JP2006326910A

JP2006326910A - インクジェット記録用基体

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Publication number: JP2006326910A
Application number: JP2005150860A
Authority: JP
Inventors: Masataka Kato; 雅隆加藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-05-24
Filing date: 2005-05-24
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2025-05-24
Also published as: US7575303B2; US20060266733A1; JP4693496B2

Abstract

【課題】インクジェット記録ヘッド流抵抗を低減させるために、断面積をより大きくする新規な方法を提供する。
【解決手段】液体の供給口・吐出口と、該吐出口に連通する液流路と、該液流路の一部に設けられた、前記液体を吐出するための圧力を発生する吐出圧力発生部とを有し、前記供給口が、前記吐出圧力発生部を構成する吐出圧力発生素子が形成された基板に貫通口として形成され、吐出圧力発生素子が形成された面(表側の面)の上部に形成される第一の流路と、前記吐出圧力発生素子面よりも下部に掘り込まれた部分に形成される第二の液流路とが存在し、それぞれが、前記面の、前記供給口が開口する部分の側から、前記吐出圧力発生素子が形成された部分へと流路毎に延びている部分を有し、前記第一の液流路の最小幅よりも前記第二の液流路の最大幅が広いことを特徴とするインクジェット記録ヘッド用基体。
【選択図】図２

Description

本発明は、インクなどの液体を液滴として吐出し、それを紙などの被記録材に付着させて記録を行うインクジェット記録ヘッド用基体に関する。

インクジェット記録方式(液体噴射記録方式)に適用されるインクジェット記録ヘッドは、一般に、微細な吐出口(オリフィス)、それに通じる液流路、および該液流路の一部に設けられた、吐出圧力発生素子を備える吐出圧力発生部を複数備えている。吐出圧力発生素子としては、例えば、電気熱変換素子が用いられ、このインクジェット記録ヘッドにおいては、電気熱変換素子に駆動信号が印加され、それによって、電気熱変換素子はインクの核沸騰を越える急激な温度上昇を生じてインク内に気泡を生じさせ、この際に生じる圧力によって、インクの液滴が吐出される。各電気熱変換素子には、記録情報に応じて駆動信号が印加され、それによってインクは各吐出口から選択に吐出される。

このようなインクジェット記録ヘッドにおいては、高精細で高品位の画像を得られるようにすることが望まれている。このためには、吐出口から小さな液滴を吐出できるようにし、また、液滴をそれぞれの吐出口から常に同じ体積、吐出速度で吐出できるようにすることが望ましい。

これを達成する方法として、特許文献１〜３には、電気熱変換素子によって生成された気泡を外気と連通させて液滴を吐出させる方法が開示されている。この方法によれば、吐出される液滴の大きさは、吐出口の大きさ、および電気熱変換素子とオリフィスとの距離(以下、「ＯＨ距離」と称す。)によって決まり、常にほぼ一定の大きさの小さな液滴を吐出させることができる。

このような方法によって液滴を吐出するインクジェット記録ヘッドにおいて、より小さな液滴を吐出させて、より高精彩な画像を形成できるようにするためには、ＯＨ距離を短くすることが好ましい。また、吐出される液滴の大きさを所望の大きさにするために、ＯＨ距離を正確に、また再現性良く設定できることが必要である。

このようにＯＨ距離を正確に再現性良く所定の距離に設定することができる、インクジェット記録ヘッドの製造方法としては、特許文献４に開示された方法がある。この製造方法では、吐出圧力発生素子が形成された基板上に溶解可能な樹脂にて液流路の型を形成する。その後、常温にて固体状のエポキシ樹脂を含む被覆樹脂を溶媒に溶解して、これを溶解可能な樹脂層上にソルベントコートして、各液流路間を仕切る流路壁などを構成する被覆樹脂層を形成する。その後、被覆樹脂層に吐出口を開口する。最後に、溶解可能な樹脂層を溶出させて除去する。

また、このようなインクジェット記録ヘッドでは、画像の高精細化、高品位化が求められる一方で、高スループット化も望まれている。このためには、吐出周波数(駆動周波数)を高くできるようにするために、液滴吐出後に流路内にインクを再充填する、すなわちリフィルするのを速くする必要がある。リフィルを速くするには、供給口から吐出口までの間の、インクの供給経路の流抵抗を小さくすることが望まれる。

