JP2002254653A - Ｃｍｏｓ工程で形成したヒーター要素を有するｃｍｏｓ／ｍｅｍｓ集積型インクジェット印刷ヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ヒーターの下で流体に横方向フロー成分の付
与に適した構造を有してジェットが大きく偏向されるＣ
ＩＪ印刷ヘッドを提供することである。 【解決手段】 印刷ヘッドの作動を制御するために形成
された集積回路を含むシリコン基板であって、その基板
内に基板に沿って一又は二以上のインクチャネルを有す
るシリコン基板と；シリコン基板を覆いかつインクジェ
ットノズルボア群を有する絶縁体層あるいは層群であっ
て、各ボアはそれぞれ絶縁体層あるいは層群の各リセス
に形成され、リセスはエッチングあるいは他の材料除去
法によって形成され、各ボアはインクチャネルに連通す
る絶縁体層あるいは層群とを備え；各ボアは、リセスの
形成のために材料除去工程の前に形成されたヒーター要
素に近接して位置し、それによって、リセスを形成する
際に、各ヒーター要素が絶縁体層若しくは層からの材料
によって覆われていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、デジタル制御印刷
装置の分野に関するものであり、特に、単一基板上に多
重ノズルを集積し、熱加工手段によって印刷のために液
体のドロップが選択される液体インク印刷ヘッドに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】インク
ジェット印刷は、非衝撃、低ノイズ特性、及びシステム
の単純さのために、デジタル制御電子印刷分野において
傑出した競争者として認識されている。このため、イン
クジェットプリンタは、家庭（ホーム）での使用やオフ
ィスでの使用等において商業的に成功を収めている。

【０００３】インクジェット印刷機構は連続（ＣＩＪ）
で又はドロップオンデマンド（ＤＯＤ）でのいずれかと
し分類することができる。１９７０年にカイザー (Kyse
r)らに特許された米国特許第3,946,398号は、圧電性結
晶に高電圧を印加し、それによって、結晶を曲げ、イン
ク溜めに圧力を付与し、要求されたドロップを噴出する
ＤＯＤインクジェットプリンタを開示している。圧電性
ＤＯＤプリンタは、ホーム用及びオフィス用の720dpi以
上の画像（イメージ）解像度では商業的に成功を収めて
いる。しかしながら、インクジェット印刷機構は通常、
複雑な高電圧駆動回路とかさばった圧電性結晶アレイと
が必要となり、それらは印刷ヘッドの長さと同様に、印
刷ヘッドの単位長さ当たりのノズル数において不利であ
る。

【０００４】１９７９年のエンドー (Endo) らに特許付
与された英国特許第2,007,162号には、ノズルの水性イ
ンクに熱接触するヒーターに電力パルスを付与する電熱
ドロップオンデマンドインクジェットプリンタを開示し
ている。少量のインクはすぐに蒸発し、インクドロップ
をヒーター基板のエッジに沿って小口径から射出させる
ことになるバブルを形成する。この技術は、熱インクジ
ェットあるいはバブルジェット（登録商標）として公知
である。

【０００５】熱インクジェットプリンタは通常、ヒータ
ーが、バブルの迅速な形成の起因となる400℃近傍の温
度までインクを加熱するのに十分なエネルギーパルスを
生成する。この装置に必要な高温は特別なインクの使用
を必要とし、駆動エレクトニクスを複雑にし、キャビテ
ーション（cavitation）及びコゲーション（kogation）
を介してヒーター要素の劣化を促進する。コゲーション
とは、飛散物（debris）でヒータを覆うインク燃焼副産
物の蓄積である。このような飛散物の塊はヒーターの熱
効率を低下させ、それにより印刷（印字）ヘッドの運転
寿命を短縮する。さらに、各ヒーターの高い活動電力消
費は、製造コストの低下で高速でページワイド印刷ヘッ
ドの製造を妨げる。

【０００６】連続インクジェットプリンタそれ自体は少
なくとも１９２９年まで遡る。その年にハンセル (Hans
ell)らに特許付与された米国特許第1,941,001号明細書
を見られたい。

【０００７】１９６８年３月にスィート (Sweet) らに
特許付与された米国特許第3,373,437号明細書は、印刷
されるインクドロップが選択的に荷電され、記録媒体へ
偏向させる連続的なインクジェットノズルのアレイを開
示している。この技術は、バイナリ偏向連続インクジェ
ット印刷として公知であり、エルムジェット（Ｅｌｍｊ
ｅｔ）及びサイテックス（Ｓｃｉｔｅｘ）を含む複数の
製造者によって用いられている。

【０００８】米国特許第3,416,153号明細書は、１９６
８年１２月にハーツ (Herts) らに特許付与されたもの
である。この特許は、連続インクジェット印刷において
可変光学密度の印刷（印字）スポットを実現する方法を
開示している。荷電されたドロップストリーム（流れ）
の静電気分散は、小口径を通って通過するドロプレット
（小滴）の数を変調するように働く。この技術は、アイ
リス（Ｉｒｉｓ）製のインクジェットプリンタにおいて
使用されている。

【０００９】“METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING
THE ELECTRIC CHARGE ON DROPLETSAND INL JET RECORD
ER INCORPORATING THE SAME”の発明の名称の米国特許
第4,346,387号明細書は、１９８２年１０月２４日ハー
ツに特許付与されたものである。この特許では、ドロプ
レット上の静電荷を制御するＣＩＪシステムを開示して
いる。ドロプレットは、電界を有する静電荷電トンネル
内に配置したドロップ形成点において、加圧された液体
ストリームを分割（分断）することによって形成され
る。ドロップ形成は、所望された所定の電荷に対応する
電界におけるある点で行われる。トンネルを荷電するの
に加えて、偏向プレートはドロップを実際に偏向するの
に用いられる。ハーツシステムでは、生成されたドロプ
レットが荷電され（電荷を与えられ）、次いで、のど空
き（gutter）へあるいは印刷媒体上へ偏向されることが
必要とされている。荷電及び偏向機構はかさばり、印刷
ヘッド当たりのノズル数を厳しく制限する。

