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JP3998254B2 - インクジェットヘッドの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、インク等の液体にエネルギーを加えることによって液体を吐出するインクジェットヘッドの製造方法に関する。
パソコンの印刷装置としてインクジェット記録装置を用いたプリンタが、印字性能が良く、低コストなので広く利用されるようになっている。このインクジェット記録装置には、熱エネルギーによってインクに気泡を発生させ、その気泡による圧力波によりインク滴を吐出させるもの、静電力によりインク滴を吸引吐出させるもの、圧電素子のような振動子による圧力波を利用したもの等が開発されている。
上記インクジェット記録装置のうち、圧電素子を用いたものは、インク吐出口に連通したインク流路と、そのインク流路の圧電素子に対応した圧力発生室と、この圧力発生室に対応して設けられた例えば薄膜の圧電素子と、この圧電体薄膜が接合された振動板膜と、を有する。圧電体薄膜に所定の電圧を印加すると、圧電体薄膜が伸縮することによって、圧電体薄膜と振動板膜とが一体となって振動を起こして圧力発生室内のインクが圧縮され、それによりインク吐出口からインク液滴が吐出するような構成である。
ところで、近年、インクジェット記録装置においては印字性能の向上、特に高解像度および高速印字が求められている。このためには、１回のインク的の吐出量を少なくし、さらに高速駆動をすることが必要となってくる。これらのことを実現するにあたって、特開平９-123448号公報(特許文献１)では、圧力発生室での圧力損失を小さくするために圧力発生室の容積を縮小する方法を開示している。
さらに、目的は異なるが基板としてＳi｛110｝を使って、Ｓi｛111｝面をインク圧力発生室側面に用いたインクジェットヘッドが特許3168713号公報(特許文献２)に開示されている。また、特開2000-246898号公報(特許文献３)は、シリコン基板に設けられたキャビティに対向する領域に圧電素子を配し、各圧力発生室間の隔壁の剛性を確保し、クロストークを防止したヘッドを開示する。
特開平９-123448号公報 特許3168713号公報 特開2000-246898号公報
しかし従来は、圧電素子が設けられたヘッド全体の強度は比較的大きく、かつ容積が比較的小さく強度も比較的小さい圧力発生室を簡易かつ高密度、高精度に形成することが困難であった。
本発明の目的の一つは、圧電素子が設けられたヘッド全体の強度は比較的大きく、かつ容積が比較的小さく強度も比較的小さい圧力発生室を簡易かつ高密度、高精度に形成することのできるインクジェットヘッドの製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、面方位が｛110｝であるＳiの基板上に、吐出口からインクを吐出するための圧電素子と、該圧電素子上に設けられた振動板と、前記圧電素子に対応する様に前記吐出口に連通するインク流路と、が設けられ、前記基板の前記圧電素子に対応する部分に空間が形成され、該空間の側壁の面方位が｛111｝であり、前記基板に形成された前記空間の側壁が、前記空間が形成される前の当該基板の主面にほぼ垂直であるインクジェットヘッドの製造方法であって、
前記基板上に、選択的にエッチングが可能な犠牲層であって、上方から見た形状が平行四辺形である犠牲層を、前記平行四辺形の長辺及び短辺が｛111｝と等価の面に平行になる様に設ける工程と、
前記犠牲層を被覆するように耐エッチング性のエッチングストップ層を形成する工程と、
前記エッチングストップ層上に前記圧電素子を形成する工程と、
前記圧電素子上に前記振動板を形成する工程と、
前記振動板上に前記インク流路に対応した型材を設ける工程と、
前記型材を覆う様に、前記インク流路の壁材を設ける工程と、
前記基板の、前記犠牲層に対応する部分に、前記基板の裏側から先導孔を設ける工程と、
前記基板の裏側から結晶軸異方性エッチングを行うことによって前記基板の前記圧電素子に対応する部分と前記犠牲層とを除去し、前記基板に前記空間を形成する工程と、
前記型材を除去して前記インク流路を形成する工程と、
をこの順に含むことを特徴とする
インクジェットヘッドの製造方法を提供することである。
本発明では、容積が比較的小さい圧力発生室の寸法精度を、型材の寸法精度で制御できる。また、基板上に型材が設けられた状態で基板に対する加工(圧電素子に対応する部分の除去)を施すので、該加工によって強度的に比較的弱い壁材が影響を受けることを防止、低減することができる。これにより、圧力発生室を高精度に形成することができる。
また、本発明では、基板の圧電素子に対応する部分を除去することによって基板に空間を形成するので、圧電素子の機械的変位の自由度が高い。これにより、圧電素子による比較的小さい変位を効率良くインクの吐出に結びつけることができる。しかも、機械的変位を行う圧電素子を強度的に比較的強い基板が支えるので、圧電素子が設けられたヘッド全体の強度は比較的大きい。
