JP2022027023A - 液体吐出ヘッド及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
そこで本発明の目的は、基板を液体から効率的に保護し、且つ、安定的に液体を吐出することを可能とし、高寿命化、高画質化された液体吐出ヘッドを提供することにある。
純水接触角が40°以下の第1の酸化チタン膜と、純水接触角が70°以上の前記第1の酸化チタン膜を有し、前記第1の酸化チタン膜が前記流路及び液体導入流路の内壁を含む前記構造体を覆い、該流路及び液体導入流路内で露出し、前記第2の酸化チタン膜が、前記吐出口形成部材の吐出口の開口端近傍または前記流路形成基板の液体導入流路の開口端近傍の少なくともいずれかに、前記第1の酸化チタン膜を被覆する部分を有する、液体吐出ヘッドが提供される。
原子層堆積法により、純水接触角が40°以下の第1の酸化チタン膜、前記流路及び液体導入流路の内壁を含む前記構造体を覆うようにを形成する工程と、
前記第1の酸化チタン膜上に、原子層堆積法により純水接触角が70°以上の第2の酸化チタン膜を形成する工程と、
前記第2の酸化チタン膜をパターニングして、少なくとも前記流路及び液体導入流路内に前記第1の酸化チタン膜を露出させる工程と、を有する液体吐出ヘッドの製造方法が提供される。
以下に、本発明の実施形態の液体吐出ヘッドについて図面を用いて説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態の液体吐出ヘッドの模式的断面図(側面図)である。
図1に示すように、液体吐出ヘッド(例えばインクジェット記録ヘッド)は、エネルギー発生素子3と液体導入流路5を有する流路形成基板2と、この流路形成基板2上に配される吐出口形成部材1と、を少なくとも有する。吐出口形成部材1は、液体を吐出する吐出口4と、この吐出口4に連通する圧力室6を含む流路を有する。この流路に、個別連通孔13、14を介して液体導入流路5が連通している。吐出口形成部材1と流路形成基板2からなる構成部分(構造体)を貫通孔基板15と呼ぶ。吐出口4に連通する液室を含む流路から個別連通孔13、14を介した液体導入流路5で貫通孔が形成されている。
また、吐出口形成部材1の吐出口4が形成された外表面上の吐出口周辺が撥水性酸化チタン膜8(第2の酸化チタン膜)で被覆されている。すなわち、本実施形態の液体吐出ヘッドは、吐出口4を囲むように該吐出口の開口端近傍を被覆する撥水性酸化チタン膜8を有する。この撥水性酸化チタン膜8は、親水性酸化チタン7上にパターニング形成されている。
液体導入流路5の液体を供給する側の開口形状は、例えば矩形にすることができ、その角部が丸められていたり、面取りされていたりしてもよい。
液体導入流路5の形状は、図1に示すように、基板表面(平面)に垂直な壁面を有する溝形状であってもよいが、液体導入側から反対側へ向かって開口面積が小さくなるテーパー形状としてもよい。
本実施形態においては、図1に示すように、圧力室6を含む流路と液体導入流路5の内面を含む貫通孔基板15(構成部材)の表面が、親水性酸化チタン膜7(第1の酸化チタン膜)で被覆される。この親水性酸化チタン膜7の上に、吐出口4の周辺を覆うように(開口端に沿って囲むように)撥水性酸化チタン膜8(第2の酸化チタン膜)が形成されている。すなわち、本実施形態の液体吐出ヘッドは、吐出口形成部材1において、吐出口4が形成された外表面上に、吐出口を囲むように該吐出口の開口端近傍を被覆する、撥水性酸化チタン膜8を有する。
また、撥水性酸化チタン膜8により、吐出口においてメニスカスが形成されやすくなり、液体吐出特性を安定化(高画質化)できる。
撥水性酸化チタン膜(第2の酸化チタン膜)は、被覆する開口端近傍として、吐出口形成部材の外表面において吐出口の開口端からの距離(図1において撥水性酸化チタン膜8の横方向の長さに相当)が少なくとも8μmの部分を被覆することが好ましい。本明細書においては、この部分を吐出口の開口端近傍とする。吐出口形成部材の外表面の全面を被覆していてもよいが、開口端近傍の外側では親水性酸化チタン膜(第1の酸化チタン膜)を露出させることが好ましい。これにより、液体吐出の際に吐出口の開口端近傍に付着した液体が外側の親水部へ積極的に排出され、吐出口付近での液体の付着を抑えることができ、印字ヨレを軽減できる。
