JP2005138385A - 液滴吐出ヘッドの製造方法、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 異物の付着に起因する第1の基板と第2の基板との接合不良や、液滴吐出ヘッドの動作不良の発生を防止して液滴吐出ヘッドの歩留まりを向上させ、第2の基板に形成された電極に様々な材質のものを使用でき、液滴吐出ヘッドを安価に製造できるようにする。
【解決手段】 開示される液滴吐出ヘッドの製造方法は、シリコン基板31に吐出室6、振動板5を形成して第1の基板1とする第1の工程と、ガラス基板に電極を形成して第2の基板とする第2の工程と、第2の基板の第1の基板1に対向する面に超音波スクラブ洗浄及び非接触スクラブ洗浄を施す第3の工程と、第1の基板1と第2の基板とを接合する第4の工程とを有している。
【選択図】 図1
【解決手段】 開示される液滴吐出ヘッドの製造方法は、シリコン基板31に吐出室6、振動板5を形成して第1の基板1とする第1の工程と、ガラス基板に電極を形成して第2の基板とする第2の工程と、第2の基板の第1の基板1に対向する面に超音波スクラブ洗浄及び非接触スクラブ洗浄を施す第3の工程と、第1の基板1と第2の基板とを接合する第4の工程とを有している。
【選択図】 図1
Description
本発明は、液体が充填される吐出室の壁面を構成する振動板と振動板に対向する電極との間に電圧を印加して振動板を電極に当接離間させて吐出室に連通するノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドを製造する液滴吐出ヘッドの製造方法、この製造方法を用いて製造した液滴吐出ヘッド及び、この液滴吐出ヘッドを有する液滴吐出装置に関する。特に、吐出室が形成された基板と、電極が形成された基板とを接合して液滴吐出ヘッドを製造する液滴吐出ヘッドの製造方法、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置に関する。
従来の液滴吐出ヘッドの製造方法は、シリコン基板にノズル、吐出室、振動板等を形成して第1の基板とする第1の工程と、シリコン基板に上記振動板に対向する電極を形成して第2の基板とする第2の工程と、第1の基板を硫酸と過酸化水素水の混合液で洗浄し、乾燥後両基板の対応するパターン同士の位置合わせを行った後、両基板を重ね合わせた状態で熱処理を行って両基板を接合する第3の工程とを有している(例えば、特許文献1参照。)。以下、この技術を第1の従来例と呼ぶ。
また、従来の液滴吐出ヘッドの製造方法には、上記した第1及び第2の工程と同様の工程と、第1及び第2の基板をRCA洗浄で知られる基板洗浄法を用いて洗浄した後、硫酸と過酸化水素水の熱混合液に浸漬して接合面を親水化させることで直接接合をしやすい表面状態とし、両基板の対応するパターン同士の位置合わせを行った後、両基板を重ね合わせた状態で熱処理等を行って両基板を接合する工程とを有しているものもある(例えば、特許文献2参照。)。以下、この技術を第2の従来例と呼ぶ。
ところで、第1の基板に形成された振動板と、これに対向して配置され、第2の基板に形成された電極との対向間隔(これをギャップ長と呼ぶ。)は、例えば、0.05〜2.0μmである。したがって、パーティクル(粒子等、大気中の浮遊物、人体からの発塵等)や貴金属等の異物が振動板と電極との間に付着すると、第1の基板と第2の基板との接合不良や、液滴吐出ヘッドの動作不良を引き起こしてしまう。そこで、従来では、上記した第1及び第2の従来例のように、第1の基板と第2の基板とを接合する前に、第1及び第2の基板を上記したRCA洗浄等により化学的に洗浄していた。
ここで、RCA洗浄とは、明確な定義はないが、例えば、硫酸(H2SO4)、過酸化水素水(H2O2)、純水(H2O)の混合液(SPM:sulfuric acid/hydrogen peroxide/water mix)による洗浄、フッ化水素酸(HF)と純水(H2O)とからなる希フッ化水素酸(DHF:dilute hydrofluoric acid)による洗浄、アンモニア(NH4OH)、過酸化水素水(H2O2)、純水(H2O)の混合液(APM:ammonium hydroxide/hydrogen peroxide/water mix)による洗浄、塩酸(HCl)、過酸化水素水(H2O2)、純水(H2O)の混合液(HPM:hydrochloric acid/hydrogen peroxide/water mix)による洗浄などを目的に応じて組み合わせる洗浄方法である。なお、APM洗浄はSC−1洗浄とも呼ばれ、HPM洗浄はSC−2洗浄とも呼ばれる。図9に、上記した代表的な化学洗浄の種類、その主な洗浄目的、副作用(汚染)を示す。
ところが、上記した第1及び第2の従来例のような化学洗浄では、上記異物を十分に除去することが困難であるため、上記異物の付着に起因する第1の基板と第2の基板との接合不良や、液滴吐出ヘッドの動作不良が発生し、液滴吐出ヘッドの歩留まりが低下してしまうという課題があった。また、上記した化学洗浄では、酸を用いているため、第2の基板に形成された電極がその材質によっては酸により腐食されてしまうという課題があった。このため、電極に用いる金属が、金(Au)、白金(Pt)、あるいはモリブデン(Mo)等の腐食に強いが高価なものに限定されてしまう。この結果、液滴吐出ヘッドが高価なものとなってしまうという課題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、異物の付着に起因する第1の基板と第2の基板との接合不良や、液滴吐出ヘッドの動作不良の発生を防止して液滴吐出ヘッドの歩留まりを向上させることできるとともに、第2の基板に形成された電極に様々な材質のものを使用することができ、液滴吐出ヘッドを安価に製造することができる液滴吐出ヘッドの製造方法、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を得るものである。
