JP2002254652A - 細長ボアを有するｃｍｏｓ／ｍｅｍｓ集積インクジェット印刷ヘッド及びその製造方法 - Google Patents
細長ボアを有するｃｍｏｓ／ｍｅｍｓ集積インクジェット印刷ヘッド及びその製造方法Info
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Classifications
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- B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
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- B41J2/01—Ink jet
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-
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- B41J2202/00—Embodiments of or processes related to ink-jet or thermal heads
- B41J2202/01—Embodiments of or processes related to ink-jet heads
- B41J2202/22—Manufacturing print heads
Abstract
(57)【要約】
【課題】 印刷ヘッドのクリーニングに適した平坦面を
特徴とするＣＩＪ印刷ヘッドを提供することである。 【解決手段】 印刷ヘッドの作動を制御するために形成
された集積回路を含むシリコン基板であって、基板に沿
って一又は二以上のインクチャネルを有するシリコン基
板と；シリコン基板を覆う絶縁体層若しくは層群であっ
て、絶縁体層若しくは層群はその絶縁体層若しくは層群
を貫通する細長のインクジェットボアの一群を有し、互
いに近接して配置した各ボアは絶縁体層若しくは層群の
外側面からシリコン基板のインクチャネルまで延びて4
μｍから10μｍの範囲のボア長を提供するという絶縁体
層若しくは層群と；絶縁体層若しくは層群の表面近傍に
ヒーター要素と、を備えたことを特徴とする。
特徴とするＣＩＪ印刷ヘッドを提供することである。 【解決手段】 印刷ヘッドの作動を制御するために形成
された集積回路を含むシリコン基板であって、基板に沿
って一又は二以上のインクチャネルを有するシリコン基
板と；シリコン基板を覆う絶縁体層若しくは層群であっ
て、絶縁体層若しくは層群はその絶縁体層若しくは層群
を貫通する細長のインクジェットボアの一群を有し、互
いに近接して配置した各ボアは絶縁体層若しくは層群の
外側面からシリコン基板のインクチャネルまで延びて4
μｍから10μｍの範囲のボア長を提供するという絶縁体
層若しくは層群と；絶縁体層若しくは層群の表面近傍に
ヒーター要素と、を備えたことを特徴とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、デジタル制御印刷
装置の分野に関するものであり、特に、単一基板上に多
重ノズルを集積し、熱加工手段によって印刷のために液
体のドロップが選択される液体インク印刷ヘッドに関す
るものである。
装置の分野に関するものであり、特に、単一基板上に多
重ノズルを集積し、熱加工手段によって印刷のために液
体のドロップが選択される液体インク印刷ヘッドに関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】インク
ジェット印刷は、非衝撃、低ノイズ特性、及びシステム
の単純さのために、デジタル制御電子印刷分野において
傑出した競争者として認識されている。このため、イン
クジェットプリンタは、家庭（ホーム）での使用やオフ
ィスでの使用等において商業的に成功を収めている。
ジェット印刷は、非衝撃、低ノイズ特性、及びシステム
の単純さのために、デジタル制御電子印刷分野において
傑出した競争者として認識されている。このため、イン
クジェットプリンタは、家庭（ホーム）での使用やオフ
ィスでの使用等において商業的に成功を収めている。
【０００３】インクジェット印刷機構は連続（ＣＩＪ）
で又はドロップオンデマンド（ＤＯＤ）でのいずれかと
し分類することができる。１９７０年にカイザー (Kyse
r)らに特許された米国特許第3,946,398号は、圧電性結
晶に高電圧を印加し、それによって、結晶を曲げ、イン
ク溜めに圧力を付与し、要求されたドロップを噴出する
ＤＯＤインクジェットプリンタを開示している。圧電性
ＤＯＤプリンタは、ホーム用及びオフィス用の720dpi以
上の画像（イメージ）解像度では商業的に成功を収めて
いる。しかしながら、インクジェット印刷機構は通常、
複雑な高電圧駆動回路とかさばった圧電性結晶アレイと
が必要となり、それらは印刷ヘッドの長さと同様に、印
刷ヘッドの単位長さ当たりのノズル数において不利であ
る。
で又はドロップオンデマンド（ＤＯＤ）でのいずれかと
し分類することができる。１９７０年にカイザー (Kyse
r)らに特許された米国特許第3,946,398号は、圧電性結
晶に高電圧を印加し、それによって、結晶を曲げ、イン
ク溜めに圧力を付与し、要求されたドロップを噴出する
ＤＯＤインクジェットプリンタを開示している。圧電性
ＤＯＤプリンタは、ホーム用及びオフィス用の720dpi以
上の画像（イメージ）解像度では商業的に成功を収めて
いる。しかしながら、インクジェット印刷機構は通常、
複雑な高電圧駆動回路とかさばった圧電性結晶アレイと
が必要となり、それらは印刷ヘッドの長さと同様に、印
刷ヘッドの単位長さ当たりのノズル数において不利であ
る。
【０００４】１９７９年のエンドー (Endo) らに特許付
与された英国特許第2,007,162号には、ノズルの水性イ
ンクに熱接触するヒーターに電力パルスを付与する電熱
ドロップオンデマンドインクジェットプリンタを開示し
ている。少量のインクはすぐに蒸発し、インクドロップ
をヒーター基板のエッジに沿って小口径から射出させる
ことになるバブルを形成する。この技術は、熱インクジ
ェットあるいはバブルジェット（登録商標）として公知
である。
与された英国特許第2,007,162号には、ノズルの水性イ
ンクに熱接触するヒーターに電力パルスを付与する電熱
ドロップオンデマンドインクジェットプリンタを開示し
ている。少量のインクはすぐに蒸発し、インクドロップ
をヒーター基板のエッジに沿って小口径から射出させる
ことになるバブルを形成する。この技術は、熱インクジ
ェットあるいはバブルジェット（登録商標）として公知
である。
【０００５】熱インクジェットプリンタは通常、ヒータ
ーが、バブルの迅速な形成の起因となる400℃近傍の温
度までインクを加熱するのに十分なエネルギーパルスを
生成する。この装置に必要な高温は特別なインクの使用
を必要とし、駆動エレクトニクスを複雑にし、キャビテ
ーション（cavitation）及びコゲーション（kogation）
を介してヒーター要素の劣化を促進する。コゲーション
とは、飛散物（debris）でヒータを覆うインク燃焼副産
物の蓄積である。このような飛散物の塊はヒーターの熱
効率を低下させ、それにより印刷（印字）ヘッドの運転
寿命を短縮する。さらに、各ヒーターの高い活動電力消
費は、製造コストの低下で高速でページワイド印刷ヘッ
ドの製造を妨げる。
ーが、バブルの迅速な形成の起因となる400℃近傍の温
度までインクを加熱するのに十分なエネルギーパルスを
生成する。この装置に必要な高温は特別なインクの使用
を必要とし、駆動エレクトニクスを複雑にし、キャビテ
ーション（cavitation）及びコゲーション（kogation）
を介してヒーター要素の劣化を促進する。コゲーション
とは、飛散物（debris）でヒータを覆うインク燃焼副産
物の蓄積である。このような飛散物の塊はヒーターの熱
効率を低下させ、それにより印刷（印字）ヘッドの運転
寿命を短縮する。さらに、各ヒーターの高い活動電力消
費は、製造コストの低下で高速でページワイド印刷ヘッ
ドの製造を妨げる。
【０００６】連続インクジェットプリンタそれ自体は少
なくとも１９２９年まで遡る。その年にハンセル (Hans
ell)らに特許付与された米国特許第1,941,001号明細書
を見られたい。
なくとも１９２９年まで遡る。その年にハンセル (Hans
ell)らに特許付与された米国特許第1,941,001号明細書
を見られたい。
【０００７】１９６８年３月にスィート (Sweet) らに
特許付与された米国特許第3,373,437号明細書は、印刷
されるインクドロップが選択的に荷電され、記録媒体へ
偏向させる連続的なインクジェットノズルのアレイを開
示している。この技術は、バイナリ偏向連続インクジェ
