(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクドロプレットを吐出するノズルを備えたインクジェット印刷ヘッドであって：
印刷ヘッドの作動を制御するために形成された集積回路を含むシリコン基板であって、その基板内に基板に沿って一又は二以上のインクチャネルを有するシリコン基板と；
シリコン基板を覆いかつインクジェットノズルボア群を有する絶縁体層あるいは層群とを備え、各ボアはそれぞれ絶縁体層あるいは層群の各リセス開口に形成され、リセス開口は前記絶縁体層あるいは層群のうちボア膜を残すようにエッチングあるいは他の材料除去法によって前記ノズルの先端に形成されたものであり、各ボアはインクチャネルに連通し；
各ボア膜は、前記ノズルからのインクドロプレットの吐出を制御するためのヒーター要素に近接して位置し、リセス開口を形成する際に各ヒーター要素が絶縁体層若しくは層からの材料によって覆われるように、前記ボアはリセス開口の形成のための材料除去工程の前に前記ボア膜に形成されたものであるインクジェット印刷ヘッド。
【請求項２】
インクドロプレットを吐出するノズルを備えたインクジェット印刷ヘッドを製造する方法であって：
印刷ヘッドの作動を制御するための集積回路を有するシリコン基板であって、その上に絶縁体層あるいは層群を有するシリコン基板を備える段階であって、絶縁体層あるいは層群がシリコン基板に形成された回路に電気的に接続された導体とノズルからのインクドロプレットの吐出を制御するためのヒーター要素とを有する段階と；
絶縁体層あるいは層群において、絶縁体層あるいは層群においてノズルの先端部に形成された各リセス開口の底部に直線状配置若しくはジグザグ状配置で、前記絶縁体層あるいは層群のうちボア膜を残すようにインクジェットボア群を形成する段階と；備え、
各ボアは前記ボア膜においてヒーター要素に近接した位置に形成され、
インクがインクチャネルからボアへ流れ、さらに前記リセス開口に入って該リセス開口から吐出されるようにする、インクジェット印刷ヘッドを製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デジタル制御印刷装置の分野に関するものであり、特に、単一基板上に多重ノズルを集積し、熱加工手段によって印刷のために液体のドロップが選択される液体インク印刷ヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
インクジェット印刷は、非衝撃、低ノイズ特性、及びシステムの単純さのために、デジタル制御電子印刷分野において傑出した競争者として認識されている。このため、インクジェットプリンタは、家庭（ホーム）での使用やオフィスでの使用等において商業的に成功を収めている。
【０００３】
インクジェット印刷機構は連続（ＣＩＪ）で又はドロップオンデマンド（ＤＯＤ）でのいずれかとし分類することができる。１９７０年にカイザー (Kyser) らに特許された米国特許第3,946,398号は、圧電性結晶に高電圧を印加し、それによって、結晶を曲げ、インク溜めに圧力を付与し、要求されたドロップを噴出するＤＯＤインクジェットプリンタを開示している。圧電性ＤＯＤプリンタは、ホーム用及びオフィス用の720dpi以上の画像（イメージ）解像度では商業的に成功を収めている。しかしながら、インクジェット印刷機構は通常、複雑な高電圧駆動回路とかさばった圧電性結晶アレイとが必要となり、それらは印刷ヘッドの長さと同様に、印刷ヘッドの単位長さ当たりのノズル数において不利である。
【０００４】
１９７９年のエンドー (Endo) らに特許付与された英国特許第2,007,162号には、ノズルの水性インクに熱接触するヒーターに電力パルスを付与する電熱ドロップオンデマンドインクジェットプリンタを開示している。少量のインクはすぐに蒸発し、インクドロップをヒーター基板のエッジに沿って小口径から射出させることになるバブルを形成する。この技術は、熱インクジェットあるいはバブルジェット（登録商標）として公知である。
【０００５】
熱インクジェットプリンタは通常、ヒーターが、バブルの迅速な形成の起因となる400℃近傍の温度までインクを加熱するのに十分なエネルギーパルスを生成する。この装置に必要な高温は特別なインクの使用を必要とし、駆動エレクトニクスを複雑にし、キャビテーション（cavitation）及びコゲーション（kogation）を介してヒーター要素の劣化を促進する。コゲーションとは、飛散物（debris）でヒータを覆うインク燃焼副産物の蓄積である。このような飛散物の塊はヒーターの熱効率を低下させ、それにより印刷（印字）ヘッドの運転寿命を短縮する。さらに、各ヒーターの高い活動電力消費は、製造コストの低下で高速でページワイド印刷ヘッドの製造を妨げる。
【０００６】
連続インクジェットプリンタそれ自体は少なくとも１９２９年まで遡る。その年にハンセル (Hansell)らに特許付与された米国特許第1,941,001号明細書を見られたい。
【０００７】
１９６８年３月にスィート (Sweet) らに特許付与された米国特許第3,373,437号明細書は、印刷されるインクドロップが選択的に荷電され、記録媒体へ偏向させる連続的なインクジェットノズルのアレイを開示している。この技術は、バイナリ偏向連続インクジェット印刷として公知であり、エルムジェット（Ｅｌｍｊｅｔ）及びサイテックス（Ｓｃｉｔｅｘ）を含む複数の製造者によって用いられている。
【０００８】