本実施形態における第1の酸化チタン膜(親水性酸化チタン膜7)は、TiCl4及び純水を原料に290~310℃の範囲で成膜された、親水性を示す酸化チタン膜であることが好ましい。また、第2の酸化チタン膜(撥水性酸化チタン膜8)は、TiCl4及び純水を原料に65~85℃の範囲で成膜された、撥水性を示す酸化チタン膜であることが好ましい。テトラキス(ジメチルアミノ)チタン(TDMAT)及び純水を用いても第1及び第2の酸化チタン膜を形成することができる。
液体吐出特性が不安定になるという課題、および液体吐出ヘッドと実装部材との接合に使われる接着剤が液体導入流路内へ這い上がる課題に対しては、流路内面の純水に対する接触角が70°以上の酸化チタン膜を形成することが好ましい。この酸化チタン膜の純水接触角が75°以上がより好ましい。このような接触角が大きい酸化チタン膜を吐出口の開口端近傍に形成することで、液体吐出特性を安定化できる。また、このような純水接触角が大きい酸化チタン膜を液体導入流路の開口端近傍に形成することにより、接着剤の液体導入流路内への侵入を抑えることができる。
このような酸化チタン膜の積層構造を有する液体吐出ヘッドの製造方法は、まず、原子層堆積法により、純水接触角が40°以下の第1の酸化チタン膜を、流路の内壁を含む構造体(吐出口形成部材1と流路形成基板2からなる構成部分)を覆うように形成する。第1の酸化チタン膜は、前記構造体の流路の内壁、すなわち吐出口形成部材1の流路と流路形成基板2の液体導入流路5の内壁を覆うように形成される。次に、第1の酸化チタン膜上に、原子層堆積法により純水接触角が70°以上の第2の酸化チタン膜を形成する。
続いて、第2の酸化チタン膜をパターニングして、少なくとも前記流路内に第1の酸化チタン膜を露出させる。その際、この第2の酸化チタン膜のパターニングは、前記吐出口形成部材の吐出口の開口端近傍または前記流路形成基板の液体導入流路の開口端近傍の少なくともいずれかにおいて、第2の酸化チタン膜が第1の酸化チタン膜を被覆する部分を残すように行う。第1の実施形態では、前記吐出口形成部材の吐出口の開口端近傍において第1酸化チタン膜を被覆する部分を残すように第2の酸化チタン膜のパターニングを行う。後述の第2の実施形態では、前記流路形成基板の液体導入流路の開口端近傍において、第1の酸化チタン膜を被覆する部分を残すように第2の酸化チタン膜のパターニングを行う。
また、パターニング精度を考慮し、親水性の保護膜と撥水性の保護膜の境に重なりを設けた場合でも、エッチングレートのばらつきから、基板17の表面が露出することがあり、保護膜としての機能を損なうこととなる。
図2は、本発明の第2の実施形態の液体吐出ヘッドをチップ接合プレート11(実装部材)と接続した状態を示す模式的断面図である。図3は、撥水性酸化チタン膜8を有していない液体吐出ヘッドをチップ接合プレート11と接続した状態を示す模式的断面図である。
撥水性酸化チタン膜(第2の酸化チタン膜)は、流路形成基板の外表面における液体導入流路の開口端近傍として、開口端からの距離(図2中の液体導入流路5外の撥水性酸化チタン膜8の横方向の長さに相当)が1~5μmの部分を被覆することが好ましい。より好ましくは、1.1~4.5μmの部分を被覆する。使用する接着剤に対するぬれ性の点から、流路形成基板の外表面(接合面)における撥水性酸化チタン膜の被覆部分はできるだけ少ない方が好ましい。
撥水性酸化チタン膜8は、第1の実施形態のように吐出口を囲むように開口端近傍を被覆し、且つ第2の実施形態のように液体導入流路の導入側開口を囲むように該開口端近傍を被覆し、さらに該開口端近傍から流路内の開口端近傍を被覆することができる。これにより、流路内を保護しながら、液体吐出特性をより一層安定化(高画質化)することが可能になる。
本発明の第1の実施形態の液体吐出ヘッドについて実施例を挙げて図面を用いて説明する。図4は、本実施例の製造方法を説明するための概略工程断面図である。
まず、前記シリコン基板の裏面に感光性ポジ型レジストを全面に塗布した。塗布したポジ型レジストに対して、半導体露光装置を用いて4800J/m2の露光量で液体導入流路5のパターン形成用露光マスクを通して露光を行った。続いて、2.38%のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド水溶液を用いて現像を行い、液体導入流路パターン(樹脂マスク層)を形成した。
