JP2006168141A - インクジェット記録ヘッド、及びその製造方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】 ノズル等へのゴミ、異物等の進入を防止することのできるフィルターをインク供給部と同時に形成することのできる、安価で良好な歩留りを得られるインクジェット記録ヘッド、及びその製造方法の提供。
【解決手段】 インク吐出口へのゴミや異物の進入を防止するため、シリコン基板にインク供給部を異方性エッチングによって形成する際に、シリコン基板の裏面に設けた耐エッチングマスクと耐エッチングマスクを保護する保護膜で構成されるフィルターを、該エッチングと同時に形成することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、インクジェット記録方式に用いるインクジェット記録ヘッド、及びその製造方法に関する。

一般的なインクジェット記録ヘッドとして、インクを吐出するための吐出圧エネルギー発生素子面に対してインク吐出が垂直方向に吐出するインクジェット記録ヘッドを例に述べると近年インクジェット記録ヘッドは小型化、高密度化に対し、基板内に半導体製造技術を用いて、インク吐出圧発生素子を駆動するための電気制御回路を内蔵した方法が提案されている。前記する高機能なインクジェット記録ヘッドは複数のインク吐出口（ノズル）にインクを供給する方法として基板裏面より基板を貫通させて各ノズルに対し、共通のインク供給口より各々のノズルにインクを供給する構造になっている。又、前記するようなインクジェット記録ヘッドの基板としてＳｉ基板を用いる場合には、特許文献１にも開示されているように、前記するインク供給口の形成にＳｉ異方性エッチング技術を用いて形成することが可能である。

ここで、インクジェット記録ヘッドに求められる信頼性の１つにノズル詰まりに不吐出（目的のノズルよりインクが出ない）と呼ばれる印字不良が懸念されている。原因としては、インクが固化して吐出出来ない場合やノズル内にゴミが進入して、ノズル内へのインク供給が遮断される等が一般的に言われている。前者の原因に対しては、保護機能を具備、或いは固化した場合の回復機構の具備が行なわれている。更に後者の原因の詳細を大きく分類すると次のようなことが上げられる。

１．インクジェット記録ヘッドの製造過程でゴミ、異物が進入する
２．インクジェット記録ヘッドの外部よりゴミ、異物が進入する
こと等によって、ノズル内にゴミが進入して、ノズル内へのインク供給が遮断され、印字不良が発生する。

特に前記２．で懸念されることとして、インクの供給をインクジェット記録ヘッドと分離可能な構造とする場合には、その接続部で問題となる可能性が高い。このような原因に対する対策としては、従来においては前記１．に関しては製造工程中の管理、製造環境対策等を行い、前記２．に関してはインクジェット記録ヘッドのインク供給口の近傍にフィルターを設ける等の工夫がなされている。しかしながら、前記２．の対策のようにインク供給口にフィルターを設けるに際して、インクジェット記録ヘッドと別なフィルターを別の部品として製造、実装する従来のものでは、製造コスト、部品コスト、品質管理、或いは、部品同士の接続信頼性等に関して、必ずしも満足のいくものではなく、更なる改善が望まれている。

これらの課題を解決するための発明として特許文献２が開示されている。図５（Ａ）に従来技術によるフィルター構造を有するインクジェット記録ヘッドを示す。このインクジェット記録ヘッドでは、Ｓｉ基板１の裏面にＳｉＯ_２やＳｉＮ等の耐エッチングマスク３を設け、異方性エッチングによってインク供給部１１を形成する際に、耐エッチングマスク３でフィルター構造を形成する方法が報告されている。
特開昭９−１１４７９号公報 特開２０００−９４７００号公報

しかしながら、前記発明では、耐エッチングマスク材としてＳｉＯ２やＳｉＮ膜等の絶縁膜を用いているが、これらの膜は、通常スパッタやＣＶＤといった堆積膜として形成されるため、これらの膜を無欠陥で形成するのは、困難である。また、インク吐出圧発生素子を形成する後工程で様々な液体にさらされる、及び半導体製造装置内での搬送等の原因による微小なキズも入るため、これらの膜を無欠陥にすることは非常に困難である。

