JP2013525153A - 流体噴射装置 - Google Patents

Abstract

流体噴射装置は、ヒータ抵抗を有する薄膜ヒータ抵抗部、及び、該ヒータ抵抗の上に配置された２層構造を備える。該２層構造は上部層と底層を有し、該上部層の硬度は、該底層の硬度より少なくとも１．５倍大きい。

Description

典型的なインクジェット印刷システムでは、インクジェットプリントヘッドは、複数のノズルを通じて一枚の紙などの印刷媒体に向けて流体（たとえばインク）の液滴を放出し、該印刷媒体に画像を印刷する。それらのノズルは、一般に、１以上のアレイをなすように配列されて、プリントヘッド及び印刷媒体が互いに対して移動するときに、該ノズルからインクが適切な順番で噴射されると、該印刷媒体に文字や他の画像が印刷されるようになっている。

サーマルバブルタイプのインクジェットプリントヘッドは、加熱素子に電流を流し、これによって、熱を発生して噴射チャンバ（firing chamber）内の流体の小部分を気化させることによって流体の液滴をノズルから噴射する。電流は、およそ２マイクロ秒持続するパルスとして供給される。電流パルスが供給されると、加熱素子によって生成された熱によって急速に膨張する蒸気泡が生成され、該蒸気泡によって、噴射チャンバのノズルから小さな液滴が押し出される。加熱素子が冷めると、蒸気泡は急速に崩壊する。崩壊中の蒸気泡は、ノズルからの別の液滴の噴射に備えて、リザーバ（液槽）から噴射チャンバ中により多くの流体を引き込む。

残念ながら、この噴射プロセスは印刷中に１秒当たり数千回も繰り返されるので、崩壊中の蒸気泡は、加熱素子を損傷させるという悪影響を与えるものでもある。蒸気泡が繰り返して崩壊することによって、加熱素子を覆っている（すなわちコーティングしている）表面材料（被膜材料）にキャビテーション損傷が生じる。数百万の崩壊事象の各々は、該被膜材料を削磨する。インクが加熱素子を覆っている表面材料を貫通して、熱くなっている高電圧抵抗器の表面に接触すると、すぐに該抵抗器の急速な腐食及び物理的破壊が進行して、加熱素子を不能にしてしまう。

以下、本発明の例示的な実施形態を添付の図面を参照して説明する。

１実施形態にしたがう、流体噴射装置を組み込むことができるインクジェットプリントカートリッジの１例を示す。 １実施形態にしたがう、サーマルインクジェットプリントヘッドの１例の斜視図である。 １実施形態にしたがう、サーマルインクジェットプリントヘッドの１例の部分側面図である。 それぞれ異なる実施形態にしたがう、２層パッシベーション (passivation)構造に使用するのに好適でありうる薄膜材料の種々の例ついて測定された硬度データを提供するグラフである。 １実施形態にしたがう、基板上の薄膜スタック（薄膜積層体）を示す図であり、２層パッシベーション構造が、介在する誘電体パッシベーション層（dielectric passivation layer）及び介在する接着層（adhesion layer）を含んでいる。 １実施形態にしたがう、サーマルインクジェットプリントヘッドなどの流体噴射装置を作製する方法の１例のフローチャートを示す。

課題及びその解決手段（ソリューション）の概要
上記したように、サーマルインクジェットプリントヘッドの加熱素子に対するキャビテーション損傷は、蒸気泡の膨張及び崩壊を伴う液滴噴射プロセスが印刷中に１秒当たり数千回繰り返されるために時間の経過と共に大きくなる。オーバーコート層（保護層のこと。コーティング層ともいう）がキャビテーションによって削磨されて除去されると、該加熱素子は破壊されて、流体（たとえばインク）を噴射しなくなる。

キャビテーション損傷の問題を軽減するために使用される一般的な技術は、加熱素子が崩壊中の蒸気泡からの衝撃波により良好に耐えることができるように該加熱素子をより頑強にすることである。加熱素子を覆うように形成された硬いオーバーコート層は、構造的安定性、並びに、噴射チャンバ中の流体からの電気絶縁性をさらに強化する。加熱素子は、誘電体によって流体から分離された後、タンタルなどの別の材料で覆われる。このオーバーコート層は、キャビテーション損傷及び他の損傷から加熱素子を保護し、かつ、構造的安定性をもたらすように構成されており、これによって、加熱素子の信頼性が高められる。より厚みのあるオーバーコート層は、加熱素子の信頼性をさらに高めることができる。

