JP2009233955A - 微細構造体の製造方法及び液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】近年のインクジェットプリンターなどに要望される高画質化、高精細化を達成できる高密度な微細構造を有する液体吐出ヘッドを安価に形成できる製造方法を提供する。
【解決手段】基板上に、有機樹脂材料からなる有機樹脂層を形成する工程と、レンズを用いて集光した、パルス幅が２ピコ秒以上、２０ピコ秒以下の短パルスレーザー光を、前記有機樹脂層の上方から照射して、前記短パルスレーザー光の照射領域に存在する前記有機樹脂材料を除去する工程と、前記短パルスレーザー光の焦点を３次元方向に走査することで、前記有機樹脂層に３次元構造を有する空洞を形成する工程とを有する微細構造体の製造方法を利用して、吐出口及び流路を構成する空洞を形成する。
【選択図】図１
【解決手段】基板上に、有機樹脂材料からなる有機樹脂層を形成する工程と、レンズを用いて集光した、パルス幅が２ピコ秒以上、２０ピコ秒以下の短パルスレーザー光を、前記有機樹脂層の上方から照射して、前記短パルスレーザー光の照射領域に存在する前記有機樹脂材料を除去する工程と、前記短パルスレーザー光の焦点を３次元方向に走査することで、前記有機樹脂層に３次元構造を有する空洞を形成する工程とを有する微細構造体の製造方法を利用して、吐出口及び流路を構成する空洞を形成する。
【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液体吐出ヘッドの製造方法に関する。特に本発明は、高画質を可能とする微小な液滴を安定して吐出し、更に高速記録を実現できる流路形状を有する液体吐出ヘッドの製造方法に関する。
インク等の記録液を吐出して記録を行うインクジェット記録方式（液体吐出記録方式）に適用される液体吐出ヘッドは、一般に、液流路、液体吐出エネルギー発生部、及び微細な記録液吐出口（以下、「オリフィス」と呼ぶ）とを備えている。液体吐出エネルギー発生部は、液流路の一部に設けられている。記録液吐出口は、液流路の液体を液体吐出エネルギー発生部の熱エネルギーによって吐出するために設けられている。
従来、このような液体吐出ヘッドを作製する方法としては、例えば、次のような方法が挙げられる。
（１）まず、液体吐出用の熱エネルギーを発生するヒーター及びこれらヒーターを駆動するドライバー回路等の形成した素子基板にインク供給のための貫通孔を形成する。その後、感光性ネガレジストにてインク流路の壁となるパターン形成を行い、これに、電鋳法やエキシマレーザー加工によりインク吐出孔を形成したプレートを接着して製造する方法。
（２）上記製法と同様に形成した素子基板を用意し、接着層を塗布した樹脂フィルム（通常はポリイミドが好適に使用される）にエキシマレーザーにてインク流路及びインク吐出孔を加工する。次いで、この加工した液流路構造体プレートと前記素子基板とを熱圧を付与して貼り合わせる方法。
（１）まず、液体吐出用の熱エネルギーを発生するヒーター及びこれらヒーターを駆動するドライバー回路等の形成した素子基板にインク供給のための貫通孔を形成する。その後、感光性ネガレジストにてインク流路の壁となるパターン形成を行い、これに、電鋳法やエキシマレーザー加工によりインク吐出孔を形成したプレートを接着して製造する方法。
（２）上記製法と同様に形成した素子基板を用意し、接着層を塗布した樹脂フィルム（通常はポリイミドが好適に使用される）にエキシマレーザーにてインク流路及びインク吐出孔を加工する。次いで、この加工した液流路構造体プレートと前記素子基板とを熱圧を付与して貼り合わせる方法。
上記の製法による液体吐出ヘッドでは、高画質記録のために微小液滴の吐出を可能にするため、吐出量に影響を及ぼすヒーターと吐出口間の距離をできるだけ短くしなければならない。そのために、インク流路高さを低くしたり、インク流路の一部であって液体吐出エネルギー発生部と接する気泡発生室としての吐出チャンバーや、吐出孔のサイズを小さくしたりする必要もある。すなわち、上記製法のヘッドで微小液滴を吐出可能にするには、基板上に積層する液流路構造体の薄膜化が必要とされる。しかし、薄膜の液流路構造体プレートを高精度で加工して基板に貼り合わせることは極めて困難である。
これら製法の問題を解決するため、特許文献１では、次のようなインクジェットヘッドの製法（以下、「注型法」とも略して記する。）を開示している。まず、液体吐出エネルギー発生素子を形成した基板上に感光性材料にてインク流路の型をパターンニングする。次いで、型パターンを被覆するように前記基板上に被覆樹脂層を塗布形成し、該被覆樹脂層に前記インク流路の型に連通するインク吐出孔を形成する。その後、型に使用した感光性材料を除去する。この製造方法では、感光性材料としては、除去の容易性の観点からポジ型レジストが用いられている。また、この製法によると、半導体のフォトリソグラフィーの手法を適用しているので、インク流路、吐出孔等の形成に関して極めて高精度で微細な加工が可能である。しかし、該半導体の製造方法を適用した製法においては基本的には、インク流路及び吐出口近傍の形状変更は素子基板と平行な２次元方向での変更に限定されてしまう。すなわち、インク流路及び吐出口の型に感光性材料を用いることにより、感光材層を部分的に多層化することができず、インク流路等の型において高さ方向に変化をつけた所望のパターンが得られない（素子基板からの高さ方向の形状が一様に限定されてしまう）。その結果、高速で安定した吐出を実現するためのインク流路設計の足かせとなってしまう。
