JP2006076238A - インクジェット記録ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】段差を有する液室形状のインクジェット記録ヘッドの材料選択を容易にする製造方法を提供する。
【解決手段】電気熱変換素子２に対向する位置に設けられたインク吐出口９と、インク吐出口９に連通するとともに内部に電気熱変換素子２を備える液流路１３と、電気熱変換素子２を保持する素子基板１とを有する本発明のインクジェットヘッドの製造方法は、電気熱変換素子２を形成した素子基板１上に溶解可能な樹脂により液流路１３のパターンの型材層３となる樹脂を塗布する工程と、型材層３の上層パターンを形成するためのマスク材となる樹脂を塗布してレジスト層４を形成し、パターニングしてパターン層５を形成する工程と、パターン層５をマスクとして、ドライエッチングによるエッチバック法を用いて型材層３に型材パターン７を転写形成する工程とを含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、インクジェット記録方式に用いる記録液小滴を発生するためのインクジェット記録ヘッドの製造方法に関する。

従来、このような液体吐出記録ヘッドを作製する方法としては、例えば、
・液体吐出用の熱エネルギを発生するヒータ及びこれらヒータを駆動するドライバ回路等の形成した素子基板にインク供給のための貫通孔を形成した後、感光性ネガレジストにてインク流路の壁となるパターン形成を行い、これに、電鋳法やエキシマレーザ加工によりインク吐出口を形成したプレートを接着して製造する方法
・上記製法と同様に形成した素子基板を用意し、接着層を塗布した樹脂フィルム（通常はポリイミドが好適に使用される）にエキシマレーザにてインク流路及びインク吐出口を加工し、次いで、この加工した液流路構造体プレートと素子基板とを熱圧を付与して貼り合わせる方法
等を挙げることができる。

上記の製法によるインクジェット記録ヘッドでは、高画質記録のために微小液滴の吐出を可能にするため、吐出量に影響を及ぼすヒータと吐出口間の距離を出来るだけ短くしなければならない。そのために、インク流路高さを低くしたり、インク流路の一部であって液体吐出エネルギ発生部と接する気泡発生室としての吐出チャンバや、吐出口のサイズを小さくしたりする必要もある。すなわち、上記製法のヘッドで微小液滴を吐出可能にするには、基板上に積層する液流路構造体の薄膜化が必要とされる。しかし、薄膜の液流路構造体プレートを高精度で加工して基板に貼り合わせることは極めて困難である。

これら製法の問題を解決するため、特許文献１では、液体吐出エネルギ発生素子を形成した基板上に感光性材料にてインク流路の型をパターンニングし、次いで型パターンを被覆するように基板上に被覆樹脂層を塗布形成し、該被覆樹脂層にインク流路の型に連通するインク吐出口を形成した後、型に使用した感光性材料を除去してなるインクジェット記録ヘッドの製法（以下、「注型法」とも略して記する。）を開示している。該ヘッドの製造方法では感光性材料としては、除去の容易性の観点からポジ型レジストが用いられている。また、この製法によると、半導体のフォトリソグラフィの手法を適用しているので、インク流路、吐出口等の形成に関して極めて高精度で微細な加工が可能である。

しかし、該半導体の製造方法を適用した製法においては基本的には、インク流路及び吐出口近傍の形状変更は素子基板と平行な２次元方向での変さらに限定されてしまう。すなわち、インク流路及び吐出口の型に感光性材料を用いていることにより、感光材層を部分的に多層化することができないので、インク流路等の型において高さ方向に変化をつけた所望のパターンが得られない（素子基板からの高さ方向の形状が一様に限定されてしまう）。その結果、高速で安定した吐出を実現するためのインク流路設計の足かせとなってしまう。

この問題に対して、特許文献２において、基板に対して高さ方向の形状を変えた型パターンを形成できる製造方法が開示されている。

このインクジェット記録ヘッドの製造方法によれば、段差を持った液室形状の形成が可能になるため、このインクジェット記録ヘッドは、液滴を吐出する際、段差部により構成された制御部によって、発泡室内に成長する気泡が発泡室内の制御部の内壁に当接することにより、気泡の圧力を損失することが抑制され、したがって、発泡室内の気泡が良好に成長して圧力が十分に確保されるため、液滴の吐出速度が向上する。
特公平６−４５２４２号公報 特開２００３−２５５７７号公報

