JP2017534494A - 改善された耐用寿命を有するインクジェットノズル装置 - Google Patents

Abstract

インクジェットノズル装置は、ノズル開口を通じてインク小滴を吐出するための、抵抗ヒータ素子を含む。抵抗ヒータ素子は、不働態化自然酸化物を有するアルミナイド層と、アルミナイド層の不働態化自然酸化物の上に配置された酸化タンタル層と、を含む。酸化タンタル層は比較的薄い層であり、原子層堆積法を使って堆積されてもよい。【選択図】図１

Description

本発明は、インクジェット印刷ヘッドのためのインクジェットノズル装置に関する。これは主として印刷ヘッドの耐用寿命を改善するために開発された。

本出願人は、各種のＭｅｍｊｅｔ（登録商標）インクジェットプリンタを開発し、これは例えば、国際公開第２０１１／１４３７００号パンフレット、国際公開第２０１１／１４３６９９号パンフレット、及び国際公開第２００９／０８９５６７号パンフレットに記載されており、これらの内容を参照によって本願に援用する。Ｍｅｍｊｅｔ（登録商標）プリンタは、ページ幅にわたる静止した印刷ヘッドを、印刷媒体をシングルパスで印刷ヘッドを通過するように供給する給紙機構と共に使用する。したがって、Ｍｅｍｊｅｔ（登録商標）プリンタは、従来の走査方式のインクジェットプリンタより格段に速い印刷速度を提供する。

シリコンの量、ひいてはページ幅印刷ヘッドのコストを最少化するために、各シリコン印刷ヘッドＩＣのノズル実装密度を高くする必要がある。典型的なＭｅｍｊｅｔ（登録商標）印刷ヘッドＩＣは６，４００個のノズル装置を含み、これは１１個のＭｅｍｊｅｔ（登録商標）印刷ヘッドＩＣを含むＡ４印刷ヘッドの中に７０，４００個のノズル装置があることに相当する。

このようにノズル装置の密度が高いと、熱管理の問題が発生するが、これは、吐出される液滴あたりの吐出エネルギーを十分に低くして、いわゆる「自己冷却モード」、すなわち、吐出されるインク小滴が熱を除去することによってチップ温度がインクの沸点よりずっと低い定常状態温度と等しくなるようなモードで動作できるようにしなければならないことによる。

従来のインクジェットノズル装置は、多数の比較的厚い保護層で被覆された抵抗ヒータ素子を含む。これらの保護層は、ヒータ素子をインクジェットノズルチャンバ内の過酷な環境から保護するために必要である。典型的に、ヒータ素子は、ヒータ素子を腐食から保護する不働態化層（例えば、二酸化シリコン）と、ヒータ素子に向かって気泡が潰れた時に受ける機械的キャビテーション力からヒータ素子を保護するためのキャビテーション層（例えば、タンタル）で被覆される。米国特許第６，７３９，６１９号明細書には、不働態化及びキャビテーション層を有する従来のインクジェットノズル装置が記載されている。

しかしながら、複数の不働態化及びキャビテーション層は低エネルギーの「自己冷却型」インクジェット装置には不適合である。比較的厚い保護層はエネルギーを吸収しすぎ、効率的な自己冷却動作ができないほど高い駆動エネルギーを必要とする。

ある程度までは、気泡がヒータ素子に向かって潰れる代わりに、装置が確実にノズル開口から気泡を排出させるようにすることによって、タンタルキャビテーション層の必要性を緩和できる。さらに、窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）等の耐久性の高い耐食材料をヒータ材料として使用してもよい。その内容を参照によって本願に援用する米国特許第７，１４７，３０６号明細書に記載されているように、封止なしのＴｉＡｌＮヒータ素子をインクと直接接触した状態で利用してもよく、優れた熱効率を提供し、保護層へのエネルギー損失が生じない。ＴｉＡｌＮヒータ材料は、自己不働態化能力のある自然酸化アルミニウム被膜を形成することができる。酸化物の形成は、それがさらなる酸化物形成を阻止し、ヒータの抵抗をなるべく上昇しないようにするという点で自己制御的である。しかしながら、保護酸化物は、インク内に存在する他の腐食性物質、例えば水酸イオン、染料、その他による攻撃の影響を受けやすい。

原子層堆積法（ＡＬＤ）は、比較的薄い保護層をインクジェットノズル装置のヒータ素子の上に堆積させることによって印刷ヘッドの耐用寿命を改善するための魅力的な方法である。薄い保護層（例えば、厚さ５０ｎｍ未満）は熱効率にほとんど影響を与えず、それによって吐出エネルギーを低くすることができ、自己冷却動作を起こしやすくする。

米国特許出願公開第２００４／００７０６４９号明細書には、誘電不働態化層と金属キャビテーション層を抵抗ヒータ素子の上にＡＬＤ工程を使って堆積させることが記載されている。

