(57)【要約】【課題】  プリントヘッド部品内にブランクマイクロホールおよびチャネルなどの特徴部を形成するのに特に適した方法およびシステムを提供する。【解決手段】  プリントヘッド基材層を除去するために、プリントヘッド基材のターゲットゾーンにわたってフェムト秒レーザビームパルスが走査される。所望の特徴部深さに対応するプリントヘッド基材の深さがターゲットゾーンから除去されるまで、走査が繰り返される。プリントヘッド基材の除去された部分は、プリントヘッド部品内の特徴部の少なくとも一部を形成する。【選択図】  図２
2006051820.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリントヘッド部品内に特徴部を形成する方法であって、
プリントヘッド基材層を除去するために、ターゲットゾーンにわたってフェムト秒レーザビームパルスを走査するステップと、
所望の特徴部深さに対応するプリントヘッド基材の深さが前記ターゲットゾーンから除去されるまで、前記走査するステップを繰り返すステップと、を含み、
前記プリントヘッド基材の前記除去された部分は、前記プリントヘッド部品内の前記特徴部の少なくとも一部を形成することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記プリントヘッド部品に対して前記ターゲットゾーンを移動させることと、
前記所望の特徴部深さに対応する前記プリントヘッド基材の深さが除去されるまで、前記走査ステップを繰り返すこと、
とによって前記特徴部を拡大するステップをさらに含む、請求項１に記載のプリントヘッド部品内に特徴部を形成する方法。
【請求項３】
前記特徴部はトレンチであり、
化学エッチングプロセスを使用して前記特徴部内にスルーホールを形成するステップをさらに含む、請求項１に記載のプリントヘッド部品内に特徴部を形成する方法。
【請求項４】
除去されたプリントヘッド基材を前記プリントヘッド部品から取り除くステップをさらに含む、請求項１に記載のプリントヘッド部品内に特徴部を形成する方法。
【請求項５】
除去されたプリントヘッド基材を前記プリントヘッド部品から取り除く前記ステップは、前記影響を受けたエリアをガスで洗浄することを含む、請求項４に記載のプリントヘッド部品内に特徴部を形成する方法。
【請求項６】
除去されたプリントヘッド基材を前記プリントヘッド部品から取り除く前記ステップは、前記影響を受けたエリアを水で洗浄することを含む、請求項４に記載のプリントヘッド部品内に特徴部を形成する方法。
【請求項７】
前記特徴部はブラインドホールであり、前記プリントヘッド部品は１０〜５０μｍの残りの基材厚みを有する、請求項１に記載のプリントヘッド部品内に特徴部を形成する方法。
【請求項８】
前記特徴部はトレンチであり、前記プリントヘッド部品は１０〜５０μｍの残りの基材厚みを有する、請求項１に記載のプリントヘッド部品内に特徴部を形成する方法。
【請求項９】
前記ブラインドホールは、前記走査式フェムト秒レーザビームパルスを使用して前記基材が除去された領域において、５μｍＲＭＳ未満の表面粗さを有する、請求項７に記載のプリントヘッド部品内に特徴部を形成する方法。
【請求項１０】
前記トレンチは、前記走査式フェムト秒レーザビームパルスを使用して前記基材が除去された領域において、５μｍＲＭＳ未満の表面粗さを有する、請求項８に記載のプリントヘッド部品内に特徴部を形成する方法。
【請求項１１】
請求項１の方法に従って、特徴部を形成されているプリントヘッド部品。
【請求項１２】
プリントヘッド部品内に特徴部を形成するシステムであって、
フェムト秒レーザビーム源と、
前記特徴部の１つまたは複数の所望の属性をプログラム可能なビームスキャナと、
前記特徴部の前記所望の属性に従って、前記プリントヘッド部品を前記フェムト秒レーザビームに位置合わせするプリントヘッド部品位置合わせデバイスと、を備え、
前記特徴部は、前記特徴部の前記所望の属性に従って、プリントヘッド基材にわたってフェムト秒レーザビームパルスを走査して、プリントヘッド基材層を順次除去することによって形成され、
前記プリントヘッド基材の前記除去された部分は、前記プリントヘッド部品内の前記特徴部を形成することを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的にプリントヘッド部品に関し、より詳細には、プリントヘッド部品内に特徴部を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェトプリンタは、印刷可能表面上にインクまたは色材の滴を噴出して、画像を再現しまたは生成する。通常、複数のノズル、発射室、およびインク供給チャネルを有するプリントヘッドがこれを達成するのに使用される。