米国特許第3,416,153号明細書は、１９６８年１２月にハーツ (Herts) らに特許付与されたものである。この特許は、連続インクジェット印刷において可変光学密度の印刷（印字）スポットを実現する方法を開示している。荷電されたドロップストリーム（流れ）の静電気分散は、小口径を通って通過するドロプレット（小滴）の数を変調するように働く。この技術は、アイリス（Ｉｒｉｓ）製のインクジェットプリンタにおいて使用されている。
【０００９】
“METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING THE ELECTRIC CHARGE ON DROPLETS AND INL JET RECORDER INCORPORATING THE SAME”の発明の名称の米国特許第4,346,387号明細書は、１９８２年１０月２４日ハーツに特許付与されたものである。この特許では、ドロプレット上の静電荷を制御するＣＩＪシステムを開示している。ドロプレットは、電界を有する静電荷電トンネル内に配置したドロップ形成点において、加圧された液体ストリームを分割（分断）することによって形成される。ドロップ形成は、所望された所定の電荷に対応する電界におけるある点で行われる。トンネルを荷電するのに加えて、偏向プレートはドロップを実際に偏向するのに用いられる。ハーツシステムでは、生成されたドロプレットが荷電され（電荷を与えられ）、次いで、のど空き（gutter）へあるいは印刷媒体上へ偏向されることが必要とされている。荷電及び偏向機構はかさばり、印刷ヘッド当たりのノズル数を厳しく制限する。
【００１０】
最近まで、従来の連続インクジェット技術は全て、様々な態様で、ドロップがストリームにおいて形成される点の近傍に配置した静電荷電トンネルを利用していた。トンネルでは、個々のドロップが選択的に荷電されてもよい。選択されたドロップは荷電され、大きなポテンシャル差を有する偏向プレートの存在によって、下流に偏向される。のど空き（“キャッチャー”とも称する）は通常、荷電ドロップを遮断し、非印字モードを確立するために用いられ、一方、非荷電ドロップは印字モードで記録媒体に自由に衝突し、こうして、インクストリーム（流れ）は“非印刷”モードと“印刷”モードとで偏向する。
【００１１】
通常、連続ジェットプリンタにおける荷電トンネルとドロップ偏向プレートは、従来型のＣＭＯＳ回路に共通して損害を与えると考えている電圧、通常、25ボルトあるいはそれ以下に比べて、大きな電圧例えば１００ボルトあるいはそれ以上で作動する。また、静電式連続「インクジェットプリンタにおけるインクを導電性にし、電流を運ぶようにする必要がある。従来の半導体製造において周知のように、信頼性の観点から、半導体表面に接触する電流を運ぶ液体を通すのは望ましくはない。
【００１２】
最近、上述の静電気荷電トンネルを不要とする新規な連続インクジェットプリンタシステムが開発された。また、それは、(1)ドロプレット形成と(2)ドロプレット偏向の機能をよりよく結合するように働く。このシステムは、チョレック（Chwalek）らによって出願された“CONTINUOUS INK JET PRINTER WITH ASYMMETRIC HEATING DROP DEFLECTION”の発明の名称の米国特許出願第6,079,821号明細書において開示されている。この内容は本明細書の内容に組み込まれている。この特許では、連続インクジェットプリンタにおけるインク制御装置を開示している。装置は、インク送り出しチャネルと、該インク送り出しチャネルに連通する圧縮インク源と、インク送り出しチャネルに開口したボアを有するノズルとを備える。ここで、インクの連続ストリームはインク送り出しチャネルから流れ出る。ヒーターによりストリームに弱い熱パルスを周期的に印加すると、インクストリームは、印加熱パルスに同期してかつノズルから離間した位置に複数のドロプレットに分解される。ドロプレットは、（ノズルのボアにおける）ヒーターから増加した熱パルスによって偏向する。ヒーターは選択的に起動されたセクション、例えば、ノズルのボアの一部に関連するセクションを有する。特定のヒーターセクションの選択起動は、ストリームへの熱の非対称（異方的）印加と称せされるものを連続させるものである。この非対称に熱が印加されて、とりわけ“印刷”方向（記録媒体上へ）と“非印刷”方向（“キャッチャー”へ戻る方向）との間のインクドロップを偏向するように作用する方向を、セクションを交互にすることによって交互にすることができる。チョレックらの特許は、印刷ヘッド当たりのノズルの数、印刷ヘッド長、電力使用及び役に立つインクの特性に関する従来の問題を克服する方向に大きく改善された液体印刷システムを提供する。
【００１３】
非対称な熱の印加はストリームの偏向につながり、その大きさは、複数の要因、例えば、ノズルの幾何学的配置及び熱的特性、付加された熱の量、印加された圧力、及び、インクの物理的・化学的・熱的特性に依存する。溶剤（特にアルコール）インクは非常によい偏向パターンを有し（この点は、トラウニヒト（Trauernicht）らに出願された米国特許第6,247,801号明細書を参照されたい）、異方加熱がされた連続インクジェットプリンタにおいて高い画像品質をを実現するが、水性インクはさらに問題である。水性インクはあまり偏向しないが、その作動はしっかりしていない。デラメッター（Delametter）らに出願された欧州特許出願第1,110,732号公開公報において、連続インクジェット異方加熱印刷システム内においてインクドロプレット偏向の大きさを改善するために、インク送り出しチャネル内の幾何学的障害物によって、エンハンスされた面方向フロー特性を提供することによって、特に水性インクに対して、インクドロップ偏向を有する連続インクジェットプリンタが開示されている。
