JP5328608B2 - 液体吐出ヘッド用基板、液体吐出ヘッド及びそれらの製造方法 - Google Patents

液体吐出ヘッド用基板、液体吐出ヘッド及びそれらの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、液体吐出ヘッド用基板、液体吐出ヘッド及びそれらの製造方法に関するものである。
液体吐出記録法は、液体吐出ヘッドに設けられた吐出口から液体(例えばインク)を吐出させ、これを紙などの被記録材に付着させて記録を行う方法である。エネルギー発生素子が発生する熱エネルギーにより生ずる液体の発泡を利用して液体を吐出する方式の液体吐出記録法は、高画質および高速記録が可能である。
液体吐出ヘッドの一般的な構成は、複数の吐出口と、この吐出口に連通する流路と、インクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生する複数のエネルギー発生素子とを有する。エネルギー発生素子を構成する発熱抵抗体層は、液体からエネルギー発生素子を保護する上部保護層によって被覆され、さらに、蓄熱する為の下部層を有する。
従来の液体吐出ヘッドを形成する製造方法において、発熱抵抗素子と吐出口間の距離を高い精度で短くかつ再現よく設定可能な高品位記録が可能な液体吐出ヘッドの製造方法である。
特許文献1には、溶解可能な樹脂にて流路パターン形成工程と、常温にて固体上のエポキシ樹脂を含む被覆樹脂を塗布する工程と、吐出口形成工程と、溶解可能な樹脂層を溶解する工程の製造方法の開示がある。)
更に、インクを吐出させるエネルギー発生素子と、エネルギー発生素子の上に絶縁層等を設けた基板上に、ポリエーテルアミド樹脂からなる密着層を介して、流路部材である被覆樹脂と接合する製造方法も知られている。図11と図12は、特許文献2に開示される、従来の液体吐出ヘッドの基本的な製造工程を示した断面模式図B−Bである。従来の液体吐出ヘッド用基板の金めっきで形成された電極配線221下層には基板への金の拡散を防止するための高融点金属の例えば、チタンタングステン220が形成されている。
チタンタングステンの下層基板は電極層218や絶縁層間膜217が積層され、表面がP−SiN膜219になっている。
また、金めっきで形成された電極配線上には、インクを吐出するための有機樹脂との密着力を向上させるための金属膜222が形成されている。
基板の長尺化が進んだ場合、更に低抵抗な金を使った電極配線が必要となるが、長尺化に伴い基板表面のP−SiNと電極配線の接触面積が増加する。
更に省エネルギーとして、発熱抵抗体の熱効率を上げる場合は、基板表面のP−SiNの薄膜化も十分予想される。
特開平6−286149号公報 特開平11−348290号公報
特許文献2に開示されるヘッドの製造方法において、発熱抵抗体を駆動するための電力を供給する電極配線の配線抵抗を下げる場合、低抵抗な材料として優れている金をめっき法にて形成する事が好ましい。具体的には、ヘッド用基板の上層に電極層として金を形成すればよい。
しかしながら従来の電解めっき法で電極配線を形成する場合、以下の課題が挙げられる。
従来の一般的な電解金めっきはウェハ全面に高融点金属の拡散防止層とシード金を真空成膜後、レジストパターニングを行い金めっき形成するため、金めっきと基板の間には金属の拡散防止層が挟まれた状態で仕上がる。この基板の表面に凹凸などが存在すると、金の電極配線の電気的信頼性が確保できない可能性がある。これは、金の電極配線の長さや面積が増加することで、さらに顕著となる可能性がある。
このような場合、基板側表面のP−SiNの膜厚を厚くするか、絶縁層を新たに追加することで、電気的信頼性を確保することもできる。しかし、膜厚を厚くするとエネルギー効率の低下や量産性が低下してしまうという可能性がある。
本発明の目的は、上記を鑑みたものであり液体吐出用ヘッド用の基板の上層に、金の電極配線を形成するとともに、積層する各層の積層状態を適切なものとして、信頼性を向上させることにある。
