JP4278335B2 - 完全に一体化した熱インクジェットプリントヘッド用のインク供給トレンチエッチング技術 - Google Patents
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Description
【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に関し、より詳細には、インクジェットプリンタ用のモノリシック構造のプリントヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェットプリンタは、典型的には、プリンタを通って供給される紙のシートの幅を横切って左右に走査するキャリッジ上に搭載された、プリントヘッドを有する。キャリッジ内蔵またはキャリッジ外部のどちらかのインク槽からのインクが、プリントヘッド上のインク噴出チャンバに供給される。それぞれのインク噴出チャンバは、ヒータ抵抗体や圧電素子等の、別々にアドレス可能なインク噴出要素を含む。インク噴出要素に通電することによって、ノズルを通ってインク滴が噴出され、媒体上に小さなドットを作成する。作成したドットのパターンが、画像またはテキストを形成する。
【０００３】
本発明の出願人（present assignee）に譲渡され、その全体を引用することにより本明細書の一部をなす、Steven Steinfieldらによる「Stable Substrate Structure For A Wide Swath Nozzle Array In A High Resolution Inkjet Printer」という発明の名称の米国特許第５，６４８，８０６号において、特定の１タイプのプリントヘッドおよびインクジェットプリンタに関するさらなる情報が見出される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、消費者市場の厳しい要求を満たすためには、プリントヘッドの解像度および印字速度が上がるにつれて、さらに新しいプリントヘッドの製造技術および構造が必要になってきている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、プリントヘッド基板（２０）を設ける段階と、該基板の第１の表面の上にポリシリコン層（４４）を形成する段階であって、該ポリシリコン層は、トレンチ（３６）の縁を前記基板内に次に形成されるように規定する、周辺部を有し、該周辺部は、後に形成されるインク供給穴（２６）の境界と整列する、段階と、前記基板の前記第１の表面上に複数の薄膜層（４６、４８）を形成する段階であって、前記薄膜層のうちの少なくとも１つは複数のインク噴出要素（２４）を形成する段階と、前記薄膜層のうちの少なくともいくつかを貫いて、インク供給穴（２６）を形成する段階と、前記薄膜層の上にオリフィス層（２８）を形成する段階であって、該オリフィス層は複数のインク噴出チャンバ（３０）を規定し、それぞれのチャンバは内部にインク噴出要素を有し、前記オリフィス層はさらに、それぞれのインク噴出チャンバについてノズル（３４）を規定する、段階と、前記基板の第２の表面をマスキングして、トレンチエッチングを行う段階と、ウェットエッチング液を用いて前記基板の前記第２の表面をエッチングして、トレンチを形成する段階であって、該エッチングする段階によってまた、前記ポリシリコン層がエッチングされ、前記トレンチは、前記ポリシリコン層の前記周辺部と整列する縁を少なくともいくつか有する、段階と、前記薄膜層のうちの、前記インク供給穴を通しておよび前記トレンチによって露出した部分をウェットエッチングして、前記トレンチの縁を、前記薄膜層を完全に貫いて形成される前記インク供給穴に略自己整合させる段階と、を含む、印字装置を形成する方法、並びに、方法を用いて形成される印字装置を提供するものである。ここで前記薄膜層は、１つまたはそれよりも多い酸化物層（４６、４８）を含み、ウェットエッチングする前記段階は、前記１つまたはそれよりも多い酸化物層の一部をエッチングによって取り除いて、前記インク供給穴（２６）を形成することが好適である。また本発明は、前記プリントヘッド基板は半導体ウエハーの一部であり、前記ウエハーからプリントヘッドを分離する段階と、前記プリントヘッドを印字カートリッジ内に取り付ける段階と、をさらに含む、方法および装置をも提供するものである。
本明細書においては、集積回路技術を用いて形成するモノリシック構造のプリントヘッドを説明する。
【０００６】
シリコン基板の頂面上の、後に基板にトレンチを形成する領域に、薄いポリシリコン層が形成される。ポリシリコン層の縁は、インク噴出チャンバに通じているインク供給穴を配置しようと意図する場所に、整列している。次に、シリコン基板の頂面上に、抵抗層を含む薄膜層が形成される。薄膜層は、ポリシリコン層の上に形成した酸化物層を含む。これら様々な層がエッチングされて、ヒータ抵抗体要素への導線（conductive leads）を設ける。抵抗要素の代わりに、圧電素子を用いてもよい。
【０００７】
それぞれのインク噴出チャンバについて、薄膜層を貫く少なくとも１つのインク供給穴が、インク供給穴領域においてポリシリコン層の上の酸化物層を残した状態で、部分的に形成される。
【０００８】
薄膜層の頂面上にオリフィス層が形成されて、ノズルおよびインク噴出チャンバを規定する。一実施形態において、光によって規定可能な（photo-definable）材料を用いてオリフィス層を形成する。
【０００９】
基板の底面上に、トレンチマスクが形成される。基板の露出した底面を通って、トレンチがエッチングされる（例えば、ＴＭＡＨを用いて）。基板をポリシリコン層までエッチングすると、ＴＭＡＨによって、シリコン基板と酸化物層との間にはさまれたポリシリコンが急速にエッチングによって取り除かれ、シリコン基板と酸化物層との間に間隙が作成される。この間隙によって、シリコンの高速エッチング平面（fast etch planes）が露出する。このような高速エッチング平面は、例えば、（１１０）他であってもよい。次にＴＭＡＨによって、シリコン基板がエッチング平面に沿って急速にエッチングされ、したがって、トレンチの縁がポリシリコンの縁と整列する。各シミュレーションにおいて、この高速エッチング中の横方向の（ウエハーの平面内の）トレンチのエッチング速度は、完全に（１１１）平坦なエッチング（purely（111）plane etching）の横方向の成分が通常１時間当たり２〜６ミクロンであるのと比較して、１時間当たり１００ミクロン以上であることがわかっている。この高速の横方向のエッチング速度は、＜１００＞方向に沿った垂直なエッチング速度のほぼ２倍速い。
【００１０】
次に、緩衝剤で処理した酸化物エッチング（buffered oxide etch）（ＢＯＥ）の溶液を用いて、ウェットエッチングを行う。エッチング液は、ノズルを通ってインクチャンバに入り、インク供給穴領域における露出した酸化物層を、上側からエッチングする。トレンチによって露出した酸化物層はまた、同じウェットエッチング工程の間に、下側からもエッチングされる。したがって、このウェットエッチングによって、いかなるマスクも使用することなく、露出した酸化物層が、上側および下側から急速にエッチングされる。ＢＯＥによって、露出した酸化物層を通って完全にエッチングが行われ、薄膜層を貫いてインク供給穴が形成される。ポリシリコン層のために、トレンチはインク供給穴と整列する。
【００１１】
このプロセスによって、最終的なトレンチの寸法に影響を与えることなく、トレンチマスクの整合がいくらかずれていることが許される。
【００１２】
結果として得られる完全に一体化した熱インクジェットプリントヘッドは、構造全体がモノリシック構造なので、非常に精密な公差まで製造することができ、次世代のプリントヘッドについての要求を満たしている。
【００１３】
