JP2961693B2

JP2961693B2 - インクジェットのプリントヘッド

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Publication number: JP2961693B2
Application number: JP10004951A
Authority: JP
Inventors: ファリド・マタ
Original assignee: HP Inc
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1997-01-21
Filing date: 1998-01-13
Publication date: 1999-10-12
Anticipated expiration: 2018-01-13
Also published as: US6183067B1; JPH10202915A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般にインクジェット
のプリントヘッドに関し、より詳細には、液体インクを
プリントヘッドから発射する機構の形成に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱インクジェットのプリントヘッドは、
そこからインクが紙のシートその他の媒体上に発射され
る開口部を有する、整列されたインク発射チャンバを含
む。それぞれのインク発射チャンバは、熱アクチュエー
タ、すなわち抵抗ヒータと整列している。アクチュエー
タを通って電流が流れることによって、発射チャンバ内
のインクの一部が気化し、インク滴が開口部を通って噴
出する。開口部は、プリントヘッドの表面に沿って、直
線になった列をいくつか並べた形に配置されている。

【０００３】図１２を参照して、従来技術の熱インクジ
ェットのプリントヘッドを、シリコン基板１０およびポ
リマーのバリアー層１２を含むものとして簡略的に示
す。シリコン基板上には、抵抗器層１４およびメタライ
ゼーション層１６(metallization layer 16)が形成され
ている。抵抗器層は、インク発射アクチュエータ１８の
寸法および位置を規定するようにパターン形成されてい
る。図１２には示していないが、メタライゼーション層
はアクチュエータを超えて延びており、アクチュエータ
への制御信号の電気的通路を提供している。メタライゼ
ーション層の上には、パシベーション層２０が配置され
ており、ポリマーのバリアー層１２はこのパシベーショ
ン層に取り付けられている。ポリマーのバリアー層は、
熱アクチュエータ１８を露出したインク発射チャンバを
含むようにパターン形成されている。バリアー層１２
は、インク供給チャネルから液体を伝達する開いた側２
２を含む。

【０００４】次に図１２および図１３を参照すると、バ
リアー層１２の上部には、開口部２６を有するオリフィ
ス基板２４がある。実際には、バリアー層１２はオリフ
ィス基板２４と共に形成されることが多い。開口部２６
は、熱アクチュエータ１８の起動に応答してインクジェ
ット機構からインクを発射する幾何学的形状を規定して
いる。アクチュエータは、導電トレース３０によってア
クチュエータに接続されているスイッチング・トランジ
スタ２８によって、個別にアドレスされる。

【０００５】動作において、電子回路構成要素２８によ
って、熱アクチュエータ１８を通る電流の流れが開始さ
れる。アクチュエータが熱くなるにつれて、発射チャン
バ内に気泡が形成され、圧力場(pressure field)が生成
される。その結果、インクが発射チャンバから、紙のシ
ート等の媒体に向けて発射される。発射チャンバは、シ
リコン基板１０の供給チャネル３２からの流れによって
インクが補充される。インクは、バリアー層１２の開い
た側２２を通って発射チャンバに入る。

【０００６】本発明の譲受人に譲渡されているHockへの
米国特許番号第５，４５０，１０９号において説明され
ているように、従来技術におけるインクジェットのプリ
ントヘッドの製造方法は、写真製板技術を利用してシリ
コン基板１０上に熱アクチュエータ１８を形成する、と
いうものである。インク発射チャンバは、オリフィス基
板２４上に形成されたポリマーのバリアー層１２内に、
写真製板的に個別に規定されている。オリフィス基板
は、金メッキを施したニッケル材料で形成してもよい。
オリフィス基板およびバリアー層は次に、発射チャンバ
がアクチュエータと正確に整列した状態で、アクチュエ
ータ基板１０に取り付けられる。

