JPH1044438A - インクジェット記録ヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 インク吐出発生素子の形成および電気的駆動
を行うための回路形成には、多段の工程を必要とし、そ
の間、基板の裏面は特別な配慮を行わない限り、工程中
の基板取り扱いにより基板裏面にキズ、汚れ等の不良現
象が発生し、インク供給口をエッチング形成する際、基
板裏面であるエッチング面のキズ、汚れが起因となる欠
陥に結びつくのでキズおよび汚れの発生を排除する技術
の提供が望まれている。 【解決手段】 インク供給口を挟んで片側または両側に
インク吐出発生素子が形成されたインクジェット記録ヘ
ッドにおいて、インク供給口をＳｉ異方性エッチング技
術により形成する際、吐出発生素子の形成された面と反
対側であるエッチング開始面側を予め研磨する工程を付
加したインクジェット記録ヘッドの製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェット記
録方式に用いる記録液小滴を発生するためのインクジェ
ット記録ヘッドの製造方法およびインクジェット記録ヘ
ッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】通称、サイドシューター型のインクジェ
ット記録ヘッドは、インク吐出発生素子が形成された基
板にインク供給口である貫通口を設け、基板裏面よりイ
ンクを供給する方式が採用されている。このようなイン
クジェット記録ヘッドの製造方法としては、特開昭６２
−２６４９５７、ＵＳＰ４７８９４２５に記載の方法に
よる製造方法が提案されている。つまり、インク吐出発
生素子の形成された基板に、サンドブラスト加工、或い
は超音波研削加工等の機械加工方法で貫通口を形成した
後、インク流路となるノズルを形成する。次いで、吐出
口を形成した電鋳プレートを前記基板のインク流路、イ
ンク吐出発生素子の相対する位置に接着する方法であ
る。

【０００３】近年では、インクジェット記録ヘッドの小
型化および高密度化に対処し、基板内に半導体製造技術
を用いて、インク吐出発生素子を駆動するためのダイオ
ードマトリックス回路やシフトレジスタ回路等の電気的
制御回路を内蔵した方法が提案されている。このような
高機能なインクジェット記録ヘッドは、インク供給口の
形成に、サンドブラスト、超音波研削加工のような機械
加工法を用いた場合において、耐静電気および耐振動の
点で非常に敏感であり、しばしば回路特性に影響を与え
る要因となることから、取り扱いに注意が必要である。
そこで、前記する問題を改善する手段として、Ｓｉ基板
を用いた場合、インク供給口を基板裏面より化学的にエ
ッチングして形成する方法が提案されている。この方法
は、貫通口の形成を化学的にエッチング処理して形成す
る方法であることから、その形成工程をインクジェット
記録ヘッドの製造工程中のどの時点で行うかは、任意に
設定可能である。つまり、インクジェット記録ヘッドの
主たる機能部分が形成された最終工程で実施することが
可能である。

【０００４】機械加工によるインク供給口の一般的形成
は、インクジェット記録ヘッドの製造工程の比較的最初
の工程で実施されるが、かかる従来の方法は、貫通した
基板は強度が低下し、後工程での取り扱いで破損し易
く、かつノズル形成に用いる装置の取り扱いが複雑であ
ると言った問題を解決できる利点がある。しかし、化学
的なエッチングによるインク供給口の形成においては、
以下の問題点があげられる。

【０００５】インク吐出発生素子の形成、およびインク
吐出発生素子の電気的駆動を行うための回路形成には、
多段の工程を必要とし、その間、基板の裏面は特別な配
慮を行わない限り、工程中の基板取り扱いにより基板裏
面にキズ、汚れ等の不良現象が発生する。この問題は、
インク供給口をエッチング形成する際、基板裏面である
エッチング面のキズ、汚れが起因となる欠陥に結びつく
こととなり、歩留りを悪くする要因となる。対策の１つ
としては、工程中の基板取り扱いに対処し、裏面を配慮
した装置および方法を設定すれば可能であるが、多段な
工程の１つ１つに対応させるには、装置コストのアップ
および複雑な処理が発生し、実用的ではない。そこで、
低コストでかつ容易な方法による基板裏面のキズおよび
汚れの発生を排除する技術の提供が望まれている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の問題点に
鑑みなされたものであって、Ｓｉ基板を用いて、インク
供給口を基板裏面より異方性エッチング技術により形成
する際、 少なくとも、エッチング工程の前工程までに基板裏
面であるエッチング開始面を研磨、研削等の手段を用い
て、キズ、汚れを排除し、清浄な面を形成する工程を行
う。

