JPH06191042A - プリントヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】インクジェット・プリントヘッドにおいて、再
設計の必要なくして加熱抵抗器のパッシベーション層を
不要にした装置を提供する。 【構成】本発明の一実施例によれば、抵抗性を増大する
ために、好適には酸素、窒素、または同等のドーパント
でドープされた非不動態化加熱抵抗器を備えた熱インク
ジェット・プリントヘッドが提供される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般に、熱インクジェ
ット印刷に関する。更に詳しくは、本発明は、プリント
ヘッド内の加熱抵抗器の設計に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱インクジェット・プリンタは、一般的
に、プリントヘッドを有する。プリントヘッドは、キャ
リッジに取付けられる。キャリッジは、プリンタを介し
て供給される用紙の横方向に往復動しながら用紙を横切
る。プリントヘッドは、垂直方向に配列された複数のノ
ズルを備えている。ノズルは、用紙に対峙させられる。
インクが充填されたインク溝すなわちインク流路は、ノ
ズルと連通している。インク流路は又、インク・タンク
のようなインク源にも連通している。インク流路内のイ
ンクは、インク飛沫すなわちインク滴として、ノズルを
介して用紙の上に吐出され、そしてインク・タンクから
の更なるインクによって流路が充填される。バブル発生
用加熱抵抗器は、ノズル付近のインク流路内にある。加
熱抵抗器は、電流パルスの個々の受入れ先となる。これ
らの電流パルスは、モニタからの映像信号のような、印
刷されるべき情報を表わす印刷コマンドである。ノズル
から吐出された各々のインク滴は、用紙の上に絵の要素
すなわち画素(pixel)を印刷する。

【０００３】電流パルスは、加熱抵抗器に印加されて、
インク流路内のインクを瞬時に気泡すなわちバブルに蒸
発させる。バブルの成長と崩壊によって、各々のノズル
からインク滴が吐出される。加熱抵抗器は、インクを蒸
発させるための熱を発生する。加熱抵抗器は、二酸化ケ
イ素(SiO₂)層を有するケイ素すなわちシリコンの基板上
の抵抗層として製造される。抵抗層は、抵抗層上のその
他の層と共に、加熱素子を形成する。抵抗層は、標準的
な薄膜処理技術を使用することによって、基板上に堆着
させられ、一般に、数百オングストローム(Å)の厚さま
でのタンタル・アルミニウム(TaAl)の層を含む。加熱抵
抗器程度の大きさでは、抵抗層上でのインク中の気泡の
崩壊による衝撃は、相当大きな機械的疲労の源となる。
疲労の問題が深刻なものになるのは、プリンタにおいて
である。プリンタは、バースト（破裂）方式の作動に対
処せねばならない。プリンタ内において、１秒間当り
に、５万回以上のサイクルでインク滴が形成され吐出さ
れる。

【０００４】崩壊する気泡によって発生させられる機械
的な衝撃に加えて、抵抗器は、極めて高い頻度で電流の
オン・オフ操作を繰返される際に、熱的な疲労にさらさ
れる。熱的な疲労には、抵抗器の構造的な一体性を損な
うクラック（き裂）の核形成を促進させると言う疑いが
持たれている。更に、バースト方式の作動が長時間にわ
たって行われる場合には、熱の蓄積が生じ、それによっ
て熱的な疲労の問題が引起こされる。乱流するインクは
又、抵抗層に対しては、全く腐食的に作用して、層を腐
食させ侵食する。

【０００５】抵抗層を保護するための従来の技術は、抵
抗層を、１つ又はそれ以上の数のパッシベーション層で
覆うと言うものであった。例えば、TaAl抵抗器は、窒化
ケイ素層や炭化ケイ素層でもって、あるいは又、より一
般的にはこれらの双方の層でもって被覆される。更に、
タンタルか又は、その他の金属製の上塗り層すなわち保
護層が、パッシベーション層上に施されて、追加的な衝
撃緩衝器として、そして又、漏れ電流を逃がすための手
段として作用する。これらの追加的な層は、抵抗器上で
の気泡の崩壊によって引起こされる衝撃応力波の大きさ
を減少させることによって、抵抗器をキャビテーション
エロージョンから保護する。

