JP4332227B2 - 熱式インク・ジェット・プリンタ用薄膜駆動ヘッド - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般に、熱式インク・ジェット印刷用の一体化薄膜駆動ヘッドに関するものであり、とりわけ、駆動トランジスタ、抵抗器、内部接続が同じ薄膜層から構成される駆動ヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
インク・ジェット・プリンタには、インク小滴が形成されて、印刷媒体に向かって噴射されるペンが含まれている。こうしたペンには、インク小滴を噴射する極めて小さいノズルを備えたオリフィス板が設けられた、プリントヘッドが含まれている。プリントヘッド内のノズルに隣接して、噴射前のインク小滴を貯えるインク室が設けられている。インクは、インク供給源とつながっているインク・チャネルを介して、インク室に送られる。インク供給源は、例えば、ペンのインク溜め部分に納めることが可能である。
【０００３】
ノズルによるインクの噴射は、隣接するインク室内のある量のインクを迅速に加熱することによって実施可能である。インク蒸気の急速な膨張によって、ノズルを介して、インク室内のインクの一部が小滴の形で押し出される。このプロセスは「ファイアリング（firing）」と呼ばれる。インク室内のインクは、ノズルに隣接してアライメントのとられた熱変換器によって加熱される。一般に、熱変換器は、抵抗器または圧電変換器であるが、インクの迅速な加熱が可能な任意の物質または素子から構成することが可能である。こうしたプリンタは、熱式インク・ジェット・プリンタとして知られている。
【０００４】
薄膜抵抗器は、一般に、熱式インク・ジェット・プリンタの駆動ヘッドに用いられる。こうした素子の場合、抵抗加熱材料は、一般に、電気的に絶縁され、断熱された基板に配置される。従来の製造技法によれば、単一駆動ヘッド基板上にかなりの数の抵抗器を配置することが可能である。
【０００５】
従来、基板に取り付けられる抵抗器の数は、抵抗器を選択的に加熱するための外部パルス駆動回路要素に、駆動ヘッドを電気的に接続するために用いられる導電性部品によって制限された。従って、抵抗器を備えた駆動ヘッド基板にパルス駆動回路要素を直接組み込んだ熱式インク・ジェット駆動ヘッドが開発された。駆動ヘッド基板にパルス駆動回路要素を組み込むことによって、ペンとプリンタを電気的に接続するのに必要な内部接続部品の数が減少し、この結果、より小さいインク・ジェット・ペンの製造が可能になる。
【０００６】
基板に配置されるパルス駆動回路要素は、一般に、ＭＯＳＦＥＴ駆動トランジスタ（金属酸化物半導体電界効果型トランジスタ）から構成される。集積回路要素（すなわち、抵抗器、駆動トランジスタ、及び、内部接続）は、当該技術において既知の一般的なマスキング、紫外線露光、及び、エッチング技法を用いてリソグラフィによって形成される導電トレース・パターンによって、寸法が確定する。
【０００７】
パルス駆動回路要素（以下、駆動ヘッドと略す）は、インク・バリヤ及び外部オリフィス板に隣接して取り付けられる。インク・バリヤの内部構造によって、インク室の形状が決まる。インク室は、対応する抵抗器の上方に、それとアライメントをとって配置され、ファイアリング（加熱）が行われると、インク室のノズルを介してインク小滴を噴射させる。
【０００８】
駆動部品と加熱抵抗器を同じ駆動ヘッド基板上に一体化すると、駆動トランジスタと抵抗器及びプリンタの他の部分とをつなぐことができるようにするため、多層接続回路が必要になる。一般に、この回路要素には、それぞれ、従来の回路製造技法を利用して形成される、複数の独立した材料層が含まれる。
【０００９】
【本発明が解決しようとする課題】
従来のインク・ジェット駆動ヘッドの製造においては、上述の駆動回路部品を形成するために、一般に、少なくとも、４つの金属膜層と、９つのリソグラフィック・マスク（インク・バリヤ・マスクを除く）が必要になる。この手順によって、生産コストが高くつき、製造効率は比較的低くなる。
【００１０】
インク室からインク小滴を噴射するのに必要なエネルギ量は、当該技術において「ターン・オン・エネルギ」すなわちＴＯＥとして知られている。ＴＯＥが大きくなると、プリントヘッドに過剰な加熱を生じる可能性がある。プリントヘッドの加熱が過剰になると、インクに溶解した空気から気泡が発生し、インク蒸気の気泡によって、インク小滴の早期形成が生じることになる。インク内の気泡、及び、蒸気小滴の早期形成の結果、質の劣るインク小滴が形成され、このため、印刷の質が低下することになる。過剰なプリントヘッドの加熱を阻止する速度まで、印刷速度を減速しなければならない。
【００１１】
従来の（アルミニウム・ベースの）駆動ヘッドの動作温度より高い温度で動作可能なインク・ジェット駆動ヘッド・システムであれば、電気的または熱的劣化を伴うことなく、駆動ヘッドの信頼性が向上する。より高温での動作が可能になれば、印刷の質を犠牲にすることなく、印刷速度が増すことになる。
