【発明の詳細な説明】
熱作動印刷ヘッドの組立ておよび製造プロセス
技術分野
本発明は、コンピュータ制御印刷装置に係り、特に単一の基板上に複数のノズ
ルを内蔵している熱作動ドロップオンデマンド（ＤＯＤ）印刷ヘッドの組立てお
よび製造プロセスに関する。
発明の背景
現在まで、多くの異なるタイプのディジタル制御印刷システムが発明され、多
くのタイプのものが現在生産されている。これらの印刷システムは、種々の作動
機構、種々のマーキング剤および種々の記録媒体を使用する。現在使用されてい
るディジタル印刷システムの例としては、レーザ電子写真プリンタ、ＬＥＤ電子
写真プリンタ、ドットマトリックスインパクトプリンタ、熱式ペーパープリンタ
、フィルムレコーダ、熱式ワックスプリンタ、染料分散熱式移動プリンタおよび
インクジェットプリンタ等がある。しかし、現在のところ、従来の方法が、設定
に非常に費用が掛かり、特定のページを数千枚印刷する場合でなければ、商業的
にほとんど引き合わないにもかかわらず、電子印刷システムが機械的印刷機に取
って代わっているケースはまだまだ少ない。それ故、例えば、普通紙を使用して
、高速、低コストで高品質のカラーイメージを印刷することができる改良型ディ
ジタル制御印刷システムが求められている。
インクジェット印刷は、ディジタル制御電子印刷分野での極めて優れた競争相
手とされてきた。何故なら、例えば、インパクト型ではなく、騒音が少なく、普
通紙に印刷でき、トナーの転写や定着を行う必要がないからである。
現在までに、多くのタイプのインクジェット印刷機構が発明されてきた。これ
らのインクジェット印刷機構は、連続インクジェット（ＣＩＪ）またはドロップ
オンデマンド（ＤＯＤ）インクジェットに分類することができる。連続インクジ
ェット印刷の歴史は古く、少なくとも１９２９年には発明されていた。ハンセル
の米国特許第１、９４１、００１号参照。
１９６７年のスイート他の米国特許第３、３７３、４３７号は、印刷に使用さ
れるインクの粒子が選択的に電荷を与えられ、記録媒体に向けて偏向される、連
続インクジェットノズルのアレーを開示している。この技術は、二進法偏向ＣＩ
Ｊとして周知であり、エルムジェットおよびサイテックスのような数社のメーカ
ーが使用している。
１９６６年のヘルツ他の米国特許第３、４１６、１５３号は、小さな孔を通る
インクの粒子の数を変調するために、電荷を帯びたインクの粒子の流れを静電的
に分散させることによって、ＣＩＪ印刷で印刷した点の濃度を光学的に変化させ
る方法を開示している。この技術は、イリスグラフィックス社が製造したインク
ジェットプリンタに使用されている。
１９７０年のカイザー他の米国特許第３、９４６、３９８号は、圧電クリスタ
ルに高電圧を掛け、クリスタルを曲げ、インクタンクに圧力を掛け、必要に応じ
てインクの粒子を噴出させるＤＯＤインクジェットプリンタを開示している。多
くのタイプの圧電ドロップオンデマンドプリンタが次から次へと発明されたが、
これら圧電プリンタは、圧電クリスタルを、曲げモード、押しモード、せん断モ
ードおよび絞りモードで使用している。圧電ＤＯＤプリンタは、高温溶融インク
（例えば、テクトロニクスおよびデータプロダクトプリンタ）を使用して、商業
的に成功したが、その家庭用およびオフィス用のイメージ解像度は最高７２０ｄ
ｐｉであった（セイコーエプソン）。圧電ＤＯＤプリンタは、広い範囲の種類の
インクを使用することができるという利点を持っている。しかし、圧電印刷機構
は、通常、複雑な高電圧駆動回路と容積の大きい圧電クリスタルアレーを必要と
し、そのため製造が困難であり、性能の上でも不利になっている。
１９７９年の遠藤他の英国特許第２、００７、１６２号は、ノズル内のインク
と熱的に接触している電熱トランスジューサ（ヒータ）に、電力パルスを加える
電熱ＤＯＤインクジェットプリンタを開示している。ヒータは、急速に、水をベ
ースとしたインクを高温に加熱し、その場合、少量のインクは急速に蒸発しバブ
ルを形成する。このようなバブルが形成されると、その結果、圧力波ができ、こ
の圧力波はインクの粒子をヒータの基板の縁部にそって、小さな孔部から排出さ
せる。この技術は、ＢｕｂｂｌｅｊｅｔTM（日本のキャノン社の登録商標）と呼
ばれ、キャノン、ゼロックスおよびその他のメーカーが製造している多くの種類
の印刷システムで使用されている。
１９８２年のボート他の米国特許第４、４９０、７２８号は、バブルの形成に
よって作動する電熱粒子排出システムを開示している。このシステムの場合、粒
子はヒータの上に設置されている孔部を持つ板に形成されているノズルを通して
、ヒータの基板の面に垂直な方向に排出される。このシステムは熱インクジェッ
トと呼ばれ、ヒューレット−パッカード社が製造している。本明細書には熱イン
クジェットという用語は、ヒューレット−パッカード社のシステムおよびＢｕｂ
ｂｌｅｊｅｔTMと通常呼ばれているシステムの両方を指すのに使用されている。
熱インクジェット印刷は、通常、一つの粒子を排出するのに約２マイクロ秒中
に約２０マイクロジュールを必要とする。各ヒータが１０ワットの有効電力を消
費するのは、それ自身不利であるうえに、特別なインクを必要とし、ドライバエ
レクトロニクスが複雑になり、ヒータ素子の劣化が促進される。
技術文献には、他のインクジェット印刷システムも記載されているが、現在は
商業的には使用されていない。例えば、米国特許第４、２７５、２９０号は、熱
パルスと水圧で、所定の印刷ヘッドノズルのアドレスを一致させることにより、
インクが印刷ヘッドの下を通して、スペーサにより分離されている紙に自由に流
れることができるシステムを開示している。米国特許第４、７３７、８０３号、
第４、７３７、８０３号および第４、７４８、４５８号は、印刷ヘッドノズル内
のインクのアドレスを熱パルスおよび静電誘引フィールドに一致させることによ
り、印刷シートにインクの粒子を排出させるインクジェット記録システムを開示
している。
上記各インクジェット印刷システムは、利点と欠点とを持つ。しかし、例えば
、コスト、速度、品質、信頼性、電力利用、簡単な構造と操作、耐久性および消
耗品の点で有利な改良型インクジェット印刷方法が依然として求められているこ
とは広く知られている。
発明の概要
「液体インク印刷装置およびシステム」および「同時粒子選択、粒子分離印刷
方法およびシステム」という名称の、本出願と一緒に提出された出願には、上記
の従来技術の問題を克服するための、有意な改良を行うことができる新しい方法
および装置が記載されている。これらの発明は、例えば、粒子の大きさおよび粒
子の印刷場所の正確さ、達成できる印刷速度、電力利用、耐久性および遭遇する
動作上の熱応力および他のプリンタ性能特性、並びに製造が容易であることおよ
び有益なインクの特性に関して、重要な利点を持っている。本発明の一つの重要
な目的は、上記出願に開示されている構造および方法をさらに改善し、それによ
り印刷技術の進歩に貢献することである。
それ故、本発明の一態様は、上記のノズルを形成するために除去されるヒータ
の領域内の基板材料を特徴とする、基板上に形成された少なくとも一本のノズル
を備えてなり、関連電熱ヒータを持つドロップオンデマンド印刷ヘッドである。
本発明の他の態様は、（ａ）印刷ヘッド基板上に、ノズルチップ孔部を形成す
るステップと、（ｂ）上記ノズルチップ孔部を、ある材料でコーティングするス
テップと、（ｃ）上記材料をノズルチップ孔部の表面から、上記ヒータの必要と
する幅に等しい深さまで除去するステップと、（ｄ）上記ノズルチップ孔部を、
ヒータ材料の層で、上記ヒータの必要とする厚さに等しい厚さまでコーティング
するステップと、（ｅ）上記のノズルチップ孔部の側壁上のヒータ材料を除去す
ることができるような方法で、上記のヒータ材料をエッチングするステップを含
む自己整合ヒータを含む印刷ヘッドの製造方法である。
それ故、本発明の一つの利点は、液体インク印刷ヘッド用のノズル組立が、自
己整合ヒータを含むことである。他の利点は、印刷ヘッドが、シリコンウェーハ
上に形成されていることである。本発明の他の利点は、複数のノズルが単一の基
板上に形成されていることである。
好適な実施形態の場合には、ノズルは平らな基板の前面から後面に貫通してい
る孔部として形成されている。
本発明の他の態様は、少なくとも一本のノズルが電熱アクチュエータを含むこ
とを特徴とし、さらにヒータがノズルチップに設置されていることを特徴とする
、複数のノズルを含むドロップオンデマンド印刷を提供する。本発明の好適な特
徴は、ヒータがリムのすぐ近くで、印刷ヘッドの表面から突出しているリムの上
に位置していることである。
本発明の他の好適な特徴は、ヒータ領域内の基板材料が除去されていることで
ある。本発明他の好適な特徴は、上記印刷ヘッドが単一のシリコンウェーハ上に
形成されていることであることである。
本発明の他の好適な態様は、基板の熱伝導度より低い熱伝導度を持つ材料の層
が、ヒータと基板との間に挿入されていることである。
本発明の他の好適な態様は、ヒータと基板との間の材料の層が、二酸化シリコ
ンであることである。
本発明の他の好適な態様は、ノズルが、ヒータを含む誘電層の異方体エッチン
グにより形成されていることである。
本発明の他の好適な態様は、ノズル形成プロセスが、基板の異方体エッチング
を含むことである。
本発明の他の好適な態様は、ノズル形成プロセスが、基板の前面および後面の
両方からのエッチングを含むことである。
本発明の他の好適な態様は、基板が、プロセスがヒータを含む誘電層をエッチ
ングするよりも速い速度で、基板をエッチングする異方体エッチングプロセスに
よって、基板がヒータ領域において切り落とされることである。
図面の簡単な説明
図１（ａ）は、本発明の一つの例示としての印刷装置の簡単なブロック図であ
る。
図１（ｂ）は、本発明のノズルチップの一例の断面図である。
図２（ａ）−図２（ｆ）は、インク粒子選択の流体力学シミュレーションであ
る。
図３（ａ）は、本発明の一実施形態の作動申のノズルの有限要素流体力学シミ
ュレーションである。
図３（ｂ）は、インク粒子選択および分離の際の継続メニスカス位置である。
図３（ｃ）は、インク粒子選択サイクル中の種々の点における温度である。
図３（ｄ）は、種々のインク添加物に対する測定表面張力対温度曲線である。
図３（ｅ）は、図３（ｃ）の温度曲線を発生させるためのノズルヒータに送ら
れる電力パルスである。
図４は、本発明を実施するための印刷ヘッド駆動回路の簡単なブロック図であ
る。
図５は、故障許容を使用もしくは使用しない、本発明の特徴を実施するＡ４ペ
ージ幅のカラー印刷ヘッド用の予想製造歩留まりである。
図６は、印刷ヘッドを使用する一般化したブロック図である。
図７は、本発明の実施形態によりエッチングされた、多数のノズルを持つ単一
のシリコン基板である。
図８（ａ）は、本発明の印刷ヘッドの小さな断面のレイアウトの一例である。
図８（ｂ）は、図８（ａ）の詳細図である。
図９（ａ）−図９（ｒ）は、標準集積回路製造工程に追加したプロセスの単純
化した製造ステップである。
図１０は、本発明の印刷ヘッド用の簡単で、平らなヒータ構造体である。
図１１（ａ）は、自己整合ヒータ構造体の平面図である。
図１１（ｂ）は、自己整合ヒータ構造体の概略の等角図である。
図１２は、高電力発散を行う簡単なノズルである。
図１３は、印刷ヘッドの小さな断面のノズルレイアウトである。
図１４は、二つのノズルおよび二つの駆動トランジスタのレイアウトの詳細図
である。
図１５は、標準シリコンウェーハ上に形成された、多数の印刷ヘッドのレイア
ウトである。
図１６−図２７は、製造プロセス中の種々の段階における、一本のノズルの先
端の小さな領域内の印刷ヘッドの断面図である。
図２８は、単一の印刷ヘッドチップ上の背面の斜視図である。
図２９（ａ）−図２９（ｃ）は、ノズルおよびチップの分離の同時エッチング
である。これらの図は一定の比例で拡大されていない。
図３０は、２４の主ノズルと２４の冗長ノズルを持つ、単一のインクチャネル
のレイアウトの寸法である。
図３１は、８個のインクチャネルピットおよび対応するノズル、インク印刷ヘ
ッドの配置および寸法である。
図３２は、四色印刷ヘッドの端部にある３２のインクチャネルピットである。
図３３（ａ）−図３３（ｂ）は、より長い印刷ヘッドを形成するために突き合
わせ接続した場合の、二つの隣接する印刷ヘッドチップ（モジュール）の端部で
ある。
図３４は、４インチ（１００ミリ）モノリシック印刷ヘッドモジュール上のイ
ンクチャネルピットの完全な全数である。
好適な実施形態の詳細な説明
一つの一般的な態様では、本発明は、ドロップオンデマンド印刷機構からなり
、そこでは印刷に使用されるインク粒子を選択する手段が、選択されたインク粒
子と選択されていないインク粒子との間の位置関係を変えるが、これは、インク
粒子がインクの表面張力に打ち勝ち、インクの本体から分離するには不十分であ
り、さらにインク本体から、選択されたインク粒子を分離させるために別の手段
が使用されている。
インク粒子選択手段をインク粒子分離手段から分離すると、どのインク粒子を
印刷に使用するのかを選択するのに必要なエネルギーが有意に低減する。インク
粒子選択手段だけを、各ノズルに対する個々の信号によって駆動すればよいから
である。インク粒子分離手段は、電界または条件に応じて、すべてのノズルに同
時に使用することができる。
インク粒子選択手段は、下記のリストから選択することができるが、リストに
記載されているものだけに限定されるわけではない。
１）圧力が掛けられているインクの表面張力の電熱低減
２）インク粒子の排出を起こさせるには不十分なバブル体積による、電熱バルブ
の発生
３）インク粒子を排出させるには不十分な容積の変化を持つ圧電
４）各ノズルに一つの電極を使用する静電吸引
インク粒子分離手段は、下記のリストから選択することができるが、リストに
記載されているものだけに限定されるわけではない。
１）近接（印刷ヘッドに近接している記録媒体）
２）振動インク圧による近接
３）静電吸引
４）磁気吸引
「ＤＯＤ印刷技術の目標」テーブルは、ドロップオンデマンド印刷技術のいく
つかの望ましい特性を示す。このテーブルはまた、それにより本明細書に記載し
たいくつかの実施形態、または本発明に関連する他の出願に記載されているいく
つかの実施形態が使用し、それにより従来技術を改良したいくつかの方法を表示
している。
熱的インクジェット（ＴＩＪ）および圧電インクジェットシステムの場合には
、選択したインク粒子が確実にインクの表面張力に打ち勝ち、インク本体から分
離し、記録媒体に吹き付けられるためには、インク粒子の秒速は好適には約１０
メートルであることが好ましい。上記システムの電気的エネルギーを、インク粒
子の運動エネルギーに変換する効率は非常に低い。ＴＩＪシステムの効率は、約
０．０２％である。このことは、ＴＩＪ印刷ヘッド用の駆動回路は、大電流を切
り替えなければならないことを意味する。圧電インクジェットヘッド用の駆動回
路は、大電圧を切り替えなければならないか、または大きな容量性の負荷を切り
替えなければならない。ページ幅のＴＩＪ印刷ヘッドの全消費電力は、非常に高
い。１秒間に１つの４カラーブラックイメージを印刷する、８００ｄｐｉのＡ４
全カラーページ幅のＴＩＪ印刷ヘッド印刷は、約６キロワットの電力を消費する
が、その大部分は無駄な熱になる。この熱を除去するのが難しいので、ローコス
トで、高速、高解像度の小型のページ幅ＴＩＪシステムの生産がなかなかうまく
いかない。
本発明の実施形態の一つの重要な特徴は、印刷に使用するインク粒子の選択に
必要なエネルギーを有意に低減する手段である。上記のエネルギーの低減は、イ
ンク粒子を選択するための手段を、選択したインク粒子を確実にインク本体から
分離し、また記録媒体上にドットを形成するための手段から分離することによっ
て達成される。インク粒子選択手段だけは、各ノズルに対する個々の信号によっ
て駆動しなければならない。インク粒子分離手段は、すべてのノズルに同時に適
用されるフィールドまたはコンディションとなる。
「インク粒子選択手段」を示すテーブルには、本発明のインク粒子を選択する
ための可能な手段がいくつか表示されている。インク粒子選択手段は、選択され
たインク粒子の位置を十分に変化させるのに必要であり、それにより、インク粒
子分離手段は、選択されたインク粒子を、選択されなかったインク粒子から区別
することができるわけである。
他のインク粒子選択手段も、使用することができる。
水をベースとするインク用の好適なインク粒子選択手段は、方法１：「圧力下
のインクの表面張力を電熱により低減する」方法である。このインク粒子選択手
段は、他のシステムと比較すると、多くの利点を持つ。その利点としては下記の
ものが含まれる。すなわち、動作電力が低いこと（ＴＩＪの約１％）、ＣＭＯＳ
ＶＬＳＩチップ製造法と互換性を持っていること、動作電圧が低いこと（約１
０Ｖ）、ノズル密度が高いこと、低温で動作できること、および適当なインク組
成の範囲が広いことである。インクの表面張力は、温度の上昇に従って、低下し
なければならない。
高温溶融インクまたはオイルをベースとするインク用の好適なインク粒子選択
手段は、方法２：「変動インク圧とともに、インクの粘度を電熱により下げる」
方法である。上記インク粒子選択手段は、温度の上昇と共に、粘度が大幅に低下
するが、表面張力は少ししか低下しないインクと一緒に使用するのに特に適して
いる。特に、比較的高い分子量を持つ非極性インクキャリヤの場合に適している
。これは特に、高温溶融インクおよびオイルをベースにしているインクの場合に
適している。
「インク粒子分離手段」を示すテーブルには、選択されたインク粒子をインク
本体から分離し、選択したインク粒子により、印刷媒体上にドットを形成するの
に使用することができるいくつかの方法が示されている。インク粒子分離手段は
、選択されなかったインク粒子が、印刷媒体上に絶対にドットを形成しないよう
にするために、選択されたインク粒子を選択されなかったインク粒子から区別す
る。
他のインク粒子分離手段も使用することができる。
好適なインク粒子分離手段は、用途によって変わる。
ほとんどの用途の場合には、方法１：「静電誘引」または方法２：「交流電界
」が最も適している。平滑なコーティングが行われた紙またはフィルムが使用さ
れ、非常な高速が絶対必要ではない場合には、方法３：「近接」が適当である。
高速、高品質を必要とする場合には、方法４：「転送近接」を使用することがで
きる。方法６：「磁気誘引」は、印刷媒体が、近接印刷に対してあまりにざらざ
らしていて、静電インク粒子分離用に必要な高電圧が望ましくない、ポータブル
印刷システムに適している。すべての用途に適用できるはっきりした「最善の」
インク粒子分離手段はない。
本発明の種々のタイプの印刷システムのより詳細な説明は、その開示が参考文
献として本明細書に記載されている、１９９５年４月１２日付けの下記のオース
トラリアの特許明細書に記載されている。すなわち、
「液体インク故障許容（ＬＩＦＴ）印刷機構」（出願番号：ＰＮ２３０８）
「ＬＩＦＴ印刷の際の電熱インク粒子選択」（出願番号：ＰＮ２３０９）
「印刷媒体近接によるＬＩＦＴ印刷の際のインク粒子分離」（出願番号：ＰＮ
２３１０
「ヘッドと媒体の間の距離を変化させることによる、近接ＬＩＦＴ印刷におけ
るインク粒子の大きさの調整」（出願ＰＮ２３１１）
「音響インク波を使用する増大近接ＬＩＦＴ印刷」（出願番号：２３１２）
「ＬＩＦＴ印刷における静電インク粒子分離」（出願番号：ＰＮ２３１３）
「近接印刷における多重同時インク粒子サイズ」（出願番号：ＰＮ２３２１）
「熱作動印刷ヘッドの自己冷却動作」（出願番号：ＰＮ２３２２）
「熱的粘度低減ＬＩＦＴ印刷」（出願番号：ＰＮ２３２３）
図１（ａ）は、本発明の一つの好適な印刷システムの略図である。
イメージ源５２は、スキャナまたはコンピュータからのラスタイメージデータ
であってもよいし、ページ記述言語（ＰＤＬ）の形のアウトラインイメージデー
タであってもよいし、または他の形のディジタルイメージ表現であってもよい。
このイメージデータは、イメージ処理システム５３によってピクセルマップされ
たページイメージに変換される。上記イメージ処理システムは、ＰＤＬイメージ
データの場合には、ラスタイメージプロセッサ（ＲＩＰ）かも知れないし、ラス
タイメージデータの場合には、ピクセルイメージ操作であるかもしれない。イメ
ージ処理ユニット５３によって生じた連続トーンデータは、ハーフトーンである
。ハーフトーン化は、ディジタルハーフトーン化ユニット５４によって行われる
。ハーフトーン化されたビットマップイメージデータは、イメージメモリ７２に
記憶される。プリンタおよびシステム構成によって、イメージメモリ７２は全ペ
ージメモリであったり、バンドメモリであったりする。ヒータ制御回路７１は、
イメージメモリ７２からデータを読み取り、印刷ヘッド５０の一部であるノズル
ヒータ（図１（ｂ）の１０３）に、時変電気パルスを送る。上記パルスは適当な
時間に、適当なノズルに送られ、その結果、選択されたインク粒子は、イメージ
メモリ７２のデータによって指定された、記録媒体５１上の適当な場所に点を形
成する。
記録媒体５１は、マイクロコントローラ３１５によって制御されている、ペー
パー移動制御システム６６によって電子的に制御されている、ペーパー移動シス
テム６５によって、ヘッド５０に対して移動する。図１（ａ）に示すペーパー移
動システムはその略図にしか過ぎず、多くの異なる機械的構成を使用することが
できる。ページ幅印刷ヘッドの場合には、記録媒体５１を、定置型のヘッド５０
に接触させながら移動させるのが最も便宜的な方法である。しかし、走査印刷シ
ステムの場合には、相互にラスタ動作が行われるように、普通ヘッド５０を軸（
サブ走査方向）上にそって移動し、記録媒体５１を直行軸（主走査方向）にそっ
て移動するのが最も便宜的な方法である。マイクロコントローラ３１５は、また
インク圧レギュレータ６３およびヒータ制御回路７１を制御することができる。
表面張力の低減を利用する印刷の場合には、インクは圧力が掛けられた状態で
インクタンク６４に収容されている。（インク粒子が排出されない）静止状態の
場合には、インク圧は表面張力に打ち勝って、インク粒子を排出するほどまだ十
分高くない。インク圧レギュレータ６３の制御の下で、インクタンク６４に圧力
を加えることによって、インクに一定の圧力を加えることができる。別の方法と
しては、大型の印刷システムの場合には、ヘッド５０上の適当な高さのところに
、インクタンク６４のインク頂面を設定することによって、インク圧を非常に正
確に発生し、制御することができる。インクレベルは、簡単なフロート弁（図示
せず）により調整することができる。
粘度の低減を利用する印刷の場合には、インクはインクタンク６４に収容され
ていて、インク圧は振動により与えられる。この振動を発生するための手段とし
ては、インクチャネル（図示せず）に実装されている圧電アクチュエータを使用
することができる。
インク粒子分離手段と共に適当に配置すれば、選択されたインク粒子は、記録
媒体５１上に点を形成し、一方、選択されなかったインク粒子はインク本体の一
部として残る。
インクは、インクチャネル装置７５によって、ヘッド５０の背面に分配される
。インクは、好適にはヘッド５０のシリコン基板に彫られたスロットおよび／ま
たは孔部を通って、ノズルおよびアクチュエータが設置されている前面に流れる
ことが好ましい。熱的選択が行われる場合には、ノズルアクチュエータは、電熱
ヒータである。
本発明のある種のタイプのプリンタの場合には、選択されたインク粒子をイン
ク本体から確実に分離し、記録媒体５１の方向に確実に移動させるのに、外部電
界７４が必要になる。インクは容易に電導性を持つことができるので、手ごろな
外部電界７４として、定電界を使用することができる。この場合、ペーパーガイ
ドまたはプラテン６７を、電導性の材料で作ることができ、電界を発生する一つ
の電極として使用することができる。もう一方の電極としては、ヘッド５０自身
を使用することができる。他の実施形態は、選択されたインク粒子と選択されな
かったインク粒子とを区別するための手段として、印刷媒体の近接を使用してい
る。
小さなインク粒子の場合には、インク粒子に掛かる重力は非常に小さい。すな
わち、表面張力の約１０-4で、ほとんどの場合、重力は無視することができる。
このため、印刷ヘッド５０および記録媒体５１を、局部的な重力の場に対して任
意の方向に向けることができる。このことはポータブル型のプリンタにとって、
重要な要件である。
図１（ｂ）は、修正ＣＭＯＳプロセスを使用して製造した、本発明の単一の顕
微鏡的ノズルチップの実施形態の断面の詳細な拡大図である。ノズルは基板１０
１に彫られていて、この基板はシリコン、ガラス、金属または他の任意の適当な
材料で作ることができる。基板が半導体でない材料でできている場合には、（無
定型シリコンのような）半導体材料を基板上に配置して、表面に半導体層に集積
駆動トランジスタおよびデータ分配回路を形成することができる。単結晶シリコ
ン（ＳＣＳ）基板は、下記に記載する利点を含めて、いくつかの利点を持つ。
１）高性能の駆動トランジスタ、および他の回路をＳＣＳ内に作ることができる
。
２）標準ＶＬＳＩ処理装置を使用して、現在の施設（工場）で印刷ヘッドを作る
ことができる。
３）ＳＣＳは機械的強度および剛性が高い。
４）ＳＣＳは高い熱伝導性を持つ。
この例の場合には、ノズルは円筒形をしていて、環状のヒータ１０３を持つ。
ノズルチップ１０４は、ＣＭＯＳ駆動回路の形成過程中に形成された二酸化シリ
コン層から作られている。ノズルチップは、窒化シリコン膜で保護されている。
突出しているノズルチップは、印刷ヘッド表面上の圧力が掛かっているインク１
００の接触点を制御している。印刷ヘッドの表面も、印刷ヘッドの前面を横切っ
て、不必要にインクが広がらないように疎水化されている。
多くの他の構成のノズルを使用することができ、本発明のノズルの実施形態の
形、大きさおよび使用材料をいろいろに変えることができる。その上にヒータお
よび駆動エレクトロニクスが形成されている基板に彫られたモノリシックなノズ
ルは、オリフィス板を必要としないという利点を持つ。オリフィス板を使用しな
いですむので、製造およびを組立の際のコストを有意に節減することができる。
オリフィス板を使用しないですむ最近の方法としては、ゼロックスに譲渡された
堂本他の１９８６年の米国特許第４、５８０、１５８号、ヒューレット−パッカ
ード社に譲渡されたミラー他の１９９４年の米国特許第５、３７１、５２７号に
記載されている方法のような「渦巻」アクチュエータ等がある。しかし、これら
の方法は、動作が複雑で、製造が難しい。本発明の印刷ヘッド用のオリフィス板
を使用しない好適な方法は、アクチュエータの基板内にオリフィスを内蔵させて
いる。
このタイプのノズルは、インク粒子を分離するために種々の技術を使用してい
る印刷ヘッドに対して使用することができる。
静電インク粒子分離を使用する動作
最初の例として、図２に表面張力の熱による低減および静電式インク粒子分離
を使用する動作を示す。
図２は、米国、イリノイ州所在のフルイドダイナミック社が販売している商業
的な流体の動的シミュレーションソフトウエアパッケージであるＦＩＤＡＰを使
用して行ったエネルギーの移動および流体の動的シミュレーションの結果を示す
。このシミュレーションは、周囲温度が３０℃の場合の、直径が８ミクロンの熱
的インク粒子選択ノズルの実施形態についてのものである。ヒータに供給された
全エネルギーは、２７６ｎＪで、それぞれが４ｎＪのエネルギーを持つ６９のパ
ルスによって与えられる。インク圧は、周囲の空気圧より１０ｋＰａ高く、３０
℃のインクの粘度は１．８４ｃＰｓであった。インクは水をベースとするもので
、温度が上昇するにつれて、表面張力を大きく低下させるために、０．１％のパ
ルミチン酸のゾルを含む。図に示すように、ノズルの中心軸から半径方向へのノ
ズルチップの断面の長さは４０ミクロンである。シリコン、窒化シリコン，アモ
ルファス二酸化シリコン、結晶状二酸化シリコンを含むノズル材料内、および水
をベースとするインク中を流れる熱を、それぞれの密度、熱容量、および熱伝導
性を使用してシミュレートした。シミュレーションの時間的ステップは０．１マ
イクロ秒である。
図２（ａ）は、ヒータが作動する直前の静止状態を示す。平衡状態にあり、そ
のため静止状態の場合には、インク圧プラス外部電界は、絶対に、周囲温度での
表面張力に打ち勝つことができないので、ノズルからインクが噴出しない。静止
状態の場合には、インクのメニスカスは、印刷ヘッドの表面より有意に突出しな
いので、そのため静電界はメニスカスに有意に集中しない。
図２（ｂ）は、ヒータ加熱パルスの供給が開始してから５マイクロ秒後の５℃
間隔の等温線を示す。ヒータが加熱すると、ノズルチップと接触しているインク
は急速に加熱される。表面張力が低下すると、メニスカスの加熱された部分が冷
たいインクのメニスカスに対して急速に膨張する。この状況下では、対流が起こ
り、この対流がこの熱をノズルチップのインクの自由面の一部上を通して急速に
移動させる。この場合、熱をインクがヒータと接触していないところを通して分
配しないで、インクの表面上を通して分配する必要がある。なぜなら、固体のヒ
ータに対して粘り気のあるインクが伝わると、ヒータと直接接触しているインク
が移動できなくなるからである。
図２（ｃ）は、ヒータ加熱パルスの供給が開始してから、１０マイクロ秒後の
５℃毎の等温線を示す。温度が上昇すると、表面張力が低下し、力の平衡状態が
破れる。全メニスカスが加熱されると、インクが流れ始める。
図２（ｄ）は、ヒータ加熱パルスの供給が開始してから、２０マイクロ秒後の
５℃毎の等温線を示す。インク圧により、インクが新しいメニスカス部分に流れ
、印刷ヘッドから突き出る。静電界は、突き出た電導性のインク粒子によって集
中する。
図２（ｅ）は、ヒータ加熱パルスの供給が開始してから、３０マイクロ秒後の
５℃毎の等温線を示す。ヒータパルスの持続時間は２４マイクロ秒であるので、
この等温線はヒータパルスの終了後６マイクロ秒のものである。ノズルチップは
、酸化層を通しての熱伝導、および流動中のインクへの熱伝導により急速に冷却
する。ノズルチップは、インクにより効果的に水冷される。静電誘引により、イ
ンク粒子の記録媒体へ向かっての加速が開始される。ヒータパルスが有意に短く
なると（この場合は、１６マイクロ秒以下になると）、インクは印刷媒体の方向
に加速されず、ノズルの方向に戻る。
図２（ｆ）は、ヒータパルスの供給が終了してから、２６マイクロ秒後の５℃
毎の等温線を示す。ノズルチップの温度は、周囲温度と比較した高さが５℃以下
になる。これにより、ノズルチップ周囲の表面張力が増大する。ノズルからイン
クが引き出される速度が、ノズルを通してのインクの流れの粘度による制限値を
超えると、ノズルチップの領域内のインクが「くびれ」を起こし、選択されたイ
ンク粒子がインク本体から分離する。その後、選択されたインク粒子は、外部の
静電界の影響を受けながら、記録媒体に向かって移動する。その後、ノズルチッ
プのインクのメニスカスは、静止位置に戻り、次の加熱パルスに対して次のイン
ク粒子を選択する準備が整う。各加熱パルスに対して、一つのインク粒子が選択
され、分離され、記録媒体上に点を形成する。加熱パルスは電気的に制御されて
いるので、ドロップオンデマンドインクジェット動作を行うことができる。
図３（ａ）は、ヒータ加熱パルスの供給が開始されてから５マイクロ秒毎の、
インク粒子選択サイクル中の連続メニスカスの位置を示す。
図３（ｂ）は、メニスカスの中心の点の移動を示す、メニスカスの位置対時間
のグラフである。ヒータパルスはシミュレーションが開始してから１０秒後にス
タートする。
図３（ｃ）は、時間の経過中の、ノズルのいろいろな点での温度の合成曲線で
ある。グラフの垂直軸は１００℃単位の温度である。グラフの水平軸は、１０マ
イクロ秒単位の時間である。図３（ｂ）の温度曲線は、０．１マイクロ秒毎にＦ
ＩＤＡＰにより計算したものである。局部的な周囲温度は３０℃である。三つの
点での温度履歴を示す。
Ａ−ノズルチップ：不動態化層、インクおよび空気の間の接触円の温度履歴で
ある。
Ｂ−メニスカスの中間点：ノズルチップとメニスカスの中心との間のインクメ
ニスカスの中間点上の円である。
Ｃ−チップ表面：ノズルの中心から２０ミクロン離れた、印刷ヘッドの表面上
の点である。温度は数度しか上がらない。このことは、能動回路をノズルに非常
に接近して設置しても、温度上昇による性能または寿命の劣化は起こらないこと
を示している。
図３（ｅ）は、ヒータに加えられる電力を示す。最適な動作を行うには、ヒー
タパルスの供給が開始されたときに、温度が急速に上昇しなければならず、パル
スが持続している時間、温度をインクの沸点より少し低い温度に維持する必要が
あり、またパルスの供給が停止された場合には、温度が急速に低下しなければな
らない。そうするために、ヒータに供給される平均エネルギーを、パルスの持続
時間中変動させる。この場合、上記変動は、それぞれが４ｎＪのエネルギーを持
つ、０．１マイクロ秒のサブパルスをパルス周波数変調することによって行われ
る。ヒータに供給されるピーク電力は４０ミリワットで、ヒータパルスの持続時
間中の平均電力は、１１．５ミリワットである。この場合、サブパルス周波数は
５Ｍｈｚである。この周波数は、印刷ヘッドの動作に有意な影響を与えずに、簡
単に変化させることができる。もっと高いサブパルス周波数を使用すれば、ヒー
タに供給される電力をもっと細かく調整することができる。サブパルス周波数と
しては、１３．５Ｍｈｚが適当である。何故なら、この周波数はまた無線周波数
の干渉（ＲＦＩ）の影響を最低限度に抑えるのに適しているからである。
インク
図３（ｄ）は、下記の添加剤を含む種々の水性調剤の表面張力に対する測定効
果を示す。
１）アテアリン酸の０．１％ゾル
２）パルミチン酸の０．１％ゾル
３）プルロン酸１０Ｒ５の０．１％溶液（商標：ＢＡＳＦ）
４）プルロン酸Ｌ３５の０．１％溶液（商標：ＢＡＳＦ）
５）プルロン酸Ｌ４４の０．１％溶液（商標：ＢＡＳＦ）
本発明の印刷システムに適するインクは、その開示内容が参考文献として本明
細書に記載されている下記のオーストラリア特許明細書に開示されている。
「マイクロ乳剤に基づくインク組成物」（１９９５年９月６日出願、出願番号
：ＰＮ５２２３）
「界面活性剤ゾルを含むインク組成物」（１９９５年９月６日出願、出願番号
：ＰＮ５２２４）
「インク粒子選択温度ゾルに近いクラフト点を持つ、ＤＯＤプリンタ用のイン
ク組成物」（１９９５年１０月３０日出願、出願番号：ＰＮ６２４０）
「マイクロ乳剤をベースとする、インクの染料および顔料」（１９９５年１０
月３０日出願、出願番号：ＰＮ６２４１）
粘度の低下を使用する動作
二番目の例として、高温溶融インクと組み合わせて、粘度の熱的低下および近
接インク粒子選択を使用する実施形態の動作を以下に説明する。プリンタを作動
する前に、インクタンク６４内で固体のインクの溶融が行われる。インクタンク
、印刷ヘッドへのインクの通路、インクチャネル７５および印刷ヘッド５０は、
インク１００が液状になっているが、比較的粘度が高い（例えば、約１００ｃＰ
）状態に保持される温度に保たれる。インク１００は、インクの表面張力により
ノズル中に保持される。インク１００は、温度が上昇するにつれて粘度が下がる
ように調製される。インク圧は、ノズルからのインク粒子排出周波数の整数倍の
周波数で変動する。インク圧が変動するので、ノズルチップのインクのメニスカ
スは変動するが、インクの粘度が高いのでこの変動は小さい。通常の動作温度で
は、この変動はインク粒子を分離させるには不十分な振幅しか持っていない。ヒ
ータ１０３をオンにすると、選択されたインク粒子を形成するインクが加熱され
、粘度が好適には５ｃＰ以下であることが好ましい数値まで下がる。粘土が低下
すると、その結果として、インク圧サイクルの高圧部分の間に、インクのメニス
カスはさらに移動する。記録媒体５１は、選択されたインク粒子が、記録媒体５
１に接触するには印刷ヘッド５０に十分に近接して配置されているが、選択され
なかったインク粒子が、記録媒体５１に接触しないように、十分な距離を置いて
設置されている。記録媒体５１と接触すると、選択されたインク粒子の一部がフ
リーズし、記録媒体に付着する。インク圧が下がると、インクはノズルに戻り始
める。インク本体は記録媒体上にフリーズするインクから分離している。その後
、ノズルチップのインク１００のメニスカスは、低い変動振幅に戻る。残りの熱
がバルクインクおよび印刷ヘッドに逃げるので、インクの粘度は静止時のレベル
まで上がる。一つのインク粒子が選択され、分離され、各ヒートパルス毎に記録
媒体５１上に点を形成する。ヒートパルスは電気的に制御されているので、ドロ
ップオンデマンドインクジェット動作を行うことができる。
印刷ヘッドの製造
本発明のモノリシック印刷ヘッドの製造プロセスは、その開示内容が参考文献
として本明細書に記載されている、１９９５年４月１２日出願の下記のオースト
ラリア特許明細書に記載されている。
