(57)【要約】【課題】内部の抵抗器の寸法が精密に制御されて全体にわたって滴重量が均一になるようにする加熱素子を提供することにある。【解決手段】本発明の加熱素子は、基板１０と、基板１０の上に配置され、第１の導電トレース２２と第２の導電トレース２４とを両者の間にスペーサの突出部１４がある状態で規定する導電層２０と、第１の導電トレース２２、第２の導電トレース２４およびスペーサ１４を覆い、第１の導電トレース２２と第２の導電トレース２４とを少なくとも部分的に電気的に接続する抵抗層１８とを備えている。【選択図】図２
2005219500.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板の上に配置され、第１の導電トレースと第２の導電トレースとを両者の間にスペーサがある状態で規定する導電層と、
前記第１の導電トレース、前記第２の導電トレースおよび前記スペーサを覆い、前記第１の導電トレースと前記第２の導電トレースとを少なくとも部分的に電気的に接続する抵抗層と、
を備えている加熱素子。
【請求項２】
前記抵抗層は、前記導電トレースおよび前記スペーサに接する第１の表面と、該第１の表面の反対側の第２の表面とを有し、該第２の表面は少なくともほぼ平坦である、請求項１に記載の加熱素子。
【請求項３】
前記導電トレースはそれぞれ、他方の導電トレースに面する側壁を有し、該側壁は、前記抵抗層の前記第１の表面に対して少なくともほぼ垂直である、請求項２に記載の加熱素子。
【請求項４】
前記スペーサは前記抵抗層と同じ材料から作られている、請求項１に記載の加熱素子。
【請求項５】
前記スペーサは、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、ＴＥＯＳ、および窒化ケイ素からなる群から選択される電気絶縁材料で構成されている、請求項１に記載の加熱素子。
【請求項６】
前記スペーサおよび前記導電トレースは、それぞれ前記抵抗層に接する表面を有し、該表面はそれぞれに対して少なくともほぼ同一平面にある、請求項１に記載の加熱素子。
【請求項７】
前記表面は化学機械的に研磨されている、請求項６に記載の加熱素子。
【請求項８】
前記基板は、その上に前記導電層が配置される絶縁層を備えている、請求項１に記載の加熱素子。
【請求項９】
前記スペーサは前記絶縁層の突出部分である、請求項８に記載の加熱素子。
【請求項１０】
前記抵抗層は、厚さが少なくともほぼ均一である、請求項１に記載の加熱素子。
【請求項１１】
基板と、
該基板の上に配置され、第１の導電トレースと第２の導電トレースとを両者の間にスペーサがある状態で規定する導電層と、
前記第１の導電トレース、前記第２の導電トレースおよび前記スペーサを覆い、前記第１の導電トレースと前記第２の導電トレースとを少なくとも部分的に電気的に接続する抵抗層と、
中で流体を加熱して噴射することが可能な流体チャンバを規定する、前記抵抗層に隣接するバリアー層と、
を備えている流体噴射デバイス。
【請求項１２】
基板と、
該基板の上に配置され、第１の導電トレースと第２の導電トレースとを両者の間にスペーサがある状態で規定する導電層と、
前記第１の導電トレース、前記第２の導電トレースおよび前記スペーサを覆い、前記第１の導電トレースと前記第２の導電トレースとを少なくとも部分的に電気的に接続する抵抗層と、
中で流体を加熱して噴射することが可能な発射チャンバを規定する、前記抵抗層に隣接するバリアー層と、
を備えているプリントヘッド。
【請求項１３】
流体槽と、
該流体槽に流体連通するプリントヘッドであって、基板と、該基板の上に配置され、第１の導電トレースと第２の導電トレースとを両者の間にスペーサがある状態で規定する導電層と、前記第１の導電トレース、前記第２の導電トレースおよび前記スペーサを覆い、前記第１の導電トレースと前記第２の導電トレースとを少なくとも部分的に電気的に接続する抵抗層と、前記流体槽からの流体を中で加熱して噴射することが可能な発射チャンバを規定する、前記抵抗層に隣接するバリアー層を有するプリントヘッドと、
を備えているプリントカートリッジ。
【請求項１４】
導電層を形成するものであって、基板上に第１の導電トレースと第２の導電トレースとを規定し、前記第１の導電トレースがスペーサによって前記第２の導電トレースから分離される、導電層を形成するステップと、
前記導電層の上に抵抗層を形成するものであって、前記第１の導電トレース、前記第２の導電トレースおよび前記スペーサを覆い、前記第１の導電トレースと前記第２の導電トレースとを少なくとも部分的に電気的に接続する抵抗層を形成するステップと、
を含む、加熱素子の製造方法。
【請求項１５】
前記導電層を形成するステップは、
基板上に導電層を形成するステップと、
前記第１の導電トレース、前記第２の導電トレースおよび両者の間の空隙を規定すべく、前記導電層の一部を除去するステップと、
前記空隙を電気絶縁材料で充填するステップと、
少なくとも前記電気絶縁材料の表面を平坦化して、該表面が前記導電トレースの対応する表面と少なくともほぼ同一平面となるように平坦化するステップと、
を含む、請求項１４に記載の加熱素子の製造方法。
【請求項１６】
前記電気絶縁材料は、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、ＴＥＯＳ、および窒化ケイ素からなる材料の群から選択される、請求項１５に記載の加熱素子の製造方法。
【請求項１７】
前記平坦化するステップは、化学機械的に研磨することを含む、請求項１５に記載の加熱素子の製造方法。
【請求項１８】
前記導電層を形成するステップは、
前記基板上に絶縁層を形成するステップと、
２つの肩部が側面に位置する突出部を規定すべく、前記絶縁層の一部を除去するステップと、
