JP2009292122A - Nozzle substrate manufacturing method, droplet discharge head manufacturing method, and droplet discharge head - Google Patents
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- Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
Abstract
【課題】ノズル先端開口縁部のエッジダメージやエッジダレ、及びノズル内部の樹脂残りなどがなく、ノズル形状の安定性とノズル内部の清浄度の高いノズル基板の製造方法、さらには、吐出性能の向上と生産性向上を同時に実現する液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】シリコン基板100の一方の面側から、ノズル11となる凹部を形成する工程と、凹部の先端部に樹脂40を充填する工程と、凹部が形成された面に、支持基板60を貼り合わせる工程と、凹部が形成された面と反対側の面から、樹脂が露出するまでシリコン基板を薄板化する工程と、薄板化されたシリコン基板から支持基板を剥離し、その後、樹脂を除去することにより、ノズルを開口する工程と、を有する。
【選択図】図9[PROBLEMS] To provide a nozzle substrate manufacturing method that is free from edge damage or edge sag at the nozzle opening edge, resin residue inside the nozzle, and has a stable nozzle shape and high cleanliness inside the nozzle, and further improves ejection performance. And a droplet discharge head manufacturing method and a droplet discharge head that simultaneously improve productivity.
A support substrate 60 is formed on a surface on which a recess is formed, a step of forming a recess serving as a nozzle 11 from one surface side of a silicon substrate 100, a step of filling a tip 40 of the recess with resin 40, and a surface on which the recess is formed. The step of bonding, the step of thinning the silicon substrate from the surface opposite to the surface where the recesses are formed, and the step of peeling the support substrate from the thinned silicon substrate, and then removing the resin And a step of opening the nozzle.
[Selection] Figure 9
Description
本発明は、インク等の液滴を吐出するノズルを形成するためのノズル基板の製造方法、液滴吐出ヘッドの製造方法及びこのノズル基板を用いた液滴吐出ヘッドに関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a nozzle substrate for forming nozzles for discharging droplets of ink or the like, a method for manufacturing a droplet discharge head, and a droplet discharge head using the nozzle substrate.
液滴吐出装置の代表例であるインクジェット記録装置にはインクジェットヘッドが搭載されている。インクジェットヘッドは、一般に、インク滴を吐出するための複数のノズルが形成されたノズル基板を備えており、このノズル基板にインク圧力室である吐出室等を有するインク流路が形成されたキャビティ基板(流路基板とも呼ばれる)を接合し、駆動部により吐出室に圧力を加えることによりインク滴を選択されたノズルより吐出するように構成されている。アクチュエータの駆動方式としては、静電気力を利用する方式や、圧電素子による圧電方式、発熱素子を利用する方式等がある。 An ink jet recording apparatus, which is a typical example of a droplet discharge apparatus, includes an ink jet head. In general, an ink jet head includes a nozzle substrate on which a plurality of nozzles for ejecting ink droplets are formed, and a cavity substrate on which an ink flow path having an ejection chamber that is an ink pressure chamber is formed. The ink droplets are ejected from selected nozzles by joining (also referred to as a flow path substrate) and applying pressure to the ejection chamber by the driving unit. Actuator driving methods include a method using electrostatic force, a piezoelectric method using a piezoelectric element, and a method using a heating element.
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強まり、そのためノズル列を複数にしたり、1列当たりのノズル数を増加して多ノズル化・長尺化するなど、ノズル密度の高密度化と吐出性能の向上が図られている。このような背景から、インクジェットヘッドのノズルの加工方法あるいはノズル基板の製造方法に関して、従来より様々な工夫、提案がなされている。 In recent years, there has been an increasing demand for high quality printing, image quality, etc. for inkjet heads. For this reason, the number of nozzle rows is increased, the number of nozzles per row is increased, and the number of nozzles is increased and lengthened. The density is increased and the discharge performance is improved. Against this background, various ideas and proposals have conventionally been made regarding the method of processing the nozzles of an inkjet head or the method of manufacturing a nozzle substrate.
インクジェットヘッドにおいて、インク吐出特性を改善するためには、ノズル部の流路抵抗を調整し、最適なノズル長さになるように基板の厚みを調整することが望ましい。このようなノズル基板を作製する場合、例えば特許文献1に示されるように、シリコン基板の一方の面(キャビティ基板との接合面)側からICP(Inductively Coupled Plasma)放電を用いた異方性ドライエッチングを施すことにより、内径の異なる第1のノズル孔と第2のノズル孔を2段に形成した後、接合面と反対側の面(吐出面)側から一部分を異方性ウェットエッチング により掘り下げて、ノズル長さを調整する方法が採られていた。
しかし、この方法では、ノズルが開口する吐出面が基板表面から深く一段下がった凹部の底面にあるため、インク滴の飛行曲がりが生じたり、あるいはノズルの目詰まりの原因となる紙粉、インク等が吐出面である凹部底面に付着した場合、それらの紙粉、インク等を排除するためにゴム片或いはフェルト片等で凹部底面を払拭するワイピング作業が難しくなるという課題があった。
In an ink jet head, in order to improve ink ejection characteristics, it is desirable to adjust the flow path resistance of the nozzle part and adjust the thickness of the substrate so that the optimum nozzle length is obtained. When manufacturing such a nozzle substrate, for example, as shown in
However, in this method, the ejection surface where the nozzle opens is on the bottom surface of the recess that is one step deep from the surface of the substrate, so that flying droplets of ink droplets occur, or paper dust, ink, etc. that cause nozzle clogging Has adhered to the bottom surface of the recess, which is the discharge surface, there is a problem that wiping work for wiping the bottom surface of the recess with a rubber piece or a felt piece becomes difficult in order to remove paper dust, ink and the like.
