JP2021024236A - 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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Abstract
Description
図1は本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドの斜視図である。以下、液体吐出ヘッドとしてインクジェット方式によりインクを吐出するインクジェットヘッドを例に説明するが、本発明はこれに限定されず、ノズルプレート上に液滴が付着し、それを除去するワイピング等が必要な液体吐出ヘッド全般に適用することができる。また、以下において、液体吐出ヘッド用基板は、インクジェット記録用基板として説明する。
基体5はシリコン基板上に半導体製造技術を用いてインクを発泡させる為のエネルギー発生素子6とそれを駆動させる駆動回路(不図示)などが形成されている。また、基体5のエネルギー発生素子6の形成面とその対向する裏面に連通するインクの供給口7が基体5を貫通して形成されている。更に、エネルギー発生素子6上にはノズル形成部材8により基板の裏面側から供給されたインクを吐出するための吐出口9が形成されている。各吐出口に対応したエネルギー発生素子6を駆動させ、インクを発泡すること等によりその圧力を利用してインクを吐出させ印字を行うことができる。図2において、吐出口の列が2列配置された構成を示しているが、これに限定されず、1列又は3列以上配置されていてもよい。また、吐出口の配列される方向を第一の方向F、それと直交する方向を第二の方向S、基板面に垂直な方向を第三の方向Tという。
基体5は、シリコンなどの基板10の上に様々な層が形成されており、吐出口9に対応してエネルギー発生素子6が形成される。ノズル形成部材8は、ノズルプレート21とも称し、ノズルプレート21の最表面となる液滴吐出面に、インク滴の濡れ広がりを防ぐための撥水層22を有する。
まず、図4(a)に示すような基体5を用意する。トランジスタ等の駆動素子(不図示)が設けられたSi基板10の上に、Si基板10の一部を熱酸化して設けた熱酸化層11と、蓄熱層12とを設ける。熱酸化層11の厚みは500nm以上2000nm以下とすることができる。蓄熱層12は例えばプラズマCVD法等により成膜されるシリコン化合物で形成されており、厚みは500nm以上2000nm以下とすることができる。またSi基板10上には、インク供給口7の形成時に用いられるアルミニウム等からなる犠牲層14が形成されている。蓄熱層12の上には、抵抗体層15が形成されている。抵抗体層15は、通電することで発熱する材料で形成されている。このような材料としては、例えばTaSiNやWSiNが挙げられる。抵抗体層15のシート抵抗は100Ω/□以上1000Ω/□以下とすることができる。抵抗体層15の上には、抵抗体層15に接するように、抵抗体層15より抵抗の低い電極層16が形成されている。電極層16は例えばアルミニウムで形成されており、厚みは100nm以上2000nm以下とすることができる。電極層16は一対設けられており、一対の電極層16の間の露出している抵抗体層15がエネルギー発生素子6となる発熱抵抗体17である。即ち、抵抗体層15の一部が発熱抵抗体17を構成している。一対の電極層16に電圧を印加すると発熱抵抗体17が発熱する。発熱抵抗体17及び電極層16は、被覆層18で連続的に被覆されている。ここでは、被覆層18はSiN等で形成された絶縁層である。被覆層18は発熱抵抗体17や電極層16を吐出する液体(インク)と絶縁させるものである。その後、必要に応じて、発熱抵抗体17の上にTa等からなる保護層19を形成する。該保護層19は発熱抵抗体17で液体を加熱して発泡させた後、泡の消失時の衝撃を緩和する耐キャビテーション膜として機能する。
ノズルプレート21は公知のいずれの材料も使用することができるが、プラズマCVD法で形成できる無機材料であることが好ましい。また、ノズルプレート21は単層に限定されず、多層構成であってもよい。ノズルプレート21となる層は、型材20上から延在させて、被覆層18上や、保護層19が存在する場合には保護層19上にも形成することができる。尚、ノズルプレートとは、吐出口が形成されるノズル形成部材のことである。ノズルプレートの型材20上の厚みは、1μm以上であることが好ましく、100μm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以上がさらに好ましい。このようにしてノズルプレートを準備する。
