JP4208794B2 - インクジェットヘッド用基板、該基板の製造方法および前記基板を用いるインクジェットヘッド - Google Patents

Description

本発明は、インクを吐出して記録を行うインクジェットヘッド、該ヘッド用基板、前記インクジェットヘッドの製造方法および前記インクジェットヘッドを用いるインクジェットプリント装置に関するものである。

インクジェット記録方式は、記録手段であるインクジェットヘッドのコンパクト化が容易であり、高精細な画像を高速で記録することができるとともに、特別な処理を施していない所謂普通紙に対しても記録を行うことができることからランニングコストが低廉であるという利点を有している。また、ノンインパクトの記録方式であるため騒音の発生が少なく、しかも多色のインクを使用したカラー画像記録に対応することが容易であるなどの利点も有している。

インクジェット記録方式を実現するためのインクジェットヘッドにも種々の吐出方式を採用するものがある。中でも、特許文献１および特許文献２等に開示されているような熱エネルギを利用してインクを吐出する方式によるインクジェットヘッドは、インクを加熱発泡させるための複数の発熱部（ヒータ）およびこれに電気的接続を行う配線等を同一の基体上に作製してインクジェットヘッド用基板とし、さらにその上に発熱部に対応してインクを吐出させるためのノズル（吐出口）を形成した構成が一般的である。この構成は、半導体製造工程と同様のプロセスを経て、発熱抵抗体および配線等を高密度に多数配置したインクジェットヘッド用基板を容易かつ精度高く製造することができることから、記録の高精細化および高速化を実現できる。さらにこれにより、インクジェットヘッドないしはこれを用いる記録装置の一層のコンパクト化を図ることができる。

図１および図２は、それぞれ、一般的なインクジェットヘッド用基板の発熱部の模式的平面図およびそのＩＩ−ＩＩ線断面図である。図２に示すように、基体１２０上には、下層に発熱抵抗体層１０７が、さらにその上層に電極配線層１０３’が形成され、電極配線層１０３の一部を除去してその部分の発熱抵抗体層を露出することで発熱部１０２が形成される。電極配線のパターン２０５および２０７は基体１２０上で引き回され、駆動素子回路ないし外部電源端子に接続されて、外部からの電力供給を受けることができる。ここで、発熱抵抗体層１０７は電気抵抗値が高い材料で形成されており、電極配線層１０３’を介して外部から電流を流すことによって、電極配線層１０３’の非存在部分である発熱部１０２が熱エネルギを発生し、インクを発泡させる。また、電極配線層１０３’を形成する材料には、ＡｌもしくはＡｌを含む合金材料が主に用いられている。

インクジェットヘッド用基板は、一方では投入する電気エネルギを低減することによる省力化を図り、他方ではインクの発泡と消泡との繰り返しによるキャビテーションがもたらす機械的ダメージや、パルス状の電気エネルギが繰り返し印加されて発熱することに起因して発熱部１０２が破壊されることによる基板の寿命の低下を防ぐために、様々な工夫がなされている。

この保護膜は、熱すなわちエネルギ効率の点から見ると、熱伝導率の高いもの、あるいは膜厚を薄くしたものとする方が有利である。しかるに一方、保護膜には発熱部１０２に接続する電極配線をインクから保護するという目的もあり、例えば成膜工程において膜に生じる欠陥の存在確率の点からは、膜厚を厚くする方が有利である。従って、エネルギ効率および信頼性を折衷させる観点から、保護膜は適切な厚さに設定されている。

しかし、保護膜はインクの発泡等に伴って生じるキャビテーションによるダメージすなわち機械的ダメージと、発泡後に表面が高温になることから高温下での保護膜形成材料のインク成分との化学反応が生じることによるダメージすなわち化学的ダメージとの、双方の影響を受ける。このため、実際には配線をインクから絶縁・保護するための機能と、機械的および化学的ダメージに対する安定化機能とを両立させることが難しい。従って、インクジェット基板の保護膜を２層構成とし、上層には機械的および化学的ダメージに対して安定性の高い膜を形成し、下層には配線を守るための絶縁保護膜を形成することが一般的である。

そして具体的には、上層には機械的および化学的安定性の極めて高い膜であるＴａ膜、下層には既存の半導体製造装置で容易に安定な膜が形成できるＳｉＮ膜やＳｉＯ膜を形成することが一般的である。さらに具体的には、配線上に下層の保護膜（保護絶縁膜）１０８として厚み約０．２〜１μｍのＳｉＮ膜を形成し、そのあとに上層の保護膜（一般的には、そのキャビテーションによるダメージに対する膜としての性能から耐キャビテーション膜と呼ばれる）１１０として厚み０．２〜０．５μｍのＴａ膜を形成する。この構成によって、インクジェットヘッド基板の電気熱変換効率の向上および長寿命化と、信頼性との両立を図っているのである。