本発明に係る液滴吐出ヘッドの製造方法は、液体が充填される吐出室の壁面を構成する振動板と振動板に対向する電極との間に電圧を印加して振動板を電極に当接離間させて吐出室に連通するノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドの製造方法において、基板に吐出室、振動板を形成して第1の基板とする第1の工程と、基板に電極を形成して第2の基板とする第2の工程と、第2の基板の第1の基板に対向する面に超音波スクラブ洗浄又は非接触スクラブ洗浄の少なくとも1つを施す第3の工程と、第1の基板と第2の基板とを接合する第4の工程とを有しているものである。本発明によれば、異物の付着に起因する第1の基板と第2の基板との接合不良や、液滴吐出ヘッドの動作不良の発生を防止して液滴吐出ヘッドの歩留まりを向上させることできるとともに、第2の基板に形成された電極に様々な材質のものを使用することができ、液滴吐出ヘッドを安価に製造することができる。
また、上記の製造方法において、第3の工程では、第1の基板の第2の基板に対向する面に超音波スクラブ洗浄又は前記非接触スクラブ洗浄の少なくとも1つを施すものである。これにより、より一層、異物の付着に起因する第1の基板と第2の基板との接合不良や、液滴吐出ヘッドの動作不良の発生を防止して液滴吐出ヘッドの歩留まりを向上させることできる。
また、上記の製造方法において、第3の工程では、第1の基板の第2の基板に対向する面に超音波スクラブ洗浄又は前記非接触スクラブ洗浄の少なくとも1つを施すものである。これにより、より一層、異物の付着に起因する第1の基板と第2の基板との接合不良や、液滴吐出ヘッドの動作不良の発生を防止して液滴吐出ヘッドの歩留まりを向上させることできる。
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を用いて製造したものである。本発明によれば、高信頼性かつ高品質で、しかも安価な構成で液滴吐出を行うことができる。
また、本発明に係る液滴吐出装置は、上記の液滴吐出ヘッドと、液滴吐出ヘッドに液体を供給する液体供給手段と、液滴吐出ヘッドを移動させる移動手段と、液滴着弾対象と液滴吐出ヘッドとの相対位置を変化させる位置制御手段とを備えているものである。本発明によれば、高信頼性かつ高品質で、しかも安価な構成で液滴吐出を行うことができる。
実施の形態1.
図4は、本発明の実施の形態1に係る液滴吐出ヘッドの一部断面で示した分解斜視図、図5は、液滴吐出ヘッドの一部側断面図である。この実施の形態1の液滴吐出ヘッドは、液滴を基板の面部に設けたノズルから吐出させるフェイス型と呼ばれるものである。この液滴吐出ヘッドは、第1の基板1と、第2の基板2と、第3の基板3とを積層し接合して構成されている。
図4は、本発明の実施の形態1に係る液滴吐出ヘッドの一部断面で示した分解斜視図、図5は、液滴吐出ヘッドの一部側断面図である。この実施の形態1の液滴吐出ヘッドは、液滴を基板の面部に設けたノズルから吐出させるフェイス型と呼ばれるものである。この液滴吐出ヘッドは、第1の基板1と、第2の基板2と、第3の基板3とを積層し接合して構成されている。
第1の基板1は、キャビティプレートとも呼ばれ、(110)面方位の酸素濃度の低いシリコン単結晶基板(以下、単にシリコン基板というときは、(110)面方位の酸素濃度の低いシリコン単結晶基板を意味する。)により構成されている。第1の基板1の全面には、図5に示すように、厚さ約0.1μmを有するTEOS(Tetraethyl orthosilicate Tetraethoxysillane:テトラエトキシシラン、ケイ酸エチル)膜4が、液滴吐出ヘッドを駆動させた時の絶縁破壊及び短絡を防止するために絶縁膜として形成されている。第1の基板1には、その底壁が振動板5となる吐出室6を構成する凹部7と、各吐出室6に供給すべき液体が貯蔵されるリザーバ8を構成する凹部9とが形成されている。電極端子10は、図5に示す発振回路21と接続されている。
第2の基板2は、例えば、厚さ約1mmを有し、ホウ珪酸系の耐熱硬質ガラス(SiO2,B2O3)又はシリコン基板により構成され、図4及び図5に示すように、第1の基板1の裏面に接合されている。第2の基板2には、第1の基板1に形成されている各吐出室6に対向して、例えば、深さ約0.25μmの凹部11が形成されている。凹部11の内部には、例えば、厚さ約0.1μmを有する、電極12、リード部13及び端子部14(以下、これらを総称して電極部と呼ぶ。)が形成されている。電極部の材料としては、例えば、錫ドープ酸化インジウム(ITO:Indium Tin Oxide)やクロム(Cr)等の金属等がある。この実施の形態1では、第1の基板1に形成された振動板5と、これに対向して配置され、第2の基板2に形成された電極12との対向間隔、すなわち、ギャップ長は、凹部11の深さ(約0.25μm)から電極12の厚さ(約0.1μm)を減算した、約0.15μmとなる。また、隣接する凹部11の間の所定箇所には、一端がリザーバ8に連通するとともに他端が図示せぬ液体タンクに接続されている液体供給口15が設けられている。さらに、電極12は、リード部13及び端子部14を介して図5に示す発振回路21と接続されている。
第3の基板3は、ノズルプレートとも呼ばれ、例えば、厚さ約180μmを有するシリコン基板により構成され、図4及び図5に示すように、第1の基板1の表面に接合されている。この第3の基板3は、第1の基板に対し蓋として作用することにより、吐出室6、リザーバ8及び後述するオリフィス17を構成している。第3の基板3の略中央表面には、対応する吐出室6と連通するノズル16が2列並列して形成されている。各ノズル16は、テーパ状に近づけるために、2段で構成されており、内側(第1の基板1と接合される側。)の径が外側の径よりも大きい。これは、液体流れの整流作用により、液体の直進性を高めるためである。また、第3の基板3の内側の面(図4では裏面。)にはオリフィス17を構成する細溝18が形成されており、吐出室6とリザーバ8とを連通させている。ダイヤフラム19は、リザーバ8に対向しており、液体流路内の圧力変動を緩和させるために、周囲より薄く形成されている。
