JP6422318B2 - 液体吐出ヘッドおよび液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

Description

本技術は、液滴を吐出する液体吐出ヘッドおよびその製造方法に関する。

液体吐出ヘッドの構造として、特許文献１に示すように、互いに異なる大きさの液滴を吐出可能な少なくとも２つ以上の吐出部が一つのチップ内に設けられている構造が知られている。この構造では、発泡時の圧力が加わる液体の実質的な体積を変化させて、同じチップより複数の大きさの液滴を吐出可能な液体吐出ヘッドを得ている。特に、特許文献１に開示された発明は、チップに形成された液体を吐出させるための吐出口の径、液体を発泡させる発熱抵抗体の面積、および、発熱抵抗体が形成された圧力室の平面的な大きさを変化させている。

また、特許文献２において、吐出口が形成される吐出形成部材の厚み、即ち発熱抵抗体の設置面から吐出口までの高さを変化させることで圧力室の大きさを高さ方向に変化させ、同じチップより複数の大きさの液滴を吐出可能な液体吐出ヘッドが提案されている。

特開２００３−３１１９６４号公報 特開２００７−２１６４１５号公報

特許文献１に開示される液体吐出ヘッドの場合、吐出される液滴の大きさを変化させるために、主としてチップの平面的な大きさを変化させ、圧力室の体積を変化させる必要がある。そのため、大きい液滴を吐出させるには、それだけ大きな面積を有する圧力室を形成する必要があり、複数の吐出口を高密度に配置する際に限界がある。

一方、特許文献２に開示される液体吐出ヘッドであれば、圧力室の大きさを高さ方向に変化させるため、吐出口の配置の高密度化に対しては有利である。しかし、特許文献２に開示される発明では、吐出口形成部材にて吐出口が形成されている面（以下、吐出口形成面と呼ぶ。）に段差が形成されてしまう。インクジェット記録ヘッドの技術分野では、一般に、吐出口形成面に付着する液体を除去して、吐出異常を予防もしくは回復するために、吐出口形成面のワイピングが行なわれている。このため、吐出口形成面に段差が有ると、高さが低い吐出口に対して正常にワイピングを行いづらく、長期使用での信頼性を確保することが難しくなるという問題がある。

そこで本発明の目的は、上述したような背景技術の問題に鑑み、吐出口を高密度に配置可能であり、かつ、吐出口形成面に対して良好にワイピングを行なえる液体吐出ヘッドの構造を提供することにある。

本発明の一態様は、液体を吐出する吐出口を有する吐出口形成部材と、吐出口に連通する圧力室と、吐出口形成部材と接合された接合面を有する圧力室形成部材であって、吐出口形成部材と対向する底部と、底部に配された発熱抵抗体と、を有する複数の圧力室が当該接合面から掘り込まれて形成されている圧力室形成部材と、を備える液体吐出ヘッドである。さらに、この液体吐出ヘッドにおいて、複数の圧力室は、吐出口形成部材と接合された接合面からの深さが異なり、圧力室形成部材は、接合面とは反対側の面にバリアメタルが設けられ、深さの方向に関して位置が異なる複数の配線層を内部に備え、発熱抵抗体はバリアメタルによって構成されていることを特徴とする。

また、本発明の他の態様は、液体を吐出する吐出口を有する吐出口形成部材と、吐出口に連通する圧力室が形成され、吐出口形成部材と接合される面を有する圧力室形成部材と、を備える液体吐出ヘッドの製造方法に関する。この製造方法の態様は、バリアメタルを下地とし、当該面からの深さの方向に関して位置の異なる複数の配線層を内部に有する圧力室形成部材を用意する工程と、当該面から圧力室形成部材を掘り込んで、複数の配線層のうちの一部を除去してバリアメタルを露出させることで、バリアメタルによって形成された発熱抵抗体を底部に備え、当該面からの深さが異なる複数の圧力室を形成する工程と、当該面に吐出口形成部材を形成する工程とを有することを特徴とする。

上述した態様によれば、吐出口形成部材と接合された接合面を有する圧力室形成部材において、複数の圧力室を、当該接合面からの掘り込み深さを任意に変えて形成することで、圧力室形成部材の平面的な大きさを変えずに、各圧力室の体積を変化させることができる。これにより、各圧力室に連通する吐出口を高密度に容易に配置可能で、同じ圧力室形成部材内で複数の大きさの液滴を吐出することが可能となる。
圧力室形成部材の吐出口形成部材との接合面を基準として、当該接合面からの深さが異なる圧力室を形成するため、当該接合面上に形成する吐出口形成部材のおもて面（吐出口形成面）も平坦面となる。したがって、液体が付着した吐出口形成面のワイピング動作を良好に実施でき、長期使用での信頼性を確保できる。

