JP2010023505A - 液体吐出ヘッドおよび該液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

液体吐出ヘッドおよび該液体吐出ヘッドの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】通電に応じてインクを吐出するために利用される熱エネルギを発生する発熱部と該発熱部に通電を行うための金の配線部とを有する基板と、発熱部に対応して吐出口が形成される有機樹脂の部材とが接して配置されることで構成されるインクジェットヘッドにおいて、基板と有機樹脂の部材との密着力を高め、両者の剥れを抑制する。
【解決手段】金の配線部上の、有機樹脂の部材(ノズル形成部材)と接する領域に、金よりも有機樹脂の部材との密着性が高い無機材料、例えば金よりも表面のOH基が多い金属の層を配置する。
【選択図】図1

Description

本発明は、エネルギーを利用して液体を吐出する方式の液体吐出ヘッドおよび該液体吐出ヘッドの製造方法に関するものである。
液体吐出ヘッド基板は、半導体製造工程と同様の製造プロセスを採用し、通電に応じ液体を加熱発泡させるための複数の発熱部(ヒータ)およびこれに電気的接続を行う配線等を同一の基体上に形成することで作製できる。そして、かかる基板上に、発熱部に対応して液体を吐出させるための吐出口と、これに連通する液路とを形成する部材(ノズル形成部材)が配設されることで、液体吐出ヘッドが構成される。
この液体吐出ヘッドの製造方法としては、
(1)上記基板上に、溶解可能な樹脂にて液路となるパターンを形成する工程と、
(2)常温で固体状のエポキシ樹脂を含む被覆樹脂を塗布する工程と、
(3)この被覆樹脂に吐出口となる開口を形成する工程と、
(4)上記溶解可能な樹脂層を溶解する工程と、
を具えたものがある(特許文献1参照)。
さらに、基板とノズル形成部剤との密着性を向上するために、両者間にポリエーテルアミド樹脂からなる層(以下、密着性向上層という)を介在させた液体吐出ヘッドないしその製造方法も提案されている(特許文献2参照)。
図8(a)および(b)は、それぞれ、液体吐出ヘッドの一般的な構成例を示す模式的斜視図およびそのVIII(b)−VIII(b)線断面図である。Si等の基板1110には、長溝状の貫通口からなるインク供給穴1202が設けられ、このインク供給穴に対してインクが導入される。また、インク供給穴1202を挟んだ両側にそれぞれ1列ずつ、ヒータ1214の列が設けられている。ヒータ1214の配列方向に直交する方向の基板1110の辺に沿って、ヒータ1214ないしはこれに選択的に通電を行うロジック回路と外部との電気的接続を行うための電極部202が形成され、ヒータないしはロジック回路とは配線201を介して接続される。そして、基板1110には、液路1106と、熱エネルギーの作用に伴って記録媒体に向けてインクを吐出するための吐出口1107とが形成されたノズル形成部材203が接して配置される。
ここで、配線抵抗値を下げるために、配線201および電極部202として、めっき法にて同時に金(Au)の層を形成する提案もなされている(特許文献3)。金は、低電気抵抗、高い化学的安定性、および高いエレクトロマイグレーション性をもつなど、配線材料として優れた特性を有している。特に、ヒータを瞬時に高温にするべく通電を行うとともに、液体であるインクが常に間近に存在する液体吐出ヘッド用基板の配線材料として非常に優れている。
上記した配線に関して、以下のような場合により、さらに配線に上部層を形成する必要が生じる。
特許文献1あるいは特許文献2の液体吐出ヘッドの構成では、基板上に存在する配線などの金属表面と、ノズル形成部材あるいは密着性向上層を構成する有機樹脂とが密着することになる。この密着は、有機樹脂が金属表面の凹凸に食い込む物理的なアンカー効果と、金属表面のOH基を介した化学結合もしくは水素結合等とが関与しているものと考えられる。
しかし配線の材料によっては以下の場合が想定される。例えば配線に金を用いた場合には、金は安定な貴金属であり、金表面のOH基が少ないことから、有機樹脂との結合力が乏しい。また、液体吐出ヘッド基板では、常にインクが吐出口近傍に存在するため、有機樹脂膜の膨潤が生じ得る。このため、ヒータを用いる液体吐出ヘッド用基板では、有機樹脂の膨潤による伸縮と、ヒータの発熱に伴う基板および有機樹脂の熱膨張の差とによって内部応力が発生する。この応力により、有機樹脂との密着性が乏しい金の部分とその近傍からノズル形成部材の剥れが発生する恐れがある。また、上記以外にも、配線の表面保護等、信頼性の向上を目的の一つとして配線上の所望の箇所に上部層が必要となる場合もある。
