JP5038054B2 - 液体吐出ヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、インクなどの記録用の液体を熱エネルギーを利用して吐出口から吐出させることにより記録を行なう液体吐出ヘッドに関し、またこのヘッドに用いられる基体とその製造方法に関する。

インクジェットヘッドに代表される液体吐出ヘッドは、吐出口と、吐出口に連通する液路と、その液路内に配置された液体吐出の為のエネルギー発生手段と、液路に連通する液室と、液室にインクタンク等からのインクを供給するための供給口と、有する。液路内に充填されたインクにエネルギー発生手段から発生するエネルギーを付与することにより、インク滴が吐出口から吐出するものである。そして、この吐出インク滴は、被記録材に着弾して画素を形成し記録が行われる。

このような液体吐出ヘッドの中でも、液体吐出の為に熱エネルギーを利用するものは、複数の吐出口を高密度に配列することができるために高解像力の記録をすることが可能である。その上、全体的にコンパクト化も容易であることなどの利点を有している。

この熱エネルギーを利用する従来の液体吐出ヘッドは、シリコン等の基体上に複数の発熱抵抗体を列状に配すことで高密度化を達成し、また、複数の発熱抵抗体に対して共通の蓄熱層や電気絶縁層を有した基板を用いる構成が一般的である。

特許文献１には、インクジェットヘッドの一形態である所謂バックシューター方式（Ｔ−ｊｅｔ方式とも呼ばれる。）のヘッドが開示されている。熱駆動方式のインクジェットヘッドでは、液路内に配置された発熱抵抗体（ヒータ）が発する熱でインクに気泡を生成し、その気泡成長による圧力で液路内のインクを吐出口から吐出させている。このときの気泡が生成されるヒーター面の向きと液滴吐出方向とが互いに反対向きになっているインク液滴吐出方式をバックシューター方式と呼んでいる。

特許文献１に記載のバックシューター方式のヘッドは、ＳＯＩウエハーを用いて形成される。例えば、ＳＯＩウエハーを構成するシリコン表層と絶縁層の厚さは、それぞれ４０μm、１μmである。製造プロセスは、インクチャンバとインクチャンネルの壁を形成することから始まり、具体的には、トレンチ形成後、これを熱酸化によってこれを埋めることよりなる。これらの酸化膜は最後のＸｅＦ₂による等方エッチングのストップ層になる。熱酸化後、基板表面の熱酸化膜はＣＭＰによって取り除かれる。

その後、ヒーター下層，ヒーター層と配線層（ヒーター上層），金属保護膜が成膜されパターニングされる。次に、めっき用に金属シード層が成膜され、ノズルの型となるポジレジストがパターニングされる。ノズルプレートとしてニッケルが３０μmの厚さに電鋳された後、下層のシリコンをエッチングしてマニホールドを形成し、続いて絶縁層をエッチングし、それからシリコンの露出している部分を保護するためにパリレンを成膜する。続いて、ノズル部分のシリコンを取り除くために、基板面と平行な部分のパリレンをエッチングする。最後に、ＸｅＦ₂の等方エッチングによって、インクチャンバとインクチャンネルがノズルに連通する。
特開２００４−１３０８１０号公報

近年、数多くの記録装置が使用されるようになり、これらの記録装置に対して、高速記録、高解像度、高画像品質、低騒音などが要求されている。このような要求に応える記録装置の記録ヘッドとして、インクジェットヘッドを挙げることができる。熱エネルギーを利用してインク吐出を行うインクジェットヘッドでは、上記の要求を満たすために必要なインク吐出の安定化、インク吐出量の安定化は、吐出部のインクの温度に大きく影響される。すなわち、インクの温度が低過ぎるとインクの粘度が異常に上がり、通常の熱エネルギーでは吐出できなくなったり、逆に温度が高すぎると吐出量が増大して記録シート上でインクが溢れたりするなどして画像品質の低下を招いてしまう。また、高速記録のためには、ヒーターから発する熱を基体に蓄えることなく効率良く放熱して、駆動周波数（液滴を吐出してから次の吐出を行えるまでを１周期とする駆動周波数）を高められなければならない。

一方、所謂バックシューター方式のインクジェットヘッドにおいては、ヒーターが厚さ３０μm程度のノズルプレートに形成されている。これは、ヒーターが形成されたシリコン基板上に、該ヒーターを内包する液路を備えたノズルプレートが積層された形態のヘッドと比較すると、ヒーターが形成されている部分の熱容量が小さく、インクが昇温しやすい。そのため、バックシューター方式のヘッドは、インクの温度も上がりやすく、吐出量が安定しにくいという課題がある。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、所謂バックシューター方式の液体吐出ヘッドにおいても、吐出する記録液の昇温を抑制し、吐出量を安定させることにある。