前記突出部および前記肩部を覆うべく、前記絶縁層の上に導電層を形成するステップと、
前記突出部を露出し、前記第１の導電トレースを前記第２の導電トレースから分離すべく、前記導電層の表面を平坦化するステップと、
を含む、請求項１４に記載の加熱素子の製造方法。
【請求項１９】
前記抵抗層は、厚さが少なくともほぼ均一である、請求項１４に記載の加熱素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は包括的には加熱素子に関し、詳細には、プリントカートリッジ上で用いるのに好適な熱インクジェットプリントヘッドに関する。本発明はさらに、加熱素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子プリント技術の分野においては、かなりの開発が行われている。高速かつ正確な方法でインクを施すことができる幅広くさまざまな非常に効率的なプリントシステムは、現在存在している。この点に関して、熱インクジェットシステムは特に重要である。熱インクジェット技術を用いるプリントユニットは、基本的には、その上の発射チャンバ内に複数の薄膜加熱素子または抵抗器を有する基板（好ましくはシリコン［Ｓｉ］および／またはその他の相当する材料で作られている）と流体連通する少なくとも１つのインク槽を含む装置を必要としている。基板と抵抗器は、従来「プリントヘッド」と呼ばれている構造内に保持されている。抵抗器を選択的に作動させることによって、発射チャンバ内に保管されているインク材料が熱によって励起され、プリントヘッドから吐出されることになる。「Ink Jet Printhead Having Improved Reliability」という名称のWhitmanへの米国特許第６，２１３，５８７号、および「Heating Element of a Printhead Having Conductive Layer Between Resistive Layers」という名称のSchulte他への米国特許第６，５１３，９１３号において、代表的な熱インクジェットシステムが説明されている。
【０００３】
プリントヘッドの動作中にインクをオンデマンドで吐出するのに用いる抵抗器に特に関連するプリントヘッドの動作効率は、プリントヘッドの設計において重要な考慮すべきことのひとつである。本明細書において「動作効率」という用語は、内部温度レベル、インク吐出量、すなわち滴重量に影響を及ぼす抵抗器の熱均一性等を含むが、これに限定するものではない、多数のさまざまな事項を一括して包含するものとする。
【０００４】
熱インクジェットプリントヘッドにおいて用いるよう選択される抵抗器およびそれに関連する相互接続構成要素の化学特性および物理特性は、プリントヘッドの全体的な動作効率に直接影響を及ぼすことになる。本明細書において用いられる「相互接続構成要素」または「相互接続構造」という用語は、抵抗器をシステムのプリント制御回路に電気的に接続する導電トレースおよび関係する素子を一般に含んでいる。
【０００５】
既知のプリントヘッドは、抵抗器を規定する抵抗層の上方の導電層を含んでいる。導電層は、抵抗器に近接する状態で、それぞれ傾斜した側壁を有するトレースを備えている。このような傾斜した側壁は、抵抗器および隣接する構成要素を腐食から保護するのに通常用いられる１つまたは複数のパッシベーション層をその上により効果的に堆積することが可能な表面を有している。したがって、プリントヘッドの設計は、側壁を鉛直にすることを避けてきた。これは、鉛直の側壁の表面上にパッシベーション層を堆積することが困難だからである。さらに、このような鉛直の側壁は、抵抗器の上方にインクチャンバすなわち発射チャンバを形成するのに用いられるバリアー材料を捕らえるということがわかっている、尖ったコーナをプリントヘッドに形成するからである。発射チャンバ内の捕らえられたバリアー材料は、抵抗器により発生した熱がそれぞれの発射チャンバ内の流体内へと効果的に散逸することがないようにする、断熱層の役割を果たしてしまうことになる。この断熱バリアー材料によって、（プリントヘッドの構成要素が上に配置される基板、すなわち「ダイ」に特に関連して）プリントヘッド内に熱が蓄積し、それによってプリントヘッドの信頼性／寿命のレベルに影響を及ぼすことになる。したがって、側壁が傾斜した設計のプリントヘッドは、そのような問題をある程度克服している。
【０００６】
しかし、側壁が傾斜した導電トレースを有するプリントヘッドには不利な点がある。傾斜した表面を作成するのに用いられる、ウェット化学エッチングおよびドライエッチング等の傾斜金属エッチング（ＳＭＥ）プロセスは、精密に制御することができない。言い換えれば、導電層から除去されて抵抗器の側面に位置する２つの間隔を置いて配置された導電トレースを形成する導電性材料の量は、精密に決定することができない。したがって、抵抗器の「長さ」または「境界」を規定するものであるこの２つの導電トレースの間の距離を精密に規定することはできない。プリントヘッドの製造にそのようなプロセスを用いると、大きさが不正確な抵抗器を製造してしまう可能性があり、このような抵抗器を用いると、滴重量が不正確になってしまう可能性がある。さらにひどい場合には、プリントヘッドの抵抗器は個々に不正確な大きさであるだけでなく、その１つのプリントヘッド内でさまざまな大きさになってしまう可能性がある。その結果、このような抵抗器が発生する熱、したがってこのような抵抗器の上でさまざまなインクチャンバから形成される滴の重量は、プリントヘッド内の発射チャンバ全体にわたって均一ではない可能性がある。このように滴重量が不均一であることは、より高解像度のプリントヘッドの設計にとって、障害となる可能性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、内部の抵抗器の寸法がより精密に制御されて加熱素子全体にわたって滴重量が均一になるようにする加熱素子を有するインクジェットプリントヘッドを備えていることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態によれば、基板と、該基板の上に配置され、それによって、第１の導電トレースと第２の導電トレースとを両者の間にスペーサがある状態で規定する導電層と、第１の導電トレース、第２の導電トレースおよびスペーサを覆い、第１の導電トレースと第２の導電トレースとを少なくとも部分的に電気的に接続する抵抗層とを備える加熱素子が提供されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は図面を参照するとよりよく理解される。
