JP2007290203A - インクジェット記録ヘッド及びその作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＣＲ製法において、長Ｒ化した時の基板の反り、破損、オリプレの変形、破損を防止する。
【解決手段】 第１のエッチングと第２のエッチング（Ｓｉ異方性エッチング）により基板下面に梁を一体物で作成する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、インクに熱エネルギーを作用させ、これにより発生する気泡の生成に基づいてインクを吐出口から吐出するインクジェット記録ヘッド及びその作製方法に関する。

インクを加熱して気泡を生成させ、この気泡の生成に基づいてインクを吐出し、これを被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式（特開昭５４−５１８３７に記載）は、高速記録が可能であり、また比較的記録品位も高く、低騒音であるという利点を有している。この方法はカラー画像記録が比較的容易であって、普通紙等にも記録でき、装置の小型化も容易であり、さらに、記録ヘッドにおける吐出口を高密度に配設することができるので、高解像度、高品位の画像を高速で記録することができるといった多くの優れた利点を有している。この方法を用いた記録装置は、複写機、プリンタ、ファクシミリ等における情報出力手段として用いることができる。

このようなインクジェット記録方式の記録ヘッドの一般的構造は、インクを吐出するために設けられた突出口と、これに連通してインクが満たされたインク路とこのインク路中に設けられた熱エネルギーを発生するための電気熱変換素子（以下、発熱体と記す）を具備している。発熱体は、発熱抵抗層とそれをインクから保護する上部の保護層と蓄熱するための下部の蓄熱層を具備している。これに電極配線を介してパルス的に通電（駆動パルスの印加）がなされることによって熱エネルギーを発生し、熱エネルギーの作用を受けた液体が過熱されて気泡を発生し、この気泡発生に基づく作用力によって、記録ヘッド部先端の吐出口から液滴が形成され、この液滴が被記録部材に付着して情報の記録が行われる。

近年、データ量の多い画像情報を被記録部材に出力する要求が高まり、高精細且つ高速な記録が望まれてきている。高精細な画像を出力するには小液滴を安定に吐出することとなるが、このためには高密度、且つ高精度に吐出口を形成する必要がある。

その形成方法として、特開平５−３３００６６、及び特開平６−２８６１４９に示されたインクジェット記録ヘッドの吐出口の製造方法が提案されており、また、特開平１０−１４６９７９にて前記の吐出口の形成方法においてインク供給口部上部のオリフィスプレートにリブ構造を有する形成方法が提案されている。

これらのインクジェット記録ヘッドは発熱体が形成された基板に対して、垂直方向にインク液滴が吐出するものであり、「サイドシュータ型」インクジェット記録ヘッドと称する構造を有する。

「サイドシュータ型」インクジェット記録ヘッドにおいて、高精細するに伴い吐出口の間隔が短くなり、これによりインク流路は狭くなる。インク流路が狭くなると発泡後にインクがインク流路に満たすに要する時間（リフィル時間）が長くなるため、発熱体とインク供給口との距離を短くする必要がある。インク供給口と発熱体との距離を制御できる方法として、アルカリ水溶液によるシリコンの結晶方位面に応じたエッチング速度差を利用するシリコン結晶異方性エッチングが知られている。この方法では、一般的に、基板として方位面が（１００）のシリコンウエハを用いて基板裏面よりシリコン結晶異方性エッチングを行い精度良くインク供給口開口幅を形成し、発熱体とインク供給口との距離の制御を行う。より高精度な開口幅を提供するために、特開平１０−１８１０３２では表面に形成した犠牲層と異方性エッチングを組み合せたインク供給口の作製方法が提案されている。

高精細インクジェット記録ヘッドを形成する上、このようなアルカリ水溶液を用いたシリコン結晶異方性エッチングは、インク供給口を精度良く作製でき有用な技術となっている。
特開昭５４−５１８３７号公報 特開平５−３３００６６号公報 特開平６−２８６１４９号公報 特開平１０−１４６９７９号公報 特開平１０−１８１０３２号公報

しかしながら、高精細且つ高速に印字を行うには、特開平５−３３００６６、特開平６−２８６１４９の製造方法において、吐出口数を増やし、印字出力幅を大きく取るヘッド構造とする必要がある。すなわち、図１に示す吐出口数を増やした長尺のインクジェット記録ヘッド（以下、長尺ヘッドと記す。）となる。吐出口数を増やすとインク供給口の開口長は吐出口数に対応して長くなり、基板の機械的強度が低下しインクジェット記録ヘッドを製造する上で基板の変形や破損等の問題が生じる。樹脂よりなるオリフィスプレートにリブを立てる構造を提案する特開平１０−１４６９７９の作製方法では、オリフィスプレートがインクにて膨潤する際のオリフィスプレートの変形を防止することは可能であるが、樹脂が無機材料からなる基板と比べ、ヤング率が２桁から４桁程度小さく、ハンドリングに必要なインクジェット記録ヘッドの機械的強度は基板に因ることになり、長尺化に対応した機械的強度の改善を見込むことは困難である。長尺化に伴う機械的強度の低下で起きる基板の変形や破損等の問題点を以下に具体的に説明する。

（１）膜応力による基板の変形
基板上には、蓄熱層、発熱抵抗層、保護層、配線電極、及びオリフィスプレートが形成されている。このような複数の層からなる基板は、各層の薄膜応力により基板内に圧縮または引っ張り応力が生じる。例えば、引っ張り応力の場合には長尺化するに従い図２（ヘッドの基板部のみを簡略して示す。）に示すように、インク供給口を形成したことで応力が開放され、インク供給口中心から幅方向に曲げモーメントが発生し、インク供給口の幅がヘッドの端部と中心部とで差が生まれ突出口の位置が所望の位置からズレることとなる。このズレは、インク供給口の長さに依存するため、長尺になるに従い、ズレ量が増す。印刷を行う際にこのズレが大きくなると、突出口のズレに対応した印字ムラや、画像の歪み等の印字不良が見られることとなる。