米国特許第４，７２３，１２９号明細書 米国特許第４，７４０，７９６号明細書

インクジェットヘッドは近年、省エネルギおよび熱効率向上等の観点から、発熱抵抗体の高抵抗化が進んできており、微小なヒータ寸法のばらつきであってもヒータ抵抗値のばらつきに大きく影響を与えるようになってきた。抵抗値のばらつきによって各ヒータで発泡現象に違いが生じてしまうと、１ノズルでの所要のインク吐出量を確保できないばかりか、各ノズル間でもインク吐出量が大きくばらつくことになり、記録品位の低下につながってしまうことになるので、ヒータ部における電極配線のパターニング精度の向上がこれまで以上に求められている。

また、インクジェットプリント装置には、その普及に伴って、近年さらなる記録の高解像化、高画質化、高速化が求められている。このうち高解像化、高画質化の要求に対する一つの解決手段としては、１ドット当りの吐出インク量をより少量化（インクを滴として吐出する場合にはインク滴の小径化）することが挙げられる。従来、インクの少量化を達成するためには、ノズルの形状を変える（オリフィス面積を小さくする）とともに発熱部の面積（図１における幅Ｗ×長さＬ）を小さくすることで対応してきた。発熱部が小面積化するほどヒータ寸法のばらつきの影響が相対的に大となるので、その意味でも、ヒータ部における電極配線のパターニング精度の向上が求められることになる。

一方、プリント装置全体の省電力化を図るという観点からは、電極配線の低抵抗化も重要である。通常、電極配線の低抵抗化は基板上に形成される電極配線の幅を広げることにより行われる。しかしながら、基板上に形成される発熱部の数が増し、かつその小面積化がもとめられる状況下、基板の大型化を伴わずには電極配線の幅を広げるだけの十分なスペースを確保できなくなり、かつ電極配線の幅を広げることで小面積のヒータ部ないしはノズルの高密度実装を制約してしまうことになる。

そこで、電極配線を厚膜化することにより電極配線の低抵抗化を図ることも考えられるが、これに伴ってヒータ部のパターニング精度向上が困難となってくる。

図１および図３を参照してこれを説明する。
まず、図１および図２に示す構成において、発熱部１０２を形成する部分においては、電極配線層１０３’をエッチングにより除去してその部分の発熱抵抗体層を露出させている。ここで、保護絶縁膜１０８や耐キャビテーション膜１１０のカバレッジ性を考慮し、ウェットエッチング法を用いて電極配線１０３’をテーパ形状としている。ウェットエッチングにおけるエッチングは等方的に進むことから、エッチングにより生じる誤差、特に発熱部１０２の長さ方向における寸法公差は、電極配線層１０３’の厚みと比例する関係にある。

図３はＡｌの電極配線層の厚みと上記Ｌ方向の寸法公差との関係を示し、横軸は例えば０．３μｍ（３００ｎｍ）の厚みに対する倍率を、縦軸は寸法公差（μｍ）を示している。この図に示すように、倍率＝１の厚みでは寸法公差が０．５μｍであるのに対し、倍率＝１．７では寸法公差が約１μｍとなり、倍率＝２．９では寸法公差が約２μｍともなる。従って、例えば発熱部１０２の小面積化に対応して長さＬを小さくするほど、この公差分のばらつきによる影響が大となってくる。

以上のように、発熱抵抗体の高抵抗化や発熱部の小面積化と、電極配線の厚膜化とを両立することは極めて困難であり、極めて精度高いパターニングが要求されることになるのである。

本発明は、以上に鑑みてなされたもので、発熱部を精度高く形成できるようになして発熱抵抗体の高抵抗化や発熱部の小面積化の要求に応え、もって省エネルギ化および熱効率の向上や、記録の高解像化および高画質化等に資することを第１の目的とする。

さらに本発明は、それらにより小型にして信頼性高く、かつ安定した記録が可能なインクジェットヘッドを提供することにある。

そのために、本発明は、通電に応じてインクを吐出するために利用される熱エネルギを発生する発熱部を有するインクジェットヘッド用基板であって、
前記発熱部を形成するための第１間隙を有し、耐腐食性金属で形成された第１電極と、
前記第１間隙より広い第２間隙を有して前記第１電極にオーバラップして配置される第２電極と、
前記第１間隙および前記第２間隙を含め前記第１電極および前記第２電極の上層として前記第１電極および前記第２電極に接して配置される発熱抵抗体層と、
を具え、前記第１電極の厚みが前記第２電極の厚みより小であり、前記発熱抵抗体層は、前記発熱部において前記第１電極と同一面上にあり、前記第１間隙に面する前記第１電極の端部が前記基板の面に対して垂直であり、前記第２間隙に面する前記第２電極の端部がテーパ形状であることを特徴とする。

また、本発明は、通電に応じてインクを吐出するために利用される熱エネルギを発生する発熱部を有するインクジェットヘッド用基板の製造方法であって、
基体上に、前記発熱部を形成するための第１間隙を有する第１電極を耐腐食性金属で形成する工程と、
前記第１電極の上層として前記第１電極より厚みが大きい第２電極となる層を配置し、該層を、前記第１間隙より広い第２間隙であってかつその端部が前記第１電極上に位置するように除去することで、第２電極を形成する工程と、
前記第１間隙および前記第２間隙を含め前記第１電極および前記第２電極の上層として前記第１電極および前記第２電極に接して発熱抵抗体層を配置する工程と、
を具え、該配置工程では、前記発熱抵抗体層が前記発熱部において前記第１電極と同一面上にあるように配置を行い、前記第１電極を形成する工程では、ドライエッチングにより前記第１電極を形成し、前記第２電極を形成する工程では、ウェットエッチングにより前記第２電極を形成することを特徴とする。