上記課題を解決するために、本発明においては、吐出される液体が充填される液体チャンバと、該液体チャンバに前記液体を供給するための供給口と、が形成された基板と、
前記基板に積層された無機物層と金属層を含み、前記液体を吐出するためのノズルが形成されたノズルプレートと、
前記ノズルプレートに形成された液体を吐出するために用いられるエネルギーを発生するヒーターと、を具備し、
該金属層は前記基板の方向へ突出する柱状部を有し、前記柱状部は前記供給口の中に迫り出していることを特徴とする。

また本発明は、上記の液体吐出ヘッドの製造方法を提供する。この製法は、前記基板を用意する工程と、
前記基板の表面側に犠牲層を設ける工程と、
前記犠牲層が形成された前記基板の表面側に前記無機物層及び前記ヒーターを形成する工程と、
前記犠牲層及び前記無機物層における前記柱状部に対応する部分を取り除き、前記基板を後工程で形成する前記供給口の中に対応する位置まで掘り込んだ溝を形成する工程と、
前記無機物層の前記ノズルに対応する個所に、ノズル型を形成する工程と、
前記無機物層の上及び前記溝の中に前記金属層を形成する工程と、
前記基板の裏面側から前記供給口を形成する工程と、
前記犠牲層を前記供給口からエッチャントを導入して除去する工程と、
前記犠牲層を除去した空間に前記供給口を介してエッチャントを導入させ、前記液体チャンバを形成するように前記基板をエッチングする工程と、
前記ノズル型を除去し、前記金属層に開口部を形成する工程と、
前記金属層の前記開口部を介して前記無機物層を除去し、前記ノズルを形成する工程と、
を少なくとも含むことを特徴とする。

本発明によれば、所謂バックシューター方式の液体吐出ヘッドにおいて、ノズルプレートが昇温しにくく、液体チャンバ内のインク温度も上がりにくくなって、吐出量がより安定する。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明するが、ここでは本発明の液体吐出ヘッドとしてインクジェット記録ヘッドを例にとる。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１によるインクジェット記録ヘッドを示す断面図である。

この図に示される形態のインクジェット記録ヘッドは、シリコンの基板１０１と、基板１０１上に積層されたノズルプレート１１１とを備える。基板１０１の表面側には、吐出されるインクが充填される液体チャンバとしてのインクチャンバ１０４と、インクチャンバ１０４へインクを供給する流路としてのインクチャンネル１０３とが形成されている。さらに、基板１０１には、インクチャネル１０３にインクを供給する供給口であるマニホールド１０２が基板１０１の表面側と裏面側を貫通するように形成されている。また、ノズルプレート１１１は、発熱抵抗体としてのヒーター１１４等を内包する複数の無機物層である保護層１１２，１１３と、金属層１１５とが順次基板１０１上に積層することで形成されている。ヒーター１１４はインクチャンバ１０４の領域に対応する位置に設けられている。このヒーター１１４は、複数の無機物層の層間のいずれかの箇所に形成されていればよい。また、ノズルプレート１１１にインクを吐出するためのノズル（吐出口）１１６がインクチャンバ１０４と連通するように形成されている。

インクチャネル１０３は、基板１０１の表面側にて細長い矩形の開口を持つマニホールド１０２から複数形成されている。各インクチャネル１０３の最下流側のインクチャンバ１０４と連通するノズル１１６は、一方向に複数配列している。

さらに、ノズルプレート１１１に含まれる金属層１１５の一部分は保護層１１２，１１３を貫通してインクチャネル１０３内に突出し（迫り出し）、インクと接触可能になっている。以下、この突出した柱状部を放熱フィン１２０と呼ぶ。

放熱フィン１２０は、熱容量と表面積が出来るだけ大きくなるように形成するとともに、マニホールド１０２からインクチャンネル１０３へのインク流入を出来るだけ阻害することがないように、形状、寸法（縦，横，長さ）、配置等を決定する。

また放熱フィン１２０は、インクを吐出する際に生じるインク流動が隣接するインクチャンバ１０４へ伝播することを抑制する後方流抵抗素子としての効果を持つ。その上、インクに含まれる不純物がインクチャンバ１０４へ到達することを抑制するフィルターとしての効果も併せ持つ。

次に、図２から図７に分けて図示した工程図に基づき、上記インクジェット記録ヘッドの製法例を説明する。

本実施形態では、基板１０１として表面の結晶方位面が（１００）である単結晶シリコンウェハを用意する。

次いで、基板１０１上に犠牲層１３１、第１の保護層１１２、ヒーター１１４、導体（不図示）、第２の保護層１１３を順次積層する。（図２（１））
第１の保護層１１２はヒーター１１４と基板１０１の間の絶縁、および犠牲層除去剤等からの耐薬品性を担うものであって、例えばシリコン窒化物やシリコン酸化物から形成される。