【０００３】
一般に、各プリントヘッドは複数の発射デバイスを有する。発射デバイスはそれぞれ、インク発射室およびノズルと連携し、ノズルを通して発射室からインク滴の排出を引き起こす推進デバイスを有する。インク発射室はそれぞれ、通常チャネルまたはインク供給チャネルによって、共通インク源にも接続される。
【０００４】
サーマルインクジェットプリントヘッドでは、推進デバイスは抵抗器であり、抵抗器は、作動すると、室内の少量のインクの気化を引き起こすのに十分に高い温度を提供し、したがって、発射室内に蒸気泡が生成される。泡は膨張し、ノズルを通るインク滴の変位を引き起こし、インク滴は印刷可能表面に塗布され、画像またはテキスト文字を生成する。
【０００５】
プリントヘッド内に設けられる発射室の数を増やすことによって、印刷を行うことができる速度が上昇する可能性がある。発射室の数を増やすことによって、プリント品質が改善される可能性もある。しかしながら、これらの発射室にインクを提供するチャネルまたはトレンチは、印刷スループットの増加に対応できなければならない。
【０００６】
プリントヘッド部品内にインクチャネルを形成する複数の方法が存在する。しかしながら、現行のサーマルインクジェットプリントヘッド微細加工技法は制約を有する。この技法は、インクチャネルを形成する時に比較的良好な幅制御を示すが、既存のチャネル形成法は、特に、加工されているデバイスが多層デバイスである時に深さ制御が劣る。これは、多くの既存の方法が、材料特定（specific）であり、一定のタイプのプリントヘッド基材内に流体チャネルを形成するのに使用されることができるだけだからである。既存の微細加工技法の別の制約は、正確に制御された深さまたは表面粗さを有する非常に小さいチャネルを製造することができないことである。
【０００７】
サーマルインクジェットプリントヘッドにおいて、インクノズルおよび流体チャネルをエッチングするのに使用される一般的な方法は、化学エッチングプロセスおよび反応性イオンエッチングプロセスを含む。これらのプロセスは、一定の材料のみに選択性を有する。したがって、熱的に変動する環境で使用するのに特に適した材料は、現行のエッチング技法を使用してエッチングすることができないために、サーマルプリントヘッド部品で使用されることから排除される場合がある。
【０００８】
レーザアブレーションもまた使用される場合がある。しかしながら、現在使用されているレーザプロセスの熱的作用は、アブレーションされるプリントヘッド部品材料の劣化を引き起こし、劣化は、プリントヘッドの品質および精度に影響を与える可能性がある。これらの熱的作用は、アブレーションされるエリアの周囲に位置するデバイスにも損傷を与える可能性があり、プリントヘッド部品を役立たなくさせる。知られているレーザアブレーション技法はまた、低解像度および深さ制御が低く、アブレーションされた粗い表面を製造し、それにより乱れたインク流を引き起こし、プリント品質を低下させる可能性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
プリントヘッド部品内にブランクマイクロホールおよびチャネルなどの特徴部を形成するのに特に適した方法およびシステムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
手短に、本発明は、プリントヘッド部品内に特徴部を形成する方法を提供する。プリントヘッド基材層を除去するために、プリントヘッド基材のターゲットゾーンにわたってフェムト秒レーザビームパルスが走査される。所望の特徴部深さに対応するプリントヘッド基材の深さがターゲットゾーンから除去されるまで、走査が繰り返される。プリントヘッド基材の除去された部分は、プリントヘッド部品内の特徴部の少なくとも一部を形成する。
【００１１】
