JP2007283669A

JP2007283669A - インクジェット記録ヘッド、インクジェット記録ヘッドの製造方法

Info

Publication number: JP2007283669A
Application number: JP2006114609A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Tokunaga; 博之徳永
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2006-04-18
Filing date: 2006-04-18
Publication date: 2007-11-01

Abstract

【課題】印字幅の大きなＦＭヘッドの印字速度の向上。
【解決手段】直列に複数配置されたインク供給口のハリの部分の上にノズルフィルタを配置して、ハリ近傍のインクの流抵抗を下げ、印字の限界応答周波数を向上させる。
【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（特許文献１）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、図５にあるように基板５０１に貫通する穴５０２を開けている。
又、別の従来例としては、特許文献２をあげることが出来る。
特開平４−１０９４０号公報特開平１０ー１３８４７８号公報

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、ヘッド幅が短かったので貫通口は開口部がつながった１つの穴になっていた。しかしながら、ヘッド幅を広くして、大面積に一度に印字できる長尺のヘッド作製しようとすると、インク供給口も長くなり、機械的強度が弱くなりヘッドの変形や破壊などの可能性が増加する。そこで、供給口の長手方向にハリを設ける供給口を分割する必要がある。特許文献２で、ハリによって複数に分割されたインクジェット記録ヘッド用の基板について開示されている。一方、供給口の中にハリを作ると、インクを加熱する吐出圧発生素子部と供給口との間の障害物になり、吐出口へのインクの充填速度に影響を与え、ハリ付近の吐出圧発生素子部は他の部分と均一な吐出性能が得られないという問題があった。

また、従来のインクジェット記録ヘッドでは、図２のように吐出口の全段にノズルフィルターが設けられており、これもインクの充填の際の流抵抗を増加させる要素の一つになっている。

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において、インク吐出口が樹脂で形成されて吐出口近傍のインク流路に樹脂性のノズルフィルターが配置され、基板にインク供給口がハリを介して長手方向に複数連続して配置されるとともに、ハリ近傍のフィルターの吐出口からの距離が遠くなっていることを特徴とする本発明のインクジェット記録ヘッドによって解決された。

［作用］
連続するインク供給口の間のハリの部分が、供給口から吐出口へ流れるインクの流速を遅くしている。また、吐出口近傍のフィルターもインクの抵抗になっている。そこで、このハリ近傍のフィルターの位置を他のフィルターより吐出口から遠ざけてフィルター間隔を広くして抵抗を低減し、ハリ近傍の吐出圧発生素子へ供給されるインクの流速の乱れを緩和させる。

具体的には、ハリ近傍の吐出口のノズルフィルターを、ハリ上へ形成することによって、実質的にノズルフィルター間隔を局所的に広げ、インクの流抵抗をハリ近傍以外の圧力室と同等にすることによって、印字速度の低下を回避するものである。

以上述べたように本発明によれば、インク供給口をハリによって複数に分割し、ハリ上にノズルフィルターを配置することによって、インクジェット記録ヘッドの幅を広くした場合においても、機械強度が十分に確保され、インク流路の抵抗を増大させることなく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。

次に、本発明の詳細を実施例の記述に従って説明する。

［実験］
以下に、本発明に係わる実験について述べる。連続する供給口間のハリ部と開口部での、インク吐出の周波数特性について調べた。

図２は本発明にいたる実験に用いたインクジェット記録ヘッドの基板の吐出口付近の概略（供給口を挟んで対称の位置の吐出口は省略）を示したものである。図３はＡ−Ａ’断面を示したものである。各吐出口は樹脂の壁２０２で仕切られた液室を持っており、この液室の前に、同じく樹脂で形成されたノズルフィルター２０３が設けられている。

インク供給口２０４から吐出口下部に位置する吐出圧発生素子（ヒーター）２０６までの距離ＣＨは５０μｍとした。また吐出口からノズルフィルターまでの距離は４０μｍ、間隔は２５μｍとした。この時、ハリ２０５の部分の基板面部の幅を３０μｍとして、インク吐出が応答できるヒーター電圧パルスの限界周波数を調べた。