【００１０】
以下、本発明の実施形態を、熱インクジェットプリントヘッドにおいて用いるのに好適な加熱素子の状況で説明する。しかし、本発明はいかなる流体加熱デバイスにおいても用いることができる、ということが理解されなければならない。
【００１１】
図１は、本発明の第１の実施形態による、その上にプリントヘッド４を有するインクジェットプリントカートリッジ２を示している。プリントカートリッジ２は、プリントヘッド４が流体連通して内部の流体をプリントヘッド４に供給する流体槽（図示せず）を備えている。図２は、プリントヘッド４の一部である図１のＸ−Ｘ線断面図を示している。図２において、基板１０の上には薄膜スタック８を貼着されている。薄膜スタック８および基板１０を貫いて、スロット領域またはマニホルド（図示せず）が形成されている。マニホルドを形成する方法のひとつは、研磨サンドブラストである。ブラスト装置は、加圧気体（例えば圧縮空気）源を用い、研磨粒子を薄膜層でコーティングした基板に向かって噴射して、マニホルドを形成している。粒子は、コーティングした基板に接触して腐食を行い、その基板を貫く開口部を形成している。研磨粒子の大きさは、直径が約１０〜２００ミクロンに形成されている。研磨粒子には、酸化アルミニウム、ガラスビード、炭化ケイ素、重炭酸ナトリウム、ドロマイト、およびウォルナットシェル（walnut shells）が含まれている。
【００１２】
第１の実施形態において、基板１０は単結晶シリコンウエハーである。いくつかの他の実施形態においては、基板１０は約０．５５オーム／ｃｍまで薄くドープしたｐ型シリコンウエハーであってもよい。または、もととなる基板１０は、ガラス、半導電性材料、金属マトリクス複合材料（ＭＭＣ）、セラミックマトリクス複合材料（ＣＭＣ）、ポリマーマトリクス複合材料（ＰＭＣ）、または、真空処理の後にｘというフィラー材料がエッチングによって複合材料マトリクスから除去されるサンドイッチＳｉ／ｘＭｃであってもよい。当業者には既知のように、もととなる基板１０の寸法はさまざまであってもよい。
【００１３】
第１の実施形態において、二酸化ケイ素でできた絶縁（隔離）、すなわちキャッピング層１２は基板１０の上に堆積されまたは成長されている。本実施形態において、キャッピング層１２は基板１０を覆ってシールし、それによって気体および液体のバリアー層を設けている。キャッピング層１２はバリアー層であるので、流体は基板１０に流入することが実質的に制限されている。この第１の実施形態において、キャッピング層１２は、肩部１６が２つの側面に位置する突出部１４を含むよう処理されている。突出部１４および肩部１６を形成するプロセスについては後述する。
【００１４】
他の実施形態において、このキャッピング層１２は、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ガラス（ＰＳＧ）、およびその他の好適な材料等、さまざまな異なる材料で形成されていてもよい。このような他の実施形態の１つにおいて、キャッピング層１２に電気絶縁誘電材料を用いると、基板１０を電気絶縁するのにも役立つことになる。材料に応じて、キャッピング層１２は、基板１０とその上方の抵抗層１８との間の熱バリアーの役割も果たしてもよい。キャッピング層１２は、層の熱成長、スパッタリング、蒸着、およびプラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）等、当業者に既知のさまざまな方法のうちのいずれの１つを用いて形成してもよい。キャッピング層１２は、基板１０を覆いシールするのに十分ないかなる所望の厚さであってもよい。一般に、キャッピング層１２の厚さは約１から２ミクロンまでである。
【００１５】
他の実施形態のうちの１つにおいて、キャッピング層１２は、ＰＥＣＶＤ技法を用いて堆積した、リンをドープした（ｎ＋）二酸化ケイ素相互誘電絶縁ガラス層（ＰＳＧ）である。一般に、ＰＳＧ層は通常厚さが約１から２ミクロンまでであるが、これに限定するものではない。例えば、このキャッピング層は厚さが約０．５〜０．９ミクロンであってもよい。
【００１６】
他の実施形態のうちの別の１つにおいて、キャッピング層１２はシリコン基板１０の露出した表面上に熱成長させるフィールド酸化物（ＦＯＸ）である。このＦＯＸは、シリコン基板１０内へと成長するとともに基板１０の上に堆積して、全体の深さが約１．３ミクロンになる。ＦＯＸ層は基板１０からシリコンを引き寄せるので、ＦＯＸのキャッピング層１２と基板１０との間には強力な化学結合が確立されることになる。いくつかの実施形態において、キャッピング層１２は熱酸化物（ＴＯＸ）層である。
【００１７】
