JP2007230234A - インクジェット記録ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超極小液滴のインクを吐出する吐出口を高密度に配列したインクジェット記録ヘッドを、精度よく、低廉に得るインクジェット記録ヘッドの製造方法を提供する。
【解決手段】インクを吐出するためのエネルギー発生素子２、及び、該エネルギー発生素子２にインクを供給するための供給口１３を有する基板１と、該基板１上に形成され、インクを吐出するための吐出口１１、及び、該吐出口１１と前記供給口１３とを連通する流路を形成するための流路形成部材とを備えたインクジェット記録ヘッドの製造方法であって、前記基板１上に流路形成部材の一部となる流路の側壁９ａを成形する工程と、流路の側壁９ａ上に、流路形成部材の一部となる層を貼り合わせる工程と、該層に吐出口１１を形成する工程とを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、高精度のインクジェット記録ヘッドを製造するインクジェット記録ヘッドの製造方法に関する。

インクジェット記録ヘッドは、圧電素子や発熱抵抗体素子などのエネルギー発生素子の機能を利用して、紙や樹脂シートなどの被記録媒体上にインクを吐出させて、文字、記号、図形などの表示を行うものである。インクジェット記録ヘッドは、基板にフォトリソグラフィーを用いた半導体成膜技術を使用して作製されており、小型化、高密度化の要請に対し、エネルギー発生素子を駆動するための電気制御回路を内蔵したものが知られている。

これらの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１から４に開示されるような方法が知られている。以下、図４の断面模式図（Ａ）〜（Ｆ）に示す工程に従って順次説明する。図４（Ａ）に示すように、発熱抵抗体等のエネルギー発生素子２２が複数個配置された基板２１を用い、後述するインクの供給口を形成するための貫通孔の穿設位置に犠牲層２５を設ける。犠牲層及びエネルギー発生素子を被覆して保護層２４を積層する。基板２１は、結晶方位１００のシリコン単結晶であり、その裏面にはＳｉＯ₂膜２３で全面被覆が形成されたものを用いる。

図４（Ｂ）に示すように、基板２１の表面の保護層２４上と裏面のＳｉＯ₂膜２３上に、ポリエーテルアミド樹脂を塗布し、加熱して硬化する。そして、基板の表裏の硬化したポリエーテルアミド樹脂をフォトリソグラフィーによりそれぞれパターニングしてポリエーテルアミド樹脂層２６、２７を形成する。ポリエーテルアミド樹脂層２６、２７は、硬化したポリエーテルアミド樹脂上にポジ型レジストをスピンコート等により塗布し、露光、現像する。そして、ドライエッチング等によりポリエーテルアミド樹脂をパターニングした後、マスクによる非露光部分（エッチングされていないポリエーテルアミド樹脂層上部分）に残留するポジ型レジストを剥離して形成することができる。

図４（Ｃ）に示すように、インクの流路となる部分に、溶液により溶解可能なポジ型レジストを塗布し、フォトリソグラフィーによりパターニングした型材料２８を形成する。

次に、図４（Ｄ）に示すように、型材料２８上に被覆感光性樹脂をスピンコート等により塗布し、流路形成部材２９を成形する。この流路形成部材２９上に、撥水性樹脂からなるドライフィルムをラミネート等して撥水材３０を形成する。撥水材３０が積層された流路形成部材２９にインク吐出口３１を設ける。インク吐出口は、撥水材３０が積層された流路形成部材２９を紫外線やＤｅｅＵＶ光等を用いたフォトリソグラフィーによりパターニングして形成する。

図４（Ｅ）に示すように、型材料２８及び流路形成部材２９等が形成されている基板２１の表面及び側面を、スピンコート等により保護材３２により被覆する。

図４（Ｆ）に示すように、ポリエーテルアミド樹脂層２７をマスクとしてドライエッチングにより基板１の裏面のＳｉＯ₂膜２３に、基板の貫通孔を成形するためのエッチングの開始面を形成する。

次いで、基板２１裏面のエッチングの開始面から、ウェットエッチングによる異方性エッチングを行う。基板の異方性エッチングの終了後、引き続きウェットエッチングに用いた強アルカリ溶液により、犠牲層２５の等方エッチングを行い、基板に貫通孔を穿設し、インクの供給口３３を形成する。その後、ポリエーテルアミド樹脂層２７及び保護材３２をドライエッチングにより除去し、型材料２８を吐出口３１及び供給口３３から溶液により溶出させ、流路の空間を形成する。

