JP2008194985A

JP2008194985A - 液体噴射ヘッドの製造方法

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Publication number: JP2008194985A
Application number: JP2007034134A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Sekizaki; 健関崎
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2007-02-14
Filing date: 2007-02-14
Publication date: 2008-08-28

Abstract

【課題】配線パターンへのワイヤボンディング時等に、接続不良が発生するのを防止することができる液体噴射ヘッドの製造方法を提供する。
【解決手段】液滴を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、流路形成基板の一方面側に設けられる圧電素子と、流路形成基板に接合された接合基板とを有し、接合基板の流路形成基板とは反対側の表面に圧電素子に接続される配線パターンが設けられた液体噴射ヘッドの製造方法であって、接合基板３０の表面にめっきにより所定パターンのめっき金属層２０４を形成することで配線パターン２００を形成し、めっき金属層２０４の表面をプレス部材２５０によって所定圧力で加圧することで平坦化する。
【選択図】図６

Description

液体を噴射する液体噴射ヘッドの製造方法に関し、特に、液体としてインクを吐出するインクジェット式記録ヘッドの製造方法に関する。

液滴を吐出する液体噴射ヘッドの代表例としては、インク滴を吐出するインクジェット式記録ヘッドが挙げられる。このインクジェット式記録ヘッドとしては、例えば、ノズル開口に連通する圧力発生室とこの圧力発生室に連通する連通部とが形成される流路形成基板と、この流路形成基板の一方面側に形成される圧電素子と、流路形成基板の圧電素子側の面に接合され圧電素子を保持するための圧電素子保持部を有する接合基板とを具備し、この接合基板上に配線パターンを介して駆動ＩＣが実装されたものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、このような接合基板上の配線パターンは、例えば、金（Ａｕ）等の材料を無電解めっきすることによって形成されていた。

特開２００４−１４８８１３号公報

このように無電解めっきによって配線パターンを形成することで、比較的短時間で所定の厚さとすることができる。しかしながら、無電解めっき方法では、大量のめっき液中に接合基板を浸漬させるため、例えば、接合基板表面のイオン濃度を一定に管理することは難しく、配線パターン表面にめっきムラや、異常析出等が発生してしまうという問題がある。また、このように配線パターンの表面に、例えば、異常析出等によって凸部が形成されてしまっていると、例えば、配線パターンと駆動ＩＣとをワイヤボンディングする際に、配線パターン側のボンディング不良が発生してしまう虞がある。

また従来は、このようなボンディング不良等を防止するために、配線パターン表面の凸部を、針等によって機械的に除去していたが、配線パターンを傷つけて断線等の不良が発生するという問題があった。

なお、このような問題は、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッドの製造方法だけでなく、勿論、インク以外の液体を吐出する他の液体噴射ヘッドの製造方法においても、同様に存在する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、配線パターンへのワイヤボンディング時等に、接続不良が発生するのを防止することができる液体噴射ヘッドの製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明は、液滴を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に設けられる圧電素子と、該流路形成基板に接合された接合基板とを有し、該接合基板の前記流路形成基板とは反対側の表面に前記圧電素子に接続される配線パターンが設けられた液体噴射ヘッドの製造方法であって、前記接合基板の表面にめっきにより所定パターンのめっき金属層を形成することで前記配線パターンを形成し、前記めっき金属層の表面をプレス部材によって所定圧力で加圧することで平坦化することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
かかる本発明では、めっき金属層の表面、すなわち、配線パターンの表面が良好に平坦化される。したがって、例えば、ボンディングワイヤすることによって、配線パターンに良好に配線を接続することができるようになる。

ここで、本発明では、前記めっき金属層の表面をプレス部材で加圧することで、前記めっき金属層の表面に形成される当該めっき金属層と同一材料からなる凸部を平坦化する。したがって、平坦化しても、配線パターン（めっき金属層）は良好に形成される。

