JP2013095061A - 液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、オリフィス面の平坦性とオリフィスプレートの強度に優れる液体吐出ヘッドを製造する方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、（１）液体流路の型パターンと、該型パターンを囲む土台パターンと、を溶解可能な樹脂を用いて前記基板の上に形成する工程と、（２）前記型パターン及び前記土台パターンを覆うように被覆樹脂を配置する工程と、（３）前記被覆樹脂に少なくとも吐出口を形成し、オリフィスプレートを形成する工程と、（４）前記型パターン及び前記土台パターンを除去する工程と、を有し、前記土台パターンは、前記オリフィスプレートが、前記液体流路の側壁を構成する側壁部と、前記側壁部の周囲領域の前記基板上に配置されかつ前記オリフィスプレートの上壁を構成する上面部を支える複数の支持構造と、を有するように形成される形状である液体吐出ヘッドの製造方法である。
【選択図】図７

Description

本発明は、液体を吐出する液体吐出ヘッドの製造方法に関し、好ましくはインクなどの記録液の小滴を吐出するインクジェット記録ヘッドに関する。

インクジェット記録方式の中で、吐出エネルギー発生素子が形成された基板に対して、垂直方向にインク液滴が吐出するものを「サイドシューター型記録ヘッド」と称す。サイドシューター型記録ヘッドは、吐出エネルギー発生素子とオリフィス間距離を短くすることで小液滴による記録を達成することができ、ここ数年急速に普及している。

さらに近年では高精細・高画質の記録技術に伴い、吐出エネルギー発生素子とオリフィス面との距離により高い精度が要求されている。

特許文献１では、図５に示すように、被覆樹脂を配置する際に、インク流路の型パターン１１１を囲むように土台部１０５を基板１０１上に設けておくことにより、オリフィス面の平坦性に優れるインクジェット記録ヘッドを作製している。

特開平１１−１３８８１７号公報

しかしながら、さらなる高速印字化の要請により、ノズル数の増加やインク流路の長大化が起こり、チップに占めるインク流路部の面積が大きくなる傾向にある。インク流路部の面積が大きくなると、ノズルを構成する被覆樹脂の被覆性が低下し、吐出エネルギー発生素子とオリフィス面との距離にばらつきが生じ、オリフィス面の平坦性が低下する場合がある。

上記課題の解決策として、特許文献１に記載の方法を用いた場合、図６（ａ）に示すように、土台部１０５の幅を大きくし、かつインク流路の型パターン１１１と土台部１０５との距離を近づけることにより、オリフィス面の平坦性を向上することができる。しかし、この方法では、図６（ｂ）や（ｃ）に示すように、インク流路の側面側がヒサシ構造となり、オリフィスプレート１１２の破損が生じる可能性がある。

そこで、本発明は、オリフィス面の平坦性とオリフィスプレートの強度に優れる液体吐出ヘッドを製造する方法を提供することを目的とする。

本発明は、
液体を吐出する吐出口及び該吐出口に連通する液体流路を有するオリフィスプレートと、前記液体を吐出するエネルギーを発生させる吐出エネルギー発生素子を有する基板と、を備える液体吐出ヘッドの製造方法であって、
（１）液体流路の型パターンと、該型パターンを囲む土台パターンと、を溶解可能な樹脂を用いて前記基板の上に形成する工程と、
（２）前記型パターン及び前記土台パターンを覆うように被覆樹脂を配置する工程と、
（３）前記被覆樹脂に少なくとも前記吐出口を形成し、前記オリフィスプレートを形成する工程と、
（４）前記型パターン及び前記土台パターンを除去する工程と、
を有し、
前記土台パターンは、前記オリフィスプレートが、前記液体流路の側壁を構成する側壁部と、前記側壁部の周囲領域の前記基板上に配置されかつ前記オリフィスプレートの上壁を構成する上面部を支える複数の支持構造と、を有するように形成される形状であ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、オリフィス面の平坦性とオリフィスプレートの強度に優れる液体吐出ヘッドを製造する方法を提供することができる。したがって、吐出精度がよく、耐久性に優れた液体吐出ヘッドを提供できる。

