JP2005219500A - 加熱素子、流体加熱デバイス、インクジェットプリントヘッド、およびそれを有するプリントカートリッジならびにその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】内部の抵抗器の寸法が精密に制御されて全体にわたって滴重量が均一になるようにする加熱素子を提供することにある。
【解決手段】本発明の加熱素子は、基板10と、基板10の上に配置され、第1の導電トレース22と第2の導電トレース24とを両者の間にスペーサの突出部14がある状態で規定する導電層20と、第1の導電トレース22、第2の導電トレース24およびスペーサ14を覆い、第1の導電トレース22と第2の導電トレース24とを少なくとも部分的に電気的に接続する抵抗層18とを備えている。
【選択図】図2
【解決手段】本発明の加熱素子は、基板10と、基板10の上に配置され、第1の導電トレース22と第2の導電トレース24とを両者の間にスペーサの突出部14がある状態で規定する導電層20と、第1の導電トレース22、第2の導電トレース24およびスペーサ14を覆い、第1の導電トレース22と第2の導電トレース24とを少なくとも部分的に電気的に接続する抵抗層18とを備えている。
【選択図】図2
Description
本発明は包括的には加熱素子に関し、詳細には、プリントカートリッジ上で用いるのに好適な熱インクジェットプリントヘッドに関する。本発明はさらに、加熱素子の製造方法に関する。
電子プリント技術の分野においては、かなりの開発が行われている。高速かつ正確な方法でインクを施すことができる幅広くさまざまな非常に効率的なプリントシステムは、現在存在している。この点に関して、熱インクジェットシステムは特に重要である。熱インクジェット技術を用いるプリントユニットは、基本的には、その上の発射チャンバ内に複数の薄膜加熱素子または抵抗器を有する基板(好ましくはシリコン[Si]および/またはその他の相当する材料で作られている)と流体連通する少なくとも1つのインク槽を含む装置を必要としている。基板と抵抗器は、従来「プリントヘッド」と呼ばれている構造内に保持されている。抵抗器を選択的に作動させることによって、発射チャンバ内に保管されているインク材料が熱によって励起され、プリントヘッドから吐出されることになる。「Ink Jet Printhead Having Improved Reliability」という名称のWhitmanへの米国特許第6,213,587号、および「Heating Element of a Printhead Having Conductive Layer Between Resistive Layers」という名称のSchulte他への米国特許第6,513,913号において、代表的な熱インクジェットシステムが説明されている。
プリントヘッドの動作中にインクをオンデマンドで吐出するのに用いる抵抗器に特に関連するプリントヘッドの動作効率は、プリントヘッドの設計において重要な考慮すべきことのひとつである。本明細書において「動作効率」という用語は、内部温度レベル、インク吐出量、すなわち滴重量に影響を及ぼす抵抗器の熱均一性等を含むが、これに限定するものではない、多数のさまざまな事項を一括して包含するものとする。
熱インクジェットプリントヘッドにおいて用いるよう選択される抵抗器およびそれに関連する相互接続構成要素の化学特性および物理特性は、プリントヘッドの全体的な動作効率に直接影響を及ぼすことになる。本明細書において用いられる「相互接続構成要素」または「相互接続構造」という用語は、抵抗器をシステムのプリント制御回路に電気的に接続する導電トレースおよび関係する素子を一般に含んでいる。
既知のプリントヘッドは、抵抗器を規定する抵抗層の上方の導電層を含んでいる。導電層は、抵抗器に近接する状態で、それぞれ傾斜した側壁を有するトレースを備えている。このような傾斜した側壁は、抵抗器および隣接する構成要素を腐食から保護するのに通常用いられる1つまたは複数のパッシベーション層をその上により効果的に堆積することが可能な表面を有している。したがって、プリントヘッドの設計は、側壁を鉛直にすることを避けてきた。これは、鉛直の側壁の表面上にパッシベーション層を堆積することが困難だからである。さらに、このような鉛直の側壁は、抵抗器の上方にインクチャンバすなわち発射チャンバを形成するのに用いられるバリアー材料を捕らえるということがわかっている、尖ったコーナをプリントヘッドに形成するからである。発射チャンバ内の捕らえられたバリアー材料は、抵抗器により発生した熱がそれぞれの発射チャンバ内の流体内へと効果的に散逸することがないようにする、断熱層の役割を果たしてしまうことになる。この断熱バリアー材料によって、(プリントヘッドの構成要素が上に配置される基板、すなわち「ダイ」に特に関連して)プリントヘッド内に熱が蓄積し、それによってプリントヘッドの信頼性/寿命のレベルに影響を及ぼすことになる。したがって、側壁が傾斜した設計のプリントヘッドは、そのような問題をある程度克服している。
