JP5460760B2 - 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およびその製造方法に関する。
液体を吐出する液体吐出ヘッドの代表例としては、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に適用されるインクジェット記録ヘッドを挙げることができる。このインクジェット記録ヘッドは、一般に、インク流路と、その流路の一部に設けられた吐出エネルギー発生部と、そこで発生するエネルギーによってインクを吐出するためのインク吐出口と、を備えている。
インクジェット記録ヘッドに適用可能な液体吐出ヘッドの一例として特許文献1に、吐出される液体の出口に対して液体の流入口が広い形状の吐出口を有する吐出口部材を備えた液体吐出ヘッドが開示されている。
特許文献2には、吐出される液体の出口に対して液体の流入口が広い形状の吐出口を有する吐出口部材の製造方法として、複数の吐出エネルギー発生部を有する基板上で、結像位置を調整して光硬化性樹脂に露光を行う方法が開示されている。
特開平9−234871号公報 米国特許公開2005/0130075号明細書
液体の出口を微細化した場合であっても、吐出口を液体の出口に対して液体の流入口が広い形状とすることで、流抵抗の低減を図り、リフィル特性の低下を抑制できるなど、吐出特性の問題に対応することができる。
記録装置の大型化を抑えながら高画質な画像を高速に記録するため、液体吐出ヘッドにおいて、微細な液体の出口を有する吐出口とそれに連通する流路とを高密度に配置することが求められてきている。
しかしながら、特許文献2の方法で、液体の出口に対して液体の流入口が広い形状の吐出口を高密度に配置した吐出口部材を形成する場合には、吐出口の液体の流入口側で、隣接する吐出口同士を隔てる壁が薄くなり吐出口部材の強度が低下することが懸念される。
本発明は上述した課題を鑑みなされたものであって、流抵抗が緩和された吐出口が設けられ、かつ十分な強度を有する吐出口部材を備えた液体吐出ヘッドを歩留まりよく製造することができる液体吐出ヘッドの製造方法を提供することを目的の一つとする。
そのため、本発明は、
液体を吐出する吐出口が配列方向に沿って複数設けられた吐出口部材を備える液体吐出ヘッドの製造方法であって、
光硬化性樹脂を含有する樹脂層が設けられた基板を用意する工程と、
前記樹脂層を露光する露光処理である、第1の露光処理及び第2の露光処理を行う露光工程と、
前記第1の露光処理及び第2の露光処理を行った樹脂層から前記複数の吐出口を形成する工程と、を有し、
前記第1の露光処理によって形成される吐出口の側壁の前記基板に対する傾斜角と、前記第2の露光処理によって形成される吐出口の側壁の前記基板に対する傾斜角とが異なり、
前記吐出口は前記配列方向に直交する直交方向に沿った側壁を有し、
前記第1の露光処理は、前記吐出口の表面側開口の前記配列方向の幅をa、前記吐出口の裏面側開口の前記配列方向の幅をbとした場合、比(b/a)が1以上となるように、前記直交方向に沿った側壁に対応する前記樹脂層の部分を露光する処理であり、
前記第2の露光処理は、前記吐出口の表面側開口の前記直交方向の幅をc、前記吐出口の裏面側開口の前記直交方向の幅をdとした場合、比(d/c)が1より大きくなるように、前記直交方向に沿った側壁以外の側壁に対応する前記樹脂層の部分を露光する処理であり、
前記比(d/c)は前記比(b/a)より大きく、
前記第1の露光処理によって形成される前記直交方向に沿った側壁と、前記第2の露光処理によって形成される前記直交方向に沿った側壁以外の側壁とで、前記複数の吐出口を構成する1つの吐出口が形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法である。
本発明によれば、流抵抗が緩和された吐出口が設けられ、かつ十分な強度を有する吐出口部材を備えた液体吐出ヘッドを歩留りよく製造することが可能となる。
