JPH0911479A - インクジェットヘッドの製造方法 - Google Patents
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Abstract
吐出口形成を平面基板上で行うことで、安価で精密なイ
ンクジェットヘッドを作成するインクジェットヘッドの
製造方法を提供する。 【構成】 シリコン基板上に酸化シリコン膜あるいは窒
化シリコン膜を形成する工程と、前記シリコン基板の酸
化シリコン膜あるいは窒化シリコン膜上にインク吐出圧
発生素子を形成する工程と、前記シリコン基板の酸化シ
リコン膜あるいは窒化シリコン膜形成面の裏面にシリコ
ンの異方性エッチングによりインク供給口を形成するた
めのマスクとなる部材を形成する工程と、前記シリコン
基板のマスク形成面から異方性エッチングを施しインク
供給口となる部分のシリコンを除去する工程と、前記シ
リコン基板表面にインク吐出口部を形成する工程と、イ
ンク供給口部の酸化シリコン膜あるいは窒化シリコン膜
を除去する工程と、を少なくとも含むことを特徴とする
インクジェットヘッドの製造方法。
Description
用いる記録液小滴を発生するためのインクジェットヘッ
ドの製造方法に関する。特に本発明は、インク吐出圧発
生素子が形成された面に対して垂直方向に記録液小滴を
吐出する所謂サイドシューター型のインクジェットヘッ
ドの製造方法に関する。
にインクを吐出するタイプのインクジェットヘッド、所
謂サイドシューター型のインクジェットヘッドでは、特
開昭62-264957 、USP4789425号明細書に記載されるよう
にインク吐出圧発生素子が形成された基板に貫通口(イ
ンク供給口)を設けインク吐出圧発生素子が形成された
面の裏面よりインクを供給する方式が採られている。こ
れは、インク吐出圧発生素子形成面側(インク吐出口形
成面)からインク供給を行う場合、インク吐出口と紙や
布等の被記録媒体との間にインク供給部材が存在する構
成となるがインク供給部材を薄くすることが困難なた
め、インク吐出口と被記録媒体との距離を短くできず、
着弾位置精度の低下等で十分な画像品位が得られないた
めである。
クジェットヘッドの製造方法の一例について説明する。
クを吐出するために用いられるインク吐出圧発生素子が
形成されたシリコン基板を用意し、該シリコン基板上に
デュポン社より市販されている「RISTON」、「V
ACREL」などのドライフィルムをラミネートした後
パターニングしてインク流路壁を形成する。そして、イ
ンク流路壁上に吐出口を形成した電鋳プレートを積層、
接着してインクジェットヘッドを作製している。
出口部を形成するため、インク流路壁はドライフィルム
によって形成しているが、これはインク流路壁となる樹
脂層を溶媒に溶かして塗布する方法(スピンコート、ロ
ールコート等のソルベントコート)では樹脂が貫通口に
流れ込み均一に成膜出来ないためである。
のドライフィルムを用いる場合においても以下の欠点を
有している。 ・スピンコートなどの成膜技術に比べて成膜精度が悪
い。 ・前述した光重合性のドライフィルムは被覆性に乏しい
ため薄膜(ここで薄膜とは膜厚がおよそ15μm以下の
ものとする)を形成することが困難である。 ・一般的に高い解像度、アスペクト比を得ることが困難
である。 ・経時安定性(基板への転写性、パターニング特性)に
欠ける。 ・貫通口部へのドライフィルムの垂れ込みが生じる。
ンクジェット技術に対しても高精細な画像品位が望まれ
ている。ここで特開平4-10941 、10942 号公報に記載の
方法はこの目的を達成するものである。すなわち、前記
方法は、インク吐出圧発生素子(電気熱変換素子)に記
録情報に対応して駆動信号を印加し、電気熱変換素子に
インクの各沸騰を越える急激な温度上昇を与える熱エネ
ルギーを発生させ、インク内に気泡を形成、この気泡を
外気と連通させてインク液滴を吐出させるものである。
前記方法では、小インク液滴の体積、速度が温度の影響
