JP4611045B2 - インクジェットプリントヘッドの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、インクジェットプリントヘッドの製造方法に関する。

インクジェトプリンタは、プリントヘッドのノズルプレート上に設けられたオリフィスのアレイ内の個々のオリフィスからインクの小滴を射出することによって動作する。プリントヘッドは、１枚の用紙に対して移動することができるプリントカートリッジの一部を形成し、プリントヘッドと用紙が相対的に移動する時に、特定のオリフィスからのタイミング調整された小滴の射出により、文字、画像、および他のグラフィック素材を、用紙上に印刷することが可能になる。

典型的な従来のプリントヘッドは、薄膜抵抗器と関連回路がその前面に設けられたシリコン基板から製造される。抵抗器は、基板内で、一以上のインク供給スロットに対してアレイで配列され、熱式射出チャンバ内の各抵抗器を分離するために、抵抗器の周辺の基板上に障壁材料が形成される。障壁材料は、熱式射出チャンバを形成し、チャンバとインク供給スロット間での流体連通を可能にする形状である。こうして、熱式射出チャンバは、毛管作用によって、インク供給スロットからのインクで満たされ、インク供給スロット自体は、プリントヘッドがその一部を形成するプリントカートリッジ内のインク溜めからインクを供給される。

上述した複合組み立て品は、通常、射出チャンバに対応し、かつ、射出チャンバの上に載る穿孔されたオリフィスのアレイを有する金属製ノズルプレートでキャッピングされる。そのため、プリントヘッドは、ノズルプレートによって密閉されるが、ノズルプレートのオリフィスを介するプリントカートリッジからのインクの流れを可能にする。

プリントヘッドは、プリンタ制御回路の制御下で動作し、プリンタ制御回路は、印刷される所望のパターンに従って個々の抵抗器を駆動(energise)するように構成される。抵抗は、駆動されると、急速に熱くなり、熱式射出チャンバ内の少量の付近のインクを過熱(superheat)する。過熱されたインク容積は、爆発的蒸発により膨張し、これによって、膨張した過熱インクの上のインク小滴が、ノズルプレートの関連するオリフィスを介してチャンバから射出される。

この基本構成に関する多くの変形例が、当業者にはよく知られているであろう。たとえば、オリフィスとチャンバの複数のアレイが、所与のプリントヘッド上に設けられてもよく、各アレイは、異なる色のインク溜めと連通する。インク供給スロット、プリント回路、障壁材料、およびノズルプレートの構成は、多くの変形が可能であり、それらが作られる材料およびその製造方法も自由である。

上述した典型的なプリントヘッドは、通常、大面積シリコンウェハ上の多くの類似するプリントヘッドと同時に製造され、大面積シリコンウェハは、製造の後工程において個々のプリントヘッドダイに分割されるだけである。図１は、プリントヘッドを製造する際に通常使用される、実質的に円形のシリコンウェハ１０の前面の平面図である。ウェハ１０は、それぞれがウェハの厚さ全体を通って延びる多数のスロット１２を有する。カラー印刷用のプリントヘッドの製造にウェハが使用される場合にそうであるように、図１において、スロット１２は３つずつにグループ化される。ウェハ１０の（図１では見えない）後面は、３つのスロット１２の各グループ間を垂直に延び、スロット１２の各行間を水平に延びる溝を有するため、最終的に、ウェハは、たとえば、従来のダイシングソーを用いて個々の「ダイ」に分割することができ、各ダイは３つのスロット１２の１つのグループを収容する。

最終のプリントヘッドにおいて、各スロット１２は、ウェハの前面上のスロットの一方の側か、または、両方の側に沿って配設された一以上のインク射出チャンバにインクを供給する。大量生産のために、インク供給スロット１２は、ほとんど常に未分割ウェハ１０に形成されるが、スロットは、生産の複数の異なる工程の任意の工程で形成されることができる。たとえば、ウェハの前面が適切に保護されており、図１に示すように、または、ウェハの前面がすでに、薄膜抵抗器および他の回路の一部または全てを保持しているときに、スロット１０を、初期の「生」ウェハ内に形成することができる。

