(57)【要約】【課題】インクジェットプリントヘッド等に用いられるサーマルアクチュエータの効率を高め、またインクによる腐食を防止する。【解決手段】サーマルアクチュエータは、平らな表面をもつ基板１０上に、底材料からなる底層を形成するステップと、底材料を対向する自由縁間に位置する可動領域が基板上に残るように底層パターンに除去するステップと、を含む方法によって製造される。底層２２上には、順にデフレクタ層２４、上層２６、犠牲層２９、構造層２８が積層される。可動領域下の基板及び犠牲層が除去され、インクが進入するチャンバ１１，１２が形成される。底層２２と上層２６がインクよりデフレクタ層２４を保護する。【選択図】図１３
2004034710.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　超小型電気機械装置用のサーマルアクチュエータの製造方法であって、
　基板材料から構成される基板上に底材料からなる底層を形成するステップと、
　前記底材料を、対向する自由縁間に位置する可動領域が基板上に残る底層パターンに除去するステップと、
　前記底層上にデフレクタ材料からなるデフレクタ層を形成するステップと、
　前記デフレクタ材料を、前記デフレクタ材料が前記底層材料の自由縁に重ならないデフレクタ層パターンに除去するステップと、
　前記基板材料を、前記底層の自由縁が前記基板から解放されるように前記可動領域下から除去するステップと、
　を含む方法。
【請求項２】
　サーマルアクチュエータ用の移動容積の製造方法であって、
　平坦な表面をもち基板材料から構成される基板上に、対向する自由縁間に位置する可動領域を有するサーマルアクチュエータを、前記アクチュエータ自由縁に隣接した自由縁領域では前記基板材料が露出されたままとなるように、形成するステップと、
　前記サーマルアクチュエータおよび前記基板上に、前記平坦な表面に平行な平坦な犠牲層表面を形成するのに十分な厚みをもつ、犠牲材料からなる犠牲層を適合させるステップと、
　前記犠牲材料を、前記犠牲材料が前記移動領域および自由縁領域中に残る犠牲層パターンに除去するステップと、
　前記犠牲層上に構造材料からなる構造層を適合させるステップと、
　前記構造材料を、前記犠牲材料が前記移動領域に露出する構造層パターンに除去するステップと、
　露出した犠牲材料を前記移動領域および自由縁領域から除去して、前記サーマルアクチュエータ用の移動容積を形成するステップと、
　を含む方法。
【請求項３】
　流入口および吐出口を有する液体チャンバに収容された動作流体に抗して移動するサーマルアクチュエータを備えた液体制御装置の製造方法であって、
　平坦な表面をもち基板材料から構成される基板上に、対向する自由縁間に位置する可動領域を有するサーマルアクチュエータを、前記アクチュエータ自由縁に隣接した自由縁領域では前記基板材料が露出されたままとなるように、形成するステップと、
　前記サーマルアクチュエータおよび基板上に、前記平坦な表面に平行な平坦な犠牲層表面を形成するのに十分な厚みをもつ犠牲材料からなる犠牲層を適合させるステップと、
　前記犠牲材料を、前記犠牲材料が前記サーマルアクチュエータの移動領域および自由縁領域を含む液体チャンバ領域中に残る犠牲層パターンに除去するステップと、
　前記犠牲層上に構造材料からなる構造層を適合させるステップと、
　前記構造材料を、前記犠牲材料が液体チャンバ領域の少なくとも１つの構造開口から露出する構造層パターンに除去するステップと、
　露出した犠牲材料を前記液体チャンバ領域から除去するステップと、
　前記基板材料を、前記サーマルアクチュエータの自由縁が前記基板から解放されて前記サーマルアクチュエータが前記液体チャンバ中で移動できるようにし、かつ液体が前記基板を通過して前記サーマルアクチュエータ周囲から前記液体チャンバに進入できるように、前記可動領域および自由縁領域下から除去するステップと、
　を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、一般には超小型電気機械装置（マイクロエレクトロメカニカルデバイス）の製造方法に関し、より特定的には、液滴噴射装置、インクジェットプリントヘッド、および流体マイクロバルブ等で使用される種類の熱駆動型液体制御装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
　超小型電気機械システム（マイクロエレクトロメカニカルシステム：ＭＥＭＳ）は、比較的最近開発されたシステムである。ＭＥＭＳは、アクチュエータ、バルブ、およびポジショナ等の従来の電気機械装置の代替品として利用されている。超小型電気機械装置は、超小型電子製造技術の使用により低コスト化が可能である。またＭＥＭＳ装置の小型性のため新たな用途も発見されている。
【０００３】
　ＭＥＭＳ技術を適用可能な多くの応用では、このような装置に必要な動きを付与するために熱駆動を利用する。例えば、多数のアクチュエータ、バルブ、およびポジショナは、サーマルアクチュエータを用いて動作する。用途によっては、必要な動きはパルス化される。例えば、アクチュエータを第１の位置から第２の位置へ迅速に変位させ、その後、第１の位置へ復帰させる動作を用いて、流体中で圧力パルスを発生、または流体の流量バルブの開閉を行うことができる。ドロップオンデマンド式液滴噴射装置は、異なる圧力パルスを用いて個別量の液体をノズルから吐出させる。
【０００４】
　ドロップオンデマンド（ＤＯＤ）式液体噴射装置は、多年にわたりインクジェット印刷システム中のインク印刷装置として公知である。初期の装置は、米国特許第３，９４６，３９８号（発明者Ｋｙｓｅｒら）および第３，７４７，１２０号（発明者Ｓｔｅｍｍｅ）に開示されている等の圧電アクチュエータをベースにしたものであった。現在主流となっているインクジェット印刷形式であるサーマルインクジェットは、米国特許第４，２９６，４２１号（特開昭５５−０５７４７６、発明者原ら）に記載されているように、電気抵抗ヒータを用いて蒸気バブルを発生させる。
