JP5393423B2 - インク吐出ヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、インクジェット記録方式に用いられる、記録液を吐出するためのインク吐出ヘッド及びその製造方法に関する。

従来、インク小滴を吐出し、インク小滴を紙等の被印刷媒体に付着させるインクジェット記録方式が知られている。このインクジェット記録方式は、記録動作時の騒音が小さく、高速な記録動作が可能であり、かつインク吐出ヘッド自体を小型化できるので、コンパクト化が容易な記録方式である。

インク小滴を吐出させる方法としては、圧電素子に対して印加電圧を制御し、素子の機械的な変動を用いてインク小滴を吐出する方式や、発熱素子によりインクを発泡させ、その際の気泡の成長を利用してインク小滴を吐出する方式がある。

近年の記録技術の発達に伴い、インクジェット記録技術では、更なる高密度化、高精細化が求められている。この要求を満たすために、例えば予め発熱素子及び駆動回路が設けられたシリコンウェハ上に、フォトリソグラフィ技術によってパターニングが可能な樹脂材を用いてノズル層を形成する、ノズルチップの製造方法が提案されている（特許文献１参照）。

この製造方法では、溶媒によって除去可能な樹脂材を用いてインク流路形成用の樹脂層を所定のパターンで予め形成しておく。そして、このインク流路形成用の樹脂層のパターンの上をエポキシ樹脂等の被覆樹脂層で被覆し、被覆樹脂層にノズルを加工した後にインク流路形成用の樹脂層を溶媒で除去することで、ノズルチップが形成される。

特開平６−２８６１４９号公報

ところで、インクジェット記録技術では、記録動作の更なる高速化も求められている。更なる高速化を実現する方法としては、特許文献１の製造方法において例えばインク吐出ヘッドの寸法を長尺化することにより、インク小滴の吐出口の個数を増やすことが挙げられる。これにより、単位時間当たりに吐出可能なインク小滴の量を増加させることが可能になり、記録動作の高速化が図られる。

しかしながら、インク吐出ヘッドを長尺化した場合には、ノズル層となる被覆樹脂層の体積が増加するので、被覆樹脂層を硬化させるときに発生する応力が増大してしまう。このため、インク吐出ヘッドの長尺化に伴って、インク吐出ヘッド自体の変形量が増大してしまう。

また、インク吐出ヘッドの変形量が大きい状態で、インク吐出ヘッドをヘッド保持体にマウント用の接着剤で固定するマウントを行った場合には、マウント用の接着剤が硬化するときに発生する応力によってインク吐出ヘッドに引っ張り応力が発生する。そして、マウント用の接着剤による応力が生じる方向は、被覆樹脂層に作用する応力と逆方向であるので、被覆樹脂層と基板との界面に、更に大きなせん断応力が発生する。このため、被覆樹脂層と基板との界面で剥離が生じることがある。

被覆樹脂層と基板との界面に剥離が生じた場合には、この界面からインクが浸入し、浸入したインクが基板上の駆動回路に到達すると、駆動回路を腐食させ製品の品質信頼性を低下させる要因となる。そして、このような剥離が製造工程で発生した場合、生産歩留まりを低下させ、製造コストを増加させる原因となる。

そこで、本発明は、上述した課題を解決するものであり、インク吐出ヘッドを長尺化した場合であっても被覆樹脂層と基板との界面に剥離が発生するのを防ぎ、良好な記録品質の信頼性を向上できるインク吐出ヘッド及びその製造方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係るインク吐出ヘッドは、インクを吐出するための複数の吐出口と、複数の吐出口のそれぞれに連通するインク流路とを有する被覆樹脂層を備えている。また、インク吐出ヘッドは、インクを吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子を有し、被覆樹脂層が設けられる基板を備えている。被覆樹脂層の外周縁部の側面には、被覆樹脂層と基板との界面に生じる応力を緩和するためのクラック誘発部が形成されている。

