JP2008126481A - インクジェット記録ヘッド用基板の製造方法、およびインクジェット記録ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】梁を備えたインク供給口を短時間で精度良く形成する。
【解決手段】インクジェットヘッド用基板の製造方法は、シリコン基板の裏面におけるインク供給口１０を形成する部分に、シリコン面が露出した被エッチング面を形成する工程を有する。さらに、被エッチング面のうち梁１９を形成する領域を少なくとも除いた領域に、レーザー加工によって第１の凹部を形成する工程と、シリコン基板に対して、被エッチング面から第１のウエットエッチングを行う工程とを有する。さらに、第１のウエットエッチングによってエッチングされたシリコン基板の被エッチング面に、レーザー加工によって第２の凹部２０ｂを形成する工程を有する。さらに、シリコン基板に対して、被エッチング面がシリコン基板を貫通して犠牲層に達するまで第２のウエットエッチングを行い、梁１９を備えたインク供給口２０を形成する工程を有する。
【選択図】図３Ｃ

Description

本発明は、インクジェット記録ヘッド用基板の製造方法、およびインクジェット記録ヘッドの製造方法に関するものである。

従来から、熱エネルギー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ヘッドが知られている。この種のインクジェット記録ヘッドによれば、熱エネルギーの作用を受けた液体が過熱されて気泡を発生し、この気泡発生に基づく作用力によって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情報の記録が行われる。この種のインクジェット記録ヘッドは、液体を吐出するインク吐出口と、この吐出口に連通して液滴を吐出させる熱エネルギーを液体に付与する吐出エネルギー発生素子が配置されたインク流路とを有する。

図４（Ａ）〜図４（Ｆ）は、従来のインクジェット記録ヘッドの基本的な製造工程を示した断面模式図である。

図４（Ａ）示されている基板１上には、発熱抵抗体等のインク吐出エネルギー発生素子１１が複数個配置されている。また、基板１の裏面全面がＳｉＯ₂膜１８で覆われている。

まず、図４（Ｂ）に示すように、基板１の表面と裏面に熱可塑性樹脂層１３と熱可塑性樹脂層１４をそれぞれ塗布し、これらの熱可塑性樹脂層１３，１４をベーキングして硬化させる。そして、表面側の熱可塑性樹脂層１３をパターニングするために、熱可塑性樹脂層１３上にポジ型レジストをスピンコート等により塗布、露光、現像し、熱可塑性樹脂層１３をドライエッチング等によりパターニングし、ポジ型レジストを剥離する。また、裏面側の熱可塑性樹脂層１４をパターニングするために、熱可塑性樹脂層１４上にポジ型レジストをスピンコート等により塗布、露光、現像し、熱可塑性樹脂層１４をドライエッチング等によりパターニングし、ポジ型レジストを剥離する。

次に、図４（Ｃ）に示すように、基板１の表面側にインク流路となる型材料であるポジ型レジスト（東京応化製のＯＤＵＲ（商品名））１２をパターニングする。

次に、図４（Ｄ）に示すように、型材料１２上に被覆感光性樹脂（ＣＲ）６をスピンコート等により形成する。被覆感光性樹脂（ＣＲ）６上には、撥水材１５をドライフィルムをラミネートすること等により形成する。そして、被覆感光性樹脂（ＣＲ）６を紫外線やＤｅｅｐＵＶ光等による露光、現像を行ってパターニングし、インク吐出口４を形成する。

次に、図４（Ｅ）に示すように、型材料１２及び被覆感光性樹脂（ＣＲ）６等が形成されている基板１の表面及び側面を保護材１６で覆う。保護材１６の塗布はスピンコート等によって行う。

基板１の裏面側のＳｉＯ₂膜１８は、樹脂層１４をマスクとするウエットエッチングの開始面となるＳｉ面（被エッチング面）が露出されている。次に、基板１にインク供給口１０を形成する。このインク供給口１０は、基板１に化学的なエッチング、例えばＴＭＡＨ等の強アルカリ溶液による異方性エッチングを施すことにより形成する。

