ヒータの酸化物成長を阻止するために駆動パルスが増加するプリントヘッド
【課題】メディア基板上に液体の滴を吐出する吐出デバイスのアレイを備えるプリントヘッドを有するインクジェットプリンタを提供する。
【解決手段】各吐出デバイスは、液体を保持するチャンバと、チャンバと流体連通されたノズルと、ノズルを通じて液体の滴を吐出する蒸気バブルがヒータの抵抗加熱によって発生するように液体と接触してチャンバ内に配置されたヒータと、を備える。また、プリンタは、印刷データを受信し、印刷データに従ってヒータを駆動するための駆動パルスを発生させるコントローラ、を備える。このコントローラは、プリントヘッドの寿命中に駆動パルスエネルギーを増加させる。
【解決手段】各吐出デバイスは、液体を保持するチャンバと、チャンバと流体連通されたノズルと、ノズルを通じて液体の滴を吐出する蒸気バブルがヒータの抵抗加熱によって発生するように液体と接触してチャンバ内に配置されたヒータと、を備える。また、プリンタは、印刷データを受信し、印刷データに従ってヒータを駆動するための駆動パルスを発生させるコントローラ、を備える。このコントローラは、プリントヘッドの寿命中に駆動パルスエネルギーを増加させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳデバイスに関し、特に、動作時に液体を蒸発させて蒸気バブルを発生させるＭＥＭＳデバイスに関する。
【０００２】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２００５年４月４日出願の米国特許出願第１１／０９７３０８号の一部継続出願でありその内容全体が参照により本明細書に組み込まれる、２００６年７月１０日出願の米国特許出願第１１／４８２９５３号の一部継続出願である／。
【０００３】
本発明に関する種々の方法、システム及び装置は、本出願人又は本発明の譲受人により出願された以下の米国特許／米国特許出願に記載されている。
米国特許出願第09/517539号、米国特許第6566858号、第6331946号、第6246970号、第6442525号、米国特許出願第09/517384号、第09/505951号、米国特許第6374354号、米国特許出願第09/517608号、米国特許第6816968号、第6757832号、第6334190号、第6745331号、米国特許出願第09/517541号、第10/203559号、第10/203560号、第10/203564号、第10/636263号、第10/636283号、第10/866608号、第10/902889号、第10/902833号、第10/940653号、第10/942858号、第10/727181号、第10/727162号、第10/727163号、第10/727245号、第10/727204号、第10/727233号、第10/727280号、第10/727157号、第10/727178号、第10/727210号、第10/727257号、第10/727238号、第10/727251号、第10/727159号、第10/727180号、第10/727179号、第10/727192号、第10/727274号、第10/727164号、第10/727161号、第10/727198号、第10/727158号、第10/754536号、第10/754938号、第10/727227号、第10/727160号、第10/934720号、第11/212702号、第11/272491号、第10/296522号、米国特許第6795215号、米国特許出願第10/296535号、第09/575109号、米国特許第6805419号、第6859289号、第6977751号、第6398332号、第6394573号、第6622923号、第6747760号、第6921144号、米国特許出願第10/884881号、第10/943941号、第10/949294号、第11/039866号、第11/123011号、米国特許第6986560号、第7008033号、米国特許出願第11/148237号、第11/248435号、第11/248426号、第10/922846号、第10/922845号、第10/854521号、第10/854522号、第10/854488号、第10/854487号、第10/854503号、第10/854504号、第10/854509号、第10/854510号、第10/854496号、第10/854497号、第10/854495号、第10/854498号、第10/854511号、第10/854512号、第10/854525号、第10/854526号、第10/854516号、第10/854508号、第10/854507号、第10/854515号、第10/854506号、第10/854505号、第10/854493号、第10/854494号、第10/854489号、第10/854490号、第10/854492号、第10/854491号、第10/854528号、第10/854523号、第10/854527号、第10/854524号、第10/854520号、第10/854514号、第10/854519号、第10/854513号、第10/854499号、第10/854501号、第10/854500号、第10/854502号、第10/854518号、第10/854517号、第10/934628号、第11/212823号、第10/728804号、第10/728952号、第10/728806号、米国特許第6991322号、米国特許出願第10/728790号、第10/728884号、第10/728970号、第10/728784号、第10/728783号、第10/728925号、第6962402号、第10/728803号、第10/728780号、第10/728779号、第10/773189号、第10/773204号、第10/773198号、第10/773199号、米国特許第6830318号、米国特許出願第10/773201号、第10/773191号、第10/773183号、第10/773195号、第10/773196号、第10/773186号、第10/773200号、第10/773185号、第10/773192号、第10/773197号、第10/773203号、第10/773187号、第10/773202号、第10/773188号、第10/773194号、第10/773193号、第10/773184号、第11/008118号、第11/060751号、第11/060805号、第11/188017号、第11/298773号、第11/298774号、第11/329157号、米国特許第6623101号、第6406129号、第6505916号、第6457809号、第6550895号、第6457812号、米国特許出願第10/296434号、米国特許第6428133号、第6746105号、米国特許出願第10/407212号、第10/407207号、第10/683064号、第10/683041号、第6750901号、第6476863号、第6788336号、第11/097308号、第11/097309号、第11/097335号、第11/097,299号、第11/097310号、第11/097213号、第11/210687号、第11/097212号、第11/212637号、第11/246687号、第11/246718号、第11/246685号、第11/246686号、第11/246703号、第11/246691号、第11/246711号、第11/246690号、第11/246712号、第11/246717号、第11/246709号、第11/246700号、第11/246701号、第11/246702号、第11/246668号、第11/246697号、第11/246698号、第11/246699号、第11/246675号、第11/246674号、第11/246667号、第11/246684号、第11/246672号、第11/246673号、第11/246683号、第11/246682号、第10/760272号、第10/760273号、第10/760187号、第10/760182号、第10/760188号、第10/760218号、第10/760217号、第10/760216号、第10/760233号、第10/760246号、第10/760212号、第10/760243号、第10/760201号、第10/760185号、第10/760253号、第10/760255号、第10/760209号、第10/760208号、第10/760194号、第10/760238号、第10/760234号、第10/760235号、第10/760183号、第10/760189号、第10/760262号、第10/760232号、第10/760231号、第10/760200号、第10/760190号、第10/760191号、第10/760227号、第10/760207号、第10/760181号、第10/815625号、第10/815624号、第10/815628号、第10/913375号、第10/913373号、第10/913374号、第10/913372号、第10/913377号、第10/913378号、第10/913380号、第10/913379号、第10/913376号、第10/913381号、第10/986402号、第11/172816号、第11/172815号、第11/172814号、第11/003786号、第11/003616号、第11/003418号、第11/003334号、第11/003600号、第11/003404号、第11/003419号、第11/003700号、第11/003601号、第11/003618号、第11/003615号、第11/003337号、第11/003698号、第11/003420号、第6984017号、第11/003699号、第11/071473号、第11/003463号、第11/003701号、第11/003683号、第11/003614号、第11/003702号、第11/003684号、第11/003619号、第11/003617号、第11/293800号、第11/293802号、第11/293801号、第11/293808号、第11/293809号、第11/246676号、第11/246677号、第11/246678号、第11/246679号、第11/246680号、第11/246681号、第11/246714号、第11/246713号、第11/246689号、第11/246671号、第11/246670号、第11/246669号、第11/246704号、第11/246710号、第11/246688号、第11/246716号、第11/246715号、第11/246707号、第11/246706号、第11/246705号、第11/246708号、第11/246693号、第11/246692号、第11/246696号、第11/246695号、第11/246694号、第11/293832号、第11/293838号、第11/293825号、第11/293841号、第11/293799号、第11/293796号、第11/293797号、第11/293798号、第10/760254号、第10/760210号、第10/760202号、第10/760197号、第10/760198号、第10/760249号、第10/760263号、第10/760196号、第10/760247号、第10/760223号、第10/760264号、第10/760244号、第10/760245号、第10/760222号、第10/760248号、第10/760236号、第10/760192号、第10/760203号、第10/760204号、第10/760205号、第10/760206号、第10/760267号、第10/760270号、第10/760259号、第10/760271号、第10/760275号、第10/760274号、第10/760268号、第10/760184号、第10/760195号、第10/760186号、第10/760261号、第10/760258号、第11/293804号、第11/293840号、第11/293803号、第11/293833号、第11/293834号、第11/293835号、第11/293836号、第11/293837号、第11/293792号、第11/293794号、第11/293839号、第11/293826号、第11/293829号、第11/293830号、第11/293827号、第11/293828号、第11/293795号、第11/293823号、第11/293824号、第11/293831号、第11/293815号、第11/293819号、第11/293818号、第11/293817号、第11/293816号、第11/014764号、第11/014763号、第11/014748号、第11/014747号、第11/014761号、第11/014760号、第11/014757号、第11/014714号、第11/014713号、第11/014762号、第11/014724号、第11/014723号、第11/014756号、第11/014736号、第11/014759号、第11/014758号、第11/014725号、第11/014739号、第11/014738号、第11/014737号、第11/014726号、第11/014745号、第11/014712号、第11/014715号、第11/014751号、第11/014735号、第11/014734号、第11/014719号、第11/014750号、第11/014749号、第11/014746号、第11/014769号、第11/014729号、第11/014743号、第11/014733号、第11/014754号、第11/014755号、第11/014765号、第11/014766号、第11/014740号、第11/014720号、第11/014753号、第11/014752号、第11/014744号、第11/014741号、第11/014768号、第11/014767号、第11/014718号、第11/014717号、第11/014716号、第11/014732号、第11/014742号、第11/097268号、第11/097185号、第11/097184号、第11/293820号、第11/293813号、第11/293822号、第11/293,812号、第11/293821号、第11/293814号、第11/293793号、第11/293842号、第11/293811号、第11/293807号、第11/293806号、第11/293805号、第11/293810号、第09/575197号、第09/575195号、第09/575159号、第09/575123号、米国特許第6825945号、米国特許出願第09/575165号、米国特許第6813039号、第6987506号、米国特許出願第09/575131号、米国特許第6980318号、第6816274号、米国特許出願第09/575139号、第09/575186号、米国特許第6681045号、第6728000号、米国特許出願第09/575145号、第09/575192号、第09/575181号、第09/575193号、第09/575183号、米国特許第6789194号、第6789191号、第6644642号、第6502614号、第6622,999号、第6669385号、第6549935号、米国特許出願第09/575187号、米国特許第6727996号、第6591884号、第6439706号、第6760119号、米国特許出願第09/575198号、米国特許第6290349号、第6428155号、第6785016号、米国特許出願第09/575174号、第09/575163号、米国特許第6737591号、米国特許出願第09/575154号、第09/575129号、米国特許第6830196号、第6832717号、第6957768号、米国特許出願第09/575162号、第09/575172号、第09/575170号、第09/575171号、第09/575161号。
これらの出願及び特許の開示は、参照により本明細書中に組み込まれる。
【０００４】
［同時係属中の出願］
以下の出願が、本出願人により、親出願と同時に出願されている。
米国特許出願第11/482975号、第11/482970号、第11/482968号、第11/482972号、第11/482971号、第11/482969号、第11/482958号、第11/482955号、第11/482962号、第11/482963号、第11/482956号、第11/482954号、第11/482974号、第11/482957号、第11/482987号、第11/482959号、第11/482960号、第11/482961号、第11/482964号、第11/482965号、第11/482976号、第11/482973号、第11/482982号、第11/482983号、第11/482984号、第11/482979号、第11/482990号、第11/482986号、第11/482985号、第11/482978号、第11/482967号、第11/482966号、第11/482988号、第11/482989号、第11/482980号、第11/482981号、第11/482977号。
これら同時係属中の出願の開示は、参照により本明細書中に組み込まれる。
【背景技術】
【０００５】
微小機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスには液体を処理又は使用して動作するものがある。これら液体を含むデバイスの１つのクラスでは、抵抗ヒータを使用して液体の過熱限界まで液体を熱し、その結果、急速に膨張する蒸気バブルが形成される。バブルの膨張によってもたらされる衝撃は、デバイス内で液体を移動させるメカニズムとして使用可能である。各ノズルがバブルを発生させて印刷媒体上にインクの滴を吐出するヒータを有する、熱インクジェットプリントヘッドの場合がそうである。インクジェットプリンタの使用が普及している点を考慮し、本発明を、特にこの用途での使用に関して説明する。しかしながら、本発明はインクジェットプリントヘッドに限定されるものではなく、抵抗ヒータによって形成される蒸気バブルを使用して、液体をデバイス内で移動させる他のデバイス（例えば、一部の「ラボオンチップ」デバイス）にも等しく適用されることが理解されるであろう。
【０００６】
インクジェットプリントヘッドの抵抗ヒータは極めて厳しい環境で動作する。インクジェットプリントヘッドの抵抗ヒータは、吐出可能な液体、通常約３００℃の過熱限界を有する水溶性インク中で、急速かつ連続的に加熱及び冷却を行い、バブルを形成しなければならない。このような繰り返し応力の条件下で、高温のインク、水蒸気、溶存酸素及びおそらく他の腐食性化学種の存在により、ヒータは抵抗を増し、最終的には、ヒータ又はその保護酸化物層を腐食するメカニズム（化学的腐食及びキャビテーション腐食）によって促進される、酸化と疲労との組合せによって開回路となる。
【０００７】
ヒータ材料に対する酸化、腐食及びキャビテーションの影響から保護するため、インクジェット製造業者は、一般にＳｉ３Ｎ４、ＳｉＣ及びＴａからなる積み重ねた保護層を使用する。ある種の先行技術のデバイスにおいては、保護層は比較的厚い。Ａｎｄｅｒｓｏｎらに付与された米国特許第６７８６５７５号（Ｌｅｘｍａｒｋに譲渡）では、例えば、厚さ約０．１μｍのヒータに対し０．７μｍの保護層を有する。
【０００８】
バブルを形成する液体中で蒸気バブルを形成するために、バブルを形成する液体に接触する保護層の表面は、その液体の過熱限界（水では約３００℃）まで加熱しなければならない。それには、保護層の厚さ全体を液体の過熱限界（又は場合によっては過熱限界を超える）まで加熱することが必要となる。この余分なボリュームの加熱により、デバイスの効率が低下し、噴射後に存在する残留熱のレベルが大幅に上昇する。この余分な熱がノズルの連続する噴射の間に除去できなければ、ノズル内のインクは絶えず沸騰し、ノズルが所期のようには液滴を吐出しなくなる。
【０００９】
現在、市販されているプリントヘッドの主な冷却メカニズムは熱伝導式であり、既存のプリントヘッドがプリントヘッドチップから吸収した熱を放散するための大きなヒートシンクを実装する。ノズル内でこのヒートシンクが液体を冷却する能力は、ノズルとヒートシンクとの間の熱抵抗及び噴射ノズルによって発生する熱流束によって制限される。コーティングされたヒータの保護層を加熱するために必要とされる余分なエネルギーが熱の流れを増加させるため、プリントヘッド上のノズルの密度及びノズルの噴射率に対し、より厳しい制約が課される。この制約が、印刷の解像度、プリントヘッドのサイズ、印刷速度及び製造コストに影響を及ぼす。
【００１０】
本出願人は、蒸気バブルを形成するために必要とされるエネルギーを削減するために、ヒータに保護コーティングが付加されない一連のプリントヘッドを開発した。これらのヒータは、さらなる酸化の速度を、プリントヘッドに許容可能な寿命を与えるレベルにまで遅らせるのに十分な低さの酸素拡散率を有する、薄い表面酸化物層を形成する。しかしながら、酸化物層は時間と共に、特に、ヒータに送られる駆動パルスの数又は作動の回数と共に成長する。これにより、ヒータの動作寿命にわたるヒータ抵抗が、したがって、滴の吐出特性も変化する。この変化は、印刷品質にとって有害となり得ることが理解されよう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第６７８６５７５号
【発明の概要】
【００１２】
したがって、本発明は、メディア基板上に液体の滴を吐出する複数の吐出デバイスが配列されたプリントヘッドであって、前記吐出デバイスのそれぞれが、液体を保持するチャンバと、前記チャンバと流体連通されたノズルと、前記ノズルを通じて前記液体の滴を吐出する蒸気バブルがヒータの抵抗加熱によって発生するように前記液体と接触して前記チャンバ内に配置されたヒータと、を備えるプリントヘッドと、印刷データを受信し、前記印刷データに従って前記ヒータを駆動するための駆動パルスを発生させるコントローラと、を備え、前記コントローラが、前記プリントヘッドの寿命中に前記駆動パルスのエネルギーを増加させる、インクジェットプリンタを提供する。
【００１３】
このコントローラは、プリントヘッドの動作寿命の接続時間中、蒸気バブルのサイズを、したがって、滴の吐出特性を維持するために、表面酸化物が成長するにつれて駆動パルスのエネルギーを増加させることができる。
【００１４】
任意選択で、コントローラは、駆動パルスの接続時間を延長させることにより、駆動パルスのエネルギーを増加させるように構成される。
【００１５】
任意選択で、コントローラは、所定の数の滴が吐出された後に駆動パルスエネルギーを増加させるように構成される。任意選択で、コントローラは、吐出デバイスのそれぞれによって吐出される滴の累計を監視し、吐出デバイスが所定の数の滴を吐出した後に、いずれの吐出デバイスに対しても駆動パルスのエネルギーを個別に増加させる。
【００１６】
任意選択で、吐出デバイスは、いつヒータが所定のしきい値より低いピーク温度を有するかを判断する温度センサをさらに備え、コントローラは、ピーク温度がしきい値より低いことを温度センサが示すのに応答して、駆動パルスのエネルギーを増加させるように構成される。任意選択で、しきい値は４５０℃未満である。
【００１７】
任意選択で、コントローラは、吐出デバイスの作動回数とヒータの電気抵抗の増加との間の所定の関係とは逆に駆動パルス幅を増加させる。
【００１８】
任意選択で、ヒータは、Ｔｉが４０重量％超を占め、Ａｌが４０重量％超を占め、Ｘが５重量％未満を占め、ゼロ以上のＡｇ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｔａ及びＷを含有する、ＴｉＡｌＸ合金から形成される。
【００１９】
チタンアルミニウム（ＴｉＡｌ）合金は、優れた強度、低クリープ及び軽量という、これらの合金が航空産業及び自動車産業で広く使用されている由縁である特性を有する。しかしながら、本出願人の研究により、ＴｉＡｌはインクジェットプリントヘッドのヒータ材料としての使用にも十分に適していることがわかった。この合金は、Ａｌ２Ｏ３を主成分とし、非常にわずかなＴｉＯ２を含有する、均一で、薄く、高密度のコーティングである表面酸化物を提供可能である。Ａｌ２Ｏ３は低い酸素拡散率を有し、一方、ＴｉＯ２はより高い拡散率を有する。したがって、自然（すなわち自然に形成される）酸化物層がヒータを不動態化して酸化破壊を防ぐ一方、ヒータをインクから熱的に遮断しないよう十分な薄さを維持する。これにより、ヒータの動作寿命を損なうことなく、大きい（ページ幅）、高密度のノズルアレイに必要とされる、少ないエネルギーでの滴の吐出を維持する。
