JP3850043B2 - トップシューター型サーマルインクジェット印刷ヘッドを製作する方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はサーマルインクジェットプリンタに関し、より詳細にはインクをインク吐出室に導入するためのトップシューター型印刷ヘッド構造の改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
サーマルインクジェット印刷の分野において、共通の基板に複数の抵抗素子を設けて隣接する対応する数のインク溜めに収容されたインクを加熱してインクの吐出と印刷を行うことは周知である。かかる構成を用いて、これらの隣接するインク溜めは通常基板に取り付けられたバリア層内の空洞として設けられ、機械的エネルギーを所定の各量のインクに適切に分離するようになっている。この機械的エネルギーは抵抗素子に供給される電気的エネルギーの変換によって発生し、抵抗素子上のインクに急速に膨張する気泡を発生させる。また、ノズル中のこれらの空洞上に複数のインク吐出オリフィスが設けられ、印刷処理中にインクの吐出路を提供する。
【０００３】
サーマルインクジェット印刷ヘッドの動作時、加熱素子あるいは抵抗素子にインクを流し、インクの吐出を発生させなければならない。これは基板、インク障壁あるいはノズル板中にインク充填流路あるいはスロットを製作することによって行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
インク充填スロットを形成するための従来の方法には多数の時間のかかる処理を必要とし、その結果形状のばらつきが発生したり、部品の機械的な位置合わせを精密に行わなればならなかったり、また通常１つの基板上でしか処理を実行できないといった問題があった。かかる問題のために従来の技術はここに説明する発明に比べ好適ではない。
【０００５】
たとえば、サンドブラスティングが従来用いられているが、比較的均一で汚れのないインクスロット機構を製作することは困難である。写真製版の品質は面の状態と平坦さに依存ずるところが大きく、それらはいずれもサンドブラスティングに大きく影響される。
【０００６】
さらに、高い動作周波数においては、従来のインクスロット形成法では単純に要求されるインク量に対応する容量を持たない流路しか提供できない。
【０００７】
インクジェット印刷のためのシリコン構造の製作は周知である。米国特許4,863,560号、4,899,181号、4,875,968号、4,612,554号、4,601,777号（およびその再発行RE32,-572）、4,899,178号、4,851371号、4,638,337号および4,829,324号を参照されたい。これらの特許はすべていわゆる“サイドシューター”インクジェット印刷ヘッド構成に関するものである。しかし、流体力学的な考え方では本発明がそれにあてはまることろの“トップシューター”（あるいは“ルーフシューター”）構成の場合とはまったく異なっており、したがってこれらの特許は本発明には関係がない。
【０００８】
米国特許4,789,425号は“ルーフシューター”構成に関するものである。しかし、この特許は基板に異方性エッチングを行ってインク供給スロットを形成するものであるが、高い動作周波数に対して必要なインク量の供給方法の問題については触れていない。さらに、形状の管理、ペンの速度あるいは油圧減衰制御については言及していない。また、この特許では２段階の処理が必要であり、その処理においては位置合わせ開口部は凹部だけが形成されるように短時間だけエッチングされる。
【０００９】
バッチ処理でサーマルインクジェット印刷ヘッド中にインク充填スロットを製作する方法が必要とされている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の利点はインク充填スロットをバッチ処理で最小限の工程で提供することである。
【００１１】
本発明の他の利点はインク充填スロットの形状と位置合わせの精密な制御を提供することである。
【００１２】
本発明の他の利点は最大14kHzまでの高い動作周波数において必要なインク量を提供するように適当に構成されたインク充填スロットを提供することである。
【００１３】
また、本発明の他の利点はウエハの主表面をその表面上で精密な写真製版を行うためにほぼ平坦に保ちながらインク充填スロットの形成を行うことである。
【００１４】
本発明によれば、化学エッチングをともなう写真製版技術を用いて基板にインク充填スロットが精密に製作される。
【００１５】
本発明の改良されたトップシューター型サーマルインクジェット印刷ヘッドは複数のインク吐出加熱素子を有し、それぞれのインク吐出素子は３つの障壁と少なくともかかる素子のいくつかに共有されるインク溜めへの第４の横開口部によって生成される別々のインク吐出室内に配設されている。また、かかる素子に近接したカバープレート内に配設されたオリフィスからなる複数のノズルを有し、それぞれのオリフィスはある量のインクを各素子によって形成される面に対して直角に、オリフィスを介して印刷媒体に向かって所定の順序で吐出して印刷媒体上に英数字や図形を形成するための素子と連動している。インクはインク充填スロットからインク供給流路を用いて加熱素子に供給される。それぞれのインク吐出室には、インク供給流路中の壁に形成され、壁(plenum)と流路の間でしぼりを生じさせる幅だけ離れた一対の対向する突起が設けられている。それぞれのインク吐出室はさらに突起の間に配設され１つのインク供給流路を隣のインク供給流路から分けるための引き込み突出部が設けられている。改良点は１つの基板上にインク充填スロットとインク吐出室およびインク供給流路が形成され、インク充填スロットは主としてあるいは完全に化学エッチングを用いた基板の異方性エッチングによって形成されることである。
【００１６】
本発明の方法は、インク供給流路の長さを抵抗器を取り囲む装置形状がすべてほとんど同じになるように制御することを可能にする。インク充填スロットを引き込み突出部対まで延長することによって、インクをインク吐出室により近く提供することができる。
【００１７】
