JP4245694B2

JP4245694B2 - Thin film print head

Info

Publication number: JP4245694B2
Application number: JP25883498A
Authority: JP
Inventors: ブライアン・ジェイ・キーフ; アリ・エマムジョメ; ロジャー・ジェイ・コロドジエイ; マイケル・ジェイ・リーガン; ハロルド・リー・ヴァン・ナイス
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1997-09-26
Filing date: 1998-09-11
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2018-09-11
Also published as: JPH11157077A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にインク・ジェット・プリンタ用のプリントヘッドに関し、より詳細には、基板とバリア（ barrier）層の間の接着力が改良された薄膜プリントヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
インク・ジェット印字の技術は比較的よく開発されている。コンピュータのプリンタ、グラフィックスのプロッタ、ファクシミリ等の市販製品は、インク・ジェット技術を用いて印字媒体を作成している。インク・ジェット技術へのヒューレット・パッカード社の寄与は、例えば、すべてその参照によって本明細書に組み込まれる、「Hewlett-Packard Journal」, Vol. 36, No. 5 (May 1985)、Vol. 39, No. 5 (October 1988)、Vol. 43, No. 4 (August 1992)、Vol 43, No. 6 (December 1992)、およびVol. 45, No. 1 (February 1994)における様々な論文に説明されている。
【０００３】
一般的に、インク・ジェットの画像は、「プリントヘッド」として知られる滴生成装置から印字媒体上に精密なパターンのドットが噴出される際に形成される。典型的には、インク・ジェットのプリントヘッドは、印字媒体の表面の上を横切る移動可能なキャリッジ上に支持され、マイクロコンピュータその他制御装置の命令に従って適切な時にインクの滴を噴出するように制御され、インク滴を塗布するタイミングは、印字中の画像の画素のパターンに対応するように意図される。
【０００４】
典型的なヒューレット・パッカード社のインク・ジェットのプリントヘッドは、オリフィス板内において精密に形成されたノズル・アレイを含み、そのノズル・アレイは、インクを発射するヒータ抵抗器および抵抗器を作動させる装置を実施する薄膜基板に取り付けられている。インクバリア層は、関連するインク発射抵抗器の上に配置されたインク・チャンバ（ chamber）を含むインク・チャネルを規定しており、オリフィス板内のノズルは、関連するインク・チャンバと整列している。インク・チャンバと、インク・チャンバに隣接するオリフィス板と、薄膜基板の一部とによって、インク滴発生器領域が形成されている。
【０００５】
薄膜基板は、典型的には、その薄膜基板上に薄膜インク発射抵抗器と、抵抗器を作動させる装置と、プリントヘッドを外部と電気的に接続するための接合パッドも形成する、様々な薄膜層が形成されているシリコン等の基板からなっている。薄膜基板は、より詳細には、熱動力的（ thermomechanical ）パッシベーション層として抵抗器の上に配置されたタンタルの上層の薄膜層を含む。
【０００６】
インクバリア層は、典型的には、乾燥膜として薄膜基板に積層されたポリマー材料であり、光で規定することができ(photo-definable)、またＵＶと熱的処理の両方においても、規定することができるように設計されている。
【０００７】
オリフィス板、インクバリア層、および薄膜基板の物理的配置の一例が、上に引用した１９９４年２月の「Hewlett-Packard Journal」の４４ページに示されている。インク・ジェットのプリントヘッドのさらなる例は、共にその参照によって本明細書に組み込まれる、本願の譲受人に譲渡された米国特許第４，７１９，４７７号および米国特許第５，３１７，３４６号に述べられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述のインク・ジェットのプリントヘッドの構成について考慮すべき事柄には、オリフィス板のインクバリア層からの剥離、およびインクバリア層の薄膜基板からの剥離が含まれる。剥離は、主に、周囲の水分と、インク滴発生器領域における薄膜基板／バリアの界面およびバリア／オリフィス板の界面の縁と常に接触しているインク自体とにより生じる。
【０００９】
タンタル（ tantalum ）へのバリアの接着力（インクバリア層と、タンタル層上に形成された自然酸化物層の間に起こる接着力）は、使い捨て式のインク・ジェットのカートリッジに組み込まれるプリントヘッドには十分であることがわかっているが、頻繁には交換されない半永久的なインク・ジェットのプリントヘッドには、十分強力ではない。さらに、インクの化学的性質における新たな進展により、インクバリア層とオリフィス板の間の界面と同様に、薄膜基板とインクバリア層の間の界面をより侵略的に剥離する製剤(formulations)が得られたことが示された。
【００１０】
特に、インクからの水分等の溶剤が、バリアの厚みを通って浸透したり、バリアに沿って浸透したり、オリフィス板がポリマーの場合にはそのポリマーのオリフィス板の厚みを通って浸透して、薄膜基板／バリアの界面およびバリア／オリフィス板の界面に入ってくることにより、加水分解等の化学的メカニズムが起こり、界面が剥離してしまう。
【００１１】
接合表面としてのタンタルの問題は、タンタルの層はスパッタリング装置内で最初に形成された際には純タンタルであるが、酸素を含む大気にさらされるとすぐに酸化タンタル層を形成してしまう、ということである。酸化物とポリマー膜の間における化学結合は、水によって容易に減成してしまう傾向があり、水は酸化物と水素結合を形成して酸化物と結合した元のポリマーと置き換わってしまう。故に、インク製剤、特により侵略的なものにより、金属酸化物とポリマーのバリアとの間の界面が剥離してしまう。
【００１２】
従って、薄膜基板とインクバリア層との間の接着力を向上させた、改良インク・ジェットのプリントヘッドを提供することが有利であろう。
【００１３】
本発明は、ポリマー流動体のインクバリア層と薄膜基板とに接合する複数の薄膜層上に配置された炭素に富んだ層を有するインク・ジェットのプリントヘッドを提供し、薄膜基板とインクバリア層との間の接着力を向上させ、インクバリア層の薄膜基板からの剥離を防ぐことを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、複数の薄膜層を含む薄膜基板と、前記複数の薄膜層内に規定された複数のインク発射ヒータ抵抗器と、ポリマー流動体のインクバリア層と、前記ポリマー流動体のインクバリア層を前記薄膜基板に接合するための前記複数の薄膜層上に配置された炭素に富んだ層と、を有するインク・ジェットの薄膜プリントヘッドが提供される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明によるインク・ジェットのプリントヘッド１００の概略斜視図である。なお、図１〜図７における図面は、正確に縮尺されていない。図１におけるインク・ジェットのプリントヘッド１００は、一般的に、（ａ）シリコン等の基板を含み、その上に様々な薄膜層が形成された、薄膜基板または金型(die)１１、（ｂ）薄膜基板１１上に配置されたインクバリア層１２、および（ｃ）インクバリア層１２の上に取り付けられたオリフィス板またはノズル板１３、を含む。
【００１６】
薄膜基板１１は、集積回路製造技術に従って形成され、内部に薄膜のインク発射ヒータ抵抗器５６が形成されている。一実施形態としては、薄膜のインク発射ヒータ抵抗器５６は、薄膜基板の長さ方向の縁に沿って列になって配置されている。
【００１７】
インクバリア層１２は、薄膜基板１１に熱および圧力積層(heat and pressure laminated)の乾燥膜、または、湿性の調合流動体(wet dispensed liquid )のキャストフィルムである。キャストフィルムの場合には、次に、スピニング加工して厚さを均一にし、余分な溶剤を落として乾燥させる。インクバリア層１２は、内部にインク・チャンバ１９およびインク・チャネル２９を形成するように、光で規定されている。インク・チャンバ１９およびインク・チャネル２９は、薄膜基板１１上の中央に配置された金の層６２（図２）のどちらか一方の側にある抵抗器領域の上に配置されている。薄膜基板１１の両端には、外部電気接続に結合可能な金の接合パッド７１が配置されており、接合パッド７１はインクバリア層１２で覆われていない。一実施例として、インクバリア層の材料は、米国デラウェア州ウィルミントン市のデュポン社から入手可能なParadブランドの感光性樹脂（ photopolymer ）の乾燥膜等、アクリル樹脂をベースにした感光性樹脂の乾燥膜を含む。同様の乾燥膜には、Ristonブランドの乾燥膜等のような他のデュポン社製品、および他の化学メーカが製造する乾燥膜が含まれる。オリフィス板１３は、例えば、ポリマー材料からなる平坦な基板を含み、内部には、例えばその参照によって本明細書に組み込まれる本願の譲受人に譲渡された米国特許第５，４６９，１９９号に開示されたようなレーザ切除（ ablation ）によって、オリフィスが形成されている。オリフィス板は,また、さらなる実施例として、ニッケル等のメッキ金属を含んでもよい。
【００１８】
