JP5171002B2 - インクジェット記録ヘッドの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、インクを噴射し飛翔液滴を形成して記録を行うインクジェット記録ヘッドの製造方法に関するものである。
本発明の製造方法によって製造されるインクジェット記録ヘッドは、記録媒体に対し記録を行うプリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサ等の装置、さら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などに適用可能である。上記インクジェット記録ヘッドによって記録を行うことが可能な記録媒体としては、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックスなどが挙げられる。
なお、本発明における「記録」とは、文字や図形等の意味を持つ画像を記録媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を記録媒体に付与することも意味する。
近年、インクジェット記録ヘッドは、より高画質な記録を行うため、吐出インクの小液滴化やインク吐出口配置の高密度化が図られている。電気熱変換素子およびその駆動回路などは基板内に半導体製造技術を用いて形成されており、記録ヘッドに電気的制御回路（ダイオードマトリックス回路やシフトレジスタ回路）を内蔵する手法が提案されている。インクジェット記録ヘッドは、列状に配置した複数のインク吐出口にインクを供給する形態がとられている。記録ヘッドは、基板裏面からインク流路に連通して電気熱変換素子の配列方向に沿って延在する貫通口（以下、「インク供給口」という。）が形成され、各インク吐出口に対して共通のインク供給口から各々のインク吐出口にインクを供給する構造になっている。
また、インクジェット記録ヘッドの供給口部分には、特許文献１や特許文献２に開示されているように、残留気泡の制御および吐出口プレートの強度補強のため、リブ状突起が形成されている。このようなリブ状突起を有するインクジェット記録ヘッドは、以下の工程を経て作製される。
（１）電気熱変換素子が形成された基板に、エッチング停止層を形成する工程
（２）基板の電気熱変換素子を形成していない面に、インク供給口形成の際のマスクである裏面エッチングマスクを形成する工程
（３）基板上に、溶解可能な樹脂にてインク流路およびリブ状突起のパターンを形成する工程
（４）溶解可能な樹脂層上に被覆樹脂層を形成する工程
（５）被覆樹脂層にインク吐出口を形成する工程
（６）基板にインク供給口を形成する工程
（７）裏面エッチングマスクを除去する工程
（８）基板上に形成されているエッチング停止層を除去する工程
（８）溶解可能な樹脂層を除去する工程
特開２０００−１５８６５７号公報
特開平１０−１４６９７９号公報
（１）電気熱変換素子が形成された基板に、エッチング停止層を形成する工程
（２）基板の電気熱変換素子を形成していない面に、インク供給口形成の際のマスクである裏面エッチングマスクを形成する工程
（３）基板上に、溶解可能な樹脂にてインク流路およびリブ状突起のパターンを形成する工程
（４）溶解可能な樹脂層上に被覆樹脂層を形成する工程
（５）被覆樹脂層にインク吐出口を形成する工程
（６）基板にインク供給口を形成する工程
（７）裏面エッチングマスクを除去する工程
（８）基板上に形成されているエッチング停止層を除去する工程
（８）溶解可能な樹脂層を除去する工程
上述したインクジェット記録ヘッドでは、インク供給口は基板を化学的にエッチングすることにより形成している。より具体的には、基板としてシリコン基板を用い、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＴＭＡＨなどの強アルカリ溶液からなるエッチング液を用いて異方性エッチングすることにより供給口を形成している。また、エッチング液を被覆樹脂層に接触させないように、基板表面に、窒化シリコンなどエッチング液に対して溶解しにくい物質でエッチング停止層を形成している。