（２）ハンドリングによる基板の破損
基板上に一括形成した複数のインクジェット記録ヘッドをチッピングし流路部材に貼る上述の工程では、長尺化した個々のインクジェット記録ヘッドをハンドリングし流路部材の所定の位置にアライメントする必要がある。インク供給口が長尺となる場合、図１の正面図の上の側と下の側はインク供給口で分離しており、長尺のインク供給口を有するヘッドの端部の基板（図１の左右の上下が接続された部分）のみでヘッド構造を保持している。インクジェット記録ヘッドをハンドリングするに際に、ヘッドの一部を掴むと曲げモーメントが発生し、前記のヘッドの端面に応力が集中し、破損することとなる。長尺化するにつれインクジェット記録ヘッドの機械的強度が低下し製造歩留まりもそれにつれて低下する。

（３）流路部材接合時の熱応力による基板の変形、破損
ヘッドをカートリッジタンクに取り付けるには、基板上に一括形成した複数のインクジェット記録ヘッドをチッピングし、ヘッドの突出エレメント毎に分け、マウント用の流路部材に接着し、カートリッジホルダに組み込む。インクジェット記録装置では、一般に、吐出エレメントを流路部材に接合する接着剤として、耐インク性のあるために熱硬化性接着剤が採用されている。また、流路部材は加工の容易で、低価格な樹脂が採用されている。吐出エレメントと樹脂製の流路部材を熱硬化性接着剤を使用して貼り合わせる場合、吐出エレメントと流路部材の熱膨張率の差から常温時に戻ったとき、熱応力が吐出エレメント中に発生する。これにより、図３に示すように突出口が平面性を保てなくなり、突出方向に角度が生じる様になる。インク供給口を長尺にすると吐出エレメントの機械的強度が低下し、熱応力により吐出エレメントの基板が変形することでオリフィスプレートが変形を起こす。

以上のような問題点から、印字を行う際にこのズレが大きくなると、突出口の角度ズレに対応した印字ムラや、画像の歪み等の印字不良が見られることとなる。さらに、熱応力が基板の降伏応力を超えた場合には、基板が割れる場合がある。

インクジェット記録ヘッドを長尺するに伴いインク供給口も同様に長尺にする方法では、製造歩留まりの低下や印字不良が発生する。これらの問題点を解決する方法として、基板にシリコン（１００）基板を用い、基板の裏面にエッチング用のマスクを形成しシリコン結晶異方性エッチングより、複数のインク供給口を形成するサイドシュータ型インクジェット記録ヘッド構成が考えられる。図４に複数のインク供給口（図中破線で示す）からなるインクジェット記録ヘッドの例を示す。図４（ａ）は上面図であり、図４（ｂ）はＤ−Ｄ断面の模式図である。この構成においては、図４（ｂ）から明らかなように、仮に基板下面で５０μｍの梁幅を形成しても、シリコン異方性エッチングにより（１１１）面と（１００）面との成す角度である５４．７°でシリコンが裏面よりエッチングされ梁形状が逆台形となり、基板表面での梁幅が９４０μｍ程度に広がる。この結果、表面の梁の中心に位置する発熱体とインク供給口の距離は４００μｍを超えることとなり、この発熱体でのリフィル時間は極めて遅く、実用的な印字速度を得ることができなくなり、高速な印字を行うことはできない。

高精細なインクジェット記録ヘッドを形成するには、サイドシュータ型構造で且つ、シリコン結晶異方性エッチングのインク供給口の形成方法を用いる必要があるが、ヘッドを長尺にして高速印字を達成する方法は困難であった。高速印字を行うには、リフィル時間を短くでき、且つインク供給口を長尺する必要があり、この結果、製造歩留まりや印字不良が発生し、良好なインクジェット記録ヘッドを形成することができない。

本発明は、上記従来技術の有する問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、
（１）基板の変形を抑え、突出口の位置ズレを低減でき、
（２）機械的強度の高く、ハンドリング及びマウント時の破損を回避できる、良好な印字を可能にする高精細且つ高速な記録を行うことが可能な長尺にできるインクジェット記録ヘッド及びその作製方法を提供することである。

