JP2005199701A - 液体吐出ヘッド用基板、該液体吐出ヘッド用基板を用いた液体吐出ヘッドおよびそれらの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 液体吐出ヘッド用基板１０１の共通配線１１０ａを厚膜化して形成するとともに電極パッド１１０ｂを形成する際の工程を削減すること。
【解決手段】 吐出エネルギー発生部１０６に電力を供給する電極パッド１１０ｂと共通配線１１０ａとを有する液体吐出ヘッド用基板１０１を、金属膜の共通配線をめっき成膜する工程で、電極パッドを同じ材料の金属膜としてめっき成膜することで、ヘッドの製造工程数を削減する。
【選択図】 図２
【解決手段】 吐出エネルギー発生部１０６に電力を供給する電極パッド１１０ｂと共通配線１１０ａとを有する液体吐出ヘッド用基板１０１を、金属膜の共通配線をめっき成膜する工程で、電極パッドを同じ材料の金属膜としてめっき成膜することで、ヘッドの製造工程数を削減する。
【選択図】 図２
Description
本発明は、インク等の液体を吐出口から吐出して液滴を形成する液体吐出ヘッド用基板、該液体吐出ヘッド用基板を用いた液体吐出ヘッドおよびそれらの製造方法に関するものである。
従来、インクジェットヘッドの主要部である記録素子基板は、図１８に示すように、記録素子基板５０１として、基板５０２上に成膜技術によって電気配線や、インクが充填される液室を構成する部材５２３などが形成されて構成されている。基板５０２としては、例えば、厚さ０．５〜１ｍｍのＳｉ基板が用いられる。基板５０２には、外部から液室内に液体を受け入れるための、長溝状の貫通口からなる複数のインク供給口５０３が開口されている。基板５０２上の、各インク供給口５０３の両側の位置には、電気熱変換素子５０４がそれぞれ１列ずつ千鳥状に配列されている。
液室は、各インク供給口５０３に連通し、各インク供給口５０３の両側に形成された電気熱変換素子５０４を内包するように形成されている。液室内には、インク供給口５０３から各電気熱変換素子５０４上の位置に通じるインク流路を形成するインク流路壁５０７が形成されており、各電気熱変換素子５０４の上方に吐出口５０８が開口している。また、基板５０２上には、各電気熱変換素子５０４に電力を供給するための、Ａｌなどからなる電気配線（不図示）が形成されている。この電気配線は、外部の電力供給源に接続される電極部５０５に接続されている。電極部５０５は、基板５０２上の、長手方向の両端付近に設けられており、複数並んで形成された、Ａｕなどからなるバンプと呼ばれる接続部材５０６を有している。
そして、近年のフォトグレードに代表されるような、記録画像の多色化、高画質化に伴い、インクジェットヘッドとしては、ノズル（インク吐出口）数の増加、ノズル密度の狭ピッチ化などがはかられている。したがって、記録素子基板上に形成される電気熱変換素子についても、数の増加、挟ピッチ化が図られてきている。このことに加え、電気熱変換素子が高機能化されてきていることによって、電極部の電極パッド上に設けられるバンプについても、数の増加、挟ピッチ化が図られてきている。
そのため、ヘッド外部から供給される電力を電気熱変換素子へ導く電気配線も低抵抗化を図る必要から、基板上での厚膜化が検討されてきた。
特開平１１−３３４０７６号公報
特開２００３−２５５８７号公報
しかしながら上記従来の技術では、バンプ等の接続部材の形成は、記録素子基板であるヘッドチップの上層に、今回厚膜化を検討している電気配線を形成した後に別工程として行う場合には、厚膜化した電気配線の形成自体に時間を要することに加え、インクジェットヘッドの製造工程数が増え、コスト高になるという課題があった。
本発明の目的は、液体吐出ヘッド用基板の共通配線を厚膜化して形成するとともに電極パッドを形成する際の工程を削減することにある。また、厚膜化された共通配線に積層する各層との積層状態を適切なものとして信頼性を向上させることにある。
