(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基板と、前記第１基板上に積層された酸化膜と、前記酸化膜上に積層された第２基板とを含むSOIウェーハ上に構成される半球状のインクチャンバを有するインクジェットプリントヘッドにおいて、
前記第１基板に一体に形成されるものであって、インクを供給するマニホルドと、吐出されるインクが充填される実質的に半球状のインクチャンバと、インクを前記マニホルドから前記インクチャンバに供給するインクチャンネルと、
前記酸化膜及び前記第２基板の前記インクチャンバの中心部に対応する位置に形成され、インクの吐出がなされるノズルと、
前記第２基板に形成され、前記第２基板の一部を環状に限定して前記ノズルを取り囲む環状のヒータを形成する断熱障壁と、
前記第２基板上に積層され、前記ヒータを保護するヒータ保護膜と、
前記ヒータ保護膜上に形成され、前記ヒータと電気的に接続されて前記ヒータに電流を印加する電極とを具備することを特徴とする半球状のインクチャンバを有するインクジェットプリントヘッド。
【請求項２】
前記断熱障壁は前記ヒータの内周面及び外周面に沿って前記ヒータを取り囲むように形成されることによって、前記ヒータと前記第２基板の他部位とを互いに絶縁及び断熱させることを特徴とする請求項１に記載の半球状のインクチャンバを有するインクジェットプリントヘッド。
【請求項３】
前記断熱障壁は環状の溝の形で形成され、前記ヒータ保護膜により密閉されることによってその内部が実質的に真空状態の空間よりなることを特徴とする請求項２に記載の半球状のインクチャンバを有するインクジェットプリントヘッド。
【請求項４】
前記断熱障壁は所定の絶縁及び断熱物質よりなることを特徴とする請求項２に記載の半球状のインクチャンバを有するインクジェットプリントヘッド。
【請求項５】
前記インクチャンネルは、その両端部が各々前記マニホルド及び前記インクチャンバに連結されるように前記第１基板の上面に所定深さで形成されることを特徴とする請求項１に記載の半球状のインクチャンバを有するインクジェットプリントヘッド。
【請求項６】
前記インクチャンネルは前記インクチャンバの底部に前記マニホルドと連結されるように形成されることを特徴とする請求項１に記載の半球状のインクチャンバを有するインクジェットプリントヘッド。
【請求項７】
第１基板と、前記第１基板上に積層された酸化膜と、前記酸化膜上に積層された第２基板とより構成されるSOIウェーハを備える段階と、
前記第２基板をエッチングして環状のヒータを限定する環状の溝の形の断熱障壁を形成する段階と、
前記第２基板上に前記ヒータを保護し、かつ前記断熱障壁を密閉させるためのヒータ保護膜を形成する段階と、
前記ヒータ保護膜上に前記ヒータと電気的に接続される電極を形成する段階と、
前記第１基板の背面をエッチングしてインクを供給するマニホルドを形成する段階と、
前記ヒータの内側に前記ヒータの直径より小さな直径で前記ヒータ保護膜、前記第２基板及び前記酸化膜を順次エッチングしてノズルを形成する段階と、
前記ノズルにより露出された前記第１基板をエッチングして、実質的に半球状のインクチャンバを形成する段階と、
前記第１基板をエッチングしてインクを前記マニホルドから前記インクチャンバに供給するインクチャンネルを形成する段階とを具備することを特徴とするSOIウェーハを用いたインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項８】
前記SOIウェーハの前記第２基板の厚さは１０μm〜３０μmであることを特徴とする請求項７に記載のSOIウェーハを用いたインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項９】
前記断熱障壁は前記ヒータの内周面及び外周面に沿って前記ヒータを取り囲むように形成されることによって、前記ヒータと前記第２基板の他部位とを互いに絶縁及び断熱させることを特徴とする請求項７に記載のSOIウェーハを用いたインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項１０】
前記ヒータ保護膜を形成する段階は、
低圧化学気相蒸着法により行われることによって前記断熱障壁を実質的に真空状態にすることを特徴とする請求項９に記載のSOIウェーハを用いたインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項１１】
前記ヒータ保護膜を形成する段階前に、前記断熱障壁の内部を所定の絶縁及び断熱物質で充填する段階をさらに具備することを特徴とする請求項９に記載のSOIウェーハを用いたインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項１２】
前記インクチャンネルを形成する段階は、
前記ヒータの外側から前記マニホルド側に前記ヒータ保護膜、前記第２基板及び前記酸化膜を順次エッチングして前記第１基板を露出させるインクチャンネル形成用溝を形成する段階と、
前記インクチャンネル形成用溝により露出された前記第１基板を等方性エッチングする段階とを含むことを特徴とする請求項７に記載のSOIウェーハを用いたインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項１３】
前記インクチャンネルを形成する段階は、
前記インクチャンバの底部の前記第１基板を所定の直径に異方性エッチングして前記マニホルドと連結される前記インクチャンネルを形成することを特徴とする請求項７に記載のSOIウェーハを用いたインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【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係り、より詳細には、半球状のインクチャンバを有するバブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリントヘッドとその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、インクジェットプリントヘッドは、印刷用インクの微小な液滴を記録用紙上の所望の位置に吐出して所定色相の画像に印刷する装置である。このようなインクジェットプリンタのインク吐出方式としては、熱源を用いてインクにバブルを生じ、この力でインクを吐出させる電気-熱変換方式(バブルジェット（登録商標）方式)と、圧電体を用いて圧電体の変形により生じるインクの体積変化によりインクを吐出する電気-機械変換方式とがある。
【０００３】
図１Ａ及び図１Ｂは各々、従来のバブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリントヘッドの一例であって、米国特許第４,８８２,５９５号公報に開示されたインク吐出部の構造を示す切開斜視図及びそのインク液滴の吐出過程を説明するための断面図である。
【０００４】
図１Ａ及び図１Ｂに示した従来のバブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリントヘッドは、基板１０と、その基板１０上に設けられてインク１９が充填されるインクチャンバ１３を形成する隔壁部材１２と、インクチャンバ１３内に設けられるヒータ１４と、インク液滴１９'が吐出されるノズル１６が形成されたノズル板１１とを含んでいる。前記インクチャンバ１３内にはインクチャンネル１５を通じてインク１９が充填され、インクチャンバ１３と連通されたノズル１６内にも毛細管現象によりインク１９が充填される。このような構成において、ヒータ１４に電流が供給されればヒータ１４が発熱しつつチャンバ１３内に充填されたインク１９内にバブル１８が形成される。その後、このバブル１８は継続的に膨脹し、これによりチャンバ１３内に充填されたインク１９に圧力が加わってノズル１６を通じて外部にインク液滴１９'を押し出す。次に、インクチャンネル１５を通じてインク１９が吸入されつつチャンバ１３に再びインク１９が充填される。
【０００５】
ところが、このようなバブルジェット（登録商標）方式のインク吐出部を有するインクジェットプリントヘッドは次のような要件を満足しなければならない。第一に、できるだけその製造が簡単であり、製造コストが安いほか、大量生産が可能でなければならない。
第二に、鮮明な画質を得るためには、吐出される主液滴に後続する主液滴より小さな微細な副液滴の生成ができるだけ抑制されなければならない。
【０００６】
第三に、一つのノズルからインクを吐出したり、インクの吐出後にインクチャンバにインクが再充填される時、インクを吐出しない隣接した他のノズルとの干渉ができるだけ抑制されねばならない。このためにはインク吐出時にノズルと反対方向にインクが逆流する現象を抑制しなければならない。
【０００７】
第四に、高速のプリントのためには、できるだけインク吐出後にリフィルされる周期が短くなければならない。すなわち、駆動周波数が高くなければならない。
第五に、ヒータから生じた熱によってプリントヘッドに加わる熱的負荷が小さくなければならなく、高い駆動周波数でも長時間安定的に作動できなければならない。
