JP4572371B2 - 機能性デバイス及びその製造方法、並びに液体噴射ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、液体噴射ヘッドなどの機能デバイス及びその製造方法に関するものである。詳しくは、本発明は、複数の基板を接着剤で接合するための構造の改良に関するものである。

特開２００２−２１０９６５号公報(特許文献１)の図１及び図２には、シリコン単結晶基板からなると共に液滴を吐出するノズル開口２１を複数個有し、前記ノズル開口２１と連通する流路が形成される流路形成基板１０に接着剤を介して接合されるノズルプレート２０が記載されている。このノズルプレートは、前記流路形成基板１０との接合面となる領域に、ハーフエッチングによって形成された複数の凹部２３を有することにより、ノズルプレートと流路形成基板とを接着する際に、無駄な接着剤が凹部に流れ込むようにしている。これにより、余分な接着剤がインク流路へ流れ込むことを防いでいる。
特開２００２−２１０９６５号公報

特許文献１のノズルプレートでは、図1及び図２に示すように、圧力発生室１２等が形成された流路形成基板１０の圧電素子３００側には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有するリザーバ形成基板３０が接合されている。このリザーバ形成基板３０には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。

このリザーバ基板とコンプライアンス基板も接着剤で接合されるために、少なくとも一方の基板の接合面に、既述の凹部を形成する必要がある。この凹部は、余分な接着剤を収容できるようになるべく深く形成される必要があり、かつ多数の凹部を基板上に配列する必要から、レイアウトのし易さを考えてシリコン基板の結晶方位に沿った辺から構成される菱形(或いは平行四辺形)形状の開口をもったものが凹部として好ましいと考えられる。

図５は、結晶方位（１１０）のシリコンウエハにおいて、オリフラを図示する方向にした場合の各結晶方位の向きを表している。（１１０）に対して90°の角度を成す（１１１）面は結晶方位1及び結晶方位2で定まり、（１１０）に対して約35°の角度を成す（１１１）面は結晶方位3で定まる。凹部の深さを支配するのは開口部の、前記結晶方位3に直交する方向の形状（例えば、幅）である。そのため、凹部の開口部の面積が同じであっても前記結晶方位3に直交する方向の幅の相違によって、エッチングが浅かったり、深くなったりしていた。既述のとおり、開口部の結晶方位3に直行する方向距離を長くすることにより、凹部のエッチングを深く形成できる。

しかしながら、既述のとおりの凹部の形状では次の問題がある。第１に、凹部を持った基板に配線パターンを形成する際に、レジストが凹部内深くに入ってしまい、レジストの露光・現像の際にレジストが除去され難く、金属膜が凹部内に残ってしまう。この凹部内の金属異物を除去するために、現像液に界面活性剤を入れること、金属エッチング時間を長くすることが考えられるが、これも十分ではなく、金属からなる異物を凹部に残らないようにすることは実現されなかった。このため、金属からなる異物によって、基板同士の接着強度が低下する問題がある。また、金属の異物がインク流路のインクに混入して、インクノズルを閉塞させるおそれがある。

第２に、凹部の開口部の鋭角が結晶方位3に直交する方向側にあると、基板をエッチングして凹部を形成する際にオーバーエッチングとなるために、2つの基板を貼り合わせる際に、この凹部からクラックが基板に発生する問題がある。従って、基板に形成されるインク導入口及びインク導入路に相当する孔に近接して凹部を形成することができなかった。孔に凹部を近接させた場合には、基板にクラックが発生することにより、基板に形成される配線パターンにインクが漏洩し、複数の配線を短絡させるなどの問題ある。一方、孔から離れた位置に凹部を形成すると、余分な接着剤を孔側に行かないように、凹部で十分収容することが困難であった。

そこで、本発明はこのような課題を解決するために、 複数の基板を接着剤で接合して形成される機能性デバイスにおいて、互いに接着される基板同士の接合面の少なくとも一方に、余分な接着剤の逃げ用の領域となる凹部が形成され、前記凹部の開口部の形状を、鋭角が前記基板の前記結晶方位3に直交する方向側にならないように形成してなる、ことを特徴とするものである。

