(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一面又は上部表面及び第二面又は底面を有するシリコン基板と、
前記上部表面に形成され、インクノズルとインクマニホルドとを画定する感光ポリイミド層と、
を有するモノリシックサーマルインクジェットプリントヘッドを製造する方法であって、
該方法は、
(a) （１００）シリコン基板を提供し、
(b) 前記シリコン基板を洗浄し、
(c) 加熱素子のアレイとして用いられる抵抗物質を、前記シリコン基板の前記上部表面に均等間隔で線形アレイ状に複数形成し、
(d) 電気パルスによって前記加熱素子の個々にアドレスすることを電気的に可能とするよう、前記上部表面に電極のパターンを付着させ、
(e) 少なくとも前記上部表面にパッシベーション誘電体層を形成し、
(f)前記パッシベーション誘電体層の前記加熱素子の上に位置する部分の上に、金属パッシベーション層を形成し、
(g) 前記上部表面に形成された前記パッシベーション誘電体層の上にフォトレジストを塗布し、
(h) 複数のメサを形成するために、前記フォトレジストを露光し、
(i) 前記(h)により前記メサ上部のコーナーの下に形成される死角部分を除いて、プリントヘッドの全ての主要面上に位置するよう、前記パッシベーション誘電体層と前記メサとの露出された部分の上に、後に形成される前記感光ポリイミド層と前記フォトレジストとの混合を防ぐアルミニウム膜を蒸着し、
(j) 前記アルミニウム膜と前記死角部分との上に、前記死角部分を埋めるようパリレン層を被覆し、
(k) 前記死角部分を埋める前記パリレン層以外の箇所に形成された前記パリレン層を除去し、
(l) 前記アルミニウム膜及び前記メサを含むプリントヘッド上部表面の上に前記感光ポリイミド層を形成し、
(m) 前記メサの上に位置する複数の前記インクノズルが形成されるよう、前記感光ポリイミド層をパターニングし、
(n) エッチング法を用いて前記インクノズルの下の前記アルミニウム膜を除去し、
(o) 前記インクノズルの下にチャネルが形成されるよう、アセトンエッチングを用いて前記メサを溶解し、
(p) 前記チャネルに接続するインク注入オリフィスが形成されるよう、前記シリコン基板の底面をエッチングする、
ことを含む、方法。
【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プリントヘッドに関し、より詳細には、シリコン基板の上に位置するポリイミドマニホルドを有するモノリシックインクジェットプリントヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
サーマルドロップオンディマンドインクジェットプリントヘッドには２つの一般的な構造がある。一つの構造では、例えば米国再発行特許第32,572号に開示されているプリントヘッド構造のように、液滴は、インクチャネル内のインクフローに平行でプリントヘッドの泡を生成する加熱素子の表面に平行な方向に、プリントヘッドの前面に形成されたノズルから押し出される。この構造はエッジシューター又はサイドシューターと呼ばれることがある。もう一つのサーマルインクジェット構造は、例えば米国特許第4,568,953 号に開示されているプリントヘッドのように、泡を生成する加熱素子の表面に垂直な方向に液滴をノズルから押し出す。この構造はルーフシューターと呼ばれることがある。この２つの構造の間を画定する相違は、サイドシューター構造は加熱素子を有する基板の平面内で液適を吐出するが、ルールシューターは加熱素子を有する基板の平面の外へ基板と垂直な方向に液滴を吐出するという液滴吐出の方向にある。
【０００３】
米国再発行特許第32,572号で開示されている型のサイドシュータープリントヘッドは、２つのシリコン基板、シリコン発熱体ウエハ、及びシリコンの方位依存エッチング（ＯＤＥ）されたチャネルウエハを接着し、埋められたマイクロチャネルを形成して製造する。次にダイシング工程により個々のプリントヘッドチップは分離され、ノズルも露出される。このアプローチの主な欠点は、組立て工程が長いこと、エポキシ接着とダイシング工程の歩留り管理が困難なこと、及びシリコンに異方性ＯＤＥによって形成された三角形の又は台形のノズルによるインク吐出の効率と均一性に関連する問題が生じることである。
【０００４】