【０００７】 次いで、耐エッチングマスクを形成す
る。

【０００８】 エッチングを行う。 以上の工程により、前記課題の解決を可能とするもので
ある。

【０００９】すなわち、本発明は、インク吐出方向がイ
ンク吐出発生素子の形成されたＳｉ基板に対して垂直方
向に吐出するインクジェット記録ヘッドの前記Ｓｉ基板
中央に貫通するインク供給口を設け、前記インク供給口
を挟んで片側または両側にインク吐出発生素子が形成さ
れたインクジェット記録ヘッドにおいて、前記インク供
給口をＳｉ異方性エッチング技術により形成する際、吐
出発生素子の形成された面と反対側であるエッチング開
始面側を予め研磨する工程を付加したことを特徴とする
インクジェット記録ヘッドの製造方法である。

【００１０】本発明において、Ｓｉ基板として、インク
吐出発生素子が形成される面のＳｉ結晶方位が＜１００
＞あるいは＜１１０＞面であることが好ましい。

【００１１】本発明は、更に上記製造法で製造されたイ
ンクジェット記録ヘッドをも提供するものである。

【００１２】本発明のインクジェット記録ヘッドの製造
方法の理解を助けるために、最初に図によって説明する
が、図１は本発明に係わるインクジェット記録ヘッドの
模式的上面図であり、図２は図１の裏面を示す模式図で
あり、図３は図１のＡ−Ａ’方向の模式的断面図であ
り、図４はＳｉ基板裏側であるエッチング開始面のキズ
の状態を示す模式図であり、図５は図４の状態でエッチ
ングした時のインク供給口の欠陥状態を示す模式図であ
る。

【００１３】本発明は、特にインクジェット記録方式の
中でも熱エネルギーを利用して飛翔的液滴を形成し、記
録を行うインクジェット方式の記録ヘッド、記録装置に
おいて優れた効果をもたらすものである。

【００１４】その代表的な構成や原理については、例え
ば、米国特許第４７２３１２９号明細書、同第４７４０
７９６号明細書に開示されている基本的な原理を用いて
行うものが好ましい。この方式はいわゆるオンデマンド
型、コンティニュアス型のいずれにも適用可能である
が、特に、オンデマンド型の場合には、液体（インク）
が保持されているシートや液路に対応して配置されてい
る電気熱変換体に、記録情報に対応していて核沸騰を越
える急速な温度上昇を与える少なくとも一つの駆動信号
を印加することによって、電気熱変換体に熱エネルギー
を発生せしめ、記録ヘッドの熱作用面に膜沸騰を生じさ
せて、結果的にこの駆動信号に一対一で対応した液体
（インク）内の気泡を形成できるので有効である。この
気泡の成長、収縮により吐出用開口を介して液体（イン
ク）を吐出させて、少なくとも一つの滴を形成する。こ
の駆動信号をパルス形状とすると、即時適切に気泡の成
長収縮が行われるので、特に応答性に優れた液体（イン
ク）の吐出が達成でき、より好ましい。

【００１５】このパルス形状の駆動信号としては、米国
特許第４４６３３５９号明細書、同第４３４５２６２号
明細書に記載されているようなものが適している。な
お、上記熱作用面の温度上昇率に関する発明の米国特許
第４３１３１２４号明細書に記載されている条件を採用
すると、さらに優れた記録を行うことができる。

【００１６】記録ヘッドの構成としては、上述の各明細
書に開示されているような吐出口、液路、電気熱変換体
の組み合わせ構成（直線状液流路または直角液流路）の
他に、熱作用部が屈曲する領域に配置されている構成を
開示する米国特許第４５５８３３３号明細書、米国特許
第４４５９６００号明細書を用いた構成も本発明に含ま
れるものである。