基板１の裏面側から異方性エッチングを行っていくと、エッチング部分が基板１の表面側の犠牲層１７に到達し、図４（Ｆ）に示すようにインク供給口１０が形成される。

続いて、基板１の裏面側の熱可塑性樹脂層１４と保護材１６を除去する。さらに、型材料１２を、インク吐出口４及びインク供給口１０から溶出させることにより、インク流路及び発泡室を形成する。

以上の工程によってノズル部が形成された基板１を、ダイシングソー等により切断分離、チップ化し、吐出エネルギー発生素子１１を駆動させる為の配線の電気的接合を行う。その後、インク供給の為のチップタンク部材を接続すると、インクジェット記録ヘッドが完成する。

このインクジェット記録ヘッドのシリコン基板１には、＜１００＞面の結晶方位面を表面及び裏面に持つシリコン基板が用いられている。基板１には、異方性エッチングにより１つのインク供給口１０が形成されている。

このように、従来の製造方法では、インク供給口を形成するためのマスクとなる部材（熱可塑性樹脂層）を異方性エッチングで形成する工程と、そのマスク部材を用いた異方性エッチング工程とを行うことにより、インク供給口を形成している（特許文献１参照）。
特開平９−１１４７９号公報

インクジェット記録ヘッドのシリコン基板にインク供給口を形成する際にウエットエッチングを用いた場合には、シリコン基板を開口させるのに長時間かかるため生産効率が低くなる。また、ウエットエッチング時に溶解されるシリコンの影響によってエッチング液の濃度が変化し、その結果エッチングレートが変動して、インク供給口の寸法精度等に影響を与えることがある。

また、シリコン基板のインク供給口が形成された部分は強度が低いため、この部分の強度を向上させるためにインク供給口内に梁を形成することが好ましい。

そこで本発明は、梁を備えたインク供給口を短時間で精度良く形成することを可能にするインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法等を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法は、梁を備えたインク供給口をシリコン基板に形成することを含むインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法であって、
前記シリコン基板の表面における前記インク供給口を形成する部分に犠牲層を形成する工程と、
前記シリコン基板の裏面における前記インク供給口を形成する部分に、シリコン面が露出した被エッチング面を形成する工程と、
前記被エッチング面のうち前記梁を形成する領域を少なくとも除いた領域に、レーザー加工によって第１の凹部を形成する工程と、
前記シリコン基板に対して、エッチング液を使用して前記被エッチング面から第１のウエットエッチングを行う工程と、
該第１のウエットエッチングによってエッチングされた前記シリコン基板の被エッチング面に、レーザー加工によって第２の凹部を形成する工程と、
前記シリコン基板に対して、前記エッチング液を使用して、前記被エッチング面が前記シリコン基板を貫通して前記犠牲層に達するまで第２のウエットエッチングを行い、前記梁を備えた前記インク供給口を形成する工程と、を有する。

上記本発明によれば、梁を備えたインク供給口を短時間で精度良く形成することができる。

次に、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は本発明の一実施形態に係るインクジェット記録ヘッドを一部を破断した状態で示す斜視図である。図２は図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

本実施形態のインクジェット記録ヘッドは、インク吐出エネルギー発生素子１１が所定のピッチで２列に並んで配置されたシリコン基板１を有している。シリコン基板１には、ＳｉＯ₂膜をマスクとしたシリコンの異方性エッチングとレーザー加工との組合せによって形成された、梁１９を備えたインク供給口１０が、インク吐出エネルギー発生素子１１の２つの列の間に配置されている。梁１９は、シリコン基板１のインク供給口１０によって隔てられた部分を繋いでおり、シリコン基板１のインク供給口１０が形成されている部分の強度を向上させている。インク供給口１０に占める梁１９の割合は小さいので、梁１９は、インク供給口１０を通ってインク流路５内に供給されるインクの流れに対してほとんど影響を与えない。

