JP5925064B2 - 液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、液体吐出ヘッドの製造方法に関する。

液体を吐出し、紙等の記録媒体に着弾させて画像を記録する装置として、液体吐出装置が知られている。液体吐出装置は液体吐出ヘッドを有し、液体吐出ヘッドの吐出口から液体が吐出される。

液体吐出ヘッドの一例として、インクジェットヘッドがある。インクジェットヘッドの製造方法として、特許文献１には以下のような方法が記載されている。まず、シリコン等で形成された第１の基板を用意し、第１の基板上に第１の感光性樹脂層を形成する。この第１の感光性樹脂層には、インク流路となる潜像パターンを形成しておく。次に、第１の感光性樹脂層上にアルミ層等で犠牲層パターンを形成する。続いて、第１の感光性樹脂層にシリコンで形成された第２の基板を貼り合わせ、第２の基板をドライエッチング及びウェットエッチングする。このエッチングによって、第２の基板に吐出口を形成する。次に、第１の基板の反対側からエッチングを行い、第１の基板にインク供給口を形成する。最後に、潜像パターンを溶出してインクジェットヘッドを製造する。

特開２００７−１２５７２５号公報

特許文献１に記載された方法で製造したヘッドは、吐出口を形成する部材であるオリフィスプレートがシリコンで形成されており、オリフィスプレートがインク等に対して膨潤しにくく、信頼性の高いヘッドとすることができる。

しかしながら、特許文献１に記載された製造方法は、ヘッドの両サイドから吐出口とインク供給口を形成する方法であり、エッチング時間の関係から吐出口とインク供給口とを別々に形成する必要がある。そのため、例えばエッチング用の保護膜を２回の工程で形成する必要があるように、工程数が多くなってしまう。

従って、本発明は、シリコンで形成されたオリフィスプレートを有する液体吐出ヘッドを、簡易に製造することを目的とする。

上記課題は、以下の本発明によって解決される。即ち本発明は、液体供給口を形成する基板と、エネルギー発生素子と、液体吐出口を形成するオリフィスプレートとを有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、表面側にエネルギー発生素子を有する第１の基板を用意する工程と、前記第１の基板の表面上に、液体の流路の壁となる壁部材を形成する工程と、前記壁部材上に、開口部を形成するマスクを形成し、前記マスク上に、オリフィスプレートとなるシリコンで形成された第２の基板を形成する工程と、前記第１の基板の表面側の反対側である裏面側からエッチング液を供給することで、前記第１の基板に液体供給口を形成し、かつ前記第２の基板に液体吐出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である。

本発明によれば、シリコンで形成されたオリフィスプレートを有する液体吐出ヘッドを、簡易に製造することができる。

本発明で製造する液体吐出ヘッドの一例を示す図である。 本発明の液体吐出ヘッドの製造方法の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

本発明で製造する液体吐出ヘッドの一例を図１に示す。図１に示す液体吐出ヘッドでは、インク等の液体を吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子１が基板２上に所定のピッチで形成されている。エネルギー発生素子１は、基板２上に直接形成されていてもよいし、基板２との間に絶縁層等を介して形成されていてもよい。或いは基板２との間に空間を挟むように中空状に形成されていてもよい。また、エネルギー発生素子１は、ＴａＳｉＮ等で形成された発熱素子（ヒーター）であってもよいし、圧電材料であってもよい。基板２はシリコン等で形成されており、２列に形成されたエネルギー発生素子１の間には、液体を供給する液体供給口１２が開口している。基板２上にはオリフィスプレート１８が形成されており、オリフィスプレート１８は、エネルギー発生素子１に対応した位置に吐出口１４を形成している。吐出口１４と液体供給口１２との間には、液体流路１７が形成されている。図１に示す液体吐出ヘッドは、液体供給口１２から液体流路１７を通って供給される液体に対し、エネルギー発生素子１で発生する圧力を加えることによって、吐出口１４から液体を液滴として吐出する。このような液体吐出ヘッドは、液体がインクである場合、インクジェット記録ヘッドと呼ばれる。

図２は、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法の一例を示す図であり、図１のＡ−Ａ´を通る基板２に垂直な面における断面図である。