スロット１２は、従来、通常、ウェハの後面から、レーザミリングまたはサンドブラスト加工によって形成される。従来の技法に伴う欠点は、ミクロンサイズのチップおよび亀裂が、スロットの縁部周辺および表面上に形成されることである。これらの微小な欠陥は、応力下でマクロサイズの亀裂がウェハに現われる開始点の役目を果たす可能性があり、ウェハの、または、ウェハからその後カットされるダイの破断につながる。こうした応力は、熱衝撃、高周波数疲労、または、単に乱暴な取り扱いから生ずる可能性がある。たとえウェハが破断しなくても、ウェハの大部分が使用不能になり、廃棄されなければならなくなる場合がある。さらに、ミリングまたはブラスト加工プロセスは、ウェハの表面上に破片の微小粒子を堆積させる可能性があり、これらは、従来の洗浄技法によって常に除去できるわけではない。こうした粒子を除去できない場合、プリントヘッドノズルプレート内のオリフィスの閉塞が生ずる場合がある。これらの欠点は両方とも、製造プロセスの生産性およびその後のプリントヘッドの製造品質に悪影響を与える可能性がある。

これらの欠点を回避するか、または、緩和する、インクジェットプリントヘッドの改良された製造方法を提供することが本発明の目的である。

本発明は、基板の表面上に少なくとも１つのインク射出素子を形成するステップと、インク供給源とインク射出素子の間で流体連通(fluid communication)を可能にするように基板内に開口を形成するステップと、開口に実質的に等方性エッチングを施すステップとを含むインクジェットプリントヘッドの製造方法を提供する。

本明細書で用いる、「インクジェット」、「インク供給スロット」という用語、および関連する用語は、射出される液体がインクであるデバイスに本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。用語(terminology)は、熱式、ピエゾ式、または他の方式による射出によって、プリントヘッドから表面上に液体を印刷する、この一般的な技術についての簡略表現である。主に意図する用途はインクの印刷であるが、本発明は、他の液体を同様な方法で堆積させるプリントヘッドにも適用可能である。

「実質的に等方性の」という用語は、方向に関して実質的に不変であるエッチングを指示するのに用いられ、ほんの部分的にまたはわずかに指向性のあるエッチングは、本発明の範囲内に入ると考えられるべきである。

さらに、本明細書および特許請求の範囲で述べる方法ステップを、必要に応じて示唆されない限り、必ずしも述べた順序で実施する必要はない。

一定の縮尺に応じていない図面において、種々の図で、同じ部品は同じ参照数字が与えられる。

図２は、先に参照した種類の、従来のインクジェットプリントヘッドの製造に通常用いられる、実質的に円形のシリコンウェハ１０を、側面部分断面図で示す。ウェハ１０は６７５μｍの厚みと１５０ｍｍの直径を有する。ウェハ１０は、対向する、実質的に平行な前部主面１４および後部主面１６を有し、前面１４は平坦で、高度に研磨され、汚染物質がなく、それによって、インク射出素子が、既知の方法で、種々の材料層を選択的に塗布することによって前面上に形成されることが可能になる。

本発明の実施形態に従って、プリントヘッドの製造の第１ステップは、薄膜加熱抵抗器１８（図７）のアレイを敷設するために、従来の方法で、ウェハの前面１４を処理することであり、薄膜加熱抵抗器１８は、実施形態では、導電性トレースを介して一連の接点に接続され、一連の接点は、プリントカートリッジ上に取り付けられたフレキシブルなプリントヘッド保持回路部材（図示せず）上の対応するトレースに導電性トレースを可撓性梁(flex beams)を介して接続するのに用いられる。フレキシブルなプリントヘッド保持回路部材は、プリンタ内に位置するプリンタ制御回路が、既知の方法で、ソフトウェアの制御下で個々の抵抗器を選択的に駆動することを可能にする。上述したように、抵抗器１８が駆動されると、抵抗器は急速に加熱し、少量の周辺のインクを過熱し、そのインクは、爆発的な蒸発によって膨張する。抵抗器１８、および、その対応するトレースおよび接点は、図３〜図６が小さいために図３〜図６に示されないが、これらの製造方法はよく知られている。

抵抗器１８を敷設した後に、たとえば、乾式フォトレジストのブランケット障壁層２０が、ウェハ１０の前面１４全体に塗布され、フォトレジストの選択された領域２２が除去され、フォトレジストの残りの部分がハードベークされる。その結果を図３に示す。各領域２２は、基板１０の領域全体にわたって、それぞれのスロット１２が形成されるところに中心を持ち、スロットの実質的に全長に沿って延びる。完成したプリントヘッドにおいて、領域２２は、複数のインク射出チャンバ２４（図７）の横方向境界を画定する。この場合も、障壁層の形成は、現在の技術水準の一部であり、当業者によく知られている。