本発明の液体吐出ヘッド用基板は、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素子と、該素子に接する様に設けられた第1の電極層と、該第1の電極層と前記素子とを覆う様に設けられた絶縁層と、該絶縁層を貫通して前記第1の電極層と接する部分と、該部分とは前記絶縁層の厚さの方向に垂直な方向に関して位置が異なる他の部分であって前記絶縁層と接しない前記他の部分と、を有する第2の電極層と、を有し、前記他の部分と前記絶縁層との間には、空間が設けられていることを特徴とする。
さらに、本発明の液体吐出ヘッド用基板は、さらに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素子と、該素子に接する様に設けられた第1の電極層と、該第1の電極層と前記素子とを覆う様に設けられた絶縁層と、該絶縁層を貫通して前記第1の電極層と接する部分と、該部分とは前記絶縁層の厚さの方向に垂直な方向に関して位置が異なる他の部分であって前記絶縁層と接しない前記他の部分と、を有する第2の電極層と、を有し、前記他の部分と前記絶縁層との間には、樹脂が設けられていることを特徴とする。
絶縁層と前記第2の電極層との間に空間が形成されていることで、基板と第2の電極層との絶縁性が増し、信頼性を向上させることができる。
本発明の実施形態である液体吐出記録用基板の模式図 本発明の実施形態である液体吐出ヘッドの模式図 (a)〜(f)実施例1における液体吐出ヘッドの製造工程を示す模式的断面図 (a)〜(f)実施例1における液体吐出ヘッドの製造工程を示す模式的断面図 (a)〜(f)実施例1における液体吐出ヘッドの製造工程を示す模式的断面図 (a)〜(f)実施例2における液体吐出ヘッドの製造工程を示す模式的断面図 (a)〜(f)実施例2における液体吐出ヘッドの製造工程を示す模式的断面図 (a)〜(f)実施例2における液体吐出ヘッドの製造工程を示す模式的断面図 実施例3における、液体吐出ヘッドの製造工程の1過程を示す模式的断面図 実施例4における液体吐出ヘッドの製造工程の1過程を示す模式的断面図 従来例を示した液体吐出ヘッドの模式的斜視図 従来例を示した液体吐出ヘッドの模式的断面図
(液体吐出ヘッド用基板)
図1は本発明による液体吐出用ヘッド用の基板001の実施例として、供給口019のある液体吐出ヘッド用基板の模式図である。基板001にはインクを供給する供給口019が形成され、電極パッド021が設けられている。従来例にて参照した図12と異なる点は、図1のA−A線における断面形状にある。A−A線における断面形状の特徴的な模式図として、図5(d)と図8(d)で示すように、基板と第2の電極層の間に、空間015が形成されている点である。
また、その空間015が、有機樹脂またはマスク材で充填されていることである。
(液体吐出ヘッド)
図2は液体吐出ヘッドの模式的な斜視図を示す。図1に示す液体吐出ヘッド用基板001の上に、液体が吐出される吐出口018に通じる流路の壁を形成するための凹部を有する流路部材017が、凹部を内側にして互いに接して、液体吐出ヘッド100をなす。液体吐出ヘッド用基板001には、インクを供給する供給口019が複数開けられてもよい。この場合、供給口毎に異なるインクを供給することができる。供給口の両側の長手方向に沿って、液体を吐出するために利用される熱エネルギーを発生する複数のエネルギー発生素子108が形成される。エネルギー発生素子は、高抵抗材料からなる発熱抵抗体層と、発熱抵抗層の上に設けられ、エネルギー発生素子に電力を供給する一対の電極層(第1の電極層004)で設けられている。
(実施例1)
第1の電極層004は、エネルギー発生素子に電力を供給するためにAlなどの低抵抗な金属からなる。この第1の電極層004に駆動電力を供給するのが、第2の電極層014である。本実施例においては金を用いている。これらの電極層と、空間015の形成方法を説明する。
図3〜図5は本発明の液体吐出ヘッドの基本的な電解めっき製造工程を示す為の断面模式図である。