【０００５】
　電気抵抗ヒータ式アクチュエータは、十分発達した超小型電子技術プロセスを用いるため、圧電アクチュエータよりも製造コストの面で優れている。一方、サーマルインクジェット液滴噴射メカニズムでは、インクに気化可能な成分をもたせ、この成分の沸点より十分高い温度まで局所的にインク温度を上げなければならない。このような高温への露呈は、サーマルインクジェット装置から確実に噴射可能なインクおよびその他の液体の組成に対して厳しい制約を課す。
【０００６】
　インクジェット装置の供給業者らによって実現されてきた利用可能性、コスト、および技術性能面での改良は、液体の微量計量を必要とする他用途の装置に対する関心も創出してきた。かかる新規な応用には、米国特許第５，５９９，６９５号（発明者Pease等）に記載の微量分析化学用の特別な化学物質の分配付与、米国特許第５，９０２，６４８号（特許第３２５７３４０号、発明者Naka等）に記載の電子デバイス製造用のコーティング材料の分配付与、および米国特許第５，７７１，８８２号（発明者Paros等）に記載の医療用吸入療法用の微量滴の分配付与がある。多様な液体のマイクロメートルサイズの液滴をオンデマンドで噴射可能な装置および方法は、最高の画像印刷品質を得るのに必要であるが、同時に液体の分配付与に超微量滴の単一分散、正確な配置とタイミング、および瞬時増分が要求される新たな応用でも必要とされている。
【０００７】
　多様な液体組成に使用可能な低コストの微量滴噴射方法が必要とされている。超小型電子技術のコスト面での利点を利用して、様々な動作流体の化学物質および組成と接触して有用に機能しうるメカニカルアクチュエータを形成する製造方法が必要とされている。
【０００８】
　サーモメカニカルアクチュエータを使用するＤＯＤインクジェット装置は、特開平０２−０３０５４３号公報（１９８８年７月２１日出願、発明者北原強等）に開示されている。このアクチュエータは、インクジェットチャンバ内部で移動可能な２層の片持ち梁として構成される。この梁が抵抗器によって加熱され、各層の熱膨張の不一致によって曲げられる。梁の自由端が移動して、ノズルでインクに加圧して液滴を噴射させる。
【０００９】
　サーモメカニカルアクチュエータを使用する２番目のＤＯＤインクジェット装置の構成は、米国特許第５，６８４，５１９号（特開平０７−２８５２２１号公報、発明者的場宏次等）に開示されている。このアクチュエータは、インクチャンバ中でインク噴射ノズルの対向位置に配置された１つの電気抵抗材から構成される薄い梁として形成される。この梁に電流が流されると、圧縮熱機械力によって梁が座屈する。梁は製造時にノズル方向に傾いた形状に予め曲げられているので、熱機械力によって常にこの事前の曲げ方向に座屈する。
【００１０】
　米国特許第５，９０９，０７８号（発明者Wood等）には、熱機械式（サーモメカニカル）アクチュエータを使用するマイクロバルブが開示されている。アクチュエータは、超小型電子技術基板上で間隔を開けられた支持部間に延びるアーチ状の梁として構成される。このアーチ状の梁は、外部熱源によって、または梁内部の電気抵抗層に電流を流して内部から加熱されると、膨張する。このアーチ状の梁とバルブ板とをカプラによって機械的に連結して、流体のマイクロバルブの開閉を行う。
【００１１】
　自由端をもつ片持ち梁式部材、または移動を可能にする最低２つの対向する自由縁をもつ固定部材のいずれかを備えたサーモメカニカルアクチュエータは、所定の入力熱エネルギに対して実質的な機械的変位が得られるので、液滴噴射装置またはマイクロバルブ等の流体制御装置に有用である。しかし、可動縁をもつ構成は、露出したアクチュエータ縁部において、アクチュエータの材料と使用する動作流体中の成分または不純物との間の化学的相互作用による損傷または不具合を特に受けやすい。
【００１２】
　アクチュエータ部材を希望通りに移動させる熱膨張勾配は、温度勾配によって、温度が上昇すると膨張の仕方が異なるように材料を変化させること、すなわち層によって、または熱サイクル中のこれら両効果の組み合わせによって、形成できる。パルスによって動作するサーマルアクチュエータは、高速で循環できるように熱膨張勾配を迅速に確立かつ消散できるのが有利である。アクチュエータの各層の厚さおよび熱伝導率、ならびに不動態化熱伝導経路は、エネルギ効率のよい装置の設計および製造において非常に重要な考慮点である。
【００１３】
　低コスト、機械的性能、熱効率、および化学的に活性な動作流体中での化学的信頼性の要件に十分に適応する、液体制御装置用のサーマルアクチュエータの製造方法が必要とされている。
【００１４】
　液滴噴射装置には、可動サーマルアクチュエータがその中で液滴噴射圧を発生する液体チャンバと連通する、高精度のノズル開口が必要である。インクジェットプリントヘッド等の多くの応用では、高速印刷および高画像品質を達成するため、多数の液滴噴射装置すなわちジェットが、高空間密度のアレイ状に形成される。このようなジェットのアレイは、個々のノズルの幾何学的パラメータ、特に形状、穴の長さ、および表面の平坦性が極めて均一である場合にのみ有用である。また、使用時に液滴噴射性能を維持するには、ノズル表面領域の定期的な拭取りが必要な場合もある。液体チャンバおよびノズル壁の強度および表面形状は、信頼性の高いインクプリントヘッド−プリントヘッドのメンテナンス用サブシステムの組み合わせを設計するための重要な貢献要因である。
【００１５】
　アクチュエータが動作流体に対して自由に移動する強力なチャンバ構造を一体形成した液体制御装置の製造方法が必要とされている。さらに、熱駆動型液滴噴射装置、特にインクジェットプリントヘッドには、高精度かつ均一な液体吐出ノズルを一体形成した液体チャンバ構造の製造方法が必要とされている。
【００１６】
