JP5553538B2

JP5553538B2 - 液体吐出ヘッドの製造方法

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Publication number: JP5553538B2
Application number: JP2009146930A
Authority: JP
Inventors: 勇堀内
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2009-06-19
Filing date: 2009-06-19
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2029-06-19
Also published as: JP2011000825A

Description

本発明は液体を吐出する液体吐出ヘッドの製造方法に関し、具体的には被記録媒体にインクを吐出することにより記録を行うインクジェット記録ヘッドの製造方法に関する。

液体を吐出する液体吐出ヘッドを用いる例としては、インクを被記録媒体に吐出して記録を行うインクジェット記録方式が挙げられる。

インクジェット記録方式（液体噴射記録方式）に適用されるインクジェット記録ヘッドは、一般に微細な吐出口、液流路及び該液流路の一部に設けられる液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生素子を複数備えている。従来、このようなインクジェット記録ヘッドを作製する方法としては、例えば特許文献１に記載がある。

まず、エネルギー発生素子が形成された基板上に、溶解可能な樹脂にてインク流路の型材であるパターンを形成する。次いで、この流路パターン上に、インク流路壁となるエポキシ樹脂及び光カチオン重合開始剤を含む被覆樹脂層を形成し、フォトリソグラフィーによりエネルギー発生素子上に吐出口を形成する。最後に前記溶解可能な樹脂を溶出してインク流路壁となる被覆樹脂層を硬化させる。

このような製造方法では、現状から用いられている材料では型材のパターニング精度に一定の限界があるものの、従来のノズル密度（６００ｄｐｉ）までは、良好な流路壁を形成可能であった。図４は従来技術を説明するための断面図である。図４（ａ）に示すようにエネルギー発生素子１２が設けられた基板１１上に、密着向上層１３とともに流路壁１４が良好に形成されている。なお、流路壁１４のアスペクト比（高さと幅との比）は４：３である。これに対し、ノズル密度を１２００ｄｐｉに向上させた場合には、感光性材料からなる流路の型材の解像力が不足し、流路壁１４を良好に形成できないという課題が発生する。例えば、図４（ｂ）に示すように流路壁１４の端部と密着向上層１３との間に隙間が形成されてしまうと、流路１６同士が連通してクロストークの影響を受けるため、インクを吐出口１５から良好に吐出させることができない虞がある。また隙間が生じないまでも、流路壁と密着向上層３との接触面積が小さくなることは、流路壁と基板との接合が弱くなり信頼性が低下する一因となる懸念がある。

上記を解決するために型材の厚みを小さくすることも考えられる。しかし、ノズル密度を１２００ｄｐｉに向上させた場合には各流路の流路幅が減少するため、ノズルへのインクのリフィル不足が発生しやすくなる。そのため、各流路の流路断面積を確保してそのようなリフィル不足を補うためには、各流路の高さを高くする必要がある。そのため、流路の型材の厚みを小さくすることは現実的には困難である。したがって、ノズル密度を向上させた場合に生じる問題を、型材の厚みを小さくすることによって解決することは現実的には困難である。

特開平６−２８６１４９号公報

そこで、本発明では前述した従来技術における課題を解決し、流路壁と基板との接合強度の向上が図られた液体吐出ヘッドを製造する方法を提供する事を目的の一つとする。

本発明の一例は、液体を吐出する吐出口と連通する液体の流路の壁を有する流路壁部材を備えた液体吐出ヘッドの製造方法において、ポリメチルイソプロペニルケトンと、メタクリル酸とメタクリレートとの共重合体と、の混合物を含む層を基板上に設ける工程と、前記混合物を含む層に対して、２５０ｎｍ以上の波長のみの光を用いて露光を行った後に現像を行い、前記層から前記流路の型を形成する工程と、前記流路壁部材となる層を、前記型を被覆するように前記基板上に設ける工程と、前記型を除去して前記流路を形成する工程と、を有し、前記混合物には、前記ポリメチルイソプロペニルケトンと前記共重合体との重量の総和に対して、５０重量パーセント以上７０重量パーセント以下の割合で前記ポリメチルイソプロペニルケトンが含まれ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、流路壁と基板との接合強度の向上が図られた液体吐出ヘッドを提供することが可能となる。また、そのような液体吐出ヘッドを大掛かりな製造工程の改変を行うことなく製造することが可能となる。

