JP2009172900A - インクジェット記録ヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】吐出口のパターン露光における基板面からの反射光による吐出口パターン形状の変形を抑制しつつ、その変形抑制によるパターニング精度の低下を防止可能なインクジェット記録ヘッドの製造方法を提供する。
【解決手段】基板の、その上方からみて吐出口が形成される領域を被覆するように、第一の溶解可能な樹脂と光吸収剤とを含む第一のインク流路パターンを形成し、その第一のインク流路パターンを被覆するように、第二の溶解可能な樹脂を含み光吸収剤を含まない第二のインク流路パターンを形成する。そして、第二のインク流路パターンを被覆するように、ノズル形成材料層を形成して、吐出口を形成した上で、第一のインク流路パターン及び第二のインク流路パターンを溶解除去して、前記インク流路を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明はインクジェット記録方式に用いる記録液小滴を発生するためのインクジェット記録ヘッドおよびその製造方法に関するものである。

近年のプリンタに求められる高画質化、高精細化に伴い、インク液滴の微小化、吐出口寸法の微細化が必要となり、ノズル形状など微細構造を高精度に作製、制御することが非常に重要となってきている。

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には、次のような工程が開示されている。まず、エネルギー発生素子が形成された基板の上に溶解可能な樹脂にてインク流路パターンを形成する。次いで、このインク流路パターンの上に、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ノズル形成材料層を形成し、フォトリソグラフィーによりエネルギー発生素子の上方に吐出口を形成する。そして、前記溶解可能な樹脂を溶出して、インク流路壁となるノズル形成材料を硬化する。

ノズルの更なる微細化要求に伴い、今まで無視できていたパターン形状の細部まで問題となるようになってきた。その一つに、フォトリソグラフィーにおける基板からの反射光による吐出口パターン形状の変形が挙げられる。すなわち、吐出口パターンの形状が、マスクパターン形状とわずかに異なる形状になってしまうことがある。この吐出口パターン形状の変形は、エネルギー発生素子が形成された基板表面による光の反射により、吐出口のパターン露光を施した際に未露光部分に光が不均一に回り込み、この部分がわずかに硬化したためと考えられている。

この対策として、例えば特許文献２には、次のような方法が開示されている。特許文献２の方法では、ノズル形成材料中に、硬化反応に関与しない光吸収剤を含有させる。こうすることで、ノズル形成材料をパターン露光する際、基板面からの反射光がノズル形成材料内で減衰し、吐出口が形成されるべき領域内でノズル形成材料が硬化しないようする。しかし、上述のインクジェット記録ヘッド製造方法では、ノズル形成材料に他の物質を含有させるため、パターニング制御が難しくなる場合がある。

一方で、インク流路パターンを形成する溶解可能な樹脂に光吸収剤を含有させる方法が、特許文献３、４で報告されている。これらの方法は、吐出口付近のわずかなスカム（現像残渣）をより小さくすることを目的としている。このスカムは、ノズル形成材料を紫外光により照射した際、インク流路パターンとノズル形成材料層との界面で光の反射が生じ、本来の未露光部分に光が回りこみノズル形成材料層の界面付近がわずかに硬化したために生じると考えられている。この対策として、特許文献３では溶解可能な樹脂に光吸収剤を添加し、特許文献４では溶解可能な樹脂を２段形成させ、上段に光吸収剤を添加する。これらの方法によると、光吸収剤を含有する樹脂とノズル形成材料層と界面で相溶層を形成するため、樹脂層界面で反射される紫外光がこの相溶層中で減衰し、スカムの発生を抑え、または非常に小さいものとしている。しかし、上述のインクジェット記録ヘッド製造方法では、インク流路パターンに他の物質を含有するためパターニング制御が難しくなる場合があった。
特開平０６−２８６１４９号公報 特開２００６−１１０９１０号公報 特開２００５−１２５５７７号公報 特開２００５−１２５６１９号公報