また、図5において、封止部20は、電極12の部分に異物等が混入しないようにするためのものである。発振回路21は、例えば、20kHzで発振し、電極12と第1の基板1との間に、0Vから30Vのパルス電位を印加して、電極12に電荷の供給及び停止を行う。
次に、上記構成の液滴吐出ヘッドの動作について説明する。まず、図示せぬ液体タンクより液体供給口15を経て第1の基板1の内部に液体が供給され、リザーバ8、吐出室6等に貯蔵される。次に、発振回路21を駆動して電極12に0Vから30Vのパルス電位を印加することにより、電極12に電荷を供給してその表面を正に帯電させると、振動板5の裏面は負に帯電し、振動板5は静電気の吸引作用により電極12に引き寄せられて下方に撓む。これにより吐出室6の容積は広がる。
次に、発振回路21からの電極12への電荷供給を停止すると、振動板5は元に戻るが、そのとき吐出室6の容積も元に戻るから、その圧力により差分の液滴22が吐出し、例えば、液滴着弾対象となる記録紙23に着弾することによって記録が行われる。次に、発振回路21を駆動することにより、振動板5が再び下方に撓むと、液体がリザーバ8よりオリフィス17を介して吐出室6に補給される。
次に、上記構成の液滴吐出ヘッドの製造方法について、図1〜図3に示す製造工程図を参照して説明する。なお、実際には、シリコンウェハを用いて複数個分の液滴吐出ヘッドの部材を形成することとなるが、図1〜図3ではその一部分だけを表して説明する。最初に、第1の基板1の製造方法について図1を参照して説明する。まず、シリコン基板(この時点では、通常ウェハ状である。)の両面を鏡面研磨し、図1(a)に示すように、厚さ約140μmを有するシリコン基板31とする。
そして、シリコン基板31に付着した微小パーティクルを洗浄するための上記したAPM洗浄とシリコン基板31に付着した金属を洗浄するための上記したHPM洗浄とのコンビネーション洗浄を行い、加工精度に影響を与える異物の除去を行う。なお、パーティクルや金属を除去することができるのであれば、洗浄方法はAPM洗浄やHPM洗浄に限る必要はない。
次に、シリコン基板31を熱酸化炉内に投入し、酸素及び水蒸気雰囲気中で、例えば、1075℃、4時間の条件で熱酸化処理を施すことにより、図1(b)に示すように、シリコン基板31の表面31a及び裏面31bに厚さ1.2μmの二酸化シリコン(SiO2)膜32a及び32bを形成する。この場合、シリコン基板31を熱酸化炉内に投入する際の熱酸化炉内の温度及び、シリコン基板31を熱酸化炉内から取り出す際の熱酸化炉内の温度は、ともに800℃(又はそれ以上)に設定する。このような温度設定を行うことにより、シリコン基板31において酸素欠陥が成長する速度が速い温度領域(500〜700℃)を速やかに通過することができ、シリコン基板31での酸素欠陥の発生を抑制することができる。
次に、二酸化シリコン(SiO2)膜32a及び32bの全面にフォトレジスト(図示略)を塗布し、マスクアライナーで二酸化シリコン(SiO2)膜32bの全面に塗布されたフォトレジストを露光した後、現像液で現像するフォトリソグラフィ(photolithography)技術を使用して、二酸化シリコン(SiO2)膜32bのうち、後に凹部7及び9となるべき部分に対応した領域を除去するために、図示せぬフォトレジストパターンを形成する。
次に、ウェットエッチング技術を使用して、例えば、一水素二弗化アンモニウム水溶液、すなわち、バッファードフッ化水素酸(BHF:buffer hydrogen fluoride)等のフッ化水素酸(HF)系のエッチング液で二酸化シリコン(SiO2)膜32bのうち不要な部分を除去した後、上記したフォトレジストパターン及び二酸化シリコン(SiO2)膜32aの全面に塗布したフォトレジストを除去して、図1(c)に示すように、パターン32b1を得る。
次に、パターン32b1を含むシリコン基板31の裏面31bの全面にフォトレジスト(図示略)を塗布した後、このフォトレジストをシリコン基板31の裏面31bの保護膜として、バッファードフッ化水素酸(BHF:buffer hydrogen fluoride)等のフッ化水素酸(HF)系のエッチング液で二酸化シリコン(SiO2)膜32aを除去した後、上記したシリコン基板31の裏面31bの全面に塗布したフォトレジストを除去する(図1(d)参照)。
次に、シリコン基板31の表面31aに付着している微小パーティクルや金属等からなる異物を除去するために、非接触ブラシスクラブ洗浄及び超音波スクラブ洗浄を行う。ここで、図6にスクラブ洗浄装置の概略構成を示す。この例のスクラブ洗浄装置は、シリコン基板31を保持しつつ、シリコン基板31を回転させる回転機構51と、シリコン基板31の表面31aを超音波スクラブ洗浄するための超音波洗浄機構52と、シリコン基板31の表面31aを非接触ブラシスクラブ洗浄するためのブラシ洗浄機構53とから構成されている。
回転機構51は、図示せぬ駆動源から駆動力を伝達されて回転するスピン軸54と、このスピン軸54の上端部に設けられ、表面に設けられた複数の保持ピン55aによりシリコン基板31を裏面31b側から保持するスピンチャック55とから構成されている。超音波洗浄機構52は、洗浄液としての超純水をシリコン基板31の表面31aに供給するノズル56と、このノズル56から供給される上記洗浄液に超音波振動を付与するための振動板を内部に有する超音波ヘッド部57と、この超音波ヘッド部57を一方端で保持する揺動アーム58と、この揺動アーム58をアーム軸59を中心として所定の角度範囲で回動(揺動)させるモータ等の揺動駆動源60とから構成されている。揺動駆動源60は、ノズル56及び超音波ヘッド部57を、シリコン基板31の表面31aに沿って往復移動可能に構成されている。