第１の実施形態において、導電層２０は、少しの割合、例えば約０．５％の銅を含むアルミニウムでできた導電性材料をキャッピング層１２の突出部１４および肩部１６の上に堆積することによって配置されている。他の実施形態において、導電性材料は、アルミニウム、銅、金、および０．５％のシリコンを含むアルミニウム、を含むさまざまな異なる材料のうちの少なくとも１つから形成されており、スパッタリングおよび蒸着等のいかなる方法によって堆積してもよい。一般に、導電層２０の厚さは約１から２ミクロンまでである。このような他の実施形態のうちの１つにおいて、スパッタリング堆積を用いてアルミニウムの層を厚さ約０．５ミクロンまで堆積している。
【００１８】
以下により詳細に説明するように、導電層２０を平坦化してキャッピング層１２の突出部１４を露出させ、それによって導電層２０をキャッピング層１２の一方の肩部１６の上の第１の導電トレース２２と、キャッピング層１２の他方の肩部１６の上の第２の導電トレース２４とに分離している。この２つの導電トレース２２，２４は、突出部１４によって分離され、突出部１４はスペーサの役割を果たしている。本明細書においては、単一の加熱素子を示して説明するが、当業者であれば、この１対の導電トレースはプリントヘッド４の他の対の導電トレース（図示せず）からも分離されなければならないということを理解しよう。
【００１９】
したがって、導電層２０を平坦化して単一の加熱素子の２つの導電トレース２２，２４を分離するのと同じステップによって、導電トレース２２，２４の対が他の対からも分離することになる。平坦化すると、導電トレース２２，２４と突出部１４との頂面が少なくとも実質的に同一平面にある。２つの導電トレース２２，２４の間の間隙、すなわち開口部の長さは、キャッピング層１２の突出部１４の幅Ｌによって決められる。同様に、導電トレース２２，２４の幅（図示せず）は、キャッピング層１２の幾何学的形状によって規定されている。例示的な実施形態において、導電トレースの幅は突出部１４の幅と同じである。この幅Ｌは、約１０から３０ミクロンであってもよい。突出部１４の対向する端にある導電トレース２２，２４はそれぞれ、少なくとも実質的に鉛直の側壁２６を有している。したがって、このような側壁２６は、少なくとも導電層２０の頂面に対してほぼ垂直である。
【００２０】
導電層２０の上に抵抗層１８が配置されると、第１の導電トレース２２、第２の導電トレース２４、および突出部１４が覆われることになる。このようにして、抵抗層１８は導電トレース２２，２４のそれぞれの対の間に抵抗器２８を規定している。抵抗層１８と導電層２０とは、２層のスタックを形成している。言い換えれば、抵抗層１８と導電層２０とは、図２に示すように、２つの別個の平面上にある。第１の実施形態において、抵抗器２８の効果的な大きさは、導電トレース２２，２４の対の幅および導電トレース２２，２４の間の長さによって規定される長さＬを有する辺を備えた正方形によって与えられる。第１の実施形態において、スパッタリング堆積技法を用いて、タンタルアルミニウムの複合材料でできた抵抗材料層を導電トレース２２，２４の全体にわたって堆積し、導電トレース２２，２４を少なくとも部分的に電気的に接続している。第１の導電トレース２２の領域２９は、図２に示すように抵抗層１８で覆われず露出したままにされる。通常、抵抗層１８の厚さは約５００オングストローム〜２０００オングストロームの範囲である。しかし、厚さがこの範囲外の抵抗層１８もまた、本発明の範囲内である。抵抗層１８は、厚さが少なくとも実質的に均一であり、導電トレース２２，２４と突出部１４とに接する第１の表面すなわち底面と、第１の表面の反対側の、少なくとも実質的に平坦な、第２の表面すなわち頂面とを有している。言い換えれば、導電トレース２２，２４とキャッピング層１２の突出部１４との上の抵抗層１８の頂面は、全体を通して少なくともほぼ平坦である。この第１の実施形態において、キャッピング層１２のほうが抵抗層１８よりも電気抵抗が高く、２つの導電トレース２２，２４の間を流れる電流は、キャッピング層１２の突出部１４ではなく実質的に抵抗器２８を通って流れるようになっている。
【００２１】
当業者には、窒化チタン、チタンタングステン、チタン、チタン合金、金属窒化物、アルミニウムシリコーン、ニッケルクロム、および窒化チタンを含むがこれに限定されるものではない、さまざまな他の好適な抵抗材料が既知であり、これらに任意で酸素、窒素、および炭素等の好適な不純物をドープして、材料の抵抗率を調整してもよい。抵抗層１８は、スパッタリングおよび蒸着等のいかなる好適な方法によって堆積されてもよい。
【００２２】
図２の第１の実施形態で示すように、抵抗層１８と第１の導電トレース２２の露出した領域２９との上には、炭化／窒化ケイ素でできた絶縁パッシベーション層３０が形成され、導電性流体を用いる場合に流体が帯電したりデバイスが腐食したりしないようにしている。パッシベーション層３０は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、およびガラス等のいかなる好適な材料で形成してもよく、スパッタリング、蒸着、およびＰＥＣＶＤ等のいかなる好適な方法によって形成してもよい。一般に、パッシベーション層３０の厚さは約１から２ミクロンまでである。この構造の表面は、マスキングされエッチングされて、第１の導電トレース２２に電気的に接続される金属の相互接続部３１用のバイアを作成している。
【００２３】
第１の実施形態では、ＰＥＣＶＤプロセスを用いて、構成要素のパッシベーション層の役割を果たす複合材料の窒化ケイ素／炭化ケイ素層３０を堆積している。このパッシベーション層３０の厚さは、約０．７５ミクロンである。他の実施形態において、厚さは約０．４ミクロンである。いくつかの実施形態において、パッシベーション層３０によって、その下方の各層は圧縮応力を受けている。
【００２４】