本実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法の工程例を説明するための模式的な断面工程図である。 本実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法の工程例を説明するための模式的な断面工程図である。 図１（ｄ）に相当する工程における土台パターンや支持構造の配置例を示す模式的平面図である。 本実施形態のインクジェット記録ヘッドの平坦性を説明するための模式図である。 従来製法の土台部を説明するための模式図である。 従来製法の液体吐出ヘッドの課題を説明するための模式的断面図である。 本実施形態の液体吐出ヘッドの例を示す模式的断面図である。

以下、適用例としてインクジェット記録ヘッドを例に挙げて本発明について説明するが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、バイオッチップ作製や電子回路印刷用途の液体吐出ヘッド等にも適用できる。液体吐出ヘッドとしては、インクジェット記録ヘッドの他にも、例えばカラーフィルター製造用ヘッド等も挙げられる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図７に、本実施形態で製造されるインクジェット記録ヘッドの構成例を示す模式的断面図を示す。このインクジェット記録ヘッド（液体吐出ヘッド）は、発熱抵抗体などの吐出エネルギー発生素子２が所定のピッチで２列並んで形成された基板１を有している。基板としては例えばシリコン基板を用いることができる。基板１には、インク供給口（液体供給口）９が、吐出エネルギー発生素子２の２つの列の間に形成されている。

基板１上には、被覆樹脂によってオリフィスプレート１２が形成されている。オリフィスプレート１２は、各吐出エネルギー発生素子２に対応する位置に開口するインク吐出口７と、インク供給口９から各インク吐出口７に連通するインク流路（液体流路）４と、を構成する。

また、オリフィスプレート１２は、オリフィスプレートの上壁を構成する上面部１２ｃと、インク流路４の側壁を構成する側壁部１２ａと、側壁部１２ａの周囲領域の基板１上に配置されかつ上面部１２ｃを支える複数の支持構造１２ｂと、を有する。支持構造１２ｂは、例えば、柱形状や壁形状からなることができる。

また、図において、１０（１０ａ及び１０ｂを含む）は、土台パターンが除去された部分である土台パターン除去部を示す。また、そのうち１０ｂはもっとも外周側にある土台パターン除去部を示す。図７（ａ）では、この外周側土台パターン除去部１０ｂに通じる貫通口８が設けられている。該貫通口８から土台パターンが除去される。図７（ｂ）のオリフィスプレートには貫通口８は設けられていないが、これは、土台パターンが被覆樹脂層の側面に露出して形成されることにより、土台パターンがオリフィスプレートの側面側から溶解除去されることにより形成されることができる。

（実施形態１）
以下に、本実施形態の製造方法について説明する。

図７（ａ）に示すインクジェット記録ヘッドを図１の（ａ）〜（ｅ）の手順に従い作製した。

まず、図１（ａ）に示すように、吐出エネルギー発生素子２が表面側（第一の面側）に形成された基板１上に、溶解可能な樹脂３を配置する。

溶解可能な樹脂としては、特に制限されるものではないが、例えば、ポリメチルイソプロペニルケトン（東京応化工業（株）社製、商品名；ＯＤＵＲ−１０１０）等が挙げられる。配置方法としては、特に制限されるものではないが、例えば、スピンコート法を用いることができる。

次に、図１（ｂ）に示すように、溶解可能な樹脂３をフォトリソグラフィーにてパターニングし、インク流路の型材となる型パターン１１と、土台として機能する土台パターン５（図１において５ａ及び５ｂを含む）をパターニングする。土台パターン５を形成しておくことにより、後工程における被覆樹脂をより平坦性よく配置することができ、オリフィス面の平坦性を向上することができる。