ブラシ洗浄機構53は、シリコン基板31の表面31aをスクラブ洗浄するためのポリビニルアルコール(PVA:Poly Vinyl Alcohol)からなるスポンジブラシ61aを有するブラシ部61と、このブラシ部61を一方端で回転可能に保持する揺動アーム62と、この揺動アーム62をアーム軸63を中心として所定の角度範囲で回動(揺動)させるモータ等の揺動駆動源64と、ブラシ部61及び揺動アーム62を上下方向に昇降させるシリンダ等の昇降駆動源65とから構成されている。なお、ブラシ部61は、揺動アーム62内に設けられた図示せぬモータ等の回転駆動源により自転可能に構成されている。ブラシ洗浄機構53は、ブラシ部61を、揺動駆動源64によりシリコン基板31の表面31aに沿って水平移動させることができ、また、昇降駆動源65により上下移動可能に構成されている。
次に、上記構成のスクラブ洗浄装置による非接触ブラシスクラブ洗浄及び超音波スクラブ洗浄について説明する。まず、超音波洗浄機構52のノズル56及びブラシ洗浄機構53のブラシ部61がスピンチャック55の上方から退避している状態で、図示せぬ搬送ロボットによりシリコン基板31がスクラブ洗浄装置内に搬入され、スピンチャック55の上に載置されて複数の保持ピン55aに保持される。次に、シリコン基板31を保持したスピンチャック55が図示せぬ回転駆動源によって高速で回転されて、シリコン基板31が回転される。
そして、揺動駆動源60によって揺動アーム58が回動されて、超音波洗浄機構52のノズル56がシリコン基板31の中心の上方付近に移動されるとほぼ同時に、ノズル56より洗浄液としての超純水が供給される(洗浄液供給工程)。この際、洗浄液が超音波ヘッド部57を通過するときに、上記振動板から洗浄液に、例えば、1.5MHzの高周波による超音波振動が付与され(超音波付与工程)、この超音波振動が付与された洗浄液がノズル56から吐出される。
その後、ノズル56が往復移動(揺動)する動作が複数回繰り返されて、超音波洗浄が行われる。なお、この洗浄液供給工程と同時に、あるいは洗浄液供給工程に前後して、ブラシ洗浄機構53により、スポンジブラシ61aの下端がシリコン基板31の表面31aから0〜0.5mm程度離れた非接触スクラブ洗浄が行われる。そして、回転機構51によるシリコン基板31の回転が停止されるとともに、超音波洗浄機構52のノズル56からの洗浄液の供給が停止される。そして最後に、図示せぬ搬送ロボットによってシリコン基板31がスクラブ洗浄装置から搬出されて、1枚のシリコン基板31に対するこのスクラブ洗浄装置での洗浄処理が終了する。なお、この例のスクラブ洗浄装置の詳細については、例えば、特開2002−124504号公報を参照されたい。
次に、シリコン基板31の表面31aを酸化ホウ素(ボロン)(B2O3)を主成分とする固体の拡散源に対向させ、石英ボードにセットする。そして、縦型炉にその石英ボートをセットし、縦型炉内を窒素雰囲気にして温度を1050℃に上昇させてそのまま7時間保持し、ボロンをシリコン基板31中に拡散させ、図1(e)に示すように、厚さ0.8μmを有するボロンドーブ層33(ボロンの濃度は、1.0×1020atoms/cm3である。)を形成する。この場合も、シリコン基板31を熱酸化炉内に投入する際の縦型炉内の温度及び、シリコン基板31を熱酸化炉内から取り出す際の縦型炉内の温度は、ともに800℃(又はそれ以上)に設定する。この設定温度を用いる理由は、上記した二酸化シリコン(SiO2)膜32a及び32bを形成した場合と同様である。
ボロンドーブ層33のシリコン基板31の表面31aには図示せぬボロン化合物が形成される。このボロン化合物を酸素及び水蒸気雰囲気中で、例えば、600℃の条件で1時間30分だけ酸化させ、(B2O3+SiO2)に化学変化させる。ボロン化合物が(B2O3+SiO2)となることにより、バッファードフッ化水素酸(BHF)等のフッ化水素酸(HF)系のエッチング液でのエッチングを行うことができる。次に、パターン32b1を含むシリコン基板31の裏面31bの全面にフォトレジスト(図示略)を塗布した後、このフォトレジストをシリコン基板31の裏面31bの保護膜として、バッファードフッ化水素酸(BHF)等のフッ化水素酸(HF)系のエッチング液で(B2O3+SiO2)を除去した後、上記したシリコン基板31の裏面31bの全面に塗布したフォトレジストを除去する。
次に、プラズマ化学的蒸着(CVD:Chemical Vapor Deposition)装置を用いて、成膜時の処理温度が360℃、高周波出力が700W、圧力が33.3Pa(250mTorr)、ガス流量が、TEOS流量100cm3/min(100sccm)、酸素流量1000cm3/min(1000sccm)の条件で、図1(f)に示すように、TEOS膜34をボロンドープ層33の表面に厚さ3.0μmだけ形成する。次に、図1(f)に示す製造工程を経たシリコン基板31を、例えば、35重量パーセントの濃度を有する水酸化カリウム(KOH)水溶液に浸漬し、図1(g)に示すように、シリコン基板31のパターン32b1が形成されていない部分の厚さが約10μmになるまでウェットエッチングを行う。続いて、図1(g)に示す製造工程を経たシリコン基板31を、例えば、3重量パーセントの濃度を有する水酸化カリウム(KOH)水溶液に浸漬し、ボロンドーブ層33が現れるまでウェットエッチングを行う。
