JP2008149663A - 液体吐出ヘッドおよび該ヘッドの製造方法 - Google Patents

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。
【解決手段】 Si基板を用い、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、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、オリフィスプレートの吐出口から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、液体吐出ヘッド製造工程中に該チップユニットの間に除去可能なリブ状突起を形成する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、液体を吐出し飛翔液滴を形成して記録を行う液体吐出ヘッドおよび該ヘッドの製造方法に関する。

インクジェット記録方式は、記録時における騒音が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、特許文献１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おり、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り、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、Si基板を用い、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、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、オリフィスプレートの吐出口から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、
液体吐出ヘッド製造工程中に該チップユニットの間に除去可能なリブ状突起を形成することを特徴としている。

また、リブ状突起の形成は、ノズル材形成前に行うことを特徴としている。

また、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法は、次の構成を含むものである。

(1) 発熱抵抗体が形成された複数のチップユニットを有する基板上のチップユニット間に、除去可能なリブ状突起のパターンを形成する工程
(2) 該基板上に、ノズル型材にてインク流路を形成する工程
(3) 該リブ状突起上および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
(4) 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
(5) インク供給口形成時に該被覆樹脂層を保護するための保護層を該被覆樹脂層上に形成する工程
(6) 該基板にインク供給口を形成する工程
(7) 該保護層を除去する工程
(8) 該リブ状突起を除去する工程
(9) 該ノズル型材層を除去する工程
また、前記除去可能なリブ状突起は、前記ノズル型材から形成されることを特徴としている。

また、前記ノズル型材および前記リブ状突起としてポジ型のフォトレジストを用いることを特徴としている。

本発明によれば、前記ノズル型材としてポジ型のフォトレジストを用い、さらに、前記フォトレジストをチップユニット間などにリブ状突起を形成した。その結果、インク流路およびリブ状突起を、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。図1にSi基板チップ配置模式図および拡大模式図である。本実施例ではインク吐出圧発生素子としての発熱抵抗体３による液体吐出ヘッド、所謂インクジェット記録方式のインクジェットを製造する例を示す。又、図２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。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製造工程を図３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３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４を形成する。

リブ状突起５の形成は、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、ノズル部の形成の際リブ状突起パターンをマスクにもうけておき、インク流路パターン４を形成すると同時にリブ状突起５も形成した（図３（ａ）参照）。

次いで、前記するインク流路およびリブ状突起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）参照）。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。

また、ノズル材形成後にリブ状突起を形成することも考えられるが、ノズル材形成後にとリブ状突起をパターニングすると、それらの間に隙間ができるなどの問題があるため、本実施例においてはノズル材形成前にリブ状突起を形成している。

次に、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（異方性エッチング保護材）８を形成した（図３（ｃ）参照）。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。なお、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（ネガレシスト）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。

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。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（図３（ｄ）参照）。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。

続いてノズル型材およびリブ状突起を溶出することにより、インク流路、発泡室の形成、およびチップユニット間に形成した樹脂の除去ができる（図３（ｅ）参照）。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。

本実施例ではＳｉ基板１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10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4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12や、チップユニット間などリブ状突起5を設けたい部分は露光されないようにCrを蒸着させた。この際、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。そして、リブ状突起のパターンにより、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4、土台12およびリブ状突起5のパターンを形成する（図３（ａ）参照）。

次いで、前記するインク流路、土台およびリブ状突起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２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７および、チップユニット間のパターンを形成する（図３（ｂ）参照）。

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、異方性エッチング保護材８を塗布して保護層を形成する（図３（ｃ）参照）。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（図３（ｄ）参照）。

除去した後、オリフィスプレート表面より露光を行い、リブ状突起、土台およびインク流路となる除去可能なノズル型材を、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９とインク流路６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（図３（ｅ）参照）。

本実施例で作成したチップには、約2％のチップにおいて異方性エッチング後の保護層中に気泡が見られたが、気泡はチップユニット間にとどまり、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。

本実施例ではＳｉ基板１の厚みが0.625mmのものを用いる。

Si基板１に、リブ状突起となる除去可能なノズル型材を、ノズル材高さからインク流路の高さを引いた値に相当する10μm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。

チップユニット間など、リブ状突起のパターンをもうけたい部分のみが露光されないようにCrが蒸着してあるマスクを用い、PLAにて露光を行った。

その後、現像液を用いて現像を行い、10μm高さのリブ状突起のパターン５を形成する（図４（ａ）参照）。

さらに、除去可能なノズル型材を、リブ状突起パターン５をもうけた基板に、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。

ノズル型材部分や、リブ状突起を設けたい部分は露光されないようにCrが蒸着してあるマスクを用い、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４およびリブ状突起のパターン５を形成する（図４（ｂ）参照）。

上記工程以外は、実施例1と同様な工程を行った（図４（ｃ）〜（ｆ）参照）。

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)
実施例1においてリブ状突起のパターンを形成しない以外は、実施例1と同様な工程を行った（図５（ａ）〜（ｅ）参照）。

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。 本発明に関わる液体吐出ヘッドの模式的上面図、および基板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。 (a) インク流路およびチップユニット間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。 (b) 前記(a)にノズル材を塗布し、吐出口を形成した状態を示す。 (c) 前記(b)に、異方性エッチング保護層を形成した状態を示す。 (d) 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 (e) 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 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。 (a) チップユニット間のリブ状突起パターンをノズル型材にて形成した状態を示す。 (b) インク流路をノズル型材にて形成した状態を示す。 (c) 前記(a)にノズル材を塗布し、吐出口を形成した状態を示す。 (d) 前記(b)に、異方性エッチング保護層を形成した状態を示す。 (e) 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。 (f) 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。 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。 (a) 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。 (b) 前記(a)にノズル材を塗布し、吐出口を形成した状態を示す。 (c) 前記(b)に、異方性エッチング保護層を形成した状態を示す。 (d) 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。 (e) 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。

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 リブ状突起
６ インク流路
７ 吐出口
８ 異方性エッチング保護材
９ インク供給口
１０ 耐エッチングマスク
１１ 異方性エッチング停止層
1２ 土台
１３ 酸化膜

Claims (7)

1. Si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において、液体吐出ヘッドの製造工程である保護材塗布前までに、該基板と該ノズル材表面との段差部分に除去可能なリブ状突起を形成することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
2. 除去可能なリブ状突起を、液体吐出ヘッドのノズル材形成前に形成することを特徴とする請求項1に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
3. 前記液体吐出ヘッドの製造方法は、(1)発熱抵抗体が形成された複数のチップユニットを有する基板上のチップユニット間に、除去可能なリブ状突起のパターンを形成する工程と、(2)該基板上に、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、(3)該リブ状突起上および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、(3)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、(4)インク供給口形成時に該被覆樹脂層を保護するための保護層を該被覆樹脂層上に形成する工程と、(5)該基板にインク供給口を形成する工程と、(6)該保護層を除去する工程と、(7)該リブ状突起を除去する工程と、(8)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または2に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
4. 前記リブ状突起は、前記ノズル型材から形成されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
5. 前記リブ状突起形成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1〜4のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
6. 前記リブ状突起は、前記ノズル型材形成と同時に形成されることを特徴とする請求項1〜5のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
7. Si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、液体吐出ヘッド製造工程中に該チップユニットの間に除去可能なリブ状突起を形成する方法を用いて製造されたことを特徴とする液体吐出ヘッド。

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