JP2002225279A - Cmos/mems integrated type ink channel print head having flow nozzle structure in crosswise direction of silicon base and manufacturing method thereof - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a CIJ print head having a structure suitable for imparting a crosswise flow component to fluid under a heater and a largely biased jet. SOLUTION: A continuous ink jet print head having a plurality of nozzles is provided with a silicon substrate which contains integrated circuits controlling the operation of a print head and an ink channel, an insulating layer covering a silicon substrate and having nozzle bores communicating with an ink channel. The silicon substrate in each nozzle bores contains a blocking structure composed of a silicon substrate between an ink channel and a nozzle bore, an access aperture set up between the ink channel and the nozzle bore makes ink from the ink channel flow around the blocking structure and ink enter into the access aperture at the deviated position from the nozzle imparting the crosswise flow component to the liquid ink entering into the nozzle bore.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[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。FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to the field of digitally controlled printing devices, and more particularly to integrating multiple nozzles on a single substrate and selecting a drop of liquid for printing by thermal processing means. The present invention relates to a liquid ink print head.

【０００２】[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。BACKGROUND OF THE INVENTION Inkjet printing has been recognized as a prominent competitor in the field of digitally controlled electronic printing due to its non-impact, low noise properties, and system simplicity. For this reason, inkjet printers have been commercially successful in home use, office use, and the like.

【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 (Kyse
r)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。The ink jet printing mechanism is continuous (CIJ)
Or drop-on-demand (DOD). In 1970 Kyser (Kyse
U.S. Pat.No. 3,946,398 to r) et al. discloses a DOD inkjet printer that applies a high voltage to a piezoelectric crystal, thereby bending the crystal, applying pressure to an ink reservoir, and ejecting the required drops. Has been disclosed. Piezoelectric DOD printers have been commercially successful in image resolutions of 720 dpi and higher for home and office use. However, inkjet printing mechanisms are usually
Complex high voltage drive circuits and bulky piezoelectric crystal arrays are required, which are disadvantageous in the number of nozzles per unit length of the printhead, as well as the length of the printhead.

【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。British Patent No. 2,007,162, issued to Endo et al. In 1979, discloses an electrothermal drop-on-demand ink jet printer that applies a power pulse to a heater that is in thermal contact with the aqueous ink in a nozzle. . A small amount of ink quickly evaporates, forming a bubble that will cause the ink drop to be ejected from a small bore along the edge of the heater substrate. This technique is known as thermal ink jet or bubble jet.

【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。[0005] Thermal ink jet printers typically generate a pulse of energy sufficient for the heater to heat the ink to a temperature near 400 ° C which causes rapid bubble formation. The high temperatures required for this device require the use of special inks, complicate drive electronics, cavitation and kogation.
Promotes the deterioration of the heater element via Kogation is the accumulation of ink combustion byproducts covering the heater with debris. Such lumps of debris reduce the thermal efficiency of the heater, thereby reducing the operating life of the print head. In addition, the high active power consumption of each heater hinders the production of page-wide printheads at high speed with reduced manufacturing costs.

【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 (Hans
ell)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。[0006] Continuous ink jet printers themselves date back to at least 1929. That year, Hans
See U.S. Pat. No. 1,941,001, issued to ell).

【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（Ｅｌｍｊ
ｅｔ）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。US Pat. No. 3,373,437, issued to Sweet et al. In March 1968, describes a continuous ink jet nozzle that selectively charges and deflects ink drops to be printed onto a recording medium. An array is disclosed. This technique is known as binary deflected continuous inkjet printing and is known as Elmjet (Elmj).
et) and Scitex.

【０００８】米国特許第3,416,153号明細書は、１９６
８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。[0008] US Pat. No. 3,416,153 discloses 196
It was granted a patent to Herts et al. In December 2008. This patent discloses a method for achieving variable optical density print (print) spots in continuous ink jet printing. Charged drop stream
Electrostatic dispersion acts to modulate the number of droplets (droplets) passing through the small aperture. This technique is used in Iris inkjet printers.

【０００９】“METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING
THE ELECTRIC CHARGE ON DROPLETSAND INL JET RECORD
ER 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。[0009] "METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING
THE ELECTRIC CHARGE ON DROPLETSAND INL JET RECORD
U.S. Patent No. 4,346,387, entitled "ER INCORPORATING THE SAME," was issued to Hearts on October 24, 1982. This patent discloses a CIJ system for controlling electrostatic charge on a droplet. A droplet is formed by splitting (breaking) a pressurized liquid stream at a drop formation point located within an electrostatic charge tunnel having an electric field, wherein the drop formation is at a desired predetermined level. This occurs at some point in the electric field corresponding to the charge of the T. In addition to charging the tunnel, the deflection plate is used to actually deflect the drop. In the Hertz system, the generated droplet is charged (to charge the charge). Given) and then deflected to a gutter or onto a print medium. It is bulky and severely limits the number of nozzles per printhead.

【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。[0010] Until recently, all conventional continuous ink jet techniques have utilized, in various ways, electrostatic charge tunnels located near points where drops are formed in the stream. In a tunnel, individual drops may be selectively charged. The selected drop is charged and deflected downstream by the presence of a deflection plate with a large potential difference. Throat vacancies (also referred to as "catchers") are typically used to block charged drops and establish a non-printing mode, while the uncharged drops freely hit the recording media in the printing mode, thus providing an ink stream. (Flow) is deflected between a "non-print" mode and a "print" mode.

