JP4209519B2 - プリントヘッドを製造する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に、サーマルインクジェットプリントに関し、特に、改良された液滴吐出効果を持つ抵抗加熱器を有するプリントヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
サーマルインクジェットプリントは一般的に、熱エネルギーを利用してインクで満たされたチャネルに蒸気の泡を発生させて液滴を吐出させるドロップ オンディマンド（drop-on-demand）タイプのインクジェットプリントである。熱エネルギー発生器、すなわち加熱素子は通常抵抗器であり、チャネルの中のノズルの近傍にノズルから所定の距離を置いて配置される。インク核生成方法は、まず、個々の抵抗器を短い（２〜６μ秒）電気パルスでアドレス（指定）し、瞬間的にインクを気化させてインクの液滴を吐出する泡を形成する。泡が成長するに従い、インクはノズルからふくらみ、メニスカスとしてインクの表面張力によって保たれる。泡が崩壊し始めると、まだチャネルのノズルと泡の間にあるインクは、崩壊する泡に向かって移動し、ノズルにおいてインクの体積の収縮を生じ、その結果、ふくらんだインクを液滴として分離する。泡が成長している間にインクをノズルから外へと加速することで、紙のような記録媒体へ向かう略直線方向に、液滴に運動量と速度を与えることができる。
【０００３】
液滴吐出動作中の加熱素子は、高温、熱応力、大きな電界と著しいキャビテーション応力という環境にある。従って、加熱素子の上にキャビテーション応力保護層が必要であることは早期に認識された。この目的のために非常に良い材料の１つは、業界でよく知られているように、タンタル（Ｔａ）である。
【０００４】
核生成効率は加熱器表面の特性に依存することが実証された（Michael O'Horo等による論文、『蒸気泡核生成におけるＴＩＪ加熱器表面トポロジーの効果』、ＳＰＩＥジャーナル、第２６５８巻、第５８〜６４頁、１９９６年１月２９日参照）。この論文において、実験観察によって、蒸気泡核生成には二つのタイプ、すなわち、均一核生成と不均一核生成があることがわかった。均一核生成は、核生成温度に達した時に、自然にインク中に生じる。不均一核生成は通常、抵抗加熱器の表面部分（亀裂およびクレバス）に生じる。表面部分には、閉じこめられた気体や蒸気が含まれ、それが不均一核生成の開始温度を均一核生成の開始温度よりもかなり低くする。インクに蓄積されたエネルギーとその結果得られる蒸気泡の膨張の効率は甚だしく減少する。
【０００５】
蒸気泡核生成を制御するためのインクジェット加熱素子の表面粗さの制御に関する先行技術には、米国特許第４３３６５４８号があり、この特許には、表面粗さを増加したサーマルインクジェットプリントヘッドを製造するのに使用される技術と材料が記載されている。この特許による表面粗さは、本明細書に記載される粗さよりもずっと大きく、蒸気泡の形成中に不均一核生成の度合いを高めるために利用される。この技術は、加熱抵抗器材料と、パシベーションスタックの付着の前に、基体層の表面をサンドブラスト、エッチング、又はその他の技術によって粗くすることによってなされる。これらの技術の結果、実際に、低いエネルギー入力で蒸気泡核生成が生じるのだが、インクの過熱の程度が低いため、吐出される液滴の持つエネルギーは、均一蒸気泡核生成によって発生した液滴と比べてずっと小さく、従って効果も小さい。米国特許第４３３６５４８号は、本発明と同様に、加熱器パシベーション材料としての酸化ジルコニウムの使用とともに、加熱素子として他の材料の中から、ハフニウムと二ホウ化ジルコニウムの使用を主張している。一方、米国特許第５２８７６２２号は、加熱抵抗器とパシベーションスタックの付着の前に、（他の技術の中から）レーザまたは電子ビームを使用して基体表面を溶かし、比較的滑らかな表面を作ることを記述しているが、この特許には、加熱器材料としての二ホウ化金属、パシベーション誘電体としての酸化物および保護層としてのタンタルも含まれる。