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JP3168713B2 - インクジェットヘッド及びその製造方法 - Google Patents

インクジェットヘッド及びその製造方法

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JP3168713B2
JP3168713B2 JP21042392A JP21042392A JP3168713B2 JP 3168713 B2 JP3168713 B2 JP 3168713B2 JP 21042392 A JP21042392 A JP 21042392A JP 21042392 A JP21042392 A JP 21042392A JP 3168713 B2 JP3168713 B2 JP 3168713B2
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ink
substrate
wafer
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ink pressurizing
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真一 四谷
光朗 跡部
真一 紙透
周史 小枝
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Publication date
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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はインクジェットプリンタ
ー用印字ヘッドの製造に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、インクジェットプリンター用印字
ヘッドは高精細印字の要求により、精密微細加工と複雑
な所望形状が要求されるようになり、様々な製造方法が
開発されている。
【0003】そこで、特開平2−297445号公報に
記されるように(110)面方位のSiウェハーを用い
たインクジェットヘッドの製造が提案されている。これ
は(110)面方位のSiウェハーは結晶軸が<211
>軸に沿って直線のパターンを形成し、湿式結晶異方性
エッチングを行うとウェハー表面に対して直角に(11
1)結晶面が出現するために、非常に高いアスペクト比
のインクノズルおよびインク圧力室等の溝が形成できる
ため、ノズル間ピッチを容易に狭められ、高いインクド
ット密度のインクジェットヘッドの製造ができるという
発想に基づいている。
【0004】ところが、(110)面方位のSiウェハ
ーには、2つの<211>軸に沿った直線パターンの交
点からウェハー表面に対して35度の角度で(111)
面が出現し、その面が出現するとこれ以上エッチングが
進まない。そのために、貫通溝のインク加圧室下部に位
置する振動板の面積が小さくなり、インクを吐出させる
場合の駆動電圧が高くなったり、インク加圧室内に必要
な液量を満たせない等の要因になっている。
【0005】そのため、インクジェットヘッドの設計
上、大きな制約を受ける事になるために、実際に(11
0)面方位のSiウェハーを用いたインクジェットヘッ
ドは実用化されていない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】(110)面方位のS
iウェハーには、2つの<211>軸に沿った直線パタ
ーンの交点からウェハー表面に対して35度の角度で
(111)面が出現し、その面が出現すると、これ以上
エッチングが進まない。そのために、自由に形状をつく
る事ができず、そのため、ウェハー表面に対して垂直な
(111)結晶面のみで構成されたインク圧力室や流路
等を製造する事ができないという課題を有していたため
に、実際に(110)面方位のSiウェハーを用いたイ
ンクジェットヘッドは実用化されていない。
【0007】さらに、フォトリソグラフィ工程におい
て、両面のアライメント精度は露光機の機械誤差が少な
くとも5ミクロン程度あり、この誤差が結晶異方性エッ
チングによりさらに大きくなり、大きな寸法ばらつきを
引き起こす。その寸法ばらつきにより、多数のノズルを
持つインクジェットヘッドの各ノズルごとに吐出特性に
ばらつきを生じ、近年の高密度高精細インクジェットヘ
ッドの作製には課題となっている。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明のインクジェット
ヘッドは、Si基板からなり、インクだめと、オリフィ
スを介して前記インクだめに連通してなる複数のインク
加圧室とが形成されてなる第1基板と、前記第1基板の
