(57)【要約】【課題】  大面積の基板が容易に入手でき、かつ一般的な液晶ディスプレイ製造用装置が使用できるガラス基板の長所を生かした、印字幅の大きな高速記録に適したインクジェットヘッドおよびその形成方法を提供する。【解決手段】  インクを吐出するための吐出口と、該吐出口に連通するとともにインクを吐出するための圧力発生素子を内包する液路と、インクを加熱・気化させることによって吐出のための圧力を発生する該圧力発生素子が片面に形成された基板と、該基板の厚さ方向に貫通し前記液路にインクを供給するためのインク供給口とを有するインクジェットヘッドであって、前記基板がガラスからなり、かつ、前記圧力発生素子においてインクを加熱する発熱部の下側では基板のガラスが除去されていることを特徴とするガラス基板インクジェットヘッドとする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクを吐出するための吐出口と、該吐出口に連通するとともにインクを吐出するための圧力発生素子を内包する液路と、インクを加熱・気化させることによって吐出のための圧力を発生する該圧力発生素子が片面に形成された基板と、該基板の厚さ方向に貫通し前記液路にインクを供給するためのインク供給口とを有するインクジェットヘッドであって、前記基板がガラスからなり、かつ、前記圧力発生素子においてインクを加熱する発熱部の下側では基板のガラスが除去されていることを特徴とするガラス基板インクジェットヘッド。
【請求項２】
インクを加熱・気化させることによって吐出のための圧力を発生する圧力発生素子を有するガラス基板インクジェットヘッドの形成方法であって、
１）ガラス基板第１の面への圧力発生素子の形成に先立って、ガラスのエッチングに対して耐性のある層（エッチストップ層）を形成する工程
２）該ガラス基板の厚さ方向に貫通し、前記圧力発生素子に連通する液路にインクを供給するためのインク供給口の形成に際して、インク供給口に対応した部分を第２の面から機械的方法によって厚さ方向の途中まで削り取る工程
３）前記２）の工程に次いで、エッチングにより１）で形成したエッチストップ層に到達するまで２）において厚さ方向に残ったガラスを除去する工程
の各工程を含み、かつ前記２）及び前記３）の工程によって前記圧力発生素子においてインクを加熱する発熱部の下側では基板のガラスが除去されていることを特徴とするインクジェットヘッドの形成方法。
【請求項３】
ガラスのエッチングに対するエッチストップ層が、実質的にＳｉを主成分とした層からなる請求項２記載のガラス基板インクジェットヘッド形成方法。
【請求項４】
前記請求項２の３）の工程におけるガラスのエッチングがフッ酸、或いはバッファードフッ酸を用いたウェットエッチングである請求項３記載のインクジェットヘッドの形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はインクジェットヘッドおよび該ヘッドの形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェットヘッドは小型で高速な印字が可能なこと、フルカラー印字に適し、高精細な印字が可能なことから、コンピューターなどの発展にともない、近年その利用が大きく広まっている。近年の傾向としてより高精細な画像を得ることが求められて来ており、そのためにはより小さな液滴を正確にかつ高周波数で吐出することが求められる。そのために特開平６−２８６１４９号公報に示されるインクジェットヘッドの構造が提案されている。この構造は、小さな液滴を安定に吐出することが可能であり高精細な画像を得るためのインクジェットヘッドに適したものである。
【０００３】
一方でより高速で記録可能なインクジェットが求められてきているが、そのために１ヘッド当たりのインク吐出のためのノズル数が増加する傾向にある。インクを瞬間的に加熱・気化することによってインクを吐出するための圧力を得る方式のインクジェットは、圧力発生素子やノズルの形成のために、半導体素子の作製などに用いられる成膜やフォトリソグラフィーを使ったパターニング、エッチングなどの薄膜技術を利用することができる。そのため、高密度で多数のノズルを配したインクジェットヘッドを形成するのに適した方式である。なお、上記の方式のインクジェットは、バブルジェット（登録商標）またはサーマルインクジェットとよばれている。