このやり方は、硬いオーバーコート層を使用することによって、崩壊中の蒸気泡からの衝撃から加熱素子を保護するが、いくつかの欠点も有している。たとえば、硬いオーバーコート層は、衝撃エネルギーを消散させるのではなく吸収する傾向がある。このため、オーバーコート層及びその下にある加熱素子の破壊がより速く進行してしまう場合がある。さらに、より厚みのあるオーバーコート層を提供することによって該オーバーコート層の破壊をより遅くすることができるが、より厚みのあるオーバーコート層は、加熱素子によって生成された熱を消散するより大きなヒートシンクとして作用する。したがって、オーバーコート層の厚みが増すと、ノズルを通して液滴を噴射するために加熱素子が生成しなければならない熱の量も大きくなる。厚いオーバーコート層はまた熱ヒステリシス（熱履歴ともいう）を示し、このため、オーバーコート層の温度変化は加熱素子の温度変化に対して遅れる。この加熱の時間遅れによって、噴射応答時間に関する問題、及び、オーバーコート層が冷めるときに該オーバーコート層の表面にインクが付着する（インクスティッキング）という問題を引き起こす可能性がある。これらの問題は、加熱素子から伝導する熱の量を少なくする可能性があり、このため、適正にインクを噴射するというインクヘッドの機能を劣化させてしまう可能性がある。

本開示のいくつかの実施形態は、キャビテーションの衝撃による変形を受けにくくするための硬い上部層（または最上層）と、崩壊中の蒸気泡の衝撃波からのエネルギーを消散させるための（該上部層に）隣接する比較的軟らかい底層（または下部層）を有するキャビテーションバリアを使用することによって、上記の欠点を改善する。比較的軟らかい材料上に硬い材料を有する組み合わせ層は、それらのいずれかの材料のみからなるモノリシック層(monolithic layer。単一の層）よりもキャビテーション損傷をより良好に阻止する。

たとえば、１実施形態では、流体噴射装置は、ヒータ抵抗を有する薄膜ヒータ抵抗部と、該ヒータ抵抗の上に配置された２層構造を備える。該２層構造は、上部層と底層を有し、該上部層は、該底層の硬度より少なくとも１．５倍大きい硬度を有している。

別の実施形態では、流体噴射装置は、複数のヒータ抵抗を有する薄膜ヒータ抵抗部、該薄膜抵抗部の上に配置された流体バリア層、それぞれのヒータ抵抗上の該バリア層内に形成されたそれぞれの流体チャンバ、並びに、それぞれの流体チャンバ及びヒータ抵抗の上に形成されたノズルを有するオリフィスプレートを備える。該装置は、流体チャンバ間に配置された上部層及び底層を有するキャビテーションバリア構造をさらに備え、該上部層は、該底層の硬度より少なくとも１．５倍大きい硬度を有する。

別の実施形態では、流体噴射装置を作製する１方法は、複数のヒータ抵抗を有する薄膜ヒータ抵抗層を形成するステップと、該抵抗層上に誘電体パッシベーション層を形成するステップと、該誘電体パッシベーション層上にキャビテーションバリアの底層を形成するステップを含む。該方法はさらに、該底層上にキャビテーションバリアの上部層を形成するステップであって、該上部層が、該底層の硬度より少なくとも１．５倍大きい硬度を有するようにするステップを含む。

例示的な実施形態
図１は、１実施形態にしたがう、本明細書に開示されている流体噴射装置を組み込むことができるインクジェットプリントカートリッジ１００の１例を示す。この実施形態では、流体噴射装置は、流体液滴噴射プリントヘッド１０２として開示されている。プリントカートリッジ１００は、キャリッジ本体１０４、プリントヘッド１０２、及び電気的接点（または電気接触部）１０６を備えている。キャリッジ本体１０４は、プリントヘッド１０２に供給されるインクまたは他の適切な流体を収容している。プリントヘッド１０２中の個々の流体液滴発生器は、接点１０６に供給される電気信号によってエネルギーを与えられて、選択されたノズル１０８から流体の液滴を噴射する。プリントカートリッジ１００は、カートリッジ本体１０４内にインクを格納することなどによってそれ自体に流体供給源を含むことができ、または、たとえばチューブを介してプリントカートリッジ１００に接続された流体リザーバ（流体槽ともいう）などの外部供給源（不図示）からインクを受け取ることができる。流体供給源が組み込まれているプリントカートリッジ１００は、一般に、流体供給源（中の流体）が空になると使い捨て可能である。