【０００８】
ところが、これらの要件は相反する場合が多く、またインクジェットプリントヘッドの性能は結局インクチャンバ、インク流路及びヒータの構造、それによるバブルの生成及び膨脹形態、または各要素の相対的な大きさと密接な関連がある。
【０００９】
これにより、前述した米国特許第４,８８２,５９５号公報以外にも、米国特許第４,３３９,７６２号公報、米国特許第５,７６０,８０４号公報、米国特許第４,８４７,６３０号公報、米国特許第５，８５０,２４１号公報、ヨーロッパ特許３１７,１７１号公報、Fan-Gang Tseng、Chang-Jin Kim、 and Chih-Ming Ho、“A Novel Microinjector with Virtual Chamber Neck”、IEEE MEMS'９８,pp.５７-６２など多様な構造のインクジェットプリントヘッドが提案されている。しかし、これらの特許や文献に提示された構造のインクジェットプリントヘッドは前述した要件のうち一部は満足するかもしれないが、全体的に満足できる水準ではない。
【００１０】
一方、図２には、前記従来のバブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリントヘッドの他の例として、IEEE MEMS'９８,pp.５７-６２に開示されたバック-シューティング方式のインク吐出部が示されている。ここで、バック-シューティング方式とは、バブルの成長方向とインク液滴吐出方向とが反対のインク吐出方式をいう。
【００１１】
図２に示したように、バック-シューティング方式のプリントヘッドにおいては、ノズル板２１に形成されたノズル２６の周囲にヒータ２４が配置されている。そして、ヒータ２４は、示されてはいないが、電流を印加するための電極に連結されており、ノズル板２１上に形成される所定物質の保護層２７により保護される。ノズル板２１は基板２０上に形成され、基板２０にはノズル２６に対応してインクチャンバ２３が形成されている。インクチャンバ２３はインクチャンネル２５と連結されてその内部にインク２９が充填される。一方、ヒータ２４を保護する保護層２７の表面には一般にインク１９がつかないように疏水性のコーティング膜３０が塗布されている。このような構成を有するインク吐出部において、ヒータ２４に電流を印加すればヒータ２４が発熱しつつインクチャンバ２３内に充填されたインク２９内にバブル２８が生じる。その後、このバブル２８はヒータ２４から熱を供給されて膨脹し続き、これにより、インクチャンバ２３内に充填されたインク２９に圧力が加わってノズル２６の周りにあるインク２９がノズル２６を通じて外部にインク液滴２９'の形で吐出される。次に、インクチャンネル２５を通じてインク２９が吸入されつつインクチャンバ２３内にインク２９が再充填される。
【００１２】
ところが、前述したように、従来のバック-シューティング方式のインクジェットプリントヘッドにおいては、ヒータ２４から生じた熱の相当の部分がインク２９ではない他の部分、例えばノズル２６の周りの表面や保護層２７を通じてインク吐出部の周りに伝導されて吸収される問題点がある。すなわち、ヒータ２４から生じた熱はインク２９を加熱してバブル２８を生じるのに使われなければならないが、この熱の相当の部分が他の部分に吸収されてしまい、残りの熱だけがバブル２８の形成に使われる。これはバブル２８を生じるために供給されたエネルギーの無駄遣いになるので、結局エネルギーの消耗が大きくなってエネルギー効率を低下させ、バブル２８の生成及び消滅の周期が長くなって高い駆動周波数でインクジェットヘッドが動作し難い。
【００１３】
また、他の部分に伝導される熱は印刷サイクルが進むにつれてプリントヘッド全体の温度を大きく上昇させ、これによりいろいろな熱的問題点が生じてプリントヘッドの長時間の安定した作動が難しくなる。例えば、ヒータ２４から生じた熱がノズル２６の周りの表面に容易に伝導されてその部位の温度が上昇し過ぎ、その結果、ノズル２６の周りの表面に塗布された疏水性コーティング膜３０を焼損させたり、その物性を変化させる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記のような従来の技術の問題点を解決するために創出されたものであって、特に、前述した要件を満足する構造を有し、バブルの生成のためにヒータに供給されるエネルギーを効率的に使用できるようにヒータの周囲に断熱手段が設けられたバブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリントヘッド及びその製造方法を提供することにその目的がある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記技術的課題を達成するために、本発明の一実施形態に係るインクジェットプリントヘッドは、インクを供給するマニホルドと、吐出されるインクが充填されるインクチャンバと、インクを前記マニホルドから前記インクチャンバに供給するインクチャンネルが一体に形成された基板と、前記基板上に積層され、前記インクチャンバの中心部に対応する位置にインクを吐出するノズルが形成されたノズル板と、前記ノズル板上に設けられ、前記ノズルを取り囲む環状のヒータと、前記ノズル板上に設けられ、前記ヒータと電気的に接続されて前記ヒータに電流を印加する電極と、前記ヒータの上部に設けられて前記ヒータから生じた熱がその上方に伝導されることを抑制する断熱層とを具備する。
【００１６】
ここで、前記断熱層は前記ヒータを覆うように前記ノズルを取り囲む環状に形成され、前記断熱層の幅は前記ヒータの幅より大きいことが望ましい。
【００１７】
また、前記断熱層は空気が充填された空間よりなり、または、実質的に真空状態の空間よりなる。
このような断熱層の存在によって前記ヒータから生じた熱が大部分その下方のインクに伝えられるのでエネルギー効率が向上し、吐出駆動周波数が高まり、プリントヘッドの長時間の安定した作動が可能になる。
【００１８】
そして、本発明は断熱層を有するバブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法を提供する。このような本発明の製造方法は、基板の表面にノズル板を形成する段階と、前記ノズル板上に環状のヒータを形成する段階と、前記基板の背面をエッチングしてインクを供給するマニホルドを形成する段階と、前記ノズル板上に前記ヒータと電気的に接続される電極を形成する段階と、前記ヒータの内側に前記ヒータの直径より小さな直径で前記ノズル板をエッチングしてノズルを形成する段階と、前記ヒータの上部に環状の断熱層を形成する段階と、前記ノズルにより露出された前記基板をエッチングしてインクチャンバを形成する段階と、前記基板をエッチングしてインクを前記マニホルドから前記インクチャンバに供給するインクチャンネルを形成する段階とを具備することを特徴とする。
【００１９】
ここで、前記断熱層を形成する段階は、前記ヒータの上部に環状の犠牲層を形成する段階と、前記犠牲層の上部に環状のスロットを形成して前記犠牲層の一部を露出させる段階と、前記環状のスロットを通じて前記犠牲層をエッチングしてその内部の物質が除去された空間よりなる断熱層を形成する段階とを含むことを特徴とする。
【００２０】
そして前記断熱層が形成された後、所定の物質膜で前記環状のスロットを閉塞して前記断熱層を密閉させる段階をさらに含むことが望ましく、またこの段階は、低圧化学気相蒸着法により行われることによって前記断熱層を実質的に真空状態にすることが望ましい。
【００２１】
このような本発明の製造方法によれば、インクチャンバとインクチャンネル及びインク供給マニホルドとが基板内に一体に形成され、ノズル板とヒータだけでなく断熱層も基板上に一体に形成されるので、その製造方法が簡単であり、プリントヘッドをチップ単位で大量生産できるようになる。
【００２２】
一方、本発明の他の実施形態に係るインクジェットプリントヘッドは、第１基板と、前記第１基板上に積層された酸化膜と、前記酸化膜上に積層された第２基板とを含むSOIウェーハ上に構成される。前記インクジェットプリントヘッドは、前記第１基板に一体に形成されるものとして、インクを供給するマニホルドと、吐出されるインクが充填される実質的に半球状のインクチャンバと、インクを前記マニホルドから前記インクチャンバに供給するインクチャンネルと、前記酸化膜及び前記第２基板の前記インクチャンバの中心部に対応する位置に形成され、インクの吐出がなされるノズルと、前記第２基板に形成され、前記第２基板の一部を環状に限定して前記ノズルを取り囲む環状のヒータを形成する断熱障壁と、前記第２基板上に積層され、前記ヒータを保護するヒータ保護膜と、前記ヒータ保護膜上に形成され、前記ヒータと電気的に接続されて前記ヒータに電流を印加する電極とを具備することを特徴とする。
【００２３】
ここで、前記断熱障壁は前記ヒータの内周面及び外周面に沿って前記ヒータを取り囲むように形成されることによって、前記ヒータと前記第２基板の他部位と互いに絶縁及び断熱させることが望ましい。
【００２４】
