JP4298286B2 - Method for manufacturing ink jet recording head - Google Patents

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Description

【0001】
本発明は、インクジェット記録ヘッドの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
インクジェット記録ヘッドの作成方法として、特開平5-330066号公報、及び特開平6-286149号公報が提案されている。これらはインク吐出圧力発生素子が形成された基体上に流路型材となる溶融可能な樹脂をパターンし、その上にインク流路壁及びオリフィスプレートとなる樹脂を被覆し、それに吐出口を形成した後、溶融可能な樹脂を溶出させるという製造方法を示しており、張り合わせ工程のいらない高精度の製造方法を提案している。これらのインクジェット記録ヘッドは吐出圧力発生素子が形成された基体に対して、垂直方向にインク液滴が吐出するものであり、「サイドシュータ型」インクジェット記録ヘッドと称する構造を有する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
一般的にサイドシュータ型インクジェット記録ヘッドにおいては各々の吐出口からの吐出の際に発生するインクの圧力や逆流が隣接する吐出口のメニスカスに影響を及ぼす現象(クロストーク)を抑えるためにリブというインク流路壁を設けて仕切り、共通のインク流路より先は吐出口ごとの流路を形成している(第7図参照)。
【0004】
しかし、このような構成では記録ヘッドが高精細化するに伴い隣接する吐出口の間隔が短くなり、これによりインク流路の幅は狭くなってしまう。インク流路の幅が狭くなると流れの抵抗が増し、インク吐出後にインクがインク流路を再び満たすのに要する時間(リフィル時間)が長くなる為、インク流路を高くするか、もしくは吐出圧力発生素子と共通のインク供給口との距離を短くする必要がある。しかし、インク流路を高くするためオリフィスプレートも高くすると吐出圧力発生素子と吐出口表面までの距離が遠くなり、安定して小液滴を吐出することが難しくなる。またオリフィスプレートを薄くすればその強度が損なわれ、信頼性が低下してしまうことになる。
【0005】
そして吐出圧力発生素子と共通のインク供給口との距離を短くすることは、隣接する吐出圧力発生素子の流路上の距離を縮めることになり、クロストークが大きくなってしまう。
【0006】
これらの手段を用いずにインクのリフィル時間を短縮させるには、共通のインク供給口から各吐出口まで伸びているインク流路の底面を吐出圧力発生素子の手前まで窪ませると方法が有効である。しかし、表面に複雑な形状の窪みがあるインクジェット記録ヘッド用基体上に、特開平5-330066号公報(特許公報1)、及び特開平6-286149号公報(特許文献2)で提案されているような張り合わせ工程を用いない手法でオリフィスプレートやインク流路を形成することは困難であるという問題があった。
【0007】
本発明の目的は、基体面に垂直な方向にインクを吐出する構造を有するインクジェット記録ヘッドにおける吐出口の高密度配置に十分に対応でき、信頼性の高いインクジェット記録ヘッドを提供することにある。
【0008】
【特許文献1】
特開平5-330066号公報
【特許文献2】
特開平6-286149号公報
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するには、ウエハ表面にオリフィスプレートやインク流路を形成した後にインク流路底面を窪ませることができるようなインクジェット記録ヘッド用基体、及びインクジェット記録ヘッド作製方法を用いればよい。
【0010】
即ち、本発明は以下を提案するものである。
【0013】
本発明にかかるインクジェット記録ヘッドの製造方法は、基体と、該基体の表面に配置されたインクを吐出させるための複数のインク吐出圧発生素子と、該複数のインク吐出圧発生素子のそれぞれに対応して設けられた複数の吐出口を有するオリフィスプレートと、該基体の裏面から該基体を貫通して設けられ、該複数の吐出口に共通するインク供給口と、該基体の表面と該オリフィスプレートとの間に各吐出口に対して独立に設けられ、該インク供給口から該基体表面に沿って櫛刃形に伸びて各吐出口に連通したインク流路と、を有するインクジェット記録ヘッドの製造方法において、
基体の表面に、前記基体に対して速くエッチングされる材料からなり、前記供給口の形状に対応した帯状部分と、前記流路の形状に対応するように、前記インク吐出圧力発生素子に向かって前記帯状部分から伸びる櫛刃形の部分を有する犠牲層を設ける工程と、
前記基体上に前記オリフィスプレートとなる部材を設ける工程と、
前記基体に対して、前記裏面から前記犠牲層に到達するようにエッチングを行い、前記犠牲層をエッチングにより前記基体から除去する工程と、
を有することを特徴とするインクジェット記録ヘッドの製造方法である。
【0014】
前記基体としてはシリコンからなるものが好ましい。また、前記エッチングとしては、アルカリ性水溶液をエッチャントして用いたエッチングを利用できる。更に、このアルカリ水溶液としては、水酸化カリウムまたは水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)またはエチレンジアミン−ピロカテコール−水(EPW)またはヒドラジンなどの水溶液が好ましい。また、前記犠牲層は、上記のエッチャントにおいて除去可能である。
【0015】
