JP2005119224A

JP2005119224A - インクジェット記録ヘッドとその作製方法、シリコンオンインシュレータ基板とその作製方法及びインクジェット記録ヘッド用基体

Info

Publication number: JP2005119224A
Application number: JP2003358871A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Hayakawa; 和宏早川
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-10-20
Filing date: 2003-10-20
Publication date: 2005-05-12

Abstract

【課題】インクジェット記録法において高速化を実現するために、インクのリフィル速度の向上と吐出圧力発生素子用駆動回路の処理速度向上の双方を達成することができるインクジェット記録ヘッドを提供すること。
【解決手段】記録用液体を吐出して記録を行うインクジェット記録ヘッドにおいて、その基体がシリコンオンインシュレータ基板より作られ、前記基体の表面に複数の吐出圧力発生素子及びその駆動回路が形成されており、前記吐出圧力発生素子上には圧力室と記録液体が吐出する吐出口が設けられており、且つ、記録用液体を基体裏から表面に供給するための共通液室と圧力室とが連通する供給口が１つの圧力室に対して複数設けられていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、記録用液体を吐出して液滴を形成し、それを紙等の被記録材に付着させて記録を行うインクジェット記録装置に関する。

インクジェット記録法は、記録ヘッドに設けたオリフィスから記録用液体（インク）を吐出させ、これを紙等の被記録材に付着させて記録を行う記録方法であり、騒音の発生が極めて少なく、且つ、高速記録が可能であり、しかも、普通紙が使用でき特別な構成の記録用の紙を必要としない等の多くの利点を有しており、種々のタイプの記録ヘッドが考案されている。

これらのインクジェット記録ヘッドには吐出圧力発生素子が形成された基体に対して、垂直方向にインク液滴を吐出させる「サイドシュータ型」というインクジェット記録ヘッドがある。このようなインクジェット記録ヘッドにおいては、インクタンクが存在する基体裏面から吐出圧力発生素子が設けられている基体表面にインクを供給するために基体を貫くように共通液室を形成することが多い。この共通液室の形成においては加工精度の高さから多くの場合、結晶異方性エッチングが用いられる。

一方、絶縁物上の単結晶Ｓｉ半導体層の形成はシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）技術として広く知られ、通常のＳｉ集積回路を作製するバルクＳｉ基板では到達し得ない数々の優位点を有することから多くの研究が成されてきた。即ち、ＳＯＩ技術を利用した半導体デバイスは以下のような優位点を有することになる。

１．誘電体分離が容易で高集積化が可能
２．対放射線耐性に優れている
３．浮遊容量が低減され高速化が可能
４．ウエル工程が省略できる
５．ラッチアップを防止できる
６．薄膜化による完全空乏型電界効果トランジスタが可能
吐出圧力発生素子の駆動回路が形成されるインクジェット記録ヘッド用基体においても、ＳＯＩ基板を用いることによりチップシュリンクによる低コスト化や記録装置本体からの信号の処理の高速化等が期待できる。又、基体内に絶縁層を有しているため、これと支持基体とを選択的にエッチングすることにより共通液室や供給口の形成を行うこともできる（例えば特許文献１参照）。

特開２００２−２３４１５６号公報

近年、インクジェット記録法においても高速化の要求が高まっている。これに対して各吐出口においてインクを吐出させた後のインクのリフィル速度を高めることや吐出口の数を増す等して単位時間内に吐出する記録液滴の数を増やすことで対応する方法が考えられる。

サイドシュータ型インクジェット記録ヘッドは、通常、各々の吐出圧力発生素子上に圧力室を形成し、供給口を介して共通液室と連通しており、インクを供給させる構造となっている（図７参照）。

このような構造においてインクのリフィル速度を向上させるには、吐出口と供給口との距離を短くしたり圧力室の高さや幅を広げて供給口から吐出口までの流抵抗を低減させるという手法が考えられる。

しかし、これらのうち前者の手法は吐出圧力発生素子やそれに接続される配線が存在するために近づけるには限界がある。又、後者の手法では、幅方向へ圧力室を広げることは隣接する圧力室が存在するために限度があり、又、高さ方向へ広げることは吐出圧力発生素子と吐出口との距離が遠くなってしまうことになり、吐出現象に影響を与えてしまうためにやはり限界が生じる。

