JP2001130012A - インクジェットのダイ用の電気的相互接続 - Google Patents
インクジェットのダイ用の電気的相互接続Info
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Abstract
を得る。 【解決手段】 インク噴出ダイ104に斜面416を形
成し、斜面416の下面にインク噴出制御用の接点を設
け基板と接続し、前記接点部分を封止剤106でインク
噴出ダイ上面206と同一平面となるように封止する。
これにより、前記接点が保護されるため、インク又はク
リーニングワイパーによる物理接触による性能劣化を防
止することが可能となる。また、インク噴出制御用の配
線層を斜面416に沿って形成する際に、前記配線層と
基板との間に斜面416に沿ってパッシベーション層3
08を設けることにより、前記配線層に対して高電圧を
印加した際に基板等を通じて生じる絶縁破壊によるイン
ク噴出ダイ劣化を防止できる。さらに、エッチング等に
より、基板とパッシベーション膜308の間にさらに空
隙902を導入することで、より絶縁性に優れたインク
噴出ダイ104を提供することが可能である。
Description
29日にMarvin Wong他のために申請され、本発明の譲
受人に譲渡された、米国特許出願番号第09/430,
534号の一部継続出願である。本発明は、インクジェ
ットのプリントヘッドに関し、より詳細には、インク噴
出ダイを基板に電気的および流体的に結合する装置およ
び方法に関する。
リンタが存在し、多様なプリント速度、プリントカラ
ー、およびプリント品質が提供されている。現代のイン
クジェットプリンタは、写真画質の画像を作成すること
ができ、プリント機構の製造がより安価であるため、一
般的に従来技術のレーザタイプのプリンタよりも安価で
ある。更に、熱インクジェットプリンタは、画像形成中
にはプリント媒体上へのインクのデポジット以外に機械
的衝撃がないので、(従来技術のインパクトプリンタと
比較して)静かである。インクジェットプリンタの1タ
イプである熱インクジェットプリンタは、通常、プリン
トヘッド内に配置された多数の個々のインク噴出ノズル
(オリフィス)を有する。ノズル同士は空間をおいて配
置されており、プリント媒体に面している。それぞれの
ノズルの下には1つずつヒータ抵抗器があり、ヒータ抵
抗器は、電気パルスによって通電されるとインクを熱的
に運動させる。この電気パルスの結果として、ヒータ抵
抗器の上方にあるインクが、ノズルを通りプリント媒体
に向かって噴出される。これと同時に、ノズルがインク
をプリント媒体上に噴出している状態で、プリントヘッ
ドがプリント媒体表面を横切る。しかし高速プリンタで
は、プリント媒体の方が動いて、プリントヘッドのアレ
イはプリント媒体に関して静止していることもある。
と、インク滴はプリント媒体にぶつかって乾燥し、イン
クの「ドット」を形成する。これらのドットを一緒に合
わせて見ると、プリント画像が作り出される。熱インク
ジェットプリントシステムの大部分は、永久的なプリン
タ本体と使い捨てまたは半使い捨てのプリントヘッドと
で構成されている。プリントヘッドは、半導体のダイ
(以下、「ダイ」と呼ぶ)および支持基板を含む。インク
は通常、プリントヘッド内に形成されたインク槽、また
はプリンタに取り付けられたインク槽からプリントヘッ
ドに供給される。後者の構成であれば、インク補充まで
のプリンタの動作時間を延長できる。
タ抵抗器とそれに付随するインク噴出ノズルとを有する
ダイは、基板に流体的および電気的に結合している。ダ
イの流体的結合は、ダイを基板に取り付けて、インクが
ダイの縁からまたはダイの中央からヒータ抵抗器(ダイ
内に配置)に流れるようにすることによって行ってもよ
い。しかしダイの縁からと中央からのどちらの構成で
も、インクはヒータ抵抗器に達し、プリント媒体上に噴
出されるよう利用できる。ダイと基板との間では、電気
