JPH11207962A - インクジェット印刷装置 - Google Patents

インクジェット印刷装置

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JPH11207962A
JPH11207962A JP10320616A JP32061698A JPH11207962A JP H11207962 A JPH11207962 A JP H11207962A JP 10320616 A JP10320616 A JP 10320616A JP 32061698 A JP32061698 A JP 32061698A JP H11207962 A JPH11207962 A JP H11207962A
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JP10320616A
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Cathie J Burke
ジェイ．バーク キャシー
Mildred Calistri-Yeh
カリストリ−イェ ミルドレッド
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Xerox Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 正方形または矩形の断面を有する液体インク
用毛管チャネルを有するインクジェットプリントヘッド
を提供する。 【解決手段】 犠牲層(12)がシリコンチップ(10)の主表
面上に配置され、犠牲層は、所望のインクチャネルに従
って形成されるボイドの形態で、パターニングされる。
ポリベンゾオキサゾールを含む永久層(14)が犠牲層の上
に付与される。２つの層を研磨して均一の表面を形成し
た後、犠牲層は除去される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、精密機械装置、特
にインクジェットプリントヘッドを製造するための技術
及び特別な材料、ならびに、本技術により製造されるイ
ンクジェットプリントヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】サーマルインクジェット印刷において、
インクの液滴はプリントヘッド内の複数の液滴エジェク
タから選択的に射出される。エジェクタはデジタル命令
に従って作動され、プリントヘッドを通過する印刷用紙
上に所望の画像を形成する。プリントヘッドはタイプラ
イターのようにシートに対して往復運動をしてもよく、
または１回の通過でシート上に画像を形成するように直
線状アレイがシートの全幅にわたって延びるサイズであ
っても良い。
【０００３】エジェクタは一般に、１つもしくはそれ以
上の共通のインク供給マニホ−ルドに接続された毛管チ
ャネル、または他のインク通路を含む。インクは各チャ
ネル内に保持され、適切なデジタル信号に応答して、チ
ャネル内のインクは、チャネル内の表面上に配置される
加熱素子（本質的には抵抗器）により急速に加熱されて
気化する。チャネルに隣接するインクがこのように急速
に気化すると、気泡が発生し、これにより多量のインク
がチャネルに連結する開口を通って印刷シートへ射出さ
れる。代表的なインクジェットプリントヘッドの全体構
成を示す特許の１つは、本願の譲受人に譲渡された米国
特許第４，７７４，５３０号である。
【０００４】一般に、当該技術において公知である代表
的な設計のサーマルインクジェットプリントヘッドは、
半導体と精密機械装置との複合である。加熱素子は一般
に特定の抵抗率にドープされた多結晶シリコン領域であ
り、また個々の加熱素子を様々な回数で作動させるため
連動するデジタル回路は、すべて半導体技術の範囲内で
ある。同時に、たとえば液体インクを保持し、またプリ
ントヘッドからインクを射出するための毛管チャネルと
いった構造は、加熱素子またはヒータチップ等の半導体
に直接物理的に界接する機械構造である。様々な理由に
より、チャネルプレート等の機械構造は、ヒータプレー
トの半導体構造に合致する化学エッチングを施したシリ
コンから製造することが望ましい。
【０００５】しかし、精密機械構造体を作る為に標準的
シリコンエッチングの技術を使用すると、設計において