そのために、図５（Ｂ）に示すように、規定のインク供給口幅寸法Ｘに対して、この欠陥部（ピンホール）１４に起因して、インク供給口幅Ｙのように、規定寸法以上に大きくなる不良になることがあった。そのため、インクの吐出特性に影響を与えてしまう。また、図５（Ｃ）に示すように、インクジェット記録ヘッドの高画質化に伴い、吐出口の微細加工化が進み、この欠陥部（ピンホール）１４に起因したフィルターの微小な破損が無視できない状況にある。以上のような理由から良好な歩留りが得られないという課題がある。そのため、ヘッド製造等のマイクロマシン技術においては、無欠陥のエッチングマスクの形成が大きな要請となっている。

そこで、本発明は、上記従来のものにおける課題を解決し、製造に関して、ノズル等へのゴミ、異物等の進入を防止することのできるフィルターをインク供給部と同時に形成することのできる、安価で良好な歩留りを得られるインクジェット記録ヘッド、及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、インクジェット記録ヘッド、及びその製造方法をつぎのように構成したことを特徴とするものである。

すなわち、Ｓｉ基板を用い、該基板にインク供給圧発生素子と、インク吐出口にインクを供給するインク供給部とを形成するインクジェット記録ヘッドにおいて、前記Ｓｉ基板に耐エッチングマスクを設け、該Ｓｉ基板に前記インク供給部を異方性エッチングによって形成する際に、耐エッチングマスクと耐エッチングマスクを保護する保護膜で構成されるフィルターを、該インク供給部と同時に形成することを特徴とする。また、前記フィルターの口径をＡとし、インク吐出口径をＢとする時、Ａ≦Ｂの関係が成り立つことを特徴とする。また、前記Ｓｉ基板は、エッチングを開始する面の結晶面方位が＜１００＞面、又は＜１１０＞面であることを特徴とする。また、前記耐エッチングマスクを保護する保護膜は、感光性樹脂、もしくは熱可塑性樹脂で作られることを特徴とする。

本発明者らは、前記Ｓｉ基板に前記インク供給部を異方性エッチングによって形成する際に、耐エッチングマスクに存在する欠陥（ピンホール）によるフィルター破損の発生を押さえ込むため、耐エッチング層のパターニングマスクの役割を兼ね備え、且つ、耐エッチング層の欠陥を保護する保護膜を利用してフィルター構造を形成する方法を見出した。

上記構成により、耐エッチングマスクに存在する欠陥（ピンホール）によるフィルター破損の発生を最小限に押さえ込むことができ、フィルター形成工程の歩留りを向上させることが可能となる。さらに、実際のインクジェット記録ヘッドを完成させるためには、後工程での、多数個配列された基板からここの素子を分離するための切断、あるいは機能素子を駆動させる上で必要な外部より電気信号を送るための接続やインクを供給するための構造部材の組み立てが必要であるが、本発明ではインクジェット記録ヘッドの機能素子部分（一般的にデバイスとも言う）でフィルター構造が作りこまれていることから、歩留りのよいインクジェット記録ヘッドが製造可能である。

本発明によれば、Ｓｉ基板に前記インク供給部を異方性エッチングによって形成する際に、耐エッチングマスクと耐エッチングマスクを保護する保護膜を利用して、ゴミや異物等の進入を防止するフィルターを、該インク供給部と同時に形成することが可能となる。それにより、耐エッチングマスクに存在する欠陥（ピンホール）によるフィルター破損の発生を最小限に押さえ込むことができ、フィルター形成工程の歩留りを向上させることが可能となる。

さらには、インクジェット記録ヘッドを完成させるためには、後工程での、多数個配列された基板から個々の素子を分離するための切断、或いは機能素子を駆動させる上で必要な電気信号を送るための接続（電気実装とも言う）や、インクを供給するための構造部材の組み立てが必要であるが、本発明は、インクジェット記録ヘッドの機能素子部分（一般にデバイスとも言う）でフィルター構造を作りこむことができ、前記した製造後工程中に発生するゴミが進入することもなく、歩留りのよいインクジェット記録ヘッドが製造可能になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

