JP6456158B2 - 記録素子基板、およびその製造方法 - Google Patents

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。

液体吐出ヘッドとして、液体に熱エネルギーを与えて液体を吐出するものが知られている。このような液体吐出ヘッドは、主として記録素子基板と、電気配線基板と、支持部材と、を備える。記録素子基板は、基板に設けられたエネルギー発生素子と、エネルギー発生素子上に圧力室を形成する部材と、基板を貫通する穴からなり当該圧力室に連通する供給路と、を含む。前記部材には吐出口が形成されていることがあり、この場合吐出口形成部材となる。圧力室は当該吐出口に連通している。基板には端子が形成されており、当該端子を介してエネルギー発生素子と電気配線基板とが電気的に接続されている。電気配線基板に設けられた端子と液体吐出装置のキャリッジに設けられたコンタクトピンとを電気的に接続することで、液体吐出装置による液体の吐出が可能となる。
上述の記録素子基板において、吐出口の数を増やすと、基板が長尺化し吐出口形成部材の体積が増す。その結果、基板にかかる応力が増して基板が変形し、吐出口形成部材が基板から剥離したり、吐出口形成部材が変形したりする虞がある。吐出口形成部材の剥離は、記録素子基板の配線への液体の浸入を引き起こすことがある。吐出口形成部材の変形は、液滴の着弾位置のずれを招く。
このような課題を解決する手段として、供給路の内部に補強部としての梁を設けた記録素子基板が提案されている（特許文献１）。

特開２００６−３５８５４号公報

特許文献１に開示される記録素子基板では、梁は供給路の互いに対向する内側面の間を延びている。したがって、梁は供給路の隣り合う内側面で形成される隅部から比較的離れており、当該隅部の剛性を十分に高めることができない。本発明者らの検討によれば、応力は隅部に集中しやすく、特許文献１に記載される記録素子基板では熱負荷に起因して供給路の隅部に生じる割れやクラックを十分に抑制できない場合がある。
本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、記録素子基板の強度をより高めることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の記録素子基板は、基板と、基板を貫通し液体を供給する供給路と、供給路の内部に設けられた補強部と、を備え、供給路は、隅部を成す隣り合う内側面を含み、補強部は、隣り合う内側面の間に形成され、基板の厚み方向において隅部に近い側の端部に配置されている。
また、本発明の記録素子基板の製造方法は、基板の厚み方向における第１の面側の端部に、エッチングレートが上げられた高レート部と、高レート部に隣接し高レート部よりもエッチングレートが低い低レート部が設けられるように、基板のエッチングレートを部分的に上げることと、基板の第１の面と反対側の第２の面側からにエッチング処理を施し、高レート部を除去して隅部を含む供給路を基板に形成することと、低レート部が除去される前にエッチング処理を停止し、該低レート部を、隅部を成す隣り合う内側面の間に形成された補強部として残すことと、を含む。

本発明によれば、強度のより高い記録素子基板を提供することができる。

本発明の実施形態に係る記録素子基板の部分断面斜視図。 本発明の実施形態に係る記録素子基板の上面図および断面図。 本発明の他の実施形態に係る記録素子基板の上面図および断面図。 関連する記録素子基板の上面図および断面図。 第１の実施形態に係る製造方法を説明するための図。 第２の実施形態に係る製造方法を説明するための図。

本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施形態に係る記録素子基板の部分断面斜視図である。図１に示すように、記録素子基板１は、シリコン等で形成された基板２と、吐出口形成部材３とを備える。基板２には、エネルギー発生素子４が形成されている。エネルギー発生素子４は、アルミニウム等からなる電気配線（不図示）を介して、基板２に形成された端子５と電気的に接続されている。端子５の表面には例えば金からなるめっき層（Ａｕ層）が形成されている。
記録素子基板１は、端子５を介して不図示の電気配線基板と電気的に接続される。エネルギー発生素子４は、電気配線基板から電気信号を受けて、インクといった液体を吐出させるための吐出エネルギーを発生する。
吐出口形成部材３は、液体を吐出するための吐出口６と、エネルギー発生素子４上を通って吐出口６に連通する圧力室７を形成している。基板２には供給路８が形成されており、液体は供給路８から圧力室７へ供給される。供給路８は、基板２を貫通する長穴形状の貫通穴からなる。
図２（ａ）は本発明に係る記録素子基板１の上面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示されるＡ−Ａ’面で記録素子基板１を切断したときの断面図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）に示されるＢ−Ｂ’面で記録素子基板１を切断したときの断面図である。図２（ａ）ないし図２（ｃ）に示すように、供給路８は、隅部９を形成する隣り合う内側面を含む。そして、補強部１０が当該隣り合う内側面の間に形成されている。
図２に示される例では、補強部１０は、吐出口形成部材３に接しているが、本発明はこの形態に限られない。図３（ａ）は本発明の他の実施形態に係る記録素子基板１の上面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示されるＣ−Ｃ’面で記録素子基板１を切断したときの断面図であり、図３（ｃ）は図３（ａ）に示されるＤ−Ｄ’面で記録素子基板１を切断したときの断面図である。図３（ａ）ないし図３（ｃ）に示すように、補強部１０は、吐出口形成部材３に接触していない。補強部１０を吐出口形成部材３から離して接触させないことで、供給路８から圧力室７へ液体が流れやすくなり、液体のリフィル性がより向上する。