インクバリア層１２内のインク・チャンバ１９は、より詳細には、それぞれのインク発射ヒータ抵抗器５６の上に配置されており、それぞれのインク・チャンバ１９は、インクバリア層１２内に形成されたチャンバ開口部の縁または壁によって規定されている。インク・チャネル２９は、インクバリア層１２内に形成されたさらなる開口部によって規定されており、それぞれのインク・チャンバ１９と一体的につながっている。一実施形態として、図１において外縁供給の(outer edge fed)構成が示されている。この構成においては、インク・チャネル２９が、薄膜基板１１の外周によって形成された外縁に向かって開いており、インクは、薄膜基板の外縁周囲のインク・チャネル２９およびインク・チャンバ１９に供給される。これは、例えば、その参照によって本明細書に組み込まれる本願の譲受人に譲渡された米国特許第５，２７８，５８４号に、より詳細に開示されている。本発明はまた、前述の米国特許第５，３１７，３４６号において開示されているもの等の、インク・チャネルが薄膜基板の中央の溝（ slot ）によって形成された縁に向かって開いている、中央縁供給の(center edge fed)インク・ジェットのプリントヘッドにも用いることができる。
【００１９】
オリフィス板１３は、インク発射ヒータ抵抗器５６と、関連するインク・チャンバ１９と、関連するオリフィス２１とが整列するように、それぞれのインク・チャンバ１９の上に配置されたオリフィス２１を含む。それぞれのインク・チャンバ１９と，薄膜基板１１の一部と、およびインク・チャンバ１９に隣接するオリフィス板１３とによって、インク滴発生器領域が形成されている。
【００２０】
図２は、図１のプリントヘッドの薄膜基板１１の一般的レイアウトを示す概略平面図である。図２を参照すると、薄膜基板１１の長さ方向の縁に隣接する抵抗器領域に、インク発射ヒータ抵抗器５６が形成されている。金のトレースからなるパターン化された金の層６２が、抵抗器領域間の薄膜基板１１の中央に配置され、薄膜基板１１の両端の間に広がる金の層６２領域において、薄膜構造の最上層を形成している。外部接続用の接合パッド７１が、例えば薄膜基板１１の両端に隣接して、パターン化された金の層６２内に形成されている。インクバリア層１２は、接合パッド７１以外全部のパターニングした金の層６２を覆い、インク・チャンバおよび関連するインク・チャネルを形成するそれぞれの開口部間の領域をも覆うように、規定されている。一実施例においては、パターン化された金の層６２の上に、１つまたはそれよりも多い薄膜層を配置してもよい。
【００２１】
図３は、複数の代表的なインク発射ヒータ抵抗器５６、インク・チャンバ１９および関連するインク・チャネル２９の構成を示す概略平面図である。図３に示すように、インク発射ヒータ抵抗器５６は、多角形の形状（例えば長方形）であり、例えば多数の面を持っていてもよいインク・チャンバ１９の壁に、少なくともその２つの辺によって取り囲まれている。インク・チャネル２９は、関連するインク・チャンバ１９から遠ざかる方向へと延びており、インク・チャンバ１９からある距離において、幅が広くなっていてもよい。インク・チャンバ１９および関連するインク・チャネル２９は、インクバリア層１２の中央部から薄膜基板１１の供給縁に向かって延びたバリア先端１２ａのアレイによって、形成されている。
【００２２】
本発明によれば、薄膜基板１１は、パターン化されていてもよいインクバリア層１２用の接着層としての機能を果たす炭素に富んだ層６３、より具体的には、ダイアモンド状の炭素（diamond like carbon,ＤＬＣ）層（図４）を含んでいる。ＤＬＣ層６３は、接合パッド７１以外全部のパターン化された金の層６２を覆うように規定されている。
【００２３】
図４は、図１のプリントヘッドの一実施形態を示す、代表的なインク滴発生器領域を横切る概略断面図であり、薄膜基板１１の具体的な一実施形態を示す。図４のインク・ジェットのプリントヘッドの薄膜基板１１は、より詳細には、シリコン基板５１と、シリコン基板５１の上に堆積されたフィールド酸化物層５３と、フィールド酸化物層５３の上に配置され、パターン化されリンをドープした酸化物層５４とを含む。リンの酸化物層５４上には、タンタル・アルミニウムを含む抵抗層５５が形成されており、この抵抗層５５は、インク発射ヒータ抵抗器５６を含む薄膜抵抗器がインク・チャンバ１９の下に形成される領域の上に広がっている。例えば、少量の銅および／またはシリコンをドープしたアルミニウムを含む、パターン化された金属被膜層５７が、抵抗層５５の上に配置されている。
【００２４】
金属被膜層５７は、適切なマスキングおよびエッチングによって規定された金属被膜トレースを含む。また、金属被膜層５７のこのマスキングおよびエッチングによって、抵抗器領域も規定される。特に、抵抗器が形成される領域において金属被膜層５７のトレースの部分が除去されることを除いては、抵抗層５５と金属被膜層５７は、整合している。抵抗器領域は、抵抗器領域の周辺の異なる位置で終わる第１および第２の金属トレースを設けることによって、規定されている。第１および第２のトレースは、第１および第２のトレースの末端間にある抵抗層の一部を効果的に含む抵抗器の端子またはリードを含む。このような抵抗器を形成する技術に従って、抵抗層５５および金属被膜層５７を同時にエッチングして、互いに整合しパターン化された層を形成することができる。次に、金属被膜層５７に開口部がエッチングされ、抵抗器が規定される。従って、インク発射ヒータ抵抗器５６は、金属被膜層５７内のトレースにおける間隙に従って、抵抗層５５内に別個に形成される。
【００２５】
窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）でできた層５９および炭化ケイ素（ＳｉＣ）でできた層６０を含む複合パッシベーション層が、金属被膜層５７と、抵抗層５５のうちの露出した部分と、酸化物層５４のうちの露出した部分との上に堆積される。インク発射ヒータ抵抗器５６の真上において、複合パッシベーション層５９，６０の上にタンタルのパッシベーション層６１が堆積される。また、タンタルのパッシベーション層６１は、そのパッシベーション層６１上に、複合パッシベーション層５９，６０内に形成された導電管５８による金属被膜層５７への外部電気接続のためにパターン化された金の層６２が形成される、領域にも広がっていてもよい。ダイアモンド状の炭素（ＤＬＣ）層６３は、パターニングした金の層６２と、タンタルのパッシベーション層６１の上と、複合パッシベーション層５９，６０のうちの露出した部分の上とに堆積されるが、インク発射ヒータ抵抗器５６および金の接触パッド７１が形成される領域におけるＤＬＣ層６３の部分は、除去されて、インクバリア層１２と接触している領域において接着層としての機能を果たす。従って、インク・チャンバおよびインク・チャネルに近接してＤＬＣのバリアとの接触が所望されているので、ＤＬＣ層６３とインクバリア層１２の間の界面は、例えば少なくともインク発射ヒータ抵抗器５６間の領域からバリア先端１２ａの端まで延びていてもよい。金の接合パッド７１（図１）においては、ＤＬＣの高い抵抗率は適切ではなく、ＤＬＣは金の接合パッド７１からエッチングによって除去してもよい。
【００２６】
図５は、図１のプリントヘッドの他の実施形態を示す、代表的なインク滴発生器領域を横切る概略断面図であり、薄膜基板１１の他の実施形態を示す。図５のインク・ジェットのプリントヘッドは、図４のインク・ジェットのプリントヘッドと同様であるが、以下の点が異なる。ＤＬＣ層６３は、パターン化された金の層６２と、タンタルのパッシベーション層６１の上と、抵抗器が形成される領域も含む複合パッシベーション層５９，６０のうちの露出した部分の上とに堆積される。本実施形態では、抵抗器領域のインクに対する耐性が改良され、更に、製造工程においてフォトマスキングおよびエッチングの段階が省かれている。金の接合パッド７１（図１）においては、ＤＬＣの高い抵抗率は適切ではなく、ＤＬＣは金の接合パッド７１からエッチングによって除去してもよい。
【００２７】
図６は、図４の実施形態において介在する接着促進剤層を付け加えた、代表的なインク滴発生器領域を横切る概略断面図であり、薄膜基板１１の他の実施形態を示す。図６のインク・ジェットのプリントヘッドは、図４のインク・ジェットのプリントヘッドと同様であるが、以下の点が異なる。金の層６２とＤＬＣ層６３を接合する接着促進剤層６８が、金のパターニングされた層６２とＤＬＣ層６３の間に配置されている。普通用いられる金の接着促進剤の例は、米国特許第４，４９７，８９０号等の特許に引用されており、２−（ジフェニルホスフィノ）エチルトリエトキシシランと、トリメチルシリルアセトアミドと、ビス［３−（トリエトキシシリル）プロピル］テトラスルフィドと、３−メルカプトプロピルトリエトキシシランとを含むが、これらに限定されるものではない。
【００２８】
図７は、図５の実施形態において介在する接着促進剤層を付け加えた、代表的なインク滴発生器領域を横切る概略断面図であり、薄膜基板１１の他の実施形態を示す。図７のインク・ジェットのプリントヘッドは、図５のインク・ジェットのプリントヘッドと同様であるが、以下の点が異なる。金の層６２とＤＬＣ層６３を接合する接着促進剤層６８が、金のパターニングされた層６２とＤＬＣ層６３の間に配置されている。普通用いられる金の接着促進剤の例は、米国特許第４，４９７，８９０号等の特許に引用されており、２−（ジフェニルホスフィノ）エチルトリエトキシシランと、トリメチルシリルアセトアミドと、ビス［３−（トリエトキシシリル）プロピル］テトラスルフィドと、３−メルカプトプロピルトリエトキシシランとを含むが、これらに限定されるものではない。
【００２９】
前述のプリントヘッドは、例えば共にすでにその参照によって本明細書に組み込まれている、本願の譲受人に譲渡された米国特許第４，７１９，４７７号および米国特許第５，３１７，３４６号に開示されている、化学蒸着、フォトレジスト堆積、マスキング、現像、およびエッチングを含む、標準の薄膜集積回路処理に従って、容易に製造される。
【００３０】