【００１２】
現在の熱式インク・ジェット駆動ヘッド装置は、駆動ヘッド集積回路に抵抗器を形成するための基本構成材料の１つとしてアルミニウムを利用している。
【００１３】
アルミニウムの抵抗器は、ほとんどの用途に許容可能であるが、２つの大きい欠点、すなわち、（１）比較的高い電流密度において故障を生じる可能性のある、駆動ヘッドにおけるアルミニウムの電気的マイグレーションすなわち物理的移動、及び、（２）上述の比較的複雑な製造プロセスがある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、その製造によって、従来の駆動ヘッドに関する上述の欠点が排除される、熱式インク・ジェット・プリントヘッドのための一体化薄膜駆動ヘッドが得られる。本発明によれば、小さいＴＯＥを必要とするより小形の抵抗器が得られる。駆動ヘッド回路要素が小さくなると、やはり、より小さいプリントヘッドの製造が可能になり、これによって、さらに、プリンタがより速い印刷速度で動作可能になるので、優れた印刷の質が得られるようになり、同時に、プリントヘッドの加熱が最小限に抑えられる。
【００１５】
本発明によれば、駆動ヘッドの製造プロセスが改善され、その結果、より速い、よりコスト有効性の高い製造が行われることになるので、動作と信頼性の両方に優れた薄膜インク・ジェット駆動ヘッドが得られる。
【００１６】
本発明によれば、望ましい薄膜インク・ジェット駆動ヘッドによって、全て、同じ多機能薄膜層から構成される、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体薄膜トランジスタ）、抵抗器、及び、この２つの電気部品間の内部接続が得られる。従って、本発明の多機能薄膜層の異なる部分が、（１）プリントヘッドからインク小滴を噴射させるための加熱抵抗器、（２）抵抗器の選択的駆動（ファイアリング）を行うためのインクＭＯＳＦＥＴ、及び、（３）駆動トランジスタと抵抗器の間の直接導電経路として機能する。本発明によれば、これらの機能を実施するために多くの薄膜を用いる必要がなくなる。
【００１７】
本発明の好適な製造プロセスにおいては、５つのリソグラフィック・マスクと２つの金属膜層だけしか必要としない。本駆動ヘッド製造プロセスは、その時間及び材料の効率によって、従来のプロセスより大幅に経済的なものになっている。さらに、本発明のプロセスによれば、上述の利点を備えたより小さいプリントヘッドが得られる。
【００１８】
さらに、多機能薄膜層が、多結晶シリコンまたは同様の材料から構成される場合、トランジスタ・ゲート及び抵抗器の寸法をさらに小さくすることが可能であり、この結果、極めてＴＯＥの小さいプリントヘッドが得られる。上述のように、ＴＯＥが小さくなると、印刷速度が増し、印刷の質が向上する。抵抗器が小さくなると、より小さいインク・バブルの噴射も可能になる。インク・バブルが小さくなると、解像度が増すことになる。
【００１９】
【実施例】
図１を参照すると、本発明の駆動ヘッドは、インク・ジェット・ペン１０内に組み込まれている。望ましいペン１０には、インク溜め部２４を形成するペン本体１２が含まれている。インク溜め部２４は、ある量のインクを保管するように構成されている。プリントヘッド２０は、ペン本体１２の底部１４に納められ、制御を受けて、インク溜め部２４からインク小滴を噴射する。プリントヘッドには、印刷時に制御されたパターンでインクを噴射する、１群のノズル２２が形成されている。各ノズル２２は、プリントヘッド２０に形成されたファイアリング室１６と流通している。
【００２０】
ペンには、ペン・インク溜め部２４内にインク供給源が含まれている。供給導管（不図示）によって、インク溜め部２４からプリントヘッド２０に形成されたインク・チャネル（不図示）にインクが導かれる。インク・チャネルは、それに通るインクが、各ファイアリング室、従って、各ノズルと流通する。
【００２１】
プリントヘッドに対する導電性駆動ラインが、ペン本体１２の外部に取り付けられた回路２８に設けられている。駆動ラインの両端における回路接触パッド３０（図１に例示のため拡大して示されている）が、プリンタ・キャリッジ（不図示）に取り付けられた整合回路に設けられた同様のパッドに係合する。
【００２２】
図２ｅには、駆動ヘッドの部分断面図が示されている。各ファイアリング室１６は、薄膜抵抗器２６と関連している。抵抗器２６は、ＭＯＳＦＥＴタイプの駆動トランジスタ３２から構成するのが望ましいパルス駆動回路要素によって選択的に駆動（加熱）される。好適にはトランジスタ３２は、その全てが、各種部品（例えば、抵抗器）及び電気回路要素の接続が可能な電気接触領域を形成している、ソース拡散領域４６ａ、ゲート５４、チャネル４６ｂ、及び、ドレイン拡散領域４６ｃを含む、ＭＯＳＦＥＴシリコン・ゲート・トランジスタから構成される。
【００２３】