本実施形態の製造方法により得られる液体吐出ヘッドの構成例を示す図である。 本実施形態の製造方法により得られる液体吐出ヘッドの構成例を示す模式斜視図である。 本実施形態の製造方法を説明するための工程段面図である。 本実施形態の製造方法を説明するための工程段面図である。 第2の露光処理を実施した後の状態を示す概略図である。 第2の露光処理の露光の概念図である。 第2の露光処理を実施した後に第1の露光処理を実施した状態を示す概略図である。 第1の露光処理の露光の概念図である。 本実施形態1の現像処理を実施した後の状態を示す概略図である。 本実施形態2の露光条件で得られる吐出口付近の形態を示す概略図である。
本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図2は、本実施形態において製造するインクジェット記録ヘッドの構成例を示す模式的斜視図である。このインクジェット記録ヘッド(液体吐出ヘッド)は、吐出エネルギー発生素子4が所定のピッチで配列方向に2列並んで形成されたシリコン基板5を有している。シリコン基板5には、インク供給口(液体供給口)7が、吐出エネルギー発生素子4の2つの列の間に開口されている。シリコン基板1上には、流路形成部材2によって、インクを吐出するインク吐出口(液体吐出口)1と、インク供給口7から各インク吐出口1に連通するインク流路(液体流路)5が形成されている。インク吐出口1は各吐出エネルギー発生素子4の上方に開口し、配列方向に2列並んで複数設けられている。
このインクジェット記録ヘッドは、インク吐出口1が形成された面が被記録媒体の記録面に対面するように配置される。そして、共通インク供給口7からインク流路5内に充填されたインク(液体)に、吐出エネルギー発生素子4によって発生する圧力を加えることによって、インク吐出口1からインク液滴を吐出させ、被記録媒体に付着させることによって記録を行う。
(実施形態1)
以下に、本実施形態の製造方法により作製されるインクジェット記録ヘッドの構成例についてより具体的に説明する。図1(A)は図2の吐出口の上面図であり、図1(B)は図1(A)のA−A線における断面図、図1(C)は図1(A)のB−B線における断面図である。また、A−A線は配列方向を表すこととなり、B−B線は配列方向に直交する直交方向を表すことになる。したがって、図1(B)は直交方向に垂直な面による吐出口の断面形状であり、図1(C)は配列方向に垂直な面による吐出口の断面形状である。
本実施形態により形成される吐出口は、図1(A)及び(B)に示すように、前記直交方向に沿った側壁を有する。また、図1(B)に示すように、前記直交方向に垂直な面による吐出口の断面形状がテーパ状又は四角形状である。また、配列方向に垂直な面による吐出口の断面形状がテーパ状である。吐出口がテーパ形状を有するように形成することにより、流抵抗が小さく、優れた吐出性能を有する液体吐出ヘッドを得ることができる。
ここで、本実施形態の製造方法は、以下の工程を含む。
(1)光硬化性樹脂を含有する樹脂層が設けられた基板を用意する工程。
(2)前記樹脂層を露光する露光処理である、第1の露光処理及び第2の露光処理を行う露光工程。
(3)前記第1の露光処理及び第2の露光処理を行った樹脂層から前記吐出口を形成する工程。
本発明では、前記第1の露光処理によって形成される吐出口の側壁の前記基板に対する傾斜角と、前記第2の露光処理によって形成される吐出口の側壁の前記基板に対する傾斜角とが異なることを特徴とする。第1の露光処理は、吐出口の表面側開口の配列方向の幅をa、吐出口の裏面側開口の配列方向の幅をbとした場合、比(b/a)が1以上となるように、前記直交方向に沿った側壁に対応する樹脂層部分を露光する処理であることが好ましい。
また、第2の露光処理は、吐出口の表面側開口の直交方向の幅をc、吐出口の裏面側開口の直交方向の幅をdとした場合、比(d/c)が1より大きくなるように、前記直交方向に沿った側壁以外の側壁に対応する樹脂層部分を露光する処理であることが好ましい。
さらに、第1の露光処理及び第2の露光処理は、前記比(d/c)が前記比(b/a)より大きくなるように実施することが好ましい。
吐出口の前記直交方向に垂直な面による断面形状はテーパ状又は四角形状となることが好ましい。また、吐出口の前記配列方向に垂直な面による断面形状はテーパ状となることが好ましい。尚、これら断面形状は、ともにテーパ状であっても、基板に対する傾斜角は異なる。
