JP2004306361A

JP2004306361A - 液体吐出ヘッド

Info

Publication number: JP2004306361A
Application number: JP2003101586A
Authority: JP
Inventors: Teruo Ozaki; 照夫尾崎; Masahiko Kubota; 雅彦久保田; Muga Mochizuki; 無我望月
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-04-04
Filing date: 2003-04-04
Publication date: 2004-11-04

Abstract

【課題】液体を吐出するための吐出口（オリフィス）と、この吐出口に液体を供給する流路と、流路に液体を供給する共通液室と、液室に液体を外部から供給する供給口と、複数の発熱素子が配列され、これら発熱素子に対応してそれぞれ駆動させるドライバを含む基板とを備え、前記吐出口から液体を吐出して記録を行う液体吐出ヘッドにおいて、前記流路、または前記流路とオリフィス部分が精度よく簡便に形成されてなる前記ヘッドを提供する。
【解決手段】前記流路または流路とオリフィス部分を、式（１）で表わされるポリシラザンを不活性雰囲気中で焼成することにより形成した材料によって作製する。
【化１】

ｎは重合度である。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複写機・ファクシミリ・ワープロ・ホストコンピュータ等の出力用端末としてのプリンタ、ビデオプリンタ等に用いられる液体吐出ヘッドに関する。特に、液体吐出エネルギーとして熱エネルギーを発生する発熱体（電気熱変換素子）を形成した基板を有し、記録用の液体（インク等）を飛翔液滴として吐出口（オリフィス）から吐出させて、記録媒体に付着させることによって記録を行う液体吐出ヘッドに関する。
【０００２】
また、本発明において称するインクジェット記録装置は、ワードプロセッサー、コンピューター等の情報処理器の出力端末として一体的に、また別体として設けられるものの他、情報読み取り機器等と組み合わされた複写装置、情報送受信機能を有するファクシミリ装置、布への捺染を行う機械等の種々の形態を包含するものを意味している。
【０００３】
【従来の技術】
従来、液体吐出ヘッドを用いて記録を行なういわゆるインクジェット記録装置は、インクを微小な液滴として吐出口から高速で吐出させることにより、高精細な画像の高速記録を行うことができるという特徴を有している。特に、インクを吐出させるために利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生手段として電気変換体を用い、この電気変換体が発生する熱エネルギーによって生じるインクの発泡を利用してインクを吐出させる方式のインクジェット記録装置は、画像の高精細性、高速記録性、記録ヘッドおよび装置の小型化やカラー化に適していることから近年注目されている（例えば、特許文献１，２参照。）。
【０００４】
上記インクジェット記録に使用されるヘッドには、複数の吐出口が設けられ、また、これからそれぞれインクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生する電気熱変化素子が各インク流路毎に基板上に設けられている。電気熱変換素子は、主に発熱抵抗体およびこれに電力を供給するための電極配線ならびにこれらを保護する絶縁膜により構成される。
【０００５】