また、本発明では、前記流路形成基板の一方面側に前記圧電素子を形成する工程と、前記配線パターンが形成された前記接合基板を前記流路形成基板に接合する工程と、前記流路形成基板に前記圧力発生室を形成する工程とを有し、前記接合基板を前記流路形成基板に接合する工程において、プレス部材によって前記接合基板を前記流路形成基板側に加圧することで接着すると共に前記めっき金属層の表面を平坦化するようにしてもよい。これにより、めっき金属層の表面を良好に平坦化することができ且つ製造工程を簡略化することができる。

また、前記めっき金属層が金からなることが好ましい。これにより、めっき金属層を比較的良好に形成することができ、且つ表面を良好に平坦化することができる。

また、前記接合基板がシリコンウェハからなる接合基板用ウェハに複数一体的に形成されている場合、前記めっき金属層の表面を平坦化する際には、前記接合基板用ウェハ上に形成された前記めっき金属層を５０〜３００（ｋｇｆ）の荷重で加圧することが好ましい。このように所定の荷重を加えることで、接合基板の割れを防止しつつめっき金属層の表面をより確実に平坦化することができる。

また、前記配線パターン上には、前記圧電素子を駆動するための駆動回路を実装すると共に、該駆動回路と前記配線パターンとをワイヤボンディングによって電気的に接続する。上述したように配線パターンの表面が平坦化されていることで、駆動回路と配線パターンとをワイヤボンディングによって確実に接続することができる。

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る製造方法によって製造されるインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及び断面図である。

図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では結晶面方位が（１１０）であるシリコン単結晶基板からなり、その一方面には酸化膜からなる弾性膜５０が形成されている。流路形成基板１０には、隔壁１１によって区画された複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。

また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向一端部側には、隔壁１１によって区画され各圧力発生室１２に連通するインク供給路１３と連通路１４とが設けられている。さらに、連通路１４の外側には、各連通路１４と連通する連通部１５が設けられている。この連通部１５は、後述する接合基板３０のリザーバ部３２と連通して、各圧力発生室１２の共通のインク室（液体室）となるリザーバ１００の一部を構成する。

ここで、インク供給路１３は、圧力発生室１２よりも狭い断面積となるように形成されており、連通部１５から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。例えば、本実施形態では、インク供給路１３は、リザーバ１００と各圧力発生室１２との間の圧力発生室１２側の流路を幅方向に絞ることで、圧力発生室１２の幅より小さい幅で形成されている。なお、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。各連通路１４は、圧力発生室１２の幅方向両側の隔壁１１を連通部１５側に延設してインク供給路１３と連通部１５との間の空間を区画することで形成されている。

流路形成基板１０の材料として、本実施形態ではシリコン単結晶基板を用いているが、勿論これに限定されず、例えば、ガラスセラミックス、ステンレス鋼等を用いてもよい。

流路形成基板１０の開口面側には、複数のノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が、例えば、接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されており、各ノズル開口２１は、各圧力発生室１２のインク供給路１３とは反対側の端部近傍にそれぞれ連通している。なお、ノズルプレート２０は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼などからなる。

一方、流路形成基板１０の開口面とは反対側の面には、上述したように弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、弾性膜５０とは異なる材料の酸化膜からなる絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には下電極膜６０と、厚さが例えば、約０．５〜５［μｍ］の圧電体層７０と、上電極膜８０とからなる圧電素子３００が形成されている。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極を圧電体層７０と共に圧力発生室１２毎にパターニングして個別電極とする。そして、ここでは圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせてアクチュエータ装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び下電極膜６０が実質的に振動板として作用するが、弾性膜５０、絶縁体膜５５を設けずに、下電極膜６０のみを残して下電極膜６０を振動板としてもよい。また、圧電素子３００自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。さらに、このような各圧電素子３００の上電極膜８０には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０がそれぞれ接続されており、このリード電極９０を介して各圧電素子３００に選択的に電圧が印加されるようになっている。

このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、圧電素子３００を接合するための圧電素子保持部３１を有する接合基板３０が、例えば、接着層３５によって接合されている。なお、圧電素子保持部３１によって画成される空間は、密封されていても、密封されていなくてもよい。また、接合基板３０には、複数の圧力発生室１２に供給するインクが貯留されるリザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３２が設けられている。このリザーバ部３２は、本実施形態では、接合基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板１０の連通部１５と連通されてリザーバ１００を構成している。なお、流路形成基板１０の連通部１５を圧力発生室１２毎に複数に分割して、リザーバ部３２のみをリザーバとしてもよい。さらに、例えば、流路形成基板１０に圧力発生室１２のみを設け、流路形成基板１０と接合基板３０との間に介在する部材（例えば、弾性膜５０、絶縁体膜５５等）にリザーバと各圧力発生室１２とを連通するインク供給路１３を設けるようにしてもよい。

このような接合基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス材料、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料であるシリコン単結晶基板を用いている。

また、接合基板３０には、接合基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられており、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０の端部近傍は、この貫通孔３３内に露出されている。また、接合基板３０上には、複数の配線からなる配線パターン２００が形成されており、この配線パターン２００上には、複数の圧電素子３００を駆動するための駆動回路２１０、例えば、回路基板、半導体集積回路（ＩＣ）等が固定されている。そして、駆動回路２１０とリード電極９０とは、貫通孔３３内に延設されるボンディングワイヤ等の導電性ワイヤからなる第１の接続配線２２０によって電気的に接続されている。また、駆動回路２１０と配線パターン２００とが、ボンディングワイヤ等の導電性ワイヤからなる第２の接続配線２３０によって電気的に接続されている。なお、配線パターン２００のパターン形状は、特に限定されるものではない。

また、このような接合基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する有機材料からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３２の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料で形成される。この固定板４２のリザーバ１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっており、リザーバ１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。

このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、リザーバ１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路２１０からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し圧電素子３００を撓み変形させることによって、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出される。

以下、このようなインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図３〜図７を参照して説明する。なお、図３、図４及び図７は、圧力発生室の長手方向の断面図であり、図５及び図６は、圧力発生室の幅方向の断面図である。

シリコンウェハであり流路形成基板１０が複数一体的に形成される流路形成基板用ウェハ１１０の一方面側に圧電素子を形成する。

まず、図３（ａ）に示すように、シリコンウェハであり流路形成基板１０が複数一体的に形成される流路形成基板用ウェハ１１０の表面に弾性膜５０を構成する第１の酸化膜５１を形成する。次に、図３（ｂ）に示すように、弾性膜５０上に、第１の酸化膜５１とは異なる材料からなる第２の酸化膜である絶縁体膜５５を形成する。

次いで、図３（ｃ）に示すように、絶縁体膜５５上に下電極膜６０を形成した後、この下電極膜６０を所定形状にパターニングする。次に、図３（ｄ）に示すように、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電体層７０と、上電極膜８０とを流路形成基板用ウェハ１１０の全面に形成し、これら圧電体層７０及び上電極膜８０を、各圧力発生室１２に対向する領域にパターニングして圧電素子３００を形成する。

次に、図３（ｅ）に示すように、リード電極９０を形成する。具体的には、まず流路形成基板用ウェハ１１０の全面に亘って、密着層９１を形成し、この密着層９１上に、金属層９２を形成する。そして、この金属層９２上に、例えば、レジスト等からなるマスクパターン（図示なし）を形成し、このマスクパターンを介して金属層９２及び密着層９１を圧電素子３００毎にパターニングすることによってリード電極９０を形成する。

一方、接合基板３０が複数一体的に形成される接合基板用ウェハ１３０上に、配線パターン２００を形成する。なお、接合基板用ウェハ１３０には、圧電素子保持部３１、リザーバ部３２及び貫通孔３３を、例えば、異方性エッチングによって予め形成しておく。