　近年、米国特許第６，０６７，７９７号、第６，０８７，６３８号、第６，１８０，４２７号、第６，２１７，１５３号、および第６，２２８，６６８号（発明者K.Silverbrook）（以下、「Silverbrook特許」と称する）に、サーモメカニカルＤＯＤインクジェット構成、およびその製造方法が開示されている。これら特許では、多様な超小型電子技術材料、方法、および方法シーケンスが記載されている。しかし開示されたどの製造方法も、熱効率とアクチュエータ材を化学的相互作用から保護することとを組み合わせたサーマルアクチュエータを形成する必要性には対処していない。開示された製造方法および材料では、インクジェットのインクと接触しなければならない層に対して高温堆積法の使用はできない。また、開示された製造方法では、極めて均一なノズル群を有する高密度のジェットアレイの形成に適した液体チャンバ構造は提供しない。さらに、開示された製造方法では、デブリを捕捉してしまい、かつ払拭法では維持困難な表面形状特徴をもつノズル面を有する液滴噴射装置となる。
【００１７】
【特許文献１】米国特許第６，０６７，７９７号明細書
【特許文献２】米国特許第６，０８７，６３８号明細書
【特許文献３】米国特許第６，１８０，４２７号明細書
【特許文献４】米国特許第６，２１７，１５３号明細書
【特許文献５】米国特許第６，２２８，６６８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
　低コストの超小型電子技術の製造方法および材料、高熱効率設計、湿式化学的不動態化、および高精度に形成され保守の可能なノズル群を有する機械的外乱に強い液体チャンバ構造の各特徴を組み合わせた熱駆動型液体制御装置、特に液滴噴射装置の製造方法が必要とされている。
【００１９】
　従って本発明の目的は、熱効率が高く、動作流体との化学的相互作用から保護された、液体制御装置用の自由縁をもつサーマルアクチュエータの製造方法を提供することである。
【００２０】
　本発明の他の目的は、サーマルアクチュエータと一体形成可能な移動容積、特に液体チャンバの製造方法を提供することである。
【００２１】
　本発明のさらに他の目的は、高精度に形成されたノズル開口を有し、サーマルアクチュエータと一体形成可能な、液滴噴射装置、特にインクジェットプリントヘッド用の強力な液体チャンバの製造方法を提供することである。
【００２２】
　本発明の上記およびそれ以外の多数の特徴、目的、および利点は、本明細書に記載する詳細な説明、特許請求の範囲、および図面を参照することによって、容易に明らかとなる。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
　これら特徴、目的、および利点は、平坦な表面をもち基板材料から構成される基板上に、底材料からなる底層を形成するステップと、対向する自由端間に位置する可動領域が基板上に残るように底材料を底層パターンに除去するステップとを含む、超小型電気機械装置用のサーマルアクチュエータの製造方法によって達成される。底層上にはデフレクタ材料からなるデフレクタ層が形成され、デフレクタ材料が底層材料の自由縁に重ならないようにパターニングされる。デフレクタ層および基板上には上層材料からなる上層が形成され、自由縁領域でデフレクタ層材には重なるが基板材料には完全には重ならないようにパターニングされる。上層、デフレクタ層、底層、および基板上には、平らな表面に平行な平坦な犠牲層表面を形成するのに十分な厚みをもつ犠牲材料の層が適合される。犠牲材料は、移動領域および隣接した自由縁領域中に残るようにパターニングされる。犠牲層上には構造材料からなる構造層が形成され、移動領域で犠牲材料を露出する開口をもつようにパターニングされる。可動領域下の基板は、底層の自由縁が基板から解放されるように除去され、露出した犠牲材料が移動領域および自由縁領域から除去されて、サーマルアクチュエータ用の移動容積を形成する。底層材料、デフレクタ材料、および上層材料の形成には、高温の超小型電子技術製造方法を使用できる。構造材料中の開口は、液滴噴射装置のノズルとして、またはマイクロバルブ用の流入口もしくは吐出口として機能しうる。
【００２４】
　本発明は、ＤＯＤインクジェット印刷用のプリントヘッドとして使用される液滴噴射装置の構成に特に有用である。本発明のいくつかの好適な実施形態では、サーマルアクチュエータのデフレクタ層は電気抵抗性の材料、特にアルミニウム化チタンで構成でき、底層は基板の酸化によって形成でき、犠牲材料は光イメージング不可能な（non-photoimageable）ポリイミドから構成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
　以下に、本発明の好適な実施形態を参照して本発明を詳細に説明するが、本発明の精神および範囲内で各種変更および変形が可能であることを理解されたい。
【００２６】
　以下に詳述するとおり、本発明は、液体制御装置、特に液滴噴射装置およびマイクロバルブの製造方法を提供する。かかる装置のうちもっとも一般的なものは、インクジェット印刷システム中のプリントヘッドとして使用される。インクジェットプリントヘッドと同様の装置を利用する他の多くの応用も台頭してきているが、これらはインク以外の液体を噴射するもので、微細計量と高空間精度での堆積を必要とする。本明細書では、インクジェットと液滴噴射装置という両用語は、置換可能に用いる。以下に説明する本発明は、サーマルアクチュエータおよびそこに一体形成した移動容積、例えばノズル、流体の流入口もしくは吐出口、および流体供給口として機能しうる入出開口部を有する液体チャンバ等の製造方法を提供する。
【００２７】