【００２０】
任意選択で、ＸはＷである、又はＸは１．７重量％〜４．５重量％を占めるＷを含有する。
【００２１】
任意選択で、Ｔｉは４８重量％超を占め、Ａｌは４８重量％超を占め、Ｘは０重量％である。
【００２２】
任意選択で、ヒータのＴｉＡｌ成分は、ガンマ相構造を有する。
【００２３】
任意選択で、ヒータは、粒径１００ナノメートル未満の微細構造を有する。
【００２４】
任意選択で、ＴｉＡｌＸ合金は、使用時に、液体に直接接触するＡｌ２Ｏ３表面酸化物を形成する。
【００２５】
任意選択で、ＴｉＡｌＸ合金は、厚さ２ミクロン未満の層として堆積される。この層は、厚さ０．５ミクロン未満であることが好ましい。
【００２６】
任意選択で、ヒータは、保護コーティングをさらに備え、保護コーティングは、０．５ミクロン未満の総厚を有する。任意選択で、保護コーティングは、単一材料の層である。任意選択で、保護コーティングは、少なくとも部分的に酸化ケイ素、窒化ケイ素又は炭化ケイ素から形成される。
【００２７】
第２の態様において、本発明は、バブルを発生させるためのＭＥＭＳデバイスであって、
液体を保持するチャンバと、
チャンバ内に液体と熱接触して配置されたヒータとを備え、ヒータが、粒径１００ナノメートル未満の微細構造を有し、作動時に、液体中に圧力パルスをもたらす蒸気バブルを発生させるために、ヒータが液体の一部を液体の沸点より高い温度まで加熱するよう、関連駆動回路から作動信号を受信するように構成されている、ＭＥＭＳデバイスを提供する。
【００２８】
粒径１００ｎｍ未満（「ナノ結晶」微細構造）は良好な材料強度を提供し、しかも依然として高密度の粒界を有する点で有利である。より大きな結晶及びより低密度の粒界の材料と比較すると、ナノ結晶構造は、保護スケールを形成する元素Ｃｒ及びＡｌに、より高い拡散率（より急速なスケールの形成）を与え、スケールをヒータ表面全体にわたってより均一に成長させ、したがってより急速及びより効果的に保護かつ提供される。保護スケールはナノ結晶構造により良好に接着し、その結果、剥離が減少する。イットリウム、ランタン及び他のレアアース元素からなる群からの反応性金属の添加物を使用することにより、機械的安定性及びスケールの付着性のさらなる向上が可能である。
【００２９】
ヒータを不動態化する酸化スケールの主な利点は、さらなる保護コーティングの必要がなくなることである。これにより、コーティングの加熱で無駄になるエネルギーがなくなるため、効率が上がる。その結果、特定の衝撃でバブルを形成するのに必要な入力エネルギーが減少し、プリントヘッドの残留熱のレベルが低下する。残った熱の大半は、吐出される滴を介して除去可能であり、これは「自己冷却」として公知の動作モードである。この動作モードの主な利点は、この設計が導電性冷却に依存しないため、ヒートシンクが必要なく、導電性冷却によって課されるノズル密度及び噴射率の制約がなくなるため、印刷の解像度及び速度が向上し、プリントヘッドのサイズ及びコストが減少する。
【００３０】
任意選択で、チャンバは、圧力パルスがノズル開口を通じて液体の滴を吐出するように、ノズル開口を有する。
【００３１】
任意選択で、チャンバは、供給源からの液体がチャンバ内に流入し、ノズル開口から吐出される液体の滴と入れ替わるように、液体供給物と流体連通する入口を有する。
【００３２】
任意選択で、ヒータに、スパッタリングプロセスによって堆積される超合金が堆積される。
【００３３】
任意選択で、ヒータ素子は、厚さ２ミクロン未満の超合金の層として堆積される。
【００３４】
任意選択で、超合金は、２重量％〜３５重量％のＣｒ含有量を有する。
【００３５】
任意選択で、超合金は、０．１重量％〜８．０重量％のＡｌ含有量を有する。
【００３６】
任意選択で、超合金は、１重量％〜１７．０重量％のＭｏ含有量を有する。
【００３７】
任意選択で、超合金は、０．２５重量％〜８．０重量％のＮｂ含有量及び／又はＴａ含有量の合計を有する。
【００３８】
任意選択で、超合金は、０．１重量％〜５．０重量％のＴｉ含有量を有する。
【００３９】
任意選択で、超合金は、イットリウム、ランタン及び他のレアアース元素からなる群からの反応性金属を５重量％以下有する。
【００４０】
任意選択で、超合金は、６０重量％以下のＦｅ含有量を有する。
【００４１】
任意選択で、超合金は、２５重量％〜７０重量％のＮｉ含有量を有する。
【００４２】
任意選択で、超合金は、３５重量％〜６５重量％のＣｏ含有量を有する。
【００４３】
任意選択で、超合金は、ＭＣｒＡｌＸであり、ここでＭはＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅのうち１つ又は複数であり、Ｍは少なくとも５０重量％を占め、Ｃｒは８重量％〜３５重量％を占め、Ａｌはゼロ以上８重量％未満を占め、Ｘは２５重量％未満であり、Ｘはゼロ以上の他の元素からなり、好ましくはＭｏ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｙ、Ｈｆを含むがこれらに限定されない。
【００４４】
任意選択で、超合金は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ及びＡｌと、ゼロ以上の、好ましくはＭｏ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｙ又はＨｆを含むがこれらに限定されない他の元素からなる添加物とを含む。
【００４５】
任意選択で、超合金は、以下から選択される。
ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）６００合金、６０１合金、６１７合金、６２５合金、６２５ＬＣＦ合金、６９０合金、６９３合金、７１８合金、７８３合金、Ｘ−７５０合金、７２５合金、７５１合金、ＭＡ７５４合金、ＭＡ７５８合金、９２５合金、又はＨＸ合金、
ＩＮＣＯＬＯＹ（登録商標）３３０合金、８００合金、８００Ｈ合金、８００ＨＴ合金、ＭＡ９５６合金、Ａ−２８６合金、又はＤＳ合金、
ＮＩＭＯＮＩＣ（登録商標）７５合金、８０Ａ合金、又は９０合金、
ＢＲＩＧＨＴＲＡＹ（登録商標）Ｂ合金、Ｃ合金、Ｆ合金、Ｓ合金、又は３５合金、或いは、
ＦＥＲＲＹ（登録商標）合金又はＴｈｅｒｍｏ−Ｓｐａｎ（登録商標）合金。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】動作サイクル中の特定の段階における、吊下ヒータ素子を備えるプリントヘッドのユニットセルのインクチャンバの概略横断面図である。
【図２】別の動作段階における、図１のインクチャンバの概略横断面図である。
【図３】さらに別の動作段階における、図１のインクチャンバの概略横断面図である。
【図４】さらにまた別の動作段階における、図１のインクチャンバの概略横断面図である。
【図５】蒸気バブルの崩壊を示す、本発明の一実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略横断面図である。
【図６】動作サイクル中の特定の段階における、フロア接合式ヒータ素子を備えるプリントヘッドのユニットセルのインクチャンバの概略横断面図である。
【図７】別の動作段階における、図６のインクチャンバの概略横断面図である。
【図８】動作サイクル中の特定の段階における、ルーフ接合式ヒータ素子を備えるプリントヘッドのユニットセルのインクチャンバの概略横断面図である。
【図９】別の動作段階における、図８のインクチャンバの概略横断面図である。
【図１０】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図１１】図１０に示されたプリントヘッドの製造段階を実施する際の使用に適したマスクの概略平面図である。
【図１２】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図１３】図１２に示されたプリントヘッドの製造段階を実施する際の使用に適したマスクの概略平面図である。
【図１４】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図１５】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図１６】図１５に示されたプリントヘッドの製造段階を実施する際の使用に適したマスクの概略平面図である。
【図１７】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図１８】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図１９】図１８に示されたプリントヘッドの製造段階を実施する際の使用に適したマスクの概略平面図である。
【図２０】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図２１】図２０に示されたプリントヘッドの製造段階を実施する際の使用に適したマスクの概略平面図である。
【図２２】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図２３】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図２４】図２３に示されたプリントヘッドの製造段階を実施する際の使用に適したマスクの概略平面図である。
【図２５】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図２６】図２５に示されたプリントヘッドの製造段階を実施する際の使用に適したマスクの概略平面図である。
【図２７】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図２８】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図２９】図２８に示されたプリントヘッドの製造段階を実施する際の使用に適したマスクの各概略平面図である。
【図３０】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図３１】図３０に示されたプリントヘッドの製造段階を実施する際の使用に適したマスクの概略平面図である。
【図３２】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図３３】図３２に示されたプリントヘッドの製造段階を実施する際の使用に適したマスクの各概略平面図である。
【図３４】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図３５】図３４に示されたプリントヘッドの製造段階を実施する際の使用に適したマスクの各概略平面図である。
【図３６】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図３７】ＣＭＯＳ上に不動態化層が堆積された、部分的に完成した本発明の第２の実施形態の概略断面図である。
【図３８】ＣＭＯＳ上に不動態化層が堆積された、部分的に完成した本発明の第２の実施形態の斜視図である。
【図３９】第２の実施形態のＣＭＯＳの上部層までの不動態化層のエッチングを示す斜視図である。
【図４０】第２の実施形態のＣＭＯＳの上部層までの不動態化層のエッチングを示すマスクの図である。
【図４１】第２の実施形態のＣＭＯＳの上部層までの不動態化層のエッチングを示す断面図である。
【図４２】第２の実施形態のヒータ材料の堆積を示す斜視図である。
【図４３】第２の実施形態のヒータ材料の堆積を示す断面図である。
【図４４】第２の実施形態のヒータ材料のエッチパターニングを示す斜視図である。
【図４５】第２の実施形態のヒータ材料のエッチパターニングを示すマスクの図である。
【図４６】第２の実施形態のヒータ材料のエッチパターニングを示す断面図である。
【図４７】フォトレジスト層の堆積及びインク表穴の誘電エッチングのための次のエッチングを示す斜視図である。
【図４８】フォトレジスト層の堆積及びインク表穴の誘電エッチングのための次のエッチングを示すマスクの図である。
【図４９】フォトレジスト層の堆積及びインク表穴の誘電エッチングのための次のエッチングを示す断面図である。
【図５０】インク表穴のためのウエハ内の誘電エッチングを示す斜視図である。
【図５１】インク表穴のためのウエハ内の誘電エッチングを示す断面図である。
【図５２】新しいフォトレジスト層の堆積を示す斜視図である。
【図５３】新しいフォトレジスト層の堆積を示す断面図である。
【図５４】フォトレジスト層のパターニングを示す斜視図である。
【図５５】フォトレジスト層のパターニングを示すマスクの図である。
【図５６】フォトレジスト層のパターニングを示す断面図である。
【図５７】ルーフ層の堆積を示す斜視図である。
【図５８】ルーフ層の堆積を示す断面図である。
【図５９】ルーフ層内におけるノズルリムのエッチングを示す斜視図である。
【図６０】ルーフ層内におけるノズルリムのエッチングを示すマスクの図である。
【図６１】ルーフ層内におけるノズルリムのエッチングを示す断面図である。
【図６２】ノズル開口のエッチングを示す斜視図である。
【図６３】ノズル開口のエッチングを示すマスクの図である。
【図６４】ノズル開口のエッチングを示す断面図である。
【図６５】保護フォトレジストオーバーコートの堆積を示す斜視図である。
【図６６】保護フォトレジストオーバーコートの堆積を示す断面図である。
【図６７】ウエハの裏側のエッチングを示す斜視図である。
【図６８】ウエハの裏側のエッチングを示す断面図である。
【図６９】残ったフォトレジストを除去するリリースエッチングを示す断面図である。
【図７０】第２の実施形態の完成したユニットセルの平面図である。
【図７１】ＴｉＡｌＮヒータと比較した、ナノ結晶微細構造を有するＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）７１８ヒータ素子の信頼度を示すワイブルチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
次に、本発明の好ましい実施形態について、添付の図面を参照して単に例として説明する。
【００４８】
以下の説明中、別々の図で使用される対応する参照番号、又は対応する参照番号のプレフィックス（すなわち、参照番号の小数点の前に現れる部分）は、対応する部分に関する。参照番号に対して、対応するプレフィックスと異なるサフィックスとが存在する場合、これらは対応する部分の別々の特定の実施形態を示す。
【００４９】
［本発明の概略及び動作の一般的考察］
図１〜図４を参照すると、本発明の一実施形態によるプリントヘッドのユニットセル１は、ノズル３を内部に有するノズルプレート２を備え、ノズルは、ノズルリム４と、ノズルプレートを通って延びる孔５とを有する。ノズルプレート２は、化学気相成長法（ＣＶＤ）を用いて、後でエッチングされる犠牲材料の上に堆積された窒化ケイ素構造からプラズマエッチングされる。
【００５０】
プリントヘッドは、また、各ノズル３に関して、ノズルプレートが支持される側壁６と、壁及びノズルプレート２によって画定されるチャンバ７と、多層基板８と、多層基板を貫通して基板の逆側（図示せず）まで延びる入口通路９とを含む。ループ状の細長いヒータ素子１０がチャンバ７内に吊り下げられるため、素子は吊り梁の形である。図示されるプリントヘッドは、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）構造であり、これは以下で詳述されるリソグラフィプロセスにより形成される。
【００５１】
プリントヘッドの使用時に、インク１１は貯蔵室（図示せず）から入口通路９を介してチャンバ７へ入るため、チャンバは図１に示したレベルまで充填される。次に、ヒータ素子１０が１マイクロ秒（μｓ）よりも多少短い時間にわたって加熱され、したがってその加熱は熱パルスの形である。ヒータ素子１０はチャンバ７内のインク１１と熱接触するため、素子が加熱されると、インク内に蒸気バブル１２を発生させることが理解されよう。したがって、インク１１はバブルを形成する液体となる。図１は、熱パルス発生の約１μｓ後、すなわち、バブルがちょうどヒータ素子１０上に凝集したときのバブル１２の形成を示す。熱はパルスの形で加えられるため、バブル１２を発生させるために必要なすべてのエネルギーが短時間のうちに供給されることが理解されよう。
【００５２】
図３５を簡単に参照すると、以下でさらに詳述されるように、リソグラフィプロセス中に、プリントヘッド（このヒータは上記の素子１０を含む）のヒータ１４（図３４に示す）を形成するためのマスク１３が示されている。マスク１３はヒータ１４を形成するために使用されるので、マスクの様々な部分の形状は素子１０の形状に対応する。したがって、マスク１３は、ヒータ１４の様々な部分を識別するための有用な基準を与える。ヒータ１４は、マスク１３の１５．３４で示される部分に対応する電極１５と、マスクの１０．３４で示される部分に対応するヒータ素子１０とを有する。動作時に、電圧が電極１５の両端間に印加されて、素子１０中に電流を流す。電極１５は素子１０よりも遙かに厚いので、電気抵抗の大部分は素子によって与えられる。したがって、ヒータ１４を動作させる際に消費されるほとんどすべての電力は、上記の熱パルスを生ずる際に、素子１０を介して放散される。
【００５３】
素子１０が上記のように加熱されるとき、バブル１２が素子の全長にわたって形成される。このバブルは、図１の断面図では、断面図で示された素子部分の各々に１個ずつ、４個のバブル部分として現れている。
【００５４】
バブル１２は、いったん発生すると、チャンバ７内で圧力の増加を引き起こし、この増加した圧力により、インク１１の滴１６がノズル３を通って吐出される。リム４は、滴１６が吐出される際に滴を方向付けるのを助けて、滴が方向を誤る可能性を最小限に抑える。
【００５５】
入口通路９ごとに１つのノズル３及び１つのチャンバ７しか存在しない理由は、チャンバ内で発生する圧力波が、素子１０の加熱時及びバブル１２の形成時に、隣接するチャンバ及びチャンバに対応するノズルに影響を与えないようにするためである。しかしながら、圧力パルス拡散構造がチャンバ間に配置される限り、単一の入口通路を介していくつかのチャンバにインクを供給することが可能である。図３７〜図７０に示す実施形態は、クロストークを許容レベルにまで低減する目的で、これらの構造を組み込んでいる。
【００５６】
ヒータ素子１０がいずれかの固体材料に埋め込まれるのではなく吊されることの利点については後述する。しかしながら、ヒータ素子をチャンバの内部表面に接合することにも利点はある。これらの利点については下記で図６〜図９を参照して説明する。
【００５７】
図２及び図３は、後の連続した２段階のプリントヘッド動作時のユニットセル１を示す。バブル１２がさらに発生し、したがって成長し、その結果として、インク１１がノズル３を通って前進することがわかる。図３に示されるように、成長中のバブル１２の形状は、インク１１の慣性力学及び表面張力の組合せによって決まる。表面張力はバブル１２の表面積を最小化する傾向があるため、ある程度の量の液体が蒸発するまで、バブルは実質的に円板状である。
【００５８】
チャンバ７内の圧力上昇は、インク１１をノズル３から押し出すだけでなく、入口通路９を介して一部のインクを押し戻す。しかしながら、入口通路９は長さが約２００〜３００ミクロンであり、直径がわずか約１６ミクロンである。したがって、逆流を制限するかなりの慣性及び粘性抵抗がある。その結果、チャンバ７内の圧力上昇の主要な効果は、インクを吐出された滴１６としてノズル３から押し出すことであり、入口通路９内を押し戻すことではない。
【００５９】
ここで図４を参照すると、さらに別の連続する動作段階におけるプリントヘッドが示され、滴が離脱する前の「ネッキングフェーズ」中の吐出されているインク滴１６が示されている。この段階では、バブル１２は既にその最大サイズに到達し、図５にさらに詳細に示されているように、その時点で崩壊点１７へ向かって崩壊し始めている。
【００６０】
崩壊点１７へ向かうバブル１２の崩壊により、一部のインク１１がノズル３内部から（滴の側面１８から）引き出され、一部が入口通路９から引き出され、崩壊点へ向かう。このようにして引き出されたインク１１の大部分はノズル３から引き出され、滴１６が離脱する前に滴１６の基部に環状のネック１９を形成する。
【００６１】
滴１６が離脱するためには、表面張力に打ち勝つためある運動量を必要とする。バブル１２の崩壊によりインク１１がノズル３から引き出されるとき、ネック１９の直径が減少するため、滴を保持する総表面張力の量が減少し、その結果、滴がノズルから吐出されるときの滴の運動量が滴を離脱させるのに十分となる。
【００６２】
滴１６が離脱するとき、バブル１２が崩壊点１７まで崩壊するので、矢印２０で示されるようなキャビテーション力が生じる。なお、崩壊点１７の近傍には、キャビテーションが影響を及ぼす可能性のある固体表面がないことに留意されたい。
【００６３】
［吊下ヒータ素子の実施形態のための製造プロセス］
次に、本発明の実施形態によるプリントヘッドの製造プロセスの関連部分を図１０〜図３３を参照して説明する。
【００６４】
図１０を参照すると、Ｍｅｍｊｅｔ（登録商標）プリントヘッドの一部であり、製造プロセスの中間段階におけるシリコン基板部分２１の断面図が示されている。同図はプリントヘッドの、ユニットセル１に対応する部分に関係する。以下の製造プロセスの説明はユニットセル１に関するものであるが、このプロセスはプリントヘッド全体を構成する数多くの隣接するユニットセルに適用されることが理解されよう。
【００６５】
図１０は、基板部２１内の領域２２におけるＣＭＯＳ駆動トランジスタ（図示せず）の製作を含む標準的なＣＭＯＳ製作プロセスの完了後、及び標準的なＣＭＯＳ相互接続層２３及び不動態化層２４の完成後の、製造プロセス中における、次の連続ステップを示す。破線２５で示される配線は、トランジスタ、他の駆動回路（同様に図示せず）及びノズルに対応するヒータ素子を電気的に相互接続する。
【００６６】
保護リング２６は、インク１１が、ユニットセル１のノズルが形成される２７で示される領域から、基板部分２１を介して配線２５を含む領域まで拡散し、２２で示された領域に配置されたＣＭＯＳ回路を腐食するのを防止するために、相互接続層２３のメタライゼーション内に形成される。
【００６７】
ＣＭＯＳ製作プロセス完了後の第１段階は、不動態化層２４の一部分をエッチングして不動態化凹部２９を形成することである。
【００６８】
図１２は、相互接続層２３のエッチング後に、開口３０を形成するための製造段階を示す。開口３０は、プロセスのさらに後で形成される、チャンバへのインク入口通路となる。
【００６９】
図１４は、ノズル３が形成される位置で基板部分２１に穴３１をエッチングした後の製造段階を示す。製造プロセスのさらに後に、さらなる穴（破線３２で示される）が穴３１とつながるように基板部分２１のもう一方の側（図示せず）からエッチングされて、チャンバまでの入口通路が完成する。したがって、穴３２は、基板部２１のもう一方の側から相互接続層２３のレベルにまで通してエッチングする必要はない。
【００７０】
その代わりに穴３２を相互接続層２３にまで通してエッチングすべき場合、穴３２が領域２２内のトランジスタを破壊するまでエッチングされるのを回避するために、穴３２は、エッチングの不精密さのための適切なマージン（矢印３４で示される）を残すように、その領域からより遠い距離までエッチングしなければならないことになる。しかし、基板部分２１の上端から穴３１をエッチングすると、その結果穴３２の深さが短縮されるので、残すべきマージン３４がより小さくなり、ノズルのパッキング密度を実質的により高くすることができる。
【００７１】
図１５は、厚さ４ミクロンの犠牲レジストの層３５が層２４上に堆積された後の製造段階を示す。この層３５は、穴３１を埋め、プリントヘッドの構造の一部となる。レジスト層３５は、次いで、凹部３６及び溝部３７を形成するために、（図１６に示されるマスクで表されるような）特定のパターンで露光される。これにより、製造プロセスの後の段階で形成されるヒータ素子の電極１５用のコンタクトが形成される。溝部３７は、プロセスの後の段階でチャンバ７の一部を画定することになる、ノズル壁６を形成する。
【００７２】
図２１は、本実施形態においては窒化チタンアルミニウムからなる、厚さ０．５ミクロンのヒータ材料の層３８を層３５上に堆積した後の製造段階を示す。
【００７３】