エッチング停止層は、シリコン基板表面の段差部分に形成する場合が多く、段差部分のエッチング停止層は若干薄く形成されていることが多い。また、成膜装置上の制約などにより、シリコン基板内でエッチング停止層の膜厚のばらつきが生じたりすることがある。そのエッチング停止層の膜厚の違いなどにより、異方性エッチング工程でシリコン基板が溶解しエッチング停止層が剥き出しになる際、エッチング停止層自身に応力がかかり、不規則なクラックが入る場合がある。
また、基板表面には、通常、シリコンの自然酸化膜が形成されている。基板裏面に形成されている自然酸化膜は、異方性エッチング工程の後に、フッ酸処理にて除去される。その際、段差部などのエッチング停止層の薄い部分がより早くエッチングされ、剥き出しになってしまう場合がある。
これらの工程の後に、インク供給口形成のための裏面エッチングマスクを除去するために、ドライエッチングによる除去工程を行っている。エッチング停止層にクラックが入った状態のまま除去工程を行うと、そのクラックからエッチングガスが進入し、リブ状突起部分の被覆樹脂層を侵食し、不規則な凹凸が形成される。
この状態のままインクジェット記録ヘッドを作製すると、吐出時に侵食部分に残留気泡が溜まり、インクが供給されないことによる不吐を起こす場合がある。また、リブ状突起に不規則な凹凸が形成されるため、吐出口プレートに加えられる外力に対して吐出口プレートが強度を保てず変形を起こし、インク吐出に悪影響を及ぼすことがある。なお、そのような外力は、物流時に吐出口プレート表面に貼ってある保護テープを剥離する時や、回復動作等に吸引キャップやワイピングブレードが吐出口プレートに当接させられることによって加えられる。
さらに、近年ではインクジェット記録ヘッドによる記録画像の高画質化に伴い、インク吐出口数の増加およびインク吐出口の配置の高密度化や、インク吐出口列の長尺化、吐出インクの小液滴化、多色化等が図られている。そのため、電気熱変換素子に接続する配線本数の増加や、駆動制御の複雑化に伴う回路の増加などにより、基板が大型化している。これに対し、基板上に積層する配線層を増やすことで、基板を大型化させずにそのような回路を構成することも可能であるが、いずれの場合においても記録ヘッドの製造コストが高くなってしまう。
本発明の第１の目的は、外力による吐出口プレートの変形を防ぎ、かつ残留気泡による記録不良が生じないインクジェット記録ヘッドを作製することにある。
上記目的を達成するため、本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法は、インク滴を吐出するエネルギーを発生させる複数のエネルギー発生素子と、前記エネルギー発生素子の配列方向に沿って延在する貫通口からなるインク供給口とを有する基板と、前記複数のエネルギー発生素子に対応する複数のインク吐出口と、前記エネルギー発生素子を内包し、かつ前記インク供給口と前記各インク吐出口とを連通する複数のインク流路とを形成する、該基板上に設けられた吐出口プレートと、を有し、前記吐出口プレートの前記インク供給口に面する部分には、前記エネルギー発生素子の配列方向に沿って延在するリブ状突起が形成されているインクジェット記録ヘッドにおいて、前記基板の前記エネルギー発生素子が形成されている面の前記インク供給口が形成される部分に、前記基板に前記インク供給口を形成する異方性エッチングにおいて用いられるエッチング液に対して耐侵食性を有するエッチング停止層を形成する工程と、前記エッチング停止層上の前記リブ状突起が形成される部分に、前記エッチング停止層をエッチングから保護する保護層を形成する工程と、前記基板の前記面上の少なくとも前記保護層を除く位置に、前記インク流路となる部分を占有する型材を形成する工程と、前記基板および前記型材の上に前記吐出口を備えた吐出口プレートを形成する工程と、前記基板にエッチング液を用いた異方性エッチングによって前記インク供給口を形成する工程と、前記エッチング停止層を除去する工程と、前記型材を除去する工程と、を含み、前記保護層を形成する工程において、前記保護層を、前記インク流路となる部分を占有する前記型材とは異なる材料で形成することを特徴とする。
上記本発明によれば、残留気泡による記録不良や、外力による吐出口プレートの変形が生じないインクジェット記録ヘッドを作製することができる。
次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
