JP2006137030A - 液体吐出記録ヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ノズルプレートが無機材料によって形成された液体吐出記録ヘッドを低コストで歩留まり良く製造可能とする。
【解決手段】液体を吐出させるためのエネルギーを発生する発熱抵抗体２と、発熱抵抗体２を駆動するための電気回路とを備えたシリコン基板３の表面側に無機材料からなるノズルプレート６が積層され、シリコン基板３を貫通する液体供給口からシリコン基板３とノズルプレート６との間に設けられている流路２１へ液体を供給可能な液体吐出記録ヘッドであって、シリコン基板３の表面のうち、流路２１が設けられている部位に所定の深さの凹部８が形成され、その凹部８の上に吐出口７が形成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、被記録媒体に向けてインクその他の液体を吐出して被記録媒体の表面に画像を形成する液体吐出記録ヘッド（以下「記録ヘッド」と略す場合もある）及びその製造方法に関するものである。ここで、「画像を形成する」とは、文字、図形、記号等といった何らかの意味を持つ画像を形成する場合のみでなく、幾何学的パターン等の特定の意味を持たない画像を形成することをも包含する。

従来の記録ヘッドでは、基板をその厚み方向に貫通する液体供給口を介して該基板の一面に形成されている複数の流路に液体が供給され、各流路を介して対応する吐出口に液体が供給される。ここで、上記流路及び吐出口は、基板の一面に形成した有機樹脂材料からなる膜をパターンニングして形成するのが一般的である。その理由は、上記膜の膜厚は５μｍ〜８０μｍ必要であるが、有機樹脂材料はこのような厚い膜を安価に大量生産するのに適しているからである。

しかし、有機樹脂材料は、機械的強度やガラス移転点が低く、熱膨張率や吸湿膨張率が高いなどの特性を有し、この特性に起因して記録ヘッドの耐久性や信頼性が低下するといった問題があった。

そこで、特許文献１には、無機材料によって上記流路及び吐出口が形成された記録ヘッド及びその製造方法が提案されている。特許文献１に開示されている記録ヘッドの製造方法について図５（ａ）〜（ｆ）を参照しながら説明する。まず、図５（ａ）に示すように、シリコン基板３０の表面に断熱層３１、加熱層３２、保護層３３及び耐キャビテーション層３４を順次積層する。次に、図５（ｂ）に示すように、所望の流路の形状に相当するパターン層３５を積層する。その後、図５（ｃ）に示すように、パターン層３５の上に流路及び吐出口を形成するための無機材料層３６を積層し、同図（ｄ）に示すように、形成された無機材料層３６をＣＭＰ（Chemical Mechanical Planarization）によって平坦化する。次に、図５（ｅ）に示すように、平坦化された無機材料層３６の表面に撥水層３７を形成した後に、フェトム秒レーザーによって所定の吐出口形状のパターン像を照射して吐出口３８を開口する。以上によって、シリコン基板３０の上にノズルプレート３９が形成される。その後、図５（ｆ）に示すように、シリコン基板３０をその裏面側からエッチングして液体供給口４０を形成し、形成された液体供給口４０からパターン層３５を除去することによって流路４１を形成する。
特開２００１−２８７３７３号公報

しかし、特許文献１に開示されている製造方法には次のような課題があった。即ち、後工程における平坦化処理を考慮すると、無機材料層をかなりの厚みで積層しておく必要がある。例えば、パターン層の厚み（高さ）が５μｍの場合には、１５μｍ程度の無機材料層を積層する必要がある。このため成膜装置のスループットが非常に悪くなり、高価な成膜装置を多数用意しないと量産が難しい。また、ノズルの高密度化がさらに進んでパターン層間の隙間が狭くなると、該隙間への無機材料の充填性が悪くなり、ノズルプレート内に巣（空洞）ができる可能性が高い。ノズルプレート内に巣ができると、該プレートの強度や信頼性が低下する。一方、ノズルプレート内に巣ができないようにしようとすると、設計の自由度が大きく制限される。さらに、無機材料層の厚みが厚くなるほど、内部応力が強くなり、シリコン基板との接合面で破断が発生し易くなる。総じて、従来の製造方法はコストが高く、歩留まりが悪い。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ノズルプレートが無機材料によって形成された記録ヘッドを低コストで歩留まり良く製造可能な方法と、その製造方法によって製造された記録ヘッドとを提供することにある。

本発明の液体吐出記録ヘッドは、液体を吐出させるためのエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子と、吐出エネルギー発生素子を駆動するための電気回路とを備えたシリコン基板の表面側に無機材料からなるノズルプレートが積層され、シリコン基板を貫通する液体供給口からシリコン基板とノズルプレートとの間に設けられている流路へ液体を供給可能な液体吐出記録ヘッドであって、シリコン基板の表面のうち、流路が設けられている部位に所定の深さの凹部が形成され、その凹部の上に液体が吐出される吐出口が形成されていることを特徴とする。