米国特許第８，０２５，３６７号明細書には、不働態化酸化物を有するチタンアルミナイドヒータ素子を含むインクジェットノズル装置が記載されている。このヒータ素子は任意選択により、従来のＣＶＤによって酸化シリコン、窒化シリコン、又はシリコンカーバイドの保護層で被覆される。

米国特許第８，５６７，９０９号明細書には、ＡＬＤ工程を使って、ＴｉＮヒータ素子の上に酸化ハフニウムと酸化タンタルの交互の層を含む積層体を堆積させること（米国特許第６，７３９，５１９号明細書に記載）が記載されている。米国特許第８，５６７，９０９号明細書の筆者らによれば、積層体によって、薄い保護層を通じたいわゆるピンホール欠陥の影響が最小限にされる。ＡＬＤ層のピンホール欠陥があると、腐食性イオンがヒータ素子まで入り込む可能性がある。交互の材料の積層体を用いることにより、層間でピンホール欠陥が整列しにくくなり、したがって、この種の積層構造は腐食を最小化する。しかしながら、ＡＬＤ層の積層体を採用する場合の短所は、製造が複雑になることである。

耐用寿命が改善されたインクジェットノズル装置を提供することが望ましいであろう。装置の耐用寿命内に少なくとも１０億個の小滴を吐出し、製造ができるだけ複雑でない自己冷却型インクジェットノズル装置を提供することが特に望ましいであろう。

第一の態様において、ノズル開口からインク小滴を吐出するための、抵抗ヒータ素子を含むインクジェットノズル装置が提供され、この抵抗ヒータ素子は、
不働態化自然酸化物を有するアルミナイド層と、
アルミナイド層の不働態化自然酸化物の上に配置された酸化タンタル層と、
を含む。

アルミナイドにより、インクジェットノズル装置の中に抵抗ヒータ素子を形成するのに適した抵抗と、その場での自己不働態化自然酸化物表面被膜の形成と、従来のＭＥＭＳ製造工程におけるスパッタリングによる堆積への適性を複合的に得られる。

前述のように、不働態化（「自然」）表面酸化物の形成は、表面酸化物層の酸素拡散性が低いため、アルミナイドヒータ材料を酸化から保護するのに特に有利である。しかしながら、自然酸化アルミニウム層は、侵襲的な水性インク環境中の他の腐食メカニズムの影響を受けやすい。本発明は、アルミナイドヒータ材料の上に配置（堆積）されたごく薄い被膜層を使用するものであり、これは不働態化酸化アルミニウム層を密閉し、それがインク中に存在する腐食性物質になるべく曝露されないようにする。薄い被膜層の材料の選択がヒータの耐用寿命にとってきわめて重要であることがわかっている。例えば、酸化チタン及び酸化アルミニウム被膜により、ヒータの耐用寿命は被膜層を持たない装置と同等かそれより劣ることがわかった。しかしながら、驚くべきことに、ＡＬＤにより堆積された酸化タンタルの被膜層１層で、アルミナイド抵抗ヒータ素子を酸化と腐食から保護するのに特に有効であることが判明した。自然酸化アルミニウム層とその上に堆積された薄い酸化タンタル被膜層との組合せの驚異的な堅牢性はこれまで、先行技術文献に記載されていない。この組合せが、堆積された酸化アルミニウムと堆積された酸化タンタルを含む同等の被膜より劇的に優れていることは特に驚きである。

理論により縛られることは望まないが、発明者らは、自己不働態化アルミナイドと組み合わせて使用した場合、被膜層が、米国特許第８，５６７，９０９号明細書に記載されているものと同様の、多層積層被膜を有効に提供すると理解している。第一の被膜層は、酸素拡散性の低い自己不働態化酸化アルミニウム層であり、ＡＬＤにより堆積された第二の被膜層（例えば、酸化タンタル）は、水性インク環境中での腐食に対する耐性に優れ、全体的な堅牢性も優れている。それゆえ、本発明は、米国特許第８，５６７，９０９号明細書に記載されているように、積層されたＡＬＤ被膜層の利点を提供しながら、多層堆積プロセスに複雑さは必要としない。さらに、アルミナイドの自然酸化物層とＡＬＤにより堆積された酸化タンタルとの間の特異な両立性が観察され、これはその他のＡＬＤ被膜には、さらには酸化ハフニウムと酸化タンタルの複数の層を含む積層ＡＬＤ被膜にも見られない。

好ましくは、アルミナイド層は、アルミニウムと１つ又は複数の遷移金属を含む金属間化合物である。遷移金属は特に限定されず、何れの比較的電気陽性の遷移金属、例えばチタン、バナジウム、マンガン、ニオビウム、タングステン、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、その他であってもよい。しかしながら、既存のＭＥＭＳ製造工程に適合する遷移金属、例えばチタンやタンタルが一般に好ましい。

