JP2008000958A - インクジェット記録ヘッド、該ヘッド用基板およびそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造中に基板の反りや亀裂、破損等が発生することなく、かつ精度の高い記録ヘッドを提供できるようにすること
【解決手段】シリコン基体１０１にポーラスシリコン層１０２を形成し、その上にインクジェット記録ヘッドの構成要素となる各層を形成し、吐出口１０９を形成した後にシリコン基体１０１を切り離し、その後にインク供給口を形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、インクジェット記録装置に用いられるインクジェット記録ヘッド、該ヘッド用基板およびそれらの製造方法に関する。

インクジェット記録装置に用いられるインクジェット記録ヘッドは、種々の方式によりインク滴を形成、吐出するものが知られている。なかでも、インクを吐出するために利用するエネルギとして、熱を利用するインクジェット記録ヘッド（以下、単に記録ヘッドともいう）は、高密度のマルチノズル化を比較的容易に実現でき、高解像度、高画質で、また高速な記録を可能とするものである。

このような記録方式のインクジェット記録ヘッドには、複数の吐出口が設けられており、その吐出口に連通する液路それぞれに、発熱部（ヒータ）が設けられ、これらが記録素子を構成している。そして、そのヒータの発熱抵抗体に記録信号に応じた電気エネルギを選択的に印加することによって生ずる熱エネルギを利用して、熱作用面上のインクを急激に加熱し、膜沸騰を生じさせ、その際に発生する気泡の圧力によって吐出口からインクを吐出する。

図１は、一般的に用いられているインクジェット記録ヘッドを模式的に表わした斜視図である。インクジェット記録ヘッド１のシリコン基板６上には、複数の吐出口２と、各吐出口２に連通した液路３と、液路３に設けられたヒータ４と、各液路３にインクを供給するインク供給口５がそれぞれ設けられている。

かかるインクジェット記録ヘッド（以下、単に記録ヘッドともいう）は、一般に次のような製造工程を経て作成される。すなわち、シリコン基板６となる基体を用意し、ヒータなどが形成される面に向け、反対側の面から異方性エッチング等によって供給口を貫通させる。次に、ヒータ４やその駆動のためのマトリックス配線および駆動用ＩＣ基体上に形成してシリコン基板６を作製する。次に、ヒータ４に対応して吐出口２や液路２のパターン等を形成するノズル形成部材を基板に接合することで、記録ヘッド１を完成する。

このようなインクジェット記録ヘッド１による記録品位は、記録ヘッドの精度に左右される。特に、記録ヘッド１に複数設けられた吐出口２およびインク供給口５の不揃いや、記録ヘッド１に用いられるシリコン基板６に反りが有る場合、記録ヘッド１から吐出されるインクを記録媒体の所望の位置に着弾させることができず、その結果、記録品位は低下する。

そこで、これらの吐出口２やインク供給口５をエッチングやフォトリソグラフィ技術を用いて高精度、高密度に形成する方法が提案されている（特許文献１、特許文献２）。

特開平５−３３００６６号公報 特開平６−２８６１４９号公報

しかし前述のような記録ヘッドの精度には、記録ヘッドの構成要素である、インク供給口を形成するシリコン基板（以下、単に基板ともいう）の厚さも大きく影響している。基板を薄くした場合、ヒータ等の製造工程で加えられる熱によって基板に反りや亀裂、破損等が発生し易く、吐出口形成工程において基板のハンドリングに注意が必要になる。つまり、基板には、これらを勘案した所要の厚さが必要となるが、厚さが過大であると、エッチング工程における供給口の形成精度が低下し、吐出性能のバラツキが大きくなる。その結果、このようにして製造された記録ヘッドでは高い記録品位を実現できなくなる恐れがある。また基板の厚さが大きい場合には、エッチングに要する時間が長くなることから加工コストが増大する。さらに、厚さの大きい基板に対し、ヒータが形成される面とは反対側の面から異方性エッチングによって供給口を開口する場合、エッチングを開始する面の開口面積が大きくなり、その結果、基板平面方向のサイズを大きくしなければならない。

