JP3777153B2 - インクジェットプリンタのヘッド及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，インクジェットプリンタのヘッド及びその製造方法に関し，より詳しくは，バブルジェット（登録商標）方式を採用した場合に好適なインクジェットプリンタのヘッド及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に，インクジェットプリンタのインク吐出方式は，バブルジェット（登録商標）方式，ＰＺＴ方式，熱転写方式，熱圧縮方式に大別される。ここで，バブルジェット（登録商標）方式は，発熱素子で液状のインクを加熱してバブルを発生させることでインクが吐出されるようにする方式である。バルブジェット方式のインクジェットプリンタのヘッドは，インク室を提供するインク室壁の一側にノズルを有するノズルプレートが配置され，インク室壁の他側には，インク室内のインクを加熱するヒーターが備えられた基板が配置されるという基本構造を有する。
【０００３】
上記のようなバルブジェット方式のインクジェットプリンタのヘッドの典型的な一例を，図面を参照して説明すると，以下のとおりである。
【０００４】
図１１に示したように，一般のインクジェットプリンタのヘッドは，基板１０と，ノズルプレート２０と，基板１０とノズルプレート２０との間に位置してこれらを接合すると共にインク室３０を提供するインク室壁４０とを備える。
【０００５】
基板１０には，インク室３０内のインクを加熱するヒーター１１と，インク室３０にインクを供給するインク供給路（図示せず）とが備えられる。また，基板１０には，更に，防熱層１２と電極１３と電極及びヒータ保護のためのパッシベーション層１４とが備えられる。パッシベーション層１４は，ＳｉＮ：Ｈからなる絶縁膜１４ａ，ヒーター保護膜１４ｂ及びＳｉＣ：Ｈからなる絶縁膜１４ｃで構成される。
【０００６】
ノズルプレート２０には，インク室３０と連通するノズル２１が備えられる。ノズル２１は，その内側から外側にいくにつれて直径が徐々に小さくなるテーパー状に形成される。
【０００７】
インク室３０は，基板１０に感光性ポリマーを所定の高さに積層することで形成されたインク室壁４０の一部分（ヒーター形成領域）をパターニングして除去することにより形成される。基板１０とノズルプレート２０とは，インク室壁４０の役割を果たす感光性ポリマーにより接合される。
【０００８】
このように構成された従来のインクジェットプリンタのヘッドは，基板１０のヒーター１１に２〜３μｓ間インクが加熱されるに足りるエネルギーを印加すると，ヒーター１１の表面にバブルが形成され，このバブルの体積と圧力によりインク室３０内のインクがノズルプレート２０のノズル２1を通じて外部に噴射される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように構成された一般のインクジェットプリンタのヘッドは，その構造上ポリマーからなるインク室壁４０が基板１０とノズルプレート２０との間で接着層の役割を果たしながらインクと接触するようになる。インクは，６０〜７０％以上の水分からなるため，インクがインク室３０を取り囲んでいるポリマーのバルクとヒーター基板１０−インク室壁４０−ノズルプレート２０との接着界面を通じて染み込むようになる。かかる現象は，ポリマーの膨張と各部品間の節理現象を引き起こし，ヘッド不良の主要要因となるため，改善が求められている。
【００１０】
また，従来のインクジェットプリンタのヘッドは，各インク供給路とインク室３０がインクという流体で満たされているため，インク吐出し時に隣接ヒーターとインク供給路にその圧力が伝播し，バルブ形成とインク吐出し特性に影響を与える干渉現象（ｃｒｏｓｓｔａｌｋ）が発生するという問題もある。
【００１１】
更に，従来のインクジェットプリンタのヘッドは，基板１０にポリマーを積層して感光及び現像した後，この基板１０とノズルプレート２０とを接合するという順番で製造されるが，順番にヒーター１１，インク室３０，ノズル２１を整列させることが非常に困難である。このような理由にてそれぞれの工程で配列がずれ，ヒーター１１とインク室３０及びノズル２１の整列がずれるようになると，インクの吐出しの方向性が悪くなり，印刷品質の劣化をもたらすため，これもまた改善が求められている。
【００１２】
本発明は，上記のような問題点に鑑みてなされたものであって，従来，ポリマーを用いて接合する場合に発生していた節理現象及び干渉現象を防止することができるインクジェットプリンタのヘッド及びその製造方法を提供することにその目的がある。
【００１３】
本発明の他の目的は，ノズルとインク室及びヒーターの整列が正確に行われ，また，素子の集積度を向上させることができるインクジェットプリンタのヘッド及びその製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明によるインクジェットプリンタのヘッドは，インク室内のインクを加熱するヒーターを有する基板と；ヒーターにより加熱されたインク室内のインクが吐出されるノズルを有するノズルプレート；及び基板とノズルプレートとの間に介在し，これら基板とノズルプレートとを静電力で接合する中間接合層と；を含み，基板には，ヒーターの放熱を防止するための防熱層と，ヒーター保護のためのパッシベーション層が備えられ，パッシベーション層は，ヒーターに蒸着される絶縁層と，絶縁層に蒸着され一側が基板と通電するように接続されたヒーター保護層と，を含むことを特徴とする。ヒーターを有する基板とノズルを有するノズルプレートとを静電力を用いて一体に接合することにより，従来，ポリマーを用いて接合する場合に発生していた節理現象及び干渉現象を防止することができる。
【００１５】