このプロセスを用いて、プリントヘッド以外のデバイスに開口部を形成してもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のプリントヘッド構造を組み込んでもよいインクジェット印字カートリッジ１０の１タイプの斜視図である。図１の印字カートリッジ１０は、その本体１２内にかなりの量のインクを含むタイプであるが、他の好適な印字カートリッジは、プリントヘッド上に搭載されているか管によってプリントヘッドに接続されている外部インク供給源から、インクを受け取るタイプであってもよい。
【００１５】
インクはプリントヘッド１４に供給される。以下で詳述するプリントヘッド１４は、それぞれがインク噴出要素を含む各インク噴出チャンバ内にチャネルを通してインクを送る。接点１６に電気信号が供給されてインク噴出要素を別々に通電し、関連するノズル１８を通ってインク滴が噴出される。従来の印字カートリッジの構造および動作は、非常によく知られている。
【００１６】
図２は、図１のプリントヘッドの一部の、図１の２−２線に沿った断面図である。１つのプリントヘッドは３００個以上のノズルとそれに関連するインク噴出チャンバとを有してもよいが、本発明を理解するためには、１つのインク噴出チャンバのみの詳細を説明すればよい。当業者にはまた、単一のシリコンウエハー上に多くのプリントヘッドが形成され、次に従来技術を用いて互いから分離される、ということも理解されるべきである。
【００１７】
図２において、シリコン基板２０の上に様々な薄膜層２２が形成されている。これについては、以下で詳細に説明する。薄膜層２２には、抵抗体２４を形成する抵抗層が含まれる。他の薄膜層は、基板２０から絶縁する、ヒータ抵抗体要素から基板２０への熱伝導経路を提供する、抵抗体要素への導線（electrical conductors）を提供する等、様々な機能を果たす。抵抗体２４の一方の端に通じている１本の導線２５を示す。抵抗体２４の他方の端にも、同様の導線が通じている。実際の実施形態においては、チャンバ内の抵抗体および導線は、上にある各層で覆い隠されてしまう。
【００１８】
薄膜層２２を完全に貫いてインク供給穴２６が形成される。それぞれのインク供給穴２６は、図２に示すものよりも大きくても小さくてもよい。１個のチャンバ当たり、多数の穴があってもよい。１行のインク噴出チャンバ３０についての共通のインクチャネルを提供するマニホルドを、オリフィス層２８に形成してもよい。
【００１９】
薄膜層２２の表面上にオリフィス層２８がデポジットされエッチングされて、１個の抵抗体２４当たり１個のインク噴出チャンバ３０を形成する。ノズル３４は、従来のフォトリソグラフィー技術を用いて形成してもよい。
【００２０】
シリコン基板２０をエッチングして、１行のインク供給穴２６の長さに沿って延びるトレンチ３６を形成し、インク槽からのインク３８がインク供給穴２６に入ってインクをインク噴出チャンバ３０に供給することができるようになっている。後述する薄膜犠牲層（例えば、ポリシリコン）を用いて、トレンチ３６の縁をインク供給穴２６と精密に整列させる。このポリシリコンその他の犠牲層のエッチング速度は、犠牲層が有益な特性を有するようにするためには、シリコンウエハーの横方向のエッチング速度よりも速くなければならない。
【００２１】
一実施形態において、それぞれのプリントヘッドは長さが約１／２インチであり、互いに食い違いになっている２行のノズルを含む。それぞれの行は１５０個のノズルを含み、１個のプリントヘッド当たり全部で３００個のノズルがある。したがってプリントヘッドは、ノズルの行の方向に沿ってシングルパスで１インチ当たり６００ドット（６００ｄｐｉ）の解像度で印字することができ、マルチパスではそれよりも高い解像度で印字することができる。プリントヘッドの走査方向に沿ってもまた、それよりも高い解像度で印字することができる。本発明を用いれば、１２００ｄｐｉ以上の解像度を得ることができる。
【００２２】
動作において、ヒータ抵抗体２４に電気信号が供給され、インクの一部を気化してインク噴出チャンバ３０内に気泡を形成する。この気泡は、関連するノズル３４を通って媒体上にインク滴を進ませる。次にインク噴出チャンバ３０は、毛管作用によって補充される。
【００２３】
図３は、単一のインク噴出チャンバ３０と、プリントヘッドの関連する構造とを示す、図２の３−３線に沿った断面図である。図３は個々の薄膜層の一実施形態である。ＴＭＡＨのトレンチエッチングおよびＢＯＥのウェットエッチングの間にエッチングして取り除かれる各層を、点線（ghost outline）で示す。特段の言及のない限り、従来のデポジット工程、マスキング工程、およびエッチング工程が用いられる。
【００２４】
図３の構造を形成するには、結晶配向が＜１００＞であるシリコン基板２０を、真空チャンバ内に配置する。バルクシリコンは、厚さが約６７５ミクロンである。
【００２５】
厚さが約０．１から０．５ミクロンの間であるポリシリコン層４４（点線で示す）が、基板２０の頂面の上に形成される。ポリシリコン層４４はマスキングおよびエッチングされて、トレンチ３６を形成する領域のみにポリシリコンを残す。図４は、ポリのマスク（poly mask）４５の位置を示す、完全に処理したウエハーの一部の平面図である。ポリシリコン層４４の縁は、トレンチ３６の縁を規定する。トレンチ３６の縁が、インク噴出チャンバ３０に通じているインク供給穴２６の意図するサイズに影響を与えないことが重要である。インク供給穴２６のサイズは、プリントヘッドの性能が最適になるよう、ある流体抵抗を提供するように注意深く計算されているからである。裏側のトレンチマスクのみを用いてその後基板をＴＭＡＨでエッチングすることによって、再現可能なトレンチの寸法を得ることは困難である。本明細書において説明するプロセスは、ポリシリコン層４４の寸法を用いてトレンチの縁を規定し、最終的なトレンチの寸法に影響を与えることなく、トレンチマスクの裏側の整合がずれることができるようになっている。ポリシリコン層４４を、意図するインク供給穴２６に関して高精度でパターニングすることができるので、結果として得られるトレンチの縁は、インク供給穴２６と精密に整列することができる。
【００２６】
図４のポリのマスク４５は、トレンチ領域全体にわたって延びるようにポリシリコン層４４をパターニングするが、ポリシリコン層４４は、インク供給穴を形成するトレンチ領域の周辺に沿ってのみ存在する（しかしトレンチ領域を超えて延びてはいない）のでさえあればよい。ポリシリコンをトレンチ領域全体にわたって形成することは有益である。このポリシリコンによって、シリコンウエハーの横方向のエッチング速度が、はるかに高速になるからである。
【００２７】
図３を再び参照して、従来の技術を用いて、シリコン基板２０およびポリシリコン層４４の上に、厚さが１．２ミクロンのフィールド酸化物層４６を形成する。窒素酸化物（ＮＯｘ）等、他のタイプの酸化物層を用いてもよい。次に、従来の技術を用いて、フィールド酸化物層４６の上に厚さが０．５ミクロンのＰＳＧ層４８をデポジットする。ＰＳＧ層４８の代わりに、ボロンPSG（ＢＰＳＧ）またはボロンTEOS（ＢＴＥＯＳ）層を用いてもよい。
【００２８】
他の実施形態において、従来のフォトリソグラフィー技術を用いて、ＰＳＧ層４８の上にマスクを形成する。次に、従来の反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて、ＰＳＧ層４８をエッチングし、ＰＳＧ層４８を、次に形成するインク供給穴から引き戻す。これによって、ＰＳＧ層４８がインクから保護される。このような実施形態においては、ＰＳＧは、インク供給穴領域にわたって延びるものではない。このような実施形態を、図５に示す。
【００２９】
次に、ＰＳＧ層４８上に、例えばタンタルアルミニウム（ＴａＡｌ）でできた、厚さが０．１ミクロンの抵抗層（最終的に抵抗体２４を形成）をデポジットする。他の既知の抵抗層もまた、用いてもよい。次に、ＴａＡｌの上に、ＡｌＣｕでできた導電層２５（図２を参照されたい）をデポジットする。従来のフォトリソグラフィー技術を用いて、マスクをデポジットしパターニングして、従来のＩＣ製造技術を用いて導電層２５および抵抗層をエッチングする。別のマスキングおよびエッチング工程を用いて、図２に示すように、ＡｌＣｕのうちのヒータ抵抗体２４の上にある部分を除去する。結果として得られるＡｌＣｕの導線（conductors）は、図３の視界外にある。