また、幅a、幅bは、それぞれ、前記配列方向に垂直であって吐出口の中心を通る面による吐出口の断面形状における上辺の幅及び下辺の幅であることが好ましい。また、幅c、幅dは、それぞれ、前記直交方向に垂直であって吐出口の中心を通る面による吐出口の断面形状における上辺の幅及び下辺の幅であることが好ましい。本発明によれば、基板と、前記基板上に液体を吐出する吐出口が配列方向に沿って複数設けられた吐出口部材を備える液体吐出ヘッドであって、前記吐出口の前記配列方向に直交する直交方向に沿った側壁は前記基板に対して垂直であり、前記吐出口の前記配列方向に沿った側壁は前記基板に対して鋭角を形成していることを特徴とする液体吐出ヘッドを製造することができる。
以下、本実施形態の製造方法について説明する。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。
なお、以下の説明では、本発明の適用例として、インクジェット記録ヘッドを例に挙げて説明を行うが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。また、インクジェット記録ヘッドの他、バイオッチップ作製や電子回路印刷用途の液体吐出ヘッドの製造方法にも適用できる。液体吐出ヘッドとしては、インクジェット記録ヘッドの他にも、例えばカラーフィルター製造用ヘッド等も挙げられる。
また、本実施形態におけるノズル密度とは図1A−A方向の単位あたりのノズルの個数を言い、本実施形態では、例えば、1200DPI(ドット/インチ)を想定できる。
図3(A)〜(F)は本実施形態の製造方法の工程を示す例である。図3(A)〜(F)は配列方向に垂直な面による断面における工程図である。
まず、図3(A)に示すように、吐出エネルギー発生素子4が配置されたシリコン基板5を用意する。
シリコン基板5は、例えば、結晶方位が(100)面である。なお、本実施形態では、(100)面を使った場合について説明するが、この図によって面方位を制限するものではない。
このシリコン基板5の上には、熱酸化膜301及び犠牲層302が形成されている。熱酸化膜301の上には絶縁層であるシリコン酸化膜303が形成されている。シリコン酸化膜303の上には、発熱抵抗体等の吐出エネルギー発生素子4が複数個配置されている。シリコン酸化膜301及び吐出エネルギー発生素子4の上には保護膜としてシリコン窒化膜304が形成されている。
犠牲層302を形成しておくことによりインク供給口(液体供給口)の表面開口を精度よく形成することができる。犠牲層はアルミニウムを含み、シリコン基板のエッチング液(アルカリ溶液)でエッチングが可能である。犠牲層の材料としては、例えば、アルミニウム(Al)、アルミニウムシリコン(AlSi)、アルミニウム銅(AlCu)、アルミニウムシリコン銅(AlSiCu)などが挙げられる。これらのうち、アルミニウム又はアルミニウム銅が好ましい。AlSiは、AlとSiとからなる化合物であり、AlCuは、AlとCuとからなる化合物であり、AlSiCuは、AlとSiとCuとからなる化合物である。
また、シリコン窒化膜304の上に密着向上層3が形成されている。密着向上層3は、例えば、ポリエーテルアミド樹脂を用いることができる。また、密着向上層3は、スピンコート等により塗布・配置することが可能である。ポリエーテルアミド樹脂としては、例えば、具体的には、日立化成(株)の製品名:HIMAL−1200という材料を用いることができる。密着向上層3の膜厚は、例えば2μmである。
次に、図3(B)に示すように、吐出エネルギー発生素子4を含むシリコン基板5上に、溶解可能な樹脂を用いてインク流路の型となる流路型材307を形成する。
流路型材307は、例えば、ポジ型レジストをスピンコート等により塗布し、紫外線やDeep UV光等により露光、現像を行って形成することができる。ポジ型レジストとしては、例えば、ODUR(商品名、東京応化製)等を挙げることができる。
次に、図3(C)に示すように、密着向上層3及び流路型材307の上に、ネガ型感光性樹脂308をスピンコート等により配置する。