図４（ａ）は関連する記録素子基板の上面図である。図４（ｂ）および図４（ｃ）は、図４（ａ）に示されるＥ−Ｅ’面で記録素子基板を切断したときの断面図であり、図４（ｃ）は、図４（ａ）に示されるＦ−Ｆ’面で記録素子基板を切断したときの断面図である。なお、図１ないし図３に示される要素と同一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
図４（ａ）ないし図４（ｃ）に示すように、基板２には長溝状の貫通穴からなる供給路８が形成されており、液体は供給路８から圧力室７を通ってエネルギー発生素子４近傍に供給される。記録素子基板が急激な環境変化、具体的には温度や湿度が急激に変化する環境下に晒された場合、基板２や吐出口形成部材３が膨張または収縮する。このとき、基板２の膨張率と吐出口形成部材３の膨張率との差によって、基板２、特に供給路８の隅部９に応力が集中し、隅部９に割れやクラックが発生することがある。
本実施形態（図２および図３参照）では、補強部１０が隅部９を形成する隣り合う内側面の間に形成されているので、補強部１０を隅部９に近づけることができる。したがって、隅部９の剛性を高めることができ、隅部９における割れやクラックの発生を抑制することができる。

再び図２を参照する。補強部高さＴ（供給路８が貫通する第１の方向Ｄ１における補強部１０の寸法をいう）は、１００μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましい。補強部高さＴが１００μｍ未満の場合には、補強部１０の大きさが十分でなく、補強部１０が隅部９の補強構造として機能しない虞がある。補強部高さＴが３００μｍよりも高い場合には、補強部１０が液体の流れを阻害し、リフィル性を確保できない可能性がある。補強部高さＴを１００μｍ以上３００μｍ以下とすることによって、リフィル性を維持しつつ隅部９を十分に補強することが可能になる。
補強部幅Ｗ（第１の方向Ｄ１と垂直に交わり隣り合う内側面の一方に沿う第２の方向Ｄ２における寸法をいう）は、１００μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。補強部幅Ｗが１００μｍ未満の場合には、補強部１０の大きさが十分でなく、補強部１０が隅部９の補強構造として機能しない虞がある。補強部幅Ｗが５００μｍよりも広い場合には、補強部１０が液体の流れを阻害し、リフィル性を確保できない可能性がある。補強部幅Ｗを１００μｍ以上３００μｍ以下とすることによって、リフィル性を維持しつつ隅部９を十分に補強することができる。
補強部長さＬ（第１の方向Ｄ１と垂直に交わり隣り合う内側面の上記一方と異なる他方に沿う第３の方向Ｄ３における寸法をいう）は、１００μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。補強部長さＬが１００μｍ未満の場合には、補強部１０の大きさが十分でなく、補強部１０が隅部９の補強構造として機能しない虞がある。補強部長さＬが５００μｍよりも長い場合には、補強部１０が液体の流れを阻害し、リフィル性を確保できない可能性がある。補強部長さＬを１００μｍ以上３００μｍ以下とすることによって、リフィル性を維持しつつ隅部９を十分に補強することができる。補強部幅Ｗおよび補強部長さＬはいずれも１００μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。
供給路８の長手方向における補強部１０と圧力室７との間の距離Ｘは１５０μｍ以上であることが好ましい。言い換えれば、補強部１０は、圧力室７と供給路８との間の連通部から供給路８の長手方向（第３の方向Ｄ３）に１５０μｍ以上離れていることが好ましい。このような構成によって、補強部１０が液体の流れを阻害しにくくなり、リフィル性が向上する。
なお、図３に示される形態においても、補強部高さは１００μｍ以上３００μｍ以下であり、補強部幅が１００μｍ以上５００μｍ以下であり、補強部長さが１００μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。また、補強部１０は、圧力室７と供給路８との間の連通部から供給路８の長手方向に１５０μｍ以上離れていることが好ましい。