的接続(相互接続)もまた行われる。
その結合を通じてダイにプリント命令を供給できるよう
な相互接続を形成することが必要である。米国特許番号
第4,940,413号は、かかる相互接続を説明して
いる。ここでは、小さなスペース内で多数の配線を一緒
に相互接続することができる高密度の電気的相互接続を
用いて、ダイを基板に結合している。インクジェット技
術において行われ、前述の特許において説明されてい
る、ダイの基板への電気的結合は、従来技術の集積回路
パッケージングにおいて通常行われるようなダイの基板
への電気的結合よりも、十分複雑である。例えば、イン
クが潜在的に腐食性であるために、相互接続は、ダイか
ら噴出されるインクから隔離しておかなければならな
い。更に、インクのうちのある成分が導電性であって相
互接続の電気的短絡を引き起こすかもしれない。第2
に、相互接続は、プリンタによる連続的な振動と物理的
接触にさらされている。この振動は、ひとつには、プリ
ントヘッドがプリント媒体に関して横切って動くことに
よって引き起こされる。プリントヘッドとプリンタとの
物理的接触は、ダイのクリーニングサイクル中に起こ
る。クリーニングサイクルには、周期的にダイを横切っ
てワイパを通すことが含まれている。このワイパは、イ
ンクの残留物その他プリント性能を低下させる可能性が
ある粒子を取り除く。これとは対照的に、従来技術の集
積回路パッケージングにおいて用いるダイは、「パッケ
ージ」内に完全に収容されており、その表面に接触する
ワイパ等の物体から隔離されている。第3に、相互接続
は、コンピュータシステムのプリント要求に由来する広
範囲の温度にさらされている。こういった温度は、ひと
つには、ヒータ抵抗器の電気的励起の結果生じるもので
ある。従って、ダイの温度は、急激に上昇し、その後す
ぐに冷却期間になることもある。ダイの熱サイクル自体
が電気的相互接続を疲労させ、こわしてしまう可能性が
ある。
気的結合における前述した難題を解決するために、これ
まで多くの試みがなされ、実際今進行中であるが、改良
したプリントヘッドが依然として必要とされている。か
かるものとしての改良したプリントヘッドは、インクお
よびプリンタのクリーニング機構から隔離された電気的
相互接続と、急速な温度変化に強い電気的相互接続と、
プリント媒体にごく接近して動作するインク噴出ダイと
からなる。
インク噴出ダイを含み、インク噴出ダイは更に、少なく
とも互いに対向する上面および下面と、上面上に配置さ
れた薄膜スタックとを有する、基板を含む。上面の少な
くとも1つの縁には斜面がついており、斜面の下部は、
斜面の上部よりも下方にある。少なくとも上面の一部と
薄膜スタックの上には、導電材料配線が配置されてい
る。導電材料配線は、上面から斜面の下部に向かって延
びている。斜面の上部よりも下方の所定位置において、
導電材料配線に電気的な導線(electrical conductor)が
結合している。プリント命令および電力は、この導線を
通じてインク噴出ダイに供給される。
と同時係属の米国特許出願番号第09/430,534
号においてWongが説明している完全に一体化された熱
(FullyIntegrated Thermal
ink jet:FIT ink jet)インクジェ
ットのプリントヘッドを示す。FITプリントヘッド
は、インクジェットのダイ104を挿入するスロット1
03を有する基板102を含む。ダイ104は、インク
を受けることができる基板102に電気的に結合してい
る。基板102は、インク槽(図示せず)に流体的に結
合したインク入口105を通じてインクを受ける。図1
に示すように、ダイ104は、封止材(encapsulant)1
06を用いて基板102内に封止されている。封止材1
06は、電力およびプリント命令をダイに供給するのに
用いる電気的相互接続108を、実質的に覆っている。
(a)に示すキャリア(carrier)基板202は、ダイ1
04を挿入する複数の溝204を含む。キャリア基板2