本発明では、まず図２（ａ）に示すように、表面上にエネルギー発生素子１を有する第１の基板２を用意する。エネルギー発生素子１の表面は、ＳｉＮやＴａ等で形成された絶縁層３で覆われていることが好ましい。また、第１の基板２の表面側には、犠牲層４が形成されていることが好ましい。犠牲層４は、第１の基板２の表面側の液体供給口の開口幅を制御するものであり、例えばアルミニウム、アルミニウムとシリコンの化合物、アルミニウムと銅との合金等で形成する。第１の基板２の裏面側には、後で行うエッチングの際にマスクとして機能する裏面層５が形成されている。この裏面層５としては、例えばシリコンの酸化膜やポリエーテルアミドを含有した層が挙げられる。また、第１の基板２の表面側には、電気的な接続を行う電極パッドや、エネルギー発生素子１の配線、エネルギー発生素子１を駆動するための半導体素子等が形成されていてもよい。第１の基板は、後で行うエッチングによってエッチング可能な材料で形成すればよいが、例えばシリコンで形成されていることが好ましい。

次に、図２（ｂ）に示すように、第１の基板の表面側に感光性樹脂層６を形成する。感光性樹脂層６は、感光性樹脂を含有したレジストをスピンコート等によって第１の基板上に塗布する方法や、感光性樹脂を含有したドライフィルムを第１の基板上に積層する方法等で形成する。このようにして形成した感光性樹脂層６に対して、フォトマスク（不図示）を用いて、紫外線やＤｅｅｐ−ＵＶ光等による露光を行う。これにより、感光性樹脂層６をパターニングし、流路パターン７を形成する。また、流路パターン７の外側は、後に流路の壁になる壁部材１６となる。即ち、感光性樹脂層６から、壁部材１６及び流路パターン７を形成する。

図２（ｃ）では、露光後に現像を行い、壁部材１６の間に流路パターン７が空間として存在する例を示している。但し、流路パターン７はこの時点で現像しなくてもよい。即ち、露光後の現像を行わず、潜像状態としておいてもよい。潜像状態にしておくと、後述する第２の基板８及びマスク９を平坦に形成しやすいため好ましい。感光性樹脂層の厚みは、その一部が流路となることを考慮すると、５μｍ以上３０μｍ以下とすることが好ましい。

感光性樹脂層は、ネガ型感光性樹脂を含有したネガ型レジストとしてもよいし、ポジ型感光性樹脂を含有したポジ型レジストとしてもよい。但し、最終的に壁部材１６となることを考慮すると、ネガ型レジストであることが好ましい。特に、この時点で流路パターン７を除去せず潜像状態とする場合にはネガ型レジストであることが好ましい。ネガ型感光性樹脂としては、例えばアクリル系樹脂や、カチオン重合型のエポキシ樹脂が挙げられる。ポジ型感光性樹脂としては、例えばポリメチルイソプロペニルケトンや、メタクリル酸とメタクリレートとの共重合体が挙げられる。

流路パターン７を形成した後は、図２（ｄ）に示すように、壁部材１６上にマスク９及び第２の基板８を形成する。第２の基板は、マスク上に形成されており、シリコンで形成されたシリコン基板である。この第２の基板は、オリフィスプレートとなる。マスク９及び第２の基板８は、壁部材上に順に積層していってもよいが、形成精度を高めるためには、まず第２の基板８上にスピンコート等によってマスク９を形成しておき、次にマスク９を有する第２の基板を壁部材１６に貼り合わせる方法が好ましい。

マスク９には、開口部１３が形成されている。開口部１３は、後で行うエッチング時にエッチング液が供給される開口となる。マスク９への開口部１３の形成は、ドライエッチングを用いてもよいし、レーザーを用いてもよい。また、フォトリソグラフィーによって形成してもよい。尚、開口部１３の形成の際に、第２の基板８を吸着ステージ上に固定しておくことが好ましい。第２の基板８と基板吸着ステージとの間には、支持基板１５を挟み込んでおくことが好ましい。これにより、第２の基板８の破損を抑制することができる。支持基板１５は、第１の基板２と第２の基板８とを貼り合わせる際に、第２の基板８の第１の基板２と貼り合わせる側と反対側で第２の基板８を支えておいてもよい。

マスク９は、後で行うエッチング時に用いるエッチング液に対して耐性が高い材料で形成すればよく、例えば樹脂で形成することが好ましい。樹脂の中でも、ポリエーテルアミドを用いることが好ましい。ポリエーテルアミドを含有したマスクであれば、エッチング液に対する耐性が高く、さらに壁部材１６と第２の基板８とを良好に密着させることもできる。

また、マスク９はアライメントマークを有することが好ましい。マスク９がアライメントマークを有することで、壁部材１６との高い精度での貼り合わせが可能となる。また、別途アライメントマークを設けずに、マスク９の開口部１３をアライメントマークとして用いることもできる。