第１の実施形態において、パッシベーション層３０の上にはタンタルから作られたキャビテーションバリアー層３２が追加されている。キャビテーションバリアー層３２は、それぞれの流体滴が噴射された後において残される気泡のつぶれる激しく打ちつける力を散逸するのに役立っている。一般に、キャビテーションバリアー層３２の厚さは、約１から２ミクロンまでである。タンタル層３２は厚さが約０．６ミクロンであり、パッシベーション、キャビテーション防止、および付着の層の役割を果たしている。いくつかの実施形態において、キャビテーションバリアー層３２は、マニホルドの形成中に基板１０からのエネルギーを吸収している。タンタルの粒子（grain）構造は、キャビテーションバリアー層３２によってもまたその下方の各層が圧縮応力を受けるようになっている。タンタル層３２は、スパッタリングによって急速に堆積され、それによって層３２内の分子を所定位置に保持している。しかし、タンタル層をアニーリングする場合には、圧縮応力は緩和されることになる。
【００２５】
キャビテーションバリアー層３２は、第１の部分３４と第２の部分３６とに分離されている。第１の部分３４は、第１の導電トレース２２の上に配置されてそこで電気的に接続されている。第２の部分３６は抵抗器２８の上に配置されている。キャビテーションバリアー層３２の第１の部分３４は、金でできた層３５でコーティングされている。キャビテーションバリアー層のうちの、この金によって覆われていない領域は、酸化し、はんだによって非湿潤性になる。
【００２６】
この第１の実施形態において、バリアー層３８は、露出したキャビテーションバリアー層３２の上と、金層３５の一部の上とに、配置されている。バリアー層３８の厚さは、約２０ミクロンまでである。バリアー層３８は、光によって画像形成可能なエポキシ（ＩＢＭが開発したＳＵ８等）等の高速架橋ポリマー、光によって画像形成可能なポリマー、またはＳｈｉｎＥｔｓｕ（信越化学工業株式会社）が製造するＳＩＮＲ−３０１０（商標）等の感光性シリコン誘電体で形成されている。
【００２７】
他の実施形態において、バリアー層３８は、インクの腐食作用にほぼ不活性の有機ポリマープラスチックから作られている。この目的に好適なプラスチックポリマーとしては、ＶＡＣＲＥＬおよびＲＩＳＴＯＮという商標で米国デラウェア州ウィルミントン市のE.I.DuPont de Nemours and Co.が販売している製品が含まれる。このような他の実施形態におけるバリアー層３８は、厚さが約２０〜３０ミクロンである。
【００２８】
バリアー層３８は、抵抗器２８の上方のインクチャンバすなわち発射チャンバ４０と、発射チャンバ４０をマニホルドに接続するインクチャネル４２とを規定するように処理されている。バリアー層３８には、ニッケル、フレキシブルポリマー、またはその他の好適な材料から作られたオリフィス板４４が接している。オリフィス板４４の１つまたは複数のオリフィス４６は、それぞれの発射チャンバ４０に整列されている。使用中、流体はマニホルドおよびチャネル４２を通じて発射チャンバ４０に供給されている。第１の導電トレース２２から抵抗器２８を通って第２の導電トレース２４まで電流、すなわち「発射信号」が通過することによって、抵抗器２８が熱を発生することになる。この熱によって発射チャンバ４０内の流体が加熱され、それによって流体内に捕らえられた空気が気泡として膨張し、この気泡が発射チャンバ内で爆発し、それによって、オリフィス４６を通じて流体が吐出されることになる。
【００２９】
図１のプリントヘッド４においてよりはっきりと示されように、オリフィス４６は、マニホルドの両側に配置された各行となるように整列されている。一実施形態において、オリフィス４６と、対応する発射チャンバ４０とは、マニホルド全体にわたって互いに千鳥配置されている。
【００３０】
図３は、一実施形態に係るもので、上述したプリントヘッド４を形成するステップのシーケンス５０のフローチャートである。シーケンス５０は、導電トレース形成ステップ５２で開始され、このステップにおいて、基板１０上のキャッピング層１２の上に導電層２０が形成される。導電層２０は、第１の導電トレース２２および第２の導電トレース２４を備え、第１の導電トレース２２と第２の導電トレース２４とは、上述のように絶縁する突出部１４によって分離される。すなわち、導電トレース形成ステップ５２で導電トレース２２，２４を得るために、シーケンス５０は、フォトリソグラフィープロセスを用いるキャッピング層形成のサブステップ５４で開始される。このサブステップ５４において、図４Ａに示すように、キャッピング層１２が基板１０の上に形成、すなわち堆積される。そして、フォトレジスト材料５６の層がキャッピング層１２の上に堆積される。フォトレジスト材料５６の層は、その上に第１のパターンを有する第１のマスク（図示せず）を介して露光される。次に、フォトレジスト材料５６を現像して、キャッピング層１２に第１のパターンを形成する。フォトレジスト材料５６の層のうちの選択した部分（図示せず）が洗い流される。キャッピング層のうちフォトレジスト材料で覆われていない材料は、従来の気体エッチング技法であるドライプラズマエッチングを用いて除去される。図４Ｂは、エッチング後のキャッピング層１２の構造を示している。エッチングされていない領域はキャッピング層１２の突出部１４を形成し、エッチングされた領域は肩部１６を形成する。突出部１４の側壁５８は、少なくとも肩部１６の表面に対してほぼ垂直である。次いで、フォトレジスト材料がキャッピング層１２の突出部１４の頂部から取り除かれて、キャッピング層１２の形成が完了する。
【００３１】