本発明は、前述した従来技術における課題を解決する。すなわち、吐出口のパターン露光における基板面からの反射光による吐出口パターン形状の変形を抑制しつつ、その変形抑制によるパターニング精度の低下を防止可能なインクジェット記録ヘッドの製造方法の提供を目的としている。また、高精度のノズルを有し、良好な印字品位を実現するインクジェット記録ヘッドの提供を目的としている。

本発明者は、前述した従来技術における問題点を解決して上記課題を達成すべく鋭意研究した。その結果、インク流路パターンが光吸収剤を含む層と含まない層からなる多層構造を有し、光吸収剤を含まない層が光吸収剤を含む層を被覆することによって、上記課題が解決されることを見出した。

すなわち、本発明は、エネルギー発生素子が形成された基板の上に、インク流路及び吐出口が形成されたノズル形成材料層を有するインクジェット記録ヘッドの製造方法であって、
（ａ）前記基板の、その上方からみて前記吐出口が形成される領域を被覆するように、第一の溶解可能な樹脂と光吸収剤とを含む第一のインク流路パターンを形成する工程と、
（ｂ）前記第一のインク流路パターンを被覆するように、第二の溶解可能な樹脂を含み光吸収剤を含まない第二のインク流路パターンを形成する工程と、
（ｃ）前記第二のインク流路パターンを被覆するように、ノズル形成材料層を形成する工程と、
（ｄ）前記ノズル形成材料層に前記吐出口を形成する工程と、
（ｅ）前記第一のインク流路パターンおよび前記第二のインク流路パターンを溶解除去して、前記インク流路を形成する工程と
を有することを特徴とするインクジェット記録ヘッドの製造方法である。

また、本発明は、上記の製造方法により製造されることを特徴とするインクジェット記録ヘッドである。

本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法によれば、吐出口のパターン露光における基板面からの反射光による吐出口パターン形状の変形を抑制しつつ、その変形抑制によるパターニング精度の低下の防止が可能となる。そして、高精度のノズルを有し、良好な印字品位を実現するインクジェット記録ヘッドを得ることができる。

以下、本発明をさらに詳細に説明する。

まず、基板の、その上方からみて吐出口が形成される領域を被覆するように、第一の溶解可能な樹脂と光吸収剤とを含む第一のインク流路パターンを形成する（工程（ａ））。

基板としては、例えば、ガラス、セラミック、プラスチック、シリコン基板を用いることができる。基板の上には、電気熱変換素子、圧電素子等の複数個のエネルギー発生素子が形成されており、さらに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。基板の上には、ＳｉＮやＳｉＯ₂等の無機絶縁層や、Ｔａ等の耐キャビテーション層が設けられていてもよい。

第一の溶解可能な樹脂としては、インク流路となるパターンを何らかの方法で形成でき、かつ後に溶解除去可能な樹脂が必要である。そのようなものとして、様々な材料が考えられるが、ポジ型感光性樹脂は容易にインク流路パターンを形成でき、紫外光照射により容易に溶解除去することが可能なので、特に好ましい。ポジ型感光性樹脂としては、様々なものが使用できるが、各種製造工程に対するプロセス耐性が必要であるため、高分子光分解型材料が好適に用いられる。例えば、ポリメチルイソプロピルケトン、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルグルタルイミドなどが挙げられる。

