JP2020006548A - 基板の加工方法、並びに、液体吐出ヘッド用基板およびその製造方法 - Google Patents
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一方、第二の供給口が開口する基板の裏面には、通常、微細化に不利な樹脂成型品から成る支持部材が接合される。このため、液体吐出ヘッドの高密度化を図るために、第一の供給口に合わせて、第二の供給口を単に微細化しただけでは、支持部材等に起因する生産性の低下やコストアップを避けることはできない。
従って、生産性やコストに対する要求を満たした上で、高密度化が可能な液体吐出ヘッド用基板を製造するための技術の開発が求められている。
以下に、図3及び図4を用いて、本発明の基板の加工方法の実施形態について詳しく説明する。
本発明の基板の加工方法は、基板に、基板厚み方向に対して傾きの異なる複数の孔を形成する方法であり、以下の工程を少なくとも有する。
・基板にエッチングマスクを形成する工程(マスク形成工程)。
・前記エッチングマスクを形成した前記基板に反応性イオンエッチングにより前記孔を形成する工程(孔形成工程)。
・前記エッチングマスクを除去する工程(マスク除去工程)。
以下に、各工程について詳しく説明する。
図3(a)〜(c)に示すように、基板50に、エッチングマスクを形成する。ここで、エッチングマスクは、基板のエッチング開始面の大きさを規定する第一のマスク51(第一段目のエッチングマスク)と、形成する孔の基板厚み方向の傾きに対応した厚みを有する第二のマスクとを有する。
従って、図3に示す被エッチング領域は、一部が最も厚みのあるマスクで囲われた領域51aiii、一部が二番目に厚いマスクで囲われた領域51aii、及び最も薄いマスクですべてが囲われた領域51aiを有する。
すなわち、第一のマスク51で周囲がすべて囲われた被エッチング領域51aiでは、基板面に対して垂直な方向(鉛直方向)にエッチングが進行する。また、周囲の一部に1層の第二のマスクI 52が形成された被エッチング領域51aiiでは、基板面に対して垂直な方向に対して、この第二のマスクI 52側に傾いた方向にエッチングが進行する。さらに、周囲の一部に2層の第二のマスクが形成された被エッチング領域51aiiiでは、基板面に対して垂直な方向に対して、これらの第二のマスク側にさらに傾いた方向にエッチングが進行する。このように、被エッチング領域を囲うエッチングマスクの一部の厚みを変えることで、形成されるシースを歪ませることができ、エッチングの進行方向を所望の方向に制御することができる。
このように、エッチングマスク(特に第二のマスク)の必要段数(層数)や厚みは任意に選択できるが、この作用を得るためには、通常、シース厚み(基板表面からシースまでの距離)に対して10分の1以上のマスク厚みとすることが求められる。例えば、ドライエッチングのシース厚みが数mm程度のオーダーの場合には、少なくとも数百μm程度以上のマスク厚みとすることが好ましい。
従って、上記マスク形成工程は、第二のマスクを作製した後に、該第二のマスクの少なくとも被エッチング領域側の角部を丸める処理を含むことが好ましい(処理工程)。なお、この処理工程において、角部を丸める処理を行う第二のマスクとは、各領域の周囲に形成された第二のマスクのうち、最表層となるマスクであることができる。すなわち、例えば、図3(c)では、領域51aiiiに対しては、第二のマスクII 53であることができ、領域51aiiに対しては、第二のマスクI 52であることができる。
しかしながら、より簡便にエッチングマスクを形成できることから、エッチングマスクは、感光性樹脂(例えば、ネガ型感光性樹脂)を含むことが好ましい。このように、エッチングマスクが感光性樹脂のような有機物から成る場合には、該感光性樹脂を基板上に塗布しパターニングしてエッチングマスクを形成した後に、例えば、処理工程として酸素プラズマ処理を行うことで、第二のマスクの角部を丸めることができる。
