(57)【要約】【課題】ノズルからばらつきの少ない高精度なインク吐出を実現することが可能な、微小ドット形成装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】微小ドット形成装置１は、シリコン基板２と、ＳｉＯ２層３と、支持部材４と、インク供給部５と、インク供給装置とを備えている。シリコン基板２に、インク供給部５から供給されたインクの流路となるインク流路６を穿設し、ＳｉＯ２層３に、インク流路６から供給されたインクを吐出するノズルを穿設する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に形成されると共に貫通された微細孔をノズルとして有するノズル層と、該基板を貫通するように設けられ、上記微細孔にインクを供給するようになっているインク流路とを備えていることを特徴とする微小ドット形成装置。
【請求項２】
上記ノズル層上に、撥インク性を有する撥インク層をさらに備え、
上記微細孔は、さらに撥インク層を貫通するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の微小ドット形成装置。
【請求項３】
上記インク流路の断面積は、上記微細孔の断面積の１０倍以上４００倍以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の微小ドット形成装置。
【請求項４】
上記微細孔の断面積は、０．８μｍ２以上５０μｍ２以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の微小ドット形成装置。
【請求項５】
上記ノズル層は、ＳｉＯ２またはＡｌ２Ｏ３からなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の微小ドット形成装置。
【請求項６】
上記ノズル層は、金属蒸着膜からなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の微小ドット形成装置。
【請求項７】
上記ノズル層は、感光性ポリイミドからなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の微小ドット形成装置。
【請求項８】
基板上にノズル層を形成するノズル層形成工程と、基板にインク流路を形成するインク流路形成工程と、ノズル層に微細孔を形成する微細孔形成工程とを含むことを特徴とする微小ドット形成装置の製造方法。
【請求項９】
上記微細孔形成工程の前に、ノズル層上に撥インク性を有する撥インク層を形成する撥インク層形成工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の微小ドット形成装置の製造方法。
【請求項１０】
上記微細孔形成工程の後に、ノズル層上に撥インク性を有する撥インク層を形成する撥インク層形成工程と、インク流路および微細孔内面の撥インク層を除去する撥インク層除去工程とを含むことを特徴とする請求項８に記載の微小ドット形成装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小ドットを用いた微細パターンを形成する微小ドット形成装置およびその製造方法に関するものである。より詳しくは、例えば液晶表示装置、プラズマディスプレイ、または有機ＥＬ等のフラットディスプレイを製造するためのパターン形成やプリント配線板の微細導体パターン形成等に応用することができる微小ドット形成装置およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来においては、液晶表示装置用のカラーフィルタ等の微細パターンの形成は、フォトリソグラフィ法、印刷法、電着法等により行われている。これらの形成方法の中でも、精度、外観品位の点でフォトリソグラフィ法が優れている。また、プリント配線板の導体パターンの形成においても、高精度な配線が可能なフォトリソグラフィ法が用いられている。
【０００３】
しかし、上述のフォトリソグラフィ法を用いたカラーフィルタのパターン形成、導体パターン形成は工程が複雑であり、製造コストの低減に支障を来たしていた。そこで、近年微小なインクドットを直接描画することにより、微細パターンを高い精度で形成することができる微小ドット形成装置の開発が活発となっており、微小ノズルにより加圧したインクを吐出する方式を採用した微小ドット形成装置が提案されている（例えば特許文献１）。
【０００４】
ここで、従来の微小ドット形成装置の構成を図９に基づいて説明する。図９は、従来の、微小ノズルより加圧したインクを吐出する方式を採用した微小ドット形成装置２１の概略を示す断面図である。図９に示す微小ドット形成装置２１は、シリコン基板２２と、シリコン基板２２の表面２２Ａ側に配設された支持部材２６と、シリコン基板２２と支持部材２６との空隙部にインクを供給するインク流路２８と、インク流路２８に接続されたインク供給装置２９とを備えている。
【０００５】
シリコン基板２２は、表面２２Ａ側から裏面２２Ｂ側に貫通する複数の微小ノズル２３を備え、微小ノズル２３の表面２２Ａ側の開口部２３ａは、上記のシリコン基板２２と支持部材２６とにより形成されている空隙部に露出している。シリコン基板２２の材質はシリコンの単結晶で、厚みは２００〜５００μｍ程度である。このようなシリコン基板２２は、その線膨張係数が約２．６×１０−６／Ｋと低いため、温度による形状変化が極めて小さい。
【０００６】