【００１４】
ここに記載される発明は、低コストメーカーに対して適した連続インクジェット印刷ヘッドを製造することによって、または、好適にはページワイドで作ることができる印刷ヘッドに対して、チョレックらやデラメッターらの仕事をもとにするものである。
【００１５】
本発明は、ページワイド印刷ヘッドとは考えられないインクジェット印刷ヘッドを用いたものであるが、改善されたインクジェット印刷システムに対して必要と広く認識され、例えば、コスト、サイズ、速度、品質、信頼性、小さなノズルオリフィスサイズ、小さなドロップサイズ、低電力使用、作動における構成の単純さ、耐久性、及び、製造能力に関して利点を備えるものである。この点では、ページワイド高分解能インクジェット印刷ヘッドを製造する能力について特に必要性がある。ここで使用するように、“ページワイド”の語は約4インチの最小長さの印刷ヘッドを称している。高解像度は、各インクカラーに対して、単位インチ当たり最小約300個のノズルから単位インチ当たり最大約2,400個のノズルのノズル密度を意味する。本発明は、ＤＯＤ印刷ヘッドで使用してもよい。
【００１６】
印刷速度の増大に対してページワイド印刷ヘッドを十分活用するために、印刷ヘッドはかなりの数のノズルを含んでいる。例えば、従来の走査型印刷ヘッドは、一インクカラー当たり数100個のノズルを有するに過ぎなかった。写真の印刷に適した4インチページワイド印刷ヘッドは、数1000個ものノズルを有する。印刷ヘッドが１ページにわたってそれを機械的に動かす必要性のためにゆっくり走査される間、ページワイド印刷ヘッドは静止しており、紙が移動して印刷ヘッドを通り過ぎていく。画像は理論的には、一回のパス（通過）で印刷することができ、それにより、実質的に印刷速度を増大する。
【００１７】
ページワイドの高生産性のインクジェット印刷ヘッドの実現には２つの大きな困難がある。第１に、ノズルがセンター−センター間距離で10μｍから80μｍのオーダーで互いに隣接して配置しなければならない。第２には、ヒーターに電力を供給するドライバと各ノズルを制御するエレクトロニクスとを各ノズルに集積しなければならない。というのは、外部回路への数1000個のボンドあるいは他のタイプの接続部を作る試みは現在はまだ実現が困難だからである。
【００１８】
これらのチャレンジに対処する一方法は、ＶＬＳＩ技術を利用してシリコンウェハー上に印刷ヘッドを形成し、同じシリコン基板上のＣＭＯＳにノズルを集積することである。
【００１９】
シルバーブロック（Silverbrook）に特許付与された米国特許第5,880,759号明細書に提案されたカスタムプロセスは印刷ヘッドを形成するために開発されたが、コスト及び製造能力の観点から、従来のＶＬＳＩ設備でほぼ標準ＣＭＯＳプロセスを用いて回路を最初に形成し、次いで、ノズル及びインクチャネルの形成のために別のＭＥＭＳ（ミクロ電子機械システム）設備でウェハーの後処理を行うのが好ましい。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、よりカスタム処理を必要とする従来公知のインクジェット印刷ヘッドと比較して、低コストでかつ改良された製造能力で製造されるＣＩＪ印刷ヘッドを提供することである。
【００２１】
本発明の他の目的は、ヒーターの下で流体に横方向フロー（流れ）成分を付与するのに適した構造を特徴とするＣＩＪ印刷ヘッドであって、それによってジェットが同じ熱量に対してより大きく偏向されるＣＩＪ印刷ヘッドを提供することである。
【００２２】
本発明の第１の態様は、インクジェット印刷ヘッドが、印刷ヘッドの作動を制御するための集積回路を含むシリコン基板であって、その基板内に基板に沿って一又は二以上のインクチャネルを備えたシリコン基板と；シリコン基板を覆いかつインクジェットノズルボア群を有する絶縁体層あるいは層群であって、各ボアはそれぞれ絶縁体層あるいは層群の各リセス（凹所）に形成され、リセスはエッチングあるいは他の材料除去法によって形成され、各ボアはインクチャネルに連通する絶縁体層あるいは層群とを備え；各ボアは、リセスの形成のために材料除去工程の前に形成されたヒーター要素に近接して位置し、それによって、リセスを形成する際に、各ヒーター要素が絶縁体層若しくは層からの材料によって覆われているインクジェット印刷ヘッドである。
【００２３】
本発明の第２の態様は、インクジェット印刷ヘッドを作動する方法であって、シリコン基板に形成されたインクチャネルにおける圧力の下で液体インクを供給する段階であって、シリコン基板は印刷ヘッドの作動を制御するための集積回路群を有する段階と；インクドロプレットの形成及び／又は偏向に影響を与えるためにノズル開口でインクを非対称に加熱する段階であって、各ノズル開口はインクチャネルに連通すると共に、ノズル開口は所定の方向に延びるアレイとして配置される段階と；を備え、各ノズル開口がシリコン基板を覆う絶縁体層あるいは層群における各リセスに形成され、ヒーター要素は各ノズル開口に関連しかつリセスに位置するンクジェット印刷ヘッドを作動する方法である。
【００２４】
