JP2006224594A - インクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミック基板上にポリシリコンの熱伝導層をもうけたハイブリッド基板の耐インク性を向上させる。
【解決手段】安価なセラミック基板１０１に機械器加工でインク吐出口１１２を形成し、その上に放熱性の高いポリシリコン膜１０４等の熱伝導層を堆積することによって、十分な機械強度と良好な蓄熱性と放熱性のバランスがとれ、前記放熱性の高い層に、プラズマ酸化や、ＳｉＮ膜デポ等により耐アルカリ膜を形成することによって、耐インク性の高いインクジェット記録ヘッド用の基板を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体に外部からエネルギーを加えることによって、所望の液体を吐出するインクジェット記録ヘッド、およびインクジェット記録ヘッドの製造方法に関する。

熱等のエネルギーをインクに与えることで、気泡の発生を促し、この体積変化を利用して吐出口からインクを吐出し、これを記録媒体上に付着させて画像形成を行うインクジェット記録方法が知られている。インクジェット方式の中で、基板に対し垂直にインクを吐出するサイドシューター型（特開平４−１０９４０）が提案されている。このサイドシューター型では、基板の裏面から表面の吐出圧発生素子部にインクを供給するために、単結晶Ｓｉ基板に異方性エッチング法で貫通するインク供給口を開けている。

一方、インクジェット記録ヘッド用の基板として、アルミナにシリコンを堆積して、良好な熱伝導と低コスト化を両立する技術が特許公告０２８２４１３に開示されている。
特開平４−１０９４０号公報 特許２８２４１２３(登録)

従来のサイドシューター型のインクジェット記録ヘッドでは、単結晶Ｓｉの面方位によってエッチング速度が異なることを利用した異方性エッチング法で、基板裏面からインク供給口をエッチングにより形成していた。このため、基板はＳｉの単結晶基板に限定され、作製できるインクジェット記録ヘッドの大きさにも単結晶基板の大きさが制約になった。また、Ｓｉの異方性エッチングには７〜１１６時間という長大な時間が掛かるという問題点もあった。

また、特許公告０２８２４１２３に開示されているインクジェット記録ヘッドの構成は、基板に対して平行に吐出するエッジシューター型の提案であり、本発明のような基板に対して垂直に吐出するサイドシューター型に関しては開示されていない。

上記のような問題点は、基板にインク吐出圧力発生素子が設けられ、インク吐出圧力発生素子に対向するプレート側に吐出口が配されて、インク内に気泡を発生させて該吐出口基板に垂直にインクを吐出するインクジェット記録ヘッドであって、セラミック等の耐熱基板に良熱伝導層が堆積され、基板を貫通するようにインク供給口が形成され、インク供給口に面する良熱伝導層表面に耐アルカリ膜が形成されていることを特徴とするインクジェット記録ヘッドによって解決される。

（作用）
本発明では、安価なセラミック基板に貫通孔を開けて、それを耐熱性の無機物で埋めて平坦化し、表面に熱伝導の良い膜を堆積し、その表面に樹脂製のインク吐出口を形成し、良熱伝導性の膜に穴をあけて作製するインクジェット記録ヘッドにおいて、両熱伝導性膜の断面に保護膜を形成することで、インクジェット記録ヘッドの耐インク性が増加し、信頼性の向上に寄与する。

以上述べたように本発明によれば、セラミック基板に機械加工でインク供給口を形成し、その上に放熱性の高い層を堆積することによって、十分な機械強度と良好な蓄熱性と放熱性のバランスがとれ、前記放熱性の高い層に耐アルカリ膜を形成することによって、耐インク性の高いインクジェット記録ヘッド用の基板を得ることが可能になる。

これを用いて、低コストで面積の大きさ基板を用いて、高品位な印字が可能なインクジェット記録ヘッドを提供することができる。

〔実験１〕
セラミック基板の熱伝導性を向上するために表面に堆積したポリシリコン膜は、インク供給口側面でインクに直接接触している。インクジェットプリンタに用いるインクは、その成分からアルカリ性になっている場合が多い。シリコンはアルカリに弱く、特にポリシリコンはアルカリに対して解け出しやすいことが知られている。そこで、インク供給口に模した試料を作成し、インクに対する溶出試験を行った。