次に、上述のフォトリソグラフィープロセスをより詳細に説明する。ネガ型フォトレジスト材料５６は、露光によって不溶性になる化学物質である。露光されない領域は、フォトレジスト層の現像中に洗い流される。したがって、第１のマスクは、略不透明な領域と略透明なすなわち開口した領域と（共に図示せず）を有している。前者の領域はキャッピング層１２の肩部１６に対応し、後者の領域はキャッピング層１２の突出部１４に対応している。不透明な領域は、クロムから作られていてもよい。マスクのこの不透明な領域がフォトレジスト材料５６の上に配置されてフォトレジスト材料５６が露光されると、不透明な領域の下の領域は露光されず洗い流すことができる。開口した領域は、フォトレジスト材料の露光を行う光が通過する、マスクの開口部である。開口した領域の下にあるフォトレジスト材料は、光に反応して実質的に硬化する（すなわち不溶性になる）。フォトレジスト材料５６の層は、ドライエッチングを用いてキャッピング層１２とともにエッチングされる。エッチング後、図４Ｂに示すように、突出部１４と肩部１６とが形成される。
【００３２】
または、フォトレジスト材料はポジ型フォトレジスト材料であってもよい。上述したネガ型フォトレジスト材料とは反対に、ポジ型フォトレジスト材料は露光されないと不溶性になり、露光されると洗い流される。第１のマスクと同様であるポジ型フォトレジストと共に用いるマスクは、例えば、キャッピング層１２の同じエッチング効果を達成するよう切り換えられる、半透明でない領域と半透明の領域とを有している。
【００３３】
キャッピング層形成のサブステップ５４の後、シーケンス５０は次に導電層形成のサブ段階６０に進み、このステップにおいて、エッチングされたキャッピング層１２上に上述の導電性材料を堆積して、その上に導電層２０を形成する。導電層２０を堆積して、キャッピング層１２の頂面全体を覆う。言い換えれば、図４Ｃに示すように導電層２０を堆積して突出部１４と肩部１６との頂面を覆う。このように堆積すると、導電層２０の頂面は平坦ではなく、キャッピング層１２の突出部１４の上の位置がその周囲の領域よりも高くなる。
【００３４】
シーケンス５０は次に平坦化のサブステップ６２に進み、このステップにおいて、限定はしないが化学機械研磨（ＣＭＰ）を用いて導電層２０の頂面を平坦化する。または、エッチバックプロセスを用いて導電層２０を平坦化してもよい。しかし場合によってはそのようなエッチバックプロセスは、平坦化の前に、表面の元の形状をなぞる表面を製造する。図４Ｄに示すように、キャッピング層１２の突出部１４が露出して導電性材料でできた層２０がキャッピング層１２の肩部１６の上のみに残るようになるまで、導電層２０の表面が平坦化される。この残っている導電性材料が、第１および第２の導電トレース２２，２４を形成する。このようにして平坦化すると、導電層２０の頂面は、キャッピング層１２の突出部１４の頂面と少なくとも実質的に同一平面にある。
【００３５】
導電トレース形成ステップ５２の後、シーケンス５０は抵抗器形成ステップ６４に進み、このステップにおいて、図４Ｅに示すように、平坦化した表面の上に抵抗材料を堆積してその上に抵抗層１８を形成する。図４Ｆに示すように、抵抗層１８をパターニングしてエッチングし、その下にある第１の導電トレース２２の一部を露出する。すなわち、抵抗層１８の上にフォトレジスト材料５６を堆積し、第２のマスクを用いてマスキングし、上述のフォトリソグラフィープロセスを用いて露光して、第２のマスク上に第２のパターンを現像する。次に、ドライエッチングまたはウェットエッチングのどちらかを用いて抵抗層１８とフォトレジスト材料５６とをエッチングして、図４Ｆに示す構造を残す。そして、次の層を当該構造上に堆積する前に、抵抗層１８の上に堆積したフォトレジスト材料５６を除去する。フォトレジスト材料は最初、抵抗層１８の頂面全体を覆う。第２のマスク上のパターンは、エッチング後に第１および第２の導電トレース２２，２４を跨ぐために残っていなければならない抵抗層１８の頂面を規定するパターンである。エッチング中、抵抗層１８のうちのフォトレジスト材料５６で覆われていない領域が、エッチングによって除去される。
【００３６】
シーケンス５０は、次に導電トレースパターニングステップ６６に進み、このステップにおいて、露出した導電トレース２２をパターニングしてエッチングし、第１の導電トレース２２の端部を除去する。図４Ｇは、エッチング後に残っている第１の導電トレース２２を示している。すなわち、抵抗層１８と、第１の導電層２２のうちの露出した部分との上に、フォトレジスト材料５６を堆積し、第３のマスクを用いてマスキングし、上述のフォトリソグラフィープロセスを用いて露光して、第３のマスク上に第３のパターンを現像する。次に、ドライエッチングまたはウェットエッチングのどちらかを用いて第１の導電トレース２２とフォトレジスト材料５６とをエッチングし、図４Ｇに示す構造を残す。そして、次の層を当該構造上に堆積する前に、抵抗層１８と第１の導電トレース２２との上に堆積したフォトレジスト材料５６を除去する。
【００３７】
シーケンス５０は次にパッシベーション層形成ステップ６８に進み、このステップにおいて、図４Ｇの構造の頂面上にパッシベーション層３０を堆積して、図４Ｈに示す構造を製造する。パッシベーション層３０をパターニングしてエッチングしてからその一部を除去し、下にある第１の導電トレース２２の一部が露出されるスルーホール７０を規定するようになっている。図４Ｉは、パッシベーション層３０を貫いて第１の導電トレース２２を露出すべくエッチングによって形成されたスルーホール７０を示している。すなわち、パッシベーション層３０の上にフォトレジスト材料５６を堆積し、第４のマスクを用いてマスキングし、上述したフォトリソグラフィープロセスを用いて露光して、第４のマスク上に第４のパターンを現像する。次に、ドライエッチングまたはウェットエッチングのどちらかを用いてパッシベーション層３０をエッチングして、図４Ｉに示す構造を残す。そして、次の層を当該構造上に堆積する前に、パッシベーション層３０の上に堆積したフォトレジスト材料５６を除去する。
【００３８】