「モノリシックＬＩＦＴ印刷ヘッド」（出願番号：ＰＮ２３０１）
「モノリシックＬＩＦＴ印刷ヘッド用の製造プロセス」（出願番号：ＰＮ２３
０２）
「ＬＩＦＴ印刷ヘッド用の自己整合ヒータ」（出願番号：ＰＮ２３０３）
「集積４色ＬＩＦＴ印刷ヘッド」（出願番号：ＰＮ２３０４）
「モノリシックＬＩＦＴ印刷ヘッドでの電力要件の軽減」（出願番号：ＰＮ２
３０５）
「異方性ウエットエッチングを使用する、モノリシックＬＩＦＴ印刷ヘッドの
ための製造プロセス」（出願番号：ＰＮ２３０６）
「モノリシックドロップオンデマンド印刷ヘッドへのノズルの設置」（出願番
号：ＰＮ２３０７）
「モノリシックＬＩＦＴ印刷ヘッド用のヒータ構造体」（出願番号：ＰＮ２３
４６）
「モノリシックＬＩＦＴ印刷ヘッド用の電源接続」（出願番号：ＰＮ２３４７
）
「近接ＬＩＦＴ印刷ヘッド用の外部接続」（出願番号：ＰＮ２３４８）
「モノリシックＬＩＦＴ印刷ヘッド用の自己整合製造プロセス」（出願番号：
ＰＮ２３４９）
「ＬＩＦＴ印刷ヘッドのＣＭＯＳプロセス互換製造」（１９９５年９月６日出
願、出願番号：ＰＮ５２２２）
「ノズルリムヒータ付き、ＬＩＦＴ印刷ヘッド用の製造プロセス」（１９９５
年１０月３０日出願、出願番号：ＰＮ６２３８）
「モジューラＬＩＦＴ印刷ヘッド」（１９９５年１０月３０日出願、出願番号
：ＰＮ６２３７）
「印刷ノズルのパッキング密度を増大する方法」（１９９５年１０月３０日出
願、出願番号：ＰＮ６２３６）
「同時にプリントされるインク粒子間の低減静電相互作用のノズル分散」（１
９９５年１０月３０日出願、出願番号：ＰＮ６２３９）
印刷ヘッドの制御
本発明のページイメージデータを供給し、印刷ヘッドのヒータ温度を制御する
方法は、その開示内容が参考文献として本明細書に記載されている、１９９５年
４月１２日出願の下記のオーストラリア特許明細書に記載されている。
「ＬＩＦＴ印刷ヘッドの集積駆動回路」（出願番号：ＰＮ２２９５）
「液体インク故障許容（ＬＩＦＴ）印刷用のノズル清掃手順」（出願番号：Ｐ
Ｎ２２９４）
「ＬＩＦＴ印刷システムの温度に対するヒータ電力補償」（出願番号：ＰＮ２
３１４）
「ＬＩＦＴ印刷システムの熱的遅れに対するヒータ電力補償」（出願番号：Ｐ
Ｎ２３１５）
「ＬＩＦＴ印刷システムの印刷密度に対するヒータ電力補償」（出願番号：Ｐ
Ｎ２３１６）
「印刷ヘッドの温度パルスの正確な制御」（出願番号：ＰＮ２３１７）
「モノリシックＬＩＦＴ印刷ヘッドのデータ分配」（出願番号：ＰＮ２３１８
）
「ＬＩＦＴ印刷システム用のページイメージおよび故障許容ルーティング装置
」（出願番号：ＰＮ２３１９）
「ＬＩＦＴ印刷ヘッド用の取り外し可能な圧力下の液体インクカートリッジ」
（出願番号：ＰＮ２３２０）
印刷ヘッド用のイメージ処理
本発明の印刷システム一つの目的は、オフセット印刷を使用して印刷した、人
々が高品質のカラー刊行物で見慣れているのと、同じ高品質の印刷を行うことで
ある。この目的は、約１，６００ｄｐｉの印刷解像度を使用することによって、
達成することができる。しかし、１，６００ｄｐｉ印刷は、印刷が難しく、高価
である。シアンおよびマジェンタに対して、ピクセル当たり２ビットを使用し、
黄および黒に対してピクセル当たり１ビットを使用して、８００ｄｐｉ印刷を使
用すれば、同じような高品質の印刷を行うことができる。本明細書では、このカ
ラーモデルをＣＣ’ＭＭ’ＹＫと呼ぶ。高品質のモノクロイメージの印刷が必要
な場合には、黒に対して、ピクセル当たり２ビットを使用することができる。本
明細書では、このカラーモデルをＣＣ’ＭＭ’ＹＹＫ’と呼ぶ。本発明のシステ
ムおよび他の印刷システムに適するカラーモデル、ハーフトーン化、データ圧縮
、およびリアルタイム拡張システムは、その開示内容が参考文献として、本明細
書に記載されている、１９９５年４月１２日出願の下記のオーストラリア特許明
細書に記載されている。
「２レベルカラー印刷用の４レベルインクセット」（出願番号：ＰＮ２３３９
）
「ページイメージ用の圧縮システム」（出願番号：ＰＮ２３４０）
「圧縮ページイメージ用のリアルタイム拡張装置」（出願番号：ＰＮ２３４１
）
「ディジタルカラープリンタ用の大容量圧縮文書イメージ」（出願番号：ＰＮ
２３４２）
「テキスト存在中の改良ＪＰＥＧ圧縮」（出願番号：ＰＮ２３４３）
「圧縮ページイメージ用の拡張およびハーフトン化装置」（出願番号：ＰＮ２
３４４）
「イメージのハーフトーン化の改良」（出願番号：ＰＮ２３４５）
本発明の印刷ヘッドを使用する出願
本発明の印刷装置および方法は、下記の広い範囲の用途に適しているが、（こ
れに限定されない）。オフィスでのカラーおよびモノクロ印刷；短期間のディジ
タル印刷；高速ディジタル印刷；プロセスカラー印刷；スポットカラー印刷；オ
フセットプレス補足印刷；走査印刷ヘッドを使用する低コストプリンタ；ページ
幅の印刷ヘッドを使用する高速プリンタ；ポータブル型のカラーおよびモノクロ
プリンタ；カラーおよびモノクロ複写機；カラーおよびモノクロファクシミリ；
プリンタ、ファクシミリおよび複写機一体型マシン；ラベル印刷；大型書式プロ
ッタ；写真複写；ディジタル写真処理用プリンタ；ディジタル「インスタント」
カメラに組み込まれたポータブルプリンタ；ビデオ印刷；光学ＣＤイメージの印
刷；「個人用ディジタルアシスタント」用ポータブルプリンタ；壁紙印刷；室内
看板印刷；掲示板印刷；および布地印刷
本発明の印刷システムは、その開示内容が参考文献として、本明細書に記載さ
れている、１９９５年４月１２日出願の下記のオーストラリア特許明細書に記載
されている。
「大容量ディジタルページイメージ記憶装置を備えた、オフィス用高速カラー
プリンタ」（出願番号：ＰＮ２３２９）
「大容量ディジタルページイメージ記憶装置を備えた、短期間ディジタルカラ
ープリンタ」（出願番号：ＰＮ２３３０）
「ＬＩＦＴ印刷技術を使用するディジタルカラー印刷機」（出願番号：ＰＮ２
３３１）
「モジュラディジタル印刷機」（出願番号：ＰＮ２３３２）
「高速ディジタル布地プリンタ」（出願番号：ＰＮ２３３３）
「カラー写真コピーシステム」（出願番号：ＰＮ２３３４）
「ＬＩＦＴ印刷システムを使用する、高速カラー写真複写機」（出願番号：Ｐ
Ｎ２３３５）
「ＬＩＦＴ印刷技術を使用する、ポータブルカラー写真複写機」（出願番号：
ＰＮ２３３６）
「ＬＩＦＴ印刷技術を使用する、写真処理システム」（出願番号：ＰＮ２３３
７）
「ＬＩＦＴ印刷システムを使用する、普通紙ファクシミリ」（出願番号：ＰＮ
２３３８）
「内蔵プリンタ付きの写真ＣＤシステム」（出願番号：ＰＮ２２９３）
「ＬＩＦＴ印刷技術を使用する、カラープロッタ」（出願番号：ＰＮ２２９１
）
「内蔵ＬＩＦＴ印刷システムを備えた、ノートブックコンピュータ」（出願番
号：ＰＮ２２９２）
「ＬＩＦＴ印刷システムを使用する、ポータブルプリンタ」（出願番号：ＰＮ
２３００）
「オンラインデータベース質問、およびカスタム化されたマガジン印刷付きの
ファクシミリ」（出願番号：ＰＮ２２９９）
「ミニアチュアポータブルカラープリンタ」（出願番号：ＰＮ２２９８）
「ＬＩＦＴ印刷システムを使用する、カラービデオプリンタ」（出願番号：Ｐ
Ｎ２２９６）
「ＬＩＦＴ印刷システムを使用する、内蔵プリンタ、複写機、スキャナおよび
ファクシミリ」（出願番号：ＰＮ２２９７）
環境条件に対する印刷ヘッドの補償
ドロップオンデマンド印刷システムのインク粒子は、一定で予測することがで
きる大きさと位置を持っていることが望ましい。インク粒子の大きさおよび位置
が不必要な変動を起こすと、それにより印刷の光学的密度が変動し、目に映る印
刷の品質が劣化する。上記変動は通常のインク粒子の量およびピクセルの間隔に
関して、それぞれ小さなものでなければならない。多くの環境変数の影響を無視
することができる程度にまで低減するために、それら環境変数を補償することが
できる。ノズルヒータに供給される電力を変化させることによって、いくつかの
要因の能動的補償を行うことができる。
印刷ヘッドの一実施形態の最適の温度分布は、ノズルチップのアクティブ領域
の放出温度への瞬間的な温度上昇、パルスの持続時間中この領域を放出温度に維
持すること、およびこの領域の周囲温度への瞬間的な温度降下を含む。
この最適状態は、本発明のノズルの製造に使用される種々の材料の蓄積熱容量
および熱伝導度により、達成することができない。しかし、印刷ヘッドの有限要
素シミュレーションを反復修正することによって得ることができる曲線を使用し
て、電力パルスを整形することにより、性能を改善することができる。ヒータに
供給される電力は、下記のものを含むが、それに限定されない種々の技術によっ
て、丁度良いときに変更することができる。
１）ヒータに供給される電圧の変化
２）一連の短いパルスの幅の変調（ＰＷＭ）
３）一連の短いパルスの周波数の変調（ＰＦＭ）
正確な結果を得るためには、自由面のモデル化による遷移流体動的シミュレー
ションを行う必要がある。何故なら、インク内の対流およびインクの流れが、特
定の電力曲線により達成した温度に有意の影響を与えるからである。
印刷ヘッド基板上に適当なディジタル回路を組み込むことによって、各ノズル
に供給される電力を実際に個々に制御することができる。この制御を行う一つの
方法は、印刷ヘッドチップを横切って、種々の異なるディジタルパルストレイン
を「広く伝播し」、多重化回路を使用して、各ノズルに対して適当なパルストレ
インを選択するという方法である。
以下の「環境要因に対する補償」表に、補償することができる環境要因の一例
を示す。この表は、（合成多重チップ印刷ヘッド内の各チップに対して）チップ
毎、およびノズル毎の、（印刷ヘッド全体に対して）どの環境要因が全体として
最もよく補償することができるかを示す。
大部分の用途の場合、これら変数全体を補償する必要はない。ある変数の持つ
影響は少なく、非常に高いイメージの品質が必要な場合にだけ、補償する必要が
ある。
印刷ヘッド駆動回路
図４は、本発明の印刷ヘッド駆動回路の一例の電子的動作を示す、ブロック図
である。この制御回路は、ヒータ電力変調を行うために、印刷ヘッドに加えられ
る電源電圧のアナログ変調を使用し、各ノズルに供給される電力の個々の制御は
行わない。図４は、ＣＣ’ＭＭ’ＹＫカラーモデルを使用して、プロセスカラー
を印刷する８００ｄｐｉページ幅印刷ヘッドを使用する、システムのブロック図
を示す。印刷ヘッド５０は、全部で７９、４８８のノズルを持ち、そのうち３９
、７４４は主ノズルであり、３９，７４４は冗長ノズルである。主ノズルおよび
冗長ノズルは、六色に分けられ、各色は８つの駆動相に分けられる。各駆動相は
、ヘッド制御ＡＳＩＣ４００からのシリアルデータを、ヒータ駆動回路をイネー
ブルするためのパラレルデータに変換する、シフトレジスタを有する。全部でシ
フトレジスタの数は９６であり、各シフトレジスタは、８２８のノズルに対して
データを供給する。各シフトレジスタは、８２８のシフトレジスタ段２１７から
なり、その出力は、ＮＡＮＤゲート２１５によって、相イネーブル信号と論理積
される。ＮＡＮＤゲート２１５の出力は、反転バッファ２１６を駆動し、反転バ
ッファは、駆動トランジスタ２０１を制御する。駆動トランジスタ２０１は、電
熱ヒータ２００を作動させるが、この電熱ヒータとしては、図１（ｂ）に示すヒ
ータ１０３を使用することができる。イネーブルパルス中、シフトしたデータを
有効に維持するには、シフトレジスタへのクロックを停止し、クロックストッパ
２１８によりイネーブルパルスがアクティブになる。図面を見やすくするために
、このクロックストッパは一つのゲートで図示してあるが、好適には、任意の範
囲のグリッチフリークロック制御回路であることが好ましい。シフトレジスタの
クロックを停止させると、印刷ヘッド内でパラレルデータラッチに対する要件が
必要でなくなるが、ヘッド制御ＡＳＩＣ ４００内の制御回路が幾分複雑になる
。データは、故障状態バスの適当な信号の状態に従って、データルータ２１９に
より、主ノズルまたは冗長ノズルに送られる。
図４に示す印刷ヘッドは、単純化したもので、ブロック故障許容のような生産
性を改善するための種々の手段は図示されていない。異なる構成の印刷ヘッド用
の駆動回路は、本明細書に開示してある装置から容易に作ることができる。
記録媒体上に印刷するドットのパターンを表すディジタル情報は、図１（ａ）
のイメージメモリ７２と同じものであってもよい、ページまたはバンドメモリ１
５１３内に記憶される。単色のドットを表す３２ビット語内に含まれるデータは
、アドレスマルチプレクサ４１７によって選ばれたアドレスおよびメモリインタ
フェース４１８が発生した制御信号により、ページまたはバンドメモリ１５１３
から読み出される。上記アドレスは、アドレス発生装置４１１により発生し、こ
のアドレス発生装置は、「パーカラー回路」４１０の一部を形成し、６色の構成
部分のそれぞれに対して一つの回路が使用されている。アドレスは、印刷ヘッド
に対するノズルの位置に基づいて発生する。ノズルの相対的な位置は、印刷ヘッ
ドが異なると違ってくるので、アドレス発生装置４１１は、好適にはプログラム
可能であることが好ましい。アドレス発生装置４１１は、通常主ノズルの位置に
対応するアドレスを発生する。しかし、欠陥のあるノズルがある場合には、欠陥
を持つノズルのブロックの位置を、欠陥マップＲＡＭ４１２内にマークすること
ができる。欠陥マップＲＡＭ４１２は、ページが印刷されるときに読み出される
。メモリがノズルのブロックに欠陥があることを示している場合には、アドレス
発生装置４１１が、冗長ノズルの位置に対応するアドレスを発生するように、ア
ドレスの変更が行われる。ページまたはバンドメモリ１５１３から読みき出され
たデータは、ラッチ４１３によりタッチされ、マルチプレクサ４１４によって四
つのシーケンシャルなバイトに変換される。これらのバイトのタイミングは、Ｆ
ＩＦＯ４１５により、他の色を表すデータのタイミングと整合するように調整さ
れる。その後、このデータは、バッファ４３０によりバッファされ、印刷ヘッド
５０への４８ビットの主データバスを形成する。印刷ヘッドが、ヘッド制御ＡＳ
ＩＣから比較的遠い場所に位置している場合、データはバッファされる。欠陥マ
ップＲＡＭ４１２からのデータも、ＦＩＦＯ４１６に対する入力を形成する。こ
のデータのタイミングは、ＦＩＦＯ４１５のデータ出力と整合され、バッファ４
３１によってバッファされ、欠陥状態バスを形成する。
プログラム可能な電源３２０は、印刷ヘッド５０に対して電力を供給する。電
源３２０の電圧は、ＲＡＭとＤＡＣとの組み合わせ（ＲＡＭＤＡＣ）３１６の一
部を形成している、ＤＡＣ３１３によって制御される。ＲＡＭＤＡＣ３１６は、
二重ポートＲＡＭ３１７を含む。二重ポートＲＡＭ３１７の内容は、マイクロコ
ントローラ３１５によってプログラムされる。温度は、二重ポートＲＡＭ３１７
の内容を変更することによって補償される。上記数値は、熱センサ３００によっ
て感知された温度に基づいて、マイクロコントローラ３１５によって計算される
。熱センサ３００からの信号は、アナログ−ディジタルコンバータ（ＡＤＣ）３
１１に送られる。ＡＤＣ３１１は、好適にはマイクロコントローラ３１５内に設
置することが好ましい。
ヘッド制御ＡＳＩＣ４００は、熱的遅れ補償および印刷密度に対する制御回路
を含む。熱的遅れの補償を行うには、ヘッド５０への電源電圧は、ヒータに対す
るイネーブルパルスと同期している急速な時変電圧でなければならない。このこ
とは、上記電圧を発生するためのプログラム可能な電源３２０を、プログラムす
ることによって行われる。アナログ時変プログラミング電圧は、二重ポートＲＡ
Ｍ３１７から読み出されたデータに基づいて、ＤＡＣ３１３が発生する。データ
は、カウンタ４０３が発生したアドレスに従って読み出される。カウンタ４０３
は、一つのイネ−ブルパルスの周期の間に、アドレスの一つの完全なサイクルを
発生する。同期は確実に行われる。何故なら、カウンタ４０３は、システムクロ
ック４０８によってクロック制御され、カウンタ４０３の最大の数値はイネーブ
ルカウンタ４０４を、クロック制御するのに使用されるからである。その後、イ
ネーブルカウンタ４０４からのカウントは、デコーダ４０５によって解読され、
バッファ４３２によってバッファされ、ヘッド５０に対するイネーブルパルスが
発生する。カウントの状態の数が、一つのイネーブルパルス中のクロック周期の
数より少ない場合には、カウンタ４０３が、プリスケーラを含む場合がある。ヒ
ータの熱的遅れを正確に補償するには、１６の電圧状態を使用するのが適当であ
る。上記１６の電圧状態は、カウンタ４０３と二重ポートＲＡＭ３１７との間の
、４ビットの接続を使用して指定することができる。しかし、これらの１６の電
圧状態は、時間間隔を直線的にとることはできない。これら電圧状態の時間的間
隔を非直線的にしてもよいように、カウンタ４０３は、自らが非直線的にカウン
トすることができるように、ＲＯＭまたは他の装置を含むことができる。他の方
法としては、１６以下の電圧状態を使用することもできる。
印刷密度を補償するために、各イネーブル周期中に、（「オン」ピクセル）イ
ンク粒子が印刷されるピクセルの数をカウントして、印刷密度が検出される。「
オン」ピクセルは、オンピクセルカウンタ４０２によってカウントされる。８の
イネーブル相のそれぞれに対して、一つのオンピクセルカウンタ４０２が使用さ
れる。本発明の印刷ヘッド内のイネーブル相の数は、特定の設計による。相の数
が２の累乗である必要はないが、よく使用される数は４、８および１６である。
オンピクセルカウンタ４０２は、データのニブルのビットの中のいくつがオンに
なっているかを判断する、組み合わせ論理ピクセルで構成することができる。そ
の後、この数字は、加算器４２１およびアキュミュレータ４２２によって累算さ
れる。ラッチ４２３は、イネーブルパルスの持続時間申、累算された数値を有効
に保持する。マルチプレクサ４０１は、イネーブルカウンタ４０４によって決定
された、現在のイネーブル相に対応するラッチ４２３の出力を選択する。マルチ
プレクサ４０１の出力は、二重ポートＲＡＭ３１７の一部を形成する。「オン」
ピクセルの数の正確なカウントは必要ではなく、このカウントの最上位の四つの
ビットで十分である。
熱的遅れ補償アドレスの４ビットと、印刷密度補償アドレスの４ビットとを組
み合わせるということは、二重ポートＲＡＭ３１７は、８ビットのアドレスを持
つことを意味する。このことは、二重ポートＲＡＭ３１７は、二次元のアレーで
ある２５６の数字を含むことを意味する。これら二つの次元は、（熱的遅れ補償
に対する）時間と、印刷密度である。第三の次元、温度を含めることもできる。
印刷ヘッドの周囲温度は、ゆっくりとしか変化しないので、マイクロコントロー
ラ３１５は、現在の温度で熱的遅れおよび印刷密度を補償する２５６の数字のマ
トリックスを計算するのに十分な時間がある。周期的に（例えば、１秒間に数回
）、マイクロコントローラは、現在の印刷ヘッドの温度を感知し、このマトリッ
クスを計算する。
印刷ヘッド５０へのクロックは、ヘッドクロック発生装置４０７によって、シ
ステムクロック４０８から作られ、バッファ４０６によって、バッファされる。
ヘッド制御ＡＳＩＣの試験を容易にするために、ＪＴＡＧ試験回路４９９を含む
ことができる。
熱的インクジェット技術との比較
「熱的インクジェットと本発明との比較」の表には、本発明による印刷の種々
の態様と熱的インクジェット印刷技術との比較が行われている。
本発明と熱的インクジェット技術とを直接比較したのは、両方とも熱的アクチ
ュエータおよび液体インクを使用して動作するドロップオンデマンドシステムで
あるからである。両者は類似しているように見えるが、二つの技術は異なる原理
により動作している。
熱的インクジェットプリンタは、下記の基本的な動作原理を使用している。電
気抵抗加熱により発生した熱インパルスにより、液体インク中にバブルが突発的
に形成される。急速で継続的なバブルは、インクを過熱することによって形成さ
れ、その結果、バブルの形成が完了する以前に十分な熱がインクに伝えられる。
水をベースとするインクの場合には、インクの温度は約２８０−４００℃でなけ
ればならない。バブルが形成されると、圧力波が発生し、この圧力波によりイン
ク粒子は高速で開口から落下する。その後、バブルは壊れ、インクタンクから流
れ出るインクによりノズルは再び満たされる。ノズルの密集度が高いため、熱イ
ンクジェット印刷は商業的に非常な成功を収めた。熱インクジェットプリンタは
、下記のものを使用し、確立された集積回路製造技術を使用する。しかし、熱イ
ンクジェット印刷技術は、多くの部分を精密に製造しなければならないとか、装
置の歩留まり、イメージの解像度、「ペッパー」ノイズ、印刷速度、駆動トラン
ジスタ電力、無駄な電力消費、余分なインク粒子の形成、熱応力、不均一な熱膨
張、キャビテーション、修正拡散およびインク調整が難しいことなどのかなり困
難な技術的な問題に当面することになる。
本発明の印刷は、熱インクジェット印刷の多くの利点を持ち、熱インクジェッ
ト技術の特有の問題の多くを完全または実質的に解決している。
歩留まりおよび故障許容
ほとんどの場合、製造時に完全に機能しない時には、モノリシック集積回路は
修理することができない。ウェーハから生産される動作装置の動作する百分率を
歩留まりと呼ぶ。歩留まりは製造コストに直接影響する。歩留まりが５％の装置
は、歩留まりが５０％である同じ装置と比較すると、その生産コストは１０倍で
ある。
三つの重要な歩留まりの測定法がある。
１）製造歩留まり
２）ウェーハ選別歩留まり
３）最終試験歩留まり
大型のダイの場合は、全歩留まりに最も重大な影響を持つ、ウェーハ選別歩留
まりが通常使用される。本発明の全ページ幅カラー印刷ヘッドは、通常のＶＬＳ
Ｉ回路と比較すると非常に大きい。ウェーハ選別歩留まりがよいということが、
上記印刷ヘッドの製造のコストパフォーマンスに非常に重要なことである。
図５は、本発明のモノリシック全幅カラーＡ４ヘッドの実施形態の、ウェーハ
選別歩留まり対欠陥密度のグラフである。この印刷ヘッドは、長さが２１５ミリ
、幅が５ミリである。非故障許容歩留まり１９８は、広く使用されている歩留ま
り予測法であるマーフィー法を使用して計算する。欠陥密度が、１平方センチ当
たりの欠陥が一つであるという場合には、マーフィー法による歩留まりの予測は
１％以下である。このことは製造した印刷ヘッドの中の９９％を廃棄しなければ
ならないことを意味する。このような低い歩留まりは非常に望ましくない。何故
なら、印刷ヘッドの製造コストは、非常に高いからである。
マーフィー法は、欠陥の不均一の分布の影響を近似する。図５は、また欠陥ク
ラスタ化係数の導入により、欠陥の集合をはっきりとモデル化する非故障許容歩
留まり１９７のグラフである。欠陥クラスタ化係数は、製造の際に制御すること
ができるパラメータではなく、製造プロセスに特有なものである。製造プロセス
に関する欠陥クラスタ化係数は、約２であると予想することができ、この場合、
歩留まりの予測部分はマーフィー法とよく一致する。
歩留まりが低い場合の解決法は、チップ上に、欠陥のある機能ユニットと交換
するために使用する、冗長機能ユニットを設置することによって、故障許容を導
入する方法である。
メモリチップおよび大部分のウェーハスケール集積（ＷＳＩ）装置の場合には
、チップ上の冗長サブユニットの物理的な位置は重要ではない。しかし、印刷ヘ
ッドの場合には、冗長サブユニットは、一つまたはそれ以上の印刷アクチュエー
タを含むことができる。これらアクチュエータは、印刷中のページに対して空間
的に固定された位置関係に設置されていなければならない。欠陥を起こしたアク
チュエータの印刷位置と同じ位置に、ドットを印刷させるためには、冗長のアク
チュエータを、走査方向でない方向に移動させてはならない。しかし、欠陥のあ
るアクチュエータの代わりに、走査方向に移動する冗長アクチュエータを使用す
ることができる。冗長のアクチュエータが、欠陥のあるアクチュエータと同じ場
所にドットを必ず印刷するために、走査方向への移動を補償する目的で、冗長ア
クチュエータへのデータタイミングを変えることができる。
すべてのノズルを交換することができるようにするためには、完全な一組のス
ペアノズルがなければならない。これは冗長度が１００％であるということであ
る。１００％の冗長度を達成するには、通常二倍以上のチップ面積を必要とする
が、この場合、冗長ユニットを置き換える前の一次歩留まりが非常に大きく低下
し、故障許容の利点の大部分が失われてしまう。
しかし、本発明の印刷ヘッドの実施形態を使用すれば、印刷ヘッドチップの最
小の物理的寸法は、印刷されるページの幅、印刷ヘッドチップの脆さ、およびイ
ンクをチップの裏面に供給するインクチャネルの製造上の制限によって決まる。
Ａ４サイズの紙を印刷するための全幅、全カラーヘッドの最小の実用サイズは、
約２１５ミリ×５ミリである。１．５ミクロンのＣＭＯＳ製造技術を使用すれば
、チップ面積を有意に増大しないで、１００％の冗長度を達成することができる
。それ故、一次歩留まりを有意に下げないで、高いレベルの故障許容を実現する
ことができる。
装置に故障許容を導入した場合、標準の歩留まりの式を使用することはできな
い。上記式をそのまま使わずに、故障許容の機構および程度を、特別に分析し、
歩留まりの式に導入しなければならない。図５は、種々の形の故障許容を含む全
幅カラーＡ４印刷ヘッドに対する故障許容選別歩留まり１９９である。そのモデ
ル化は歩留まりの式に含まれている。このグラフは、欠陥の頻度および欠陥の集
中の関数としての予測歩留まりである。図５に示す歩留まりの予測は、故障許容
を完全に実行すると、ウェーハ選別歩留まりを、同一の製造条件の下で、１％以
下から９０％以上へと改善することができることを示している。このように歩留
まりを改善することにより、製造コストを係数１００だけ下げることができる。
数千の印刷ノズルを含む印刷ヘッドの歩留まりと信頼性を改善し、それにより
ページ幅の印刷ヘッドを実用化するために、故障許容の導入を強く勧める。しか
し、故障許容が本発明の本質的な部分であるとは考えてほしくない。
ドロップオンデマンド印刷システム内の故障許容は、その開示内容が本明細書
に参考文献として記載されている、１９９５年４月１２日出願の下記のオースト
ラリア特許明細書に記載されている。
「印刷機構の集積故障許容」（出願番号：ＰＮ２３２４）
「集積印刷ヘッドのブロック故障許容」（出願番号：ＰＮ２３２５）
「集積印刷ヘッドの故障許容用二重ノズル」（出願番号：ＰＮ２３２６）
「印刷ヘッドの欠陥ノズルの検出」（出願番号：ＰＮ２３２７）
「大容積ＬＩＦＴ印刷機の故障許容」（出願番号：ＰＮ２３２８）
印刷システムの実施形態
図６は、本発明の印刷ヘッドを使用するディジタル電子印刷システムの略図で
ある。この図は、記録媒体５１上に多数のインク粒子からなるイメージ６０を印
刷する、モノリシック印刷ヘッド５０である。上記媒体は、通常紙であるが、上
向き透明フィルム、クロス、またはインク粒子を受けつける多くの他の実質的に
平らな面でもよい。印刷されるイメージはイメージ源５２によって供給されるが
、このイメージとしては、ピクセルの二次元アレーに変換できる任意のタイプの
ものを使用することができる。通常のイメージ源は、イメージスキャナ、ディジ
タル的に記憶されたイメージ、アドービポストスクリプト、アドービポストスク
リプトレベル２またはヒューレット−パッカードＰＣＬ５のようなページ記述言
語（ＰＤＬ）でコード化されたイメージ、アップルクイックドロウ、アップルク
イックドローＧＸまたはマイクロソフトＧＤＩのような手続き呼出に基づくラス
タ化装置によって発生したページイメージ、またはＡＳＣＩＩのような電子形式
のテキストである。その後、イメージデータはイメージ処理システム５３によっ
て、特定の印刷システムに適するピクセルの二次元アレーに変換される。このイ
メージはカラーの場合もあり、モノクロの場合もあり、データは、通常イメージ
源および印刷システムの仕様に従って、ピクセル当たり１−３２ビットを持って
いる。ソースイメージがページ記述である場合には、イメージ処理システムは、
ラスタイメージプロセッサ（ＲＩＰ）を使用することができ、ソースイメージが
スキャナからのものである場合には、二次元イメージ処理システムを使用するこ
とができる。
連続トーンイメージが必要な場合には、ハーフトーン化システム５４が必要で
ある。適当なタイプのハーフトーン化は、分散形ドット配列ディザまたはエラー
拡散に基づいている。この目的に適しているものとしては、通常確率的スクリー
ニングまたは周波数変調スクリーニングと呼ばれる、上記ハーフトーン化システ
ムの種々のタイプのものがある。オフセット印刷に通常使用されるハーフトーン
化システム、すなわち、集合形ドット配列ディザは適していない。何故なら、こ
の技術を使用すると、有効なイメージ解像度が不必要に無駄になるからである。
ハーフトーン化システムの出力は、本発明による印刷システムの解像度を持つ、
二進法のモノクロまたはカラーイメージである。
二進法のイメージは、データシフトレジスタ５６に、正しい順序でピクセルデ
ータを供給する（図４のヘッド制御ＡＳＩＣ４００に内蔵できる）データ位相合
せ回路５５によって処理される。データを正しい順序に並べるには、ノズルの配
置および紙の動きを補償しなければならない。データがシフトレジスタ５６にロ
ードされると、そのデータはヒータ駆動回路５７にパラレルで送られる。正しい
タイミングで、駆動回路５７は、対応するヒータ５８を、パルス整形回路６１お
よび電圧レギュレータ６２によって発生した電圧パルスに電子的に接続する。ヒ
ータ５８は、ノズル５９の先端を加熱し、インクの物理的な特性を変化させる。
インク粒子６０は、ヒータ駆動回路に供給されたディジタルインパルスに対応す
るパターンで、ノズルから排出される。インクタンク６４内のインクの圧力は、
圧力レギュレータ６３によって調整される。選択されたインク粒子６０は、選択
されたインク粒子分離手段によって、インク本体から分離され、記録媒体５１と
接触する。印刷中、記録媒体５１は、紙移送システム６５によって、印刷ヘッド
５０に対して連続的に移動する。印刷ヘッド５０が、記録媒体５１の印刷領域全
体をカバーする幅を持っている場合には、記録媒体５１を一方向だけに移動させ
るだけでよく、印刷ヘッド５０を固定しておけばよい。より小型の印刷ヘッド５
０が使用される場合には、ラスタ走査システムを実行する必要がある。このこと
は、通常記録媒体５１を長手方向に移動させながら、印刷ヘッド５０を横方向に
走査することによって行うことができる。
単一モノリシック印刷ヘッド内の複数のノズル
オフィス用プリンタまたは写真複写装置のような装置内で使用するための新し
い印刷システムは、高速で印刷できることが望ましい。１分間に６０枚のＡ４ペ
ージ（１秒間に１ページ）という印刷速度が、一般に多くの用途に適した印刷速
度である。しかし、１分間に６０ページを電子制御印刷速度を達成するのは簡単
なことではない。
１ページを印刷するのに必要とする最短時間は、ページ上のドットの数に一つ
のドットを印刷するのに必要な時間を掛けたものを、同時に印刷できる各色のド
ット数で割ったものに等しい。
実現することができる画質は、映像を作成するのに使用することができるイン
クドットの全数で決まる。分散ドットディジタルハーフトーン化を使用する全カ
ラー高品質印刷の場合には、１インチ当たり約８００ドット（１ミリ当たり３１
．５ドット）が要求される。紙の上のドット間の間隔は３１．７５ミクロンであ
る。
標準Ａ４ページは、２１０ミリ×２９７ミリである。１ミリ当たり３１．５ド
ットの場合には、モノクロ全ブリードＡ４ページに対して６１，８８６，６３２
ドットが必要である。高品質プロセスカラー印刷の場合には、４色、すなわち、
シアン、マジェンタ、黄色および黒が必要である。それ故、必要な全ドット数は
２４７，５４６，５２８である。紙の縁部の狭いマージン内に印刷をしない場合
は、この数を幾分減らすことができるが、必要な全ドット数は、依然として非常
に多い。１ドットを印刷するのに要する時間が１４４マイクロ秒であり、一つの
色に使用されるノズルの数が一本だけだとすると、１枚のページを印刷するのに
２時間以上掛かることになる。
本発明の上記印刷システムを使用して、高速高品質の印刷を行うには、多くの
小さなノズルを持つ印刷システムが必要である。この印刷ヘッドの幅が紙の全幅
をカバーするものであれば、１秒間に１枚のカラーＡ４ページを、８００ｄｐｉ
の速度で印刷することができる。印刷ヘッドを固定しておいて、紙を１秒周期で
送ることもできる。幅２１０ミリの４色８００ｄｐｉ印刷ヘッドは、２６，４６
０個のノズルを必要とする。
このような印刷ヘッドは、２６，４６０本の能動ノズルと、２６，４６０本の
冗長（スペア）ノズルを持つことができ、その合計数は５２，９２０本になる。
シアン、マジェンタ、黄色および黒プロセスカラーのそれぞれに対する能動ノズ
ルの数は、６，６１５本である。
多数のノズルを持つ印刷ヘッドを、低コストで製造することができる。このよ
うな製造は、１枚のシリコンウェーハ内に、数千、数万のノズル同時に形成する
半導体製造プロセスを使用して行うことができる。印刷ヘッドをいくつかの部品
で製造し、それらを組み立てるという方法で製造した場合には、機械的な整合お
よび熱膨張のばらつきについての問題を解決しなければならないが、この印刷ヘ
ッドは１枚のシリコンから製造される。ノズルおよびインクチャネルは、エッチ
ングによりシリコン内に形成される。ヒータ素子は、電気抵抗を持つ材料を蒸着
させて、その後標準的な半導体製造プロセスを使用する写真石版印刷により形成
することができる。
数千のノズルを持つ印刷ヘッド上で必要とされる、多数の接続の数を減らすた
めに、データ分配回路および駆動回路も、同様に印刷ヘッド上に集積させること
ができる。
図７は、チップの背面から見た印刷ヘッドの一部の簡単な図であり、数本のノ
ズルの断面を示す。基板１２０は単一のシリコン結晶から作ることができる。ノ
ズル１２１は、例えば、半導体写真石版印刷および化学湿式エッチングまたはプ
ラズマエッチングプロセスにより、基板内に形成される。インクは、印刷ヘッド
の頂面にあるノズルから入り、基板を通って、ノズルチップ１２３から流出する
。ヒータおよび駆動回路のプレーナー製造は、ウェーハの下面上でなされる。す
なわち、この図においては、印刷ヘッドは、その上に能動回路が形成される表面
に対して「上下を反対にした」形で図示されている。基板の厚さ１２４は、標準
シリコンウェーハの厚さと同じ、すなわち、約６５０ミクロンとすることができ
る。印刷ヘッド幅１２５は、カラーの数、ノズルの配置、ノズル間の間隔および
駆動回路および相互接続に必要なヘッド面積と関連がある。モノクロ印刷ヘッド
の場合には、適当な幅は約２ミリである。プロセスカラー印刷ヘッドの場合には
、適当な幅は約５ミリである。ＣＣ’ＭＭ’ＹＫカラー印刷ヘッドの場合には、
適当な幅は約８ミリである。印刷ヘッドの長さ１２６は用途による。非常に低コ
ストの用途の場合には、１ページ全体を走査しなければならない短い印刷ヘッド
を使用することができる。高速印刷の場合には、固定のページ幅のモノリシック
または多重チップ印刷ヘッドを使用することができる。大量の紙または布に印刷
する場合には、２１センチより長い印刷ヘッドが適しているけれども、印刷ヘッ
ドの通常の長さの範囲は、１−２１センチの間である。
印刷ヘッドの製造
本発明の上記システム用のモノリシック印刷ヘッドの製造方法は、標準シリコ
ン集積回路の製造方法に類似している。しかし、ノズル、バレル用のノズル、ヘ
ッダ、およびノズルチップを形成するために、通常のプロセスの流れを、いくつ
かの方法で修正しなければならない。モノリシック印刷ヘッドは、多くの異なる
半導体プロセスにより製造することができる。これらの半導体プロセスそれぞれ
の場合、必要な構造体を形成するために、種々様々な方法で基本的なプロセスを
修正することができる。
上記印刷ヘッドを生産する工場を建設するコストを削減するためには、生産を
簡単なプロセスに基づいて行うことが望ましい。また、できるだけ簡単な一組の
設計ルールを使用することも望ましい。何故なら、細い幅のラインを形成するの
は、コストが高くつき、相当する歩留まりを達成するにはよりクリーンな環境を
必要とするからである。
モノリシック印刷ヘッドの最小の長さは、必要とする印刷能力の幅によって決
定される。モノリシック印刷ヘッドの最小の幅は、機械的強度の要件およびシリ
コンチップの背面にインク供給チャネルをどのくらい形成することができるかに
よって決まる。例えば、写真タイプの全幅四色印刷ヘッドの最小サイズは、少な
くとも長さ１００ミリ、幅５ミリである。この場合、面積は約５平方センチにな
る。しかし、シフトレジスタおよび駆動回路には３００，０００個以下のトラン
ジスタが必要である。それ故、最近の石版印刷装置を使用する必要はない。本明
細書に記載するプロセスは、標準半導体製造プロセスに基づいていて、２ミクロ
ンのライン幅用に設計された装置を使用することができる。本質的に旧式になっ
た石版印刷装置を使用することにより（本明細書作成時の最新のＩＣ製造装置は