【０００７】従来技術の製造技術を利用して、インクジ
ェットのプリントヘッドは、３つの構造を含む。すなわ
ち、熱アクチュエータを有するシリコン基板、内部にイ
ンク供給チャネルおよび発射チャンバを形成したバリア
ー層、および、インク発射用の開口部を有するオリフィ
ス板、である。製造工程は、２つの基板を接着して最終
製品を提供する、ということを含むことが多い。所望の
構成を提供するために基板同士を接着するということに
よって、信頼性、コスト、製造性(manufacturability)
、および印字品質に関して問題が起きる。印字品質を
改良するためにはインク滴の体積を小さくする必要があ
り、従って、インク発射チャンバおよび開口部を小さく
する必要がある。インク発射チャンバおよび熱アクチュ
エータの大きさが小さくなるにつれて、１つの基板上に
整列されたインク発射チャンバを、もう１つの基板上に
整列された熱アクチュエータと確実に整列することはま
すます困難になる。２つの基板を繰り返し高い信頼性で
整列することができる能力によって課される制約は、イ
ンクジェット技術を用いて利用できる処理能力、コス
ト、および印字品質を表す要因である。接着した構造の
別の制約は、接着剤が浸食性を有する(aggressive)イン
クおよび熱サイクルに長期にわたってさらされるために
劣化する傾向がある、という事実から生じる。化学的浸
食性を有するインクに接触することと同様に、加熱と冷
却を繰り返すことによって、ポリマーのバリアー層が劣
化し、接着特性が失われることが多い。その結果、オリ
フィス基板がアクチュエータ基板から部分的にまたは完
全に剥離してしまう可能性がある。

【０００８】Drake 他への米国特許第５，４１２，４１
２号は、インクジェットのプリントヘッドの効率、一貫
性(consistency) 、および信頼性を維持することに優れ
た、基板同士の接着手続きを説明している。Drake 他に
説明されている整列および接着工程は、各要素を製造シ
ーケンスに導入して、製造中に厚膜絶縁層において発達
するいかなる微細構成も補償することを含む。絶縁層
は、機能しないヒータ孔および機能しないバイパスの凹
みを意図的に含むように形成される。これらの機能しな
い特徴は、整列された機能するヒータ孔およびバイパス
の凹みの反対側にある。同様に、シリコン基板が、絶縁
層内に形成された機能しないヒータ孔およびバイパスの
凹みに近接して形成された微細構成の形成をまたぐよう
に配置された機能しない溝を含むように形成される。従
って、微細構成が形成されても、シリコン基板が厚膜絶
縁層から隔離されることはない。

【０００９】インクジェットのプリントヘッドの形成に
おいて２つの基板を接続する工程に取り組んでいる別の
特許が、本発明の譲受人に譲渡されているBeeson他への
米国特許番号第５，３８８，３２６号である。第１の基
板は、予め選択されたパターンに形成されているインク
ジェットのノズルおよび整列された導電トレースを含
む。第２の基板は、バリアー材料、バリアー材料内のく
ぼみに形成され整列された抵抗器、およびバリアー材料
内に形成され整列されたチャネル、を有する「ダイのレ
イアウト(die layout)」である。ダイのレイアウトの抵
抗器およびチャネルの位置は、それぞれインクジェット
のノズルおよび導電トレースの位置に合っている。導電
トレースをチャネルとかみ合わせることによって、抵抗
器がインクジェットのノズルと整列する。次に第１の基
板とバリアー材料を積層して、両者を接着する。