また、本発明に係るインク吐出ヘッドの製造方法は、インクを吐出するための複数の吐出口と、複数の吐出口のそれぞれに連通するインク流路とを有する被覆樹脂層を備えるインク吐出ヘッドを製造する。インク吐出ヘッドは、インクを吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子を有し被覆樹脂層が設けられる基板を備える。また、インク吐出ヘッドは、被覆樹脂層の外周縁部の側面に、被覆樹脂層と基板との界面に生じる応力を緩和するためのクラック誘発部が形成される。そして、インク吐出ヘッドの製造方法は、基板と被覆樹脂層との界面から所定の高さにクラック誘発部を形成するための高さ規定用の樹脂層を、基板の上に所定のパターンで形成する工程を有する。また、インク吐出ヘッドの製造方法は、クラック誘発部を構成する層を、高さ規定用の樹脂層の上に所定のパターンで形成する工程と、インク流路を形成するためのインク流路形成用の樹脂層を、基板の上に所定のパターンで形成する工程と、を有する。また、インク吐出ヘッドの製造方法は、クラック誘発部を構成する層及びインク流路形成用の樹脂層を覆って基板の上に被覆樹脂層を形成する工程と、を有する。

本発明によれば、インク吐出ヘッドのマウント時に使用する接着剤の応力によって被覆樹脂層と基板との界面に剥離が生じるのを抑えることが可能となり、インク吐出ヘッドの記録品質の信頼性を向上することができる。

実施形態のインクジェット記録ヘッドの一例を模式的に示す断面図である。 他の実施形態のインクジェット記録ヘッドの一例を模式的に示す断面図である。 更に他の実施形態のインクジェット記録ヘッドの一例を模式的に示す断面図である。 実施例のインクジェット記録ヘッド製造方法の一例を模式的に示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の具体的な実施形態について説明する。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すようにインク吐出ヘッドとしてのノズルチップは、インクを吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子としての発熱素子が形成された基板としてのシリコンウェハ１（以下、ヒーターボード１と称する）を備えている。また、ノズルチップは、インクを吐出するノズル層を構成する被覆樹脂層２を備えている。

ヒーターボード１には、図示しないが、発熱素子を駆動する駆動回路が形成されている。また、図１（ａ）に示すように、ヒーターボード１には、発熱素子が配置された発泡室内にインクを供給するためのインク供給口２５が形成されている。被覆樹脂層２は、ヒーターボード１の上に形成され、インクを吐出するための複数の吐出口２４と、複数の吐出口２４のそれぞれに連通するインク流路２７とを有している。ノズルチップは、被覆樹脂層２とヒーターボード１との界面に平行な平面において四角形状に形成されている。

そして、ノズルチップの被覆樹脂層２には、被覆樹脂層２の内部から外周縁部（最外周部）の側面に亘って、被覆樹脂層２とヒーターボード１との界面に生じる応力を緩和するためのクラック誘発部としてのクラック誘発パターン３が形成されている。このクラック誘発パターン３は、被覆樹脂層２と異なる材料によって、被覆樹脂層２とヒーターボード１との界面と平行に形成されている。このとき、クラック誘発パターン３と被覆樹脂層２との密着力は、ヒーターボード１と被覆樹脂層２との密着力よりも小さくなるような材料、または構造とすることが望ましい。

図１（ｃ）に示すように、ヒーターボード１と被覆樹脂層２との界面からの、クラック誘発パターン３の高さＨは、被覆樹脂層２自体の硬化時に生じる応力Ｓ１や、マウント用の接着剤の硬化収縮によって発生する応力Ｓ２に応じて適宜変更される。クラック誘発パターン３の高さＨを適宜変更することで、被覆樹脂層２とヒーターボード１との界面に発生する応力を効率良く緩和することが可能である。

