JP5814747B2 - 液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

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する。

液体を吐出する液体吐出ヘッドの代表例としては、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に適用されるインクジェット記録ヘッドを挙げることができる。このインクジェット記録ヘッドは、一般に、インク流路と、その流路の一部に設けられた吐出エネルギー発生部と、そこで発生するエネルギーによってインクを吐出するための微細なインク吐出口と、を備えている。

インクジェット記録ヘッドに適用可能な液体吐出ヘッドを製造するための方法が、特許文献１に開示されている。この方法においては、複数の吐出エネルギー発生部を有する基板上に流路の型を形成し、その上に流路の壁を有する流路壁部材となるための、硬化性樹脂からなる被覆樹脂層を塗布する。そして、流路の壁となる、被覆層の上表面を含む型の周囲の部分を硬化させ、研磨を施されたシリコンのプレートをその上に貼り、プレートに吐出口を形成した後、被覆層の未硬化の部分と型とを除去することにより流路となる空間を形成する。

特開２００６−１６８３４５号公報

近年では、より高いレベルでの高画質化、記録の高速化が記録装置に要求されるため、吐出口とそれに連通する流路とを高密度に配置するとともに、吐出される液滴の体積をさらに高いレベルで均一化することが要求されてきている。

特許文献１に記載の方法では、基板面全体の中に流路の型が部分的に存在することにより、被覆層の上表面にわずかながら起伏が生じる可能性がある。シリコンのプレートがこの起伏にならうように設けられてしまうと、その結果として、吐出エネルギー発生部と吐出口との距離がばらつくことが想定される。このようなことが起こった場合には、この距離のばらつきにより各吐出口から吐出される液滴の体積がばらついてしまい記録される画像に影響が現れることが懸念される。シリコンプレートを被覆層に貼り合せる際に、高い圧力で押し付けるようにしても、被覆層の上表面の一部は硬化されているため起伏を十分に解消するほどに平坦化することは困難である。

本発明は上述した課題を鑑みなされたものであって、吐出液滴の液量のバラツキがより一層低減され、かつ、所望の形状の流路が高精度に形成された液体吐出ヘッドを歩留まりよく製造することができる液体吐出ヘッドの製造方法を提供することを目的の１つとする。

本発明は、液体を吐出する吐出口と、該吐出口に連通する流路の壁を構成する流路壁部材と、を有する液体吐出ヘッドの製造方法において、前記流路の型が設けられた基板を用意するＡ工程と、前記流路壁部材となる第１の層を、前記流路の型を被覆するように設けるＢ工程と、前記第１の層の流路の側壁となる部分を硬化させるＣ工程と、第２の層を、前記第１の層の硬化させた部分と前記流路の型とを被覆するように設けるＤ工程と、前記第２の層を基板側に押圧することで、前記第２の層を平坦化するＥ工程と、前記第１の層及び前記第２の層に前記吐出口を設けるＦ工程と、前記流路の型を除去して前記流路を形成するＧ工程と、をこの順に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、吐出液滴の液量のバラツキがより一層低減され、均一液量の液滴を安定的に繰り返し吐出することができ、かつ吐出口に連通する流路が高精度に形成された信頼性の高い液体吐出ヘッドの製造を歩留まりよく行うことができる。

本発明の実施形態の製造方法により製造される液体吐出ヘッドの模式的斜視図である。 本発明の実施形態の製造方法の一例を示す模式的断面図である。 本発明の実施形態の製造方法の工程中の状態を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明を説明する。
なお、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。例えば、バイオッチップ作成や電子回路印刷、薬物を噴霧状に吐出することなどの用途にも用いることができる。

図１は本発明の実施形態により製造される液体吐出ヘッドの一部透しの模式的斜視図である。
図１に示す本発明の液体吐出ヘッドは、インク等の液体を吐出するために用いられるエネルギーを発生するエネルギー発生素子２が所定のピッチで形成された基板１を有している。基板１には液体を供給する供給口３が、エネルギー発生素子２の２つの列の間に設けられている。基板１上には、エネルギー発生素子２の上方に開口する吐出口５と、供給口３から各吐出口５に連通する個別の液体の流路６の壁と、を備えた流路壁部材４が設けられている。流路壁部材４は、流路の壁を構成する。

次いで、図２を用いて本発明の液体吐出ヘッドの製造方法について説明する。図２は第１の実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法を説明するための模式的断面図であり、図１のＡ−Ａ’を通り、基板１に垂直な位置で切断した場合の各工程での切断面を表わす模式的切断面図である。