以上の工程により、複数の流路が形成された基板をダイシングソー等により切断分離、チップ化し、エネルギー発生素子２２に電源供給するための電気的接合を行う。そして、インク収納部に接続されたインク供給路に接続して、インクジェット記録ヘッドを得る。

上述の製造方法では、ポリエーテルアミドの層２６は、基板１と流路形成部材２９との密着性を高めるために用いられている。

上述の製造方法は、実用性に優れた製造方法であるが、インクの吐出量が極めて少なく、かつ吐出口の配列密度の高いヘッドを製造する場合、密着層と流路壁部材の仕上り寸法公差が相違するため、寸法設計上の制約がある。特に、吐出量１ｐｌで吐出口の配列密度が１２００ｄｐｉのヘッド等の場合、密着層と流路壁部材の仕上り寸法公差を吸収するため、寸法上の制限を受ける。また、密着層と型材料の仕上り公差から、密着層と流路壁部材との密着力の低下やインク吐出性能に影響を与える場合があった。
米国特許第５４７８６０６ 米国特許第６３９０６０６ 特開平６−２８６１４９ 特開平１１−３４８２９０

本発明の目的は、極小液滴のインクを吐出する吐出口を高密度に配列したインクジェット記録ヘッドを、精度よく、低廉に得ることができるインクジェット記録ヘッドの製造方法を提供することにある。

本発明は、インクを吐出するためのエネルギー発生素子、及び、該エネルギー発生素子にインクを供給するための供給口を有する基板と、該基板上に形成され、インクを吐出するための吐出口、及び、該吐出口と前記供給口とを連通する流路を形成するための流路形成部材とを備えたインクジェット記録ヘッドの製造方法であって、前記基板上に流路形成部材の一部となる流路の側壁を成形する工程と、流路の側壁上に、流路形成部材の一部となる層を貼り合わせる工程と、該層に吐出口を形成する工程とを有することを特徴とするインクジェット記録ヘッドの製造方法に関する。

本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法によれば、流路側壁上に吐出口を形成する層を貼り合せることにより、パターン形成するためのフォトリソグラフィー工程数を減少すると共に、流路を形成するための型材料が不要となる。そのため、効率よく低価格でインクジェット記録ヘッドを製造することができる。

また、密着層材料と流路形成部材材料を積層した後、パターニングして流路の側壁と密着層を成形することにより、寸法設計上の制約を少なくすることができる。

以下、本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法を図面を参照して説明する。

本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法によって製造されるインクジェット記録ヘッドとしては、図１の模式的斜視図、図２の図１のＡＡにおける模式的断面図に示すものを、一例として挙げることができる。図１、２に示すインクジェット記録ヘッドは、シリコン製などの基板１表面上に設けられた複数のエネルギー発生素子２と、基板上に密着層６を介して設けられる壁部材９、エネルギー発生素子の作動によりインクを吐出するための吐出口１１を有する。基板１を貫通して設けられ、インク収納部（図示せず）に接続された基板１の裏面側に設けられたインク供給路（図示せず）と各吐出口に接続される流路とをそれぞれ連結する供給口１３とを有する。

基板１は、シリコン単結晶体であることが好ましく、基板の貫通孔の穿設を異方性エッチングにより行う場合は、結晶方位１００のシリコン単結晶体であることが好ましい。基板の貫通孔の穿設をドライエッチング、エキシマレーザーにより行う場合は、結晶方位１１０のシリコン単結晶体などであってもよい。シリコン基板の表裏は、それぞれシリコン酸化膜の熱酸化膜により被覆されていてもよく、シリコン基板の表面に設けられる熱酸化膜には、熱酸化膜が除去されたメンブレン部が設けられていてもよい。

基板１上に設けられるエネルギー発生素子２は、複数、例えば、所定のピッチで２列並列されて設けられていてもよい。エネルギー発生素子としては、インクを微細液滴、例えば１ｐＬなどの液滴として吐出可能なエネルギーを発生することができるものであればよく、具体的には、圧電素子、発熱抵抗体素子等を挙げることができる。このようなエネルギー発生素子２には、インクによる腐食を抑制し、電気的絶縁のため、Ｔａなどの保護膜４が被覆されていてもよい。保護膜４は、エネルギー発生素子と電極パッド１７とを接続する図示しない配線を被覆するため、基板上面の全体に亘って設けられていてもよい。

基板上に設けられる密着層６は、本発明の必須の構成ではないが、流路側壁９ａと基板との密着性を向上させるために、流路側壁９ａが設けられる基板部分にパターニングして設けることが可能である。密着層は流路側壁との密着性が高いポリエーテルアミド樹脂で成形することができる。

