JPH11198387A - インクジェット記録ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 異方性エッチングによるインク供給口の開
口部のバラツキを無くしたインクジェット記録ヘッドの
製造方法を提供する。 【解決手段】 基板１の異方性エッチングする面とは逆
側の面（上面）に、サンドブラスト、ドライエッチング
等により予め縦堀１０を形成しておき、この縦堀１０を
貫通するように基板１（下面）を異方性エッチングして
インク供給口９を形成する工程を含むインクジェット記
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
録ヘッドの製造方法に関し、更に詳しくは、基板を異方
性エッチングしてインク供給口用の穴を形成する方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】熱インクジェット記録方式は、発熱抵抗
体に電流を通して発熱させ、これによりインク中に泡を
発生させ、この泡のエネルギーを細いノズル（液路）内
のインクに伝え、吐出口からインク滴を吐出する方式で
ある。このインク滴の吐出方向については、発熱抵抗体
に対して平行に吐出する方式と、発熱抵抗体に対して垂
直に吐出する方式のものがある。

【０００３】このようなインクジェット記録ヘッドの製
造方法は、例えば、シリコンウエハ等の基板に対する成
膜工程、フォトリソ工程、ノズル形成工程、実装工程等
からなる。

【０００４】図４は、従来のインクジェット記録ヘッド
の基本的な構成を示す模式的断面図である。この図に示
すヘッドは、シリコンウエハー等からなる基板１の上
に、熱酸化膜等からなる絶縁蓄熱層２を有し、その上に
順に発熱抵抗体層３、電極配線層４、耐インク層（第一
の保護層）５、耐キャビテーション膜（第二の保護層）
６等を有する。これらは全てスパッタリング法等で成膜
され、フォトリソ技術等でパターニングされた薄膜であ
る。なお、耐キャビテーション膜６は、熱エネルギーを
伝え終わった泡が消泡するときに生じる発熱抵抗体層３
の表面のダメージを防ぐための保護膜である。

【０００５】更に、これにノズル（液路８）を形成し、
天蓋を形成若しくは接合し、外部との電気信号接続をワ
イヤーボンディング又はＴＡＢ等で接続し、熱インクジ
ェット記録ヘッドとする。

【０００６】この熱インクジェット記録ヘッドにおいて
は、基板に設けたインク供給口９から、液路８にインク
を供給し、発熱抵抗体層３を発熱させてインク中に泡を
発生させ、これにより天蓋に設けた吐出口７からインク
滴を吐出する。

【０００７】なお、熱インクジェット記録ヘッドは、発
熱抵抗体と電極配線を形成した同一基板上に前記の駆動
制御素子を搭載したものと、発熱抵抗体と電極配線のみ
を基板上に形成し、駆動制御用のドライバーを別チップ
としこれをワイヤーボンディング又はＴＡＢ接合で接続
したものとに分かれる。

【０００８】

【発明が解決しようとしている課題】図４に示した従来
法において、通常、インク供給口９は、異方性エッチン
グにより加工される。この異方性エッチングは加工の再
現性が低く、液路８側の近くをエッチングすると、電極
配線層４やノズル壁に影響を及ぼす危険がある。したが
って、このようなオーバーエッチングが生じないよう
に、予めマージンを見込んで、異方性エッチングが行な
われている。

【０００９】しかしながら、マージンを見込んでエッチ
ングする場合、インク供給口９の開口部が小さくなった
り、また図５に示すように最悪の場合開口しなかった
り、また基板の結晶欠陥により部分的に開口しない場合
が多々ある。

【００１０】一方、このような記録ヘッドにおいては、
リフィル周波数を上げるには、発熱抵抗体層３が有る液
路８と、インク供給口９との距離をできるだけ近くする
必要がある。このリフィルとは、インク吐出後に、再度
液路８及び吐出口７付近全体にインクが充満することを
いい、このリフィル時間がプリンターの印字速度に大き
な影響を与える。つまり、駆動周波数を早くしても、リ
フィルが追い付かないと発熱抵抗体層３がインクの無い
状態、又は、インクの少ない状態で発熱し、インクの不
吐出、又は、インクの吐出量が少ないために、印字が不
鮮明となる。

【００１１】このリフィル周波数を上げるには、発熱抵
抗体層３が有る液路８と、液路８にインクを供給するイ
ンク供給口９との距離をできるだけ近くする必要があ
る。しかしながら、前述のようにマージンを見込んだエ
ッチングでは、液路８とインク供給口９の距離を十分に
近くすることは困難である。