中間接合層は，融点が低く且つ成分の６０％以上が非晶質酸化珪素からなるガラス薄膜で構成することができる。
【００１７】
本発明の他の目的を達成するためのインクジェットプリンタのヘッドの製造方法は，インク室内のインクを加熱するヒーターを有する基板を作製するステップと；ヒーターにより加熱されたインク室内のインクが吐出されるノズルを有するノズルプレートを作製するステップ；及び基板とノズルプレートとを中間接合層を介在して静電力で接合するステップと；を含み，基板の作製ステップは，シリコン基板上に防熱層を形成するステップと；
防熱層上にヒーター及び導電層を形成するステップと；ヒーター及び導電層上にヒーター保護のためのパッシベーション層を形成するステップと；を含み，パッシベーション層の形成は，シリコン窒化膜とシリコンカーバイド膜を一定の厚さで順次に蒸着して絶縁層を形成した後，該絶縁層の一部にシリコン基板と通じるビアホールを形成し，この上にタンタルを一定の厚さで蒸着しヒーター保護層を形成する順に行うことを特徴とする。ノズルプレートを作製するステップは，ノズルプレートを湿式エッチングしてインク室を形成した後，前記インク室に連結されるノズルを乾式エッチングで形成するようにしてもよい。ノズルプレートにノズルとインク室とを共に形成することでノズルとインク室及びヒーターの整列が正確に行われ，また，素子の集積度を向上させることができる
【００１８】
接合ステップは，基板上のノズルプレート接合部に中間接合層を形成するステップと；中間接合層上に前記ノズルプレートを載置し，仮接合を行うステップ；及びノズルプレートが仮接合された基板を加熱して所定温度以上に加熱される時，ノズルプレートとヒーター基板とが通電するように電界を加えるステップと；を含むことを特徴とする。
【００１９】
なお，中間接合層は，基板上に一定の厚さのガラス薄膜を成膜した後，ガラス薄膜のヒーター形成部位をエッチングし除去することで形成してもよい。
【００２０】
また，前記ガラス薄膜は，スピンコート蒸着法，スパッタリング薄膜蒸着法，電子−ビーム蒸着法等により成膜することができ，約１〜５μｍの厚さで成膜することが好ましい。
【００２１】
基板とノズルプレートとの接合時の加熱温度は，常温〜５００℃であることが好ましく，電界は，０〜１０００Ｖの直流電圧及びパルス信号から選ぶことができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下では，本発明の好ましい実施の形態を添付図面を参照して説明する。図１は，本発明の一実施の形態によるインクジェットプリンタのヘッドを示す断面図であり，図２ないし図９は，本発明の一実施の形態によるインクジェットプリンタのヘッドの製造方法に関する工程図であり，図１０は，本発明によるインクジェットプリンタのヘッドの製造方法における基板とノズルプレートとの接合原理を示す図である。
【００２４】
図１に示したように，本発明の一実施の形態によるインクジェットプリンタのヘッドは，基板１００と，ノズルプレート２００及びヒーター基板１００とノズルプレート２００とを接合する中間接合層３００とを備える。
【００２５】
基板１００には，インク室２２０内のインクを加熱するヒーター１１０が備えられる。ヒーター１１０は，Ｔａ−Ａｌを５００〜５０００オングストロームの厚さで蒸着することにより形成される。また，基板１００には，ヒーター１１０から発生する熱エネルギーがヒーターの下方にある基板に伝わることを防止するための防熱層１２０と，ヒーター１１０が酸化したりインクと直接接触したりすることを防止し且つ熱と圧力によるキャビテーションを防止するためのパッシベーション層１３０とが形成される。防熱層１２０は，シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を１〜５μｍの厚さで蒸着することにより形成され，防熱層１２０の上部にヒーター１１０が形成される。パッシベーション層１３０は，絶縁層１３１とヒーター保護層１３２とからなる。絶縁層１３１は，ヒーター１１０の上部にシリコン窒化膜（ＳｉＮ：Ｈ）を０．１〜１．０μｍの厚さで蒸着することにより形成され，ヒーター保護層１３２は，絶縁層１３１の上部にタンタル（Ｔａ）を０．１〜１．０μｍの厚さで蒸着することにより形成される。ここで，ヒーター保護層１３２は，一側が基板と接続されて通電するように形成される。一方，絶縁層１３１は，シリコン窒化膜の上部に０．１〜１．０μｍの厚さで形成されるシリコンカーバイド膜を更に成膜することができる。シリコンカーバイド膜は，ヒーターの耐化学性及び熱伝導性を補強する役割を果たす。図面における符号１４０は，ヒーター１１０に電源を印加するための導電層である。
【００２６】
ノズルプレート２００には，インク室２２０とノズル２１０とが互いに連通するように形成される。一方，図示した例では，インク室２２０がノズルプレート２００に形成された例を示しているが，インク室２２０を基板１００に形成してもよい。
【００２７】
中間接合層３００は，基板１００とノズルプレート２００とを静電力で接合するためのものであって，融点が低く且つ成分の６０％以上が非晶質酸化珪素からなるガラス薄膜で構成される。ガラス薄膜は，スパッタリング蒸着方法，電子−ビーム蒸着方法または液状ガラスをスピンコートする方法により基板１００のノズルプレート接合部位に１〜５μｍの厚さで成膜される。基板１００のノズルプレート接合部位に上記のような中間接合層３００としてのガラス薄膜を成膜した後，該ガラス薄膜の上にノズルプレート２００を載置し仮接合した状態で基板１００とノズルプレート２００に電界を加えると，ノズルプレート２００と中間接合層３００との界面に酸化シリコンが薄く成長しながら界面を埋め，該酸化シリコンの静電力により基板とノズルプレートとが一体に接合されるようになる。