本発明の液体吐出記録ヘッドの製造方法は、（１）シリコン基板の表面に所定の深さの凹部を形成する工程と、（２）シリコン基板の表面に断熱層を形成する工程と、（３）断熱層の上に、電気エネルギーを熱エネルギーに変換可能な加熱層を形成する工程と、（４）加熱層の上に、その加熱層を保護するための保護層を形成する工程と、（５）凹部の上に、該凹部の底面を基礎とするパターン層を形成する工程と、（５）パターン層を平坦化する工程と、（６）平坦化されたパターン層の上に、無機材料によってノズルプレート層を形成する工程と、（７）ノズルプレート層をエッチングして吐出口を形成する工程と、（８）シリコン基板をその裏面側からエッチングして、パターン層に達する穴を開ける工程と、（９）その穴からパターン層を除去する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、シリコン基板に形成された凹部内に吐出エネルギー発生素子が形成されるので、ノズルプレートの厚みが従来に比べて大幅に薄くなる。よって、ノズルプレートを形成するために用いる成膜装置のスループットが高まり、生産効率が向上する。また、ノズルプレートの形成過程において該プレート内に巣ができる可能性が極めて低くなり、ノズルプレートの強度及び信頼性が非常に高まる。さらに、ノズルプレートの内部応力が弱くなり、シリコン基板との接合面における剥離や破断の発生率が非常に低くなる。

以下、本発明の記録ヘッドの実施形態の一例について図面を参照して説明する。図１は、本例の記録ヘッド１を示す模式的斜視図である。この記録ヘッド１は、液体（インク）を吐出させるためのエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子としての発熱抵抗体２が所定ピッチで２列並んで形成されたシリコン基板３を有する。シリコン基板３には、液体供給口としてのインク供給口５がエッチングによって形成されている。インク供給口５は、シリコン基板３の長手方向に沿って細長く、２つの発熱抵抗体列の間においてシリコン基板３の表面に開口している。さらに、シリコン基板３の表面側には、シリコン酸化膜からなるノズルプレート６によって、各発熱抵抗体２の上方において開口する吐出口７と、インク供給口５と各吐出口７を連通させる複数の流路（不図示）とが形成されている。

上記構造を有する記録ヘッド１では、インク供給口５から各流路内に充填されたインクに、発熱抵抗体２から発生する熱が加えられることによって、吐出口７からインク滴が吐出され、吐出したインク滴が被記録媒体に付着することによって該被記録媒体上に画像が形成される。

次に、本例の記録ヘッド１の製造方法について図２及び図３を参照しながら説明し、併せて本例の記録ヘッド１のさらに詳細な構造を明らかにする。ここで説明する製造方法は、半導体製造技術を用いてシリコン基板３の表面に必要な構成を作り込むことを基本とする。そこで、製造途中の記録ヘッド１の断面状態を図２（ａ）〜（ｆ）及び図３（ｇ）〜（ｊ）に時系列で示す。これら図２及び図３の紙面左側は、シリコン基板３の長手方向と平行な断面の状態を示しており、紙面右側は、シリコン基板３の長手方向と交差する断面の状態を示している。尚、図１は完成した記録ヘッド１を示すものであるが、図２及び図３に示されている各断面の位置をより明確なものとすべく、図２及び図３の紙面左側に示されている断面の位置を図１中に線分Ａ−Ａ’によって、紙面右側に示されている断面の位置を図１中に線分Ｂ−Ｂ’によって示唆してある。

まず、シリコン基板３を用意する。本例のシリコン基板３の結晶方位は<100>面であるが、シリコン基板３の面方位は特に限定されるものではなく、例えば<110>面であっても構わない。

シリコン基板３の表面に、該基板３の幅方向に細長く、かつ、所定の深さを有する凹部８を該基板３の長手方向に沿って複数形成する。各凹部８の断面形状は図２（ａ）に示す通である。凹部８は、シリコン基板３の表面にシリコン酸化膜等からなるマスク形成した上でエッチングを行うことによって形成可能である。エッチング方法は、ウエットエッチングでもドライエッチングでも構わないが、本例では強アルカリ液によるウエットエッチングによって凹８部を形成した。凹部８の深さに関しては、少なくとも１μ〜２０μｍの間であるのが望ましく、本例では５μｍとした。また、凹部８の形状に関しては、長方形、正方形、楕円形、多角形のいずれの形状でもよい。本例では上記の通り長方形としてある。

次に、図２（ｂ）に示すように、凹部８が形成されたシリコン基板３の表面にシリコン酸化膜を成膜して断熱層１０を形成し、所定のパターンニングを行う。断熱層１０の厚さは１.１μｍとした。