図４は、各位置の吐出口の限界応答周波数の関係を示したものである。ハリの真横の吐出口（bit No37）では、限界吐出周波数が４．５ＫＨｚであった。また、ハリから供給口に平行な方向に１００μｍ以上離れた吐出口の限界応答周波数は９〜１０ｋＨｚであった。

図１は本発明による、ハリ近傍のノズルフィルターをハリ上に設置して、吐出口からの距離を９０μｍとしノズルフィルター間隔を４０μｍとした。（他のノズルフィルターの吐出口からの距離は６０μｍ、フィルター間隔は２５μｍ）図５はその時の各位置の吐出口の限界応答周波数の関係を示したものである。ハリの真横の吐出口（bit No37）では、限界吐出周波数が６ＫＨｚで、図４のものに較べて１．５ＫＨｚ改善されていた。

また、図６はノズルフィルターをさらに２０μｍ離して、上記と同様に吐出の限界周波数特性を測定した結果である。ハリ真横の吐出口（bit No37）では、限界吐出周波数が７．５ＫＨｚで、図４のものに較べて２．５ＫＨｚ改善されていた。

［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基板の模式図である。基板としてはＳｉウエハ、アルミナなどのセラミック、Ａｌなどの金属基板、樹脂等が用いられる。基板の中心部にインクを裏面から供給するための貫通穴１０４があけられている。インクジェット記録ヘッド吐出口の幅が広くなると、この供給口が基板中心を縦断しているために、基板の強度が低下して、変形や破損が起きる可能性が増える。そこで、供給口を複数に分割して、内部にハリ１０５を設けて強度増加をはかる。このときハリ上部（インク吐出圧発生素子形成面側）がインク流路の抵抗となり、高い周波数でインクジェットを駆動したときのインク供給の乱れが発生する。これを回避するために、ハリの近傍に位置するノズルフィルター１０６を、ハリ上に吐出口から遠ざけて配置してノズルフィルターの間隔を相対的に広くして、インク流路の抵抗を下げるようにする。

Ｓｉウエハを基板として用いた場合、供給口の幅は一般には５０〜３００μｍ、望ましくは８０〜２００μｍ、最適には１００〜２００μｍである。供給口の長さは一般には０．５〜３ｍｍ、望ましくは１〜２ｍｍである。ハリの吐出圧発生素子形成面側の幅は一般には２０〜２００μｍ、望ましくは３０〜１５０μｍ、最適には５０〜１２０μｍである。のハリの幅は、一般には２０〜１２０μｍ、望ましくは３０〜１００μｍ、最適には４０〜８０μｍである。

吐出口１０１は感光性レジスト等を用いた樹脂製で、吐出口の近傍は樹脂の隔壁１０２で分離されて液室が形成されており近接する吐出口でインクの流れが干渉しないようになっている。また、各液室の直前には、同様の樹脂製のノズルフィルター１０３が設けられゴミの進入を防いでいる。ただし、このフィルターもインクの流抵抗が大きくなる原因になっている。本発明では、ノズルフィルターが流抵抗を持っていることを積極的に利用して、ハリ近傍のノズルフィルター１０６だけをハリ上部へ形成し、フィルター開口部を広くして、ハリによるインク流抵抗の分布を補正するものである。ハリ上に設置するノズルフィルターは、ハリの幅に応じて複数であってもよい。

以下に、本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明によるインクジェット記録ヘッド基板のハリ付近の構造を示した模式図である。図７（供給口を挟んで対称の位置の吐出口は省略）は図１の拡大図で、（１１０）の面方位を持った厚さ６００μｍのＳｉウエハ１０７、平面構造において長辺が（１１１）面に平行で、幅１００μｍ、長さ２ｍｍ、短辺と長辺のなす角が７０．５度である、基板に対して、垂直エッチされたインク供給口１０４が、表面の幅が６０μｍ、裏面の幅が１４０μｍのハリ１０５を挟んで３０個縦列に配置されている。