具体的には、ノズルチップにおいて、被覆樹脂層２とヒーターボード１との界面に剥離が発生する被覆樹脂層２の高さ（厚み）よりも低い位置にクラック誘発パターン３を形成する。これによって、図１（ｄ）に示す被覆樹脂層２の外周縁部の側面から発生するクラック８を、クラック誘発パターン３近傍に更に安定して誘発させることが可能となる。

また、クラック誘発パターン３の配置は、ノズルチップの外周縁部の全周囲に亘って配置することが望ましい。なお、クラック誘発パターン３は、四角形状のノズルチップの少なくとも４つの角部に設けられる構成であっても、被覆樹脂層２とヒーターボード１との界面に発生する応力を緩和する効果が得られる。また同様に、クラック誘発パターン３は、ノズルチップをチップ支持体（ヘッド支持体）に固定するマウント時に接着剤が接触する部分の側面のみに設けられる構成であっても、被覆樹脂層２とヒーターボード１との界面に発生する応力を緩和する効果が得られる。

クラック誘発パターン３の幅は、被覆樹脂層２を構成する樹脂材（レジスト）の応力に応じて適宜変更することが可能である。クラック誘発パターン３の幅Ｗを増やすことによって、被覆樹脂層２の内部に向かってクラック８が延びる幅を制御することが可能である。これにより、クラック８が被覆樹脂層２に発生する幅を制御することが可能である。

クラック誘発パターン３の構成材料としては、被覆樹脂層２とヒーターボード１との界面の密着力に対して、被覆樹脂層２を構成する樹脂材とクラック誘発パターン３との密着力を低くするような材料であればよい。クラック誘発パターン３の構成材料としては、例えば被覆樹脂層２の樹脂材との密着力が比較的に低いＰｔ、Ａｕ、Ｗ、Ｔａ等の金属層が代表として挙げられるが、上述の密着力の条件を満たす材料であれば、他の材料が適用されてもよい。また、クラック誘発パターン３の構成材料としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ｗ、Ｔａのうちのいずれか１つの材料からなる合金が用いられてもよい。

また、クラック誘発パターンは、例えば、金属層の代わりに犠牲層として、被覆樹脂層２と異なる樹脂材を用いて樹脂パターンを形成しておき、被覆樹脂層２に吐出口を形成した後にこの樹脂パターンを除去することで、形成されてもよい。これによって、図２（ｂ）に示すように、被覆樹脂層２の内部から被覆樹脂層２の外周縁部の側面に亘って間隙（スリット）９を形成することができる。スリット９でも、上述と同様に、被覆樹脂層２に生じる応力Ｓ１１や、マウント用の接着剤によって発生する応力Ｓ１２に応じて適宜変更することで、被覆樹脂層２とヒーターボード１との界面に発生する応力を効率良く緩和する効果を得ることができる。

樹脂パターンを犠牲層として用いることで、金属層の形成工程及び加工工程を簡略化することができ、製造工程に要する製造コストを低減することも可能である。また、このとき、犠牲層として用いる樹脂を適宜選択することで、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、スリット９が被覆樹脂層２の内部に向かって延びる先端部１０がなす角度を鋭角に形成することが可能になる。これによって、図２（ｃ）に示すように、クラック誘発パターン３の先端部に応力を集中させることができ、被覆樹脂層２のスリット９の先端部１０にクラック１１を効率良く生じさせることができる。

また、クラック誘発パターン３の高さＨを規定するための高さ規定用の樹脂層を、被覆樹脂層２と異なる樹脂材料に設定することで、被覆樹脂層２をパターニングした後に、高さ規定用の樹脂層を除去しても良い。

この場合、被覆樹脂層２の外周縁部の側面に、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、ヒーターボード１と被覆樹脂層２との界面及び金属層からなるクラック誘発パターン３にそれぞれ隣接して形成された空隙１４を形成することが可能となる。これにより、被覆樹脂層２の体積が減少するので、被覆樹脂層２に生じる応力Ｓ１３が軽減される。したがって、マウント用の接着剤の硬化収縮によって発生する応力Ｓ１２と応力Ｓ１３によって、被覆樹脂層２とヒーターボード１との界面に生じる剥離自体の発生を更に抑えることが可能になる。

