JP2013237228A - 液体吐出ヘッド - Google Patents

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Abstract

【課題】 吐出する液体に対して溶解しにくく、形状が安定したオリフィスプレートを有する液体吐出ヘッドを提供すること。
【解決手段】 基板と、液体を吐出するエネルギーを発生するエネルギー発生素子と、液体を吐出する吐出口を形成するオリフィスプレートと、を有する液体吐出ヘッドであって、前記オリフィスプレートは、ケイ素及び炭素を含有し、ケイ素の含有割合をＸ（ａｔｏｍ％）、炭素の含有割合をＹ（ａｔｏｍ％）としたときに、Ｙ／Ｘが０．００１以上であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体吐出ヘッドに関するものである。
インクジェット記録装置等は、液体を吐出する液体吐出ヘッドを有する。液体吐出ヘッドは、一般的に、基板と、液体を吐出するエネルギーを発生するエネルギー発生素子と、オリフィスプレートとを有し、オリフィスプレートは液体を吐出する吐出口を形成している。
オリフィスプレートとしては、樹脂等からなる有機材料で形成されたものがある。その一方で、酸化ケイ素や窒化ケイ素といった無機材料で形成されたオリフィスプレートがある（特許文献１、２参照）。このようなオリフィスプレートを有する液体吐出ヘッドは、一般的に無機ノズルで形成された液体吐出ヘッドとして知られている。
米国特許第６４８２５７４号明細書 米国特許第７６００８５６号明細書
近年、吐出する液体として様々な改良をしたインクが提案されている。インクの改良は様々な手法で行われており、染料、顔料といった色材の違いに始まり、色材を安定的に溶解させるため溶媒も改良され、酸性からアルカリ性に至るまで様々なインク種がある。
液体吐出ヘッドには、このような様々なインク種であっても良好に吐出することが求められる。その為には、様々なインク種に対して、オリフィスプレートが溶解、変形しにくく、形状が安定していることが求められる。
しかしながら、本発明者らの検討によれば、特許文献１、２に記載されているようなオリフィスプレートを有する液体吐出ヘッドを用いた場合には、オリフィスプレートが溶解し、変形することがあった。特に、ｐＨが８〜９程度のアルカリ性のインクや色材として顔料を含有するインクとオリフィスプレートが長時間接した場合に、オリフィスプレートの溶解、変形が起こりやすいことが分かった。
本発明は、このような課題を解決し、吐出する液体に対して溶解しにくく、形状が安定したオリフィスプレートを有する液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。
上記課題は、以下の本発明によって解決される。即ち本発明は、基板と、液体を吐出するエネルギーを発生するエネルギー発生素子と、液体を吐出する吐出口を形成するオリフィスプレートと、を有する液体吐出ヘッドであって、前記オリフィスプレートは、ケイ素及び炭素を含有し、ケイ素の含有割合をＸ（ａｔｏｍ％）、炭素の含有割合をＹ（ａｔｏｍ％）としたときに、Ｙ／Ｘが０．００１以上であることを特徴とする液体吐出ヘッドである。
本発明によれば、吐出する液体に対して溶解しにくく、形状が安定したオリフィスプレートを有する液体吐出ヘッドを提供することができる。
本発明の液体吐出ヘッドの斜視図の一例である。 本発明の液体吐出ヘッドの断面図の一例である。 本発明の液体吐出ヘッドの製造方法を示す断面図の一例である。
本発明の液体吐出ヘッドを、図１及び図２を用いて説明する。図１は液体吐出ヘッドの斜視図である。図２は図１の液体吐出ヘッドの断面図である。