【００１１】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。Recently, a new continuous ink jet printer system has been developed which does not require the aforementioned electrostatic charging tunnel. It also serves to better combine the functions of (1) droplet formation and (2) droplet deflection. This system is based on “CONTINUOUS INK JET PRINTER WITH ASYMMETRIC” filed by Chwalek et al.
HEATING DROP DEFLECTION "is disclosed in U.S. Patent Application No. 6,079,821, the contents of which are incorporated herein by reference. This patent discloses an ink control device in a continuous ink jet printer. The apparatus includes an ink delivery channel, a source of compressed ink in communication with the ink delivery channel, and a nozzle having a bore opening into the ink delivery channel, wherein a continuous stream of ink is drawn from the ink delivery channel. When a weak heat pulse is periodically applied to the stream by the heater, the ink stream is broken down into a plurality of droplets at a location spaced from the nozzle in synchronization with the applied heat pulse. ) Deflected by increased heat pulse from heater Section heaters which are selectively activated, for example, select startup. Particular heater section having a section associated with the portion of the bore of the nozzle, thermal asymmetric to the stream (anisotropic)
What is called application is continuous. The direction in which the heat is applied asymmetrically to act to deflect the ink drop between the "print" direction (onto the recording medium) and the "non-print" direction (for returning to the "catcher"), Alternating sections can be alternated. The Cholek et al. Patent provides a greatly improved liquid printing system that overcomes the traditional problems of nozzles per printhead, printhead length, power usage and useful ink properties.

【００１２】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、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。The asymmetric application of heat leads to a deflection of the stream, the magnitude of which depends on a number of factors, such as the geometry and thermal properties of the nozzle, the amount of heat applied, the pressure applied, and And the physical, chemical and thermal properties of the ink. While solvent (especially alcohol) inks have very good deflection patterns and achieve high image quality in anisotropically heated continuous inkjet printers, aqueous inks are even more problematic. Water-based inks do not deflect much, but their operation is not robust. European Patent Application No. 1,110, filed with Delametter et al.
In the '732 publication, to improve the magnitude of ink droplet deflection in a continuous ink jet anisotropic heating printing system, enhanced in-situ flow characteristics are provided by geometric obstructions in the ink delivery channels. By doing so, especially for aqueous inks,
A continuous ink jet printer with ink drop deflection is disclosed.

【００１３】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。[0013] The invention described herein is directed to the manufacture of continuous ink jet printheads suitable for low cost manufacturers, or to printheads that can be made preferably page wide, for use with Cholek et al. It is based on the work of Delamettors.

【００１４】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。Although the present invention employs an inkjet printhead that is not considered a page-wide printhead, it is widely recognized that there is a need for an improved inkjet printing system, including, for example, cost, size, speed,
It offers advantages in terms of quality, reliability, small nozzle orifice size, small drop size, low power usage, simplicity of construction in operation, durability and manufacturability. In this regard, there is a particular need for the ability to manufacture page wide high resolution inkjet printheads. As used herein, the term "page wide" is approximately
Refers to a printhead with a minimum length of 4 inches. High resolution refers to a nozzle density from a minimum of about 300 nozzles per inch to a maximum of about 2,400 nozzles per inch for each ink color.

【００１５】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。To take full advantage of the page-wide print head for increased printing speed, the print head contains a significant number of nozzles. For example, conventional scanning printheads have only a few hundred nozzles per ink color. A 4 inch page wide print head suitable for printing photos has thousands of nozzles. The page-wide print head is stationary and the paper moves past the print head while the print head is slowly scanned over a page due to the need to move it mechanically. The image can theoretically be printed in a single pass, thereby substantially increasing printing speed.

【００１６】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80
μｍ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。There are two major difficulties in realizing a page wide, high productivity inkjet printhead. First
In addition, the distance between the center and the center is 10 μm to 80
Must be placed next to each other on the order of μm. Second, each nozzle must integrate a driver to power the heater and electronics to control each nozzle. That is, the number 1000 to the external circuit
Attempts to make individual bonds or other types of connections are currently difficult to implement.

【００１７】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。One way to address these challenges is to:
Forming a print head on a silicon wafer using VLSI technology and integrating nozzles in CMOS on the same silicon substrate.

【００１８】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ＶＬＳ
Ｉ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設備でウェハーの後処理を行うのが
好ましい。The custom process proposed in US Pat. No. 5,880,759 to Silverbrook was developed for forming printheads, but, in terms of cost and manufacturability, conventional VLS
Preferably, the circuit is first formed using an approximately standard CMOS process in an I facility, and then the wafer is post-processed in another MEMS facility for the formation of nozzles and ink channels.

【００１９】[0019]

【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。SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a CIJ printhead that is manufactured at lower cost and with improved manufacturing capabilities as compared to previously known inkjet printheads that require more custom processing. To provide.

【００２０】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ＣＩ
Ｊ印刷ヘッドを提供することである。Another object of the present invention is a CIJ printhead characterized by a structure suitable for imparting a lateral flow component to a fluid under a heater, such that the jets produce the same amount of heat. CI deflected more
J print head.

