JP2003200579A - インクジェットプリンタのヘッド及びその製造方法 - Google Patents
インクジェットプリンタのヘッド及びその製造方法Info
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Abstract
に発生していたする節理現象及び干渉現象を防止でき,
ノズルとインク室及びヒーターの整列が正確に行われ,
素子の集積度を向上できるインクジェットプリンタのヘ
ッド及びその製造方法を提供すること。 【解決手段】 インクジェットプリンタのヘッドは,イ
ンク室220内のインクを加熱するヒーター110が備
えられた基板100と,インク室220と連通するノズ
ル210を有するノズルプレート200とがガラス質の
薄膜からなる中間接合層300を介在して静電力により
接合されてなる。基板100とノズルプレート200と
を中間接合層300を介在して仮接合した後電界を加え
ると,ノズルプレート200と基板100との界面でS
iO2が形成され,SiO2の静電力によりノズルプレ
ート200と基板100とが接合される。
Description
リンタのヘッド及びその製造方法に関し,より詳しく
は,バブルジェット(登録商標)方式を採用した場合に
好適なインクジェットプリンタのヘッド及びその製造方
法に関する。
ク吐出方式は,バブルジェット(登録商標)方式,PZ
T方式,熱転写方式,熱圧縮方式に大別される。ここ
で,バブルジェット(登録商標)方式は,発熱素子で液
状のインクを加熱してバブルを発生させることでインク
が吐出されるようにする方式である。バルブジェット方
式のインクジェットプリンタのヘッドは,インク室を提
供するインク室壁の一側にノズルを有するノズルプレー
トが配置され,インク室壁の他側には,インク室内のイ
ンクを加熱するヒーターが備えられた基板が配置される
という基本構造を有する。
ジェットプリンタのヘッドの典型的な一例を,図面を参
照して説明すると,以下のとおりである。
ットプリンタのヘッドは,基板10と,ノズルプレート
20と,基板10とノズルプレート20との間に位置し
てこれらを接合すると共にインク室30を提供するイン
ク室壁40とを備える。
加熱するヒーター11と,インク室30にインクを供給
するインク供給路(図示せず)とが備えられる。また,
基板10には,更に,防熱層12と電極13と電極及び
ヒータ保護のためのパッシベーション層14とが備えら
れる。パッシベーション層14は,SiN:Hからなる
絶縁膜14a,ヒーター保護膜14b及びSiC:Hか
らなる絶縁膜14cで構成される。
連通するノズル21が備えられる。ノズル21は,その
内側から外側にいくにつれて直径が徐々に小さくなるテ
ーパー状に形成される。
ーを所定の高さに積層することで形成されたインク室壁
40の一部分(ヒーター形成領域)をパターニングして
除去することにより形成される。基板10とノズルプレ
ート20とは,インク室壁40の役割を果たす感光性ポ
リマーにより接合される。
トプリンタのヘッドは,基板10のヒーター11に2〜
3μs間インクが加熱されるに足りるエネルギーを印加
すると,ヒーター11の表面にバブルが形成され,この
バブルの体積と圧力によりインク室30内のインクがノ
ズルプレート20のノズル21を通じて外部に噴射され
る。
た一般のインクジェットプリンタのヘッドは,その構造
上ポリマーからなるインク室壁40が基板10とノズル
プレート20との間で接着層の役割を果たしながらイン
クと接触するようになる。インクは,60〜70%以上
の水分からなるため,インクがインク室30を取り囲ん
でいるポリマーのバルクとヒーター基板10−インク室
壁40−ノズルプレート20との接着界面を通じて染み
込むようになる。かかる現象は,ポリマーの膨張と各部
品間の節理現象を引き起こし,ヘッド不良の主要要因と
なるため,改善が求められている。