本発明においては、基体上に設けた基体よりもエッチングされ易い犠牲層が存在することで、基体をエッチングして、これを貫通するインク供給口を形成する場合に、犠牲層が除去された後に、基体のインク流路底面となる部分もエッチングされ、少なくともインク流路のインク供給口との接続部の底部に窪みが形成される。この窪みの形成によって各インク流路に共通するインク供給口から各インク流路へのインクのリフィルが良好に行われ、インク流路を高密度に配置した場合に対しても良好な性能を確保できる。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明におけるインクジェット記録ヘッドは、基体の裏面から基体を貫通して設けられたインク供給口を介して供給されたインクを、基体の表面(おもて面)に設けられた吐出口から基体に対して垂直な方向にインクを吐出させる構成を有する。その代表的な構造は図7に示すとおりであるが、本発明においては、図1に示されるように、インク流路104の一部、すなわちインク供給口106と接続する櫛刃形のインク流路の根元部分を少なくとも含む一部の底部が、基体101に形成された窪みから構成されている。なお、図示した構成では、インク流路の底部にインク吐出圧発生素子からの吐出圧が付与される吐出圧付与部分が吐出口103に対応した位置しており、この部分を除いた部分に窪みが形成されている。
【0017】
この窪み構造をインク流路の一部の底部に有する構造は、例えば以下に示す方法により得ることができる。
【0018】
まず、インクジェット記録ヘッド用基体について説明する。
【0019】
シリコンなどからなる平板状の基体の表面(おもて面)の所定位置、すなわち基体上に形成される複数の吐出口の位置に対応した位置に複数の吐出圧発生素子を配置する。なお、吐出圧発生素子を駆動させるための配線等も基体上に形成される。基体としては、シリコンからなるものが好ましい。基体の表面に吐出圧発生素子などを配置する。
【0020】
更に、基体表面に基体よりもエッチングし易い材料からなる犠牲層を設ける。
【0021】
犠牲層の形成は吐出圧発生素子とその駆動回路を形成する前でもよい。
【0022】
この犠牲層の基体表面方向(基体表面上方から見た平面図における形状)は、インク供給口の一部となる帯状部分209−1と、この帯状部分209−1から櫛刃形に伸びた部分209−2とを有する。櫛刃形に伸びた部分209−2は、インク流路の底部を形成する領域を占めている。なお、インク流路は図1に示すとおり、吐出圧力発生素子202の配置位置に形成されるインク流路内の吐出圧付与部まで伸びるように形成されるが、犠牲層209は、この吐出圧付与部の手前まで形成される。こうすることで、吐出圧付与部以外の部分で、櫛刃形の根元を少なくとも含んで連続したインク流路底部となる窪み部分を基体に形成することが可能となる。
【0023】
このとき犠牲層は基体に対して十分に速くエッチングされることが望まれる。つまり犠牲層がエッチングされていく際、その櫛歯形部分の根元にある角部の基体は2方向からエッチャントに曝されるために急速にエッチングされていくことになる。この基体角部のエッチング速度に対して犠牲層のエッチング速度が十分に速くなければインク流路底部に沿って櫛歯形に窪みを形成することができないからである。第8図は犠牲層(アルミニウム)がエッチングされていく途中で処理を止めて基体表面のポジレジスト等の樹脂層とパッシベイション層を除去した後撮影したSEM写真である。犠牲層が速くエッチングされていると同時に基体の角部分も速くエッチングが進行してる様子が見られる。
【0024】
次に、基体の表面にパッシベーション層が形成される。
【0025】
パッシベーション層を形成した段階の基体の表面の犠牲層と吐出圧力発生素子の配置関係を示す平面図及び基体の断面図を図2(a)及び(b)にそれぞれ示す。なお、先に図1に示したとおり、この基体上には吐出圧力発生素子となるヒーターとその駆動回路(図示しない)が作られている。これらの各構成は、汎用の半導体工程により得ることができる。
【0026】
犠牲層は、基体よりエッチングし易い、例えば、エッチングレートの早い材料から構成される。基体にシリコン基体を用いた場合には、犠牲層としてポリシリコンやアルミニウムなどを用いることができる。更に、パッシベイション層としては窒化シリコン層を利用することができ、これはプラズマCVD法などでの成膜によって形成することができる。
【0027】
犠牲層の層厚は、犠牲層の形成効率やこれを基体から除去する際の取扱い性などを考慮すると、例えば1000〜10000Åの範囲から選択することが好ましい。また、パッシベイション層は、各吐出圧力発生素子及び配線間の絶縁及びインク流路中のインクに対する各吐出圧力発生素子及び配線などの保護の機能を有するもので、かかる機能を考慮し、更に、犠牲層上の部分が基体上から削除されることを考慮して、その材質及び膜厚等を選択することができる。窒化シリコン膜を用いる場合の膜厚としては、例えば1000〜20000Åの範囲から選択することは好ましい。
【0028】
本発明にかかるインクジェット記録用基体は図2に示す構成を有することができ、基体の裏面には更にインク供給口の開口に利用されるマスク層208が設けられていてもよい。このマスクは、基体のエッチングの際のレジストとして作用できるものであればよい。シリコンを基体とした場合は、シリコン酸化膜をこのマスク材料として好適に利用できる。
【0029】
上記の構成の基体を用いたインクジェット記録ヘッドの製造は以下のようにして行うことができる。
【0030】
まず、図3に示すように、基体201の裏面のマクス材料層208のインク供給口の形成位置に対応する部分に開口を形成する。酸化膜を用いた場合は、酸化膜をポジレジストをマスクとしてバッファードフッ酸によりパターニングすることでこの開口を形成することができる。
