JP2008126630A

JP2008126630A - 液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドの製造方法

Info

Publication number: JP2008126630A
Application number: JP2006317236A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ikegame; 健池亀
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2006-11-24
Filing date: 2006-11-24
Publication date: 2008-06-05

Abstract

【課題】供給口形成時における気泡の発生を防ぎ、ノズル材の変形を防止することができる液体吐出ヘッド、およびその製造方法を提供すること。
【解決手段】シリコン基板を用い、該基板上に発熱抵抗体が形成された複数のチップユニットを有し、該基板上に設けられた吐出口を有するノズル材とを備え、該ノズル材の吐出口から該基板面に対し垂直方向にインク液滴を吐出する液体吐出ヘッドの製造方法において、インク供給口を形成するために前記基板に対して異方性エッチングを行う前であって、前記基板に保護材塗布前に、該保護材よりも粘度の低い除去可能な気泡防止材を前記基板に塗布する。
【選択図】図３

Description

本発明は、液体を噴射して記録を行う液体吐出ヘッドと、該ヘッド製造方法に関する。

インクジェット記録方式は、記録時における騒音の発生が無視しうる程度に極めて小さいという点、また高速記録が可能であり、しかもいわゆる普通紙に定着可能で、特別な処理を必要とせずに記録が行えるという点で、ここ数年急速に普及しつつある。また液体吐出ヘッドの中で、インク吐出エネルギー発生素子が形成された基板に対して、垂直方向にインク液滴が吐出するものを「サイドシューター型記録ヘッド」と称し、本発明は、この種のサイドシューター型記録ヘッドの構造に関するものである。

近年液体吐出ヘッドは小型化、高密度化に対し、基板内複数のチップユニットを形成し、半導体製造技術を用いてインク吐出圧発生素子を駆動するための電気的制御回路（ダイオードマトリックス回路やシフトレジスタ回路）を内蔵した方法が提案されている。前記する高機能な液体吐出ヘッドは、図１に示すような複数本のインク吐出口（ノズル）にインク供給する方法として基板裏面より基板を貫通させ各ノズルに対し、共通のインク供給口より各々のノズルにインクを供給する構造になっている。

液体吐出ヘッドのインク供給口は、基板を化学的にエッチングすることにより形成している。より具体的には、基板としてSi(シリコン)基板を用い、KOH、NaOH、TMAHなどの強アルカリ溶液による異方性エッチングにより供給口を形成している。

しかしながら、異方性エッチングを行う際、強アルカリ溶液によりノズル材が変形し、ヘッド表面形状が変化することにより従来の機能が得られなくなってしまう。

そこでこのような問題に鑑み、特開2000-351214号公報に記載された液体吐出ヘッドでは、除去可能な保護層をノズル材表面に形成し、強アルカリ溶液が直接ノズル表面に触れないようにしている。
特開2000-351214号公報

しかしながら、前記従来例において、異方性エッチング時に保護層中に気泡が発生してノズル表面が変形を起こしてしまう場合があった。

気泡発生は、特にチップユニット間など、段差部分に多く見られた。

チップユニットは、工程終了後ダイシングにて個別チップに分割される。ダイシング時の作業性を考え、チップユニット間は基板面上に何も形成されていないため、ノズル材と基板の高さ分の段差が発生している。そのため、その段差部分に保護層として用いている材料が充填されにくく、基板、ノズル材、および保護材界面付近に微小な気泡が存在する場合があった。また、異方性エッチングの際の熱などによる影響で、異方性エッチングの際に気泡が成長し、その気泡が吐出口部分の形状を変形させている場合があった。

そこで、本発明は、上記従来のものにおける課題を解決し、供給口形成時における気泡の発生を防ぎ、ノズル材の変形を防止することができる液体吐出ヘッド、およびその製造方法を提供することを目的としている。

本発明は、上記課題を達成するために、液体吐出ヘッドの製造方法、および液体吐出ヘッドを、つぎのように構成したことを特徴とするものである。

すなわち、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法は、シリコン基板を用い、該基板上に発熱抵抗体が形成された複数のチップユニットを有し、該基板上に設けられた吐出口を有するノズル材とを備え、該ノズル材の吐出口から該基板面に対し垂直方向にインク液滴を吐出する液体吐出ヘッドの製造方法において、インク供給口を形成するために前記基板に対して異方性エッチングを行う前であって、前記基板に保護材塗布前に、該保護材よりも粘度の低い除去可能な気泡防止材を前記基板に塗布することを特徴とする。

本発明では、ノズル材形成後にノズル型材として用いたフォトレジスト、もしくは、低粘度の保護材を気泡防止材として基板全面に塗布した後に保護材を形成する。これにより、本発明によれば、供給口形成時における保護層の気泡発生を防止し、吐出口部分の変形を防ぐことができる液体吐出ヘッドの製造方法、および液体吐出ヘッドを実現することができる。