本発明の第３の態様は、インクジェット印刷ヘッドを製造する方法であって、印刷ヘッドの作動を制御するための集積回路を有するシリコン基板であって、その上に絶縁体層あるいは層群を有するシリコン基板を備える段階であって、絶縁体層あるいは層群がシリコン基板に形成された回路に電気的に接続された導体とヒーター要素を有する段階と；絶縁体層あるいは層群において、絶縁体層あるいは層群における各リセスに直線状に若しくはジグザグ状にインクジェットボア群を形成する段階と；備え、各ボアはヒーター要素に近接した位置に形成されるインクジェット印刷ヘッドを製造する方法である。
【００２５】
本発明のこれらの目的及び他の目的、特徴及び利点は、本発明の例示的に示して表した図面を参照すると、以下の詳細の説明のよって当業者には明らかである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本明細書は、本発明の主要部を特に指摘しかつ明白に主張するクレームを説明するが、添付図面を参考にした以下の詳細な説明から本発明をより深く理解されるはずである。
図１は、本発明により構成された印刷ヘッドの概略部分平面図である。
図１Ａは、本発明によるＣＩＪ印刷ヘッド用の“ノッチ”型ヒーターを有するノズルの概略平面図である。
図１Ｂは、本発明によるＣＩＪ印刷ヘッド用のスプリット型ヒーターを有するノズルの概略平面図である。
図２は、“ノッチ”型ヒーターを有するノズルの断面図であって、非偏向ドロプレットを捕捉するためのガッタの作動を示す図である。
図３は、図１ＡのＡ−Ｂ線に沿った概略断面図であり、本発明によるＶＬＳＩＣＭＯＳ設備の製造シーケンスの端部におけるノズル領域を図示する図である。
図４は、本発明によって製造したＣＭＯＳ互換ノズルのＡ−Ｂ線に沿った概略断面図である。
図５は、図４に示したノズルの斜視図であり、シリコン基板を通って延びる中央チャネルを示す図である。
図６は、図５と同様な図であるが、各ノズルを分離しかつ構造強度を向上すると共にインクチャネルにおける波作用を低減する、シリコンウェハーに形成され本発明に対応したリブ構造を示す図である。
図７は、図４と同様な図であるが、図６で図示したシリコンウェハーに形成されたリブ構造を示す図である。
図８は、ノズルの小アレイを有するインクジェット印刷ヘッドの概略平面図であって、隣接アレイ間のインクチャネルにシリコンリブと、本発明の他の実施形態によるシリコン基板型横方向フローブロッキング構造とを示す図である。  リブ構造とブロッキング構造とはこの方向では実際には見えないが、図示する目的で示している。
図９は、図８で示した実施形態の斜視図であり、シリコンリブ構造とシリコン横方向フローブロッキング構造とを有するインクジェット印刷ヘッドを示す図である。
図１０は、図９で図示した実施形態による横方向フローに対するシリコンブロッキング構造の画定後に、図１Ａのノズル領域におけるＡ−Ａ線に沿った概略顔面図である。
図１１は、ブロッキング構造の頂部のシリコンを除去するために“足止め”効果を用いた場合、横方向フロー用のシリコンブロックを画定後、図１Ａのノズル領域のＢ−Ｂ線に沿った概略断面図である。
図１２は、頂部形成法を用いた場合、横方向フロー用のシリコンブロックを画定後、ノズル領域のＢ−Ｂ線に沿った概略断面図である。
図１３は、連続インクジェット印刷ヘッド及びノズルアレイの例をインクジェット印刷ヘッドの下のプリンタ媒体（例えば、紙）ロールと共に示した概略図である。
図１４は、本発明によって形成され、インクが送られる支持基板上に備えたＣＭＯＳ／ＭＥＭＳ印刷ヘッドの斜視図であり；
図１５は、シリコン基板を被覆する絶縁層あるいは層群におけるリセス（凹所形成）開口におけるそれぞれの位置を示すノズルボア群の概略図である。
【００２７】
この説明は特に、本発明による装置の一部を形成し、あるいは、その装置と直接協働する要素を対象にする。特に示されていないかあるいは記載されていない要素は、当業者には周知の様々な態様をとってもよいことは理解されたい。
【００２８】
図１３には、符号１０で連続インクジェットプリンタシステムを示している。印刷ヘッド１０ａは、そこからノズル２０のアレイが延伸しているが、ヒーター制御回路が組み込まれている（図示せず）。
【００２９】
ヒーター制御回路は画像メモリからデータを読み、ノズルアレイ２０のヒーターに時系列電気信号を送る。これらのパルスを適当な長さの時間の間、適当なノズルに印加され、それによって、画像メモリから送られたデータに指示された適当な位置において、連続インクジェットストリームから形成されたドロップが記録媒体１３上にスポットを形成する。加圧されたインクは、インク溜まり（図示せず）から基板１４において形成されたインク送り出しチャネルへ進み、ノズルアレイ２０を通って記録媒体１３あるいはのど空き１９のいずれか上に進む。インクのど空き１９は偏向されてないインクドロプレット１１を捕捉するように構成され、一方、偏向されたドロプレット１２が記録媒体に達するようになっている。図１３の連続インクジェットプリンタシステムの一般的な説明は、本発明のプリンタシステムについての一般的な記載として用いるためにも適している。
【００３０】
