JP3326152B2 - プリントヘッド装置 - Google Patents

プリントヘッド装置

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JP3326152B2 JP2000065441A JP2000065441A JP3326152B2 JP 3326152 B2 JP3326152 B2 JP 3326152B2 JP 2000065441 A JP2000065441 A JP 2000065441A JP 2000065441 A JP2000065441 A JP 2000065441A JP 3326152 B2 JP3326152 B2 JP 3326152B2
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  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェットプ
リンタ等で用いられるプリントヘッドの構造に関し、よ
り詳細には、そのパシベーション層の厚さを変えて、性
能を改善し回路構成要素を保護することに関する。
【0002】
【従来技術及びその問題点】インクジェットプリンタは
当分野で公知であり、とりわけ、ヒューレット・パッカ
ード、キャノン、エプソン等の製造業者によって製造さ
れているプリンタを含む。インクジェットプリンタは、
熱式(加熱抵抗器)アクチュエータや機械式(圧電)ア
クチュエータを含む、いくつかの作動機構によって機能
する。本明細書における説明は主に熱的に作動するプリ
ントヘッドを対象としているが、本発明における非一様
パシベーション層厚は、機械的に作動するプリントヘッ
ドにもまた適用可能であるということを理解すべきであ
る。以下により詳細に説明するように、本発明は、厚い
パシベーション層を設けてプリントヘッドのダイ上の回
路を保護しながら、インク射出要素の上には薄いパシベ
ーション層を設けてインク射出エネルギーを小さくする
ことに関係している。パシベーション層を薄くすると、
アクチュエータのタイプに係わらず、インクを射出する
のに必要なエネルギーが小さくなり、従って、本発明は
インクジェット及び関係するプリンタすべてに適用可能
である。
【0003】図1は、熱的に作動する従来技術によるイ
ンクジェットプリントヘッドの代表的なプリントヘッド
構造を示す。図1の構造は、通常半導体材料でできてお
り内部に抵抗層及び抵抗素子12が形成された基板10
を含む。基板10上には、一般には図示のように、導電
材料でできた層14(通常アルミニウム等)が形成され
ている。基板10上には、パシベーション層20(通常
窒化けい素/シリコンカーバイド等)が形成されてお
り、パシベーション層20上には、金属層26及び接触
パッド28(ビア25を通じて連結)が形成されてい
る。金属層または導電層は、保護/キャビテーション層
24及び表面導体26を含むことがある。インクウェル
31、バリア層32及びオリフィス板33が、よく知ら
れているようにして設けられている。プリントヘッドの
「発射」信号が、回路50からまたはチップ外の信号源
から抵抗素子に伝播し、抵抗素子において、インク滴が
オリフィス板33を通って射出されるようにするのに十
分な熱を発生する。
【0004】インク滴を1つ射出するのに必要なエネル
ギー量をターンオンエネルギー(TOE)と呼ぶことが
多い。TOEは、パシベーション層が厚いほどインク滴
を1つ射出するのに必要なエネルギーが大きくなるとい
う点で、パシベーション層の厚さに関係している。従っ
て、TOEを小さくするためには、パシベーション層を
薄くすることが望ましい。
【0005】しかし、パシベーション層を薄くすると、
不利な面もある。不利な面の1つは、パシベーション層
が薄いほどパシベーション層にクラックその他欠陥が生
じる可能性が高くなる、ということである。パシベーシ