【0031】
次に、基体表面に溶出可能な流路型材を所定の櫛刃状の流路に相当する形状で設け、更に、その上に吐出口を有するオリフィスプレートを形成するための吐出口形成用材料を積層する。なお、このオリフィスプレート成用材料は、インク流路の側壁を合わせて形成するものであってもよい。
【0032】
流路型材には公知の材料が利用できる。例えば、ポリメチルイソプロペニルケトンを主材としたポジレジストを塗布し、Deep-UV光により露光し、現像を行って所望の型材としての形状にパターニングすることでこの流路型材を得ることができる。更に、オリフィスプレート成用材料としてもカチオン重合型エポキシ樹脂などの公知の材料を利用することができる。例えば、カチオン重合型エポキシ樹脂を流路型材を被覆するように塗布し、露光、現像工程により吐出口を形成することができる。
【0033】
なお、吐出口は、その後の工程からこれを保護するため、基体表面側に環化ゴムなどの保護剤を塗布しておくとよい。
【0034】
こうして得られた状態を図4に示す。図4に示す例では、パッシベーション層上の所定位置、すなわち、インク供給口とインク供給口から伸びる各櫛刃形のインク流路となる領域に相当する型材410、オリフィスプレート411、保護剤層412が設けられている。
【0035】
次に、図5(a)及び(b)に示すように、基体裏面に設けたマスクの開口部から基体を犠牲層に到達するまでエッチングする。犠牲層がエッチングされた開口中に露出したところで、犠牲層を除去して犠牲層が占めていた部分を空洞化させる。更に、犠牲層が抜けた空洞中にエッチング溶液を充填させて、基体の犠牲層と接触していた部分をエッチングすることで基体表面に窪みを形成する。
【0036】
この窪みの深さは、良好なリフィル等が達成できるように設定され、基体の材質やエッチング溶液、更にはエッチング条件などによって調整することができる。この窪みの深さとしては、例えば5〜50μmの範囲とすることが好ましい。
【0037】
更に、パッシベイション層の犠牲層上の部分及び流路型材を除去してインク供給口及びインク流路を形成し、吐出口の保護剤層を除去することで図6に示す構成のインクジェット記録ヘッドを得ることができる。このヘッドにおけるインク流路の櫛刃形の少なくとも根元を含み、吐出圧力発生素子の配置位置手前まで伸びた部分の基体表面には図2に209−2で示した形状の窪みが形成され、これがインク流路の底部を形成するものとなる。
【0038】
基体のエッチングに用いるエッチング液は、基体の材質に応じて選定することができ、シリコン基体の場合にはアルカリ性水溶液が好適に利用でき、例えば水酸化カリウムまたは水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)の水溶液が好適に利用できる。
【0039】
なお、基体のエッチング用のエッチング液(エッチャント)が犠牲層の除去に利用できるようにしておけば、インク供給口の開口のためのエッチング工程、犠牲層の除去工程及び犠牲層下の基体の窪み形成のためのエッチング工程を1つの工程で行うことが可能となる。
【0040】
一方、パッシベイション層の除去は、ケミカル・ドライエッチングを裏面開口部側よりかけることで行うことができる。
【0041】
また、流路型材としてポジレジストを用いた場合は、オリフィスプレート上からUV光をこれに照射して感光させ、現像剤により型剤を基体上から除去することができる。
【0042】
最後にダイサーに、必要に応じて基体から各々の所望とする単位のチップ状態に分離することでインクジェット記録ヘッドを完成させることはできる。その代表的構成を図6に示した。
【0043】
【実施例】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
【0044】
インゴットの引き出し方位が<100>で厚さ625μmのシリコンウエハを基体として用い、汎用の半導体工程により図2に示すようなインクジェット記録ヘッド用基体を作製した。
【0045】
このインクジェット記録ヘッド用基体には、吐出圧力発生素子となるヒーター202とその駆動回路(図示しない)が作られており、犠牲層209はアルミニウムを用い、パッシベイション層207はプラズマCVD法により成膜した窒化シリコンで形成されている。
【0046】
次に、基体201の裏面にあるシリコン酸化膜208をポジレジスト(東京応化製OFPR)をマスクとしてバッファードフッ酸によりパターニングし、インク供給口を形成する際の位置を規定する開口を形成した(図3)。
【0047】
次に、基体表面に後述の処理により溶出可能な流路型材となるポリメチルイソプロペニルケトンを主材としたポジレジスト(東京応化製ODUR)を塗布し、Deep-UV光により露光し、現像を行ってパターニングした。
【0048】
この流路型材の上にオリフィスプレートとなるカチオン重合型エポキシ樹脂を塗布し、露光、現像工程により吐出口を形成した。更に、吐出口及びオリフィスプレート411を保護するため、基体表面側に環化ゴムを塗布し、ベークした(図4)。
【0049】
その後に、温度83℃、濃度21wt%の水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液に浸漬し、基体裏面の酸化膜開口部からエッチングを進行させた。約15時間でエッチングは表面の犠牲層に到達し(図5(a))、その後、犠牲層510のパターンに沿って急速にエッチングが進み、犠牲層510下の基体501がエッチングされ、窪み513が形成された(図5(b))。次に、ケミカル・ドライエッチングを裏面開口部側より行い、表面側のパッシベイシュン層を除去することでスルーホールを形成した。