【００３０】
導電層２５と抵抗層とをエッチングすることによって、第１の抵抗体寸法（例えば、幅）を規定する。導電層２５をエッチングして、抵抗部に導電トレースが２つの端で接触するようにすることによって、第２の抵抗体寸法（例えば、長さ）を規定する。抵抗体および導線を形成するこの技術は、当該分野において周知である。導電トレースは、プリントヘッドの中央を横切って延びず、縁に沿って延びるように、形成される。基板２０上には、通電信号を抵抗体２４に供給する適切なアドレス回路およびパッドが設けられる。
【００３１】
抵抗体２４および導電層２５の上に、厚さが０．５ミクロンの窒化ケイ素層５６を形成する。この層は、絶縁およびパッシベーションを行う。
【００３２】
窒化ケイ素層５６上に、厚さが０．２５ミクロンの炭化ケイ素層５８を形成して、さらなる絶縁およびパッシベーションを行う。窒化ケイ素層５６および炭化ケイ素層５８によって、ＰＳＧ層４８がインクから保護される。窒化ケイ素や炭化ケイ素の代わりに、他の誘電体層を用いてもよい。
【００３３】
次に、両方のパッシベーション層をマスキングし（視界外）、従来の技術を用いてエッチングして、導電層２５の各部分を露出し、接地線を設ける次の金の導電層に電気的に接触するようにする。
【００３４】
次に、炭化ケイ素層５８上に、タンタル（Ｔａ）でできた気泡キャビテーション層６０を形成する。タンタル層６０上に、図示しない金（Ａｕ）６２がデポジットされエッチングされて、導電層２５のトレースのうちのいくつかに電気的に接続される接地線を形成する。接地線の終わりは、基板２０の縁に沿ったボンドパッドになっている。
【００３５】
ＡｌＣｕおよび金の導線は、基板表面上に形成されたトランジスタに結合してもよい。このようなトランジスタは、前述の米国特許第５，６４８，８０６号において説明されている。
【００３６】
マスクをパターニングして、薄膜層のうちの、インク供給穴２６に対応するＦＯＸ層４６およびＰＳＧ酸化物層４８の上にある部分を露出する。次に、インク供給穴領域において酸化物層４６、４８の上にある薄膜層が、エッチングされる。または、様々な薄膜層を形成するときに多数のマスキング工程およびエッチング工程を用いてもよい。このエッチングプロセスは、いくつかのタイプのエッチング（ＲＩＥまたはウェット）の組み合わせであってもよい。薄膜層を貫くこのエッチングは、従来のＩＣ製造技術を用いてもよい。
【００３７】
図３は、インク供給穴領域における層４４、４６、４８を点線の層として示す。これらの層は、最終的にはエッチングによって取り除かれるからである。
【００３８】
次に、オリフィス層２８をデポジットし形成する。オリフィス層２８は、ＳＵ８と呼ばれるスピニングした（spun-on）エポキシで形成されていてもよい。またはオリフィス層２８は、張り合わせ（laminated）やスクリーン印刷（screened）で形成してもよい。一実施形態において、このオリフィス層は約２０ミクロンである。インク噴出チャンバ３０およびノズル３４は、フォトリソグラフィーによって形成される。一技術において、半分の照射量の紫外線を用いる第１のマスクによって、ノズル３４が形成される位置を除き、ＳＵ８の上面（ネガのフォトレジスト）が「硬化」する。次に、全照射量の紫外線を用いる第２のマスクによって、ノズル３４もインク噴出チャンバ３０も形成しない領域において、ＳＵ８を露光する。これら２回の露光の後ＳＵ８を現像し、硬化した部分は残るが、ＳＵ８のうちのノズルの部分とインク噴出チャンバの部分とは除去される。
【００３９】
次に、従来の技術を用いてウエハーの裏側をマスキングし（マスク７６によって）、ウエハーの裏側のうちの、ＴＭＡＨのトレンチエッチングを行う部分を露出する。裏側のマスク７６は、従来のフォトリソグラフィー技術を用いて形成したＦＯＸのハードマスクであってもよい。ウエハーを、ウェットなＴＭＡＨエッチング液に浸漬する。それによって、斜めの断面が形成される。トレンチ幅は、典型的には２００ミクロンよりも狭く、一実施形態において、２０〜６０ミクロンの間である。裏側のマスキングは、大きなマージンだけ整合がずれていてもよいが、それでも、意図するトレンチ領域内でなければならない。このような整合ずれがあると、通常は、インク供給穴の領域が制限され、プリントヘッドの流体特性に悪影響を及ぼしてしまう。しかし、ポリシリコン層４４を使用することによって、このような整合ずれの悪影響が回避される。ＴＭＡＨは、基板を貫いてポリシリコン層４４までエッチングした後、急速にポリシリコン層４４をエッチングして、基板と酸化物層４６、４８との間に間隙を形成する。この間隙によって、基板の高速エッチング平面が露出され、ＴＭＡＨは急速に基板をエッチングして、トレンチの縁がポリシリコン層４４の縁と整列するようになっている。
【００４０】
一実施形態において、トレンチ３６は、インク噴出チャンバの行の長さに延びている。いくつかのエッチング技術のうちのいずれを用いてもよい。適切なウェットエッチングには、例えばエチレンジアミンピロカテコール（ＥＤＰ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、およびＴＭＡＨが含まれる。これらのいずれ、およびその組み合わせも、本願に用いることができる。
【００４１】
次に、ウエハーに、従来のウェットの緩衝剤で処理した酸化物エッチング（ＢＯＥ）を行う。ＢＯＥで、露出した酸化物層４６、４８がエッチングによって取り除かれて、インク供給穴２６が完成する。ＢＯＥは、酸化物層の上側から（インク噴出チャンバ３０の内部から）と、酸化物層の下側からの両方でエッチングを行い、その結果、比較的高速のエッチングになる。重要なことに、ウェットエッチングにおいてはマスキングが用いられない。ウエハーの上側および下側の露出した酸化物層４６、４８は、すでにインク供給穴領域と整列しているからである。
【００４２】
図５は、図４の平面図に対応するウエハーの、より大きな部分の断面図である。犠牲ポリシリコン層４４を、点線で示す。オリフィス層２８の下のいかなる薄膜層も機能的（functional）でなく図示していない。
【００４３】
図５の実施形態において、ＰＳＧ層４８は引き戻され、上にあるパッシベーション層によってインクから保護されている。したがって、図５の実施形態において、インク供給穴２６を完成するＢＯＥのウェットエッチングは、フィールド酸化物層４６を貫いてエッチングを行うのみである。
【００４４】
結果として得られるウエハーを次に切断して、個々のプリントヘッドを形成する。フレキシブル回路を用いて、プリントヘッド上の導線への電気的アクセスを行う。結果として得られる装置を、次に、図１に示すもの等のプラスチックの印字カートリッジに張り付け、プリントヘッドを印字カートリッジ本体に関してシールして、インク漏れを防止する。
【００４５】
薄膜層の形成のさらなる詳細については、本発明の出願人に譲渡され、その全体を引用することにより本明細書の一部をなす、Naoto Kawamura他による１９９９年８月２７日出願の「Fully Integrated Thermal Inkjet Printhead Having Thin Film Layer Shelf」という発明の名称の米国特許出願第０９／３８４，８１７号において記載されている。
【００４６】
トレンチ３６は、プリントヘッドの長さに延びていてもよく、または、プリントヘッドの機械的強度を改善するために、プリントヘッドのうちの、インク噴出チャンバの下にある部分の長さに延びていてもよい。基板のインクとの反応が心配な場合は、パッシベーション層を基板２０上にデポジットしてもよい。
【００４７】
犠牲層としてポリシリコンを用いたが、金属等他の材料を代わりに用いてもよい。好適な金属のひとつはチタンであり、これは、過酸化水素ＨＦエッチング（hydrogen peroxide HF etch）でエッチングすることができる。しかし、ポリシリコンは、基板２０をエッチングするのに用いるのと同じＴＭＡＨのエッチングを用いてエッチングされるので、好ましい。
