이 에칭 공정). 그리고, 상기 레지스트막의 하프 에칭 영역을 풀 에칭하여, 상기 실리콘 단결정 기판 표면을 노출시킨 후에, 해당 실리콘 단결정 기판에 대해 플라스마 방전에 의한 드라이 에칭을 실시하여, 저면에 상기 제 1 홈이 남은 상태대로 제 2 홈을 소정 깊이가 되도록 형성한다(제 2 드라이 에칭 공정).
제 1 드라이 에칭 공정에 있어서, 플라스마 방전에 의한 이방성 드라이 에칭이 개시하면, 풀 에칭되어 표면이 노출되어 있는 실리콘 단결정 기판의 표면 부분만이 수직으로 에칭 제거되어, 소정 깊이의 제 1 홈이 형성된다. 제 2 드라이 에칭 공정에 있어서는, 처음에 에칭 제거된 제 1 홈이 그대로 남은 상태로 실리콘 단결정 기판 표면의 에칭이 진행되어 제 2 홈이 형성된다. 에칭 조건을 적절하게 설정함으로써, 제 1 홈 부분의 깊이 치수를 노즐 선단 측의 작은 단면 측 부분에 일치한 치수로 할 수 있고, 제 2 홈 부분의 깊이 치수를 노즐 뒤 측의 큰 단면 측 부분에 일치한 치수로 할 수 있다.
이 방법에 의하면, 실리콘 단결정 기판 표면에 마스크 패턴을 반복하여 형성할 필요가 없다. 또한, 요부가 형성된 후의 단 부착 상태의 실리콘 단결정 기판 표면을 따라 마스크 패턴을 형성할 필요도 없다. 따라서, 본 발명의 노즐 형성 방법에 의하면, 단 형상 단면의 노즐을 효율 좋게, 더구나 간단하게 형성하는 것이 가능해진다.
상기 과제 2)를 해결하기 위해, 본 발명은 노즐 플레이트가 되는 기판의 한쪽 면으로부터, 에칭에 의해 소정 깊이까지 상기 노즐이 되는 미세한 제 1 홈과, 노즐 플레이트가 되는 기판 아래쪽에 접합되는 기판 상에 설치된 단자를 노출시키기 위한 관통 구멍의 일부가 되는 제 2 홈을 형성한 후, 상기 위쪽 기판의 다른 쪽 면으로부터 에칭에 의해, 상기 제 1 홈에 비하여 큰 제 3 홈을 형성하고, 상기 제 1 홈과 상기 제 2 홈을 관통시켜, 상기 노즐 및 상기 관통 구멍을 동시에 형성하는 방법을 채용하고 있다.
이로써, 가공 정밀도를 떨어뜨리지 않고, 노즐과 동시에 관통 구멍을 형성할 수 있다. 관통 구멍이 비교적 큰 경우, 상기 제 2 홈을 상기 관통 구멍의 외주의 윤곽을 그리는 형상으로 에칭함으로써 형성하는 것이 바람직하고, 이로써, 관통 구멍 부분의 에칭 면적을 작게 할 수 있기 때문에, 에칭 속도의 저하를 방지함과 동시에, 웨이퍼면 내의 에칭에 의한 홈 깊이 방향의 정밀도화를 방지할 수 있다.
<본원 발명이 적용되는 잉크 젯 헤드의 일례>
도 1에는 본 발명에 따른 방법을 적용 가능한 잉크 젯 헤드의 분해 사시도, 도 2에 도 1의 잉크 젯 헤드의 개략 단면을 도시하고 있다.
이하, 도 1, 도 2를 참조하여 설명하면, 본 예의 잉크 젯 헤드(1)는 본 출원인에 의한 일본국 공개 특허 공보 평5-50601호에 개시되어 있는 잉크 젯 헤드와 동일한 정전 구동 방식의 잉크 젯 헤드이고, 실리콘 단결정 기판으로 이루어지는 노즐 플레이트(2)(위쪽 기판)와 동일한 실리콘 단결정 기판으로 이루어지는 캐비티 플레이트(3)(제 1 아래쪽 기판)와, 유리 기판(4)(제 2 아래쪽 기판)을 붙여 합침으로써 구성되어 있다.
