JPH11216862A - サーマルインクジェットプリントヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 滑らかな表面を有する抵抗加熱器を提供する
ことによって、サーマルインクジェットプリントヘッド
に使用される抵抗加熱器の核生成効果を高める。 【解決手段】 グレーンサイズの小さい薄膜抵抗材料で
ある二ホウ化ジルコニウムの非常に滑らかな表面を有す
る抵抗加熱器を、スパッタリング工程によって形成す
る。スパッタリング工程では、最初の電導性層の形成の
終わりに、制御された割合で、酸素を導入する。酸素の
導入によって、薄膜が下層の電導性層の上部に形成され
る。この薄膜のシート抵抗は著しく増加されており、表
面に非常に滑らかな（０．５ｎｍＲＭＳより小さい）形
状を保持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は一般に、サーマルイ
ンクジェットプリントに関し、特に、改良された液滴吐
出効果を持つ抵抗加熱器を有するプリントヘッドに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】サーマルインクジェットプリントは一般
的に、熱エネルギーを利用してインクで満たされたチャ
ネルに蒸気の泡を発生させて液滴を吐出させるドロップ
オンディマンド（drop-on-demand）タイプのインクジ
ェットプリントである。熱エネルギー発生器、すなわち
加熱素子は通常抵抗器であり、チャネルの中のノズルの
近傍にノズルから所定の距離を置いて配置される。イン
ク核生成方法は、まず、個々の抵抗器を短い（２〜６μ
秒）電気パルスでアドレス（指定）し、瞬間的にインク
を気化させてインクの液滴を吐出する泡を形成する。泡
が成長するに従い、インクはノズルからふくらみ、メニ
スカスとしてインクの表面張力によって保たれる。泡が
崩壊し始めると、まだチャネルのノズルと泡の間にある
インクは、崩壊する泡に向かって移動し、ノズルにおい
てインクの体積の収縮を生じ、その結果、ふくらんだイ
ンクを液滴として分離する。泡が成長している間にイン
クをノズルから外へと加速することで、紙のような記録
媒体へ向かう略直線方向に、液滴に運動量と速度を与え
ることができる。

【０００３】液滴吐出動作中の加熱素子は、高温、熱応
力、大きな電界と著しいキャビテーション応力という環
境にある。従って、加熱素子の上にキャビテーション応
力保護層が必要であることは早期に認識された。この目
的のために非常に良い材料の１つは、業界でよく知られ
ているように、タンタル（Ｔａ）である。

【０００４】核生成効率は加熱器表面の特性に依存する
ことが実証された（Michael O'Horo等による論文、『蒸
気泡核生成におけるＴＩＪ加熱器表面トポロジーの効
果』、ＳＰＩＥジャーナル、第２６５８巻、第５８〜６
４頁、１９９６年１月２９日参照）。この論文におい
て、実験観察によって、蒸気泡核生成には二つのタイ
プ、すなわち、均一核生成と不均一核生成があることが
わかった。均一核生成は、核生成温度に達した時に、自
然にインク中に生じる。不均一核生成は通常、抵抗加熱
器の表面部分（亀裂およびクレバス）に生じる。表面部
分には、閉じこめられた気体や蒸気が含まれ、それが不
均一核生成の開始温度を均一核生成の開始温度よりもか
なり低くする。インクに蓄積されたエネルギーとその結
果得られる蒸気泡の膨張の効率は甚だしく減少する。