【００４８】
集積回路製造の当業者であれば、本明細書において説明する、プリントヘッド構造を形成するのに用いる様々な技術を理解しよう。薄膜層やそれらの厚さは変わってもよく、なくてもよい層もあり、それでも本発明の利点は得られる。さらなるインク供給穴のパターンもまた、創作可能である。
【００４９】
図６は、本発明を組み込むことができるインクジェットプリンタ１３０の一実施形態を示す。他の多数の設計のインクジェットプリンタもまた、本発明とともに用いてもよい。インクジェットプリンタのさらなる詳細については、その全体を引用することにより本明細書の一部をなす、Norman Pawlowskiらの米国特許第５，８５２，４５９号において記載されている。
【００５０】
インクジェットプリンタ１３０は、紙のシート１３４を収容している入力トレイ１３２を含む。紙１３４は、ローラ１３７を用いて印字ゾーン１３５を通って送られ、その上に印字が行われる。次に、紙１３４は出力トレイ１３６に送られる。可動キャリッジ１３８が印字カートリッジ１４０〜１４３を保持し、印字カートリッジ１４０〜１４３はそれぞれ、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）、マゼンタ（Ｍ）、およびイエロー（Ｙ）のインクを印字する。
【００５１】
一実施形態において、交換式インクカートリッジ１４６内のインクが、柔軟性を有するインク管１４８を経由してそれぞれ関連する印字カートリッジに供給される。印字カートリッジはまた、かなりの供給流体を保持するタイプであってもよく、補充可能であっても補充可能でなくてもよい。他の実施形態において、インク供給源はプリントヘッド部とは別個であり、キャリッジ１３８内のプリントヘッドに取り外し可能に搭載されている。
【００５２】
キャリッジ１３８は、従来のベルトと滑車のシステムによって、走査軸に沿って動き、摺動ロッド１５０に沿って摺動する。他の実施形態において、キャリッジは静止しており、静止した印字カートリッジのアレイが、動く紙のシート上に印字を行う。
【００５３】
従来の外部コンピュータ（例えば、ＰＣ）からの印字信号が、プリンタ１３０によって処理されて、印字するドットのビットマップが作り出される。次にこのビットマップを、プリントヘッドの発射信号に変換する。印字中に走査軸に沿って左右に横切るときのキャリッジ１３８の位置は、キャリッジ１３８上の光電素子が検出する光学的エンコーダの細長片１５２から判定され、それぞれの印字カートリッジ上の様々なインク噴出要素が、キャリッジの走査中適切な時点で選択的に発射される。
【００５４】
プリントヘッドは、抵抗、圧電、その他のタイプのインク噴出要素を用いてもよい。
【００５５】
キャリッジ１３８内の印字カートリッジが紙のシートを横切って走査するとき、印字カートリッジが印字するスウォース同士が重なり合う。１回またはそれ以上の走査の後、紙のシート１３４は、出力トレイ１３６に向かう方向にシフトし、キャリッジ１３８は走査を再開する。
【００５６】
本発明は、グリットホイール、ロールフィード、またはドラムや真空ベルトの技術を組み込んで印字媒体をプリントヘッド装置に関して支持し動かすもの等、他にとり得る媒体および／またはプリントヘッド移動機構を利用する、他にとり得る印字システム（図示せず）にも、等しく適用可能である。グリットホイールの設計では、グリットホイールとピンチローラとが、媒体を１つの軸に沿って折り返し動かす一方で、１つまたはそれよりも多いプリントヘッド装置を保持するキャリッジが、その軸と直交する軸に沿って、媒体を通って走査する。ドラムプリンタの設計では、媒体は、１つの軸に沿って回転する回転ドラムに搭載され、１つまたはそれよりも多いプリントヘッド装置を保持するキャリッジが、その軸と直交する軸に沿って、媒体を通って走査する。ドラムの設計においてもグリットホイールの設計においても、走査は、典型的には、図１３に示すシステムの場合のように折り返し動く方法で行われることはない。
【００５７】
単一の基板上に、多数のプリントヘッドを形成してもよい。さらに、プリントヘッドのアレイは、１ページの幅全部を横切って延びて、プリントヘッドによる走査が不要であるようになっていてもよい。その場合、紙のみがアレイと垂直にシフトする。
【００５８】
キャリッジ内のさらなる印字カートリッジが、他のカラーまたは定着剤を含んでもよい。
【００５９】
本発明の特定の実施形態を示して説明したが、当業者においては、本発明から逸脱することなく、より広い態様における変更および変形を行っても本発明の目的を達成することが可能であり、特許請求の範囲の記載は、すべてのかかる変更および変形を、本発明の範囲内にあるものとして包含するものである。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、プリントヘッドの解像度および印字速度を向上させる、新しいプリントヘッドの製造技術を提供できる。
本発明の技術を用いれば、その実施形態において、プリントヘッドは、ノズルの行の方向に沿ってシングルパスで６００ｄｐｉの解像度で印字することができ、マルチパスではそれよりも高い解像度で印字することができる。またプリントヘッドの走査方向に沿っても、それよりも高い解像度で印字することができ、１２００ｄｐｉ以上の解像度を得ることができる。
また、本発明の実施形態では、ポリのマスクは、トレンチ領域全体にわたって延びるようにポリシリコン層をパターニングするが、ポリシリコンをトレンチ領域全体にわたって形成することは有益であり、このポリシリコンによって、シリコンウエハーの横方向のエッチング速度が、はるかに高速になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本明細書において説明するプリントヘッドを組み込んでもよい印字カートリッジの一実施形態の斜視図である。
【図２】本発明によるプリントヘッドの一実施形態の一部の切欠き斜視図である。
【図３】薄膜層のさらなる詳細を示す、プリントヘッド部の図２の３−３線に沿った断面図である。
【図４】プリントヘッドのさらなる部分を示す、図２に示すプリントヘッドの一部透明の平面図である。
【図５】プリントヘッドのさらなる部分を示す、図２の３−３線に沿った断面図である。
【図６】本発明のプリントヘッドを取り付けてもよい、媒体上に印字を行う従来のインクジェットプリンタの斜視図である。
【符号の説明】
１０ 印字カートリッジ
２０ シリコン基板
２４ 抵抗体
２６ インク供給穴
２８ オリフィス層
３０ インク噴出チャンバ
３４ ノズル
３６ トレンチ
４４ ポリシリコン層
４６ フィールド酸化物層
４８ ＰＳＧ層
１３０ インクジェットプリンタ
【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に関し、より詳細には、インクジェットプリンタ用のモノリシック構造のプリントヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェットプリンタは、典型的には、プリンタを通って供給される紙のシートの幅を横切って左右に走査するキャリッジ上に搭載された、プリントヘッドを有する。キャリッジ内蔵またはキャリッジ外部のどちらかのインク槽からのインクが、プリントヘッド上のインク噴出チャンバに供給される。それぞれのインク噴出チャンバは、ヒータ抵抗体や圧電素子等の、別々にアドレス可能なインク噴出要素を含む。インク噴出要素に通電することによって、ノズルを通ってインク滴が噴出され、媒体上に小さなドットを作成する。作成したドットのパターンが、画像またはテキストを形成する。
【０００３】