微小ノズル２３は、その軸方向に垂直な横断面形状（シリコン基板２２の表面２２Ａに平行な断面）が円形、その軸方向に沿った縦断面形状（シリコン基板２２の表面２２Ａに垂直な断面）が長方形である円柱形状の空間からなるものであり、その壁面にはＳｉＯ２層２４が設けられている。通常、このＳｉＯ２層２４の厚みは、５．０×１０−５ｍ〜１．０×１０−４ｍ（５０００〜１００００Å）程度である。微小ノズル２３の開口径は１〜１００μｍ程度、微小ノズル２３のアスペクト比は１〜１００程度の範囲で適宜設定する。また、微小ノズル２３の形成数および形成ピッチは、微小ドット形成装置２１により形成するパターンの形状、形成方法に応じて適宜設定することができ、形成ピッチは最小で１μｍ程度である。微小ノズル２３の横断面形状は、上記の円形の他に楕円形、多角形等、あるいは、特殊な形状であってもよく、横断面形状が楕円形、長方形の場合、長手方向の開口径は５〜５００μｍの範囲で適宜設定することができる。
【０００７】
支持部材２６は、上述のシリコン基板２２の表面２２Ａ側に配設され、シリコン基板２２を保持するためのものである。支持部材２６はシリコン基板２２と同じ平面形状の基部２６ａと、この基部２６ａの周縁に設けられたフランジ部２６ｂと、基部２６ａの中央に設けられた開口部２６ｃとからなり、フランジ部２６ｂにてシリコン基板２２の表面２２Ａ側の周辺部と固着されている。これにより、シリコン基板２２と支持部材２６との間にインクが供給される空間が形成されている。この支持部材２６は、その線膨張係数がシリコン基板２２の線膨張係数の１／１０倍〜１０倍の範囲内の材料、例えば、パイレックスガラス（商品名コーニング＃７７４０、線膨張係数＝３．５×１０−６／Ｋ）、ＳＵＳ３０４（線膨張係数＝１７．３×１０−６／Ｋ）等を用いる。
【０００８】
インク流路２８は、上記支持部材２６の開口部２６ｃに接続され、その他端はインク供給装置２９に接続されている。図９に示す微小ドット形成装置２１では、パイプ形状のインク流路２８が１つ接続されている。インク供給装置２９は、連続供給ポンプまたは定量供給ポンプ等、微小ドット形成装置２１の使用目的に応じて適宜選択する。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−６８８２７号公報（公開日：平成１３年３月１６日）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の構成ではシリコン基板上にノズル、特に微小なノズルを形成する場合、ディープエッチングを用いてインク流路とノズルとを同時に形成するため、ノズルの形状精度が±１μｍ程度ある。しかしながら、上記特許文献１に記載の微小ドット形成装置のように、インクを加圧して吐出する方式を用いている場合、他のインク吐出駆動方法、例えば圧電駆動方式やバブルジェット方式のように一定体積の圧力変動による吐出原理とは異なり、駆動源での吐出量の制限がほとんどないため、インク流の抵抗、すなわちノズル形状、特にノズル径が吐出量に大きく影響してしまう。このため、微小ノズル（真円形状のノズルとしてφ１０μｍ以下のノズル）、特にノズルの断面積が５０μｍ２以下の場合においては、ノズル精度が±１μｍ変動することにより吐出量に多大なばらつきを与えてしまっている。例えば、上記特許文献１に記載の微小ドット形成装置を用いて配線パターンを形成した場合、ノズルごとに吐出量が異なるため、配線幅および配線厚さにばらつきが生じ、配線抵抗が不均一になるといった弊害が生じるという問題点を有している。
【００１１】
また、特にノズルの断面積が５μｍ２以下の場合には、上記問題点がより深刻になる。具体的には、吐出を加圧にて行う場合、ノズル部での流路抵抗に差が大きくなると流路抵抗の大きいノズル、すなわち微小なノズルは最悪の場合、吐出不良を引き起こすことになる。また、製造工程でノズルが開口していない等の欠陥品を多発することになる。このため、例えば、カラーフィルタの製造のために上記の微小ドット形成装置を用いた場合には、色抜け、色むらが大きな問題になり、また、配線パターンの形成においては、配線抵抗のばらつきや、最悪では断線または隣接配線とのショート等が問題となる。
【００１２】
なお、上記問題点に対する対策として、インク流路に別部材にてノズルを形成したノズルプレートを取り付ける方法が考えられるが、ノズルの開口が非常に小さい場合、高精度のノズルの形成におけるアスペクト比を考慮すると、上記ノズルプレートは非常に薄くなり。剛性を含め取り回しが非常に困難であるとともに、インク流路にノズルプレートを取り付けること自体が非常に困難である。
【００１３】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、ノズルからばらつきの少ない高精度なインク吐出を実現することが可能な、微小ドット形成装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の微小ドット形成装置は、上記課題を解決するために、基板と、該基板上に形成されると共に貫通された微細孔をノズルとして有するノズル層と、該基板を貫通するように設けられ、上記微細孔にインクを供給するようになっているインク流路とを備えていることを特徴としている。
【００１５】
上記構成によれば、ノズル層を基板上に均一かつ薄層に形成して設けることによりノズル断面積が５０μｍ２以下の微細孔を形成する上で問題となるアスペクト比を最適にすることができるため、断面積の変動が少ない形状精度の高い微小なノズルとすることができる。これにより、インク流路からノズルとしての微細孔を経てインクを吐出する際の流路抵抗のばらつきを抑えることができる。したがって、吐出量のばらつきが非常に少ないインク吐出を行うことができるとともに、安定した印字を行うことができる。また、特に一定体積の圧力変動による吐出原理以外の吐出方式、例えば、インク全体の加圧方式を用いた場合、駆動源での吐出量の制限がほとんどないため、インク流の抵抗すなわち微細孔の形状、特に微細孔の径が吐出量に大きく影響してしまうものの、上記構成によれば、吐出量のばらつきを軽減することができる。
