(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクを供給するマニホルドと、インクが充填される実質的に半球形のインクチャンバと、インクを上記マニホルドから上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、
上記基板上に順次積層された第１絶縁膜、熱伝導物質よりなる熱伝導層及び第２絶縁膜を含む多層構造で形成され、上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させるノズルが形成されたノズル板と、
上記ノズルの縁部から上記インクチャンバの内側に延長した多層構造のノズルガイドと、
上記ノズル板上に設けられ、上記ノズルを包む形で形成されたヒーターと、
上記ノズル板上に設けられ、上記ヒーターと電気的に連結されて上記ヒーター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形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】
上記マニホルドは上記基板の背面に形成され、上記インクチャンネルはその両端部が各々上記マニホルドと上記インクチャンバに連結されるように上記基板の表面に所定深さで形成されることを特徴とする請求項１に記載の半球形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】
上記マニホルドは上記基板の背面に形成され、上記インクチャンネルは上記インクチャンバの底面に上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に記載の半球形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】
上記ノズルガイドは上記ノズル板の上記熱伝導層と上記第１絶縁膜が延長してなり、上記熱伝導層を上記第１絶縁膜が包んでいる形の多層構造よりなることを特徴とする請求項１に記載の半球形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】
上記第１絶縁膜と上記第２絶縁膜は酸化膜よりなることを特徴とする請求項１に記載の半球形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】
上記第１絶縁膜と上記第２絶縁膜の各々の厚さは５００Å〜２,０００Åであることを特徴とする請求項１に記載の半球形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】
上記熱伝導層はポリシリコンよりなることを特徴とする請求項１に記載の半球形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８】
基板の表面にノズルガイド形成用環状溝を形成する段階と、
基板の表面に熱伝導層を含む多層構造のノズル板とノズルガイドを形成する段階と、
上記ノズル板上にヒーターを形成する段階と、
上記基板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、
上記ノズル板上に上記ヒーターと電気的に連結される電極を形成する段階と、
上記ヒーターの内側に上記ノズル板をエッチングして上記ノズルガイドの内径と実質的に同径を有するノズルを形成する段階と、
上記ノズルにより露出された上記基板をエッチングして、実質的に半球形のインクチャンバを形成する段階と、
上記基板をエッチングしてインクを上記マニホルドから上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半球形チャンバを有するインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項９】
上記ノズル板とノズルガイドを形成する段階は、
上記基板の表面と上記環状溝の内側面に第１絶縁膜を形成する段階と、
上記第１絶縁膜上にポリシリコンを蒸着して上記熱伝導層を形成すると同時に上記環状溝の内部を上記ポリシリコンで充填して上記ノズルガイドを形成する段階と、
上記熱伝導層上に第２絶縁膜を形成する段階とを含むことを特徴とする請求項８に記載の半球形チャンバを有するインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項１０】
上記第１絶縁膜と上記第２絶縁膜は各々５００Å〜２,０００Åの厚さを有する酸化膜よりなり、上記熱伝導層は１μm〜２μmの厚さで蒸着されることを特徴とする請求項９に記載の半球形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の製造方法。
【請求項１１】
上記インクチャンネルを形成する段階は、
上記インクチャンバの底部の上記基板を所定の直径で異方性エッチングして上記マニホルドと連結される上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８に記載の半球形チャンバを有するインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【請求項１２】
上記インクチャンネルを形成する段階は、
上記ヒーターの外側と上記マニホルドとの間の上記ノズル板をエッチングして上記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、