本発明の出願人（present assignee）に譲渡され、その全体を引用することにより本明細書の一部をなす、Steven Steinfieldらによる「Stable Substrate Structure For A Wide Swath Nozzle Array In A High Resolution Inkjet Printer」という発明の名称の米国特許第５，６４８，８０６号において、特定の１タイプのプリントヘッドおよびインクジェットプリンタに関するさらなる情報が見出される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、消費者市場の厳しい要求を満たすためには、プリントヘッドの解像度および印字速度が上がるにつれて、さらに新しいプリントヘッドの製造技術および構造が必要になってきている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、プリントヘッド基板（２０）を設ける段階と、該基板の第１の表面の上にポリシリコン層（４４）を形成する段階であって、該ポリシリコン層は、トレンチ（３６）の縁を前記基板内に次に形成されるように規定する、周辺部を有し、該周辺部は、後に形成されるインク供給穴（２６）の境界と整列する、段階と、前記基板の前記第１の表面上に複数の薄膜層（４６、４８）を形成する段階であって、前記薄膜層のうちの少なくとも１つは複数のインク噴出要素（２４）を形成する段階と、前記薄膜層のうちの少なくともいくつかを貫いて、インク供給穴（２６）を形成する段階と、前記薄膜層の上にオリフィス層（２８）を形成する段階であって、該オリフィス層は複数のインク噴出チャンバ（３０）を規定し、それぞれのチャンバは内部にインク噴出要素を有し、前記オリフィス層はさらに、それぞれのインク噴出チャンバについてノズル（３４）を規定する、段階と、前記基板の第２の表面をマスキングして、トレンチエッチングを行う段階と、ウェットエッチング液を用いて前記基板の前記第２の表面をエッチングして、トレンチを形成する段階であって、該エッチングする段階によってまた、前記ポリシリコン層がエッチングされ、前記トレンチは、前記ポリシリコン層の前記周辺部と整列する縁を少なくともいくつか有する、段階と、前記薄膜層のうちの、前記インク供給穴を通しておよび前記トレンチによって露出した部分をウェットエッチングして、前記トレンチの縁を、前記薄膜層を完全に貫いて形成される前記インク供給穴に略自己整合させる段階と、を含む、印字装置を形成する方法、並びに、方法を用いて形成される印字装置を提供するものである。ここで前記薄膜層は、１つまたはそれよりも多い酸化物層（４６、４８）を含み、ウェットエッチングする前記段階は、前記１つまたはそれよりも多い酸化物層の一部をエッチングによって取り除いて、前記インク供給穴（２６）を形成することが好適である。また本発明は、前記プリントヘッド基板は半導体ウエハーの一部であり、前記ウエハーからプリントヘッドを分離する段階と、前記プリントヘッドを印字カートリッジ内に取り付ける段階と、をさらに含む、方法および装置をも提供するものである。
本明細書においては、集積回路技術を用いて形成するモノリシック構造のプリントヘッドを説明する。
【０００６】
シリコン基板の頂面上の、後に基板にトレンチを形成する領域に、薄いポリシリコン層が形成される。ポリシリコン層の縁は、インク噴出チャンバに通じているインク供給穴を配置しようと意図する場所に、整列している。次に、シリコン基板の頂面上に、抵抗層を含む薄膜層が形成される。薄膜層は、ポリシリコン層の上に形成した酸化物層を含む。これら様々な層がエッチングされて、ヒータ抵抗体要素への導線（conductive leads）を設ける。抵抗要素の代わりに、圧電素子を用いてもよい。
【０００７】
それぞれのインク噴出チャンバについて、薄膜層を貫く少なくとも１つのインク供給穴が、インク供給穴領域においてポリシリコン層の上の酸化物層を残した状態で、部分的に形成される。
【０００８】
薄膜層の頂面上にオリフィス層が形成されて、ノズルおよびインク噴出チャンバを規定する。一実施形態において、光によって規定可能な（photo-definable）材料を用いてオリフィス層を形成する。
【０００９】
基板の底面上に、トレンチマスクが形成される。基板の露出した底面を通って、トレンチがエッチングされる（例えば、ＴＭＡＨを用いて）。基板をポリシリコン層までエッチングすると、ＴＭＡＨによって、シリコン基板と酸化物層との間にはさまれたポリシリコンが急速にエッチングによって取り除かれ、シリコン基板と酸化物層との間に間隙が作成される。この間隙によって、シリコンの高速エッチング平面（fast etch planes）が露出する。このような高速エッチング平面は、例えば、（１１０）他であってもよい。次にＴＭＡＨによって、シリコン基板がエッチング平面に沿って急速にエッチングされ、したがって、トレンチの縁がポリシリコンの縁と整列する。各シミュレーションにおいて、この高速エッチング中の横方向の（ウエハーの平面内の）トレンチのエッチング速度は、完全に（１１１）平坦なエッチング（purely（111）plane etching）の横方向の成分が通常１時間当たり２〜６ミクロンであるのと比較して、１時間当たり１００ミクロン以上であることがわかっている。この高速の横方向のエッチング速度は、＜１００＞方向に沿った垂直なエッチング速度のほぼ２倍速い。
【００１０】
次に、緩衝剤で処理した酸化物エッチング（buffered oxide etch）（ＢＯＥ）の溶液を用いて、ウェットエッチングを行う。エッチング液は、ノズルを通ってインクチャンバに入り、インク供給穴領域における露出した酸化物層を、上側からエッチングする。トレンチによって露出した酸化物層はまた、同じウェットエッチング工程の間に、下側からもエッチングされる。したがって、このウェットエッチングによって、いかなるマスクも使用することなく、露出した酸化物層が、上側および下側から急速にエッチングされる。ＢＯＥによって、露出した酸化物層を通って完全にエッチングが行われ、薄膜層を貫いてインク供給穴が形成される。ポリシリコン層のために、トレンチはインク供給穴と整列する。
【００１１】
このプロセスによって、最終的なトレンチの寸法に影響を与えることなく、トレンチマスクの整合がいくらかずれていることが許される。
【００１２】
結果として得られる完全に一体化した熱インクジェットプリントヘッドは、構造全体がモノリシック構造なので、非常に精密な公差まで製造することができ、次世代のプリントヘッドについての要求を満たしている。
【００１３】
このプロセスを用いて、プリントヘッド以外のデバイスに開口部を形成してもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のプリントヘッド構造を組み込んでもよいインクジェット印字カートリッジ１０の１タイプの斜視図である。図１の印字カートリッジ１０は、その本体１２内にかなりの量のインクを含むタイプであるが、他の好適な印字カートリッジは、プリントヘッド上に搭載されているか管によってプリントヘッドに接続されている外部インク供給源から、インクを受け取るタイプであってもよい。
【００１５】
インクはプリントヘッド１４に供給される。以下で詳述するプリントヘッド１４は、それぞれがインク噴出要素を含む各インク噴出チャンバ内にチャネルを通してインクを送る。接点１６に電気信号が供給されてインク噴出要素を別々に通電し、関連するノズル１８を通ってインク滴が噴出される。従来の印字カートリッジの構造および動作は、非常によく知られている。
【００１６】
図２は、図１のプリントヘッドの一部の、図１の２−２線に沿った断面図である。１つのプリントヘッドは３００個以上のノズルとそれに関連するインク噴出チャンバとを有してもよいが、本発明を理解するためには、１つのインク噴出チャンバのみの詳細を説明すればよい。当業者にはまた、単一のシリコンウエハー上に多くのプリントヘッドが形成され、次に従来技術を用いて互いから分離される、ということも理解されるべきである。
【００１７】
