JP4173662B2 - Ｃｍｏｓ／ｍｅｍｓ集積型インクジェット印刷ヘッドのインクチャネルに補助ヒーターを組み込んだ構造及びその製造方法 - Google Patents

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。
【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。
【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 (Kyser) 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。
【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。
【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 (Hansell)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（Ｅｌｍｊｅｔ）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、１９６８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 DROPLETS AND INL JET RECORDER 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。
【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（Anagnostopoulos）らによって出願された“CONTINUOUS INK JET PRINTER 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。溶剤（特にアルコール）インクは非常によい偏向パターンを有し、異方加熱がされた連続インクジェットプリンタにおいて高い画像品質をを実現するが、水性インクはさらに問題である。水性インクはあまり偏向しないが、その作動はしっかりしていない。デラメッター（Delametter）らに出願された欧州特許第1,110,732号において、連続インクジェット異方加熱印刷システム内においてインクドロプレット偏向の大きさを改善するために、インク送り出しチャネル内の幾何学的障害物によって、エンハンスされた面方向フロー特性を提供することによって、特に水性インクに対して、インクドロップ偏向を有する連続インクジェットプリンタが開示されている。
【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、チョレックらやデラメッターらの仕事に立脚するものである。
【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。
【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。
【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80μｍ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。
【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ＶＬＳＩ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。
【００２０】
本発明の他の目的は、平坦印刷ヘッド表面構造を特徴とするＣＩＪ印刷ヘッドであって、ノズル開口若しくはボアにおいてインクが頂部ヒーター領域に達する前にインクチャネルのインクを予熱するために、ＣＭＯＳプロセスで形成されたポリシリコン層若しくは他の材料を酸化物層の底部でヒーターとして使用することができる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であって、該インクヘッドは、印刷ヘッドの作動を制御するための集積回路を含み、かつ、インクチャネルを有するシリコン基板と；基板上に支持された絶縁体層若しくは層群であって、基板の長さ方向に沿って形成されかつインクチャネルに連通する一連のインクジェットノズルボア群を有する絶縁体層若しくは層群と；どのインクドロップレットが印刷されるかを選択的に決定するようにノズルボアでインクに非対称の熱を付与するためにボアの近傍に形成された第１のヒーター要素と；絶縁体層若しくは層群に形成され、かつ、インクがノズルボアに入る前にインクを予熱する第２のヒーター要素と；を備えている。
【００２２】