本発明の他の態様および利点は、本発明の原理を、例によって説明する添付図面とあわせて、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、プリントヘッド部品内に特徴部を形成する方法およびシステムに関する。以下の説明は、当業者が、本発明を製造し(make)、使用することを可能にするために提示され、特許出願およびその要件の状況下で提供される。実施形態に対する種々の変更ならびに本明細書で述べる一般的な原理および特徴は、当業者には容易に明らかになるであろう。そのため、本発明は、示す実施形態に限定されるのではなく、本明細書に述べる原理および特徴と矛盾しない最も広い範囲が与えられることが意図される。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態を示し、本明細書で、全体が参照数字１００で呼ばれる。方法１００は、第１ステップ１０２において、ターゲットゾーンにわたってフェムト秒レーザビームパルスを走査することであって、それによって、プリントヘッド基材層を除去する、走査することを含む。最終ステップ１０４は、所望の特徴部深さがターゲットゾーンから除去されるまで、走査するステップを繰り返すことを含む。プリントヘッド基材の除去された部分は、プリントヘッド部品内の特徴部の少なくとも一部を形成する。
【００１４】
図２は、プリントヘッド部品内に、チャネルなどの特徴部を形成するための、フェムト秒レーザビームパルスの使用を説明するブロック図を示す。一般に利用可能な種類のフェムト秒レーザビーム発生器（図示せず）は、約１０-15秒のパルス継続時間を有する、到来するフェムト秒レーザビームパルス（以降、「フェムト秒パルス」と呼ぶ）２０２を生成する。フェムト秒パルスは、ビームスキャナ２０４および投射レンズ２０６を通してプリントヘッド基材２０８上に直接収束される。ビームスキャナは、プリントヘッド基材２０８内に形成される特徴部の所望の属性をプログラムされ、それに応じて、プリントヘッド基材２０８上のターゲットゾーン２１０にわたってフェムト秒パルス２０２を走査し、したがって、アブレーションされたエリアが直接形成される。すなわち、プリントヘッド部品内に特徴部を作成する時にマスクが必要とされない。
【００１５】
フェムト秒パルス２０２は、パルス当たり、かつ、走査パターン当たり、非常に少量の材料層を除去する。それに応じて、走査パターンは、所望の深さを有するチャネルなどの特徴部が形成されるまで、多数回、繰り返される。ビームスキャナまたは同様のレーザプログラミングデバイスは、プリントヘッド基材内に直接形成される所望の形状およびサイズの特徴部を形成することができる。
【００１６】
一実施形態では、ターゲットゾーンは、プリントヘッド基材に沿って漸進的に移動し、フェムト秒パルスは、特徴部深さが所望の深さに対応するまで、各ターゲットゾーンを繰り返し走査することによって基材の層を除去する。
【００１７】
一部の実施形態では、リザーバからノズルのセットまたはプリントヘッド部品の他のエリアへのインクの流れを容易にするために、プリントヘッド部品内にスルーホールを作成することが望ましい。それに応じて、フェムト秒プロセスに続いてウェットエッチングプロセスまたは化学エッチングプロセスを行うのが望ましい場合があり、ウェットエッチングプロセスまたは化学エッチングプロセスは、基材の小さな領域を除去し、基材が特に薄い場所でスルーホールを作成する。この追加のステップは、部品が、微小電子デバイスが基材の反対側の薄膜層に作製された薄膜層をプリコートされている時に望ましい場合がある。こうした状況では、スルーホールまたはチャネルを直接形成するのに、レーザパルスを使用することは適当でない場合がある。
【００１８】
代わりに、ブラインドホールが作成されるフェムト秒レーザアブレーションプロセスに続いて、ウェットエッチングプロセスを行う可能性があり、ウェットエッチングプロセスでは、基材は、化学溶液中に浸漬されると溶解して、近くの微小電子デバイスに熱的損傷を与える危険を冒すことなく、スルーホールが完成する。シリコン基材をウェットエッチングする時に使用するための、適した化学薬品は、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）および水酸化カリウム（ＫＯＨ）を含む。ウェットエッチングに対する代替法として、ドライエッチングが使用されてもよいが、ドライエッチングは、より費用のかかるプロセスである。適した形態のドライエッチングは、プラズマ反応性イオンエッチング、スパッタエッチング、およびイオンミリングを含む。
【００１９】
ウェットエッチングプロセスは、図３Ａおよび図３Ｂに示される。ウェットエッチングは時間のかかるプロセスである。したがって、製造のためのスループット要件を満たすために、レーザアブレーション後に残る基材膜の厚みは、結果としてスルーホールをあけることなく達成することができるほどの薄さであるべきである。理想的には、この厚みは、１０〜２０ミクロンであり得る。
【００２０】