０．２５ミクロンのライン幅を形成することができる）、印刷ヘッドの生産のた
めの工場の建設コストを実質的に削減することができる。
ＶＬＳＩ ＣＭＯＳのような低電力、高速プロセスを使用する必要もない。必
要とする速度は中程度のもので、電力消費はインクジェットノズル用に必要なヒ
ータ電力によって決まる。それ故、ｎＭＯＳのような簡単な技術が適当である。
しかし、ＣＭＯＳが最も実際的な生産手段であると思われる。何故なら、１−２
ミクロンのライン幅を形成するには、かなりの量の理想的なＣＭＯＳ生産能力を
利用することができるからである。
適当な基本的製造プロセス
印刷ヘッドノズルを製造する際に必要な製造ステップは、多くの異なる半導体
処理システム内に設置することができる。例えば、下記の技術を変更することに
よって、印刷ヘッドを生産することができる。
１）ｎＭＯＳ
２）ｐＭＯＳ
３）ＣＭＯＳ
４）バイポーラ
５）ＥＣＬ
６）種々のガリウム−ひ素プロセス
７）ガラス基板上の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）
８）能動半導体回路なしのマイクロメカニカル製造
基本的技術の選択によって、ノズルの製造能力が影響を受けることは全然とい
っていいほどない。まだ発明されていない半導体処理手順にノズル製造ステップ
を組み込む方法も、当業者にとっては明らかであろうと思われる。最も簡単な製
造プロセスは、同じウェーハ上に能動半導体装置を形成しないで、シリコンマイ
クロメカニカル処理を使用して、ノズル製造を行う方法である。しかし、この方
法は、多数のノズルを持つ印刷ヘッドにとっては実用的ではない。何故なら、各
ノズル毎に、印刷ヘッドに対して、少なくとも一つの外部接続が必要になるから
である。大型の印刷ヘッドの場合には、駆動トランジスタおよびデータ分配回路
を、ノズルと一緒のチップ上に形成することは非常に有利である。
ＣＭＯＳは、現在最も一般的な集積回路プロセスである。現在、多くのＣＭＯ
Ｓプロセスが商業的に使用されていて、その一般に使用されているライン幅は０
．３５ミクロンの細さである。ＣＭＯＳは、印刷ヘッドの製造に際して下記の利
点を持つ。
１）周知で特徴がよくわかっている生産プロセス。
２）静止電流がほとんどゼロ。
３）高い信頼性。
４）ノイズが非常に小さい。
５）電力供給動作レンジが広い。
６）金属ライン内での電子移動が少ない。
７）シフトレジスタおよび故障許容論理の回路設計がより簡単。
８）ウェーハの前面から基板の接地が可能。
しかし、ＣＭＯＳは、集積駆動回路を含む印刷ヘッドの製造において、ｎＭＯ
Ｓおよび他の技術と比較した場合いくつかの欠点を持つ。上記欠点としては下記
のもの等がある。
１）同じチップ上に、高品質のＮＭＯＳおよびＰＭＯＳを同時に形成するには、
多数の処理ステップを必要とする。
２）ＣＭＯＳは、ラッチアップの影響を受け易い。この問題は、ヒータ回路に必
要なＶｄｄより通常高い電圧で、大きな電流が流れるために特に重要である。
３）他のＭＯＳ技術と同様に、ＣＭＯＳは静電電荷による損傷を受け易い。この
欠点は、入力のところに保護回路を設け、注意深く取り扱うことによって最小限
度に軽減することができる。
本発明の上記システム用のすべての可能な構成の印刷ヘッドに適用できる、絶
対的な「最善の」製造プロセスはない。それ故、ノズルに特有な製造ステップを
、メーカの好適なプロセスに組み込む必要がある。ほとんどの場合、現在のプロ
セスの流れ、使用する装置、好適なホトレジストおよび好適な化学処理に対して
互換性を持つものにするために、ノズル製造ステップの特有な詳細な工程に少し
変更を行う必要がある。上記変更は、当業者にとっては周知のものであり、本発
明の範囲から逸脱しないで行うことができる。
ヒータの設計
本発明のシステムの印刷ヘッドを使用する高品質印刷は、一定のサイズのイン
ク粒子を必要とする。一定の大きさのインク粒子を作るには、ヒータの厚さ、幅
および長さを正確に制御すると共に、ノズルの直径も正確に制御しなければなら
ない。同じように重要なものとしては、ノズルに対するヒータの位置、ヒータを
インクから分離する材料の厚さおよび温度特性がある。最も良い結果を得るため
に、高解像度の印刷ヘッドのこれらの特性を０．５ミクロン以上の精度で制御す
る必要がある。このことは、近代的半導体製造石版印刷装置を使用することによ
って達成することかできる。しかし、最新の世代の半導体装置を使用すると、非
常に高くつく。
自己整合プロセスを使用して、モノリシック印刷ノズル構成のヒータ素子を製
造することができる。この場合、ノズルに対するヒータの厚さ、幅および位置す
べては、石版印刷プロセスではなく、蒸着およびエッチングステップにより決定
される。こうすることにより、比較的粗い石版印刷を使用した場合でも、高い精
度と小型化を実現することができる。
この方法を使用した場合、石版印刷プロセスを使用した場合に一般的に行うこ
とができるより、これらパラメータを遙かに正確に制御することができる。また
、ヒータに対してマスクを使用しなくてもすむ。
レイアウトの例
図８（ａ）は、印刷ヘッドの小さな断面の例示としてのレイアウトである。こ
れらコラムの一つは、主印刷ノズルを含む。他のコラムは、故障許容用の冗長ノ
ズルを含む。ノズル２００および駆動トランジスタ２０１が図示されている。
図８（ｂ）は、図８（ａ）の断面の詳細拡大図である。この図は２ミクロンの
ｎＭＯＳ用のレイアウトである。しかし、ＣＭＯＳの製造に使用する場合には、
少し変更する必要がある。何故なら、ＣＭＯＳ設計の駆動トランジスタは、ｎＭ
ＯＳトランジスタとして製造されるからである。このレイアウトは、その駆動ト
ランジスタ２０１および反転ドライバ２１６と共に、三本のノズル２００を示す
。三本のノズルは、ノズル間の距離を増大させるために、相互にずれた（ジグザ
グ）パターンに配置されていて、それにより基板を通してエッチングによりノズ
ルが形成された後の、シリコンウェーハの強度を増大している。大きなＶ+およ
びＶ-電流は、チップを覆っている幅の広い第一および第二レベルの金属ライン
のマトリックスによって運ばれる。Ｖ+およびＶ-ターミナルは、チップの二つの
長い方の縁部全体にそって延長することができる。
図８（ｂ）のＡからＢへのラインは、図９（ａ）−図９（ｒ）の横断面が切断
されたラインである。このラインは、「Ａ」面にヒータ接続を含み、「Ｂ」面上
のヒータの「垂直」な断面を通っている。
製造プロセスの要約
図９（ａ）−図９（ｒ）は、好適な製造方法の要約である。この製造方法は下
記の主要なステップを含む。
１）最初の製造ステップは、ウェーハの供給である。大量に入手できること、低
コストで高品質なウェーハが得られること、基板としてシリコンは高い強度を持
つこと、製造プロセスおよび装置が一般的成熟段階にあることにより、シリコン
ウェーハは、ガリウムひ素のような他の材料と比較すると、非常に望ましい材料
である。ウェーハは厚さを正確に制御しながら製造しなければならない。何故な
ら、孔部をウェーハを貫通してエッチングにより形成しなければならないからで
ある。ウェーハの厚みに変動があると、関連するエッチング時間に影響がある。
ウェーハのより厚い部分の領域内に、確実に孔部をエッチングにより貫通させる
と、ウェーハが薄い部分の領域内の孔部を過度にエッチングすることになる。余
りに過度のエッチングを行うと、実質的にヒータ領域のガラスがエッチングされ
、ノズルの熱特性を変化させる。また、ウェーハが余りに過度にエッチシグされ
た場合には、ヒータ素子がエッチングされる恐れがある。ウェーハの実際の厚さ
は、重要ではない。何故なら、二酸化シリコンのエッチングによる廃ガスを検出
するように、エッチング装置を自動的に構成することができ、その点からエッチ
ングを停止するようにプログラムすることができるからである。しかし、特定の
ウェーハの厚さの変動、および同時にエッチングされる同じバッチのウェーハ間
の厚みの変動は、５ミクロン以下にすることが極めて需要である。標準半導体装
置および材料協会（ＳＥＭＩ）仕様に従って製造された、１５０ミリの厚さのウ
ェーハの全厚さの変動の許容範囲は２５ミクロンである。ＳＥＭＩ仕様に従って
製造された、２００ミリの厚さのウェーハの全厚さの許容範囲は７５ミクロンで
ある。両方の場合、個々のウェーハの厚さの変動は、もっと厳しく５ミクロン以
下でなければならない。ここでは、ウェーハの厚さを６５０ミクロンとする。ウ
ェーハは機械的に、またレーザ光線によりゲッターしてはらない。何故なら、そ
うすると背面エッチングプロセスが影響を受けるからである。酸素勾配ゲッティ
ングは使用することができる。図９（ａ）は、このステップ後の、ノズル領域の
ウェーハの横断面である。本明細書作成時には、２００ミリ（８インチ）のウェ
ーハを使用されていて、国際規格は、３００ミリ（１２インチ）のシリコンウェ
ーハ用のものである。ＬＩＦＴヘッドを製造するには、３００ミリのウェーハが
特に適している。何故なら、ページ幅Ａ４（またＵＳレター）印刷ヘッドは、こ
れらのウェーハ上で単一チップとして製造することができるからである。
２）二重層金属使用の、従来技術による集積回路製造プロセスを使用する能動回
路の製造。従来技術プロセスとしては、ｎＭＯＳ、ｐＭＯＳ、ＣＭＯＳ、バイポ
ーラまたは他のプロセスがある。一般的にいって、能動回路は、変更しないまま
のプロセスを使用して製造することができる。しかし、印刷ヘッドを流れる恐れ
がある大電流を流すことができるようにするために、いくつかのプロセスは変更
する必要がある。全電流が流れる場合には、大型の印刷ヘッドのヒータ回路を流
れる電流は８アンペアを超える場合があるので、電子の移動を防止することが非
常に重要である。第一のレベルの金属としては、アルミニウムの代わりにモリブ
デンを使用すべきである。何故なら、モリブデンは電子の移動を抑制する働きが
あるからである。また、金属化層の厚さも、ＣＭＯＳ回路で通常必要とされる最
低の厚さよりも厚くすべきである。また、内部金属誘電層の厚さも増大すべきで
ある。通常のプロセスにより、ＣＶＤ二酸化シリコン（ＣＶＤ ＳｉＯ2）を使用
して、この誘電層を約１ミクロンの厚さに作ることができる。４ミクロンの厚さ
のノズル領域の二酸化シリコン（ＳｉＯ2）のすべての厚さに対して、この誘電
層の厚さを約３ミクロンに増大すべきである。このような増大を行わなければな
らない理由は、基盤に対する熱抵抗を増大させ、ノズル室を背面からエッチング
している際に、ヒータが破壊されないようにするために、ノズル領域の機械的な
強度を増大するためである。ノズルチップは、高い精度で、エッチングにより、
二酸化シリコンを貫通して形成しなければならない。この処理ステップの場合に
は、石版印刷の解像度は２ミクロンより実質的に高くなければならない。何故な
ら、ノズルの直径が有意に変化してはならないからである。ノズルチップは、例
えば、ＣＦ4−Ｈ2ガス混合物を使用するＲＩＥエッチングのような高い異方体エ
ッチングにより、エッチングを行わなければならない。エッチングは、接触通路
中のモリブデンの深さまで、またノズル領域内のシリコンの深さまで行われる。
エッチングプロセスがモリブデンに対して十分に選択的なものであるなら、内部
層の通路は同じ処理ステップを使用してエッチングすることができる。しかし、
第一のレベルの金属全体にわたって、ノズルチップ内の二酸化シリコン（ＳｉＯ2
）の厚さを、１ミクロン余計にエッチングしなければならないので、ノズルお
よび層貫通孔をエッチングする際に同じマスクを使用する場合には、注意して行
う必要がある。図９（ｂ）は、このステップ終了後のノズル領域内のウェーハの
横断面である。
３）第二レベルの金属の適用。第一のレベルの金属の場合と同じように、電子の
移動を考慮に入れる必要がある。しかし、モリブデンの薄い薄膜にボンディング
するのが難しいので、ボンディングパッドが位置している第二レベルの金属とし
ては、モリブデンを使用しないようにする必要がある。その代わりに、このレベ
ルを、アルミニウムで形成することができる。すべての大電流の流れる経路に広
いライン幅を使用し、２％の銅を含むアルミニウム合金を使用することにより、
電子の移動を最小限度まで減らすことができる。第二のレベルの金属のこのステ
ップの範囲は重要である。何故なら、内部レベルの酸化物は、通常より厚いから
である。ステップのカバーする範囲を改善するために、通路をテーパ状にしては
ならない。何故なら、そうするとノズルチップがテーパ状になるからである。他
の方法としては、ノズルチップに影響を与えないで、通路をテーパ状にするため
に、独立のマスクと独立の処理ステップを使用することができる。しかし、低圧
蒸着を使用することにより、適当なステップの適用範囲を得ることができる。通
路形成ステップの適用範囲は、第一のレベルの金属が電界酸化物をカバーしてい
る領域だけに通路を形成することによって、改善することができる。これらの点
においては、内部金属酸化物の厚さは、前に行われた平面化ステップよりより薄
くなっている。好適なプロセスは、側壁を０．５ミクロンの厚さでカバーするよ
うに、アルミニウム９８％、銅２％の合金を１ミリの厚さで低圧蒸着させるとい
う蒸着法である。図９（ｃ）は、このステップ終了後のノズル領域のウェーハの
断面である。
４）第二のレベルの金属のマスクおよびエッチング。図９（ｄ）は、このステッ
プ終了後のノズル領域のウェーハの断面である。このステップは、主プロセスと
同じ石版印刷の精度で行うことができる。ヒータへの接触面は、数ミリだけノズ
ルチップの縁部に重畳してもよい。
５）ヒータの幅を指定するためのレジストフィラーの応用。この例のプロセスの
場合、ヒータはノズルの側壁上に配置されている。このように配置したのは、中
間層を薄くすることのよって、ヒータとインクとの間の熱の伝導を改善するため
である。ヒータは、ノズルチップに自己整合し、ヒータの幅はレジストのＲＩＥ
エッチングの深さによって正確に制御される。それにより、２ミクロン精度の石
版印刷では達成できなかったより正確な精度で、ヒータパラメータを制御するこ
とができる。図９（ｅ）は、レジストの厚い層をスピンコーティングし、平にす
るために後ベーキングした後のノズル領域のウェーハの横断面である。
６）酸素による、レジストのＣＶＤガラスの表面より低いヒータ幅に等しいレベ
ルまでの、ＲＩＥエッチング。このステップには、マスクは必要ない。図９（ｆ
）は、このステップ終了後のノズル領域のウェーハの断面である。
７）ヒータの形成。ヒータは、ヒータ材料の薄い適合フィルムを塗布し、そのフ
ィルムを異方体エッチングすることによって形成される。そうすることにより、
ヒータ材料は垂直面だけに残る。ヒータ材料（例えば、０．０５ミクロンのＴａ
Ａｌ合金、またはＨｆＢ2またはＺｒＢ2のような耐火材）は、低圧蒸着法により
均等に塗布することができる。図９（ｇ）は、このステップ終了後のノズル領域
のウェーハの断面である。
８）ヒータ材料の異方体エッチング。このことは、マスクを使用しないで、ヒー
タ材料を反応性のイオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）することにより行うこと
ができる。ＲＩＢＥを使用するのは、水平方向に対して非常に高い垂直方向の選
択性を持っているからである。この段階で、ヒータ材料はすべての垂直面上に残
る。内部金属酸化物の面が十分平になった場合には、残留している不必要なヒー
タ材料だけが、第二のレベルの金属の側壁上に残っているようにしなければなら
ない。使用するプロセスの詳細の程度に従って、悪影響を与えずに、この余分な
ヒータ材料を正しい位置に残すことができる。しかし、内部金属酸化物の面が十
分平になっていなかったり、他の何らかの理由で、ヒータ材料がアルミニウムの
側壁上に残留できなかった場合には、それを除去しなければならない。このこと
はノズル領域をマスクすることにより（マスクのサイズを大きくとることができ
るので、２ミクロンの石版印刷で十分である）、またすべての露出したヒータ材
料を同方体ストリッピング（isotropically stripping）することにより行うこ
とができる。図９（ｈ）は、このステップ終了後のノズル領域のウェーハの断面
である。
９）ウェーハの両側面への厚いレジストの塗布。ウェーハの前側面のレジストは
、取扱いの際の損傷または間違ったエッチングを、防止するためだけのものであ
る。ウェーハの背面のレジストは、ノズルバレルがウェーハの深さまでエッチン
グされたとき、３レベルのレジストでなければならない。ウェーハの厚さは約６
５０ミクロンであるので、そうするには、シリコン処理の際に通常必要とされる
より、実質的に多くのエッチングを必要とする。使用することができるエッチン
グ剤の選択度は、通常レジストに対するンリコンの比がわずか２５：１のもので
ある。このことは、ウェーハが薄くなるのを避けるために、レジストの層は少な
くとも２６ミクロンなければならないことを意味している。幾分ウェーハが薄く
なっても問題が起こらないように、レジストの厚さを約２５ミクロンにすること
ができる。このレジストの厚さは、現在の石版印刷装置を使用して、正確に露出
させることはできない。それ故、多重レベルレジストを使用しなければならない
。適当なプロセスは、無機中間レジストレベルを使用する、３レベルレジストで
ある。第一のレベルのレジストの厚さは、３レベルレジスト内で通常使用される
ものの約１０倍であるために、中間の酸化物のレベルも、同様に対応してもっと
厚くしなければならない。適当なプロセスは、２５ミクロンの厚さの光学的ノボ
ラックポジテイブポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ）をスピンコーティン
グし、その後で１ミクロンの厚さのスピンオンガラスをスピンコーティングし、
その後で０．５ミクロンの厚さのレジストをスピンコーティングする方法である
（もちろん、ソフトおよびハードベーキングも必要）。図９（ｉ）は、このステ
ップ終了後のノズル領域のウェーハの断面である（レジストの厚さは、一定の比
率で拡大されていない。）
１０）ノズルバレルのマスクを使用する、ウェーハの背面上のレジストの露出お
よび現像。石版印刷装置の整合光学を特別に修正することによって、ウェーハの
前面から整合を行う。第二のレベルのレジストをマスクとして使用して、ＣＦ4
Ｏ2により二酸化シリコンのＲＩＥエッチングを行う。二酸化シリコンをマスク
として使用して、第一のレジストレベルの酸素ＲＩＥエッチングを行う。図９（
ｊ）は、このステップ終了後のノズル領域のウェーハの断面である。
１１）ノズルバレルのエッチング。この段階は極めて重要である。何故なら、６
５０ミクロンの厚さ全体をエッチングしなければならないからである。いくつか
の要因を正確に制御する必要がある。全ウェーハ上の相対的なエッチング速度は
、ノズルチップの背面の過度のエッチングを防止するために、厳重に制御しなけ
ればならない。ウェーハ全体上でのエッチング速度を２％以内に制御すれば、最
も速くエッチングされた部分のエッチングが終了した時、最も遅くエッチングさ
れた部分では、まだ１３ミクロンの厚さがエッチングされないで残っている。ウ
ェーハの厚みの変動が５ミクロンである場合に、このエッチング処理を行うと、
変動は１８ミクロンになる。この変動は、エッチング停止条件が最初に検出され
てから２０ミクロン余計にエッチングすることによって補償することができる。
使用するエッチング剤の二酸化シリコンに対するシリコンのエッチング比が２０
：１である場合には、二酸化シリコンの下面は１ミクロンだけエッチングされる
。この数値はこのプロセスの設計制限内である。バレルの側壁が実質的に垂直で
あることも非常に重要である。ノズルチップでのノズルの必要な半径は、約７ミ
クロンである。ノズルバレルの半径は、２９ミクロン以下でなければならない。
そうでないと、適当に指定されたノズル編成を持つマスクを設計することができ
なくなる。このことは、エッチング角度は１．９度以下でなければならないこと
を意味する。（この角度は、アークタンジェント（（２９−７ミクロン）／６５
０ミクロン）として計算する。）このエッチング角度は、背面マスクの露出され
ない領域の大きさに影響を与える。この設計は、エッチング角度および背面マス
クの精度にかなりの許容度を見ている。何故なら、ノズルチップのところでのバ
レルの整合および直径は、重要でないからである。しかし、バレルの直径がノズ
ルチップの直径より細い場合には、インクはバレルからノズルチップに流れない
場合がでてくる。バレルが太すぎる場合には、シリコンウェーハの強度との間で
折り合いをつけなければならない。図９（ｋ）は、このステップ終了後のノズル
領域のウェーハの断面である。
１２）１ミクロンの深さまでのすべての露出モリブデンの同方体ＲＩＥエッチン
グ。このエッチングにより、ノズルチップの底部内の残留金属が除去される。残
留金属が除去されない場合には、モリブデン製のヒータ接点とタンタル不動態化
層との間がショートするおそれが若干ある。他の手段でこのショートの恐れが除
去された場合には、このステップは必要ない。図９（ｌ）は、このステップ終了
後のノズル領域のウェーハの断面である。
１３）レジストの除去。図９（ｍ）は、このステップ終了後のノズル領域のウェ
ーハの断面である。
１４）絶縁層および不動態化層の形成。動作中、モノリシック印刷ヘッドは加熱
された、水をベースとするインクと接触しているので、有効な不動態化層が絶対
に必要である。望ましい不動態化層は、表面が損傷した場合に、それ自身を急速
に再度形成するＴａ2Ｏ5の非常に耐久性の高い薄い層である。しかし、タンタル
は、導体である。このことは、回路を不動態化層から電気的に絶縁しなければな
らないことを意味している。上記絶縁は、二酸化シリコンの層または他の電気的
には不導体により行うことができる。しかし、ヒータとインクとの間の熱的結合
は、不動態化層の熱伝導度が高く、比熱容量（specific heat capacity）が低い
場合に最も高くなる。タンタルの熱伝導度は高い。しかし、無定型二酸化シリコ
ン（ガラス）の熱伝導度は低い。現在の使用について、実際的な材料は、窒化シ
リコンである。熱伝導度は、ダイヤモンドまたはシリコンカーバイドのような他
の非導電材料のように良くないが、不動態化層としての性能は非常に優れていて
、その材料は半導体製造にとっては周知である。ＰＥＣＶＤによって、０．５ミ
クロンの厚さのＳｉ3Ｎ4の適合層を塗布することができる。２００ｓｃｃｍでＳ
Ｈ4を使用し、２０００ｓｃｃｍでＮＨ3を使用し、５０分間、４６ワットで、圧
力を１．６ｔｏｒｒ、温度を２５０℃に維持する。図９（ｎ）は、このステップ
終了後のノズル領域のウェーハの断面である。
１５）０．５ミクロンの厚さのタンタルの適合層を、低圧化学蒸気蒸着法（ＬＰ
ＣＶＤ）により、蒸着することができる。図９（ｏ）は、このステップ終了後の
ノズル領域のウェーハの断面である。
１６）インク粒子溢れ制御の形成。インク粒子の大きさを正確に制御するには、
ノズル壁の有効な厚さを非常に薄くしなければならない。タンタルの表面（すな
わち、通常インクと接触していない、インク粒子が排出される表面）を除去する
ことにより、タンタルの薄い「リム」を作ることができる。その後、ノズルの突
出部の内側上にタンタルの不動態化層を残したままで、少量のＳｉ3Ｎ4を除去す
る。タンタルは、表面を除く全表面上にタンタルを残したままで、ウェーハの表
面から異方体エッチングにより除去される。図９（ｐ）は、このステップ終了後
のノズル領域のウェーハの断面である。
１７）Ｓｉ3Ｎ4の同方体エッチング。このエッチングは、２５℃で、０．２５マ
イクロ（約４分間）、バッファしたＨＦを使用する湿式エッチングで行うことが
できる。選択したコーティングが、この後の処理ステップによって除去されずに
残るなら、この段階で疎水性の表面コーティングを行うことができる。この段階
で上記コーティングを行わない場合には、ＴＡＢボンディングの後で、疎水性コ
ーティングを行わなければならない。使用することができる疎水性コーティング
の種類は多く、このコーティングを行うために多くの方法を使用することができ
る。いくつかの例を上げると、ふっ素化ダイヤモンド様炭素（Ｆ＊ＤＬＣ）、ふ
っ素で実質的に飽和した外表面を持つ無定型炭素フィルム等がある。プラズマ改
良化学蒸気蒸着装置（ＰＥＣＶＤ）を使用する上記フィルムの形成法は、米国特
許第５，０７３，７８５号に記載されている。独立の疎水層を形成することは本
質的に重要なことではない。その代わりに、疎水化剤を使用して、露出誘電層を
処理することができる。例えば、二酸化シリコンをＳｉ3Ｎ4内の必要な場所に絶
縁層として使用する場合には、露出二酸化シリコンを疎水性にするために、ジメ
チルジクロロシランで処理することができる。この様な処理を行うと、疎水性の
ままに維持する必要がある領域をマスクしない限り、ノズル全体が影響を受ける
。何故なら、ジメチルジクロロシランの蒸気は、露出しているすべての二酸化シ
リコンに影響を与えるからである。
インクが水をベースとするものである場合には、疎水性の層を形成する必要が
ある。インクがワックスをベースにするものである場合、または無極性溶媒を使
用している場合には、使用するインクを弾くように、印刷ヘッドの表面を製造す
るか、処理しなければならない。本明細書に開示する物理的装置を使用する場合
には、疎水性の層を装置の表面だけに限定する必要はない。装置の性能に有意な
影響を与えずに、装置全体を疎水性の層（または無極性のインクを使用する場合
には、疎油性の層）で、コーティングすることができる。装置全体がインクを弾
く層で処理されている場合には、ノズルチップの外径ではなく、内径をノズルの
半径と見なすべきである。
図９（ｑ）は、このステップ終了後のノズル領域のウェーハの断面である。
１８）ボンディング、パッケージおよび試験。ボンディング、パッケージおよび
試験プロセスは、標準製造技術を使用することができる。広い幅の隣接接続を使
用できる場合には、ＴＡＢはプロファイルが低く、大電流を流すことができるの
で、テープ自動ボンディング（ＴＡＢ）の使用を勧める。ボンディングパッドは
、Ｓｉ3Ｎ4の不動態化層から切り開いておかなければならない。このことは、標
準マスクおよびエッチングプロセスにより行うことができる。ボンディングパッ
ドを切り開いたら、レジストをはぎ取り、ウェーハをきれいに拭き取らなければ
ならない。この状態で、試験を行うことができる。ウェーハ試験が終了した後、
半田を盛り上げることができる。その後で、ウェーハをダイシングする。長い印
刷ヘッドが破損するのを防ぐために、またウェーハはノズルの列に沿って弱くな
るので、ウェーハをけがき、スナップする（scribed and snapped）代わりに切
断しなければならない。ダイシングしたウェーハ（チップ）は、インクチャネル
上に装着される。カラー印刷ヘッドの場合には、この段階で、独立したインクチ
ャネルをチップに対して密封する。装着後、ＴＡＢリーフフレームをつけ、イン
クを供給しない状態での試験を行う。その後、装置をインク供給源に接続し、イ
ンク圧を掛け、機能試験を行うことができる。図９（ｒ）は、このステップ終了
後のノズル領域のウェーハの断面である。
図９（ａ）−図９（ｒ）においては、１００はインク、１０１はシリコン、１
０２はＣＶＤ二酸化シリコン、１０３はヒータ材料、１０４はタンタル不動態化
層、１０６は第二層の金属相互接続（アルミニウム）、１０７はレジスト、１０
８はＳｉ3Ｎ4、１０９は疎水性表面コーティングである。
他の製造プロセス
他の多くの製造プロセスを使用することができる。上記の製造プロセスは、使
用することができるプロセスの中で、最も簡単な製造プロセスではなく、最もコ
ストが易い実用プロセスでもない。しかし、上記プロセスは、同じウェーハ上に
高性能の複数の装置を同時に形成できるという利点がある。このプロセスはまた
容易にサイズを変えることができ、必要に応じて、１ミリのライン幅を使用する
ことができる。
１ミクロンのライン幅（または、もっと小さな幾何学的模様）を使用すること
ができるので、より多くの回路をウェーハ上に集積することができ、駆動トラン
ジスタのサイズまたはオン抵抗（または両方）を減らすことができる。より小さ
な装置の幾何学的形状を下記の方法で、または下記の組み合わせで使用すること
ができる。
１）モノリシック印刷ヘッドの幅を狭くすること。
２）もっと優れた故障許容回路を内蔵させることによって、印刷ヘッドの歩留ま
りを改善すること。
３）チップの面積を増大しないで、印刷ヘッド上のノズルの数を増やすこと。
４）直線寸法で、ノズル間の間隔をさらに狭くすることにより、印刷ヘッドの解
像度を改善すること。
５）チップ上により多くの全システム回路を内蔵することによって。例えば、チ
ップ上にデータ処理回路を内蔵することができ、ＬＩＦＴ印刷ヘッドに標準メモ
リインタフェース、すなわち、メモリに直接アクセスすることにより印刷データ
を入手する経路を内蔵すること。
ノズル形成プロセスを多くの方法で変更することができる。例えば、本明細書
に開示した自己整合垂直ヒータ形成法の代わりに、高解像度平面技術を使用して
、ヒータを製造することができる。
また、もっと処理ステップを追加して、いくつかの処理ステップの精度および
故障許容要件を軽減することもできる。例えば、本明細書に開示した好適な製造
プロセスにおいては、ノズルバレルはウェーハのすべての厚さである６５０ミク
ロンを貫通して、一回の異方体エッチングにより形成される。このエッチングは
、側壁の角度および全ウェーハにわたる均一のエッチング速度に対して、正確に
制御しなければならない。二つの主要なステップを使用して、このステップの故
障許容要件を軽減することができる。第一のステップにおいては、ノズル領域に
約５０ミクロンの厚さを残した状態で、ウェーハの大部分を貫通して、大きなチ
ャネルをエッチングにより形成する。その後、このチャネルの基部に多重レベル
レジストを塗布し、チャネルの底部のレジスト層に光学的焦点を合わせた映写シ
ステムを使用して、ノズルバレルのイメージを投影する。その後、ノズルバレル
が、シリコンの残りの５０ミクロンをエッチングにより貫通することによって作
られる。このプロセスは、側壁の角度の許容要件を２度から、１０度よりも広く
緩和するので、このプロセスをかなり容易に制御することができるようになる。
しかし、このプロセスによりチップの物理的強度はかなり低下する。このことは
、以降の処理ステップでの破損を防止するために、非常に注意深い機械的取扱い
が必要であることを意味している。
上記プロセスは、印刷ヘッドの製造用の好適なプロセスである。何故なら、こ
のプロセスを使用することにより、高解像度が得られ、全カラー印刷ヘッドは、
駆動回路、データ分配回路および故障許容を内蔵することができるからである。
また、印刷ヘッド内の能動回路が、二つの不動態化層、すなわち、窒化シリコン
およびタンタルにより、インクによる化学的な腐食から保護される。
従来の構成
高品質の印刷を行うには、インク粒子のサイズが一定でなければならない。一
定のサイズのインク粒子を作るには、ノズルの直径を正確に制御しなければなら
ない。ノズルチップに加えられるヒートパルスの温度および持続時間も、正確に
制御しなければならない。
図１０は、２ミクロンのライン幅の解像度を持つ石版印刷を使用する、本発明
のノズルヒータの簡単な平面構造である。この例の場合には、インク１００は、
半径７ミクロンの円形のノズル内に含まれている。このノズルは、厚さ０．５ミ
クロンの不動態化層１０４によってコーティングされている。ヒータ１０３は、
２ミクロンのライン幅の解像度を持つ平面石版印刷により製造される。ヒータへ
の接点１０６は、アルミニウム製で、幅は２ミクロンである。このヒータ構成は
、下記の問題を抱えている。
１）ヒータ１０３の最小幅は２ミクロンである。それ故、ヒータの抵抗が下がる
。このことは、ヒータ幅がもっと狭い場合より、特定のヒータ電力を得るのによ
り大きな電流を必要とすることを意味する。
２）ヒータ１０３の幅は石版印刷により制御されるが、その通常の変動幅は０．
５ミクロンである。この変動は、印刷ヘッド毎にヒータ抵抗およびそれ故ヒータ
電力が変動することを意味する。
３）ヒータ１０３からの不動態化層１０４までの距離が、少なくとも２ミクロン
なければならない。この様な制限があるので、ヒータとインクとの間の熱的結合
の効率が制限される。
４）ノズルチップに対するヒータの位置は、石版印刷の精度により決まる。２ミ
クロンのライン幅の解像度を持つ石版印刷装置を使用した場合には、位置の精度
はノズルチップに対して１ミクロン以上変動する場合がある。このことは、ヒー
タからの熱がノズルチップで均等に分配されないことを意味する。その結果、イ
ンク粒子が正しく排出されなかったり、全然排出されない場合が起こり、印刷ヘ
ッドにより印刷した印刷の品質が一般的に劣化する。
５）接点１０６がヒータ１０３と接する領域が、ヒータの残りの部分ほどの熱を
発生しない。そのため、周囲に加熱されない点が生じ、潜在的にインク粒子の形
成に影響を与える。
上記問題は、非常に精度の高い石版印刷を使用することにより軽減することが
できる。現在、０．３５ミクロンのライン幅の解像度を持つ石版印刷装置を、半
導体装置の大量生産に使用している。しかし、このような装置は、１−２ミクロ
ンの解像力を持つ石版印刷装置と比較すると、高価である。
自己整合ヒータの製造
本発明の好適な実施形態は、またヒータ幅を正確に制御することができるし、
ヒータ幅を石版印刷のライン幅以下にすることができる、自己整合設計を提供す
る。ヒータは、正確に制御された寸法とノズルに対する位置を持つヒータを形成
する、一連の同方体蒸着ステップおよび異方体エッチングステップにより製造さ
れる。
自己整合という用語は、ヒータとノズルチップとの間の整合が製造プロセスス
テップの結果行われ、石版印刷処理ステップの整合精度によって左右されないと
いうことを意味する。ヒータの寸法および位置は、石版印刷ステップよりも遙か
に正確に制御することができる蒸着およびエッチングステップによって決定され
る。
図１１（ａ）は、自己整合するヒータ構造体１０３を示すノズルチップの平面
図である。ヒータ１０３は、ウェーハ表面に対して垂直に向けられている。
図１１（ｂ）は、同じヒータ構造体の等角図である。
ヒータの厚さ、ヒータの幅およびノズルチップに対するヒータの位置は、すべ
て容易に、また非常に正確に制御することができる蒸着およびエッチングプロセ
スにより決定される。このヒータ構成に対する製造プロセスは、またヒータマス
クおよび石版印刷のステップの要件を必要としない。
ノズルの物理的寸法は非常に小さい。成型およびフライス加工のような製造プ
ロセスを使用して、これら装置を製造するのは実用的ではない。その代わりに、
集積回路の製造に使用されるプロセスを使用することができる。これらのプロセ
スは、一般に平面装置の製造に使用される。しかし、マスクおよび製造プロセス
を正確な順序で使用すれば、三次元構造体を製造することができる。
本発明は、その寸法が蒸着およびエッチングプロセスで決定される、ノズルに
自己整合するヒータ構造体である。このヒータ構造体およびヒータ接点は、下記
の基本的ステップにより形成される。
ａ）ノズルチップのエッチング。
ｂ）ヒータ接点に適している導電材料による、ノズルチップの同方体コーティン
グ。
ｃ）ヒータ接点用の適当なパターンでパターン化されるレジストを使用する、導
電材料のエッチング。
ｄ）ある物質による、ノズルチップおよびヒータ接点のコーティング。
ｅ）ノズル表面から、ヒータの必要とする幅に等しい深さまでの上記物質のエッ
チング。
ｆ）ヒータ材による、ヒータの必要とする厚さに等しい厚さまでのノズルチップ
の同方体コーティング
ｇ）ノズルチップ内の必要とするヒータ材を除く、すべてのヒータ材を除去する
ためのヒータ材の異方体エッチング
ノズルに対する適当な駆動電圧を決定するためには、ヒータ抵抗を知らなけれ
ばならない。ヒータ抵抗は、ヒータの幾何学的形状、およびヒータ材料の薄いフ
ィルムの比抵抗から計算することができる。好適なヒータの幾何学的形状は、対
向する側面で駆動回路に接続している円形のバンドである。それ故、ヒータの抵
抗は、下記式により計算することができる。
但し、
ＲH:ヒータ抵抗
ρ：ヒータ材料の薄膜の比抵抗
ｒ：ヒータの半径
Ｗ：ヒータの幅
Ｔ：ヒータの厚さ
計算は下記の数値に基づいて行われた。
ρ＝２．３μΩｍ（ＴａＡｌ）
ｒ＝７．５ミクロン
Ｗ＝１．０ミクロン
Ｔ＝０．０５ミクロン
ＲH＝５４２Ω
「ＬＩＦＴ印刷ヘッドタイプＡ４−４−６００」表に、１秒間に６００ｄｐｉ
の速度でＡ４サイズ１ページを印刷するための、本発明のプロセスカラー印刷ヘ
ッドの一例のいくつかの特性を示す（付録Ａ参照）。本発明の他の実施形態およ
び製造法を使用すれば、電力発散およびヒータの使用についての利点が得られ、
それら利点は図１２−３４を参照して詳細に記載されている。
単−ＬＩＦＴノズル設計内の電力発散
一つのモノリシック構造体内に多数のノズルが内蔵されている場合には、各ノ
ズルが必要とする電力を、実用上できるだけ少なくすることが重要となる。