ッドは,各インク供給路とインク室30がインクという
流体で満たされているため,インク吐出し時に隣接ヒー
ターとインク供給路にその圧力が伝播し,バルブ形成と
インク吐出し特性に影響を与える干渉現象(cross
talk)が発生するという問題もある。
ッドは,基板10にポリマーを積層して感光及び現像し
た後,この基板10とノズルプレート20とを接合する
という順番で製造されるが,順番にヒーター11,イン
ク室30,ノズル21を整列させることが非常に困難で
ある。このような理由にてそれぞれの工程で配列がず
れ,ヒーター11とインク室30及びノズル21の整列
がずれるようになると,インクの吐出しの方向性が悪く
なり,印刷品質の劣化をもたらすため,これもまた改善
が求められている。
されたものであって,従来,ポリマーを用いて接合する
場合に発生していた節理現象及び干渉現象を防止するこ
とができるインクジェットプリンタのヘッド及びその製
造方法を提供することにその目的がある。
びヒーターの整列が正確に行われ,また,素子の集積度
を向上させることができるインクジェットプリンタのヘ
ッド及びその製造方法を提供することにある。
の本発明によるインクジェットプリンタのヘッドは,イ
ンク室内のインクを加熱するヒーターを有する基板と;
ヒーターにより加熱されたインク室内のインクが吐出さ
れるノズルを有するノズルプレート;及び基板と前記ノ
ズルプレートとの間に介在し,これら基板とノズルプレ
ートとを静電力で接合する中間接合層と;を含むことを
特徴とする。ヒーターを有する基板とノズルを有するノ
ズルプレートとを静電力を用いて一体に接合することに
より,従来,ポリマーを用いて接合する場合に発生して
いた節理現象及び干渉現象を防止することができる。
%以上が非晶質酸化珪素からなるガラス薄膜で構成する
ことができる。
るための防熱層と,ヒーター保護のためのパッシベーシ
ョン層が備えられ,パッシベーション層は,ヒーターに
蒸着される絶縁層と,絶縁層に蒸着され一側が基板と通
電するように接続されたヒーター保護層を含むことがで
きる。
ジェットプリンタのヘッドの製造方法は,インク室内の
インクを加熱するヒーターを有する基板を作製するステ
ップと;ヒーターにより加熱されたインク室内のインク
が吐出されるノズルを有するノズルプレートを作製する
ステップ;及び基板とノズルプレートとを中間接合層を
介在して静電力で接合するステップと;を含むことを特
徴とする。ノズルプレートを作製するステップは,ノズ
ルプレートを湿式エッチングしてインク室を形成した
後,前記インク室に連結されるノズルを乾式エッチング
で形成するようにしてもよい。ノズルプレートにノズル
とインク室とを共に形成することでノズルとインク室及
びヒーターの整列が正確に行われ,また,素子の集積度
を向上させることができる
接合部に中間接合層を形成するステップと;中間接合層
上に前記ノズルプレートを載置し,仮接合を行うステッ
プ;及びノズルプレートが仮接合された基板を加熱して
所定温度以上に加熱される時,ノズルプレートとヒータ
ー基板とが通電するように電界を加えるステップと;を
含むことを特徴とする。
のガラス薄膜を成膜した後,ガラス薄膜のヒーター形成
部位をエッチングし除去することで形成してもよい。
着法,スパッタリング薄膜蒸着法,電子−ビーム蒸着法
等により成膜することができ,約1〜5μmの厚さで成
膜することが好ましい。
度は,常温〜500℃であることが好ましく,電界は,
0〜1000Vの直流電圧及びパルス信号から選ぶこと
ができる。
板上に防熱層を形成するステップと;防熱層上にヒータ
ー及び導電層を形成するステップ;及びヒーター及び導
電層上にパッシベーション層を形成するステップと;か
らなる。ここで,パッシベーション層の形成は,シリコ
ン窒化膜とシリコンカーバイド膜を一定の厚さで順次に
蒸着して絶縁層を形成した後,該絶縁層の一部にシリコ
ン基板と通じるビアホールを形成し,この上にタンタル