上記インクチャンネル形成用溝により露出された上記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８に記載の半球形チャンバを有する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に係り、より詳細には半球形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、印刷用インクの少量の液滴を記録用紙上の所望の位置に吐出させて所定色相の画像で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、熱源を利用してインクにバブルを発生させて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、圧電体を利用し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させる電気-機械変換方式がある。
【０００３】
図１Ａ及び図１Ｂは、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うち一例であって、米国特許公報US４８８２５９５号に開示されたインク吐出部構造を示した切開斜視図及びそのインク液滴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に示され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ー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。上記インクチャンバ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、ヒーター１４に電流が供給されればヒーター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は膨脹しつづき、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。その後、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製造コストがやすく、かつ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ねばならない。第三に、一つのノズルからインクを吐出したりあるいはインクの吐出後インクチャンバにインクが再び充填される時、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の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。第四に、高速プリントのためには、できるだけインク吐出後のリフィル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。
【０００６】
ところが、このような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ーの構造、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。
【０００７】
これにより、前述した米国特許公報US４８８２５９５号以外にもUS４３３９７６２号、US５７６０８０４号、US４８４７６３０号、US５８５０２４１号、ヨーロッパ特許EP３１７１７１号、Fan-Gang  Tseng、Chang-Jin Kim、and Chih-Ming Ho，"A Novel Microinjector with Virtual Chamber Neck"、IEEE MEMS'９８、pp.５７-６２等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た。しかし、これら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たしたとしても全体的に満足できる水準ではない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記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ようにインクチャンバが半球形になっており、ヒーターで発生した熱を効果的に冷却できる構造よりなるインクジェットプリントヘッドとその製造方法を提供することにその目的がある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の技術的課題を達成するために本発明は、インクを供給するマニホルドと、インクが充填される実質的に半球形のインクチャンバと、インクを上記マニホルドから上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、上記基板上に順次積層された第１絶縁膜、熱伝導物質よりなる熱伝導層及び第２絶縁膜を含む多層構造で形成され、上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させるノズルが形成されたノズル板と、上記ノズルの縁部から上記インクチャンバの内側に延長した多層構造のノズルガイドと、上記ノズル板上に設けられ、上記ノズルを包む形で形成されたヒーターと、上記ノズル板上に設けられ、上記ヒーターと電気的に連結されて上記ヒーター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形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を提供する。
【００１０】