好ましくは、アルミナイドはチタンとアルミニウムを６０：４０〜４０：６０の範囲、より好ましくは５０：５０の比で含む。アルミニウムとチタンが略同量で存在する場合、アルミナイドはインクジェットヒータ素子としての使用に適した抵抗を有する。さらに、略同量の原子比であると、高密度の微細構造を提供するスパッタリング条件は容易に実現できる。高密度の微細構造により、有利な点として、拡散経路がなるべくなくなり、腐食が最小限となる。

１つの実施形態において、金属間化合物はチタンアルミナイドである。

他の実施形態において、金属間化合物はＴｉＡｌＸの化学式を持ち、ＸはＡｇ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｔａ、及びＷからなる群より選択される１つ又は複数の元素である。例えば、金属間化合物はＴｉＡｌＮｂＷであってもよい。チタンとアルミニウムに加えて、他の金属が比較的少量で存在することは、耐酸化性を改善するのに役立つ。

典型的に、Ｔｉは４０重量％より多く、Ａｌは４０重量％より多く、Ｘは５重量％未満である。通常、ＴｉとＡｌの相対量は略同じである。

好ましくは、アルミナイドヒータ素子の厚さは約０．１〜０．５マイクロメートルの範囲である。

好ましくは、酸化タンタル層は原子層堆積法（ＡＬＤ）により堆積される。しかしながら、当然のことながら、本発明は何れの特定の種類の堆積工程にも限定されず、当業者であれば、反応スパッタリング等、他の堆積工程にも気付くであろう。

好ましくは、酸化タンタル層は単層である。

好ましくは、酸化タンタル被膜層の厚さは５００ｎｍ未満である。好ましくは、酸化タンタル被膜層の厚さは５〜１００ｎｍ、又は好ましくは５〜５０ｎｍ、又は好ましくは１０〜５０ｎｍ、又は好ましくは１０〜３０ｎｍの範囲である。比較的薄い被膜層（例えば、１００ｎｍ未満）により、ヒータ素子は低い駆動エネルギーで動作し、熱効率をなるべく損なわずに自己冷却動作を実現できる。さらに、比較的薄い被膜層（例えば、５〜５０ｎｍ）は、ＡＬＤ工程を使って容易に実現可能であり、それと同時に優れた耐食特性を提供する。

好ましくは、抵抗ヒータ素子は、摩耗防止又はキャビテーション層を持たない。例えば、抵抗ヒータ素子は好ましくは、酸化タンタル層の上に堆積された比較的厚い酸化物又は金属層を一切持たない。これに関して、「比較的厚い」とは、追加の被膜の厚さが２０ｎｍを超えることを意味する。いくつかの例において、ＭＥＭＳ製造の結果として、酸化シリコン又は酸化アルミニウムの薄い層（例えば、１０ｎｍ未満）が酸化タンタル層の上に存在するかもしれない。しかしながら、このような層はキャビテーションに無視できる程度の影響しか与えず、「摩耗保護又はキャビテーション層」という用語の範囲には含まれない。

好ましくは、抵抗ヒータ素子は酸化タンタル層の上に配置された追加の層を一切持たない。

好ましくは、インクジェットノズル装置はノズルチャンバを含み、これはノズル開口を画定する屋根部と、床部と、屋根部と床部との間に延びる側壁と、を有する。

好ましくは、抵抗ヒータ素子はノズルチャンバの床部に結合される。しかしながら、本発明は結合式ヒータ素子に限定されず、いくつかの実施形態においては、浮上式ヒータ素子に絶縁保護被膜を堆積させるために使用されてもよく、これは例えば米国特許第７，２６４，３３５号明細書に記載されており、その内容を参照によって本願に援用する。

好ましくは、ノズルチャンバと抵抗ヒータ素子は、小滴吐出中に気泡がノズルの開口から排出されるように構成される。気泡排出に適した構成は、例えば、２０１４年１１月１３日に出願された米国特許出願第１４／５４０，９９９号明細書に記載されており、その内容を参照によって本願に援用する。米国特許第出願第１４／５４０，９９９号明細書に記載されているように、インクジェットノズル装置は好ましくは、
インクを収容する燃焼チャンバであって、床部と、周辺を持つ長いノズル開口を画定する屋根部と、を有する燃焼チャンバと、
燃焼チャンバの床部に結合された長いヒータ素子であって、ヒータ素子とノズル開口の縦軸が整列するような長いヒータ素子と、
を含み、
装置はＡとＢの関係：
Ａ＝排気量／ヒータ素子の面積＝８〜１４マイクロメートル
Ｂ＝燃焼チャンバの容積／排気量＝２〜６
を満たすように構成され、
排気量は、ノズル開口の周辺から燃焼チャンバの床部までの投射により画定される形状の体積と定義され、この排気量はノズル開口内に含まれる体積を含む。

