JPH06183008A - サーマルインクジェット記録ヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 密着性および耐久性のある表面処理膜を有し
たサーマルインクジェット記録ヘッドを提供する。 【構成】 チャネル溝２とインクリザーバ３を形成され
たチャネル基板１は、シリコンウェハを用いる。ヒータ
ー基板４は、シリコンウェハに、ヒーターや保護層、ド
ライバ素子等がＬＳＩ作製プロセスにより形成される。
ピット基板５は、チャネル基板１と同じ材料のシリコン
ウェハを用い、チャネル基板１と同様に異方性エッチン
グによりウェハ面にピット部６およびバイパスピット部
７が形成される。ピット基板にシリコンウェハを用いる
ことにより、ノズル近傍の端面を同一材料で構成でき、
耐久性の良好な表面処理膜が得られ、液滴の噴射方向性
の維持性が良好となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液体を急激に加熱して
生ずるバブルによる圧力を利用して、液滴を噴射させる
サーマルインクジェット記録方式に用いられる記録ヘッ
ド及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】サーマルインクジェット記録方式は、液
滴を形成するノズルの配列密度を高くとることができ、
比較的高い周波数で印字ができる方式として注目されて
いる。

【０００３】この方式に用いられるサーマルインクジェ
ット記録ヘッドは、液滴を噴射させるための毛細管状に
形成されたチャネル溝と、それぞれのチャネル溝に対応
して配置される液滴を加熱するための発熱素子とから構
成されている。従来より、これらサーマルインクジェッ
ト記録ヘッドには、噴射安定性のため種々の表面処理方
法の提案が行なわれている。

【０００４】特開平１−１４８５６０号公報には、シリ
コンウェハに異方性エッチングを行なって作製したチャ
ネル溝を有する第１の基板と、ヒーター基板上にピット
層を形成した第２の基板とを接合してなるサーマルイン
クジェット記録ヘッドが記載されている。このヘッド構
造の特徴は、インクリザーバとチャネル溝とを各々独立
した溝として作成し、インクリザーバからチャネル溝へ
インクを供給するために、両者の間にバイパスピットと
称される連通溝をピット層に設けたことである。ヒータ
ーの発熱領域に形成されたピットは、液滴を安定させる
機能を果たしている。

【０００５】ピット層は、厚膜有機構造体により形成さ
れ、多くの場合、上記の公報に見られるように、チャネ
ル溝を有する第１の基板とヒーターを有する第２の基板
の間に、第３の層として形成される構成となっている。

【０００６】特公昭６０−５６５４７号公報には、液滴
を噴射する面を２種以上の異なる材料を接合して形成し
たものにおいて、上記液滴を噴射する面が界面特性が一
様になるように表面処理を施したことを特徴とするサー
マルインクジェット記録ヘッドの記載がある。

【０００７】ところで、このような２種以上の異なる材
料を接合して形成したヘッドの表面処理においては、界
面特性が異なる材料に、表面処理膜を形成しなければな
らない。このため、それぞれの材料への表面処理膜の密
着性に違いがあり、耐久性に乏しいという問題があっ
た。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した事
情に鑑みてなされたもので、液滴を安定して噴射させる
ため、ピットを形成するための第３の基板を用いること
により、ノズル近傍の端面を同一材料で構成できるよう
にし、かつ、密着性および耐久性のある表面処理膜を有
したサーマルインクジェット記録ヘッドを提供すること
を目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、サーマルイン
クジェット記録ヘッドにおいて、液滴を噴射させるため
の溝を有する第１の基板と、熱エネルギーを発生するた
めの発熱素子を有する第２の基板、および前記第１の基
板にそれと同じ材料で貫通穴が設けられた第３の基板を
積層してなることを特徴とするものである。

【００１０】また、上記サーマルインクジェット記録ヘ
ッドの製造方法において、第３の基板は、第１の基板ま
たは第２の基板に接合された後、研磨されることを特徴
とするものである。

【００１１】第１の基板と第２の基板を同じ材料で構成
することができる。第３の基板には、異方性エッチング
によって凹部が形成されることができる。ノズル端面に
撥水性処理膜を形成することもできる。