さらに、本発明は、上記インクジェットヘッド用基板と、前記発熱部に対応したインク吐出口と、を具えたインクジェットヘッドに存する。

本発明によれば、薄膜化した第１電極の間隙に発熱部を形成することができるため、発熱部の寸法のばらつきを小さくでき、かつ発熱抵抗体層およびさらにその上層の保護膜（１０８，１１０）のカバレッジ性が向上する。これにより、発熱抵抗体の高抵抗化や発熱部の小面積化の要求に応え、もって省エネルギ化および熱効率の向上や、記録の高解像化および高画質化等に資することができるとともに、基板ないしインクジェットヘッドの信頼性および耐久性を向上することができる。

さらに、これらにより小型にして信頼性高く、かつ安定した記録が可能なインクジェットヘッドを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

（インクジェットヘッド用基板の第１の実施形態およびその製造工程）
図４は、本発明の第１の実施形態によるインクジェットヘッド用基板の発熱部の模式的断面図であり、図１のＩＩ−ＩＩ線断面に対応している。ここで、図２の各部と同様に機能する部分については対応箇所に同一符号を付してある。

図４に示すように、本実施形態においては、所望の間隔を置いた一対の電極１０１が絶縁層１０６を介して基体１２０上に配置されている。ここで、本実施形態では電極１０１を耐腐食性金属でなるものとしている。その上層として、ＡｌまたはＡｌを含む合金からなる電極配線層１０３が、電極１０１がなす間隙よりも広い間隔を有して配置され、電極１０１に電気的に接続されている。さらにそれらを覆って発熱抵抗体層１０７が配置されている。すなわち、電極１０１の間隙によって発熱部１０２が形成され、かつその寸法が規定される。一方、電極配線層１０３は、基体１２０上で引き回され、駆動素子回路ないし外部電源端子に接続される一方、第１電極１０１の面上に端部が位置する。なお、以下では、発熱部１０２を形成し、かつその寸法を規定する電極１０１を第１電極、電極配線層１０３を第２電極と称する。

図５（ａ）〜（ｄ）を参照して、図４に示したインクジェットヘッド用基板の製造方法の実施形態を説明する。

まず、図５（ａ）において、図２と同様のＳｉでなる基体（不図示）を用意し、その上に絶縁層１０６を形成した。ここで、基体としては、＜１００＞Ｓｉ基体に対し、発熱部１０２を選択的に駆動するためのスイッチングトランジスタ等の半導体素子でなる駆動回路を予め作り込こんでおいたものとすることができる。さらに、絶縁層１０６の上に、耐腐食性金属、例えばＴａ膜をスパッタリングによって１００ｎｍの厚さに形成した後、所望の形状にパターニングを行い、第１電極１０１を形成する。

次に、図５（ｂ）に示すように、第２電極１０３を得るためのＡｌ膜を約３５０〜６００ｎｍの厚さに形成した。続いてフォトリソグラフィ法により、レジストを所定の形状に塗布した後に、例えばＢＣｌ_３およびＣｌ_２の混合ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により所望の形状に形成した。発熱部１０２付近における第２電極１０３の間隙となる部分のＡｌ層を除去するために、フォトリソグラフィ法を用い、レジストを所望の形状に塗布した後、リン酸を主成分とするウェットエッチング法によってＡｌ層を除去した。

次に、図５（ｃ）に示すように、スパッタリング法により、発熱抵抗体を形成するための層として例えばＴａＳｉＮでなる膜１０７を約５０ｎｍの厚さに形成し、続いてフォトリソグラフィ法により、レジストを所定の形状に塗布した後に例えばＢＣｌ_３およびＣｌ_２の混合ガスを用いたＲＩＥにより所望の形状に形成した。

次に、図５（ｄ）に示すように、発熱抵抗体層１０７および配線部が直接インクに触れるのを防ぐために、プラズマＣＶＤ法を用い、約４００℃の温度下で、ＳｉＮ膜からなる保護絶縁膜１０８を約３００ｎｍの厚さに形成した。

さらに、耐キャビテーション膜１１０を形成するために、スパッタリング法により、例えばＴａ膜を約２００ｎｍの厚さに形成した。そして、フォトリソグラフィ法により、レジストを所望の形状に塗布した後、ＣＦ_４を用いた反応性ドライエッチングによってＴａ膜を所望の形状に形成し、これにより図４に示したインクジェットヘッド用基板を得た。

以上のようなプロセスを経て製造されたインクジェット記録ヘッド用基板は、基体上に、第１の間隙を隔てて設けられ、当該間隙部分に発熱部が形成される一対の第１電極と、第１の間隙より広い第２の間隙をもち、一対の第１電極にオーバラップして形成された一対の第２電極と、それらの上に形成された発熱抵抗体層と、を有してなるものであって、第１電極が耐腐食性金属で形成されている。このような構成を採ることにより、以下のような顕著な効果が得られる。