第２の基板には、後で行うエッチングによって吐出口を形成する。即ち、第２の基板はオリフィスプレートとなる。第２の基板にエッチングによって吐出口を形成することと、第２の基板がオリフィスプレートとなることを考慮すると、第２の基板の厚みは５μｍ以上８０μｍ以下とすることが好ましい。第２の基板の厚みは、バックグラインド、ＣＭＰ、スピンエッチング等によって調整することができる。また、第２の基板の壁部材１６と貼り合わせる面、即ち第２の基板のマスクが形成されている側の面は、結晶の面方位が（１００）の面、所謂（１００）面であることが好ましい。後述するが、この面が（１００）面であることで、良好なテーパー形状を有する吐出口を形成することができる。

以上のようにして、第１の基板２と第２の基板８とを、壁部材１６及びマスク９を介して貼り合わせた後、全体に熱処理を行う。これにより、第１の基板２と第２の基板８とを、壁部材１６及びマスク９によって強固に貼り合わせることができる。

次に、支持基板１５を用いた場合には支持基板１５を取り外し、第２の基板８を覆うように保護膜１０を形成する。保護膜１０は、図２（ｅ）に示すように、第２の基板８の上面及び側面を覆い、さらに第１の基板２の側面まで覆うことが好ましい。

次に、図２（ｆ）に示すように、第１の基板２の裏面側に形成されている裏面層５にレーザーを照射する或いはドライエッチングを行うことで、第１の基板２に未貫通穴１１を形成する。未貫通穴１１を形成すると、裏面層５には開口が形成される。尚、本工程は必ずしも必要ではなく、第１の基板２に液体供給口１２を形成できればよい。未貫通穴１１を形成しない場合には、裏面層５にドライエッチング等を行い、裏面層５に開口を形成する。

次に、図２（ｇ）に示すように、第１の基板２の表面側の反対側である裏面側からエッチング液を供給する。これによって、第１の基板２に液体供給口１２を形成する。第１の基板２がシリコンで形成されたシリコン基板の場合、エッチング液としてＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムヒドロキシド）やＫＯＨ（水酸化カリウム）を用いた異方性エッチングを行うことが好ましい。異方性エッチングを行った場合には、第１の基板２の裏面側からエッチングが進み、エッチング液が第１の基板２の表面側に形成された犠牲層４に到達する。エッチング液が到達した犠牲層は、非常に速い速度で溶解し、液体供給口の第１の基板の表面側の開口幅を規定する。また、裏面層５に複数の開口を形成すると、エッチングの経過に伴い開口間の裏面層が除去されるので、液体供給口の第１の基板の裏面側の開口は図２（ｇ）に示すような形状となる。

ここで、図２（ｇ）に示すように流路パターン７が空間の場合、第１の基板２の表面側に到達したエッチング液は、この空間を通ってマスク９へとすぐに到達する。マスク９に到達したエッチング液は、マスク９に形成された開口部１３から第２の基板８のエッチングを開始する。一方、流路パターン７に感光性樹脂層６が潜像状態で残っている場合、潜像状態の感光性樹脂層をエッチング液によって除去する。例えば、潜像状態の感光性樹脂層が含有する感光性樹脂がアクリル系樹脂である場合、エッチング液としてＴＭＡＨの濃度が１質量％以上２５質量％以下のＴＭＡＨ水溶液を用いると、エッチング液によって潜像状態の感光性樹脂層を除去することができる。このようにして、本発明では、第１の基板２のエッチングと第２の基板８のエッチングとを一度の工程で行うことができる。

第２の基板８はシリコン基板であり、エッチング液が到達すると異方性エッチングが行われる。異方性エッチングによって、図２（ｈ）に示すように、第２の基板８に吐出口１４を形成することができる。先に述べたように、第２の基板の壁部材と貼り合わせる面が（１００）面であると、貼り合わせる面から５４．７度の（１１１）面が現れる。これにより、図２（ｈ）に示すように、第２の基板内において、第１の基板の表面と平行方向の断面積が垂直方向で徐々に狭くなる、所謂テーパー形状の吐出口を形成することができる。また、（１１１）面はインク等の液体に対する耐性が高いので、吐出口の内壁の信頼性を高くすることができる。尚、吐出口の形状を、第１の基板の表面と平行方向の断面積が垂直方向で均一なストレート形状としたい場合には、第２の基板の壁部材と貼り合わせる面を（１１０）面とすればよい。また、第２の基板８のマスク９の開口部１３と対応する位置に、レーザー等によって未貫通穴を形成しておくことで、別の形状の吐出口を形成することもできる。未貫通穴を形成しておけば、エッチング時間の短縮にもつながる。