第２の保護層１１３は、後工程で形成される金属層１１５とヒーター１１４の間の絶縁や、ヒーター１１４とヒーター１１４に駆動信号を送る導体（不図示）の保護を担うものであって、シリコン窒化物やシリコン酸化物などから形成される。

この形態の犠牲層１３１は、基板１０１及び保護層１１２に対して十分に速くエッチングされることが望ましい。具体的な材料としては、保護層１１２としてシリコン窒化物を用いるならば、犠牲層１３１としては、シリコン酸化物が適用しうる。犠牲層１３１の除去剤には、フッ化水素ガスを用いれば、基板１０１である単結晶シリコンあるいは保護層１１２であるシリコン窒化物に対して、十分に速くエッチングレートの選択比が取れる。

ヒーター１１４およびヒーター１１４に駆動信号を送る導体（不図示）は第第２の保護層１１３上に形成される。ヒーター１１４は、不純物がドープされたポリシリコン、タンタルアルミニウム合金、タンタル窒化物、チタン窒化物又はタングステンシリサイドのような発熱抵抗体から形成される。また、ヒーター１１４に電気的信号を送る導体は導電性の良好な金属、例えばアルミニウムやアルミニウム合金または金や銀などで形成される。

以上の積層材料はプラズマを用いた化学気相蒸着（ＣＶＤ；Chemical Vaper Deposition）法などでの成膜手法によって形成することができる。また、犠牲層１３１、ヒーター１１４、導体などのパターニングにはフォトレジストマスクを用いたエッチングが用いられる。

次に、第２の保護膜１１３上にレジストパターン１３３を形成する（図２（２））。レジストパターン１３３は、後に放熱フィン１２０となる部分に対応して開口部を有している。

そして、レジストパターン１３３をマスクにして、犠牲層１３１、第１の保護層１１２、第２の保護層１１３をエッチングする（図２（３））。本実施形態においては、これら三層の膜をエッチングしているが、図２（１）に示す成膜工程で、放熱フィン１２０に対応する部分の金属膜をパターニングすることも、もちろん可能である。

さらに、レジストパターン１３３を用いて、基板１０１のシリコンをドライエッチングしてトレンチ１３４を形成する（図３（１））。このとき、後にインクチャネル１０３となる部分に相当する深さまで形成する。ドライエッチングには例えば六フッ化硫黄と酸素の混合ガスが使用される。また、形成される放熱フィン１２０の形状によっては、シリコンのエッチングを等方的なウェットエッチングや結晶異方性エッチングで行うことも可能である。

その後、レジストパターン１３３を剥離する（図３（２））。

さらに、トレンチ１３４に通じる開口部の内面および保護層１１３の表面にめっきシード層１３５を成膜する（図３（３））。めっきシード層１３５としては、ＴｉＷ，Ｔｉ／Ｐｄ、Ｔｉ／Ａｕなどを用いることが出来る。本実施形態においては、Ｔｉ／Ａｕを用いた。膜厚は、Ｔｉ：２０００Å，Ａｕ：４０００Åであるが、膜厚はこれに限定されるものではない。成膜方法としては、蒸着等の方法を用いることが出来る。蒸着の場合には、蒸着源に対して基板を水平、および傾斜に配置することで、トレンチ１３５の底部と側壁に成膜することが可能となる。

さらに、めっきシード層１３５上に、後にノズル１１６となる部位に対応してレジスト１３６をパターニングする（図３（４））。レジスト１３６には、ポジ型レジストを使用したが、ネガ型レジスト、あるいは非感光性レジストを用いても良い。

次に、トレンチ１３５の内部にまで十分に金属材料が充填されるように、保護層１１３上に金属層１１５を形成する（図４（１））。形成方法としては、電気めっき法等を用いるとよく、めっき厚さは４０μｍ〜７０μｍ程度が望ましい。めっきによる金属層１１５の材料として、Ａｕやニッケルなどを用いる。積層された金属層１１５と保護層１１２，１１３の合計の層厚がおおよそノズル長（即ち、ノズルプレート１１１の厚さ）になるので、目的のノズル長を考慮して各々の層厚が選択される。尚、本例におけるノズルプレート１１１は厚さ３０μｍのＡｕとした。

形成された金属層１１５は、保護層１１３の開口部の影響を受け、表面に凹凸形状が生じる。従って、その凹凸を除去するために、表面研磨処理を施し、平坦化するとよい。

その後、レジスト１３６を剥離する（図４（２））。

次に、基板１０１の裏面側に、裏面保護膜パターン１３７を形成する（図４（３））。裏面保護膜パターン１３７の開口部は、後にマニホールド１０２となる部分に対応して形成される。

