JP2011037053A - ノズルプレートの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ノズル孔の形状のばらつきに起因するインク液滴の吐出量のばらつきが低減されたノズルプレートを得る。
【解決手段】表面が(100)面である単結晶シリコン基板40の第1の面40aをエッチングして凹部45を形成する工程と、凹部45の内面を含む第1の面40aの全面にエッチングマスク層47を形成する工程と、凹部45の底面におけるエッチングマスク層47を除去して単結晶シリコンを露出させる工程と、凹部45の底面を掘り下げて掘り下げ部46を形成する工程と、掘り下げ部46の内面に結晶方位を利用した異方性ウェットエッチングを施して、正8面体の空洞部48を形成する工程と、単結晶シリコン基板40を第1の面40aの反対側の面である第2の面40b側から空洞部48に達するまで薄型化して空洞部48の一部を第2の面40b側に開口された第2のノズル孔部11bとする工程と、を有するノズルプレート1の製造方法。
【選択図】図5
【解決手段】表面が(100)面である単結晶シリコン基板40の第1の面40aをエッチングして凹部45を形成する工程と、凹部45の内面を含む第1の面40aの全面にエッチングマスク層47を形成する工程と、凹部45の底面におけるエッチングマスク層47を除去して単結晶シリコンを露出させる工程と、凹部45の底面を掘り下げて掘り下げ部46を形成する工程と、掘り下げ部46の内面に結晶方位を利用した異方性ウェットエッチングを施して、正8面体の空洞部48を形成する工程と、単結晶シリコン基板40を第1の面40aの反対側の面である第2の面40b側から空洞部48に達するまで薄型化して空洞部48の一部を第2の面40b側に開口された第2のノズル孔部11bとする工程と、を有するノズルプレート1の製造方法。
【選択図】図5
Description
本発明は、ノズルプレートの製造方法に関する。
インクジェットヘッドのノズル孔から任意のインク液滴を吐出して印字、描画等を行うインクジェット装置は、高速印字(描画)が可能、記録時の騒音が極めて小さい、安価な普通紙を使用できる、等の多くの利点を有するため、近年、普及率が高まっている。
インクジェットヘッドにノズル孔を設ける方式には、インクジェットヘッドの側面側からインク液滴を吐出するサイドイジェクトタイプと、インクジェットヘッドの表面側からインク液滴を吐出するフェイスイジェクトタイプがある。フェイスイジェクトタイプのインクジェットヘッドでは、ノズル孔の流路抵抗を調整し、ノズル孔の長さが最適になるようにノズルプレートの厚さを調整するのが望ましい。かかる調整の手法として、ノズルプレートの基となるシリコン基板の一方の面から異方性ドライエッチングにより、内径の異なる第1のノズル孔部と第2のノズル孔部を2段に形成した後に、反対側の面を掘り下げてノズル孔の長さを調整する手法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしかかる手法は、フォトリソグラフィー工程を2回行うため、アライメントずれの可能性がある。アライメントずれが発生した場合、第1のノズル孔部の中心軸と第2のノズル孔部の中心軸にずれが生じ、その結果、インク液滴の吐出の際にインク液滴の吐出方向にばらつきが生じる。そのため、シリコン基板の一方の面に第1のノズル孔部を形成後に、該第1のノズル孔部に連続する空間を等方性エッチングにより形成し、上記一方の面の反対側の面からシリコン基板を薄膜化してノズル孔として開口させる手法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
しかし上記の手法は空間形成の制御性が困難であるという問題点を有する。等方性ドライエッチングは制御性があまり高くないため、均一な球状空間の形成は困難である。したがって、ノズル孔の形状のばらつきに起因するインク液滴の吐出量のばらつきが生じ、印字(描画)品質の低下の原因となる。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
[適用例1]表面が(100)面である単結晶シリコン基板の第1の面をエッチングして将来的に第1のノズル孔部となる凹部を形成する第1の工程と、上記凹部の内面を含む上記第1の面の全面にシリコンのエッチャントに対して耐エッチング性を有するエッチングマスク層を形成する第2の工程と、上記凹部の底面における上記エッチングマスク層を除去して単結晶シリコンを露出させる第3の工程と、上記底面を異方性ドライエッチングにより掘り下げて掘り下げ部を形成する第4の工程と、上記掘り下げ部の内面に対して上記単結晶シリコン基板の結晶方位を利用した異方性ウェットエッチングを施して、上記第1のノズル孔部との連通部分を除くと(111)面で形成された正8面体の空洞部を形成する第5の工程と、上記単結晶シリコン基板を上記第1の面の反対側の面である第2の面側から上記空洞部に達するまで薄型化して上記空洞部の一部を上記第2の面に開口された第2のノズル孔部とする第6の工程と、を有することを特徴とするノズルプレートの製造方法。
