JP5361466B2 - インクジェットヘッドの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、インクを吐出するインクジェットヘッドの製造方法に関する。
プリンタや複写機などの画像記録装置に備えられているインクジェットヘッドは、インクを吐出する吐出ノズルからインク滴を吐出させて記録を行なうため、ノズルの形状や精度あるいはその経時での変化がインク滴の吐出性能に大きな影響を与える。
また、ノズル孔を形成している部材の表面も、その特性や経時に伴なう変化によりインク滴の吐出性能に影響を与えることがある。
インクジェットヘッドとしては、一般に、ノズルプレートのノズル部がシリコン（Ｓｉ）を用いて形成されたものが広く知られている。ノズルプレートの形態としては、例えば、ノズル形成部材とフッ素系撥水剤層との間に、無機酸化物の皮膜が分断形成された島状の膜を形成しつつ、全体としては均一に島状の膜が成膜されている島状薄層の形状からなる無機酸化物層が形成されたインクジェットヘッドが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、ノズルプレートのインクと接触するノズル部がシリコンで形成されている場合、シリコン面がインクと接触していると、インク中のアルカリ成分等により浸食されやすく、インク滴の吐出性能、ひいてはインクジェットヘッドの耐久性に影響を与えるおそれがある。
上記従来のインクジェットヘッドのような形態では、無機酸化物が分断形成されて島状にしか存在しないため、ノズル孔の内壁面におけるインクとの接触を防止することはできず、内壁がインクと接触していることにより、壁面の浸食を抑制ないし回避することは困難である。
本発明は、上記に鑑みなされたものであり、耐インク性に優れ、長期信頼性を有するインクジェットヘッドを作製することができるインクジェットヘッドの製造方法を提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。
前記課題を達成するための具体的手段は、以下の通りである。
本発明は、２層のＳｉ層間に第１のＳｉＯ２層を有するＳＯＩ基板の少なくとも一方のＳｉ層を熱酸化し、第２のＳｉＯ２層を形成する第１酸化工程と、前記第２のＳｉＯ２層、及び前記第１のＳｉＯ２層と前記第２のＳｉＯ２層との間のＳｉ層の一部を、エッチング処理により少なくとも前記第１のＳｉＯ２層が露出するまで除去し、ノズル孔を形成するノズル孔形成工程と、形成された前記ノズル孔の少なくとも側壁のＳｉ層を熱酸化し、ＳｉＯ２層を形成する第２酸化工程と、前記ノズル孔における前記側壁以外のＳｉＯ２層を、少なくともＳｉ層が露出するまで異方性ドライエッチング処理し、前記ノズル孔を開口処理する孔開口処理工程と、露出する前記第２のＳｉＯ ２ 層の表面の少なくとも一部と、インク流路を有するベースウエハと、を接合した後、前記他方のＳｉ層を除去し、ノズルを形成するノズル形成工程と、を有するインクジェットヘッドの製造方法である。
本発明は、２層のＳｉ層間に第１のＳｉＯ２層を有するＳＯＩ基板の少なくとも一方のＳｉ層を熱酸化し、第２のＳｉＯ２層を形成する第１酸化工程と、前記第２のＳｉＯ２層、及び前記第１のＳｉＯ２層と前記第２のＳｉＯ２層との間のＳｉ層の一部を、エッチング処理により少なくとも前記第１のＳｉＯ２層が露出するまで除去し、ノズル孔を形成するノズル孔形成工程と、形成された前記ノズル孔の少なくとも側壁のＳｉ層を熱酸化し、ＳｉＯ２層を形成する第２酸化工程と、前記ノズル孔における前記側壁以外のＳｉＯ２層を、少なくともＳｉ層が露出するまで異方性ドライエッチング処理し、前記ノズル孔を開口処理する孔開口処理工程と、露出する前記第２のＳｉＯ ２ 層の表面の少なくとも一部と、インク流路を有するベースウエハと、を接合した後、前記他方のＳｉ層を除去し、ノズルを形成するノズル形成工程と、を有するインクジェットヘッドの製造方法である。
