JP5596962B2 - 液体吐出ヘッド用基板の製造方法及び液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

液体吐出ヘッド用基板の製造方法及び液体吐出ヘッドの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、液体吐出ヘッド用基板の製造方法及び液体吐出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液体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、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、液体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が設けられ、その端部は、外部と電気的に接続する電極端子として機能している。この電極端子も電力配線と同様に、金等の貴金属を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有するエポキシ樹脂などからなる流路壁部材が形成される。
特開2005−199701号公報
しかしながら、金は、イオン化傾向が小さく化学的に安定な物質であるため、金で形成した電力配線は、樹脂からなる流路壁部材との密着性が乏しい。また、樹脂は、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ため、電力配線と樹脂からなる流路壁部材との間に剥れが生じる可能性がある。流路壁部材と電力配線とが剥れ場合には、その場所からインク等の液体が浸入した末、電力配線が、液体により腐食されたり、あるいは液体と接した状態で電流が流れ、電気分解されたりしてしまうことが懸念される。
電力配線と流路壁部材との密着性を向上させるためには、両者の間に密着を向上させるための密着向上層を、例えばめっき法等を用いて設ける方法を用いることができる。電力配線上に全体的に密着向上層を設けると、電力配線の端部の電極端子上にも密着向上層が設けられることとなるが、電極端子と外部端子との電気的接続を確保するために、電極端子の上の密着向上層は除去する必要がある。
しかし、電極端子の上の密着向上層をエッチングして除去する場合に使用されるエッチング液は、金は溶解しないものの、基板上で拡散等を防止する金属材料層として電極端子と電力配線との下に配置されるTiW等の合金層もエッチングしてしまう可能性がある。このような場合には、金属材料層を導電層として利用した電気的接続がとりにくくなることや、電力配線や電極端子が基板から剥離することが予想され、液体吐出ヘッドの信頼性の低下に繋がる懸念がある。
本発明は以上のような課題を鑑みてされたものである。本発明は、電力配線と流路壁部材との接合性が高く、電極端子と外部の端子との電気的な接続が良好で、かつ電力配線、信頼性の高い液体吐出ヘッド用基板の製造方法を提供すること目的としている。
本発明の液体を吐出するためのエネルギーを発生する素子と、該素子に電気的に接続された導電層と、前記導電層と電気的に接続され、外部との電気的な接続を行うための電極端子と、を有する液体吐出ヘッド用基板の製造方法は、基体の上に端面が設けられ、金属材料からなり前記導電層と接する部分を備える金属材料層と、金からなる金層と、ニッケルからなるニッケル層と、がこの順に前記基体の上に積層された基板を用意する工程と、前記金属材料層の前記端面前記ニッケル層を覆うように、樹脂からなる樹脂層を設ける工程と、前記ニッケル層の上の前記樹脂層の一部を除去して、前記ニッケル層の一部を露出させる工程と、前記樹脂層で前記金属材料層の前記端面が覆われた状態で前記ニッケル層の前記一部をエッチングすることにより除去し、前記金層の一部を露出させて前記電極端子を形成する工程と、を有することを特徴とする。
本発明の製造方法によれば、金属材料層の端面を、樹脂層で被覆した後に、電極端子の上のニッケルを含有する層を除去している。金属材料層の端面に接するように樹脂層を設けることにより、金属材料層はエッチングされず、信頼性の高い液体吐出ヘッドを提供することが出来る。さらに電力配線と樹脂からなる層との密着性と、電極端子と外部の端子との接合性とを確保することが出来る。
本発明のヘッドを用いることができるヘッドユニットの斜視図である。 本発明に係るの液体吐出ヘッドの一例を示す斜視図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドの一例を示す断面図である。 実施例1に係るヘッドの製造方法を示す図である。 実施例1に係るヘッドの製造方法を示す図である。 実施例2に係るヘッドの製造方法を示す図である。
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。これらを液体タンク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、ヘッドと液体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、ヘッドと液体タンクが分離型とすることも出来る。
図2(a)は、本発明を用いるヘッド82の斜視図である。シリコンからなる基板101上に、液体を吐出するための吐出口115、吐出口115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が設けられている。
図2(a)のIの部分を拡大したものが図2(b)である。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接合させるための電極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には、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と、駆動信号を入力するために用いられる電極パッド120と、の2種類ある。電極パッド120bは、絶縁層105に設けられた貫通孔を介して、導電層104と電気的に接続している。
図2の、A−Aに沿った断面を図3(a)に、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に電圧を供給するために用いられる、GND配線などの電力配線130と電気的に接続している電極パッド120bの断面を示している。このようなヘッド82において液体は、発熱部113により加熱された液体が膜沸騰することによる圧力で吐出口115から吐出され、記録動作が行われる。