本発明の第２の態様では、連続インクジェット印刷ヘッドを作動する方法であって：該方法は、印刷ヘッドの作動を制御するためにに形成された一連の集積回路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下にある液体インクを備える段階と；インクドロプレット射出方向を制御するためにノズルボアでインクを非対称に加熱する段階であって、各ノズルボアはインクチャネルに連通し非対称加熱はノズルボアに近接して配置した第１のヒーター要素によって行われる段階と；インクがノズルボアに入る直前に、第２のヒーター要素を用いてインクを予熱する段階と；を備えている。
【００２３】
本発明の第３の態様では、連続インクジェット印刷ヘッドを製造する方法であって：該方法は、印刷ヘッドの作動を制御するための集積回路を有するシリコン基板を準備する段階であって、シリコン基板はその上に絶縁体層若しくは層群を有し、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的に接続された導体を有するものである段階と；絶縁体層若しくは層群に、一連のノズルボア群を形成する段階と；絶縁体層若しくは層群においてノズル開口の近傍に、ノズル開口においてインクを加熱するための第１のヒーター要素を形成する段階と；ノズルボアに入るインクの上流側の位置に配置する第２のヒーター要素の近傍をインクが流れるための開口を形成する段階と；シリコン基板にインクチャネルを形成する段階と；を備える。
【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。
【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３は、図１ＡのＡ−Ｂ線に沿った概略断面図であって、本発明の第１の実施形態に対応して従来型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４は、図３に示した装置を用いて酸化物ブロックに大きなボアを画定した後のノズル領域における、図１のＡ−Ｂ線に沿った概略断面図であり；
図５は、犠牲層の堆積及び平坦化、パッシベーション及びヒーター層の堆積及び画定、並びに、ノズルボアの形成の後の、ノズル領域におけるＡ−Ｂ線に沿った概略断面図であり；
図６は、シリコンウェハーにインクチャネルを形成し、犠牲層を除去した後、の、ノズル領域におけるＡ−Ｂ線に沿った概略断面図であり；
図７は、図６で示した製造方法を用いて形成したノズルの小アレイの概略平面図であり、シリコン基板に形成した中央矩形インクチャネルを示す図であり；
図８は、図７と同様な図であって、各ノズルを分離し、構造の強度を強化し、インクチャネルにおける波作用を低減する、シリコン基板に形成されたリブ構造を示す図であり；
図９は、本発明の第２の実施形態に対応する横方向フロー用の酸化物ブロックの画定後の、図１Ａのノズル領域におけるＢ−Ｂ線に沿った概略断面図であり；図１０は、横方向フローのための酸化物ブロックの画定後、図１Ａのノズル領域におけるＡ−Ａ線に沿った概略断面図であり；
図１１は、横方向フローのための酸化物ブロックの画定後、図１Ａのノズル領域におけるＢ−Ｂ線に沿った概略断面図であり；
図１２は、横方向フローのために用いる酸化物ブロックの画定後、図１Ａのノズル領域におけるＡ−Ｂ線に沿った概略断面図であり；
図１３は、犠牲層の平坦化、パッシベーション及びヒーター層の堆積及び画定、並びに、ノズルボアの形成の後の、ノズル領域におけるＢ−Ｂ線に沿った概略断面図であり；
図１４は、犠牲層の平坦化、パッシベーション及びヒーター層の堆積及び画定、並びに、ボアの形成の後の、ノズル領域におけるＡ−Ｂ線に沿った概略断面図であり；
図１５は、シリコンウェハーにおけるインクチャネルの画定及びエッチング、犠牲層の除去後の、ノズル領域におけるＡ−Ｂ線に沿った概略断面図であり、本発明に対応するヒータの作動温度を下げ、ジェットストリームの偏向を増大する頂部及び底部ヒータを示した図であり；
図１６は、図１５のものと同様であるが、Ｂ−Ｂ線に沿った概略断面図であり；
図１７は、ＣＭＯＳ／ＭＥＭＳ印刷ヘッドの一部の斜視図であり、リブ構造及び酸化物ブロッキング構造を示すものであり；
図１８は、酸化物ブロッキング構造の接近した斜視図であり；
図１９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２０は、本発明により製造されかつインクが送られる支持基板上の設けた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。
【００２７】
図１９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）。