図１８は、ヒータ素子１０及び電極１５を含むヒータ１４を形成するために、ヒータ層３８をパターニング及びエッチングした後の製造段階を示す。
【００７４】
図２０は、厚さ約１ミクロンの別の犠牲レジスト層３９が付加された後の製造段階を示す。
【００７５】
図２２は、ヒータ材料の第２の層４０が堆積された後の製造段階を示す。好ましい一実施形態においては、この層４０は、第１のヒータ層３８と同様に、厚さ０．５ミクロンの窒化チタンアルミニウムからなる。
【００７６】
図２３は、参照番号４１で示される、図に示すようなパターンを形成するようにエッチングされた後のヒータ材料の第２の層４０を示す。この図において、このパターニングされた層はヒータ層素子１０を含まず、この意味においてはヒータ機能を持たない。しかしながら、このヒータ材料の層は、ヒータ１４の電極１５の抵抗を減らすのを助けるので、動作時に電極によって消費されるエネルギーが減少し、ヒータ素子１０がより多くのエネルギーを消費することが可能になり、したがって、ヒータ素子１０の効果を高めることが可能である。図４２に示される二重ヒータの実施形態において、対応する層４０はヒータ１４を含む。
【００７７】
図２５は、犠牲レジストからなる第３の層４２が堆積された後の製造段階を示す。この層の最上レベルは、後で形成されるノズルプレート２の内側表面を構成することになる。また、この層の最上レベルは、ノズルの吐出孔５の内側範囲でもある。この層４２の高さは、プリントヘッドの動作時に、４３で示される領域内にバブル１２を形成することを可能にするのに十分でなければならない。しかしながら、層４２の高さにより、液滴を吐出するためにバブルが動かさねばならないインクの量が決まる。この点から、本発明のプリントヘッド構造は、ヒータ素子が先行技術のプリントヘッドよりも吐出孔により近くなるように設計される。バブルによって動かされるインクの量は減少する。所望の液滴の吐出に十分なバブルを発生するのに必要なエネルギーが減少し、それにより効率が上がる。
【００７８】
図２７は、ルーフ層４４、すなわち、ノズルプレート２を構成する層が堆積された後の製造段階を示す。ノズルプレート２は、厚さ１００ミクロンのポリイミド膜から形成されるのではなく、厚さわずか２ミクロンの窒化ケイ素から形成される。
【００７９】
図２８は、層４４を形成する窒化ケイ素の化学気相成長（ＣＶＤ）後の製造段階を示し、層４４は、ノズルリム４の外側部分を形成するように、４５で示される位置から部分的にエッチングされる。この外側部分は４．１で示されている。
【００８０】
図３０は、ノズルリム４の形成を完了し吐出孔５を形成するためにＣＶＤ窒化ケイ素を４６の位置までずっとエッチングし、かつ、ＣＶＤ窒化ケイ素を必要としない４７で示される位置からＣＶＤ窒化ケイ素を除去した後の製造段階を示す。
【００８１】
図３２は、レジストの保護層４８が塗布された後の製造段階を示す。この段階の後、基板部分２１は、基板部分をその公称厚さである約８００ミクロンから約２００ミクロンまで削減し、次に、上記のように穴３２をエッチングするために、その反対側（図示せず）から研磨される。穴３２は、穴３１に達するような深さまでエッチングされる。
【００８２】
次に、一緒になってチャンバ７（壁及びノズルプレートの一部が切開して示されている）を画定する壁６及びノズルプレート２を備える図３４に示される構造を形成するために、レジスト層３５、レジスト層３９、レジスト層４２及びレジスト層４８のそれぞれの犠牲レジストが酸素プラズマを使用して除去される。この工程は、穴３１が、穴３２（図３４に示さず）と一緒になって、基板部２１の下側からノズル３へ延びる通路を画定するように、穴３１を埋めるレジストを除去する役割も果たし、この通路はチャンバ７へ至る全体を９で示すインク入口通路としての役割を果たすことに留意されたい。
【００８３】
図３６は、ヒータ素子１０及び電極１５の垂直に積み重ねた配置を明確に示すために、ノズルガード及びチャンバ壁が除去されたプリントヘッドを示す。
【００８４】
［接合式ヒータ素子の実施形態］
他の実施形態において、ヒータ素子はチャンバの内部壁に接合される。ヒータをチャンバ内の固体表面に接合することにより、エッチング及び堆積製作プロセスの簡略化が可能となる。しかしながら、ヒータ素子がもはや「自己冷却」を行わなくなるので、シリコン基板への熱伝導がノズルの効率を低下させる可能性がある。したがって、ヒータがチャンバ内の固体表面に接合される実施形態では、基板からヒータを熱的に分離するよう措置を講ずる必要がある。
【００８５】
ヒータと基板との間の熱分離を向上させる方法の１つは、米国特許第４，５１３，２９８号に記載されている、従来から使用されている熱バリア層である二酸化ケイ素よりも良い熱バリア特性を有する材料を探すことである。本出願人は、バリア層を選択する際に考慮すべき重要なパラメータが、熱積（ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｄｕｃｔ）（ｐＣｋ）１／２であることを示した。ヒータと接触する固体基層に奪われるエネルギーは、基層の熱積に比例し、これは、熱拡散の長さスケール及びその長さスケールにわたって吸収される熱エネルギーを考慮することによって導き出すことのできる関係である。この比例関係が与えられている場合、低密度及び低熱導電率を有する熱バリア層は、ヒータから吸収するエネルギーが少ないことがわかる。本発明のこの態様では、ヒータ層の下に挿入される熱バリア層として、従来の二酸化ケイ素層の代わりに密度及び熱導電率がより小さな材料を使用することに焦点を当てる。特に、本発明のこの態様では、熱バリアとして低ｋ誘電体を使用することに焦点を当てる。
【００８６】
低ｋ誘電体は、近時、銅ダマシン集積回路技術の金属間誘電体として使用されてきた。金属間誘電体として使用される場合、低ｋ誘電体の低い密度及び場合によっては低い多孔性が、集積回路の金属線とＲＣ遅延の間の静電容量である、金属間誘電体の誘電率を低くする助けとなる。銅ダマシン用途において、低い誘電密度の望ましくない結果は、チップからの熱の流れを制限する低い熱導電率である。熱バリア用途においては、ヒータが吸収するエネルギーが制限されるため、低熱導電率が理想的である。
【００８７】
熱バリアとしての用途に適した低ｋ誘電体の２つの例は、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社のＢｌａｃｋ Ｄｉａｍｏｎｄ（登録商標）及び Ｎｏｖｅｌｌｕｓ社のＣｏｒａｌ（登録商標）であり、どちらもＣＶＤ堆積されたＳｉＯＣＨ膜である。これらの膜は、ＳｉＯ２より低い密度（約２２００ｋｇｍ−３に対して約１３４０ｋｇｍ−３）及び低い熱導電率（約１．４６Ｗｍ−１Ｋ−１に対して約０．４Ｗｍ−１Ｋ−１）を有する。したがって、これらの材料の熱積は、約６００Ｊｍ−２Ｋ−１ｓ−１／２であり、ＳｉＯ２の１４９５Ｊｍ−２Ｋ−１ｓ−１／２と比較すると、熱積が６０％削減される。これらの材料をＳｉＯ２基層の代わりに使用することにより得ることができる利点を算定するために、詳細な説明の等式３を使用したモデルを使用すると、ＳｉＯ２基層を使用した場合、バブルを凝集させるのに必要なエネルギーの約３５％が熱拡散により基層内に奪われることを示すことができる。したがって、この代用の利点は、３５％のうち６０％、すなわち、凝集エネルギーが２１％削減されることである。本出願人は以下の２種のヒータで、バブルを凝集させるのに必要なエネルギーを比較することによりこの利点を確認した。
１．ＳｉＯ２上に直接堆積されたヒータ
２．Ｂｌａｃｋ Ｄｉａｍｏｎｄ（登録商標）上に直接堆積されたヒータ
オープンプール沸騰構成で、試験流体として水を使用し、ストロボスコープによるバブル形成の観察により、後者はバブル凝集の開始に必要なエネルギーが２０％少ないことが決定された。１０億回以上の動作にわたってオープンプール沸騰を行ったが、凝集エネルギーの移動又はバブルの崩壊もなく、これは基層が水の過熱限界、すなわち約３００℃に達するまで熱的に安定であることを示している。実際、このような膜のＣｕ拡散バリアとしての使用に関する研究（Ｃｈｉｕ−Ｃｈｉｈ Ｃｈｉａｎｇら、「Ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｘｙｃａｒｂｉｄｅ Ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｂｙ ＰＥＣＶＤ ｆｒｏｍ Ｏｃｔａｍｅｔｈｙｌｃｙｃｌｔｅｔｒａｓｉｌｏｘａｎｅ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ、１５１ページ（２００４）を参照のこと）に記載されているように、このような層は５５０℃まで熱的に安定となり得る。
【００８８】
熱導電率、熱積及びバブルを凝集させるのに必要なエネルギーをさらに削減するために、Ｔｒｉｋｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社が、密度約１０４０ｋｇｍ−３及び熱導電率約０．１６Ｗｍ−１Ｋ−１である、同社のＯＲＩＯＮ（登録商標）２．２ 多孔質ＳｉＯＣＨ膜について行ったように（ＩＳＴ ２０００ ３００４３、「Ｆｉｎａｌ ｒｅｐｏｒｔ ｏｎ ｔｈｅｒｍａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ」、ｆｒｏｍ ｔｈｅ ＩＳＴ ｐｒｏｊｅｃｔ 「Ｕｌｔｒａ Ｌｏｗ Ｋ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ Ｆｏｒ Ｄａｍａｓｃｅｎｅ Ｃｏｐｐｅｒ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ Ｓｃｈｅｍｅｓ」を参照のこと）、誘電体に多孔性を導入してもよい。熱積が約３３４Ｊｍ−２Ｋ−１ｓ−１／２であるこの材料は、吸収するエネルギーがＳｉＯ２基層よりも７８％少なく、結果として、バブルを凝集させるのに必要なエネルギーが７８*３５％＝２７％削減される。しかしながら、水はＳｉＯ２の熱積に近い１５７９Ｊｍ−２Ｋ−１ｓ−１／２の熱積を有するので、多孔性の導入により材料の耐湿性を損なう可能性があり、そのため熱特性を損なうことになる。ヒータと熱バリアとの間に水分バリアを導入することもできるが、この層における熱吸収により、総合効率が低下する可能性が高い。好ましい一実施形態において、熱バリアはヒータの下側に直接接触する。直接接触しない場合、熱バリア層は、ヒータ層から１μｍを超えて離れていないことが好ましい。そうでなければほとんど効果がないからである（例えばＳｉＯ２における加熱パルスの約１μｓ時間スケールにおける熱拡散の長さスケールは約１μｍである）。
【００８９】
多孔性を用いずに熱導電率をさらに低下させる代替策は、熱導電率が０.１８Ｗｍ−１Ｋ−1のＤｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ社のＳｉＬＫ（登録商標）などのスピンオン誘電体を使用することである。スピンオン膜もまた多孔質に作製できるが、ＣＶＤ膜と同様、耐湿性を損なう可能性がある。ＳｉＬＫは、４５０℃まで熱安定性を有する。スピンオン誘電体に関して考慮すべき点の１つは、一般にスピンオン誘電体の熱膨張率（ＣＴＥ）が大きいことである。実際、ｋを減らすと、概してＣＴＥは増大するようである。このことはＴａｋａｙｕｋｉ Ｏｈｂａ、「Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ ９０ｎｍ Ｎｏｄｅｓ ａｎｄ Ｂｅｙｏｎｄ」、Ｆｕｊｉｔｓｕ ｍａｇａｚｉｎｅ、Ｖｏｌｕｍｅ ３８−１、ｐａｐｅｒ ３に示されている。ＳｉＬＫは、例えば、ＣＴＥが約７０ｐｐｍ.Ｋ−１である。これは上にあるヒータ材料のＣＴＥよりもはるかに大きい可能性が高く、水性インクの過熱限界である約３００℃まで加熱することにより、大きな応力及び層間剥離が生じる可能性が高い。一方、ＳｉＯＣＨ膜は、約１０ｐｐｍ.Ｋ−１という適度に低いＣＴＥを有し、これは本出願人のデバイスにおいては、ＴｉＡｌＮヒータ材料のＣＴＥと一致し、本出願人のオープンプール試験において１０億バブル凝集後にヒータの層間剥離は認められなかった。インクジェット用途に使用されるヒータ材料は、約１０ｐｐｍ.Ｋ−１のＣＴＥを有する可能性が高いので、ＣＶＤ堆積された膜はスピンオン膜よりも好ましい。
【００９０】
この用途に関して興味のある最後の点は、熱バリアの横方向画定（ｌａｔｅｒａｌ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ）に関するものである。米国特許第５，８６１，９０２号において、低熱拡散率の領域がヒータのすぐ下にあり、一方でさらに離れて高熱拡散率の領域があるように、堆積後に熱バリア層が改変される。この構成は２つの矛盾する要件を解決するために設計されている。
１．吐出のエネルギーを削減するために、ヒータが基板から熱的に隔離される。
２．チップ背面への熱伝導により、プリントヘッドチップが冷却される。
チップが除去を必要とする熱は、吐出された液滴によって除去される熱だけであるという意味で、自己冷却性となるように設計されている本出願人のノズルには、そのような構成は必要ない。正式には、「自己冷却される」又は「自己冷却性」ノズルとは、吐出可能な液体の滴を吐出するのに必要なエネルギーが、滴によって除去できる熱エネルギーの最大量未満であるノズルと定義できる。このエネルギーは、滴の量に等しい量の吐出可能な流体を、流体がプリントヘッドに入る温度から吐出可能な流体の不均質沸点（ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ ｂｏｉｌｉｎｇ ｐｏｉｎｔ）まで加熱するのに必要なエネルギーである。この場合、プリントヘッドチップの定常温度は、ノズル密度、噴射率又は導電性ヒートシンクの有無に関わらず、吐出可能な流体の不均質沸点未満となる。ノズルが自己冷却性である場合、熱はプリントヘッドの表面から吐出された液滴によって除去され、チップの背面に輸送する必要はない。したがって、ヒータの下の領域に封入するように熱バリア層をパターニングする必要がない。これにより、デバイスの加工が簡略化する。事実、ＣＶＤされたＳｉＯＣＨを単にＣＭＯＳ上部不動態化層とヒータ層との間に挿入するだけでよい。これについては図６〜図９を参照して以下で説明する。
【００９１】
［ルーフ接合式ヒータ素子及びフロア接合式ヒータ素子］
図６〜図９は、２つの埋め込み式ヒータの実施形態を概略的に示す。図６及び図７では、ヒータ１０がチャンバ７のフロアに埋め込まれ、図８及び図９では、チャンバのルーフにヒータが埋め込まれる。これらの図は、バブル１２の凝集及び成長の初期段階を示すという点において全体的に図１及び図２に一致する。簡略化のため、図３〜図５に対応する、継続的な成長及び滴吐出を示す図は省略される。
【００９２】
まず第１に図６及び図７を参照すると、ヒータ素子１０がインクチャンバ７のフロアに埋め込まれている。この場合、ヒータ層３８は、不動態化凹部２９（図１０に最も良く示される）のエッチング後、インク入口穴３０及びインク入口穴３１のエッチング並びに犠牲層３５（図１４及び図１５に示す）の堆積前に、不動態化層２４上に堆積される。この製造順序の再配置が、ヒータ材料３８が穴３０及び穴３１内に堆積するのを防止する。この場合、ヒータ層３８は犠牲層３５の下に位置する。これにより、ルーフ層５０が、吊下ヒータの実施形態の場合のようにヒータ層３８上ではなく、犠牲層３５上に堆積されることが可能となる。吊下ヒータの実施形態において図２５〜図３５を参照して上述されている第２の犠牲層４２の堆積及びそれに続くエッチングを必要とする一方、ヒータ素子１０がチャンバフロアに埋め込まれる場合には他の犠牲層は必要ない。プリントヘッドの効率を維持するため、ヒータ素子１０と基板８の残りの部分との間に位置するよう低熱積層２５が不動態化層２４上に堆積され得る。材料の熱積及びヒータ素子１０を熱的に分離するその能力は上記及び等式３を参照してより詳細に下に説明される。しかしながら、本質的には加熱パルス中の不動態化層２４への熱損失を低減する。
【００９３】
図８及び図９は、インクチャンバ７のルーフに接合されたヒータ素子１０を示す。図１０〜図３６を参照して説明した吊下ヒータの製作プロセスにおいて、ヒータ層３８は犠牲層３５の上に堆積され、したがって製造順序はヒータ層３８がパターニングされエッチングされる後まで変わらない。この時点で、次いで、ルーフ層４４が、介在する犠牲層なしに、エッチングされたヒータ層３８の上に堆積される。ヒータ層３８が低熱積層と接触し、それにより、加熱パルス中のルーフ５０への熱損失を低減するように、低熱積層２５をルーフ層４４内に含めることができる。
【００９４】
［埋め込み式ヒータ素子の製造プロセス］
図６〜図９に示すユニットセルは、かなり概略的であり、埋め込み式ヒータ素子と吊下ヒータ素子の間の相違を強調するため可能な限り、意図的に図１〜図４に示すユニットセルに対応させてある。図３７〜図７０は、より詳細で複雑な埋め込み式ヒータの実施形態の製作ステップを示す。この実施形態において、ユニットセル２１は、４つのノズル、４つのヒータ素子及び１つのインク入口を有する。この設計により、楕円ノズル開口と、より薄いヒータ素子と、千鳥形のノズルの列とを使用して、単一のインク入口から複数のノズルチャンバに供給することにより、ノズルのパッキング密度が増す。ノズル密度が上がると、印刷の解像度が上がる。
【００９５】
図３７及び図３８は部分的に完成したユニットセル１を示す。簡略化のため、この説明は、ウエハ８上における標準ＣＭＯＳ製作が完了した時点から始める。ＣＭＯＳ相互接続層２３は、間に層間誘電体を有する４つの金属層である。一番上の金属層であるＭ４層５０（点線で示す）は、不動態化層２４で被覆されたヒータ電極コンタクトを形成するためにパターニングされる。Ｍ４層は、実際にはＴｉＮ層と、Ａｌ／Ｃｕ（＞９８％ Ａｌ）層と、反射防止コーティング（ＡＲＣ）として働く別のＴｉＮ層との３層で構成される。ＡＲＣは、次に続く露光ステップ中に光が拡散するのを阻止する。ＴｉＮ ＡＲＣは、ヒータ材料に適した抵抗率を有する（以下で説明する）。
【００９６】
不動態化層は、相互接続層２３上に堆積された単一の二酸化ケイ素層であってもよい。任意選択で、不動態化層２４は、２つの二酸化ケイ素層間の窒化ケイ素層（「ＯＮＯ」層と呼ばれる）であってもよい。不動態化層２４は、Ｍ４層５０上の厚さが好ましくは０．５ミクロンとなるように平坦化される。不動態化層は、ＣＭＯＳ層をＭＥＭＳ構造から分離し、また、下記で述べるインク入口のエッチングのためのハードマスクとしても使用される。
【００９７】
図３９及び図４１は、図４０に示すマスク５２を使用して、不動態化層２４内にエッチングされたウインドウ５４を示す。通常通り、フォトレジスト層（図示せず）が不動態化層２４上にスピンコートされる。クリアトーン（ｃｌｅａｒ ｔｏｎｅ）マスク５２（暗色領域は、紫外線がマスクを透過する領域を示す）が露光され、露光されたフォトレジストを除去するためにレジストがポジ現像溶液中において現像される。次いで、不動態化層２４が、酸化膜エッチング装置（例えば、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社のＣｅｎｔｕｒａ ＤＰＳ（Ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅ）Ｅｔｃｈｅｒ）を使用してエッチングされる。エッチングはＴｉＮ ＡＲＣ層の上又は部分的に内部で停止し、下のＡｌ／Ｃｕ層に達してはならない。次いで、このフォトレジスト層（図示せず）が、標準ＣＭＯＳアッシング装置内で０２プラズマで剥離される。
【００９８】
図４２及び図４３はヒータ材料５６の０．２ミクロン層の堆積を示す。ＴｉＡｌ、ＴｉＡｌＮ及びＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）７１８などの適切なヒータ材料は、本明細書の他の箇所で説明した。図４４及び図４６に示すように、ヒータ材料層５６は、図４５に示すマスク５８を使用してパターニングされる。前のステップと同様に、フォトレジスト層（図示せず）がマスク５８を通して露光され、現像される。マスク５８は、クリア領域が、下にある材料が紫外線で露光され、現像溶液で除去される領域を示す点で、クリアトーンマスクであることが理解されよう。次いで、必要のないヒータ材料層５６はヒータのみを残してエッチングされる。この場合も、残ったフォトレジストは０２プラズマでアッシングされる。
【００９９】
この後、図４７に示すように、層フォトレジスト４２が再度ウエハ８上にスピンコートされる。図４８に示すダークトーン（ｄａｒｋ ｔｏｎｅ）マスク６０（暗色領域は紫外線を遮る）がレジストを露光させ、次いで不動態化層２４上にインク入口３１の位置を画定するために、レジストが現像及び除去される。図４９に示すように、インク入口３１の位置でレジスト４２を除去することにより、不動態化層２４が誘電エッチングに備えて露出される。
【０１００】
図５０及び図５１は、不動態化層２４、ＣＭＯＳ相互接続層２３、及び下にあるウエハ８の誘電エッチングを示す。これは任意の標準ＣＭＯＳエッチング装置（例えば、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社のＣｅｎｔｕｒａ ＤＰＳ（Ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅ）Ｅｔｃｈｅｒ）を使用した深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）であり、ウエハ８内に約２０ミクロン〜３０ミクロン延びる。図示の実施形態において、表側インク入口エッチングの深さは約２５ミクロンである。表側エッチングの精度は重要である。その理由は、裏側エッチング（以下に説明する）はノズルチャンバまでのインク流路を設けるために、表側に達するのに十分な深さでなければならないからである。インク入口３１の表側エッチングの後、フォトレジスト４２は０２プラズマ（図示せず）でアッシングされる。
【０１０１】
図５２及び図５３に示すように、フォトレジスト層４２が除去されると、フォトレジスト３５の別の層がウエハ上にスピンコートされる。この層の厚さは注意深く制御される。その理由は、この層が次のチャンバルーフ材料（以下に記載される）堆積のための足場を形成するからである。本実施形態において、フォトレジスト層３５は厚さ８ミクロンである（図５３に最も良く示されるようにインク入口３１を塞ぐ場所を除く）。次に、フォトレジスト層３５が、図５５に示すマスク６２に従ってパターニングされる。このマスクは、暗色領域が紫外線に露光される領域を示す点で、クリアトーンマスクである。露光されたフォトレジストは現像され、除去され、図５４に従って層３５がパターニングされる。図５６はパターニングされたフォトレジスト層３５の断面図である。
【０１０２】
フォトレジスト３５でチャンバルーフ及び支持壁を画定して、窒化ケイ素などのルーフ材料の層が犠牲スカフォルディング上に堆積される。図５７及び図５８に示す実施形態において、ルーフ材料の層４４は厚さ３ミクロンである（壁又は柱特徴においては除く）。
【０１０３】
図５９、図６０及び図６１は、ノズルリム４のエッチングを示す。フォトレジストの層（図示せず）がルーフ層４４上にスピンコートされ、クリアトーンマスク６４（暗色領域は紫外線に露光される）の下で露光される。ルーフ層４４は、次いで、２ミクロンの深さまでエッチングされ、隆起したノズルリム４及びバブル出口特徴６６が残る。残ったフォトレジストは、次いで、アッシングされる。
【０１０４】
図６２、図６３及び図６４は、ルーフ層４４におけるノズル孔のエッチングを示す。この場合も、フォトレジストの層（図示せず）が、ルーフ層４４上にスピンコートされる。次いで、ダークトーンマスク６８（クリア領域が露光される）を用いてパターニングされ、次いで、現像され、露光されたレジストが除去される。次いで、下にあるＳｉＮ層が、標準ＣＭＯＳエッチング装置を用いて下のフォトレジスト層３５までエッチングされる。これによってノズル孔３が形成される。バブル出口穴６６もまた、このステップ中にエッチングされる。この場合も、残ったフォトレジストが０２プラズマで除去される。
【０１０５】
図６５及び図６６は、保護フォトレジストオーバーコート７４の塗布を示す。これにより、繊細なＭＥＭＳ構造がさらなる取扱い時に損傷することが防止される。同様に、足場フォトレジスト３５は依然として所定の位置にあり、ルーフ層４４を支持する。
【０１０６】