図２において、シリコン基板２０の上に様々な薄膜層２２が形成されている。これについては、以下で詳細に説明する。薄膜層２２には、抵抗体２４を形成する抵抗層が含まれる。他の薄膜層は、基板２０から絶縁する、ヒータ抵抗体要素から基板２０への熱伝導経路を提供する、抵抗体要素への導線（electrical conductors）を提供する等、様々な機能を果たす。抵抗体２４の一方の端に通じている１本の導線２５を示す。抵抗体２４の他方の端にも、同様の導線が通じている。実際の実施形態においては、チャンバ内の抵抗体および導線は、上にある各層で覆い隠されてしまう。
【００１８】
薄膜層２２を完全に貫いてインク供給穴２６が形成される。それぞれのインク供給穴２６は、図２に示すものよりも大きくても小さくてもよい。１個のチャンバ当たり、多数の穴があってもよい。１行のインク噴出チャンバ３０についての共通のインクチャネルを提供するマニホルドを、オリフィス層２８に形成してもよい。
【００１９】
薄膜層２２の表面上にオリフィス層２８がデポジットされエッチングされて、１個の抵抗体２４当たり１個のインク噴出チャンバ３０を形成する。ノズル３４は、従来のフォトリソグラフィー技術を用いて形成してもよい。
【００２０】
シリコン基板２０をエッチングして、１行のインク供給穴２６の長さに沿って延びるトレンチ３６を形成し、インク槽からのインク３８がインク供給穴２６に入ってインクをインク噴出チャンバ３０に供給することができるようになっている。後述する薄膜犠牲層（例えば、ポリシリコン）を用いて、トレンチ３６の縁をインク供給穴２６と精密に整列させる。このポリシリコンその他の犠牲層のエッチング速度は、犠牲層が有益な特性を有するようにするためには、シリコンウエハーの横方向のエッチング速度よりも速くなければならない。
【００２１】
一実施形態において、それぞれのプリントヘッドは長さが約１／２インチであり、互いに食い違いになっている２行のノズルを含む。それぞれの行は１５０個のノズルを含み、１個のプリントヘッド当たり全部で３００個のノズルがある。したがってプリントヘッドは、ノズルの行の方向に沿ってシングルパスで１インチ当たり６００ドット（６００ｄｐｉ）の解像度で印字することができ、マルチパスではそれよりも高い解像度で印字することができる。プリントヘッドの走査方向に沿ってもまた、それよりも高い解像度で印字することができる。本発明を用いれば、１２００ｄｐｉ以上の解像度を得ることができる。
【００２２】
動作において、ヒータ抵抗体２４に電気信号が供給され、インクの一部を気化してインク噴出チャンバ３０内に気泡を形成する。この気泡は、関連するノズル３４を通って媒体上にインク滴を進ませる。次にインク噴出チャンバ３０は、毛管作用によって補充される。
【００２３】
図３は、単一のインク噴出チャンバ３０と、プリントヘッドの関連する構造とを示す、図２の３−３線に沿った断面図である。図３は個々の薄膜層の一実施形態である。ＴＭＡＨのトレンチエッチングおよびＢＯＥのウェットエッチングの間にエッチングして取り除かれる各層を、点線（ghost outline）で示す。特段の言及のない限り、従来のデポジット工程、マスキング工程、およびエッチング工程が用いられる。
【００２４】
図３の構造を形成するには、結晶配向が＜１００＞であるシリコン基板２０を、真空チャンバ内に配置する。バルクシリコンは、厚さが約６７５ミクロンである。
【００２５】
厚さが約０．１から０．５ミクロンの間であるポリシリコン層４４（点線で示す）が、基板２０の頂面の上に形成される。ポリシリコン層４４はマスキングおよびエッチングされて、トレンチ３６を形成する領域のみにポリシリコンを残す。図４は、ポリのマスク（poly mask）４５の位置を示す、完全に処理したウエハーの一部の平面図である。ポリシリコン層４４の縁は、トレンチ３６の縁を規定する。トレンチ３６の縁が、インク噴出チャンバ３０に通じているインク供給穴２６の意図するサイズに影響を与えないことが重要である。インク供給穴２６のサイズは、プリントヘッドの性能が最適になるよう、ある流体抵抗を提供するように注意深く計算されているからである。裏側のトレンチマスクのみを用いてその後基板をＴＭＡＨでエッチングすることによって、再現可能なトレンチの寸法を得ることは困難である。本明細書において説明するプロセスは、ポリシリコン層４４の寸法を用いてトレンチの縁を規定し、最終的なトレンチの寸法に影響を与えることなく、トレンチマスクの裏側の整合がずれることができるようになっている。ポリシリコン層４４を、意図するインク供給穴２６に関して高精度でパターニングすることができるので、結果として得られるトレンチの縁は、インク供給穴２６と精密に整列することができる。
【００２６】
図４のポリのマスク４５は、トレンチ領域全体にわたって延びるようにポリシリコン層４４をパターニングするが、ポリシリコン層４４は、インク供給穴を形成するトレンチ領域の周辺に沿ってのみ存在する（しかしトレンチ領域を超えて延びてはいない）のでさえあればよい。ポリシリコンをトレンチ領域全体にわたって形成することは有益である。このポリシリコンによって、シリコンウエハーの横方向のエッチング速度が、はるかに高速になるからである。
【００２７】
図３を再び参照して、従来の技術を用いて、シリコン基板２０およびポリシリコン層４４の上に、厚さが１．２ミクロンのフィールド酸化物層４６を形成する。窒素酸化物（ＮＯｘ）等、他のタイプの酸化物層を用いてもよい。次に、従来の技術を用いて、フィールド酸化物層４６の上に厚さが０．５ミクロンのＰＳＧ層４８をデポジットする。ＰＳＧ層４８の代わりに、ボロンPSG（ＢＰＳＧ）またはボロンTEOS（ＢＴＥＯＳ）層を用いてもよい。
【００２８】
他の実施形態において、従来のフォトリソグラフィー技術を用いて、ＰＳＧ層４８の上にマスクを形成する。次に、従来の反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて、ＰＳＧ層４８をエッチングし、ＰＳＧ層４８を、次に形成するインク供給穴から引き戻す。これによって、ＰＳＧ層４８がインクから保護される。このような実施形態においては、ＰＳＧは、インク供給穴領域にわたって延びるものではない。このような実施形態を、図５に示す。
【００２９】
次に、ＰＳＧ層４８上に、例えばタンタルアルミニウム（ＴａＡｌ）でできた、厚さが０．１ミクロンの抵抗層（最終的に抵抗体２４を形成）をデポジットする。他の既知の抵抗層もまた、用いてもよい。次に、ＴａＡｌの上に、ＡｌＣｕでできた導電層２５（図２を参照されたい）をデポジットする。従来のフォトリソグラフィー技術を用いて、マスクをデポジットしパターニングして、従来のＩＣ製造技術を用いて導電層２５および抵抗層をエッチングする。別のマスキングおよびエッチング工程を用いて、図２に示すように、ＡｌＣｕのうちのヒータ抵抗体２４の上にある部分を除去する。結果として得られるＡｌＣｕの導線（conductors）は、図３の視界外にある。
【００３０】
導電層２５と抵抗層とをエッチングすることによって、第１の抵抗体寸法（例えば、幅）を規定する。導電層２５をエッチングして、抵抗部に導電トレースが２つの端で接触するようにすることによって、第２の抵抗体寸法（例えば、長さ）を規定する。抵抗体および導線を形成するこの技術は、当該分野において周知である。導電トレースは、プリントヘッドの中央を横切って延びず、縁に沿って延びるように、形成される。基板２０上には、通電信号を抵抗体２４に供給する適切なアドレス回路およびパッドが設けられる。
【００３１】
抵抗体２４および導電層２５の上に、厚さが０．５ミクロンの窒化ケイ素層５６を形成する。この層は、絶縁およびパッシベーションを行う。
【００３２】
窒化ケイ素層５６上に、厚さが０．２５ミクロンの炭化ケイ素層５８を形成して、さらなる絶縁およびパッシベーションを行う。窒化ケイ素層５６および炭化ケイ素層５８によって、ＰＳＧ層４８がインクから保護される。窒化ケイ素や炭化ケイ素の代わりに、他の誘電体層を用いてもよい。
【００３３】
次に、両方のパッシベーション層をマスキングし（視界外）、従来の技術を用いてエッチングして、導電層２５の各部分を露出し、接地線を設ける次の金の導電層に電気的に接触するようにする。
