JP2009148937A - 液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 流路の総体積を確保しつつ、基板と流路形成部材との接合性が確保され液体吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】 前記基板上に、ポジ型感光性樹脂を含み、相対的に屈折率の高い第１の層と、該第１の層上に設けられ、ポジ型感光性樹脂を含み、相対的に屈折率の低い第２の層と、を有する積層物を用意する工程と、を有し、前記積層物を露光して流路のパターンとして用いることを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体を吐出する液体吐出ヘッドおよびその製造方法に関し、具体的にはインクを被記録媒体に吐出することにより記録を行うインクジェット記録ヘッドの製造方法に関するものである。

液体を吐出する液体吐出ヘッドを用いる例としては、インクを被記録媒体に吐出して記録を行うインクジェット記録方式が挙げられる。

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、液流路及び該液流路の一部に設けられる液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生素子を複数備えている。従来、このようなインクジェット記録ヘッドを作製する方法としては、例えば特許文献１に記載がある。

まず、エネルギー発生素子が形成された基板上に、溶解可能な樹脂にてインク流路のパターンを形成する。次いで、このインク流路パターン上に、インク流路壁となるエポキシ樹脂及び光カチオン重合開始剤を含む被覆樹脂層を形成し、フォトリソグラフィーによりエネルギー発生素子上に吐出口を形成する。最後に前記溶解可能な樹脂を溶出してインク流路壁となる被覆樹脂層を硬化させる。

このような製造方法では、現状から用いられている材料では型材のパターニング精度に一定の限界があるものの、従来のノズル密度（６００ｄｐｉ）までは、図３に示すように良好なノズル壁１０６を形成することが可能である。なお、ノズル壁１０６のアスペクト比（高さと幅との比）は４：３である。
特開平６−２８６１４９号公報

これに対し、ノズル密度を１２００ｄｐｉに向上させた場合には、感光性材料からなる型材の解像力が不足し、ノズル壁１０６を良好に形成できないという課題が発生する。例えば、図４に示すようにノズル壁１０６の端部がノズル密着向上層１０７から剥がれてしまうと、隣接するノズル同士が連通してクロストークの影響を受けるため、インクを良好に吐出させることができない。

この対策としては、型材の材料を解像力のより高い材料に変更することが考えられる。しかし、解像力のより高い材料を直ちに開発することは困難である。他の対策としては、型材の厚みを小さくすることも考えられる。しかし、ノズル密度を１２００ｄｐｉに向上させた場合には各ノズル流路の流路幅が減少するため、ノズルへのインクのリフィル不足が発生しやすくなる。そのため、各ノズル流路の流路断面積を確保してそのようなリフィル不足を補うためには、各ノズル流路の高さを高くする必要がある。したがって、型材の厚みを小さくすることは現実的ではない。したがって、ノズル密度を向上させた場合に生じる問題を、上述した２つの対策によって解決することはできない。

本発明は上記課題を鑑みなされたものであって、裾引き等が低減され、パターニング形状の良好な型材を作製し、ノズル密度が向上した際にもノズル壁と基板の密着性が確保された信頼性の高い液体吐出ヘッドの製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生素子を有する基板と、液体を吐出する吐出口と、前記吐出口と連通する液体の流路と、を有する液体吐出ヘッドの製造方法において、前記基板上に、前記流路のパターンを設ける工程と、前記パターン上に前記パターンを被覆する被覆層を設ける工程と、前記パターンを除去し、前記流路を設ける工程と、を有し、前記パターンを設ける工程は、前記基板上に、ポジ型感光性樹脂を含み、相対的に屈折率の高い第１の層と、該第１の層上に設けられ、ポジ型感光性樹脂を含み、相対的に屈折率の低い第２の層と、を有する積層物を用意する工程と、前記第１の層と前記第２の層とを一括して露光する工程と、を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法である。

本発明では、新たな型材材料の開発や、型材の厚みを小さくする等の手段を講じることなく、裾引き等が低減され、パターニング形状の良好な型材を作製することができる。これにより、ノズル密度が向上した際にもノズル壁と基板の密着性が確保された信頼性の高い液体吐出ヘッドの製造方法を提供することができる。

以下に図面を参照して、本発明の実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法を説明する。なお、以下の説明では，同一の機能を有する構成には図面中同一の番号を付与し、その説明を省略する場合がある。

なお、液体吐出ヘッドは、インクジェット記録ヘッドとしてプリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサなどの装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わせた産業記録装置に搭載可能である。例えば、バイオッチップ作成や電子回路印刷、薬物を噴霧状に吐出するなどの用途としても用いることができる。