を一定の厚さで蒸着しヒーター保護層を形成する順に行
ってもよい。
の形態を添付図面を参照して説明する。図1は,本発明
の一実施の形態によるインクジェットプリンタのヘッド
を示す断面図であり,図2ないし図9は,本発明の一実
施の形態によるインクジェットプリンタのヘッドの製造
方法に関する工程図であり,図10は,本発明によるイ
ンクジェットプリンタのヘッドの製造方法における基板
とノズルプレートとの接合原理を示す図である。
態によるインクジェットプリンタのヘッドは,基板10
0と,ノズルプレート200及びヒーター基板100と
ノズルプレート200とを接合する中間接合層300と
を備える。
クを加熱するヒーター110が備えられる。ヒーター1
10は,Ta−Alを500〜5000オングストロー
ムの厚さで蒸着することにより形成される。また,基板
100には,ヒーター110から発生する熱エネルギー
がヒーターの下方にある基板に伝わることを防止するた
めの防熱層120と,ヒーター110が酸化したりイン
クと直接接触したりすることを防止し且つ熱と圧力によ
るキャビテーションを防止するためのパッシベーション
層130とが形成される。防熱層120は,シリコン酸
化膜(SiO2)を1〜5μmの厚さで蒸着することに
より形成され,防熱層120の上部にヒーター110が
形成される。パッシベーション層130は,絶縁層13
1とヒーター保護層132とからなる。絶縁層131
は,ヒーター110の上部にシリコン窒化膜(SiN:
H)を0.1〜1.0μmの厚さで蒸着することにより
形成され,ヒーター保護層132は,絶縁層131の上
部にタンタル(Ta)を0.1〜1.0μmの厚さで蒸
着することにより形成される。ここで,ヒーター保護層
132は,一側が基板と接続されて通電するように形成
される。一方,絶縁層131は,シリコン窒化膜の上部
に0.1〜1.0μmの厚さで形成されるシリコンカー
バイド膜を更に成膜することができる。シリコンカーバ
イド膜は,ヒーターの耐化学性及び熱伝導性を補強する
役割を果たす。図面における符号140は,ヒーター1
10に電源を印加するための導電層である。
0とノズル210とが互いに連通するように形成され
る。一方,図示した例では,インク室220がノズルプ
レート200に形成された例を示しているが,インク室
220を基板100に形成してもよい。
プレート200とを静電力で接合するためのものであっ
て,融点が低く且つ成分の60%以上が非晶質酸化珪素
からなるガラス薄膜で構成される。ガラス薄膜は,スパ
ッタリング蒸着方法,電子−ビーム蒸着方法または液状
ガラスをスピンコートする方法により基板100のノズ
ルプレート接合部位に1〜5μmの厚さで成膜される。
基板100のノズルプレート接合部位に上記のような中
間接合層300としてのガラス薄膜を成膜した後,該ガ
ラス薄膜の上にノズルプレート200を載置し仮接合し
た状態で基板100とノズルプレート200に電界を加
えると,ノズルプレート200と中間接合層300との
界面に酸化シリコンが薄く成長しながら界面を埋め,該
酸化シリコンの静電力により基板とノズルプレートとが
一体に接合されるようになる。
の一実施の形態によるインクジェットプリンタのヘッド
を製造する方法について図2ないし図9を参照して具体
的に説明する。
態によるインクジェットプリンタのヘッドの製造方法
は,基板100の作製ステップ(図2),中間接合層3
00の形成ステップ(図4,図5),ノズルプレート2
00の作製ステップ(図6,図7),基板100とノズ
ルプレート200との接合ステップ(図8)を含む。
したように,先ず,基板100にシリコン酸化膜を一定
の厚さで蒸着して防熱層120を形成する。その後,防
熱層120の上部にタンタル−アルミニウム合金を一定
の厚さで蒸着してヒーター110を形成し,次いで,ヒ
ーター110に電源を印加するための導電層140を形
成しパターニングする。ヒーター110は,スパッタリ