また、各インク流路は複数の流路壁が一体的に形成された天板を、基板上の電気熱変換素子等との相対位置を画像処理等の手段により位置合わせしながら接合することで形成される。各インク流路は、その吐出口と反対側の端部が共通液室と連通しており、この共通液室にはインクタンクから供給されるインクが貯留される。
【０００６】
共通液室に供給されたインクは、ここから各インク流路に導かれ、吐出口近傍でメニスカスを形成して保持される。このとき電気熱変換素子を選択的に駆動させることにより、その発生する熱エネルギーを利用して熱作用面上のインクを急激に加熱沸騰させ、このときの衝撃力によってインクを吐出させる。
【０００７】
図１はかかるインクジェットヘッドの基体１００の模式的断面図である。図１において、１０１はシリコン基板、１０２は熱酸化膜からなる蓄熱層を示す。１０３は、蓄熱を兼ねるＳｉＯ膜、ＳｉＮ膜等からなる層間膜、１０４は発熱抵抗層、１０５はＡｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ等の金属配線、１０６はＳｉＯ膜、ＳｉＮ膜等からなる保護層を示す。１０７は、発熱抵抗層１０４の発熱に伴う化学的、物理的衝撃から保護膜１０６を守るための耐キャビテーション膜である。また、１０８は発熱抵抗層１０４の熱作用部である。
【０００８】
【特許文献１】
米国特許第４７２３１２９号
【特許文献２】
米国特許第４７４０７９６号
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、近年、インクジェット記録装置の高画質化、高速記録等の高機能化に対する要求が高まっている。しかしながら、従来のように無機材料からなる液体吐出用ヘッド基体と樹脂成形材からなる天板部材を接合した構成では、昇温時における熱膨張率の違いにより両者の間でズレや変形を生じる。特に、多ノズル構成の長尺ヘッドにおいては、その影響が大きい。そこで、ＳｉＮからなる無機材料で構成することにより、高密度で長尺の液体吐出ヘッドが提供され、安定した液体吐出が可能となる。ここで、ＳｉやＳｉＯもＳｉＮと同様に熱膨張率の面からは有望であるが、実際に使用される液体である各種インク、特にアルカリ性のインクに対しては溶出しやすいという欠点があり、汎用的な材料としては適当ではない。
【００１０】
ＳｉＮからなる無機材料は耐アルカリ性が高く化学的な安定性も高いためインクの流路あるいはオリフィス部の材料としては有望であるが、流路壁の高さが２０μｍ〜６０μｍと高いために、従来の形成方法ではコストがかさむという問題があった。
【００１１】
すなわち、上記基板を形成する工程は、一般に半導体プロセスと同様のプロセスを用い、ＳｉＮの形成はＣＶＤ法によって形成されている。このＣＶＤ法においてはそのＳｉＮの形成速度が約０．５μｍ／ｍｉｎと従来の半導体製造プロセスにおいては問題ないレベルであるが、前記のようにＳｉＮを流路壁として２０μｍ〜６０μｍと形成する場合、長時間を要し、結果としてコストが上昇する。
【００１２】
本発明は前記の問題点を解決した改良された液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記の目的は以下の手段によって達成される。
すなわち、本発明は、液体を吐出するための吐出口と、この吐出口（オリフィス）に液体を供給する流路と、流路に液体を供給する共通液室と、この液室に液体を外部から供給する供給口と、複数の発熱素子が配列され、それらの発熱素子に対応してそれぞれ駆動させるドライバを含む基板とを備え、前記吐出口から液体を吐出して記録を行う液体吐出ヘッドにおいて、前記流路、または前記流路およびオリフィスが下記式（１）で表わされるポリシラザンまたはポリシラザンとフィラーの混合物を不活性雰囲気中で焼成することによって形成した材料から成ることを特徴とする。
【００１４】
【化２】

