(57)【要約】【課題】効率の良い流速を得ることができる流路形状を有するマイクロポンプを提供する。【解決手段】結晶面方位が＜１００＞のシリコン基板２に、加圧室３と該加圧室３に連通した吸入側流路４、吐出側流路５が形成されるマイクロポンプにおいて、加圧室３及び吸入側流路４、吐出側流路５の内壁の少なくとも一部が＜１１１＞面であって、加圧室３と吸入側流路４、吐出側流路５との幅及び深さが異なり、かつ、加圧室３及び吸入側流路４、吐出側流路５の各位置において開口幅Ｓ及び最深部の幅よりも大きい幅が最深部より浅い位置に形成されている。【選択図】図５
2011007074.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶面方位が＜１００＞のシリコン基板に、加圧室と該加圧室に連通した流路が形成されるマイクロポンプにおいて、
前記加圧室及び前記流路の内壁の少なくとも一部が＜１１１＞面であって、前記加圧室と前記流路との幅及び深さが異なり、
かつ、前記加圧室及び前記流路の各位置において開口幅及び最深部の幅よりも大きい幅が前記最深部より浅い位置に形成されていることを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項２】
前記流路の幅及び深さは、前記流路の吸入側から吐出側に向かって段階的に異なることを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項３】
結晶面方位が＜１００＞のシリコン基板に、加圧室と該加圧室に連通した流路が形成されるマイクロポンプの製造方法において、
前記シリコン基板上に成膜されたエッチングマスクの開口幅を前記加圧室及び前記流路の複数の位置で段階的に異なるように、所定のエッチング深さまで異方性ドライエッチングを行った後、結晶異方性ウエットエッチングを行う工程を含むことを特徴とするマイクロポンプの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロポンプおよびマイクロポンプの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、プリンタ、ファクシミリ、複写機等の画像形成装置として用いるインクジェット記録装置において記録ヘッドとして使用する液滴吐出ヘッド（インクジェット記録ヘッド）やマイクロポンプなどの液体輸送装置が知られている。
【０００３】
上記マイクロポンプとして、例えば、アクチュエータ（ピエゾ素子などを利用）にて加圧室（ポンプ室ともいう）の体積を変動させ、発生する差圧の変化に対する流路抵抗の変化割合を一定方向の流速とするために、加圧室前後の流路断面積や流路形状を、加圧室前後で異なるように接続されたマイクロポンプが提案されている。このような加圧室前後の流路体積が異なるマイクロポンプとしては、流路体積を変える手段として流路の幅寸法や断面積を変更したものが提案されている。また、流路の途中に可動の弁を持つマイクロポンプも提案されている。このようなマイクロポンプは、弁が逆止弁として動き、アクチュエータの動きと合わせて流体を一方向に送り出すものである。
【０００４】
例えば、特許文献１には、表面が（１００）面のシリコン基板の表面にオリフィス、インク流路及びインク室を形成する溝が一体的に作製されたインクジェットプリンタヘッドが開示されている。特許文献１においては、断面積の異なるインク流路及びインク室を、１回の工程で寸法制御性良く作製する目的で、結晶面方位＜１００＞のシリコン基板を用いて異方性ウエットエッチングを行うことにより、エッチング進行と共に５４．７°の角度を持って発現する＜１１１＞面を、エッチングマスク幅寸法にて制御することで、エッチストップによる流路深さが制御することが開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、結晶面方位＜１００＞のシリコン基板を用いて異方性ウエットエッチングを行うことにより、幅および深さが異なる流路が隣接して形成される半導体マイクロ構造体の製造方法が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の流路の幅寸法や断面積を変更する構成においては、流路幅や断面積が大きくなるほど平面上でのスペースが必要となり、マイクロポンプの微細化に不利となるという問題があった。
