JP2006130868A - インクジェット記録ヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 インク供給口の側壁面を必要最小限で耐インク性の保護膜を被覆することを可能にすることで信頼性の高い、優れた吐出性能を有するインクジェット記録ヘッド及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 インク供給口が、シリコン基板１００のエッチングマスク４００から露出した部分をエッチングし、該基板のエッチングされた部分をコーティングし、液流路に連結するまで、前記エッチングと前記コーティングを交互に繰り返すことによって形成されるとき、前記インク供給口の側壁面に形成される凹部の深さをａ、隣り合う凸部間の距離をｂとし、ａが１μｍ以下、ｂが５μｍ以下の範囲にあるとき、ｂ／ａ≧１．７である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、インクジェット記録ヘッド及びその製造方法に関するものであり、より詳細には、インク供給口の表面形状に関するものである。

インクジェット記録方式は、記録時における騒音の発生が無視し得る程度に極めて小さいという点、また高速記録が可能であり、しかも、いわゆる普通紙に定着可能で特別な処理を必要とせずに記録が行なえるという点で、ここ数年、急速に普及しつつある。

また、インクジェット記録ヘッドの中で、インク吐出エネルギー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が吐出するものを「サイドシュータ型記録ヘッド」と称し、本発明は、この種のサイドシュータ型記録ヘッドのインク供給に関するものである。

ここで、サイドシュータ型記録ヘッドの一般的な構造について説明する。

図７は一般的なサイドシュータ型インクジェット記録ヘッドを示す模式的斜視図であり、図８は図７の記録ヘッドをインク路で切断した断面図である。

図７及び図８のサイドシュータ型インクジェット記録ヘッドはシリコン基板の上に成膜技術を用いて後述する吐出エネルギー発生部、共通インク室、インク路、吐出口２５などを形成したものである。このような構成要素を有するシリコン基板（素子基板２７）には、これを貫通する長孔状のインク供給口２９が形成されている。このインク供給口２９の両側には、被記録材の搬送方向、つまりインク供給口２９の長手方向に沿って所定間隔で２列に並ぶ複数の電気熱変換体３０が相互に半ピッチずらした状態で形成され、それぞれ吐出エネルギー発生部を構成している。素子基板２７には、これら電気熱変換体３０の他、電気熱変換体３０と記録装置本体側との電気的接続を行なうための電極端子３１および電気配線（不図示）などが成膜技術によって形成されている。素子基板２７上には、インク供給口２９に連通する共通インク室３２と、電気熱変換体３０とそれぞれ正対する複数の吐出ノズル２５と、共通インク室３２と個々の吐出ノズル２５とに連通するインク路３４とを有する天板部材（オリフィスプレートとも呼ばれる）３３が形成される。隣接するインク路３４の間には仕切り壁３５が形成される。

インク供給口２９から各インク路３４内に供給される液体は、対応するインク路３４に臨む電気熱変換体３０に駆動信号が与えられることにより、電気熱変換体３０の発熱に伴って沸騰し、これにより発生する気泡の圧力によって吐出ノズル２５から吐出される。

このようなサイドシュータ型記録ヘッドにおいては、インク液滴吐出のためのインク供給は、吐出エネルギー発生素子である電気熱変換体が形成された基体（素子基板と呼ばれる。）に貫通口を設けることで行なうことを特徴としている。

従来、この種のインクジェット記録ヘッドの素子基板にインク供給口を形成する手段は、ドリル，レーザー，サンドブラストなどの手法や、結晶異方性エッチングによりインク供給口を形成する方法（特許文献１）が提案されている。

その他、特許文献２には、基板の第１の表面上に露出した部分をエッチングし、基板のエッチングされた部分をコーティングすることを、基板を貫通する流体チャネルが形成されるまで交互に繰り返す、いわゆるボッシュプロセスと呼ばれる方法が提案されている。
特開平９−１１４７９号公報 特開２００３−５３９７９号公報