一方の面側に配置され、前記複数のインク加圧室に対応
して複数の圧電素子が形成されてなる第2基板と、前記
第1基板の他方の面側に配置され、前記複数のインク加
圧室に対応して複数のインク吐出口が形成されてなる第
3基板と、を有するインクジェットヘッドであって、前
記複数のインク加圧室の側面が(111)結晶面である
ことを特徴とする。また、(110)面方位を有するS
i基板に、インクだめと、オリフィスを介して前記イン
クだめに連通してなる複数のインク加圧室とが形成され
てなる第1基板と、前記第1基板の一方の面側に配置さ
れ、前記複数のインク加圧室に対応して複数の圧電素子
が形成されてなる第2基板と、前記第1基板の他方の面
側に配置され、前記複数のインク加圧室に対応して複数
のインク吐出口が形成されてなる第3基板と、を有する
インクジェットヘッドの製造方法であって、前記第1基
板の表裏面に前記インク加圧室を形成するためのマスク
パターンを形成した後、エッチングを行い前記インク加
圧室を形成することを特徴とするインクジェットヘッド
の製造方法。また、好ましくは前記第1基板の表裏面の
うち一方の表面に形成するマスクパターンの開口部を、
他方の表面に形成するマスクパターンの開口部より小さ
くしたことを特徴とする。
【0009】ウェハー表面に施した貫通溝のインク加圧
室の開口部マスクパターンにおいてウェハーの一方の面
の開口部寸法がもう一方の面の開口部寸法に比べて、あ
る特定の値だけ小さい寸法のマスクパターンを形成する
事により、形成される貫通溝のインク加圧室の寸法ばら
つきを非常に小さくできる。
【0010】
【作用】本発明の作用について説明する。図2は本発明
の1実施例によるウェハー表面に対して垂直の(11
1)結晶面で囲まれた貫通溝のインク加圧室14を形成
する原理を模式的に示した図である。
【0011】(110)面方位のウェハーの両面に、フ
ォトリソグラフィにより<211>方向に沿って図2
(a)に示すような貫通溝のインク加圧室のマスクパタ
ーンを形成し、湿式結晶異方性エッチングによりSiウ
ェハーを貫通するまでエッチングする。図2(b)は湿
式結晶異方性エッチングによる貫通直後のSiウェハー
の断面図で、(a)においてA−A線において切断した
切断面で表示している。貫通直後では、ウェハー表面に
対して35度の傾きで現れる(111)結晶面60が張
り出しているために貫通部は狭くなっている。
【0012】そこで、さらにエッチングを継続するとそ
の張り出し部は図2(c)のようにアンダーカット61
されどんどん消滅して行く。そして、図2(d)のよう
に垂直の(111)結晶面62に突き当たったところで
アンダーカットは停止する。以上のように、アンダーカ
ット現象をうまく利用する事によって垂直の(111)
結晶面で囲まれた貫通溝のインク圧力室14を容易に形
成できるのである。1インチ当たり360ドットの印字
密度を有するインクジェットヘッドを製造するために
は、幅50ミクロン、長さ3.5ミリ、深さ500ミク
ロンのインク加圧室が必要となり、本発明によると、従
来技術により35度の傾斜した(111)結晶面を持っ
たインク加圧室を形成した場合と比べてインク液量では
1.3倍、振動板面積においては1.7倍も大きい事を
見いだした。
【0013】本発明により、従来よりさらにインク吐出
特性が良好で、かつ駆動電圧の低いインクジェットヘッ
ドがいっそう製造しやすくなり、また高精細で印字密度
の高いインクジェットヘッドの製造も容易になったので
ある。
【0014】また、貫通溝のインク加圧室14のマスク
パターンの開口部寸法を両面同じ寸法にせず、どちらか
一方のパターン寸法を他方のパターン寸法よりも特定の
値だけ、小さくすることにより、結晶異方性エッチング
後の所望寸法精度が飛躍的に向上する。
【0015】この原理について詳しく説明する。図3は
本発明の1実施例により原理を説明した図である。
【0016】Siウェハー両面にパターニングする時、
ウェハーの裏と表のアライメントに必ず誤差が生じる。
そこで図3(a)のように、ウェハーの裏側の貫通溝の
インク加圧室14の開口部のマスク寸法を表側の開口部
マスク寸法より特定の値だけ小さくする。図3(a)で
はインク加圧室の表側のマスクパターン17を実線で、
インク加圧室の裏側のマスクパターン13を破線で表示
している。図3(b)は図3(a)においてB−B線で
切断した時の断面図を示している。
【0017】次に、そのSiウェハーを湿式結晶異方性
エッチングすると、図3(c)のように表裏それぞれの
パターンに沿って垂直の(111)結晶面62が現れ
る。ここで表裏のパターンに沿って形成された(11
1)結晶面62の位置がずれているために段差63にな
っている。
【0018】さらにエッチングを継続するとアンダーカ
ット現象によって、図3(d)のように段差部がならさ