ここで、土台パターンの形状について説明する。

土台パターンは、得られるオリフィスプレートが、インク流路の側壁を構成する側壁部と、該側壁部の周囲領域の基板上に配置されかつオリフィスプレートの上壁を構成する上面部を支える複数の支持構造と、を有するように形成される形状を有する。このような形状に土台パターンを型パターンの周囲に形成することにより、型パターンの周囲の広い範囲に亘ってかつ型パターンに近づけて、土台を設けることができる。つまり、得られるオリフィスプレートが支持構造を有するように土台パターンを形成すれば、土台パターンを広範囲に設けた場合でも土台パターンの除去後に得られるオリフィスプレートの強度が確保される。そのため、土台パターンをインク流路の型パターンに近づけてかつ幅広く設けることができるようになる。したがって、本発明により、平坦性に優れるオリフィス面と耐久性とに優れるインクジェット記録ヘッドを得ることができる。

土台パターンの形状としては、例えば、網目形状等が挙げられる。網目形状としては、例えば、格子形状である。格子形状を有する土台パターンとして、例えば図３（ａ−１）、図３（ｂ−１）、図３（ｃ−１）に示す配置例が挙げられる。なお、図３（ａ−２）、図３（ｂ−２）、及び図３（ｃ−２）は、それぞれ図３（ａ−１）、図３（ｂ−１）、図３（ｃ−１）のＡＡ’線における模式的断面図を示す。

図３示すように、土台パターンと型パターンとの間に配置された被覆樹脂により前記側面部が形成される。また、土台パターンの微細パターン内に配置された被覆樹脂により前記支持構造が形成される。

図３（ａ−１）では、土台パターン５は、インク流路の型パターン１１を囲むように配置されており、格子形状を有する。図３（ａ−１）に示される土台パターンは少なくとも型パターンの両サイドが格子形状となっている。図３（ａ−１）に示されるような土台パターンを形成した場合、得られるオリフィスプレートの支持構造は柱形状となる。格子の一辺の長さは、１０〜８０μｍとすることが好ましい。また、インク流路の型パターンの側面と、該側面に対向する土台パターン側面との距離は、３〜８０μｍの範囲内とすることが好ましく、１０〜４０μｍの範囲とすることがより好ましい。この距離を３μｍ以上とすることにより基板との密着性を保つことができる。また、この距離を８０μｍ以下とすることにより、オリフィスプレートを平坦性にすることができる。

また、図３（ｂ−１）や図３（ｃ−１）に示すように土台パターンを形成した場合、オリフィスプレートの支持構造は壁形状のものが得られる。

また、土台パターンは、後工程で溶解除去されることを考慮して形状を選択されることが望ましい。例えば、図３（ａ−１）、（ｂ−１）、（ｃ−１）に示すように、外周側土台パターン部分５ｂに内側土台パターン部分５ａが連通するように、土台パターン５を形成することができる。後工程において、被覆樹脂には、土台パターンを除去するため、外周側土台パターン部分５ｂに連通する貫通口を形成することができる。または、外周側土台パターン部分５ｂがチップ側面に露出するように土台パターンを形成しておき、後工程でチップ側面側から土台パターンを除去することもできる。

型パターンと土台パターンは同一の材料からなることが好ましい。また、型パターンと土台パターンは同一の材料を用いて、同時にパターニング形成されることが好ましい。

次に、図１（ｃ）に示すように、型パターン１１及び土台パターン５の上に、被覆樹脂を用いた被覆樹脂層６を形成する。

被覆樹脂の配置方法としては、特に制限されるものではないが、例えば、スピンコート法等を用いることができる。

被覆樹脂としては、特に制限されるものではないが、例えば、ネガ型感光性樹脂を用いることができる。

被覆樹脂の固形分濃度は、例えば４０〜６０質量％であり、より具体的には５０質量％程度である。

次に、図１（ｄ）に示すように、被覆樹脂層６にインク吐出口７と貫通口８を形成し、オリフィスプレート１２を形成する。

インク吐出口７と貫通口８は、例えば、紫外線、Ｄｅｅｐ−ＵＶ光などの露光により、形成可能である。例えば被覆樹脂としてネガ型感光性樹脂を用いた場合、インク吐出口７と貫通口８を形成する位置を除いて露光処理を行い、現像処理を実施する。