かかる目的を達成する本発明のインクジェット記録ヘッド及びその作製方法は、
第１に、共通液室とインクを加熱して気泡を生成するための発熱体を有する基板と、該基板上にインクを吐出する吐出口を有するオリフィスプレートを備え、該オリフィスプレートの突出口から該基板面に対して垂直方向にインク液滴を突出するインクジェット記録ヘッドにおいて、前記共通液室内に梁を有するインクジェット記録ヘッドであり、
第２に、前記基板がシリコン単結晶体よりなることを特徴とする第１に記載のインクジェット記録ヘッドであり、
第３に、前記梁がシリコン単結晶体よりなることを特徴とする第２に記載のインクジェット記録ヘッドであり、
第４に、前記梁が基板下面にあることを特徴とする第１〜３の何れかに記載のインクジェット記録ヘッドであり、
第５に、前記梁を構成する面の一つが基板裏面と同一平面にあることを特徴とする第１〜４の何れかに記載のインクジェット記録ヘッドであり、
第６に、前記梁を構成する２つの面のシリコン結晶方位が（１１１）よりなることを特徴とする第１〜５の何れかに記載のインクジェット記録ヘッドであり、
第７に、前記共通液室を構成するシリコン結晶方位が（１１１）面よりなることを特徴とする第１〜６の何れかに記載のインクジェット記録ヘッドであり、
第８に、発熱体を表面に有する基板と該基板表面上に設けたインクを吐出する吐出口を有するオリフィスプレートを備えたインクジェット記録ヘッドの作製方法において、
（ａ）前記基板表面にパッシベイション層を形成する工程
（ｃ）前記基板裏面に複数開口部を有するマスク層を形成する工程
（ｂ）該開口部より基板をエッチングし溝を形成する第１のエッチング工程
（ｃ）基板面に垂直方向に貫通孔を形成すると共に隣接する前記溝を連通する連通孔を形成する第２のエッチング工程
（ｄ）パッシベイション層を裏面より除去する工程
少なくとも（ａ）〜（ｄ）の工程を有するインクジェット記録ヘッドの作製方法であり、
第９に、前記基板が単結晶シリコンからなることを特徴とする第８に記載のインクジェット記録ヘッドの作製方法であり、
第１０に、前記（ａ）工程に用いる基板表面の一部に第２のエッチング工程により等方性エッチングする犠牲層を形成することを特徴とする第８〜９の何れかに記載のインクジェット記録ヘッドの作製方法であり、
第１１に、前記（ｃ）工程にて、基板と犠牲層が同時にエッチングされることを特徴とする第８〜１０の何れかに記載のインクジェット記録ヘッドの作製方法であり、
第１２に、前記第２のエッチングが結晶異方性エッチングであることを特徴とする第９〜１１の何れかに記載のインクジェット記録ヘッドの作製方法であり、
第１３に、前記犠牲層が多結晶シリコン膜よりなることを特徴とする第１０に記載のインクジェット記録ヘッドの作製方法であり、
第１４に、前記犠牲層が多孔質シリコンよりなることを特徴とする第１０に記載のインクジェット記録ヘッドの作製方法であり、
第１５に、前記基板の結晶方位面が（１００）であることを特徴とする第９〜１４の何れかに記載のインクジェット記録ヘッドの作製方法であり、
第１６に、前記（ｃ）工程の溝の形状が、開口部の面積に比べ、溝底面が広いことを特徴とする第８〜１５の何れかに記載のインクジェット記録ヘッドの作製方法からなる。

以上説明したように、本発明の発熱体を備えた基板上にインク流路及び吐出口が設けられたインクジェット記録ヘッドで、インクジェット記録ヘッドの基板をエッチングし前記基板の裏面側方向に梁を設けることにより、基板への膜の積層に伴う応力による変形、流路部材接合時の熱応力による変形等により生じる印字不良、ハンドリングによる基板の破損を回避できた。

また、基板裏面側に梁を設けることでインク供給口は各発熱体に対し共通となり、リフィル時間が各インク流路で一様となり、吐出の周波数特性が均一となつた。

また、基板裏面側に梁を形成したことで流路部材との接着面積を広げることができ、接着強度が向上した。

次に、本発明の詳細を実施例の記述に従って説明する。

以下に、本発明のインクジェット記録ヘッド及びその作製方法を説明する。

本発明のインクジェット記録ヘッドを図５〜図７に示す。図５、６、７は、夫々本発明のインクジェット記録ヘッドの斜視図、図５のＡ−Ａ断面図、図５のＢ−Ｂ断面図である。インクジェット記録ヘッドは、基板１と、発熱体２と、インク流路３と吐出口４を有するオリフィスプレート５からなり、基板１の表面には共通液室６からインク流路３へインクを供給するための開口部を設けることでインク供給口７が形成されている。さらに、基板１の裏面側に梁を設けてあり、この梁により、インクジェット記録ヘッドの長尺のインク供給口を設けたことに伴う機械的強度の低下を抑え、基板を変形し難くし、基板の変形に伴う突出口の位置ズレを低減することができる。

また、梁が基板裏面側に形成したことにより、基板表面は共通液室となり、これによりインク供給口も共通となりリフィルの低下がない。

梁は基板をエッチングし形成する。これにより梁と基板は一体形成された同一材料よりなり、接着剤を用いて接着する場合に比べて、外部の荷重に対する強度が向上し、接着剤のような中間層の厚みムラや塑性変形、経時変化による機械的強度の低下等を気にする必要がない。この結果、ハンドリング及び流路部材へのマウント時の破損を回避できる。ヘッドが梁を有していることにより、流路部材接合時の熱応力による基板の変形、破損を回避できる。

図８を用いて流路部材とインクジェット記録ヘッドとの接着時の効果を詳細に説明する（梁形状及び基板は原理を説明するために模式的に示してある）。図８（ａ）は本発明のインクジェット記録ヘッドの基板及び梁の構造を示す図６と同様の断面模式図である。図８（ｂ）は本発明のインクジェット記録ヘッドを説明するための、梁が基板厚み方向の中心付近にある断面比較図である。発明が解決しようとする課題にて記載した流路部材接合時の熱応力による基板１、２０１の変形、破損に関して、貼り合わせた後に樹脂からなる流路部材１３はシリコン基板に対し熱膨張率が大きく常温時に戻ったとき、収縮する。これにより、流路部材とヘッドの界面にせん断応力が発生する。本発明のインクジェット記録ヘッドでは梁８を構成する面の一つが基板１の裏面と同一平面にあり接着面積が広くせん断応力に強くなる。これに対し梁２０８が基板厚の中心位置に配置された場合には、図８（ａ）に比べ接着面積が小さくなりせん断応力に弱い。