前記の段差を持った液室形状を形成する製造方法は、インク流路型材として２種類の溶解可能な樹脂を用いている。しかし、この材料には、非常に多くの制限がある。上下層材料間の相性や、各々の感光特性、現像性や現像液との相性、さらには、型材形状完成後に被覆するインク流路形成材料との相性など、要求特性は、多岐にわたるものであり、このような要求を満足する材料の開発は、非常に時間と労力が必要であった。

単層の樹脂材料に段差の形状を形成することができれば、材料選択は、容易になり、開発の省力化が可能である。

本発明は、以上のような局面に鑑みてなされたもので、段差を持った液室形状のインクジェット記録ヘッドにおいて、材料選択を容易にする製造方法の提供を目的としている。

上述した目的を達成するため、本発明のインクジェットヘッドの製造方法は、液体を吐出するためのエネルギ発生素子と、該エネルギ発生素子に対向する位置に設けられた液体を吐出する吐出口と、該吐出口に連通するとともに内部に前記エネルギ発生素子を備える液流路と、前記エネルギ発生素子を保持する基板と、を有するインクジェットヘッドの製造方法であって、前記エネルギ発生素子を形成した前記基板上に溶解可能な樹脂により前記液流路のパターンの型材となる樹脂を塗布する工程と、前記型材の上層パターンを形成するためのマスク材となる樹脂を塗布し、パターニングする工程と、パターニングされた前記マスク材をマスクとして、ドライエッチングによるエッチバック法を用いて第１のパターンを前記型材に転写形成する工程とを含むことを特徴とする。

以上説明したように、本発明の製造方法によってもたらされる効果として、段差を持った液室形状のインクジェット記録ヘッドにおいて、材料選択を容易にする製造方法を提供することが可能となった。

以下、本発明のインク等の液滴を吐出する液体吐出ヘッドの具体的な実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、本発明では、図１および図２において、便宜上、例えば、素子基板１の上側に示されている型材層３を素子基板１に対しては上層と称呼し、素子基板１を型材層３に対しては下層と称呼することで、各層の積層関係を説明するものとする。よって、使用する状況においては、インクジェット記録ヘッドはインク吐出口９を下向きにして使用するため、上下層の関係は逆となる。

（第１の実施形態）
以下に、図１を用いて本実施形態のインクジェット記録ヘッドの製造工程について詳述する。

まず、吐出エネルギ発生素子としての電気熱変換素子２を形成したシリコン基板１上（図１（ａ））に、光崩壊型のポジ型レジストを用い型材層３を形成した（図１（ｂ））。

次いで、以下の樹脂粉末をシクロヘキサノンに約３０ｗｔ％の固形分濃度にて溶解し、レジスト液として使用した。
無水メタクリル酸／メタクリル酸メチルのラジカル共重合物（モノマ組成比１０／９０−モル比）
重量平均分子量（Ｍｗ：ポリスチレン換算）＝２８０００
分散度（Ｍｗ／Ｍｎ）＝３．３
なお、その際のレジスト溶液の粘度は、０．６３Ｐａ・ｓ（６３０ｃｐｓ）であった。該レジスト液を、スピンコートにて塗布し、１２０℃で、３分でプリベークした後、窒素雰囲気中オーブンにて２００℃で、６０分間の熱処理を行った。なお、熱処理後のレジスト層４の膜厚は１５μｍであった（図１（ｃ））。