図１には、本発明によるインクジェット印刷ヘッドの平面図を示している。印刷ヘッドは、ライン状にあるいはジグザグに配置されたノズルアレイ１ａ−１ｄを備える。各ノズルは、それぞれ論理回路とヒーター駆動トランジスタ（図示せず）を含む論理ＡＮＤゲート２ａ〜２ｄによってアドレス指定される。各データ入力ライン３ａ〜３ｄについての各信号と、論理ゲートに接続される各イネーブルクロックライン５ａ〜５ｄとが共に論理１（ＯＮＥ）であるならば、論理回路は各ドライバトランジスタをオンにする。さらに、イネーブルクロックライン（５ａ−５ｄ）上の信号が、特別のノズル１ａ−１ｄにおけるヒーターを介して電流の継続時間を決定する。ヒータードライバトランジスタを駆動するデータを、データシフトレジスタ６に入力される処理された画像データから得てもよい。ラッチクロックに応答するラッチレジスタ７ａ−７ｄは、各シフトレジスタステージからのデータを受け、ドットがレシーバ（受像媒体）上に印刷されるか否かいずれかを表す各ラッチ状態信号（論理１あるいはゼロ（ＺＥＲＯ））を表すライン３ａ−３ｄ上の信号を提供する。第３のノズルでは、ラインＡ−ＡとＢ−Ｂとは、図１Ａ及び図１Ｂに示した断面の方向を画定するものである。
【００３１】
図１Ａ及び図１Ｂは、ＣＩＪ印刷ヘッドで用いられる２つのタイプのヒーター（“ノッチ型”あるいは“スプリット型”の各々）の詳細な平面図である。それらは、ジェットの非対称加熱を生成し、インクジェット偏向を引き起こす。非対称な熱付与は単に、スプリット型ヒーターの場合で独立にヒーターのどこかのセクションに電流を供給することを意味する。ノッチ型ヒーターに電流が付与されたノッチ型ヒーターの場合は本来的に、メニスカスの非対称加熱を含む。図１Ａに、ノッチ型ヒーターを有するインクジェット印刷ヘッドノズルの平面図を示す。ヒーターは、ノズルの出口近傍に形成する。ヒーター要素材料は、電気的な開通が可能な程度の十分な非常に小さな切り欠き型領域を除いては、実質的にノズルボアを囲む。これらのノズルボア及び関連ヒーター構成は環状に示されているが、米国特許第6,203,145号明細書においてジーンマリーらによって開示されているように非環状であってもよい。図１を参照すると、各ヒーターの一の側は、通常＋５ボルトの電源に接続される共通バスラインに接続される。各ヒータの他の側は、30mAまでの電流をヒーターに送ることができるＭＯＳトランジスタドライバをその内側に備える論理ＡＮＤゲートに接続される。ＡＮＤゲートは２つの論理入力を有する。一の論理入力は、現在のライン時間の間あるいはのそれ以外の時間に特定ヒーターが起動されるか否かを示す各シフトレジスタ段階からの情報を得るラッチ７ａ−７ｄからのものである。他方の入力は、特定ヒーターに付与されるパルスの時間の長さ及びシーケンスを決定するイネーブルクロックである。通常、印刷ヘッドには２又は３以上のイネーブルクロックがあり、それによって、隣接ヒーターはわずかに異なる時間に起動して熱及び他のクロストーク効果を回避することができる。
【００３２】
図１Ｂでは、スプリット型ヒーターであって、出口開口近傍のノズルボアの回りの実質的に２つの半導体ヒーター要素を有するヒーターを備えたノズルを示している。独立した導体を、各半円の上部及び下部セグメントに備えている。この場合には、上部及び下部とは、同じ面における要素（部材）を意味することは理解されたい。これらの導体のそれぞれに関連した金属層に導体を電気的に接触するビアを備える。これらの金属層は、以下に記載するようにシリコン基板上に形成された駆動（ドライバ）回路に接続されている。
【００３３】
図２には、ドロプレットを偏向するかあるいは偏向しないように作動する作動ノズルの概略断面図を示す。上述のように、ノズルの下にはインクを供給するインクチャネルを有する。このインク供給は、約8.8μｍのボア直径に対して通常15psiから25psiの間の圧力下で、4センチポアズ若しくはそれ以下の粘度を有する通常のインクを用いて行う。送りチャネルのインクは加圧された溜まり（図示せず）から放出され、圧力下でチャネルにインクを流す。この圧力は、ノズルから流体流れをインク圧調整器（図示せず）を使用して、定圧を確保している。ヒーターへの電流の流れ込みなしで、のど空きへ真っ直ぐに直接流れ込むジェットが形成する。印刷ヘッドの表面では、ボアより直径が数μｍ大きい各ノズルの回りに対称なメニスカスが形成する。ヒーターに電流パルスを印加すると、加熱側のメニスカスが引かれ、ジェットがヒーターから離間するように偏向する。形成するドロプレットは次いで、のど空きを迂回してレシーバに達する。ヒーターを通る電流をゼロに戻すと、メニスカスは再び対称となり、ジェット方向は直線である。装置（デバイス）は容易に逆に作動し、すなわち、偏向したドロプレットはのど空きへ向かい、偏向していないドロプレットを有するレシーバ上に印刷がされる。また、一の線上に全ノズルを有することは必要不可欠というわけではない。ジグザグのノズル配置を反映するジグザグエッジを有するものより、実質的に真っ直ぐのエッジののど空きを作ることがより容易である。
【００３４】
通常の作動では、ヒーターの抵抗は約400オームのオーダーで、電流は10ｍＡから20ｍＡであり、パルス継続時間は約2マイクロ秒であり、純水に対する偏向角は数度のオーダーであり、この点については、“Continuous Ink Jet Print Head Power-Adjustable Segmented Heater”の発明の名称の米国特許第6,213,595号明細書、及び、“Continuous Ink Jet Print Head Having Multi-Segment Heaters”の発明の名称の米国特許第6,217,163号明細書を参照されたい。
【００３５】