ョン層にクラックが生じる可能性を最小限にするため
に、下にある形状の変わり目、特に抵抗素子(ここは物
理的応力が相対的に大きな場所である)付近の変わり
目、を面取りする等の対策が講じられてきた。例えば、
導電層14の、抵抗素子12に近接する縁13、15を
面取りしてもよい。面取りすることによって、パシベー
ション層にかかる物理的応力は小さくなるが、面取りし
た縁を正確に位置決めするのは、真っ直ぐな(垂直な)
縁の位置決めよりもかなり困難である。面取りした縁の
位置決めにかなりの誤差の余地をみる結果として、形成
される抵抗器の大きさ及びそれによって発生する熱の量
がかなりばらついてしまう。この結果として、プリント
ヘッドの発射が一様でなくなったり、プリント濃度が一
様でなくなる等の問題が生じてしまう。
【0006】パシベーション層を薄くすることの他の不
利な面は、プリントヘッドのダイまたは基板10を、論
理回路50の処理にも拡張して用いる、ということに関
係している。プリントヘッドのダイ中の個々の発射チャ
ンバの数が増えるほど、これらの発射チャンバ用の電源
導体及び信号線の数も増える。これらの線は通常、パシ
ベーション層の上に形成されている。パシベーション層
が薄くなり、またその表面に設けられる線が増えるほ
ど、基板内の回路に影響を与える容量結合等が生じる可
能性が高くなる。従って、基板内の回路を保護するため
に、パシベーション層を充分に厚くする。しかし、上述
のように、パシベーション層を厚くするとTOEが大き
くなるという点で不利になる。
【0007】
【概要】従って、本発明の目的は、下にある回路構成要
素を保護する必要がある個所では適切に厚く、低ターン
オンエネルギーを促進するために必要な個所では適切に
薄いパシベーション層を設けた、プリントヘッド構造を
提供することである。
【0008】本発明の別の目的は、このようなプリント
ヘッドを形成する方法を提供することである。
【0009】また、本発明の別の目的は、より正確に形
成されたインク射出要素を有するプリントヘッドを提供
することである。
【0010】本発明のこれらの及び関係する目的は、本
明細書において説明するパシベーション層の厚さを変化
させたプリントヘッド及びその製造方法を用いることに
よって達成される。
【0011】本発明の前述の及び関係する利点及び特徴
の達成は、以下のより詳細な本発明の説明を図面と共に
検討すれば、当業者にはより容易に明白となるであろ
う。
【0012】
【発明の実施の形態】図2を参照すれば、本発明によ
る、パシベーション層の厚さを変化させたプリントヘッ
ドの断面図が示されている。プリントヘッド100は、
その上にインク射出(例えば、抵抗)要素112、導電
層114、パシベーション層120、保護/キャビテー
ション層124、表面導体126及び接触パッド128
が形成された基板110を含む。プリントヘッド100
内にはまた、インクウェル(インク室)131、バリア
層132及びオリフィス板133も設けられている。プ
リントヘッドが内部に形成されている基板110はま
た、当分野で公知のように、ダイから離れて接触パッド
128を通してダイの外部の他の位置に接続されている
制御ロジック150も含む。制御ロジック150は、デ
ジタル及び/またはアナログの回路を含んでもよい。
【0013】プリントヘッド100は、パシベーション
層120が、インク射出要素112の上の比較的薄い領
域121、及び回路150の上の比較的厚い領域122
を含むように形成されている。好適な実施形態におい
て、インク射出要素112は抵抗素子またはその他の熱
的作動要素であるが、機械的作動要素も利用できること
を理解すべきである。
【0014】パシベーション層を0.75マイクロメー
トルから0.38マイクロメートルに薄くすることによ
って、TOEの約22%低減が達成される。後述の方法
によって、領域121におけるパシベーション層を0.