この様に本発明は、高精度が優先的に要求されるインク流路と機械的変位の自由度が優先的に要求される圧電素子と機械的強度が優先的に要求される基板とを見事に複合的に組み合わせてなされたものである。
従って、本発明によれば、圧電素子が設けられたヘッド全体の強度は比較的大きく、かつ容積が比較的小さく強度も比較的小さい圧力発生室を簡易かつ高密度、高精度に形成することのできるインクジェットヘッドの製造方法を提供することができる。これにより、簡易なプロセスで歩留まり良く高密度な、圧電素子駆動型のインクジェットヘッドを製造することが可能になる。この結果、液体種類適用性が高く、高品位な印字の可能なインクジェットヘッドを提供することができる。
本発明の実施態様では、面方位が｛110｝であるＳi基板を異方性エッチングすることによって基板の振動板背面側に空間を形成することにより、振動板の薄膜化および微細化を可能にする。また、面方位が｛110｝であるＳi基板を異方性エッチングすることによって液体供給口を空間と同時に形成することで、工程の短縮化を図ることができる。
異方性エッチング前に感光性樹脂で液体流路および液体吐出口を形成することによって、吐出口ピッチの微細化および工程の短縮化が可能になる。
基板に形成された空間の側壁が、空間が形成される前の当該基板の主面にほぼ垂直(Ｓiの｛111｝面に平行)とすることで、複数の圧力発生室が高密度に配設され、基板の空間同士の間の部分は強度的に比較的強いヘッドを得ることができる。
インク流路の壁材をメッキ処理によって形成することにより、インク流路を簡易に高歩留まりにかつ高精度に形成することが可能となる。
[実施例１]
図１は本発明の実施態様に係る製造方法によって製造されたインクジェットヘッドを示す模式的断面図である。基板としてはＳi｛110｝ウエハが用いられる。基板には振動板の背面の空間を形成するために異方性エッチングによって穴102が空けられている。さらに、同時に液体を裏面から供給するための貫通穴103も空けられている。Ｓi基板中の穴102の上部には、振動板104、圧電体薄膜105、上電極106、下電極107および保護膜108等が形成されている。
基板上には、個別圧力発生室109が形成されている。圧力発生室の材質としては、樹脂、感光性樹脂、金属、セラミックなどが適用できる。圧力発生室の右端には連通孔110が空けられていて、共通液室と繋がっている。個別圧力発生室の左端には液体吐出口111が形成され、振動板の変形によって押し出された液体が、112のような経路を通って吐出され媒体に印字される。
ここで、振動板を複数の個別圧力発生室に作用させることは構成上可能ではあるが、インクジェット記録をより微細に表現するためには個々のノズルについて独立に液体の吐出の有無を調節できることが望ましい。従って、振動板は各圧力発生室ごとに独立している構成をとることが好ましい。
図２は、本発明に係る製造方法によって製造されたインクジェットヘッドを示す模式的上面図である(電極等は省略)。隣接した圧力発生室が、Ｓi｛111｝面に垂直な方向に並列して配置されている。図３はその模式的裏面図である。Ｓi｛111｝面に平行に、平行四辺形の長辺がくるようにエッチングで振動板背面空間102および液体供給口103が形成されている。
次に、本発明に係るインクジェットヘッドの製造プロセスを図４〜図９を使って順を追って説明する。
(１)基板面方位｛110｝のシリコン基板201に、例えば熱酸化やＣＶＤ法などで絶縁膜202を形成し、フォトリソ技術によって図４(１)のように振動板後背部の空間とインク供給口を設けるための所望のパターン203を形成する。
(２)Ｗ、Ｍo等の高温に耐えられる金属で、ＴＭＡＨ(テトラ・メチル・アンモニウム・ハイドライド)等の異方性エッチング用エッチャントに対するエッチング速度が大きな金属を堆積しパターニングして、犠牲層204を形成する。エッチング犠牲層は、裏面からエッチングが進行してエッチャントが犠牲層に到達するとＳiウエハよりエッチングレートが格段に速いので短時間にエッチングされ、犠牲層パターンに対応した開口部を開けることができるものである。この時のパターンは基板に対して垂直にエッチング穴があくように、上面から見た図９(18)のように狭角が70.5度をなす平行四辺形とし、平行四辺形の長辺および短辺は｛111｝と等価の面に平行になるように配置する。
この時、犠牲層の膜厚は一般には200nｍ(＝2000Å)以下、好ましくは150nｍ(＝1500Å)、最適には100nｍ(＝1000Å)以下である。
(３)基板表面上にエッチングストップ層205として、ＬＰＣＶＤ法によって、ＳiＮ膜を堆積する。エッチングストップ層は、膜応力を調整するために２種以上の膜を積層しても良い。
積層されたエッチングストップ膜のトータルの膜厚は、一般には200nｍ〜２μｍ、好ましくは300〜1500nｍ、最適には400〜1300nｍである。また積層されたエッチングストップ膜のトータルの応力は、一般には２×10-10Ｐa以下、より好ましくは1.8×10-10Ｐa以下、最適には1.5×10-10Ｐa以下である。
(４)プラズマＣＶＤまたは熱ＣＶＤ等を使って、ＳiＯx膜を堆積して保護膜206とする。