【００１７】加えて、複数の電気熱変換体に対して、共
通するスリットを電気熱変換体の吐出部とする構成を開
示する特開昭５９−１２３６７０号公報や熱エネルギー
の圧力波を吸収する開孔を吐出部に対応させる構成を開
示する特開昭５９−１３８４６１号公報に基づいた構成
としても本発明は有効である。

【００１８】さらに、記録装置が記録できる最大記録媒
体の幅に対応した長さを有するフルラインタイプの記録
ヘッドとしては、上述した明細書に開示されているよう
な複数記録ヘッドの組み合わせによってその長さを満た
す構成や、一体的に形成された１個の記録ヘッドとして
の構成のいずれでもよいが、本発明は、上述した効果を
一層有効に発揮することができる。

【００１９】加えて、装置本体に装着されることで、装
置本体との電気的な接続や装置本体からのインクの供給
が可能になる交換自在なチップタイプの記録ヘッド、あ
るいは記録ヘッド自体に一体的にインクタンクが設けら
れたカートリッジタイプの記録ヘッドを用いた場合にも
本発明は有効である。

【００２０】また、本発明の記録装置の構成として設け
られる、記録ヘッドに対しての回復手段、予備的な補助
手段等を付加することは本発明の効果を一層安定できる
ので好ましいものである。これらを具体的に挙げれば、
記録ヘッドに対してのキャッピング手段、クリーニング
手段、加圧あるいは吸引手段、電気熱変換体あるいはこ
れとは別の加熱素子あるいはこれらの組み合わせによる
予備加熱手段、記録とは別の吐出を行う予備吐出モード
を行うことも安定した記録を行うために有効である。

【００２１】さらに、記録装置の記録モードとしては黒
色等の主流色のみを記録モードだけではなく、記録ヘッ
ドを一体的に構成するか複数個を組み合わせによってで
もよいが、異なる色の複色カラー、または混色によるフ
ルカラーの少なくとも一つを備えた装置にも本発明は極
めて有効である。

【００２２】以上説明した本発明実施例においては、イ
ンクを液体として説明しているが、室温やそれ以下で固
化するインクであって、室温で軟化するもの、もしくは
液体であるもの、あるいは上述のインクジェット方式で
はインク自体を３０℃以上７０℃以下の範囲内で温度調
整を行ってインクの粘性を安定吐出範囲にあるように温
度制御するものが一般的であるから、使用記録信号付与
時にインクが液状をなすものであればよい。

【００２３】加えて、積極的に熱エネルギーによる昇温
をインクの固形状態から液体状態への状態変化のエネル
ギーとして使用せしめることで防止するか、またはイン
クの蒸発防止を目的として放置状態で固化するインクを
用いるかして、いずれにしても熱エネルギーの記録信号
に応じた付与によってインクを液化し、液状インクとし
て吐出するものや、記録媒体に到達する時点では既に固
化し始めるもの等のような、熱エネルギーによって初め
て液化する性質のインクの使用も本発明には適用可能で
ある。このような場合インクは、特開昭５４−５６８４
７号公報あるいは特開昭６０−７１２６０号公報に記載
されるような、多孔質シート凹部または貫通孔に液状ま
たは固形物として保持された状態で、電気熱変換体に対
して対向するような形態としてもよい。本発明において
は、上述した各インクに対して最も有効なものは、上述
した膜沸騰方式を実行するものである。

【００２４】さらに加えて、本発明に係る記録装置の形
態としては、ワードプロセッサやコンピュータ等の情報
処理機器の画像出力端末として一体または別体に設けら
れるものの他、リーダ等と組み合わせた複写装置、さら
には送受信機能を有するファクシミリ装置の形態を採る
ものであっても良い。

【００２５】

【実施例】以下に実施例を示し、本発明をさらに具体的
に説明する。

【００２６】本実施例のインク吐出発生素子２は、発熱
抵抗素子によるインクジェット記録ヘッド、所謂バブル
ジェット記録方式のインクジェット記録ヘッドを製造す
る例を示す。