ット印刷として公知であり、エルムジェット（Ｅｌｍｊ
ｅｔ）及びサイテックス（Ｓｃｉｔｅｘ）を含む複数の
製造者によって用いられている。
特許付与された米国特許第3,373,437号明細書は、印刷
されるインクドロップが選択的に荷電され、記録媒体へ
偏向させる連続的なインクジェットノズルのアレイを開
示している。この技術は、バイナリ偏向連続インクジェ
ット印刷として公知であり、エルムジェット（Ｅｌｍｊ
ｅｔ）及びサイテックス（Ｓｃｉｔｅｘ）を含む複数の
製造者によって用いられている。
【０００８】米国特許第3,416,153号明細書は、１９６
８年１２月にハーツ (Herts) らに特許付与されたもの
である。この特許は、連続インクジェット印刷において
可変光学密度の印刷（印字）スポットを実現する方法を
開示している。荷電されたドロップストリーム（流れ）
の静電気分散は、小口径を通って通過するドロプレット
（小滴）の数を変調するように働く。この技術は、アイ
リス（Ｉｒｉｓ）製のインクジェットプリンタにおいて
使用されている。
８年１２月にハーツ (Herts) らに特許付与されたもの
である。この特許は、連続インクジェット印刷において
可変光学密度の印刷（印字）スポットを実現する方法を
開示している。荷電されたドロップストリーム（流れ）
の静電気分散は、小口径を通って通過するドロプレット
（小滴）の数を変調するように働く。この技術は、アイ
リス（Ｉｒｉｓ）製のインクジェットプリンタにおいて
使用されている。
【０００９】“METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING
THE ELECTRIC CHARGE ON DROPLETSAND INL JET RECORD
ER INCORPORATING THE SAME”の発明の名称の米国特許
第4,346,387号明細書は、１９８２年１０月２４日ハー
ツに特許付与されたものである。この特許では、ドロプ
レット上の静電荷を制御するＣＩＪシステムを開示して
いる。ドロプレットは、電界を有する静電荷電トンネル
内に配置したドロップ形成点において、加圧された液体
ストリームを分割（分断）することによって形成され
る。ドロップ形成は、所望された所定の電荷に対応する
電界におけるある点で行われる。トンネルを荷電するの
に加えて、偏向プレートはドロップを実際に偏向するの
に用いられる。ハーツシステムでは、生成されたドロプ
レットが荷電され（電荷を与えられ）、次いで、のど空
き（gutter）へあるいは印刷媒体上へ偏向されることが
必要とされている。荷電及び偏向機構はかさばり、印刷
ヘッド当たりのノズル数を厳しく制限する。
THE ELECTRIC CHARGE ON DROPLETSAND INL JET RECORD
ER INCORPORATING THE SAME”の発明の名称の米国特許
第4,346,387号明細書は、１９８２年１０月２４日ハー
ツに特許付与されたものである。この特許では、ドロプ
レット上の静電荷を制御するＣＩＪシステムを開示して
いる。ドロプレットは、電界を有する静電荷電トンネル
内に配置したドロップ形成点において、加圧された液体
ストリームを分割（分断）することによって形成され
る。ドロップ形成は、所望された所定の電荷に対応する
電界におけるある点で行われる。トンネルを荷電するの
に加えて、偏向プレートはドロップを実際に偏向するの
に用いられる。ハーツシステムでは、生成されたドロプ
レットが荷電され（電荷を与えられ）、次いで、のど空
き（gutter）へあるいは印刷媒体上へ偏向されることが
必要とされている。荷電及び偏向機構はかさばり、印刷
ヘッド当たりのノズル数を厳しく制限する。
【００１０】最近まで、従来の連続インクジェット技術
は全て、様々な態様で、ドロップがストリームにおいて
形成される点の近傍に配置した静電荷電トンネルを利用
していた。トンネルでは、個々のドロップが選択的に荷
電されてもよい。選択されたドロップは荷電され、大き
なポテンシャル差を有する偏向プレートの存在によっ
て、下流に偏向される。のど空き（“キャッチャー”と
も称する）は通常、荷電ドロップを遮断し、非印字モー
ドを確立するために用いられ、一方、非荷電ドロップは
印字モードで記録媒体に自由に衝突し、こうして、イン
クストリーム（流れ）は“非印刷”モードと“印刷”モ
ードとで偏向する。通常、連続ジェットプリンタにおけ
る荷電トンネルとドロップ偏向プレートは、従来型のＣ
ＭＯＳ回路に共通して損害を与えると考えている電圧、
通常、25ボルトあるいはそれ以下に比べて、大きな電圧
例えば１００ボルトあるいはそれ以上で作動する。ま
た、静電式連続「インクジェットプリンタにおけるイン
クを導電性にし、電流を運ぶようにする必要がある。従
来の半導体製造において周知のように、信頼性の観点か
ら、半導体表面に接触する電流を運ぶ液体を通すのは望
ましくはない。
は全て、様々な態様で、ドロップがストリームにおいて
形成される点の近傍に配置した静電荷電トンネルを利用
していた。トンネルでは、個々のドロップが選択的に荷
電されてもよい。選択されたドロップは荷電され、大き
なポテンシャル差を有する偏向プレートの存在によっ
て、下流に偏向される。のど空き（“キャッチャー”と
も称する）は通常、荷電ドロップを遮断し、非印字モー
ドを確立するために用いられ、一方、非荷電ドロップは
印字モードで記録媒体に自由に衝突し、こうして、イン
クストリーム（流れ）は“非印刷”モードと“印刷”モ
ードとで偏向する。通常、連続ジェットプリンタにおけ
る荷電トンネルとドロップ偏向プレートは、従来型のＣ
ＭＯＳ回路に共通して損害を与えると考えている電圧、
通常、25ボルトあるいはそれ以下に比べて、大きな電圧
例えば１００ボルトあるいはそれ以上で作動する。ま
た、静電式連続「インクジェットプリンタにおけるイン
クを導電性にし、電流を運ぶようにする必要がある。従
来の半導体製造において周知のように、信頼性の観点か
ら、半導体表面に接触する電流を運ぶ液体を通すのは望
ましくはない。
【００１１】最近、上述の静電気荷電トンネルを不要と
する新規な連続インクジェットプリンタシステムが開発
された。また、それは、(1)ドロプレット形成と(2)ドロ
プレット偏向の機能をよりよく結合するように働く。こ
のシステムは、チョレック（Chwalek）、ジーンマリー
（Jeanmarie）、アナグノストポロス（Anagnostopoulo
s）らによって出願された“CONTINUOUS INK JET PRINTE
R WITH ASYMMETRIC HEATING DROP DEFLECTION”の発明
の名称の米国特許出願第6,079,821号明細書において開
示されている。この内容は本明細書の内容に組み込まれ
ている。この特許では、連続インクジェットプリンタに
おけるインク制御装置を開示している。装置は、インク
送り出しチャネルと、該インク送り出しチャネルに連通
する圧縮インク源と、インク送り出しチャネルに開口し
たボアを有するノズルとを備える。ここで、インクの連
続ストリームはインク送り出しチャネルから流れ出る。
ヒーターによりストリームに弱い熱パルスを周期的に印
加すると、インクストリームは、印加熱パルスに同期し
てかつノズルから離間した位置に複数のドロプレットに
分解される。ドロプレットは、（ノズルのボアにおけ
る）ヒーターから増加した熱パルスによって偏向する。
ヒーターは選択的に起動されたセクション、例えば、ノ
ズルのボアの一部に関連するセクションを有する。特定
のヒーターセクションの選択起動は、ストリームへの熱
の非対称（異方的）印加と称せされるものを連続させる
ものである。この非対称に熱が印加されて、とりわけ
“印刷”方向（記録媒体上へ）と“非印刷”方向（“キ
ャッチャー”へ戻る方向）との間のインクドロップを偏
向するように作用する方向を、セクションを交互にする
ことによって交互にすることができる。チョレックらの
特許は、印刷ヘッド当たりのノズルの数、印刷ヘッド
長、電力使用及び役に立つインクの特性に関する従来の
問題を克服する方向に大きく改善された液体印刷システ
ムを提供する。
する新規な連続インクジェットプリンタシステムが開発
された。また、それは、(1)ドロプレット形成と(2)ドロ
プレット偏向の機能をよりよく結合するように働く。こ
のシステムは、チョレック（Chwalek）、ジーンマリー
（Jeanmarie）、アナグノストポロス（Anagnostopoulo
s）らによって出願された“CONTINUOUS INK JET PRINTE
R WITH ASYMMETRIC HEATING DROP DEFLECTION”の発明
の名称の米国特許出願第6,079,821号明細書において開
示されている。この内容は本明細書の内容に組み込まれ
ている。この特許では、連続インクジェットプリンタに