そして、前記断熱障壁は環状の溝の形で形成され、前記ヒータ保護膜により密閉されることによってその内部が実質的に真空状態の空間よりなることが望ましい。また、前記断熱障壁は所定の絶縁及び断熱物質よりなりうる。
【００２５】
このような本発明によれば、断熱障壁によりヒータから生じた熱が他の部位に伝導されることが抑制されるのでエネルギー効率が向上し、またインク吐出部がSOIウェーハ上にさらに固い構造で形成できる。
【００２６】
そして、本発明はSOIウェーハを用いたインクジェットプリントヘッドの製造方法を提供する。このような本発明の製造方法は、第１基板と、前記第１基板上に積層された酸化膜と、前記酸化膜上に積層された第２基板とより構成されるSOIウェーハを備える段階と、前記第２基板をエッチングして環状のヒータを限定する環状の溝の形の断熱障壁を形成する段階と、前記第２基板上に前記ヒータを保護し、かつ前記断熱障壁を密閉させるためのヒータ保護膜を形成する段階と、前記ヒータ保護膜上に前記ヒータと電気的に接続される電極を形成する段階と、前記第１基板の背面をエッチングしてインクを供給するマニホルドを形成する段階と、前記ヒータの内側に前記ヒータの直径より小さな直径で前記ヒータ保護膜、前記第２基板及び前記酸化膜を順次エッチングしてノズルを形成する段階と、前記ノズルにより露出された前記第１基板をエッチングして、実質的に半球状のインクチャンバを形成する段階と、前記第１基板をエッチングしてインクを前記マニホルドから前記インクチャンバに供給するインクチャンネルを形成する段階とを具備することを特徴とする。
【００２７】
ここで、前記断熱障壁は前記ヒータの内周面及び外周面に沿って前記ヒータを取り囲むように形成されることによって、前記ヒータと前記第２基板の他部位とを互いに絶縁及び断熱させることが望ましい。
【００２８】
そして、前記ヒータ保護膜を形成する段階は、低圧化学気相蒸着法により行われることによって断熱障壁を実質的に真空状態にすることが望ましい。
このような本発明の製造方法によれば、インク吐出部の構成要素がSOIウェーハ上に一体に形成されるのでその製造工程が簡単であり、プリントヘッドをチップ単位で大量生産できる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。しかし、後述する実施形態は本発明の範囲を限定するものではなく、本発明をこの技術分野で通常の知識を有する者に十分に説明するために提供されるものである。図面で同じ参照符号は同じ構成要素を示し、図面上で各構成要素の大きさは説明の明瞭性及び便宜のために誇張されている。また、ある層が基板や他の層上に存在すると説明される時、その層は基板や他の層に直接接触しつつその上に存在する場合もあり、そられの間に第３の層が存在する場合もある。
【００３０】
図３は、本発明の望ましい一実施形態に係るインクジェットプリントヘッドの概略的な平面図である。
図３を参照すれば、本実施形態に係るプリントヘッドには点線で表示されたインク供給マニホルド１１２上にジグザグに配置されたインク吐出部１００が２列に配置されており、各インク吐出部１００と電気的に連結され、ワイヤがホンディングされるホンディングパッド１０２が配置されている。また、マニホルド１１２はインクを含んでいるインクコンテナ(図示せず)と連結される。一方、図面でインク吐出部１００は２列に配置されているが、１列に配置される場合もあり、解像度をさらに高めるために３列以上に配置される場合もある。また、マニホルド１１２はインク吐出部１００の各列ごとに一つずつ形成される場合もある。また、図面には一色相のインクだけを使用するプリントヘッドが示されているが、カラー印刷のために各色相別に３または４群のインク吐出部群が配置される場合もある。
【００３１】
図４は、図３に示したインク吐出部を拡大して示した平面図であり、図５は、図４のA-A線によるインク吐出部の垂直構造を示す断面図である。
示したように、インク吐出部１００の基板１１０にはその表面側にインクが充填されるインクチャンバ１１４が形成され、その背面側にはインクチャンバ１１４にインクを供給するマニホルド１１２が形成され、インクチャンバ１１４の底部の中央にはインクチャンバ１１４とマニホルド１１２とを連結するインクチャンネル１１６が形成される。ここで、基板１１０は集積回路の製造に広く使われるシリコンよりなることが望ましい。そして、インクチャンバ１１４は望ましくは略半球状になっている。インクチャンネル１１６の直径は、インクの吐出時にインクがインクチャンネル１１６側に押し出され、またインク吐出後にインクリフィルする時にその速度に影響を及ぼすのでインクチャンネル１１６の形成時にその直径は微細に制御される必要がある。
【００３２】
基板１１０の表面にはノズル１２２が形成されたノズル板１２０が形成されてインクチャンバ１１４の上部壁をなす。ノズル板１２０は、基板１１０がシリコンよりなる場合、シリコン基板１１０を酸化させて形成されたシリコン酸化膜や、基板１１０上に蒸着されたシリコン窒化膜などの絶縁膜よりなりうる。
【００３３】
ノズル板１２０上にはノズル１２２を取り囲む環状のバブル生成用ヒータ１３０が形成され、このヒータ１３０は不純物がドーピングされたポリシリコンのような抵抗発熱体よりなる。ノズル板１２０及びヒータ１３０上にはヒータ１３０の保護膜としてシリコン窒化膜１４０が形成できる。そして、ヒータ１３０にはパルス相電流を印加するために通常の金属よりなる電極１５０が連結される。
【００３４】
そして、ヒータ１３０の上部には断熱層１６０が設けられる。すなわち、断熱層１６０はシリコン窒化膜１４０を介在してヒータ１３０の上部に形成され、ヒータ１３０の形状と類似の環状となっている。断熱層１６０はヒータ１３０から生じた熱がその上側に伝導されることを抑制する役割をする。このために、断熱層１６０はヒータ１３０の大部分を覆えるようにその幅がヒータ１３０の幅より大きいことが望ましい。断熱層１６０は後述するように、空気が充填された空間として空気断熱層である場合もあり、または実質的に真空状態の空間として真空断熱層である場合もある。
【００３５】
前記シリコン窒化膜１４０、電極１５０及び断熱層１６０上にはTEOS(Tetraethyleorthosilane)酸化膜１７０が形成され、その上に前述したようにノズル１２２の外部周囲にインクがつかないように疏水性のコーティング膜１８０が形成される。
【００３６】
一方、図６はインク吐出部の変形例を示す平面図であって、図６に示したインク吐出部１００'のヒータ１３０'は概略オメガ状であり、電極１５０はヒータ１３０'の両端部に各々接続される。すなわち、図４に示されたヒータは電極間で並列に接続されるのに対し、図６に示したヒータ１３０'は電極１５０間で直列に接続される。そして、インク吐出部１００'の他の構成要素、すなわち、インクチャンバ１１４、インクチャンネル１１６、ノズル１２２及び断熱層１６０などの形状及び配置は図４及び図５に示したインク吐出部と同一である。
【００３７】
図７は、本発明の他の実施形態に係るインクジェットプリントヘッドの概略的な平面図である。本実施形態は前述した実施形態と多くの部分が同一であるので、その差異点を中心として簡略に説明する。
【００３８】
図７を参照すれば、本実施形態に係るプリントヘッドには点線で表示されたインク供給マニホルド２１２を中心として左右にジグザグに配置されたインク吐出部２００が２列に配置されており、各インク吐出部２００と電気的に接続され、ワイヤがホンディングされるホンディングパッド２０２が配置されている。
【００３９】
図８Ａは図７に示したインク吐出部を拡大して示した平面図であり、図８Ｂないし図８Ｄは各々図８ＡのB1-B1、B2-B2、B3-B3線によるインク吐出部の垂直構造を示した断面図である。
【００４０】
図８Ａないし図８Ｄを参照すれば、インク吐出部２００の基板２１０にはその表面側に概略半球状に形成されてインクが充填されるインクチャンバ２１４と、インクチャンバ２１４より浅く形成されてインクチャンバ２１４にインクを供給するインクチャンネル２１６が設けられ、その背面側にはインクチャンネル２１６と合ってインクチャンネル２１６にインクを供給するマニホルド２１２が形成されている。また、インクチャンバ２１４とインクチャンネル２１６が合う地点にはバブルが膨脹する時にインクチャンネル２１４側に押し出されることを防止するバブル係止爪２１８が形成されている。
【００４１】
基板２１０の表面にはノズル２２２及びインクチャンネル形成用溝２２４が形成されたノズル板２２０が形成され、インクチャンバ２１４の上部壁をなす。
ノズル板２２０上にはノズル２２２を取り囲む環状のバブル生成用ヒータ２３０と、ヒータ２３０の保護膜としてシリコン窒化膜２４０が形成される。そして、ヒータ２３０にはパルス相電流を印加するために通常の金属よりなる電極２５０が連結される。
【００４２】
ヒータ２３０の上部には断熱層２６０が設けられる。前述した実施形態のように、断熱層２６０はヒータ２３０から生じた熱がその上側に伝導されることを抑制する役割をするものであって、ヒータ２３０の形状と類似の環状になっており、ヒータ２３０の大部分を覆えるようにその幅がヒータ２３０の幅より大きいことが望ましい。
【００４３】