【００１０】最近まで、従来の連続インクジェット技術
は全て、様々な態様で、ドロップがストリームにおいて
形成される点の近傍に配置した静電荷電トンネルを利用
していた。トンネルでは、個々のドロップが選択的に荷
電されてもよい。選択されたドロップは荷電され、大き
なポテンシャル差を有する偏向プレートの存在によっ
て、下流に偏向される。のど空き（“キャッチャー”と
も称する）は通常、荷電ドロップを遮断し、非印字モー
ドを確立するために用いられ、一方、非荷電ドロップは
印字モードで記録媒体に自由に衝突し、こうして、イン
クストリーム（流れ）は“非印刷”モードと“印刷”モ
ードとで偏向する。

【００１１】通常、連続ジェットプリンタにおける荷電
トンネルとドロップ偏向プレートは、従来型のＣＭＯＳ
回路に共通して損害を与えると考えている電圧、通常、
25ボルトあるいはそれ以下に比べて、大きな電圧例えば
１００ボルトあるいはそれ以上で作動する。また、静電
式連続「インクジェットプリンタにおけるインクを導電
性にし、電流を運ぶようにする必要がある。従来の半導
体製造において周知のように、信頼性の観点から、半導
体表面に接触する電流を運ぶ液体を通すのは望ましくは
ない。

【００１２】最近、上述の静電気荷電トンネルを不要と
する新規な連続インクジェットプリンタシステムが開発
された。また、それは、(1)ドロプレット形成と(2)ドロ
プレット偏向の機能をよりよく結合するように働く。こ
のシステムは、チョレック（Chwalek）らによって出願
された“CONTINUOUS INK JET PRINTER WITH ASYMMETRIC
HEATING DROP DEFLECTION”の発明の名称の米国特許出
願第6,079,821号明細書において開示されている。この
内容は本明細書の内容に組み込まれている。この特許で
は、連続インクジェットプリンタにおけるインク制御装
置を開示している。装置は、インク送り出しチャネル
と、該インク送り出しチャネルに連通する圧縮インク源
と、インク送り出しチャネルに開口したボアを有するノ
ズルとを備える。ここで、インクの連続ストリームはイ
ンク送り出しチャネルから流れ出る。ヒーターによりス
トリームに弱い熱パルスを周期的に印加すると、インク
ストリームは、印加熱パルスに同期してかつノズルから
離間した位置に複数のドロプレットに分解される。ドロ
プレットは、（ノズルのボアにおける）ヒーターから増
加した熱パルスによって偏向する。ヒーターは選択的に
起動されたセクション、例えば、ノズルのボアの一部に
関連するセクションを有する。特定のヒーターセクショ
ンの選択起動は、ストリームへの熱の非対称（異方的）
印加と称せされるものを連続させるものである。この非
対称に熱が印加されて、とりわけ“印刷”方向（記録媒
体上へ）と“非印刷”方向（“キャッチャー”へ戻る方
向）との間のインクドロップを偏向するように作用する
方向を、セクションを交互にすることによって交互にす
ることができる。チョレックらの特許は、印刷ヘッド当
たりのノズルの数、印刷ヘッド長、電力使用及び役に立
つインクの特性に関する従来の問題を克服する方向に大
きく改善された液体印刷システムを提供する。

【００１３】非対称な熱の印加はストリームの偏向につ
ながり、その大きさは、複数の要因、例えば、ノズルの
幾何学的配置及び熱的特性、付加された熱の量、印加さ
れた圧力、及び、インクの物理的・化学的・熱的特性に
依存する。溶剤（特にアルコール）インクは非常によい
偏向パターンを有し（この点は、トラウニヒト（Trauer
nicht）らに出願された米国特許第6,247,801号明細書を
参照されたい）、異方加熱がされた連続インクジェット
プリンタにおいて高い画像品質をを実現するが、水性イ
ンクはさらに問題である。水性インクはあまり偏向しな
いが、その作動はしっかりしていない。デラメッター
（Delametter）らに出願された欧州特許出願第1,110,73
2号公開公報において、連続インクジェット異方加熱印
刷システム内においてインクドロプレット偏向の大きさ
を改善するために、インク送り出しチャネル内の幾何学
的障害物によって、エンハンスされた面方向フロー特性
を提供することによって、特に水性インクに対して、イ
ンクドロップ偏向を有する連続インクジェットプリンタ
が開示されている。

【００１４】ここに記載される発明は、低コストメーカ
ーに対して適した連続インクジェット印刷ヘッドを製造
することによって、または、好適にはページワイドで作
ることができる印刷ヘッドに対して、チョレックらやデ
ラメッターらの仕事をもとにするものである。

【００１５】本発明は、ページワイド印刷ヘッドとは考
えられないインクジェット印刷ヘッドを用いたものであ
るが、改善されたインクジェット印刷システムに対して
必要と広く認識され、例えば、コスト、サイズ、速度、
品質、信頼性、小さなノズルオリフィスサイズ、小さな
ドロップサイズ、低電力使用、作動における構成の単純
さ、耐久性、及び、製造能力に関して利点を備えるもの
である。この点では、ページワイド高分解能インクジェ
ット印刷ヘッドを製造する能力について特に必要性があ
る。ここで使用するように、“ページワイド”の語は約
4インチの最小長さの印刷ヘッドを称している。高解像
度は、各インクカラーに対して、単位インチ当たり最小
約300個のノズルから単位インチ当たり最大約2,400個の
ノズルのノズル密度を意味する。本発明は、ＤＯＤ印刷
ヘッドで使用してもよい。

【００１６】印刷速度の増大に対してページワイド印刷
ヘッドを十分活用するために、印刷ヘッドはかなりの数
のノズルを含んでいる。例えば、従来の走査型印刷ヘッ
ドは、一インクカラー当たり数100個のノズルを有する
に過ぎなかった。写真の印刷に適した4インチページワ
イド印刷ヘッドは、数1000個ものノズルを有する。印刷
ヘッドが１ページにわたってそれを機械的に動かす必要
性のためにゆっくり走査される間、ページワイド印刷ヘ
ッドは静止しており、紙が移動して印刷ヘッドを通り過
ぎていく。画像は理論的には、一回のパス（通過）で印
刷することができ、それにより、実質的に印刷速度を増
大する。