これにより、図1(h)に示すように、上記ボロンドーブ層33が吐出室6を構成する振動板5となり、この振動板5を底壁として凹部7が形成される(図4及び図5参照)。このように、振動板5は、高濃度のボロンドープ層33で構成されており、所望の厚さ(今の場合、0.8μm)を有している。これは、以下に示す理由による。すなわち、シリコンに対してアルカリ性水溶液を用いた異方性エッチング(アルカリ異方性エッチング)を行った場合、高濃度(約5×1019atoms/cm3以上)のボロン拡散領域でエッチングレートが著しく低下する。そこで、この実施の形態1では、この現象を利用して、シリコン基板31の振動板5を形成する領域を高濃度のボロンドーブ層33とし、吐出室6を構成する凹部7をアルカリ異方性エッチングにより形成する際に、ボロンドープ層33が露出した時点でエッチングレートが著しく低下する、いわゆるエッチングストップ技術を用いて、振動板5の厚さ、吐出室6の容積を高精度に形成する。ここで、エッチングストップとは、エッチング面から発生する気泡が停止した状態とし、実際のウェットエッチングにおいては、気泡の発生の停止をもってエッチングがストップしたものと判断する。
以上説明した2種類の濃度の異なる水酸化カリウム(KOH)水溶液を用いたウェットエッチングを行うことにより、振動板5の面荒れを抑制し、振動板5の厚さ精度を0.8±0.05μm以下にすることができる。この結果、液滴吐出ヘッドの吐出性能を安定化することができる。
以上説明した2種類の濃度の異なる水酸化カリウム(KOH)水溶液を用いたウェットエッチングを行うことにより、振動板5の面荒れを抑制し、振動板5の厚さ精度を0.8±0.05μm以下にすることができる。この結果、液滴吐出ヘッドの吐出性能を安定化することができる。
次に、ウェットエッチング技術を使用して、例えば、フッ化水素酸(HF)系のエッチング液でパターン32b1及びTEOS膜34を除去する(図1(i)参照)。次に、図1(i)に示す製造工程を経たシリコン基板31に対して、プラズマCVD装置を用いて、成膜時の処理温度が360℃、高周波出力が250W、圧力が66.7Pa(0.5Torr)、ガス流量が、酸素流量1000cm3/min(1000sccm)、処理時間が1分間の条件で、酸素プラズマ処理を施す。このように、図1(i)に示す製造工程を経たシリコン基板31に対して、後述するTEOS膜4を形成する前に酸素プラズマ処理を施すことにより、シリコン基板31の全面がクリーニングされ、TEOS膜4の絶縁耐圧の均一性を向上させることができる。続いて、プラズマCVD装置を用いて、成膜時の処理温度が360℃、高周波出力が250W、圧力が66.7Pa(0.5Torr)、ガス流量が、TEOS流量100cm3/min(100sccm)、酸素流量1000cm3/min(1000sccm)の条件で、図1(j)に示すように、TEOS膜4を振動板5の全面及び凹部7の全面に厚さ0.1μmだけ形成して、第1の基板1とする。その後、窒素雰囲気中、処理温度が1000℃、処理時間が1時間の条件で、TEOS膜4上にアニール処理を施す。アニール処理を行い、高温にさらすことでTEOS膜4の緻密性を向上させ、絶縁耐圧をさらに向上させることができる。なお、第1の基板1を構成する凹部9及び電極端子10の形成方法については、その説明を省略する。
次に、第2の基板2の製造方法について図2を参照して説明する。まず、ホウ珪酸系の耐熱硬質ガラス(SiO2,B2O3)の両面を鏡面研磨し、図2(a)に示すように、厚さ約1mmを有するガラス基板41とする。次に、ガラス基板41の表面41aに、図2(b)に示すように、CVD装置や物理的蒸着(PVD:Physical Vapor Deposition)装置を使用して、金(Au)やクロム(Cr)等の金属膜42を形成する。PVD装置としては、例えば、スパッタリング装置、真空蒸着装置、あるいはイオンプレーティング装置等がある。金属膜42の膜厚は、例えば、0.1μmとする。具体的には、クロム(Cr)膜の場合にはその膜厚を0.1μmとすれば良いが、金(Au)膜の場合にはガラス基板41との密着性が良好でないことから、膜厚が例えば0.03μmであるクロム(Cr)膜を形成した後、膜厚が例えば0.07μmである金(Au)膜を形成する。
次に、金属膜42の表面全面にフォトレジスト(図示略)を塗布した後、上記したフォトリソグラフィ技術を使用して、第1の基板1を構成する振動板5とほぼ同じ間隔、形状になるように、金属膜42のうち、後に凹部11や電極部の溝(図4参照)となる部分を形成するために、フォトレジストパターン(図示略)を形成する。次に、ウェットエッチング技術を使用して、例えば、硝酸第二セリウムアンモニウム水溶液と過塩素酸水溶液との混合液等のエッチング液(以下、金属エッチング液と呼ぶ。)で金属膜42のうち不要な部分を除去して、図2(c)に示すエッチングパターン43を得る。次に、図2(c)に示す製造工程を経たガラス基板41を、例えば、フッ化水素酸(HF)系のエッチング液に浸漬し、エッチングパターン43をマスクとして、図2(d)に示すように、ガラス基板41のエッチングパターン43が形成されていない部分について約0.25μmだけウェットエッチングを行い、凹部11を形成する。次に、エッチングパターン43を形成した際の図示せぬフォトレジストパターンを除去する。続いて、ウェットエッチング技術を使用して、上記した金属エッチング液により金属膜42のうち不要な部分を除去して、図2(e)に示すように、凹部11を有するガラス基板44を得る。