そして、前記のように形成されたシリコン窒化膜２４０、電極２５０及び断熱層２６０上にはTEOS酸化膜２７０が形成され、その上にノズル２２２の外部周囲にインクがつかないようにする疏水性のコーティング膜２８０が形成される。
【００４４】
一方、図９はインク吐出部の変形例を示す平面図であって、図９に示したインク吐出部２００'のヒータ２３０'は概略オメガ形状を有し、この場合、電極２５０はヒータ２３０'の両端部に各々接続できる。
【００４５】
以下、図１０Ａ及び図１０Ｂを参照して前述したような構成を有する本発明に係るインクジェットプリントヘッドのインク液滴吐出メカニズムを説明する。ここで、インク液滴吐出メカニズムとこれによる効果は図４及び図５に示したインク吐出部を基準として説明する。
【００４６】
まず、図１０Ａを参照すれば、毛細管現象によりマニホルド１１２及びインクチャンネル１１６を通じてインクチャンバ１１４の内部にインク１９０が供給される。インクチャンバ１１４の内部にインク１９０が充填された状態で、電極１５０を通じてヒータ１３０にパルス相電流を印加すればヒータ１３０から熱が生じる。生じた熱は断熱層１６０によりその上側に伝導されることが抑制されて、その大部分が下のノズル板１２０を通じてインク１９０に伝えられ、これによりインク１９０が沸騰してバブル１９２が生じる。このバブル１９２の形状はヒータ１３０の形状によって図１０Ａの右側に示したように概略ドーナツ状になる。
【００４７】
ドーナツ状のバブル１９２が経時的に膨脹すれば、図１０Ｂに示したようにノズル１２２の下で合わせられて中央部が凹んでいる概略円盤状のバブル１９２'に膨脹する。同時に、膨脹したバブル１９２'によりインクチャンバ１１４からノズル１２２を通じてインク液滴１９０'が吐出される。
【００４８】
印加した電流を遮断すれば冷却されつつバブル１９２'は収縮されたり、あるいはその前に割れ、インクチャンバ１１４内にはインク１９０が再充填される。
前述したように、本発明に係るプリントヘッドのインク吐出メカニズムによれば、ドーナツ状のバブル１９２がノズルの中央で合わせられて円盤状のバブル１９２'を形成することによって吐出されるインク液滴１９０'の尾部を切り、これにより前述した副液滴が生じない。
【００４９】
また、ヒータ１３０が環状またはオメガ状でその面積が広く、加熱及び冷却が速いため、それによりバブル１９２、１９２'の生成から消滅までの時間が短くなって速い応答と高い駆動周波数を有することができる。さらに、インクチャンバ１１４の形状が半球状であるので、従来の直六面体またはピラミッド状のインクチャンバに比べてバブル１９２、１９２'の膨脹経路が安定的であり、バブルの生成及び膨脹が速くて短時間内にインクの吐出がなされる。
【００５０】
特に、ヒータ１３０の上部に形成された断熱層１６０はヒータ１３０から生じた熱が上側に伝導されることを防止し、その大部分が下方のインク１９０に伝えられるようにする。このように、ヒータ１３０から生じた熱が上方の表面に伝導されることが抑制されるので、ヒータ１３０の上部の表面温度が従来に比べてさらに低い温度に維持される。したがって、前述したように、表面に形成された疏水性のコーティング膜１８０が熱により焼損されたりその物性が変化して疏水性を失う問題点が防止される。
【００５１】
また、ヒータ１３０から生じた熱エネルギーのインク１９０への伝達率が高くなるので、エネルギー効率が向上してインク吐出駆動周波数を高めうる。再び説明すれば、ヒータ１３０に供給されるエネルギーが決まった場合には、従来に比べてインク１９０の温度上昇が速くなってバブル１９２、１９２'の生成から消滅までの時間が短くなるので高い駆動周波数が得られ、所定の駆動周波数を得ようとする場合には、従来に比べてヒータ１３０に供給されるエネルギーを減らすことができるので、エネルギー効率が向上する。そして、ヒータ１３０から生じた熱がインク１９０ではない他の部分に伝導されることが抑制されてプリントヘッド全体の温度上昇が少なく、これによりプリントヘッドが長時間安定的に作動できる。
【００５２】
そして、バブル１９２、１９２'の膨脹が半球状のインクチャンバ１１４の内部に限定されつつインク１９０の逆流が抑制されるので隣接した他のインク吐出部との干渉が抑制される。さらに、インクチャンネル１１６の直径がノズル１２２の直径より小さな場合は、インク１９０の逆流を防止するのにさらに効果的である。
【００５３】
次に、本発明のインクジェットプリントヘッドを製造する方法を説明する。
図１１ないし図１９は、図４及び図５に示したようなインク吐出部を有するプリントヘッドを製造する過程を示す断面であって、図４のA-A線による断面図である。
【００５４】
先ず、図１１を参照すれば、本実施形態で基板１１０は結晶方向が（１００）であり、その厚さが約５００μｍであるシリコン基板を使用する。これは、半導体素子の製造に広く使われるシリコンウェーハをそのまま使用できて大量生産に効果的であるからである。次いで、シリコンウェーハを酸化炉に入れて湿式または乾式酸化させれば、シリコン基板１１０の表面及び背面が酸化されてシリコン酸化膜１２０、１２０'が形成される。基板１１０の表面側に形成されたシリコン酸化膜１２０は以後にノズルが形成されるノズル板になる。
【００５５】
一方、図１１に示したものはシリコンウェーハのきわめて一部であって、本発明に係るプリントヘッドは一枚のウェーハで数十個ないし数百個のチップ状態に製造される。また、図１１では基板１１０の表面及び背面の両方にシリコン酸化膜１２０、１２０'が形成されたと示されたが、これはシリコンウェーハの背面も酸化雰囲気に露出されるバッチ式酸化炉を使用したからである。しかし、ウェーハの表面だけ露出される枚葉式酸化炉を使用する場合は背面にシリコン酸化膜１２０'が形成されない。このように使用する装置によって表面のみに所定の物質膜が形成されたり背面まで形成される点は以下の図１９まで同じである。ただし、便宜上、以下では他の物質膜(後述するポリシリコン膜、シリコン窒化膜、TEOS酸化膜など)は基板１１０の表面側のみに形成されることと示し、説明する。
【００５６】
次いで、表面側のシリコン酸化膜１２０上に環状のヒータ１３０を形成する。このヒータ１３０はシリコン酸化膜１２０の全面に不純物がドーピングされたポリシリコンを蒸着させた後、これを環状にパターニングすることによって形成される。具体的に、不純物がドーピングされたポリシリコンは低圧化学気相蒸着法(Low pressure chemical vapor deposition; LPCVD)で不純物として、例えば燐(P)のソースガスと共に蒸着することによって約０.７ないし１μｍの厚さで形成できる。このポリシリコン膜の蒸着厚さは、ヒータ１３０の幅及び長さを考慮して適正な抵抗値を有するように他の範囲とすることもできる。シリコン酸化膜１２０の全面に蒸着されたポリシリコン膜は、フォトマスクとフォトレジストを用いた写真工程及び、フォトレジストパターンをエッチングマスクとしてエッチングするエッチング工程によりパターニングされる。
【００５７】
図１２は、図１１の結果物の全面にシリコン窒化膜１４０を蒸着させた後、基板１１０の背面から基板１１０をエッチングしてマニホルド１１２を形成した状態を示したものである。シリコン窒化膜１４０はヒータ１３０の保護膜であって、その厚さは例えば約０.５μmであり、低圧化学気相蒸着法で蒸着できる。マニホルド１１２は基板１１０の背面を傾斜エッチングすることによって形成される。具体的に、基板１１０の背面にエッチングされる領域を限定するエッチングマスクを形成し、TMAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide)をエッチング液として所定時間湿式エッチングすれば、（１１１）方向へのエッチングが他の方向に比べて遅くなって約５４.７゜の傾斜を有するマニホルド１１２が形成される。一方、このマニホルド１１２は基板１１０の背面を傾斜エッチングして形成することと示され、かつ説明されたが、傾斜エッチングではない異方性エッチングで形成することもできる。
【００５８】
図１３は、電極１５０を形成した状態を示すものである。具体的に、図１２のシリコン窒化膜１４０のヒータ１３０の上部で電極１５０と接続される部分をエッチングしてヒータ１３０を露出する。次いで、電極１５０は導電性が良好でパターニングしやすい金属、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金を約１μｍの厚さでスパッタリング法で蒸着し、かつパターニングすることによって形成される。この時、電極１５０をなす金属膜は基板１１０上の他の部位で配線(図示せず)及びホンディングパッド(図２の１０２)をなすように同時にパターニングされる。
【００５９】
図１４は、ヒータ１３０の上部に犠牲層１６０'を形成した状態を示すものである。この犠牲層１６０'は、ヒータ１３０の上部に位置するシリコン窒化膜１４０の表面にポリシリコンを約１μmの厚さで蒸着させた後、これを環状にパターニングすることによって形成される。具体的に、ポリシリコンは低圧化学気相蒸着法で蒸着でき、その幅がヒータ１３０の幅より大きくパターニングされることが望ましい。この犠牲層１６０'は以後にヒータ１３０から生じた熱がその上側に伝導されることを抑制する断熱層となる。