サーマルインクジェットペンの動作周波数は特にインクがインク充填スロットからインク吐出室に流れる距離あるいはシェルフによって決まる。高い周波数では、この距離あるいはシェルフはかなり厳密に制御しなければならない。本発明の方法によって、この距離をより厳密に制御し、インク吐出室により近くすることができ、それによってペンをより高い周波数で動作させることができる。
【００１８】
【実施例】
添付図面中同一参照符号は同一要素を表わし、図１は基板12上に形成された印刷あるいはインク吐出素子10を示す。図２は３つの隣接する印刷素子10を示し、図３は複数のかかる吐出素子からなる印刷ヘッドの一部を示し、またそれにインクを供給する共通のインク充填スロット18を示す。図３は複数の吐出素子の１つの一般的な構成、すなわち共通のインク充填スロット18の周囲に吐出素子10の２つの平行な列を配した構成を示すが、かかる素子がほぼ円形に１列になったもののようなサーマルインクジェット印刷に用いられる他の構成を本発明の実施において形成することができる。
【００１９】
各吐出素子10はインク供給流路14を有し、その一端14Aに抵抗器16が配置されている。３つの側面で抵抗器を取り囲むインク供給流路14とインク吐出室15は光重合可能な材料からなる層17中に形成され、この層が適当にマスクされ、さらにエッチング／現像されて所望のパターンの開口部が形成される。
【００２０】
インク（図示せず）が18に示すインク充填スロットから矢印“A”で示すようにインク供給流路14の反対側の端部14bに導入される。抵抗器16にはノズル板22中に抵抗器16に近く配置されたノズルすなわち先細穴20が連設されている。インクはある量のインクがこの抵抗器によって加熱されるとこのノズルから（たとえば抵抗器16の面に直角に）吐出される。
【００２１】
インク供給流路14への入口の一対の対向する突起24は矢印“B”に示すような局所的なしぼりを提供する。インクの流体運動の減衰に関係するこの局所的しぼりの目的は米国特許4,882,595号により詳細に説明されているが、本発明の一部をなすものではない。
【００２２】
かかる印刷素子10はそれぞれ上述した各種の機構を有する。各抵抗器16は３つの障壁と少なくとも素子10のいくつかに共通のインク充填スロット18に開いた第４の横開口部によって形成されるインク吐出室15中に設けられている。複数のノズル20は抵抗器16の近傍のカバープレート22中に配設されたオリフィスからなる。各オリフィス20は抵抗器16と連動し、ある量のインクをその抵抗器によって形成される面に直角にオリフィスを介して印刷媒体（図示せず）に向かって所定のパターンで吐出し、印刷媒体上に英数字と図形を形成する。
【００２３】
インクはインク供給流路14によってインク充填スロット18から各素子10に供給される。各インク吐出室15にはインク供給流路14中の壁によって形成され、インク充填スロット18とこの流路の間にしぼりを生じさせる幅“B”だけ離れた一対の対向する突起24が設けられている。各吐出素子10には突起24の間に配設されインク供給流路14を隣接するインク供給流路14'から離す引き込み突出部24Aを設けることができる。
【００２４】
改良点は基板12上にインク充填スロット18とそれに関係するインク供給流路14を形成するための精密な手段が提供されることである。
【００２５】
本発明によれば、インク充填スロット18は化学エッチングをともなう写真製版技術を用いて基板12上に精密に製作される。
【００２６】
本発明のインク充填スロット18の製作が行われる代表的な基板はマイクロエレクトロニクス分野で広く用いられている単結晶シリコンウエハである。〈100〉あるいは〈110〉の結晶方位を有するシリコンウエハが好適である。本発明に用いることのできるインク充填スロット製作法を図4A−図4Fを参照して次に説明する。
【００２７】
図4Aに示すように、好適には〈100〉の結晶方位を有するシリコンウエハ12の両面12a、12bはエッチストップ層としてはたらく誘電体コーティング26が施されている。コーティング26の１つの層だけをここでは図示しているが、１つはシリカ、もう１つは窒化シリコンからなる２つの層（図示せず）を用いることもできる。シリカおよび窒化ケイ素のようなケイ素を基材とする誘電体層はその形成が当該技術分野において周知である点で好適である。
【００２８】
SiO2層の厚さは約17,000Åであり、Si3N4層の厚さは約2,000Åである。これら２つの誘電体層は従来の方法で形成される。
【００２９】
誘電体層を１つにするか２つにするかは用いられる異方性エッチャントに関係する。異方性エッチング液の使用を次により詳細に説明する。すなわち、シリコンのエッチングに水酸化カリウムとエチレンジアミンパラカテコールが用いられる。水酸化カリウムは二酸化ケイ素をかなり急速にエッチングするがシリコンをエッチングする場合より遅い。また窒化ケイ素はエッチングしない。エチレンジアミンパラカテコールは二酸化ケイ素をエチングしない。また窒化ケイ素は応力層を形成する傾向があり、窒化ケイ素の厚い層は応力除去層として二酸化ケイ素層を必要とする。これについてはIEEE Transactions on Electorn Devices、Vol. ED-25、No. 10、1185-1192ページのK.E. Beanの“Anisotropic Etching of Silicon”により詳細に説明されている。最後に、異方性シリコンエッチング後に残った誘電体層はその後のウエハの取扱や処理に耐えられるようにかなり強固であることが望ましい。このため、誘電体層の厚さは少なくとも約0.5μmであり、好適には少なくとも約１μmである。
【００３０】
本発明の処理には、フォトレジスト、マスクの位置合わせ、乾式エッチプラズマ処理、および異方性湿式エッチングが用いられる。シリコンウエハ上の二酸化ケイ素層と窒化ケイ素層は保護障壁層として用いられる。
【００３１】
図4bに示すように、ウエハ12の非仕上げ面あるいは背面と呼ばれる１つの面12aはフォトレジスト層28でコーティングされている。このフォトレジスト層28がパターン化され、次に現像されて下にある誘電体層26が露出される。この露出された部分が従来のプラズマエッチング処理あるいは湿式エッチング処理等を用いてエッチングされ、所望の窓30が形成される。乾式エッチングにはCF4を用いることができるが、シリコン面をオーバーエッチングから保護しながらパッシベーション層のエッチングを速くするには他の形態の気体を用いることもできる。