すなわち、本発明によれば、凹部の開口部の鋭角が、基板の結晶方位3に直交する方向側にならないように、基板に対して形成することにより、凹部のオーバエッチングを防止して、凹部が深くなり過ぎないようにした。これにより、凹部から基板にクラックが発生し難くし、かつ凹部を浅く形成することにより、凹部深くに残存する金属異物を除去できないという課題を解決できる。

さらに、凹部の開口端形状を多角形状とすることにより、開口部を深くすることなく開口表面積を大きくでき、基板同士を接着する際に接着面から漏れ出す余分な接着剤を凹部に十分収容することが可能となる。

前記開口部の形状には平行四辺形、菱形、又は多角形がある。この多角形の形状によれば、開口部の径を増やすことなく、開口部の面積を増やす事が出来るため、凹部の深さが浅くなっても、凹部内に接着剤を基板同士の接着面から流れ出さないように収容することができる。多角形の上限には制限がないが、結晶方位（１１０）のシリコン基板を用いた場合は異方性エッチングによる制約から、結晶方位1、結晶方位2、及び結晶方位3の3種類の角度から形成される６角形を上限とすることが好ましい。

円弧状に開口部を形成することも好ましいが、シリコン基板の場合には異方性エッチングのために、円弧状に開口部を形成することは困難である。

本発明の機能デバイスには液体噴射ヘッドやその他に所定の素子を基板に形成してなるものが含まれる。

次に本発明に係る液体噴射ヘッドの中の一つの態様であるインクジェットヘッドの実施形態について説明する。図１は、インクジェットヘッドを示す分解斜視図であり、 図２はその断面図である。インク流路形成基板１０の一方の面は開口面となり、他方の面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ１〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。

この流路形成基板１０には、シリコン単結晶基板を異方性エッチングすることにより、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が幅方向に並設されている。その長手方向外側には、リザーバ形成基板３０のリザーバ部３１に連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００の一部を構成する連通部１３が形成され、各圧力発生室１２の長手方向一端部とそれぞれインク供給路１４を介して連通されている。

流路形成基板１０の他方面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側で連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が接着剤によって接合されている。ノズル開口２１はこのシリコン単結晶基板をドライエッチングすることによって形成されている。ノズル開口２１は、インク滴が吐出されるノズル部２１ａと、ノズル部２１ａよりも大きい径で形成されノズル部２１ａと圧力発生室１２とを連通するノズル連通部２１ｂとからなる。

ノズルプレート２０は、流路形成基板１０との接着部分、例えば、圧力発生室１２の周囲に対応する領域に、各圧力発生室１２の周縁に沿って複数の凹部２３が設けられている。このような凹部２３を設けることにより、ノズルプレート２０と流路形成基板１０とを接着剤を介して接着する際に、無駄な接着剤がこの凹部２３に流れ込むため、接着剤が圧力発生室１２内へ過度に流れ込むのを防止することができる。

クレータ部２２と凹部２３とは、シリコン単結晶基板を両面から同時に異方性エッチングすることにより、同一工程で形成することができる。凹部の開口部の形状については後述する。

流路形成基板１０に設けられた弾性膜５０上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約０．５〜３μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．１μｍの上電極膜８０とが積層形成されて、圧電素子３００を構成している。圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０、及び上電極膜８０とからなる。下電極膜６０は圧電素子３００の共通電極としている。

図１及び図２に示すように、圧力発生室１２等が形成された流路形成基板１０の圧電素子３００側には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３１を有するリザーバ形成基板３０が接合されている。このリザーバ部３１は、リザーバ形成基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されている。そして、このリザーバ部３１が、弾性膜５０及び下電極膜６０を貫通して設けられる貫通孔５１を介して流路形成基板１０の連通部１３と連通され、各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００が構成されている。