そこで、上部層形成のため、配線とその近傍を被覆するように、真空成膜装置等を用いて例えばSiNやSiCのような絶縁材料膜を成膜し、パターニングすることも考えられる。しかしながら、真空成膜装置や、パターニング装置は高価であるため、そのため基板ひいては液体吐出ヘッドの製造価格が上昇することになる。また工程上の負荷が大きくなる懸念がある。さらに、ヒータが発生するエネルギーを利用して液体を吐出する方式の液体吐出ヘッドでは、エネルギー効率が低下する恐れもある。
特開平06−286149号公報 特開平11−348290号公報 特開2005−199701号公報
本発明の目的は、以上の問題に鑑みてなされたものであり、簡便な方法により、基板上の配線の上層に配置する各層の積層状態を適切なものとし、信頼性が高い液体吐出ヘッドを得る方法を提供することにある。
そのために、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素子と、前記素子に電気的に接続された電極層と、を有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、一部分の幅が、該一部分の近傍の他の部分の幅に比べて狭い電極層を、基板上に設ける工程と、前記一部分にレジスト層の端部が位置するように、当該レジスト層をスクリーン印刷法またはディスペンス法で前記電極層の一部の上に設ける工程と、前記レジスト層をマスクとして利用して、前記電極層の一部を含まない前記電極層の他の部分の上に、他の層を設ける工程と、前記レジスト層を除去する工程と、を具えたことを特徴とする。
また、本発明液体吐出ヘッドは、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素子を備えた基板と、基板上に設けられ、前記素子に電気的に接続された電極層と、
前記電極層の一部の上に設けられた金属を含む層と、を具え、前記電極層の上の前記金属を含む層の端部が設けられている部分の幅は、前記部分の近傍の他の部分の幅より狭いことを特徴とする。
本発明によれば、簡便な方法で、配線部上に、上層を適切な状態に積層することが可能となり、工程負荷を抑えながら液体吐出ヘッドの信頼性を向上させることができる。
本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッド用基板の構成例を示す模式的斜視図である。 (a)〜(e)は、図1に示す基板上の電極部と配線部との接続部の種々の構成例を示す模式的平面図である。 図1の基板における共通配線部と個別ヒータ配線との接続態様を説明するための模式的平面図である。 図1におけるIV-IV線断面を示す模式的断面図であり、電極部および配線部の層構成を示している。 (a)〜(h)は、図4に示す構成を得るための工程の説明図である。 (a)、(b)、(c)、(d)および(e)は、それぞれ、図5の(c)、(d)、(e)、(f)および図4の平面図である。 図4の基板上にノズル形成部材となる有機樹脂層を配置した状態を示す模式的断面図である。 (a)および(b)は、それぞれ、液体吐出ヘッドの一般的な構成例を示す模式的斜視図およびそのVIII(b)−VIII(b)線断面図である。
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッド用基板の構成例を示す模式的斜視図であり、図8Aおよび8Bと同様に構成される部分については、対応箇所に同一符号を付してある。
本実施形態の基板1110において、Si等の基体101上にはその表面で接続された電極部140と配線部141とが設けられ、これらはめっき法にて同時に金を主成分とする層(Au層)130を形成することにより配設することができる。なお、本実施形態においては、めっき材料としてAuを用いたが、その他のめっき法で形成できる低抵抗な金属材料としてCu、Ag、Pdを主成分とする金属材料を用いることもできる。電極部140は、TAB(Tape Automated Bonding)用のテープ部材などのフレキシブルプリント配線板が接続され、液体記録装置本体(不図示)との間で電気信号を授受する。また、配線部141の表面とその近傍には、ポリエーテルアミド樹脂などの有機樹脂でなる密着性向上層または樹脂からなるノズル形成部材などとの密着力を得るための層112が形成されている。
層112は、電極部140と配線部141との接続部142に端面が位置するように形成される。接続部142の軸方向を横切る方向の幅は、電極部140と配線部141のそれらよりも細く形成されている。フォトレジスト122の除去前に電極部140上にマスク材113を塗布した場合に、配線部141にマスク材113が流れ込まないようにするためであり、接続部142の幅に対応してマスク材113の粘度の選定をしてもよい。また層112は金配線上の有機樹脂の部材(ノズル形成部材)との密着向上の役割を果たしている。このため、層112の端部が有機樹脂部材からはみ出していることを確認すれば、有機樹脂部材との密着向上が確実に行われていることを目視にて判断できる意味合いを持つ。更にこの接続部142を細くすることは、液体吐出ヘッドに電力を供給するためのフレキシブルプリント配線部材を接続する部分を認識するための特徴的な目印(特徴部)の意味合いをも併せ持っている。