又、単位時間内に吐出する記録液滴の総数を増やすことは、吐出圧力発生素子の駆動回路が単位時間内に処理しなければならない信号の量が増大することを意味する。つまり、記録の高速化を達成するには駆動回路を構成する半導体素子の処理速度の向上も必要になってくる。

従って、本発明の目的とする処は、インクジェット記録法において高速化を実現するために、インクのリフィル速度の向上と吐出圧力発生素子用駆動回路の処理速度向上の双方を達成するようなインクジェット記録ヘッドとそれに用いられる基体およびそれに用いられるシリコンオンインシュレータ基板とその作製方法を提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明は以下を提案するものである。

即ち、記録用液体を吐出して記録を行うインクジェット記録ヘッドにおいて、その基体がシリコンオンインシュレータ基板より作られ、前記基体の表面に複数の吐出圧力発生素子及びその駆動回路が形成されており、前記吐出圧力発生素子上には圧力室と記録液体が吐出する吐出口が設けられており、且つ、記録用液体を基体裏から表面に供給するための共通液室と圧力室とが連通する供給口が１つの圧力室に対して複数設けられていることを特徴とするインクジェット記録ヘッドである（図１及び図２）。

このような構造のインクジェット記録ヘッドでは、圧力室へのインクのリフィルが、十分なインクで満たされている共通液室から複数の供給口を介して行われるためにその速度は高くなる。

又、その基体はシリコンオンインシュレータ基板から成るために、その表面に形成された吐出圧力発生素子用駆動回路の処理速度は従来のバルクＳｉの基体と比較して優れている。

以上２つの効果により、本発明のインクジェット記録ヘッドはより高速な記録が可能なのである。

このインクジェット記録ヘッドは、絶縁層と支持基板とがそれぞれ選択的にエッチングが可能であり、前記絶縁層が供給口形成位置では存在していない構造を有しているシリコンオンインシュレータ基板に汎用の半導体工程で吐出圧力発生素子とその駆動回路を形成することで得られるインクジェット記録ヘッド用基体を用いることで作製することができる。

即ち、共通液室と供給口の形成において
１．前記のインクジェット記録ヘッド用基体裏面（吐出圧力発生素子が存在しない面）にマスク材を成膜する工程
２．前記基体の共通液室形成位置のマスク材を取り除く工程
３．基体裏面のマスク開口部からエッチングを進行させて共通液室と供給口を形成する工程
以上１〜３の工程を含む作製方法により実現される。

更に、前記シリコンオンインシュレータ基板は、
１．多孔質シリコン層から成る分離層を有する第１の基板を用意する工程
２．前記分離層上に非多孔質単結晶シリコン層を形成する工程
３．前記第１の基板の非多孔質シリコン層上若しくは第２の基板上に絶縁層を成膜する工程
４．前記絶縁層の供給口形成位置の部分を除去する工程
５．前記第１の基板と第２の基板を前記絶縁層が間に挟まれるようにして貼り合せる工程
６．前記多層構造体から前記多孔質シリコン層を除去する工程
以上１〜６の工程を含むことを特徴とする作製方法により実現される。

又、このインクジェット記録ヘッドは、絶縁層と支持基板とがそれぞれ選択的にエッチングが可能であり、前記絶縁層が供給口形成位置では存在しない構造であり、共通液室から供給口形成位置まで支持基板より早くエッチングが可能な犠牲層が形成されていることを特徴とするシリコンオンインシュレータ基板に汎用の半導体工程で吐出圧力発生素子とその駆動回路を形成することで得られるインクジェット記録ヘッド用基体を用いることでも作製することができる。

この基板を用いての共通液室と供給口の形成は、前述の工程と同じく、
１．前記のインクジェット記録ヘッド用基体裏面（吐出圧力発生素子が存在しない面）にマスク材を成膜する工程
２．前記基体の共通液室形成位置のマスク材を取り除く工程
３．基体裏面のマスク開口部からエッチングを進行させて共通液室と供給口を形成する工程
以上１〜３の工程を含む作製方法により実現される。

特に、吐出圧力発生素子周りの配線関係で各素子が離れてしまっていたり、基体強度の確保が必要で共通液室を小さくしなければならない等の理由で共通液室と供給口の距離が離れてしまうような場合にこのような基体を用いることが考えられる。