を受けず安定化されるために高品位な画像を形成するこ
とが出来る。
ェットヘッドの製造方法として以下に示す方法を先に提
案した。
出圧発生素子が形成された基体上に溶解可能樹脂にてイ
ンク流路を形成する工程、溶解可能な樹脂層上に被覆樹
脂層を形成する工程、被覆樹脂層上にインク吐出口を光
照射あるいは酸素プラズマエッチングで形成する工程、
溶解可能な樹脂層を溶出する工程とを少なくとも含む方
法である。前記方法ではインク吐出圧発生素子とインク
吐出口の位置精度を極めて高い精度で実現出来るもので
あるが、溶解可能な樹脂層の形成にはドライフィルムを
使用せざるを得ないため前述のドライフィルムの問題点
が当てはまる。そして上述の方法ではインク吐出口は被
覆樹脂層に設けられるため、インク吐出精度の重要なフ
ァクターのひとつであるインク吐出圧発生素子とインク
吐出口との距離はドライフィルムで形成される溶解可能
な樹脂層の成膜精度に影響されることになる。
ンク供給口とインク吐出圧発生素子の距離精度はインク
ジェットヘッドの動作周波数特性に大きく影響するた
め、高い位置精度のインク供給口の形成技術が求められ
ている。
されたものであって、サイドシューター型インクジェッ
トヘッドの吐出口形成を平面基板上で行うことで、安価
で精密なインクジェットヘッドを作成するインクジェッ
トヘッドの製造方法を提供することを目的とするもので
ある。
板を用意する工程、前記シリコン基板上に酸化シリコン
膜あるいは窒化シリコン膜を形成する工程と、前記シリ
コン基板の酸化シリコン膜あるいは窒化シリコン膜上に
インク吐出圧発生素子を形成する工程と、前記シリコン
基板の酸化シリコン膜あるいは窒化シリコン膜形成面の
裏面にシリコンの異方性エッチングによりインク供給口
を形成するためのマスクとなる部材を形成する工程と、
前記シリコン基板のマスク形成面から異方性エッチング
を施しインク供給口となる部分のシリコンを除去する工
程と、前記シリコン基板表面にインク吐出口部を形成す
る工程と、インク供給口部の酸化シリコン膜あるいは窒
化シリコン膜を除去する工程と、を少なくとも含むこと
を特徴とするインクジェットヘッドの製造方法によって
達成される。
方法においては、インクジェットヘッドのインク吐出特
性に影響を及ぼす最も重要な因子のひとつである、吐出
エネルギー発生素子とオリフィス間の距離及び該素子と
オリフィス中心との位置精度の設定が極めて容易に実現
できる等の利点を有する。すなわち、本発明によれば、
インク吐出口の形成を平面基板上で行うことが可能なた
め成膜精度が高く、インク吐出口部を形成する部材の選
択範囲を広げることができる。
成の位置精度が高くインク吐出圧発生素子との距離を短
くできるため、動作周波数の高いインクジェットヘッド
が容易に作成することができる。
する。
を示すための模式図であり、図1から図10の夫々に
は、本発明の方法にかかわるインクジェットヘッドの構
成とその製作手順の一例が示されている。
示されるように結晶面方位が<100>もしくは<11
0>のシリコン基板1上(表面)に酸化シリコンもしく
は窒化シリコン層2を介して電気熱変換素子あるいは圧
電素子等のインク吐出圧発生素子3が所望の個数配置さ
れる。前記酸化シリコンもしくは窒化シリコン層は、後
述の異方性エッチングのストップ層として機能する。イ
ンク吐出エネルギー発生素子2によって記録液小滴を吐
出させるための吐出エネルギーがインク液に与えられ、
記録が行われる。ちなみに、たとえば、上記インク吐出
エネルギー発生素子3として電気熱変換素子が用いられ
るときには、この素子近傍の記録液を加熱することによ
り、吐出エネルギーを発生する。(この場合は、前記酸
化シリコンあるいは窒化シリコンは蓄熱層を兼ねても良
い。)また、たとえば、圧電素子が用いられるときは、
この素子の機械的振動によって、吐出エネルギーが発生
される。なお、これらの素子3には、これら素子を動作
させるための制御信号入力用電極(図示せず)が接続さ