ここで、上記ノズルガイドは上記ノズル板の上記熱伝導層と上記第１絶縁膜が延長してなり、上記熱伝導層を上記第１絶縁膜が包んでいる形の多層構造よりなることが望ましい。そして、上記第１絶縁膜と上記第２絶縁膜は酸化膜よりなり、上記熱伝導層はポリシリコンよりなることが望ましい。
【００１１】
このような本発明によれば、プリントヘッドの諸般要件を満足できるようになり、特にノズルガイドの強度が高くて容易に変形されなく、熱伝導層を通じて熱が速く放出されてプリントヘッドの駆動周波数が高くなる。
【００１２】
そして、本発明は半球形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ガイド形成用環状溝を形成する段階と、基板の表面に熱伝導層を含む多層構造のノズル板とノズルガイドを形成する段階と、上記ノズル板上にヒーターを形成する段階と、上記基板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、上記ノズル板上に上記ヒーターと電気的に連結される電極を形成する段階と、上記ヒーターの内側に上記ノズル板をエッチングして上記ノズルガイドの内径と実質的に同径を有するノズルを形成する段階と、上記ノズルにより露出された上記基板をエッチングして、実質的に半球形のインクチャンバを形成する段階と、上記基板をエッチングしてインクを上記マニホルドから上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。
【００１３】
ここで、上記ノズル板とノズルガイドを形成する段階は、上記基板の表面と上記環状溝の内側面に第１絶縁膜を形成する段階と、上記第１絶縁膜上にポリシリコンを蒸着して上記熱伝導層を形成すると同時に上記環状溝の内部を上記ポリシリコンで充填して上記ノズルガイドを形成する段階と、上記熱伝導層上に第２絶縁膜を形成する段階とよりなる。
【００１４】
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が基板内に一体に形成され、ノズル板とヒーターだけでなくノズルガイド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。
【００１５】
【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例を詳細に説明する。しかし、後述される実施例は本発明の範囲を限定するのではなく、本発明を当業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誇張される場合もある。また、一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しつつその上に存在する場合もあり、その間に第３の層が存在する場合もある。
【００１６】
図２は、本発明の望ましい一実施例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。
【００１７】
図２を参照すれば、本発明に係るプリントヘッドは点線で表示されたインク供給マニホルド１１２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１００が２列に配置され、各インク吐出部１００と電気的に連結され、ワイヤがボンディングされるボンディングパッド１０２が配置されている。また、マニホルド１１２はインクを収容して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こともある。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。
【００１８】
図３は、図２に示されたインク吐出部を拡大して示した平面図であり、図４Ａないし図４Ｃは各々図３のA-A、B-B、C-C線によるインク吐出部の垂直構造を示す断面図である。
【００１９】
図３と図４Ａないし図４Ｃを参照すれば、インク吐出部１００の基板１１０の表面側には略半球形で形成されてインクが充填されるインクチャンバ１１４と、インクチャンバ１１４より浅く形成されてインクチャンバ１１４にインクを供給するインクチャンネル１１６とが設けられ、その背面側にはインクチャンネル１１６と合ってインクチャンネル１１６にインクを供給するマニホルド１１２が形成されている。また、インクチャンバ１１４とインクチャンネル１１６が合う地点にはバブルが膨脹してインクチャンネル１１６側に押されることを防止するバブル止め突起１１８が形成されている。
【００２０】
基板１１０の表面には所定の物質膜が積層された形でノズル板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は第１絶縁膜１２６、熱伝導層１２７、第２絶縁膜１２８が順次積層された形で形成される。上記第１絶縁膜１２６は、基板１１０がシリコンよりなる場合、シリコン基板１１０の表面を酸化させて形成されたシリコン酸化膜にすることもでき、または基板１１０上に蒸着されたTEOS(Tetraethyleorthosilicate)酸化膜にすることもできる。第１絶縁膜１２６は層間絶縁がなされる限度内でできるだけ薄く、例えば約５００Å〜２,０００Å、望ましくは実質的に１,０００Å程度の厚さで形成される。上記熱伝導層１２７は酸化膜に比べて熱伝導性が高い物質、例えばポリシリコン膜よりなりうる。熱伝導層１２７は後述するヒーター１４０で発生した熱を効果的に放出させる機能を行うものであって、それについては後述する。熱伝導層１２７は第１絶縁膜１２６より厚く、例えば約１μm〜２μmの厚さで形成される。上記第２絶縁膜１２８は熱伝導層１２７上に蒸着されたTEOS酸化膜よりなりうる。第２絶縁膜１２８も約５００Å〜２,０００Å、望ましくは実質的に１,０００Å程度の厚さで形成される。