図１及び図２に示すように、液体吐出ヘッドは、基板２上に、液体を吐出する吐出口４を形成するオリフィスプレート３を有する。基板２はシリコン等で形成される。基板２のオリフィスプレート３が設けられている側には、エネルギー発生素子１が形成されている。図１及び図２におけるエネルギー発生素子１は熱変換素子（ヒータ）であるが、エネルギー発生素子として圧電素子等を用いてもよい。また、エネルギー発生素子１は基板２に接していなくてもよく、基板２に対して宙に浮いていてもよい。図１及び図２においては、エネルギー発生素子１は、絶縁性の保護膜１１で覆われている。
基板２は液体供給口５を有する。液体は、液体供給口５から供給され、流路２５を通り、エネルギー発生素子１からエネルギーを与えられ、吐出口４から吐出される。
次に、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法を、図３を用いて説明する。
まず、図３（ａ）に示すように、エネルギー発生素子１を有する基板２を用意する。エネルギー発生素子は例えばＴａＳｉＮ等で形成し、保護膜１１で覆われている。
次に、図３（ｂ）に示すように、基板２上に流路の型となる型材２４を設ける。型材２４は、例えば樹脂で形成する。樹脂が感光性樹脂である場合には、基板上に感光性樹脂を塗布し、感光性樹脂を露光、現像してパターニングすることで、流路の型となる型材とする方法が挙げられる。感光性樹脂でない場合には、型材となる樹脂上に感光性樹脂を設け、感光性樹脂をパターニングしてレジストを形成し、レジストを用いてＲＩＥ等によって樹脂をエッチングする方法が挙げられる。また、型材２４は樹脂に限らず、アルミニウム等の金属等で形成してもよい。アルミニウムを用いる場合には、基板２上にアルミニウムをスパッタにより成膜し、アルミニウム上に感光性樹脂等でレジストを形成し、レジストを用いてＲＩＥ等によってアルミニウムをエッチングする方法が挙げられる。
次に、図３（ｃ）に示すように、型材２４の上面にオリフィスプレート３となる層を形成する。オリフィスプレート３となる層は、型材２４の上面から型材２４を覆うように形成する。オリフィスプレート３はどのような方法で形成してもよいが、プラズマＣＶＤ法で形成することが好ましい。オリフィスプレート３となる層は、型材２４上から延在させて、基板２上や、保護膜１１が存在する場合には保護膜上にも形成することが好ましい。尚、オリフィスプレートとは、吐出口が形成されるプレートのことである。オリフィスプレートの厚みは、１μｍ以上であることが好ましく、３０μｍ以下であることが好ましい。また、２μｍ以上であることがより好ましく、５μｍを超えることが好ましい。
次に、図３（ｄ）に示すように、オリフィスプレート３に、液体を吐出する吐出口４を形成する。吐出口４は、例えばオリフィスプレート３をＲＩＥによってエッチングしたり、レーザーを照射したりすることで形成する。吐出口４はオリフィスプレート３を貫通するように形成する。
次に、図３（ｅ）に示すように、基板２に液体供給口５を形成する。液体供給口５は、例えば基板２にレーザー照射をしたり、異方性エッチングを行ったりすることで形成する。基板２上に保護膜１１が形成されている場合には、液体供給口の開口部分に存在する保護膜１１をＲＩＥ等によって除去することで、基板２に液体供給口５を貫通させる。尚、液体供給口５はこの時点で形成しなくてもよい。例えば図３（ａ）の段階で基板にあらかじめ形成しておいてもよい。但し、型材２４等の成膜性を考慮すると、型材２４及びオリフィスプレート３を形成した後で形成することが好ましい。
最後に、図３（ｆ）に示すように、型材２４を等方性ドライエッチングや適当な溶媒等によって除去し、液体の流路２５を形成する。流路２５は液室にもなる。
以上の工程によって、本発明の液体吐出ヘッドが製造される。