次に、SF6、C4F8のガスを交互に用い、エッチングとパッシベーションを繰り返すことで異方性エッチングが可能なボッシュプロセスの反応性イオンエッチングにより、シリコン基板を所定の位置までエッチングし、液体導入流路5を形成した。
まず、シリコン基板の所定の位置に裏面より圧力室6を構成する凹部を形成し、次に、基板表面より吐出口4を形成した。圧力室6を構成する凹部及び吐出口4の形成は、上述の流路形成基板2の液体導入流路の形成プロセスと同様のプロセスにより行った。この時、基板厚さはCMP(化学的機械的研磨)により研削研磨することで調整した。
具体的には、TiCl4と純水を交互に供給することで、成膜を行った。この時、成膜サイクルは次のように行った。まず、TiCl4を気化させたガスを窒素と共に炉内へ輸送し5秒間吹き付け、その後、窒素によるパージと排気を十分に行った。次に、純水を気化させたガスを窒素と共に炉内へ輸送し5秒間吹き付け、その後、窒素によるパージと排気を十分に行なった。このサイクルを1サイクルとして、1000回程度同じサイクルを繰り返し、親水性酸化チタン膜7を300℃±10℃で制御された成膜温度により80nmの厚みに成膜した。さらに、前記成膜サイクルと同じ成膜サイクルにより75℃±10℃に制御された成膜温度で、撥水性酸化チタン膜8を親水性酸化チタン膜7上に80nmの厚みに成膜し、親水性酸化チタン膜7と撥水性酸化チタン膜8の積層膜を得た。
まず、感光性フィルムを、吐出口4が形成された側の面に貼り付けた。次に、半導体露光装置を用いて4800J/m2の露光量で撥水性酸化チタン膜8のパターン形成用露光マスクを通して露光を行った。次に、2.38%のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド水溶液を用いて現像を行い、吐出口4を囲むように開口端近傍を覆う樹脂マスク層16を形成した。
流路内が親水性酸化チタン膜7で被覆された構成により、流路内に液体が流入する際に発生する泡だまりの発生を抑えることが可能となる。また、流路を構成する流路内の基板表面はこの酸化チタン膜で保護されるため耐薬品性、耐水性に優れた構造となる。また、吐出口4の開口周囲端近傍に形成された撥水性酸化チタン膜8は耐薬品性に優れ、またその撥水性により吐出口においてメニスカスが形成されやすくなり、液体吐出特性を安定化(高画質化)できる。
第2の実施形態の液体吐出ヘッドについて実施例を挙げて図面を用いて説明する。図5は、本実施例の製造方法を説明するための概略工程断面図である。
2 流路形成基板
3 エネルギー発生素子
4 吐出口
5 液体導入流路
6 圧力室
7 親水性酸化チタン膜(第1の酸化チタン膜)
7s 親水性の保護膜
8 撥水性酸化チタン膜(第2の酸化チタン膜)
8s 撥水性の保護膜
9 接着剤
10 チップ接合プレート
13 個別連通孔
14 個別連通孔
15 貫通孔基板(液体吐出ヘッド基板)
16 樹脂マスク層
17 シリコン基板
18 引っ張り膜
19 圧縮膜
Claims (14)
- 液体を吐出する吐出口と該吐出口に連通する流路を有する吐出口形成部材と、前記流路に連通し前記液体を供給するための液体導入流路を有する流路形成基板とを含む構造体、を少なくとも有する液体吐出ヘッドであって、
純水接触角が40°以下の第1の酸化チタン膜と、純水接触角が70°以上の第2の酸化チタン膜を有し、
前記第1の酸化チタン膜が前記流路及び液体導入流路の内壁を含む前記構造体を覆い、該流路及び液体導入流路内で露出し、
前記第2の酸化チタン膜が、前記吐出口形成部材の吐出口の開口端近傍または前記流路形成基板の液体導入流路の開口端近傍の少なくともいずれかに、前記第1の酸化チタン膜を被覆する部分を有する、液体吐出ヘッド。 - 前記第1の酸化チタン膜は、純水接触角が35°以下の親水性を有し、
