JP2007237601A - インクジェット記録ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 インク供給口を長くした場合の基板１のゆがみや割れ、オリフィスプレートの変形を防止する。
【解決手段】 インク供給口１０となる部分の基板表面及び裏面のうち両方もしくはどちらかに、異方性エッチングのエッチング液によってエッチングされない部材により、両もち梁構造１１を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体をオリフィスから噴射して液滴を形成するインクジェット記録ヘッドの形成方法に関する。

この種のインクジェット記録ヘッドに関し、例えば特開昭５４ー５１８３７に記載されているインクジェット記録法は、熱エネルギーを液体に作用させて、液滴吐出の原動力を得るという点において、他のインクジェット記録方法とは異なる特徴を有している。

即ち、上述の公報に開示されている記録法は、熱エネルギーの作用を受けた液体が過熱されて気泡を発生し、この気泡発生に基づく作用力によって、記録ヘッド部先端のオリフィスから液滴が形成され、この液滴が被記録部材に付着して情報の記録が行われるということを特徴としている。

この記録法に適用される記録ヘッドは、一般に液体を吐出するために設けられたオリフィスと、このオリフィスに連通して液滴を吐出するための熱エネルギーが液体に作用する部分である熱作用部を構成の一部とする液流路とを有する液吐出部及び熱エネルギーを発生する手段である熱変換体としての発熱抵抗層とそれをインクから保護する上部保護層と蓄熱するための下部層を具備している。ところで、高密度、高精度のノズル及び吐出口を形成する方法として特開平5-330066，及び特開平6-286149に示されている方法が提案されている。

また、特開平10-146979に前記のノズル製法においてインク供給口部上部のオリフィスプレートにリブ構造を設けることが提案されている。
特開昭５４−５１８３７号公報 特開平５−３３００６６号公報 特開平６−２８６１４９号公報 特開平１０−１４６９７９号公報

特開平6-286149の製法において、印字速度を上げる為に一度に印刷できる幅を大きくすることが提案されている。一度に印刷できる幅を大きくするを大きくする為にはインクの吐出口を長く配列する必要がある。吐出口を長く配列するとインク供給口を長くする必要がある。インク供給口を長く開けると下記のような問題点があった
１．インク供給口を長く開けること自体での基板の歪み
特にコストの面から基板の大きさを小さくするため、基板の印刷幅と垂直の寸法を小さくする必要があり、図7のように基板が縦長になりその縦方向にインク供給口を形成することから基板にインク供給口を加工すると基板自体に歪みが発生し、図8のように吐出口の平面性が保てなくなりよれが発生する。

２．チップハンドリング時に於ける基板の割れの発生
ウエハー等で一括形成した後、吐出エレメントに分割して流路部材に貼り工程で流動するわけであるが、吐出エレメントに分割すると細長い基板となる。その細長い基板の中心にスリット状のインク供給口が形成されていると、基板をつかむ時に基板に応力が掛かり基板が割れることがある。

特に、印刷幅が大きいと吐出エレメントの長さが長くなり、またインク供給口も長くなる為、応力の掛かりが大きくなる
３．流路部材接合時の基板の変形による割れ及び基板の変形のよるオリフィスプレートの割れ、変形
吐出エレメントを流路部材に接合する接着材として耐インク性を要求されている為熱硬化性接着材が採用されている。また、流路部材は加工の容易さ値段の低さから樹脂が採用されている。吐出エレメントを流路部材に接合する時熱硬化性接着材を使用して貼り合わせるので、吐出エレメントと流路部材の熱膨張率の差から常温時に戻ったとき、吐出エレメント中に残留応力が発生する。そして、吐出エレメントを形成している基板が割れたり基板が変形し、その上に形成されているオリフィスプレートが変形を起こし、吐出方向が曲がってしまい印字が不良になることがあった。

特開平10-146979にオリフィスプレートの変形防止の為、リブを立てる構造が提案されているが、これはオリフィスプレートの膨潤時のオリフィスプレートの変形防止であり、基板が変形することはその応力の大きさから変形を押さえることは出来ない。

また、基板のインク供給口に図9のように梁を形成する方法が考えられる。

特開平6-286149に述べられている製法でインク供給口を先に形成し、その後ノズルを形成する型材を塗布する工程はノズルを形成する型材を塗布工程にドライフィルムのラミネートやラミネート時の型材の変形等制約が多い。

したがって、ノズルを形成する型材を塗布しノズル材を塗布する工程の後にインク供給口を異方性エッチングによって形成する方式がとられている。インク供給口を異方性エッチングで形成する場合、シリコン基板として｛１００｝基板を使用するのが一般的である。しかしながら、｛１００｝基板を使用し梁を形成することは下記のような問題があった。