【００２８】
以下では，上記のように構成される本発明の一実施の形態によるインクジェットプリンタのヘッドを製造する方法について図２ないし図９を参照して具体的に説明する。
【００２９】
同図に示したように，本発明の一実施の形態によるインクジェットプリンタのヘッドの製造方法は，基板１００の作製ステップ（図２），中間接合層３００の形成ステップ（図４，図５），ノズルプレート２００の作製ステップ（図６，図７），基板１００とノズルプレート２００との接合ステップ（図８）を含む。
【００３０】
基板１００の作製ステップでは，図２に示したように，先ず，基板１００にシリコン酸化膜を一定の厚さで蒸着して防熱層１２０を形成する。その後，防熱層１２０の上部にタンタル−アルミニウム合金を一定の厚さで蒸着してヒーター１１０を形成し，次いで，ヒーター１１０に電源を印加するための導電層１４０を形成しパターニングする。ヒーター１１０は，スパッタリング法により形成するが，必ずしもこの方法に限定されるわけではない。
【００３１】
次いで，図３に示したように，基板１００にヒーター１１０を保護するためのパッシベーション層１３０を形成する。本実施の形態におけるパッシベーション層１３０は，ヒーター１１０の上部にヒーター１１０を保護するために順次に形成された絶縁層１３１とヒーター保護層１３２とを含む。絶縁層１３１は，シリコン酸化膜を一定の厚さで蒸着することにより形成され，ヒーター保護層1３２は，タンタルを一定の厚さで蒸着することにより形成される。タンタルは，展性及び軟性が豊かで酸化し難く且つフッ化水素酸外の酸には溶けないという特性を有するため，ヒーター１１０を保護することができる。なお，ヒーター保護層１３２は，その一側が基板１００に接続するように絶縁層１３１と防熱層１２０を貫通して形成されたビアホール１００ａに充填されることで形成される。これは，基板１００とノズルプレート２００との接合ステップにおける電界印加時にイオンが通電し得るようにするためである。一方，絶縁層１３１は，シリコン酸化膜を蒸着した後，その上にシリコンカーバイド膜を更に蒸着することで耐化学性及び熱伝導性を補強することができる。
【００３２】
前述した如く，基板１００にパッシベーション層１３０を形成した後，図４に示したように，ヒーター保護層１３２上に一定の厚さでガラス薄膜を蒸着して中間接合層３００を形成する。ガラス薄膜は，一般に使用されるスパッタリング方法または電子−ビーム蒸着法で形成することができ，また液状ガラスをスピンコートすることにより形成することもできる。ガラス薄膜は，ノズルプレート２００との接合をなす接合層であって，インク漏れが生じないように気密を保持する必要があることから，表面の平坦化が求められる。スピンコート方法は，コーティングと共に平坦化が自然に行われるため，絶縁層のパターンによる勾配が克服可能になるが，スパッタリングや電子−ビーム蒸着法により成膜されたガラス薄膜は，十分な厚さを確保した後，平坦化工程を経る必要がある。したがって，ガラス薄膜の成膜は，スピンコート方法が好適である。上記のような方法により基板１００にガラス薄膜を成膜した後は，図５に示したように，ガラス薄膜の必要部位，即ち，ノズルプレート接合部位を除く余の部位はパターニングし除去する。
【００３３】
上記過程により基板１００を作製した後は，図６及び図７に示したように，ノズルプレート２００を作製する。先ず，ノズルプレート２００の内側にインク室２２０を形成した後，インク室２２０と連通するノズル２１０を形成することでノズルプレート２００を作製する。ここで，インク室２２０は，少なくとも１種のエッチング液を用いた湿式エッチングにより１０〜４０μｍの大きさで形成し，ノズル２１０は，反応性ガスとプラズマを用いた乾式エッチングにより１０〜４０μｍの大きさで形成する。
【００３４】
上記のような過程によりそれぞれ作製された基板１００とノズルプレート２００とを，図８に示したように，中間接合層３００を介在して仮接合した状態で熱と電界を印加して接合するが，以下では，これについて詳しく説明する。
【００３５】
図１０に示したように，基板１００とノズルプレート２００とを仮接合した仮接合物を導電性物質からなる熱プレート４００上に載置し，電極をノズルプレート２００と熱プレート４００に接続することで熱プレート４００により加熱及び通電されるようにする。ここで，加熱温度は，陽イオンが電界により十分に移動可能であり且つ基板１００上の薄膜層１３１，１３２が影響を受けない温度範囲である常温から５００℃程度の範囲内から選ばれる。そして，電界は，中間接合層３００の厚さと成分に応じて０〜１０００Ｖの直流電圧またはパルス信号で印加される。
【００３６】
温度が上昇し，電界が加えられると，中間接合層３００内の陽イオンの移動度が増加して陰極側の中間接合層３００の界面側にイオンが移動し中性化され，中間接合層３００内に残留した陰イオンは接触されたノズルプレート２００のシリコン表面に空間電荷層を形成する。加えられた電界が全てこの空間電荷層に集中し強力な静電力が働くため，中間接合層３００を構成するガラス薄膜内の酸素イオンとノズルプレートを構成するシリコンとの結合が行われる。即ち，界面にＳｉＯ２が薄く成長しながらノズルプレート２００と中間接合層３００との境界面を埋めるようになる。
【００３７】
上記のように基板１００とノズルプレート２００とを接合した後は，図９に示したように，ノズルと信号領域を開放するために上記構造のノズルプレート２００の外側でＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）により加工してヘッドを完成する。
【００３８】