なお、以下の各実施例で示される数値は一例であり、本発明はこれらに限定されるものではない。また、本発明は、各実施例に限られず、これらをさらに組み合わせるものであってもよく、この明細書に添付された特許請求の範囲に記載された本発明の概念に包含されるべき他の技術にも応用することができる。
（実施例１）
図１は本発明の実施例１に係るインクジェット記録ヘッドの模式的上面図であり、図２は図１に示したインクジェット記録ヘッドのＡ−Ａ線に沿った断面の一部を拡大して示す図である。
図１は本発明の実施例１に係るインクジェット記録ヘッドの模式的上面図であり、図２は図１に示したインクジェット記録ヘッドのＡ−Ａ線に沿った断面の一部を拡大して示す図である。
本実施例のインクジェット記録ヘッドは、インク滴を吐出するエネルギーを発生させるエネルギー発生素子である複数の電気熱変換素子３が表面側に設けられた基板１と、基板１上に設けられた吐出口プレート５とを有している。各々の電気熱変換素子３には、電気熱変換素子３を発熱させる電力を電気熱変換素子３に供給するための配線１４が接続されている。これらの電気熱変換素子３および配線１４は、基板１上に形成された保護層１５に覆われて保護されている。
吐出口プレート５は、各電気熱変換素子３に対向する位置に吐出口７が形成されている。また基板１には、前記エネルギー発生素子の配列方向に沿って延在するようにインク供給口９が形成されている。また、インク供給口９と各吐出口７とをそれぞれ連通させる複数のインク流路１６が、基板１と吐出口プレート５との間に形成されている。吐出口プレート５のインク供給口９に対向する面にはリブ状突起６が形成されている。リブ状突起６は、インク供給口９に面する位置に、長手方向に延びたインク供給口９に沿って形成されている（図１参照）。
図３は、図１に示したインクジェット記録ヘッドの製造工程を示す図である。以下、図３を参照して本実施例のインクジェット記録ヘッドの製造工程を説明する。
図３（ａ）を参照すると、本実施例では、基板１として、＜１００＞面の結晶方位面を表面に持つシリコン基板を用いている。基板１に、半導体製造技術により、電気熱変換素子３、電気熱変換素子３を駆動させるための複数の配線１４、それらの保護層１５、および駆動回路（不図示）を形成する（それらは図３（ａ）には示していない）。また、基板１上のインク供給口９の開口部となる位置に、異方性エッチングの耐エッチングマスクであるエッチング停止層１１を、フォトリソグラフィー技術を用いて形成する。一般的に、エッチング停止層１１は、酸化シリコン（ＳｉＯ2）や窒化シリコン（ＳｉＮ）によって構成される単一もしくは複数の層からなる。本実施例のエッチング停止層１１は、厚さ２００ｎｍのＬＰ−ＳｉＮと厚さ３００ｎｍのＰ−ＳｉＮとからなる２種類の窒化シリコン膜を用いて形成している。
次に、エッチング停止層１１上のリブ状突起６が形成される部分に、保護層１２を形成する。保護層１２は、フォトリソグラフィー技術を用いて、リブ状突起６とエッチング停止層１１との間に挟まれる領域分のみを残すようにパターニングして形成する。保護層１２の材料としてＴａを用い、その厚さが２００ｎｍとなるように成膜する。
次いで、電気熱変換素子３を駆動するために、基板１に電力を供給するための外部制御機器（不図示）との接続に用いる電極パッド（不図示）を基板１上に形成する。なお、その製造方法に関しては特に限定するものではない。
次に、基板１およびその上の保護層１２と吐出口プレート５との接合を強固にするため、保護層１２の上に密着向上層１３を形成する。本実施例では、密着向上層１３の材料として熱可塑性樹脂を使用し、フォトリソグラフィー技術を用いて密着向上層１３をパターニングして形成した。また、後工程で行う異方性エッチングの際のマスクとして、密着向上層１３に用いたものと同じ材料を用いて、基板１の吐出口プレート５を形成する面とは反対側の面上に、エッチングマスク１０をフォトリソグラフィー技術を用いて形成する。なお、基板１のその面には酸化膜２が形成されており、エッチングマスク１０はその酸化膜２上に形成される。