図２（１）〜（９）は、試料の作製方法を示したものである。

（１）厚さ６３０μｍ、６インチφのアルミナ基板２０１を用意した。

（２）機械加工で幅１５０μｍ、長さ３０ｍｍの貫通孔２０２を形成した。

（３）この貫通孔に粉末状のゲルマニウムを充填し、１０００℃で溶解して貫通孔を塞いだ。

（４）基板表面を研磨して、基板表面を平坦化した。

（５）エッチングストップ層としてプラズマＣＶＤでＳｉＮ膜２０５を、６０００Å堆積した。

（６）熱伝導層として、プラズマＣＶＤでポリシリコン膜２０６を１５μｍ堆積した。

（７）表面保護層として、プラズマＣＶＤでＳｉＮ膜２０７を１μｍ堆積した。

（８）ＴＭＡＨ（テトラ・メチル・アンモニウム・ハイドライド）に浸漬して、ゲルマニウムを除去した。

（９）ＣＤＥ（ケミカル・ドライ・エッチング）法により、ＳｉＮ膜とポリシリコン膜を除去して、擬似的なインク供給口２０８を形成した。

この基板を、ｐＨ９のインク２００ｃｃに６０℃で３週間浸漬して、Ｓｉの溶出量を測定した。溶出量は０．６ｐｐｍであった。

〔実験２〕
実験１と同様の試料に、Ｏ₂プラズマによる表面酸化処理を行った。処理条件は、基板温度１００℃、圧力３００ｍｍｔｏｒｒ、ＲＦパワー１．２ｗ／ｃｍ²、処理時間５分とした。

この基板を、ｐＨ９のインク２００ｃｃに６０℃で３週間浸漬して、Ｓｉの溶出量を測定した。溶出量は０．３ｐｐｍであった。

〔実験３〕
図２（６）まで実験１と同様の試料に、図３のように貫通孔上のポリシリコンをパターニングして図３（１）のようにインク供給口にあたる開口部２０９を形成する。次に２０９の側面も含めてＣＶＤ法によるＳｉＮ膜２１０を、１μｍ堆積した。最後に貫通孔に充填されたゲルマニウムを除去して、擬似的なインク供給口２１１を形成した。

この基板を、ｐＨ９のインク２００ｃｃに６０℃で３週間浸漬して、Ｓｉの溶出量を測定した。溶出量は測定限界以下であった。

〔実験４〕
実験１で得たＳｉが０．６ｐｐｍ溶出したインクと、実験２で得た０．３ｐｐｍのインクを、それぞれインクジェット記録ヘッドに充填して、５×１０⁷回の吐出試験を行ったところ、Ｓｉが０．６ｐｐｍ容存しているサンプルでは、吐出ノズルに４／６００の割合で、ヒーター上のＴａ膜にコゲが発生し不吐出になった。Ｓｉが０．３ｐｐｍ容存しているサンプルでは不吐出は発生しなかった。

〔実施態様例〕
図１は本発明による実施態様例を示すインクジェット記録ヘッドの模式図である。基板１０１としてはアルミナ、窒化アルミナなどのセラミックなどが用いられる。基板の中心部にインクを裏面から供給するための貫通孔１０２があけられている。エッチングストップ層１０３としてＳｉＮやＳｉＯ₂などの薄膜が堆積されている。さらに、熱伝導層としてポリシリコン膜やタングステン膜１０４が堆積されている。

この熱伝導層膜の側面に、インク溶出防止膜１１４が形成されている。インク溶出防止膜は、図４の１０５のように、他の絶縁膜と兼用することも可能である。

絶縁膜１０５として、ＳｉＮやＳｉＯ₂などの薄膜が堆積され、その上にヒーター層１０６、電極１０７などの金属膜が形成してある。さらに、保護膜１０８としてＳｉＮ膜が堆積パターニングされ、ヒーター上には耐キャビテーション膜１１０としてＴａが堆積パターニングされている。