上記密着層６を介して基板１の表面側に設けられる流路形成部材９は、上記密着層６に密着される流路側壁９ａと、天井部材を構成する後述する層９ｂとを有し、流路１２ａを形成し、層９ｂに設けられるインクの吐出口１１に流路１２ａが接続される。流路１２ａは上記保護膜４を介してエネルギー発生素子２が発生するエネルギーが伝達されるように設けられる。吐出口１１はエネルギー発生素子に対向した位置の層９ｂに設けられる。流路側壁は感光性樹脂と光重合開始剤を含有する感光性材料で形成されることがパターニング精度の観点から好ましいが、これに限定されるものではない。天井を構成する層９ｂは樹脂材料、金属材料を選択可能であるが、流路側壁９ａと同じ材質のものが、製造工程や、製造後の環境などから受ける影響が同一であるため好ましい。層９ｂはその上面に撥水剤層１０が設けられていることが、吐出口から吐出したインクの飛沫の付着を抑制できることから好ましい。

基板１を貫通して設けられるインクの供給口１３は、インク収納部（図示せず）に接続される基板１の裏面側に設けられるインク供給路（図示せず）と流路を連通し、流路を介してインクの吐出口と連通される。本実施形態では、２列に設けられたエネルギー発生素子２の列の間に開口して設けられる。供給口１３はテーパー部を有していても、また、基板表裏における開口が同一形状を有するものであってもよい。

［第１の実施形態］
以下、本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法の一例として、密着層を有するインクジェット記録ヘッドの製造方法を、図１のＡＡ位置の断面における模式断面図を示す図３を参照して、順次工程を追って説明する。

まず、インク吐出エネルギー発生素子を備えた前記基板上に密着層を形成するための密着材料を積層する（密着材料積層工程）。

裏面が全体に亘ってＳｉＯ₂膜３で被覆された上記のシリコン等の基板１の表面上に、インクを吐出するエネルギーを発生する発熱抵抗体等のエネルギー発生素子２を複数、例えば、上記のように所定のピッチで２列並列して設ける。この２列に並列して設けられたエネルギー発生素子にはこれを駆動するための電源を供給する電極や、配線が接続される。さらに、エネルギー発生素子２の中間に犠牲層５を成形する。犠牲層はインクの供給口となる基板の貫通孔を異方性エッチングにより成形する場合、基板の厚さの変動によって基板表側の開口の口径に生じるバラツキを抑制するために設けられ、異方性エッチングに用いる溶液に溶解する材質で形成することが好ましい。かかる材質としては、異方性エッチングに用いる溶液がＴＭＡＨ等の強アルカリ液の場合、ポリシリコンやエッチング速度の速いアルミ、アルミシリコン、アルミ銅、アルミシリコン銅等を挙げることができる。

上記エネルギー発生素子及び犠牲層が成形されたシリコン基板上に、上記材質の保護膜４を成形する。なおこれらの説明及び図示は割愛する。

図３（Ａ）に示すように、保護膜４上に密着層６を成形する密着材料６ａを積層する。この工程では、密着材料６ａは積層した状態とし、密着層６を成形するパターニングは行わない。密着材料は、例えば、ポリエーテルアミド樹脂を溶媒に溶解し塗布後加熱して密着層を成形する。または、エポキシ樹脂と硬化剤とを溶媒に溶解し塗布、硬化して密着層を成形することができる。密着層の厚さとしては、例えば、２〜３μｍとすることができる。

基板１の裏面に、異方性エッチングのマスク層となる樹脂層７を成形する。樹脂層７は、例えば、ポリエーテルアミド樹脂等の溶液をスピンコーター等を用いて塗布し、加熱硬化し、これをパターニングして成形することが可能である。

次いで図３（Ｃ）に示すように、上述の密着材料６ａ上に流路形成部材の一部となる感光性材料を積層し、露光、現像により流路の側壁９ａを成形する（流路側壁成形工程）。

流路形成部材は感光性樹脂を含有する感光性材料を用いて形成することが、フォトリソグラフィーによるパターニングが可能となるため、好ましい。かかる感光性材料は、例えば、スピンコートなどにより、密着材料６ａ上に塗布する。

塗布後、マスクを介して紫外線やＤｅｅｐＵＶなどにより露光・硬化後、現像し、流路側壁９ａを成形する。

その後、流路の側壁９ａをマスクとして、密着材料６ａを、ドライエッチング等によりエッチングし、流路の側壁９ａと基板間に介在する部分のみを残して除去し、密着層６を成形する。