【００３２】
乾式エッチングステップを完了した後、ステッププロファイラ等を用いて測定を行ってこれらの層が完全に除去される。このとき、フォトレジスト28が基板から除去され、異方性エッチングのサンプルが準備される。ここまでの処理はすべてウエハ12の非仕上げ面あるいは背面12a上に行われたことに注意しなければならない。
【００３３】
次に、図4Cに示すように、異方性エッチングを用いてシリコンウエハ12にこのウエハの前面12b上の誘電体層26に達するがそれを貫通しない傾斜のついたピラミッド状の形状18が形成される。これらのピラミッド状の形状が上述したインク充填スロット18である。
【００３４】
シリコンの形状をエッチングするこの方法は、現在半導体業界で広く用いられている。KOHはこの目的によく適したものであることがわかっている。この溶液は2:1の攪拌したKOH：H2O槽である。この溶液は85℃まで加熱され、一定温度状態に保たれる。
【００３５】
〈100〉シリコンはこの溶液中で約1.6μm／分の速度でエッチングされ、その深さはパターン幅によって制御される。周知のとおり、エッチングは〈111〉面と交わる点でかなり遅くなり、〈100〉底面は存在しない。
【００３６】
シリコンウエハはこの溶液に浸漬され、エッチングサイクルの完了までその状態にとどまる。エッチング時間はウエハの厚さ、エッチング温度等のさまざまな要因によって決まり、上の例ではエッチング時間は約5.5から６時間である。この動作の最も重要な部分はエッチング時間の最後の30分である。シリコンの観察はSiO2窓が現われたときにエッチングを停止するために必ず行わなければならない。次に、ここでウエハがエッチング溶液から取り出され、ウエハリンスに入れられ、続いて洗浄／乾燥剤が加えられる。このときエアガンあるいは窒素ガンの使用は避けねばならない。これは誘電体26の薄膜31がインク充填スロット18を覆っており、次のステップのために連続していなければならない。
【００３７】
ここから残りのヘッド加工を行うことができる。薄膜および写真製版マスキングが通常の集積回路製造法で行われるが、前述の処理とは異なりウエハの仕上げ面あるいは前面に行われる。
【００３８】
すなわち、薄膜16が図4Dに示すように前面12bの誘電体層26上に蒸着される。続いてこの薄膜16が従来の技術を用いてパターン化され、図4Eに示すような抵抗器16が形成される。（関係する導体パターンは図示しない。）抵抗器16と導体パターンの上にパッシベーション層（図示せず）を設けることができる。
【００３９】
最後に、誘電体層26のインク充填スロット18を覆っている前面12b上の部分31が除去され、インク充填スロットが開く。膜31の除去にはエッチング（湿式あるいは乾式）、超音波、レーザードリリング、空気圧等を用いることができる。好適には誘電体膜31の化学エッチングが用いられ、フォトレジスト（図示せず）で面12bを保護し、背面12aからのエッチングあるいはフォトレジストのパターンニングを行ってエッチングすべき部分31を露出させる。エッチングに続いて、フォトレジスト層が剥離される。図4Fはインク充填スロット18が開いた後のウエハを示す。あるいは、空気を噴射するエアガン（図示せず）を用いてインク充填スロット18を開けることができる。
【００４０】
続いて、層17が誘電体材料26の主面に形成され、また抵抗素子16を露出するための開口部が形成されて、これによってインク吐出室15を形成し、抵抗素子16から終端領域までのインク供給流路14が設けられる。この終端領域は、インクをインク溜めからインク吐出室15に導入するためのインク充填スロット18と液通している。これらのステップは図４には示さない。その結果得られる構造については図１を参照されたい。
【００４１】
ここに述べた異方性エッチングを用いると、エッチングの入口側に対応する面の開口部の寸法は対応する出口側の開口部の寸法とウエハ厚に２の平方根の積によって与えられる。
【００４２】
サーマルインクジェットペンの周波数はノズルへのインクの流れに対する抵抗によって制限される。メニスカス発振を減衰するためにインクの流れには多少の抵抗が必要である。しかし、抵抗が大きすぎるとペンの動作周波数の上限が制限されることになる。インクの流れに対する抵抗（インピーダンス）は適切な長さと幅を有する抵抗器16に隣接するギャップによって意図的に制御される。このギャップはインク供給流路であり、その形状はたとえばK.E. Truebaその他に発給され、本出願の譲受人に譲渡された米国特許4,882,595号に説明されている。インク充填スロット18からの抵抗器16の距離は印刷ヘッドの吐出パターンによって異なる。
【００４３】
このインピーダンスの他の要素は図中Aで示すインク供給流路14への入口である。この入口はオリフィス板22と基板12の間の細い領域であり、その高さは基本的には障壁材料17の厚みの関数である。この領域は高いインピーダンスを有する。これはその高さが小さく、抵抗器16に隣接するギャップ14の制御された意図的なインピーダンスに加わるためである。
【００４４】
インク充填スロット18からインク供給流路14の入口までの距離をシェルフとする。ペンの周波数に対するこのシェルフの長さの効果を図５に見ることができる。シェルフが長くなるにつれてノズル周波数が低下する。基板12がこのシェルフ領域でエッチングされ、インク充填スロット18の延長部18aが形成され、この延長部はシェルフ長を小さくし、インク供給流路14への入口の断面積を大きくする。その結果、インピーダンスが小さくなる。このようにしてすべてのノズルの周波数応答の均一性が高くなる。本発明の処理の利点は、ペン全体が均一な高い周波数で動作することができることである。従来は、各ノズル20はそのシェルフ長の関数として異なるインピーダンスを有していた。この変数がなくなり、すべてのノズルのインピーダンスがほぼ等しくなり、したがって調整が容易になり、１つのノズルが最適化されればすべてのノズルが最適化されたことになる。従来はペンは最悪のノズルに合わせて調整しなければならなかった。すなわち、インピーダンスの最も低い（シェルフが最も短い）ノズルの減衰が不足しないようにこのギャップを小さくしなければならなかった。したがって、よりシェルフの大きいノズルはインピーダンスが高くなり、周波数応答が低くなっていた。
