JP5328606B2 - 液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、液体を吐出する液体吐出ヘッドの製造方法に関し、具体的にはインクを被記録媒体に吐出することにより記録を行う液体吐出ヘッドの製造方法に関するものである。
液体を吐出する液体吐出ヘッドを用いる例としては、インクを被記録媒体に吐出して記録を行うインクジェット記録方式が挙げられる。
インクジェット記録方式（液体噴射記録方式）に適用される液体吐出ヘッドは、一般に微細な吐出口、液流路及び該液流路の一部に設けられる液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生素子を複数備えている。従来、このような液体吐出ヘッドを作製する方法としては、例えば特許文献１に以下のような開示がある。
まず、エネルギー発生素子が形成されたウェハー状態のシリコン基板上に、溶解可能な樹脂にて流路のパターンを形成する。次いで、この流路の形状の型材上に、流路壁となるエポキシ樹脂及び光カチオン重合開始剤を含む被覆樹脂層を塗布した後、常温、減圧で溶媒を除去する。次いで、フォトリソグラフィーによりエネルギー発生素子上に吐出口を形成する。最後に溶解可能な樹脂を溶出し流路を形成し、流路壁となる被覆樹脂層を硬化させる。
特許文献１では、減圧状態で、被覆樹脂層の深部である型材に近い部分から溶媒を蒸発させ、被覆樹脂層と型材とが交じり合ってできる相溶層から溶媒を除去すると記ことが記載されている。相溶層は、型材を除去した後も硬化後の被覆樹脂層とともに残るため、流路の容積に大きな影響をあたえる。
しかし、ウェハー状基板が大型化した場合などには、相溶層のばらつきがウェハー内の位置ごとに大きくなる場合がある。そのため、相溶層の厚さのウェハー内でのばらつきをより一層低減させることが求められる。
本発明では、前述した従来技術の課題を解決し、被覆樹脂層と型材とが交じり合ってできる層の厚さが、複数の液体吐出ヘッド間で、より均一化され、流路を高精度に形成することが可能な液体吐出ヘッドの製造方法を提供することを目的とする。
液体を吐出する吐出口に連通する流路を形成するための流路部材を有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
ポジ型感光性樹脂からなる前記流路の型を基板上に設ける工程と、
前記流路部材を形成するための、溶媒とエポキシ樹脂と該エポキシ樹脂の硬化剤とを含む被覆層を前記型に塗布する工程と、
常温、常圧の下で、前記被覆層の重量が塗布された時の重量の９３％以下となるように前記被覆層から前記溶媒を除去した後に、減圧状態で前記被覆層からさらに前記溶媒を除去する工程と、
前記被覆層を硬化させる工程と、
前記型を除去して前記流路を形成する工程と、
を含む液体吐出ヘッドの製造方法。
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本発明によれば、被覆樹脂層と型材とが交じり合ってできる層の厚さが、複数の液体吐出ヘッド間で、より均一化され、流路を高精度に形成することが可能となる。
以下、図面を参照して、本発明を具体的に説明する。
なお、液体吐出ヘッドは、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサなどの装置、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に搭載可能である。そして、この液体吐出ヘッドを用いることによって、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックスなど種々の被記録媒体に記録を行うことができる。なお、本明細書内で用いられる「記録」とは、文字や図形などの意味を持つ画像を被記録媒体に対して付与することだけでなく、パターンなどの意味を持たない画像を付与することも意味することとする。
本発明の製造方法により、被覆樹脂組成物と溶解可能な樹脂組成物との間に形成される相溶物層の厚さをより一定にし、薄くすることができるため、インク等の液体の再充填速度が一定の液体吐出ヘッドを製造することができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照してより具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下の説明では、液体吐出ヘッドの一例としてインクジェットヘッドを例示して説明する。