したがって本発明によれば、吐出口を高密度に配置可能であり、かつ、吐出口形成面に対して良好にワイピングを行なえる液体吐出ヘッドを提供することができる。

第１の実施形態の液体吐出ヘッドの構成を示す断面図である。 第１の実施形態の液体吐出ヘッドの上面図である。 第２の実施形態の液体吐出ヘッドの構成を示す断面図である。 第２の実施形態の液体吐出ヘッドの構成の変形例を示す断面図である。 第３の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法を工程毎に示す断面図である。 図５に示した製造方法の一部の変更例を説明する断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。但し、後述する実施形態は、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明をこの技術分野における通常の知識を有する者に十分に説明するために提供されるものである。
（第１の実施形態）
図２は、第１の実施形態の液体吐出ヘッド１０の平面図である。吐出口形成部材２に吐出口１が複数形成されている。吐出口形成部材２の紙面に対して奥側には圧力室５が吐出口１に対応して複数形成されている。図１は、図２に示すＡ−Ａ’線での断面を拡大して示した図である。
図１および図２に示すように、液体吐出ヘッド１０は、インク等の液体を吐出する吐出口１を有する吐出口形成部材２と、吐出口形成部材２と接合された接合面１１ａを有する基板１１と、を備える。吐出口形成部材２は一定の厚みを有するプレートとして形成されている。第１の実施形態では基板１１が圧力室形成部材となっており、吐出口２に連通する圧力室５（５ａ，５ｂ）が、基板１１の吐出口形成部材２との接合面１１ａから掘り込まれて形成されている。吐出口形成部材２と対向する各圧力室５の底部には、液体に圧力を付与する発熱抵抗体などの圧力発生素子３が形成されている。圧力発生素子３には電力供給を行うための電極４が接続されている。さらに、液体を圧力室５に供給するための液体流路７および液体供給路６が基板１１に形成されている。

このような構成の液体吐出ヘッド１０において、複数の圧力室５ａ，５ｂが、基板１１の吐出口形成部材２との接合面１１ａから深さが異なっている。本実施形態では、圧力室５の、吐出口形成部材２と対向して配される圧力発生素子３までの距離（圧力室５の圧力発生素子３が形成されている面に対して垂直方向の高さ）が異なっている。これらの距離は図２においてＨ_Ｌ、Ｈ_Ｓの符号を用いて示されており、本実施形態の液体吐出ヘッド１０はＨ_Ｌ＞Ｈ_Ｓの関係で形成されている。これにより、圧力室５の体積が変化し、高さＨ_Ｌを有する圧力室５ａでは大きい液滴、高さＨ_Ｓを有する圧力室５ｂでは小さい液滴を吐出口１より飛翔させることが可能となる。例えば、大きい液滴を５ｐｌ、小さい液滴を２ｐｌ得たい場合は、吐出口１の大きさや発熱抵抗体への投入エネルギーにもよるが、Ｈ_Ｌは５〜５０μｍ、Ｈ_Ｓは３〜２０μｍの範囲で選択可能である。

また、圧力室５は、基板１１の平坦な上面（吐出口形成部材２との接合面１１ａ）より基板厚み方向に掘り込まれて形成されている。このため、それぞれの圧力室５の高さ（掘り込み深さ）を異ならせても、基板１１の上面は平坦な状態を保つことができ、当該上面の上に形成する吐出口形成部材２のおもて面（吐出口形成面）も平坦面となる。これにより、液体吐出ヘッド１０を使用する際に吐出口形成面に付着する微小な液体をワイピングする場合において、吐出口形成面に段差がないために良好なワイピング動作を確保することができる。

（第２の実施形態）
図３は、図２に示すＡ−Ａ’線での断面を拡大して示した図であり、電極４に接続される複数の配線層８を備えた第２の実施形態の液体吐出ヘッドを示した図である。
第２の実施形態は、第１の実施形態と比較して、圧力室形成部材が基板１１の上に形成された絶縁膜１２であり、複数の圧力室５が絶縁膜１２の平坦な上面（吐出口形成部材２との接合面１２ａ）より膜厚方向に掘り込まれて形成されている点が異なる。図３を参照すると、複数の配線層８が、シリコン基板からなる基板１１の上に形成された絶縁膜１２に包含されるように形成されている。また、配線層８の金属材料が絶縁膜１２へ拡散するのを防止するため、複数の配線層８の下側面にはバリアメタル９が形成されている。本実施形態では配線層８が除去されたバリアメタル領域が抵抗体となり電流が流れる際に発熱をおこし、圧力発生素子３となる。圧力発生素子３に接続される電極４および配線層８は最終的には、圧力発生素子３に印加する電圧のオンオフをスイッチングするドライバ（不図示）へ接続されている。