このように、インクの供給経路の流抵抗を小さくする構成として、特許文献５および６には、供給口近傍の流路高さが吐出圧力発生素子近傍の流路高さより高いことを特徴とするインクジェット記録ヘッドとその製造方法が提案されている。これらの公報に記載された製造方法では、基板の、供給口近傍から吐出圧力発生素子近傍までの間に相当する部分を掘り込むことによって、供給口近傍の流路高さを高くしている。これによって、インクの供給経路の断面積が大きくなり、したがって、その流抵抗が低減される。このように、これらの公報に記載された製造方法は、高スループット化を実現する上で有効な手法である。
特開平４-010940号公報特開平４-010941号公報特開平４-010942号公報特許第3143307号公報特開平10-095119号公報特開平10-034928号公報

しかしながら、更に流抵抗を低減させるために、断面積をより大きくする方法として、掘り込み量を増やすことが挙げられるが、液流路の形成パターンに相当するパターンで、溶出可能な樹脂から流路型材を形成し、該流路型材に、前記オリフィスプレートとなる樹脂を被覆し、その後、前記流路型材を溶出させることによって形成する製造方法においては、ある程度以上掘り込んだ場合掘り込み部において前記流路型材が窪み形状となってしまうため、その上に塗布したオリフィスプレートとなる樹脂がその部分で厚くなってしまい、その分液流路の高さは低くなってしまう。また、断面積を大きくする方法として、深さ方向ではなく横方向に大きくする方法が挙げられるが、高ピッチに液体吐出発生素子を並べることが望まれている点や、オリフィスプレートと接する面積が少なくなるという点からもあまり横方向に掘り込み部を広げることが難しい。

上記の問題を解決するため、本発明のインクジェット記録ヘッド用基体は、外部から液体が供給される供給口と、液体を吐出する吐出口と、吐出口に連通し、供給口から供給された液体を前記吐出口へと導く液流路と、液流路の一部に設けられた、液体を吐出するための圧力を発生する吐出圧力発生部とを有し、供給口が、吐出圧力発生部を構成する吐出圧力発生素子が形成された基板に貫通口として形成されたインクジェット記録ヘッドの製造に用いるインクジェット記録ヘッド用基体であって、吐出圧力発生素子が複数形成されており、吐出圧力発生素子が形成された面、すなわち表側の面の上部にオリフィスプレートによって形成される第一の流路と、前記供給口が開口する部分から吐出圧力発生素子の手前までの部分が掘り込まれ、前記吐出圧力発生素子面よりも下部に形成される第二の液流路とが存在し、それぞれが、前記吐出圧力発生素子が形成された面の、形成される前記供給口が開口する部分の側から、前記吐出圧力発生素子が形成された部分へと流路毎に延びている部分を有し、第一の液流路の最小幅よりも第二の液流路の最大幅が広いことを特徴とする。

前記第一の液流路の最小幅よりも前記第二の液流路の最大幅が広いことによって、オリフィスプレートと基板との密着面積を低減することなく、インクの流抵抗を低減することが可能となる。

この前記第二の液流路は、ケミカルドライエッチング、リアクティブイオンエッチングなどのドライエッチング、結晶異方性エッチングなどのウエットエッチング、によって形成することができる。

本発明の、インクジェット記録ヘッドの製造方法において、基板の裏側の面から行うエッチングは、硝酸やその他の混酸などによる等方エッチング、あるいはＫＯＨ、ＴＭＡＨ水溶液などのアルカリ溶液による結晶異方性エッチング、その他化学的作用によるエッチングであってよい。

本発明によれば、吐出圧力発生素子が形成された基板に、供給口近傍の流路高さが吐出圧力発生素子近傍の流路高さより高くなるように掘り込みが設けられ、吐出圧力発生素子が形成された面、すなわち表側の面の上部に形成される第一の流路と、前記供給口が開口する部分から吐出圧力発生素子の手前までの部分が掘り込まれ、前記吐出圧力発生素子面よりも下部に形成される第二の液流路とが存在し、それぞれが、前記吐出圧力発生素子が形成された面の、形成される前記供給口が開口する部分の側から、前記吐出圧力発生素子が形成された部分へと流路毎に延びている部分を有し、第一の液流路の最小幅よりも第二の液流路の最大幅が広いことで、インクの供給経路の断面積が従来の掘り込んだ形状よりも断面積が大きくなり、従って、インクの流抵抗を更に低減することが可能となる。従って、本発明によって製造したインクジェット記録ヘッドはインクの供給経路の流抵抗を低減することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