【特許文献１】特開平６−２８６１４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１に従来のバブルジェット（登録商標）ヘッドの例の断面図を示す。図の１００はバブルジェット（登録商標）ヘッドを形成する基体となる基板の模式的な断面図である。従来のバブルジェット（登録商標）ヘッドにおいては基板にＳｉウェハー（Ｓｉ単結晶基板）が用いられてきた。これは主に次の理由による。
【０００５】
（１）平滑で平面性の高い面を有する基板を容易に入手できる。
【０００６】
（２）半導体製造装置、プロセスが流用しやすい
（３）バブルジェット（登録商標）ヘッドにおいては、インク滴を吐出させるために発熱部（図の１０６）で発生した熱を次の吐出まで該発熱部近傍から充分逃す必要が有り、そのため基板には高い熱伝導性が要求される。Ｓｉウェハーは非常に熱伝導性が高くこの要求に適している。
【０００７】
（４）図１の１１１で示されるインク供給口の形成方法として位置精度が高く、実用的なスループットの得られるウェットでの異方性エッチングを用いるため方位の決まった単結晶Ｓｉ基板が必要
（５）半導体素子形成プロセスを用いて圧力発生素子を駆動するためのＩＣ等を同じ基板内に形成する事ができる。
【０００８】
前述のように記録の高速化が求められるに従い、一つのインクジェットヘッドあたりのインク吐出ノズル数は増加の傾向にある。ノズル数を増やすことは、記録の高速化に対する最も確実な方策であり、多ノズル化（すなわち高速化）の一つの究極の姿は、紙等、被記録材の全幅にわたってノズルが配列されたラインプリントヘッドであると言うことができる。多ノズル化に伴い、ヘッドの幅は大きくなる。特にラインプリントヘッドを考えると、Ａ４で最低２１０ｍｍ、Ａ３では２９７ｍｍの幅が必要になる。前述のように数々の優れた利点を有するＳｉウェハーではあるが、このように幅の大きなヘッドの作製を考えたとき「基板サイズ」という点で障害が現れてくる。
【０００９】
例えば、現行で実用的に入手が可能な最大のＳｉウェハーは３００ｍｍφである。しかし、この３００ｍｍφウェハーを用いてすら、Ａ３ラインプリントヘッドを作った場合の１基板あたりのヘッド取り個数は、数本／基板というレベルになってしまい、ヘッドのコストは非実用的になってしまう。
【００１０】
Ｓｉウェハーに用いるＳｉ単結晶インゴットを輪切りではなく縦切りにした角型基板を使用すれば、１基板あたりのヘッド取り個数を増やすことは可能である。しかし、半導体用途と違うこのような基板は一般的な丸ウェハーと違って量産効果が小さく、基板のコストが高くつく上に、基板の形や大きさも一般的でない。このため、ヘッド作製プロセスに用いる装置も特殊化し、やはりコストが大きくなるという短所がある。
【００１１】
ライン幅一体形成のヘッドではなく、より小さい幅のヘッドを並べてラインプリントヘッドを作ることももちろん可能である。しかし、この場合には、各構成小ヘッドの吐出量等の吐出特性を揃えたり、並べる精度を十分に高くする必要があるなど、高い印字品位を得るためには、つなぎ部分での画像変化を抑制するために多大な困難を要する。
【００１２】
大きな基板としては液晶などのディスプレイに用いられるガラス基板を挙げることができる。ガラス基板に関しては、先述の５つの要求特性のうち、（１）はそのまま満足し、（２）に関しては半導体製造装置の代わりに液晶ディスプレイ製造装置を利用することが可能である。また、（５）に関しては別途Ｓｉウェハーで作製したＩＣを実装することで対応可能である。しかし、ガラスは熱伝導率が低く、非晶質であるため、従来のバブルジェット（登録商標）ヘッドの構成では（３）、（４）の特性を満足することは不可能である。そのためガラス基板を実用的なバブルジェット（登録商標）ヘッドの基板として用いることが実際上不可能だった。
【００１３】
本発明の目的は、ガラス基板の低熱伝導率やウェットでの異方性エッチングが不可能という短所を解決するものである。具体的には、大面積の基板が容易に入手でき、かつ一般的な液晶ディスプレイ製造用装置が使用できるガラス基板の長所を生かした、印字幅の大きな高速記録に適したインクジェットヘッドおよびその形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するための本発明は、以下のようにして達成される。
【００１５】