そこで、吐出口等の形成後に基板を薄くすることも考えられる。この場合、その薄化する方法は機械的に行うものと化学的に行うものとの２種類の方法がある。機械的に行う場合、切削することで基板を薄化させるが、その際にシリコンの削り粉が発生するために、その後の工程で削り粉を除去するための洗浄が必要になり、予め形成されている吐出口などを洗浄中保護するための、洗浄液に耐え得る保護材が必要になる。また、化学的に薄化を行う場合には、シリコンをエッチングする際のエッチング液が吐出口等に触れることから、その部分にエッチング液に耐え得る保護材による保護が必要になる。

よって本発明は、製造中に基板の反りや亀裂、破損等が発生することなく、かつ精度の高い記録ヘッドを提供できるようにすることを目的とする。

そのため本発明のインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法は、通電に応じてインクを吐出するために利用される熱エネルギを発生する発熱部を有するインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法であって、
シリコンの基体上にポーラスシリコン層を設ける工程と、
前記ポーラスシリコン層上に単結晶シリコン層を配置する工程と、
前記単結晶シリコン層の一方の面上に前記記録素子となる部分を形成する工程と、
を具えていることを特徴とする。

また、本発明のインクジェット記録ヘッド用基板は、上記製造方法によって製造されることを特徴とする。

また、本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法は、上記のインクジェット記録ヘッド用基板を用意する工程と、前記ポーラスシリコン層の部位で前記基体を切り離す工程と、前記記録素子にインクを供給するための供給口を形成する工程と、を具えたことを特徴とする。

また、本発明のインクジェット記録ヘッドは、上記のインクジェット記録ヘッドの製造方法によって製造されることを特徴とする。

本発明によれば、シリコン基体にポーラスシリコン層を形成してから、その上に記録ヘッドの主要部となる部分を形成するようにした。従って、ヒータ等の形成工程で加わる熱によって反りや亀裂、破損等が発生しない厚さを基板に確保することができる。また、その後にポーラスシリコン層の部分でシリコン基体を分離することで記録ヘッドを作製することにより記録ヘッドを薄くでき、インク供給口の形成精度ひいては記録ヘッドの精度を向上することができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。なお、以下の説明では，同一の機能を有する構成には図面中同一の番号を付与し、その説明を省略する場合がある。

本実施形態は、図１に示したような記録ヘッドを、図２から図３（ｅ）３工程を経て作製するものである。以下図に従って順に説明する。
まず、図２を参照して、本発明のインクジェットヘッド用基板の製造方法を説明する。

図２（ａ）は、シリコンの基体１０１にポーラスシリコン層１０２を形成した状態を表した図である。本実施形態では、シリコン基体１０１の片面に減圧化学蒸着法を用いてＳｉＮを０．５μｍ形成し、フッ化水素溶液中で陽極化成を行うことで、ＳｉＮを形成した面と反対の面にポーラスシリコン層１０２が形成される。本実施形態では、シリコン基体１０１は５００μｍの厚さのものを用い、陽極化成後にはその５００μｍの厚さ内の表面部分に６０μｍにポーラスシリコン層が形成されるものとした。陽極化成条件は、電流密度を３０ｍＡ・ｃｍ^−２、陽極化成溶液としてフッ化水素：水：Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ＝１：１：１の比率の溶液を用い、時間は３６分、多孔率は５６％とした。

本実施形態で用いたシリコン基体１０１の厚さは５００μｍであるが、この厚さに限定されるものではない。しかし、厚さが薄い場合、反り等が発生することが考えられることから、シリコン基体１０１の厚さは３００μｍ以上であることが好ましい。また、シリコン基体１０１に形成するポーラスシリコン層１０２について、本実施形態においては厚さを６０μｍとしたが、これに限定されるものではない。しかし、ポーラスシリコン層１０２をあまり厚くすると、製造中の基板がもろくなることが懸念されることから、ポーラスシリコン層１０２を形成する厚さは、２０μｍから１００μｍであることが望ましい。