インクジェットプリンタのヘッドは，基板１００とノズルプレート２００とが接合され，各ヒーターチップに該当するインク室と流路，またノズルが設定されインク供給路が形成される。したがって，インクジェットプリンタのヘッドにおいて，各部品間の接合または接着は，信頼性に影響を与える大きな要因となる。本実施の形態によれば，シリコン−ガラス−シリコン接合を用いて基板１００とノズルプレート２００とを接合，即ち，ノズルプレートを構成するシリコンと熱膨張係数がほぼ同一のガラス薄膜を基板１００に蒸着してシリコン−ガラス−シリコン接合を施してヘッドを製造するため，信頼性に優れているインクジェットプリンタのヘッドを製造することができる。
【００３９】
以上では，本発明の好適な実施の形態について図示し説明したが，本発明は，上述した特定の好適な実施の形態により限定されることではなく，請求の範囲で請求している本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば誰でも種々の変更実施が可能であることはもとより，そのような変更は，請求の範囲の記載範囲内にあることはいうまでもない。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば，インクジェットプリンタのヘッドの製造時，ガラス質の薄膜を用いた静電力でヒーター基板とノズルプレートとを接合するため，既存のヘッドの製造時に使用されていたポリマー系接着層の使用を排除することができ，ポリマー系接着層により各層の間にインクが浸透して不良が発生するということを防止することができる。また，ウェハー単位の接合工程が可能となるため，単位ヘッド別接着方式より量産性を向上させることができる。
【００４１】
また，本発明によれば，感光性印刷（ＰＲ Ｐｈｏｔｏ）とエッチング工程を通じてノズルプレートにインク室とノズルとが共に設けられるため，インク室，ヒーター，ノズル間の整列が正確に行われ，ヘッドの集積度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態によるインクジェットプリンタのヘッドを示す断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態によるインクジェットプリンタのヘッドの製造方法にかかる工程図である。
【図３】本発明の一実施の形態によるインクジェットプリンタのヘッドの製造方法にかかる工程図である。
【図４】本発明の一実施の形態によるインクジェットプリンタのヘッドの製造方法にかかる工程図である。
【図５】本発明の一実施の形態によるインクジェットプリンタのヘッドの製造方法にかかる工程図である。
【図６】本発明の一実施の形態によるインクジェットプリンタのヘッドの製造方法にかかる工程図である。
【図７】本発明の一実施の形態によるインクジェットプリンタのヘッドの製造方法にかかる工程図である。
【図８】本発明の一実施の形態によるインクジェットプリンタのヘッドの製造方法にかかる工程図である。
【図９】本発明の一実施の形態によるインクジェットプリンタのヘッドの製造方法にかかる工程図である。
【図１０】本発明によるインクジェットプリンタのヘッドの製造方法におけるノズルプレートと基板との接合原理を示す図である。
【図１１】従来のインクジェットプリンタのヘッドの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１００ 基板
１１０ ヒーター
１２０ 防熱層
１３０ パッシベーション層
１３１ 絶縁層
１３２ ヒーター保護層
１４０ 導電層
２００ ノズルプレート
２１０ ノズル
２２０ インク室
３００ 中間接合層
【発明の属する技術分野】
本発明は，インクジェットプリンタのヘッド及びその製造方法に関し，より詳しくは，バブルジェット（登録商標）方式を採用した場合に好適なインクジェットプリンタのヘッド及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に，インクジェットプリンタのインク吐出方式は，バブルジェット（登録商標）方式，ＰＺＴ方式，熱転写方式，熱圧縮方式に大別される。ここで，バブルジェット（登録商標）方式は，発熱素子で液状のインクを加熱してバブルを発生させることでインクが吐出されるようにする方式である。バルブジェット方式のインクジェットプリンタのヘッドは，インク室を提供するインク室壁の一側にノズルを有するノズルプレートが配置され，インク室壁の他側には，インク室内のインクを加熱するヒーターが備えられた基板が配置されるという基本構造を有する。
【０００３】
上記のようなバルブジェット方式のインクジェットプリンタのヘッドの典型的な一例を，図面を参照して説明すると，以下のとおりである。
【０００４】
図１１に示したように，一般のインクジェットプリンタのヘッドは，基板１０と，ノズルプレート２０と，基板１０とノズルプレート２０との間に位置してこれらを接合すると共にインク室３０を提供するインク室壁４０とを備える。
【０００５】
基板１０には，インク室３０内のインクを加熱するヒーター１１と，インク室３０にインクを供給するインク供給路（図示せず）とが備えられる。また，基板１０には，更に，防熱層１２と電極１３と電極及びヒータ保護のためのパッシベーション層１４とが備えられる。パッシベーション層１４は，ＳｉＮ：Ｈからなる絶縁膜１４ａ，ヒーター保護膜１４ｂ及びＳｉＣ：Ｈからなる絶縁膜１４ｃで構成される。
【０００６】
ノズルプレート２０には，インク室３０と連通するノズル２１が備えられる。ノズル２１は，その内側から外側にいくにつれて直径が徐々に小さくなるテーパー状に形成される。
【０００７】
インク室３０は，基板１０に感光性ポリマーを所定の高さに積層することで形成されたインク室壁４０の一部分（ヒーター形成領域）をパターニングして除去することにより形成される。基板１０とノズルプレート２０とは，インク室壁４０の役割を果たす感光性ポリマーにより接合される。