一方、例えば特許文献2に示されるように、予めシリコン基板を所望の厚みに研磨した後、シリコン基板の両面にそれぞれドライエッチングを施すことにより、第1のノズル孔及び第2のノズル孔を形成する方法もある。しかし、この方法では、インクジェットヘッドの高密度化が進むとシリコン基板の厚みを更に薄くしなければならないが、このような基板は製造工程中に割れ易く、高価となる課題があった。さらに、ドライエッチング加工の際に、加工形状が安定するように基板裏面からHeガス等で冷却を行うが、ノズルの貫通時に、Heガスがリークしてエッチングが不可能になる場合があった。
そのため、予めシリコン基板にノズルとなる凹部、すなわちノズル形状を形成し、例えば、石英ガラスなどの支持基板に樹脂を用いて貼り合わせてからシリコン基板を研削やエッチング加工等により薄板化加工してノズルとなる凹部を開口する方法が採られた(例えば、特許文献3参照)。しかし、この方法では、ノズルとなる凹部の内部が空間となっているため、ノズルの開口時にノズルの先端部が欠けたりする課題があった。
On the other hand, as shown in
For this reason, a recess that becomes a nozzle, that is, a nozzle shape, is formed in advance on the silicon substrate. For example, the silicon substrate is thinned by grinding, etching, or the like after being bonded to a support substrate such as quartz glass using a resin. The method of opening the recessed part used as this was taken (for example, refer patent document 3). However, this method has a problem that the tip of the nozzle is chipped when the nozzle is opened because the inside of the concave portion serving as the nozzle is a space.
上記のようなノズル開口時のノズル先端部の欠けを防止するため、支持基板を貼り合わせる際に、予めノズルとなる凹部の内部全体に貼り合わせ用の樹脂を充填する方法が採られた(例えば、特許文献4参照)。 In order to prevent chipping of the nozzle tip at the time of nozzle opening as described above, a method of filling the entire interior of the concave portion serving as a nozzle with a resin for bonding when the support substrate is bonded (for example, , See Patent Document 4).
しかしながら、特許文献4に示される方法でも、ノズルとなる凹部を開口し、その後、吐出面にSiO2膜を成膜し、その上に撥水膜を成膜した後、ノズル内の樹脂を引き抜く際に、ノズル先端開口縁部にSiO2膜のバリなどのエッジダメージやエッジダレが生じたり、樹脂残渣が残る場合があるなどの課題があった。
However, even in the method disclosed in
本発明は、上記のような従来技術の課題に鑑み、ノズル先端開口縁部のエッジダメージやエッジダレ、及びノズル内部の樹脂残りなどがなく、ノズル形状の安定性とノズル内部の清浄度の高いノズル基板の製造方法を提供することを目的とし、さらには、かかるノズル基板を用いることにより、吐出性能の向上と生産性向上を同時に実現する液滴吐出ヘッドの製造方法及び液滴吐出ヘッドを提供することを目的とする。 In view of the above-described problems of the prior art, the present invention is free from edge damage and edge sagging at the nozzle tip opening edge, and resin residue inside the nozzle, and has a high nozzle stability and nozzle cleanliness. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a droplet, and further to provide a method for manufacturing a droplet discharge head and a droplet discharge head that can simultaneously improve discharge performance and productivity by using such a nozzle substrate. For the purpose.
本発明に係るノズル基板の製造方法は、シリコン基板の一方の面側から、ノズルとなる凹部を形成する工程と、凹部の先端部に樹脂を充填する工程と、凹部が形成された面に、支持基板を貼り合わせる工程と、凹部が形成された面と反対側の面から、樹脂が露出するまでシリコン基板を薄板化する工程と、薄板化されたシリコン基板から支持基板を剥離し、その後、樹脂を除去することにより、ノズルを開口する工程と、を有するものである。
本発明によれば、ノズルとなる凹部の先端部(凹部の底部)のみに樹脂を充填するものであるから、シリコン基板を薄板化した後でも樹脂によりノズル内部を保護しているため、ノズル内面に影響を与えることなく吐出面の撥水処理が可能となる。
また、ノズル(凹部)開口のために行う研削または研磨中の研削液または研磨剤の侵入も防ぐことができ、ノズル内部の清浄度を高く保持できると同時に、樹脂の充填量を比較的少量に限定できるため、樹脂の除去に要する時間を短縮できるとともに、ノズル先端縁部のエッジダメージやエッジダレ、及び樹脂残りなどがなく、ノズル形状の安定性を向上させることができる。
The method for manufacturing a nozzle substrate according to the present invention includes a step of forming a recess serving as a nozzle from one surface side of a silicon substrate, a step of filling a resin at the tip of the recess, and a surface on which the recess is formed. The step of laminating the support substrate, the step of thinning the silicon substrate until the resin is exposed from the surface opposite to the surface where the recess is formed, and peeling the support substrate from the thinned silicon substrate, And a step of opening the nozzle by removing the resin.
According to the present invention, since the resin is filled only in the tip part (bottom part of the recess) of the recess serving as the nozzle, the inside of the nozzle is protected by the resin even after the silicon substrate is thinned. The water repellent treatment of the ejection surface can be performed without affecting the above.
In addition, it is possible to prevent the intrusion of grinding fluid or abrasive during grinding or polishing for opening the nozzle (concave), maintaining high cleanliness inside the nozzle, and at the same time reducing the amount of resin filling to a relatively small amount. Therefore, the time required for removing the resin can be shortened, and there is no edge damage, edge sagging, and resin residue at the nozzle tip edge, and the stability of the nozzle shape can be improved.