このような製造方法であれば、ノズル孔の形成に要するフォトリソグラフィー工程を1回のみにできるため、第1のノズル孔部の中心軸と第2のノズル孔部の中心軸とが一致したノズル孔を形成できる。また、このような製造方法であれば、第2のノズル孔部を漏斗状、すなわちテーパーを有する形状にできるため、気泡等の残留が抑制されたノズル孔を形成できる。したがって、吐出性能(吐出量及び吐出方向の精度)が向上したノズルプレートを形成できる。
[適用例2]上述のノズルプレートの製造方法であって、上記第6の工程は、上記空洞部を構成する8つの面の内の上記第2の面側の4つの面が消滅するまで上記単結晶シリコン基板を薄型化する工程であることを特徴とするノズルプレートの製造方法。
このような製造方法であれば、第2のノズル孔部を、角部を有しないテーパー部とすることができる。したがって、吐出性能がより一層向上したノズルプレートを形成できる。
[適用例3]上述のノズルプレートの製造方法であって、上記第1の工程は異方性誘導結合型プラズマ(ICP)エッチングにより上記凹部を形成する工程であることを特徴とするノズルプレートの製造方法。
このような製造方法であれば、第1の面、すなわちインク液滴が吐出される側の面に与えるストレスを抑制できる。したがって、該第1の面における欠け等の発生を低減でき、吐出性能がより一層向上したノズルプレートを形成できる。
[適用例4]上述の製造方法で製造されたノズルプレートを備えることを特徴とするインクジェットヘッド。
このような構成によれば、インク液滴の吐出精度が向上したインクジェットヘッドが得られる。したがって、かかるインクジェットヘッドを用いることによって高品位な印字等を行うことができる。
[適用例5]上述のインクジェットヘッドが搭載されていることを特徴とするインクジェット記録装置。
このような構成によれば、対象物に対して、インク液滴の吐出精度が向上したインクジェット装置が得られる。したがって、このインクジェット装置を用いることによって高品位な印字や印刷、あるいは画像形成を行うことができる。
以下、本発明の実施形態について図面に従って述べる。なお、以下の各図においては、各層や各部位を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部位の縮尺を実際とは異ならしめてある。
<インクジェットヘッドの構造>
まず、本実施形態の対象となるノズルプレート1を備えるインクジェットヘッド10の構造について、図1〜3を用いて説明する。図1は、インクジェットヘッド10の一部を断面で示した分解斜視図である。図2は、図1を組立てた状態の要部を示す縦断面図であり、後述する図3のA−A’線における断面図である。図3は、ノズルプレート1上のノズル孔11の配置を示す上面図である。
まず、本実施形態の対象となるノズルプレート1を備えるインクジェットヘッド10の構造について、図1〜3を用いて説明する。図1は、インクジェットヘッド10の一部を断面で示した分解斜視図である。図2は、図1を組立てた状態の要部を示す縦断面図であり、後述する図3のA−A’線における断面図である。図3は、ノズルプレート1上のノズル孔11の配置を示す上面図である。
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基板2と、キャビティー基板2の振動板22に対峙して個別電極31が配置された電極基板3と、を貼り合わせることにより形成されている。
ノズルプレート1はインク液滴を吐出するためのノズル孔11が、図3に示すように直列状に規則的に形成された基板であり、単結晶シリコン基板(以下、「シリコン基板」と称する。)に後述する諸工程を加えることで形成されている。なお、図3に示す外周部53は、後述するように撥水膜52(図7参照)が除去された領域である。
各ノズル孔11は、後述する図8(m)等に示すように、先端面(吐出方向の先端側の面)1aに開口し、ほぼ円筒状で垂直な側壁を有する第1のノズル孔部11aと、吐出方向の後端側に位置し、第1のノズル孔部11aの後端から吐出方向の後端面(吐出方向の後端側の面)1bに向けて断面積が漏斗状に広がる第2のノズル孔部11bと、で構成されている。第2のノズル孔部11bは4つの(111)面で構成されているため、平面視では略正方形であり、図3の破線で示すように、ノズル孔11と同様に直列状に規則的に形成されている。本実施形態に係るノズルプレートの製造方法は、かかる2つのノズル孔部(11aと11b)を、段差等を生じさせることなく、かつ、中心軸のずれを生じさせることなく形成するものである。
キャビティー基板2は、単結晶シリコン基板からなり、インク流路の吐出室24を構成するための第2の凹部240とリザーバー25を構成するための第3の凹部250とオリフィス23を構成するための段差部230とを有している。かかる各要素は、単結晶シリコン基板に結晶方位を利用した異方性ウェットエッチングを施すことで形成されている。