図2(a)〜図2(d)は接続部142の種々の形状を示している。これらの図に示すように、層112の端面の位置や、電気配線基板の接続および吐出口の形成時における目視判断に供し得るものであれば、接続部142の種々の形状は適宜定めることができる。また、当該目視判断に有効に供し得るものであれば、図2(e)に示すように、電極部140および配線部141と実質的に等しい幅をもつ一方、特徴的な目印となり得る部分(図2(e)では開口部)を有するものでもよい。
配線部141は、例えば複数のヒータ1214に電力を供給するために、これらに共通に接続される電源配線またはグランド配線とすることができる。そして、配線部141は、スルーホールを介して、各ヒータ1214に個別に接続されるAl等の配線と接続されていてもよい。
図3は基板1110上のヒータ1214周辺の構成例を示す模式的平面図である。複数のヒータ1214は、これらを選択的に駆動するためのスイッチングトランジスタ等の半導体素子でなる駆動素子を含む駆動回路を予め作り込んでおいた基体101上に形成される。この際、まず基体101上に発熱抵抗体層を形成し、さらに各ヒータ1214に対する配線(ヒータ配線)1103を形成するための電極層を積層する。その後、これらにエッチングを連続的に施して所要のパターニングを行い、さらに電極層を部分的に除去してその部分の発熱抵抗体層を露出させることで、ヒータ1214を形成することができる。
ヒータ1214の一端は、ヒータ配線1103の一方の部分1103Aを介し、さらにスルーホール部1208を介して例えば電源共通配線としての配線部141に接続することができる。ヒータ1214の他端は、ヒータ配線1103の他方の部分1103Bから例えばスルーホール部1209を介し、下層に形成された駆動回路に接続され、さらに、そこからグランド共通配線としての配線部に接続することができる。
図4は図1におけるIV-IV線の模式的断面図である。
図4において、102はシリコン(Si)の基体101に形成されたSiO2からなる蓄熱層である。103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素子であるヒータ1214を形成するための発熱抵抗体層である。104はヒータ1214に個別に接続されるヒータ配線1103を形成するためのAlの配線層、105はこれらを覆う保護層、および110は拡散防止層である。
111は、電極部140および配線部141となるAu層130を電解めっき法により同時に形成する際の電極として使用される層(以下、めっき用下引き層という)であり、拡散防止層110の上に形成されたAuの層とすることができる。このめっき用下引き層111は、Au層130の上に有機樹脂との密着力を得るための金属層112をめっき法にて形成するためにも使用される。層112は、金よりもOH基の多い無機材料、すなわち金よりも有機樹脂との密着性が高い材料で形成され、本実施形態ではニッケル(Ni)を用いる。実質的にニッケルのみの層でもよいし、ニッケルを含む合金でもよい。さらに、150は、ノズル形成部材203との密着性を向上するために金属層112の上に形成された密着性向上層であり、ポリエーテルアミド樹脂のパターニングにより形成することができる。
図5(a)〜図5(h)を用い、図4に示した基板の製造工程を説明する。
まず、図5(a)に示すように、Siでなる基体101に熱酸化により蓄熱層102を約1μmの厚みに形成し、さらに発熱抵抗体層103、Alの配線層104および保護層105を真空成膜法等により形成する。そして、フォトリソグラフィ技術によりパターニングを行い、配線部141となる金属層(Au層)130と個別のヒータ配線1103となるAl配線層104との間の電気的導通を得るためのスルーホール106を形成する。なお、基体101としては、ヒータ1214を選択的に駆動するためのスイッチングトランジスタ等の半導体素子でなる駆動回路を予め作り込こんでおいたものとすることができる。
次に、図5(b)に示すように、真空成膜装置等により、例えば高融点金属材料のチタンタングステンでなる拡散防止層110を約200nmの厚みで、金でなるめっき用下引き層111を約50nmの厚みで全面成膜する。
次に、図5(c)に示すように、フォトリソグラフィ法にてフォトレジスト122の塗布、露光および現像を行い、金属層130を形成する部位の開口を画成する。このとき、基板上に形成される金属層130の厚み(高さ)よりも高くなるように、フォトレジスト122を厚く塗布する。本実施形態では、約5μmの金めっき膜厚に対して、6μmの厚みのフォトレジスト122を形成する。図5(c)の平面図を図6(a)示す。このように金属層130を形成する部位の周りをフォトレジスト122が囲うように設けられている。接続部142の軸方向を横切る方向の幅は、電極部140と配線部141のそれらよりも細く形成されている。