次に、ガラス基板44の表面全面にフォトレジスト(図示略)を塗布した後、上記したフォトリソグラフィ技術を使用して、後に電極12となる部分以外の部分を保護するために、フォトレジストパターン(図示略)を形成する。続いて、この図示せぬフォトレジストパターンが形成されたガラス基板44の表面に、図2(f)に示すように、CVD装置を使用して、例えば、酸化錫(SnO2)、酸化インジウム(In2O3)、あるいは錫ドープ酸化インジウム(ITO:Indium Tin Oxide)等の透明導電性材料からなる電極膜45を形成する。次に、図2(f)に示す製造工程を経たガラス基板44の表面全面にフォトレジスト(図示略)を塗布した後、上記したフォトリソグラフィ技術を使用して、後に電極12となる部分を残すために、フォトレジストパターン(図示略)を形成する。続いて、ウェットエッチング技術を使用して、例えば、硝酸と塩酸との混合液等のエッチング液で電極膜45のうち不要な部分を除去して、凹部11の内部に、図2(g)に示す電極12を形成する。
次に、図示しないが、ドリルを用いて、図4及び図5に示す液体供給口15を形成して、第2の基板2とする。この液体供給口15は、チッピング(chipping)を防止するために、2段で構成されており、内側(第1の基板1と接合される側。)の径が外側(液体が供給される側。)の径よりも小さい。ここで、チッピングとは、液体供給口15の形成時に発生するガラス基板のかけらをいう。液体供給口15が1段で構成されている場合、第1の基板1と第2の基板2とを接合した後に、このチッピングが液体の供給に伴って電極12側に回り込んでしまうことがあるが、液体供給口15が2段で構成されている場合には、この回り込みの発生を抑制することができるのである。なお、第2の基板2を構成するリード部13、端子部14その他の構成要素の形成については、周知の方法を用いれば良いので、その説明を省略する。
以上説明した液体供給口15の形成工程その他の工程では、第2の基板2を構成する凹部11等に微小パーティクルや金属等からなる異物が付着する場合があり、上記した第1の基板と第2の基板との接合不良や、液滴吐出ヘッドの動作不良の原因となる。そこで、この実施の形態1では、第1の基板1と第2の基板2とを接合する前に、第2の基板2を構成する凹部11等に付着している異物を除去するために、上記した非接触ブラシスクラブ洗浄及び超音波スクラブ洗浄を行う。
次に、図6に示すスクラブ洗浄装置によって第2の基板2に非接触ブラシスクラブ洗浄及び超音波スクラブ洗浄を施す方法について説明する。まず、超音波洗浄機構52のノズル56及びブラシ洗浄機構53のブラシ部61がスピンチャック55の上方から退避している状態で、図示せぬ搬送ロボットにより図4に示す第2の基板2がスクラブ洗浄装置内に搬入され、スピンチャック55の上に載置されて複数の保持ピン55aに保持される。次に、シリコン基板31を保持したスピンチャック55が図示せぬ回転駆動源によって高速で回転されて、シリコン基板31が回転される。
そして、揺動駆動源60によって揺動アーム58が回動されて、超音波洗浄機構52のノズル56がシリコン基板31の中心の上方付近に移動されるとほぼ同時に、ノズル56より洗浄液としての超純水が供給される(洗浄液供給工程)。この際、洗浄液が超音波ヘッド部57を通過するときに、上記振動板から洗浄液に、例えば、1.5MHzの高周波による超音波振動が付与され(超音波付与工程)、この超音波振動が付与された洗浄液がノズル56から吐出される。
その後、ノズル56が往復移動(揺動)する動作が複数回繰り返されて、超音波洗浄が行われる。なお、この洗浄液供給工程と同時に、あるいは洗浄液供給工程に前後して、ブラシ洗浄機構53により、スポンジブラシ61aの下端が第2の基板2の表面から0〜0.5mm程度離れた非接触スクラブ洗浄が行われる。そして、回転機構51による第2の基板2の回転が停止されるとともに、超音波洗浄機構52のノズル56からの洗浄液の供給が停止される。そして最後に、図示せぬ搬送ロボットによって第2の基板2がスクラブ洗浄装置から搬出されて、1枚の第2の基板2に対するこのスクラブ洗浄装置での洗浄処理が終了する。
ここで、図7に、この実施の形態1と従来例の各洗浄工程を経た場合の第2の基板2に形成された凹部に存在する異物の付着個数を比較した一例を示す図である。この例では、第2の基板2にITOからなる電極12が形成されている。図7(a)は、この実施の形態1の場合であって、APM洗浄と上記した非接触ブラシスクラブ洗浄及び超音波スクラブ洗浄とを施した場合である。一方、図7(b)は、従来例の場合であって、APM洗浄のみを施した場合である。また、図7において、R1は第2の基板2が第1のロットで製造された場合、R2は第2の基板2が第2のロットで製造された場合を示している。図から分かるように、APM洗浄と上記した非接触ブラシスクラブ洗浄及び超音波スクラブ洗浄とを施した場合の方が、R1及びR2のいずれのロットにおいてもAPM洗浄のみを施した場合に比べて相対的に異物付着個数が減少している。
次に、第3の基板3の製造方法について簡単に説明する。まず、シリコン基板の表面に形成された酸化膜にパターニングを行う。ここで、ノズル16を2段階で形成するために、ハーフエッチングを行う。そして、ICPドライエッチング又は上記したウェットエッチングを施すことにより、吐出室6の位置に合わせて2段のノズル16を形成する。また、ノズル16の形成と同時又は別のエッチング工程によってオリフィス17となる細溝18、及びダイヤフラム19を形成する。
上記した製造方法により製造した、第1の基板1と、第2の基板2とは、図3に示すように、接合する。第2の基板がホウ珪酸系の耐熱硬質ガラス(SiO2,B2O3)からなる場合には、第1の基板1と第2の基板2とを陽極接合により接合する。ここで、陽極接合は、以下に示す工程を経て行われる。まず、第2の基板2の表面に、第1の基板1を、振動板5と電極12に対向するように載置した状態において、図示せぬ直流電源のプラス端子を第1の基板1に接続するとともに、上記直流電源のマイナス端子を第2の基板2に接続する。次に、第2の基板2を例えば、数百℃程度に加熱しつつ、第1の基板1と第2の基板2との間に直流電圧を例えば、数百V程度印加する。第2の基板2を加熱することにより、第2の基板2内のプラスイオンが移動しやすくなる。このプラスイオンが第2の基板2内を移動することにより、相対的に、第2の基板2の第1の基板1との接合面がマイナスに帯電する一方、第1の基板1の第2の基板2との接合面がプラスに帯電する。この結果、シリコン(Si)と酸素(O)とが電子対を共有する共有結合により、第1の基板1と第2の基板2とは強固に接合される。一方、第2の基板2がシリコンからなる場合には、第1の基板1と第2の基板2とを、接合剤を使わずに高温高圧を利用して直接貼り合わせる直接接合により接合する。