次いで、上層パターンの形成のためのドライエッチングのマスクとなるパターン層５としてポリメチルイソプロペニルケトン（東京応化工業（株）社製ＯＤＵＲ−１０１０）をスピンコートにより塗布、９０℃／３分のプリベークを行い、上層を形成した後、ＵＳＨＩＯ製ＵＸ−３０００ＳＣ及びＵＶカットフィルタを用いて上層インク流路パターンの露光を行った（図１（ｄ））。
型材層３は２６０ｎｍ以下の短波長のＵＶ光感に感度を持つため、カットフィルタを用いて、露光波長２７０〜３３０ｎｍ帯を選択的に照射することによって選択的に露光が可能である。露光は１８Ｊ／ｃｍ²、現像はメチルイソブチルケトン、リンスはＩＰＡを用いた。

次いで、１４０℃／３分の熱処理を行うことで、ＯＤＵＲパターンを丸め処理し、丸め処理パターン層６を形成した（図１（ｅ））。この丸め処理は、マスクに用いる樹脂のガラス転移点を超える温度での熱処理によって、表面張力により、レジストパターンを丸め処理する方法である。この手法では、熱処理の温度によって、丸まり方を制御することが可能である。ガラス転移点を超える十分な熱処理によれば、完全な半球形が得られる。また、ガラス転移点近傍での熱処理によれば、パターンのエッジ部のみ丸まった形状を作ることもできる。

また、マスク樹脂となるパターン層５は、型材ではないため、後述するインク流路形成部材となる被覆樹脂層８との接触はない。このため、被覆樹脂層８の塗布溶媒との相溶性を考慮する必要はない。

また、マスク樹脂となるパターン層５は、型材層３にダメージを与えずに剥離除去可能なことが要求されるが、型材層３がポジ型感光性であれば、一般的な有機溶剤で溶解除去して差し支えない。また、型材層３をパターニングする際に現像液としてメチルイソブチルケトンなどの有機溶剤を用いれば、下層パターンの現像と共に溶解除去することも可能で、工程の削減になる。

丸め処理後、ＯＤＵＲパターンをマスクに酸素プラズマを用いた反応性イオンエッチングで、型材層３を約５μｍ彫り込んだ（図１（ｆ））。この際、マスクとなるＯＤＵＲパターンを丸め処理しておいたため、エッチングにより型材層３にＯＤＵＲの半球形状がエッチバックにより転写される。

次いで、ＵＳＨＩＯ製ＵＸ−３０００ＳＣ及びＵＶカットフィルタにより、露光波長２３０〜２６０ｎｍ帯を選択的に照射し、４０Ｊ／ｃｍ²の露光量にて露光し、以下の組成の現像液にて現像、ＩＰＡ（ＩＳＯＰＲＯＰＹＬ ＡＬＣＯＨＯＬ）にてリンスして、下層インク流路パターンを形成した。
現像液
ジエチレングリコールモノブチルエーテル ６０ｖｏｌ％
エタノールアミン ５ｖｏｌ％
モルフォリン ２０ｖｏｌ％
イオン交換水 １５ｖｏｌ％
以上により、２段の段差を持った型材パターン７が完成した（図１（ｇ））。

次いで、下記の樹脂組成物Ａを被覆樹脂層８とし、インク流路型材上に形成した（パターン上における膜厚１０μｍ（図１（ｈ）））。

樹脂組成物Ａ
名称 重量部
ＥＨＰＥ−３１５８ ダイセル化学（株）製 １００
Ａ−１８７ 日本ユニカー（株）製 １
ＳＰ−１７０ 旭電化工業（株）製 １．５
形成方法は、メチルイソブチルケトン／キシレン混合溶媒に６０ｗｔ％の濃度で溶解したものを、スピンコートした。

次いで、キヤノン製ＭＰＡ―６００ＦＡにて、インク吐出口９の形成のためのパターン露光を行った。なお、露光は２．５Ｊ／ｃｍ²、ＰＥＢは９０℃／４分間行った。

次いで、メチルイソブチルケトン／キシレンで現像を行い、インク吐出口９を形成した。なお、本実施形態ではφ１２μｍの吐出口パターンを形成した（図１（ｉ））。

次にインク供給のための開口部であるインク供給口１１を、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液）によるシリコンの異方性エッチングにより形成した。この際、上記のように作製したノズル部材がダメージを受けないように、環化ゴムからなる保護層１０でシリコン基板のノズルを形成した側の面を保護しておき（図１（ｊ））、インク供給口を形成した後（図１（ｋ））、除去した。

