(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも互いに対向する上面および下面と前記上面上に配置された薄膜のスタックとを有する半導体基板を含んでなる、インクを噴出する半導体ダイを設けるステップと、
前記上面の少なくとも１つの縁に斜面を形成するよう斜面を形成するステップであって、前記斜面の下部は前記斜面の上部よりも下方にあるステップと、
少なくとも前記上面の一部と前記薄膜スタックの上および前記斜面上に、前記斜面の下部に向かって導電材料配線を配置するステップと、
前記斜面の前記上部よりも下方の所定位置において、前記導電材料配線に導線を取り付けるステップと、
前記導電材料配線の下から前記斜面の所定量の半導体をエッチングし、それによって前記導電材料配線を支持がなくても自立するようにして、前記導電材料配線と前記基板との間に空隙を導入するステップと
を含んでなる、インクジェットプリントカートリッジ用の相互接続を形成する方法。
【請求項２】
前記導線をキャリア基板に結合させるステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
インク槽を設けるステップと、
前記インク槽からインクを補うことができるキャリア基板を設けるステップと、
前記キャリア基板に溝を形成するステップと、
前記キャリア基板に形成された前記溝に前記インク噴出ダイを挿入するステップと、
前記インク噴出ダイのうちの実質的な部分を前記キャリア基板内に封止するステップと
を更に含んでなる、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１９９９年１０月２９日にMarvin Wong他のために申請され、本発明の譲受人に譲渡された、米国特許出願番号第０９／４３０，５３４号の一部継続出願である。本発明は、インクジェットのプリントヘッドに関し、より詳細には、インク噴出ダイを基板に電気的および流体的に結合する装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、様々なタイプのインクジェットプリンタが存在し、多様なプリント速度、プリントカラー、およびプリント品質が提供されている。現代のインクジェットプリンタは、写真画質の画像を作成することができ、プリント機構の製造がより安価であるため、一般的に従来技術のレーザタイプのプリンタよりも安価である。更に、熱インクジェットプリンタは、画像形成中にはプリント媒体上へのインクのデポジット以外に機械的衝撃がないので、（従来技術のインパクトプリンタと比較して）静かである。インクジェットプリンタの１タイプである熱インクジェットプリンタは、通常、プリントヘッド内に配置された多数の個々のインク噴出ノズル（オリフィス）を有する。ノズル同士は空間をおいて配置されており、プリント媒体に面している。それぞれのノズルの下には１つずつヒータ抵抗器があり、ヒータ抵抗器は、電気パルスによって通電されるとインクを熱的に運動させる。この電気パルスの結果として、ヒータ抵抗器の上方にあるインクが、ノズルを通りプリント媒体に向かって噴出される。これと同時に、ノズルがインクをプリント媒体上に噴出している状態で、プリントヘッドがプリント媒体表面を横切る。しかし高速プリンタでは、プリント媒体の方が動いて、プリントヘッドのアレイはプリント媒体に関して静止していることもある。
【０００３】
インクがプリントヘッドから噴出されると、インク滴はプリント媒体にぶつかって乾燥し、インクの「ドット」を形成する。これらのドットを一緒に合わせて見ると、プリント画像が作り出される。熱インクジェットプリントシステムの大部分は、永久的なプリンタ本体と使い捨てまたは半使い捨てのプリントヘッドとで構成されている。プリントヘッドは、半導体のダイ（以下、「ダイ」と呼ぶ）および支持基板を含む。インクは通常、プリントヘッド内に形成されたインク槽、またはプリンタに取り付けられたインク槽からプリントヘッドに供給される。後者の構成であれば、インク補充までのプリンタの動作時間を延長できる。
【０００４】
従来技術のプリントヘッドにおいて、ヒータ抵抗器とそれに付随するインク噴出ノズルとを有するダイは、基板に流体的および電気的に結合している。ダイの流体的結合は、ダイを基板に取り付けて、インクがダイの縁からまたはダイの中央からヒータ抵抗器（ダイ内に配置）に流れるようにすることによって行ってもよい。しかしダイの縁からと中央からのどちらの構成でも、インクはヒータ抵抗器に達し、プリント媒体上に噴出されるよう利用できる。ダイと基板との間では、電気的接続（相互接続）もまた行われる。
【０００５】