第2の凹部240は各ノズル孔11に対応する位置にそれぞれ独立に、すなわち複数個形成されている。したがって、ノズルプレート1とキャビティー基板2を接合した際、各第2の凹部240は吐出室24を構成する。夫々の第2の凹部240がノズル孔11に連通し、またインク供給口であるオリフィス23とも夫々連通している。そして、吐出室24(第2の凹部240)の底壁が振動板22となっている。
第3の凹部250は、液状のインクを貯留するためのものであり、各吐出室24に共通のリザーバー(共通インク室)25を構成する。そして、リザーバー25(第3の凹部250)はそれぞれオリフィス23を介して全ての吐出室24に連通している。また、リザーバー25の底部には、後述する電極基板3を貫通する孔が形成されている。この孔で形成されたインク供給孔34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、SiO2膜等からなる絶縁膜26が形成されている。この絶縁膜26は、インクジェットヘッドを駆動させたときに、絶縁破壊や短絡を防止する。
電極基板3は、ガラス基板から形成されている。このガラス基板は、キャビティー基板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好ましい。これは、電極基板3とキャビティー基板2とを陽極接合する際、双方の基板(3、2)の熱膨張係数が近いため、電極基板3とキャビティー基板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とキャビティー基板2とを強固に接合することができるからである。
電極基板3のキャビティー基板2と対向する面には、キャビティー基板2の各振動板22に対向する位置にそれぞれ第1の凹部32が設けられている。そして、各第1の凹部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が形成されており、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)Gは、インクジェットヘッドの吐出特性に大きく影響する。なお、個別電極31の材料にはクロム等の金属等を用いてもよいが、ITOは透明であるので放電したかどうかの確認が行いやすいため、一般にITOが用いられている。
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。これらの端子部31bは、図2に示すように、配線のためにキャビティー基板2の末端部が開口された電極取り出し部29内に露出している。
上述したノズルプレート1、キャビティー基板2、および電極基板3は、一般に個別に形成され、これらを図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の本体部が形成される。すなわち、キャビティー基板2と電極基板3は例えば陽極接合により接合され、そのキャビティー基板2の上面(図2の上面)にはノズルプレート1が接着剤等により接合されている。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Gの開放端部は、エポキシ等の樹脂による封止材27で封止されている。これにより、湿気や塵埃等がギャップG内へ侵入するのを防止することができる。
そして、図2に示すように、ICドライバー等の駆動制御回路4が、各個別電極31の端子部31bと、キャビティー基板2上に設けられた共通電極28とに、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。
上記のように構成されたインクジェットヘッド10において、駆動制御回路4によりキャビティー基板2と個別電極31との間にパルス電圧が印加されると、振動板22と個別電極31との間に静電気力が発生し、そ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、吐出室24の容積が拡大する。これにより、リザーバー25の内部に溜まっていたインクがオリフィス23を通じて吐出室24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、吐出室24の容積が急激に収縮する。これにより、吐出室24内の圧力が急激に上昇し、この吐出室24に連通しているノズル孔11から紙等の媒体に向けてインク液滴が吐出される。そして、該インク液滴により、該媒体上に文字あるいは画像が形成される。
ここで、上述のインク液滴の量(吐出量)および吐出される方向は、上述の文字あるいは画像の品質に大きく影響する。そして、かかる吐出量等には、ノズルプレート1が備えているノズル孔11の形状も大きく影響している。本実施形態のノズルプレートの製造方法は、ノズル孔11の寸法精度等を向上させることで、上記品質を向上させ、さらにはインクジェットヘッドの信頼性も向上させている。
<ノズルプレートの製造方法>
以下、本実施形態のノズルプレートの製造方法を、図4〜8の工程断面図を用いて説明する。なお本願発明はノズル孔11の形成に関するものなので、上述の工程断面図は、ノズル孔11のみの断面図を示している。
以下、本実施形態のノズルプレートの製造方法を、図4〜8の工程断面図を用いて説明する。なお本願発明はノズル孔11の形成に関するものなので、上述の工程断面図は、ノズル孔11のみの断面図を示している。