気泡排出に適した別の構成は、米国特許第６，１１３，２２１号明細書に記載されている。

好ましくは、抵抗ヒータ素子は摩耗防止又はキャビテーション層を一切持たない。気泡が排出されるようにインクジェットノズル装置を構成することによって、ヒータ素子を、そうでなければ気泡が潰れることから生じるキャビテーション力から保護するための追加の被膜層が不要となる。気泡排出を通じて追加の被膜層を回避することによって、装置はより熱効率が高くなり、自己冷却式に動作できる。

第二の態様において、上述のインクジェットノズル装置を複数含むインクジェット印刷ヘッドが提供される。この印刷ヘッドは、例えば、少なくとも８００ｄｐｉ又は少なくとも１２００ｄｐｉの自然分解能でドットを印刷するのに十分なノズル密度を有するページ幅インクジェット印刷ヘッドであってもよい。この印刷ヘッドは、ページ幅にわたり配置された複数の印刷ヘッドＩＣからなっていてもよい。

第三の態様において、抵抗ヒータ素子を含むインクジェットノズル装置からインク小滴を吐出させる方法が提供され、抵抗ヒータ素子は、不働態化自然酸化物を有するアルミナイド層と、アルミナイド層の不働態化自然酸化物の上に配置された酸化タンタル層と、を含み、この方法は、
インクジェットノズル装置にインクを供給するステップと、
抵抗ヒータ素子をインク内に気泡を形成するのに十分な温度まで加熱するステップと、
インク小滴をインクジェットノズル装置のノズル開口から吐出させるステップと、
を含む。

好ましくは、気泡はノズル開口から排出されて、気泡が潰れることによってヒータ素子に加わるキャビテーション力を回避する。

好ましくは、故障するまでに少なくとも１０億個のインク小滴が吐出される。これに関して、「故障」とは、インクジェットノズル装置のあるサンプルにおいて、これらの装置の約１．５％が１０億回吐出した後にインクを吐出しなくなることを意味する。

第一の態様に関して説明したような、インクジェットノズル装置の他の態様は、もちろん本明細書に記載されている第二及び第三の態様にも同様に当てはまる。

本明細書において使用されるかぎり、「アルミナイド」という用語は、当業界におけるその従来の意味を有し、これはすなわち、アルミニウムと少なくとももう１つの電気陽性の元素を含む金属間化合物である。典型的に、より電気陽性の元素は遷移金属である。

ここで、下記のような添付の図面を参照しながら、あくまでも例として本発明の実施形態を説明する。

図１は、ヒータ素子を有する印刷ヘッドの、ノズルチャンバの床部に結合された部分の断面斜視図である。 図２は、図１に示されるインクジェットノズル装置のうちの１つの平面図である。 図３は、図１に示されるインクジェットノズル装置のうちの１つの断面側面図である。 図４は、被膜付抵抗ヒータ素子の側面略図である。 図５は、各種のヒータ素子の耐用寿命を示す。

結合式ヒータ素子を有するインクジェットノズル装置
図１〜３を参照すると、インクジェットノズル装置１０が示され、これは２０１４年６月２０日に出願された米国特許出願第１４／３１０，３５３号明細書に記載されており、その内容を参照によって本願に援用する。

インクジェットノズル装置は主要チャンバ１２を含み、これは床部１４と、屋根部１６と、床部と屋根部との間に延びる周辺壁１８と、を有する。典型的に、床部は印刷ヘッドの各アクチュエータのための駆動回路を含むＣＭＯＳ層２０を覆う不働態化層により画定される。図１はＣＭＯＳ層２０を示し、これは層間誘電（ＩＬＤ）層が散在する複数の金属層を含んでいてもよい。

図１において、屋根部１６は透明層として示され、各ノズル装置１０の詳細が見えるようになっている。典型的に、屋根部１６は二酸化シリコン又は窒化シリコン等の材料からなる。

次に、図２を参照すると、ノズル装置１０の主要チャンバ１２は、燃焼チャンバ２２と、アンテチャンバ２４と、を含む。燃焼チャンバ２２は屋根部１６により画定されるノズル開口２６と、床部１４に結合された抵抗ヒータ素子２８の形態のアクチュエータと、を含む。アンテチャンバ２４は、床部１４内に画定される主要チャンバ入口３０（「床部入口３０」）を含む。

主要チャンバ入口３０は、アンテチャンバ２４の端壁１８Ｂと接して部分的に重複する。この配置によって、アンテチャンバ２４の毛細現象が最適化され、プライミングを促進し、チャンバ補給速度を最適化する。

バッフル壁又はプレート３２は主要チャンバ１２を仕切り、燃焼チャンバ２２とアンテチャンバ２４を画定する。バッフルプレート３２は、床部１４と屋根部１６との間に延びる。図３において最も明瞭に示されているように、典型的に、バッフルプレート３２の側縁には丸みが付けられ、屋根の破壊のリスクが最小化される。（バッフルプレート３２に尖った角部があると、屋根部１６と床部１４の応力が集中する傾向があり、その結果、破壊リスクが高まる）。