ング法により形成するが,必ずしもこの方法に限定され
るわけではない。
にヒーター110を保護するためのパッシベーション層
130を形成する。本実施の形態におけるパッシベーシ
ョン層130は,ヒーター110の上部にヒーター11
0を保護するために順次に形成された絶縁層131とヒ
ーター保護層132とを含む。絶縁層131は,シリコ
ン酸化膜を一定の厚さで蒸着することにより形成され,
ヒーター保護層132は,タンタルを一定の厚さで蒸着
することにより形成される。タンタルは,展性及び軟性
が豊かで酸化し難く且つフッ化水素酸外の酸には溶けな
いという特性を有するため,ヒーター110を保護する
ことができる。なお,ヒーター保護層132は,その一
側が基板100に接続するように絶縁層131と防熱層
120を貫通して形成されたビアホール100aに充填
されることで形成される。これは,基板100とノズル
プレート200との接合ステップにおける電界印加時に
イオンが通電し得るようにするためである。一方,絶縁
層131は,シリコン酸化膜を蒸着した後,その上にシ
リコンカーバイド膜を更に蒸着することで耐化学性及び
熱伝導性を補強することができる。
ョン層130を形成した後,図4に示したように,ヒー
ター保護層132上に一定の厚さでガラス薄膜を蒸着し
て中間接合層300を形成する。ガラス薄膜は,一般に
使用されるスパッタリング方法または電子−ビーム蒸着
法で形成することができ,また液状ガラスをスピンコー
トすることにより形成することもできる。ガラス薄膜
は,ノズルプレート200との接合をなす接合層であっ
て,インク漏れが生じないように気密を保持する必要が
あることから,表面の平坦化が求められる。スピンコー
ト方法は,コーティングと共に平坦化が自然に行われる
ため,絶縁層のパターンによる勾配が克服可能になる
が,スパッタリングや電子−ビーム蒸着法により成膜さ
れたガラス薄膜は,十分な厚さを確保した後,平坦化工
程を経る必要がある。したがって,ガラス薄膜の成膜
は,スピンコート方法が好適である。上記のような方法
により基板100にガラス薄膜を成膜した後は,図5に
示したように,ガラス薄膜の必要部位,即ち,ノズルプ
レート接合部位を除く余の部位はパターニングし除去す
る。
は,図6及び図7に示したように,ノズルプレート20
0を作製する。先ず,ノズルプレート200の内側にイ
ンク室220を形成した後,インク室220と連通する
ノズル210を形成することでノズルプレート200を
作製する。ここで,インク室220は,少なくとも1種
のエッチング液を用いた湿式エッチングにより10〜4
0μmの大きさで形成し,ノズル210は,反応性ガス
とプラズマを用いた乾式エッチングにより10〜40μ
mの大きさで形成する。
た基板100とノズルプレート200とを,図8に示し
たように,中間接合層300を介在して仮接合した状態
で熱と電界を印加して接合するが,以下では,これにつ
いて詳しく説明する。
ルプレート200とを仮接合した仮接合物を導電性物質
からなる熱プレート400上に載置し,電極をノズルプ
レート200と熱プレート400に接続することで熱プ
レート400により加熱及び通電されるようにする。こ
こで,加熱温度は,陽イオンが電界により十分に移動可
能であり且つ基板100上の薄膜層131,132が影
響を受けない温度範囲である常温から500℃程度の範
囲内から選ばれる。そして,電界は,中間接合層300
の厚さと成分に応じて0〜1000Vの直流電圧または
パルス信号で印加される。
接合層300内の陽イオンの移動度が増加して陰極側の
中間接合層300の界面側にイオンが移動し中性化さ
れ,中間接合層300内に残留した陰イオンは接触され
たノズルプレート200のシリコン表面に空間電荷層を
形成する。加えられた電界が全てこの空間電荷層に集中
し強力な静電力が働くため,中間接合層300を構成す
るガラス薄膜内の酸素イオンとノズルプレートを構成す