図２は、インクジェットヘッドの模式的な斜視図である。本実施形態のインクジェットヘッドは、エネルギー発生素子（電気熱変換素子）３が所定のピッチで２列に並んで形成された基板（例えばシリコン製）１を有している。基板１には、共通インク供給口１６が、エネルギー発生素子３の２つの列の間に開口されている。基板１上にノズル形成部材（流路部材）を構成するノズル層（被覆層）９には、各エネルギー発生素子３の上方に開口するインク吐出口１４と、インク供給口１６から各インク吐出口１４に連通するインク流路が形成されている。
ここでは図１のインクジェットヘッドを作製する為の工程を図３により説明する。
図３−（Ａ）〜（Ｈ）は、図２のインクジェットヘッドの内部構成を表す概略図であって、本発明のインクジェットヘッドの基本的な製造工程を示す為の概略図である。
図３−（Ａ）に示される基板１上には、発熱抵抗体等のインク吐出エネルギー発生素子３が複数個配列されている。また、前記基板１の裏面にはＳｉＯ2膜６で全面覆われている。４はエネルギー発生素子３を保護する保護膜である。そして、後工程でアルカリ性の溶液によってインク供給口１６を形成する時に犠牲となる犠牲層（不図示）が基板１に設けられている。この犠牲層はアルカリ溶液でエッチングできるもので、ポリシリコンやエッチング速度の速いアルミ、アルミシリコン、アルミ銅、アルミシリコン銅などで形成される。なお、エネルギー発生素子３を駆動するための半導体素子や配線等は不図示である。
まず、図３−（Ｂ）に示すように、基板１の表面にポリエーテルアミド樹脂７と裏面にポリエーテルアミド樹脂８をそれぞれスピンコート等により塗布し、ベークにより硬化させる。そして、ポリエーテルアミド樹脂７をパターニングする為に、ポジ型レジストをスピンコート等により塗布、露光、現像し、ポリエーテルアミド樹脂７をドライエッチング等によりパターニングし、前記ポジ型レジストを剥離する。そして、表面と同様の工程で裏面に設けたポリエーテルアミド樹脂８をパターニングするために、ポジ型レジストをスピンコート等により塗布、露光、現像し、ポリエーテルアミド樹脂８をドライエッチング等によりパターニングし、前記ポジ型レジストを剥離する。
そして、図３−（Ｃ）に示すように、溶解可能な樹脂を用いてインク流路の形状を有するインク流路パターン１０を形成する（図４（ｂ））。このインク流路パターンを形成する溶解可能な樹脂は、特に限定されるものではない。例えば、好適にはポジ型レジスト（ポジ型感光性樹脂）、特に後工程で被覆樹脂組成物を積層する時に型崩れがおきないように、分子量が比較的高い光分解型のポジレジストを用いることが好ましい。より具体的には、例えばポリメチルイソプロピルケトン又はポリビニルケトン等を用いることが好ましい。インク流路パターン１０の形成方法としては、例えば、溶解可能な樹脂と溶媒との混合物をスピンコート法等を用いて前記基板１上に塗布し、フォトリソ法等によりパターンを形成することができる。溶解可能な樹脂に用いる溶媒としては、例えばシクロヘキサノンを用いることができる。流路パターン１０の基板上膜厚としては、１０〜２０μｍ程度が好ましい。また、溶解可能な樹脂としては、例えばポジ型レジストを挙げることができ、具体例として、ポリメチルイソプロペニルケトン（東京応化（株）社製、商品名；ＯＤＵＲ１０１０など）を挙げることができる。
図３−（Ｄ）に示すように、表面にインク流路を形成する材料である被覆樹脂組成物をスピンコート等により塗布し被覆樹脂層（被覆層）１２を形成する。例えば、被覆樹脂組成物としては、ネガ型感光性樹脂、特にカチオン重合が可能な、エポキシ樹脂組成物をキシレンで溶解した材料を挙げることができる。またエポキシ樹脂としては、パターニング精度の高さから常温で固体のものが好ましい。
特に下記構造（１）または（２）を有し、エポキシ等量が２０００以下であるものが好ましい。このような樹脂としてはダイセル化学（株）製ＥＨＰＥ（商品名）が知られている。
特に下記構造（１）または（２）を有し、エポキシ等量が２０００以下であるものが好ましい。このような樹脂としてはダイセル化学（株）製ＥＨＰＥ（商品名）が知られている。