【００６０】
次に、図１５に示したように、基板１１０の全面にTEOS(Tetraethyleorthosilane)酸化膜１７０を蒸着する。このTEOS酸化膜１７０は約１μｍの程度の厚さで、アルミニウムまたはその合金よりなる電極１５０とホンディングパッドが変形されない範囲の低温、例えば４００℃以下で化学気相蒸着法で蒸着できる。
【００６１】
次いで、図１６に示したように、基板１１０の全面にフォトレジストを塗布し、かつパターニングしてフォトレジストパターンPRを形成する。フォトレジストパターンPRはノズル１２２が形成される部位のTEOS酸化膜１７０を露出させ、そして犠牲層１６０'の上部のTEOS酸化膜１７０も環状に露出させる。
【００６２】
次いで、前記のように形成されたフォトレジストパターンPRをエッチングマスクとしてTEOS酸化膜１７０、シリコン窒化膜１４０及びシリコン酸化膜１２０を順次エッチングすることによって約１６〜２０μｍの直径を有するノズル１２２を形成し、そして犠牲層１６０'の上部のTEOS酸化膜１７０をエッチングして約１μｍ程度の幅を有する環状のスロット１６２を形成する。一方、ノズル１２２は上からTEOS酸化膜１７０、シリコン窒化膜１４０及びシリコン酸化膜１２０を順次エッチングすることによって形成したが、図１３に示した段階でシリコン窒化膜１４０及びシリコン酸化膜１２０をエッチングすることによって形成する場合もある。
【００６３】
図１７は、フォトレジストパターンPRにより露出された基板１１０及び犠牲層１６０'をエッチングしてインクチャンバ１１４、インクチャンネル１１６及び断熱層１６０を形成した状態を示したものである。まず、インクチャンバ１１４はフォトレジストパターンPRをエッチングマスクとして基板１１０を等方性エッチングすることによって形成できる。具体的に、XeF2ガスまたはBrF3ガスをエッチングガスとして基板１１０を所定時間乾式エッチングする。これにより、と示したように、その深さと半径が約２０μｍの概略半球状のインクチャンバ１１４が形成される。これと同時に、環状のスロット１６２を通じて犠牲層(図１５の１６０')もエッチングされてその内部の物質層、すなわち、ポリシリコン層が除去された断熱層１６０が形成される。このようにインクチャンバ１１４及び断熱層１６０は同時に形成できるが、いずれか一つが先に形成された後に他の一つが形成される場合もある。
【００６４】
一方、インクチャンバ１１４はフォトレジストパターンPRをエッチングマスクとして基板１１０を異方性エッチングする段階及びこれに続き等方性エッチングする段階の二つの段階でエッチングすることによって形成する場合もある。すなわち、フォトレジストパターンPRをエッチングマスクとしてシリコン基板１１０を誘導結合プラズマエッチングや反応性イオンエッチングを用いて異方性エッチングして所定深さのホール(図示せず)を形成した後、次いで、前記のような方法で等方性エッチングする。また、インクチャンバ１１４は他の方法として、基板１１０のインクチャンバ１１４をなす部位を多孔質シリコン層に変化させた後、この多孔質シリコン層を選択的にエッチングして除去することによって形成する場合もある。
【００６５】
次いで、フォトレジストパターンPRをエッチングマスクとして基板１１０を異方性エッチングすれば、インクチャンバ１１４の底部にインクチャンバ１１４とマニホルド１１２とを連結するインクチャンネル１１６が形成される。この異方性エッチングは前述した誘導結合プラズマエッチングや反応性イオンエッチングにより行われる。
【００６６】
図１８は、図１７に示した状態でフォトレジストパターンPRをアッシング及びストリップして除去した状態を示すものである。この状態で最上部の表面に疏水性のコーティング膜(図５の１８０)を塗布することによって本実施形態に係るプリントヘッドが完成できる。しかし、この状態では断熱層１６０が環状のスロット１６２により外部に開放されているため、環状のスロット１６２を通じて外部のインクや異質物が断熱層１６０の内部に侵入してその断熱効果を低下させる恐れがある。したがって、図１９に示したように、疏水性のコーティング膜を塗布する前に環状のスロット１６２を閉塞することが望ましい。
【００６７】
図１９は、環状のスロット１６２の周囲のTEOS酸化膜１７０の表面にシリコン窒化膜１７５を形成させて環状のスロット１６２を閉塞した状態を示すものである。シリコン窒化膜１７５は化学気相蒸着法により約０.５〜１μｍに蒸着させた後、パターニングすることによって形成できる。蒸着されるシリコン窒化膜１７５の厚さは環状のスロット１６２の幅によってこれを十分に閉塞できる程度に決められる。すなわち、環状のスロット１６２の幅が約１μｍ程度である場合にはシリコン窒化膜１７５の厚さは０.５μｍ以上であれば可能である。一方、シリコン窒化膜１７５は酸化膜に代替でき、またTEOS酸化膜１７０の表面の全体に形成される場合もある。これにより、断熱層１６０は密閉された空間として空気だけ充填された空気断熱層を形成する。一方、シリコン窒化膜１７５の蒸着を低圧化学気相蒸着法により行うことができ、この場合には断熱層１６０は実質的に真空状態の空間として真空断熱層を形成する。
【００６８】
図２０ないし図２３は、図８Ａないし図８Ｄに示した構造のインク吐出部を有するインクジェットプリントヘッドを製造する過程を示す断面図であって、図８ＡのB3-B3線による断面図である。
【００６９】
図８Ａに示したインク吐出部を有するプリントヘッドの製造方法は、前述した図４に示したインク吐出部を有するプリントヘッドの製造方法及びインクチャンネルを形成する方法を除いてはほとんど類似である。すなわち、図１５のTEOS酸化膜の形成段階までは同一であり、それ以後の段階ではインクチャンネルを形成する方法だけ相異なる。したがって、以下では前記差異点を中心として図８Ａに示したインク吐出部を有するプリントヘッドの製造方法を説明する。
【００７０】
図２０に示したように、TEOS酸化膜２７０を形成した後、これをパターニングすることによってヒータ２３０の外側にマニホルド２１２の上部まで直線上のインクチャンネル形成用溝２２４を形成する。この溝２２４はTEOS酸化膜２７０、シリコン窒化膜２４０及びシリコン酸化膜２２０を順次エッチングすることによって形成でき、その長さは約５０μｍ程度とし、その幅は約２μｍ程度とする。
【００７１】
次いで、図２１に示したように、基板２１０の全面にフォトレジストを塗布し、かつパターニングしてフォトレジストパターンPRを形成する。フォトレジストパターンPRはノズル２２２が形成される部位のTEOS酸化膜２７０を露出させ、そして犠牲層２６０'の上部のTEOS酸化膜２７０も環状に露出させる。
【００７２】
次いで、前記のように形成されたフォトレジストパターンPRをエッチングマスクとしてTEOS酸化膜２７０、シリコン窒化膜２４０及びシリコン酸化膜２２０を順次エッチングすることによって約１６〜２０μｍの直径を有するノズル２２２を形成し、犠牲層２６０'の上部のTEOS酸化膜２７０をエッチングして約１μｍ程度の幅を有する環状のスロット２６２を形成する。
【００７３】
図２２は、フォトレジストパターンPRにより露出された基板２１０及び犠牲層２６０'をエッチングしてインクチャンバ２１４、インクチャンネル２１６及び断熱層２６０を形成した状態を示すものである。まず、インクチャンバ２１４はフォトレジストパターンPRをエッチングマスクとして基板２１０を等方性エッチングすることによって形成できる。具体的に、XeF2ガスまたはBrF3ガスをエッチングガスとして基板２１０を所定時間乾式エッチングする。これにより、と示したように、その深さと半径が約２０μｍの概略半球状のインクチャンバ２１４が形成され、インクチャンバ２１４とマニホルド２１２とを連結するその深さと半径が約８μｍのインクチャンネル２１６が形成される。また、インクチャンバ２１４とインクチャンネル２１６との連結部位には、エッチングにより形成されるインクチャンバ２１４とインクチャンネル２１６が合って形成され突出したバブル係止爪２１８が形成される。これと同時に、環状のスロット２６２を通じて犠牲層(図２０の２６０')もエッチングされてその内部の物質層、すなわち、ポリシリコン層が除去された断熱層２６０が形成される。このようにインクチャンバ２１４、インクチャンネル２１６及び断熱層２６０は同時に形成されるが、順次に形成される場合もある。
【００７４】
図２３は、図２２に示した状態でフォトレジストパターンPRをアッシング及びストリップして除去した状態を示したものである。この状態で最上部の表面に疏水性のコーティング膜(図８Ｄの２８０)を塗布することによって本実施形態に係るプリントヘッドが完成できる。しかし、本実施形態でも前述した実施形態のように疏水性のコーティング膜を塗布する前に環状のスロット２６２を閉塞して断熱層２６０を密閉させる段階をさらに行うことが望ましい。この段階も前述した実施形態と同一であるのでその説明は省略する。
【００７５】
図２４は、本発明の他の実施形態に係るインクジェットプリントヘッドのインク吐出部を拡大して示した平面図であり、図２５Ａないし図２５Ｃは、各々図２４のC1-C1、C2-C2、C3-C3線によるインク吐出部の垂直構造を示す断面図である。