まず、第１電極１０１に対し第２電極１０３をオーバラップして配置しているため、配線抵抗の急激な増加を抑えながら第１電極１０１を薄膜化することができる。そして、発熱部１０２は第１電極１０１で形成されるため、発熱部の寸法のばらつきを小さくでき、かつ発熱抵抗体層およびさらにその上層の保護膜（１０８，１１０）のカバレッジ性が向上する。また、例えばウェットエッチング法を用いて第２電極のパターニングを行う場合にも、これは発熱部１０２の外側で実施されるので、発熱部の寸法に影響を与えることがなく、かつ仮にカバレッジ性が不十分であったとしてもヒータ抵抗のばらつきに影響を与えることはない。これらにより、発熱部を寸法精度高く形成することができるので、発熱抵抗体の高抵抗化や発熱部の小面積化の要求に応えることができ、さらに、ステップ部における保護膜のカバレッジ性が向上することから、信頼性および耐久性を向上することができる。

また、一般的に電極配線層に使用されるＡｌもしくはＡｌ合金は、保護膜形成時に加わる温度が４００℃以上になるとヒロックの発生が顕著になり、このヒロックが電極配線層のカバレッジ性を低下させる原因となるため、これを保護するための保護膜には十分な厚さが必要となる。しかし、電極配線上に発熱抵抗体が形成されていると、保護膜形成時に加わる温度が４００℃以上になっても、高融点金属を含む発熱抵抗体が存在することにより、ヒロック発生を制御することができる。

また、本実施形態と異なり、第１電極１０１の下層として発熱抵抗体層を形成する場合には、第１電極のパターニング時すなわち発熱部の形成時に適用される加工によって下層の発熱抵抗体層が侵食されないようにするために、第１電極および発熱抵抗体層の形成材料を異ならせる（例えば発熱抵抗体１０７がＴａまたはＴａを含む合金で形成されている場合には、第１電極１０１は少なくともＴａまたはＴａを含む合金以外の耐腐食性金属を選択する）ことが好ましいものとなる。従って、発熱部を寸法精度高く形成し、かつ材料選択の自由度を拡大する上でも、本実施形態のように電極上に発熱抵抗体層を形成することが有利である。

また、Ａｌ等でなる第２電極１０３は発熱部１０２に直面するものではないため、駆動の繰返しにより発熱部１０２上もしくはその近傍の保護膜の欠陥が生じても、第２電極１０３が侵食される恐れを低減し、従ってまた配線に沿った腐食の進行も生じにくい。ここで、発熱抵抗体層の形成材料は一般にＡｌよりは侵食に強く、また第１電極の形成材料は耐腐食性の金属材料から選択されている。従って、発熱部１０２上もしくはその近傍の保護膜の欠陥が生じても、図２に示したような構成に比して、腐食の進行を抑制できるのである。

つまり、図２に示したような構成では、駆動中に発熱部上またはその直近の保護膜が破壊されると、発熱部に面する配線が侵食され、断線を起こす恐れが高くなる。そして、断線が生じた後も駆動が続けられると、電気分解によって断線箇所から配線の腐食が進行して行く。インクジェットヘッドは、所定個数のヒータを単位として共通に配線されてブロック駆動される構成とされることが多いが、そのような配線構成とされた場合、たとえ１箇所の断線であっても、その部位からブロック全体に腐食が伝染することがあるが、本実施形態では、そのような重大な問題が発生する恐れを格段に低減できるものである。

なお、本発明の思想を逸脱せず、所望の効果が得られる範囲で、第１電極の厚みを定めることができる。すなわち、発熱部を寸法精度高く形成し、また保護膜のカバレッジ性を良好なものとする上で、第１電極の厚みは好ましくは１００ｎｍ以下とされる。

また、第１電極として選択可能な耐腐食性の金属材料としては、上記Ｔａのほか、その合金、Ｐｔ、またはその合金、あるいはＴｉＷとすることができる。そして、選択される材料に応じた適切な加工を行うことができる。

上記実施形態のように、例えばＳｉＯから成る絶縁層１０６の上層に、例えばＴａから成る第１電極１０１を形成する場合、そのエッチング方法としては、上述のようにＣｌ_２、ＢＣｌ_３等のガスを用いたＲＩＥによるドライエッチング法を用いる。このようなドライエッチング法では、ウェットエッチングに比べれば寸法精度に与える影響は少ないが、オーバーエッチングによって第１電極間での絶縁層１０６の膜厚減少が生じ、第１電極の厚み以上の段差が生じることがあり得る。これは、発熱部間での抵抗値のばらつきをもたらすことになり、また発熱抵抗体層１０７ないしは保護膜（１０８，１１０）のカバレッジ性を低下させる要因ともなる。

そこで、このような場合には、図６に示すように、第１電極１０１の下地層として、ＳｉＯ膜よりも高いエッチング選択比が得られるＳｉＣでなる膜２１０を配置してから、第１電極を形成するようにすることで、オーバーエッチングの影響を抑制するようにすればよい。