(５)振動板後背部を形成する犠牲層に合わせて、Ｐt/Ｔi等の高温に耐える金属で下層電極207を形成する。
(６)この電極上に、スパッター等の方法でチタン酸ジルコン酸鉛(ＰＺＴ)等の薄膜を堆積パターニングして圧電体部208を形成し、圧電性を確保するために700℃程度の高温でアニールする。
(７)圧電体部上に上部電極として、Ｐtなどの高温に耐える金属で上層電極209を形成する。
(８)形成した圧電素子部上に、プラズマＣＶＤ等を使って、ＳiＯx膜を堆積して振動板210とする。
(９)樹脂製のノズルの密着性を上げるためと、裏面をアルカリ性エッチャントから保護するために、耐食性の高い樹脂膜211を形成する。
(10)圧力発生室および液体流路確保のために、強アルカリや有機溶剤等で溶解可能な樹脂でパターン212を形成する。このパターンは、印刷法や感光性樹脂によるパターニング等で形成する。この流路形成樹脂の厚みは、一般には15〜80μｍ、好ましくは20〜70μｍ、最適には25〜65μｍである。
(11)液体流路のパターンの上に、被覆樹脂層213を形成する。この被覆樹脂層は微細パターンを形成するので感光性レジストが望ましく、さらに流路を形成した樹脂層を除去する際のアルカリや溶剤等によって変形変質しない性質が必要である。
次に流路の被覆樹脂層をパターニングして、液体吐出口214と電極の外部接続部を形成する。この後、被覆樹脂層を光や熱等によって硬化する。
(12)この基板のノズル形成面側を保護するためレジストで保護膜215を形成する。
(13)裏面のＳiＮまたはＳiＯ2などをフォトリソ技術を使って、裏面の振動板後背部と液体供給口のパターン部分を除去しウエハ面を露出させる。このパターンの形状は、図３のように犠牲層とは鏡像関係になるように形成する。
次に裏面の平行四辺形の狭角の近傍部分(裏面の平面図９(18))に、エッチング先導孔216をあける。一般的には、レーザー加工などが用いられるが、放電加工、ブラスト等でも良い。
この先導孔は、エッチングストップ層に限りなく近くまであける。先導孔の深さは、一般には基板厚さの60％以上、好ましくは70％以上、最適には80％以上である。また、基板を貫通してはならない。この先導孔によって、異方性エッチングの際に平行四辺形の狭角から発生する斜めの｛111｝面が抑制される。
(14)この基板をアルカリ系エッチャント(ＫＯＨ、ＴＭＡＨ、ヒドラジン等)に浸け、(111)面が出るように異方性エッチングすると、平面形状が平行四辺形の振動板背面空間217および液体供給口218となるＳi貫通部が形成される。
(15)エッチングストップ層205のＳiＮ等の膜をフッ酸等の薬液または、ドライエッチ等で部分的に除去して液体供給口を開口する。
(16)保護レジストを除去する。
(17)液体流路形成材212を除去し、液体の流路221を確保する。
上記プロセスにおいて、基板の加工手順は特に限定されるものではなく、任意に選ぶことができる。
また、液体吐出口は上記のプロセスでは被覆樹脂層のパターニングにより形成しているが、別途加工された液体吐出口を持つ部材を該圧電素子が形成された基板上に張り合わせる方法をとってもかまわない。
この結果、得られたインクジェットヘッドの一例を、図１を用いて説明する。図１は本発明による実施例を示すインクジェットヘッドの断面模式図である。基板として厚さ635μｍのＳi｛110｝ウエハを用いた。基板には振動板の背面の空間を形成するために異方性エッチングによって穴102を空けた。さらに、同時に液体を裏面から供給するための貫通穴103も空けた。
Ｓi基板中の穴102の上部には、振動板104としてＳiＯ2を４μｍ厚で堆積パターニングした。圧電体薄膜105としては、ＰＺＴを３μｍ厚で堆積パターニングした。上電極106はＰtを200nｍ(2000Å)堆積しパターニングして形成した。下電極107は、Ｐt/Ｔiの積層膜を200/100nｍ(2000/1000Å)堆積しパターニングして形成した。保護膜108としてＳiＯ2を200nｍ(2000Å)厚で堆積パターニングした。
基板上には、個別圧力発生室109を形成した。圧力発生室の材質としては、表１に示した感光性樹脂を用いた。圧力発生室の内壁の高さは50μｍ、壁厚さは10μｍであった。圧力発生室の端には連通孔110を設け、共通液室103と繋げた。
個別圧力発生室の逆の端には直径26μｍΦの液体吐出口111を形成し、振動板の変形によって押し出された液体が、112のような経路を通って吐出され媒体に印字されるようにした。
図２は基板の上面図である。(電極等は省略)隣接した圧力発生室を、Ｓi｛111｝面に垂直な方向に150個並列して配置した。ノズルの配列のピッチは84.7μｍとした。
図３は裏面図である。Ｓi｛111｝面に平行に、平行四辺形の長辺がくるようにエッチングで振動板背面空間102および液体供給口103を形成した。振動板背面空間の長辺方向の長さは700μｍ、液体供給口の長辺方向の長さは500μｍとした。
このヘッドを使って、粘度２ｍＰa・s(＝２cＰ)の水性インクを用いて、25ＫＨzで12plの液滴、幅12.5ｍｍで不吐出のない高品位な印字物が得られた。
[実施例２]