【００３４】
次に、炭化ケイ素層５８上に、タンタル（Ｔａ）でできた気泡キャビテーション層６０を形成する。タンタル層６０上に、図示しない金（Ａｕ）６２がデポジットされエッチングされて、導電層２５のトレースのうちのいくつかに電気的に接続される接地線を形成する。接地線の終わりは、基板２０の縁に沿ったボンドパッドになっている。
【００３５】
ＡｌＣｕおよび金の導線は、基板表面上に形成されたトランジスタに結合してもよい。このようなトランジスタは、前述の米国特許第５，６４８，８０６号において説明されている。
【００３６】
マスクをパターニングして、薄膜層のうちの、インク供給穴２６に対応するＦＯＸ層４６およびＰＳＧ酸化物層４８の上にある部分を露出する。次に、インク供給穴領域において酸化物層４６、４８の上にある薄膜層が、エッチングされる。または、様々な薄膜層を形成するときに多数のマスキング工程およびエッチング工程を用いてもよい。このエッチングプロセスは、いくつかのタイプのエッチング（ＲＩＥまたはウェット）の組み合わせであってもよい。薄膜層を貫くこのエッチングは、従来のＩＣ製造技術を用いてもよい。
【００３７】
図３は、インク供給穴領域における層４４、４６、４８を点線の層として示す。これらの層は、最終的にはエッチングによって取り除かれるからである。
【００３８】
次に、オリフィス層２８をデポジットし形成する。オリフィス層２８は、ＳＵ８と呼ばれるスピニングした（spun-on）エポキシで形成されていてもよい。またはオリフィス層２８は、張り合わせ（laminated）やスクリーン印刷（screened）で形成してもよい。一実施形態において、このオリフィス層は約２０ミクロンである。インク噴出チャンバ３０およびノズル３４は、フォトリソグラフィーによって形成される。一技術において、半分の照射量の紫外線を用いる第１のマスクによって、ノズル３４が形成される位置を除き、ＳＵ８の上面（ネガのフォトレジスト）が「硬化」する。次に、全照射量の紫外線を用いる第２のマスクによって、ノズル３４もインク噴出チャンバ３０も形成しない領域において、ＳＵ８を露光する。これら２回の露光の後ＳＵ８を現像し、硬化した部分は残るが、ＳＵ８のうちのノズルの部分とインク噴出チャンバの部分とは除去される。
【００３９】
次に、従来の技術を用いてウエハーの裏側をマスキングし（マスク７６によって）、ウエハーの裏側のうちの、ＴＭＡＨのトレンチエッチングを行う部分を露出する。裏側のマスク７６は、従来のフォトリソグラフィー技術を用いて形成したＦＯＸのハードマスクであってもよい。ウエハーを、ウェットなＴＭＡＨエッチング液に浸漬する。それによって、斜めの断面が形成される。トレンチ幅は、典型的には２００ミクロンよりも狭く、一実施形態において、２０〜６０ミクロンの間である。裏側のマスキングは、大きなマージンだけ整合がずれていてもよいが、それでも、意図するトレンチ領域内でなければならない。このような整合ずれがあると、通常は、インク供給穴の領域が制限され、プリントヘッドの流体特性に悪影響を及ぼしてしまう。しかし、ポリシリコン層４４を使用することによって、このような整合ずれの悪影響が回避される。ＴＭＡＨは、基板を貫いてポリシリコン層４４までエッチングした後、急速にポリシリコン層４４をエッチングして、基板と酸化物層４６、４８との間に間隙を形成する。この間隙によって、基板の高速エッチング平面が露出され、ＴＭＡＨは急速に基板をエッチングして、トレンチの縁がポリシリコン層４４の縁と整列するようになっている。
【００４０】
一実施形態において、トレンチ３６は、インク噴出チャンバの行の長さに延びている。いくつかのエッチング技術のうちのいずれを用いてもよい。適切なウェットエッチングには、例えばエチレンジアミンピロカテコール（ＥＤＰ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、およびＴＭＡＨが含まれる。これらのいずれ、およびその組み合わせも、本願に用いることができる。
【００４１】
次に、ウエハーに、従来のウェットの緩衝剤で処理した酸化物エッチング（ＢＯＥ）を行う。ＢＯＥで、露出した酸化物層４６、４８がエッチングによって取り除かれて、インク供給穴２６が完成する。ＢＯＥは、酸化物層の上側から（インク噴出チャンバ３０の内部から）と、酸化物層の下側からの両方でエッチングを行い、その結果、比較的高速のエッチングになる。重要なことに、ウェットエッチングにおいてはマスキングが用いられない。ウエハーの上側および下側の露出した酸化物層４６、４８は、すでにインク供給穴領域と整列しているからである。
【００４２】
図５は、図４の平面図に対応するウエハーの、より大きな部分の断面図である。犠牲ポリシリコン層４４を、点線で示す。オリフィス層２８の下のいかなる薄膜層も機能的（functional）でなく図示していない。
【００４３】
図５の実施形態において、ＰＳＧ層４８は引き戻され、上にあるパッシベーション層によってインクから保護されている。したがって、図５の実施形態において、インク供給穴２６を完成するＢＯＥのウェットエッチングは、フィールド酸化物層４６を貫いてエッチングを行うのみである。
【００４４】
結果として得られるウエハーを次に切断して、個々のプリントヘッドを形成する。フレキシブル回路を用いて、プリントヘッド上の導線への電気的アクセスを行う。結果として得られる装置を、次に、図１に示すもの等のプラスチックの印字カートリッジに張り付け、プリントヘッドを印字カートリッジ本体に関してシールして、インク漏れを防止する。
【００４５】
薄膜層の形成のさらなる詳細については、本発明の出願人に譲渡され、その全体を引用することにより本明細書の一部をなす、Naoto Kawamura他による１９９９年８月２７日出願の「Fully Integrated Thermal Inkjet Printhead Having Thin Film Layer Shelf」という発明の名称の米国特許出願第０９／３８４，８１７号において記載されている。
【００４６】
トレンチ３６は、プリントヘッドの長さに延びていてもよく、または、プリントヘッドの機械的強度を改善するために、プリントヘッドのうちの、インク噴出チャンバの下にある部分の長さに延びていてもよい。基板のインクとの反応が心配な場合は、パッシベーション層を基板２０上にデポジットしてもよい。
【００４７】
犠牲層としてポリシリコンを用いたが、金属等他の材料を代わりに用いてもよい。好適な金属のひとつはチタンであり、これは、過酸化水素ＨＦエッチング（hydrogen peroxide HF etch）でエッチングすることができる。しかし、ポリシリコンは、基板２０をエッチングするのに用いるのと同じＴＭＡＨのエッチングを用いてエッチングされるので、好ましい。
【００４８】
集積回路製造の当業者であれば、本明細書において説明する、プリントヘッド構造を形成するのに用いる様々な技術を理解しよう。薄膜層やそれらの厚さは変わってもよく、なくてもよい層もあり、それでも本発明の利点は得られる。さらなるインク供給穴のパターンもまた、創作可能である。
【００４９】
図６は、本発明を組み込むことができるインクジェットプリンタ１３０の一実施形態を示す。他の多数の設計のインクジェットプリンタもまた、本発明とともに用いてもよい。インクジェットプリンタのさらなる詳細については、その全体を引用することにより本明細書の一部をなす、Norman Pawlowskiらの米国特許第５，８５２，４５９号において記載されている。
【００５０】
インクジェットプリンタ１３０は、紙のシート１３４を収容している入力トレイ１３２を含む。紙１３４は、ローラ１３７を用いて印字ゾーン１３５を通って送られ、その上に印字が行われる。次に、紙１３４は出力トレイ１３６に送られる。可動キャリッジ１３８が印字カートリッジ１４０〜１４３を保持し、印字カートリッジ１４０〜１４３はそれぞれ、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）、マゼンタ（Ｍ）、およびイエロー（Ｙ）のインクを印字する。