次に、図４に示すように、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）または任意の他の適当な材料のブランケット保護層２６は、ウェハの前面１４全体の上に堆積し、抵抗器１８、障壁層２０、および他の薄膜回路を覆う。次に、図５に示すように、インク供給スロット１２は、一以上の細いレーザビーム２８を用いて、ウェハ１０およびＰＶＡ層２６の厚みを完全に貫通してレーザ加工される（図５の全てのスロット１２内にビーム２８が存在することで思いつくように、必ずしもスロット１２が全て同時に加工される必要はない）。本発明の他の実施形態において、スロット１２は、反応性イオンエッチング、ウェットエッチング、またはサンドブラスト加工によってカットされるであろう。好ましい実施形態において、スロット１２は、レーザビームを表す矢印２８で示すように、後面１６から上方にカットされる。この実施形態において、各スロット１２は、隣接する障壁部分２０のそれぞれの対の間に中心を持つ。

ここで、保護ＰＶＡ層２６を含むウェハ１０は、等方性エッチングを施される。本実施形態において、これは、Axic（カルフォルニア州サンタクララ）により販売されるＡｘｉｃ Ｐｌａｓｍａｓｔａｒ ２００等のバレルアッシャー(Barrel Asher)チャンバ内で実施される。チャンバは、３５０ミリトル(milliTorr)に排気され、プロセスガス（４％のＯ₂を有するＣＦ₄）が導入される。３５０ワット出力の２つの電極間で１３．５６ＭＨｚのＲＦ高周波イオンフィールドが生成され、ガスを解離してプラズマにする。フッ素原子はシリコンウェハと反応し、シリコンウェハが、ガスＳｉＦ₄として除去されることを可能にする。プロセス時間を変更した結果、異なる厚みのシリコン除去を生じることができる。数ミクロンの寸法を有するチップおよび亀裂の場合、プロセス時間は通常、３０〜９０分である。等方性エッチングによって、レーザ加工から生ずる微小なチップおよび亀裂が有意に除去され、スロット１２が、極めてより滑らかな表面および縁部を有し、残留破片が少なくなる。したがって、ウェハ１０、および、最終的にウェハ１０からカットされるダイは、破断またはマクロ亀裂を極めて受けにくくなる。

ＣＦ₄を用いる代わりに、等方性エッチングを、ＳＦ₆またはＮＦ₃を含有するものなどの、異なるプラズマガスの化学的組成を用いて実施することができる。別法として、ウェハの前面がエッチャントから保護される場合、たとえばフッ化水素酸にウェハを浸漬させることによって、等方性エッチングを行うために湿式エッチングを使用することが可能である。本発明は、また、シリコンウェハの使用に限定されない。たとえば、本発明は、炭化ケイ素または窒化ケイ素基板上に構築されるプリントヘッドに適用されてもよい。

次に、図６に示すように、ＰＶＡ層２６が、水およびＰＶＡローラブラシを用いて除去され、その後、予備成形された金属ノズルプレート３２（図７） が、従来の方法で、たとえば接合によって、障壁層２０の上面に適用される。ノズルプレートは、ダイごとに適用される。すなわち、個々のノズルプレート３２は、それぞれのウェハの下地部分に適用され、下地部分は、その後分割されるウェハにおいて、個々のプリントヘッドダイに対応するであろう。最終の複合構造（その断面が図７に見られる）は、各スロット１２の各側面に沿って配設される複数のインク射出チャンバ２４を備えるが、図７は 横断面であるため、１つのチャンバ２４のみが各スロット１２の各側面上に見られる。各チャンバ２４はそれぞれの抵抗器１８を含み、インク供給経路３４がスロット１２から各抵抗器１８へ延びる。最後に、それぞれのインク射出オリフィス３６が、各インク射出チャンバ２４からノズルプレート３２の露出した外面へつながる。ウェハ表面１４の上の構造、すなわち、上述した、インク射出チャンバ２４、インク供給経路３４、およびインク射出オリフィス３６を含む構造の製造は、完全に従来的であり、当業者にはよく知られていることが理解されるであろう。

最後に、上述したように処理されたウェハは、ダイシングされて、ウェハから個々のプリントヘッドを分離し、各プリントヘッドは、異なる色を含むインク溜め（図示せず）からプリントヘッドへインクを供給する、それぞれの孔４０を有するプリントカートリッジ本体３８（図８）上に取り付けられる。この目的のために、プリントヘッドは、各孔４０がウェハ１０のそれぞれのスロット１２と流体連通する状態で、カートリッジ本体３８上に取り付けられる。

３つのスロットの各グループのスロット１２は並んで配設されているとして示されるが、別法として、スロットは、本発明の範囲から逸脱することなく、端と端をつけて、または千鳥状に、またはその他の方法でずれて配設されるであろう。同様に、単一色インク、通常は黒の色インクを使用するプリントヘッドの場合、１つのインク供給スロット１２のみが、プリントヘッドにつき必要とされるであろう。