また、本発明に係るノズル基板の製造方法は、ノズルとなる凹部を形成する工程において、第1のノズル孔となる第1の凹部と、第1のノズル孔に連通し、第1のノズル孔よりも断面積が大きい、または、断面積が第1のノズル孔に向けて漸減もしくは縮小するように、第2のノズル孔となる第2凹部とを形成し、第1の凹部の先端部に樹脂が充填されているものである。
このように、ノズルとなる凹部を、第1のノズル孔となる第1の凹部と、第1のノズル孔に連通し、第1のノズル孔よりも断面積が大きい、または、断面積が第1のノズル孔に向けて漸減もしくは縮小するように、第2のノズル孔となる第2の凹部とで形成する場合は、第1の凹部の先端部に樹脂を充填するものであり、これによって前述の効果が得られるとともに、吐出する液滴の直進性向上等、吐出性能の向上が可能となる。
In addition, in the method of manufacturing the nozzle substrate according to the present invention, in the step of forming the recess serving as the nozzle, the first nozzle hole communicates with the first recess serving as the first nozzle hole and the first nozzle hole. And forming a second recess serving as a second nozzle hole so that the cross-sectional area is larger than or gradually decreasing or reducing the cross-sectional area toward the first nozzle hole, and is formed at the tip of the first recess. It is filled with resin.
In this way, the recess that becomes the nozzle communicates with the first recess that becomes the first nozzle hole and the first nozzle hole, and the cross-sectional area is larger than the first nozzle hole or the cross-sectional area is the first. In the case of forming with the second recess serving as the second nozzle hole so as to be gradually reduced or reduced toward the first nozzle hole, the tip of the first recess is filled with resin, In addition to the effects described above, it is possible to improve the ejection performance such as improving the straightness of the ejected droplets.
また、本発明に係るノズル基板の製造方法は、ノズルとなる凹部を、異方性ドライエッチングにより形成する。
ノズルとなる凹部を、異方性ドライエッチングにより形成することにより、シリコン基板面に垂直に、かつ、高い形状精度でノズルを形成することができる。
Moreover, the manufacturing method of the nozzle board | substrate which concerns on this invention forms the recessed part used as a nozzle by anisotropic dry etching.
By forming the concave portion to be the nozzle by anisotropic dry etching, the nozzle can be formed perpendicular to the silicon substrate surface and with high shape accuracy.
また、本発明に係るノズル基板の製造方法は、ノズルとなる凹部が形成された面に、樹脂をスピンコートまたはスプレーコートし、その後、O2アッシングを行うことにより、少量の樹脂を凹部または第1の凹部の先端部に残す。
このように、樹脂を充填する場合はスピンコート法またはスプレーコート法によってノズルとなる凹部に樹脂を充填し、その後、O2アッシングによって、少量の樹脂が凹部または第1の凹部の先端部に残るように調整する。これにより、ノズルとなる凹部の先端まで気泡を生じることなく樹脂を充填することができ、かつ、ノズルとなる凹部または第1の凹部の先端部のみに樹脂を充填することができる。
In addition, the method for producing a nozzle substrate according to the present invention includes spin coating or spray coating of resin on the surface on which the concave portion serving as a nozzle is formed, and then performing O 2 ashing to thereby apply a small amount of resin to the concave portion or the second coating. 1 is left at the tip of the recess.
In this way, when filling the resin, the resin is filled into the recess that becomes the nozzle by spin coating or spray coating, and then a small amount of resin remains at the tip of the recess or the first recess by O 2 ashing. Adjust as follows. Thereby, it is possible to fill the resin without generating bubbles up to the tip of the recess serving as the nozzle, and it is possible to fill only the tip of the recess serving as the nozzle or the first recess.
また、本発明に係るノズル基板の製造方法は、シリコン基板を薄板化した後に、この薄板化されたシリコン基板の表面に、撥水膜を形成する工程と、撥水膜を形成した面に、保護テープを貼り付ける工程と、を有する。
ノズルとなる凹部または第1の凹部の先端部は樹脂により塞がれているため、撥水膜を吐出面にのみ形成することができる。また、樹脂をO2アッシングで除去する際には、保護テープを撥水膜上に貼り付けてあるため、撥水膜及びノズル内面は何らO2プラズマの影響を受けることはない。
The nozzle substrate manufacturing method according to the present invention includes a step of forming a water repellent film on the surface of the thinned silicon substrate after the silicon substrate is thinned, and a surface on which the water repellent film is formed. And a step of applying a protective tape.
Since the concave portion serving as the nozzle or the tip of the first concave portion is closed by the resin, the water-repellent film can be formed only on the ejection surface. Further, when removing the resin by O 2 ashing, since the protective tape is stuck on the water repellent film, the water repellent film and the inner surface of the nozzle are not affected by the O 2 plasma at all.
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、上記のいずれかのノズル基板の製造方法を適用して液滴吐出ヘッドを製造するものである。
本発明によれば、ノズル形状の安定性とノズル内部の清浄度の高いノズル基板を製造できるので、このノズル基板を用いることにより、吐出性能の向上と生産性向上を同時に実現する液滴吐出ヘッドを製造することができる。
A method for manufacturing a droplet discharge head according to the present invention is a method for manufacturing a droplet discharge head by applying any one of the above-described nozzle substrate manufacturing methods.
According to the present invention, a nozzle substrate having high nozzle shape stability and high cleanliness inside the nozzle can be manufactured. By using this nozzle substrate, a droplet discharge head that simultaneously improves discharge performance and productivity. Can be manufactured.
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、上記の液滴吐出ヘッドの製造方法により製造されたものである。
これにより、吐出性能の向上と生産性向上を同時に実現する液滴吐出ヘッドが得られる。
A droplet discharge head according to the present invention is manufactured by the above-described method for manufacturing a droplet discharge head.