本発明に係るインクジェットヘッドの製造プロセスの他の例を、図４〜図９を使って順を追って説明する。
(１)外径150ｍｍΦ、厚さ630μｍで基板面方位｛110｝のシリコン基板201に、熱酸化法でＳiＯ2膜202を600nｍ(＝6000Å)形成し、フォトリソ技術によって図４(１)のように振動板後背部の空間と液体供給口を設けるための所望のパターン203を形成した。
(２)ポリシリコン300nｍ(＝3000Å)をＬＰＣＶＤ法で堆積しパターニングして、犠牲層204を形成した。振動板後背部の空間を形成するための犠牲層は、長さ700μｍ、幅60μｍで84.7μｍピッチで150個並べた。液体供給口を形成するための犠牲層は、長さ500μｍで他は前記犠牲層と同様にした。
このパターンは基板に対して垂直にエッチング穴があくように、上面から見た図９(18)のように狭角が70.5度をなす平行四辺形とし、平行四辺形の長辺および短辺は｛111｝と等価の面に平行になるように配置した。
(３)基板表面上にエッチングストップ層205として、ＬＰＣＶＤ法によって、ＳiＮ膜を800nｍ(＝8000Å)堆積した。
(４)減圧ＣＶＤ法を使って、ＳiＯx膜を150nｍ(＝1500Å)堆積して保護膜206とした。
(５)Ｐt/Ｔiの積層膜を200/100nｍ(2000/1000Å)堆積しパターニングして下層電極207を形成した。
(６)この電極上に、スパッター法でチタン酸ジルコン酸鉛(ＰＺＴ)等の薄膜を２μｍ堆積パターニングして圧電体部208を形成した。
(７)圧電体部上に上部電極として、Ｐtを200nｍ(＝2000Å)堆積パターニングして上層電極209を形成した。
(８)圧電素子部上に、プラズマＣＶＤ法でＳiＯx膜を３μｍ堆積して振動板210を形成した。
(９)耐アルカリ性の膜(ＨＩＭＡＬ日立化成製)211を２μｍ塗布焼成して形成した。
(10)感光性樹脂としてポリメチルイソプロペニルケトン(東京応化ＯＤＵＲ-1010)を30μｍ塗布してパターニングして、液体流路型材212を形成した。
(11)さらに表１に示した感光性樹脂層213を12μｍ塗布しパターニングして、圧力発生室および液体吐出口214を形成した。
(12)ノズル形成面側を保護するために、ゴム系レジスト(東京応化製 ＯＢＣ)で保護膜215を形成した。
(13)ノズルの裏面側のＨＩＭＡＬ膜とＳiＯ2をパターニングして、裏面液体供給口を形成した。このパターンは、表面の犠牲層と鏡像関係の平行四辺形とした。
次に裏面の平行四辺形の狭角の近傍部分(裏面の平面図９(18))に、ＹＡＧレーザーの２倍高調波で非貫通のエッチング先導孔216をあけた。この時の穴の径は25〜30μｍ、深さは500〜580μｍであった。
(14)この基板を21％のＴＭＡＨ水溶液に浸漬して異方性エッチングした。エッチャント温度は83℃、エッチング時間は７時間20分とした。これは基板の厚み630μｍをジャストエッチする時間に対して10％のオーバーエッチ時間とした。
エッチングは図のように犠牲層まで進み、エッチングストップ層の前で止まっている。この時、エッチングストップ層に亀裂はなく、流路形成樹脂層やノズル部へのエッチング液の浸入は見られなかった。
(15)次に、エッチングストップ層のＳiＮをＣＤＥ法によって除去した。エッチング条件は、ＣＦ4/Ｏ2＝300/250ｍl(norｍal)/ｍin、ＲＦ800Ｗ、圧力33.33Ｐa(＝250ｍtorr)であった。
(16)メチルイソブチルケトンに浸漬後、キシレン中で超音波を掛け保護膜を除去した。
(17)最後に乳酸メチル中で超音波を掛け流路形成樹脂を除去して、液体流路221を形成しインクジェットヘッドが完成した。
このインクジェットヘッドを使って、粘度２ｍＰa・s(＝２cＰ)の水性インクを用いて、24ＫＨzで12plの液滴、幅12.5ｍｍで不吐出のない高品位な印字物が得られた。
[実施例３]
本発明による他の実施例の製造工程を説明する。
実施例２と同様の工程で、図４(１)〜図６(10)を行いＳi｛110｝ウエハの表面に圧電素子が形成された基板を作製した。
感光性樹脂としてポリメチルイソプロペニルケトン(東京応化ＯＤＵＲ-1010)を30μｍ塗布してパターニングして、液体流路型材212を形成した。
図10(１)のように、パラジウムコロイドを塗布焼成してシード層301を形成した。
図10(２)のように、レジスト(ＰＭＥＲ Ｐ-ＬＡ 900東京応化製)302を用いてメッキ部分のパターンを形成した。
図10(３)のように、無電解メッキ液(エンプレート ＮI-426 メルテックス製)を用いて圧力発生室303を形成した。
これ以後の工程は、実施例２と同様にしてインクジェットヘッドを作製した。
このインクジェットヘッドを使って、粘度３ｍＰa・s(＝３cＰ)のトルエン溶媒を主成分とするインクを用いて、10ＫＨzで10plの液滴、幅12.5ｍｍで不吐出のない高品位な印字物が得られた。
Figure 0003998254
 [実施例４]
図11は本発明に係る製造方法によって製造された液体吐出ヘッドをインクジェット記録ヘッドに適用した場合の実施態様を示す模式的断面図である。