【０００８】
このように構成された従来のインクジェットプリンタのヘッドは，基板１０のヒーター１１に２〜３μｓ間インクが加熱されるに足りるエネルギーを印加すると，ヒーター１１の表面にバブルが形成され，このバブルの体積と圧力によりインク室３０内のインクがノズルプレート２０のノズル２1を通じて外部に噴射される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように構成された一般のインクジェットプリンタのヘッドは，その構造上ポリマーからなるインク室壁４０が基板１０とノズルプレート２０との間で接着層の役割を果たしながらインクと接触するようになる。インクは，６０〜７０％以上の水分からなるため，インクがインク室３０を取り囲んでいるポリマーのバルクとヒーター基板１０−インク室壁４０−ノズルプレート２０との接着界面を通じて染み込むようになる。かかる現象は，ポリマーの膨張と各部品間の節理現象を引き起こし，ヘッド不良の主要要因となるため，改善が求められている。
【００１０】
また，従来のインクジェットプリンタのヘッドは，各インク供給路とインク室３０がインクという流体で満たされているため，インク吐出し時に隣接ヒーターとインク供給路にその圧力が伝播し，バルブ形成とインク吐出し特性に影響を与える干渉現象（ｃｒｏｓｓｔａｌｋ）が発生するという問題もある。
【００１１】
更に，従来のインクジェットプリンタのヘッドは，基板１０にポリマーを積層して感光及び現像した後，この基板１０とノズルプレート２０とを接合するという順番で製造されるが，順番にヒーター１１，インク室３０，ノズル２１を整列させることが非常に困難である。このような理由にてそれぞれの工程で配列がずれ，ヒーター１１とインク室３０及びノズル２１の整列がずれるようになると，インクの吐出しの方向性が悪くなり，印刷品質の劣化をもたらすため，これもまた改善が求められている。
【００１２】
本発明は，上記のような問題点に鑑みてなされたものであって，従来，ポリマーを用いて接合する場合に発生していた節理現象及び干渉現象を防止することができるインクジェットプリンタのヘッド及びその製造方法を提供することにその目的がある。
【００１３】
本発明の他の目的は，ノズルとインク室及びヒーターの整列が正確に行われ，また，素子の集積度を向上させることができるインクジェットプリンタのヘッド及びその製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明によるインクジェットプリンタのヘッドは，インク室内のインクを加熱するヒーターを有する基板と；ヒーターにより加熱されたインク室内のインクが吐出されるノズルを有するノズルプレート；及び基板とノズルプレートとの間に介在し，これら基板とノズルプレートとを静電力で接合する中間接合層と；を含み，基板には，ヒーターの放熱を防止するための防熱層と，ヒーター保護のためのパッシベーション層が備えられ，パッシベーション層は，ヒーターに蒸着される絶縁層と，絶縁層に蒸着され一側が基板と通電するように接続されたヒーター保護層と，を含むことを特徴とする。ヒーターを有する基板とノズルを有するノズルプレートとを静電力を用いて一体に接合することにより，従来，ポリマーを用いて接合する場合に発生していた節理現象及び干渉現象を防止することができる。
【００１５】
中間接合層は，融点が低く且つ成分の６０％以上が非晶質酸化珪素からなるガラス薄膜で構成することができる。
【００１７】
本発明の他の目的を達成するためのインクジェットプリンタのヘッドの製造方法は，インク室内のインクを加熱するヒーターを有する基板を作製するステップと；ヒーターにより加熱されたインク室内のインクが吐出されるノズルを有するノズルプレートを作製するステップ；及び基板とノズルプレートとを中間接合層を介在して静電力で接合するステップと；を含み，基板の作製ステップは，シリコン基板上に防熱層を形成するステップと；
防熱層上にヒーター及び導電層を形成するステップと；ヒーター及び導電層上にヒーター保護のためのパッシベーション層を形成するステップと；を含み，パッシベーション層の形成は，シリコン窒化膜とシリコンカーバイド膜を一定の厚さで順次に蒸着して絶縁層を形成した後，該絶縁層の一部にシリコン基板と通じるビアホールを形成し，この上にタンタルを一定の厚さで蒸着しヒーター保護層を形成する順に行うことを特徴とする。ノズルプレートを作製するステップは，ノズルプレートを湿式エッチングしてインク室を形成した後，前記インク室に連結されるノズルを乾式エッチングで形成するようにしてもよい。ノズルプレートにノズルとインク室とを共に形成することでノズルとインク室及びヒーターの整列が正確に行われ，また，素子の集積度を向上させることができる
【００１８】
接合ステップは，基板上のノズルプレート接合部に中間接合層を形成するステップと；中間接合層上に前記ノズルプレートを載置し，仮接合を行うステップ；及びノズルプレートが仮接合された基板を加熱して所定温度以上に加熱される時，ノズルプレートとヒーター基板とが通電するように電界を加えるステップと；を含むことを特徴とする。
【００１９】
なお，中間接合層は，基板上に一定の厚さのガラス薄膜を成膜した後，ガラス薄膜のヒーター形成部位をエッチングし除去することで形成してもよい。
【００２０】
また，前記ガラス薄膜は，スピンコート蒸着法，スパッタリング薄膜蒸着法，電子−ビーム蒸着法等により成膜することができ，約１〜５μｍの厚さで成膜することが好ましい。
【００２１】