02は、プラスチック、セラミック、金属を含むインク
を通さない材料から成っている。ダイ104は、封止材
106でキャリア基板202内に封止されており、以後
インク噴出ダイと呼ぶダイ104の上面が、キャリア基
板202の上面と同一平面上(206)にあるようにし
ている。図2(b)は、接着剤208を用いてキャリア
基板202に取り付けられたインク噴出ダイ104の拡
大図(インク噴出ダイ104の上部210、導電材料配
線214を追記した詳細図)を示す。
は、プリントヘッド上面210と、導電材料配線214
が配置された、傾斜をつけた縁212とを含む。導電材
料配線214は、導線216によってキャリア基板20
2に結合しているが、本願の対応米国特許出願と同時係
属の米国特許出願番号第09/430,534号におい
て説明しているようなテープ自動ボンディング(TA
B)回路も用いることができる。導線216は、導電材
料配線214に取り付けられた第1の端およびキャリア
基板202に取り付けられた第2の端を含む。以下は、
図3から始まる本発明の好適な実施例の製造の詳細な説
明である(特に、図2(b)中のインク噴出ダイ104
の上部210及び縁212の形成方法を詳細に説明する
ものである)。
および下面306と、配置された誘電体膜304とを有
する基板302(本発明の好適な実施例において、半導
体基板が用いられる。前述の図2(b)の104となる
部分に対応する。)を示す。誘電体膜304は、半導体
基板内に配置された電子回路(図示せず)を、次に配置
する膜から絶縁する(insulate)のに役立つ。誘電体膜3
04の上には、導電層307が形成されて、図3(b)
に示すようにパターニングされる。導電層307は、イ
ンク噴出ダイ104上のさまざまな場所に電力およびプ
リント命令を供給することができる。導電層307は次
に、パッシベーション層308(図3(c))で保護(p
assivated)される。パッシベーション層308は、基板
302の一部310が図3(d)に示すように露出され
るように、パターニングされる。
ーニングされると、図4(a)に示すように、光によっ
て規定可能な(光によりパターン形成可能な:photodefi
nable)ポリマー402が基板302上に配置される。ポ
リマー402は、これまでに配置した各膜を実質的に覆
うことができる。これまでに配置した各膜を、一般的に
薄膜スタック406と呼ぶ。ポリマー402は、薄膜ス
タック406を、斜面を形成するのに用いるエッチング
の化学反応(chemistry)から保護するのに役立つ。
少なくとも1つの縁408(図4(a))上に形成され
ており、図4(b)に示すように、斜面416の下部4
10が、斜面416の上部412よりも下方にあるよう
になっている。本発明における斜面416を形成するの
に用いるエッチングの化学反応はTMAHを含むが、他
のアルカリ性のエッチャントも用いることができる。図
4(a)に示すポリマー402は、TMAH溶液を通さ
ず、従って、薄膜スタック406がエッチングされるの
を防止する。斜面416の角度414は、半導体基板3
02の結晶面(crystallographic plane)の配向に固有の
ものである。斜面416の形成後、従来技術の方法で図
4(b)に示すようにポリマー402が取り除かれ、通
路418が形成される。通路418によって、導電層3
07との接触ができる。本発明の好適な実施例におい
て、次に、ポリイミドまたはシクロテン(cyclotene)で
形成されていてもよい有機層420が、パッシベーショ
ン層308および斜面をつけた半導体基板302の上に
配置され規定される(上述の有機層420は、デポジッ
トした絶縁体を用いて形成してもよい)。図4(c)に
示すように、有機層420は、斜面とパッシベーション
層の縁422を実質的に平坦化するのに役立つ。更に、
この有機層420の材料は、半導体基板302を次の金
属層から隔離する。
に、通路418に隣接する一方の端424において傾斜