一実施例として、前述の構造は以下のようにして作ることができる。シリコン基板５１から作り始め、パターン化された酸化物および窒化物層によって、トランジスタが形成される何らかの活性領域が保護される。保護されていない領域においてフィールド酸化物５３が成長し、そして酸化物および窒化物の層が除去される。次に、活性領域においてゲート酸化物が成長し、基板全体の上に多結晶シリコン層が堆積される。ゲート酸化物および多結晶シリコンがエッチングされ、活性領域の上に多結晶シリコンのゲートが形成される。結果として得られた薄膜構造は、リンのプレ堆積(predeposition)を受け、シリコン基板のうちの保護されていない領域内にリンが導入される。リンをドープした酸化物の層５４は、あらかじめ完全な製造過程の薄膜構造の上に堆積され、リンをドープした酸化物でコーティングされた構造は、拡散ドライブイン(drive-in)段階に入り活性領域に所望の深さの拡散が行われる。そして、リンをドープした酸化物の層５４は、マスキングされエッチングされて、活性デバイスへの接点が開口される。
【００３１】
次に、タンタル・アルミニウムの抵抗層５５が堆積され、次にタンタル・アルミニウムの層５５の上に、アルミニウムの金属被膜層５７が堆積される。アルミニウム層５７およびタンタル・アルミニウムの層５５が一緒にエッチングされて、所望の導電パターンが形成される。結果として得られるパターン化されたアルミニウム層が、次にエッチングされて、抵抗器領域が開口される。
【００３２】
窒化ケイ素のパッシベーション層５９および炭化ケイ素のパッシベーション層６０が、それぞれ堆積される。炭化ケイ素層６０の上に、窒化ケイ素および炭化ケイ素の層内に形成される管を規定するフォトレジストのパターンが配置され、薄膜構造はオーバーエッチングを受け、窒化ケイ素および炭化ケイ素からなる複合パッシベーション層を貫いてアルミニウムの金属被膜層に達する管が開口される。
【００３３】
図４および図５の実施形態において、タンタルのパッシベーション層６１を堆積した後に、その上に金属被膜された金の層６２が堆積される。金の層６２およびタンタルのパッシベーション層６１は、一緒にエッチングされて、所望の導電パターンを形成する。結果として得られるパターニングした金の層が次にエッチングされて、導電路５８が形成される。
【００３４】
ＤＬＣ、ダイアモンド状の炭素、アモルファス炭素、ａ−Ｃ、ａ−Ｃ：Ｈ等の用語は、主に炭素および水素からなる膜の種類(class)を指定するのに用いられる。こういった膜の構造は、アモルファスであると考えられる。すなわち、こういった膜は、長距離にわたる原子配列は示さない、すなわち同等に、２−３ナノメートルを超える構造的相関は示さない。こういった膜における炭素結合は、ｓｐ²とｓｐ³が混ざったものであり、普通ｓｐ³の結合の方が優勢である。
【００３５】
本発明の炭素に富んだ層は、少なくとも２５％の元素炭素、より好ましくは、約３５％から約１００％の元素炭素、最も好ましくは、約７５％から約１００％の元素炭素、を含む。本発明のＤＬＣ層は、通常ｓｐ²とｓｐ³との割合が約１：１．５から約１：９、より好ましくは、約１：２．０から約１：２．４、最も好ましくは、約１：２．２から約１：２．３、の範囲である。
【００３６】
ＤＬＣ層６３は、すべてその参照によって本明細書に組み込まれる、J. Robertson, "Surface and Coating Tech.", Vol.50(1992), page 185、M. Weiler et al, Physical Review B Vol. 53, Number 3, page 1594、Tamor et al, Applied Physics Letters, Vol. 58, no. 6, page 592、およびShroder et al, Physical Review B, Vol. 41, number 6, page 3738 (1990)等の参照文献において詳細に説明されている、いくつかの一般的な技術のうちの１つによって、形成される。こういった技術には、開始材料として炭化水素ガスまたは炭素を用いる、マイクロ波プラズマ、無線周波数(radio-frequency, r.f.)およびグロー放電、ホット・フィラメント、イオン・スパッタリング、イオン・ビーム堆積およびレーザ切除（ ablation ）が含まれている。ＤＬＣ膜はまた、高度プラズマＣＶＤ（plasma enhanced chemical vapor deposition,ＰＥＣＶＤ）技術によって堆積してもよい。ＰＥＣＶＤ法は、通常、原料物質として、固体の形の炭素ではなく、グロー放電（プラズマ）において分解する炭素を含む気体または蒸気（メタンやアセチレン）を用いる。
【００３７】
一実施例として、前述のＤＬＣ層６３は、以下のように作ることができる。薄膜基板１１は、ＰＥＣＶＤのチャンバに挿入される。次にチャンバは真空にされ、アルゴン等の気体およびメタン等の炭素を含む気体が、所望の流量および分圧になるような量で、チャンバ内に導入される。パワー電極に、電力が送られる。電力は所定の時間維持され、ＤＬＣが薄膜基板１１上に堆積される。堆積の完了後、電力はオフになり、チャンバ内の気体は排気される。次にチャンバは、アルゴンや窒素等で換気（ vent ）され、ＤＬＣ層が堆積した薄膜基板１１が取り外される。ＤＬＣ層６３を堆積するのに用いる工程の具体的な一実施形態において、ＰＥＣＶＤの平行板反応装置（連合王国ウェールズ、グウェント州ニューポート市のSurface Technology社から入手可能）が用いられた。このシステムは、接地した電極からなり、その電極にシリコンのウェハーが、第２のパワー電極（直径３００ｍｍ）から５０ｍｍ離れた状態で、取り付けられた。ＲＦ（無線周波数）の電力と、堆積時間と、メタンとアルゴンの気体の分圧とが変えられて、薄膜基板１１と次に堆積されるインクバリア層１２との間に所望の接着特性が生じるように、様々な物理的特性を有するＤＬＣ膜が得られた。所望の特性は、完成したペン（ pen）を温度を上げた環境内に配置し、ＤＬＣへのバリアの接着を観察またはＤＬＣおよびバリアの膜の試片を切り取って観察し、温度を上げた湿度のあるインク溶液中に配置し、界面結合の接着強度を観察すること、によって測定することができる。前述のいずれの堆積技術も、ＤＬＣ膜を得るのに適しており、原理上は利用することができる、ということに注意するべきである。さらに、本明細書において略述したＰＥＣＶＤ工程は、メタンとアルゴンの混合気体や平行板反応装置に限定されるものではない。非対称板やＤＬＣを形成することができるＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴,electron cyclotrone resonance）チャンバ等のいかなるＰＥＣＶＤ反応装置における炭素を含むいかなる混合気体も、用いることができる。
【００３８】
ＤＬＣ層６３の形成後、例えば共にすでにその参照によって本明細書に組み込まれている、本願の譲受人に譲渡された米国特許第４，７１９，４７７号および米国特許第５，３１７，３４６号に開示されている、標準のエレクトロニクス製造技術を用いて、インクバリア層１２が付け加えられる。オプションで、インクバリア層１２をマスクとして用いて、酸素プラズマエッチングを利用して、ＤＬＣ層６３を、インクバリア層１２によって保護されていない領域から取り除いてもよい。または、ＤＬＣ層６３の堆積後、標準のフォトレジスト工程を用いて、ＤＬＣ層６３がマスクされ、その後、層のうちの不所望の領域のエッチングおよびフォトレジストの除去を行い、最後にインクバリア層１２が付け加えられる。
【００３９】
図６および図７の接着促進剤層６８の実施形態に関して、これは、いくつかの通常用いる技術のうちの１つによって行うことができる。このような技術の例において、液体を含む前記接着促進剤に各部品を浸したり、純粋なまたは希釈した形での前記接着促進剤で各部品をスプレー塗装したり、前記接着促進剤による蒸気プライミングを行うことが含まれている。
【００４０】
インクバリア層１２とＤＬＣ層６３を含む薄膜基板１１との間の接着の妥当性は、プリントヘッド１００を、インクにさらす等の促進した動作条件におき、その後、標準の分析技術を用いて、インクバリア層１２と薄膜基板１１との間の接着力を測定することによって試験された。ＤＬＣ層６３を有するプリントヘッドは、ＤＬＣ層６３のないものと比較すると、高い接着力を示す、ということが確認された。
【００４１】
[ＤＬＣ層の存在の判定]
ＤＬＣ層の存在の判定は、以下の技術のうち１つまたは両方を用いて行うことができる。
１．ＤＬＣと推測される表面のＲＡＭＡＮ分析によって、具体的な炭素状態情報を得る。
２．以下の技術を用いて、下にある薄膜構造の化学的破壊作用を観察する。
ａ）ＸＰＳまたは同様の手段を用いてサンプルを測定し、サンプルの表面上に炭素に富んだ層（ＤＬＣと推測される）があるかどうかを判定する。
ｂ）ＤＬＣと推測される層を有するサンプルを、硫酸と過酸化水素を混合したもの（ピラニア）内に置く。典型的な混合物は、硫酸が約７０％で、過酸化水素が約３０％である。これによって、ＤＬＣでない炭素はすべてサンプルの表面から取り除かれる。
ｃ）次に、サンプルは、下にある薄膜表面（例えばタンタルまたは金）に通常科学的破壊作用を行う、エッチング用の腐食液内に置かれる。
ｄ）ＤＬＣが下にある薄膜表面上に存在する場合には、薄膜材料に対する科学的破壊作用はほとんどまたは全く観察されない。下にある薄膜に対する科学的破壊作用が全く観察されない場合には、連続的なＤＬＣ層が存在する。下にある薄膜に対しある程度の科学的破壊作用がある場合には、非連続的なＤＬＣ層が存在する。下にある薄膜材料がすべて取り除かれる場合には、ＤＬＣは存在しない。
【００４２】
【実施例】
上述の技術を用いて、下にある薄膜表面上に、ＤＬＣ層が存在するか存在しないかのどちらかのウェハーが製造された。ウェハーの薄膜基板とインクバリア層の間における内部結合の接着強度が均一な表面組成（例えばブランケット・コーティング）を有する各部品をインクに浸し、１１７℃、１．２気圧のオートクレーブ内に配置し、その後、インクバリア層を基板からかき落とし剥離しようとすることによって半定量的尺度における接着力を測定することにより、試験された。表１のデータは、この試験方法を用いた接着力の経時変化の典型的な結果を示す。
【００４３】
【表１】