図３Ａでは、フェムト秒パルスを使用して、プリントヘッド部品の基材３００内にトレンチ３０２が形成される。トレンチは、その後、図３Ｂに示す、化学またはウェットエッチングプロセスを使用して拡張される。図３Ｂは、フェムト秒パルス形成された、図３Ａのトレンチ３０２の輪郭を破線で示す。トレンチ３０２は、化学／ウェットエッチングプロセスを使用してサイズが増加し、より広い中心領域３０４およびテーパ付き部分３０６を形成した。
【００２１】
このウェット／化学エッチングステップは、プリントヘッド基材内にスルーホール３０８も作成する。この方法は、ウェット／化学エッチングプロセスが始まる前にプリントヘッド基材を通して誤って穴をあける可能性を減らすことによって、スルーホールによってインクチャネルを作成する従来技術の方法に対して改良を行う。この方法は、より高いアブレーション解像度およびより正確な深さ制御も提供する。
【００２２】
通常、特徴部がその中に形成されるプリントヘッド基材はシリコンで作られる。しかしながら、本実施形態の利点は、プリントヘッド基材が選択性のない材料であることである。したがって、チャネルまたは他の特徴部をその中に形成することが望ましい場合がある任意の材料の層を除去するのに、本プリントヘッド基材が容易に使用される可能性がある。さらに、化学または紫外線エッチングという従来技術の方法と違って、基材は、フェムト秒パルスに露光される前にあらゆる特別な調製も必要としない。一部の適用形態の場合、プリントヘッド部品内に一定の特徴部を形成するために、基材が、フェムト秒レーザパルスを使用する前に種々の加工処理(processing or treatment)を受けることが望ましい場合があるが、これは、上述の方法の要件ではない。
【００２３】
通常、フェムト秒レーザパルスは、約３０μｍの直径を有するように収束される。しかしながら、ビームスポットは、０．８μｍほどの大きさにされる可能性がある。これは、プリントヘッド部品のためにチャネルを形成する従来技術の方法に比べて、より正確に制御される可能性がある解像度を提供する。
【００２４】
一実施形態では、フェムト秒レーザパルス密度は、約１０10Ｗｃｍ-2である。こうした高強度パルスを使用することによって、フェムト秒パルスと処理されるプリントヘッド材料との間の相互作用は、従来技術において使用されるレーザパルスが長い場合にそうであるように、レーザ波長によって影響を受けない。各フェムト秒パルスに含まれるエネルギー量は、超短レーザパルスによって制限され、可能である場合、１ｍＪを超えない。パルス当たりの送出エネルギー量を制限することによって、レーザプロセスによって引き起こされる熱作用が制限され、したがって、生じる可能性がある熱作用を受けた任意のゾーンが最小になる。これは、主に、パルスが、該パルスによって運ばれる熱が周囲エリアに拡散する時間が不十分であるほどに短いために実現される。
【００２５】
様々な実施形態によれば、本発明の方法を使用して処理される材料の温度上昇は、通常、１０℃未満である。熱作用が最小化された結果、熱的に誘導された応力が最小になり、微小クラックが最小になる。さらに、熱作用を最小にすることによって、材料変形と共に、変質（recast）層が最小になる。これらの特徴は、プリントヘッド部品の品質および寿命を維持するために重要である。他の利点は、プリントヘッド基材およびプリントヘッド部品の残りのエリアに対する有害な作用が存在せず、抵抗器およびトランジスタなどのターゲットゾーンの周囲に位置するデバイスが、チャネル形成プロセスの熱的作用によって損傷を受ける可能性が少ないことである。
【００２６】
パルス当たりの送出エネルギー量を、パラメータ「フルエンス」を使用して規定することができる。フルエンスは、ターゲットゾーン上のレーザビームスポット面積によって割られた単一パルスエネルギーとして規定されることができる。一実施形態では、フェムト秒パルスのフルエンスは、５×１０1Ｊ／ｃｍ2〜２×１０2Ｊ／ｃｍ2の範囲であるが、この値は、概算値であって、適した範囲は、種々のプリントヘッド基材材料で異なる可能性がある。別の重要なパラメータは、パルス繰り返しレートであり、パルス繰り返しレートは、レーザビームの走査速度と共に、プロセスの容積除去量すなわち「スループット」を規定する。パルス繰り返しレートは、形成される特徴部の表面の粗さにも直接関係する。理想的には、パルス繰り返しレートが速くなればなるほど、スループットがよくなる。１つの適したパルス繰り返しレートは１ｋＨｚである。これは、約２０ｍｍ／ｓｅｃの比較的遅い走査速度をもたらす。
【００２７】