更に、これに用いられるシリコンオンインシュレータ基板は、
１．多孔質シリコンから成る分離層を有する第１の基板を用意する工程
２．前記分離層上に非多孔質単結晶シリコン層を形成する工程
３．第２の基板上に犠牲層を形成する工程
４．前記第１の基板の非多孔質シリコン層上若しくは前記第２の基板上に絶縁層を成膜する工程
５．前記絶縁層の供給口形成位置の部分を除去する工程
６．前記第１の基板と第２の基板を前記絶縁層と犠牲層が間に挟まれるようにして貼り合せる工程
７．前記多層構造体から前記分離層を除去する工程
以上１〜７の工程を含むことを特徴とする作製方法により実現される。

又、前記犠牲層は単結晶シリコンで作られた第２の基板上に局所的に陽極化成を行い、任意の位置のシリコンのみを多孔質シリコン化して形成するか、若しくは第２の基板上の任意の位置に掘り込みを設け、この面にアルミニウム等の金属を掘り込みの深さ以上に厚くスパッタ若しくは電気メッキ或はその他の方法で成膜した後にＣＭＰやその他の方法で再度第２の基板の表面が露出するまで研磨して形成する方法により得ることができる。

本発明のインクジェット記録ヘッドは各圧力室に複数の供給口が設けられており、インクのリフィル速度が速く、又、その基体はシリコンオンインシュレータ基板より作られているため、吐出圧力発生素子用駆動回路の処理速度が速く、高速印刷が可能である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

＜実施の形態１＞
以下に示すようにインクジェット記録ヘッド用シリコンオンインシュレータ基板を作製する。

先ず、第１の基板を形成するために単結晶Ｓｉ基板を準備し、その表面に対してＨＦ溶液中で陽極化成処理を施して多孔質Ｓｉ層（分離層）を形成した。

次いで、分離層上にＣＶＤ（Chemical
Vapor Deposition ）法により単結晶Ｓｉ層をエピタキシャル成長させた。尚、エピタキシャル成長の前段では、Ｈ_２中に分離層である多孔質Ｓｉ層の表面が晒されるため、表面の孔が埋まり、表面が平坦になる。

次いで、エピタキシャル成長させた単結晶Ｓｉ層の表面に熱酸化によりＳｉＯ_２層を形成した。

これにポジレジストと塗布し、これをフォトリソ技術によりパターニングした後にバッファード弗酸に浸漬することで供給口を形成する位置のＳｉＯ_２層をエッチングした（図３Ａ）。

次いで、レジストを剥離した第１の基板と同サイズで引き出し方位＜１００＞のＳｉ基板（第２の基板）を準備し、第１の基板のＳｉＯ_２層の表面と第２の基板とを密着させて、１１８０℃で５分の熱処理を行い、貼り合わせた。

貼り合わせた基盤の分離層に対して直径０．１ｍｍのノズルからの流体（ここでは、水）を噴射して、貼り合わせ基板を回転させながら分離層の部分で完全に分離した。

次いで、分離後の第２の基板の表面に残留する多孔質層を弗酸と過酸化水素水と水との混合液をエッチング液として選択的にエッチングした。これにより本発明であるシリコンオンインシュレータ基板が得られた（図３Ｂ）。

次に、このシリコンオンインシュレータ基板の表面に汎用の半導体製造工程により吐出圧力発生素子である発熱抵抗体とその駆動回路及び記録装置本体からの信号を受けるための電極（図示せず）を形成し、その最表面にはｐ−ＳｉＮであるパッシベイション層（図示せず）を成膜した。又、その反対の面には熱酸化膜を成膜しておいた。これによりインクジェット記録ヘッド用基体が得られた（図３Ｃ：平面図及びＤ：断面図）。

この基体の表面（吐出圧力発生素子が形成されている面）に圧力室の型材である溶出可能なＵＶポジレジストのポリメチルイソプロペニルケトンをソルベントコートし、フォトリソ技術によりパターニングした。

更に、基体の表面にカチオン重合型エポキシと光重合開始剤の混合物をソルベントコートし、吐出口と電極露出部が形成されるようにフォトマスクを介して露光し、現像を行った（図５Ｂ）。

次いで、この基体の表面及び側面外周部に保護膜となる環化ゴムを塗布した。この基体の裏面にポジレジストを塗布し、フォトリソ技術を用いてパターニングした後、バッファード弗酸に浸漬することにより裏面の酸化膜に開口部を設けた。