【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において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１９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、ライン状にあるい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、図１Ａ及び図１Ｂに示し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１Ａ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。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の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。
【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。
【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 Segmented 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 Having Multi-Segment Heaters”の発明の名称の米国特許第6,217,163号号明細書を参照されたい。いずれも、1998年12月28日に出願されたものである。
【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。
【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。
【００３６】
前述のように、ＣＭＯＳ回路はまず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は、ポリシリコン層に形成してもよい。
【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。
【００３８】
図３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。
【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。必要とされる様々な層の間にビアを備え、ボンドパッドを備えるために金属層にアクセス可能にするために表面に開口を予め備えてもよい。データと、ラッチクロックと、イネーブルクロックと、印刷ヘッドの金属に備えたか又は離間した位置から印刷ヘッドに接続された回路基板から供給される電力との各接続を行うために様々なボンドパッドを備えている。図３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３の図と同様であってＡ−Ｂ線に沿った図４に示したように、マスクはウェハーのおもて面（フロント面）に貼付し、直径22μｍのウィンドウを画定している。次いでウィンドウの誘電体層を、図４で示したようなエッチングを停止するシリコン表面までエッチングする。
【００４１】
図５に示したように、この図には多くの段階を示している。第１の段階は、前の段階で開けたウィンドウをアモルファスあるいはポリイミドのような犠牲層で充填することである。犠牲層は、酸化物／窒化物絶縁体層のおもて面とシリコン基板との間に形成した凹所に堆積する。これらの膜は、存在するアルミニウム層の融解を防止するために、450℃以下の温度で堆積する。
【００４２】
次に、ＰＥＣＶＤのＳｉ₃Ｎ₄のような約3,500Åの薄い保護層を堆積し、さらに、３つの金属層にビア３を開口する。ビアはＷで充填し、平坦化できるし、又、それらは、傾斜を有する側壁と共にエッチングすることができ、それによって、次に堆積するヒーター層を金属層３に直接接触させことができる。約50ÅのＴｉと約600ÅのＴｉＮから成るヒーター層を堆積し、次いでパターニングする。次に最後の薄い保護（通常パッシベーションと称する）層を堆積する。この層は、ヒーターの下の層として、インクの腐食作用からヒーターを保護し、インクが容易に汚れることはなく、汚れたときには容易に清浄化できる性質を持っていることが必要である。また、機械的な摩耗に対しても保護層として作用する。
【００４３】
ボアを形成するためのマスクを次に貼付し、パッシベーション層をエッチングしてボア及び結合パッドを開口する。図５は、この段階でのノズルの断面図を示している。シリコンアレイに沿ってノズルボアを同時にエッチングすることは理解されたい。