貫通口８は、ヘッドにした際にインク溜まりとなる可能性を抑制するため、インク吐出口７から１００〜２００μｍの距離の範囲内に形成することが好ましい。貫通口８がインク溜まりとなると、吐出する際に吐出方向がずれる可能性や所望の液滴サイズが得られなくなる可能性がある。

図１（ｄ）の工程に相当する模式的平面図が図３（ａ−１）である。貫通口８は、特に制限されるものではないが、外周側に形成された土台パターン部分５ｂに連通されるように形成されることが好ましい。例えば、図３（ａ−１）に示されるように、外周側の土台パターン部分５ｂに連通するように、貫通口８を形成することができる。なお、図３（ａ）において、２つの点線で囲まれる部分が貫通口が形成される位置を示している。

図１において、５ｂは土台パターンのうち外周側土台パターン部分を示し、５ａは土台パターンのうち内側の土台パターン部分を示す。土台パターン内に被覆樹脂が入り込むことにより、支持構造が形成される。図３（ａ）〜（ｃ）において、外周側土台パターン部分５ｂと内側土台パターン部分５ａを含む土台パターン５は格子状に配置されている。土台パターンにより形成される支持構造は、例えば、図３（ａ）に示すような柱構造や、図３（ｂ）若しくは（ｃ）に示すような壁構造であるが、これらに限定されるものではない。柱構造としては、特に制限されるものではないが、例えば、円柱状、楕円柱状、多角柱状等が挙げられる。壁構造としては、特に制限されるものではないが、例えば、矩形状等が挙げられる。

次に、図１（ｅ）に示すように、基板１の裏面側（第二の面側）からエッチングを行い、基板１にインク供給口（液体供給口）９を形成する。

インク供給口９は、例えば、基板を化学的にエッチングすることにより形成することができる。例えば、基板１としてシリコン基板を用いた場合、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＴＭＡＨなどの強アルカリ溶液を用いた異方性エッチングによりインク供給口９を形成することができる。より具体的な例としては、結晶方位が＜１００＞のシリコン基板をＴＭＡＨ溶液でエッチングすることにより、インク供給口９を形成する。

さらに、インク流路の型パターン１１及び土台パターン５を除去する。型パターン１１はインク吐出口７及びインク供給口９から、土台パターン５は貫通口８から、溶解して除去される。これにより、インク流路４（吐出エネルギー発生素子２上の気泡が発生する液室を含む）が形成される。

土台パターンが除去された部分である土台パターン除去部は空間となり、図１（ｅ）において、１０ａは内側土台パターン部分５ａが存在していた部分であり、１０ｂは外周側土台パターン部分５ｂが存在していた部分である。

また、オリフィスプレートは、上述のように、インク流路の側壁を構成する側壁部１２ａと、側壁部１２ａの周囲領域の基板１上に配置されかつ上面部１２ｃを支える支持構造を有する支持部と、を有する構造となる。

溶解可能な樹脂から構成される型パターンや土台パターンの除去方法は、例えば、Ｄｅｅｐ−ＵＶ光による全面露光を行った後、現像処理を行う方法が挙げられる。また、必要性に応じて、現像の際、超音波を用いることもできる。

次に、以上の工程によりオリフィスプレートが形成された基板を、一つのインクジェット記録ヘッドごとにダイシングソーなどにより分離切断する。そして、インクジェット記録ヘッドに吐出エネルギー発生素子２を駆動するための電気的接合を行った後、インク供給のためのチップタンク部材を接続して、インクジェット記録装置が完成する。

以上説明したように、本発明では、インク流路の型パターンを囲むようにパターン形成された土台部の設置面積を大きくすることができる。したがって、図４（ａ）に示すようにオリフィスプレートの平坦化を図ることができるため、吐出エネルギー発生素子２とオリフィス面との距離が精度よく形成できる。その結果、高速高画質に適用し、安定した吐出を行うことが可能となる。より具体的には、図４（ａ）に示すように、オリフィスプレートが支持構造を有するように土台パターンを形成することにより、土台パターンを配置する面積を広くし、かつインク流路の型パターンと土台パターンの距離をより小さくすることができた。そのため、図４（ｂ）に示す従来の土台部を用いた方法により形成したインクジェット記録ヘッドよりも高い平坦性を有するオリフィス面を備えるインクジェット記録ヘッドを得ることができた。