【００５１】
一実施形態において、交換式インクカートリッジ１４６内のインクが、柔軟性を有するインク管１４８を経由してそれぞれ関連する印字カートリッジに供給される。印字カートリッジはまた、かなりの供給流体を保持するタイプであってもよく、補充可能であっても補充可能でなくてもよい。他の実施形態において、インク供給源はプリントヘッド部とは別個であり、キャリッジ１３８内のプリントヘッドに取り外し可能に搭載されている。
【００５２】
キャリッジ１３８は、従来のベルトと滑車のシステムによって、走査軸に沿って動き、摺動ロッド１５０に沿って摺動する。他の実施形態において、キャリッジは静止しており、静止した印字カートリッジのアレイが、動く紙のシート上に印字を行う。
【００５３】
従来の外部コンピュータ（例えば、ＰＣ）からの印字信号が、プリンタ１３０によって処理されて、印字するドットのビットマップが作り出される。次にこのビットマップを、プリントヘッドの発射信号に変換する。印字中に走査軸に沿って左右に横切るときのキャリッジ１３８の位置は、キャリッジ１３８上の光電素子が検出する光学的エンコーダの細長片１５２から判定され、それぞれの印字カートリッジ上の様々なインク噴出要素が、キャリッジの走査中適切な時点で選択的に発射される。
【００５４】
プリントヘッドは、抵抗、圧電、その他のタイプのインク噴出要素を用いてもよい。
【００５５】
キャリッジ１３８内の印字カートリッジが紙のシートを横切って走査するとき、印字カートリッジが印字するスウォース同士が重なり合う。１回またはそれ以上の走査の後、紙のシート１３４は、出力トレイ１３６に向かう方向にシフトし、キャリッジ１３８は走査を再開する。
【００５６】
本発明は、グリットホイール、ロールフィード、またはドラムや真空ベルトの技術を組み込んで印字媒体をプリントヘッド装置に関して支持し動かすもの等、他にとり得る媒体および／またはプリントヘッド移動機構を利用する、他にとり得る印字システム（図示せず）にも、等しく適用可能である。グリットホイールの設計では、グリットホイールとピンチローラとが、媒体を１つの軸に沿って折り返し動かす一方で、１つまたはそれよりも多いプリントヘッド装置を保持するキャリッジが、その軸と直交する軸に沿って、媒体を通って走査する。ドラムプリンタの設計では、媒体は、１つの軸に沿って回転する回転ドラムに搭載され、１つまたはそれよりも多いプリントヘッド装置を保持するキャリッジが、その軸と直交する軸に沿って、媒体を通って走査する。ドラムの設計においてもグリットホイールの設計においても、走査は、典型的には、図１３に示すシステムの場合のように折り返し動く方法で行われることはない。
【００５７】
単一の基板上に、多数のプリントヘッドを形成してもよい。さらに、プリントヘッドのアレイは、１ページの幅全部を横切って延びて、プリントヘッドによる走査が不要であるようになっていてもよい。その場合、紙のみがアレイと垂直にシフトする。
【００５８】
キャリッジ内のさらなる印字カートリッジが、他のカラーまたは定着剤を含んでもよい。
【００５９】
本発明の特定の実施形態を示して説明したが、当業者においては、本発明から逸脱することなく、より広い態様における変更および変形を行っても本発明の目的を達成することが可能であり、特許請求の範囲の記載は、すべてのかかる変更および変形を、本発明の範囲内にあるものとして包含するものである。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、プリントヘッドの解像度および印字速度を向上させる、新しいプリントヘッドの製造技術を提供できる。
本発明の技術を用いれば、その実施形態において、プリントヘッドは、ノズルの行の方向に沿ってシングルパスで６００ｄｐｉの解像度で印字することができ、マルチパスではそれよりも高い解像度で印字することができる。またプリントヘッドの走査方向に沿っても、それよりも高い解像度で印字することができ、１２００ｄｐｉ以上の解像度を得ることができる。
また、本発明の実施形態では、ポリのマスクは、トレンチ領域全体にわたって延びるようにポリシリコン層をパターニングするが、ポリシリコンをトレンチ領域全体にわたって形成することは有益であり、このポリシリコンによって、シリコンウエハーの横方向のエッチング速度が、はるかに高速になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本明細書において説明するプリントヘッドを組み込んでもよい印字カートリッジの一実施形態の斜視図である。
【図２】本発明によるプリントヘッドの一実施形態の一部の切欠き斜視図である。
【図３】薄膜層のさらなる詳細を示す、プリントヘッド部の図２の３−３線に沿った断面図である。
【図４】プリントヘッドのさらなる部分を示す、図２に示すプリントヘッドの一部透明の平面図である。
【図５】プリントヘッドのさらなる部分を示す、図２の３−３線に沿った断面図である。
【図６】本発明のプリントヘッドを取り付けてもよい、媒体上に印字を行う従来のインクジェットプリンタの斜視図である。
【符号の説明】
１０ 印字カートリッジ
２０ シリコン基板
２４ 抵抗体
２６ インク供給穴
２８ オリフィス層
３０ インク噴出チャンバ
３４ ノズル
３６ トレンチ
４４ ポリシリコン層
４６ フィールド酸化物層
４８ ＰＳＧ層
１３０ インクジェットプリンタ
Claims (7)
- プリントヘッド基板を設ける段階と、
該基板の第１の表面の上にポリシリコン層を形成する段階であって、該ポリシリコン層は、後に前記基板内に形成されるトレンチの縁を規定する外縁部を有し、該外縁部は、後に形成されるインク供給穴の境界と整列する段階と、
前記基板の前記第１の表面上に複数の薄膜層を形成する段階であって、前記薄膜層のうちの少なくとも１つは複数のインク噴出要素を形成する段階と、
前記薄膜層のうちの少なくともいくつかを除去して、インク供給穴の開口部を形成する段階と、
前記薄膜層の上にオリフィス層を形成する段階であって、該オリフィス層は複数のインク噴出チャンバを規定し、それぞれのチャンバは内部にインク噴出要素を有し、前記オリフィス層はさらに、それぞれのインク噴出チャンバについてノズルを規定するものである段階と、
トレンチエッチングのために前記基板の第２の表面をマスキングする段階と、
ウェットエッチング液を用いて前記基板の前記第２の表面をエッチングして、トレンチを形成する段階であって、該エッチングする段階によってまた、前記ポリシリコン層がエッチングされ、前記トレンチは、前記ポリシリコン層の前記外縁部と整列する縁を少なくともいくつか有する、段階と、
前記薄膜層のうちの、前記インク供給穴の開口部を通して露出した薄膜層の部分および前記トレンチによって露出した薄膜層の部分を、これら露出した部分の上側と下側との両側からウェットエッチングして、前記トレンチの縁を、前記薄膜層を完全に貫いて形成される前記インク供給穴に略自己整合させる段階と
を含む、印字装置を形成する方法。 - 前記薄膜層は１つまたはそれよりも多い酸化物層を含み、ウェットエッチングする前記段階は、前記１つまたはそれよりも多い酸化物層の一部をエッチングによって取り除いて、前記インク供給穴の開口部を形成する、請求項１記載の方法。
- 前記酸化物層はフィールド酸化物層を含む、請求項２記載の方法。
- 前記酸化物層はＮＯｘ層を含む、請求項２記載の方法。
- 前記オリフィス層は、少なくとも部分的に前記インク供給穴の開口部の境界を規定する、請求項１記載の方法。
- 前記基板の前記第２の表面をエッチングしてトレンチを形成する前記段階は、前記基板をＴＭＡＨ溶液でエッチングして、前記第２の表面に関して斜めのトレンチの縁を形成する段階を含む、請求項１記載の方法。
- 前記プリントヘッド基板は半導体ウエハーの一部であり、前記ウエハーからプリントヘッドを分離する段階と、前記プリントヘッドを印字カートリッジ内に取り付ける段階とをさらに含む、請求項１記載の方法。
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