【００４４】
次いで、シリコンウェハを初期厚の675μｍから300μｍまで薄くし、図６に示したように、次いでインクチャネルを開口するためのマスクをウェハのうら面に付けて、ＳＴＳ腐食加工において、シリコンのおもて面までシリコンをエッチングする。その後、犠牲層をうら面からエッチングし、それによって、図６で示したように、最終的な装置になる。図６に示したように、装置は容易に清浄化できるように平坦な最表面を有し、ボアは十分に狭く、ジェット偏向は増大する。さらに、処理後の温度をヒーターのアニーリング温度の420℃以下に維持し、それによって、その抵抗を長時間一定に保持する。図６からわかるように、埋没したヒーター要素が効果的にノズルボアを囲繞し、ノズルボアに非常に近接する。
【００４５】
図６で示したような印刷ヘッドの他の特徴は、酸化物層に形成したインクチャネルまで延長した底部ポリシリコン層を備えてポリシリコンヒーター要素を設けることである。底部ヒーター要素は、インクは酸化物層のチャネル部に入る際のインクの初期予熱を付与するのに用いるものである。この変形構造はＣＭＯＳプロセスの間に形成する。
【００４６】
図７に示したが、シリコン基板に形成したインクチャネルはノズルアレイの下の中央に延びる矩形キャビティである。しかしながら、ダイの中央の長いキャビティ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、実装（パッケージング）の際などのようにアレイが捻り応力を受け易いときに、膜が壊れやすい。また、印刷ヘッドに沿って、低周波数圧力波によるインクチャネルの圧力変動は、ジェットジッターを生じうる。示したのは改良版である。この改良設計は、インクチャネルのエッチングの間のノズルアレイの各ノズルの間のシリコンブリッジ又はリブの背後に残すことから成る。これらのブリッジは、シリコンウェハの裏からおもてまでずっと延びている。従って、ウェハのうら面に画定されパターニングされたインクチャネルはもはや、ノズル列の方向に平行に延びる長い矩形凹所ではなく、各々単一ノズルを提供する一連の小さめの矩形キャビティ群である。流体抵抗を低減するため、各インクチャネルはノズル列の方向に沿って20μｍ、ノズル列に直交する方向に120μｍの矩形となるように形成する。
【００４７】
改良設計においては、シリコンウェハを初期厚の675μｍから300μｍまで薄くする。次いでインクチャネルの開口用のマスクをウェハのうら面に付けて、ＳＴＳ腐食加工において、シリコンのおもて面までシリコンをエッチングする。使用したマスクは、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の間のシリコンブリッジ又はリブの背後に残されたものである。これらのブリッジは、シリコンウェハの裏からおもてまでずっと延びている。従って、ウェハのうら面に画定されパターニングされたインクチャネルはもはや、ノズル列の方向に平行に延びる長い矩形凹所ではなく、各々単一ノズルを提供する一連の小さめの矩形キャビティである。これらのリブの使用によって、印刷ヘッドを構造的に弱くする傾向を有するダイの中央における長いキャビティとは反対に、シリコンの強度を改善し、そのため、実装の際などのようにアレイが捻り応力を受け易いときに、膜が壊れやすい。また、長い印刷ヘッドに対して、低周波数圧力波によるインクチャネルの圧力変動は、ジェットジッターを生じうる。
【００４８】
ＣＩＪ印刷システムについて上述したように、ジェット偏向は、軸方向より横方向の運動量でノズルボアに入るインクの一部を増量することによってさらに増大することが望ましい。これは、ノズル開口あるいはボアの直下の各ノズルアレイ構造の中央部にブロックを構築することによって軸方向運動量を有する流体の一部をブロッキングすることによって実施することができる。
【００４９】
本発明の第２の実施形態による、リブ構造を有するノズルアレイを形成するが、横方向フロー構造を特徴付ける方法を説明する。図３は、上述のような、ＣＭＯＳ形成シーケンスの終わりにノズルの近傍にシリコンウェハーの断面を示す。以下のパラグラフでは単一ノズルの形成に対して説明を行うが、プロセスがウェハーに沿って列に形成された一連のノズル群に同じく適用可能であることは理解されたい。処理後のシーケンスでの第１の段階は、形成される各ノズル開口の領域にウェハーのおもてにマスクを付けることである。マスクは、エッチング液によって形成されるノズルボアに対して同心の２個の6μｍ幅の半導体開口を開くように形成される。これらの開口の外側端は、22μｍ直径円に対応する。次いで、半導体領域における誘電体層は、図９に示すように、シリコン面まで完全にエッチングされる。第２のマスクを付け、図１０で示した酸化物ブロックの選択的エッチングを可能とする形状にする。適所の第２のマスクでエッチングする際、酸化物ブロックは、断面線Ｂ−Ｂに沿った断面に対して図１０で及び断面線Ａ−Ａに沿った断面に対して図１１で示したように約1.5μｍのシリコン基板からの最終的な厚さあるいは高さまでエッチングされる。Ａ−Ｂに沿ってノズル領域の断面を図１２に示す。