しかしながら、ドリル、レーザー、サンドブラストなどの手法を用いてインク供給口を形成する場合、インク供給口の寸法精度が出にくいという問題がある。

また、特許文献１に記載されているような、異方性エッチングによってインク供給口を形成する場合においては、＜１００＞方位のシリコン基板であると、インク供給口の断面形状は台形（図８参照）となってしまうため、この結晶方位のシリコン基板を用いてインクジェット記録ヘッドのチップを作製する場合に当該チップのサイズを小さくすることが困難であり、コストダウンを実現するのが非常に困難である。＜１１０＞方位のシリコン基板であれば基板の厚さ方向に対して垂直のインク供給口を形成することは可能であるが、＜１１０＞基板を用いて半導体回路を形成する場合、ＯＮ抵抗が小さいため、＜１００＞方位のシリコン基板に比較してチップサイズを小さくするのには限界がある。

また、特許文献２に示されている、いわゆるボッシュプロセスによってアスペクト比の大きい、略垂直なインク供給口を形成する方法がある。この方法によれば、高精度の開口幅を有するインク供給口を形成することが可能であるが、エッチングのステップとデポジション(deposition)のステップを繰り返してエッチングを行なう場合、そのエッチング側壁は、図１に示すような、スカロップと呼ばれるホタテ貝の貝殻表面に認められるような波形の形状になってしまう。図１に示すスカロップの深さａは、エッチングステップにおけるサイドエッチ量である。スカロップの隣接する凸部先端間の距離ｂは、エッチングステップ中のエッチング量であり、ａ、ｂのいずれもウエハー面内におけるパターンの開口率や各パターンのサイズ、エッチング条件などにより影響を受ける。

一方、シリコン基板にインク供給口をドライエッチングで形成した場合、インク供給口の側壁面に露出するシリコンの結晶面は、必ずしもアルカリ溶液に対してエッチングレートの遅い（１１１）面ではないため、このようなインク供給口を有するインクジェット記録ヘッドにアルカリインクを用いると、シリコンがインク中へ溶出する。そこで、この表面をアルカリインクに対して耐性のある膜によって被覆することが必要となるが、先に述べたように、インク供給口のエッチング側壁に形成されたスカロップの凸凹が大きいと、図２の点線の丸で囲った箇所のように、例えばスカロップ凸部先端を十分に被覆することが困難になる。被覆する膜厚を厚くすれば、このような部分においても十分に被覆することは可能になるが、厚く被覆すればするほど、インク供給口の開口幅精度を得ることは困難になる。インク供給口幅の寸法がばらつくと、インク供給口端部から電気熱変換体（ヒーター）までの距離が変動し、これによってノズル間の流抵抗に差が生じ、想定したリフィル周波数（吐出口から液流路の液体が吐出されてから液流路に液体が再充填されるときの単位時間当たりの繰り返し速度）を得ることが出来なくなる場合がある。

本発明の目的は、上記のような問題に鑑み、いわゆるボッシュプロセスを用いて形成されたインク供給口の、凹凸を繰り返す側壁面全部に必要最小限で耐インク性の保護膜を被覆することが可能となり、信頼性の高い、優れた吐出性能を有するインクジェット記録ヘッド及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、インクを吐出する吐出口と、該吐出口からインクを吐出するために利用されるエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子と、該吐出エネルギー発生素子に対応して設けられた前記吐出口に連通する液流路と、前記液流路にインクを供給するために設けられたインク供給口とを有するインクジェット記録ヘッドにおいて、
前記インク供給口の側壁面に凹凸が繰り返し形成されており、
前記インク供給口の側壁面に形成される凹部の深さをａ、隣り合う凸部間の距離をｂとし、ａが１μｍ以下、ｂが５μｍ以下の範囲にあるとき、ｂ／ａ≧１．７であることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、いわゆるボッシュプロセスを用いて形成されたインク供給口の、凹凸を繰り返す側壁面全部に必要最小限で耐インク性の保護膜を被覆することが可能となり、信頼性の高い、優れた吐出性能を有するインクジェット記録ヘッドを形成することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