【００１５】
但し、ｎは重合度である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、複数の実施例に基づいて詳細に説明する。ただし、本発明は、以下に説明する各実施例のみに限定されるものでなく、本発明の目的を達成し得るものであればよいことは勿論である。
【００１７】
【実施例】
実施例１
図１に本発明の液体吐出ヘッドの一例の基体要部の概略断面図を示す。図１において、１０１はシリコン基板、１０２は熱酸化膜からなる蓄熱層を示す。１０３は、蓄熱を兼ねるＳｉＯ膜、ＳｉＮ膜等からなる層間膜、１０４は発熱抵抗層、１０５はＡｌ，Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｃｕ等の金属配線、１０６はＳｉＯ膜、ＳｉＮ膜等からなる保護層を示す。１０７は、発熱抵抗体層１０４の発熱に伴う化学的、物理的衝撃から保護膜１０６を守るための耐キャビテーション膜である。また、１０８は発熱抵抗層１０４の熱作用部である。
【００１８】
これらの駆動素子は、半導体技術によりＳｉ基板に形成され、熱作用部が同一基板にさらに形成される。
【００１９】
図２に、主要素子を縦断するように切断したときの模式的断面図を示す。
Ｐ導電体のＳｉ基板４０１に、一般的なＭｏｓプロセスを用いイオンプラテーション等の不純物導入および拡散によりＮ型ウェル領域４０２にＰ−Ｍｏｓ４５０、ｐ型ウェル領域４０３にＮ−Ｍｏｓ４５１が構成される。Ｐ−Ｍｏｓ４５０およびＮ−Ｍｏｓ４５１は、それぞれ厚さ数百オングストロームのゲート絶縁膜４０８を介して４０００オングストローム以上５０００オングストローム以下の厚さにＣＶＤ法で堆積したｐｏｌｙ−Ｓｉによるゲート配線４１５およびＮ型あるいはＰ型の不純物導入をしたソース領域４０５、ドレイン領域４０６等で構成され、それらＰ−ＭｏｓとＮ−ＭｏｓによりＣ−Ｍｏｓロジックが構成される。
【００２０】
また、素子駆動用Ｎ−Ｍｏｓトランジスタは、やはり不純物導入および拡散等の工程によりＰ−ウェル基板中にドレイン領域４１１、ソース領域４１２およびゲート配線４１３等で構成される。
【００２１】
なお、本実施例では、Ｎ−Ｍｏｓトランジスタを使った構成で説明しているが、複数の発熱素子を個別に駆動できる能力を持ち、かつ、上述したような微細構造を達成できる機能を持つトランジスタであれば、これに限らない。
【００２２】
また、各素子間は、５０００オングストローム以上１００００オングストローム以下の厚さのフィールド酸化により、酸化膜分離領域４５３を形成し、素子分離されている。このフィールド酸化膜は、熱作用部１０８下においては一層目の蓄熱層４１４として作用する。
【００２３】
各素子が形成された後、層間絶縁膜４１６が約７０００オングストロームの厚さにＣＶＤ法によるＰＳＧ，ＢＰＳＧ膜等で堆積され、熱処理により平坦化処理等がされてからコンタクトホールを介し、第１の配線層となるＡｌ電極４１７により配線が行われている。その後、プラズマＣＶＤ法によるＳｉＯ_２膜等の層間絶縁膜４１８を１００００オングストローム以上１５０００オングストローム以下の厚さに堆積し、さらにスルーホールを介して、抵抗層１０４として約１０００オングストロームの厚さのＴａＮ_{０．８．ｈｅｘ}膜をＤＣスパッタ法により形成した。その後、各発熱体への配線となる第２の配線層Ａｌ電極を形成した。
【００２４】
次に、保護膜１０６は、プラズマＣＶＤによるＳｉ_３Ｎ_４膜が、約１００００オングストロームの厚さに成膜される。最上層には、耐キャビテーション膜１０７がＴａ等で約２５００オングストロームの厚さに堆積される。
【００２５】
図３は、本発明の液体吐出ヘッドの流路方向の断面図を示している。
【００２６】
液体吐出ヘッドの作製工程を図４を用いて説明する。
図４（ａ）のようにノズル材として、ポリシラザンを図１で説明した基体上に２０μｍ塗布し、Ｎ_２を用いた不活性ガス雰囲気中で４００℃、１時間焼成し、窒化硅素に転化させる。ここでポリシラザンから窒化硅素への転化は、放出原子が水素のみであるため、体積変化が小さく、形状、精度への影響をほとんど受けない。
【００２７】
次にこの表面にフォトリソ法によってパターニングをほどこし、異方性ドライエッチによって垂直に流路壁を形成する。
【００２８】
次に図４（ｂ）のように、あらかじめ共通液室と供給液室を形成した天板を前記流路基板に貼り合わせる。
【００２９】
最後にオリフィス部分をエキシマレーザーで加工してインクの吐出する吐出口を形成した。
【００３０】
実施例２