シリコン基板１上には、流路形成部材６によって、各インク吐出エネルギー発生素子１１の上方に開口するインク吐出口４と、インク供給口１０と各インク吐出口４とを連通するインク流路５が形成されている。このインクジェット記録ヘッドは、インク供給口１０が形成された面が記録媒体の記録面に対面するように配置される。インクジェット記録ヘッドは、インク供給１０を介してインク流路５内に充填されたインクに、インク吐出エネルギー発生素子１１によって発生させた圧力を加えることで、インク吐出口４からインク液滴を吐出させる。インク吐出口４から吐出されたインク液滴は記録媒体に付着し、これにより記録媒体に記録が行われる。

このインクジェット記録ヘッドは、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサなどの装置、更には各種処理装置と複合的に組み合わせた産業記録装置に搭載可能である。そして、このインクジェット記録ヘッドを用いることによって、紙、糸、繊維、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックなど種々の記録媒体に記録を行うことができる。

なお、本明細書および特許請求の範囲における「記録」とは、文字や図形などの意味を持つ画像を記録媒体に対して付与することだけでなく、パターンなどの意味を持たない画像を付与することも意味する。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。ここでは、図１に示したインクジェット記録ヘッドを作成する基本的な工程を図３Ａ〜図３Ｃを参照して説明する。図３Ａ（Ａ）〜図３Ｃ（Ｉ）の各図は、図１のＡ−Ａ線に沿う部分の断面図である。なお、図３Ａ（Ｂ）、図３Ｂ（Ｆ）及び（Ｇ）、図３Ｃ（Ｈ）の各図において、図（i）は断面図を示し、図（ii）は底面図を示している。さらに、図３Ｂ（Ｇ）（iii）は同図（i）のＢ−Ｂ’線に沿った断面を示し、図３Ｃ（Ｈ）（iii）は同図（i）のＣ−Ｃ’線に沿った断面を示している。

図３Ａ（Ａ）に示すように、シリコン基板１上には、発熱抵抗体等のインク吐出エネルギー発生素子（ヒーター）１１が複数個配置されている。シリコン基板１の裏面の全面はＳｉＯ₂膜１８で覆われている。シリコン基板１の表面には、アルカリ性の溶液によってシリコン基板１にインク供給口１０を形成する際にシリコン基板１の表面の寸法を精度良く加工するために犠牲層１７が設けられている。この犠牲層１７はシリコン基板１にインク供給口１０を形成する異方性エッチングに用いられるエッチング液によるエッチング速度がシリコン基板１のエッチング速度よりも速い材料からなる。犠牲層１７は、たとえば、アルカリ溶液で溶解可能な金属であるポリシリコンやアルミニウムなどからなる。さらには、犠牲層１７は、アルミニウム、アルミシリコン、アルミ銅、アルミシリコン銅のいずれかを含む、アルミニウムを主成分とした材料からなることが好ましい。

シリコン基板１の表面には、その全面を覆う保護膜３が形成されている。この保護膜３は、例えばＳｉＮ膜またはＳｉＯ₂膜からなる。この保護膜３により、シリコン基板１の表面、ヒーター１１及び犠牲層１７が覆われている。

なお、図３Ａ（Ａ）〜図３Ｃ（Ｉ）の各図において、ヒーター１１に接続された配線やそのヒーターを駆動するための半導体素子は不図示である。また、シリコン基板１は＜１００＞面の結晶方位面を表面及び裏面に有している。

まず、図３Ａ（Ｂ）に示すように、シリコン基板１の表面と裏面に熱可塑性樹脂層１３と熱可塑性樹脂層１４をスピンコート等によりそれぞれ塗布し、これらの熱可塑性樹脂層１３，１４をベーキングして硬化させる。そして、表面側の熱可塑性樹脂層１３をパターニングするために、熱可塑性樹脂層１３上にポジ型レジスト（不図示）をスピンコート等により塗布、露光、現像し、熱可塑性樹脂層１３をドライエッチング等によりパターニングし、ポジ型レジストを剥離する。

