【手続補正書】
【提出日】平成16年1月23日(2004.1.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】インク噴射記録ヘッドの製造方法および記録装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】シリコン基板の第１面上に形成された薄膜抵抗体と薄膜導体からなる複数個のヒータと、該ヒータを駆動するべく同一シリコン基板上に形成され、前記ヒータに接続された駆動用ＬＳＩと、前記複数個のヒータに順次パルス通電することによって該ヒータの発熱面と垂直またはほぼ垂直方向にインク滴を吐出する複数個の吐出口と、該複数個の吐出口のそれぞれに対応して該シリコン基板上に設けられた複数個の個別インク通路と、該個別インク通路の全てが連通するべく前記シリコン基板上に設けられた共通インク通路と、該共通インク通路の全長にわたって導通されるよう前記シリコン基板に設けられた１本のインク溝と、該インク溝が前記シリコン基板の第１面の裏面である第２面と連通するべく該シリコン基板の第２面に穿たれた少なくとも１個の連結穴とからなるインク噴射デバイスの複数個が並置されているインク噴射記録ヘッドを製造する方法であって、
（１）シリコン基板の第１面に駆動用ＬＳＩを形成する工程と、
（２）該シリコン基板の第１面に薄膜抵抗体および薄膜導体を形成する工程と、
（３）該シリコン基板の第１面に前記インク通路を構成する隔壁層を形成する工程と、
（４）該シリコン基板にサンドブラスト加工によって前記連結穴を形成する工程と、
（５）該シリコン基板の第１面にオリフィスプレートを接着する工程と、
（６）該オリフィスプレートにフォトエッチングによって前記吐出口を形成する工程と、
（７）該シリコン基板を切断してヘッドチップに分割する工程を含むことを特徴とするインク噴射記録ヘッドの製造方法。
【請求項２】前記薄膜抵抗体が、反応性スパッタ法によって形成されるＴａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体であり、
前記薄膜導体が、高速スパッタ法によって形成されるＮｉ薄膜導体であることを特徴とする請求項１に記載のインク噴射記録ヘッドの製造方法。
【請求項３】さらに、前記シリコン基板の前記第１面にサンドブラスト加工によって前記インク溝を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のインク噴射記録ヘッドの製造方法。
【請求項４】前記シリコン基板の前記第１面からサンドブラスト加工によって前記インク溝を形成する工程で、加工前の加工面は、前記薄膜導体で被覆されていることを特徴とする請求項３に記載のインク噴射記録ヘッドの製造方法。
【請求項５】前記インク溝を形成する工程および前記連結穴を形成する工程は、前記シリコン基板の両面にサンドブラスト加工によって前記インク溝および前記連結穴を同時に形成する工程であることを特徴とする請求項３または４に記載のインク噴射記録ヘッドの製造方法。
【請求項６】請求項１〜５のいずれかに記載の方法によって製造されたインク噴射記録ヘッドを搭載することを特徴とする記録装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、熱エネルギを利用してインク液滴を記録媒体に向けて飛翔させる形式のインク噴射記録ヘッドの製造方法およびこの製造方法によって製造されたインク噴射記録ヘッドを搭載する記録装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
パルス加熱によって、インクの一部を急速に気化させ、その膨張力によって、インク液滴をオリフィスから吐出させる方式のインクジェット記録装置は、特開昭４８−９６２２号公報、特開昭５４−５１８３７号公報等によって開示されている。
【０００３】