第一の溶解可能な樹脂には、反射光による吐出口変形を抑制するため、ノズル形成材料の露光波長域に吸収を有する光吸収剤を添加する。光吸収剤としては、ノズル形成材料の露光波長領域に吸収を持つものであればよい。一般に、感光性材料の露光装置として高圧Ｈｇランプを用いたアライナーなど様々なものが知られているが、高精度なパターンを作る際にはステッパーが広く利用されている。したがって、例えば、ｉ線ステッパーを用いる場合紫外光の波長３６５ｎｍに吸収を有する光吸収剤を用いることができる。このような光吸収剤としては、２，４−ジ−ヒドロキシベンゾフェノン、２−ヒドロキシ−４−メトキシベンゾフェノン、２−ヒドロキシ−４−ｎ−オクトキシベンゾフェノン、２−ヒドロキシ−４−ｎ−ドデシルオキシベンゾフェノン、２−ヒドロキシ−４−ベンジルオキシベンゾフェノン、２，２’−ジヒドロキシ−４−メトキシベンゾフェノン、フェニルサリシレート、４−ｔ−ブチルフェニルサリシレート、２−ヒドロキシ−４−メトキシベンゾフェノン、２，４−ジ−ｔ−ブチルフェニル−３’，５’−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシベンゾエート、チオキサントン、２−イソプロピルチオキサントン、２−ニトロチオキサントン、２−メチルチオキサントン、２，４−ジメチルチオキサントン、２，４−ジエチルチオキサントン、２，４−ジイソプロピルチオキサントン、２−クロロ−７−トリフルオロメチルチオキサントン、チオキサントン−１０，１０−ジオキシド、チオキサントン−１０−オキサイド等のチオキサントン誘導体；カンファーキノン、ナフトキノン類、アントラキノン類等のキノン誘導体；９，１０−ジエトキシアントラセン、９，１０−ジプロポキシアントラセン、９，１０−ジブトキシアントラセン等のアントラセン誘導体などが挙げられる。ただし、これらの例示以外のものであっても、本発明の主旨を逸脱しないものであれば使用できる。

光吸収剤の添加量は、吐出口形成時の基板面からの反射光を抑制できる量とすればよい。

第一のインク流路パターンを構成する材料は、波長３６５ｎｍにおいて０．１以上２．０以下の吸光度を有することが好ましい。吸光度が０．１未満であると、吐出口形成時の基板面からの反射光の抑制効果が小さい。吸光度が２．０を超えると、第一の溶解可能な樹脂の感度が極端に低下し、その樹脂を除去するのが困難になるおそれがある。第一のインク流路パターンを構成する材料は、波長３６５ｎｍにおいて０．４以上１．２以下の吸光度を有することがより好ましい。

ここで、第一のインク流路パターンは、基板の、その上方からみて吐出口が形成される領域を被覆するように形成する。すなわち、第一のインク流路パターンは、吐出口形成時の基板面からの反射光を抑制することが目的であるため、少なくとも吐出口が形成される領域を被覆するように形成する。なお、第一のインク流路パターンは第二のインク流路パターンで被覆されることとなるので、第一のインク流路パターンを形成する領域は、第二のインク流路パターンを形成する領域内とする。

なお、第一のインク流路パターンは、単層に限定されるものではない。第一のインク流路パターンを光吸収剤の添加量が異なる多層により形成しても良い。また、第一のインク流路パターン内に光吸収剤を含まない層を含んでも良い。

第一のインク流路パターンの形成は、例えば、第一の溶解可能な樹脂と光吸収剤とを含む塗布液を基板の上に塗布して被膜とし、その被膜をパターニングすることで行うことができる。パターニングは、例えば、第一のインク流路パターンとなる部分以外を露光し、溶解除去することで行うことができる。第一のインク流路パターンの厚さは、０．１〜２０μｍとすることが好ましい。

次いで、第一のインク流路パターンを被覆するように、第二の溶解可能な樹脂を含み光吸収剤を含まない第二のインク流路パターンを形成する（工程（ｂ））。第二の溶解可能な樹脂としては、上述の第一の溶解可能な樹脂と同様のものを用いることができる。

ただし、第二のインク流路パターンを形成するにあたり、光吸収剤は用いない。光吸収剤を添加することにより、第二の溶解可能な樹脂のパターニング特性が低下する。そこで、本発明では、光吸収剤を含む第一のインク流路パターンを、光吸収剤を含まない第二の溶解可能な樹脂で被覆する。こうすることで、その第二の溶解可能な樹脂のパターニング特性を維持することができる。