【０００５】蒸気泡核生成を制御するためのインクジェ
ット加熱素子の表面粗さの制御に関する先行技術には、
米国特許第４３３６５４８号があり、この特許には、表
面粗さを増加したサーマルインクジェットプリントヘッ
ドを製造するのに使用される技術と材料が記載されてい
る。この特許による表面粗さは、本明細書に記載される
粗さよりもずっと大きく、蒸気泡の形成中に不均一核生
成の度合いを高めるために利用される。この技術は、加
熱抵抗器材料と、パシベーションスタックの付着の前
に、基体層の表面をサンドブラスト、エッチング、又は
その他の技術によって粗くすることによってなされる。
これらの技術の結果、実際に、低いエネルギー入力で蒸
気泡核生成が生じるのだが、インクの過熱の程度が低い
ため、吐出される液滴の持つエネルギーは、均一蒸気泡
核生成によって発生した液滴と比べてずっと小さく、従
って効果も小さい。米国特許第４３３６５４８号は、本
発明と同様に、加熱器パシベーション材料としての酸化
ジルコニウムの使用とともに、加熱素子として他の材料
の中から、ハフニウムと二ホウ化ジルコニウムの使用を
主張している。一方、米国特許第５２８７６２２号は、
加熱抵抗器とパシベーションスタックの付着の前に、
（他の技術の中から）レーザまたは電子ビームを使用し
て基体表面を溶かし、比較的滑らかな表面を作ることを
記述しているが、この特許には、加熱器材料としての二
ホウ化金属、パシベーション誘電体としての酸化物およ
び保護層としてのタンタルも含まれる。しかし、これら
の先行技術の双方において、二ホウ化物は熱エネルギー
発生層（加熱抵抗器）としてのみ使用されており、加熱
器の表面仕上げの変形例としては、基体を滑らかにする
度合いを変えることしか提案されていない。最終的な加
熱器表面の滑らかさを高めるために加熱器材料またはパ
シベーション材料の付着を変える努力はなされていな
い。さらに、加熱素子材料とパシベーティング酸化物が
ある場合、それらはこれらの特許の双方において、２つ
の異なるスパッタリングターゲットまたは他の堆積ソー
スを使用して連続して付着される。これに対し、本発明
では、加熱器材料層と酸化物層は、単に付着シーケンス
の最後に付着条件を変えるだけでその場（in-situ ）付
着され、製造性と加熱器／パシベーションの境界面の完
全性を著しく改善することができる。本発明に記載され
た構成は、基体（熱成長酸化物を有する、磨かれたマイ
クロエレクトロニクスタイプの単結晶シリコンウェー
ハ）が既に非常に滑らかであり、それ以上の処理を必要
としないため、先行技術と比べてさらに利点を有してい
る。本発明に記載される技術によれば、滑らかな単結晶
シリコン基体の上に組み立てて作成された既に比較的滑
らかな加熱器が、微粒子の二ホウ化金属加熱素子を堆積
し、その表面層を加熱器材料の堆積中にその場酸化する
ことによって、さらに滑らかにされ、その結果、ナノメ
ータ規模以下の粗さ（米国特許第５２８７６２２号に記
載された加熱器よりも大きさの等級最大２つ分良い）の
一体化加熱器／パシベーションスタックが得られる。

【０００６】抵抗加熱器に好適な材料はポリシリコンま
たは二ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ２）のようなスパッ
タリングされた薄膜抵抗器材料である。ポリシリコン
は、堆積条件、その後の高温サイクル、およびドーピン
グレベルによって寸法と粗さが変わる多数のグレインか
ら成る。高ドーズ注入加熱器（Ｏ‘Ｈｏｒｏの論文に記
載の加熱器２）のポリシリコンの表面粗さは２７．２ｎ
ｍである。本発明で得ることのできる堆積直後のＺｒＢ
２の表面粗さは０．５ｎｍである。抵抗加熱器はその
後、熱成長させた酸化物層か熱分解ＣＶＤ堆積窒化ケイ
素を用いてパシベートされるが、これらは両方とも、例
えばポリシリコンの表面粗さをパシベーション層の表面
にきっちりと複製することによって、かなり粗さが一致
する。タンタル層がパシベーション層の上に必要により
スパッタリングされるが、このタンタル層は、Ｔａのグ
レイン構造によっておよそ１５ｎｍＲＭＳ以上になるよ
うに、付加的な形状を加えるとともに下層の形状を実質
的に写し出す。従って、タンタル層の表面は表面側を複
製しており、それゆえ、このタイプ（従来の誘電体パシ
ベーション層とタンタルを有するポリシリコンまたはＺ
ｒＢ２）の加熱器構造の下層のポリシリコンの粗さと核
生成効果は最適ではない。