スロット１２が、ウェハ１０の処理を通して一部でレーザ加工される実施形態について述べたが、薄膜抵抗器および後の他の回路が、それらが存在する限りにおいて、ＰＶＡまたは他の保護層によって適切に保護される場合、スロット１２は、始まってすぐに、すなわち、生ウェハ上で、または、ウェハ処理の他の任意の適切な時点で形成されることができるだろう。さらに、等方性エッチングは、やはり、すでに存在する任意の回路が適切に保護される場合、スロット１２のカットにすぐに続く必要はない。

破片除去に対するプラズマエッチングの影響を調べるために、レーザ穿孔した製品ウェハの薄膜側（ＰＶＡ皮膜を維持）が、ブランクシリコン「保護」ウェハに押し付けられた。「保護」ウェハは、両方のウェハを石英ボートの同じスロットに設置することによって薄膜側に押し付け続けられた。ウェハは、バレルエッチング構成で設置され、エッチングされた。３つのレシピを使用した。

各エッチングレシピは、エッチングされる材料の異なる深さに対応する。上記エッチング深さは、スロットのないシリコンウェハから除去されたシリコンの深さとして決定される。エッチング有りおよびエッチング無しのスロット付きウェハから、粒子カウント測定がＢ５ ＱＩＩＩ粒子モニターを用いて行われた。２つのビンサイズ、すなわち、５μｍと１０μｍを使用した。図９は、プラズマエッチングが施されたスロット付きウェハとプラズマエッチングされなかったウェハから測定された粒子カウントを比較する図である。図９は、３つの異なるレシピに従ってエッチングされたウェハおよびエッチング無しウェハから測定された、これらの２つのビンサイズについての粒子カウントを示す。所与のエッチング深さについて、図９に示すデータは、同じエッチングプロセスを施した２つのウェハからとった平均カウントである。

プラズマ等方性エッチングは、レーザスロットを作成するプロセス中に堆積した粒子の数を有意に減らすのに有効であることが明らかである。

ダイの強度に対するプラズマエッチングの影響を調べるために、スロット付きウェハは、それぞれが３つのスロットを有する個々のダイに分割された。スロット付きダイの平均強度は、３点曲げ試験を用いて測定された。レーザ穿孔ステップ後にプラズマエッチングされたスロット付きウェハからのダイと、プラズマエッチングされなかったダイとの比較が行われた。

図１０〜図１２において、各ボックスから延びる線の上端および下端は、各レシピについて測定された値の範囲を示す。ボックスの上端および下端は、或るレシピについて、７５番および２５番の百分位数の測定値で境界付けされた範囲を示す。各ボックスの水平線は中央値１(median value)を示す。点（図示）は、或るレシピについての測定値の平均値を示す。

図１０は、レーザ穿孔のみされたダイと、プラズマ等方性エッチングされたダイとのダイ強度測定値を示す。全てのダイが３つのスロットを有した。ダイ強度の向上は、平行プレートおよびバレルエッチング構成でプラズマエッチングされた両方のウェハに当てはまることがわかった。図１０は、３つの異なるレシピに従ってエッチングされたウェハおよびエッチング無しウェハから測定されたダイ強度を示す。ウェハは、バレルエッチング構成でエッチングされた。用いたプラズマレシピは以下の通りである。

平均ダイ強度（塗りつぶした円で図示）は、エッチング無しのダイよりプラズマエッチングされたダイの方が有意に高いことが、このプロットから明らかである。ダイ強度の分布は、エッチングされた試料の場合に有意に大きいが、平均値は、それぞれの場合で同じであり、エッチング無しダイの２０Ｎに対して約１００Ｎである。標準偏差もまた、３つのエッチングされた試料について同じであり、レシピＡとＢとＣの各処理済みのダイについて、４７．８Ｎと３５．０Ｎと３５．９Ｎの値を有する。

図１１は、（ａ）レーザ穿孔後のダイ（対照）と、（ｂ）レーザ穿孔および、１０ｓｃｃｍのＯ₂、４２ｓｃｃｍのＣＦ₄、２５０Ｗ、３５０ｍＴ、９０分のレシピに従って、平行プレート構成を用いてプラズマエッチング後のダイのダイ強度を示す。全てのダイが３つのスロットを有した。

図１１に示すボックスプロットは、レーザ穿孔のみの対照ウェハ、および平行プレート構成を用いてプラズマエッチングされたウェハから得たダイから測定したダイ強度を示す（全てのダイが３つのスロットを有した）。対照ウェハからの平均ダイ強度は、１４．８２Ｎとして算出される。これに対して、プラズマエッチングされたウェハからの平均ダイ強度は５７．２３Ｎである。