(実施例１)
図１から図６までを参照して、本発明の第一の実施例、インクジェット記録ヘッドの製造方法について説明する。

本実施形態において製造するインクジェット記録ヘッドは、図１に示すように、インク(液体)を吐出させる圧力を発生する複数の吐出圧力発生素子101が形成された基板102を有している。基板102には、吐出圧力発生素子101を駆動するためのトランジスタなどを含む半導体回路や、記録ヘッドを記録装置本体側と電気的に接続するのための電極パッドが形成されているが、図面を分かりやすくするため、各図においては図示を省略している。図２(a)には、ＥＣＲドライエッチング装置を用いて、基板のシリコンをドライエッチングし、第二の液流路103を形成した様子を示す。基板に深い窪みを形成する場合、側壁温度やマスクの影響によって、断面形状が変化する。本実施例において、ドライエッチング時のマスクとしては、ノボラック系の一般的なポジレジストを使用することができる。一般的なドライエッチングでは、レジストおよび基板から放出された物質が反応してできた生成物が、パターンの側壁に形成され、側壁保護膜を利用した異方性エッチングが可能となる。本実施例において、このポジレジストをパターニング後Ｔg以上の高温でハードベークすることで、レジストがエッチングされにくい状態にすることで、パターンの側壁保護膜を形成しなくなり、マスクの内側へエッチングが進行し図２(c)に示すようなボーイング形状を有する窪みを形成することが可能となる。

また、本実施例におけるエッチングは、イオンエッチングを用いた方向性エッチングであり、イオンを生成するプラズマ源とエッチングする反応室とが分かれており、加速したイオンによってエッチングを行う。イオン源に高密度のイオンを出せるＥＣＲ(電子サイクロトロン共鳴)イオン源を用いる方法では、表面から垂直な方向に異方性エッチングができるが、エッチングに寄与する活性種を過剰にし散乱させることで、窪み部側壁へエッチングが進行し、図２(c)に示すようなボーイング形状となる窪みを形成することが可能となる。そうすることで、第一の液流路の最小幅よりも第二の液流路の最大幅が広い形状を有するインクジェット記録ヘッド用の基体を形成することができる。

なお、本件においてはＥＣＲイオン源を用いたドライエッチングにより第二の液流路を形成したが、窪み部を形成する手段はこれに限られたものではなく、他の方式のプラズマソースを有するドライエッチング装置や、結晶異方性エッチングなどのウエットエッチングであっても構わない。例えば、ＩＣＰ(誘導結合プラズマ)ドライエッチング装置を用いた場合、コーティングとエッチングを交互に行うこと(すなわち堆積/エッチングプロセス)によって基板に窪み部が形成される。堆積とエッチングを交互に行う特定の実施形態では、エッチャントであるＳＦ₆から窪みの面内上でコーティングを形成するガスと交互になり、エッチャントのイオンは窪みの底面に向けられ、底面に沿ってコーティング並びにその下にある基板材料をも物理的に及び化学的に除去する。特定の実施形態では、コーティングの堆積量に応じて、イオンは数秒以内で底面上のコーティングを破る。本実施形態では、コーティングの時間を通常よりも短くすることで、側壁にほとんどコーティングされないため、エッチングステップによって側壁へもエッチングが進行し、図２(c)に示すようなボーイング形状になる。また側壁のコーティング量を積極的に減らす方法として、基板を温め、側壁に堆積物をつけないようにする方法も考えられる。

基板102の吐出圧力発生素子101が形成された表側の面には、供給口108が開口する部分と、そこから吐出圧力発生素子101が形成された部分の手前までの部分が掘り込まれ、第二の液流路103が形成されている。

基板102上には、供給口108側から吐出圧力発生素子101上へと延びる第二の液流路と、各吐出圧力発生素子101の表面に対面する位置に開口した吐出口109およびノズルを形成する液流路構成部材(オリフィスプレート)105からなる第一の液流路が形成されている。そして、本実施形態のインクジェット記録ヘッドにおけるインクの供給経路には、オリフィスプレートからなる第一の液流路および基板が掘り込まれることで第二の液流路が形成されている。