次に、インク流路１６となる部分を占有する型材を成す樹脂層４の樹脂材料を、インク流路１６の高さに相当する１５μｍの厚さになるようにスピンナーを用いて基板１上に塗布する。その後、インク流路１６およびリブ状突起６を成すパターンを、フォトリソグラフィー技術によって樹脂層４に形成する。本実施例では、樹脂層４の樹脂材料として、ポジ型フォトレジスト用の剥離剤（除去液）に溶解可能なポジ型フォトレジストを用いている。また、本実施例では樹脂層４の樹脂材料をスピンナーを用いて塗布したが、バーコータなどの他の手法を用いて塗布してもよい。
次いで、図３（ｂ）に示すように、吐出口プレート５を成す樹脂を、樹脂層４を被覆するように基板１上に塗布し、フォトリソグラフィー技術を用いて吐出口７を含む吐出口プレート５を形成する。本実施例では、吐出口プレート５の樹脂材料として感光性のカチオン重合エポキシ樹脂を用いた。その他、吐出口プレート５の材料として用いられるものとしては感光性エポキシ樹脂や感光性アクリル樹脂等が挙げられるが、吐出口プレート５はインクと常に接触するため、その材料の選択には以下の点を考慮する必要がある。
（１）吐出口プレート５がインクと接触しても不純物が吐出口プレート５からインクに溶出しないこと。
（２）吐出口プレート５がシリコン基板１に良好に密着し、経時的変化によって基板１からの剥がれが起きないこと。
（１）吐出口プレート５がインクと接触しても不純物が吐出口プレート５からインクに溶出しないこと。
（２）吐出口プレート５がシリコン基板１に良好に密着し、経時的変化によって基板１からの剥がれが起きないこと。
これらの点に鑑みると、吐出口プレート５の材料としては、光反応によるカチオン重合化合物が適している。ただし、吐出口プレート５に適する材料は使用するインクの種類によっても大きく左右されることから、必ずしも上述した材料に限られことはなく適宜選択すればよい。
なお、本実施例では採用していないが、吐出口プレート５の表面に撥水層を形成してもよい。これにより、吐出口周囲にインク滴が付着しないため、付着したインクによる吐出方向のずれなどが起こらず、安定したインク吐出を行うことが可能になる。
続いて、図３（ｃ）に示すように、基板１のエッチングマスク１０が形成されている面以外の部分をエッチング保護材８で覆う。このエッチング保護材８は、後の工程で異方性エッチングにより基板１にインク供給口９を形成する際に吐出口プレート５の表面をエッチング液から保護するために用いられるものである。その後、異方性エッチング液としてＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）水溶液を用いて基板１を化学的にエッチングし、基板１にインク供給口９を形成する。
次に、異方性エッチングが終了した基板１からエッチング保護層８を除去し、さらに、基板１の裏面側に形成されているエッチングマスク１０および基板１の表面側に形成されているエッチング停止層１１を、それぞれドライエッチングによって除去する。なお、エッチングマスク１０の材料である熱可塑性樹脂の方が、保護層１２の材料であるＴａよりもエッチングスピードが高くドライエッチングされやすい。また、エッチング停止層１１の材料であるＳｉＮの方が、保護層１２の材料であるＴａよりもドライエッチングされやすい。そのため、エッチングマスク１０およびエッチング停止層１１を完全に除去しても、保護層１２は除去されずにリブ状突起６の下面部分に残る。
その後、吐出口プレート５の表面側から露光を行ってポジ型フォトレジストからなる樹脂層４を可溶状態とし、樹脂層４を型材除去液（ポジ型フォトレジスト用の剥離剤）によって除去する。樹脂層４を除去することで、吐出口プレート５にインク流路１６およびリブ状突起６が形成される。これにより、インク供給口９からインク流路１６を通って吐出口７に至る流路が連通し、インクジェット記録ヘッドとしての主たる構成が完成する。
本実施例のインク吐出口７は、インク供給口９の両側に対称に６００ｄｐｉ（ドット・パー・インチ）の等ピッチで配置されている。しかしながら、インク吐出口７の配置構成はこれに限られず、吐出口のピッチが均等でなかったり、インク吐出口がインク供給口の片側にのみ配置されていたり、あるいはインク供給口の両側に非対称に配置されている構成であってもよい。また、１つの基板に複数のインク供給口が形成されている構成であってもよい。