【００１０】インクジェットのプリントヘッドの基板同
士を接着する従来技術は許容できる結果を提供するもの
ではあるが、印字品質、プリントヘッドの信頼性、製造
処理能力、およびコスト低減、に関する進歩に対応する
ためには、さらなる改良が要求される。さらに、プリン
トヘッドの故障の主要な原因の１つは、相変わらずオリ
フィス基板がアクチュエータ基板から剥離することであ
る。前述のとおり、基板同士の接着は、熱サイクルに長
期にわたってさらされるために劣化する傾向がある。La
m 他への米国特許番号第５，０１６，０２４号は、ヒー
タをオリフィス板上のオリフィスに隣接して形成するこ
とによって、この点をいくらか改良している。インク槽
の壁は、オリフィス板と平行に接続されている。ある特
定のオリフィス用のインク加熱ゾーンは、インク槽の壁
とオリフィス板の間の間隙によって提供されている。ヒ
ータを通る電流によって、隣接するインク加熱ゾーン内
のある量のインクが急速に加熱され、気泡が形成され
て、インクがオリフィスを通って発射される。Lam 他の
プリントヘッドでは、基板同士の整列の要求事項は低減
されるが、基板の剥離の問題は残る、というのも、イン
ク加熱ゾーンにはオリフィス板と、接着された基板の間
のゾーンがやはり含まれているからである。ヒータとこ
れに関連するオリフィスの間の空間的関係に関する別の
問題もある。熱移動の向きは、インクの発射の向きと９
０度の角度をなす。この関係は、発射動作の効率および
信頼性のうちのどちらかまたは両方に悪影響を与える可
能性がある。さらに、インク発射を制御する電子回路が
インク槽の壁上に製造される場合には、インク槽の壁か
らオリフィス板上の多数のヒータに延びる数百もの電気
接続が必要である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】必要なのは、整列され
たインク発射チャンバと、整列された熱アクチュエータ
等のアクチュエータとの整列が、正確に繰り返し達成さ
れる、インクジェットのプリントヘッドおよび製造方法
である。さらに必要なのは、プリントヘッドの部品をポ
リマーと接着するという従来技術の手法によって製造さ
れるプリントヘッドに比べて、長期にわたってさらされ
ることによる故障がよりしにくいインクジェットのプリ
ントヘッドである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】インクジェットのプリン
トヘッドは、加熱されて特定のインク発射チャンバから
発射されるインクの体積が、基板にエッチングを施すこ
とによって形成され関連するアクチュエータと整列した
空間によって規定されるように、単一のモノリシックの
基板上でアクチュエータおよびインク発射チャンバを一
体化するシーケンスにおいて製造される。すなわち、基
板表面のうちの１つの上に整列されたアクチュエータを
含む基板内に、インク発射チャンバが形成され、それぞ
れの発射チャンバの壁は、基板および関連するアクチュ
エータの表面にエッチングを施した壁である。基板はま
た、アクチュエータを駆動および／または多重化するス
イッチ素子も含む。アクチュエータとしては熱アクチュ
エータ、スイッチ素子としてはモノリシック集積の駆動
トランジスタを使用できる。

【００１３】インクジェットのプリントヘッドの好適な
製造方法によれば、電子回路構成要素および整列された
アクチュエータは、絶縁体上に半導体を配置した(semic
onductor-on-insulator : SOI)ウエハーの上面上に形成
される。電子回路構成要素（例えば、スイッチ素子）、
およびアクチュエータやアクチュエータから回路への接
続を規定するのに用いられる各層は、例えば写真製板技
術等の公知の集積回路製造技術を用いて製造される。次
に、インク発射チャンバに、ＳＯＩウエハーの半導体層
内への異方性エッチングを行う。インク発射チャンバの
軸は、インク発射チャンバと関連するアクチュエータの
中心と整列している。回路構成要素、アクチュエータ、
およびチャンバの形成後、インク供給マニホルドが取り
付けられ、絶縁体層が除去され、インク発射チャンバへ
の開口部が露出する（例えば、ノズルが露出する）。供
給マニホルドは、インクが開口部から発射されるとイン
クを発射チャンバに補充する源に、接続されている。

【００１４】ＳＯＩをベースにした技術の代わりに、同
様の各段階を実行して厚い単結晶のウエハー内に電子回
路構成要素、アクチュエータ、およびエッチングされた
チャンバを設け、次にウエハーの下部を除去してインク
発射チャンバへの開口部を露出させることによって、イ
ンクジェットのプリントヘッドを製造してもよい。すな
わち、この構造を単一の材料から形成される基板上に製
造することで基板の厚さが薄くなる。

【００１５】１実施例において、インク発射チャンバ
は、開口部が長方形の、はっきりした切頭逆角錐形であ
る。壁の勾配は、（１１１）結晶平面によって表され
る。しかし、インク発射チャンバのこの形状は、本発明
に決定的に重要なものではない。公知の技術を用いて他
のチャンバ構造を得ることができる。例えば、適当なマ
スキングおよびエッチング技術を用いてチャンバを基板
内に刻み込み、ヒータよりも前に発射チャンバを規定す
ることによって、チャンバの壁を曲面に形成することが
できる。その後、アクチュエータの製造用にウエハーを
再平坦化する(re-planarize)ために、チャンバに一時的
にガラス等の適当な犠牲(sacrificial) 材料を満たして
もよい。