その後、図5(d)に示すように、金属層130を電解めっき法により形成する。これは、例えば基板を亜硫酸金塩を含む電解液中に浸漬し、めっき用下引き層111に所定の電流を流し、所定の部分に金を析出させることで行われる。図5(d)の平面図を図6(b)に示す。
次に図5(e)に示すように、電極部140となる層130の部分の上層とその近傍に、スクリーン印刷法あるいはノズルから材料を吐出するディスペンス法によりフォトレジスト122と同じ材料のマスク材113を印刷または塗布し、所定の温度で硬化させる。スクリーン印刷法でマスク材113を印刷する場合には、予め電極部140に対応した部分を開口した印刷版を用意して印刷版と基板を位置合せする。そして、その上部に位置するスキージをスライドさせてフォトレジスト122と同じレジスト層のマスク材131を印刷することで、高速でマスク材の印刷が可能となる。ディスペンス方式の場合は、シリンジに入ったマスク材113を必要な部分にラインを引きながら一定量塗布していく方法である。スクリーン印刷法と比較すると生産上のタクトは低下するが、材料の溶媒が雰囲気中で揮発しない利点があり、材料粘度等の変化が少なく、ライン幅のばらつきが少なくできる利点がある。
このとき、金属層130とフォトレジスト122との段差は約1μmとなっており、マスク材は、フォトレジスト122で画成される部分の内側に、段差に沿って塗布される。図5(e)の平面図を図6(c)に示す。そして、マスク材131の粘度や、吐出量を調整することで、電極部140および配線部141を構成する電極層の、幅が狭くなっている一部分をなす接続部142にマスク材113の端部が位置するように形成することができる。ここで、接続部142はフォトレジスト122の幅が狭くなっている部分でもある。従って、ここにマスク材113の端部が位置するようにすることで、フォトレジスト122に対する濡れ性が適切に設計されていれば、上記部分の内方にマスク材113が広がるのを抑止でき、所望の位置にマスク材113を設けることができる。
次に、図5(f)に示すように、層112を電解めっき法により形成する。これは、例えば基板をスルファミン酸ニッケルを含む電解液中に浸漬し、めっき用下引き層111に所定の電流を流し、所定の部分、すなわち密着性向上層150と接し得るAu層130上の部分にニッケルを例えば200nm程度析出させることで行われる。図5(f)の平面図が図6(d)である。
次に、基板を所定の時間にわたって所定の剥離液に浸漬させることで、フォトレジスト122およびマスク材113の除去を行う。これにより、図5(g)に示すように、電極部140に対応した部分に金属層(Au層)130が露出する一方、基板端部にはめっき用下引き層111が露出する。
次に、当該基板端部に露出する不要となっためっき用下引き層111を、窒素系有機化合物とヨウ素、ヨウ化カリウムを含む水溶液に所定の時間浸漬させ除去することで、図5(h)に示すように拡散防止層110が露出する。
さらに、不要となった拡散防止層110を過酸化水素水に所定の時間浸漬させて除去し、その後、ノズル形成部材203との密着性向上と、配線領域の絶縁性確保とを兼ねた密着性向上層150を形成する。密着性向上層150は、例えば、フォトリソグラフィ法を用いてポリエーテルアミド樹脂のパターニングすることで形成することができる。
以上の行程により、図4に示した基板を得ることができる。図4の平面図を図6(e)に示す。
その後、図7に示すように密着性向上層150の上にノズル形成部材となる有機樹脂層151を所定の厚さでスピンコート法により塗布し、フォトリソグラフィ法にて露光、現像等を行うことで、ノズル形成部材203が配置される。例えば、ノズル形成部材203は、特許文献1に示されたような技術を用いて形成可能である。すなわち、上記工程を経て製造された基板上に、
(1)溶解可能な樹脂にて液路となるパターンを形成する工程と、
(2)常温で固体状のエポキシ樹脂を含む被覆樹脂を塗布する工程と、
(3)この被覆樹脂に吐出口となる開口を形成する工程と、
(4)上記溶解可能な樹脂層を溶解する工程と、
を適用することで、ノズル形成部材203が配置される。すなわち、ノズル形成部材は硬化したエポキシ樹脂によって形成され、吐出口に連通する液路の壁を有する壁部材を含んでいる。
以上の工程を経て、図8(a)に示したような液体吐出ヘッドを得ることができるが、これは図4に示したような特徴的な構成を有する基板を具えるものである。
つまり、本実施形態の基板は、配線部141上およびその近傍に、金よりもOH基の多い無機材料である金属(Ni)のめっきを施したものとしている。これにより、密着性向上層150ひいてはノズル形成部材203との密着力が向上し、基板からのノズル形成部材203の剥れを抑制し、液体吐出ヘッドの信頼性を向上することができる。