【００２７】図では１つのインクジェット記録ヘッドの
断面図として表しているが、一般的半導体製造技術とし
て、Ｓｉ基板に同様の素子を複数個配列した多数個処理
が行われており、本発明のインクジェット記録ヘッドも
同様に多数個取りが可能であることは言うまでもない。

【００２８】図６は、＜１００＞面の結晶方位を持つＳ
ｉ基板１を用いて半導体製造技術によりインク吐出発生
素子２を駆動させるための駆動素子が形成されている。
次いで、インク吐出発生素子２と外部制御機器との電気
的取り出し電極を形成する。前記する工程は、本発明と
直接関係がないので詳細は省略する。また、インク吐出
発生素子および電極の形成方法に関しても特に限定する
ものではない。

【００２９】図７は、除去可能なインク流路となるイン
ク流路の型材３をフォトリソグラフィー技術により形成
する。本発明では、ポジ型フォトレジストＰＭＥＲ−Ａ
Ｒ９００（東京応化工業（株）製、商品名）を用い所望
の膜厚およびパターンに形成した。

【００３０】図８は、図７で形成されたインク流路とな
るインク流路の型材３を被覆するように、インク吐出口
５を含むオリフィスプレート材４をフォトリソグラフィ
ー技術により形成したものである。オリフィスプレート
材４としては、感光性エポキシ樹脂、感光性アクリル樹
脂等があげられる。ここで、オリフィスプレート材４と
しては、インクジェット記録ヘッドとして、常にインク
と接触するため、オリフィスプレート材４としての選択
には以下の点を考慮して、選択する必要がある。すなわ
ち、 オリフィスプレート材４がインクとの接液によっ
て、オリフィスプレート材からの不純物がインク液に溶
出しないこと。

【００３１】 オリフィスプレート材４とＳｉ基板１
との密着性が良く、経時的変化による剥がれが起らない
こと。

【００３２】等を考慮する必要がある。これらの点か
ら、オリフィスプレート材４としては、光反応によるカ
チオン重合性化合物が適している。

【００３３】また、オリフィスプレート材４の選択は、
使用するインク液によっても、大きく左右されることか
ら、上記の材料以外の化合物も使用可能であり、目的に
あった材料を選択することができる。

【００３４】図９は、本発明の主要な工程部分を示す図
であり、図８までに形成されたＳｉ基板１の裏面、すな
わちインクジェット記録ヘッドとしての機能素子が形成
された面の反対側、を研磨あるいは研削する工程を示す
図である。本発明では、一般的なＳｉ基板の研磨技術が
用いられる。また、図は省略しているが、研磨工程を実
施するに当たり、インクジェット記録ヘッドの機能素子
が形成された面の保護を予めする必要がある。保護の方
法としては、研磨終了後には保護した部材が容易に除去
可能なもので、インクジェット記録ヘッドの機能素子を
犯さない材料であれば、どのようなものでも構わない。
例えば、高分子化合物、さらに言えば、環化ゴム系の樹
脂をスピンコートして塗布する。或いは、一般的なＳｉ
基板の保護テープと称されるマイラーフィルムやポリオ
レフィンフィルムに接着剤が塗布されたものが市販され
ており、使用が可能である。この実施例では、研磨後の
除去容易性の点で紫外線照射により粘着性が低下するエ
レップフォルダーＵＥシリーズ（日東電工（株））を用
いた。

【００３５】研磨の条件としては、研磨量、研磨面粗さ
を考慮する必要がある。また、研磨方法としては、エッ
チングを含む化学的な研磨やグラインド、サンドブラス
トと称される方法がある。ここで、研磨量としては、特
に規定するものではないが、研磨の目的が、前工程まで
のキズおよび汚れの除去が主目的の場合、キズの深さ等
を予め検討して、余裕を持った研磨量を設定すればよ
い。例えば、本発明の検討から０．１ｍｍ程度研磨する
ことにより十分キズおよび汚れは排除可能であった。さ
らに研磨面の粗さの設定に関しても特に規定するもので
はないが、一般的に半導体素子を形成する面と同様の面
状態である鏡面状態から一般的な半導体製造に用いるＳ
ｉ基板の裏面の状態である梨地状態までの状態が採用可
能である。選択する基準としては、後に述べる研磨後の
工程である異方性エッチングのエッチングマスク７の形
成に影響するので、エッチングマスク７と研磨面６の密
着性およびパターン精度を考慮して選択するとよい。本
実施例では、鏡面仕上げを行った。