　まず図１には、本発明に従う方法によって製造される装置を利用可能な、インクジェット印刷システムの概略図を示す。システムは画像データ源４００を含み、画像データ源４００は信号をコントローラ３００に送信し、コントローラ３００はこの信号を液滴印刷の命令として受信する。コントローラ３００は、電気パルス源２００へ信号を出力する。これに応じて、パルス源２００は電気エネルギパルスからなる電気電圧信号を発生し、該信号はインクジェットプリントヘッド１００内部の各サーモメカニカルアクチュエータ１５に関連づけられた電気抵抗手段に印加される。電気エネルギパルスは、サーモメカニカルアクチュエータ１５（以後、「サーマルアクチュエータ」と称する）を素早く曲げ、ノズル３０に位置するインク６０を加圧してインク滴５０を噴射し、インク滴５０はレシーバ５００上に着床する。
【００２８】
　図２は、インクジェットプリントヘッド１００の一部の平面図である。熱駆動型インクジェットユニット１１０のアレイを示し、各ユニットは中心に整列したノズル３０と、２列に互い違いにインクチャンバ１１とを有する。インクジェットユニット１１０は、本明細書で説明する超小型電子技術製造方法を用いて基板１０上および基板１０中に形成される。
【００２９】
　各液滴噴射装置１１０には、電気リード接点４２，４４が関連付けられ、これら接点は、図２に仮想的に示すＵ字型の電気抵抗ヒータ２７と一緒に形成されるか、または該ヒータに電気的に接続される。本実施形態では、サーマルアクチュエータ１５のデフレクタ層中に抵抗器２７が形成され、サーモメカニカル効果に寄与する。プリントヘッド１００の要素８０は、超小型電子技術基板１０、および液体供給源と電気信号と機械的インターフェース特徴部とを相互接続する他の手段の設置表面となる設置構造である。
【００３０】
　図３（ａ）は１つの液滴噴射装置１１０の平面図であり、図３（ｂ）は、移動容積１１を囲みノズル３０を含む液体チャンバ構造２８を取外した第２の平面図である。
【００３１】
　図３（ａ）ではサーマルアクチュエータ１５を仮想的に示すが、図３（ｂ）では実線で示す。サーマルアクチュエータ１５の片持ち梁式要素２０は、基板１０中に形成される下液体チャンバ１２の縁部１４から延びる。片持ち梁式要素部分１７は基板１０に接着され、片持ち梁を固定する。
【００３２】
　アクチュエータの片持ち梁式要素２０はパドル形状をしており、軸部の平らな延長部分が軸部の幅よりも広い直径をもつ円板形状で終端している。この形状は使用可能な片持ちアクチュエータの一例にすぎず、これ以外の様々な形状が適用可能である。このパドル形状により、ノズル３０をアクチュエータの自由端の中心と整列させる。流体チャンバ１２は湾曲した壁部１６を有し、これはアクチュエータ自由端の曲率に一致し、アクチュエータの移動用に該自由端から間隔を空けてクリアランスギャップ１３を設ける。サーマルアクチュエータの対向する自由縁１９は、片持ち梁式要素２０の可動領域２１を規定する。
【００３３】
　図３（ｂ）は、電気パルス源２００を相互接続端子４２および４４で電気抵抗ヒータ２７に取付ける様子を概略的に示す。電圧端子４２および４４に電圧差を印加することにより、Ｕ字型抵抗器２７に抵抗発熱が生じる。これを一般的に電流Ｉを示す矢印で示す。図３の両平面図では、パルスが印加されると、アクチュエータの自由端が読者へ向かって（すなわち紙面から飛び出すように）移動し、液体チャンバ構造２８中のノズル３０から液滴が読者側へ噴射される。この駆動および液滴噴射の構造は、インクジェットに関する多数の開示物では「ルーフシュータ」と呼ばれる。
【００３４】
　図４は、本発明の好適な実施形態に従う片持ち梁式要素２９の側面図である。図４（ａ）では片持ち梁式要素２０は第１位置にあり、図４（ｂ）では片持ち梁式要素２０は上方向に偏向した第２位置にある。片持ち梁式要素２０は、サーマルアクチュエータのベース要素として機能する基板１０に固定される。片持ち梁式要素２０はベース要素１０の壁縁１４から延びる。
【００３５】
　片持ち梁式要素２０は複数の層から構成される。層２４は、熱によって伸張すると片持ち梁式要素の他層に対して上方向の偏向を生じるデフレクタ層である。デフレクタ材料には熱膨張係数の高いものが選択される。さらにこの構成では、デフレクタ材料は電気抵抗をもち、その一部は電気パルスを受信してサーマルアクチュエータを加熱するヒータ抵抗器へとパターニングされる。電気抵抗材料は、一般には動作流体中の成分または不純物との化学的相互作用の影響を受けやすい。
【００３６】
　上層２６は、デフレクタ材料より熱膨張係数が大幅に低い上層材料から構成され、デフレクタ層の厚さと同等またはそれ以上の厚さをもつ。図４では、加熱時に上層２６はデフレクタ層ほど膨張しないため、デフレクタ層の平易な伸張と、片持ち梁式要素２０全体がデフレクタ層２４から離れて上方向に屈曲することを抑制する。デフレクタ材料が電気抵抗をもちヒータ抵抗器とともに形成される実施形態では、上層材料は誘電材料である。上層材料はまた、動作流体に対して化学的に不活性のものが選択される。
【００３７】
　底層２２は、使用中の動作流体、例えばインクジェット印刷用のインク等に対して化学的に不活性である底材料から構成される。底材料は、デフレクタ材料の裏面を化学的相互作用から保護する。また底材料は、後ほど説明する基板材料をサーマルアクチュエータ下から除去する製造工程時に、エッチストップとして機能する。
【００３８】
　ここで「上」および「底」という用語は、その指す層の基板との位置関係に関して用いる。これら両層はまた、デフレクタ層がサーマルアクチュエータをどちらの方向に曲げるかを決定する際にも機能する。両層が均等な厚みをもつ同一材料から構成される場合は、アクチュエータはまったく曲がらない。デフレクタ層は、上層または底層どちらでも、その厚さ、熱膨張係数、およびヤング率から、抑制力のより強い層に向かって曲げられる。移動方向を偏向させるもっとも簡単な方法は、希望方向側の層を反対方向側の層より大幅に分厚くすることである。このため、本明細書で説明する本発明の方法によって製造される液体制御装置のいくつかでは上層を薄く底層を厚くし、その他の装置では逆に構成する。
【００３９】