次いで、「裏側」７０（図６７を参照のこと）がエッチングできるように、ウエハ８が裏返される。次いで、ウエハ８（又はより具体的には、フォトレジストオーバーコート７４）の表側が、熱テープ又は類似物を用いてガラス製のハンドルウエハ上に貼り付けられる。当初ウエハは厚さ約７５０ミクロンであることが理解されよう。厚さを、したがって、ウエハの表側と裏側との間に流体連通を設けるのに必要なエッチングの深さを減らすために、ウエハの反対側７０がウエハの厚さが約１６０ミクロンになるまで研磨され、次いで、ＤＲＩＥエッチングされ、研磨された面の点食が除去される。裏側が、次いで、チャネル３２のエッチングに備えてフォトレジスト層（図示せず）でコーティングされる。クリアトーンマスク７２（図６８に示す）が、露光及び現像のため裏側７０に配置される。このとき、レジストは、チャネル３２の幅（図示の実施形態では約８０ミクロン）を画定する。次いで、チャネル３２が、塞がれた表側インク入口３１に達するまで及び塞がれた表側インク入口３１をわずかに超える位置までＤＲＩＥエッチングされる。次いで、フォトレジストの裏側７２が、０２プラズマでアッシングされ、保護オーバーコート７４及び足場フォトレジスト３５の表側アッシングのためにウエハ８がやはり裏返される。図６９及び図７０は完成したユニットセル１を示す。図７０は平面図であるが、説明の目的で、ルーフによって隠されたフィーチャが実線で示されている。
【０１０７】
使用時に、インクが裏側７０からチャネル３２及び表側入口３１に供給される。プリントヘッドへのインク供給ライン内には気泡が形成されやすい。これは、溶解した気体が溶液から出てバブルとして集まる場所で気体が抜けるためである。バブルがインクと共にチャンバ７に供給される場合、ノズルからのインク吐出を妨げる可能性がある。圧縮可能なバブルは、ヒータ素子１０上に凝集したバブルによって発生した圧力を吸収し、したがって圧力パルスは孔３からインクを吐出するには不十分となる。インクがチャンバ７に入ると、同伴されたバブルはインク入口３１の両側において柱状フィーチャに追従し、バブル出口６６に向かって押される傾向にある。バブル出口６６は、インクの表面張力によってインク漏れが防止されるが、閉じ込められた気泡は排出できるような寸法である。各ヒータ素子１０は、３つの面がチャンバ壁で、第４の面が別の柱状フィーチャで囲まれる。これらの柱状フィーチャは、放射圧力パルスを拡散させて、チャンバ７間のクロストークを低減する。
【０１０８】
［超合金ヒータ］
超合金は、高温下での使用のために開発された材料クラスである。超合金は通常、元素周期表のＶＩＩＡ族の元素をベースとし、ジェットエンジン、発電所のタービンなど、材料の高温安定性を必要とする用途で主に使用される。超合金が熱インクジェットの分野で適していることはこれまで認識されていなかった。超合金は、公知の熱インクジェットプリントヘッドに使用される従来の薄膜ヒータ（アルミニウムタンタル、窒化タンタル又は二ホウ化ハフニウムなど）の高温強度、耐食性及び耐酸化性を大幅に超える高温強度、耐食性及び耐酸化性を提供することができる。超合金の主な利点は、親出願である米国特許出願第１１／０９７，３０８号明細書で詳述されるように、ヒータが保護コーティングなしで動作できるのに十分な強度、耐酸化性及び耐食性を有し、したがってコーティングの加熱時に無駄になっていたエネルギーが設計から排除される。
【０１０９】
保護層なしで試験を行った場合、超合金は場合によっては従来の薄膜材料と比較して格段に長い寿命を有することができることが試験で示された。図７１は、オープンプール沸騰（ヒータがノズル内ではなく単に水のオープンプール内で作動される）で試験が行われた２つの異なるヒータ材料のヒータ信頼度のワイブルプロットである。当業者には、ワイブルチャートがよく知られたヒータ信頼度の測定法であることが理解されよう。このチャートでは、故障の確率すなわち不信頼性を作動回数のログスケールに対してプロットする。また、図７１に示すキーは各合金について故障及び一時停止したデータポイントの数を示すことにも留意されたい。例えば、キー中、Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８の下のＦ＝８は、試験で使用されたヒータのうち８つが開路故障に至るまで試験されたことを示し、一方、Ｓ＝１は、試験ヒータの１つが一時停止された、又は言い換えれば、試験が中断された時点でなお動作していたことを示す。公知のヒータ材料であるＴｉＡｌＮが超合金Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８と比較されている。登録商標Ｉｎｃｏｎｅｌは、２０６０ Ｆｌａｖｅｌｌｅ Ｂｏｕｌｅｖａｒｄ，Ｍｉｓｓｉｓｓａｕｇａ，Ｏｎｔａｒｉｏ Ｌ５Ｋ １Ｚ９ ＣａｎａｄａのＨｕｎｔｉｎｇｔｏｎ Ａｌｌｏｙｓ Ｃａｎａｄａ Ｌｔｄ社が所有している。
【０１１０】
本出願人の以前の研究で、耐酸化性がヒータの寿命と強い相関関係があることが示されている。ＡｌをＴｉＮに添加してＴｉＡｌＮを生成することにより、ヒータの耐酸化性（炉内処理後の酸素含有量のオージェ深さプロファイリングによって測定）は大幅に向上し、ヒータの寿命も大幅に伸びた。Ａｌはヒータの表面に拡散され、さらに酸素を透過するための拡散率が非常に低い薄い酸化スケールが形成された。ヒータを不動態化するのはこの酸化スケールであり、酸化環境又は腐食環境によるさらなる攻撃からヒータを保護し、保護層なしでの動作を可能とする。また、スパッタリングされたＩｎｃｏｎｅｌ７１８もこの形の保護をもたらし、やはりＡｌを含むが、Ｃｒの存在、及びナノ結晶構造という、耐酸化性をさらに強化する他の２つの有利な性質を有する。
【０１１１】
クロムは、酸化クロムの保護スケールを形成することにより自己不動態化特性をもたらすという点で、添加物としてアルミニウムと類似の挙動を示す。材料中でＣｒとＡｌとを併用するのが、どちらかを単独で使用するよりもよいと考えられる。その理由は、アルミナスケールはクロミアスケールより成長が遅いが、最終的には良好な保護を提供するからである。Ｃｒを添加すると有益である。その理由は、アルミナスケールが成長する一方で、クロミアスケールは短期的な保護をもたらすので、短期的な保護に必要な材料中のＡｌ濃度を低くできるからである。Ａｌ濃度を低くすることは有益である。その理由は、酸化保護を強化する目的でＡｌ濃度を高くすると、材料の相安定性が危うくなるからである。
【０１１２】
スパッタリングされたＩｎｃｏｎｅｌ７１８のＸ線回折及び電子顕微鏡による研究で、粒径１００ｎｍ未満の結晶微細構造（「ナノ結晶」微細構造）が示された。Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８のナノ結晶微細構造は、良好な材料強度を提供する一方で高密度の粒界を有する点で有利である。より大きな結晶及びより低密度の粒界を有する材料と比較すると、ナノ結晶構造は、保護スケールを形成する元素であるＣｒ及びＡｌの拡散率を高め（より急速なスケール形成）、ヒータ表面全体にスケールをより均一に成長させる。したがって、より急速かつより効果的に保護が行われる。ナノ結晶構造の方が保護スケールの付着性が高く、結果として剥離が減少する。イットリウム、ランタン及び他のレアアース元素からなる群からの反応性金属の添加物を使用することにより、スケールの機械的安定性及び付着性のさらなる向上が可能である。
【０１１３】
超合金は一般に鋳造又は鍛造されるが、これによりナノ結晶微細構造が生じるわけではないことに留意されたい。ナノ結晶構造によってもたらされる利点は、この用途のＭＥＭＳヒータ製作において使用されるスパッタリング技術に特有のものである。ヒータ材料としての超合金の利点は耐酸化性に関するものだけではないことにも留意されたい。超合金の微細構造は、高温強度及び耐疲労性を付与する相の形成を促進する添加物を用いて注意深く設計されている。潜在的に可能な添加としては、Ｎｉベースの超合金のガンマプライム相を形成するためのアルミニウム、チタン、ニオブ、タンタル、ハフニウム又はバナジウムの添加、ガンマ相を形成するための鉄、コバルト、クロム、タングステン、モリブデン、レニウム又はルテニウムの添加、或いは粒界において炭化物を形成するためのＣ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉの添加が含まれる。また、粒界を強化するためにＺｒ及びＢを添加してもよい。これらの添加物及び材料製作プロセスを制御することにより、脆化を引き起こして材料の機械的安定性及び延性を低下させる可能性のあるシグマ相、エータ相、ミュー相など、経年によって誘発される望ましくないＴＣＰ（Ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌｌｙ Ｃｌｏｓｅ Ｐａｃｋｅｄ）相を抑制するように働くことができる。そのような相は、好ましいガンマ及びガンマプライム相形成に利用できるはずの元素を消費するようにも働くので、避けられる。したがって、ヒータ材料には、Ｃｒ及びＡｌの存在により酸化保護をもたらすことが好ましいが、超合金は概して優れた材料クラスであると考えられ、このクラスからヒータ材料の候補を選択することができる。その理由は、高温強度、耐酸化性及び耐食性のための超合金の設計には、ＭＥＭＳに使用される従来の薄膜ヒータ材料の改良に投じられてきたよりも多大な労力が費やされてきたからである。
【０１１４】
本出願人の結果は、
Ｃｒ含有量が２重量％〜３５重量％、
Ａｌ含有量が０．１重量％〜８重量％、
Ｍｏ含有量が１重量％〜１７重量％、
Ｎｂ＋Ｔａ含有量が０．２５重量％〜８．０重量％、
Ｔｉ含有量が０．１重量％〜５．０重量％、
Ｆｅ含有量が６０重量％以下、
Ｎｉ含有量が２６重量％〜７０重量％、及び／又は、
Ｃｏ含有量が３５重量％〜６５重量％
である超合金が、ＭＥＭＳバブル発生器内の薄膜ヒータ素子としての使用に適している可能性が高く、特定のデバイス設計（例えば、吊下ヒータ素子、埋め込み式ヒータ素子等）において有効性に関してさらなる試験が妥当であることを示す。
【０１１５】
一般式ＭＣｒＡｌＸで表される超合金であって、
ＭがＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅのうち１つ又は複数からなり、Ｍは少なくとも５０重量％を占め、
Ｃｒが８重量％〜３５重量％を占め、
Ａｌがゼロ以上８重量％未満を占め、
Ｘが２５重量％未満を占め、Ｘはゼロ以上のＭｏ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｙ、Ｈｆからなる超合金が、オープンプール試験（上述）において良好な結果を提供する。
【０１１６】
特に、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ及びＡｌを含み、ゼロ以上のＭｏ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｙ又はＨｆを含む添加物を含む、超合金が優れた結果を示す。
【０１１７】
これらの基準を使用して、熱インクジェットプリントヘッドのヒータ用の適切な超合金材料を以下から選択することができる。
Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）６００合金、６０１合金、６１７合金、６２５合金、６２５ＬＣＦ合金、６９０合金、６９３合金、７１８合金、Ｘ−７５０合金、７２５合金、７５１合金、ＭＡ７５４合金、ＭＡ７５８合金、７８３合金、９２５合金又はＨＸ合金、
ＩＮＣＯＬＯＹ（登録商標）３３０合金、８００合金、８００Ｈ合金、８００ＨＴ合金、ＭＡ９５６合金、Ａ−２８６合金又はＤＳ合金、
ＮＩＭＯＮＩＣ（登録商標）７５合金、８０Ａ合金又は９０合金、
ＢＲＩＧＨＴＲＡＹ（登録商標）Ｂ合金、Ｃ合金、Ｆ合金、Ｓ合金又は３５合金、或いは
ＦＥＲＲＹ（登録商標）合金又はＴｈｅｒｍｏ−Ｓｐａｎ（登録商標）合金。
【０１１８】
Ｂｒｉｇｈｔｒａｙ、Ｆｅｒｒｙ及びＮｉｍｏｎｉｃは、Ｈｏｌｍｅｒ Ｒｏａｄ ＨＥＲＥＦＯＲＤ ＨＲ４ ９ＦＬ ＵＮＩＴＥＤ ＫＩＮＧＤＯＭのＳｐｅｃｉａｌ Ｍｅｔａｌｓ Ｗｉｇｇｉｎ Ｌｔｄ社の登録商標である。
【０１１９】
Ｔｈｅｒｍｏ−ＳｐａｎはＣａｒｐｅｎｔｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社の子会社であるＣＲＳ ｈｏｌｄｉｎｇｓ Ｉｎｃ．社の登録商標である。
【０１２０】
［チタンアルミニウム合金のヒータ］
チタンアルミニウム（ＴｉＡｌ）合金は、優れた強度、低クリープ及び軽量という、これらの合金が航空産業及び自動車産業で広く使用される由縁である特性を有する。チタンアルミニウム合金は極めて高温下における耐酸化性のため、炉、窯等の耐火コーティングに適している（「Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ γ−ＴｉＡｌＷ Ｃｏａｔｉｎｇｓ」、Ｌ．Ｋａｃｚｍａｒｃｋら、Ｓｕｒｆａｃｅ ＆ Ｃｏａｔｉｎｇｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２０１（２００７）６１６７〜６１７０ページを参照のこと）。
【０１２１】
本出願人の研究により、ＴｉＡｌはインクジェットプリントヘッドのヒータ材料として使用するのにも十分適していることが明らかになった。この合金は、主にＡｌ２Ｏ３及び非常にわずかなＴｉＯ２の、均一で薄い高密度のコーティングである表面酸化物をもたらすことができる。Ａｌ２Ｏ３は、低い酸素拡散率を有する一方、ＴｉＯ２はより高い拡散率を有する。したがって、この自然（すなわち、自然に形成される）酸化物層は、ヒータを不動態化して酸化破壊を防ぐ一方、ヒータをインクから熱的に遮断しない程度には十分に薄い。これにより、ヒータの動作寿命を損なわずに、広く（ページ幅）高密度のノズルアレイに必要な滴の吐出エネルギーを低く保つ。厚さ０．２ミクロンのＴｉＡｌヒータを使用した試験では、１億８千万回の吐出を良好な印刷品質で達成した。
【０１２２】
ＴｉＯ２形成のさらなる抑制及び／又はヒータ表面のＡｌ拡散率（したがって、Ａｌ２Ｏ３の優先的形成）増大のために他の元素を合金に加えることができる。Ａｇ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｔａ及びＷは単独で又は組合せで、Ａｌ２Ｏ３を強化し、ＴｉＯ２の保護低下を抑制する。添加物は合計でＴｉＡｌ合金の５重量％を超えるべきではない。Ａｇ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｔａ及びＷのうち、Ｗが、最も高い耐酸化性を有する酸化スケールを有する合金を提供する。１．７重量％〜４．５重量％の範囲でＷを添加すると、優れた結果が得られる。
【０１２３】
Ｗを加える別の利点は、Ｗが既に集積回路製作時に使用されていることである。ＣＭＯＳの層間誘電材料（金属層間）を貫通するビアは一般にＷである。吐出ヒータにＷを使用することにより、集積回路又はＭＥＭＳ内において他の成分の有害な汚染が起こる可能性が低くなる。
【０１２４】
ＴｉＡｌの微細構造には別の重要な側面がある。ガンマ相ＴｉＡｌは、アルファ相Ａｌ２Ｏ３（コランダムとして公知である）と相補的な格子基板をもたらす。したがって、下の金属に対する酸化物層の付着性は強い。また、微細構造の粒径はナノ結晶領域のはずである。ナノ結晶構造により、Ａｌの拡散を促す高密度の粒界が表面に生じる。これがさらに、高密度で機械的に安定な酸化スケールを促す。ナノ結晶構造は、粒径が１００ナノメートルを下回るようにヒータ材料にマグネトロンスパッタリングを行うことにより容易に達成できることが理解されよう。
【０１２５】
薄く高密度のＡｌ２Ｏ３層は、既存のインクジェットプリントヘッドの動作寿命と同等の動作寿命をヒータに与える。酸化物を通る酸素拡散率は低いが、多少の酸素は到達し続ける。しかしながら、ＴｉＡｌヒータ上に薄い保護コーティングを加えることにより、吐出効率は幾分損なわれるものの動作寿命を伸ばすことができる。非常に薄い保護コーティング（厚さ０．５ミクロン未満）が、自然酸化スケールの保護とあいまって、液滴吐出のエネルギー効率を大幅に低下させることなく動作寿命を大幅に伸ばす。保護コーティングは、単一層でも異なる材料の積層体であってもよい。酸化ケイ素、窒化ケイ素、及び炭化ケイ素が、インクジェットヒータ素子に適切な保護コーティングを形成する。
【０１２６】
［ヒータにおける酸化物成長を阻止するための増加する駆動パルス］
保護コーティングが使用されず、ヒータが高密度の表面酸化物層のみに依存する場合、滴の吐出特性はプリントヘッドの動作寿命全体にわたって変化しうる。本出願人の研究では、コーティングされていないヒータの抵抗率が、時間の経過と共に変化することが判明した。表面酸化物は低い酸素拡散率を有するかもしれないが、いかなる酸素拡散率でも、動作寿命の接続時間中は、ヒータ材料を継続的に酸化させる。酸化物層が成長するにつれて、ヒータ抵抗も増加する。抵抗が増すと、ヒータがチャンバ内に伝えるエネルギーの量が減少する（なぜなら、ヒータによって得られるエネルギーは、駆動パルス電圧を２乗し、それをヒータ抵抗で割り、パルス接続時間を掛けたものだからである）。チャンバ内のインクへのエネルギーが低下すると、インク内の蒸気バブルが小さくなる。小さくなったバブルは、液滴サイズ及び速度に影響を及ぼす。
【０１２７】
ヒータ上での酸化物成長の影響を阻止するために、プリントエンジンコントローラは、ヒータの動作寿命の接続時間中、駆動パルスのエネルギーを増加させる。パルスエネルギーを増加させることは、パルス接続時間を延長することにより最も容易に達成できる。ヒータに送られるパルスの数は、酸化物成長の良い尺度である。インクを蒸発させて液滴を吐出する際にチャンバ内に生成される環境は、極めて酸化性が高く、これまでのところ、ヒータの停止の際に起こる酸化に勝っている。したがって、各ヒータのパルス接続時間を、設定した回数のヒータ作動の後に増分的に延長することができる。代わりに、（抵抗をＣＭＯＳ内のホイートストンブリッジ回路に組み込むことにより）コントローラでヒータの抵抗を監視し、測定された抵抗が特定のしきい値を超えるとパルス接続時間を延長することもできる。
【０１２８】
ヒータのピーク温度は、作動中にインクに伝えられるエネルギーが減少するにつれて低下する。プリントヘッド温度センサを使用して、動作温度を、個々のヒータに対する駆動パルスの接続時間を延長するトリガーとして使用することができる。
【０１２９】
ヒータ上での酸化物成長を補償すると、プリントヘッドの動作寿命中、各ノズルからの滴の吐出特性の変化が減少する。滴の吐出特性がより均一な接合、各プリントヘッドの寿命中の印刷品質の劣化が減少する。
【０１３０】
本発明を、本明細書中に単に例として説明してきた。当業者であれば、広範な発明の概念の精神及び範囲から逸脱しない多くの変更及び修正を容易に認識するであろう。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳデバイスに関し、特に、動作時に液体を蒸発させて蒸気バブルを発生させるＭＥＭＳデバイスに関する。
【０００２】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２００５年４月４日出願の米国特許出願第１１／０９７３０８号の一部継続出願でありその内容全体が参照により本明細書に組み込まれる、２００６年７月１０日出願の米国特許出願第１１／４８２９５３号の一部継続出願である／。
【０００３】
本発明に関する種々の方法、システム及び装置は、本出願人又は本発明の譲受人により出願された以下の米国特許／米国特許出願に記載されている。
米国特許出願第09/517539号、米国特許第6566858号、第6331946号、第6246970号、第6442525号、米国特許出願第09/517384号、第09/505951号、米国特許第6374354号、米国特許出願第09/517608号、米国特許第6816968号、第6757832号、第6334190号、第6745331号、米国特許出願第09/517541号、第10/203559号、第10/203560号、第10/203564号、第10/636263号、第10/636283号、第10/866608号、第10/902889号、第10/902833号、第10/940653号、第10/942858号、第10/727181号、第10/727162号、第10/727163号、第10/727245号、第10/727204号、第10/727233号、第10/727280号、第10/727157号、第10/727178号、第10/727210号、第10/727257号、第10/727238号、第10/727251号、第10/727159号、第10/727180号、第10/727179号、第10/727192号、第10/727274号、第10/727164号、第10/727161号、第10/727198号、第10/727158号、第10/754536号、第10/754938号、第10/727227号、第10/727160号、第10/934720号、第11/212702号、第11/272491号、第10/296522号、米国特許第6795215号、米国特許出願第10/296535号、第09/575109号、米国特許第6805419号、第6859289号、第6977751号、第6398332号、第6394573号、第6622923号、第6747760号、第6921144号、米国特許出願第10/884881号、第10/943941号、第10/949294号、第11/039866号、第11/123011号、米国特許第6986560号、第7008033号、米国特許出願第11/148237号、第11/248435号、第11/248426号、第10/922846号、第10/922845号、第10/854521号、第10/854522号、第10/854488号、第10/854487号、第10/854503号、第10/854504号、第10/854509号、第10/854510号、第10/854496号、第10/854497号、第10/854495号、第10/854498号、第10/854511号、第10/854512号、第10/854525号、第10/854526号、第10/854516号、第10/854508号、第10/854507号、第10/854515号、第10/854506号、第10/854505号、第10/854493号、第10/854494号、第10/854489号、第10/854490号、第10/854492号、第10/854491号、第10/854528号、第10/854523号、第10/854527号、第10/854524号、第10/854520号、第10/854514号、第10/854519号、第10/854513号、第10/854499号、第10/854501号、第10/854500号、第10/854502号、第10/854518号、第10/854517号、第10/934628号、第11/212823号、第10/728804号、第10/728952号、第10/728806号、米国特許第6991322号、米国特許出願第10/728790号、第10/728884号、第10/728970号、第10/728784号、第10/728783号、第10/728925号、第6962402号、第10/728803号、第10/728780号、第10/728779号、第10/773189号、第10/773204号、第10/773198号、第10/773199号、米国特許第6830318号、米国特許出願第10/773201号、第10/773191号、第10/773183号、第10/773195号、第10/773196号、第10/773186号、第10/773200号、第10/773185号、第10/773192号、第10/773197号、第10/773203号、第10/773187号、第10/773202号、第10/773188号、第10/773194号、第10/773193号、第10/773184号、第11/008118号、第11/060751号、第11/060805号、第11/188017号、第11/298773号、第11/298774号、第11/329157号、米国特許第6623101号、第6406129号、第6505916号、第6457809号、第6550895号、第6457812号、米国特許出願第10/296434号、米国特許第6428133号、第6746105号、米国特許出願第10/407212号、第10/407207号、第10/683064号