【００４５】
図５に示す曲線は約130plのインクを吐出するペンからとったものである。このペンの場合、シェルフ長は高い動作周波数に対しては約10から50μmが好適である。インク量がこれより小さい場合、この曲線はより平たくまた速くなる。
【００４６】
図２はシェルフ長（SL）を示す。シェルフはダイの一定の位置にあり、したがってインク供給流路14への入口から測定したSL寸法は抵抗器の食い違いによっていくぶんか変動する。
【００４７】
インクの流れの特性を改良したこの異方性エッチングされたシリコン基板はトップシューター型サーマルインクジェット印刷ヘッドの製造に用いることができる。
【００４８】
以上、光化学微細加工を用いたトップシュータ型サーマルインクジェット印刷ヘッドの製作法を開示した。当業者には本発明の精神から離れることなくさまざまな変更および修正を加えうることは明らかであろう。またかかる変更や修正はすべて特許請求の範囲に定める本発明の範囲に含まれるものである。
【００４９】
【発明の効果】
本発明の利点はインク充填スロットをバッチ処理で最小限の工程で提供することである。
【００５０】
本発明の他の利点はインク充填スロットの形状と位置合わせの精密な制御を提供することである。
【００５１】
本発明の他の利点は最大14kHzまでの高い動作周波数において必要なインク量を提供するように適当に構成されたインク充填スロットを提供することである。
【００５２】
また、本発明の他の利点はウエハの主表面をその表面上で精密な写真製版を行うためにほぼ平坦に保ちながらインク充填スロットの形成を行うことである。
【００５３】
本発明によれば、化学エッチングをともなう写真製版技術を用いて基板にインク充填スロットが精密に製作される。
【００５４】
本発明の方法は、インク供給流路の長さを抵抗器を取り囲む装置形状がすべてほとんど同じになるように制御することを可能にする。インク充填スロットを引き込み突出部対まで延長することによって、インクをインク吐出室により近く提供することができる。
【００５５】
サーマルインクジェットペンの動作周波数は特にインクがインク充填スロットからインク吐出室に流れるシェルフあるいは距離によって決まる。高い周波数では、この距離あるいはシェルフはかなり厳密に制御しなければならない。本発明の方法によって、この距離をより厳密に制御し、インク吐出室により近くすることができ、それによってペンをより高い周波数で動作させることができる。
【００５６】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインク充填スロットすなわちプリナムと関係する抵抗器とインク供給流路の斜視図である。
【図２】隣接する抵抗器とインク供給流路を含む図１に示す構成の平面図であり、シェルフ長は一定である。
【図３】図２に示す複数の構成の一実施例を示す印刷ヘッドの一部を示す平面図である。
【図４Ａ】図１の抵抗器素子を形成する前に行われるインク充填スロットの作成手順を示す断面図である。
【図４Ｂ】図１の抵抗器素子を形成する前に行われるインク充填スロットの作成手順を示す断面図である。
【図４Ｃ】図１の抵抗器素子を形成する前に行われるインク充填スロットの作成手順を示す断面図である。
【図４Ｄ】図１の抵抗器素子を形成する前に行われるインク充填スロットの作成手順を示す断面図である。
【図４Ｅ】図１の抵抗器素子を形成する前に行われるインク充填スロットの作成手順を示す断面図である。
【図４Ｆ】図１の抵抗器素子を形成する前に行われるインク充填スロットの作成手順を示す断面図である。
【図５】ペン周波数（Hz）とセルフ長（マイクロメートル）を座標としてあるインク量に関するシェルフ長の関数としてのペン周波数の依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
10：インク吐出素子
12：基板
12a,12b：シリコンウエハ面
14,14'：インク供給流路
14a,14b：インク供給流路の端部
15：インク吐出室
16：抵抗器
17：層
18：インク充填スロット
18a：延長部
20：ノズル
22：ノズル板
24：突起
24a：突出部
26：誘電体コーティング
28：フォトレジスト層
30：窓
31：誘電体
【産業上の利用分野】
本発明はサーマルインクジェットプリンタに関し、より詳細にはインクをインク吐出室に導入するためのトップシューター型印刷ヘッド構造の改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
サーマルインクジェット印刷の分野において、共通の基板に複数の抵抗素子を設けて隣接する対応する数のインク溜めに収容されたインクを加熱してインクの吐出と印刷を行うことは周知である。かかる構成を用いて、これらの隣接するインク溜めは通常基板に取り付けられたバリア層内の空洞として設けられ、機械的エネルギーを所定の各量のインクに適切に分離するようになっている。この機械的エネルギーは抵抗素子に供給される電気的エネルギーの変換によって発生し、抵抗素子上のインクに急速に膨張する気泡を発生させる。また、ノズル中のこれらの空洞上に複数のインク吐出オリフィスが設けられ、印刷処理中にインクの吐出路を提供する。
【０００３】
サーマルインクジェット印刷ヘッドの動作時、加熱素子あるいは抵抗素子にインクを流し、インクの吐出を発生させなければならない。これは基板、インク障壁あるいはノズル板中にインク充填流路あるいはスロットを製作することによって行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
インク充填スロットを形成するための従来の方法には多数の時間のかかる処理を必要とし、その結果形状のばらつきが発生したり、部品の機械的な位置合わせを精密に行わなればならなかったり、また通常１つの基板上でしか処理を実行できないといった問題があった。かかる問題のために従来の技術はここに説明する発明に比べ好適ではない。