【００１６】
本発明の微小ドット形成装置は、上記構成に加え、上記ノズル層上に、撥インク性を有する撥インク層をさらに備え、上記微細孔は、さらに撥インク層を貫通するように設けられていることを特徴としている。上記構成によれば、インクを吐出する際に微細孔の開口部分でのインク溜りの発生を防止することが可能となり、インク吐出時のインク切れを向上させることができる。
【００１７】
本発明の微小ドット形成装置は、上記構成に加え、上記インク流路の断面積は、上記微細孔の断面積の１０倍以上４００倍以下であることを特徴としている。上記構成によれば、微細孔からインクを吐出する際の流路抵抗を抑えることができるとともに、気泡溜りやインク流の淀みを軽減することができる。これにより、安定した連続吐出が可能となる。
【００１８】
本発明の微小ドット形成装置は、上記構成に加え、上記微細孔の断面積は、０．８μｍ２以上５０μｍ２以下であることを特徴としている。上記構成によれば、インク流路および微細孔での流路抵抗の吐出量にかかわる影響が大きいため、非常に安定した吐出を行うことができる。また、上記構成によれば、微細孔の開口部分にインク溜りが頻繁に発生し、微細孔の詰まりや吐出方向のばらつき等、吐出が不安定になることを軽減することが可能となり、吐出精度を向上させることができるとともに、吐出安定性を向上させることができる。
【００１９】
本発明の微小ドット形成装置は、上記構成に加え、上記ノズル層は、ＳｉＯ２またはＡｌ２Ｏ３からなることを特徴としている。上記構成によれば、ノズル層の剛性を上げることができるとともに、微細孔のメンテナンス等の磨耗による劣化を防止することができる。また、ＳｉＯ２またはＡｌ２Ｏ３は、インク流路と同等の線膨張係数を有するため、環境温度の変動による微細孔の接合面での破壊を防ぐことができるため、広い範囲の環境条件での使用が可能となる。
【００２０】
本発明の微小ドット形成装置は、上記構成に加え、上記ノズル層は、金属蒸着膜からなることを特徴としている。上記構成によれば、ノズル層として金属蒸着する際に、例えばフッ素等の撥インク性材料を分散させた蒸着を行うことにより、撥インク層を形成することがなくなり、工程を簡略化することができるとともに、撥インク層の損傷および劣化という問題を回避することができる。
【００２１】
本発明の微小ドット形成装置は、上記構成に加え、上記ノズル層は、感光性ポリイミドからなることを特徴としている。上記構成によれば、ノズル層自体が感光性を有するため、例えば微細孔を形成する際に、ノズル層にレジスト塗布を行う必要がなく、フォトマスクのみでよいため、工程を簡略化することができるとともに、微細孔形成の精度を向上させることができる。
【００２２】
本発明の微小ドット形成装置の製造方法は、上記課題を解決するために、基板上にノズル層を形成するノズル層形成工程と、基板にインク流路を形成するインク流路形成工程と、ノズル層に微細孔を形成する微細孔形成工程とを含むことを特徴としている。
【００２３】
上記構成によれば、インク流路形成工程と微細孔形成工程とを別工程で行うことにより、微細孔形成に特化したより最適な加工条件の設定が可能となるとともに、インク流路加工による外乱条件（切削くずの混入、マスクのへたり等）を解消することができる。このため、断面積の変動が少ない形状精度の高い微細孔を容易に形成することが可能となる。したがって、微細孔およびインク流路同士の流路抵抗のばらつきを抑えることができるため、吐出量のばらつきが非常に少ない高精度なインク吐出を実現することができる。例えば、上記構成を有する微小ドット形成装置を用いて液晶表示装置の配線パターンを形成した場合、微細孔毎の吐出量を同等とすることが可能となり、配線パターンの配線幅および配線厚さを均一にすることができるとともに、配線抵抗が同等な微細なパターンを形成することができる。また、上記構成を有する微小ドット形成装置を用いてカラーフィルタにパターンを形成した場合には、色抜け等の発生がなく、色むらの小さいパターンを形成することができる。
【００２４】
本発明の微小ドット形成装置の製造方法は、上記構成に加え、上記微細孔形成工程の前に、ノズル層上に撥インク性を有する撥インク層を形成する撥インク層形成工程を含むことを特徴としている。上記構成によれば、微細孔を形成する前に撥インク層を形成するため、微細孔内面への撥インク層が回りこむことを防止することができる。
【００２５】
本発明の微小ドット形成装置の製造方法は、上記構成に加え、上記微細孔形成工程の後に、ノズル層上に撥インク性を有する撥インク層を形成する撥インク層形成工程と、インク流路および微細孔内面の撥インク層を除去する撥インク層除去工程とを含むことを特徴としている。上記構成によれば、撥インク層を最終工程にて行うことができるため、撥インク層の損傷を最小限に抑えることが可能となる。また、微細孔形成時に撥インク層を有さないため、より精度の高い形状の微細孔を形成することが可能となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
〔実施の形態１〕
本発明の第１の実施の形態について図１ないし図４に基づいて説明する。
【００２７】