次いで、図3(d)に示すように、第一のマスク51及び第二のマスク(符号52及び53)を有する基板に対して、ドライエッチング(詳しくは反応性イオンエッチング)により、第一の面50aから第二の面50bを貫通する複数の孔54を形成する。上述したように、ドライエッチングの際、各領域の周囲に形成されたエッチングマスクの厚みに応じて、第二のマスク側に、エッチングの進行方向が傾く。その結果、図4(b)に示すエッチングの途中段階を経て、図3(d)に示すように、基板厚み方向に対して異なる傾きを有する複数の孔54i〜54iiiがそれぞれ形成される。これらの孔はそれぞれ別々の角度で、第一の面から第二の面に延伸している。例えば、孔54iiiは、図3(e)に示すように、第一の面における(開口の中心)位置を基準として、基板厚み方向に対して角度θiiiの傾きで、基板50を貫通している。なお、第一の面50aにおける孔の(開口の中心)位置を基準とした、孔の基板厚み方向に対する傾斜角度θは、上述したエッチングマスクの厚み等を調整することで適宜設定することができる。また、基板としては、例えば、シリコン基板やシリコン酸化膜を有する基板を用いることができ、少なくともエッチング開始面に、シリコン層及びシリコン酸化膜の少なくとも一方を有することができる。
続いて、図3(e)に示すように、エッチングマスク(符号51〜53)を除去する。除去方法としては特に限定されず、液体吐出ヘッドの分野で公知な方法を用いて各マスクを同時に又は別々に除去することができる。
(第一の実施形態)
図1及び図2に示すように、本実施形態の液体吐出ヘッド用基板30は、ノズル層10及び(素子)基板20を含むことができ、当該液体吐出ヘッド用基板30は、(液体)供給路41を有する支持部材40に接合され液体吐出ヘッドとして用いることができる。また、当該液体吐出ヘッド用基板30は、(液体)吐出口11と、記録素子21と、液体流路12と、第一の面20a及び第二の面20bを有する(素子)基板20と、液体供給口22とを有する。
本発明の液体吐出ヘッド用基板を用いた液体吐出ヘッド(例えば、インクジェット記録ヘッド)は、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、更には、各種処理装置と複合的に組み合わせた産業記録装置に搭載可能である。
ノズル層10は、液体を吐出する吐出口11と、吐出口11と連通し、記録素子21に液体(例えば、インク等の記録液)を輸送する液体流路12とを有する。吐出口11は、図1(b)及び図2(a)に示すように、記録素子21の上方(紙面上方)の部分に形成することができ、通常、1つの液体吐出ヘッド用基板に複数形成される。液体流路12は、素子基板20の第一の面20a上に配され、吐出口11と液体供給口22と連通する空間部分であり、この空間部分に液体を保持する液室として利用される。
当該ノズル層10は、例えば、感光性樹脂を用いて形成することができ、単層又は複数層で構成されることができる。例えば、ノズル層10は、吐出口11を有するオリフィスプレートと、液体流路12を有する流路壁部材とから構成されることができる。
素子基板20は、(複数の)記録素子21が配された第一の面20aと、第一の面20aに対向する第二の面20bとを有する。素子基板20に用いる基板としては、例えば、シリコン基板(シリコンウエハ)を用いることができ、当該基板の厚さは、例えば、0.1mm〜1.0mmの範囲とすることができる。記録素子21は、液体吐出ヘッド用基板の吐出口から液体を吐出するためのエネルギーを発生できるものであればよい。記録素子21としては、例えば、液体を沸騰させる電気熱変換素子(発熱抵抗体素子、ヒータ素子)や、体積変化や振動により液体に圧力を与える素子(ピエゾ素子、圧電素子)等を用いることができる。
また、各ノズル列では、図2に示すように、各記録素子21に対応した液体流路12が配置されており、上記記録素子21と吐出口11との対が、1つの液体流路12において、第一の方向に1つ又は複数(例えば2つ)ずつ配置されている。そして、このノズル列毎に、素子基板の第一の面20aから第二の面20bまで貫通する液体供給口22が形成されており、当該液体供給口22は、第一の面20aにおいて液体流路12と連通し、第二の面20bにおいて液体供給路41と連通している。
この液体供給口22は、第一の面20aに開口し、液体流路12に連通する第一の供給口22aと、第二の面20bに開口し、第一の供給口22aに連通する第二の供給口22bとを含む構成となっている。