なお、この被覆樹脂組成物に含まれる溶媒（キシレン）のＳＰ値は８．８である。溶解可能な樹脂に用いられる溶媒（シクロヘキサノン）のＳＰ値はで８．２である。通常、ＳＰ値が±１程度の差であると相溶が見られ易い。
次に、図３−（Ｄ）に示すように、被覆樹脂層１２の重量が塗布後初期重量に対して９３％以下となるまで放置する。放置温度は６０℃未満が好ましく、大気圧、室温（２３〜４０℃程度）がより好ましい。また、常温としては２５〜３０℃が好ましい。大気圧は、常圧として１０００〜１０２０ヘクトパスカルであることが好ましい。温度を低くすることで相溶するのを抑制するためである。また、減圧して溶媒を除去することも可能であるが、大気圧、室温放置で溶媒を揮発させることが効果的である。一つの要因として以下が考えられる。被覆樹脂層１２が流路パターン１０に塗布された際に、相溶層が生じるとともに、溶解熱が生じる。一方被覆樹脂層１２の表層は室温である。表層からは溶媒が揮発するとともに、溶媒が少なくなった表層部分へ、相溶領域の溶媒が対流により移動することで、当初相溶していた部分の溶媒量が少なくなる。この対流は大気圧下で効率よく生じさせることができる。これにより、相溶領域の溶媒量を効率よく減らすことが可能となると考えられる。
被覆樹脂層１２の初期重量は、例えば、被覆樹脂層１２の形成前後のウエハの重量を測定することにより把握できる。溶媒の揮発は、被覆樹脂組成物の重量が、塗布直後の被覆樹脂組成物の重量（初期重量）に対して９３％以下となるまで行う。また、９０％以下となるまで行うことがより好ましく、さらに８７％以下とすることがさらに好ましい。
次に、図３−（Ｅ）に示すように、被覆樹脂層の重量が初期重量に対して９３％以下となったことを確認して、減圧状態により溶媒の揮発を行う。減圧は９０ｋＰａ（９００ヘクトパスカル）以下であることが好ましい。さらに加熱によるベーク処理を行う。ベークは６０〜１００℃で行うことが好ましく、８０〜９５℃で行うことがより好ましい。ベーク後の流路パターン上の被覆樹脂層の膜厚としては、相溶層を含まない場合には１０〜６０μｍ程度であり基板上で２０〜８０μｍ程度である。
ここで、本発明では、被覆樹脂組成物中の溶媒を減圧処理前に所定分揮発させているため、相溶物層２２の層厚をより一定に、かつ薄くすることができる。
次に、図３−（Ｆ）に示すように、露光、現像を行い被覆樹脂層１２のパターンを形成する。
前記被覆樹脂層１２上には撥水材１３がドライフィルムのラミネート等により形成される。インク吐出口１４は、被覆樹脂層１２及び撥水剤１３を紫外線やＤｅｅｐＵＶ光等による露光、現像を行うことによりパターニングして形成する。先の常温、大気圧での溶媒除去により、被覆樹脂層１２とインク流路パターン１０との相溶領域の溶媒量が少なくなっている。そのため、露光後に、被覆樹脂層１２から相溶領域への硬化の進行が抑えられる。具体的には、被覆樹脂層１２から相溶領域へのカチオンの拡散が抑えられることにより、最終的な相溶領域を薄くすることが可能となる。
次に、図３−（Ｇ）に示すように、インク流路パターン１０及び被覆樹脂層１２等が形成されている前記基板１の表面及び側面をスピンコート等による塗布を行い、保護材１５で覆う。前記基板１の裏面に形成されているＳｉＯ2膜６は、前記ポリエーテルアミド樹脂８をマスクとしてウエットエッチングの開始面となるＳｉ面が露出される。次に前記基板１にインク供給口１６を設ける。このインク供給口１６は、基板を化学的にエッチング、例えばＴＭＡＨ等の強アルカリ溶液による異方性エッチングにより形成する。
そして、図３−（Ｈ）に示すように、裏面から異方性エッチングを行っていくと表面の犠牲層（不図示）に到達し、インク供給口１６が形成される。次に、ポリエーテルアミド樹脂８及び保護材１５を除去する。更に、インク流路パターン１０を、前記インク吐出口１４及び前記インク供給口１６から溶出させる事により、インク流路（不図示）及び、流路２５が形成される。
次に、ノズル部が形成された基板１をダイシングソー等により切断分離、チップ化し、図２のインクジェットヘッドの一部を完成させる。
その後、エネルギー発生素子を駆動させる電気的接合を行い、インク供給の為のタンク部材を取り付け、インクジェットヘッドを完成させる。
本発明に係る製造方法により、相溶物層の層厚のバラツキが小さくすることができる。なお、相溶物層が厚い部分ではインクの再充填速度が遅くなる傾向がある。