一方、特許文献２では、液流路構造体のエキシマレーザー加工に際して、レーザーマスクの不透明度を部分的に変化せしめて樹脂フィルムの加工深さを制御することを開示している。この方法によれば、３次元方向、すなわち素子基板と平行な面内方向と該素子基板からの高さ方向でのインク流路の形状変更を実現することができる。このようなレーザー加工での深さ方向の制御は原理的には可能である。しかし、これら加工に用いられるエキシマレーザーは、半導体の露光に使用されるエキシマレーザーと異なり、広帯域にて高い輝度のレーザーが使用され、レーザー照射面内での照度のバラツキを抑えてレーザー照度の安定化を実現することは非常に難しい。特に高画質のインクジェットヘッドにおいては、各吐出ノズル相互での加工形状のバラツキによる吐出特性の不均一は画像のムラとなって認識され、加工精度の向上を実現することが大きな課題となる。更に、レーザー加工面に付くテーパーにより微細なパターン形成ができない場合が多い。
また、特許文献３では、基板上にネガ型レジストの第一層を形成した後所望のパターンを潜像し、更に第一層上にネガ型レジストの第二層を被覆した後に該第二層のみに所望のパターンを潜像し、最後に上下各層のパターン潜像を現像する方法が開示されている。この方法において、使用する上下２層のネガ型レジストはそれぞれ感応波長域を変えたものを用いる。例えば、上下の両方のレジストが紫外線（ＵＶ）に感応するもの、あるいは、ネガ型上層レジストは紫外線（ＵＶ）に感応するもので、ネガ型下層レジストはｄｅｅｐ−ＵＶ、電子線、又はＸ線等の電離放射線に感応するものなどである。この方法によると、感応波長領域の異なる上下２層のネガ型レジストを用いることで、基板と平行な方向に関してのみならず基板からの高さ方向に関しても形状を変えたパターン潜像を形成することができる。
特公平６−４５２４２号公報
特開平１０−２９１３１７号公報
特開平４−２１６９５２号公報
しかし、特許文献３に記載の方法では、吐出口と流路を別工程によって形成しなければならず、コスト増を招いていた。また、近年のインクジェットプリンターなどでは更なる高画質化、高精細化を達成するために、吐出口のサイズや、流路の幅及びその間隔（ピッチ）を従来に比べて更に小さくして高密度な微細構造を形成する要望も強い。
本発明は、以上のような局面に鑑みてなされたもので、近年のインクジェットプリンターなどに要望される高画質化、高精細化を達成できる高密度な微細構造を有する液体吐出ヘッドを安価に形成できる製造方法の提供を目的としている。
本発明者等は上記問題点に対して鋭意研究の結果、以下の方法により上記問題点を解決できることを見出した。
本発明は、基板上に、有機樹脂材料からなる有機樹脂層を形成する工程と、レンズを用いて集光した、パルス幅が２ピコ秒以上、２０ピコ秒以下の短パルスレーザー光を、前記有機樹脂層の上方から照射して、前記短パルスレーザー光の照射領域に存在する前記有機樹脂材料を除去する工程と、前記短パルスレーザー光の焦点を３次元方向に走査することで、前記有機樹脂層に３次元構造を有する空洞を形成する工程とを有することを特徴とする微細構造体の製造方法である。
また、本発明は、液滴を吐出させるためのエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子が設けられた素子基板と、前記素子基板の一方の面に接合された有機樹脂層とを備え、前記有機樹脂層には、液滴を吐出する吐出口及び前記吐出口に液体を供給する流路を構成する空洞が形成されている液体吐出ヘッドの製造方法において、前記素子基板上に、有機樹脂材料からなる前記有機樹脂層を形成する工程と、レンズを用いて集光した、パルス幅が２ピコ秒以上、２０ピコ秒以下の短パルスレーザー光を、前記有機樹脂層の上方から照射して、前記短パルスレーザー光の照射領域に存在する前記有機樹脂材料を除去する工程と、前記短パルスレーザー光の焦点を３次元方向に走査することで、前記有機樹脂層に３次元構造を有する空洞を形成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。
本発明によれば、高画質化、高精細化を達成できる高密度な微細構造を有する液体吐出ヘッドを安価に製造することができる。更に、素子基板上に有機樹脂層を形成後に、短パルスレーザー光によって吐出口と流路を形成するために、有機樹脂層の解像性や熱硬化特性に左右されずに、材料を選択できるので、汎用性の有機樹脂層を選ぶことができる。更に、前記有機樹脂層は、平坦な基板上（回路パターンサイズの凹凸しかない）に塗布・硬化して形成できるために、オリフィス層の平坦性も、向上し、液体吐出ヘッド内の多数のオリフィスから飛翔する液滴の体積変化が少なくなる。