をつける。斜面をつけた端424によって、次の金属層
が、パッシベーション層308および有機層420の表
面の輪郭に、より適合することができる。有機層420
に傾斜をつけた後、好ましくはタンタル(Ta)および
金(Au)を含む導電材料配線214が、まずTaのシ
ード層(seed layer)502、次にそれよりも本質的に厚
いAuの層504、という順番で、有機層420の上に
配置される(図5(a))。Ta層502およびAu層
504のパターニングおよびエッチングを行い、連続的
な導電材料配線を形成する。TaおよびAuを用いるの
に加えて、アルミニウム、銅、およびチタンを含む他の
材料を用いて導電材料配線を形成してもよい。図5
(b)は、通路(薄膜スタックの上面)内から始まって
介在表面(intervening surface)506または斜面41
6の下部410上で終わっている、導電材料配線214
を示す。次に、斜面の上面412(図5(b))よりも
下方で、導電材料配線214に電気的相互接続216を
結合する。この相互接続216は、少なくとも電力およ
びプリント命令をインク噴出ダイ104に供給する。
ドの用途については、高誘電性(high dielectric)材料
を用いて、配置する導電材料配線214を半導体基板3
02から分離しておくのが有利である。配置する導電材
料配線214を基板302から分離するのに用いる誘電
性材料の品質が低いと、導電材料配線214に過度の電
圧が印加された場合に、その誘電性材料を通じて電流が
流れてしまう(絶縁破壊)可能性がある。誘電性材料が
「絶縁破壊」してしまうと、半導体基板302内に配置
された回路が損傷を受ける可能性がある。
と呼ばれる摩擦電気から生じる。例えば、部屋を横切っ
て歩く人間は、15000ボルトを上回る静電気を発生
する可能性がある。導電材料配線214内へのこのよう
に高い電圧の放電、静電放電(electrostatic dischar
ge:ESD)は、プリントヘッドに永久的な損傷を与え
る可能性がある。現代のプリントヘッドはESD保護回
路を有してはいるが、ESD保護回路よりも前に半導体
基板の一部が高いESD電圧にさらされれば、プリント
ヘッドが損傷する可能性は依然としてあり得ると思われ
る。
電圧にさらされる可能性がある部分は、例えば、基板の
斜面416に沿った部分である(図5(b))。本発明
の他の実施例において、半導体基板内に配置された回路
へのESDによる損傷は、導電材料配線と半導体基板の
傾斜をつけた部分との間に空隙を作り出すことによっ
て、最小限にすることができる。
n on insulator:SOI)507の基板
602が(シリコン302の代わりに)用いられている
ということ以外は図4(a)に示すものと同じである薄
膜スタック406を示す。SOIウエハーを用いる利点
のひとつは、絶縁体層(酸化物)606によって、斜面
のエッチング工程中のエッチングストップ(etch stop)
が提供されるということである(図6を参照)。本発明
の他の実施例において、図6に示すように、ポリマー6
04を用いて、薄膜スタック406を、斜面を形成する
のに用いるエッチャントから保護する。いったん斜面4
16が形成されると、図7(a)に示すように、ポリマ
ー604は取り除かれ、前述のように通路418が形成
される。斜面を形成するのに用いたエッチング溶液は、
酸化物606をエッチングすることはなく、従って、い
ったん酸化物606が露出すればエッチングを(垂直方
向に)ストップする(図7(a))。次に、図8(a)
に示すように、Ta502およびAu504からできた
シード層が形成される。Au層504は、電気メッキ技
術によって、Ta/Auのシード層の上に形成される。
線214が自立する(支持がなくても自ら支えること
で、切れたり短絡しないことをいう。後述する導電材料
配線214の下に絶縁のため空気を導入した場合におい
ても、前記導電材料配線214が断線及び他の導線と短
絡しないようにすることである。)のに必要な厚さを考
