JP6815393B2 - エネルギー効率の良いプリントヘッド - Google Patents

Description

インクベースの画像形成装置は、媒体に画像を印刷するためにインクを用いる。典型的には、インクジェット印刷装置は、印刷媒体へと流体（たとえばインク）を導いて画像を形成するための複数のノズルを有する１以上のプリントヘッドを備えている。サーマルインクジェット印刷装置は、典型的には、特定のノズルからインクを噴射させる気泡を形成するために、該ノズルにおいて該インクを加熱する電気パルスを使用する。インクが冷めて気泡が崩壊すると、別のインク滴の噴射に備えて、追加のインクが該ノズルへと引き込まれる。圧電（ピエゾ式）インクジェット印刷装置は、典型的には、圧電素子を曲げて、対応するノズルからインクを送り出すために電気パルスを用いる。そのような印刷処理中に生じる熱的な及び／又は機械的なストレス、並びに化学物質の相互作用は、時間の経過と共にプリントヘッドに腐食及び／又は摩耗を引き起こしうる。したがって、プリントヘッドは、典型的には、それらの作用からある程度保護するためにパッシベーション層を有して製作され、これによって、該プリントヘッドの信頼性を高め、及び該プリントヘッドの耐用年数を延ばしている。

（補充可能性あり）

本開示の教示を実施することができる例示的なインクジェットプリンタを示すブロック図である。 図１の例示的なプリントヘッドの一部の側断面図である。 異なるパッシベーション層を有するプリントヘッドの噴射パルスの測定値に最も良く適合する（ベストフィットする）線を示すグラフである。該プリントヘッドのいくつかは、本開示の教示にしたがって製作されたものである。 異なるパッシベーション層を有するプリントヘッドについて測定された漏電を表すグラフである。該プリントヘッドのいくつかは、本開示の教示にしたがって製作されたものである。 異なるパッシベーション層を有するプリントヘッドについて測定された漏電を表すグラフである。該プリントヘッドのいくつかは、本開示の教示にしたがって製作されたものである。 図１及び／又は図２の例示的なプリントヘッドを製造する例示的な方法を示すフローチャートである。

これらの図面は正確な縮尺で描かれてはおらず、それらの図面では、複数の層及び領域を明瞭にするために、それらの層の厚さが（実際の場合よりも相対的に）厚く示されている場合がある。同じもしくは同様の部分（ないし要素）を参照するために、（１以上の）図面及び関連する記述を通じて、可能な限り同じ参照番号が使用されている。本明細書及び図面で使用されている、任意の部分（ないし要素。たとえば、層、膜、領域、またはプレート（平板））が別の部分（ないし要素）に（態様ないし形態はどうあれ）配置されている（たとえば、配置されている、位置決めされている、置かれている、または形成されているなど）という記述は、参照されている部分が、該別の部分と接触しているか、または、該参照されている部分が、該参照されている部分と該別の部分の間に１以上の部分が配置されている状態で該別の部分の上にあることを意味する。任意の部分が別の部分と接触しているという記述は、それら２つの部分の間に（介在する）部分がないことを意味する。

典型的には、プリンタ用のプリントヘッド（プリントヘッドダイまたは単にダイと呼ばれる場合もある）は、印刷処理に伴う化学物質への暴露から保護し、及び印刷処理に伴う熱的な及び／又は機械的なストレス（すなわち熱ストレス及び／又は機械ストレス）の影響を低減するために、化学的に堅牢（ないし頑強）な材料を有する薄膜スタックを備えるパッシベーション層で覆われている（コーティングされている）。さらに、パッシベーション層は、典型的には、プリントヘッドのエネルギー効率を高めるための誘電材料を備えている。従来、プリントヘッド上のパッシベーション層は、一窒化ケイ素（silicon mononitride：SiN）の膜を形成した後に炭化｛たんか｝ケイ素（SiC）｛たんか｝の膜を形成するために、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）を用いて製造されている。かかる既知のパッシベーション層ではSiNの膜が使用されるが、これは、それが、印加された電圧に耐えるための強い誘電特性を有するからであり、一方、SiCが使用されるのは、それが、ダイ製造プロセスの残りの期間中及び印刷処理中の化学物質（たとえばインク中の化学物質）への暴露からプリントヘッドを保護するための化学的堅牢性を有するからである。

プリントヘッドにおけるパッシベーション層は、周囲の環境から保護するという重要な目的を果たすが、保護のレベルは、パッシベーション層の厚さにある程度依存する。しかしながら、パッシベーション層の厚さが厚くなるにつれて、プリントヘッドのエネルギー効率は低下しうる。たとえば、サーマルインクジェット印刷用途では、パッシベーション層は、典型的には、プリントヘッドの対応するノズルを通してインクを噴射するために電気的に作動する発熱抵抗体の上に加えられる。パッシベーション層の厚さが厚いほど、発熱抵抗体からインクへの熱伝達は小さくなり、このため、エネルギー効率が低下する。さらに、強い誘電特性を有していないパッシベーション層材料からの漏電によってエネルギー損失が生じうる。したがって、プリントヘッドの効率を改善するためのより薄いパッシベーション層であって、他の既知のプリントヘッドの保護レベルと同じ（またはそれより高い）保護レベルを提供するために堅牢でもあるパッシベーション層を提供することが望まれている。

