JP2009166385A - 液体噴射ヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを削減できる液体噴射ヘッドの製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る液体噴射ヘッド１００の製造方法は，基板１８０の上方に犠牲層１８４を形成する工程と、犠牲層の上方に圧電体層１４２を形成する工程と、圧電体層の上方に第１電極１４０を形成する工程と、第１電極の上方に弾性層１０８を形成する工程と、弾性層の上方に、圧力室１２４を形成するための開口部および圧力室の側壁となる流路側壁１０６を有する流路形成層１０５を形成する工程と、流路形成層の上方に、ノズル孔１２６を有するノズルプレート１０２を形成して、圧力室を形成する工程と、犠牲層を除去して、基板を剥離する工程と、圧電体層の下方に第２電極を形成する工程と、を含み、流路側壁は，感光性樹脂からなるように形成される。
【選択図】図６

Description

本発明は、液体噴射ヘッド及びその製造方法に関する。

インクジェットプリンタなどに用いられる従来の液体噴射ヘッドの製造方法では、例えば下記特許文献１の図３に開示されているように、下電極膜を形成した後に、圧電体層が形成される。チタン酸ジルコン酸鉛などからなる圧電体層の焼成温度は、例えば６００℃以上と高温である。このため、この方法では、圧電体層の焼成温度に耐えられる高耐熱電極膜が必要となる。
特開２００６−４４０８３号公報

しかしながら、一般に、その焼成温度に耐え、かつ、高い導電性を示す材料は、白金（Ｐｔ）やイリジウム（Ｉｒ）などの高価な高耐熱貴金属に限られてしまう。

本発明の目的の１つは、製造コストを削減できる液体噴射ヘッド及びその製造方法を提供することにある。

本発明に係る液体噴射ヘッドの製造方法は、
基板の上方に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層の上方に圧電体層を形成する工程と、
前記圧電体層の上方に第１電極を形成する工程と、
前記第１電極の上方に弾性層を形成する工程と、
前記弾性層の上方に、圧力室を形成するための開口部および該圧力室の側壁となる流路側壁を有する流路形成層を形成する工程と、
前記流路形成層の上方に、ノズル孔を有するノズルプレートを形成して、前記圧力室を形成する工程と、
前記犠牲層を除去して、前記基板を剥離する工程と、
前記圧電体層の下方に第２電極を形成する工程と、を含み、
前記流路側壁は、感光性樹脂からなるように形成される。

本発明に係る液体噴射ヘッドの製造方法では、前記第１電極の形成工程前に、前記圧電体層の形成が既に行われているため、前記第１電極の材料として、白金（Ｐｔ）などの高耐熱材料を用いる必要がない。即ち、前記第１電極の材料として、高価な高耐熱貴金属を用いる必要がない。従って、本発明によれば、製造コストを削減することが可能な液体噴射ヘッド及びその製造方法を提供することができる。

なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定の部材（以下「Ａ部材」という）の「上方」に他の特定の部材（以下「Ｂ部材」という）を形成する」などと用いている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、Ａ部材上に直接Ｂ部材を形成するような場合と、Ａ部材上に他のものを介してＢ部材を形成するような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。

また、本発明に係る記載では、「下方」という文言を、例えば、「特定の部材（以下「Ｃ部材」という）の「下方」に他の特定の部材（以下「Ｄ部材」という）を形成する」などと用いている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、Ｃ部材下に直接Ｄ部材を形成するような場合と、Ｃ部材下に他のものを介してＤ部材を形成するような場合とが含まれるものとして、「下方」という文言を用いている。

本発明に係る液体噴射ヘッドの製造方法において、
前記感光性樹脂は、永久レジストであることができる。

本発明に係る液体噴射ヘッドの製造方法において、
前記感光性樹脂は、化学増幅型感光性熱硬化性樹脂であることができる。

本発明に係る液体噴射ヘッドの製造方法において、
前記流路形成層を形成する工程は、
前記弾性層の上方に樹脂前駆体層を形成する工程と、
前記樹脂前駆体層に、前記開口部のパターンを露光する工程と、
露光後の前記樹脂前駆体層に対して現像処理を行い、該樹脂前駆体層をパターニングする工程と、
パターニングされた前記樹脂前駆体層を熱硬化させる工程と、を有することができる。

本発明に係る液体噴射ヘッドは、
ノズル孔を有するノズルプレートと、
前記ノズル孔が通じる圧力室と、
前記ノズルプレートの上方に形成され、前記圧力室の側壁を構成する流路側壁と、
前記圧力室および前記流路側壁の上方に形成された弾性層と、
前記弾性層の上方に形成された第１電極と、
前記第１電極の上方に形成された圧電体層と、
前記圧電体層の上方に形成された第２電極と、を含み、
前記流路側壁は、感光性樹脂からなる。