図１（ａ）は、本実施の形態における微小ドット形成装置１の概略を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、一部が切断された図１（ａ）の微小ドット形成装置１を示す斜視図である。本実施の形態における微小ドット形成装置１は、図１（ａ）・（ｂ）に示すように、シリコン基板（基板）２と、ＳｉＯ２層（ノズル層）３と、支持部材４と、インク供給部５と、インク供給装置（図示せず）とを備えている。
【００２８】
シリコン基板２は、厚みが２００μｍとなっており、シリコン基板２を貫通するようにインクを通すインク流路６が複数形成されている。また、シリコン基板２の材質は、シリコンの単結晶であることが好ましい。シリコン基板２の全ての面には、厚さ１．０×１０−４ｍ（１００００Å）のＳｉＯ２層３が形成されている。ＳｉＯ２層３には、ＳｉＯ２層３を貫通する複数の微小なノズル（微細孔）７が形成されている。微小なノズルとは、例えば真円形状のノズルとした場合にφ１０μｍ以下のノズルのことをいう。
【００２９】
ノズル７は、その１つ１つが、一辺の長さが７μｍ（断面積が４９μｍ２）の正方形状となっている。シリコン基板２のＳｉＯ２層３が形成された面と反対側の面には、支持部材４が配設されている。ＳｉＯ２層３が形成されたシリコン基板２と、支持部材４との間には空隙部８を有している。シリコン基板２に形成された複数のインク流路６は、その支持部材４側の開口が空隙部８に露出している。ＳｉＯ２層３に形成されたノズル７は、そのシリコン基板２側の開口がインク流路６に露出しており、複数のインク流路６と複数のノズル７とが１対１に対応するように位置している。インク供給部５は、インク供給装置から供給されたインクを空隙部８に供給するようになっている。
【００３０】
次に、上記構成を有する微小ドット形成装置１の製造方法について説明する。まず、上記シリコン基板２上にＳｉＯ２層３を形成するノズル層形成工程、およびシリコン基板２にインク流路６を形成するインク流路形成工程について図２（ａ）〜（ｄ）に基づき説明する。図２（ａ）〜（ｄ）は、インク流路６を形成する工程を示す断面図である。
【００３１】
図２（ａ）に示すように、シリコン基板２の全ての面上に、ＳｉＯ２膜３を形成する。このＳｉＯ２膜３は、水素および酸素雰囲気中における１０００℃以上の加熱による熱酸化によって１．０×１０−４ｍ（１００００Å）の厚さまで形成する。これによりノズル層としてのＳｉＯ２層３が形成される。
【００３２】
そして、シリコン基板２上に形成されたＳｉＯ２膜３のうち、１つの面のＳｉＯ２膜３上に、感光性レジストを塗布し、所定の形状を有するフォトマスクを介して露光および現像する。これにより、図２（ｂ）に示すように、所定の形状を有するレジストパターン９が形成される。そして、レジストパターン９をマスクとしてドライエッチングを行い、パターニングする。図２（ｃ）に示すように、このパターニングにより、レジストパターンが設けられていない部分のＳｉＯ２膜３は除去される。
【００３３】
その後、図２（ｄ）に示すように、パターニングされたＳｉＯ２膜３をマスクとしてウェットエッチングを行う。これにより、シリコン基板２に一辺の長さが２５μｍ（断面積が６２５μｍ２）である正方形状の開口を有するインク流路６が穿設される。インク流路６を穿設するウェットエッチングは、感光性レジストを塗布した側の面と反対側の面のＳｉＯ２膜３に到達するまで行う。反対側の面に形成されたＳｉＯ２膜３は、インク流路６を穿設するために使用するマスクと材質が同じであるため、ウェットエッチングによる影響を受けにくい。したがって、インク流路６の形成に十分な条件によるウェットエッチングが可能となり、インク流路６の形状精度を高めることができる。そして、最後にレジストパターン９を除去する。
【００３４】
なお、インク流路６を穿設する側のＳｉＯ２膜３は除去してもよい。ただし、除去する場合、除去のための工程が増え、かつシリコン基板２の剛性が低減するため、残しておくことがより好ましいことから、本実施の形態においては除去しない。
【００３５】
次に、上記ＳｉＯ２膜３に微小なノズル７を形成する微細孔形成工程について図３（ａ）〜（ｃ）に基づき説明する。図３（ａ）〜（ｃ）は、ノズル７を形成する工程を示す断面図である。
【００３６】
図３（ａ）に示すように、上記インク流路６が形成されたシリコン基板２の、インク流路６を穿設した面と反対側の面に形成されたＳｉＯ２膜３上に感光性レジストを塗布し、所定の形状を有するフォトマスクを介して露光および現像する。これにより、図３（ａ）に示すように、所定の形状を有するレジストパターン１０が形成される。そして、レジストパターン１０をマスクとしてドライエッチングを行い、パターニングする。図３（ｂ）に示すように、このパターニングにより、レジストパターン１０が設けられていない部分のＳｉＯ２膜３は除去される。これにより、インク流路に通じ、一辺の長さが７μｍ（断面積が４９μｍ２）である正方形状の微小なノズル７が穿設される。そして、最後にレジストパターン１０を除去する。
【００３７】
なお、上記インク流路形成工程におけるレジストパターン９の除去と、ノズル形成工程におけるレジストパターン１０の除去とを同時に行うこともできる。この場合、洗浄等の工程を減らすことができるため、工程を簡略化することができる。ただし、ノズル７の目詰まりを防止するために、ノズル形成後のダスト（レジストパターン除去時のごみ）をできるだけ低減することが望ましく、十分注意しながらレジストパターン９・１０の除去を行う必要がある。
【００３８】
