JPH10501766A - 熱作動印刷ヘッドの組立ておよび製造プロセス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 自己整合プロセスを使用してヒータ素子が形成されるノズル構成のモノリシック印刷ヘッドであって、そのヒータの厚さ、幅およびノズルに対する位置が、すべて、石版印刷プロセスの代わりに、蒸着およびエッチングステップにより決定される。この方法においては、石版印刷プロセスで一般的に可能なそれらパラメータの制御よりも遙かに高度な制御を行うことができる。また、ヒータ用のマスクが不要となる。この印刷ヘッドの構成は、電力の低減をも行うことができ、（１）ヒータと基板との間の断熱層の設置、（２）ヒータおよびヒータを取り巻く材料の熱質量の最小化、（３）ヒータとインクメニスカスとの間の距離の最小化、（４）ヒータがインクにより腐食されないようにするための、比較的熱伝導度の高い材料の使用、（５）基板のヒータ領域の切り下げ、を組み入れている。そのようなノズルおよびヒータ構成の製造方法が開示されている。

Description

【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、Ｂｕｂｂｌｅｊｅｔ^TM（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 ｂｌｅｊｅｔ^TM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、 Ｒ_H: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 Ｒ_H＝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。

───────────────────────────────────────────────────── 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

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．基板上に形成され、関連した電熱ヒータを備えた少なくとも一本のノズル と を有してなり、 前記ノズルを形成するために、前記ヒータ領域内の基板材料が除去されている ことを特徴とするドロップオンデマンド印刷ヘッド。 ２．前記ヒータがリム上に位置し、前記リムが該リムのすぐ付近の前記印刷ヘ ッドの表面から突出している ことを特徴とする請求項１に記載のドロップオンデマンド印刷ヘッド。 ３．前記ヒータ領域内の基板材料が除去されている ことを特徴とする請求項２に記載のドロップオンデマンド印刷ヘッド。 ４．前記印刷ヘッドが、前記基板を形成するシリコンウェーハ上に形成される ことを特徴とする請求項２に記載のドロップオンデマンド印刷ヘッド。 ５．複数の前記ノズルが、単一の基板上に形成される ことを特徴とする請求項２に記載のドロップオンデマンド印刷ヘッド。 ６．前記ノズルが、前記のウェーハの表面から前記ウェーハの裏面に貫通して いる孔部として形成されている ことを特徴とする請求項４に記載のドロップオンデマンド印刷ヘッド。 ７．前記基板の熱伝導度より低い熱伝導度を持つ材料の誘電層が、前記ヒータ と前記基板との間に形成されている ことを特徴とする請求項４に記載のドロップオンデマンド印刷ヘッド。 ８．前記ヒータと前記基板との間の材料の前記層が、二酸化シリコンである ことを特徴とする請求項７に記載のドロップオンデマンド印刷ヘッド。 ９．（ａ）複数のインク粒子噴出ノズルと、 （ｂ）前記ノズルに関連するインク本体と、 （ｃ）前記インク本体内のインクに、少なくともインク粒子選択および分離中に 、周囲圧より少なくとも２％高い圧力を加える加圧手段と、 （ｄ）所定のノズルを選択し、選択されたノズルと選択されなかったノズル内の インクの間のメニスカス位置に、違いを生じさせるためのインク粒子選択手段と 、 （ｅ）選択されなかったノズル内にインクを保持しながら、選択されたノズルか らのインクを、インク本体からのインク粒子として分離させるインク粒子分離手 段を さらに備えてなる請求項１に記載のドロップオンデマンド印刷ヘッド。 １０．（ａ）複数のインク粒子噴出ノズルと、 （ｂ）上記ノズルに関連するインク本体と、 （ｃ）所定のノズルを選択し、選択されたノズルと選択されなかったノズル内の インクの間のメニスカス位置に、違いを生じさせるためのインク粒子選択手段と （ｄ）選択されなかったノズル内にインクを保持しながら、選択されたノズルか らのインクを、インク本体からインク粒子として分離させるためのインク粒子分 離手段とをさらに備え、 前記インク粒子分離手段が存在しない場合、前記のインク粒子選択手段が、メ ニスカス位置に前記違いを生じさせることができる 請求項１に記載のドロップオンデマンド印刷ヘッド。 １１．（ａ）複数のインク粒子噴出ノズルと、 （ｂ）前記ノズルに関連し、３０℃以上の温度範囲で少なくとも１０ｍＮ／ｍの 表面張力の低下を示す前記インクのインク本体と、 （ｃ）所定のノズルを選択し、選択されたノズルと選択されなかったノズル内の インクの間のメニスカス位置に、違いを生じさせるためのインク粒子選択手段と 、 （ｄ）選択されなかったノズル内にインクを保持しながら、選択されたノズルか らのインクを、インク本体からのインク粒子として分離させるインク粒子分離手 段とを をさらに備えてなる請求項１に記載のドロップオンデマンド印刷ヘッド。 １２．前記ノズルが、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 る ことを特徴とする請求項１に記載のドロップオンデマンド印刷ヘッドの製造方 法。 １３．ノズル形成プロセスが、前記基板の異方体エッチングを含む ことを特徴とする請求項１に記載のドロップオンデマンド印刷ヘッドの製造方 法。 １４．ノズル形成プロセスが、前記基板の表面および裏面の両方からのエッチ ングを含む ことを特徴とする請求項１に記載のドロップオンデマンド印刷ヘッドの製造方 法。 １５．前記基板が、前記ヒータを含む誘電層をエッチングするプロセスより速 い速度で、基板をエッチングする同方体エッチングプロセスによって、前記ヒー タ領域内で切り落とされる ことを特徴とする請求項７に記載のドロップオンデマンド印刷ヘッドの製造方 法。 １６．前記ヒータが、その頂部付近に前記ノズルと、同軸である環状部材（an annular member coaxial）を備えてなることを特徴とする請求項１に記載の印 刷ヘッド。 １７前記シリコン基板上に形成された誘電層を備え、前記ノズルチップが前記 誘電層内に形成されている ことを特徴とする請求項１６に記載の印刷ヘッド。 １８．前記ヒータがノズルチップの表面上に形成され、さらに、前記ヒータ上 に、電気的に絶縁性で、熱的には伝導性のコーティングを有する ことを特徴する請求項１７に記載の印刷ヘッド。 １９．前記コーティングが、Ｓｉ₃Ｎ₄を備えてなる ことを特徴とする請求項１８に記載の印刷ヘッド。 ２０．前記ヒータおよび前記のコーティングの間に、不動態化材の層をさらに 備えてなる ことを特徴とする請求項１９に記載の印刷ヘッド。 ２１．前記不動態化層が、タンタル材を備えてなる ことを特徴とする請求項１９に記載の印刷ヘッド。 ２２．（ａ）印刷ヘッドの基板上にノズルチップ孔部を形成するステップと、 （ｂ）前記ノズルチップ孔部を、ある物質でコーティングするステップと、 （ｃ）前記物質を、ノズルチップの孔部の表面から、前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）前記ノズルチップ孔部を、前記ヒータの必要とする厚さに等しい厚さまで 、ヒータ材の層でコーティングするステップと、 （ｅ）前記ノズルチップ孔部の側壁上のヒータ材を除去するような方法で、前記 ヒータ材をエッチングするステップと を備えることを特徴とする自己整合ヒータを有する印刷ヘッド製造方法。 ２３．前記ヒータ材が、異方体エッチングされる ことを特徴とする請求項２２に記載の印刷ヘッド製造方法。 ２４．前記印刷ヘッドが、シリコンウェーハ上に形成される ことを特徴とする請求項２２に記載の印刷ヘッド製造方法。 ２５．複数のノズルが、単一の基板上に形成される ことを特徴とする請求項２２に記載の印刷ヘッドの製造方法。 ２６．ノズルが、平らな基板の表面から裏面に貫通している孔部として形成さ れる ことを特徴とする請求項２２に記載の印刷ヘッドの製造方法。 ２７．不必要な残留ヒータ材をマスクし、マスクされていないヒータ材を除去 するステップをさらに含む ことを特徴とする請求項２２に記載の印刷ヘッドの製造方法。 ２８．（ａ）ノズルチップを形成するために、材料の層をエッチングするステ ップと、 （ｂ）前記ノズルチップを、ヒータ接点に適する導電材で同方体コーティングす るステップと、 （ｃ）ヒータ接点用の適当なパターンでパターン化されたレジストを使用して、 前記導電材をエッチングするステップと、 （ｄ）前記ノズルチップとヒータ接点材を、ある物質でコーティングするステッ プと、 （ｅ）前記物質をノズルチップの表面から、ヒータの必要とする深さまでエッチ ングするステップと、 （ｆ）前記ノズルチップを、前記ヒータの必要とする厚さに等しい厚さまで、ヒ ータ材の層で同方体コーティングするステップと、 （ｇ）ノズルチップ内の必要とするヒータ材以外、すべてのヒータ材を除去する ような方法で、ヒータを異方体エッチングするステップと を含む自己整合ヒータを有する印刷ヘッドの製造方法。 ２９．前記印刷ヘッドが、シリコンウェーハに製造される ことを特徴とする請求項２８に記載の印刷ヘッドの製造方法。 ３０．前記ヒータおよびノズルが、自己整合する請求項１に記載の発明。 ３１．基板に形成された複数の前記ノズルを有し、 少なくとも１つの前記ノズルが電熱アクチュエータを有し、 さらに前記アクチュエータが前記ノズルチップに位置している ことを特徴とするドロップオンデマンド印刷ヘッド。 ３２．前記アクチュエータが、そのすぐ近くの前記基板の表面から突出してい るリム上に位置している ことを特徴とする請求項３１に記載のドロップオンデマンド印刷ヘッド。 ３３．前記ヒータの領域内の基板材が、除去される ことを特徴とする請求項３２に記載のドロップオンデマンド印刷ヘッド。 ３４．前記印刷ヘッドが、シリコンウェーハ上に製造される ことを特徴とする請求項３２に記載のドロップオンデマンド印刷ヘッド。 ３５．ノズルが、ウェーハの表面から裏面に貫通している孔部として形成され ている ことを特徴とする請求項３４に記載のドロップオンデマンド印刷ヘッド。 ３６．基板の熱伝導度より低い熱伝導度の材料の層が、アクチュエータと基板 との間に形成されている ことを特徴とする請求項３１に記載のドロップオンデマンド印刷ヘッド。 ３７．ヒータと基板との間の材料の前記層が、二酸化シリコンである ことを特徴とする請求項３６に記載のドロップオンデマンド印刷ヘッド。 ３８．ノズルが、ヒータを含む誘電層を異方体エッチングすることによって形 成される ことを特徴とする請求項３５に記載のドロップオンデマンド印刷ヘッドの製造 法。 ３９．ノズル形成プロセスが、基板の異方体エッチングを含む ことを特徴とする請求項３１に記載のドロップオンデマンド印刷ヘッドの製造 法。 ４０．ノズル形成プロセスが、基板の表面および裏面の両方からのエッチング を含む ことを特徴とする請求項３１に記載のドロップオンデマンド印刷ヘッドの製造 法。 ４１．基板が、ヒータを含む誘電層をエッチングするプロセスより速い速度で 、基板をエッチングする同方体エッチングプロセスによって、ヒータ領域内で切 り落とされる ことを特徴とする請求項３１に記載のドロップオンデマンド印刷ヘッドの製造 方法。