るシリコンとの結合が行われる。即ち,界面にSiO2
が薄く成長しながらノズルプレート200と中間接合層
300との境界面を埋めるようになる。
200とを接合した後は,図9に示したように,ノズル
と信号領域を開放するために上記構造のノズルプレート
200の外側でCMP(Chemical Mecha
nical Polishing)により加工してヘッ
ドを完成する。
100とノズルプレート200とが接合され,各ヒータ
ーチップに該当するインク室と流路,またノズルが設定
されインク供給路が形成される。したがって,インクジ
ェットプリンタのヘッドにおいて,各部品間の接合また
は接着は,信頼性に影響を与える大きな要因となる。本
実施の形態によれば,シリコン−ガラス−シリコン接合
を用いて基板100とノズルプレート200とを接合,
即ち,ノズルプレートを構成するシリコンと熱膨張係数
がほぼ同一のガラス薄膜を基板100に蒸着してシリコ
ン−ガラス−シリコン接合を施してヘッドを製造するた
め,信頼性に優れているインクジェットプリンタのヘッ
ドを製造することができる。
いて図示し説明したが,本発明は,上述した特定の好適
な実施の形態により限定されることではなく,請求の範
囲で請求している本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当
該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者
であれば誰でも種々の変更実施が可能であることはもと
より,そのような変更は,請求の範囲の記載範囲内にあ
ることはいうまでもない。
ンクジェットプリンタのヘッドの製造時,ガラス質の薄
膜を用いた静電力でヒーター基板とノズルプレートとを
接合するため,既存のヘッドの製造時に使用されていた
ポリマー系接着層の使用を排除することができ,ポリマ
ー系接着層により各層の間にインクが浸透して不良が発
生するということを防止することができる。また,ウェ
ハー単位の接合工程が可能となるため,単位ヘッド別接
着方式より量産性を向上させることができる。
Photo)とエッチング工程を通じてノズルプレー
トにインク室とノズルとが共に設けられるため,インク
室,ヒーター,ノズル間の整列が正確に行われ,ヘッド
の集積度を向上させることができる。
リンタのヘッドを示す断面図である。
リンタのヘッドの製造方法にかかる工程図である。
リンタのヘッドの製造方法にかかる工程図である。
リンタのヘッドの製造方法にかかる工程図である。
リンタのヘッドの製造方法にかかる工程図である。
リンタのヘッドの製造方法にかかる工程図である。
リンタのヘッドの製造方法にかかる工程図である。
リンタのヘッドの製造方法にかかる工程図である。
リンタのヘッドの製造方法にかかる工程図である。
ドの製造方法におけるノズルプレートと基板との接合原
理を示す図である。
例を示す断面図である。
Claims (16)
- 【請求項1】 インク室内のインクを加熱するヒーター
を有する基板と;前記ヒーターにより加熱されたインク
室内のインクが吐出されるノズルを有するノズルプレー
トと;前記基板と前記ノズルプレートとの間に介在し,
これら基板とノズルプレートとを静電力で接合する中間
接合層と;を含むことを特徴とするインクジェットプリ
ンタのヘッド。 - 【請求項2】 前記中間接合層が,融点が低く且つ成分
の60%以上が非晶質酸化珪素からなるガラス薄膜で構
成されることを特徴とする請求項1に記載のインクジェ
ットプリンタのヘッド。 - 【請求項3】 前記インク室が,前記ノズルプレートに
形成されることを特徴とする請求項1または2に記載の
インクジェットプリンタのヘッド。 - 【請求項4】 前記基板には,ヒーターの放熱を防止す
るための防熱層と,ヒーター保護のためのパッシベーシ
ョン層が備えられ,前記パッシベーション層は,前記ヒ
ーターに蒸着される絶縁層と,前記絶縁層に蒸着され一