設計仕様を満たすために、上記の既知のSiN/SiCパッシベーション層の全厚は、しばしば、約２５００オングストローム（０．２５マイクロメートル）である。パッシベーション層の全厚と個々の薄膜層の厚さは、使用される材料及びそれらの膜を配置（ないし堆積）する方法に応じた制約を受ける。たとえば、SiCは、堅牢な化学的保護を提供するが、SiCの誘電特性が比較的弱いために、SiN層の厚さを、SiCがより強い誘電特性を有していたならば必要とされたであろう厚さよりも厚くする必要がある。さらに、ＰＥＣＶＤプロセスでは、ステップカバレッジ（段差被覆性（step coverage））が比較的限定され、及び、ピンホール欠陥を含む場合があり、このため、膜がすぐには形成されない脆弱な箇所を考慮するために比較的厚い膜の必要性が生じる。これらの要因は、全体の厚さを厚くし、それに応じてプリントヘッドの効率を低下させる原因となる。

本開示の教示にしたがって製造された例示的なプリントヘッドは、プリントヘッド用の他の既知のパッシベーション層よりもずっと薄いが、腐食及び／又は摩耗に対する同様のレベルの保護を提供するパッシベーション層を備えている。さらに、本願（本願明細書及び図面。以下同じ）において開示されているいくつかの例示的なプリントヘッドは、既存のプリントヘッドで使用されている他の既知のパッシベーション層の材料よりも強い誘電特性を有する（パッシベーション層の）材料を使用する。その結果、本願において開示されているパッシベーション層を有する例示的なプリントヘッドは、現在の既知のプリントヘッドよりも高いエネルギー効率を呈する。さらに、本願において開示されているより薄いパッシベーション層は、従来可能であったものよりも、小さなフットプリント及び／又は高いノズル密度を有するプリントヘッドの作製を可能にする。さらに、本願において開示されている例は、ターンオンエネルギーを大幅に小さくして、プリントヘッドのノズルからインクを噴射する速度を速くすることができ、これによって、印刷速度を速くすることができる。

図１は、本願において開示されている教示を実施することができる例示的なインクジェットプリンタ１００を示すブロック図である。より具体的には、例示的なインクジェットプリンタ１００は、新規なハイブリッド堆積技術を用いて作製されたパッシベーション層を含む例示的なプリントヘッド１０４を有するプリントヘッドアセンブリ１０２を備えており、ここで、該ハイブリッド堆積技術は、第１の薄膜層のＰＥＣＶＤと第２の薄膜の原子層堆積（ＡＬＤ）を組み合わせたものである。図示の例に示されているように、プリントヘッド１０４は、所望の印刷イメージに対応するパターンで印刷媒体（たとえば紙）１０８に向けてインク滴を噴射するノズル１０６のアレイ（配列）を有している。例示的なプリンタ１００はまた、インク供給源１１０、印刷媒体搬送機構１１２、及びコントローラ１１４を備えている。図示の例では、コントローラ１１４は、プリンタ１００の作動要素を制御するのに必要なプログラミング、（１以上の）プロセッサ、関連するメモリ（記憶装置）、電子回路及び構成要素を一般的に表している。いくつかの例では、プリントヘッドアセンブリ１０２とインク供給源１１０は、単一のユニットとして収容される。他の例では、プリントヘッドアセンブリ１０２とインク供給源１１０は別個の構成要素である。いくつかの例では、プリントヘッドアセンブリ１０２は、印刷媒体１０８の幅全体にわたる固定された（すなわち動かない）（インク供給源１１０を備えている場合もあれば備えていない場合もある）より大きなユニット（たとえばページ幅プリントバー）である。代替的には、いくつかの例では、プリントヘッドアセンブリ１０２は、可動キャリッジにおいて、印刷媒体１０８の幅方向に往復して走査させられるより小さなユニット（たとえば走査型インクカートリッジ）である。

図２は、図１の例示的なプリントヘッド１０４の一部の断面図である。図２に示されている例では、プリントヘッド１０４は、シリコン基板２０２、バイア構造層（ビア構造層ともいう）２０４、及びノズルアレイ層２０６を備えている。図示の例に示されているように、シリコン基板２０２は、インク供給源１１０（図１）から、バイア構造層２０４によって画定された導管またはバイア２０８内へと、そして、ノズルアレイ層２０６内に形成されたノズル１０６に向けてインクを導く（送る）インク流路（インクチャンネル）２０７を備えている。バイア構造層２０４は、シリコン基板２０２とは別個の層として示されているが、いくつかの例では、バイア構造層２０４を、シリコン基板２０２と一体的に形成する（すなわち一体形成する）ことができる。いくつかの例では、バイア構造層２０４は、ノズルアレイ層２０６と一体的に形成される。いくつかの例では、シリコン基板２０２及び／又はバイア構造層２０４及び／又はノズルアレイ層２０６のいずれかの間に他の材料からなる１以上の層が存在しうる。

図示の例に示されているように、ノズルアレイ層２０６内のノズル１０６は、対応するノズル１０６を介するインクの噴射を作動させるためにシリコン基板２０２上に配置されたインク噴射アクチュエータ２０９に位置合わせされている（整列している）。図示の例では、インク噴射アクチュエータ２０９は、コントローラ１１４（図１）によって生成された電気パルスに応答して、ノズル１０６を通してインクを送り出すためにノズル１０６の領域内のインクを加熱する発熱抵抗体である。

プリントヘッドの加熱と冷却の繰り返しによって課される熱的なストレス、及び、そのような印刷処理の化学的及び機械的な衝撃は、時間の経過と共にプリントヘッドに悪影響を与えることができ、これによって、プリントヘッドの信頼性が低下する。プリントヘッド１０４に対する熱的なストレス、化学的なストレス、及び／又は機械的なストレスの影響を低減するために、シリコン基板２０２、バイア構造層２０４、及び／又はノズルアレイ層２０６の表面に、パッシベーション処理を施して、プリントヘッド１０４の表面の堅牢性を高めるために薄膜のスタック（薄膜の積層構造）を備える保護コーティング（保護皮膜）を付加する。本開示の目的に照らして、本明細書では、該保護コーティングをパッシベーション層と呼ぶ。

