JP2009137157A - 液体吐出ヘッド及びその製造寸法管理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ノズルの寸法測定精度を向上させること、及びノズルの製造寸法管理工程でのコストダウンを図る。
【解決手段】ノズルダミーパターン２６Ａはノズルと略同一寸法の構成を有しており、ノズル形成部材９のスクライブライン２上に複数個配設される。そして、スクライブライン２での切断により、複数のノズルダミーパターン２６Ａが断面に露出した構成である。
【選択図】図１７

Description

本発明は液体に外部からエネルギーを加えることによって液体を吐出する液体吐出ヘッド及び、その製造寸法管理方法に関する。

従来、インクジェット記録ヘッド、特にインクを熱で発泡してインクを吐出するサーマル方式インクジェットのノズル製法として、シリコン基板上に樹脂を積層する方法、及びシリコン基板上にノズルプレートを貼付する方法があった。両製法ともノズル形成後はシリコン基板をダイサーで切断して、各々のチップに分離していた。

昨今、高画質化に向けて液滴の小液滴化が望まれており、ノズル寸法の微妙なバラツキが吐出に影響を与え、ひいては画質に影響を与えることがわかっている。このように高画質が求められるなか、シリコン基板上にノズルプレートを貼付する方法ではノズルプレートの上下、前後のそりや、貼り付け精度不足等の寸法公差が吐出安定性や吐出量に影響を与えてしまうことがある。それ故、ノズル製法としては特許文献1に開示されているようにシリコン基板上に樹脂を積層する方法が主流となっている。そして、さらなる高画質化に向け、液滴の小液滴化と安定的な吐出を実現するため、今まで以上にノズル寸法管理方法を厳密に行いたいという要求が高まってきている。

このような要求に対して、ノズル寸法測定方法としては、二通りの方法が知られている。まず一つ目としては、顕微鏡を用い、液体吐出口をノズル形成部材の上面から観察してノズル寸法を測定する方法である。二つ目としては、TEGチップ（ノズル形状を検査するためのチップ）ないしは良品チップを抜き取り、その切断面からノズル寸法を測定する方法である。
日本特許第３３４３８７５号

しかし、上記の従来のノズル寸法測定法には次の課題が挙げられる。まず、上面からの顕微鏡による観察方法では、基板厚さ方向（Ｚ方向)にテーパーを有する形状を測定しようとした場合、フォーカス位置によってノズル形状パターンのエッジの基板面平行方向（Ｘ方向及びＹ方向）位置が異なって検出されるという問題がある。このため、測定精度が低く、近年求められている高水準の寸法測定精度の要求には十分に応えられなかった。

一方、TEGチップないし良品チップの抜き取り切断面検査では前述の上面からの顕微鏡による観察方法に比べて寸法測定精度は高いものの、以下の三つの課題があった。

まず、一つ目はこの測定方法はTEGチップないしは良品チップを切断する、破壊検査であるため、コストアップになるという課題である。二つ目は切断工程が追加工程となり繁雑化するので、コストアップになるという課題である。三つ目は検査精度を上げるために検査箇所を増やすことが出来ないという課題である。つまり、検査精度を上げるために検査箇所を増やすとウエハ当たりの取り個数が減ってしまい、大幅なコストアップになってしまうため、現実的には検査箇所がウエハ内の数箇所に限らざるを得ない。その結果、ウエハ内の寸法バラツキが正確につかめず測定精度が低くなってしまうという課題があった。

そこで本発明は、上記のような課題に対して、ノズルの寸法測定精度を向上させること、及びノズルの製造寸法管理工程でのコストダウンを図ることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、液体を吐出するための液体吐出ヘッドであって、基板と、該基板の主面に、液体の流路と液体を吐出するためのオリフィスとからなるノズルを形成するノズル形成部材と、を有する。そして本発明は、ノズルの少なくとも一部と略同一寸法の構成を有するダミーパターンが、ノズル形成部材の端面に該ダミーパターンの断面が露出する形で形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、ノズルの寸法測定精度を向上させることができ、ノズルの製造寸法管理工程でのコストダウンも図ることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下において本発明の液体吐出ヘッドとしてインクジェット記録ヘッドを例にとって説明するが、本発明はこれに限られるものではない。