【００２１】本発明の第１の態様では、複数のノズルを
有する連続インクジェット印刷ヘッドであって、該印刷
ヘッドは：印刷ヘッドの作動を制御するための集積回路
を含み、かつ、インクチャネルを有するシリコン基板
と；基板を覆いかつインクチャネルに連通するノズルボ
アを有する絶縁体層あるいは層群と；を備え、シリコン
基板が各ノズルボアにインクチャネルとノズルボアとの
間にシリコン基板から成るブロッキング構造を含み、ア
クセス開口がインクチャネルとノズルボアとの間に形成
されて、インクチャネルからのインクがブロッキング構
造のまわりを流れることを可能にし、かつ、ノズルボア
に入る液体インクに横方向フロー成分を付与するために
ノズルからずれた位置でアクセス開口に入るようにされ
ている。In a first aspect of the present invention, a continuous ink jet print head having a plurality of nozzles, the print head includes: an integrated circuit for controlling operation of the print head, and having an ink channel. A silicon substrate; an insulator layer or layers having a nozzle bore covering the substrate and communicating with the ink channel; wherein the silicon substrate includes a blocking structure comprising a silicon substrate between the ink channel and the nozzle bore in each nozzle bore; An access opening is formed between the ink channel and the nozzle bore to allow ink from the ink channel to flow around the blocking structure and to impart a lateral flow component to the liquid ink entering the nozzle bore. It is designed to enter the access opening at a position deviated from the access opening.

【００２２】本発明の第２の態様では、連続インクジェ
ット印刷ヘッドを作動する方法であって：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群を有するシ
リコン基板に形成されたインクチャネルに加圧状態下の
液体インクを備える段階と；シリコン基板を覆う絶縁体
層あるいは層群に形成されたノズルボアにが流れ込むよ
うにする段階と；インクドロプレットの方向を制御する
ために、ヒーター要素を回って流れるインクに非対称に
加熱する段階と；シリコン基板に形成されかつノズルボ
アに位置合わせされたブロッキング構造近傍にインクフ
ローを有することによって生成されるインクジェット若
しくはストリームに横方向フロー成分を付与する段階
と：を備えている。According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of operating a continuous ink jet printhead comprising: an ink channel formed in a silicon substrate having an integrated circuit group formed to control the operation of the printhead. Providing a liquid ink under pressure; allowing a nozzle bore formed in an insulator layer or layers covering the silicon substrate to flow; and providing a heater element to control the orientation of the ink droplet. Asymmetrically heating the swirling ink; applying a lateral flow component to the ink jet or stream generated by having the ink flow near the blocking structure formed in the silicon substrate and aligned with the nozzle bore. : Is provided.

【００２３】本発明の第３の態様では、連続インクジェ
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を
準備する段階であって、シリコン基板はその上に絶縁体
層あるいは層群を有し、絶縁体層あるいは層群はシリコ
ン基板に形成された回路に電気的に接続された導体を含
むものである段階と；絶縁体層あるいは層群にボアを形
成する段階と；シリコン基板にボアと連通するインクチ
ャネルを形成する段階と；シリコン基板に形成されたイ
ンクチャネルから絶縁体層あるいは層群に形成されたボ
アへのインクの横方向のフローを制御するためにシリコ
ン基板にブロッキング構造を形成する段階と；を備えて
いる。According to a third aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a continuous ink jet printhead, comprising: providing a silicon substrate having an integrated circuit for controlling operation of the printhead, wherein the silicon substrate comprises: Having an insulator layer or layers thereon, the insulator layer or layers comprising a conductor electrically connected to a circuit formed on the silicon substrate; and forming a bore in the insulator layer or layers. Forming; forming an ink channel in the silicon substrate that communicates with the bore; controlling a lateral flow of ink from the ink channel formed in the silicon substrate to the bore formed in the insulator layer or layers. Forming a blocking structure on the silicon substrate to perform the operation.

【００２４】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。[0024] These and other objects, features and advantages of the present invention will become apparent to those skilled in the art from the following detailed description when read in conjunction with the exemplary drawings of the invention.

【００２５】[0025]