図２に示されている例は、シリコン基板２０２の表面に形成された例示的なパッシベーション層２１０を示す詳細図（クローズアップ図）を含んでいる。より具体的には、図示の例に示されているように、パッシベーション層２１０が付加される前にシリコン基板２０２上に形成された複数の層がある。いくつかの例では、シリコン基板２０２は、発熱抵抗材料（または耐熱部材）２１２及び導電体２１３をシリコン基板２０２から電気的に分離（すなわち絶縁）するための（たとえば二酸化ケイ素（SiO_２）から形成された）別個のパッシベーション層２１１を支持する。図示の例では、発熱抵抗材料２１２は、インクを加熱して関連するノズル１０６を通して該インクを噴射するためのインク噴射アクチュエータ２０９（たとえば発熱抵抗体）を形成するために使用される。図示の例では、（たとえばアルミニウム銅（AlCu）から形成された）導電体２１３が、噴射アクチュエータ２０９（たとえば、発熱抵抗材料２１２から形成された発熱抵抗体）に電流を供給する。発熱抵抗材料２１２を含むプリントヘッド１０４を、噴射アクチュエータ２０９への通電の繰り返しによって生じるストレスから及びインク中の化学物質との相互作用から保護するために、例示的なパッシベーション層２１０は、図示の例に示されているように、シリコン基板２０２の表面上において、発熱抵抗材料２１２及び他の層の上に配置される。

図２では、例示的なパッシベーション層２１０は、誘電材料から形成された複数の薄膜のスタック（薄膜の積層構造）を備えている。より具体的には、いくつかの例では、パッシベーション層２１０は、シリコン基板２０２の一番近くにある一窒化ケイ素（silicon mononitride：SiN）薄膜２１４、及び、該SiN薄膜２１４上に配置された酸化ハフニウム（hafnium oxide：HfO_２）薄膜２１６を備えている。上記したように、SiNは、それが強い誘電特性（または絶縁耐力）を有するために、既知のプリントヘッドのパッシベーション層に一般的に使用されている。しかしながら、他の既知のパッシベーション層とは異なり、図２の例示的なパッシベーション層２１０は、SiCの代わりにHfO_２の薄膜を備えている。HfO_２は、SiCと同様に化学的に堅牢であり、それゆえ、SiCの良好な代替物として機能する。さらに、HfO_２は、SiCよりも強い誘電特性を有しているため、より詳細に後述するように、SiCを用いる既知のプリントヘッドで可能なエネルギー効率よりも高いエネルギー効率をもたらすことができる。図示の例は、HfO_２に関して説明されているが、該外側の層に、たとえば、酸化アルミニウム（Al_２O_３）、二酸化ケイ素（SiO_２）、または酸化タンタル（Ta_２O_５）などの他の材料を代わりに使用することができる。さらに、図２には、２つの薄膜２１４、２１６だけが示されているが、他の例では、パッシベーション層２１０は、シリコン基板２０２上において、SiN薄膜２１４の前（たとえば下）に、及び／又はHfO_２薄膜２１６の後（たとえば上）に、及び／又はSiN薄膜２１４とHfO_２薄膜２１６の間に配置された他の薄膜層を備えることができる。たとえば、タンタル（Ta）、白金（Pt）、白金イリジウム（PtIr）、または白金ルテニウム（PtRu）の１以上の薄膜層を、HfO_２薄膜２１６の上に配置する（ないし堆積させる）ことができる。

いくつかの例では、薄膜２１４、２１６は、ハイブリッドパッシベーション技術を用いてシリコン基板２０２の表面に付加される。より具体的には、いくつかの例では、SiN薄膜２１４は、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）を用いて基板２０２上に配置（ないし堆積）され、HfO_２薄膜２１６は、原子層堆積（ＡＬＤ）を用いて配置（ないし堆積）される。このハイブリッド堆積アプローチは、プリントヘッドにパッシベーション層を形成するためにＰＥＣＶＤだけを実施する従来のアプローチとは明確に異なる。すなわち、上記したように、プリントヘッド用の既知のパッシベーション層は、典型的には、図２の例示的なパッシベーション層２１０と同様にＰＥＣＶＤを用いて配置（ないし堆積）されたSiNの薄膜を備えている。しかしながら、プリントヘッド用の既知のパッシベーション層は、典型的には、例示的なパッシベーション層２１０とは異なり、同じくＰＥＣＶＤを用いて配置（ないし堆積）された炭化ケイ素（SiC）の第２の薄膜を有して形成される。

したがって、例示的なパッシベーション層２１０は、少なくとも２つの点で、既知のパッシベーション層とは異なる。第１に、異なる誘電材料が使用される。具体的には、例示的なパッシベーション層２１０は、SiC層の薄膜なしで形成されるが、その代わりにHfO_２を使用する。第２に、それらの材料を付加するために使用される堆積技術が異なる。具体的には、既知のパッシベーション層におけるSiCに対して実施されるようにＰＥＣＶＤを用いてHfO_２を付加するのではなく、例示的なパッシベーション層２１０のHfO_２薄膜２１６は、ＡＬＤを用いて形成される。プリントヘッドの既知のパッシベーション層とのこれら２つの違いは、いくつかの重要な利点をもたらす。たとえば、これらの違いは、より薄い膜スタック（膜の積層構造）でもってより強い誘電特性をもたらすが、これは、向上したエネルギー効率及び／又は熱効率、サイズがより小さいプリントヘッド、及び／又は、より高いノズル密度、より低いコスト、及びより速い印刷速度をもたらしうる。