また、例えば、第１電極の形成材料としてＴｉＷを用いる場合には、ウェットエッチングを行うようになし、その際エッチング液として過酸化水素水溶液を用いると、下層である絶縁層１０６とのエッチング選択比が向上する。すなわち、第１電極間での絶縁層１０６の膜厚減少量が少なくなるので、その後の発熱抵抗体層１０７ないしは保護膜（１０８，１１０）のカバレッジ性が向上し、基板ないしヘッドの信頼性向上の効果が得られる。

（インクジェットヘッド用基板の第２の実施形態）
上述のように、熱エネルギを利用してインクを吐出する方式によるインクジェットヘッドでは、記録の高解像化、高画質化、高速化に応えるため、ノズル数を増加し、さらに高精細かつ高密度化していくことが求められている。これに対応して、基体上に配設される発熱部の数も増加し、かつこれらを高精細かつ高密度に形成することが求められている。また、これに伴って、熱効率を上げて消費電力を下げる省力化も求められている。かかる省力化の観点からは、発熱抵抗体に接続される電極配線の抵抗の低減を図ることが強く望ましい。通常、電極配線の低抵抗化は基板上に形成される電極配線の幅を広げることにより行われる。しかしながら、基板上に形成されるエネルギ発生部の数が上述した理由により膨大になってくると、基板の大型化を伴わずには電極配線の幅を広げるだけの十分なスペースを確保できなくなる。

図７（ａ）を用いてこれを説明する。
同図（ａ）の場合、基板（不図示）の端部に配置される端子２０５Ｔに近い発熱部１０２Ｎに対する配線パターン２０５ＮがＹ方向に延在する配線部分において幅Ｗを有しているとき、端子２０５Ｔから遠い発熱部１０２Ｆに対する配線パターン２０５Ｆは、図のＹ方向に延在する配線部分において幅ｘ・Ｗ（ｘ＞１）を有することになる。端子２０５Ｔから各発熱部までの距離すなわち配線の長さは一様ではなく、端子２０５Ｔからの距離に応じて抵抗値が変化するからである。このように、同一平面において配線抵抗の低減ないしは均等化を図る構成では、各発熱部に対する上記配線部分の幅（端子から遠い発熱部に対するものほど大となる）の合計値に見合う面積が基板に求められることになるのである。

従って、上記した記録の高解像化、高画質化、高速化等を達成するために発熱部の数を増加させようとする場合、基体のＸ方向の寸法の増大は一層著しいものとなり、コストアップの要因となるだけでなく、発熱部の実装個数を制約することにもなる。また、各配線の発熱部直近の部分についても、配線抵抗を下げるべくＹ方向の幅を大とすることは、発熱部の配置間隔ないしノズルの高密度配置を制約する要因となり得る。

これに対して、本発明者らは、電極配線を保護絶縁膜を介して複数積層することで基体ないし基板の大型化を防ぎ、発熱部の高密度実装を図る構成を検討した。

図７（ｂ）に示すように、電極配線を複数の階層を用いて配線抵抗の低減ないし均等化を図る構成の場合には、端子２０５Ｔに近い発熱部１０２Ｎに対する配線パターン２０５Ｎと、端子２０５Ｔから遠い発熱部１０２Ｆ直近の配線パターン２０５Ｆ１とを下層の第１電極配線層、配線部２０５Ｆ１に至るＹ方向の配線部分２０５Ｆ２を上層の第２電極配線層として形成するとともに、配線部分２０５Ｆ２の両端部を、スルーホールを介して端子２０５Ｔおよび配線部分２０５Ｆ１にそれぞれ接続する。かかる構成の場合には、上層の配線部分２０５Ｆ１の幅（ｘ・Ｗ）に見合う面積が基板に求められるのみとなるので、配線抵抗の低減ないし均等化を図りつつも基板の小面積化が可能となる。

そこで、本発明の第２の実施形態では、上述した本発明の基本的な構成に加えて、配線抵抗の一層の低減ないしは配線抵抗の均等化を達成する構成を採用する。

図８は、本発明の第２の実施形態によるインクジェットヘッド用基板の発熱部の模式的断面図である。ここで、第１実施形態と同様に機能する部分については対応箇所に同一符号を付してある。

ここでは、第２電極１０３の上に、保護絶縁膜１０９を介してさらに電極配線層１０４が形成されており、これらをスルーホールを介して接続している。このように、電極配線を多層化したことで、基板上の電極配線の大面積化を伴うことなく、各発熱部に至る配線抵抗を低減し、かつ発熱部間の配線抵抗の均等化を図ることができる。

なお、このような構成の基板は、次のような工程で作成することができる。

すなわち、まず第１の実施形態の図５（ａ）〜（ｃ）と同様の工程により、基体に絶縁層１０６、第１電極１０１、第２電極１０３および発熱抵抗体層１０７を順次形成して発熱部１０２を形成する。

そして、それらの上に保護絶縁膜１０９を形成してから、発熱抵抗体層１０７をエッチングストッパーとして、これを発熱部１０２上かつその外側で除去する。また同時に、第２電極１０３と後に形成される電極配線層１０４とが接続されるよう、必要に応じてスルーホールを形成する。そして、電極配線層１０４の形成ないしパターニングを行い、その上で保護膜１０８，１１０を順次形成すればよい。