次に、記録素子基板１の製造方法について説明する。
（第１の実施形態）
図５は、第１の実施形態に係る製造方法を説明するための断面図である。なお、図５（ａ）ないし図５（ｅ）の各々において、左図は記録素子基板１（図２（ａ）参照）の背面図に対応している。また、図５（ａ）ないし図５（ｅ）の各々において、中央図は左図におけるＧ−Ｇ’面で切断したときの断面図（図２（ｂ）に対応する図）であり、右図は左図におけるＨ−Ｈ’面で切断したときの断面図（図２（ｃ）に対応する図）である。
まず、吐出口形成部材３を基板２上に以下の手順で形成する。表裏面の結晶方位が（１００）である単結晶シリコンのウエハを基板２として用意し、基板２の一方の面（以下、当該一方の面を「裏面」と称する）に開口を有するマスク層１１をフォトリソ技術にて形成する。マスク層１１によって、基板２の裏面が、マスク層１１で覆われた被覆部と、マスク層１１で覆われていない露出部と、に分けられる。マスク層１１の開口には隅部が形成されている。
その後、基板２の他方の面（以下、当該他方の面を「表面」と称する）に、溶解可能な樹脂（例えばポジ型感光性樹脂）を用いて圧力室７（図２参照）を形成するための型材１２を形成する。型材１２は、スピンコート法により樹脂を基板２上に塗布した後、露光処理及び現像処理を施すことによって所望の形状で形成することができる。
次に、吐出口形成部材３を基板２上に形成する。吐出口形成部材３としては、エポキシ樹脂と光カチオン重合開始剤を溶剤に溶解して作成されたアルカリ現像可能な感光性樹脂を用いることができる。例えばネガ型感光性樹脂が挙げられる。当該感光性樹脂をスピンコート法等により基板２および型材１２の上に塗布し、フォトマスクを介して感光性樹脂を部分的に露光する。感光性樹脂のうち露光されなかった部分を現像液で除去することにより、吐出口６を有する吐出口形成部材３が形成される。

続いて、基板２に供給路８および補強部１０を形成する。図５（ａ）に示すように、マスク層１１の開口から基板２の裏面にレーザーを照射して未貫通の第１および第２の先導孔１３，１４を基板２に形成する。このとき、第２の先導孔１４と第１の先導孔１３との間の間隔Ｇ１を、隣り合う第１の先導孔１３どうしの間の間隔Ｇ２よりも広くする。
その後、図５（ｂ）に示すように、マスク層１１をエッチングマスクとして、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）や水酸化カリウム（ＫＯＨ）等によるウェットエッチングを基板２の裏面側から施す。第１および第２の先導孔１３，１４の内部にエッチング液が浸入し、第１および第２の先導孔１３，１４の内側面からもエッチングが進行する。その結果、第１のおよび第２の先導孔１３，１４の径が広がり、第１および第２の穴１５，１６が形成される。
エッチングが進行すると、隣り合う第１の穴１５どうしが繋がり、結晶方位（１００）の面が形成され、基板２の表面に向かってエッチングが進行する（図５（ｃ）参照）。第２の先導孔１４と第１の先導孔１３との間の間隔Ｇ１が隣り合う第１の先導孔１３どうしの間の間隔Ｇ２よりも広いので、第２の穴１６と第１の穴１５とは依然繋がっていない。そのため、第２の穴１６は、主に結晶方位（１１１）の面によって形成される。
結晶方位（１００）の面におけるエッチングレートは、結晶方位（１１１）の面におけるエッチングレートよりも高いことが知られている。すなわち、本実施形態では、複数の第１の先導孔１３を所定の間隔Ｇ２で基板２に形成し、第２の先導孔１４を第１の先導孔１３から間隔Ｇ１離して基板２に形成することで基板２のエッチングレートを部分的に上げている。エッチングレートが上げられた高レート部１７は、複数の第１の先導孔１３の先端と基板２の表面との間の部分に対応する。なお、第２の先導孔１４と基板２の表面との間に位置し高レート部１７に隣接する部分のエッチングレートは上がらず、当該部分を低レート部１８とも称する。
さらにエッチングが進行すると第１の穴１５と第２の穴１６とが繋がり、１つの穴１９が形成される。低レート部１８のエッチングレートは高レート部１７のエッチングレートよりも低いので、低レート部１８の除去量は高レート部１７の除去量よりも少ない。したがって、低レート部１８は高レート部１７よりも厚い（図５（ｄ）参照）。
さらにまたエッチングが進行すると、高レート部１７が十分に除去され、隅部９を含む供給路８が形成される（図５（ｅ）参照）。低レート部１８が除去される前にエッチング処理を停止することによって、低レート部１８は、隅部９を成す隣り合う内側面の間に形成された補強部１０として残る（図５（ｅ）参照）。
このように、本実施形態では、基板２のエッチングレートを部分的に上げることによって、基板２に供給路８および補強部１０を形成することができる。供給路８および補強部１０の形成後、型材１２を供給路８や吐出口６から溶出して圧力室７（図２参照）を形成することによって、記録素子基板１（図１参照）が完成する。