【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り；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り；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り；図２は、図１ＡのＢ
−Ｂ線に沿った“ノッチ”型ヒーターを有するノズルの
断面図であり；図３は、図１ＡのＡ−Ｂ線に沿った断面
図であって、従来型ＣＭＯＳ製造段階の全ての終了直後
のノズル領域を示す図であり；図４は、ノズルの小アレ
イを有するインクジェットの概略平面図であって、隣接
ノズル間のインクチャネルに備えたシリコンリブとシリ
コン基板タイプの横方向フローブロッキング構造とを示
す図であり；；図５は、横方向フローのためのシリコン
ブロッキング構造の画定後に図１Ａのノズル領域のＡ−
Ａ線に沿った概略断面図であり；図６は、シリコンブロ
ッキング構造の頂部におけるシリコンを除去するために
“足場”効果を用いた、横方向フローのためのシリコン
ブロックの画定後の、図１Ａのノズル領域のＢ−Ｂ線に
沿った概略断面図であり；図７は、頂部形成方法を用い
た、横方向フローのために用いたシリコンブロックの画
定後の、ノズル領域のＢ−Ｂ線に沿った概略断面図であ
り；図８は、本発明に対応して形成されたノズルアレイ
構造の概略斜視図であって、シリコンベースの横方向フ
ローブロッキング構造を示した図であり；図９は、連続
インクジェット印刷ヘッド、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斜視図であり；図１０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る。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS While the specification sets forth the claims particularly pointing out and distinctly claiming the subject matter of the invention, the invention will be better understood from the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings, in which: Should be done. FIG. 1 is a schematic partial plan view of a print head constructed in accordance with the present invention;
FIG. 1B is a schematic plan view of a nozzle having a “notch” type heater for a CIJ print head according to the present invention; FIG. 1B is a schematic plan view of a nozzle having a split type heater for a CIJ print head according to the present invention; Is B in FIG. 1A.
FIG. 3 is a cross-sectional view of the nozzle having a “notch” type heater taken along line B; FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AB of FIG. 1A, immediately after all of the conventional CMOS fabrication steps have been completed; FIG. 4 is a schematic plan view of an ink jet having a small array of nozzles, including a silicon rib provided in an ink channel between adjacent nozzles and a silicon substrate type lateral flow blocking structure. FIG. 5 shows A- of the nozzle area of FIG. 1A after defining a silicon blocking structure for lateral flow.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view along line A; FIG. 6 shows the FIG. 1A after the definition of a silicon block for lateral flow using the “scaffold” effect to remove silicon at the top of the silicon blocking structure. FIG. 7 is a schematic cross-sectional view along the line BB of the nozzle region of FIG. 7; FIG. 7 is a line BB of the nozzle region after defining the silicon block used for the lateral flow using the crest forming method; FIG. 8 is a schematic perspective view of a nozzle array structure formed in accordance with the present invention, showing a silicon-based lateral flow blocking structure; FIG. Example of a continuous ink jet printhead, nozzle array, printer media under the ink jet printhead (eg, paper)
FIG. 10 is a schematic perspective view shown with a roll; FIG. 10 is a perspective view of a CMOS / MEMS print head provided on a support substrate formed according to the present invention and to which ink is delivered.

【００２６】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。This description is especially directed to elements that form part of or cooperate directly with the device according to the invention. It is to be understood that elements not specifically shown or described may take various forms well known to those skilled in the art.

【００２７】図９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）。FIG. 9 shows a continuous ink jet printer system 10. The print head 10a
An array of nozzles 20 extends therefrom, but incorporates a heater control circuit (not shown).

【００２８】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。The heater control circuit reads data from the image memory and sends time-series electrical signals to the heaters of the nozzle array 20. These pulses are applied to the appropriate nozzles for an appropriate length of time, thereby causing drops formed from the continuous inkjet stream at the appropriate locations indicated by the data sent from the image memory to the recording medium. A spot is formed on 13. The pressurized ink travels from an ink reservoir (not shown) to an ink delivery channel formed in substrate 14 and through nozzle array 20 onto either recording medium 13 or throat 19. The ink throat 19 is configured to capture the undeflected ink droplet 11, while the deflected droplet 12 reaches the recording medium. The general description of the continuous ink jet printer system of FIG. 13 is also suitable for use as a general description of the printer system of the present invention.

【００２９】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。FIG. 1 shows a plan view of an ink jet print head according to the present invention. The print head includes a nozzle array 1a- arranged in a line or zigzag.
1d. Each nozzle is addressed by a logical AND gate 2a-2d, which includes a logic circuit and a heater drive transistor (not shown), respectively. If each signal for each data input line 3a-3d and each enable clock line 5a-5d connected to the logic gate are both logic 1 (ONE), the logic circuit turns on each driver transistor. In addition, the signals on the enable clock lines (5a-5d) determine the duration of the current through the heater in a particular nozzle 1a-1d. Data for driving the heater driver transistor may be obtained from processed image data input to the data shift register 6. Latch registers 7a-7d responsive to the latch clock receive the data from each shift register stage and each latch status signal (logic 1 or zero) indicating whether a dot is to be printed on the receiver (image receiving medium). (ZERO)) on lines 3a-3d. In the third nozzle, lines AA and BB define the direction of the cross section shown in FIGS. 1A and 1B.

【００３０】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。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。FIGS. 1A and 1B are detailed plan views of two types of heaters ("notch" or "split", respectively) used in CIJ printheads.
They create asymmetric heating of the jet and cause inkjet deflection. Asymmetrical heat application simply means independently supplying current to some section of the heater in the case of a split heater. A notch heater in which a current is applied to the notch heater inherently includes asymmetric heating of the meniscus. FIG. 1A shows a plan view of an inkjet printhead nozzle having a notch-type heater. The heater is formed near the outlet of the nozzle. The heater element material substantially surrounds the nozzle bore, except for a very small notch-shaped area sufficient to permit electrical opening. Referring to FIG. 1, one side of each heater is connected to a common bus line that is typically connected to a +5 volt power supply. The other side of each heater is connected to a logic AND gate with a MOS transistor driver inside that can send up to 30 mA of current to the heater. The AND gate has two logic inputs. One logic input is from latches 7a-7d which obtain information from each shift register stage indicating whether or not a particular heater is activated during the current line time or at other times. The other input is an enable clock that determines the length and sequence of pulses applied to a particular heater. Typically, there are two or more enable clocks in the printhead so that adjacent heaters can be activated at slightly different times to avoid heat and other crosstalk effects.

【００３１】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。FIG. 1B shows a nozzle with a split heater having substantially two semiconductor heater elements around a nozzle bore near an outlet opening. Independent conductors are provided in the upper and lower segments of each semicircle. In this case, it should be understood that the upper and lower parts mean elements (members) on the same plane. A via is provided to electrically contact the conductor to the metal layer associated with each of these conductors. These metal layers are connected to a drive (driver) circuit formed on a silicon substrate as described below.