しかし、側壁が傾斜した導電トレースを有するプリントヘッドには不利な点がある。傾斜した表面を作成するのに用いられる、ウェット化学エッチングおよびドライエッチング等の傾斜金属エッチング(SME)プロセスは、精密に制御することができない。言い換えれば、導電層から除去されて抵抗器の側面に位置する2つの間隔を置いて配置された導電トレースを形成する導電性材料の量は、精密に決定することができない。したがって、抵抗器の「長さ」または「境界」を規定するものであるこの2つの導電トレースの間の距離を精密に規定することはできない。プリントヘッドの製造にそのようなプロセスを用いると、大きさが不正確な抵抗器を製造してしまう可能性があり、このような抵抗器を用いると、滴重量が不正確になってしまう可能性がある。さらにひどい場合には、プリントヘッドの抵抗器は個々に不正確な大きさであるだけでなく、その1つのプリントヘッド内でさまざまな大きさになってしまう可能性がある。その結果、このような抵抗器が発生する熱、したがってこのような抵抗器の上でさまざまなインクチャンバから形成される滴の重量は、プリントヘッド内の発射チャンバ全体にわたって均一ではない可能性がある。このように滴重量が不均一であることは、より高解像度のプリントヘッドの設計にとって、障害となる可能性がある。
したがって、内部の抵抗器の寸法がより精密に制御されて加熱素子全体にわたって滴重量が均一になるようにする加熱素子を有するインクジェットプリントヘッドを備えていることが望ましい。
本発明の一実施形態によれば、基板と、該基板の上に配置され、それによって、第1の導電トレースと第2の導電トレースとを両者の間にスペーサがある状態で規定する導電層と、第1の導電トレース、第2の導電トレースおよびスペーサを覆い、第1の導電トレースと第2の導電トレースとを少なくとも部分的に電気的に接続する抵抗層とを備える加熱素子が提供されている。
本発明は図面を参照するとよりよく理解される。
以下、本発明の実施形態を、熱インクジェットプリントヘッドにおいて用いるのに好適な加熱素子の状況で説明する。しかし、本発明はいかなる流体加熱デバイスにおいても用いることができる、ということが理解されなければならない。
図1は、本発明の第1の実施形態による、その上にプリントヘッド4を有するインクジェットプリントカートリッジ2を示している。プリントカートリッジ2は、プリントヘッド4が流体連通して内部の流体をプリントヘッド4に供給する流体槽(図示せず)を備えている。図2は、プリントヘッド4の一部である図1のX−X線断面図を示している。図2において、基板10の上には薄膜スタック8を貼着されている。薄膜スタック8および基板10を貫いて、スロット領域またはマニホルド(図示せず)が形成されている。マニホルドを形成する方法のひとつは、研磨サンドブラストである。ブラスト装置は、加圧気体(例えば圧縮空気)源を用い、研磨粒子を薄膜層でコーティングした基板に向かって噴射して、マニホルドを形成している。粒子は、コーティングした基板に接触して腐食を行い、その基板を貫く開口部を形成している。研磨粒子の大きさは、直径が約10〜200ミクロンに形成されている。研磨粒子には、酸化アルミニウム、ガラスビード、炭化ケイ素、重炭酸ナトリウム、ドロマイト、およびウォルナットシェル(walnut shells)が含まれている。
第1の実施形態において、基板10は単結晶シリコンウエハーである。いくつかの他の実施形態においては、基板10は約0.55オーム/cmまで薄くドープしたp型シリコンウエハーであってもよい。または、もととなる基板10は、ガラス、半導電性材料、金属マトリクス複合材料(MMC)、セラミックマトリクス複合材料(CMC)、ポリマーマトリクス複合材料(PMC)、または、真空処理の後にxというフィラー材料がエッチングによって複合材料マトリクスから除去されるサンドイッチSi/xMcであってもよい。当業者には既知のように、もととなる基板10の寸法はさまざまであってもよい。
第1の実施形態において、二酸化ケイ素でできた絶縁(隔離)、すなわちキャッピング層12は基板10の上に堆積されまたは成長されている。本実施形態において、キャッピング層12は基板10を覆ってシールし、それによって気体および液体のバリアー層を設けている。キャッピング層12はバリアー層であるので、流体は基板10に流入することが実質的に制限されている。この第1の実施形態において、キャッピング層12は、肩部16が2つの側面に位置する突出部14を含むよう処理されている。突出部14および肩部16を形成するプロセスについては後述する。
他の実施形態において、このキャッピング層12は、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ガラス(PSG)、およびその他の好適な材料等、さまざまな異なる材料で形成されていてもよい。このような他の実施形態の1つにおいて、キャッピング層12に電気絶縁誘電材料を用いると、基板10を電気絶縁するのにも役立つことになる。材料に応じて、キャッピング層12は、基板10とその上方の抵抗層18との間の熱バリアーの役割も果たしてもよい。キャッピング層12は、層の熱成長、スパッタリング、蒸着、およびプラズマ化学気相成長(PECVD)等、当業者に既知のさまざまな方法のうちのいずれの1つを用いて形成してもよい。キャッピング層12は、基板10を覆いシールするのに十分ないかなる所望の厚さであってもよい。一般に、キャッピング層12の厚さは約1から2ミクロンまでである。