図１２は、本発明の一実施形態に従って作られた簡単なノズルの横断面である
。インク１００は、シリコン基板１０１から作られた円筒形のバレル内に流入す
る。ノズルチップは、例えば、化学蒸気蒸着ガラス（ＣＶＤ二酸化シリコン）の
ような絶縁材１０２によって保護されている、電気作動ヒータ１０３を含む。ノ
ズルは、例えば、タンタルペントオキサイド（Ｔａ2Ｏ5）の薄い酸化物によって
コーティングされた、タンタルのような不動態化層１０４により、インクによる
腐食から保護されている。インクは、疎水性コーティング１０９により、ノズル
の表面に沿って流れることができないようになっている。この装置の動作中、イ
ンクは加圧されている。インク圧は、メニスカスを凸状に突出させるのに十分な
力を持つが、インクをノズルから排出させるほどの力は持たない。図のインクの
メニスカスは平衡状態にある。
インク粒子を排出するには、電極１０６を通して、ヒータに電流を供給するこ
とによりヒータ１０３をオンにする。ヒータをオンにすると、周囲の材料の温度
が上昇する。熱がノズルチップ領域内のインクに伝わるまで、熱はヒータから流
れ続ける。インクが加熱されると、インクメニスカスの表面張力が低下する。そ
のため、平衡状態が破れ、インクは加圧下でノズルから流出し始める。
このノズルの構成は簡単に製造できるが、インク粒子を排出するのに多くのエ
ネルギーを必要し、効率的ではない。この構造のノズルの場合、熱が無駄に消費
される原因がいくつかある。
ヒータはシリコン基板上に直接設置される。シリコンは比較的熱をよく伝える
ので、大部分の熱は単に基板中に発散する。
ヒータからインクまでの距離は、石版印刷の解像度により制限され、その結果
、インクの熱の伝わる経路が長くなる。このことは、ヒータと領域１０６との間
のすべての材料の温度を、インクの温度がインク粒子排出温度まで上昇すること
ができる前に、必要とするインク粒子排出温度以上に上昇させなければならない
ことを意味する。
ノズルの基本的な幾何学的形状は、領域１０６から遠ざかる方向のヒータから
の熱の経路の熱抵抗が、ヒータから領域１０６へ向かう熱の経路の熱抵抗より低
く、そのため大部分の熱エネルギーが領域１０６に伝わらないことを示す。
ヒータ電力の低減
印刷ヘッドの電力要件は二つの部分に分けることができる。
１）インクが排出されていない時に、消費される電力である静止電力。この電力
要件の大部分は、印刷ヘッドのシフトレジスタおよび駆動回路で消費される電力
プラス主駆動トランジスタの漏洩電流である。近代的な半導体プロセスを使用し
た場合、静止電力を無視してよいほどのレベルまで低減することができ、通常の
伝導および印刷ヘッド周囲の空気対流により発散される。
２）印刷ヘッドが実際に印刷しているときに消費される電力である能動電力。こ
の電力は、一つのインク粒子を排出するのに必要なエネルギー量に、特定の期間
（通常１秒間）の間に排出されインク粒子の数を掛けた数字で表すことができる
。四色「プロセス」ヘッドの場合には、白を印刷しているときの能動電力はゼロ
であり、ソリッドの四色黒を印刷しているとき、最大になる。
能動電力は、ノズルの詳細な設計、特に位置、サイズおよびヒータを取り巻く
材料により有意に影響を受ける。
下記のいくつかの手段で電力の低減を行うことができる。
１）ヒータと基板との間の断熱層の設置。この層としては、通常ＣＭＯＳ装置の
製造の一部である、熱二酸化シリコン（thermal SiO2）層およびＣＶＤ二酸化シ
リコン層を使用することができる。
２）ヒータおよびヒータを取り巻く材料の熱質量を最低限度に低減すること。こ
の低減は、ヒータを固体材料でできた「柱」上に設置し、そのほとんどの側面を
（熱伝導度の低い）空気または（その内部で熱が浪費されないが、インク粒子の
分離のために熱が必要な）インクで、取り巻くように設置することによって実現
することができる。
３）ヒータとインクメニスカスとの間の距離を、最低限度まで短くすること。こ
の距離の短縮は、ヒータをインクメニスカスの接触点において、ノズルチップに
設置することによって行うことができる。
４）ヒータがインクにより腐食されないようにするために、比較的熱伝導度の高
い材料を使用すること。この目的に最適の材料は、ダイヤモンドまたは孔の数の
少ないダイヤモンド様の炭素（ＤＬＣ）である。しかし、ダイヤモンドおよびＤ
ＬＣは、使用する際に特殊なプロセスを必要とする。大部分の用途に対しては、
孔の数の少ない窒化シリコンで十分である。
５）薄い不動態化層を使用すること。不動態化層は腐食を十分防止できる限り、
実用上できるだけ薄くする必要がある。この層の厚さは２、０００Åが適当であ
る。
６）基板のヒータ領域の切り下げ。
上記各手段を使用すれば、これらの手段を使用しないシステムと比較して、電
力要件を軽減することができる。それらの効果を組み合わせることにより、イン
ク粒子を排出するために必要なエネルギーを、印刷ヘッドが自己冷却できるレベ
ルにまで低下させることができる。
図１（ｂ）は、本発明の好適な実施形態の高効率ノズルの簡単な横断面である
。インク１００は、シリコン基板材１０１で作られている円筒形のバレル内に流
入する。ノズルチップは、例えば、化学蒸気蒸着ガラス（ＣＶＤ二酸化シリコン
）のような絶縁材１０２によって取り囲まれた、電気作動ヒータ１０３を含む。
ノズルは、高い電気抵抗、水酸イオンの浸透に対する高い抵抗、および高い熱伝
導度を持つ材料からなる不動態化層により、インクによる腐食から保護されてい
る。適当な材料としては、窒化シリコンがある。
図１（ｂ）は、全体的に一定の比率で拡大されている、種々の構造上の特徴に
対する好適な寸法の一例である。
これらの特徴を持つ、上記印刷ヘッドを製造するための適当なプロセスについ
て以下に説明する。
ノズルリムヒータを持つ印刷ヘッド用の印刷ヘッド製造プロセス
この実施形態によるモノリシック印刷ヘッドの製造法は、標準シリコン集積回
路製造法に類似している。しかし、通常のプロセスの流れは、いくつかの方法に
修正することができる。この方法は、ノズル、ノズル用のバレル、ヒータおよび
ノズルチップを形成する際に非常に重要である。モノリシック印刷ヘッド製造用
には、多くの異なる半導体プロセスがある。これらの各半導体プロセスの場合、
必要な構造体を形成するために、基本的プロセスを修正することができる多くの
異なる方法がある。
集積印刷ヘッドの製造プロセスは、標準ＣＭＯＳ処理に対して、〈１００〉枚
のウェーハを使用することができる。この処理は、標準ＣＭＯＳ処理と実質的に
互換性を持つ。何故なら、ＭＥＭＳの特定のステップは、ＣＭＯＳ ＶＬＳＩ装
置の製造後にすべて終了することができるからである。
ウェーハは、標準ＣＭＯＳプロセスの流れを使用して、第二レベルの金属上の
酸化物のところまで処理することができる。その後、標準ＣＭＯＳ処理装置を使
用して、同様に完了することができる、ある種の特定のプロセスステップが行わ
れる。チップを貫通して行われるノズルの最終エッチングは、たったの１０ミク
ロンの石版印刷を必要とする一回の石版印刷ステップを使用して、ＭＥＭＳ施設
で完了することができる。
このプロセスは、シリコンのプラズマエッチングは全然必要としない。すべて
のシリコンエッチングは、能動装置の製造後ＥＤＰ湿式エッチングにより行われ
る。
この例のノズルの直径は、約８ｐｌのインク粒子の量に対して、１６ミクロン
である。このプロセスは、１６ミクロンよりも小さく、および１６ミクロンより
も大きい広範囲のノズル直径に対して容易に適応することができる。
このプロセスは、インクチャネルおよびノズルバレルから同時にエッチングを
行うために、〈１００〉シリコンウェーハ上で異方体エッチングを使用する。拡
散およびＬＰＣＶＤのような高温ステップは、ノズル形成プロセス中には行わな
い。
レイアウトの例
図１３は、８００ｄｐｉ印刷ヘッドの小さな断面に対する例示としてのレイア
ウトである。この図は、一つのインクチャネルピット内に存在している、ノズル
と４８本のノズルに対する駆動回路のレイアウトである。この図の黒い円は、ノ
ズルの位置であり、灰色の領域は能動回路の位置を示す。
４８本のノズルは、２４本の主ノズル２０００と、２４本の冗長ノズル２００
１を備えてなる。ＭＯＳ主駆動トランジスタ２００２および冗長駆動トランジス
タ２００３の位置も図示されている。インクチャネルピット２０１０は、ウェー
ハの後ろからエッチングされた四角すい台の形をしている。角すい台の形をした
ピットの面は、単結晶のシリコンウェーハの｛１１１｝平面を延びている。ノズ
ルは、ウェーハが最も薄くなっている角すい台の形をしたピットの底に位置して
いる。インクチャネルピットおよび傾斜している壁部のようなウェーハのもっと
厚い領域、およびピット間の領域には、ノズルを形成することはできない。これ
らの領域は、データ分配および故障許容回路用に使用することができる。２ミク
ロンまたはそれより細いＣＭＯＳプロセスを使用する場合には、シフトレジスタ
、クロック分配および他の使用回路内に、広範な冗長および故障許容を含む十分
な余地がある。図１３は、主シフトレジスタ２００４、冗長シフトレジスタ２０
０５、および故障許容回路２００６の適当な設置場所である。
図１４は、ペアのノズル用の駆動トランジスタと共に、一組のノズル（主ノズ
ルおよび冗長ノズル）の詳細なレイアウトである。このレイアウトは、１．５ミ
クロンのＶＬＳＩプロセス用のレイアウトである。このレイアウトは、対応する
駆動トランジスタと共に、二本のノズルを示す。主および冗長ノズルは、印刷走
査方向へピクセル一個分の間隔を持つ。主および冗長ノズルは、静電干渉および
流体干渉を起こさずに、相互に隣接して設置することができる。駆動トランジス
タは、ノズルに非常に接近して設置することができる。何故なら、インク粒子分
離による温度上昇は、ヒータから少し離れると非常に僅かだからである。
大量のＶ+およびＶ-電流は、チップを覆っている幅の広い第一および第二のレ
ベルの金属ラインのマトリックスにより運ばれる。Ｖ+およびＶ-端子は、チップ
の二つの長い縁部の全長に沿って延びている。
結晶面への整合
この章に記載する製造プロセスは、エッチングを制御するために、単結晶シリ
コンウェーハ内に固有の結晶面を使用する。｛１１１｝面へのマスク手順の方向
は、正確に制御しなければならない。シリコンウェーハ上の主要な平面の向きは
、通常適当な結晶面の±１度以内の精度を持つに過ぎない。マスクおよび製造プ
ロセスの設計の際には、この角度の許容範囲を考慮に入れることが非常に重要で
ある。ウェーハの面の向きの精度も±１度に過ぎない。しかし、インクチャネル
がエッチングによって形成される前に、ウェーハは約３００ミクロンまで薄くな
っているので、表面の整合の際に±１度の誤差がある場合に、インクチャネルを
貫通してエッチングを行うと、位置の誤差は最大５．３ミクロンになる。この誤
差は、背面エッチング用のマスクの設計に際に考慮に入れることができる。
製造プロセスの要約
スタート時のウェーハとしては、両面を研磨したウェーハが必要な場合を除い
ては、標準の６インチのシリコンウェーハを使用することができる。
図１５は、それぞれの印刷幅が１０５ミリである、１２全カラー印刷ヘッドを
持つ６インチのウェーハである。これら印刷ヘッドの中の二つは、Ａ４／ＵＳレ
ターサイズのページ幅印刷ヘッドを形成するために、一緒に結合することができ
、四つの印刷ヘッドを、１７インチのウエブ商業用印刷ヘッドを作るために、結
合することができ、またはこれら印刷ヘッドを、例えば、ディジタル「ミニラブ
」、Ａ６フォーマットプリンタまたはディジタルカメラ内の、写真フォーマット
印刷用に個々に使用することができる。
下の表に例示としてのウェーハ仕様を示す。
主要な製造ステップは下記の通りである。
１）通常のＣＭＯＳプロセスの流れによる、駆動トランジスタ、シフトレジスタ
、クロック配分回路、および故障許容回路を作成するＣＭＯＳプロセスの完了。
ライン幅１．５ミクロンまたはそれ以下の二つのレベルの金属ＣＭＯＳプロセス
が好適である。ＣＭＯＳプロセスは、第二のレベルの金属の上の酸化物まで行わ
れる。
図１６は、標準ＣＭＯＳプロセスの流れの完了後の、ノズルチップ領域内のウ
ェーハの横断面である。
この図には、シリコンウェーハ２０２０、電界酸化物２０２１、第一のレベル
間酸化物２０２２、第一のレベルの金属２０２３、第二のレベル間酸化物２０２
４、第二のレベルの金属２０２５、および不動態化酸化物２０２６が図示されて
いる。
この例の層の厚さは、下記の通りである。
ａ）電界酸化物２０２１：１ミクロン
ｂ）第一のレベル間酸化物２０２２：０．５ミクロン
ｃ）第一のレベルの金属２０２３：１ミクロン
ｄ）第二のレベル間酸化物２０２４：平面化された状態で、１．５ミクロン
ｅ）第二のレベルの金属２０２５：１ミクロン
ｆ）不動態化酸化物２０２６：平面化された状態で、２ミクロン
図に示すように、第一のレベルの金属２０２３と第二のレベルの金属２０２５
の小さなパッチとを接続している、ノズルチップの所の二つのレベル間層貫通孔
がある。
２）レジストを使用するノズルチップのマスク。ノズルチップ孔部は、ノズルチ
ップのところのレベル間通路を、半分に切断するように形成されている。ノズル
チップ孔部と同じマスク上に、チップの縁部の輪郭を描いている開口部がある。
この開口部は、ウェーハからチップを分離するための、チップの境界の表面エッ
チング用のものである。ウェーハからのチップの分離は、インクチャネルおよび
ノズルに対して同時の行われるエッチングにより行われる。
３）ノズルチップおよび表面チップ境界のプラズマエッチング。これは表面酸化
物層の異方体プラズマエッチングである。このエッチングにより、約５ミクロン
の厚さの二酸化シリコンが除去される。側壁のエッチングは、できるだけ急角度
で行わなければならない。この場合、側壁の角度は８５度とする。エッチングは
、シリコンの深さまで行われる。
図１７は、ノズルチップがエッチングされた後のノズルチップ領域の横断面で
ある。
４）ヒータ材料２０２７の薄い層の蒸着。この層の厚さは、選択したヒータ材料
の比抵抗によって異なる。ニクロム、タンタル／アルミニウム合金、タングステ
ン、ほう素でドーピングされたポリシリコン、ジルコニウムジボライド、ハフニ
ウムジボライドおよびその他を含めて、多くの異なるヒータ材料を使用すること
ができる。ヒータ材料の融点は、それほど高い必要はない。それ故、スパッター
する代わりに蒸着することができるヒータ材料を選択することができる。図１９
は、この蒸着ステップ終了後のノズルチップ領域の横断面である。
５）ウェーハの約３００ミクロンの厚さへの化学的処理。
６）ウェーハの表面および裏面の両方上への、０．５ミクロンの厚さのＰＥＣＶ
Ｄ窒化シリコン（窒化物）２０２８の蒸着。図１９は、この蒸着ステップ終了後
のノズルチップ領域の横断面である。
７）ウェーハの背面上へのレジストのスピンコーティング。インクチャネルの異
方体エッチングおよびチップ分離（ダイシング）のための、ウェーハの背面のマ
スク。マスクは、インクチャネルを形成するための凹状の四角い孔を含んでいて
、この孔はチップの縁部の輪郭を描いている。チップの縁部の境界は幾分凸状に
なっているので、マスクの切り下げが行われる。チップの縁部の形状は、突出部
をマスクの凸状のコーナに置くことによって調整することができる。マスクパタ
ーンは、｛１１１｝平面と整合している。レジストは、ウェーハの背面上にすで
に蒸着されているＰＥＣＶＤ窒化物のエッチングを、マスクするために使用され
る。背面上の窒化物がエッチングされ、レジストが除去される。
８）ノズルチップ領域のウェーハの厚さが約１００ミクロンになるまでの、１１
０℃におけるＥＤＰ内のウェーハのエッチング。エッチングが行われる時間は、
約４時間である。このエッチングが行われている間、ノズル領域のシリコンの厚
さは、ノズルチップの後ろにある室（ノズルバレル）の幾何学的形状を制御する
ことによって調整することができる。エッチングが最終的にウェーハを通して正
しく行われている間に、中断された部分から、ウェーハの表面および裏面からの
エッチングをスタートする。この二段階のエッチングを行うことにより、ノズル
チップ領域の切り下げの長さを正確に制御することができる。切り下げの深さは
１−８ミクロンであることが望ましいが、好適な切り下げの深さは、約３ミクロ
ンである。このエッチングはステップ１２で終了する。
９）表面窒化物２０２８およびヒータ２０２７層の異方体エッチング。異方体エ
ッチングとしては、反応性イオンプラズマエッチング（ＲＩＥ）を使用すること
ができる。このエッチングステップでは、ノズルチップの垂直面の近くの大部分
の窒化物２０２８およびすべてのヒータ２０２７材料は残したままで、水平面か
らすべてのヒータ材２０２７および窒化物２０２８を除去する必要がある。図２
０は、このエッチングステップ終了後のノズルチップ領域の横断面である。
１０）標準石版印刷御エッチングプロセスを使用するボンディングパッドの切り
開き。
１１）マスクを使用しない、１ミクロンの厚さの二酸化シリコン２０２６の同方
体エッチング。このエッチングは、Ｓｉ3Ｎ4に対して高い選択性を持つ湿式エッ
チングにより行うことができる。これは、ノズルチップ周囲の窒化シリコンリム
を形成する。図２１は、このエッチングステップ終了後のノズルチップ領域の横
断面である。
１２）ステップ８で開始したウェーハエッチングの終了。１１０℃で、ＥＤＰを
使用してエッチングを行う。このエッチングはウェーハの両面、すなわち、表面
からノズルチップ孔部を通して、また裏面からインクチャネル孔部を通して行う
。エッチング速度はほぼ下の表に示すとおりである。
表中のエッチング速度は、１９８７年に開催された半導体センサおよびアクチ
ュエータに関する第４回国際会議の記録、１９８７年トランスジューサのＨ．シ
ーデルの「異方体シリコンエッチングの機構と、マイクロマシニングとの関連」
１２０−１２５ページ、から引用したものである。
エッチング時間は重要である。何故なら、エッチングは停止しないからである
。各エッチングバッチは、エッチング速度が少しずつ違うので、エッチング期間
の終了間近で、ウェーハを定期的にチェックする必要がある。ノズルチップの孔
部から最初に光が見え始めたら、エッチングはほぼ完了である。この段階におい
て、さらに６分間ウェーハにエッチングを行う。処理しているウェーハが、同時
に必要とする厚さを持つことが望ましい。
エッチングは三段階に分割して行われる。
ａ）最初の１０分間の間、ウェーハの両面、すなわち、（ノズルチップを通して
）表面から、また裏面から〈１００〉エッチング速度で行われる。表面からのエ
ッチングの深さは、ノズルチップの半径／２（半径７ミクロンのノズルチップ孔
部に対して約１０ミクロン）である。図２２は、この時点におけるノズルチップ
領域の横断面である。
ｂ）次の約１時間４０分の間、エッチングは〈１００〉の速度で、ウェーハの裏
面から行われるが、ノズルチップ孔部を通しては、〈１１１〉の速度で行われる
。裏面の孔部を通して行われるエッチングの深さは、約９０ミクロンで、ノズル
チップ孔部を通して行われるエッチングの深さは、［１１１］方向には約２．５
ミクロン（〈１００〉方向においては約３ミクロン）である。図２３は、この時
点におけるノズルチップ領域の横断面である。
この時点において、ノズルチップの孔部はインクチャネルの孔部と連絡し、そ
の結果、比較的速いエッチング速度で、凸状のシリコン面が露出する。次の６分
間の間、インクチャネル内において、エッチングは〈１００〉の速度で行われ、
凸状のシリコンの周囲で、種々の加速された速度で行われる。図２４は、この時
点におけるノズルチップ領域の横断面である。
ノズルチップの切り下げの深さは、表側および裏側からのエッチングの相対的
な深さを変えることによって制御することができる。この制御は、表側のエッチ
ングをスタートさせる少し前に、裏面のエッチングをスタートさせることにより
行うことができる。全エッチング時間は、時間単位で測定されので、ノズルチッ
プ領域から窒化物を除去する前に、ウェーハがＥＤＰで最初エッチングされる時
間の長さを容易に正確に調整することができる。
この方法により、異なるウェーハの厚さ、異なる〈１１１〉／〈１００〉エッ
チング速度を補償することができ、シリコン膜の厚さおよびヒータの切り下げの
深さを高度に制御することができる。
この段階において、チップの縁部も同様にエッチングされる。何故なら、チッ
プの縁部のエッチングもインクチャネルのエッチングと同時に行われるからであ
る。チップの縁部のマスキングパターンの設計も、チップに損傷を与えずに、容
易に折り取ることができる薄い「ブリッジ」だけを残して、エッチングステップ
の終了時に、チップが依然としてウェーハによって支持されているように、調整
することができる。別の方法としては、この段階で、チップをウェーハから完全
に分離することもできる。
ＥＤＰエッチング中に、チップを確実に完全に分離できれば、ウェーハの両面
からエッチングを行うことができる。
ウェーハの表面上のマスクスロットは、ウェーハの裏面のマスクスロットより
遙かに狭くすることができる（幅１０ミクロンが適当）。そうすることにより、
チップ間の無駄なウェーハ面積をかなり減らすことができる。
１３）チップの裏面からの不動態化層の蒸着。１ミクロンの厚さのＰＥＣＶＤＳ
ｉ3Ｎ4を使用することができる。図２５は、この蒸着ステップ終了後のノズルチ
ップ領域の横断面である。
１４）若干正の圧力（約１０ｋＰａ）下で、印刷ヘッドを水で満たす。ウェーハ
の表面上に小さな水滴や水の凝集が付着しないように注意する。何故なら、この
様な水滴は、疎水化プロセスを阻害するからである。
印刷ヘッドをふっ素化アルキルクロロシランのような疎水化剤蒸気に曝す。適
当な疎水化剤としては、下記のものがある。（望ましくない順序に配列されてい
る。）
１）ジメチルジクロロシラン（ＣＨ3）2ＳｉＣｌ2（好適ではない）
２）（３，３，３−トリフルオロプロピル）−トリクロロシラン、ＣＦ3（ＣＨ2
）2ＳｉＣｌ3
３）ペンタフルオロテトラヒドロブチル−トリクロロシラン、ＣＦ3ＣＦ2（ＣＨ2
）2ＳｉＣｌ3
４）ヘプタフルオロテトラヒドロペンチル−トリクロロシラン、ＣＦ3（ＣＦ2）2
（ＣＨ2）2ＳｉＣｌ3
５）ノナフルオロテトラヒドロヘキシル−トリクロロシラン、ＣＦ3（ＣＦ2）3
（ＣＨ2）2ＳｉＣｌ3
６）ウンデカフルオロテトラヒドロヘプチル−トリクロロシラン、ＣＦ3（ＣＦ2
）4（ＣＨ2）2ＳｉＣｌ3
７）トリデカフルオロテトラヒドロオクチル−トリクロロシラン、ＣＦ3（ＣＦ2
）5（ＣＨ2）2ＳｉＣｌ3
８）ペンタデカフルオロテトラヒドロノニル−トリクロロシラン、ＣＦ3（ＣＦ2
）5（ＣＨ2）2ＳｉＣｌ3
他にも多くの使用可能な疎水化剤を入手することができる。インクの界面活性
剤の物理的吸収を減らすためには、アルキル化された表面より、ふっ素化された
表面のほうが好適である。
水は、疎水化剤が印刷ヘッドの内面に影響するのを防止するので、毛細管現象
により印刷ヘッドを満たすことができる。図２６は、疎水化プロセス中のノズル
の横断面である。
１５）パッケージおよびワイヤボンディング。その後で、この装置をインク供給
装置に接続し、インク圧をかけ、機能試験を行うことができる。図２７は、静止
状態にあるインク２０３１で満たされたノズルの横断面である。
図２８は、チップの裏面から見たインクチャネルの斜視図である。
図２９（ａ）は、チップを分離するためのノズルとチップの縁部の同時エッチ
ングを示すウェーハの横断面である。これらの図面は、一定の比率で拡大されて
いない。図２９（ａ）は、ノズルチップ、インクチャネルおよびチップの縁部用
のマスクされた領域と共に、二つの領域、すなわち、エッチングを行う前のノズ
ル領域およびチップの縁部領域を示す。図２９（ｂ）は、〈１００〉のエッチン
グ速度で、ノズルチップ孔部がエッチングされた後のウェーハであり、角すい形
のピットを形成している。この時点において、ノズルチップ孔部のエッチング速
度は〈１１１〉エッチング速度に低下している。チップの縁部とインクチャネル
のエッチングは、同時に行われる。図２９（ｃ）は、ウェーハの表面からチップ
の縁部でエッチングされているピットが、ウェーハの裏面からエッチングされて
いるピットと連絡した時点でのウェーハである。図２９（ｄ）は、インクチャネ
ルピットが、ノズルチップピットと連絡した時点でのウェーハである。ウェーハ
の縁部のエッチングは、水平方向に、〈１００〉エッチング速度で同時に行われ
た。図２９（ｅ）は、エッチングが完了し、ノズルが形成された後のウェーハで
ある。
図３０は、本明細書中に開示した方法で製造した２４本の主ノズルと、２４本
の冗長ノズルとを持つ、単一のインクチャネルピットのレイアウトの寸法である
。
図３１は、８個のインクチャネルピットおよびその対応するノズル、インク印
刷ヘッドの配置および寸法である。
図３２は、四色印刷ヘッドの一端部の３２個のインクチャネルピットである。
四つの各プロセスカラー、すなわち、シアン、マジェンタ、黄色および黒に対し
て、二列のインクチャネルピットが使用されている。
図３３（ａ）および図３３（ｂ）は、大型の印刷ヘッドを形成するために突き
合わされた、二つの隣接印刷ヘッドチップ（モジュール）の端部である。走査方
向に印刷ヘッドチップをオフセットさせないで、印刷ヘッドチップを正確に整合
することにより、ページ上に印刷された跡の間に眼で認識できる程度の重なりを
生じないで、印刷を行うことができる。
図３４は、４インチ（１００ミリ）のモノリシック印刷ヘッドモジュール上の
インクチャネルピットの完全な全体図である。
本発明の多数の好適な実施形態を説明してきた。当業者にとっては、本発明の
範囲から逸脱しないで、種々の修正をおこなうことができることは明らかであろ
う。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Assembly and manufacturing process of thermally actuated print head
Technical field
The present invention relates to a computer-controlled printing device, and more particularly to a method for controlling a plurality of nozzles on a single substrate.
Assembling a thermally actuated drop-on-demand (DOD) printhead with a built-in
And manufacturing process.
Background of the Invention
To date, many different types of digitally controlled printing systems have been invented,
Many types are currently in production. These printing systems can be
A mechanism, various marking agents and various recording media are used. Currently used
Examples of digital printing systems include laser electrophotographic printers and LED electronic
Photo printers, dot matrix impact printers, thermal paper printers
, Film recorders, thermal wax printers, dye-dispersed thermal transfer printers and
There are ink jet printers and the like. But for now, the traditional way is to set
Is very expensive, unless you want to print thousands of specific pages,
Electronic printing systems are not compatible with mechanical printing
There are still a few cases that have been replaced. So, for example, using plain paper
An improved digital printer that can print high-quality color images at high speed and at low cost.
There is a need for a digitally controlled printing system.
Inkjet printing is an excellent competitive phase in digitally controlled electronic printing
It has been a hand. Because, for example, it is not impact type,
This is because printing can be performed on paper and there is no need to transfer or fix the toner.
To date, many types of ink jet printing mechanisms have been invented. this
These inkjet printing mechanisms are either continuous inkjet (CIJ) or drop
It can be classified as an on-demand (DOD) inkjet. Continuous ink jet
Jet printing has a long history, being invented at least in 1929. Hansel
See U.S. Patent No. 1,941,001.
U.S. Pat. No. 3,373,437 to Suite et al., 1967, used for printing.
Ink particles are selectively charged and deflected toward the recording medium.
An array of continuous inkjet nozzles is disclosed. This technique is based on the binary deflection CI
J and several manufacturers such as Elmjet and Cytex
Used.
U.S. Pat. No. 3,416,153 to Hertz et al. In 1966 passes through a small hole.
Electrostatic flow of charged ink particles to modulate the number of ink particles
By optically changing the density of dots printed by CIJ printing,
A method is disclosed. This technology is based on inks manufactured by Iris Graphics.
Used in jet printers.
No. 3,946,398 to Kaiser et al. In 1970 describes a piezoelectric crystal.
High voltage, bend the crystal, apply pressure to the ink tank, if necessary
Discloses a DOD inkjet printer that ejects ink particles. Many
Many types of piezoelectric drop-on-demand printers were invented one after another,
These piezo printers use a piezo crystal in bending mode, push mode, and shear mode.
Used in flash mode and aperture mode. Piezoelectric DOD printers use high-temperature molten ink
Commercial (eg, Tektronix and data product printers)
Successful, but its home and office image resolution is up to 720d
pi (Seiko Epson). Piezoelectric DOD printers have a wide range of
It has the advantage that ink can be used. But the piezoelectric printing mechanism
Usually requires complex high voltage drive circuits and bulky piezoelectric crystal arrays
Therefore, it is difficult to manufacture and disadvantageous in performance.
British Patent No. 2,007,162 to Endo et al.
A power pulse to an electrothermal transducer (heater) in thermal contact with
An electrothermal DOD inkjet printer is disclosed. The heater quickly drains water.
Heated ink to a high temperature, in which case a small amount of ink evaporates rapidly and
To form The formation of such bubbles results in pressure waves,
The pressure wave causes ink particles to be ejected from small holes along the edge of the heater substrate.
Let This technology is aTM(Registered trademark of Canon Inc. in Japan)
Numerous types manufactured by Barrel, Canon, Xerox and other manufacturers
Used in printing systems.
U.S. Pat. No. 4,490,728 to Boat et al., 1982, describes the formation of bubbles.
Thus, an operating electrothermal particle ejection system is disclosed. In this system,
Is passed through a nozzle formed in a plate with a hole placed above the heater.
Are discharged in a direction perpendicular to the surface of the heater substrate. This system uses a thermal inkjet
And manufactured by Hewlett-Packard Company. Heat In
The term cuget is used in the Hewlett-Packard system and in Bubb.
blejetTMIt is used to refer to both systems commonly referred to as.
Thermal inkjet printing typically takes about 2 microseconds to eject a single particle.
Require about 20 microjoules. Each heater extinguishes 10 watts of active power
The costs are disadvantages in themselves, require special inks, and