本発明に係る液体噴射ヘッドにおいて、
前記感光性樹脂は、永久レジストであることができる。

本発明に係る液体噴射ヘッドにおいて、
前記感光性樹脂は、化学増幅型感光性熱硬化性樹脂であることができる。

本発明に係る液体噴射ヘッドにおいて、
前記流路側壁は、単層構造であることができる。

以下、本発明に好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。

１． まず、本実施形態に係る液体噴射ヘッド１００について説明する。ここでは、本実施形態に係る液体噴射ヘッド１００がインクジェット式記録ヘッドである場合について説明する。

図１は、液体噴射ヘッド１００を概略的に示す断面図であり、図２は、液体噴射ヘッド１００を概略的に示す平面図である。なお、図１は、図２のＩ−Ｉ線断面図である。また、図２では、便宜上、流路側壁１０６上の部材の記載を省略している。

液体噴射ヘッド１００は、図１および図２に示すように、ノズルプレート１０２と、流路側壁１０６と、弾性層１０８と、圧電素子１１２と、を含む。

ノズルプレート１０２は、ノズル孔１２６を有する。ノズル孔１２６の平面形状は、例えば図２に示すような円形などである。ノズル孔１２６は、例えば図２に示すように、複数設けられている。複数のノズル孔１２６は、例えば一列に配置されている。ノズルプレート１０２の平面形状は、例えば図２に示すような長方形などである。

流路側壁１０６は、ノズルプレート１０２上に形成されている。平面的に見た流路側壁１０６の外縁が構成する形状は、例えば図２に示すような長方形などである。流路側壁１０６は、例えば、圧力室１２４の側壁、供給口１６５の側壁、及びリザーバ１６６の側壁を構成している。流路側壁１０６は、例えば、圧力室１２４、供給口１６５、及びリザーバ１６６の側方に設けられている。流路側壁１０６は、例えば、図１及び図２に示すように、ノズルプレート１０２と弾性層１０８との間の空間を、複数の圧力室１２４、複数の供給口１６５、及びリザーバ１６６として区画することができる。リザーバ１６６は、液体カートリッジ（図示せず）から供給される液体を、一時的に貯留することができる。リザーバ１６６から、各供給口１６５を通じて、各圧力室１２４へインク等の液体が供給される。各圧力室１２４に供給された液体は、各ノズル孔１２６から液滴として吐出される。

圧力室１２４は、ノズルプレート１０２上に形成されている。圧力室１２４には、ノズルプレート１０２のノズル孔１２６が通じている。ノズル孔１２６は、圧力室１２４と連続している。図２に示すように、複数の圧力室１２４は、各ノズル孔１２６に対して１つずつ配設されており、各供給口１６５に対して１つずつ配設されている。

弾性層１０８は、圧力室１２４及び流路側壁１０６の上に形成されている。弾性層１０８は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層などである。

圧電素子１１２は、弾性層１０８上に形成されている。圧電素子１１２は、例えば図１に示すように、第１電極１４０と、圧電体層１４２と、第２電極１４４と、を有することができる。第１電極１４０は、弾性層１０８の上に形成されている。圧電体層１４２は、第１電極１４０の上に形成されている。第２電極１４４は、圧電体層１４２の上に形成されている。

なお、上述した例では、液体噴射ヘッド１００がインクジェット式記録ヘッドである場合について説明した。しかしながら、本発明の液体噴射ヘッドは、例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤ（面発光ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッドなどとして用いられることもできる。

また、本発明の液体噴射ヘッドは、例えばインクジェットプリンタに適用されるが、例えば工業的な液滴吐出装置に適用されることもできる。吐出される液体（液状材料）としては、各種の機能性材料を溶媒や分散媒によって適当な粘度に調整したものなどを用いることができる。

２． 次に、本実施形態に係る液体噴射ヘッド１００の製造方法について説明する。図３〜図８は、本実施形態の液体噴射ヘッド１００の製造工程を概略的に示す断面図であり、それぞれ図１に示す断面図に対応している。

（１）まず、基板１８０（図３参照）を準備する。基板１８０としては、圧電体層１４２の焼成温度に耐えられる耐熱基板を用いることができる。例えば、基板１８０としては、シリコン基板、石英基板などを用いることができる。