【０００６】しかしながら、これらのパッシベーション
層は、固有の不利点も有する。これらの不利点の１つ
は、製造工程が一段と複雑化されることである。一般的
に、７つの薄膜層が必要とされるが、非不動態化(unpas
sivated)抵抗器構造の場合には２つの層で済む。従っ
て、マスキング(masking)工程の必要数は（２つではな
くて）５つである。このように煩雑化された製造工程に
起因して、製造コストが増加する一方ウエーハ１枚当り
の製品の歩留まりは低下する。第２番目の不利点は、パ
ッシベーション層が熱の消散を妨げると言う点に存す
る。望ましくない熱の蓄積によって、インクの粘度は大
きな影響を受ける。インクの粘度は、インク滴の大きさ
や、その速度を決定する際の極めて重要な変数である。
更にその上、熱の蓄積量が多くなると、応力が大きくな
り、そのために加熱素子の種々の層の故障率が高くな
る。不動態化された抵抗器の第３番目の不利点は、ター
ン・オン(turn-on)電圧が、パッシベーションの厚みに
よって変化すると言う点に存する。この変化があるため
に、一定の抵抗器に対して適切な駆動電圧を決定するこ
とが一段と困難になる。過度に低い電圧でもって抵抗器
を駆動すると、バブルすなわち気泡の形成が不充分にな
る。一方、過度に高い電圧でもって抵抗器を駆動した場
合には、加熱が過度に行われる結果、抵抗器の寿命が急
速に低下させられる。

【０００７】パッシベーション層によってもたらされる
上記不利点に対する１つの解決策は、パッシベーション
層を除去して、抵抗層の厚さを増加させると言うもので
ある。この解決策は、米国特許第4,931,813号において
記述され図示されている。該米国特許は本譲受人に対し
て譲渡されており、参照により本明細書に組込まれる。
抵抗層の追加的な厚みによって、パッシベーション層は
不要にされる。抵抗器は、インクの形態を取る流体か、
又は熱気泡の形態を取る蒸気と接触するように構成され
る。抵抗層は、TaAlなどの一般的に合金製の単一材料に
よって抵抗器が形成されていると言う点で、均質であ
る。

【０００８】抵抗層の厚さが増加すると、加熱抵抗器の
抵抗値は低下する。なぜならば、抵抗器の容積は今や以
前よりも大きくなっている一方、その抵抗率は不変であ
るからである。従って、同じ熱量を発生させるために
は、駆動電流を増加させなければならない。一方、駆動
電流を増加させる場合には、プリンタすなわちプリント
ヘッド内のプリンタ制御回路の設計を再度行わなければ
ならなくなる。

【０００９】

【発明の目的】本発明の目的は、このような抵抗器を使
用するプリントヘッドすなわちプリンタの再設計の必要
性を伴うことなく、非不動態化加熱抵抗器の利益を提供
することである。本発明のもう１つの目的は、熱インク
ジェット・プリントヘッドに現在使用されている一段と
小型の加熱抵抗器の抵抗値を有する非不動態化加熱抵抗
器であって、一段と厚みの大きな非不動態化加熱抵抗器
を提供することである。

【００１０】

【発明の概要】本発明のプリントヘッドに含まれるもの
は：インクを供給するためのインク源と；オリフィス
と；そして、インクをインク源からオリフィスまで運ぶ
ためのインク溝である。回路は、信号を供給することに
よって、プリントヘッドからのインクの吐出を制御す
る。プリントヘッド内の抵抗層は、回路からの信号に応
答して、熱を発生することによって、インクをオリフィ
スを介してインク溝から吐出させる。抵抗層は、第１材
料を含む。第１材料は、第２材料によってドープ(dope)
されることによって、抵抗層の抵抗率を第１材料の抵抗
率よりも大きくする。好ましい実施例において、抵抗層
は、インク溝内においてインクと接触するように構成さ
れる。第１材料は、TaAlであり得る。又一方、第２材料
は、酸素か、窒素か、或は又、それらと同等のドーピン
グ材料(dopant)であり得る。抵抗層は、望ましくは、少
なくとも5000オングストロームの厚みを有する。