試験によって、本願において開示されているハイブリッドパッシベーションアプローチを用いて形成された例示的なパッシベーション層２１０を、要求された電気的特性（または電気的仕様）を依然として満たしつつ、他の既知のパッシベーション層よりもはるかに薄くできることが示された。たとえば、上記したように、多くの既存のプリントヘッドに対して実施されるのと同様に、ＰＥＣＶＤだけを用いてSiN及びSiCの薄膜を配置（ないし堆積）した場合には、パッシベーション層は、典型的には、約２５００オングストローム（SiNに対応する約１６７０オングストローム（Å）及びSiCに対応する約８３０オングストローム（Å））の厚さを有する。これとは対照的に、SiN及びHfO_２のＰＥＣＶＤ／ＡＬＤハイブリッドパッシベーションに基づくパッシベーション層２１０の全体の厚さを１５００オングストロームよりも薄くすることができ、いくつかの用途では、これよりもかなり薄い厚さで成功裏に製造することができる。すなわち、いくつかの例では、パッシベーション層２１０の全体の厚さは、約１０００オングストロームかまたはそれより小さい。いくつかの例では、パッシベーション層２１０の全体の厚さは、約５００オングストロームかまたはそれより小さい。典型的な印刷用途の設計仕様を依然として満たしつつ、３００オングストローム程度の薄さのパッシベーション層を成功裏に製造できることが見込まれる。

本開示の教示を実施することによって可能になるパッシベーション層２１０の例示的な厚さから明らかなように、SiN薄膜２１４及びHfO_２薄膜２１６の両方の厚さを、既知のパッシベーション層の対応するSiN/SiC薄膜層よりも大幅に薄くすることができる。たとえば、いくつかの例では、HfO_２薄膜２１６は約２００オングストローム（Å）の厚さを有する。いくつかの例では、HfO_２薄膜２１６は約５０オングストローム（Å）の厚さを有するが、これは、SiCの８３０オングストローム（Å）という厚さよりも大幅に小さい。ＡＬＤ手順は、既知のプリントヘッドにおける（相当する）パッシベーション層のSiCの膜よりもずっと薄いHfO_２の保護膜を可能にするが、ＡＬＤを用いて配置（ないし堆積）されたHfO_２の使用もまた、SiN薄膜の要求される厚さを小さくするのを可能にする。たとえば、プリントヘッドの既知のパッシベーション層のSiN薄膜層（の厚さ）は、典型的には１６００オングストローム（Å）を超えるが、本願で開示されているようにHfO_２薄膜２１６が使用される場合には、パッシベーション層２１０の保護レベル及び電気的性質を（いずれも）同様のものに維持しつつ、SiN薄膜２１４の厚さを約２５０オングストローム（Å）と約１２００オングストローム（Å）の間の範囲まで小さくすることができる。

図示の例の例示的なパッシベーション層２１０が、プリントヘッド用の他の既知のパッシベーション層よりもはるかに薄いことの理由の少なくとも１つは、ＡＬＤの実施が、ＰＥＣＶＤよりも良好なステップカバレッジをもたらすことにある。シャドーイングとしても知られているステップカバレッジは、非平面または３次元の（たとえば、段状部またはその他のでこぼこを含む）表面上に配置（ないし堆積）された薄膜の厚さの均一性のレベルを意味する。たとえば、図２の詳細図（クローズアップ図）は、２つの平坦な部分２２０、２２２の間の導体層２１３のエッジ（縁）に沿った傾斜部２１８を示している。図示の例に示されているように、平坦部２２０上のSiN薄膜２１４の厚さ２２４は、傾斜部２１８上のSiN薄膜２１４の厚さ２２６よりも厚いが、これは、（SiN薄膜２１４を配置（ないし堆積）するために使用されたＰＥＣＶＤプロセスに起因して）比較的悪いステップカバレッジを示している。これとは対照的に、図２に示されているように、平坦部２２０上のHfO_２薄膜２１６の厚さ２２８は、傾斜部２１８上のHfO_２薄膜２１６の厚さ２３０とほぼ等しく、これは、（HfO_２薄膜２１６を配置（ないし堆積）するために使用されたＡＬＤプロセスに起因して）比較的良好なステップカバレッジを示している。

より一般的には、ステップカバレッジを、垂直な壁もしくは段状部の底部側にある薄膜の厚さと該段状部の上にある薄膜の厚さとの比とすることができる。いくつかの例示的なプリントヘッドでは、ＰＥＣＶＤの（百分率で表される）ステップカバレッジは約５０％であり、一方、ＡＬＤのステップカバレッジは約１００％である。いくつかの例では、ＡＬＤのステップカバレッジは９５％よりも大きい。いくつかの例では、ＡＬＤのステップカバレッジは８０％〜１００％の範囲内にある。ＰＥＣＶＤの場合のように、ステップカバレッジが１００％よりも小さい場合には、（傾斜部２１８などの）傾斜部及び／又はその他の不規則な形状の表面（たとえばでこぼこの表面）は、パッシベーション層の脆弱性を有する可能性がある箇所となり、このため、他の領域にあるパッシベーション層の全体の厚さを、そうでない場合（すなわちステップカバレッジが１００％である場合）に必要とされる厚さよりも厚くしなければならない。したがって、ＰＥＣＶＤだけを用いて製造されたプリントヘッド用の（ステップカバレッジが比較的悪い）既存のパッシベーション層は、プリントヘッドの表面の不規則な形状の部分の保護を補償して該保護を十分なものにするために全体的により厚くされる必要がある。これとは対照的に、図２の例示的なパッシベーション層２１０は、基板２０２の表面に沿った全ての箇所にわたって一定レベルの保護を与えるために、ＡＬＤを用いて配置（ないし堆積）された（ほぼ完全なステップカバレッジを有する）HfO_２薄膜２１６を備えており、これによって、全体的により薄い膜を可能にする。

