JP4274554B2 - 素子基板および液体吐出素子の形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、インクジェット方式の素子基板およびその製造方法に関し、特に電気熱変換素子を用いる方式の素子基板およびその製造方法に関する。

インクジェット方式の記録方法は、インク吐出方式の違いから、ピエゾ素子等の電気機械変換素子を用いる方式、レーザー等の電磁波を照射してインクを発熱させ、この発熱による作用でインク滴を吐出させる方式、発熱抵抗体を有する電気熱変換素子によってインク滴を加熱して、インク滴を吐出させる方式などに分類される。電気熱変換素子を用いる方式のインクジェット記録方法は、熱エネルギーの作用を受けたインクが加熱されて気泡が生じ、気泡発生に基づく作用力によって、記録ヘッド部先端のオリフィスに液滴が形成され、その液滴が記録媒体に付着して情報の記録が行われるという原理に基づいている。すなわち、熱エネルギーをインクに作用させて、液滴吐出の原動力を得るという点において、他のインク吐出方式とは異なる特徴を有している（特許文献１参照。）。

電気熱変換素子を用いる方式のインクジェット記録方法に適用される液体吐出素子は、一般的に６００μｍ程度の厚さを有している基板上に、インク供給口と、インク供給口に連通するインク液吐出部と、熱エネルギーを発生させる発熱抵抗層と、発熱抵抗層をインクから保護する上部保護層と、発生熱を蓄熱する下部層とを有している。また、インク液吐出部は、液体を吐出するオリフィスと、オリフィスに連通しオリフィスにインク液を供給するとともに、発熱抵抗層で発生した熱エネルギーをインク液に供給する熱作用部を備えた液流路とを有している。

ところで、インクジェット記録方法においては、記録画像の品質の向上のために液流路、オリフィス、インク供給口等を高密度、高精度で形成する必要がある。このため、例えば、溶解可能な樹脂層を形成し、その上部に被覆層を形成し、被覆層にオリフィスを形成後、樹脂層を溶解して液流路を形成する方法（特許文献２，３参照。）や、オリフィスを形成後、インク供給口をエッチングで形成する方法（特許文献４参照。）などが開示されている。

また、ヘッドの実装領域低減やコンパクト化のため、基板の表面（基板の発熱抵抗体が形成されている面）と裏面（反対側の面）とを貫通電極でつなげる方法（特許文献５、６参照。）も開示されている。
特開昭５４−５１８３７号公報 特開平５−３３００６６号公報 特開平６−２８６１４９号公報 特開平９−１１４７９号公報 特開２００２−６７３２８号公報 特開２０００−５２５４９号公報

上述したとおり、記録画像の品質の向上のためには、インク供給口を高密度、高精度で形成する必要がある。また、ヘッドの実装領域低減やコンパクト化の観点から、基板の表面と裏面とを貫通電極でつなげる構成を取った場合に、そのメリットを十分に発揮するためには、貫通電極を高密度で、すなわち、貫通電極の穴径と配列ピッチの双方を低減して配列する必要がある。しかしながら、これらのインク供給口や貫通電極は厚い基板を貫通することから、従来技術において以下の問題があった。

（１）インク供給口は基板のエッチングによって形成されるが、基板が厚いと、インク供給口形成の精度が悪くなる。その理由は、基板が厚くなるほどインク供給口の平面方向、垂直方向の加工精度の確保が困難になるためである。その結果、発熱抵抗体とインク供給口との間の寸法のばらつきが大きくなり、吐出性能のばらつきが増大し、印字性能の悪化につながる。また、インク供給口の貫通厚さが大きいので加工時間が長くなり、製作効率が悪化するとともに、真空装置を長時間使用するためコストアップの可能性があった。

（２）貫通電極を高密度で配列するには、貫通電極形成用の貫通穴を高密度で配列しなければならない。貫通穴は、レーザ、ドライエッチング等で形成されるが、基板の厚さが厚くなるほど、貫通穴を高密度に配列することが難しかった。その第１の理由は上記の（１）と同様、貫通穴の加工精度上の制約である。すなわち、基板の厚さが厚くなるほど貫通穴の径や垂直方向の加工精度の確保が困難になり、これによって穴径と配列ピッチが制約される。第２の理由は、貫通穴へのめっきの充填性の制約である。貫通穴にめっきによって金属を充填し貫通電極を形成する際に、同一の穴径で基板が厚くなると、穴径に対する深さが増え、貫通穴が細長の寸法比になるため、めっきの充填が困難となる。このため、厚い基板にめっきをするには穴径を大きくしなければならず、これによって穴径と配列ピッチが制約される。また、（１）と同様、製作効率の悪化やコストアップの可能性もあった。