次に、断熱層１０の上に加熱層１１と、該加熱層１１に電流を流すためのアルミ配線層１２とを連続スパッタ装置を用いて積層する。その後、図２（ｃ）に示すように、アルミ配線層１２の所定部位をエッチングして発熱抵抗体２を形成する。尚、加熱層１１の厚さは0.05μｍ、アルミ配線層１２の厚さは0.3μｍとした。ここでは、発熱抵抗体２を駆動するための電気制御回路を形成する工程については言及しないが、実際には電気制御回路も形成されている。加熱層１１はタンタルシリコンナイトナイドやタンタルクロム等のいずれの材料によっても形成することができるが、本例ではタンタルシリコンナイトナイドを選択した。

次に、図２（ｄ）に示すように、ＣＶＤ装置等を用いて加熱層１１の上にシリコン窒化膜を成膜して保護層１３を形成する。保護層１３の厚さは0.3μｍとした。続いて、保護層１３の上に加熱層１１の損傷を防止するための耐キャビテーション層１５を形成する。耐キャビテーション層１５はタンタルからなる。耐キャビテーション層１５の厚さは0.23μｍとした。以下、ここまでの工程を経たシリコン基板３を必要に応じてベースプレート９と呼ぶ場合がある。

次に、図２（ｅ）に示すように、スパッタ装置等を用いて、耐キャビテーション層１５の上にアルミ膜を成膜してパターン層１６を形成する。パターン層１６の厚みは６μとした。ここで、パターン層１６は、ベースプレート９の表面の段差にならって形成されるので、形成されたパターン層１６に平坦化処理（ＣＭＰ）を施し、該パターン層１６を同図（ｆ）に示すように平坦化する。本例では、アルミナ粉等の微細な粒径をもつスラリーを用いてパターン層１６の表面を削って平坦化させた。さらに具体的には、パターン層１６の厚みが１μｍ以下となるまで該パターン層１６の表面を削った。

次に、図３（ｇ）に示すように、平坦化処理がされたパターン層１６を所望の流路形状に応じてパターンニングする。その後、図３（ｈ）に示すように、パターンニングされたパターン層１６上にシリコン酸化膜を成膜し、最終的に図１に示すノズルプレート６となるノズルプレート層１７を形成する。ここで、ベースプレート９の表面の段差は、パターン層１６の平坦化処理によって従来と比較して非常に少なくなっている。従って、ノズルプレート層１７の厚みは、吐出口７（図１）の高さが確保できる厚みであればよい。従って、ノズルプレート層１７の厚みは、3μｍ〜6μｍ程度で十分であり、本例では5μｍとした。

次に、図３（ｉ）に示すように、ノズルプレート層１７の上に撥水層１８を形成し、その後、該撥水層１８の表面にマスクを形成してドライエッチングを行うことによって吐出口７を形成する。

次に、図３（ｊ）に示すように、シリコン基板３の裏面にマスク２０を形成し、エッチングによってインク供給口５を形成する。ここでのエッチングは、ウエットエッチングでもドライエッチングでも構わないが、何らかの手段によって撥水層１８を保護することが望ましい。

次に、図３（ｋ）に示すように、インク供給口５の形成時にエッチングストップ層として機能していた保護層１３（図３（ｊ））をＣＤＥなどのドライエッチング装置を用いて除去すると共に、マスク２０（図３（ｊ））を除去した後、強アルカリ液に浸けて、パターン層１６を完全に除去して流路２１を完成させる。

その後、ノズルプレート６が形成されたシリコン基板３をダイシングソー等によって分離切断してチップ化し、発熱抵抗体２を駆動させるために必要な電気的接合を行った後、インク供給のためのチップタンク部材を接続して、記録ヘッド１としての主たる製造工程が完成する。

以上のようにして完成した記録ヘッド１の拡大断面を図４に示す。ここで、ベースプレート９の凹部８の底面からノズルプレート６の撥水層１８の表面までの距離をＡ、凹部８の底面から耐キャビテーション層１５の表面までの距離をＢ、ベースプレート９の表面（耐キャビテーション層１５の表面）から流路２１の天井面２２までの距離をＣとしたとき、Ａ/2≦Ｂ+Ｃ、かつ、Ｂ≦Ｃの関係式が成り立っている。ここで、上記製造方法の説明から明らかなように、ベースプレート９の表面から流路２１の天井面２２までの距離Ｃは、記録ヘッド１の製造中においては、耐キャビテーション層１５の表面から平坦化されたパターン層１６の表面までの距離Ｃ′（図２（ｆ））に相当する。よって、Ａ/2≦Ｂ+ＣはＡ/2≦Ｂ+Ｃ′と、Ｂ≦ＣはＢ≦Ｃ′とそれぞれ等価である。尚、上記距離Ａには、撥水層１８の厚みが含まれているが、撥水層１８はノズルプレート６の厚みに比べて非常に薄い。よって、上記距離Ａは凹部８の底面からノズルプレート６の表面までの距離と実質的に同一である。このことは、ノズルプレート６の表面に撥水層１８以外の層が形成されている場合にも同様である。