また、梁が裏面側にあるため、流路部材１３との接着面積が広く取れ、せん断応力の有無に依らず流路部材との接着強度を上げることができる。

さらに、図１に示す従来のシリコン方位面が（１００）の基板を用いたインクジェット記録ヘッドに比べ、共通液室の側面がＶ字に折れ曲がる形状をとり、裏面開口部の寸法を狭くできるので、裏面の接着面積を広く取れている。

以上より本発明のインクジェット記録ヘッドは、良好な印字を可能にする高精細且つ高速な記録を行うことが可能なインクジェット記録ヘッドとなる。

また、梁及び基板の共通液室をシリコン異方性エッチングにより形成することで、梁及び基板を構成する面の一部が、シリコン結晶方位の（１１１）面よりなる。（１１１）面のアルカリ水溶液のエッチング速度が遅いことから、梁及び共通液室がアルカリ性のインクに対して腐蝕され難くなり、耐蝕性に優れた梁及び共通液室となる。

次に、本発明の作製方法の特徴を詳細に説明する。基板の表面にパッシベイション層を設け、裏面にエッチング工程でマスクとなるマスク層を形成する。発熱体及び発熱体を駆動するための電気的な配線、オリフィスプレートが設けられる。マスク層には、複数の開口部が形成されている。梁の形成工程は、基板裏面側から開口部を通じて第１のエッチングを行い溝を形成する工程と、次に形成した溝を第２のエッチングにて基板表面のインク供給口となるパッシベイション層下部の基板を除去する共に基板裏面側に梁形成する工程からなる。第２のエッチングにより、第１のエッチングにて複数の開口部に形成した溝が基板側面方向にエッチングされ、連通し、共通液室を形成する。

第２のエッチングの際に、パッシベイション層と流路となる部材とオリフィスプレートを含むメンブレンが形成される。パッシベイション膜は第２のエッチングに対して少なくともエッチング耐性を持つ材料からなる。また、第１のエッチングにて基板に溝を形成し、その溝がパッシベイション層に到達する場合には、パッシベイション層は第１のエッチング液に対してもエッチング耐性を有する必要がある。パッシベイション層の形成方法としては、従来公知の技術例えば真空蒸着法やスパッタ法、化学気相成長、鍍金法、薄膜塗布法等の薄膜作製技術を用いることが可能である。

第１のエッチングには、反応性イオンエッチング、等方性ウエットエッチング、イオンミーリング、エキシマレーザーやＹＡＧレーザー等を用いたレーザーアブレイション、サンドプラストによる物理的エッチング等を用いることができる。

ここで、第２のエッチングは、アルカリ水溶液からなるエッチャントによりシリコン結晶異方性エッチングであり、ＫＯＨ、ＥＤＰ、ＴＭＡＨ、ヒドラジン等の結晶面によるエッチング速度差を生じるエッチング液が用いられる。第２のエッチングがシリコン結晶異方性エッチングよりなることでインク供給口の幅の精度を保つことができる。第２のエッチングにより、第１のエッチングにて複数の開口部に設けた形成した溝が基板側面方向にエッチングされ、連通し、共通液室を形成する。

第２のエッチングにより、前記連通された共通液室を形成する方法として、パッシベイション下部に所望のインク供給口寸法となる寸法の犠牲層を設ける方法が用いられる。この場合に第２のエッチング液に対し等方性エッチングする材料より犠牲層を選択することで、第２のエッチング時に犠牲層と犠牲層下部のシリコンが同時エッチングされる。パッシベイション層下に開口長を決定する犠牲層を設け、該犠牲層上にパッシベイション層を形成することにより、基板裏面側からエッチングする場合、基板の厚み、基板内の結晶欠陥、ＯＦの角度バラツキ、及びエッチング液の濃度バラツキ等により生じる開口長バラツキを回避することができる。すなわち、犠牲層のパターンによりインク供給口の大きさを制御することが可能となる。

犠牲層に用いる材料として、シリコン結晶異方性エッチングに用いるエッチャントにて等方性エッチングできる材料であり、且つ薄膜形成できる材料であれば半導体、絶縁体、金属等様々な材料を利用できる。例えば、半導体であれば、多結晶シリコン、多孔質シリコン等、金属ではアルミニウム、絶縁体ではＺｎＯ等のアルカリ水溶液に容易に溶解可能な材料が好ましい。特に、多結晶シリコン膜はＬＳＩプロセスとのコンパチビリティーに優れており、プロセス再現性が高く犠牲層に好適である。犠牲層の厚みとしては薄膜形成可能な厚みであればよく、例えば、犠牲層に数百オングストローム程度の多結晶シリコンを用いた場合には、犠牲層の等方性エッチングと基板の異方性エッチングを同時に行うことができる。

本発明のインクジェット記録ヘッドは、気泡連通吐出方式において有効な構成となる。ここに記載した気泡連通吐出方式とは、吐出のためにインクを加熱することにより生成される膜沸騰による気泡を、吐出口近傍で外気に連通させて吐出を行うインクジェット記録方式であり、特開平２−１１２８３２号、特開平２−１１２８３３号、特開平２−１１２８３４号、特開平２−１１４４７２号等において提案されている方式である。連通吐出方式によれば、吐出口近傍への気泡成長を急激にしかも確実に行うことができるので、上記非遮断状態のインク路によるリフィル性も手伝って、高安定高速記録を達成できる。また、気泡と大気とを連通させることによって、気泡の消泡過程がなくなり、キャビテーションによるヒータや基板の損傷を防止することもできる。また、気泡連通吐出方式の基本的な作用として、気泡が生成される部位より吐出出口側にあるインクは原理的に全てインク液滴となって吐出されるということがある。このため、吐出インク量は、吐出出口から上記気泡生成部位までの距離等、記録ヘッドの構造によって定めることができる。この結果、上記気泡連通吐出方式によれば、インク温度の変化等の影響をそれほど受けずに吐出量の安定した吐出を行うことが可能となる。