以上の工程によって、本実施形態の特徴的な構成を備えるインクジェット記録ヘッド用基体が完成する。

次に、基板102の表側の面上に、後の工程で溶出させることができるＵＶレジストであるポリメチルイソプロペニルケトンをスピンコート法によりソルベントコートする。このレジストをＵＶ光によって露光し、現像して流路型材106を形成する。

次に、さらにこの上に、ネガレジストであるカチオン重合型エポキシ樹脂を塗布して、インクの流路の天井と各流路間を仕切る流路壁を構成するオリフィスプレート105を形成する。このネガレジストに対して、所定のパターンのフォトマスクを用いて露光、現像を行い、吐出口109と電極パットの部分のネガレジストを除去する。

次に、基体の表側の面のノズル部を保護するように環化ゴムを含むノズル保護用樹脂104をコーティングする。そして、基板102の裏面にポリエーテルアミドからなるマスク層を設け、その膜上にレジストを形成し、基板102の表側の面の掘り込み部103の中央部の反対側に相当する所定の領域に開口を有する所定のパターンにパターニングする。そして、レジストをマスクとして、ドライエッチングにより基板裏面のポリエーテルアミドを除去し、その後、レジストを除去する。これによって、供給口108の形成開始位置に開口を有するようにパターニングされた裏面マスク層107が形成される。

次に、基板102の裏面を硝酸、フッ化水素酸、酢酸の混酸に浸漬して裏面マスク層107の開口部から結晶異方性エッチングを行う。そして、結晶異方性エッチングを基板102の表側の面の窪み部103まで進行させて供給口108を形成する(図４)。

次に、キシレンにより基体の表側の面に形成されたノズル保護用樹脂104を除去する。その後、基体を乳酸メチルに浸漬し、超音波を付与することによって流路型材106を構成するＵＶレジストを溶出、除去する(図５)。

図６(a)および(b)に示すように、第一の液流路の最小幅Ｌ１と第二の液流路の最大幅Ｌ２との関係において、Ｌ１＜Ｌ２が成立し、また、第一の液流路幅Ｌ１と第二の液流路幅Ｌ２の片側の差をδ(＝(Ｌ２-Ｌ１)/２)とした時に、第一の液流路と隣の第一の液流路との幅Ｌ３との関係において、Ｌ３＞２×δが成立している。

図には示していないが、このような基体は、基板102を構成するシリコンウエハ上に複数同時に形成することができ、最後に、ダイシングによりウエハから切り分けて、インクジェット記録ヘッドが完成する。

(実施例２)
図２は、本発明の第２実施例の概略図である。本実施例が第１実施例と異なる点は、第二の液流路を形成する方法として、第一のエッチングをドライエッチング法による垂直な窪み部を形成し、その後ウエットエッチングによる面方位依存性を利用した異方性エッチングを用いる点である。

図８(a)、(b)および(c)に示す段階において、第一のエッチングとして、ＩＣＰドライエッチング装置を用いて、基板をドライエッチングし垂直に窪みを形成する。その際に、堆積とエッチングを交互に行う特定の実施形態を用いる。ドライエッチング時のマスクとしては、ノボラック系の一般的なポジレジストを使用することができる。

その次に、図９(a)および(b)に示す段階において、シリコン結晶異方性エッチングを用いて、第二の液流路を形成することが可能となる。シリコン結晶異方性エッチングは、テトラメチルアンモニウムハイドライド(ＴＭＡＨ)22ｗt％溶液、83℃に１時間浸漬することで行った。