リザーバ形成基板３０としては、結晶方位(面方位)が（１１０）のシリコン単結晶基板を用いた。ノズルプレート２０の場合と同様に、熱硬化性の接着剤を用いた高温での接着により流路形成基板１０とリザーバ形成基板３０とを確実に接着することができる。このリザーバ形成基板３０には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。固定板４２のリザーバ１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、リザーバ１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止され、内部圧力の変化によって変形可能な可撓部３２となっている。

リザーバ１００の長手方向略中央部外側のコンプライアンス基板４０上には、リザーバ１００にインクを供給するためのインク導入口３５が形成されている。さらに、リザーバ形成基板３０には、インク導入口３５とリザーバ１００の側壁とを連通するインク導入路３６が設けられている。

リザーバ形成基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を確保した圧電素子保持部３３が設けられている。そして、圧電素子３００の少なくとも圧電体能動部３２０は、この圧電素子保持部３３内に形成され、大気中の水分等の外部環境に起因する圧電素子３００の破壊を防止しているが、厚ン電素子保持部３３は完全に密封されていなくともよいが、外部からの影響を受けやすい状態にあってはならないような構造となっている。

インクジェット式記録ヘッドは、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口３５からインクを取り込み、リザーバ１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、外部の駆動回路からの記録信号に従い、上電極膜８０と下電極膜６０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、下電極膜６０及び圧電体層７０をたわみ変形させて、圧力発生室１２内の圧力を高めてノズル開口２１からインク滴を記録媒体や対象物に対して吐出する。流路形成基板３０には外部回路から上下電極と結ぶ配線パターンが形成されている。

図３は、リザーバ形成基板３０の平面図(一部拡大図)を示したものである。基板３０には配線５００が形成されており、この配線５００の両側に凹部となる平行四辺形の開口をもった溝５０２が配線に近接しながら列状に形成されている。図４も流路形成基板の３０の平面図であるが、倍率は図３のものよりも小さく、流路形成基板に形成された孔部５０４の回りに、列状に複数の凹部５０３が形成されている。

この凹部はシリコン単結晶基板を厚さ方向に途中までエッチング（ハーフエッチング）することにより形成される。この凹部は、既述の凹部２３と同様に互いに接合される基板の接合面から接着剤が漏れ出すことを防止するために設けられている。

図５は、結晶方位（１１０）のシリコン単結晶基板６００において、オリフラを図示する方向にした場合の各結晶方位の向きを表している。（１１０）に対して90°の角度を成す（１１１）面は結晶方位1及び結晶方位2で定まり、（１１０）に対して約35°の角度を成す（１１１）面は結晶方位3で定まる。凹部の深さを支配するのは開口部の、前記結晶方位3に直交する方向の形状（例えば、幅）である。

図６の６０２は、凹部の開口部の形状が、結晶方位1と結晶方位2の2つの角度から構成される平行四辺形(菱形)状態を示している。この形状では結晶方位3に直交する方向側に鋭角があることから、シリコン単結晶基板６００のエッチングの際にオーバエッチングとなり凹部の深さが大きくなると共に、シリコン単結晶基板６００にクラックが入りやすくなる。

６０４は、凹部の開口部の形状が、結晶方位1と結晶方位3の2つの角度から構成される平行四辺形(菱形)状態を示している。この形状では平行四辺形の開口部の鋭角が結晶方位3に直交する方向側でないため開口部の形状をこのような関係になるようにすれば、凹部が深さ方向にオーバエッチングされることを防止することができる。

本発明者の検討したところ、全て条件を同じくした場合に、開口部形状を６０２のものから６０４のものにすることによって、後者の凹部の深さは前者の（１／３）^1/2になり、発生する金属異物の数が後者では前者の１／１０であった。

６０６は、凹部の開口部の形状が、結晶方位2と結晶方位3の2つの角度から構成される平行四辺形(菱形)状態を示している。６０８は、凹部の開口部の形状が、結晶方位1と結晶方位2及び結晶方位3の3つの角度から構成される六角形状態を示している。

既述の特性を持つ凹部としては、凹の開口部形状の径が同じとすると、より多角形にする事が好ましい。多角形にすることにより開口部の表面積が増加して、凹部の深さが小さくなってもより多くの接着剤を凹部内に逃がすことができる。