なお、本実施形態の構成は、上述した第１の実施形態の変形例にも適用できるものである。

（インクジェットヘッドの構成および製造工程）
続いて、上記第１または第２実施形態に係る基板を用いて構成されるインクジェットヘッドについて説明する。
図９はインクジェットヘッドの模式的な斜視図である。
このインクジェットヘッドは、所定のピッチで発熱部１０２が形成された発熱部列を２列、並列させてなる基板１を有している。ここで、上記製造工程を経て製造された２枚の基板を、発熱部１０２が配列されている側の縁部を対向配置することで当該並列化が行われるようにしてもよいし、１枚の基体上に予め発熱部が２列並列するように上記製造工程を実施してもよい。

この基板１に対しては、発熱部１０２に対応したインク吐出口５と、外部から導入されたインクを貯留する液室部分（不図示）と、吐出口５のそれぞれに対応して液室からインクを供給するためのインク供給口９と、吐出口５と供給口９とを連通する流路とが形成された部材（オリフィスプレート）４が接合されて、インクジェットヘッド４１０が構成される。

なお、図９では、各列の発熱部１０２およびインク吐出口５が、線対称に配置されているように描かれているが、各列の発熱部１０２およびインク吐出口５を互いに半ピッチずらして配置することで、記録の解像度をさらに高めることができる。

図１０（ａ）〜（ｄ）は図９のインクジェットヘッドを製造する工程を示す模式的断面図である。

基板１を構成するための基体としては、発熱部１０２を形成する面のＳｉ結晶方位が＜１００＞のものを用いることは上述した。かかる基板１の裏面のＳｉＯ_２膜３０７上に、インク供給口３１０を形成するためのマスクであり、耐アルカリ性を有するマスク剤でなるＳｉＯ_２膜パターニングマスク３０８を形成する。ＳｉＯ_２膜パターニングマスク３０８は、例えば以下のようにして形成する。

まず、ＳｉＯ_２膜パターニングマスク１０８となるマスク剤をスピンコートなどによって基板１の裏面に全面塗布し、熱硬化させる。そして、その上にポジ型レジストをスピンコートなどによって塗布し、乾燥させる。次に、このポジ型レジストをフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングし、このポジ型レジストをマスクとして、ＳｉＯ_２膜パターニングマスク３０８となるマスク剤の露出された部分をドライエッチングなどによって除去する。最後にポジ型レジストを剥離して、所望のパターンのＳｉＯ_２膜パターニングマスク３０８を得る。

次に、発熱部１０２が形成された面上に型材３０３を形成する。型材３０３は、後の工程で溶解して、それが設けられた部分をインク流路とするために形成するものである。すなわち、所望の高さおよび平面パターンのインク流路を形成するために、適切な高さおよび平面パターンに形成する。型材３０３の形成は、例えば次のようにして行うことができる。

型材３０３の材料としては、例えば、ポジ型フォトレジストであるＯＤＵＲ１０１０（東京応化工業株式会社製、商品名）を用い、これをドライフィルムのラミネート，スピンコートなどによって基板１上に所定の厚みで塗布する。次に、紫外線、Ｄｅｅｐ ＵＶ光などによって露光、現像を行うフォトリソグラフィー技術を用いてパターニングする。これによって、所望の厚みおよび平面パターンを有する型材３０３が得られる。

次に、図１０（ｂ）に示す工程で、前の工程で基板１上に形成した型材３０３を被覆するように、オリフィスプレート４の素材をスピンコートなどによって塗布し、フォトリソグラフィー技術によって、所望の形状にパターニングする。そして、発熱部１０２上の所定の位置にインク吐出口５をフォトリソグラフィ技術によって開口する。また、インク吐出口５が開口するオリフィスプレート４の面には、ドライフィルムのラミネートなどによって撥水層３０６を形成する。

オリフィスプレート４の形成材料としては、感光性エポキシ樹脂、感光性アクリル樹脂などを用いることができる。オリフィスプレート４は、インク流路を構成するものであり、インクジェットヘッド使用時には常にインクと接触することになるので、その材料としては、特に、光反応によるカチオン重合性化合物が適している。また、オリフィスプレート４の材料としては、使用するインクの種類および特性によって耐久性などが大きく左右されるので、使用するインクによっては、上記の材料以外の相応の化合物を選択してもよい。

次に、図１０（ｃ）に示す工程で、基板１を貫通する貫通口であるインク供給口３１０の形成を行う際、インクジェットヘッドの機能素子が形成された面や基板１の側面にエッチング液が触れないように、樹脂からなる保護材３１１をスピンコートなどによって塗布することでこれらの部分を覆う。保護材３１１の材料としては、異方性エッチングを行う際に使用する強アルカリ溶液に対して十分な耐性を有する材料を用いる。このような保護材３１１によってオリフィスプレート４の上面側をも覆うことによって、撥水層３０６の劣化を防ぐことも可能となる。

次に、予め形成しておいたＳｉＯ_２膜パターニングマスク１０８を用いて、ＳｉＯ_２膜３０７をウェットエッチングなどによってパターニングし、基板１の裏面を露出するエッチング開始開口部３０９を形成する。