本発明の液体吐出ヘッドの製造方法の一例を示す模式的断面図である。本発明の液体吐出ヘッドの一例を示す模式図である。本発明の液体吐出ヘッドの一例の一部を示す模式図である。従来技術を説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明を更に詳細に説明する。

液体吐出ヘッドは、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、さら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、この液体吐出ヘッドを用いることによって、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックスなど種々の記録媒体に記録を行うことができる。なお、本明細書内で用いられる「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こととする。

図２は、本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドを示す模式図である。本実施形態の液体吐出ヘッドは、液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生素子２が所定のピッチで２列に並んで形成されたＳｉの基板１を有している。基板１には、Ｓｉを異方性エッチングすることによって形成された供給口８が、エネルギー発生素子２の２つの列の間に開口されている。基板１上には、流路の壁を有する流路壁部材５によって、各エネルギー発生素子２に対向する位置に設けられた吐出口６と、供給口８から各吐出口６に連通する個別の流路が形成されている。なお、吐出口６の位置は、エネルギー発生素子２と対向する位置に限定されるものではない。

この液体吐出ヘッドは、吐出口６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。そしてこの液体吐出ヘッドは、供給口８を介して流路内に充填されたインクに、エネルギー発生素子２によって発生するエネルギー発生素子２が利用され、吐出口６からインク液滴を吐出させ、これを記録媒体に付着させることによって記録を行う。エネルギー発生素子２としては、熱エネルギーとして電気熱変換素子（所謂ヒーター）等、力学的エネルギーとして、圧電素子等があるが、これらに限定されるものではない。

以下に本発明の実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法を説明する。なお以下の説明では、同一の機能を有する構成には図面中同一の番号を付与し、その説明を省略する場合がある。

図３は本発明の液体吐出ヘッドの一形態を示した平面透視図である。図３に示す形態は、供給口８の片側に、供給口に対して相対的に近い位置のエネルギー発生素子２ａに対応する吐出口６と、相対的に遠い位置のエネルギー発生素子２ｂに対応する吐出口７とが、千鳥状に配列されたものである。

図１（ｆ）は、発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法の一例を示す模式的断面図であり、図３におけるＢ−Ｂ’に沿った断面図である。図２の斜視図では、千鳥配置のものではないが、Ａ―Ａ’方向に相当する断面である。以降に、図１を用いて本発明の液体吐出ヘッドの製造方法の一例を説明する。

図１（ａ）に示すように、電熱変換素子２を複数個配置したＳｉウエハ基板１上に、ポリエーテルアミドからなる密着向上層３を形成する。

続いて、図１（ｂ）に示すように、流路を形成する位置にポジ型感光性樹脂組成物を適当な溶媒に溶解させたものを、スピンコートにより厚さ１０μｍ以上２５μｍ以下で成膜する。上記によりポジ型感光性樹脂組成物の層４ａを設ける。

本発明に適用可能なポジ型感光性樹脂組成物は、電離放射線、紫外線を照射することにより、ポジ型感光性樹脂の主鎖分解型分子崩壊反応が進行するため、パターニングが可能となる。また、パターニング後の樹脂組成物は、電離放射線の照射により主鎖分解型分子崩壊反応が進行し、低分子の化合物になるため、容易に溶解除去が可能となる。