【００３２】図２には、Ｂ−Ｂに沿った作動しているノ
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。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。FIG. 2 shows a schematic sectional view of the working nozzle along BB. As described above, below the nozzles are ink channels that supply ink. This ink supply typically ranges from 15 psi for a bore diameter of about 8.8 μm.
Perform under pressure between 25 psi. Ink in the feed channel is expelled from a pressurized reservoir (not shown), causing ink to flow through the channel under pressure. An ink pressure regulator (not shown) is used to ensure a constant pressure. A jet is formed that flows directly straight into the throat, without current flowing into the heater. On the surface of the print head, a symmetric meniscus is formed around each nozzle several microns in diameter larger than the bore. When a current pulse is applied to the heater, the meniscus on the heating side is pulled and the jet is deflected away from the heater. The forming droplet then bypasses the throat and reaches the receiver. When the current through the heater is returned to zero, the meniscus is again symmetric and the jet direction is straight. The device operates easily in reverse, i.e., the deflected droplet goes to the throat and is printed on the receiver with the undeflected droplet. Also, having all nozzles on one line is not essential. It is easier to create a substantially straight edge throat than with a zig-zag edge that reflects a zig-zag nozzle arrangement.

【００３３】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、19
98年12月28日に出願された“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、“Continu
ous Ink Jet Print Head Having Multi-Segment Heater
s”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。In normal operation, the resistance of the heater is about 400
On the order of ohms, the current is 10-20 mA,
The pulse duration is about 2 microseconds, and the deflection angle for pure water is on the order of a few degrees;
“Continuous Ink Jet Print filed on December 28, 1998
U.S. Patent No. 6,213,595 entitled "Head Power-Adjustable Segmented Heater" and "Continu
ous Ink Jet Print Head Having Multi-Segment Heater
See U.S. Patent No. 6,217,163 entitled "s".

【００３４】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。The application of a periodic current pulse will break the jet into simultaneous droplets in response to the applied pulse. These droplets are about 100 μm to 200 μm apart from the surface of the printhead, are 8.8 μm in diameter, about 2 μs wide, have a 200 kHz pulse rate, and are usually 3 pL to 4 pL in size.

【００３５】図３において示す線Ａ−Ｂに沿った断面図
は、ノズルが後にアレイで形成される印刷ヘッドの形成
の不完全な段階であって、ＣＭＯＳ回路が同じシリコン
基板上に集積される段階を示している。The cross-sectional view along line AB shown in FIG. 3 is an imperfect stage of formation of a printhead in which nozzles are later formed in an array, wherein CMOS circuits are integrated on the same silicon substrate. Shows the stages.

【００３６】前述のように、ＣＭＯＳ回路はまずシリコ
ンウェハー上に形成する。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
ン層に形成してもよい。As described above, a CMOS circuit is first formed on a silicon wafer. The CMOS process may be a standard 0.5 μm mixed signal process that incorporates two levels of polysilicon and three levels of metal on a 6 inch diameter wafer. Wafer thickness is typically 675 μm. In FIG. 3, this process is represented by three layers of metal shown interconnected to the vias. Also, N ⁺ diffusion and contact to polysilicon level 2 and metal level 1 are drawn to show active circuits in the silicon substrate. The gate of the CMOS transistor may be formed in a polysilicon layer.

【００３７】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。Due to the need to electrically insulate the metal layer,
A dielectric layer is deposited between the metal layers so that the total thickness of the film on the silicon wafer is about 4.5 μm.

【００３８】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。必要に応じて様々な層の間にビアを備
え、ボンドパッドを備えるために金属層にアクセス可能
にするために表面に開口を予め備えてもよい。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、必要な内部接続、トラ
ンジスタ、及び、論理ゲートを備える。唯一個のボンド
パッドを示しているが、マルチ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。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あるいは離れた位
置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。As a result of the conventional CMOS formation stage. A silicon substrate having a thickness of about 675 μm and a diameter of 6 inches is obtained.
Larger or smaller diameter silicon wafers can be used as well. As is well known, to form these transistors, a plurality of transistors are formed on a silicon substrate through conventional methods of selectively depositing various materials.
A series of layers that will form an oxide / nitride insulating layer having one or more polysilicon layers and a metal layer formed thereon corresponding to the desired pattern are supported on the silicon substrate. You. Vias may be provided between the various layers as needed, and openings may be pre-formed on the surface to make the metal layer accessible to provide bond pads. As shown in FIG. 3, the oxide / nitride insulating layer is about 4.5 μm thick. The structure shown in FIG. 3 basically includes the necessary internal connections, transistors and logic gates to provide the control components shown in FIG. Although only one bond pad is shown, it should be understood that multiple bond pads are formed in the nozzle array. To connect data, latch clocks, enable clocks, and power supplied from a circuit board mounted adjacent or away from the printhead, respectively.
It has various bond pads.

【００３９】ＣＩＪ印刷システムにおける上述のよう
に、ジェット偏向は、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。ノズルボアに位置
合わせされかつそ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。As described above in a CIJ printing system, jet deflection is desirably increased by increasing the portion of ink entering the bore of a nozzle having lateral momentum over axial momentum. This can be achieved by plugging some of the fluid with axial momentum by building a block in the center of the structure of each nozzle array that is aligned with and directly below the nozzle bore.