本発明のインクジェットヘッドの製造方法において、前記ノズル孔形成工程は、
フォトレジスト法により前記第２のＳｉＯ２層上にエッチングマスクを形成するマスク形成工程と、前記第２のＳｉＯ２層の一部をエッチング処理により、前記第１のＳｉＯ２層と前記第２のＳｉＯ２層との間のＳｉ層が露出するまで除去するＳｉＯ２除去工程と、前記除去により露出した前記Ｓｉ層を、異方性ウェットエッチング処理又は異方性ドライエッチング処理により前記第１のＳｉＯ２層が露出するまで除去するＳｉ除去工程と、前記エッチングマスクを除去するマスク除去工程と、を設けることにより、前記ノズル孔を形成するものであることが好ましい。
フォトレジスト法により前記第２のＳｉＯ２層上にエッチングマスクを形成するマスク形成工程と、前記第２のＳｉＯ２層の一部をエッチング処理により、前記第１のＳｉＯ２層と前記第２のＳｉＯ２層との間のＳｉ層が露出するまで除去するＳｉＯ２除去工程と、前記除去により露出した前記Ｓｉ層を、異方性ウェットエッチング処理又は異方性ドライエッチング処理により前記第１のＳｉＯ２層が露出するまで除去するＳｉ除去工程と、前記エッチングマスクを除去するマスク除去工程と、を設けることにより、前記ノズル孔を形成するものであることが好ましい。
本発明のインクジェットヘッドの製造方法における前記ノズル形成工程は、２層のＳｉ層のうち他方のＳｉ層を研磨した後、前記第１のＳｉＯ２層が露出するまでドライエッチング処理することにより、前記他方のＳｉ層を除去することができる。ＳＯＩ基板は２層のＳｉ層を有し、一方のＳｉ層に第２のＳｉＯ２層を形成した場合は他方をハンドリング用のハンドル層として利用でき、薄形に作製する場合にも破損なく、操作性よく作製することが可能になる。
本発明においては、前記孔開口処理工程の後、前記第２のＳｉＯ２層の表面の少なくとも一部と、インク流路を有するベースウエハとを接合した後に、前記ノズル形成工程において前記他方のＳｉ層を除去する。これにより、耐インク性に優れたインクジェットヘッドを作製することができる。
前記ノズル孔形成工程は、更に、前記第１のＳｉＯ２層の一部をＳｉ層が露出するまで除去し、前記第２酸化工程において、形成されたノズル孔のＳｉ層の表面全体にＳｉＯ２層を形成することが好ましい。孔開口処理工程でのエッチング処理で側壁のＳｉＯ２層も薄くなり易いので、第２酸化工程の前に予め、除去しようとするＳｉＯ２層を除去しておけば、側壁のＳｉＯ２層が薄くなるのを回避できる。
少なくとも第１のＳｉＯ２層の厚みは、０．５〜１μｍの範囲であるのが好ましい。特に、上記のようにノズル孔形成工程において第１のＳｉＯ２層の一部をＳｉ層が露出するまで除去しない簡易工程に構成する場合には、ＳｉＯ２層の厚みがこの範囲内であると、後の孔開口処理工程において、側壁に影響を与えずにノズル孔の開口処理が行なえる。
また、上記の第１酸化工程及び第２酸化工程の一方又は両方において、ＳｉＯ２層を０．５〜１μｍの厚みで形成することが好ましい。
本発明によれば、耐インク性に優れ、長期信頼性を有するインクジェットヘッドを作製することができるインクジェットヘッドの製造方法を提供することができる。
以下、図１〜図２を参照して、本発明のインクジェットヘッドの製造方法の実施形態を詳細に説明する。