他の実施形態のうちの1つにおいて、キャッピング層12は、PECVD技法を用いて堆積した、リンをドープした(n+)二酸化ケイ素相互誘電絶縁ガラス層(PSG)である。一般に、PSG層は通常厚さが約1から2ミクロンまでであるが、これに限定するものではない。例えば、このキャッピング層は厚さが約0.5〜0.9ミクロンであってもよい。
他の実施形態のうちの別の1つにおいて、キャッピング層12はシリコン基板10の露出した表面上に熱成長させるフィールド酸化物(FOX)である。このFOXは、シリコン基板10内へと成長するとともに基板10の上に堆積して、全体の深さが約1.3ミクロンになる。FOX層は基板10からシリコンを引き寄せるので、FOXのキャッピング層12と基板10との間には強力な化学結合が確立されることになる。いくつかの実施形態において、キャッピング層12は熱酸化物(TOX)層である。
第1の実施形態において、導電層20は、少しの割合、例えば約0.5%の銅を含むアルミニウムでできた導電性材料をキャッピング層12の突出部14および肩部16の上に堆積することによって配置されている。他の実施形態において、導電性材料は、アルミニウム、銅、金、および0.5%のシリコンを含むアルミニウム、を含むさまざまな異なる材料のうちの少なくとも1つから形成されており、スパッタリングおよび蒸着等のいかなる方法によって堆積してもよい。一般に、導電層20の厚さは約1から2ミクロンまでである。このような他の実施形態のうちの1つにおいて、スパッタリング堆積を用いてアルミニウムの層を厚さ約0.5ミクロンまで堆積している。
以下により詳細に説明するように、導電層20を平坦化してキャッピング層12の突出部14を露出させ、それによって導電層20をキャッピング層12の一方の肩部16の上の第1の導電トレース22と、キャッピング層12の他方の肩部16の上の第2の導電トレース24とに分離している。この2つの導電トレース22,24は、突出部14によって分離され、突出部14はスペーサの役割を果たしている。本明細書においては、単一の加熱素子を示して説明するが、当業者であれば、この1対の導電トレースはプリントヘッド4の他の対の導電トレース(図示せず)からも分離されなければならないということを理解しよう。
したがって、導電層20を平坦化して単一の加熱素子の2つの導電トレース22,24を分離するのと同じステップによって、導電トレース22,24の対が他の対からも分離することになる。平坦化すると、導電トレース22,24と突出部14との頂面が少なくとも実質的に同一平面にある。2つの導電トレース22,24の間の間隙、すなわち開口部の長さは、キャッピング層12の突出部14の幅Lによって決められる。同様に、導電トレース22,24の幅(図示せず)は、キャッピング層12の幾何学的形状によって規定されている。例示的な実施形態において、導電トレースの幅は突出部14の幅と同じである。この幅Lは、約10から30ミクロンであってもよい。突出部14の対向する端にある導電トレース22,24はそれぞれ、少なくとも実質的に鉛直の側壁26を有している。したがって、このような側壁26は、少なくとも導電層20の頂面に対してほぼ垂直である。
導電層20の上に抵抗層18が配置されると、第1の導電トレース22、第2の導電トレース24、および突出部14が覆われることになる。このようにして、抵抗層18は導電トレース22,24のそれぞれの対の間に抵抗器28を規定している。抵抗層18と導電層20とは、2層のスタックを形成している。言い換えれば、抵抗層18と導電層20とは、図2に示すように、2つの別個の平面上にある。第1の実施形態において、抵抗器28の効果的な大きさは、導電トレース22,24の対の幅および導電トレース22,24の間の長さによって規定される長さLを有する辺を備えた正方形によって与えられる。第1の実施形態において、スパッタリング堆積技法を用いて、タンタルアルミニウムの複合材料でできた抵抗材料層を導電トレース22,24の全体にわたって堆積し、導電トレース22,24を少なくとも部分的に電気的に接続している。第1の導電トレース22の領域29は、図2に示すように抵抗層18で覆われず露出したままにされる。通常、抵抗層18の厚さは約500オングストローム〜2000オングストロームの範囲である。しかし、厚さがこの範囲外の抵抗層18もまた、本発明の範囲内である。抵抗層18は、厚さが少なくとも実質的に均一であり、導電トレース22,24と突出部14とに接する第1の表面すなわち底面と、第1の表面の反対側の、少なくとも実質的に平坦な、第2の表面すなわち頂面とを有している。言い換えれば、導電トレース22,24とキャッピング層12の突出部14との上の抵抗層18の頂面は、全体を通して少なくともほぼ平坦である。この第1の実施形態において、キャッピング層12のほうが抵抗層18よりも電気抵抗が高く、2つの導電トレース22,24の間を流れる電流は、キャッピング層12の突出部14ではなく実質的に抵抗器28を通って流れるようになっている。