【０００５】
たとえば、サンドブラスティングが従来用いられているが、比較的均一で汚れのないインクスロット機構を製作することは困難である。写真製版の品質は面の状態と平坦さに依存ずるところが大きく、それらはいずれもサンドブラスティングに大きく影響される。
【０００６】
さらに、高い動作周波数においては、従来のインクスロット形成法では単純に要求されるインク量に対応する容量を持たない流路しか提供できない。
【０００７】
インクジェット印刷のためのシリコン構造の製作は周知である。米国特許4,863,560号、4,899,181号、4,875,968号、4,612,554号、4,601,777号（およびその再発行RE32,-572）、4,899,178号、4,851371号、4,638,337号および4,829,324号を参照されたい。これらの特許はすべていわゆる“サイドシューター”インクジェット印刷ヘッド構成に関するものである。しかし、流体力学的な考え方では本発明がそれにあてはまることろの“トップシューター”（あるいは“ルーフシューター”）構成の場合とはまったく異なっており、したがってこれらの特許は本発明には関係がない。
【０００８】
米国特許4,789,425号は“ルーフシューター”構成に関するものである。しかし、この特許は基板に異方性エッチングを行ってインク供給スロットを形成するものであるが、高い動作周波数に対して必要なインク量の供給方法の問題については触れていない。さらに、形状の管理、ペンの速度あるいは油圧減衰制御については言及していない。また、この特許では２段階の処理が必要であり、その処理においては位置合わせ開口部は凹部だけが形成されるように短時間だけエッチングされる。
【０００９】
バッチ処理でサーマルインクジェット印刷ヘッド中にインク充填スロットを製作する方法が必要とされている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の利点はインク充填スロットをバッチ処理で最小限の工程で提供することである。
【００１１】
本発明の他の利点はインク充填スロットの形状と位置合わせの精密な制御を提供することである。
【００１２】
本発明の他の利点は最大14kHzまでの高い動作周波数において必要なインク量を提供するように適当に構成されたインク充填スロットを提供することである。
【００１３】
また、本発明の他の利点はウエハの主表面をその表面上で精密な写真製版を行うためにほぼ平坦に保ちながらインク充填スロットの形成を行うことである。
【００１４】
本発明によれば、化学エッチングをともなう写真製版技術を用いて基板にインク充填スロットが精密に製作される。
【００１５】
本発明の改良されたトップシューター型サーマルインクジェット印刷ヘッドは複数のインク吐出加熱素子を有し、それぞれのインク吐出素子は３つの障壁と少なくともかかる素子のいくつかに共有されるインク溜めへの第４の横開口部によって生成される別々のインク吐出室内に配設されている。また、かかる素子に近接したカバープレート内に配設されたオリフィスからなる複数のノズルを有し、それぞれのオリフィスはある量のインクを各素子によって形成される面に対して直角に、オリフィスを介して印刷媒体に向かって所定の順序で吐出して印刷媒体上に英数字や図形を形成するための素子と連動している。インクはインク充填スロットからインク供給流路を用いて加熱素子に供給される。それぞれのインク吐出室には、インク供給流路中の壁に形成され、壁(plenum)と流路の間でしぼりを生じさせる幅だけ離れた一対の対向する突起が設けられている。それぞれのインク吐出室はさらに突起の間に配設され１つのインク供給流路を隣のインク供給流路から分けるための引き込み突出部が設けられている。改良点は１つの基板上にインク充填スロットとインク吐出室およびインク供給流路が形成され、インク充填スロットは主としてあるいは完全に化学エッチングを用いた基板の異方性エッチングによって形成されることである。
【００１６】
本発明の方法は、インク供給流路の長さを抵抗器を取り囲む装置形状がすべてほとんど同じになるように制御することを可能にする。インク充填スロットを引き込み突出部対まで延長することによって、インクをインク吐出室により近く提供することができる。
【００１７】
サーマルインクジェットペンの動作周波数は特にインクがインク充填スロットからインク吐出室に流れる距離あるいはシェルフによって決まる。高い周波数では、この距離あるいはシェルフはかなり厳密に制御しなければならない。本発明の方法によって、この距離をより厳密に制御し、インク吐出室により近くすることができ、それによってペンをより高い周波数で動作させることができる。
【００１８】
【実施例】
添付図面中同一参照符号は同一要素を表わし、図１は基板12上に形成された印刷あるいはインク吐出素子10を示す。図２は３つの隣接する印刷素子10を示し、図３は複数のかかる吐出素子からなる印刷ヘッドの一部を示し、またそれにインクを供給する共通のインク充填スロット18を示す。図３は複数の吐出素子の１つの一般的な構成、すなわち共通のインク充填スロット18の周囲に吐出素子10の２つの平行な列を配した構成を示すが、かかる素子がほぼ円形に１列になったもののようなサーマルインクジェット印刷に用いられる他の構成を本発明の実施において形成することができる。
【００１９】
各吐出素子10はインク供給流路14を有し、その一端14Aに抵抗器16が配置されている。３つの側面で抵抗器を取り囲むインク供給流路14とインク吐出室15は光重合可能な材料からなる層17中に形成され、この層が適当にマスクされ、さらにエッチング／現像されて所望のパターンの開口部が形成される。
【００２０】
インク（図示せず）が18に示すインク充填スロットから矢印“A”で示すようにインク供給流路14の反対側の端部14bに導入される。抵抗器16にはノズル板22中に抵抗器16に近く配置されたノズルすなわち先細穴20が連設されている。インクはある量のインクがこの抵抗器によって加熱されるとこのノズルから（たとえば抵抗器16の面に直角に）吐出される。
【００２１】
