JP4850637B2 - 液体吐出ヘッドの製造方法および液体吐出ヘッド - Google Patents
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Description
本発明は、液体吐出ヘッドの製造方法および液体吐出ヘッドに関し、例えば、インクジェット記録ヘッドヘッドの製造方法およびインクジェット記録ヘッドに関するものである。
液体吐出ヘッド、例えばインクジェット記録装置に用いられるインクジェット記録ヘッドとしては、種々の方式によりインク滴を形成し、吐出するものが知られている。
このインクジェット記録ヘッド（以下、単に記録ヘッドともいう）の一例として、特許文献１には、熱エネルギを液体に作用させて、液滴吐出の原動力を得るインクジェット記録方法が開示されている。この記録方法は、熱エネルギの作用を受けた液体を加熱して気泡を発生させる。そして、この気泡発生に基づく作用力により、記録ヘッド部先端のオリフィスから液滴が形成され、この液滴が記録媒体に付着して画像が形成される。この形態の記録ヘッドは、高密度のマルチノズル化を比較的容易に実現でき、高解像度、高画質で、また高速な記録を可能とするものである。
かかる記録ヘッドは、一般的に、液体を吐出するための吐出口、これに連通する液路、および液路に対応して配された発熱部を具える。発熱部は、通電に応じて熱エネルギを発生する手段であり、発熱抵抗層により形成され、その上部に具える上部保護層により、インク等から保護される。また、下部には、発熱部が発した熱を蓄熱する下部層が設けられる。インクが吐出される。
一般的に、発熱部は、シリコン基板上に蓄熱層を形成し、発熱抵抗層と電極層を形成し、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングを行い、その上に上部保護層を形成することにより作製される。
しかしながら、発熱部は一般に、発熱抵抗層上に電極層を配し、電極層を部分的に除去し、その部位に電流が流れるようにすることで形成される。こうして形成された発熱部は上部層である保護層によりインクから保護されるが、電極層の除去により生じた段差部での保護層の被覆性が悪い場合、ここからインクが進入し、電極が腐食し、甚だしい場合には電極が断線することもある。
また、特許文献２に開示されるように、ノズルを形成するための壁部分等を有したプレート（ノズル形成部材）を、発熱抵抗体等が形成されている基板（ヒータ基板）に接着材を介して接着することで、インクジェット記録ヘッドが構成される。また、特許文献３に開示されるように、ヒータ基板上に有機材料でなるノズル形成部材を積層することで、インクジェット記録ヘッドが構成されるものがある。
しかしながら、上述した記録ヘッドにおいては、ヘッド構成部材に剥がれが生じることがある。これは、上記特許文献２および３の構成では、ノズル形成部材とヒータ基板とが異種の材料からなるため、長期にわたるインクのアタックにより、両者の間からインクが進入することが一因である。これは、ヒータ基板が一般的に無機の材料により形成される一方、ノズル形成部材が一般的に有機物の材料により形成されており、両者間の接着性が低いことに基づく。
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、電極の腐食を抑制することができる液体吐出ヘッドの製造方法および液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。さらに、ヘッド構成部材に剥がれが生じることを抑制することができる液体吐出ヘッドの製造方法および液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。
そのために本発明では、液体の吐出口と、該吐出口に連通する液路と、該液路に対応して配置される発熱部とを有し、該発熱部の発熱により前記液体を発泡させて前記液体を吐出する液体吐出ヘッドの製造方法において、シリコン基板の前記液路の形成予定部位に多孔質のシリコン領域を形成する工程と、前記多孔質シリコン領域上に、前記発熱部を保護するための保護層と、前記発熱部を形成するための発熱抵抗層と、前記発熱部を発熱させる電力を供給する電極層と、蓄熱層と、を積層して形成する工程と、前記蓄熱層上に、予め前記液路に液体を供給するための供給口が設けられた支持基板を貼り付ける工程と、前記多孔質シリコン領域を形成した前記シリコン基板を薄化する工程と、前記薄化したシリコン基板に、前記液路と連通するよう前記インク吐出口を形成する工程と、前記多孔質シリコン領域を除去する工程と、を有することを特徴とする。