【００１７】ページワイドの高生産性のインクジェット
印刷ヘッドの実現には２つの大きな困難がある。第１
に、ノズルがセンター−センター間距離で10μｍから80
μｍのオーダーで互いに隣接して配置しなければならな
い。第２には、ヒーターに電力を供給するドライバと各
ノズルを制御するエレクトロニクスとを各ノズルに集積
しなければならない。というのは、外部回路への数1000
個のボンドあるいは他のタイプの接続部を作る試みは現
在はまだ実現が困難だからである。

【００１８】これらのチャレンジに対処する一方法は、
ＶＬＳＩ技術を利用してシリコンウェハー上に印刷ヘッ
ドを形成し、同じシリコン基板上のＣＭＯＳにノズルを
集積することである。

【００１９】シルバーブロック（Silverbrook）に特許
付与された米国特許第5,880,759号明細書に提案された
カスタムプロセスは印刷ヘッドを形成するために開発さ
れたが、コスト及び製造能力の観点から、従来のＶＬＳ
Ｉ設備でほぼ標準ＣＭＯＳプロセスを用いて回路を最初
に形成し、次いで、ノズル及びインクチャネルの形成の
ために別のＭＥＭＳ（ミクロ電子機械システム）設備で
ウェハーの後処理を行うのが好ましい。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、よりカ
スタム処理を必要とする従来公知のインクジェット印刷
ヘッドと比較して、低コストでかつ改良された製造能力
で製造されるＣＩＪ印刷ヘッドを提供することである。

【００２１】本発明の他の目的は、ヒーターの下で流体
に横方向フロー（流れ）成分を付与するのに適した構造
を特徴とするＣＩＪ印刷ヘッドであって、それによって
ジェットが同じ熱量に対してより大きく偏向されるＣＩ
Ｊ印刷ヘッドを提供することである。

【００２２】本発明の第１の態様は、インクジェット印
刷ヘッドが、印刷ヘッドの作動を制御するための集積回
路を含むシリコン基板であって、その基板内に基板に沿
って一又は二以上のインクチャネルを備えたシリコン基
板と；シリコン基板を覆いかつインクジェットノズルボ
ア群を有する絶縁体層あるいは層群であって、各ボアは
それぞれ絶縁体層あるいは層群の各リセス（凹所）に形
成され、リセスはエッチングあるいは他の材料除去法に
よって形成され、各ボアはインクチャネルに連通する絶
縁体層あるいは層群とを備え；各ボアは、リセスの形成
のために材料除去工程の前に形成されたヒーター要素に
近接して位置し、それによって、リセスを形成する際
に、各ヒーター要素が絶縁体層若しくは層からの材料に
よって覆われているインクジェット印刷ヘッドである。

【００２３】本発明の第２の態様は、インクジェット印
刷ヘッドを作動する方法であって、シリコン基板に形成
されたインクチャネルにおける圧力の下で液体インクを
供給する段階であって、シリコン基板は印刷ヘッドの作
動を制御するための集積回路群を有する段階と；インク
ドロプレットの形成及び／又は偏向に影響を与えるため
にノズル開口でインクを非対称に加熱する段階であっ
て、各ノズル開口はインクチャネルに連通すると共に、
ノズル開口は所定の方向に延びるアレイとして配置され
る段階と；を備え、各ノズル開口がシリコン基板を覆う
絶縁体層あるいは層群における各リセスに形成され、ヒ
ーター要素は各ノズル開口に関連しかつリセスに位置す
るンクジェット印刷ヘッドを作動する方法である。

【００２４】本発明の第３の態様は、インクジェット印
刷ヘッドを製造する方法であって、印刷ヘッドの作動を
制御するための集積回路を有するシリコン基板であっ
て、その上に絶縁体層あるいは層群を有するシリコン基
板を備える段階であって、絶縁体層あるいは層群がシリ
コン基板に形成された回路に電気的に接続された導体と
ヒーター要素を有する段階と；絶縁体層あるいは層群に
おいて、絶縁体層あるいは層群における各リセスに直線
状に若しくはジグザグ状にインクジェットボア群を形成
する段階と；備え、各ボアはヒーター要素に近接した位
置に形成されるインクジェット印刷ヘッドを製造する方
法である。

【００２５】本発明のこれらの目的及び他の目的、特徴
及び利点は、本発明の例示的に示して表した図面を参照
すると、以下の詳細の説明のよって当業者には明らかで
ある。

【００２６】

【発明の実施の形態】本明細書は、本発明の主要部を特
に指摘しかつ明白に主張するクレームを説明するが、添
付図面を参考にした以下の詳細な説明から本発明をより
深く理解されるはずである。図１は、本発明により構成
された印刷ヘッドの概略部分平面図である。図１Ａは、
本発明によるＣＩＪ印刷ヘッド用の“ノッチ”型ヒータ
ーを有するノズルの概略平面図である。図１Ｂは、本発
明によるＣＩＪ印刷ヘッド用のスプリット型ヒーターを
有するノズルの概略平面図である。図２は、“ノッチ”
型ヒーターを有するノズルの断面図であって、非偏向ド
ロプレットを捕捉するためのガッタの作動を示す図であ
る。図３は、図１ＡのＡ−Ｂ線に沿った概略断面図であ
り、本発明によるＶＬＳＩＣＭＯＳ設備の製造シーケン
スの端部におけるノズル領域を図示する図である。図４
は、本発明によって製造したＣＭＯＳ互換ノズルのＡ−
Ｂ線に沿った概略断面図である。図５は、図４に示した
ノズルの斜視図であり、シリコン基板を通って延びる中
央チャネルを示す図である。図６は、図５と同様な図で
あるが、各ノズルを分離しかつ構造強度を向上すると共
にインクチャネルにおける波作用を低減する、シリコン
ウェハーに形成され本発明に対応したリブ構造を示す図
である。図７は、図４と同様な図であるが、図６で図示
したシリコンウェハーに形成されたリブ構造を示す図で
ある。図８は、ノズルの小アレイを有するインクジェッ
ト印刷ヘッドの概略平面図であって、隣接アレイ間のイ
ンクチャネルにシリコンリブと、本発明の他の実施形態
によるシリコン基板型横方向フローブロッキング構造と
を示す図である。 リブ構造とブロッキング構造とはこ
の方向では実際には見えないが、図示する目的で示して
いる。図９は、図８で示した実施形態の斜視図であり、
シリコンリブ構造とシリコン横方向フローブロッキング
構造とを有するインクジェット印刷ヘッドを示す図であ
る。図１０は、図９で図示した実施形態による横方向フ
ローに対するシリコンブロッキング構造の画定後に、図
１Ａのノズル領域におけるＡ−Ａ線に沿った概略顔面図
である。図１１は、ブロッキング構造の頂部のシリコン
を除去するために“足止め”効果を用いた場合、横方向
フロー用のシリコンブロックを画定後、図１Ａのノズル
領域のＢ−Ｂ線に沿った概略断面図である。図１２は、
頂部形成法を用いた場合、横方向フロー用のシリコンブ
ロックを画定後、ノズル領域のＢ−Ｂ線に沿った概略断
面図である。図１３は、連続インクジェット印刷ヘッド
及びノズルアレイの例をインクジェット印刷ヘッドの下
のプリンタ媒体（例えば、紙）ロールと共に示した概略
図である。図１４は、本発明によって形成され、インク
が送られる支持基板上に備えたＣＭＯＳ／ＭＥＭＳ印刷
ヘッドの斜視図であり；図１５は、シリコン基板を被覆
する絶縁層あるいは層群におけるリセス（凹所形成）開
口におけるそれぞれの位置を示すノズルボア群の概略図
である。