図２（ａ）に示されるように、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を表面に備えた基板１上に流路６の形状を有する型７が、平坦に設けられている。先ず、この状態の基板１を用意する（Ａ工程）。なお、以降の説明では１つの液体吐出ヘッド単位を図示して説明を行う。しかし、基板１として６〜１２インチのウェハーを使用して、複数の液体吐出ヘッド単位を一枚のウェハー上で一括に製造して、それを最後に切り分けることで１つの液体吐出ヘッドを得ることもできる。

型７は、ポジ型感光性樹脂等の樹脂材料、金属、または無機物から形成される。例えば塗布する方法や、フィルム化したものをラミネートする方法によりポジ型感光性樹脂を基板１上に設け、その後フォトリソグラフィー等で流路の形状にパターン化することで型７を形成できる。型７は、後の工程で基板１から除去するものであるため、容易に除去することができるように溶解可能なものが好ましい。とりわけ、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好ましいものとして挙げられる。この理由は、上記化合物は、溶媒で簡単に除去することが可能であり、また単純な組成であるので、後述する第１の層８に対して、型７の成分が与える影響が少ないからである。

次いで、図２（ｂ）に示されるように、流路壁部材となる第１の層８を、流路の型を被覆するように設ける（Ｂ工程）。第１の層８には、例えば熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂等が使用可能である。光硬化性樹脂のより具体的な例としては、エポキシ樹脂と光カチオン重合とを含むものが挙げられる。このような材料を含んだ第１の層８を、塗布、ラミネートなどの方法により型７の基板１と反対側の面である上面よりも厚い厚さとなるように設ける。型７を全体的に被覆するように第１の層８を設けてもよい。
次いで、図２（ｃ）に示されるように、前記第１の層８の流路の側壁となる部分を硬化させて第１の層８に硬化部８ａを形成する（Ｃ工程）。後で説明されるように、第２の層９の上面を平坦化するときに、流路の型７が基板と平行な方向に広がるのを抑制する必要がある。そのため、第１の層８の型７に接する部分のうち、型７の側外面と接する部分を硬化して硬化部８ａを形成する。フォトリソグラフィーの手法を用いたりレーザービーム等を使用したりして、硬化に必要なエネルギーを部分的に第１の層８に提供することで、硬化性の樹脂からなる第１の層８の一部を硬化させることによって硬化を行う。硬化が行われなかった部分８ｂは実質的に変化しない。図３は、図２（ｄ）で示される基板を上方から見た場合の基板の状態を示す図である。図３に示されるように、硬化部８ａ（色付き部）は、型７を全体的に囲むように形成する。図面から明らかなように、硬化部８ａが型７の一部にオーバーラップするように形成してよい。

第１の層８の型７上の部分のうち、後の工程で吐出口を開口させる部分、例えばエネルギー発生素子２に対向する部分、は除去しやすいように硬化させないことが好ましい。第１の層８の流路の型７同士の間の部分は未硬化部８ｂとしてもかまわない。また、未硬化部８ｂは除去してもかまわない。

次いで、図２（ｄ）に示されるように、硬化部８ａと型７とを被覆するように第２の層９を設ける（Ｄ工程）。本実施形態では未硬化部８ｂを除去していないので、第２の層９は未硬化部８ｂ上にも設けられる。層９の流動を考慮して、ウェハー内で、第２の層９の上表面１１の基板１の表面からの高さが、吐出口５の基板１の表面からの高さより高くなるように形成しておくのが望ましい。

第２の層９には熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂等が使用可能である。第１の層８（硬化部８ａ、未硬化部８ｂ）との親和性を考慮すると、第２の層と第１の層とが同じ組成の材料であることが好ましい。しかし、組成物内の各成分の配合比まで同じである必要はない。

次いで、図２（ｅ）に示されるように、第２の層９の上表面から基板１に向かう方向（基板側、図中の矢印方向）に、例えば板状の板部材１０を用いて、第２の層９の上表面を押圧することで第２の層９の上表面を平坦化する（Ｅ工程）。板部材１０としては、研磨により鏡面仕上げを行ったシリコン、石英などの基板を使用することができ、例えば厚さ分布が２μｍ以下のものを使用可能であり、その表面粗さＲａ値が１ｎｍ以下であるものを使用可能であるがこれに限定されない。板部材と樹脂表面との離型性が良くなるように、それぞれの極性が異なるように材料を選定することが好ましい。また、板部材または樹脂表面に撥水・撥油性の膜を形成することも可能である。また、押圧する方法としては、板部材を樹脂表面上に乗せ、市販のプレス装置を用いて上下より加圧することで可能となるが、これに限定されない。また、樹脂の流動を助けるために、基板全体を温めたり、冷やしたりすることも有用である。また、板部材と樹脂との間の空気をより確実に除去するため、一定圧まで真空引きすることも有用である。