【0050】
十分に水洗、乾燥した後、キシレンによりオリフィスプレート上の環化ゴムを除去した。その後、流路型材であるポジレジストをオリフィスプレート上からUV光を照射して感光させ、乳酸メチルに浸漬した状態で超音波を付与し溶出させた。最後にダイサーによりウエハから各々のチップ状態に分離することでインクジェット記録ヘッドが完成した(図6)。
【0051】
【発明の効果】
本発明に従って作製されたインクジェット記録ヘッドは、共通のインク供給口から吐出圧力発生素子である各々のヒーターまで伸びているインク流路の底部が窪んでおり、従来の記録ヘッドと比較して耐クロストーク性能を失うことなくインクリフィル時間が短いものであった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に従ってインクジェット記録ヘッド用基体を用いて作製されたインクジェット記録ヘッドの簡略図である。
【図2】本発明におけるインクジェット記録ヘッド用基体の簡略図である。
【図3】本発明に従ってインクジェット記録ヘッド用基体を用いて作製されたインクジェット記録ヘッドの作製途中の断面図である。
【図4】本発明に従ってインクジェット記録ヘッド用基体を用いて作製されたインクジェット記録ヘッドの作製途中の断面図である。
【図5】本発明に従ってインクジェット記録ヘッド用基体を用いて作製されたインクジェット記録ヘッドの作製途中の断面図である。
【図6】本発明に従ってインクジェット記録ヘッド用基体を用いて作製されたインクジェット記録ヘッドの作製途中の断面図である。
【図7】インクジェット記録ヘッドの従来例を示す図である。
【図8】本発明に従ってインクジェット記録ヘッド用基体を用いて作製されたインクジェット記録ヘッドの作製途中の特に犠牲層がエッチングされていく途中をSEMで撮影した写真である。
【符号の説明】
101、201、701 シリコン基体
102、202、702 吐出圧力発生素子
103、603、703 吐出口
104、604、704 インク流路
105、605、705 オリフィスプレート
106、606、706、806 共通のインク供給口
207 パッシベイション層
209 犠牲層
809 エッチングされていく途中の犠牲層
410 溶出可能な流路型材
411 オリフィスプレートとなるエポキシ樹脂
412 ノズル保護用環化ゴム
513、813 インク流路底部の窪み
114、714 リブ(インク流路壁)
815 SEM写真を撮るために基体を割った際の断面
[0001]
The present invention relates to a method for manufacturing an ink jet recording head .
[0002]
[Prior art]
JP-A-5-330066 and JP-A-6-286149 have been proposed as methods for producing an ink jet recording head. In these, a meltable resin to be a flow path mold material is patterned on a substrate on which an ink discharge pressure generating element is formed, and a resin to be an ink flow path wall and an orifice plate is coated thereon to form a discharge port. Later, a manufacturing method in which a meltable resin is eluted is shown, and a highly accurate manufacturing method that does not require a bonding step is proposed. These ink jet recording heads eject ink droplets in a vertical direction with respect to a substrate on which ejection pressure generating elements are formed, and have a structure called “side shooter type” ink jet recording head.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In general, in a side shooter type ink jet recording head, a rib is used to suppress a phenomenon (crosstalk) in which the pressure or back flow of ink generated when discharging from each discharge port affects the meniscus of the adjacent discharge port. An ink flow path wall is provided and partitioned, and a flow path for each ejection port is formed beyond the common ink flow path (see FIG. 7).