【００２１】
そして、ノズル板１２０のインクチャンバ１１４の中心部に対応する位置にはインクが吐出されるノズル１２２が形成され、インクチャンネル１１６に対応する位置にはインクチャンネル形成用溝１２４が形成される。
【００２２】
ノズル１２２の縁部にはこれよりインクチャンバ１１４内側に延長したノズルガイド１３０が形成される。ノズルガイド１３０はノズル板１２０の熱伝導層１２７と第１絶縁膜１２６がインクチャンバ１１４内側に延長することによってなる。したがって、ノズルガイド１３０は熱伝導層１２７のインクチャンバ１１４内側に延長した部分と、この部分の両側面に形成された第１絶縁膜１２６の３階構造を有する。ノズルガイド１３０は上記多層構造によって、インクチャンバ１１４内の高熱及びバブルの膨脹とインク液滴の吐出による圧力変化によっても変形されない程度の強度を有するようになる。このようなノズルガイド１３０はインク液滴の吐出方向をガイドして正確に基板１１０に垂直の方向に吐出されるようにする機能と、インクチャンバ１１４内の熱を効果的に放出させる機能を行うものであって、それについては後述する。
【００２３】
ノズル板１２０上には、すなわち、第２絶縁膜１２８上にはノズル１２２を取り囲む環状のバブル生成用ヒーター１４０が形成される。このヒーター１４０は不純物の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。そして、ヒーター１４０にはパルス電流を印加するために通常金属よりなる電極１６０が連結される。また、電極１６０はボンディングパッド(図２の１０２)と連結される。
【００２４】
一方、図５はインク吐出部の変形例を示す平面図であって、図５に示されたインク吐出部１００'のヒーター１４０'はほぼオメガ状をなし、電極１６０はヒーター１４０'の両端部に各々接続される。すなわち、図３に示されたヒーターは電極の間で並列に接続されるのに対し、図５に示されたヒーター１４０'は電極１６０の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、ノズル板１２０、ノズル１２２及びノズルガイド１３０などの形状と配置は図３に示されたインク吐出部と同一である。
【００２５】
図６は、本発明の他の実施例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。本実施例は前述した実施例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。
【００２６】
図６を参照すれば、本実施例に係るプリントヘッドにおいて破線で表示されたインク供給マニホルド２１２上にジグザグで配置されたインク吐出部２００が２列に配置され、各インク吐出部２００と電気的に連結され、ワイヤがボンディングされるボンディングパッド２０２が配置されている。
【００２７】
図７は、図６に示されたインク吐出部を拡大して示す平面図であり、図８は、図７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。
【００２８】
図７と図８を共に参照すれば、本実施例のプリントヘッドのインク吐出部２００はインクチャンネル２１６及びマニホルド２１２の形状と位置を除いては基本的に前述した一実施例とほとんど類似した構造である。示したように、インク吐出部２００の基板２１０にはその表面側にインクが充填される略半球形のインクチャンバ２１４が形成されるが、インクチャンバ２１４にインクを供給するマニホルド２１２はインクチャンバ２１４の下方に位置するように基板２１０の背面側に形成され、インクチャンバ２１４とマニホルド２１２を連結するインクチャンネル２１６はインクチャンバ２１４の底部中央に形成される。この場合、インクチャンネル２１６の直径はインク吐出時インクがインクチャンネル２１６側に押される逆流現象及びインク吐出後インクリフィル時のその速度に影響を及ぼすので、インクチャンネル２１６の形成時その直径は微細に制御される必要がある。
【００２９】
そして、本実施例のインク吐出部２００の他の構成要素、すなわち、多層の物質膜２２６、２２７、２２８よりなるノズル板２２０、ノズル２２２、ノズルガイド２３０、ヒーター２４０及び電極２６０は前述した一実施例と同一なのでその説明を省略する。一方、本実施例のヒーター２４０は環状よりなっているが、図５に示されたようなオメガ状をなす場合もある。
【００３０】
以下、図９Ａと図９Ｂ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前述した２つの実施例がほとんど同一なので先に記述された一実施例を基準として説明する。
【００３１】
まず図９Ａを参照すれば、毛細管現象によりマニホルド１１２とインクチャンネル１１６を通じてインクチャンバ１１４内部にインク１９０が供給される。インクチャンバ１１４内部にインク１９０が充填された状態で、電極(図３の１６０)を通じてヒーター１４０にパルス電流を印加すればヒーター１４０で発生した熱が下のノズル板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が生成される。このバブル１９２の形はヒーター１４０の形によって図９Ａの右側に示されたように略ドーナツ状になる。この時、ノズル板１２０を通した熱の伝導は熱伝導率がさらに高い熱伝導層１２７により容易に行われる。また、熱伝導率がさらに低い二層の絶縁膜１２６、１２８は非常に薄くなっているので熱の伝導をほとんど妨害しない。
【００３２】