以下に、本発明の実施例について説明する。本実施例ではインク吐出圧発生素子として発熱抵抗素子による液体吐出ヘッド、所謂バブルジェット（登録商標）記録方式のインクジェットを製造する例を示す。又、図１では１つの液体吐出ヘッドの断面図として表しているが、一般の半導体製造技術として、Ｓｉ基板に同様の素子を複数個配列した多数個処理が行われているが、本発明の液体吐出ヘッドも同様の方法の多数個処理が可能であることは言うまでもない。

本発明における液体吐出ヘッドの模式的上面図および断面図を図２に、その製造工程を図３、４に示す。＜１００＞面の結晶方位を持つＳｉ基板を用いて半導体製造技術により発熱抵抗体を駆動させるための駆動素子(不図示)が形成されている。また、Si基板のインク供給口となる部分に、エッチング停止層として、SiNが成膜により形成されている。次いで、発熱抵抗体と外部制御機器との電気的取り出し電極を形成する。製造方法に関しては特に限定するものではない。

液体吐出ヘッドのノズル部の形成方法としては、インク流路および吐出口部分のノズル材を平坦にするための土台となる除去可能なノズル型材をフォトリソグラフィー技術により形成する。本実施例では、ポジ型フォトレジストODUR1010（東京応化工業（株））を用い所望の膜厚で塗布する(この膜厚がインク流路の高さに相当する)。その後、露光、現像工程を経てインク流路パターンを形成する（図３（ａ）、図４（ａ））。

次いで、前記するインク流路となる除去可能なノズル型材を被覆するように吐出口を含むノズル材をフォトリソグラフィー技術により形成する（図３（ｂ）、図４（ｂ））。ノズル材としては、感光性エポキシ樹脂、感光性アクリル樹脂等があげられる。ここで、ノズル材は、液体吐出ヘッドとして常にインクと接触するため、選択には以下の点を考慮して選択する必要がある。

（１）ノズル材がインクとの接液によって、材料から不純物がインク液に溶出しないこと。

（２）ノズル材とＳｉ基板との密着性が良く、経時的変化による剥がれが起こらないこと。

前記する点を鑑みると、ノズル材としては、光反応によるカチオン重合化合物が適している。また、ノズル材の選択は、使用するインク液によっても、大きく左右されることから、必ずしも本発明者の推奨する材料などに限られことはなく、目的にあった材料を選択すればよい。また、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法においては、他の製造方法、材料等を用いても構わない。

ノズル材形成後に気泡防止材を形成する。ここで、気泡防止材は、異方性エッチング後除去する材料ではあるが、異方性エッチング時にノズル材を膨潤させるなどの特性を変えない材料を選択して使用する必要がある。本実施例においては気泡防止材として、ノズル型材（図３（ｃ））、別の実施例として保護材（図４（ｃ））を用いて形成している。また、目的に合った材料を選択し、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法においては、他の製造方法、材料などを用いても構わない。

次に、エッチング保護層として環化ゴム系の樹脂を用いることができる。例えば、東京応化工業製のOMR（登録商標）-83（ネガレジスト）やOBC（感光基を除いたもの）を挙げることができる。本実施例においては、OBCを用いた。

まず、スピンナーによりコーティングを行い、100℃にて乾燥させることにより、エッチング保護層を形成した(図3(d)、図4(d))。その膜厚は5μｍ〜60μｍ、好ましくは10μｍ〜40μｍあればよい。この厚みが薄い場合には、ピンホール等の欠陥が発生し易く、一方厚い場合には、塗布や乾燥が困難となる。また、乾燥は、オーブンでもホットプレートでも行うことができる。その乾燥温度は、90℃〜120℃が望ましい。更に、必要に応じて、保護層を基板のエッジを囲む様に塗布しても良い。その際、基板の裏面にも表面と同じように密着層を設けることは言うまでもない。

次に、シリコン基板に対し異方性エッチングを行いシリコン基板に貫通孔を形成してインク供給口を形成する（図３（ｅ）、図４（ｅ））。本実施形態では、TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)22wt％溶液を用いて、エッチング液温度83℃にて所定の時間、異方性エッチングを行った。そして、エッチング終了後、保護層の剥離を行う。本実施形態で用いたOBCの場合、キシレンを用いて剥離を行うことができる。剥離の方式としては、ディップやスプレー等がある。

続いてノズル型材を溶出することにより、インク流路、および発泡室が形成される（図３（ｆ）、図４（ｆ））。

気泡防止材の除去は、以下のとおり行う。気泡防止材に保護材を用いた場合は保護材の剥離時に、また、ノズル型材を用いた場合はノズル型材除去時に、同時に除去することができる。