重大な制約が生じる。インクが通過する毛管チャネルを
形成するために使用される一般的なチャネルプレートの
溝は、たとえばシリコンに水酸化カリウム（ＫＯＨ）等
の化学エッチング剤を塗布するなどのＶ型溝のエッチン
グにより一般に最も容易に製造される。シリコン結晶の
異なる方向の相対エッチング速度（「アスペクト比」）
により、特定の表面角度を画定するエッチングされたキ
ャビティ（空洞）は、結果として異なるＶ型溝を形成す
る。エッチングされたＶ型溝を画定するチャネルプレー
トが、半導体のヒータチップに当接されると、三角形の
断面を持つ毛管チャネルが作られる。そのような三角形
の断面は一定の利点を提供するが、チャネルから射出さ
れるインク液滴の方向性に問題を呈することが知られて
いる。すなわち、インク液滴は、チャネルから必ずしも
まっすぐ射出されるのでなく、むしろ予測できない角度
で射出されることがある。たとえば正方形に近い断面を
提供することができるならば、チップの性能を改良する
ことができる可能性がある。しかし、一般的なエッチン
グプロセスにおけるシリコンのエッチングのアスペクト
比では、チャネルプレートに正方形の溝を形成すること
はできないと考えられる。
【０００６】毛管チャネルを形成するためＶ型溝を使用
する別の不利な点は、Ｖ型溝エッチングによりチャネル
の長さに沿って断面が変化するチャネルを形成すること
が困難であることである。たとえば、チャネルの長さに
沿ってサイズが増加または減少するチャネルを、Ｖ型溝
エッチングによって形成することは困難と思われる。要
するにＶ型溝エッチング技術は、実際的に重要な利点を
有するが、それに伴って重大な設計上の制約がある。
【０００７】本発明には、方法を実施するのに好ましい
材料の組み合わせと一緒に記載するが、その方法によっ
てインクジェットプリントヘッドに有用な構造が、従来
のＶ型溝エッチング技術よりも高い適応性をもって製造
することができる。
【０００８】１９９７年１０月８日、第１１回感光性ポ
リマー国際会議（the Eleventh International Confere
nce on Photopolymers）からの２つの論文は、いずれの
題名も「低い絶対温度における改良ポリベンゾオキサゾ
ール及びポジ型フォトパターニング可能な誘電体」（Ad
vanced Polybenzoxazoles For Low K and Positive Pho
tpatternable Dielectrics）であり、「改良ポリペンゾ
オキサゾール」（advanced polybenzoxazoles ）と呼ば
れる新規のタイプの材料について記載している。この材
料は、「適切なポジ型光画像形成可能な誘電体の形成を
最適化するためのいくつかの代案の中では最も有望であ
る」と記載されている。論文には、ポリベンゾオキサゾ
ールは電子装置に使用するのに非常に望ましい熱機械特
性を有することが示されている。しかし、この論文に
は、これらの物質が、サーマルインクジェットプリント
ヘッド等の液体インクがその中を通って流れるチャネル
を作り出す環境において有用でありうることは開示され
ていない。
【０００９】
【発明が解決しようという課題】本発明の目的は、ポリ
ベンゾオキサゾールを含む永久層（除去されずに残る
層）を有するインクジェットプリントヘッドが提供する
ことである。複数のチャネルが永久層内に画定され、こ
のチャネル内を液体インクが流れる。
【００１０】
【課題を解決する為の手段】本発明の第１の態様は、ポ
リベンゾオキサゾールを含む層と、前記層内に画定され
る複数のチャネルであって、前記チャネルはその中を液
体インクが通って流れる複数のチャネル、を含むインク
ジェット印刷装置である。
【００１１】本発明の請求項第２の態様は、前記層は基
板上に配置され、前記基板の主表面が前記層内の各前記
複数のチャネルの各々内に露出されるインクジェット印
刷装置である。
【００１２】本発明の請求項第３の態様は、各チャネル
の前記層のエッジが、前記基板の主表面に対して実質的
に直角を形成するインクジェット印刷装置である。
【００１３】
【発明の実施の形態】図１〜５は、例えばサーマルイン
クジェットプリントヘッドの一部を形成するのに使用さ
れるであろう構造を、半導体基板上に有する一部の半導
体基板の平面図である。これらの一連の図は本発明によ
る製造方法中における異なるステップを示す。図におい