れている。また、一般にはこれら吐出エネルギー発生素
子の耐用性の向上を目的として、保護層等の各種機能層
が設けられるが、もちろん本発明においてもこのような
機能層を設けることは一向にさしつかえない。
ングのストップ層である酸化シリコンもしくは窒化シリ
コン層2を用いることもできる。(図1参照)
ためのマスクとなる部材4を基板1のインク吐出圧発生
素子が形成されていない(裏面)面に設ける。該部材4
は、シリコンの異方性エッチングのマスクとなるもので
酸化シリコン膜、窒化シリコン膜などが好適に用いられ
る。ここで、部材4は必要に応じて基板の表面にも設置
することが可能で、前述の保護層などを兼用しても構わ
ない。
通常のフォトレジストをマスクとして用い、CF4 ガス
を用いたドライエッチングにより除去する。ここで両面
マスクアライナー等の手段を用いることでインク供給口
の位置は表面のインク吐出圧発生素子に対して正確に決
定される。(図3)
るシリコン異方性エッチング液に浸漬し、インク供給口
5を形成する。(図4)ここで、基板表面は必要に応じ
て保護される。また、シリコンの異方性エッチングは、
アルカリ性エッチング液に対する結晶方位の溶解度の差
を利用したもので、ほとんど溶解度を示さない<111
>面でエッチングは停止する。したがって、基板1の面
方位によってインク供給口の形状が異なる。面方位<1
00>を用いた場合には図4中のθ=54.7となり、
面方位<110>を用いた場合はθ=90°(基板表面
に対して垂直)となる。(図4は面方位<100>を用
いた場合を示す。)
アルカリ性エッチング液に耐性を持つためエッチングは
ここで停止する。(図5参照)したがってエッチングの
正確な終点検知は必要としない。
る。ここでは、前述の溶解可能な樹脂層を用いた製造方
法で説明する。ここで基板1はインク供給口上も酸化シ
リコンあるいは窒化シリコン膜2で被われていて平面と
なっておりスピンコートあるいはロールコート等の塗布
手段を用いることができることより・およそ50μm以
下の膜厚であれば、任意の膜厚で高精度に成膜できる。
・ドライフィルム化できない材料(被覆性に乏しい材
料)も使用できる。などの利点を有する。
ールコートで溶解可能な樹脂層を基板1上に成膜し、パ
ターニングしインク流路6を形成する。(図6)
する。該樹脂はインクジェットヘッドの構造材料となる
ため、高い機械的強度、耐熱性、基板に対する密着性お
よびインク液に対する耐性やインク液を変質せしめない
等の特性が要求される。
の付与により重合、硬化し基板に対して強く密着するも
のが好適に用いられる。
板1の裏面よりCF4 などでプラズマドライエッチング
することで、インク供給口5上の酸化シリコンあるいは
窒化シリコン膜2を除去し、インク供給口を貫通させ
る。ここで、酸化シリコンあるいは窒化シリコン膜2の
エッチング終点は正確に検知する必要はなく溶解可能な
樹脂層で形成されたインク流路パターン6中の任意の点
を持って終点とすれば良い。(図8参照)ここで、イン
ク供給口5上の酸化シリコンあるいは窒化シリコン膜2
の除去は後述のインク吐出口形成後に行っても構わない
が、インク流路パターン6を除去する前に行うことが好
ましい。
形成する。(図9参照)インク吐出口の形成方法として
は、被覆樹脂層7が感光性の場合は、フォトリソ技術に
よってパターニングしても構わない。更に硬化した樹脂
層を加工する場合は、エキシマレーザーによる加工、酸
素プラズマによるエッチング等の手法が挙げられる。
ターンを形成する溶解可能な樹脂層6を溶出する。この
ようにして形成したインク流路およびインク吐出口を形
成した基板に対して、インク供給のための部材およびイ
ンク吐出圧発生素子を駆動するための電気的接合を行っ
てインクジェットヘッドが形成できる。
順では異方性エッチング→ノズル工程→異方性エッチン
グストップ層の除去工程の場合で説明したが、ノズル工
程→異方性エッチング工程→異方性エッチングストップ
層除去工程の順番で行ってももちろん構わない。すなわ
