JP5335611B2 - 液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッドの製造方法に関するものであり、具体的にはインクジェットヘッド及びインクジェットヘッドの製造方法に関するものである。
記録技術の進展に伴い、インクジェット記録装置に代表される液体吐出記録装置においては記録の高速化・高画質化が望まれている。これを実現するため、液体吐出記録装置に搭載される液体吐出ヘッド（以下、ヘッドとも称する）においては、液体の吐出口とそれに対応したインクを吐出するためのエネルギーを発生する素子とを高密度に形成することが求められている。これに伴い、素子へ電力を供給する電力配線は、各素子に電力を均一かつ安定に供給する為に低抵抗化が求められている。
特許文献１には、電解めっき法により化学的に安定で耐腐食性に優れ低抵抗な金などの貴金属で電力配線を形成し、電力配線の低抵抗化を図るヘッドの構成が開示されている。ヘッドには、インクを吐出するためのエネルギーを発生する素子へ電力を供給する電力配線に加え、外部と電気的接続をするための端子が設けられている。この端子も電力配線と同様に、金等の貴金属を電解めっき法を用いて設けることができる。電力配線の上には、液体を吐出する吐出口に連通する流路の壁を形成する部材として用いられるポリイミドやポリエーテルアミド等の樹脂からなる部材が形成される。
しかしながら、イオン化傾向が小さく化学的に安定な金属である貴金属で形成した電力配線は、樹脂からなる部材との密着性が乏しい。さらに樹脂からなる部材は、インク等の液体による膨潤や、加熱による応力の影響を受やすい。そのため、電力配線と樹脂からなる部材との間で剥れが生じる可能性がある。樹脂からなる部材が電力配線から剥れると、電力配線は、インクにより腐食されたり、電気分解されたりしてしまうことが懸念される。電力配線と樹脂からなる部材との間の密着を改善するためには、両者の間に金属からなる密着層を電解めっき法等を用いて設ける方法を用いることができる。しかし、端子の表層に密着層があると外部端子との接着性が確保できないため、端子をレジスト等で被覆し、密着層が設けられないようにする必要がある。
ここで、貴金属を用いて電解めっき法で形成した電力配線及び端子の表層は、凹凸が大きいためにレジストの剥離性が良くなく、レジストの残渣が、電力配線及び端子の表層に残る可能性がある。このようなレジスト残渣があると、電力配線と樹脂からなる部材との密着性や、端子と外部端子との接合性を確保することが出来ないため、レジスト残渣の除去を行わなくてはならず工程が複雑化することになる。
本発明は以上のような課題を鑑みて発明されたものであり、電力配線と樹脂からなる部材との密着性と、端子と外部端子との接合性とを確保できる信頼性の高いヘッドを提供することを目的としている。さらにこれらのインクジェットヘッドを製造工程に負荷をかけずに精度良く容易に製造できるインクジェットヘッドの製造方法を提供することを目的としている。
本発明は、吐出口から液体を吐出するためのエネルギーを発生する素子と、該素子と電気的に接続された電力配線と、該電力配線と電気的に接続され外部との電気的接続を行うための端子と、が基板の上に設けられた素子基板と、前記吐出口と連通する液体の流路の壁が設けられた、樹脂からなる部材と、を有し、前記素子基板と前記部材とが前記壁を内側にして互いに接することで前記流路が形成されており、前記電力配線の表層と前記部材とが接している液体吐出ヘッドの製造方法であって、前記基板の上に設けられた、貴金属からなる第一の貴金属層と、該第一の貴金属の上に設けられた、ニッケルからなる第一のニッケル層と、該第一のニッケル層の上に設けられた、貴金属からなる第三の貴金属層と、を含む電力配線の材料と、前記基板の上に設けられた、貴金属からなる第二の貴金属層と、該第二の貴金属層の上に設けられた、ニッケルからなる第二のニッケル層と、該第二のニッケル層の上に設けられた、貴金属からなる第四の貴金属層と、を含む前記端子と、を備える素子基板を用意する工程と、前記電力配線の材料の前記第一のニッケル層と、前記第二の貴金属層と、を加熱することで、貴金属とニッケルとの合金からなる前記表層を設ける工程と、を有することを特徴としている。