【００４４】
表１の結果から分かるように、ＤＬＣ層を含む薄膜は、ＤＬＣ層を持たないものと比較して、バリアと薄膜基板の間の接着強度が優れていた。
【００４５】
本発明の具体的な実施形態を説明し例示したが、本発明は、説明し例示した各部品の具体的な形状または配置に限定されるものではない、ということが理解されるべきである。本発明は、特許請求の範囲によってのみ限定される。
【００４６】
以下に本発明の実施の形態を要約する。
【００４７】
１．複数の薄膜層を含む薄膜基板（１１）と、
前記複数の薄膜層内に規定された、複数のインク発射ヒータ抵抗器（５６）と、
ポリマー流動体のバリア層（１２）と、
前記ポリマー流動体のバリア層（１２）を前記薄膜基板（１１）に接合する、前記複数の薄膜層上に配置された炭素に富んだ層（６３）と
を含む薄膜プリントヘッド（１００）。
【００４８】
２．前記炭素に富んだ層（６３）が、前記インク発射ヒータ抵抗器（５６）を形成する前記薄膜層の領域において除去される上記１に記載の薄膜プリントヘッド（１００）。
【００４９】
３．前記炭素に富んだ層（６３）と前記複数の薄膜層の間に接着層（６８）をさらに含む上記１または２に記載の薄膜プリントヘッド（１００）。
【００５０】
４．前記炭素に富んだ層（６３）が、少なくとも２５％の元素炭素を含む上記１に記載の薄膜プリントヘッド（１００）。
【００５１】
５．前記炭素に富んだ層（６３）が、約３５％から約１００％の元素炭素を含む上記４に記載の薄膜プリントヘッド（１００）。
【００５２】
６．前記炭素に富んだ層（６３）が、約７５％から約１００％の元素炭素を含む上記５に記載の薄膜プリントヘッド（１００）。
【００５３】
７．前記炭素に富んだ層（６３）が、ダイアモンド状の炭素層を含む上記１に記載の薄膜プリントヘッド（１００）。
【００５４】
８．前記ダイアモンド状の炭素層が、ｓｐ²とｓｐ³との割合が約１：１．５から約１：９の範囲である炭素を含む上記７に記載の薄膜プリントヘッド（１００）。
【００５５】
９．前記ダイアモンド状の炭素層（６３）が、ｓｐ²とｓｐ³との割合が約１：２．０から約１：２．４の範囲である炭素を含む上記８に記載の薄膜プリントヘッド（１００）。
【００５６】
１０．前記ダイアモンド状の炭素層（６３）が、ｓｐ²とｓｐ³との割合が約１：２．２から約１：２．３の範囲である炭素を含む上記９に記載の薄膜プリントヘッド（１００）。
【００５７】
１１．前記炭素に富んだ層（６３）が、当該炭素に富んだ層（６３）が前記薄膜基板（１１）上に形成されるように、炭素を含むガスを前記薄膜基板（１１）の上に通すことによって形成される上記１に記載の薄膜プリントヘッド（１００）。
【００５８】
１２．前記炭素を含むガスがメタンである上記１１に記載の薄膜プリントヘッド（１００）。
【００５９】
１３．前記炭素に富んだ層（６８）が、、高度プラズマＣＶＤ法によって形成される上記１２に記載の薄膜プリントヘッド（１００）。
【００６０】
１４．複数の薄膜層を含む薄膜基板（１１）と、
前記複数の薄膜層内に規定された、複数のインク発射ヒータ抵抗器（５６）と、
ポリマー流動体のバリア層（１２）と、
前記ポリマー流動体のバリア層（１２）を前記薄膜基板（１１）に接合する、前記複数の薄膜層上に配置された炭素に富んだ層（６３）と
を含み、
前記炭素に富んだ層（６３）が、
前記薄膜基板（１１）を、ＰＥＣＶＤのチャンバ内に挿入すること、
前記チャンバを真空にすること、
前記チャンバ内に希ガスおよび炭素を含む気体を導入すること、
前記チャンバに電力を送ること、
電力を、前記炭素に富んだ層（６３）が前記薄膜基板（１１）上に形成されるのに十分な時間維持すること、
前記チャンバを真空にすること、
前記チャンバを希ガスで換気すること、
前記堆積された炭素に富む層（６３）を有する前記薄膜基板（１１）を前記チャンバから取り外すこと
によって形成される、薄膜プリントヘッド（１００）。
【００６１】
１５．前記ＰＥＣＶＤのチャンバが、平行板チャンバである上記１４に記載の薄膜プリントヘッド（１００）。
【００６２】
【発明の効果】
本発明によれば、ポリマー流動体のバリア層と薄膜基板に接合する複数の薄膜層上に配置された炭素に富んだ層を有するインク・ジェットのプリントヘッドを提供でき、それによって、薄膜基板とインクバリア層との間の接着力を向上でき、インクバリア層の薄膜基板からの剥離を防ぐことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるインク・ジェットのプリントヘッドの概略斜視図である。
【図２】図１のプリントヘッドの薄膜基板の一般的レイアウトを示す概略平面図である。
【図３】複数の代表的なインク発射ヒータ抵抗器、インク・チャンバおよび関連するインク・チャネルの構成を示す概略平面図である。
【図４】図１のプリントヘッドの一実施形態を示す、代表的なインク滴発生器領域を横切る概略断面図である。
【図５】図１のプリントヘッドの他の実施形態を示す、代表的なインク滴発生器領域を横切る概略断面図である。
【図６】図４の実施形態において介在する接着促進剤層を付け加えた、代表的なインク滴発生器領域を横切る概略断面図である。
【図７】図５の実施形態において介在する接着促進剤層を付け加えた、代表的なインク滴発生器領域を横切る概略断面図である。
【符号の説明】
１１薄膜基板
１２インクバリア層
１３オリフィス板
２１オリフィス
５１シリコン基板
５３フィールド酸化物層
５４リンの酸化物層
５５抵抗層
５６インク発射ヒータ抵抗器
５７金属被膜層
５８導電管
５９，６０パッシベーション層
６１タンタルのパッシベーション層
６２金の層
６３炭素に富んだ層
６８接着促進剤層
１００プリントヘッド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates generally to print heads for ink jet printers, and more particularly to thin film print heads with improved adhesion between a substrate and a barrier layer.
[0002]
[Prior art]
Ink-jet printing technology is relatively well developed. Commercial products such as computer printers, graphics plotters, and facsimile machines produce print media using ink-jet technology. The contributions of Hewlett-Packard Company to ink-jet technology are described, for example, in “Hewlett-Packard Journal”, Vol. 36, No. 5 (May 1985), Vol. 39, all incorporated herein by reference. Explained in various papers in No. 5 (October 1988), Vol. 43, No. 4 (August 1992), Vol 43, No. 6 (December 1992), and Vol. 45, No. 1 (February 1994). ing.
[0003]
In general, an ink jet image is formed when a precise pattern of dots is ejected onto a print medium from a drop generator known as a “print head”. Typically, an ink jet printhead is supported on a movable carriage that traverses the surface of the print media and is controlled to eject ink drops at the appropriate time in accordance with instructions from a microcomputer or other control device. The timing of applying the ink droplet is intended to correspond to the pixel pattern of the image being printed.
[0004]
A typical Hewlett Packard ink-jet printhead includes a precisely formed nozzle array within an orifice plate that activates heater resistors and resistors that fire ink. It is attached to a thin film substrate that implements the apparatus. The ink barrier layer defines an ink channel that includes an ink chamber disposed over an associated ink firing resistor, and the nozzles in the orifice plate are aligned with the associated ink chamber. Yes. An ink drop generator region is formed by the ink chamber, the orifice plate adjacent to the ink chamber, and a portion of the thin film substrate.
[0005]
Thin film substrates typically form a variety of thin films on which a thin film ink firing resistor, a device for operating the resistor, and bond pads for electrically connecting the printhead to the outside are also formed. It consists of a substrate such as silicon on which a layer is formed. The thin film substrate more particularly includes an upper thin film layer of tantalum disposed on the resistor as a thermomechanical passivation layer.
[0006]
The ink barrier layer is typically a polymer material that is laminated to a thin film substrate as a dry film, can be photo-definable, and is defined in both UV and thermal processing. Designed to be able to.
[0007]
An example of the physical arrangement of the orifice plate, ink barrier layer, and thin film substrate is shown on page 44 of the February 1994 “Hewlett-Packard Journal” cited above. Additional examples of ink-jet printheads can be found in US Pat. Nos. 4,719,477 and 5,317,346, assigned to the assignee of the present application, both incorporated herein by reference. It is stated.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Considerations for the aforementioned ink-jet printhead configuration include peeling of the orifice plate from the ink barrier layer and peeling of the ink barrier layer from the thin film substrate. Peeling is primarily caused by ambient moisture and the ink itself always in contact with the thin film substrate / barrier interface and the barrier / orifice plate interface edge in the ink drop generator area.
[0009]
The adhesion of the barrier to tantalum (the adhesion that occurs between the ink barrier layer and the native oxide layer formed on the tantalum layer) is applied to the print head that is built into the disposable ink jet cartridge. Is not powerful enough for semi-permanent ink jet printheads that have been found to be sufficient, but are not frequently replaced. In addition, new developments in ink chemistry have resulted in formulations that more invasively peel the interface between the thin film substrate and the ink barrier layer as well as the interface between the ink barrier layer and the orifice plate. It was shown that.
[0010]
In particular, water or other solvents from the ink may permeate through the barrier thickness, permeate along the barrier, or, if the orifice plate is a polymer, permeate through the thickness of the polymer orifice plate. When entering the thin film substrate / barrier interface and the barrier / orifice plate interface, a chemical mechanism such as hydrolysis occurs and the interface peels off.
[0011]
The problem with tantalum as the bonding surface is that the tantalum layer is pure tantalum when first formed in the sputtering apparatus, but forms a tantalum oxide layer as soon as it is exposed to an oxygen-containing atmosphere. That's what it means. The chemical bond between the oxide and the polymer film tends to be easily degraded by water, which forms a hydrogen bond with the oxide and replaces the original polymer bonded to the oxide. Thus, ink formulations, particularly those that are more invasive, cause the interface between the metal oxide and the polymer barrier to delaminate.
[0012]
Accordingly, it would be advantageous to provide an improved ink jet printhead with improved adhesion between the thin film substrate and the ink barrier layer.
[0013]
The present invention provides an ink jet printhead having a carbon rich layer disposed on a plurality of thin film layers bonded to a polymer fluid ink barrier layer and the thin film substrate, the thin film substrate and the ink barrier layer. It is intended to improve the adhesive force between the ink barrier layer and the ink barrier layer from peeling from the thin film substrate.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a thin film substrate including a plurality of thin film layers, a plurality of ink firing heater resistors defined in the plurality of thin film layers, an ink barrier layer of a polymer fluid, and an ink of the polymer fluid An ink jet thin film printhead is provided having a carbon rich layer disposed on the plurality of thin film layers for bonding a barrier layer to the thin film substrate.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic perspective view of an ink jet printhead 100 according to the present invention. Note that the drawings in FIGS. 1 to 7 are not accurately scaled. The ink jet print head 100 in FIG. 1 generally includes: (a) a thin film substrate or die 11, (b) including a substrate such as silicon, on which various thin film layers are formed. A) an ink barrier layer 12 disposed on the thin film substrate 11; and (c) an orifice plate or nozzle plate 13 mounted on the ink barrier layer 12.
[0016]
The thin film substrate 11 is formed according to an integrated circuit manufacturing technique, and a thin film ink firing heater resistor 56 is formed therein. In one embodiment, the thin film ink firing heater resistors 56 are arranged in rows along the longitudinal edges of the thin film substrate.
[0017]