【００１２】

【作用】本発明によれば、第１の基板と第３の基板を同
種の材料により形成することにより、液滴を安定して噴
射させることができ、かつ、液滴の噴射面の界面特性が
一様になるため、液滴噴射面に形成された表面処理膜の
密着性および耐久性を向上させることが可能となる。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明のサーマルインクジェット記
録ヘッドのヘッドチップと呼ばれている部品の一実施例
の断面図である。図中、１はチャネル基板（第１の基
板）、２はチャネル溝、３はインクリザーバ、４はヒー
ター基板（第２の基板）、５はピット基板（第３の基
板）、６はピット部、７はバイパスピット部である。こ
れら３枚の基板が接合されてヘッドチップが構成されて
いる。

【００１４】第１の基板としてのチャネル基板１は、シ
リコンウェハを用いて、異方性エッチングによって、断
面が三角形のチャネル溝２と、インクリザーバ３を形成
したものである。

【００１５】第２の基板としてのヒーター基板４は、シ
リコンウェハに、液滴を噴射させるためのバブルを発生
するヒーターや、ヒーターの保護層、ヒーターを駆動す
るドライバ素子等を有し、ＬＳＩ作製プロセスにより形
成される。

【００１６】第３の基板としてのピット基板５は、チャ
ネル基板１と同じ材料のシリコンウェハを用い、チャネ
ル基板１と同様に異方性エッチングによりウェハ面にピ
ット部６およびバイパスピット部７が形成される。な
お、ピット基板という用語はないが、ピット部６やバイ
パスピット部７が基板に形成されること、言い換えれ
ば、ピット部やバイパスピット部を別個の基板に形成す
ることは、本発明が初めてのことであり、この基板を表
現する適当な用語はないので、便宜的に、ピット基板と
呼ぶことにする。

【００１７】図２は、図１のヘッドチップの作製プロセ
スの概略を説明するための工程図である。図中、図１と
同様な部分には同じ符号を付して説明を省略する。図２
（Ａ）は、チャネル基板１の製作工程である。シリコン
ウェハを用いて、異方性エッチングによって、断面が三
角形のチャネル溝２と、インクリザーバ３を形成した。
この実施例では、インクリザーバ３は２回のエッチング
工程によって作成されている。

【００１８】図３は、チャネル基板の製作工程の一例の
工程図である。図中、２はチャネル溝、７はインクリザ
ーバ、８は個別リザーバ部、９は連結リザーバ部、１０
はシリコンウェハ、１１はＳｉ₃ Ｎ₄ 膜、１２はＳｉＯ
₂ 膜である。

【００１９】図３（Ａ）は、マスクの形成工程である。
まず、（１００）結晶面を表面に持つシリコンウェハ１
０上に、ＳｉＯ₂ 膜１１を熱酸化により５０００Å形成
し、チャネル溝、個別リザーバ部、連結リザーバ部を除
くようにフォトリソプロセスでパターンを形成した後、
ＳｉＯ₂ 膜１２をドライエッチング法により開口部をエ
ッチングしてパターニングする。次に、ＣＶＤ法により
Ｓｉ₃ Ｎ₄ 膜１１を形成した後、個別リザーバのみ開口
するようにパターニングする。基板の裏面は、パターニ
ングされないＳｉＯ₂ 膜、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 膜が残される。

【００２０】この２層のマスクパターンを図３（Ｆ）に
示す。この図では、リザーバ部分のマスクの開口部分を
示している。図中、実線でハッチングした部分がＳｉ₃
Ｎ₄膜１１の開口した部分であり、点線で斜めのハッチ
ングの部分がＳｉＯ₂ 膜１２の開口した部分である。こ
のＳｉＯ₂ 膜１２は、後述する第２のエッチング工程で
エッチングマスクとなるものであり、連結リザーバ部９
を作成するためと、個別リザーバ部８を分離している個
別リザーバ隔壁１１上部の接着部を残すために、図に示
したような、櫛歯状のパターンで作成される。図の上方
がチャネル溝側である。また、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 膜１１は、上
述のように、個別リザーバ部８の部分が開口したパター
ンとして形成される。