米国特許第4,568,953 号で開示されている型のルーフシュータープリントヘッドは、電気メッキ手法を用いてシリコン基板の表面にインクチャネル、抵抗器、及び電気接続部を含むニッケルノズルアレイを形成するハイブリッド (混成）設計である。このノズルプレートの設計は、レーザー同様のプリント品質に達するのに必要なノズルの高密度を達成するのを制限してしまう。基板製造手法もまた低い歩留りとなりやすい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術によるプリントヘッド製造の上記の欠点を克服するために、歩留りを高くし、プリントヘッドを形成するのに用いられるノズルの数を増やすことが望まれる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、これらの及びその他の有益な機能は、高度に小型化され集積されたシリコンマイクロマシン手法を用い、モノリシックルーフシューター型プリントヘッドを製造することにより実現される。基板を接着する必要がないので、歩留りが高くなる。電気相互接続ワイヤの数を最小化する一方、プリントヘッドのノズルの数を増やすために、アドレス回路がプリントヘッドに直接組み込まれる。チップ上にアドレス回路を組み込むことが実現可能になることで、何百ものノズルをプリントヘッド上に提供できるが、これはプリント速度を高めるのに重要である。
【０００７】
このプリントヘッドの基板は（１００）シリコンウエハであり、このシリコンウエハはノズル制御回路、インク作動用発熱体、電気相互接続用ボンディングパッドを支持し、インク供給用にバイアホールを提供する。シリコン基板の上部には、ノズル、インクキャビティ、及び前端インクリザーバの一部を含むポリイミドマニホルドが、標準ホトリソグラフィ工程及び犠牲エッチングを用いて組み込まれる。このプリントヘッド構造の利点は、製造方法が簡単で完全にモノリシックであるということであり、高い歩留り及び低コストという結果が得られる。また、ルーフシューティング配置を有するこの設計における円形ノズルは吐出効率を高め、付随する落下効果を最小にする。このプリントヘッドの製造方法は大きく２つの段階に分けられる：第一段階はＣＭＯＳ回路と発熱体のシリコン基板への組み込みであり、第二段階はポリイミドマニホルドの成形及びインク供給用の穴を開けるためのバルクエッチングである。
【０００８】
モノリシックルーフシュータープリントヘッド設計に対する従来技術のアプローチが、米国特許第5,211,806 号に開示されている。この方法によると、金属心棒がインクチャネル及びインクマニホルドを基板表面に作り、ノズルキャップがこの心棒に取り付けられる。この設計には例えばノズル密度の限界など、上記米国特許第4,568,953 号の設計と同じ限界がある。
【０００９】
ＩＥＥＥ第１０回年次マイクロ電気機械システム国際研究会の議事録  (TheProceedings of  IEEE  10th  Annual  International Workshop  on  Micro Elecro  Mechanical  Systems)の３１１乃至３１６頁において、１９９７年１月２６日にUSA 、48109-2212、ミシガン州アンアーバのミシガン大学、電気工学・コンピューターサイエンス学部（Department of Electrical Engineering and Computer Science ）の集積センサ・回路センター（Center for Integrated Sensors and Circuits）に所属するP.F. Man、 D.K. Jones 、及びC.H. Mastrangeloによってに発表された「シリコン基板上のマイクロ流体塑性キャピラリ：  バイオ分析チップの新しい安価な技術（Microfluidic Plastic Capillaries on Silicon Substrates: A New Inexpensive Technology  for Bioanalysis Chips)」という論文で開示されているもう一つの従来技術は、平面基板に可塑性のキャピラリを形成する製造技術を開示している。この装置は小型化化学分析システムを構成し、インクジェットプリントヘッドに必要とされる近接配置された小型のメサノズル設計の製造を開示していない。
【００１０】
より詳細には、本発明は、
一つの表面に少なくとも一つの抵抗発熱体と、少なくとも前記発熱体と入力信号源との間に接続された抵抗回路とを有するシリコン基板、