本発明に適用可能なポジ型感光性樹脂組成物の一例としては、ポリメチルイソプロペニルケトンと、メタクリル酸とメタクリレートとの共重合体であるポリメタクリレート樹脂と、の混合物を含む組成物が挙げられる。２５０ｎｍ以上の波長に感度、吸収を持つポリメチルイソプロペニルケトンのようなカルボニル基を有するポジ型感光性樹脂と、同波長に対して透過性が高いポリメタクリレート樹脂と、を混合することによりパターン形状を垂直化できる。ポリメタクリレート樹脂は、ポリメタクリレート樹脂の重量とポリメチルイソプロペニルケトンの重量との総和に対して、１５以上５０重量％以下の割合で含有されることが好ましい。上記値は、露光に用いられる光に対する感光性樹脂組成物の透過率を上げつつ、感度を維持するために好適である。また上記のメタクリル酸の代替として構造が類似であるアクリル酸、メタリレートの代替として構造が類似であるアクリレートも本発明に適用可能である。

また、前記ポリメタクリレート樹脂の好ましい具体例としてはメタクリル酸エステル（ＭＭＡ）を主成分とし、メタクリル酸（ＭＡＡ）を含むメタクリル系共重合体がある。メタクリル酸エステルとメタクリル酸との総和に対してメタクリル酸を２〜３０重量％の割合で用いることがこのましい。また、共重合体の分子量は１００００以上５００００以下であることが好ましい。理由は、耐溶媒性の観点から、メタクリル酸エステルはある程度の分量が必要であり、一方、感度を向上させる観点から、メタクリル酸は２パーセント以上含むことが好ましい。また、共重合体の分子量は感度を維持するために、５００００以下が好ましく、耐溶剤性を維持するために１００００以上が好ましい。また、現像後のパターン表面形状については、現像液に対する溶解速度を考慮した場合、ＰＭＭＡを形成するためのＭＭＡとＭＡＡとの比率について、ＭＡＡは、ＭＭＡとＭＡＡの和に対して２０重量パーセント以下の割合で用いられることが好ましい。ＭＡＡは比較的溶媒親和性を示すため、２０重量パーセント以下として、現像液への溶解速度をある程度抑制する方向が好適である。

次いで図１（ｃ）に示されるように、波長が２５０ｎｍ以上の連続光を用いてポジ型感光性樹脂組成物の層４ａを露光し、現像を行うことで、パターニングする。このときの露光量であるが８〜１５Ｊ／ｃｍ^２が好ましい。以上により、流路の型である流路パターン４を形成する。本発明に適用されるポジ型感光性樹脂組成物の層４ａは、ポリメチルイソプロペニルケトンのみのものと比べて、２５０ｎｍ以上の波長の光に対して透過率が向上されている。そのため、露光に用いられた光が層の表面から底部にいたる過程で生じる光の減衰がおきにくく、パターンの裾引きが抑制されている。よって、図１（ｃ）中のθが大きく（ただしθ≦９０°）、垂直性の高いパターンが得られる。露光は、２５０ｎｍ以上のみの光を用いて行われることが好ましいが、わずかであれば２５０ｎｍのより小さい波長の光が含まれていてもよい。

その後、図１（ｄ）に示されるように、エポキシ樹脂組成物からなり、流路の壁を形成するための流路壁部材となる流路形成部材５ａを形成する。

次いで図１（ｅ）に示されるように、マスクパターン（図示せず）を用いて露光を行った後、現像を行って、流路形成部材５ａに吐出口６を形成する。

次いで、保護膜形成材料をスピンコートによる成膜後、８０℃〜１２０℃で乾燥させて、エッチング保護膜（図示せず）を形成し、供給口８（図示せず）を形成する。

次いで、流路パターン４を除去して、さらに流路形成部材であるエポキシ樹脂を十分に硬化させるために、２００℃１時間の加熱を行い、流路壁部材５を形成し、液体吐出ヘッドを得ることができる。