まず、図4(a)に示すように、表面が(100)面である、すなわち表面の結晶方位が(100)であるシリコン基板(単結晶シリコン基板)40の両面、すなわち第1の面としての表面40aと第2の面としての裏面40bとに、エッチング保護膜となる第1の酸化膜(シリコン酸化膜)42を形成する。そして、表面40a側の将来的にノズル孔11が形成される領域において第1の酸化膜42を選択的に除去して開口44を形成する。なお、以下の記載において、シリコン基板40を基材と表現することもある。
第1の酸化膜42は、シリコン基板40を熱酸化することで形成する。酸化条件はDry(酸素雰囲気中)酸化でもよく、Wet(酸素と水蒸気の混合雰囲気)酸化でもよい。膜厚は略1.0μmである。開口44は、フォトリソグラフィー法で形成する。開口44の形成後に残るレジストは硫酸洗浄等の手段で除去する。
なお、上述の先端面1aは表面40aに後述する撥水膜等を積層してなる面である。一方で、シリコン基板40は後述する諸工程で裏面40b側から薄型化(薄板化)される。したがって、裏面40bは後端面1bとは全く別の面である。
次に、図4(b)に示すように、第1の酸化膜42をエッチングマスクとして、シリコン基板40を表面40a側から異方性エッチングすることにより開口44の形成領域を略25μmまで掘り下げて、凹部45を形成する。該凹部は、将来的に第1のノズル孔部11aとなる。かかる凹部45を形成する工程が第1の工程である。
上述の異方性エッチングは、ICP放電によるドライエッチングが好ましい。エッチングガスとしては例えばC4F8、SF6を用い、これらのエッチングガスを交互に使用する。ここで、C4F8は形成される凹部45の側壁面にエッチングが進行しないように(該側壁面を)保護するために使用するガスであり、SF6はシリコン基材の垂直方向のエッチングを促進させるために使用するガスである。なお、かかる凹部45の形成時に第1の酸化膜42も若干エッチングされて、膜厚が減少する。
なお、以下の記載において、底面とはシリコン基板40の基板面に水平な面であり、側壁面とは該基板面に角度を有する面である。底面と側壁面とをあわせた面が内面である。
なお、以下の記載において、底面とはシリコン基板40の基板面に水平な面であり、側壁面とは該基板面に角度を有する面である。底面と側壁面とをあわせた面が内面である。
次に、図4(c)に示すように、シリコン基板40を全面的に熱酸化して、凹部45の表面、すなわち該凹部の側壁面と底面とにエッチングマスクとしての第2の酸化膜47を形成する。かかる工程、すなわち第2の酸化膜47の形成工程が、第2の工程である。なお、かかる熱酸化により、第1の酸化膜42の膜厚も若干増加する。
次に、図5(d)に示すように、シリコン基板40を表面40a側からDeep-RIE(深堀り反応性イオンエッチング)により異方的にエッチングして、凹部45の側壁面における第2の酸化膜47はエッチングせずに、凹部45の底面における第2の酸化膜47を除去する。そして、凹部45の底面に、シリコン基板40を構成する単結晶シリコンを露出させる。すなわち、凹部45を、側壁面はシリコン酸化膜(第2の酸化膜47)で被われており、底面には単結晶シリコンが露出した状態にする。かかる工程が第3の工程である。
次に、図5(e)に示すように、シリコン基板40を表面40a(図4参照)側から、単結晶シリコンを酸化シリコンに対して高い選択比でエッチング可能な条件で異方性ドライエッチングを行い、凹部45の底面を略80μm掘り下げて、掘り下げ部46を形成する。かかる工程が第4の工程である。エッチングガスは、上述のICPドライエッチングと同様にC4F8とSF6とを用いることができる。略80μm掘り下げるため、掘り下げ部46の底面までの深さは略105μmとなる。
次に、図5(f)に示すように、掘り下げ部46に結晶方位を利用した異方性ウェットエッチングを施して、正8面体の空洞部(以下、「正8面体部」と称する。)48を形成する。かかる工程が第5の工程である。上記エッチングは、単結晶シリコンを酸化膜(シリコン酸化膜)に対して選択的にエッチング可能なKOH(水酸化カリウム)用いたWETエッチングで行う。掘り下げ部46は、凹部45とは異なりエッチングマスク(第2の酸化膜47)を有しないため、表面(側壁面と底面の双方の面)には単結晶シリコンが露出している。したがって、かかるエッチングにより、凹部45は維持されたままで、掘り下げ部46のみが内側からエッチングされる。
上述したように、シリコン基板40の表面(表面40aおよび裏面40b)は、結晶方位が(100)である。したがって、シリコン基板40は表面に対して45度の角度を有する計8つの(111)面を有している。そして、単結晶シリコンは、結晶方位によりエッチングレートが大きく異なっている。(111)面のエッチングレート、すなわち該(111)面に対して垂直方向のエッチングレートは、他の方向のエッチングレートに比べてきわめて低い(遅い)。したがって、掘り下げ部46にエッチング液であるKOHが導入されると、すなわち掘り下げ部46がエッチング液で満たされると、掘り下げ部46は、凹部45との接合部以外は上述の8つの面で構成される正8面体となる。