図２（ｂ）は、図２（ａ）のポーラスシリコン層１０２の上に単結晶シリコン層１０３を形成した状態を表した図である。本実施形態では、ポーラスシリコン層１０２の上に減圧化学蒸着法を用いて厚さ５０μｍの単結晶シリコン層１０３を形成した。形成時の条件は、ソースガス：ＳｉＨ_４、キャリアガス：Ｈ_２、温度：８５０℃、圧力：１Ｐａ、成長時間：２５０分、とした。

図２（ｃ）は、図２（ｂ）の単結晶シリコン層１０３の上に蓄熱層１０４を形成した状態を表した図である。本実施形態では、単結晶シリコン層１０３の上に減圧化学蒸着法を用いて厚さ１．５μｍのＳｉＯ_２の蓄熱層１０４を形成した。

図２（ｄ）は、図２（ｃ）の蓄熱層１０４の上に発熱部１０５を形成した状態を表した図である。本実施形態では、蓄熱層１０４の上にスパッタ法を用いてＴａＮの発熱抵抗体層およびＡｌの電極層を成膜した後、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングを行い、サイズが３０μｍ×３０μｍの発熱部１０５と不図示の電極部を形成した。なお、発熱部１０５は図１におけるヒータ４に対応するものである。

図２（ｅ）は、図２（ｃ）の蓄熱層１０４および図２（ｄ）の発熱部１０５の上に保護層１０６を形成した状態を表した図である。本実施形態では、蓄熱層１０４および発熱部１０５の上に、プラズマ化学蒸着法を用いて厚さ１．０μｍのＳｉＯ_２の保護層１０６を形成した。この段階で形成されたものがインクジェット記録ヘッド用基板と称するものである。

次いで、図３を参照して、本発明のインクジェット記録ヘッド用基板を用いたインクジェット記録ヘッドの製造方法について説明する。

図３（ａ）は、図２（ｅ）で形成されたインクジェット記録ヘッド用基板の保護層１０６の上にポジ型のレジストを塗布し、露光・現像を経て所望のパターン１０７を形成した状態を表した図である。

図３（ｂ）は、図３（ａ）のパターン１０７および保護層１０６の上に吐出口を形成した状態を表した図である。本実施形態では、ノズル材としてエポキシ樹脂を含んだネガ型感光性樹脂を３０μｍの厚さに塗布し、その層１０８の下層部の発熱部１０５の位置に対応づけて露光・現象を施すことで、直径２５μｍの吐出口１０９を形成した。ここでノズル材として用いられるネガ型感光性樹脂については、エポキシ樹脂以外の公知の樹脂材料を適宜用いることができる。

図３（ｃ）は、図３（ｂ）のようにインクジェット記録ヘッド用基板に吐出口１０９を形成したものからシリコン基体１０１を取り除いた状態を示した図である。本実施形態では、シリコン基体１０１と単結晶シリコン層１０３との間に位置するポーラスシリコン層１０２の部分に対し、ウォータージェット切断加工を実施することでシリコン基体１０１を切断した。本実施形態のインクジェット記録ヘッド用基板ではポーラスシリコン層１０２が形成されており、この部分は他の部分と比較してもろくなっているため、ウォータージェットによって容易に切断することができる。ここで用いるウォータージェット切断加工は超高水圧の水を小径ノズルから噴射して切断を行うもので、加工時に熱の発生が無いため加工物に反りが発生する恐れがない。また、加工時に粉塵の発生も無いため後工程で洗浄する必要が無い。