ち、基板1の裏面にマスク部材4を形成し(図2もしく
は図3の状態)、次いでノズル部の形成工程を行った後
で、異方性エッチング工程を行う手順である。ただしこ
の場合には、多くのノズル形成部材が異方性エッチング
液に対して耐性を持たないためノズルが形成された基板
表面に異方性エッチング液が回り込まないように適宜保
護する必要がある。
図10に示す手順にしたがってインクジェットヘッドを
作成した。まず、結晶面方位<100>のシリコンウエ
ハー(厚さ500μm)に熱酸化により酸化シリコン膜
を両面に形成した。(厚さ2.75μm)次いで、吐出
エネルギー発生素子として電気熱変換素子およびこれら
素子を動作させるための制御信号入力用電極を酸化シリ
コン膜上に形成した。(以後、電気熱変換素子が形成さ
れた面を表面と記す。)
化により酸化シリコン膜が形成されているため新たにシ
リコンの異方性エッチングのためのマスク部材を設ける
必要はない。裏面の酸化シリコン膜は、インク供給口に
相当する部分のみCF4 ガスによるプラズマエッチング
により除去される。(図3)
化カリウム水溶液に110℃ 2時間浸漬しシリコンの
異方性エッチングを行った。ここでウエハー表面には、
ゴム系のレジストを保護膜として設置し、更に水酸化カ
リウム水溶液が接触しない構成とした。異方性エッチン
グはシリコンウエハーの表面の酸化シリコン膜で停止す
るため、エッチング時間、温度の正確な管理は必要とせ
ずインク供給口に相当するシリコンが完全に除去される
条件で行えば良い。(図5)
は、純水洗浄、表面のご無形レジストの除去を行い、ノ
ズル部の形成工程に入る。
A−900(東京応化工業(株)社製)をスピンコート
で形成し、キャノン製マスクアライナーMPA−600
にてパターニング、現像することでインク流路の型を形
成した。(図6)前記PMER A−900はノボラッ
ク型レジストであり、高い解像性、安定したパターニン
グ特性を有するものであるが、被膜性に乏しくドライフ
ィルムかは困難である。ここで本発明においては、シリ
コンウエハー表面は平面に保たれているためノボラック
系のレジストもスピンコートで正確な膜厚で形成するこ
とができる。
する被覆樹脂層を前記インク流路の型となる溶解可能な
樹脂層上にスピンコートで形成した。(図7)被覆樹脂
層は、インクジェットヘッドの構造材料となるため高い
機械的強度、基板に対する密着性、耐インク性等が要求
されエポキシ樹脂の熱あるいは光反応によるカチオン重
合硬化物が最適に用いられる。本実施例においては、エ
ポキシ樹脂としてEHPE−3150(ダイセル化学工
業(株)社製) 脂環式エポキシ樹脂)、熱硬化性のカ
チオン重合触媒として4、4’−ジ−t−ブチルジフェ
ニルヨードニウムヘキサフルオロアンチモネート/銅ト
リフラートからなる混合触媒を用いた。
ク供給口上の酸化シリコン膜を除去する。酸化シリコン
膜はシリコンウエハーの裏面よりCF4 ガスを用いたプ
ラズマエッチングにより除去できる。ここでインク供給
口上には後工程で除去する溶解可能な樹脂層が充填され
ているためプラズマエッチングは、この溶解可能な樹脂
中の任意の点で終了させれば良く、被覆樹脂層になんら
プラズマエッチングに影響を与えることがない。(図
8)また、酸化シリコン膜はふっ酸に浸漬することでウ
エットエッチングも可能である。
る。本実施例においては酸素プラズマエッチングにより
吐出口を形成する例を示す。
たシリコンウエハーの被覆樹脂層上にシリコン含有ポジ
型レジストFH−SP(富士ハント(株)社製)9を塗
布し、インク供給口と信号入力のための電気的接合部を
行う部分(図示せず)をパターニングする。(図11)
次に、酸素プラズマエッチングにより吐出口部および電
気的接合部(図示せず)をエッチングする、前記レジス
トFH−SPは耐酸素プラズマ膜として作用し、吐出口
部のみが溶解可能な樹脂層中の任意の点で終了させれば
良く、ヒーター面になんらダメージを与えることはな
い。(図12)