また、図2に示す液体吐出ヘッド用基板では、各液体流路に連通する一対の第一の供給口は、一対の第一の供給口の第一の方向における中心位置を軸として、第一の方向に対称な傾きを有している。
なお、第一の面20aにおける第一の供給口の(開口の中心)位置を基準とした、第一の供給口の基板厚み方向に対する傾斜角度θは、上述した基板の加工方法と同様に、適宜設定することができる。例えば、上記傾斜角度θは、0°以上、90°未満とすることができる。
これにより、微細化には不利な支持部材を接合する第二の面のピッチを変えることなく、第一の面のピッチをより微細化した液体供給口22を基板20に形成することができる。
図5(a)に示す第二の実施形態では、1つの液体流路74に対して、記録素子と吐出口73との対が第一の方向(紙面左右方向)に2つずつ配されている。そして、これらから構成されるノズルが、第二の方向(紙面手前−奥方向)に沿って略等間隔に複数配置されることによって構成されるノズル列が、第一の方向に5列(吐出口列は10列)配置されている。そして、各液体流路74に対して、第二の方向に沿って所定のピッチで一列に配置された第一の供給口69が1つずつ連通している。また、この第二の方向に沿って配された複数の第一の供給口が、第二の方向に延在して配される1つの第二の供給口64に連通し、1つの液体供給口を構成している。
図5(b)に示す第三の実施形態では、異なる液体供給口が有する隣り合う第一の供給口106の一方(106ai)のみが上記中心間距離が拡大する斜め方向に延伸している点が第一の実施形態と異なっており、それ以外の点は第一の実施形態と同一となっている。このような形態であっても、異なる液体供給口が有する隣り合う第一の供給口(例えば、同一の液体流路に連通する一対の第一の供給口)において、第一の方向の中心間距離Aが、第一の面から第二の面に拡大する領域を有する。また、この第一の面における中心間距離Aが、隣り合う第二の供給口の第二の面での第一の方向の中心間距離Bよりも小さくなっている。さらに、上記距離L1及びL2に関しても、少なくとも、基板の第一の方向の両端に配される液体供給口(第一の供給口106aiと第二の供給口104)において、L1<L2の関係が成立する。このため、図5(b)に示す液体吐出ヘッド用基板であっても、ノズル部への液体の供給が容易となり、液体の吐出スピードを一層上げることができ、支持部材の生産性を落とさずに液体吐出ヘッドの吐出機能を高めることが可能となる。
本発明の液体吐出ヘッド用基板の製造方法は、図1に示すように、第一の面20aに開口する液体供給口22の少なくとも一部(例えば、第一の供給口22a)を上記基板の加工方法を用いて形成することに特徴を有する。それ以外の方法については、従来の液体吐出ヘッド用基板の製造方法を適宜用いることができる。
図6−1(a)から図6−2(k)に示す手順に従い、図5(a)に示す第二の実施形態のインクジェット記録ヘッド用基板を作製した。
次に、ネガ型フォトレジスト(エポキシ樹脂)を、基板の第一の面60aに(第一の面からの)厚さ15μmでスピンコートし、感光性樹脂層を形成した。次いで、当該感光性樹脂層に対して、第一の供給口の開口位置となる領域(被エッチング領域)以外の部分を露光し、その後、アルカリ溶液(テトラメチルアンモニウムハイドライド水溶液)を用いた現像を行い、開口部65aを有する第一のマスク65を形成した。この第一のマスクによって、エッチング開始面の大きさを規定した。
次いで、厚さ220μmのエポキシ樹脂を含むネガ型感光性樹脂層が積層されたドライフィルムレジストを、第二のマスクI 66の表面に、ラミネーターを用いて転写した。その後、当該ドライフィルムレジストを露光及び現像し、開口部67aを有する第二のマスクII 67を形成した。
このように、被エッチング領域65aiの周囲を、厚さ15μmの第一のマスク65で囲った。また、被エッチング領域65aiiの周囲に、該第一のマスクと、形成する孔が傾く方向に厚さ280μmの第二のマスクIとを形成した。さらに、被エッチング領域65aiiiの周囲に、該第一のマスクと、形成する孔が傾く方向に合計の厚みが500μmの第二のマスクを形成した。このように、エッチングマスクとして、基板60の第一の面60a上に、一番厚い部分で515μmのマスクを形成し、基板の中心から外側に向かって、より厚く第二のマスクを形成した。