慮してできるだけ薄くAu膜504を保つことによっ
て、膜応力が低減される。膜は、過度の圧縮応力を受け
ていると、曲がって、場合によって隣接する導電材料配
線に接触する(隣接する導電材料配線を短絡する)かも
しれない。圧縮応力は、次式に示すように、膜の厚さお
よび長さに関係する。σc < Eπ2t2/12L2ただ
しEはヤング率、πは定数、tは膜厚(Au)、Lは導
電材料配線の長さである。本発明の他の実施例におい
て、Lは90から300ミクロンの間であり、Au膜厚
は3〜15ミクロンにわたる。図8(b)に示すよう
に、電気メッキした(またはスパッタリングした)Au
504は、斜面を横切って連続している。
て、斜面416を形成する半導体がエッチングされる。
このドライエッチング工程は二フッ化キセノン(XeF
2)を含むが、エッチングの化学反応に六フッ化イオウ
(SF6)を用いてもよい。XeF2のシリコンおよび酸
化物に対する選択比は、それぞれ1000:1よりも大
きい。このような高い選択比によって、半導体材料を導
電材料配線214の下から取り除くのに役立つ非常に長
いオーバーエッチング時間が可能になる。図9は、本発
明の他の実施例を示す。図9において、導電材料配線2
14の下にある半導体材料が取り除かれ、それによって
空隙902が作り出されている。空隙902内の「空
気」が高誘電性材料としての役割をし、半導体基板内に
配置された回路へのESDによる損傷を最小限にする。
図10は、図9の変形である本発明の他の実施例を示
す。ここでは、半導体基板のうちの横方向の側面100
2全体に斜面416がついている(図8(b)中の斜面
416を基板302そのものにより形成した場合に該当
する)。前述の構成と同様に、この構成によって、イン
ク噴出ダイの上面の下で電気的相互接続ができるように
なっている(図10の相互接続108は、図2(b)及
び図5(b)の導線216に対応)。
例は、従来技術のプリントヘッドと比較して、以下のも
のを含むがそれらに限定されるものではない利点を有す
る、丈夫なプリントヘッドを提供する。すなわち、
(1)傾斜をつけたダイ上、および、プリントヘッド上
面よりも下方にある傾斜をつけたダイと基板との間に電
気的接続が形成される、(2)電気的相互接続が、封止
材内に固められ、従って、インクによる化学的エッチン
グおよびプリンタが発生する振動/物理的力から保護さ
れる、(3)ダイからプリント媒体までの距離が最小限
になる、および(4)斜面をつけたダイに与えるESD
の影響が最小限になる、である。
出願番号第09/430,534号において説明されて
いる従来技術の完全に一体化された熱(Fully Integrate
d Thermal ink jet: FIT ink jet)インクジェットのプ
リントヘッドの斜視図である。
板内に封止されている、本発明の好適な実施例を示す図
である。(b)は、導電材料配線を有する、本発明の斜
面をつけたダイを示す図である。
の工程を示す図である。
図である。
である。(b)は、その上に導電材料配線が形成される
インク噴出ダイを示す図である。
外は図4(a)に示すものと同じである薄膜スタックを
示す図である。
て用いる斜面および通路の形成を示す図である。
されている導電材料配線を示す図である。
他の実施例の図である。
本発明の他の実施例を示す図である。
ー 406 薄膜スタック 408 半導体基板302の上面303の少なくとも1
つの縁 410 斜面の下部 412 斜面の上部 414 斜面416の角度(θ) 416 斜面 418 通路 420 有機層 422 斜面とパッシベーション層の縁 424 通路418に隣接する一方の端にある斜面部 502 Ta層 504 Au層 507 絶縁体上シリコン(SOI) 604 ポリマー 606 埋込酸化物層 902 空隙 1002 半導体基板横方向の側面部分
Claims (10)
- 【請求項1】 少なくとも互いに対向する上面および下