図１（ａ）に示すように、ノズルを有するノズルプレートを作製するために、Ｓｉ基板（以下、「Ｓｉハンドル層」と称する。）１１と表面Ｓｉ層１２との間に、第１のＳｉＯ２層として埋め込みＳｉＯ２層１３を設けた構造のＳＯＩ基板（シリコンオンインシュレータウェーハ）１５を準備する。なお、ＳＯＩ基板は、基材としてのＳｉ層と表層をなすＳｉ層との間にＳｉＯ２が挟まれた構造の基板である。
ＳＯＩ基板において、ＳｉＯ２層及びＳｉ層の厚みは特に制限されるものではないが、例えば、ＳｉＯ２層の厚みは０．５〜１０μｍの範囲が好ましく、また、Ｓｉ層の厚みは１０〜３００μｍの範囲が好ましい。Ｓｉ層間に埋め込まれた埋め込みＳｉＯ２層１３の厚みは、ノズル孔開口時の側壁に及ぼす悪影響を軽減する観点から、比較的薄いことが好ましく、０．５〜１μｍの範囲であるのがより好ましい。
ＳＯＩ基板は、図１（ａ）に示すような構造に成形したものを用いてもよいし、上市されている市販品を用いてもよい。
次いで、ＳＯＩ基板１５を用い、その表面Ｓｉ層１２を少なくとも熱酸化することにより、図１（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板上にさらにＳｉＯ２層１６（第２のＳｉＯ２層）を形成する（第１酸化工程）。ＳＯＩ基板を用い、さらにＳｉＯ２層を設けてＳｉＯ２層／Ｓｉ層／ＳｉＯ２層構造を形成することで、後述するように、最終的にノズル内壁及びインク流路側の表面をＳｉＯ２層で形成すると共に、ノズル面もＳｉＯ２層で形成することができる。
熱酸化の条件については、特に制限はなく、所望の酸化膜となるように適宜選択すればよい。
熱酸化の条件については、特に制限はなく、所望の酸化膜となるように適宜選択すればよい。
ＳｉＯ２層１６の厚みとしては、０．５〜１０μｍの範囲が好ましい。ＳｉＯ２層１６は、インク流路が設けられたベースウエハと接合してヘッドとした場合にインクと接触する層であるため、厚みを前記範囲とすることにより、インクによる浸食が効果的に抑制される。
ＳＯＩ基板１５に形成されたＳｉＯ２層１６の上には、図１（ｂ）に示すように、エッチング用マスクとしてエッチングマスク１７が所望のパターンで設けられる。エッチングマスクは、フォトリソグラフィ法により形成することができる。
具体的には、まず、形成されたＳｉＯ２層１６上に、ポジ型又はネガ型のフォトレジスト（感光性樹脂）を塗布し、これを乾燥させることにより、図示しないフォトレジスト層を形成する。フォトレジスト層の形成に際しては、更にプリベーク処理を行なうことが好ましい。続いて、フォトレジスト層を、ノズル孔を形成しようとする位置に対応する領域が除けるようにフォトレジスト層の上方から露光し、露光後に現像液で現像処理を施すことにより、ノズル孔を形成しようとする領域のフォトレジスト層を除去し、図１（ｂ）に示すように、エッチングマスク１７を形成する（マスク形成工程）。
フォトレジストとしては、紫外線（ｇ線やｉ線等）、エキシマー・レーザー等を含む遠紫外線、電子線、イオンビーム及びＸ線等の放射線に感応するネガ型又はポジ型の感光性を有するレジスト組成物が使用できる。フォトレジスト層の露光は、所定のマスクパターンを介して、ネガ型又はポジ型のレジスト組成物に紫外線等で露光することにより行なえる。また、現像液としては、ポジレジストの露光部又はネガレジストの未硬化部を溶解するものであれば特に制限はなく、有機溶剤やアルカリ性の水溶液等が使用可能である。
前記マスク形成工程により、ＳｉＯ２層１６のうち、ノズル孔が形成される領域に対応する領域のみが露出された状態となる。このようにエッチングマスク１７が形成された状態で、エッチングマスク１７の上方から、ＳｉＯ２層１６にバッファード・フッ酸（ＢＨＦ）を用いてウェットエッチング処理を施し、ＳｉＯ２層１６をエッチングマスクのパターン様に除去する（ＳｉＯ２除去工程）。これにより、パターン化されたＳｉＯ２層１６ａを形成する。エッチング処理は、ＢＨＦの他、ウェットエッチング液としてＨ３ＰＯ４やＮＨ４ＯＨ、Ｈ２ＳＯ４等を使用できる。