当業者には、窒化チタン、チタンタングステン、チタン、チタン合金、金属窒化物、アルミニウムシリコーン、ニッケルクロム、および窒化チタンを含むがこれに限定されるものではない、さまざまな他の好適な抵抗材料が既知であり、これらに任意で酸素、窒素、および炭素等の好適な不純物をドープして、材料の抵抗率を調整してもよい。抵抗層18は、スパッタリングおよび蒸着等のいかなる好適な方法によって堆積されてもよい。
図2の第1の実施形態で示すように、抵抗層18と第1の導電トレース22の露出した領域29との上には、炭化/窒化ケイ素でできた絶縁パッシベーション層30が形成され、導電性流体を用いる場合に流体が帯電したりデバイスが腐食したりしないようにしている。パッシベーション層30は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、およびガラス等のいかなる好適な材料で形成してもよく、スパッタリング、蒸着、およびPECVD等のいかなる好適な方法によって形成してもよい。一般に、パッシベーション層30の厚さは約1から2ミクロンまでである。この構造の表面は、マスキングされエッチングされて、第1の導電トレース22に電気的に接続される金属の相互接続部31用のバイアを作成している。
第1の実施形態では、PECVDプロセスを用いて、構成要素のパッシベーション層の役割を果たす複合材料の窒化ケイ素/炭化ケイ素層30を堆積している。このパッシベーション層30の厚さは、約0.75ミクロンである。他の実施形態において、厚さは約0.4ミクロンである。いくつかの実施形態において、パッシベーション層30によって、その下方の各層は圧縮応力を受けている。
第1の実施形態において、パッシベーション層30の上にはタンタルから作られたキャビテーションバリアー層32が追加されている。キャビテーションバリアー層32は、それぞれの流体滴が噴射された後において残される気泡のつぶれる激しく打ちつける力を散逸するのに役立っている。一般に、キャビテーションバリアー層32の厚さは、約1から2ミクロンまでである。タンタル層32は厚さが約0.6ミクロンであり、パッシベーション、キャビテーション防止、および付着の層の役割を果たしている。いくつかの実施形態において、キャビテーションバリアー層32は、マニホルドの形成中に基板10からのエネルギーを吸収している。タンタルの粒子(grain)構造は、キャビテーションバリアー層32によってもまたその下方の各層が圧縮応力を受けるようになっている。タンタル層32は、スパッタリングによって急速に堆積され、それによって層32内の分子を所定位置に保持している。しかし、タンタル層をアニーリングする場合には、圧縮応力は緩和されることになる。
キャビテーションバリアー層32は、第1の部分34と第2の部分36とに分離されている。第1の部分34は、第1の導電トレース22の上に配置されてそこで電気的に接続されている。第2の部分36は抵抗器28の上に配置されている。キャビテーションバリアー層32の第1の部分34は、金でできた層35でコーティングされている。キャビテーションバリアー層のうちの、この金によって覆われていない領域は、酸化し、はんだによって非湿潤性になる。
この第1の実施形態において、バリアー層38は、露出したキャビテーションバリアー層32の上と、金層35の一部の上とに、配置されている。バリアー層38の厚さは、約20ミクロンまでである。バリアー層38は、光によって画像形成可能なエポキシ(IBMが開発したSU8等)等の高速架橋ポリマー、光によって画像形成可能なポリマー、またはShinEtsu(信越化学工業株式会社)が製造するSINR−3010(商標)等の感光性シリコン誘電体で形成されている。
他の実施形態において、バリアー層38は、インクの腐食作用にほぼ不活性の有機ポリマープラスチックから作られている。この目的に好適なプラスチックポリマーとしては、VACRELおよびRISTONという商標で米国デラウェア州ウィルミントン市のE.I.DuPont de Nemours and Co.が販売している製品が含まれる。このような他の実施形態におけるバリアー層38は、厚さが約20〜30ミクロンである。
バリアー層38は、抵抗器28の上方のインクチャンバすなわち発射チャンバ40と、発射チャンバ40をマニホルドに接続するインクチャネル42とを規定するように処理されている。バリアー層38には、ニッケル、フレキシブルポリマー、またはその他の好適な材料から作られたオリフィス板44が接している。オリフィス板44の1つまたは複数のオリフィス46は、それぞれの発射チャンバ40に整列されている。使用中、流体はマニホルドおよびチャネル42を通じて発射チャンバ40に供給されている。第1の導電トレース22から抵抗器28を通って第2の導電トレース24まで電流、すなわち「発射信号」が通過することによって、抵抗器28が熱を発生することになる。この熱によって発射チャンバ40内の流体が加熱され、それによって流体内に捕らえられた空気が気泡として膨張し、この気泡が発射チャンバ内で爆発し、それによって、オリフィス46を通じて流体が吐出されることになる。