以上のように本発明のインクジェットヘッドは、樹脂からなる部材と接する電力配線に密着層を設け、かつ端子の外部端子と接する面に貴金属を主成分とする層を設けている。これにより電力配線と樹脂からなる部材との密着性と、端子と外部端子との接合性とを確保できる信頼性の高いインクジェットヘッドを提供することが出来る。
さらに、電力配線の表層にレーザー光を照射して密着層を設けることにより、端子の表層にレジスト等によるマスクを設けるという工程行わずに、密着層を容易に設けるインクジェットヘッドの製造方法を提供することが出来る。
図１は本発明を用いる液体吐出記録装置に搭載可能なヘッドユニットの模式図である。ヘッドユニットに用いられる液体吐出ヘッド８２（以下ヘッドとも称する）は、フレキシブルフィルム配線基板７３により電気的に接続されており、コンタクトパッド７４に導通している。これらをインクタンク８１上に貼り付けることにより、ヘッドユニット８３が構成されている。コンタクトパッド７４はヘッドユニット８３と液体吐出装置との接続に用いられる。ここでヘッドユニット８３は、ヘッドとインクタンクを一体化したヘッドユニットの一例を示しているが、ヘッドとインクタンクが分離型とすることも出来る。
図２は、本発明を用いるヘッド８２の斜視図である。シリコンの基板１０１上に、インクを吐出するための吐出口１１５、インクを吐出するためのエネルギーを発生する素子として用いられる発熱部１１３が複数と、各発熱部１１３を駆動するための電力を供給する電力配線１３０が設けられ、素子基板を形成している。
図２は、本発明を用いるヘッド８２の斜視図である。シリコンの基板１０１上に、インクを吐出するための吐出口１１５、インクを吐出するためのエネルギーを発生する素子として用いられる発熱部１１３が複数と、各発熱部１１３を駆動するための電力を供給する電力配線１３０が設けられ、素子基板を形成している。
さらに、基板１０１には、記録装置と電気的に接続するために、フレキシブルフィルム配線基板７３などに設けられている外部端子と電気的接続を行うための端子として用いられる電極パッド１２０が複数形成されている。電極パッド１２０は、発熱部１１３を駆動する電力を供給するために電力配線１３０と電気的に接続しているものや、発熱部１１３を駆動する信号を入力するロジック回路（不図示）に接続するものが設けられている。
このようなヘッド８２は、発熱部１１３により加熱されたインクが発泡することによる圧力で、インクを吐出口１１５から吐出させることで、記録動作を行うことができる。
図２の、Ａ−Ａに沿った断面を図３（Ａ）、Ｂ−Ｂに沿った断面のうちを図３（Ｂ）に示す。図３（ａ）は、発熱部１１３に電力を供給するために電力配線１３０と電気的に接続している電極パッド１２０を示している。シリコンからなる基板１０１の上には、酸化シリコン等からなる蓄熱層１０２が設けられ、その上にＴａＳｉＮ等からなる抵抗層１０３が設けられている。抵抗層１０３の上には、Ａｌなどの導電材料からなる電極層１０４が設けられている。この電極層１０４が除かれた部分の抵抗層１０３が、インクを発泡するためのエネルギーを供給する発熱部１１３として用いられる。発熱部１１３と電極層１０４との上には、インクから電極層１０４を保護し、絶縁性を確保するための、酸化シリコンや窒化シリコン等からなる絶縁層１０５が設けられている。絶縁層１０５の上には、電極パッド１２０と電力配線１３０とが独立して設けられており、絶縁層１０５に設けられた貫通孔を介して、電極層１０４と電気的に接続している。
このような素子基板の電力配線１３０の上には、インクの吐出口１１５に連通する流路１１４の壁を形成するエポキシ樹脂の硬化物のような部材１１２などの、樹脂からなる部材が設けられている。素子基板と、樹脂からなる部材とが部材１１２の壁を内側にして接することで流路が設けられている。なお、樹脂からなる部材の電力配線１３０と接する部分には、密着を向上させるとともに、電力配線１３０のインク等による腐食を防ぐポリエーテルアミド樹脂等からなる保護層１１１の領域を設けることもできる。