次いで、保護膜68を、第二の供給口64が形成された基板の第二の面60bに形成した。
なお、第一の供給口69aiiiは、第一の面60aの第一の供給口の位置を基準とした、基板厚み方向に対する傾斜角度θaiiiは7°であった。また、第一の供給口69aiiの傾斜角度θaiiは4°であり、第一の供給口69aiの傾斜角度θaiは0°であり、基板厚み方向と平行であった。このように、基板の中心から第一の方向の外側に向かって徐々に傾斜角度が大きくなる構成とした。
なお、第一の面における第一の供給口間のピッチ(図5(a)における中心間距離A)は678μmであった。これに対して、第二の面における第二の供給口間のピッチ(図5(a)における中心間距離B)は850μmであった。従って、第一の方向に隣り合う液体供給口において、A<Bの関係が成立していた。
さらに、隣り合う第一の供給口の第一の方向における中心間距離は、第一の面60aから第二の面60bに向かって連続して拡大していた。
また、このインクジェット記録ヘッド用基板を用いたインクジェット記録ヘッドのインク吐出スピード(リフィル周波数)は、24kHzであった。
以下の点を変更した以外は、実施例1と同様にして、図1及び図2に示す第一の実施形態に相当するインクジェット記録ヘッド用基板を作製した。
次いで、厚膜塗布用のネガ型フォトレジストをスリットコーターで(第一のマスク表面からの)厚み500μmで塗布し、その後、露光及び現像処理をして、開口部83aを有する第二のマスク83を形成した。被エッチング領域82aiでは、紙面左側に、被エッチング領域82aiiでは、紙面右側に、第二のマスク83が配置された。各領域の周囲に配されたエッチングマスクの合計厚みは、一番厚い部分で515μmであった。次いで、有機樹脂からなる保護膜85を、第二の供給口84が形成された基板80の第二の面80bに形成した。
このインクジェット記録ヘッド用基板では、1つの液体流路88に対して、2つの液体供給口が連通しており、液体流路が、異なる液体供給口が有する第一の方向に隣り合う2つの第二の供給口84と連通した第一の供給口86の一対と連通していた。
また、この一対の第一の供給口は、それらの第一の方向における中心位置を軸として、第一の方向に対称な傾きを有していた。
この一対の隣り合う第一の供給口の第一の面での第一の方向の中心間距離Aは320μmであり、この中心間距離は、第一の面80aから第二の面80bに向かって連続して拡大する構成であった。また、この一対の隣り合う第二の供給口の第二の面での第一の方向の中心間距離Bは850μmであった。なお、各液体流路に連通する液体供給口は同様のピッチで構成された。従って、得られたインクジェット記録ヘッド用基板において、A<Bの関係が成立していた。
なお、このインクジェット記録ヘッド用基板では、記録素子と吐出口の対が、1つの液体流路において、第二の方向に複数配され、また、第一の方向に1つずつ配されていた。
図8(a)〜(d)に示すように、第二のマスク83を用いなかった以外は実施例2と同様にして、インクジェット記録ヘッド用基板を作製した。具体的には、第二の供給口93が形成された基板90の第一の面90aに、実施例2と同様に、開口部92aを有する第一のマスク92を形成し、その後、第二の面90bに保護膜94を形成した。そして、図7(b)に示すように、第二のマスクを作製せずに、この第一のマスク92を用いて、通常のボッシュサイクルによるシリコン深掘りエッチングを行い、第一の面から第二の供給口93に連通する第一の供給口95を形成した。この第一の供給口95は、基板面に対して垂直な方向に基板を貫通していた。続いて、図7(c)に示すように、第一のマスク及び保護膜を除去し、図7(d)に示すように、基板の第一の面90a上に吐出口96及び液体流路97を形成した。
このように、実施例2に示すインクジェット記録ヘッド用基板では、第二の供給口のピッチを狭くすることなく、比較例1に対して、インクの吐出能力を向上させることができることがわかった。つまり、支持部材の生産性を落とすことなくインクジェット記録ヘッドの吐出能力を上げることができることがわかった。