上述したように、本実施形態のノズルチップによれば、被覆樹脂層２の外周縁部の側面に予めクラック誘発パターン３が設けられている。このクラック誘発パターン３によって選択的に発生させたクラックで、被覆樹脂層２に発生する応力、及びノズルチップのマウント時に使用される接着剤の応力を低減し、被覆樹脂層２とヒーターボード１との界面が剥離するのを防ぐことができる。

以下、実施例のインク吐出ヘッドの製造方法について、図面を参照して具体的に説明する。

まず、図４（ａ）に示すように、図示しない発熱素子及び駆動回路が形成された、直径１５０ｍｍ、厚み６２５μｍのシリコンウェハをヒーターボード１５として用意した。このヒーターボード１５には、インクを吐出するノズル層が形成される主面に、発熱素子及び駆動回路が形成されている。また、ヒーターボード１５の裏面には、図４（ａ）に示すように、熱酸化膜１６が膜厚３０００Åで形成されている。

次に、ヒーターボード１５の上に、図４（ｂ１）及び図４（ｂ２）に示すように、クラック誘発パターンを形成するための高さ規定用の樹脂層としての被覆樹脂層１７をスピンコートによって塗布した。被覆樹脂層１７としては、ネガ型レジスト（化薬マイクロケム社製：ＳＵ−８）を用いた。塗布の条件としてスピンコート時の回転数を６００ｒｐｍとし、塗布後のベーク温度を９０℃、ベーク時間を６分間でベーク処理を行った。その後、被覆樹脂層１７の厚さを触針式段差計で測定したところ、厚みが１５μｍであった。

続いて、このＳＵ−８からなる被覆樹脂層１７をミラープロジェクションマスクアライナー（キヤノン社製：ＭＰＡ６００）を用いて露光処理し、図４（ｂ１）及び図４（ｂ２）に示すように、後工程でクラック誘発パターンとなる潜像パターン１８を形成した。この潜像パターン１８は、被覆樹脂層１７の外周縁部の側面からヒーターボード１５の中央に向かって３μｍの位置から、ヒーターボード１５の中央に向かって形成し、パターン幅を５μｍで形成した。図４（ｂ２）に示すように、潜像パターン１８は、四角形状をなす被覆樹脂層１７の外周縁部に沿って四角形の枠状に形成されている。

続いて、このネガ型レジストの上に、スパッタ装置（芝浦メカトロニクス社製：ＳＹＳＴＥＭ−５１Ａ）を用いてＤＣマグネトロンスパッタ法により、図４（ｃ）に示すように、Ｔａ膜１９を膜厚２０００Åで成膜した。このとき、成膜圧力を０．２５Ｐａ、放電出力を１０００Ｗで行った。

次に、このＴａ膜１９の上に、図示しないポジ型レジスト（東京応化工業社製：ＯＦＰＲ−５０ｃｐ）を塗布した。そして、このポジ型レジストを、ミラープロジェクションマスクアライナー（キヤノン社製：ＭＰＡ６００）を用いて、先に形成した潜像パターン１８上にＴａ膜１９が残るように所定のパターンにパターニングした。

続いて、このポジ型レジストパターンをエッチングマスクとして、フルォロカーボン系ガスを用いた反応性イオンエッチングによってＴａ膜１９をエッチングし、図４（ｄ）に示すように、クラック誘発パターンを形成するためのＴａパターン２０を形成した。その後、潜像状態であったネガ型レジスト（ＳＵ−８）を現像除去した。

これによって、高さ規定用の樹脂層としての被覆樹脂層１７は、ヒーターボード１５の、被覆樹脂層２が形成される面である被覆樹脂層２との界面から所定の高さに、所定のパターンで形成される。