ングにより吐出口を形成したが、エキシマレーザーをマ
スクを介して照射することでアブレーションにより吐出
口を形成することも可能である。
膜を洗い出す。(図10)
電気的接続を行ってインクジェットヘッドが完成する。
ドを記録装置に装着し、純水/ジエチレングリコール/
イソロピルアルコール/酢酸リチウム/黒色染料フード
ブラック2=79.4/15/3/0.1/2.5から
なるインクを用いて記録を行ったところ安定な印字が可
能であり、得られた印字物は高品位なものであった。
ェット記録ヘッドは、ヒーター前方のすべてのインクを
吐出させる吐出方式のため、ノズル構造がばらつきなく
正確に作成できれば(特にノズル高さ=溶解可能な樹脂
層+被覆樹脂層)ノズル間の吐出量のばらつきは極めて
小さくなるはずである。そこで本実施例で作成したイン
クジェットヘッドを用いて吐出量のばらつきを測定し
た。吐出量のばらつきは被記録媒体(コート紙)上に1
ノズルずつ吐出、特定パターンで印字を行った場合の光
学密度(O.D)の平均値と標準偏差(サンプル数1
0)を求め、その結果を下記表1に示す。
たインクジェットヘッドは、ノズル間の吐出量ばらつき
がほとんどなく、高品位な画像を形成できる。
異方性エッチング→異方性エッチングストップ層除去工
程の手順でインクジェットヘッドを作成した。
エハー1(厚さ500μm)表面に吐出エネルギー発生
素子として電気熱変換素子3およびこれら素子を動作さ
せるための駆動回路を作成した。ついで異方性エッチン
グのストップ層として窒化シリコン膜2をシリコンウエ
ハー表面に形成した(図1参照)なお、前記窒化シリコ
ン膜2は、電気熱変換素子の保護膜としても機能する。
継いで、ウエハー裏面に異方性エッチングのマスク部材
4として窒化シリコン膜を形成した。(図2)
に入る。実施例1と同様に溶解可能な樹脂層としてPM
ER A−900を用いインク流路型を形成し、更に被
覆樹脂層を形成した。被覆樹脂層は前記実施例1と同様
の組成物を用いた。ここで前記組成物は、4、4’−ジ
−t−ブチルジフェニルヨードニウムヘキサフルオロア
ンチモネート/銅トリフラートからなる混合触媒は感光
性を有しているためフォトリソグラフィーによりインク
吐出口を形成した。すなわち、被覆樹脂層形成後にマス
ク12を介してキヤノン製マスクアライナーPLA52
0(コールドミラー250)で露光し(図3)、現像す
ることでインク吐出口を形成した(図4)。
トラメチルアンモニウムハイドロオキサイド)水溶液に
80℃ 15時間浸漬しシリコンの異方性エッチングを
行った。
面には、TMAH水溶液が接触しない構成とした。異方
性エッチング終了後は、実施例1と同様にしてインク供
給口上の窒化シリコン膜および溶解可能な樹脂層を除去
することでインクジェットヘッドが完成する。
信号入力のための電気的接続を行ったところ、良好な印
字が可能であった。
64957号明細書記載の方法に本発明を利用した場合
を示す。
供給口の形成までは実施例1と同様に作成する。(図
5)
ピンコートで形成、光照射によりパターニング、現像を
行う。(図13)
面が平面に保たれているため、スピンコートで成膜可能
なために以下の利点を有する。 ・任意の膜厚に構成度に成膜でき(ドライフィルムで
は、困難なおよそ15μm以下も可能)、設計自由度が
広がる。 ・ドライフィルムを用いた場合のインク供給口への垂れ
込みが起こらないためにノズル部にインク供給口を近ず
けることが可能となる。(インクジェットヘッドの動作
周波数の向上) ・ドライフィルムか困難な材料(被覆製に乏しい材料)
も使用できる。
て下記表2に示す組成物を用いた。
ものの被膜性の乏しく、スピンコートによって初めてシ
リコンウエハー上に膜厚をコントロールしつつ成膜可能
となる。
上の酸化シリコンを除去する。(図14)次いで、ニッ
ケルの電鋳により作成したインク吐出口8を有する部材
11を位置合わせして、ノズル構成材料10上に熱圧着
することでインクジェットヘッドが作成できる(図1