エッチング処理は、Ｓｉ層１３が露出したところで終了する。このようにして、図１（ｂ）のように凹部１８がパターン状に形成される。
エッチング処理は、Ｓｉ層１３が露出したところで終了する。このようにして、図１（ｂ）のように凹部１８がパターン状に形成される。
ここでのエッチングは、ウェットエッチングの他、ドライエッチングにより行なってもよい。ウェットエッチング及びドライエッチングは、従来からの常法により行なえる。ドライエッチングの詳細については後述する。
引き続いて、図１（ｃ）のように、図１（ｂ）に示す状態でさらに、水酸化カリウム水溶液を用いた異方性ウェットエッチングを行なうことにより、図１（ｂ）と同一のパターン状に表面Ｓｉ層１２を除去し、パターン化されたＳｉ層１２ａを形成する（Ｓｉ除去工程）。エッチングは、ＳｉＯ２層をストッパーとして、埋め込みＳｉＯ２層１３が露出したところで終了する。このとき、凹部１８では埋め込みＳｉＯ２層１３が露出している。
引き続いて、図１（ｄ）のように、図１（ｃ）に示す状態でさらに、異方性ドライエッチングを行なうことにより、図１（ｂ）と同じパターンで埋め込みＳｉＯ２層１３を除去し、パターン化された埋め込みＳｉＯ２層１３ａを形成する。異方性ドライエッチングは、Ｓｉ層をストッパーとして、Ｓｉハンドル層１１が露出したところで終了する。このとき、ノズル孔をなす凹形１９が形成される。また、異方性ドライエッチングの条件は、例えば、以下のようにすることができる。
<条件>
・ドライエッチング装置：酸化膜異方性エッチング装置（アプライドマテリアルズ社製）
・ＲＦパワー：８００Ｗ
・チャンバー圧力：４Ｐａ
・基板温度：５０℃
・ガス種及び流量：Ａｒ：８００ｍＬ、ＣＨＦ３：２００ｍＬ、Ｏ２：５０ｍＬ
<条件>
・ドライエッチング装置：酸化膜異方性エッチング装置（アプライドマテリアルズ社製）
・ＲＦパワー：８００Ｗ
・チャンバー圧力：４Ｐａ
・基板温度：５０℃
・ガス種及び流量：Ａｒ：８００ｍＬ、ＣＨＦ３：２００ｍＬ、Ｏ２：５０ｍＬ
ドライエッチング処理に用いられるガスとしては、公知のエッチングガスを使用でき、例えば、フッ素系ガス（例えば、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、Ｃ２Ｆ４、Ｃ４Ｆ８、Ｃ４Ｆ６、Ｃ５Ｆ８、ＣＨＦ３等）や、希ガス（例えば、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ等）、ハロゲン系ガス（例えば、ＣＣｌ４、ＣＣｌＦ３、ＡｌＦ３、ＡｌＣｌ３等）、Ｏ２、Ｎ２、ＣＯ、ＣＯ２等、及びフッ素系ガス及び酸素ガスの混合ガスなどが好適である。
また、ドライエッチング法の代表的な例としては、特開昭５９−１２６５０６号、特開昭５９−４６６２８号、同５８−９１０８号、同５８−２８０９号、同５７−１４８７０６号、同６１−４１１０２号等の各公報に記載の方法が知られている。
本発明においては、埋め込みＳｉＯ２層１３の厚みが比較的薄い（好ましくは０．５〜１μｍ）場合には、後述の第２酸化工程の前に、図１（ｄ）のように埋め込みＳｉＯ２層１３を除去する操作を設けずに、図１（ｃ）に示すように表面Ｓｉ層１２を除去した後に、第２の酸化工程を行なってもよい。但し、埋め込みＳｉＯ２層１３の厚みが比較的厚い場合（例えば１μｍ超）には、第２酸化工程の前に予め埋め込みＳｉＯ２層１３を除去しておくことにより、次の孔開口処理工程（図１（ｆ）参照）でＳｉＯ２層２２を除去する際に、ノズル孔の側壁のＳｉＯ２層２１が薄膜になる等で損なわれるのを抑えることができる。つまり、孔開口処理工程（図１（ｆ）参照）で側壁のＳｉＯ２層２１も薄くなり易いので、予めＳｉＯ２層２２を除去しておけば側壁が薄くなるのを回避できる。