て、同様の参照番号は工程内での異なる段階における同
一構成要素を表わしている。
【００１４】図１は、主表面上に一連の犠牲部１２を配
置した半導体基板１０を示すが、これらは全体として単
一の犠牲層（除去される層）であると解釈できる。図１
に示すように、個々の犠牲部１２は、たとえばサーマル
インクジェットプリントヘッド内の液体インクの通過の
為の毛管チャネルを表すことを意図している。以下に詳
述するように、犠牲部１２は、完成したプリントヘッド
中のボイド（空洞）（たとえば毛管チャネル等）の構造
を示し、部分１２はネガ型モールド（a negative of
a mold）を形成すると解釈することができる。完成し
たプリントヘッドにおいて、これらの毛管チャネルは、
チップ１０の主表面が各毛管チャネルの１つの壁として
作用するように、チップ１０の主表面に配置されるよう
意図される。図１において、４つの互いに離された平行
なチャネルが「端をこちらに向けて（end-on）」示され
る。
【００１５】犠牲層１２を作成するために使用できる様
々な材料について下記に記述するが、選択された特定の
材料を使用にもよるが、犠牲層１２は、レーザエッチン
グ、化学エッチングまたはフォトレジストエッチング等
のいかなる数の一般的な技術を用いてチップ１０の主表
面に所望のパターンで付着することができる。
【００１６】図２には、犠牲層の部分１２上の永久層１
４の配置が示される。永久層１４は、最終的にボイドを
画定するために使用されるが、図２ではボイドは犠牲層
１２によって占められている。図示した実施の形態にお
いて、犠牲層１２の平行なチャネルパターンは、永久層
１４によって形成された波型面を生じることが注目され
る。永久層１４は、スピンキャスティング、スプレイコ
ーティング、スクリーン印刷、ＣＶＤ（化学蒸着）また
はプラズマ蒸着等の数限りない利用可能な技術によって
も付着させることができる。永久層１４に最適な材料に
関しては、下記に詳述する。
【００１７】図３において、固体へと硬化された永久層
１４は、単一の平坦な表面が得られるように機械的に研
磨され、平坦な表面は永久層の部分１４または犠牲層１
２の露出部分によって形成される異なる領域を持つ。犠
牲層１２及び永久層１４のために選択した特定の材料に
応じて、この研磨ステップは、機械研磨またはレーザア
ブレーション等の様々な公知のいかなる技術によっても
実施することができる。
【００１８】図４においては、先の図面では部分１２と
して示された犠牲層は除去されている。本発明の好適な
実施の形態によると、犠牲層１２のこの除去は、他の技
術においても可能であるが、化学エッチングによって実
行されている。犠牲層１２があった場所には精密に形作
られたチャネルがあることが見られる。次にこれらのチ
ャネルは、たとえばサーマルインクジェットプリントヘ
ッドのように液体インクの通路および保持のために使用
される。さらに、永久層１４の壁と、各チャネル内部の
チップ１０の主表面によって形成される「床」との間に
は、実質的に直角が形成されることが認められる。これ
は、断面が三角形のチャネルのみが実用的であったＶ型
溝エッチングを使用するインクジェットプリントヘッド
の従来の典型的設計とは対照的に示される。
【００１９】図５は、本発明のプロセスにおいて次に可
能な工程を示し、永久層１４の残余部分上にさらなる構
造体を設けることができる。図示するように、永久層１
４上に第２の犠牲層１６を様々な方法で配置することが
できる。たとえば、永久層１４の一部の上に全体的に犠
牲層１６を配置するか、または図５の右側に示すよう
に、永久層１４の上に犠牲層１６の一部を配置するか、
またはチップ１０の残っている露出主表面上に犠牲層１
６の一部を配置するかなどである。高度に精巧な三次元
構造を作り出すためにこのようにして、存在する永久層
１４上に図１〜４に示したステップを繰り返してもよ
い。あるいは、同一の基本平面設計を有する複数の永久
層を互いの頂部に「積み重ね」て、それによって高さ対
幅のアスペクト比が大きい「溝」を形成することができ
る。より高い層の構造体を製造する際の唯一の重大な制
約は、除去化学薬品を下の犠牲層に付与でき、または犠
牲層の溶解物質の排出もできるように「埋れた」犠牲層
への接近が必要であることである。
【００２０】図６は、たとえば図４に示す構造を利用し