ノズル装置１０は、主要チャンバ１２の名目上のｙ軸に沿って延びる対称面を有する。対称面は図２において破線Ｓで示され、ノズル開口２６、ヒータ素子２８、バッフルプレート３２、及び主要チャンバ入口３０を二分割する。

アンテチャンバ２４は燃焼チャンバ２２と、バッフルプレート３２の両側に位置する１対の燃焼チャンバ入口３４を介して流体連通する。各燃焼チャンバ入口３４は、バッフルプレート３２のそれぞれの側縁と周辺壁１８との間に延びるギャップにより画定される。典型的に、バッフルプレート３２はｘ軸に沿った主要チャンバ１２の幅の約半分を占めるが、当然のことながら、バッフルプレートの幅は最適な補給速度と燃焼チャンバ２２内の最適な対称性との間のバランスに基づいて異なっていてもよい。

ノズル開口２６は長く、長軸が対称面Ｓと整合する楕円の形状をとる。ヒータ素子２８は中央の縦軸が対称面Ｓと整合する長い棒の形状をとる。したがって、ヒータ素子２８と楕円形のノズル開口２６は、それらのｙ軸に沿って相互に整列する。

図２に示されているように、ノズル開口２６の重心はヒータ素子２８の重心と整合する。しかしながら、当然のことながら、ノズル開口２６の重心はヒータ素子２８の重心から、ヒータ素子の縦軸（ｙ軸）に関して若干ずれていてもよい。ノズル開口２６をｙ軸に沿ってヒータ素子２８からずらすことを利用して、燃焼チャンバ２２のｘ軸に関するわずかな非対称性を補償してもよい。それでもなお、ずらすことを利用した場合、ずらす範囲は典型的に比較的小さい（例えば、約２マイクロメートル以下）。

ヒータ素子２８は、燃焼チャンバ２２の端壁１８Ａ（周辺壁１８の一方の側により画定される）とバッフルプレート３２との間に延びる。ヒータ素子２８は、端壁１８Ａとバッフルプレート３２との間の距離全体にわたって延びても、又は図２に示されるように、その距離の実質的に全体（例えば、距離全体の９０〜９９％）にわたって延びていてもよい。ヒータ素子２８が端壁１８Ａとバッフルプレート３２との間の距離の全体にわたって延びていない場合でも、燃焼チャンバ２２のｘ軸に関する高い対称性を保持するために、ヒータ素子２８の重心は依然として端壁１８Ａとバッフルプレート３２との間の中間点と一致する。換言すれば、端壁１８Ａとヒータ素子２８の一方の端との間のギャップは、バッフルプレート３２と、ヒータ素子の反対の端との間のギャップと等しい。

ヒータ素子２８は、その各端において、主要チャンバ１２の床部１４から露出するそれぞれの電極３６に１つ又は複数のビア３７によって接続される。典型的に、電極３６はＣＭＯＳ層２０の上側金属層により画定される。ビア２７は、何れの適当な導電材料（例えば、銅、アルミニウム、タングステンその他）で満たされて、ヒータ素子２８と電極３６との間の電気接続を提供してもよい。ヒータ素子２８から電極３６への電極接続を形成するのに適した工程は、米国特許第８，４５３，３２９号明細書に記載されており、その内容を参照によって本願に援用する。

いくつかの実施形態において、各電極３６の少なくとも一部は、それぞれ端壁１８Ａとバッフルプレート３２の直下に位置付けられる。この配置は、有利な点として、装置１０の全体的対称性を改善するほか、ヒータ素子２８が床部１４から外れるリスクを最小限にする。

図１に最も明瞭に示されているように、主要チャンバ１２は、適当なエッチング工程（例えば、プラズマエッチング、ウェットエッチング、フォトエッチング、その他）により床部１４の上に堆積された材料４０のブランケット層により画定される。バッフルプレート３２と周辺壁１８は、このエッチング工程によって同時に画定され、それによってＭＥＭＳ製造工程全体が簡素化される。したがって、バッフルプレート３２と周辺壁１８は同じ材料からなり、印刷ヘッドへの使用に適した何れのエッチング可能セラミック又はポリマ材料であってもよい。典型的に、材料は二酸化シリコン又は窒化シリコンである。

図２を再び参照すると、主要チャンバ１２は概して長方形であり、２つの長辺と２つの短辺を有する。２つの短辺は、それぞれ燃焼チャンバ２２とアンテチャンバ２４の端壁１８Ａ及び１８Ｂを画定し、その一方で、２つの長辺は燃焼チャンバとアンテチャンバの連続する側壁を画定する。典型的に、燃焼チャンバ２２の方がアンテチャンバ２４より大きい容積を有する。