The complexity of the electronics increases the deterioration of the heater element.
The technical literature also describes other inkjet printing systems, but currently it is
Not used commercially. For example, U.S. Pat. No. 4,275,290
By matching the address of the predetermined print head nozzle with the pulse and the water pressure,
Ink can freely flow under the print head and onto the paper separated by the spacers.
Discloses a system that can be used. U.S. Pat. No. 4,737,803,
Nos. 4,737,803 and 4,748,458 describe in printhead nozzles
By matching the address of the ink to the heat pulse and the electrostatically induced field.
Discloses an ink jet recording system that ejects ink particles to a printing sheet
doing.
Each of the above inkjet printing systems has advantages and disadvantages. But for example
, Cost, speed, quality, reliability, power usage, simple construction and operation, durability and power consumption
There is still a need for improved inkjet printing methods that are advantageous in terms of consumables.
Is widely known.
Summary of the Invention
"Liquid ink printing device and system" and "Simultaneous particle selection, particle separation printing"
The application filed with the present application entitled "Methods and Systems"
New way to make significant improvements to overcome prior art problems
And an apparatus are described. These inventions relate, for example, to particle size and particle size.
Child print station accuracy, achievable printing speed, power utilization, durability and encounters
Operational thermal stresses and other printer performance characteristics, and ease of manufacture and
It has important advantages with regard to the properties of the inks and the useful inks. One important aspect of the present invention
A further object is to further improve the structure and method disclosed in the above application,
To contribute to the advancement of printing technology.
Therefore, one aspect of the invention is a heater that is removed to form the above nozzle.
At least one nozzle formed on the substrate, characterized by the substrate material in the region of
And a drop-on-demand printhead having an associated electric heater.
According to another aspect of the present invention, there is provided (a) forming a nozzle tip hole on a print head substrate.
(B) coating the nozzle tip hole with a material.
And (c) the above-mentioned material is supplied from the surface of the nozzle tip hole to the necessity of the heater.
Removing to a depth equal to the width of the nozzle tip;
A layer of heater material coated to a thickness equal to the required thickness of the heater
(E) removing the heater material on the side wall of the nozzle tip hole.
Etching said heater material in such a way as to be able to
A print head including a self-aligned heater.
Therefore, one advantage of the present invention is that the nozzle assembly for a liquid ink printhead is self-contained.
Including self-aligned heaters. Another advantage is that the print head is a silicon wafer
It is formed on. Another advantage of the present invention is that multiple nozzles are
That is, it is formed on a plate.
In a preferred embodiment, the nozzle extends from the front to the back of the flat substrate.
It is formed as a hole.
Another aspect of the invention provides that at least one nozzle includes an electrothermal actuator.
And a heater is provided on the nozzle tip.
Provide drop-on-demand printing including a plurality of nozzles. Preferred features of the present invention
The indication is that the heater is very close to the rim and above the rim protruding from the surface of the printhead.
It is located in.
Another preferred feature of the present invention is that the substrate material in the heater area has been removed.
is there. Another preferred feature of the present invention is that the print head is mounted on a single silicon wafer.
That is, it is formed.
Another preferred embodiment of the present invention is directed to a layer of a material having a lower thermal conductivity than the substrate.
Is inserted between the heater and the substrate.
Another preferred aspect of the invention is that the layer of material between the heater and the substrate is made of silicon dioxide.
It is to be.
In another preferred aspect of the present invention, a nozzle is an anisotropically etched dielectric layer including a heater.
Is formed by the
According to another preferred aspect of the present invention, the nozzle forming process includes anisotropic etching of a substrate.
It is to include.
In another preferred aspect of the present invention, the nozzle forming process includes the steps of:
Including etching from both.
In another preferred aspect of the invention, a substrate etches a dielectric layer in which the process includes a heater.
Anisotropic etching process that etches the substrate at a faster rate than
Thus, the substrate is cut off in the heater area.
BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
FIG. 1 (a) is a simplified block diagram of an exemplary printing device of the present invention.
You.
FIG. 1B is a cross-sectional view of an example of the nozzle tip of the present invention.
2 (a) to 2 (f) are hydrodynamic simulations of ink particle selection.
You.
FIG. 3 (a) shows a finite element hydrodynamic stain of a nozzle according to an embodiment of the present invention.
It is a simulation.
FIG. 3B shows a continuous meniscus position during ink particle selection and separation.
FIG. 3 (c) shows the temperature at various points during the ink particle selection cycle.
FIG. 3 (d) shows measured surface tension versus temperature curves for various ink additives.
FIG. 3E shows a state in which the temperature curve shown in FIG.
Power pulse.
FIG. 4 is a simplified block diagram of a printhead drive circuit for implementing the present invention.
You.
FIG. 5 illustrates an A4 page implementing features of the invention with or without fault tolerance.
Estimated manufacturing yield for large-width color printheads.
FIG. 6 is a generalized block diagram using a print head.
FIG. 7 shows a single nozzle with multiple nozzles etched according to an embodiment of the present invention.
Silicon substrate.
FIG. 8A is an example of a layout of a small cross section of the print head of the present invention.
FIG. 8B is a detailed view of FIG.
FIGS. 9A to 9R are simplified diagrams of a process added to the standard integrated circuit manufacturing process.
This is a simplified manufacturing step.
FIG. 10 is a simple, flat heater structure for the printhead of the present invention.
FIG. 11A is a plan view of a self-aligned heater structure.
FIG. 11 (b) is a schematic isometric view of the self-aligned heater structure.
FIG. 12 is a simple nozzle for high power dissipation.
FIG. 13 is a nozzle layout with a small cross section of the print head.
FIG. 14 is a detailed view of the layout of two nozzles and two drive transistors.
It is.
FIG. 15 shows a layer of multiple printheads formed on a standard silicon wafer.
It is Uto.
FIGS. 16-27 illustrate a single nozzle tip at various stages during the manufacturing process.
FIG. 4 is a cross-sectional view of the print head in a small area at the end.
FIG. 28 is a perspective view of the back surface on a single printhead chip.
FIGS. 29 (a) -29 (c) show simultaneous etching of nozzle and chip separation.
It is. These figures have not been scaled to scale.
FIG. 30 shows a single ink channel with 24 main nozzles and 24 redundant nozzles.
Layout dimensions.
FIG. 31 shows eight ink channel pits and corresponding nozzles,
The arrangement and dimensions of the pads.
FIG. 32 shows 32 ink channel pits at the end of a four-color print head.
FIG. 33 (a) -FIG. 33 (b) show abutting to form a longer print head.
At the ends of two adjacent printhead chips (modules)
is there.
FIG. 34 shows an image on a 4 inch (100 mm) monolithic printhead module.
This is the complete number of link channel pits.
Detailed Description of the Preferred Embodiment
In one general aspect, the invention comprises a drop-on-demand printing mechanism.
The means for selecting the ink particles used for printing,
Changes the positional relationship between the ink and the unselected ink particles,
The particles overcome the surface tension of the ink and are not enough to separate from the ink body.
And another means for separating selected ink particles from the ink body.
Is used.
When the ink particle selection means is separated from the ink particle separation means,
The energy required to select whether to use for printing is significantly reduced. ink
Only the particle selection means needs to be driven by individual signals for each nozzle
It is. The ink particle separation means is applied to all nozzles according to the electric field or conditions.
Sometimes can be used.
The ink particle selection means can be selected from the following list.
It is not limited to only those described.
1) Electric heat reduction of surface tension of ink under pressure
2) Electric heating valve due to insufficient bubble volume to cause ejection of ink particles
Occurrence of
3) Piezo with insufficient volume change to eject ink particles
4) Electrostatic suction using one electrode for each nozzle
The ink particle separation means can be selected from the following list.
It is not limited to only those described.
1) Proximity (recording medium close to print head)
2) Proximity by vibrating ink pressure
3) Electrostatic suction
4) Magnetic attraction
The “DOD printing technology goal” table shows the drop-on-demand printing technology
Shows some desirable properties. This table is also described herein.
Described in some embodiments or other applications related to the present invention.
Show some methods used by some embodiments, thereby improving the prior art
doing.
For thermal inkjet (TIJ) and piezoelectric inkjet systems
, The selected ink particles reliably overcome the ink surface tension and are separated from the ink body.
In order to be separated and sprayed on the recording medium, the ink particles preferably have a speed of about 10 seconds per second.
It is preferably meters. The electrical energy of the above system is
The efficiency of conversion to kinetic energy of the child is very low. The efficiency of the TIJ system is approximately
0.02%. This means that the drive circuit for the TIJ printhead switches off large currents.
Means that you have to replace it. Drive circuit for piezoelectric inkjet head
Routes must switch large voltages or switch off large capacitive loads.
I have to change it. Total power consumption of page width TIJ printheads is very high
No. 800 dpi A4, printing one 4-color black image per second
Full color page width TIJ printhead printing consumes about 6 kilowatts of power
But most of it is wasted heat. It is difficult to remove this heat, so low cost
Production of high speed, high resolution, small page width TIJ system
do not go.
One important feature of embodiments of the present invention is the selection of ink particles used for printing.
It is a means to significantly reduce the required energy. The above energy reduction is
Means for selecting ink particles, ensuring that the selected ink particles are
Separated from the means for forming dots on the recording medium.
Achieved. Only the ink drop selection means is based on individual signals for each nozzle.
Must be driven. The ink particle separation means applies to all nozzles simultaneously.
Field or condition used.
In the table showing “ink particle selection means”, the ink particles of the present invention are selected.
Some possible means for this are indicated. The ink particle selection means is selected
Needed to fully change the location of the ink droplets
The child separating means distinguishes selected ink particles from non-selected ink particles.
You can do it.
Other ink particle selection means can also be used.
A suitable means for selecting ink particles for water-based inks is described in Method 1: "Under Pressure"
The surface tension of the ink is reduced by electroheating. " This ink particle selection hand
Stages have many advantages when compared to other systems. The advantages are:
Things included. That is, low operating power (about 1% of TIJ), CMOS
Compatibility with the VLSI chip manufacturing method and low operating voltage (about 1
0V), high nozzle density, low temperature operation, and appropriate ink set
The range of the result is wide. The surface tension of the ink decreases with increasing temperature.
There must be.
Suitable ink particle selection for hot melt inks or oil based inks
Means: Method 2: "Electric heating lowers the viscosity of ink together with fluctuating ink pressure"
Is the way. The above-mentioned ink particle selection means shows that the viscosity decreases significantly with increasing temperature.
But is particularly suitable for use with inks that reduce surface tension only slightly.
I have. Especially suitable for non-polar ink carriers with relatively high molecular weight
. This is especially true for hot melt inks and inks based on oils.
Are suitable.
The table indicating “ink particle separating means” stores the selected ink particles in the ink.
Separates from the body and forms dots on print media with selected ink particles.
Several methods are shown that can be used. Ink particle separation means
Ensure that unselected ink particles do not form dots on the print media
To distinguish selected ink particles from non-selected ink particles.
You.
Other means for separating ink particles can also be used.
Suitable means for separating ink particles will depend on the application.
For most applications, Method 1: "electrostatic attraction" or Method 2: "AC field"
Is the most suitable. Use paper or film with a smooth coating
If very high speed is not absolutely necessary, then Method 3: "Proximity" is appropriate.
If you need high speed, high quality, you can use Method 4: "Transfer Proximity"
Wear. Method 6: “Magnetic Attraction” is that the print media is too rough for proximity printing
And high voltage required for electrostatic ink particle separation is undesirable
Suitable for printing systems. Clear "best" for all applications
There is no means for separating ink particles.
A more detailed description of the various types of printing systems of the present invention can be found in the disclosure of which is incorporated by reference.
The following aus, dated April 12, 1995, incorporated herein by reference:
It is described in the Toralia patent specification. That is,
"Liquid Ink Failure Tolerant (LIFT) Printing Mechanism" (Application No .: PN2308)
"Selection of electrothermal ink particles for LIFT printing" (application number: PN2309)
"Separation of ink particles during LIFT printing by proximity of print medium" (Application No .: PN
2310
"By changing the distance between the head and the media, in proximity LIFT printing
Adjustment of Ink Particle Size "(Application PN2311)
"Augmented Proximity LIFT Printing Using Acoustic Ink Waves" (Application No .: 2312)
"Electrostatic ink particle separation in LIFT printing" (application number: PN2313)
"Multiple simultaneous ink particle sizes in proximity printing" (application number: PN2321)
"Self-cooling operation of a thermally actuated print head" (application number: PN2322)
"LIFT printing with reduced thermal viscosity" (application number: PN2323)
FIG. 1 (a) is a schematic diagram of one preferred printing system of the present invention.
Image source 52 is raster image data from a scanner or computer.
Or outline image data in the form of a page description language (PDL).
Or it may be another form of digital image representation.
This image data is pixel-mapped by the image processing system 53.
Is converted to a page image. The above image processing system is a PDL image
In the case of data, it may be a raster image processor (RIP),
In the case of image data, it may be a pixel image operation. Image
The continuous tone data generated by the image processing unit 53 is a halftone.
. Halftoning is performed by digital halftoning unit 54
. The halftone bitmap image data is stored in the image memory 72.