前述したヒーターボード基板上に、ノズル剤の密着向上層１０９としてポリエーテルアミド系の樹脂膜が形成され、その上にノズル形成樹脂１１１がパターニングされ、インク吐出口１１２が形成されている。

次に、本発明によるインクジェット記録ノズルのプロセスを図５（１）〜（２０）および図６を使って順を追って説明する。

アルミナなどのセラミック製基板３０１に、機械加工によってインク供給口３０２を形成する。

形成した供給口に、図６（２）のように加熱用の表面のフラットなボート４０２に基板を設置して、基板と線膨張係数の近い材料４０１の粉末を充填する。この材料は、例えばＳｉ、Ｇｅやその合金等などが用いられる。

この後、充填材の融点以上に加熱し、供給口に多結晶のＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎを密に充填する。

さらに、図６（４）のように埋め込み部の突起部を研磨して平坦化する。

平坦化した基板上に、ＣＶＤ法やスパッター等でＳｉＮまたはＳｉＯ₂膜を堆積して、エッチングストップ層２０５とする。積層されたエッチングストップ膜のトータルの膜厚は、一般には５０００Å〜３μｍ、好ましくは８０００〜２５０００Å、最適には１μｍ〜２μｍである。また積層されたエッチングストップ膜のトータルの応力は、一般には２×１０ｅｘｐ−９ｄｙｎｅ／ｃｍ²以下、より好ましくは１．８×１０ｅｘｐ−９ｄｙｎｅ／ｃｍ²以下、最適には１．５×１０ｅｘｐ−９ｄｙｎｅ／ｃｍ²以下である。

更にＣＶＤ法や溶融塗布法などで金属膜やポリシリコン層３０６を堆積する。これは、インクジェット吐出素子の熱を逃がすために１０〜４０μｍ堆積する。

ＣＶＤ法やスパッター等でＳｉＮまたはＳｉＯ₂膜を堆積してパターニングして、蓄熱層３０７を形成する。その上に、ＡｌやＣｕおよびその合金を堆積パターニングして、下層配線電極３０８を形成する。

プラズマＣＶＤ等を使って、ＳｉＮやＳｉＯＮ、ＳｉＯ₂等の膜を堆積して層間絶縁膜３０９とする。さらに、層間絶縁膜にコンタクトホール３１０を形成する。

インク供給口に合わせて、インク吐出圧力発生素子としてヒーター部３１２形成する。ヒーター材料としては、Ｔａ、ＴａＮ、ＴａＮＳｉ等などの金属膜をスパッターや真空蒸着等によって堆積しパターニングする。さらに電力供給用の上層電極２１１としてＡｌ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｃｕ等の金属膜を同様にして形成する。

ヒーターには耐久性の向上を目的としてプラズマＣＶＤでＳｉＮ膜３１３を堆積し保護膜とする。

この上に、耐キャビテーション膜３１４としてスパッター法等でＴａを堆積しパターニングする。この膜の膜厚は、好ましくは１０００〜５０００Å、さらに好ましくは２０００〜４０００Å、最適には２５００〜３５００Åである。

ここで、配線とヒーターの形成の順番等に特に制限がないのは言うまでもない。

樹脂製のノズルの密着性を上げるために、耐食性の高い樹脂膜３１５を形成する。そして、ヒーター部とインク供給口部をパターニングする。

インク流路確保のために、強アルカリや有機溶剤等で溶解可能な樹脂で流路パターン３１６を形成する。このパターンは、印刷法や感光性樹脂によるパターニング等で形成する。

インク流路のパターンの上に、被覆樹脂層３１７を形成する。この被覆樹脂層は微細パターンを形成するので感光性レジストが望ましく、さらに流路を形成した樹脂層を除去する際のアルカリや溶剤等によって変形変質しない性質が必要である。

次に流路の被覆樹脂層をパターニングして、ヒーター部に対応したインク吐出口３１８と電極の外部接続部を形成する。この後、被覆樹脂層を光や熱等によって硬化する。

この基板のノズル形成面側を保護するためレジストで保護膜３１９を形成する。

この基板をアルカリ系エッチャント（ＫＯＨ、ＴＭＡＨ、ヒドラジン等）に浸け、インク供給口に充填した充填材をエッチングして、インク供給口３２０を形成する。この時、エッチングは、エッチングストップ層の手前で止まる。