シーケンス５０は次にキャビテーション層形成ステップ７２に進み、このステップにおいて、（フォトレジスト材料を除去した状態の）図４Ｉの構造の頂面上にキャビテーション層３２とその次に金層３５とを堆積して、図４Ｊに示す構造を製造する。キャビテーション層３２はスルーホール７０を覆って、スルーホール７０の中の露出した第１の導電トレース２２と接触し、それによってこの露出した第１の導電トレース２２と電気的に接続される。同様に、キャビテーション層３２を第５のマスクを用いてパターニングしてエッチングしてからその一部を除去し、図４Ｋに示すようにキャビテーション層３２の第１の部分３４と第２の部分３６とを分離し、したがって電気絶縁するようになっている。
【００３９】
シーケンス５０は次にバリアー層形成ステップ７６に進み、このステップにおいて、（図４Ｋと同様であるがフォトレジスト材料５６を除去した状態の）図４Ｌの薄膜構造の頂面上にバリアー層３８を堆積する。上述したフォトリソグラフィープロセスを用いてバリアー層３８を処理し、発射チャンバ４０、インクチャネル４２、およびオリフィス板４４との整列に必要である場合には整列（アラインメント）構造を形成する。
【００４０】
シーケンス５０は最後にオリフィス板取付ステップ７８で終了し、このステップにおいて、バリアー層３８の頂面に適切な量の接着剤を塗布する。次に、従来のビジョンシステムまたはその他の好適なシステムの支援を受けて、バリアー層３８の上にオリフィス板４４を配置する。続いて、ステークアンドベークプロセス（stake-and-bake process）を用いてオリフィス板４４をバリアー層３８に接合する。このステークアンドベークプロセスにおいて、オリフィス板４４に圧力を加えてオリフィス板４４をバリアー層３８の上の所定位置に保持する。この圧力は、バリアー層３８の上でオリフィス板４４の配置におけるいかなる整列不良も修正する傾向を有している。
【００４１】
次に、図５および図６Ａないし図６Ｄの支援を受けて、本発明の第２の実施形態による加熱素子８０（図６Ｅ）を説明する。図５は、加熱素子８０を製造するステップのシーケンス８２を示すフローチャートである。シーケンス８２は導電トレース形成ステップ５２の導電層形成のサブステップ８４で開始され、このステップにおいて、図６Ａに示すように基板上のキャッピング層１２の上に導電層２０を形成する。次に、上述したフォトリソグラフィープロセスを用いて導電層２０の一部を除去し、図６Ｂに示す構造を得る。図６Ｂにおいてわかるように、導電層２０は、第１の導電トレース２２と第２の導電トレース２４とに分離されている。第１の導電トレース２２と第２の導電トレース２４とは、その間にある空隙８６によって分離され、互いから電気絶縁される。
【００４２】
シーケンス８２は次に空隙充填のサブステップ８８に進み、このステップにおいて、２つの導電トレース２２，２４の間のスペーサの役割を果たすフィラー材料９０で、空隙８６が完全に充填される。フィラー材料９０は、ＰＥＣＶＤを用いて堆積してもよい。フィラー材料９０は、酸化ケイ素をベースにした材料、ガラス、窒化ケイ素、およびハイブリッドのゾルゲル等であるがこれに限定されるものではない、いかなる好適な電気絶縁材料であってもよい。酸化ケイ素をベースにした材料としては、ボロフォスフォシリケート（ホウ素リンケイ酸）ガラス（ＢＰＳＧ）、フォスフォシリケートガラス（ＰＳＧ）、およびテトラエチルオルソシリケート（ＴＥＯＳ）が含まれる。図６Ｃは、フィラー材料９０によって覆われている導電層２０の頂面全体を示している。シーケンス８２は、次に平坦化のサブステップ９２に進み、このステップにおいて、ＣＭＰ等によってフィラー材料９０の頂面を平坦化して、第１および第２の導電トレース２２，２４を露出する。このようなステップ９２が完了すると、フィラー材料９０は、図６Ｄに示すように、フィラー表面の側面に位置する第１および第２の導電トレース２２，２４の隣接する表面と少なくともほぼ同一平面にある、基板１０から離れた表面を有することになる。シーケンス８２は抵抗器形成ステップ６４で終了し、このステップにおいて、厚さが少なくともほぼ均一の抵抗層１８を、物理蒸着を用いて、平坦化した表面の上に堆積する。抵抗層は、電気抵抗がフィラー材料よりも低い材料である。シーケンス５０における導電トレースパターニングステップ６６から開始する各ステップを、図６Ｅにおける構造に対して行い、図２に示すものと同様のプリントヘッドを形成してもよい。
【００４３】
好ましくは、本発明による発射素子は、（抵抗器および関連する相互接続ハードウェアに特に関連する）簡単で略平坦な内部プリントヘッド設計を有し、それによって、１つまたは複数の保護層がこのような構成要素をより効果的にカバーすることが可能となる。そして、この設計は、（抵抗器および関連する相互接続部に特に関連する）いかなる傾斜した表面も含んでいないので、抵抗器の寸法をより精密に制御することができ、発射チャンバ内に残っているバリアー層材料に関係する諸問題がある程度解消される。したがって、発射チャンバ内でのインク気泡の核形成は、傾斜した表面を有するプリントヘッド設計よりも均一になる。プリントヘッド設計用のこのような実証済みの材料を用いることによってまた、プリントヘッドの信頼性／寿命に関連する問題が確実により少なくなる。
【００４４】
本発明は、上述の実施形態において実施するものとして説明されているが、そのように限定されると解釈してはならない。例えば、説明したすべての薄膜層が必要なわけではない。いくつかの実施形態において、キャッピング層等いくらかの層を省いてもよい。
【００４５】
他の例として、導電層は、その上に抵抗層が堆積される、少なくともほぼ平坦な表面を有するものとして説明されている。このような導電性の表面は、平坦でなくてもよい。そのような場合には、導電層の平坦でない表面上に堆積される抵抗層の頂面を代わりに平坦化して、実施形態による加熱素子を得てもよい。