本実施形態において、流路形成部材としては、ネガ型感光性樹脂を用いる。ネガ型感光性樹脂は、露光にて硬化する性質をもつ。ネガ型感光性樹脂としては、i線感度を有するものが好ましい。また、ネガ型感光性樹脂の厚さは、例えば、30μmである。
露光には、特に限定されるものではないが、i線ステッパーを用いることができる。i線ステッパーとしては、例えば、キヤノン株式会社製のステッパーFPA−3000I5+を使用することができる。
ネガ型感光性樹脂308を露光、現像することによってパターンニングし、インク吐出口1を有する流路形成部材2を形成する。本実施形態では、第1の露光処理と第二の露光処理によって少なくとも2回露光を行う。なお、流路形成部材は、吐出口を形成する部材でもあり、吐出口部材とも称すことができる。
ここで、第1の露光処理と第2の露光処理について図5から9を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明では、第2の露光処理から説明するが、第1の露光処理と第2の露光処理はどちらを先に実施してもよく、その順番は制限されない。
図5(A)は、第2の露光処理後の吐出口付近の状態を説明するための模式的上面図である。図5(B)は図5(A)のA−A断面図である。図5(C)は図5(A)のB−B断面図である。図5(D)は第2の露光処理に使用する第2のマスクの模式図である。図5において、501は未露光部を示し、502は露光部(硬化部)を示す。507は流路型材である。511は第2のマスクのうち光不透過部を示し、512は光透過部を示す。
第2の露光処理は、上述のように、吐出口の表面側開口の直交方向の幅をc、吐出口の裏面側開口の直交方向の幅をdとした場合、比(d/c)が1より大きくなるように、前記直交方向に沿った側壁以外の側壁に対応する樹脂層部分を露光する処理である。
第2の露光は、例えば、キヤノン株式会社製ステッパーFPA−3000I5+を使用して、以下の露光条件で実施することができる。露光条件は、開口率(NA);0.45、絞り(σ);0.5、露光量;4000J、フォーカスオフセット(フォーカス);−50μm、である。露光量は、膜厚30μmである場合を想定して選択される。
図6は、第2の露光処理における上記露光条件の概念を示す図である。ステッパーは、露光対象物の最上面を基準面としているので、露光時のフォーカス位置は−50μmで基板表面下にある。なお、図6において、点線Eはフォーカス基準面を示し、点線Fはフォーカス位置を示す。
露光において、焦点深度の浅い条件で、かつ、基準面より大きなオフセットのフォーカス設定で露光するとテーパ形状が得られる。一方で、焦点深度の深めの条件で、基準面より膜の半分のあたりにフォーカスをオフセットするとストレートに近い形状が示すことが確認されている。これらは、材料の感光特性と露光機の組み合わせで実現することができるため、本実施形態では、主に露光機の露光条件とフォーカスオフセット量により形状の選択を実現している。
露光機としてキヤノン株式会社製ステッパーFPA−3000I5+を用い、膜厚が30μmである場合では、以下のような関係が確認されている。出来上がり直径18μm系相当の吐出口面積において、膜厚30μmでは、露光条件NA;0.45、σ;0.3の場合、フォーカス−15μmでストレート形状となる。照明条件NA;0.45、σ;0.5の場合、フォ−カス−50μmで、テーパ角が7度となる。なお、テーパ角は、図1(C)に示すように、吐出口の表面側開口の端部から垂直に降ろした仮想線と吐出口壁とのなす角度θのことをいう。
図7(A)は、第1の露光処理後の吐出口付近の状態を説明するための模式的上面図である。図7(B)は図7(A)のA−A断面図である。図7(C)は図7(A)のB−B断面図である。図7(D)は第1の露光処理に使用する第1のマスクの模式図である。図7において、701は未露光部を示し、702は露光部(硬化部)を示す。707は流路型材である。711は第2のマスクのうち光不透過部を示し、712は光透過部を示す。
第1の露光処理は、垂直性を確保することが好ましく、第1の露光処理の露光条件は、例えば、NA;0.45、σ;0.30、露光量;4000J、フォーカス;−15μmである。