感光性樹脂で形成された吐出口１０１の周囲に液室の隔壁１０２が形成され、液室の前にはノズルフィルター１０３を形成した。ハリ近傍のフィルター１０６はハリ上に形成され、他のフィルターよりも液室から３０μｍ遠い位置に配置した。

図８は、インク供給口を基板裏面から見た平面の模式図である。貫通穴表面と鏡像関係に形成した。

図９は、図１のインクジェット記録ヘッドのＢ−Ｂ’断面の模式図である。インク供給口の両側に、厚さ２００Å、４０μｍ□のＴａＮヒーター１０８が、６０μｍ間隔で配置した。ヒーターの直上には樹脂で吐出口１０１を形成した。各ヒーターには、厚さ３０００ÅのＡｌＣｕ配線１０９が接続され、個々に電気信号が供給できるようにした。インク供給口からヒーターまでの流路には樹脂でノズルフィルター１０３を形成した。ハリ近傍のノズルフィルター１０６は、ハリ上に形成しヒーターからの距離を遠くした。

このインクジェット記録ヘッドを使って、吐出周波数６ＫＨｚで印字テストを行ったが、６０ｍｍ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、本発明の他実施例を説明する。

実施例１と同様の構造で、ハリ近傍のフィルター１０６はハリ上に形成し、他のフィルターよりも液室から５０μｍ遠い位置に配置した。他の部分は実施例１と同じにした。

このインクジェット記録ヘッドを使って、吐出周波数７．５ＫＨｚで印字テストを行ったが、６０ｍｍ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、本発明の他実施例を説明する。

実施例１と同様の構造であるが、図２８のようにハリの表面側の幅を３００μｍとして、ハリ近傍のフィルター４０１，４０２の２個をハリ上に形成し、他のフィルターよりも液室から５０μｍ遠い位置に配置した。他の部分は実施例１と同じにした。

このインクジェット記録ヘッドを使って、吐出周波数４．５ＫＨｚで印字テストを行ったが、６０ｍｍ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、本発明の他実施例を説明する。

実施例１と同様の構造であるが、図２９のようにハリの表面側の幅を４００μｍとして、ハリ近傍のフィルター５０１，５０２、５０３の３個を等間隔にハリ上に形成し、他のフィルターよりも液室から５０μｍ遠い位置に配置した。他の部分は実施例１と同じにした。

このインクジェット記録ヘッドを使って、吐出周波数４ＫＨｚで印字テストを行ったが、６０ｍｍ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他の製造方法について、順を追って説明する。

図１０のように、厚さ６３０μｍ、５インチΦの（１１０）面のＳｉウエハ３０１の上を熱酸化して、ＳｉＯ２層３０２を６０００Å形成した。次に、ＳｉＯ２をパターニングして供給口開口部３０３を形成した。スパッターでＡｌＣｕ膜を２０００Å堆積した。この膜のＣｕの含有量は０．５％であった。フォトリソ技術によって図１１のように犠牲層３０４下層電極配線３０５を形成した。犠牲層の幅は１５０μｍ、長辺方向は２ｍｍで、隣接した犠牲層間のハリ（平面図７の１０５）に相当する部分の幅は、６０μｍとした。犠牲層は、ハリを挟んで４０本直列に並べた。

次に、エッチングストップ層として、プラズマＣＶＤでＳｉＮ膜３０６を６０００Å堆積した。

この時の成膜条件は、ＳｉＨ４／ＮＨ３／Ｎ２＝５００／１５００／６３００ｓｃｃｍ、圧力１５００ｍｔｏｒｒ、基板温度４００℃、ＲＦ１７００Ｗであった。

フォトリソ技術を使い、図１２のように犠牲層３０６をパターニングした後、層間絶縁膜３０７としてＳｉＯＮを１４０００Å成膜した。この時の成膜パラメーターは、ＳｉＨ４／Ｎ２Ｏ／Ｎ２＝２５０／１２００／４０００ｓｃｃｍ、圧力１５００ｍｔｏｒｒ、基板温度３８０℃、ＲＦ１７００Ｗ、組成比Ｓｉ／Ｏ／Ｎ＝３７／６１／２であった。