各抵抗器２６は、内部接続４６ｄを介して駆動トランジスタ３２と電気的に通じている。トランジスタ３２は、十分な電流で抵抗器２６を選択的に駆動し、ファイアリング室１６内のインクの一部を瞬時に蒸発させ、これによって、ノズル２２から小滴が押し出されるようにする。
【００２４】
抵抗器２６は、さらに、図２ｅの４８ｃに概略を示すようにプリンタ装置において、導電性駆動ラインを介して、外部に配置された従来のドレイン電圧源と電気的に通じている。
【００２５】
トランジスタのソース拡散領域４６ａは、導電性駆動ラインを介して外部アース４８ａに接続されている。さらに、外部リード４８ｂが、導電性駆動ラインを介してゲート５４に接続されている。
【００２６】
抵抗器２６のファイアリング信号が、マイクロプロセッサ及び関連ドライバによって発生し、駆動ラインを介してトランジスタに信号を加える。トランジスタ３２は、電気的「スイッチング」素子の働きをし、内部接続４６ｄを介して、ファイアリング信号を抵抗器２６に送る。
【００２７】
図２ｅを全体的に参照すると、本発明の好適な実施例の場合、薄膜素子は、少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴ駆動トランジスタ３２、少なくとも１つの抵抗器２６、駆動トランジスタと抵抗器の間の第１の内部接続４６ｄ、プリントヘッド２０の内部回路要素（すなわち、トランジスタ３２、抵抗器２６、及び、内部接続４６ｄ）間の第２の内部接続６８ａ〜ｃ、及びペン１０の外部駆動回路から構成される。薄膜駆動ヘッドは、インク・バリヤ７２及びオリフィス板７６に隣接している。
【００２８】
下記の説明は、まず、薄膜駆動ヘッドの好適な実施例の製造に関するものであり、次に、その動作方法について考察することにする。
【００２９】
図２ａには、好適な実施例の場合、従来のＩＣシリコン・ウェーハから構成される基板４０が示されている。代替案として、基板４０は、その表面に付着する誘電体材料を備えることが可能な、任意の十分な剛性を備えた耐熱性材料から構成することが可能である。
【００３０】
好適な実施例の場合、比較的厚い絶縁層４２（誘電体とも呼ばれる）が基板４０（図２ａ）に配置される。好適な絶縁層４２は、当該技術において既知の技法によって基板４０に熱的に成長させられた二酸化珪素から構成される。他の材料、例えば、スパッタリングによる一酸化または二酸化珪素、ホウ燐酸塩ケイ酸ガラスの堆積、または、ＰＥＣＶＤ（プラズマ強化気相成長）による窒化珪素の堆積でも、絶縁層４２ような働きをする。好適には、絶縁層４２は約１．７μｍの厚さである。
【００３１】
絶縁層４２は、その表面に作製される回路に対する断熱材と電気絶縁体の両方の働きをする。
【００３２】
好適には、ＬＰＣＶＤ（減圧気相成長法）によって被着させられる多結晶シリコンから構成される多機能薄膜層４６が、絶縁層４２の上に均一に被着される。多機能層４６は、ＰＥＣＶＤによって被着させられる炭化珪素から構成することも可能である。多機能層４６の厚さは、約０．３μｍが望ましい。注目に値するのは、絶縁層４２を省いて、所望の材料を直接受けるのに適した誘電特性及び熱伝導特性を備えた所定の基板材料上に直接被着させることができるという点である。
【００３３】
多機能層４６の領域が、（１）抵抗器２６を選択的に駆動するＭＯＳＦＥＴトランジスタ３２の部品、（２）加熱抵抗器２６、及び、（３）駆動トランジスタと抵抗器の間の直接導電性経路である内部接続として機能する。
【００３４】
多機能層４６の被着に続いて、層の導電率を増すため（すなわち、層の抵抗率を低下させるため）、その深さ全体に均一なドーピングが施される。ドーピングされた多機能層４６の領域（部分とも呼ばれる）は、結局は、トランジスタのゲート領域４６ｂ、加熱抵抗器部分４６ｅ、及び、回路導電ライン４６ｄの働きをする。多機能層４６の部分４６ｅが加熱抵抗器２６の働きをするためには、層４６に対して、以下で述べるように、２度目のドーピングを施すことになる。
【００３５】
好適な実施例の場合、多機能層４６は、当該技術において周知のイオン注入技法によって砒素または燐のドーピングが施される。層４６は、例えば、オキシ塩化燐、三塩化ホウ素、または、三臭化ホウ素のような古典的な化学ドーパントによる熱拡散技法を用いて、ドーピングを施すことも可能である。多機能層４６は、約４×１０¹²原子／ｃｍ²〜２０×１０¹²原子／ｃｍ²のレベルのイオン注入によってドーピングすることが望ましい。
【００３６】
次に、できれば、約５０ｎｍの厚さで、多機能層４６の上に、ゲート酸化物層５０の均一な被着が施される（図２ａ）。ゲート酸化物層５０は、熱的に成長させた二酸化珪素から構成するのが望ましい。ＲＴＡ（急速熱アニール、ＲＴＰすなわち急速熱処理、または、ＲＴＯすなわち酸素雰囲気中における急速熱酸化としても知られる）を利用して、ゲート酸化物層５０の被着を行うことが可能である。ＲＴＡは、例えば、１０ｎｍ未満のような極めて薄いゲート酸化物層に好適な被着方法である。ゲート酸化物層５０が薄くなれば、従来の駆動ヘッドに用いられたアルミニウム・ベースのＭＯＳゲートと比較してしきい値電圧の低い、より高速の素子が得られる。