このインクジェット記録ヘッド用基板では、1つの液体流路108に対して、2つの液体供給口が連通しており、液体流路が、異なる液体供給口が有する第一の方向に隣り合う2つの第二の供給口104と連通した第一の供給口106の一対と連通していた。
この一対の第一の供給口の第一の面の第一の方向における中心間距離Aは340μmであり、この中心間距離は、第一の面100aから第二の面100bに向かって連続して拡大する構成であった。また、この一対の隣り合う第二の供給口の第二の面における第一の方向の中心間距離Bは850μmであった。なお、各液体流路に連通する液体供給口は同様のピッチで構成された。従って、得られたインクジェット記録ヘッド用基板において、A<Bの関係が成立していた。
なお、このインクジェット記録ヘッド用基板では、記録素子と吐出口の対が、1つの液体流路において、第二の方向に複数配され、また、第一の方向に1つずつ配されていた。
従って、上記比較例1に示すインクジェット記録ヘッド用基板を用いたヘッドに対して吐出能力が向上し、支持部材の生産性を落とすことなくインクジェット記録ヘッドの能力を上げることができることがわかった。
12、74、88、97、108 液体流路
20、50、60、80、90、100 (素子)基板
20a、50a、60a、80a、90a、100a 第一の面
20b、50b、60b、80b、90b、100b 第二の面
21、61、81、91、101 記録素子
22、22i〜22iv 液体供給口
22a、22ai〜22aiv、69、69ai〜69aiii、86、86ai〜86aii、95、106、106ai〜106aii 第一の供給口
22b、22bi〜22biv、64、84、93、104 第二の供給口
30 液体吐出ヘッド用基板
51、65、82、92、102 第一のマスク
51ai〜51aiii、65ai〜65aiii、82ai〜82aii、102ai〜102aii 領域
52、66 第二のマスクI
53、67 第二のマスクII
83、103 第二のマスク
54、54i〜54iii 孔
103b 被エッチング領域側の角部
A、A1、A2 隣り合う第一の供給口の第一の面での第一の方向の中心間距離
B、B1、B2 隣り合う第二の供給口の第二の面での第一の方向の中心間距離
X 第一の方向
Y 第二の方向
L1 記録素子の中心位置から、第一の供給口の記録素子側の開口端までの第一の方向における距離
L2 記録素子の中心位置から、第二の供給口の記録素子側の開口端までの第一の方向における距離
θiii (傾斜)角度
Claims (16)
- 液体を吐出する吐出口と、
前記液体を吐出するためのエネルギーを発生する記録素子と、
前記吐出口と連通し、前記記録素子に液体を輸送する液体流路と、
前記記録素子が配された第一の面と、該第一の面に対向する第二の面とを有する基板と、
前記基板の第一の面から第二の面に貫通し、前記液体流路と連通する液体供給口と、
を有する液体吐出ヘッド用基板であって、
前記液体供給口は、前記第一の面に開口し、前記液体流路に連通する第一の供給口と、前記第二の面に開口し、該第一の供給口に連通する第二の供給口とを含み、
前記液体供給口は、基板面に平行な第一の方向に複数配され、1つの前記液体流路に対して、1つ以上の前記液体供給口が連通しており、
前記第一の方向に隣り合う前記液体供給口の少なくとも一部において、
異なる液体供給口が有する隣り合う第一の供給口の前記第一の方向における中心間距離が、前記第一の面から前記第二の面に向かって拡大する領域を少なくとも有し、
前記異なる液体供給口が有する、隣り合う第一の供給口の前記第一の面における前記第一の方向の中心間距離が、隣り合う第二の供給口の前記第二の面における該第一の方向の中心間距離よりも小さい、
ことを特徴とする液体吐出ヘッド用基板。 - 前記記録素子の中心位置から、前記第一の供給口の前記記録素子側の開口端までの前記第一の方向における距離をL1、前記記録素子の中心位置から、前記第二の供給口の前記記録素子側の開口端までの前記第一の方向における距離をL2とした時、少なくとも一つの液体供給口で、L1<L2が成立する、請求項1に記載の液体吐出ヘッド用基板。