【００２７】この説明は特に、本発明による装置の一部
を形成し、あるいは、その装置と直接協働する要素を対
象にする。特に示されていないかあるいは記載されてい
ない要素は、当業者には周知の様々な態様をとってもよ
いことは理解されたい。

【００２８】図１３には、符号１０で連続インクジェッ
トプリンタシステムを示している。印刷ヘッド１０ａ
は、そこからノズル２０のアレイが延伸しているが、ヒ
ーター制御回路が組み込まれている（図示せず）。

【００２９】ヒーター制御回路は画像メモリからデータ
を読み、ノズルアレイ２０のヒーターに時系列電気信号
を送る。これらのパルスを適当な長さの時間の間、適当
なノズルに印加され、それによって、画像メモリから送
られたデータに指示された適当な位置において、連続イ
ンクジェットストリームから形成されたドロップが記録
媒体１３上にスポットを形成する。加圧されたインク
は、インク溜まり（図示せず）から基板１４において形
成されたインク送り出しチャネルへ進み、ノズルアレイ
２０を通って記録媒体１３あるいはのど空き１９のいず
れか上に進む。インクのど空き１９は偏向されてないイ
ンクドロプレット１１を捕捉するように構成され、一
方、偏向されたドロプレット１２が記録媒体に達するよ
うになっている。図１３の連続インクジェットプリンタ
システムの一般的な説明は、本発明のプリンタシステム
についての一般的な記載として用いるためにも適してい
る。

【００３０】図１には、本発明によるインクジェット印
刷ヘッドの平面図を示している。印刷ヘッドは、ライン
状にあるいはジグザグに配置されたノズルアレイ１ａ−
１ｄを備える。各ノズルは、それぞれ論理回路とヒータ
ー駆動トランジスタ（図示せず）を含む論理ＡＮＤゲー
ト２ａ〜２ｄによってアドレス指定される。各データ入
力ライン３ａ〜３ｄについての各信号と、論理ゲートに
接続される各イネーブルクロックライン５ａ〜５ｄとが
共に論理１（ＯＮＥ）であるならば、論理回路は各ドラ
イバトランジスタをオンにする。さらに、イネーブルク
ロックライン（５ａ−５ｄ）上の信号が、特別のノズル
１ａ−１ｄにおけるヒーターを介して電流の継続時間を
決定する。ヒータードライバトランジスタを駆動するデ
ータを、データシフトレジスタ６に入力される処理され
た画像データから得てもよい。ラッチクロックに応答す
るラッチレジスタ７ａ−７ｄは、各シフトレジスタステ
ージからのデータを受け、ドットがレシーバ（受像媒
体）上に印刷されるか否かいずれかを表す各ラッチ状態
信号（論理１あるいはゼロ（ＺＥＲＯ））を表すライン
３ａ−３ｄ上の信号を提供する。第３のノズルでは、ラ
インＡ−ＡとＢ−Ｂとは、図１Ａ及び図１Ｂに示した断
面の方向を画定するものである。

【００３１】図１Ａ及び図１Ｂは、ＣＩＪ印刷ヘッドで
用いられる２つのタイプのヒーター（“ノッチ型”ある
いは“スプリット型”の各々）の詳細な平面図である。
それらは、ジェットの非対称加熱を生成し、インクジェ
ット偏向を引き起こす。非対称な熱付与は単に、スプリ
ット型ヒーターの場合で独立にヒーターのどこかのセク
ションに電流を供給することを意味する。ノッチ型ヒー
ターに電流が付与されたノッチ型ヒーターの場合は本来
的に、メニスカスの非対称加熱を含む。図１Ａに、ノッ
チ型ヒーターを有するインクジェット印刷ヘッドノズル
の平面図を示す。ヒーターは、ノズルの出口近傍に形成
する。ヒーター要素材料は、電気的な開通が可能な程度
の十分な非常に小さな切り欠き型領域を除いては、実質
的にノズルボアを囲む。これらのノズルボア及び関連ヒ
ーター構成は環状に示されているが、米国特許第6,203,
145号明細書においてジーンマリーらによって開示され
ているように非環状であってもよい。図１を参照する
と、各ヒーターの一の側は、通常＋５ボルトの電源に接
続される共通バスラインに接続される。各ヒータの他の
側は、30mAまでの電流をヒーターに送ることができるＭ
ＯＳトランジスタドライバをその内側に備える論理ＡＮ
Ｄゲートに接続される。ＡＮＤゲートは２つの論理入力
を有する。一の論理入力は、現在のライン時間の間ある
いはのそれ以外の時間に特定ヒーターが起動されるか否
かを示す各シフトレジスタ段階からの情報を得るラッチ
７ａ−７ｄからのものである。他方の入力は、特定ヒー
ターに付与されるパルスの時間の長さ及びシーケンスを
決定するイネーブルクロックである。通常、印刷ヘッド
には２又は３以上のイネーブルクロックがあり、それに
よって、隣接ヒーターはわずかに異なる時間に起動して
熱及び他のクロストーク効果を回避することができる。