【００１１】

【実施例】図１を参照すると、本発明に従ったプリント
ヘッド10内のインク滴発生機構に含まれるものは：イン
クを供給するためのインク源12と；インクを運ぶための
インク溝14と；そして、オリフィス18を有するオリフィ
ス板16である。インク滴20は、オリフィス18を介して、
インク溝14から吐出される。当技術分野において既知で
ある通りに、インク滴は、インクジェット・プリンタ内
において、用紙のような記録媒体に向けて吐出される。
加熱抵抗器22は、図１において象徴的に示される。抵抗
器22は、インク溝14内のインクを蒸発させることができ
るだけ充分に多くの熱が抵抗器22によって発生させられ
た際に、それぞれのオリフィス18を介してインクを吐出
させることができるような位置に配置される。抵抗器22
は、電流を供給する導体のそれぞれの対に対して直列に
配置される。電流の電気的エネルギーは、抵抗器22によ
って熱エネルギーに変換される。

【００１２】図２は、本発明に従った加熱素子25の横断
面を示す。素子25は、抵抗層の形態を取った抵抗器22を
含む。抵抗層は、半導体構造26上に形成される。半導体
構造26は、約675ミクロンのシリコン基板を含み、更
に、約1.7ミクロンの酸化ケイ素(SiO₂)か又はそれと同
等の熱的酸化物からなる熱障壁層30を含む。抵抗層22
は、熱障壁層30の上に堆着され、次いでその上に、接着
層34が堆着され、次いで導体24を形成する導電層36が堆
着され、その上に保護層38が堆着される。抵抗層用とし
ての望ましい抵抗性材料は、タンタル・アルミニウム酸
化物(TaAlOx)である：ここで、Ｘは、酸素の量が、TaAl
O化合物の重量パーセントで約0.1及至10％の範囲内にあ
るように、変化することができる。接着層34と保護層38
は、タンタルのような耐火金属であることができる。そ
して、導電層36を、金か又は金と同等の導体によって構
成させることができる。保護層38も又、タンタル製であ
ることができる。導電層は、約5000オングストロームの
厚みを有することができる。抵抗層22の厚みを1000オン
グストロームよりも更に厚くすることができ、それによ
って一段と薄い非不動態化抵抗器の性能を向上させるこ
とができる。この数字を、少なくとも２倍にすることが
でき、それによって不動態化抵抗器構造に匹敵する性能
を達成することが可能となる。図示の実施例において、
抵抗層22の厚みは、約5000オングストロームであって、
それによって優れた寿命特性が与えられる。

【００１３】加熱素子25を製造するための処理工程は、
図３において要約されている。シリコン基板28を有する
ウエーハから始まって、熱的に形成されるSiO₂障壁が最
初に堆着される。次いで、上記の TaAlOx抵抗層が、ウ
エーハ上にスパッタ(sputter)堆着されることによっ
て、約5000オングストロームの薄膜が形成される。 TaA
lOx化合物中におけるタンタルとアルミニウム双方の望
ましい原子量のパーセンテージの範囲は、各々、40乃至
60％である。酸素のドーピング量は、原子量のパーセン
テージで0.1乃至10の範囲内で選択され、それによって
１平方当り(persquare)約10オームのシート抵抗値を生
ずる。堆着工程の次にスパッタ堆着工程が実施されるこ
とによって、タンタル接着層34と、金製導電層36と、タ
ンタル保護層38とが、それぞれ、約100オングストロー
ムと、約5000オングストロームと、約200オングストロ
ームの厚さに形成される。

【００１４】堆着工程に引続いて、２つのマスキング工
程が実施される。最初のマスキング工程において、タン
タル保護層38のエッチング処理と、金製導電膜36のエッ
チング処理とが行われる。第２番目のマスキング工程に
おいて、接着層34と、抵抗層22と、タンタル保護層38の
エッチング処理が行われ、それによってボンディング・
パッドが削り出されると共に、インク溝14内に抵抗性表
面40が露出するようにされる。詳細な処理工程の望まし
い一組を、付録Ａ用に記述する。