【００３７】
イオン注入技法を利用して、多機能層４６にドーピングを施す場合、後で、ウェーハにアニールを施さなければならない。しかし、約１０００゜Ｃの高温で実施すれば、熱酸化によってゲート酸化膜層５０を被着させると、ウェーハのアニールとゲート酸化膜層の被着との二重処理を実施することが可能になる。アニールによって、ドーパントの水平方向と垂直方向の両方の拡散が生じる点が注目に値する。従って、好適なドーパントは、こうした高温であまり拡散しないドーパントである。多機能層４６のドーピングに熱拡散が利用される場合、アニール・ステップは不要になり、従って、当業者には既知の非熱式ゲート酸化膜被着プロセスを利用することが可能になる。
【００３８】
次に、薄膜層５４の被着、パターン形成、及び、エッチングを実施することによって、トランジスタ・ゲート（図２ａに「ｌ_l」で示す）が形成される。ゲート５４は、ＬＰＣＶＤによって約０．４μｍの厚さに被着させられた多結晶シリコンから構成される。ゲート５４は、例えば、プラズマ・エッチング、ＲＩＥ（反応イオン・エッチング）、または、イオン・ミリングといった従来のドライ・エッチング技法を利用し、塩素または四塩化炭素といったエッチング液を利用して、エッチングが施される。しかし、多機能層４６ではなく、ゲート層５４の望ましくない部分を選択的に除去するエッチング液は、十分である。ゲート５４の好適な寸法は、長さ（図２ａの「ｌ₁」）が約１．０μｍ、及び、図２の平面に対して垂直に測定される幅が１０μｍである。
【００３９】
ゲート５４のパターン形成及びエッチングによって、ゲート層５４の残された（パターン形成及びエッチング後に）部分に２度目のドーピングを施すことが可能になる。従って、ゲート層５４によって、ゲートの下方に位置する多機能層４６の部分４６ｂ（トランジスタのチャネルまたはアクティブ部分とも呼ばれる）が、２度目のドーピング中、ドーピングされないことになる。
【００４０】
多機能層の部分４６ｂを除く、多機能層４６及びゲート５４の全ての部分に第２のドーパントを選択的に加えることによって、該部分の導電率が高められる。ゲート５４の下方に位置する多機能層の部分４６ｂは、このプロセス中にドープされない、多機能層４６の唯一の部分である。第２のドーピング・ステップでは、砒素またはホウ素から構成するのが望ましい、用量の多い、高エネルギのドーパントがイオン注入によって加えられる。好適には、第２のドーパントの用量レベルは、約３×１０¹⁴原子／ｃｍ²〜約１×１０¹⁵原子／ｃｍ²である。
【００４１】
第２のドーパントによって、トランジスタ・ソース拡散領域４６ａ、トランジスタ・ドレイン４６ｃ、内部接続４６ｄ、及び、抵抗器２６の活性部分４６ｅの働きをする、多機能層４６の部分の導電率が増すことになる。第２のドーパント・レベルを利用することによって、抵抗器２６の最終抵抗率、面積抵抗、及び、熱抵抗係数の調整が可能である。第２のドーパント用量を調整することによって、その一部がトランジスタ３２と抵抗器２６の間における導電経路すなわち内部接続４６ｄの働きをする、多機能層４６の部分の望ましくない抵抗を減少させることも可能である。
【００４２】
さらに、ゲート５４のドーピングによって、該ゲートをトランジスタ電極として機能させることも可能になる。しかし、ドーパントは、ゲート５４を貫通して、その下方に位置する多機能層のチャネル部分４６ｂに達することはない。トランジスタのチャネル部分にはドーピングを行わず、抵抗器２６のアクティブ部分４６ｅにドーピングを施すことによって、この第２のドーピング・プロセスによるトランジスタ３２の最終電気特性には関係なく、抵抗器２６の導電率値を調整することが可能になる。抵抗器２６の独立したドーピングによって、各素子の非結合（decoupled)技術が可能になる。
【００４３】
ＰＥＣＶＤ ＴＥＯＳ（テトラエチルオキシシラン）から構成されるのが望ましいコンフォーマル（conformal）薄膜層（図２ｂに５６ａ及び５６ｂで示す）が、ゲート酸化物層５０及びゲート５４の露出部分に均一に被着させられる。コンフォーマル層５６の厚さは、約５０〜１００ｎｍが望ましい。
【００４４】
コンフォーマル層の「抵抗器部分」５６ｂの上で、コンフォーマル層のパターン形成が行われる。コンフォーマル層の部分５６ａにエッチングを施して、ゲート５４の両側にスペーサ５６ａが形成される。コンフォーマル層５６ｂのパターン形成及びエッチングによって、さらに、長さ「ｌ₂」の抵抗器２６が形成される（図２ｂ）。コンフォーマル層のエッチングと同時に、コンフォーマル層のエッチング部分の下方に位置するゲート酸化物層５０の部分にエッチングが施される。従って、ゲート酸化物層の２つの部分が残されることになる（すなわち、ゲート５４及びスペーサ５６ａの下の部分、及び、コンフォーマル層のパターン形成部分５６ｂの下方の部分）（図２ｂ）。