次に、必要に応じて、例えば、基板１８０上に酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層１８２（図３参照）を形成することができる。酸化シリコン層１８２は、例えば、熱酸化法などにより形成される。

次に、例えば、酸化シリコン層１８２上に密着層（図示せず）を形成することができる。密着層は、酸化シリコン層１８２に密着することができる。密着層としては、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ_ｘ）層などを用いることができる。

次に、例えば、密着層上に鉛拡散制御層（図示せず）を形成することができる。鉛拡散制御層により、例えば圧電体層１４２の材料として鉛を含む物質を用いた場合に、鉛の拡散を制御することができる。鉛拡散制御層としては、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ_ｘ）層などを用いることができる。

次に、例えば、鉛拡散制御層の上に犠牲層１８４（図３参照）を形成することができる。犠牲層１８４としては、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ_３）層などを用いることができる。

次に、例えば、犠牲層１８４上に結晶配向制御層（図示せず）を形成することができる。結晶配向制御層により、圧電体層１４２の結晶配向を制御することができる。結晶配向制御層としては、例えば、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ_３）層などを用いることができる。

なお、上述した密着層、鉛拡散制御層、犠牲層１８４、及び結晶配向制御層のうちの少なくとも２つの層の機能を単一の層で兼ねて、余分な層の形成を省略することもできる。

次に、犠牲層１８４上に圧電体層１４２（図３参照）を形成する。圧電体層１４２は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ(Ｚｒ，Ｔｉ)Ｏ_３）、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ_３）などの圧電材料から形成される。圧電体層１４２は、例えば、溶液法（ゾルゲル法、Metal Organic Decomposition：ＭＯＤ法）、スパッタ法などにより形成される。本工程において、圧電体層１４２の焼成が行われる。圧電体層１４２の焼成温度は、例えば６００℃以上８００℃以下である。

次に、圧電体層１４２上に第１電極１４０（図３参照）を形成する。第１電極１４０の材料としては、圧電体層１４２の焼成が既に行われているため、白金（Ｐｔ）などの高耐熱材料を用いる必要がない。第１電極１４０の材料としては、例えば金（Ａｕ）などを用いることができる。第１電極１４０の成膜方法は、特に限定されないが、圧電体層１４２の界面への成膜ダメージの少ないものが好ましい。従って、例えば、蒸着法、低パワーで行われるスパッタ法などが好ましい。

次に、図３に示すように、第１電極１４０上に弾性層１０８を形成する。弾性層１０８の成膜方法および材料は、成膜時に第１電極１４０を変質させず、圧電体層１４２に成膜ダメージを与えず、かつ、耐液体性（耐インク性など）があるものが好ましい。従って、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層や窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）層などを成膜することが好ましい。

（２）次に、図４に示すように、弾性層１０８上に流路形成層１０５を形成する。流路形成層１０５は、例えば、圧力室１２４を形成するための開口部１２３と、圧力室１２４の側壁となる流路側壁１０６と、からなることができる。流路形成層１０５の形成工程は、具体的には、例えば以下の通りである。

まず、例えばスピンコート法、スプレーコート法などを用いて、弾性層１０８上の全面に樹脂前駆体層（図示せず）を形成する。樹脂前駆体層は、感光性樹脂の前駆体からなる。樹脂前駆体層は、例えば１回の塗布で成膜されることができる。この場合には、最終的に得られる流路側壁１０６は、多層構造ではなく、単層（１層）構造となる。次に、樹脂前駆体層に、開口部１２３のパターンを露光する。次に、露光後の樹脂前駆体層に対して現像処理を行い、樹脂前駆体層をパターニングする。これにより、開口部１２３と、流路側壁１０６となる開口部側壁とが形成される。次に、パターニングされた樹脂前駆体層を熱硬化させる。即ち、開口部側壁を熱硬化させて、流路側壁１０６を形成する。熱硬化のための温度は、例えば２００℃である。

以上の工程により、開口部１２３及び流路側壁１０６を有する流路形成層１０５を形成することができる。流路形成層１０５の厚さは、例えば２０μｍ以上３００μｍ以下である。

得られた流路側壁１０６は、感光性樹脂からなる。この感光性樹脂は、いわゆる永久レジストである。永久レジストとは、感光性樹脂組成物を用いて形成された、製品完成後にも残存しているフォトレジストのことである。永久レジストは、構造体として用いられることができる。永久レジストは、例えば化学増幅型感光性熱硬化性樹脂である。流路側壁１０６を構成する永久レジストとしては、厚膜化が容易であり、開口部１２３のアスペクト比が高く、構造体として機能できる強度を有し、耐液体性を有し、かつ、本工程後のプロセス温度に耐えられるものが望ましい。例えば、このような永久レジストとしては、東京応化工業（株）製のＴＭＭＲ Ｓ２０００、Micro Chem社製のＳＵ−８などが挙げられる。厚膜化が容易であり、開口部１２３のアスペクト比が高いことにより、複数の圧力室１２４の高密度化を図ることができる。