切断後、単結晶シリコン層１０３にポーラスシリコン層１０２の一部が残るが、この残ったポーラスシリコンはエッチング液（硝酸、硫酸、リン酸、フッ酸の混合液）によってエッチングすることで取り除くことが可能である。これは、単結晶シリコンよりもポーラスシリコンのエッチング速度が１００倍速いことから、このポーラスシリコンと単結晶シリコンとのエッチング速度の違いを利用してエッチング時間の調整を行うことで、ポーラスシリコンだけを除去することができる。

図３（ｄ）は、インクジェット記録ヘッド用基板からシリコン基体を取り除いたものに、インク供給口を形成した状態を示した図である。本実施形態では、吐出口１０９を形成した単結晶シリコン層１０３の面と反対の面、すなわちポーラスシリコンの除去によって露出した面に、フォトリソグラフィ技術を用いてマスクパターンを形成し、エッチングによってインク供給口１１０を形成した。このインク供給口によって各吐出口へインクが供給される。

図３（ｅ）は、型材であるポジ型レジストのパターン１０７を取り除いた状態を示した図である。ポジ型のレジストは溶剤によって溶解可能であるので、溶剤に浸漬させてポジレジストを除去することで、図のような共通インク室を形成することが可能である。この段階で形成されたものがインクジェット記録ヘッドと称するものである。

以上のように、本実施形態では、シリコン基体１０１にポーラスシリコン層１０２を形成し、その上に最終的にインクジェット記録ヘッドの構成要素となる各層を形成している。そして、吐出口１０９を形成した後にシリコン基体１０１を切り離し、その後にインク供給口を形成する。こうすることで、高精度で短時間に吐出口を形成することができ、反りや亀裂、破損等が発生せずに記録ヘッドおよび記録ヘッド用基板を作製することができた。

なお、本実施形態において形成したポーラスシリコンは多孔率５６％としたが、この数値に限定されるものではなく、２０％から８０％の間であれば本実施形態のようにウォータージェットを用いて切断することができる。

また、各材料の厚さに関しても本実施形態で説明した数値に限定されるものではない。しかし、基板の強度やインク供給口の加工精度を考慮すれば、シリコン基体１０１を取り除き、ポーラスシリコン層１０２の少なくとも一部が除去された後の厚さで、５０μｍから１００μｍの厚さであることが望ましい。

一般的に用いられているインクジェット記録ヘッドを模式的に表わした斜視図である。 （ａ）から（ｅ）は、本発明のインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法を示す模式的断面図である。 （ａ）から（ｅ）は、本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法の一例を示す模式的断面図である。

符号の説明

１０１ シリコン基体
１０２ ポーラスシリコン層
１０３ 単結晶シリコン層
１０４ 蓄熱層
１０５ 発熱部
１０６ 保護層
１０９ 吐出口
１１０ インク供給口

Claims (8)

1. 通電に応じてインクを吐出するために利用される熱エネルギを発生する発熱部を有するインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法であって、
   シリコンの基体上にポーラスシリコン層を設ける工程と、
   前記ポーラスシリコン層上に単結晶シリコン層を配置する工程と、
   前記単結晶シリコン層の一方の面上に前記記録素子となる部分を形成する工程と、
   を具えることを特徴とするインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法。
2. 前記シリコン基体は３００μｍ以上の厚さであ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用基板の製造方法。
3. 前記ポーラスシリコン層は２０μｍから１００μｍの厚さであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかの方法により製造されてなるインクジェット記録ヘッド用基板。
5. 請求項４に記載のインクジェット記録ヘッド用基板を用意する工程と、
   前記ポーラスシリコン層の部位で前記基体を切り離す工程と、
   前記発熱部にインクを供給するための供給口を形成する工程と、
   を具えた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。
6. 前記切り離し工程によって露出する前記単結晶シリコン層の他方の面から前記一方の面までエッチングを行うことで、前記供給口を形成することを特徴とする請求項５に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。
7. 前記切り離しをウォータージェットによって行うことを特徴とする請求項６に記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。
8. 請求項５ないし請求項７に記載の製造方法によって製造されたインクジェット記録ヘッド。
   

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