すなわち、本発明のインクジェットヘッドは、インクを吐出するための吐出口と、該吐出口に連通するとともにインクを吐出するための圧力発生素子を内包する液路と、インクを加熱・気化させることによって吐出のための圧力を発生する該圧力発生素子が片面に形成された基板と、該基板の厚さ方向に貫通し前記液路にインクを供給するためのインク供給口とを有するインクジェットヘッドであって、前記基板がガラスからなり、かつ、前記圧力発生素子においてインクを加熱する発熱部の下側では基板のガラスが除去されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明のインクジェットヘッドの形成方法は、インクを加熱・気化させることによって吐出のための圧力を発生する圧力発生素子を有するガラス基板インクジェットヘッドの形成方法であって、
１）ガラス基板第１の面への圧力発生素子の形成に先立って、ガラスのエッチングに対して耐性のある層（エッチストップ層）を形成する工程と、
２）該ガラス基板の厚さ方向に貫通し、前記圧力発生素子に連通する液路にインクを供給するためのインク供給口の形成に際して、インク供給口に対応した部分を第２の面から機械的方法によって厚さ方向の途中まで削り取る工程と、
３）前記２）の工程に次いで、エッチングにより１）で形成したエッチストップ層に到達するまで２）において厚さ方向に残ったガラスを除去する工程と、
の各工程を含み、かつ前記２）及び前記３）の工程によって前記圧力発生素子においてインクを加熱する発熱部の下側では基板のガラスが除去されていることを特徴とするインクジェットヘッドの形成方法。
【００１７】
以下、本発明の要旨をより詳しく説明する。
【００１８】
まず、従来の単結晶Ｓｉ基板の代わりにガラス基板を用い、その片面（第１の面）に従来のバブルジェット（登録商標）ヘッド同様の圧力発生素子を形成する。圧力発生素子は、電圧パルスを印加することにより薄膜のヒーターを発熱させ、短時間のうちに発熱部近傍のインクを気化発泡し、インク滴吐出に必要な圧力を発生するものである。一回の吐出終了後、発熱部には新たなインクが供給される。この時、発熱部の温度が十分に下がっていないと、新たに供給されたインクが望ましくない発泡を生じるなどして次回の吐出に悪影響を与える。従って、パルス印加終了後、発熱部は速やかに冷却される必要がある。図１に示されるような従来構成のまま単純にＳｉ基板１００をガラス基板に置き換えた場合には、ガラスの低熱伝導性のため、発泡吐出の時間間隔を十分に大きく（つまり吐出周波数を十分に低く）しないと正常な吐出ができない。これは高速な印字が不可能であることを示す。この問題は、吐出ノズル数すなわち圧力発生素子が大きく、全体の発熱量の大きなヘッドほど顕著になる。この問題を解決するため、本発明においては、次のような方法をとった。すなわち、基板の裏面（第２の面）側から基板の厚さ方向に貫通してインク供給口を形成する際、同時に該圧力発生素子の発熱部の下部のガラスを除去し、発熱部の下部をインク供給口の一部とした。そうすることによって、インク供給口を流れるインクが発熱部を素早く冷却するようにして上記ガラスの低熱伝導性の問題を回避したものである。本発明のバブルジェット（登録商標）ヘッドの１例の模式的断面図を図２Ｉに示す。図に示すように、インク供給口２１１を流れるインクは、薄い蓄熱層２０４を介して発熱部２０６を冷却する。インクそのものは通常水を主成分としているため、熱伝導率そのものの値がガラスよりも小さいが、同じ理由によって熱容量が大きく、さらにインクの吐出に伴って供給口には常にフレッシュな冷たいインクが流れるため、全体の冷却効果が大きくなるのである。
【００１９】
このような発熱部の下側を薄い層を介してインクで冷却する構造については、Ｓｉ単結晶基板を用いた場合に関してＵＳＰ６０００７８７等に記載があるが、ガラスのような非単結晶基板ではウェットの異方性エッチングによってインク供給口を形成することはできない。そこで本発明はさらに以下に示すようなインク供給口の形成方法を用いる事によって、単結晶基板ではないガラス基板を用いた場合でも上記のような発熱部の裏面をインクが冷却する構成が得られるようにしたものである。
【００２０】
本発明におけるガラス基板に対してのインク供給口形成方法は以下のようになっている。まず、ガラス基板の第１の面２０１に圧力発生素子を形成するに先立ち、第１の面２０１に、ガラスのエッチングに対して耐性の高い物質からなるエッチストップ層２０３を形成する。エッチストップ層２０３は、後に実施するガラスのエッチング方法によって異なるが、例えばガラスをフッ酸やバッファードフッ酸によりウェットエッチングする際にはアモルファスＳｉやポリＳｉ等からなる層を形成することが有効である。また、ガラスをフッ化炭素、フッ化硫黄、フッ化窒素などのフッ素系エッチングガスを用いたドライエッチングによってエッチングする場合には、Ｔｉやその合金、炭化物、窒化物、酸化物、Ａｌやその合金炭化物、窒化物、酸化物、あるいはそれらの混合物からなる層を用いることができる。