ダイを基板に電気的に結合するためには、その結合を通じてダイにプリント命令を供給できるような相互接続を形成することが必要である。米国特許番号第４，９４０，４１３号は、かかる相互接続を説明している。ここでは、小さなスペース内で多数の配線を一緒に相互接続することができる高密度の電気的相互接続を用いて、ダイを基板に結合している。インクジェット技術において行われ、前述の特許において説明されている、ダイの基板への電気的結合は、従来技術の集積回路パッケージングにおいて通常行われるようなダイの基板への電気的結合よりも、十分複雑である。例えば、インクが潜在的に腐食性であるために、相互接続は、ダイから噴出されるインクから隔離しておかなければならない。更に、インクのうちのある成分が導電性であって相互接続の電気的短絡を引き起こすかもしれない。第２に、相互接続は、プリンタによる連続的な振動と物理的接触にさらされている。この振動は、ひとつには、プリントヘッドがプリント媒体に関して横切って動くことによって引き起こされる。プリントヘッドとプリンタとの物理的接触は、ダイのクリーニングサイクル中に起こる。クリーニングサイクルには、周期的にダイを横切ってワイパを通すことが含まれている。このワイパは、インクの残留物その他プリント性能を低下させる可能性がある粒子を取り除く。これとは対照的に、従来技術の集積回路パッケージングにおいて用いるダイは、「パッケージ」内に完全に収容されており、その表面に接触するワイパ等の物体から隔離されている。第３に、相互接続は、コンピュータシステムのプリント要求に由来する広範囲の温度にさらされている。こういった温度は、ひとつには、ヒータ抵抗器の電気的励起の結果生じるものである。従って、ダイの温度は、急激に上昇し、その後すぐに冷却期間になることもある。ダイの熱サイクル自体が電気的相互接続を疲労させ、こわしてしまう可能性がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ダイのペン本体への電気的結合における前述した難題を解決するために、これまで多くの試みがなされ、実際今進行中であるが、改良したプリントヘッドが依然として必要とされている。かかるものとしての改良したプリントヘッドは、インクおよびプリンタのクリーニング機構から隔離された電気的相互接続と、急速な温度変化に強い電気的相互接続と、プリント媒体にごく接近して動作するインク噴出ダイとからなる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
プリントカートリッジはインク噴出ダイを含み、インク噴出ダイは更に、少なくとも互いに対向する上面および下面と、上面上に配置された薄膜スタックとを有する、基板を含む。上面の少なくとも１つの縁には斜面がついており、斜面の下部は、斜面の上部よりも下方にある。少なくとも上面の一部と薄膜スタックの上には、導電材料配線が配置されている。導電材料配線は、上面から斜面の下部に向かって延びている。斜面の上部よりも下方の所定位置において、導電材料配線に電気的な導線(electrical conductor)が結合している。プリント命令および電力は、この導線を通じてインク噴出ダイに供給される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本願の対応米国特許出願と同時係属の米国特許出願番号第０９／４３０，５３４号においてWongが説明している完全に一体化された熱（Ｆｕｌｌｙ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  ｉｎｋ  ｊｅｔ：ＦＩＴ  ｉｎｋ  ｊｅｔ）インクジェットのプリントヘッドを示す。ＦＩＴプリントヘッドは、インクジェットのダイ１０４を挿入するスロット１０３を有する基板１０２を含む。ダイ１０４は、インクを受けることができる基板１０２に電気的に結合している。基板１０２は、インク槽（図示せず）に流体的に結合したインク入口１０５を通じてインクを受ける。図１に示すように、ダイ１０４は、封止材(encapsulant)１０６を用いて基板１０２内に封止されている。封止材１０６は、電力およびプリント命令をダイに供給するのに用いる電気的相互接続１０８を、実質的に覆っている。
【０００９】
本発明の好適な実施例において、図２（ａ）に示すキャリア(carrier)基板２０２は、ダイ１０４を挿入する複数の溝２０４を含む。キャリア基板２０２は、プラスチック、セラミック、金属を含むインクを通さない材料から成っている。ダイ１０４は、封止材１０６でキャリア基板２０２内に封止されており、以後インク噴出ダイと呼ぶダイ１０４の上面が、キャリア基板２０２の上面と同一平面上（２０６）にあるようにしている。図２（ｂ）は、接着剤２０８を用いてキャリア基板２０２に取り付けられたインク噴出ダイ１０４の拡大図（インク噴出ダイ１０４の上部２１０、導電材料配線２１４を追記した詳細図）を示す。