この後は、図１３のように層間絶縁膜にコンタクトホール３０８を形成し、ＴａＳｉＮ（組成比４４／４３／１３）を５００ÅとＡｌを３０００Å連続成膜してパターニングして、図１４のようにヒーター３０９と上部配線３１０を形成した。

次にヒーター保護膜３１１として、プラズマＣＶＤのＳｉＮを３０００Å堆積、パターニングした。成膜条件は、ＳｉＨ４／ＮＨ３／Ｎ２＝１８０／４８０／２０００ｓｃｃｍ、圧力１５００ｍｔｏｒｒ、基板温度３２０℃、ＲＦ１７００Ｗであった。

さらに、インクの発泡によるキャビテーションからヒーターを保護するため、Ｔａを２３００Åをスパッターで堆積パターニングして、耐キャビテーション膜３１２を形成した。

樹脂製のノズルの密着性を上げるためと、裏面をアルカリエッチャントから保護するために、耐食性の高いポリエーテルアミド系樹脂膜（日立化成製 HIMAL）３１３を２μｍ塗布焼成して形成し、図１７のようにヒーター部とインク供給口部をパターニングで露出させた。

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１８のようにインク流路形成材３１４を形成した。この時、型材でノズルフィルターが形成される凹部３１５のうち、ハリ部近傍のものは図１のようにハリ上に形成した。（この時、ハリ近傍の断面では、図９の様にノズルフィルターを吐出口から離れて形成した）
さらに表１に示した感光性樹脂３１８を１０μｍ塗布しパタ−ニングして、図１９のようにインク吐出口３１７とノズルフィルター３１６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。ノズル形成された裏面の樹脂層とＳｉＯ２をパターンニングして、インク供給口３２０を形成した。この時のパターンは、図８のように表面の犠牲層とは鏡像関係になるような平行四辺形にした。そして、表面と同様にハリに相当する部分の幅を１２０μｍ設けた。

次に裏面のインク供給口パターン部の平行四辺形の窓の狭角に隣接した部分に、図２２のようにＹＡＧレーザーで非貫通のエッチング先導孔３２１を開けた。この時の穴の径は３０〜３５μｍ、深さは４４０〜５５０μｍであった。

この基板を２２％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７時間３０分とした。これは基板の厚み６３０μｍをジャストエッチする時間に対して１０％のオーバーエッチ時間とした。

エッチングは図２４のようにＡｌＣｕの犠牲層まで進み、エッチングストップ層３０６の前で止まっている。この時、エッチングストップ層に亀裂はなく、流路形成樹脂層３１４やノズル部３１７へのエッチング液の浸入は見られなかった。

次に、図２５のようにエッチングストップ層のＳｉＯＮとＳｉＮをＣＤＥ法によって除去した。エッチング条件は、ＣＦ４／Ｏ２／Ｎ２＝３００／２５０／５ｓｃｃｍ、ＲＦ８００Ｗ、圧力２５０ｍｔｏｒｒであった。

図２６のようにメチルイソブチルケトンに浸漬後、キシレン中で超音波を掛け保護膜を除去して、乳酸メチル中で超音波を掛け樹脂３１４を除去して、インク流路３２２を形成しインクジェット記録ヘッドができた。

このインクジェット記録ヘッドを使って、吐出周波数７ＫＨｚで印字テストを行ったが、８０ｍｍ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の基板を示す概略図。従来のインクジェット記録ヘッドの基板構造を示す概略図。図２の断面構造。従来のインクジェット記録ヘッドのインク吐出限界応答周波数特性。本発明によるインクジェット記録ヘッドのインク吐出限界応答周波数特性。本発明によるインクジェット記録ヘッドのインク吐出限界応答周波数特性。本発明によるインクジェット記録ヘッドの平面概略図。本発明によるインクジェット記録ヘッドの裏面概略図。図１の断面構造。本発明によるインクジェット記録ヘッドの工程フロー。本発明によるインクジェット記録ヘッドの工程フロー。本発明によるインクジェット記録ヘッドの工程フロー。本発明によるインクジェット記録ヘッドの工程フロー。本発明によるインクジェット記録ヘッドの工程フロー。本発明によるインクジェット記録ヘッドの工程フロー。本発明によるインクジェット記録ヘッドの工程フロー。本発明によるインクジェット記録ヘッドの工程フロー。本発明によるインクジェット記録ヘッドの工程フロー。本発明によるインクジェット記録ヘッドの工程フロー。本発明によるインクジェット記録ヘッドの工程フロー。本発明によるインクジェット記録ヘッドの工程フロー。本発明によるインクジェット記録ヘッドの工程フロー。本発明によるインクジェット記録ヘッドの工程フロー。本発明によるインクジェット記録ヘッドの工程フロー。本発明によるインクジェット記録ヘッドの工程フロー。本発明によるインクジェット記録ヘッドの工程フロー。本発明によるインクジェット記録ヘッドの工程フロー。本発明によるインクジェット記録ヘッドの平面概略図。本発明によるインクジェット記録ヘッドの平面概略図。