そして、図４に示すように、上記インク流路６およびノズル７を形成した後の、ＳｉＯ２膜３が形成されたシリコン基板２を支持部材４に配設する。配設は、インク流路６が空隙部８側に、ノズル７が反対側になるように行われる。シリコン基板２が配設された支持部材４に、空隙部８にインクを供給するインク供給部５を連結し、インク供給部５にインク供給装置を連結することにより、微小ドット形成装置１が製造される。
【００３９】
なお、シリコン基板２の支持部材４への取り付けは、接着剤、陽極接着、封止固定等により行うことができる。ただし、取り付けの際に、インク流路６およびノズル７へ接着剤等が回り込んだ場合には、吐出不良を起こしてしまうため、回り込むことがないように注意して取り付けを行う必要がある。本実施の形態においては、シリコン基板２と支持部材４とが当接する個所のシリコン基板２上に接着剤の逃げ溝（図示せず）を形成した後に、シリコン基板２上に接着剤を塗布することにより、シリコン基板２と支持部材４とを接着し、さらに、シリコン基板２と支持部材４との境界部分をシリコン系の封止材にて封止することにより取り付けを行った。
【００４０】
なお、上記ノズル７の形状を、一辺の長さが７μｍの正方形状とする他に、一辺の長さが１μｍ（断面積が１μｍ２）、または３μｍ（断面積が９μｍ２）の正方形状の開口を有するノズルとし、各々の大きさのノズルについて５０個のノズルを形成し、それぞれ形状精度を確認した。いずれの場合においても、ノズルの長さと開口のアスペクト比とが十分大きいため、形状精度は非常に高く、±０．１μｍ以下のばらつきとなっており、ばらつきがほぼフォトマスクに起因する精度までの加工が可能であった。これは、ノズル寸法の１／１０以下のばらつきであり、ノズル断面積では１／１００以下のばらつきであるため、ノズル毎の吐出量のばらつきは、ほぼ無視することが可能なレベルである。すなわち、吐出性能への影響のないレベルでの可能が可能であり、ノズル形成におけるフォトマスクの形状精度を十分に管理することにより、微小なノズルが形成された微小ドット形成装置の製造が可能となる。
【００４１】
次に、微小ドット形成装置１が微小ドットを形成することにより微細パターンを形成する方法について説明する。微細パターンの被記録媒体として、０．７ｍｍ厚のガラス基板を用いる。
【００４２】
まず、インク供給装置が、所望のパターンデータに基づいて、インク供給装置に充填されたインクの加圧供給を行う。インク供給装置から加圧供給されたインクは、インク供給部５を通り、空隙部８およびインク流路６を経てノズル７から吐出される。同時に、微小ドット形成装置１の走査方向に、ガラス基板を２．５４ｃｍ／ｓｅｃ（１ｉｎｃｈ／ｓｅｃ）の一定速度で走査させる。これにより、微小ドット形成装置１からインクが吐出され、ガラス基板上には微小ドットがストライプ形状のパターンとして描画される。そして、パターンを乾燥させることにより、ガラス基板上には微細パターンが形成される。得られた微細パターンの線幅は１０μｍであり、パターンのばらつきを±１μｍに抑えることができた。なお、本実施の形態における条件では、被記録媒体であるガラス基板は前洗浄のみのものであったが、使用が可能であれば、使用するインクとの親和性を適度に持たせる前処理、若しくはコーティング処理を行うことにより、上記線幅を細くすることができ、かつばらつきをより抑えることができる。また、ノズルの配列は、形成するパターンに応じて適宜設定することができ、特にインクの吐出を加圧方式で行う場合には、ノズルおよびインク流路の流路抵抗を同等に設計する範囲で可能である。
【００４３】
〔実施の形態２〕
本発明の第２の実施の形態について図５ないし図８に基づいて説明する。また、説明の便宜上、前記実施の形態１にて示した部材と同じ機能を有する部材には同一の番号を付記し、その説明を省略する。本実施の形態においては、上記実施の形態１との相違点について主に説明するものとする。
【００４４】
図５（ａ）は、本実施の形態における微小ドット形成装置１１の概略を示す斜視図であり、図５（ｂ）は、一部が切断された図５（ａ）の微小ドット形成装置１１を示す斜視図である。本実施の形態における微小ドット形成装置１１は、図５（ａ）・（ｂ）に示すように、シリコン基板２と、ノズル層１２と、支持部材４と、インク供給部５と、インク供給装置（図示せず）とを備えている。
【００４５】
シリコン基板２は、厚みが２００μｍとなっており、シリコン基板２を貫通するようにインクを通すインク流路１３が複数形成されている。また、シリコン基板２の材質は、シリコンの単結晶であることが好ましい。シリコン基板２の１つの面（表面）にはノズル層１２が形成されている。ノズル層１２は、Ａｌ２Ｏ３からなっており、その厚さは１．０×１０−４ｍ（１００００Å）である。ノズル層１２には、ノズル層１２を貫通する複数の微小なノズル（微細孔）１４が形成されている。微小なノズルとは、例えば真円形状のノズルとした場合にφ１０μｍ以下のノズルのことをいう。
【００４６】
ノズル１４は、その１つ１つが、φ８μｍ（断面積が約５０μｍ２）の微細な開口部となっている。シリコン基板２のノズル層１２が形成された面と反対側の面には、支持部材４が配設されている。シリコン基板２と支持部材４との間には空隙部８を有している。シリコン基板２に形成された複数のインク流路１３は、その支持部材４側の開口が空隙部８に露出しており、ノズル層１２に形成されたノズル１４は、そのシリコン基板２側の開口がインク流路１３に露出しており、複数のインク流路１３と複数のノズル１４とが１対１に対応するように位置している。インク供給部５は、インク供給装置から供給されたインクを空隙部８に供給するようになっている。
【００４７】