【００１０】
図２（ｂ）に示すインク噴出ダイ１０４は、プリントヘッド上面２１０と、導電材料配線２１４が配置された、傾斜をつけた縁２１２とを含む。導電材料配線２１４は、導線２１６によってキャリア基板２０２に結合しているが、本願の対応米国特許出願と同時係属の米国特許出願番号第０９／４３０，５３４号において説明しているようなテープ自動ボンディング（ＴＡＢ）回路も用いることができる。導線２１６は、導電材料配線２１４に取り付けられた第１の端およびキャリア基板２０２に取り付けられた第２の端を含む。以下は、図３から始まる本発明の好適な実施例の製造の詳細な説明である（特に、図２（ｂ）中のインク噴出ダイ１０４の上部２１０及び縁２１２の形成方法を詳細に説明するものである）。
【００１１】
図３（ａ）は、互いに対向する上面３０３および下面３０６と、配置された誘電体膜３０４とを有する基板３０２（本発明の好適な実施例において、半導体基板が用いられる。前述の図２（ｂ）の１０４となる部分に対応する。）を示す。誘電体膜３０４は、半導体基板内に配置された電子回路（図示せず）を、次に配置する膜から絶縁する(insulate)のに役立つ。誘電体膜３０４の上には、導電層３０７が形成されて、図３（ｂ）に示すようにパターニングされる。導電層３０７は、インク噴出ダイ１０４上のさまざまな場所に電力およびプリント命令を供給することができる。導電層３０７は次に、パッシベーション層３０８（図３（ｃ））で保護(passivated)される。パッシベーション層３０８は、基板３０２の一部３１０が図３（ｄ）に示すように露出されるように、パターニングされる。
【００１２】
いったんパッシベーション層３０８がパターニングされると、図４（ａ）に示すように、光によって規定可能な(光によりパターン形成可能な：photodefinable)ポリマー４０２が基板３０２上に配置される。ポリマー４０２は、これまでに配置した各膜を実質的に覆うことができる。これまでに配置した各膜を、一般的に薄膜スタック４０６と呼ぶ。ポリマー４０２は、薄膜スタック４０６を、斜面を形成するのに用いるエッチングの化学反応(chemistry)から保護するのに役立つ。
【００１３】
斜面は、半導体基板３０２の上面３０３の少なくとも１つの縁４０８（図４（ａ））上に形成されており、図４（ｂ）に示すように、斜面４１６の下部４１０が、斜面４１６の上部４１２よりも下方にあるようになっている。本発明における斜面４１６を形成するのに用いるエッチングの化学反応はＴＭＡＨを含むが、他のアルカリ性のエッチャントも用いることができる。図４（ａ）に示すポリマー４０２は、ＴＭＡＨ溶液を通さず、従って、薄膜スタック４０６がエッチングされるのを防止する。斜面４１６の角度４１４は、半導体基板３０２の結晶面(crystallographic plane)の配向に固有のものである。斜面４１６の形成後、従来技術の方法で図４（ｂ）に示すようにポリマー４０２が取り除かれ、通路４１８が形成される。通路４１８によって、導電層３０７との接触ができる。本発明の好適な実施例において、次に、ポリイミドまたはシクロテン(cyclotene)で形成されていてもよい有機層４２０が、パッシベーション層３０８および斜面をつけた半導体基板３０２の上に配置され規定される（上述の有機層４２０は、デポジットした絶縁体を用いて形成してもよい）。図４（ｃ）に示すように、有機層４２０は、斜面とパッシベーション層の縁４２２を実質的に平坦化するのに役立つ。更に、この有機層４２０の材料は、半導体基板３０２を次の金属層から隔離する。
【００１４】
図４（ｃ）に示すように、有機層４２０に、通路４１８に隣接する一方の端４２４において傾斜をつける。斜面をつけた端４２４によって、次の金属層が、パッシベーション層３０８および有機層４２０の表面の輪郭に、より適合することができる。有機層４２０に傾斜をつけた後、好ましくはタンタル（Ｔａ）および金（Ａｕ）を含む導電材料配線２１４が、まずＴａのシード層(seed layer)５０２、次にそれよりも本質的に厚いＡｕの層５０４、という順番で、有機層４２０の上に配置される（図５（ａ））。Ｔａ層５０２およびＡｕ層５０４のパターニングおよびエッチングを行い、連続的な導電材料配線を形成する。ＴａおよびＡｕを用いるのに加えて、アルミニウム、銅、およびチタンを含む他の材料を用いて導電材料配線を形成してもよい。図５（ｂ）は、通路（薄膜スタックの上面）内から始まって介在表面(intervening surface)５０６または斜面４１６の下部４１０上で終わっている、導電材料配線２１４を示す。次に、斜面の上面４１２（図５（ｂ））よりも下方で、導電材料配線２１４に電気的相互接続２１６を結合する。この相互接続２１６は、少なくとも電力およびプリント命令をインク噴出ダイ１０４に供給する。