おけるインク制御装置を開示している。装置は、インク
送り出しチャネルと、該インク送り出しチャネルに連通
する圧縮インク源と、インク送り出しチャネルに開口し
たボアを有するノズルとを備える。ここで、インクの連
続ストリームはインク送り出しチャネルから流れ出る。
ヒーターによりストリームに弱い熱パルスを周期的に印
加すると、インクストリームは、印加熱パルスに同期し
てかつノズルから離間した位置に複数のドロプレットに
分解される。ドロプレットは、（ノズルのボアにおけ
る）ヒーターから増加した熱パルスによって偏向する。
ヒーターは選択的に起動されたセクション、例えば、ノ
ズルのボアの一部に関連するセクションを有する。特定
のヒーターセクションの選択起動は、ストリームへの熱
の非対称（異方的）印加と称せされるものを連続させる
ものである。この非対称に熱が印加されて、とりわけ
“印刷”方向（記録媒体上へ）と“非印刷”方向（“キ
ャッチャー”へ戻る方向）との間のインクドロップを偏
向するように作用する方向を、セクションを交互にする
ことによって交互にすることができる。チョレックらの
特許は、印刷ヘッド当たりのノズルの数、印刷ヘッド
長、電力使用及び役に立つインクの特性に関する従来の
問題を克服する方向に大きく改善された液体印刷システ
ムを提供する。
【００１２】非対称な熱の印加はストリームの偏向につ
ながり、その大きさは、複数の要因、例えば、ノズルの
幾何学的配置及び熱的特性、付加された熱の量、印加さ
れた圧力、及び、インクの物理的・化学的・熱的特性に
依存する。
ながり、その大きさは、複数の要因、例えば、ノズルの
幾何学的配置及び熱的特性、付加された熱の量、印加さ
れた圧力、及び、インクの物理的・化学的・熱的特性に
依存する。
【００１３】ここに記載される発明は、低コストメーカ
ーに対して適した連続インクジェット印刷ヘッドを製造
することによって、または、好適にはページワイドで作
ることができる印刷ヘッドに対して、チョレックらの仕
事をもとにするものである。
ーに対して適した連続インクジェット印刷ヘッドを製造
することによって、または、好適にはページワイドで作
ることができる印刷ヘッドに対して、チョレックらの仕
事をもとにするものである。
【００１４】本発明は、ページワイド印刷ヘッドとは考
えられないインクジェット印刷ヘッドを用いたものであ
るが、改善されたインクジェット印刷システムに対して
必要と広く認識され、例えば、コスト、サイズ、速度、
品質、信頼性、小さなノズルオリフィスサイズ、小さな
ドロップサイズ、低電力使用、作動における構成の単純
さ、耐久性、及び、製造能力に関して利点を備えるもの
である。この点では、ページワイド高分解能インクジェ
ット印刷ヘッドを製造する能力について特に必要性があ
る。ここで使用するように、“ページワイド”の語は約
4インチの最小長さの印刷ヘッドを称している。高解像
度は、各インクカラーに対して、単位インチ当たり最小
約300個のノズルから単位インチ当たり最大約2,400個の
ノズルのノズル密度を意味する。
えられないインクジェット印刷ヘッドを用いたものであ
るが、改善されたインクジェット印刷システムに対して
必要と広く認識され、例えば、コスト、サイズ、速度、
品質、信頼性、小さなノズルオリフィスサイズ、小さな
ドロップサイズ、低電力使用、作動における構成の単純
さ、耐久性、及び、製造能力に関して利点を備えるもの
である。この点では、ページワイド高分解能インクジェ
ット印刷ヘッドを製造する能力について特に必要性があ
る。ここで使用するように、“ページワイド”の語は約
4インチの最小長さの印刷ヘッドを称している。高解像
度は、各インクカラーに対して、単位インチ当たり最小
約300個のノズルから単位インチ当たり最大約2,400個の
ノズルのノズル密度を意味する。
【００１５】印刷速度の増大に対してページワイド印刷
ヘッドを十分活用するために、印刷ヘッドはかなりの数
のノズルを含んでいる。例えば、従来の走査型印刷ヘッ
ドは、一インクカラー当たり数100個のノズルを有する
に過ぎなかった。写真の印刷に適した4インチページワ
イド印刷ヘッドは、数1000個ものノズルを有する。印刷
ヘッドが１ページにわたってそれを機械的に動かす必要
性のためにゆっくり走査される間、ページワイド印刷ヘ
ッドは静止しており、紙が移動して印刷ヘッドを通り過
ぎていく。画像は理論的には、一回のパス（通過）で印
刷することができ、それにより、実質的に印刷速度を増
大する。
ヘッドを十分活用するために、印刷ヘッドはかなりの数
のノズルを含んでいる。例えば、従来の走査型印刷ヘッ
ドは、一インクカラー当たり数100個のノズルを有する
に過ぎなかった。写真の印刷に適した4インチページワ
イド印刷ヘッドは、数1000個ものノズルを有する。印刷
ヘッドが１ページにわたってそれを機械的に動かす必要
性のためにゆっくり走査される間、ページワイド印刷ヘ
ッドは静止しており、紙が移動して印刷ヘッドを通り過
ぎていく。画像は理論的には、一回のパス（通過）で印
刷することができ、それにより、実質的に印刷速度を増
大する。
【００１６】ページワイドの高生産性のインクジェット
印刷ヘッドの実現には２つの大きな困難がある。第１
に、ノズルがセンター−センター間距離で10μｍから80
μｍのオーダーで互いに隣接して配置しなければならな
い。第２には、ヒーターに電力を供給するドライバと各
ノズルを制御するエレクトロニクスとを各ノズルに集積
しなければならない。というのは、外部回路への数1000
個のボンドあるいは他のタイプの接続部を作る試みは現
在はまだ実現が困難だからである。
印刷ヘッドの実現には２つの大きな困難がある。第１
に、ノズルがセンター−センター間距離で10μｍから80
μｍのオーダーで互いに隣接して配置しなければならな
い。第２には、ヒーターに電力を供給するドライバと各
ノズルを制御するエレクトロニクスとを各ノズルに集積
しなければならない。というのは、外部回路への数1000
個のボンドあるいは他のタイプの接続部を作る試みは現
在はまだ実現が困難だからである。
【００１７】これらのチャレンジに対処する一方法は、
ＶＬＳＩ技術を利用してシリコンウェハー上に印刷ヘッ
ドを形成し、同じシリコン基板上のＣＭＯＳにノズルを
集積することである。
ＶＬＳＩ技術を利用してシリコンウェハー上に印刷ヘッ
ドを形成し、同じシリコン基板上のＣＭＯＳにノズルを
集積することである。
【００１８】シルバーブロック（Silverbrook）に特許
付与された米国特許第5,880,759号明細書に提案された
カスタムプロセスは印刷ヘッドを形成するために開発さ
れたが、コスト及び製造能力の観点から、従来のＶＬＳ
Ｉ設備でほぼ標準ＣＭＯＳプロセスを用いて回路を最初
に形成し、次いで、ノズル及びインクチャネルの形成の
ために別のＭＥＭＳ（マイクロ電子機械システム）設備
でウェハーの後処理を行うのが好ましい。
付与された米国特許第5,880,759号明細書に提案された
カスタムプロセスは印刷ヘッドを形成するために開発さ
れたが、コスト及び製造能力の観点から、従来のＶＬＳ
Ｉ設備でほぼ標準ＣＭＯＳプロセスを用いて回路を最初
に形成し、次いで、ノズル及びインクチャネルの形成の
ために別のＭＥＭＳ（マイクロ電子機械システム）設備
でウェハーの後処理を行うのが好ましい。
【００１９】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は、よりカ
スタム処理を必要とする従来公知のインクジェット印刷
ヘッドと比較して、低コストでかつ改良された製造能力
で製造されるＣＩＪ印刷ヘッドを提供することである。
スタム処理を必要とする従来公知のインクジェット印刷
ヘッドと比較して、低コストでかつ改良された製造能力
で製造されるＣＩＪ印刷ヘッドを提供することである。
【００２０】本発明の他の目的は、印刷ヘッドのクリー
ニングに適した平坦面を特徴とするＣＩＪ印刷ヘッドを
提供することである。
ニングに適した平坦面を特徴とするＣＩＪ印刷ヘッドを
提供することである。
【００２１】本発明の第１の態様では、インクジェット
印刷ヘッドが、印刷ヘッドの作動を制御するための集積
回路を含むシリコン基板であって、基板に沿って一又は
二以上のインクチャネルを有するシリコン基板と；細長
のインクジェットボア群のそれぞれを表面に備えた絶縁
体層若しくは層群であって、各ボアは絶縁体層若しくは
層群の表面からシリコン基板におけるインクチャネルへ
延びかつ互いに近接して配置している絶縁体層若しくは
層群と；絶縁体層若しくは層群の表面近傍にヒーター要
素とを備えている。
印刷ヘッドが、印刷ヘッドの作動を制御するための集積
回路を含むシリコン基板であって、基板に沿って一又は
二以上のインクチャネルを有するシリコン基板と；細長
のインクジェットボア群のそれぞれを表面に備えた絶縁
体層若しくは層群であって、各ボアは絶縁体層若しくは