このパルス加熱の最も簡便な方法は、ヒータにパルス通電することであり、その具体的な方法が日経メカニカル１９９２年１２月２８日号５８ページ、およびHewlett-Packard-Journal,Aug.1988で発表されている。これら従来のヒータの共通する基本的構成は、薄膜抵抗体と薄膜導体とを酸化防止層で被覆し、この上に該酸化防止層のキャビテーション破壊を防ぐ目的で、耐キャビテーション層を１〜２層被覆するというものであった。
【０００４】
この複雑な多層構造を抜本的に簡略化するものとして、特開平０６−７１８８８号公報に記載のように、前記酸化防止層と耐キャビテーション層を不要とするヒータを用いて印字する方法がある。この場合は、薄膜抵抗体がインクと直接接触しているため、パルス加熱によるインクの急激な気化とそれによるインクの吐出特性が大幅に改善され、熱効率の大幅な改善と吐出周波数の向上を図ることができた。このような画期的な性能を実現できた最大の理由は、耐パルス性、耐酸化性、耐電食性に優れたＴａ−Ｓｉ−ＳｉＯ合金薄膜抵抗体とＮｉ薄膜導体とから構成されるヒータを用いたことにあり、如何なる保護層も必要としないことによる。
【０００５】
このように、従来技術に比較して、大幅に小さな投入エネルギでインク噴射が可能となったので、このヒータを駆動用ＬＳＩチップ上のデバイス領域に近接して形成しても、もはや、ＬＳＩデバイスを加熱して温度上昇をもたらすこともなく、非常に簡単な構成のモノリシックＬＳＩヘッドを実現することができるようになった。これについては、本出願人が先に出願した特開平０６−２９７７１４号公報および特開平０８−２０７２９１号公報に記載の通りである。この新しい技術によって、多くのインク噴射ノズルを持つオンデマンド型インクジェットプリントヘッドが高密度に、しかも２次元的に集積化して製造することができるようになり、しかも、その駆動を制御する配線本数が大幅に削減できるので、実装方法も非常に簡略化することができた。
【０００６】
更に、保護層の不要な薄膜ヒータの優れた発泡消滅特性（特願平０５−２７２４５１号）を利用すれば、このヒータの発熱面と垂直またはほぼ垂直方向にインク滴を吐出させる方式のサーマルインクジェットプリントヘッドにおいては、新しい駆動方法によってクロストークを大幅に低減できることが明らかとなった（特願平０６−４９２０２号参照）。このことは、個別インク通路の長さを短くしてインクの流路抵抗を小さくできることを示しており、吐出インクの補充時間の短縮、すなわち印字速度の大幅な向上も達成できた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、更なるプリントヘッドの小型化と、印字速度を向上するためには従来の技術では限界があった。すなわち、従来のインク溝および連結穴の加工は、シリコンの異方性エッチング加工やレーザ加工で行われていたが、各々下記の問題点があった。
【０００８】
シリコン異方性エッチング加工の問題点は、第１面上にインク溝をエッチング加工する際に、エッチング液が同一面上にある薄膜抵抗体や薄膜電極材料を侵すことから、ごく短時間の加工しか許されないことである。つまり、インク溝の加工深さには限度があるので、そのためインクの吐出に必要とされる小さな流路抵抗のインク溝とするためには、深さが浅いぶん、幅を広くしなければならず、ヘッドの小型化に制約を与えてしまう。その他、シリコン異方性エッチング加工には、約８０℃に加熱されたＫＯＨ、ヒドラジン等の強アルカリ水溶液を用いるため、作業に危険が伴うことや、エッチング速度が８０μｍ／分と遅く５００μｍ厚さのシリコンウエハを加工する場合は、約６時間もの長い加工時間が必要といった問題点もある。
【０００９】
一方、レーザ加工の問題点は、シリコン基板にレーザ照射すると、急激な熱応力で加工面のエッジ部は、大きな欠けやひび割れといった欠陥が発生するため、薄膜抵抗体と薄膜導体やインク通路を構成する隔壁層は、それら欠陥に重ならないようインク溝から十分な距離を置く必要があり、やはり、ヘッドの小型化を妨げる加工方法であることが挙げられる。また、人体に有害なレーザ光線を用いることで危険が伴う作業であることも問題であった。