さらに、基板１０１の表面側には、後の工程で結晶異方性エッチングする際にノズルプレート１１１を保護するための表面保護レジスト１３８を塗布する（図４（４））。

そして、結晶異方性エッチングによって、基板１０１にマニホールド１０２を形成する（図５（１））。このエッチング液にはＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）を使用した。その他、ＫＯＨ等を使用することも可能である。マニホールド１０２は基板１０１の裏面側から表面側の犠牲層１３１まで形成される。つまり、犠牲層１３１がそのエッチングストップ層として作用する。

次に、マニホールド１０２の開口部を介して犠牲層１３１を除去する（図５（２））。本例では犠牲層１３１にシリコン酸化物を使用した為、無水のＨＦを用いて犠牲層１３１をエッチングした。尚、犠牲層１３１がポリシリコンやアルミニウム等であれば、アルカリ性溶液を用いてのウェットエッチングで除去することが可能である。

さらに、犠牲層１３１を除去して出来た空間に、マニホールド１０２を介してエッチャントを導入し、単結晶シリコンの基板１０１をその空間からエッチングし、インクチャンバ１０４およびインクチャネル１０３に相当する流路を形成する（図５（３））。このエッチング液には前述と同様、ＴＭＡＨまたはＫＯＨを使用できる。

その後、表面保護レジスト１３８を剥離する（図６（１））。そして、金属層１１５形成時のレジスト１３６の下層に残っていためっきシード層１３５をエッチング液によって除去する（図６（２））。本例ではノズルプレート１１１の厚さを３０μｍにしており、この厚さに対して、めっきシード層１３５の厚さはＴｉ：２０００Å／Ａｕ：４０００Åと十分に薄い。そのため、上記のようにめっきシード層１３５をウェットエッチングしても、放熱フィン１２０やノズルプレート１１１の寸法に対する影響は非常に小さい。ＴｉのエッチングにはＨＦ：ＨＮＯ₃：Ｈ₂Ｏの混合溶液を使用し、Ａｕのエッチングには王水を使用した。

次に、ノズル１１６およびインクチャンバ１０４となる部分を連通させるためのドライエッチングに先だって、ノズルプレート１１１を保護するためのマスクとしてドライフィルム１３９をパターニングする（図７（１））。液体レジストを使用することももちろん可能であるが、ノズルプレート１１１にノズル１１６となる部分のトレンチが形成されているため、本実施例においては歩留まりを考慮して、ドライフィルムを使用した。

そして、ドライエッチングによって、保護層１１２，１１３をエッチングする（図７（２））。第２の保護層１１３はＳｉＯであり、エッチングにはＲＩＥを使用し、エッチングガスにはＣＦ₄／ＣＨＦ₃／Ａｒの混合ガスを用いた。第１の保護膜１１２はＳｉＮであり、エッチングにはＲＩＥを使用し、エッチングガスにはＣＦ₄／ＣＨＦ₃／Ａｒ／Ｏ₂の混合ガスを用いた。

その後、ノズルプレート１１１の保護に使用したドライフィルム１３９を除去する（図７（３））。

最後に、ダイサーにより必要に応じてシリコンウェハから各々の所望とする単位のチップ状態に分離することで、インクジェット記録ヘッドを完成させることができる。

このようにして得た、放熱フィン１２０を有するインクジェット記録ヘッドと、放熱フィン１２０を備えていない形態のインクジェット記録ヘッドについて、記録シート枚数とインク吐出量の関係を調べた。その結果、放熱フィンを設けていないヘッドは吐出量が増えていったが、放熱フィンのあるヘッドはこれに比較してインク吐出量の安定していることがわかった。すなわち、ヒーター１１４の形成されたノズルプレート１１１に、流路内のインクに接する放熱フィン１２０を設けたことにより、連続して印字しても、発泡部分における蓄熱が抑えられるために、吐出量が安定する効果を得ることが出来る。

（実施形態２）
図８は本発明の実施形態２によるインクジェット記録ヘッドを示す断面図である。ここでは、実施形態１と同一部位については同一符号を付することでその説明は割愛し、実施形態１とは異なる構成要素を説明する。

本実施形態では、図８のように、ノズルプレート１１１に含まれる金属層１１５の一部分である放熱フィン１２０が、保護層１１２，１１３を貫通してマニホールド１０２内にまで突出し（迫り出し）、インクと接触可能になっている。実施形態１では各インクチャンバ１０４に繋がる流路ごとに１以上の放熱フィン１２０を設けているが、本実施形態ではマニホールド１０２の、基板１０１表面側の開口内に１以上の放熱フィン１２０を配置しており、この点が相違する。