周期的電流パルスの印加によって、印加パルスに応じて、ジェットを同時のドロプレットに分解することになる。これらのドロプレットは、印刷ヘッドの表面から約100μｍから200μｍ離れ、8.8μｍの直径で、約2マイクロ秒幅で、200kHzパルス率であり、これらは通常3pLから4pLのサイズである。形成されるドロップの体積はパルス周波数、ボア径、及び、ジェット速度のの関数である。ジェット速度は、上述のような所定のボア径及び流体粘度に対して印加圧力によって決まる。ボア径は、1μｍから100μｍの範囲であり、好ましくは6μｍから16μｍの範囲であってもよい。従って、ヒーターパルス周波数は所望のドロップの体積を得るように選択する。
【００３６】
図３において示す線Ａ−Ｂに沿った断面図は、印刷ヘッドの形成の不完全な段階であって、ＣＭＯＳ回路がすでに形成された同じシリコン基板上にインクチャネルが後で形成される集積される段階を示している。
【００３７】
前述のように、まずシリコンウェハー上に一又は二以上の集積回路としてＣＭＯＳ回路を形成する。ＣＭＯＳプロセスは、6インチ直径ウェハー上にポリシリコンの２つのレベルと金属の３つのレベルとを組み込んだ標準0.5μｍ混合信号プロセスであってもよい。ウェハー厚は通常675μｍである。図３には、このプロセスは、ビアに内部接続するように示した３層の金属によって表している。また、ポリシリコンレベル２と金属レベル１へのＮ+拡散及び接触とを、シリコン基板における能動回路を示すために描いている。ＣＭＯＳトランジスタのゲートは、ポリシリコン層のうちの一の層から形成してもよい。
【００３８】
金属層を電気的に絶縁する必要性のため、シリコンウェハー上の膜の全膜厚が約4.5μｍになるように、それらの金属層間に誘電体層を堆積する。
【００３９】
図３で示した構造は基本的には、図１で示したような制御要素を提供するために、必要なトランジスタと論理ゲートとを提供する。また、本発明では、ＣＭＯＳ工程はポリシリコン層をノズル開口でインクを非対称に加熱するためにヒーター要素として備える。さらに、この段階はＶＬＳＩＣＭＯＳ処理と互換性を有するので、ボア上方にリセスを、ボンドパッド上方に酸化物／窒化物なくをエッチングするのと同時にエッチングし、ボアをフォトリソグラフィで画定し、続いてエッチングする。
【００４０】
従来のＣＭＯＳ形成段階の結果として。厚さ約675μｍで直径6インチ直径のシリコン基板を得る。より大きめのあるいは小さめの直径のシリコンウェハーを同様に用いることができる。周知のように、これらのトランジスタを形成するためには、様々な材料に選択的に堆積する従来の方法を通して、シリコン基板には複数のトランジスタには、複数のトランジスタを形成する。一又は二以上のポリシリコン層と所望のパターンに対応してそこに形成された金属層とを有する酸化物／窒化物絶縁層を形成することになる一連の層がシリコン基板の上に支持される。必要に応じて種々の層の間にビアを備え、ボンドパッドにつながる。データと、ラッチクロックと、イネーブルクロックと、印刷ヘッドに隣接して取り付けられた回路ボードから供給されたパワーとをそれぞれ接続するために、様々なボンドパッドを備えている。。唯一個のボンドパッドを示しているが、多重ボンドパッドがノズルアレイに形成されることは理解されたい。図３で示したように、酸化物／窒化物絶縁層は約4.5μｍ厚である。図３で示した構造は基本的には、図１で示した制御コンポーネントを備えるために、シリコンウェハー上のノズル構造と共に、必要な内部接続、トランジスタ、及び、論理ゲートを備える。
【００４１】
図４に示したように、ボア上のリセス開口は、ボア径、付加した抵抗の量、及び、耐えうるエネルギー散逸に依存して種々の寸法及び形状を有してもよい。付加された抵抗は、金属及びビアからボア端部のヒーターまで延びていることを要するポリシリコンの長さで決まる。正味の効果がリセス開口がボアの直径で10μμｍ大きい寸法からボアの直径で100μｍ大きい寸法の範囲となるような一の形状は、円筒形のリセス開口である。当然ではあるが、リセス開口は、隣接ノズルに当たるほど、また、金属層及びビアの一定性を損じるほど大きくすることはできない。通常の8.8μｍ径のボアに対して、リセス開口は通常22μｍ径である。
【００４２】
本発明の他の実施形態としては、リセス開口が円形でないものが挙げられる。印刷ヘッドの平面概略図である図１５に示したように、リセス開口はほぼ楕円形であり、楕円の長い対称方向（最長の直径）に沿って楕円の中心を通って引いた線はノズル列を通って引いた線に対して直交するように、配向している。このリセス開口内に流体が蓄積した場合には、このリセス開口の伸長はこのような流体に対してより広いスペース若しくはボリュームを提供し、それによって、ノズルの作動の際のこのような流体の蓄積の衝撃を最小にし、ノズル列に沿って高いノズル密度を可能とする。このリセス開口に対して、楕円は多くの細長で対称の形状の一つであり、楕円はリセス開口の形状に対する限定を意味していない。
【００４３】
リセス開口の形状に関わらず、リセス開口の深さは典型的な1.0μｍのボア膜厚となるように典型的には約3.5μｍ深さである。このリセスボア開口は、3.5μｍ厚から1μｍ厚の範囲のボア膜厚となるように、深さ1μｍから深さ3.5μｍの範囲であってよい。当然、シリコンアレイに沿って、多くのノズルボアを同時にエッチングされることは理解されたい。埋め込まれたヒーター要素は効果的には各ノズルボアを有効に包囲し、ボアにおいてインクドロップを加熱するヒーターの温度条件を低下するノズルボアに近接する。
【００４４】