電力配線１３０は、金、プラチナ、銀などの貴金属を主成分とする第一の貴金属層１０９と、貴金属とニッケルとを主成分とする合金からなる密着層１１６とで設けられている。樹脂と貴金属は、密着性を十分に確保できないため、密着層１１６を設けることにより、第一の貴金属層１０９と密着層１１６、密着層１１６と部材１１２、との密着を確保することができる。さらに密着層１１６の表層中のニッケルの含有率は、１．４ｗｔ％以上８０．０ｗｔ％以下であることが好ましい。このようなニッケル含有率とすることで密着性を一層確実なものとすることができる。貴金属とニッケルとを主成分とする合金からなる密着層１１６は、ニッケルの層の上に貴金属の層を積層した後に、電力配線１３０のみを局所的に加熱処理し、貴金属とニッケルを相互に拡散させることにより設けることができる。
一方電極パッド１２０は、金などの貴金属を主成分とする第二の貴金属層１１９と、ニッケル金属を主成分とするニッケル層１１０と、金などの貴金属を主成分とする第三の貴金属層１２８とが基板１０１の面に垂直な方向に関してこの順に積層されて設けられている。電極パッド１２０に密着層１１６を形成せず、電極パッド１２０が、フレキシブルフィルム配線基板７３との電気的な接続させる端子と、第三の貴金属層１２８で接着することにより、接着性を確保することができる。
金などの貴金属を主成分とする第一の貴金属層１０９及び第二の貴金属層１１９と、下層に設けられたＡｌ等の金属からなる電極層１０４との間には、高融点金属材料からなる拡散防止層１０６が設けられている。また、金などの貴金属は、電解めっき法を用いて形成されるため、第一の貴金属層１０９及び第二の貴金属層１１９の下には、金など貴金属を主成分とするシード層１０７が設けられている。シード層は、電解めっきを施す際の電極としての役割を果たすため低抵抗で基板上の面内膜厚ばらつきが小さいことが望ましく、数百Å以上の膜厚であることが望ましい。また、ニッケル層１１０も、同様にシード層１０７を電極として用い、電解めっき法により析出させる。このような電解めっき法で析出する層は、析出させる物質以外の不純物は極微量であり、少なくとも純度９５％以上のめっき層を得ることが出来る。
（実施例）
以下、本発明の一例であるヘッドの製造方法を説明する。
以下、本発明の一例であるヘッドの製造方法を説明する。
以下、本実施例の製造方法を説明する。
シリコンからなる基板１０１に、酸化シリコンの蓄熱層１０２を設ける。その上に、ＴａＳｉＮの抵抗層１０３を真空成膜技術を用いて設ける。さらに、その上にアルミニウムを主成分とする貴金属層を設ける。その後、フォトリソグラフィ技術を用いて電極層１０４を形成する。これにより貴金属層を除去した領域の抵抗層１０３を、発熱部１１３として用いることが出来る。更に電極層１０４と発熱部１１３との上に、窒化シリコンからなる絶縁層１０５を設ける。次にフォトリソグラフィ及びドライエッチング技術等により絶縁層１０５に、貫通孔を設ける（図４（ａ））（基板を用意する工程）。このように貫通孔を設けることで、絶縁層１０５上に形成される電力配線１３０から供給された電力は、アルミからなる電極層１０４を介して発熱部１１３で液体を発泡させるための熱に変換される。
次に、拡散防止層１０６として、高融点金属材料であるチタンタングステンを約２００ｎｍ真空成膜等により成膜する。拡散防止層１０６の上に、めっき時に使用するシード層１０７として用いる金を、約５００ｎｍ真空成膜等により成膜する（図４（ｂ））。また、拡散防止層とめっき用導体の金（Ａｕ）層の密着を向上させるため、シード層１０７の金を成膜する前に、拡散防止層１０６の表層に形成されている酸化膜を除去することが望ましい。
次に、めっき用導体の金層表面にスピンコート法によりフォトレジストを塗布した。このとき、電力配線１３０の第一の貴金属層１０９と電極パッド１２０の第二の貴金属層１１９との厚さよりも十分厚くなるようにフォトレジストを塗布した。本実施例においては、第一の貴金属層１０９と第二の貴金属層１１９とを４μｍの厚さで形成するため、８μｍのフォトレジスト膜厚となる条件で塗布を行った。次に、フォトリソグラフィ法にてレジストの露光・現像を行い、電力配線を形成する部位である第一の開口部１４０と、電極パッドを形成する部位である第二の開口部１４１と、でシード層１０７を露出するようにレジストマスク１０８の形成を行った（図４（ｃ））。