基板1101には振動板の背面の自由空間1108が空けられている。自由空間の上部には、振動板1104、圧電体薄膜1105、上電極1106、下電極1107等が形成されている。さらにこれらの上に圧力発生室1102が形成されている。図11の圧力発生室左端には吐出口1103が形成されている。圧電体薄膜を接合した振動板の変形で生じた圧力によって吐出口からインクは吐出され媒体に印字される。圧力発生室の右端にはインクを供給するための連通孔(インク供給口)1109が空けられていてインクタンクと繋がっている。
振動板を複数の圧力発生室に作用させることは構成上可能ではあるが微細な描画を行うには個々のノズルについて独立に液体の吐出の有無を調節できることが望ましい。従って、振動板は各圧力発生室ごとに独立している構成をとることが好ましい。
以下に、本実施例を図面を用いて説明する。図15〜17は本実施例のインクジェット記録ヘッドの製造方法を模式的に示す工程図である。以下に各工程について説明する。尚、以下の工程(１)〜(15)は図15(１)〜図17(15)に対応する。
(１) 基板1101を用意する。本発明において、基板としてはＳi基板やガラス基板、プラスチック基板などを用いることができるが、微細加工技術による高集積・高密度な駆動回路を作成しやすい点や酸化して良質な絶縁膜を形成しやすい点から好適にＳi基板を用いる。Ｓi基板に自由空間を形成する方法としてはＲIＥ・ＤeepＲＩＥ(ＩＣＰ)などのドライエッチングやＴＭＡＨ(テトラ・メチル・アンモニウム・ハイドライド)・ＫＯＨ(水酸化カリウム)による異方性エッチング、サンドブラストなどによる方法が可能であるが、微細加工が容易かつ一度に多数の基板を処理することが可能な異方性エッチングを好適に用いる。またＳi基板には｛100｝、｛110｝などの面方位の基板があるが、垂直な異方性エッチングが可能な面方位｛110｝基板を好適に用いる。これにより高集積化されたヘッドを作成することができる。
面方位｛110｝のＳi基板1101に熱酸化やＣＶＤ法などでＳiＮやＳiＯ2を形成する。図12は基板の表面模式図である。フォトリソ技術によって図12のように自由空間1108とインク供給口1109を設けるための所望のエッチングマスク層1110および1111を表裏面に形成する。隣接したエッチングマスク層のパターンは面方位｛110｝に平行に並列して配置されている。また、基板に対して垂直に自由空間やインク供給口を形成するために後述する犠牲層と同様に狭角が70.5度をなす平行四辺形にかつ、平行四辺形の長辺および短辺は｛111｝と等価の面に平行になるように形成する。図13は基板の裏面模式図である。表面のパターンに対応するようにパターンを形成する。
ここで基板の表面とは振動板・半導体薄膜など駆動回路が形成された面、基板裏面とはその反対の面を示す。
(２) 後述する異方性エッチング用エッチャントに対するエッチング速度が大きな材料を成膜、パターニングして犠牲層1118を形成する。Ｗ、Ｍo、Ａl、Ｐoly-Ｓi等が好適に用いられる。エッチングが進行してエッチャントが犠牲層に到すると、Ｓi基板より犠牲層のエッチングレートが速いので短時間に又正確に犠牲層パターンに対応した自由空間を形成することができる。犠牲層のパターンはエッチングマスク層のパターン内側に形成される。
(３) 基板表面上にＣＶＤ法などによってエッチングストップ層1112となるＳiＮやＳiＯ2を成膜する。エッチングストップ層はエッチャントによって駆動回路が侵されないようにするのが目的で形成される。膜応力の調整や密着性の向上のために２種以上の膜を積層しても良い。
(４) ＣＶＤ法等を使ってＳiＯx等を成膜する。本工程のＳiＯx層1113は、前工程で形成したエッチングストップ層を後の工程でエッチングによって除去する際に駆動回路のダメージを防ぐのが目的である。さらにＳiＯx層を厚く形成して本工程で形成されるＳiＯx層に後述する振動板の役割を持たせても良い。
(５) ＰtやＴi等の金属で下層電極1107を形成する。また、図示はしなかったが(８)工程までに他の駆動回路も一般的な半導体技術により形成する。
(６) 下層電極上にスパッタリング等を用いてチタン酸ジルコン酸鉛(ＰＺＴ)等の圧電材料を成膜、パターニングして圧電体薄膜1105を形成する。
(７) 圧電体薄膜上にＰtやＴiなどの高温に耐える金属で上層電極1106を形成する。
(８) 電極・圧電体薄膜が形成された部分に、ＣＶＤ法等を使ってＳiＯx等を成膜して振動板1104とする。前述のＳiＯx層を振動板とした場合でも、インクから圧電素子や駆動回路を保護するために本工程によるＳiＯx層等を形成するのが好ましい。
(９) 後に除去することで圧力発生室などを形成するための型材となる第１パターン1114を形成する。形成方法としては印刷技術やフォトリソ技術を利用することができるが、微細パターンを形成できるので感光性樹脂を利用したフォトリソ技術が望ましい。型材としては厚い膜のパターニングが可能で、後にアルカリ溶液や有機溶剤で除去可能なものが好ましい。型材としては、ＴＨＢシリーズ(ＪＳＲ製)やＰＭＥＲシリーズ(東京応化工業製)などが使用できる。後述する実施例ではＰＭＥＲ ＨＭ-3000を使用しているが当然これに限定されるものではない。膜厚としては１度塗りで60μｍ以下、複数塗りでも90μｍ以下が膜厚分布やパターニング性の観点から好ましい。