この点で、シリコンウェハーをＣＭＯＳ装置から取り出される。まず、ウェハーは675μｍの初期厚から約300μｍの厚さに薄くする。次いで、インクチャネルを開口するためのマスクをウェハーの裏面に付け、次いでシリコンをＳＴＳエッチシステムで、シリコンのおもて面までエッチングする。ウェハーの裏におけるインクチャネル開口の、ウェハーのおもてにおけるノズルアレイへの位置合わせは、カール・ズース（Karl Suss）１Ｘアライナーシステムのようなアライナーシステムを用いて行ってもよい。
【００４５】
図５には、シリコン基板に形成されたインクチャネルを、ノズルアレイの下の中央を延びる矩形キャビティとして図示している。しかしながら、ダイの中央の長いキャビティは、パッケージの間等にアレイが捻れ応力を受けたときに、膜が破損するように、印刷ヘッドアレイを構造上弱くしがちである。また、印刷ヘッドに沿って、低周波圧力波によるインクチャネルでの圧力変動はジェットジッターを起こしやすい。改良された設計のものについて記載する。この改良された設計では、インクチャネルのエッチングの間、ノズルアレイのノズル間のシリコンブリッジ若しくはリブの背後に残るものである。これらのブリッジは、シリコンウェハの裏からシリコンウェハのおもてにわたって延びている。従って、ウェハーの裏に画定されたインクチャネルパターンは、ノズル列の方向に平行に延びる長方形リセスではないが、その代わり、それぞれが単一ノズルを供給する小さめの矩形キャビティ群である。図６及び図７を参照されたい。これらのリブの使用によって、印刷ヘッドを構造上弱くしがちな上述のダイの中心では長いキャビティとは対照的にシリコンの強度が改善される。リブ若しくはブリッジは、上述のようなジェットジッターを生じ得る低周波圧力波のために、インクチャネルにおける圧力変動を低減する傾向がある。この例では、各インクチャネルはノズル列方向に沿って20μｍ、ノズル列を横切る方向及び好ましくはノズル列に直交する方向に120μｍの矩形となるように形成される。
【００４６】
ＣＩＪ印刷システムにおける上述のように、ジェットストリーム偏向は、軸方向の運動量より横方向の運動量を有するノズルのボアに入るインク部分を増加することによって大きくなるのが望ましい。ノズルボアの直下の各ノズルアレイの構造体の中心にブロックを作り上げることによって軸方向運動量を有する流体のいくらかを塞ぐことによって、それを達成することができる。
【００４７】
本発明の他の実施形態の方法は、上述のようにリブ構造を有するノズルアレイを形成するものであって、図８−図１２に図示したような横方向フロー構造を特徴とするものである。
【００４８】
図１０には、Ａ−Ａ線に沿って得た断面図は横方向フロッキング構造とシリコンリブとを示している。Ｂ−Ｂ線に沿った断面図を図１１に示す。シリコンフロッキング構造を形成する第１の方法は、“足止め”と呼ばれるＳＴＳエッチシステムの現象に依存している。また、シリコンエッチングはシリコン／二酸化シリコン界面に達するときに、酸化物の帯電及び横方向に反応性シリコンエッチングイオンを入射する際の偏向のために、高速横方向エッチングが生ずる。この高速横方向エッチは約5μｍ延びる。次いで、ウェハーを従来のプラズマエッチチャンバに載置し、ボアの中央のシリコンを約3μｍから約6μｍの範囲の距離について異方的に下方に、通常は約5μｍ下方に異方的にエッチングされる。図１０及び図１１は出来上がった構造の断面図を示している。図１１では、平行線模様を入れた領域は、シリコンが除去されて、シリコン基板に形成された第１のインクチャネルとノズルボアとの間のアクセス開口を備えた部分を示している。
【００４９】
第２の方法は“足場”効果に依存しないものである。その代わり、ボアにおけるシリコンをウェハーのおもて面から、約3μｍから約6μｍの範囲の距離について通常は約5μｍ等方的にエッチングする。次いで、異方的エッチングによって、シリコンを横方向に除去すると共に、図１２に断面で示したシリコンを垂直に除去し、インクチャネルとボアとの間の流体接触を容易にする。このアプローチでは、ブロッキング構造は、シリコンの平行線模様を入れた領域を除去する、頂部からエッチバックする形成法を反映して短い。
【００５０】
図１１及び図１２に概略的に示したように、ボアへ流れ込むインクは、ドロップレットの偏向を向上するために所望された横方向運動量成分によって支配される。上述のエッチング過程では、ウェハーのうら面におけるインクチャネル開口のウェハーのおもて面におけるノズルアレイへのの位置合わせは、カール・ズース（Karl Suss）アライナーのようなアライナーシステムを用いて行ってもよい。
【００５１】
図９は、ノズルボアの下のブロッキング構造を示すために酸化物／窒化物層を部分的に除去して示したシリコンベースのブロッキング構造を有するノズルアレイの斜視図である。ノズルボアは、アクセス開口によってブロッキング構造の頂部から離間している。図１１及び図１２に示したように、シリコン基板に形成したブロッキング構造は、インクキャビティで加圧状態であるインクをブロッキング構造に当たるように流して横方向成分を大きくする。これらの横方向成分は、非対称加熱の付与によって一様でなくなり、図１１及び図１２で示したように、ストリーム偏向を生じることとなる。
【００５２】
当然、上記記載は単一ノズルの形成についてのものであるが、方法はウェハーに沿った列に形成された一連のノズルに同時に適用可能であることは理解されたい。この列は直線かあるいはジグザグ状かいずれであってもよい。
【００５３】