このような目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッド用基板は、吐出エネルギー発生部から発生する吐出エネルギーによって液体吐出口より液体を吐出する液体吐出ヘッド用基板であって、めっき法で形成された金属膜である、前記吐出エネルギー発生部に電力を供給するための電気配線と、前記電気配線と同じ金属材料を用いてめっき法で形成された、前記液体吐出ヘッド用基板の外部から前記電気配線へ供給される電力を受ける電極パッドと、を有することを特徴とする。
本発明によれば、吐出エネルギー発生部を有する基板と外部配線との間の電気接続を行うための電極パッドとして、吐出エネルギー発生部の駆動回路の共通配線と同じ成膜工程で成膜される同じ材料の金属膜を用いることで、製造コストの低減等に貢献できる液体吐出ヘッド用基板、該液体吐出ヘッド用基板を用いた液体吐出ヘッドおよびそれらの製造方法を提供することができる。
図１は、本発明による液体吐出ヘッド用基板の実施例としてのインクジェット記録ヘッド用基板の模式的斜視図であり、シリコン基板１０１にインク供給口１１５、ヘッド駆動のための電力を供給するための厚膜の金属膜１１０ａ、１１０ｂが形成されている。この図で、Ａ−Ａに沿った断面のうち、インク吐出口１１３近傍の断面を図２Ａ、また、Ｂ−Ｂに沿った断面のうち、１つの電極パッドの近傍の断面を図２Ｂに示す。
図２Ａにおいて、１０２はシリコン基板１０１上にＳｉＯ２からなる蓄熱層、１０３は発熱抵抗体層、１０４ａは個別アルミ配線、１０４ｂは電極用アルミ配線、１０６はインクを吐出するためのエネルギーを発生する吐出エネルギー発生部としての発熱部、１１０ａは個別アルミ配線１０４ａに駆動電力を供給する厚膜の金属膜で形成された共通配線、１０７は個別アルミ配線１０４ａと共通配線１１０ａとの密着性向上と耐腐食性を兼ねた高融点金属材料からなる密着向上層、１１４はインク流路、１１３はインク吐出口、１１２はインク流路１１４やインク吐出口１１３とを形成する流路形成層、１１１は共通配線１１０ａと流路形成層１１２との密着向上を図るとともに絶縁膜を兼ねた樹脂層である。また、図２Ｂにおいて、１１０ｂは共通配線１１０ａと電気的に導通して外部から供給された電力を発熱部１０６の発熱に供するための電極パッドである。
なお、本実施例においては、本発明における吐出ヘッドで吐出する液体としてインクを用いた吐出ヘッドを例としているので、例えば、インク吐出口は液体吐出口の一実施例であり、インク流路は液体流路の一実施例である、等々と対応している。
本実施例では、各発熱部１０６に対応してインクを吐出する複数個のインク吐出口１１３が設けられており、インクジェット記録ヘッド用基板上に厚膜の金属膜で形成された共通配線１１０ａが、複数のインク吐出口１１３で形成されたインク吐出口列と、各インク吐出口１１３に連通するインク供給口１１５とに沿って形成されている。なお、共通配線１１０ａは、インク吐出口列またはインク供給口１１５に平行に形成されていてもよく、インク吐出口列とインク供給口１１５との双方に平行となる関係に３者が形成されていてもよい。このようないずれかの構成を採用することにより、後述するようなインク流路１１４を形成するための後抜きの型材の上層に塗布されるノズル材料１１２の平坦性を向上することができる。
本実施例によるインクジェット記録ヘッド用基板の形態では、発熱部１０６の個別アルミ配線１０４ａに駆動電力を供給する厚膜の金属膜で形成された共通配線１１０ａの形成に、密着性向上と耐腐食性を兼ねた密着向上層１０７と該密着向上層の上に形成する金属材料として金（Ａｕ）を用いた。また、発熱部１０６の個別アルミ配線１０４ａに駆動電力を供給するための共通配線１１０ａと外部とを電気的に接続する電極パッド１１０ｂの形成にも同じく金属材料として金（Ａｕ）を用いた。そして、シリコン基板１０１の無機金属層の最上層に形成され、共通配線１１０ａの下層の密着向上層１０７は、厚膜の金属膜で形成された共通配線１１０ａの線幅よりも幅が広くなるように形成されている。