(10) 第１パターン上に導電層1115をスパッタリング等により成膜する。導電層としてはＰt、Ａu、Ｃu、Ｎi、Ｔi等を使用することができる。樹脂と導電層の密着性がある程度良好でなくては微細なパターンを形成することができないので、他の金属膜を成膜した後にＰt、Ａu、Ｃu、Ｎi等を成膜しても良い。後に型材を除去する工程で吐出口に対応する部分の導電層を除去できる必要であるので、導電層の厚さとしては150nｍ(＝1500Å)以下が良く、最適には100nｍ(＝1000Å)以下である。150nｍより厚いと型材を除去する工程で吐出口に対応する分の導電層を完全に除去しきれない場合がある。
(11) 導電層が形成された第１パターン上に後に除去することで吐出口となる第２パターン1116を形成する。型材としては、ＴＨＢシリーズ(ＪＳＲ製)やＰＭＥＲシリーズ(東京応化工業製)などが使用できる。本実施例ではＰＭＥＲ ＬＡ-900ＰＭを使用しているが当然これに限るものではなく、厚い膜のパターニングが可能で後にアルカリ溶液や有機溶剤で除去可能なものであれば良い。膜厚はとしては第１パターンよりパターニングの精度が必要で30μｍ以下が好ましい。つまり第１パターンと第２パターンの合計としては120μｍ以下に作成するのが好ましい。
圧力発生室で発生した力を効率良く吐出力に利用するために第１パターン・第２パターンともに上面が下面より小さいテーパーになっているのが好ましい。シミュレーションなどを利用して最適な形状を求めることができる。テーパの形成方法としては様々だが、プロキシミティタイプの露光機の場合には基板とマスク間の距離(ギャップ)を離すことで可能である。またグレイスケールマスクなどを利用しても可能である。当然１/５や１/10などの縮小露光を利用すれば微小な吐出口の形成が容易である。さらにグレイスケールマスクを利用すれば単純なテーパー形状ではなく螺旋状にするなど複雑な形状にすることも容易である。
(12) メッキ処理により圧力発生室・吐出口を含む流路構造体を形成する。メッキの種類には電気メッキや無電解メッキなどがあり適時使い分ける。電気メッキは処理液が安価である点、廃液処理が簡易である点が有利である。無電解メッキはつき回りがよい点、均一な膜が形成できる点、メッキ皮膜が硬く耐摩耗性がある点で優れている。使い分けの例としては、まず電気メッキでＮi層を厚く形成しその後無電解メッキによりＮi-ＰＴＦＥ複合メッキ層を薄く形成するという方法がある。この方法の場合、所望の特性の皮膜を持つメッキ層を安価に形成することができるという利点がある。
メッキの種類としてはＣu、Ｎi、Ｃr、Ｚn、Ｓn、Ａg、Ａuなどの単金属メッキ、合金メッキ、ＰＴＦＥなどを析出させる複合メッキなどがあげられる。耐薬品性、強度からＮiを好適に用いる。また前述したようにメッキ膜に撥水性を与えるにはＮi-ＰＴＦＥ複合メッキなどを形成する。
(13) 前工程で作成された基板の表面側をエッチャントから保護するため、耐アルカリ性を持ち後に有機溶剤などで除去可能な樹脂を基板表面に塗布したり、裏面側のみエッチャントに接触させることが可能な治具に基板を装着したりする。
裏面の平行四辺形の狭角の近傍部分(裏面の平面図:図14参照)に、レーザー加工などによる先導孔1401を開けても良い。これにより異方性エッチングの際に平行四辺形の狭角から発生する斜めの｛111｝面が抑制される。この先導孔はエッチングストップ層に限りなく近くまであけるのが良い。先導孔の深さは、一般には基板厚さの60％以上好ましくは70％以上、最適には80％以上である。当然基板を貫通してはならない。
この基板をエッチャントに浸漬し、｛111｝面が出るように異方性エッチングすれば平面形状が平行四辺形の自由空間およびインク供給口を形成することができる。アルカリ系エッチャントとしてはＫＯＨ、ＴＭＡＨなどがあるが、環境の面からＴＭＡＨが好適に使用される。
エッチング後は、耐アルカリ性の保護膜を利用した場合には有機溶剤などで除去する。治具を使用した場合には基板を治具よりはずす。
(14) エッチングストップ層のＳiＮ層をドライエッチング等で除去する。
(15) 圧力発生室・吐出口を含む流路構造体の型材となっている第１パターンと第２パターンをアルカリ溶液や有機溶剤によって除去する。ダイレクトパス(荒川化学工業製)を利用することで吐出口に対応する部分に形成されている導電層を容易に除去することが可能である。この時、溶剤としてはパインアルファシリーズ(荒川化学工業株式会社製)を用いることができる。
図16(９)〜(12)の工程はこれに限られるものではなく図18(１)〜(３)の工程に置き換えることも可能である。図18は導電層を形成した後、第１パターンと第２パターンを形成する製造方法。それぞれの製造方法によってメリット・デメリットがあるので適時使い分ける。
図15〜17の製造方法はメッキを均一に形成することが可能であるというメリットがある。図18は製造方法が簡易であるというメリットがある。
以上で本発明による液体吐出ヘッドを適用したインクジェット記録ヘッドの主たる製造工程が完了する。