印刷ヘッド１００は、複数のインクジェットノズル装置１０からなっていてもよい。図１の印刷ヘッド１００の一部切り取り図は、明瞭さを期し、２つのインクジェットノズル装置１０のみが示されている。印刷ヘッド１００はシリコン基板１０２により画定され、これは不働態化されたＣＭＯＳ層２０と、インクジェットノズル装置１０を収容するＭＥＭＳ層と、を有する。図１に示されるように、各主要チャンバ入口３０は、印刷ヘッド１００の裏面に画定されるインク供給路１０４と接する。インク供給路１０４は一般に、主要チャンバ入口３０よりかなり広く、それと流体連通する各主要チャンバ１２に水分補給するためのインクのバルク供給に有効である。各インク供給路１０４は、印刷ヘッド１００の前面に配置された１列又は複数列のノズル装置１０と平行に延びる。典型的に、各インク供給路１０４は、米国特許第７，４４１，８６５号明細書の図２１Ｂに示されている構成にしたがって、２つのノズル列（明瞭さを期し、図１には１列のみ示されている）にインクを供給する。

インクジェットノズル装置１０については、純粋に完全な説明とするために上述した。しかしながら、当然のことながら、本発明は抵抗ヒータ素子を含む何れの種類のインクジェットノズル装置にも適用可能であることが分かるであろう。当業者であれば、先行技術文献に記載されているような多くのこのような装置を容易に着想するであろう。

被膜層を有するアルミナイドヒータ素子
次に、図４を参照すると、ヒータ素子２８の側面図が示されており、これはＡＬＤにより堆積された酸化タンタル被膜層２８３を含む。ヒータ素子２８は、上述のようにインクジェットノズル装置１０で使用されても、当業界で知られている他の何れの適当なサーマルインクジェット装置で使用されてもよい。

ヒータ素子２８は、従来のスパッタングにより形成される０．３マイクロメートルのチタンアルミナイド層２８１と、チタンアルミナイド層２８１の表面上の自然酸化アルミニウム層２８２と、自然酸化アルミニウム層２８２を覆う２０ｎｍの酸化タンタル被膜層２８３と、を含む。特に、自然酸化アルミニウム層２８２と酸化タンタル被膜層２８３は非常に薄い層であり、これらがヒータ素子２８の熱効率に与える影響は僅かである。

被膜層２８３は、何れの適当なＡＬＤ工程によって堆積されてもよい。適当なＡＬＤ工程は、当業者にとって容易に明らかとなり、例えば、Ｌｉｕ ｅｔ ａｌ，Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃ．，１５２（３）、Ｇ２１３−Ｇ２１９，（２００５）、及びＭａｔｅｒｏ ｅｔ ａｌ，Ｊ．Ｐｈｙｓ．ＩＶ Ｆｒａｎｃｅ，０９（１９９９）、ＰＲ８，４８３−４４９に記載されている。

被膜層２８３は、ＭＥＭＳ製造の何れの適当な段階で堆積されてもよい。例えば、被膜層２８３は好ましくは、印刷ヘッド集積回路（ＩＣ）製造中のフロントエンドＭＥＭＳ工程フローの一部として、アルミナイド層２８１の堆積直後に堆積される。あるいは、ＡＬＤ工程は、印刷ヘッドの耐用寿命改善のための既存の印刷ヘッドＩＣの改造工程として利用されてもよい。

実験結果
製造された結合式ヒータ素子を有する印刷ヘッドＩＣをＤＭＳＯ溶剤中でクリーニングし、エタノール、次に脱イオン水で洗浄し、フィルタ処理された圧縮空気で乾燥した。各印刷ヘッドＩＣの結合式ヒータ素子は３００ｎｍのチタンアルミナイド（チタン５０％：アルミニウム５０％）の層で構成した。クリーニング、洗浄、及び乾燥後、印刷ヘッドＩＣを次に標準的なＡＬＤチャンバ内にセットし、酸素プラズマで１０分間処理した。酸素処理の後、少なくとも１つの被膜層を高温（４００℃）ＡＬＤ工程で堆積させた。Ａｕｇｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（ＡＥＳ）を使って、ＡＬＤにより堆積された被膜層の下にあるチタンアルミナイドの自然酸化アルミニウム層の厚さが約２０ｎｍであると推測した。

ＡＬＤ処理の後、個々の印刷ヘッドＩＣを改造した印刷リグに取り付け、適当な改造インク送給システムを使って、標準的な染料系黒色インクでプライミングした。駆動エネルギーに関する印刷品質の初期試験を行って、作動パルス幅を、それ以外は改造されていないプリンタの動作を再現するような数値に設定した。各印刷ヘッドＩＣの駆動エネルギーと装置形状は、小滴吐出中に気泡をノズル開口から排出するように構成されている。