The ink barrier layer 12 is a dry film of heat and pressure laminated on the thin film substrate 11 or a cast film of wet dispensed liquid. In the case of a cast film, it is then spun to make the thickness uniform, and the excess solvent is removed and dried. The ink barrier layer 12 is defined by light so as to form an ink chamber 19 and an ink channel 29 therein. The ink chamber 19 and the ink channel 29 are disposed on the resistor region on either side of the centrally disposed gold layer 62 (FIG. 2) on the thin film substrate 11. Gold bonding pads 71 that can be coupled to an external electrical connection are disposed at both ends of the thin film substrate 11, and the bonding pads 71 are not covered with the ink barrier layer 12. As an example, the material of the ink barrier layer is a drying of a photosensitive resin based on acrylic resin, such as a dry film of Parad brand photosensitive resin (photopolymer) available from DuPont of Wilmington, Delaware, USA. Including membrane. Similar dry membranes include other DuPont products such as Riston brand dry membranes, and dry membranes manufactured by other chemical manufacturers. Orifice plate 13 includes, for example, a flat substrate made of a polymeric material and is disclosed therein, for example, in US Pat. No. 5,469,199 assigned to the assignee of the present application, which is incorporated herein by reference. The orifice is formed by laser ablation as has been done. The orifice plate may also include a plated metal, such as nickel, as a further example.
[0018]
The ink chambers 19 in the ink barrier layer 12 are more specifically disposed on respective ink firing heater resistors 56, and each ink chamber 19 is formed in the ink barrier layer 12. It is defined by the edge or wall of the chamber opening. The ink channels 29 are defined by further openings formed in the ink barrier layer 12 and are integrally connected to the respective ink chambers 19. In one embodiment, an outer edge fed configuration is shown in FIG. In this configuration, the ink channel 29 opens toward the outer edge formed by the outer periphery of the thin film substrate 11, and the ink is supplied to the ink channel 29 and the ink chamber 19 around the outer edge of the thin film substrate. . This is disclosed in more detail, for example, in US Pat. No. 5,278,584, assigned to the assignee of the present application, which is incorporated herein by reference. The present invention also has an ink channel open toward the edge formed by the central slot of the thin film substrate, such as that disclosed in the aforementioned US Pat. No. 5,317,346. It can also be used in a center edge fed ink jet printhead.
[0019]
Orifice plate 13 includes an orifice 21 disposed on each ink chamber 19 such that ink firing heater resistor 56, associated ink chamber 19 and associated orifice 21 are aligned. Each ink chamber 19, a portion of the thin film substrate 11, and the orifice plate 13 adjacent to the ink chamber 19 form an ink drop generator region.
[0020]
FIG. 2 is a schematic plan view showing a general layout of the thin film substrate 11 of the print head of FIG. Referring to FIG. 2, an ink firing heater resistor 56 is formed in a resistor region adjacent to the longitudinal edge of the thin film substrate 11. A patterned gold layer 62 consisting of gold traces is placed in the middle of the thin film substrate 11 between the resistor regions, and in the gold layer 62 region extending between the ends of the thin film substrate 11, the top layer of the thin film structure. Is forming. Bond pads 71 for external connection are formed in the patterned gold layer 62 adjacent to both ends of the thin film substrate 11, for example. The ink barrier layer 12 is defined to cover all patterned gold layer 62 except the bond pad 71 and also cover the area between the respective openings forming the ink chamber and associated ink channel. . In one embodiment, one or more thin film layers may be disposed on the patterned gold layer 62.
[0021]
FIG. 3 is a schematic plan view showing the configuration of a plurality of representative ink firing heater resistors 56, ink chamber 19 and associated ink channel 29. As shown in FIG. 3, the ink firing heater resistor 56 has a polygonal shape (eg, a rectangle), for example, on the wall of the ink chamber 19 that may have multiple faces, by at least its two sides. Surrounded. The ink channel 29 extends away from the associated ink chamber 19 and may be wider at a distance from the ink chamber 19. The ink chamber 19 and associated ink channel 29 are formed by an array of barrier tips 12a extending from the central portion of the ink barrier layer 12 toward the supply edge of the thin film substrate 11.
[0022]
In accordance with the present invention, the thin film substrate 11 comprises a carbon rich layer 63 that serves as an adhesive layer for the ink barrier layer 12 that may be patterned, more specifically diamond-like carbon. like carbon, DLC) layer (FIG. 4). The DLC layer 63 is defined so as to cover all of the patterned gold layer 62 except the bonding pad 71.
[0023]
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view across a representative ink drop generator region illustrating one embodiment of the printhead of FIG. 1 and illustrates one specific embodiment of the thin film substrate 11. The ink jet printhead thin film substrate 11 of FIG. 4 is more particularly arranged on a silicon substrate 51, a field oxide layer 53 deposited on the silicon substrate 51, and a field oxide layer 53. And patterned oxide layer 54 doped with phosphorus. A resistive layer 55 comprising tantalum aluminum is formed on the phosphorous oxide layer 54, and a thin film resistor including an ink firing heater resistor 56 is formed under the ink chamber 19. Is spread over the area to be. For example, a patterned metal coating layer 57 comprising a small amount of copper and / or silicon doped aluminum is disposed on the resistive layer 55.
[0024]
Metal film layer 57 includes metal film traces defined by appropriate masking and etching. This masking and etching of the metal coating layer 57 also defines the resistor region. In particular, the resistive layer 55 and the metal coating layer 57 are aligned except that the trace portion of the metal coating layer 57 is removed in the region where the resistor is formed. The resistor region is defined by providing first and second metal traces that terminate at different locations around the resistor region. The first and second traces include resistor terminals or leads that effectively include a portion of the resistive layer between the ends of the first and second traces. In accordance with the technique for forming such a resistor, the resistive layer 55 and the metal coating layer 57 can be etched simultaneously to form a patterned layer that is aligned with each other. Next, an opening is etched in the metal coating layer 57 to define a resistor. Thus, the ink firing heater resistor 56 is formed separately in the resistive layer 55 according to the gaps in the traces in the metal coating layer 57.
[0025]
Silicon nitride (Si _Three N _Four ) And a layer 60 of silicon carbide (SiC) are exposed to the metal coating layer 57, the exposed portion of the resistive layer 55, and the exposed portion of the oxide layer 54. Deposited on top of the part. A tantalum passivation layer 61 is deposited over the composite passivation layers 59 and 60 directly above the ink firing heater resistor 56. Also, the tantalum passivation layer 61 is a gold layer patterned on the passivation layer 61 for external electrical connection to the metal coating layer 57 by the conductive tube 58 formed in the composite passivation layers 59 and 60. 62 may be formed and may extend to the region. A diamond-like carbon (DLC) layer 63 is deposited on the patterned gold layer 62, on the tantalum passivation layer 61, and on the exposed portions of the composite passivation layers 59, 60. The portion of the DLC layer 63 in the region where the fired heater resistor 56 and the gold contact pad 71 are formed is removed to serve as an adhesive layer in the region in contact with the ink barrier layer 12. Therefore, since contact with the DLC barrier in the proximity of the ink chamber and ink channel is desired, the interface between the DLC layer 63 and the ink barrier layer 12 is, for example, at least between the ink firing heater resistors 56. It may extend from the region to the end of the barrier tip 12a. In the gold bond pad 71 (FIG. 1), the high resistivity of DLC is not appropriate, and the DLC may be removed from the gold bond pad 71 by etching.
[0026]
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view across a representative ink drop generator region showing another embodiment of the printhead of FIG. The ink jet printhead of FIG. 5 is similar to the ink jet printhead of FIG. 4 with the following differences. A DLC layer 63 is deposited on the patterned gold layer 62, on the tantalum passivation layer 61, and on the exposed portions of the composite passivation layers 59, 60 that also include regions where resistors are formed. Is done. In this embodiment, the resistance of the resistor region to ink is improved, and the photomasking and etching steps are omitted in the manufacturing process. In the gold bond pad 71 (FIG. 1), the high resistivity of DLC is not appropriate, and the DLC may be removed from the gold bond pad 71 by etching.
[0027]
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view across a typical ink drop generator region with the intervening adhesion promoter layer added in the embodiment of FIG. The ink jet printhead of FIG. 6 is similar to the ink jet printhead of FIG. 4 with the following differences. An adhesion promoter layer 68 that joins the gold layer 62 and the DLC layer 63 is disposed between the gold patterned layer 62 and the DLC layer 63. Examples of commonly used gold adhesion promoters are cited in patents such as US Pat. No. 4,497,890, such as 2- (diphenylphosphino) ethyltriethoxysilane, trimethylsilylacetamide, and bis [3 -(Triethoxysilyl) propyl] tetrasulfide and 3-mercaptopropyltriethoxysilane, but are not limited thereto.
[0028]
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view across a typical ink drop generator region with the intervening adhesion promoter layer added in the embodiment of FIG. The ink jet printhead of FIG. 7 is similar to the ink jet printhead of FIG. 5 with the following differences. An adhesion promoter layer 68 that joins the gold layer 62 and the DLC layer 63 is disposed between the gold patterned layer 62 and the DLC layer 63. Examples of commonly used gold adhesion promoters are cited in patents such as US Pat. No. 4,497,890, such as 2- (diphenylphosphino) ethyltriethoxysilane, trimethylsilylacetamide, and bis [3 -(Triethoxysilyl) propyl] tetrasulfide and 3-mercaptopropyltriethoxysilane, but are not limited thereto.
[0029]