[0004]
However, in such a configuration, as the recording head becomes higher in definition, the interval between the adjacent ejection ports becomes shorter, thereby reducing the width of the ink flow path. When the width of the ink flow path becomes narrower, the flow resistance increases and the time required for the ink to refill the ink flow path after ink ejection (refill time) becomes longer. It is necessary to shorten the distance between the element and the common ink supply port. However, if the orifice plate is made higher in order to increase the ink flow path, the distance between the discharge pressure generating element and the discharge port surface becomes longer, and it becomes difficult to stably discharge small droplets. Further, if the orifice plate is made thinner, its strength is lost and the reliability is lowered.
[0005]
When the distance between the discharge pressure generating element and the common ink supply port is shortened, the distance on the flow path of the adjacent discharge pressure generating element is shortened, and the crosstalk is increased.
[0006]
In order to shorten the ink refill time without using these means, the method is effective if the bottom surface of the ink flow path extending from the common ink supply port to each discharge port is recessed in front of the discharge pressure generating element. is there. However, it has been proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-330066 (Patent Document 1) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-286149 (Patent Document 2) on a substrate for an ink jet recording head having a depression having a complicated shape on the surface. There is a problem that it is difficult to form an orifice plate and an ink flow path by a technique that does not use such a bonding process.
[0007]
An object of the present invention is to provide a highly reliable ink jet recording head that can sufficiently cope with a high-density arrangement of ejection openings in an ink jet recording head having a structure for ejecting ink in a direction perpendicular to a substrate surface.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-5-330066 [Patent Document 2]
JP-A-6-286149 [0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, an ink jet recording head substrate and an ink jet recording head manufacturing method in which the bottom surface of the ink flow path can be depressed after forming the orifice plate and the ink flow path on the wafer surface may be used. .
[0010]
That is, the present invention proposes the following.
[0013]
An ink jet recording head manufacturing method according to the present invention corresponds to a substrate, a plurality of ink discharge pressure generating elements for discharging ink disposed on the surface of the substrate, and each of the plurality of ink discharge pressure generating elements. An orifice plate having a plurality of discharge ports, an ink supply port that is provided through the substrate from the back surface of the substrate, and is common to the plurality of discharge ports, a surface of the substrate, and the orifice plate provided independently for each of the discharge ports between, the ink-jet recording head for chromatic ink flow path communicating with the discharge port extending from the ink supply port to the comb-shaped along the substrate surface, the In the manufacturing method,
The surface of the substrate is made of a material that is rapidly etched with respect to the substrate, and is directed to the ink discharge pressure generating element so as to correspond to the band-shaped portion corresponding to the shape of the supply port and the shape of the flow path. Providing a sacrificial layer having a comb-blade-shaped portion extending from the band-shaped portion;
Providing a member to be the orifice plate on the substrate;
Etching the base to reach the sacrificial layer from the back surface, and removing the sacrificial layer from the base by etching;
A method for manufacturing an ink jet recording head, comprising:
[0014]
Made of silicon as the base is preferred. As the etching, etching using an alkaline aqueous solution as an etchant can be used. Further, as the alkaline aqueous solution, an aqueous solution such as potassium hydroxide, tetramethylammonium hydroxide (TMAH), ethylenediamine-pyrocatechol-water (EPW) or hydrazine is preferable. Further, the sacrificial layer can be removed by the etchant .
[0015]
In the present invention, since the sacrificial layer that is easier to etch than the base provided on the base exists, when the base is etched to form an ink supply port that penetrates the base, the sacrificial layer is removed. The portion of the substrate that becomes the bottom surface of the ink flow path is also etched, and a recess is formed at least at the bottom of the connection portion with the ink supply port of the ink flow path. By forming this recess, ink is refilled from the ink supply port common to each ink flow path to each ink flow path, and good performance is ensured even when the ink flow paths are arranged at high density. it can.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The ink jet recording head according to the present invention transfers ink supplied from the back surface of the substrate through an ink supply port provided through the substrate to the substrate from an ejection port provided on the surface (front surface) of the substrate. In contrast, it has a configuration in which ink is ejected in a direction perpendicular to the direction. A typical structure thereof is as shown in FIG. 7, but in the present invention, as shown in FIG. 1, a comb-blade ink flow connected to a part of the ink flow path 104, that is, the ink supply port 106 is used. A part of the bottom including at least the root portion of the path is constituted by a recess formed in the base 101. In the configuration shown in the figure, the discharge pressure applying portion to which the discharge pressure from the ink discharge pressure generating element is applied is positioned corresponding to the discharge port 103 at the bottom of the ink flow path, and the portion excluding this portion is recessed. Is formed.
[0017]
A structure having this recess structure at the bottom of a part of the ink flow path can be obtained by, for example, the following method.
[0018]
First, an ink jet recording head substrate will be described.
[0019]
A plurality of discharge pressure generating elements are arranged at predetermined positions on the surface (front surface) of a flat substrate made of silicon or the like, that is, at positions corresponding to the positions of a plurality of discharge ports formed on the substrate. A wiring for driving the discharge pressure generating element is also formed on the substrate. The substrate is preferably made of silicon. A discharge pressure generating element or the like is disposed on the surface of the substrate.