また本発明では、液体の吐出口と、該吐出口に連通する液路と、該液路に対応して配置される発熱部とを有し、該発熱部の発熱により前記液体を発泡させて前記液体を吐出する液体吐出ヘッドの製造方法において、シリコン基板の前記液路の形成予定部位に多孔質のシリコン領域を形成する工程と、前記多孔質シリコン領域上に、前記発熱部を保護するための保護層と、前記発熱部を形成するための発熱抵抗層と、前記発熱部を発熱させる電力を供給する電極層と、蓄熱層と、を積層して形成する工程と、前記蓄熱層上に、支持基板を貼り付ける工程と、前記多孔質シリコン領域を形成した前記シリコン基板を薄化する工程と、前記薄化したシリコン基板に、前記液路と連通するよう前記インク吐出口を形成する工程と、前記多孔質シリコン領域を除去する工程と、前記支持基板に、前記液路に液体を供給するための供給口を形成する工程と、を有することを特徴とする。
さらに、前記支持基板は、シリコンで形成することができる。
さらに、前記支持基板は、シリコンで形成することができる。
以上の構成によれば、発熱抵抗層と電極層の接続部に段差が無くなる。これにより、インクの浸透による電極の腐食を抑制することができる。また、支持基板をもシリコンで形成すれば、インクのアタックによる基板どうしの剥がれを抑制することができる。
以下に図面を参照して本発明における実施形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係るインクジェット記録ヘッドを示す斜視図である。インクジェット記録ヘッド１のシリコン基板６の上には、複数の吐出口２と、液路３と、発熱部（ヒータ）４と、インク供給口５が設けられている。インクは、インク供給口５から各液路３に供給され、液路３に設けられたヒータ４が発生する熱エネルギの作用に応じて沸騰することにより、インクは吐出口２から吐出される。
図１は、本実施形態に係るインクジェット記録ヘッドを示す斜視図である。インクジェット記録ヘッド１のシリコン基板６の上には、複数の吐出口２と、液路３と、発熱部（ヒータ）４と、インク供給口５が設けられている。インクは、インク供給口５から各液路３に供給され、液路３に設けられたヒータ４が発生する熱エネルギの作用に応じて沸騰することにより、インクは吐出口２から吐出される。
図２（ａ）から図２（ｆ）は、本発明の第１の実施形態における、インクジェット記録ヘッドの製造方法を示す図であり、シリコン基板に吐出口等を形成する順次の工程を示している。
まず、シリコン基板（例えば厚さ６２５μｍ）１０１の液路を形成する部位に、例えば特許文献４に開示の方法を用いて多孔質シリコンの領域を形成する。ここではまず、例えばポリイミドを１μｍの厚みにシリコン基板に両面塗布し、多孔質シリコン領域が形成される部位をフォトリソグラフィ技術を用いて開口させ、次にＨＦ溶液中で陽極化成を行うことで多孔質シリコン領域を形成することができる。本実施形態での陽極化成条件は、
電流密度 ３０ｍＡ・ｃｍ-2
陽極化成溶液：ＨＦ：Ｈ２Ｏ：Ｃ２Ｈ５ＯＨ＝１：１：１
時間 １２分
多孔質シリコンの厚み ２０μｍ
多孔率 ５６％
とした。
電流密度 ３０ｍＡ・ｃｍ-2
陽極化成溶液：ＨＦ：Ｈ２Ｏ：Ｃ２Ｈ５ＯＨ＝１：１：１
時間 １２分
多孔質シリコンの厚み ２０μｍ
多孔率 ５６％
とした。
なお、本実施形態ではシリコン基板１０１の厚さは６２５μｍであるが、この厚さに限定されるものではない。
図２（ａ）は、多孔質シリコン領域１０２が形成されたシリコン基板１０１を示す。図に示されるように、本実施形態では、シリコン基板の側面に６０μｍ四方、厚さ２０μｍの多孔質シリコン領域１０２を形成した。次に、多孔質シリコン領域１０２の表面に存在する孔内にシリコンを成長させて、多孔質シリコン１０２の表面の凹凸を平滑化した。本実施形態では、電気炉中に、９５０℃で濃度２８ｐｐｍになるように水素キャリアガスにＳｉＨ４を添加した。そして、２００秒処理を行い、ＳｉＨ４の添加を終了した。その後、温度を９００℃に下げ、ＳｉＨ２Ｃｌ２を濃度０．５ｍｏｌ％になるように添加した。これにより、多孔質シリコン１０２の表面（厚み０．５μｍ）を平滑化した。平滑化することにより、後述する発熱抵抗体の保護層を形成する際に、保護層表面に対する多孔質シリコンの孔の凹凸形状の影響を低減することができる。これにより、発泡状態を安定化することができる。
なお、平滑化は上記の工程に限定されず、後述する発熱抵抗体の保護層を積層する際に、多孔質シリコン１０２が保護層に対向する面の凹凸形状を平滑化するような工程であればよい。例えば、多孔質シリコンの表面に自然膜が形成された場合には、水素中の熱処理等により自然酸化膜の除去を行なう工程であってもよい。