上述したように(111)面はエッチングレートが低いため、掘り下げ部46が正8面体となった時点で、エッチングレートが大きく低下する。したがって、エッチング時間のばらつきによる該正8面体の寸法の変動は、極めて抑制されている。
次に、図6(g)に示すように、シリコン基板40を全面的にエッチングして、シリコン基板40の表面40aと裏面40bとに形成されていた第1の酸化膜42(図5(f)参照)と凹部45の内壁に形成されていた第2の酸化膜47(図5(f)参照)とを除去する。エッチングはフッ酸、あるいはフッ酸とフッ化アンモニウムとの混合液によるウェトエッチングが好ましい。
次に、図6(h)に示すように、シリコン基板40を全面的に熱酸化して表面(ひょうめん)に第3の酸化膜50を形成する。ここでシリコン基板40の表面とは、凹部45の内面及び正8面体部48の内面を含む全面である。熱酸化は、上述の他工程と同様に、酸化条件はDry酸化(酸素中の酸化)でもよく、Wet酸化(酸素と水蒸気の混合気体中の酸化)でもよい。かかる酸化処理により、シリコン基板40の表面40a(図4参照)から正8面体部48の内面、すなわち将来的に第1のノズル孔部11aの内面及び第2のノズル孔部11bの内面となる領域に、切れ目のない連続した第3の酸化膜50が形成される。
次に、図6(i)に示すように、シリコン基板40に表面40a側から撥水化(撥インク化)処理を施して、表面40aと凹部45の内面、及び正8面体部48の内面に撥水化処理を施して、撥水(撥インク)膜52を形成する。撥水化処理の方法は、フッ素含有有機ケイ素化合物を主成分とする撥水性を持った材料を蒸着やディッピングで成膜し、撥水膜52とする方法が好ましい。フッ素含有有機ケイ素化合物を主成分とする材料は、撥インク性が良く、ディッピングで簡単に成膜可能な利点を有している。
ここまでの工程により、ノズルプレート1(図1参照)の先端面1aが形成される。すなわち、シリコン基板40の表面40aに第3の酸化膜50と撥水膜52とが積層された面が先端面1aである。
ここまでの工程により、ノズルプレート1(図1参照)の先端面1aが形成される。すなわち、シリコン基板40の表面40aに第3の酸化膜50と撥水膜52とが積層された面が先端面1aである。
次に、図7(j)に示すように、ノズルプレート1の外周部53における撥水膜52を除去する。外周部53とは、上述の図3に示すように、ノズルプレートの先端面1aの外縁部の所定の幅を有する環状の領域である。したがって、ノズル孔11とはかなりの距離がある。したがって、図7(j)は、外周部53を模式的に示している。具体的には、外周部53以外の領域にマスキングテープ54を貼付した後に、該マスキングテープをマスクとして撥水膜52アルゴンプラズマを照射して、該マスキングテープに覆われていない領域、すなわち外周部53における撥水膜52を除去する。なお、撥水膜52の局所的な除去(すなわちパターニング)が終了した後に、図7(j)に示すマスキングテープ54も除去する。
本工程は、完成後のノズルプレート1を備えるインクジェットヘッドを複数個連結するために行う工程である。インクジェットヘッドの製造には、本実施形態に示すノズルプレート1の製造を含めて複雑な工程を要する。したがって、大型、すなわち先端面1aの面積が大きくノズル孔11を多数備えるインクジェットヘッドの製造においては、歩留まりが充分ではない場合があり得る。かかる場合にコストを低減する手法のひとつとして、いくつかに分割して形成したインクジェットヘッドを完成後に連結する手法がある。その場合、完成後の個々のインクジェットヘッドを並べて、接着剤でカバーヘッドを装着してひとつの大型のインクジェットヘッドとする。ここで、カバーヘッドの装着面に撥水膜52が成膜されていると、接着剤が均一に分布しないため、連結が不完全になる。そこで、本実施形態では、図3に示す外周部53における撥水膜52を除去して、カバーヘッドの装着を容易にしている。
仮に大型のインクジェットヘッドを分割等せずに高い歩留まりで製造できる場合には、本工程は不要である。したがって、本工程は必須のものではない。
仮に大型のインクジェットヘッドを分割等せずに高い歩留まりで製造できる場合には、本工程は不要である。したがって、本工程は必須のものではない。
次に、図7(k)に示すように、シリコン基板40を、少なくとも中間線49に達するまで、裏面40b側から薄型化(薄板化)する。ここで、中間線49とは、正8面体を構成する8つの(111)面の内の表面40a側の4面と裏面40b側の4面との境界の線である。第2のノズル孔部11bの(シリコン基板40に垂直な面における)断面形状を漏斗状とするためには、正8面体を構成する8つの(111)面の内、裏面40b側の4面が除去されるまでシリコン基板40を薄型化する必要がある。したがって、本実施形態の製造方法では、少なくとも中間線49に達するまでシリコン基板40を薄型化する必要がある。