バリアメタル９の材料の選択は、バリア特性および、発熱による抵抗変化の安定性により判断され、バリアメタル９の材料として、例えば、ＴａＳｉＮまたはＷＳｉＮのいずれか一方か、あるいはＴａＳｉＮとＷＳｉＮの両方を選択することが可能である。

高さの異なる圧力室５から互いに異なる大きさの液滴を吐出するためには、液体を飛翔させるのに必要な発泡エネルギーをそれぞれの液滴量によって最適化する必要がある。圧力発生素子３としての発熱抵抗体に印加する電圧が一定の場合、それぞれの液滴量に必要な発泡エネルギーを得るためには、発熱抵抗体の平面的な面積を変化させシート抵抗を合わせる必要がある。大きな液滴を発泡させるには大きい発熱抵抗体の面積が必要であった。しかしながら、本発明によれば、発熱抵抗体を形成するバリアメタル９が、圧力室５の高さの違いにより別の高さの層に形成される。そのため、同じ発熱抵抗体の平面的な面積であっても、バリアメタル９の膜厚や、当該膜の比抵抗を調整することでシート抵抗をそれぞれに最適な抵抗値に設定することが可能である。したがって、大液滴を吐出させるための圧力室５を形成する場合であっても平面的な面積の増大を抑制でき、液体吐出ヘッド１０の集積度を増加させ、ウェハあたりからの液体吐出ヘッド１０の取り個数が増加し、製造コストを低減することが可能となる。

また、複数の配線層８を有することで、発熱抵抗体に電圧印加する配線を複数の層に分けて多層配線化しているため、基板１１に対する発熱抵抗体および吐出口１の集積度を増加させて、製造コストをさらに低減することが可能である。

圧力発生素子３としての発熱抵抗体の表面（圧力室５内に向いた面）には、飛翔させる液体による発熱抵抗体材料の腐食を抑えるためのパッシベーション膜１３がさらに形成されていてもよい。
図３に示すように、パッシベーション膜１３は圧力室５の内壁を保護するように形成されてもよい。さらに、パッシベーション膜１３は液体供給路６や液体流路７の壁面にも配置することが可能である。このようにパッシベーション膜１３を配設することで、液体吐出ヘッド１０の構成部材（圧力室５の内壁や発熱抵抗体など）が液体で腐食されることを軽減でき、長期的な液体吐出ヘッド１０の信頼性を確保することが可能となる。

パッシベーション膜１３の材料としては、Ｓｉ、ＴｉおよびＴａなどの金属元素と、Ｏ、ＮおよびＣの少なくとも１つ以上の化合物より選択できる。より好ましくは、ＳｉＣＮ、ＳｉＣＯ、ＴａＯ、ＴｉＯより選択し得る。

図４は、圧力室５の高さを３種類に増やした場合の液体吐出ヘッド１０の断面構成を示した図である。飛翔させる液滴の大きさを大、中、小とすれば、それぞれ、Ｈ_Ｌ、Ｈ_Ｍ、Ｈ_Ｓの高さを有する圧力室５ａ，５ｂ，５ｃが形成されている。
圧力室５の高さに関しては３種類以上あってもよく、高さに応じて圧力室５の体積は変化し、それに応じた液滴の大きさを得ることが可能となる。
（第３の実施形態）
図５の（１）〜（５）は本発明に係る液体吐出ヘッド１０の製造方法を工程毎に示した断面図である。なお、図５は図３に示した構成の液体吐出ヘッド１０の製造方法を示しているが、本発明は図１や図４に示した構成にも適用可能である。以下に、工程毎に詳細に説明する。
図５（１）に示される工程は、主面１１ｂに形成された絶縁膜１２の内部に複数の配線層８およびバリアメタル９が包含された基板１１を用意する工程である。絶縁膜１２は加工性、生産性の観点からシリコン酸化膜が好適に用いられ、成膜方法はＰＥＣＶＤ（Ｐｌｕｓｍａ Ｅｎｈａｎｓｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）が適用可能である。各配線層８をなす配線金属にはＡｌ、ＡｌＣｕ、ＡｌＳｉおよびＡｌＳｉＣｕなどの材料が適用可能であり、配線層８の下地とされるバリアメタル９にはＴａＳｉＮおよびＷＳｉＮなどの材料が適用可能である。配線層８およびバリアメタル９の形成方法はスパッタリングによる成膜が好適に用いられる。複数の配線層８は互いに電極４で電気的な接続がとられる。電極４の材料としてはＷが好適に用いられ、成膜方法としてはＰＥＣＶＤが適用可能である。これらの配線層８、バリアメタル９および電極４は一般的な半導体製造プロセスである成膜、フォトリソグラフィー、エッチング、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）等を用いることでウェハの所望の位置に所望の材料を良好に形成可能である。