このように、基板が厚いと、インク供給口や貫通電極を高密度、高精度で配列することができず、ヘッドのコンパクト化、記録性能の向上、コストダウンに対する制約となる。しかし、発熱抵抗体や電極の形成時には、真空成膜や拡散等のために各種の高温プロセスを伴うため、基板を薄化すると、これらのプロセス中に基板の温度が上がったときに基板の反りや破損等が生じてしまうという問題があった。

本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであり、基板の反りや破損等の製造上の問題を回避しつつ、ヘッドのコンパクト化、記録性能の向上、コストダウンを図ることのできる液体吐出素子およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の素子基板の形成方法は、基板と、基板を貫通するインク供給口と、基板上に設けられ、インク供給口から流入したインクに吐出エネルギーを供給するエネルギー供給手段とを有する素子基板の形成方法である。そして、上記の課題を解決するため、基板上にエネルギー供給手段を形成する工程と、その後に、基板を薄化する工程と、その後に、基板にインク供給口を形成するインク供給口形成工程とを有している。素子基板は、基板を貫通してエネルギー供給手段に接続し、エネルギー供給手段に駆動電流を供給する貫通電極をさらに有し、インク供給口形成工程は、基板にインク供給口と貫通電極とを形成する貫通部形成工程を有している。

本発明によれば、厚い基板上で高温プロセスを伴うエネルギー供給手段の形成をおこなうので、高温による基板の反りや破損を防止できる。また、その後に基板の薄化をおこない、薄い基板上でインク供給口の形成をおこうので、インク供給口を高精度、高効率で形成することができる。なお、貫通電極の形成に対しても同様の方法を適用すれば、貫通電極の高密度、高精度の配列も可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、インク供給口を高密度、高精度で配置することができるので、エネルギー供給手段とインク供給口間の寸法のばらつきが減少し、吐出性能が向上する。また、インク供給口の加工時間が低減するので、製造効率の向上や加工コストの低減も可能となる。さらに、貫通電極の高密度、高精度の配列も可能となるので、ヘッドの実装領域低減やコンパクト化も可能となる。

以下、本発明の記録ヘッドカートリッジおよび液体吐出素子の構成を図面を参照して説明する。図１（ａ）には、記録ヘッドカートリッジを記録媒体の方からみた斜視図を、同図（ｂ）には、図１（ａ）の１ｂ−１ｂ方向（記録媒体の方）からみた液体吐出素子の模式的平面図を、同図（ｃ）には、同図（ｂ）のＸ−Ｘ方向からみた液体吐出素子の模式的断面図を示す。

記録ヘッドカートリッジ１００は、インクタンク１０１と、インクタンク１０１を保持可能なインクホルダ１０２と、ベースプレート１０３と、ベースプレート１０３によって支持され、インクホルダ１０２の記録媒体Ｐと対向する位置に取り付けられた液体吐出素子１その他の部材を有している。インクタンク１０１は記録ヘッドカートリッジ１００に着脱可能に取り付けられてもよいが、記録ヘッドカートリッジ１００に固定されていてもよい。ベースプレート１０３はインクの駆動回路や電気配線部材（図示せず）などを有していてもよい。液体吐出素子１は色別に複数個設けられてもよく、この場合は１つのベースプレート１０３に複数個の液体吐出素子１が取り付けられる。このベースプレート１０３と液体吐出素子１との集合体は記録ヘッド１０４を構成する。液体吐出素子１は、記録媒体Ｐと対向する対向面２の裏面３からインク（図中の太い白抜矢印）および駆動電流（図中の矢印）の供給を受ける。液体吐出素子１の対向面２には複数の吐出口１８が設けられ、駆動電流に応じて液滴が吐出され、記録媒体Ｐへの記録がおこなわれる。

液体吐出素子１は基板１１の上に、インク液供給手段であるインク供給口１３と、インクへの熱エネルギー供給手段である電極１５および発熱抵抗体１６とが設けられた素子基板１０と、インクの流路１４と液滴の吐出手段であるオリフィス２０とを形成するオリフィスプレート２１とを有している。基板１１は例えばシリコンで製作され、その厚さは後述するように、基板１１の薄化後の強度や搬送中のハンドリング性、貫通電極１２用の貫通穴２２（図２〜５参照）およびインク供給口１３の穴開け加工精度や加工コストから決定されるが、好ましくは５０μｍから３００μｍ程度である。