図3(a)に示されるシリコン基板001上にはSiO2からなる蓄熱層002、窒化タンタル(TaSiN)からなる発熱抵抗体層003が形成される。発熱抵抗体層上には、アルミ(Al)からなる第1の電極層004、第1の電極層を覆う様に設けられた窒化シリコン(SiN)からなる絶縁層(保護膜)005が形成される。これらはプラズマ真空成膜法等で形成される。そして、フォトリソグラフィー技術によりパターニングを行い、第2の電極層であり、金の電極配線と、第1の電極層004との間の電気的導通を得るための貫通孔(開口部)006の部分を絶縁層005に形成する。従って,第2の電極層004は、絶縁層005を貫通して、第1の電極層004と接触している。これにより、供給された電力は金の電極配線(第2の電極層)を通って、第1の電極層004を介して発熱抵抗体層003で熱に変換される。次に、図3(b)は拡散防止層として例えば高融点金属材料のチタンタングステン007を、絶縁層上に真空成膜装置等により、所定の厚みで全面成膜する。次に、図3(c)で第1のめっき用下引き金008を真空成膜装置等により、所定の厚みで全面成膜する。これは、第2の電極層の一部となる。次に、図3(d)でフォトリソグラフィー法にてフォトレジスト009の塗布、露光、現像を行い、第1の金めっきを形成する部位の開口を行う。またフォトレジストは第1の金めっき層よりも高くなるようにフォトレジスト009を厚く塗布する。そして、図3(e)の様に電解めっき法により、亜硫酸金塩を含む電解液中でめっき用下引き金008に所定の電流を流し、第2の電極層の一部となる所定の領域に金010を析出させる。このようにして、絶縁層005の貫通している部分と、絶縁層の厚さの方向に垂直な方向に関して位置が異なるフォトレジスト009の上側の他の部分とに第2の電極層を設ける。
その後、図3(f)の様に、所定の時間にわたって剥離液に浸漬させることで前記フォトレジスト009の溶解させて除去を行う。
次に、図4(a)の様に、第1の金めっき010をマスクとして、めっき用下引き金008及びチタンタングステン007をエッチングにより除去する。この時、めっき用下引き金008上をエッチングする際に、第1の金めっき010の表面もエッチングされるが、第1の金めっき010は厚みがある為、基板上に残る。次に、図4(b)の基板上に、第2の金めっき形成用のレジスト(マスク材)011を、第1の金めっきを形成するために使用したフォトレジストと、同じ材質のレジストを用いて形成する。この際、第ニの金めっきの為のレジスト011は、第1の金めっき010の厚みよりも厚く塗布する。第1と第2のめっき用レジストを同一材料にする理由は、レジスト剥離液を複数設けなくて済む利点がある。次に図4(c)のようにレジスト011を第1の金めっき010表層が露出するまで、酸素ガス等を含むドライエッチング法で、前面エッチングする。これにより第1の電極層同士の間をレジストで埋めることとなる。次に、図4(d)の様に、第2の金めっき用下引き金013を真空成膜装置等により、所定の厚みで全面成膜する。これも第2の電極層の一部となる。次に、図4(e)の様に、第2の金めっき用レジスト012をスピンコート方により全面塗布する。次に、図4(f)の様に、フォトリソグラフィー法にて第2の金めっき用レジスト012の露光、現像を行い、第2の金めっき014を形成する部位の開口を行う。
次に図5(a)の様に、電解めっき法により亜硫酸金塩を含む電解液中で、第2の金めっき用下引き金013に所定の電流を流し、先ほど形成した開口部に第2の金めっき014を析出させる。これも第2の電極層の一部である。次に、図5(b)の様に、所定の時間にわたって剥離液に浸漬させることで第ニの金めっき用レジスト012を溶解し、第2のめっき用下引き金013を露出させる。次に図5(c)の様に、窒素系有機化合物とよう素よう化カリウムを含む水溶液に所定の時間浸漬させ除去することで、第2の金めっき014をマスクとして、不要となった第2の金めっき用下引き金013を除去する。これにより、金めっきが積層された構成の第2の電極層の形ができる。次に、図5(d)で所定の時間、剥離液に浸漬させることによって、マスク材であるレジスト011が除去され、絶縁層005と前記第2の電極層との間に空間015が形成される。金電極は通常基板の上層に形成するため、基板表面の保護膜に膜に穴などが存在すると、その穴を介して金電極と基板が電気的に接続してしまい、電気的信頼性を確保することができない。しかし、本実施形態のように空間015を設けることで、電気的信頼性を確保することが可能となる。