　液滴噴射装置でアクチュエータとして使用する場合、片持ち梁式要素２０の曲げ応答は、ノズルで液体を十分に加圧できるように迅速でなければならない。一般に電気抵抗加熱装置は、継続時間が１０マイクロ秒未満、好適には２マイクロ秒未満の熱パルスおよび電気パルスを印加するようになっている。
【００４０】
　図５は、両端で固定される梁として構成した座屈部材４０を用いて設計したインクジェットプリントヘッド１００の一部の平面図である。以下に、サーマルアクチュエータの可動部分にこの構造を用いて構成した装置について、上述した片持ち梁式要素構成と同一構成要素には同じ参照番号および用語を用いて説明する。図示する熱駆動型インクジェットユニット１１０のアレイは、中央に整列したノズル群３０と上インクチャンバ群１１とを有し、一列に配置される。インクジェットユニット１００は、本明細書で説明する超小型電子技術製造方法を用いて基板１０の上および内部に形成される。
【００４１】
　各液滴噴射ユニット１１０は、関連した電気リード接点４２，４４を有し、これらリード接点はサーマルアクチュエータ１５のデフレクタ層中に形成される線形抵抗ヒータに電気的に接続される。プリントヘッド１００の要素８０は、超小型電子技術基板１０、および液体供給源と電気信号と機械的インターフェース特徴部とを相互接続する他の手段の設置表面となる設置構造である。
【００４２】
　図６（ａ）は液滴噴射ユニット１１０の１つの平面図であり、図６（ｂ）は、移動容積１１を囲いノズル３０を含む液体チャンバ構造２８を取外した第２の平面図である。図６（ａ）ではサーマルアクチュエータ１５を仮想的に示すが、図６（ｂ）では実線で示す。サーマルアクチュエータ１５の座屈部材４０は、基板１０中に形成された下液体チャンバ１２の対向縁１４から延びる。座屈部材４０の部分１７は基板１０に接着され、梁を２点で固定する。
【００４３】
　アクチュエータの座屈部材４０は、液体チャンバの下部を横切って延びる均一な幅をもつ平坦な梁形状をしている。液体チャンバは、ノズル３０近傍の中央領域１２ｃで狭窄している。この形状は使用可能な座屈部材式アクチュエータの一例にすぎず、これ以外の多くの形状も適用可能である。サーマルアクチュエータの対向する自由縁１９は、座屈部材４０の可動領域２１を規定する。
【００４４】
　図６（ｂ）は、電気パルス源２００を相互接続端子４２および４４で線形抵抗ヒータ２７に取付ける様子を概略的に示す。抵抗ヒータ２７は、単純に座屈部材内部に形成されるデフレクタ層である。電圧端子４２および４４に電圧差を印加することにより、一般的に電流Ｉで示す矢印で示す抵抗発熱を生じる。図６に示す両平面図では、アクチュエータは、パルスが印加されると読者へ向かって（すなわち紙面から飛び出すように）座屈し、液体チャンバ構造２８中のノズル３０から液滴が読者側へ噴射される。
【００４５】
　図７は、本発明の好適な実施形態に従う座屈部材サーマルアクチュエータの側面図である。図７（ａ）ではアクチュエータは第１位置にあり、図７（ｂ）ではアクチュエータは上向きに座屈した第２位置にある。座屈部材４０は、サーマルアクチュエータのベース要素として機能する基板１０に固定される。座屈部材４０は、基板ベース要素１０の壁縁１４から延びる。
【００４６】
　図５〜図７に示す装置構成では、座屈部材４０は、インクを加圧してインク滴を噴射するために上向きに偏向しなければならない。デフレクタ層２４、底層２２、および上層２６は、図４の片持ち梁式要素２０に関して説明したのと同じ特性をもつ材料から構成される。ただし梁が両端上に束縛されるこの座屈部材構成では、上層２６は薄層に形成され、底層２２はデフレクタ層２４を抑制するのに十分な厚みをもつように形成される。この場合、底層２２はデフレクタ層２４を底層の周囲で曲げて上向きに偏向させて伸張させるように働く。図１７に例示して説明する通常閉鎖型のバルブ等の応用では、下向きの座屈部材が必要である。このような応用では、底層２２が薄層に形成され、上層２６がデフレクタ層２４に匹敵する厚みをもつように形成される。
【００４７】
　図８〜図１３は、図３および図４に示すような片持ち梁式要素サーマルアクチュエータを有するインクジェット装置に適用した場合の該装置の製造方法を示す。図１４および図１５は、座屈部材式サーマルアクチュエータインクジェット構成を例として用いた場合の他の製造方法を示す。図８〜図１５全体で、本発明の液体制御装置の製造方法を示す。
【００４８】
　図８は、製造工程の最初の段階における１つの片持ち梁式要素の斜視図である。基板１０上に底材料からなる底層２２を形成する。底材料は底層パターンに型抜きされているので、この時点で基板のいくつかの部分が露出している。これら基板の露出領域は最終的には取除かれ、図３（ｂ）に示すような下液体チャンバ１２およびクリアランスギャップ１３部分となる。基板露出部の大きな矩形領域は補充領域３３であり、これは高速液滴噴射時に適切な上チャンバの補充部となるサイズをもち、タイトフィットしたクリアランスギャップ１３によって補充に障害をきたさずに液滴噴射効率を改善できる。底層２１の可動部分は対向する自由縁１９を有する。底層２２のこの自由縁１９に隣接した自由縁領域１８で、基板１０が露出している。
【００４９】
　片持ち梁要素式サーマルアクチュエータの底材料は、完成したアクチュエータの上向き偏向のインピーダンスを最小限に抑えるように薄層として堆積される。底層上に形成されるデフレクタ材料を化学的かつ電気的に保護するため、化学的に不活性なピンホールのない材料が好ましい。本発明の好適な方法は、基板材料としてシリコンウェハを使用し、湿式酸化法を用いて二酸化シリコンの薄層を形成する。または、酸化、窒化、または炭化シリコン膜の高温化学蒸着を用いて、動作流体に対して化学的に不活性な特性をもつピンホールのない誘電性の薄層を形成してもよい。
【００５０】