ドーナツ状のバブル１９２が経時的に膨脹すれば、図９Ｂに示されたようにノズル１２２下で合わせられて中央部が凹んでいる略円盤状のバブル１９２'に膨脹する。同時に、膨脹されたバブル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'がノズルガイド１３０により吐出方向がガイドされつつ吐出される。円盤状バブル１９２'はノズルガイド１３０の下方に延長した長さを調節することによって容易に形成できる。
【００３３】
印加した電流を遮断すれば冷却されてバブル１９２'は収縮されたり、そうでなければその前に破れ、インクチャンバ１１４内にはインクチャンネル１１６を通じて再びインク１９０が充填される。
【００３４】
前述したような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'の尻尾を切って前述した副液滴が生じない。
【００３５】
また、ヒーター１４０が環状またはオメガ状であって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が半球形になっていて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が吐出される。
【００３６】
そして、バブル１９２、１９２'の膨脹が半球形のインクチャンバ１１４内部に限定されてインク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がインクチャンバ１１４より浅いだけでなくインクチャンバ１１４とインクチャンネル１１６が合う地点にはバブル止め突起１１８が形成されており、インク１９０及びバブル１９２'自体がインクチャンネル１１６側に押される逆流現象を防止するのに効果的である。一方、図６ないし図８に示された実施例では、インクチャンネル２１６の直径がノズル２２２より小径である場合は、インクの逆流を防止するのに効果的である。
【００３７】
特に、吐出される液滴１９０'はノズルガイド１３０により吐出方向がガイドされて正確に基板１１０に垂直の方向に吐出される。一方、ノズルガイド１３０は、その強度が低い場合にはインクチャンバ１１４内の高熱及びバブル１９２、１９２'の膨脹とインク液滴１９０'の吐出よる圧力変化により容易に変形されるので、バブル１９２、１９２'の形状が望ましくなく、また液滴１９０'も正確な方向に吐出されない問題点が発生する。しかし、本発明によれば、ノズルガイド１３０は前述したように多層構造よりなっていてその強度が十分に高く維持できるので、インクチャンバ１１４内の高熱及び圧力変化によっても容易に変形されない。
【００３８】
そして、ノズル板１２０とノズルガイド１３０に熱伝導率が高い熱伝導層１２７が設けられているため、ヒーター１４０に印加した電流が遮断されればこの熱伝導層１２７を通じてインクチャンバ１１４内の熱がさらに速く放出されてインク１９０の冷却及びバブル１９２'の消滅が速く行われる。これにより、バブルの生成及び消滅の周期が短くなって駆動周波数がさらに高くなる。
【００３９】
次に、本発明の一実施例に係る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。
【００４０】
図１０ないし図１８は、図３に示され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図であって、図１０ないし図１８で左側は図３のA-A線の断面図であり、右側は図３のC-C線断面図である。
【００４１】
まず、図１０を参照すれば、本実施例で基板１１０は結晶方向が１００、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。備えられた基板１１０の表面に約１０μmの深さで約２μmの幅を有する環状溝１３０'を形成する。この環状溝１３０'はノズルガイドを形成するための溝であって、その内径は後続形成されるノズルの直径、例えば１６〜２０μmに合わせられる。この溝１３０'はフォトレジストパターンをエッチングマスクとして基板１１０の表面を異方性エッチングすることによって形成できる。
【００４２】
次いで、シリコンウェーハ１００の表面に第１絶縁膜１２６を形成する。第１絶縁膜１２６はシリコン酸化膜よりなりうる。この場合には基板１１０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してシリコン酸化膜１２６、１２６'が形成される。第１絶縁膜１２６は層間絶縁が行われうる限度内でできるだけ薄く、例えば約５００Å〜２,０００Å、望ましくは実質的に１,０００Å程度の厚さで形成する。一方、第１絶縁膜１２６は基板１１０表面に蒸着するTEOS酸化膜に取り替えられる。
【００４３】
一方、図１０はシリコンウェーハの一部を示したものであって、本発明に係るプリントヘッドは一つのウェーハで数十ないし数百個のチップ状態に製造される。また、図１０では基板１１０の表面及び背面にシリコン酸化膜１２６、１２６'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配置（batch）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（sheet-fed）式酸化炉を使用する場合は背面にシリコン酸化膜１２６'が形成されない。このように使用する装置によって所定の物質膜が表面にのみ形成されたり背面まで形成されたりする点は以下の図１８まで同じである。ただし、便宜上以下に他の物質膜(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の表面方向にのみ形成されることと示して説明する。
【００４４】