【０００７】上記から、蒸気を閉じこめる亀裂またはク
レバスの数を減少することによって、抵抗加熱器面のよ
り滑らかな表面が核生成効果を高めることは明らかであ
る。米国特許第５，４６９，２００号は、加熱抵抗器の
基体を磨いて平坦性を高め、また、別の例では、熱によ
る軟化工程と同時に基体表面を酸化することによって熱
酸化物を形成して、その結果、酸化物パシベーション層
上により滑らかな表面を得る技術を開示している。これ
らの技術は、過度な高温および／または長い加熱サイク
ルのために、一体化マイクロエレクトロニクス回路と適
合しないので、完全に満足のいくものではない。さら
に、これらの技術は、最終的な加熱器表面の表面形状
を、単に最初の基体表面の形状を変えるだけで減少さ
せ、抵抗加熱素子とそのパシベーションスタックによっ
てもたらされる形状を減少させようとはせず、従って、
得ることのできる滑らかさの程度が限られてしまう。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、滑
らかな表面を有する抵抗加熱器を提供することによっ
て、サーマルインクジェットプリントヘッドに使用され
る抵抗加熱器の核生成効果を高めることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、好適な実施例では、微粒子の薄膜抵抗材料である二
ホウ化ジルコニウムの非常に滑らかな表面を有する抵抗
加熱器を、スパッタリング工程によって形成する。スパ
ッタリング工程では、最初の電導性層の形成の終わりに
向けて、制御された割合で、酸素を導入することを含
む。酸素の導入によって、薄膜が下層の電導性層の上部
に形成される。この薄膜は著しく増加されたシート抵抗
を有しており、表面に非常に滑らかな（０．５ｎｍＲＭ
Ｓより小さい）形状を保持している。

【００１０】より詳細には、本発明は、一方の表面上に
加熱抵抗器のアレイとその上に形成されたアドレス電極
を有する基体を有し、加熱抵抗器は、一般式（Ａ）Ｂ２
のスパッタリングされた薄膜抵抗化合物の第１の層と、
第１の層の上に、一般式（Ａ）Ｂ２Ｏｘを有する第２の
酸化物層を含むことを特徴とし、ここでＢはホウ素であ
り、Ａは、ジルコニウム（Ｚｒ）、モリブデン（Ｍ
ｏ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ニオビウム（Ｎｂ）、タン
タル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、お
よびタングステン（Ｗ）から成るグループから選ばれた
一つの金属であることを特徴とする、サーマルインクジ
ェットプリントヘッドに関する。

【００１１】本発明はまた、熱抵抗器の少なくとも１つ
の部分と熱的に連通し、インクを満たした複数のチャネ
ルを有し、インクジェットプリンタに使用される改良プ
リントヘッドを作成する以下の各工程からなる方法に関
する： （ａ）基体の表面上に一般式（Ａ）Ｂ２の抵抗材料の層
をスパッタリングし、（ｂ）スパッタリング工程の終わ
りに酸素を導入して、抵抗材料の層の上に、比較的高い
シート抵抗と、０．５ｎｍＲＭＳより小さい表面粗さを
有する酸化物層を形成し、（ｃ）熱抵抗器と熱的に連通
する、インクを満たした複数のインクチャネルを形成す
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は改良抵抗加熱器構造の第１
実施例を示す断面図である。この抵抗加熱器構造は、例
えば、米国再発行特許第３２，５７２号、米国特許第
４，７７４，５３０号および第４，９５１，０６３号に
開示されるタイプのプリントヘッドに使用できる。これ
らの特許の内容には本明細書で援用される。抵抗素子を
加熱して隣接層にインクの核を生成する他のタイプのサ
ーマルインクジェットプリントヘッドにも本発明の改良
加熱器構造を使用できることは明らかである。