裏面のポジレジストを剥離した後、テトラメチルアンモニウム水溶液に浸漬し、裏面の酸化膜開口部から表面のパッシベイション層まで結晶異方性エッチングを進行させて共通液室と供給口を形成した。

次いで、ケミカルドライエッチングにより裏面の開口部を通して基体表側のパッシベイション層を除去し、供給口を介して圧力室と共通液室を連通させた（図５Ｃ）。

次に、キシレンにより保護膜である環化ゴムを除去した。

この基体の表面にＵＶ光を照射し、エポキシを通して圧力室の型材であるポリメチルイソプロペニルケトンを感光させ、更に乳酸メチルに浸漬することによりこれを溶出除去した（図５Ｃ）。

以上により、本発明のインクジェット記録ヘッドが得られた。

＜実施の形態２＞
以下に示すようにインクジェット記録ヘッド用シリコンオンインシュレータ基板を作製する。

次いで、分離層上にＣＶＤ法により単結晶Ｓｉ層をエピタキシャル成長させた。

次いで、エピタキシャル成長させた単結晶Ｓｉ層の表面に熱酸化によりＳｉＯ_２層を形成した（図４Ａ）。

これにポジレジストを塗布し、これをフォトリソ技術によりパターニングした後にバッファード弗酸に浸漬することで供給口を形成する位置のＳｉＯ_２層をエッチングした。

次いで、レジストを剥離した第１の基板と同サイズで引き出し方位＜１００＞のｐ型のＳｉ基板（第２の基板）を準備し、犠牲層を形成しない場所に対してリンを汎用の半導体工程により拡散させてｎ型の領域を設けた。

この第２の基板に対して陽極化成を行い、ｐ型の領域のみを任意の深さまで多孔質シリコン化し、犠牲層を形成した。但し、この犠牲層の深さは前工程で形成したｎ型領域の深さ未満でなければならない。

次いで、第１の基板のＳｉＯ_２層の面と第２の基板の犠牲層が形成されている面とを密着させて、１１８０℃で５分の熱処理を行い、貼り合わせた。

貼り合わせた基盤の分離層に対して直径０．１ｍｍのノズルからの流体（ここでは、水）を噴射して、貼り合わせ基板を回転させながら分離層の部分で完全に分離した（図１Ｅ）。

次いで、分離後の第２の基板の表面に残留する多孔質層を弗酸と過酸化水素水と水との混合液をエッチング液として選択的にエッチングした。これにより本実施の形態に係るシリコンオンインシュレータ基板が得られた（図４Ｂ）。

このシリコンオンインシュレータ基板を実施の形態１と同様の工程を通すことにより、インクジェット記録ヘッドを作製することができた（図６）。

但し、本実施の形態においては、共通液室を形成する結晶異方性エッチングの工程において犠牲層が素早くエッチングされ、共通液室から供給口までの液路が形成されていた（図６Ｄ）。

本発明は、記録用液体を吐出して液滴を形成し、それを紙等の被記録材に付着させて記録を行うインクジェット記録装置に対して適用可能である。

本発明のインクジェット記録ヘッドの実施の形態１を示す図である。本発明のインクジェット記録ヘッドの実施の形態２を示す図である。本発明のインクジェット記録ヘッド用基体の製造方法の実施の形態１を示す図である。本発明のインクジェット記録ヘッド用基体の製造方法の実施の形態２を示す図である。本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法の実施の形態１を示す図である。本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法の実施の形態２を示す図である。従来のインクジェット記録ヘッドの一例を示す図である。

符号の説明

１０１，２０１，３１０，４１１，５０１，６０１，７０１インクジェット記録ヘッド用基体
１０２，２０２，５０６，６０６，７０２共通液室
１０３，２０３，５０７，６０７，７０３供給口
１０４，２０４，５０８，６０８，７０４圧力室
１０５，２０５，３０６，４０６，７０６吐出圧力発生素子
１０６，２０６，５０４，６０４，７０５吐出口
３０１，４０１第１の基板
３０２，４０２第２の基板（支持基板）
３０３，４０３分離層（多孔質シリコン）
３０４，４０４非多孔質単結晶シリコン層
３０５，４０５ＳｉＯ_２層
３０７，４０７吐出圧力発生素子とその駆動回路とを繋ぐ配線
３０８，４０８供給口が形成される部分
３０９，４０９基体裏面の酸化膜
４１０犠牲層
５０２圧力室の型材（ポリメチルイソプロペニルケトン樹脂）
５０３エポキシ樹脂
５０５，６０５保護膜（環化ゴム）