再び図１を参照する。完成した記録素子基板１は、電気配線基板（不図示）と電気的に接続される。記録素子基板１と電気配線基板の接続は、例えば、端子５（例えばＡｕ層）と電気配線基板の接続端子とを熱圧着させることで実現される。ワイヤーボンディング法を用いて、端子５と電気配線基板の接続端子とを電気的に接続してもよい。ワイヤーボンディング法は、２つの異なる端子でＡｕワイヤー等を挟み、熱、超音波、圧力を加えて当該２つの異なる端子を接合する方法である。
本実施形態を用いて製造された記録素子基板１では、補強部１０が隅部９を形成する隣り合う内側面の間を延びているので、補強部１０が隅部９に比較的近いところに位置している。したがって、隅部９の剛性を高めることができ、基板２の膨張率と吐出口形成部材３の膨張率との差に起因して隅部９に生じる割れやクラックを抑制することができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態は、補強部１０が吐出口形成部材３に接した記録素子基板１（図２参照）を製造する方法を提供する。第２の実施形態では、補強部１０が吐出口形成部材３から離れている記録素子基板１（図３参照）を製造する方法を提供する。以下、第２の実施形態に係る製造方法について、図６を用いて説明する。なお、吐出口形成部材３を基板２上に形成する手順は、第１の実施形態と同じであるため、ここではその手順を省略する。
図６は、第２の実施形態に係る製造方法を説明するための断面図である。なお、図６（ａ）ないし図６（ｅ）の各々において、左図は記録素子基板１（図３（ａ）参照）の背面図に対応している。また、図６（ａ）ないし図６（ｅ）の各々において、中央図は左図におけるＧ−Ｇ’面で切断したときの断面図（図３（ｂ）に対応する図）であり、右図は左図におけるＨ−Ｈ’面で切断したときの断面図（図３（ｃ）に対応する図）である。

まず、図６（ａ）に示すように、基板２にステルスレーザーを照射して基板２の内部に改質層２０を形成する。また、マスク層１１の開口から基板２の裏面にレーザーを照射して未貫通の第１および第２の先導孔１３，１４を基板２に形成する。このとき、第２の先導孔１４と第１の先導孔１３との間の間隔Ｇ１は、隣り合う第１の先導孔１３どうしの間の間隔Ｇ２よりも広い方が好ましいが、間隔Ｇ１は間隔Ｇ２以下でもよい。
改質層２０は、改質されていないシリコンウエハに比べてエッチングレートが速い層である。ステルスレーザーによる改質層２０の形成は、シリコンウエハに対して透過性を有するレーザーを、対物レンズを用いてシリコンウエハの内部で焦点を結ぶように集光することによって実現できる。
その後、図６（ｂ）に示すように、マスク層１１をエッチングマスクとして、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）や水酸化カリウム（ＫＯＨ）等によるウェットエッチングを基板２の裏面側から施す。第１および第２の先導孔１３，１４の内部にエッチング液が浸入し、第１および第２の先導孔１３，１４の内側面からもエッチングが進行する。その結果、第１および第２の先導孔１３，１４の径が広がり、第１および第２の穴１５，１６が形成される。

エッチングが進行すると、隣り合う第１の穴１５どうし、および隣り合う第１および第２の穴１５，１６が繋がり、１つの穴１９が形成される。穴１９は、結晶方位＜１００＞の面で形成され、基板２の表面に向かってエッチングが進行する（図６（ｃ）参照）。
さらにエッチングが進行すると、穴１９の底が改質層２０に達する。改質層２０におけるエッチングレートは改質されていないシリコンのエッチングレートに比べて速いので、低レート部１８を残しつつ改質層２０が除去される。
エッチングの進行によって、改質層２０が十分に除去され、穴１９は基板２を貫通する（図６（ｄ）参照）。このとき、低レート部１８では、基板２の表面側および裏面側からエッチングが進行する。さらにまたエッチングが進行すると、低レート部１８は、吐出口形成部材３から離れたところに補強部１０として残る（図６（ｅ））。補強部１０よりも吐出口形成部材３側の基板２は隅部９を形成するように除去され、供給路８が形成される。
このように、本実施形態では、基板２のエッチングレートを部分的に上げることによって、基板２に供給路８および補強部１０を形成することができる。その後、型材１２を供給路８や吐出口６から溶出して圧力室７（図２参照）を形成することによって、記録素子基板１（図１参照）が完成する。