近年、インクジェット記録ヘッドは、インク以外に、薬液等の溶液を用いたバイオチップ作製や電子回路印刷の他、薬剤吐出用の医療用途にも使用される場合があり、液体吐出ヘッドとして説明を行う。
本発明により製造される液体吐出ヘッドは、図１〜６に示すように、複数の吐出口１０２とそれに連通する複数の流路１０３とが１対１に対応して配置されており、該複数の流路１０３が、１つの大きな供給口１０５と連通されている。図１〜３では、複数の吐出口１０２と、吐出口１０２に１対１で連通する流路１０３が、１つの大きな供給口１０５をはさんで、１列に配置されている。図１〜３では、複数の吐出口１０２と、吐出口１０２に１対１で連通する流路１０３が、約４２μｍピッチ（６００ｄｐｉ）で配列されており、それらが大きな供給口１０５をはさんで千鳥配置になっている。すなわち、面内では、約２１μｍピッチ（１２００ｄｐｉ）で配置されている。また、図４〜６では、複数の吐出口１０２と、吐出口１０２に１対１で連通する流路１０３が、約２１μｍピッチ（１２００ｄｐｉ）で配列されており、それらが大きな供給口１０５をはさんで、千鳥配置になっている。すなわち、面内では、約１１μｍピッチ（２４００ｄｐｉ）で配置されている。
本発明の微細構造体の製造方法は、以下の工程を有する。
（１）基板上に、有機樹脂材料からなる有機樹脂層を形成する工程。
（２）レンズを用いて集光した、パルス幅が２ピコ秒以上、２０ピコ秒以下の短パルスレーザー光を、前記有機樹脂層の上方から照射して、前記短パルスレーザー光の照射領域に存在する前記有機樹脂材料を除去する工程。
（３）前記短パルスレーザー光の焦点を３次元方向に走査することで、前記有機樹脂層に３次元構造を有する空洞を形成する工程。
（１）基板上に、有機樹脂材料からなる有機樹脂層を形成する工程。
（２）レンズを用いて集光した、パルス幅が２ピコ秒以上、２０ピコ秒以下の短パルスレーザー光を、前記有機樹脂層の上方から照射して、前記短パルスレーザー光の照射領域に存在する前記有機樹脂材料を除去する工程。
（３）前記短パルスレーザー光の焦点を３次元方向に走査することで、前記有機樹脂層に３次元構造を有する空洞を形成する工程。
そして、この方法を利用して、液滴を吐出させるためのエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子が設けられた素子基板と、前記素子基板の一方の面に接合された有機樹脂層とを備えている液体吐出ヘッドを製造する。具体的には、上記の方法を利用して、有機樹脂層に、液滴を吐出する吐出口及び前記吐出口に液体を供給する流路を構成する空洞を形成する。更に、前記素子基板の裏面から前記流路に連通するように、供給室を形成する。
前記短パルスレーザー光の波長帯は２００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であることが好ましい。また、前記有機樹脂材料は、前記短パルスレーザー光の波長帯において２０％を超えない吸収を有することが好ましい。
前記有機樹脂材料は、短パルスレーザー光の波長帯における吸光度Ａが、０＜Ａ＜１０を満たすことが好ましい。なお、吸光度Ａは、下記式：
（Ｉ0：入射光強度、Ｉ：透過光強度、α：吸光係数、Ｌ：有機樹脂層の厚さ）
で表されるものである。
で表されるものである。
前記有機樹脂層の厚さＬは、１０μｍ＜Ｌ＜１．０ｍｍを満たすことが好ましい。
ここで、前記有機樹脂層の表面に開口する空洞を形成する際には、開口数（ＮＡ）≧０．３のレンズを用い、前記有機樹脂層の内部に空洞を形成する際には、開口数（ＮＡ）≧０．５のレンズを用いることが好ましい。
また、前記短パルスレーザー光の、単位面積当たり、単位発振パルス時間当たりのエネルギーをＥ（単位［Ｊ／ｃｍ2／ｐｕｌｓｅ］）とした場合、次の条件で照射することが好ましい。すなわち、前記有機樹脂層の表面に開口する空洞を形成する際には、０．１＜Ｅ＜５０の条件で前記短パルスレーザー光を照射し、前記有機樹脂層の内部に空洞を形成する際には、０．１＜Ｅ＜５００の条件で前記短パルスレーザー光を照射することが好ましい。
本発明では、まず、液滴を吐出させるためのエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子と、吐出エネルギー発生素子が設けられた素子基板上に、所望の厚膜の有機樹脂層を平坦に形成する。その後に、短パルスレーザー光を用いて、多光子吸収を用いたレーザアブレーションプロセスにより、吐出口と流路を同一工程によって形成することが可能になる。更に、近年のレーザー発振器、及び、光学材料・設計の進歩によって、レーザー光のビーム径も、数μｍ（Φ５μｍ以下）に集光することができ、且つ、レーザー加工機の３軸制御も、サブμｍ以下の高精度で走査できるようになってきた。その結果、形成される吐出口のサイズも１．０μｍ〜１００μｍまで任意に形成でき、且つ、流路の幅や流路間隔（ピッチ）も従来に比べて更に高密度に形成することができる。