図２は、サーマルインクジェットプリントヘッド１０２として具現化された例示的な流体液滴噴射プリントヘッド１０２の斜視図である。図示のように、プリントヘッド１０２は、シリコン基板２００、及び、該シリコン基板２００上に形成された薄膜層からなる集積回路薄膜スタック２０２を備えている。薄膜スタック２０２は、薄膜流体液滴噴射ヒータ抵抗２０４、及び、駆動回路及びアドレス指定回路などの該ヒータ抵抗に関連付けられた電気回路を実施しており、該薄膜スタック２０２を、集積回路製造技術にしたがって形成することができる。この実施形態では、ヒータ抵抗２０４は、シリコン基板２００内に形成されている長手方向のインク供給エッジ（不図示）に沿った円柱アレイ内に配置されている。

流体バリア層２０６が薄膜スタック２０２の上に配置されており、ノズル１０８を含むオリフィスプレートまたはノズルプレート２０８が流体バリア層２０６上に層状に配置されている。別の実施形態では、流体バリア層２０６及びオリフィスプレート２０８を、流体チャネルとオリフィスとの一体構造として実施することができる。ボンディングパッド（または接着パッド）２１０を薄膜スタック２０２の端部に配置することができる。該ボンディングパッド（または接着パッド）２１０は、外部との電気的接続を提供するために流体バリア層２０６によっては覆われない。流体バリア層２０６は、たとえば、加熱されて薄膜スタック２０２に加圧積層（pressure laminate）され、及び光画定（photodefine）されて、流体チャンバ２１２及び流体チャネル２１４を形成するドライフィルム（または乾燥塗膜）で形成される。バリア層２０６の材料は、たとえば、アクリラートベースのフォトポリマードライフィルムから構成される。ノズル１０８は、たとえばレーザーアブレーションによって、オリフィスプレート２０８中に形成される。オリフィスプレート２０８は、ポリマー（高分子）材料、または、たとえばニッケルなどのめっき金属からなる平面基板から構成される。

より具体的には、流体バリア層２０６内の流体チャンバ２１２は、薄膜スタック２０２内に形成されたそれぞれのヒータ抵抗２０４の上に配置されており、各流体チャンバ２１２は、流体バリア層２０６内に形成されているチャンバ開口部のエッジまたは壁によって画定されている。流体チャネル２１４は、バリア層２０６に形成されている半島状のバリア突起物２１６を含むバリア構造によって画定されており、それぞれの流体チャンバ２１２に一体的に結合されている。

オリフィスプレート２０８内のノズル１０８は、ヒータ抵抗２０４、関連する流体チャンバ２１２、及び、関連するノズル１０８が液滴発生器２１８を形成するように、それぞれの流体チャンバ２１２の上に配置されている。動作時、選択されたヒータ抵抗に電流によってエネルギー（電力）が供給される。（選択された）ヒータ抵抗は、近傍にある流体チャンバ中の流体を加熱する熱を発生する。該チャンバ中の流体が気化するときに、急速に膨張している蒸気面（vapor front）または蒸気駆動バブル（vapor drive bubble）によって流体チャンバ内の液体が近傍のノズルを通って押し出される。したがって、ヒータ抵抗及び関連する流体チャンバは気泡（バブル）発生器を形成する。