第二のインク流路パターンの形成は、例えば、第二の溶解可能な樹脂を含み光吸収剤を含まない塗布液を、第一のインク流路パターンが形成された基板の上に塗布して被膜とし、その被膜をパターニングすることで行うことができる。パターニングは、例えば、第二のインク流路パターンとなる部分以外を露光し、溶解除去することで行うことができる。第二のインク流路パターンの厚さは、第一のインク流路パターンが形成された位置において、１〜３０μｍとすることが好ましい。

次いで、第二のインク流路パターンを被覆するように、ノズル形成材料層を形成し（工程（ｃ））、ノズル形成材料層に吐出口を形成する（工程（ｄ））。ノズル形成材料層を形成するノズル形成材料としては、例えば特許文献３に記載されている一般的な材料であるエポキシ樹脂のカチオン重合硬化物を使用することができる。エポキシ樹脂のカチオン重合硬化物は、通常の酸無水物若しくはアミンによる硬化物に比較して、高い架橋密度（高Ｔｇ）を有するため、構造材として優れた特性を示す。又、常温にて固体状のエポキシ樹脂を用いることで、光照射によりカチオン重合開始材より発生した重合開始種のエポキシ樹脂中への拡散が抑制され、優れたパターニング精度、形状を得ることができる。

固体状のエポキシ樹脂としては、ビスフェノールＡとエピクロヒドリンとの反応物のうち分子量がおよそ９００以上のもの、含ブロモスフェノールＡとエピクロヒドリンとの反応物、フェノールノボラック若しくはｏ−クレゾールノボラックとエピクロヒドリンとの反応物、特開昭６０−１６１９７３号公報、特開昭６３−２２１１２１号公報、特開昭６４−９２１６号公報、特開平２−１４０２１９号公報等に記載のオキシシクロヘキサン骨格を有する多官能エポキシ樹脂等が挙げられる。

又、上述のエポキシ樹脂においては、好ましくはエポキシ当量が２０００以下、さらに好ましくはエポキシ当量が１０００以下の化合物が好適に用いられる。これは、エポキシ当量が２０００を超えると、硬化反応の際に架橋密度が低下し、硬化物のＴｇ若しくは熱変形温度が低下したり、密着性、耐インク性に問題が生じる場合があるからである。

上記エポキシ樹脂を硬化させるための光カチオン重合開始剤としては、芳香族ヨードニウム塩、芳香族スルホニウム塩［Ｊ．ＰＯＬＹＭＥＲ ＳＣＩ：Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｎｏ．５６ ３８３−３９５（１９７６）参照］や、旭電化工業株式会社より上市されている商品名ＳＰ−１５０、ＳＰ−１７０、ＳＰ−１７２等が挙げられる。

さらに、必要に応じて以下の添加剤を加えることが可能である。例えば、エポキシ樹脂の弾性率を下げる目的で可撓性付与剤を添加したり、基板との更なる密着力を得るために、シランカップリング剤を添加すること等が挙げられる。

ノズル形成材料層の形成は、例えば、上記のようなノズル形成材料を含む塗布液を、第二のインク流路パターンが形成された基板の上に塗布することで行うことができる。ノズル形成材料層の厚さは、第二のインク流路パターンが形成された位置において、１〜１００μｍとすることが好ましい。

ノズル形成材料層への吐出口の形成は、例えば、吐出口となる部分以外を露光して硬化させ、その後に現像することで行うことができる。吐出口の大きさは、φ１〜１００μｍとすることが好ましい。

そして、第一のインク流路パターンおよび第二のインク流路パターンを溶解除去して、インク流路を形成する（工程（ｅ））。インク流路の形成は、例えば、ポジ型感光性材料を用いた場合、上方からポジ型感光性材料の感光波長の光を全面露光して、第一のインク流路パターンおよび第二のインク流路パターンを溶解除去することで行うことができる。