実施例１によって形成する、ＳｉＮを材料とする流路及びオリフィス部を、後でオリフィスプレートを貼ることによって、簡略化できる。すなわち、図５（ａ）のようにあらかじめオリフィス部分にＳｉＮを残さず異方性エッチングによって壁を加工する。
【００３１】
次に、図５（ｂ）のようにあらかじめ流路と同じピッチに開孔されたオリフィスプレート４を貼り合わせることによっても実施例１と同様の構造が得られる。
【００３２】
実施例３
実施例１、２においては、ポリシラザンをそのまま用いてＳｉＮの厚膜を形成したが、ここではさらに簡便な方法で厚膜を形成した。すなわち、あらかじめポリシラザン中に直径０．５μｍのＳｉＮフィラーを重量比で約５％の量を混入させた。このことによって、厚膜への塗布性が向上できた。これを基板上に５０μｍの厚さに塗布し、４００℃、１時間、Ｎ_２ガス雰囲気中で焼成した。次に異方性ドライエッチングによって流路壁を垂直に形成した。以後は実施例１、２と同様に後工程を通し、最後にオリフィス部分をエキシマレーザーで加工してインクの吐出する吐出口を形成した。
【００３３】
本実施例により、ＳｉＮフィラーを混入したポリシラザンを用いて形成された流路の断面を、フィラーを混入しない場合の例（実施例１、２に相当）の図６（ａ）と対比して、図６（ｂ）に模式的に示した。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば液体を吐出するための吐出口（オリフィス）と、このオリフィスに液体を供給する流路と、この流路に液体を供給する共通液室と、この液室に液体を外部から供給する供給口と、複数の発熱素子が配列され、これら発熱素子に対応してそれぞれ駆動させるドライバを含む基板とを備え、前記吐出口から液体を吐出して記録を行う液体吐出ヘッドにおいて、ポリシラザンを用い加熱処理することによって前記流路、あるいは前記流路とオリフィス部分の形成が精度よく簡便にできるようになる。さらにポリシラザンにフィラーを混入させることによって厚膜化がさらに容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】液体吐出ヘッドの基本要部の概略断面図である。
【図２】液体吐出ヘッドの主要素子を縦断するように切断したときの模式的断面図である。
【図３】本発明の液体吐出ヘッドの流路方向の模式断面図である。
【図４】本発明の液体吐出ヘッドの作製工程を示すための流路方向の断面図で（ａ）は流路部分の作製プロセスを、（ｂ）はオリフィス部分を加工するまでのプロセスを示す。
【図５】本発明の液体吐出ヘッドの作製工程を示すための流路方向の断面図で（ａ）は流路部分の作製プロセスを、（ｂ）はオリフィスプレートを貼りつけるまでのプロセスを示す。
【図６】本発明のポリシラザンによって形成したＳｉＮ流路壁の断面図で、（ａ）はポリシラザンのみ、（ｂ）はフィラー入り使用の場合の模式図である。
【符号の説明】
１素子基板
２発熱体
３天板
４オリフィスプレート
５吐出口（オリフィス）
６ノズル壁（流路壁）
７液流路
８共通液室
９フィラー
１０１，４０１シリコン基板
１０２，４１４蓄熱層
１０３層間膜
１０４発熱抵抗層
１０５金属配線
１０６保護層
１０７耐キャビテーション膜
１０８熱作用部
４０２Ｎ型ウェル領域
４０３ｐ型ウェル領域
４０５，４１２ソース領域
４０６，４１１ドレイン領域
４０８ゲート絶縁膜
４１３，４１５ゲート配線
４１６，４１８層間絶縁膜
４１７Ａｌ電極
４５０Ｐ−Ｍｏｓ
４５１Ｎ−Ｍｏｓ
４５３酸化膜分離領域

Claims

液体を吐出するための吐出口と、該吐出口に液体を供給する流路と、該流路に液体を供給する共通液室と、該液室に液体を外部から供給する供給口と、複数の発熱素子が配列され、該発熱素子に対応してそれぞれ駆動させるドライバを含む基板とを備え、前記吐出口から液体を吐出する液体吐出ヘッドにおいて、前記流路、または前記流路および前記吐出口が、式（１）で表わされるポリシラザンまたは、該ポリシラザンとフィラーの混合物を不活性雰囲気中で焼成することによって形成した材料から成ることを特徴とする液体吐出ヘッド。

但し、ｎは重合度である。
前記フィラーがＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣおよび／またはＳｉＮを主成分とする材料からなることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
前記焼成することによって形成した材料が窒化硅素からなることを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。