（３）次に、図５に示すように、流路形成層１０５上に、ノズル孔１２６を有するノズルプレート１０２を形成する。本工程により、圧力室１２４が形成される。

本工程は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）製やシリコン（Ｓｉ）製などのノズルプレート１０２を流路形成層１０５上に接着して行われることができる。また、本工程は、例えば、ドライフィルムレジストを流路形成層１０５上にラミネートした後、エッチングによりノズル孔１２６を開けて行われることもできる。また、本工程は、例えば、以下のように行われることもできる。

まず、スピンコート法やインクジェット法などにより、開口部１２３（図４参照）内を、フォトレジストやワックスなどで埋め込む。次に、化学的機械的研磨法（ＣＭＰ法）などにより平坦化を行う。次に、流路形成層１０５上に、例えば永久レジストなどからなるノズルプレート１０２を形成する。次に、例えば現像液などにより開口部１２３内に埋め込まれたフォトレジストなどを除去する。このようにして圧力室１２４を形成することができる。

（４）次に、図６に示すように、犠牲層１８４を除去して、例えば基板１８０及び酸化シリコン層１８２を剥離する。犠牲層１８４は、例えばエッチングにより除去される。具体的には、例えば犠牲層１８４が酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる場合には、犠牲層１８４は、エッチャントとして水を用いたウェットエッチングにより除去されることができる。犠牲層１８４の除去方法やエッチャントなどは、犠牲層１８４の材料などに応じて適宜選択されることができる。

なお、必要に応じて、本工程を行う前に、ノズルプレート１０２上に支持基板（図示せず）を接着しておくことも可能である。これにより、本工程において、部材のハンドリングを容易にすることができる。

また、必要に応じて、本工程を行う前に、例えば図７に示すように、少なくとも犠牲層１８４に到達する溝部１８８を形成しておくことも可能である。溝部１８８は、例えば、弾性層１０８、第１電極１４０、及び圧電体層１４２を貫通するように設けられる。溝部１８８は、例えば、隣り合う液体噴射ヘッド１００の間、即ち、チップ間などに設けられる。犠牲層１８４を除去する前に溝部１８８を形成しておくことにより、エッチャントを溝部１８８から浸入させることができるため、犠牲層１８４を容易に除去することができる。

（５）次に、圧電体層１４２の下に第２電極１４４（図８参照）を形成する。なお、図８では、上述した製造工程とは上下逆向きに図示してあるため、第２電極１４４は、圧電体層１４２の上に形成されている。第２電極１４４の形成温度は、流路側壁１０６、ノズルプレート１０２、及び、それらの間の接着剤の耐えられる温度であることが望ましい。第２電極１４４は、例えば室温で行われるスパッタ法などにより形成される。第２電極１４４の成膜方法は、第１電極１４０の場合と同様に、圧電体層１４２の界面への成膜ダメージの少ないものが好ましい。第２電極１４４の材料としては、例えば金（Ａｕ）などを用いることができる。

（６）次に、図１に示すように、第２電極１４４及び圧電体層１４２をパターニングすることができる。必要に応じて、第１電極１４０もパターニングすることができる。本工程の温度は、流路側壁１０６、ノズルプレート１０２、及び、それらの間の接着剤の耐えられる温度であることが望ましい。本工程は、例えば室温で行われる。本工程は、例えばフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて行われる。

（７）次に、例えば、流路側壁１０６、弾性層１０８、及びノズルプレート１０２の表面のうち、少なくとも、液体噴射ヘッド１００の動作時に液体に接する虞のある部分を、液体に対して耐性を有する保護層（図示せず）で被覆することができる。次に、例えば、圧電素子１１２の各電極１４０，１４４に接続される配線（図示せず）を形成することができる。

（８）以上の工程により、本実施形態に係る液体噴射ヘッド１００を製造することができる。

３． 本実施形態の液体噴射ヘッド１００の製造方法では、第１電極１４０の形成工程前に、圧電体層１４２の焼成が既に行われているため、第１電極１４０の材料として、白金（Ｐｔ）などの高耐熱材料を用いる必要がない。即ち、第１電極１４０の材料として、高価な高耐熱貴金属を用いる必要がない。従って、本実施形態によれば、製造コストを削減することが可能な液体噴射ヘッド及びその製造方法を提供することができる。