インク供給流路14への入口の一対の対向する突起24は矢印“B”に示すような局所的なしぼりを提供する。インクの流体運動の減衰に関係するこの局所的しぼりの目的は米国特許4,882,595号により詳細に説明されているが、本発明の一部をなすものではない。
【００２２】
かかる印刷素子10はそれぞれ上述した各種の機構を有する。各抵抗器16は３つの障壁と少なくとも素子10のいくつかに共通のインク充填スロット18に開いた第４の横開口部によって形成されるインク吐出室15中に設けられている。複数のノズル20は抵抗器16の近傍のカバープレート22中に配設されたオリフィスからなる。各オリフィス20は抵抗器16と連動し、ある量のインクをその抵抗器によって形成される面に直角にオリフィスを介して印刷媒体（図示せず）に向かって所定のパターンで吐出し、印刷媒体上に英数字と図形を形成する。
【００２３】
インクはインク供給流路14によってインク充填スロット18から各素子10に供給される。各インク吐出室15にはインク供給流路14中の壁によって形成され、インク充填スロット18とこの流路の間にしぼりを生じさせる幅“B”だけ離れた一対の対向する突起24が設けられている。各吐出素子10には突起24の間に配設されインク供給流路14を隣接するインク供給流路14'から離す引き込み突出部24Aを設けることができる。
【００２４】
改良点は基板12上にインク充填スロット18とそれに関係するインク供給流路14を形成するための精密な手段が提供されることである。
【００２５】
本発明によれば、インク充填スロット18は化学エッチングをともなう写真製版技術を用いて基板12上に精密に製作される。
【００２６】
本発明のインク充填スロット18の製作が行われる代表的な基板はマイクロエレクトロニクス分野で広く用いられている単結晶シリコンウエハである。〈100〉あるいは〈110〉の結晶方位を有するシリコンウエハが好適である。本発明に用いることのできるインク充填スロット製作法を図4A−図4Fを参照して次に説明する。
【００２７】
図4Aに示すように、好適には〈100〉の結晶方位を有するシリコンウエハ12の両面12a、12bはエッチストップ層としてはたらく誘電体コーティング26が施されている。コーティング26の１つの層だけをここでは図示しているが、１つはシリカ、もう１つは窒化シリコンからなる２つの層（図示せず）を用いることもできる。シリカおよび窒化ケイ素のようなケイ素を基材とする誘電体層はその形成が当該技術分野において周知である点で好適である。
【００２８】
SiO2層の厚さは約17,000Åであり、Si3N4層の厚さは約2,000Åである。これら２つの誘電体層は従来の方法で形成される。
【００２９】
誘電体層を１つにするか２つにするかは用いられる異方性エッチャントに関係する。異方性エッチング液の使用を次により詳細に説明する。すなわち、シリコンのエッチングに水酸化カリウムとエチレンジアミンパラカテコールが用いられる。水酸化カリウムは二酸化ケイ素をかなり急速にエッチングするがシリコンをエッチングする場合より遅い。また窒化ケイ素はエッチングしない。エチレンジアミンパラカテコールは二酸化ケイ素をエチングしない。また窒化ケイ素は応力層を形成する傾向があり、窒化ケイ素の厚い層は応力除去層として二酸化ケイ素層を必要とする。これについてはIEEE Transactions on Electorn Devices、Vol. ED-25、No. 10、1185-1192ページのK.E. Beanの“Anisotropic Etching of Silicon”により詳細に説明されている。最後に、異方性シリコンエッチング後に残った誘電体層はその後のウエハの取扱や処理に耐えられるようにかなり強固であることが望ましい。このため、誘電体層の厚さは少なくとも約0.5μmであり、好適には少なくとも約１μmである。
【００３０】
本発明の処理には、フォトレジスト、マスクの位置合わせ、乾式エッチプラズマ処理、および異方性湿式エッチングが用いられる。シリコンウエハ上の二酸化ケイ素層と窒化ケイ素層は保護障壁層として用いられる。
【００３１】
図4bに示すように、ウエハ12の非仕上げ面あるいは背面と呼ばれる１つの面12aはフォトレジスト層28でコーティングされている。このフォトレジスト層28がパターン化され、次に現像されて下にある誘電体層26が露出される。この露出された部分が従来のプラズマエッチング処理あるいは湿式エッチング処理等を用いてエッチングされ、所望の窓30が形成される。乾式エッチングにはCF4を用いることができるが、シリコン面をオーバーエッチングから保護しながらパッシベーション層のエッチングを速くするには他の形態の気体を用いることもできる。
【００３２】
乾式エッチングステップを完了した後、ステッププロファイラ等を用いて測定を行ってこれらの層が完全に除去される。このとき、フォトレジスト28が基板から除去され、異方性エッチングのサンプルが準備される。ここまでの処理はすべてウエハ12の非仕上げ面あるいは背面12a上に行われたことに注意しなければならない。
【００３３】
次に、図4Cに示すように、異方性エッチングを用いてシリコンウエハ12にこのウエハの前面12b上の誘電体層26に達するがそれを貫通しない傾斜のついたピラミッド状の形状18が形成される。これらのピラミッド状の形状が上述したインク充填スロット18である。
【００３４】
シリコンの形状をエッチングするこの方法は、現在半導体業界で広く用いられている。KOHはこの目的によく適したものであることがわかっている。この溶液は2:1の攪拌したKOH：H2O槽である。この溶液は85℃まで加熱され、一定温度状態に保たれる。
【００３５】
〈100〉シリコンはこの溶液中で約1.6μm／分の速度でエッチングされ、その深さはパターン幅によって制御される。周知のとおり、エッチングは〈111〉面と交わる点でかなり遅くなり、〈100〉底面は存在しない。
【００３６】