【００１０】
本発明は、大規模高集積密度のモノリシックＬＳＩヘッドの構造を更に小型化し、その製造方法について更に合理化することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、シリコン基板の第１面上に形成された薄膜抵抗体と薄膜導体からなる複数個のヒータと、該ヒータを駆動するべく同一シリコン基板上に形成され、前記ヒータに接続された駆動用ＬＳＩと、前記複数個のヒータに順次パルス通電することによって該ヒータの発熱面と垂直またはほぼ垂直方向にインク滴を吐出する複数個の吐出口と、該複数個の吐出口のそれぞれに対応して該シリコン基板上に設けられた複数個の個別インク通路と、該個別インク通路の全てが連通するべく前記シリコン基板上に設けられた共通インク通路と、該共通インク通路の全長にわたって導通されるよう前記シリコン基板に設けられた１本のインク溝と、該インク溝が前記シリコン基板の第１面の裏面である第２面と連通するべく該シリコン基板の第２面に穿たれた少なくとも１個の連結穴とからなるインク噴射デバイスの複数個が並置されているインク噴射記録ヘッドにおいて、
（１）シリコン基板の第１面に駆動用ＬＳＩを形成する工程と、
（２）該シリコン基板の第１面に薄膜抵抗体および薄膜導体を形成する工程と、
（３）該シリコン基板の第１面に前記インク通路を構成する隔壁層を形成する工程と、
（４）該シリコン基板にサンドブラスト加工によって前記連結穴を形成する工程と、
（５）該シリコン基板の第１面にオリフィスプレートを接着する工程と、
（６）該オリフィスプレートにフォトエッチングによって前記吐出口を形成する工程と、
（７）該シリコン基板を切断してヘッドチップに分割する工程を含む製造方法によって達成される。
【００１２】
前記薄膜抵抗体が、反応性スパッタ法によって形成されるＴａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体であり、前記薄膜導体が、高速スパッタ法によって形成されるＮｉ薄膜導体であることによって効果的に達成される。
【００１３】
ここで、さらに、前記シリコン基板の前記第１面にサンドブラスト加工によって前記インク溝を形成する工程を含むことによって効果的に達成される。
さらに、前記シリコン基板の前記第１面からサンドブラスト加工によって前記インク溝形成する工程で、加工前の加工面は、前記薄膜導体で被覆されていることによって効果的に達成される。
また、前記インク溝を形成する工程および前記連結穴を形成する工程、すなわち、前記シリコン基板の前記第１面にサンドブラスト加工によって前記インク溝を形成する工程および前記シリコン基板の前記第２面にサンドブラスト加工によって前記連結穴を形成する工程は、前記シリコン基板の両面にサンドブラスト加工によって前記インク溝および前記連結穴を同時に形成する工程であることによって効果的に達成される。
また、上記課題は、上記のいずれかの方法によって製造されたインク噴射記録ヘッドを搭載する記録装置。によって効果的に達成される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いてノズルの配列密度が３６０ｄｐｉのヘッドについて具体的な実施例を説明する。
【００１５】
図１は、本発明になる３６０ｄｐｉのノズル列が黒インク用に２列、３原色のカラーインク用に各１列ずつの構成としたヘッドチップの外観図であり、図２には、図１のＡ−Ａ’拡大断面図を示し、その製造方法を以下に示す。
【００１６】
（１）の工程
シリコン基板１の第１面に駆動用ＬＳＩデバイス２を形成する。駆動用ＬＳＩデバイス２はバイポーラ、ＢｉＣＭＯＳ、ＰｏｗｅｒＭＯＳ等の何れとすることも可能であり、どれを選択するかはウエハの製造コストとチップサイズ、並びに製造歩留まり等を総合して決定される。
【００１７】
（２）の工程