本実施形態における薄型化は、研削法で行っている。まず、シリコン基板40の表面40a側に接着層56を介して保護ガラス基板58を貼付する。そして、裏面40b側からバックグラインダーで研削加工を行い、シリコン基板40を薄くする。かかる工程が第6の工程である。なお、薄型化の方法としては、他にポリッシャー法、CMP法等がある。
本実施形態の場合、「中間線49に達するまで」とは、「シリコン基板40の厚さが60〜65μmとなるまで」である。本実施形態において、凹部45の深さは25μmであり、掘り下げ部46の深さは80μmである。正8面体部48の形成時に多少は裏面40b(図4参照)側へもエッチングされるため、中間線49は表面40aから62.5〜65μmの深さとなる。したがって、表面40aから60〜65μmとなるまで薄型化することで裏面40b側の4面を完全に除去でき、表面40a側の4面(4つの三角形の面)と裏面40b側の4面とで構成される段差(折れ曲がり部分)を有しないノズル孔11(第2のノズル孔部11b)を形成できる。
次に、図7(l)に示すように、保護ガラス基板58を貼付したままで元の裏面40b側、すなわち先端面1a側の反対側からアルゴン等の不活性ガスのプラズマを照射して、将来的にノズル孔11となる部分の内面に形成されている撥水膜52を除去する。かかる処理の結果、撥水膜52はノズルプレート1の先端面1aにのみ残る。
次に、図8(m)に示すように、保護ガラス基板58を貼付したままで、元の裏面40b側から第4のシリコン酸化膜60を形成する。該第4のシリコン酸化膜はインク保護膜として機能する。形成方法は、スパッタ法あるいは低温プラズマCVD法等が好ましい。接着層56は略150℃以下であれば耐えられるため、低温プラズマCVD法であれば先端面1aをカバーしつつ第4のシリコン酸化膜60を形成できる。そして、該第4のシリコン酸化膜の形成後に、接着層56及び保護ガラス基板58を除去する。
以上の工程で、第1のノズル孔部11aと第2のノズル孔部11bと後端面1bとが形成され、ノズルプレート1が完成する。
以上の工程で、第1のノズル孔部11aと第2のノズル孔部11bと後端面1bとが形成され、ノズルプレート1が完成する。
<本実施形態の効果>
図9は、本実施形態に係る製造方法で形成されたノズルプレート1のノズル孔11部分の拡大図である。図10(a)、(b)は、比較のために示す、従来の製造方法で形成されたノズルプレート1のノズル孔11部分の拡大図である。なお、図10において、図9に示す本実施形態にかかるノズルプレート1の構成要素に対応する構成要素には、同一の符号を付与し、説明の記載は一部省略する。
図9は、本実施形態に係る製造方法で形成されたノズルプレート1のノズル孔11部分の拡大図である。図10(a)、(b)は、比較のために示す、従来の製造方法で形成されたノズルプレート1のノズル孔11部分の拡大図である。なお、図10において、図9に示す本実施形態にかかるノズルプレート1の構成要素に対応する構成要素には、同一の符号を付与し、説明の記載は一部省略する。
上述したように、本実施形態に係るノズルプレート1において、第1のノズル孔部11aは凹部45(図4参照)の内面に第3の酸化膜50等を成膜して形成されている。また、第2のノズル孔部11bは、凹部45を垂直方向に掘り下げて形成した掘り下げ部46(図5参照)を、結晶方位を利用した異方性ウェットエッチングにより拡大して得た正8面体部48(図5参照)を拡大して形成されている。ここで、掘り下げ部46は凹部45を垂直方向に掘り下げることで形成されているため、凹部45と掘り下げ部46とは同一の中心軸を有している。したがって、第1のノズル孔部11aと第2のノズル孔部11bは、互いに共通する中心軸70を有している。
一方、図10に示すように、従来のノズル孔11は第1のノズル孔部11aの中心軸である第1の中心軸71と第2のノズル孔部11bの中心軸である第2の中心軸72の2本の中心軸を有している。上述したように、従来のノズルプレート1のノズル孔11はフォトリソグラフィー工程を2回行って形成するため、上記双方の中心軸には「ずれ」が生じ得る。そして、該ずれにより、インク液滴の吐出性能が低下し得る。本実施形態にかかるノズルプレート1は中心軸70にずれがないため吐出性能が向上しており、良好な文字あるいは画像の形成が可能となっている。
また、本実施形態に係る製造方法で得られたノズルプレート1は、第2のノズル孔部11bが漏斗状であるため、第1のノズル孔部11aと第2のノズル孔部11bとの接合部に略直角の段差を有しないことが特徴である。従来の製造方法によるノズル孔11は、第1のノズル孔部11aと第2のノズル孔部11bとが互いに直径の異なる2つの円筒状の孔である。したがって、図10(b)に示すように、第1のノズル孔部11aと第2のノズル孔部11bとの接合部には略直角の段差75が形成される。
ここで、インクには若干の気体が混入あるいは溶解していることがある。かかる気体はインク液滴の吐出時に気泡となり、段差部に残留する。そし、かかる残留気泡はインク液滴の吐出時に抵抗として働くため吐出性能を低下させ得る。