【００５０】
その後、誘電体層の開口をアモルファスシリコンあるいはポリイミドのような犠牲層で充填し、ウェハーを平坦化する。
【００５１】
次に、ＰＥＣＶＤのＳｉ₃Ｎ₄のような薄い3500Å保護膜あるいは不活性化（パッシベーション）層を堆積し、次いで、金属３のレベル（mtl3）へのビア３を開口する。図１４を参照されたい。次いで、全ウェハー上をTi/TiN薄層で覆い、さらに厚いＷ層で覆う。次いで、ビア３を除いた全てからＷ（タングステン）層及びTi/TiN層を除去する化学機械的研磨プロセスで表面を平坦化する。また、ビア３は勾配を有する側壁を有するようにエッチングすることができ、それによって、次に堆積するヒーター層は金属３の層に直接接触することができる。Tiを約50ÅとTiN約600Åとから成るヒーター層が堆積され、次いでパターニングされる。次いで、最後の薄い保護（通常パッシベーションと称される）層を堆積する。この層は、インクの浸食作用からヒーターを保護する特性を有し、それはインクによって容易に汚れてはいけなく、また、汚れたときは容易に清浄にできるものでなければならない。それは、機械摩滅に対する保護も提供し、インクに対して所望の接触角を有する。これら全要求を満足するために、パッシベーション層は異なる材料の膜の積層から成る。ヒーターを囲繞する最終膜の厚さは 約1.5μｍである。ボアマスクをウェハーのおもてに隣接して付け、パッシベーション層をエッチングして各ノズル及びボンドパッドに対してボアを開ける。図１３及び図１４は、この段階で各ノズルの各断面図を示す。唯一個のボンドパッドを示しているが、多重ボンドパッドがノズルアレイに形成されることは理解されたい。データと、ラッチクロックと、イネーブルクロックと、及び、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結合するために、様々なボンドパッドを備えている。
【００５２】
次いで、シリコンウェハーを675μｍの初期厚から約300μｍの厚さに薄くする。次いで、インクチャネルを開口するマスクをウェハーの裏面に付け、次いでシリコンをＳＴＳディープシリコンエッチシステムで、シリコンのおもて面までエッチングされる。最終的には、犠牲層が裏面及びおもて面からエッチングして、図１５、図１７及び図１８で示す最終装置（デバイス）となる。ウェハーの裏におけるインクチャネル開口の、ウェハーのおもてにおけるノズルアレイへの位置合わせは、カール・ズース１Ｘアライナーシステムのようなアライナーシステムを用いて行ってもよい。
【００５３】
図１５及び図１６で示したように、ポリシリコン型ヒーターは、各ノズルの誘電体積層の底部に組み込むことができる。これらのヒーターも、インクの粘性（粘度）を非対称に低減するのに貢献する。図１６に示したように、ブロッキング構造の右側のアクセス開口を通るインクフローは加熱されるが、ブロッキング構造の左側のアクセス開口を通るインクフローは加熱されない。このインクフローの非対称予熱（先だった加熱）は、偏向に対して望まれた横方向運動量成分を有するインクの粘性を低減する傾向になり、さらなるインクは粘性を低減するように流れるので、所望の方向、例えば、ボア近傍の加熱要素から離間する方向にインクを偏向するという大きな傾向がある。ポリシリコン型加熱要素は、ボアに近接する予備加熱要素の構成と同様の構成であってもよい。ヒーターは、これらの図で示したように、各ノズルボアの上部及び底部の両方で使用される場所では、各ヒーターが作動する温度を劇的に低下する。TiNヒーターの信頼性は、それらがアニーリング温度より十分低い温度で作動することができるときは、かなり改善される。
【００５４】
図１１に示したように、ボアへ流れるインクは、ドロプレット偏向の増加に対して所望の横方向運動量成分によって支配される。
【００５５】