しかし、これらの先行技術の双方において、二ホウ化物は熱エネルギー発生層（加熱抵抗器）としてのみ使用されており、加熱器の表面仕上げの変形例としては、基体を滑らかにする度合いを変えることしか提案されていない。最終的な加熱器表面の滑らかさを高めるために加熱器材料またはパシベーション材料の付着を変える努力はなされていない。さらに、加熱素子材料とパシベーティング酸化物がある場合、それらはこれらの特許の双方において、２つの異なるスパッタリングターゲットまたは他の堆積ソースを使用して連続して付着される。これに対し、本発明では、加熱器材料層と酸化物層は、単に付着シーケンスの最後に付着条件を変えるだけでその場（in-situ ）付着され、製造性と加熱器／パシベーションの境界面の完全性を著しく改善することができる。本発明に記載された構成は、基体（熱成長酸化物を有する、磨かれたマイクロエレクトロニクスタイプの単結晶シリコンウェーハ）が既に非常に滑らかであり、それ以上の処理を必要としないため、先行技術と比べてさらに利点を有している。本発明に記載される技術によれば、滑らかな単結晶シリコン基体の上に組み立てて作成された既に比較的滑らかな加熱器が、微粒子の二ホウ化金属加熱素子を堆積し、その表面層を加熱器材料の堆積中にその場酸化することによって、さらに滑らかにされ、その結果、ナノメータ規模以下の粗さ（米国特許第５２８７６２２号に記載された加熱器よりも大きさの等級最大２つ分良い）の一体化加熱器／パシベーションスタックが得られる。
【０００６】
抵抗加熱器に好適な材料はポリシリコンまたは二ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ２）のようなスパッタリングされた薄膜抵抗器材料である。ポリシリコンは、堆積条件、その後の高温サイクル、およびドーピングレベルによって寸法と粗さが変わる多数のグレインから成る。高ドーズ注入加熱器（Ｏ‘Ｈｏｒｏの論文に記載の加熱器２）のポリシリコンの表面粗さは２７．２ｎｍである。本発明で得ることのできる堆積直後のＺｒＢ２の表面粗さは０．５ｎｍである。抵抗加熱器はその後、熱成長させた酸化物層か熱分解ＣＶＤ堆積窒化ケイ素を用いてパシベートされるが、これらは両方とも、例えばポリシリコンの表面粗さをパシベーション層の表面にきっちりと複製することによって、かなり粗さが一致する。タンタル層がパシベーション層の上に必要によりスパッタリングされるが、このタンタル層は、Ｔａのグレイン構造によっておよそ１５ｎｍＲＭＳ以上になるように、付加的な形状を加えるとともに下層の形状を実質的に写し出す。従って、タンタル層の表面は表面側を複製しており、それゆえ、このタイプ（従来の誘電体パシベーション層とタンタルを有するポリシリコンまたはＺｒＢ２）の加熱器構造の下層のポリシリコンの粗さと核生成効果は最適ではない。
【０００７】
上記から、蒸気を閉じこめる亀裂またはクレバスの数を減少することによって、抵抗加熱器面のより滑らかな表面が核生成効果を高めることは明らかである。米国特許第５，４６９，２００号は、加熱抵抗器の基体を磨いて平坦性を高め、また、別の例では、熱による軟化工程と同時に基体表面を酸化することによって熱酸化物を形成して、その結果、酸化物パシベーション層上により滑らかな表面を得る技術を開示している。これらの技術は、過度な高温および／または長い加熱サイクルのために、一体化マイクロエレクトロニクス回路と適合しないので、完全に満足のいくものではない。さらに、これらの技術は、最終的な加熱器表面の表面形状を、単に最初の基体表面の形状を変えるだけで減少させ、抵抗加熱素子とそのパシベーションスタックによってもたらされる形状を減少させようとはせず、従って、得ることのできる滑らかさの程度が限られてしまう。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、滑らかな表面を有する抵抗加熱器を提供することによって、サーマルインクジェットプリントヘッドに使用される抵抗加熱器の核生成効果を高めることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、好適な実施例では、微粒子の薄膜抵抗材料である二ホウ化ジルコニウムの非常に滑らかな表面を有する抵抗加熱器を、スパッタリング工程によって形成する。スパッタリング工程では、最初の電導性層の形成の終わりに向けて、制御された割合で、酸素を導入することを含む。酸素の導入によって、薄膜が下層の電導性層の上部に形成される。この薄膜は著しく増加されたシート抵抗を有しており、表面に非常に滑らかな（０．５ｎｍＲＭＳより小さい）形状を保持している。