次に、図１０（ｄ）に示す工程で、ＳｉＯ_２膜３０７をマスクとした異方性エッチングによってインク供給口３１０を形成する。該異方性エッチングに用いるエッチング液としては、例えばＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニュウムハイドロオキサイド）溶液などの強アルカリ溶液を用いる。そして、例えば、ＴＭＡＨの２２重量％溶液を、その温度を８０℃に保ちながら所定時間（十数時間）、エッチング開始開口部３０９からＳｉ基板１に付与することによって貫通口を形成する。

最後に、ＳｉＯ_２膜パターニングマスク３０８と保護材３１１を除去する。そして、更に、型材３０３を溶解させ、インク吐出口５とインク供給口９あるいは３１０から溶出させて除去し、乾燥させる。型材３０３の溶出は、Ｄｅｅｐ ＵＶ光によって全面露光を行った後、現像を行うことによって実施でき、必要に応じて現像の際、超音波浸漬すれば、実質的に完全に型材３０３を除去することができる。

以上で、インクジェットヘッドの主要な製造工程が完了し、図９に示した構成が得られる。

（インクジェットヘッドカートリッジおよびプリント装置）
このインクジェットヘッドは、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサなどの装置、更には各種処理装置と複合的に組み合わせた産業記録装置に搭載可能である。そして、このインクジェット記録ヘッドを用いることによって、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックスなど種々の記録媒体に記録を行うことができる。なお、本明細書において、「記録」とは、文字や図形などの意味を持つ画像を記録媒体に対して付与することだけでなく、パターンなどの意味を持たない画像を付与することも意味する。

以下、上記インクジェットヘッドをインクタンクと一体化してなるカートリッジ形態のユニットおよびこれを用いるインクジェットプリント装置について説明する。

図１１は上記したインクジェットヘッドを構成要素に含むインクジェットヘッドユニットの構成例を示す。図中、４０２はインクジェットヘッド部４１０に電力を供給するための端子を有するＴＡＢ（Tape Automated Bonding）用のテープ部材であり、プリンタ本体から接点４０３を介して電力を供給する。４０４はインクをヘッド部４１０に供給するためのインクタンクである。すなわち、図１１のインクジェットヘッドユニットは、プリント装置に装着可能なカートリッジの形態を有するものである。

図１２は図１１のインクジェットヘッドユニットを用いてプリントを行うインクジェットプリント装置の概略構成例を示すものである。

図示のインクジェットプリント装置において、キャリッジ５００は無端ベルト５０１に固定され、かつガイドシャフト５０２に沿って移動可能になっている。無端ベルト５０１はプーリ５０３および５０４に巻回され、プーリ５０３にはキャリッジ駆動モータ５０４の駆動軸が連結されている。従って、キャリッジ５００は、モータ５０４の回転駆動に伴いガイドシャフト５０２に沿って往復方向（Ａ方向）に主走査される。

キャリッジ５００上には、上記カートリッジ形態のインクジェットヘッドユニットが搭載されている。ここで、インクジェットヘッドユニットは、ヘッド４１０の吐出口４がプリント媒体としての用紙Ｐと対向し、かつ上記配列方向が主走査方向と異なる方向（例えば用紙Ｐの搬送方向である副走査方向）に一致するようにキャリッジ５００に搭載される。なお、インクジェットヘッド４１０およびインクタンク４０４の組は、使用するインク色に対応した個数を設けることができ、図示の例では４色（例えばブラック、イエロー、マゼンタ、シアン）に対応して４組設けられている。

また、図示の装置には、キャリッジの主走査方向上の移動位置を検出するなどの目的でリニアエンコーダ５０６が設けられている。リニアエンコーダ５０６の一方の構成要素としてはキャリッジ５００の移動方向に沿って設けられたリニアスケール５０７があり、このリニアスケール５０７には所定密度で、等間隔にスリットが形成されている。一方、キャリッジ５００には、リニアエンコーダ５０６の他方の構成要素として、例えば、発光部および受光センサを有するスリットの検出系５０８および信号処理回路が設けられている。従って、リニアエンコーダ５０６からは、キャリッジ５００の移動に伴って、インク吐出タイミングを規定するための吐出タイミング信号およびキャリッジの位置情報が出力される。

プリント媒体としての記録紙Ｐは、キャリッジ５００のスキャン方向と直交する矢印Ｂ方向に間欠的に搬送される。記録紙Ｐは搬送方向上流側の一対のローラユニット５０９および５１０と、下流側一対のローラユニット５１１および５１２とにより支持され、一定の張力を付与されてインクジェットヘッド４１０に対する平坦性を確保した状態で搬送される。各ローラユニットに対する駆動力は、図示しない用紙搬送モータから伝達される。

以上のような構成によって、キャリッジ５００の移動に伴いインクジェットヘッド４１０の吐出口の配列幅に対応した幅のプリントと用紙Ｐの搬送とを交互に繰り返しながら、用紙Ｐ全体に対するプリントが行われる。

なお、キャリッジ５００は、プリント開始時またはプリント中に必要に応じてホームポジションで停止する。このホームポジションには、各インクジェットヘッド４１０の吐出口が設けられた面（吐出口面）をキャッピングするキャップ部材５１３が設けられ、このキャップ部材５１３には吐出口から強制的にインクを吸引して吐出口の目詰まり等を防止するための吸引回復手段（不図示）が接続されている。