【００２１】
その後インク供給口２１１を形成する段階では、ガラス基板の第２の面２０２側から、のちにインク供給口２１１となる部分に対応した箇所に機械的な加工を行って、ガラス基板の厚さ方向途中までガラスを削り取る。機械加工としては、ダイシングブレードを用いて基板を厚さ方向の途中までハーフカットする方法や、裏面にドライフィルム等のマスクを形成した後にサンドブラストによって溝や穴を掘り込む方法などを用いることができる。
【００２２】
次いで、やはり第２の面２０２側からガラスのエッチングを行い、機械的な方法によって削られた部分で基板厚さ方向に残ったガラスを除去し、前述のエッチストップ層２０３下面を露出させる。このエッチングは、先に形成したエッチングストップ層２０３に対応したエッチング方法を用いる。すなわち、上記機械加工後の基板の第２の面をフッ酸やバッファードフッ酸に浸漬するウェットエッチングや、やはり基板第２の面側からフッ素系のエッチングガスを用いたドライエッチングなどの方法を用いる。
【００２３】
まず機械的な加工によって基板厚さ方向の大部分のガラスを除去することによりインク供給口２１１加工の効率を高め、後にエッチストップ層２０３を用いたエッチングを行うことにより、最終的な厚み方向の加工精度を高くすることができる。圧力発生素子の発熱部２０６下面にもエッチストップ層２０３を形成しておくことにより、素子に損傷を与えること無く発熱部２０６下側のガラスを除去することができる。さらにエッチストップ層２０３は、必要に応じてやはりガラス基板の第２の面２０２側から、今度はエッチストップ層２０３の材質に対応したエッチングによって除去する。このような方法でインク供給口２１１を形成することによりガラス基板を用いた場合にも、吐出のためのインクが圧力発生素子の発熱部２０６の裏面をごく薄い層を介して冷却する構成のバブルジェット（登録商標）ヘッドを得ることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のバブルジェット（登録商標）形成方法によれば、吐出のためのインクがごく薄い層を介して発熱部裏面を冷却するため、熱伝導率の小さなガラス基板をバブルジェット（登録商標）ヘッド形成のための基板として用いることが可能となる。それにより、大型で廉価な基板の入手が容易、かつ液晶ディスプレイ用などの成膜装置やパターニング関連装置が豊富なガラスを基板として用いることができる。その結果、印字幅の広い、ノズル数の大きな、特にラインプリンター用として適したバブルジェット（登録商標）ヘッドを効率的に、小さなコストで生産することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に実施例を示し、本発明をさらに詳細に説明する。
【実施例１】
【００２６】
基板として厚さ０．７ｍｍのコーニング１７３７ガラス角型基板２００を用意し（図２Ａ）、その第１の面２０１に後のガラスエッチングの際にエッチストップ層としてアモルファスＳｉ層２０３をプラズマＣＶＤ装置を用いて成膜する。このＳｉ層の厚さは、後に行うガラスのエッチング時にエッチストップ層として働くのに十分な厚さがあればよいが、さらにインクが連通するためには後に除去する必要があるため、実用的には０．１〜５μm程度が好適である。
【００２７】
さらに、このエッチストップ層２０３に対し、ガラス基板の透明性を活用して後の第２の面２０２からの加工の際のアライメントマークを形成するためのパターニングを一般的なフォトリソグラフィーやエッチングの手法を用いて実施する（図２Ｂ）。
【００２８】
ついでこのエッチストップ層上に、圧力発生素子発熱部における熱を有効にインクに伝えるためのヒートバリア層である蓄熱層２０４をやはりプラズマＣＶＤ装置をもちいたＳｉＯの成膜により形成する。蓄熱層としての機能を果たすために、この蓄熱層２０４の厚さは、一般的に０．５〜５μm程度の厚さが必要である。この蓄熱層２０４には、後に基板を貫通して設けられるインク供給口と、発熱部に連通してインクを供給する液路とをつなぐための開口部２０５をやはり一般的なパターニングの手法により形成しておく。（図２Ｃ）
次に、発熱部に給電するための配線や、熱を発生するための発熱抵抗体、配線や発熱抵抗体の保護膜、耐キャビテーション膜等からなる圧力発生素子、および後に駆動用ＩＣを実装するためのめっきバンプ等（不図示）を従来のバブルジェット（登録商標）ヘッドと同様な手法で形成する。図にはその発熱部２０６のみ示した（図２Ｄ）。