本実施形態においては、インクジェット記録ヘッドの基体に貫通させるインク供給口（図７及び８の符号２９参照）を、エッチングのステップとデポジションのステップを繰り返すエッチング方法（いわゆるボッシュプロセス）によって形成する場合、そのエッチングされたインク供給口側壁の表面に対し保護膜を十分に形成することが可能なスカロップ（図１）の形状を規定する。この形状を規定すべく、以下の実験を行った。

＜実験＞
発熱抵抗体を有する基板に、エッチングとデポジションのプロセスを交互に繰り返すいわゆるボッシュプロセスにてインク供給口を形成した後、その基板の裏面側よりインク供給口の側壁面を被覆するようにプラズマＣＶＤにてＳｉＯ膜を形成した。インク供給口の側壁面のスカロップの寸法は、エッチングのステップとデポジションのステップの条件によって、例えば図３〜５に示すように変化する。なお、図３〜５に示すスカロップの深さａは、エッチングステップにおけるサイドエッチ量で、スカロップの隣接する凸部先端間の距離ｂは、エッチングステップ中のエッチング量である。

図３と図４を比較すると、ａ１＜ａ２，ｂ１＝ｂ２である。ｂ部の寸法が同じでａ部の寸法が大きい場合、すなわち図４の場合は、インク供給口の側壁面のスカロップの凸部に着目すると、形状が鋭利になるため、保護膜の被覆性は低下する。

図３と図５を比較すると、ａ１＝ａ３，ｂ１＜ｂ３である。ａ部の寸法が同じでｂ部の寸法が大きい場合、すなわち図５の場合は、インク供給口の側壁面のスカロップの凸部に着目すると、形状が鈍くなるため、保護膜の被覆性は向上する。

この被覆性について、実験を行なった。

スカロップの凹部深さに対応するａ部の寸法のサンプルは、１）０．２μｍ ２）０．３μｍ ３）０．４μｍ ４）０．５μｍ ５）０．８μｍ ６）１．０μｍとし、スカロップの隣り合う凸部間に対応するｂ部の寸法のサンプルは、１）０．５μｍ ２）１．０μｍ ３）３．０μｍ ４）５．０μｍとした。ｂ部の各サンプルに対して、ａ部の各サンプルを割り当てた。その後、プラズマＣＶＤにて基板裏面側よりＳｉＯをインク供給口の側壁面において略０．５μｍとなるように成膜し、それに液流路と吐出口を形成したオリフィスプレートを貼り付けインクジェット記録ヘッドとして組み立て、吐出耐久試験を行った。その結果を表１〜４に示す。ここで、吐出耐久試験として、エチレングリコール／尿素／イソプロピルアルコール／黒色染料／水＝５／３／２／３／８７部からなるインクを用いて、作成したインクジェットヘッドの電気熱変換体（ヒーター）に１０μｓの３０Ｖの矩形電圧を３ｋＨｚで印加することで印加信号に応じて液体をオリフィスから吐出させた。ここで、前記インクは保湿成分（インクの蒸発を低減させ、ノズルの目詰まりを防ぐ）として尿素を添加しており、尿素が加水分解することで弱アルカリ性を示すものである。このようなアルカリインクを用いて液滴の形成を繰り返すと、インク供給口の側壁面の保護が不十分な場合、インク中にシリコンが溶出し、それが原因となってヒーター上にコゲが発生し、さらには析出物によって液流路が詰まり吐出出来なくなる。この時点における吐出繰り返し回数を本願においては耐久回数と定義する。

基板裏面側より成膜するＳｉＯの厚さをインク供給口の側壁面において略０．５μｍとなるように成膜したのは、次のような理由による。すなわち、保護膜を厚くすれば、スカロップの形状に関わらずインク中へのシリコン溶出を防ぐことは可能となるが、そのようにすることによってインク供給口幅の公差は大きくなり、リフィル周波数に影響を及ぼすことになる。特に今後のインクジェット記録ヘッドにおいて、ヘッドの小型化やコストダウンのために基板サイズを小さくしていくと、基板中央部に設けられた貫通穴であるインク供給口は、そのサイズを極限まで小さくすることが求められる。しかしながらインク供給口幅が小さくなっていくと、寸法変化に対する流抵抗の上昇が大きくなる。すなわち、インク供給口幅が僅かに小さくなっただけで、リフィル周波数が急激に低下するという現象が生じてしまう。そのためインク供給口幅の公差にはより厳しいものが必要となり、それにはインク供給口に対するエッチングの公差を小さくすることはもちろん必要であるが、それにあわせて保護膜の膜厚とその公差も小さくしなければならない。