その後電解めっき法により、亜硫酸金塩等の電解浴中でシード層１０７の金に電流を流し、第一の金めっき層を析出させた。これにより第一の開口部１４０に第一の貴金属層１０９と第二の開口部１４１に第二の貴金属層１１９とを一括して設ける。電解めっき法により析出させる金めっき層は、金以外の不純物は極微量であり、少なくとも純度９５％以上の金めっき層を得ることが出来る。第一の金めっき層の厚さは、３μｍ以上２０μｍ以下が好ましく用いられ、本実施例では４μｍ析出させた。貴金属は比較的高価であるため、第一の金めっき層は薄膜であるほうが望ましいが、電気接続信頼性や配線抵抗を考慮し４μｍの膜厚とした。
電解めっき法によりスルファミン酸の電解浴中でシード層１０７に電流を流し、第一の貴金属層１０９と第二の貴金属層１１９との表面にニッケル層を析出させた。これにより、第一の貴金属層１０９の上にニッケルを主成分とする第一のニッケル層１１０と、第二の貴金属層の上にニッケルを主成分とする第二のニッケル層１２３とを一括して設けた。ニッケル層の厚さは、０．１μｍ以上２μｍ以下が好ましく、本実施例に於いては１μｍ析出させた。ニッケルは金に比べて抵抗が高いため、２μｍ以上の厚膜とすると電気的な接続の信頼性を損ねる可能性があり、０．１μｍ以下の薄膜にすると加熱処理時に十分なニッケルを金の層に拡散させること出来なくなるためである。更に電解めっき法により、亜硫酸金塩の電解浴中でシード層１０７の金に電流を流すことで、ニッケル層の表面に第二の金めっき層を析出させた（図４（ｄ））。これにより、第一のニッケル層１１０の上に第三の貴金属層１１８と、第三の貴金属層１１８とは別個体として第二のニッケル層１２３の上に第四の貴金属層１２８を一括して設けた。第二の金めっき層の膜厚は、拡散防止層１０６を除去した後であっても、後の工程でレーザー光を照射することにより下層のニッケルを拡散させる事が可能であり、かつ電極パッド１２０においては密着を確保可能な膜厚であることが望ましい。本実施例では１．５μｍの膜厚の、第二の金めっき層を形成した。これにより第一の開口部１４０に第一の貴金属層１０９と第一のニッケル層１１０と第三の貴金属層１１８とからなる電力配線１３０を設けた。さらに第二の開口部１４１に第二の貴金属層１１９と第二のニッケル層１１０と第四の貴金属層１２８からなる電極パッド１２０とを設けた。
次に剥離液に浸漬させてレジストマスク１０８の除去を行うことで、シード層１０７を露出させた。その後窒素系有機化合物、よう素、よう化カリウム等を含むエッチング液に浸漬させ、第二の金めっき層の最表層と、金めっき層が設けられていない領域のシード層１０７の表面の金を除去する。これにより高融点金属材料のチタンタングステンからなる拡散防止層１０６を露出させた。この時、第二の金めっき層の厚さは、１．０μｍとした。
その後、過酸化水素水等からなるエッチング液に所定の時間にわたって浸漬させることで、めっき層が設けられていない領域の拡散防止層１０６をエッチングにより除去した（図４（ｅ））。
次に、電力配線１３０にのみレーザー光１１７を照射することにより、電力配線１３０第一のニッケル層と第三の貴金属層とを加熱した。レーザー光を出力するレーザー光源として、Ｈｅ−Ｎｅレーザー、ＣＯ２レーザー、エキシマレーザー、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーなどを用いることができる。本実施例においては、波長２４８ｎｍのＫＲＦ（フッ化クリプトン）エキシマレーザーを使用した。レーザー光のエネルギー、波長、照射時間等を調整することにより所望の温度まで上昇させた。このときの温度は、第三の貴金属層１１８の金及び第一のニッケル層１１０のニッケルの融点以下であり、金及びニッケルが熱拡散できる温度であることが必要であり、２００℃以上６００℃以下であることが好ましい。