　シリコン基板材料は、指向性エッチングおよびリアクティブイオンエッチング等の多様なエッチング方法によって後段階で除去できる。アクチュエータは基板材料を底層下から除去することにより最終的に解放され動くので、底層は高温法で形成できる。上述したSilverbrook特許に記載されている他の方法は、高温酸化法または化学蒸着法には耐えられない光イメージング可能なポリイミドまたはアルミニウム等の犠牲層材上にサーマルアクチュエータを形成する。従って底層はピンホール問題を解決するためより分厚い層に形成しなければならず、このため完成したサーマルアクチュエータの機械効率かつ熱効率の両方が下がる。
【００５１】
　図８は底層の堆積およびパターニングの両方を示すが、底層のパターニングはもっと後段階まで遅延してもよいし、または後のパターニング工程で同時に行ってもよい。
【００５２】
　図９は、先に堆積した底層上にデフレクタ層２４を追加する様子を示す。デフレクタ材料はデフレクタ層パターンに除去されている。図示する構成では、デフレクタ層は電気抵抗性のデフレクタ材料からなり、その一部は入力リード４２および４４によってアドレス指定可能なＵ字型のヒータ抵抗器２７にパターニングされる。デフレクタ材料は底層材料に重ならないように型抜きされる。図９に示す設計では、デフレクタ材料は底層２２の縁部１９から十分下がるように型抜きされている。または、デフレクタ層と底層とを底層パターンを用いて一緒にパターニングして、両層が自由縁１９で一致するようにしてもよい。その後、抵抗器およびアドレス指定用リード等の独自の特徴部導入用にのみ、デフレクタ層をパターニングする。
【００５３】
　デフレクタ材料には、金属等の熱膨張係数の高い材料が選択される。さらに、本明細書で例示する実施例では、デフレクタ材料は電気抵抗をもち、ヒータ抵抗器の形成に使用される。デフレクタ材料に使用しうる材料としては、ニッケルクロム鋼（ＮｉＣｒ）が周知である。Silverbrook特許には、銅６０％、ニッケル合金４０％、キュプロニッケル、および窒化チタンの合金が記載されている。
【００５４】
　デフレクタ材料には、高熱膨張係数と高ヤング率とを同時にもつ材料が良好と考えられる。デフレクタ材料の熱機械効率εを特徴づける式は
【数１】
2004034710.tif 000003
である。ここでＥはヤング率、αは熱膨張係数、ｃpは材料の比熱、ρは密度である。ε値が高値の材料はε値が低い材料と比べて、所与の温度上昇に対してより大きな曲げ力を発生する。
【００５５】
　特に効率がよく好適な曲げ材料は、本願と同時係属中の米国特許出願連続番号第０９／７２６，９４５号（２０００年１１月３０日出願、発明の名称「サーマルアクチュエータ（Thermal  Actuator）」、本願と同一譲受人に譲渡）に記載のアルミニウム化チタン合金（ＴｉＡｌ）である。ＴｉＡｌは、アルゴンガス中でＲＦまたはＤＣマグネトロンスパッタリングによって形成できる。望ましいＴｉＡｌ膜は、結晶構造の大部分が無秩序な面心立方（ｆｃｃ）構造で、化学量論的にはＡｌ4-xＴｉx（ただし０．６≦ｘ≦１．４）であることがわかっている。かかる膜の熱機械効率はε〜１．１となりうる。膜の堆積中に酸素または窒素ガスを添加すると、ヤング率と熱膨張係数との積の低減、ひいては熱機械効率の低減という有害な効果があるため、避けなければならないこともわかっている。
【００５６】
　基板のバイアス電圧を０Ｖ〜１００Ｖに変化させることにより、残留応力は引張り応力から圧縮応力へと変化しうる。アルゴン堆積圧は５ミリトル（ｍＴ）の範囲が好適である。アルゴン圧が６ｍＴを下回ると圧縮応力が増大する。ＤＣマグネトロンスパッタリングでは、パルス衝撃係数（デューティーサイクル）の変化を利用して、残留応力を調整できる。最終的な応力、従ってサーマルアクチュエータの残留位置は、基板のバイアス電圧、アルゴン圧、および利用可能ならばパルス衝撃係数を適正に選択すれば調整できる。一般に、片持ち梁式要素または座屈部材には比較的平坦な残留形状が望ましい。ただし、いくつかのマイクロバルブ装置の設計では、非平坦な残留形状が要求される。デフレクタ層の堆積工程を慎重に調整することにより、サーマルアクチュエータの可動部分を希望の非平坦な残留形状にできる。
【００５７】
　アルミニウム化チタンは、超小型電子技術の装置製造においてアルミニウムのエッチングに一般に使用される標準的な塩素ベースのドライエッチングシステムでパターンエッチできる。
【００５８】
　デフレクタ材料の抵抗率が適切な範囲内ならば、デフレクタ層の一部を抵抗器としてパターニングして、熱パルスをサーマルアクチュエータに誘導するのに使用できる。または、別個の電気抵抗層を加えてもよいし、または光エネルギもしくは誘導結合電気エネルギ等の他手段によって、熱エネルギをアクチュエータに接続してもよい。本発明で好適なアルミニウム化チタン材の抵抗率は、１６０μΩ−ｃｍ程度であり、これは集積回路の駆動トランジスタによってパルスが付与されるヒータ抵抗器に対して妥当な抵抗率である。デフレクタ層の典型的な厚さｈdは０．５〜０．２μｍである。
【００５９】
　図１０は、デフレクタ層２４、底層２２、および基板１０上に上層２６を追加形成した状態の斜視図である。上層は上層パターンに型抜きされ、一般にこのパターンは、片持ち梁式要素の可動領域において上層材料がデフレクタ材料を覆う状態にする。図１０に示す上層は２つの主たる機能を行い、すなわちデフレクタ材料を動作流体との化学的相互作用から保護し、かつ片持ち梁式要素２０の偏向を該要素自体へ向かわせる働きをする。先に説明したように、本発明の他のいくつかの応用では、上層は保護機能のみを行い、代わりに底層が偏向バイアス機能を行う場合もある。
【００６０】
　ある合計の厚みについて２層サーモメカニカル梁中の偏向を最大にするには、ヤング率対層厚比を、以下の関係式をもつように選択するのが好適である。
【００６１】
【数２】
2004034710.tif 000004