本実施形態に係る製造方法で得られたノズルプレート1は、第2のノズル孔部11bを(111)面すなわち基板面に対して45度の角度の面で構成しているため、第1のノズル孔部11aと第2のノズル孔部11bとが、略45度の角度で接合している。したがって、インクに気体が混入している場合であっても、上述の気泡の残留を低減できる。そのため、常にスムーズなインク液滴の吐出を可能としており、良好な文字あるいは画像の形成が可能である。
また、本実施形態に係る製造方法で得られたノズルプレート1は、先端面1aに研磨(研削)等の処理が施されていないため、エッジ部74に欠け等の不良が発生しないことも特徴である。図10(a)に示すように、従来のノズルプレートは、シリコン基板40を矢印で示すように第1のノズル孔部11a側から薄型化して形成される。したがって、エッジ部74には、研磨時に生じた欠け、あるいはバリの残留等が起こり得る。そして、かかる欠け等は、インク液滴のムーズな吐出を妨げることとなる。
それに対して、本実施形態に係る製造方法で得られたノズルプレート1は、先端面1aに施される処理が成膜とICPによるエッチングのみであるため、欠け等は発生しない。したがって、インク液滴のスムーズな吐出を可能としており、良好な文字あるいは画像の形成が可能となっている。
また、本実施形態に係る製造方法で得られたノズルプレート1は、エッジ部74が連続した保護膜、すなわち第3の酸化膜50で覆われていることも特徴である。上述したように、従来のノズルプレート1は第1のノズル孔部11a側から薄型化する。したがって、先端面1aは研磨された面であり、研磨後に保護膜を成膜する必要がある。その結果、図10(b)に示すように、研磨工程前に第1のノズル孔部11aの内面と第2のノズル孔部11bの内面に形成された第3の酸化膜50と、研磨工程後に先端面1a側に形成された先端面保護膜61との2種類の保護膜が形成される。したがって、エッジ部74には第3の酸化膜50と第3の酸化膜50との間の継ぎ目が形成される。かかる継ぎ目には、インク液滴の吐出時にインクが浸み込むことがある。そして、かかる浸み込んだインクは保護膜の剥離等を引き起こすことがある。したがって、継ぎ目の存在はノズルプレート1及び該ノズルプレートを備えるインクジェットヘッドの信頼性を低下させ得る。
一方、本実施形態の製造方法においては、正8面体部48(図5参照)の形成後に成膜した第3の酸化膜50が先端面1a側の保護膜としてそのまま残っている。したがって、エッジ部74において、シリコン基板40(図4参照)の基材である単結晶シリコンが第3の酸化膜50で一体的に覆われており、継ぎ目が存在しない。したがって、上述したようなインクが浸み込む現象が発生せず、ノズルプレート1及び該ノズルプレートを備えるインクジェットヘッドの信頼性を向上させている。
<インクジェット記録装置>
図11は、本実施形態に係るノズルプレート1を備えるインクジェットヘッド10(図2参照)を搭載したインクジェット記録装置を示す斜視図である。図11に示すインクジェット記録装置500はインクジェットプリンターであり、吐出特性が向上したノズルプレート1を備えるインクジェットヘッド10を搭載しているため、液滴の着弾位置の高精度化が可能で、安定した高品質の印字あるいは描画が可能である。
図11は、本実施形態に係るノズルプレート1を備えるインクジェットヘッド10(図2参照)を搭載したインクジェット記録装置を示す斜視図である。図11に示すインクジェット記録装置500はインクジェットプリンターであり、吐出特性が向上したノズルプレート1を備えるインクジェットヘッド10を搭載しているため、液滴の着弾位置の高精度化が可能で、安定した高品質の印字あるいは描画が可能である。
なお、インクジェットヘッド10は、図11に示すインクジェットプリンターの他に、吐出するインク液滴を種々変更することで、液晶ディスプレイのカラーフィルターの製造、プロテインチップやDNAチップの作成、配線基板をインクジェット法により作成するプリント配線基板製造、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、等の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。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、上述した実施形態に種々の変更や改良などを加えることが可能である。変形例を以下に述べる。
(変形例)
図12(a)は、変形例としてのノズルプレートを示す図であり、ノズル孔11の配置の態様を示す図である。図12(b)は、上述の実施形態にかかるノズルプレート1の、ノズル孔11の配置の態様を示す図である。本変形例のノズルプレートは、正8面体部48がジグザグに、すなわち千鳥状に配置されていることが特徴である。正8面体部48の配置に合せてノズル孔11もジグザグに、すなわち千鳥状に配置されている。その結果ノズル孔11を直線に投影したときの間隔、すなわちピッチが縮小されている。
図12(a)は、変形例としてのノズルプレートを示す図であり、ノズル孔11の配置の態様を示す図である。図12(b)は、上述の実施形態にかかるノズルプレート1の、ノズル孔11の配置の態様を示す図である。本変形例のノズルプレートは、正8面体部48がジグザグに、すなわち千鳥状に配置されていることが特徴である。正8面体部48の配置に合せてノズル孔11もジグザグに、すなわち千鳥状に配置されている。その結果ノズル孔11を直線に投影したときの間隔、すなわちピッチが縮小されている。