ポリシリコンヒーターによってインクの粘度を非対称に低減される。図１１及び図１２で図示したように、ブロッキング構造の左側のアクセス開口を通って延びるインクフローを加熱されるが一方、ブロッキング構造の右側のアクセス開口を通って延びるインクフローを加熱される。インクフローのこの非対称の予備加熱は、偏向に対して望まれる横方向運動量成分を有するインクの粘度を低減する傾向があり、粘度が低減される位置ではさらにインクが流れる傾向があるので、所望の方向でインクを大きく偏向する、すなわち、ボアに近接するヒーター要素から離れる傾向がある。
【００５４】
図１１及び図１２に示したように、ボアへ流れるインクは、ドロプレット偏向の増加に対して所望の横方向運動量成分によって支配される。アクセス開口によって、インクがチャネルとノズル開口若しくはボアとの間の圧力の下で流れるになり、それによって、第２のインクチャネルへの直接軸方向アクセスがシリコンブロックによって効果的にブロックされるので、インクは横方向フロー成分は大きくなる。
【００５５】
本発明では、ヒーター要素としての機能のためのでかつ集積回路のＣＭＯＳ工程の間に処理され画定可能なポリシリコン若しくは他の適当な材料は、連続若しくはＤＯＤインクジェットプリンターにおいてインクストリームの加熱のためのヒーターとして使用できる。これによって、後の処理を最小にすることができる；例えば、ＭＥＭＳの間、ヒーター要素若しくはノズル開口を、これらがＣＭＯＳ処理中に予め画定されるので、印刷ヘッド上に形成する必要がない。ＭＥＭＳ中に付加されるＴｉＮヒーター要素と対照的に、ポリシリコンヒーターを使用すると、ヒーター要素のより高温作動が可能となり、これによって、連続インクジェットプリンタの設計において重要と考えられるインクストリームについてポテンシャルを高める。
【００５６】
図１４により、完成ＣＭＯＳ／ＭＥＭＳ印刷ヘッド１２０は、支持マウントに形成された長軸方向に延びたチャネルの端部までインクを供給するためのマウントの隣接端部に結合した一対のインク供給ライン１３０Ｌ、１３０Ｒを有する支持マウント１１０上に取り付けられている。チャネルは、印刷ヘッド１２０のうしろに対面し、印刷ヘッド１２０のシリコン基板に形成されたインクチャネルのアレイに連通する。セラミック基板であり得る支持マウントは、プリンタシステムにこの構造を取り付けるために端部に取付け穴を含む。
【図面の簡単な説明】
【図１】   本発明により構成された印刷ヘッドの概略部分平面図である。
【図１Ａ】本発明によるＣＩＪ印刷ヘッド用の“ノッチ”型ヒーターを有するノズルの概略平面図である。
【図１Ｂ】本発明によるＣＩＪ印刷ヘッド用のスプリット型ヒーターを有するノズルの概略平面図である。
【図２】   “ノッチ”型ヒーターを有するノズルの断面図であって、非偏向ドロプレットを捕捉するためのガッタの作動を示す図である。
【図３】   図１ＡのＡ−Ｂ線に沿った概略断面図であり、本発明によるＶＬＳＩ ＣＭＯＳ設備の製造シーケンスの端部におけるノズル領域を図示する図である。
【図４】   本発明によって製造したＣＭＯＳ互換ノズルのＡ−Ｂ線に沿った概略断面図である。
【図５】   図４に示したノズルの斜視図であり、シリコン基板を通って延びる中央チャネルを示す図である。
【図６】   図５と同様な図であるが、各ノズルを分離しかつ構造強度を向上すると共にインクチャネルにおける波作用を低減する、シリコンウェハーに形成され本発明に対応したリブ構造を示す図である。
【図７】   図４と同様な図であるが、図６で図示したシリコンウェハーに形成されたリブ構造を示す図である。
【図８】   ノズルの小アレイを有するインクジェット印刷ヘッドの概略平面図であって、隣接アレイ間のインクチャネルにシリコンリブと、本発明の他の実施形態によるシリコン基板型横方向フローブロッキング構造とを示す図である。リブ構造とブロッキング構造とはこの方向では実際には見えないが、図示する目的で示している。
【図９】   図８で示した実施形態の斜視図であり、シリコンリブ構造とシリコン横方向フローブロッキング構造とを有するインクジェット印刷ヘッドを示す図である。
【図１０】   図９で図示した実施形態による横方向フローに対するシリコンブロッキング構造の画定後に、図１Ａのノズル領域におけるＡ−Ａ線に沿った概略顔面図である。
【図１１】   ブロッキング構造の頂部のシリコンを除去するために“足止め”効果を用いた場合、横方向フロー用のシリコンブロックを画定後、図１Ａのノズル領域のＢ−Ｂ線に沿った概略断面図である。
【図１２】   頂部形成法を用いた場合、横方向フロー用のシリコンブロックを画定後、ノズル領域のＢ−Ｂ線に沿った概略断面図である。
【図１３】   連続インクジェット印刷ヘッド及びノズルアレイの例をインクジェット印刷ヘッドの下のプリンタ媒体（例えば、紙）ロールと共に示した概略図である。
【図１４】   本発明によって形成され、インクが送られる支持基板上に備えたＣＭＯＳ／ＭＥＭＳ印刷ヘッドの斜視図であり；
【図１５】   シリコン基板を被覆する絶縁層あるいは層群におけるリセス開口におけるそれぞれの位置を示すノズルボア群の概略図である。
【符号の説明】
１０  連続インクジェットプリンタシステム
１０ａ  印刷ヘッド
１１  インクドロプレット
１２  ドロプレット
１４  基板
１９  のど空き
２０  アレイ
１２０  印刷ヘッド
【図１】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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