その際に共通配線１１０ａと電極パッド１１０ｂとは同一工程でめっき法により、同時に形成される。そのため、インク吐出口の多数化に伴う基板上構造物の高集積化による電気配線の低抵抗化の要請に対応するために、共通配線１１０ａの厚膜化を図りつつも、同時に電極パッドも形成することができるので、製造工程の短縮化とコストダウンを図ることができる。
そこで、その発熱部１０６の個別アルミ配線１０４ａに駆動電力を供給する共通配線１１０ａと電極パッド１１０ｂとの形成を、図３から図１３を参照しながら、そのめっき法を用いた製造方法を詳細に説明する。
シリコン基板１０１上にＳｉＯ２からなる蓄熱層１０２、発熱抵抗体層１０３、個別アルミ配線１０４ａ、電極用アルミ配線１０４ｂおよび保護膜１０５を真空成膜法等で形成する。そして、フォトリソグラフィー技術によりパターニングを行い、共通配線１１０ａと個別アルミ配線１０４ａとの間、および電極パッド１１０ｂと電極用アルミ配線１０４ｂとの間の電気的導通を得るためのスルーホール１００を形成する（図３Ａ、Ｂ）。なお、個別アルミ配線１０４ａおよび電極用アルミ配線１０４ｂと保護膜１０５との間には、ＳｉＯ２等の層間絶縁膜が形成されていることがより望ましい。また、電極パッド１１０ｂの下方にある蓄熱層１０２と電極用アルミ配線１０４ｂとの間には、発熱抵抗層１０３は積層されていない（図３Ｂ）。ここで、共通配線１１０ａの発熱部側端部とは反対側の不図示の端部の下方には個別アルミ配線１０４ａが形成されていない領域があり、そこで電極用アルミ配線１０４ｂと共通配線１１０ａとが電気的に導通している。これにより電極パッド１１０ｂから供給された電力は、電極用アルミ配線１０４ｂ、共通配線１１０ａ、個別アルミ配線１０４ａを介して発熱部１０６の発熱抵抗層１０３の部位で熱に変換される。
次に、高融点金属材料として例えばＴｉＷ等の密着向上層（バリアメタル）１０７を真空成膜装置等により、所定の厚みで全面成膜する（図４）。
次に、配線用金属として優れているめっき用導体の金（Ａｕ）層１０８を真空成膜装置等により、所定の厚みで全面成膜する（図５）。
その後、めっき用導体の金層１０８の表面に、ポジタイプのフォトレジスト１０９をスピンコート法により塗布する（図６）。この時、共通配線１１０ａの基板上の高さよりも高くなるように、フォトレジスト１０９を厚く塗布する。
次に、フォトリソグラフィー法にてレジスト露光・現像を行い、共通配線１１０ａおよび電極パッド１１０ｂを形成する部位のめっき用導体の金層１０８を露出するようにフォトレジスト１０９を除去すべく、めっき用の型材となるレジストの形成を行う（図７）。
その後、電解めっき法により、亜硫酸金塩の電解浴中でめっき用導体の金層１０８に所定の電流を流し、フォトレジスト１０９で覆われていない所定の領域に金を析出させる（図８）これにより、共通配線１１０ａ（図８）と電極パッド１１０ｂ（不図示）を同時に形成する。
次に、共通配線１１０ａの下層の高融点金属材料で形成された密着向上層１０７を、共通配線１１０ａの幅よりも広く残したい領域のみ、めっき用型材となったポジタイプのレジスト１０９に対してフォトリソグラフィー法にて露光・現像を行い、密着向上層１０７のマスクとなるレジスト１０９を所定の領域のみ残す（図９Ａ）。このとき、電極パッド１１０ｂの形成に使用したレジスト１０９は除去する（図９Ｂ）。
次に、めっき用導体の金層１０８を、窒素系有機化合物とよう素とよう化カリウムとを含むエッチング液に所定の時間、浸漬させることで、共通配線１１０ａの最表層と電極パッド１１０ｂの最表層とめっき用導体の金層１０８とをエッチングして除去する（図１０Ａ、Ｂ）。これにより、ＴｉＷ等の高融点金属材料からなる密着向上層（バリアメタル）１０７を露出させる。