또한, 두 도면 모두, 설명을 간단히 하기 위해 1개의 헤드를 도시하고 있지만, 어느 한 기판(2, 3, 4) 모두 다수 개의 잉크 젯 헤드용 패턴이 형성되어 있으며, 기판 접합 후, 도 2에 도시하는 C-C면, D-D면을 다이싱을 사용하여 절단하여, 개개의 잉크 젯 헤드로 분리된다.
캐비티 플레이트(3)에는, 다수의 잉크 캐비티(31)와, 각 잉크 캐비티(31)에 잉크를 공급하는 공통 잉크 리저버(32)가 형성되어 있다. 노즐 플레이트(2) 측에는, 각 잉크 캐비티(31)에 연이어 통하는 다수의 노즐(21)과, 각 잉크 캐비티(31)를 공통 잉크 리저버(32)에 연이어 통하게 되어 있는 잉크 공급구(22)가 형성되어 있다. 잉크 공급구(22)는 한 측에 깊은 홈 부분(22a)이 형성되고, 다른 측에는 얕은 홈 부분(22b)이 형성된 단면 형상으로 되어 있다.
캐비티 플레이트(3)의 이면에 붙여진 유리 기판(4)에 있어서, 캐비티(31)의 저면을 규정하고 있는 진동판(33)에 대치하는 부분에는, 요부(41)가 형성되고, 해당 요부 저면에는 진동판(33)에 대치한 개별 전극(42)이 형성되어 있다.
이 개별 전극(42)은 홈(44) 내에 설치된 리드(42a)를 통해 요부(45)에 설치된 개별 단자(42b)에 접속되어 있다.
이 개별 단자(42b)가 캐비티 플레이트(3)와 유리 기판(4)을 접합했을 때에, 노출하도록 캐비티 플레이트(3)에는 관통 구멍(36)이 설치되어 있으며, 이 관통 구멍(36) 근방에, 진동판(33)에 전하를 충전하기 위한 공통 단자(35)가 설치되어 있다. 그리고, 노즐 플레이트(2)에는 아래쪽 기판과 접합되었을 때에, 개별 단자(42b)와 공통 단자(35)를 노출하기 위한 관통 구멍(23)도 형성되어 있다. 개개의 잉크 젯 헤드로 분리한 후, 도시하지 않은 FPC가 이들 단자(42b, 35)에 접속된다.
또한, 잉크 리저버(32)의 저면에는 잉크 공급구(34)가 형성되며, 이 잉크 공급 구멍(34)은 유리 기판(4)에 형성한 잉크 공급로(43)에 연이어 통해 있다. 이 잉크 공급로(43) 및 잉크 공급로(34)를 통해, 외부 잉크 공급원에서 잉크가 잉크 리저버(32)에 공급 가능하게 되어 있다.
캐비티 플레이트(3)에 형성한 각 캐비티(31)의 저면을 규정하고 있는 진동판(33)은 공통 전극으로서 기능하며, 이 캐비티 플레이트(3)와, 각 진동판(33)에 대치하고 있는 개별 전극(42)과의 사이에 전압을 인가하면, 전압이 인가된 개별 전극(42)에 대치하고 있는 진동판(33)이 정전기력에 의해 진동하며, 이에 따라 캐비티(31)의 용적 변화가 일어나, 노즐(21)로부터 잉크 방울의 토출이 행해진다.
여기서, 노즐(21)은 단(段) 형상 단면을 한 노즐이다. 즉, 잉크 방울 토출 방향의 앞 측에는 원형의 작은 단면 노즐 부분(21a)(작은 단면 측 부분)이 형성되고, 뒤 측에는 원형의 큰 단면 노즐 부분(21b)(큰 단면 측 부분)이 형성되어 있으며, 이들 경계 부분은 고리 형상의 단면(21c)으로 되어 있다. 따라서, 노즐(21)의 축선 방향을 따라 절단한 단면 형상은 선단 측을 향하여 단면이 계단 형상으로 작게 되어 있다. 또한, 노즐(21)의 선단 개구(21d)는 노즐 플레이트(2)의 반대측 면에 형성한 요부(24)의 저면에 개구하고 있다.