第２の層９は樹脂の硬化部８ａと比較して流動性が高いので、平坦な板部材１０の表面の形にならい第２の層９の上表面が平坦化される。板部材の表面と基板１の表面とを平行になるように調整し、第２の層９の上表面１１を基板１の表面と平行になるように形成する。

以上の工程を経て、図２（ｆ）に示されるように、第２の層９の上表面１１が平坦化される。例えば８インチウェハ状の基板１の表面の複数のエネルギー発生素子２について、各エネルギー発生素子２と上表面１１との距離が最大のものと最小のものとの差を１μｍ以内とすることも可能である。
次いで、図２（ｇ）に示されるように、マスク２０を使用して吐出口となるべき部分を遮光して第２の層９を露光して露光が行われた部分を硬化させる。これにより第２の層９に硬化部９ａが形成され、露光が行われなかった部分は未硬化部９ｂとして残る。先に第１の層８の一部を硬化した際に、硬化させなかった未硬化部８ｂの一部も第２の層９と一緒に一括して露光、硬化させる。第１の層８と第２の層９の材料によっては、第２の層９を硬化させることで、流路壁部材となる第１の層８と第２の層９とを一体化することが可能である。

次いで、図２（ｈ）に示されるように、第１の層８及び第２の層９に吐出口となる開口５ａを形成する（Ｆ工程）。第１の層８と第２の層９との未硬化部分を除去することで吐出口となる開口５ａを形成することができる。開口５ａを通じて型７が露出する。なお、このＦ工程において、第２の層９をドライエッチングすることにより吐出口となる開口５ａを第２の層９に形成することも可能である。

次いで、図２（ｉ）に示されるように、型７を除去して流路６を形成する（Ｇ工程）。先のＥ工程での平坦化によって、複数の吐出口５それぞれと 基板１の各エネルギー発生素子２が設けられている面との距離Ｄの均一化が図られる。

本実施例においては、液体吐出ヘッドの一例としてのインクジェットヘッドを例にとって、その製造方法を説明する。

まずインクを吐出させるためのエネルギー発生素子とドライバーやロジック回路が形成された円盤ウェハー状態のシリコン基板１を準備した。なお、本実施例では、複数チップ単位のインクジェットヘッドを一括して製造するために流路の型はそのチップ単位の個数に合わせて設けるものとする。
次いでこの基板１上に、光崩壊性ポジ型レジストからなるポジ型レジスト層を形成した。なお、ポジ型レジスト層を形成する光崩壊性ポジ型レジストとしては、ポリメチルイソプロペニルケトン（東京応化工業（株）社製ＯＤＵＲ−１０１０）を樹脂濃度が２０ｗｔ％になるように調節し、これをまずスピンコート法によって基板上に塗布した。その後、ホットプレート上にて１２０℃の温度で３分間、引き続き窒素置換されたオーブンにて、１５０℃の温度で３０分間のプリベークを行い、５μｍ膜厚のポジ型レジスト層を形成した。その後、ポジ型レジスト層上に、ウシオ電機製Ｄｅｅｐ−ＵＶ露光装置ＵＸ−３０００（商品名）を用い、流路パターンの描かれたマスクを介して、１８０００ｍＪ／ｃｍ^２の露光量でＤｅｅｐ−ＵＶ光を照射した。その後、非極性溶剤であるメチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）／キシレン（Ｘｙｌｅｎｅ）＝２／３溶液により現像し、キシレン（Ｘｙｌｅｎｅ）を用いてリンス処理を行うことで、基板１上に流路６の形状を有する型７を形成した（図２（ａ））。

次いで、インク流路パターン上に、光硬化性樹脂からなる第１の層８を被覆させた（図２（ｂ））。光硬化性樹脂としては以下の組成の組成物Ａを使用した。

（組成物Ａ）
・ＥＨＰＥ−３１５０（商品名、ダイセル化学工業社製） １００重量部
・ＨＦＡＢ（商品名、セントラル硝子社製） ２０重量部
・Ａ−１８７（商品名、日本ユニカー社製） ５重量部
・ＳＰ１７０（商品名、旭電化工業社製） ２重量部
・キシレン ８０重量部
この組成物をスピンコート法によって基板１上に塗布し、ホットプレート上にて９０℃の温度で３分間のプリベークを行い、５μｍ（基板上）の第１の層８を形成した。

次いで、マスクアライナーＭＰＡ６００ＦＡ（キヤノン製）を用い、パターンが描かれたマスクを介して、３０００ｍＪ／ｃｍ^２の露光量にてパターン露光した。次いで、９０℃で１８０秒のＰＥＢを行い流路の型を囲む部分である８ａ部を硬化させた。

次いで、硬化部８ａと型７とを被覆するように組成物Ａを塗布し、ホットプレート上にて９０℃の温度で３分間のプリベークを行い、光硬化性樹脂層からなる約５μｍの第２の層９を形成した。