図４に、本実施形態において製造するインクジェット記録ヘッドの模式図を示す。このインクジェット記録ヘッド（液体吐出ヘッド）は、インク吐出圧発生素子（液体吐出圧発生素子）２が所定のピッチで２列並んで形成されたＳｉ基板１を有している。Ｓｉ基板１には、ＳｉＯ_２膜３をマスクとしてＳｉの異方性エッチングによって形成されたインク供給口（液体供給口）１１が、インク吐出圧発生素子２の２つの列の間に開口されている。Ｓｉ基板１上には、オリフィスプレート材９によって、各インク吐出圧発生素子２の上方に開口するインク吐出口（液体吐出口）７と、インク供給口１１から各インク吐出口７に連通するインク流路（液体流路）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１１が形成された面が被記録媒体の記録面に対面するように配置される。そしてこのインクジェット記録ヘッドは、インク供給口１１を介してインク流路内に充填されたインク（液体）に、インク吐出圧発生素子１２によって発生する圧力を加えることによって、インク吐出口７からインク液滴を吐出させ、被記録媒体に付着させることによって記録を行う。

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、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、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被記録媒体に記録を行うことができる。なお、本発明において、『記録』とは、文字や図形などの意味を持つ画像を被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。

特に、このインクジェット記録ヘッドのインク供給口形成においては、耐エッチングマスク３としてＳｉＯ_２やＳｉＮ膜等の絶縁膜を用いるのが一般的であるが、これらの膜は、通常スパッタやＣＶＤといった体積膜として形成されるため、これらの膜を無欠陥に形成するのは困難である。そのために、この欠陥部（ピンホール）に起因してフィルターが不良になることがある。

そこで、本発明では、耐エッチングマスクに存在する欠陥（ピンホール）によるフィルター破損の発生を押さえ込むため、耐エッチング層のパターニングマスクの役割を兼ね備え、且つ、耐エッチング層の欠陥を保護する保護膜を利用してフィルター構造を形成する方法を見出した。

以下に、インクジェット記録ヘッドを実施例に示す。

図１（Ａ）〜（Ｆ）は、本発明のインクジェット記録ヘッドの基本的な製造工程を示す模式的断面図である。図１は、図５のＡ−Ａ’部を切断した断面にあたる。

図１（Ａ）に示されるシリコン基板１は結晶方位が＜１００＞面である。このシリコン基板上には、発熱抵抗体等のインク吐出圧発生素子２が複数個配置されている。また、前記基板１の裏面はＳｉＯ_２膜３を含め、ポリシリコン膜４で全面覆われている。この前記基板１の表面にポジ型レジストをスピンコート等により塗布、乾燥し、図１（Ｂ）示すように、前記基板１の裏面のシリコン面に接する前記ＳｉＯ_２膜以外のポリシリコン膜層４をドライエッチング等により除去し、前記ポジ型レジストを剥離する。このＳｉＯ_２膜３が異方性エッチングの際のエッチングマスクとなる。

次に図１（Ｃ）に示すように、前記ＳｉＯ_２膜３に密着するポリエーテルアミド樹脂で作られるＳｉＯ_２膜パターニングマスク層６を形成した。本発明の一実施形態では、ポリエーテルアミド樹脂層として熱可塑性ポリエーテルアミド（日立化成工業（株）製、商品名：ＨＬ−１２００）を用いた。上記の熱可塑性ポリエーテルアミドは溶剤に溶解した溶液として市販されている。これが前記ＳｉＯ_２膜３をパターニングする際のパターニングマスクとなる。また、前記ＳｉＯ_２膜３の欠陥（ピンホール）を保護する役割も果たす。前記ＳｉＯ_２膜パターニングマスク層６は、前記ＳｉＯ_２膜３上にスピンコート等によりＳｉＯ_２膜パターニングマスク層を全面塗布、熱硬化した後、さらにポジ型レジストをスピンコート等により塗布、乾燥し、紫外線、Ｄｅｅｐ ＵＶ光等による露光、現像を行い、前記ポジ型レジストのパターンをマスクとして、露出した前記ＳｉＯ_２膜パターニングマスク層をドライエッチング等により除去し、前記ポジ型レジストを剥離して形成される。