<노즐 플레이트의 제조 방법의 일례>
도 3 내지 도 6에는 노즐 플레이트(2)의 제조 공정의 일례를 도시하고 있다. 이들 도면을 참조하여 노즐 플레이트(2)의 제조 순서를 설명한다.
(단계 1: 제 1 열산화막 형성 공정)
우선, 도 3a에 도시하는 바와 같이, 두께가 180미크론인 실리콘 웨이퍼(200)를 준비하여, 해당 실리콘 웨이퍼(200)를 열산화시키고, 그 표면에 레지스트막으로서의 두께가 1.2미크론 이상의 SiO2막(210)을 형성한다.
(단계 2: SiO2막의 제 1 패터닝 공정)
다음으로, 도 3b에 도시하는 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(200)의 표면(200a)을 덮고 있는 SiO2막(210)의 부분에 하프 에칭을 실시함으로써, 노즐(21)의 큰 단면 노즐 부분(21b) 및 잉크 공급구(22)의 얕은 홈 부분(22b)을 형성하기 위한 패턴(201b 및 202b)을 형성한다. 에칭액으로서는, 플루오르화 암모늄(HF: NH4F=880ml: 5610ml)을 사용할 수 있다. 또한, 에칭 깊이는 예를 들면, 0.5미크론으로 설정할 수 있다.
(단계 3: SiO2막의 제 2 패터닝 공정)
이 다음은, 도 3c에 도시하는 바와 같이, 노즐(21)의 작은 단면 노즐 부분(21a) 및 잉크 공급구(22)의 깊은 홈 부분(22a)을 형성하기 위한 패턴(201a 및 202a)을 SiO2막(210)의 하프 에칭 영역인 패턴(201b, 202b) 부분에 형성한다. 즉, 이들 하프 에칭 영역을 완전히 에칭하여, 실리콘 웨이퍼 표면을 노출시킨 패턴(201a, 202a)을 형성한다. 이들 패턴과 함께, 전극용 관통 구멍(23)을 형성하기 위한 패턴(203)도, SiO2막(210)을 풀 에칭함으로써 형성한다. 이 경우에 사용하는 에칭액도 상기와 동일한 플루오르화 암모늄을 사용할 수 있다.
여기서, SiO2막을 부분적으로 에칭하기 위한 레지스트막에는 감광성 수지 레지스트막이 사용된다. 도포 후의 수지 레지스트막은 가열함으로써 반경화 상태가 되고, 노광 현상 후, 더욱 가열함으로써 완전히 경화한다. 그 후, 상술한 바와 같이 SiO2막을 에칭하여, 실리콘 에칭용 레지스트막을 형성한다.
(단계 4: 제 1 드라이 에칭 공정)
이렇게 하여, SiO2막(210)에 2회 패터닝을 실시한 후는, 도 4a에 도시하는 바와 같이, 플라스마 방전에 의한 이방성 드라이 에칭을 실리콘 웨이퍼(200)에 실시한다. 이로써, 상기 단계 3에서 형성된 패턴(201b, 202b, 203)에 대응한 형상으로, 실리콘 웨이퍼(200) 표면이 수직으로 에칭되고, 각각, 동일 깊이의 홈(221, 222, 223)이 형성된다. 이 경우의 에칭 가스로서는, 예를 들면, 플루오르화 탄소(CF)계 가스, 6플루오르화 유황(SF6)을 사용하여, 이들 에칭 가스를 교대로 사용하면 된다. 여기서, CF계 가스는 형성되는 홈 측면에 에칭이 진행하지 않도록 홈 측면을 보호하기 위해 사용하고, SF6은 실리콘 웨이퍼의 수직 방향 에칭을 촉진시키기 위해 사용한다.
이렇게 하여, 예를 들면, 에칭 깊이가 35미크론인 홈(221, 222, 223)을 형성한 후에, SiO2막(210)을 플루오르산 용액에 의해 0.7미크론의 두께로 에칭 제거한다. 이 결과, 도 4b에 도시하는 바와 같이, 단계 2에서 형성한 패턴(201b, 202b)의 부분이 완전히 제거되어, 실리콘 웨이퍼(200)의 표면이 노출된 상태가 된다.