Such print heads are disclosed, for example, in US Pat. No. 4,719,477 and US Pat. No. 5,317,346, assigned to the assignee of the present application, both of which are already incorporated herein by reference. It is easily manufactured according to standard thin film integrated circuit processes, including chemical vapor deposition, photoresist deposition, masking, development, and etching.
[0030]
As an example, the structure described above can be made as follows. Beginning with the silicon substrate 51, the patterned oxide and nitride layers protect any active areas where the transistors are formed. Field oxide 53 grows in the unprotected areas and the oxide and nitride layers are removed. Next, a gate oxide is grown in the active region and a polycrystalline silicon layer is deposited over the entire substrate. The gate oxide and polycrystalline silicon are etched to form a polycrystalline silicon gate over the active region. The resulting thin film structure undergoes phosphorous predeposition and phosphorous is introduced into unprotected regions of the silicon substrate. The phosphorous doped oxide layer 54 is deposited on top of a fully fabricated thin film structure in advance, and the phosphorous doped oxide coated structure enters the diffusion drive-in stage and is active. A desired depth of diffusion is applied to the region. The phosphorous doped oxide layer 54 is then masked and etched to open the contacts to the active device.
[0031]
Next, a tantalum-aluminum resistive layer 55 is deposited, and then an aluminum metal coating layer 57 is deposited over the tantalum-aluminum layer 55. The aluminum layer 57 and the tantalum aluminum layer 55 are etched together to form the desired conductive pattern. The resulting patterned aluminum layer is then etched to open the resistor areas.
[0032]
A silicon nitride passivation layer 59 and a silicon carbide passivation layer 60 are deposited, respectively. Overlying the silicon carbide layer 60 is a pattern of photoresist defining tubes formed in the silicon nitride and silicon carbide layers, the thin film structure is over-etched, and a composite passivation layer comprising silicon nitride and silicon carbide A tube is opened through to reach the metal coating layer of aluminum.
[0033]
In the embodiment of FIGS. 4 and 5, after depositing the tantalum passivation layer 61, a metallized gold layer 62 is deposited thereon. Gold layer 62 and tantalum passivation layer 61 are etched together to form the desired conductive pattern. The resulting patterned gold layer is then etched to form a conductive path 58.
[0034]
Terms such as DLC, diamond-like carbon, amorphous carbon, a-C, a-C: H are used to designate the class of films consisting primarily of carbon and hydrogen. Such a film structure is considered to be amorphous. That is, these films do not show atomic arrangements over long distances, ie, equivalently, no structural correlations above 2-3 nanometers. The carbon bonds in these films are sp ² And sp ^Three Is a mixture of ordinary sp ^Three The combination of is dominant.
[0035]
The carbon rich layer of the present invention comprises at least 25% elemental carbon, more preferably from about 35% to about 100% elemental carbon, and most preferably from about 75% to about 100% elemental carbon. The DLC layer of the present invention is usually sp ² And sp ^Three And about 1: 1.5 to about 1: 9, more preferably about 1: 2.0 to about 1: 2.4, and most preferably about 1: 2.2 to about 1: 2. The range of 3.
[0036]
The DLC layer 63 is incorporated herein by reference in its entirety, J. Robertson, “Surface and Coating Tech.”, Vol. 50 (1992), page 185, M. Weiler et al, Physical Review B Vol. 53. , Number 3, page 1594, Tamor et al, Applied Physics Letters, Vol. 58, no. 6, page 592, and Shroder et al, Physical Review B, Vol. 41, number 6, page 3738 (1990). Formed by one of several common techniques, described in detail in the literature. These techniques include microwave plasma, radio-frequency (rf) and glow discharge, hot filament, ion sputtering, ion beam deposition and laser ablation using hydrocarbon gas or carbon as the starting material. (Ablation) is included. The DLC film may also be deposited by advanced plasma chemical vapor deposition (PECVD) techniques. In the PECVD method, a gas or vapor (methane or acetylene) containing carbon that is decomposed in glow discharge (plasma) is used as a raw material instead of carbon in a solid form.
[0037]
As an example, the aforementioned DLC layer 63 can be formed as follows. The thin film substrate 11 is inserted into a PECVD chamber. The chamber is then evacuated and a gas such as argon and a gas containing carbon such as methane are introduced into the chamber in an amount such that the desired flow rate and partial pressure are achieved. Power is sent to the power electrode. The electric power is maintained for a predetermined time, and DLC is deposited on the thin film substrate 11. After deposition is complete, the power is turned off and the gas in the chamber is evacuated. Next, the chamber is vented with argon, nitrogen or the like, and the thin film substrate 11 on which the DLC layer is deposited is removed. In one specific embodiment of the process used to deposit the DLC layer 63, a PECVD parallel plate reactor (available from Surface Technology, Newport, Gwent, United Kingdom) was used. This system consisted of a grounded electrode, to which a silicon wafer was attached 50 mm away from the second power electrode (diameter 300 mm). RF (radio frequency) power, deposition time, and partial pressures of methane and argon gases are varied to produce desired adhesion characteristics between the thin film substrate 11 and the next deposited ink barrier layer 12. Thus, DLC films having various physical characteristics were obtained. The desired properties are that the finished pen is placed in an elevated temperature environment and the adhesion of the barrier to the DLC is observed, or the DLC and barrier film strips are observed and the humidity is increased. It can be measured by placing it in a certain ink solution and observing the adhesive strength of the interface bond. It should be noted that any of the foregoing deposition techniques are suitable for obtaining a DLC film and can be used in principle. Furthermore, the PECVD process outlined in this specification is not limited to a mixed gas of methane and argon or a parallel plate reactor. Any gas mixture including carbon in any PECVD reactor such as an ECR (electron cyclotrone resonance) chamber capable of forming an asymmetric plate or DLC can be used.
[0038]
After formation of DLC layer 63, for example, in US Pat. Nos. 4,719,477 and 5,317,346 assigned to the assignee of the present application, both already incorporated herein by reference. Ink barrier layer 12 is applied using the disclosed standard electronics manufacturing techniques. Optionally, the DLC layer 63 may be removed from regions not protected by the ink barrier layer 12 using oxygen plasma etching using the ink barrier layer 12 as a mask. Alternatively, after the DLC layer 63 is deposited, the DLC layer 63 is masked using a standard photoresist process, after which unwanted regions of the layer are etched and the photoresist is removed, and finally the ink barrier layer 12 is added.
[0039]
With respect to the embodiment of the adhesion promoter layer 68 of FIGS. 6 and 7, this can be done by one of several commonly used techniques. Examples of such techniques include immersing each part in the adhesion promoter containing liquid, spray coating each part with the adhesion promoter in pure or diluted form, or vapor priming with the adhesion promoter. Is included to do.
[0040]
The adequacy of the adhesion between the ink barrier layer 12 and the thin film substrate 11 including the DLC layer 63 is subject to accelerated operating conditions such as exposing the print head 100 to ink and then using standard analytical techniques, Tested by measuring the adhesion between the ink barrier layer 12 and the thin film substrate 11. It was confirmed that the print head having the DLC layer 63 exhibits a high adhesive force as compared with the print head without the DLC layer 63.
[0041]
[Determination of existence of DLC layer]
The presence of the DLC layer can be determined using one or both of the following techniques.
1. Specific carbon state information is obtained by RAMAN analysis of the surface that is presumed to be DLC.
2. The following techniques are used to observe the chemical destruction of the underlying thin film structure.
a) Measure the sample using XPS or similar means to determine if there is a carbon rich layer (presumed to be DLC) on the surface of the sample.
b) A sample having a layer presumed to be DLC is placed in a mixture of sulfuric acid and hydrogen peroxide (piranha). A typical mixture is about 70% sulfuric acid and about 30% hydrogen peroxide. This removes all non-DLC carbon from the surface of the sample.
c) The sample is then placed in an etching etchant that normally performs a scientific disruption on the underlying thin film surface (eg, tantalum or gold).
d) When DLC is present on the underlying thin film surface, little or no scientific disruption to the thin film material is observed. A continuous DLC layer is present when no scientific disruption is observed on the underlying film. A discontinuous DLC layer is present if there is some degree of scientific disruption to the underlying film. If all the underlying thin film material is removed, there is no DLC.
[0042]
【Example】
Using the techniques described above, wafers were fabricated either with or without a DLC layer on the underlying thin film surface. Each part having a surface composition (for example, a blanket coating) with a uniform internal bond strength between the thin film substrate of the wafer and the ink barrier layer is immersed in ink and placed in an autoclave at 117 ° C. and 1.2 atm. It was then tested by measuring the adhesion on a semi-quantitative scale by attempting to scrape and peel the ink barrier layer from the substrate. The data in Table 1 shows typical results for the change in adhesion over time using this test method.
[0043]
[Table 1]