エッチングストップ層のＳｉＮ等の膜をフッ酸等の薬液または、ドライエッチ等で部分的に除去してインク供給口を開口する。そして、インク流路形成材を除去し、インクの流路確保する。

この後、プラズマ酸化法を用いて、インク供給口に面した熱伝導層の側面に保護膜３２２を形成する。この保護膜は、上記プロセスの途中で成膜法等によって形成することも可能である。

上記プロセスにおいて、基板の加工手順は特に限定されるものではなく、任意に選ぶことができる。

以下に、本発明の実施例を説明する。

図１は本発明による実施例を示すインクジェット記録ヘッドのベース基板の模式図である。外形６インチφで厚さ６３０μｍのアルミナ基板１０１の中心部にインクを裏面から供給するための貫通穴１０２を、ダイサーで切削加工してあけた。インク供給口の幅は２００μｍ、長さは３０ｍｍとした。

基板表面にエッチングストップ層１０３としてＳｉＮ薄膜を１４０００Å堆積した。さらにこの上にインクジェットのインク吐出用ヒーターの放熱を良くするためにポリシリコンを１５μｍ堆積した。プラズマ酸化法により、このポリシリコン層のインク供給口断面部に酸化膜１１４を形成した。

絶縁膜としてＳｉＮ１０５を１６０００Å堆積し、その上にＴａＳｉＮを５００Å堆積パターニングしヒーター層１０６を形成し、さらにＡｌを２０００Å堆積して電極１０７とした。このＡｌの一部をエッチングしてヒーター１１３部とした。ＳｉＮを３０００Å堆積し保護膜１０８、Ｔａを２３００Å堆積し耐キャビテーション膜１１０とした。

このヒーターボード上に、感光性樹脂でノズル液室１１１を作り、インク吐出口１１２を開口し、インクジェット記録ヘッドを形成した。

以下に、本発明の他実施例を説明する。

実施例１と同様の構造で、図４のようにインク供給口面する熱伝導層の側面に第一の絶縁膜層のＳｉＮ膜１０５で保護膜を形成した。他の部分は実施例１と同じにした。

以下に、本発明によるインクジェット記録ヘッドの作製方法について、図５を用いて順を追って説明する。

６インチφ、６３０μｍ厚のアルミナ基板３０１に、機械加工によってインク供給口３０２を形成した。インク供給口の幅は１５０μｍ、長さは３００ｍｍとした。

加工した基板を、カーボンボート４０２に乗せ、供給口の上部を塞いで、供給口に粒径５０μｍ以下の粉末状のＧｅ４０１を充填して、９８０℃溶融して多結晶化して密に充填した。さらに、基板を冷却した後、粒径１μｍのセリウムの砥粒を用いて、埋め込み部の突起部を研磨して平坦化した。この時、供給口の部３０４分の凹凸は５０００Å以下に抑えた。

平坦化した基板上に、プラズマＣＶＤ法でＳｉＮを１．２μｍ堆積して、エッチングストップ層３０５とした。この時の成膜条件は、ＳｉＨ₄／ＮＨ₃／Ｎ₂＝１６０／４００／２０００ｓｃｃｍ、圧力１６００ｍｔｏｒｒ、基板温度３００℃、ＲＦ１４００Ｗであった。

更にプラズマＣＶＤ法でポリシリコン層３０６を２０μｍ堆積した。この時の成膜条件は、ＳｉＨ₄／Ｈ₂＝２００：１０００ｓｃｃｍ、圧力１２００ｍｔｏｒｒ、基板温度２５０℃、ＲＦ２．６ＫＷであった。

さらにプラズマＣＶＤ法でＳｉＯ₂膜を８０００Å堆積しパターニングして、蓄熱層３０７を形成した。そのときの成膜条件は、ＳｉＨ₄／Ｈ₂Ｏ／Ｎ₂＝２５０／１２００／４０００ｓｃｃｍ、圧力１８００ｍｔｏｒｒ、基板温度３００℃、ＲＦ１８００Ｗであった。