（第１の実施例）
図１〜図６は本発明の第１の実施例を説明するための図である。

図１は本発明の液体吐出ヘッドの一例を示す外観斜視図である。図２は図１中のチップ４の拡大図であり、図３は図２中の一点鎖線で示した面で切断した模式的断面図である。

図１に示される本実施例の液体吐出ヘッド１７は、チップ４、電気回路基板１５、フレキシブル回路基板１２、チップ４の支持部材１３、支持部材１３を固定する固定部材１４から構成される。

液体吐出ヘッド１７は電気回路基板１５の電気接点１６を通じて外部から入力される電気信号を、フレキシブル回路基板１２を介し、液体吐出ヘッド１７上に実装されたチップ４に導くものである。

チップ４は、図３に示すように、基板の主面に配置された複数のヒータ１０、各ヒータ１０に液体を導く複数の流路７、ヒータ１０の熱で発泡された流路７内の液体を吐出するためのオリフィス６、流路７に液体を供給する供給口１１を備える。流路７及びオリフィス６によってノズル形成部材９が構成されている。

チップ４で吐出される液体は、不図示の液体貯留タンクから供給口１１を経由して複数の流路７に分岐され、オリフィス６まで導かれる。そして、電気回路基板１５からの電気信号に応じた電気エネルギーでヒータ１０を加熱させることで、ヒータ１０近傍の液体が膜沸騰を起こし気体となり、その運動エネルギーで液体がオリフィス６から吐出される。

ここで、流路７とオリフィス６とをあわせた構成をノズル５（図２）と称する。図４（ａ）に図２のノズル５の拡大平面図を示した。図４（ｂ）には図４（ａ）中の一点鎖線で示した面で切断した模式的断面図を示した。

次に、液体吐出ヘッド１７の構成部品であるチップ（ノズルチップ）４の製作工程について説明する。尚、液体吐出ヘッドには液体を吐出するための複数のノズルからなるノズル群が形成される。

図５から図１５は、本発明の基本的な製法を示すための模式図であり、図５から図１５のそれぞれには、本発明に係る液体吐出ヘッドの構成とその製作手順の一例が示されている。

まず、図５に示すようにシリコン基板２０の表面（主面）に酸化シリコンもしくは窒化シリコン層を介して所望の数のヒータ１０が配置される。酸化シリコンもしくは窒化シリコン層は、後述の異方性エッチングのストップ層として機能する。

次に、図６に示すように、インク供給口を形成するためのマスクとなる樹脂（以下、マスク部材２１と呼ぶ。）を、基板２０のヒータが形成されていない面（裏面）に塗布する。続いて、マスク部材２１の所望の箇所を開口するため、感光性樹脂を基板２０の両面に塗布し、所望のパターンの光を当て、光の当たった部分の感光性樹脂を現像液に溶ける物質に変化させる。そして、感光したパターン部分を現像液によって溶かし、マスク部材２１のエッチング面を露出、アッシングさせ、パターニングする。その後、エッチングマスクの役目を果たした感光性樹脂を除去して図７の状態とする。

次に、液体の流路の型材となる樹脂（以下、型材と呼ぶ。）を基板２０の表面に塗布し、露光、現像する。これにより、図８に示すように、インクの流路の型２２、ノズル形成部材を均一に塗布するための土台２３（以下、マクラと呼ぶ。）、ノズルダミーパターンを形成するための土台２４（以下、ダミーパターン土台部と呼ぶ。）を形成する。

続いて、図９に示すように、ノズル形成部材９を形成する樹脂を基板２０の表面に均一に塗布する。そして、ノズル形成部材９に所望のパターンの光を照射し、光の当たった部分の樹脂を熱によって硬化する物質に変化させる。次に、熱を加え、露光した部分を硬化させ、光の当たっていない部分を現像液で溶かすと、図１０に示すようなインク吐出口６ａ、及びダミーノズルの吐出口２６ａが形成される。