【００３２】図１Ｂでは、スプリット型ヒーターであっ
て、出口開口近傍のノズルボアの回りの実質的に２つの
半導体ヒーター要素を有するヒーターを備えたノズルを
示している。独立した導体を、各半円の上部及び下部セ
グメントに備えている。この場合には、上部及び下部と
は、同じ面における要素（部材）を意味することは理解
されたい。これらの導体のそれぞれに関連した金属層に
導体を電気的に接触するビアを備える。これらの金属層
は、以下に記載するようにシリコン基板上に形成された
駆動（ドライバ）回路に接続されている。

【００３３】図２には、ドロプレットを偏向するかある
いは偏向しないように作動する作動ノズルの概略断面図
を示す。上述のように、ノズルの下にはインクを供給す
るインクチャネルを有する。このインク供給は、約8.8
μｍのボア直径に対して通常15psiから25psiの間の圧力
下で、4センチポアズ若しくはそれ以下の粘度を有する
通常のインクを用いて行う。送りチャネルのインクは加
圧された溜まり（図示せず）から放出され、圧力下でチ
ャネルにインクを流す。この圧力は、ノズルから流体流
れをインク圧調整器（図示せず）を使用して、定圧を確
保している。ヒーターへの電流の流れ込みなしで、のど
空きへ真っ直ぐに直接流れ込むジェットが形成する。印
刷ヘッドの表面では、ボアより直径が数μｍ大きい各ノ
ズルの回りに対称なメニスカスが形成する。ヒーターに
電流パルスを印加すると、加熱側のメニスカスが引か
れ、ジェットがヒーターから離間するように偏向する。
形成するドロプレットは次いで、のど空きを迂回してレ
シーバに達する。ヒーターを通る電流をゼロに戻すと、
メニスカスは再び対称となり、ジェット方向は直線であ
る。装置（デバイス）は容易に逆に作動し、すなわち、
偏向したドロプレットはのど空きへ向かい、偏向してい
ないドロプレットを有するレシーバ上に印刷がされる。
また、一の線上に全ノズルを有することは必要不可欠と
いうわけではない。ジグザグのノズル配置を反映するジ
グザグエッジを有するものより、実質的に真っ直ぐのエ
ッジののど空きを作ることがより容易である。

【００３４】通常の作動では、ヒーターの抵抗は約400
オームのオーダーで、電流は10ｍＡから20ｍＡであり、
パルス継続時間は約2マイクロ秒であり、純水に対する
偏向角は数度のオーダーであり、この点については、
“Continuous Ink Jet Print Head Power-Adjustable S
egmented Heater”の発明の名称の米国特許第6,213,595
号明細書、及び、“Continuous Ink Jet Print Head Ha
ving Multi-Segment Heaters”の発明の名称の米国特許
第6,217,163号明細書を参照されたい。

【００３５】周期的電流パルスの印加によって、印加パ
ルスに応じて、ジェットを同時のドロプレットに分解す
ることになる。これらのドロプレットは、印刷ヘッドの
表面から約100μｍから200μｍ離れ、8.8μｍの直径
で、約2マイクロ秒幅で、200kHzパルス率であり、これ
らは通常3pLから4pLのサイズである。形成されるドロッ
プの体積はパルス周波数、ボア径、及び、ジェット速度
のの関数である。ジェット速度は、上述のような所定の
ボア径及び流体粘度に対して印加圧力によって決まる。
ボア径は、1μｍから100μｍの範囲であり、好ましくは
6μｍから16μｍの範囲であってもよい。従って、ヒー
ターパルス周波数は所望のドロップの体積を得るように
選択する。

【００３６】図３において示す線Ａ−Ｂに沿った断面図
は、印刷ヘッドの形成の不完全な段階であって、ＣＭＯ
Ｓ回路がすでに形成された同じシリコン基板上にインク
チャネルが後で形成される集積される段階を示してい
る。

【００３７】前述のように、まずシリコンウェハー上に
一又は二以上の集積回路としてＣＭＯＳ回路を形成す
る。ＣＭＯＳプロセスは、6インチ直径ウェハー上にポ
リシリコンの２つのレベルと金属の３つのレベルとを組
み込んだ標準0.5μｍ混合信号プロセスであってもよ
い。ウェハー厚は通常675μｍである。図３には、この
プロセスは、ビアに内部接続するように示した３層の金
属によって表している。また、ポリシリコンレベル２と
金属レベル１へのＮ⁺拡散及び接触とを、シリコン基板
における能動回路を示すために描いている。ＣＭＯＳト
ランジスタのゲートは、ポリシリコン層のうちの一の層
から形成してもよい。

【００３８】金属層を電気的に絶縁する必要性のため、
シリコンウェハー上の膜の全膜厚が約4.5μｍになるよ
うに、それらの金属層間に誘電体層を堆積する。

【００３９】図３で示した構造は基本的には、図１で示
したような制御要素を提供するために、必要なトランジ
スタと論理ゲートとを提供する。また、本発明では、Ｃ
ＭＯＳ工程はポリシリコン層をノズル開口でインクを非
対称に加熱するためにヒーター要素として備える。さら
に、この段階はＶＬＳＩＣＭＯＳ処理と互換性を有する
ので、ボア上方にリセスを、ボンドパッド上方に酸化物
／窒化物なくをエッチングするのと同時にエッチング
し、ボアをフォトリソグラフィで画定し、続いてエッチ
ングする。