Claims

記録用液体を吐出して記録を行うインクジェット記録ヘッドにおいて、その基体がシリコンオンインシュレータ基板より作られ、前記基体の表面に複数の吐出圧力発生素子及びその駆動回路が形成されており、前記吐出圧力発生素子上には圧力室と記録液体が吐出する吐出口が設けられており、且つ、記録用液体を基体裏から表面に供給するための共通液室と圧力室とが連通する供給口が１つの圧力室に対して複数設けられていることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
シリコンオンインシュレータ基板において、
基体内部の絶縁層と支持基板とがそれぞれ選択的にエッチングが可能であり、また前記絶縁層が供給口形成位置では存在しない構造を有することを特徴とするシリコンオンインシュレータ基板。
シリコンオンインシュレータ基板において、
基体内部の絶縁層と支持基板とがそれぞれ選択的にエッチングが可能であり、前記絶縁層が供給口形成位置では存在しない構造であり、且つ、共通液室形成位置から供給口形成位置まで支持基板より早くエッチングが可能な犠牲層が形成されていることを特徴とするシリコンオンインシュレータ基板。
前記犠牲層が多孔質シリコン、多結晶シリコン、アルミニウム、その他の金属であることを特徴とする請求項３記載のシリコンオンインシュレータ基板。
シリコンオンインシュレータ基板の作製方法において。
１．多孔質シリコン層から成る分離層を有する第１の基板を用意する工程
２．前記分離層上に非多孔質単結晶シリコン層を形成する工程
３．前記第１の基板の非多孔質単結晶シリコン層上若しくは第２の基板（支持基板）上に絶縁層を成膜する工程
４．前記絶縁層の供給口形成位置の部分を除去する工程
５．前記第１の基板と第２の基板を前記絶縁層が間に挟まれるようにして貼り合せる工程
６．前記多層構造体から前記分離層を除去する工程
以上１〜６の工程含むことを特徴とするシリコンオンインシュレータ基板の作製方法。
シリコンオンインシュレータ基板の作製方法において、
１．多孔質シリコン層から成る分離層を有する第１の基板を用意する工程
２．前記分離層上に非多孔質単結晶シリコン層を形成する工程
３．第２の基板（支持基板）上に犠牲層を形成する工程
４．前記第１の基板の非多孔質シリコン層上若しくは前記第２の基板上に絶縁層を成膜する工程
５．前記絶縁層の供給口形成位置の部分を除去する工程
６．前記第１の基板と第２の基板を前記絶縁層と犠牲層が間に挟まれるようにして貼り合せる工程
７．前記多層構造体から前記分離層を除去する工程
以上１〜７の工程含むことを特徴とするシリコンオンインシュレータ基板の作製方法。
前記犠牲層は単結晶シリコンで作られた第２の基板上に局所的に陽極化成を行い、任意の位置のシリコンのみを多孔質シリコン化して形成することを特徴とする請求項６記載のシリコンオンインシュレータ基板の作製方法。
前記犠牲層は単結晶シリコンで作られた第２の基板上の任意の位置に掘り込みを形成し、この面にアルミニウム等の金属を掘り込みの深さ以上に厚くスパッタ若しくは電気メッキ或はその他の方法で成膜した後にＣＭＰやその他の方法で再度第２の基板の表面が露出するまで研磨して形成することを特徴とする請求項６記載のシリコンオンインシュレータ基板の作製方法。
請求項２及び４記載のシリコンオンインシュレータ基板に吐出圧力発生素子及びその駆動回路を形成して成ることを特徴とするインクジェット記録ヘッド用基体。
請求項９記載の基体を用いたインクジェット記録ヘッドの作製方法において、
１．インクジェット記録ヘッド用基体裏面（吐出圧力発生素子が存在しない面）にマスク材を成膜する工程
２．前記基体の共通液室形成位置のマスク材を取り除く工程
３．基体裏面のマスク開口部からエッチングを進行させて共通液室と供給口を形成する工程
以上１〜３の工程を有することを特徴とするインクジェット記録ヘッドの作製方法。