前記抵抗器と回路の上に位置する誘電体層、
前記発熱抵抗器の上に位置する前記誘電体層の部分上に位置する金属パッシベーション層、及び
前記誘電体層の上に位置するポリイミドインクマニホルドを有し、前記ポリイミドマニホルドがその中に前記発熱抵抗器の上に位置する少なくとも一つのノズルと関連インクチャネルとを形成し、前記基板が第二面上に形成され且つ前記インクチャネルと連絡するインク注入オリフィスを有する、
モノリシックルーフシューターサーマルインクジェットプリンタに関する。
【００１１】
本発明はまたモノリシックサーマルインクジェットプリントヘッド製造方法に関し、該プリントヘッドが第一面又は上部表面及び第二面又は底面を有するシリコン基板と、前記上部表面に形成されたポリイミド層とを有し、該ポリイミド層がインクノズルとインクマニホルドを画定し、該方法が：
(a) （１００）シリコン基板を提供し、
(b) 前記基板を洗浄し、
(c) 加熱素子のアレイとして次に用いるために、基板の上部表面に抵抗物質が均等間隔で置かれた線形アレイを複数形成し、
(d) 回路が各加熱素子に電気パルスで個々にアドレスすることを可能にするために、前記上部表面に電極のパターンを付着させ、
(e) 少なくとも前記上部表面にパッシベーション誘電体層を形成し、
(f) 発熱抵抗器の上に位置する誘電体層の部分上に金属パッシベーション層を形成し、
(g) 上部表面に形成された誘電体層の一面にフォトレジストを塗布し、
(h) 前記フォトレジストを露光し、コーナーがあるルーフ構造を有する複数のメサを画定し、
(i) 誘電体層とメサの露出された部分の一面に金属膜を蒸着させ、該薄膜が前記ルーフのコーナーの下に位置する「死」角を除いてプリントヘッドの主要面の主要部の全ての上に位置し、
(j) アルミニウム膜と前記ルーフ構造「死」角部分の上部にパリレン(parylene)層を被覆し、
(k) 前記「死」角部分を埋める前記パリレンを除いて前記パリレン層を除去し、
(l) アルミニウム膜及びメサを含むプリントヘッド上部表面の一面に感光ポリイミド層を形成し、
(m) ポリイミド層をパターニングして、前記メサの上に位置する複数のノズルを形成し、
(n) エッチング法を用いてノズルの下のアルミニウム膜を除去し、
(o) アセトンエッチングを用いてメサを溶解し、ノズルの下にチャネルを形成し、
(p) 基板の底面をエッチングし、前記チャネルに接続するインク注入オリフィスを形成する、
工程を有するモノリシックサーマルインクジェットプリントヘッド製造方法。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１及び２を参照すると、本発明のモノリシックルーフシュータープリントヘッド１０の斜視図と断面図がそれぞれ示される。プリントヘッド１０は、同時に基板として形成され、その後方法ステップが完了した後分離されうる複数のプリントヘッドの一つである。プリントヘッド１０は、その上に抵抗発熱体１６、駆動論理回路１８、及びアドレス電極２０が形成される上面すなわち第一面１４を有する（１００）シリコン基板１２を含む。 基板１２の底面すなわち第二面２４の一部はプリント回路板２６に接着される。ポリイミドマニホルド３０は下記に示される工程によって形成され、基板表面１４の上に位置する。マニホルド３０は複数のノズル３２と関連インクチャネル３４を含む。インク注入オリフィス３６はインクリザーバ（図示せず）と連結し、インクフローをチャネル３４及びノズル３２に供給する。発熱体１６はフレキシブルシリコンリボンケーブル４０を介し、電極３８を通じて図示しない電源により選択的に電流パルスを供給される。ケーブル４０のもう一端は、その上に導線４２が形成される回路板２６の表面上で支持される。導線４２はホストコンピューターのような入力信号源に接続される。入力信号は次にリボンケーブル４０を介して駆動回路１８に送信され、発熱体１６のパルス（加熱）を提供する。
【００１３】