次に、所定の時間にわたってフォトレジスト１０９の剥離液に浸漬させることで、フォトレジスト１０９の除去を行い、共通配線１１０ａの下層の密着向上膜１０７を、共通配線１１０ａの幅よりも広く残したい領域のみ、めっき用導体の金層１０８を露出させる（図１１）。
その後、共通配線１１０ａの下端からはみ出しているめっき用導体の金層１０８の一部をマスクにして、ＴｉＷ等の高融点金属材料からなる密着向上膜（バリアメタル）１０７を、Ｈ２Ｏ２系のエッチング液に所定の時間にわたって浸漬させることで、露出していた高融点金属材料の除去を行う（図１２）。このとき、密着向上膜１０７の端部がその上の金層１０８よりもオーバーエッチングされるが、その部分が共通配線１１０ａの下側には位置しないように、図１１で示した工程で密着向上膜１０７を残してある。このとき、電極パッド１１０ｂの下端周辺にある密着向上層１０７も除去される。その際、電極パッド１１０ｂの下端に位置する密着向上層１０７の一部がオーバーエッチングされる（図２Ｂ参照）が、この部位は後の工程で電極パッド１１０ｂを含む電気接続部全体を封止用樹脂で完全に覆ってしまうので、製品の品質に影響を与えるものではなく、むしろ、電極パッド１１０ｂのピッチ間隔を小さくすることが可能となる。
次に、不要となったマスクとして使用したメッキ用導体の金層１０８の部位を、窒素系有機化合物とよう素とよう化カリウムを含むエッチング液に所定の時間、浸漬させ除去することで、共通配線１１０ａの下層の密着向上膜１０７を共通配線１１０ａの幅よりも広く残すことができる（図１３）。この際、金（Ａｕ）で形成された共通配線１１０ａと電極パッド１１０ｂとの表層が多少溶解するが製造上の問題となるものではない。
その後、共通配線１１０ａと流路形成層１１２との密着向上を図るとともに絶縁膜を兼ねた樹脂層１１１となる例えばポリエーテルアミド樹脂の塗布を任意の厚さでスピンコート法により塗布する（図１４）。
その後、樹脂層１１１の上に、インク流路１１４に相当する後抜きの型材の上から流路形成層１１２を形成するための材料を任意の厚さでスピンコート法により塗布して、フォトリソグラフィー法にて露光・現像を行い、インクを吐出する複数個の吐出口１１３と、該吐出口１１３に連通するインク流路１１４とを形成して、図１および図２に示すようなインクジェット記録ヘッド用基板を得ることができる。
このように、共通配線１１０ａの線幅よりも幅が広くならないように密着向上膜１０７が形成されている従来構成の場合には、共通配線１１０ａの下端の密着向上膜１０７のオーバーエッチングにより生じる空間に起因する泡溜りが発生するおそれがあったが、本実施例のように、共通配線１１０ａとして形成した厚膜の金属膜の下層に、共通配線１１０ａの線幅よりも幅が広くなるように高融点金属材料からなる密着向上膜１０７が形成されているため、共通配線１１０ａの表層の絶縁膜を兼ねた樹脂層１１１を塗布しても、共通配線１１０ａの下層に泡溜まりが発生することは無い。そのため、吐出口１１３に連通するインク流路１１４を形成する流路形成層１１２の剥がれの問題等に対して、信頼性の向上を図ることができる。これにより、厚膜化された共通配線に積層する各層との積層状態を適切なものとして信頼性を向上させた液体吐出ヘッド用基板を得ることができる。
なお、図７に示した工程で、フォトリソグラフィー法にてレジスト露光・現像を行い、共通配線１１０ａを形成する部位のフォトレジスト１０９を除去してめっき用の型材となるレジストの形成を行うが、従来のめっき技術では、めっきプロセス途中のフォトレジスト膜の断面形状が下端へ向かって若干広がるような台形状となっていた。そのため、形成される共通配線１１０ａの断面形状は上側へ向かって庇状に若干せり出すような逆台形状となることが多かった。そのため、共通配線１１０ａの庇状下部とめっき用導体の金層１０８の上部とで形成される空間に流路形成層１１２を形成する材料が十分に埋めることができず、インク流路１１４と共通配線１１０ａとの分離が不良となるおそれがあった。