符号の説明

１０１インク吐出口
１０２液室隔壁
１０３ノズルフィルター
１０４インク供給口
１０５ハリ
１０６ハリ上に形成したノズルフィルター
１０７シリコン基板
１０８ヒーター
１０９電極
２０１インク吐出口
２０２液室隔壁
２０３ノズルフィルター
２０４インク供給口
２０５ハリ
２０６ヒーター
２０７下層電極
２０８上層電極
３０１Ｓｉ基板
３０２絶縁膜
３０３インク供給口パターン
３０４犠牲層
３０５下層配線
３０６エッチングストップ層
３０７層間絶縁膜
３０８コンタクトホール
３０９ヒーター
３１０上層配線
３１１ヒーター保護膜
３１２耐キャビテーション膜
３１３ポリエーテルアミド樹脂膜
３１４流路形成樹脂
３１５ノズルフィルターが形成される型材凹部
３１６ノズルフィルター
３１７インク吐出口
３１８ノズル形成樹脂
３１９保護膜
３２０インク供給口パターン
３２１レーザー先導孔
３２２インク流路
４０１ハリ上に形成したノズルフィルター
４０２ハリ上に形成したノズルフィルター
５０１ハリ上に形成したノズルフィルター
５０２ハリ上に形成したノズルフィルター
５０３ハリ上に形成したノズルフィルター

Claims

吐出口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において、
インク吐出口近傍のインク流路にノズルフィルターが配置され、該吐出口基板にインク供給口がハリを介して長手方向に複数連続して配置されると共に、該ハリ近傍のフィルターの吐出口からの距離が遠くなっていることを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
ハリ近傍の吐出口のノズルフィルターを、ハリ上へ形成することによって、ノズルフィルター間隔を局所的に広げたことを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
吐出口基板にインク吐出圧力発生素子が設けられ、該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おり、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において、インク吐出口近傍のインク流路にノズルフィルターが配置され、該吐出口基板にインク供給口がハリを介して長手方向に複数連続して配置されると共に、ハリ近傍の吐出口のノズルフィルターを、ハリ上へ等間隔で複数形成したことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
シリコン基板にインク供給口として複数のスルーホールが直列に形成されたインクジェット記録ヘッドの製造方法であって、該シリコン基板表面のインク供給口の形成部に選択的にエッチングが可能な複数の犠牲層を設ける工程と、前記基板上に該犠牲層を被覆するように耐エッチング性を有するパッシベーション層を形成する工程と、該犠牲層に対応する基板裏面部に一部にハリを残すように分離されたエッチングマスク開口部を設ける工程と、該犠牲層に近接してインク吐出用のヒーターおよび配線を形成する工程と、該ヒーター上に感光性樹脂でノズルフィルター、インク液室およびインク吐出口を形成する工程とを有し、ハリ部近傍のノズルフィルターはハリ上に形成すると共に、該インク吐出口形成樹脂表面を保護膜で覆う工程と、前述の裏面開口部より前記犠牲層が露出するまで基板を結晶軸異方性エッチングでエッチングする工程と、前記エッチング工程により露出した部分より前記犠牲層をエッチング除去する工程と、前記パッシベーション層を除去しインク供給口を形成する工程と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。