【００４０】本発明による横方向フロー構造の構築方法
は、ＣＭＯＳ形成シーケンスの終わりにノズルの近傍に
シリコンウェハーの断面を示す図３を参照して説明す
る。以下のパラグラフでは単一ノズルの形成に対して説
明を行うが、プロセスがウェハーに沿って列に形成され
た一連のノズル群に同じく適用可能であることは理解さ
れたい。The method of constructing a lateral flow structure according to the present invention is described with reference to FIG. 3, which shows a cross section of a silicon wafer near a nozzle at the end of a CMOS formation sequence. Although the following paragraphs describe the formation of a single nozzle, it should be understood that the process is equally applicable to a series of nozzles formed in rows along the wafer.

【００４１】図５に示したノズルアレイを参照された
い。図５の実施形態では、ＭＯＳトランジスタのゲート
を形成するのに用いられる同じシリコン層がヒーター膜
として使用される。このノズルからのジェット偏向を大
きくするために、約0.35μｍまで上述の誘電体膜を薄膜
化するのが望ましい。図１１に示したように、約3.5μ
ｍの誘電体膜を除去して、インクチャネルとノズルアレ
イの表面に形成した広めで深いノズル凹所との間のノズ
ルボア領域を形成する。ノズル凹所を時限付きの段階に
おけるエッチバックを通して形成される。最終のボア膜
厚をほぼ1μｍとする。See the nozzle array shown in FIG. In the embodiment of FIG. 5, the same silicon layer used to form the gate of the MOS transistor is used as the heater film. In order to increase the jet deflection from the nozzle, it is desirable to reduce the thickness of the dielectric film to about 0.35 μm. As shown in FIG.
m of the dielectric film is removed to form a nozzle bore region between the ink channel and the wide and deep nozzle recess formed on the surface of the nozzle array. The nozzle recess is formed through etchback in a timed step. The final bore film thickness is set to approximately 1 μm.

【００４２】次いで、シリコンウェハーを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。用いたマスクは、イ
ンクチャネルのエッチング中に、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。これ
らのブリッジは、シリコンウェハの裏からおもてまでず
っと延びている。従って、ウェハのうら面に画定されパ
ターニングされたインクチャネルはもはや、ノズル列の
方向に平行に延びる長い矩形凹所ではなく、各々単一ノ
ズルを提供する一連の小さめの矩形キャビティ群であ
る。図４を参照されたい。パッケージングのときにアレ
イが捻り応力を受けると膜が壊れる印刷ヘッドを構造的
に弱くする傾向があるダイの中央における長いキャビテ
ィに対して、これらのリブの使用によってシリコンの強
度が改善される。また、長い印刷ヘッドに対して、低周
波圧力波によるインクチャネル内の圧力変動はジェット
ジッタを生じうる。Next, the silicon wafer is thinned from an initial thickness of 675 μm to a thickness of about 300 μm. A mask is then applied to the back of the wafer to open the ink channels, and the silicon is then etched with an STS etch system to the front of the silicon. The mask used remains behind the silicon bridges or ribs between the nozzles of the nozzle array during the etching of the ink channels. These bridges extend all the way from the back of the silicon wafer to the front. Thus, the patterned ink channels defined on the backside of the wafer are no longer long rectangular recesses extending parallel to the direction of the nozzle rows, but rather a series of smaller rectangular cavities each providing a single nozzle. Please refer to FIG. The use of these ribs improves the strength of the silicon against long cavities in the center of the die, which tend to structurally weaken the printhead where the array is subjected to torsional stress during packaging, which breaks the film. Also, for long printheads, pressure fluctuations in the ink channels due to low frequency pressure waves can cause jet jitter.

【００４３】ＣＩＪ印刷システムについて上述したよう
に、ジェット偏向は、軸方向より横方向の運動量でノズ
ルボアに入るインクの一部を増量することによってさら
に増大することが望ましい。これは、ノズル開口あるい
はボアの直下の各ノズルの中央部にブロックを構築する
ことによって軸方向運動量を有する流体の一部をブロッ
キングすることによって実施することができる。As described above for the CIJ printing system, it is desirable that jet deflection be further increased by increasing the portion of the ink entering the nozzle bore with momentum transverse to axial. This can be accomplished by blocking a portion of the fluid having axial momentum by building a block in the center of each nozzle just below the nozzle opening or bore.

【００４４】本発明に対応して、横方向フロー構造の構
築方法を図５から図８を参照して述べる。A method of constructing a lateral flow structure according to the present invention will be described with reference to FIGS.

【００４５】図５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６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5μｍ下方に異方的にエッチングされる。図５及び図
６は出来上がった構造の断面図を示している。図５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。In FIG. 5, a cross-sectional view taken along line AA shows the lateral flocking structure and the silicon ribs. FIG. 6 shows a cross-sectional view along the line BB. A first method of forming a silicon flocking structure relies on the phenomenon of an "STS called foothold" etch system.
Also, when the silicon etch reaches the silicon / silicon dioxide interface, a high-speed lateral etch occurs due to the charging of the oxide and the deflection of the reactive silicon etch ions incident laterally. This high speed lateral etch extends about 5 μm. The wafer is then placed in a conventional plasma etch chamber and the silicon in the center of the bore is anisotropically etched down about 5 μm. 5 and 6 show sectional views of the completed structure. In FIG. 5, the area with the parallel line pattern shows a portion where the silicon has been removed and which has an access opening between the first ink channel formed in the silicon substrate and the nozzle bore.