次いで、第２の層９の上表面１１から基板１に向かう方向に板状の板部材１０を乗せ、東芝機械社製プレス装置（ＳＴ−５０）を用いて、真空チャンバー内で上下より加温且つ加圧することで押しつけた。板状の板部材１０は飯山特殊ガラス社製の高精度に研磨された石英基板表面上にデュラサーフ（ダイキン社製）を成膜処理したものを用いた。押しつけた板部材１０は平坦化処理後に離型した。

更に、マスクアライナーＭＰＡ６００ＦＡ（キヤノン製）を用い、インク吐出口パターンが描かれたマスク２０を介して、３０００ｍＪ／ｃｍ^２の露光量にて第２の層９と第１の層８の未硬化部８ｂとをパターン露光した。次いで、９０℃で１８０秒のベークを行い露光が行われた部分を硬化させた。
次いで、メチルイソブチルケトン／キシレン＝２／３溶液を用いて現像し、キシレンを用いてリンス処理を行うことで、インク吐出口５ａを形成した。

次いで基板１の裏面にインク供給口３をエッチング処理により形成した。保護層を全面に塗布し、基板の裏面にポジ型レジストでスリット状のエッチングマスクを形成し、８０℃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中に浸漬することでシリコン基板に対して異方性エッチングを行い、インク供給口３を形成した。

次いで保護層を除去した後、ウシオ電機製Ｄｅｅｐ−ＵＶ露光装置ＵＸ−３０００（商品名）を用いて７０００ｍＪ／ｃｍ^２の露光量で全面に露光し、インク流路パターンを形成する型７を可溶化した。そして乳酸メチル中に超音波を付与しつつ浸漬することで、インク流路パターンを除去し、基板を各チップ単位に切断してインクジェットヘッドを作成した。

上記の方法で作成したインクジェットヘッドは、基板１の各エネルギー発生素子２が設けられている面と吐出口５との距離Ｄがどのノズルでも均一な形状となった。このインクジェットヘッドを電気的に配線したうえでプリンタに搭載し、吐出及び記録評価を行ったところ、安定な吐出量の液滴を飛翔させることが可能であり、得られた印字物は高品位なものであった。

（比較例）
比較例は第１の層８上に更に光硬化性樹脂を塗布しない点、また板状の板部材を押しつけない点で実施例と異なる。以下に比較例を説明する。

実施例と同様にして、型７上に第１の層８として光硬化性樹脂を被覆させた。その後に、インク吐出口パターンが描かれたマスクを介して、３０００ｍＪ／ｃｍ^２の露光量にて第１の層８をパターン露光し、露光が行われた部分を硬化させた。未硬化の部分を除去してインク吐出口５ａを形成した。以降は実施例１と同様の工程においてインクジェットヘッドを作成した。この方法で形成したヘッドは基板１の各エネルギー発生素子２が設けられている面と吐出口５との距離Ｄがノズルによってばらつきを有し、このインクジェットヘッドをプリンタに搭載し、吐出及び記録評価を行った。吐出自体には問題なかったが、実施例によるインクジェットを使用した場合と比較して得られた画像の鮮明さが低かった。これは吐出量のばらつきを原因とするものであると想定される。

Claims (5)

1. 液体を吐出する吐出口と、該吐出口に連通する流路の壁を構成する流路壁部材と、を有する液体吐出ヘッドの製造方法において、
   前記流路の型が設けられた基板を用意するＡ工程と、
   前記流路壁部材となる第１の層を、前記流路の型を被覆するように設けるＢ工程と、
   前記第１の層の流路の側壁となる部分を硬化させるＣ工程と、
   第２の層を、前記第１の層の硬化させた部分と前記流路の型とを被覆するように設けるＤ工程と、
   前記第２の層を基板側に押圧することで、前記第２の層を平坦化するＥ工程と、
   前記第１の層及び前記第２の層に前記吐出口を設けるＦ工程と、
   前記流路の型を除去して前記流路を形成するＧ工程と、
   をこの順に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Ｃ工程の後であり、前記Ｄ工程の前に、
   前記Ｃ工程において前記第１の層の硬化させていない部分を、前記第１の層から除去する請求項１に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
3. 前記Ｆ工程において、
   前記Ｃ工程において前記第１の層の硬化させていない部分の一部と、前記第２の層の一部とを一括して硬化させることで前記第１の層及び前記第２の層に前記吐出口を設ける請求項１または２に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
4. 前記第１の層と前記第２の層とは同じ組成の層である請求項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。
5. 前記Ｆ工程において、前記第１の層と前記第２の層とにドライエッチングをすることで前記第１の層及び前記第２の層に前記吐出口を設ける請求項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。

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