サイドシュータ型インクジェット記録ヘッドは、オリフィスプレートの厚さによりインク突出口と発熱体との距離を容易に制御できる。気泡連通吐出方式では前記距離が突出インク量を決定する重要な因子の一つであることより、本発明のインクジェット記録ヘッドは、気泡連通吐出方式に好適な構造となる。

以上本発明のインクジェット記録ヘッド及びその作製方法を図９乃至図１２の工程図面を用いて詳細に説明する。

（第１実施例）
ｐｏｌｙ−Ｓｉ犠牲層
本実施例にて、図５に示した本発明のインクジェット記録ヘッドの本発明の第１の作製方法を説明する。

以下、本実施例の作製工程を図９、１０の工程断面図を用いて説明する。尚、図９、１０は図５におけるＢ−Ｂ線で切断したときの断面図として示されている。また、図面中、発熱体及び発熱体に通電（駆動パルスの印加）するための配線、及び各発熱体へのインク流路は省略し、基板の幅方向に梁を形成する工程のみを記載してある。

基板１として基板厚みが６２５μｍで結晶方位面が（１００）のシリコン基板を用いた。基板上に酸化ガスにて熱酸化し、基板表面及び裏面に二酸化シリコンを形成した。次いで、先ほど基板表面に形成された二酸化シリコンのインク供給口に当る部分をバッファード弗酸により除去した。この後、犠牲層にＬＰＣＶＤ(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)により多結晶シリコン膜（以下ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜）を成膜し、フォトリソグラフィプロセスとＣＦ₄ガスを用いた反応性イオンエッチング（以下ＲＩＥと記す）により図９（ａ）に示す犠牲層１１を形成し、続いて窒化シリコン膜をＬＰＣＶＤ(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法にて形成しパッシベイション層１２を形成した。基板裏面に形成された窒化シリコン膜はＣＦ₄ガスを用いた反応性イオンエッチングにより除去し二酸化シリコンを露出した。この二酸化シリコンを基板裏面のマスク層９として用い、フォトリソグラフィプロセスにより形成したフォトレジストをマスクとして、ＣＦ₄ガスを用いた反応性イオンエッチングを行い、フォトレジストを剥離し、シリコンが露出した開口部１４を形成した。

開口部と犠牲層の寸法は、裏面より第２のエッチングによりシリコン基板をシリコン結晶異方性エッチングにより貫通した際の開口寸法に比べて犠牲層寸法が大きくなるようにした。この後、図９（ａ）に示すように、後工程にて除去することによりインク流路となる樹脂層１０を設け、さらに樹脂層１０上部に吐出口を有するオリフィスプレート５を設けた。次に、第１のエッチングとして、裏面よりＳＦ₆ガスを用いた反応性イオンエッチングを行い、開口部と略同一の寸法で垂直な溝を形成した。溝の深さは５００μｍであり、マスク層は反応性イオンエッチング後も残存していた（図９（ｂ））。

なお、第１のエッチングを垂直にエッチングしたが、特に垂直でなくとも良く、エッチングされた溝の底面が開口部より小さい或いは大きい場合（テーパ形状）、本発明上で特に問題は生じない。

次に、第２のエッチングとなるシリコーン結晶異方性エッチングを行った。

ここで、隣接する開口部の溝同士が連通する条件として、図９（ｄ）の第２のエッチングが犠牲層に到達することが必要であり、到達しない場合には（１１１）で終端された面よりなる断面がひし形の溝が形成されることとなる。第２のエッチングにて犠牲層に到達できるよう、第１のエッチングの溝の深さと開口部の寸法を適切に選ぶ必要がある。

第２のエッチングでは、開口部１４からＴＭＡＨによりシリコン基板をエッチングすることで、溝に（１１１）面が現れ（図９（ｃ））、この後ＴＭＡＨによるエッチングが犠牲層１１に到達し、犠牲層を等方性エッチングし（図９（ｄ））、同時に犠牲層下部のシリコンもエッチングされていく。この時、図１０（ａ）中の基板の左右のパッシベイション層下部に犠牲層はなく、シリコンの側面は折れ曲がった（１１１）面で停止する。犠牲層下部のシリコンはその後もエッチングされ図１０（ｂ）に示すように隣接する開口部同士が基板内部で連通する。第２のエッチングを続けると犠牲層下部のシリコンは完全に除去され共通液室及びインク供給口が形成される（図１０（ｃ））。この時の梁８の厚さは１５０μｍであった。

最後に裏面より開口部を通じてパッシベイション層をＣＦ₄ガスを用いた反応性イオンエッチングにより除去し、さらに樹脂層１０を溶解する溶媒により除去してインク流路を形成し、本発明の図５に示すインクジェット記録ヘッドを作製することができた（図１０（ｄ））。

比較のため、図９及び図１０の工程にて開口部が１つで、本実施例と吐出エレメント寸法が等しい、図１に示す従来例のインクジェット記録ヘッドを作製した。図１のインク供給口の幅方向に基板が破損するまで荷重を与える破壊試験を行った。この時の破損した荷重と等しい荷重を本発明のインクジェット記録ヘッドに加えたところ、基板の破損は見られなかった。本発明の作製方法で作製した本発明のインクジェット記録ヘッドでは基板に梁が形成してあり、梁のないヘッドに比べて機械的強度が向上していた。