【００１２】本発明は、異方性エッチングによるインク
供給口の開口部のバラツキを無くすことにより、不良率
の低減、及び、ノズル間のリフィル時間を安定させて、
印字品位の良いインクジェット記録ヘッドを製造できる
方法を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、基板を異方性
エッチングしてインク供給口用の穴を形成する工程を含
む、前記基板上に、吐出エネルギー発生素子と、該吐出
エネルギー発生素子からのエネルギーをインクに作用さ
せるための液路と、該エネルギーが作用したインクを吐
出するための吐出口とを有し、該液路にインクを供給す
るための前記インク供給口を前記基板に有するインクジ
ェット記録ヘッドの製造方法において、前記基板を異方
性エッチングする前に、該基板の異方性エッチングする
面とは逆側の面に予め凹部を形成しておき、該凹部を貫
通するように前記基板を異方性エッチングして前記イン
ク供給口用の穴を形成する工程を含むインクジェット記
録ヘッドの製造方法である。

【００１４】本発明においては、例えば、インク供給口
を開口させる前に、予め異方性エッチングを行う反対側
のウエハー表面に縦堀（凹部形成）を行っておき、そこ
に異方性エッチングの供給口を開けるようにする。つま
り、異方性エッチングを行ったとき、従来はアンダーエ
ッチングで開口しない場合でも、この縦堀が有るため開
口することにる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態に
ついて説明する。

【００１６】図１は、本発明の一実施形態を示す模式的
断面図である。この例においては、シリコンウエハー等
からなる基板１の上に、熱酸化膜等からなる絶縁蓄熱層
２を有し、その上に順に、吐出エネルギー発生素子（発
熱抵抗体）を構成するための発熱抵抗体層３、この発熱
抵抗体層３に電力を供給するＡｌ等の電極配線層４、Ｓ
ｉＮ等からなる耐インク層（第一の保護層）５、Ｔａ等
からなる耐キャビテーション膜（第二の保護層）６等を
有する。これらは全てスパッタリング法等で成膜され、
フォトリソ技術等でパターニングされた薄膜である。

【００１７】更に、天蓋とノズル壁によりノズル（液路
８）が形成され、基板１には、縦堀１０と異方性エッチ
ング面１１からなるインク供給口９が形成されている。

【００１８】以下、本実施形態における製造方法の各工
程を、順を追って説明する。

【００１９】まず、シリコンウエハー等からなる基板１
の上に、酸化膜等からなる絶縁蓄熱層２を形成する。こ
れは、スパッタリング法等で形成してもよく、シリコン
ウエハーに熱酸化膜を形成してもよい。その上に、発熱
抵抗体層３をスパッタリング法等で形成する。更にその
上に、Ａｌ等の電極配線層４をスパッタリング法等で形
成する。次いで、フォトリソ技術で電極配線層４を、更
に発熱抵抗体層３をパターニングする。そして、その上
に、ＳｉＮ等からなる耐インク層５をスパッタリング法
等で成膜し、更に、Ｔａ等からなる耐キャビテーション
膜６等を成膜する。

【００２０】次いで、基板１にインク供給口９を形成す
る。図２（ａ）（ｂ）は、本実施形態におけるインク供
給口９の形成工程を示す模式的断面図である。まず、基
板１を異方性エッチングする前に、図２（ａ）に示すよ
うに、基板の異方性エッチングする面とは逆側の面（各
層２〜６を形成した面）に予め所望の深さ及び所望の幅
の凹部を形成する。この凹部の形成法は、特に制限され
ないが、例えば、サンドブラストやドライエッチング
（ＣＤＥ）等による縦堀が好適に適用できる。

【００２１】次に、液路７、吐出口８を形成し、電力配
線を接続して熱インクジェット記録ヘッドとする。これ
らノズル形成工程以降は、従来と同様の工程を採用すれ
ばよい。なお、本実施形態では、駆動制御用の素子（パ
ワートランジスタ、論理回路等）を外付けタイプとした
が、同チップに作り込んでもよい。

【００２２】上記方法で作製した、インク供給口まわり
の開口部の幅は、ウエハーの結晶欠陥等があっても縦堀
穴が吸収してくれ、表面上の開口幅は一定の幅で出来上
り、また液路８とインク供給口９の距離を十分に近くす
ることができるので、リフィル周波数を上げることもで
きる。

【００２３】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−を利用して飛翔液滴を形成し、記
録を行うインクジェット記録方式の記録ヘッド、記録装
置において優れた効果をもたらすものである。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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の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。

【００３０】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。

【００３１】さらに、記録装置の記録モードとしては黒
色等の主流色のみの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。

【００３２】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。

【００３３】加えて、積極的に熱エネルギーによる昇温
をインクの固体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が液化し、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。