図５（２）に示される工程は、圧力室５および液体流路７となる箇所の絶縁膜１２を除去する工程である。絶縁膜１２の除去方法としては、ポジレジストをマスク材（不図示）として、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：リアクティブイオンエッチング）により良好に除去が可能である。深さの異なる圧力室５を形成するには、それぞれの深さに応じて、マスク材の形成を順次行い、ドライエッチングすることが考えられるが、次の方法がより好ましい。すなわち、エッチングストップ層として配線層８を用いることで、絶縁膜１２との間で十分なエッチングの選択比を得ることができ、一度に複数の深さの圧力室５を形成可能となるため、生産性が良い。以上の工程により、絶縁膜１２が除去されて配線層８が露出する。基板１１の主面１１ｂの上に絶縁膜１２が形成されているが、絶縁膜１２の除去は、絶縁膜１２の、基板の主面１１ｂの側とは反対側のおもて面より行うことが好ましい。

図５（３）に示される工程は、配線層８の一部をエッチングしてバリアメタル９を露出させることで、圧力発生素子３となる発熱抵抗体を形成する工程である。配線層８およびバリアメタル９の材料にもよるが、配線層８の金属がＡｌ、ＡｌＣｕ、ＡｌＳｉおよびＡｌＳｉＣｕから選択され、バリアメタル９がＴａＳｉＮあるいはＷＳｉＮであるならば、ウェットエッチングにより選択的にバリアメタル９にダメージを与えずに配線層８を除去可能である。ウェットエッチングの液体は半導体用途で汎用的に用いられる、リン酸、硝酸、酢酸よりなる混酸を用いることが可能である。

図５（４）に示される工程は、液体流路７を通して圧力室５に液体を供給するための液体供給路６を基板１１に形成する工程である。基板１１がＳｉよりなる場合においては基板裏面の所望の箇所にマスク材（不図示）を形成し、一般にボッシュプロセスと呼ばれる手法を用いてＳｉを良好に除去することで、液体供給路６が形成可能である。その他、アルカリ溶液を用いた結晶異方性エッチングを用いることで液体供給路６が形成可能である。どちらの手法においても、絶縁膜１２でエッチングがストップする。その後、フッ素系ガスを用いたＲＩＥを基板裏面より行うことで、絶縁膜１２およびバリアメタル９が除去されて基板１１が貫通する。
なお、図５（４）に示した工程の後、図６に示すように、圧力発生素子３の表面と、圧力室５、液体供給路６および液体流路７の壁面とに耐腐食膜であるパッシベーション膜１３を形成してもよい。パッシベーション膜１３の種類にもよるが、ＰＥＣＶＤやＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いることで成膜が可能である。パッシベーション膜１３の材料がＳｉＣＮ膜であればＳｉＨ_４、ＮＨ_３、ＣＨ_４等のガスを、ＳｉＣＯ膜であれば、ＳｉＨ_４、ＣＨ_４、Ｏ_２等のガス用いたＰＥＣＶＤによって、それぞれ形成可能である。パッシベーション膜１３の材料がＴａＯやＴｉＯであれば、ＡＬＤにより好適に形成が可能となる。

再び図５を参照すると、図５（５）の工程は吐出口１が形成された吐出口形成部材２を絶縁膜１２の表面（接合面１２ａ）に平坦に形成する工程である。平坦な吐出口形成部材２はドライフィルム化された樹脂（ドライフィルムレジスト）をラミネートすることで形成可能である。吐出口形成部材２の材料にはネガ型の感光性を有するエポキシ樹脂を好適に用いることが可能である。感光性を有するため、圧力室５に対応する所定部分のエポキシ樹脂に対して露光および現像を行うことで、吐出口１を良好に形成することが可能である。

以上の製造方法により形成される液体吐出ヘッド１０は複数の液滴の大きさを同じヘッドより吐出することが可能であり、かつ、吐出口形成部材２の表面（吐出口形成面）が平坦なために、吐出口形成面に付着する液体を除去するワイピング等のメンテナンス動作を良好に実施し、長期使用での信頼性を高めることができる。