、第10/683041号、第6750901号、第6476863号、第6788336号、第11/097308号、第11/097309号、第11/097335号、第11/097,299号、第11/097310号、第11/097213号、第11/210687号、第11/097212号、第11/212637号、第11/246687号、第11/246718号、第11/246685号、第11/246686号、第11/246703号、第11/246691号、第11/246711号、第11/246690号、第11/246712号、第11/246717号、第11/246709号、第11/246700号、第11/246701号、第11/246702号、第11/246668号、第11/246697号、第11/246698号、第11/246699号、第11/246675号、第11/246674号、第11/246667号、第11/246684号、第11/246672号、第11/246673号、第11/246683号、第11/246682号、第10/760272号、第10/760273号、第10/760187号、第10/760182号、第10/760188号、第10/760218号、第10/760217号、第10/760216号、第10/760233号、第10/760246号、第10/760212号、第10/760243号、第10/760201号、第10/760185号、第10/760253号、第10/760255号、第10/760209号、第10/760208号、第10/760194号、第10/760238号、第10/760234号、第10/760235号、第10/760183号、第10/760189号、第10/760262号、第10/760232号、第10/760231号、第10/760200号、第10/760190号、第10/760191号、第10/760227号、第10/760207号、第10/760181号、第10/815625号、第10/815624号、第10/815628号、第10/913375号、第10/913373号、第10/913374号、第10/913372号、第10/913377号、第10/913378号、第10/913380号、第10/913379号、第10/913376号、第10/913381号、第10/986402号、第11/172816号、第11/172815号、第11/172814号、第11/003786号、第11/003616号、第11/003418号、第11/003334号、第11/003600号、第11/003404号、第11/003419号、第11/003700号、第11/003601号、第11/003618号、第11/003615号、第11/003337号、第11/003698号、第11/003420号、第6984017号、第11/003699号、第11/071473号、第11/003463号、第11/003701号、第11/003683号、第11/003614号、第11/003702号、第11/003684号、第11/003619号、第11/003617号、第11/293800号、第11/293802号、第11/293801号、第11/293808号、第11/293809号、第11/246676号、第11/246677号、第11/246678号、第11/246679号、第11/246680号、第11/246681号、第11/246714号、第11/246713号、第11/246689号、第11/246671号、第11/246670号、第11/246669号、第11/246704号、第11/246710号、第11/246688号、第11/246716号、第11/246715号、第11/246707号、第11/246706号、第11/246705号、第11/246708号、第11/246693号、第11/246692号、第11/246696号、第11/246695号、第11/246694号、第11/293832号、第11/293838号、第11/293825号、第11/293841号、第11/293799号、第11/293796号、第11/293797号、第11/293798号、第10/760254号、第10/760210号、第10/760202号、第10/760197号、第10/760198号、第10/760249号、第10/760263号、第10/760196号、第10/760247号、第10/760223号、第10/760264号、第10/760244号、第10/760245号、第10/760222号、第10/760248号、第10/760236号、第10/760192号、第10/760203号、第10/760204号、第10/760205号、第10/760206号、第10/760267号、第10/760270号、第10/760259号、第10/760271号、第10/760275号、第10/760274号、第10/760268号、第10/760184号、第10/760195号、第10/760186号、第10/760261号、第10/760258号、第11/293804号、第11/293840号、第11/293803号、第11/293833号、第11/293834号、第11/293835号、第11/293836号、第11/293837号、第11/293792号、第11/293794号、第11/293839号、第11/293826号、第11/293829号、第11/293830号、第11/293827号、第11/293828号、第11/293795号、第11/293823号、第11/293824号、第11/293831号、第11/293815号、第11/293819号、第11/293818号、第11/293817号、第11/293816号、第11/014764号、第11/014763号、第11/014748号、第11/014747号、第11/014761号、第11/014760号、第11/014757号、第11/014714号、第11/014713号、第11/014762号、第11/014724号、第11/014723号、第11/014756号、第11/014736号、第11/014759号、第11/014758号、第11/014725号、第11/014739号、第11/014738号、第11/014737号、第11/014726号、第11/014745号、第11/014712号、第11/014715号、第11/014751号、第11/014735号、第11/014734号、第11/014719号、第11/014750号、第11/014749号、第11/014746号、第11/014769号、第11/014729号、第11/014743号、第11/014733号、第11/014754号、第11/014755号、第11/014765号、第11/014766号、第11/014740号、第11/014720号、第11/014753号、第11/014752号、第11/014744号、第11/014741号、第11/014768号、第11/014767号、第11/014718号、第11/014717号、第11/014716号、第11/014732号、第11/014742号、第11/097268号、第11/097185号、第11/097184号、第11/293820号、第11/293813号、第11/293822号、第11/293,812号、第11/293821号、第11/293814号、第11/293793号、第11/293842号、第11/293811号、第11/293807号、第11/293806号、第11/293805号、第11/293810号、第09/575197号、第09/575195号、第09/575159号、第09/575123号、米国特許第6825945号、米国特許出願第09/575165号、米国特許第6813039号、第6987506号、米国特許出願第09/575131号、米国特許第6980318号、第6816274号、米国特許出願第09/575139号、第09/575186号、米国特許第6681045号、第6728000号、米国特許出願第09/575145号、第09/575192号、第09/575181号、第09/575193号、第09/575183号、米国特許第6789194号、第6789191号、第6644642号、第6502614号、第6622,999号、第6669385号、第6549935号、米国特許出願第09/575187号、米国特許第6727996号、第6591884号、第6439706号、第6760119号、米国特許出願第09/575198号、米国特許第6290349号、第6428155号、第6785016号、米国特許出願第09/575174号、第09/575163号、米国特許第6737591号、米国特許出願第09/575154号、第09/575129号、米国特許第6830196号、第6832717号、第6957768号、米国特許出願第09/575162号、第09/575172号、第09/575170号、第09/575171号、第09/575161号。
これらの出願及び特許の開示は、参照により本明細書中に組み込まれる。
【０００４】
［同時係属中の出願］
以下の出願が、本出願人により、親出願と同時に出願されている。
米国特許出願第11/482975号、第11/482970号、第11/482968号、第11/482972号、第11/482971号、第11/482969号、第11/482958号、第11/482955号、第11/482962号、第11/482963号、第11/482956号、第11/482954号、第11/482974号、第11/482957号、第11/482987号、第11/482959号、第11/482960号、第11/482961号、第11/482964号、第11/482965号、第11/482976号、第11/482973号、第11/482982号、第11/482983号、第11/482984号、第11/482979号、第11/482990号、第11/482986号、第11/482985号、第11/482978号、第11/482967号、第11/482966号、第11/482988号、第11/482989号、第11/482980号、第11/482981号、第11/482977号。
これら同時係属中の出願の開示は、参照により本明細書中に組み込まれる。
【背景技術】
【０００５】
微小機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスには液体を処理又は使用して動作するものがある。これら液体を含むデバイスの１つのクラスでは、抵抗ヒータを使用して液体の過熱限界まで液体を熱し、その結果、急速に膨張する蒸気バブルが形成される。バブルの膨張によってもたらされる衝撃は、デバイス内で液体を移動させるメカニズムとして使用可能である。各ノズルがバブルを発生させて印刷媒体上にインクの滴を吐出するヒータを有する、熱インクジェットプリントヘッドの場合がそうである。インクジェットプリンタの使用が普及している点を考慮し、本発明を、特にこの用途での使用に関して説明する。しかしながら、本発明はインクジェットプリントヘッドに限定されるものではなく、抵抗ヒータによって形成される蒸気バブルを使用して、液体をデバイス内で移動させる他のデバイス（例えば、一部の「ラボオンチップ」デバイス）にも等しく適用されることが理解されるであろう。
【０００６】
インクジェットプリントヘッドの抵抗ヒータは極めて厳しい環境で動作する。インクジェットプリントヘッドの抵抗ヒータは、吐出可能な液体、通常約３００℃の過熱限界を有する水溶性インク中で、急速かつ連続的に加熱及び冷却を行い、バブルを形成しなければならない。このような繰り返し応力の条件下で、高温のインク、水蒸気、溶存酸素及びおそらく他の腐食性化学種の存在により、ヒータは抵抗を増し、最終的には、ヒータ又はその保護酸化物層を腐食するメカニズム（化学的腐食及びキャビテーション腐食）によって促進される、酸化と疲労との組合せによって開回路となる。
【０００７】
ヒータ材料に対する酸化、腐食及びキャビテーションの影響から保護するため、インクジェット製造業者は、一般にＳｉ３Ｎ４、ＳｉＣ及びＴａからなる積み重ねた保護層を使用する。ある種の先行技術のデバイスにおいては、保護層は比較的厚い。Ａｎｄｅｒｓｏｎらに付与された米国特許第６７８６５７５号（Ｌｅｘｍａｒｋに譲渡）では、例えば、厚さ約０．１μｍのヒータに対し０．７μｍの保護層を有する。
【０００８】
バブルを形成する液体中で蒸気バブルを形成するために、バブルを形成する液体に接触する保護層の表面は、その液体の過熱限界（水では約３００℃）まで加熱しなければならない。それには、保護層の厚さ全体を液体の過熱限界（又は場合によっては過熱限界を超える）まで加熱することが必要となる。この余分なボリュームの加熱により、デバイスの効率が低下し、噴射後に存在する残留熱のレベルが大幅に上昇する。この余分な熱がノズルの連続する噴射の間に除去できなければ、ノズル内のインクは絶えず沸騰し、ノズルが所期のようには液滴を吐出しなくなる。
【０００９】
現在、市販されているプリントヘッドの主な冷却メカニズムは熱伝導式であり、既存のプリントヘッドがプリントヘッドチップから吸収した熱を放散するための大きなヒートシンクを実装する。ノズル内でこのヒートシンクが液体を冷却する能力は、ノズルとヒートシンクとの間の熱抵抗及び噴射ノズルによって発生する熱流束によって制限される。コーティングされたヒータの保護層を加熱するために必要とされる余分なエネルギーが熱の流れを増加させるため、プリントヘッド上のノズルの密度及びノズルの噴射率に対し、より厳しい制約が課される。この制約が、印刷の解像度、プリントヘッドのサイズ、印刷速度及び製造コストに影響を及ぼす。
【００１０】
本出願人は、蒸気バブルを形成するために必要とされるエネルギーを削減するために、ヒータに保護コーティングが付加されない一連のプリントヘッドを開発した。これらのヒータは、さらなる酸化の速度を、プリントヘッドに許容可能な寿命を与えるレベルにまで遅らせるのに十分な低さの酸素拡散率を有する、薄い表面酸化物層を形成する。しかしながら、酸化物層は時間と共に、特に、ヒータに送られる駆動パルスの数又は作動の回数と共に成長する。これにより、ヒータの動作寿命にわたるヒータ抵抗が、したがって、滴の吐出特性も変化する。この変化は、印刷品質にとって有害となり得ることが理解されよう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第６７８６５７５号
【発明の概要】
【００１２】
したがって、本発明は、メディア基板上に液体の滴を吐出する複数の吐出デバイスが配列されたプリントヘッドであって、前記吐出デバイスのそれぞれが、液体を保持するチャンバと、前記チャンバと流体連通されたノズルと、前記ノズルを通じて前記液体の滴を吐出する蒸気バブルがヒータの抵抗加熱によって発生するように前記液体と接触して前記チャンバ内に配置されたヒータと、を備えるプリントヘッドと、印刷データを受信し、前記印刷データに従って前記ヒータを駆動するための駆動パルスを発生させるコントローラと、を備え、前記コントローラが、前記プリントヘッドの寿命中に前記駆動パルスのエネルギーを増加させる、インクジェットプリンタを提供する。
【００１３】
このコントローラは、プリントヘッドの動作寿命の接続時間中、蒸気バブルのサイズを、したがって、滴の吐出特性を維持するために、表面酸化物が成長するにつれて駆動パルスのエネルギーを増加させることができる。
【００１４】
任意選択で、コントローラは、駆動パルスの接続時間を延長させることにより、駆動パルスのエネルギーを増加させるように構成される。
【００１５】
任意選択で、コントローラは、所定の数の滴が吐出された後に駆動パルスエネルギーを増加させるように構成される。任意選択で、コントローラは、吐出デバイスのそれぞれによって吐出される滴の累計を監視し、吐出デバイスが所定の数の滴を吐出した後に、いずれの吐出デバイスに対しても駆動パルスのエネルギーを個別に増加させる。
【００１６】
任意選択で、吐出デバイスは、いつヒータが所定のしきい値より低いピーク温度を有するかを判断する温度センサをさらに備え、コントローラは、ピーク温度がしきい値より低いことを温度センサが示すのに応答して、駆動パルスのエネルギーを増加させるように構成される。任意選択で、しきい値は４５０℃未満である。
【００１７】
任意選択で、コントローラは、吐出デバイスの作動回数とヒータの電気抵抗の増加との間の所定の関係とは逆に駆動パルス幅を増加させる。
【００１８】
任意選択で、ヒータは、Ｔｉが４０重量％超を占め、Ａｌが４０重量％超を占め、Ｘが５重量％未満を占め、ゼロ以上のＡｇ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｔａ及びＷを含有する、ＴｉＡｌＸ合金から形成される。
【００１９】
チタンアルミニウム（ＴｉＡｌ）合金は、優れた強度、低クリープ及び軽量という、これらの合金が航空産業及び自動車産業で広く使用されている由縁である特性を有する。しかしながら、本出願人の研究により、ＴｉＡｌはインクジェットプリントヘッドのヒータ材料としての使用にも十分に適していることがわかった。この合金は、Ａｌ２Ｏ３を主成分とし、非常にわずかなＴｉＯ２を含有する、均一で、薄く、高密度のコーティングである表面酸化物を提供可能である。Ａｌ２Ｏ３は低い酸素拡散率を有し、一方、ＴｉＯ２はより高い拡散率を有する。したがって、自然（すなわち自然に形成される）酸化物層がヒータを不動態化して酸化破壊を防ぐ一方、ヒータをインクから熱的に遮断しないよう十分な薄さを維持する。これにより、ヒータの動作寿命を損なうことなく、大きい（ページ幅）、高密度のノズルアレイに必要とされる、少ないエネルギーでの滴の吐出を維持する。
【００２０】
任意選択で、ＸはＷである、又はＸは１．７重量％〜４．５重量％を占めるＷを含有する。
【００２１】
任意選択で、Ｔｉは４８重量％超を占め、Ａｌは４８重量％超を占め、Ｘは０重量％である。
【００２２】
任意選択で、ヒータのＴｉＡｌ成分は、ガンマ相構造を有する。
【００２３】
任意選択で、ヒータは、粒径１００ナノメートル未満の微細構造を有する。
【００２４】
任意選択で、ＴｉＡｌＸ合金は、使用時に、液体に直接接触するＡｌ２Ｏ３表面酸化物を形成する。
【００２５】
任意選択で、ＴｉＡｌＸ合金は、厚さ２ミクロン未満の層として堆積される。この層は、厚さ０．５ミクロン未満であることが好ましい。
【００２６】
任意選択で、ヒータは、保護コーティングをさらに備え、保護コーティングは、０．５ミクロン未満の総厚を有する。任意選択で、保護コーティングは、単一材料の層である。任意選択で、保護コーティングは、少なくとも部分的に酸化ケイ素、窒化ケイ素又は炭化ケイ素から形成される。
【００２７】
第２の態様において、本発明は、バブルを発生させるためのＭＥＭＳデバイスであって、
液体を保持するチャンバと、
チャンバ内に液体と熱接触して配置されたヒータとを備え、ヒータが、粒径１００ナノメートル未満の微細構造を有し、作動時に、液体中に圧力パルスをもたらす蒸気バブルを発生させるために、ヒータが液体の一部を液体の沸点より高い温度まで加熱するよう、関連駆動回路から作動信号を受信するように構成されている、ＭＥＭＳデバイスを提供する。
【００２８】
粒径１００ｎｍ未満（「ナノ結晶」微細構造）は良好な材料強度を提供し、しかも依然として高密度の粒界を有する点で有利である。より大きな結晶及びより低密度の粒界の材料と比較すると、ナノ結晶構造は、保護スケールを形成する元素Ｃｒ及びＡｌに、より高い拡散率（より急速なスケールの形成）を与え、スケールをヒータ表面全体にわたってより均一に成長させ、したがってより急速及びより効果的に保護かつ提供される。保護スケールはナノ結晶構造により良好に接着し、その結果、剥離が減少する。イットリウム、ランタン及び他のレアアース元素からなる群からの反応性金属の添加物を使用することにより、機械的安定性及びスケールの付着性のさらなる向上が可能である。
【００２９】
ヒータを不動態化する酸化スケールの主な利点は、さらなる保護コーティングの必要がなくなることである。これにより、コーティングの加熱で無駄になるエネルギーがなくなるため、効率が上がる。その結果、特定の衝撃でバブルを形成するのに必要な入力エネルギーが減少し、プリントヘッドの残留熱のレベルが低下する。残った熱の大半は、吐出される滴を介して除去可能であり、これは「自己冷却」として公知の動作モードである。この動作モードの主な利点は、この設計が導電性冷却に依存しないため、ヒートシンクが必要なく、導電性冷却によって課されるノズル密度及び噴射率の制約がなくなるため、印刷の解像度及び速度が向上し、プリントヘッドのサイズ及びコストが減少する。
【００３０】
任意選択で、チャンバは、圧力パルスがノズル開口を通じて液体の滴を吐出するように、ノズル開口を有する。
【００３１】
任意選択で、チャンバは、供給源からの液体がチャンバ内に流入し、ノズル開口から吐出される液体の滴と入れ替わるように、液体供給物と流体連通する入口を有する。
【００３２】
任意選択で、ヒータに、スパッタリングプロセスによって堆積される超合金が堆積される。
【００３３】
任意選択で、ヒータ素子は、厚さ２ミクロン未満の超合金の層として堆積される。
【００３４】
任意選択で、超合金は、２重量％〜３５重量％のＣｒ含有量を有する。
【００３５】
任意選択で、超合金は、０．１重量％〜８．０重量％のＡｌ含有量を有する。
【００３６】
任意選択で、超合金は、１重量％〜１７．０重量％のＭｏ含有量を有する。
【００３７】
任意選択で、超合金は、０．２５重量％〜８．０重量％のＮｂ含有量及び／又はＴａ含有量の合計を有する。
【００３８】
任意選択で、超合金は、０．１重量％〜５．０重量％のＴｉ含有量を有する。
【００３９】
任意選択で、超合金は、イットリウム、ランタン及び他のレアアース元素からなる群からの反応性金属を５重量％以下有する。
【００４０】
任意選択で、超合金は、６０重量％以下のＦｅ含有量を有する。
【００４１】
任意選択で、超合金は、２５重量％〜７０重量％のＮｉ含有量を有する。
【００４２】
任意選択で、超合金は、３５重量％〜６５重量％のＣｏ含有量を有する。
【００４３】
任意選択で、超合金は、ＭＣｒＡｌＸであり、ここでＭはＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅのうち１つ又は複数であり、Ｍは少なくとも５０重量％を占め、Ｃｒは８重量％〜３５重量％を占め、Ａｌはゼロ以上８重量％未満を占め、Ｘは２５重量％未満であり、Ｘはゼロ以上の他の元素からなり、好ましくはＭｏ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｙ、Ｈｆを含むがこれらに限定されない。
【００４４】
任意選択で、超合金は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ及びＡｌと、ゼロ以上の、好ましくはＭｏ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｙ又はＨｆを含むがこれらに限定されない他の元素からなる添加物とを含む。
【００４５】
任意選択で、超合金は、以下から選択される。
ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）６００合金、６０１合金、６１７合金、６２５合金、６２５ＬＣＦ合金、６９０合金、６９３合金、７１８合金、７８３合金、Ｘ−７５０合金、７２５合金、７５１合金、ＭＡ７５４合金、ＭＡ７５８合金、９２５合金、又はＨＸ合金、
ＩＮＣＯＬＯＹ（登録商標）３３０合金、８００合金、８００Ｈ合金、８００ＨＴ合金、ＭＡ９５６合金、Ａ−２８６合金、又はＤＳ合金、
ＮＩＭＯＮＩＣ（登録商標）７５合金、８０Ａ合金、又は９０合金、
ＢＲＩＧＨＴＲＡＹ（登録商標）Ｂ合金、Ｃ合金、Ｆ合金、Ｓ合金、又は３５合金、或いは、
ＦＥＲＲＹ（登録商標）合金又はＴｈｅｒｍｏ−Ｓｐａｎ（登録商標）合金。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】動作サイクル中の特定の段階における、吊下ヒータ素子を備えるプリントヘッドのユニットセルのインクチャンバの概略横断面図である。
【図２】別の動作段階における、図１のインクチャンバの概略横断面図である。
【図３】さらに別の動作段階における、図１のインクチャンバの概略横断面図である。
【図４】さらにまた別の動作段階における、図１のインクチャンバの概略横断面図である。