基板とノズルプレートとの接合時の加熱温度は，常温〜５００℃であることが好ましく，電界は，０〜１０００Ｖの直流電圧及びパルス信号から選ぶことができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下では，本発明の好ましい実施の形態を添付図面を参照して説明する。図１は，本発明の一実施の形態によるインクジェットプリンタのヘッドを示す断面図であり，図２ないし図９は，本発明の一実施の形態によるインクジェットプリンタのヘッドの製造方法に関する工程図であり，図１０は，本発明によるインクジェットプリンタのヘッドの製造方法における基板とノズルプレートとの接合原理を示す図である。
【００２４】
図１に示したように，本発明の一実施の形態によるインクジェットプリンタのヘッドは，基板１００と，ノズルプレート２００及びヒーター基板１００とノズルプレート２００とを接合する中間接合層３００とを備える。
【００２５】
基板１００には，インク室２２０内のインクを加熱するヒーター１１０が備えられる。ヒーター１１０は，Ｔａ−Ａｌを５００〜５０００オングストロームの厚さで蒸着することにより形成される。また，基板１００には，ヒーター１１０から発生する熱エネルギーがヒーターの下方にある基板に伝わることを防止するための防熱層１２０と，ヒーター１１０が酸化したりインクと直接接触したりすることを防止し且つ熱と圧力によるキャビテーションを防止するためのパッシベーション層１３０とが形成される。防熱層１２０は，シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を１〜５μｍの厚さで蒸着することにより形成され，防熱層１２０の上部にヒーター１１０が形成される。パッシベーション層１３０は，絶縁層１３１とヒーター保護層１３２とからなる。絶縁層１３１は，ヒーター１１０の上部にシリコン窒化膜（ＳｉＮ：Ｈ）を０．１〜１．０μｍの厚さで蒸着することにより形成され，ヒーター保護層１３２は，絶縁層１３１の上部にタンタル（Ｔａ）を０．１〜１．０μｍの厚さで蒸着することにより形成される。ここで，ヒーター保護層１３２は，一側が基板と接続されて通電するように形成される。一方，絶縁層１３１は，シリコン窒化膜の上部に０．１〜１．０μｍの厚さで形成されるシリコンカーバイド膜を更に成膜することができる。シリコンカーバイド膜は，ヒーターの耐化学性及び熱伝導性を補強する役割を果たす。図面における符号１４０は，ヒーター１１０に電源を印加するための導電層である。
【００２６】
ノズルプレート２００には，インク室２２０とノズル２１０とが互いに連通するように形成される。一方，図示した例では，インク室２２０がノズルプレート２００に形成された例を示しているが，インク室２２０を基板１００に形成してもよい。
【００２７】
中間接合層３００は，基板１００とノズルプレート２００とを静電力で接合するためのものであって，融点が低く且つ成分の６０％以上が非晶質酸化珪素からなるガラス薄膜で構成される。ガラス薄膜は，スパッタリング蒸着方法，電子−ビーム蒸着方法または液状ガラスをスピンコートする方法により基板１００のノズルプレート接合部位に１〜５μｍの厚さで成膜される。基板１００のノズルプレート接合部位に上記のような中間接合層３００としてのガラス薄膜を成膜した後，該ガラス薄膜の上にノズルプレート２００を載置し仮接合した状態で基板１００とノズルプレート２００に電界を加えると，ノズルプレート２００と中間接合層３００との界面に酸化シリコンが薄く成長しながら界面を埋め，該酸化シリコンの静電力により基板とノズルプレートとが一体に接合されるようになる。
【００２８】
以下では，上記のように構成される本発明の一実施の形態によるインクジェットプリンタのヘッドを製造する方法について図２ないし図９を参照して具体的に説明する。
【００２９】
同図に示したように，本発明の一実施の形態によるインクジェットプリンタのヘッドの製造方法は，基板１００の作製ステップ（図２），中間接合層３００の形成ステップ（図４，図５），ノズルプレート２００の作製ステップ（図６，図７），基板１００とノズルプレート２００との接合ステップ（図８）を含む。
【００３０】
基板１００の作製ステップでは，図２に示したように，先ず，基板１００にシリコン酸化膜を一定の厚さで蒸着して防熱層１２０を形成する。その後，防熱層１２０の上部にタンタル−アルミニウム合金を一定の厚さで蒸着してヒーター１１０を形成し，次いで，ヒーター１１０に電源を印加するための導電層１４０を形成しパターニングする。ヒーター１１０は，スパッタリング法により形成するが，必ずしもこの方法に限定されるわけではない。
【００３１】
次いで，図３に示したように，基板１００にヒーター１１０を保護するためのパッシベーション層１３０を形成する。本実施の形態におけるパッシベーション層１３０は，ヒーター１１０の上部にヒーター１１０を保護するために順次に形成された絶縁層１３１とヒーター保護層１３２とを含む。絶縁層１３１は，シリコン酸化膜を一定の厚さで蒸着することにより形成され，ヒーター保護層1３２は，タンタルを一定の厚さで蒸着することにより形成される。タンタルは，展性及び軟性が豊かで酸化し難く且つフッ化水素酸外の酸には溶けないという特性を有するため，ヒーター１１０を保護することができる。なお，ヒーター保護層１３２は，その一側が基板１００に接続するように絶縁層１３１と防熱層１２０を貫通して形成されたビアホール１００ａに充填されることで形成される。これは，基板１００とノズルプレート２００との接合ステップにおける電界印加時にイオンが通電し得るようにするためである。一方，絶縁層１３１は，シリコン酸化膜を蒸着した後，その上にシリコンカーバイド膜を更に蒸着することで耐化学性及び熱伝導性を補強することができる。
【００３２】