【００２１】以上のように２つのパターンのエッチング
マスクを形成した後、異方性エッチングの工程に移る。
まず、図３（Ｂ）に示すように、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 膜１１をエ
ッチングマスクとして、９０℃に加熱した水酸化カリウ
ム水溶液で個別リザーバ部８を形成するための第１のエ
ッチング工程を行なう。このとき、個別リザーバ部８は
それぞれが分離されており、シリコンウェハ１０の反対
側まで貫通した貫通孔として形成され、シリコンウェハ
１０の反対側の開口部がインク供給口となる。

【００２２】次に、図３（Ｃ）に示すように、１８０℃
に加熱した燐酸でＳｉ₃ Ｎ₄ 膜１１を除去する。そし
て、図３（Ｄ）に示すように、ＳｉＯ₂ 膜１２をエッチ
ングマスクとして、９０℃に加熱した水酸化カリウム水
溶液でノズル１および連結リザーバ部９を形成する第２
のエッチング工程を行なう。このとき、第１のエッチン
グ工程で形成された個別リザーバ部８の部分もエッチン
グされるため、実際には、平面をエッチングした場合に
形成される面とは角度の異なる面が現れる。しかし、個
別リザーバ部８および連結リザーバ部９は、それほど厳
密な形状を要求されないので、そのような面が現れても
差し支えはない。

【００２３】最後に、フッ酸でＳｉＯ₂ 膜１２を除去し
て、図３（Ｅ）に示すように、チャネル溝２、リザーバ
３が形成されたチャネルウェハ１０が完成する。完成し
たチャネルウェハ１０は、図２（Ａ）に示したようなも
のとなる。この実施例では、三角形のチャネル溝２の底
辺は５６μｍ、チャネル溝２の配列ピッチは８４．７μ
ｍとした。

【００２４】図２（Ｂ）は、ピット基板５の製作工程で
ある。チャネル基板１と同じ材料の厚さ３０μｍ以上の
シリコンウェハを用いた。ピット基板の最終的な厚さを
３０μｍとした。したがって、シリコンウェハとして
は、３０μｍの厚さのものを用いて、ピット部６および
バイパスピット部７をエッチングにより形成してもよい
が、シリコンウェハが薄いので、製作しにくいという問
題がある。この実施例の工程では、３０μｍより厚いシ
リコンウェハを用いた。異方性エッチングによって、ウ
ェハ面に３０μｍよりやや深くエッチングして、ピット
部６およびバイパスピット部７を形成する。なお、図中
のＡ−Ａ線は、後述する工程で研磨される位置であり、
この線から下の部分が研磨される。

【００２５】次に、製作したピット基板を、ピット部６
およびバイパスピット部７を形成した面をチャネル基板
１に接合する。この実施例では、接合に接着剤を用い
た。具体的には、ポリエチレンテレフタレートフィルム
に接着剤をスピンコート塗布したものをチャネル基板１
に転写し、ピット基板５を貼り合わせることにより行な
った。チャネル基板１とピット基板５を接合した後、ピ
ット基板５の下部を研磨し、図２（Ｃ）に示すように、
ピット部５およびバイパスピット部７を貫通口となるよ
うにした。研磨後のピット基板５の厚さは３０μｍとし
た。ピット部６の下部の幅は６０μｍ、長さは１２７μ
ｍとし、バイパスピット部７の下部の幅は５５６５μ
ｍ、長さは１６２μｍとした。

【００２６】次に、チャネル基板１とピット基板５を接
合し研磨したものを、チャネル基板１とピット基板５を
接合したと同じ方法により、ヒーター基板４に接合し
た。その後、ダイサーにより個々のヘッドチップに切断
分離し、ヘッドに組み立てた後、表面処理を施した。