【図５】蒸気バブルの崩壊を示す、本発明の一実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略横断面図である。
【図６】動作サイクル中の特定の段階における、フロア接合式ヒータ素子を備えるプリントヘッドのユニットセルのインクチャンバの概略横断面図である。
【図７】別の動作段階における、図６のインクチャンバの概略横断面図である。
【図８】動作サイクル中の特定の段階における、ルーフ接合式ヒータ素子を備えるプリントヘッドのユニットセルのインクチャンバの概略横断面図である。
【図９】別の動作段階における、図８のインクチャンバの概略横断面図である。
【図１０】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図１１】図１０に示されたプリントヘッドの製造段階を実施する際の使用に適したマスクの概略平面図である。
【図１２】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図１３】図１２に示されたプリントヘッドの製造段階を実施する際の使用に適したマスクの概略平面図である。
【図１４】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図１５】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図１６】図１５に示されたプリントヘッドの製造段階を実施する際の使用に適したマスクの概略平面図である。
【図１７】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図１８】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図１９】図１８に示されたプリントヘッドの製造段階を実施する際の使用に適したマスクの概略平面図である。
【図２０】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図２１】図２０に示されたプリントヘッドの製造段階を実施する際の使用に適したマスクの概略平面図である。
【図２２】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図２３】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図２４】図２３に示されたプリントヘッドの製造段階を実施する際の使用に適したマスクの概略平面図である。
【図２５】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図２６】図２５に示されたプリントヘッドの製造段階を実施する際の使用に適したマスクの概略平面図である。
【図２７】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図２８】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図２９】図２８に示されたプリントヘッドの製造段階を実施する際の使用に適したマスクの各概略平面図である。
【図３０】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図３１】図３０に示されたプリントヘッドの製造段階を実施する際の使用に適したマスクの概略平面図である。
【図３２】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図３３】図３２に示されたプリントヘッドの製造段階を実施する際の使用に適したマスクの各概略平面図である。
【図３４】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図３５】図３４に示されたプリントヘッドの製造段階を実施する際の使用に適したマスクの各概略平面図である。
【図３６】プリントヘッドの製造プロセスの連続する一段階における、本発明の吊下ヒータの実施形態によるプリントヘッドのユニットセルの概略斜視図である。
【図３７】ＣＭＯＳ上に不動態化層が堆積された、部分的に完成した本発明の第２の実施形態の概略断面図である。
【図３８】ＣＭＯＳ上に不動態化層が堆積された、部分的に完成した本発明の第２の実施形態の斜視図である。
【図３９】第２の実施形態のＣＭＯＳの上部層までの不動態化層のエッチングを示す斜視図である。
【図４０】第２の実施形態のＣＭＯＳの上部層までの不動態化層のエッチングを示すマスクの図である。
【図４１】第２の実施形態のＣＭＯＳの上部層までの不動態化層のエッチングを示す断面図である。
【図４２】第２の実施形態のヒータ材料の堆積を示す斜視図である。
【図４３】第２の実施形態のヒータ材料の堆積を示す断面図である。
【図４４】第２の実施形態のヒータ材料のエッチパターニングを示す斜視図である。
【図４５】第２の実施形態のヒータ材料のエッチパターニングを示すマスクの図である。
【図４６】第２の実施形態のヒータ材料のエッチパターニングを示す断面図である。
【図４７】フォトレジスト層の堆積及びインク表穴の誘電エッチングのための次のエッチングを示す斜視図である。
【図４８】フォトレジスト層の堆積及びインク表穴の誘電エッチングのための次のエッチングを示すマスクの図である。
【図４９】フォトレジスト層の堆積及びインク表穴の誘電エッチングのための次のエッチングを示す断面図である。
【図５０】インク表穴のためのウエハ内の誘電エッチングを示す斜視図である。
【図５１】インク表穴のためのウエハ内の誘電エッチングを示す断面図である。
【図５２】新しいフォトレジスト層の堆積を示す斜視図である。
【図５３】新しいフォトレジスト層の堆積を示す断面図である。
【図５４】フォトレジスト層のパターニングを示す斜視図である。
【図５５】フォトレジスト層のパターニングを示すマスクの図である。
【図５６】フォトレジスト層のパターニングを示す断面図である。
【図５７】ルーフ層の堆積を示す斜視図である。
【図５８】ルーフ層の堆積を示す断面図である。
【図５９】ルーフ層内におけるノズルリムのエッチングを示す斜視図である。
【図６０】ルーフ層内におけるノズルリムのエッチングを示すマスクの図である。
【図６１】ルーフ層内におけるノズルリムのエッチングを示す断面図である。
【図６２】ノズル開口のエッチングを示す斜視図である。
【図６３】ノズル開口のエッチングを示すマスクの図である。
【図６４】ノズル開口のエッチングを示す断面図である。
【図６５】保護フォトレジストオーバーコートの堆積を示す斜視図である。
【図６６】保護フォトレジストオーバーコートの堆積を示す断面図である。
【図６７】ウエハの裏側のエッチングを示す斜視図である。
【図６８】ウエハの裏側のエッチングを示す断面図である。
【図６９】残ったフォトレジストを除去するリリースエッチングを示す断面図である。
【図７０】第２の実施形態の完成したユニットセルの平面図である。
【図７１】ＴｉＡｌＮヒータと比較した、ナノ結晶微細構造を有するＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）７１８ヒータ素子の信頼度を示すワイブルチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
次に、本発明の好ましい実施形態について、添付の図面を参照して単に例として説明する。
【００４８】
以下の説明中、別々の図で使用される対応する参照番号、又は対応する参照番号のプレフィックス（すなわち、参照番号の小数点の前に現れる部分）は、対応する部分に関する。参照番号に対して、対応するプレフィックスと異なるサフィックスとが存在する場合、これらは対応する部分の別々の特定の実施形態を示す。
【００４９】
［本発明の概略及び動作の一般的考察］
図１〜図４を参照すると、本発明の一実施形態によるプリントヘッドのユニットセル１は、ノズル３を内部に有するノズルプレート２を備え、ノズルは、ノズルリム４と、ノズルプレートを通って延びる孔５とを有する。ノズルプレート２は、化学気相成長法（ＣＶＤ）を用いて、後でエッチングされる犠牲材料の上に堆積された窒化ケイ素構造からプラズマエッチングされる。
【００５０】
プリントヘッドは、また、各ノズル３に関して、ノズルプレートが支持される側壁６と、壁及びノズルプレート２によって画定されるチャンバ７と、多層基板８と、多層基板を貫通して基板の逆側（図示せず）まで延びる入口通路９とを含む。ループ状の細長いヒータ素子１０がチャンバ７内に吊り下げられるため、素子は吊り梁の形である。図示されるプリントヘッドは、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）構造であり、これは以下で詳述されるリソグラフィプロセスにより形成される。
【００５１】
プリントヘッドの使用時に、インク１１は貯蔵室（図示せず）から入口通路９を介してチャンバ７へ入るため、チャンバは図１に示したレベルまで充填される。次に、ヒータ素子１０が１マイクロ秒（μｓ）よりも多少短い時間にわたって加熱され、したがってその加熱は熱パルスの形である。ヒータ素子１０はチャンバ７内のインク１１と熱接触するため、素子が加熱されると、インク内に蒸気バブル１２を発生させることが理解されよう。したがって、インク１１はバブルを形成する液体となる。図１は、熱パルス発生の約１μｓ後、すなわち、バブルがちょうどヒータ素子１０上に凝集したときのバブル１２の形成を示す。熱はパルスの形で加えられるため、バブル１２を発生させるために必要なすべてのエネルギーが短時間のうちに供給されることが理解されよう。
【００５２】
図３５を簡単に参照すると、以下でさらに詳述されるように、リソグラフィプロセス中に、プリントヘッド（このヒータは上記の素子１０を含む）のヒータ１４（図３４に示す）を形成するためのマスク１３が示されている。マスク１３はヒータ１４を形成するために使用されるので、マスクの様々な部分の形状は素子１０の形状に対応する。したがって、マスク１３は、ヒータ１４の様々な部分を識別するための有用な基準を与える。ヒータ１４は、マスク１３の１５．３４で示される部分に対応する電極１５と、マスクの１０．３４で示される部分に対応するヒータ素子１０とを有する。動作時に、電圧が電極１５の両端間に印加されて、素子１０中に電流を流す。電極１５は素子１０よりも遙かに厚いので、電気抵抗の大部分は素子によって与えられる。したがって、ヒータ１４を動作させる際に消費されるほとんどすべての電力は、上記の熱パルスを生ずる際に、素子１０を介して放散される。
【００５３】
素子１０が上記のように加熱されるとき、バブル１２が素子の全長にわたって形成される。このバブルは、図１の断面図では、断面図で示された素子部分の各々に１個ずつ、４個のバブル部分として現れている。
【００５４】
バブル１２は、いったん発生すると、チャンバ７内で圧力の増加を引き起こし、この増加した圧力により、インク１１の滴１６がノズル３を通って吐出される。リム４は、滴１６が吐出される際に滴を方向付けるのを助けて、滴が方向を誤る可能性を最小限に抑える。
【００５５】
入口通路９ごとに１つのノズル３及び１つのチャンバ７しか存在しない理由は、チャンバ内で発生する圧力波が、素子１０の加熱時及びバブル１２の形成時に、隣接するチャンバ及びチャンバに対応するノズルに影響を与えないようにするためである。しかしながら、圧力パルス拡散構造がチャンバ間に配置される限り、単一の入口通路を介していくつかのチャンバにインクを供給することが可能である。図３７〜図７０に示す実施形態は、クロストークを許容レベルにまで低減する目的で、これらの構造を組み込んでいる。
【００５６】
ヒータ素子１０がいずれかの固体材料に埋め込まれるのではなく吊されることの利点については後述する。しかしながら、ヒータ素子をチャンバの内部表面に接合することにも利点はある。これらの利点については下記で図６〜図９を参照して説明する。
【００５７】
図２及び図３は、後の連続した２段階のプリントヘッド動作時のユニットセル１を示す。バブル１２がさらに発生し、したがって成長し、その結果として、インク１１がノズル３を通って前進することがわかる。図３に示されるように、成長中のバブル１２の形状は、インク１１の慣性力学及び表面張力の組合せによって決まる。表面張力はバブル１２の表面積を最小化する傾向があるため、ある程度の量の液体が蒸発するまで、バブルは実質的に円板状である。
【００５８】
チャンバ７内の圧力上昇は、インク１１をノズル３から押し出すだけでなく、入口通路９を介して一部のインクを押し戻す。しかしながら、入口通路９は長さが約２００〜３００ミクロンであり、直径がわずか約１６ミクロンである。したがって、逆流を制限するかなりの慣性及び粘性抵抗がある。その結果、チャンバ７内の圧力上昇の主要な効果は、インクを吐出された滴１６としてノズル３から押し出すことであり、入口通路９内を押し戻すことではない。
【００５９】
ここで図４を参照すると、さらに別の連続する動作段階におけるプリントヘッドが示され、滴が離脱する前の「ネッキングフェーズ」中の吐出されているインク滴１６が示されている。この段階では、バブル１２は既にその最大サイズに到達し、図５にさらに詳細に示されているように、その時点で崩壊点１７へ向かって崩壊し始めている。
【００６０】
崩壊点１７へ向かうバブル１２の崩壊により、一部のインク１１がノズル３内部から（滴の側面１８から）引き出され、一部が入口通路９から引き出され、崩壊点へ向かう。このようにして引き出されたインク１１の大部分はノズル３から引き出され、滴１６が離脱する前に滴１６の基部に環状のネック１９を形成する。
【００６１】
滴１６が離脱するためには、表面張力に打ち勝つためある運動量を必要とする。バブル１２の崩壊によりインク１１がノズル３から引き出されるとき、ネック１９の直径が減少するため、滴を保持する総表面張力の量が減少し、その結果、滴がノズルから吐出されるときの滴の運動量が滴を離脱させるのに十分となる。
【００６２】
滴１６が離脱するとき、バブル１２が崩壊点１７まで崩壊するので、矢印２０で示されるようなキャビテーション力が生じる。なお、崩壊点１７の近傍には、キャビテーションが影響を及ぼす可能性のある固体表面がないことに留意されたい。
【００６３】
［吊下ヒータ素子の実施形態のための製造プロセス］
次に、本発明の実施形態によるプリントヘッドの製造プロセスの関連部分を図１０〜図３３を参照して説明する。
【００６４】
図１０を参照すると、Ｍｅｍｊｅｔ（登録商標）プリントヘッドの一部であり、製造プロセスの中間段階におけるシリコン基板部分２１の断面図が示されている。同図はプリントヘッドの、ユニットセル１に対応する部分に関係する。以下の製造プロセスの説明はユニットセル１に関するものであるが、このプロセスはプリントヘッド全体を構成する数多くの隣接するユニットセルに適用されることが理解されよう。
【００６５】
図１０は、基板部２１内の領域２２におけるＣＭＯＳ駆動トランジスタ（図示せず）の製作を含む標準的なＣＭＯＳ製作プロセスの完了後、及び標準的なＣＭＯＳ相互接続層２３及び不動態化層２４の完成後の、製造プロセス中における、次の連続ステップを示す。破線２５で示される配線は、トランジスタ、他の駆動回路（同様に図示せず）及びノズルに対応するヒータ素子を電気的に相互接続する。
【００６６】
保護リング２６は、インク１１が、ユニットセル１のノズルが形成される２７で示される領域から、基板部分２１を介して配線２５を含む領域まで拡散し、２２で示された領域に配置されたＣＭＯＳ回路を腐食するのを防止するために、相互接続層２３のメタライゼーション内に形成される。
【００６７】
ＣＭＯＳ製作プロセス完了後の第１段階は、不動態化層２４の一部分をエッチングして不動態化凹部２９を形成することである。
【００６８】
図１２は、相互接続層２３のエッチング後に、開口３０を形成するための製造段階を示す。開口３０は、プロセスのさらに後で形成される、チャンバへのインク入口通路となる。
【００６９】
図１４は、ノズル３が形成される位置で基板部分２１に穴３１をエッチングした後の製造段階を示す。製造プロセスのさらに後に、さらなる穴（破線３２で示される）が穴３１とつながるように基板部分２１のもう一方の側（図示せず）からエッチングされて、チャンバまでの入口通路が完成する。したがって、穴３２は、基板部２１のもう一方の側から相互接続層２３のレベルにまで通してエッチングする必要はない。
【００７０】
その代わりに穴３２を相互接続層２３にまで通してエッチングすべき場合、穴３２が領域２２内のトランジスタを破壊するまでエッチングされるのを回避するために、穴３２は、エッチングの不精密さのための適切なマージン（矢印３４で示される）を残すように、その領域からより遠い距離までエッチングしなければならないことになる。しかし、基板部分２１の上端から穴３１をエッチングすると、その結果穴３２の深さが短縮されるので、残すべきマージン３４がより小さくなり、ノズルのパッキング密度を実質的により高くすることができる。
【００７１】
図１５は、厚さ４ミクロンの犠牲レジストの層３５が層２４上に堆積された後の製造段階を示す。この層３５は、穴３１を埋め、プリントヘッドの構造の一部となる。レジスト層３５は、次いで、凹部３６及び溝部３７を形成するために、（図１６に示されるマスクで表されるような）特定のパターンで露光される。これにより、製造プロセスの後の段階で形成されるヒータ素子の電極１５用のコンタクトが形成される。溝部３７は、プロセスの後の段階でチャンバ７の一部を画定することになる、ノズル壁６を形成する。
【００７２】
図２１は、本実施形態においては窒化チタンアルミニウムからなる、厚さ０．５ミクロンのヒータ材料の層３８を層３５上に堆積した後の製造段階を示す。
【００７３】
図１８は、ヒータ素子１０及び電極１５を含むヒータ１４を形成するために、ヒータ層３８をパターニング及びエッチングした後の製造段階を示す。
【００７４】
図２０は、厚さ約１ミクロンの別の犠牲レジスト層３９が付加された後の製造段階を示す。
【００７５】
図２２は、ヒータ材料の第２の層４０が堆積された後の製造段階を示す。好ましい一実施形態においては、この層４０は、第１のヒータ層３８と同様に、厚さ０．５ミクロンの窒化チタンアルミニウムからなる。
【００７６】
図２３は、参照番号４１で示される、図に示すようなパターンを形成するようにエッチングされた後のヒータ材料の第２の層４０を示す。この図において、このパターニングされた層はヒータ層素子１０を含まず、この意味においてはヒータ機能を持たない。しかしながら、このヒータ材料の層は、ヒータ１４の電極１５の抵抗を減らすのを助けるので、動作時に電極によって消費されるエネルギーが減少し、ヒータ素子１０がより多くのエネルギーを消費することが可能になり、したがって、ヒータ素子１０の効果を高めることが可能である。図４２に示される二重ヒータの実施形態において、対応する層４０はヒータ１４を含む。
【００７７】
図２５は、犠牲レジストからなる第３の層４２が堆積された後の製造段階を示す。この層の最上レベルは、後で形成されるノズルプレート２の内側表面を構成することになる。また、この層の最上レベルは、ノズルの吐出孔５の内側範囲でもある。この層４２の高さは、プリントヘッドの動作時に、４３で示される領域内にバブル１２を形成することを可能にするのに十分でなければならない。しかしながら、層４２の高さにより、液滴を吐出するためにバブルが動かさねばならないインクの量が決まる。この点から、本発明のプリントヘッド構造は、ヒータ素子が先行技術のプリントヘッドよりも吐出孔により近くなるように設計される。バブルによって動かされるインクの量は減少する。所望の液滴の吐出に十分なバブルを発生するのに必要なエネルギーが減少し、それにより効率が上がる。
【００７８】
図２７は、ルーフ層４４、すなわち、ノズルプレート２を構成する層が堆積された後の製造段階を示す。ノズルプレート２は、厚さ１００ミクロンのポリイミド膜から形成されるのではなく、厚さわずか２ミクロンの窒化ケイ素から形成される。
【００７９】
図２８は、層４４を形成する窒化ケイ素の化学気相成長（ＣＶＤ）後の製造段階を示し、層４４は、ノズルリム４の外側部分を形成するように、４５で示される位置から部分的にエッチングされる。この外側部分は４．１で示されている。
【００８０】
図３０は、ノズルリム４の形成を完了し吐出孔５を形成するためにＣＶＤ窒化ケイ素を４６の位置までずっとエッチングし、かつ、ＣＶＤ窒化ケイ素を必要としない４７で示される位置からＣＶＤ窒化ケイ素を除去した後の製造段階を示す。
【００８１】
図３２は、レジストの保護層４８が塗布された後の製造段階を示す。この段階の後、基板部分２１は、基板部分をその公称厚さである約８００ミクロンから約２００ミクロンまで削減し、次に、上記のように穴３２をエッチングするために、その反対側（図示せず）から研磨される。穴３２は、穴３１に達するような深さまでエッチングされる。
【００８２】
次に、一緒になってチャンバ７（壁及びノズルプレートの一部が切開して示されている）を画定する壁６及びノズルプレート２を備える図３４に示される構造を形成するために、レジスト層３５、レジスト層３９、レジスト層４２及びレジスト層４８のそれぞれの犠牲レジストが酸素プラズマを使用して除去される。この工程は、穴３１が、穴３２（図３４に示さず）と一緒になって、基板部２１の下側からノズル３へ延びる通路を画定するように、穴３１を埋めるレジストを除去する役割も果たし、この通路はチャンバ７へ至る全体を９で示すインク入口通路としての役割を果たすことに留意されたい。
【００８３】
図３６は、ヒータ素子１０及び電極１５の垂直に積み重ねた配置を明確に示すために、ノズルガード及びチャンバ壁が除去されたプリントヘッドを示す。
【００８４】
［接合式ヒータ素子の実施形態］
他の実施形態において、ヒータ素子はチャンバの内部壁に接合される。ヒータをチャンバ内の固体表面に接合することにより、エッチング及び堆積製作プロセスの簡略化が可能となる。しかしながら、ヒータ素子がもはや「自己冷却」を行わなくなるので、シリコン基板への熱伝導がノズルの効率を低下させる可能性がある。したがって、ヒータがチャンバ内の固体表面に接合される実施形態では、基板からヒータを熱的に分離するよう措置を講ずる必要がある。
【００８５】
ヒータと基板との間の熱分離を向上させる方法の１つは、米国特許第４，５１３，２９８号に記載されている、従来から使用されている熱バリア層である二酸化ケイ素よりも良い熱バリア特性を有する材料を探すことである。本出願人は、バリア層を選択する際に考慮すべき重要なパラメータが、熱積（ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｄｕｃｔ）（ｐＣｋ）１／２であることを示した。ヒータと接触する固体基層に奪われるエネルギーは、基層の熱積に比例し、これは、熱拡散の長さスケール及びその長さスケールにわたって吸収される熱エネルギーを考慮することによって導き出すことのできる関係である。この比例関係が与えられている場合、低密度及び低熱導電率を有する熱バリア層は、ヒータから吸収するエネルギーが少ないことがわかる。本発明のこの態様では、ヒータ層の下に挿入される熱バリア層として、従来の二酸化ケイ素層の代わりに密度及び熱導電率がより小さな材料を使用することに焦点を当てる。特に、本発明のこの態様では、熱バリアとして低ｋ誘電体を使用することに焦点を当てる。
【００８６】
低ｋ誘電体は、近時、銅ダマシン集積回路技術の金属間誘電体として使用されてきた。金属間誘電体として使用される場合、低ｋ誘電体の低い密度及び場合によっては低い多孔性が、集積回路の金属線とＲＣ遅延の間の静電容量である、金属間誘電体の誘電率を低くする助けとなる。銅ダマシン用途において、低い誘電密度の望ましくない結果は、チップからの熱の流れを制限する低い熱導電率である。熱バリア用途においては、ヒータが吸収するエネルギーが制限されるため、低熱導電率が理想的である。
【００８７】
熱バリアとしての用途に適した低ｋ誘電体の２つの例は、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社のＢｌａｃｋ Ｄｉａｍｏｎｄ（登録商標）及び Ｎｏｖｅｌｌｕｓ社のＣｏｒａｌ（登録商標）であり、どちらもＣＶＤ堆積されたＳｉＯＣＨ膜である。これらの膜は、ＳｉＯ２より低い密度（約２２００ｋｇｍ−３に対して約１３４０ｋｇｍ−３）及び低い熱導電率（約１．４６Ｗｍ−１Ｋ−１に対して約０．４Ｗｍ−１Ｋ−１）を有する。したがって、これらの材料の熱積は、約６００Ｊｍ−２Ｋ−１ｓ−１／２であり、ＳｉＯ２の１４９５Ｊｍ−２Ｋ−１ｓ−１／２と比較すると、熱積が６０％削減される。これらの材料をＳｉＯ２基層の代わりに使用することにより得ることができる利点を算定するために、詳細な説明の等式３を使用したモデルを使用すると、ＳｉＯ２基層を使用した場合、バブルを凝集させるのに必要なエネルギーの約３５％が熱拡散により基層内に奪われることを示すことができる。したがって、この代用の利点は、３５％のうち６０％、すなわち、凝集エネルギーが２１％削減されることである。本出願人は以下の２種のヒータで、バブルを凝集させるのに必要なエネルギーを比較することによりこの利点を確認した。