【００４５】
コンフォーマル薄膜層は、好適には、例えば当該技術において既知のＲＩＥフッ素化合物エッチング液を用いて、異方性ドライ・エッチングを施す。シリコン材料との接触時における、プロセスの進みが遅いので、トリフルオルメタン（ＣＨＦ₃）が好適なエッチング液である。従って、コンフォーマル層の選択的ドライ・エッチングが行われ、その結果、ゲート酸化膜層５０の露出部分が生じることになる。
【００４６】
コンフォーマル層の部分５６ｂは、抵抗器２６の長さを決めるだけでなく、抵抗器２６を保護する働きをする。ゲート５４の両端におけるスペーサ５６ａが、以下で述べるように、ケイ化物からゲート５４の側壁を保護する。
【００４７】
熱伝導部分５６ｂの厚さは、抵抗器のファイアリング時に、抵抗器２６からファイアリング室１６内のインクに伝えられる熱エネルギ量に直接影響を及ぼす。従って、コンフォーマル層が薄くなると、プリントヘッドのＴＯＥが減少する。プリントヘッドのＴＯＥが減少する利点については、上述のところである。
【００４８】
当業者において既知の技法で、ゲート酸化膜層５０及び抵抗器コンフォーマル層５６ｂの両方の厚さを調整することによって、先行技術のアルミニウム・ベースの抵抗器をエミュレートし、先行技術によるインク・ジェット・プリンタに、本発明に基づいて製造される駆動ヘッドを後から取り付けることが可能であるという点が、注目に値する。
【００４９】
好適には耐火金属である薄膜導体層５８が、多機能層４６及びゲート層５４の露出部分の上に被着させられる。耐火金属で構成する場合、導電層５８は、下方の多機能層及び多結晶シリコン・ゲート５４と反応し、ケイ化物を形成する。ＭＯＳデバイスの上の金属被着物は、当該技術において、サリサイド（すなわち、セルフ・アライメント・ケイ化物）として知られている。ケイ化物層５８である耐火金属層は、酸化物スペーサ５６ａまたは酸化物ベース部分５６ｂの上には形成されない。従って、トランジスタ３２から抵抗器２６またはゲート５４までの導電経路すなわち内部接続４６ｄの働きをする多機能層４６の部分だけが、サリサイドになる。重要なのは、スペーサ５６ａには、ケイ化物が形成されないという点である。というのは、これを接続させると、ゲート５４とソース拡散領域及びドレイン拡散領域を電気的に短絡させることになるためである。
【００５０】
耐火金属層５８は、チタンまたはタングステンから構成されるのが望ましく、当該技術において既知のスパッタリング技法によって形成される。しかし、層５８は、シリコンとの金属化合物を形成することが可能な任意の金属から構成することが可能である。
【００５１】
耐火金属層５８によって、内部接続４６ｄ及びゲート５４の部分の導電率レベルが比較的高くなる（すなわち、低抵抗レベル）。さらに、ケイ化物層によって、内部接続４６ｄとして機能する多機能層の部分の望ましくない面積抵抗が減少する。ゲート５４の上に形成されるケイ化物によって、従来のアルミニウム・ベースの駆動ヘッドに比べると、ゲート５４との接触抵抗も小さくなり、トランジスタ３２の全面積抵抗が小さくなる。しかし、多機能層４６の抵抗器部分は、サリサイドがなされていないので、依然として抵抗率レベルが高いままである。
【００５２】
次に、パッシベーション層６２を被着させて、駆動ヘッドがカバーされる（図２ｃ）。パッシベーション層６２は、ＬＰＣＶＤによる窒化珪素、炭化珪素、または、酸窒化珪素から構成されるのが好適である。パッシベーション層６２は、抵抗器２６及び他の部品をインク・ジェット・ペン内で用いられるインクの腐食作用から保護する。抵抗器に対する物理的損傷は、駆動ヘッドの動作能力を損なう可能性があるので、この保護は特に重要である。
【００５３】
パッシベーション層の上にキャビテーション・バリヤ（cavitation barrier、図示せず）を被着させることが可能である。パッシベーション層及び抵抗器をカバーするキャビテーション・バリヤは、噴射されないインクがつぶれてインク室に戻るモーメンタムによって生じる、絶縁層４２、抵抗器２６、及び、パッシベーション層６２に対する機械的損傷を排除するか、あるいは、最小限に抑える。好適な実施例の場合、キャビテーション・バリヤは、タンタルから構成されるが、例えば、タングステンまたはモリブデンのような他の材料を用いることも可能である。
【００５４】
本発明の製造プロセスによってプリントヘッドのサイズが小さくなるので、加熱するインク量を少なくすることが可能になり、プリントヘッドからファイアリングされるインク小滴を小さくすることが可能になる。インク加熱するインク量が少なくなると、つぶれてインク室に戻ることになる、噴射されないインクの量も少なくなる。つぶれてインク室に戻るインクの量が少なくなると、インク室１６及び下方の層に対する物理的損傷の量も減少する。従って、パッシベーション層６２は、十分に、腐食インクからの保護層とキャビテーション・バリヤの両方の働きをすることが可能である。
【００５５】