【００１５】
比較的高い動作電圧が必要なプリントヘッドの用途については、高誘電性(high dielectric)材料を用いて、配置する導電材料配線２１４を半導体基板３０２から分離しておくのが有利である。配置する導電材料配線２１４を基板３０２から分離するのに用いる誘電性材料の品質が低いと、導電材料配線２１４に過度の電圧が印加された場合に、その誘電性材料を通じて電流が流れてしまう（絶縁破壊）可能性がある。誘電性材料が「絶縁破壊」してしまうと、半導体基板３０２内に配置された回路が損傷を受ける可能性がある。
【００１６】
過度の電圧の主な原因は、一般的に静電気と呼ばれる摩擦電気から生じる。例えば、部屋を横切って歩く人間は、１５０００ボルトを上回る静電気を発生する可能性がある。導電材料配線２１４内へのこのように高い電圧の放電、静電放電（electrostatic  discharge：ＥＳＤ）は、プリントヘッドに永久的な損傷を与える可能性がある。現代のプリントヘッドはＥＳＤ保護回路を有してはいるが、ＥＳＤ保護回路よりも前に半導体基板の一部が高いＥＳＤ電圧にさらされれば、プリントヘッドが損傷する可能性は依然としてあり得ると思われる。
【００１７】
本発明の半導体基板３０２の一部でＥＳＤ電圧にさらされる可能性がある部分は、例えば、基板の斜面４１６に沿った部分である（図５（ｂ））。本発明の他の実施例において、半導体基板内に配置された回路へのＥＳＤによる損傷は、導電材料配線と半導体基板の傾斜をつけた部分との間に空隙を作り出すことによって、最小限にすることができる。
【００１８】
図６は、絶縁体上シリコン（ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  ｉｎｓｕｌａｔｏｒ：ＳＯＩ）５０７の基板６０２が（シリコン３０２の代わりに）用いられているということ以外は図４（ａ）に示すものと同じである薄膜スタック４０６を示す。ＳＯＩウエハーを用いる利点のひとつは、絶縁体層（酸化物）６０６によって、斜面のエッチング工程中のエッチングストップ(etch stop)が提供されるということである（図６を参照）。本発明の他の実施例において、図６に示すように、ポリマー６０４を用いて、薄膜スタック４０６を、斜面を形成するのに用いるエッチャントから保護する。いったん斜面４１６が形成されると、図７（ａ）に示すように、ポリマー６０４は取り除かれ、前述のように通路４１８が形成される。斜面を形成するのに用いたエッチング溶液は、酸化物６０６をエッチングすることはなく、従って、いったん酸化物６０６が露出すればエッチングを（垂直方向に）ストップする（図７（ａ））。次に、図８（ａ）に示すように、Ｔａ５０２およびＡｕ５０４からできたシード層が形成される。Ａｕ層５０４は、電気メッキ技術によって、Ｔａ／Ａｕのシード層の上に形成される。
【００１９】
本発明の他の実施例において、導電材料配線２１４が自立する（支持がなくても自ら支えることで、切れたり短絡しないことをいう。後述する導電材料配線２１４の下に絶縁のため空気を導入した場合においても、前記導電材料配線２１４が断線及び他の導線と短絡しないようにすることである。）のに必要な厚さを考慮してできるだけ薄くＡｕ膜５０４を保つことによって、膜応力が低減される。膜は、過度の圧縮応力を受けていると、曲がって、場合によって隣接する導電材料配線に接触する（隣接する導電材料配線を短絡する）かもしれない。圧縮応力は、次式に示すように、膜の厚さおよび長さに関係する。
σc  ＜  Ｅπ2ｔ2／１２Ｌ2
ただしＥはヤング率、πは定数、ｔは膜厚（Ａｕ）、Ｌは導電材料配線の長さである。本発明の他の実施例において、Ｌは９０から３００ミクロンの間であり、Ａｕ膜厚は３〜１５ミクロンにわたる。図８（ｂ）に示すように、電気メッキした（またはスパッタリングした）Ａｕ５０４は、斜面を横切って連続している。
【００２０】