第1の化合物としては、上記OMCTSなどの環状シロキサン構造を有する化合物以外に、Si−H結合を有さないシラン化合物なども使用できる。例えば、テトラメチルシラン(TMS)、テトラエチルシラン(TES)、トリメチルエチルシラン、ジメチルジエチルシランなどが挙げられる。環状シロキサン構造を有する化合物としては、上記OMCTS以外に、テトラメチルシクロテトラシロキサン(TMCTS)等も使用できる。
Si−O−Si + H2O → 2(Si−OH)
から、Si−O吸収ピークが増えると、Si−OH量が増えたと考える。したがって、Si−O吸収ピークのピークトップ強度が小さいほど、親水基Si−OHが減るため、撥水性が高くなると考える。ここで、Si−O吸収ピークのピークトップ強度を(A)、Si−CH3吸収ピークのピークトップ強度を(B)とする。
以上の工程によって、図3に示す本実施形態のインクジェット記録用基板が製造される。
本発明の第1の実施形態に基づく製造工程を図3及び図4を用いて説明する。
トランジスタ等の駆動素子が設けられたシリコンからなる基板10の上に、基板10の一部を熱酸化して設けた熱酸化層11を1μm厚に形成し、さらに供給口を形成する部分に犠牲層14となるアルミニウム層を形成した。次にプラズマCVD法によりシリコン酸化膜からなる蓄熱層12を1μm厚に形成した。蓄熱層12の上に、TaSiN(シート抵抗:300Ω/□)からなる抵抗体層15、および、抵抗体層15より抵抗の低いアルミニウム合金(Al−Cu、1μm)をスパッタ法により連続で成膜した。抵抗体層15とアルミニウム合金をドライエッチングでパターニングし、配線層を形成した。さらに、ウェットエッチングで、発熱抵抗体17となる領域のアルミニウム合金を除去し、一対の電極層16を形成した。一対の電極層16の間に電圧を供給し、抵抗体層15の一対の電極層16の間に位置する部分を発熱させることで、抵抗体層15の部分を発熱抵抗体17として用いる。これらの発熱抵抗体17と一対の電極層16を覆うように、プラズマCVD法により、ウエハ全面に、400nmのSiNからなる被覆層18を堆積した。さらに発熱抵抗体17上を覆うように300nmのタンタル膜をスパッタ法により成膜し、ドライエッチングでパターニングして保護層19を形成した。ここまでの工程で図4(a)の構造が形成される。
次に、オクタメチルシクロテトラシロキサン(OMCTS)と酸素(O2)を原料に用いたプラズマCVD法によって1μm厚のSiOCHからなる撥水層22を形成した。なお、ノズルプレート21の成膜後、ウエハは真空装置から出すことなく、原料ガスを切り替えることで、真空一貫で撥水層22を形成した。OMCTSとO2の供給量はそれぞれ、200sccm、20sccmとした。同じ成膜条件でベアSiウエハ上に成膜したSiOCH膜の組成をX線光電子分光(XPS)で評価したところ、Si:O:C=36.4:23.3:40.3(単位:原子%)であった。ただしHはXPSで測定できないため組成比の計算から除いた。また、同一試料の膜構造をブルカーオプティクス社製フーリエ変換赤外吸収分光(FT−IR) VERTEX80Vで評価したところ、1000cm−1付近にSi−O結合、800cm−1付近にSi−CH3結合に起因する吸収ピークが観察された。以上の分析より、得られた膜がSiOCHであることが確認できた。純水を用いて微小接触角を評価したところ98°であった。
次に本発明の第2の実施形態を説明する。実施例1は、OMCTSとO2を原料に用い、単一の条件で成膜した一種類のSiOCH膜からなる撥水層に関する例であった。実施例2においては、上記に加え、テトラメチルシラン(TMS)とO2を原料に用いた例を示す。また、OMCTSとO2、TMSとO2の流量比を変化させることで種々の組成を有するSiOCH膜を作製した。その他の構成、製造方法は実施例1と同様であるので説明を省略する。
次に本発明の第3の実施形態を説明する。本実施形態では、ノズルプレートの厚さに対する撥水層22の厚さが吐出特性に及ぼす影響について説明する。本実施形態では、型材20、ノズルプレート21、撥水層の厚さが異なるのみであり、その他の構成、製造方法は実施例1と同様であるので説明を省略する。