なお、基板の裏面には、必要に応じて、シリコン異方性エッチング等の手法でインク供給口を形成することができる。また、ノズル形成材料層を完全に硬化させるために加熱処理をすることもできる。

以上の工程により、エネルギー発生素子が形成された基板の上に、インク流路および吐出口が形成されたノズル形成材料層を有するインクジェット記録ヘッドが得られる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る実施態様例を詳細に説明する。

（実施例１）
実施例１では、第一および第二の溶解可能な樹脂としてポリメチルイソプロペニルケトン、光吸収剤として２−ヒドロキシ−４−メトキシベンゾフェノンを用いて、インクジェット記録ヘッドを製造した。具体的な製造方法は以下のとおりである。

まず、図２に示すように、Ｓｉウエハからなる基板１の上に、エネルギー発生素子として電熱変換素子２を複数個配置した。電熱変換素子２には、その素子を動作させるための制御信号入力電極（不図示）が接続されている。さらに、図３に示すように、Ｓｉウエハ基板１の上に、インク供給口形成マスク３、保護膜４およびキャビテーション保護膜５を形成した。なお、図３は、図２のＡ−Ａ’面で切断した場合の模式的断面図であり、以下の工程においても同様の模式的断面図により説明する。

次いで、保護膜４の上に、光吸収剤を添加したポリメチルイソプロペニルケトン溶液をスピンコートし、１２０℃で６分間ベークすることで、図４に示すように第一のインク流路パターンとなる層６’を形成した。なお、光吸収剤の添加量は、ポリメチルイソブチルケトン１００質量部に対して５質量部とした。第一のインク流路パターンとなる層６’の膜厚は５μｍであり、第一のインク流路パターンとなる層６’の紫外光の波長３６５ｎｍにおける吸光度は０．８であった。その後、ウシオ電機（株）社製ＵＸ３０００（商品名）にて６Ｊ／ｃｍ²でパターン露光し、ＭＩＢＫにより現像し、ＩＰＡによりリンスすることで、図５に示すように第一のインク流路パターン６を形成した。なお、第一のインク流路パターン６は、図１に示すように、基板１の上方からみて吐出口９を形成する領域を被覆し、かつ第二のインク流路パターン７を形成する領域内とした。

次いで、基板１の上に、光吸収剤を添加していないポリメチルイソプロペニルケトン溶液をスピンコートし、１２０℃で６分間ベークすることで、第二のインク流路パターンとなる層を形成した。第二のインク流路パターンとなる層の膜厚は、第一のインク流路パターン６が形成された位置において１５μｍであった。その後、ウシオ電機（株）社製ＵＸ３０００（商品名）にて２０Ｊ／ｃｍ²でパターン露光し、ＭＩＢＫにより現像し、ＩＰＡによりリンスすることで、図６に示すように第二のインク流路パターン７を形成した。なお、図１に示すように、第二のインク流路パターン７は、先に形成した第一のインク流路パターン６を被覆している。

次いで、表１の樹脂組成物を適当な溶媒に溶解させた溶液を、基板１の上にスピンコートし、９０℃で３分間ベークすることで、ノズル形成材料層８を形成した。ノズル形成材料層８の膜厚は、第二のインク流路パターン７が形成された位置において５μｍであった。次いで、ｃａｎｏｎ（株）製ｉ線露光装置を用いて波長３６５ｎｍの光により５５００Ｊ／ｍ²でパターン露光し、９０℃で４分間加熱後、ＭＩＢＫによる現像することで、図７に示すように吐出口９を形成した。吐出口の大きさは、φ１０μｍとした。