図３は、１実施形態にしたがう、サーマルインクジェットプリントヘッド１０２の１例の部分側面図である。薄膜スタック２０２の１実施形態は、熱抵抗器／ヒータ抵抗（器）２０４が形成されているヒータ抵抗部３００を備えている。抵抗２０４は、典型的には、たとえば、タンタル−アルミニウム（TaAl）またはタングステン窒化ケイ素（WSiN：窒化タングステンシリサイド）から形成される。ヒータ抵抗部３００上に配置されている２層パッシベーション構造３０２は、流体チャンバ２１２内の機械的なパッシベーション構造または保護用キャビテーションバリア構造として機能して、崩壊中の駆動バブルの衝撃を吸収し、及び、衝撃波のエネルギーを消散する。

２層構造３０２は、ヒータ抵抗部３００上に配置された底層（または最下層）３０２Ｂと、該底層３０２Ｂ上に配置された上部層（または最上層）３０２Ａを有する。１実施形態では、上部層３０２Ａは、下にある底層３０２Ｂの硬度より少なくとも１．５倍大きい硬度を有する材料からなる薄い層（または薄膜層）であるように選択される。かかる実施形態では、硬い上部層３０２Ａは、キャビテーションの衝撃による変形を受けにくく、一方、比較的軟らかい底層３０２Ｂは、崩壊中の駆動バブルの衝撃波からのエネルギーを消散する。硬い層と軟らかい層の組み合わせによって、硬い材料と軟らかい材料のいずれかからなるモノリシック層よりも損傷をより効果的に阻止することができる。

１実施形態では、上部層３０２Ａは、約１２ギガパスカル（GPa）より大きな硬度を有し、底層は、約６．８GPaより小さい硬度を有する。かかる実施形態では、上部層３０２Ａの材料を、たとえば、白金−ルテニウム（platinum-ruthenium：PtRu）合金とすることができ、底層３０２Ｂの材料を白金（Pt）とすることができる。さらに、上部層３０２Ａの厚みは、約２００オングストローム（Ａ）〜約１０００オングストローム（Ａ）の範囲内にあり、底層３０２Ｂの厚みは、約１０００オングストローム（Ａ）〜約２ミクロンの範囲内にある。

図４は、それぞれ異なる実施形態にしたがう、２層パッシベーション構造３０２に使用するのに適しうる薄膜材料の種々の例について測定された硬度データを提供するグラフである。このグラフによって、図示されている各材料間の硬度の差を比較することができる。したがって、このデータを、上部層３０２Ａ及び底層３０２Ｂに使用するのに適した材料を硬度の差（上部層３０２Ａの材料の硬度は、底層３０２Ｂの材料の硬度よりも少なくとも１．５倍大きい）に基づいて選択するために使用することができる。たとえば、PtRu合金（１２．１GPa）及びPt（６．７GPa）について提供されている硬度データに基づいて、（上部層よりも）軟らかいPtからなる底層３０２Ｂと結合させる場合には、PtRu合金が上部層３０２Ａの材料として適切な選択である。図４のグラフから得られる適切な選択の他の例には、チタン−アルミニウム（TiAl（RT））からなる（上部層より）軟らかい底層３０２Ｂと結合させる場合に、上部層３０２Ａの材料として窒化クロム(chromium nitride：CrN)またはタンタル（Ta）を選択することが含まれる。

同様に、上部層３０２Ａと底層３０２Ｂとの間の相対的な硬度関係が、上部層３０２Ａの硬度が底層３０２Ｂの硬度より少なくとも１．５倍大きいという範囲内にある限り、２層パッシベーション構造３０２の上部層及び底層の材料として使用するのに適した種々の他の材料がある。たとえば、底層３０２Ｂとして使用できる材料のいくつかの選択肢には、金（Au）及び上述した白金（Pt）が含まれるが、それらはいずれも展性を有するために良好な選択である。上部層３０２Ａに対する許容可能な選択肢でありうるいくつかの材料の例は、白金−ルテニウム（PtRu）合金、白金−ロジウム（PtRh）合金、白金−イリジウム（PtIr）合金、イリジウム（Ir）、タンタル（Ta）、タンタル・ジルコニウム（TaZr）合金、クロム、タンタル−クロム（TaCr）合金、ニッケル−クロム（NiCr）合金、ステライト６Ｂ、コバルト−クロム（CoCr）合金、及び、低応力性のステンレス鋼合金などの比較的硬い金属をベースとする（またはそれの金属のいずれかから構成される）ものである。上部層３０２Ａに対する許容可能な選択肢でありうる他の材料の例は、チタン−アルミニウム（TiAl）合金、窒化チタン（TiN）、窒化タンタル（TaN）などの金属間化合物をベースとする（またはそれの化合物のいずれかから構成される）ものである。上部層３０２Ａに対する許容可能な選択肢でありうるさらに他の材料の例は、酸化ハフニウム（hafnium-oxide：HfO）、炭化ケイ素（silicon-carbide：SiC）、炭化タンタル（tantalum-carbide：TaC）、酸化ジルコニウム（zirconium-oxide：ZrO）、及び、ダイヤモンド状炭素（DLC：diamond-like carbon。ダイヤモンドライクカーボンともいう）などの硬い誘電材料（誘電体）をベースとする（またはそれの材料のいずれかから構成される）ものである。