38マイクロメートル未満、例えば0.2マイクロメー
トル以下にすることができる。パシベーション層の厚さ
の下限は、少なくとも部分的には、機械的または電気的
応力及び抵抗器の寿命に影響する有害な衝撃によってこ
の層が破壊してしまわない最小厚さによって決定され
る。
【0015】これとは対照的に、パシベーション層の領
域122は望むだけ厚く、例えば、下にある回路150
を保護するために十分厚くすることができる。パシベー
ション層の領域122の厚さは好ましくは1.0マイク
ロメートルから1.5マイクロメートルであり、所望な
らばこれよりも厚くすることもできる。厚さの制限は、
プロセスの能力及び製造可能性、ドライエッチングにお
いて考慮すべき事柄、マスク枚数等によって決まる。一
般的に、領域122は、厚くし過ぎずに、その意図した
目的に必要なだけの厚さを有することが好ましい。
【0016】図2のプリントヘッドは、好ましくは、導
電層114の縁を面取りせずに作られている(ただし、
図1を参照して上述したように、本発明から逸脱するこ
となく縁を面取りしても良い)。本発明の、パシベーシ
ョン層の厚さに変化を付ける技術によって、少なくとも
導電層の2倍厚い(そして、破壊からの保護を強化する
ために、縁から水平方向に十分内側に形成された)パシ
ベーション層を、導電層の縁(すなわち「段」)の上に
形成することができる。この厚さによってクラック等か
らの保護がなされる。更に、導電層が薄くなるほど、パ
シベーション層に必要な厚さも薄くなる。
【0017】(面取りした縁等ではなく)導電層114
に直立した(垂直な)縁113、115を設けることに
よって、縁の位置決めをはるかに厳密に制御するフォト
リソグラフィー技術を利用することができるということ
が理解されるべきである。その結果、抵抗器がより精密
に形成され、それによって今度は、インク温度が一層一
定になり、一層一定のターンオンエネルギーが得られ
る。更に、縁の位置決めをより厳密に制御することによ
って、より小さな幾何学的形状が製造しやすくなり、そ
の結果、噴出する滴が小さくなってより高品質の画像が
プリントされる。
【0018】図2の実施形態は、一般的に以下のように
して形成することができる。制御ロジック及び抵抗素子
を内部に形成した基板からスタートして、この構造上
に、導電層114(好ましくは縁が直立している)を形
成する。好ましくは、例えばSi34である単一のパシ
ベーション材料が、導電層、抵抗素子及び基板の残りの
部分の上に形成される。層121はSi34が好ましい
が、他の公知のパシベーション層材料または複数の材料
の組み合わせで形成されてもよいということが理解され
るべきである。このようにして形成されたパシベーショ
ン層の初期の厚さは、好ましくは約1マイクロメートル
またはその他所望の厚さである。このパシベーション層
は次に、抵抗素子の上にある部分がエッチングされて、
領域121の薄いパシベーション層が形成される。パシ
ベーション層は0.2マイクロメートルの厚さ、または
設計者が決定する他の適当な寸法にエッチングされても
よく、プロセスの公差によって制限されてもよい。ビア
125を開通するために、通常は別のフォトリソグラフ
ィー/エッチングのステップが必要である。エッチング
されたパシベーション層は次に、適切な場所をタンタル
等の材料で覆われる。タンタルによって、インクウェル
131の下にキャビテーション表面124が設けられ
る。タンタルはまた、表面導体126として適当な導体
でもある。タンタルは、好ましくは約0.6マイクロメ
ートルの適切な厚さに被着される。次にタンタル層の上
に接触パッド128が形成されるが、これらの接触パッ
ドは、好ましくは金で形成される。
【0019】図3を参照すると、ここには、本発明によ
るパシベーション層の厚さを変化させたプリントヘッド
の別の実施形態が示されている。図3は図2と略同じ構
成要素を有するプリントヘッドを示す。図2のプリント
ヘッドの構成要素に対応する図3のプリントヘッドの構
成要素には下2桁が同じで一番上の桁が2に変えてある
参照番号を付している。
【0020】プリントヘッド200は、好ましくは、プ
リントヘッド100について上述した方法で形成される