上述した工程で作製したインクジェット記録ヘッドではリブ状突起６の下面部分に設けられている保護層１２にクラック等は見られず、リブ状突起６を良好に形成することができた。また、インクジェット記録ヘッドをインクに浸漬した状態で６０℃の温度を維持したまま３ヶ月間放置する試験を行った後も保護層１２の剥離は見られず、インクジェット記録ヘッドによる記録動作を良好に行うことができた。
［比較例］
図４は、本実施例に対する比較例として作製されるインクジェット記録ヘッドの製造工程を示す図である。この比較例によるインクジェット記録ヘッドは、リブ状突起６の下面部分に保護層１２および密着向上層１３が設けられていない。本比較例はこの点を除いて本実施例と同様である。
図４は、本実施例に対する比較例として作製されるインクジェット記録ヘッドの製造工程を示す図である。この比較例によるインクジェット記録ヘッドは、リブ状突起６の下面部分に保護層１２および密着向上層１３が設けられていない。本比較例はこの点を除いて本実施例と同様である。
本比較例では、基板１にインク供給口９を形成する異方性エッチング工程後の約５％の記録ヘッドで、エッチング停止層１１のリブ状突起６に接する部分にクラックが発生していた。さらにその後の工程を経ることにより、リブ状突起６の、クラックが発生したエッチング停止層１１に接する部分に凹凸が形成された。リブ状突起６に凹凸が形成されたインクジェット記録ヘッドを用い、インク吐出動作を行いながらインク供給口９部分を観察したところ、その凹凸部分に気泡が溜まり、これによりインク不吐が発生していた。
（実施例２）
図５は本発明の実施例２に係るインクジェット記録ヘッドの模式的上面図であり、図６は図５に示したインクジェット記録ヘッドのＢ−Ｂ線に沿った断面の一部を拡大して示す図である。
図５は本発明の実施例２に係るインクジェット記録ヘッドの模式的上面図であり、図６は図５に示したインクジェット記録ヘッドのＢ−Ｂ線に沿った断面の一部を拡大して示す図である。
本実施例では、リブ状突起６と保護層１２との間に、電気熱変換素子に接続される配線１４が形成されている。配線１４は、図３（ａ）を参照して説明した工程において、保護層１２を形成した後にその上に半導体製造プロセスによって形成される。本実施例のインクジェット記録ヘッドのその他の製造工程は、図３を参照して説明した実施例１の製造工程と同じである。
本実施例のインクジェット記録ヘッドにおいても、リブ状突起６の下面部分に設けられている保護層１２にクラック等は見られず、リブ状突起６を良好に形成することができた。また、インクジェット記録ヘッドをインクに浸漬した状態で６０℃の温度を維持したまま３ヶ月間放置する試験を行った後も保護層１２の剥離は見られず、インクジェット記録ヘッドによる記録動作を良好に行うことができた。
保護層１２がＴａで構成されている場合、Ｔａはインクに触れると表面が酸化して、インクに対する耐腐食性を有するＴａ2Ｏ5となる。また、Ｔａはインク発泡や消泡による衝撃などから電気熱変換素子３を保護するためのキャビテーション保護膜（不図示）として用いられる場合もある。この場合は、キャビテーション保護膜の形成工程で保護層１２も形成することにより、基板１に対する膜形成工程を増やすことなく保護層１２を形成することが可能である。
さらに、本実施例によれば、リブ状突起６と保護層１２との間に配線１４を設けることにより、基板１を大型化させたり基板１上に積層する配線層を増やすことなく、低い製造コストで、基板１に形成する配線１４の本数を増加させることができる。リブ状突起６の部分に形成した配線１４を用いて信号伝達を行って記録ヘッドを動作させた場合でも、誤動作することなく、インクジェット記録ヘッドを正常に動作させることができた。さらに、上記の試験の後においても、保護層１２の部分に剥離は見られず、またリブ状突起６の部分に形成した配線１４にショートが生じるなどの不具合も見られなかった。
本実施例ではリブ状突起６の部分に２本の配線１４を形成した例を示したが、形成する配線１４の本数はこれに限られず、さらに多数の配線１４を形成してもよい。また、本実施例では保護層１２とは別に配線１４を形成しているが、保護層１２自体が配線としての役割を有する構成とすることもできる。