そこで本件においては、現実性を考慮し、ＳｉＯの厚さをインク供給口の側壁面において略０．５μｍとなるように成膜した。

上記表１〜４において、吐出耐久試験結果が×となったヘッドを分解し調べたところ、インク中へのシリコン溶出があり、吐出耐久試験で×となった原因であることがわかった。これとスカロップの形状と大きさを規定するａとｂの寸法比の関係を調べたところ、ａ部寸法が１．０μｍ以下、ｂ部寸法が５.０μｍ以下の範囲にて、表５のような関係にあることがわかった。すなわち、ｂ／ａ≧１．７ であればよいことがわかる。

次に、図６に沿って、本発明の実施例に係る、インクジェット記録ヘッドの製造方法を説明する。

図６（ａ）には、インクジェット記録ヘッドの基板（基体）を示している。シリコン基板１００の表面にはヒーター２００及びエッチングストップ層３００がある。エッチングストップ層３００として、本例においてはアルミを使用した。シリコン基板１００の厚さは２００μｍである。

図６（ｂ）には、シリコン基板１００の裏面に、後工程で異方性のあるドライエッチングによりインク供給口を形成するためのエッチングマスク４００を設け、表面に基板表面保護レジスト５００を設けた状態を示す。本例において、エッチングマスク４００及び基板表面保護レジスト５００には、東京応化製ＯＦＰＲを用いたが、その他一般に市販されているポジ型フォトレジストや他の材料も使用可能である。

図６（ｃ）には、ドライエッチングにより、シリコン基板１００にインク供給口を形成した状態を示す。本例において、ドライエッチングにはアルカテル社製ＩＣＰエッチング装置：型式番号６０１Ｅを使用し、ＳＦ₆を用いたエッチングとＣ₄Ｆ₈を用いたデポジション（コーティングともいう。）のプロセスを交互に繰り返す、いわゆるボッシュプロセスを行った。

この時、プラズマＣＶＤによって形成したアルミよりなるエッチングストップ層３００において、インク供給口をエッチングする異方性のドライエッチングは止められる。

本件においてはボッシュプロセスによって形成したインク供給口の側壁形状を観察したところ、シリコン基板１００の厚さ方向と同一の方向の、スカロップの隣接する凸部先端間の距離はおおむね１μｍであり、シリコン基板１００の厚さと垂直な方向と同一の方向のスカロップの凹部の深さは、おおむね０．３μｍであった。エッチング条件は、プラズマソースのパワー２２００Ｗ，基板バイアスパワー１２０Ｗ，ＳＦ₆／５００ml/min(normal)／５．０ｓ／約5.0E-2mbar，Ｃ₄Ｆ₈／１５０ml/min(normal)／２．０ｓ／約1.6E-2mbarである。また、ウエハー温度は−５℃であり、総エッチング時間は２０ｍｉｎである。

図６（ｄ）には、エッチングストップ層３００としてのアルミを除去した後、エッチングマスク４００及び基板表面保護レジスト５００を剥離した状態を示す。アルミの除去は、混酸Ｃ−６（東京応化）を使用し、エッチングマスク４００及び基板表面保護レジスト５００の剥離には、シプレイファーイースト社の１１１２Ａ剥離液を使用した。

図６（ｅ）には、プラズマＣＶＤにてシリコン基板１００の裏面側よりＳｉＯを０．５μｍ成膜した状態を示す。このＳｉＯはシリコン基板１００の裏面に形成されるとともに、インク供給口８００の側壁面において保護膜５５０として形成される。上述したようにインク供給口の側壁面においてスカロップの隣接する凸部先端間の距離がおおむね１μｍであり、スカロップの凹部の深さがおおむね３μｍであるため、保護膜５５０は０．５μｍという薄膜であってもスカロップの凸部先端を十分に被覆することができた。