(단계 5: 제 2 드라이 에칭 공정)
다음으로, 도 4c에 도시하는 바와 같이, 두번 플라스마 방전에 의한 이방성 드라이 에칭을 한다. 이 결과, 패턴(201b, 202b, 203)에서 노출되고 있는 실리콘 웨이퍼의 표면 부분은 그 단면 형상을 유지한 상태로 두께 방향을 향하여 수직으로 에칭이 진행한다. 이 경우의 에칭 가스도 상기 단계 4와 동일하며, 에칭 깊이를 예를 들면 55미크론으로 한다. 이 결과, 단 형상의 노즐(21)에 대응하는 단면 형상의 노즐 홈(231), 잉크 공급구(22)에 대응하는 단면 형상의 홈(232)이 형성된다. 또한, 전극 배치용 관통 구멍(23)의 반 정도 깊이의 홈(233)도 형성된다.
이 다음은, SiO2막(210)을 플루오르산 용액(예를 들면, HF: H2O=1:5vol, 25℃)으로 모두 박리한다. 도 4d에는 이 상태를 도시하고 있다.
(단계 6: 제 2 열산화막 형성 공정)
이 다음은, 다시 실리콘 웨이퍼(200)의 표면을 열산화하여, 레지스트막으로서의 SiO2막(240)을 형성한다. 이 경우에 있어서도, SiO2막(240)의 두께는 1.2미크론으로 하면 된다.
(단계 7: SiO2막의 제 3 패터닝 공정)
다음으로, 도 5b에 도시하는 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(200) 반대 측 표면(200b)을 덮고 있는 SiO2막(240)의 부분을 에칭하여, 노즐(21)이 개구하고 있는 요부(24)에 대응한 패턴(204) 및 관통 구멍(23)에 대응한 패턴(203A)을 형성한다. 이 경우의 에칭액은 상기 단계 2에서 사용한 것을 사용할 수 있다.
(단계 8: 웨트 에칭 공정)
다음으로, 도 5c에 도시하는 바와 같이, 실리콘 웨이퍼(200)를 에칭액에 담가 실리콘 웨이퍼(200)의 노출 부분에 대해 이방성 습식 에칭을 실시하고, 요부(24)에 대응한 홈(244)을 형성하여 노즐(21)을 관통시킨다. 또한, 관통 구멍(23)에 대응한 홈(233A)을 형성하여, 관통 구멍(23)을 관통시킨다. 이 경우에 사용하는 에칭액은 수산화 칼륨 수용액이며, 그 농도는 2wt%로 액체 온도 80℃인 것을 사용할 수 있다. 또한, 에칭 깊이는 예를 들면 110미크론으로 한다. 에칭 종료 후는 도 5d에 도시하는 바와 같이, SiO2막(240)을 플루오르산 용액으로 모두 박리한다.
(단계 9: 최종 열산화 공정)
마지막으로, 도 6에 도시하는 바와 같이, 실리콘 웨이퍼의 내 잉크성과 노즐면 발수 처리의 밀착성을 확보하기 위해, 두 번 실리콘 웨이퍼를 열산화하여, SiO2막을 형성한다. 이상에 의해 노즐 플레이트(2)가 얻어진다.
<노즐 플레이트 제조 방법의 다른 실시예>
상술한 실시예에서는, 노즐 플레이트(2)를 형성하기 위한 실리콘 웨이퍼(200)의 한쪽 면에 에칭을 실시하여, 노즐(21)이 되는 미세한 홈(231)과 전극 배선용 관통 구멍(23)이 되는 홈의 일부(223)가 형성되어, 실리콘 웨이퍼(200)의 다른 쪽 면에서, 노즐(21)의 홈에 비하여 큰 홈(244, 233A)을 형성함으로써, 홈(231)과, 홈(244)을 관통시켜, 노즐(21)을 형성함과 동시에, 홈(233)과 홈(233A)을 관통시켜 관통 구멍(23)을 동시에 얻을 수 있다.