第3の基板3がシリコンからなる場合には、第1の基板1と第3の基板3とを接着剤を用いて接合して接合体とする。次に、このような接合体をダイシングによって切断し、さらに、発振回路21と端子部14、電極端子10とを電気的に接続するとともに、電極12に異物等が混入して駆動に影響を与えないように、封止部20により封止を行って、液滴吐出ヘッドを完成させる。
このように、この実施の形態1によれば、第1の基板1と第2の基板2とを接合する前に、第2の基板2に非接触ブラシスクラブ洗浄及び超音波スクラブ洗浄を施しているので、振動板5と電極12との間に付着する異物が減少する。この結果、第1の基板と第2の基板との接合不良や、液滴吐出ヘッドの動作不良の発生が抑制され、第1の基板1と第2の基板2との接合に対する信頼性が向上する。また、非接触ブラシスクラブ洗浄及び超音波スクラブ洗浄は、超純水を用いた物理洗浄であり、RCA洗浄のような化学洗浄でないため、電極12として用いる材料にダメージを与え得ることがない。したがって、電極12に様々な材質のものを使用することができ、液滴吐出ヘッドを安価に製造することができる。
実施の形態2.
図8は、本発明の実施の形態2に係る液滴吐出装置の要部の構成を示す概略図である。この実施の形態2の液滴吐出装置は、いわゆるシリアル型であり、上記した実施の形態1で製造した液滴吐出ヘッド71と、ドラム72と、制御部73とから概略構成されている。液滴吐出ヘッド71は、図示せぬ液体タンク(液体供給手段)から液体が供給されて、記録紙74(液滴着弾対象)に液滴を吐出し、記録を行う。ドラム72(位置制御手段)は、記録紙74を支持するとともに、ベルト75(位置制御手段)等を介してモータ76(位置制御手段)により回転駆動される。記録紙74は、ドラム72の軸方向(図中M方向)に平行に設けられた紙圧着ローラ78により、ドラム72に圧着されて保持されている。また、送りネジ77(移動手段)は、ドラム72の軸方向(図中M方向)に平行に設けられ、液滴吐出ヘッド71が保持されている。送りネジ77は、制御部73が制御することにより回転し、液滴吐出ヘッド71をドラム72の軸方向(図中M方向)に移動可能に構成されている。
図8は、本発明の実施の形態2に係る液滴吐出装置の要部の構成を示す概略図である。この実施の形態2の液滴吐出装置は、いわゆるシリアル型であり、上記した実施の形態1で製造した液滴吐出ヘッド71と、ドラム72と、制御部73とから概略構成されている。液滴吐出ヘッド71は、図示せぬ液体タンク(液体供給手段)から液体が供給されて、記録紙74(液滴着弾対象)に液滴を吐出し、記録を行う。ドラム72(位置制御手段)は、記録紙74を支持するとともに、ベルト75(位置制御手段)等を介してモータ76(位置制御手段)により回転駆動される。記録紙74は、ドラム72の軸方向(図中M方向)に平行に設けられた紙圧着ローラ78により、ドラム72に圧着されて保持されている。また、送りネジ77(移動手段)は、ドラム72の軸方向(図中M方向)に平行に設けられ、液滴吐出ヘッド71が保持されている。送りネジ77は、制御部73が制御することにより回転し、液滴吐出ヘッド71をドラム72の軸方向(図中M方向)に移動可能に構成されている。
制御部73は、パーソナルコンピュータ等から供給される記録データ及び制御信号に基づいて、送りネジ77を制御して液滴吐出ヘッド71を図中M方向に移動させるとともに、モータ76等を制御してベルト75等を介してドラム72を図中m方向に回転駆動させることにより、記録紙74と液滴吐出ヘッド71との相対位置を変化させつつ、液滴吐出ヘッド71を構成する発振回路21(図5参照)を駆動させて振動板5を振動させる制御をしながら記録を行わせる。このように、この実施の形態2によれば、上記した実施の形態1で製造した液滴吐出ヘッドを用いて液滴吐出装置を構成しているので、高信頼性かつ高品質で、しかも安価な構成で液滴吐出を行うことができる。
以上、この実施の形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。
例えば、上述の実施の形態1においては、非接触ブラシスクラブ洗浄及び超音波スクラブ洗浄の両方を用いる例を示したが、これに限定されず、いずれか一方を用いても良い。
また、上述の実施の形態1においては、第1の基板1と第3の基板3とを接合する際には第3の基板3を洗浄しない例を示したが、これに限定されない。すなわち、第1の基板1と第3の基板3とを接合する前に、第3の基板3に対して非接触ブラシスクラブ洗浄及び超音波スクラブ洗浄の両方又は一方を行っても良い。
また、上述の実施の形態1においては、本発明をフェイス型の液滴吐出ヘッドに適用する例を示したが、これに限定されず、本発明は、液滴を液滴吐出ヘッドの側面に設けたノズルから吐出させるエッジ型の液滴吐出ヘッドにも適用することができる。
また、上述の実施の形態1及び2においては、液滴について特に言及していない。液滴としては、例えば、インク、導電性物質を含んだ溶液、あるいは生体物質や試薬を含んだ溶液が考えられる。
例えば、上述の実施の形態1においては、非接触ブラシスクラブ洗浄及び超音波スクラブ洗浄の両方を用いる例を示したが、これに限定されず、いずれか一方を用いても良い。
また、上述の実施の形態1においては、第1の基板1と第3の基板3とを接合する際には第3の基板3を洗浄しない例を示したが、これに限定されない。すなわち、第1の基板1と第3の基板3とを接合する前に、第3の基板3に対して非接触ブラシスクラブ洗浄及び超音波スクラブ洗浄の両方又は一方を行っても良い。