上記インクジェット記録ヘッドの製法例については図９から図１２に示す。本例の製法は、基板１０１のシリコンをドライエッチングして形成されるトレンチ１３４の位置、深さが実施形態１に対して相違している。すなわち、実施形態１の図３（１）までの工程とは異なり、本例では基板１０１のシリコンをドライエッチングして形成されるトレンチ１３４を、後にマニホールド１０２となる部分の内側に相当する深さまで形成する（図９（２）、図１１（１）参照）。この相違点を除いては、実施形態１に記したヘッド製造工程と同じである。本実施形態においても、実施形態１と同様、ヒーター１１４が形成されたノズルプレート１１１における蓄熱が抑えられるため、吐出量が安定する効果が得られる。

（実施形態３）
図１３は本発明の実施形態３によるインクジェット記録ヘッドを示す断面図である。ここでは、実施形態１と同一部位については同一符号を付することでその説明は割愛し、実施形態１とは異なる構成要素を説明する。

本実施形態では、図１３に示すように、ノズルプレート１１１に含まれる金属層１１５の一部分１１５ａが、保護層１１２，１１３を貫通して突出するとともに基板１０１に埋め込まれた形状となっている。その上、この突出部１１５ａはインクチャネル１０３及びインクチャンバ１０４の壁面の一部を兼ねている。

このように金属層１１５の一部を基板１０１と直接接触させることで、実施形態１及び２と比べ、ヒーター１１４から発生した熱をより効果的に放熱して駆動周波数を向上させることができると考えられる。

上記インクジェット記録ヘッドの製法例については図１４に示す。本例では、実施形態１に記した図２（１）の工程（犠牲層１３１，保護層１１２，１１３の成膜工程）、及び図５から図７の工程（マニホールド１０２，インクチャネル１０３，インクチャンバ１０４，ノズル１１６の形成工程）と同じ手法を用いた。よって、それ以外の部分の形成工程を主に述べる。尚、形成材料については特に記載しない限り、実施形態１と同様の材料を使用することができる。

まず、図２（１）に示した保護層１１３の成膜前に、後にノズル１１６となる所定の個所にポジ型レジスト又は感光性ポリマーなどでノズル型１４０を形成する（図１４（１））。ノズル型１４０の高さとしては、５０μｍ〜１００μｍほどの高さが望ましい。

次に保護層１１３を、保護層１１２、ヒーター１１４及びヒーター１１４に電気的信号を送る導体（不図示）の上に形成する。

一方、後のインクチャンバ１０４及びインクチャネル１０３の壁面となりうる個所の一部に対して、犠牲層１３１，保護層１１２，１１３を除去する。このとき、ポジ型レジスト等をリソグラフィー工程によりパターニングして、除去する個所に対して反応性イオンエッチング法を適用した。

次いで、基板１０１である単結晶シリコンに、後にインクチャンバ及びインクチャネルの壁面と同等の高さまで溝１４１をエッチングで掘り込む（図１４（２））。シリコンのエッチング方法としてはドライエッチング法が適用できる。このとき、新たにフォトレジストをパターニングしてマスクとしてもよいし、保護層等をエッチングしたときと同じマスクのままエッチングしてもよい。掘り込む深さとしては、１０μｍ〜３０μｍ程度が望ましいが、後にインクチャンバ１０４及びインクチャネル１０３となる部分に相当する深さを考慮して決定すればよい。

次に保護層１１３上及び単結晶シリコンに形成した溝１４１内に十分に充填されるように、金属層１１５を形成する。

形成された金属層１１５は、溝１４１の影響を受け、表面に凹凸形状が生じる。従って、その凹凸を除去するために、表面研磨処理を施し、平坦化するとよい（図１４（３））。このとき、積層された金属層１１５と保護層１１２，１１３の合計の層厚がおおよそノズル長（即ち、ノズルプレート１１１の厚さ）になる。

次に、後にノズル１１６となる部分を保護するために、基板表面側（ノズルプレート１１１上）に環化ゴム１４２などの保護材を塗布しておく。

さらに、基板１０１の裏面にレジストを形成し、マニホールド１０２を形成する所定の個所に開口を有するパターンにパターニングする。そして、このレジストをマスク（裏面保護膜パターン１３７）として、マニホールド１０２を形成する（図１４（４））。

マニホールド１０２の形成には、水酸化カリウムあるいは水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）等のアルカリ性水溶液酸に浸漬して、裏面保護膜パターン１３７の開口部から結晶異方性エッチングを行う。そして、単結晶シリコンの基板１０１を貫通し、犠牲層１３１に連通したところで、エッチングを終了し、マニホールド１０２となる。