次に、図１１に示すように、異方性エッチング液からノズル形成部材９を保護する膜として、ノズル保護材２５を塗布する。

その後、シリコン基板２０の裏面に対してＣＦ₄などでプラズマドライエッチングを実施することで、図１２に示すように、インク流路の型２２に対応する酸化シリコンあるいは窒化シリコン膜を除去し、インク供給口１１を基板２０に貫通させる。

そして、不要となったノズル保護材２５を除去して図１３の状態とし、最後に、型材である流路の型２２、マクラ２３、及びダミーパターン土台２４を除去する。これにより、図１４に示すように、流路７とオリフィス６からなるノズル５、並びにノズルダミーパターン２６を形成する。

以上が、シリコン基板上にノズル５及びノズルダミーパターン２６を作製するまでの一連の工程である。その後、複数のチップ分のノズル５及びノズルダミーパターン２６が作製されたシリコン基板（ノズル基板と呼ぶ。）を、所定の位置にある複数のスクライブライン２で切断することで、チップ４が得られる（図１５（ａ））。尚、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）中の一点鎖線（スクライブライン２）で示した面で切断した模式的断面図である。

上記のノズルダミーパターン２６はノズル５と略同一寸法の構成を有しており、ノズル形成部材９のスクライブライン２上に複数個配設される。そして、スクライブライン２での切断により、図１５（ｂ）に示すように複数のノズルダミーパターン２６が断面に露出する。この断面は、チップ４が完成したときのノズル形成部材９の端面となる。そのため、ダミーパターン２６の断面露出部分の各寸法のうち寸法Ｗｄを測定することにより、流路７の寸法管理が容易に行えるようになる。つまり、チップ４の製造工程時にダミーパターン２６における寸法Ｗｄを流路７の幅と略同一寸法にしておくことで、ダミーパターン２６の断面露出部分の寸法測定によって流路7の寸法管理を代用できる。

このように本発明では、切断ライン上に、ノズルの一部である流路寸法と同寸の構成を設け、切断によってその切断面が露出するように設計することで、精度の高いノズル断面観察を容易に安価に行うことができる。具体的には、従来必要であった、断面観察のためのTEGチップをなくすことができるためコストダウンになる。また、従来、ノズル断面を観察することによって寸法測定しようとした場合、追加工程であった切断工程をなくすことができるので、コストダウンになる。また、問題発生時にも非破壊で任意のチップの測定ができるので品質管理精度も向上する。

（第２の実施例）
図１６（ａ）は第２の実施例によるノズルの平面図を示しており、図１６（ｂ）は図１６（ａ）中の一点鎖線で示した面で切断されたノズル基板の模式的断面図である。オリフィス６はインクの吐出方向に向かうに従って穴が細くなるようなテーパーを有している。

図１７（ａ）は複数のチップ４が作製されたシリコン基板（ノズル基板と呼ぶ。）の平面図である。また、図１７（ｂ）は同図（ａ）のノズル基板を切り分けるスクライブライン２の周辺の拡大図、図１７（ｃ）は同図（ｂ）中の一点鎖線で切断されて露出した複数のダミーパターン２６の断面露出部を示す図である。

本実施例では、ノズル基板切断前のダミーパターン２６が、ノズルの一部をなすオリフィス６と略同一の構成を有する形状（以下オリフィスダミーパターン２６Ａと呼ぶ。）になっている。オリフィスダミーパターン２６Ａは概ね円錐台形状を有しているため、ノズル形成部材９を切断する位置によってオリフィスダミーパターン２６Ａの断面露出部の形状が異なる。

すなわち、切断面がオリフィス部の中心を外れた場合に切断面に現れるテーパー角は、切断面が該オリフィス部の中心を通った場合のテーパー角よりも角度が大きく現れる。従って、多数のオリフィスダミーパターン２６Ａの配列方向をスクライブライン２に対して非平行な方向にしておけば、切断位置がばらついたとしても、いずれかのオリフィスダミーパターン２６Ａにおいて切断面がオリフィス部のほぼ中心を通るものが存在する。