【０００７】
また、上記特許文献１に記載の技術は、流路深さの制御を目的としているが、当該技術では、流路深さはインク流路、インク室全て同一深さでしか製作することができず、大流量化や、効率の良い流速を得たい場合等において各流路で深さを変更したい場合には、工程を増加させる必要があることから製造が煩雑になり、コスト、寸法制御性の利点が損なわれてしまうという問題があった。
【０００８】
ここで、流路深さを多段で形成することができれば、深さ方向の体積が増加するため平面上でのスペースが不要となりマイクロポンプの微細化に繋げることができるが、流路を多段で作成することは、工程の増加や煩雑化に繋がり、深さ寸法の制御性やコスト面で不利になるという問題があった。また、上記特許文献２に記載の技術には、隣接する流路（Ｖ型）の幅および深さが異なる例が開示されているが、加圧室と該加圧室に連通した流路の流路深さを多段で形成することはできず、上述した課題を解決できるものではない。
【０００９】
そこで本発明は、結晶面方位が＜１００＞のシリコン基板に、加圧室と該加圧室に連通した流路が形成されるマイクロポンプにおいて、加圧室及び流路の内壁の少なくとも一部が＜１１１＞面であって、加圧室と流路との幅及び深さが異なり、かつ、加圧室及び流路の各位置において開口幅及び最深部の幅よりも大きい幅が最深部より浅い位置に形成されているマイクロポンプを提供することを目的とする。また、当該マイクロポンプを異方性ドライエッチング及び結晶異方性ウエットエッチングの２工程からなる簡易な工程により作製するマイクロポンプの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる目的を達成するため、請求項１に記載のマイクロポンプは、結晶面方位が＜１００＞のシリコン基板に、加圧室と該加圧室に連通した流路が形成されるマイクロポンプにおいて、加圧室及び流路の内壁の少なくとも一部が＜１１１＞面であって、加圧室と流路との幅及び深さが異なり、かつ、加圧室及び流路の各位置において開口幅及び最深部の幅よりも大きい幅が最深部より浅い位置に形成されているものである。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のマイクロポンプにおいて、流路の幅及び深さは、流路の吸入側から吐出側に向かって段階的に異なるものである。
【００１２】
また、請求項３に記載のマイクロポンプの製造方法は、結晶面方位が＜１００＞のシリコン基板に、加圧室と該加圧室に連通した流路が形成されるマイクロポンプの製造方法において、シリコン基板上に成膜されたエッチングマスクの開口幅を加圧室及び流路の複数の位置で段階的に異なるように、所定のエッチング深さまで異方性ドライエッチングを行った後、結晶異方性ウエットエッチングを行う工程を含むようにしている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、加圧室と加圧室前後の流路（吸入側流路、吐出側流路ともいう）との平面上及び深さ方向の体積を異なるもの、かつ加圧室及び流路の各位置において開口幅及び最深部の幅よりも大きい幅が最深部より浅い位置に形成されるものとすることで加圧室の変動により発生する流速を、効率良く一定方向に得ることができる。
【００１４】
また、吸入側流路、吐出側流路における流路の幅および深さを流路の吸入側から吐出側に向かって段階的に異なるようにすることで、流速を、さらに効率良く一定方向に得ることができる。たとえば、吐出側に広くかつ深くする形状とすることにより、加圧室の変動により発生する吸入側、吐出側への差圧を、吸入側の抵抗は大きく、吐出側の抵抗を少なくすることが可能となり、一定方向の流速をより得やすくなる。
【００１５】
また、異方性ドライエッチングおよび結晶異方性ウエットエッチングの２工程により、簡易に、加圧室と加圧室前後の流路の平面上及び深さ方向の体積を異なるように、かつ流路の幅および深さを段階的に異なるように多段形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】異方性ドライエッチングおよび結晶異方性ウエットエッチングの説明図の一例である。