レーザー光は、エネルギー密度の高い光の照射するため、瞬時に局所的に高温に加熱することができる。そのため、電力配線１３０と電極パッド１２０との距離が、５０μｍ以下という近い距離に設けられていても電力配線１３０のみを局所的に加熱することができる。これにより、電力配線１３０のニッケルを拡散させ、電極パッド１２０のニッケルを拡散させないことができる。なお、電力配線１３０と電極パッド１２０の距離が近くなりすぎると、電力配線１３０を局所的に加熱するレーザー光が電極パッド１２０にも照射されてしまう可能性があるため、電極パッド１２０と電力配線１３０は、１０μｍ以上離すことが好ましい。
この加熱によって、電力配線１３０の第三の貴金属層１１８と第一のニッケル層１１０のニッケルとが相互に拡散し、金とニッケルとを主成分とする合金からなる密着層１１６を形成し、素子基板を設けた（図４（ｆ））。
このような処理をした密着層１１６の上に、ポリエーテルアミドを用いた保護層１１１を、スピンコート法により約１５μｍ形成した。保護層１１１を設けることにより、樹脂からなる部材と電力配線１３０との密着性をさらに向上させることができ、電力配線１３０のインク等による腐食を防ぐことができる。
次に、保護層１１１の上にインクの流路１１４に相当する型材を設け、さらにその上にエポキシ樹脂をスピンコート法により１５μｍ設け、フォトリソグラフィ法にて露光・現像を行った。その後型在を除去することでインクを吐出する吐出口１１５と、吐出口１１５に連通するインクの流路１１４を形成する部材１１２を設けた（図３（ａ））。
密着層１１６を電力配線１３０に設けることにより、部材１１２と保護層１１１とで構成される樹脂からなる部材と、電力配線１３０との密着を確保することができた。第二の金めっき層の中にニッケルが拡散し、さらに表層に拡散したニッケルが酸化されることで樹脂からなる部材との密着性が向上すると考えられる。
レーザー光を用いて約２５０℃に加熱した電力配線１３０の表層中のニッケル含有率を、ＥＳＣＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｆｏｒ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ）を用いて調査すると、約１．０ｗｔ％のニッケル成分が検出された。さらに３００℃で加熱した電力配線１３０の表層中からは、約３％のニッケルの成分が検出された。
表１は、密着層１１６と樹脂からなる部材との密着試験の結果である。密着層１１６の表層にニッケルを含有させることで、密着性を確保することができ、さらに表層中のニッケルの濃度が１．４ｗｔ％以上の時に密着性を一層確実なものとすることができた。なお、ニッケル層を厚く設け、電力配線をレーザー光で長時間加熱すると、電力配線の表層中のニッケルの濃度は、最大８０．０ｗｔ％とすることができた。レーザー光を用いることで局所的な加熱を行うことでき、電極パッドにレジストによるマスクを設けることなく、電極パッドの加熱を防止することができた。
このように樹脂からなる部材の保護層１１１と接合する面には、ニッケルの含有率が１．４ｗｔ％以上８０．０ｗｔ％以下の金とニッケルとを主成分とする合金からなる密着層１１６が設けられ、電極パッドの表層は金からなる第四の貴金属層１２８が設けられている。これにより樹脂からなる部材と電力配線１３０の密着と、外部端子と電気的接続をおこなうための電極パッド１２０との密着との両方を確保することができる信頼性の高いヘッドを提供することができた。
１０１ 基板
１１２ 部材
１１３ 素子
１１５ 吐出口
１１６ 密着層
１２０ 端子
１３０ 電力配線
１１２ 部材
１１３ 素子
１１５ 吐出口
１１６ 密着層
１２０ 端子
１３０ 電力配線
Claims (11)
- 吐出口から液体を吐出するためのエネルギーを発生する素子と、該素子と電気的に接続された電力配線と、該電力配線と電気的に接続され外部との電気的接続を行うための端子と、が基板の上に設けられた素子基板と、前記吐出口と連通する液体の流路の壁が設けられた、樹脂からなる部材と、を有し、前記素子基板と前記部材とが前記壁を内側にして互いに接することで前記流路が形成されており、前記電力配線の表層と前記部材とが接している液体吐出ヘッドの製造方法であって、