図1のプリントヘッド4においてよりはっきりと示されように、オリフィス46は、マニホルドの両側に配置された各行となるように整列されている。一実施形態において、オリフィス46と、対応する発射チャンバ40とは、マニホルド全体にわたって互いに千鳥配置されている。
図3は、一実施形態に係るもので、上述したプリントヘッド4を形成するステップのシーケンス50のフローチャートである。シーケンス50は、導電トレース形成ステップ52で開始され、このステップにおいて、基板10上のキャッピング層12の上に導電層20が形成される。導電層20は、第1の導電トレース22および第2の導電トレース24を備え、第1の導電トレース22と第2の導電トレース24とは、上述のように絶縁する突出部14によって分離される。すなわち、導電トレース形成ステップ52で導電トレース22,24を得るために、シーケンス50は、フォトリソグラフィープロセスを用いるキャッピング層形成のサブステップ54で開始される。このサブステップ54において、図4Aに示すように、キャッピング層12が基板10の上に形成、すなわち堆積される。そして、フォトレジスト材料56の層がキャッピング層12の上に堆積される。フォトレジスト材料56の層は、その上に第1のパターンを有する第1のマスク(図示せず)を介して露光される。次に、フォトレジスト材料56を現像して、キャッピング層12に第1のパターンを形成する。フォトレジスト材料56の層のうちの選択した部分(図示せず)が洗い流される。キャッピング層のうちフォトレジスト材料で覆われていない材料は、従来の気体エッチング技法であるドライプラズマエッチングを用いて除去される。図4Bは、エッチング後のキャッピング層12の構造を示している。エッチングされていない領域はキャッピング層12の突出部14を形成し、エッチングされた領域は肩部16を形成する。突出部14の側壁58は、少なくとも肩部16の表面に対してほぼ垂直である。次いで、フォトレジスト材料がキャッピング層12の突出部14の頂部から取り除かれて、キャッピング層12の形成が完了する。
次に、上述のフォトリソグラフィープロセスをより詳細に説明する。ネガ型フォトレジスト材料56は、露光によって不溶性になる化学物質である。露光されない領域は、フォトレジスト層の現像中に洗い流される。したがって、第1のマスクは、略不透明な領域と略透明なすなわち開口した領域と(共に図示せず)を有している。前者の領域はキャッピング層12の肩部16に対応し、後者の領域はキャッピング層12の突出部14に対応している。不透明な領域は、クロムから作られていてもよい。マスクのこの不透明な領域がフォトレジスト材料56の上に配置されてフォトレジスト材料56が露光されると、不透明な領域の下の領域は露光されず洗い流すことができる。開口した領域は、フォトレジスト材料の露光を行う光が通過する、マスクの開口部である。開口した領域の下にあるフォトレジスト材料は、光に反応して実質的に硬化する(すなわち不溶性になる)。フォトレジスト材料56の層は、ドライエッチングを用いてキャッピング層12とともにエッチングされる。エッチング後、図4Bに示すように、突出部14と肩部16とが形成される。
または、フォトレジスト材料はポジ型フォトレジスト材料であってもよい。上述したネガ型フォトレジスト材料とは反対に、ポジ型フォトレジスト材料は露光されないと不溶性になり、露光されると洗い流される。第1のマスクと同様であるポジ型フォトレジストと共に用いるマスクは、例えば、キャッピング層12の同じエッチング効果を達成するよう切り換えられる、半透明でない領域と半透明の領域とを有している。
キャッピング層形成のサブステップ54の後、シーケンス50は次に導電層形成のサブ段階60に進み、このステップにおいて、エッチングされたキャッピング層12上に上述の導電性材料を堆積して、その上に導電層20を形成する。導電層20を堆積して、キャッピング層12の頂面全体を覆う。言い換えれば、図4Cに示すように導電層20を堆積して突出部14と肩部16との頂面を覆う。このように堆積すると、導電層20の頂面は平坦ではなく、キャッピング層12の突出部14の上の位置がその周囲の領域よりも高くなる。
シーケンス50は次に平坦化のサブステップ62に進み、このステップにおいて、限定はしないが化学機械研磨(CMP)を用いて導電層20の頂面を平坦化する。または、エッチバックプロセスを用いて導電層20を平坦化してもよい。しかし場合によってはそのようなエッチバックプロセスは、平坦化の前に、表面の元の形状をなぞる表面を製造する。図4Dに示すように、キャッピング層12の突出部14が露出して導電性材料でできた層20がキャッピング層12の肩部16の上のみに残るようになるまで、導電層20の表面が平坦化される。この残っている導電性材料が、第1および第2の導電トレース22,24を形成する。このようにして平坦化すると、導電層20の頂面は、キャッピング層12の突出部14の頂面と少なくとも実質的に同一平面にある。