이러한 방법으로 노즐 및 관통 구멍을 형성한 경우, 단계 4 및 단계 5의 드라이 에칭 공정에 있어서, 관통 구멍(23)의 에칭 면적이 대단히 커질 경우, 에칭 속도 저하를 가져옴과 동시에, 웨이퍼면 내의 에칭 깊이의 격차가 커지는 경우가 있지만, 이하에 서술하는 방법에 의해 이러한 문제도 해결할 수 있다.
도 7 내지 도 10에는 본 발명의 다른 실시예의 노즐 플레이트(2)의 제조 공정을 도시하고 있다. 이들 도면을 참조하여 노즐 플레이트(2)의 제조 순서를 설명한다. 이하, 상술한 실시예와 중복하는 점에 대해서는 설명을 생략한다.
(단계 1 내지 단계 3)
우선, 상술한 실시예와 마찬가지로, 단계 1에서 제 1 열산화막 형성 공정, 단계 2에서 SiO2막의 제 1 패터닝 공정이 행해진다. 이 다음은, 상술한 실시예와 마찬가지로, 단계 3의 SiO2막의 제 2 패터닝 공정이 행해지지만, 본 예에서는, 전극용 관통 구멍(23)을 형성하기 위한 패턴(303)은 관통 구멍(23)의 외주 윤곽을 그리듯이 SiO2막(310)이 홈 형상으로 풀 에칭함으로써 형성된다. 또한, 이 경우에 사용하는 에칭액도 상기와 동일한 플루오르화 암모늄을 사용할 수 있다.
(단계 4 ∼ 단계 5)
이렇게 하여, SiO2막(310)에 패터닝을 실시한 후는, 도 8a에 도시하는 바와 같이, 플라스마 방전, 예를 들면 ICP 방전에 의한 이방성 드라이 에칭을 실리콘 웨이퍼(300)에 실시하는 것은 상술한 실시예와 동일하다.
이로써, 단계 4에서는, 상기 단계 3에서 형성된 패턴(301b, 302b 및 303)에 대응한 형상으로, 실리콘 웨이퍼(300) 표면이 수직으로 에칭되고, 각각, 동일한 깊이의 홈(321, 322, 323)이 형성된다.
그 후, SiO2막(310)을 플루오르산 용액에 의해, 패턴(301b, 302b)의 부분의 SiO2막을 완전히 제거하여, 도 8c에 도시하는 바와 같이, 두 번, 플라스마 방전, 예를 들면 ICP 방전에 의한 이방성 드라이 에칭을 한다. 이 결과, 패턴(301b, 302b 및 303)으로부터 노출되고 있는 실리콘 웨이퍼의 표면 부분은 그 단면 형상을 유지한 상태로 두께 방향을 향하여 수직으로 에칭이 진행한다.
단계 4 ∼ 단계 5에서 2회 행해지는 드라이 에칭 공정 중 어느 하나에 대해서도, 홈(323)은 관통 구멍을 형성하기 위한 외주 홈뿐이기 때문에 에칭 면적을 대폭 저감할 수 있어, 에칭 속도를 향상시킴과 동시에 웨이퍼면 내의 에칭 깊이 격차를 향상시키는 것이 가능해진다.
여기서, 도 10에 에칭 속도와 개구율 관계의 예를 도시한다. 여기서 말하는 개구율이란 웨이퍼 면적에 대한 에칭 개소의 면적 비율이다. 도 10에 도시하는 바와 같이, 예를 들면, 개구율이 30%인 경우, 에칭 속도는 1분간당 1.4μm이고, 개구율이 7%인 경우, 에칭 속도는 1분간당 1.9μm이다. 즉, 개구율을 30%에서 7%로 감소시킨 경우, 약 36% 에칭 속도는 상승한다. 또한 , 웨이퍼면 내의 에칭 깊이 격차는 개구율이 30%인 경우 웨이퍼면 내의 균일성은 6%이었던데 비해 개구율이 7%인 경우, 웨이퍼면 내의 균일성은 4%로 균일성은 대폭 향상한다.
