(57)【要約】【課題】マイクロサイズの吐出穴の穴断面及び長さの精度が高く、供給穴の形状の自由度が高いノズル穴を石英ガラス基板に形成できるようにする。【解決手段】供給穴を加工するための所定厚の石英ガラス基板１ＡにＣＯ２レーザー加工で供給穴２となる穴を貫通加工し、供給穴の貫通穴加工された石英ガラス基板１Ａの供給側面の反対面を研磨し、その面に吐出穴３を形成する石英ガラス基板１Ｂを熱により接合して一体化する。一体化した石英ガラス基板１の吐出穴を加工する面厚みを、所望のノズル長さとなるように研磨することによってノズルの長さを高い精度で製作できるようにした。吐出穴加工部の研磨終点をモニターするための厚みの測定は、ＯＣＴ法（オプテカルコヒーレントトモグラフィ）等の光干渉を利用してサブミクロンの精度で測定し、研磨量を調整することでミクロンレベルの精度でノズル長さを決めることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給穴用石英ガラス基板１Ａにレーザー加工によって供給穴を貫通加工し、この供給穴用石英ガラス基板１Ａの一面を研磨し、この研磨面に吐出穴用石英ガラス基板１Ｂを接合して一体化し、吐出穴用石英ガラス基板１Ｂの厚みをノズル長さに等しくなるように調整し、吐出穴用石英ガラス基板１Ｂの底面からドライエッチングで吐出穴を供給穴に連通させてノズルを形成する石英ガラスノズルプレートの製造方法。
【請求項２】
請求項１において、供給穴用石英ガラス基板１Ａを２枚以上使用し、それぞれ異なる形状の供給穴を形成して連通させる石英ガラスノズルプレートの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石英ガラスノズルプレートの製造方法に関し、更に詳しくは、インクジェットプリンタや細胞生物学やゲノム生物学で使用される細胞ソータ(セルソーター)のノズル部品等に使用される微細な形状のノズルが形成された石英ガラスノズルプレートの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロサイズの吐出穴が形成された石英ガラスノズルプレートは、インクジェットプリンタのインク吐出部品、バイオ用途の細胞ソータのノズル部品、或いはマイクロバブル発生用部品等へと用途の拡大が進んでいる。
インクジェットプリンタの静電吸引方式においては、ノズルプレートの材質は、電気絶縁性材料であって、かつ、微細な高精度加工が可能なことが要求され、バイオソータのノズル部品においては、光透過性、及び耐薬品性が要求され、そして、マイクロバブル発生部品においては、微細加工が可能であり、加えて超音波の伝播特性に優れていることが要求されることなどから、それぞれの用途で石英ガラスが有力な材料となっている。
【０００３】
ノズル穴の形状、寸法は、吐出される液体、あるいは、ガスの必要とされる特性に応じて微量な領域で制御し、かつ、安定的に対応する必要があり、穴形状の自由度及び安定性、穴寸法、及び穴長さには高い精度が求められる。
静電吸引駆動のインクジェットプリンタ用ノズルプレートの製造方法の例として、特許文献１（特開２００７−１５２８７１号公報）に示される方法がある。これは、ガラス基板の第１面にフォトリソグラフィパターニングとドライエッチング加工により小径の吐出穴を止め穴として形成した後、第１面の反対の第２面にフォトリソグラフィパターニングとサンドブラスト加工、あるいは、サンドブラスト加工のみにより吐出穴より大径の供給穴を形成して吐出穴に貫通させてノズルを形成する製造方法である。
【０００４】