[0044]
As can be seen from the results in Table 1, the thin film including the DLC layer was superior in adhesion strength between the barrier and the thin film substrate as compared with the film having no DLC layer.
[0045]
While specific embodiments of the invention have been described and illustrated, it should be understood that the invention is not limited to the specific shapes or arrangements of the parts described and illustrated. The invention is limited only by the claims.
[0046]
Embodiments of the present invention are summarized below.
[0047]
1. A thin film substrate (11) comprising a plurality of thin film layers;
A plurality of ink firing heater resistors (56) defined in the plurality of thin film layers;
A barrier layer (12) of polymer fluid;
A carbon rich layer (63) disposed on the plurality of thin film layers, bonding the barrier layer (12) of the polymer fluid to the thin film substrate (11);
A thin film printhead (100) comprising:
[0048]
2. The thin film printhead (100) of claim 1, wherein the carbon rich layer (63) is removed in the region of the thin film layer forming the ink firing heater resistor (56).
[0049]
3. 3. The thin film print head (100) of claim 1 or 2, further comprising an adhesive layer (68) between the carbon rich layer (63) and the plurality of thin film layers.
[0050]
4). The thin film printhead (100) of claim 1, wherein the carbon rich layer (63) comprises at least 25% elemental carbon.
[0051]
5. The thin film printhead (100) of claim 4, wherein the carbon rich layer (63) comprises about 35% to about 100% elemental carbon.
[0052]
6). The thin film printhead (100) of claim 5, wherein the carbon rich layer (63) comprises about 75% to about 100% elemental carbon.
[0053]
7). The thin film printhead (100) of claim 1, wherein the carbon rich layer (63) comprises a diamond-like carbon layer.
[0054]
8). The diamond-like carbon layer is sp ² And sp ^Three The thin film printhead (100) of claim 7, comprising carbon in a ratio of about 1: 1.5 to about 1: 9.
[0055]
9. The diamond-like carbon layer (63) is sp ² And sp ^Three The thin film printhead (100) of claim 8, comprising carbon having a ratio of about 1: 2.0 to about 1: 2.4.
[0056]
10. The diamond-like carbon layer (63) is sp ² And sp ^Three 10. The thin film printhead (100) of claim 9, comprising carbon with a ratio of about 1: 2.2 to about 1: 2.3.
[0057]
11. The carbon rich layer (63) passes a gas containing carbon over the thin film substrate (11) such that the carbon rich layer (63) is formed on the thin film substrate (11). The thin film print head (100) according to the above 1, which is formed by:
[0058]
12 12. The thin film print head (100) as described in 11 above, wherein the gas containing carbon is methane.
[0059]
13. 13. The thin film print head (100) of claim 12, wherein the carbon rich layer (68) is formed by advanced plasma CVD.
[0060]
14 A thin film substrate (11) comprising a plurality of thin film layers;
A plurality of ink firing heater resistors (56) defined in the plurality of thin film layers;
A barrier layer (12) of polymer fluid;
A carbon rich layer (63) disposed on the plurality of thin film layers, bonding the barrier layer (12) of the polymer fluid to the thin film substrate (11);
Including
The carbon rich layer (63)
Inserting the thin film substrate (11) into a PECVD chamber;
Evacuating the chamber;
Introducing a gas containing a noble gas and carbon into the chamber;
Sending power to the chamber;
Maintaining power for a time sufficient for the carbon rich layer (63) to be formed on the thin film substrate (11);
Evacuating the chamber;
Ventilating the chamber with a noble gas;
Removing the thin film substrate (11) having the deposited carbon rich layer (63) from the chamber;
A thin film print head (100) formed by:
[0061]
15. 15. The thin film print head (100) of claim 14, wherein the PECVD chamber is a parallel plate chamber.
[0062]
【The invention's effect】
In accordance with the present invention, an ink jet printhead having a polymer fluid barrier layer and a carbon rich layer disposed on a plurality of thin film layers bonded to the thin film substrate can be provided, thereby providing a thin film substrate and Adhesive strength with the ink barrier layer can be improved, and peeling of the ink barrier layer from the thin film substrate can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view of an ink jet printhead according to the present invention.
2 is a schematic plan view showing a general layout of a thin film substrate of the print head of FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a schematic plan view illustrating the configuration of a plurality of representative ink firing heater resistors, ink chambers and associated ink channels.
4 is a schematic cross-sectional view across an exemplary ink drop generator region showing one embodiment of the printhead of FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view across a representative ink drop generator region showing another embodiment of the printhead of FIG.
6 is a schematic cross-sectional view across a representative ink drop generator region with an intervening adhesion promoter layer added in the embodiment of FIG.
7 is a schematic cross-sectional view across a representative ink drop generator region with an intervening adhesion promoter layer added in the embodiment of FIG.
[Explanation of symbols]
11 Thin film substrate
12 Ink barrier layer
13 Orifice plate
21 Orifice
51 Silicon substrate
53 Field oxide layer
54 Phosphorus oxide layer
55 Resistance layer
56 Ink firing heater resistor
57 Metal coating layer
58 Conductor tube
59,60 Passivation layer
61 Tantalum passivation layer
62 Gold Layer
63 Carbon rich layer
68 Adhesion promoter layer
100 print head