As a result, a droplet discharge head that can simultaneously improve discharge performance and improve productivity can be obtained.
以下、本発明の一実施の形態に係る液滴吐出ヘッドについて、図面を参照して説明する。図1〜図4は、液滴吐出ヘッドの一例として、静電駆動方式によるフェイス吐出型のインクジェットヘッドを示すものである。図1は、このインクジェットヘッドの概略構成を分解して示す分解斜視図で、一部を断面で表してある。図2は組立状態を表した図1の右半分の概略構成を示すインクジェットヘッドの部分断面図、図3は図2のノズル部分を拡大して示す断面図、図4は図2のインクジェットヘッドの上面図である。 Hereinafter, a droplet discharge head according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 to 4 show a face discharge type ink jet head using an electrostatic drive system as an example of a droplet discharge head. FIG. 1 is an exploded perspective view showing an exploded schematic configuration of the ink jet head, and a part thereof is shown in cross section. 2 is a partial cross-sectional view of the ink jet head showing a schematic configuration of the right half of FIG. 1 showing the assembled state, FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing the nozzle part of FIG. 2, and FIG. It is a top view.
本実施形態のインクジェットヘッド10は、ノズル基板1、キャビティ基板2、及び電極基板3の3枚の基板をこの順に貼り合わせて構成されている。キャビティ基板2と電極基板3とは陽極接合で接合されており、ノズル基板1とキャビティ基板2とはエポキシ樹脂等の接着剤を用いて接着されている。本実施形態では、フェイス吐出型のインクジェットヘッド10であるが、基板の端部からインク滴を吐出するタイプのエッジ吐出型にすることもできる。この場合、ノズル基板はキャビティ基板とインク流路を塞ぐ蓋基板の両基板の端面に接着される。また、このインクジェットヘッド10は、図示のように3枚の基板を積層した3層構造であるが、共通インク室であるリザーバ部をキャビティ基板2とは別の基板に設けたリザーバ基板を用いる4枚の基板からなる4層構造にすることもできる。
The
本発明により作製されるノズル基板1は、上述した吐出形式、積層形式、あるいはアクチュエータの駆動方式を問わず全ての構造に適用される。このノズル基板1は、シリコン基板から作製される。一般には単結晶シリコン基板が用いられるが、多結晶シリコン(ポリシリコン)基板でもかまわない。多結晶シリコン基板を用いると同程度のノズル形状精度が得られるうえに、材料費を安く抑えることができる。以下に説明するノズル基板1は、単結晶シリコンまたは多結晶シリコンを主要材料とするものであり、単に「シリコン基板」と称する。このノズル基板1の製造方法については後で詳しく説明する。
The
ノズル基板1には、インク滴を吐出する複数のノズル11が形成されている。本実施形態の場合、各ノズル11は、インク滴の吐出側に位置する口径(約20μm)の小さい第1のノズル孔11aと、インクの供給側に位置する口径(約50μm)の大きい第2のノズル孔11bとにより2段で構成されている。第1のノズル孔11aはノズル基板1の表面(インク吐出面)1aに対して垂直に小口径の円筒状に形成されており、第2のノズル孔11bは第1のノズル孔11aと中心軸線が高い精度で一致するように同軸上(同心円)に形成され、かつ、第1のノズル孔11aよりも断面積が大きく、断面形状が円筒状に形成されている。このようにノズル11を2段の垂直孔を持つ構造とすることにより、インク滴の吐出方向をノズル11の中心軸方向に揃えることができ、安定したインク吐出特性を発揮させることができる。すなわち、インク滴の飛翔方向のばらつきがなくなり、またインク滴の飛び散りがなく、インク滴の吐出量のばらつきを抑制することができる。また、ノズル密度の高密度化も可能になる。なお、ノズル11の形状及び構造は、図3に示すものに限定されるものではない。例えば、第2のノズル孔11bの形状は、断面積が第1のノズル孔11aに向かって漸減または縮小するように、(a)テーパ状、(b)釣り鐘状、(c)複数段の形状としてもよい。あるいは、(d)ノズル基板1にはストレートの第1のノズル孔11aのみとし、第2のノズル孔11bは別の基板、例えばリザーバ基板に設けてもよい。
A plurality of
また、ノズル基板1には、適切な保護膜が形成される。すなわち、ノズル基板1の表裏両面、及びノズル11の内面には、図3に示すように、インクによりシリコンが腐食しないように、例えばSiO2からなる耐インク保護膜(耐吐出液保護膜)12が形成されている。さらに、インク吐出面1aの耐インク保護膜12の上には、インク吐出面1aでの撥水性を向上させるために、ノズル11の吐出口の口縁を境界としてインク吐出面1a全面に撥水膜13が形成されている。撥水膜13はフッ素含有有機ケイ素化合物を主成分とするものが望ましい。その理由は、耐インク保護膜12表面のヒドロキシル基がフッ素含有有機ケイ素化合物のメトキシ基等の加水分解基と強固に結合するため、耐インク保護膜12とその表面上に形成される撥水膜13との密着性が向上するからである。
An appropriate protective film is formed on the
上記のように構成されたノズル基板1が接着接合されるキャビティ基板2は、単結晶シリコン基板から作製される。キャビティ基板2には、ノズル11の各々に連通するインク流路溝が異方性ウェットエッチングにより形成される。このインク流路溝には、底壁を振動板22とし吐出室21となる吐出凹部210と、共通のインク室であるリザーバ23となるリザーバ凹部230と、リザーバ凹部230と各吐出凹部210とを連通するオリフィス24となるオリフィス凹部240が形成される。なお、振動板22は同じ厚みを有するボロン拡散層で形成することにより厚み精度を高精度に形成することができる。また、オリフィス24はノズル基板1側に設けることもでき、この場合は接合面100b(インク吐出面100aと反対側の面)にリザーバ凹部230と各吐出凹部210とを連通する細溝状の凹部として形成される。
The