本実施形態を用いて製造された記録素子基板１では、補強部１０が隅部９を形成する隣り合う内側面の間を延びているので、補強部１０が隅部９に比較的近いところに位置している。したがって、隅部９の剛性を高めることができ、基板２の膨張率と吐出口形成部材３の膨張率との差に起因して隅部９に生じる割れやクラックを抑制することができる。
また、補強部１０は、吐出口形成部材３から離れたところに位置しているので、供給路８から圧力室７へ液体が流れやすくなり、液体のリフィル性がより向上する。

１ 記録素子基板
２ 基板
３ 吐出口形成部材
７ 圧力室
８ 供給路
９ 隅部
１０ 補強部

Claims (14)

1. 基板と、
   前記基板を貫通し液体を供給する供給路と、
   前記供給路の内部に設けられた補強部と、を備え、
   前記供給路は、隅部を成す隣り合う内側面を含み、
   前記補強部は、前記隣り合う内側面の間に形成され、前記基板の厚み方向において前記隅部に近い側の端部に配置されていることを特徴とする、記録素子基板。
2. 前記隅部は、連続して隣り合う２つの平坦な前記内側面によって形成され、
   前記補強部は、前記２つの平坦な内側面の間で該内側面から前記供給路の内部に突出するように形成されている、請求項１に記載の記録素子基板。
3. 前記基板に設けられ、前記供給路に連通し液体を吐出する吐出口が形成された吐出口形成部材を備え、
   前記補強部は、前記基板の前記吐出口形成部材が設けられた側の端部に配置されている、請求項１または２に記載の記録素子基板。
4. 前記補強部は前記吐出口形成部材に接している、請求項３に記載の記録素子基板。
5. 前記補強部は前記吐出口形成部材に接触していない、請求項３に記載の記録素子基板。
6. 前記供給路から供給された液体に吐出エネルギーを加える圧力室を備え、
   前記供給路は長穴形状を有しており、
   前記補強部は、前記圧力室と前記供給路との間の連通部から前記供給路の長手方向に１５０μｍ以上離れている、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の記録素子基板。
7. 前記補強部は、前記供給路が貫通する方向における寸法が１００μｍ以上３００μｍ以下である、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の記録素子基板。
8. 前記補強部は、前記供給路が貫通する方向と垂直に交わりかつ前記隣り合う内側面の一方に沿う方向における寸法が１００μｍ以上５００μｍ以下である、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の記録素子基板。
9. 前記補強部は、前記供給路が貫通する方向と垂直に交わりかつ前記隣り合う内側面の前記一方と異なる他方に沿う方向における寸法が１００μｍ以上５００μｍ以下である、請求項８に記載の記録素子基板。
10. 基板の厚み方向における第１の面側の端部に、エッチングレートが上げられた高レート部と、前記高レート部に隣接し該高レート部よりもエッチングレートが低い低レート部が設けられるように、前記基板のエッチングレートを部分的に上げることと、
    前記基板の前記第１の面と反対側の第２の面側からエッチング処理を施し、前記高レート部を除去して隅部を含む供給路を前記基板に形成することと、
    前記低レート部が除去される前にエッチング処理を停止し、該低レート部を、前記隅部を成す隣り合う内側面の間に形成された補強部として残すことと、を含む、記録素子基板の製造方法。
11. 複数の第１の先導孔を所定の間隔で前記基板に形成し、未貫通の第２の先導孔を前記複数の第１の先導孔から前記所定の間隔よりも離して前記基板に形成して、前記基板のエッチングレートを部分的に上げる、請求項１０に記載の記録素子基板の製造方法。
12. 前記基板の内部を部分的に改質して、前記基板のエッチングレートを部分的に上げる、請求項１０または１１に記載の記録素子基板の製造方法。
13. 前記基板にステルスレーザーを照射して前記基板の内部を部分的に改質する、請求項１２に記載の記録素子基板の製造方法。
14. 前記基板の前記第１の面と前記第２の面の結晶方位がそれぞれ（１００）面である、請求項１０ないし１３のいずれか１項に記載の記録素子基板の製造方法。

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