この構成において、印刷ヘッドＩＣに、ｉ）全てのヒータに関する抵抗測定、ｉｉ）印刷品質試験、及びｉｉｉ）実際の印刷システム内の装置の経年劣化をシミュレートする、一貫した均一な印刷パターンによるインク受け皿（ｓｐｉｔｔｏｏｎ）上での何回ものバルク作動、のサイクルを繰り返した。装置の保守を、改造されていないプリンタの保守ルーチンを模倣する自動拭き取りシステムで行った。保守は、印刷品質試験とインク受け皿（ｓｐｉｔｔｏｏｎ）エージングの両方の前に実行し、さらに、インク受け皿（ｓｐｉｔｔｏｏｎ）印刷中、通常印刷５０ページごとに相当する頻度で定期的に実行した。

個々のヒータは、それが１００オームの抵抗に達した時に開回路（「不良」）と見なし、＜１００オームの抵抗のヒータはすへて「良品」のヒータみなした。さらに、寿命終了までの印刷品質は容認可能で、その間、試験対象ヒータの大部分が良品であることと、印刷品質が、少ないが有意な数のヒータが不良となり始める変曲点において容認不能となることがわかった。

図５は、ＡＬＤ被膜を持たない、２０ｎｍのＡＬＤ酸化アルミニウム被膜を持つ、及び２０ｎｍのＡＬＤ酸化タンタル被膜を持つヒータ素子に対する初期試験の結果を示す。図５から、ＡＬＤ被膜を持たないヒータ素子が約４億回吐出したところで不良となることがわかる。驚くべきことに、２０ｎｍのＡＬＤ酸化アルミニウム被膜を持つヒータ素子は、被膜を持たないヒータ素子より速く（約２億万回吐出時）に故障した。しかしながら、２０ｎｍのＡＬＤ酸化タンタル被膜を持つヒータ素子は、約１７億回吐出時まで、最小の故障と良好な印刷品質で動作を続け、この種の印刷ヘッドＩＣについて観察された最も多い吐出回数であった。

表１は、上述の印刷ヘッド耐用寿命の実験方式にしたがって他の各種ＡＬＤ被膜について染料系インクで行った試験の結果をまとめたものである。

結論として、２０ｎｍの酸化タンタル被膜とチタンアルミナイドの自然酸化物は相乗的挙動を示して、加熱素子の特に有効な積層被膜を提供する。この相乗効果は、試験を行った他のＡＬＤ被膜層、例えば酸化チタン、酸化アルミニウム、及びそれらの組合せでは見られなかった。さらに、２０ｎｍのＡＬＤ酸化アルミニウム層が酸化タンタル層と自然酸化物層との間に堆積されても、耐用寿命の結果は比較的低かった（比較例５及び７参照）。

理論に縛られることを望まないが、本発明者らは、自然酸化アルミニウム層により酸素拡散性が低くなり、それが、インク内に偶然溶解していた酸素の浸透によるチタンアルミナイドの酸化を最小化すると考える。さらに、酸化タンタル層は、自然酸化物層を腐食性水性インク環境から保護するほか、機械的堅牢性を提供する。自然酸化物層と対照的に、ＡＬＤ酸化アルミニウム層は、上の酸化タンタル層の有効性を妨害し、それによってこの組合せの効果が低下するようである。これは、ＡＬＤ酸化アルミニウム及び酸化タンタル層間の微細構造の不適合によるものかもしれず、これは自然酸化物では見られない。

初期試験から、ＡＬＤ酸化タンタル被膜は、チタンアルミナイドの自然酸化物層の上に直接堆積された場合に、卓越したヒータ耐用寿命が得られることは明瞭であった。ＡＬＤによって自然酸化物層に直接堆積された同様の遷移金属酸化物（例えば、酸化ハフニウム）も、酸化タンタルと同様の結果を生むであろうと予想される。表２は、各種の酸化ハフニウム及び酸化タンタル被膜について、水性染料系及び顔料系インクの両方を使用した場合の結果を示している。

驚くべきことに、酸化ハフニウムが自然酸化物層の上に堆積された場合、ヒータの耐用寿命はＡＬＤ被膜層を持たない場合よりはるかに悪かった（比較例１及び８）。さらにもっと驚くことは、酸化ハフニウムと酸化タンタルを交互に積層した場合、ヒータの耐用寿命はＡＬＤ被膜層を全く持たない場合よりさらに大幅に悪かった（比較例１及び９）。これらの結果は、ＡＬＤ被膜の効果が被膜の組成そのものによるのではなく、実際には、ＡＬＤ被膜層とその下の層との間の界面とより深い関係がある。特に、酸化タンタルＡＬＤ層と下にあるチタンアルミナイドの自然酸化物層との間に特異な相乗効果があることがわかった。逆に、他のＡＬＤ層（例えば、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム）では、被覆されていないヒータ素子と比較して、ヒータの耐用寿命が短縮するようであり、これは、おそらくアルミナイドの保護自然酸化物層の破壊による。