図示するように、本変形例のピッチP1は、等しい大きさの正8面体部、すなわち第2のノズル孔部11bを有する従来のノズルプレート1のピッチP2と比較して狭く形成されている。したがって、本変形例の構成であれば、インク液滴の吐出性能に影響を及ぼすことなく微細化が可能である。
1…ノズルプレート、2…キャビティー基板、3…電極基板、4…駆動制御回路、10…インクジェットヘッド、11…ノズル孔、11a…第1のノズル孔部、11b…第2のノズル孔部、22…振動板、23…オリフィス、24…吐出室、25…リザーバー(共通インク室)、26…絶縁膜、27…封止材、28…共通電極、29…電極取り出し部、31…個別電極、31a…リード部、31b…端子部、32…第1の凹部、34…インク供給孔、40…シリコン基板、40a…第1の面としての表面、40b…第2の面としての裏面、42…第1の酸化膜、44…開口、45…凹部、46…掘り下げ部、47…第2の酸化膜、48…正8面体部、49…中間線、50…第3の酸化膜、52…撥水膜、53…外周部、54…マスキングテープ、56…接着層、58…保護ガラス基板、60…第4のシリコン酸化膜、61…先端面保護膜、70…エッチング中心軸、71…第1の中心軸、72…第2の中心軸、74…エッジ部、75…段差、230…段差部、240…第2の凹部、250…第3の凹部、500…インクジェット記録装置。
Claims (5)
- 表面が(100)面である単結晶シリコン基板の第1の面をエッチングして将来的に第1のノズル孔部となる凹部を形成する第1の工程と、
前記凹部の内面を含む前記第1の面の全面にシリコンのエッチャントに対して耐エッチング性を有するエッチングマスク層を形成する第2の工程と、
前記凹部の底面における前記エッチングマスク層を除去して単結晶シリコンを露出させる第3の工程と、
前記底面を異方性ドライエッチングにより掘り下げて掘り下げ部を形成する第4の工程と、
前記掘り下げ部の内面に対して前記単結晶シリコン基板の結晶方位を利用した異方性ウェットエッチングを施して、前記第1のノズル孔部との連通部分を除くと(111)面で形成された正8面体の空洞部を形成する第5の工程と、
前記単結晶シリコン基板を前記第1の面の反対側の面である第2の面側から前記空洞部に達するまで薄型化して前記空洞部を前記第2の面に開口された第2のノズル孔部とする第6の工程と、
を有することを特徴とするノズルプレートの製造方法。 - 請求項1に記載のノズルプレートの製造方法であって、
前記第6の工程は、前記空洞部を構成する8つの面の内の前記第2の面側の4つの面が消滅するまで前記単結晶シリコン基板を薄型化する工程であることを特徴とするノズルプレートの製造方法。 - 請求項1または2に記載のノズルプレートの製造方法であって、
前記第1の工程は異方性誘導結合型プラズマ(ICP)エッチングにより前記凹部を形成する工程であることを特徴とするノズルプレートの製造方法。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の製造方法で製造されたノズルプレートを備えることを特徴とするインクジェットヘッド。
- 請求項4に記載のインクジェットヘッドが搭載されていることを特徴とするインクジェット記録装置。
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JP2009184222A JP2011037053A (ja) | 2009-08-07 | 2009-08-07 | ノズルプレートの製造方法 |
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JP2013188970A (ja) * | 2012-03-14 | 2013-09-26 | Fujifilm Corp | ノズルプレートの製造方法 |
JP2014512989A (ja) * | 2011-04-13 | 2014-05-29 | オセ−テクノロジーズ ビーブイ | 流体排出装置のノズルを形成する方法 |
JP2016049673A (ja) * | 2014-08-29 | 2016-04-11 | キヤノン株式会社 | 液体吐出ヘッドの製造方法 |
CN108529554A (zh) * | 2017-03-02 | 2018-09-14 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 一种mems器件及其制作方法 |
-
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- 2009-08-07 JP JP2009184222A patent/JP2011037053A/ja not_active Withdrawn
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