【００７６】
図２４と図２５Ａないし図２５Ｃを参照すれば、本発明に係るインクジェットプリントヘッドのインク吐出部３００は図７のように配置され、基本的にSOI(Silicon-On-Insulator)ウェーハ３１０の積層構造を用いて構成される。SOIウェーハ３１０は一般に第１基板３１１と、第１基板３１１上に形成された酸化膜３１２と、酸化膜３１２上に接着される第２基板３１３の積層構造を有している。ここで、第１基板３１１はシリコン単結晶よりなり、その厚さは約数百μｍ程度である。また酸化膜３１２は第１基板３１１の表面を酸化させることによって形成でき、その厚さは約１μｍ程度である。第２基板３１３も通常シリコン単結晶よりなり、その厚さは約数十μｍ、例えば２０μｍ程度である。
【００７７】
前記SOIウェーハ３１０の第１基板３１１の上面側には概略半球状に形成され、インクが充填されるインクチャンバ３２４と、インクチャンバ３２４より浅く形成されてインクチャンバ３２４にインクを供給するインクチャンネル３２６とが設けられ、第１基板３１１の背面側にはインクチャンネル３２６と合ってインクチャンネル３２６にインクを供給するマニホルド３２２が形成される。また、インクチャンバ３２４とインクチャンネル３２６とが合う地点にはバブルが膨脹する時にインクチャンネル３２６側に押し出されることを防止するバブル係止爪３２９が形成される。
【００７８】
そして、SOIウェーハ３１０の酸化膜３１２及び第２基板３１３は、前述したように、第１基板３１１の上面側に形成されたインクチャンバ３２４の上部壁をなす。このように、インクチャンバ３２４の上部壁は第２基板３１３の厚さによって約２０μｍ程度の厚さを有するので、インクチャンバ３２４及びインク吐出部３００の構造がさらに堅く形成できる。
【００７９】
SOIウェーハ３１０の酸化膜３１２及び第２基板３１３には、インクチャンバ３２４の中心部に対応する位置にインクが吐出されるノズル３３０が形成され、インクチャンネル３２６の長手方向の中心線に対応する位置にインクチャンネル形成用溝３２８が形成される。
【００８０】
SOIウェーハ３１０の第２基板３１３の一部はノズル３３０を取り囲む環状のバブル生成用ヒータ３４０を形成する。そして、このヒータ３４０は約１μｍ〜２μｍ程度の幅を有する環状の溝の形の断熱障壁３４２によりその内周面及び外周面が取り囲まれており、これにより第２基板３１３の他の部位と絶縁される。すなわち、ヒータ３４０は第２基板３１３の一部、すなわち、インクチャンバ３２４の上部に位置した部分が断熱障壁３４２により取り囲まれて限定されることによって形成される。このように断熱障壁３４２は、ヒータ３４０と第２基板３１３の他の部位とを互いに絶縁させる役割だけでなく、ヒータ３４０から生じた熱が第２基板３１３を通じて他の部位に伝導されることを防止する役割もする。断熱障壁３４２には空気が充填される場合があるが、実質的に真空状態を維持することが望ましい。一方、断熱障壁３４２はその内部に所定の絶縁及び断熱物質が充填される場合があり、この場合には所定の絶縁及び断熱物質よりなる断熱障壁３４２が形成される。
【００８１】
ヒータ３４０が形成された第２基板３１３の表面にはヒータ保護膜３５０が形成される。このヒータ保護膜３５０はヒータ３４０の保護だけでなく断熱障壁３４２を密閉させる役割も行う。この時、断熱障壁３４２は、前述したように、その内部が実質的に真空状態を維持するように密閉されることが望ましい。
【００８２】
ヒータ３４０にはパルス相電流を印加するために、通常、金属よりなる電極３６０が連結される。
一方、図２６はインク吐出部の変形例を示す平面図であって、インク吐出部３００'のヒータ３４０'は概略オメガ状を有し、電極３６０はヒータ３４０'の両端部に各々接続される。すなわち、図２４に示したヒータは電極間で並列に接続されるのに対し、図２６に示したヒータ３４０'は電極３６０の間で直列に接続される。そして、ヒータ３４０'を取り囲む断熱障壁３４２'もヒータ３４０'の形状によってオメガ形状を有する。
【００８３】
一方、インク吐出部３００'の他の構成要素、すなわち、インクチャンバ３２４、インクチャンネル３２６、ノズル３３０及びインクチャンネル形成用溝３２８などの形状と配置は図２４に示したインク吐出部でと同一である。
【００８４】
図２７は、本発明のさらに他の実施形態に係るインクジェットプリントヘッドのインク吐出部を示す平面図であり、図２８は、図２７のD-D線によるインク吐出部の垂直構造を示す断面図である。
【００８５】
図２７と図２８を参照すれば、本実施形態のインク吐出部４００は図３のような形態に配置され、SOIウェーハ４１０上に形成される。SOIウェーハ４１０の第１基板４１１にはその上面側にインクが充填される概略半球状のインクチャンバ４２４が形成されるが、インクチャンバ４２４にインクを供給するマニホルド４２２はインクチャンバ４２４の下方に位置するように第１基板４１１の背面側に形成され、インクチャンバ４２４とマニホルド４２２とを連結するインクチャンネル４２６はインクチャンバ４２４の底部中央に形成される。この場合、インクチャンネル４２６の直径はインク吐出時にインクがインクチャンネル４２６側に押し出される逆流現象があり、インク吐出後にインクリフィル時にその速度に影響を及ぼすので、インクチャンネル４２６の形成時にその直径は微細に制御される必要がある。
【００８６】
そして、SOIウェーハ４１０の酸化膜４１２及び第２基板４１３にはノズル４３０が形成され、第２基板４１３の一部は断熱障壁４４２により取り囲まれたヒータ４４０を形成する。ヒータ４４０が形成された第２基板４１３上にはヒータ保護膜４５０が蒸着され、ヒータ４４０には電極４６０が連結される。
【００８７】
一方、本実施形態のヒータ４４０は環状に示されているが、図２６に示したようにオメガ形状を有することができる。
以下、図２９Ａ及び図２９Ｂを参照して前述したような構成を有する本発明に係るインクジェットプリントヘッドのインク液滴吐出メカニズムを説明する。ここで、インク液滴吐出メカニズムとこれによる効果は図２４に示したインク吐出部を基準として説明する。
【００８８】
まず、図２９Ａを参照すれば、毛細管現象によりマニホルド３２２及びインクチャンネル３２６を通じてインクチャンバ３２４の内部にインク３８０が供給される。インクチャンバ３２４の内部にインク３８０が充填された状態で、電極(図２４の３６０)を通じてヒータ３４０にパルス相電流を印加すれば、ヒータ３４０から熱が生じる。生じた熱は断熱障壁３４２によりその側面に伝導されることが抑制されてその大部分が下の酸化膜３１２を通じてインク３８０に伝えられ、これによりインク３８０が沸騰してバブル３９１が生じる。このバブル３９１の形状は、ヒータ３４０の形状によって図２９Ａの右側に示したように概略ドーナツ形状になる。
【００８９】
ドーナツ形状のバブル３９１が経時的に膨脹すれば、図２９Ｂに示したようにノズル３３０の下で合わせられて中央部が凹んでいる概略円盤状のバブル３９２に膨脹する。同時に、膨脹したバブル３９２によりインクチャンバ３２４からノズル３３０を通じてインク液滴３８０'が吐出される。
【００９０】
印加した電流を遮断すれば冷却されつつバブル３９２は収縮されたり、そうでなければその前に割れ、インクチャンバ３２４内にはインクチャンネル３２６を通じて再びインク３８０が充填される。
【００９１】
前述したように、プリントヘッドのインク吐出メカニズムによれば、ドーナツ形状のバブル３９１が中央で合わせられて円盤状のバブル３９２を形成することによって吐出されるインク液滴３８０'の尾部を切り、これにより前述した副液滴が生じない。
【００９２】
また、インクチャンバ３２４の形状が半球状になっているので従来の直六面体またはピラミッド状のインクチャンバに比べてバブル３９１、３９２の膨脹経路が安定的であり、またバブル３９１、３９２の生成及び膨脹が速いので、短時間内にインクが吐出される。
【００９３】
そして、ヒータ３４０が環状またはオメガ形状であるので、その面積が広くて加熱及び冷却が速く、それによりバブル３９１、３９２の生成から消滅までの時間が短くなって速い応答及び高い駆動周波数を有することができる。
【００９４】
そして、バブル３９１、３９２の膨脹が半球状のインクチャンバ３２４の内部に限定されつつインク３８０の逆流が抑制されるので、隣接した他のインク吐出部との干渉が抑制される。また、インクチャンネル３２６の深さはインクチャンバ３２４の深さより浅いだけでなく、インクチャンバ３２４とインクチャンネル３２６とが合う地点にはバブル係止爪３２９が形成されているので、インク３８０及びバブル３９２自体がインクチャンネル３１６側に押し出される逆流現象を防止するのに効果的である。
【００９５】
特に、ヒータ３４０から生じた熱が第２基板３１３を通じて他の部位に伝導されることが断熱障壁３４２により抑制されるので、ヒータ３４０から生じた熱エネルギーのインク３８０への伝達率が高くなり、エネルギー効率が向上してバブル３９１、３９２の生成から消滅までの時間が短くなるので高い駆動周波数が得られる。
【００９６】