まず、基板表面に梁を設ける為に裏面に梁の形状になるようなマスクを使用すると梁の幅は５０μとしても基板の厚さを一般的な６２５μとすると表面では９５０μとなる。梁の幅が９５０μとなると吐出口からインク供給口まで４００μ以上のノズルが発生し、ノズルのリフィルが遅くなり周波数特性が大幅に悪くなる。基板を薄くしようとすると強度等の問題で工程流動が難しくなる。

次に、基板裏面に梁を設けるのは裏面マスクで対応が難しい。

以上のように、インク供給口に梁を設けることは表面、裏面とも難しかった。

本発明は、上記の問題点に鑑みなされたものであり、インク供給口を長くした場合でも基板のゆがみや割れ、オリフィスプレートの変形が起こりにくく、印字幅を長くすることが可能であり、かつ、インク供給口からインク吐出口までの距離を短く保つことができインクのリフィルに影響を与えないため、周波数特性が良好であり、高速に印字することが可能であるインクジェット記録ヘッドを作成できることを目的とするものである。

上記目的を達成する本発明では、発熱抵抗体を備えた基板上にインク流路及びインク吐出口が設けられ、発熱抵抗体の発熱によるインクの発砲を利用してインクを吐出するインクジェット記録ヘッドで、発熱抵抗体を備えた基板上にノズル流路を形成するための型材の樹脂を塗布しパターニングする工程、インク流路及びインク吐出口を形成する樹脂を塗布しパターニングする工程、インク供給口を形成するために基板をエッチングする工程、前記型材を除去する工程、を少なくとも有するインクジェット記録ヘッドにおいて、前記インク供給口となる部分のシリコン基板表側及び裏側のうち両方もしくはどちらかに、前記エッチングのためのエッチング液によってエッチングされない部材によって形成された、両もち梁構造を持たせることにより達成した。

本発明においては、シリコン基板表面に補強部材として両もち梁構造体を設けることによって、インク供給口を長くした場合の基板のゆがみをおさえることができる。

また、この両もち梁構造を、シリコンの異方性エッチング液によってエッチングされない部材によってあらかじめ基板上に作り込んでおくことにより、従来と同様にエッチングを行いインク供給口となる部分のシリコンを除去することで、自動的に両もち梁構造により補強されたインク供給口を形成することが可能である。

この両もち梁構造にはボロンなどのｐ型不純物を高濃度に含むシリコンを用いることができる。ｐ型不純物を高濃度に含むシリコンでは、高濃度に含まれているホールが、エッチング反応の進行を阻害する働きをするために、異方性エッチングのスピードが極端に遅くなり、事実上エッチングされない。そのため、高濃度のｐ型シリコン層部分を残してエッチングすることができる。

さらに、本発明においては、両もち梁構造をインク供給口から吐出口に至るインクの流れを阻害しないような位置に配置することで、インクリフィルに影響を与えない構造とすることができる。これにより、高周波数駆動が可能となるため、さらなる高速印字が可能なインクジェット記録ヘッドを実現することができる。

以上説明したように、本発明によれば、インク供給口を長くした場合でも基板のゆがみや割れ、オリフィスプレートの変形が起こりにくく、従来よりも印字幅を長くすることが可能であり、かつ、梁を、所望の形状に形成できるため、インクのリフィルに影響を与えないため、周波数特性が良好であり、高速に印字することが可能であるインクジェット記録ヘッドを作成することが可能であった。

以下に図を用いて本発明の実施例を説明する。

図2に示す本実施例は、インク供給口の表側にのみ両もち梁構造を設けた例である。

図1は、図２のA-A'断面図を示している。

図3に示す本実施例は、インク供給口からインク吐出口に至るインクの流れを阻害しない範囲で、梁を多数組み合わせて配置した例である。図３に矢印で示したように、多数の梁が組み合わさっているが、インク供給口からインク流路へとインクの流れるパスは確保されている。