図8は、第1の露光処理における上記露光条件の概念を示す図である。ステッパーは露光対象物の最上面を基準面としているので、露光時のフォーカス位置は−15μmであり、この−15μmの位置は構造物中心となっている。
図9(A)は、第2の露光処理及び第1の露光処理を行った後、PEB、現像を終了した後の吐出口付近を示す模式的上面図である。図9(B)は、図9(A)のA−A断面図である。図9(C)は、図9(A)のB−B断面図である。
第1の露光処理及び第2の露光処理の後、PEB、現像を実施して、吐出口1を有する流路形成部材が得られる。第1の露光処理と第2の露光処理の順番を変えても、ノズル形成には問題とならない。
また、図に示すマスクは、一例であり、本形状を作成する唯一の組み合わせでなく他のデザインでも本形状の作成は可能である。
次に、図3に戻り、残りの製造工程について説明する。
図3(D)は、前述のように吐出口1が形成された状態を示す概略断面図である。
次に、図3(E)に示すように、シリコン基板5の裏面にある熱酸化膜304をパターニングし、異方性エッチングの開始面となるシリコン面を露出させる。その後、シリコン異方性エッチングを行い、インク供給口7を形成する。インク供給口7は、例えば、TMAHやKOH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ことができる。
次に、図3(F)に示すように、シリコン酸化膜303をフッ酸液で、ウエットエッチングによって除去する。その後、ドライエッチング等によってシリコン窒化膜304を除去する。また、溶解可能な樹脂から構成される流路型材7を、インク吐出口1およびインク供給口7から溶出させることにより、インク流路5が形成される。流路型材7を除去する際、必要に応じて、超音波浸漬を併用すれば容易に除去することができる。
以上の工程により、ノズル部を構成する流路形成部材が形成されたシリコン基板5をダイシングソー等により分離切断し、チップ化する。その後、吐出エネルギー発生素子4を駆動させるための電気的接合を行った後、インク供給のためのチップタンク部材を接続して、インクジェット記録ヘッドが得られる。
上記の実施形態1は、図3に示される製造工程を参照して説明した。なお、本発明は、他の製造工程でも適用可能である。他の製造工程の例を以下に図4を参照して簡単に説明する。
図4(A)〜(F)は、本実施形態の製造方法の例を示す概略工程図である。また、図4(A)〜(F)は図2のC−C線における断面図である。
図4(A)は、図3(A)に示す図と同様である。
次に、図4(B)に示すように、この後ノズル材で、インク流路の側壁を構成する流路壁401を、感光性樹脂材料を塗布、露光、PEB、現像することにより、形成する。
次に、図4(C)に示すように、流路壁401の上に感光性を有するドライフィルム402を配置する。
次に、上述の第1の露光処理及び第2の露光処理を実施する。
次に、図4(D)に示すように、現像して、吐出口1を有する吐出口部材403を形成する。
次に、上述の図3の実施工程と同様に、図4(E)に示すようにインク供給口7を形成する。また、図4(F)に示すように、インク流路を形成する。
(実施形態2)
以下に、本実施形態の露光条件について具体的に説明する。
図10(A)は、第1の露光処理及び第2の露光処理を実施した後の吐出口付近の概略上面図を示す。図10(B)は図10(A)のA−A断面図である。図10(C)は図10(A)のB−B断面図である。図10(D)は、本露光に使用するマスクの模式図であり、図10(D−1)は第2の露光処理に用いるマスクであり、図10(D−2)は第1の露光処理に用いるマスクである。
該露光条件においては、ネガ型樹脂材料の膜厚が80μmの場合を想定している。また、上述の実施形態と同様にステッパーを使用した露光である。第2の露光処理の露光条件は、照明条件NA;0.63、σ;0.30、露光量;5500J、フォーカス;−75μmである。第1の露光の露光条件は、照明条件NA;0.45、σ;0.30、露光量;5500J、フォーカス−40μmである。
膜厚80μmの場合においては、膜厚を鑑みて露光量は5000Jとした。