次に、シリコン基板１の裏面側の熱可塑性樹脂層１４にインク供給口１０を形成するための開口をパターニングするために、熱可塑性樹脂層１４上にポジ型レジスト（不図示）をスピンコート等により塗布する。そしてそのポジ型レジストを露光、現像し、熱可塑性樹脂層１４をドライエッチング等によりパターニングし、ポジ型レジストを剥離する。なお、シリコン基板１の裏面側をパターニングする際に基板１の表面側を保護材で覆って保護してもよい。

次に、図３Ａ（Ｃ）に示すように、基板１の表面側に、インク流路５を形成する型材料１２であるポジ型レジスト（東京応化製のＯＤＵＲ（商品名））をパターニングする。

次に、図３Ａ（Ｄ）に示すように、シリコン基板１の表面側に、流路形成部材を成す被覆感光性樹脂（ＣＲ）６をスピンコート等により塗布する。さらに、被覆感光性樹脂６上に撥水材１５をドライフィルムをラミネートすること等により形成する。そして、被覆感光性樹脂（ＣＲ）６を紫外線やＤｅｅｐＵＶ光等による露光、現像を行ってパターニングし、インク吐出口４を形成する。

次に、図３Ａ（Ｅ）に示すように、型材料１２及び被覆感光性樹脂（ＣＲ）６等が形成されているシリコン基板１の表面及び側面を保護材１６で覆う。保護材１６の塗布はスピンコート等によって行う。保護材１６は、シリコン基板１にレーザー加工を行う際に装置搬送等によって傷が付くことを防止するものである。保護材１６は、基板１に異方性エッチングを行う際に使用する強アルカリ溶液に十分耐えうる材料からなる。したがって、保護材１６は、異方性エッチングを行う際に、型材料１２、被覆感光性樹脂６および撥水材１５等が強アルカリ溶液によって劣化することを防ぐ。なお、保護材１６の材料としては、例えば環化ゴム系の環化ポリイソプレンゴムを用いることができる。

そして、シリコン基板１の裏面側のＳｉＯ₂膜１８を、熱可塑性樹脂層１４をマスクとしてウエットエッチングによりパターニングし、シリコン基板１の異方性エッチングの開始面となるＳｉ面（被エッチング面）を露出させる。

次に、図３Ｂ（Ｆ）に示すように、シリコン基板１の裏面側のＳｉ露出面に、インク供給口１０内に形成される梁１９となる領域を除いて、レーザー加工によって第１の凹部２０ａを形成する。第１の凹部２０ａの深さは、シリコン基板１の厚みの１／３〜１／２程度の深さである。このレーザー加工には、波長が３００ｎｍ以上４００ｎｍ以下のレーザー光、例えば波長３５５ｎｍの紫外線レーザー光を用いることができる。なお、最適な加工条件を得るためにレーザー光のパルス幅、出力値、ショット数等を適宜調節すべきことは言うまでもない。

次に、図３Ｂ（Ｇ）に示すように、シリコン基板１の裏面側のＳｉ露出面に対し、化学的なエッチング、例えばＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウム溶液）等の強アルカリ溶液によるウエットエッチングを短時間行う。シリコン基板１の裏面側のＳｉ露出面は＜１００＞面の結晶方位面であるため、エッチングはこのＳｉ露出面に対して５４．７４°の角度を成す＜１１１＞面に沿って進行する。

次に、図３Ｃ（Ｈ）に示すように、シリコン基板１のエッチング開口面にレーザー加工によって第２の凹部２０ｂを形成する。このとき、レーザー光を斜めに照射して、梁１９の裏側を少なくとも部分的に除去する（図３Ｃ（Ｈ）（iii）参照）。その後、図３Ｂ（Ｇ）に示した工程と同様に化学的エッチングを再度行うと、エッチング開口面が犠牲層１７に到達してインク供給口１０が形成され、これと同時にインク供給口１０内に梁１９が形成される。