ここでＥdはデフレクタのヤング率、Ｅtは上層材料のヤング率を示す。梁が発揮可能な力を増大するには、一般的には上層を式（２）によって得られる厚さより分厚く形成して梁の曲げ剛性を上げる。上層の最適な厚みは、液滴噴射時に加わる圧力によって決定される。図示する片持ち梁式要素２０を上向きに曲げるには、上層はデフレクタ層の厚みと同等またはそれより分厚く堆積される。すなわち、上層の厚みｈtは１μｍないし３μｍ程度となる。アルミニウム化チタンのヤング率は１８８ＧＰａ程度である。
【００６２】
　上層に使用する一般的な誘電材料は、二酸化シリコンまたは窒化シリコンである。その他の多数の誘電材料も使用可能である。図１０に示す上層が比較的分厚い構成では、低温ＣＶＤ法によって蒸着させた酸化物および窒化物がデフレクタ層を実質的に化学的相互作用から保護する。上層の薄さが要求される他の構成では、上層材料の堆積工程の温度と、先に堆積させたデフレクタ材料の特性に対する何らかの悪影響とのバランスを考えなければならない。ピンホールのない不動態化の実現が可能な上層材料の高温堆積法が好ましい。
【００６３】
　本発明の発明者らは、７４ＧｐａのＰＥＣＶＤによって蒸着させた酸化シリコンについてヤング率を測定した。ＰＥＣＶＤ蒸着による窒化シリコンのヤング率は１７０ＧＰａと測定された。熱二酸化シリコンからなる底層の厚さｈb＝０．２μｍ、アルミニウム化チタンからなるデフレクタ層の厚さｈd＝０．８μｍ、および酸化シリコンからなる上層の厚さｈt＝２．０μｍで、良好な片持ち梁式要素構成の液滴噴射装置を作製した。同様に、熱二酸化シリコンからなる底層の厚さｈb＝０．２μｍ、アルミニウム化チタンからなるデフレクタ層の厚さｈd＝０．８μｍ、および酸化シリコンの上層の厚さｈt＝１．２μｍで良好な片持ち梁式要素構成の液滴噴射装置を作製した。
【００６４】
　上層パターンで上層材料がデフレクタ層の自由縁を覆う状態にして、化学的かつ電気的な不動態化を行う。さらに、上層材料の自由縁は、底層の端縁１９に下から重なってもよいし、上に重なってもよいし、または一致してもよい。図１０には下から重なる状態を示す。上層材料が基板１０上で自由縁領域１８まで底層材料に重なることができても、自由縁領域１８を完全に覆うことは許されない。自由縁領域１８のうち片持ち梁式要素２０の自由縁１９に隣接する部分は残して、後続の工程ステップの自由縁領域１８下の基板の除去が、片持ち梁式要素３０の可動部分と基板との接着の解放に有効となるようにしなければならない。
【００６５】
　上層２６のパターニングによって、説明中の液滴噴射装置１１０用の片持ち梁式要素２０の作製が完了する。他の目的のために他層を追加してもよく、例えばデフレクタ材料を用いる代わりに別個の層と絶縁体で抵抗ヒータを形成してもよい。また、上層、デフレクタ層、および底層それぞれが、副層または等級の異なる材料特性をもつ層を含むようにしてもよい。このような追加の層および特徴については、本発明の製造方法の範囲内であると本発明の発明者らは認識かつ理解している。
【００６６】
　図１１は、犠牲材料からなる犠牲層２９を犠牲層パターンに型抜きした層を追加した様子を示す。犠牲層パターンで犠牲材料を液滴噴射装置の上液体チャンバ１１の内部形状にする。一般的な液体制御装置の概念では、このチャンバ空間はサーマルアクチュエータ用の移動容積として理解できる。移動容積とは、サーマルアクチュエータの可動部分が、構造上の各要素による妨害なく自由に移動できる空間を意味する。
【００６７】
　犠牲材料は一時的な形状として、その外表面形状は次に追加される構造層の内表面形状となる。また犠牲材料は、基板１０上の自由縁領域１８と良好に接触する等、片持ち梁式要素の下層構造に完全に適合できなければならない。
【００６８】
　移動容積１１の上表面３１が平滑、平坦、かつ基板表面に平行であることも非常に重要である。これは、犠牲層上に形成する構造層がノズルおよび吐出口となる開口の形成時に適当なカバーまたは屋根となるためである。もし上表面３１に瑕疵、厚みのばらつき、および非平行部分があれば、インクジェット印刷に使用される歩留まりの高い液滴噴射ノズルのアレイの形成はできない。インクジェットプリントヘッドの印刷品質は、プリントヘッド中の全ノズルから噴射される液滴の速度、容量、および発射方向の均一性によって大幅に左右される。
【００６９】
　Silverbrook特許は、上液体チャンバボリュームの形成に適した犠牲材料として、アルミニウムまたは光イメージング可能なポリイミドを用いることを記載している。しかしこのような材料は、歩留まりの高い装置の製造に必要な整合性および平面性の点で不十分である。アルミニウムは、実際の装置の下層犠牲層の表面形状を平坦化するのに十分な層厚をもつように確実に堆積することができない。
【００７０】
　本発明の発明者らは、上液体チャンバボリュームの形成に適した犠牲材料として、光イメージング可能なポリイミドの可能性をテストした。その結果、現像後かつ硬化後の光イメージング可能なポリイミドは、パターン中の特徴縁周りで深さ１μｍより大きい程度の山谷部をもつ犠牲層を形成し、これはノズルが形成される液体チャンバカバー中へ複製されることがわかった。また、現像後かつ硬化後の光イメージング可能なポリイミドのパターン側壁は垂直でなく、一般には７０度より小さい傾斜をもち、これは制御不能かつ可変である。またさらに、光イメージング可能なポリイミドは厚みが１／２に収縮するので、チャンバ高さ８〜１０μｍに対する決定された特徴部は１０μｍより大きい値に限られる。
【００７１】
　本発明の発明者らは、歩留まりが高く複数ジェットを有するインクジェットプリントヘッドに必要なパターニングした犠牲層の特徴を得るには、犠牲材料として光イメージング不可能なポリイミドが好適であると発見した。光イメージング不可能なポリイミドは、図１０の上層パターニングの端部に示すように、下層特徴部のすべてに合致する厚層に塗布できる。完全硬化後の光イメージング不可能なポリイミドは、最初の基板表面に均一に平行な平滑な表面を形成する。その後、薄い酸化シリコン層を用いてポリイミドをマスキングし、リアクティブイオンエッチングまたはプラズマエッチングによるドライエッチングでパターニングを行い、図１１に示す犠牲層２９が形成される。この方法を用いれば、良好に整列した垂直の側壁が得られる。この技術を用いた特徴部の解像度は１μｍ未満である。