【００４６】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5μｍ異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７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。The second method does not rely on the "scaffold" effect. Instead, the silicon in the bore is anisotropically etched about 5 μm from the front side of the wafer. The silicon is then laterally removed by anisotropic etching and vertically removed in cross-section in FIG. 7 to facilitate fluid contact between the ink channel and the bore. In this approach, the blocking structure is short, reflecting the top-back etch-back formation, which removes the silicon lined area.

【００４７】図６及び図７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（Ka
rl 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。As schematically shown in FIGS. 6 and 7, the ink flowing into the bore is governed by the lateral momentum component desired to improve the deflection of the droplet. In the etching process described above, the alignment of the ink channel openings on the back side of the wafer with the nozzle array on the front side of the wafer is determined by Karl Seuss (Ka
(rl Suss) An aligner system such as an aligner may be used.

【００４８】図８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６
及び図７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６及び図７で示したよ
うに、ストリーム偏向を生じることとなる。FIG. 8 is a perspective view of a nozzle array having a silicon-based blocking structure with the oxide / nitride layer partially removed to show the blocking structure below the nozzle bore. The nozzle bore is spaced from the top of the blocking structure by an access opening. FIG.
As shown in FIG. 7 and FIG. 7, the blocking structure formed on the silicon substrate increases the lateral component by flowing the ink in a pressurized state in the ink cavity so as to hit the blocking structure. These transverse components become non-uniform due to the application of asymmetric heating, resulting in stream deflection, as shown in FIGS.

【００４９】図１０により、製造されたＣＭＯＳ／ＭＥ
ＭＳ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。Referring to FIG. 10, the manufactured CMOS / ME
The MS print head 120 includes a support mount 110 having a pair of ink supply lines 130L, 130R coupled to adjacent ends of the mount for supplying ink to the ends of longitudinally extending channels formed in the support mount. Mounted on top. The channel is the print head 120
Facing behind, it communicates with an array of ink channels formed in the silicon substrate of the printhead 120. The support mount, which can be a ceramic substrate, includes mounting holes at the ends for mounting this structure to a printer system.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【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。FIG. 1 is a schematic partial plan view of a print head configured according to the present invention.

【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。FIG. 1A is a schematic plan view of a nozzle having a “notch” type heater for a CIJ print head according to the present invention.

【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。FIG. 1B is a schematic plan view of a nozzle having a split-type heater for a CIJ print head according to the present invention.

【図２】 図１ＡのＢ−Ｂ線に沿った“ノッチ”型ヒ
ーターを有するノズルの断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of a nozzle having a “notch” type heater along the line BB of FIG. 1A.

【図３】 図１ＡのＡ−Ｂ線に沿った断面図であっ
て、従来型ＣＭＯＳ製造段階の全ての終了直後のノズル
領域を示す図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AB of FIG. 1A, showing the nozzle region immediately after all the conventional CMOS manufacturing steps are completed.

【図４】 ノズルの小アレイを有するインクジェット
の概略平面図であって、隣接ノズル間のインクチャネル
に備えたシリコンリブとシリコン基板タイプの横方向フ
ローブロッキング構造とを示す図である。FIG. 4 is a schematic plan view of an ink jet having a small array of nozzles, showing a silicon rib provided in an ink channel between adjacent nozzles and a silicon substrate type lateral flow blocking structure.

【図５】 横方向フローのためのシリコンブロッキン
グ構造の画定後に図１Ａのノズル領域のＡ−Ａ線に沿っ
た概略断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the nozzle region of FIG. 1A along line AA after defining a silicon blocking structure for lateral flow.

【図６】 シリコンブロッキング構造の頂部における
シリコンを除去するために“足場”効果を用いた、横方
向フローのためのシリコンブロックの画定後の、図１Ａ
のノズル領域のＢ−Ｂ線に沿った概略断面図である。FIG. 6A after defining a silicon block for lateral flow using a “scaffold” effect to remove silicon at the top of the silicon blocking structure.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the nozzle region taken along line BB.

【図７】 頂部形成方法を用いた、横方向フローのた
めに用いたシリコンブロックの画定後の、ノズル領域の
Ｂ−Ｂ線に沿った概略断面図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view along the line BB of the nozzle region after defining the silicon block used for the lateral flow using the top formation method.

【図８】 本発明に対応して形成されたノズルアレイ
構造の概略斜視図であって、シリコンベースの横方向フ
ローブロッキング構造を示した図である。FIG. 8 is a schematic perspective view of a nozzle array structure formed in accordance with the present invention, showing a silicon-based lateral flow blocking structure.

【図９】 連続インクジェット印刷ヘッド、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斜視図であ
る。FIG. 9 is a schematic perspective view illustrating an example of a continuous ink jet print head, nozzle array, with a printer media (eg, paper) roll under the ink jet print head.