続いて、シリコン基板１の裏面側の熱可塑性樹脂１４を除去する。さらに、型材料１２をインク供給口１０及びインク吐出口４から溶出させることにより、被覆感光性樹脂６にインク流路５および発泡室が形成される（図３Ｃ（Ｉ））。なお、ポジ型レジストからなる型材料１２の除去は、ＤｅｅｐＵＶ光による全面露光を行った後、現像、乾燥を行えばよく、必要に応じて現像の際に超音波浸漬を行ってもよい。

以上の工程によりノズル部が形成されたシリコン基板１を、ダイシングソー等により切断分離してチップ化する。さらに、インク吐出エネルギー発生素子１１を駆動させるための配線の電気的接合を行った後、インク供給のためのチップタンク部材を接続すると、インクジェット記録ヘッドが完成する。

本実施例の製造工程によれば、シリコン異方性エッチング工程とレーザー加工工程とを組み合わせてインク供給口１０が形成される。そのため、シリコン異方性エッチング工程のみを用いてインク供給口１０を形成する場合に比べてインク供給口１０の形成時間を短くすることができる。さらに、シリコン異方性エッチング工程のみを用いる場合に比べてエッチング工程の時間が短くなることから、ウエットエッチング時にシリコンが溶解されることでエッチング液の濃度が変化することによるエッチングレートの変動の影響を受けにくくなる。

さらに、シリコン異方性エッチング工程とレーザー加工工程とを組み合わせてインク供給口１０を形成することにより、インク供給口１０の形成工程においてインク供給口１０内に梁１９を容易に形成することが可能である。

なお、本実施例ではインクジェット記録ヘッドを作製する過程で梁１９を備えたインク供給口１０をシリコン基板１に形成する例を示したが、インクジェット記録ヘッドを作製する前の段階で、梁１９を備えたインク供給口１０をシリコン基板１に形成してもよい。

その場合は、まず、図３Ａ（Ａ）に示すように表面に犠牲層１７が形成されたシリコン基板１の裏面側のＳｉＯ₂膜１８を、図３Ａ（Ｅ）に示すように熱可塑性樹脂層１４をマスクとしてウエットエッチングによりパターニングする。これにより、シリコン基板１の異方性エッチングの開始面となるＳｉ面を露出させる。その後、図３Ｂ（Ｆ）〜図３Ｃ（Ｈ）を参照して説明した工程を行うことで、梁１９を備えたインク供給口１０を有する、インクジェット記録ヘッド用基板としてのシリコン基板１を作製することができる。

インク流路５及びインク吐出口４が形成された流路形成部材６を別途作製しておき、上記のように作製されたインクジェット記録ヘッド用基板の上に流路形成部材６を接合することで、図１に示した構成を有するインクジェット記録ヘッドを作製することができる。

本発明の一実施形態に係るインクジェット記録ヘッドを一部を破断した状態で示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図１に示したインクジェット記録ヘッドを作成する基本的な工程を示す図である。 図１に示したインクジェット記録ヘッドを作成する基本的な工程を示す図である。 図１に示したインクジェット記録ヘッドを作成する基本的な工程を示す図である。 従来のインクジェット記録ヘッドの基本的な製造工程を示した断面模式図である。

符号の説明

１ シリコン基板
４ インク吐出口
５ インク流路
６ 流路形成部材（被覆感光性樹脂）
１０ インク供給光
１１ インク吐出エネルギー発生素子
１２ 型材料
１７ 犠牲層
１９ 梁

Claims (10)