【００３６】次に、図１０に示すエッチングマスク７の
形成であるが、Ｓｉ基板の異方性エッチングに用いるエ
ッチング液としては、アルカリ系のエッチング液を用い
るのが一般的である。例えば、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、水酸
化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨと略称する）等
の溶液を用いる為、前記するエッチング液に耐え得るエ
ッチングマスク７を形成することが必要である。エッチ
ングマスク材料としては、一般的には無機膜、具体的に
はＳｉＯ₂ 、ＳｉＮ等が用いられる。その成膜方法とし
ては、ＳｉＯ₂ の場合は熱酸化、スパッタリングが、ま
たＳｉＮの場合はプラズマＣＶＤ等の成膜方法が用いら
れている。しかし、これらのいずれの成膜方法も、成膜
時に例えば最低３００℃以上のような高い温度で成膜さ
れるため、本発明のインクジェット記録ヘッドの構成材
料、すなわちインク流路の型材３やオリフィスプレート
材４として樹脂を用いることは耐熱的に困難である。従
って、本発明では有機系の材料を用いた。前記する材料
としては、先に述べた研磨工程と同様の高分子化合物で
ある環化ゴム系の樹脂、ポリアミド樹脂、等が使用可能
である。

【００３７】前記する材料をフォトリソグラフィー技術
により、所望のインク供給口９を形成するためのエッチ
ングマスクパターンをエッチング開始開口部８に形成す
る。

【００３８】また、＜１００＞面のＳｉ基板を用いる
と、異方性エッチングで形成するインク供給口９の形状
は、エッチング開始面８からエッチング終点面に向かっ
て約５４．７°の角度を持った傾斜で小さくなる。従っ
て、このことを考慮して、エッチングマスク７のパター
ン設計をする必要がある。

【００３９】図１１では、エッチングマクス７が形成さ
れたＳｉ基板を、異方性エッチングによりＳｉ基板の貫
通を行うことにより、インク供給口９を形成している。
本実施例ではＴＭＡＨ２２ｗｔ％溶液を用い、エッチン
グ液温度８０℃にて所定の時間、異方性エッチングを行
った。この時、インクジェット記録ヘッドの機能素子が
形成された面は、エッチング液が触れないような治具、
或いは保護手段を用いた。このように研磨を行う工程で
同様の保護手段を用いた場合、その保護テープが耐エッ
チング性のある材料で選択されていれば、研磨工程完了
後も保護テープは、そのまま残した状態で異方性エッチ
ング工程でも機能させることが可能となり、工程が簡略
化できる。

【００４０】図１２は異方性エッチングによりインク供
給口９が完成した後、図７で形成したインク流路の型材
３を溶解除去することにより、インクジェット記録ヘッ
ドの主要な製造工程が完了する。 実施例２ Ｓｉ基板の異方性エッチング面の結晶方位を＜１１０＞
面とするＳｉ基板を用いても前記の製造方法と同様の工
程設定が可能である。その際、形成されるインク供給口
９の形状としては、エッチング開始面とエッチング終点
面の寸法がほぼ同等な垂直なエッチング形状となる。従
って、＜１００＞面を用いた場合よりエッチングマスク
の設計が容易である。 実施例３ Ｓｉ異方性エッチング開始面側の研磨を、インク吐出発
生素子２及びその駆動素子形成後である図６に示す段階
で行うことにより、エッチングマスク７に無機膜材料が
使用可能である。エッチングマスク材としては有機膜よ
り無機膜の方がより耐エッチング性の点で信頼性が有
り、エッチング液、条件設定の幅が広がる利点がある。
また、エッチング前までに発生するエッチング開始面の
キズに対する問題に関しては、図６に示す段階で研磨し
てからエッチングするまでの工程数と研磨前までの工程
数を比較した場合、圧倒的に研磨前の工程数の方が多
く、キズ発生の大部分は研磨前の工程で発生している。
従って、研磨後にインク流路の型材とオリフィスプレー
ト材の形成工程を実施しても、キズによるエッチング欠
陥の発生は極めて少なく、十分対応が可能である。