【図２】異方性ドライエッチングおよび結晶異方性ウエットエッチングの説明図の他の例である。
【図３】本発明に係るマイクロポンプの平面概略図の一例である。
【図４】図３に示すマイクロポンプの断面概略図の一例である。
【図５】図３に示すマイクロポンプの断面概略図の他の例である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る構成を図１から図５に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
本実施形態に係るマイクロポンプは、アクチュエータにて加圧室の体積を変動させ、発生する差圧の変化に対する流路抵抗の変化割合を一定方向の流速とするために、加圧室前後の流路断面積や流路形状を、加圧室前後で異なるように接続されたマイクロポンプであって、より具体的には、結晶面方位が＜１００＞のシリコン基板２に、加圧室３と該加圧室３に連通した吸入側流路４、吐出側流路５が形成されるマイクロポンプにおいて、加圧室３及び吸入側流路４、吐出側流路５の内壁の少なくとも一部が＜１１１＞面であって、加圧室３と吸入側流路４、吐出側流路５との幅及び深さが異なり、かつ、加圧室３及び吸入側流路４、吐出側流路５の各位置において開口幅Ｓ及び最深部の幅よりも大きい幅が最深部より浅い位置に形成されているものである。
【００１９】
また、本実施形態に係るマイクロポンプの製造方法では、先ず、結晶面方位が＜１００＞のシリコン基板２を用いて、シリコン基板２表面に加圧室３及び吸入側流路４、吐出側流路５を形成するためのエッチングマスク１のパターンを形成する。エッチングマスク１は、ドライエッチングで異方性エッチングのマスクとして適用できるものであれば良いが、異方性ウエットエッチング時のマスクとしてもそのまま適用する場合では窒化膜が好ましい。ここで、加圧室３及び吸入側流路４、吐出側流路５の幅を変えた形でエッチングマスク１を形成し、最初にドライエッチングで垂直方向にエッチングを行い、幅の異なる領域を同じ深さになるようエッチングする。これで高さが同じ（深さが共通の）側面と、幅が異なる底面が形成される。次に、アルカリ性異方性ウエットエッチング液にてエッチングを行うと、加圧室３及び吸入側流路４、吐出側流路５の側面と底面が、それぞれ＜１１１＞の結晶方位が出現する約５４．７°の角度にて形成することで、エッチングマスク１の幅寸法を段階的に変更することにより、流路深さを多段に形成することが都合２度の工程で可能となり、平面上及び深さ方向の流路体積を同時に増やすことにより省スペースで流路体積を制御良く形成することができるようにしている。
【００２０】
（異方性ドライエッチングおよび結晶異方性ウエットエッチング）
先ず、図１及び図２を用いて異方性ドライエッチング（以下、単にドライエッチングともいう）および結晶異方性ウエットエッチング（以下、単に、ウエットエッチングともいう）について説明する。本実施形態に係るマイクロポンプは、結晶面方位＜１００＞のシリコン基板２を使用するため、アルカリ性異方性エッチング（結晶異方性エッチング）を行うと、結晶面によるエッチング速度の違いにより、エッチングマスク１との境界面よりシリコン基板２の表面から約５４．７°の角度で、事実上エッチングされない＜１１１＞面が出現する。
【００２１】
例えば、図１（ａ），図２（ａ）に示すように、結晶面方位＜１００＞のシリコン基板２上全面にＣＶＤ（Chemical  Vapor  Deposition）による窒化膜を形成した後、パターンニングで一部の窒化膜を除去する。なお、本実施形態では、エッチングマスク開口幅（単に、開口幅ともいう）ＳをＳ３＝２８０μｍ，Ｓ４＝５００μｍとしている。
【００２２】
残された窒化膜をエッチングマスク１として異方性のドライエッチングを行い、シリコン基板２に対して垂直方向にｄ１ほどエッチングをする。なお、本実施形態では、ｄ１＝１００μｍとしている。
【００２３】
次に、ＫＯＨ（水酸化カリウム）等のアルカリ性水溶液にて、シリコン基板を１００μｍエッチングする時間で処理する。このとき、＜１００＞の結晶面方位を持つシリコン基板２は、上述のように＜１１１＞の結晶面方位が出現する約５４．７°の角度でエッチングが進むので、図１（ｂ），図２（ｂ）に示すような形状にエッチングされる。