次に、形成したマニホールド１０２を介して、犠牲層１３１を除去する（図１４（５））。犠牲層１３１がシリコン酸化物であるならば、フッ化水素ガスを用いてエッチングを行い、ポリシリコン及びアルミニウム等であれば、アルカリ性溶液を用いてのウェットエッチングで除去することが可能である。

さらに、犠牲層１３１を除去して出来た空間に、マニホールド１０２を介してエッチャントを導入し、単結晶シリコンの基板１０１をその空間からエッチングし、インクチャンバ１０４およびインクチャネル１０３に相当する流路を形成する（図１４（６））。このとき、インクチャンバ１０４及びインクチャネル１０３の壁面が、ノズルプレート１１１内の金属層１１５の一部１１５ａで形成されている個所であれば、エッチングのストップ層として効果がある。それにより、本例のように金属層１１５がインクチャンバ１０４及びインクチャネル１０３の壁面を担う個所であれば、インクチャンバ１０４及びインクチャネル１０３の形成に寸法精度を向上させることができる。

マニホールド１０２、インクチャネル１０３、およびインクチャンバ１０４の形成が完了した後、キシレン等を用いて、ノズルプレート１１１上に形成した保護材である環化ゴム１４２を除去する（図１４（７））。

ノズル型１４０であるポジレジスト又は感光性ポリマーを除去し、ノズル１１６の上部を形成し、ノズル１１６の上部を介して、外部と保護層１１２を連通させる（図１４（８））。

次に、外部と連通した保護層１１２を、ノズルプレート１１１側から、最適なマスクを介して、反応性イオンエッチング、ケミカルドライエッチング、サンドブラスト等でノズル１１６の下部を形成するように除去する（図１４（８））。

最後に、ダイサーにより必要に応じてシリコンウェハから各々の所望とする単位のチップ状態に分離することで、インクジェット記録ヘッドを完成させることができる。

以上のインクジェット記録ヘッド及びその製造方法は、次のような効果を有する。

ノズルプレート１１１内の熱伝導率の良い金属層１１５の一部１１５ａが、直接基板１０１と接触していることで、ヒーター１１４およびその周辺に残留する熱を効果的に基板１０１へ発散することができる。これにより、ノズル部位の温度上昇を抑制でき、その結果、駆動周波数を向上させられる。

さらに、金属層１１５の一部１１５ａが、インクチャネル１０３及びインクチャンバ１０４の壁面の一部を担うことで、インクチャネル１０３及びインクチャンバ１０４の形成時のエッチングストップ層として効果がある。これにより、インクチャネル１０３及びインクチャンバ１０４の加工寸法精度を向上させられる。その結果、高密度にノズル１１６を配置することが出来る。

（実施形態４）
図１５は本発明の実施形態４によるインクジェット記録ヘッドを示す断面図である。ここでは、実施形態１と同一部位については同一符号を付することでその説明は割愛し、実施形態１とは異なる構成要素を説明する。

本実施形態では、図１５のように、ノズルプレート１１１に含まれる金属層１１５の一部分１１５ａが基板１０１の裏面まで貫通し、放熱部材１２１と接合されている。

また、金属層１１５は、ヒーター１１４およびその周辺に生じる熱を外部（放熱部材１２１）に放熱させるためのものである。金属層１１３としては、熱伝導性の良好な金属物質、例えばニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）等が考えられる。しかし、金属層１１３は熱伝導性と同時にノズルプレート１１１の最表層として耐インク性（耐腐食性）が要求されるため、金（Ａｕ）を用いることが望ましい。

そして、詳細には金属層１１３の下にバリア層としてチタンタングステン（ＴｉＷ）等、およびシード層として銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）等を用いることができる。

放熱部材１２１は、金属層１１５より伝わる熱を拡散させるために、熱抵抗が低く、熱容量の大きい部材が望ましい。また、金属層１１５との熱抵抗を減らすために、金めっき等により放熱部材１２１上に金属層１１５の端部より広い金属層を形成し、接触面積を広げたり、熱容量を増やすために体積を増やしたりすることでより良い放熱効率を得ることができる。

上記インクジェット記録ヘッドの製法例については図１６に示す。本例では、実施形態１に記した図２（１）の工程（犠牲層１３１，保護層１１２，１１３の成膜工程）、及び図５から図７の工程（マニホールド１０２，インクチャネル１０３，インクチャンバ１０４，ノズル１１６の形成工程）と同じ手法を用いた。よって、それ以外の部分の形成工程を主に述べる。尚、形成材料については特に記載しない限り、実施形態１と同様の材料を使用することができる。