例えば、このインクジェット記録ヘッドによって、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックスなど種々の記録媒体に記録を行うこともできる。なお、本明細書内で用いられる「記録」とは、文字や図形などの意味を持つ画像を記録媒体に対して付与することだけでなく、パターンなどの意味を持たない画像を付与することも意味することとする。

さらに、「インク」または「液体」とは、広く解釈されるべきものであり、記録媒体上に付与されることによって、画像、模様、パターン等の形成、記録媒体の加工、或いはインクまたは記録媒体の処理に供される液体を言うものとする。ここで、インクまたは記録媒体の処理としては、例えば、記録媒体に付与されるインク中の色材の凝固または不溶化による定着性の向上や、記録品位ないし発色性の向上、画像耐久性の向上などのことを言う。

図２は、本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッドを示す模式図である。

また図１は本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッドの模式的断面図であり、図２のＡ’−Ａに沿った断面図である。

本実施形態の液体吐出ヘッドは、液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生するエネルギ−発生素子２が所定のピッチで２列に並んで形成されたＳｉの基板１を有している。基板１には、Ｓｉを異方性エッチングすることによって形成された供給口３が、エネルギー発生素子２の２つの列の間に開口されている。基板１上には、流路形成部材４によって、各エネルギー発生素子に対向する位置に設けられた吐出口５と、供給口３から各吐出口５に連通する個別の流路が形成されている。なお、吐出口の位置は、上記のエネルギー発生素子と対向する位置に限定されるものではない。

この液体吐出ヘッドは、吐出口５が形成された面が例えば記録媒体の記録面に対面するように配置される。そしてこの液体吐出ヘッドは、供給口３を介して流路内に充填された液体に、エネルギー発生素子２によって発生するエネルギー発生素子が利用され、吐出口５から液滴を吐出させ、これを記録媒体に付着させることによって記録を行うことができる。エネルギー発生素子としては、熱エネルギーとして電気熱変換素子（所謂ヒーター）等、力学的エネルギーとして、圧電素子等があるが、これらに限定されるものではない。

次いで本発明の液体吐出ヘッドの製造方法の一例について、図５を参照して説明する。

図５は、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法の一例を示す模式的断面図であり、Ａ’−Ａに沿った断面図である。

まず、図５（ａ）に示すように、エネルギー発生素子２として電気変熱素子を備えた基板１を用意する。基板１としては、上述したＳｉ以外に、ガラス、セラミックス、プラスチックあるいは金属等を用いることができる。また、一般は、エネルギー発生素子の耐用性向上を目的として、保護膜層等の各種機能層が設けられるが、もちろん本発明においてもこのような機能層を設ける事は一向に差し支えない。

次いで、図５（ｂ）に示すように、基板１の上に第１の層７を形成する。第１の層７は、ポジ型感光性樹脂を含み、後述の第２の層８よりも相対的に屈折率が高いものである。この屈折率の相対差を得るために、第１の層７は、屈折率を向上させる物質を含んでいても構わない。

第１の層７に用いられるポジ型感光性樹脂としては、例えばＤｅｅｐ−ＵＶなどの電離放射線感光型として光崩壊型ポジレジストが使用できる。光崩壊型レジストとしては、ポリメチルイソプロペニルケトン、ポリビニルケトン等のビニルケトン系高分子化合物が挙げられる。また、ポリメタクリル酸、ポリメチルメタクリレート、ポリエチルメタクリレート、ポリｎ−ブチルメタクリレート、ポリフェニルメタクリレート、ポリメタクリルアミド、ポリメタクリロ二トリル等のメタクリル系高分子化合物が挙げられる。あるいはポリブデン−１−スルフォン、ポリメチルペンテン−１−スルフォン等のオレフィンスルフォン系高分子化合物等を用いてもよい。なかでも、後に形成する被覆層との相溶等の弊害が無いとの観点から、ポリメチルイソプロペニルケトンやメタクリル系高分子化合物等が好ましい。しかし、本発明はこれに限定されるこのではない。

屈折率を向上させる物質としては、高い誘電率を付与するイオウ系化合物が代表的であるが、その他にはフィラー等、屈折率を向上させるものであれば良い。イオウ系化合物としては、チオール化合物、チオカルボン酸誘導体等が挙げられ、その中でもポジ型感光性樹脂の感光性を阻害しないという観点から、メルカプトプロピルトリエトキシシランが好ましい。しかし、使用するポジ型感光性樹脂によっては、この限りではない。