この事を利用し、図１７（ｂ）に示すように、テーパー状オリフィス６と概同一寸法の構成を有したオリフィスダミーパターン２６Ａをスクライブライン２上に該ラインとは非平行に複数個列状に並べておく。そして、ノズル形成部材９に対する切断位置の製造バラツキに応じて、複数のオリフィスダミーパターン２６Ａの断面露出部の中から、寸法測定を行うオリフィスダミーパターンを選定する。

ノズル基板の切断時、上記オリフィス部の正規なテーパー角は切断面がオリフィス部の中心を通った場合に現れる。従って、切断面に現れた幾つかのオリフィスダミーパターン２６Ａのうち、最もテーパー角が小さいものを選択し、測定することにより、精度の高いテーパー角測定が可能となる。

例えば図１７（ｃ）の中ではノズル形成部材９の切断面に現れた複数のオリフィス部のうちテーパー角が最も小さいオリフィスダミーパターン２６Ａを選定すると良い。この選定されたオリフィスダミーパターン２６Ａの断面露出部の寸法を測定することで、オリフィスの製造寸法を精度良く管理することができる。

このように複数のダミーパターンを切断ライン上に非平行に配列し、その中から測定すべきダミーパターンを適宜選択することで、切断ライン位置のバラツキに関わらず、所望のノズルの形状観察や寸法測定を精度良く行うことができる。特に、本実施例に示したオリフィスダミーパターンのような切断位置により断面が異なる形状に対しても精度良い測定ができる。

（第３の実施例）
図１８（ａ）は第３の実施例によるノズルの平面図を示しており、図１８（ｂ）は図１８（ａ）中の一点鎖線で示した面で切断されたノズル基板の模式的断面図である。図１９（ａ）は本実施例でノズル基板を切り分けるスクライブライン２の周辺の拡大図、同図（ｂ）は同図（ａ）中の一点鎖線で切断されて露出した複数のダミーパターンの断面露出部を示す図である。

本実施例のオリフィス６は図１８に示すように穴側面が多段状に形成されている。この多段状のオリフィスは断面形状がオリフィス部の中心線に対して対称であり、かつ、インク吐出方向に向かうに従って穴径が段階的に小さくなっている。

一方、ノズル基板切断前のダミーパターン２６は、多段状のオリフィス６と略同一の構成を有する形状（以下オリフィスダミーパターン２６Ｂと呼ぶ。）になっている。このような形状のオリフィスダミーパターン２６Ｂであるため、ノズル形成部材９を切断する位置によってオリフィスダミーパターン２６Ｂの断面露出部の形状が異なる。

そこで本実施例では図１９（ａ）に示すように、多段状オリフィス６と概同一寸法の構成を有したオリフィスダミーパターン２６Ｂをスクライブライン２上に該ラインとは非平行に複数個列状に並べておく。そして、ノズル形成部材９に対する切断位置の製造バラツキに応じて、複数のオリフィスダミーパターン２６Ｂの断面露出部の中から、寸法測定を行うオリフィスダミーパターンを選定する。

ノズル基板の切断時、上記オリフィス部の正規な多段形状は切断面がオリフィス部の中心を通った場合に現れる。そのため、切断面に現れた幾つかのオリフィスダミーパターン２６Ｂのうち、最も正規な多段形状に近いものを選択し、測定することにより、精度の高いテーパー角測定が可能となる。

例えば図１９（ｂ）の中では、ノズル形成部材９の切断面に現れた複数のオリフィス部のうち、オリフィス中心近傍の断面形状に近いオリフィスダミーパターン２６Ｂを選定する。この選定されたオリフィスダミーパターン２６Ｂの断面露出部の寸法を測定することで、オリフィスの製造寸法を精度良く管理することができる。