図３に示されている２層パッシベーション構造３０２は、上部層３０２Ａと底層３０２Ｂだけを含んでいるが、該パッシベーション構造は、追加の介在層（intervening layers）を含むこともできる。たとえば、図５では、基板２００上に薄膜スタック２０２が示されており、２層パッシベーション構造３０２は、抵抗３００／抵抗層２０４上に配置されている（介在している）誘電体パッシベーション層５００、及び、誘電体パッシベーション層５００と底層３０２Ｂの間に配置されている（介在している）接着層５０２を有する。いくつかの実施形態では、底層と上部層の間に配置された追加の接着層（不図示）が存在する場合がある。該誘電体層は、熱抵抗器３００／熱抵抗層２０４を（外部から）電気的に保護する電気的抵抗性のある薄膜層であり、該誘電体層を、たとえば、炭化ケイ素（SiC）で形成することができる。図５に示されている接着層は、誘電体パッシベーション層５００と底層３０２Ｂ間の接着を促進する。いくつかの材料は他の材料にしっかりとくっつかないので該接着層を使用することができる。たとえば、Ptからなる底層３０２Ｂは、SiCからなる誘電体パッシベーション層５００には十分にくっつかない場合がある。上記したように、追加の接着層（不図示）を底層３０２Ｂの上に付加して、底層３０２Ｂと上部層３０２Ａの間の接着を（底層及び上部層用に選択された特定の材料に依存するが）促進することができる。接着層として使用するのに適した材料のいくつかの例には、タンタル（Ta）、チタン（Ti）、窒化チタン（titanium-nitride：TiN）、窒化タンタル（tantalum-nitride：TaN）、及びクロム（Cr）が含まれる。

図６は、１実施形態にしたがう、サーマルインクジェットプリントヘッドなどの流体噴射装置を作製する例示的な方法６００のフローチャートである。方法６００は、図２〜図５の例に関して上述したサーマルインクジェットプリントヘッド２００の実施形態に関連する。方法６００は、特定の順番で記載されたステップを含んでいるが、これは、それらのステップを、該特定の順番または他の何らかの特定の順番で実行されるものに限定するものではない。一般に、方法６００のステップを、当業者には周知の、電鋳法、レーザーアブレーション、異方性エッチング、スパッタリング、ドライエッチング、写真平版（フォトリソグラフィー）、キャスティング、成形（モールディング）、スタンピング、及び機械加工などの種々の精密微細加工技術を用いて実行することができる。

方法６００は、複数のヒータ抵抗を含む薄膜ヒータ抵抗層を形成するステップであるブロック６０２から開始する。薄膜ヒータ抵抗層は、一般に、シリコン基板上に形成された薄膜層の集積回路薄膜スタックの一部である。ブロック６０４において、誘電体パッシベーション層が該薄膜ヒータ抵抗層上に形成される。上記したように、誘電体パッシベーション層は、ヒータ抵抗層を（外部から）電気的に保護する電気的抵抗性のある薄膜層である。方法６００のブロック６０６において、キャビテーションバリアの底層が該誘電体パッシベーション層上に形成される。１実施形態では、該底層は白金から形成される。方法６００は、該底層を形成する前に、該誘電体パッシベーション層の上に接着層を形成するステップを含むこともできる。方法６００のブロック６０８において、キャビテーションバリアの上部層が該底層上に形成される。該上部層は、該底層の硬度より少なくとも１．５倍大きな硬度を有する。１実施形態では、上部層は、白金−ルテニウム合金から形成される。方法６００は、該底層と該上部層の間に接着層を形成するステップを含むこともできる。