第１の層７における屈折率を向上させる物質の含有量は特に限定されないが、第１の層に用いられるポジ型感光性樹脂に対して１〜２０重量％とする事が好ましい。なお本実施形態では、第２の層の屈折率１．５１に対して、前記第１の層の屈折率を１．５３以上として所望の性能を発揮している。また、屈折率を向上させる物質の含有量を２０重量％以下とすることで、第１のポジ型感光性樹脂の感度が極端に低下することはなく、所望のパターン形成を容易に行う事ができる。もちろん、使用するポジ型感光性樹脂によっては、屈折率を向上させる物質の含有量は２０重量％を超えても構わない。この際には、露光量等を適宜設定すればよい。

第１の層７を形成する方法としては、ポジ型感光性樹脂を形成する材料を溶媒に溶解させた溶液を基板１の上にスピンコートする方法、別途製膜したポジ型感光材料を基板１上にラミネートする方法が挙げられる。

第１の層の厚さは、例えば１〜５μｍである点が好適である。

次いで、図５（ｃ）に示すように、第１の層７の上に、第２の層８を形成する。

第２の層は、第１の層上に設けられポジ型感光性樹脂を含む。第２の層８に用いられるポジ型感光性樹脂は、第１の層に用いられるポジ型感光性樹脂が感光する波長域の光により感光するものであれば、特に制限がない。前記した第１のポジ型感光性樹脂と同じものであっても構わないし、基本組成のみ似ているものでもよい。好ましくは、第１および第２層が含んでいるポジ型感光性樹脂の感光する波長域がほぼ重なりあっていることであり、より好ましくは第１および第２のポジ型感光性樹脂が同じものであることである。これは後に、同一波長において第１および第２ポジ型感光性材料層を露光する際に、露光条件等の設定が簡単となるためである。

第２の層を形成する方法は、第１の層を形成する方法と同様の方法でよい。

第２の層８の厚さは、例えば１０〜１５μｍとすることができる。ここで、第１の層７と第２の層８との厚さの関係としては、第１の層７の方が薄いことが好ましい。第１の層７は、屈折率を向上させる物質が含有されている、そのため、層の厚みが増すことで露光時の吸収が大きくなる場合がある。そのため所望の形状を得るためには、第１の層７の方が薄いことにより、パターニング条件の設定が簡単となる。以上のようにして、第１の層と第２の層とを有する積層物を用意することができる。

次いで、図５（ｄ）に示すように、マスク１３を用いて第１、第２の層を有する積層物を露光する。このとき積層物中の層は一括して露光される。露光量は深部までパターニングできるものであれば良いが、例えば３０００〜６０００ｍＪ／ｃｍ＾２とする事ができる。

そして、第１、第２の層７、８を現像することで、図５（ｅ）に示すように、第１および第２の層から流路の型であるパターン９が得られる。なお、図５中のパターン９の上部寸法Ｌ１と、底部寸法Ｌ２は、図１、７に示す流路の上部寸法Ｌ１と、底部寸法Ｌ２に対応する。また隣接したパターン９同士の間隔のうち、パターン上部におけるものをＬ３、底部におけるものをＬ４とする。これは、図１、図７における流路形成部材４の中の流路を仕切る壁の部分の上部寸法Ｌ３、と底部寸法Ｌ４とに対応する。

ここで、図６を用いてこの際の作用機構を説明する。まず、図６（ａ）は従来例（比較例）であるポジ型感光性材料層が１層の場合（例えば、上記第２の層のみを単層で用いた場合に該当する）の積層物中の光の進行を示したものである。露光マスク１３によって回折された光は、その樹脂の屈折率によりある角度をもって樹脂に進入する。これに対して図６（ｂ）は、流路パターン形成に用いられるポジ型感光性樹脂が前述したように第１の層と第２の層とから形成される場合の、積層物中の光の進行を示したものである。露光マスク１３によって回折された光は、第２層に用いられるポジ型感光性樹脂の屈折率によりある角度を持って第２のポジ型感光性樹脂に進入する。そして第１の層との界面で、第１の層の屈折率により、ある角度を持って第１の層に進入するのである。この際、第２の層の屈折率と比較して第１の層の屈折率が高い場合、第１の層中を進行する光は、第２の層中を進行する光と比較して、よりマスクの内側に入る角度を持って進行するのである。その為に、従来例と比較すると、本発明を用いることにより、流路の型となるパターン底部の裾引きを抑えることができ、良好なパターニング形状が得られるのである。なお、本発明では底部寸法Ｌ２が必ず上部寸法よりも小さくなるものではない。すなわち、単層を用いた場合よりも、該層よりも屈折率が高い層をあわせた構成とすることで、パターン底部の裾引きを低減させるものである。