このような本実施例によると、ノズル形成部材９の上面からの顕微鏡測定では空気とノズル形成部材９の屈折率の違いから測定困難であった多段状のオリフィス６についての寸法管理が可能となる。

すなわち、以上説明した本発明ではスクライブライン上にノズル寸法と同寸のダミーパターンの構成を設け、スクライブによってその切断面が露出するように該ダミーパターンを配置した。また、切断ラインに対してダミーパターンの列を非平行に配置した。これらにより本発明は以下の三点の効果が得られるものである。切断位置により断面が異なる形状に関しても精度よく測定ができる。切断ラインがばらついても確実に測定ができる。ノズル形成部材の上面からの顕微鏡測定では測定困難であった箇所に関しても測定できる。

以上の各実施例ではすべてインクを発泡加熱することでインク滴を吐出させるインクジェット記録ヘッドについて説明した。しかし、本発明の適用範囲はこれに限らず広く液体を滴状にして吐出させる液体吐出ヘッド全般に渡るものであることは言うまでもない。

本発明の液体吐出ヘッドの一例を示す外観斜視図である。 図１中のチップの拡大図である。 図２中の一点鎖線で示した面で切断した模式的断面図である。 （ａ）に図２のノズルの拡大平面図、（ｂ）は（ａ）中の一点鎖線で示した面で切断した模式的断面図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドの製作手順の一例を説明するための断面図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドの製作手順の一例を説明するための断面図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドの製作手順の一例を説明するための断面図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドの製作手順の一例を説明するための断面図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドの製作手順の一例を説明するための断面図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドの製作手順の一例を説明するための断面図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドの製作手順の一例を説明するための断面図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドの製作手順の一例を説明するための断面図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドの製作手順の一例を説明するための断面図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドの製作手順の一例を説明するための断面図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドの製作手順の一例を説明するための断面図である。 （ａ）は第２の実施例によるノズルの平面図を示し、（ｂ）は図（ａ）中の一点鎖線で示した面で切断されたノズル基板の模式的断面図である。 （ａ）は複数のノズルチップが作製されたシリコン基板（ノズル基板と呼ぶ。）の平面図、（ｂ）は（ａ）のノズル基板を切り分けるスクライブラインの周辺の拡大図、（ｃ）は（ｂ）中の一点鎖線で切断されて露出した複数のダミーパターンの断面露出部を示す図である。 （ａ）は第３の実施例によるノズルの平面図を示し、（ｂ）は図（ａ）中の一点鎖線で示した面で切断されたノズル基板の模式的断面図である。 （ａ）は第３の実施例としてノズル基板を切り分けるスクライブラインの周辺の拡大図、（ｂ）は（ａ）中の一点鎖線で切断されて露出した複数のダミーパターンの断面露出部を示す図である。

符号の説明

２ スクライブライン（切断ライン）
４ チップ（ノズルチップ）
５ ノズル
６ オリフィス
７ 流路
９ ノズル形成部材
１７ 液体吐出ヘッド
２０ 基板（シリコン基板）
２６、２６Ａ、２６Ｂ ダミーパターン

Claims (18)