Claims (15)

1. ヒータ抵抗を有する薄膜ヒータ抵抗部と、
   該ヒータ抵抗の上に配置された２層構造
   を備え、
   前記２層構造は上部層と底層を有し、該上部層の硬度は、該底層の硬度より少なくとも１．５倍大きいことからなる、流体噴射装置。
2. 前記上部層は、約１２ギガパスカルより大きな硬度を有し、前記底層は、約６．８ギガパスカルよりも小さい硬度を有する、請求項１の流体噴射装置。
3. 前記上部層は白金−ルテニウム合金から構成される、請求項１の流体噴射装置。
4. 前記底層は白金から構成される、請求項３の流体噴射装置。
5. 前記上部層は、チタン−アルミニウム合金、窒化チタン、窒化タンタル、酸化ハフニウム、炭化ケイ素、炭化タンタル、酸化ジルコニウム、及び、ダイヤモンド状炭層からなるグループから選択される材料から構成され、
   前記底層は、白金から構成される、請求項１の流体噴射装置。
6. 前記上部層は、約２００オングストローム〜約１０００オングストロームの範囲内の厚みを有し、前記底層は、約１０００オングストローム〜約２ミクロンの範囲内の厚みを有する、請求項１の流体噴射装置。
7. 前記底層と前記ヒータ抵抗の間において、該ヒータ抵抗の上に配置された誘電体パッシベーション層をさらに備える、請求項１の流体噴射装置。
8. 前記誘電体パッシベーション層と前記底層の間に、該底層と該誘電体パッシベーション層を接着するための接着層をさらに備える、請求項７の流体噴射装置。
9. 前記接着層は、タンタル、チタン、窒化チタン、窒化タンタル、及びクロムからなるグループから選択される材料から構成される、請求項８の流体噴射装置。
10. 前記上部層と前記底層の間に、該上部層を該底層に接着するための接着層をさらに備える、請求項１の流体噴射装置。
11. 前記上部層は、白金−ルテニウム合金、白金−ロジウム合金、白金−イリジウム合金、イリジウム、タンタル、タンタル・ジルコニウム合金、タンタル−クロム合金、ニッケル−クロム合金、ステライト６Ｂ、コバルト−クロム合金、ステンレス鋼合金、チタン−アルミニウム合金、窒化チタン、窒化タンタル、酸化ハフニウム、炭化ケイ素、炭化タンタル、酸化ジルコニウム、及び、ダイヤモンド状炭素からなるグループから選択される材料から構成される、請求項１の流体噴射装置。
12. 前記底層は金から構成される、請求項１の流体噴射装置。
13. 流体噴射装置であって、
    複数のヒータ抵抗を有する薄膜ヒータ抵抗部と、
    前記薄膜ヒータ抵抗部の上に配置された流体バリア層と、
    それぞれのヒータ抵抗の上の前記バリア層内に形成されたそれぞれの流体チャンバと、
    オリフィスプレートであって、該オリフィスプレート内にノズルが形成されており、各ノズルは、それぞれの流体チャンバ及びヒータ抵抗の上に配置されている、オリフィスプレートと、
    前記流体チャンバ間に配置された上部層と底層を有するキャビテーションバリア構造であって、該上部層の硬度は、該底層の硬度より少なくとも１．５倍大きい、キャビテーションバリア構造
    を備える流体噴射装置。
14. 流体噴射装置を作製する方法であって、
    複数のヒータ抵抗を有する薄膜ヒータ抵抗層を形成するステップと、
    前記抵抗層上に誘電体パッシベーション層を形成するステップと、
    前記誘電体パッシベーション層上に、キャビテーションバリアの底層を形成するステップと、
    前記底層上に、前記キャビテーションバリアの上部層を形成するステップであって、該上部層の硬度は、該底層の硬度より少なくとも１．５倍大きいことからなる、ステップ
    を含む方法。
15. 底層を形成する前記ステップが、白金から構成される層を形成するステップを含み、
    上部層を形成する前記ステップが、白金−ルテニウム合金から構成される層を形成するステップを含む、請求項１４の方法。
    

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