【００３４】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。

【００３５】＜実施例１＞まず、シリコンウエハーから
なる基板１の上に、厚さ３.０μｍの熱酸化膜からなる
絶縁蓄熱層２を形成した。その上にＨｆＢ₂からなる発
熱抵抗体層３をスパッタリング法で形成した。更にその
上に、Ａｌからなる電極配線層４をスパッタリング法で
形成した。次いで、フォトリソ技術で電極配線層４を、
更に発熱抵抗体層３をパターニングした。そして、その
上に、ＳｉＮからなる耐インク層５をスパッタリング法
で成膜し、更に、Ｔａからなる耐キャビテーション膜６
を成膜した。

【００３６】次に、インク供給口９を開口させるが、そ
の開口幅は１４０μｍとし、サンドブラストで、図２
（ａ）に示すように、予め開口する部分１４０μｍ幅を
縦堀しておいた。その深さは５０μｍとした。この５０
μｍは次のように求めた。

【００３７】まず、数回実際に異方性エッチングを行
い、オーバーエッチング量を求めた。このオーバーエッ
チング量は、アンダーエッチング量を０μｍとして測定
しており、サイドエッチングはオーバーエッチングのみ
となる。その結果、最大オーバーエッチング量は片側で
３６μｍであった。求めたオーバーエッチング量が最大
であるため、実際のオーバーエッチング量はこれより大
きくはならない。そのため、実際にインク供給口の開口
部に開口する幅は小さくなる。小さくなる量は、最大で
片側３６μｍとなり、この３６μｍずれた量を考慮して
縦堀の深さを計算すれば５０μｍとなった。

【００３８】この計算方法は、異方性エッチングのマス
ク開口幅（ウエハー幅）を９５０μｍとし、インク供給
口開口幅をオーバーエッチング量無し、ウエハー厚６２
５μｍとしてエッチング角度ａ＝５５°（図３参照）を
求め、次に最大オーバーエッチング量を３６μｍとして
縦堀深さｂを求めた。その結果約５１μｍとなる。縦堀
深さの誤差を考慮すると、５０μｍとしても差し支えな
い。

【００３９】次に、従来法と同様にして、ノズル（液路
８）、吐出口７を形成し、電力配線を接続して熱インク
ジェット記録ヘッドを得た。

【００４０】このようにして作製した記録ヘッドにおい
ては、インク供給口９まわりの開口部の幅は、ウエハー
の結晶欠陥等があっても、この縦堀穴が吸収し、表面上
の開口幅は一定の幅で、出来上り印字試験でも印字品位
が従来品と比較して向上していた。

【００４１】＜実施例２＞縦堀の方法として、ケミカル
ドライエッチング装置を使用したドライエッチング（Ｃ
ＤＥ）を採用したこと以外は、実施例１と同様にして熱
インクジェット記録ヘッドを作製したところ、実施例１
と同様の良好な結果が得られた。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ウエハー内の結晶欠陥による異方性エッチングのバラツ
キがあっても、実際にインク供給口が開口する大きさは
ウエハー内各チップで一定になり、異方性エッチングに
よるインク供給口の開口部のバラツキを無くすことがで
きる。これにより、開口しなかったり、幅が小さいとい
う不良がなくなり、良品率が向上しコストダウンにつな
がる。

【００４３】また、開口部の幅が一定になるため、ノズ
ル間のリフィル時間のバラツキが減少し、印字品位が向
上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す模式的断面図であ
る。

【図２】（ａ）（ｂ）は、本実施形態におけるインク供
給口の形成工程を示す模式的断面図である。

【図３】実施例における縦堀の深さ寸法の求め方を説明
するための図である。

【図４】従来のインクジェット記録ヘッドの基本的な構
成を示す模式的断面図である。

【図５】従来技術でのアンダーエッチング時のインク供
給口部断面を示す図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 絶縁蓄熱層 ３ 発熱抵抗体層 ４ 電極配線層 ５ 耐インク層（第一の保護層） ６ 耐キャビテーション膜（第二の保護層） ７ 吐出口 ８ 液路 ９ インク供給口 １０ 縦堀 １１ 異方性エッチング面

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板を異方性エッチングしてインク供給
   口用の穴を形成する工程を含む、前記基板上に、吐出エ
   ネルギー発生素子と、該吐出エネルギー発生素子からの
   エネルギーをインクに作用させるための液路と、該エネ
   ルギーが作用したインクを吐出するための吐出口とを有
   し、該液路にインクを供給するための前記インク供給口
   を前記基板に有するインクジェット記録ヘッドの製造方
   法において、 前記基板を異方性エッチングする前に、該基板の異方性
   エッチングする面とは逆側の面に予め凹部を形成してお
   き、該凹部を貫通するように前記基板を異方性エッチン
   グして前記インク供給口用の穴を形成する工程を含むイ
   ンクジェット記録ヘッドの製造方法。
2. 【請求項２】 前記凹部は、縦堀形状である請求項１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】 前記凹部を、サンドブラスト又はドライ
   エッチングにより行なう請求項１又は２記載のインクジ
   ェット記録ヘッドの製造方法。