【００４０】従来のＣＭＯＳ形成段階の結果として。厚
さ約675μｍで直径6インチ直径のシリコン基板を得る。
より大きめのあるいは小さめの直径のシリコンウェハー
を同様に用いることができる。周知のように、これらの
トランジスタを形成するためには、様々な材料に選択的
に堆積する従来の方法を通して、シリコン基板には複数
のトランジスタには、複数のトランジスタを形成する。
一又は二以上のポリシリコン層と所望のパターンに対応
してそこに形成された金属層とを有する酸化物／窒化物
絶縁層を形成することになる一連の層がシリコン基板の
上に支持される。必要に応じて種々の層の間にビアを備
え、ボンドパッドにつながる。データと、ラッチクロッ
クと、イネーブルクロックと、印刷ヘッドに隣接して取
り付けられた回路ボードから供給されたパワーとをそれ
ぞれ接続するために、様々なボンドパッドを備えてい
る。。唯一個のボンドパッドを示しているが、多重ボン
ドパッドがノズルアレイに形成されることは理解された
い。図３で示したように、酸化物／窒化物絶縁層は約4.
5μｍ厚である。図３で示した構造は基本的には、図１
で示した制御コンポーネントを備えるために、シリコン
ウェハー上のノズル構造と共に、必要な内部接続、トラ
ンジスタ、及び、論理ゲートを備える。

【００４１】図４に示したように、ボア上のリセス開口
は、ボア径、付加した抵抗の量、及び、耐えうるエネル
ギー散逸に依存して種々の寸法及び形状を有してもよ
い。付加された抵抗は、金属及びビアからボア端部のヒ
ーターまで延びていることを要するポリシリコンの長さ
で決まる。正味の効果がリセス開口がボアの直径で10μ
μｍ大きい寸法からボアの直径で100μｍ大きい寸法の
範囲となるような一の形状は、円筒形のリセス開口であ
る。当然ではあるが、リセス開口は、隣接ノズルに当た
るほど、また、金属層及びビアの一定性を損じるほど大
きくすることはできない。通常の8.8μｍ径のボアに対
して、リセス開口は通常22μｍ径である。

【００４２】本発明の他の実施形態としては、リセス開
口が円形でないものが挙げられる。印刷ヘッドの平面概
略図である図１５に示したように、リセス開口はほぼ楕
円形であり、楕円の長い対称方向（最長の直径）に沿っ
て楕円の中心を通って引いた線はノズル列を通って引い
た線に対して直交するように、配向している。このリセ
ス開口内に流体が蓄積した場合には、このリセス開口の
伸長はこのような流体に対してより広いスペース若しく
はボリュームを提供し、それによって、ノズルの作動の
際のこのような流体の蓄積の衝撃を最小にし、ノズル列
に沿って高いノズル密度を可能とする。このリセス開口
に対して、楕円は多くの細長で対称の形状の一つであ
り、楕円はリセス開口の形状に対する限定を意味してい
ない。

【００４３】リセス開口の形状に関わらず、リセス開口
の深さは典型的な1.0μｍのボア膜厚となるように典型
的には約3.5μｍ深さである。このリセスボア開口は、
3.5μｍ厚から1μｍ厚の範囲のボア膜厚となるように、
深さ1μｍから深さ3.5μｍの範囲であってよい。当然、
シリコンアレイに沿って、多くのノズルボアを同時にエ
ッチングされることは理解されたい。埋め込まれたヒー
ター要素は効果的には各ノズルボアを有効に包囲し、ボ
アにおいてインクドロップを加熱するヒーターの温度条
件を低下するノズルボアに近接する。

【００４４】この点で、シリコンウェハーをＣＭＯＳ装
置から取り出される。まず、ウェハーは675μｍの初期
厚から約300μｍの厚さに薄くする。次いで、インクチ
ャネルを開口するためのマスクをウェハーの裏面に付
け、次いでシリコンをＳＴＳエッチシステムで、シリコ
ンのおもて面までエッチングする。ウェハーの裏におけ
るインクチャネル開口の、ウェハーのおもてにおけるノ
ズルアレイへの位置合わせは、カール・ズース（Karl S
uss）１Ｘアライナーシステムのようなアライナーシス
テムを用いて行ってもよい。

【００４５】図５には、シリコン基板に形成されたイン
クチャネルを、ノズルアレイの下の中央を延びる矩形キ
ャビティとして図示している。しかしながら、ダイの中
央の長いキャビティは、パッケージの間等にアレイが捻
れ応力を受けたときに、膜が破損するように、印刷ヘッ
ドアレイを構造上弱くしがちである。また、印刷ヘッド
に沿って、低周波圧力波によるインクチャネルでの圧力
変動はジェットジッターを起こしやすい。改良された設
計のものについて記載する。この改良された設計では、
インクチャネルのエッチングの間、ノズルアレイのノズ
ル間のシリコンブリッジ若しくはリブの背後に残るもの
である。これらのブリッジは、シリコンウェハの裏から
シリコンウェハのおもてにわたって延びている。従っ
て、ウェハーの裏に画定されたインクチャネルパターン
は、ノズル列の方向に平行に延びる長方形リセスではな
いが、その代わり、それぞれが単一ノズルを供給する小
さめの矩形キャビティ群である。図６及び図７を参照さ
れたい。これらのリブの使用によって、印刷ヘッドを構
造上弱くしがちな上述のダイの中心では長いキャビティ
とは対照的にシリコンの強度が改善される。リブ若しく
はブリッジは、上述のようなジェットジッターを生じ得
る低周波圧力波のために、インクチャネルにおける圧力
変動を低減する傾向がある。この例では、各インクチャ
ネルはノズル列方向に沿って20μｍ、ノズル列を横切る
方向及び好ましくはノズル列に直交する方向に120μｍ
の矩形となるように形成される。

【００４６】ＣＩＪ印刷システムにおける上述のよう
に、ジェットストリーム偏向は、軸方向の運動量より横
方向の運動量を有するノズルのボアに入るインク部分を
増加することによって大きくなるのが望ましい。ノズル
ボアの直下の各ノズルアレイの構造体の中心にブロック
を作り上げることによって軸方向運動量を有する流体の
いくらかを塞ぐことによって、それを達成することがで
きる。

【００４７】本発明の他の実施形態の方法は、上述のよ
うにリブ構造を有するノズルアレイを形成するものであ
って、図８−図１２に図示したような横方向フロー構造
を特徴とするものである。