Claims

A thin film substrate comprising a plurality of thin film layers, wherein the plurality of thin film layers comprises a tantalum passivation layer ;
A plurality of ink firing heater resistors defined in the plurality of thin film layers , wherein the tantalum passivation layer is disposed on the plurality of ink firing heater resistors. When,
A barrier layer made of a polymeric material in which a plurality of ink chambers are formed , wherein each of the plurality of ink chambers is disposed on each of the plurality of ink firing heater resistors A barrier layer made of
In order to bond the barrier layer made of the polymer to the thin film substrate, a diamond-like carbon layer formed between the plurality of ink firing heater resistors and the barrier layer made of the polymer includes: A plurality of thin film layers , in contact with the passivation layer, and in contact with the diamond-like carbon layer, and the diamond-like carbon layer in which a barrier layer made of the polymer is disposed. Thin film print head.

2. The thin film print head of claim 1, wherein the diamond-like carbon layer is removed in a region overlapping the thin film layer forming the ink firing heater resistor.

The thin film print head according to claim 1, further comprising an adhesive layer between the diamond-like carbon layer and the plurality of thin film layers.

The thin film printhead of claim 1, wherein the diamond-like carbon layer contains at least 25% elemental carbon.

5. The thin film printhead of claim 4, wherein the diamond-like carbon layer comprises about 35% to about 100% elemental carbon.

6. The thin film printhead of claim 5, wherein the diamond-like carbon layer comprises about 75% to about 100% elemental carbon.

The diamond-like carbon layer is sp 2 And sp Three The thin film printhead of claim 1, comprising carbon in a ratio of about 1: 1.5 to about 1: 9.

The diamond-like carbon layer is sp 2 And sp Three The thin film printhead of claim 7, wherein the thin film printhead comprises carbon having a ratio of about 1: 2.0 to about 1: 2.4.

The diamond-like carbon layer is sp 2 And sp Three 9. The thin film printhead of claim 8, wherein the thin film printhead comprises carbon in a ratio of about 1: 2.2 to about 1: 2.3.

2. The thin film print head according to claim 1, wherein the diamond-like carbon layer is formed on the thin film substrate by passing a gas containing carbon over the thin film substrate.

The thin film print head according to claim 10, wherein the gas containing carbon is methane.

The thin film print head according to claim 11, wherein the diamond-like carbon layer is formed by an advanced plasma CVD method.