次に図5(e)の様に、用意された液体吐出ヘッド用基板と液体流路部材との密着性を向上させ、第2の電極層の表面におけるインクとの絶縁性を確保する、密着層016として第1の樹脂からなる部材を設ける。樹脂からなる部材としては、例えばポリエーテルアミド樹脂などの有機樹脂を用いることができる。この樹脂からなる部材016を、液体吐出ヘッド用基板の上にスピンコート法で塗布し、所望の部分に位置するようにパターンをフォトリソグラフィー法で形成する。
このとき、密着層016として用いた樹脂からなる部材を、絶縁層005と金電極との間の空間015にも樹脂を設ける(第2の樹脂からなる部材)こともできる。空間015に樹脂を埋め込むことで、空間よりもさらに基板と第2の電極層との電気的信頼性を確保することができる。また、本実施例のように、密着層016(第1の樹脂からなる部材)と、空間015に設けた樹脂(第2の樹脂からなる部材)とを、同じ組成の部材とすることで、同時に形成することができ、製造工程を削減することができる。
そして図5(f)の様に、前記樹脂層016の上に流路部材(ノズル材)に相当する有機樹脂017を任意の厚さでスピンコート法により塗布し、フォトリソグラフィー法にて露光、現像を行い吐出口018を形成し、液体吐出ヘッドを得ることができる。
以上のように、絶縁層005と第2の金属層との間を空間又は樹脂からなる部材を設けることにより、液体吐出ヘッド用基板の各層の積層状態の信頼度を上げることができる。これにより、結果として液体吐出ヘッドの信頼性も向上させることができる。
(実施例2)
実施例1の図5(d)と本実施例の図8(d)とを比較すると、空間015に、変形を防止する柱020が形成されている点が異なることがわかる。
基板サイズが0.86インチ以上といった長尺化に伴い発生する、金の電極配線014の変形を防止する役目を柱020が果たす。金電極の下の空間015に、基板側と電気的に接続していない柱020を第1の金めっき工程で形成する。
以下、図6〜図8を用いて、本実施例について説明を行うが、実施例1と同様の部分においては、説明を省略する。
図6(a)〜(c)は、実施例1の図3(a)〜(c)に対応する。図6(d)は、実施例1の図3(d)に対応する。ここで、フォトリソグラフィー法にてフォトレジスト009の塗布、露光、現像を行い、第1の金めっきを形成する部位の開口を行う。基板上の絶縁層である保護膜005において、第1電極と第2電極をつなぐ貫通孔(開口部)006がない部分にレジスト009が形成される。開口部022を形成する位置は開口のピッチが0.86インチ未満になることが望ましく、大きさは金電極の幅の1/2以上の幅が好ましい。
図6(e)は、実施例1の図3(e)に対応する。これにより、基板と直接電気的に接続されないレジストの開口部022にも金めっき020が形成される。図6(f)は、実施例1の図3(f)に対応する。図7(a)は、実施例1の図4(a)に対応する。このとき図7(a)様に基板と電気的に接続されていない金めっきの柱020が010と同時に形成される。図7(b)は、実施例1の図4(b)に対応する。図7(c)は、実施例1の図4(c)に対応する。第1の金めっき010及び金めっきの柱020の表層が露出するまで、レジスト011のエッチングを行う。このエッチングは、酸素ガス等を含むドライエッチング法で、前面エッチングする。図7(d)〜(f)は、実施例1の図4(d)〜(f)にそれぞれ対応する。図8(a)〜(f)は、実施例1の5(a)〜(f)にそれぞれ対応する。
このような構成及び製造方法により、長尺化したヘッドにおいて、梁の役割をする柱020があるので、金電極が長くなった場合に、基板の反り等によって起こり得る金電極の変形を防止するという効果を奏する。
(実施例3)
上述の実施例1、2では、図5(d)、図8(d)に示す工程の際に、剥離液に浸漬させて、空間015内部のレジスト011を除去した。本実施例では、図9、図10に示す様に、空間015内に実施例1で示したポリエーテルアミド樹脂などの有機樹脂のかわりに、樹脂からなる部材としてレジスト011(第1の樹脂からなる部材)を設ける例を示す。