基板１１には、吐出口１８の配列方向に、例えば幅約１００μｍのスリット状のインク供給口１３が延び、インク供給口１３から各吐出口１８に向けて液流路１４が分岐している。インク供給口１３は１本のスリットでも複数個のスリットに分割されていてもかまわない。液流路１４は、基板１１とオリフィスプレート２１との間の空間部として形成されている。オリフィスプレート２１の発熱抵抗体１６と対向する位置にはオリフィス２０が設けられており、一端は液流路１４と接続し、他端は対向面２で吐出口１８を形成している。これによって、インクタンクを出たインクは、インク供給口１３を通って液流路１４内およびその先のオリフィス２０に充填される。オリフィスプレート２１は、製造方法にもよるが、レーザでノズルおよび吐出口が形成された樹脂フィルム、または、露光、現像されたエポキシ膜である。

基板１１の上にはアルミニウムからなるＵ字型の電極１５が設けられ、電極１５の両端部は貫通電極１２によって液体吐出素子１の裏面３に貫通しており、記録内容に応じた駆動電流を受ける。電極１５の一部の、液流路１４と平面的に重なる位置には、ＴａＮからなり、平面寸法約３０μｍ四方の発熱抵抗体１６が設けられている。発熱抵抗体１６は、発熱抵抗体１６をインクから保護する上部保護層と、発生熱を蓄熱する下部層（ともに図示せず）との間にはさまれている。発熱抵抗体１６は電極１５からの駆動電流によって発熱し、上部保護層を介して液流路１４内にあるインクを加熱する。この結果、液流路１４内にあるインクの一部に気泡が発生し、その作用力によって、オリフィス２０内の液滴が記録媒体Ｐに付着して情報の記録が行われる。

次に、以上述べた液体吐出素子の製造方法について説明する。図２には、本発明の第１の実施形態に係る液体吐出素子の製造工程をステップ図で示す。図中各欄の左図は図１（ｂ）と同様の向きからみた液体吐出素子の平面図を、右図は左図のＸ−Ｘ線からみた断面図を示し、後述する図３〜５についても同様である。

（ステップ６１）まず、６２５μｍ厚の基板１１上にＴａＮ膜およびＡｌ膜をスパッタ法にて成膜し、フォトリソグラフィー技術を用いて発熱抵抗部１６と電極１５とを形成する。これらのプロセスは高温下でおこなわれるため、基板１１は高温にさらされるが、十分に厚い層厚を有しているので、反りや破損が生じることはない。

（ステップ６２）次に、バックグラインドで裏面３を切削し、基板１１厚さを５０〜３００μｍ厚にする。必要に応じ、ＣＭＰやスピンエッチャーで破砕層を除去してもよい。薄化後の基板１１の厚さは、貫通電極の貫通穴形成コストおよびインク供給口の形成コストや、薄化した後の基板の搬送等のハンドリング性から決定される。次に、貫通電極となる部分にドライエッチングによって、裏面３から内径７０μｍの貫通穴２２を開ける。貫通穴２２の形成方法はドライエッチングに限定されず、レーザ光や超音波加工等を用いることも可能である。貫通穴２２の側面には、必要に応じて絶縁層（図示せず）を形成してもよい。なお、従来は、基板厚６２５μｍのままでは貫通穴の形成の精度が悪く、その結果加工時間もかかるので、内径１００μｍ程度が限界であったが、基板１１を薄化したため内径を縮小することが可能となった。

（ステップ６３）次に、めっきシード層（図示せず）を成膜し、電解めっきによって貫通穴２２に金めっきを充填して貫通電極１２を形成する。

（ステップ６４）次に、インク供給口形成のドライエッチング用マスク材を基板上に塗布し、フォトリソグラフィーでパターニングして、スリット状のインク供給口１３をドライエッチングによって形成する。この段階で素子基板が完成する。

（ステップ６５）最後に、樹脂のフィルムにレーザでオリフィス２０を形成したオリフィスプレート２１を基板に接着し、液体吐出素子が完成する。

以上説明した製造方法によって完成した液体吐出素子は、基板１１の貫通穴２２を短時間かつ高精度で加工できるので、低コストかつ高密度に貫通電極１２が配置され、従来の液体吐出素子に比較して、チップ面積を小さくすることができる。また、インク供給口１３の加工精度も向上するので、発熱抵抗部１６とインク供給口１３との間の寸法精度が向上し、周波数応答性がよくなり吐出性能が向上する。