It is memorized. Depending on the printer and system configuration, the image memory 72 may
Memory or band memory. The heater control circuit 71
The data is read from the image memory 72 and the nozzles which are
A time-varying electric pulse is sent to the heater (103 in FIG. 1B). The above pulse is appropriate
At time, it is sent to the appropriate nozzle so that the selected ink droplets
A point is formed at an appropriate place on the recording medium 51 specified by the data of the memory 72.
To achieve.
The recording medium 51 is a page controlled by the microcontroller 315.
The paper movement system electronically controlled by the paper movement control system 66
The head 65 moves with respect to the head 50. Paper transfer shown in FIG.
The dynamic system is only a schematic diagram and can use many different mechanical configurations.
it can. In the case of a page width print head, the recording medium 51 is a fixed type head 50.
The most convenient method is to move the object while making contact with it. However, the scanning printing system
In the case of a stem, the head 50 is usually pivoted so that the raster operation is performed mutually.
(Sub-scanning direction), and moves the recording medium 51 along the orthogonal axis (main scanning direction).
The most convenient way is to move. The microcontroller 315 also
The ink pressure regulator 63 and the heater control circuit 71 can be controlled.
In the case of printing using surface tension reduction, the ink is applied under pressure.
It is housed in an ink tank 64. (No ink particles are ejected)
In some cases, the ink pressure is still high enough to overcome the surface tension and eject the ink particles.
Not expensive. Under the control of the ink pressure regulator 63, a pressure is applied to the ink tank 64.
, A constant pressure can be applied to the ink. Another way and
Therefore, in the case of a large-sized printing system, the printing head is placed at an appropriate height on the head 50.
By setting the ink top surface of the ink tank 64, the ink pressure can be very positive.
It can be reliably generated and controlled. Ink level is controlled by a simple float valve (shown
Without adjustment).
In the case of printing utilizing the viscosity reduction, the ink is stored in the ink tank 64.
And the ink pressure is provided by vibration. As a means to generate this vibration
Use a piezoelectric actuator mounted on an ink channel (not shown)
can do.
If properly positioned with the ink particle separation means, the selected ink particles can be recorded.
A dot is formed on the medium 51, while the unselected ink particles
Remains as a department.
Ink is distributed to the back of the head 50 by the ink channel device 75
. The ink is preferably engraved in the slot 50 and / or in the silicon substrate of the head 50.
Or through the hole to the front where the nozzle and actuator are located
Is preferred. If a thermal selection is made, the nozzle actuator
It is a heater.
For certain types of printers of the present invention, selected ink droplets are imprinted.
External power to ensure that it is separated from the main body of the recording medium and moved in the direction of the recording medium 51.
A field 74 is needed. Inks can be easily conductive, making them affordable
As the external electric field 74, a constant electric field can be used. In this case,
The plate or platen 67 can be made of a conductive material,
Can be used as an electrode. As the other electrode, the head 50 itself
Can be used. Other embodiments may be selected with selected ink particles.
The proximity of the print media is used as a means to distinguish
You.
For small ink particles, the gravitational force on the ink particles is very small. sand
That is, about 10 of surface tension-FourIn most cases, gravity can be ignored.
For this reason, the print head 50 and the recording medium 51 are assigned to a local gravity field.
You can turn in any direction. This is for portable printers.
This is an important requirement.
FIG. 1 (b) shows a single embodiment of the present invention fabricated using a modified CMOS process.
FIG. 2 is a detailed enlarged view of a cross section of an embodiment of a microscopic nozzle tip. Nozzle is substrate 10
Engraved in one, this substrate may be silicon, glass, metal or any other suitable
Can be made of material. If the substrate is made of non-semiconductor material,
Semiconductor material (such as standard silicon) is placed on a substrate and integrated into a semiconductor layer on the surface
A driving transistor and a data distribution circuit can be formed. Single crystal silicon
(SCS) substrates have several advantages, including the advantages described below.
1) High performance drive transistors and other circuits can be built in SCS
.
2) Make a print head at the current facility (factory) using a standard VLSI processor
be able to.
3) SCS has high mechanical strength and rigidity.
4) SCS has high thermal conductivity.
In this example, the nozzle is cylindrical and has an annular heater 103.
The nozzle chip 104 is formed by a silicon dioxide formed during a process of forming a CMOS driving circuit.
Made from con layer. The nozzle tip is protected by a silicon nitride film.
The protruding nozzle tip is used for the ink 1 under pressure on the print head surface.
00 contact points are controlled. The print head surface also crosses the front of the print head
And is made hydrophobic so that the ink is not unnecessarily spread.
Many other configurations of nozzles can be used, and
The shape, size and materials used can vary. Heater on top
Monolithic nose engraved on the substrate on which the drive electronics are formed
Has the advantage of not requiring an orifice plate. Do not use an orifice plate
As a result, manufacturing and assembly costs can be significantly reduced.
A recent method that eliminates the use of orifice plates is the transfer to Xerox.
Domoto et al., 1986 U.S. Pat. No. 4,580,158, Hewlett-Packer
U.S. Pat. No. 5,371,527 to Miller et al.
There are "vortex" actuators and the like as described methods. But these
The method is complicated in operation and difficult to manufacture. Orifice plate for print head of the present invention
A preferred method without the use of a built-in orifice in the actuator substrate
I have.
This type of nozzle uses various techniques to separate the ink particles.
Print heads.
Operation using electrostatic ink droplet separation
As a first example, FIG. 2 shows thermal reduction of surface tension and electrostatic ink particle separation.
The operation which uses is shown.
Figure 2 shows a commercial model sold by Fluid Dynamic, Illinois, USA
FIDAP, a dynamic fluid dynamic simulation software package
Shows the results of energy transfer and fluid dynamic simulation performed using
. This simulation is based on an 8 micron diameter heat at an ambient temperature of 30 ° C.
FIG. 4 is for an embodiment of a selective ink particle selection nozzle. Supplied to heater
The total energy is 276 nJ, 69 paths each with 4 nJ energy.
Given by Luz. The ink pressure is 10 kPa higher than the surrounding air pressure and 30 kPa.
The viscosity of the ink at ℃ was 1.84 cPs. The ink is based on water
In order to greatly reduce the surface tension as the temperature increases, a 0.1%
Includes luminic acid sol. As shown in the figure, the nozzle extends radially from the center axis of the nozzle.
The cross-sectional length of the scalpel tip is 40 microns. Silicon, silicon nitride, amo
Rufus silicon dioxide, in nozzle material containing crystalline silicon dioxide, and water
Heat flowing through the ink based on the density, heat capacity, and heat conduction of each
Simulated using gender. The simulation time step is 0.1
It is microseconds.
FIG. 2A shows a stationary state immediately before the heater operates. In equilibrium,
Therefore, when stationary, the ink pressure plus the external electric field is absolutely
Since the surface tension cannot be overcome, no ink is ejected from the nozzles. Stationary
State, the meniscus of the ink does not protrude significantly from the surface of the printhead.
Therefore, the electrostatic field is not significantly concentrated on the meniscus.
FIG. 2B shows 5 ° C. 5 microseconds after the start of the supply of the heater heating pulse.
The interval isotherm is shown. When the heater is heated, the ink in contact with the nozzle tip
Is rapidly heated. As the surface tension decreases, the heated portion of the meniscus cools.
It expands rapidly against the meniscus of the desired ink. In this situation, convection occurs
This convection rapidly transfers this heat through a portion of the free surface of the nozzle tip ink.
Move. In this case, heat is dissipated through where the ink is not in contact with the heater.
Instead, it must be distributed over the surface of the ink. Because solid
When sticky ink is transmitted to the heater, the ink in direct contact with the heater
Is unable to move.
FIG. 2C shows a state 10 microseconds after the start of the supply of the heater heating pulse.
Shows isotherms every 5 ° C. As the temperature increases, the surface tension decreases and the force balance
Torn. When all the meniscus is heated, the ink starts to flow.
FIG. 2D shows a state 20 microseconds after the start of the supply of the heater heating pulse.
Shows isotherms every 5 ° C. Ink pressure causes ink to flow to the new meniscus
Sticking out of the print head. The electrostatic field is collected by conductive ink particles that protrude.
Inside.
FIG. 2E shows a state 30 microseconds after the start of the supply of the heater heating pulse.
Shows isotherms every 5 ° C. Since the duration of the heater pulse is 24 microseconds,
This isotherm is 6 microseconds after the end of the heater pulse. Nozzle tip
Rapid cooling through heat conduction through the oxide layer and into the flowing ink
I do. The nozzle tip is effectively water cooled by the ink. Due to electrostatic attraction,
Acceleration of the ink particles toward the recording medium is started. Heater pulse significantly shorter
Then (in this case, less than 16 microseconds), the ink is directed to the print media
Without returning to the direction of the nozzle.
FIG. 2 (f) shows the temperature of 5 ° C. 26 microseconds after the end of the supply of the heater pulse.
The isotherm for each is shown. Nozzle tip temperature is 5 ° C or less compared to ambient temperature
become. Thereby, the surface tension around the nozzle tip increases. In from nozzle
The speed at which ink is drawn out is limited by the viscosity of the ink flow through the nozzles.
If it does, the ink in the area of the nozzle tip will "neck" and the selected ink
The ink particles separate from the ink body. The selected ink particles are then
It moves toward the recording medium under the influence of the electrostatic field. After that,
The ink meniscus of the pump returns to the rest position and the next heating pulse
You are now ready to select the particle. One drop selected for each heating pulse
Are separated and form dots on the recording medium. The heating pulse is controlled electrically
Therefore, a drop-on-demand inkjet operation can be performed.
FIG. 3A shows that every 5 microseconds after the supply of the heater heating pulse is started,
3 shows the position of the continuous meniscus during the ink particle selection cycle.
FIG. 3 (b) shows the movement of the center point of the meniscus, showing the position of the meniscus versus time.
It is a graph of. The heater pulse fires 10 seconds after the simulation starts.
To start.
FIG. 3 (c) is a composite curve of the temperature at various points of the nozzle over time.
is there. The vertical axis of the graph is the temperature in units of 100 ° C. The horizontal axis of the graph is
The time in microseconds. The temperature curve of FIG.
It is calculated by IDAP. The local ambient temperature is 30 ° C. Three
Shows the temperature history at a point.
A-Nozzle tip: with temperature history of passivation layer, contact circle between ink and air
is there.
B-Midpoint of meniscus: Ink between the nozzle tip and the center of the meniscus
The circle on the midpoint of the varnish.
C-tip surface: on the surface of the printhead, 20 microns away from the center of the nozzle
Is the point. The temperature rises only a few degrees. This means that active circuits can be
Even if installed close to, performance or life will not deteriorate due to temperature rise.
Is shown.
FIG. 3E shows the electric power applied to the heater. For optimal operation,
When the pulse is started, the temperature must rise rapidly and the pulse
The temperature must be kept slightly below the boiling point of the ink for the duration of the ink
Yes, and if the pulse supply is stopped, the temperature must drop rapidly.
No. To do so, the average energy delivered to the heater is
Vary over time. In this case, the fluctuations each have 4 nJ of energy.
Is performed by pulse frequency modulating a 0.1 microsecond sub-pulse.
You. The peak power delivered to the heater is 40 milliwatts and the duration of the heater pulse
The average power throughout is 11.5 milliwatts. In this case, the sub-pulse frequency is
5 Mhz. This frequency can be simplified without significantly affecting the operation of the printhead.
You can simply change it. Using a higher sub-pulse frequency,
The power supplied to the data can be adjusted more finely. Sub-pulse frequency and
Therefore, 13.5 Mhz is appropriate. Because this frequency is also a radio frequency
This is because it is suitable for minimizing the influence of interference (RFI).
ink
FIG. 3 (d) shows the measurement effect on the surface tension of various aqueous preparations containing the following additives.
The result is shown.
1) 0.1% sol of atearic acid
2) 0.1% sol of palmitic acid
3) 0.1% solution of pluronic acid 10R5 (trademark: BASF)
4) 0.1% solution of pluronic acid L35 (trademark: BASF)
5) 0.1% solution of pluronic acid L44 (trademark: BASF)
The inks suitable for the printing system of the present invention are disclosed herein by reference.
It is disclosed in the following Australian patent specification mentioned in the specification:
“Ink Composition Based on Microemulsion” (filed on Sep. 6, 1995, application no.
: PN5223)
“Ink Composition Containing Surfactant Sol” (filed on Sep. 6, 1995, application no.
: PN5224)
"Ink for DOD printers with a craft point close to the ink particle selection temperature sol
Composition "(filed on October 30, 1995, application number: PN6240)
"Dyes and pigments in inks based on microemulsions" (October 1995
(Application on March 30, Application No .: PN6241)
Actions using viscosity reduction
As a second example, in combination with a hot melt ink, thermal reduction of viscosity and near
The operation of an embodiment using tangential ink particle selection is described below. Activate printer
Before the solidification, the solid ink is melted in the ink tank 64. Ink tank
, The passage of the ink to the printhead, the ink channel 75 and the printhead 50
The ink 100 is in a liquid state, but has a relatively high viscosity (for example, about 100 cP
) Maintained at a temperature that is maintained. The ink 100 depends on the surface tension of the ink.
Retained in the nozzle. Ink 100 decreases in viscosity as temperature increases
It is prepared as follows. The ink pressure is an integral multiple of the frequency of the ink droplet ejection from the nozzle.
Varies with frequency. As the ink pressure fluctuates, the ink in the nozzle tip
Although the ink fluctuates, the fluctuation is small due to the high viscosity of the ink. At normal operating temperature
This variation has insufficient amplitude to separate the ink particles. Hi
When the data 103 is turned on, the ink forming the selected ink particles is heated.
The viscosity is reduced to a value that is preferably 5 cP or less. Clay drops
The result is that during the high pressure portion of the ink pressure cycle, the ink meniscus
The scum moves further. The recording medium 51 contains the selected ink particles.
1 is located close enough to the print head 50 to contact
A sufficient distance so that the missing ink particles do not contact the recording medium 51.
is set up. Upon contact with the recording medium 51, some of the selected ink particles
Release and adhere to the recording medium. When the ink pressure drops, the ink returns to the nozzle and starts
Confuse. The ink body is separated from the ink that freezes on the recording medium. afterwards
The meniscus of the ink 100 at the nozzle tip returns to a low fluctuation amplitude. Remaining heat
Escape to the bulk ink and print head, so that the viscosity of the ink is
Go up to. One ink particle is selected, separated and recorded at each heat pulse
A point is formed on the medium 51. Since the heat pulse is electrically controlled,
A top-on-demand inkjet operation can be performed.
Print head manufacturing
The manufacturing process of the monolithic print head of the present invention is disclosed in the references.
The following Aust, filed April 12, 1995, which is incorporated herein by reference:
It is described in the Laria patent specification.
"Monolithic LIFT print head" (application number: PN2301)
"Manufacturing Process for Monolithic LIFT Print Head" (Application No .: PN23)
02)
"Self-aligned heater for LIFT print head" (Application No .: PN2303)
"Integrated 4-color LIFT print head" (application number: PN2304)
"Reducing Power Requirements in Monolithic LIFT Printheads" (Filing no .: PN2)
305)
"A monolithic LIFT print head using anisotropic wet etching
Manufacturing Process ”(Application No .: PN2306)
"Installing Nozzles on Monolithic Drop-On-Demand Print Heads" (Application No.
No .: PN2307)
“Heater structure for monolithic LIFT print head” (application number: PN23)
46)
“Power supply connection for monolithic LIFT print head” (application number: PN2347)
)
"External Connection for Proximity LIFT Print Head" (Application No .: PN2348)
"Self-Aligned Manufacturing Process for Monolithic LIFT Printheads" (Filing no .:
PN2349)
"CMOS Process Compatible Manufacturing of LIFT Print Heads" (September 6, 1995)
(Application, application number: PN5222)
"Manufacturing process for LIFT print head with nozzle rim heater" (1995)
Application No .: PN6238, filed October 30, 2012)
"Modular LIFT print head" (filed October 30, 1995, application no.
: PN6237)
"How to increase the packing density of print nozzles" (October 30, 1995)
Request, application number: PN6236)
“Nozzle dispersion of reduced electrostatic interaction between simultaneously printed ink particles” (1
(Filed on October 30, 995, application number: PN6239)
Print head control
Supplying page image data of the present invention and controlling the heater temperature of the print head
The method is described in 1995, the disclosure of which is incorporated herein by reference.
It is described in the following Australian Patent Specification filed April 12, 2012:
"Integrated drive circuit for LIFT print head" (application number: PN2295)
“Nozzle Cleaning Procedure for Liquid Ink Failure Tolerant (LIFT) Printing” (Application No .: P
N2294)
"Heater Power Compensation for LIFT Printing System Temperature" (Application No .: PN2)
314)
"Heater Power Compensation for Thermal Delay of LIFT Printing System" (Application No .: P
N2315)
“Heater Power Compensation for Print Density of LIFT Printing System” (Application No .: P
N2316)
"Accurate control of print head temperature pulse" (application number: PN2317)
"Data distribution for monolithic LIFT print heads" (application number: PN2318)
)
"Page Image and Fault Tolerant Routing Device for LIFT Printing System
(Application No .: PN2319)
"Removable under pressure liquid ink cartridge for LIFT print head"
(Application number: PN2320)
Image processing for print heads
One object of the printing system of the present invention is to provide a printing system using offset printing.
With the same high-quality printing that people are accustomed to in high-quality color publications
is there. The purpose is to use a printing resolution of about 1,600 dpi,
Can be achieved. However, 1600 dpi printing is difficult and expensive to print.
It is. Using 2 bits per pixel for cyan and magenta,
Use 800 dpi printing, using 1 bit per pixel for yellow and black.
If used, similar high-quality printing can be performed. In this specification,
The color model is called CC'MM'YK. Need to print high quality monochrome images
In such cases, two bits per pixel can be used for black. Book
In the specification, this color model is called CC'MM'YYK '. The system of the present invention
Color model, halftoning, and data compression suitable for systems and other printing systems
, And the real-time extension system are hereby incorporated by reference.
The following Australian patent application filed April 12, 1995, which is incorporated herein by reference:
It is described in the detailed book.
“Four-level ink set for two-level color printing” (application number: PN2339)
)
"Compression system for page images" (application number: PN2340)
"Real-time expansion device for compressed page image" (application number: PN2341)
)
"Large-capacity compressed document images for digital color printers" (application number: PN
2342)
"Improved JPEG compression in the presence of text" (application number: PN2343)
"Expansion and halftoning device for compressed page images" (application number: PN2)
344)
"Improvement of image halftoning" (application number: PN2345)
Application using the print head of the present invention
The printing apparatus and method of the present invention are suitable for a wide range of applications described below.
But not limited to this). Office color and monochrome printing; short-term digitization
High-speed digital printing; process color printing; spot color printing;
Offset printing; low-cost printer using a scanning printhead; pages
High-speed printers with wide printheads; portable color and monochrome
Printers; color and monochrome copiers; color and monochrome facsimile;
Printer, facsimile and copier integrated machine; label printing; large format professional
Printer; digital photo processing printer; digital "instant"
Portable printer built into the camera; Video printing; Optical CD image marking
Printing; Portable Printer for "Personal Digital Assistant"; Wallpaper Printing; Indoor
Signboard printing; bulletin board printing; and fabric printing
The printing system of the present invention is disclosed herein by reference.
As set forth in the following Australian patent specification filed April 12, 1995:
Have been.
"High-speed office color with large digital page image storage.
Printer ”(application number: PN2329)
"Short term digital color with large digital page image storage.
-Printer "(application number: PN2330)
"Digital color printing press using LIFT printing technology" (application number: PN2
331)
"Modular digital printing machine" (application number: PN2332)
"High-speed digital fabric printer" (application number: PN2333)
"Color photo copy system" (application number: PN2334)
"High-speed color photocopier using LIFT printing system" (Application No .: P
N2335)
"Portable color photocopier using LIFT printing technology" (application number:
PN2336)
"Photo processing system using LIFT printing technology" (application number: PN233)
7)
"Plain paper facsimile using LIFT printing system" (application number: PN
2338)
"Photo CD system with built-in printer" (application number: PN2293)
“Color plotter using LIFT printing technology” (application number: PN2291)
)
"Notebook computer with built-in LIFT printing system"
No .: PN2292)
"Portable printer using LIFT printing system" (Application No .: PN
2300)
"With online database questions and customized magazine printing
Facsimile "(application number: PN2299)
"Miniature Portable Color Printer" (Application No .: PN2298)
"Color Video Printer Using LIFT Printing System" (Filing No .: P
N2296)
"Built-in printers, copiers, scanners and printers using the LIFT printing system
Facsimile "(application number: PN2297)
Printhead compensation for environmental conditions
Drop-on-demand printing system ink droplets are constant and predictable.
It is desirable to have a size and position that can be cut. Ink particle size and location
Unnecessary fluctuations cause the optical density of the print to fluctuate, causing visible markings
The printing quality is degraded. The above fluctuations are related to the normal drop size and pixel spacing.
Each must be small. Ignore the effects of many environment variables
Compensating for these environmental variables to reduce them to the extent that they can
it can. By varying the power supplied to the nozzle heaters, some
Active compensation of factors can be provided.
The optimal temperature distribution for one embodiment of the printhead is the active area of the nozzle tip.
Instantaneous rise in temperature to the release temperature of the pulse, keeping this region at the release temperature for the duration of the pulse.
And instantaneous temperature drop of this area to ambient temperature.
This optimum is due to the accumulated heat capacity of the various materials used in the manufacture of the nozzle of the present invention.
And cannot be achieved due to thermal conductivity. However, the finite requirements for print heads
Using curves that can be obtained by iteratively modifying elementary simulations.
Thus, the performance can be improved by shaping the power pulse. For heater
The power supplied can be by a variety of techniques, including but not limited to:
You can change it just when you want.
1) Change in voltage supplied to heater
2) Modulation of the width of a series of short pulses (PWM)
3) Frequency modulation of a series of short pulses (PFM)
In order to obtain accurate results, the transition fluid dynamic simulation by modeling the free surface
Need to take action. Because the convection and the ink flow in the ink are
This is because the constant power curve has a significant effect on the temperature achieved.
By incorporating the appropriate digital circuitry on the printhead board, each nozzle
Can be individually controlled in practice. One of these controls
The method includes a variety of different digital pulse trains across the printhead chip.
To the appropriate pulse train for each nozzle using a multiplexing circuit.
It is a method of selecting the in.
The table below shows examples of environmental factors that can be compensated.
Is shown. This table shows the chips (for each chip in the composite multichip printhead)
Which environmental factors as a whole (for the entire print head)
Indicate if you can best compensate.
For most applications, it is not necessary to compensate for all of these variables. A variable has
Low impact, need to compensate only when very high image quality is required
is there.
Print head drive circuit
FIG. 4 is a block diagram showing an electronic operation of an example of the print head drive circuit of the present invention.
It is. This control circuit is added to the printhead to perform heater power modulation.
Individual control of the power delivered to each nozzle using analog modulation of the power supply voltage
Not performed. FIG. 4 shows the process color using the CC'MM'YK color model.
Block diagram of a system that uses an 800 dpi pagewidth printhead to print images
Is shown. The print head 50 has a total of 79,488 nozzles, of which 39
, 744 are main nozzles, and 39, 744 are redundant nozzles. Main nozzle and
The redundant nozzles are divided into six colors, each of which is divided into eight drive phases. Each drive phase
The serial data from the head control ASIC 400 is used to enable the heater drive circuit.
A shift register that converts the data into parallel data for In all
The number of shift registers is 96, and each shift register has 828 nozzles.
Supply data. Each shift register has 828 shift register stages 217
The output is ANDed with the phase enable signal by the NAND gate 215.
Is done. The output of NAND gate 215 drives inverting buffer 216,
The buffer controls the drive transistor 201. The driving transistor 201
The heat heater 200 is operated, and the electric heater shown in FIG.
Data 103 can be used. During the enable pulse, the shifted data
To keep it valid, stop the clock to the shift register and
218 activates the enable pulse. To make drawings easier to read
Although this clock stopper is shown by one gate, it is preferred that
A glitch-free clock control circuit is preferred. Shift register
Stopping the clock places a requirement on the parallel data latch in the printhead.
Not required, but somewhat complicated control circuitry in head control ASIC 400
. Data is passed to data router 219 according to the state of the appropriate signal on the fault status bus.
From the main nozzle or redundant nozzle.
The printhead shown in FIG. 4 is a simplified version of the printhead that allows for block fault tolerance.
Various means for improving the performance are not shown. For print heads with different configurations
Can easily be made from the devices disclosed herein.
Digital information representing a dot pattern to be printed on a recording medium is shown in FIG.
Page or band memory 1 which may be the same as the image memory 72 of FIG.
513. The data contained within a 32-bit word representing a single color dot is
, The address and memory interface selected by the address multiplexer 417.
The page or band memory 1513 is generated by the control signal generated by the face 418.
Is read from. The address is generated by an address generator 411,
Address generator forms part of the "per color circuit" 410 and has a six-color configuration.
One circuit is used for each of the parts. Address is the print head
Occurs based on the position of the nozzle with respect to. The relative position of the nozzle is
The address generator 411 is preferably a program
Preferably it is possible. The address generator 411 is usually located at the position of the main nozzle.
Generate the corresponding address. However, if there is a defective nozzle,
Marking the position of the block of nozzles with the defect map RAM 412
Can be. The defect map RAM 412 is read when a page is printed
. If the memory indicates that the block of nozzles is defective,
The generation device 411 generates an address corresponding to the position of the redundant nozzle.
Dress changes are made. Read from page or band memory 1513
The touched data is touched by the latch 413 and is read by the multiplexer 414.
Is converted to one sequential byte. The timing of these bytes is F
IFO 415 adjusts to match the timing of data representing other colors.
It is. This data is then buffered by buffer 430 and the printhead
Form a 48-bit main data bus to 50. The print head is a head control AS
If located relatively far from the IC, the data is buffered. Defect
Data from the top RAM 412 also forms an input to the FIFO 416. This
Is matched with the data output of the FIFO 415,
31 to form a defective state bus.
Programmable power supply 320 provides power to printhead 50. Electric
The voltage of source 320 is one of a combination of RAM and DAC (RAMDAC) 316.
Controlled by a DAC 313 forming a part. RAMDAC 316 is
Includes dual port RAM 317. The contents of the dual port RAM 317 are
Controller 315. Temperature is dual port RAM317
Is compensated by changing the content of The above values are determined by the heat sensor 300.
Calculated by the microcontroller 315 based on the sensed temperature
. A signal from the thermal sensor 300 is supplied to an analog-to-digital converter (ADC) 3.
11 is sent. ADC 311 is preferably located within microcontroller 315.
It is preferable to place them.
The head control ASIC 400 includes a control circuit for thermal lag compensation and print density.
including. To compensate for thermal lag, the power supply voltage to head 50 must be applied to the heater.
Must be a rapid time-varying voltage synchronized with the enable pulse. this child
Means that a programmable power supply 320 for generating the voltage is programmed.
It is done by doing. The analog time-varying programming voltage is a dual port RA
A DAC 313 is generated based on the data read from M317. data
Is read out according to the address generated by the counter 403. Counter 403
Is one complete cycle of the address during one enable pulse period.
Occur. Synchronization is assured. Because the counter 403 is
Clock 408, the maximum value of the counter 403 is enabled.
This is because the counter 404 is used to control the clock. Then
The count from enable counter 404 is decoded by decoder 405,
The enable pulse for the head 50 is buffered by the buffer 432.
Occur. The number of count states is the number of clock periods in one enable pulse.
If less than the number, the counter 403 may include a prescaler. Hi
It is appropriate to use 16 voltage states to accurately compensate for thermal delays in
You. The sixteen voltage states between the counter 403 and the dual port RAM 317
, Can be specified using a 4-bit connection. However, these 16
The pressure state cannot take a linear time interval. Time between these voltage states
The counter 403 counts itself non-linearly so that the interval may be non-linear.
A ROM or other device can be included so that the Other people
Alternatively, 16 or less voltage states can be used.
To compensate for print density, during each enable period, the (“on” pixel)
Print density is detected by counting the number of pixels on which the ink particles are printed. "
“On” pixels are counted by an on-pixel counter 402. 8 of
One on-pixel counter 402 is used for each of the enable phases.
It is. The number of enable phases in the printhead of the present invention depends on the particular design. Number of phases
Need not be a power of two, but commonly used numbers are 4, 8 and 16.
The on-pixel counter 402 determines how many of the nibble bits of the data are on.
It can be composed of combinational logic pixels that determine whether or not it is. So
After that, this number is accumulated by adder 421 and accumulator 422.
It is. Latch 423 indicates the duration of the enable pulse and the accumulated value is valid.
To hold. Multiplexer 401 is determined by enable counter 404
Then, the output of the latch 423 corresponding to the current enable phase is selected. Multi
The output of plexer 401 forms part of dual port RAM 317. "on"
An exact count of the number of pixels is not required, and the top four
A bit is enough.
Combination of 4 bits of thermal delay compensation address and 4 bits of print density compensation address
This means that the dual port RAM 317 has an 8-bit address.
Means one. This means that the dual port RAM 317 is a two-dimensional array
It is meant to include certain 256 numbers. These two dimensions are (thermal lag compensation
Time) and print density. A third dimension, temperature, can also be included.
Since the ambient temperature of the printhead changes only slowly,
The label 315 is a 256-digit machine that compensates for thermal lag and print density at the current temperature.
There is enough time to calculate the tricks. Periodically (eg several times a second)
), The microcontroller senses the current printhead temperature and
Calculation.
The clock to the print head 50 is serialized by the head clock generator 407.
Generated from stem clock 408 and buffered by buffer 406.
Includes JTAG test circuit 499 to facilitate testing of head control ASIC
be able to.
Comparison with thermal inkjet technology
The table of "Comparison of thermal ink jet with the present invention" shows various prints of the present invention.
Is compared with the thermal inkjet printing technique.
The direct comparison between the present invention and thermal inkjet technology is that both
With drop-on-demand systems that operate using
Because there is. Although they seem similar, the two technologies are based on different principles
It works by.
Thermal inkjet printers use the following basic operating principles. Electric
Bubbles burst in liquid ink due to thermal impulse generated by air resistance heating
Formed. Rapid and continuous bubbles are formed by overheating the ink.
As a result, sufficient heat is transferred to the ink before bubble formation is complete.
For water-based inks, the temperature of the ink must be about 280-400 ° C.
I have to. When a bubble is formed, a pressure wave is generated.
Particles fall from the opening at high speed. After that, the bubble breaks and flows from the ink tank.
The nozzles are refilled by the escaping ink. Due to the high density of the nozzles,
Nkjet printing has been very successful commercially. Thermal inkjet printer
Use established integrated circuit manufacturing techniques, using: But the heat
Inkjet printing technology requires many parts to be manufactured precisely,
Yield, image resolution, "pepper" noise, print speed, drive
Distortion power, wasteful power consumption, formation of extra ink particles, thermal stress, uneven thermal expansion
Difficulties such as tension, cavitation, correction spread and difficulty in ink adjustment
You will face difficult technical problems.
The printing of the present invention has many advantages of thermal ink jet printing, including thermal inkjet printing.
It completely or substantially solves many of the unique problems of computer technology.
Yield and fault tolerance
In most cases, when not fully functional during manufacturing, monolithic integrated circuits
Cannot be repaired. Percentage of operating devices that are manufactured from wafers
Called yield. Yield has a direct effect on manufacturing costs. Equipment with 5% yield
Is 10 times more expensive to produce than the same device with 50% yield.
is there.
There are three important methods of measuring yield.
1) Manufacturing yield
2) Wafer sorting yield
3) Final test yield
For large dies, wafer sorting yield has the most significant impact on overall yield
Mari is usually used. The full page width color printhead of the present invention uses a conventional VLS
It is very large compared to the I circuit. Good wafer sorting yield,
This is very important for the cost performance of manufacturing the print head.
FIG. 5 shows a wafer of an embodiment of the monolithic full width color A4 head of the present invention.
4 is a graph of sorting yield versus defect density. This print head is 215 mm long
, The width is 5 mm. Non-fault tolerable yield 198 is a widely used yield.