図１１は、基板１１０表面側の第１絶縁膜１２６上に熱伝導層１２７と第２絶縁膜１２８を順次積層して三層よりなるノズル板１２０を形成した状態を示すものである。熱伝導層１２７はポリシリコン膜よりなりうるが、これはポリシリコンを第１絶縁膜１２６上に化学気相蒸着法により所定厚さ、例えば約１μm〜２μmの厚さで蒸着することによって形成できる。この時、図１０の環状溝の内部にもポリシリコンが蒸着される。これにより、環状溝の内部は熱伝導層１２７とこれを包む第１絶縁膜１２６により完全に充填されてノズルガイド１３０が形成される。
【００４５】
次いで、熱伝導層１２７表面に再び第２絶縁膜１２８としてTEOS酸化膜を約５００Å〜２,０００Å、望ましくは実質的に１,０００Å程度の厚さで蒸着する。結果的に、基板１１０の表面には第１絶縁膜１２６、熱伝導層１２７及び第２絶縁膜１２８が順次積層された構造のノズル板１２０が形成される。
【００４６】
図１２は、ノズル板１２０上に環状のヒーター１４０とシリコン窒化膜１５０を形成した状態を示したものである。このヒーター１４０はノズル板１２０上に、すなわち第２絶縁膜１２８上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、ヒーター１４０の幅と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。第２絶縁膜１２８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利用し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。シリコン窒化膜１５０はヒーター１４０の保護膜であって、例えば約０.５μmの厚さでやはり低圧化学気相蒸着法で蒸着できる。
【００４７】
図１３は、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。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。
【００４８】
一方、上記マニホルド１１２は前段階で形成でき、または後述するTEOS酸化膜(図１５の１７０)まで形成した後に基板１１０をエッチングすることによって形成する場合もある。また、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り、基板１１０を貫通してエッチングすることによって形成する場合もあり、基板１１０の背面ではない表面側でエッチングして形成する場合もある。
【００４９】
図１４は、電極１６０を形成してノズルが形成される部位の基板１１０を露出させた状態を示したものである。具体的に、図１３のシリコン窒化膜１５０のヒーター１４０の上部で電極１６０と接続される部分をエッチングしてヒーター１４０を露出する。次いで、電極１６０を導電性に優れてパターニングが容易な金属、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パターニングすることによって形成する。この時、電極１６０をなす金属膜は基板１１０上の他部で配線(図示せず)とボンディングパッド(図２の１０２)をなすように同時にパターニングされる。
【００５０】
そして、ノズルが形成される部位のシリコン窒化膜１５０とノズル板１２０を順次エッチングして基板１１０を露出させる。
【００５１】
図１５は、電極１６０が形成された基板１１０の全面にTEOS酸化膜１７０を形成した状態を示したものである。このTEOS酸化膜１７０は約１μmの厚さで、アルミニウムまたはその合金よりなる電極１６０とボ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。このTEOS酸化膜１７０により図１４の段階で外部に露出された熱伝導層１２７の一部が覆われる。
【００５２】
図１６は、インクチャンネル形成用溝１２４を形成した状態を示したものである。具体的に、図１６の右側に示されたように、ヒーター１４０の外側にマニホルド１１２の上部まで直線上のインクチャンネル形成用溝１２４を形成する。この溝１２４は基板１１０が露出されるようにTEOS酸化膜１７０、シリコン窒化膜１５０及びノズル板１２０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とし、その幅は約２μmとする。この時、ノズル１２２部位の底面のTEOS酸化膜１７０をエッチングして基板１１０を露出させる。一方、インクチャンネル形成用溝１２４は図１４の段階でノズルが形成される部位の基板１１０を露出させる時に共に形成されうる。この場合には図１６の段階でインクチャンネル形成用溝１２４部位のTEOS酸化膜１７０を除去する。また、インクチャンネル形成用溝１２４は後述する図１７の段階で形成される場合もある。
【００５３】
次いで、図１７に示されたように、ノズル１２２部位の底面の基板１１０をノズルガイド１３０の下端部まで異方性エッチングする。これにより、ノズルガイド１３０の内周面が完全に露出される。
【００５４】
図１８は、露出された基板１１０をエッチングしてインクチャンバ１１４とインクチャンネル１１６を形成した状態を示したものである。インクチャンバ１１４はノズル１２２を通じて露出された基板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使用して基板１１０を所定時間乾式エッチングする。そうすると示されたように、その深さと半径が約２０μmである半球形のインクチャンバ１１４が形成され、これと同時にインクチャンバ１１４とマニホルド１１２と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１１６が形成される。また、インクチャンバ１１４とインクチャンネル１１６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１１４とインクチャンネル１１６が合って形成される突出したバブル止め突起１１８が形成される。このようにインクチャンバ１１４とインクチャンネル１１６は同時に形成できるが、順次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例に係るインクジェットプリントヘッドが形成される。