【００１６】本発明の利点は、正確に整列させることが
必要なプリントヘッドの構成要素が、単一の基板、典型
的には単結晶シリコン層、の上に製造される、というこ
とである。大まかに合っていればよい構成要素、例えば
インク供給マニホルド、のみが、アクチュエータ・チャ
ンバ基板とは別個に製造される。他の利点は、モノリシ
ック構造にすることによって、従来技術のプリントヘッ
ドの多くにおいて故障の主要な原因の１つである、オリ
フィス層がアクチュエータ層から剥離するということの
可能性がなくなる、ということである。発射動作中に加
熱され発射される量のインクは、積層された２つの基板
の間の領域内にではなく、１つの基板内に収容されてい
る。さらに他の利点は、この構成は、インク滴をますま
す小さくせねばならなくなるにつれてスケールダウンが
容易にできる、ということである。このアクチュエータ
・チャンバ基板は、数ミクロンの薄さに形成することが
でき、チャンバの開口部は１ミクロンの小ささに形成す
ることができる、と考えられる。アクチュエータを適切
にレイアウトすれば、インク発射チャンバはアクチュエ
ータと自己整合(self-align)させることができる。基板
の厚さは、インクジェットのプリントヘッドの機能する
部分の全厚さを略表す。寸法には、小型器具用熱インク
ジェットのプリントヘッドの設計に必要な柔軟性があ
る。

【００１７】他の利点は、このアクチュエータ・チャン
バ基板の構成では、基板の裏面が露出したままになり、
弁、調整器、ポンプ、および計測装置(metering device
s)等の、上流側の流れ制御機構の一体化が促進される、
ということである。例えば、１つまたはそれ以上の柔軟
性を有するフラッパを有する弁をマイクロ機械加工し
て、インク発射チャンバと、発射チャンバに液体インク
を補充するための供給チャネルの間に入れてもよい。

【００１８】

【発明の実施例】図１ないし図６は、本発明によるイン
クジェットのプリントヘッドの製造において用いられる
段階を示す。図１２および図１３の従来技術の構造とは
対照的に、インク発射チャンバは、アクチュエータおよ
びスイッチ素子を含むのと同じ基板内に形成されてい
る。供給マニホルドは基板に取り付けられるが、整列の
要求事項はかなり緩和されている、というのも、供給マ
ニホルドは、アクチュエータ／チャンバの行全体に共通
である１つまたは２つのインク供給スロットしか含んで
いないからである。

【００１９】以下に詳細に説明するように、図１ないし
図６に示す製造段階によって、図７の構造が提供され
る。図７は、第２のインクジェット機構６０に隣接した
第１のインクジェット機構５８を示す。両機構はそれぞ
れ、インクジェット発射チャンバ５２、６４と整列した
熱アクチュエータ４２、６２を含む。第１のインクジェ
ット機構５８からのインクの発射は、電子回路構成要素
４８によって制御される。電子回路構成要素は、バイポ
ーラのデバイスであっても、ＣＭＯＳのデバイスであっ
てもよい。電子回路構成要素は、導電トレース４６によ
って熱アクチュエータ４２に接続されている。同様に、
第２のインクジェット機構６０は、導電トレース６８に
よって熱アクチュエータ６２に接続された電子回路構成
要素６６と動作可能に関連している。

【００２０】熱アクチュエータ４２、６２は、アクチュ
エータ基板３６の裏面上に直接製造されている。好適な
実施例において、アクチュエータ基板はシリコン基板で
あるが、これは決定的に重要なことではない。基板は、
ポリマーで形成しても、ガラスで形成してもよい。

【００２１】熱アクチュエータ４２、６２をインク発射
チャンバ５２、６４と一体化することによって、アクチ
ュエータ基板がオリフィス基板から剥離するという問題
がなくなる。発射動作中に加熱されインク発射チャンバ
から発射されるインクの量は、基板３６を通るインク発
射チャンバの寸法によって規定される。すなわち、好適
な実施例において、インク発射チャンバのいかなる部分
も、２つの接着された基板の間の境界には配置されてい
ない。このことによって、インクジェットのプリントヘ
ッドがかなり剥離しにくくなる。

【００２２】発射チャンバ６２、６４の１つからインク
が発射されると、補充工程が開始される。インクが、供
給マニホルド５４の関連する供給チャネル６５、６７か
ら、空の発射チャンバに流れる。

【００２３】図１ないし図６を参照して、第１のインク
ジェット機構５８の製造を詳細に説明する。第２の機構
６０を含む、整列したインクジェット機構が、第１の機
構５８と同時に形成される。しかし、製造段階は、単一
の機構に限定して示す。