層群の表面からシリコン基板におけるインクチャネルへ
延びかつ互いに近接して配置している絶縁体層若しくは
層群と；絶縁体層若しくは層群の表面近傍にヒーター要
素とを備えている。
【００２２】本発明の第２の態様では、前の態様で特定
したようなインクジェット印刷ヘッドを備えた連続イン
クジェット印刷ヘッドの作動方法であって、絶縁体層若
しくは層群は細長いボアを含む。
したようなインクジェット印刷ヘッドを備えた連続イン
クジェット印刷ヘッドの作動方法であって、絶縁体層若
しくは層群は細長いボアを含む。
【００２３】本発明の第３の態様は、細長いボアを備え
たインクジェット印刷ヘッドを具備した連続インクジェ
ット印刷ヘッドの製造方法である。
たインクジェット印刷ヘッドを具備した連続インクジェ
ット印刷ヘッドの製造方法である。
【００２４】本発明のこれらの目的及び他の目的、特徴
及び利点は、本発明の例示的に示して表した図面を参照
すると、以下の詳細の説明のよって当業者には明らかで
ある。
及び利点は、本発明の例示的に示して表した図面を参照
すると、以下の詳細の説明のよって当業者には明らかで
ある。
【００２５】
【発明の実施の形態】本明細書は、本発明の主要部を特
に指摘しかつ明白に主張するクレームを説明するが、添
付図面を参考にした以下の詳細な説明から本発明をより
深く理解されるはずである。図１は、本発明により構成
された印刷ヘッドの概略部分平面図であり；図１Ａは、
本発明によるＣＩＪ印刷ヘッド用の“ノッチ”型ヒータ
ーを有するノズルの概略平面図であり；図１Ｂは、本発
明によるＣＩＪ印刷ヘッド用のスプリット型ヒーターを
有するノズルの概略平面図であり；図２は、図１ＡのＢ
−Ｂ線に沿った“ノッチ”型ヒーターを有するノズルの
断面図であり；図３Ａは、図１ＡのＡ−Ｂ線に沿った概
略断面図であって、ヒーター要素及びヒーターパッシベ
ーション層の形成とノズルボアとを除いて、本発明に対
応した従来型ＣＭＯＳ製造段階の全ての終了直後のノズ
ル領域を示す図であり；図３Ｂは、本発明に対応したＣ
ＭＯＳ製造段階全て終了後の図３Ａと同様な図であり；
図４は、本発明によって製造したＣＭＯＳコンパチブル
なノズルのＡ−Ｂ線に沿った概略断面図であり；図５
は、ノズル領域の概略平面図であって、シリコン基板を
貫く中央チャネルを示した図であり；図６は、図５と同
様な図であって、各ノズルを分離しかつ構造強度を向上
すると共にインクチャネルにおける波作用を低減する、
シリコンウェハーに形成されたリブ構造を示した図であ
り（リブ構造は実際には見えないが、例示目的で図示し
ている）；図７は、ノズルの小アレイを有するインクジ
ェット印刷ヘッドの概略斜視図であり、シリコンリブを
隣接ノズルの間のインクチャネルに備えたものを示した
図であり；図８は、連続インクジェット印刷ヘッド、ノ
ズルアレイの例をインクジェット印刷ヘッドの下のプリ
ンタ媒体（例えば、紙）ロールと共に示した概略斜視図
であり；図９は、本発明によって形成され、インクが送
られる支持基板上に備えたＣＭＯＳ／ＭＥＭＳ印刷ヘッ
ドの斜視図である。
に指摘しかつ明白に主張するクレームを説明するが、添
付図面を参考にした以下の詳細な説明から本発明をより
深く理解されるはずである。図１は、本発明により構成
された印刷ヘッドの概略部分平面図であり；図１Ａは、
本発明によるＣＩＪ印刷ヘッド用の“ノッチ”型ヒータ
ーを有するノズルの概略平面図であり；図１Ｂは、本発
明によるＣＩＪ印刷ヘッド用のスプリット型ヒーターを
有するノズルの概略平面図であり；図２は、図１ＡのＢ
−Ｂ線に沿った“ノッチ”型ヒーターを有するノズルの
断面図であり；図３Ａは、図１ＡのＡ−Ｂ線に沿った概
略断面図であって、ヒーター要素及びヒーターパッシベ
ーション層の形成とノズルボアとを除いて、本発明に対
応した従来型ＣＭＯＳ製造段階の全ての終了直後のノズ
ル領域を示す図であり；図３Ｂは、本発明に対応したＣ
ＭＯＳ製造段階全て終了後の図３Ａと同様な図であり；
図４は、本発明によって製造したＣＭＯＳコンパチブル
なノズルのＡ−Ｂ線に沿った概略断面図であり；図５
は、ノズル領域の概略平面図であって、シリコン基板を
貫く中央チャネルを示した図であり；図６は、図５と同
様な図であって、各ノズルを分離しかつ構造強度を向上
すると共にインクチャネルにおける波作用を低減する、
シリコンウェハーに形成されたリブ構造を示した図であ
り（リブ構造は実際には見えないが、例示目的で図示し
ている）；図７は、ノズルの小アレイを有するインクジ
ェット印刷ヘッドの概略斜視図であり、シリコンリブを
隣接ノズルの間のインクチャネルに備えたものを示した
図であり；図８は、連続インクジェット印刷ヘッド、ノ
ズルアレイの例をインクジェット印刷ヘッドの下のプリ
ンタ媒体（例えば、紙）ロールと共に示した概略斜視図
であり；図９は、本発明によって形成され、インクが送
られる支持基板上に備えたＣＭＯＳ／ＭＥＭＳ印刷ヘッ
ドの斜視図である。
【００２６】この説明は特に、本発明による装置の一部
を形成し、あるいは、その装置と直接協働する要素を対
象にする。特に示されていないかあるいは記載されてい
ない要素は、当業者には周知の様々な態様をとってもよ
いことは理解されたい。
を形成し、あるいは、その装置と直接協働する要素を対
象にする。特に示されていないかあるいは記載されてい
ない要素は、当業者には周知の様々な態様をとってもよ
いことは理解されたい。
【００２７】図８には、符号１０で連続インクジェット
プリンタシステムを示している。印刷ヘッド１０ａは、
そこからノズル２０のアレイが延伸しているが、ヒータ
ー制御回路が組み込まれている（図示せず）。
プリンタシステムを示している。印刷ヘッド１０ａは、
そこからノズル２０のアレイが延伸しているが、ヒータ
ー制御回路が組み込まれている（図示せず）。
【００２８】ヒーター制御回路は画像メモリからデータ
を読み、ノズルアレイ２０のヒーターに時系列電気信号
を送る。これらのパルスを適当な長さの時間の間、適当
なノズルに印加され、それによって、画像メモリから送
られたデータに指示された適当な位置において、連続イ
ンクジェットストリームから形成されたドロップが記録
媒体１３上にスポットを形成する。加圧されたインク
は、インク溜まり（図示せず）から部材１４内に形成さ
れたインク送り出しチャネルへ進み、ノズルアレイ２０
を通って記録媒体１３あるいはのど空き１９のいずれか
上に進む。インクのど空き１９は偏向されてないインク
ドロプレット１１を捕捉するように構成され、一方、偏
向されたドロプレット１２が記録媒体に達するようにな
っている。図１３の連続インクジェットプリンタシステ
ムの一般的な説明は、本発明のプリンタシステムについ
ての一般的な記載として用いるためにも適している。
を読み、ノズルアレイ２０のヒーターに時系列電気信号
を送る。これらのパルスを適当な長さの時間の間、適当
なノズルに印加され、それによって、画像メモリから送
られたデータに指示された適当な位置において、連続イ
ンクジェットストリームから形成されたドロップが記録
媒体１３上にスポットを形成する。加圧されたインク
は、インク溜まり（図示せず）から部材１４内に形成さ
れたインク送り出しチャネルへ進み、ノズルアレイ２０
を通って記録媒体１３あるいはのど空き１９のいずれか
上に進む。インクのど空き１９は偏向されてないインク
ドロプレット１１を捕捉するように構成され、一方、偏
向されたドロプレット１２が記録媒体に達するようにな
っている。図１３の連続インクジェットプリンタシステ
ムの一般的な説明は、本発明のプリンタシステムについ
ての一般的な記載として用いるためにも適している。
【００２９】図１には、本発明によるインクジェット印
刷ヘッドの平面図を示している。印刷ヘッドは、ライン
状に若しくはジグザグに配置されたノズルアレイ１ａ−
１ｄを備える。各ノズルは、それぞれ論理回路とヒータ
ー駆動トランジスタ（図示せず）を含む論理ＡＮＤゲー
ト２ａ〜２ｄによってアドレス指定される。各データ入
力ライン３ａ〜３ｄについての各信号と、論理ゲートに
接続される各イネーブルクロックライン５ａ〜５ｄとが
共に論理１（ＯＮＥ）であるならば、論理回路は各ドラ
イバトランジスタをオンにする。さらに、イネーブルク
ロックライン（５ａ−５ｄ）上の信号が、特別のノズル
１ａ−１ｄにおけるヒーターを介して電流の継続時間を
決定する。ヒータードライバトランジスタを駆動するデ
ータを、データシフトレジスタ６に入力される処理され
た画像データから得てもよい。ラッチクロックに応答す
るラッチレジスタ７ａ−７ｄは、各シフトレジスタステ
ージからのデータを受け、ドットがレシーバ（受像媒
体）上に印刷されるか否かいずれかを表す各ラッチ状態
信号（論理１あるいはゼロ（ＺＥＲＯ））を表すライン
３ａ−３ｄ上の信号を提供する。第３のノズルでは、ラ
インＡ−ＡとＢ−Ｂとは、とられた断面の方向を画定す
るものである。