が、抵抗素子上でパシベーション層をエッチングする間
に、好ましくは完全なエッチングが行われ、従って抵抗
素子が露出する。次に薄いパシベーション層(例えばS
34またはSiC、またはこれらの両方)を抵抗素子
の上に再形成する。新しい材料層がパシベーション層の
領域221を形成する。このエッチングしてから選択的
に再充填する方法は、縁213、215から十分な間隔
を開けて十分なパシベーション層保護(すなわち、破壊
からの保護)が行われるような態様で行われる。次に上
述のようにタンタル及び金を被着するか、または他の従
来技術のフォトリソグラフィープロセス段階を行っても
よい。完全にエッチングしてから再充填する方法によっ
て、領域221の厚さをより正確に制御することができ
る。しかしこれには、別途マスキングするという操作が
必要である。
【0021】本発明の、厚くしたパシベーション層は、
TMAHエッチング等の間に基板の前側を保護するとい
う点において利点があるということが理解されるべきで
ある。TMAHエッチング等は、基板の一部を除去して
インク管路を作り出すために行われる。
【0022】以下に本発明の実施態様の例を列挙する。
【0023】〔実施態様1〕基板と、前記基板上の第1
の領域に形成されたインク射出要素と、前記インク射出
要素及び前記基板の上に形成されたパシベーション層
と、前記インク射出要素の上に形成されたインクウェル
とを含む印字装置であって、前記インク射出要素の上の
前記パシベーション層の厚さが、前記基板の他の領域の
上の前記パシベーション層の厚さよりも薄いプリント装
置。
【0024】〔実施態様2〕前記基板内に形成された処
理ロジックを更に含み、前記処理ロジックが、前記基板
の前記他の領域に形成されていることを特徴とする実施
態様1に記載のプリント装置。
【0025】〔実施態様3〕前記パシベーション層の厚
さは前記インク射出要素の上で約0.7マイクロメート
ル以下であることを特徴とする実施態様1に記載のプリ
ント装置。
【0026】〔実施態様4〕前記パシベーション層の厚
さは前記基板の前記他の領域の上で約0.6マイクロメ
ートル以上であることを特徴とする実施態様1に記載の
プリント装置。
【0027】〔実施態様5〕前記パシベーション層は誘
電材料で形成されていることを特徴とする実施態様1に
記載のプリント装置。
【0028】〔実施態様6〕前記インク射出要素の上の
前記パシベーション層上に形成された保護層を含み、前
記保護層の上にキャビテーション表面が形成されている
ことを特徴とする実施態様1に記載のプリント装置。
【0029】〔実施態様7〕前記インク射出要素に隣接
して設けられて前記インク射出要素に電気信号を送出す
る導電層を含み、前記インク射出要素の上の前記パシベ
ーション層の厚さが前記導電層の厚さの約4倍よりも薄
いことを特徴とする実施態様1に記載のプリント装置。
【0030】〔実施態様8〕前記前記インク射出要素は
熱的に作動することを特徴とする実施態様1に記載の装
置。
【0031】〔実施態様9〕前記インク射出要素に隣接
して設けられて前記インク射出要素に電気信号を送出す
る導電層を含み、前記導電層が前記インク射出要素に近
接する略垂直な縁を有することを特徴とする実施態様1
に記載の装置。
【0032】〔実施態様10〕基板を設け、前記基板上
の第1の領域にインク射出要素を形成し、前記インク射
出要素及び前記基板の上にパシベーション層を形成し、
前記インク射出要素の上にインクウェルを形成すること
を含むプリントヘッド形成方法において、前記パシベー
ション層が、前記インク射出要素の上で第1の厚さを有
するとともに、前記基板の他の領域の上で第2の厚さを
有し、前記第1の厚さが前記第2の厚さよりも薄いよう
に形成されることを特徴とするプリントヘッド形成方
法。
【0033】〔実施態様11〕前記パシベーション層の
形成は所与の厚さの最初のパシベーション層を形成し、
前記インク射出要素の上の前記最初のパシベーション層
の一部を除去して前記第2の厚さよりも薄い前記第1の
厚さを前記インク射出要素の上に作り出すことを含むこ
とを特徴とする実施態様10に記載のプリントヘッド形
成方法。
【0034】〔実施態様12〕前記除去は、約0.6マ