It is calculated using the Murphy method, which is a prediction method. Defect density is 1 square centimeter
If only one defect is found, the Murphy method predicts the yield
1% or less. This means that 99% of the manufactured printheads must be discarded
Means not to be. Such a low yield is highly undesirable. why
Then, the manufacturing cost of the print head is very high.
The Murphy method approximates the effects of an uneven distribution of defects. FIG.
Non-fault-tolerant steps to unambiguously model a set of defects with the introduction of rasterization factors
It is a graph of stop 197. Defect clustering factor should be controlled during manufacturing
Is not a parameter that can be generated but is specific to the manufacturing process. Manufacturing process
The defect clustering factor for can be expected to be about 2, where
The predicted portion of the yield is in good agreement with the Murphy method.
The solution for low yields is to replace defective functional units on the chip
Fault tolerance by installing redundant functional units that are used to
How to enter.
For memory chips and most wafer-scale integrated (WSI) devices
However, the physical location of the redundant subunit on the chip is not important. However,
In the case of a printhead, the redundant subunit may contain one or more print actuators.
Data. These actuators provide space for the page being printed.
Must be installed in a fixed position. Defective action
In order to print dots at the same position as the print position of the tutor, redundant actions are required.
The tutor must not be moved in a direction other than the scanning direction. However,
Use redundant actuators that move in the scanning direction
Can be If the redundant actuator is in the same
In order to compensate for movement in the scanning direction to make sure that dots are printed at
Data timing to the actuator can be changed.
In order to be able to replace all nozzles, a complete set of
There must be a pair nozzle. This means that the redundancy is 100%.
You. Achieving 100% redundancy typically requires more than twice the chip area
However, in this case, the primary yield before replacing the redundant unit is greatly reduced.
Most of the benefits of fault tolerance are lost.
However, using the printhead embodiment of the present invention, the printhead
Small physical dimensions determine the width of the printed page, the fragility of the printhead chip, and
Is determined by manufacturing limitations of the ink channel that supplies the ink to the backside of the chip.
The minimum practical size of full width and all color heads for printing A4 size paper is
It is about 215 mm x 5 mm. Using 1.5 micron CMOS manufacturing technology
, 100% redundancy can be achieved without significantly increasing chip area
. Therefore, achieve a high level of fault tolerance without significantly lowering the primary yield
be able to.
If fault tolerance is introduced in the equipment, standard yield equations cannot be used.
No. Without using the above equation as it is, the mechanism and degree of fault tolerance are specially analyzed,
Must be introduced into the yield equation. FIG. 5 shows an overall view including various forms of fault tolerance.
Failure tolerable selection yield 199 for width color A4 printhead. The model
Is included in the yield equation. This graph shows the frequency of defects and the collection of defects.
Predicted yield as a function in. The yield prediction shown in FIG.
Fully implements the wafer sorting yield of 1% or less under the same manufacturing conditions.
It shows that it can be improved from the bottom to 90% or more. Yield like this
By improving the ball, the manufacturing cost can be reduced by a factor of 100.
Improve yield and reliability of printheads containing thousands of print nozzles, thereby
It is strongly recommended that fault-tolerant measures be introduced to make printheads of page width practical. Only
However, we do not want fault tolerance to be considered an essential part of the present invention.
Fault tolerance in a drop-on-demand printing system is disclosed herein.
The following Aust, filed April 12, 1995, which is incorporated herein by reference:
It is described in the Laria patent specification.
"Printing mechanism fault tolerance" (application number: PN2324)
"Block fault tolerance of integrated print head" (application number: PN2325)
"Trouble Tolerant Double Nozzle for Integrated Print Head" (Application No .: PN2326)
"Detection of defective nozzle of print head" (application number: PN2327)
"Failure Tolerance of Large Volume LIFT Printing Machine" (Application No .: PN2328)
Embodiment of printing system
FIG. 6 is a schematic diagram of a digital electronic printing system using the printhead of the present invention.
is there. In this figure, an image 60 composed of a large number of ink particles is printed on a recording medium 51.
A monolithic print head 50 for printing. The medium is usually paper,
Oriented transparent film, cloth, or many other substantially accept ink particles
It may be a flat surface. The image to be printed is provided by an image source 52,
, This image can be of any type that can be converted to a two-dimensional array of pixels
Things can be used. Typical image sources are image scanners, digital
Images, Adobe PostScript, Adobe PostScript
Page description such as Lipt Level 2 or Hewlett-Packard PCL5
Word (PDL) Coded Image, Apple Quickdraw, Appleck
Lass based on procedure calls such as Ickdraw GX or Microsoft GDI
Page image generated by the data converter, or electronic format such as ASCII
Is the text of Thereafter, the image data is processed by the image processing system 53.
To a two-dimensional array of pixels suitable for a particular printing system. This
The image can be color or monochrome, and the data is
With 1-32 bits per pixel, according to source and printing system specifications
I have. If the source image is a page description, the image processing system
A raster image processor (RIP) can be used and the source image
If from a scanner, use a 2D image processing system.
Can be.
If a continuous tone image is required, a halftoning system 54 is required.
is there. The appropriate type of halftoning is distributed dot array dither or error.
Based on diffusion. Suitable for this purpose are usually stochastic screens.
The above halftoning system, referred to as
There are various types of systems. Halftone commonly used for offset printing
Quantization systems, ie, clustered dot array dither, are not suitable. Because, this
The use of this technique wastes the effective image resolution unnecessarily.
The output of the halftoning system has the resolution of the printing system according to the invention,
A binary monochrome or color image.
The binary image is stored in the data shift register 56 in the correct order for the pixel data.
Data phase (which can be built into the head control ASIC 400 of FIG. 4)
The processing is performed by the delay circuit 55. To arrange the data in the correct order, arrange the nozzles
Position and paper movement must be compensated. The data is stored in the shift register 56.
When the data is loaded, the data is sent to the heater drive circuit 57 in parallel. correct
At the timing, the driving circuit 57 switches the corresponding heater 58 to the pulse shaping circuit 61 and the pulse shaping circuit 61.
And electronically connected to the voltage pulse generated by the voltage regulator 62. Hi
The heater 58 heats the tip of the nozzle 59 and changes the physical characteristics of the ink.
The ink particles 60 correspond to the digital impulse supplied to the heater driving circuit.
Is ejected from the nozzle in a pattern. The pressure of the ink in the ink tank 64 is
It is adjusted by the pressure regulator 63. The selected ink particles 60 are selected
The separated ink particles are separated from the ink body by the
Contact. During printing, the recording medium 51 is moved by the paper transport system 65 to the print head.
It moves continuously with respect to 50. The print head 50 covers the entire print area of the recording medium 51.
If it has a width that covers the body, move the recording medium 51 in only one direction.
And the print head 50 may be fixed. Smaller print head 5
If 0 is used, a raster scanning system must be implemented. this thing
Is to move the print head 50 in the lateral direction while moving the recording medium 51 in the longitudinal direction.
This can be done by scanning.
Multiple nozzles in a single monolithic print head
New for use in devices such as office printers or photocopiers
It is desirable for a printing system that can print at high speed. 60 sheets of A4 paper per minute
Page (one page per second) is generally suitable for many applications.
Degrees. However, it is easy to achieve electronically controlled printing speed of 60 pages per minute
That's not something.
The minimum time required to print one page is one for the number of dots on the page.
Multiplied by the time required to print the dots of each color
Equivalent to the number of units.
The image quality that can be achieved is the amount of input that can be used to create the video.
Determined by the total number of dots. All cameras using distributed dot digital halftoning
For high quality printing, approximately 800 dots per inch (31
. 5 dots). The spacing between the dots on the paper is 31.75 microns
You.
A standard A4 page is 210 mm x 297 mm. 31.5 dos per millimeter
61,886,632 for all monochrome Bleed A4 pages
Dots are required. For high quality process color printing, there are four colors:
Need cyan, magenta, yellow and black. Therefore, the total number of dots required is
247, 546, 528. When not to print within the narrow margin of the paper edge
Can reduce this number somewhat, but the total number of dots required is still very
Many. The time required to print one dot is 144 microseconds,
Assuming that only one nozzle is used for color, printing one page
It will take more than two hours.
To perform high-speed and high-quality printing using the printing system of the present invention,
A printing system with small nozzles is needed. The width of this printhead is the full width of the paper
Color A4 pages per second at 800 dpi
It can print at speed. With the print head fixed, the paper is cycled every second.
You can also send it. A four-color 800 dpi printhead with a width of 210 mm is 26,46
Requires 0 nozzles.
Such printheads have 26,460 active nozzles and 26,460
There can be redundant (spare) nozzles, for a total of 52,920.
Active noise for each of the cyan, magenta, yellow and black process colors
The number of files is 6,615.
A print head having a large number of nozzles can be manufactured at low cost. This
In such a production, thousands or tens of thousands of nozzles are simultaneously formed in one silicon wafer.
This can be done using a semiconductor manufacturing process. Print head with some parts
If they are manufactured by the method of assembling them,
The problem of thermal and thermal expansion variability must be resolved.
The pad is manufactured from a piece of silicon. Nozzles and ink channels are etched
It is formed in silicon by etching. Heating element deposited material with electrical resistance
And then formed by photolithography using standard semiconductor manufacturing processes
can do.
Reduces the number of large connections required on printheads with thousands of nozzles
The data distribution and drive circuits should be integrated on the print head as well.
Can be.
FIG. 7 is a simplified view of a portion of the printhead as viewed from the back of the chip and shows several printheads.
3 shows a cross section of a chirp. Substrate 120 can be made from a single silicon crystal. No
The chisel 121 can be formed, for example, by photolithography of a semiconductor and wet etching or chemical etching.
It is formed in the substrate by a plasma etching process. Ink print head
Enters through the nozzle on the top surface, passes through the substrate, and exits from the nozzle tip 123
. Planar fabrication of heaters and drive circuits is done on the underside of the wafer. You
That is, in this figure, the printhead is the surface on which the active circuits are formed.
Are shown in an "upside down" form. Substrate thickness 124 is standard
Can be the same as the thickness of the silicon wafer, ie about 650 microns
You. The print head width 125 depends on the number of colors, the arrangement of the nozzles, the distance between the nozzles and
It is related to the drive circuit and the head area required for the interconnection. Monochrome print head
In this case, a suitable width is about 2 mm. For process color print heads
A suitable width is about 5 mm. For a CC'MM'YK color printhead,
A suitable width is about 8 mm. The print head length 126 depends on the application. Very low
For print applications, short printheads must scan an entire page
Can be used. Monolithic with fixed page width for high-speed printing
Or a multi-chip print head can be used. Print on large amounts of paper or cloth
Print heads longer than 21 cm are suitable,
The normal length range of the arm is between 1-21 cm.
Print head manufacturing
The method of manufacturing a monolithic print head for the above system of the present invention uses a standard silicon
It is similar to the method of manufacturing integrated circuits. However, the nozzle, barrel nozzle,
What are the usual process flows to form the nozzle and nozzle tips?
Must be corrected in that way. Monolithic print heads have many different
It can be manufactured by a semiconductor process. Each of these semiconductor processes
In the case of, the basic process is done in a variety of different ways to form the required structure
Can be modified.
To reduce the cost of building a factory that produces the print heads,
It is desirable to perform based on a simple process. Also, a set of simple as
It is also desirable to use design rules. Because it creates a narrow line
Is costly and requires a cleaner environment to achieve comparable yields
It is necessary.
The minimum length of a monolithic printhead is determined by the range of printing capabilities required.
Is determined. The minimum width of a monolithic printhead depends on mechanical strength requirements and
How many ink supply channels can be formed on the back of the conchip
Is determined. For example, the minimum size of a photo-type full-width four-color printhead is
It is at least 100 mm long and 5 mm wide. In this case, the area is about 5 square centimeters.
You. However, less than 300,000 transformers are required for shift registers and driver circuits.
I need a resistor. Therefore, there is no need to use modern lithographic equipment. Honcho
The process described in the textbook is based on a standard semiconductor manufacturing process and
Equipment designed for the line width of the component can be used. Essentially obsolete
Lithographic printing equipment (the latest IC manufacturing equipment at the time of writing this specification is
0.25 micron line width can be formed).
Can substantially reduce the cost of building a factory.
There is no need to use a low-power, high-speed process like VLSI CMOS. Must
The speed required is moderate and the power consumption is low for the inkjet nozzles.
Data power. Therefore, simple techniques such as nMOS are appropriate.
However, CMOS seems to be the most practical means of production. Because 1-2
To produce micron line widths, a significant amount of ideal CMOS capacity is required.
Because it can be used.
Appropriate basic manufacturing process
The manufacturing steps required to manufacture printhead nozzles are many different semiconductors
It can be installed in a processing system. For example, changing the following technology
Therefore, a print head can be produced.
1) nMOS
2) pMOS
3) CMOS
4) Bipolar
5) ECL
6) Various gallium-arsenic processes
7) Thin film transistor (TFT) on glass substrate
8) Micro mechanical manufacturing without active semiconductor circuit
The choice of basic technology will never affect the production capacity of the nozzle.
Not really. Nozzle manufacturing steps into semiconductor processing procedures not yet invented
It will also be apparent to those skilled in the art how to incorporate. Simplest made
The fabrication process does not form active semiconductor devices on the same
This is a method of manufacturing a nozzle using chromomechanical processing. But this one
The method is not practical for print heads with a large number of nozzles. Because each
At least one external connection to the print head is required for each nozzle
It is. For large print heads, drive transistors and data distribution circuits
On the chip together with the nozzle is very advantageous.
CMOS is currently the most common integrated circuit process. Currently, many CMOs
The S process is used commercially and its commonly used line width is 0
. It is 35 microns thin. CMOS offers the following advantages when manufacturing printheads:
Have a point.
1) A well-known and well-characterized production process.
2) The quiescent current is almost zero.
3) High reliability.
4) Very low noise.
5) The power supply operation range is wide.
6) Less electron transfer in metal lines.
7) Circuit design of shift register and fault-tolerant logic is simpler.
8) Grounding of the substrate is possible from the front of the wafer.
However, CMOS has been used in the fabrication of printheads including integrated drive circuits for nMO.
It has several disadvantages when compared to S and other technologies. The disadvantages above are
And others.
1) To form high quality NMOS and PMOS simultaneously on the same chip:
Requires many processing steps.
2) CMOS is susceptible to latch-up. This problem is necessary for heater circuits.
This is particularly important because large currents flow at voltages typically higher than the required Vdd.
3) Like other MOS technologies, CMOS is susceptible to damage by electrostatic charges. this
Disadvantages are minimized by providing protection circuits at the inputs and handling them with care.
Can be reduced each time.
Absolutely applicable to print heads of all possible configurations for the above system of the present invention.
There is no opposing "best" manufacturing process. Therefore, manufacturing steps specific to the nozzle
Need to be integrated into the manufacturer's preferred process. In most cases, the current professional
Process flow, equipment used, preferred photoresist and preferred chemical treatment
In order to be compatible, the specific details of the nozzle manufacturing steps
Changes need to be made. The above changes are well known to those skilled in the art and
It can be done without departing from the scope of the invention.
Heater design
High quality printing using the printheads of the system of the present invention is a
Need particles. To create a certain size ink droplet, the thickness and width of the heater
And the length of the nozzle, as well as the diameter of the nozzle
Absent. Equally important are the position of the heater with respect to the nozzle, the heater
There is a thickness and temperature characteristic of the material that separates from the ink. For best results
In addition, these characteristics of the high resolution print head are controlled with an accuracy of 0.5 micron or more.
Need to be This is due to the use of modern semiconductor manufacturing lithographic printing equipment.
Can be achieved. However, using the latest generation of semiconductor devices,
Always expensive.
Using a self-aligned process to produce a heater element with a monolithic print nozzle configuration
Can be built. In this case, the thickness, width and position of the heater with respect to the nozzle
All determined by deposition and etching steps, not lithographic process
Is done. This allows high resolution, even with relatively coarse lithographic printing.
The size and size can be reduced.
This is a common practice when using the lithographic process.
Thus, these parameters can be controlled much more accurately. Also
It is not necessary to use a mask for the heater.
Layout example
FIG. 8A is an exemplary layout of a small cross section of a printhead. This
One of these columns contains the main printing nozzle. The other columns are redundant nodes for fault tolerance.
Including chiles. The nozzle 200 and the drive transistor 201 are shown.
FIG. 8B is a detailed enlarged view of the cross section of FIG. This figure shows a 2 micron
This is a layout for an nMOS. However, when used for CMOS fabrication,
Need to change a little. Because the driving transistor of the CMOS design has nM
This is because it is manufactured as an OS transistor. This layout is
Shows three nozzles 200, together with a transistor 201 and a reversing driver 216
. The three nozzles are offset from each other (zigzag) to increase the distance between the nozzles.
G) are arranged in a pattern, whereby the nozzles are etched through the substrate.
After the formation of the holes, the strength of the silicon wafer is increased. Big V+And
And V-Current flows through the wide first and second level metal lines covering the chip
Carried by the matrix. V+And V-Terminal has two chips
It can extend along the entire longer edge.
The line from A to B in FIG. 8B is a cross section of FIG. 9A to FIG. 9R.
Line. This line includes a heater connection on the "A" side and a line on the "B" side.
Through the "vertical" cross section of the heater.
Summary of manufacturing process
FIGS. 9 (a) -9 (r) are a summary of preferred manufacturing methods. This manufacturing method is
Including the main steps described above.
1) The first manufacturing step is wafer supply. High availability, low
High quality wafers can be obtained at low cost, and silicon has high strength as a substrate.
The fact that manufacturing processes and equipment are in a general maturity stage
Wafer is a very desirable material when compared to other materials such as gallium arsenide
It is. Wafers must be manufactured with precise thickness control. Why
Because the hole must be formed by etching through the wafer
is there. Variations in wafer thickness will affect the associated etch time.
Ensure that the hole is etched through the area of the thicker part of the wafer
This results in excessive etching of the holes in the region of the thinner part of the wafer. Extra
Excessive etching substantially etches the glass in the heater area.
Changes the thermal properties of the nozzle. Also, the wafer may be too overetched
In such a case, the heater element may be etched. Actual thickness of wafer
Is not important. Because it detects waste gas from silicon dioxide etching
The etcher can be configured automatically, as in
This is because it can be programmed to stop the tuning. But certain
Variations in wafer thickness, and between wafers of the same batch etched simultaneously
It is extremely demanded that the variation in thickness be 5 microns or less. Standard semiconductor equipment
150 mm thick cuvette manufactured in accordance with
The tolerance for variation in the total thickness of the wafer is 25 microns. According to SEMI specification
The total thickness tolerance of the manufactured 200 mm thick wafer is 75 microns.
is there. In both cases, the variation in the thickness of individual wafers is more severe, less than 5 microns.
Must be below. Here, the thickness of the wafer is 650 microns. C
The wafer must not be gettered mechanically or by a laser beam. Because,
This is because the backside etching process is affected. Oxygen gradient getty
Can be used. FIG. 9A shows the nozzle area after this step.
It is a cross section of a wafer. At the time of writing this document, 200 mm (8 inch)
International standard is 300 mm (12 inch) silicon wafer.
It is for ha-ha. To manufacture a LIFT head, a 300 mm wafer is required.
Particularly suitable. Because the page width A4 (also US letter) print head is
This is because it can be manufactured as a single chip on these wafers.
2) Active circuit using a prior art integrated circuit manufacturing process using double layer metal.
Road manufacturing. Prior art processes include nMOS, pMOS, CMOS, and bipolar.
Or other processes. Generally speaking, the active circuit remains unchanged
Can be manufactured using the above process. But the fear of flowing through the print head
Some processes have been modified to allow certain large currents to flow
There is a need to. When full current flows, the heater circuit of the large print head flows.
Currents can exceed 8 amps, preventing the transfer of electrons
Always important. Molybdenum instead of aluminum as first level metal
Den should be used. Because molybdenum works to suppress the transfer of electrons
Because there is. Also, the thickness of the metallization layer is the maximum that is normally required in CMOS circuits.
Should be thicker than low thickness. Also, the thickness of the internal metal dielectric layer should be increased.
is there. According to a normal process, CVD silicon dioxide (CVD SiOTwo)use
Thus, the dielectric layer can be made about 1 micron thick. 4 micron thickness
Nozzle region silicon dioxide (SiO 2)TwoThis dielectric for all thicknesses)
The layer thickness should be increased to about 3 microns. Such an increase must be made
The reason is that it increases the thermal resistance to the substrate and etches the nozzle chamber from the back.
The nozzle area mechanically to prevent damage to the heater during operation.
This is for increasing the strength. The nozzle tip is etched with high precision
Must be formed through silicon dioxide. For this processing step
The lithographic resolution must be substantially higher than 2 microns. Why
This is because the diameter of the nozzle must not change significantly. Nozzle tips are examples
For example, CFFour-HTwoHigh anisotropic etching, such as RIE etching using a gas mixture
Etching must be performed by etching. Etching the contact passage
This is done to the depth of the molybdenum in and to the depth of the silicon in the nozzle area.
If the etching process is sufficiently selective for molybdenum,
Layer passages can be etched using the same processing steps. But,
Silicon dioxide (SiO 2) in the nozzle tip throughout the first level metalTwo
)) Must be etched an extra 1 micron, so the nozzle and
Use caution when using the same mask when etching
It is necessary. FIG. 9B shows the state of the wafer in the nozzle area after the end of this step.
It is a cross section.
3) Application of second level metals. As in the case of first-level metals,
Movement needs to be taken into account. However, bonding to a thin film of molybdenum
The second level metal where the bonding pads are located
Therefore, it is necessary to avoid using molybdenum. Instead, this level
Can be formed of aluminum. Wide on all high current paths
By using a large line width and using an aluminum alloy containing 2% copper,
Electron transfer can be reduced to a minimum. This stage of the second level metal
The range of the gap is important. Because the internal level oxides are usually thicker
It is. To improve the coverage of the step, the passage should be tapered
No. This is because the nozzle tip then becomes tapered. other
The method is to make the passage tapered without affecting the nozzle tip.
Alternatively, independent masks and independent processing steps can be used. But low pressure
By using evaporation, the coverage of the appropriate steps can be obtained. Through
The scope of the routing step is that the first level metal covers the field oxide
This can be improved by forming a passage only in the region where the passage is formed. These points
In, the thickness of the internal metal oxide is thinner than the previous planarization step.
It's getting worse. A preferred process is to cover the sidewalls with a thickness of 0.5 microns.
It is said that low-pressure deposition of an alloy of 98% aluminum and 2% copper with a thickness of 1 mm.
This is a vapor deposition method. FIG. 9C shows the state of the wafer in the nozzle area after the end of this step.
It is a cross section.
4) Second level metal mask and etch. FIG. 9D shows this step.
7 is a cross section of the wafer in the nozzle area after the end of the pumping. This step consists of the main process
It can be performed with the same lithographic precision. The contact surface with the heater is only a few millimeters
It may be superimposed on the edge of the tip.
5) Application of resist filler to specify the width of the heater. In this example process
In that case, the heater is located on the side wall of the nozzle. The reason for this arrangement is that
To improve heat transfer between the heater and the ink by thinning the interlayer
It is. The heater is self-aligned with the nozzle tip and the width of the heater is
It is precisely controlled by the etching depth. Thereby, stone of 2 micron accuracy
Control heater parameters with more precise accuracy than plate printing can achieve.
Can be. FIG. 9 (e) shows a spin coating of a thick layer of resist and flattening.
5 is a cross-sectional view of the wafer in the nozzle area after post-baking for the following.
6) Oxygen level equal to heater width lower than resist CVD glass surface
RIE etching up to No mask is required for this step. FIG.
() Is a cross section of the wafer in the nozzle region after the end of this step.
7) Formation of heater. The heater is coated with a thin conforming film of heater material and the
It is formed by anisotropically etching the film. By doing so,
The heater material remains on the vertical plane only. Heater material (eg, 0.05 micron Ta)
Al alloy or HfBTwoOr ZrBTwoRefractory materials such as
It can be applied evenly. FIG. 9G shows the nozzle area after the end of this step.
3 is a cross section of the wafer.
8) Anisotropic etching of heater material. This means that without using a mask,
What to do by reactive ion beam etching (RIBE) of material
Can be. The use of RIBE is a very high vertical selection relative to the horizontal.
This is because they have selectivity. At this stage, the heater material remains on all vertical surfaces.
You. If the surface of the internal metal oxide is sufficiently flat, the remaining unnecessary heat
Material only remains on the second level metal sidewalls
Absent. Depending on the degree of detail of the process used, this extra
The heater material can be left in the correct position. However, the surface of the internal metal oxide is not sufficient.
Unbalanced or for some other reason, the heater material is aluminum
If it does not remain on the side walls, it must be removed. this thing
By masking the nozzle area (can increase the size of the mask
So 2 micron lithographic printing is sufficient) and all exposed heater material
This is done by isotropically stripping the material.
Can be. FIG. 9H shows a cross section of the wafer in the nozzle region after the end of this step.
It is.
9) Thick resist coating on both sides of the wafer. The resist on the front side of the wafer
It is only to prevent damage or incorrect etching during handling.
You. The resist on the back side of the wafer is etched with the nozzle barrel to the depth of the wafer.
Must be a three level resist. Wafer thickness is about 6
50 microns, so to do so is usually required during silicon processing
Rather, it requires substantially more etching. Etchin that can be used
The selectivity of the agent is usually such that the ratio of silicone to resist is only 25: 1.
is there. This means that fewer layers of resist are used to avoid thinning the wafer.
This means that it must be at least 26 microns. Somewhat thin wafer
Make sure the resist thickness is about 25 microns so that no problems occur
Can be. This resist thickness is accurately exposed using current lithographic printing equipment.
I can't let that happen. Therefore, multi-level resists must be used
. A suitable process is to use a three level resist, using an inorganic intermediate resist level
is there. First level resist thickness is commonly used within three level resist
The level of intermediate oxides, as well as being about ten times that of
Must be thick. A suitable process is a 25 micron thick optical novo.
Spin coating of rack positive polymethyl methacrylate (PMMA)
And then spin-coated with a 1 micron thick spin-on glass,
After that, it is a method of spin coating 0.5 micron thick resist
(Of course, soft and hard baking is also required). FIG. 9 (i) shows this step.
The cross-section of the wafer in the nozzle area after the end of the
Not expanded by rate. )
10) Exposing the resist on the back of the wafer using a nozzle barrel mask
And development. By specially modifying the alignment optics of the lithographic printing machine,
Perform alignment from the front. Using the second level resist as a mask, CFFour
OTwoRIE etching of silicon dioxide. Mask silicon dioxide
To perform a first resist level oxygen RIE etch. FIG. 9 (
j) is a cross section of the wafer in the nozzle area after the end of this step.
11) Nozzle barrel etching. This step is very important. Because 6
This is because the entire thickness of 50 microns must be etched. A few
Factors need to be precisely controlled. The relative etch rate on all wafers is
Must be tightly controlled to prevent excessive etching of the back of the nozzle tip.
I have to. If the etching rate on the entire wafer is controlled within 2%,
When the etching of the part that has been etched faster is completed,
In the shaded area, a thickness of 13 microns still remains unetched. C
When the fluctuation of the thickness of the wafer is 5 microns, when this etching process is performed,
The variation will be 18 microns. This variation occurs when the etch stop condition is detected first.
This can be compensated for by etching an additional 20 microns afterwards.
The etching ratio of silicon to silicon dioxide of the etching agent used is 20.
If 1: 1, the lower surface of silicon dioxide is etched by 1 micron
. This number is within the design limits of this process. The barrel sidewall is substantially vertical
Something is also very important. The required radius of the nozzle at the nozzle tip is about 7 mm
It is a cron. The radius of the nozzle barrel must be less than 29 microns.
Otherwise, you can design a mask with an appropriately specified nozzle organization
Disappears. This means that the etching angle must be less than 1.9 degrees
Means (This angle is the arc tangent ((29-7 microns) / 65
0 micron). ) This etching angle is exposed on the back mask
Not affect the size of the area. This design depends on the etching angle and back mass.
Sees considerable tolerance in the accuracy of the Because the nozzle at the nozzle tip
The alignment and diameter of the rel are not important. However, the barrel diameter
Ink does not flow from the barrel to the nozzle tip if it is smaller than the diameter of the nozzle tip
The case comes. If the barrel is too thick,
You have to come to terms. FIG. 9 (k) shows the nozzle after the end of this step.
3 is a cross section of a wafer in a region.
12) All exposed molybdenum isotropic RIE etches to a depth of 1 micron
G This etching removes residual metal in the bottom of the nozzle tip. Remaining
If the metal is not removed, molybdenum heater contacts and tantalum passivation
There is a possibility that a short circuit may occur between the layer and the layer. Remove the risk of this short circuit by other means
If left, this step is not necessary. FIG. 9 (l) shows the end of this step.
It is a cross section of the wafer of the nozzle area after.
13) Removal of resist. FIG. 9 (m) shows the nozzle area wafer after this step.
3 is a cross section of FIG.
14) Formation of insulating and passivation layers. During operation, the monolithic printhead heats up
Effective passivation layer is absolutely in contact with the water-based ink
Is necessary for Desirable passivation layers rapidly self-equalize in the event of surface damage.
Ta formed againTwoOFiveIs a very durable thin layer. But tantalum
Is a conductor. This requires that the circuit be electrically isolated from the passivation layer.
Means not. The insulation may be a layer of silicon dioxide or other electrical
Can be performed by a non-conductor. However, the thermal coupling between the heater and the ink
Has a high thermal conductivity of the passivation layer and a low specific heat capacity
Will be the highest. Tantalum has high thermal conductivity. However, amorphous silicon dioxide
(Glass) has low thermal conductivity. For current use, a practical material is silicon nitride.
Recon. Thermal conductivity may be higher, such as diamond or silicon carbide.
Is not as good as non-conductive materials, but has very good performance as a passivation layer.
The materials are well known in semiconductor manufacturing. 0.5m by PECVD
Cron thickness of SiThreeNFourCan be applied. S at 200sccm
HFourAt 2000 sccm with NHThreeFor 50 minutes at 46 watts
Maintain force at 1.6 torr and temperature at 250 ° C. FIG. 9 (n) illustrates this step.
It is a cross section of the wafer in the nozzle area after completion.
15) A 0.5 micron thick conformal layer of tantalum is deposited by low pressure chemical vapor deposition (LP).
It can be deposited by CVD). FIG. 9 (o) shows the state after the end of this step.
It is a cross section of the wafer in the nozzle area.
16) Formation of ink particle overflow control. To precisely control the size of the ink particles,
The effective thickness of the nozzle wall must be very small. Tantalum surface (sun
That is, the surface that is not in contact with the ink and from which ink particles are ejected)
This makes it possible to make thin "rims" of tantalum. After that,
While leaving the tantalum passivation layer on the inside of the protrusion, a small amount of SiThreeNFourRemove
You. The tantalum remains on the surface of the wafer, leaving tantalum on all but the surface.
The surface is removed by anisotropic etching. FIG. 9 (p) shows the state after the end of this step.
3 is a cross section of the wafer in the nozzle region.
17) SiThreeNFourIsotropic etching. This etching is performed at 25 ° C. for 0.25 mm.
Icro (about 4 minutes), can be performed by wet etching using buffered HF
it can. The selected coating is not removed by subsequent processing steps
If so, a hydrophobic surface coating can be applied at this stage. This stage
If the above coating is not performed at the above, after the TAB bonding, the hydrophobic core
Must be done. Hydrophobic coating that can be used
There are many types and many methods can be used to make this coating
You. Some examples include fluorinated diamond-like carbon (F * DLC),
There is an amorphous carbon film having an outer surface substantially saturated with nitrogen. Plasma breaks
The method for forming the above film using a good chemical vapor deposition apparatus (PECVD) is described in US Pat.
No. 5,073,785. Forming an independent hydrophobic layer is a book
It is not qualitatively important. Instead, use a hydrophobizing agent to remove the exposed dielectric layer.
Can be processed. For example, silicon dioxide is replaced with SiThreeNFourIn the necessary places within
If used as an edge layer, the exposed silicon dioxide is made hydrophobic to render it hydrophobic.