次いで、基板１をＳｉ異方性エッチングして、図８に示すようにインク供給口１０を形成した。その後、ウシオ電機（株）社製ＵＸ３０００（商品名）にて紫外光全面照射し、インク供給口１０の上の保護膜４、第一のインク流路パターン６および第二のインク流路パターン７を溶解除去した。さらに、ノズル形成材料層８を構成するエポキシ樹脂を完全に硬化させるために、２００℃で１時間加熱を行うことで、図９に示すようにインクジェット記録ヘッドを得た。

得られたインクジェット記録ヘッドをプリンタに搭載し、吐出および記録評価を行ったところ、良好な画像記録が可能であった。

（実施例２〜４）
実施例２〜４では、光吸収剤の使用量を調整して、第一のインク流路パターンとなる層６’の吸光度を表２の値にしたこと以外は、実施例１と同様に実施した。なお、光吸収剤の添加量は、ポリメチルイソブチルケトン１００質量部に対して１．３質量部（実施例２）、７．５質量部（実施例３）、１８．８質量部（実施例４）とした。

得られたインクジェット記録ヘッドをプリンタに搭載し、吐出および記録評価を行ったところ、良好な画像記録が可能であった。なお、実施例２で得られたインクジェット記録ヘッドでは、わずかに吐出口が変形しているのが確認されたが、性能的には問題なかった。また、実施例４では、第一のインク流路パターンの除去のため、露光量を大きくする必要があった。

（比較例１）
比較例１では、光吸収剤を用いなかったこと以外は、実施例１と同様に実施した。得られたインクジェット記録ヘッドをプリンタに搭載し、吐出および記録評価を行ったところ、画像が乱れてしまった。

第一のインク流路パターンと、第二のインク流路パターンと、吐出口との位置関係を示す模式的上面図である。 エネルギー発生素子が形成された基板を示す模式的斜視図である。 図２の基板のＡ−Ａ’切断面を示す模式的断面図である。 基板の上に第一のインク流路パターンとなる層を形成した状態を示す模式的断面図である。 基板の上に第一のインク流路パターンを形成した状態を示す模式的断面図である。 基板の上に第二のインク流路パターンを形成した状態を示す模式的断面図である。 ノズル形成材料層に吐出口を形成した状態を示す模式的断面図である。 基板の裏面にインク供給口を形成した状態を示す模式的断面図である。 第一のインク流路パターンおよび第二のインク流路パターンを溶解除去して得られ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 電熱変換素子
３ インク供給口形成用マスク
４ 保護膜
５ キャビテーション保護膜
６’ 第一のインク流路パターンとなる層
６ 第一のインク流路パターン
７ 第二のインク流路パターン
８ ノズル形成材料層
９ 吐出口
１０ インク供給口

Claims (4)

1. エネルギー発生素子が形成された基板の上に、インク流路及び吐出口が形成されたノズル形成材料層を有するインクジェット記録ヘッドの製造方法であって、
   （ａ）前記基板の、その上方からみて前記吐出口が形成される領域を被覆するように、第一の溶解可能な樹脂と光吸収剤とを含む第一のインク流路パターンを形成する工程と、
   （ｂ）前記第一のインク流路パターンを被覆するように、第二の溶解可能な樹脂を含み光吸収剤を含まない第二のインク流路パターンを形成する工程と、
   （ｃ）前記第二のインク流路パターンを被覆するように、ノズル形成材料層を形成する工程と、
   （ｄ）前記ノズル形成材料層に前記吐出口を形成する工程と、
   （ｅ）前記第一のインク流路パターンおよび前記第二のインク流路パターンを溶解除去して、前記インク流路を形成する工程と
   を有することを特徴とするインクジェット記録ヘッドの製造方法。
2. 前記第一の溶解可能な樹脂および前記第二の溶解可能な樹脂が、ポジ型感光性樹脂であることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。
3. 前記第一のインク流路パターンを構成する材料が、波長３６５ｎｍにおいて０．１以上２．０以下の吸光度を有することを特徴とする請求項１または２に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の製造方法により製造されることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。

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