【００２４】図１において、絶縁体上に半導体を配置し
た（ＳＯＩ）ウエハー３４を、半導体層３６、絶縁体層
３８、およびハンドル層(handle layer)４０、を含むも
のとして示す。ＳＯＩウエハーは、当業者には公知であ
り、市販されている。通常、半導体層３６は、単結晶シ
リコン材料である。絶縁体層は、二酸化ケイ素であって
もよい。半導体層および絶縁体層を形成する材料は、イ
ンクジェットのプリントヘッドの所望の製造技術および
所望の最終構成に関してのみ重要である。例えば、ノズ
ルが正方形で切頭角錐の構成を有する発射チャンバが所
望される場合には、層３６、３８を形成する材料の選択
が重要になる。かかる構成は、最も簡単には、層３６内
への異方性エッチングによって製造することができる。
ハンドル層４０に関しては、材料は決定的に重要なもの
ではない。従来技術のハンドル層は、シリコンまたはガ
ラスで形成される。

【００２５】図２において、熱アクチュエータ４２は、
半導体層３６の表面４４上に製造されている。熱アクチ
ュエータを形成する技術は、決定的に重要なものではな
い。材料は、タンタルであっても、タンタル・アルミニ
ウム(tantalum aluminum) であってもよい。半導体層３
６の表面４４には、熱アクチュエータに加えて、導電ト
レース４６および電子回路構成要素４８が形成されてい
る。導電トレースは、多層構造であってもよい。例え
ば、二酸化ケイ素の熱下地(thermal underlayer)がシリ
コンから金の膜を絶縁し(isolate) 、その金の膜の上に
電気的パシベーション膜を形成してもよい。電子回路構
成要素４８は、バイポーラのスイッチ素子であっても、
ＣＭＯＳのスイッチ素子であってもよい。好ましくは、
電子回路構成要素は、従来技術の集積回路製造技術を用
いて形成される。電子回路構成要素４８が起動すること
によって、アクチュエータ４２を通る電流の流れがトリ
ガされる。

【００２６】半導体層３６の表面４４上には、マスキン
グ層５０が形成されている。マスキング材料としては、
例えば窒化ケイ素が適当である。図３の平面図に示すよ
うに、半導体層の表面４４は、導電トレース４６の両側
で露出している。その結果、ＳＯＩウエハーの上面にエ
ッチャントが塗布さ(applied) れると、半導体層の一部
が除去されてインク発射チャンバが形成される。エッチ
ャントとしては、例えば四メチルアンモニウム水酸化物
(tetramethyl ammonium hydroxide)（ＴＭＡＨ）が適当
である。

【００２７】次に図４を参照して、半導体層３６を、異
方性エッチングされてインク発射チャンバ５２を形成す
るものとして示す。発射チャンバの構成は、はっきりし
た切頭逆角錐形を有するものである。発射チャンバの、
絶縁体層３８との境界における形状は、略完全な長方形
である。発射チャンバの寸法は、マスキング層５０の開
いた窓の大きさおよび半導体層３６の厚さによって規定
される。

【００２８】オプションで(Optionally)、マスキング層
５０が除去されて半導体層３６の表面４４が露出され
る。その後、上面に、適当な廉価な材料よりなるインク
供給マニホルドを、許容誤差を比較的緩和して取り付け
ることができる。または、インク供給マニホルドはマス
キング層５０に取り付けられる。図５において、マニホ
ルド５４は既に付け加えられている。ＳＯＩウエハー３
４に沿って形成されているインクジェット機構のそれぞ
れについて供給チャネル６５を形成することができる
が、通常は、１つのチャネルがインク発射チャンバの行
全体に共通である。１実施例において、供給マニホルド
５４は、ウエハーの表面上に成長その他の方法で形成さ
れた層である。しかし、通常供給マニホルドは、チップ
に接着その他の方法で取り付けられる、別個に製造され
た基板である。供給マニホルドを別個に製造することに
よって、シリコンにおいて実行可能な技術によって課さ
れる制約がなくなる。好ましくは、供給チャネルは、ア
クチュエータ４２および発射チャンバ５２の両方と心合
わせされている。しかし、正確に整列させることは、図
１２および図１３の従来技術のインクジェットのプリン
トヘッドのオリフィス基板２４とシリコン基板１０との
整列ほどには決定的に重要ではない。整列の許容誤差は
もっと緩和されている、というのも、供給チャネルが多
少整列していなくとも、インクジェット機構の発射動作
の一貫性が悪影響を受けることはないからである。