さらに、SOIウェーハ３１０の酸化膜３１２及び第２基板３１３により形成されるインクチャンバ３２４の上部壁が厚くてヒータ３４０による高熱及びインクチャンバ３２４内のバブル３９１、３９２の膨脹と消滅による圧力変動によってもインクチャンバ３２４の形状及びその上部壁が容易に変形されない。したがって、インクチャンバ３２４の内部に生成されるバブル３９１、３９２の形状が一定に維持されることができ、インク液滴３８０'の吐出が均一になるほか、インク吐出部３００の全体の耐久性が増加する。
【００９７】
また、SOIウェーハ３１０の酸化膜３１２及び第２基板３１３に形成されるノズル３３０は長くて、別のガイドなしでもインク液滴３８０'の吐出が正確な方向にガイドできる。
【００９８】
次に、SOIウェーハを使用して本発明のインクジェットプリントヘッドを製造する方法を説明する。
図３０ないし図３６は、図２４に示したように、インク吐出部を有するプリントヘッドを製造する過程を示す断面であって、図３０ないし図３６で左側は図２４のC1-C1線による断面図であり、右側は図２４のC3-C3線による断面図である。
【００９９】
図３０を参照すれば、まずSOIウェーハ３１０を備える。SOIウェーハ３１０は前述したように、第１基板３１１と、酸化膜３１２と、第２基板３１３との積層構造を有し、このような構造のSOIウェーハ３１０はウェーハ製造企業から容易に購入できる。この時、第２基板３１３の厚さが約１０μｍ〜３０μｍ、望ましくは２０μｍ程度のSOIウェーハ３１０を備える。
【０１００】
次に、図３１に示したように、備えられたSOIウェーハ３１０の第２基板３１３をフォトレジストパターンをエッチングマスクとして約１μｍ〜２μｍ程度の幅でエッチングすることによって環状の溝の形の断熱障壁３４２を形成する。断熱障壁３４２は、これにより限定されて形成される環状のヒータ３４０が第２基板３１３の他の部位から絶縁されるようにヒータ３４０の内周面及び外周面を取り囲む形に形成する。
【０１０１】
図３２は、ヒータ３４０及び断熱障壁３４２が形成された第２基板３１３上にヒータ保護膜３５０及び電極３６０を形成した状態を示したものである。ヒータ保護膜３５０は、TEOS酸化膜を第２基板３１３の表面に約０.５μｍ〜１μｍ程度の厚さで化学気相蒸着法により蒸着することによって形成できる。ヒータ保護膜３５０としてはTEOS酸化膜が使用できるが、これに限定されず、他の物質の酸化膜や窒化膜が使用できる。この時、ヒータ保護膜３５０の蒸着を低圧化学気相蒸着法によって行うことができ、この場合に断熱障壁３４２の内部は実質的に真空状態になりうるので望ましい。一方、ヒータ保護膜３５０を形成する前に断熱障壁３４２の内部に所定の絶縁及び断熱物質を充填する段階が行われる場合があり、この場合には所定の絶縁及び断熱物質よりなる断熱障壁３４２が形成できる。
【０１０２】
次いで、ヒータ保護膜３５０のヒータ３４０の上部で電極３６０と接続される部分をエッチングしてヒータ３４０を露出する。そして、電極３６０を導電性が良好であり、パターニングしやすい金属、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金を約１μmの厚さでスパッタリング法で蒸着し、かつパターニングすることによって形成する。この時、電極３６０をなす金属膜は第２基板３１３上の他の部位で配線とホンディングパッドをなすように同時にパターニングされる。
【０１０３】
図３３は、第１基板３１１の背面から第１基板３１１をエッチングしてマニホルド３２２を形成した状態を示すものである。マニホルド３２２は第１基板３１１の背面を傾斜エッチングすることによって形成される。具体的に、第１基板３１１の背面にエッチングされる領域を限定するエッチングマスクを形成し、TMAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide)をエッチング液として所定時間湿式エッチングすれば、（１１１）方向へのエッチングが他の方向に比べて遅くなって約５４.７゜の傾斜を有するマニホルド３２２が形成される。一方、前記マニホルド３２２は以前の段階で形成される場合もある。また、マニホルド３２２は第１基板３１１の背面を傾斜エッチングして形成することと図示され、説明されたが、傾斜エッチングではない異方性エッチングで形成する場合もある。
【０１０４】
図３４は、ノズル３３０及びインクチャンネル形成用溝３２８を形成した後にTEOS酸化膜３７０を蒸着した状態を示したものである。ノズル３３０はヒータ３４０の内側にヒータ３４０の直径より小さな直径、例えば、１６〜２０μｍ程度の直径で第１基板３１１が露出されるまでヒータ保護膜３５０、第２基板３１３及び酸化膜３１２を順次異方性エッチングすることによって形成できる。
【０１０５】
インクチャンネル形成用溝３２８もヒータ保護膜３５０、SOIウェーハ３１０の第２基板３１３及び酸化膜３１２をヒータ３４０の外側からマニホルド３２２の上部まで直線上に順次エッチングすることによって形成され、その長さは約５０μｍ程度とし、その幅は約２μｍ程度とする。一方、インクチャンネル形成用溝３２８は後述する図３５の段階で形成される場合もある。
【０１０６】
次いで、TEOS酸化膜３７０を形成する。このTEOS酸化膜３７０は約１μｍ程度の厚さであって、アルミニウムまたはその合金よりなる電極３６０とホンディングパッドが変形されない範囲の低温、例えば、４００℃以下で化学気相蒸着法で蒸着できる。
【０１０７】
次に、図３５に示したように、ノズル３２２部位の底部とインクチャンネル形成用溝３２８の底部のTEOS酸化膜３７０をエッチングして第１基板３１１を露出させる。
図３６は、露出された第１基板３１１をエッチングしてインクチャンバ３２４及びインクチャンネル３２６を形成した状態を示すものである。インクチャンバ３２４はノズル３３０を通じて露出された第１基板３１１を等方性エッチングすることによって形成できる。具体的に、XeF2ガスまたはBrF3ガスをエッチングガスとして第１基板３１１を所定時間乾式エッチングする。これにより、図示されたように、その深さと半径が約２０μｍである概略半球状のインクチャンバ３２４が形成され、これと同時にインクチャンバ３２４及びマニホルド３２２を連結するその深さと半径が約８〜１２μｍであるインクチャンネル３２６が形成される。また、インクチャンバ３２４及びインクチャンネル３２６の連結部位にはエッチングにより形成されるインクチャンバ３２４とインクチャンネル３２６とが合って形成され突出したバブル係止爪３２９が形成される。このようにインクチャンバ３２４とインクチャンネル３２６は同時に形成できるが、順次形成される場合もある。一方、インクチャンバ３２４は第１基板３１１の表面を所定深さに異方性エッチングした後に等方性エッチングすることによって形成される場合もある。これにより、前述した本発明の一実施形態に係るインクジェットプリントヘッドが形成される。
【０１０８】
図３７及び図３８は、図２７に示した構造のインク吐出部を有するインクジェットプリントヘッドを製造する過程を示す断面図であって、図２７のD-D線による断面図である。
【０１０９】
本実施形態のインクジェットプリントヘッドの製造方法は、前述した製造方法のうちマニホルド及びインクチャンネルを形成する段階を除いては同一である。すなわち、図３０ないし図３２の段階は同一であり、図３３の段階ではマニホルドの形成位置だけ差がある。すなわち、図３７に示したように、本実施形態のマニホルド４２２は後で形成されるインクチャンバの下方に位置するように第１基板４１１の背面をエッチングすることによって形成される。
【０１１０】
そして、図３４ないし図３６の段階も同一であるが、ただし本実施形態では、図３４ないし図３６の右側に示したインクチャンネルは形成されない。その代わりに図３８に示したように、インクチャンバ４２４を形成した後にインクチャンバ４２４の底部の中央部位を異方性エッチングしてマニホルド４２２と連結されるインクチャンネル４２６を形成する。これにより、前述した他の実施形態のインクジェットプリントヘッドが形成される。
【０１１１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係るバブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリントヘッド及びその製造方法は次のような効果を有する。
【０１１２】
第一に、ヒータの周囲に形成された断熱層または断熱障壁によりヒータから生じた熱が大部分その下方のインクに伝えられ、その上方または他の部位への伝導が抑制されるので、エネルギー効率が向上し、吐出駆動周波数が高くなり、プリントヘッドの長時間の安定した作動が可能になる。
【０１１３】
第二に、バブルをドーナツ状とし、インクチャンバを半球状とすることによってインクの逆流を抑制できて他のインク吐出部との干渉を避けることができ、また副液滴の発生を抑制できる。
【０１１４】
第三に、SOIウェーハの酸化膜及び第２基板により形成されるインクチャンバの上部壁が厚くて堅いので、ヒータによる高熱及びインクチャンバ内の圧力変動によってもインクチャンバの形状及びその上部壁が容易に変形されない。したがって、バブルの形状が一定に維持でき、インク液滴の吐出が均一になるほか、インク吐出部の全体の耐久性が増加する。