【００４６】
さらなる例として、導電層の２つの導電トレースの間のスペーサは、電気絶縁材料から作られているものとして述べられているが、スペーサは、２つの導電トレースを短絡しない、すなわち抵抗層内の抵抗器から相当の量の電流をそらすいかなる材料から作られていてもよい、ということが理解されなければならない。言い換えれば、スペーサ材料は、抵抗層の材料よりも抵抗が低くても、同じでも、高くてもよい。したがって、スペーサは抵抗層と同じ材料から作られていてもよい。上述のように、スペーサ材料はＢＰＳＧ、ＰＳＧ、ＴＥＯＳ、窒化ケイ素、およびその他の好適な材料であってもよい。または、スペーサは２つの導電トレースの間の空隙であってもよい。そのようなスペーサ材料であれば、一方の導電トレースから他方の導電トレースへと流れる電流が確実に、少なくとも部分的に抵抗層内の抵抗器を通って流れることになる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態による、その上にプリントヘッドを有するプリントカートリッジの斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態による、図１のプリントヘッドの一部のＸ−Ｘ線断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による図１のプリントヘッドを製造するステップのシーケンスのフローチャートである。
【図４Ａ】図３の各ステップによる製造のさまざまなステージ中の図１のプリントヘッドを順番に示す概略断面図である。
【図４Ｂ】図３の各ステップによる製造のさまざまなステージ中の図１のプリントヘッドを順番に示す概略断面図である。
【図４Ｃ】図３の各ステップによる製造のさまざまなステージ中の図１のプリントヘッドを順番に示す概略断面図である。
【図４Ｄ】図３の各ステップによる製造のさまざまなステージ中の図１のプリントヘッドを順番に示す概略断面図である。
【図４Ｅ】図３の各ステップによる製造のさまざまなステージ中の図１のプリントヘッドを順番に示す概略断面図である。
【図４Ｆ】図３の各ステップによる製造のさまざまなステージ中の図１のプリントヘッドを順番に示す概略断面図である。
【図４Ｇ】図３の各ステップによる製造のさまざまなステージ中の図１のプリントヘッドを順番に示す概略断面図である。
【図４Ｈ】図３の各ステップによる製造のさまざまなステージ中の図１のプリントヘッドを順番に示す概略断面図である。
【図４Ｉ】図３の各ステップによる製造のさまざまなステージ中の図１のプリントヘッドを順番に示す概略断面図である。
【図４Ｊ】図３の各ステップによる製造のさまざまなステージ中の図１のプリントヘッドを順番に示す概略断面図である。
【図４Ｋ】図３の各ステップによる製造のさまざまなステージ中の図１のプリントヘッドを順番に示す概略断面図である。
【図４Ｌ】図３の各ステップによる製造のさまざまなステージ中の図１のプリントヘッドを順番に示す概略断面図である。
【図４Ｍ】図３の各ステップによる製造のさまざまなステージ中の図１のプリントヘッドを順番に示す概略断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態による加熱素子を製造するステップのシーケンスのフローチャートである。
【図６Ａ】図５の各ステップによる製造のさまざまなステージ中の図５の加熱素子を順番に示す概略断面図である。
【図６Ｂ】図５の各ステップによる製造のさまざまなステージ中の図５の加熱素子を順番に示す概略断面図である。
【図６Ｃ】図５の各ステップによる製造のさまざまなステージ中の図５の加熱素子を順番に示す概略断面図である。
【図６Ｄ】図５の各ステップによる製造のさまざまなステージ中の図５の加熱素子を順番に示す概略断面図である。
【図６Ｅ】図５の各ステップによる製造のさまざまなステージ中の図５の加熱素子を順番に示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０  基板
１４  突出部
１８  抵抗層
２０  導電層
２２  第１の導電トレース
２４  第２の導電トレース
【図１】
2005219500.tif 000003
【図２】
2005219500.tif 000004
【図３】
2005219500.tif 000005
【図４Ａ】
2005219500.tif 000006
【図４Ｂ】
2005219500.tif 000007
【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
2005219500.tif 000009
【図４Ｅ】
2005219500.tif 000010
【図４Ｆ】
2005219500.tif 000011
【図４Ｇ】
2005219500.tif 000012
【図４Ｈ】
2005219500.tif 000013
【図４Ｉ】
2005219500.tif 000014
【図４Ｊ】
2005219500.tif 000015
【図４Ｋ】
2005219500.tif 000016
【図４Ｌ】
2005219500.tif 000017
【図４Ｍ】
2005219500.tif 000018
【図５】
2005219500.tif 000019
【図６Ａ】
2005219500.tif 000020
【図６Ｂ】
2005219500.tif 000021
【図６Ｃ】
2005219500.tif 000022
【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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