【００２９】図６において、ハンドル層および絶縁体層
は、ＳＯＩをベースにした適用の公知の技術を用いて、
除去されている。絶縁体層を除去することによって、半
導体層３６の下面５６が露出され、発射チャンバ５２へ
の開口部が露出される。当業者には公知のとおり、発射
チャンバの形状は、少なくとも部分的に（１１１）結晶
平面によって表される。発射チャンバを、形状が角錐で
開口部が正方形であるものとして説明してきたが、これ
は、決定的に重要なことではない。他の製造方法におい
て、熱アクチュエータ４２の形成前に、発射チャンバが
半導体層３６内に刻み込まれる。その後ドライプラズマ
またはレーザエンハンストエッチング(laser-enhanced
etching)等の適当なマスキングおよびエッチング技術を
用いて、角錐形状以外のチャンバ構成を形成してもよ
い。例えば、曲面の壁を有するチャンバを形成し、その
後ガラス等の犠牲材料で満たして、ウエハー表面を再平
坦化してもよい。再平坦化することによって、アクチュ
エータを、上で識別した技術を用いて製造することがで
きる。犠牲材料が発射チャンバから除去され、供給マニ
ホルドが取り付けられて、図５に示すものと基本構造が
同じものが確立するが、これは発射チャンバの形状が異
なる。その後、ハンドル層４０および絶縁体層３８が除
去される。

【００３０】製造を、単一のインクジェット機構を形成
するものとして説明し示してきたが、半導体層３６に沿
って整列した機構が同時に形成される。次に図７を参照
して、図６のインクジェット機構５８を、第２のインク
ジェット機構６０に隣接して配置されたものとして示
す。この機構には、インクジェット発射チャンバ６４と
整列した熱アクチュエータ６２が含まれる。熱アクチュ
エータには、導電トレース６８によって、スイッチ素子
６６が接続されている。別個のインクジェット機構５
８、６０について別個のスイッチ素子４８、６６を設け
ることによって、両機構に別個にアドレスすることがで
きる。発射チャンバの１つからインクが発射されると、
補充工程が開始される。補充工程において、インクが、
供給マニホルド５４のチャネルを通って、空の発射チャ
ンバに流れる。

【００３１】発射チャンバ５２、６４の開口部の１つか
らインクを発射するインクジェット機構５８、６０の動
作には、顕微鏡的スケールで様々な力を複合的にバラン
スすることが含まれる。大気圧、インク圧、インク槽内
のエアの蓄積、等の変数が、発射チャンバの補充におい
て重要な役割をする。補充工程において少し変動があっ
ただけで、一貫性がなくなり、印字品質が影響を受ける
結果になる。さらに、発射動作中のインク槽内へのイン
クの「逆流(pushback)」によって、補充工程が遅くな
り、エネルギー効果が悪くなる。こういった悪影響を少
なくとも低減するために、インクジェットのチップの上
流側に何らかの液体の流れの装置を含むことが望まし
い。従来技術においては、かかる装置を含ませようとす
れば、インクジェットのチップまたはインク供給システ
ムにおけるその他の場所上に別個に製造し組み立てねば
ならない。本発明の一体構成では、インクジェットのチ
ップの上流側が露出されており、インクの流れ制御用の
一体化されたミクロの液体のデバイスを製造することが
できる。例えば、印字工程の印字品質、効率、および処
理能力を改良するために、弁、調整器、ポンプ、および
計測装置を組み込んでもよい。図８ないし図１１は、か
かるタイプの流れ制御機構の１つをマイクロ機械加工す
る製造段階を示す。少し図４に戻って、流れ制御デバイ
スを含むことになるインクジェット機構は、図６に示す
構造になる各段階を用いて製造してもよい。オプション
で、発射チャンバ５２を設けるためにエッチング工程で
利用されるマスキング層５０が除去され、半導体層３６
の表面４４が露出されるが、このマスキング層は元のま
ま残してもよい。供給マニホルドを表面４４に取り付け
るのではなく、様々な層がデポジットされパターン形成
されて一体化されたミクロの液体の逆止弁が設けられ
る。図８において、半導体層３６の表面上に、第１の支
持層７０および第１の犠牲層７２がパターン形成され
る。次に、第１の支持層の上面から第１の犠牲層の上面
に延びる１対のフラッパ７４、７６が形成される。この
フラッパはポリシリコン(polysilicon) よりなっていて
もよいが、これは決定的に重要なことではない。