今回、このパターニングマスク層６には、図２に示すフィルター構造となるパターンを形成した。この穴１２が実際のインクを通過させる穴になる。従って、穴径はできるだけ小さく、細かく配置することが、フィルターとしての性能が高いということはいうまでもない。一方、フィルター部で圧損（流抵抗）が起こり、インクの流れが悪くなることからインク吐出速度に悪影響を与えるため、むやみに細かいサイズのフィルターを形成することは好ましくない。従って、このフィルターの性能と流抵抗の間にはトレードオフの関係がなりたつ。そこで、本発明では、穴径として５μとなるようなサイズに設計し、前記する穴を図２のように隣り合う穴との間隔も５μとする等間隔で配置した。ここで、配列した穴の最外周から、サイドエッチ量を加えた寸法がインク供給口１３のサイズとなる。

本発明においては、前記したようにフィルター穴径５μで隣り合う穴との間隔も５μとする例を挙げたが、個々のインクジェットプリントヘッドに適した、つまり、前記トレードオフの関係を両立させうるフィルター穴径、配列間隔に適宜、調整することが望ましい。但し、サイドエッチング量を超えて隣り合うフィルター穴の間隔を設定してはならない。

次いでインク吐出圧発生素子２を含む基板１上に、溶解可能な樹脂層でインク流路部となるパターン５を形成する。前記溶解可能な樹脂層５（ＯＤＵＲ：東京応化製）は、スピンコート等による塗布の後、紫外線やＤｅｅｐ ＵＶ光等による露光、現像を行ってパターン形成する。

次に図１（Ｄ）に示すように、前記溶解可能な樹脂層５上に被覆樹脂層９（ＣＲ）をスピンコート等により形成する。前記被覆樹脂層９上には撥水層８がドライフィルムのラミネート等により形成されている。インク吐出口７は、紫外線やＤｅｅｐ ＵＶ光等による露光、現像を行って形成する。

次に図１（Ｅ）に示すように、前記溶解可能な樹脂層５および前記被覆樹脂層９等がパターン形成されている前記基板１の表面および側面をスピンコート等による塗布を行い、保護材１０で覆う。前記保護材１０は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であり、そのため、異方性エッチングを行うことによる前記撥水層８等の劣化等を防ぐことが可能となる。 前記基板１の裏面のＳｉＯ_２膜３は、前記ＳｉＯ_２膜パターニングマスク層６をマスクとしてウェットエッチング等によりパターニングされ、異方性エッチングの開始面となるシリコン面が露出される。

次に前記基板１にインク供給口１１を設ける。このインク供給口１１は、基板を化学的にエッチング、例えばＴＭＡＨやＫＯＨの強アルカリ溶液による異方性エッチングにより形成する。形成方法を順序良く説明していく。

Ｓｉ基板の厚さ方向に貫通させるインク供給口の形成メカニズムを図３（Ａ）〜図３（Ｄ）を参照して説明すると図３（Ａ）ではエッチング開始の比較的初期の段階を表しているが、個々のフィルター穴径（本実施例では５μｍ）に対してほぼ忠実にＳｉが異方性エッチングされている。図３（Ｂ）では、エッチングを進行するとサイドエッチングが起こり実際の穴径よりＳｉ基板の方は穴径が広がる。図３（Ｃ）では図３（Ｂ）よりさらにエッチングが進行した時の模様である。図３（Ｄ）は最終的にエッチングが完了したところである。

以上のように、本発明の特徴は、前記するサイドエッチングを利用して、フィルターとＳｉ基板を貫通させるインク供給口を同時に形成する方法である。

続いて図１（Ｆ）に示すように、前記保護材１０を除去する。さらに前記溶解可能な樹脂層５を、前記インク吐出口７および前記インク供給口１１から溶出させることにより、インク流路および発泡室が形成される。前記溶解可能な樹脂層５の除去は、Ｄｅｅｐ ＵＶ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、超音波浸漬すれば十分である。