したがって、プラズマ等方性エッチングは、エッチング無しのスロット付きダイに比べて有意にダイ強度を向上させる。

スロット付きシリコンダイについてのダイ強度のこの向上は、異なる寸法のスロットについて当てはまることも見出された。図１１は、ダイにつき３つのスロットを有するシリコンダイについてのダイ強度を示すが、図１２は、スロットの長さが長い、ダイにつき２つのスロットを有する、エッチング無しおよびエッチング有りのダイのダイ強度を示す。

図１２は、（ａ）レーザ穿孔後のエッチング無し（ダイにつき２つのスロット）のダイ（対照）、および（ｂ）レーザ穿孔および、１０ｓｃｃｍのＯ₂、４２ｓｃｃｍのＣＦ₄、２５０Ｗ、３５０ｍＴ、９０分のレシピに従って、平行プレート構成を用いた、プラズマエッチング後（ダイにつき２つのスロット）のダイのダイ強度を示す。

本発明は、本明細書で述べた実施形態に限定されず、本発明の範囲から逸脱することなく修正または変更されてもよい。

本発明の実施形態によるプリントヘッドの製造に用いるシリコンウェハの平面図である。 本発明の実施形態によるプリントヘッドの製造における連続したステップのうちの１つのステップを示す。 本発明の実施形態によるプリントヘッドの製造における連続したステップのうちの１つのステップを示す。 本発明の実施形態によるプリントヘッドの製造における連続したステップのうちの１つのステップを示す。 本発明の実施形態によるプリントヘッドの製造における連続したステップのうちの１つのステップを示す。 本発明の実施形態によるプリントヘッドの製造する時の連続したステップのうちの１つのステップを示す。 図２〜図６の方法によって製造された最終のプリントヘッドの断面図である。 図７のプリントヘッドを組み込んだプリントカートリッジの断面図である。 本実施形態によって提供される改善を示すために実施された実験結果を示すプロットである。 本実施形態によって提供される改善を示すために実施された実験結果を示すプロットである。 本実施形態によって提供される改善を示すために実施された実験結果を示すプロットである。 本実施形態によって提供される改善を示すために実施された実験結果を示すプロットである。

Claims (10)

1. 基板の表面上に少なくとも１つのインク射出素子を形成するステップと、
   前記基板の表面上に設けられた薄膜回路、および、該薄膜回路上に塗布された障壁層を含む、前記基板の少なくとも１つの表面を耐エッチング性保護層で覆うステップと、
   インク供給源と前記インク射出素子の間で流体連通を可能にするように前記基板の後面から上方にレーザー加工によって前記基板内に貫通孔を形成するステップと、
   前記レーザー加工から生ずる微小なチップおよび亀裂を除去するために、前記貫通孔に実質的に等方性エッチングを施すステップと、
   前記耐エッチング性保護層を水で除去するステップとを含み、
   前記障壁層および前記障壁層上に適用されたノズルプレートが、一緒に少なくとも１つのインク射出チャンバを画定し、前記等方性エッチングが、前記障壁層の塗布後であって、前記ノズルプレートの適用前に行われるインクジェットプリントヘッドの製造方法。
2. 前記プリントヘッドが、前記基板上に実質的に同時に形成されるような複数のプリントヘッドのうちの１つであり、前記貫通孔を形成し、エッチングした後に、前記基板を個々のプリントヘッドに分割するステップをさらに含む請求項１に記載のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
3. 前記保護層が、ポリビニルアルコールを含む請求項１に記載のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
4. 前記等方性エッチングが、プラズマエッチングである請求項１〜３のいずれかに記載のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
5. 前記基板が、半導体基板である請求項１〜４のいずれかに記載のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
6. 前記基板が、シリコン基板である請求項１〜５のいずれかに記載のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
7. 前記基板が、シリコン基板であり、前記プラズマが、前記シリコン基板と反応して、気体フッ化ケイ素を形成するフッ素原子を含有する請求項４に記載のインクジェットプリントヘッドの製造方法。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の方法によって製造されるインクジェットプリントヘッド。
9. インク溜めからプリントヘッドにインクを供給するための孔を有するカートリッジ本体と、インク供給開口と流体連通した前記孔を有する前記カートリッジ本体上に取り付けられた請求項８に記載のプリントヘッドとを備えるプリントカートリッジ。
10. 請求項９に記載のプリントカートリッジを備えるインクジェットプリンタ。
    

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