次いで、シリコン基板の裏面側からインクの供給口となる貫通孔を穿設する（供給口形成工程）。なお、この工程は、必ずしも保護材による被覆の直後に行う必要はなく、例えば、図３（Ｇ）に示す吐出口形成後に行ってもよい。

図３（Ｄ）に示すように、基板１の表面及び側面を、スピンコート等により保護材１４で被覆する。保護材は、搬送時の損傷から流路の側壁部材を保護し、また基板の裏面からのインクの供給口の穿設時の耐エッチングのために設けるものである。

基板１の裏面のＳｉＯ₂膜３を、樹脂層７をエッチングして、供給口を形成するための基板の貫通孔を穿設するエッチングの開始面となる部分の基板を露出させる。

図３（Ｅ）に示すように、樹脂層７をマスクとして上記基板裏面に形成したエッチング開始面からエッチングを行い、インクの供給口となる貫通孔を穿設する。かかるエッチングはドライエッチング、エキシマレーザーによるエッチング、ウェットエッチング、これらを組み合わせた方法などいずれの方法によってもよいが、ウェットエチングによる異方性エッチングが、容易に行うことができるため好ましい。異方性エッチングには、例えば、ＴＭＡＨ等の強アルカリ溶液を用いることができ、基板に貫通孔を穿設し、引き続き、基板表面に設けた犠牲層５の等方エッチングを行い、供給口１３を形成する。その後、基板裏面の樹脂７及び保護材１４を除去する。

次に、流路の側壁上に、流路形成部材の一部を構成する層９ｂを貼り合わせる（層貼着工程）。

図３（Ｆ）に示すように、流路の側壁９ａ上にインクの流路１２ａの天井となる層９ｂを貼り合わせる。層９ｂとしては、流路の側壁上に載置したとき、撓まない程度の剛性を有するものであればよい。層の材質としては、例えば、感光性樹脂及び光カチオン重合開始剤を含有するものであることが、吐出口をエッチングを行わずフォトリソグラフィーによる現像により成形可能となるため好ましい。また、流路の側壁と同じ組成の材料であることが環境変化に対し流路の側壁に追従して変化するため好ましく、その材質として、例えば、エポキシ樹脂の硬化物等を具体的に挙げることができる。

層９ｂの表面には撥水剤層１０を積層することが好ましい。

次に、図３（Ｇ）に示すように、層にインクの吐出口を形成する（吐出口形成工程）。

吐出口は、層９ｂを露光し、感光した部位を硬化させることにより行うことができる。この硬化により、流路側壁９ａと層９ｂとの接合がより強固なものとなる。上述した両者の材料が同じ組成の材料の場合、相互の親和性から両者は強固に接合される。

以上のようにして得られたインクジェット記録ヘッドについて、エネルギー発生素子を駆動させるため、電気的接合を行う。そして、供給口をインク収納部に接続されるインク供給路に接続して、記録装置に搭載可能なインクジェット記録ヘッドのユニットを完成することができる。

［第２の実施形態］
本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法の第２の実施形態として、感光性を有する密着材料を用いて密着層を形成するインクジェット記録ヘッドの製造方法を、図５の模式断面図を参照して、順次工程を追って説明する。なお、上記実施態様と同様にして行う工程の説明は省略する。

図５（Ａ）に示すように、保護膜４上に密着層６を成形する密着材料６１aを積層する。
密着材料として感光性を有する材料としては、例えば、ポリエーテルアミドと、架橋剤と、感光により触媒物質を発生させる感光性触媒を含むものを挙げることができる。具体的には、架橋剤としてメラミン系化合物、感光性触媒として光酸発生剤として知られているものを挙げることができる。また、エポキシ樹脂と光酸発生剤とを含むネガ型感光性材料を挙げることができる。

基板１の裏面に、異方性エッチングのマスク層となるポリエーテルアミド樹脂層７を成形する。ポリエーテルアミド樹脂層７は、ポリエーテルアミド樹脂の溶液をスピンコーター等を用いて塗布し、加熱硬化し、これをパターニングして成形する。

次いで、図５（Ｂ）に示すように、密着材料６１a上に流路形成部材の一部の流路の側壁となる感光性材料８１を積層する。感光性材料８１としては、光酸発生剤とエポキシ樹脂とを含むものを好ましいものとして挙げることができるが、後の工程のため、密着材料６１aと感光波長が重複していることが好ましい。