側が基板と通電するように接続されたヒーター保護層と
を含むことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項
に記載のインクジェットプリンタのヘッド。 - 【請求項5】 インク室内のインクを加熱して吐出する
インクジェットプリンタのヘッドを製造する方法であっ
て, a)前記インク室内のインクを加熱するヒーターを有す
る基板を作製するステップと; b)前記ヒーターにより加熱されたインク室内のインク
が吐出されるノズルを有するノズルプレートを作製する
ステップと; c)前記基板と前記ノズルプレートとを中間接合層を介
在して静電力で接合するステップと;を含むことを特徴
とするインクジェットプリンタのヘッドの製造方法。 - 【請求項6】 前記c)ステップが, c−1)前記基板上のノズルプレート接合部に中間接合
層を形成するステップと; c−2)前記中間接合層上に前記ノズルプレートを載置
し,仮接合を行うステップと; c−3)前記ノズルプレートが仮接合された基板を加熱
して所定温度以上に加熱される時,前記ノズルプレート
と前記ヒーター基板とが通電するように電界を加えるス
テップと;を含むことを特徴とする請求項5に記載のイ
ンクジェットプリンタのヘッドの製造方法。 - 【請求項7】 前記c−1ステップが,前記基板上に一
定の厚さのガラス薄膜を成膜した後,前記ガラス薄膜の
ヒーター形成部位をエッチングし除去することからなる
ことを特徴とする請求項6に記載のインクジェットプリ
ンタのヘッドの製造方法。 - 【請求項8】 前記ガラス薄膜が,スピンコート蒸着法
により成膜されることを特徴とする請求項7に記載のイ
ンクジェットプリンタのヘッドの製造方法。 - 【請求項9】 前記ガラス薄膜が,スパッタリング蒸着
法により成膜されることを特徴とする請求項7に記載の
インクジェットプリンタのヘッドの製造方法。 - 【請求項10】 前記ガラス薄膜が,電子−ビーム蒸着
法により成膜されることを特徴とする請求項7に記載の
インクジェットプリンタのヘッドの製造方法。 - 【請求項11】 前記ガラス薄膜が,1〜5μmの厚さ
で成膜されることを特徴とする請求項7から10のいず
れか1項に記載のインクジェットプリンタのヘッドの製
造方法。 - 【請求項12】 前記加熱温度が,常温〜500℃であ
り,前記電界が,0〜1000Vの直流電圧及びパルス
信号のうちから選ばれたいずれか1つであることを特徴
とする請求項6から11のいずれか1項に記載のインク
ジェットプリンタのヘッドの製造方法。 - 【請求項13】 前記a)ステップが, a−1)シリコン基板上に防熱層を形成するステップ
と; a−2)前記防熱層上にヒーター及び導電層を形成する
ステップと; a−3)前記ヒーター及び導電層上にヒーター保護のた
めのパッシベーション層を形成するステップと;を含む
ことを特徴とする請求項5に記載のインクジェットプリ
ンタのヘッドの製造方法。 - 【請求項14】 前記パッシベーション層が,シリコン
窒化膜とシリコンカーバイド膜を一定の厚さで順次に蒸
着して絶縁層を形成した後,前記絶縁層の一部にシリコ
ン基板と通じるビアホールを形成し,前記絶縁層の上部
にタンタルを一定の厚さで蒸着しヒーター保護層を形成
してなることを特徴とする請求項13に記載のインクジ
ェットプリンタのヘッドの製造方法。 - 【請求項15】 前記ヒーター保護層の厚さが,0.1
〜1.0μmであることを特徴とする請求項14に記載
のインクジェットプリンタのヘッドの製造方法。 - 【請求項16】 前記b)ステップが,ノズルプレート
を湿式エッチングしてインク室を形成した後,前記イン
ク室に連結されるノズルを乾式エッチングで形成するこ
とを特徴とする請求項5に記載のインクジェットプリン
タのヘッドの製造方法。
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