本発明者らは、上述のオリフィスプレート３に関し、オリフィスプレート中のケイ素に対する炭素の含有割合を増やすことで、吐出する液体に対して溶解しにくく、形状が安定したオリフィスプレートとなることを見出した。即ち、オリフィスプレート３がケイ素及び炭素を含有し、オリフィスプレートのケイ素の含有割合をＸ（ａｔｏｍ％）、炭素の含有割合をＹ（ａｔｏｍ％）としたときに、Ｙ／Ｘが０．００１以上であることを特徴とする。本発明の液体吐出ヘッドは所謂無機ノズルで形成された液体吐出ヘッドである。Ｙ／Ｘは０．００１以上であることがより好ましく、０．０５以上、０．１以上であることがさらに好ましい。また、成膜性の観点から、Ｙ／Ｘは１０以下であることが好ましい。オリフィスプレート中のケイ素と炭素は、炭化ケイ素として存在することが好ましい。
ケイ素と炭素の合計量、即ちＸ＋Ｙは５０以上であることが好ましい。オリフィスプレートはケイ素、炭素のみで構成されていてもよく、その場合は、Ｘ＋Ｙ＝１００となる。
また、オリフィスプレート３は窒素を含有していることが好ましく、ケイ素及び炭素と合わせて炭窒化ケイ素として含有していることが好ましい。窒素を含有することで、オリフィスプレートの絶縁性を高めることができる。オリフィスプレート中の窒素の含有割合をＺ（ａｔｏｍ％）とすると、Ｘ＋Ｙ＋Ｚは５０を超えることが好ましい。オリフィスプレートはケイ素、炭素、窒素のみで構成されていてもよく、その場合は、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００となる。
エネルギー発生素子は保護膜で覆われていることが好ましい。この場合、エネルギー発生素子を覆う保護膜は炭窒化ケイ素を含有していることが好ましく、炭窒化ケイ素のみで形成されていることがより好ましい。炭窒化ケイ素を含有する保護膜とすることで、絶縁性を高め、またインク等に対する耐性を高めることができる。
さらに、オリフィスプレートが炭窒化ケイ素を含有する場合、オリフィスプレートが含有する炭窒化ケイ素と保護膜が含有する炭窒化ケイ素とは同じ組成であることが好ましい。同じ組成とすることで、単独の成膜装置を用いて液体吐出ヘッドを製造することができる。
＜実施例１〜８＞
実施例１〜８の液体吐出ヘッドの製造方法を、図３を用いて説明する。
最初に、図３（ａ）に示すように、ＴａＳｉＮで形成されたエネルギー発生素子１を有する基板２を用意した。エネルギー発生素子１は、プラズマＣＶＤ法によって付与された窒化ケイ素からなる厚さ０．５μｍの保護膜１１で覆われている。基板２はシリコンで形成されており、厚さ６２５μｍである。
次に、基板２上にポリイミド（ＨＤマイクロシステムズ社製）を厚み２μｍ〜２３μｍでスピンコートした。成膜したポリイミド上に感光性樹脂からなるレジストを塗布し、レジストを露光、現像してマスクとした。マスクとしたレジストを用い、ＲＩＥによってポリイミドをエッチングし、流路の型となる型材２４を形成した（図３（ｂ））。
次に、図３（ｃ）に示すように、型材２４の上面にオリフィスプレート３となる層を形成した。オリフィスプレート３となる層は、型材２４の上面から型材２４を覆うように形成した。オリフィスプレート３となる層は、プラズマＣＶＤ法によって炭化ケイ素（ＳｉＣ）、或いは炭窒化ケイ素（ＳｉＣＮ）を成膜することで形成した。
炭化ケイ素は、ＳｉＨ４ガス流量：８０ｓｃｃｍ〜１ｓｌｍ、ＣＨ４ガス流量：１０ｓｃｃｍ〜５ｓｌｍ、ＨＲＦ電力：２５０Ｗ〜９００Ｗ、ＬＲＦ電力：８Ｗ〜５００Ｗ、圧力：３１０Ｐａ〜７００Ｐａ、温度：３００℃〜４５０℃の成膜条件から、オリフィスプレート３となる層の厚み、ケイ素と炭素の含有割合に応じて適宜調整した。
炭窒化ケイ素は、ＳｉＨ４ガス流量：８０ｓｃｃｍ〜１ｓｌｍ、ＮＨ３ガス流量：１４ｓｃｃｍ〜４００ｓｃｃｍ、Ｎ２ガス流量：０ｓｌｍ〜１０ｓｌｍ、ＣＨ４ガス流量：１０ｓｃｃｍ〜５ｓｌｍ、ＨＲＦ電力：２５０Ｗ〜９００Ｗ、ＬＲＦ電力：８Ｗ〜５００Ｗ、圧力：３１０Ｐａ〜７００Ｐａ、温度：３００℃〜４５０℃の成膜条件から、オリフィスプレート３となる層の厚み、ケイ素、炭素及び窒素の含有割合に応じて適宜調整した。