【００５５】
図１９及び図２０は、図７に示された構造のインク吐出部を有する本発明の他の実施例に係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７のD-D線による断面図である。
【００５６】
本実施例のインクジェットプリントヘッドの製造方法は、前述した一実施例の製造方法のうちマニホルドと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。
【００５７】
すなわち、図１１及び図１２の段階は同一であり、図１３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１９に示されたように、本実施例のマニホルド２１２は後に形成されるインクチャンバの下方に位置するように基板２１０の背面をエッチングすることによって形成される。
【００５８】
そして、図１４ないし図１８の段階も同一であるが、本実施例では右側に示されたインクチャンネルは形成されない。その代わりに、図２０に示されたように、インクチャンバ２１４を形成した後にインクチャンバ２１４の底部の中間部位を異方性エッチングしてマニホルド２１２と連結されるインクチャンネル２１６を形成する。これにより、前述した他の実施例のインクジェットプリントヘッドが形成される。
【００５９】
【発明の効果】
以上で説明したように、本発明に係る半球形チャンバを有する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。
【００６０】
第一に、ヒーターを環状に形成し、インクチャンバを半球形に形成することによって、インクの逆流が抑制されて他のインク吐出部との干渉を避けることができ、バブルがドーナツ状に形成されて副液滴の発生を抑制できる。
【００６１】
第二に、ノズルガイドにより液滴の吐出方向がガイドされて液滴を基板に正確に垂直方向に吐出できる。また、ノズルガイドは多層構造よりなっていてその強度が十分に高く維持されるので、インクチャンバ内の高熱及び圧力変化によっても容易に変形されない。
【００６２】
第三に、ノズル板とノズルガイドに熱伝導率が高い熱伝導層が設けられているので、ヒーターに印加した電流が遮断されればこの熱伝導層を通じてインクチャンバ内部の熱がより速く放出されてインクの冷却及びバブルの消滅が速く行われる。これにより、バブルの生成から消滅までの周期が短くなって駆動周波数がさらに高くなる。
【００６３】
第四に、プリントヘッドの各構成要素、すなわち、マニホルド、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、ノズル、ノズルガイド及びヒーター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ボンディングする複雑な工程を経た不便と誤整列の問題が解消される。また、一般の半導体素子の製造工程と互換が可能であり大量生産が容易になる。
【００６４】
以上本発明の望ましい実施例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例が可能である。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としては例示されない物質を使用してもよい。すなわち、基板はシリコンだけではなく加工性に優れた他の物質に取り替えられ、ヒーターや電極、シリコン酸化膜、窒化膜も同様である。また、各物質の積層及び形成方法も単に例示されたことであって、多様な蒸着方法とエッチング方法が適用できる。
【００６５】
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と異なっても良い。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に作動できる範囲内で調整できる。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】  図１Ａは、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吐出過程を説明するための断面図である。
【図１Ｂ】  図１Ｂは、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吐出過程を説明するための断面図である。
【図２】  本発明の望ましい一実施例に係る半球形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の約的な平面図である。
【図３】  図２に示されたインク吐出部を拡大して示す平面図でる。
【図４Ａ】  図４Ａは、図３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４Ｂ】  図４Ｂは、図３のB-B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４Ｃ】  図４Ｃは、図３のC-C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５】  図３に示されたインク吐出部の変形例を示す平面図である。