ＡＬＤによって克服されるＰＥＣＶＤの他の制約は、配置（ないし堆積）された薄膜におけるピンホール欠陥の存在である。ＰＥＣＶＤ薄膜におけるピンホール欠陥の特定の密度は、プロセスの条件及びパラメータに依存して変わりうるが、典型的には、ささいではない量の欠陥が存在する。その結果、たとえば、該薄膜中のストレスがかかっている箇所（ストレスポイント）や腐食経路などのピンホール欠陥の悪影響を低減するために、ＰＥＣＶＤを用いて作製される薄膜層の厚さを増すことが必要とされうる。これとは対照的に、ＡＬＤの手順は、ピンホール欠陥のない（たとえば、欠陥密度がゼロであるかまたは少なくとも無視できるほど小さい）薄膜の配置（ないし堆積）を可能にし、これによって、該薄膜の厚さを、ＰＥＣＶＤが適用される膜に必要とされる厚さよりもはるかに小さくして、配置（ないし堆積）された膜の下の表面に対して同じ性質及び保護レベルを達成することができる。欠陥に対する心配がないためにHfO_２薄膜２１６の厚さをより薄くできることに加えて、例示的なパッシベーション層２１０のHfO_２薄膜２１６のピンホールのない性質はまた、外部環境に露出するSiN薄膜２１４の欠陥についての心配を軽減し、これによって、SiN薄膜２１４（の厚さ）を、それが依然としてＰＥＣＶＤを用いて付加されるとしても、同様にはるかに薄くすることができる。

（厚さが約２５００オングストローム（Å）である）既知のパッシベーション層と比べて、（厚さが約３００オングストローム（Å）と１５００オングストローム（Å）の間の範囲内にある）より薄いパッシベーション層２１０で達成されるいくつかの利点または利益がある。たとえば、より薄いパッシベーション層は、インクが通るバイア２０８及び他のチャンネル（流路）に対しては同じ寸法を維持しつつ、プリントヘッドの全体の大きさをより小さくすることを可能にする。さらに、より詳細に後述するように、より薄いパッシベーション層は、ターンオンエネルギー（たとえば、安定したインク滴噴射のために必要なエネルギー）を低減するのを可能にし、これによって、必要な電力を供給するプリントヘッド内の電源デバイスをより小さくするのを可能にする。その結果、単一のシリコンウェーハ上により多くの数（たとえば、約８％だけ多い数）のプリントヘッドを作製することができ、これによって、製造コストを下げることができる。

さらに、パッシベーション層２１０は、既知のプリントヘッドに比べてプリントヘッドのエネルギー効率及び熱効率を高める。なぜなら、厚さがより小さくなったことによって、噴射アクチュエータ２０９（たとえば発熱抵抗体）からインクへの熱伝達が向上するからである。さらに、厚さがより薄いパッシベーション層２１０は、ノズル１０６を通してインクを噴射するために必要な最高温度を下げるのを可能にする。たとえば、２５００オングストロームの厚さのSiN/SiCからなるパッシベーション層を有する既知のプリントヘッドの熱的モデルは、安定したインク滴噴射のための膜スタックの温度が約４７３℃に達することを示している。これとは対照的に、１０００オングストロームの厚さのパッシベーション層（たとえば、８００オングストローム（Å）の厚さのSiNと２００オングストローム（Å）の厚さのHfO_２）を有する図２の例示的なプリントヘッド１０４は、４００℃未満（たとえば３７０℃未満）の最高温度で安定したインク滴噴射を達成することができる。いくつかの例では、より薄いパッシベーション層２１０に起因するこのより低い温度及び改善された熱伝達は、ターンオン電圧（たとえばインク滴を噴射するために必要な電圧）の（７パーセント程度の）低下をもたらす。さらに、または代替的に、いくつかの例では、より薄いパッシベーション層２１０に起因するこのより低い温度及び改善された熱伝達は、噴射アクチュエータ２０９に加えられる電流の（９パーセント程度の）低下をもたらす。さらに、プリントヘッド１０４で使用されるこの低下した電圧及び／又は電流は、プリントヘッド１０４に電力を供給するプリンタ１００内の他の構成要素のコストを下げることができ、及び／又は該構成要素の効率を高めることができる。

さらに、例示的なパッシベーション層２１０の薄くされた厚さは、プリントヘッド１０４の噴射周波数を高めることができ、これによって、印刷速度を速くできる可能性をもたらす。具体的には、噴射周波数は、ノズル１０６からインクを噴射するために必要な最高温度によって制限されるが、これは、噴射パルスを生成した後は、別の噴射パルスを生成できるようになる前に、インクを冷やさなければならないからである。インクを噴射するため使用される温度が低いと、インクを冷やすために必要な時間がより短くなり、このため、噴射周波数を高くすることができる。また、インクの最高温度がより低いときにはインクを冷やすのに要する時間がより短いのと同じように、より短い時間で、安定したインク噴射を行うのに必要な温度までインクを加熱することができ、これによって、噴射周波数をさらに高くすることができる。