【００１０】
より詳細には、本発明は、一方の表面上に加熱抵抗器のアレイとその上に形成されたアドレス電極を有する基体を有し、加熱抵抗器は、一般式（Ａ）Ｂ２のスパッタリングされた薄膜抵抗化合物の第１の層と、第１の層の上に、一般式（Ａ）Ｂ２Ｏｘを有する第２の酸化物層を含むことを特徴とし、ここでＢはホウ素であり、Ａは、ジルコニウム（Ｚｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ニオビウム（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、およびタングステン（Ｗ）から成るグループから選ばれた一つの金属であることを特徴とする、サーマルインクジェットプリントヘッドに関する。
【００１１】
本発明はまた、熱抵抗器の少なくとも１つの部分と熱的に連通し、インクを満たした複数のチャネルを有し、インクジェットプリンタに使用される改良プリントヘッドを作成する以下の各工程からなる方法に関する：
（ａ）基体の表面上に一般式（Ａ）Ｂ２の抵抗材料の層をスパッタリングし、
（ｂ）スパッタリング工程の終わりに酸素を導入して、抵抗材料の層の上に、比較的高いシート抵抗と、０．５ｎｍＲＭＳより小さい表面粗さを有する酸化物層を形成し、
（ｃ）熱抵抗器と熱的に連通する、インクを満たした複数のインクチャネルを形成する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は改良抵抗加熱器構造の第１実施例を示す断面図である。この抵抗加熱器構造は、例えば、米国再発行特許第３２，５７２号、米国特許第４，７７４，５３０号および第４，９５１，０６３号に開示されるタイプのプリントヘッドに使用できる。これらの特許の内容には本明細書で援用される。抵抗素子を加熱して隣接層にインクの核を生成する他のタイプのサーマルインクジェットプリントヘッドにも本発明の改良加熱器構造を使用できることは明らかである。
【００１３】
図１には、インクジェットプリントヘッド８の加熱器基体部が、前面に形成されたノズル１２から吐出される、チャネル１０中のインクとともに示される。プリントヘッド８は、上述の米国再発行特許第３２，５７２号および米国特許第４，９５１，０６３号に開示されるようにチャネルと加熱プレートを接合する従来の方法（加熱抵抗器の形成は除く）によって、作成される。シリコン基体１６は表面上に下地層１８を形成される。一つの実施例では、それは熱形成されたフィールド酸化物である。チップが能動回路をも有する場合には、ゲート酸化膜層１９が層１８の表面上に形成される。ゲート酸化物は、チップ上の別の場所の能動ＭＯＳトランジスター装置の構成要素として形成され、加熱器構造中で単に、抵抗加熱素子の下の酸化物の量をわずかに増加するように働くだけである。加熱抵抗器２０は層１９上に形成される。本発明によれば、そして、好適な実施例においては、抵抗器２０は図２に細部を拡大して示した２つの層２０Ａ、２０Ｂから成る。層２０Ａは、好適な実施例において、二ホウ化ジルコニウムであり、層１９に約０．５m ｍの深さまでスパッタリングされる。層２０Ａを形成する二ホウ化ジルコニウムは、電気的に導電性であり、そのシート抵抗は、５〜１０００ｏｈｍｓ／ｓｑｕａｒｅで、表面粗さは０．５ｎｍＲＭＳ未満である。層２０Ｂは二ホウ化ジルコニウム酸化物の２００オングストロームから１ミクロンの薄膜であり、層２０Ａの形成に続いて、ＺｒＢ２の堆積中に、少量の酸素流をスパッタリングチャンバに導入することによって形成される。