【００１３】図１には、インクジェットプリントヘッド
８の加熱器基体部が、前面に形成されたノズル１２から
吐出される、チャネル１０中のインクとともに示され
る。プリントヘッド８は、上述の米国再発行特許第３
２，５７２号および米国特許第４，９５１，０６３号に
開示されるようにチャネルと加熱プレートを接合する従
来の方法（加熱抵抗器の形成は除く）によって、作成さ
れる。シリコン基体１６は表面上に下地層１８を形成さ
れる。一つの実施例では、それは熱形成されたフィール
ド酸化物である。チップが能動回路をも有する場合に
は、ゲート酸化膜層１９が層１８の表面上に形成され
る。ゲート酸化物は、チップ上の別の場所の能動ＭＯＳ
トランジスター装置の構成要素として形成され、加熱器
構造中で単に、抵抗加熱素子の下の酸化物の量をわずか
に増加するように働くだけである。加熱抵抗器２０は層
１９上に形成される。本発明によれば、そして、好適な
実施例においては、抵抗器２０は図２に細部を拡大して
示した２つの層２０Ａ、２０Ｂから成る。層２０Ａは、
好適な実施例において、二ホウ化ジルコニウムであり、
層１９に約０．５m ｍの深さまでスパッタリングされ
る。層２０Ａを形成する二ホウ化ジルコニウムは、電気
的に導電性であり、そのシート抵抗は、５〜１０００ｏ
ｈｍｓ／ｓｑｕａｒｅで、表面粗さは０．５ｎｍＲＭＳ
未満である。層２０Ｂは二ホウ化ジルコニウム酸化物の
２００オングストロームから１ミクロンの薄膜であり、
層２０Ａの形成に続いて、ＺｒＢ２の堆積中に、少量の
酸素流をスパッタリングチャンバに導入することによっ
て形成される。膜の成長中に酸素を組込むことによっ
て、二ホウ化ジルコニウムのシート抵抗はいちじるしく
増加し、その結果、７０００ｏｈｍｓ／ｓｑｕａｒｅを
越すシート抵抗を有する層２０Ｂが得られる。さらに重
要なことには、膜２０Ｂは、その下層の形状を滑らかに
保ち、従来技術のポリシリコン抵抗器よりも著しく滑ら
かである。窒化ケイ素または酸化物層が層２０Ｂを形成
するのに用いられてもよいが、そのような、別に堆積さ
れた膜は、非常に粗い表面仕上げになるとともに、層２
０Ａの超平滑加熱抵抗器材料によって得られる利点を減
少させることになる。層２０Ｂは層２０Ａとともにマス
キングとエッチングを施され、適切な寸法の加熱抵抗器
素子が形成される。タンタル層３０（図２）が必要によ
り、層２０Ｂ上に形成されてもよい。しかし、このタン
タル層もまた、最終的な加熱器表面の粗さを甚だしく増
し、堆積条件に応じて、最終的に得られる粗さを、タン
タル膜の粗さである約１２〜１５ｎｍＲＭＳに限定して
しまう。電極パシベーションのために、ガラスフィルム
３４が堆積され、次にガラスフィルム３４と酸化された
二ホウ化ジルコニウム層２０Ｂを介してマスキングとエ
ッチングを施され、抵抗器の縁にバイアス２３、２４を
形成する。バイアス２３、２４は、次に続く、アルミニ
ウムアドレス電極２５とアルミニウムカウンターリター
ン電極（counter return electrode）２６のそれぞれと
の相互接続のために使用される。

【００１４】チップの別の場所に２つ以上の金属製の相
互接続層を必要とする装置の場合は、１つまたはそれ以
上の付加的なパシベーションガラス層３４を加熱器相互
接続電極の上に堆積し、典型的にはプラズマ強化窒化ケ
イ素材料である最終的なイオン拡散耐性パシベーション
層３５を堆積してもいい。厚膜絶縁層３６が堆積および
パターン成形され、インク分配チャネルとノズル構造１
０を形成する。層３６は好適な実施例ではポリイミドで
ある。

【００１５】図２には、スパッタリングされたＺｒＢ２
の表面を覆って超平滑表面２０を形成するＺｒＢ２Ｏｘ
層２０Ｂが示される。層２０Ａに適した他の材料は、元
素周期表の４Ａ、５Ｂ、および６Ｂ族から選ばれた二ホ
ウ化金属であり、理想的には、ジルコニウム、ニオビウ
ム、タンタル、チタン、バナジウム、タングステン、モ
リブデンおよびハフニウムから成るグループから選ばれ
た二ホウ化金属である。ここで開示した実施例は好適な
ものであるが、この教示するところに基づき、当業者に
よって、種々の代案、変更、変形、または改良をなすこ
とが可能である。そのような変形例の全ては特許請求の
範囲に含まれるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による改良加熱抵抗器の第１実施例を示
す断面図

【図２】図１の抵抗器を示す、さらに拡大した断面図

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 キャシー ジェイ．バーク アメリカ合衆国 14625 ニューヨーク州 ロチェスター スピリアー ロード 135

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 サーマルインクジェットプリントヘッド
   であって、基体の一方の表面上に加熱抵抗器のアレイを
   形成した基体を有し、前記加熱抵抗器は、一般式（Ａ）
   Ｂ２の導電性二ホウ化物の第１の層と、前記第１の層の
   上に、一般式（Ａ）Ｂ２Ｏｘの第２の酸化物層を含むこ
   とを特徴とし、ここでＢはホウ素であり、Ａは、ジルコ
   ニウム、モリブデン、ハフニウム、ニオビウム、タンタ
   ル、チタン、バナジウム、およびタングステンから成る
   グループから選ばれた一つの金属であるサーマルインク
   ジェットプリントヘッド。
2. 【請求項２】 Ａがジルコニウムである、請求項１に記
   載のサーマルインクジェットプリントヘッド。
3. 【請求項３】 前記第２の層が５ｎｍＲＭＳより小さい
   表面粗さを有する請求項１に記載のサーマルインクジェ
   ットプリントヘッド。