導電トレース形成ステップ52の後、シーケンス50は抵抗器形成ステップ64に進み、このステップにおいて、図4Eに示すように、平坦化した表面の上に抵抗材料を堆積してその上に抵抗層18を形成する。図4Fに示すように、抵抗層18をパターニングしてエッチングし、その下にある第1の導電トレース22の一部を露出する。すなわち、抵抗層18の上にフォトレジスト材料56を堆積し、第2のマスクを用いてマスキングし、上述のフォトリソグラフィープロセスを用いて露光して、第2のマスク上に第2のパターンを現像する。次に、ドライエッチングまたはウェットエッチングのどちらかを用いて抵抗層18とフォトレジスト材料56とをエッチングして、図4Fに示す構造を残す。そして、次の層を当該構造上に堆積する前に、抵抗層18の上に堆積したフォトレジスト材料56を除去する。フォトレジスト材料は最初、抵抗層18の頂面全体を覆う。第2のマスク上のパターンは、エッチング後に第1および第2の導電トレース22,24を跨ぐために残っていなければならない抵抗層18の頂面を規定するパターンである。エッチング中、抵抗層18のうちのフォトレジスト材料56で覆われていない領域が、エッチングによって除去される。
シーケンス50は、次に導電トレースパターニングステップ66に進み、このステップにおいて、露出した導電トレース22をパターニングしてエッチングし、第1の導電トレース22の端部を除去する。図4Gは、エッチング後に残っている第1の導電トレース22を示している。すなわち、抵抗層18と、第1の導電層22のうちの露出した部分との上に、フォトレジスト材料56を堆積し、第3のマスクを用いてマスキングし、上述のフォトリソグラフィープロセスを用いて露光して、第3のマスク上に第3のパターンを現像する。次に、ドライエッチングまたはウェットエッチングのどちらかを用いて第1の導電トレース22とフォトレジスト材料56とをエッチングし、図4Gに示す構造を残す。そして、次の層を当該構造上に堆積する前に、抵抗層18と第1の導電トレース22との上に堆積したフォトレジスト材料56を除去する。
シーケンス50は次にパッシベーション層形成ステップ68に進み、このステップにおいて、図4Gの構造の頂面上にパッシベーション層30を堆積して、図4Hに示す構造を製造する。パッシベーション層30をパターニングしてエッチングしてからその一部を除去し、下にある第1の導電トレース22の一部が露出されるスルーホール70を規定するようになっている。図4Iは、パッシベーション層30を貫いて第1の導電トレース22を露出すべくエッチングによって形成されたスルーホール70を示している。すなわち、パッシベーション層30の上にフォトレジスト材料56を堆積し、第4のマスクを用いてマスキングし、上述したフォトリソグラフィープロセスを用いて露光して、第4のマスク上に第4のパターンを現像する。次に、ドライエッチングまたはウェットエッチングのどちらかを用いてパッシベーション層30をエッチングして、図4Iに示す構造を残す。そして、次の層を当該構造上に堆積する前に、パッシベーション層30の上に堆積したフォトレジスト材料56を除去する。
シーケンス50は次にキャビテーション層形成ステップ72に進み、このステップにおいて、(フォトレジスト材料を除去した状態の)図4Iの構造の頂面上にキャビテーション層32とその次に金層35とを堆積して、図4Jに示す構造を製造する。キャビテーション層32はスルーホール70を覆って、スルーホール70の中の露出した第1の導電トレース22と接触し、それによってこの露出した第1の導電トレース22と電気的に接続される。同様に、キャビテーション層32を第5のマスクを用いてパターニングしてエッチングしてからその一部を除去し、図4Kに示すようにキャビテーション層32の第1の部分34と第2の部分36とを分離し、したがって電気絶縁するようになっている。
シーケンス50は次にバリアー層形成ステップ76に進み、このステップにおいて、(図4Kと同様であるがフォトレジスト材料56を除去した状態の)図4Lの薄膜構造の頂面上にバリアー層38を堆積する。上述したフォトリソグラフィープロセスを用いてバリアー層38を処理し、発射チャンバ40、インクチャネル42、およびオリフィス板44との整列に必要である場合には整列(アラインメント)構造を形成する。
シーケンス50は最後にオリフィス板取付ステップ78で終了し、このステップにおいて、バリアー層38の頂面に適切な量の接着剤を塗布する。次に、従来のビジョンシステムまたはその他の好適なシステムの支援を受けて、バリアー層38の上にオリフィス板44を配置する。続いて、ステークアンドベークプロセス(stake-and-bake process)を用いてオリフィス板44をバリアー層38に接合する。このステークアンドベークプロセスにおいて、オリフィス板44に圧力を加えてオリフィス板44をバリアー層38の上の所定位置に保持する。この圧力は、バリアー層38の上でオリフィス板44の配置におけるいかなる整列不良も修正する傾向を有している。