面と前記上面上に配置された薄膜のスタックとを有する
半導体基板を含んでなる、インクを噴出する半導体ダイ
を設けるステップと、 前記上面の少なくとも1つの縁に斜面を形成するよう斜
面を形成するステップであって、前記斜面の下部は前記
斜面の上部よりも下方にあるステップと、 少なくとも前記上面の一部と前記薄膜スタックの上およ
び前記斜面上に、前記斜面の下部に向かって導電材料配
線を配置するステップと、 前記斜面の前記上部よりも下方の所定位置において、前
記導電材料配線に導線を取り付けるステップとを含んで
なる、インクジェットプリントカートリッジ用の相互接
続を形成する方法。 - 【請求項2】 前記導線をキャリア基板に結合させるス
テップを更に含む、請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】 インク槽を設けるステップと、 前記インク槽からインクを補うことができるキャリア基
板を設けるステップと、 前記キャリア基板に溝を形成するステップと、 前記キャリア基板に形成された前記溝に前記インク噴出
ダイを挿入するステップと、 前記インク噴出ダイのうちの実質的な部分を前記キャリ
ア基板内に封止するステップと、を更に含んでなる、請
求項1に記載の方法。 - 【請求項4】 前記導電材料配線の下から前記斜面の所
定量の半導体をエッチングし、それによって前記導電材
料配線を支持がなくても自立するようにしておくステッ
プを更に含んでなる、請求項1に記載の方法。 - 【請求項5】 前記インク噴出ダイであって、少なくと
も互いに対向する上面および下面と薄膜スタックとを有
する半導体基板と、 斜面がついており、それによって、前記上面の少なくと
も1つの縁上に斜面が形成され、前記斜面の下部は、前
記斜面の上部よりも下方にある、前記互いに対向する上
面および下面の上部と、 少なくとも前記上面の一部と前記薄膜スタックの上およ
び前記斜面上に、前記斜面の前記下部に向かって配置さ
れた導電材料配線と、 前記斜面の前記上部よりも下方の所定位置において、前
記導電材料配線に結合した導線とを含んでなるインク噴
出ダイ。 - 【請求項6】 前記インク噴出ダイであって、前記斜面
の前記上部に実質的に隣接して前記半導体基板の前記上
面に少なくとも1つの通路(via)が形成され、前記斜
面は封止材で実質的に封止され、前記封止材は前記上面
および前記薄膜スタックと実質的に同一平面上に配置さ
れている請求項5に記載のインク噴出ダイ。 - 【請求項7】 前記導電材料配線は前記上面上に配置さ
れ、前記薄膜スタックは前記斜面上に配置された前記導
電材料配線と連続している請求項5に記載のインク噴出
ダイ。 - 【請求項8】 少なくとも互いに対向する上面および下
面と薄膜スタックとを有する半導体基板と、 斜面がついており、それによって前記上面の少なくとも
1つの縁上に斜面が形成され前記斜面の下部は前記斜面
の上部よりも下方にある、前記互いに対向する上面およ
び下面の上部と、 少なくとも前記上面の一部と前記薄膜スタックおよび前
記斜面上に、前記斜面の前記下部に向かって配置された
導電材料配線と、 少なくとも1つの前記インク噴出ダイを受けるように構
成された少なくとも1つの溝を有するキャリア基板と、
を含むインク噴出ダイと、 前記斜面の前記上部よりも下方の所定位置において前記
導電材料配線に結合した第1の端と、前記キャリア基板
に結合した第2の端とを有する導線とを含んでなるイン
クジェットのプリントヘッド。 - 【請求項9】 前記キャリア基板は、シリコン、セラミ
ック、プラスチック、およびメタルを含んでなる1組の
材料から選択されたインクを通さない材料で形成されて
いる請求項8に記載のインクジェットのプリントヘッ
ド。 - 【請求項10】 前記半導体基板は更に、エッチングス
トップとなる埋込酸化物層を含む請求項8に記載のイン
クジェットのプリントヘッド。
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