その後、溶剤もしくはフォトレジスト剥離液を使用して、フォトレジスト層の剥離処理を実施し、エッチングマスク１７を除去する。エッチングマスクが剥離されると、パターン化されたＳｉＯ２層１６ａが露出する。
以上のようにして、最終的にインクが流通するノズルを構成するノズル孔が形成される。
以上のようにして、最終的にインクが流通するノズルを構成するノズル孔が形成される。
次に、エッチングマスクを除去・乾燥させた後、再び熱処理を施してノズル孔において露出する表面Ｓｉ層１２とＳｉハンドル層１１をそれぞれ熱酸化し、ノズル孔の全面にＳｉＯ２層を形成する（第２酸化工程）。このとき、ノズル孔には、図１（ｅ）に示すように、その側面にＳｉＯ２層２１が形成されており、ノズル孔内のＳｉハンドル層１１の表面（図１（ｅ）に示すノズル孔内の底面）にＳｉＯ２層２２が形成されている。本発明においては、このように熱酸化処理を行なってノズル孔内にＳｉＯ２層を形成することで、耐インク性を向上させることができる。
なお、熱酸化の条件については、特に制限はなく、所望の酸化膜となるように適宜選択すればよい。
なお、熱酸化の条件については、特に制限はなく、所望の酸化膜となるように適宜選択すればよい。
ＳｉＯ２層２１、２２の厚みとしては、０．５〜１０μｍの範囲が好ましい。特に、ＳｉＯ２層２１は、インク流路が設けられたベースウエハと接合してヘッドを形成した場合に、インクと接触する層であるため、厚みを前記範囲とすることにより、インクによる浸食が効果的に抑制される。
熱酸化によりノズル孔の側面にＳｉＯ２層を形成後、図１（ｆ）のように、異方性ドライエッチング処理を施し、ノズル孔側面のＳｉＯ２層２１が除去されないように、ＳｉＯ２層２２を選択的に除去し、ノズル孔を開口する（孔開口処理工程）。ここでは、Ｓｉ層をストッパーとして、Ｓｉハンドル層１１が露出したところで異方性ドライエッチング処理を終了する。ここでの異方性ドライエッチング処理の方法やエッチングガス、条件等については、既述と同様である。
このようにして、ノズル２０が形成されたノズルプレート積層体３５が得られる。本発明においては、作製されたノズルプレート積層体３５には、図１（ｆ）のようにＳｉハンドル層１１が存在しており、ノズルプレート３０をより薄形に形成する場合にも、破損なく、操作性よく作製することができる。
上記のように作製したノズルプレート積層体３５を用い、露出するＳｉＯ２層１６ａの表面に、別に作製しておいたベースウエハ４１を接合することにより、図２（ｇ）に示すようにヘッド構造を形成する。このヘッド構造には、予め吐出用のインクが流通するインク流路が形成されており、このインク流路がノズルプレート積層体のノズル２０と連通するように接合される。
そして、ヘッド構造からＳｉハンドル層１１を除去するために、まず研磨処理することにより、図２（ｈ）のようにＳｉハンドル層１１の一部を研削し、薄厚に加工する。ＳＯＩ基板において、研磨を施すことにより、破損せず、操作性よく薄形のノズルプレートを作製することができる。
薄厚とした後は、再びドライエッチング処理を施し、図２（ｉ）に示すように、薄厚に残存するＳｉハンドル層１１ａを全て除去する。このとき、ＳｉＯ２層をストッパーとして、埋め込みＳｉＯ２層１３ａが露出したところでドライエッチングを終了する。ドライエッチングが終了したときには、埋め込みＳｉＯ２層１３ａが露出して、インクジェットヘッドのノズル面４２を形成する。