要約すれば、本発明は、アルミナイドヒータ素子の自然酸化物の上に直接堆積されたＡＬＤ酸化タンタル層を使用して、優れたヒータ耐用寿命を提供する。１つのＡＬＤ被膜層の使用は、それによっておそらくＭＥＭＳ製造の複雑さが軽減し、インクジェットノズル装置の自己冷却動作に影響を与えないため、有利である。

ＡＬＤ酸化タンタル層の上に、タンタル金属等の追加の摩耗保護及び／又はキャビテーション層を設けることは、小滴吐出中に気泡を排出するようにインクジェットノズル装置を構成することによって回避されるかもしれない。小滴吐出中のノズル開口から気泡を排出するのに適当なチャンバ構成は、米国特許出願第１４／５４０，９９９号明細書に記載されており、その内容を参照によって本願に援用する。このようにして、被膜層の数と厚さが削減され、これがページ幅印刷の熱効率を改善し、液滴吐出エネルギーを下げ、自己冷却動作を可能にする。

もちろん、当然のことながら、本発明は例として説明されたにすぎず、付属の特許請求の範囲において定義されている本発明の範囲内で詳細事項を変更できることに留意されたい。

Claims (17)

1. ノズル開口からインク小滴を吐出するための、抵抗ヒータ素子を含むインクジェットノズル装置において、前記抵抗ヒータ素子は、
   不働態化自然酸化物を有するアルミナイド層と、
   前記アルミナイド層の前記不働態化自然酸化物の上に配置された酸化タンタル層と、
   を含むことを特徴とするインクジェットノズル装置。
2. 請求項１に記載のインクジェットノズル装置において、
   前記アルミナイド層は、アルミニウムと１つ又は複数の遷移金属を含む金属間化合物であることを特徴とするインクジェットノズル装置。
3. 請求項２に記載のインクジェットノズル装置において、
   前記金属間化合物はチタンアルミナイドであることを特徴とするインクジェットノズル装置。
4. 請求項２に記載のインクジェットノズル装置において、
   前記金属間化合物はＴｉＡｌＸの化学式を持ち、ＸはＡｇ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｔａ、及びＷからなる群より選択される１つ又は複数の元素を含むことを特徴とするインクジェットノズル装置。
5. 請求項４に記載のインクジェットノズル装置において、
   Ｔｉは４０重量％より多く、Ａｌは４０重量％より多く、Ｘは５重量％未満であることを特徴とするインクジェットノズル装置。
6. 請求項４に記載のインクジェットノズル装置において、
   前記金属間化合物はＴｉＡｌＮｂＷであることを特徴とするインクジェットノズル装置。
7. 請求項１に記載のインクジェットノズル装置において、
   前記酸化タンタル層は原子層堆積法により堆積されることを特徴とするインクジェットノズル装置。
8. 請求項１に記載のインクジェットノズル装置において、
   前記酸化タンタル層の厚さは５〜５０ｎｍの範囲であることを特徴とするインクジェットノズル装置。
9. 請求項１に記載のインクジェットノズル装置において、
   前記抵抗ヒータ素子は摩耗保護又はキャビテーション層を一切持たないことを特徴とするインクジェットノズル装置。
10. 請求項１に記載のインクジェットノズル装置において、
    前記抵抗ヒータ素子は、前記酸化タンタル層の上に配置される追加の層を一切持たないことを特徴とするインクジェットノズル装置。
11. 請求項１に記載のインクジェットノズル装置において、
    ノズル開口を画定する屋根部と、床部と、前記屋根部と前記床部との間に延びる側壁と、を有するノズルチャンバを含むことを特徴とするインクジェットノズル装置。
12. 請求項１１に記載のインクジェットノズル装置において、
    前記抵抗ヒータ素子は前記ノズルチャンバの前記床部に結合されることを特徴とするインクジェットノズル装置。
13. 請求項１２に記載のインクジェットノズル装置において、
    前記ノズルチャンバと前記抵抗ヒータ素子は、小滴吐出中に気泡が前記ノズル開口から排出されるように構成されることを特徴とするインクジェットノズル装置。
14. 請求項１に記載のインクジェットノズル装置を複数含むことを特徴とするインクジェット印刷ヘッド。
15. 抵抗ヒータ素子を含むインクジェットノズル装置からインク小滴を吐出させる方法において、前記抵抗ヒータ素子は、不働態化自然酸化物を有するアルミナイド層と、前記アルミナイド層の前記不働態化自然酸化物の上に配置された酸化タンタル層と、を含み、前記方法は、
    前記インクジェットノズル装置にインクを供給するステップと、
    前記抵抗ヒータ素子を前記インク内に気泡を形成するのに十分な温度まで加熱するステップと、
    前記インク小滴を前記インクジェットノズル装置のノズル開口から吐出させるステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
16. 請求項１５に記載の方法において、
    前記気泡は前記ノズル開口から排出されることを特徴とする方法。
17. 請求項１５に記載の方法において、
    故障までに少なくとも１０億個のインク小滴が吐出されることを特徴とする方法。

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