次に、図３を参照して、本発明の第２の実施形態に係る液体吐出素子の製造工程を説明する。本実施形態は、貫通電極の貫通穴とインク供給口のスリットとを同時に形成する点が第１の実施形態と異なる。以下、第１の実施形態との差異点を中心に説明する。

（ステップ７１）ステップ６１と同様にして発熱抵抗部１６と電極１５とを形成する。

（ステップ７２）ステップ６２と同様にして裏面３を切削し、基板１１厚さを５０〜３００μｍ厚にする。また、ステップ６２と同様にして内径７０μｍの貫通穴２２を開ける。さらに、貫通穴２２と同時に、ステップ６４と同様にして、スリット状のインク供給口１３をドライエッチングによって形成する。貫通穴２２の側面には、必要に応じて絶縁層（図示せず）を形成してもよい（この際には、インク供給口１３をドライフィルム等のフィルムでカバーする。）。このように、インク供給口１３と貫通電極用の貫通穴２２とが同時にエッチングできるので、製造効率の改善やコストダウンが可能となる。

（ステップ７３）ステップ６３と同様にして貫通穴２２に金めっきを充填して貫通電極１２を形成する。この段階で素子基板が完成する。

（ステップ７４）次に、インク供給口形成部をカバーしているフィルムを設けた場合にはそれを除去し、ステップ６５と同様にして、オリフィスプレート２１を基板１１に接着し、液体吐出素子が完成する。

本実施形態によれば、インク供給口の形成と貫通電極の貫通穴の形成が同時にできるので、加工コストの大幅な削減をすることが可能となる。

次に、図４を参照して、本発明の第３の実施形態に係る液体吐出素子の製造工程を説明する。本実施形態は、オリフィスの高精度化および液流路と発熱抵抗体とのアライメント精度向上のために、オリフィスプレートを積層して形成する工程を有する点が、第１，２の実施形態と異なる。

（ステップ８１〜８３）ステップ６１〜６３と同様にして、発熱抵抗部１６と電極１５とを形成し、裏面３を薄化し、貫通穴２２を開け、貫通電極１２を形成する。

（ステップ８４）次に、液流路を形成するための型としてポジレジストを１５μｍ厚で塗布し、露光、現像によって、所定のパターン２６を形成する。

（ステップ８５）次に、そして、オリフィスプレート２１の材料として感光性のネガ型のエポキシ膜２７を３０μｍ厚で塗布し、露光、現像によって、内径２５μｍのオリフィス２０の形成されたオリフィスプレート２１を形成する。

（ステップ８６）次に、その上に保護材として樹脂膜２８を塗布する。

（ステップ８７）次に、ステップ６４と同様にして裏面３にインク供給口１３のスリットを形成する。

（ステップ８８）最後にオリフィスプレート２１を保護していた樹脂膜２８と液流路の型材であるパターン２６とを除去し、液体吐出素子が完成する。パターン２６の除去は、溶剤を基板１１を浸漬したり、スプレーで吹き付けることによっておこなわれる。

本実施形態による製造方法によれば、オリフィスが精度よく形成され、液流路の製作精度も良好なので、発熱抵抗体とのアライメント精度も向上する。したがって、今後の小液滴化を図ったインクジェット記録にも十分に対応が可能であり、記録性能の向上につながる。

次に、図５を参照して、本発明の第４の実施形態に係る液体吐出素子の製造工程を説明する。本実施形態も第３の実施形態と同様、オリフィスの高精度化および液流路と発熱抵抗体とのアライメント精度アップのために、オリフィスプレートを積層して形成する方法であるが、貫通電極の貫通穴とインク供給口の貫通穴とを同時に形成する点が第３の実施形態と異なる。

（ステップ９１〜９２）ステップ６１と同様にして、発熱抵抗部１６と電極１５とを形成し、ステップ６２と同様にして、裏面３を薄化する。

（ステップ９３〜９５）次に、ステップ８４〜８６と同様にして、所定のパターン２６を形成し、オリフィス２０の形成されたオリフィスプレート２１を形成し、その上に保護材として樹脂膜２８を塗布する。

（ステップ９６）次に、インク供給口形成１３および貫通穴２２のドライエッチング用マスク材を基板１１上に塗布し、フォトリソグラフィーでパターニングして、インク供給口１３のスリットおよび貫通穴２２をドライエッチングによって同時に形成する。貫通穴２２の側面には、必要に応じて絶縁層（図示せず）を形成してもよい（この際には、インク供給口１３をドライフィルム等のフィルムでカバーする。）。