本発明に係る凹部は、結晶方位3に直交する方向側に鋭角を形成しない開口部形状としたことから、オーバエッチングの問題が無く、インク流路や配線に近接して凹部を設けることができる。

また、結晶方位3に直交する方向側に開口部の鋭角があると、クラックの問題からインク流路に異物が混入するのを防ぐために、凹部を孔の端部や配線の端部から離さなくてはならない。凹部を孔部や配線に接して設けることにより、孔部付近の基板の接合面からはみ出す接着剤をインク流路に混入することなく、配線近傍に凹部を設ける場合には配線に異物が接触して配線が短絡するとなく、接着剤を凹部に確実に収めることができる。

流路又は配線近傍への凹部の配置は、複数の凹部が流路又は配線に沿って列状に構成されている。特に凹部を複数列になるように設けることにより、余分な樹脂を凹部により多く逃がすことができる。特に、凹部を多角形、特に六角形に形成することにより、配線や孔部が傾斜して形成されても、凹部を千鳥状にして、複数列に成るように形成できる。

本実施形態では、凹部が形成される基板を、ノズルプレート２０とリザーバ形成基板３０としたが、これに限られるものではなく、ノズル開口などの孔や配線が行われる基板に拡げることができる。

尚、上述した実施形態においては、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェットヘッドを挙げて説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドの製造方法にも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。

本発明に係るインクジェットヘッドの斜視図である。 そのインクヘッドジェットの断面図である。 本発明の凹部が形成された基板の平面図である。 本発明の凹部が形成された基板の他の例の平面図である。 結晶方位（１１０）のシリコンウエハの結晶方位１、２、３を示した平面図である。 凹部の形成方向と、その開口部の複数の形状を示した平面図である。

符号の説明

１０ インク流路形成基板，２０ ノズルプレート，２１ ノズル開口，３０ リザーバ形成基板，３００ 圧電素子，５００ 配線，５０２ 溝，５０３ 列状の凹部，５０４ 孔部，６００ シリコン単結晶基板，６０２、６０４、６０６、６０８ 凹部

Claims (7)

1. 複数の基板を接着剤で接合して形成される機能性デバイスにおいて、
   互いに接着される基板同士の接合面の少なくとも一方に、余分な接着剤の逃げ用の領域となる凹部が形成され、
   前記凹部の開口部の形状を、鋭角部分が前記基板の深さ方向を支配する結晶方位に直交する方向側にならないように形成してなる、機能性デバイス。
2. 前記開口部の形状を、鈍角部分が前記基板の深さ方向を支配する結晶方位に直交する方向側になるように形成してなる、請求項１記載の機能性デバイス。
3. 前記開口部の形状が平行四辺形、菱形、又は多角形である請求項１又は２に記載の機能性デバイス。
4. 前記多角形の開口部が六角形以上の多角形の開口部である、請求項３記載の機能性デバイス。
5. 前記基板を貫通する孔及び/又は前記基板に配線が形成されており、前記凹部が前記孔及び／又は配線の回りに複数列から成るように、前記基板に対してハーフエッチングにより形成されてなる請求項１〜４の何れか項記載のデバイス。
6. 複数の基板を接着剤で接合して、液滴を吐出するノズル開口へ液体を供給する液体流路を形成してなる液体噴射ヘッドにおいて、
   互いに接着される基板同士の接合面の少なくとも一方の、前記液体流路となる孔部周辺及び配線部の少なくとも一方の周辺に、余分な接着剤の逃げ用の領域となる凹部が形成され、
   前記凹部の開口部の形状が、請求項１〜５の何れか記載の形状になるように形成されてなる、液体噴射ヘッド。
7. 複数の基板を接着剤で接合して機能性デバイスを製造する方法において、
   互いに接着される基板同士の接合面の少なくとも一方に、余分な接着剤の逃げ用の領域となる凹部を形成し、
   前記凹部の開口部の形状を、請求項１〜５の何れか記載の形状になるように形成した機能性デバイスの製造方法。
   
   

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