次に、パッシベーション層６２にパターン形成及びエッチングを施すことによって、第２の内部接続６８ａ〜ｃのための中継素子６４が形成される（図２ｄ）。層６２のパターン形成及びエッチングは、上述のように、従来の被着及びドライ・エッチング・プロセスを利用して実施される。本発明の好適な実施例の場合、第２の内部接続６８ａ〜ｃは、例えば、三窒化／アルミニウム・チタンまたはチタン・タングステン・金のような金属から構成される。
【００５６】
第２の内部接続６８ａ〜ｃは、好適には周知のスパッタリング技法を用いて被着させる。２つのスパッタリング法を利用することが可能であるが、単一スパッタリング室のポンプ・ダウン法だけしか必要とされない。次に、第２の内部接続層６８ａ〜ｃのパターン形成及びエッチングが行われる。第２の内部接続６８ａ〜ｃは、内部駆動ヘッド（トランジスタ３２及び抵抗器２６）を外部駆動回路要素に接続する。
【００５７】
さらに、抵抗器２６は、トランジスタ３２と電気的に接続されているだけではなく、内部接続６８ｃを介して、図２ｅに概略を示すように、プリンタ装置の外部に配置された従来のドレイン電圧源４８ｃとも電気的に接続されている。
【００５８】
さらに、トランジスタ３２のソース拡散領域４６ａは、内部接続６８ａを介して外部アース４８ａに接続されている。最後に、外部リード４８ｂは、内部接続６８ｂを介してトランジスタ３２のゲート５４に接続されている。
【００５９】
図２ｄに示すように、この時点において、トランジスタ３２、抵抗器２６、及び、内部接続回路要素は、完成し、後続プロセス・ステップは、ファイアリング室１６の完成に関することである。
【００６０】
ファイアリング室１６のインク・バリヤ７２は、感光ポリマから構成するのが望ましい（図２ｅ）。このポリマによって、ファイアリング室１６の壁面が形成され、抵抗器２６とノズル２２の間隔が決まる。
【００６１】
ファイアリング室１６（図２ｅ）を形成するため、抵抗器２６のすぐ上に位置するインク・バリヤ７２の部分は、製造プロセス中に、従来の方法で除去される（または、インク・ジェット・バリヤが選択的に設けられる）。ファイアリング室１６は、接続チャネルまたは導管によってインク溜め部２４からインクを受け入れる。オリフィス板７６は、インク・バリヤ７２の上に結合される（図２ｅ）。オリフィス板７６は、小滴の形状及び方向を制御するものであり、ニッケルから製造することが望ましい。オリフィス板７６には、それぞれ、システムにおける抵抗器の少なくとも１つに対応する、複数のノズル２２が含まれている。すなわち、オリフィス板７６には、薄膜デバイスの抵抗器２６のすぐ上において、アライメントのとれた開口部が含まれている。
【００６２】
本発明のもう１つの好適な実施例の場合、第２のドーピング実施前に、コンフォーマル薄膜層（５６ａ及び５６ｂ）の被着、パターン形成、及び、エッチングが実施される。コンフォーマル層５６ａ、５６ｂの被着後にドーピングを施すことによって、第２のドーピング・プロセスにおいて、スペーサ５６ａの下方に位置するゲート酸化物層５０の部分に対する多量のドーピングから、スペーサ５６ａを防護することが可能になる。スペーサのすぐ下のゲート酸化物領域が多量にドープされると、トランジスタ・部品３２におけるソース拡散領域４６ａ・ドレイン拡散領域４６ｃ間に低い降伏電圧を生じる可能性がある。
【００６３】
コンフォーマル層５６ａ、５６ｂは、３つの機能を果たす。第１に、パターン形成されると、コンフォーマル層の部分５６ｂによって、抵抗器の長さが決まる。第２に、コンフォーマル層の部分５６ａによって、次に続くケイ化物プロセスからゲート酸化物層５０のソース拡散領域４６ａ及びドレイン拡散領域４６ｃを保護する、スペーサが形成される。最後に、コンフォーマル層によって、直前に述べたように、ソース拡散領域４６ａ及びドレイン拡散領域４６ｃが多量のドーピングから保護される。
【００６４】
本発明の好適な実施例の作用は、下記の通りである。上述のように、本発明のプリントヘッド２０の素子は、３つの基本電気部品、すなわち、トランジスタ３２、抵抗器２６、及び、この２つの間の内部接続４６ｄを備えている。これらの電気部品は、プリントヘッドのノズル２２を介してファイアリング室１６からインク小滴の選択的ファイアリングを行うために利用される。
【００６５】
トランジスタ３２は、プリントヘッド２０の外部に配置された電源からリード４８ｂを介して電圧を受け取る。このトランジスタは、ファイアリング室１６からインク小滴のファイアリングを実施するため、内部接続４６ｄを介して抵抗器２６に選択的に電流を流すことができるようにする、電流スイッチの働きをする。電流は、ソース拡散領域４６ａから、ゲート５４を通り、ドレイン拡散領域４６ｃに流入する。ゲート５４に電圧が印加されると、多機能層部分４６ｂの表面またはゲートの下方に位置するチャネルに電界効果が生じることになる。
【００６６】