この従来の石英ガラスノズルプレートの形成方法においては、石英ガラス基板の第１面に形成する吐出穴を形成するドライエッチングでは、止め穴を形成するものであるため、形成した穴の底面形状が平坦とならず歪んでしまい易く、また、表面から底面まで同一径でエッチングすることが難しく、表面の穴径に対して底面の穴径が異なる穴となる。したがって、吐出穴を同一径のストレートな穴にするためには第２面から加工する供給穴の形成において、ドライエッチングで形成した吐出穴底部の歪んだ部分を除去する必要があり、吐出穴形成のためのドライエッチング量は、必要とされるストレート部の長さに穴底の歪部を加えた深さまで加工しなければならす、エッチング量が増加してコストがかかるものとなっていた。
【０００５】
また、吐出穴のストレート部の長さ（穴の深さ）精度は、第２面から加工されるサンドブラスト、あるいは、ドライエッチングの加工深さに依存するため、加工面内のばらつきが生じていた。更に、微細穴の加工深さを高精度で測定することが困難なことから数ミクロン以下の精度を得ることは難しいものであった。
【０００６】
第１面の吐出穴と第２面の供給穴の加工順番を反対にした場合は、吐出穴加工での穴底部の歪んだ部分の発生の問題は無くなるが、吐出穴のストレート部の長さ精度は、前出のサンドブラスト加工精度に依存することになるため、必要とする精度で加工することが困難であった。
【０００７】
特許文献２（特許第５５１９２６３号公報）にはサンドブラストを使わず、エッチングのみでノズル形状を形成する方法が記載されている。この方法によれば、供給穴をテーパー状に加工することは可能であるが、エッチングによる穴形成工程のためマスキングを形成する必要があり、製造工程が複雑となる。更に、吐出穴長が長くなると、各穴のエッチング状態によって穴の長さを一定にすることが困難であるため形成された吐出穴の長さにバラツキが生じ易く、加えて、加工に長時間を要し、製造コストの増大を招くことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１５２８７１号公報
【特許文献２】特許第５５１９２６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、マイクロサイズの吐出穴の穴断面及び長さを高精度で、かつ、供給穴の形状の自由度が高いノズル穴を石英ガラス基板に形成できるようにすることを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
供給穴用石英ガラス基板１Ａにレーザー加工によって供給穴を貫通加工し、この供給穴用石英ガラス基板１Ａの一面を研磨し、この研磨面に吐出穴用石英ガラス基板１Ｂを接合して一体化し、吐出穴用石英ガラス基板１Ｂの厚みをノズル長さに等しくなるように調整し、吐出穴用石英ガラス基板１Ｂの底面から供給穴にドライエッチングで吐出穴を連通させてノズルを形成する石英ガラスノズルプレートの製造方法である。
また、供給穴用石英ガラス基板１Ａを２枚使用し、一枚目にはストレート穴を形成し、二枚目にはテーパー穴を形成することによって複雑な形状の供給穴を高精度で製作できるようにしたものである。
供給穴用石英ガラス基板１Ａの枚数は２枚に限定されるものでなく、要求される穴形状に応じて石英ガラス基板の枚数を決定する。
【発明の効果】
【００１１】
供給穴形成手段がレーザー加工であり、レーザー加工装置の多軸制御と照射条件によって供給穴形状に大きな自由度が得られ、ストレート、テーパー、逆テーパー、コーン形状、レーザー光入射面が楕円形状であって出射面が円形状等の複雑な形状を簡便に製作することができる。
供給穴の形成において、複数枚の石英ガラス基板にレーザー加工で供給穴を形成してそれらを接合することによって複雑な形状の供給穴を製作することができる。
【００１２】
石英ガラス基板、レーザー穴加工、石英ガラス基板接合、研磨加工、フォトリソグラフィー・ドライエッチング技術の組合せに加え、加工手順と各加工手段の特性を活用することにより複雑な供給穴形状を簡便に製作することができる。