【００２７】表面処理の方法を図４に示す。図中、２は
チャネル溝、３はインクリザーバ、１３はヘッドチッ
プ、１４はヒートシンク、１５はマニホールド、１６は
インク液供給管、１７はインクジェット記録ヘッド、１
８は処理液である。ヘッドチップ１３に、ヒートシンク
１４、マニホールド１５を組み立てて構成されたインク
ジェット記録ヘッド１７を図示しない保持部材に取り付
けて、処理液１８に浸漬する。その際、チャネル溝２の
中に処理液が侵入しないように、インク液供給管１６か
ら、圧力０．１［ｋｇ／ｃｍ² ］、流量０．２［ｌ／ｍ
ｉｎ］でＮ₂ ガスを導入し、マニホールド１５からイン
クリザーバ３を経てチャネル溝２より吐出させる。処理
液８は、撥水性処理膜を形成するためのものであり、例
えば、フッ素系シリコン樹脂（旭硝子株式会社製）を１
％溶かした２−メチル−２−プロパノール溶液が用いら
れる。このように、Ｎ₂ ガスを吐出させた状態のまま、
処理液１８中に約９秒間浸漬し、図示しない回転モータ
ーにより保持部材を腕として回動させて図示矢印の方向
にノズル面が斜めの状態で処理液１８から引き上げ、自
然乾燥後ガスの吐出を止めた。引き上げる角度は、４５
度前後がよい。斜めに引き上げることにより、ノズル面
に処理液が不均一に滞留することがなく、均一に付着さ
せることができる。次いで、ノズル面に形成された処理
膜を、１５０℃で１時間の加熱を行ない、硬化／焼成を
行なったところノズル口内への処理液の侵入がなく、処
理膜の浮きや塗布ムラなどのない表面処理膜を得ること
ができた。

【００２８】このようにして得られたインクジェット記
録ヘッドに水６０重量％、ジエチレングリコール３８重
量％、染料２重量％で構成される、粘度２ｃｐ、表面張
力４０ｄｙｎ／ｃｍ² の水性インクを使用し、インク噴
射テストおよび表面処理膜の耐久性テストを行なったと
ころ、インク噴射応答性および飛翔インクの方向性が良
好であった。また、ゴム製のブレードによりノズル面に
形成された表面処理膜を３００００回ワイピングして、
表面処理膜の耐久性を調べたところ、剥離もなく耐久性
も良好であった。

【００２９】上述した実施例では、チャネル基板および
ピット基板にシリコンウェハを用いたが、これに限られ
るものではない。ガラス等を用いることもできる。ガラ
スを基板として用いる場合の製作工程の一例を説明す
る。あらかじめ加工寸法以上の空洞部を持つ支持基盤上
に、ピット基板となる厚さ５０μｍ以下のガラス板を空
洞部が加工部を含むように配置して接着する。これらを
レーザ加工あるいは超音波加工によりガラス板にピット
部およびバイパスピット部を形成する。ピット部および
バイパスピット部を形成したガラス板を支持基盤に接合
したままの状態で研磨を行ない、加工面を平坦化する。
これにヒーター基板を接合した後、支持基盤を外し、さ
らに、支持基盤に接着していた面のガラス板を研磨す
る。その後、この研磨面の上にあらかじめ液滴を噴射す
るためのチャネル溝を有する感光性ガラスを接合し、イ
ンクジェット記録ヘッドを作製できる。

【００３０】比較例として、ピット基板の代わりに、感
光性ポリイミドを用いてピット層を形成したヘッドチッ
プを用いたインクジェット記録ヘッドに、実施例で説明
したと同じ方法で表面処理を行ない、ワイピングテスト
を行なったところ、ポリイミドの面より処理膜の剥離が
起こり、噴射方向性の劣化等、画質の低下を引き起こし
た。

【００３１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、ピット層を有するインクジェット記録ヘッド
において、ノズル端面を同一材料により構成したことに
より、耐久性の良好な表面処理膜が得られ、液滴の噴射
方向性の維持性が良好となり、高品質な画質が維持でき
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のサーマルインクジェット記録ヘッド
におけるヘッドチップの一実施例の断面図である。

【図２】 図１のヘッドチップの作製プロセスの工程図
である。

【図３】 チャネル基板の製作工程の一例の工程図であ
る。

【図４】 表面処理方法の説明図である。

【符号の説明】

１ チャネル基板（第１の基板）、２ チャネル溝、３
インクリザーバ、４ヒーター基板（第２の基板）、５
ピット基板（第３の基板）、６ ピット部、７ バイ
パスピット部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液滴を噴射させるための溝を有する第１
   の基板と、熱エネルギーを発生するための発熱素子を有
   する第２の基板、および前記第１の基板にそれと同じ材
   料で貫通穴が設けられた第３の基板を積層してなること
   を特徴とするサーマルインクジェット記録ヘッド。
2. 【請求項２】 第３の基板は、第１の基板または第２の
   基板に接合された後、研磨されることを特徴とする請求
   項第１に記載のサーマルインクジェット記録ヘッドの製
   造方法。