本発明のインクジェット記録ヘッドでは梁８を構成する面の一つが基板１の裏面と同一平面にあるため、従来と比べて接着面積が広く流路部材との接着強度も向上していた。

本発明のインクジェット記録ヘッドにより、印字を行ったところ、インク供給口から発熱体までの距離が略等しく、各ヘッドでのリフィル時間がほとんど差のない、リフィル特性に関し均一な周波数特性を得ることができた。

以上より本発明のインクジェット記録ヘッドは、良好な印字を可能にする高精細且つ高速な記録を行うことが可能なインクジェット記録ヘッドであった。

（第２実施例）
多孔質Ｓｉ埋め込み層
本実施例にて、図５に示した本発明のインクジェット記録ヘッドの本発明の第２の作製方法を説明する。

以下、本実施例の作製工程を図１１の工程断面図を用いて説明する。尚、図１１は図５におけるＢ−Ｂ線で切断したときの断面図として示されている。また、図面中、発熱体及び発熱体に通電（駆動パルスの印加）するための配線、及び各発熱体へのインク流路は省略し、基板の幅方向に梁を形成する工程のみを記載してある。

基板２１としてｐ型で抵抗率が０．０２Ω・ｃｍ、厚みが６２５μｍ、結晶方位面が（１００）のシリコン基板を用いた。基板上に酸化ガスにて熱酸化し、基板表面及び裏面に二酸化シリコンを形成した。続いて窒化シリコン膜をＬＰＣＶＤ(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法にて形成した。次いで、先ほど基板表面に形成された窒化シリコン膜と二酸化シリコンのインク供給口に当る部分をフォトリソグラフィプロセスとエッチングにより除去した。エッチングは夫々の膜に対してＣＦ₄による反応性イオンエッチング及びバッファード弗酸である。次に、多孔質シリコン３１からなる犠牲層を次のようにして形成した。まず、弗酸（４９％）：水：エタノール＝１：１：１の溶液に窒化シリコン膜が設けてあるシリコン基板２１を浸し、陽極化成を行った。この時、シリコン基板と対向電極の間に３０ｍＡ／ｃｍ²の電流を流した。多孔質化の速度は２μｍ／ｍｉｎであり、１００μｍ深さの埋め込み犠牲層となる多孔質シリコン３１を形成した。そして、この後に、表面の窒化シリコン膜をＣＦ₄による反応性イオンエッチングにて除去した。続いて窒化シリコン膜をＰ−ＣＶＤ(Plasma Chemical Vapor Deposition)法にて形成しパッシベイション層３２を形成した。基板裏面に形成された窒化シリコン膜はＣＦ₄ガスを用いた反応性イオンエッチングにより除去し二酸化シリコンを露出した。この二酸化シリコンを基板裏面のマスク層２９として用い、フォトリソグラフィプロセスにより形成したフォトレジストをマスクとして、ＣＦ₄ガスを用いた反応性イオンエッチングを行い、フォトレジストを剥離し、シリコンが露出した開口部３４を形成した。

この後、後工程にて除去することによりインク流路用の樹脂層３０を設け、さらに樹脂層３０上部に吐出口を有するオリフィスプレート２５を設けた。次に、第１のエッチングとして、裏面よりＳＦ₆ガスを用いた反応性イオンエッチングを行い、開口部と略同一の寸法で垂直な溝を形成した。エッチングは溝が多孔質シリコンに至るまで行い、図１１（ｂ）に示す溝を形成した。マスク層は反応性イオンエッチング後も残存していた。

なお、第１のエッチングを垂直にエッチングしたが、特に垂直でなくとも良く、エッチングされた溝の底面が開口部より小さい或いは大きい場合（テーパ形状）、本発明上で特に問題は生じない。

次に、第２のエッチングとなるシリコン結晶異方性エッチングを行った。多孔質シリコンはシリコンの結晶軸異方性エッチング液にて等方性エッチングされる。

第２のエッチングでは、開口部３４からＴＭＡＨによりシリコン基板をエッチングすることで、溝に（１１１）面が現れ、同時に多孔質シリコン３１を等方性エッチングし（図１１（ｃ））、さらにエッチングを進めることにより多孔質シリコンとその下部のシリコンがエッチングされていく。この時、図１０（ａ）中に示すように基板の左右のパッシベイション層下部に犠牲層である多孔質シリコンがなく、シリコンの側面は折れ曲がった（１１１）面で停止した（図１１（ｄ））。シリコン結晶異方性エッチングにより図１１（ｄ）に示すように隣接する開口部同士が基板内部で連通した。この結果、共通液室２６及びインク供給口が形成され、且つ梁２８を有する基板が形成された。

最後に裏面の開口部を通じてパッシベイション層をＣＦ₄ガスを用いた反応性イオンエッチングにより除去し、さらに樹脂層を溶解する溶媒で除去してインク流路を形成し、本発明の図５に示すインクジェット記録ヘッドを作製することができた（不図示）。

比較のため、第１実施例と同様に図９、及び図１０の工程にて開口部が１つで、本実施例と吐出エレメント寸法が等しい、図１の従来例のインクジェット記録ヘッドを作製した。図１のインク供給口の幅方向に基板が破損するまで荷重を与える破壊試験を行った。この時の破損した荷重と等しい荷重を本発明のインクジェット記録ヘッドに加えたところ、基板の破損は見られなかった。本発明の作製方法で作製した本発明のインクジェット記録ヘッドでは基板に梁が形成してあり、梁のないヘッドに比べて機械的強度が向上していた。