次に、ヒーターボード１５の上に、流路型材であるインク流路形成用の樹脂層２１として、ポジ型Ｄｅｅｐ−ＵＶレジスト（東京応化工業社製：ＯＤＵＲ−１０１０）をスピンコート法によって塗布した。このスピンコート時の回転数は３５０ｒｐｍで行った。ポジ型Ｄｅｅｐ−ＵＶレジストの塗布後、ベーク温度を１００℃、ベーク時間を３分間でベーク処理を行った。

このとき、ベーク処理後、ポジ型Ｄｅｅｐ−ＵＶレジスト（ＯＤＵＲ−１０１０）の膜厚の測定結果は１５μｍであった。次に、このポジ型Ｄｅｅｐ−ＵＶレジストをマスクアライナー（ウシオ電機社製：ＵＸ−４０００Ｓ）を用いて露光処理し、図４（ｄ）に示すように、インク流路形成用の樹脂層２１、及び空隙１４に対応する空隙形成用の樹脂層２２を所定のパターンで形成した。

次に、インク流路形成用の樹脂層２１及び空隙形成用の樹脂層２２の上に、図４（ｅ）に示すように被覆樹脂層２３をスピンコートにより被覆した。被覆樹脂層２３としては、ネガ型レジスト（化薬マイクロケム社製：ＳＵ−８）を用いた。このスピンコート時の回転数は４００ｒｐｍとし、塗布後のベーク温度を９０℃、ベーク時間を６分間でベーク処理を行った。このときの被覆樹脂層２３からなるノズル層の厚みの測定結果は、３０μｍであった。

このノズル層をミラープロジェクションマスクアライナー（キヤノン社製の：ＭＰＡ６００）を用いて所望の吐出口２４の配列及びノズルチップの外形形状になるように、図４（ｆ１）及び図４（ｆ２）に示すように、パターニングを行った。このとき、ノズルチップの外形形状は、ヒーターボード１５の外周部に予め形成されているポジ型Ｄｅｅｐ−ＵＶレジスト（ＯＤＵＲ−１０１０）の上に配置されるようにパターニングを行った。

続いて、ヒーターボード１５の裏面側の熱酸化膜１６上に、図示しないポジ型レジスト（東京応化工業社製：ＯＦＰＲ）をスピンコート法によって塗布した。このとき、スピンコート回転数を５００ｒｐｍ、ベーク温度を９０℃、ベーク時間を３分間でベーク処理を行った。塗布後のポジ型レジストの膜厚を測定したところ、膜厚は３μｍであった。このポジ型レジスト（ＯＦＰＲ）をミラープロジェクションマスクアライナー（キヤノン社製：ＭＰＡ６００）を用いて露光処理し、インク供給口形成用パターンを形成した。

次に、ポジ型レジストをエッチングマスクとして、熱酸化膜１６を、フルォロカーボン系ガスと酸素との混合ガスを用いた反応性イオンエッチングにてパターニングを行った。その後、現像液（東京応化工業社製：ＮＭＤ−３）を用いてポジ型レジストを除去した。

その後、熱酸化膜１６をエッチングマスクとして、濃度２５ｗｔ％、液温８０℃のテトラメチルアンモニウムヒドロキシル溶液を用いて、ヒーターボード１５にシリコン異方性エッチングを行った。これより、図４（ｆ１）及び図４（ｆ２）に示すように、ヒーターボード１５にインク供給口２５を形成した。

次に、Ｄｅｅｐ−ＵＶ照射装置（キヤノン社製：ＣＥ−６０００ＣＴ）を用いて被覆樹脂層２３全体にＤｅｅｐ−ＵＶを照射した。これによって、ポジ型Ｄｅｅｐ−ＵＶレジストからなるインク流路形成用の樹脂層２１及び空隙形成用の樹脂層２２を低分子化させた後、現像液によって除去し、被覆樹脂層２３からなるノズル層を完成させた。

被覆樹脂層２３からなるノズル層の完成後、被覆樹脂層２３及びヒーターボード１５を所定のノズルチップ形状に切断し、その後、マウント用の接着剤を用いてノズルチップをチップ支持体にマウントを行った。