【０１１５】
第四に、本発明の製造方法によれば、マニホールダ、インクチャンバ及びインクチャンネルが形成された基板と、ノズル板、ヒータ及び断熱層などを基板に一体化して形成することによって、従来のノズル板とインクチャンバ及びインクチャンネル部を別に製作してホンディングするなど複雑な工程を経なければならなかった不便と誤整列の問題が解消される。したがって、一般の導体素子の製造工程と互換でき、インクジェットプリントヘッドの大量生産が容易になる。特に、SOIウェーハを使用する場合には基板の表面にノズル板として酸化膜を形成する段階及び所定の物質でヒータを蒸着する段階などが省略されてその製造工程が短縮できる。
【０１１６】
以上、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明したが、本発明の範囲はこれに限定されず、多様な変形及び均等な他の実施形態が可能である。例えば、本発明でプリントヘッドの各要素を構成するために使われる物質は例示されていない物質である場合もある。すなわち、基板は必ずシリコンでなくても加工性に優れた他の物質に代替でき、ヒータや電極、シリコン酸化膜、窒化膜も同じである。また、各物質の積層及び形成方法も単に例示されたものであって、多様な蒸着方法及びエッチング方法が適用できる。
【０１１７】
また、本発明のプリントヘッド製造方法の各段階の順序は例示されたことと異なる場合がある。合わせて、各段階で例示された具体的な数値は製造されたプリントヘッドが正常的に作動できる範囲内で自由に例示された範囲を外れて調整可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】  従来のバブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリンティングヘッドの一例を示すインク吐出部の切開斜視図及び、インク液滴の吐出過程を説明するための断面図である。
【図１Ｂ】  従来のバブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリンティングヘッドの一例を示すインク吐出部の切開斜視図及び、インク液滴の吐出過程を説明するための断面図である。
【図２】  従来のバブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリントヘッドの他の例を示すインク吐出部の断面図である。
【図３】  本発明の望ましい一実施形態によるインクジェットプリントヘッドの概略的な平面図である。
【図４】  図３に示したインク吐出部を拡大して示した平面図である。
【図５】  図４のA-A線によるインク吐出部の垂直構造を示す断面図である。
【図６】  図４に示したインク吐出部の変形例を示す平面図である。
【図７】  本発明の他の実施形態に係るインクジェットプリントヘッドの概略的な平面図である。
【図８Ａ】  図７に示したインク吐出部を拡大して示した平面図である。
【図８Ｂ】  図８ＡのB1-B1線によるインク吐出部の垂直構造を示す断面図である。
【図８Ｃ】  図８ＡのB2-B2線によるインク吐出部の垂直構造を示す断面図である。
【図８Ｄ】  図８ＡのB3-B3線によるインク吐出部の垂直構造を示す断面図である。
【図９】  図８Ａに示したインク吐出部の変形例を示す平面図である。
【図１０Ａ】  図４に示したインク吐出部からインクが吐出されるメカニズムを説明するための断面図である。
【図１０Ｂ】  図４に示したインク吐出部からインクが吐出されるメカニズムを説明するための断面図である。
【図１１】  図４及び図５に示した構造のインク吐出部を有するインクジェットプリントヘッドを製造する過程を示す断面図である。
【図１２】  図４及び図５に示した構造のインク吐出部を有するインクジェットプリントヘッドを製造する過程を示す断面図である。
【図１３】  図４及び図５に示した構造のインク吐出部を有するインクジェットプリントヘッドを製造する過程を示す断面図である。
【図１４】  図４及び図５に示した構造のインク吐出部を有するインクジェットプリントヘッドを製造する過程を示す断面図である。
【図１５】  図４及び図５に示した構造のインク吐出部を有するインクジェットプリントヘッドを製造する過程を示す断面図である。
【図１６】  図４及び図５に示した構造のインク吐出部を有するインクジェットプリントヘッドを製造する過程を示す断面図である。
【図１７】  図４及び図５に示した構造のインク吐出部を有するインクジェットプリントヘッドを製造する過程を示す断面図である。
【図１８】  図４及び図５に示した構造のインク吐出部を有するインクジェットプリントヘッドを製造する過程を示す断面図である。
【図１９】  図４及び図５に示した構造のインク吐出部を有するインクジェットプリントヘッドを製造する過程を示す断面図である。
【図２０】  図８Ａないし図８Ｄに示した構造のインク吐出部を有するインクジェットプリントヘッドを製造する過程を示す断面図である。
【図２１】  図８Ａないし図８Ｄに示した構造のインク吐出部を有するインクジェットプリントヘッドを製造する過程を示す断面図である。
【図２２】  図８Ａないし図８Ｄに示した構造のインク吐出部を有するインクジェットプリントヘッドを製造する過程を示す断面図である。
【図２３】  図８Ａないし図８Ｄに示した構造のインク吐出部を有するインクジェットプリントヘッドを製造する過程を示す断面図である。
【図２４】  本発明の他の実施形態に係るインクジェットプリントヘッドのインク吐出部を示す平面図である。
【図２５Ａ】  図２４のC1-C1線によるインク吐出部の垂直構造を示す断面図である。
【図２５Ｂ】  図２４のC2-C2線によるインク吐出部の垂直構造を示す断面図である。
【図２５Ｃ】  図２４のC3-C3線によるインク吐出部の垂直構造を示す断面図である。
【図２６】  図２４に示したインク吐出部の変形例を示す平面図である。
【図２７】  本発明のさらに他の実施形態に係るインクジェットプリントヘッドのインク吐出部を示す平面図である。
【図２８】  図２７のD-D線によるインク吐出部の垂直構造を示す断面図である。
【図２９Ａ】  図２４に示したインク吐出部からインクが吐出されるメカニズムを説明するための図２４のC3-C3線による断面図である。
【図２９Ｂ】  図２４に示したインク吐出部からインクが吐出されるメカニズムを説明するための図２４のC3-C3線による断面図である。
【図３０】  図２４に示した構造のインク吐出部を有するインクジェットプリントヘッドを製造する過程を示す断面図であり、左側は図２４のC1-C1線による断面図であり、右側は図２４のC3-C3線による断面図である。
【図３１】  図２４に示した構造のインク吐出部を有するインクジェットプリントヘッドを製造する過程を示す断面図であり、左側は図２４のC1-C1線による断面図であり、右側は図２４のC3-C3線による断面図である。
【図３２】  図２４に示した構造のインク吐出部を有するインクジェットプリントヘッドを製造する過程を示す断面図であり、左側は図２４のC1-C1線による断面図であり、右側は図２４のC3-C3線による断面図である。
【図３３】  図２４に示した構造のインク吐出部を有するインクジェットプリントヘッドを製造する過程を示す断面図であり、左側は図２４のC1-C1線による断面図であり、右側は図２４のC3-C3線による断面図である。
【図３４】  図２４に示した構造のインク吐出部を有するインクジェットプリントヘッドを製造する過程を示す断面図であり、左側は図２４のC1-C1線による断面図であり、右側は図２４のC3-C3線による断面図である。
【図３５】  図２４に示した構造のインク吐出部を有するインクジェットプリントヘッドを製造する過程を示す断面図であり、左側は図２４のC1-C1線による断面図であり、右側は図２４のC3-C3線による断面図である。
【図３６】  図２４に示した構造のインク吐出部を有するインクジェットプリントヘッドを製造する過程を示す断面図であり、左側は図２４のC1-C1線による断面図であり、右側は図２４のC3-C3線による断面図である。
【図３７】  図２７に示した構造のインク吐出部を有するインクジェットプリントヘッドを製造する過程を示す断面図である。
【図３８】  図２７に示した構造のインク吐出部を有するインクジェットプリントヘッドを製造する過程を示す断面図である。
【符号の説明】
１１２  マニホルド
１１４  インクチャンバ
１１６  インクチャンネル
１２０  ノズル板
１３０  ヒータ
１５０  電極
１６０  断熱層
１９０  インク
１９２  バブル
１９２'  膨脹したバブル
１８０  コーティング膜
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２５Ｃ】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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