シリコンウエハはこの溶液に浸漬され、エッチングサイクルの完了までその状態にとどまる。エッチング時間はウエハの厚さ、エッチング温度等のさまざまな要因によって決まり、上の例ではエッチング時間は約5.5から６時間である。この動作の最も重要な部分はエッチング時間の最後の30分である。シリコンの観察はSiO2窓が現われたときにエッチングを停止するために必ず行わなければならない。次に、ここでウエハがエッチング溶液から取り出され、ウエハリンスに入れられ、続いて洗浄／乾燥剤が加えられる。このときエアガンあるいは窒素ガンの使用は避けねばならない。これは誘電体26の薄膜31がインク充填スロット18を覆っており、次のステップのために連続していなければならない。
【００３７】
ここから残りのヘッド加工を行うことができる。薄膜および写真製版マスキングが通常の集積回路製造法で行われるが、前述の処理とは異なりウエハの仕上げ面あるいは前面に行われる。
【００３８】
すなわち、薄膜16が図4Dに示すように前面12bの誘電体層26上に蒸着される。続いてこの薄膜16が従来の技術を用いてパターン化され、図4Eに示すような抵抗器16が形成される。（関係する導体パターンは図示しない。）抵抗器16と導体パターンの上にパッシベーション層（図示せず）を設けることができる。
【００３９】
最後に、誘電体層26のインク充填スロット18を覆っている前面12b上の部分31が除去され、インク充填スロットが開く。膜31の除去にはエッチング（湿式あるいは乾式）、超音波、レーザードリリング、空気圧等を用いることができる。好適には誘電体膜31の化学エッチングが用いられ、フォトレジスト（図示せず）で面12bを保護し、背面12aからのエッチングあるいはフォトレジストのパターンニングを行ってエッチングすべき部分31を露出させる。エッチングに続いて、フォトレジスト層が剥離される。図4Fはインク充填スロット18が開いた後のウエハを示す。あるいは、空気を噴射するエアガン（図示せず）を用いてインク充填スロット18を開けることができる。
【００４０】
続いて、層17が誘電体材料26の主面に形成され、また抵抗素子16を露出するための開口部が形成されて、これによってインク吐出室15を形成し、抵抗素子16から終端領域までのインク供給流路14が設けられる。この終端領域は、インクをインク溜めからインク吐出室15に導入するためのインク充填スロット18と液通している。これらのステップは図４には示さない。その結果得られる構造については図１を参照されたい。
【００４１】
ここに述べた異方性エッチングを用いると、エッチングの入口側に対応する面の開口部の寸法は対応する出口側の開口部の寸法とウエハ厚に２の平方根の積によって与えられる。
【００４２】
サーマルインクジェットペンの周波数はノズルへのインクの流れに対する抵抗によって制限される。メニスカス発振を減衰するためにインクの流れには多少の抵抗が必要である。しかし、抵抗が大きすぎるとペンの動作周波数の上限が制限されることになる。インクの流れに対する抵抗（インピーダンス）は適切な長さと幅を有する抵抗器16に隣接するギャップによって意図的に制御される。このギャップはインク供給流路であり、その形状はたとえばK.E. Truebaその他に発給され、本出願の譲受人に譲渡された米国特許4,882,595号に説明されている。インク充填スロット18からの抵抗器16の距離は印刷ヘッドの吐出パターンによって異なる。
【００４３】
このインピーダンスの他の要素は図中Aで示すインク供給流路14への入口である。この入口はオリフィス板22と基板12の間の細い領域であり、その高さは基本的には障壁材料17の厚みの関数である。この領域は高いインピーダンスを有する。これはその高さが小さく、抵抗器16に隣接するギャップ14の制御された意図的なインピーダンスに加わるためである。
【００４４】
インク充填スロット18からインク供給流路14の入口までの距離をシェルフとする。ペンの周波数に対するこのシェルフの長さの効果を図５に見ることができる。シェルフが長くなるにつれてノズル周波数が低下する。基板12がこのシェルフ領域でエッチングされ、インク充填スロット18の延長部18aが形成され、この延長部はシェルフ長を小さくし、インク供給流路14への入口の断面積を大きくする。その結果、インピーダンスが小さくなる。このようにしてすべてのノズルの周波数応答の均一性が高くなる。本発明の処理の利点は、ペン全体が均一な高い周波数で動作することができることである。従来は、各ノズル20はそのシェルフ長の関数として異なるインピーダンスを有していた。この変数がなくなり、すべてのノズルのインピーダンスがほぼ等しくなり、したがって調整が容易になり、１つのノズルが最適化されればすべてのノズルが最適化されたことになる。従来はペンは最悪のノズルに合わせて調整しなければならなかった。すなわち、インピーダンスの最も低い（シェルフが最も短い）ノズルの減衰が不足しないようにこのギャップを小さくしなければならなかった。したがって、よりシェルフの大きいノズルはインピーダンスが高くなり、周波数応答が低くなっていた。
【００４５】
図５に示す曲線は約130plのインクを吐出するペンからとったものである。このペンの場合、シェルフ長は高い動作周波数に対しては約10から50μmが好適である。インク量がこれより小さい場合、この曲線はより平たくまた速くなる。
【００４６】
図２はシェルフ長（SL）を示す。シェルフはダイの一定の位置にあり、したがってインク供給流路14への入口から測定したSL寸法は抵抗器の食い違いによっていくぶんか変動する。
【００４７】
インクの流れの特性を改良したこの異方性エッチングされたシリコン基板はトップシューター型サーマルインクジェット印刷ヘッドの製造に用いることができる。
【００４８】
以上、光化学微細加工を用いたトップシュータ型サーマルインクジェット印刷ヘッドの製作法を開示した。当業者には本発明の精神から離れることなくさまざまな変更および修正を加えうることは明らかであろう。またかかる変更や修正はすべて特許請求の範囲に定める本発明の範囲に含まれるものである。
【００４９】
【発明の効果】
本発明の利点はインク充填スロットをバッチ処理で最小限の工程で提供することである。
【００５０】
本発明の他の利点はインク充填スロットの形状と位置合わせの精密な制御を提供することである。
【００５１】
本発明の他の利点は最大14kHzまでの高い動作周波数において必要なインク量を提供するように適当に構成されたインク充填スロットを提供することである。
【００５２】