1. 梁を備えたインク供給口をシリコン基板に形成することを含むインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法であって、
   前記シリコン基板の表面における前記インク供給口を形成する部分に犠牲層を形成する工程と、
   前記シリコン基板の裏面における前記インク供給口を形成する部分に、シリコン面が露出した被エッチング面を形成する工程と、
   前記被エッチング面のうち前記梁を形成する領域を少なくとも除いた領域に、レーザー加工によって第１の凹部を形成する工程と、
   前記シリコン基板に対して、エッチング液を使用して前記被エッチング面から第１のウエットエッチングを行う工程と、
   該第１のウエットエッチングによってエッチングされた前記シリコン基板の被エッチング面に、レーザー加工によって第２の凹部を形成する工程と、
   前記シリコン基板に対して、前記エッチング液を使用して、前記被エッチング面が前記シリコン基板を貫通して前記犠牲層に達するまで第２のウエットエッチングを行い、前記梁を備えた前記インク供給口を形成する工程と、
   を有するインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法。
2. 前記第２の凹部を形成する工程は、前記シリコン基板の前記被エッチング面に対して斜めにレーザー光を照射し、前記梁を形成する領域の裏側の部分の少なくとも一部を除去することを含む、請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法。
3. 前記犠牲層は前記エッチング液で溶解可能な金属からなる、請求項１または２に記載のインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法。
4. 前記金属はアルミニウムを主成分とした材料からなる、請求項３に記載のインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法。
5. 前記アルミニウムを主成分とする材料は、アルミニウム、アルミシリコン、アルミ銅のいずれかを含んでいる、請求項４に記載のインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法。
6. 前記シリコン基板の表面及び裏面は＜１００＞面である、請求項１から５のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法。
7. 前記レーザー光の波長は３００ｎｍ以上４００以下ｎｍである、請求項１から６のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法。
8. 前記エッチング液はテトラメチルアンモニウム溶液である、請求項１から７のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法。
9. インク滴を吐出するエネルギーを発生させる複数の吐出エネルギー発生素子と、前記吐出エネルギー発生素子の配列方向に沿って延在する貫通口からなる、梁を備えたインク供給口とを有するシリコン基板と、
   前記シリコン基板上に設けられ、前記複数の吐出エネルギー発生素子に対応する複数のインク吐出口と、前記吐出エネルギー発生素子を内包し、かつ前記インク供給口と前記各インク吐出口とを連通する複数のインク流路と、を形成する流路形成部材と、
   を有するインクジェット記録ヘッドの製造方法において、
   前記シリコン基板の前記吐出エネルギー発生素子が形成されている面の前記インク供給口が形成される部分に犠牲層を形成する工程と、
   前記シリコン基板上に、前記インク流路となる部分を占有する型材を形成する工程と、
   前記基板および前記型材の上に、前記吐出口を備えた流路形成部材を形成する工程と、
   前記シリコン基板の前記面とは反対側の面における前記インク供給口を形成する部分に、シリコン面が露出した被エッチング面を形成する工程と、
   前記被エッチング面のうち少なくとも前記梁を形成する領域を除いた領域に、レーザー加工によって第１の凹部を形成する工程と、
   前記シリコン基板に対して、エッチング液を使用して前記被エッチング面から第１のウエットエッチングを行う工程と、
   該第１のウエットエッチングによってエッチングされた前記シリコン基板の被エッチング面に、レーザー加工によって第２の凹部を形成する工程と、
   前記シリコン基板に対して、前記エッチング液を使用して、前記被エッチング面が前記シリコン基板を貫通して前記犠牲層に達するまで第２のウエットエッチングを行い、前記梁を備えた前記インク供給口を形成する工程と、
   前記型材を除去する工程と、
   を含むことを特徴とするインクジェット記録ヘッドの製造方法。
10. 前記第２の凹部を形成する工程は、前記シリコン基板の前記被エッチング面に対して斜めにレーザー光を照射し、前記梁を形成する領域の裏側の部分の少なくとも一部を除去することを含む、請求項９に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。

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