【００２４】
（マイクロポンプの製造方法）
図３〜図５を用いて、本発明に係るマイクロポンプの構成およびマイクロポンプの製造方法について具体的に説明する。
【００２５】
ここで、図３（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態に係るマイクロポンプの平面概略図を示しており、図３（ａ）は窒化膜マスクのパターンニング後、図３（ｂ）は窒化膜マスクを用いてドライエッチングを行った後、図３（ｃ）はウエットエッチングを行った後、図３（ｄ）は窒化膜マスクを除去した後をそれぞれ示している。
【００２６】
また、図４（ａ）は図３(ａ)におけるＡ−Ａ´間、図４（ｂ）は図３（ｂ）におけるＡ−Ａ´間、図４（ｃ）は図３（ｃ）におけるＡ−Ａ´間、図４（ｄ）は図３（ｄ）におけるＡ−Ａ´間の断面概略図をそれぞれ示している。また、図５（ａ）は図３（ｄ）におけるＢ−Ｂ´間、図５（ｂ）は図３（ｄ）におけるＣ−Ｃ´間、図５（ｃ）は図３（ｄ）におけるＤ−Ｄ´間、図５（ｄ）は図３（ｄ）におけるＥ−Ｅ´間の断面概略図をそれぞれ示している。
【００２７】
本実施形態のマイクロポンプにおける流速（記録液等の液体の流れる方向）は、図３（ａ）に示すＡからＡ´方向である。このような流速となるマイクロポンプにおける加圧室３と、加圧室３につながる吸入側流路４と吐出側流路５を形成するため、先ず、結晶面方位＜１００＞のシリコン基板２上にＣＶＤによる窒化膜を、例えば、厚さ１μｍで全面に形成し、その後、その上にレジストのマスクを形成し、先ず窒化膜の一部をエッチングで取り除き窒化膜をパターンニングする。次に、レジストを取り除いて、窒化膜マスク１を形成する。なお、これらは公知のリソグラフィー及びエッチング技術により形成可能である（図３（ａ），図４（ａ））。
【００２８】
このとき、エッチング深さを同時に多段で形成するために、図５（ａ）〜（ｄ）に示すようにエッチングマスク開口幅Ｓを流路のそれぞれの位置および加圧室で変更して形成するようにする。具体的には、例えば、エッチングマスク開口幅を、それぞれＳ１＝６０μｍ，Ｓ２＝１００μｍ，Ｓ３＝２８０μｍ，Ｓ４＝５００μｍとする。ここで、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は流路の幅、Ｓ４は加圧室の幅となる。
【００２９】
この窒化膜をマスク１として、シリコン基板２をドライエッチングでエッチングする。このドライエッチングは公知の異方性エッチングによれば良く、シリコン基板２に対して垂直方向にエッチングが進む。本実施形態では、図３（ｂ）で示すように流路方向に幅を変えて窒化膜マスクを形成するが、ドライエッチングによる深さ（ｄ１とする）は、いずれの幅の部分でも同じである。本実施形態では、深さｄ１＝１００μｍとしている（図４（ｂ））。
【００３０】
次に、ドライエッチングしたあと、窒化膜のマスク１を残したままで、ＫＯＨ（水酸化カリウム）、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニアハイドロオキサイド）、ＥＤＰ（エチレンジアミンピロカテコール）等のアルカリ性水溶液にて、シリコン基板２を１００μｍエッチングする時間で処理する。
【００３１】
このとき、＜１００＞の結晶面方位を持つシリコン基板２は＜１１１＞の結晶面方位が出現する約５４．７°の角度で異方性エッチングされるので、流路の側面および底面（最深部ともいう）が、傾斜した形状でエッチングされる。ここで、開口幅の広いＳ３、Ｓ４ではエッチング時間設定によって底面が平らな形状で形成される。
【００３２】
このとき、エッチング深さは流速方向に順テーパー状に拡がるため、吐出方向の流速を得やすい形状にすることができる（図３（ｃ），図４（ｃ））。本実施形態では、エッチングマスク開口幅ＳをそれぞれＳ１＝６０μｍ，Ｓ２＝１００μｍ，Ｓ３＝２８０μｍ，Ｓ４＝５００μｍとしているため、具体的なエッチング量は、Ｓ１では１００μｍのドライエッチング後、深さ方向で２１μｍ横方向で左右それぞれ７１μｍが三角形状にエッチングされる（図５（ａ））。同様に、Ｓ２では１００μｍのドライエッチング後、深さ方向で３５μｍ横方向で左右それぞれ７１μｍが三角形状にエッチングされる（図５（ｂ））。また、Ｓ３では１００μｍのドライエッチング後、深さ方向で１００μｍ底面が平坦で周辺が傾斜した形状となり、横方向で左右それぞれ７１μｍが三角形状にエッチングされる（図５（ｃ））。また、Ｓ４では１００μｍのドライエッチング後、深さ方向で１００μｍ底面が平坦で周辺が傾斜した形状となり、横方向で左右それぞれ７１μｍが三角形状にエッチングされる（図５（ｄ））。