前記基板の上に設けられた、貴金属からなる第一の貴金属層と、該第一の貴金属層の上に設けられた、ニッケルからなる第一のニッケル層と、該第一のニッケル層の上に設けられた、貴金属からなる第三の貴金属層と、を含む電力配線の材料と、前記基板の上に設けられた、貴金属からなる第二の貴金属層と、該第二の貴金属層の上に設けられた、ニッケルからなる第二のニッケル層と、該第二のニッケル層の上に設けられた、貴金属からなる第四の貴金属層と、を含む前記端子と、を備える素子基板を用意する工程と、
前記電力配線の材料の、前記第一のニッケル層と前記第二の貴金属層とを加熱することで、貴金属とニッケルとの合金からなる前記表層を設ける工程と、を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。 - 前記表層を設ける工程は、加熱することにより前記第一のニッケル層から前記第三の貴金属層にニッケルを拡散させることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記表層を設ける工程は、前記表層の中のニッケルの含有率を、１．４ｗｔ％以上８０．０ｗｔ％以下とす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の製造方法。
- 前記第一の貴金属層と前記第二の貴金属層とは、一括して電解めっき法により設けられ、さらに前記第三の貴金属層と前記第四の貴金属層とも、一括して電解めっき法により設けられることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記第一の貴金属層と前記第二の貴金属層と前記第三の貴金属層と前記第四の貴金属層とは、金からなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記第三の貴金属層と前記第四の貴金属層とは別個体として設けられており、前記第三の貴金属層にレーザー光を照射することで加熱することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記部材は、ポリエーテルアミド樹脂又はエポキシ樹脂の硬化物からなることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 吐出口から液体を吐出するためのエネルギーを発生する素子と、該素子と電気的に接続された電力配線と、該電力配線と電気的に接続され外部との電気的接続を行うための端子と、が基板の上に設けられた素子基板と、前記吐出口と連通する流路の壁が設けられた、樹脂からなる部材と、を有し、前記素子基板と前記部材とが前記壁を内側にして互いに接することで前記流路が形成されており、前記電力配線の表層と前記部材とが接している液体吐出ヘッドであって、
前記電力配線は、前記基板の上に設けられた、貴金属からなる第一の貴金属層と、該第一の貴金属層の上に設けられた、貴金属とニッケルとの合金からなる前記表層と、を含み、
前記端子は、前記基板の上に設けられた、貴金属からなる第二の貴金属層と、該第二の貴金属層の上に設けられた、ニッケルからなる層と、該ニッケルからなる層の上に設けられた、貴金属からなる第四の貴金属層と、を含むことを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 前記表層の中のニッケルの含有率は、１．４ｗｔ％以上８０．０ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項８に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記第一の貴金属層と前記第二の貴金属層と前記第四の貴金属層とは金を主成分とし、前記表層は、金とニッケルとを主成分とすることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記部材は、ポリエーテルアミド樹脂又はエポキシ樹脂の硬化物からなることを特徴とする請求項８乃至請求項１０のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
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