こういった不都合が生じることを未然により確実に防止するための実施例を以下に示す。
上述の図７に相当する工程で、露光装置のフォーカス条件と現像条件とをフォトレジスト１０９の膜厚方向に沿って漸次調整することにより、現像後のフォトレジスト１０９の断面形状をシリコン基板１０１から遠ざかるに従ってシリコン基板１０１を覆うような傾斜面を有する庇状の端部を形成する（図１５）。
その後、上述の図８に相当する工程で、金（Ａｕ）からなる厚膜の金属膜をめっき法で形成することにより、下方（シリコン基板側）に向かって広がる斜面を有する台形状の断面の共通配線１１０ａを得る（図１６）。
そして、上述の図９〜図１４に示した各工程に相当する工程を経ることにより、図１７に示すような断面形状を有するヘッド基板を得ることができる。この構成によると、下方に広がる共通配線１１０ａの端部の斜面に沿って樹脂層１１１を共通配線１１０ａに対して隙間を生じないように形成することができ、上述のような不都合を生じることもより確実に防止することができる。すなわち、流路形成層１１２と共通配線１１０ａとの密着性を向上するための樹脂層１１１が厚膜の金属膜で形成された共通配線１１０ａの端部を乗越える場合でも安定したカバレージ性を得ることができる。また、樹脂層１１１の上に、流路形成層１１２を形成するための材料を任意の厚さでスピンコート法により塗布して、フォトリソグラフィー法にて露光・現像を行い、インクを吐出する複数個の吐出口１１３と、該吐出口１１３に連通するインク流路１１４とを形成するが、その際、共通配線１１０ａの端部の上り斜面によって、インク流路１１４と共通配線１１０ａとの間にある流路形成層１１２の最表面をより平坦に形成することができる。これにより、厚膜化された共通配線に積層する各層との積層状態を適切なものとして信頼性を向上させた液体吐出ヘッド用基板を売る事ができる。
１０１ シリコン基板
１０２ 蓄熱層
１０３ 発熱抵抗体層
１０４ａ 個別アルミ配線
１０４ｂ 電極用アルミ配線
１０５ 保護膜
１０６ 発熱部
１０７ 密着向上層
１０８ めっき用導体の金層
１０９ フォトレジスト
１１０ａ 共通配線
１１０ｂ 電極パッド
１１１ 樹脂層
１１２ 流路形成層
１１３ 吐出口
１１４ インク流路
１０２ 蓄熱層
１０３ 発熱抵抗体層
１０４ａ 個別アルミ配線
１０４ｂ 電極用アルミ配線
１０５ 保護膜
１０６ 発熱部
１０７ 密着向上層
１０８ めっき用導体の金層
１０９ フォトレジスト
１１０ａ 共通配線
１１０ｂ 電極パッド
１１１ 樹脂層
１１２ 流路形成層
１１３ 吐出口
１１４ インク流路
Claims (16)
- 吐出エネルギー発生部から発生する吐出エネルギーによって液体吐出口より液体を吐出する液体吐出ヘッド用基板であって、
めっき法で形成された金属膜である、前記吐出エネルギー発生部に電力を供給するための電気配線と、
前記電気配線と同じ金属材料を用いてめっき法で形成された、前記液体吐出ヘッド用基板の外部から前記電気配線へ供給される電力を受ける電極パッドと、
を有することを特徴とする液体吐出ヘッド用基板。 - 前記電気配線をめっき形成する際に前記電極パッドもめっき形成されることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド用基板。
- 前記電気配線の下層には密着向上層が形成され、当該密着向上層の幅は前記電気配線の線幅よりも広いことを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド用基板。
- 前記電気パッドの下層には密着向上層が形成され、当該電極パッドの幅は前記電気配線の線幅よりも狭いことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の液体吐出ヘッド用基板。