【００２９】
ついで特開平６−２８６１４９に示されている方法と同様にして、後にインク供給口と発熱部にインクを連通させる液路となる部分の型材２０７、最終的に液路を形成する構造材となる部分２０８、吐出口２０９を樹脂によって形成する（図２Ｅ）。
【００３０】
次に、圧力発生素子や吐出口などの形成された基板の第１の面２０１側をそれらを保護するための層２１０で覆った後、基板の第２の面２０２側からダイシングブレードによる切削を行い、インク供給口に対応する部分に溝２１１’を掘り込む。この時、第１の面２０１側に形成した素子などに損傷を与えぬよう基板を完全に切削することはせず、ガラス基板２００の厚さ方向の途中で切削を止める。また発熱部２０６の下側（第２の面側）でもガラスが切削されるようにする。ガラスの残し部分２１２の厚さは、できるだけ薄いほうが後のエッチング時間が短くなって効率的であるが、切削時にガラス残し部分や基板の第１の面２０１側に形成した各種パターンが破損しない程度にする。ガラス基板は透明なため、先に第１の面２０１側に形成しておいたアライメントマークを第２の面２０２側からの切削加工時のアライメントに利用することができる（図２Ｆ）。
【００３１】
ついで、基板の第１の面２０１側には回り込まぬようシールをして、第２の面２０２側からフッ酸に浸漬し、ガラス残し部分２１２を全て除去する。フッ酸はガラスを溶解するが、Ｓｉ層２０３が露出すると、Ｓｉはフッ酸では殆ど溶解されないため基板厚さ方向のエッチングをストップすることができる。このようにしてガラス基板を貫通したインク供給口２１１が形成される（図２Ｇ）。
【００３２】
ついでやはり第２の面側から、ＣＤＥ（ケミカルドライエッチング）装置を用いて、インク供給口内に露出した部分のエッチングストップ層２０３のＳｉを除去する（図２Ｈ）。続いて基板に複数個形成していたヘッドの切断分離を行い、さらに保護層２１０、２０７を除去してガラス基板のバブルジェット（登録商標）ヘッド２１３を得る。
【００３３】
図３Ｄ、図３Ｉはそれぞれ図２Ｄ、図２Ｉに対応した工程での平面図である。
【００３４】
このようにして得たバブルジェット（登録商標）ヘッドに、公知の方法によって別途作製した駆動用ＩＣチップ、駆動用電源や信号回路と接続するためＦＰＣ等を実装する。そして、さらにインク供給口２１１からインクを供給するためのインク供給系を接続してバブルジェット（登録商標）ヘッドを用いたプリントヘッドを得ることができる。
【実施例２】
【００３５】
図２Ｆに対応した基板第２の面２０２側からの機械加工をダイシングブレードによる加工ではなく、裏面に２１１’に対応したパターンを有するドライフィルムによるマスクを張り合わせた後、サンドブラストにより２１１’を形成した以外は実施例１と同様にしてバブルジェット（登録商標）ヘッドを作製する。２１１’の内面は実施例１ほど整った形状が得られないが、ガラスのエッチングやエッチストップ層２０３の除去を行った後の最終的に重要な部分の形状は、薄膜技術を用いて形成した２０４のパターンによって決定されるため十分に高い精度が確保される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来のバブルジェット（登録商標）ヘッドの代表例の発熱部、インク供給口近傍模式的断面図である。
【図２】本発明のバブルジェット（登録商標）ヘッドの各工程に対応した発熱部、インク供給口近傍模式的断面図である。
【図３】図２Ｄ、２Ｉに対応する工程でのした発熱部、インク供給口近傍模式的平面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１００  Ｓｉ単結晶基板
１０６  発熱部
１１１  従来例のインク供給口
２００  ガラス基板
２０１  ガラス基板第１の面（上面）
２０２  ガラス基板第２の面（下面）
２０３  エッチストップ層
２０４  蓄熱層
２０５  インク供給口とインク液路との連結開口部
２０６  発熱部
２０７  インク液路型材
２０８  インク液路構造材
２０９  吐出口
２１０  上面保護層
２１１’  プレインク供給口
２１１  インク供給口
２１２  機械加工でのガラス残し部
２１３  本発明のインクジェットヘッド
２１４  下面加工用アライメントマーク
【図１】
2008119847.tif 000003
【図２】
2008119847.tif 000004
【図３】
2008119847.tif 000005