以上の工程により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分離切断、チップ化し、インク吐出圧発生素子２を駆動させるため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して、インクジェット記録ヘッドとしての主たる製造工程が完成する。

本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法においては、以上の製造方法、材料等に限定されることなく、他の製造方法、材料等を用いても一向にさしつかえない。しかしながら、基板にＳｉ基板を用いること、インクジェット記録素子等の機能素子が形成される面のＳｉ基板の結晶方位が＜１００＞面であること、また、インクジェット記録ヘッドのオリフィスプレート９、インク吐出口７が形成されたＳｉ基板の裏面（インクジェット記録ヘッドの機能素子が形成されている面の反対側）からＳｉ異方性エッチング技術によりインク供給口１１を形成すること等は、本発明を構成する上で重要な構成となる。

他の実施例として、フィルターにポリエーテルアミド樹脂層を一実施例として述べたが、他の実施例としてはＣＲ（感光性樹脂）９を用いることも可能である。前記することの理由としては、耐インク性があることと、また、フィルターが大面積であっても、ポリ―エーテルアミド樹脂と同等の平滑で、強度のあるフィルター構造が形成可能である。

本発明の実施例１に係わるインクジェット記録ヘッドの基本的な製造工程を示す模式的断面図である。 フィルター部を表すインクジェット記録ヘッドの裏面から見た模式図である。 本発明の実施例１に係わるインクジェット記録ヘッドの異方性エッチングによるフィルター形成方法を説明する模式的断面図である。 本発明の実施形態のインクジェット記録ヘッドの一部を破断して示す模式的斜視図である。 本発明の従来技術に係わるインクジェット記録ヘッドの模式的断面図を示す。

符号の説明

１ Ｓｉ基板
２ インク吐出圧発生素子
３ 耐エッチングマスク（ＳｉＯ_２）
４ ポリシリコン
５ 溶解可能な樹脂層（ＯＤＵＲ：東京応化製）
６ ＳｉＯ２膜パターニングマスク層及びフィルター材
７ インク吐出口
８ 撥水層
９ 被覆感光性樹脂層（ＣＲ）
１０ 保護材
１１ インク供給口
１２ フィルター穴
１３ フィルター
１４ 耐エッチングマスクの欠陥

Claims (8)

1. Ｓｉ基板を用い、該基板にインク供給圧発生素子と、インク吐出口にインクを供給するインク供給部とを形成するインクジェット記録ヘッドにおいて、
   前記Ｓｉ基板に耐エッチングマスクを設け、該Ｓｉ基板に前記インク供給部を異方性エッチングによって形成する際に、耐エッチングマスクと耐エッチングマスクを保護する保護膜で構成されるフィルターを、該インク供給部と同時に形成することを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. 前記フィルターの口径をＡとし、インク吐出口径をＢとする時、Ａ≦Ｂの関係が成り立つことを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
3. 前記Ｓｉ基板は、エッチングを開始する面の結晶面方位が＜１００＞面、又は＜１１０＞面であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のインクジェット記録ヘッド。
4. 前記耐エッチングマスクを保護する保護膜は、感光性樹脂、もしくは熱可塑性樹脂で作られることを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれかに記載のインクジェット記録ヘッド。
5. Ｓｉ基板を用い、該基板にインク供給圧発生素子と、インク吐出口にインクを供給するインク供給部とを形成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Ｓｉ基板に耐エッチングマスクを設け、該Ｓｉ基板に前記インク供給部を異方性エッチングによって形成する際に、耐エッチングマスクと耐エッチングマスクを保護する保護膜で構成されるフィルターを、該インク供給部と同時に形成する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。
6. 前記フィルターの口径をＡとし、インク吐出口径をＢとする時、Ａ≦Ｂの関係が成り立つことを特徴とする請求項５に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。
7. 前記Ｓｉ基板は、エッチングを開始する面の結晶面方位が＜１００＞面、又は＜１１０＞面であることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。
8. 前記耐エッチングマスクを保護する保護膜は、感光性樹脂、もしくは熱可塑性樹脂で作られることを特徴とする請求項５乃至請求項７いずれかに記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。