本発明では、高密度に配置された液体吐出ヘッドを、高精度で、且つ、低コストで、且つ、高い信頼性のある製造方法によって形成することができる。
（実施例１）
実施例１の液体吐出ヘッドのノズル形状を図１〜３に示す。液滴を吐出させるためのエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子１０１（以下、「ヒーター」と呼ぶ）設けられた素子基板１００上に、複数の吐出口１０２と複数の流路１０３とが１対１に対応して連通している。そして、該複数の流路１０３が、大きな供給室１０５に連通している。前記流路１０３と前記供給室１０５が連通する近傍には、ノズルフィルター１０４が配置されている。これは、ヒーター１０１上で発生した気泡によって吐出口１０２から飛翔したインク液滴を補充するために供給室１０５から充填されるインク中に含まれるゴミなどが、前記流路１０３や吐出口１０２に詰まってしまい、不吐出の要因になるのを防ぐためである。
実施例１の液体吐出ヘッドのノズル形状を図１〜３に示す。液滴を吐出させるためのエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子１０１（以下、「ヒーター」と呼ぶ）設けられた素子基板１００上に、複数の吐出口１０２と複数の流路１０３とが１対１に対応して連通している。そして、該複数の流路１０３が、大きな供給室１０５に連通している。前記流路１０３と前記供給室１０５が連通する近傍には、ノズルフィルター１０４が配置されている。これは、ヒーター１０１上で発生した気泡によって吐出口１０２から飛翔したインク液滴を補充するために供給室１０５から充填されるインク中に含まれるゴミなどが、前記流路１０３や吐出口１０２に詰まってしまい、不吐出の要因になるのを防ぐためである。
図１〜３に示した液体吐出ヘッドの製造工程を、図７に示している。
まず、図７（ａ）に示すように、ヒーター２０１が設けられた素子基板であるシリコン基板２００の裏面に、酸化膜２０３を形成した。そして、前記素子基板２００の両面には、高温硬化型の材料（例えば、日立化成製のＨＩＭＡＬ（商品名））である有機膜２０２を、厚さ２μｍで形成した。なお、ヒーター２０１が形成されている面側にパターンを形成した有機膜２０２は、その後形成するノズル材料と素子基板との密着力を強化させる密着向上層として機能する。又、ヒーター２０１が形成されている面の裏面側にパターンを形成した有機膜２０２は、その後形成する供給室をアルカリ性のエッチング液に長時間浸漬する際の保護膜として機能する。
次に、図７（ｂ）で示すように、前記素子基板２００上に有機樹脂材料を塗布して、有機樹脂層２０４を２５μｍ厚で形成した。前記膜厚での有機樹脂層の吸光度Ａは、０．００１（１０６４ｎｍ），０．７（３５５ｎｍ）であった。塗布した有機樹脂材料は、特開平６−２８６１４９号公報に記載されるエポキシ樹脂を主たる構成材料とする感光性材料である。前記有機樹脂材料は、特開平６−２８６１４９号公報に記載されるように、常温にて固体状のエポキシ樹脂と光照射によりカチオンを発生するオニウム塩を主成分とする材料であり、ネガ型の特性を有している。なお、本発明では、ネガ特性は必須ではないので、ポジ型のレジスト特性を有していても構わない。ここでは、以下の成分からなる組成物を有機樹脂材料として用い、塗布溶剤としてのキシレン５０部に溶解したものを塗布液として用いた。
・ＥＨＰＥ−３１５０（商品名、ダイセル化学工業（株）製） ５０重量部
・ＳＰ−１７２（商品名、旭電化工業（株）製、光カチオン重合開始剤） １重量部
・Ａ−１８７（商品名、日本ユニカー（株）製、シランカップリング剤） ２．５重量部
塗布はスピンコートにて行い、プリベークはホットプレートにて９０℃、３分間行った。
・ＥＨＰＥ−３１５０（商品名、ダイセル化学工業（株）製） ５０重量部
・ＳＰ−１７２（商品名、旭電化工業（株）製、光カチオン重合開始剤） １重量部
・Ａ−１８７（商品名、日本ユニカー（株）製、シランカップリング剤） ２．５重量部
塗布はスピンコートにて行い、プリベークはホットプレートにて９０℃、３分間行った。
その後、不図示ではあるが、撥水性被膜を形成するための撥水性材料を連続して塗布しても良い。撥水性材料としては、特開２０００−３２６５１５号公報に記載されている、
・ＥＨＰＥ−３１５８（商品名、ダイセル化学工業（株）製） ３４重量部
・２，２−ビス（４−グリシジルオキシフェニル）ヘキサフロロプロパン ２５重量部
・１，４−ビス（２−ヒドロキシヘキサフロロイソフ゜ロピル）ベンゼン ２５重量部
・３−（２−パーフルオロヘキシル）エトキシ−１、２−エポキシプロパン １６重量部
・Ａ−１８７（商品名、日本ユニカー（株）製） ４重量部
・ＳＰ−１７０（商品名、旭電化工業（株）製） １．５重量部
ジエチレングリコールモノエチルエーテル ２００重量部
からなる感光性撥水材を用いることができる。
・ＥＨＰＥ−３１５８（商品名、ダイセル化学工業（株）製） ３４重量部
・２，２−ビス（４−グリシジルオキシフェニル）ヘキサフロロプロパン ２５重量部