電流は、ゲート５４が導電状態になるまで、ソース拡散領域４６ａとドレイン拡散領域４６ｃの間に流れることはできない。ゲートに十分な電圧が印加されて、ゲート５４の下方に導電チャネル４６ｂが形成されると、ゲートは導電状態になる。こうした十分な電流レベルは、しきい値電圧として知られる。従って、しきい値電圧に達して、チャネル４６ｂが形成されると、電流はトランジスタ３２からしか流れないので、トランジスタ３２は、スイッチの働きをする。
【００６７】
デバイスのしきい値電圧レベルは、多機能層４６のドーパント濃度によって決まる。第１のドーピング・プロセスによって、ゲート領域５４に必要なドーパント濃度が得られる。第２のドーピング・プロセスによって、ゲート領域５４を超えるレベルで、ソース拡散領域４６ａ及びドレイン拡散領域４６ｃにドーピングが施され、これによって、トランジスタ３２を「オン」にする、従って、電流を抵抗器２６に伝導するのに必要なしきい値電圧が設定されることになる。
【００６８】
ゲート５４の上の導体すなわちケイ化物層５８によってゲートの導電率が増し（すなわち、ゲートの全面積抵抗が減少し）、これによって、さらに、トランジスタ３２の動作に必要な電力が減少する。
【００６９】
２つのドーピング・プロセスによって高レベルのドーピングを施された抵抗器２６は、ドレイン拡散領域４６ｃ及び内部接続４６ｄを介して、トランジスタ３２によって選択的に送られる電気信号を変換して、ファイアリング室１６内のインクを加熱する熱エネルギにする、熱変換器の働きをする。
【００７０】
上述の実施例のトランジスタ３２の動作に関する説明は、「ノーマリ・オフ」のＭＯＳＦＥＴまたはエンハンスメント形ＭＯＳＦＥＴに関連して行ったが、もちろん、トランジスタ・部品は、「ノーマリ・オン」のＭＯＳＦＥＴすなわちディプレッション形ＭＯＳＦＥＴとして動作することも可能である。すなわち、導電チャネル４６ｂは、ゼロ・バイアスにおいて（すなわち、ゲートに電圧が印加されていない場合に）生じるので、トランジスタ・部品３２は、ノーマリ・オンである。従って、抵抗器のファイアリングが行われることになる場合を除くと、ディプレッション形ＭＯＳＦＥＴのゲートには、一定のバイアスまたは電圧が印加されている。ゲートに対する電圧がオフになると、トランジスタ・部品が「オン」になり、電流が抵抗器に伝導されて、インク小滴のファイアリングが生じることになる。
【００７１】
以上、本発明の実施例について詳述したが、以下、本発明の各実施態様の例を示す。
【００７２】
〔実施態様１〕
スイッチング・デバイス（３２）と、
熱変換器（２６）と、
スイッチング・デバイスのアクティブ部分（４６ｂ）として機能する第１の部分、及び、熱変換器の一部として機能する第２の部分（４６ｅ）を備えた多機能層（４６）とを
備える熱式インク・ジェット・プリントヘッド素子の駆動ヘッド。
【００７３】
〔実施態様２〕
インク室（１６）アセンブリが取り付けられていることと、前記インク室アセンブリに、インク・バリヤ（７２）と、前記インク・バリヤの上方に位置するプレート部材（７６）が含まれていることと、前記プレート部材にインク小滴を噴射するための開口部が設けられている
ことを特徴とする実施態様１に記載の駆動ヘッド。
【００７４】
〔実施態様３〕
前記多機能層（４６）に、第３の部分が含まれていることと、前記第３の部分が、前記スイッチング・デバイス（３２）と前記熱変換器（２６）の間の導電経路（４６ｄ）として機能する
ことを特徴とする、実施態様１に記載の駆動ヘッド。
【００７５】
〔実施態様４〕
前記スイッチング・デバイス（３２）がトランジスタであり、前記変換器が抵抗器である
ことを特徴とする実施態様１に記載の駆動ヘッド。
【００７６】
〔実施態様５〕
前記多機能層（４６）の前記第１の部分に、前記第２の部分よりも大幅に低いレベルのドーピングを施された領域が含まれている
ことを特徴とする実施態様１に記載の駆動ヘッド。
【００７７】
〔実施態様６〕
前記第１の部分（４６ｂ）の中心領域の上方及び前記第３の部分（４６ｄ）の上方に配置されて、前記第１の部分の中心領域及び前記第３の部分が前記第２の部分（４６ｅ）よりも導電率が高い導電層が含まれている
ことを特徴とする実施態様３に記載の駆動ヘッド。
【００７８】
〔実施態様７〕
基板（４０）と、
基板に取り付けられたトランジスタ（３２）と、
基板に取り付けられた抵抗器（２６）と、
トランジスタと抵抗器の間に内部接続されて、少なくともそれらの一部を形成する導電材料の連続層（４６）とを
備える熱式インク・ジェット・プリントヘッド素子の駆動ヘッド。
【００７９】
〔実施態様８〕
前記導電材料の連続層（４６）に、前記第１の部分（４６ｂ）と前記第２の部分（４６ｅ）の間の導電経路として機能する第３の部分（４６ｄ）が含まれている
ことを特徴とする実施態様７に記載の駆動ヘッド。
【００８０】
〔実施態様９〕
基板（４０）を設けるステップと、
基板にトランジスタ（３２）と抵抗器（２６）を取り付けるステップと、
トランジスタ及び抵抗器と導電材料の連続層（４６）を内部接続し、連続層の第１の部分（４６ｂ）がトランジスタとして機能し、連続層の第２の部分（４６ｅ）が抵抗として機能するようにするステップを含む