また、キャビティ基板2には、電極基板3との接合面全面に短絡や絶縁破壊等を防止するための絶縁膜25が形成される。絶縁膜25としてはSiO2やSiN、あるいはAl2O3やHfO2等のいわゆるHigh−k材などが目的に応じて用いられる。特に、High−k材を用いると比誘電率がSiO2よりも大きいため、アクチュエータ発生圧力を高めることができ、更なる高密度化を図ることが可能となる。なお、絶縁膜25は必要に応じて個別電極31の対向面上に形成してもよい。また、インク流路溝側のキャビティ基板2の全面には親水膜としてSiO2からなる耐インク保護膜26が熱酸化法やスパッタ法、CVD法等で形成され、さらにPt等の金属膜からなる共通電極27がキャビティ基板2上に形成される。
In addition, an insulating
このキャビティ基板2と陽極接合される電極基板3は、例えばホウ珪酸系のガラス基板から作製される。このガラス基板に振動板22と対向する位置にそれぞれ凹部32がエッチングにより形成され、さらに各凹部32の底面に一般にITO(Indium Tin Oxide:インジウム錫酸化物)からなる個別電極31がスパッタ法により形成される。また、インクを供給するためにリザーバ23と連通するインク供給口33がサンドブラスト法等により形成される。インク供給口33は図示しないインクタンクに接続される。
The
この電極基板3と上記のキャビティ基板2とは、個別電極31と振動板22とが所定(例えば、0.1μm)のギャップ(空間)34を介して対向配置するように陽極接合される。これにより、ギャップ34を介して対峙する個別電極31と絶縁膜25を有する振動板22とで吐出室21に所要の圧力を加えることができる静電アクチュエータ4が構成される。なお、ギャップ34の外部連通部には、内部に水分や塵埃などが入らないように気密に封止するため封止部35が設けられる。この封止技術としては、エポキシ樹脂等を塗布する方法、あるいはスパッタ法により無機酸化物等を堆積ないし成膜する方法があり、いずれの方法でもよい。これにより、静電アクチュエータ4の駆動耐久性、信頼性が向上する。
そして、図2、図4に簡略化して示すように、静電アクチュエータ4を駆動するために、ドライバIC等の駆動手段5を搭載したFPC(Flexible Print Circuit)を、電極取り出し部36において、導電性接着剤により、各個別電極31の端子部31aと、キャビティ基板2上に設けられた金属製の共通電極27に配線接続する。以上のようにしてインクジェットヘッド10が完成する。
The
2 and 4, in order to drive the
ここで、インクジェットヘッド10の動作について説明する。任意のノズル11よりインク滴を吐出させるためには、そのノズル11に対応する静電アクチュエータ4を以下のように駆動する。
駆動手段5により当該個別電極31と共通電極である振動板22間にパルス電圧を印加する。パルス電圧の印加によって発生する静電気力により振動板22が個別電極31側に引き寄せられて当接し、吐出室21内に負圧を発生させ、リザーバ23内のインクを吸引し、インクの振動(メニスカス振動)を発生させる。このインクの振動が略最大となった時点で、電圧を解除すると、振動板22は個別電極31から離脱して、その時の振動板22の復元力によりインクを当該ノズル11から押出し、インク滴を吐出する。
Here, the operation of the
A pulse voltage is applied between the
次に、本実施形態のノズル基板1の製造方法の一例について、図5〜図9を用いて説明する。図5〜図9はノズル基板1の製造工程を示す部分断面図であり、シリコンウエハに複数個作製されるもののうちの一部分を断面であらわしたものである。また、以下に記載する基板の厚み、膜厚、エッチング深さ、温度、圧力等についての数値はその一例を示すもので、これに限定されるものではない。
Next, an example of the manufacturing method of the
(a)まず、厚み525μmのシリコン基板100を用意し、このシリコン基板100を熱酸化装置にセットして、酸化温度1075℃、酸化時間4時間、酸素と水蒸気の混合雰囲気中の条件で熱酸化処理し、シリコン基板100の表面に膜厚1μmのSiO2 膜101を均一に成膜する(図5(a))。
(b)次に、シリコン基板100の接合面(キャビティ基板2と接合される面をいう)100bにレジスト102をコーティングし、第2のノズル孔11bとなる部分110bをパターニングする(図5(b))。
(c)そして、このシリコン基板100を、例えば緩衝フッ酸水溶液(フッ酸水溶液:フッ化アンモニウム水溶液=1:6)でハーフエッチングし、SiO2 膜101を薄くする。このとき、インク吐出面100a側のSiO2 膜101もエッチングされ、SiO2 膜101の厚みが薄くなる(図5(c))。
(d)シリコン基板100のレジスト102を硫酸洗浄などにより剥離する(図5(d))。
(A) First, a
(B) Next, a resist 102 is coated on a bonding surface (referred to as a surface bonded to the cavity substrate 2) 100b of the
(C) The
(D) The resist 102 on the
(e)再度、シリコン基板100の(b)でパターニング済みの接合面100b側にレジスト103をコーティングし、第1のノズル孔11aとなる部分110aをパターニングする(図6(e))。
(f)そして、シリコン基板100を緩衝フッ酸水溶液(フッ酸水溶液:フッ化アンモニウム水溶液=1:6)でエッチングし、第1のノズル孔11aとなる部分110aのSiO2 膜101を開口する。このとき、インク吐出面110a側のSiO2 膜101はエッチングされ、完全に除去される(図6(f))。
(g)シリコン基板100の接合面100b側に設けたレジスト103を、硫酸洗浄などにより剥離する(図6(g))。
(E) Again, the resist 103 is coated on the
(F) Then, the
(G) The resist 103 provided on the
(h)次に、ICP(Inductively Coupled Plasma)ドライエッチング装置により、SiO2 膜101の開口部を、例えば、深さ25μmまで垂直に異方性ドライエッチングし、第1のノズル孔11aとなる第1の凹部11Aを形成する(図7(h))。この場合のエッチングガスとしては、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は形成される穴の側面のエッチングが進行しないように穴側面を保護するために使用し、SF6 は穴の垂直方向のエッチングを促進させるために使用する。
(i)次に、第2のノズル孔11bとなる部分110bのSiO2 膜101のみがなくなるように、緩衝フッ酸水溶液でハーフエッチングする(図7(i))。