次に、図5および図6Aないし図6Dの支援を受けて、本発明の第2の実施形態による加熱素子80(図6E)を説明する。図5は、加熱素子80を製造するステップのシーケンス82を示すフローチャートである。シーケンス82は導電トレース形成ステップ52の導電層形成のサブステップ84で開始され、このステップにおいて、図6Aに示すように基板上のキャッピング層12の上に導電層20を形成する。次に、上述したフォトリソグラフィープロセスを用いて導電層20の一部を除去し、図6Bに示す構造を得る。図6Bにおいてわかるように、導電層20は、第1の導電トレース22と第2の導電トレース24とに分離されている。第1の導電トレース22と第2の導電トレース24とは、その間にある空隙86によって分離され、互いから電気絶縁される。
シーケンス82は次に空隙充填のサブステップ88に進み、このステップにおいて、2つの導電トレース22,24の間のスペーサの役割を果たすフィラー材料90で、空隙86が完全に充填される。フィラー材料90は、PECVDを用いて堆積してもよい。フィラー材料90は、酸化ケイ素をベースにした材料、ガラス、窒化ケイ素、およびハイブリッドのゾルゲル等であるがこれに限定されるものではない、いかなる好適な電気絶縁材料であってもよい。酸化ケイ素をベースにした材料としては、ボロフォスフォシリケート(ホウ素リンケイ酸)ガラス(BPSG)、フォスフォシリケートガラス(PSG)、およびテトラエチルオルソシリケート(TEOS)が含まれる。図6Cは、フィラー材料90によって覆われている導電層20の頂面全体を示している。シーケンス82は、次に平坦化のサブステップ92に進み、このステップにおいて、CMP等によってフィラー材料90の頂面を平坦化して、第1および第2の導電トレース22,24を露出する。このようなステップ92が完了すると、フィラー材料90は、図6Dに示すように、フィラー表面の側面に位置する第1および第2の導電トレース22,24の隣接する表面と少なくともほぼ同一平面にある、基板10から離れた表面を有することになる。シーケンス82は抵抗器形成ステップ64で終了し、このステップにおいて、厚さが少なくともほぼ均一の抵抗層18を、物理蒸着を用いて、平坦化した表面の上に堆積する。抵抗層は、電気抵抗がフィラー材料よりも低い材料である。シーケンス50における導電トレースパターニングステップ66から開始する各ステップを、図6Eにおける構造に対して行い、図2に示すものと同様のプリントヘッドを形成してもよい。
好ましくは、本発明による発射素子は、(抵抗器および関連する相互接続ハードウェアに特に関連する)簡単で略平坦な内部プリントヘッド設計を有し、それによって、1つまたは複数の保護層がこのような構成要素をより効果的にカバーすることが可能となる。そして、この設計は、(抵抗器および関連する相互接続部に特に関連する)いかなる傾斜した表面も含んでいないので、抵抗器の寸法をより精密に制御することができ、発射チャンバ内に残っているバリアー層材料に関係する諸問題がある程度解消される。したがって、発射チャンバ内でのインク気泡の核形成は、傾斜した表面を有するプリントヘッド設計よりも均一になる。プリントヘッド設計用のこのような実証済みの材料を用いることによってまた、プリントヘッドの信頼性/寿命に関連する問題が確実により少なくなる。
本発明は、上述の実施形態において実施するものとして説明されているが、そのように限定されると解釈してはならない。例えば、説明したすべての薄膜層が必要なわけではない。いくつかの実施形態において、キャッピング層等いくらかの層を省いてもよい。
他の例として、導電層は、その上に抵抗層が堆積される、少なくともほぼ平坦な表面を有するものとして説明されている。このような導電性の表面は、平坦でなくてもよい。そのような場合には、導電層の平坦でない表面上に堆積される抵抗層の頂面を代わりに平坦化して、実施形態による加熱素子を得てもよい。
さらなる例として、導電層の2つの導電トレースの間のスペーサは、電気絶縁材料から作られているものとして述べられているが、スペーサは、2つの導電トレースを短絡しない、すなわち抵抗層内の抵抗器から相当の量の電流をそらすいかなる材料から作られていてもよい、ということが理解されなければならない。言い換えれば、スペーサ材料は、抵抗層の材料よりも抵抗が低くても、同じでも、高くてもよい。したがって、スペーサは抵抗層と同じ材料から作られていてもよい。上述のように、スペーサ材料はBPSG、PSG、TEOS、窒化ケイ素、およびその他の好適な材料であってもよい。または、スペーサは2つの導電トレースの間の空隙であってもよい。そのようなスペーサ材料であれば、一方の導電トレースから他方の導電トレースへと流れる電流が確実に、少なくとも部分的に抵抗層内の抵抗器を通って流れることになる。
10 基板
14 突出部
18 抵抗層
20 導電層
22 第1の導電トレース
24 第2の導電トレース
14 突出部
18 抵抗層
20 導電層
22 第1の導電トレース
24 第2の導電トレース
Claims (19)
- 基板と、