以降、必要な電気接続を行って装置に搭載される。

（実施例）
次に、実施例及び比較例により本発明を更に詳細に説明する。

ポジ型感光性樹脂組成物を以下に示す配合比で調合し、液体吐出ヘッドを作製した。液体吐出ヘッドおよびその製造過程物について、流路の型である流路パターンの垂直性、ポジ型感光性樹脂組成物の現像性（溶解除去性）、及び流路壁を形成するための被覆樹脂を塗布したときの流路パターンの形状維持性（耐溶媒性）を評価した。

（実施例１）
電熱変換素子２を複数個配置したＳｉウエハ基板１上に、ポリエーテルアミド層を成膜して１００℃で３０分間加熱し、次いで２５０℃で１時間加熱した。こうして塗布溶剤を蒸発させて、厚さ２．０μｍの層にした。それから、このポリエーテルアミド層上にレジストを塗布してパターニングし、Ｏ_２アッシングによりポリエーテルアミド層のパターニングを行った。その後に、マスクとして使用したレジストを剥離することによって、ポリエーテルアミドからなる密着向上層３を形成した（図１（ａ））。

重量比がメタクリル酸メチル（ＭＭＡ）：メタクリル酸（ＭＡＡ）＝８０：２０から得られる共重合体（ＰＭＭＡ）を用意した。重量比でポリメチルイソプロペニルケトン（ＰＭＩＰＫ（東京応化工業社製ＯＤＵＲ）：共重合体（ＰＭＭＡ（重量平均分子量＝約３００００））＝８０：２０となるようにシクロヘキサノン溶媒にそれぞれを溶解した。固形分濃度は２０ｗｔ％とし、溶液状のポジ型の感光性樹脂組成物とした。

次いで、前記ポジ型感光性樹脂組成物を基板上にスピンコートにより成膜し、１２０℃で６分間ベークすることにより、厚さ１５μｍにした（図１（ｂ））。

次に、ウシオ電機株式会社製露光装置ＵＸ３０００（商品名）を用いて、波長が２５０ｎｍ以上の連続光を用いて、１１Ｊ／ｃｍ^２の露光量で露光し、メチルイソブチルケトンで現像した。その後、イソプロピルアルコールでリンスを行い流路パターン４を形成した（図１（ｃ））。

このようにして作製した流路パターン４の形状を確認するため、断面形状をＳＥＭ（電子走査型顕微鏡）で観察し、パターンの垂直性を確認した。また顕微鏡にて現像部に前記ポジ型感光性樹脂組成物の残渣が無いかを確認した。その結果、パターン壁θ（図１（ｃ））は８５°以上で立っており、残渣も見られなかった。

次いで前記流路パターンを被覆するように、基板上にエポキシ樹脂組成物を含む流路形成部材５を形成した（図１（ｄ））。そして流路形成部材５に対してキヤノン株式会社製マスクアライナーＭＰＡ−６００（商品名）により、マスクパターン（図示せず）を用いて露光を行った後、現像を行って、流路形成部材５に吐出口６を形成した（図１（ｅ））。このエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂＝１００重量部、カチオン重合開始剤＝２重量部、添加剤＝５重量部からなり、流路形成部材はこの組成物を含む溶液であり、溶媒はキシレンである。

エポキシ樹脂は、ダイセル化学工業株式会社製のＥＨＰＥ３１５０（商品名）を用い、カチオン重合開始剤として株式会社アデカ製ＳＰ−１７２（商品名）を用い、添加剤として日硝株式会社製ＳＩＬＱＵＥＳＴＡ−１８７（商品名）を用いた。

その後、保護膜形成材料をスピンコートによる成膜後、８０℃〜１２０℃で乾燥させて、エッチング保護膜を形成した（図示せず）。その後、供給口８を形成した（図示せず）。

次いで、ポジ型感光性樹脂組成物からなる流路パターン４を２００〜３３０ｎｍの光を用いて前面露光を行い、流路パターン４を可溶化した。引き続き、乳酸メチル中に超音波を付与しつつ浸漬し、流路パターン４を溶解除去した。