次に、マスク材を除去し、シリコン基板１０１の表面に、プラズマＣＶＤ法を用いて、図２（ｂ）に示すように０．１μｍ厚のＳｉＯ２層１０３を形成した。
次に、図２（ｃ）に示すように、シリコン基板１０１に、発熱抵抗体１０４を形成した。本実施形態では、シリコン基板に、発熱抵抗層としてＴａＮを０．０５μｍ厚で形成する。そして、フォトリソグラフィ技術を用いて１５μｍ２にパターニングして、発熱抵抗体１０４を形成した。
次に、図２（ｃ）に示すように、シリコン基板１０１に、発熱抵抗体１０４を形成した。本実施形態では、シリコン基板に、発熱抵抗層としてＴａＮを０．０５μｍ厚で形成する。そして、フォトリソグラフィ技術を用いて１５μｍ２にパターニングして、発熱抵抗体１０４を形成した。
次に、図２（ｄ）に示すように、発熱抵抗体の電極１０５を形成する。本実施形態では、フォトリソグラフィ技術を用いて、Ａｌを１μｍ厚にパターニングして、電極層を形成した。
次に、図２（ｅ）に示すように、シリコン基板１０１の上に蓄熱層１０６を形成した。本実施形態では、蓄熱層は、プラズマＣＶＤを用いて、ＳｉＯ２層１０６を３μｍ厚に形成した。
次に、図２（ｆ）に示すように、支持基板であるシリコン基板１０７と、上述したシリコン基板１０１を貼り合わせた。シリコン基板１０７には、液路にインクを供給するためのインク供給口１０８が形成され、保護層としての熱酸化膜が０．５μｍの厚みに形成されている。これにより、保護層と、発熱抵抗体１０４と、電極１０５と、蓄熱層１０６が積層されたシリコン基板１０１とシリコン基板１０７とが貼り合わせられることとなる。なお、本実施形態では、シリコン基板１０７とシリコン基板１０１とをシリコン−シリコン結合により貼り合わせているが、貼り合わせは、これに限定するものではない。例えば、加熱して結合してもよい。
また、本実施形態のシリコン基板１０７は、予めインク供給口１０８が形成されているが、本発明は予めインク供給口１０８が形成されている支持基板に限定されない。すなわち、シリコン基板１０７とシリコン基板１０１に貼り合わせた後に、液路にインクを供給するためのインク供給口１０８を形成してもよい。この場合、例えば、シリコン基板１０７とシリコン基板１０１に貼り合わせた後に、フォトリソグラフィ技術を用いてマスクパターンを形成し、エッチングによってインク供給口１０８を形成する。
図３（ａ）から図３（ｃ）は、図２を用いて説明した、シリコン基板を研削等してインクジェット記録ヘッドを製造する工程を示す図である。
また、図４は、吐出口１０９側から見たインクジェット記録ヘッドを示す平面図である。
まず、図３（ａ）に示すように、シリコン基板１０１を研削し、更に研磨した。本実施形態では、厚さ３０μｍにした。
次に、図３（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、エッチングマスクを形成し、ドライエッチング技術によって吐出口１０９を形成した。本実施形態では、ＳｉＯ２層１０１に直径１０μｍの吐出口１０９を形成した。
次に、図３（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、エッチングマスクを形成し、ドライエッチング技術によって吐出口１０９を形成した。本実施形態では、ＳｉＯ２層１０１に直径１０μｍの吐出口１０９を形成した。
そして、基板をＫＯＨ溶液に浸漬する。図３（ｃ）および図４に示すように、ＳｉＯ２層１０６に供給口１０８が形成された。多孔質のシリコンは、通常のシリコンに比較してＫＯＨ溶液のエッチング速度が約１００倍である。したがって、多孔質のシリコン（２０μｍ）が無くなるまでの時間エッチングを行っても、シリコン基板は０．２μｍ以下エッチングされるだけである。これは、全体に対する影響として、無視できる寸法である。
最後に、電気配線及びインク流路部材を接続することによりインクジェット記録ヘッドを完成させることができる。
最後に、電気配線及びインク流路部材を接続することによりインクジェット記録ヘッドを完成させることができる。
このように作成されたヘッドは、ヒータ等が形成されたシリコン基板１０１に吐出口を設ける一方、ヒータの上に積層された蓄熱層であるＳｉＯ２層１０６にシリコン基板である支持基板１０７が配置されている。つまり、これらの各部は無機物であり、本実施形態における記録ヘッドは、これらを積層することにより形成されている。したがって、密着性がよい。なお、本実施形態では、ＳｉＯ2層はプラズマＣＶＤを用いてで形成されているが、更に密着性を向上させるために、シリコン基板を熱酸化してＳｉＯ２層を形成してもよい。