次に、等方性ドライエッチング工程を用いて、斜面４１６を形成する半導体がエッチングされる。このドライエッチング工程は二フッ化キセノン（ＸｅＦ2）を含むが、エッチングの化学反応に六フッ化イオウ（ＳＦ6）を用いてもよい。ＸｅＦ2のシリコンおよび酸化物に対する選択比は、それぞれ１０００：１よりも大きい。このような高い選択比によって、半導体材料を導電材料配線２１４の下から取り除くのに役立つ非常に長いオーバーエッチング時間が可能になる。図９は、本発明の他の実施例を示す。図９において、導電材料配線２１４の下にある半導体材料が取り除かれ、それによって空隙９０２が作り出されている。空隙９０２内の「空気」が高誘電性材料としての役割をし、半導体基板内に配置された回路へのＥＳＤによる損傷を最小限にする。図１０は、図９の変形である本発明の他の実施例を示す。ここでは、半導体基板のうちの横方向の側面１００２全体に斜面４１６がついている（図８（ｂ）中の斜面４１６を基板３０２そのものにより形成した場合に該当する）。前述の構成と同様に、この構成によって、インク噴出ダイの上面の下で電気的相互接続ができるようになっている（図１０の相互接続１０８は、図２（ｂ）及び図５（ｂ）の導線２１６に対応）。
【００２１】
【発明の効果】
本明細書において開示した本発明の実施例は、従来技術のプリントヘッドと比較して、以下のものを含むがそれらに限定されるものではない利点を有する、丈夫なプリントヘッドを提供する。すなわち、（１）傾斜をつけたダイ上、および、プリントヘッド上面よりも下方にある傾斜をつけたダイと基板との間に電気的接続が形成される、（２）電気的相互接続が、封止材内に固められ、従って、インクによる化学的エッチングおよびプリンタが発生する振動／物理的力から保護される、（３）ダイからプリント媒体までの距離が最小限になる、および（４）斜面をつけたダイに与えるＥＳＤの影響が最小限になる、である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願の対応米国特許出願と同時係属の米国特許出願番号第０９／４３０，５３４号において説明されている従来技術の完全に一体化された熱(Fully Integrated Thermal ink jet: FIT ink jet)インクジェットのプリントヘッドの斜視図である。
【図２】（a）は、複数のインク噴出ダイがキャリア基板内に封止されている、本発明の好適な実施例を示す図である。（b）は、導電材料配線を有する、本発明の斜面をつけたダイを示す図である。
【図３】（a）〜（d）は、薄膜スタックを形成する最初の工程を示す図である。
【図４】（a）〜（c）は、通路および斜面の形成を示す図である。
【図５】（a）は、導電材料配線のデポジットを示す図である。（b）は、その上に導電材料配線が形成されるインク噴出ダイを示す図である。
【図６】絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）基板を使用する以外は図４（a）に示すものと同じである薄膜スタックを示す図である。
【図７】（a）及び（b）は、本発明の他の実施例において用いる斜面および通路の形成を示す図である。
【図８】（a）及び（b）は、斜面上および通路内に形成されている導電材料配線を示す図である。
【図９】導電金属配線がパターニングされた、本発明の他の実施例の図である。
【図１０】斜面がダイの縁のうちの大きな部分を含む、本発明の他の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１０３  スロット
１０４  インク噴出ダイ
１０５  インク入口
１０６  封止材
１０８  相互接続
２０２  キャリア基板
２０４  溝
２０６  キャリア基板の上面
２０８  接着剤
２１０  プリントヘッド上面
２１２  縁
２１４  導電材料配線
２１６  導線
３０２  半導体基板
３０３  半導体基板の上面
３０４  誘電体膜
３０６  半導体基板の下面
３０７  導電層
３０８  パッシベーション層
３１０  基板３０２の一部
４０２  光によって規定可能な(photodefinable)ポリマー
４０６  薄膜スタック
４０８  半導体基板３０２の上面３０３の少なくとも１つの縁
４１０  斜面の下部
４１２  斜面の上部
４１４  斜面４１６の角度（θ）
４１６  斜面
４１８  通路
４２０  有機層
４２２  斜面とパッシベーション層の縁
４２４  通路４１８に隣接する一方の端にある斜面部
５０２  Ｔａ層
５０４  Ａｕ層
５０７  絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）
６０４  ポリマー
６０６  埋込酸化物層
９０２  空隙
１００２  半導体基板横方向の側面部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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