さらに流路形成部材である前記エポキシ樹脂５を十分に硬化させるために、２００℃１時間加熱を行い、流路壁部材を得て液体吐出ヘッドを得た（図１（ｆ））。

このようにして、作製した液体吐出ヘッドについて、顕微鏡にて流路形状を観察した。本実施例で用いられる流路壁部材は無色透明であるため、流路の形状は流路壁部材を通して観察することができる。その結果、インク流路の形状はシャープな形状であり、歪み等は見られなかった。さらに記録装置に装着し、インクを用いて印字を行ったところ、安定なかつ良好な印字が可能であった。

（実施例２）
実施例１と異なる点は、溶液状のポジ型感光性樹脂組成物について重量比でポリメチルイソプロペニルケトン（ＰＭＩＰＫ）：共重合体（ＰＭＭＡ）＝７０：３０とした点である。それ以外は実施例１と同様に行った。

（実施例３）
実施例１と異なる点は、溶液状のポジ型感光性樹脂組成物について重量比でポリメチルイソプロペニルケトン（ＰＭＩＰＫ）：共重合体（ＰＭＭＡ）＝６０：４０とした点である。それ以外は実施例１と同様に行った。

（実施例４）
実施例１と異なる点は、溶液状のポジ型感光性樹脂組成物について重量比でポリメチルイソプロペニルケトン（ＰＭＩＰＫ）：共重合体（ＰＭＭＡ）＝５０：５０とした点である。それ以外は実施例１と同様に行った。

（実施例５）
実施例１と異なる点は、以下の２点である。それ以外は実施例１と同様に行った。溶液状のポジ型感光性樹脂組成物について、共重合体（ＰＭＭＡ）の組成比を、重量比でメタクリル酸メチル（ＭＭＡ）：メタクリル酸（ＭＡＡ）＝９５：５とした。また、ポリメチルイソプロペニルケトン（ＰＭＩＰＫ）：共重合体（ＰＭＭＡ）＝７０：３０とした。

（実施例６）
実施例１と異なる点は、以下の２点である。それ以外は実施例１と同様に行った。溶液状のポジ型感光性樹脂組成物について、共重合体（ＰＭＭＡ）の組成比を、重量比でメタクリル酸メチル（ＭＭＡ）：メタクリル酸（ＭＡＡ）＝９０：１０とした。また、ポリメチルイソプロペニルケトン（ＰＭＩＰＫ）：共重合体（ＰＭＭＡ）＝７０：３０とした。

（実施例７）
実施例１と異なる点は、以下の２点である。それ以外は実施例１と同様に行った。溶液状のポジ型感光性樹脂組成物について、共重合体（ＰＭＭＡ）の組成比を、重量比でメタクリル酸メチル（ＭＭＡ）：メタクリル酸（ＭＡＡ）＝７０：３０とした。また、ポリメチルイソプロペニルケトン（ＰＭＩＰＫ）：共重合体（ＰＭＭＡ）＝７０：３０とした。

（実施例８）
実施例１と異なる点は、以下の２点である。それ以外は実施例１と同様に行った。溶液状のポジ型感光性樹脂組成物について、共重合体（ＰＭＭＡ）の組成比を、重量比でメタクリル酸メチル（ＭＭＡ）：メタクリル酸（ＭＡＡ）＝９０：１０とした。また、ポリメチルイソプロペニルケトン（ＰＭＩＰＫ）：共重合体（ＰＭＭＡ）＝５０：５０とした。

（実施例９）
実施例１と異なる点は、以下の２点である。それ以外は実施例１と同様に行った。溶液状のポジ型感光性樹脂組成物について、共重合体（ＰＭＭＡ）の組成比を、重量比でメタクリル酸メチル（ＭＭＡ）：メタクリル酸（ＭＡＡ）＝７０：３０とした。また、ポリメチルイソプロペニルケトン（ＰＭＩＰＫ）：共重合体（ＰＭＭＡ）＝５０：５０とした。