次いで、図５（ｆ）に示すように、基板１の上に形成されたパターン９を被覆するように、被覆層１０を形成する。被覆層１０は流路の壁を形成する流路形成部材４となるものである。被覆層１０を形成する材料としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等が挙げられる。被覆層１０の形成は、被覆層形成用塗布液の塗布によって行うことが好ましい。被覆層形成用塗布液としては、例えば、エポキシ樹脂とカチオン重合開始剤とを含む被覆層形成用材料を溶剤に溶解させたものが使用できる。

次いで、図５（ｇ）に示すように、吐出口５を形成する。そして、供給口３を形成した後（不図示）、パターン９を除去することで、図５（ｈ）に示すように、流路形成部材４により流路６が形成された液体吐出ヘッドが得られる。例えば、第１および第２のポジ型感光性材料層７および８の形成に溶解可能な材料を用いた場合には、溶解除去することができる。

以下に実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。

（実施例）
本実施例では、表１に記載のポジ型感光性樹脂を用いて、以下の製造方法でインクジェット記録ヘッドを作製した。

まず、インク供給口形成用マスク（不図示）を設けた結晶軸（１００）のＳｉウエハ基板１の上に、エネルギー発生素子としての電熱変換素子２を配置し、さらに保護層およびキャビテーション保護層（不図示）を形成した（図５（ａ））。なお、電熱変換素子には、その素子を動作させるための制御信号入力電極が接続されている（不図示）。

次いで、基板１の上に、屈折率を向上させる物質として、メルカプトプロピルトリエトキシシラン（Ａ−１８９１：日本ユニカー社製：）を添加したＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸とポリメチルメタクリレートの共重合化合物）をスピンコートした。このとき、メルカプトプロピルトリエトキシシランはＰＭＭＡに対して５重量パーセントとした。次いで１５０℃３分ベークを行い、厚み４μｍの第１の層７を形成した（図５（ｂ））。さらに、第１の層７の上に、ＰＭＭＡからなる層をスピンコートにより成膜した後、１２０℃３分ベークを行って、厚み１０μｍの第２の感光性材料層８を形成した（図５（ｃ））。

次いで、両層に対して、ウシオ電機（株）製ＵＸ３０００（商品名）にて６０００ｍＪ／ｃｍ^２で露光した（図５（ｄ））。このとき、図５（ｅ）に示すパターン９の上部寸法Ｌ１が３５μｍ、Ｌ３を５μｍとなるように設定した。その後、ジエチレングリコールモノブチルエーテルと、エタノールアミンと、モルフォリンと、を含む溶剤を用いて現像することで、パターン９を形成した（図５（ｅ））。

次いで、表２に記載の樹脂組成物を適当な溶媒に溶解させた被覆層形成用塗布液を、基板１の上にソルベントコートして、被覆層１０を形成した（図５（ｆ））。

ＥＨＰＥ３１５０：ダイセル化学工業社製、脂環式エポキシ樹脂
ＳＰ−１７２ ：ＡＤＥＫＡ社製、スルフォニウム塩系カチオン重合開始剤
Ａ−１８７ ：東レ・ダウコーニング社製、オルガノシラン
そして、フォトリソグラフィーによって被覆層１０に吐出口５を形成した（図５（ｇ））。

次いで、基板１を異方性エッチングし、供給口３を形成した後（不図示）、パターン９を除去した。さらに、被覆層１０のエポキシ樹脂をに硬化させるために２００℃１時間の加熱を行って、流路６を形成した（図５（ｈ））。その後、必要な電気的接続を行って、インクジェット記録ヘッドを得た。

（実施例２）
メルカプトプロピルトリエトキシシランをＰＭＭＡに対して２０重量パーセント添加した以外は、実施例１と同様にしてインクジェット記録ヘッドを作成した。

（比較例）
パターン９を、添加剤を含まないＰＭＭＡ１層のみで形成したこと以外は実施例に準じて実施し、インクジェット記録ヘッドを得た。なお、その際は、ＰＭＭＡ層の厚みは１４μｍとした。