マスク９の開口部１３の幅は、吐出口１４の形状に大きく影響する。第２の基板の壁部材と貼り合わせる面が（１００）面であり、第２の基板に未貫通穴を形成しない場合は、以下の関係式が成り立つ。即ち、マスク９の開口部１３の幅をａ＜μｍ＞、第２の基板の厚みをｂ＜μｍ＞、吐出口１４の開口面側（図２の上側）の開口幅をｃ＜μｍ＞とすれば、マスク９の開口部１３の幅は
ａ＝（（ｂ／ｔａｎ５４．７）×２）＋ｃ
となる。従って、この関係式を用いて、マスク９の開口部の幅を決定することができる。

第１の基板２への液体供給口１２の形成と、第２の基板８への吐出口１４の形成とは、第１の基板及び第２の基板の厚みや、エッチング液の組成、先導孔の形成条件等を調整することにより、ほぼ同時に完成させることができる。

第２の基板８への吐出口１４の形成は、第１の基板２がエッチング液によって貫通したあと、液体供給口１２が完成するまでの時間と同等の時間をかけて行う。液体供給口１２のエッチングが非常に長い時間となると、液体供給口１２の第１の基板２の表面側の開口幅が広がりすぎ、オーバーエッチングとなってしまう。このオーバーエッチングの許容時間を考慮して、第２の基板８の厚みや、マスク９の開口部の幅を決定することが好ましい。

以上の工程を終了し、液体供給口１２及び吐出口１４を形成した後、保護膜１０を剥離することで、図２（ｉ）に示す液体吐出ヘッドを製造する。本発明では、第１の基板の表面側の反対側である裏面側からエッチング液を供給することで、第１の基板に液体供給口を形成し、かつ第２の基板に液体吐出口を形成することができる。本発明で製造した液体吐出ヘッドは、オリフィスプレートがシリコン基板である第２の基板８で形成されている。

以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明する。

＜実施例１＞
まず、図２（ａ）に示すように、表面上にＴａＳｉＮからなるエネルギー発生素子１を有する、厚み７２５μｍの第１の基板２を用意した。第１の基板２としては、エネルギー発生素子を有する面の結晶の面方位が（１００）であるシリコン基板を用いた。第１の基板２の表面側には、アルミニウムで形成された犠牲層４を形成し、さらに電気的な接続を行う電極パッドや、エネルギー発生素子１の配線、エネルギー発生素子１を駆動するための半導体素子等を形成した。エネルギー発生素子及びその配線等は、ＳｉＮで形成された絶縁層３で覆われており、第１の基板２には、後でマスクを貼り合わせる際に用いるアライメントマークが形成されている。また、第１の基板２の裏面側には、シリコンの酸化膜である裏面層５を形成した。

次に、ＥＨＰＥ−３１５０（商品名、ダイセル化学工業製）を１００質量部、Ａ−１８７（商品名、日本ユニカー製）を５質量部、ＳＰ１７０（商品名、旭電化工業製）を６質量部、キシレンを８０質量部含有した塗工液を用意した。この塗工液を、第１の基板上に厚さ２０μｍでスピンコートによって塗工し、図２（ｂ）に示すように、第１の基板２の表面側にネガ型レジストである感光性樹脂層６を形成した。続いて、波長領域３６５ｎｍの水銀スペクトル線によって露光を行い、さらに６０質量％のキシレンと４０質量％のメチルイソブチルケトンとの混合液を用いて現像を行うことで、図２（ｃ）に示すように流路パターン７を形成した。流路パターン７は空間であり、その外側には厚さ２０μｍの壁部材１６が形成された。

次に、厚さ１０μｍに加工した第２の基板８を用意した。第２の基板８はシリコンで形成されたシリコン基板とし、（１００）面を有する（１００）基板である。続いて、第２の基板８の（１００）面上に、ポリエーテルアミドで形成されたマスク９を形成した。マスク９には、フォトリソグラフィー及びドライエッチングによって開口部１３を形成した。開口部は、直径２４μｍの四角形とした。尚、開口部１３の形成時においては、シリコンからなる支持基板１５を用いた。そして、図２（ｄ）に示すように、マスク９を有する第２の基板８を、ボンドアライナー（ズースマイクロテック製）を用いて壁部材１６に貼り合わせた。貼り合わせの際に、マスク９の開口部１３をアライメントマークとして用いた。第１の基板２と第２の基板８とを貼り合わせた後、２００℃の熱硬化処理を行い、第１の基板２と第２の基板８とをより強固に貼り合わせた。

次に、図２（ｅ）に示すように、支持基板１５を取り外し、第２の基板８を覆うように厚さ２０μｍの保護膜１０を形成した。保護膜１０としては、環化ゴム系樹脂（商品名；ＯＢＣ、東京応化製）を用い、第２の基板８の上面及び側面を覆い、さらに第１の基板２の側面まで覆うようにした。