次に、図３（ｄ）に示すように、オリフィスプレート３となる層に液体を吐出する吐出口４を形成し、オリフィスプレートとした。吐出口４は、オリフィスプレート３となる層上に感光性樹脂からなるレジストを塗布し、レジストを露光、現像し、さらにレジストを用いてＲＩＥによってエッチングを行うことで形成した。吐出口４の直径は、レジストの形状を調整することにより、１μｍ〜１５μｍとした。
次に、図３（ｅ）に示すように、基板２に液体供給口５を形成した。液体供給口５は、シリコンからなる基板２を、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）溶液を用いて異方性エッチングすることで形成した。基板２のエッチングが開始される面の結晶方位を＜１００＞とすることで、図３（ｅ）に示すような形状の液体供給口５となった。液体供給口５上の保護膜１１は、ＲＩＥによって除去し、液体供給口５を貫通させた。
最後に、図３（ｆ）に示すように、型材２４を、酸素ガスを導入してマイクロ波でプラズマを励起してエッチングする等方性ドライエッチングにより除去し、流路２５を形成した。
以上のようにして、表１に示す実施例１−１〜実施例８−６の液体吐出ヘッドを製造した。表１中に示すＹ／Ｘは、オリフィスプレートのケイ素の含有割合をＸ（ａｔｏｍ％）、炭素の含有割合をＹ（ａｔｏｍ％）としたときの値である。また、炭窒化ケイ素（ＳｉＣＮ）を含有するオリフィスプレートについては、窒素の含有割合を併記した。実施例１−１〜実施例４−６のオリフィスプレートは、炭化ケイ素のみからなる構成であり、実施例５−１〜実施例８−６のオリフィスプレートは、炭窒化ケイ素のみからなる構成である。
製造した液体吐出ヘッドの断面図は、図２に示す通りである。表１において、オリフィスプレートの厚みとは、図２に示すＡの部分の長さである。吐出口の直径とは、図２に示すＢの部分の長さである。液室の高さとは、図２に示すＣの部分の長さである。
＜比較例１〜２＞
オリフィスプレート３となる層を、酸化ケイ素（ＳｉＯ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）をプラズマＣＶＤ法によって成膜することで形成した。成膜した酸化ケイ素及び窒化ケイ素の厚み、即ちオリフィスプレートの厚みは、１μｍ〜１５μｍの範囲とした。これ以外は実施例と同様にして、表２に示す比較例１−１〜比較例１−６、比較例２−１〜比較例２−６の液体吐出ヘッドを製造した。
＜評価＞
製造した液体吐出ヘッドを、ｐＨ８．５の顔料インク（７０℃）に１カ月浸漬し、オリフィスプレート及び吐出口の形状を顕微鏡にて観察し、以下の基準で評価を行った。
（オリフィスプレートの形状）
１ オリフィスプレートの変形はほとんど見られない。
２ オリフィスプレートの変形が見られる。
３ オリフィスプレートの全部或いは大半が消失している。
（吐出口の形状）
１ 吐出口の変形はほとんど見られない。
２ 吐出口の変形がわずかに見られる。
３ 吐出口の形状が存在しない程度に変形している。
以上の評価結果を、表１及び表２に示す。
表１及び表２から、ケイ素の含有割合をＸ（ａｔｏｍ％）、炭素の含有割合をＹ（ａｔｏｍ％）としたときに、Ｙ／Ｘが０．００１以上であるオリフィスプレートは、吐出する液体に対して溶解しにくく、形状が安定したものであることが分かる。また、Ｙ／Ｘは０．０１以上であることがより好ましく、０．０５以上、０．１以上であることがさらに好ましいことが分かる。
＜実施例９＞
基本的には実施例５−４と同様であるが、実施例９では、保護膜１１としてプラズマＣＶＤ法によって付与された炭窒化ケイ素からなる厚さ０．５μｍの膜を用いた。炭窒化ケイ素の組成は、後の工程で形成するオリフィスプレートと同じとした。また、型材２４として、膜厚２μｍ〜２３μｍの酸化ケイ素膜を用いた。まず、基板上に酸化ケイ素をプラズマＣＶＤ方によって付与し、付与した酸化ケイ素膜上に、感光性樹脂からなるレジストを塗布し、レジストを露光、現像してマスクとした。さらにマスクとしたレジストを用いてＲＩＥによって酸化ケイ素膜にエッチングを行い、流路の型となる型材２４とした。型材２４の除去は、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）にて行った。これ以外は実施例５−４と同様にした。