また、本発明は、発熱抵抗体を加熱することで発生した気泡を外気と連通させることにより極微小のインク液滴を吐出できるタイプの記録ヘッドに有効である。このタイプは、１ピコリットル程度の極微小インク滴を吐出するために、オリフィス面高さ（吐出エネルギー発生素子２−オリフィス面間の距離）を高精度に制御することが要求されるものだからである。

（実施形態２）
実施形態１でも上述したように、図２に示すように、土台パターン５をオリフィスプレートの側面に露出するように形成しておき、後工程でオリフィスプレートの側面側から土台パターンを除去することもできる。これにより、貫通口を設ける必要がなくなる。

図２（ｄ）に示すように、オリフィスプレートを形成した際に、土台パターン５がオリフィスプレートの側面に少なくとも一部が露出するように形成されている必要がある。また、オリフィスプレートの側面全周に亘って土台パターンが露出していることが好ましい。

また、本実施形態で得られるインクジェット記録ヘッドは、チップタンク部材と接合する際に、土台部５で形成された空間部（土台パターン除去部）に封止材が入り込むため、オリフィス面上への封止材の盛り上がりを防ぐことができる。

なお、説明に用いた図では、オリフィスプレートが、空間的にそれぞれ連通するインク吐出口及びインク流路からなるノズル列を１つ有する形態が示されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数のノズル列を有する形態でも適用可能である。

１ 基板
２ 吐出エネルギー発生素子
３ 溶解可能な樹脂層
４ インク流路
５ 土台パターン
６ 被覆樹脂層
７ インク吐出口
８ 貫通口
９ インク供給口
１０ 土台パターン除去部
１１ 型パターン
１２ オリフィスプレート

Claims (9)

1. 液体を吐出する吐出口及び該吐出口に連通する液体流路を有するオリフィスプレートと、前記液体を吐出するエネルギーを発生させる吐出エネルギー発生素子を有する基板と、を備える液体吐出ヘッドの製造方法であって、
   （１）液体流路の型パターンと、該型パターンを囲む土台パターンと、を溶解可能な樹脂を用いて前記基板の上に形成する工程と、
   （２）前記型パターン及び前記土台パターンを覆うように被覆樹脂を配置する工程と、
   （３）前記被覆樹脂に少なくとも前記吐出口を形成し、前記オリフィスプレートを形成する工程と、
   （４）前記型パターン及び前記土台パターンを除去する工程と、
   を有し、
   前記土台パターンは、前記オリフィスプレートが、前記液体流路の側壁を構成する側壁部と、前記側壁部の周囲領域の前記基板上に配置されかつ前記オリフィスプレートの上壁を構成する上面部を支える複数の支持構造と、を有するように形成される形状であることを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
2. 前記土台パターンと前記型パターンとの間に配置された前記被覆樹脂により前記側面部が形成され、前記土台パターン内に配置された前記被覆樹脂により前記支持構造が形成される、請求項１に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
3. 前記支持構造は、前記基板と前記上面部に繋がる柱形状又は壁形状からなる請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
4. 前記土台パターンは、網目形状を有する請求項１乃至３のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
5. 前記網目形状が格子形状である請求項４に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
6. 前記工程（３）において、前記吐出口と同時に、前記土台パターンに通じる貫通口を前記被覆樹脂に形成し、
   前記工程（４）において、前記土台パターンを前記貫通口から除去する、請求項１乃至５のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
7. 前記工程（１）において、前記土台パターンは、該土台パターンの一部が前記オリフィスプレートの側面に露出するように形成され、
   前記工程（４）において、前記土台パターンは、前記オリフィスプレートの側面側から除去される請求項１乃至５のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
8. 前記支持構造の高さが前記型パターンと同じ高さである請求項１乃至７のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
9. 前記型パターンと前記土台パターンは同一の材料からなる請求項１乃至８のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。