該基板の上に配置され、第1の導電トレースと第2の導電トレースとを両者の間にスペーサがある状態で規定する導電層と、
前記第1の導電トレース、前記第2の導電トレースおよび前記スペーサを覆い、前記第1の導電トレースと前記第2の導電トレースとを少なくとも部分的に電気的に接続する抵抗層と、
を備えている加熱素子。 - 前記抵抗層は、前記導電トレースおよび前記スペーサに接する第1の表面と、該第1の表面の反対側の第2の表面とを有し、該第2の表面は少なくともほぼ平坦である、請求項1に記載の加熱素子。
- 前記導電トレースはそれぞれ、他方の導電トレースに面する側壁を有し、該側壁は、前記抵抗層の前記第1の表面に対して少なくともほぼ垂直である、請求項2に記載の加熱素子。
- 前記スペーサは前記抵抗層と同じ材料から作られている、請求項1に記載の加熱素子。
- 前記スペーサは、BPSG、PSG、TEOS、および窒化ケイ素からなる群から選択される電気絶縁材料で構成されている、請求項1に記載の加熱素子。
- 前記スペーサおよび前記導電トレースは、それぞれ前記抵抗層に接する表面を有し、該表面はそれぞれに対して少なくともほぼ同一平面にある、請求項1に記載の加熱素子。
- 前記表面は化学機械的に研磨されている、請求項6に記載の加熱素子。
- 前記基板は、その上に前記導電層が配置される絶縁層を備えている、請求項1に記載の加熱素子。
- 前記スペーサは前記絶縁層の突出部分である、請求項8に記載の加熱素子。
- 前記抵抗層は、厚さが少なくともほぼ均一である、請求項1に記載の加熱素子。
- 基板と、
該基板の上に配置され、第1の導電トレースと第2の導電トレースとを両者の間にスペーサがある状態で規定する導電層と、
前記第1の導電トレース、前記第2の導電トレースおよび前記スペーサを覆い、前記第1の導電トレースと前記第2の導電トレースとを少なくとも部分的に電気的に接続する抵抗層と、
中で流体を加熱して噴射することが可能な流体チャンバを規定する、前記抵抗層に隣接するバリアー層と、
を備えている流体噴射デバイス。 - 基板と、
該基板の上に配置され、第1の導電トレースと第2の導電トレースとを両者の間にスペーサがある状態で規定する導電層と、
前記第1の導電トレース、前記第2の導電トレースおよび前記スペーサを覆い、前記第1の導電トレースと前記第2の導電トレースとを少なくとも部分的に電気的に接続する抵抗層と、
中で流体を加熱して噴射することが可能な発射チャンバを規定する、前記抵抗層に隣接するバリアー層と、
を備えているプリントヘッド。 - 流体槽と、
該流体槽に流体連通するプリントヘッドであって、基板と、該基板の上に配置され、第1の導電トレースと第2の導電トレースとを両者の間にスペーサがある状態で規定する導電層と、前記第1の導電トレース、前記第2の導電トレースおよび前記スペーサを覆い、前記第1の導電トレースと前記第2の導電トレースとを少なくとも部分的に電気的に接続する抵抗層と、前記流体槽からの流体を中で加熱して噴射することが可能な発射チャンバを規定する、前記抵抗層に隣接するバリアー層を有するプリントヘッドと、
を備えているプリントカートリッジ。 - 導電層を形成するものであって、基板上に第1の導電トレースと第2の導電トレースとを規定し、前記第1の導電トレースがスペーサによって前記第2の導電トレースから分離される、導電層を形成するステップと、
前記導電層の上に抵抗層を形成するものであって、前記第1の導電トレース、前記第2の導電トレースおよび前記スペーサを覆い、前記第1の導電トレースと前記第2の導電トレースとを少なくとも部分的に電気的に接続する抵抗層を形成するステップと、
を含む、加熱素子の製造方法。 - 前記導電層を形成するステップは、
基板上に導電層を形成するステップと、
前記第1の導電トレース、前記第2の導電トレースおよび両者の間の空隙を規定すべく、前記導電層の一部を除去するステップと、
前記空隙を電気絶縁材料で充填するステップと、
少なくとも前記電気絶縁材料の表面を平坦化して、該表面が前記導電トレースの対応する表面と少なくともほぼ同一平面となるように平坦化するステップと、
を含む、請求項14に記載の加熱素子の製造方法。 - 前記電気絶縁材料は、BPSG、PSG、TEOS、および窒化ケイ素からなる材料の群から選択される、請求項15に記載の加熱素子の製造方法。
- 前記平坦化するステップは、化学機械的に研磨することを含む、請求項15に記載の加熱素子の製造方法。
- 前記導電層を形成するステップは、
前記基板上に絶縁層を形成するステップと、
2つの肩部が側面に位置する突出部を規定すべく、前記絶縁層の一部を除去するステップと、
前記突出部および前記肩部を覆うべく、前記絶縁層の上に導電層を形成するステップと、
前記突出部を露出し、前記第1の導電トレースを前記第2の導電トレースから分離すべく、前記導電層の表面を平坦化するステップと、
を含む、請求項14に記載の加熱素子の製造方法。 - 前記抵抗層は、厚さが少なくともほぼ均一である、請求項14に記載の加熱素子の製造方法。
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