【００３３】
なお、底面の平坦な領域の幅は、Ｓ３よりＳ４が大きくなる。これは、Ｓ１，Ｓ２については、エッチングマスク開口幅に依存したエッチング深さの異なるＶ溝形状が形成された時点でエッチングが事実上停止するが、Ｓ３，Ｓ４は幅が広いためエッチングマスク開口幅には依存せず、エッチング時間に依存するためである。また、Ｓ１＜Ｓ２＜Ｓ３＜Ｓ４の関係にあるため、深さｄは、ｄ２＞ｄ４＞ｄ３となる。
【００３４】
なお、エッチングマスク１については、酸化膜あるいは窒化膜などのアルカリ性水溶液に対して、シリコン基板２とのエッチングスピードに選択性を持つ膜種を成膜してエッチングマスク１とすれば良いが、酸化膜は窒化膜よりもアルカリ性水溶液に対するシリコン基板２との選択性が劣ることから、寸法制御の観点から窒化膜をエッチングマスク１とするほうが好ましい。
【００３５】
図３（ｃ），図４（ｃ）に示す工程後、窒化膜のエッチングマスク１を除去する（図３（ｄ），図３（ｄ））。なお、エッチングマスク１の除去は、エッチングマスク種に応じて、Ｓｉとの選択性のあるドライエッチングや、弗化水素酸あるいは熱燐酸等のウエットエッチングで除去すれば良く、特に限られるものではない。
【００３６】
以上の工程後は、陽極接合や直接接合等の接合技術を用いて、シリコン基板２上に別のシリコン基板やガラス基板等を貼り付け、更に、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などのアクチュエータ素子を貼付することにより、マイクロポンプを製造することができる。
【００３７】
以上の実施形態では、流路深さを４段階に分けて制御する例について説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、エッチングマスク幅寸法が異なるエッチングマスクを所望数配置することにより、任意の段階で流路深さを作成することができるものである。
【００３８】
また、上記実施形態におけるドライエッチングの深さ、流路の幅、およびウエットエッチングの時間の３つは、任意に設定可能な値である。これらの値を適宜調整することで、さまざまな断面形状の流路を作成することができ、流路構成の自由度が格段に増え、最適な流路及び加圧室の構造を求めやすくなるものである。
【００３９】
また、以上説明した本発明に係るマイクロポンプを液体輸送装置として、インクタンクからのインクが満たされる液室と、外界へインクを吐出させる吐出孔とに連通させることにより構成される液滴吐出ヘッドに適用することが好適である。さらに、このように構成した液滴吐出ヘッドを記録ヘッドとして備えた画像形成装置に適用することも好適である。
【００４０】
尚、上述の実施形態は本発明の好適な実施の例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１  エッチングマスク（窒化膜マスク）
２  シリコン基板
３  加圧室
４  吸入側流路
５  吐出側流路
ｄ１  ドライエッチングの深さ
ｄ２，ｄ３，ｄ４  ウエットエッチングの深さ
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４  エッチングマスク開口幅
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４２】
【特許文献１】特開平３−１５８２４２号公報
【特許文献１】特開２００１−３８６９８号公報
【図１】
2011007074.tif 000003
【図２】
2011007074.tif 000004
【図３】
2011007074.tif 000005
【図４】
2011007074.tif 000006
【図５】
2011007074.tif 000007