図9は、実施例1の図5(c)の工程の後の状態を示す。図10は、実施例2の図8(c)の工程の後の状態を示す。酸素ガス等を含むドライエッチング法で、第2の金めっき014をマスクにして、基板表面からレジストの厚みに応じたエッチング時間でプラズマを照射し、不必要となった部分のレジストの剥離を行う。これにより、図5、図8の空間015に対応するレジスト011を残す事が出来る。
実施例1,2で紹介した形態において、例えば電極層の幅を太く設計した場合や、電極層の引き回しが複雑になった場合において、密着層016を形成するポリエーテルアミド樹脂の流動性を確保できない場合が考えられる。このような場合においても、本実施形態においては、予め金電極形成工程で空間015に対応する部分に、基板と金電極との絶縁性を向上できるレジスト011を安定的に残すことが可能となる。
その後、第2の電極層である金電極上に、流路部材との密着向上と、絶縁層を兼ねた密着層016(第2の樹脂からなる部材)であるポリエーテルアミド樹脂をスピンコート法で塗布する。その後、流路部材との密着を向上させる部分に、密着層016が残るようにフォトリソグラフィー法でパターンを形成する。
その後、密着層016上に流路部材に相当する有機樹脂017を任意の厚さでスピンコート法により塗布し、フォトリソグラフィー法にて露光、現像を行い吐出口018を形成し、インクジェット記録ヘッドを得ることができる。
このような構成及び製造方法により、基板上に形成する金電極の引き回しが複雑になった場合でも、基板上の保護膜と、金電極の下の空間にマスク材011を安定して埋め込む事ができ、信頼性の高いインクジェット記録ヘッドを得ることができる。
001 基板
003 発熱抵抗体層
004 第1の電極層
005 絶縁層
006 貫通孔
014 第2の電極層
015 空間
017 流路部材

Claims (12)

  1. 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素子と、
    該素子に接する様に設けられた第1の電極層と、
    該第1の電極層と前記素子とを覆う様に設けられた絶縁層と、
    該絶縁層を貫通して前記第1の電極層と接する部分と、該部分とは前記絶縁層の厚さの方向に垂直な方向に関して位置が異なる他の部分であって前記絶縁層と接しない前記他の部分と、を有する第2の電極層と、を有する液体吐出ヘッド用基板であって、
    前記他の部分と前記絶縁層との間には、空間が設けられていることを特徴とする液体吐出ヘッド用基板。
  2. 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素子と、
    該素子に接する様に設けられた第1の電極層と、
    該第1の電極層と前記素子とを覆う様に設けられた絶縁層と、
    該絶縁層を貫通して前記第1の電極層と接する部分と、該部分とは前記絶縁層の厚さの方向に垂直な方向に関して位置が異なる他の部分であって前記絶縁層と接しない前記他の部分と、を有する第2の電極層と、を有する液体吐出ヘッド用基板であって、
    前記他の部分と前記絶縁層との間には、樹脂が設けられていることを特徴とする液体吐出ヘッド用基板。
  3. 前記第2の電極層は、金で形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の液体吐出ヘッド用基板。
  4. 請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の液体吐出ヘッド用基板と、
    液体が吐出される吐出口に通じる流路の壁を有し、該壁を内側にして前記液体吐出ヘッド用基板と接することで前記流路を形成する流路部材と、を有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
  5. 前記液体吐出ヘッド用基板と前記流路部材との間には、樹脂からなる層が設けられていることを特徴とする請求項4に記載の液体吐出ヘッド。