１．ＳｉＯ２上に直接堆積されたヒータ
２．Ｂｌａｃｋ Ｄｉａｍｏｎｄ（登録商標）上に直接堆積されたヒータ
オープンプール沸騰構成で、試験流体として水を使用し、ストロボスコープによるバブル形成の観察により、後者はバブル凝集の開始に必要なエネルギーが２０％少ないことが決定された。１０億回以上の動作にわたってオープンプール沸騰を行ったが、凝集エネルギーの移動又はバブルの崩壊もなく、これは基層が水の過熱限界、すなわち約３００℃に達するまで熱的に安定であることを示している。実際、このような膜のＣｕ拡散バリアとしての使用に関する研究（Ｃｈｉｕ−Ｃｈｉｈ Ｃｈｉａｎｇら、「Ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｘｙｃａｒｂｉｄｅ Ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｂｙ ＰＥＣＶＤ ｆｒｏｍ Ｏｃｔａｍｅｔｈｙｌｃｙｃｌｔｅｔｒａｓｉｌｏｘａｎｅ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ、１５１ページ（２００４）を参照のこと）に記載されているように、このような層は５５０℃まで熱的に安定となり得る。
【００８８】
熱導電率、熱積及びバブルを凝集させるのに必要なエネルギーをさらに削減するために、Ｔｒｉｋｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社が、密度約１０４０ｋｇｍ−３及び熱導電率約０．１６Ｗｍ−１Ｋ−１である、同社のＯＲＩＯＮ（登録商標）２．２ 多孔質ＳｉＯＣＨ膜について行ったように（ＩＳＴ ２０００ ３００４３、「Ｆｉｎａｌ ｒｅｐｏｒｔ ｏｎ ｔｈｅｒｍａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ」、ｆｒｏｍ ｔｈｅ ＩＳＴ ｐｒｏｊｅｃｔ 「Ｕｌｔｒａ Ｌｏｗ Ｋ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ Ｆｏｒ Ｄａｍａｓｃｅｎｅ Ｃｏｐｐｅｒ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ Ｓｃｈｅｍｅｓ」を参照のこと）、誘電体に多孔性を導入してもよい。熱積が約３３４Ｊｍ−２Ｋ−１ｓ−１／２であるこの材料は、吸収するエネルギーがＳｉＯ２基層よりも７８％少なく、結果として、バブルを凝集させるのに必要なエネルギーが７８*３５％＝２７％削減される。しかしながら、水はＳｉＯ２の熱積に近い１５７９Ｊｍ−２Ｋ−１ｓ−１／２の熱積を有するので、多孔性の導入により材料の耐湿性を損なう可能性があり、そのため熱特性を損なうことになる。ヒータと熱バリアとの間に水分バリアを導入することもできるが、この層における熱吸収により、総合効率が低下する可能性が高い。好ましい一実施形態において、熱バリアはヒータの下側に直接接触する。直接接触しない場合、熱バリア層は、ヒータ層から１μｍを超えて離れていないことが好ましい。そうでなければほとんど効果がないからである（例えばＳｉＯ２における加熱パルスの約１μｓ時間スケールにおける熱拡散の長さスケールは約１μｍである）。
【００８９】
多孔性を用いずに熱導電率をさらに低下させる代替策は、熱導電率が０.１８Ｗｍ−１Ｋ−1のＤｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ社のＳｉＬＫ（登録商標）などのスピンオン誘電体を使用することである。スピンオン膜もまた多孔質に作製できるが、ＣＶＤ膜と同様、耐湿性を損なう可能性がある。ＳｉＬＫは、４５０℃まで熱安定性を有する。スピンオン誘電体に関して考慮すべき点の１つは、一般にスピンオン誘電体の熱膨張率（ＣＴＥ）が大きいことである。実際、ｋを減らすと、概してＣＴＥは増大するようである。このことはＴａｋａｙｕｋｉ Ｏｈｂａ、「Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ ９０ｎｍ Ｎｏｄｅｓ ａｎｄ Ｂｅｙｏｎｄ」、Ｆｕｊｉｔｓｕ ｍａｇａｚｉｎｅ、Ｖｏｌｕｍｅ ３８−１、ｐａｐｅｒ ３に示されている。ＳｉＬＫは、例えば、ＣＴＥが約７０ｐｐｍ.Ｋ−１である。これは上にあるヒータ材料のＣＴＥよりもはるかに大きい可能性が高く、水性インクの過熱限界である約３００℃まで加熱することにより、大きな応力及び層間剥離が生じる可能性が高い。一方、ＳｉＯＣＨ膜は、約１０ｐｐｍ.Ｋ−１という適度に低いＣＴＥを有し、これは本出願人のデバイスにおいては、ＴｉＡｌＮヒータ材料のＣＴＥと一致し、本出願人のオープンプール試験において１０億バブル凝集後にヒータの層間剥離は認められなかった。インクジェット用途に使用されるヒータ材料は、約１０ｐｐｍ.Ｋ−１のＣＴＥを有する可能性が高いので、ＣＶＤ堆積された膜はスピンオン膜よりも好ましい。
【００９０】
この用途に関して興味のある最後の点は、熱バリアの横方向画定（ｌａｔｅｒａｌ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ）に関するものである。米国特許第５，８６１，９０２号において、低熱拡散率の領域がヒータのすぐ下にあり、一方でさらに離れて高熱拡散率の領域があるように、堆積後に熱バリア層が改変される。この構成は２つの矛盾する要件を解決するために設計されている。
１．吐出のエネルギーを削減するために、ヒータが基板から熱的に隔離される。
２．チップ背面への熱伝導により、プリントヘッドチップが冷却される。
チップが除去を必要とする熱は、吐出された液滴によって除去される熱だけであるという意味で、自己冷却性となるように設計されている本出願人のノズルには、そのような構成は必要ない。正式には、「自己冷却される」又は「自己冷却性」ノズルとは、吐出可能な液体の滴を吐出するのに必要なエネルギーが、滴によって除去できる熱エネルギーの最大量未満であるノズルと定義できる。このエネルギーは、滴の量に等しい量の吐出可能な流体を、流体がプリントヘッドに入る温度から吐出可能な流体の不均質沸点（ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ ｂｏｉｌｉｎｇ ｐｏｉｎｔ）まで加熱するのに必要なエネルギーである。この場合、プリントヘッドチップの定常温度は、ノズル密度、噴射率又は導電性ヒートシンクの有無に関わらず、吐出可能な流体の不均質沸点未満となる。ノズルが自己冷却性である場合、熱はプリントヘッドの表面から吐出された液滴によって除去され、チップの背面に輸送する必要はない。したがって、ヒータの下の領域に封入するように熱バリア層をパターニングする必要がない。これにより、デバイスの加工が簡略化する。事実、ＣＶＤされたＳｉＯＣＨを単にＣＭＯＳ上部不動態化層とヒータ層との間に挿入するだけでよい。これについては図６〜図９を参照して以下で説明する。
【００９１】
［ルーフ接合式ヒータ素子及びフロア接合式ヒータ素子］
図６〜図９は、２つの埋め込み式ヒータの実施形態を概略的に示す。図６及び図７では、ヒータ１０がチャンバ７のフロアに埋め込まれ、図８及び図９では、チャンバのルーフにヒータが埋め込まれる。これらの図は、バブル１２の凝集及び成長の初期段階を示すという点において全体的に図１及び図２に一致する。簡略化のため、図３〜図５に対応する、継続的な成長及び滴吐出を示す図は省略される。
【００９２】
まず第１に図６及び図７を参照すると、ヒータ素子１０がインクチャンバ７のフロアに埋め込まれている。この場合、ヒータ層３８は、不動態化凹部２９（図１０に最も良く示される）のエッチング後、インク入口穴３０及びインク入口穴３１のエッチング並びに犠牲層３５（図１４及び図１５に示す）の堆積前に、不動態化層２４上に堆積される。この製造順序の再配置が、ヒータ材料３８が穴３０及び穴３１内に堆積するのを防止する。この場合、ヒータ層３８は犠牲層３５の下に位置する。これにより、ルーフ層５０が、吊下ヒータの実施形態の場合のようにヒータ層３８上ではなく、犠牲層３５上に堆積されることが可能となる。吊下ヒータの実施形態において図２５〜図３５を参照して上述されている第２の犠牲層４２の堆積及びそれに続くエッチングを必要とする一方、ヒータ素子１０がチャンバフロアに埋め込まれる場合には他の犠牲層は必要ない。プリントヘッドの効率を維持するため、ヒータ素子１０と基板８の残りの部分との間に位置するよう低熱積層２５が不動態化層２４上に堆積され得る。材料の熱積及びヒータ素子１０を熱的に分離するその能力は上記及び等式３を参照してより詳細に下に説明される。しかしながら、本質的には加熱パルス中の不動態化層２４への熱損失を低減する。
【００９３】
図８及び図９は、インクチャンバ７のルーフに接合されたヒータ素子１０を示す。図１０〜図３６を参照して説明した吊下ヒータの製作プロセスにおいて、ヒータ層３８は犠牲層３５の上に堆積され、したがって製造順序はヒータ層３８がパターニングされエッチングされる後まで変わらない。この時点で、次いで、ルーフ層４４が、介在する犠牲層なしに、エッチングされたヒータ層３８の上に堆積される。ヒータ層３８が低熱積層と接触し、それにより、加熱パルス中のルーフ５０への熱損失を低減するように、低熱積層２５をルーフ層４４内に含めることができる。
【００９４】
［埋め込み式ヒータ素子の製造プロセス］
図６〜図９に示すユニットセルは、かなり概略的であり、埋め込み式ヒータ素子と吊下ヒータ素子の間の相違を強調するため可能な限り、意図的に図１〜図４に示すユニットセルに対応させてある。図３７〜図７０は、より詳細で複雑な埋め込み式ヒータの実施形態の製作ステップを示す。この実施形態において、ユニットセル２１は、４つのノズル、４つのヒータ素子及び１つのインク入口を有する。この設計により、楕円ノズル開口と、より薄いヒータ素子と、千鳥形のノズルの列とを使用して、単一のインク入口から複数のノズルチャンバに供給することにより、ノズルのパッキング密度が増す。ノズル密度が上がると、印刷の解像度が上がる。
【００９５】
図３７及び図３８は部分的に完成したユニットセル１を示す。簡略化のため、この説明は、ウエハ８上における標準ＣＭＯＳ製作が完了した時点から始める。ＣＭＯＳ相互接続層２３は、間に層間誘電体を有する４つの金属層である。一番上の金属層であるＭ４層５０（点線で示す）は、不動態化層２４で被覆されたヒータ電極コンタクトを形成するためにパターニングされる。Ｍ４層は、実際にはＴｉＮ層と、Ａｌ／Ｃｕ（＞９８％ Ａｌ）層と、反射防止コーティング（ＡＲＣ）として働く別のＴｉＮ層との３層で構成される。ＡＲＣは、次に続く露光ステップ中に光が拡散するのを阻止する。ＴｉＮ ＡＲＣは、ヒータ材料に適した抵抗率を有する（以下で説明する）。
【００９６】
不動態化層は、相互接続層２３上に堆積された単一の二酸化ケイ素層であってもよい。任意選択で、不動態化層２４は、２つの二酸化ケイ素層間の窒化ケイ素層（「ＯＮＯ」層と呼ばれる）であってもよい。不動態化層２４は、Ｍ４層５０上の厚さが好ましくは０．５ミクロンとなるように平坦化される。不動態化層は、ＣＭＯＳ層をＭＥＭＳ構造から分離し、また、下記で述べるインク入口のエッチングのためのハードマスクとしても使用される。
【００９７】
図３９及び図４１は、図４０に示すマスク５２を使用して、不動態化層２４内にエッチングされたウインドウ５４を示す。通常通り、フォトレジスト層（図示せず）が不動態化層２４上にスピンコートされる。クリアトーン（ｃｌｅａｒ ｔｏｎｅ）マスク５２（暗色領域は、紫外線がマスクを透過する領域を示す）が露光され、露光されたフォトレジストを除去するためにレジストがポジ現像溶液中において現像される。次いで、不動態化層２４が、酸化膜エッチング装置（例えば、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社のＣｅｎｔｕｒａ ＤＰＳ（Ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅ）Ｅｔｃｈｅｒ）を使用してエッチングされる。エッチングはＴｉＮ ＡＲＣ層の上又は部分的に内部で停止し、下のＡｌ／Ｃｕ層に達してはならない。次いで、このフォトレジスト層（図示せず）が、標準ＣＭＯＳアッシング装置内で０２プラズマで剥離される。
【００９８】
図４２及び図４３はヒータ材料５６の０．２ミクロン層の堆積を示す。ＴｉＡｌ、ＴｉＡｌＮ及びＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）７１８などの適切なヒータ材料は、本明細書の他の箇所で説明した。図４４及び図４６に示すように、ヒータ材料層５６は、図４５に示すマスク５８を使用してパターニングされる。前のステップと同様に、フォトレジスト層（図示せず）がマスク５８を通して露光され、現像される。マスク５８は、クリア領域が、下にある材料が紫外線で露光され、現像溶液で除去される領域を示す点で、クリアトーンマスクであることが理解されよう。次いで、必要のないヒータ材料層５６はヒータのみを残してエッチングされる。この場合も、残ったフォトレジストは０２プラズマでアッシングされる。
【００９９】
この後、図４７に示すように、層フォトレジスト４２が再度ウエハ８上にスピンコートされる。図４８に示すダークトーン（ｄａｒｋ ｔｏｎｅ）マスク６０（暗色領域は紫外線を遮る）がレジストを露光させ、次いで不動態化層２４上にインク入口３１の位置を画定するために、レジストが現像及び除去される。図４９に示すように、インク入口３１の位置でレジスト４２を除去することにより、不動態化層２４が誘電エッチングに備えて露出される。
【０１００】
図５０及び図５１は、不動態化層２４、ＣＭＯＳ相互接続層２３、及び下にあるウエハ８の誘電エッチングを示す。これは任意の標準ＣＭＯＳエッチング装置（例えば、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社のＣｅｎｔｕｒａ ＤＰＳ（Ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅ）Ｅｔｃｈｅｒ）を使用した深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）であり、ウエハ８内に約２０ミクロン〜３０ミクロン延びる。図示の実施形態において、表側インク入口エッチングの深さは約２５ミクロンである。表側エッチングの精度は重要である。その理由は、裏側エッチング（以下に説明する）はノズルチャンバまでのインク流路を設けるために、表側に達するのに十分な深さでなければならないからである。インク入口３１の表側エッチングの後、フォトレジスト４２は０２プラズマ（図示せず）でアッシングされる。
【０１０１】
図５２及び図５３に示すように、フォトレジスト層４２が除去されると、フォトレジスト３５の別の層がウエハ上にスピンコートされる。この層の厚さは注意深く制御される。その理由は、この層が次のチャンバルーフ材料（以下に記載される）堆積のための足場を形成するからである。本実施形態において、フォトレジスト層３５は厚さ８ミクロンである（図５３に最も良く示されるようにインク入口３１を塞ぐ場所を除く）。次に、フォトレジスト層３５が、図５５に示すマスク６２に従ってパターニングされる。このマスクは、暗色領域が紫外線に露光される領域を示す点で、クリアトーンマスクである。露光されたフォトレジストは現像され、除去され、図５４に従って層３５がパターニングされる。図５６はパターニングされたフォトレジスト層３５の断面図である。
【０１０２】
フォトレジスト３５でチャンバルーフ及び支持壁を画定して、窒化ケイ素などのルーフ材料の層が犠牲スカフォルディング上に堆積される。図５７及び図５８に示す実施形態において、ルーフ材料の層４４は厚さ３ミクロンである（壁又は柱特徴においては除く）。
【０１０３】
図５９、図６０及び図６１は、ノズルリム４のエッチングを示す。フォトレジストの層（図示せず）がルーフ層４４上にスピンコートされ、クリアトーンマスク６４（暗色領域は紫外線に露光される）の下で露光される。ルーフ層４４は、次いで、２ミクロンの深さまでエッチングされ、隆起したノズルリム４及びバブル出口特徴６６が残る。残ったフォトレジストは、次いで、アッシングされる。
【０１０４】
図６２、図６３及び図６４は、ルーフ層４４におけるノズル孔のエッチングを示す。この場合も、フォトレジストの層（図示せず）が、ルーフ層４４上にスピンコートされる。次いで、ダークトーンマスク６８（クリア領域が露光される）を用いてパターニングされ、次いで、現像され、露光されたレジストが除去される。次いで、下にあるＳｉＮ層が、標準ＣＭＯＳエッチング装置を用いて下のフォトレジスト層３５までエッチングされる。これによってノズル孔３が形成される。バブル出口穴６６もまた、このステップ中にエッチングされる。この場合も、残ったフォトレジストが０２プラズマで除去される。
【０１０５】
図６５及び図６６は、保護フォトレジストオーバーコート７４の塗布を示す。これにより、繊細なＭＥＭＳ構造がさらなる取扱い時に損傷することが防止される。同様に、足場フォトレジスト３５は依然として所定の位置にあり、ルーフ層４４を支持する。
【０１０６】
次いで、「裏側」７０（図６７を参照のこと）がエッチングできるように、ウエハ８が裏返される。次いで、ウエハ８（又はより具体的には、フォトレジストオーバーコート７４）の表側が、熱テープ又は類似物を用いてガラス製のハンドルウエハ上に貼り付けられる。当初ウエハは厚さ約７５０ミクロンであることが理解されよう。厚さを、したがって、ウエハの表側と裏側との間に流体連通を設けるのに必要なエッチングの深さを減らすために、ウエハの反対側７０がウエハの厚さが約１６０ミクロンになるまで研磨され、次いで、ＤＲＩＥエッチングされ、研磨された面の点食が除去される。裏側が、次いで、チャネル３２のエッチングに備えてフォトレジスト層（図示せず）でコーティングされる。クリアトーンマスク７２（図６８に示す）が、露光及び現像のため裏側７０に配置される。このとき、レジストは、チャネル３２の幅（図示の実施形態では約８０ミクロン）を画定する。次いで、チャネル３２が、塞がれた表側インク入口３１に達するまで及び塞がれた表側インク入口３１をわずかに超える位置までＤＲＩＥエッチングされる。次いで、フォトレジストの裏側７２が、０２プラズマでアッシングされ、保護オーバーコート７４及び足場フォトレジスト３５の表側アッシングのためにウエハ８がやはり裏返される。図６９及び図７０は完成したユニットセル１を示す。図７０は平面図であるが、説明の目的で、ルーフによって隠されたフィーチャが実線で示されている。
【０１０７】
使用時に、インクが裏側７０からチャネル３２及び表側入口３１に供給される。プリントヘッドへのインク供給ライン内には気泡が形成されやすい。これは、溶解した気体が溶液から出てバブルとして集まる場所で気体が抜けるためである。バブルがインクと共にチャンバ７に供給される場合、ノズルからのインク吐出を妨げる可能性がある。圧縮可能なバブルは、ヒータ素子１０上に凝集したバブルによって発生した圧力を吸収し、したがって圧力パルスは孔３からインクを吐出するには不十分となる。インクがチャンバ７に入ると、同伴されたバブルはインク入口３１の両側において柱状フィーチャに追従し、バブル出口６６に向かって押される傾向にある。バブル出口６６は、インクの表面張力によってインク漏れが防止されるが、閉じ込められた気泡は排出できるような寸法である。各ヒータ素子１０は、３つの面がチャンバ壁で、第４の面が別の柱状フィーチャで囲まれる。これらの柱状フィーチャは、放射圧力パルスを拡散させて、チャンバ７間のクロストークを低減する。
【０１０８】
［超合金ヒータ］
超合金は、高温下での使用のために開発された材料クラスである。超合金は通常、元素周期表のＶＩＩＡ族の元素をベースとし、ジェットエンジン、発電所のタービンなど、材料の高温安定性を必要とする用途で主に使用される。超合金が熱インクジェットの分野で適していることはこれまで認識されていなかった。超合金は、公知の熱インクジェットプリントヘッドに使用される従来の薄膜ヒータ（アルミニウムタンタル、窒化タンタル又は二ホウ化ハフニウムなど）の高温強度、耐食性及び耐酸化性を大幅に超える高温強度、耐食性及び耐酸化性を提供することができる。超合金の主な利点は、親出願である米国特許出願第１１／０９７，３０８号明細書で詳述されるように、ヒータが保護コーティングなしで動作できるのに十分な強度、耐酸化性及び耐食性を有し、したがってコーティングの加熱時に無駄になっていたエネルギーが設計から排除される。
【０１０９】
保護層なしで試験を行った場合、超合金は場合によっては従来の薄膜材料と比較して格段に長い寿命を有することができることが試験で示された。図７１は、オープンプール沸騰（ヒータがノズル内ではなく単に水のオープンプール内で作動される）で試験が行われた２つの異なるヒータ材料のヒータ信頼度のワイブルプロットである。当業者には、ワイブルチャートがよく知られたヒータ信頼度の測定法であることが理解されよう。このチャートでは、故障の確率すなわち不信頼性を作動回数のログスケールに対してプロットする。また、図７１に示すキーは各合金について故障及び一時停止したデータポイントの数を示すことにも留意されたい。例えば、キー中、Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８の下のＦ＝８は、試験で使用されたヒータのうち８つが開路故障に至るまで試験されたことを示し、一方、Ｓ＝１は、試験ヒータの１つが一時停止された、又は言い換えれば、試験が中断された時点でなお動作していたことを示す。公知のヒータ材料であるＴｉＡｌＮが超合金Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８と比較されている。登録商標Ｉｎｃｏｎｅｌは、２０６０ Ｆｌａｖｅｌｌｅ Ｂｏｕｌｅｖａｒｄ，Ｍｉｓｓｉｓｓａｕｇａ，Ｏｎｔａｒｉｏ Ｌ５Ｋ １Ｚ９ ＣａｎａｄａのＨｕｎｔｉｎｇｔｏｎ Ａｌｌｏｙｓ Ｃａｎａｄａ Ｌｔｄ社が所有している。
【０１１０】
本出願人の以前の研究で、耐酸化性がヒータの寿命と強い相関関係があることが示されている。ＡｌをＴｉＮに添加してＴｉＡｌＮを生成することにより、ヒータの耐酸化性（炉内処理後の酸素含有量のオージェ深さプロファイリングによって測定）は大幅に向上し、ヒータの寿命も大幅に伸びた。Ａｌはヒータの表面に拡散され、さらに酸素を透過するための拡散率が非常に低い薄い酸化スケールが形成された。ヒータを不動態化するのはこの酸化スケールであり、酸化環境又は腐食環境によるさらなる攻撃からヒータを保護し、保護層なしでの動作を可能とする。また、スパッタリングされたＩｎｃｏｎｅｌ７１８もこの形の保護をもたらし、やはりＡｌを含むが、Ｃｒの存在、及びナノ結晶構造という、耐酸化性をさらに強化する他の２つの有利な性質を有する。
【０１１１】
クロムは、酸化クロムの保護スケールを形成することにより自己不動態化特性をもたらすという点で、添加物としてアルミニウムと類似の挙動を示す。材料中でＣｒとＡｌとを併用するのが、どちらかを単独で使用するよりもよいと考えられる。その理由は、アルミナスケールはクロミアスケールより成長が遅いが、最終的には良好な保護を提供するからである。Ｃｒを添加すると有益である。その理由は、アルミナスケールが成長する一方で、クロミアスケールは短期的な保護をもたらすので、短期的な保護に必要な材料中のＡｌ濃度を低くできるからである。Ａｌ濃度を低くすることは有益である。その理由は、酸化保護を強化する目的でＡｌ濃度を高くすると、材料の相安定性が危うくなるからである。
【０１１２】