次に、図２（ｆ）に示すように、第１の基板２の裏面側に形成されている裏面層５にレーザーを照射し、未貫通穴１１を形成した。未貫通穴１１は、図２に示す断面においては、中心部に深い未貫通穴を２本、その外側に浅い未貫通穴を２本形成した。中心部の深い未貫通穴の深さはそれぞれ６４０μｍ、その外側の未貫通穴の深さはそれぞれ１０μｍとした。

次に、図２（ｇ）に示すように、第１の基板２の裏面側からエッチング液を供給した。エッチング液としては、ＴＭＡＨの濃度が２０質量％のＴＭＡＨ水溶液を用いた。これによって第１の基板２は異方性エッチングされ、第１の基板２に液体供給口１２を形成した。エッチング液は、エッチング開始から３４０分で犠牲層４に到達し、その後、犠牲層４は１分で溶解された。犠牲層４の溶解が終了するとほぼ同時に、エッチング液はマスク９へと到達し、マスク９に形成された開口部１３を通じて第２の基板８のエッチングを開始した。第２の基板８へのエッチングによって、図２（ｈ）に示すように、吐出口面の開口幅が１０μｍであり、内壁面の面方位（１１１）面である吐出口が２０分で形成された。同時に、第１の基板２の液体供給口も完成した。

液体供給口１２及び吐出口１４を形成後、最後に保護膜１０を剥離することで、図２（ｉ）に示す液体吐出ヘッドを製造した。

＜実施例２＞
実施例２では、実施例１と違う点として、感光性樹脂層６を塗工する塗工液の組成を以下の通りとした。
・３−メトキシ−３−メチル−１−ブタノール；５９質量部
・メタクリル酸メチル／メタクリル酸／テトラヒドロフルフリルメタクリレートを質量比６５／１５／２０で混合したモノマー；４０質量部
・ＶＰＥ−０２０１（商品名、和光純薬製）；１質量部
また、実施例１では、流路パターン７を現像して除去してから第２の基板８を貼り合わせたが、実施例２では、この時点では流路パターン７を現像せずに、プロキシミティ露光によって潜像状態にしておいた。

その後、実施例１と同様に第２の基板８を貼り合わせ、保護膜１０を形成した後で、第１の基板の裏面側からエッチング液を供給し、エッチングを開始した。エッチング液としては、ＴＭＡＨの濃度が２０質量％のＴＭＡＨ水溶液を用いた。このエッチングによって、第１の基板に液体供給口１２を形成し、潜像状態の流路パターン（感光性樹脂層）を除去し、さらに第２の基板８に吐出口を形成することができた。

Claims (10)

1. 液体供給口を形成する基板と、エネルギー発生素子と、液体吐出口を形成するオリフィスプレートとを有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
   表面側にエネルギー発生素子を有する第１の基板を用意する工程と、
   前記第１の基板の表面上に、液体の流路の壁となる壁部材を形成する工程と、
   前記壁部材上に、開口部を形成するマスクを形成し、前記マスク上に、オリフィスプレートとなるシリコンで形成された第２の基板を形成する工程と、
   前記第１の基板の表面側の反対側である裏面側からエッチング液を供給することで、前記第１の基板に液体供給口を形成し、かつ前記第２の基板に液体吐出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。
2. 前記第１の基板は、シリコンで形成されている請求項１に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
3. 前記第１の基板への液体供給口の形成と前記第２の基板への液体吐出口の形成とは、前記エッチング液による異方性エッチングによって行う請求項１または２に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
4. 前記第２の基板のマスクが形成されている側の面は、結晶の面方位が（１００）の面である請求項１〜３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
5. 前記壁部材の形成は、
   前記基板上に感光性樹脂層を形成する工程と、
   前記感光性樹脂層をパターニングし、前記感光性樹脂層から前記壁部材及び流路パターンを形成する工程と、
   を有する請求項１〜４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
6. 前記流路パターンは、前記感光性樹脂層を除去することで得られる空間である請求項５に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
7. 前記流路パターンは、流路パターンを潜像させた感光性樹脂層である請求項５に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
8. 前記エッチング液を供給する前に、前記第１の基板に未貫通穴が形成されている請求項１〜７のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
9. 前記エッチング液を供給する前に、前記第２の基板に未貫通穴が形成されている請求項１〜８のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
10. 前記第２の基板のマスクが形成されている側の面は、結晶の面方位が（１１０）の面である請求項１〜３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
    

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