5)。最後に実施例1と同様にインク供給部材、信号入
力のための電気的接続を行ってインクジェットヘッドと
し、印字評価を行ったところ、良好な印字が可能であっ
た。
ンク吐出口の形成を平面基板上で行うことが可能なため
成膜精度が高く、インク吐出口部を形成する部材の選択
範囲を広げることができるという効果を有する。また、
インクジェットヘッドのインク吐出特性に影響を及ぼす
最も重要な因子のひとつである、吐出エネルギー発生素
子とオリフィス間の距離及び該素子とオリフィス中心と
の位置精度の設定が極めて容易に実現できるとともに、
インク供給口形成の位置精度が高くインク吐出圧発生素
子との距離を短くできるため、動作周波数の高いインク
ジェットヘッドが容易に作成することができるという効
果をも有するものである。
口の形成工程を示す模式図
口の形成工程を示す模式図
口の形成工程を示す模式図
口の形成工程を示す模式図
口の形成工程を示す模式図
り形成する工程の模式図
り形成する工程の模式図
ク吐出口を形成する工程の模式図
ク吐出口を形成する工程の模式図
ク吐出口を形成する工程の模式図
Claims (10)
- 【請求項1】 シリコン基板を用意する工程、 前記シリコン基板上に酸化シリコン膜あるいは窒化シリ
コン膜を形成する工程と、 前記シリコン基板の酸化シリコン膜あるいは窒化シリコ
ン膜上にインク吐出圧発生素子を形成する工程と、 前記シリコン基板の酸化シリコン膜あるいは窒化シリコ
ン膜形成面の裏面にシリコンの異方性エッチングにより
インク供給口を形成するためのマスクとなる部材を形成
する工程と、 前記シリコン基板のマスク形成面から異方性エッチング
を施しインク供給口となる部分のシリコンを除去する工
程と、 前記シリコン基板表面にインク吐出口部を形成する工程
と、 インク供給口部の酸化シリコン膜あるいは窒化シリコン
膜を除去する工程と、を少なくとも含むことを特徴とす
るインクジェットヘッドの製造方法。 - 【請求項2】 前記シリコンの異方性エッチング工程後
に前記インク吐出口部を形成する工程を行うことを特徴
とする請求項1のインクジェットヘッドの製造方法。 - 【請求項3】 前記インク吐出口部を形成する工程後に
前記シリコンの異方性エッチング工程を行うことを特徴
とする請求項1のインクジェットヘッドの製造方法。 - 【請求項4】 前記シリコン基板の結晶面方位が<10
0>面であることを特徴とする請求項1〜3のインクジ
ェットヘッドの製造方法。 - 【請求項5】 前記シリコン基板の結晶面方位が<11
0>面であることを特徴とする請求項1〜3のインクジ
ェットヘッドの製造方法。 - 【請求項6】 前記異方性エッチングのマスクとなる部
材が酸化シリコン膜あるいは窒化シリコン膜である請求
項1〜5に記載のインクジェットヘッドの製造方法。 - 【請求項7】 前記インク吐出圧発生素子が形成された
表面にインク吐出口部を形成する工程が、 溶解可能な樹脂にてインク流路を形成する工程、 溶解可能な樹脂相乗に被覆樹脂層を形成する工程、 被覆樹脂層上にインク吐出口を形成する工程、 溶解可能な樹脂層を溶出する工程とを少なくとも含む請
求項1〜6のインクジェットヘッドの製造方法。 - 【請求項8】 前記溶解可能な樹脂層がスピンコートあ
るいはロールコートでシリコン基板上に形成される請求
項7のインクジェットヘッドの製造方法。 - 【請求項9】 前記インク吐出圧発生素子が形成された
表面にインク吐出口部を形成する工程が、 光硬化可能な樹脂にてインク流路を形成する工程、 インク吐出口が形成された部材を前記光硬化可能な樹脂
で形成されたインク流路上に積層する工程、 とを少なくとも含む請求項1〜6のインクジェットヘッ
ドの製造方法。 - 【請求項10】 前記溶解可能な樹脂層がスピンコート
あるいはロールコートでシリコン基板上に形成される請
求項9のインクジェットヘッドの製造方法。
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