（ステップ９７）ステップ６３と同様にして貫通穴２２に金めっきを充填して貫通電極１２を形成する。

（ステップ９７）最後に、ステップ８８と同様にして、インク供給口１３をカバーしているフィルムを設けた場合にはそれを除去し、オリフィスプレート２１を保護していた樹脂膜２８と液流路１４の型材であるパターン２６とを除去し、液体吐出素子が完成する。

本実施形態によれば、オリフィスの加工精度や、液流路と発熱抵抗体とのアライメント精度の向上を図ることができるだけでなく、インク供給口の形成と貫通電極の貫通穴の形成とが同時にできるので、加工コストの大幅な削減をすることが可能となる。

このように、本発明は、厚い基板の状態で高温プロセスを伴う発熱抵抗体および電極の形成をおこない、これによって高温による基板の反りや破損を防止し、次に基板の薄化をおこない、その後に薄い基板の状態でインク供給口および貫通電極形成用の貫通穴の形成をおこない、これによってこれらの穴の形成を高精度、高効率でおこなうことを特徴とするものである。したがって、かかる条件が満たされれば、上述したように貫通電極形成工程とインク供給口形成工程の順番は適宜に定めることができる。また、オリフィス形成工程と、貫通電極／インク供給口形成工程との順番も適宜に定めることができる。

本発明の効果は以下の通りである。基板上に発熱抵抗体と電極形成後基板を薄化する工程後に貫通電極およびインク供給口を形成することによって、基板の貫通穴を短時間に高精度で加工できるので、低コストで高密度に貫通電極を配置することができ、インク供給口の精度が向上する。また、発熱抵抗体とインク供給口との間の寸法のばらつきが減少するので吐出性能が向上する。更に、裏面のインク供給口の開口が小さくすることができ、それによって、チップを小さくでき、チップのコストダウンをすることができる。更に、インク供給口および貫通電極穴の形成を同時に行えるので、加工時間が半分になり加工コストの大幅な削減をすることができる。

本発明の記録ヘッドカートリッジの斜視図、および液体吐出素子の平面図と断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る液体吐出素子の製造方法のフロー図である。 本発明の第２の実施形態に係る液体吐出素子の製造方法のフロー図である。 本発明の第３の実施形態に係る液体吐出素子の製造方法のフロー図である。 本発明の第４の実施形態に係る液体吐出素子の製造方法のフロー図である。

符号の説明

１ 液体吐出素子
１０ 素子基板
１１ 基板
１２ 貫通電極
１３ インク供給口
１４ 液流路
１５ 電極
１６ 発熱抵抗体
１８ 吐出口
２０ オリフィス
２１ オリフィスプレート
２２ 貫通穴
２６ パターン
２７ エポキシ膜
２８ 樹脂膜
１００ 記録ヘッドカートリッジ
１０１ インクタンク
１０２ インクホルダ
１０３ ベースプレート
１０４ 記録ヘッド

Claims (4)

1. 基板と、該基板を貫通するインク供給口と、該基板上に設けられ、該インク供給口から流入したインクに吐出エネルギーを供給するエネルギー供給手段とを有する素子基板の形成方法であって、
   前記基板上に前記エネルギー供給手段を形成する工程と、
   その後に、前記基板を薄化する工程と、
   その後に、前記基板に前記インク供給口を形成するインク供給口形成工程と、
   を有し、
   前記素子基板は、前記基板を貫通して前記エネルギー供給手段に接続し、前記エネルギー供給手段に駆動電流を供給する貫通電極をさらに有し、
   前記インク供給口形成工程は、前記基板に前記インク供給口と前記貫通電極とを形成する貫通部形成工程を有する、素子基板の形成方法。
2. 前記貫通部形成工程は、
   前記貫通電極の形成のための貫通穴を形成する工程と、
   その後に、前記貫通穴に導電性材料を充填し前記貫通電極を形成する工程と、
   その後に、前記インク供給口を形成する工程と、
   を有する、
   請求項１に記載の素子基板の形成方法。
3. 前記貫通部形成工程は、
   前記インク供給口と、前記貫通電極の形成のための貫通穴とを同時に形成する工程と、
   その後に、前記貫通穴に導電性材料を充填し前記貫通電極を形成する工程と、
   を有する、
   請求項１に記載の素子基板の形成方法。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の素子基板の形成方法によって素子基板を形成する工程と、
   前記インク供給口と接続し、前記素子基板の前記エネルギー供給手段が設けられた面上を延びる液流路と、該液流路と接続し前記エネルギー供給手段によって吐出エネルギーを与えられたインクを記録媒体に吐出させるオリフィスとを形成するオリフィスプレートを形成する工程と、
   を有する、液体吐出素子の形成方法。

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