  6. 請求項2に記載の液体吐出ヘッド用基板と、
    液体が吐出される吐出口に通じる流路の壁を有し、該壁を内側にして前記液体吐出ヘッド用基板と接することで前記流路を形成する流路部材と、
    前記液体吐出ヘッド用基板と前記流路部材との間に設けられた樹脂からなる層と、
    を有する液体吐出ヘッドであって、
    前記他の部分と前記絶縁層との間に設けられた前記樹脂と、前記樹脂からなる層とは、同じ組成の材料からなることを特徴とする液体吐出ヘッド。
  7. 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素子を備える液体吐出ヘッド用基板の製造方法であって、
    前記素子と、前記素子に接する様に設けられた第1の電極層と、該第1の電極層と前記素子とを覆う様に設けられた絶縁層と、を備える基板を用意する工程と、
    前記絶縁層の一部の上に、マスク材を設ける工程と、
    前記絶縁層の、前記一部とは前記絶縁層の厚さの方向に垂直な方向に関して位置が異なる他の部分に貫通孔を設け、該貫通孔によって前記第1の電極層が露出された部分の上と、
    前記マスク材の上と、に第2の電極層を設ける工程と、
    前記マスク材を除去して、前記第2の電極層の一部と前記絶縁層との間に、空間を設ける工程と、
    を有することを特徴とする液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
  8. 前記空間に樹脂を設ける工程をさらに有することを特徴とする請求項7に記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
  9. 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素子を備える液体吐出ヘッド用基板の製造方法であって、
    前記素子と、該素子に接する様に設けられた第1の電極層と、該第1の電極層と前記素子とを覆う様に設けられた絶縁層と、を備える基板を用意する工程と、
    前記絶縁層の一部の上に、樹脂からなるマスク材を設ける工程と、
    前記絶縁層の、前記一部とは前記絶縁層の厚さの方向に垂直な方向に関して位置が異なる他の部分に貫通孔を設け、該貫通孔によって前記第1の電極層が露出された部分の上と、前記マスク材の上と、に第2の電極層を設ける工程と、
    を有することを特徴とする液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
  10. 前記第2の電極層を設ける工程において、前記第2の電極層を、金を用いてめっき法により形成することを特徴とする請求項7乃至請求項9のいずれかに記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
  11. 請求項7乃至請求項10のいずれかに記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法で液体吐出ヘッド用基板を用意する工程と、
    前記液体吐出ヘッド用基板と、液体が吐出される吐出口に通じる流路の壁を有し、前記壁を内側として前記液体吐出ヘッド用基板と接する流路部材で前記流路を形成する工程と、
    を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
  12. 請求項8に記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法で液体吐出ヘッド用基板を用意する工程と、
    前記液体吐出ヘッド用基板と、液体が吐出される吐出口に通じる流路の壁を有し、前記壁を内側とし、前記空間に設けられた樹脂と同じ組成の材料からなる樹脂を介して前記液体吐出ヘッド用基板と接する流路部材とで、前記流路を形成する工程と、
    有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
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