図4に示す本実施例は、インク供給口の表側だけでなく裏側にも梁を設けた例である。図4では、表側と裏側の梁をずらした位置に配置した例を示している。

以上の本実施例のインクジェットプリントヘッド作成方法は以下の通りである。

まずシリコンウェハ1（結晶方位〈１００〉、厚さ600μm）表面に窒化シリコン膜を形成、パターニングし、所望の両もち梁形状のマスクを作成する。（図６(b)）この窒化シリコン膜をマスクとしてイオン注入、熱処理等により所望の厚さのボロン埋め込み層を形成する。（図６(c)）この際、ボロンの濃度は、10²⁰/cm³以上程度が望ましい。マスクの窒化膜を除去した後、エッチングストップ層2として、窒化シリコン膜をシリコンウェハ表面に形成した。（図６(d)）ついで、シリコンウェハ裏面に異方性エッチングのマスク部材8として酸化シリコン膜を形成した。（図６(e)）次にインク吐出圧力発生素子4として、電気熱変換素子およびこれらの素子を動作させるための駆動回路を形成した。（図６(f)）
次にインク流路を形成するための型材9として、溶解可能な樹脂を塗布、パターニングし（図６(g)）その上にインク流路部材となる樹脂層6を形成する。（図６(h)）次にインク吐出口5を形成する。(図６ｉ)本実施例では、インク流路部材6に感光性の樹脂を用い、フォトリソグラフィーを用いて形成した。

次に前記ウェハをTMAH（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）水溶液に80℃16時間浸漬しシリコンの結晶異方性エッチングを行った。（図６(j)）この際インク吐出口5が形成されたウェハ表面には、ゴム系のレジストを保護膜として塗布し、TMAH水溶液が接触しないような構成とした。異方性エッチングは、シリコンウェハ表面の窒化シリコン膜で停止するが、この際、先に形成したボロン埋め込み層は、エッチングされないため、両もち梁構造が完成する。

異方性エッチング終了後は、マスクとして用いた酸化シリコン膜を含ふっ酸水溶液に浸漬して除去し、インク供給口7上の窒化シリコン膜をCF4を用いたプラズマエッチングにより除去する。（図６(k)）ウェハ表面のゴム系のレジストを剥離したあと、最後に型材として用いた溶解可能な樹脂6を除去（図6(l)）したあと、チップを切断、インク供給部材に接着、電気実装すればインクジェットヘッドができあがる。

ここでは、両もち梁構造を表側にのみ配置する場合の製造方法を示したが、裏側にも配置したい場合は、同様に裏側にもボロン埋め込み層を形成すればよい。この場合、図5に示すようにエッチング開始時は、ボロン埋め込み層がマスクの働きをして異方性エッチングの形状が変わってしまうが、エッチングが進むとサイドエッチングにより梁の上部もエッチングされ、最終的には、ほぼ同様のインク供給口形状が得られる。

以上、代表的な形状を実施例としてあげたが、これら以外にも請求項に記載の条件を満たす自由な設計が可能である。特に、梁となるボロン埋め込み層形状は、フォトリソグラフィーを用いて窒化シリコン膜に形成したパターンをマスクとして形成することができるため、微細かつ複雑な、実施例2に代表的に示すような構造を作ることも可能である。

本発明の実施例１に関する説明図であり、図２のＡ-Ａ’断面図である。 本発明の実施例１及び実施例３に関する説明図である。 本発明の実施例２に関する説明図である。 本発明の実施例３に関する説明図であり、図２のＡ-Ａ’断面図である。 本発明で裏面側に両もち梁構造を配置する場合の異方性エッチングに関する説明図である。 (a)〜(l)は本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 インク供給口を長く配列した場合の従来例に関する説明図である。 インク供給口を長く配列した場合の従来例に関する発明図であり、図７のＸ−Ｙ断面図である。 インク供給口に梁を形成する場合の説明図である。

符号の説明

1 シリコンウェハ
2 P++層形成のマスクとなる部材
3 P++層
4 異方性エッチングストップ層
5 異方性エッチングのマスクとなる部材
6 インク吐出圧力発生素子
7 溶解可能な樹脂層
8 インク流路部材となる樹脂層
9 吐出口
10 インク供給口
11 梁
12 インクの流れ

Claims (3)

1. 発熱抵抗体を備えた基板上にインク流路及びインク吐出口が設けられ、発熱抵抗体の発熱によるインクの発砲を利用してインクを吐出するインクジェット記録ヘッドで、発熱抵抗体を備えた基板上にノズル流路を形成するための型材の樹脂を塗布しパターニングする工程、インク流路及びインク吐出口を形成する樹脂を塗布しパターニングする工程、インク供給口を形成するために基板をエッチングする工程、前記型材を除去する工程、を少なくとも有するインクジェット記録ヘッドにおいて、
   前記インク供給口となる部分のシリコン基板表側及び裏側のうち両方もしくはどちらかに、
   前記エッチングのためのエッチング液によってエッチングされない部材によって形成された、両もち梁構造を持つことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. 前記両もち梁構造を形成する部材が、ｐ型不純物を10²⁰/cm³以上含むシリコンであることを特徴とする請求項１のインクジェットヘッド。
3. 前記梁が、前記インク供給口から前記インク吐出圧発生素子に至るインクの流れを阻害しない位置に設けられていることを特徴とする請求項１のインクジェットヘッド。

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