ノズルとなる吐出穴３を形成する前段階において、供給穴２を形成した供給穴用石英ガラス基板１Ａに接合した吐出穴用石英ガラス基板１Ｂを研磨することによる吐出穴用石英ガラス基板１Ｂの厚さの制御によってノズル長を高精度で希望の長さにすることができ、石英ガラスノズルプレートを低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の石英ガラスノズルプレートの製造工程図。
【図２】供給側石英ガラス基板と吐出側石英ガラス基板の平面図。
【図３】石英ガラス基板に複数形成したノズルのダイシング分割図。
【図４】完成した石英ガラスノズルプレートの斜視図。
【図５】供給側石英ガラス基板が複数の場合の製造工程図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図面に基づいて本発明の石英ガラスノズルプレートの製造方法を説明する。
＜実施例＞
φ１００×ｔ０．７ｍｍの鏡面研磨された石英ガラス基板をそれぞれ供給穴用石英ガラス基板１Ａと吐出穴用石英ガラス基板１Ｂとして使用した。
図１（１）に示すように、供給穴用石英ガラス基板１ＡにＣＯ２ガスレーザー加工によって図２（１）に穴の平面配列を示すように、φ１００μｍ、穴間隔１ｍｍ、１列８個を、列間隔５ｍｍで５列の貫通供給穴２を形成した。
また、後工程の吐出穴形成時のリソグラフィでの位置合せマークとしてφ１００μｍの貫通穴Ｍを供給穴用石英ガラス基板１Ａの供給穴加工範囲外に基板中心に対して対称となる位置２か所に加工した。
なお、図１は製造工程の説明を目的とするものなので、供給穴及び吐出穴の数は概略的に示しており、図２とは対応していない。
【００１５】
供給穴を加工した石英ガラス基板１Ａは、ＣＯ２ガスレーザー加工で生じる加工部近傍の熱歪除去のため熱アニール処理した。
さらに、ＣＯ２ガスレーザー加工による貫通穴回りには数ミクロンから数１０ミクロンの盛り上がりや石英ガラス蒸気の凝集固着による凸凹が表面に生じているのでそれらを除去して平坦面とするため、片面平面研磨によって約２０μｍ研磨した。
【００１６】
供給穴用石英ガラス基板１Ａと、吐出穴用石英ガラス基板１Ｂを、洗浄液と超音波洗浄機により洗浄し、ＩＰＡ蒸気乾燥した後、接合面を重ね合せてオプティカルコンタクトした。接合時の各石英ガラス基板１Ａ、１Ｂの位置合せは、吐出穴用石英ガラス基板１Ｂはパターンの無い平面研磨板のため、精密な位置合せは必要性はなく、石英ガラス基板１Ａ、１Ｂ同士の外形が概ね一致する程度でよく、ガイドピンに突き当てで位置合せし、オプティカルコンタクトした石英ガラス基板１Ａ、１Ｂを８００〜１３００℃で熱処理して接合界面を消滅させて十分な接合力が得られるようにして一体化した。
【００１７】
供給穴用石英ガラス基板１Ａと吐出穴用石英ガラス基板１Ｂを熱処理により一体化したものである石英ガラス基板１の吐出穴用石英ガラス基板１Ｂの厚みをノズル長さ２０μｍとなるように、研削加工、ラッピング加工、研磨加工の順で加工して調整した。
吐出穴用石英ガラス基板１Ｂの厚みを調整する加工方法は、吐出穴を形成するための吐出穴用石英ガラス基板１Ｂの当初の厚みと、仕上がり厚みとするための加工量によって、加工時間、加工品質等から適した加工方法と組合せが選択されるが、後工程のドライエッチング加工において鏡面を必要とすることから、少なくとも最終の加工方法は、研磨法が必要である。
基準面から吐出穴用石英ガラス基板１Ｂの表面の高さを測定し、吐出穴用石英ガラス基板１Ｂの当初の厚みから所望のノズル長さを引いた値を、前記の吐出穴用石英ガラス基板１Ｂの高さから引き、その値を仕上り高さとする。
【００１８】
吐出穴用石英ガラス基板１Ｂの厚みは、最小表示値０．００１ｍｍのデジタルマイクロメータにより測定し、基準面接合基板の表面の高さは、最小表示値０．０００１ｍｍのデジタルハイトゲージにより測定した。