以下、図3(a)(b)を用いて、ヘッドの構成を説明する。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、アルミなどの導電材料からなる一対の導電層104が設けられている。この一対の導電層104の間に位置する抵抗層103が、液体を膜沸騰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と導電層104との上には、液体から導電層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、導電材料や金の拡散防止のために用いられるTiWなどの高融点金属材料を主成分とする拡散防止層106(金属材料層)が設けられている。拡散防止層106の上には、めっき用電極として金を主成分とするシード層107が設けられている。シード層107は、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。このようなシード層107の上には、金層109が設けられている。金層109は、金のめっき液に浸漬させた状態でシード層107に電流を流すことでシード層107の上に設けることができる。さらに、金層の一部の上には、ニッケルを含有する層110が、基板の面に垂直な方向にこの順に積層されて設けられている。
なお、拡散防止層106やシード層107は、スパッタ法を用いて設けることができるため、不純物をほぼ含まない約95%から約100%の純度で設けることができる。
ニッケルを含有するとする層としては、ニッケル単体のみならず合金を用いることもでき、そのときのニッケルの含有率は、1.0wt%以上含有されていることが好ましい。このようにニッケルを含有する層を用いることにより金層109とニッケルを含有する層110との密着性と、ニッケルを含有する層と、その上に設けられる樹脂層111との密着性とを確保することができる。さらに好ましくは、1.4wt%以上のニッケルが含有されていることが好ましい。これにより密着性をさらに確実なものとすることができる。
このような拡散防止層106と、シード層107と、金層109と、ニッケルを含有する層110を、基板の面に垂直な方向にこの順に積層することで、電力配線130が設けられている。
電力配線130の上及び電力配線130の端面には、液体の吐出口115に連通する流路114の壁を形成するエポキシ樹脂等の樹脂からなる流路壁部材112が設けられている。流路壁部材112と電力配線130との間には、密着を向上させるとともに、電力配線130の液体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樹脂からなる樹脂層111を設けられている。この樹脂からなる流路壁部材112又は樹脂からなる樹脂層111と接する電力配線130の面をニッケルを含有する層110とすることにより、さらに密着性を確保することができる。
電極パッド120は、拡散防止層106と、シード層107と、金層109とが、基板101の面に垂直な方向にこの順に積層されることで設けられている。さらに、電極パッド120bは、絶縁層105を貫通して複数の発熱部113と接続する導電層104と接しており、外部から電圧を供給することができる。発熱部113に電圧を供給する導電層104と電力配線130とを低抵抗にすることで、各発熱部113に均一な電圧及び電流を供給することができ、安定した記録動作を行うことができる。また、電極パッド120の表面は、金層109とすることで、フレキシブルフィルム配線基板73との電気的な接続をする、金を主成分とする外部の端子と、の接合性を確保することができる。このような電極パッド120は、金層109の上に設けられたニッケルを含有する層110を、エッチング法を用いることにより除去することで設けることができる。
電極パッド120と電力配線130の端部は、図3に示すように基板101の面に対してオーバーハング形状となるように設けられている。さらに、電極パッド120の端面には、ポリエーテルアミド樹脂等を主成分とする樹脂層111aで被覆されている。このように樹脂層111aを設けることで、ニッケルを含有する層110を電極パッド120から除去する際に、拡散防止層106がエッチングされることを防止することができる。
以上のようにして、液体吐出ヘッド用基板(以下、ヘッド用基板とも称する)が設けられている。さらに、吐出口115に連通する流路114の壁を有し、壁を内側にしてヘッド用基板と接することで流路114が設けられる樹脂からなる部材を、ヘッド用基板の上に設けることで、液体吐出ヘッドが設けられている。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
(実施例1)
図4(a)〜(e)は、図3(b)の断面図の製造過程を示した図であり、図5(a)〜(f)は、図3(a)の断面図の製造過程を示した図である。本実施例においては、金層として、金めっき層を用いている。
まず、シリコンからなる基板101の表面を熱酸化させ、酸化シリコンからなる蓄熱層102を設ける。その上に、TaSiNからなる抵抗層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導電層を設ける。その後、フォトリソグラフィ技術を用いて一対の導電層104を形成する。この一対の導電層104の間に位置する抵抗層103が、発熱部113として用いられる(基板を用意する工程)。更に導電層104と発熱部113との上に、発熱部113を液体から保護するための窒化シリコンからなる絶縁層105を設ける(図4(a))。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(不図示)。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と導電層104とを電気的に接続することができる。