さらに、ＵＳＨＩＯ製ＣＥ−９０００により２７Ｊ／ｃｍ²の全面照射を行い、乳酸メチル中に超音波を付与しつつ浸漬し、溶解可能な樹脂を溶出した。

次いで、２００℃／１時間加熱し、被覆樹脂層を完全に硬化させた。

そして最後に発熱抵抗体２を駆動するための電気的接合（図示せず）を行う。

以上のようにして、電気熱変換素子２に対向する位置に設けられたインク吐出口９と、インク吐出口９に連通するとともに内部に電気熱変換素子２を備える液流路１３と、電気熱変換素子２を保持する素子基板１とを有し、インク吐出口９が形成され電気熱変換素子２を備え、段差部１５が形成された上層が半球形が液室１４のインクジェット記録ヘッド２０が完成する（図１（ｌ））。

以上説明したように、本実施形態によれば、マスクとなる丸め処理パターン層６を加熱処理によって形成した後、反応性イオンエッチングで型材層３を彫り込むことで型材層３にＯＤＵＲの半球形状がエッチバックにより転写され、単層の樹脂材料に段差の形状を形成することができる。これにより、材料選択が、容易になり、インクジェット記録ヘッド２０の開発の省力化が可能となる。

すなわち、本発明のインクジェットヘッドの製造方法は、パターニングされたマスク材をマスクとし、ドライエッチングとフォトリソグラフィプロセスを組み合わせることで、単層の型材層に転写されたパターンの部分を凸形状とした段差部を容易に形成することができる。上層のドライエッチングのマスクに用いる樹脂は、下地の型材層との露光特性の分離が必要となるが、例えば、以下の実施形態で示した型材樹脂やポリメチルイソプロペニルケトンなどの、ＤＥＥＰ−ＵＶ領域に感光特性をもつ樹脂に対しては、一般的なＵＶ領域に感光特性をもつマスク樹脂との露光特性の分離は容易である。
（第２の実施の形態）
次いで、図２を用いて本実施形態のインクジェット記録ヘッドの製造工程について詳述する。

なお、以下の説明において、第１の実施形態と同様の構成部材については第１の実施形態で用いた符号と同じものを用いて説明するものとする。

吐出エネルギ発生素子としての電気熱変換素子２を形成したシリコン基板１上（図２（ａ））に、第１の実施形態と同様に第一のポジ型感光性材料として以下の光崩壊型のポジ型レジストを用い下層３を形成した（図２（ｂ））。
無水メタクリル酸／メタクリル酸メチルのラジカル共重合物（モノマ組成比１０／９０−モル比）
重量平均分子量（Ｍｗ：ポリスチレン換算）＝２８０００
分散度（Ｍｗ／Ｍｎ）＝３．３
この樹脂粉末をシクロヘキサノンに約３０ｗｔ％の固形分濃度にて溶解し、レジスト液として使用した。その際のレジスト溶液の粘度は、０．６３Ｐａ・ｓ（６３０ｃｐｓ）であった。該レジスト液を、スピンコートにて塗布し、１２０℃で、３分でプリベークした後、窒素雰囲気中オーブンにて２５０℃で、６０分間の熱処理を行い、熱架橋させた。なお、熱処理後のレジスト層４の膜厚は１０μｍであった（図２（ｃ））。

次いで、上層パターンの形成のためのドライエッチングのマスクとなるパターン層５としてポリメチルイソプロペニルケトン（東京応化工業（株）社製ＯＤＵＲ−１０１０）をスピンコートにより塗布、９０℃／３分のプリベークを行い、上層を形成した後、ＵＳＨＩＯ製ＵＸ−３０００ＳＣ、ＵＶカットフィルタおよび、ＵＶ透過性に分布を持たせたフォトマスク１１２を用いて上層インク流路パターンの露光を行った（図２（ｄ））。フォトマスク１１２のＵＶ透過性に分布を持たせることで、ＯＤＵＲパターンは、半球形の丸め処理パターン層６が形成される（図２（ｅ））。また、型材層３は２６０ｎｍ以下の短波長のＵＶ光感に感度を持つため、カットフィルタを用いて、露光波長２７０〜３３０ｎｍ帯を選択的に照射することによって選択的に露光が可能である。露光は１８Ｊ／ｃｍ²、現像はメチルイソブチルケトン、リンスはＩＰＡを用いた。