シリコン基板のエッチングは、インクチャネルのエッチング中、ノズルアレイの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ように行った。これらのブリッジは、シリコンウェハの裏からおもてまでずっと延びている。従って、ウェハのうら面に画定されパターニングされたインクチャネルは各々単一ノズルを提供する一連の小さめの矩形キャビティ群である。流体抵抗を低減するため、各インクチャネルはノズル列の方向に沿って20μｍ、ノズル列に直交する方向に120μｍの矩形となるように形成する。インクキャビティはそれぞれ、シリコン基板に形成された第１のインクチャネルと酸化物／窒化物層に形成された第２のインクチャネルとを備え、それら第１及び第２のインクチャネルは酸化物／窒化物層に形成されたアクセス開口を介して連通するものである。これらアクセス開口は、インクが第１のインクチャネルと第２のインクチャネルとの間の圧力の下で流れることを必要とするものであり、横方向フロー成分を増大するものである。というのは、第２のインクチャネルへの直接軸方向アクセスは酸化物ブロックによって効果的にブロックされるからである。
【００５６】
図１８に示したように、本明細書に記載した実施形態のいずれかに対応する完成したＣＭＯＳ／ＭＥＭＳ印刷ヘッド１２０は、支持基板若しくは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。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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【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。
【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。
【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。
【図３】 図１ＡのＡ−Ｂ線に沿った概略断面図であって、本発明の第１の実施形態に対応して従来型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４】 図３に示した装置を用いて酸化物ブロックに大きなボアを画定した後のノズル領域における、図１のＡ−Ｂ線に沿った概略断面図である。
【図５】 犠牲層の堆積及び平坦化、パッシベーション及びヒーター層の堆積及び画定、並びに、ノズルボアの形成の後の、ノズル領域におけるＡ−Ｂ線に沿った概略断面図である。
【図６】 シリコンウェハーにインクチャネルを形成し、犠牲層を除去した後、の、ノズル領域におけるＡ−Ｂ線に沿った概略断面図である。
【図７】 図６で示した製造方法を用いて形成したノズルの小アレイの概略平面図であり、シリコン基板に形成した中央矩形インクチャネルを示す図である。
【図８】 図７と同様な図であって、各ノズルを分離し、構造の強度を強化し、インクチャネルにおける波作用を低減する、シリコン基板に形成されたリブ構造を示す図である。
【図９】 本発明の第２の実施形態に対応する横方向フロー用の酸化物ブロックの画定後の、図１Ａのノズル領域におけるＢ−Ｂ線に沿った概略断面図である。
【図１０】 横方向フローのための酸化物ブロックの画定後、図１Ａのノズル領域におけるＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。
【図１１】 横方向フローのための酸化物ブロックの画定後、図１Ａのノズル領域におけるＢ−Ｂ線に沿った概略断面図である。
【図１２】 横方向フローのために用いる酸化物ブロックの画定後、図１Ａのノズル領域におけるＡ−Ｂ線に沿った概略断面図である。
【図１３】 犠牲層の平坦化、パッシベーション及びヒーター層の堆積及び画定、並びに、ノズルボアの形成の後の、ノズル領域におけるＢ−Ｂ線に沿った概略断面図である。
【図１４】 犠牲層の平坦化、パッシベーション及びヒーター層の堆積及び画定、並びに、ボアの形成の後の、ノズル領域におけるＡ−Ｂ線に沿った概略断面図である。
【図１５】 シリコンウェハーにおけるインクチャネルの画定及びエッチング、犠牲層の除去後の、ノズル領域におけるＡ−Ｂ線に沿った概略断面図であり、本発明に対応するヒータの作動温度を下げ、ジェットストリームの偏向を増大する頂部及び底部ヒータを示した図である。
【図１６】 図１５のものと同様であるが、Ｂ−Ｂ線に沿った概略断面図である。
【図１７】 ＣＭＯＳ／ＭＥＭＳ印刷ヘッドの一部の斜視図であり、リブ構造及び酸化物ブロッキング構造を示すものである。
【図１８】 酸化物ブロッキング構造の接近した斜視図である。
【図１９】 連続インクジェット印刷ヘッド及びインクジェット印刷ヘッドにおける印刷媒体（例えば、紙）ロールとしてのノズルアレイ例の概略図である。
【図２０】 本発明により製造されかつインクが送られる支持基板上の設けたＣＭＯＳ／ＭＥＭＳ印刷ヘッドの斜視図である。
【符号の説明】
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

Claims (3)

1. 印刷ヘッドの作動を制御するための集積回路を含み、かつ、第１のインクチャネルを有するシリコン基板と；