実施例９で製造した液体吐出ヘッドは、型材２４をスピンコートではなくプラズマＣＶＤ法で形成したことにより、ノズル形状をより精度良く形成することができた。
また、オリフィスプレートが含有する炭窒化ケイ素と保護膜が含有する炭窒化ケイ素とは同じ組成であり、単独の成膜装置を用いて液体吐出ヘッドを製造することができた。
さらに、エネルギー発生素子を覆う保護膜が炭窒化ケイ素を含有していることにより、型材２４の除去性を高めるために長時間のバッファードフッ酸への浸漬を行っても、吐出口や保護膜への影響を小さくすることができた。

Claims (9)

  1. 基板と、液体を吐出するエネルギーを発生するエネルギー発生素子と、液体を吐出する吐出口を形成するオリフィスプレートと、を有する液体吐出ヘッドであって、
    前記オリフィスプレートは、ケイ素及び炭素を含有し、ケイ素の含有割合をＸ（ａｔｏｍ％）、炭素の含有割合をＹ（ａｔｏｍ％）としたときに、Ｙ／Ｘが０．００１以上であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
  2. 前記Ｙ／Ｘが０．０１以上である請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
  3. 前記Ｙ／Ｘが０．０５以上である請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
  4. 前記Ｙ／Ｘが０．１以上である請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
  5. 前記オリフィスプレートは窒素を含有している請求項１〜４のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
  6. 前記エネルギー発生素子は保護膜で覆われており、該保護膜は炭窒化ケイ素を含有している請求項１〜５のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
  7. 前記オリフィスプレートは炭窒化ケイ素を含有しており、前記オリフィスプレートが含有する炭窒化ケイ素と前記保護膜が含有する炭窒化ケイ素とは同じ組成である請求項６に記載の液体吐出ヘッド。
  8. 前記オリフィスプレートはプラズマＣＶＤ法で形成されたものである請求項１〜７のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
  9. 基板と、液体を吐出する吐出口を形成するオリフィスプレートと、を有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
    基板上に、液体の流路の型となる型材を形成する工程と、
    前記型材を覆うようにケイ素及び炭素を含有する層を形成する工程と、
    前記ケイ素及び炭素を含有する層に吐出口を形成し、オリフィスプレートとする工程と、
    前記型材を除去し、液体の流路を形成する工程と、を有し、
    前記オリフィスプレートは、ケイ素及び炭素を含有し、ケイ素の含有割合をＸ（ａｔｏｍ％）、炭素の含有割合をＹ（ａｔｏｍ％）としたときに、Ｙ／Ｘが０．００１以上であることを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
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