吐出穴用石英ガラス基板１Ｂは、プレッシャープレートに貼りつけた状態で研削加工、ラッピング加工をそれぞれの加工ダメージと、後加工で前工程の加工ダメージを除去するように設定した厚みとなるように加工した後、修正輪形研磨機を用い仕上がり高さとなるように約２０μｍ研磨した。
【００１９】
吐出穴用石英ガラス基板１Ｂの吐出穴加工部のガラス厚みをＯＣＴ法（オプテカルコヒーレントトモグラフィ）よる測定結果は、目標厚み２０μｍに対して、平均２０．３μｍ、標準偏差０．５μｍであった。  
【００２０】
次に、供給穴位置に合わせて、ドライエッチング法により貫通穴加工して、吐出穴を形成する。
吐出穴用石英ガラス基板１Ｂの吐出面側にドライエッチングマスクとするためのマスク金属膜３ａのＮｉ膜をスパッタ法により膜厚０．８μｍ成膜したのち、Ｎｉ膜上に吐出穴パターン形成のためのレジスト膜３ｂをポジレジストを用いて膜厚１．５μｍスピンコートした。
レジスト面にφ３μｍの吐出穴レジストパターンを前記２か所の位置合わせマークＭを用い位置合わせを行い、レーザー描画装置により露光、ウェットエッチングにより形成した。
【００２１】
レジスト面に形成した吐出穴レジストパターンをマスクにして、希硫酸系エッチング液によるウェットエッチングによりＮｉ膜パターン部をエッチングしてＮｉ面にφ７μｍの吐出穴マスク金属パターンを形成した。
Ｎｉ膜面に形成した吐出穴マスク金属パターンをマスクにして、ドライエッチング法により貫通穴を加工して吐出穴を形成することによってノズル形状を形成した。
ドライエッチングは、ＩＣＰ型反応性イオンエッチング装置を用い、ガス種ＣＦ４、ガス圧１．０Ｐａ，ＩＣＰパワー８００Ｗ、ＢＩＡＳパワー６０Ｗで加工した。
【００２２】
このドライエッチングによる吐出穴の形状は、エッチング開始面の吐出面側、貫通側の供給穴側とも円形で、ストレート形状であった。
ドライエッチングにより吐出穴加工されてノズル形状を複数形成された石英ガラス基板１は、マスク金属膜を硫酸系エッチング液により除去した後、図３に示すように、ノズル列間のピッチ中心と、列状のノズル構造の両端から必要な距離を離した位置を切断線Ｃとしてダイシング分割することで、図４に示すノズル形成石英ガラスプレート１０を得た。
【００２３】
図５に示す製造工程は、供給穴２の形状が単純なストレート穴ではなく、例えば、ストレート穴２ａとテーパー穴２ｂを組み合わせた複雑な形状の穴を製造する手順を示すものである。
供給穴用石英ガラス基板１Ａ−１、１Ａ−２の２枚を準備し、一方にはストレート穴２ａを、他方にはテーパー穴２ｂをＣＯ２レーザー加工で形成し、接合面を研磨して二つの基板１Ａ−１、１Ａ−２を接合する。（工程３ａ）
更に、吐出穴用石英ガラス基板１Ｂを接合し(工程３ｂ)、吐出穴用石英ガラス基板１Ｂの底面を研磨加工することによって厚さをノズル長さに合わせる。(工程３ｂ)
これ以降の手順は図１に示した製造工程と同様である。供給穴用石英ガラス基板を２枚とすることによって複雑な形状の穴を形成することができると共に、ノズル長さを高精度に製作することができる。
供給穴が更に複雑な形状であって２枚の供給穴用石英ガラス基板では対応できない場合は、穴の形状に応じて供給穴用石英ガラス基板１Ａの枚数を増やして対応する。
【符号の説明】
【００２４】
１        石英ガラス基板
１Ａ      供給穴用石英ガラス基板
１Ａ−１  供給穴用石英ガラス基板
１Ａ−２  供給穴用石英ガラス基板
１Ｂ      吐出穴用石英ガラス基板
１０      石英ガラスノズルプレート
２        供給穴
３        吐出穴
Ｍ        位置合わせ用穴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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