前記シリコン基板１の第１面にＴａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体（以下、薄膜抵抗体という）とＮｉ金属薄膜導体とをスパッタ法で形成し、フォトエッチングで薄膜抵抗体３、個別薄膜導体４および共通薄膜導体５を形成する。これらの形成方法については、本発明者の特許出願、特開平０６−７１８８８号公報、特開平０６−２９７７１４号公報、特願平０７−３４０４８６号公報等に詳しく記載したので省略するが、薄膜抵抗体３は、酸素を含むアルゴン雰囲気中での反応性スパッタ法で、Ｎｉ金属薄膜導体４、５は、高磁場中での高速スパッタ法で形成する。また、本例において、薄膜抵抗体３の膜厚は、約０．１μｍ、Ｎｉ薄膜導体４、５は約１μｍ、この薄膜抵抗体３の抵抗値は、約２００Ωである。
【００１８】
（３）の工程
前記シリコン基板１の第１面に１０μｍ厚さのポリイミドを積層させ、有機ケイ素系レジストを用いたフォトドライエッチングによって隔壁６を形成する。この場合のエッチングは、ドライエッチング、特に反応性ドライエッチング法の採用が微細化の点で優れている。この反応性ドライエッチングは、電子サイクロトロン共鳴によって励起させた酸素プラズマによって行ったが、垂直にきれいな形状で隔壁を形成することができ、個別インク通路７と共通インク通路８とが形成される。
ポリイミド材料による隔壁６の形成方法としては、感光性ポリイミドの塗布、露光、現像、硬化という方法を用いる方法でも可能である。
【００１９】
（４）の工程
前記シリコン基板１の第１面および第１面の裏面となる第２面にゴム系レジストマスクを形成し、この上からサンドブラスト加工を行い、インク溝１２と連結穴１３とを同時に形成する。サンドブラスト加工は、研磨剤を圧縮空気と共にシリコン基板に吹き付け加工する方法で、加工後の断面形状は、図２の如くＵ字形となる。研磨剤には、例えば窒化シリコンの１０００メッシュの粒子を用いることにより、シリコン基板を約１０μｍ／分の速度で加工できる。また、基板の両面から同時加工も可能で、５００μｍ厚さのシリコンウエハでは、約２５分で加工を終えることができる。
図２に示す断面図は、両面同時加工による形状を示している。シリコン面を１０００メッシュの窒化シリコン粒子で加工した場合、加工端部に発生する欠けやひび割れといった欠陥は、１０μｍ以内の大きさに押さえることができる。さらに、シリコン面の上にＮｉ等の金属薄膜がある面を加工すると欠けやひび割れといった欠陥は、５μｍ以内の大きさに押さえることができる。これは延性な金属膜が脆性なシリコンの欠点を補う働きをすること、およびマスク材料とシリコン面との接着力よりマスク材料とＮｉ等の金属薄膜との接着力の方がより大きく、加工の最後まで密着して非加工面をマスクできることが理由と考えられる。従って、Ｎｉ等の金属薄膜の上からサンドブラスト加工を行うことで加工精度の向上を図ることができる。
本例では、図２に示すように、第１面からのインク溝１２の加工面にあらかじめ共通薄膜導体５のＮｉ金属薄膜を被覆しておき、サンドブラスト加工を行うことで加工面の精度向上を図ることができた。１０００メッシュ以下のより細かい粒子を用いることにより、この欠陥は、さらに小さくなるが逆に加工時間は長くなる。従って、精度の必要な第１面は、細かい粒子を、精度よりも加工時間が短い方がよい第２面は、粗い粒子を用いることも可能である。
また、この研磨剤は、回収して繰り返し利用可能であり、さらに、人体に有害な物質も使わず、また、加工後有害な廃棄物を出すこともない。
サンドブラスト加工のマスクにはゴム弾性を有する材料を用いる必要があり、例えば東京応化工業（株）製のドライフィルムフォトレジスト「オーディル」が利用できる。「オーディル」は、通常のドライフィルムフォトレジストと同様、基板のラミネート、露光、現像、という方法でパターンを形成可能である。ドライフィルムフォトレジスト「オーディル」の５０μｍ厚さのものを用いれば（３）の工程で形成した１０μｍ厚さの隔壁６も充分被覆する事が可能で、しかも、４％ＫＯＨ水溶液で簡単に剥離することができ、サンドブラスト加工後、ヘッドには何らの障害もない。