て実質的に完成したインクジェットプリントヘッドの立
面図である。半導体基板１０は、（たとえば、当該技術
において公知の半導体製造手段によって）その中に一連
の加熱素子２４を配置し、加熱素子２４上に永久層１４
によって形成されたチャネルが整列される。サーマルイ
ンクジェットプリントヘッド技術で公知のように、２４
等の加熱素子に電圧を印可すると、チャネル内に保持さ
れている液体インクが核生成をおこし、これによって液
体インクをチャネルから印刷シート上に射出させる。
（より一般には、加熱素子２４をたとえば圧電構造等の
他の種類の構造体に代えて液体インクを活性化してイン
クをチャネルから射出させる。）永久層１４によって与
えられる「頂」表面上に、単純な平面層２０が配置さ
れ、半導体基板１０及び永久層１４の壁によって形成さ
れたチャネルが実質的に完成し、とり囲まれた（但し端
開の）毛管チャネルが形成される。一般に、平面層２０
にはそれに伴う特に精密な構造を有する必要はなく、安
価なセラミック、 樹脂または金属から作ることができ
る。
【００２１】図７は、直接エッチングされた溝により形
成されるチャネルでは不可能な程度にまで、本発明の技
術がいかに容易に、永久層１４を用いることにより、チ
ャネルの長さに沿って断面が変化するチャネルの形状を
形作る事が出来るかを示す平面図である。チャネルは、
基板上に、プリントヘッド完成品中の所望のチャネルと
同様の形状である犠牲層１２を配置することによって形
成される。図７は単に、不揃いな形状のチャネルのうち
３つの可能な例を示している。当然、実際のプリントヘ
ッド内においてはチャネルはすべて同一の基本設計であ
る。しかしながら、図示されるように、永久層１４によ
って形成されるチャネルの形状としては様々なものが可
能であり、たとえば半導体チップ１０内の加熱素子２４
の位置に関して、最適化できる形状を容易に形成でき
る。
【００２２】図８は、本発明の技術によって作られたエ
ジェクタの斜視図であり、本発明の技術を用いて容易に
実現することができる重要なプリントヘッドのデザイン
を示す。図７に示すような加熱素子２４がヒータチップ
１０の内部に配置されるプリントヘッドにおいて、永久
層１４は、エジェクタチャネルを画定する為に使用され
るだけでなく、加熱素子２４の表面の周縁の周りに離間
され置かれるかまたは近接して置かれる２５で示される
ピットを形成することに用いることもできる。このピッ
ト２５は当該技術において、インクの核形成のために特
定のゾーンを提供することにより、サーマルインクジェ
ットエジェクタの性能を向上させることができる構造と
して公知である。先行技術のプリントヘッドでは、２５
等のピットはポリイミド等のそれ自身が別の層内に形成
されるため、別の製造ステップでプリントヘッドチップ
に設けられなければならない。しかし、本発明の技術を
用いると、全ての加熱素子２４の周りにピット２５を画
定する構造は、永久層１４によってエジェクタの側部残
部を用いて単一の部品内に形成することができる。すな
わち、本発明は、ピット２５を画定する構造を、エジェ
クタ自体の壁を画定する材料と本質的に同一の層から形
成することができる。このピット２５を永久層１４に形
成することは、図５に示した犠牲層技術を複数回繰り返
すことにより実施することができる。
【００２３】図に示す実施の形態においては、ネガ型モ
ールド技術を、サーマルインクジェットプリントヘッド
の毛管チャネルの形成に使用しているが、この技術はた
とえばインクが通ってプリントヘッドのチャネルへと供
給されるインク供給マニホルドを作るためなど、プリン
トヘッド内の他のタイプのキャビティを形成するために
使用することができる。広い意味においては、本発明の
技術は、精密機械装置のいかなる特定の形状のボイドを
作るためにも適用することができ、約３マイクロメート
ル〜約１センチメートルの限界寸法（すなわち、基板の
主表面に平行な寸法に沿う）を有するボイドを作る場合
にも容易に適用することができる。
【００２４】本発明の技術の基本的なステップを説明し
てきたが、次に、犠牲層１２及び永久層１４に使用する
ことができる材料の特定の組み合わせに注目する。その
ような材料の組み合わせにおける特定の選択は、永久層
１４の特定の形状を得るための使用の容易さ及びコスト
に左右されるだけではなく、プリントヘッド全体に対し