本実施例の膜厚では、吐出口経24μmに対して、照射条件NA;0.63、σ;0.3、フォーカス;−75μmでテーパ角7度となった。また、露光条件NA;0.45、σ;0.30、フォーカス;−40μmストレート形状となった。上述の露光条件と該露光条件で同様なテーパ角となっているのに、露光条件を変えているのは、膜厚によって吐出口端の形状が違ってくるためである。
いずれの実施例でも、吐出口が垂直であるものと比較して、吐出特性の向上が観測された。
1 インク吐出口(吐出口)
2 流路形成部材
3 密着向上層
4 吐出エネルギー発生素子
5 シリコン基板
7 インク供給口(液体供給口)
301 熱酸化膜(表面側)
302 犠牲層
303 シリコン酸化膜
304 シリコン窒化膜
305 熱酸化膜(裏面側)
307 流路型材
308 ネガ型感光性樹脂
401 流路壁
402 ドライフィルム
403 吐出口部材

Claims (6)

  1. 液体を吐出する吐出口が配列方向に沿って複数設けられた吐出口部材を備える液体吐出ヘッドの製造方法であって、
    光硬化性樹脂を含有する樹脂層が設けられた基板を用意する工程と、
    前記樹脂層を露光する露光処理である、第1の露光処理及び第2の露光処理を行う露光工程と、
    前記第1の露光処理及び第2の露光処理を行った樹脂層から前記複数の吐出口を形成する工程と、を有し、
    前記第1の露光処理によって形成される吐出口の側壁の前記基板に対する傾斜角と、前記第2の露光処理によって形成される吐出口の側壁の前記基板に対する傾斜角とが異なり、
    前記吐出口は前記配列方向に直交する直交方向に沿った側壁を有し、
    前記第1の露光処理は、前記吐出口の表面側開口の前記配列方向の幅をa、前記吐出口の裏面側開口の前記配列方向の幅をbとした場合、比(b/a)が1以上となるように、前記直交方向に沿った側壁に対応する前記樹脂層の部分を露光する処理であり、
    前記第2の露光処理は、前記吐出口の表面側開口の前記直交方向の幅をc、前記吐出口の裏面側開口の前記直交方向の幅をdとした場合、比(d/c)が1より大きくなるように、前記直交方向に沿った側壁以外の側壁に対応する前記樹脂層の部分を露光する処理であり、
    前記比(d/c)は前記比(b/a)より大きく、
    前記第1の露光処理によって形成される前記直交方向に沿った側壁と、前記第2の露光処理によって形成される前記直交方向に沿った側壁以外の側壁とで、前記複数の吐出口を構成する1つの吐出口が形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
  2. 前記配列方向に垂直な面による前記吐出口の断面形状がテーパ状である請求項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
  3. 前記直交方向に垂直な面による前記吐出口の断面形状がテーパ状又は四角形状である請求項又はに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
  4. 前記幅a及び前記幅bは、それぞれ、前記配列方向に垂直であって前記吐出口の中心を通る面による前記吐出口の断面形状における上辺の幅及び下辺の幅であり、
    前記幅c及び前記幅dは、それぞれ、前記直交方向に垂直であって前記吐出口の中心を通る面による前記吐出口の断面形状における上辺の幅及び下辺の幅である請求項乃至3のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
  5. 前記樹脂層はネガ型感光性樹脂で形成されたものである請求項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。
  6. 前記第1の露光処理では、前記直交方向に沿った側壁に対応した直線を含むパターンを有するマスクを用いて前記樹脂層の露光を行い、前記第2の露光処理では、前記直交方向に沿った側壁以外の側壁に対応した曲線を含むパターンを有するマスクを用いて前記樹脂層の露光を行う請求項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。
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