また、本発明の他の利点はウエハの主表面をその表面上で精密な写真製版を行うためにほぼ平坦に保ちながらインク充填スロットの形成を行うことである。
【００５３】
本発明によれば、化学エッチングをともなう写真製版技術を用いて基板にインク充填スロットが精密に製作される。
【００５４】
本発明の方法は、インク供給流路の長さを抵抗器を取り囲む装置形状がすべてほとんど同じになるように制御することを可能にする。インク充填スロットを引き込み突出部対まで延長することによって、インクをインク吐出室により近く提供することができる。
【００５５】
サーマルインクジェットペンの動作周波数は特にインクがインク充填スロットからインク吐出室に流れるシェルフあるいは距離によって決まる。高い周波数では、この距離あるいはシェルフはかなり厳密に制御しなければならない。本発明の方法によって、この距離をより厳密に制御し、インク吐出室により近くすることができ、それによってペンをより高い周波数で動作させることができる。
【００５６】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインク充填スロットすなわちプリナムと関係する抵抗器とインク供給流路の斜視図である。
【図２】隣接する抵抗器とインク供給流路を含む図１に示す構成の平面図であり、シェルフ長は一定である。
【図３】図２に示す複数の構成の一実施例を示す印刷ヘッドの一部を示す平面図である。
【図４Ａ】図１の抵抗器素子を形成する前に行われるインク充填スロットの作成手順を示す断面図である。
【図４Ｂ】図１の抵抗器素子を形成する前に行われるインク充填スロットの作成手順を示す断面図である。
【図４Ｃ】図１の抵抗器素子を形成する前に行われるインク充填スロットの作成手順を示す断面図である。
【図４Ｄ】図１の抵抗器素子を形成する前に行われるインク充填スロットの作成手順を示す断面図である。
【図４Ｅ】図１の抵抗器素子を形成する前に行われるインク充填スロットの作成手順を示す断面図である。
【図４Ｆ】図１の抵抗器素子を形成する前に行われるインク充填スロットの作成手順を示す断面図である。
【図５】ペン周波数（Hz）とセルフ長（マイクロメートル）を座標としてあるインク量に関するシェルフ長の関数としてのペン周波数の依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
10：インク吐出素子
12：基板
12a,12b：シリコンウエハ面
14,14'：インク供給流路
14a,14b：インク供給流路の端部
15：インク吐出室
16：抵抗器
17：層
18：インク充填スロット
18a：延長部
20：ノズル
22：ノズル板
24：突起
24a：突出部
26：誘電体コーティング
28：フォトレジスト層
30：窓
31：誘電体
Claims (7)
- トップシュータ型サーマルインクジェット印刷ヘッドを製作する方法であって、
（a）ほぼ平行に対向した２つの主面を備えた〈100〉あるいは〈110〉の結晶方位を有するシリコン基板を備え、
（b）前記シリコン基板の両主面に、パッシベーション誘電体層を形成し、
（c）該パッシベーション誘電体層の下にある前記シリコン基板の一方の主面の一部を露出し、
（d）前記露出した部分を異方性エッチングして、前記シリコン基板を通して前記シリコン基板の他方の主面に形成された前記誘電体層の一部を露出してインク充填スロットを形成し、
（e）前記他方の主面に形成された前記パッシベーション誘電体層上に、薄膜抵抗器素子と導電パターンを形成し、
（f）前記インク充填スロット上に横たわる前記他方の主面上の前記パッシベーション誘電体層の前記露出された部分を除去し、
（g）インク吐出素子を形成するよう前記パッシベーション誘電体層の主面上に障壁層を形成し、該障壁層に開口部を設けて前記薄膜抵抗器素子を露出してインク吐出室を形成すると共に、前記薄膜抵抗器素子から終端領域までのインク供給流路を備え、該終端領域がインクをインク溜めから前記インク吐出室に導入するために前記インク充填スロットと液通すると共に、前記インク供給流路を形成する前記障壁層の壁に形成され、前記インク供給流路にしぼりを生じさせるように所定の幅で分離されている対向する一対の突起を備え、隣り合うインク供給流路を分離するよう隣り合う前記インク吐出素子は隣り合う前記突起間に配設される引き込み突部を設け、
（ h ）前記インク充填スロットを前記引き込み突部まで延長する延長部分を形成することを特徴とするトップシュータ型サーマルインクジェット印刷ヘッドを製作する方法。 - インク吐出素子を形成するよう前記各薄膜抵抗器素子に対応して設けられたノズル開口を備えたノズルプレートを備えたことを特徴とする請求項１記載のトップシュータ型サーマルインクジェット印刷ヘッドを製作する方法。
- 前記インク充填スロットの延長部分は、前記各インク供給流路の入り口からほぼ一定の位置まで延びていることを特徴とする請求項１記載のトップシュータ型サーマルインクジェット印刷ヘッドを製作する方法。
- 前記インク充填スロット上に横たわる前記他方の主面上の前記パッシベーション誘電体層の前記露出された部分を化学エッチングにより除去することを特徴とする請求項１記載のトップシュータ型サーマルインクジェット印刷ヘッドを製作する方法。
- 前記薄膜抵抗器素子と前記導電パターン上に、フォトレジスト層を設け、前記パッシベーション誘電体層の前記露出された部分を化学的エッチングより除去することを特徴とする請求項４記載のトップシュータ型サーマルインクジェット印刷ヘッドを製作する方法。
- 前記薄膜抵抗器素子と前記導電パターン上に、前記パッシベーション誘電体層の前記露出された部分を覆わないように開口を形成したフォトレジスト層を設け、前記露出された部分を該フォトレジスト層の開口を通して化学的エッチングより除去することを特徴とする請求項４記載のトップシュータ型サーマルインクジェット印刷ヘッドを製作する方法。
- 前記薄膜抵抗器素子と前記導電パターンを形成した後に、該薄膜抵抗器素子と前記導電パターン上にパッシベーション誘電体層を形成したことを特徴とする請求項１記載のトップシュータ型サーマルインクジェット印刷ヘッドを製作する方法。
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