【００１５】上記の好ましい実施例において、抵抗層22
は、酸素のような第２材料でもってドーピングされたTa
Alのような第１材料を含む。ドーピングによって、抵抗
層の抵抗率が第１材料の抵抗率よりも大きくされる。望
ましくは、酸素のドーピングの濃度は、原子量のパーセ
ンテージで0.1乃至10にされる。この様にして抵抗率を
大きくすることによって、抵抗層22の厚さを5000オング
ストロームまで増加させることができるので、層の抵抗
値を、通常プリントヘッド中に見出される不動態化抵抗
器の抵抗値と同じ値にすることができる。一段と厚さが
増加すれば、構造的な及び熱的な疲労に対して必要な保
護が、このように増加させられた厚さによって提供され
る。

【００１６】別の実施例も当然のことながら可能であ
る。第１材料は、幾つかの耐火材料のいずれのものであ
っても良い。又、第２材料は、酸素か、窒素か、又はそ
れらと同等のドーピング材料であっても良い。基板28
は、ガラスのような多くの材料のいずれのものであって
も良い。又、熱障壁層30も同様に、その他の同等の材料
から形成され得る。好ましい実施例において、本発明の
原理を図示し説明したが、ここで当業者にとって明らか
なことは、本発明の原理から逸脱することなしに、本発
明の構成と細部を改変することができると言うことであ
る。本発明の原理は、多くの同様の実施例に対して適用
され得ることが認められる。例えば、TaAl以外の抵抗性
材料は、酸素以外の不純物でもってドーピングさせるこ
とができる。更に、スパッタリング(sputtering)以外の
堆着技術を使用することもできる。

【００１７】付 録 Ａ： Ａ 堆着 １ 酸化物層を堆着させ、 ２ ドーピングされた抵抗層を堆着させ、 ３ 耐火金属接着層と導電層とを堆着させ、 ４ 耐火金属保護層を堆着させる。 Ｂ マスク１ ５ 基板をアッシ(ash)し、 ６ 基板を予備焼なまし(prebake)し、 ７ フォト・レジストを塗布(spin)し、 ８ フォト・レジストを軟焼付け(soft bake) し、 ９ フォト・レジストを整合させて露出を行ない、 10 フォト・レジストを現像する。

【００１８】Ｃ エッチング１ 11 フォト・レジストを硬焼付け(hard bake)し、 12 保護層(overcoat)をエッチングして抵抗器を削り出
し、但しトレース(traces)間で、 13 導電層をエッチングして抵抗器を削り出し、但しト
レース間で、 14 フォト・レジストを剥ぎ取り、 15 洗浄して乾燥させる。 Ｄ マスク２ 16 基板をアツシ(ash)し、 17 基板を予備焼なまし(prebake)し、 18 フォト・レジストを塗布(spin)し、 19 フォト・レジストを軟焼付け(soft bake)し、 20 フォト・レジストを整合させて露出を行ない、 21 フォト・レジストを現像する。

【００１９】Ｅ エッチング２ 22 フォト・レジストを硬焼付け(hard bake)し、 23 保護層(overcoat)をエッチングしてパッド(pads)を
削り出し、そして接着層と抵抗層をエッチングしてトレ
ース間で削り出し、 24 フォト・レジストを剥ぎ取り、 25 洗浄して乾燥させる。 Ｆ 障壁層(barrier)で被覆し、 Ｇ オリフィスを取付け、 Ｈ ウエーハのダイシングを行ない、 Ｉ プリントヘッドを組立てる。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明を用いるこ
とにより、プリントヘッドなどを再設計し直す必要がな
くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従ったプリントヘッド内のインク滴発
生機構の分解図である。

【図２】図１のインク滴発生機構内の加熱素子の断面図
である。

【図３】図２の加熱素子の作成工程を要約したフローチ
ャートである。

【符号の説明】

１２：インク源 １４：インク溝 １６：オリフィス板 １８：オリフィス ２０：インク滴 ２２：加熱抵抗器 ２４：導体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 グレン・ダブリュー・ウェバーグ アメリカ合衆国カリフォルニア州マウンテ ン・ビュー・マウント・バーノン・コート 1915・14

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】インク源と、 オリフィスと、 前記インク源から前記オリフィスにインクを運ぶインク
   溝と、 第２材料でドープされた第１材料から成り、制御信号に
   応答して前記インクを加熱する抵抗層と、 を備えて成るプリントヘッド。