イクロメートル以下の厚さを残して前記最初のパシベー
ション層の一部を除去することを含むことを特徴とする
実施態様11に記載のプリントヘッド形成方法。
【0035】〔実施態様13〕前記パシベーション層の
形成は、所与の厚さの最初のパシベーション層を形成
し、前記インク射出要素の上の前記最初のパシベーショ
ン層を除去し、前記最初のパシベーション層ほど厚くな
いパシベーション層を前記インク射出要素の上に再形成
して、それによって、前記第2の厚さよりも薄い前記第
1の厚さを前記インク射出要素の上に形成することを含
むことを特徴とする実施態様10に記載のプリントヘッ
ド形成方法。
【0036】〔実施態様14〕前記再形成は、前記パシ
ベーション層を前記インク射出要素の上に約0.7マイ
クロメートル以下の厚さに再形成することを含むことを
特徴とする実施態様13に記載のプリントヘッド形成方
法。
【0037】〔実施態様15〕前記パシベーション層形
成段階は、前記パシベーション層を約0.6マイクロメ
ートル以上の厚さに形成することを含むことを特徴とす
る実施態様10に記載のプリントヘッド形成方法。
【0038】〔実施態様16〕前記インク射出要素に隣
接して前記インク射出要素に電気信号を送出する導電層
を形成することを含み、前記第1の厚さが前記導電層の
厚さの約4倍よりも薄いことを特徴とする実施態様10
に記載のプリントヘッド形成方法。
【0039】〔実施態様17〕前記パシベーション層形
成は前記パシベーション層を誘電材料で形成することを
含むことを特徴とする実施態様10に記載の方法。
【0040】〔実施態様18〕前記インク射出要素の上
の前記パシベーション層上に保護層を設けることを含
み、前記保護層の上にキャビテーション表面が形成され
ることを特徴とする実施態様10に記載のプリントヘッ
ド形成方法。
【0041】〔実施態様19〕前記インク射出要素形成
は前記インク射出要素が熱励起によってインクを射出す
るような態様で前記インク射出要素を形成することを含
むことを特徴とする実施態様10に記載の方法。
【0042】〔実施態様20〕前記インク射出要素に隣
接して前記インク射出要素に電気信号を送出する導電層
を形成することを含み、前記導電層が前記インク射出要
素に近接する略垂直な縁を有するように形成されること
を特徴とする実施態様10に記載の方法。
【0043】本発明を、その具体的な実施形態に関して
説明したが、本発明は更に変形することができる。本出
願は、一般的に、本発明の原理に従い本発明が属する技
術において公知または慣習であり、前述した本質的特徴
に適用することができ、本発明の範囲及び特許請求の限
定内にある、本開示からの逸脱を含む、本発明のいかな
る変形、使用、または応用も包含するように意図されて
いる、ということが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来技術によるプリントヘッドの断面図であ
る。
【図2】本発明による、パシベーション層の厚さを変え
たプリントヘッドの断面図である。
【図3】本発明による、パシベーション層の厚さを変え
たプリントヘッドの、別の実施形態の図である。
【符号の説明】
110:基板 112:インク射出要素 121:パシベーション層の領域 122:パシベーション層の領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−6503(JP,A) 特開 平9−11470(JP,A) 特開 平9−85952(JP,A) 特開 平7−164632(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B41J 2/05 B41J 2/16

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】以下の(a)から(e)を設けたプリントヘッド
    装置: (a) 基板; (b) 前記基板上に形成されたインク射出要素; (c) 前記基板上の少なくとも一部に形成された第1のパ
    シベーション層; (d) その一部が前記第1のパシベーション層の一部の上
    に重なる、前記第1のパシベーション層より薄い第2の
    パシベーション層であって、前記第2のパシベーション