・１，４−ビス（２−ヒドロキシヘキサフロロイソフ゜ロピル）ベンゼン ２５重量部
・３−（２−パーフルオロヘキシル）エトキシ−１、２−エポキシプロパン １６重量部
・Ａ−１８７（商品名、日本ユニカー（株）製） ４重量部
・ＳＰ−１７０（商品名、旭電化工業（株）製） １．５重量部
ジエチレングリコールモノエチルエーテル ２００重量部
からなる感光性撥水材を用いることができる。
なお、撥水性被膜の形成は、ラミネートにより実施することも可能である。本発明では、撥水性被膜の感光性は必須ではないので、非感光性材料の撥水材料を塗布して撥水性被膜を形成しても良い。
露光は、キヤノン製マスクアライナーＭＰＡ−６００ＦＡ（商品名）を使用し、３Ｊ／ｃｍ2で行った。その際、マスクは不要であるので、パターンのないブランクマスクを使用して全面を露光した。但し、不図示ではあるが、ウェハ内のダイシング（切断）領域や、有機樹脂層が不要な領域は、マスクを使って除くことができる。その場合は、現像工程として、キシレンに６０秒間浸漬して行った。その後、本硬化工程として、２００℃、１時間のキュアを行った。
次に、図示しないが、有機樹脂層２０４上に、有機樹脂層２０４をアルカリ溶液から保護するために、環化イソプレンを塗布した。この材料は、東京応化工業社よりＯＢＣの商品名で上市される材料を用いた。その後、図７（ｃ）に示すように、シリコン基板２００を、テトラメチルアンモニウムハイドライド（ＴＭＡＨ）２２重量％溶液に８３℃で１６時間浸漬し、インク供給のための供給室（インク供給口）２０５を形成した。なお、インク供給口２０５形成のためにマスク及びメンブレンとして使用した窒化シリコンはシリコン基板２００に予めパターニングしてある。このような異方性エッチング後に、シリコン基板２００を裏面が上になるようにドライエッチング装置に装着し、ＣＦ4に５％の酸素を混合したエッチャントにてメンブレン膜を除去した。次いで、シリコン基板２００をキシレンに浸漬して環化イソプレンを除去した。
次に、図７（ｄ）に示すように、短パルスレーザー光のフルエンス（単位面積当たり、単位発振パルス時間当たりのエネルギー）を３１８．５Ｊ／ｃｍ2／ｐｕｌｓｅとして、ＸＹＺ方向に走査しながら短パルスレーザー光を照射した。この時使用した短パルスレーザー発振器は、Ｌｕｍｅｒａ社製：Ｈｙｐｅｒ Ｒａｐｉｄ（商品名）を使用し、次の条件で、レーザー発振をさせた。レーザー波長：１０６４ｎｍ、出力：５０Ｗ、繰り返し周波数：２００ｋＨｚ、パルスエネルギー：２５０μＪ、パルス幅：１０ｐｓ、ピーク出力：２５０００ｋＷ、ビーム品質：１．１であった。この時、開口数（ＮＡ）が０．５のレンズを使用し、集光面でのスポット径は、Φ１．０μｍであった。その結果、有機樹脂層２０４の流路２０６に相当する領域を構成する有機樹脂材料の分子結合を切断し、大半はガス化（アブレーション加工）し、一部が低分子状態で残っていた。空洞領域の形成にあたっては、ＮＡを出来る限り大きく取って、Ｚ軸方向（高さ方向）の焦点振動を出来る限り浅くし、照射する短パルスレーザ光のフルエンスを大きく取ることで、レーザー光の焦点領域での分子励起領域を出来る限り狭くする。こうすることで、１パルス当たりでの分子結合を切断、もしくは、ガス化する領域を狭くすることができ、ＸＹＺ方向での高精度の加工が可能になる。前記の結果、流路幅：２５μｍ、流路ピッチ：４２μｍ（６００ｄｐｉ）、流路高さ：１５μｍの領域の前記有機樹脂層で、分子結合の切断、もしくは、ガス化を行った。
次に、図７（ｅ）に示すように、短パルスレーザー光のフルエンスを３１．８Ｊ／ｃｍ2／ｐｕｌｓｅとして、開口数（ＮＡ）が０．３のレンズを使用し、ＸＹＺ方向に走査しながら短パルスレーザー光を照射した。この時使用した短パルスレーザー発振器は、Ｌｕｍｅｒａ社製：Ｈｙｐｅｒ Ｒａｐｉｄ（商品名）を使用し、次の条件で、レーザー発振をさせた。レーザー波長：１０６４ｎｍ、出力：５０Ｗ、繰り返し周波数：５００ｋＨｚ、パルスエネルギー：１００μＪ、パルス幅：１２ｐｓ、ピーク出力：５０００ｋＷ、ビーム品質：１．２であった。集光面でのスポット径は、Φ２．０μｍであった。その結果、有機樹脂層２０４の吐出口２０７に相当する領域を構成する有機樹脂材料の分子結合を切断し、大半はガス化（アブレーション加工）し、一部が低分子状態で残っていた。開口面（吐出口）の加工は、前記空洞領域ほど、Ｚ軸方向での加工精度を考慮する必要がないので、ＮＡは比較的小さくでも良い。つまり、焦点振動を深く取って、分子励起させる領域を大きくさせても、所望の形状を作成する事ができる。但し、集光面のスポット径は、必ず、所望の吐出口サイズよりも小さくしておく必要がある。前記の結果、吐出口径：Φ１５μｍ、吐出口厚さ：１０μｍの円筒形状の領域で、前記有機樹脂層の分子結合の切断、もしくは、ガス化を行った。