第3の実施形態においては、型材20を5μm、ノズルプレート21を5μmとした。撥水層22の厚さは、100nm、250nm、500nmとした。同じ成膜条件でベアSiウエハ上に成膜したSiOCH膜をXPS、FT−IR、XRRで評価したところ、膜厚の違いによる差は見られなかった。また、純水を用いた微小接触角評価では、水準による接触角の違いは見られなかった。この後、実施例1と同様に製造し、図3の構造が形成される。
比較例1では、撥水層22に特許文献1に準じた有機化合物材料を用いた場合の例を示す。比較例1においては、撥水層22を有機化合物材料で形成することが異なるのみであり、その他の構成は実施例1と同様であるので説明を省略する。撥水層22は、ノズルプレートの液滴吐出面にメチルシロキサン材料(テトラメチルシクロテトラシロキサン(TMCTS))を塗布、焼成して薄膜を形成したのち、薄膜に励起光を照射して、薄膜の疎水性置換基の一部をOH基にした。その薄膜上にシランカップリング剤(ダイキン製「オプツールDSX」)により有機膜を蒸着して形成した。このように作製したインクジェット記録用基板で実施例1と同様に15万枚の印刷を行ったところ、インク滴の吐出方向にバラつきが発生し、印刷品位の低下が確認された。ノズルプレートの液滴吐出面を観察したところ、吐出口付近の撥水層の一部が消失していた。
21 ノズルプレート
22 撥水層
Claims (13)
- 液滴を吐出するための吐出口を備えたノズルプレートと、前記ノズルプレートの液滴吐出面に形成された撥水層と、を有し、前記撥水層の最表面がケイ素原子に置換したアルキル基に由来するSi−C結合とシロキサン結合とを有するオルガノシロキサン膜であることを特徴とする、液体吐出ヘッド用基板。
- 前記アルキル基がメチル基である、請求項1に記載の液体吐出ヘッド用基板。
- 前記撥水層が、前記オルガノシロキサン膜の単層であり、該膜の密度が1.5g/cm3以下である、請求項2に記載の液体吐出ヘッド用基板。
- 前記オルガノシロキサン膜のFT−IRスペクトルにおいて、1000cm−1付近に観察されるSi−O結合に由来する吸収ピークのピークトップ強度(A)および800cm−1付近に観察されるSi−CH3結合に由来する吸収ピークのピークトップ強度(B)の比(B/A)が0.20以上、0.50以下である、請求項2又は3に記載の液体吐出ヘッド用基板。
- 前記比(B/A)が0.25以上である、請求項4に記載の液体吐出ヘッド用基板。
- 前記比(B/A)が0.30以上である、請求項5に記載の液体吐出ヘッド用基板。
- 前記オルガノシロキサン膜に含まれる炭素の組成比が12原子%以上、50原子%以下である、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。
- 前記撥水層の厚さが前記ノズルプレートの厚さの10%以下である、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。
- 前記撥水層の厚さが前記ノズルプレートの厚さの5%以下である、請求項8に記載の液体吐出ヘッド用基板。
- 前記撥水層の厚さが前記ノズルプレートの厚さの2%以下である、請求項9に記載の液体吐出ヘッド用基板。
- 液滴を吐出させる吐出口を備えたノズルプレートと、前記ノズルプレートの液滴吐出面に、撥水層を有する液体吐出ヘッド用基板の製造方法において、前記撥水層の少なくとも最表層の形成がケイ素原子にメチル基が置換した第1の化合物と酸素を原料としてプラズマCVD法で行われることを特徴とする、液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
- 前記ノズルプレートは、プラズマCVD法で形成される無機材料であり、前記ノズルプレートと前記撥水層の形成の間は大気雰囲気に晒さず、真空一貫で前記ノズルプレートと前記撥水層の形成が行われる、請求項11に記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
- 前記第1の化合物は、環状シロキサン構造を有する化合物である、請求項11又は12に記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
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