    層は前記インク射出要素に近接しまた前記インク射出要
    素に接触して設けられる; (e) 前記インク射出要素上に形成されたインクウェル。
  2. 【請求項2】前記基板の前記第1のパシベーション層の
    下に処理ロジックを設けたことを特徴とする請求項1記
    載のプリントヘッド装置。
  3. 【請求項3】前記第2のパシベーション層の厚さは前記
    インク射出要素上で約0.38マイクロメートル未満で
    あることを特徴とする請求項1記載のプリントヘッド装
    置。
  4. 【請求項4】前記第1のパシベーション層の厚さは約
    0.6マイクロメートル以上であることを特徴とする請
    求項1記載のプリントヘッド装置。
  5. 【請求項5】前記第2のパシベーション層は窒化けい素
    とシリコンカーバイドの一方または両者を含むことを特
    徴とする請求項1記載のプリントヘッド装置。
  6. 【請求項6】キャビテーション表面を有する保護層を前
    記第2のパシベーション層の上に設けたことを特徴とす
    る請求項1記載のプリントヘッド装置。
  7. 【請求項7】前記インク射出要素は熱によって付勢され
    ることを特徴とする請求項1記載のプリントヘッド装
    置。
  8. 【請求項8】前記インク射出要素に隣接して設けられ、
    電気信号を前記インク射出要素へ伝達する導体層を設
    け、 前記導体層は前記インク射出要素に近接したほぼ垂直な
    縁を有することを特徴とする請求項1記載のプリントヘ
    ッド装置。
  9. 【請求項9】以下の(a)から(e)を設けたプリントヘッド
    装置: (a) 基板; (b) 前記基板上に形成されたインク射出要素; (c) 前記基板上の少なくとも一部に形成された第1のパ
    シベーション層; (d) その一部が前記第1のパシベーション層の一部の上
    に重なる、前記第1のパシベーション層より薄い第2の
    パシベーション層であって、前記第2のパシベーション
    層は前記インク射出要素に近接しまた前記インク射出要
    素に接触して設けられ、前記第1及び第2のパシベーシ
    ョン層によって前記基板上に第1、第2及び第3の領域
    が定義され、前記第1の領域は前記第1及び第2のパシ
    ベーション層のうちの実質的に前記第1のパシベーショ
    ン層のみを含み、前記第2の領域は前記第1及び第2の
    パシベーション層の両方を実質的に含み、前記第3の領
    域は前記第1及び第2のパシベーション層のうちの実質
    的に前記第1のパシベーション層のみを含む; (e) 前記インク射出要素上に形成されたインクウェル。
  10. 【請求項10】前記第2の領域における前記第1及び第
    2のパシベーション層の合計の厚さは0.6マイクロメ
    ートル以上であることを特徴とする請求項9記載のプリ
    ントヘッド装置。
  11. 【請求項11】前記第1の領域は前記インク射出要素の
    少なくとも一部の上に設けられ、 前記第2の領域は前記第1の領域に近接して設けられ、 前記第3の領域は前記第2の領域に近接して設けられる
    ことを特徴とする請求項9記載のプリントヘッド装置。
  12. 【請求項12】前記第1の領域における前記インク射出
    要素上の前記第1のパシベーション層の厚さは0.38
    マイクロメートル未満であることを特徴とする請求項1
    1記載のプリントヘッド装置。
  13. 【請求項13】前記第2のパシベーション層の上に形成
    されたキャビテーション層を設けたことを特徴とする請
    求項9記載のプリントヘッド装置。
  14. 【請求項14】前記第1のパシベーション層は窒化けい
    素を含むことを特徴とする請求項9記載のプリントヘッ
    ド装置。
  15. 【請求項15】前記第2のパシベーション層は窒化けい
    素とシリコンカーバイドの一方または両方を含むことを
    特徴とする請求項9記載のプリントヘッド装置
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