次いで、図５（Ｃ）に示すように、密着材料６１aと、感光材料８１とを一括してパターニングし、流路の側壁９１aを成形する（流路側壁成形工程）。双方の材料の感光波長が重なっている場合には、一括して一度の光照射で露光を完了することができる。その後の現像において、現像液の選択は任意であり、異なる現像液を使用することもできるが、同じ現像液で一括して現像を行うことが効率上好ましい。

以上により流路の側壁９１aと密着層６１のパターニングを一括で行い、簡便な工程で流路の側壁を得ることができる。

以降の工程は、上記実施形態と同様にして行うことができる。

［第３の実施形態］
本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法の第３の実施形態として、密着層の形成後、流路側壁を形成することにより、双方の材料の選択性を拡げたインクジェット記録ヘッドの製造方法を、図６の模式断面図を参照して、順次工程を追って説明する。なお、上記実施態様と同様にして行う工程の説明は省略する。

図６（Ａ）に示すように、保護膜４２上に密着層６２を成形する密着材料６２aを積層する。密着材料６２aとしては、感光性、非感光性を問わず選択することができる。具体的には、上記実施形態おいて例示したものと同様のものを挙げることができる。

次いで図６（Ｂ）に示すように、密着材料６２aをパターニングすることにより、密着層６２を形成する。密着材料６２a が感光性を有する場合は、フォトリソグラフィーの技術を応用することにより、また感光性を有しない場合は、エッチング等により行う。

次いで図６(Ｃ)に示すように、密着層６２上に流路形成材料８２を積層する。流路形成材料８２としては上記実施形態おいて例示したものと同様のものを挙げることができる。

次いで図６（Ｄ）に示すように、流路形成材料８２をパターニングすることにより、流路の側壁９２aを形成する。

以降の工程は、上記実施形態と同様にして行うことができる。

本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法の一実施例により製造されるインクジェット記録ヘッドを示す模式的斜視図である。 本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法の一実施例により製造されるインクジェット記録ヘッドを示す模式的断面図である。 本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法の一例を示す模式的断面図である。 従来のインクジェット記録ヘッドの製造方法の工程を示す模式的断面図である。 本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法の一例を示す模式的断面図である。 本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法の一例を示す模式的断面図である。

符号の説明

１ 基板
２ エネルギー発生素子
６、６１、６２ 密着層
６ａ、６１ａ、６２ａ 密着材料
９ 流路形成部材
９ａ、９１ａ、９２ａ 流路の側壁
９ｂ 層
１０ 撥水剤
１１ 吐出口
１２ａ 流路
１３ 供給口

Claims (11)

1. インクを吐出するためのエネルギー発生素子、及び、該エネルギー発生素子にインクを供給するための供給口を有する基板と、
   該基板上に形成され、インクを吐出するための吐出口、及び、該吐出口と前記供給口とを連通する流路を形成するための流路形成部材とを備えたインクジェット記録ヘッドの製造方法であって、
   前記基板上に流路形成部材の一部となる流路の側壁を成形する工程と、
   流路の側壁上に、流路形成部材の一部となる層を貼り合わせる工程と、
   該層に吐出口を形成する工程とを有することを特徴とするインクジェット記録ヘッドの製造方法。
2. 前記層が感光性材料で形成され、該感光性材料を露光及び現像して吐出口を形成することを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。
3. 前記基板と流路の側壁との間に密着層を設けることを特徴とする請求項１又は２に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。
4. 前記基板上に前記密着層を形成するための密着材料を積層する工程と、
   密着材料上に流路形成部材の一部となる感光性材料を積層し、露光及び現像により流路の側壁を成形する工程と、
   流路の側壁をマスクとして、前記密着材料をパターニングして密着層を成形する工程とを有することを特徴とする請求項３に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。
5. 前記密着材料が、ポリエーテルアミド樹脂を含有することを特徴とする請求項４に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。
6. 前記密着材料が、エポキシ樹脂を含有することを特徴とする請求項４に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。
7. 前記密着材料のパターニングはドライエッチングにより行うことを特徴とする請求項４から６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。
8. 前記基板上に前記密着層を形成するための感光性を有する密着材料を積層する工程と、
   該密着材料上に流路形成部材の一部となる感光性材料を積層する工程と、
   該感光性材料と前記密着材料とを一括してパターニングして密着層及び流路の側壁を成形する工程とを有することを特徴とする請求項３に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。
9. 前記密着材料が、ポリエーテルアミド樹脂を含有することを特徴とする請求項８に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。
10. 前記密着材料が、エポキシ樹脂を含有することを特徴とする請求項８に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。
11. 前記流路の側壁と、前記流路の側壁上に貼り合わせる層とを同じ組成の材料により形成することを特徴とする請求項１から１０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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