(j)再度、ICPドライエッチング装置により、SiO2 膜101の開口部を、例えば、深さ40μmまで垂直に異方性ドライエッチングし、第2のノズル孔11bとなる第2の凹部11Bを形成する(図7(j))。
(H) Next, with an ICP (Inductively Coupled Plasma) dry etching apparatus, the opening of the SiO 2 film 101 is anisotropically dry etched vertically to a depth of 25 μm, for example, to form the first nozzle hole 11a. 1
(I) Next, half etching is performed with a buffered hydrofluoric acid solution so that only the SiO 2 film 101 in the
(J) The opening of the SiO 2 film 101 is again anisotropically dry etched to a depth of 40 μm, for example, by an ICP dry etching apparatus again to form the
(k)そして、シリコン基板100の表面に残るSiO2 膜101をフッ酸水溶液で全面除去した後、シリコン基板100を熱酸化装置にセットし、酸化温度1000℃、酸化時間2時間、酸素雰囲気中の条件で熱酸化処理を行い、ICPドライエッチング装置で加工した第1の凹部11A及び第2の凹部11Bの側面及び底面と、シリコン基板100の接合面100b及びインク吐出面100aに、耐インク保護膜12となるSiO2 膜12aを膜厚0.1μmで均一に成膜する(図7(k))。
(K) Then, the SiO 2 film 101 remaining on the surface of the
(l)次に、シリコン基板100を接合面100b側を上に向けてガラス製の回転台(図示せず)上に載置し、例えば、熱硬化型のアクリル系の樹脂40を膜厚1.5μmでスピンコートする。これにより、第1の凹部11A及び第2の凹部11Bの内部にアクリル系の樹脂40が入り充填される(図8(l))。その後、加熱して樹脂40を硬化させる。なお、第1及び第2の凹部11A、11B内に注入する樹脂40は、アクリル系樹脂に限られない。一液性樹脂であればよく、ウレタン系、エポキシ系等でも使用可能である。また、注入方法についてもスピンコート法に限らずスプレーコート法でもよい。スピンコート法またはスプレーコート法によれば、熱硬化型あるいはUV等光硬化型の樹脂を第1の凹部11Aの先端(第1の凹部11Aの底面)まで、気泡を生じることなく完全に充填することができる。
(L) Next, the
(m)次に、第1の凹部11Aの内部、またはその先端部にのみ、少量の樹脂40が残るように真空中でO2アッシングを行う(図8(m))。このときのO2アッシングの条件は、RF:300W、酸素ガス流量:30ミリリットル/分、アッシング時間:15分である。なお、第2の凹部11Bの底面の隅部に樹脂40が残っていても差し支えない。
(n)次に、ガラス等の透明材料の支持基板120に、例えばダイシングテープといった両面に接着層を有する両面接着テープ50を貼り付けた後、シリコン基板100の接合面100bを向かい合わせ、真空中で支持基板120とシリコン基板100とを貼り合わせる(図8(n))。
(M) Next, O 2 ashing is performed in vacuum so that a small amount of the
(N) Next, a double-sided
(o)そして、シリコン基板100のインク吐出面100a側からバックグラインダーで研削加工を行い、第1の凹部11Aの先端が開口するまでシリコン基板100を薄くする(図8(o))。更には、ポリッシャー、CMP(Chemical Mechanical Polishing)装置によってインク吐出面100aを研磨することによって、第1の凹部11Aの先端部の開口を行っても良い。あるいは、第1の凹部11Aの先端部の開口を、ドライエッチングで行っても良い。例えば、SF6 をエッチングガスとするドライエッチングで、第1の凹部11Aの先端部までシリコン基板100を薄くし、表面に露出した第1の凹部11Aの先端部のSiO2 膜12aを、CF4 又はCHF3 等をエッチングガスとするドライエッチングによって除去してもよい。CMP加工後のノズル内の研磨材の水洗除去工程が必要であることを考えるとドライエッチングで開口を行うことが望ましい。
なお、このとき第1の凹部11Aの開口部には基本的に樹脂40が露出した状態で残っており、研削あるいは研磨中に水あるいは研削液、研磨材の内部侵入は起こりにくくなる。さらに、樹脂40があることにより、第1の凹部11Aの開口部はインク吐出面100aと連続した面となっており、研削あるいは研磨ムラによるエッジダメージもしくはエッジダレが起こりにくくなる。
(O) Then, grinding is performed with a back grinder from the
At this time, the
(p)薄板化されたシリコン基板100のインク吐出面100aに、スパッタ装置で耐インク保護膜12となるSiO2 膜12bを0.1μmの厚みで成膜する。ここで、SiO2 膜12aの成膜は、樹脂40が劣化しない温度(200℃程度)以下で実施できればよく、スパッタリング法に限るものではない。ただし、耐インク性等を考慮すると緻密な膜を形成する必要があり、ECR(Electron Cyclotron Resonance)スパッタ装置等の常温で緻密な膜を成膜できる装置を使用することが望ましい。
続いて、シリコン基板100のインク吐出面100a側の表面に撥水処理(撥インク処理)を施す。F原子を含む撥水性(撥インク性)を持った材料を蒸着やディッピングで成膜し、撥水膜13を形成する(図9(p))。このとき、開口された第1の凹部11Aの先端部には樹脂40が充填されており、樹脂40は所謂めくら栓として第1の凹部11A及び第2の凹部11Bの内部を保護しているため、上記のSiO2 膜12bおよび撥水膜13は、この樹脂40面には形成されない。したがって、第1の凹部11Aの先端開口縁、つまり後述の樹脂40の除去により形成される第1のノズル孔11aの吐出口の口縁を境界として、シリコン基板100のインク吐出面100a側の表面全面に撥水膜13を成膜することができる。
(P) A SiO 2 film 12b to be an ink resistant
Subsequently, a water repellent treatment (ink repellent treatment) is performed on the surface of the
(q)支持基板120側から紫外線を照射し、両面接着テープ50と支持基板120を剥離し、その後両面接着テープ50をシリコン基板100よりゆっくりと剥がし取る(図9(q))。