- 前記電気配線は、前記液体吐出口の複数によって形成される液体吐出口列に沿って設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の液体吐出ヘッド用基板。
- 前記電気配線は、前記液体吐出口へ供給する液体供給口に沿って設けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の液体吐出ヘッド用基板。
- 前記電気配線の断面形状は、下方に向かって広がる斜面を有する台形状であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の液体吐出ヘッド用基板。
- 請求項１ないし７のいずれかに記載の液体吐出ヘッド用基板の電気配線の上方を覆う樹脂層を介して液体吐出口と該液体吐出口へ液体を案内する液体流路とを形成するための液路形成層が設けられていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
- 吐出エネルギー発生部から発生する吐出エネルギーによって液体吐出口より液体を吐出する液体吐出ヘッド用基板の製造方法であって、
前記吐出エネルギー発生部に電力を供給するための電気配線としての金属膜をめっき法で形成する工程と、
前記液体吐出ヘッド用基板の外部から前記電気配線へ供給される電力を受ける電極パッドを、前記電気配線と同じ金属材料を用いてめっき法で形成する工程と、
を有することを特徴とする液体吐出ヘッド用基板の製造方法。 - 前記電気配線をめっき形成する工程と同じ工程で前記電極パッドもめっき形成されることを特徴とする請求項９に記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
- 前記電気配線を形成する工程の前に、当該電気配線の下層に密着向上層を形成する工程があり、前記電気配線を形成する工程の後に、当該密着向上層の幅を前記電気配線の線幅よりも広く残すための工程を有することを特徴とする請求項９または１０に記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
- 前記電極パッドを形成する工程の前に、当該電極パッドの下層に密着向上層を形成する工程があり、前記電極パッドを形成する工程の後に、当該密着向上層の幅を前記電極パッドの線幅よりも狭く残すための工程を有することを特徴とする請求項９ないし１１のいずれかに記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
- 前記電気配線は、前記液体吐出口の複数によって形成される液体吐出口列に沿って形成されていることを特徴とする請求項９ないし１２のいずれかに記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
- 前記電気配線は、前記液体吐出口へ供給する液体供給口に沿って形成されていることを特徴とする請求項９ないし１３のいずれかに記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
- 前記電気配線の断面形状は、下方に向かって広がる斜面を有する台形状に形成されていることを特徴とする請求項９ないし１４のいずれかに記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
- 前記電気配線を形成する工程の後に、当該電気配線の上方を覆う樹脂層を形成する工程と、当該樹脂層を介して前記液体吐出口と該液体吐出口へ液体を案内する液体流路とを形成するための液路形成層を形成する工程を有することを特徴とする請求項９ないし１５のいずれかに記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
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