ノズルチップのマウント後に被覆樹脂層２３の外周縁部を検査したところ、被覆樹脂層２３とヒーターボード１５との界面に剥離が発生していなかった。一方で、図４（ｇ）に示すように、クラック誘発パターンには、幅５μｍのクラック２６が発生していた。したがって、本実施例によれば、マウント用の接着剤の応力によって、被覆樹脂層２３とヒーターボード１５との界面が剥離するのを防止することができた。

１ ヒーターボード
２ 被覆樹脂層
３ クラック誘発パターン
２４ 吐出口
２５ インク供給口
２７ インク流路

Claims (9)

1. インクを吐出するための複数の吐出口と、該複数の吐出口のそれぞれに連通するインク流路とを有する被覆樹脂層と、
   インクを吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子を有し、前記被覆樹脂層が設けられる基板と、を備え、
   前記被覆樹脂層の外周縁部の側面には、前記被覆樹脂層と前記基板との界面に生じる応力を緩和するためのクラック誘発部が形成されている、インク吐出ヘッド。
2. 前記クラック誘発部は、前記被覆樹脂層と異なる材料によって、前記外周縁部の側面から前記被覆樹脂層の内部にわたって、前記被覆樹脂層と前記基板との前記界面と平行に形成されている、請求項１に記載のインク吐出ヘッド。
3. 前記クラック誘発部は、前記クラック誘発部と前記被覆樹脂層との密着力が、前記基板と前記被覆樹脂層との密着力よりも小さくなる材料で構成されている、請求項２に記載のインク吐出ヘッド。
4. 前記クラック誘発部は、金属層である、請求項３に記載のインク吐出ヘッド。
5. 前記被覆樹脂層の外周縁部の側面には、前記基板と前記被覆樹脂層との界面及び前記クラック誘発部にそれぞれ隣接する空隙が形成されている、請求項２ないし４のいずれか１項に記載のインク吐出ヘッド。
6. 前記クラック誘発部は、前記外周縁部の側面から前記被覆樹脂層の内部にわたって、前記被覆樹脂層と前記基板との前記界面と平行に形成された間隙である、請求項１に記載のインク吐出ヘッド。
7. 前記被覆樹脂層は、前記界面に平行な平面において四角形状に形成され、
   前記クラック誘発部は、前記被覆樹脂層の少なくとも４つの角部に形成されている、請求項１ないし６のいずれか１項に記載のインク吐出ヘッド。
8. 前記クラック誘発部の前記金属層は、構成材料がＰｔ、Ａｕ、Ｗ、Ｔａのうちのいずれか１つの材料、またはこれらの材料からなる合金である、請求項４に記載のインク吐出ヘッド。
9. インクを吐出するための複数の吐出口と、該複数の吐出口のそれぞれに連通するインク流路とを有する被覆樹脂層と、インクを吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子を有し、前記被覆樹脂層が設けられる基板と、を備え、前記被覆樹脂層の外周縁部の側面には、前記被覆樹脂層と前記基板との界面に生じる応力を緩和するためのクラック誘発部が形成されている、インク吐出ヘッドの製造方法であって、
   前記基板の、前記被覆樹脂層が形成される面から所定の高さに前記クラック誘発部を形成するための高さ規定用の樹脂層を、前記基板の上に所定のパターンで形成する工程と、
   前記クラック誘発部を構成する層を、前記高さ規定用の樹脂層の上に所定のパターンで形成する工程と、
   前記インク流路を形成するためのインク流路形成用の樹脂層を、前記基板の上に所定のパターンで形成する工程と、
   前記クラック誘発部を構成する層及びインク流路形成用の樹脂層を覆って前記基板の上に前記被覆樹脂層を形成する工程と、
   前記インク流路形成用の樹脂層を除去する工程と、を有するインク吐出ヘッドの製造方法。

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