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(TiW)を約200nm真空成膜等により成膜する。拡散防止層106の上には、めっき時にめっき用電極層として使用するシード層107の金を、約500nm真空成膜等により成膜する。また、拡散防止層とめっき用導体の金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の表面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する。このとき、形成する金めっき層109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する。本実施例においては、金めっき層109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う。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、電極パッド120と電力配線130を形成する部分のシード層107が露出するように、レジストをシード層の一部分の上にマスク材108として形成する。このとき露光・現像の調整を行うことで、マスク材108の形状を基板101の面に対して鋭角な形状を有するテーパー部となるようにする(図4(b)図5(b))。このときの角度は、基板101の面に対して45度以上80度以下であることが好ましい。このような角度とすることで、このマスク材108を設けた一部分以外の他の部分に形成される電力配線130の端面に、樹脂層111を設けることができるためである。
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、金めっき層109を析出させる。電解めっき法により析出させる金めっき層109は、金以外の不純物は含有しているが、少なくとも純度95wt%以上の金めっき層とすることが好ましい。このように高純度とすることで、抵抗値を下げることができる。金めっき層109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析出させる。金は比較的高価であるため、金めっき層109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の膜厚とることが好ましい。
さらに、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、金めっき層109の表面にニッケルを含有する層110を析出させる。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析出させる。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密着性を確保できない可能性があるためである。このとき、金めっき層109とニッケルを主成分とする層110からなる積層膜の端辺は、マスク材108の形状に倣い、基板101の面に対して鈍角のオーバーハング形状となる。
次に剥離液に浸漬させてマスク材108の除去を行うことで、シード層107を露出させる。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、金めっき層が設けられていない領域のシード層107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を露出させる。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高融点金属材料からなる拡散防止層106をエッチングにより除去する(図4(c)、図5(c))。
次に、流路壁部材112と電力配線130との密着を向上させるとともに、電力配線130の液体等による腐食を防ぐポリエーテルアミド樹脂等の樹脂層111を、全面にスピンコート法により塗布する(図4(d)、図5(d))。
次に、樹脂層の上にフォトレジストを塗布し、露光・現像を行うことで、樹脂層111を設ける領域(第1の領域)にレジストマスクを形成する。このレジストマスク118を用いてドライエッチング法などを用いて異方性エッチングを行うことにより、第1の領域以外の電極パッド120となる領域(第2の領域)の上の樹脂層を除去する。これにより液体を吐出する吐出口115と、吐出口115に連通する液体の流路114を形成する流路壁部材112の下及び電力配線130の端面に樹脂層111を設ける(図4(e)、図5(e))。
このとき、積層膜の端辺の形状はオーバーハング形状となっているため、積層膜の端面の樹脂層111aはドライエッチングされず残る。その後電極パッド120の領域の上に形成されたニッケルを含有する層110を、硫酸、燐酸、フッ酸等の溶液、またはこれらの混合液をエッチング液として用いエッチングすることで除去し、金めっき層109を露出させた。その後剥離液に浸漬させてレジストマスクの除去を行う。
樹脂層111と接触する電力配線130の面は、ニッケルを含有する層110となっているため、液体や発熱部113で基板101が加熱されることによる応力の影響を受けても、密着性を確保することができる。これにより、金めっき層109が露出し、金からなる外部の端子との接合性が確保された電極パッド120と、樹脂からなる層110との密着性が確保された電力配線130とを設けることができる(図5(f))。
ニッケル層のエッチング液は、拡散防止層106に用いられる高融点金属材料も溶解可能である。しかし、樹脂層111aが電極パッド120bの一部を構成する拡散防止層106の端面を覆った状態でニッケル層をエッチングすることにより、拡散防止層106のエッチングを防止することができる。これにより、電極端子の電気的な接続を確保し、さらに電極端子を剥離無く設けることができ、信頼性の高い液体吐出ヘッド用基板を提供することができる。なお、本実施例のように、電力配線130に接して設けられた樹脂からなる膜の111と電極パッド120の端面の樹脂層111aとを、一括して設けることにより、製造工程数を削減することができコスト削減を行うこともできる。
その後、樹脂層111の上に液体の流路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設ける。エポキシ樹脂に吐出口115を設け、型在を除去することで液体を吐出する吐出口115と、吐出口115に連通する液体の流路114の壁とを有する樹脂からなる流路壁部材112を液体吐出ヘッド用基板の上に設け、液体吐出ヘッドを設ける。
(実施例2)