이 다음은, 상술한 실시예와 마찬가지로, 제 2 열산화막 형성 공정(단계 6), SiO2막의 제 3 패터닝 공정(단계 7), 웨트 에칭 공정(단계 8), 최종 열산화 공정(단계 9)이 행해져, 노즐 플레이트가 완성한다. 또한, 단계 8에서는, 이방성 습식 에칭에 의해 형성된 홈(333A)이 단계 5에서 형성된 홈(333)에 관통함으로써, 홈(333) 안쪽 부분의 실리콘이 기판(300)으로부터 이탈하여 관통 구멍(23)이 형성된다.
<그 밖의 실시예>
그 밖의 이방성 드라이 에칭 방식으로서, ECR(전자 사이클로트론 공명) 방전, HWP(헬리콘파 플라스마) 방전, RIE(리액티브 이온 에칭) 등을 사용해도 된다.
또한, 상술한 실시예에서는, 잉크 젯 프린터에 사용되는 잉크 젯 헤드에 대해서 설명했지만, 이에 한정되지 않고, 액체, 기체를 분사·분무하기 위한 노즐을 구비한 분사 장치의 노즐에 대해서, 본 발명의 노즐 형성 방법을 적용하는 것은 효과적이다. 예를 들면, 엔진의 연료 분사 장치의 노즐을 형성하기 위해 본 발명을 적용해도 된다.
Claims (14)
- 실리콘 단결정 기판에 에칭을 실시하여, 노즐을 형성하는 분사 장치의 노즐 형성 방법에 있어서,상기 실리콘 단결정 기판의 표면에 레지스트막을 형성하고,상기 노즐의 후단 측에 대응하는 부분의 상기 레지스트막을 제거함으로써 제 1 개구 패턴을 형성하며,상기 노즐의 선단 측에 대응하는 부분의 상기 레지스트막을 제거함으로써, 상기 제 1 개구 패턴보다 작은 제 2 개구 패턴을 형성하고,상기 제 1, 제 2 개구 패턴에 의해 노출된 상기 실리콘 단결정 기판 표면의 노출 부분에 대해 플라스마 방전에 의한 드라이 에칭을 실시하여, 후단 측으로부터 선단 측을 향하여 계단 형상으로 단면이 작아진 노즐을 형성하는 것을 특징으로 하는, 분사 장치의 노즐 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 레지스트막이 실리콘 산화막인 것을 특징으로 하는, 분사 장치의 노즐 형성 방법.
- 제 1 항에 있어서,플라스마 방전에 의해 플라스마화하여 실리콘을 부식하는 가스와, 플라스마화하여 실리콘의 부식을 억제하는 가스를 교대로 사용하여 드라이 에칭을 행하는 것을 특징으로 하는, 분사 장치의 노즐 형성 방법.
- 제 3 항에 있어서,플라스마화하여 실리콘을 부식하는 가스가 플루오르화 유황이고, 플라스마화하여 실리콘의 부식을 억제하는 가스가 플루오르화 탄소인 것을 특징으로 하는, 분사 장치의 노즐 형성 방법.
- 실리콘 단결정 기판에 에칭을 실시하여, 선단 측을 향하여 계단 형상으로 단면이 작아진 노즐을 형성하는 분사 장치의 노즐 형성 방법에 있어서,상기 실리콘 단결정 기판 표면에 레지스트막을 형성하는 레지스트막 형성 공정과,상기 레지스트막을 하프 에칭하여, 해당 레지스트막에 대해 상기 노즐의 후단 측의 부분에 대응한 개구 패턴을 형성하는 제 1 패터닝 공정과,상기 개구 패턴이 형성된 상기 레지스트막의 하프 에칭 영역의 일부분을 풀 에칭하여, 상기 노즐의 선단 측의 부분에 대응한 개구 패턴을 상기 실리콘 단결정 기판 표면의 노출 부분으로서 형성하는 제 2 패터닝 공정과,상기 실리콘 단결정 기판의 상기 노출 부분에 대해 플라스마 방전에 의한 드라이 에칭을 실시하여, 소정 깊이의 제 1 홈을 형성하는 제 1 드라이 에칭 공정과,상기 레지스트막의 하프 에칭 영역을 풀 에칭하여, 상기 실리콘 단결정 기판표면을 노출시킨 후에, 해당 실리콘 단결정 기판에 대해 플라스마 방전에 의한 드라이 에칭을 실시하여, 저면에 상기 제 1 홈이 남은 상태대로 제 2 홈을 소정의 깊이가 되도록 형성하는 제 2 드라이 에칭 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 분사 장치의 노즐 형성 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 레지스트막이 실리콘 산화막인 것을 특징으로 하는 분사 장치의 노즐 형성 방법.