本実施例のより具体的な実施例に係る製造方法を、図15〜17を用いて説明する。基板1101として厚さ635μｍの面方位｛110｝を持つ６インチのＳi基板を用いた。基板の表裏面に厚さ６μｍのＳiＯ2層を熱酸化により形成した。フォトリソ技術により自由空間とインク供給口を設けるための所望のエッチングマスク層1110、1111を形成した。Ｐoly-Ｓi層をＬＰＣＶＤ法により成膜、パターニングし厚さ100nｍ(＝1000Å)の犠牲層1118を形成した。この時｛111｝面に対して平行に平行四辺形の長辺がくるように形成した。ＣＶＤ法によりエッチングストップ層となるＳiＮを厚さ１μｍ、ＳiＯ2層を厚さ200nｍ(＝2000Å)に形成した。下電極1107はＰtを厚さ150nｍ(＝1500Å、圧電体薄膜はＰＺＴを厚さ３μｍ、上電極1106はＰtを厚さ150nｍ(＝1500Å)でスパッタリングにより成膜、パターニングして形成した。振動板1104としてＳiＯ2をＣＶＤ法により４μｍの厚さに成膜しパターニングした。その他の駆動回路の製造方法は一般的な半導体技術により作成するのでここでは省略する。
基板上に圧力発生室などの型材1114となるＰＭＥＲ ＨＭ-3000ＰＭ(東京応化工業製)をスピンナで60μｍに形成し乾燥後パターニングした。型材の表面側から見たサイズは短辺92μｍ、長辺３ｍｍであった。また型材は127μｍピッチで短辺方向に平行に並べた。また図11のようにインク供給口に型材が適当に重なるように作成し、実際のインク供給口の大きさを制御する。このようにして吐出口側とインク供給口側のイナータンスのバランスを制御することができた。導電層1116となるＴi/Ｃuをそれぞれ25nｍ(＝250Å)/75nｍ(＝750Å)の厚さにスパッタリングにより成膜、パターニングした。ＴiはＣuの基板に対する密着性向上や導電性向上を目的に成膜した。吐出口の型材となるＰＭＥＲ ＬＡ-900ＰＭ(東京応化工業株式会社製)をスピンナで25μｍに形成し乾燥後パターニングした。型材の露光にはプロキシミティタイプの露光機を使いマスクと基板のギャップを120μｍにすることでテーパー形状にした。
次に電気メッキでＮi層を18μｍ形成し、その後無電解メッキによりＮi-ＰＴＦＥ複合メッキ層を３μｍ形成した。
次に基板表面側を保護するために環化ゴム系樹脂のＯＢＣ(東京応化工業製)を塗布した。その後、裏面の平行四辺形の狭角の近傍部分にレーザー加工で先導孔を開けた。先導孔の深さは基板の厚さの80％にした。基板に対してＴＭＡＨ22ｗt％、80℃にて所定の時間、異方性エッチングを行った。異方性エッチング後ＯＢＣをキシレンで除去し、その後エッチングストップ層1112であるＳiＮ層をドライエッチングで除去した。最後にダイレクトパス(荒川化学工業製)を使って型材を除去した。この時、溶剤としてはパインアルファＳＴ-380(荒川化学工業株式会社製)を使用した。
完成したヘッドの吐出口上面は15μｍ、下面は30μｍであった。圧力発生室の隔壁は21μｍであった。形成された自由空間の長辺方向の長さは700μｍ、インク供給口の長辺方向の長さは500μｍであった。
このヘッドを使って、粘度２ｍＰa・s(=２cＰ)の水性インクを用いて、25ＫＨzで12plの液滴で不吐出のない高品位な印字物が得られた。
[実施例５]
図18は実施例５の製造方法を示す模式図である。面方位｛110｝を持つ６インチのＳi基板に駆動回路を形成するまでは実施例４と同様に作成した。でき上がった基板上に導電層1116となるＴi/Ｃuをそれぞれ250Å/750Åの厚さにスパッタリングにより成膜、パターニングした(図18(１))。基板上に後に第１パターン1114および第２パターン1115になるレジストＰＭＥＲ ＨＭ-3000ＰＭを滴下し所定の回転数で回転させ、所定の温度でベークするという処理を３回繰り返して85μｍに形成した(３度塗り)。その後、まず第１パターン(圧力発生室や流路)のマスクで露光し、続けて第２パターン(吐出口)のマスクで２重露光し、その後現像した(図18(２))。露光量を調整することで第１パターンを60μｍ、第２パターンを25μｍの厚さにすることができた。型材1115の露光にはプロキシミティタイプの露光機を使いマスクと基板のギャップを120μｍにすることでテーパー形状にした。型材の表面側から見たサイズは短辺92μｍ、長辺３ｍｍ。また型材は127μｍピッチで短辺方向に平行に並べた。
次に電気メッキでＮi層を60μｍ形成し、その後無電解メッキによりＮi-ＰＴＦＥ複合メッキ層を21μｍ形成する(図18(３))。
以降の工程は実施例４と同様である。
完成したヘッドの吐出口上面は15μｍ、下面は30μｍであった。圧力発生室の隔壁は35μｍであった。形成された自由空間の長辺方向の長さは700μｍ、インク供給口の長辺方向の長さは500μｍであった。
このヘッドを使って、粘度２ｍＰa・s(=２cＰ)の水性インクを用いて、25ＫＨzで12plの液滴で不吐出のない高品位な印字物が得られた。