[0020]
Furthermore, a sacrificial layer made of a material that is easier to etch than the substrate is provided on the substrate surface.
[0021]
The sacrificial layer may be formed before forming the discharge pressure generating element and its drive circuit.
[0022]
The sacrificial layer has a substrate surface direction (a shape in a plan view as viewed from above the substrate surface), a band-shaped portion 209-1 that is a part of the ink supply port, and a portion that extends from the band-shaped portion 209-1 into a comb blade shape. 209-2. A portion 209-2 extending in a comb-blade shape occupies a region forming the bottom of the ink flow path. As shown in FIG. 1, the ink flow path is formed so as to extend to the discharge pressure applying portion in the ink flow path formed at the position where the discharge pressure generating element 202 is disposed. It is formed up to the front of the applying part. By doing so, it is possible to form a recess in the base that is the bottom of the continuous ink flow path including at least the roots of the comb blade shape at the portion other than the discharge pressure applying portion.
[0023]
At this time, it is desirable that the sacrificial layer be etched sufficiently quickly with respect to the substrate. That is, when the sacrificial layer is etched, the corner base at the base of the comb-shaped portion is rapidly etched because it is exposed to the etchant from two directions. This is because if the etching rate of the sacrificial layer is not sufficiently high with respect to the etching rate of the corner portion of the substrate, the depressions cannot be formed in a comb shape along the bottom of the ink flow path. FIG. 8 is an SEM photograph taken after the processing was stopped while the sacrificial layer (aluminum) was being etched and the resin layer such as the positive resist on the substrate surface and the passivation layer were removed. It can be seen that the sacrificial layer is being etched quickly and at the same time the corners of the substrate are being etched.
[0024]
Next, a passivation layer is formed on the surface of the substrate.
[0025]
FIGS. 2A and 2B are a plan view and a cross-sectional view of the substrate, respectively, showing the positional relationship between the sacrificial layer on the surface of the substrate and the discharge pressure generating element at the stage where the passivation layer is formed. As shown in FIG. 1, a heater serving as a discharge pressure generating element and its drive circuit (not shown) are formed on the base. Each of these structures can be obtained by a general-purpose semiconductor process.
[0026]
The sacrificial layer is made of a material that is easier to etch than the substrate, for example, a material having a high etching rate. When a silicon substrate is used as the substrate, polysilicon, aluminum, or the like can be used as the sacrificial layer. Further, a silicon nitride layer can be used as the passivation layer, which can be formed by film formation by a plasma CVD method or the like.
[0027]
The layer thickness of the sacrificial layer is preferably selected from the range of 1000 to 10,000 mm, for example, in consideration of the formation efficiency of the sacrificial layer and the handleability when removing it from the substrate. Further, the passivation layer has a function of insulating each discharge pressure generating element and wiring and protecting each discharge pressure generating element and wiring with respect to the ink in the ink flow path. Considering that the portion on the sacrificial layer is deleted from the substrate, the material, film thickness, and the like can be selected. When the silicon nitride film is used, the film thickness is preferably selected from the range of 1000 to 20000 mm, for example.
[0028]
The inkjet recording substrate according to the present invention may have the configuration shown in FIG. 2, and a mask layer 208 used for opening an ink supply port may be further provided on the back surface of the substrate. Any mask may be used as long as it can act as a resist for etching the substrate. When silicon is used as a base, a silicon oxide film can be suitably used as the mask material.
[0029]
An ink jet recording head using the substrate having the above-described structure can be manufactured as follows.
[0030]
First, as shown in FIG. 3, an opening is formed in a portion corresponding to the ink supply port forming position of the max material layer 208 on the back surface of the base 201. When an oxide film is used, this opening can be formed by patterning the oxide film with buffered hydrofluoric acid using a positive resist as a mask.
[0031]
Next, a flow channel mold material that can be eluted on the surface of the substrate is provided in a shape corresponding to a predetermined comb-blade flow channel, and a discharge port forming material for forming an orifice plate having a discharge port thereon is further provided. Laminate. The orifice plate forming material may be formed by aligning the side walls of the ink flow path.
[0032]
A known material can be used for the flow path mold. For example, this flow path mold material can be obtained by applying a positive resist mainly composed of polymethylisopropenyl ketone, exposing it to Deep-UV light, developing it, and patterning it into a desired mold material shape. . Furthermore, a known material such as a cationic polymerization type epoxy resin can be used as the material for forming the orifice plate. For example, a cationic polymerization type epoxy resin can be applied so as to cover the flow path mold material, and the discharge port can be formed by exposure and development processes.
[0033]
In addition, in order to protect this from a subsequent process, it is good to apply protective agents, such as cyclized rubber, to the base | substrate surface side.
[0034]
The state thus obtained is shown in FIG. In the example shown in FIG. 4, a mold 410 corresponding to a predetermined position on the passivation layer, that is, a region serving as a comb blade-shaped ink flow path extending from the ink supply port, an orifice plate 411, and a protective agent layer 412. Is provided.