本発明のインクジェット記録ヘッドでは梁２８を構成する面の一つが基板２１の裏面と同一平面にあるため、従来と比べて接着面積が広く流路部材との接着強度も向上している。

本発明のインクジェット記録ヘッドにより、印字を行ったところ、インク供給口から発熱体までの距離が略等しく、各ヘッドでのリフィル時間がほとんど差のない、リフィル特性に関し均一な周波数特性を得ることができた。

以上より本発明のインクジェット記録ヘッドは、良好な印字を可能にする高精細且つ高速な記録を行うことが可能なインクジェット記録ヘッドであった。

ところで、以上の方法により形成した多孔質シリコンは弗酸を含むエッチング液を用いても、シリコンの多孔質層とシリコン基板のエッチング速度の違いにより多孔質層のみを高速で選択的にエッチングすることができる。図１１（ｂ）の工程の後に、弗酸を含むエッチング液により多孔質シリコン層を除去した後に、第２のエッチングを行ってもよい。多孔質シリコンのエッチング液としては、弗酸系のエッチング液として、弗酸＋過酸化水素酸（Ｈ₂Ｏ₂）、弗酸＋Ｈ₂Ｏ₂＋アルコール、バッファード弗酸（ＨＦとＮＨ₃Ｆとの混合液）、バッファード弗酸＋Ｈ₂Ｏ₂、バッファード弗酸＋Ｈ₂Ｏ₂＋アルコール、が利用できる。

また、梁直上の発熱体でリフィル特性の周波数特性が低減しない程度の多孔質シリコンの厚みを得ることが可能であれば、多孔質シリコンが除去された段階でシリコン結晶異方性エッチングを停止してもよい。

（第３実施例）
本実施例にて、図５に示した本発明のインクジェット記録ヘッドの本発明の第３の作製方法を説明する。本実施例では犠牲層を用いない例を説明する。

以下、本実施例の作製工程を図１２の工程断面図を用いて説明する。尚、図１２は図５におけるＢ−Ｂ線で切断したときの断面図として示されている。また、図面中、発熱体及び発熱体に通電（駆動パルスの印加）するための配線、及び各発熱体へのインク流路は省略し、基板の幅方向に梁を形成する工程のみを記載してある。

基板４１として基板厚みが６２５μｍで結晶方位面が（１００）のシリコン基板を用いた。基板上に酸化ガスにて熱酸化し、基板表面及び裏面に二酸化シリコンを形成した。次いで、裏面にフォトリソグラフィプロセスとバッファード弗酸により開口部を有するマスク層４９を形成した。マスク層４９をマスクとして、開口部を通じてＳＦ₆ガスを用いた反応性イオンエッチングを行い、開口部と略同一の寸法で垂直な溝を形成した（図１２（ａ））。

次に、ＬＰＣＶＤ(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法にて基板の表面と裏面にパッシベイション層５２及び第２マスク層５１となる窒化シリコン膜を形成した。この後、後工程にて除去することによりインク流路用樹脂層５０を設け、さらに樹脂層５０上部に吐出口を有するオリフィスプレート４５を設けた（図１２（ｂ））。

次に、図１２（ｃ）に示すようにフォトリソグラフィプロセスとＣＦ₄による反応性イオンエッチングにより裏面の開口部の第２マスク層である窒化シリコン膜を部分的に除去し、シリコンを露出した。次に、フッ酸と硝酸との混合水溶液により、露出した裏面開口部のシリコンを図１２（ｄ）のような等方性エッチングを行った。次に、ＣＦ₄による反応性イオンエッチングにより裏面の第２マスク層である窒化シリコン膜を除去した。

次に、第２のエッチングとなるシリコン結晶異方性エッチングを行った。

ここで、犠牲層を用いない本実施例では隣接する開口部の溝同士が連通する条件として、以下の数１を満たす必要がある。

［数１］
ｄ＜２×ｔ／ｔａｎ（５４．７°）
ｄは、図１２（ｅ）に示す開口部の間隔、ｔは用いた基板の厚みである。数１中の５４．７°は（１１１）面と（１００）面との成す角度である。数１は図中の破線で引いた裏面側の頂点の高さ（ｍ）が少なくとも基板厚みより短い条件であることを示している。これにより、シリコン異方性エッチングを行うと破線の頂点が基板内部に形成され犠牲層を用いずとも基板表面に梁が形成されることはなくなる。すなわち、裏面のみに梁構造が形成されることとなる。

第２のエッチングでは、開口部５４からＴＭＡＨによりシリコン基板をエッチングすることで、溝に（１１１）面が現れ（図１２（ｅ））、隣接する開口部同士が基板内部で連通する。さらに第２のエッチングを続けると表面のパッシベイション層５２の下部のシリコンは完全に除去され共通液室及びインク供給口が形成される（図１２（ｆ））。

ここで、図１２（ｄ）で等方性エッチングの深さ及びサイドエッチングにより図１２（ｅ）の破線で示した裏面側の頂点と表面側の頂点の夫々の面からの距離ｎ、ｍが、以下の数２を満たす必要がある。この条件により、裏面のみに梁を残すことが可能となる。

［数２］
ｎ＜ｍ
最後に裏面よりパッシベイション層５２をＣＦ₄ガスを用いた反応性イオンエッチングにより除去し、樹脂層５０を溶解することでインク流路を形成し、梁４８を有する本発明の図５に示すインクジェット記録ヘッドを作製することができた。