本発明に係る製造方法によって製造されたインクジェットヘッドの一例を示す模式的断面図である。 本発明に係る製造方法によって製造されたインクジェットヘッドの一例を示す模式的上面図である。 本発明に係る製造方法によって製造されたインクジェットヘッドの一例を示す模式的下面図である。 本発明に係るインクジェットヘッドの製造方法を説明するための作製フロー(１)〜(４)である。 本発明に係るインクジェットヘッドの製造方法を説明するための作製フロー(５)〜(８)である。 本発明に係るインクジェットヘッドの製造方法を説明するための作製フロー(９)〜(11)である。 本発明に係るインクジェットヘッドの製造方法を説明するための作製フロー(12)〜(14)である。 本発明に係るインクジェットヘッドの製造方法を説明するための作製フロー(15)〜(17)である。 本発明に係るインクジェットヘッドの製造方法を説明するための作製フロー(18)である。 本発明に係るインクジェットヘッドの圧力発生室の製造方法を説明するための作製フローの他の例である。 本発明に係る製造方法によって製造されたインクジェットヘッドの更に他の例を示す模式的断面図である。 本発明に係る製造方法によって製造されたインクジェットヘッドの更に他の例を示す模式的上面図である。 本発明に係る製造方法によって製造されたインクジェットヘッドの更に他の例を示す模式的下面図である。 本発明に係る製造方法によって製造されたインクジェットヘッドの更に他の例を示す模式的下面図である。 本発明に係るインクジェットヘッドの製造方法を説明するための作製フロー(１)〜(７)である。 本発明に係るインクジェットヘッドの製造方法を説明するための作製フロー(８)〜(12)である。 本発明に係るインクジェットヘッドの製造方法を説明するための作製フロー(13)〜(15)である。 本発明に係るインクジェットヘッドの製造方法を説明するための作製フロー(１)〜(３)である。

Claims (8)

  1. 面方位が｛110｝であるＳiの基板上に、吐出口からインクを吐出するための圧電素子と、該圧電素子上に設けられた振動板と、前記圧電素子に対応する様に前記吐出口に連通するインク流路と、が設けられ、前記基板の前記圧電素子に対応する部分に空間が形成され、該空間の側壁の面方位が｛111｝であり、前記基板に形成された前記空間の側壁が、前記空間が形成される前の当該基板の主面にほぼ垂直であるインクジェットヘッドの製造方法であって、
    前記基板上に、選択的にエッチングが可能な犠牲層であって、上方から見た形状が平行四辺形である犠牲層を、前記平行四辺形の長辺及び短辺が｛111｝と等価の面に平行になる様に設ける工程と、
    前記犠牲層を被覆するように耐エッチング性のエッチングストップ層を形成する工程と、
    前記エッチングストップ層上に前記圧電素子を形成する工程と、
    前記圧電素子上に前記振動板を形成する工程と、
    前記振動板上に前記インク流路に対応した型材を設ける工程と、
    前記型材を覆う様に、前記インク流路の壁材を設ける工程と、
    前記基板の、前記犠牲層に対応する部分に、前記基板の裏側から先導孔を設ける工程と、
    前記基板の裏側から結晶軸異方性エッチングを行うことによって前記基板の前記圧電素子に対応する部分と前記犠牲層とを除去し、前記基板に前記空間を形成する工程と、
    前記型材を除去して前記インク流路を形成する工程と、
    をこの順に含むことを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
  2. 前記インク流路は、前記面方位が｛111｝である面に対して長手成分が平行に形成される請求項１に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
  3. 前記インク流路は、前記面方位が｛111｝である面と垂直な方向に複数形成される請求項１に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
  4. 前記基板に前記空間を形成する工程において、前記空間の形成と並行して前記インク流路に連通する連通孔を前記基板に形成する請求項１に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
  5. 前記基板に前記空間を形成する工程は、前記基板に対する結晶軸異方性エッチングを行った後、前記エッチングストップ層を除去する請求項１に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
  6. 前記インク流路の壁材を設ける工程と前記基板に前記空間を形成する工程との間において、前記インク流路の型材の上に前記吐出口の型材を設ける工程を更に含む請求項１に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
  7. 前記インク流路の壁材はメッキ処理によって形成する請求項１に記載のインクジェットヘッドの製造方法。
  8. 請求項１に記載のインクジェットヘッドの製造方法によって製造されたインクジェットヘッド。
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