次いで、この半球形のＯＤＵＲパターンをマスクに酸素プラズマを用いた反応性イオンエッチングで、型材層を約５μｍ彫り込んだ（図２（ｆ））。この際、エッチングにより型材層にＯＤＵＲの半球形状がエッチバックにより転写される。この手法によれば、マスクパターンにより、断面形状をコントロール可能である。場合によっては、一方向には、丸みを持ち、他方向には、垂直な、かまぼこ型の断面を持ったパターンの形成も可能である。

以降は、第１の実施形態と同様にして、電気熱変換素子２に対向する位置に設けられたインク吐出口９と、インク吐出口９に連通するとともに内部に電気熱変換素子２を備える液流路１３と、電気熱変換素子２を保持する素子基板１とを有し、インク吐出口９が形成され電気熱変換素子２を備え、段差部１５が形成された上層が半球形が液室１４のインクジェット記録ヘッド２０が完成する（図２（ｇ）〜（ｌ））。

以上説明したように、本実施形態によれば、マスクとなる丸め処理パターン層６をＵＶ透過性に分布を持たせたフォトマスク１１２を用いて形成した後、反応性イオンエッチングで型材層３を彫り込むことで型材層３にＯＤＵＲの半球形状がエッチバックにより転写され、単層の樹脂材料に段差の形状を形成することができる。これにより、本実施形態も第１の実施形態と同様、材料選択が、容易になり、インクジェット記録ヘッド２０の開発の省力化が可能となる。

本発明の第１の実施形態の液体吐出ヘッドの各製造工程を説明するための断面図である。 本発明の第２の実施形態の液体吐出ヘッドの各製造工程を説明するための断面図である。

符号の説明

１ 素子基板
２ 電気熱変換素子
３ 型材層
４ レジスト層
５ パターン層
６ 丸め処理パターン層
７ 型材パターン
８ 被覆樹脂層
９ インク吐出口
１３ 液流路

Claims (5)

1. 液体を吐出するためのエネルギ発生素子と、該エネルギ発生素子に対向する位置に設けられた液体を吐出する吐出口と、該吐出口に連通するとともに内部に前記エネルギ発生素子を備える液流路と、前記エネルギ発生素子を保持する基板と、を有するインクジェットヘッドの製造方法であって、
   前記エネルギ発生素子を形成した前記基板上に溶解可能な樹脂により前記液流路のパターンの型材となる樹脂を塗布する工程と、
   前記型材の上層パターンを形成するためのマスク材となる樹脂を塗布し、パターニングする工程と、
   パターニングされた前記マスク材をマスクとして、ドライエッチングによるエッチバック法を用いて第１のパターンを前記型材に転写形成する工程とを含むことを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
2. 前記転写形成する工程の前に、パターニングされた前記マスク材を加熱して丸め処理を行う工程を含む、請求項１に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
3. 前記パターニングする工程にて、前記マスク材を、光透過性に分布を有するフォトマスクを用いて丸め処理を行う、請求項１に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
4. 前記型材にフォトリソグラフィにより下層パターンとなる第２のパターンを形成する工程と、
   前記型材を被覆するように、前記液流路を形成する部材となる樹脂層を塗布し、パターニングすることで、前記吐出口を形成する工程と、
   前記型材を溶解除去することで、前記液流路を形成する工程と、を含む、請求項１ないし３のいずれか1項に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。
5. 前記吐出口および前記エネルギ発生素子が形成された液室が段差形状を有しており、前記液室の上層を半球形の断面形状に形成する工程を含む、請求項２ないし４のいずれか1項に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。

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