なお、本発明をいくつかの実施形態を用いて説明したが、本発明は、それらの実施形態に限定されることなく、本願発明の技術思想の範囲内にて構成や形状の変更を適宜行ったものも包含する。また、本発明の液体吐出ヘッドは、被記録媒体に画像を記録するインクジェットプリンタへの適応が可能であるが、プリンタの技術分野に限らず、対象物に液体を吐出して対象物に何らかの処理を行う装置全般に適用可能である。

１ 吐出口
２ 吐出口形成部材
３ 圧力発生素子
５ 圧力室
１０ 液体吐出ヘッド
１１ 基板
１１ａ 接合面
１２ 絶縁膜
１２ａ 接合面

Claims (11)

1. 液体を吐出する吐出口を有する吐出口形成部材と、
   前記吐出口に連通する圧力室と、
   前記吐出口形成部材と接合された接合面を有する圧力室形成部材であって、前記吐出口形成部材と対向する底部と、前記底部に配された発熱抵抗体と、を有する複数の前記圧力室が前記接合面から掘り込まれて形成されている圧力室形成部材と、を備え、
   複数の前記圧力室は前記接合面からの深さが異なり、
   前記圧力室形成部材は、前記接合面とは反対側の面にバリアメタルが設けられ、前記深さの方向に関して位置が異なる複数の配線層を内部に備え、
   前記発熱抵抗体は前記バリアメタルによって構成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 請求項１に記載の液体吐出ヘッドであって、
   前記接合面は平坦面からなる、液体吐出ヘッド。
3. 請求項１または２に記載の液体吐出ヘッドであって、
   前記深さの異なる前記圧力室に応じて前記バリアメタルの抵抗値が異なる、液体吐出ヘッド。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドであって、
   前記発熱抵抗体の表面に前記液体による腐食を抑制する耐腐食膜を有する、液体吐出ヘッド。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドであって、
   前記発熱抵抗体は、前記圧力室形成部材の前記接合面とは反対側の面の方向へ延びる電極に接続されている、液体吐出ヘッド。
6. 請求項１から４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドであって、
   前記発熱抵抗体は前記複数の配線層と電気的に接続されている、液体吐出ヘッド。
7. 液体を吐出する吐出口を有する吐出口形成部材と、前記吐出口に連通する圧力室が形成され、前記吐出口形成部材と接合される面を有する圧力室形成部材と、を備える液体吐出ヘッドの製造方法であって、
   バリアメタルを下地とし、前記面からの深さの方向に関して位置の異なる複数の配線層を内部に有する前記圧力室形成部材を用意する工程と、
   前記面から前記圧力室形成部材を掘り込み、前記複数の配線層のうちの一部を除去して前記バリアメタルを露出させることで、前記バリアメタルによって形成された発熱抵抗体を底部に備え、前記面からの深さが異なる複数の前記圧力室を形成する工程と、
   前記面に前記吐出口形成部材を形成する工程と、
   を有する液体吐出ヘッドの製造方法。
8. 請求項７に記載の液体吐出ヘッドの製造方法において、
   前記圧力室形成部材を用意する工程では、前記圧力室形成部材として、主面の上に前記複数の配線層を内部に有する絶縁膜が形成された基板を用意し、
   前記圧力室を形成する工程は、前記絶縁膜の、前記主面の側とは反対のおもて面より前記絶縁膜を除去して前記圧力室を形成することを含み、
   前記吐出口形成部材を形成する工程は、前記絶縁膜の前記おもて面に前記吐出口形成部材を形成することを含む、液体吐出ヘッドの製造方法。
9. 請求項８に記載の液体吐出ヘッドの製造方法において、
   前記圧力室を形成する工程は、前記絶縁膜の前記おもて面より前記絶縁膜を除去して、前記複数の配線層のうちの一部を露出させ、さらに該一部を除去して前記バリアメタルを露出することで、各前記圧力室を形成する、液体吐出ヘッドの製造方法。
10. 請求項９に記載の液体吐出ヘッドの製造方法であって、
    露出させる前記一部は、前記深さの方向に関して位置が異なる２つ以上の前記配線層である、液体吐出ヘッドの製造方法。
11. 請求項７から１０のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法であって、
    前記吐出口形成部材を形成する工程は、ドライフィルムレジストをラミネートし、露光と現像を行うことで、前記吐出口形成部材を形成する、液体吐出ヘッドの製造方法。

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