そして最後に発熱抵抗体を駆動するための電気的接合(不図示)を行って、液体吐出ヘッドが完成する。

本実施例において、吐出口は600dpiの等ピッチで形成され、インク供給口に対し両側対称に吐出口が形成されている例を示した。しかし、吐出口ピッチがずれていたり、インク供給口に対し両側対称でなかったり、さらには吐出口が供給口の片側のみに配置されていても構わない。

図３に、本実施例１の各工程での状態を表す模式的工程図を示す。

本実施例ではＳｉ基板の厚みが0.625mmのものを用いる。

裏面に、異方性エッチングマスクとなる樹脂をパターニングする。

Si基板に、インク流路となる除去可能なノズル型材をインク流路の高さに相当する15μmの厚さになるようにスピンナーを用いて塗布する。

本実施例では、ポジ型フォトレジストODUR1010（東京応化工業（株））を用いた。また、スピンナーを用いて塗布を行ったが、バーコータなど、別の方法を用いて塗布を行っても構わない。

本実施例で用いるマスクは、ノズル型材部分や、オリフィス部のノズル材を平坦にするための土台など、突起を設けたい部分は露光されないようにCrが蒸着してあり、また、除去したい部分には、パターンが存在しないようなマスクを用いた。本マスクを用い、PLAにて露光を行った。

その後、現像液を用いて現像を行い、インク流路および土台のパターンを形成する。

次いで、前記するインク流路および土台となる除去可能なノズル型材を被覆するようにノズル材を塗布する。本実施例においては、感光性のカチオン重合エポキシ樹脂を用いた。

その後、フォトリソグラフィー工程を経て吐出口および、チップユニット間のパターンを形成する。

また、本実施例では行わなかったが、ノズル材表面に撥水層を形成することで、印字をより安定的に行うことができる。

次に、気泡防止材として、ノズル型材として用いた材料をノズル材上にスピンナーを用いて塗布を行う。また、本実施例においてはスピンナーを用いたが、バーコータなど、別の方法を用いて塗布を行っても構わない。また、保護層の基板との密着を考え、チップユニットにかからない部分の基板外周の気泡防止材を除去しても構わない。

次に、気泡防止材層上に異方性エッチング保護材を塗布して、保護層を形成する。その後、基板裏面の酸化膜を除去し、異方性エッチングを行いインク供給口の形成を行った。異方性エッチング液としてＴＭＡＨ22％水溶液を83℃に加熱したものを用いて16時間エッチングを行った。

異方性エッチングが完了したＳｉ基板から、保護層を除去し、エッチング停止層および異方性エッチングマスクを、ドライエッチングにより除去する。

除去した後、オリフィスプレート表面より露光を行い、土台、インク流路およびノズル材上にあるノズル型材を、型材除去液を用いて除去する。

本発明ではノズル型材にポジ型フォトレジストを用いていることから、ノズル型材の除去としては一般的なポジ型フォトレジスト用の剥離剤を使用することで除去可能である。ノズル型材を除去することでインク供給口とインク流路が開通し液体吐出ヘッドとしての主たる製造工程が完成する。

本実施例で作成したチップには、異方性エッチング後の保護層中に気泡は見られず、吐出口が変形しているチップは見られなかった。また、印字した結果よれなども発生せず、良好なチップを形成することができた。

図４に、本実施例２の各工程での状態を表す模式的工程図を示す。

ノズル材形成までの工程は、実施例1と同様な工程を行った。

ノズル材形成後、保護材と同じ環化ゴム系の樹脂を用いて気泡防止材層を形成した。本実施例においては、保護材として、東京応化工業製のOBC(粘度150cp)を用いた。また、気泡防止剤は、保護材として使用するOBCを、粘度が50cpとなるようにキシレンを用いて希釈したものを用いた。

本材料は、通常異方性エッチング保護材として用いているが、粘度を下げたものを用いた。粘度を下げたものをそのまま保護層全体として用いると、保護材中に溶媒分が残り、異方性エッチング時の気泡発生がおきていたが、10μm程度の薄さの膜厚までであれば、異方性エッチング後も気泡の発生は、ほとんど見られなかった。

異方性エッチングが完了したＳｉ基板から、保護材および気泡防止材を除去し、エッチング停止層および異方性エッチングマスクを、ドライエッチングにより除去する。

除去した後にオリフィスプレート表面より露光を行い、型材除去液を用いてノズル型材を除去する。

本実施例で作成したチップには、異方性エッチング後の保護層中に気泡は見られず、吐出口の変形も見られず、良好なチップを形成することができた。

(比較例1)
図５に、比較例の各工程での状態を表す模式的工程図を示す。

実施例1においてノズル材形成後に気泡防止層を形成しない以外は、実施例1と同様な工程を行った。

その結果、約10％のチップにおいて保護層に気泡が発生しており、そのうち吐出口が変形しているチップは約5％あった。気泡により変形した吐出口の吐出状態を観察したところ、吐出インク滴がまっすぐ飛ばず、印字においてヨレが発生していた。