さらに、インクを加熱するための時間が短いことは、噴射アクチュエータ２０９（たとえば発熱抵抗体）に電力を加えなければならない時間が短く、これによって、プリントヘッド１０４のエネルギー効率が高まることを意味する。ノズルを通してインクを噴射するために使用されるエネルギーの量は、ターンオンエネルギーと呼ばれ、噴射パルスの持続時間（たとえば、噴射アクチュエータ２０９に最初にエネルギー（電力）が与えられた後にインクを噴射するのに要する時間）に比例する。図３は、異なるパッシベーション層を有するプリントヘッドの噴射パルスの測定値に最も良く適合する線を示すグラフである。図３に示されているように、横軸は、噴射パルス、すなわちノズル１０６からインクが噴射される前に噴射アクチュエータ２０９にエネルギー（電力）が加えられる（マイクロ秒（μs）の単位で測定された）時間を表している。図３のグラフの縦軸は、噴射パルス（の生成）後にノズルから噴射されるインク滴の重量を表している。図３に示されているように、より小さなインク滴（すなわち重量がより軽いインク滴）は、典型的には、より大きなインク滴よりも早く噴射される。

図３の例示的なグラフでは、実線は、ＰＥＣＶＤだけを用いてSiN及びSiCから形成された既知のＰＥＣＶＤパッシベーション層３０２を有するサンプルのプリントヘッドから噴射されたインクについて測定された典型的な噴射パルスを表している。図３のグラフ中の３つの破線は、例示的なＡＬＤハイブリッドパッシベーション層３０４、３０６、３０８を有するサンプルのプリントヘッドから噴射されたインクについて測定された典型的な噴射パルスを表している。ここで、それらのハイブリッドパッシベーション層は、ＰＥＣＶＤを用いて形成されたSiN薄膜２１４及びＡＬＤを用いて形成されたHfO_２薄膜２１６を有する図２のパッシベーション層２１０と同じように作製されたものである。図３に示されているように、ＡＬＤハイブリッドパッシベーション層３０４、３０６、３０８の各々のHfO_２薄膜２１６は同じ厚さ（２００オングストローム（Å））であるが、SiN薄膜２１４は、３つのＡＬＤハイブリッドパッシベーション層３０４、３０６、３０８の各々について、それぞれ、８００オングストローム（Å）、１０００オングストローム（Å）、１２００オングストローム（Å）と互いに異なっている。

図３のグラフに示されているように、ＡＬＤハイブリッドパッシベーション層３０４、３０６、３０８の各々の噴射パルス（の持続時間）を、（０ナノグラム（ng）に近いインク滴重量の場合には）約０．６マイクロ秒とし、（膝部分３１０から始まる）安定したインク滴噴射のためには約０．８２マイクロ秒とすることができる。これとは対照的に、既知のＰＥＣＶＤパッシベーション層３０２を有するプリントヘッドからの低重量のインク滴に対する噴射パルスは約０．７２マイクロ秒であり、安定したインク滴噴射は約０．９６マイクロ秒から始まる。ターンオンエネルギーは噴射パルス（の持続時間）に比例するので、これらの測定された噴射パルスを比較すると、ＡＬＤハイブリッドパッシベーション層３０４、３０６、３０８は、試験された特定の印刷用途の場合に約１５％だけターンオンエネルギーを小さくすることがわかる。図３のグラフを生成するために試験された特定のサンプルでは、パッシベーション層は、SiN薄膜２１４及びHfO_２薄膜２１６に加えて、タンタル（Ta）の薄膜をさらに含んでいた。より薄いTa層を有することによって、ターンオンエネルギーがさらに大きくなりうることが予期される。

他の既知のプリントヘッドに対する図２の例示的なプリントヘッド１０４の上記の利点及び改善は、一つには、パッシベーション層２１０の薄くされた厚さによって達成されるが、パッシベーション層２１０に使用される材料も、例示的なプリントヘッド１０４のエネルギー効率を高める役割を果たす。具体的には、パッシベーション層２１０のHfO_２薄膜２１６は、例示的なプリントヘッド１０４の効率を高める。なぜなら、HfO_２は、他の既知のパッシベーション層で使用されているSiCよりも強い誘電特性を有するからである。すなわち、図２のパッシベーション層２１０を通じて生じるエネルギー損失は、既存のプリントヘッドのパッシベーション層を通じて生じるエネルギー損失よりも小さい。さらに、この性質は、SiN薄膜２１４の厚さを低減する役割を果たすことができる。なぜなら、パッシベーション層２１０によって支持される電気的負荷を、SiN薄膜層に主に依存するのではなく、SiN薄膜とHfO_２薄膜とで分担できるからである。図２の例示的なパッシベーション層２１０の誘電特性の改善が、図４及び図５のグラフに示されている。

図４は、０ボルト（Ｖ）と１００ボルト（Ｖ）の間で動作する異なるパッシベーション層を有するプリントヘッドについて測定された漏電を表すグラフである。より具体的には、図４のグラフは、ＰＥＣＶＤだけを用いてSiN及びSiCから形成された既知のＰＥＣＶＤパッシベーション層４０２を有するサンプルのプリントヘッドからの漏電の測定値を表している。さらに、図４は、ＰＥＣＶＤを用いて形成されたSiN薄膜２１４及びＡＬＤを用いて形成されたHfO_２薄膜２１６を有する図２のパッシベーション層２１０と同じように作製された例示的なＡＬＤハイブリッドパッシベーション層４０４、４０６、４０８を有するサンプルのプリントヘッドからの漏電の測定値を表している。図４に示されているように、ＡＬＤハイブリッドパッシベーション層４０４、４０６、４０８の各々のHfO_２薄膜２１６は同じ厚さ（２００オングストローム（Å））であるが、SiN薄膜２１４は、３つのＡＬＤハイブリッドパッシベーション層４０４、４０６、４０８の各々について、それぞれ、６００オングストローム（Å）、８００オングストローム（Å）、１０００オングストローム（Å）と互いに異なっている。