   基板上に支持された絶縁体層若しくは層群であって、基板の長さ方向に沿って形成されかつインクチャネルに連通するインクジェットノズルボア群と各ノズルボアに連通する第２のインクチャネルとを有する絶縁体層若しくは層群と；
   前記第１のインクチャネルと前記第２のインクチャネルとの間であって、前記絶縁体層若しくは層群内に形成された、インクフローをブロックするブロッキング構造と；
   前記第１のインクチャネルと前記第２のインクチャネルとの間に形成され、インクが通過できるアクセス開口と；
   どのインクドロップレットを印刷するかを選択的に決定するようにノズルボアにおいてインクにインクドロプレットの吐出方向に対して非対称に熱を付与するためにノズルボアの近傍に形成された第１のヒーター要素と；
   絶縁体層若しくは層群の前記ブロッキング構造内に形成されかつインクがノズルボアに入る前にインクを予熱する第２のヒーター要素と；を備え、
   前記アクセス開口におけるインクフローの方向が前記ノズルボアに入る前に変わるようなフロー成分がインクに付与されるように、前記ノズルボアが前記アクセス開口におけるインクフローの方向からずれた位置に配置しているインクジェット印刷ヘッド。
2. ノズルボアと第１のインクチャネルとアクセス開口と第２のインクチャネルとを有するノズルを複数備え、インクが前記第１のインクチャネルから前記アクセス開口を通過して前記第２のインクチャネルに入り、前記アクセス開口は前記ノズルボアに対して横方向にずれており、次いで前記ノズルボアに入り、該ノズルボアから吐出する連続インクジェット印刷ヘッドを作動する方法において、
   該印刷ヘッドの作動を制御するために形成された一連の集積回路を有するシリコン基板に形成された第１の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；
   前記ノズルボアの軸に平行方向に前記アクセス開口を通るようにインクを流す段階と；
   インクが前記第１のインクチャネルから前記アクセス開口を通って前記第２のインクチャネルに流れる際に、インクの粘度を低減するために、ブロッキング構造に形成された第２のヒーター要素によってインクを非対称に予備加熱する段階と；
   前記第２のインクチャネルにおけるインクの流れの方向を変えて、インクに横方向のフロー成分を付与し、前記ノズルボアの軸に直交する方向にインクを流す段階と；
   インクドロプレットの吐出方向を制御するためにノズルボアにおいてインクをインクドロプレットの吐出方向に対して非対称に加熱する段階であって、各ノズルボアはインクチャネルに連通し非対称加熱はノズルボアに近接して配置した第１のヒーター要素によって行われる段階と；
   を備えた連続インクジェット印刷ヘッドを作動する方法。
3. ノズルボアと第１のインクチャネルとブロッキング構造とアクセス開口と第２のインクチャネルとを有するノズルを複数備え、インクが前記第１のインクチャネルから前記アクセス開口を通過して前記第２のインクチャネルに入り、次いで前記ノズルボアに入り、該ノズルボアから吐出する連続インクジェット印刷ヘッドを製造する方法において、
   印刷ヘッドの作動を制御するための集積回路を有するシリコン基板を準備する段階であって、シリコン基板はその上に絶縁体層若しくは層群を有し、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的に接続された導体を有するものである段階と；
   一連のノズルボア群と、各ノズルボアに連通する第２のインクチャネルと、各第２のインクチャネルに対応すると共に第１の第１のインクチャネルと第２のインクチャネルと間のインクフローをブロックするブロッキング構造であって第２のヒーター要素を備えたブロッキング構造とを前記絶縁体層若しくは層群に形成する段階であって、前記アクセス開口におけるインクフローの方向が前記ノズルボアに入る前に変わるようなフロー成分がインクに付与されるように、前記ノズルボアが前記アクセス開口におけるインクフローの方向からずれた位置に配置するように形成する段階と；
   絶縁体層若しくは層群においてノズルボアの近傍に、ノズルボアにおいてインクをインクドロプレットの吐出方向に対して非対称に加熱する第１のヒーター要素を形成する段階と；
   ノズルボアに入るインクの上流側の位置に配置する第２のヒーター要素の近傍をインクが流れるための開口を形成する段階と；
   シリコン基板に第１のインクチャネルを形成する段階と；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。

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