スパッタリングされたＩｎｃｏｎｅｌ７１８のＸ線回折及び電子顕微鏡による研究で、粒径１００ｎｍ未満の結晶微細構造（「ナノ結晶」微細構造）が示された。Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８のナノ結晶微細構造は、良好な材料強度を提供する一方で高密度の粒界を有する点で有利である。より大きな結晶及びより低密度の粒界を有する材料と比較すると、ナノ結晶構造は、保護スケールを形成する元素であるＣｒ及びＡｌの拡散率を高め（より急速なスケール形成）、ヒータ表面全体にスケールをより均一に成長させる。したがって、より急速かつより効果的に保護が行われる。ナノ結晶構造の方が保護スケールの付着性が高く、結果として剥離が減少する。イットリウム、ランタン及び他のレアアース元素からなる群からの反応性金属の添加物を使用することにより、スケールの機械的安定性及び付着性のさらなる向上が可能である。
【０１１３】
超合金は一般に鋳造又は鍛造されるが、これによりナノ結晶微細構造が生じるわけではないことに留意されたい。ナノ結晶構造によってもたらされる利点は、この用途のＭＥＭＳヒータ製作において使用されるスパッタリング技術に特有のものである。ヒータ材料としての超合金の利点は耐酸化性に関するものだけではないことにも留意されたい。超合金の微細構造は、高温強度及び耐疲労性を付与する相の形成を促進する添加物を用いて注意深く設計されている。潜在的に可能な添加としては、Ｎｉベースの超合金のガンマプライム相を形成するためのアルミニウム、チタン、ニオブ、タンタル、ハフニウム又はバナジウムの添加、ガンマ相を形成するための鉄、コバルト、クロム、タングステン、モリブデン、レニウム又はルテニウムの添加、或いは粒界において炭化物を形成するためのＣ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉの添加が含まれる。また、粒界を強化するためにＺｒ及びＢを添加してもよい。これらの添加物及び材料製作プロセスを制御することにより、脆化を引き起こして材料の機械的安定性及び延性を低下させる可能性のあるシグマ相、エータ相、ミュー相など、経年によって誘発される望ましくないＴＣＰ（Ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌｌｙ Ｃｌｏｓｅ Ｐａｃｋｅｄ）相を抑制するように働くことができる。そのような相は、好ましいガンマ及びガンマプライム相形成に利用できるはずの元素を消費するようにも働くので、避けられる。したがって、ヒータ材料には、Ｃｒ及びＡｌの存在により酸化保護をもたらすことが好ましいが、超合金は概して優れた材料クラスであると考えられ、このクラスからヒータ材料の候補を選択することができる。その理由は、高温強度、耐酸化性及び耐食性のための超合金の設計には、ＭＥＭＳに使用される従来の薄膜ヒータ材料の改良に投じられてきたよりも多大な労力が費やされてきたからである。
【０１１４】
本出願人の結果は、
Ｃｒ含有量が２重量％〜３５重量％、
Ａｌ含有量が０．１重量％〜８重量％、
Ｍｏ含有量が１重量％〜１７重量％、
Ｎｂ＋Ｔａ含有量が０．２５重量％〜８．０重量％、
Ｔｉ含有量が０．１重量％〜５．０重量％、
Ｆｅ含有量が６０重量％以下、
Ｎｉ含有量が２６重量％〜７０重量％、及び／又は、
Ｃｏ含有量が３５重量％〜６５重量％
である超合金が、ＭＥＭＳバブル発生器内の薄膜ヒータ素子としての使用に適している可能性が高く、特定のデバイス設計（例えば、吊下ヒータ素子、埋め込み式ヒータ素子等）において有効性に関してさらなる試験が妥当であることを示す。
【０１１５】
一般式ＭＣｒＡｌＸで表される超合金であって、
ＭがＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅのうち１つ又は複数からなり、Ｍは少なくとも５０重量％を占め、
Ｃｒが８重量％〜３５重量％を占め、
Ａｌがゼロ以上８重量％未満を占め、
Ｘが２５重量％未満を占め、Ｘはゼロ以上のＭｏ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｙ、Ｈｆからなる超合金が、オープンプール試験（上述）において良好な結果を提供する。
【０１１６】
特に、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ及びＡｌを含み、ゼロ以上のＭｏ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｂ、Ｃ、Ｓｉ、Ｙ又はＨｆを含む添加物を含む、超合金が優れた結果を示す。
【０１１７】
これらの基準を使用して、熱インクジェットプリントヘッドのヒータ用の適切な超合金材料を以下から選択することができる。
Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）６００合金、６０１合金、６１７合金、６２５合金、６２５ＬＣＦ合金、６９０合金、６９３合金、７１８合金、Ｘ−７５０合金、７２５合金、７５１合金、ＭＡ７５４合金、ＭＡ７５８合金、７８３合金、９２５合金又はＨＸ合金、
ＩＮＣＯＬＯＹ（登録商標）３３０合金、８００合金、８００Ｈ合金、８００ＨＴ合金、ＭＡ９５６合金、Ａ−２８６合金又はＤＳ合金、
ＮＩＭＯＮＩＣ（登録商標）７５合金、８０Ａ合金又は９０合金、
ＢＲＩＧＨＴＲＡＹ（登録商標）Ｂ合金、Ｃ合金、Ｆ合金、Ｓ合金又は３５合金、或いは
ＦＥＲＲＹ（登録商標）合金又はＴｈｅｒｍｏ−Ｓｐａｎ（登録商標）合金。
【０１１８】
Ｂｒｉｇｈｔｒａｙ、Ｆｅｒｒｙ及びＮｉｍｏｎｉｃは、Ｈｏｌｍｅｒ Ｒｏａｄ ＨＥＲＥＦＯＲＤ ＨＲ４ ９ＦＬ ＵＮＩＴＥＤ ＫＩＮＧＤＯＭのＳｐｅｃｉａｌ Ｍｅｔａｌｓ Ｗｉｇｇｉｎ Ｌｔｄ社の登録商標である。
【０１１９】
Ｔｈｅｒｍｏ−ＳｐａｎはＣａｒｐｅｎｔｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社の子会社であるＣＲＳ ｈｏｌｄｉｎｇｓ Ｉｎｃ．社の登録商標である。
【０１２０】
［チタンアルミニウム合金のヒータ］
チタンアルミニウム（ＴｉＡｌ）合金は、優れた強度、低クリープ及び軽量という、これらの合金が航空産業及び自動車産業で広く使用される由縁である特性を有する。チタンアルミニウム合金は極めて高温下における耐酸化性のため、炉、窯等の耐火コーティングに適している（「Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ Ｒｅｆｒａｃｔｏｒｙ γ−ＴｉＡｌＷ Ｃｏａｔｉｎｇｓ」、Ｌ．Ｋａｃｚｍａｒｃｋら、Ｓｕｒｆａｃｅ ＆ Ｃｏａｔｉｎｇｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２０１（２００７）６１６７〜６１７０ページを参照のこと）。
【０１２１】
本出願人の研究により、ＴｉＡｌはインクジェットプリントヘッドのヒータ材料として使用するのにも十分適していることが明らかになった。この合金は、主にＡｌ２Ｏ３及び非常にわずかなＴｉＯ２の、均一で薄い高密度のコーティングである表面酸化物をもたらすことができる。Ａｌ２Ｏ３は、低い酸素拡散率を有する一方、ＴｉＯ２はより高い拡散率を有する。したがって、この自然（すなわち、自然に形成される）酸化物層は、ヒータを不動態化して酸化破壊を防ぐ一方、ヒータをインクから熱的に遮断しない程度には十分に薄い。これにより、ヒータの動作寿命を損なわずに、広く（ページ幅）高密度のノズルアレイに必要な滴の吐出エネルギーを低く保つ。厚さ０．２ミクロンのＴｉＡｌヒータを使用した試験では、１億８千万回の吐出を良好な印刷品質で達成した。
【０１２２】
ＴｉＯ２形成のさらなる抑制及び／又はヒータ表面のＡｌ拡散率（したがって、Ａｌ２Ｏ３の優先的形成）増大のために他の元素を合金に加えることができる。Ａｇ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｔａ及びＷは単独で又は組合せで、Ａｌ２Ｏ３を強化し、ＴｉＯ２の保護低下を抑制する。添加物は合計でＴｉＡｌ合金の５重量％を超えるべきではない。Ａｇ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｔａ及びＷのうち、Ｗが、最も高い耐酸化性を有する酸化スケールを有する合金を提供する。１．７重量％〜４．５重量％の範囲でＷを添加すると、優れた結果が得られる。
【０１２３】
Ｗを加える別の利点は、Ｗが既に集積回路製作時に使用されていることである。ＣＭＯＳの層間誘電材料（金属層間）を貫通するビアは一般にＷである。吐出ヒータにＷを使用することにより、集積回路又はＭＥＭＳ内において他の成分の有害な汚染が起こる可能性が低くなる。
【０１２４】
ＴｉＡｌの微細構造には別の重要な側面がある。ガンマ相ＴｉＡｌは、アルファ相Ａｌ２Ｏ３（コランダムとして公知である）と相補的な格子基板をもたらす。したがって、下の金属に対する酸化物層の付着性は強い。また、微細構造の粒径はナノ結晶領域のはずである。ナノ結晶構造により、Ａｌの拡散を促す高密度の粒界が表面に生じる。これがさらに、高密度で機械的に安定な酸化スケールを促す。ナノ結晶構造は、粒径が１００ナノメートルを下回るようにヒータ材料にマグネトロンスパッタリングを行うことにより容易に達成できることが理解されよう。
【０１２５】
薄く高密度のＡｌ２Ｏ３層は、既存のインクジェットプリントヘッドの動作寿命と同等の動作寿命をヒータに与える。酸化物を通る酸素拡散率は低いが、多少の酸素は到達し続ける。しかしながら、ＴｉＡｌヒータ上に薄い保護コーティングを加えることにより、吐出効率は幾分損なわれるものの動作寿命を伸ばすことができる。非常に薄い保護コーティング（厚さ０．５ミクロン未満）が、自然酸化スケールの保護とあいまって、液滴吐出のエネルギー効率を大幅に低下させることなく動作寿命を大幅に伸ばす。保護コーティングは、単一層でも異なる材料の積層体であってもよい。酸化ケイ素、窒化ケイ素、及び炭化ケイ素が、インクジェットヒータ素子に適切な保護コーティングを形成する。
【０１２６】
［ヒータにおける酸化物成長を阻止するための増加する駆動パルス］
保護コーティングが使用されず、ヒータが高密度の表面酸化物層のみに依存する場合、滴の吐出特性はプリントヘッドの動作寿命全体にわたって変化しうる。本出願人の研究では、コーティングされていないヒータの抵抗率が、時間の経過と共に変化することが判明した。表面酸化物は低い酸素拡散率を有するかもしれないが、いかなる酸素拡散率でも、動作寿命の接続時間中は、ヒータ材料を継続的に酸化させる。酸化物層が成長するにつれて、ヒータ抵抗も増加する。抵抗が増すと、ヒータがチャンバ内に伝えるエネルギーの量が減少する（なぜなら、ヒータによって得られるエネルギーは、駆動パルス電圧を２乗し、それをヒータ抵抗で割り、パルス接続時間を掛けたものだからである）。チャンバ内のインクへのエネルギーが低下すると、インク内の蒸気バブルが小さくなる。小さくなったバブルは、液滴サイズ及び速度に影響を及ぼす。
【０１２７】
ヒータ上での酸化物成長の影響を阻止するために、プリントエンジンコントローラは、ヒータの動作寿命の接続時間中、駆動パルスのエネルギーを増加させる。パルスエネルギーを増加させることは、パルス接続時間を延長することにより最も容易に達成できる。ヒータに送られるパルスの数は、酸化物成長の良い尺度である。インクを蒸発させて液滴を吐出する際にチャンバ内に生成される環境は、極めて酸化性が高く、これまでのところ、ヒータの停止の際に起こる酸化に勝っている。したがって、各ヒータのパルス接続時間を、設定した回数のヒータ作動の後に増分的に延長することができる。代わりに、（抵抗をＣＭＯＳ内のホイートストンブリッジ回路に組み込むことにより）コントローラでヒータの抵抗を監視し、測定された抵抗が特定のしきい値を超えるとパルス接続時間を延長することもできる。
【０１２８】
ヒータのピーク温度は、作動中にインクに伝えられるエネルギーが減少するにつれて低下する。プリントヘッド温度センサを使用して、動作温度を、個々のヒータに対する駆動パルスの接続時間を延長するトリガーとして使用することができる。
【０１２９】
ヒータ上での酸化物成長を補償すると、プリントヘッドの動作寿命中、各ノズルからの滴の吐出特性の変化が減少する。滴の吐出特性がより均一な接合、各プリントヘッドの寿命中の印刷品質の劣化が減少する。
【０１３０】
本発明を、本明細書中に単に例として説明してきた。当業者であれば、広範な発明の概念の精神及び範囲から逸脱しない多くの変更及び修正を容易に認識するであろう。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メディア基板上に液体の滴を吐出する複数の吐出デバイスが配列されたプリントヘッドであって、前記吐出デバイスのそれぞれが、液体を保持するチャンバと、前記チャンバと流体連通されたノズルと、前記ノズルを通じて前記液体の滴を吐出する蒸気バブルがヒータの抵抗加熱によって発生するように前記液体と接触して前記チャンバ内に配置されたヒータと、を備えるプリントヘッドと、
印刷データを受信し、前記印刷データに従って前記ヒータを駆動するための駆動パルスを発生させるコントローラと、
を備え、
前記コントローラが、前記プリントヘッドの寿命中に前記駆動パルスのエネルギーを増加させる、
インクジェットプリンタ。
【請求項２】
前記プリントヘッドが、前記液体の供給を周囲温度で受けるように構成され、
前記蒸気バブルを発生させるために前記ヒータに印加される前記駆動パルスが、吐出される前記滴の体積に等しい体積の前記液体を前記周囲温度に等しい温度から前記液体の沸点まで加熱するために必要なエネルギーよりも少ないエネルギーを有する、請求項１に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項３】
前記コントローラが、前記駆動パルスの接続時間を延長させることにより、前記駆動パルスのエネルギーを増加させるように構成される、請求項１に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項４】
前記コントローラが、所定の数の滴が吐出された後に、前記駆動パルスのエネルギーを増加させるように構成される、請求項１に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項５】
前記コントローラが、前記吐出デバイスのそれぞれによって吐出される前記滴の累計を監視し、前記吐出デバイスが所定の数の滴を吐出した後、いずれの前記吐出デバイスに対しても前記駆動パルスのエネルギーを個別に増加させる、請求項４に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項６】
前記吐出デバイスが、いつ前記ヒータが所定のしきい値より低いピーク温度を有するかを判断する温度センサ、をさらに備え、
前記コントローラは、前記ピーク温度が前記しきい値より低いことを前記温度センサが示すのに応答して前記駆動パルスのエネルギーを増加させるように構成される、請求項１に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項７】
前記しきい値が４５０℃未満である、請求項６に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項８】
前記コントローラが、前記吐出デバイスの作動回数と前記ヒータの電気抵抗の増加との間の予め定められた関係とは逆に、前記駆動パルスの接続時間を延長させる、請求項１に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項９】
前記ヒータが、Ｔｉが４０重量％超を占め、Ａｌが４０重量％超を占め、Ｘが５重量％未満を占め、ゼロ以上のＡｇ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｔａ及びＷを含む、ＴｉＡｌＸ合金から形成される、請求項１に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項１０】
ＸがＷである、請求項９に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項１１】
Ｘが１．７重量％〜４．５重量％のＷを含む、請求項９に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項１２】
Ｔｉが４８重量％超を占め、Ａｌが４８重量％超を占め、Ｘが０重量％である、請求項９に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項１３】
前記ヒータの前記ＴｉＡｌ成分が、ガンマ相構造を有する、請求項９に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項１４】
前記ヒータが、粒径１００ナノメートル未満の微細構造を有する、請求項９に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項１５】
使用時に、前記ＴｉＡｌＸ合金が、前記液体に直接接触するＡｌ２Ｏ３表面酸化物を形成する、請求項９に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項１６】
前記ＴｉＡｌＸ合金が、厚さ２ミクロン未満の層として堆積される、請求項９に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項１７】
前記層が厚さ０．５ミクロン未満である、請求項９に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項１】
メディア基板上に液体の滴を吐出する複数の吐出デバイスが配列されたプリントヘッドであって、前記吐出デバイスのそれぞれが、液体を保持するチャンバと、前記チャンバと流体連通されたノズルと、前記ノズルを通じて前記液体の滴を吐出する蒸気バブルがヒータの抵抗加熱によって発生するように前記液体と接触して前記チャンバ内に配置されたヒータと、を備えるプリントヘッドと、
印刷データを受信し、前記印刷データに従って前記ヒータを駆動するための駆動パルスを発生させるコントローラと、
を備え、
前記コントローラが、前記プリントヘッドの寿命中に前記駆動パルスのエネルギーを増加させる、
インクジェットプリンタ。
【請求項２】
前記プリントヘッドが、前記液体の供給を周囲温度で受けるように構成され、
前記蒸気バブルを発生させるために前記ヒータに印加される前記駆動パルスが、吐出される前記滴の体積に等しい体積の前記液体を前記周囲温度に等しい温度から前記液体の沸点まで加熱するために必要なエネルギーよりも少ないエネルギーを有する、請求項１に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項３】
前記コントローラが、前記駆動パルスの接続時間を延長させることにより、前記駆動パルスのエネルギーを増加させるように構成される、請求項１に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項４】
前記コントローラが、所定の数の滴が吐出された後に、前記駆動パルスのエネルギーを増加させるように構成される、請求項１に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項５】
前記コントローラが、前記吐出デバイスのそれぞれによって吐出される前記滴の累計を監視し、前記吐出デバイスが所定の数の滴を吐出した後、いずれの前記吐出デバイスに対しても前記駆動パルスのエネルギーを個別に増加させる、請求項４に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項６】
前記吐出デバイスが、いつ前記ヒータが所定のしきい値より低いピーク温度を有するかを判断する温度センサ、をさらに備え、
前記コントローラは、前記ピーク温度が前記しきい値より低いことを前記温度センサが示すのに応答して前記駆動パルスのエネルギーを増加させるように構成される、請求項１に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項７】
前記しきい値が４５０℃未満である、請求項６に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項８】
前記コントローラが、前記吐出デバイスの作動回数と前記ヒータの電気抵抗の増加との間の予め定められた関係とは逆に、前記駆動パルスの接続時間を延長させる、請求項１に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項９】
前記ヒータが、Ｔｉが４０重量％超を占め、Ａｌが４０重量％超を占め、Ｘが５重量％未満を占め、ゼロ以上のＡｇ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｔａ及びＷを含む、ＴｉＡｌＸ合金から形成される、請求項１に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項１０】
ＸがＷである、請求項９に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項１１】
Ｘが１．７重量％〜４．５重量％のＷを含む、請求項９に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項１２】
Ｔｉが４８重量％超を占め、Ａｌが４８重量％超を占め、Ｘが０重量％である、請求項９に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項１３】
前記ヒータの前記ＴｉＡｌ成分が、ガンマ相構造を有する、請求項９に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項１４】
前記ヒータが、粒径１００ナノメートル未満の微細構造を有する、請求項９に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項１５】
使用時に、前記ＴｉＡｌＸ合金が、前記液体に直接接触するＡｌ２Ｏ３表面酸化物を形成する、請求項９に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項１６】
前記ＴｉＡｌＸ合金が、厚さ２ミクロン未満の層として堆積される、請求項９に記載のインクジェットプリンタ。
【請求項１７】
前記層が厚さ０．５ミクロン未満である、請求項９に記載のインクジェットプリンタ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【図５１】
【図５２】
【図５３】
【図５４】
【図５５】
【図５６】
【図５７】
【図５８】
【図５９】
【図６０】
【図６１】
【図６２】
【図６３】
【図６４】
【図６５】
【図６６】
【図６７】
【図６８】
【図６９】
【図７０】
【図７１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【図５１】
【図５２】
【図５３】
【図５４】
【図５５】
【図５６】
【図５７】
【図５８】
【図５９】
【図６０】
【図６１】
【図６２】
【図６３】
【図６４】
【図６５】
【図６６】
【図６７】
【図６８】
【図６９】
【図７０】
【図７１】
【公表番号】特表２０１２−５０６７８１（Ｐ２０１２−５０６７８１Ａ）
【公表日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５３２４６５（Ｐ２０１１−５３２４６５）
【出願日】平成２０年１１月１０日（２００８．１１．１０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＡＵ２００８／００１６６０
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０５１５７３
【国際公開日】平成２２年５月１４日（２０１０．５．１４）
【出願人】（３０３０２４６００）シルバーブルック リサーチ ピーティワイ リミテッド (150)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月１０日（２００８．１１．１０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＡＵ２００８／００１６６０
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０５１５７３
【国際公開日】平成２２年５月１４日（２０１０．５．１４）
【出願人】（３０３０２４６００）シルバーブルック リサーチ ピーティワイ リミテッド (150)
【Ｆターム（参考）】
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