【００３２】フラッパ７４、７６の形成後、第２の支持
層７８および第２の犠牲層８０がデポジットされる。ゲ
ート８２を形成するパターン形成されたポリシリコン層
が、最後にデポジットされる。従来技術を用いて２つの
犠牲層７２、８０が除去され、第２の支持層７８の上面
に供給マニホルドが取り付けられる。その結果得られる
構造を、図９に示す。

【００３３】図９からわかるとおり、ゲート８２の左側
と右側はインク供給マニホルド８４からの流れに開放さ
れている。一方、ゲート８２の前縁および後縁は第２の
支持層７８の上面に接続されており、液体の流れがゲー
トの左側と右側に限定されるようになっている。前述し
ていないが、ポリシリコンのフラッパ７４、７６は、犠
牲層の除去後フラッパが巻き上がるようにする膜応力(f
ilm stresses) を誘導するように制御された方法で、製
造される。誘導される巻きの程度と層の厚さは、常時開
または常時閉のどちらかの実施例を提供するように制御
することができる。図９の常時閉の実施例において、第
２の支持層７８の厚さは、フラッパの端がゲート８２の
下面に接し、それによって供給マニホルド８４からイン
ク発射チャンバ５２への横の流れの経路を閉じるよう
に、選択される。熱アクチュエータ４２の加熱中に背圧
が及ぼされることによって、横の流れの経路を閉じるバ
イアス力が補強される。この背圧は、図１０の３本の矢
印によって表されている。その結果、インクの「逆流」
がかなり低減され、与えられたエネルギーの大部分が滴
噴出に利用され、次の補充工程が速められる。

【００３４】それぞれのインク発射動作の後には補充工
程がある。図１１において、矢印８８、９０は、フラッ
パ７４、７６のバイアスに打ち勝って次の発射動作のた
めに発射チャンバ５２が補充されるようにするインクの
流れを示す。

【００３５】フラッパ７４、７６を、弛緩した状態で図
９のようにフラッパがゲート８２と接触するものとして
示したが、これは決定的に重要なことではない。図１０
の３本の矢印で表す背圧は、それによってマニホルド８
４から発射チャンバ５２への液体の流れがシールされる
ような手段であってもよい。この実施例においては、フ
ラッパは弛緩した状態でゲート８２から間隔をおいて配
置される。すなわち、マイクロ機械加工された逆止弁
は、常時閉の状態ではなく、図１１に示すような常時開
の状態を有するようにしてもよい。

【００３６】弁に付け加えて、または弁の代わりとし
て、他の流れ制御装置をマイクロ機械加工して、単一の
基板上に一体化されたアクチュエータ４２および発射チ
ャンバ５２を有する図４のインクジェット発射構造また
は同様の構造に、組み込んでもよい。

【００３７】アクチュエータ・発射チャンバの一体化
を、主にＳＯＩ技術に関して説明したが、これは決定的
に重要なものではない。ＳＯＩをベースにした技術には
様々な利点（例えば製造が容易）があるが、このような
一体化ができるものであれば他の技術を用いてもよい。
例えば、整列されたアクチュエータおよびこれと整列し
た整列された発射チャンバを厚い半導体基板に沿って形
成し、その後アクチュエータに対向する部分の基板を除
去してもよい。すなわち、アクチュエータを厚い基板の
上面上に形成する場合には、様々な発射チャンバへの開
口部が露出され所望の構成を有するまで厚さを薄くする
ために、下部を覆うその他の処理をしてもよい。

【００３８】本発明を、主に熱アクチュエータを含むも
のとして説明し示した。しかし、これは決定的に重要な
ものではない。一体化構成および工程を、アクチュエー
タによって発射チャンバからインクを発射する他の技術
と共に用いてもよい。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
プリントヘッドの部品をポリマーと接着するという従来
技術の手法によって製造されるプリントヘッドに比べ
て、長期にわたってさらされることによる故障がよりし
にくいインクジェットのプリントヘッドが得られる。ま
た、整列されたインク発射チャンバと、整列された熱ア
クチュエータ等のアクチュエータとの整列が、正確に繰
り返し達成される、インクジェットのプリントヘッド製
造方法が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による熱インクジェットのプリントヘッ
ドの製造において用いる、絶縁体上に半導体を配置した
ウエハーの側断面図である。