（評価）
実施例で得たインクジェット記録ヘッドの評価を行った。図７は、図２の上面図であり、吐出口５から基板に向かう方向にインクジェット記録ヘッドを見た図である。図１と図７とに示される流路６の上部寸法Ｌ１と底部寸法Ｌ２とを測定した。なお、流路形状は、図７のような角を有する形状に限る事なく、例えばエネルギー発生素子２を中心とした円丸形状でもかまわないが、各寸法はその一番広い所を測定するものとした。

実施例１では、第１の層７の屈折率が１．５３、第２の層８の屈折率が１．５１であったが、このときの流路６は、上部寸法Ｌ１が３５μｍ、底部寸法Ｌ２が２６μｍであった。このとき流路形成部材４の流路壁の上部寸法Ｌ３は５μｍ、底部寸法Ｌ４は１４μｍであった。

実施例２では、第１の層７の屈折率が１．５５、第２の層８の屈折率が１．５１であったが、このときの流路６は、上部寸法Ｌ１が３５μｍ、底部寸法Ｌ２が２３μｍであった。このとき流路形成部材４の流路壁の上部寸法Ｌ３は５μｍ、底部寸法Ｌ４は１７μｍであった。

比較例の記録ヘッドの流路の部分を、図１と同様の断面図である図８に示す。比較例では、パターン９の層全体の屈折率が、１．５１であった。形成時のパターン９の形状は、Ｌ４上部寸法Ｌ１が３５μｍ、底部寸法Ｌ２が３７μｍで裾引き形状であった。また流路形成部材４の流路壁の上部寸法Ｌ３は５μｍ、底部寸法Ｌ４は３μｍであり、図８に示すように上部に比べ底部が小さい形状となった。

以上の屈折率は光干渉式膜厚測定装置によって測定した。

実施例の記録ヘッドは比較例の記録ヘッドに対して流路壁の底部寸法が大きく形成でき、流路壁部分と基板１との接合に係る面積が大きく、流路形成部材４と基板１との接合強度が向上しているといえる。

また、上記の通り、第１の層７と第２の層８との屈折率差が大きい程、流路６の底部寸法Ｌ２は、上部寸法Ｌ１に比べて小さくなった。これは、屈折率差が大きいため、より第１の層へ進入する光がよりマスクの内側へと進むからである。結果として、第１の感光性樹脂層と第２の感光性樹脂層の屈折率差が大きい程、Ｌ４が大きくなり、流路壁と基板１との接合にかかわる面積が大きくなるといえる。これにより、さらに基板１と流路形成部材４との密着性が高くなるため、応力が発生した場合であっても、剥離が抑制される。従って、長期の使用に耐え、信頼性の高い液体吐出ヘッドを得ることができる。

本発明の一形態の液体吐出ヘッド、インクジェット記録ヘッドの一例を示す模式的断面図である。 本発明の一形態の液体吐出ヘッドおよびインクジェット記録ヘッドの一例を示す模式的斜視図である。 従来技術におけるインクジェット記録ヘッドのノズル壁を示す模式的断面図である。 従来技術におけるインクジェット記録ヘッドのノズル壁を示す模式的断面図である。 本発明の一形態である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。 本発明の実施形態のインクジェット記録ヘッドの製造方法における工程の一つを説明するための断面図である。 図２の上面図であり、インクジェット記録ヘッドの上面を示す模式図である。 比較例におけ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。

符号の説明

１ 基板
２ エネルギー発生素子
３ 供給口
４ 流路形成部材
５ 吐出口
６ 流路
７ 第１の層
８ 第２の層
９ パターン
１０ 被覆層

Claims (5)

1. 液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生素子を有する基板と、液体を吐出する吐出口と、前記吐出口と連通する液体の流路と、を有する液体吐出ヘッドの製造方法において、
   前記基板上に、前記流路のパターンを設ける工程と、
   前記パターン上に前記パターンを被覆する被覆層を設ける工程と、
   前記パターンを除去し、前記流路を設ける工程と、
   を有し、
   前記パターンを設ける工程は、
   前記基板上に、ポジ型感光性樹脂を含み、相対的に屈折率の高い第１の層と、該第１の層上に設けられ、ポジ型感光性樹脂を含み、相対的に屈折率の低い第２の層と、を有する積層物を用意する工程と、
   前記積層物を露光する工程と、
   を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
2. 前記第１の層が含む前記ポジ型感光性樹脂と前記第２層が含む前記ポジ型感光性樹脂とは、同一のものであ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. 前記第１の層は、屈折率を向上させる物質を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. 前記物質はメルカプトプロピルトリエトキシシランであることを特徴とする請求項３に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
5. 前記第１の層は、前記第２の層に比べて薄いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。

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