前述した如く，基板１００にパッシベーション層１３０を形成した後，図４に示したように，ヒーター保護層１３２上に一定の厚さでガラス薄膜を蒸着して中間接合層３００を形成する。ガラス薄膜は，一般に使用されるスパッタリング方法または電子−ビーム蒸着法で形成することができ，また液状ガラスをスピンコートすることにより形成することもできる。ガラス薄膜は，ノズルプレート２００との接合をなす接合層であって，インク漏れが生じないように気密を保持する必要があることから，表面の平坦化が求められる。スピンコート方法は，コーティングと共に平坦化が自然に行われるため，絶縁層のパターンによる勾配が克服可能になるが，スパッタリングや電子−ビーム蒸着法により成膜されたガラス薄膜は，十分な厚さを確保した後，平坦化工程を経る必要がある。したがって，ガラス薄膜の成膜は，スピンコート方法が好適である。上記のような方法により基板１００にガラス薄膜を成膜した後は，図５に示したように，ガラス薄膜の必要部位，即ち，ノズルプレート接合部位を除く余の部位はパターニングし除去する。
【００３３】
上記過程により基板１００を作製した後は，図６及び図７に示したように，ノズルプレート２００を作製する。先ず，ノズルプレート２００の内側にインク室２２０を形成した後，インク室２２０と連通するノズル２１０を形成することでノズルプレート２００を作製する。ここで，インク室２２０は，少なくとも１種のエッチング液を用いた湿式エッチングにより１０〜４０μｍの大きさで形成し，ノズル２１０は，反応性ガスとプラズマを用いた乾式エッチングにより１０〜４０μｍの大きさで形成する。
【００３４】
上記のような過程によりそれぞれ作製された基板１００とノズルプレート２００とを，図８に示したように，中間接合層３００を介在して仮接合した状態で熱と電界を印加して接合するが，以下では，これについて詳しく説明する。
【００３５】
図１０に示したように，基板１００とノズルプレート２００とを仮接合した仮接合物を導電性物質からなる熱プレート４００上に載置し，電極をノズルプレート２００と熱プレート４００に接続することで熱プレート４００により加熱及び通電されるようにする。ここで，加熱温度は，陽イオンが電界により十分に移動可能であり且つ基板１００上の薄膜層１３１，１３２が影響を受けない温度範囲である常温から５００℃程度の範囲内から選ばれる。そして，電界は，中間接合層３００の厚さと成分に応じて０〜１０００Ｖの直流電圧またはパルス信号で印加される。
【００３６】
温度が上昇し，電界が加えられると，中間接合層３００内の陽イオンの移動度が増加して陰極側の中間接合層３００の界面側にイオンが移動し中性化され，中間接合層３００内に残留した陰イオンは接触されたノズルプレート２００のシリコン表面に空間電荷層を形成する。加えられた電界が全てこの空間電荷層に集中し強力な静電力が働くため，中間接合層３００を構成するガラス薄膜内の酸素イオンとノズルプレートを構成するシリコンとの結合が行われる。即ち，界面にＳｉＯ２が薄く成長しながらノズルプレート２００と中間接合層３００との境界面を埋めるようになる。
【００３７】
上記のように基板１００とノズルプレート２００とを接合した後は，図９に示したように，ノズルと信号領域を開放するために上記構造のノズルプレート２００の外側でＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）により加工してヘッドを完成する。
【００３８】
インクジェットプリンタのヘッドは，基板１００とノズルプレート２００とが接合され，各ヒーターチップに該当するインク室と流路，またノズルが設定されインク供給路が形成される。したがって，インクジェットプリンタのヘッドにおいて，各部品間の接合または接着は，信頼性に影響を与える大きな要因となる。本実施の形態によれば，シリコン−ガラス−シリコン接合を用いて基板１００とノズルプレート２００とを接合，即ち，ノズルプレートを構成するシリコンと熱膨張係数がほぼ同一のガラス薄膜を基板１００に蒸着してシリコン−ガラス−シリコン接合を施してヘッドを製造するため，信頼性に優れているインクジェットプリンタのヘッドを製造することができる。
【００３９】
以上では，本発明の好適な実施の形態について図示し説明したが，本発明は，上述した特定の好適な実施の形態により限定されることではなく，請求の範囲で請求している本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば誰でも種々の変更実施が可能であることはもとより，そのような変更は，請求の範囲の記載範囲内にあることはいうまでもない。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば，インクジェットプリンタのヘッドの製造時，ガラス質の薄膜を用いた静電力でヒーター基板とノズルプレートとを接合するため，既存のヘッドの製造時に使用されていたポリマー系接着層の使用を排除することができ，ポリマー系接着層により各層の間にインクが浸透して不良が発生するということを防止することができる。また，ウェハー単位の接合工程が可能となるため，単位ヘッド別接着方式より量産性を向上させることができる。
【００４１】
また，本発明によれば，感光性印刷（ＰＲ Ｐｈｏｔｏ）とエッチング工程を通じてノズルプレートにインク室とノズルとが共に設けられるため，インク室，ヒーター，ノズル間の整列が正確に行われ，ヘッドの集積度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態によるインクジェットプリンタのヘッドを示す断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態によるインクジェットプリンタのヘッドの製造方法にかかる工程図である。
【図３】本発明の一実施の形態によるインクジェットプリンタのヘッドの製造方法にかかる工程図である。
【図４】本発明の一実施の形態によるインクジェットプリンタのヘッドの製造方法にかかる工程図である。