図４に示されているように、約４０ボルト（Ｖ）未満の電圧において、ＡＬＤハイブリッドパッシベーション層４０４、４０６、４０８の各々の漏電（量）は、既知のＰＥＣＶＤパッシベーション層４０２の漏電（量）以下である。多くのプリントヘッドの動作範囲は、約２８ボルト（Ｖ）と約３３ボルト（Ｖ）の間である。したがって、本開示の教示にしたがって製造された例示的なプリントヘッドは、ほとんどのプリンタの予想される動作範囲にわたって、既知のプリントヘッドと比べてエネルギー損失が少ない。

図５は、図４と類似のグラフであるが、厚さが６００オングストローム（Å）と１６７０オングストローム（Å）の間で異なるSiN薄膜層を有する既知のＰＥＣＶＤパッシベーション層５０２、５０４、５０６、５０８を備えるサンプルのプリントヘッドからの漏電の測定値を表している。図５はまた、本開示の教示にしたがって製造された例示的なＡＬＤハイブリッドパッシベーション層５１０を有するサンプルのプリントヘッドからの漏電の測定値を表している。図５の例示的なグラフでは、全体の厚さが２５００オングストローム（Å）である既知のＰＥＣＶＤパッシベーション層５０８を有するサンプルのプリントヘッドは、図４のグラフに示されているＰＥＣＶＤパッシベーション層４０２を有するサンプルのプリントヘッドに対応する。同様に、図５のＡＬＤハイブリッドパッシベーション層５１０を有するサンプルのプリントヘッドは、図４のＡＬＤハイブリッドパッシベーション層４０６を有するサンプルのプリンヘッドに対応する。図５に示されているように、厚さが異なる既知のＰＥＣＶＤパッシベーション層５０２、５０４、５０６、５０８は全て、４０ボルト（Ｖ）未満のプリントヘッドの予想される動作範囲において、該ＡＬＤハイブリッドの漏電よりも漏電が大きい。さらに、ＡＬＤハイブリッドパッシベーション層５１０は、既知のＰＥＣＶＤパッシベーション層５０６と同じ厚さのSiNを有する。（同じ厚さのSiN薄膜を有する）これら２つのパッシベーション層を比べると、ＡＬＤハイブリッドパッシベーション層５１０の漏電（量）は、最大で約６５ボルト（Ｖ）まで、ＰＥＣＶＤパッシベーション層５０６の漏電（量）以下のままであることがわかる。

図６は、図１及び／又は図２の例示的なプリントヘッドを製造する例示的な方法を示すフローチャートである。該例示的なプロセスは、プリントヘッド（たとえばプリントヘッド１０４）用のシリコン基板（たとえば図２のシリコン基板２０２）を作製（ないし提供）するステップを含むブロック６０２から開始する。該例示的なプロセスは、ブロック６０４において、ＰＥＣＶＤを用いてシリコン基板２０２上に第１の誘電材料の（すなわち第１の誘電材料からなる）第１の薄膜を形成するステップを含む。いくつかの例では、該第１の誘電材料はSiNである。該例示的なプロセスは、ブロック６０６において、ＡＬＤを用いて、該第１の薄膜上に第２の誘電材料の（すなわち第２の誘電材料からなる）第２の薄膜を形成するステップを含む。いくつかの例では、該第２の誘電材料はHfO_２である。該例示的なプロセスは、ブロック６０８において、プリントヘッド１０４の製造を完了するステップを含み、その結果、図６の例示的なプロセスは終了する。

本願に開示されているＰＥＣＶＤ技術とＡＬＤ技術のハイブリッドを用いてSiNとHfO_２の薄膜スタックから形成された図２のパッシベーション層２１０を含む例示的なプリントヘッド（及び関連する方法）は、誘電特性と、化学的堅牢性と、所望の仕様を満たす、費用効果が良く、エネルギー効率が良く、かつ信頼性のあるプリントヘッドを実現することに関与する材料の配置（ないし堆積）方法との間のトレードオフに基づく。そのため、薄膜層の特定の厚さ、使用される材料、及び／又は、それらの材料を配置（ないし堆積）する方法は、用途及び関連する要件の変化に応じて変わりうる。たとえば、上記の例は、インクの加熱と冷却が繰り返されるサーマルインクジェットプリンタに関して説明されている。しかしながら、圧電プリントヘッドはそれとは異なるストレスを受けるので、例示的な圧電プリントヘッドの薄膜層の厚さ、材料、及び／又は配列を適切に適合させることができる。

いくつかの例では、上記のハイブリッドパッシベーションアプローチを用いるのではなく、ＡＬＤを用いて、パッシベーション層２１０のSiN薄膜２１４とHfO_２薄膜２１６の両方を付加することができる。現在のところ、ＡＬＤを用いるSiNの付加は、コストが非常に高く、かつ、成功裏に達成するのが難しいために現実的なオプションではない。これが、説明した例においてＰＥＣＶＤが使用される理由である。しかしながら、さらなる研究が行われてＡＬＤ技術は発展するので、（たとえば、SiNとHfO_２の両方に対して）ＡＬＤ手順だけを用いて、同じレベルの堅牢性及び電気的性質を維持しつつ、厚さがさらに薄いパッシベーション層を可能にできることが予想される。同様に、技術は進歩するので、ＡＬＤを用いてSiCの薄膜層を付加することによって、HfO_２を使用することなく現在知られているパッシベーション層よりもステップカバレッジを良好にしかつピンホール欠陥をなくす（もしくは少なくする）ことができることが予想される。しかしながら、このアプローチは、現在のところ現実的なオプションではなく、HfO_２によってもたらされる誘電特性よりも弱い誘電特性をもたらすこととのトレードオフを含んでいる。