【図１０】 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
の斜視図である。FIG. 10 is a perspective view of a CMOS / MEMS printhead provided on a support substrate formed according to the present invention and to which ink is sent.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Continuous inkjet printer system 10a Print head 11 Ink droplet 12 Droplet 14 Substrate 19 Throat 20 Array 120 Print head

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン・エー・レーベンス アメリカ合衆国・ニューヨーク・14543・ ラッシュ・ラッシュ・スコッツヴィル・ロ ード・1819 (72)発明者 ギルバート・エー・ホーキンズ アメリカ合衆国・ニューヨーク・14506・ メンドン・ドラムリン・ビュー・ドライ ブ・50 (72)発明者 デイヴィッド・ピー・トラウアーニヒト アメリカ合衆国・ニューヨーク・14616・ ロチェスター・エルウッド・ドライブ・ 281 (72)発明者 ジェイムズ・エム・クワレク アメリカ合衆国・ニューヨーク・14534・ ピッツフォード・シーダーウッド・サーク ル・18 (72)発明者 クリストファー・エヌ・デラメター アメリカ合衆国・ニューヨーク・14624・ ロチェスター・テイロス・ウェイ・２ (72)発明者 エマニュエル・ケー・ドキ アメリカ合衆国・ニューヨーク・14606・ ロチェスター・ディープウッド・ドライ ブ・46 Ｆターム(参考） 2C057 DB02 DB04 DC03 DC19 DE04 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (72) John A. Ravens, Inventor, New York, USA 14543, Rush Rush Scottsville Road, 1819 (72) Inventor, Gilbert A. Hawkins, United States, New York, 14506 Mendon Drumlin View Drive 50 (72) Inventor David P. Trauanicht United States of America New York 14616 Rochester Elwood Drive 281 (72) Inventor James M. Qualek United States of America New York 14534 Pittsford Cedarwood Circle 18 (72) Inventor Christopher N. Delameter USA New York Rochester Teiros Way 2 (72) Inventor Emmanuel K. Doki New York, USA 14606 Rochester Deepwood Drive 46 F-term (reference) 2C057 DB02 DB04 DC03 DC19 DC19 DE04

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 複数のノズルを有する連続インクジェ
ット印刷ヘッドであって、該印刷ヘッドは：印刷ヘッド
の作動を制御するための集積回路を含み、かつ、インク
チャネルを有するシリコン基板と；シリコン基板を覆う
絶縁体層あるいは層群であって、インクチャネルに連通
するノズルボアを有する絶縁体層あるいは層群と；を備
え、 シリコン基板が各ノズルボアにおいてインクチャネルと
ノズルボアとの間にシリコン基板から成るブロッキング
構造を含み、インクチャネルとノズルボアとの間に設け
られたアクセス開口であって、該アクセス開口がインク
チャネルからのインクがブロッキング構造のまわりを流
れることを可能にしかつノズルボアに入る液体インクに
横方向フロー成分を付与するためにノズルからずれた位
置でインクがアクセス開口に入るように構成されたもの
である連続インクジェット印刷ヘッド。1. A continuous ink jet print head having a plurality of nozzles, the print head comprising: an integrated circuit for controlling operation of the print head, and a silicon substrate having ink channels; A covering insulator layer or layers, said insulator layer or layers having a nozzle bore communicating with the ink channel, wherein the silicon substrate comprises a silicon substrate between the ink channel and the nozzle bore in each nozzle bore. An opening provided between the ink channel and the nozzle bore, the access opening allowing ink from the ink channel to flow around the blocking structure and providing lateral flow to the liquid ink entering the nozzle bore. Ink is applied at a position shifted from the nozzle to apply the components. Continuous ink jet print head in which it is configured to enter Seth opening. 【請求項２】 連続インクジェット印刷ヘッドを作動
する方法であって：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群を有するシリコン基板に形成され
たインクチャネルに加圧状態下の液体インクを備える段
階と；シリコン基板を覆う絶縁体層あるいは層群に形成
されたノズルボアにインクが流れ込むようにする段階
と；インクドロプレットの方向を制御するために、ヒー
ター要素を回って流れるインクに非対称に加熱する段階
と；シリコン基板に形成されかつノズルボアに位置合わ
せされたブロッキング構造近傍にインクフローを有する
ことで生成されるインクジェット若しくはストリームに
横方向フロー成分を付与する段階と：を備えた方法。2. A method of operating a continuous ink jet printhead, comprising: pressurizing liquid ink in an ink channel formed in a silicon substrate having an integrated circuit group formed to control the operation of the printhead. Allowing ink to flow into nozzle bores formed in the insulator layer or layers covering the silicon substrate; asymmetrical to the ink flowing around the heater element to control the direction of the ink droplet. Applying a lateral flow component to the ink jet or stream produced by having an ink flow near the blocking structure formed in the silicon substrate and aligned with the nozzle bore. 【請求項３】 連続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を準備する段階であっ
て、シリコン基板はその上に絶縁体層あるいは層群を有
し、絶縁体層あるいは層群は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を含むものである段階
と；絶縁体層あるいは層群にノズルボアを形成する段階
と；シリコン基板にボアと連通するインクチャネルを形
成する段階と；シリコン基板に形成されたインクチャネ
ルから絶縁体層あるいは層群に形成されたボアへのイン
クの横方向のフローを制御するためにシリコン基板にブ
ロッキング構造を形成する段階と；を備えた方法。3. A method of manufacturing a continuous ink jet printhead, comprising: providing a silicon substrate having an integrated circuit for controlling operation of the printhead, wherein the silicon substrate has an insulator layer or Having a group of layers, the insulator layer or layers including a conductor electrically connected to a circuit formed on the silicon substrate; forming a nozzle bore in the insulator layer or layers; Forming ink channels in communication with the bores; blocking the silicon substrate to control lateral flow of ink from the ink channels formed in the silicon substrate to the bores formed in the insulator layer or layers. Forming a structure.