【００４１】

【発明の効果】上記した本発明のインクジェット記録ヘ
ッドの製造方法によれば以下の効果が期待できる。 インク供給口をＳｉ異方性エッチングで形成する
際、エッチング前工程までで発生するエッチング面のキ
ズ、汚れ等に起因するエッチング欠陥が発生せず、パタ
ーン精度が良く、歩留りの高いインク供給口形成が可能
となる。 Ｓｉ異方性エッチング前のＳｉ異方性エッチング面
のキズ、汚れ等の管理が不要となり、取り扱いが容易と
なりかつ特別な配慮を必要としないことから、工程の煩
雑さや製造装置のコストアップが発生せず、結果的に安
価なインクジェット記録ヘッドが高品質に製造可能であ
る。 インク供給口の形成工程をインクジェット記録ヘッ
ドの比較的最終工程に近いところで実施可能である。従
って、比較的最初の工程でＳｉに貫通したインク供給口
を有する基板を各工程で移動する際の問題点である、Ｓ
ｉ基板の剛性が弱いことに基因する破損、および装置上
の取り扱いの工夫を考慮する必要がなくなりで工程設定
が容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わるインクジェット記録ヘッドの模
式的上面図。

【図２】図１の裏面を示す模式図。

【図３】図１のＡ−Ａ’方向の模式的断面図。

【図４】Ｓｉ基板の裏側であるエッチング開始面のキズ
の状態を示す模式図。

【図５】図４の状態でエッチングした時のインク供給口
の欠陥状態を示す模式図。

【図６】図１のＢ−Ｂ’方向の模式的断面図で、インク
吐出発生素子の形成されたＳｉ基板を示す。

【図７】図６のＳｉ基板にインク流路形成型材をパター
ン形成した模式的断面図。

【図８】図７にオリフィスプレート材を積層し、インク
吐出口をパターン形成した模式的断面図。

【図９】Ｓｉ基板の裏面の研磨面を示す模式的断面図。

【図１０】研磨面にインク供給口を形成するためのエッ
チングマスクをパターン形成した模式的断面図。

【図１１】異方性エッチングによりインク供給口を形成
した模式的断面図。

【図１２】図７で形成したノズル型材を溶解除去して、
インクジェット記録ヘッドの製造工程が完了した模式的
断面図。

【符号の説明】

１ Ｓｉ基板 ２ インク吐出発生素子 ３ インク流路の型材 ４ オリフィスプレート材 ５ インク吐出口 ６ 研磨面 ７ エッチングマスク ８ エッチング開始開口部 ９ インク供給口 １０ ノズル壁 １１ キズ １２ 欠陥部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インク吐出方向がインク吐出発生素子の
   形成されたＳｉ基板に対して垂直方向に吐出するインク
   ジェット記録ヘッドの前記Ｓｉ基板中央に貫通するイン
   ク供給口を設け、前記インク供給口を挟んで片側または
   両側にインク吐出発生素子が形成されたインクジェット
   記録ヘッドにおいて、前記インク供給口をＳｉ異方性エ
   ッチング技術により形成する際、吐出発生素子の形成さ
   れた面と反対側であるエッチング開始面側を予め研磨す
   る工程を付加したことを特徴とするインクジェット記録
   ヘッドの製造方法。
2. 【請求項２】 Ｓｉ基板として、インク吐出発生素子が
   形成される面のＳｉ結晶方位が＜１００＞あるいは＜１
   １０＞面であることを特徴とした請求項１に記載のイン
   クジェット記録ヘッドの製造方法。
3. 【請求項３】 請求項１記載の製造方法で製造したイン
   クジェット記録ヘッド。