刷ヘッドの平面図を示している。印刷ヘッドは、ライン
状に若しくはジグザグに配置されたノズルアレイ１ａ−
１ｄを備える。各ノズルは、それぞれ論理回路とヒータ
ー駆動トランジスタ（図示せず）を含む論理ＡＮＤゲー
ト２ａ〜２ｄによってアドレス指定される。各データ入
力ライン３ａ〜３ｄについての各信号と、論理ゲートに
接続される各イネーブルクロックライン５ａ〜５ｄとが
共に論理１（ＯＮＥ）であるならば、論理回路は各ドラ
イバトランジスタをオンにする。さらに、イネーブルク
ロックライン（５ａ−５ｄ）上の信号が、特別のノズル
１ａ−１ｄにおけるヒーターを介して電流の継続時間を
決定する。ヒータードライバトランジスタを駆動するデ
ータを、データシフトレジスタ６に入力される処理され
た画像データから得てもよい。ラッチクロックに応答す
るラッチレジスタ７ａ−７ｄは、各シフトレジスタステ
ージからのデータを受け、ドットがレシーバ（受像媒
体）上に印刷されるか否かいずれかを表す各ラッチ状態
信号（論理１あるいはゼロ（ＺＥＲＯ））を表すライン
３ａ−３ｄ上の信号を提供する。第３のノズルでは、ラ
インＡ−ＡとＢ−Ｂとは、とられた断面の方向を画定す
るものである。
【００３０】図１Ａ及び図１Ｂは、ＣＩＪ印刷ヘッドで
用いられる２つのタイプの非対称ヒーター（“ノッチ
型”あるいは“スプリット型”の各々）の詳細な平面図
である。それらは、ジェットの非対称加熱を生成し、イ
ンクジェット偏向を引き起こす。非対称な熱付与は単
に、スプリット型ヒーターの場合で独立にヒーターのど
こかのセクションに電流を供給することを意味する。ノ
ッチ型ヒーターに電流が付与されたノッチ型ヒーターの
場合は本来的に、メニスカスの非対称加熱を含む。図１
Ａに、ノッチ型ヒーターを有するインクジェット印刷ヘ
ッドノズルの平面図を示す。ヒーターは、ノズルの出口
近傍に形成する。ヒーター要素材料は、電気的な開通が
可能な程度の十分な非常に小さな切り欠き型領域を除い
ては、実質的にノズルボアを囲む。これらのノズルボア
及びそれに関連した構成は環状に示されているが、1999
年12月17日に出願された米国特許出願第09/466,346号明
細書（その内容は本明細書に参考文献として組み込まれ
ている）でジーンマリーらによって開示されているよう
に非環状であってもよい。図１を参照すると、各ヒータ
ーの一の側は、通常＋５ボルトの電源に接続される共通
バスラインに接続される。各ヒータの他の側は、30mAま
での電流をヒーターに送ることができるＭＯＳトランジ
スタドライバをその内側に備える論理ＡＮＤゲートに接
続される。ＡＮＤゲートは２つの論理入力を有する。一
の論理入力は、現在のライン時間の間あるいはそれ以外
の時間に特定ヒーターが起動されるか否かを示す各シフ
トレジスタ段階からの情報を得るラッチ７ａ−７ｄから
のものである。他方の入力は、特定ヒーターに付与され
るパルスの時間の長さ及びシーケンスを決定するイネー
ブルクロックである。通常、印刷ヘッドには２又は３以
上のイネーブルクロックがあり、それによって、隣接ヒ
ーターはわずかに異なる時間に起動して熱及び他のクロ
ストーク効果を回避することができる。
用いられる２つのタイプの非対称ヒーター（“ノッチ
型”あるいは“スプリット型”の各々）の詳細な平面図
である。それらは、ジェットの非対称加熱を生成し、イ
ンクジェット偏向を引き起こす。非対称な熱付与は単
に、スプリット型ヒーターの場合で独立にヒーターのど
こかのセクションに電流を供給することを意味する。ノ
ッチ型ヒーターに電流が付与されたノッチ型ヒーターの
場合は本来的に、メニスカスの非対称加熱を含む。図１
Ａに、ノッチ型ヒーターを有するインクジェット印刷ヘ
ッドノズルの平面図を示す。ヒーターは、ノズルの出口
近傍に形成する。ヒーター要素材料は、電気的な開通が
可能な程度の十分な非常に小さな切り欠き型領域を除い
ては、実質的にノズルボアを囲む。これらのノズルボア
及びそれに関連した構成は環状に示されているが、1999
年12月17日に出願された米国特許出願第09/466,346号明
細書（その内容は本明細書に参考文献として組み込まれ
ている）でジーンマリーらによって開示されているよう
に非環状であってもよい。図１を参照すると、各ヒータ
ーの一の側は、通常＋５ボルトの電源に接続される共通
バスラインに接続される。各ヒータの他の側は、30mAま
での電流をヒーターに送ることができるＭＯＳトランジ
スタドライバをその内側に備える論理ＡＮＤゲートに接
続される。ＡＮＤゲートは２つの論理入力を有する。一
の論理入力は、現在のライン時間の間あるいはそれ以外
の時間に特定ヒーターが起動されるか否かを示す各シフ
トレジスタ段階からの情報を得るラッチ７ａ−７ｄから
のものである。他方の入力は、特定ヒーターに付与され
るパルスの時間の長さ及びシーケンスを決定するイネー
ブルクロックである。通常、印刷ヘッドには２又は３以
上のイネーブルクロックがあり、それによって、隣接ヒ
ーターはわずかに異なる時間に起動して熱及び他のクロ
ストーク効果を回避することができる。
【００３１】図１Ｂでは、スプリット型ヒーターであっ
て、出口開口近傍のノズルボアの回りの実質的に２つの
半導体ヒーター要素を有するヒーターを備えたノズルを
示している。独立した導体を、各半円の上部及び下部セ
グメントに備えている。この場合には、上部及び下部と
は、同じ面における要素（部材）を意味することは理解
されたい。これらの導体のそれぞれに関連した金属層に
導体を電気的に接触するビアを備える。これらの金属層
は、以下に記載するようにシリコン基板上に形成された
駆動（ドライバ）回路に接続されている。
て、出口開口近傍のノズルボアの回りの実質的に２つの
半導体ヒーター要素を有するヒーターを備えたノズルを
示している。独立した導体を、各半円の上部及び下部セ
グメントに備えている。この場合には、上部及び下部と
は、同じ面における要素（部材）を意味することは理解
されたい。これらの導体のそれぞれに関連した金属層に
導体を電気的に接触するビアを備える。これらの金属層
は、以下に記載するようにシリコン基板上に形成された
駆動（ドライバ）回路に接続されている。
【００３２】図２には、Ｂ−Ｂに沿った作動しているノ
ズルの概略断面図を示す。上述のように、ノズルの下に
はインクを供給するインクチャネルを有する。このイン
ク供給は、約8.8μｍのボア直径に対して通常15psiから
25psiの間の圧力下で行う。送りチャネルのインクは加
圧された溜まり（図示せず）から放出され、圧力下でチ
ャネルにインクを流す。インク圧調整器（図示せず）を
使用して、定圧を確保している。ヒーターへの電流の流
れ込みなしで、のど空きへ真っ直ぐに直接流れ込むジェ
ットが形成する。印刷ヘッドの表面では、ボアより直径
が数μｍ大きい各ノズルの回りに対称なメニスカスが形
成する。ヒーターに電流パルスを印加すると、加熱側の
メニスカスが引かれ、ジェットがヒーターから離間する
ように偏向する。形成するドロプレットは次いで、のど
空きを迂回してレシーバに達する。ヒーターを通る電流
をゼロに戻すと、メニスカスは再び対称となり、ジェッ
ト方向は直線である。装置（デバイス）は容易に逆に作
動し、すなわち、偏向したドロプレットはのど空きへ向
かい、偏向していないドロプレットを有するレシーバ上
に印刷がされる。また、一の線上に全ノズルを有するこ
とは必要不可欠というわけではない。ジグザグのノズル
配置を反映するジグザグエッジを有するものより、実質
的に真っ直ぐのエッジののど空きを作ることがより容易
である。
ズルの概略断面図を示す。上述のように、ノズルの下に
はインクを供給するインクチャネルを有する。このイン
ク供給は、約8.8μｍのボア直径に対して通常15psiから
25psiの間の圧力下で行う。送りチャネルのインクは加
圧された溜まり（図示せず）から放出され、圧力下でチ
ャネルにインクを流す。インク圧調整器（図示せず）を
使用して、定圧を確保している。ヒーターへの電流の流
れ込みなしで、のど空きへ真っ直ぐに直接流れ込むジェ
ットが形成する。印刷ヘッドの表面では、ボアより直径
が数μｍ大きい各ノズルの回りに対称なメニスカスが形
成する。ヒーターに電流パルスを印加すると、加熱側の
メニスカスが引かれ、ジェットがヒーターから離間する
ように偏向する。形成するドロプレットは次いで、のど
空きを迂回してレシーバに達する。ヒーターを通る電流
をゼロに戻すと、メニスカスは再び対称となり、ジェッ
ト方向は直線である。装置（デバイス）は容易に逆に作
動し、すなわち、偏向したドロプレットはのど空きへ向
かい、偏向していないドロプレットを有するレシーバ上
に印刷がされる。また、一の線上に全ノズルを有するこ
とは必要不可欠というわけではない。ジグザグのノズル
配置を反映するジグザグエッジを有するものより、実質
的に真っ直ぐのエッジののど空きを作ることがより容易
である。