ここで、加熱後の相溶物層の厚みは、より薄くすることが好ましいが、本発明者らの検討によれば、２．５μｍ以下の厚みとすることで、厚みのバラツキによるインクの最充填速度への影響が少なくなる。より好ましくは、２．０μｍ以下である。
（実施例）
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
本実施例では、図３に示した工程により、図１に示した構成を有するインクジェットヘッドを作製した。
まず、図３−（Ａ）に示すように、発熱抵抗体等のインク吐出エネルギー発生素子３が複数個配列されたウェハー状の基板１を用意した。また、該基板１の裏面にはＳｉＯ2膜６で全面が覆われており、エネルギー発生素子３は保護膜４で覆われている。そして、後工程でアルカリ性の溶液によってインク供給口１６を形成する時に犠牲となる犠牲層（不図示）が基板１に設けられている。
次に、図３−（Ｂ）に示すように、基板１の表面にポリエーテルアミド樹脂７と裏面にポリエーテルアミド樹脂８をそれぞれスピンコート等により塗布し、ベークして硬化させた。そして、ポリエーテルアミド樹脂７をパターニングする為に、ポジ型レジストをスピンコート等により塗布、露光、現像し、ポリエーテルアミド樹脂７をドライエッチング等によりパターニングした。その後、前記ポジ型レジストを剥離・除去した。そして、裏面に設けたポリエーテルアミド樹脂８をパターニングするために、同様の工程でポジ型レジストをスピンコート等により塗布、露光、現像し、ポリエーテルアミド樹脂８をドライエッチング等によりパターニングした。その後、前記ポジ型レジストを剥離・除去した。
次に、図３−（Ｃ）に示すように、インク流路の型材料である溶解可能な樹脂組成物１０をスピンコートにより塗布し、露光、現像を行い、パターンを形成した。パターン１０の膜厚は１８μｍとした。また、溶解可能な樹脂組成物としては、ポリメチルイソプロペニルケトン（東京応化（株）社製、商品名；ＯＤＵＲ１０１０）を用いた。溶媒としてはシクロヘキサノンを用いた。
次に、図３−（Ｄ）に示すように、前記パターン上にインク流路を形成する材料である被覆樹脂組成物をスピンコートにより塗布して被覆樹脂層１２を形成した。被覆樹脂組成物としては、エポキシ樹脂とエポキシ樹脂の硬化剤とを含む溶液をキシレンで溶解した材料を用いた。被覆樹脂層１２の膜厚は基板上で７５μｍとした。
なお、本実施例で用いた被覆樹脂組成物の具体的組成は以下の通りである。
ＥＨＰＥ ダイセル化学（株） （エポキシ樹脂）１００
ＨＦＡＢ セントラル硝子（株） （添加剤） ２０
Ａ−１８７ 東レ・ダウコーニング（株）（密着向上剤） ５
ＳＰ−１７２ （株）ＡＤＥＫＡ （光重合開始材（硬化剤）） ６
キシレン −−−−−−−−−−−− （溶媒） ８０
ＥＨＰＥ ダイセル化学（株） （エポキシ樹脂）１００
ＨＦＡＢ セントラル硝子（株） （添加剤） ２０
Ａ−１８７ 東レ・ダウコーニング（株）（密着向上剤） ５
ＳＰ−１７２ （株）ＡＤＥＫＡ （光重合開始材（硬化剤）） ６
キシレン −−−−−−−−−−−− （溶媒） ８０
この被覆樹脂組成物に含まれる溶媒（キシレン）のＳＰ値は８．８である。溶解可能な樹脂組成物（ポジ型レジスト）１０の溶媒はシクロヘキサノンであり、そのＳＰ値は８．２である。
次に、図３−（Ｄ）から（Ｅ）にかけて、２３℃、１ａｔｏｍ （１０１３ヘクトパスカル）下にて放置し、被覆樹脂組成物に含まれる溶媒を揮発させた。そして、溶媒揮発後の被覆樹脂組成物の重量（揮発後重量）が、塗布直後の被覆樹脂組成物の重量（初期重量）の９３％以下となったとき、減圧での揮発（７００ヘクトパスカル、４０℃で数分）を行った。さらにベーク処理（９０℃１００ｓｅｃ）を行った。なお、初期重量は、被覆樹脂組成物の塗布前後におけるウエハの重量を測定し、その差を計算することにより算出できる。揮発後重量は、一定時間放置後（溶媒揮発後）のウエハ重量と被覆樹脂組成物の塗布前のウエハ重量の差を計算することで算出できる。また、実施例から比較例の放置時間（２３℃、１ａｔｏｍ）、放置後の被覆樹脂層の初期重量に対する割合、相溶物層の厚さはそれぞれ表１のとおりである。相溶物層２２は、流路パターン１０の材料と被覆樹脂層との混合物の硬化領域であって、基板上の、出来上がった流路壁のうち、流路パターン１０が形成された時点（被覆樹脂層を塗布する前）での流路パターン１０が存在した領域に含まれる部分とする。