さて、インク溝１２の幅は、Ｓｉ基板１の強度低下、オリフィスプレート９のたわみおよびチップサイズなどの観点から狭い方がよいが、インクの流路抵抗を大きくしないためには広い方がよい。そして、共通インク通路８の流路抵抗よりは十分小さくすることも考慮すると、インク溝１２深さが２５０μｍのとき、その幅は１００〜５００μｍが適当である。そして、このインク溝１２の断面積と同等の断面積を連結穴１３の最小断面積とすると、連結穴１３の基板面での穴径は、（３００〜６００）μｍ×（６００〜１０００）μｍの範囲とするのが適当である。このインク穴１個で１００〜２００ノズルにインクを充分に供給することが可能である。
【００２０】
（５）の工程
オリフィスプレート９として、前記シリコン基板１の第１面に厚さ約３０μｍのポリイミドフィルム（厚さ約５μｍの接着層を含む）を接着させる。このフィルムの厚さは、吐出インク量と密接に関係しており、ノズルの配列密度が３００〜８００ｄｐｉの範囲では、２０〜８０μｍの範囲から選択するのが良い。
【００２１】
（６）の工程
前記ポリイミドフィルムのオリフィスプレート９に、前記（３）の工程で説明したのと同じフォトドライエッチングで、５０μｍφのインク吐出ノズル１０を３６０ｄｐｉの配列密度で薄膜抵抗体３の真上に形成する。この反応性ドライエッチングは、２０μｍφのインク吐出口を８００ｄｐｉの密度できれいな形状であけることができることを確認している。
なお、前記（５）と（６）の工程は、多くのノズル列を形成した薄いオリフィスプレートをインク通路の形成されている基板に位置合わせしながら接着する従来方法と比較し、格段の位置合わせ精度と製造歩留まりの向上とが達成できることは改めて説明するまでもないことであろう。
【００２２】
（７）の工程
最後に、前記シリコン基板１を規定の寸法に切断してヘッドチップに分割し、これを４色インクカートリッジに実装することによって、小型低コストのフルカラーインクカートリッジが完成する。
【００２３】
以上で述べた方法で、３６０ｄｐｉの密度のヘッドを製作すると、５インチウエハには５〜１０万ノズルを形成でき、例えば１２８×４列フルカラー用ヘッドが、約１００個一括して製造することができた。製造歩留まりも向上し、インク吐出特性も向上して、これらのヘッドは、５〜１０ｋＨｚのインク吐出繰り返し周期で正常な印字動作を示し、各ノズル共１億ドット以上のインク吐出で何らの不都合も認められなかった。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、インク噴射記録ヘッドの製造において以下に示す効果を得ることができる。
（１）プリントヘッドの小型化と、印字速度を向上する事ができる。
（２）インク溝と連結穴とが、同時に形成可能で工程数を削減できる。また、加工時間も短縮できる。
（３）シリコン基板上に薄膜プロセスのみを用いて、数万〜数１０万ノズルを一括して製造することができるので、大規模高集積密度のヘッドを安価に提供できる。
（４）危険な薬品等を使用せず作業性の良い、廃棄物もない環境に優しい製造方法とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になるインク噴射記録ヘッドの一例であるヘッドチップの外観図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’拡大断面図である。
【符号の説明】
１．シリコン基板  ２．駆動用ＬＳＩデバイス  ３．薄膜抵抗体  ４．個別薄膜導体
５．共通薄膜導体  ６．隔壁  ７．個別インク通路  ８．共通インク通路  ９．オリフィスプレート  １０．インク吐出ノズル  １１．吐出インク  １２．インク溝  １３．連結穴  １４．ボンディングパッド  １５．フレーム  ２０．インクジェットデバイスチップ