れ、開口部寸法の大きい表側マスク寸法に合わせた貫通
溝のインク加圧室14を形成する事が出来る。
【0019】
【実施例】以下、本発明について、実施例に基づき詳細
を説明する。
【0020】(実施例1)図1は本発明における第1の
実施例を示すインクジェットヘッドの斜視図である。こ
の図に従って、このインクジェットヘッドの構造を説明
する。
【0021】(110)面方位のSiウェハー10には
ウェハー表面に対して垂直な(111)結晶面で囲まれ
た貫通溝のインク加圧室14があり、オリフィス16と
呼ばれる浅い溝によってインクだめに連通している。イ
ンクだめ15はウェハー表面に対して35の傾きを持っ
た(111)結晶面によって構成されている。
【0022】また、貫通溝のインク加圧室14の開口部
の片側にノズルプレート20を接合してインク吐出口2
1と貫通溝のインク加圧室14とを連通させている。さ
らに、貫通溝のインク加圧室14のもう一方の開口部に
は、薄い振動板300が接合され、その振動板300に
は圧電素子100が接着されている。この圧電素子10
0に信号電流を与えて、印字を行う。
【0023】図4は、図1で示されたインクジェットヘ
ッドの製造工程を示したものである。 この図に従って
インクジェットヘッドの製造方法を説明する。
【0024】まず、(110)面方位のSiウェハー1
0を熱酸化し、図4(a)のごとくウェハー表面に耐エ
ッチングマスク材とする酸化シリコン膜11を形成す
る。本実施例では耐エッチングマスク材には酸化シリコ
ン膜を使用するが、窒化シリコン膜、炭化シリコン膜、
金属膜等、Siアルカリエッチング液等に耐えられる膜
なら何でも良く、酸化シリコン膜に限定されるものでは
ない。
【0025】次に、このSiウェハー10にレジストを
スピンコート法により塗布し、ウェハー表面の所定の場
所にオリフィス16になるべきレジストマスクパターン
をフォトリソグラフィ技術を用いて形成した後、緩衝フ
ッ酸溶液により、酸化シリコン膜をエッチングし、図4
(b)のようにオリフィスマスクパターン12を形成す
る。そして、不要になったレジストは、レジスト剥離液
により除去される。
【0026】それから、フッ酸と硝酸を主成分とするS
i等方性エッチング液に所定時間浸漬し、オリフィス1
6を図4(c)のように形成する。
【0027】オリフィスが形成されたSiウェハーは1
度フッ酸に浸漬することにより、表面の酸化シリコン膜
を除去し、再び熱酸化により図4(d)のようにSiウ
ェハー全面に厚さ1ミクロンの酸化シリコン膜を付与す
る。
【0028】続いて、再びこのSiウェハー10にレジ
ストをスピンコート法により塗布し、オリフィスを形成
されたウェハー表面に貫通溝のインク加圧室14及びイ
ンクだめ15になるべきレジストマスクパターンを、ウ
ェハー裏面に貫通溝のインク加圧室14になるべきレジ
ストマスクパターンをフォトリソグラフィ技術を用いて
形成した後、緩衝フッ酸溶液により、酸化シリコン膜を
エッチングし、図4(e)のように表面のインク加圧室
マスクパターン17、インクだめマスクパターン18及
び裏面のインク加圧室マスクパターン13を形成する。
そして、不要になったレジストは、レジスト剥離液によ
り除去される。
【0029】この後、20重量%のKOH水溶液を摂氏
80度に加熱し、前記Siウェハー10を浸漬し、イン
ク加圧室を貫通させ、なおかつインク加圧室内部に35
度の傾きを持った(111)結晶面が消滅するまでエッ
チングを行い、貫通溝のインク加圧室14及びインクだ
め15を図4(f)のように形成する。
【0030】貫通溝のインク加圧室14、オリフィス1
6、そしてインクだめ15が形成されたSiウェハーは
1度フッ酸に浸漬することにより、表面の酸化シリコン
膜を除去し、インクの濡れ性を向上させるために再び熱
酸化によりSiウェハー全面に0.1ミクロンの薄い酸
化シリコン膜を付与する。
【0031】この後、ノズルプレート20とこのSiウ
ェハー10を貼り合わせた。
【0032】ここで、ノズルプレート20は総合電子出
版社の”エレクトロニクスの精密微細加工”(樽岡 清
威著)の86ページに記されているように、(100)
面方位Siウェハーにフォトリソグラフィ及び湿式結晶
異方性エッチングを行うことにより作製した。
【0033】しかし、このノズルプレート20はステン
レス薄板にYAGレーザー等で穴明け加工を行なったも
のを用いても良いし、特開平3−146652号公報に
記されているような電鋳加工法で作製しても良く、本実
施例に限定されるものではない。
【0034】次に、振動板300となるべきホウケイ酸
ガラスをSiウェハー10に静電接合し、その振動板3
00の貫通溝のインク加圧室14上に圧電素子100を
図4(g)のように接着する。最後にそれぞれの圧電素
子に配線を施し、インクチューブ200を所定の位置に