[0035]
Next, as shown in FIGS. 5A and 5B, the substrate is etched from the opening of the mask provided on the back surface of the substrate until it reaches the sacrificial layer. When the sacrificial layer is exposed in the etched opening, the sacrificial layer is removed to make the portion occupied by the sacrificial layer hollow. Further, the cavity from which the sacrificial layer has been removed is filled with an etching solution, and the portion of the substrate that has been in contact with the sacrificial layer is etched to form a depression on the surface of the substrate.
[0036]
The depth of the dent is set so that satisfactory refilling can be achieved, and can be adjusted by the material of the substrate, the etching solution, and further the etching conditions. The depth of the recess is preferably in the range of 5 to 50 μm, for example.
[0037]
Further, the portion of the passivation layer on the sacrificial layer and the flow channel mold material are removed to form an ink supply port and an ink flow channel, and the protective agent layer at the discharge port is removed, whereby the ink jet recording having the configuration shown in FIG. You can get a head. A concave portion having a shape indicated by 209-2 in FIG. 2 is formed on the surface of the substrate including at least the root of the comb blade shape of the ink flow path in the head and extending to the front of the arrangement position of the discharge pressure generating element. It forms the bottom of the ink flow path.
[0038]
The etching solution used for etching the substrate can be selected according to the material of the substrate. In the case of a silicon substrate, an alkaline aqueous solution can be suitably used. For example, an aqueous solution of potassium hydroxide or tetramethylammonium hydroxide (TMAH) Can be suitably used.
[0039]
If an etching solution (etchant) for etching the substrate can be used for removing the sacrificial layer, the etching step for opening the ink supply port, the removing step of the sacrificial layer, and the depression of the substrate under the sacrificial layer The etching process for formation can be performed in one process.
[0040]
On the other hand, the passivation layer can be removed by applying chemical dry etching from the back opening side.
[0041]
Further, when a positive resist is used as the flow path mold material, it is possible to irradiate it with UV light from above the orifice plate, and to remove the mold material from the substrate with a developer.
[0042]
Finally, an ink jet recording head can be completed by separating the dicer into chips of each desired unit from the substrate as necessary. A typical configuration thereof is shown in FIG.
[0043]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
[0044]
A substrate for an ink jet recording head as shown in FIG. 2 was produced by a general-purpose semiconductor process using a silicon wafer having an ingot drawing orientation of <100> and a thickness of 625 μm as the substrate.
[0045]
The ink jet recording head substrate is provided with a heater 202 serving as a discharge pressure generating element and a drive circuit (not shown), aluminum is used for the sacrificial layer 209, and the passivation layer 207 is formed by a plasma CVD method. It is made of filmed silicon nitride.
[0046]
Next, the silicon oxide film 208 on the back surface of the substrate 201 was patterned with buffered hydrofluoric acid using a positive resist (OFPR manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) as a mask to form an opening for defining the position for forming the ink supply port ( FIG. 3).
[0047]
Next, a positive resist (ODUR manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) made of polymethylisopropenyl ketone, which is a flow path mold material that can be eluted by the processing described later, is applied to the surface of the substrate, exposed to deep-UV light, and developed. Went and patterned.
[0048]
A cationic polymerization type epoxy resin to be an orifice plate was applied on the flow path mold material, and a discharge port was formed by exposure and development processes. Further, in order to protect the discharge port and the orifice plate 411, cyclized rubber was applied to the substrate surface side and baked (FIG. 4).
[0049]
Thereafter, the substrate was immersed in a tetramethylammonium hydroxide aqueous solution having a temperature of 83 ° C. and a concentration of 21 wt%, and etching was advanced from the oxide film opening on the back surface of the substrate. In about 15 hours, the etching reaches the sacrificial layer on the surface (FIG. 5A), and then the etching proceeds rapidly along the pattern of the sacrificial layer 510, and the substrate 501 under the sacrificial layer 510 is etched to form the depression 513. Was formed (FIG. 5B). Next, chemical dry etching was performed from the back opening side, and the passivating layer on the front side was removed to form a through hole.
[0050]
After thoroughly washing with water and drying, the cyclized rubber on the orifice plate was removed with xylene. Thereafter, the positive resist, which is a flow path mold material, was exposed to UV light from the orifice plate and exposed to light, and ultrasonic waves were applied and eluted while immersed in methyl lactate. Finally, the ink jet recording head was completed by separating each chip state from the wafer by a dicer (FIG. 6).
[0051]
【The invention's effect】
The ink jet recording head manufactured in accordance with the present invention has a recessed bottom portion of the ink flow path extending from a common ink supply port to each heater that is an ejection pressure generating element, and is resistant to crossing compared to a conventional recording head. The ink refill time was short without losing talk performance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a simplified diagram of an ink jet recording head manufactured using an ink jet recording head substrate according to the present invention.