その後、第１実施例と同様の工程を経て、本実施形態のインクジェット記録ヘッド用基体が形成される。

本発明の第１実施形態の製造工程の出発段階の模式図であり、図２(d)のＡＡ'線に相当する線に沿って切断した断面図である。ドライエッチング工程後の第二の液流路が形成された状態を示す図である。(a)は図１と同じ方向の断面図、(b)はその一部を拡大したものであり、(c)は(b)のＢＢ'線で切断した断面図、(d)は上から見た平面図である。ＵＶレジストによる流路型材、ネガレジストによるオリフィスプレート、環化ゴムを含むノズル保護用樹脂、ポリエーテルアミドからなるマスク層をそれぞれ形成した段階を示す、図１と同じ方向の断面図である。裏面マスク層の開口部から結晶異方性エッチングを基板の表側の面の窪み部まで進行させて供給口を形成した段階を示す、図１と同じ方向の断面図である。ノズル保護用樹脂、流路型材を除去し、所望の流路が得られたインクジェット記録ヘッド用基体を示す断面図であり、(a)は図１と同じ方向、(b)はその一部を拡大したものであり、(c)は(b)のＢＢ'線で切断した断面図である。第一の液流路の最小幅Ｌ１と第二の液流路の最大幅Ｌ２との関係を表す図であり、(a)は上から見た平面図、(b)は(a)のＣＣ'線で切断した断面図である。本発明の第２実施形態の製造工程の出発段階の模式図であり、図２(d)のＡＡ'線に相当する線に沿って切断した断面図である。基板をドライエッチングし垂直に窪みを形成した状態を示す図である。(a)は図７と同じ方向の断面図、(b)はその一部を拡大したものであり、(c)は(b)のＤＤ'で切断した断面図である。シリコン結晶異方性エッチングを用いて、第二の液流路を形成した状態を示す図である。(a)は図７と同じ方向で図８(b)に対応する拡大断面図であり、(b)は(a)のＤＤ'で切断した断面図である。本発明の第２実施形態の所望の流路が得られたインクジェット記録ヘッド用基体を示す断面図である。(a)は図７と同じ方向で図８(b)及び図９(a)に対応する拡大断面図であり、(b)は(a)のＤＤ'で切断した断面図である。従来例として形成したインクジェットヘッドの断面図である。(b)は(a)のＥＥ'線に沿って切断した断面図である。

符号の説明

101 吐出圧力発生素子
111 マスク(レジスト)
102 基板
103 彫りこみ部(第二の液流路)
104 保護層
105 液流路形成部材
(オリフィスプレート)
106 ＰＭＩＰＫポジレジスト
107 裏面マスク層
108 供給口
109 吐出口
110 第一の液流路

Claims

外部から液体が供給される供給口と、該液体を吐出する吐出口と、該吐出口に連通し、前記供給口から供給された前記液体を前記吐出口へと導く液流路と、該液流路の一部に設けられた、前記液体を吐出するための圧力を発生する吐出圧力発生部とを有し、
前記供給口が、前記吐出圧力発生部を構成する吐出圧力発生素子が形成された基板に貫通口として形成され、吐出圧力発生素子が形成された面、すなわち表側の面の上部に形成される第一の流路と、
前記供給口が開口する部分から吐出圧力発生素子の手前までの部分が掘り込まれ、前記吐出圧力発生素子面よりも下部に形成される第二の液流路とが存在し、
それぞれが、前記吐出圧力発生素子が形成された面の、形成される前記供給口が開口する部分の側から、前記吐出圧力発生素子が形成された部分へと流路毎に延びている部分を有しているインクジェット記録ヘッドの製造に用いるインクジェット記録ヘッド用基体であって、
前記第一の液流路の最小幅よりも前記第二の液流路の最大幅が広いこと
を特徴とするインクジェット記録ヘッド用基体。
請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド用基体を製造する方法において、
前記第二の液流路を形成する工程が、ドライエッチング、ウエットエッチングから選ばれた少なくとも１種類以上の方法によってなされることを特徴とする、インクジェット記録ヘッド用基体の製造方法。
前記第二の液流路を形成する工程が、
前記基体の表面に樹脂を塗布する工程と、パターニングする工程と、前記樹脂をガラス転移点(Ｔg)以上に加熱する工程と、
その後前記樹脂をマスクとしてドライエッチングを行うことで前記第二の液流路として所望される形状の凹部を得る工程
とを含む、請求項２に記載のインクジェット記録ヘッド用基体の製造方法。
前記第二の液流路を形成する工程が、
前記基体の表面上の露出した部分をドライエッチングして、内面を有する窪みを形成する工程と、
その後該形成された窪み(凹部)に対して、ウエットエッチングによるシリコンの面方位依存性を利用した異方性エッチングを行うことで該凹部を前記第二の液流路として所望される形状に広げる工程
とを含む、請求項２に記載のインクジェット記録ヘッド用基体の製造方法。