接続してインクジェットヘッドが完成する。
【0035】さて、完成したインクジェットヘッドの圧
電素子100に実際に7キロヘルツの駆動周波数の印字
信号を与えて、印字してみると、非常に精細な印字を行
うことができた。なお、本実施例で製造したインクジェ
ットヘッドのインクノズル間ピッチは70ミクロンであ
り、これは、1インチ当たり360ドットの印字密度で
印字することができる。
【0036】(実施例2)10枚の(110)面方位の
Siウェハーを熱酸化して、Siウェハー表面に酸化シ
リコン膜を形成する。本実施例では耐エッチングマスク
材には酸化シリコン膜を使用するが、窒化シリコン膜、
炭化シリコン膜、金属膜等、Siアルカリエッチング液
等に耐えられる膜なら何でも良く、酸化シリコン膜に限
定されるものではない。
【0037】前記Siウェハーに1枚当たり20個の貫
通溝のインク加圧室のインク加圧室14を形成するため
にウェハー両面に貫通溝のインク加圧室マスクパターン
13、17を形成する。図5(a)はその貫通溝のイン
ク加圧室マスクパターンの一部を示した図である。この
図では表側のマスクパターン17を実線で裏側のマスク
パターン13を破線で示している。
【0038】図5の(b)は(a)のC−C切断線にお
いて切断した断面図を示している。ここで、ウェハー表
面のマスクパターンの開口部寸法をx1、ウェハー裏面
の開口部寸法をx2とする。
【0039】そして、湿式結晶異方性エッチングをおこ
ない、図5(c)に示した貫通溝のインク加圧室14の
幅x3を測定する。x2の値を小さくした時のこのx3
の寸法ばらつきへの影響を調べた結果を表1に示す。
【0040】
【表1】
【0041】尚、フォトリソグラフィによる酸化シリコ
ン膜のパターニングの寸法精度は、プラスマイナス0.
2ミクロンであった。
【0042】表1によると寸法x2が小さくなるほど、
寸法ばらつきを示す標準偏差は小さくなり、x2が47
ミクロン以下では一定の0.8の値を示している。
【0043】x1−x2の値をどのくらいにするかは、
アライナーのアライメント精度によって異なることが考
えられるが、実際にはそれよりも大きい方が良い。
【0044】一般的なアライナーの場合、x1−x2の
値は、2ミクロンから100ミクロンの範囲が望まし
い。
【0045】この範囲を越えた場合、例えば、x1−x
2の値が2ミクロンより小さい場合、は本実施例で狙っ
た効果が得られず、寸法ばらつきは改善されない。ま
た、x1−x2の値が100ミクロンより大きい場合
は、そのマスク寸法が極端に異なるので湿式結晶異方性
エッチングの際に生じる段差部が大きくなり、これが消
滅するのに要する時間が長くなりすぎるので、製造上好
ましくない。
【0046】本実施例で用いたアライナーのアライメン
ト精度はプラスマイナス2ミクロンであり、この値以上
に寸法x2を小さくしてやることにより、貫通溝のイン
ク加圧室の幅のばらつきを飛躍的に小さくすることがで
きた。
【0047】そこで、x1=50ミクロン、x2=47
ミクロンのフォトマスク寸法で形成したインクジェット
ヘッドを実施例1に従って製造し、実際に印字してみる
と、非常にきれいな印字が得られた。
【0048】また、複数のインクノズルの個々のインク
吐出特性のばらつきが改善され、印字ムラのない高い印
字品質を容易に得る事が出来るようになった。このこと
は、従来の技術では、複数のインクノズルの個々のイン
ク吐出特性のばらつきを、個々のインクノズル毎に駆動
電圧を調整する事により補正していたが、この極めて時
間と手間のかかる調整作業が省け、さらにその調整用の
電子回路も不要となるために、いっそうインクジェット
プリンターの製造が容易になった。
【0049】一方、比較例で示しているx1=x2=5
0ミクロンの場合は、貫通溝のインク加圧室14の幅の
平均x3もアンダーカット現象により大きくなるために
60ミクロンとかなり大きく広がってしまい、その標準
偏差も8.0と極めて大きい値となり、ばらつきが大き
いことを示している。従って1インチ当たり360ドッ
トのインクドット密度で、複数のノズルを有した高密度
インクジェットヘッドは、貫通溝のインク加圧室14の
幅のばらつきは公差でプラスマイナス2ミクロン以上の
精度が必要であり、比較例の様に表裏同一寸法で貫通溝
のインク加圧室を形成しても、精度が得られず、それぞ
れのノズルのインク吐出特性にばらつきが生じ、良好な
印字品質が得られなかった。
【0050】以上の実施例は、圧電素子を用いてインク
を吐出させる方法を用いて説明してきたが、本発明はこ
れに限定されるものではない。従って、特願平3−23
4537号公報のように静電引力及び反発力で貫通溝の
インク加圧室14を変形させてインクを吐出させても、
貫通溝のインク加圧室14内部にヒーターを形成し、こ
れでインクを直接加熱してインクを沸騰させてインクを