前記第2の酸化チタン膜は、純水接触角が75°以上の撥水性を有する、請求項1に記載の液体吐出ヘッド。 - 前記第1の酸化チタン膜は、純水接触角が30°以下の親水性を有する、請求項1又は2に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記第2の酸化チタンは、前記吐出口形成部材において、前記吐出口が形成された外表面上に前記吐出口を囲むように該吐出口の開口端近傍を被覆する、請求項1から3のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記第2の酸化チタンは、前記流路形成基板において、前記液体導入流路の液体を導入する導入側開口が形成された外表面上に該導入側開口を囲むように該開口端近傍を被覆し、さらに該開口端から流路内の開口端近傍を覆う、請求項1から4のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記流路形成基板がシリコン基板である、請求項1から5のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
- 液体を吐出する吐出口と該吐出口に連通する流路を有する吐出口形成部材と、前記流路に連通し前記液体を供給するための液体導入流路を有する流路形成基板とを含む構造体、を少なくとも有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
原子層堆積法により、純水接触角が40°以下の第1の酸化チタン膜を、前記流路及び液体導入流路の内壁を含む前記構造体を覆うように形成する工程と、
前記第1の酸化チタン膜上に、原子層堆積法により純水接触角が70°以上の第2の酸化チタン膜を形成する工程と、
前記第2の酸化チタン膜をパターニングして、少なくとも前記流路及び液体導入流路内に前記第1の酸化チタン膜を露出させる工程と、を有する液体吐出ヘッドの製造方法。 - 前記第1の酸化チタン膜は、TiCl4及び純水を原料に290~310℃の範囲で成膜された親水性を示す酸化チタン膜であり、
前記第2の酸化チタン膜は、TiCl4及び純水を原料に65~85℃の範囲で成膜された撥水性を示す酸化チタン膜である、請求項7に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。 - 前記パターニングする工程において、フッ酸を含むエッチング液を用いてエッチングを行い、前記エッチングにおいて、第2の酸化チタン膜のエッチングレートに対する第1の酸化チタン膜のエッチングレートが7.0倍以上遅い、請求項8に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記パターニングする工程において、
前記吐出口が形成された外表面上に前記吐出口を囲むように該吐出口の開口端近傍が前記第2の酸化チタン膜で被覆された部分を形成するように前記第2の酸化チタン膜をパターニングする、請求項7から9のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。 - 前記パターニングする工程において、
前記流路形成基板において、前記液体導入流路の液体を導入する導入側開口が形成された外表面上に該導入側開口を囲むように該開口端近傍を被覆し、さらに該開口端から流路内の開口端近傍が前記第2の酸化チタン膜で被覆された部分を形成するように前記第2の酸化チタン膜をパターニングする、請求項7から10のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。 - 前記第1の酸化チタン膜は、純水接触角が35°以下の親水性を有し、
前記第2の酸化チタン膜は、純水接触角が75°以上の撥水性を有する、請求項7から11のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。 - 前記第1の酸化チタン膜は、純水接触角が30°以下の親水性を有する、請求項7から12のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記流路形成基板がシリコン基板である、請求項7から13のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
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