次に、図３−（Ｆ）に示すように、露光、現像を行い被覆樹脂層１２のパターンを形成した。また、前記被覆樹脂層１２上には撥水材１３をドライフィルムのラミネートによって形成した。インク吐出口１４は、被覆樹脂層１２及び撥水剤１３をＤｅｅｐＵＶ光による露光、現像を行い、パターニングして形成した。
次に、図３−（Ｇ）に示すように、溶解可能な樹脂１０’及び被覆樹脂層１２が形成されている前記基板１の表面及び側面をスピンコート法を用いて保護材１５で覆った。そして、前記基板１の裏面に形成されているＳｉＯ2膜６において、前記ポリエーテルアミド樹脂８をマスクとしてウエットエッチングの開始面となるＳｉ面を露出した。次に、前記基板１にインク供給口１６を設けた。このインク供給口１６は、ＴＭＡＨの強アルカリ溶液による異方性エッチングにより、基板を化学的にエッチングして形成した。図３−（Ｈ）に示すように、裏面から異方性エッチングを行っていくと表面の犠牲層（不図示）に到達し、インク供給口１６が形成された。次に、ポリエーテルアミド樹脂８及び保護材１５を除去した。さらに、溶解可能な樹脂１０’を、インク吐出口１４及びインク供給口１６から溶出させ、インク流路２５を形成した。流路形成部材となった被覆樹脂層の吐出口形成部分の厚さは５５μｍであった。
次に、ノズル部が形成されたウェハー状態の基板をダイシングソーにより切断分離し、チップ化し、図２のインクジェットヘッドの一部を作製した。
その後、エネルギー発生素子を駆動させる電気的接合を行い、インク供給の為のタンク部材を取り付け、インクジェットヘッドを完成させた。
実施例、比較例のヘッドそれぞれ複数について、同一ウェハーから得られたヘッドの相溶層の平均値を層厚さとして求めた。また、完成させたインクジェットヘッドそれぞれを吐出装置に搭載し、について吐出評価を行った。結果を表１に示す。表１に示されるように、比較例１では、相溶層の厚さにバラツキが大きく、厚い部分ではインクの再充填速度が遅くなる傾向があった。
以上から、被覆樹脂層を塗布後、被覆樹脂層の重量が塗布当初から９３％以下となるように、大気圧、常温で溶媒を揮発させ、その後、減圧や加熱により溶媒を除去することが好ましいことが分かる。
１ 基板
１２ 被覆樹脂層（流路部材）
１４ 吐出口
２５ 流路
１２ 被覆樹脂層（流路部材）
１４ 吐出口
２５ 流路
Claims (7)
- 液体を吐出する吐出口に連通する流路を形成するための流路部材を有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
ポジ型感光性樹脂からなる前記流路の型を基板上に設ける工程と、
前記流路部材を形成するための、溶媒とエポキシ樹脂と該エポキシ樹脂の硬化剤とを含む被覆層を前記型に塗布する工程と、
常温、常圧の下で、前記被覆層の重量が塗布された時の重量の９３％以下となるように前記被覆層から前記溶媒を除去した後に、減圧状態で前記被覆層からさらに前記溶媒を除去する工程と、
前記被覆層を硬化させる工程と、
前記型を除去して前記流路を形成する工程と、
を含む液体吐出ヘッドの製造方法。 - 常温、常圧の下で、前記被覆層の重量が塗布された時の重量の９０％以下となるように前記被覆層から前記溶媒を除去する請求項１に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記ポジ型感光性樹脂はポリメチルイソプロペニルケトンを含む請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記溶媒はキシレンである請求項１乃至３のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記溶媒はシクロヘキサノンであり、前記ポジ型感光性樹脂を塗布した後、前記ポジ型感光性樹脂をパターニングして前記型を形成する請求項１乃至４のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記常温は２３〜４０℃である請求項１乃至５のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記常圧は１０００〜１０２０ヘクトパスカルである請求項１乃至６のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
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