【００３３】通常の作動では、ヒーターの抵抗は約400
オームのオーダーで、電流は10ｍＡから20ｍＡであり、
パルス継続時間は約2マイクロ秒であり、純水に対する
偏向角は数度のオーダーであり、この点については、
“Continuous Ink Jet Print Head Power-Adjustable S
egmented Heater”の発明の名称の米国特許第6,213,595
号明細書、及び、“Continuous Ink Jet Print Head Ha
ving Multi-Segment Heaters”の発明の名称の米国特許
第6,217,163号明細書を参照されたい。
オームのオーダーで、電流は10ｍＡから20ｍＡであり、
パルス継続時間は約2マイクロ秒であり、純水に対する
偏向角は数度のオーダーであり、この点については、
“Continuous Ink Jet Print Head Power-Adjustable S
egmented Heater”の発明の名称の米国特許第6,213,595
号明細書、及び、“Continuous Ink Jet Print Head Ha
ving Multi-Segment Heaters”の発明の名称の米国特許
第6,217,163号明細書を参照されたい。
【００３４】周期的電流パルスの印加によって、印加パ
ルスに応じて、ジェットを同時のドロプレットに分解す
ることになる。これらのドロプレットは、印刷ヘッドの
表面から約100μｍから200μｍ離れ、8.8μｍの直径
で、約2マイクロ秒幅で、200kHzパルス率であり、これ
らは通常3pLから4pLのサイズであるが、ボアサイズ及び
周波数（電流パルス当たりのパルス率）に多少依存して
もよい。
ルスに応じて、ジェットを同時のドロプレットに分解す
ることになる。これらのドロプレットは、印刷ヘッドの
表面から約100μｍから200μｍ離れ、8.8μｍの直径
で、約2マイクロ秒幅で、200kHzパルス率であり、これ
らは通常3pLから4pLのサイズであるが、ボアサイズ及び
周波数（電流パルス当たりのパルス率）に多少依存して
もよい。
【００３５】図３において示す線Ａ−Ｂに沿った断面図
は、ノズルが後にアレイで形成される印刷ヘッドの形成
の不完全な段階であって、ＣＭＯＳ回路が同じシリコン
基板上に集積される段階を示している。
は、ノズルが後にアレイで形成される印刷ヘッドの形成
の不完全な段階であって、ＣＭＯＳ回路が同じシリコン
基板上に集積される段階を示している。
【００３６】前述のように、一又は二以上の集積回路と
してまずＣＭＯＳ回路をシリコンウェハー上に形成す
る。ＣＭＯＳプロセスは、6インチ直径ウェハー上にポ
リシリコンの２つのレベルと金属の３つのレベルとを組
み込んだ標準0.5μｍ混合信号プロセスであってもよ
い。ウェハー厚は通常675μｍである。図３には、この
プロセスは、ビアに内部接続するように示した３層の金
属によって表している。また、ポリシリコンレベル２と
金属レベル１へのＮ+拡散及び接触とを、シリコン基板
における能動回路を示すために描いている。ＣＭＯＳト
ランジスタのゲート電極は、一のポリシリコン層に形成
してもよい。ここで用いるように、“ポリシリコン”と
の語では、ＣＭＯＳトランジスタ装置用のゲート電極と
して役に立つように導電性であるドーピングされたポリ
シリコンを仮定している。
してまずＣＭＯＳ回路をシリコンウェハー上に形成す
る。ＣＭＯＳプロセスは、6インチ直径ウェハー上にポ
リシリコンの２つのレベルと金属の３つのレベルとを組
み込んだ標準0.5μｍ混合信号プロセスであってもよ
い。ウェハー厚は通常675μｍである。図３には、この
プロセスは、ビアに内部接続するように示した３層の金
属によって表している。また、ポリシリコンレベル２と
金属レベル１へのＮ+拡散及び接触とを、シリコン基板
における能動回路を示すために描いている。ＣＭＯＳト
ランジスタのゲート電極は、一のポリシリコン層に形成
してもよい。ここで用いるように、“ポリシリコン”と
の語では、ＣＭＯＳトランジスタ装置用のゲート電極と
して役に立つように導電性であるドーピングされたポリ
シリコンを仮定している。
【００３７】金属層を電気的に絶縁する必要性のため、
シリコンウェハー上の膜の全膜厚が約4.5μｍになるよ
うに、それらの金属層間に誘電体層を堆積する。
シリコンウェハー上の膜の全膜厚が約4.5μｍになるよ
うに、それらの金属層間に誘電体層を堆積する。
【００３８】図３Ａで示した構造は基本的には、図１で
示したような制御要素を提供するために、必要なトラン
ジスタと論理ゲートとを提供する。
示したような制御要素を提供するために、必要なトラン
ジスタと論理ゲートとを提供する。
【００３９】従来のＣＭＯＳ形成段階の結果として。厚
さ約675μｍで直径6インチ直径のシリコン基板を得る。
より大きめのあるいは小さめの直径のシリコンウェハー
を同様に用いることができる。周知のように、これらの
トランジスタを形成するためには、様々な材料に選択的
に堆積する従来の方法を通して、シリコン基板には複数
のトランジスタには、複数のトランジスタを形成する。
一又は二以上のポリシリコン層と所望のパターンに対応
してそこに形成された金属層とを有する酸化物／窒化物
絶縁層を形成することになる一連の層がシリコン基板の
上に支持される。必要に応じて様々な層の間にビアを備
え、ボンドパッドに開通してもよい。データと、ラッチ
クロックと、イネーブルクロックと、印刷ヘッドに隣接
して取り付けられた回路ボードからあるいは離れた位置
から供給されたパワーとをそれぞれ接続するために、様
々なボンドパッドを備えている。ボンドパッドを一つだ
け示したが、ノズルアレイには多数のボンドパッドが形
成されることは理解されたい。図３Ａで示したように、
酸化物／窒化物絶縁層は約4.5μｍ厚である。図３で示
した構造は基本的には、図１で示した制御コンポーネン
トを備えるために、必要な内部接続、トランジスタ、及
び、論理ゲートを備える。
さ約675μｍで直径6インチ直径のシリコン基板を得る。
より大きめのあるいは小さめの直径のシリコンウェハー
を同様に用いることができる。周知のように、これらの
トランジスタを形成するためには、様々な材料に選択的
に堆積する従来の方法を通して、シリコン基板には複数
のトランジスタには、複数のトランジスタを形成する。
一又は二以上のポリシリコン層と所望のパターンに対応
してそこに形成された金属層とを有する酸化物／窒化物
絶縁層を形成することになる一連の層がシリコン基板の
上に支持される。必要に応じて様々な層の間にビアを備
え、ボンドパッドに開通してもよい。データと、ラッチ
クロックと、イネーブルクロックと、印刷ヘッドに隣接
して取り付けられた回路ボードからあるいは離れた位置
から供給されたパワーとをそれぞれ接続するために、様
々なボンドパッドを備えている。ボンドパッドを一つだ
け示したが、ノズルアレイには多数のボンドパッドが形
成されることは理解されたい。図３Ａで示したように、
酸化物／窒化物絶縁層は約4.5μｍ厚である。図３で示
した構造は基本的には、図１で示した制御コンポーネン
トを備えるために、必要な内部接続、トランジスタ、及
び、論理ゲートを備える。
【００４０】図３Ｂに示したノズルアレイ構造を参照さ
れたい。平坦面を得るために化学機械的研磨（ＣＭＰ）
段階が実施されたウェハー面の上にSi3N4若しくはSiO2
のような誘電体層を堆積する。次いで、薄いTi/TiN層及
び次いではるかに厚めのタングステンの堆積が続いて、
ビアを金属３層上方において頂部誘電体層にビア（ビア
３）を開通する。次いで、ビア３の内側を除いてどこか
らでもＷ及びTiNを除去するＣＭＰ（化学機械的研磨）
工程シーケンスにおいて平坦化を実施する。
れたい。平坦面を得るために化学機械的研磨（ＣＭＰ）
段階が実施されたウェハー面の上にSi3N4若しくはSiO2
のような誘電体層を堆積する。次いで、薄いTi/TiN層及
び次いではるかに厚めのタングステンの堆積が続いて、
ビアを金属３層上方において頂部誘電体層にビア（ビア
３）を開通する。次いで、ビア３の内側を除いてどこか
らでもＷ及びTiNを除去するＣＭＰ（化学機械的研磨）
工程シーケンスにおいて平坦化を実施する。
【００４１】その後、Tiを約50Å及びTiNを約600Åで新
しいTi/TiN層を堆積する。形成ガスにおいて約20分間42
0℃でアニーリングしたこのコンポジット層は、単位面
積当たり約20オームの面積抵抗を有する。ヒーターパタ
ーンを画定した後、リソグラフィー及びエッチング段階
を実施する。次いで、化学的浸食又は機械的摩耗からヒ
ータを保護するために、ウェハーをＰＥＣＶＤのSi3N4
の3000Å膜及びＰＥＣＶＤのSiO2の3500Åの膜で被覆す
る。
しいTi/TiN層を堆積する。形成ガスにおいて約20分間42
0℃でアニーリングしたこのコンポジット層は、単位面