その上に、ＡｌＣｕを３０００Å堆積パターニングして、下層配線電極３０８を形成した。

さらにプラズマＣＶＤ法を使って、前述と同条件でＳｉＯ₂膜を１２０００Å堆積して層間絶縁膜３０９とした。さらに、層間絶縁膜にコンタクトホール３１０を形成した。

インク供給口に合わせて、インク吐出圧力発生素子としてヒーター部３１２形成する。ヒーター材料としては、ＴａＳｉＮ膜をスパッターで５００Å堆積しパターニングした。さらに電力供給用の上層電極２１１としてＡｌＣｕ膜を２０００Å堆積してパターニングした。

ヒーターには耐久性の向上を目的としてプラズマＣＶＤでＳｉＮ膜３１３を３０００Å堆積した。

この上に、耐キャビテーション膜３１４としてスパッター法でＴａを２３００Å堆積しパターニングした。

樹脂製のノズルの密着性を上げるために、耐アルカリ性の膜（ＨＩＭＡＬ日立化成製）３１５を形成する。そして、ヒーター部パターニングする。

感光性樹脂としてポリメチルイソプロペニルケトン（東京応化ＯＤＵＲ−１０１０）を２０μｍ塗布してパターニングして、図５（１４）のようにインク流路型材３１６を形成した。さらに表１に示した感光性樹脂層３１７を１２μｍ塗布しパターニングして、図５（１５）のようにインク吐出口３１８を形成した。

ノズル形成面側を保護するために、ゴム系レジスト（東京応化製ＯＢＣ）で保護膜３１９を形成した。

この基板を２１％のＴＭＡＨ水溶液に浸漬して異方性エッチングした。エッチャント温度は８３℃、エッチング時間は３時間とした。

エッチングは図５（１７）のように進み、エッチングストップ層の前で止まっている。この樹脂、エッチングストップ層に亀裂はなく、流路形成樹脂層やノズル部へのエッチング液の侵入は見られなかった。

次に、図５（１８）のようにエッチングストップ層のＳｉＮとその上のポリシリコン層をＣＤＥ法によって除去した。エッチング条件は、ＣＦ₄／Ｏ₂＝３００／２５０ｓｃｃｍ、ＲＦ８００Ｗ、圧力２５０ｍｔｏｒｒであった。

保護膜を除去した後、乳酸メチル中で超音波を掛け流路形成樹脂を除去して、インク流路を形成した。

これに酸素プラズマ処理装置で酸化処理を行って、図５（２０）のようにインク供給口断面部のポリシリコン露出部に酸化膜３２２を形成しインクジェット記録ヘッドが完成した。

この時の処理条件は、基板温度１００℃、圧力３００ｍｍｔｏｒｒ、ＲＦパワー１．２ｗ／ｃｍ²、処理時間５分とした。

このインクジェット記録ヘッドに電気的外部配線を接続し、インクを充填して６０℃４週間の保存試験を行った後、吐出周波数１８ＫＨｚで印字テストを行ったが、３０ｍｍ幅全域にわたって、印字のカスレ、濃度ムラ、インクの不吐出のない高品位な印字物が得られた。

以下に、本発明によるインクジェット記録ヘッドの作製方法の他の実施例について説明する。

図５（１）〜（６）までは、実施例３と同様にして基板を形成した。

次にＣＤＥ法を用いて図７（１）のように、インク供給口の上部に相当する部分のポリシリコンをエッチングした。エッチング条件は、ＣＦ₄／Ｏ₂＝３００／２５０ｓｃｃｍ、ＲＦ８００Ｗ、圧力２５０ｍｔｏｒｒであった。

この上にプラズマＣＶＤ法でＳｉＮを６０００Å堆積して、第一の絶縁層５０２と、ポリシリコンのインク供給口断面部の保護膜５０３を形成した。この時の成膜条件は、ＳｉＨ₄／ＮＨ₃／Ｎ₂＝１６０／４００／２０００ｓｃｃｍ、圧力１６００ｍｔｏｒｒ、基板温度３００℃、ＲＦ１４００Ｗであった。