- 前記第二の供給口が、前記第一の方向と直交し基板面に平行な第二の方向に延在しており、
前記記録素子と前記吐出口の対が、前記第二の方向に複数配される、請求項1または2に記載の液体吐出ヘッド用基板。 - 前記記録素子と前記吐出口の対が、1つの前記液体流路において、前記第一の方向に、1つまたは2つずつ配される、請求項3に記載の液体吐出ヘッド用基板。
- 前記第二の供給口が、前記第一の方向と直交し基板面に平行な第二の方向に延在しており、
各液体供給口において、前記第一の供給口が前記第二の方向に複数配され、該複数の第一の供給口が1つの前記第二の供給口に連通する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド用基板。 - 異なる液体供給口が有する、隣り合う第一の供給口の前記第二の方向における位置が、略同一である、請求項5に記載の液体吐出ヘッド用基板。
- 前記液体流路が、異なる液体供給口が有する、隣り合う2つの前記第二の供給口と連通した前記第一の供給口の少なくとも一対と連通する、請求項1〜6のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド用基板。
- 前記一対の第一の供給口の前記第一の方向における中心間距離が、前記第一の面から前記第二の面に向かって拡大する領域を少なくとも有し、
該一対の第一の供給口が、該一対の第一の供給口の該第一の方向における中心位置を軸として、該第一の方向に対称な傾きを有する、請求項7に記載の液体吐出ヘッド用基板。 - 前記第一の面における前記第一の供給口の位置を基準とした、該第一の供給口の基板厚み方向に対する傾斜角度が、前記基板の中心から前記第一の方向の外側に向かって徐々に大きくなる、請求項1〜7のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド用基板。
- 基板に、基板厚み方向に対して傾きの異なる複数の孔を形成する方法であって、
前記基板にエッチングマスクを形成する工程と、前記エッチングマスクを形成した前記基板に反応性イオンエッチングにより前記孔を形成する工程と、前記エッチングマスクを除去する工程とを少なくとも有し、
前記エッチングマスクは、前記基板のエッチング開始面の大きさを規定する第一のマスクと、前記反応性イオンエッチングにおける被エッチング領域の周囲の該第一のマスク上の少なくとも一部に配され、形成する孔の基板厚み方向の傾きに対応した厚みを有する第二のマスクと、を有することを特徴とする基板の加工方法。 - 前記被エッチング領域の周囲に配された前記第二のマスク側に、エッチングの進行方向が傾く、請求項10に記載の基板の加工方法。
- 前記被エッチング領域が、基板の中心から外側に向かって、より厚く形成された前記第二のマスクで規定される領域を有する、請求項10または11に記載の基板の加工方法。
- 前記基板が、少なくともエッチング開始面に、シリコン層もしくはシリコン酸化膜を有する、請求項10〜12のいずれか一項に記載の基板の加工方法。
- 前記エッチングマスクが、感光性樹脂を含む、請求項10〜13のいずれか一項に記載の基板の加工方法。
- 前記エッチングマスクを形成する工程が、前記第二のマスクを作製した後に、該第二のマスクの少なくとも前記被エッチング領域側の角部を丸める処理を含む、請求項10〜14のいずれか一項に記載の基板の加工方法。
- 液体を吐出する吐出口と、
前記液体を吐出するためのエネルギーを発生する記録素子と、
前記吐出口と連通し、前記記録素子に液体を輸送する液体流路と、
前記記録素子が配された第一の面と、該第一の面に対向する第二の面とを有する基板と、
前記基板の第一の面から第二の面に貫通し、前記液体流路と連通する液体供給口と、
を有する液体吐出ヘッド用基板の製造方法であって、
前記第一の面に開口する前記液体供給口の少なくとも一部を、請求項10〜15のいずれか一項に記載の基板の加工方法を用いて形成することを特徴とする液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
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