特に要求される避けられない条件を考慮しなければなら
ない、すなわち、プリントヘッドで使用される可能性の
ある液体インクの組成についてである。インクの乾燥及
びインク詰まり等の様々な競合する問題のため、インク
ジェット印刷で使用される液体インクは、たとえば酸性
または塩基性のような特性を有することが極めて一般的
である。これらの性質は、プリントヘッドに使用される
共通材料を劣化させることが知られている。また、求核
性のインクもあるが、そのようなインクはプリントヘッ
ド用の材料の選択をさらに制限する。
【００２５】要するに、犠牲層用材料に必要な属性は、
パターニング可能であり（材料自体が感光性であるか、
フォトレジストを塗布することによってパターニング可
能であることにより）、且つ除去可能である（たとえ
ば、ウェットまたはプラズマ化学エッチング、イオン衝
撃またはアブレーション等により）ことである。インク
ジェット印刷の環境において、永久材料に必要な属性
は、材料がインクに共通の腐食特性（たとえば、酸性／
塩基性、求核性または他の反応性等）に対して耐性があ
ること、温度に対して安定性を呈すること、もしある製
造工程で必要ならば、形成された構造体をダイスできる
（すなわち、多数のプリントヘッドチップを１枚のウェ
ハに製造する場合には、ウェハは個々のチップに切断す
ることができるものでなければならない）ように、比較
的硬い材料であることである。
【００２６】本発明よると、たとえば上述の構成のイン
クジェットプリントヘッドを作る上述の方法の永久層と
して働く特に有用な材料は、ポリベンゾオキサゾールで
ある。ポリベンゾオキサゾールは、同一の基本構造を有
するが、末端基または架橋位置が異なる重合体の群を形
成する。１つまたは別の型のポリベンゾオキサゾールを
永久層として使用する場合に、犠牲層の材料に適した選
択物として、ポリイミド、フィルムソルダマスク、プラ
ズマ窒化物、プラズマ酸化物、スピンオンガラス、ＲＩ
ＳＴＯＮ、ＶＡＣＲＥＬ、フォトレジストまたは燐ケイ
酸塩ガラスが挙げられる。
【００２７】本発明は開示した構造を参照して記載して
きたが、記載した詳細に制限されるものではなく、特許
請求の範囲に入る修正及び変更は、本発明の範囲内であ
ることを意図する。
【図面の簡単な説明】
【図１】シリコン基板上に形成されたインクジェットプ
リントヘッドの毛管チャネルの立面図である。
【図２】シリコン基板上に形成されたインクジェットプ
リントヘッドの毛管チャネルの立面図である。
【図３】シリコン基板上に形成されたインクジェットプ
リントヘッドの毛管チャネルの立面図である。
【図４】シリコン基板上に形成されたインクジェットプ
リントヘッドの毛管チャネルの立面図である。
【図５】シリコン基板上に形成されたインクジェットプ
リントヘッドの毛管チャネルの立面図である。
【図６】本発明の技術に従って作られたより完成度の高
いサーマルインクジェットプリントヘッドの立面図であ
る。
【図７】図６における線７−７を通る断面図であり、本
発明の技術で形成できる異なるチャネルの形状を例示す
る。
【図８】本発明の技術が、いかにサーマルインクジェッ
トプリントヘッド中のエジェクタの加熱素子の周りのピ
ットを形成するのに用いられるのか、を示す斜視図であ
る。
【符号の説明】
１０半導体基盤 １２犠牲層 １４永久層 １６犠牲層 ２０平面層 ２４加熱素子 ２５ピット

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ポリベンゾオキサゾールを含む層と、前
    記層内に画定される複数のチャネルであって、前記チャ
    ネルはその中をインクが通って流れる複数のチャネル、
    を含むインクジェット印刷装置。
  2. 【請求項２】 前記層は基板上に配置され、前記基板の
    主表面が前層内の各前記複数のチャネルの各々内に露出
    される請求項１記載のインクジェット印刷装置。 【請求項3 】各チャネルの前記層のエッジが、前記基板
    の主表面に対して実質的に直角を形成する請求項１記載
    のインクジェット印刷装置。
JP10320616A 1997-11-17 1998-11-11 インクジェット印刷装置 Pending JPH11207962A (ja)

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