FIG. 2 is a simplified diagram of a substrate for an ink jet recording head according to the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of an ink jet recording head manufactured using an ink jet recording head substrate according to the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of an ink jet recording head manufactured using an ink jet recording head substrate according to the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view of an ink jet recording head manufactured using an ink jet recording head substrate according to the present invention in the middle of manufacturing.
FIG. 6 is a cross-sectional view of an ink jet recording head manufactured using the ink jet recording head substrate according to the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating a conventional example of an ink jet recording head.
FIG. 8 is a photograph taken with an SEM of an ink jet recording head manufactured using an ink jet recording head substrate according to the present invention, in particular during the process of etching a sacrificial layer.
[Explanation of symbols]
101, 201, 701 Silicon substrate 102, 202, 702 Discharge pressure generating element 103, 603, 703 Discharge port 104, 604, 704 Ink flow path 105, 605, 705 Orifice plate 106, 606, 706, 806 Common ink supply port 207 Passivation layer 209 Sacrificial layer 809 Etching sacrificial layer 410 Elutable flow path mold 411 Epoxy resin 412 used as orifice plate Nozzle protection cyclized rubber 513, 813 Indentation 114, 714 at the bottom of the ink flow path Rib (ink channel wall)
815 Cross section when substrate is broken to take SEM picture

Claims (5)

基体と、該基体の表面に配置されたインクを吐出させるための複数のインク吐出圧発生素子と、該複数のインク吐出圧発生素子のそれぞれに対応して設けられた複数の吐出口を有するオリフィスプレートと、該基体の裏面から該基体を貫通して設けられ、該複数の吐出口に共通するインク供給口と、該基体の表面と該オリフィスプレートとの間に各吐出口に対して独立に設けられ、該インク供給口から該基体表面に沿って櫛刃形に伸びて各吐出口に連通したインク流路と、を有するインクジェット記録ヘッドの製造方法において、
基体の表面に、前記基体に対して速くエッチングされる材料からなり、前記供給口の形状に対応した帯状部分と、前記流路の形状に対応するように、前記インク吐出圧力発生素子に向かって前記帯状部分から伸びる櫛刃形の部分を有する犠牲層を設ける工程と、
前記基体上に前記オリフィスプレートとなる部材を設ける工程と、
前記基体に対して、前記裏面から前記犠牲層に到達するようにエッチングを行い、前記犠牲層をエッチングにより前記基体から除去する工程と、
を有することを特徴とするインクジェット記録ヘッドの製造方法。
An orifice having a base, a plurality of ink discharge pressure generating elements for discharging ink disposed on the surface of the base, and a plurality of discharge ports provided corresponding to each of the plurality of ink discharge pressure generating elements A plate, an ink supply port that is provided through the substrate from the back surface of the substrate, and is common to the plurality of discharge ports, and independently between each discharge port between the surface of the substrate and the orifice plate in provided, method for manufacturing an ink jet recording head that chromatic ink flow path communicating extends comb shape to the respective discharge ports along the substrate surface from the ink supply port, and
The surface of the substrate is made of a material that is rapidly etched with respect to the substrate, and is directed to the ink discharge pressure generating element so as to correspond to the band-shaped portion corresponding to the shape of the supply port and the shape of the flow path. Providing a sacrificial layer having a comb-blade-shaped portion extending from the band-shaped portion;
Providing a member to be the orifice plate on the substrate;
Etching the base to reach the sacrificial layer from the back surface, and removing the sacrificial layer from the base by etching;
An ink jet recording head manufacturing method comprising:
前記基体の表面がシリコンからなり、前記犠牲層が、ポリシリコンまたはアルミニウムからなる請求項1に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。2. The method of manufacturing an ink jet recording head according to claim 1, wherein the surface of the substrate is made of silicon, and the sacrificial layer is made of polysilicon or aluminum. 前記基体上に前記オリフィスプレートとなる部材を設ける工程が、前記基体上の犠牲層上に溶出可能な型材を設け、該型材を前記オリフィスプレートとなる部材で被覆することにより行われ、かつ前記犠牲層をエッチングにより前記基体から除去した後に、前記型材を前記基体から除去して前記供給口及び前記流路を形成する請求項1または2に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。The step of providing the member to be the orifice plate on the substrate is performed by providing an elution mold material on the sacrificial layer on the substrate, and covering the mold material with the member to be the orifice plate, and the sacrificial material. 3. The method of manufacturing an ink jet recording head according to claim 1, wherein after the layer is removed from the substrate by etching, the mold material is removed from the substrate to form the supply port and the flow path. 前記型材が、ポジレジストである請求項3に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。The method of manufacturing an ink jet recording head according to claim 3, wherein the mold material is a positive resist. 前記吐出口形成用材料が、カチオン重合型エポキシ樹脂である請求項3または4に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。The method for manufacturing an ink jet recording head according to claim 3, wherein the discharge port forming material is a cationic polymerization type epoxy resin.
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