吐出させても良い。
【0051】
【発明の効果】以上に述べたように、本発明は次のよう
な効果を有する。
【0052】1)(110)面方位のSiウェハーの両
面にインク加圧室となるべきマスクパターンを形成し、
湿式結晶異方性エッチングを行う事によりにより、ウェ
ハー表面に対して垂直に出現する(111)結晶面で囲
まれた貫通溝のインク加圧室を非常に簡単に形成する事
ができ、この貫通溝のインク加圧室を用いた高密度マル
チノズルインクジェットヘッドを容易に製造する事が出
来た。
【0053】2)貫通溝のインク加圧室の開口部マスク
パターンにおいてウェハーの一方の面の開口部寸法がも
う一方の面の開口部寸法に比べて、ある特定の値だけ小
さい寸法のマスクパターンを形成する事によりインクジ
ェットヘッドの貫通溝のインク加圧室の寸法精度が非常
に向上し、複数のインクノズルの個々のインク吐出特性
のばらつきが改善され、印字ムラのない高い印字品質を
容易に得る事が出来るようになった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1におけるインクジェットヘッ
ドの構造を示す斜視図である。
【図2】本発明の実施例1におけるインクジェットヘッ
ドの製造方法の原理を示す図である。
【図3】本発明の実施例1におけるインクジェットヘッ
ドの製造工程を示す図である。
【図4】本発明の実施例2におけるインクジェットヘッ
ドの製造方法の原理を示す図である。
【図5】本発明の実施例2の表1においてインクジェッ
トヘッドの寸法位置を説明するための図である。
【符号の説明】
10 (110)面方位シリコンウェハー 11 酸化シリコン膜 12 オリフィスマスクパターン 13 裏面インク加圧室マスクパターン 14 貫通溝のインク加圧室 15 インクだめ 16 オリフィス 17 表面インク加圧室マスクパターン 18 インクだめマスクパターン 20 ノズルプレート 21 インク吐出口 60 表面に対して35度の角度で出現する(1
11)結晶面 61 アンダーカット面 62 表面に対して垂直に出現する(111)結
晶面 63 段差部 100 圧電素子 200 インクチューブ 300 振動板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小枝 周史 長野県諏訪市大和3丁目3番5号 セイ コーエプソン株式会社内 (56)参考文献 特開 平3−253346(JP,A) 特開 昭54−150127(JP,A) 特開 平4−125159(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B41J 2/045 B41J 2/055 B41J 2/16

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Si基板からなり、インクだめと、オリ
    フィスを介して前記インクだめに連通してなる複数のイ
    ンク加圧室とが形成されてなる第1基板と、前記第1基
    板の一方の面側に配置され、前記複数のインク加圧室に
    対応して複数の圧電素子が形成されてなる第2基板と、 前記第1基板の他方の面側に配置され、前記複数のイン
    ク加圧室に対応して複数のインク吐出口が形成されてな
    る第3基板と、を有するインクジェットヘッドであっ
    て、 前記複数のインク加圧室の側面が(111)結晶面であ
    ることを特徴とするインクジェットヘッド。
  2. 【請求項2】 (110)面方位を有するSi基板に、
    インクだめと、オリフィスを介して前記インクだめに連
    通してなる複数のインク加圧室とが形成されてなる第1
    基板と、 前記第1基板の一方の面側に配置され、前記複数のイン
    ク加圧室に対応して複数の圧電素子が形成されてなる第
    2基板と、 前記第1基板の他方の面側に配置され、前記複数のイン
    ク加圧室に対応して複数のインク吐出口が形成されてな
    る第3基板と、を有するインクジェットヘッドの製造方
    法であって、 前記第1基板の表裏面に前記インク加圧室を形成するた
    めのマスクパターンを形成した後、エッチングを行い前
    記インク加圧室を形成することを特徴とするインクジェ
    ットヘッドの製造方法。
  3. 【請求項3】 前記第1基板の表裏面のうち一方の表面
    に形成するマスクパターンの開口部を、他方の表面に形
    成するマスクパターンの開口部より小さくしたことを特
    徴とする請求項2に記載のインクジェットヘッドの製造
    方法。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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