本発明の記録ヘッドは、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の被記録媒体に対し記録を行うプリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサ等の装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わされた産業記録装置に適用することができる。

本発明の液体吐出記録ヘッドの一例を示す模式的斜視図である。 （ａ）〜（ｆ）は、図１の液体吐出記録ヘッドの製造工程を示す一部省略の断面図である。 （ｇ）〜（ｋ）は、図２（ｆ）に示す工程に続く製造工程を示す一部省略の断面図である。 図１の液体吐出記録ヘッドの断面構造を示す一部省略の断面図である。 （ａ）〜（ｆ）は、従来の液体吐出記録ヘッドの製造工程を示す一部省略の断面図である。

符号の説明

１ 記録ヘッド
２ 発熱抵抗体
３ シリコン基板
５ インク供給口
６ ノズルプレート
７ 吐出口
８ 凹部
９ ベースプレート
１０ 断熱層
１１ 加熱層
１２ アルミ配線層
１３ 保護層
１５ 耐キャビテーション層
１６ パターン層
１７ ノズルプレート層
２１ 流路

Claims (12)

1. 液体を吐出させるためのエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子と、前記吐出エネルギー発生素子を駆動するための電気回路とを備えたシリコン基板の表面側に無機材料からなるノズルプレートが積層され、前記シリコン基板を貫通する液体供給口から前記シリコン基板と前記ノズルプレートとの間に設けられている流路へ液体を供給可能な液体吐出記録ヘッドであって、
   前記シリコン基板の表面のうち、前記流路が設けられている部位に所定の深さの凹部が形成され、前記凹部の上に吐出口が形成されている液体吐出記録ヘッド。
2. 前記吐出エネルギー発生素子の上に１又は２以上の層が積層され、それら層の最上位の層の表面から前記凹部の底面までの距離をＢ、前記凹部の底面から前記ノズルプレートの表面までの距離をＡ、前記最上位の層の表面から前記流路の天井面までの最短距離をＣとしたとき、Ａ/2≦Ｂ+Ｃ、かつ、Ｂ≦Ｃの関係式が成立する請求項１記載の液体吐出記録ヘッド。
3. 前記最上位の層が前記吐出エネルギー発生素子の損傷を防止するための耐キャビテーション層である請求項２記載の液体吐出記録ヘッド。
4. 前記発熱抵抗体と前記耐キャビテーション層との間に、シリコン窒化膜からなる保護層が形成されている請求項３記載の液体吐出記録ヘッド。
5. 前記耐キャビテーション層がタンタルからなる請求項３又は請求項４記載の液体吐出記録ヘッド。
6. 前記ノズルプレートがシリコン窒化膜又はシリコン酸化膜からなる請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の液体吐出記録ヘッド。
7. 前記凹部の底面と前記発熱抵抗体との間に、シリコン酸化膜からなる断熱層が形成されている請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の液体吐出記録ヘッド。
8. 前記発熱抵抗体がタンタルシリコンナイトライド又はタンタルクロムからなる請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の液体吐出記録ヘッド。
9. シリコン基板の表面に所定の深さの凹部を形成する工程と、
   少なくとも前記凹部の底面に、電気エネルギーを熱エネルギーに変換可能な加熱層を形成する工程と、
   前記凹部の上に、該凹部の底面を基礎とするパターン層を形成する工程と、
   前記パターン層を平坦化する工程と、
   平坦化された前記パターン層の上に、無機材料によってノズルプレート層を形成する工程と、
   前記ノズルプレート層をエッチングして吐出口を形成する工程と、
   前記シリコン基板をその裏面側からエッチングして、前記パターン層に達する穴を開ける工程と、
   前記穴から前記パターン層を除去する工程と、を含む液体吐出記録ヘッドの製造方法。
10. 前記加熱層の形成に先立って、前記凹部の底面に断熱層を形成する工程を含む請求項９記載の液体吐出記録ヘッドの製造方法。
11. 前記加熱層の上に、該加熱層を保護するための保護層を形成する工程を含む請求項９又は請求項１０記載の液体吐出記録ヘッドの製造方法。
12. 前記保護層の上に、前記加熱層の損傷を防止するための耐キャビテーション層を形成する工程を含む請求項１１記載の液体吐出記録ヘッドの製造方法。

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