(Q) Ultraviolet rays are irradiated from the
(r)次に、シリコン基板100のインク吐出面100a側に成膜した撥水膜13上に、例えば、E−MASK(登録商標:日東電工製)の保護テープ60を貼り付けた後、プラズマ源ドライエッチング装置にセットし、保護テープ60と反対側のシリコン基板100の接合面100b側よりO2プラズマ処理を行い、第1の凹部11Aの先端部に残っている樹脂40を完全に除去する(図9(r))。この際、保護テープ60によりインク吐出面100a側の撥水膜13は保護されているため、何らO2プラズマの影響を受けることはない。
また、たとえ樹脂40の一部が、図9(q)のように第2の凹部11Bの隅部に残っていたとしても、O2プラズマ処理により、当該樹脂40の一部も完全に除去することができる。これにより、第1のノズル孔11aおよび第2のノズル孔11bの形状精度、ノズル11内部の清浄度及びノズル形状の安定性を高く保持することができる。
(R) Next, for example, a
Even if a part of the
(s)最後に、保護テープ60をシリコン基板100よりゆっくりと剥がし取れば、ノズル基板1が完成する(図9(s))。
(S) Finally, if the
本実施形態に係るノズル基板1の製造方法によれば、シリコン基板100の薄板化工程において、第1のノズル孔11aとなる第1の凹部11Aを開口する際、第1の凹部11Aの先端部に樹脂40が充填されているため、ノズル先端の欠けを無くすことができる。さらに、第1の凹部11Aの先端部に樹脂40が充填されていることにより、ノズル11の内部が保護されているので、第1のノズル孔11aの先端開口縁を境界としてインク吐出面100aのみの撥水処理が可能となる。また、第1の凹部11Aの開口のために行う研削または研磨中の研削液または研磨剤の侵入を防ぐことができ、ノズル11内部の清浄度向上が図れると同時に、樹脂40も第1の凹部11Aの内部のみと比較的少量に限定することができので、樹脂除去に要する時間短縮とインク吐出面100aへのプラズマダメージの緩和、さらには樹脂残りを無くすことができ、生産性が向上する。さらに、研削、研磨時において、第1の凹部11A内に樹脂40があることにより、第1の凹部11Aの開口部はインク吐出面100aと連続した面となっており、研削あるいは研磨ムラによるエッジダメージもしくはエッジダレが起こりにくくなる。
よって、ノズル11内の清浄度向上とノズル形状の安定性向上を同時に実現することができる。
According to the manufacturing method of the
Therefore, it is possible to simultaneously improve the cleanliness in the
次に、上記のように作製されたノズル基板1を用いて、インクジェットヘッド10を製造する方法について、図10〜図12を参照して説明する。図10〜図12は、予め作製された電極基板3上にシリコン基板200を接合した後、そのシリコン基板200からキャビティ基板2を製造する工程を示す部分断面図である。
Next, a method of manufacturing the
(a)まず、ホウ珪酸系ガラス等からなるガラス基板300に、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、例えばスパッタ法によりITO(Indium Tin Oxide)からなる個別電極31を形成する。その後、サンドブラスト等によってインク供給孔33となる孔部33aを形成することにより、電極基板3を作製する(図10(a))。
(A) First, a
(b)次に、例えば厚みが280μmの単結晶シリコン基板(以下、シリコン基板という)200の片面全面に、例えば厚みが0.8μmのボロン拡散層201を形成したシリコン基板200を作製する。そして、そのシリコン基板200のボロン拡散層201の表面(下面)上に、絶縁膜9として、熱酸化法によりSiO2膜を0.1μmの膜厚で全面成膜する(図10(a))。
(c)このシリコン基板200と、図10(a)のように作製された電極基板3とを360℃に加熱し、シリコン基板200を陽極に、電極基板3を陰極に接続して800V程度の電圧を印加して、陽極接合する(図10(c))。
(d)この接合済みシリコン基板200の表面全面を研磨加工して、厚みを例えば50μm程度に薄くし(図10(d))、さらにこのシリコン基板200の表面全面をウェットエッチングによりライトエッチングして加工痕を除去する。
(B) Next, a
(C) The
(D) The entire surface of the bonded
(e)次に、薄板に加工された接合済みシリコン基板200の表面に、プラズマCVDによって、TEOS(Tetraethoxysilane:テトラエトキシシラン)を原料ガスとするSiO2膜であるTEOS膜260を形成する。そして、このTEOS膜260に、吐出室21となる凹部210、オリフィス24となる溝部240およびリザーバ23となる凹部230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260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で異方性ウェットエッチングすることによって、吐出室21となる凹部210、オリフィス24となる溝部240及びリザーバ23となる凹部230を形成する(図11(e))。このとき、配線のための電極取り出し部36となる部分もエッチングして薄板化しておく。なお、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。その際、ボロン拡散層201の表面でエッチングストップがかかるので、振動板22の厚みを高精度に形成することができるとともに、面荒れを防ぐことができる。
(E) Next, a
Thereafter, the
(f)シリコン基板200のエッチングが終了した後に、フッ酸水溶液でエッチングし、シリコン基板200の上面に形成されているSiO2膜260を除去する(図11(f))。
(F) After the etching of the
(g)シリコン基板200の吐出室21となる凹部210等が形成された面に、プラズマCVDにより耐インク保護膜となるTEOS膜を形成する(図11(g))。
(G) A TEOS film serving as an ink-resistant protective film is formed by plasma CVD on the surface of the
(h)RIE(Reactive Ion Etching)等によって、電極取り出し部29を開放する。また、電極基板3のインク供給口33となる孔部にレーザ加工、あるいはマイクロブラスト加工を施して、シリコン基板200のリザーバ23となる凹部230の底部を貫通させ、インク供給口33を形成する。また、振動板22と個別電極31の間のギャップ34の外部連通部には、エポキシ樹脂等の封止材により気密に封止する封止部35を設ける。さらに、共通電極27をスパッタにより、シリコン基板200の端部に形成する(図11(h))。