従来のインクジェットヘッド用基板の発熱部の模式的平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 発熱部を形成する電極配線層の厚みと発熱部面積の寸法公差との関係を説明するための説明図である。 本発明の第１の実施形態によるインクジェットヘッド用基板の発熱部の模式的断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、図４に示した基板の製造工程を説明するための模式的断面図である。 第１の実施形態の変形例によるインクジェットヘッド用基板の発熱部の模式的断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、発熱部に対する電極配線抵抗の低減ないし均等化を図る従来の構成の問題および本発明の第２の実施形態で採用する基本的構成の優位性を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態によるインクジェットヘッド用基板の発熱部の模式的断面図である。 第１および第２実施形態のいずれかに係る基板を用いて構成したインクジェットヘッドの実施形態を示す斜視図である。 （ａ）〜（ｄ）は、図９に示したインクジェットヘッドの製造工程を説明するための模式的断面図である。 図９に示したインクジェットヘッドを用いて構成したインクジェットカートリッジを示す斜視図である。 図１１に示したインクジェットカートリッジを用いてプリントを行うインクジェットプリント装置の概略構成例を示す模式的斜視図である。

符号の説明

１０１ 第１電極
１０２ 発熱部
１０３ 第２電極
１０４ 電極配線層
１０６ 絶縁層
１０７ 発熱抵抗体層
１０８、１１０ 保護膜
１２０ Ｓｉ基体
２１０ ＳｉＣ層
４１０ インクジェットヘッド

Claims (12)

1. 通電に応じてインクを吐出するために利用される熱エネルギを発生する発熱部を有するインクジェットヘッド用基板であって、
   前記発熱部を形成するための第１間隙を有し、耐腐食性金属で形成された第１電極と、
   前記第１間隙より広い第２間隙を有して前記第１電極にオーバラップして配置される第２電極と、
   前記第１間隙および前記第２間隙を含め前記第１電極および前記第２電極の上層として前記第１電極および前記第２電極に接して配置される発熱抵抗体層と、
   を具え、前記第１電極の厚みが前記第２電極の厚みより小であり、前記発熱抵抗体層は、前記発熱部において前記第１電極と同一面上にあり、前記第１間隙に面する前記第１電極の端部が前記基板の面に対して垂直であり、前記第２間隙に面する前記第２電極の端部がテーパ形状であることを特徴とするインクジェットヘッド用基板。
2. 前記耐腐食性金属はＴａ、Ｐｔ、またはそれらの少なくとも１つを含む合金からなることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド用基板。
3. 前記第１電極の下層としてＳｉＣ層が配置されていることを特徴とする請求項２に記載のインクジェットヘッド用基板。
4. 前記耐腐食性金属はＴｉＷであることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド用基板。
5. 保護層を介して前記第２電極上に配置され、前記第２電極と電気的に接続される電極配線層をさらに具えたことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のインクジェットヘッド用基板。
6. 前記第１電極の厚みが１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のインクジェットヘッド用基板。
7. 通電に応じてインクを吐出するために利用される熱エネルギを発生する発熱部を有するインクジェットヘッド用基板の製造方法であって、
   基体上に、前記発熱部を形成するための第１間隙を有する第１電極を耐腐食性金属で形成する工程と、
   前記第１電極の上層として前記第１電極より厚みが大きい第２電極となる層を配置し、該層を、前記第１間隙より広い第２間隙であってかつその端部が前記第１電極上に位置するように除去することで、第２電極を形成する工程と、
   前記第１間隙および前記第２間隙を含め前記第１電極および前記第２電極の上層として前記第１電極および前記第２電極に接して発熱抵抗体層を配置する工程と、
   を具え、該配置工程では、前記発熱抵抗体層が前記発熱部において前記第１電極と同一面上にあるように配置を行い、前記第１電極を形成する工程では、ドライエッチングにより前記第１電極を形成し、前記第２電極を形成する工程では、ウェットエッチングにより前記第２電極を形成することを特徴とするインクジェットヘッド用基板の製造方法。
8. 前記第１電極を形成するに先立ち、前記基体上にＳｉＣでなる層を配置する工程をさらに具えたことを特徴とする請求項７に記載のインクジェットヘッド用基板の製造方法。
9. 前記第１電極を形成する工程は、Ｔａ、Ｐｔ、またはそれらの少なくとも１つを含む合金で前記第１電極となる層を形成することを特徴とする請求項８に記載のインクジェットヘッド用基板の製造方法。
10. 前記第１電極を形成する工程は、ＴｉＷで前記第１電極となる層を形成することを特徴とする請求項７に記載のインクジェットヘッド用基板の製造方法。
11. 保護層を介して前記第２電極上に配置され、前記第２電極と電気的に接続される電極配線層を配置する工程をさらに具えたことを特徴とする請求項７ないし請求項１０のいずれかに記載のインクジェットヘッド用基板の製造方法。
12. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のインクジェットヘッド用基板と、
    前記発熱部に対応したインク吐出口と、
    を具えたことを特徴とするインクジェットヘッド。

Images