また、金属層(Ni層)112を形成するに先立ち、マスク材113を適切に塗布しておくことで、電極部140上にはNi層が形成されず、基板完成後には電極部140には金が露出する。このため、外部との電気的接続の信頼性を維持することが可能である。
これによりめっき法で形成された金属膜である吐出エネルギー発生部に電力を供給するための電力配線に積層する各層の積層状態を適切なものとした信頼性を向上させた液体吐出ヘッド用基板を得ることができる。
なお、配線部141を構成するAu層の上に配置され、有機樹脂との密着力を高めるための層としては、当該機能を果たすとともに、インクのような液体と接触する場合にはインクに対する十分な化学的安定性をもつものであればよい。すなわち、Niのみの層であっても、Niを主成分とする層であってもよい。
金属層112に用いられるNi層は、本実施形態で説明しためっき法のみならずスパッタ法で形成しても良い。またNiを主成分とする層とは、めっき法やスパッタ法によって金属層112を形成する際に混入する微量の不純物を含有するNi層のことをいう。
また、上例では基板とノズル形成部材との間に、絶縁層にも兼用される有機樹脂の密着性向上層が介在している構成について説明した。しかしそのような密着性向上層は、有機樹脂でなるノズル形成部材と本発明に係る無機材料でなる層との密着性が良好であり、絶縁性を考慮しなくてもよい場合または部位では、必ずしも配置されなくてもよい。
111 めっき用下引き層
112 金属層(Ni層)
113 マスク材
130 金属層(Au層)
140 電極部
141 配線部
150 密着性向上層(ポリエーテルアミド樹脂層)
151 有機樹脂層
203 ノズル形成部材
1110 液体吐出ヘッド用基板

Claims (10)

  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素子と、前記素子に電気的に接続された電極層と、を有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
    一部分の幅が、該一部分の近傍の他の部分の幅に比べて狭い電極層を、基板上に設ける工程と、
    前記一部分にレジスト層の端部が位置するように、当該レジスト層をスクリーン印刷法またはディスペンス法で前記電極層の一部の上に設ける工程と、
    前記レジスト層をマスクとして利用して、前記電極層の一部を含まない前記電極層の他の部分の上に、他の層を設ける工程と、
    前記レジスト層を除去する工程と、
    を具えたことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
  2. 前記電極層は金を含み、前記他の層はニッケルを含む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. 前記電極層はほぼ金のみで形成され、前記他の層はほぼニッケルのみで形成される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. 前記他の層はめっき法により設けられることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
  5. 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素子を備えた基板と、
    基板上に設けられ、前記素子に電気的に接続された電極層と、
    前記電極層の一部の上に設けられた金属を含む層と、
    を具え、
    前記電極層の上の前記金属を含む層の端部が設けられている部分の幅は、前記部分の近傍の他の部分の幅より狭いことを特徴とする液体吐出ヘッド。
  6. 前記電極層は金を含むことを特徴とする請求項5に記載の液体吐出ヘッド。
  7. 前記層はニッケルを含むことを特徴とする請求項5または6に記載の液体吐出ヘッド。
  8. 前記金属を含む層の上に、硬化したエポキシ樹脂によって形成され、液路の壁を有する壁部材が設けられていることを特徴とする請求項5ないし7のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
  9. 前記壁部材の前記基板の側の面は、ポリエーテルアミド樹脂からなる密着性向上層を有していることを特徴とする請求項8に記載の液体吐出ヘッド。
  10. 前記電極層の前記部分の上にある前記層の部分は、その他の部分よりも幅が狭いことを特徴とする請求項5ないし9のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
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