その後、吐出するインクのノズル面での親インク性を下げるため、形成されたノズル面４２の表面にフッ素系の撥インク剤を付与することにより、図２（ｊ）に示すように、撥インク層４３を設けることができる。撥インク層４３は、スピンコーター、ロールコーター等を用いた公知の塗布法により塗布形成することができる。撥インク層の厚みについては、用いる撥インク剤の種類や使用量、インクの性状などの諸条件にあわせて適宜選択すればよい。
前記撥インク剤としては、例えば、ＦＤＴＳ（1H,1H,2H,2H-perfluorodecyltrichlorosilane），Ｔ＆Ｋ社製のNONOS膜、旭硝子社製のＣｙｔｏｐ膜などを用いることができる。
１１・・・Ｓｉ層
１２・・・表面Ｓｉ層
１３・・・第１のＳｉＯ２層
１５・・・ＳＯＩ基板
１６・・・第２のＳｉＯ２層
２１，２２・・・ＳｉＯ２層
２０・・・ノズル孔
１２・・・表面Ｓｉ層
１３・・・第１のＳｉＯ２層
１５・・・ＳＯＩ基板
１６・・・第２のＳｉＯ２層
２１，２２・・・ＳｉＯ２層
２０・・・ノズル孔
Claims (5)
- ２層のＳｉ層間に第１のＳｉＯ２層を有するＳＯＩ基板の少なくとも一方のＳｉ層を熱酸化し、第２のＳｉＯ２層を形成する第１酸化工程と、
前記第２のＳｉＯ２層、及び前記第１のＳｉＯ２層と前記第２のＳｉＯ２層との間のＳｉ層の一部を、エッチング処理により少なくとも前記第１のＳｉＯ２層が露出するまで除去し、ノズル孔を形成するノズル孔形成工程と、
形成された前記ノズル孔の少なくとも側壁のＳｉ層を熱酸化し、ＳｉＯ２層を形成する第２酸化工程と、
前記ノズル孔における前記側壁以外のＳｉＯ２層を、少なくともＳｉ層が露出するまで異方性ドライエッチング処理し、前記ノズル孔を開口処理する孔開口処理工程と、
露出する前記第２のＳｉＯ ２ 層の表面の少なくとも一部と、インク流路を有するベースウエハと、を接合した後、前記他方のＳｉ層を除去し、ノズルを形成するノズル形成工程と、
を有するインクジェットヘッドの製造方法。 - 前記ノズル孔形成工程は、
フォトレジスト法により前記第２のＳｉＯ２層上にエッチングマスクを形成するマスク形成工程と、
前記第２のＳｉＯ２層の一部をエッチング処理により、前記第１のＳｉＯ２層と前記第２のＳｉＯ２層との間のＳｉ層が露出するまで除去するＳｉＯ２除去工程と、
前記除去により露出した前記Ｓｉ層を、異方性ウェットエッチング処理又は異方性ドライエッチング処理により前記第１のＳｉＯ２層が露出するまで除去するＳｉ除去工程と、
前記エッチングマスクを除去するマスク除去工程と、
を設け、前記ノズル孔を形成することを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッドの製造方法。 - 前記ノズル形成工程は、他方のＳｉ層を研磨した後、前記第１のＳｉＯ２層が露出するまでドライエッチング処理することにより、前記他方のＳｉ層を除去することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
- 前記ノズル孔形成工程は、更に、前記第１のＳｉＯ２層の一部をＳｉ層が露出するまで除去し、前記第２酸化工程は、形成されたノズル孔のＳｉ層の表面全体にＳｉＯ２層を形成することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
- 少なくとも前記第１のＳｉＯ２層の厚みが、０．５〜１μｍであることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
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