まず、図２（１）に示した保護層１１３に相当する保護層１１７の成膜前に、後にノズル１１６となる所定の個所にポジ型レジスト又は感光性ポリマーなどでノズル型１４０をパターニングする（図１６（１））。

次に保護層１１７を、保護層１１３、及びヒーター１１４に電気的信号を送る導体（不図示）の上に形成した後、保護層１１２，１１３，１１７および基板１０１を貫通する貫通口１４３を形成する（図１６（１））。

貫通口１３２の形成は、ドライプロセスによるイオンエッチング（ＲＩＥ；Reactive Ion Etching）により順次エッチングすることによって形成される。また、エキシマレーザーやサンドブラスト等の手法も可能である。

次に、保護層１１２上および貫通口１４３内部に金属層１１５を形成する（図１６（２））。このとき、金属層１１５をめっきにより形成するために、めっきバリア層としてチタンタングステン（ＴｉＷ）を、めっきシード層として金（Ａｕ）をスパッタリングで蒸着する。次いで、金属層１１５として電解または無電解めっきにより金（Ａｕ）めっき層を形成する。また、放熱部材１２１上に位置する金属層１１５は放熱目的で使用されるため、層厚を厚くするために電解めっきを用いるのが望ましい。

さらに、金属層１１５は基板１０１の裏面（ノズルプレート１１１とは反対側面）より突出するよう凸形状に形成しなければならない。このとき、貫通口１４３内の金属層１１５は筒状に形成されても、棒状に形成されても構わない。好ましくは熱容量を高めるために棒状に形成されるのが望ましい。

次に、基板１０１の裏面側からウェットプロセスによる１度目の等方性エッチング（ＡＥ）処理を用いて、マニホールド１０２を形成する（図１６（３））。このとき、犠牲層１３１がエッチングストップ層として作用する。

さらに、マニホールド１０２を介して犠牲層１３１を無水フッ酸によるエッチング処理で除去する。次いで、２度目の等方性エッチング（ＡＥ）処理により基板１０１をシリコンの（１１１）面に沿ってエッチングし、インクチャンネル１０３及びインクチャンバ１０４を形成する（図１６（４））。

さらに、表面保護レジスト１３８を除去した後、ドライフィルムでパターンマスクを形成し、ドライエッチング処理により保護層１１２,１１３を除去し、ノズル１１６とインクチャンバ１０４とを連通させる（図１６（５））。

その後、金属層１１５の一端と、放熱部材１２１であるアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）上にめっきされた金属層１４４とを接合する（図１６（６））。このとき、金属層１１５の凸形状部と金属層１４４とが対向するように位置合わせをし、圧着する。この状態で超音波処理をし、金−金同士の金属結合により接合する。放熱部材１２１のアルミナはノズルプレート１１１に比べ大きな体積を占めるため、熱容量が大きく、ヒーター１１４近傍の熱を金属層１１５を通して効果的に放熱部材１２１へ逃がすことができる。本例では、放熱部材１２１にアルミナを用いているが、本発明ではこれに限るものではない。

なお、図１７に示すように、貫通口１４３をインクチャネル１０３及び基板１０１を貫通するように形成しても良い。この場合、ノズルプレート１１１の凸形状部はインクチャネル１０３内に貫通形成され、インクに接する。そのため、放熱部材１２１に熱を逃がすだけでなく、インクにも熱を逃がすことが可能となり、放熱効率を向上させることができる。

このようにして得た、基板１０１を貫通する放熱経路を有するインクジェット記録ヘッドと、このような放熱経路を備えていない形態のインクジェット記録ヘッドについて、記録シート枚数とインク吐出量の関係を調べた。その結果、放熱経路を設けていないヘッドは吐出量が増えていったが、放熱経路のあるヘッドはこれに比較してインク吐出量の安定していることがわかった。すなわち、ヒーター１１４の形成されたノズルプレート１１１に、基板１０１を貫通する放熱経路を設けたことにより、連続して印字しても、発泡部分における蓄熱が抑えられるために、吐出量が安定する効果を得ることが出来る。

より具体的に述べると、本実施例では、いわゆるバックシューター方式のインクジェットヘッドにおいて、ノズルプレート１１１の一部分が基板１０１を貫通し、接合される放熱部材１２１が設けられている。これにより、金属層１１５を通じてヒーター１１４より生じる熱が放熱部材１２１まで放熱され、ノズルプレート１１１が昇温しにくくなるため、インクも温度が上がりにくくなり吐出量はより安定する。更に放熱効率の向上に伴い、駆動周波数を増やすことが可能となり、ひいては吐出性能の向上した信頼性の高いインクジェットヘッドを提供することができる。

