JP2010240852A - 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、プリンター - Google Patents
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Abstract
【解決手段】シリコン基板の一方の面側から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,凹部の内壁を含むシリコン基板の一方の面全体に第1耐液保護膜と撥液層とを順次形成,一方の面に支持基板を貼り合わせ、その状態でシリコン基板を他方の面側から所望の厚さまで薄板化,他方の面側から第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て第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,第1ノズル部となる凹部の底面に相当する部分に残る第1耐液保護膜及び撥液層と、第1ノズル部の内壁に残る撥液層とを除去,第2耐液保護膜をノズル孔の内壁を含む他方の面全体に形成,シリコン基板から支持基板を剥離する。
【選択図】図4
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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C4F8、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、C4F8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、C4F8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。
(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、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。
(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。
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。
(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。
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。
(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。
(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。
(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。
(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。
(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。
(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。
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。
(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。
(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。
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。
(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。
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。
Claims (8)
- 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ドライエッチングマスクとなる膜を形成し、前記膜を用いてドライエッチングを行い、前記第1ノズル部となる凹部を形成する工程と、
前記ドライエッチングマスクとなる膜を除去した後、前記凹部の内壁を含む前記シリコン基板の前記一方の面全体に耐液体性及び耐エッチング性を有する第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、
前記シリコン基板の前記一方の面に支持基板を貼り合わせ、その状態で前記シリコン基板を他方の面側から所望の厚さまで薄板化する工程と、
前記シリコン基板の前記他方の面側から前記第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、前記第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、前記第1ノズル部及び前記第2ノズル部からなるノズル孔を完成する工程と、
前記第1ノズル部となる凹部の底面に相当する部分に残る前記第1耐液保護膜及び前記撥液層と、前記第1ノズル部の内壁に残る前記撥液層とを除去する工程と、
耐液体性を有する第2耐液保護膜を前記ノズル孔の内壁を含む前記他方の面全体に形成する工程と、
前記シリコン基板から前記支持基板を剥離する工程と
を備えたことを特徴とするノズルプレートの製造方法。 - 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、前記膜を用いてドライエッチングを行い、前記第1ノズル部となる凹部を形成する工程と、
前記第1ドライエッチングマスクとなる膜を除去した後、前記第1ノズル部となる凹部の内壁を含む前記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、
前記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、薄板化後も前記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、
前記シリコン基板の前記他方の面から前記第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、前記第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、前記第1ノズル部及び前記第2ノズル部からなるノズル孔を完成する工程と、
前記シリコン基板上に形成された全ての膜を除去した後、前記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、
前記撥液層のうち、前記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
を備えたことを特徴とするノズルプレートの製造方法。 - 前記第1耐液保護膜を形成する工程は、熱酸化膜を形成する工程であることを特徴とする請求項1又は請求項2記載のノズルプレートの製造方法。
- 前記第2ノズル部を形成する際の前記ドライエッチングは、等方性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3の何れかに記載のノズルプレートの製造方法。
- 前記第2ノズル部を形成する際の前記ドライエッチングは、異方性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3の何れかに記載のノズルプレートの製造方法。
- 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で製造されたノズルプレート。
- 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、前記ノズルプレートの前記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、前記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、
前記ノズルプレートを、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により製造することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。 - 請求項7記載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。
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