実施例1では、ポリエーテルアミド樹脂等の樹脂層の上にレジストマスクを設け、ドライエッチング法を用いることで電力配線130の上の樹脂層111bと端面の樹脂層111aを、一括して設けている。本実施例においては、樹脂層111をパターニングする際にレジストマスクを設けない製造方法を図6に示す。図4(d)及び図5(d)までは、実施例1と同様の製造方法で設ける。
本実施例において、ポリエーテルアミド樹脂からなる樹脂層111は、露光した部分が現像液に対して可溶となる感光性を有する材料を用いる(図6(a))。この感光性の樹脂層に露光と現像を行うことで、液体を吐出する吐出口115と、吐出口115に連通する液体の流路114を形成する流路壁部材112の下及び電力配線130の端面に樹脂層111を設ける。露光した際の光は、オーバーハング形状の電力配線130と電極パッド120の端面には届かないため、現像した際にオーバーハング形状の部分の樹脂層は現像されず、樹脂層111aを設けることができる(図6(b))。
次に、樹脂層111bをマスクとして用い、電極パッド120上に形成されたニッケル層を、硫酸、燐酸、フッ酸等の溶液、またはこれらの混合液をエッチング液として用いエッチングすることで除去し、金めっき層109を露出させる(図6(c))。
樹脂層111と接触する電力配線130の面は、ニッケルを含有する層110となっている。これにより液体や発熱部113で基板101が加熱されることによる応力の影響を受けても、密着性を確保することができる。これにより、金めっき層109が露出し、金からなる外部の端子との接合性が確保された電極パッド120と、樹脂からなる層110との密着性が確保された電力配線130とを設けることができる。
ニッケル層のエッチング液は、拡散防止層106に用いられる高融点金属材料(TiW)も溶解可能である。しかし、樹脂層111aが電極パッド120bの一部を構成する拡散防止層106の端面を覆った状態でニッケル層をエッチングすることにより、拡散防止層106のエッチングを防止することができる。これにより、電極端子の電気的な接続を確保し、さらに電極端子を剥離無く設けることができ、信頼性の高い液体吐出ヘッド用基板を提供することができる。なお、本実施例のように、樹脂層111aと樹脂層111bを一括して設けることにより、製造工程数を削減することができ、コスト削減を行うこともできる。さらに樹脂層に感光性をもたせることにより、実施例1のようにレジストを設ける必要が無いため製造工程数を削減することができ、さらにコスト削減を行うことができる。
その後、樹脂層111の上に液体の流路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設ける。エポキシ樹脂に吐出口115を設け、型在を除去することで液体を吐出する吐出口115と、吐出口115に連通する液体の流路114の壁とを有する樹脂からなる流路壁部材112を液体吐出ヘッド用基板の上に設け、液体吐出ヘッドを設ける。
104 導電層
106 金属材料層
109 金層
110 ニッケル層
111 樹脂層
112 流路壁部材
113 素子
120 電極パッド

Claims (9)

  1. 液体を吐出するためのエネルギーを発生する素子と、該素子に電気的に接続された導電層と、前記導電層と電気的に接続され、外部との電気的な接続を行うための電極端子と、を有する液体吐出ヘッド用基板の製造方法において、
    基体の上に端面が設けられ、金属材料からなり前記導電層と接する部分を備える金属材料層と、金からなる金層と、ニッケルからなるニッケル層と、がこの順に前記基体の上に積層された基板を用意する工程と、
    前記金属材料層の前記端面前記ニッケル層を覆うように、樹脂からなる樹脂層を設ける工程と、
    前記ニッケル層の上の前記樹脂層の一部を除去して、前記ニッケル層の一部を露出させる工程と、
    前記樹脂層で前記金属材料層の前記端面が覆われた状態で前記ニッケル層の前記一部をエッチングすることにより除去し、前記金層の一部を露出させて前記電極端子を形成する工程と、
    を有することを特徴とする液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
  2. 前記ニッケル層をエッチングする際に用いられるエッチング液は、前記金属材料層を溶解することが可能であることを特徴とする請求項1に記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
  3. 前記金属材料層は、チタンタングステンを主成分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用基板の製造方法。
  4. 前記金属材料層は、拡散防止層として用いられることを特徴とする請求項1乃至請求項のいずれかに記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
  5. 前記樹脂層は、ポリエーテルアミド樹脂を主成分とすることを特徴とする請求項1乃至請求項のいずれかに記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
  6. 前記金層の端面は、前記基板の面に対して鋭角をなすことを特徴とする請求項1乃至請求項のいずれかに記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
  7. 前記ニッケル層の前記一部をエッチングする際に、前記金層の鋭角な前記端面と前記金属材料層の端面とは、前記樹脂層の他の一部で被覆されていることを特徴とする請求項に記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
  8. 請求項1乃至請求項のいずれかに記載の製造方法を用いて設けた液体吐出ヘッド用基板の上に、液体を吐出する吐出口と連通する流路の壁を有し、前記液体吐出ヘッド用基板に接することで、前記流路を形成する樹脂からなる流路壁部材を設ける工程を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
  9. 前記樹脂層は、前記液体吐出ヘッド用基板と前記流路壁部材との密着を向上させることを特徴とする請求項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
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