(H) The
以上の工程を経て電極基板3に接合されたシリコン基板200からキャビティ基板2が作製される。
最後に、このキャビティ基板2の上に、前述のようにして作製されたノズル基板1を接着により接合し、ダイシングにより個々のヘッドチップに切断すれば、図2に示したインクジェットヘッド10が完成する(図12)。
The
Finally, the
本実施形態に係るインクジェットヘッド10の製造方法によれば、前述のように作製されたノズル基板1を備えているので、吐出性能の向上及び生産性向上を同時に達成したインクジェットヘッド10が得られる。
また、キャビティ基板2を、予め作製された電極基板3に接合した状態のシリコン基板200から作製するので、その電極基板3によりシリコン基板200を支持した状態となり、シリコン基板200を薄板化しても割れたり欠けたりすることがなく、ハンドリングが容易となる。従って、キャビティ基板2を単独で製造する場合よりも歩留まりが向上する。
According to the method for manufacturing the
Further, since the
上記の実施形態では、ノズル基板及びインクジェットヘッド、ならびにこれらの製造方法について述べたが、本発明は上記の実施形態に限定されるものでなく、本発明の思想の範囲内で種々変更することができる。例えば、アクチュエータの駆動方式についても静電駆動方式に限らず、圧電素子や発熱素子を利用する駆動方式にも本発明を適用することができる。また、ノズルより吐出される液状材料を変更することにより、図13に示すインクジェットプリンタ400のほか、液晶ディスプレイのカラーフィルタの製造、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など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。液滴吐出ヘッド(インクジェットヘッド)及び液滴吐出装置に、本実施形態のノズル基板の製造方法で製造されたノズル基板を搭載することにより、良好な吐出特性と耐久性を兼ね備えた液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を得ることができる。
In the above embodiment, the nozzle substrate, the inkjet head, and the manufacturing method thereof have been described. However, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made within the scope of the idea of the present invention. it can. For example, the actuator driving method is not limited to the electrostatic driving method, and the present invention can also be applied to a driving method using a piezoelectric element or a heating element. Further, by changing the liquid material discharged from the nozzle, in addition to the
1 ノズル基板、2 キャビティ基板、3 電極基板、4 静電アクチュエータ、5 駆動手段、10 インクジェットヘッド、11 ノズル、11a 第1のノズル孔、11b 第2のノズル孔、11A 第1の凹部、11B 第2の凹部、12 耐インク保護膜、13 撥水膜、21 吐出室、22 振動板、23 リザーバ、24 オリフィス、25 絶縁膜、26 耐インク保護膜、27 共通電極、31 個別電極、32 凹部、33 インク供給口、34 ギャップ、35 封止部、36 電極取り出し部、40 樹脂、50 両面接着テープ、100 シリコン基板、104 樹脂、400 インクジェットプリンタ。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記凹部の先端部に樹脂を充填する工程と、
前記凹部が形成された面に、支持基板を貼り合わせる工程と、
前記凹部が形成された面と反対側の面から、前記樹脂が露出するまで前記シリコン基板を薄板化する工程と、
前記薄板化されたシリコン基板から前記支持基板を剥離し、その後、前記樹脂を除去することにより、前記ノズルを開口する工程と、
を有することを特徴とするノズル基板の製造方法。 Forming a recess to be a nozzle from one surface side of the silicon substrate;
Filling the resin into the tip of the recess;
Bonding the support substrate to the surface on which the recesses are formed;
Thinning the silicon substrate until the resin is exposed from the surface opposite to the surface on which the concave portion is formed;
Peeling the support substrate from the thinned silicon substrate and then opening the nozzle by removing the resin;
A method for manufacturing a nozzle substrate, comprising:
前記撥水膜を形成した面に、保護テープを貼り付ける工程と、
を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のノズル基板の製造方法。 Forming a water repellent film on the surface of the thinned silicon substrate after thinning the silicon substrate;
Attaching a protective tape to the surface on which the water-repellent film is formed;
5. The method of manufacturing a nozzle substrate according to claim 1, comprising:
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