（比較例）
実施例１と異なる点は、溶液状のポジ型感光性樹脂組成物について、共重合体（ＰＭＭＡ）を混合せず、ポリメチルイソプロペニルケトンのみを使用した。それ以外は実施例１と同様に行った。

流路パターンの断面形状をＳＥＭ（電子走査型顕微鏡）で観察し、パターンの形状を確認した。また顕微鏡にて現像部に前記ポジ型感光性樹脂組成物の残渣が無いかを確認した。その結果、残渣は見られなかったが、パターン壁は８５°未満でパターンは台形の形状になっていた。

液体吐出ヘッドの流路形状を観察したところ、流路形状は精細で形状の崩れなどは見られなかった。

以上の実施例、比較例について評価を行った結果を表１に示すとともに評価基準を下に記載する。

（評価基準）
垂直性：流路パターンの底部角θ（側壁パターン側と基板とが成す角）
で評価。
△：θ＜８５°
○：８５°≦θ＜９０°
◎：θ≒９０°
現像性：流路パターンの外観を観察して評価。
○：パターン表面に若干凹凸が見られる場合があるが、基板上に残渣が無い。
◎：パターン表面に凹凸は見られず、基板上に残渣も無い。

流路の形状については、全ての実施例、比較例ともに良好であり、流路形成部材を被覆しても流路パターンの形状の崩れはなかったと考えられる。

表１に示される垂直性の評価結果から、ＰＭＩＰＫは、ＰＭＩＰＫとＰＭＭＡとの総和に対して５０重量パーセント以上７０重量パーセント以下であることが好ましいことが伺える。

また、現像性の評価結果から、ＰＭＭＡを形成するためのＭＭＡとＭＡＡとの比率について、ＭＡＡは、ＭＭＡとＭＡＡの和に対して２０重量パーセント以下の割合で用いられることが好ましいことが伺える。実施例２、６に関しては、ＭＡＡの濃度が２０重量パーセント以下であり、同濃度が３０重量パーセントであり、ＰＭＩＰＫとＰＭＭＡとの比が同じでの実施例７と比較して現像速度が適切に抑えられ、良好な現像性が得られていると考えられる。また、実施例６は、実施例８とＭＭＡとＭＡＡとの比が同じであるが、ＰＭＭＡの割合が小さく、溶媒への溶解性が適切に高められ、現像性が特に良好であったと考えられる。

１基板
２エネルギー発生素子
３密着向上層
４型
５流路壁部材
６吐出口

Claims

液体を吐出する吐出口と連通する液体の流路の壁を有する流路壁部材を備えた液体吐出ヘッドの製造方法において、
ポリメチルイソプロペニルケトンと、メタクリル酸とメタクリレートとの共重合体と、の混合物を含む層を基板上に設ける工程と、
前記混合物を含む層に対して、２５０ｎｍ以上の波長のみの光を用いて露光を行った後に現像を行い、前記層から前記流路の型を形成する工程と、
前記流路壁部材となる層を、前記型を被覆するように前記基板上に設ける工程と、
前記型を除去して前記流路を形成する工程と、
を有し、前記混合物には、前記ポリメチルイソプロペニルケトンと前記共重合体との重量の総和に対して、５０重量パーセント以上７０重量パーセント以下の割合で前記ポリメチルイソプロペニルケトンが含まれることを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
前記共重合体は、前記メタクリル酸の重量と前記メタクリレートの重量との総和に対して、２０重量パーセント以下の割合で前記メタクリル酸が使用されて形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
前記型の厚さは、１０μｍ以上２５μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
前記共重合体の分子量が１００００以上５００００以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
前記混合物には、前記ポリメチルイソプロペニルケトンと前記共重合体との重量の総和に対して、１５重量パーセント以上５０重量パーセント以下の割合で共重合体が含まれることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。