【図５】本発明の一実施の形態によるインクジェットプリンタのヘッドの製造方法にかかる工程図である。
【図６】本発明の一実施の形態によるインクジェットプリンタのヘッドの製造方法にかかる工程図である。
【図７】本発明の一実施の形態によるインクジェットプリンタのヘッドの製造方法にかかる工程図である。
【図８】本発明の一実施の形態によるインクジェットプリンタのヘッドの製造方法にかかる工程図である。
【図９】本発明の一実施の形態によるインクジェットプリンタのヘッドの製造方法にかかる工程図である。
【図１０】本発明によるインクジェットプリンタのヘッドの製造方法におけるノズルプレートと基板との接合原理を示す図である。
【図１１】従来のインクジェットプリンタのヘッドの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１００ 基板
１１０ ヒーター
１２０ 防熱層
１３０ パッシベーション層
１３１ 絶縁層
１３２ ヒーター保護層
１４０ 導電層
２００ ノズルプレート
２１０ ノズル
２２０ インク室
３００ 中間接合層
Claims (14)
- インク室内のインクを加熱するヒーターを有する基板と；
前記ヒーターにより加熱されたインク室内のインクが吐出されるノズルを有するノズルプレートと；
前記基板と前記ノズルプレートとの間に介在し，これら基板とノズルプレートとを静電力で接合する中間接合層と；
を含み，
前記基板には，ヒーターの放熱を防止するための防熱層と，ヒーター保護のためのパッシベーション層が備えられ，
前記パッシベーション層は，前記ヒーターに蒸着される絶縁層と，前記絶縁層に蒸着され一側が基板と通電するように接続されたヒーター保護層と，を含むことを特徴とする，インクジェットプリンタのヘッド。 - 前記中間接合層が，融点が低く且つ成分の６０％以上が非晶質酸化珪素からなるガラス薄膜で構成されることを特徴とする，請求項１に記載のインクジェットプリンタのヘッド。
- 前記インク室が，前記ノズルプレートに形成され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プリンタのヘッド。
- インク室内のインクを加熱して吐出するインクジェットプリンタのヘッドを製造する方法であって，
ａ）前記インク室内のインクを加熱するヒーターを有する基板を作製するステップと；
ｂ）前記ヒーターにより加熱されたインク室内のインクが吐出されるノズルを有するノズルプレートを作製するステップと；
ｃ）前記基板と前記ノズルプレートとを中間接合層を介在して静電力で接合するステップと；
を含み，
前記ａ）ステップが，
ａ−１）シリコン基板上に防熱層を形成するステップと；
ａ−２）前記防熱層上にヒーター及び導電層を形成するステップと；
ａ−３）前記ヒーター及び導電層上にヒーター保護のためのパッシベーション層を形成するステップと；
を含み，
前記パッシベーション層が，シリコン窒化膜とシリコンカーバイド膜を一定の厚さで順次に蒸着して絶縁層を形成した後，前記絶縁層の一部にシリコン基板と通じるビアホールを形成し，前記絶縁層の上部にタンタルを一定の厚さで蒸着しヒーター保護層を形成してなることを特徴とする，インクジェットプリンタのヘッドの製造方法。 - 前記ｃ）ステップが，
ｃ−１）前記基板上のノズルプレート接合部に中間接合層を形成するステップと；
ｃ−２）前記中間接合層上に前記ノズルプレートを載置し，仮接合を行うステップと；
ｃ−３）前記ノズルプレートが仮接合された基板を加熱して所定温度以上に加熱される時，前記ノズルプレートと前記ヒーター基板とが通電するように電界を加えるステップと；
を含むことを特徴とする，請求項４に記載のインクジェットプリンタのヘッドの製造方法。 - 前記ｃ−１ステップが，前記基板上に一定の厚さのガラス薄膜を成膜した後，前記ガラ ス薄膜のヒーター形成部位をエッチングし除去することからなることを特徴とする，請求項５に記載のインクジェットプリンタのヘッドの製造方法。
- 前記ガラス薄膜が，スピンコート蒸着法により成膜されることを特徴とする，請求項６に記載のインクジェットプリンタのヘッドの製造方法。
- 前記ガラス薄膜が，スパッタリング蒸着法により成膜されることを特徴とする，請求項６に記載のインクジェットプリンタのヘッドの製造方法。
- 前記ガラス薄膜が，電子−ビーム蒸着法により成膜されることを特徴とする，請求項６に記載のインクジェットプリンタのヘッドの製造方法。
- 前記ガラス薄膜が，１〜５μｍの厚さで成膜されることを特徴とする，請求項６から９のいずれか１項に記載のインクジェットプリンタのヘッドの製造方法。
- 前記加熱温度が，常温〜５００℃であり，前記電界が，０〜１０００Ｖの直流電圧及びパルス信号のうちから選ばれたいずれか１つであることを特徴とする，請求項５から１０のいずれか１項に記載のインクジェットプリンタのヘッドの製造方法。
- 前記ａ）ステップが，
ａ−１）シリコン基板上に防熱層を形成するステップと；
ａ−２）前記防熱層上にヒーター及び導電層を形成するステップと；
ａ−３）前記ヒーター及び導電層上にヒーター保護のためのパッシベーション層を形成するステップと；
を含むことを特徴とする，請求項４に記載のインクジェットプリンタのヘッドの製造方法。 - 前記ヒーター保護層の厚さが，０．１〜１．０μｍであることを特徴とする，請求項４に記載のインクジェットプリンタのヘッドの製造方法。
- 前記ｂ）ステップが，ノズルプレートを湿式エッチングしてインク室を形成した後，前記インク室に連結されるノズルを乾式エッチングで形成することを特徴とする，請求項４に記載のインクジェットプリンタのヘッドの製造方法。
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