さらに他の例では、パッシベーシ層を、SiNの薄膜層なしで、HfO_２の薄膜だけから形成することができる。これは、HfO_２が、強い誘電特性と化学的堅牢性の両方を提供するからである。しかしながら、そのような例は、現在のＡＬＤ手順がＰＥＣＶＤよりもずっと遅く、このため、コストが高くなるという点でトレードオフを含んでいる。さらに、SiN薄膜がないHfO_２の単一層は、より大きな機械的ストレスを引き起こす可能性がある。

上記から、開示された方法、装置、及び製造品は、既存の方法を用いて現在可能であるプリントヘッドよりもエネルギー効率が高いプリントヘッドの製造を可能にすることが理解されよう。より具体的には、シリコン基板に薄膜を付加するためにＰＥＣＶＤの代わりにＡＬＤを用いることによって、ステップカバレッジが改善され、かつピンホールのない膜がもたらされる。これらの特性は、他の既知のパッシベーション層と同様に所望の堅牢性を維持するより薄いパッシベーション層を可能にする。このより薄いパッシベーション層は、該パッシベーション層を横断する熱伝達を改善し、これによって、より低い温度、低減された電圧及び／又は電流、及びより高い周波数でのインク噴射を可能にする。さらに、SiCの代わりにHfO_２を使用することによって、パッシベーション層の誘電特性が向上し、これによってさらに、エネルギー効率が改善される。

本願において、いくつかの例示的な方法、装置、及び製造品を開示したが、本願発明の範囲はそれらには限定されない。むしろ、本願発明は、本願の特許請求の範囲に公正に入る全ての方法、装置、及び製造品をカバーする。

Claims (10)

1. サーマルインクジェットプリンタのプリントヘッドであって、
   前記プリントヘッドの複数のノズルに向けてインクを導くためのチャンネルを有する基板と、
   前記複数のノズルの１つを介してインク滴を噴射するために前記基板上に配置された発熱抵抗体と、
   前記発熱抵抗体および前記基板の上に配置され、前記プリントヘッドの表面に位置するパッシベーション層であって、プラズマ化学気相成長法を用いて形成された第１の誘電材料の第１の薄膜、及び原子層堆積を用いて形成された第２の誘電材料の第２の薄膜を含み、前記第２の誘電材料が、酸化ハフニウムである、パッシベーション層とを備え、
   前記第１の薄膜は、前記第２の薄膜と前記発熱抵抗体との間に及び前記第２の薄膜と前記基板との間に配置され、
   前記パッシベーション層の厚さは、３０ｎｍ（３００オングストローム）と１５０ｎｍ（１５００オングストローム）との間の範囲内にある、プリントヘッド。
2. 前記第１の薄膜の厚さは、５ｎｍ（５０オングストローム）と２０ｎｍ（２００オングストローム）との間の範囲内にある、請求項１に記載のプリントヘッド。
3. 前記第２の誘電材料は一窒化ケイ素（silicon mononitride）である、請求項１又は２に記載のプリントヘッド。
4. 前記パッシベーション層は、炭化ケイ素を用いることなく形成される、請求項１〜３の何れか１項に記載のプリントヘッド。
5. サーマルインクジェットプリンタのプリントヘッドの発熱抵抗体および基板の上に配置され、前記プリントヘッドの表面に位置するパッシベーション層であって、
   プラズマ化学気相成長法を用いて前記発熱抵抗体および基板の上に配置された第１の誘電材料の第１の薄膜と、
   原子層堆積を用いて前記第１の誘電材料の前記第１の薄膜の上に配置された第２の誘電材料の第２の薄膜とを備え、
   前記第２の誘電材料が酸化ハフニウムであり、前記パッシベーション層の厚さが、３０ｎｍ（３００オングストローム）と１００ｎｍ（１０００オングストローム）の間の範囲内にある、パッシベーション層。
6. 前記第２の薄膜の厚さが、５ｎｍ（５０オングストローム）と２０ｎｍ（２００オングストローム）の間の範囲内にある、請求項５に記載のパッシベーション層。
7. 前記第１の誘電材料は一窒化ケイ素（silicon mononitride）である、請求項５又は６に記載のパッシベーション層。
8. サーマルインクジェットプリンタのプリントヘッドであって、
   インクを噴射するために該インクを前記プリントヘッド内のノズルに導くための基板と、
   前記ノズルの１つを介してインクを噴射するために前記基板上に配置された発熱抵抗体と、
   前記発熱抵抗体及び前記基板の上に配置され、前記基板の表面に位置するパッシベーション層であって、プラズマ化学気相成長法を用いて前記発熱抵抗体および前記基板の上に配置された第１の誘電材料の第１の薄膜、及び８０％より大きなステップカバレッジを有する原子層堆積を用いて前記第１の薄膜の上に配置された酸化ハフニウムの第２の薄膜を含むパッシベーション層とを備え、
   前記パッシベーション層の厚さは、３０ｎｍ（３００オングストローム）と５０ｎｍ（５００オングストローム）との間の範囲内である、プリントヘッド。
9. 前記第２の薄膜の厚さは、５ｎｍ（５０オングストローム）と２０ｎｍ（２００オングストローム）との間の範囲内である、請求項８に記載のプリントヘッド。
10. 前記第１の誘電材料は一窒化ケイ素（silicon mononitride）である、請求項８又は９に記載のプリントヘッド。