次に、上記構成を有する微小ドット形成装置１１の製造方法について説明する。まず、上記シリコン基板２上にノズル層１２を形成するノズル層形成工程、およびシリコン基板２にインク流路１３を形成するインク流路形成工程について図６（ａ）〜（ｄ）に基づき説明する。図６（ａ）〜（ｄ）は、インク流路１３を形成する工程を示す断面図である。
【００４８】
図６（ａ）に示すように、シリコン基板２の１面上にノズル層１２としてのＡｌ２Ｏ３を厚さ１．０×１０−４ｍ（１００００Å）となるように製膜する。これによりノズル層１２が形成される。なお、ノズル層１２は、Ａｌ２Ｏ３に限定されることはなく、ＳｉＯ２膜としてもよく、ニッケル等の金属膜としてもよい。
【００４９】
次いでノズル層１２を形成した面と反対側のシリコン基板２面上に、感光性レジストを塗布し、所定の形状を有するフォトマスクを介して露光および現像する。これにより、図６（ｂ）に示すように、所定の形状を有するレジストパターン１５が形成される。そして、レジストパターン１５をマスクとしてエッチングを行い、図６（ｃ）に示すように、シリコン基板２にφ３０μｍ（断面積が約７０７μｍ２）の開口を有するインク流路１３を穿設する。インク流路１３を穿設するエッチングは、ノズル層１２に到達するまで行う。そして、図６（ｄ）に示すように、最後にレジストパターン１５を除去することによりインク流路１３が形成される。
【００５０】
本実施の形態におけるインク流路形成工程は、マスクとしてレジストを用いていること、かつインク流路１３のアスペクト比が若干高いことから、シリコン基板２の厚みとインク流路１３の断面積およびレジスト層厚の設計には若干の制限がある。このため、インク流路１３の形状精度を高める条件の選定が重要となる。また、例えば上記実施の形態１の図４に示すように、微小なノズル７とインク流路６との境界で大きな段差が生じた場合に、段差においてインク流の停滞が生じるとともに、気泡が混入したときに、この気泡を除去することが困難となる。加圧によってインク吐出を行う場合では、圧電駆動方式やバブル方式に比べて影響は少ないものの、それでも吐出の安定性に問題を生じてしまう。
【００５１】
これらを回避するためには、微小なノズルの開口断面積に対するインク流路の開口断面積が４００倍以下であることが好ましいことを見出した。また、微小なノズルの開口断面積に対するインク流路の開口断面積を１０倍以下に設定した場合、インク流路の形状精度に悪影響を及ぼすとともに、シリコン基板およびノズル層を含めた基板の両面より穿孔したときの位置あわせ精度とも密接に影響するため、生産性が極端に悪くなる。またノズルより吐出する吐出量は、ノズル断面積と通常比例するが、該吐出量に対して、インク流路の容積がある程度大きくないと、吐出時の不安定要因になるとともに、隣接ノズルの影響を受けやすくなる。インク流路の体積はインク流路の断面積と流路長の積となるが、インク流路長を長くするとインク流路の流路抵抗を増加させるとともに、インク流路加工におけるアスペクト比を減少させるため形状精度の悪化を増長させる。前記理由より、微小なノズルの開口断面積に対するインク流路の開口断面積を１０倍以上とすることが好ましい。
【００５２】
次に、上記ノズル層１２に微小なノズル１４を形成する微細孔形成工程について図７（ａ）〜（ｃ）に基づき説明する。図７（ａ）〜（ｃ）は、ノズル１４を形成する工程を示す断面図である。
【００５３】
図７（ａ）に示すように、まず、ノズル層１２の表面にフッ素含有のＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）からなる撥インク層１５を形成する。撥インク層１５としては、ＤＬＣに限定されることはなく、フッ素重合若しくはシリコン系の高分子膜、フッ素含有の金属メッキ等を用いることができる。本実施の形態においては、後述するレジスト除去時の損傷等を考慮して、できるだけ耐薬品性、対剛性およびシリコン基板との密着性の高い材料を使用することが好ましいため、この条件を満たす材料としてフッ素含有のＤＬＣを用いた。
【００５４】
次いで、撥インク層１５上に感光性レジストを塗布し、所定の形状を有するフォトマスクを介して露光および現像する。これにより、図７（ｂ）に示すように、所定の形状を有するレジストパターン１６が形成される。そして、レジストパターン１６をマスクとしてドライエッチングを行い、パターニングする。このパターニングにより、レジストパターン１６が設けられていない部分の撥インク層１５およびノズル層１２は除去される。これにより、インク流路に通じたφ８μｍ（断面積が約５０μｍ２）の微小なノズル１４が穿設される。そして、最後にノズル１４の目詰まりおよび撥インク層１５への損傷に注意しながらレジストパターン１６を除去する。
【００５５】
そして、図８に示すように、上記インク流路１３およびノズル１４が形成されたシリコン基板２を支持部材４に配設する。配設は、インク流路１３が空隙部８側に、ノズル１４が反対側になるように行われる。シリコン基板２が配設された支持部材４に、空隙部８にインクを供給するインク供給部５を連結し、インク供給部５にインク供給装置を連結することにより、微小ドット形成装置１１が製造される。
【００５６】
なお、シリコン基板２の支持部材４への取り付けは、接着剤、陽極接着、封止固定等により行うことができる。ただし、取り付けの際に、インク流路１３およびノズル１４へ接着剤等が回り込んだ場合には、吐出不良を起こしてしまうため、回り込むことがないように注意して取り付けを行う必要がある。本実施の形態においては、シリコン基板２と支持部材４とが当接する個所のシリコン基板２上に接着剤の逃げ溝（図示せず）を形成した後に、シリコン基板２上に接着剤を塗布することにより、シリコン基板２と支持部材４とを接着し、さらに、シリコン基板２と支持部材４との境界部分をシリコン系の封止材にて封止することにより取り付けを行った。