【図６】  本発明の他の実施例に係る半球形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の概略的な平面図である。
【図７】  図６に示されたインク吐出部を拡大して示した平面図である。
【図８】  図７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９Ａ】  図９Ａは、図３に示され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３のC-C線による断面図である。
【図９Ｂ】  図９Ｂは、図３に示され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３のC-C線による断面図である。
【図１０】  図３に示された構造のインク吐出部を有する本発明の一実施例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を製造する過程を示す断面図である。
【図１１】  図３に示された構造のインク吐出部を有する本発明の一実施例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を製造する過程を示す断面図である。
【図１２】  図３に示された構造のインク吐出部を有する本発明の一実施例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を製造する過程を示す断面図である。
【図１３】  図３に示された構造のインク吐出部を有する本発明の一実施例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を製造する過程を示す断面図である。
【図１４】  図３に示された構造のインク吐出部を有する本発明の一実施例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を製造する過程を示す断面図である。
【図１５】  図３に示された構造のインク吐出部を有する本発明の一実施例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を製造する過程を示す断面図である。
【図１６】  図３に示された構造のインク吐出部を有する本発明の一実施例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を製造する過程を示す断面図である。
【図１７】  図３に示された構造のインク吐出部を有する本発明の一実施例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を製造する過程を示す断面図である。
【図１８】  図３に示された構造のインク吐出部を有する本発明の一実施例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を製造する過程を示す断面図である。
【図１９】  図７に示された構造のインク吐出部を有する本発明の他の実施例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を製造する過程を示す断面図である。
【図２０】  図７に示された構造のインク吐出部を有する本発明の他の実施例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を製造する過程を示す断面図である。
【符号の説明】
１１０    基板
１１２    マニホールド
１１４  インクチャンバ
１１６  インクチャンネル
１２０  ノズル板
１２２  ノズル
１２６  第１絶縁膜
１２７  熱伝導層
１２８  第２絶縁膜
１３０  ノズルガイド
１４０  ヒーター
１６０  電極
【図１Ａ】
0003851814.tif 000002
【図１Ｂ】
0003851814.tif 000003
【図２】
0003851814.tif 000004
【図３】
0003851814.tif 000005
【図４Ａ】
0003851814.tif 000006
【図４Ｂ】
0003851814.tif 000007
【図４Ｃ】
0003851814.tif 000008
【図５】
0003851814.tif 000009
【図６】
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【図７】
0003851814.tif 000011
【図８】
0003851814.tif 000012
【図９Ａ】
0003851814.tif 000013
【図９Ｂ】
0003851814.tif 000014
【図１０】
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【図１１】
0003851814.tif 000016
【図１２】
0003851814.tif 000017
【図１３】
0003851814.tif 000018
【図１４】
0003851814.tif 000019
【図１５】
0003851814.tif 000020
【図１６】
0003851814.tif 000021
【図１７】
0003851814.tif 000022
【図１８】
0003851814.tif 000023
【図１９】
0003851814.tif 000024
【図２０】
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