具体的には、まず図４（ａ）に示すように、接合基板用ウェハ１３０の全面に、例えば、スパッタリング法等によって、ニッケルクロム（ＮｉＣｒ）からなり厚さが２０［ｎｍ］程度の密着層２０１と、金（Ａｕ）からなり厚さが２００［ｎｍ］程度の金属層２０２とを形成する。次いで、図４（ｂ）に示すように、これら金属層２０２と密着層２０１とを、フォトリソグラフィ法により順次パターニングして、所定形状のベース金属層２０３を形成する。次に、図４（ｃ）に示すように、ベース金属層２０３（金属層２０２）上に、例えば、無電解めっきによって金（Ａｕ）からなり厚さが１［ｍｍ］程度のめっき金属層２０４を形成する。すなわち、金属層２０２上に金（Ａｕ）を析出させることによってめっき金属層２０４を形成して配線パターン２００とする。このとき、図４（ｃ）のＢ−Ｂ′断面図である図５に示すように、めっき金属層２０４の表面には、金（Ａｕ）が異常析出することで、或いは金（Ａｕ）の異物が付着することで凸部２０５が形成されてしまう。なお、めっき金属層２０４の表面には、金属層２０２の材料と同一の材料、すなわち、金（Ａｕ）の異物は付着することがあるが、金属層２０２とは異なる材料からなる異物は殆ど付着することはない。

次に、このように表面に配線パターン２００が形成された接合基板用ウェハ１３０を、図６（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０上に、例えば、エポキシ系の接着剤等からなる接着層３５を介して接合する。具体的には、接合基板用ウェハ１３０を流路形成基板用ウェハ１１０上に接着層３５を介して載置し、図６（ｂ）に示すように、接合基板用ウェハ１３０上に形成された配線パターン２００表面を、例えば、金属板等からなるプレス部材２５０によって、流路形成基板用ウェハ１１０側に所定圧力で加圧する。これにより、接合基板用ウェハ１３０が流路形成基板用ウェハ１１０に加圧接着され、また同時に、配線パターン２００（めっき金属層２０４）の表面が平坦化される（図６（ｃ））。

このようにプレス部材２５０によって配線パターン２００表面を加圧する圧力は、接合基板用ウェハ１３０及び流路形成基板用ウェハ１１０等が割れない程度の圧力であればよいが、例えば、５０〜３００［ｋｇｆ］程度の圧力とすることが好ましい。これにより、配線パターン２００（めっき金属層２０４）の表面を良好に平坦化することができ、且つ接合基板用ウェハ１３０と流路形成基板用ウェハ１１０とを良好に接合することができる。

次いで、図７（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０をある程度の厚さまで薄くした後、図７（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０上に、例えば、保護膜５２を新たに形成して所定形状にパターニングする。そして、図８（ａ）に示すように、この保護膜５２をマスクとして流路形成基板用ウェハ１１０を異方性エッチング（ウェットエッチング）して、流路形成基板用ウェハ１１０に圧力発生室１２、インク供給路１３、連通路１４及び連通部１５を形成する。すなわち、流路形成基板用ウェハ１１０を、例えば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液等のエッチング液によって、弾性膜５０が露出するまで流路形成基板用ウェハ１１０をエッチングすることより、圧力発生室１２等を同時に形成する。また、弾性膜５０及び絶縁体膜５５を除去して連通部１５とリザーバ部３２とを連通させる。

次いで、図８（ｂ）に示すように、接合基板用ウェハ１３０に形成された配線パターン２００上に駆動回路２１０を実装し、駆動回路２１０とリード電極９０及び配線パターン２００とをワイヤボンディングすることによって電気的に接続する。すなわち、駆動回路２１０とリード電極９０とを第１の接続配線２２０で接続すると共に、駆動回路２１０と配線パターン２００とを第２の接続配線２３０によって接続する。

このとき、上述したように配線パターン２００の表面が平坦化されているため、ボンディング不良が発生することなく、第２の接続配線２３０が配線パターン２００に良好に接続される。したがって、接続不良等が発生することなく信頼性の高いインクジェット式記録ヘッドを製造することができる。

なお、その後は、流路形成基板用ウェハ１１０及び接合基板用ウェハ１３０の外周縁部の不要部分を、例えば、ダイシング等により切断することによって除去する。そして、流路形成基板用ウェハ１１０の接合基板用ウェハ１３０とは反対側の面に、ノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０を接合すると共に、接合基板用ウェハ１３０にコンプライアンス基板４０を接合する。そして、これら流路形成基板用ウェハ１１０、接合基板用ウェハ１３０等を図１に示すような一つのチップサイズの流路形成基板１０等に分割することによって上述した構造のインクジェット式記録ヘッドが製造される。