また、上述の実施の形態1においては、本発明をフェイス型の液滴吐出ヘッドに適用する例を示したが、これに限定されず、本発明は、液滴を液滴吐出ヘッドの側面に設けたノズルから吐出させるエッジ型の液滴吐出ヘッドにも適用することができる。
また、上述の実施の形態1及び2においては、液滴について特に言及していない。液滴としては、例えば、インク、導電性物質を含んだ溶液、あるいは生体物質や試薬を含んだ溶液が考えられる。
1 第1の基板、2 第2の基板、3 第3の基板、4,34 TEOS膜、5 振動板、6 吐出室、7,9,11 凹部、8 リザーバ、10 電極端子、12 電極、13 リード部、14 端子部、15 液体供給口、16 ノズル、17 オリフィス、18 細溝、19 ダイヤフラム、20 封止部、21 発振回路、22 液滴、23,74 記録紙、31 シリコン基板、31a,41a 表面、31b,41b 裏面、32a,32b 二酸化シリコン膜、32b1 パターン、33 ボロンドープ層、41,44 ガラス基板、42 金属膜、43 エッチングパターン、45 電極膜、51 回転機構、52 超音波洗浄機構、53 ブラシ洗浄機構、54 スピン軸、55 スピンチャック、55a 保持ピン、56 ノズル、57 超音波ヘッド部、58,62 揺動アーム、59,63 アーム軸、60,64 揺動駆動源、61 ブラシ部、61a スポンジブラシ、65 昇降駆動源、71 液滴吐出ヘッド、72 ドラム、73 制御部、75 ベルト、76 モータ、77 送りネジ、78 紙圧着ローラ。
Claims (4)
- 液体が充填される吐出室の壁面を構成する振動板と前記振動板に対向する電極との間に電圧を印加して前記振動板を前記電極に当接離間させて前記吐出室に連通するノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドの製造方法において、
基板に前記吐出室、前記振動板を形成して第1の基板とする第1の工程と、
基板に前記電極を形成して第2の基板とする第2の工程と、
前記第2の基板の前記第1の基板に対向する面に超音波スクラブ洗浄又は非接触スクラブ洗浄の少なくとも1つを施す第3の工程と、
前記第1の基板と前記第2の基板とを接合する第4の工程と
を有していることを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。 - 前記第3の工程では、前記第1の基板の前記第2の基板に対向する面に前記超音波スクラブ洗浄又は前記非接触スクラブ洗浄の少なくとも1つを施すことを特徴とする請求項1記載の液滴吐出ヘッドの製造方法。
- 請求項1又は2記載の液滴吐出ヘッドの製造方法を用いて製造したことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
- 請求項3記載の液滴吐出ヘッドと、
前記液滴吐出ヘッドに液体を供給する液体供給手段と、
前記液滴吐出ヘッドを移動させる移動手段と、
液滴着弾対象と前記液滴吐出ヘッドとの相対位置を変化させる位置制御手段と
を備えていることを特徴とする液滴吐出装置。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003376396A JP2005138385A (ja) | 2003-11-06 | 2003-11-06 | 液滴吐出ヘッドの製造方法、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置 |
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JP (1) | JP2005138385A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7661794B2 (en) | 2005-08-01 | 2010-02-16 | Seiko Epson Corporation | Electrostatic actuator, droplet discharge head, method for driving droplet discharge head, and method for manufacturing electrostatic actuator |
-
2003
- 2003-11-06 JP JP2003376396A patent/JP2005138385A/ja active Pending
Cited By (2)
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US7661794B2 (en) | 2005-08-01 | 2010-02-16 | Seiko Epson Corporation | Electrostatic actuator, droplet discharge head, method for driving droplet discharge head, and method for manufacturing electrostatic actuator |
US8087754B2 (en) | 2005-08-01 | 2012-01-03 | Seiko Epson Corporation | Electrostatic actuator, droplet discharge head, method for driving droplet discharge head, and method for manufacturing electrostatic actuator |
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