この後は、実施例３の図５（８）〜（２０）と同様の工程を経て、図４と同様の形態を持ったインクジェット記録ヘッドを作製した。

このインクジェット記録ヘッドに電気的外部配線を接続し、インクを充填して６０℃４週間の保存試験を行った後、吐出周波数１８ＫＨｚで印字テストを行ったが、３０ｍｍ幅全域にわたって、印字のカスレ、濃度ムラ、インクの不吐出のない高品位な印字物が得られた。

本発明によるインクジェット記録ヘッドを示す概略図 本発明に至る実験に用いた基板の工程フローを示す図 本発明に至る実験に用いた基板の工程フローを示す図 本発明によるインクジェット記録ヘッドを示す概略図 本発明によるインクジェット記録ヘッドの工程フローを示す図 本発明によるインクジェット記録ヘッドの途中工程を示す概略図 本発明によるインクジェット記録ヘッドの途中工程を示す概略図

符号の説明

１０１ セラミック基板
１０２ インク供給口
１０３ エッチングストップ層
１０４ ポリシリコン層
１０５ 絶縁層
１０６ ヒーター層
１０７ 電極層
１０８ ヒーター保護膜
１０９ ノズル剤密着向上層
１１０ 耐キャビテーション膜
１１１ ノズル形成材
１１２ インク吐出口
１１３ ヒーター
１１４ ポリシリコン層保護膜
２０１ アルミナ基板
２０２ インク供給口
２０３ インク供給口充填材
２０４ 基板上部研磨面
２０５ エッチングストップ層
２０６ ポリシリコン層
２０７ 表面保護膜
２０８ インク供給口
２０９ インク供給口上の開口部
２１０ 表面保護膜
２１１ インク供給口
３０１ アルミナ基板
３０２ インク供給口
３０３ インク供給口充填材
３０４ 基板上部研磨面
３０５ エッチングストップ層
３０６ ポリシリコン層
３０７ 絶縁層
３０８ 下層電極
３０９ 層間絶縁膜
３１０ コンタクトホール
３１１ 上部電極
３１２ ヒーター
３１３ 保護膜
３１４ 耐キャビテーション膜
３１５ ノズル密着向上層
３１６ インク流路形成樹脂
３１７ ノズル形成樹脂
３１８ インク吐出口
３１９ エッチング保護膜
３２０ インク供給口
３２１ インク供給口
３２２ ポリシリコン層保護膜
４０１ ＳｉまたはＧｅの粉末
４０２ カーボンボート
４０３ 研磨処理前のフラットなインク供給口表面
５０１ インク供給口上のポリシリコン膜開口部
５０２ ＳｉＮ膜
５０３ ポリシリコン層保護膜

Claims (6)

1. 基板にインク吐出圧力発生素子が設けられ、インク吐出圧力発生素子に対向するプレート側に吐出口が配されて、インク内に気泡を発生させて該吐出口基板に垂直にインクを吐出するインクジェット記録ヘッドであって、セラミック等の耐熱基板に良熱伝導層が堆積され、基板を貫通するようにインク供給口が形成され、インク供給口に面する良熱伝導層表面に耐アルカリ膜が形成されていることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. 前記良熱伝導層がポリシリコン膜であることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録ヘッド。
3. 前記良熱伝導層がタングステン膜であることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録ヘッド。
4. 前記耐アルカリ膜が、シリコン酸化膜であることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録ヘッド。
5. 前記耐アルカリ膜が、窒化シリコン膜であることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録ヘッド。
6. 基板にインク吐出圧力発生素子が設けられ、インク吐出圧力発生素子に対向するプレート側に吐出口が配されて、インク内に気泡を発生させて該吐出口基板に垂直にインクを吐出するインクジェット記録ヘッドであって、セラミック等の耐熱基板にインク供給口加工する工程、供給口を耐熱性の高い無機物で充填し基板を平坦化する工程、基板表面に放熱性の良い材料を堆積する工程、放熱層のインク供給口断面を保護する層を形成する工程、その上にインク流路の形成する工程、インク供給口充填材を除去する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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