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、流路形成基板用ウェハに接合基板用ウェハを接合する際に、接合基板用ウェハに形成された配線パターンの表面を同時に平坦化するようにしたが、勿論、流路形成基板用ウェハと接合基板用ウェハとを接合する接合工程とは別に、配線パターンの表面を加圧して平坦化する平坦化工程を実施するようにしてもよい。

この場合、駆動回路２１０上のボンディングパッドと第２の接続配線２３０を介して接続する接合基板３０上の配線パターン２００を接合基板３０の圧電素子保持部３１に対向していない領域に形成することが好ましい。また流路形成基板１０の配線パターン２００に対向する領域にインク供給路１３を形成しておくことが好ましい。このようにすることで、配線パターン２００は、接合基板３０の板厚が厚い領域であり、且つ流路形成基板１０も剛性が高い領域に形成されることになる。したがって、配線パターン２００を平坦化するための加圧する圧力を高めても、接合基板３０や流路形成基板１０が割れることなく、配線パターン２００の表面をより確実に平坦化することができる。

また、接合工程とは別に平坦化工程を実施する場合、この平坦化工程は、接合基板用ウェハを流路形成基板用ウェハに接合する前に実施しても良いし、接合後に実施するようにしてもよい。何れにしても配線パターン上に駆動回路を実装する前に平坦化工程を実施すればよい。

なお、上述した実施形態においては、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを挙げて説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドの製造方法にも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（電界放出ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。

実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。実施形態１に係る製造工程を示す断面図である。実施形態１に係る製造工程を示す断面図である。配線パターンの表面状態を模式的に示す断面図である。実施形態１に係る製造工程を示す断面図である。実施形態１に係る製造工程を示す断面図である。実施形態１に係る製造工程を示す断面図である。

符号の説明

１０流路形成基板、１２圧力発生室、１３インク供給路、１４連通路、１５連通部、２０ノズルプレート、２１ノズル開口、３０接合基板、３１圧電素子保持部、３２リザーバ部、４０コンプライアンス基板、５０弾性膜、５５絶縁体膜、６０下電極膜、７０圧電体層、８０上電極膜、９０リード電極、９１密着層、９２金属層、９５不連続金属層、１００リザーバ、１１０流路形成基板用ウェハ、１３０接合基板用ウェハ、２００配線パターン、２１０駆動回路、２２０第１の接続配線、２３０第２の接続配線、２５０プレス部材、３００圧電素子

Claims

液滴を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に設けられる圧電素子と、該流路形成基板に接合された接合基板とを有し、該接合基板の前記流路形成基板とは反対側の表面に前記圧電素子に接続される配線パターンが設けられた液体噴射ヘッドの製造方法であって、
前記接合基板の表面にめっきにより所定パターンのめっき金属層を形成することで前記配線パターンを形成し、前記めっき金属層の表面をプレス部材によって所定圧力で加圧することで平坦化することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
前記めっき金属層の表面をプレス部材で加圧することで、前記めっき金属層の表面に形成される当該めっき金属層と同一材料からなる凸部を平坦化することを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
前記流路形成基板の一方面側に前記圧電素子を形成する工程と、前記配線パターンが形成された前記接合基板を前記流路形成基板に接合する工程と、前記流路形成基板に前記圧力発生室を形成する工程とを有し、
前記接合基板を前記流路形成基板に接合する工程では、プレス部材によって前記接合基板を前記流路形成基板側に加圧することで接着すると共に前記めっき金属層の表面を平坦化することを特徴とする請求項１又は２に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
前記めっき金属層が金からなることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
前記接合基板がシリコンウェハからなる接合基板用ウェハに複数一体的に形成され、前記めっき金属層の表面を平坦化する際には、前記接合基板用ウェハ上に形成された前記めっき金属層を５０〜３００（ｋｇｆ）の荷重で加圧すること特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
前記配線パターン上に、前記圧電素子を駆動するための駆動回路を実装すると共に、該駆動回路と前記配線パターンとをワイヤボンディングによって電気的に接続することを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。