【００４８】図１０には、Ａ−Ａ線に沿って得た断面図
は横方向フロッキング構造とシリコンリブとを示してい
る。Ｂ−Ｂ線に沿った断面図を図１１に示す。シリコン
フロッキング構造を形成する第１の方法は、“足止め”
と呼ばれるＳＴＳエッチシステムの現象に依存してい
る。また、シリコンエッチングはシリコン／二酸化シリ
コン界面に達するときに、酸化物の帯電及び横方向に反
応性シリコンエッチングイオンを入射する際の偏向のた
めに、高速横方向エッチングが生ずる。この高速横方向
エッチは約5μｍ延びる。次いで、ウェハーを従来のプ
ラズマエッチチャンバに載置し、ボアの中央のシリコン
を約3μｍから約6μｍの範囲の距離について異方的に下
方に、通常は約5μｍ下方に異方的にエッチングされ
る。図１０及び図１１は出来上がった構造の断面図を示
している。図１１では、平行線模様を入れた領域は、シ
リコンが除去されて、シリコン基板に形成された第１の
インクチャネルとノズルボアとの間のアクセス開口を備
えた部分を示している。

【００４９】第２の方法は“足場”効果に依存しないも
のである。その代わり、ボアにおけるシリコンをウェハ
ーのおもて面から、約3μｍから約6μｍの範囲の距離に
ついて通常は約5μｍ等方的にエッチングする。次い
で、異方的エッチングによって、シリコンを横方向に除
去すると共に、図１２に断面で示したシリコンを垂直に
除去し、インクチャネルとボアとの間の流体接触を容易
にする。このアプローチでは、ブロッキング構造は、シ
リコンの平行線模様を入れた領域を除去する、頂部から
エッチバックする形成法を反映して短い。

【００５０】図１１及び図１２に概略的に示したよう
に、ボアへ流れ込むインクは、ドロップレットの偏向を
向上するために所望された横方向運動量成分によって支
配される。上述のエッチング過程では、ウェハーのうら
面におけるインクチャネル開口のウェハーのおもて面に
おけるノズルアレイへのの位置合わせは、カール・ズー
ス（Karl Suss）アライナーのようなアライナーシステ
ムを用いて行ってもよい。

【００５１】図９は、ノズルボアの下のブロッキング構
造を示すために酸化物／窒化物層を部分的に除去して示
したシリコンベースのブロッキング構造を有するノズル
アレイの斜視図である。ノズルボアは、アクセス開口に
よってブロッキング構造の頂部から離間している。図１
１及び図１２に示したように、シリコン基板に形成した
ブロッキング構造は、インクキャビティで加圧状態であ
るインクをブロッキング構造に当たるように流して横方
向成分を大きくする。これらの横方向成分は、非対称加
熱の付与によって一様でなくなり、図１１及び図１２で
示したように、ストリーム偏向を生じることとなる。

【００５２】当然、上記記載は単一ノズルの形成につい
てのものであるが、方法はウェハーに沿った列に形成さ
れた一連のノズルに同時に適用可能であることは理解さ
れたい。この列は直線かあるいはジグザグ状かいずれで
あってもよい。

【００５３】ポリシリコンヒーターによってインクの粘
度を非対称に低減される。図１１及び図１２で図示した
ように、ブロッキング構造の左側のアクセス開口を通っ
て延びるインクフローを加熱されるが一方、ブロッキン
グ構造の右側のアクセス開口を通って延びるインクフロ
ーを加熱される。インクフローのこの非対称の予備加熱
は、偏向に対して望まれる横方向運動量成分を有するイ
ンクの粘度を低減する傾向があり、粘度が低減される位
置ではさらにインクが流れる傾向があるので、所望の方
向でインクを大きく偏向する、すなわち、ボアに近接す
るヒーター要素から離れる傾向がある。

【００５４】図１１及び図１２に示したように、ボアへ
流れるインクは、ドロプレット偏向の増加に対して所望
の横方向運動量成分によって支配される。アクセス開口
によって、インクがチャネルとノズル開口若しくはボア
との間の圧力の下で流れるになり、それによって、第２
のインクチャネルへの直接軸方向アクセスがシリコンブ
ロックによって効果的にブロックされるので、インクは
横方向フロー成分は大きくなる。

【００５５】本発明では、ヒーター要素としての機能の
ためのでかつ集積回路のＣＭＯＳ工程の間に処理され画
定可能なポリシリコン若しくは他の適当な材料は、連続
若しくはＤＯＤインクジェットプリンターにおいてイン
クストリームの加熱のためのヒーターとして使用でき
る。これによって、後の処理を最小にすることができ
る；例えば、ＭＥＭＳの間、ヒーター要素若しくはノズ
ル開口を、これらがＣＭＯＳ処理中に予め画定されるの
で、印刷ヘッド上に形成する必要がない。ＭＥＭＳ中に
付加されるＴｉＮヒーター要素と対照的に、ポリシリコ
ンヒーターを使用すると、ヒーター要素のより高温作動
が可能となり、これによって、連続インクジェットプリ
ンタの設計において重要と考えられるインクストリーム
についてポテンシャルを高める。

【００５６】図１４により、完成ＣＭＯＳ／ＭＥＭＳ印
刷ヘッド１２０は、支持マウントに形成された長軸方向
に延びたチャネルの端部までインクを供給するためのマ
ウントの隣接端部に結合した一対のインク供給ライン１
３０Ｌ、１３０Ｒを有する支持マウント１１０上に取り
付けられている。チャネルは、印刷ヘッド１２０のうし
ろに対面し、印刷ヘッド１２０のシリコン基板に形成さ
れたインクチャネルのアレイに連通する。セラミック基
板であり得る支持マウントは、プリンタシステムにこの
構造を取り付けるために端部に取付け穴を含む。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明により構成された印刷ヘッドの概略
部分平面図である。

【図１Ａ】本発明によるＣＩＪ印刷ヘッド用の“ノッ
チ”型ヒーターを有するノズルの概略平面図である。

【図１Ｂ】本発明によるＣＩＪ印刷ヘッド用のスプリッ
ト型ヒーターを有するノズルの概略平面図である。

【図２】 “ノッチ”型ヒーターを有するノズルの断
面図であって、非偏向ドロプレットを捕捉するためのガ
ッタの作動を示す図である。

【図３】 図１ＡのＡ−Ｂ線に沿った概略断面図であ
り、本発明によるＶＬＳＩ ＣＭＯＳ設備の製造シーケ
ンスの端部におけるノズル領域を図示する図である。

【図４】 本発明によって製造したＣＭＯＳ互換ノズ
ルのＡ−Ｂ線に沿った概略断面図である。

【図５】 図４に示したノズルの斜視図であり、シリ
コン基板を通って延びる中央チャネルを示す図である。

【図６】 図５と同様な図であるが、各ノズルを分離
しかつ構造強度を向上すると共にインクチャネルにおけ
る波作用を低減する、シリコンウェハーに形成され本発
明に対応したリブ構造を示す図である。