数１及び数２を満たすことで、本発明の作製方法で作製した本発明のインクジェット記録ヘッドでは基板の裏面側に梁が形成でき、梁のないヘッドに比べて機械的強度が向上していた。

本発明のインクジェット記録ヘッドでは梁４８を構成する面の一つが基板４１の裏面と同一平面にあるため、従来と比べて接着面積が広く流路部材との接着強度も向上していた。

本発明のインクジェット記録ヘッドにより、印字を行ったところ、インク供給口から発熱体までの距離が略等しく、各ヘッドでのリフィル時間が略等しく、リフィル特性に関し均一な周波数特性を得ることができた。

以上より本発明のインクジェット記録ヘッドは、良好な印字を可能にする高精細且つ高速な記録を行うことが可能なインクジェット記録ヘッドであった。

従来のインクジェット記録ヘッドの長尺化に伴う課題を説明する正面図である。 従来のインクジェット記録ヘッドの長尺化に伴う基板の変形を説明する正面図である。 従来のインクジェット記録ヘッドの長尺化に伴うオリフィスプレートの変形を説明する正面図である。 従来のインクジェット記録ヘッドの長尺化に伴う課題を説明する正面図（ａ）と断面図（ｂ）である。 本発明のインクジェット記録ヘッドを説明する斜視図である。 本発明のインクジェット記録ヘッドを説明する図５のＡ−Ａ断面図である。 本発明のインクジェット記録ヘッドを説明する図５のＢ−Ｂ断面図である。 本発明のインクジェット記録ヘッドを説明する模式図である。 本発明の第１のインクジェット記録ヘッドの作製方法を示す工程図である。 本発明の第１のインクジェット記録ヘッドの作製方法を示す工程図である。 本発明の第２のインクジェット記録ヘッドの作製方法を示す工程図である。 本発明の第３のインクジェット記録ヘッドの作製方法を示す工程図である。

符号の説明

１、２１、４１ 基板
２ 発熱体
３ インク流路
４ 吐出口
５、２５、４５ オリフィスプレート
６、２６、４６ 共通液室
７ インク供給口
８、２８、４８ 梁
９、２９、４９ マスク層
１０、３０、５０ 樹脂層
１１ 犠牲層
１２、３２、５２ パッシベイション層
１４、３４、５４ 開口部
３１ 多孔質シリコン
５１ 第２マスク層
１０１ 基板
１０２ 共通液室
１０３ インク供給口
１０４ 吐出口
１０５ オリフィスプレート
１０６ インク液滴
２０１ 基板
２０８ 梁

Claims (16)

1. 共通液室とインクを加熱して気泡を生成するための発熱体を有する基板と、該基板上にインクを吐出する吐出口を有するオリフィスプレートを備え、該オリフィスプレートの突出口から該基板面に対して垂直方向にインク液滴を突出するインクジェット記録ヘッドにおいて、前記共通液室内に梁を有することを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. 前記基板がシリコン単結晶体よりなる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。
3. 前記梁がシリコン単結晶体よりなることを特徴とする請求項２に記載のインクジェット記録ヘッド。
4. 前記梁が基板下面にあることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のインクジェット記録ヘッド。
5. 前記梁を構成する面の一つが基板裏面と同一平面にあることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のインクジェット記録ヘッド。
6. 前記梁を構成する２つの面のシリコン結晶方位が（１１１）よりなることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のインクジェット記録ヘッド。
7. 前記共通液室を構成するシリコン結晶方位が（１１１）面よりなることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載のインクジェット記録ヘッド。
8. 発熱体を表面に有する基板と該基板表面上に設けたインクを吐出する吐出口を有するオリフィスプレートを備えたインクジェット記録ヘッドの作製方法において、
   （ａ）前記基板表面にパッシベイション層を形成する工程
   （ｃ）前記基板裏面に複数開口部を有するマスク層を形成する工程
   （ｂ）該開口部より基板をエッチングし溝を形成する第１のエッチング工程
   （ｃ）基板面に垂直方向に貫通孔を形成すると共に隣接する前記溝を連通する連通孔を形成する第２のエッチング工程
   （ｄ）パッシベイション層を裏面より除去する工程
   少なくとも（ａ）〜（ｄ）の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作製方法。
9. 前記基板が単結晶シリコンからなることを特徴とする請求項８に記載のインクジェット記録ヘッドの作製方法。
10. 前記（ａ）工程に用いる基板表面の一部に第２のエッチング工程により等方性エッチングする犠牲層を形成することを特徴とする請求項８〜９の何れかに記載のインクジェット記録ヘッドの作製方法。
11. 前記（ｃ）工程にて、基板と犠牲層が同時にエッチングされることを特徴とする請求項８〜１０の何れかに記載のインクジェット記録ヘッドの作製方法。
12. 前記第２のエッチングが結晶異方性エッチングであることを特徴とする請求項９〜１１の何れかに記載のインクジェット記録ヘッドの作製方法。
13. 前記犠牲層が多結晶シリコン膜よりなることを特徴とする請求項１０に記載のインクジェット記録ヘッドの作製方法。
14. 前記犠牲層が多孔質シリコンよりなることを特徴とする請求項１０に記載のインクジェット記録ヘッドの作製方法。
15. 前記基板の結晶方位面が（１００）であることを特徴とする請求項９〜１４の何れかに記載のインクジェット記録ヘッドの作製方法。
16. 前記（ｃ）工程の溝の形状が、開口部の面積に比べ、溝底面が広いことを特徴とする請求項８〜１５の何れかに記載のインクジェット記録ヘッドの作製方法。

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