プリントヘッド部品内に特徴部を形成している間に、除去される基材の部分が、蒸気またはプラズマまたはそれらの混合物などの廃棄材料、あるいは、溶融した基材、あるいは、液体滴、あるいは、固体粒子を形成する場合があり、これらは、プリントヘッド部品のターゲットゾーンおよび他の部分から除去されるべきである。これらの材料が除去されない場合、材料は、プリントヘッド部品内で形成される、特徴部の外側縁上、または、特徴部内でクレータの形態で蓄積する場合がある。比較的深い、チャネルまたはトレンチなどの特徴部では、これらの材料は、トレンチ内部に蓄積する可能性があり、トレンチ底部の平滑さに影響を与える。これは、フェムト秒プロセスのスループットを遅延させる可能性もある。１つの好ましい実施形態では、材料は、ガス補助方法を使用して除去される。別の好ましい実施形態では、廃棄材料は、水補助方法を使用して除去される。
【００２８】
ガス補助方法では、フェムト秒レーザパルスと同時に、基材表面上のレーザアブレーションエリアに対して、基材材料と活発な反応を示すガスが、高圧で送出される。ガスは、基材および／または廃物材料と活発に反応し、その高いガス圧が、堆積した材料を迅速に除去し、スループットのかなりの改善に寄与するであろう。ガス補助プロセスを最も効果的に使用する場合、ガス送出ノズルの角度およびノズルと基材との距離に加えて、ガスの流量および圧力が、監視され、制御されるべきである。
【００２９】
水補助方法では、水膜の薄層（１ｍｍ未満）が、アブレーションエリアに形成される。水は、エアブラシを使用して、基材表面上に送出される。高エネルギーフェムト秒レーザパルスは、エネルギー損失が最小の状態で水層に貫通し、水層の下の基材によって十分に吸収される。高フルエンスレーザパルスから生成されたプラズマは、その後、水層内に閉じ込められ、同時に、この相互作用から生成された衝撃波が、基材を貫通する。その間に、水がアブレーションされたエリアを通って流れるため、再堆積した廃物も迅速に除去され、アブレーションされた高品質な表面が生成される。水補助方法の別の利点は、水補助方法が、基材に対して効率的な冷却を提供することである。上記作用の組み合わせは、水補助プロセスを使用して得られるスループットの改善を増大し、水補助プロセスを、全体としてガス補助プロセスより効果的なものにする。
【００３０】
有利には、本発明の方法は、フェムト秒パルスを使用して、アブレーションされる、すなわち、除去される材料層に対して正確な制御を提供する。これにより、本発明の方法は、プリントヘッド部品内にブランクマイクロホールおよびチャネルなどの特徴部を形成するのに特に適したものになる。本方法を使用して、プリントヘッド部品内で形成される特徴部の解像度および精度に対して非常に正確な制御が達成される可能性がある。同様に、フェムト秒パルスを使用して、特徴部の底面において、平滑な表面が達成され、それによって、使用時に、乱れた、すなわち、整合性のないインクの流れを示すか、または、薄いチャネルまたはトレンチ底部に誤って穴を開ける、プリントヘッド部品の傾向が減る。
【００３１】
本発明の一部の実施形態が、本明細書で詳細に示されてきたが、これらの実施形態に対する変更および適応を、添付の特許請求の範囲に記載される本発明の範囲から逸脱することなく、当業者が思いついてもよいことが明らかであるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】プリントヘッド部品内に特徴部を形成する方法を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態による、プリントヘッド基材内にチャネルを形成するための、フェムト秒レーザビームパルスの使用を示す図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による、プリントヘッド基材内に形成されたチャネルの図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態による、プリントヘッド基材内に形成されたスルーホールの図である。
【符号の説明】
【００３３】
２０２  フェムト秒パルス
２０４  ビームスキャナ
２０６  投射レンズ
２０８  プリントヘッド基材
２１０  ターゲットゾーン
３００  基材
３０２  トレンチ
３０４  中心領域
３０８  スルーホール
【図１】
2006051820.tif 000003
【図２】
2006051820.tif 000004
【図３Ａ】
2006051820.tif 000005
【図３Ｂ】
2006051820.tif 000006