膜の成長中に酸素を組込むことによって、二ホウ化ジルコニウムのシート抵抗はいちじるしく増加し、その結果、７０００ｏｈｍｓ／ｓｑｕａｒｅを越すシート抵抗を有する層２０Ｂが得られる。さらに重要なことには、膜２０Ｂは、その下層の形状を滑らかに保ち、従来技術のポリシリコン抵抗器よりも著しく滑らかである。窒化ケイ素または酸化物層が層２０Ｂを形成するのに用いられてもよいが、そのような、別に堆積された膜は、非常に粗い表面仕上げになるとともに、層２０Ａの超平滑加熱抵抗器材料によって得られる利点を減少させることになる。層２０Ｂは層２０Ａとともにマスキングとエッチングを施され、適切な寸法の加熱抵抗器素子が形成される。タンタル層３０（図２）が必要により、層２０Ｂ上に形成されてもよい。しかし、このタンタル層もまた、最終的な加熱器表面の粗さを甚だしく増し、堆積条件に応じて、最終的に得られる粗さを、タンタル膜の粗さである約１２〜１５ｎｍＲＭＳに限定してしまう。電極パシベーションのために、ガラスフィルム３４が堆積され、次にガラスフィルム３４と酸化された二ホウ化ジルコニウム層２０Ｂを介してマスキングとエッチングを施され、抵抗器の縁にバイアス２３、２４を形成する。バイアス２３、２４は、次に続く、アルミニウムアドレス電極２５とアルミニウムカウンターリターン電極（counter return electrode）２６のそれぞれとの相互接続のために使用される。
【００１４】
チップの別の場所に２つ以上の金属製の相互接続層を必要とする装置の場合は、１つまたはそれ以上の付加的なパシベーションガラス層３４を加熱器相互接続電極の上に堆積し、典型的にはプラズマ強化窒化ケイ素材料である最終的なイオン拡散耐性パシベーション層３５を堆積してもいい。厚膜絶縁層３６が堆積およびパターン成形され、インク分配チャネルとノズル構造１０を形成する。層３６は好適な実施例ではポリイミドである。
【００１５】
図２には、スパッタリングされたＺｒＢ２の表面を覆って超平滑表面２０を形成するＺｒＢ２Ｏｘ層２０Ｂが示される。層２０Ａに適した他の材料は、元素周期表の４Ａ、５Ｂ、および６Ｂ族から選ばれた二ホウ化金属であり、理想的には、ジルコニウム、ニオビウム、タンタル、チタン、バナジウム、タングステン、モリブデンおよびハフニウムから成るグループから選ばれた二ホウ化金属である。ここで開示した実施例は好適なものであるが、この教示するところに基づき、当業者によって、種々の代案、変更、変形、または改良をなすことが可能である。そのような変形例の全ては特許請求の範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による改良加熱抵抗器の第１実施例を示す断面図
【図２】図１の抵抗器を示す、さらに拡大した断面図

Claims (3)

1. 熱抵抗器の少なくとも１つの部分と熱的に連通し、かつインクが満たされた複数のチャネルを有する、インクジェットプリンタに使用される改良プリントヘッドを製造する方法であって、
   （ａ）基体の表面上に一般式（Ａ）Ｂ₂の抵抗材料の層をスパッタリングし、ここでＡは、ジルコニウム、モリブデン、ハフニウム、ニオビウム、タンタル、チタン、バナジウム、およびタングステンから成るグループから選ばれた金属であり、
   （ｂ）前記スパッタリング中に酸素を導入して、前記抵抗材料の層の上に、７０００ｏｈｍｓ／ｓｑｕａｒｅを越すシート抵抗と、０．５ｎｍＲＭＳより小さい表面粗さを有し、一般式（Ａ）Ｂ₂Ｏ_Xの酸化物層を形成し、
   （ｃ）熱抵抗器と熱的に連通する、インクが満たされた複数のインクチャネルを形成する、
   プリントヘッドを製造する方法。
2. 前記抵抗材料は、二ホウ化ジルコニウムである、請求項１に記載のプリントヘッドを製造する方法。
3. さらに、前記酸化物層上にタンタル層を形成する、請求項１に記載のプリントヘッドを製造する方法。

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