【００５７】
なお、上記ノズル１４の形状を、φ８μｍとする他に、φ２μｍ（断面積が約３μｍ２）、または５μｍ（断面積が約２０μｍ２）の開口を有するノズルとし、各々の大きさのノズルについて５０個のノズルを形成し、それぞれ形状精度を確認した。いずれの場合においても、ノズルの長さと開口のアスペクト比とが十分大きいため、形状精度は非常に高く、ノズル毎の吐出量のばらつきは、ほぼ無視することが可能なレベルである。すなわち、吐出性能への影響のないレベルでの可能が可能であり、ノズル形成におけるフォトマスクの形状精度を十分に管理することにより、微小なノズルが形成された微小ドット形成装置の製造が可能となる。
【００５８】
また、ノズルの加工性を確認するため、ノズル層を同等厚さとしてノズル径がφ１μｍ（断面積が約０．８μｍ２）のノズルとφ０．５μｍ（断面積が約０．２μｍ２）のノズルとを作成してノズル孔形状精度の確認を行った。その結果、ノズル径がφ１μｍのノズルにおいては、形状精度的に問題がないものの、ノズル径がφ０．５μｍのノズルにおいては、非常にバラツキが大きくなり実用は困難であった。その対策としてノズル層を０．５×１０−４ｍ（５０００Å）程度に薄くすると、ノズル部のインクによるメニスカスの形成が困難となり、吐出が非常に不安定となる。このため、ノズルの断面積としては０．８μｍ２以上が好ましい。
【００５９】
そして、本実施の形態の微小ドット形成装置１１においても、上記実施の形態１と同様にして微細パターンを形成することができる。
【００６０】
本実施の形態における微小ドット形成装置１１は、上記のように、ノズル１４を形成する前に撥インク層１５を形成することにより、撥インク層１５がノズル１４内面に回りこむことを回避することができ、かつインク吐出時にノズル１４端部にインク溜りが発生することを防止することができるため、インクの吐出方向の安定性を向上させることができる。
【００６１】
ただし、撥インク層をノズル形成前に形成することに限定されることはなく、ノズルを形成した後に撥インク層を形成してもよい。この場合、撥インク層がノズル内面に回りこむことがあるため、撥インク層を形成した後に、インク流路の穿孔側から再度ライトエッチングを行い、ノズル内面に形成された撥インク層を除去する、撥インク層除去工程を行えばよい。また、この場合、撥インク層の材料をライトエッチングにより除去可能な材料に選定する必要があるものの、ノズル形成時およびノズル形成後の感光性レジスト除去時に発生する撥インク層の損傷および劣化を排除することが可能となるため、極端に剛性の高い材料を用いる必要がなく、例えば撥インク性能を有するフッ素重合の高分子膜を使用することができる。このため、より吐出安定性の高いノズルを形成することが可能となる。
【００６２】
また、ニッケル等の金属メッキの蒸着によってノズル層を形成する場合、蒸着時にフッ素等の撥インク性材料を分散させた蒸着を行うことにより、撥インク層を形成することがないため、工程を簡略化することが可能になるとともに、撥インク層の損傷および劣化という問題が生じることがない。蒸着の開始から撥インク性材料を分散させた場合、インク流路も撥インク性を有してしまうことがあるものの、蒸着工程を分ける等の工夫によりこの問題を回避することができる。
【００６３】
また、本実施の形態においては、製膜によってノズル層を形成したが、上記実施の形態１と同様に、加熱酸化によるＳｉＯ２膜の形成後、不要な面の酸化膜を除去して使用することもできる。
【００６４】
また、本実施の形態におけるノズル層として、感光性ポリイミドを使用することもできる。この場合、ノズル層自体が感光性を有するため、ノズルを穿孔する工程において、ノズル層にレジスト塗布を行う必要がなく、フォトマスクのみでよいため、工程を簡略化することができるとともに、ノズル形成精度の向上にも有利である。ただし、感光性ポリイミドの塗布条件および厚さのばらつきについては厳重に管理する必要があるとともに、撥インク層の形成がノズル形成後となるため、ノズル内面へ撥インク層が回り込むことに対して対応する必要がある。
【００６５】
また、上記実施の形態１および２においては、インク吐出としてインク加圧方式を用いている。これにより、微小ノズルから吐出に必要な圧力を容易に実現することができる。また、インク加圧方式においては、駆動源での吐出量の制限がほとんどなく、ノズル形状、特にノズル径が吐出量に大きく影響するため、本発明のノズルを有する微小ドット形成装置には特に有用である。ただし、インク加圧方式に限定されることはなく、圧電駆動方式、バブルジェット方式、若しくは電界吐出方式等の吐出駆動方式を単独、若しくはインク加圧方式に追加して用いることも可能である。上記各方式のうち、圧電駆動方式またはバブルジェット方式を単独で用いる場合には、微小ノズルでの吐出抵抗を考慮すると、振動子または加熱素子はある程度のサイズを必要とし、インク流路の形状について適当な設計をする必要がある。
【００６６】
また、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【００６７】
【発明の効果】