【図７】 図４と同様な図であるが、図６で図示した
シリコンウェハーに形成されたリブ構造を示す図であ
る。

【図８】 ノズルの小アレイを有するインクジェット
印刷ヘッドの概略平面図であって、隣接アレイ間のイン
クチャネルにシリコンリブと、本発明の他の実施形態に
よるシリコン基板型横方向フローブロッキング構造とを
示す図である。リブ構造とブロッキング構造とはこの方
向では実際には見えないが、図示する目的で示してい
る。

【図９】 図８で示した実施形態の斜視図であり、シ
リコンリブ構造とシリコン横方向フローブロッキング構
造とを有するインクジェット印刷ヘッドを示す図であ
る。

【図１０】 図９で図示した実施形態による横方向フ
ローに対するシリコンブロッキング構造の画定後に、図
１Ａのノズル領域におけるＡ−Ａ線に沿った概略顔面図
である。

【図１１】 ブロッキング構造の頂部のシリコンを除
去するために“足止め”効果を用いた場合、横方向フロ
ー用のシリコンブロックを画定後、図１Ａのノズル領域
のＢ−Ｂ線に沿った概略断面図である。

【図１２】 頂部形成法を用いた場合、横方向フロー
用のシリコンブロックを画定後、ノズル領域のＢ−Ｂ線
に沿った概略断面図である。

【図１３】 連続インクジェット印刷ヘッド及びノズ
ルアレイの例をインクジェット印刷ヘッドの下のプリン
タ媒体（例えば、紙）ロールと共に示した概略図であ
る。

【図１４】 本発明によって形成され、インクが送ら
れる支持基板上に備えたＣＭＯＳ／ＭＥＭＳ印刷ヘッド
の斜視図であり；

【図１５】 シリコン基板を被覆する絶縁層あるいは
層群におけるリセス開口におけるそれぞれの位置を示す
ノズルボア群の概略図である。

【符号の説明】

１０ 連続インクジェットプリンタシステム １０ａ 印刷ヘッド １１ インクドロプレット １２ ドロプレット １４ 基板 １９ のど空き ２０ アレイ １２０ 印刷ヘッド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン・エー・レーベンス アメリカ合衆国・ニューヨーク・14543・ ラッシュ・ラッシュ・スコッツヴィル・ロ ード・1819 (72)発明者 ギルバート・エー・ホーキンズ アメリカ合衆国・ニューヨーク・14506・ メンドン・ドラムリン・ビュー・ドライ ブ・50 (72)発明者 デイヴィッド・ピー・トラウアーニヒト アメリカ合衆国・ニューヨーク・14616・ ロチェスター・エルウッド・ドライブ・ 281 (72)発明者 ジェイムズ・エム・クワレク アメリカ合衆国・ニューヨーク・14534・ ピッツフォード・シーダーウッド・サーク ル・18 (72)発明者 クリストファー・エヌ・デラメター アメリカ合衆国・ニューヨーク・14624・ ロチェスター・テイロス・ウェイ・２ Ｆターム(参考） 2C057 AF93 AG03 AG12 AG15 AG82 AG83 AG88 AG94 AK10 AN05 AP02 AP12 AP14 AP31 AQ02 DB02 DB04 DC03 DC19

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インクジェット印刷ヘッドであって：
   印刷ヘッドの作動を制御するために形成された集積回路
   を含むシリコン基板であって、その基板内に基板に沿っ
   て一又は二以上のインクチャネルを有するシリコン基板
   と；シリコン基板を覆いかつインクジェットノズルボア
   群を有する絶縁体層あるいは層群であって、各ボアはそ
   れぞれ絶縁体層あるいは層群の各リセスに形成され、リ
   セスはエッチングあるいは他の材料除去法によって形成
   され、各ボアはインクチャネルに連通する絶縁体層ある
   いは層群とを備え；各ボアは、リセスの形成のために材
   料除去工程の前に形成されたヒーター要素に近接して位
   置し、それによって、リセスを形成する際に、各ヒータ
   ー要素が絶縁体層若しくは層からの材料によって覆われ
   ているインクジェット印刷ヘッド。
2. 【請求項２】 インクジェット印刷ヘッドを作動する
   方法であって：シリコン基板に形成されたインクチャネ
   ルにおける圧力の下で液体インクを供給する段階であっ
   て、シリコン基板は印刷ヘッドの作動を制御するための
   集積回路群を有する段階と；インクドロプレットの偏向
   及び／又は形成に影響を与えるためにノズル開口でイン
   クを非対称に加熱する段階であって、各ノズル開口はイ
   ンクチャネルに連通すると共に、ノズル開口は所定の方
   向に延びるアレイとして配置される段階と；を備え、 各ノズル開口がシリコン基板を覆う絶縁体層あるいは層
   群における各リセスに形成され、ヒーター要素は各ノズ
   ル開口に関連しかつリセスに位置するンクジェット印刷
   ヘッドを作動する方法。
3. 【請求項３】 インクジェット印刷ヘッドを製造する
   方法であって：印刷ヘッドの作動を制御するための集積
   回路を有するシリコン基板であって、その上に絶縁体層
   あるいは層群を有するシリコン基板を備える段階であっ
   て、絶縁体層あるいは層群がシリコン基板に形成された
   回路に電気的に接続された導体とヒーター要素とを有す
   る段階と；絶縁体層あるいは層群において、絶縁体層あ
   るいは層群における各リセスに直線状配置若しくはジグ
   ザグ状配置にインクジェットボア群を形成する段階と；
   備え、 各ボアはヒーター要素に近接した位置に形成されるイン
   クジェット印刷ヘッドを製造する方法。