また、本実施例においてリブ状突起６の部分に形成した配線１４は電気熱変換素子３に駆動信号を伝達するためのデータ線であるが、リブ状突起６の部分に形成する配線１４の用途はこれに限られない。例えば、その配線１４によって、温度センサや、インクの粘度などを調節するためのサブヒータを構成することもできる。
通常、インクは温度によって粘度が変わる性質を持つ。インクジェット記録ヘッドの場合、インクの粘度によってインク吐出の特性が変化することが多い。特に、しばらくインクを吐出しなかった状態の後の一発目のインク吐出特性が、連続してインク吐出動作を行っているときの吐出特性と変わることが多い。そのため、記録ヘッド内のインク温度を検知し、その温度に応じて記録ヘッドを駆動をするなどの対応がとられている。温度センサをリブ状突起６の部分に設けることにより、記録ヘッド内のインクの温度を直接測定することができるため、インク温度情報を駆動条件により正確に反映させることが可能となる。また、サブヒータをリブ状突起６の部分に設けることにより、記録ヘッド内に供給されたインクをサブヒータで直接加熱することができるため、サブヒータからインクへの伝熱応答性がよくなる。そのため、他の部位にサブヒータを設けるよりも、より少ない駆動エネルギーでインクを保温することが可能となる。
なお、本実施例では電極パッドが基板１の両端部に形成されているが、各インク供給口９の長さが同一で、基板１の片側にのみ電極パッドが形成されている構成としてもよい。
１ 基板
３ 電気熱変換素子
４ 樹脂層
５ 吐出口プレート
６ リブ状突起
７ 吐出口
９ インク供給口
１１ エッチング停止層
１２ 保護層
１６ インク流路
３ 電気熱変換素子
４ 樹脂層
５ 吐出口プレート
６ リブ状突起
７ 吐出口
９ インク供給口
１１ エッチング停止層
１２ 保護層
１６ インク流路
Claims (4)
- インク滴を吐出するエネルギーを発生させる複数のエネルギー発生素子と、前記エネルギー発生素子の配列方向に沿って延在する貫通口からなるインク供給口とを有する基板と、
前記複数のエネルギー発生素子に対応する複数のインク吐出口と、前記エネルギー発生素子を内包し、かつ前記インク供給口と前記各インク吐出口とを連通する複数のインク流路とを形成する、該基板上に設けられた吐出口プレートと、
を有し、前記吐出口プレートの前記インク供給口に面する部分には、前記エネルギー発生素子の配列方向に沿って延在するリブ状突起が形成されているインクジェット記録ヘッドの製造方法において、
前記基板の前記エネルギー発生素子が形成されている面の前記インク供給口が形成される部分に、前記基板に前記インク供給口を形成する異方性エッチングにおいて用いられるエッチング液に対して耐侵食性を有するエッチング停止層を形成する工程と、
前記エッチング停止層上の前記リブ状突起が形成される部分に、前記エッチング停止層をエッチングから保護する保護層を形成する工程と、
前記基板の前記面上の少なくとも前記保護層を除く位置に、前記インク流路となる部分を占有する型材を形成する工程と、
前記基板および前記型材の上に前記吐出口を備えた吐出口プレートを形成する工程と、
前記基板にエッチング液を用いた異方性エッチングによって前記インク供給口を形成する工程と、
前記エッチング停止層を除去する工程と、
前記型材を除去する工程と、
を含み、
前記保護層を形成する工程において、前記保護層を、前記インク流路となる部分を占有する前記型材とは異なる材料で形成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。 - 前記保護層と前記リブ状突起との接合を強固にする密着向上層を前記保護層上に形成する工程を含む、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。
- 前記エッチング停止層を除去する工程の後には、前記リブ状突起の前記インク供給口に対向する面上に前記保護層が残っている、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。
- 前記保護層をＴａで形成することを含む、請求項１から３のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。
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