前述の図７（ｄ）及び（ｅ）に示した工程における、短パルスレーザー光による加工条件などを、図８を用いて詳細に説明する。図８に示すように、図７（ｄ）及び（ｅ）に示した工程において流路２０６や吐出口２０７を形成するために、短パルスレーザー光１を、集光レンズ２を通して集光して、加工サンプル５に材料片に照射する。そして、必要形状となるように集光された短パルスレーザー光１と加工サンプル５とを相対移動させる。集光された短パルスレーザー光１は、有機樹脂層の照射領域を構成する有機樹脂材料の分子結合を切断し空洞を形成することができる。ここでいう「短パルスレーザー光」とは、２ピコ秒以上、２０ピコ秒以下のパルス幅のパルスレーザー光を指しており、有機樹脂材料の加工に必要な強度の光を簡便に得ることができる点で好ましい。そのパルスエネルギーは０．１μＪ以上であることが望ましい。
更に、所望の３次元構造の空洞を形成するために、有機樹脂層に対して、垂直に集光した超短パルスレーザー光を照射する。集光は開口数（ＮＡ）の高いレンズ、具体的には０．３以上のＮＡを有するレンズで行うことが望ましい。短パルスレーザー光を高いＮＡを有するレンズで集光すると、その焦点付近のみしか除去加工が起こらず、深さ方向の制御が容易に可能となる。この効果を利用して、加工精度の高い３次元構造の空洞を形成する。レンズの焦点がちょうど形成面に位置するように焦点を合わせながら、その焦点が所望の構造体を構成するように走査させる。
このような短パルスレーザー加工装置の概要を、図８（ｂ）に示す。レーザー光１０は、シャッター１１及びＮＤフィルタ１３を通過した後、ミラー１３により方向が変えられ、ビーム整形器１４により整形された後、ステージ１６上に設置された加工サンプル１５に照射される。
以上のような工程により、加工精度が高く、熱影響のない高品質な液体吐出ヘッドのノズル構造を得ることができる。
最後に、前述したように、吐出口２０７や流路２０６の領域に残っている低分子状態で残っている残留物を、現像液を用いて洗浄することで、完全に除いた。それによって、図７（ｆ）で示すよう、液体吐出ヘッドを得ることができた。
図１〜３に示すように、ノズル密度が１列で６００ｄｐｉを有する高密度の液体吐出ヘッドを形成することができた。
（実施例２）
実施例１と同様の方法で作製した、実施例２の液体吐出ヘッドのノズル形状を図４〜６に示す。実施例１と同様の条件で、流路幅：１４μｍ、流路ピッチ：２１μｍ（１２００ｄｐｉ）、流路高さ：１５μｍの領域の前記有機樹脂層で、分子結合の切断、もしくは、ガス化を行った。又、吐出口径（楕円形状）：長手方向が１７μｍで、短手方向に１２μｍで、吐出口厚さ：１０μｍの楕円筒形状の領域で、前記有機樹脂層の分子結合の切断、もしくは、ガス化を行った。図４〜６に示すように、ノズル密度が１列で１２００ｄｐｉに相当する高密度の液体吐出ヘッドを形成することができた。
実施例１と同様の方法で作製した、実施例２の液体吐出ヘッドのノズル形状を図４〜６に示す。実施例１と同様の条件で、流路幅：１４μｍ、流路ピッチ：２１μｍ（１２００ｄｐｉ）、流路高さ：１５μｍの領域の前記有機樹脂層で、分子結合の切断、もしくは、ガス化を行った。又、吐出口径（楕円形状）：長手方向が１７μｍで、短手方向に１２μｍで、吐出口厚さ：１０μｍの楕円筒形状の領域で、前記有機樹脂層の分子結合の切断、もしくは、ガス化を行った。図４〜６に示すように、ノズル密度が１列で１２００ｄｐｉに相当する高密度の液体吐出ヘッドを形成することができた。
（実施例３）
図８に示すようにして、短パルスレーザー光を用いた３次元構造を有する空洞が形成された微細構造体を形成する方法を、図９に示す。
図８に示すようにして、短パルスレーザー光を用いた３次元構造を有する空洞が形成された微細構造体を形成する方法を、図９に示す。
図９（ａ）は、シリコンなど、制御用のＩＣなどを形成するために、半導体技術を応用して形成した基板３０１を示している。但し、基板３０１は、シリコンに限る必要はなく、有機樹脂基板や、ガラスなどの材料でも構わない。
図９（ｂ）に示すように、前記基板３０１上に有機樹脂層３０２を形成する。形成した有機樹脂層の膜厚は、５００μｍであった。前記膜厚での有機樹脂層の吸光度Ａは、０．１（１０６４ｎｍ）であった。有機樹脂層３０２の形成には、ＳＵ８（商品名、Ｍｉｃｒｏ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｒｐ．製）のような感光性のネガ型レジストを使用することができる。また、メッキ作製用に使用されるＮＱＤ系ポジ型レジスト（商品名：ＴＨＢ−６１１Ｐ（ＪＳＲ社製））、アクリル系のネガ型レジスト（商品名：ＴＨＢ−１５１Ｎ（ＪＳＲ社製））などを使用することもできる。また、近年、マイクロフルイディクス（微小流体デバイス）用の材料として多く使用されているＰＤＭＳ樹脂（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）（（Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ社製、商品名：Ｓｙｌｇａｒｄ １８４）を使用しても良い。