支持基板１０７をシリコン以外の材料、例えば有機材料で形成することも可能である。しかしながら、本実施形態のように、これを基板１０１側の要素と同種の材料とすることによって、インクジェット記録ヘッドの基板の密着性が向上して、基板内部にインクが進入することを抑制することができる。その結果、インクジェット記録ヘッドの信頼性が格段に向上することとなる。
図３（ｃ）に示されるように、発熱抵抗層の保護層１０３は、平面の基板上に積層されていることから、インクに対する保護層に段差がない。したがって、保護層の被覆性を確保することができ、インクに対する保護性能をも向上できる。さらに、段差を考慮しなくて済むことから電極の厚さを厚くすることができる。これにより、電極の抵抗値を下げ、電極での電力損失を少なくすることもできる。その結果、従来に比べて電力が少なく、放熱や本体電源の負荷を軽減することもできる。さらにまた、より多くのヒータを具える記録ヘッドを作製することができる。
なお、本発明は、紙、布、プラスチックフィルム等の記録媒体に記録を行うために利用される記録ヘッドだけでなく、基板，板材，固体物等などの受容体に液体を付着させることでパターニングや加工を行う液体吐出ヘッドにも広く適用可能なものである。
１０１ シリコン基板
１０２ 多孔質シリコン
１０３ 発熱抵抗体保護層
１０４ 発熱抵抗体
１０５ 電極
１０６ 蓄熱層
１０７ 支持基板
１０８ インク供給口
１０９ 吐出口
１０２ 多孔質シリコン
１０３ 発熱抵抗体保護層
１０４ 発熱抵抗体
１０５ 電極
１０６ 蓄熱層
１０７ 支持基板
１０８ インク供給口
１０９ 吐出口
Claims (7)
- 液体の吐出口と、該吐出口に連通する液路と、該液路に対応して配置される発熱部とを有し、該発熱部の発熱により前記液体を発泡させて前記液体を吐出する液体吐出ヘッドの製造方法において、
シリコン基板の前記液路の形成予定部位に多孔質のシリコン領域を形成する工程と、
前記多孔質シリコン領域上に、前記発熱部を保護するための保護層と、前記発熱部を形成するための発熱抵抗層と、前記発熱部を発熱させる電力を供給する電極層と、蓄熱層と、を積層して形成する工程と、
前記蓄熱層上に、予め前記液路に液体を供給するための供給口が設けられた支持基板を貼り付ける工程と、
前記多孔質シリコン領域を形成した前記シリコン基板を薄化する工程と、
前記薄化したシリコン基板に、前記液路と連通するよう前記インク吐出口を形成する工程と、
前記多孔質シリコン領域を除去する工程と、
を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。 - 液体の吐出口と、該吐出口に連通する液路と、該液路に対応して配置される発熱部とを有し、該発熱部の発熱により前記液体を発泡させて前記液体を吐出する液体吐出ヘッドの製造方法において、
シリコン基板の前記液路の形成予定部位に多孔質のシリコン領域を形成する工程と、
前記多孔質シリコン領域上に、前記発熱部を保護するための保護層と、前記発熱部を形成するための発熱抵抗層と、前記発熱部を発熱させる電力を供給する電極層と、蓄熱層と、を積層して形成する工程と、
前記蓄熱層上に、支持基板を貼り付ける工程と、
前記多孔質シリコン領域を形成した前記シリコン基板を薄化する工程と、
前記薄化したシリコン基板に、前記液路と連通するよう前記インク吐出口を形成する工程と、
前記多孔質シリコン領域を除去する工程と、
前記支持基板に、前記液路に液体を供給するための供給口を形成する工程と、
を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。 - 前記支持基板は、シリコンで形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記前記インク吐出口を形成する工程は、エッチングにより前記インク吐出口を形成することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記蓄熱層は、ＳｉＯ２で形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- さらに、前記多孔質シリコン領域の表面に有する孔内にシリコンを成長させることで、前記多孔質シリコン領域の平滑化を行う工程を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 請求項１または請求項２に記載の液体吐出ヘッドの製造方法により製造された液体吐出ヘッド。
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