ここで図３及至８を参照すると、図１及び２のプリントヘッドの断面図が示される。本発明の方法により複数の接近配置されているノズルが製造されうることが理解されるが、一つのノズル（のみ）が各図に示されている。基板１２をまずアセトンとＩＰＡ（イソプロピルアルコール）で洗浄する。ＣＭＯＳ回路と発熱体１６を次に一般のＭＯＳ回路で形成する。ＣＶＤ（化学蒸着）酸化物層５０を基板１２の上面１４上に形成し、ＣＭＯＳ回路１８と発熱体１６を不動態化する。発熱体をインクの泡の衝動から守るために酸化物層５０の一部の上に、好適な実施の形態ではタンタル膜５１である薄い金属パッシベーション層をスパッタリングし、パターニングする。ＡＺ 4620 のようなフォトレジストを次にシリコンウエハの上にスピン（回転して広げる）し、２０μの厚さの層を形成する。ソフトベークの後、フォトレジストを位置合わせし、露光し、現像し、そしてリンス（すすぐ）してインクのキャビティやリザーバを画定する役割をするおよそ２０μの高さのメサ５２を形成する。これらのメサはおよそ４μだけ隔てられており、ウエットエッチングを用いて最終段階で犠牲的に除去される。
【００１４】
ここで図４を参照すると、ポリイミド層３０とその下にあるフォトレジストが混合するのを防ぐために、1000オングストロングの厚さのアルミウム膜５６を界面層としてスパッタリングする。図３に示されるように、メサ５２の上部にはコーナー５８がある。ルーフのコーナーの下の空間は「死」 角であり、アルミニウムをスパッタリングすることが難しい。その結果、アルミニウム膜はルーフのコーナーで遮断され、切れ目５８Ａを形成する。切れ目５８Ａを埋めるために、図５に示されるようにパリレン層６０を薄膜５６の上にコンフォーマルに被覆し、それによりコーナー５８及び切れ目５８Ａを埋める。パリレンは次に塗布されるポリイミド層とシリコン基板との間に強い密着性を提供しないので、次に層６０をルーフのコーナー５８内に位置している小区分６０Ａを除いて除去する (図６参照）。パリレン除去は、好適には酸素プラズマ非マスキングドライエッチング工程で達成される。ルーフのコーナーの下のパリレン区分６０Ａはルーフの構造によって遮蔽されているので、その区分は腐食されないが、層６０の残部は酸素プラズマで直接ボンバード（衝撃）され、完全に除去される。
【００１５】
図７は構造体全体の上でスピンされる３０μの厚さの感光ポリイミド層３０の形成を示している。ポリイミドを次にホトリソグラフィ工程を用いてパターニングし、ノズル３２を形成する。ノズルの下のアルミニウム薄膜５６をウエット又はドライエッチング用いて除去し、メサ５２を露出する。次にメサをアセトンエッチングを用いて溶解し、図８に示すようにノズル３２の下にインクキャビティ３４を形成する。
【００１６】
インク注入オリフィス３６を図２に示されるように、基板１２の底面からＫＯＨ又はＥＤＰ（エチレンジアミンピロカテコール）を用いてエッチングし、完全なプリントヘッドを形成する。
【００１７】
図９は上記の工程で製造される実際のポリイミドノズルアレイのＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真を再現している。ノズル３２の各々の直径は３０μであり、各ノズルの離隔距離は１０μで、このプリントヘッドにより記録媒体上に形成される像の解像力が６３０ｄｐｉという結果となる。この方法では、ノズル間の離隔距離をわずか５μとすることが可能である。
【００１８】
本明細書で開示された実施例は好適なものだが、この開示内容から、種々の別の形態、変更、変形、改良が当業者によってなされることがあっても、それらは請求項に含まれるものであることが理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のモノリシックプリントヘッドの平面斜視図である。
【図２】図１の線２−２についての断面図である。
【図３】製造方法中のプリントヘッドの断面図である。
【図４】製造方法中のプリントヘッドの断面図である。
【図５】製造方法中のプリントヘッドの断面図である。
【図６】製造方法中のプリントヘッドの断面図である。
【図７】製造方法中のプリントヘッドの断面図である。
【図８】製造方法中のプリントヘッドの断面図である。
【図９】図３乃至８に関連して説明される方法ステップにより作成される、ノズルアレイのＳＥＭ写真の線画図面を示したものである。
【符号の説明】
１２    シリコン基板
１６    発熱体
３０    ポリイミドマニホルド
３２    ノズル
３４    インクチャネル
３６    インク注入オリフィス
５２    メサ
６０    パリレン層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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