熱式インク・ジェット・プリントヘッド素子（２０）のための駆動ヘッドを製造する方法。
【００８１】
〔実施態様１０〕
前記連続層（４６）が、前記トランジスタ（３２）及び前記抵抗器（２６）に内部接続されて、前記連続層の第３の部分（４６ｄ）が、前記トランジスタ及び前記抵抗器と一体化され、その間の内部接続として機能する
ことを特徴とする実施態様９に記載の方法。
【００８２】
【発明の効果】
以上のように、本発明を用いると次のような効果が得られる。
（１）駆動ヘッドの製造プロセスが改善される。
５つのリソグラフィック・マスクと２つの金属膜層だけしか必要としないため、従来のプロセスより大幅に経済的なものになっている。
さらに、動作と信頼性の両方に優れた薄膜インク・ジェット駆動ヘッドが提供できる。
（２）小さいＴＯＥでよいより小形の抵抗器が得られる。
これによって、さらに、プリンタがより速い印刷速度で動作可能になるので、優れた印刷の質が得られる。
好適な実施例に関連して、本発明の原理について説明し、例示してきたが、当然明らかなように、こうした原理を逸脱することなく、本発明の構成及び細部に修正を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の薄膜駆動ヘッドの好適な実施例を組み込んだ、プリントヘッドを含むインク・ジェット・プリンタ・ペンの斜視図である。
【図２ａ】駆動ヘッドの好適な実施例の製作を示す、部分断面図である。
【図２ｂ】駆動ヘッドの好適な実施例の製作を示す、部分断面図である。
【図２ｃ】駆動ヘッドの好適な実施例の製作を示す、部分断面図である。
【図２ｄ】駆動ヘッドの好適な実施例の製作を示す、部分断面図である。
【図２ｅ】駆動ヘッドの好適な実施例の製作を示す、部分断面図である。
【符号の説明】
１０ インク・ジェット・ペン
１２ ペン本体
１４ 底部
１６ ファイアリング室
２０ プリントヘッド
２２ ノズル
２４ インク溜め部
２６ 薄膜抵抗器
２８ 回路
３０ 回路接触パッド
３２ 駆動トランジスタ
４０ 基板
４２ 絶縁層
４６ 多機能薄膜層
４６ａ ソース拡散領域
４６ｂ チャネル
４６ｃ ドレイン拡散領域
４６ｄ 内部接続
４６ｅ 抵抗器部分
４８ａ 外部アース
４８ｂ 外部リード
５０ ゲート酸化物
５４ ゲート
５６ コンフォーマル層
５６ａ スペーサ
５６ｂ 抵抗器部分
５８ 薄膜導体層
６２ パッシベーション層
６８ａ 第２の内部接続
６８ｂ 第２の内部接続
６８ｃ 第２の内部接続
７２ インク・バリヤ
７６ オリフィス板

Claims (6)

1. 基板上に形成された多機能層と、
   該多機能層上に形成されたスイッチング・デバイスと、
   該多機能層上に形成され、前記スイッチング・デバイスから間隔を置いて配置された熱変換器と
   を含んでなり、
   前記多機能層が、前記スイッチング・デバイスのチャネルとして機能する第１の部分と該熱変換器の一部として機能する第２の部分と、前記スイッチング・デバイスが形成された後にさらなるドーピングを施すことにより形成された、導電性を有する第３の部分とを含んでおり、該第３の部分は、前記スイッチング・デバイスと前記熱変換器との間で電気信号を伝送するために、前記第１の部分と第２の部分とが一体的に形成されており、前記第１の部分と前記第２の部分とに相互接続されているものである、熱式インク・ジェット・プリントヘッド素子の駆動ヘッド。
2. インク室アセンブリが前記駆動ヘッドに取り付けられており、該インク室アセンブリがインク・バリヤと前記インク・バリヤの上方に位置するプレート部材とを含み、インク小滴を噴射するための開口部が前記プレート部材に設けられているものである請求項１に記載の駆動ヘッド。
3. 前記変換器が抵抗器である請求項１に記載の駆動ヘッド。
4. 前記第２の部分が熱変換器として機能するレベルで、前記第２の部分にドーピングが施されている請求項１に記載の駆動ヘッド。
5. 前記第１の部分と前記第３の部分との中央領域上に位置する導電層を含んでおり、前記第１の部分と前記第３の部分との中央領域は、前記第２の部分より導電性が高いものである、請求項１から４のいずれかに記載の駆動ヘッド。
6. 基板を設けるステップと、
   前記基板上に多機能層を含む薄膜層を形成するステップと、
   前記多機能層にドーピングを施して導電性にするステップと、
   前記多機能層のある部分に抵抗体の部分を形成するステップと、
   前記多機能層の別の部分にトランジスタの部分を形成するステップであって、前記抵抗体の部分と前記トランジスタの部分とが、前記トランジスタの部分が形成された後にさらなるドーピングを施すことにより形成された、同じ導電性を有する前記多機能層の相互接続部により接合されているものである、形成するステップと
   を含んでなる、熱式インク・ジェット・プリントヘッド素子のための駆動ヘッドの製造方法。

Images