【図２】半導体層の表面上に形成されたスイッチ素子お
よび熱アクチュエータを有する、図１のウエハーの側断
面図である。

【図３】図２の熱アクチュエータ領域の平面図である。

【図４】半導体層内へと形成されたインク発射チャンバ
を有する、図２の構造の側断面図である。

【図５】マスキング層を光学的に除去した後、半導体層
の表面上に形成された供給マニホルドを有する、図４の
構造の側断面図である。

【図６】絶縁体層をウエハーから除去した後の、図５の
構造の側断面図である。

【図７】本発明による、発射機構を１つより多く有する
インクジェットのプリントヘッドの側断面図である。

【図８】弁機構を提供する層を形成した後の、図４の構
造の側断面図である。

【図９】インク発射機構と供給マニホルドの間の弁機構
の側断面図である。

【図１０】弁機構の動作を示す、図９の構造の側断面図
である。

【図１１】弁機構の動作を示す、図９の構造の側断面図
である。

【図１２】従来技術のインクジェット発射機構の斜視図
である。

【図１３】動作中の従来技術のインクジェット発射機構
の側断面図である。

【符号の説明】

３４・・・ウエハー３６・・・半導体層（基板）３８・・・絶縁体層４０・・・ハンドル層４２・・・熱アクチュエータ（アクチュエータ）４４・・・表面４６・・・導電トレース４８・・・電子回路構成要素５０・・・マスキング層５２・・・インク発射チャンバ５４・・・供給マニホールド５８・・・インクジェット機構

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B41J 2/16 B41J 2/05

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の表面（４４）および第２の表面を
有する基板（３６）を備え、前記第１の表面上に整列されたアクチュエータ（４２、
６２）を規定する、少なくとも１つの層が前記基板上に
一体的に形成され、前記基板が、前記アクチュエータと略整列して延び前記
基板を通って前記第２の表面まで延びる複数のインク発
射チャンバ（５２、６４）を有し、それぞれのインク発
射チャンバが前記アクチュエータの１つの起動に応答し
て発射されるある量の液体インクを収容する領域を規定
しており、前記基板に、前記アクチュエータを駆動する個別にアド
レス可能な複数のスイッチ素子が設けられ、前記インク発射チャンバのそれぞれに、インク供給路と
前記インク発射チャンバとの流路を開閉する変位可能部
材を含む流れ制御機構を組み込んだことを特徴とするイ
ンクジェットのプリントヘッド。
【請求項２】前記基板（３６）が半導体基板であり、
前記アクチュエータ（４２、６２）が熱要素であり、前
記熱要素が前記インク発射チャンバ（５２、６４）と一
対一対応してそれぞれの加熱要素が前記第１の表面（４
４）における対応するインク発射チャンバを横切って延
びるようになっていることを特徴とする請求項１に記載
のインクジェットのプリントヘッド。
【請求項３】前記インク発射チャンバ（５２、６４）
のそれぞれが、前記基板（３６）の前記第２の表面にお
いて略長方形の開口部を有する切頭角錐構成を有するこ
とを特徴とする請求項１または２に記載のインクジェッ
トのプリントヘッド。
【請求項４】前記スイッチ素子が前記アクチュエータ
に一対一で対応していることを特徴とする請求項１〜３
のいずれかに記載のイクジェットのプリントヘッド。
【請求項５】対向する上面（４４）および下面を有す
るウエハー（３４）を設ける段階、前記ウエハーの前記
上面上にアクチュエータ（例えば４２）及び前記アクチ
ュエータを駆動する個別にアドレス可能なスイッチ素子
を形成する段階、前記アクチュエータに整列して前記ウ
エハーの前記上面内にチャンバ（例えば５２）をエッチ
ングし、前記チャンバが部分的に前記ウエハー内に延び
るようにする段階、前記インク発射チャンバのそれぞれ
に、インク供給路と前記インク発射チャンバとの流路を
開閉する変位可能部材を含む流れ制御機構を組み込む段
階、前記ウエハーの下部（例えば３８）を除去して前記
チャンバへの開口部を露出し、それによって、前記アク
チュエータの起動に応答した前記開口部からの液体イン
クの発射に対応するインク発射チャンバを設ける段階、
を含む、インクジェットのプリントヘッドの製造方法。
【請求項６】前記チャンバ（５２、６４）をエッチン
グする段階が、前記アクチュエータ（４２、６２）の領
域の前記ウエハー（３４）のシリコン層（３６）を異方
性エッチングすることを含むことを特徴とする請求項５
に記載のインクジェットのプリントヘッドの製造方法。