- 제 5 항에 있어서,플라스마 방전에 의해 플라스마화하여 실리콘을 부식하는 가스와, 플라스마화하여 실리콘의 부식을 억제하는 가스를 교대로 사용하여 드라이 에칭을 행하는 것을 특징으로 하는, 분사 장치의 노즐 형성 방법.
- 제 7 항에 있어서,플라스마화하여 실리콘을 부식하는 가스가 플루오르화 유황이고, 플라스마화하여 실리콘의 부식을 억제하는 가스가 플루오르화 탄소인 것을 특징으로 하는, 분사 장치의 노즐 형성 방법.
- 제 5 항에 있어서,또한, 상기 드라이 에칭이 실시되는 면의 반대 측의 면으로부터, 상기 실리콘 단결정 기판에 에칭액을 사용하여 습식 이방성 에칭을 실시하고, 상기 제 1 홈을 관통시켜 노즐을 형성하는 것을 특징으로 하는, 분사 장치의 노즐 형성 방법.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 방법으로 형성된 노즐을 구비한 실리콘 기판의 하측에, 잉크 유로가 형성된 기판을, 상기 노즐과 상기 잉크 유로를 연통(連通)하도록 접합하는 것을 특징으로 하는, 잉크 젯 헤드의 제조 방법.
- 하측의 기판 상에, 잉크 젯 헤드의 토출부의 일부가 되는 요부(凹部)를 열(列) 형상으로 배치 형성함과 함께, 각각의 토출부에 부설되는 압력 발생 수단에 신호 혹은 전력을 공급하기 위한 단자부를 배치 형성하고,하측의 기판의 윗쪽에 접합되는 상측의 기판에, 상기 하측의 기판과 접합했을 때에 각 토출부와 연통하는 노즐과, 상기 단자부를 노출시키기 위한 관통 구멍을 형성하며,상기 각 기판을 접합하여 잉크 젯 헤드를 제조하는 방법에 있어서,상기 상측의 기판의 한쪽 면으로부터, 에칭에 의해 소정의 깊이까지 상기 노즐이 되는 미세한 제 1 홈과, 상기 관통 구멍의 일부가 되는 제 2 홈을 형성한 후, 상기 실리콘제 기판의 다른 쪽 면으로부터 에칭에 의해, 상기 제 1 홈에 비하여 큰 제 3 홈을 형성하고, 상기 제 1 홈과, 상기 제 2 홈을 관통시켜, 상기 노즐 및 상기 관통 구멍을 동시에 형성하는 것을 특징으로 하는, 잉크 젯 헤드의 제조 방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 제 2 홈을 상기 관통 구멍의 외주의 윤곽을 그리는 형상으로, 상기 제 2 홈을 에칭하는 것을 특징으로 하는, 잉크 젯 헤드의 제조 방법.
- 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,상기 상측의 기판은 실리콘제의 기판으로, 해당 기판의 한쪽 면으로부터, 플라스마 방전을 사용한 드라이 에칭에 의해 소정의 깊이까지 상기 제 1 홈과, 상기 제 2 홈을 형성하고, 상기 실리콘제의 기판의 다른 쪽 면으로부터 습식 에칭에 의해 상기 제 3 홈을 형성하는 것을 특징으로 하는, 잉크 젯 헤드의 제조 방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 드라이 에칭을 행하기 위해 사용되는 레지스트막이 실리콘 산화막이고, 상기 실리콘 산화막을 에칭하여, 상기 실리콘제의 기판의 표면을 노출시켜, 상기 노출 부분에 대해 드라이 에칭을 실시하는 것을 특징으로 하는, 잉크 젯 헤드의 제조 방법.
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