次に、図９（ｃ）に示すように、有機樹脂層３０２の表面から、短パルスレーザー光を用いて、開口形状３０３となる部分を形成した。この時使用した短パルスレーザー発振器は、Ｌｕｍｅｒａ社製：Ｓｕｐｅｒ Ｒａｐｉｄ（商品名）を使用し、次の条件で、レーザー発振をさせた。レーザー波長：１０６４ｎｍ、出力：１０Ｗ、繰り返し周波数：５００ｋＨｚ、パルスエネルギー：１０μＪ、パルス幅：１０ｐｓ、ピーク出力：１０００ｋＷ、ビーム品質：１．１であった。集光面でのスポット径は、Φ２０．０μｍであった。そして、短パルスレーザー光のフルエンスを０．２０Ｊ／ｃｍ2／ｐｕｌｓｅとして、開口数（ＮＡ）が０．５のレンズを使用し、ＸＹＺ方向に走査しながら短パルスレーザー光を照射した。前記の条件で、Φ１０μｍ〜Φ８０μｍ、高さ：５０〜１００μｍの円筒形状の領域で、前記有機樹脂層の分子結合の切断、もしくは、ガス化を行った。
次に、図９（ｄ）に示すように、空洞形状３０４となる部分を、短パルスレーザー光を用いて形成した。この時使用した短パルスレーザー発振器は、Ｌｕｍｅｒａ社製：Ｈｙｐｅｒ Ｒａｐｉｄ（商品名）を使用し、次の条件で、レーザー発振をさせた。レーザー波長：１０６４ｎｍ、出力：５０Ｗ、繰り返し周波数：２００ｋＨｚ、パルスエネルギー：２５０μＪ、パルス幅：１０ｐｓ、ピーク出力：２５０００ｋＷ、ビーム品質：１．２であった。集光面でのスポット径は、Φ２．０μｍであった。そして、短パルスレーザー光のフルエンスを７９．６Ｊ／ｃｍ2／ｐｕｌｓｅとして、開口数（ＮＡ）が０．３のレンズを使用し、ＸＹＺ方向に走査しながら短パルスレーザー光を照射した。前記条件で、幅：１０〜１００μｍ、高さ：５〜１５０μｍの領域で、前記有機樹脂層の分子結合の切断、もしくは、ガス化を行った。
そして、図９（ｅ）に示すように、レーザアブレーション加工での残留物がある場合があるので、現像液や洗浄のアルコール液などを使用して洗浄して、最終的に、３次元構造を有する空洞が形成された微細構造体を形成した。
（実施例４）
図８に示すようにして、短パルスレーザー光を用いた３次元構造を有する空洞が形成された微細構造体を形成する方法を、図９に示す。
図８に示すようにして、短パルスレーザー光を用いた３次元構造を有する空洞が形成された微細構造体を形成する方法を、図９に示す。
図９（ａ）は、シリコンなど、制御用のＩＣなどを形成するために、半導体技術を応用して形成した基板３０１を示している。但し、基板３０１は、シリコンに限る必要はなく、有機樹脂基板や、ガラスなどの材料でも構わない。
図９（ｂ）に示すように、前記基板３０１上に有機樹脂層３０２を形成する。形成した有機樹脂層の膜厚は、２００μｍであった。前記膜厚での有機樹脂層の吸光度Ａは５．０（３５５ｎｍ）であった。有機樹脂層３０２の形成には、ＳＵ８（商品名、Ｍｉｃｒｏ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｒｐ．製）のような感光性のネガ型レジストを使用することができる。また、メッキ作製用に使用されるＮＱＤ系ポジ型レジスト（商品名：ＴＨＢ−６１１Ｐ（ＪＳＲ社製））、アクリル系のネガ型レジスト（商品名：ＴＨＢ−１５１Ｎ（ＪＳＲ社製））などを使用することもできる。また、近年、マイクロフルイディクス（微小流体デバイス）用の材料として多く使用されているＰＤＭＳ樹脂（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）（（Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ社製、商品名：Ｓｙｌｇａｒｄ １８４）を使用しても良い。
次に、図９（ｃ）に示すように、有機樹脂層３０２の表面から、短パルスレーザー光を用いて、開口形状３０３となる部分を形成した。この時使用した短パルスレーザー発振器は、Ｌｕｍｅｒａ社製：Ｓｕｐｅｒ Ｒａｐｉｄ（商品名）を使用し、次の条件で、レーザー発振をさせた。レーザー波長：３５５ｎｍ、出力：４Ｗ、繰り返し周波数：５００ｋＨｚ、パルスエネルギー：２μＪ、パルス幅：１０ｐｓ、ピーク出力：２００ｋＷ、ビーム品質：１．１であった。集光面でのスポット径は、Φ２．０μｍであった。そして、短パルスレーザー光のフルエンスを０．６４Ｊ／ｃｍ2／ｐｕｌｓｅとして、開口数（ＮＡ）が０．５のレンズを使用し、ＸＹＺ方向に走査しながら短パルスレーザー光を照射した。前記の条件で、Φ５μｍ〜Φ５０μｍ、高さ：２０〜８０μｍの円筒形状の領域で、前記有機樹脂層の分子結合の切断、もしくは、ガス化を行った。
次に、図９（ｄ）に示すように、空洞形状３０４となる部分を、短パルスレーザー光を用いて形成した。この時使用した短パルスレーザー発振器は、Ｌｕｍｅｒａ社製：Ｈｙｐｅｒ Ｒａｐｉｄ（商品名）を使用し、次の条件で、レーザー発振をさせた。レーザー波長：３５５ｎｍ、出力：２０Ｗ、繰り返し周波数：２００ｋＨｚ、パルスエネルギー：１００μＪ、パルス幅：１０ｐｓ、ピーク出力：１００００ｋＷ、ビーム品質：１．２であった。集光面でのスポット径は、Φ１．０μｍであった。そして、短パルスレーザー光のフルエンスを１２７．４Ｊ／ｃｍ2／ｐｕｌｓｅとして、開口数（ＮＡ）が０．３のレンズを使用し、ＸＹＺ方向に走査しながら短パルスレーザー光を照射した。前記条件で、幅：５〜５０μｍ、高さ：５〜１００μｍの領域で、前記有機樹脂層の分子結合の切断、もしくは、ガス化を行った。