積当たり約20オームの面積抵抗を有する。ヒーターパタ
ーンを画定した後、リソグラフィー及びエッチング段階
を実施する。次いで、化学的浸食又は機械的摩耗からヒ
ータを保護するために、ウェハーをＰＥＣＶＤのSi3N4
の3000Å膜及びＰＥＣＶＤのSiO2の3500Åの膜で被覆す
る。
【００４２】次いで、二以上のリソグラフィー及びエッ
チング段階を実施した。最初の段階はボンドパッドを露
出するためであり、次の段階はボアを形成するためであ
る。酸化物／窒化物のエッチングの際では、ボアを形成
するためのエッチング過程を自然停止させるという利点
がある。インクジェットノズルボアは概してボア全体で
均一な寸法でかつ好適には円形の断面を有し、ボアの直
径は1μｍ〜100μｍの範囲、好適には6μｍ〜16μｍの
範囲であってもよい。
チング段階を実施した。最初の段階はボンドパッドを露
出するためであり、次の段階はボアを形成するためであ
る。酸化物／窒化物のエッチングの際では、ボアを形成
するためのエッチング過程を自然停止させるという利点
がある。インクジェットノズルボアは概してボア全体で
均一な寸法でかつ好適には円形の断面を有し、ボアの直
径は1μｍ〜100μｍの範囲、好適には6μｍ〜16μｍの
範囲であってもよい。
【００４３】次いで、ウェハーを、うら面を研削し、研
磨して675μｍの初期厚から約300μｍの厚さに薄くす
る。
磨して675μｍの初期厚から約300μｍの厚さに薄くす
る。
【００４４】次いで、ウェハのうら側に厚いフォトレジ
ストを塗布して、インクチャネルパターンを画定する。
このパターンをウェハーのおもて面のターゲットに位置
合わせ、それによって、ボア開口とインクチャネルとを
精確に位置合わせする。このおもてからうらへの位置合
わせ過程は、カール・ズース（Karl Suss）１Ｘアライ
ナーシステムを用いると、約2μｍの位置合わせ精度不
良を有する。次いで、インクチャネルをＳＴＳディープ
シリコンエッチシステムでエッチングする。
ストを塗布して、インクチャネルパターンを画定する。
このパターンをウェハーのおもて面のターゲットに位置
合わせ、それによって、ボア開口とインクチャネルとを
精確に位置合わせする。このおもてからうらへの位置合
わせ過程は、カール・ズース（Karl Suss）１Ｘアライ
ナーシステムを用いると、約2μｍの位置合わせ精度不
良を有する。次いで、インクチャネルをＳＴＳディープ
シリコンエッチシステムでエッチングする。
【００４５】仕上がったノズルのＡ−Ｂ面に沿った概略
断面を図４に示す。図示したノズルは、長さ約4μｍ〜1
0μｍ好適には約6μｍで、直径10μｍでほぼ均一の深い
ボアを有し、ストリームの偏向を生ずるように非対称の
加熱を付与しない限り、軸方向指向性が高いジェットを
生成する。
断面を図４に示す。図示したノズルは、長さ約4μｍ〜1
0μｍ好適には約6μｍで、直径10μｍでほぼ均一の深い
ボアを有し、ストリームの偏向を生ずるように非対称の
加熱を付与しない限り、軸方向指向性が高いジェットを
生成する。
【００４６】図５では、シリコン基板に形成したインク
チャネルを、ノズルアレイの下の中央に延びる矩形キャ
ビティとして図示した。しかしながら、ダイの中央の長
いボアは印刷ヘッドアレイを構造的に弱くする傾向があ
り、そのため、例えば、パッケージングのときに、アレ
イが捻り応力を受けると、膜は壊れる。また、印刷ヘッ
ドに沿って、低周波圧力波によるインクチャネル内での
圧力変動はジェットジッターを生じうる。改良した設計
について記載する。この改良型は、インクチャネルのエ
ッチングの間、ノズルアレイの各ノズル間のシリコンブ
リッジ若しくはリブの背後に残るものである。これらの
ブリッジは、シリコンウェハーのうらからおもてまで延
びている。従って、ウェハーのうらに画定したインクチ
ャネルパターンは、ノズルの列の方向に平行に延びる長
い矩形凹みではなく、各々が単一のノズルを提供する小
さめの矩形キャビティ群である。図４，図６及び図７を
参照されたい。上述のように、印刷ヘッドを構造的に弱
くする傾向があるダイの中央における長いキャビティに
対として、これらのリブの使用によってシリコンの強度
を改善される。リブ若しくはブリッジも、上述のように
ジェットジッタを生じうる低周波圧力波によるインクチ
ャネル内の圧力変動を低下する傾向にある。この例で
は、各インクチャネルを、ノズル列の方向に沿って20μ
ｍでかつ横方向好適にはノズル開口の列に直交する方向
に120μｍの矩形になるように形成する。
チャネルを、ノズルアレイの下の中央に延びる矩形キャ
ビティとして図示した。しかしながら、ダイの中央の長
いボアは印刷ヘッドアレイを構造的に弱くする傾向があ
り、そのため、例えば、パッケージングのときに、アレ
イが捻り応力を受けると、膜は壊れる。また、印刷ヘッ
ドに沿って、低周波圧力波によるインクチャネル内での
圧力変動はジェットジッターを生じうる。改良した設計
について記載する。この改良型は、インクチャネルのエ
ッチングの間、ノズルアレイの各ノズル間のシリコンブ
リッジ若しくはリブの背後に残るものである。これらの
ブリッジは、シリコンウェハーのうらからおもてまで延
びている。従って、ウェハーのうらに画定したインクチ
ャネルパターンは、ノズルの列の方向に平行に延びる長
い矩形凹みではなく、各々が単一のノズルを提供する小
さめの矩形キャビティ群である。図４，図６及び図７を
参照されたい。上述のように、印刷ヘッドを構造的に弱
くする傾向があるダイの中央における長いキャビティに
対として、これらのリブの使用によってシリコンの強度
を改善される。リブ若しくはブリッジも、上述のように
ジェットジッタを生じうる低周波圧力波によるインクチ
ャネル内の圧力変動を低下する傾向にある。この例で
は、各インクチャネルを、ノズル列の方向に沿って20μ
ｍでかつ横方向好適にはノズル開口の列に直交する方向
に120μｍの矩形になるように形成する。
【００４７】上述の記載は単一のノズルの形成に関する
ものであるが、この工程がウェハーに沿った列に形成さ
れたノズル群全体にも適用可能であることは理解された
い。この列は直線かあるいはジグザグ線のいずれかであ
ってもよい。
ものであるが、この工程がウェハーに沿った列に形成さ
れたノズル群全体にも適用可能であることは理解された
い。この列は直線かあるいはジグザグ線のいずれかであ
ってもよい。
【００４８】本発明では、比較的平らな頂部面を有し、
メンテナンスあるいはクリーニングに非常に適した連続
インクジェットプリンターを提供する。印刷ヘッドは、
インクストリームの加熱用のヒーター要素を制御するの
に用いる集積回路を画定する実質的に従来のＣＭＯＳ処
理設備で処理することができる。次に、ヒーター要素、
ボア及びインクチャネルのような他の構造をＭＥＭＳ処
理設備に付加する。
メンテナンスあるいはクリーニングに非常に適した連続
インクジェットプリンターを提供する。印刷ヘッドは、
インクストリームの加熱用のヒーター要素を制御するの
に用いる集積回路を画定する実質的に従来のＣＭＯＳ処
理設備で処理することができる。次に、ヒーター要素、
ボア及びインクチャネルのような他の構造をＭＥＭＳ処
理設備に付加する。
【００４９】図９に示したように、本明細書に記載した
一の実施形態に対応する仕上がったＣＭＯＳ／ＭＥＭＳ
印刷ヘッド１２０は、支持マウントに形成された長軸方
向に延びたチャネルの端部までインクを供給するための
マウントの隣接端部に結合した一対のインク供給ライン
１３０Ｌ、１３０Ｒを有する支持マウント１１０上に取
り付けられている。チャネルは、印刷ヘッド１２０のう
しろに対面し、印刷ヘッド１２０のシリコン基板に形成
された全インクチャネルに連通する。セラミック基板で
あり得る支持マウントは、プリンタシステムにこの構造
を取り付けるために端部に取付け穴を含む。
一の実施形態に対応する仕上がったＣＭＯＳ／ＭＥＭＳ
印刷ヘッド１２０は、支持マウントに形成された長軸方
向に延びたチャネルの端部までインクを供給するための
マウントの隣接端部に結合した一対のインク供給ライン
１３０Ｌ、１３０Ｒを有する支持マウント１１０上に取
り付けられている。チャネルは、印刷ヘッド１２０のう
しろに対面し、印刷ヘッド１２０のシリコン基板に形成
された全インクチャネルに連通する。セラミック基板で
あり得る支持マウントは、プリンタシステムにこの構造
を取り付けるために端部に取付け穴を含む。
【図１】 本発明により構成された印刷ヘッドの概略
部分平面図である。
部分平面図である。
【図１Ａ】 本発明によるＣＩＪ印刷ヘッド用の“ノッ
チ”型ヒーターを有するノズルの概略平面図である。
チ”型ヒーターを有するノズルの概略平面図である。
【図１Ｂ】 本発明によるＣＩＪ印刷ヘッド用のスプリ
ット型ヒーターを有するノズルの概略平面図である。
ット型ヒーターを有するノズルの概略平面図である。