本発明に関わるSi基板チップ配置模式図および拡大模式図である。図２（ａ）は本発明に関わる液体吐出ヘッドの模式的上面図である。図２（ｂ）は図２（ａ）に示す基板Ａ’−Ａ’方向の模式的断面図である。本発明の液体吐出ヘッド製造各工程における、図１の基板Ａ−Ａ方向の模式的断面図である。図３（ａ）はインク流路および膜厚安定のためのリブ状突起のパターンをノズル型材にて形成した状態を示す図である。図３（ｂ）は図３（ａ）にノズル材を塗布し、吐出口を形成した状態を示す図である。図３（ｃ）は、図３（ｂ）に気泡防止材を形成した状態を示す図である。図３（ｄ）は図３（ｃ）に、異方性エッチング保護層を形成した状態を示す図である。図３（ｅ）は異方性エッチングによりインク供給口を形成し、エッチング保護層を除去した状態を示す図である。図３（ｆ）はエッチング停止層膜を除去し、インク流路および気泡防止材を除去した状態を示す図である。本発明の液体吐出ヘッド製造各工程における、図１の基板Ａ−Ａ方向の模式的断面図である。図４（ａ）はインク流路および膜厚安定のためのリブ状突起のパターンをノズル型材にて形成した状態を示す図である。図４（ｂ）は図４（ａ）にノズル材を塗布し、吐出口を形成した状態を示す図である。図４（ｃ）は図３（ｂ）に気泡防止材を形成した状態を示す図である。図４（ｄ）は図３（ｃ）に、異方性エッチング保護層を形成した状態を示す図である。図４（ｅ）は異方性異方性エッチングによりインク供給口を形成し、保護材および気泡防止材を除去した状態を示す図である。図４（ｆ）はエッチング停止層膜を除去し、インク流路およびリブ状突起のノズル型材を除去した状態を示す図である。図１の基板Ａ−Ａ方向断面を示す従来の液体吐出ヘッド製造各工程の模式的断面図である。図５（ａ）はインク流路のパターンをノズル型材にて形成した状態を示す図である。図５（ｂ）は図５（ａ）にノズル材を塗布し、吐出口を形成した状態を示す図である。図５（ｃ）は図５（ｂ）に、異方性エッチング保護層を形成した状態を示す図である。図５（ｄ）は異方性エッチングによりインク供給口を形成し、エッチング保護層を除去した状態を示す図である。図５（ｅ）はエッチング停止層膜を除去し、インク流路およびリブ状突起のノズル型材を除去した状態を示す図である。

符号の説明

１ Si基板
２ノズル材
３ヒータ
４ノズル型材
５インク流路
６吐出口
７異方性エッチング保護材
８インク供給口
９耐エッチングマスク
１０異方性エッチング停止層
１１土台
１２酸化膜

Claims

シリコン基板を用い、該基板上に発熱抵抗体が形成された複数のチップユニットを有し、該基板上に設けられた吐出口を有するノズル材とを備え、該ノズル材の吐出口から該基板面に対し垂直方向にインク液滴を吐出する液体吐出ヘッドの製造方法において、
インク供給口を形成するために前記基板に対して異方性エッチングを行う前であって、前記基板に保護材塗布前に、該保護材よりも粘度の低い除去可能な気泡防止材を前記基板に塗布することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
前記液体吐出ヘッドの製造方法は、基板上に、溶解可能なノズル型材にてインク流路を形成する工程と、該ノズル型材上にノズル材となる被覆樹脂層を形成する工程と、該被覆樹脂層にインク吐出口およびチップユニットを分割するパターンを形成する工程と、インク供給口形成前に該被覆樹脂層を保護するための気泡防止層を該被覆樹脂層上に形成する工程と、該気泡防止層上に保護層を形成する工程と、該基板に前記異方性エッチングによりインク供給口を形成する工程と、該保護層を除去する工程と、該気泡防止層を除去する工程と、該ノズル型材層を除去する工程と、を少なくとも含むことを特徴とする請求項１記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
前記除去可能な気泡防止材が、ノズル型材と同一材料からなる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の製造方法。
前記気泡防止材および前記ノズル型材としてポジ型のフォトレジストを用いることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
前記除去可能な気泡防止材が、低粘度の保護材からなる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の製造方法。
シリコン基板を用い、該基板上に発熱抵抗体が形成された複数のチップユニットを有し、該基板上に設けられた吐出口を有するオリフィスプレートとを備え、該オリフィスプレートの吐出口から該基板面に対し垂直方向にインク液滴を吐出する液体吐出ヘッドにおいて、保護材塗布前に保護材よりも粘度の低い除去可能な気泡防止材を塗布することを特徴とする液体吐出ヘッド。