また、本実施形態の液体噴射ヘッド１００の製造方法では、剥離された基板１８０は、再利用されることができる。

また、従来、圧力室の形成工程では、面方位（１１０）のシリコン基板の異方性ウェットエッチングが行われていた（例えば特開２００６−４４０８３号公報参照）。これに対し、本実施形態の液体噴射ヘッド１００の製造方法では、流路形成層１０５は、感光性樹脂の前駆体層を露光・現像・硬化させることにより得られる。従って、本実施形態の液体噴射ヘッド１００の製造方法によれば、圧力室１２４の寸法精度を向上させることができる。また、流路形成層１０５の形成工程のマスクパターンにより、供給口１６５及びリザーバ１６６の形状を自由に決められるので、これらの形状制御を容易に行うことができる。

４． 上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。

本実施形態の液体噴射ヘッドを概略的に示す断面図。 本実施形態の液体噴射ヘッドを概略的に示す平面図。 本実施形態の液体噴射ヘッドの製造工程を概略的に示す断面図。 本実施形態の液体噴射ヘッドの製造工程を概略的に示す断面図。 本実施形態の液体噴射ヘッドの製造工程を概略的に示す断面図。 本実施形態の液体噴射ヘッドの製造工程を概略的に示す断面図。 本実施形態の液体噴射ヘッドの製造工程を概略的に示す断面図。 本実施形態の液体噴射ヘッドの製造工程を概略的に示す断面図。

符号の説明

１００ 液体噴射ヘッド、１０２ ノズルプレート、１０５ 流路形成層、１０６ 流路側壁、１０８ 弾性層、１１２ 圧電素子、１１２ 圧電素子、１２３ 開口部、１２４ 圧力室、１２６ ノズル孔、１４０ 第１電極、１４２ 圧電体層、１４４ 第２電極、１６５ 供給口、１６６ リザーバ、１８０ 基板、１８２ 酸化シリコン層、１８４ 犠牲層，１８８ 溝部

Claims (8)

1. 基板の上方に犠牲層を形成する工程と、
   前記犠牲層の上方に圧電体層を形成する工程と、
   前記圧電体層の上方に第１電極を形成する工程と、
   前記第１電極の上方に弾性層を形成する工程と、
   前記弾性層の上方に、圧力室を形成するための開口部および該圧力室の側壁となる流路側壁を有する流路形成層を形成する工程と、
   前記流路形成層の上方に、ノズル孔を有するノズルプレートを形成して、前記圧力室を形成する工程と、
   前記犠牲層を除去して、前記基板を剥離する工程と、
   前記圧電体層の下方に第２電極を形成する工程と、を含み、
   前記流路側壁は、感光性樹脂からなるように形成される、液体噴射ヘッドの製造方法。
2. 請求項１において、
   前記感光性樹脂は、永久レジストである、液体噴射ヘッドの製造方法。
3. 請求項１または２において、
   前記感光性樹脂は、化学増幅型感光性熱硬化性樹脂である、液体噴射ヘッドの製造方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記流路形成層を形成する工程は、
   前記弾性層の上方に樹脂前駆体層を形成する工程と、
   前記樹脂前駆体層に、前記開口部のパターンを露光する工程と、
   露光後の前記樹脂前駆体層に対して現像処理を行い、該樹脂前駆体層をパターニングする工程と、
   パターニングされた前記樹脂前駆体層を熱硬化させる工程と、を有する、液体噴射ヘッドの製造方法。
5. ノズル孔を有するノズルプレートと、
   前記ノズル孔が通じる圧力室と、
   前記ノズルプレートの上方に形成され、前記圧力室の側壁を構成する流路側壁と、
   前記圧力室および前記流路側壁の上方に形成された弾性層と、
   前記弾性層の上方に形成された第１電極と、
   前記第１電極の上方に形成された圧電体層と、
   前記圧電体層の上方に形成された第２電極と、を含み、
   前記流路側壁は、感光性樹脂からなる、液体噴射ヘッド。
6. 請求項５において、
   前記感光性樹脂は、永久レジストである、液体噴射ヘッド。
7. 請求項５または６において、
   前記感光性樹脂は、化学増幅型感光性熱硬化性樹脂である、液体噴射ヘッド。
8. 請求項５乃至７のいずれかにおいて、
   前記流路側壁は、単層構造である、液体噴射ヘッド。

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