It can be treated with tildichlorosilane. With such treatment, hydrophobic
The entire nozzle is affected, unless you mask areas that need to be kept as is
. Because the vapor of dimethyldichlorosilane is exposed to any exposed silicon dioxide
This is because it affects recon.
If the ink is water-based, it is necessary to form a hydrophobic layer
is there. If the ink is wax based or use a non-polar solvent
If so, manufacture the surface of the printhead to flip the ink you are using.
Or must be processed. When using the physical devices disclosed in this specification
It is not necessary to limit the hydrophobic layer to only the surface of the device. Significant to the performance of the equipment
Without affecting the whole device, use hydrophobic layer (or non-polar ink)
Can be coated with an oleophobic layer). The entire device fires ink
When processing with multiple layers, the inside diameter of the nozzle tip,
Should be considered a radius.
FIG. 9 (q) is a cross section of the wafer in the nozzle region after the end of this step.
18) Bonding, packaging and testing. Bonding, package and
The testing process can use standard manufacturing techniques. Use wide adjacent connections
Where available, TAB has a low profile and can carry large currents
It is recommended to use automatic tape bonding (TAB). Bonding pad
, SiThreeNFourMust be cut out from the passivation layer. This is
This can be done by a quasi-mask and etching process. Bonding pad
Once the wafer is cut open, the resist must be removed and the wafer must be wiped clean.
No. The test can be performed in this state. After the wafer test is completed,
The solder can be raised. Thereafter, the wafer is diced. Long sign
The wafer is weakened along the rows of nozzles to prevent print head damage.
Therefore, instead of scribing and snapping the wafer,
Must be refused. The diced wafer (chip) is placed in the ink channel
Mounted on top. In the case of a color print head, an independent ink
Seal the channel against the chip. After installation, attach the TAB leaf frame and
Perform the test with no supply of power. Then connect the device to the ink supply and
Function test can be performed by applying link pressure. FIG. 9 (r) shows the end of this step.
It is a cross section of the wafer of the nozzle area after.
9 (a) to 9 (r), 100 is ink, 101 is silicon, 1
02: CVD silicon dioxide, 103: heater material, 104: tantalum passivation
Layer 106, second layer metal interconnect (aluminum), 107 resist, 10 layer
8 is SiThreeNFour, 109 are hydrophobic surface coatings.
Other manufacturing processes
Many other manufacturing processes can be used. The above manufacturing process
Of the processes that can be used, not the simplest
It is not a practical process that is easy to strike. However, the above process works on the same wafer
There is an advantage that a plurality of high-performance devices can be formed simultaneously. This process is also
Easily resizeable, use 1mm line width if needed
be able to.
Use 1 micron line width (or smaller geometries)
Allows more circuits to be integrated on the wafer,
The size or on-resistance (or both) of the resistor can be reduced. Smaller
The use of various device geometries in the following manner or in a combination of:
Can be.
1) Reducing the width of the monolithic print head.
2) By incorporating a better fault-tolerant circuit, the print head yield can be improved.
Improvement.
3) Increasing the number of nozzles on the print head without increasing the chip area.
4) By reducing the distance between nozzles in a linear dimension, the solution of the print head is reduced.
Improving image resolution.
5) By incorporating more total system circuitry on the chip. For example,
The data processing circuit can be built in the lip, and the standard memo can be added to the LIFT print head.
Re-interface, ie print data by directly accessing the memory
Include a route to get
The nozzle formation process can be modified in many ways. For example, this specification
Using high resolution planar technology instead of the self-aligned vertical heater formation method disclosed in
, A heater can be manufactured.
We also added more processing steps to improve the accuracy and
Fault tolerance requirements can also be reduced. For example, the preferred manufacturing disclosed herein
In the process, the nozzle barrel is 650 micron, which is the full thickness of the wafer
And is formed by a single anisotropic etching. This etching is
, Accurate for sidewall angles and uniform etch rates across the entire wafer
You have to control. Using two main steps,
Disability tolerance requirements can be reduced. In the first step, the nozzle area
With a thickness of about 50 microns left, a large chip is passed through most of the wafer.
A channel is formed by etching. Then multi-level at the base of this channel
Apply a resist and optically focus on the resist layer at the bottom of the channel.
The stem is used to project an image of the nozzle barrel. Then the nozzle barrel
Work by etching through the remaining 50 microns of silicon.
Can be This process increases the tolerance requirement for sidewall angles from 2 degrees to more than 10 degrees.
As a result, the process can be controlled fairly easily.
However, this process significantly reduces the physical strength of the chip. This means
Very careful mechanical handling to prevent damage in subsequent processing steps
Is required.
The above process is a preferred process for manufacturing a print head. Because, this
By using the above process, high resolution is obtained, and the full color print head is
This is because a driving circuit, a data distribution circuit, and a fault tolerance can be incorporated.
Also, the active circuit in the printhead is composed of two passivation layers, namely silicon nitride.
And tantalum protects it from chemical attack by the ink.
Conventional configuration
For high quality printing, the size of the ink particles must be constant. one
Nozzle diameters need to be precisely controlled to produce
Absent. The temperature and duration of the heat pulse applied to the nozzle tip is also accurate
You have to control.
FIG. 10 shows the present invention using lithographic printing with 2 micron line width resolution.
Is a simple planar structure of the nozzle heater of FIG. In the case of this example, the ink 100
It is contained within a circular nozzle with a radius of 7 microns. This nozzle has a thickness of 0.5 mm.
Coated with a passivation layer 104 of cron. The heater 103
Manufactured by flat lithography with 2 micron line width resolution. To heater
Contact 106 is made of aluminum and has a width of 2 microns. This heater configuration
, Have the following problems:
1) The minimum width of the heater 103 is 2 microns. Therefore, the resistance of the heater decreases
. This is because a specific heater power is obtained rather than a narrower heater width.
This means that a larger current is required.
2) The width of the heater 103 is controlled by lithographic printing.
5 microns. This variation is due to the heater resistance and hence heater
It means that the power fluctuates.
3) the distance from the heater 103 to the passivation layer 104 is at least 2 microns
There must be. Due to these limitations, the thermal coupling between the heater and the ink
Efficiency is limited.
4) The position of the heater with respect to the nozzle tip is determined by the accuracy of lithographic printing. 2 mi
When using a lithographic printing machine with a Klon line width resolution, the position accuracy
May vary by more than 1 micron with respect to the nozzle tip. This means that
Means that heat from the heater is not evenly distributed at the nozzle tip. As a result,
Ink particles are not ejected correctly or not at all,
The quality of the prints printed by the printheads generally degrades.
5) The region where the contact 106 is in contact with the heater 103 generates heat as much as the rest of the heater.
Does not occur. This creates spots in the surroundings that are not heated, potentially resulting in the formation of ink particles.
Affect the growth.
The above problems can be reduced by using very accurate lithographic printing.
it can. Currently, lithographic printing machines with a line width resolution of 0.35 microns
Used for mass production of conductor equipment. However, such a device has a 1-2 micron
It is expensive compared to a lithographic printing machine that has a resolution of 400 nm.
Manufacture of self-aligned heater
The preferred embodiment of the present invention also allows for precise control of the heater width,
Provides a self-aligned design that allows the heater width to be less than the lithographic line width
You. The heater forms a heater with precisely controlled dimensions and position relative to the nozzle
Manufactured by a series of isotropic deposition steps and anisotropic etching steps.
It is.
The term self-alignment means that the alignment between the heater and the nozzle tip is
As a result of the step, it is not affected by the alignment accuracy of the lithographic printing process steps
Means that. Heater dimensions and locations are much greater than lithographic steps
Can be precisely controlled by the deposition and etching steps
You.
FIG. 11A is a plan view of the nozzle tip showing the heater structure 103 that is self-aligned.
FIG. The heater 103 is oriented perpendicular to the wafer surface.
FIG. 11 (b) is an isometric view of the same heater structure.
The heater thickness, heater width and heater position relative to the nozzle tip are all
Deposition and etching processes that can be controlled easily and very accurately
Is determined by the The manufacturing process for this heater configuration also depends on the heater mass.
It does not require the requirements of the printing and lithographic steps.
The physical dimensions of the nozzle are very small. Manufacturing processes such as molding and milling
It is not practical to manufacture these devices using processes. Instead,
The processes used in the manufacture of integrated circuits can be used. These processes
Such materials are commonly used in the manufacture of planar devices. But the mask and manufacturing process
If are used in the correct order, a three-dimensional structure can be manufactured.
The present invention relates to a nozzle whose dimensions are determined by the deposition and etching processes.
It is a self-aligned heater structure. This heater structure and heater contacts are as follows
Formed by the following basic steps.
a) Etching of nozzle tip.
b) An isotropic coating of the nozzle tip with a conductive material suitable for heater contacts
G
c) using a resist patterned with an appropriate pattern for the heater contacts,
Etching of electrical materials.
d) Coating of nozzle tip and heater contact with certain substances.
e) etching of the substance from the nozzle surface to a depth equal to the required width of the heater;
Ching.
f) Nozzle tip due to heater material, up to a thickness equal to the required thickness of the heater
Isotropic coating of
g) Remove all heater materials except necessary heater materials in the nozzle tip
Etching of heater material for heating
To determine the proper drive voltage for the nozzle, the heater resistance must be known.
Must. The heater resistance is determined by the heater geometry and the thickness of the heater material.
It can be calculated from the film's specific resistance. Suitable heater geometries are
A circular band connected to the drive circuit on the opposite side. Therefore, the heater resistance
The resistance can be calculated by the following equation.
However,
RH:Heater resistance
ρ: Specific resistance of thin film of heater material
r: radius of heater
W: heater width
T: heater thickness
The calculation was based on the following values.
ρ = 2.3 μΩm (TaAl)
r = 7.5 microns
W = 1.0 micron
T = 0.05 micron
RH= 542Ω
In the "LIFT print head type A4-4-600" table, 600 dpi per second
Process color printing of the present invention for printing one A4 size page at
Here are some characteristics of an example of a pad (see Appendix A). Other embodiments of the present invention and
The advantages of power dissipation and the use of heaters can be obtained by using
These advantages are described in detail with reference to FIGS.
Power dissipation within a single-LIFT nozzle design
If a single monolithic structure contains many built-in nozzles,
It is important to reduce the power required by the spill as practically as possible.
FIG. 12 is a cross section of a simple nozzle made according to one embodiment of the present invention.
. Ink 100 flows into a cylindrical barrel made from silicon substrate 101
You. The nozzle tip is made of, for example, chemical vapor deposited glass (CVD silicon dioxide).
It includes an electrically operated heater 103 protected by such an insulator 102. No
The wool is, for example, tantalum pentoxide (Ta)TwoOFive) By thin oxide
A coated, passivating layer 104, such as tantalum, allows the
Protected from corrosion. The ink is applied to the nozzle by the hydrophobic coating 109
So that it cannot flow along the surface. During operation of the device,
The link is pressurized. The ink pressure is sufficient to cause the meniscus to protrude convexly.
It has power, but not enough to eject ink from the nozzles. Illustration of ink
The meniscus is in equilibrium.
To discharge ink particles, a current is supplied to the heater through the electrode 106.
, The heater 103 is turned on. When the heater is turned on, the temperature of the surrounding material
Rises. Heat flows from the heater until heat is transferred to the ink in the nozzle tip area.
Continue to be. When the ink is heated, the surface tension of the ink meniscus decreases. So
Therefore, the equilibrium state is broken, and the ink starts flowing out of the nozzle under pressure.
Although this nozzle configuration is simple to manufacture, it requires a lot of energy to eject ink particles.
Requires energy and is not efficient. In the case of this type of nozzle, heat is wasted
There are several causes.
The heater is installed directly on the silicon substrate. Silicon conducts heat relatively well
So most of the heat simply dissipates in the substrate.
The distance from the heater to the ink is limited by the lithographic resolution, and as a result
In this case, the heat transmission path of the ink becomes longer. This means that the distance between the heater and region 106
The temperature of all materials, the ink temperature will rise to the drop temperature
Must be raised above the required drop ejection temperature before
Means that.
The basic geometry of the nozzle is from the heater in the direction away from region 106.
Is lower than the heat resistance of the heat path from the heater to the region 106.
This indicates that most of the heat energy is not transferred to the region 106.
Reduction of heater power
The power requirements of the printhead can be divided into two parts.
1) Static power, which is power consumed when no ink is discharged. This power
Most of the requirements are the power consumed by the printhead shift registers and drive circuits.
Positive is the leakage current of the main drive transistor. Using modern semiconductor processes
The static power can be reduced to a negligible level,
Dissipated by conduction and air convection around the print head.
2) Active power, which is the power consumed when the print head is actually printing. This
Power is the amount of energy required to eject a single ink particle
It can be represented by a number multiplied by the number of ink particles ejected during (usually one second).
. For a four-color "process" head, there is zero active power when printing white
, And becomes maximum when printing solid four-color black.
Active power surrounds the detailed design of the nozzle, especially the location, size and heater
Significantly affected by material.
The power can be reduced by several means described below.
1) Installation of a heat insulating layer between the heater and the substrate. This layer is typically used in CMOS devices.
Thermal SiO 2 (thermal SiO 2)Two) Layer and CVD silicon dioxide
A recon layer can be used.
2) To minimize the thermal mass of the heater and the material surrounding the heater. This
To reduce this, place the heater on a “pillar” made of a solid material,
Air (with low thermal conductivity) or (with no heat wasted inside,
Achieved by surrounding it with ink (which requires heat for separation)
can do.
3) Reduce the distance between the heater and the ink meniscus to a minimum. This
In order to shorten the distance, the heater is connected to the nozzle tip at the contact point of the ink meniscus.
It can be done by installing.
4) relatively high thermal conductivity to prevent the heater from being corroded by the ink;
Use the wrong material. The best materials for this purpose are diamond or
Less diamond-like carbon (DLC). But diamond and D
LC requires a special process when used. For most applications,
Silicon nitride with a small number of holes is sufficient.
5) Use a thin passivation layer. As long as the passivation layer can sufficiently prevent corrosion,
It is necessary to be as thin as practical. A suitable thickness for this layer is 2,000 mm.
You.
6) Deletion of the heater area of the substrate.
The use of each of the above means can reduce power consumption compared to a system that does not use these means.
Force requirements can be reduced. By combining those effects,
The energy required to eject the ink particles is transferred to a level where the print head can cool itself.
Level.
FIG. 1 (b) is a simple cross section of a high efficiency nozzle of a preferred embodiment of the present invention.
. Ink 100 flows into a cylindrical barrel made of silicon substrate material 101.
Enter. The nozzle tip is made of, for example, chemical vapor deposited glass (CVD silicon dioxide).
) Includes an electrically actuated heater 103 surrounded by an insulator 102.
The nozzle has high electrical resistance, high resistance to penetration of hydroxide ions, and high heat transfer.
A passivation layer of a conductive material protects against corrosion by the ink.
You. A suitable material is silicon nitride.
FIG. 1 (b) shows various structural features that have been scaled up overall at a fixed rate.
It is an example of suitable dimensions for the above.
Appropriate processes for manufacturing the print heads with these characteristics are described.
This will be described below.
Printhead manufacturing process for printheads with nozzle rim heaters
The method of manufacturing a monolithic print head according to this embodiment uses a standard silicon integration circuit.
Similar to road manufacturing. However, the normal process flow can be
Can be modified. The method comprises a nozzle, a barrel for the nozzle, a heater and
It is very important when forming a nozzle tip. For manufacturing monolithic print heads
There are many different semiconductor processes. For each of these semiconductor processes,
Many basic processes can be modified to form the required structure
There are different ways.
The manufacturing process of the integrated print head is <100>
Of wafers can be used. This process is substantially equivalent to a standard CMOS process.
Compatible. Because the specific step of MEMS is CMOS VLSI implementation
This is because the process can be completed after the device is manufactured.
The wafer is deposited on a second level metal using standard CMOS process flows.
It can be processed up to the oxide. Then use standard CMOS processing equipment.
Some specific process steps that can be completed as well
It is. The final etch of the nozzle through the chip is only 10 microseconds
Using a single lithographic step that requires Ron's lithographic printing, the MEMS facility
Can be completed with
This process does not require any plasma etching of silicon. all
Silicon etching is performed by EDP wet etching after manufacturing active devices.
You.
The nozzle diameter in this example is 16 microns for an amount of about 8 pl of ink particles.
It is. This process is smaller than 16 microns and smaller than 16 microns.
Can be easily adapted to a wide range of nozzle diameters.
This process simultaneously etches from the ink channel and nozzle barrel.
To do so, anisotropic etching is used on the <100> silicon wafer. Expansion
High temperature steps such as spraying and LPCVD should not be performed during the nozzle formation process.
No.
Layout example
FIG. 13 shows an exemplary layer for a small cross section of an 800 dpi printhead.
It is Uto. This figure shows the nozzle that exists in one ink channel pit.
And the layout of the drive circuit for 48 nozzles. The black circle in this figure is
This is the position of the chirp, and the gray area indicates the position of the active circuit.
The 48 nozzles include 24 main nozzles 2000 and 24 redundant nozzles 200.
1 is provided. MOS main drive transistor 2002 and redundant drive transistor
The position of the data 2003 is also shown. The ink channel pit 2010 is
It has the shape of a square truncated cone etched from the back of c. In the shape of a truncated cone
The plane of the pit extends along the {111} plane of the single crystal silicon wafer. Noz
Is located at the bottom of a pit shaped like a truncated cone where the wafer is thinnest
I have. More on wafers such as ink channel pits and sloping walls
No nozzles can be formed in the thick regions and the regions between the pits. this
These areas can be used for data distribution and fault tolerant circuits. 2 miku
Shift registers, if using a CMOS process that is longer than
Sufficient, including extensive redundancy and fault tolerance, within clock distribution and other use circuits
There is room. FIG. 13 shows the main shift register 2004 and the redundant shift register 20.
05, and a suitable installation location of the fault-tolerant circuit 2006.
FIG. 14 shows a set of nozzles (primary nozzle) with drive transistors for the pair of nozzles.
2 is a detailed layout of a nozzle and a redundant nozzle. This layout is 1.5 mm
This is a layout for Kron's VLSI process. This layout is the corresponding
Two nozzles are shown, along with a driving transistor. The main and redundant nozzles are
It has an interval of one pixel in the inspection direction. The primary and redundant nozzles provide electrostatic interference and
They can be placed adjacent to each other without causing fluid interference. Drive Transistors
The nozzle can be located very close to the nozzle. Because the ink particles
This is because the rise in temperature due to separation is very slight when slightly separated from the heater.
Large amount of V+And V-The current is applied to the wide first and second lasers covering the chip.
Carried by a matrix of bell metal lines. V+And V-Terminal is a chip
Extends along the entire length of the two long edges.
Matching to crystal plane
The manufacturing process described in this chapter uses a single crystal silicon
Use unique crystal planes in the con-wafer. Direction of mask procedure to {111} plane
Must be precisely controlled. The orientation of the main plane on the silicon wafer is
Usually, it has only an accuracy within ± 1 degree of an appropriate crystal plane. Masks and manufacturing
It is very important to take this angle tolerance into account when designing the process.
is there. The accuracy of the orientation of the wafer surface is only ± 1 degree. But the ink channel
The wafer is thinned to about 300 microns before is formed by etching.
Ink channel if there is an error of ± 1 degree during surface alignment.
When etched through, the position error can be up to 5.3 microns. This mistake
The difference can be taken into account when designing the mask for backside etching.
Summary of manufacturing process
Except when a wafer polished on both sides is required as a starting wafer
Alternatively, a standard 6 inch silicon wafer can be used.
FIG. 15 shows 12 full color printheads, each with a print width of 105 mm.
6 inch wafer. Two of these print heads are A4 / US
Can be combined together to form a sized page width printhead
, Four printheads to form a 17-inch web commercial printhead.
Or these printheads can be, for example, digital "Minilab"
”, Photo format in an A6 format printer or digital camera
Can be used individually for printing.
The table below shows exemplary wafer specifications.
The main manufacturing steps are as follows.
1) Driving transistor and shift register according to a normal CMOS process flow
Completion of CMOS process to create clock distribution circuit and fault tolerant circuit.
Two-level metal CMOS process with line width 1.5 microns or less
Is preferred. CMOS process performed up to oxide on second level metal
It is.
FIG. 16 shows the wafer in the nozzle chip area after the completion of the standard CMOS process flow.
It is a cross section of a wafer.
This figure shows a silicon wafer 2020, a field oxide 2021, a first level
Interlevel oxide 2022, first level metal 2023, second level interlevel oxide 202
4, a second level metal 2025, and a passivating oxide 2026 are shown
I have.
The thicknesses of the layers in this example are as follows.
a) Field oxide 2021: 1 micron
b) First interlevel oxide 2022: 0.5 micron
c) First level metal 2023: 1 micron
d) Second interlevel oxide 2024: 1.5 microns as planarized
e) Second level metal 2025: 1 micron
f) Passivating oxide 2026: 2 microns as planarized
As shown, a first level metal 2023 and a second level metal 2025 are shown.
Through hole between the two levels at the nozzle tip, connecting the small patch of
There is.
2) Nozzle tip mask using resist. The nozzle tip hole is
The interlevel passage at the top is cut in half. nozzle
On the same mask as the chip hole, there is an opening that outlines the edge of the chip.
This opening is used to separate the chip from the wafer and provide a surface edge at the chip boundary.
It is for ching. Separation of chips from the wafer is achieved by ink channels and
This is done by simultaneous etching on the nozzles.
3) Plasma etching of the nozzle tip and surface tip boundaries. This is surface oxidation
This is anisotropic plasma etching of the material layer. By this etching, about 5 microns
Thickness of silicon dioxide is removed. Side wall etching should be as steep as possible
Must be done in In this case, the angle of the side wall is 85 degrees. Etching is
, To the depth of silicon.
FIG. 17 shows a cross section of the nozzle tip area after the nozzle tip has been etched.
is there.
4) Deposition of a thin layer of heater material 2027. The thickness of this layer depends on the selected heater material
Depends on the specific resistance. Nichrome, tantalum / aluminum alloy, tungsten
, Boron-doped polysilicon, zirconium diboride, hafni
Use many different heater materials, including umdiboride and others
Can be. The melting point of the heater material need not be very high. Therefore, spatter
Alternatively, a heater material can be selected that can be deposited. FIG.
Is the cross section of the nozzle tip area after this deposition step.
5) Chemical treatment of the wafer to a thickness of about 300 microns.
6) 0.5 micron thick PECV on both front and back of the wafer
D Deposition of silicon nitride (nitride) 2028. FIG. 19 shows the state after the end of this vapor deposition step.
3 is a cross section of the nozzle tip region.
7) Spin coating of resist on backside of wafer. Ink channel difference
Matrix on the back of the wafer for cubic etching and chip separation (dicing)
Sk. The mask contains concave square holes for forming ink channels
This hole outlines the edge of the chip. Tip edge border slightly convex
, The mask is cut down. The shape of the edge of the chip is
Can be adjusted by placing them on the convex corners of the mask. Mask patter
Are aligned with the {111} plane. The resist is already on the back of the wafer
Used to mask the etching of PECVD nitride, which is being deposited on
You. The nitride on the back is etched and the resist is removed.
8) until the wafer thickness in the nozzle tip area is about 100 microns,
Etching wafer in EDP at 0 ° C. The etching time is
About 4 hours. While this etching is taking place, the thickness of the silicon in the nozzle area
Controls the geometry of the chamber behind the nozzle tip (nozzle barrel)
Can be adjusted. Etching is finally correct through the wafer
From the interrupted part, from the front and back of the wafer
Start etching. By performing this two-stage etching, the nozzle
It is possible to accurately control the length of the deduction of the chip area. The depth of devaluation
Preferably 1-8 microns, but a preferred undercut depth is about 3 microns.
It is. This etching ends at step 12.
9) Anisotropic etching of surface nitride 2028 and heater 2027 layers. Anisotropic body
Use reactive ion plasma etching (RIE) for etching
Can be. In this etching step, most of the nozzle tips near the vertical plane
The nitride 2028 and all heater 2027 material
It is necessary to remove all heater materials 2027 and nitride 2028. FIG.
Numeral 0 is a cross section of the nozzle chip area after the end of the etching step.
10) Cutting bonding pads using a standard lithographic etching process
Open.
11) 1 micron thick silicon dioxide 2026 without mask
Body etching. This etching isThreeNFourWet etch with high selectivity
It can be performed by ching. This is the silicon nitride rim around the nozzle tip
To form FIG. 21 shows the side of the nozzle chip area after the end of this etching step.
It is a cross section.
12) End of wafer etching started in step 8. At 110 ° C, EDP
Perform etching. This etching is performed on both sides of the wafer,
Through the nozzle tip hole and from the back through the ink channel hole
. The etching rates are approximately as shown in the table below.
The etching rates in the table refer to the semiconductor sensors and actuators held in 1987.
Record of the Fourth International Conference on Transducers, 1987 Shi
-Dell's "The mechanism of anisotropic silicon etching and its relation to micromachining"
Quoted from pages 120-125.
The etching time is important. Because the etching does not stop
. Each etching batch has a slightly different etching rate, so the etching period
Near the end of the process, the wafers need to be checked periodically. Nozzle tip hole
The etching is almost complete when the light first starts to be seen from the part. At this stage
Then, the wafer is etched for another 6 minutes. Processing wafers at the same time
It is desirable to have the required thickness.
Etching is performed in three stages.
a) During the first 10 minutes, on both sides of the wafer, ie (through nozzle tip
) From the front side and from the back side at <100> etching rate. D from the surface
The depth of the etching is the radius of the nozzle tip / 2 (nozzle tip hole with a radius of 7 microns).
About 10 microns per part). FIG. 22 shows the nozzle tip at this point.
It is a cross section of an area.
b) During the next approximately 1 hour and 40 minutes, the etch is at a <100> rate at the back of the wafer.
Performed from the surface, but through the nozzle tip hole at a speed of <111>
. The depth of the etching performed through the holes on the back is about 90 microns,
The depth of etching performed through the chip hole is about 2.5 in the [111] direction.
Microns (about 3 microns in the <100> direction). FIG.
3 is a cross section of the nozzle tip area at a point.
At this point, the hole in the nozzle tip communicates with the hole in the ink channel and
As a result, the convex silicon surface is exposed at a relatively high etching rate. Next 6 minutes
In the meantime, in the ink channel, the etching is performed at a rate of <100>,
It is performed at various accelerated speeds around the convex silicon. FIG.
3 is a cross section of the nozzle tip area at a point.
The depth of the nozzle tip undercut depends on the relative etching of the front and back sides.
It can be controlled by changing the depth. This control is controlled by the front side etch
Just before starting the etching,
It can be carried out. The total etching time is measured in hours, so the nozzle tip
When the wafer is first etched with EDP before removing nitride from the
The length between them can be easily and accurately adjusted.
This method allows for different wafer thicknesses and different <111> / <100> edges.
Speed can be compensated, and the thickness of the silicon film and
Depth can be controlled to a high degree.
At this stage, the edge of the chip is similarly etched. Because,
This is because the etching of the edge of the pump is performed simultaneously with the etching of the ink channel.
You. The design of the masking pattern at the edge of the chip can also be done without damaging the chip.
Etching step, leaving only a thin "bridge" that can be easily broken off
At the end of the adjustment, the chips are still supported by the wafer
can do. Alternatively, at this stage, the chips can be completely removed from the wafer.
Can also be separated.
If the chips can be completely separated during EDP etching, both sides of the wafer
Can be etched.
The mask slot on the front side of the wafer is larger than the mask slot on the back side of the wafer.
It can be much narrower (a width of 10 microns is suitable). By doing so,
The useless wafer area between chips can be considerably reduced.
13) Deposition of the passivation layer from the back of the chip. 1 micron thick PECVDS
iThreeNFourCan be used. FIG. 25 shows the nozzle chain after this vapor deposition step.
2 is a cross-sectional view of the top region.
14) Fill the print head with water under slightly positive pressure (about 10 kPa). Wafer
Care should be taken to prevent small water droplets or water clumps from adhering to the surface. Because this
Such water droplets inhibit the hydrophobization process.
The print head is exposed to a hydrophobizing vapor, such as a fluorinated alkylchlorosilane. Suitable
Such hydrophobizing agents include the following. (Not in the desired order)
You. )
1) Dimethyldichlorosilane (CHThree)TwoSiClTwo(Not preferred)
2) (3,3,3-trifluoropropyl) -trichlorosilane, CFThree(CHTwo
)TwoSiClThree
3) Pentafluorotetrahydrobutyl-trichlorosilane, CFThreeCFTwo(CHTwo
)TwoSiClThree
4) Heptafluorotetrahydropentyl-trichlorosilane, CFThree(CFTwo)Two
(CHTwo)TwoSiClThree
5) Nonafluorotetrahydrohexyl-trichlorosilane, CFThree(CFTwo)Three
(CHTwo)TwoSiClThree
6) Undecafluorotetrahydroheptyl-trichlorosilane, CFThree(CFTwo
)Four(CHTwo)TwoSiClThree
7) Tridecafluorotetrahydrooctyl-trichlorosilane, CFThree(CFTwo
)Five(CHTwo)TwoSiClThree
8) Pentadecafluorotetrahydrononyl-trichlorosilane, CFThree(CFTwo
)Five(CHTwo)TwoSiClThree
Many other available hydrophobizing agents are available. Ink surface activity
To reduce the physical absorption of the agent, the fluorinated rather than the alkylated surface
The surface is preferred.
The water prevents the hydrophobizing agent from affecting the inner surface of the printhead, thus causing capillary action.
Can fill the print head. FIG. 26 shows the nozzle during the hydrophobization process.
FIG.
15) Package and wire bonding. After that, supply this device with ink
It can be connected to the device, apply ink pressure, and perform functional tests. FIG. 27 shows stationary
3 is a cross section of a nozzle filled with ink 2031 in a state.
FIG. 28 is a perspective view of the ink channel viewed from the back surface of the chip.
FIG. 29 (a) shows the simultaneous etching of the nozzle for separating the chip and the edge of the chip.
3 is a cross-sectional view of a wafer showing the ringing. These drawings are scaled to a certain percentage
Not in. FIG. 29 (a) shows the nozzle tip, the ink channel and the edge of the tip.
With the masked area of the two areas, the nozzles before etching.
3 shows the chip area and the edge area of the chip. FIG. 29B shows the <100> etchin.
The wafer after the nozzle tip holes have been etched at the
The pit is formed. At this point, the etching speed of the nozzle tip hole is
The degree drops to <111> etching rate. Tip edge and ink channel
Are simultaneously performed. FIG. 29 (c) shows a chip from the wafer surface.
The pits etched at the edge of the wafer are etched from the backside of the wafer
This is the wafer at the time of contact with the pit. FIG. 29D shows an ink channel.
The wafer at the time when the rupit communicates with the nozzle tip pit. Wafer
Etching at the same time in the horizontal direction at <100> etching rate
Was. FIG. 29E shows the wafer after the etching is completed and the nozzle is formed.
is there.
FIG. 30 shows 24 main nozzles manufactured by the method disclosed herein and 24 main nozzles.
The layout dimensions of a single ink channel pit with redundant nozzles
.
FIG. 31 shows eight ink channel pits and their corresponding nozzles and ink marks.
The layout and dimensions of the print head.
FIG. 32 shows 32 ink channel pits at one end of the four-color print head.
For each of the four process colors: cyan, magenta, yellow and black
Thus, two rows of ink channel pits are used.
FIGS. 33 (a) and 33 (b) show a protrusion for forming a large print head.
The ends of two adjacent printhead chips (modules) joined together. How to scan
Precise alignment of printhead chips without offsetting printhead chips
By doing so, there is enough overlap between the marks printed on the page
Printing can be performed without any occurrence.
FIG. 34 shows a 4 inch (100 mm) monolithic printhead module.
FIG. 2 is a complete general view of an ink channel pit.
A number of preferred embodiments of the present invention have been described. For those skilled in the art,
It will be apparent that various modifications can be made without departing from the scope.
U.
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，
ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ
Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＪＰ，ＵＳ────────────────────────────────────────────────── ───
Continuation of front page
(81) Designated countries EP (AT, BE, CH, DE,
DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, L
U, MC, NL, PT, SE), JP, US