以上各実施例を挙げて例示した本発明の液体吐出ヘッドは、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、この液体吐出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記録媒体に記録を行うことができる。

なお、本明細書内に用いられる「記録」とは、文字や図形などの意味を持つ画像を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こととする。さらに、「インク」または「液体」とは、広く解釈されるべきものであり、記録媒体上に付与されることによって、画像、模様、パターン等の形成、記録媒体の加工、あるいは、インクまたは記録媒体の処理に供される液体を言うものとする。ここで、インクまたは記録媒体の処理としては、例えば、記録媒体に付与されるインク中の色材の凝固または不溶化による定着性の向上や、記録品位ないし発色性の向上、画像耐久性の向上などのことを言う。

本発明の実施形態１を示し、（ａ）は断面図であり（ｂ）は平面図である。 実施形態１のインクジェット記録ヘッドを作製するための工程例を示す図である。 図２に示す工程の続きを示した図である。 図３に示す工程の続きを示した図である。 図４に示す工程の続きを示した図である。 図５に示す工程の続きを示した図である。 図６に示す工程の続きを示した図である。 本発明の実施形態２を示し、（ａ）は断面図であり（ｂ）は平面図である。 実施形態２のインクジェット記録ヘッドを作製するための工程例を示す図である。 図９に示す工程の続きを示した図である。 図１０に示す工程の続きを示した図である。 図１１に示す工程の続きを示した図である。 本発明の実施形態３を示し、（ａ）は断面図であり（ｂ）は平面図である。 実施形態３のインクジェット記録ヘッドを作製するための工程例を示す図である。 本発明の実施形態４を示し、（ａ）は断面図であり（ｂ）は平面図である。 実施形態４のインクジェット記録ヘッドを作製するための工程例を示す図である。 実施形態４のインクジェット記録ヘッドの変形例を示す断面図である。

符号の説明

１０１ 基板
１０２ マニホールド
１０３ インクチャネル
１０４ インクチャンバ
１１１ ノズルプレート
１１２ 保護層
１１３ 保護層
１１４ ヒーター
１１５ 金属層
１１６ ノズル
１１７ 保護層
１２０ 放熱フィン
１２１ 放熱部材
１４１ 溝

Claims (5)

1. 吐出される液体が充填される液体チャンバと、該液体チャンバに前記液体を供給するための供給口と、が形成された基板と、
   前記基板に積層された無機物層と金属層を含み、前記液体を吐出するためのノズルが形成されたノズルプレートと、
   前記ノズルプレートに形成された液体を吐出するために用いられるエネルギーを発生するヒーターと、を具備し、
   該金属層は前記基板の方向へ突出する柱状部を有し、前記柱状部は前記供給口の中に迫り出していることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記ノズルプレートは複数の無機物層を有し、前記ヒーターは前記複数の無機物層の層間のいずれかの箇所に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記柱状部は前記複数の無機物層を貫通することを特徴とする請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 吐出される液体が充填される液体チャンバと、該液体チャンバに前記液体を供給するための供給口と、が形成された基板と、
   前記基板に積層された無機物層と金属層を含み、前記液体を吐出するためのノズルが形成されたノズルプレートと、
   前記ノズルプレートに形成された液体を吐出するために用いられるエネルギーを発生するヒーターと、を具備し、
   該金属層は前記基板の方向へ突出する柱状部を有し、前記柱状部は前記供給口の中に迫り出している液体吐出ヘッドの製造方法であって、
   前記基板を用意する工程と、
   前記基板の表面側に犠牲層を設ける工程と、
   前記犠牲層が形成された前記基板の表面側に前記無機物層及び前記ヒーターを形成する工程と、
   前記犠牲層及び前記無機物層における前記柱状部に対応する部分を取り除き、前記基板を後工程で形成する前記供給口の中に対応する位置まで掘り込んだ溝を形成する工程と、
   前記無機物層の前記ノズルに対応する個所に、ノズル型を形成する工程と、
   前記無機物層の上及び前記溝の中に前記金属層を形成する工程と、
   前記基板の裏面側から前記供給口を形成する工程と、
   前記犠牲層を前記供給口からエッチャントを導入して除去する工程と、
   前記犠牲層を除去した空間に前記供給口を介してエッチャントを導入させ、前記液体チャンバを形成するように前記基板をエッチングする工程と、
   前記ノズル型を除去し、前記金属層に開口部を形成する工程と、
   前記金属層の前記開口部を介して前記無機物層を除去し、前記ノズルを形成する工程と、
   を少なくとも含むことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
5. 前記ノズルプレートは複数の無機物層を有し、前記ヒーターを前記複数の無機物層の層間に形成することを特徴とする請求項４に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。

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