図６（ｆ）には、液流路７００と吐出口６５０を形成したオリフィスプレート６００を接着剤で貼り付けた状態を示す。

以上のように図６（ａ）〜図６（ｆ）に示した工程を経て作製したインクジェット記録ヘッドを記録装置に装着し、アルカリ性インクを用いて記録を行ったところ、安定した印刷が可能であり、得られた印刷物は高品位なものであった。

本発明のインクジェット記録ヘッドのインク供給口に係るスカロップの各部寸法名称を示す模式的断面図である。 図１のスカロップ表面に保護膜を被覆した一例を示す模式的断面図である。 インクジェット記録ヘッドのインク供給口に係るスカロップの一例を示す模式的断面図である。 インクジェット記録ヘッドのインク供給口に係るスカロップの一例を示す模式的断面図である。 インクジェット記録ヘッドのインク供給口に係るスカロップの一例を示す模式的断面図である。 （ａ）〜（ｆ）は本発明の製法をインクジェット記録ヘッドを形成する工程を示す図である。 一般的なサイドシュータ型インクジェット記録ヘッドを示す模式的斜視図である。 図７の記録ヘッドをインク路で切断した断面図である。

符号の説明

１００ シリコン基板
２００ ヒーター
３００ エッチングストップ層
４００ エッチングマスク
５５０ 保護膜
６００ オリフィスプレート
６５０ 吐出口
８００ インク供給口

Claims (3)

1. インクを吐出する吐出口と、該吐出口からインクを吐出するために利用されるエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子と、該吐出エネルギー発生素子に対応して設けられた前記吐出口に連通する液流路と、前記液流路にインクを供給するために設けられたインク供給口とを有するインクジェット記録ヘッドにおいて、
   前記インク供給口の側壁面に凹凸が繰り返し形成されており、
   前記インク供給口の側壁面に形成される凹部の深さをａ、隣り合う凸部間の距離をｂとし、ａが１μｍ以下、ｂが５μｍ以下の範囲にあるとき、ｂ／ａ≧１．７であることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. インクを吐出する吐出口と、該吐出口からインクを吐出するために利用されるエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子と、該吐出エネルギー発生素子に対応して設けられた前記吐出口に連通する液流路と、前記液流路にインクを供給するために設けられたインク供給口とを有するインクジェット記録ヘッドの製造方法において、
   前記インク供給口が、基板の露出した部分をエッチングし、該基板のエッチングされた部分をコーティングし、前記液流路に連結するまで、前記エッチングと前記コーティングを交互に繰り返すことによって形成するとき、
   前記インク供給口の側壁面に形成される凹部の深さをａ、凸部間の距離をｂとし、ａが１μｍ以下、ｂが５μｍ以下の範囲にあるとき、ｂ／ａ≧１．７となる前記インク供給口のエッチング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製造方法。
3. インクを吐出するために利用されるエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子を基板の表面に形成する工程と、
   前記基板の表面に溶解可能な樹脂にて、前記吐出エネルギー発生素子に対応するインク流路を形成する工程と、
   前記溶解可能な樹脂層上に被覆樹脂層を形成する工程と、
   前記被覆樹脂層に前記インク流路に連通するインク吐出口を形成する工程と、
   前記基板に前記インク流路に繋がるインク供給口を形成する工程とを有するインクジェット記録ヘッドの製造方法において、
   前記インク供給口が、基板の露出した部分をエッチングし、該基板のエッチングされた部分をコーティングし、前記液流路に連結するまで、前記エッチングと前記コーティングを交互に繰り返すことによって形成するとき、
   前記インク供給口の側壁面に形成される凹部の深さをａ、凸部間の距離をｂとし、ａが１μｍ以下、ｂが５μｍ以下の範囲にあるとき、ｂ／ａ≧１．７となる前記インク供給口のエッチング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製造方法。

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