1. 液体を吐出するための液体吐出ヘッドであって、基板と、該基板の主面に、前記液体の流路と前記液体を吐出するためのオリフィスとからなるノズルを形成するノズル形成部材と、を有する液体吐出ヘッドにおいて、
   前記ノズルの少なくとも一部と略同一寸法の構成を有するダミーパターンを有し、該ダミーパターンが、前記ノズル形成部材の端面に該ダミーパターンの断面が露出する形で形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記ダミーパターンが前記流路と略同一寸法の構成を有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。
3. 前記ダミーパターンが前記オリフィスと略同一寸法の構成を有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。
4. 複数の前記ダミーパターンを有し、該複数のダミーパターンは前記ノズル形成部材の端面に該各ダミーパターンの断面が露出する形で列状に形成されており、
   前記複数のダミーパターンの配列方向と前記ノズル形成部材の端面とが互いに非平行に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記オリフィスは前記液体の吐出方向に穴が細くなるようなテーパーを有することを特徴とする請求項４に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記ノズル形成部材は前記基板の主面に樹脂を積層して形成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
7. 液体を吐出するための液体吐出ヘッドの製造寸法管理方法であって、
   前記液体吐出ヘッドは、基板と、該基板の主面に、前記液体の流路と前記液体を吐出するためのオリフィスとからなるノズルを形成するノズル形成部材と、を有し、前記ノズルの少なくとも一部と略同一寸法の構成を有するダミーパターンが、前記ノズル形成部材の端面に該ダミーパターンの断面が露出する形で形成されており、
   前記ダミーパターンの断面露出部分の寸法を測定することで、前記ノズルの製造寸法を管理することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造寸法管理方法。
8. 前記ダミーパターンが前記流路と略同一寸法の構成を有し、前記ダミーパターンの断面露出部分の寸法を測定することで前記ノズルの製造寸法を管理することを特徴とする請求項７に記載の液体吐出ヘッドの製造寸法管理方法。
9. 前記ダミーパターンが前記オリフィスと略同一寸法の構成を有し、前記ダミーパターンの断面露出部分の寸法を測定することで前記オリフィスの製造寸法を管理することを特徴とする請求項７に記載の液体吐出ヘッドの製造寸法管理方法。
10. 複数の前記ダミーパターンを有し、該複数のダミーパターンは前記ノズル形成部材の端面に該各ダミーパターンの断面が露出する形で列状に形成されており、前記ダミーパターンの断面露出部分の少なくとも一部が、前記ノズル形成部材を切断することによって露出する液体吐出ヘッドの製造寸法管理方法であって、
    複数の前記ダミーパターンの断面露出部分の中から寸法測定を行うダミーパターンを選定することを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造寸法管理方法。
11. 前記ノズル形成部材を切断する位置によって前記ダミーパターンの断面露出部分の形状が異なる液体吐出ヘッドの場合には、
    前記ノズル形成部材の切断位置のバラツキに応じて、複数の前記ダミーパターンの断面露出部分の中から寸法測定を行うダミーパターンを選定することを特徴とする請求項１０に記載の液体吐出ヘッドの製造寸法管理方法。
12. 複数の前記ダミーパターンを有し、該複数のダミーパターンは前記ノズル形成部材の端面に該各ダミーパターンの断面が露出する形で列状に形成されており、
    前記複数のダミーパターンの配列方向と前記ノズル形成部材の端面とが互いに非平行に配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の液体吐出ヘッドの製造寸法管理方法。
13. 基板上に液体を吐出するための複数のノズルからなるノズル群を形成し、所定の位置で切断することにより、液体吐出ヘッドの構成部品であるノズルチップを作製するためのノズル基板であって、
    前記ノズルは、前記液体の流路と前記液体を吐出するためのオリフィスとを有しており、前記所定の切断位置に前記ノズルの少なくとも一部と略同一寸法の構成を有するダミーパターンが形成されており、切断することにより、前記ダミーパターンが前記ノズルチップの端面に露出することを特徴とするノズル基板。
14. 前記ダミーパターンが前記液体の流路と略同一寸法の構成を有することを特徴とする請求項１３に記載のノズル基板。
15. 前記ダミーパターンが前記オリフィスと略同一寸法の構成を有することを特徴とする請求項１３に記載のノズル基板。
16. 複数の前記ダミーパターンを有し、該複数のダミーパターンは前記ノズルチップの端面に該各ダミーパターンの断面が露出する形で列状に形成されており、
    前記複数のダミーパターンの配列方向と前記ノズルチップの端面とが互いに非平行に配置されていることを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれか１項に記載のノズル基板。
17. 前記オリフィスは前記液体の吐出方向に穴が細くなるようなテーパーを有することを特徴とする請求項１６に記載のノズル基板。
18. 前記ノズルチップは前記基板の主面に樹脂を積層して形成されることを特徴とする請求項１３乃至１７のいずれか１項に記載のノズル基板。

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