そして、図９（ｅ）に示すように、レーザアブレーション加工での残留物がある場合があるので、現像液や洗浄のアルコール液などを使用して洗浄して、最終的に、３次元構造を有する空洞が形成された微細構造体を形成した。
１００ 素子基板
１０１ 吐出エネルギー発生素子（ヒータ）
１０２ 吐出口（オリフィス）
１０３ 流路
１０４ ノズルフィルター
１０５ 供給室
２００ シリコン基板
２０１ ヒーター
２０２ 有機膜
２０３ 酸化膜
２０４ 有機樹脂層
２０５ インク供給口
２０６ 流路
２０７ 吐出口（オリフィス）
１ 短パルスレーザー光
２ 集光レンズ
５ 加工サンプル
１０ レーザー光
１１ シャッター
１２ ＮＤフィルタ
１３ ミラー
１４ ビーム整形器
１５ 加工サンプル
１６ ステージ
３０１ 基板
３０２ 有機樹脂層
３０３ 開口形状
３０４ 空洞形状
１０１ 吐出エネルギー発生素子（ヒータ）
１０２ 吐出口（オリフィス）
１０３ 流路
１０４ ノズルフィルター
１０５ 供給室
２００ シリコン基板
２０１ ヒーター
２０２ 有機膜
２０３ 酸化膜
２０４ 有機樹脂層
２０５ インク供給口
２０６ 流路
２０７ 吐出口（オリフィス）
１ 短パルスレーザー光
２ 集光レンズ
５ 加工サンプル
１０ レーザー光
１１ シャッター
１２ ＮＤフィルタ
１３ ミラー
１４ ビーム整形器
１５ 加工サンプル
１６ ステージ
３０１ 基板
３０２ 有機樹脂層
３０３ 開口形状
３０４ 空洞形状
Claims (7)
- 基板上に、有機樹脂材料からなる有機樹脂層を形成する工程と、
レンズを用いて集光した、パルス幅が２ピコ秒以上、２０ピコ秒以下の短パルスレーザー光を、前記有機樹脂層の上方から照射して、前記短パルスレーザー光の照射領域に存在する前記有機樹脂材料を除去する工程と、
前記短パルスレーザー光の焦点を３次元方向に走査することで、前記有機樹脂層に３次元構造を有する空洞を形成する工程と
を有することを特徴とする微細構造体の製造方法。 - 前記短パルスレーザー光の波長帯が２００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であり、前記有機樹脂材料が前記短パルスレーザー光の波長帯において２０％を超えない吸収を有することを特徴とする請求項１に記載の微細構造体の製造方法。
- 前記有機樹脂材料は、前記短パルスレーザー光の波長帯において、下記式：
で表される吸光度Ａが、０＜Ａ＜１０を満たし、
前記有機樹脂層の厚さＬが、１０μｍ＜Ｌ＜１．０ｍｍを満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の微細構造体の製造方法。 - 前記有機樹脂層の表面に開口する空洞を形成する際には、開口数（ＮＡ）≧０．３のレンズを用い、前記有機樹脂層の内部に空洞を形成する際には、開口数（ＮＡ）≧０．５のレンズを用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の微細構造体の製造方法。
- 前記短パルスレーザー光の、単位面積当たり、単位発振パルス時間当たりのエネルギーをＥ（単位［Ｊ／ｃｍ2／ｐｕｌｓｅ］）とした場合、前記有機樹脂層の表面に開口する空洞を形成する際には、０．１＜Ｅ＜５０の条件で前記短パルスレーザー光を照射し、前記有機樹脂層の内部に空洞を形成する際には、０．１＜Ｅ＜５００の条件で前記短パルスレーザー光を照射することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の微細構造体の製造方法。
- 液滴を吐出させるためのエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子が設けられた素子基板と、前記素子基板の一方の面に接合された有機樹脂層とを備え、前記有機樹脂層には、液滴を吐出する吐出口及び前記吐出口に液体を供給する流路を構成する空洞が形成されている液体吐出ヘッドの製造方法において、
前記素子基板上に、有機樹脂材料からなる前記有機樹脂層を形成する工程と、
レンズを用いて集光した、パルス幅が２ピコ秒以上、２０ピコ秒以下の短パルスレーザー光を、前記有機樹脂層の上方から照射して、前記短パルスレーザー光の照射領域に存在する前記有機樹脂材料を除去する工程と、
前記短パルスレーザー光の焦点を３次元方向に走査することで、前記有機樹脂層に３次元構造を有する空洞を形成する工程と
を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。 - 更に、前記素子基板の裏面から前記流路に連通するように、供給室を形成する工程を有することを特徴とする請求項６に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
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