【図２】 図１ＡのＢ−Ｂ線に沿った“ノッチ”型
ヒーターを有するノズルの断面図である。
ヒーターを有するノズルの断面図である。
【図３Ａ】 図１ＡのＡ−Ｂ線に沿った概略断面図であ
って、ヒーター要素及びヒーターパッシベーション層の
形成とノズルボアとを除いて、本発明に対応した従来型
ＣＭＯＳ製造段階の全ての終了直後のノズル領域を示す
図である。
って、ヒーター要素及びヒーターパッシベーション層の
形成とノズルボアとを除いて、本発明に対応した従来型
ＣＭＯＳ製造段階の全ての終了直後のノズル領域を示す
図である。
【図３Ｂ】 本発明に対応したＭＯＳ製造段階全て終了
後の図３Ａと同様な図である。
後の図３Ａと同様な図である。
【図４】 本発明によって製造したＣＭＯＳコンパチブ
ルなノズルのＡ−Ｂ線に沿った概略断面図である。
ルなノズルのＡ−Ｂ線に沿った概略断面図である。
【図５】 ノズル領域の概略平面図であって、シリコン
基板を貫く中央チャネルを示した図である。
基板を貫く中央チャネルを示した図である。
【図６】 図５と同様な図であって、各ノズルを分離し
かつ構造強度を向上すると共にインクチャネルにおいて
波作用を低減するシリコンウェハーに形成されたリブ構
造を示した図であ（リブ構造は実際には見えないが、例
示目的で図示している）る。
かつ構造強度を向上すると共にインクチャネルにおいて
波作用を低減するシリコンウェハーに形成されたリブ構
造を示した図であ（リブ構造は実際には見えないが、例
示目的で図示している）る。
【図７】 ノズルの小アレイを有するインクジェット印
刷ヘッドの概略斜視図であり、シリコンリブを隣接ノズ
ルの間のインクチャネルに備えたものを示した図であ
る。
刷ヘッドの概略斜視図であり、シリコンリブを隣接ノズ
ルの間のインクチャネルに備えたものを示した図であ
る。
【図８】 インクジェット印刷ヘッドの下のプリンタ媒
体（例えば、紙）ロールとして、連続インクジェット印
刷ヘッド及びノズルアレイの例の概略斜視図である。
体（例えば、紙）ロールとして、連続インクジェット印
刷ヘッド及びノズルアレイの例の概略斜視図である。
【図９】 本発明によって形成され、インクが送られる
支持基板上に備えたＣＭＯＳ／ＭＥＭＳ印刷ヘッドの斜
視図である。
支持基板上に備えたＣＭＯＳ／ＭＥＭＳ印刷ヘッドの斜
視図である。
１０ 連続インクジェットプリンタシステム １０ａ 印刷ヘッド １１ インクドロプレット １２ ドロプレット １４ 基板 １９ のど空き ２０ アレイ １２０ 印刷ヘッド
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ギルバート・エー・ホーキンズ アメリカ合衆国・ニューヨーク・14506・ メンドン・ドラムリン・ビュー・ドライ ブ・50 (72)発明者 ジョン・エー・レーベンス アメリカ合衆国・ニューヨーク・14543・ ラッシュ・ラッシュ・スコッツヴィル・ロ ード・1819 Ｆターム(参考） 2C057 DB02 DB04 DC03 DC19 DE04
Claims (3)
- 【請求項１】 印刷ヘッドの作動を制御するために形
成された集積回路を含むシリコン基板であって、基板に
沿って一又は二以上のインクチャネルを有するシリコン
基板と；シリコン基板を覆う絶縁体層若しくは層群であ
って、絶縁体層若しくは層群はその絶縁体層若しくは層
群を貫通する細長のインクジェットボアの一群を有し、
互いに近接して配置した各ボアは絶縁体層若しくは層群
の外側面からシリコン基板のインクチャネルまで延びて
4μｍから10μｍの範囲のボア長を提供するという絶縁
体層若しくは層群と；絶縁体層若しくは層群の表面近傍
にヒーター要素と、を備えた連続インクジェット印刷ヘ
ッド。 - 【請求項２】 印刷ヘッドの作動を制御するために形
成された集積回路群を有するシリコン基板に形成された
インクチャネルに加圧状態の液体インクを備える段階
と；ノズル開口で若しくはその近傍でインクを加熱する
段階であって、各ノズル開口はインクチャネルに連通す
ると共に所定の方向に延びるアレイとして配置するもの
である段階と；とを備え、 各ノズルはシリコン基板を覆う絶縁体層若しくは層群に
おいて細長のノズルボアとして形成され、各細長ボア
は、4μｍから10μｍの範囲のボア長に沿ってのインク
トラベルを提供するために絶縁体層若しくは層群の面で
終端し、ヒーター要素は各ノズル開口と関連しかつイン
クがノズル開口を射出するときにインクを加熱する連続
インクジェット印刷ヘッドを作動する方法。 - 【請求項３】 印刷ヘッドの作動を制御するために形
成された集積回路を有するシリコン基板を形成する段階
であって、そのシリコン基板はその上に絶縁体層若しく
は層群を有するものであり、絶縁体層若しくは層群はシ
リコン基板に形成された回路に電気接続する導体を有す
るという段階と；直線状にあるいはジグザグ状に配置し
た細長インクジェットノズルボアのアレイ群を絶縁体層
若しくは層群に形成する段階であって、各ボアが絶縁体
層若しくは層群の面からシリコン基板のインクチャネル
まで延びると共に4μｍから10μｍの範囲の長さを有す
る段階と；絶縁体層若しくは層群の面上で各ボアに近接
してヒーター要素を形成する段階と；を備えた連続イン
クジェット印刷ヘッドを製造する方法
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/791,315 US6491385B2 (en) | 2001-02-22 | 2001-02-22 | CMOS/MEMS integrated ink jet print head with elongated bore and method of forming same |
| US09/791,315 | 2001-02-22 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002254652A true JP2002254652A (ja) | 2002-09-11 |
| JP2002254652A5 JP2002254652A5 (ja) | 2005-06-23 |
Family
ID=25153332
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001387218A Pending JP2002254652A (ja) | 2001-02-22 | 2001-12-20 | 細長ボアを有するｃｍｏｓ／ｍｅｍｓ集積インクジェット印刷ヘッド及びその製造方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6491385B2 (ja) |
| EP (1) | EP1234668B1 (ja) |
| JP (1) | JP2002254652A (ja) |
| DE (1) | DE60113798T2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| US7029085B2 (en) * | 2001-09-27 | 2006-04-18 | Fuji Photo Film Co., Ltd. | Ink jet head and ink jet printer |
| US7052117B2 (en) | 2002-07-03 | 2006-05-30 | Dimatix, Inc. | Printhead having a thin pre-fired piezoelectric layer |
| US6932451B2 (en) * | 2003-02-18 | 2005-08-23 | T.S.D. Llc | System and method for forming a pattern on plain or holographic metallized film and hot stamp foil |
| US7281778B2 (en) | 2004-03-15 | 2007-10-16 | Fujifilm Dimatix, Inc. | High frequency droplet ejection device and method |
| US8491076B2 (en) | 2004-03-15 | 2013-07-23 | Fujifilm Dimatix, Inc. | Fluid droplet ejection devices and methods |
| US7549298B2 (en) * | 2004-12-04 | 2009-06-23 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Spray cooling with spray deflection |
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