以上のように、本発明にかかる微小ドット形成装置は、基板と、該基板上に形成されると共に貫通された微細孔をノズルとして有するノズル層と、該基板を貫通するように設けられ、上記微細孔にインクを供給するようになっているインク流路とを備えている構成である。上記構成によれば、断面積の変動が少ない形状精度の高い微小なノズルとすることができる。これにより、吐出量のばらつきが非常に少ないインク吐出を行うことができるとともに、安定した印字を行うことができる。また、上記構成によれば、吐出量のばらつきを軽減することができるという効果を奏する。
【００６８】
上記の微小ドット形成装置において、上記ノズル層上に、撥インク性を有する撥インク層をさらに備え、上記微細孔は、さらに撥インク層を貫通するように設けられている構成としてもよい。上記構成によれば、インクを吐出する際にノズルの開口部分でのインク溜りの発生を防止することが可能となり、インク吐出時のインク切れを向上させることができるという効果を奏する。
【００６９】
上記の微小ドット形成装置において、上記インク流路の断面積は、上記微細孔の断面積の１０倍以上４００倍以下である構成としてもよい。上記構成によれば、安定した連続吐出が可能となるという効果を奏する。
【００７０】
上記の微小ドット形成装置において、上記微細孔の断面積は、０．８μｍ２以上５０μｍ２以下である構成としてもよい。上記構成によれば、非常に安定した吐出を行うことができる。また、上記構成によれば、吐出精度を向上させることができるとともに、吐出安定性を向上させることができるという効果を奏する。
【００７１】
上記の微小ドット形成装置において、上記ノズル層は、ＳｉＯ２またはＡｌ２Ｏ３からなる構成としてもよい。上記構成によれば、ノズル層の剛性を上げることができるとともに、微細孔のメンテナンス等の磨耗による劣化を防止することができる。また、広い範囲の環境条件での使用が可能となるという効果を奏する。
【００７２】
上記の微小ドット形成装置において、上記ノズル層は、金属蒸着膜からなる構成としてもよい。上記構成によれば、工程を簡略化することができるとともに、撥インク層の損傷および劣化という問題を回避することができるという効果を奏する。
【００７３】
上記の微小ドット形成装置において、上記ノズル層は、感光性ポリイミドからなる構成としてもよい。上記構成によれば、工程を簡略化することができるとともに、微細孔形成の精度を向上させることができるという効果を奏する。
【００７４】
以上のように、本発明にかかる微小ドット形成装置の製造方法は、基板上にノズル層を形成するノズル層形成工程と、基板にインク流路を形成するインク流路形成工程と、ノズル層に微細孔を形成する微細孔形成工程とを含む構成である。上記構成によれば、断面積の変動が少ない形状精度の高い微細孔を容易に形成することが可能となる。これにより、吐出量のばらつきが非常に少ないインク吐出を行う微小ドット形成装置とすることができるという効果を奏する。
【００７５】
上記の微小ドット形成装置の製造方法において、上記微細孔形成工程の前に、ノズル層上に撥インク性を有する撥インク層を形成する撥インク層形成工程を含む構成としてもよい。上記構成によれば、微細孔内面への撥インク層が回りこむことを防止することができるという効果を奏する。
【００７６】
上記の微小ドット形成装置の製造方法において、上記ノズル形成工程の後に、ノズル層上に撥インク性を有する撥インク層を形成する撥インク層形成工程と、インク流路およびノズル内面の撥インク層を除去する撥インク層除去工程とを含む構成としてもよい。上記構成によれば、撥インク層の損傷を最小限に抑えることが可能となる。また、より精度の高い形状のノズルを形成することが可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）および図１（ｂ）は、本発明の実施の一形態における微小ドット形成装置の概略を示す斜視図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｄ）は、上記微小ドット形成装置のインク流路を形成する工程を示す断面図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｃ）は、上記微小ドット形成装置のノズルを形成する工程を示す断面図である。
【図４】上記微小ドット形成装置の概略を示す断面図である。
【図５】図５（ａ）および図５（ｂ）は、本発明の実施の他の形態における微小ドット形成装置の概略を示す斜視図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｄ）は、図５の微小ドット形成装置のインク流路を形成する工程を示す断面図である。
【図７】図７（ａ）〜（ｃ）は、図５の微小ドット形成装置のノズルを形成する工程を示す断面図である。
【図８】図５の微小ドット形成装置の概略を示す断面図である。
【図９】従来の微小パターン形成装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１・１１    微小ドット形成装置
２    シリコン基板（基板）
３    ＳｉＯ２層（ノズル層）
４    支持部材
５    インク供給部
６・１３    インク流路
７・１４    ノズル（微細孔）
８    空隙部
１２    ノズル層
【図１】
2004299327.tif 000003
【図２】
2004299327.tif 000004
【図３】
2004299327.tif 000005
【図４】
2004299327.tif 000006
【図５】
2004299327.tif 000007
【図６】
2004299327.tif 000008
【図７】
2004299327.tif 000009
【図８】
2004299327.tif 000010
【図９】
2004299327.tif 000011