【００７２】
　隣接材料に対して選択的に除去可能な材料で、自由縁領域１８まで下層形状に完全に合致し、かつパターニングおよび硬化後に平滑かつ平坦なままである材料ならば、どれも犠牲層２９形成用の材料として考えられる。
【００７３】
　図１２は、構造材料から形成される構造層２８を、犠牲層および基板上の他の露出層上に堆積した様子を示す。構造材料は構造層パターンに従って型抜きされ、図１２に示すように、壁、カバー、およびノズル３０を有する液滴噴射装置の液体チャンバ２８となる。一般的な液体制御装置の分野では、完成した構造層２８は移動容積１１を含み、この移動容積１１をまだ占拠している犠牲材料と連絡する構造上の開口３０を設ける。電気リード４２および４４は、電気パルス源を電気的に取付けるために露出している。
【００７４】
　構造材料に適した材料には、プラズマによって堆積させた酸化シリコンまたは窒化シリコンがある。構造材料は、完成した犠牲層２９のやや深い表面形状に合致しなければならない。犠牲層の基板上の高さは、電気リード４２，４４周辺領域の１μｍ程度から、移動容積３１の上表面での５μｍ〜１０μｍまでにわたる（図１１参照）。構造材料はまた、動作流体に対して化学的に不活性で、かつ液滴噴射の圧力パルスと、プリントヘッドのメンテナンス用の機械的払拭とに耐えうる機械的強度および耐久性をもたなければならない。マイクロバルブの応用では、構造材料はここでは吐出口である構造上の開口を押圧するバルブ閉鎖部材の反復動作に耐えられなければならない。
【００７５】
　インクジェットプリントヘッドでは、構造層の厚さは、多くは所望の液滴サイズによって決定されるノズル直径に対して厚すぎてはいけない。構造層が分厚すぎるとノズル穴が長くなり、流体インピーダンス効果によって液滴速度と液滴反復頻度の能力が低減する。
【００７６】
　図１３は、図１２の装置のＡ−Ａ線に沿った断面の側面図である。図１３（ａ）では、犠牲層２９はノズル開口３０部分以外は液滴噴射装置のチャンバ壁２８内部に封入されている。また図１３（ａ）に示すように、基板１０は元のままである。基板は、片持ち梁式要素の自由縁に隣接した自由縁領域１８のすぐ上のギャップ領域１３において犠牲材料で覆われている。図１３に示す構成では、片持ち梁式要素の可動部分の一番外側の縁は、図８〜図１０に示す底層２２の自由縁１９と一致する。
【００７７】
　図１３（ｂ）では、片持ち梁式要素２０下方の、片持ち梁式要素２０および自由縁領域１８の周囲および側部の液体チャンバ領域から基板１０が除去される。除去は、リアクティブイオンエッチング等の異方性エッチング法によって、または使用する基板が単結晶シリコンの場合は指向性エッチング等によって行うことができる。サーマルアクチュエータだけを構成する場合は犠牲構造と液体チャンバステップは不要であり、基板１０をエッチング除去するステップは、片持ち梁式要素２０を基板１０との接着から解放するのに用いる。
【００７８】
　基板材料の除去により、サーマルアクチュエータの可動部分の解放に加えて、液体が基板から液体制御装置に進入する経路を開く。図１３（ｂ）に示す製造段階では、下液体チャンバボリューム１２から進入する液体は、片持ち梁式要素２０の底層２２と、ギャップ領域１３中の犠牲材料と、この片持ち梁式要素をＡ―Ａ線に沿って長さ方向に切取った断面図では見えない、片持ち梁式要素にその側面が接する大きな補充領域３３（図８〜図１０参照）中の犠牲材料とに接触する。補充領域は、液滴噴射装置の液滴噴射後に、上液体チャンバ１１を迅速に補充できるサイズになっている。
【００７９】
　図１３（ｃ）では、酸素およびフッ素源を用いたドライエッチング等の貫通工程によって、犠牲層２９が除去されている。ノズル３０から、および前段階で基板１０の裏側からエッチングして新たに開けられた流体供給チャンバ領域１２から腐食ガスが進入する。このステップにより、装置の移動容積から犠牲材料を除去して片持ち梁式要素２０が自由に移動できるようにし、液滴噴射装置構造の製造を完了する。
【００８０】
　図１３に示す基板材料の除去と犠牲材料の除去の各工程ステップは、どちらを先に行ってもよい。まず基板材料を除去して個々の装置を分離させ、サーマルアクチュエータの可動部分の保護と移動容積への粒子の侵入防止のために、犠牲材料はそのままにしておくのが有利と考えられる。製造作業全体の中で後半の最終ステップまで犠牲材料が装置内部に残されれば、あまり清浄ではない環境中で、液滴噴射装置を機械的に設置し、かつ保護フィルタとともに電気および流体の相互接続を行うことができる。しかし基板がまだ完全体である間に犠牲材料を最初に除去することも可能である。この工程順では、犠牲材料のエッチングを個々の装置に対してではなくウェハレベルの装置組に対して行うため、生産性の面で有利である。
【００８１】
　図１４は、本発明を座屈部材型のサーマルアクチュエータに適用した場合の製造方法の最終段階の側面図である。これより以前の各製造方法ステップは、図８〜図１２に示す片持ち梁式要素のサーマルアクチュエータについて説明したのと同様に行われる。図１４の各側面図は、図６（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図であり、図５〜図７にも示す座屈部材４０の長さに垂直な線に沿った液滴噴射装置ノズルの断面を示す。
【００８２】
　図１４（ａ）では、犠牲層２９は、ノズル開口３０部分以外は液滴噴射装置チャンバ壁内部に封入されている。基板１０は元のままである。基板は、片持ち梁式要素の自由縁に隣接した自由縁領域１８のすぐ上のギャップ領域１３において犠牲材料で覆われている。図１４に示す構成では、座屈部材４０の可動部分の一番外側の縁は、底層２２の自由縁１９と一致する。図１４（ａ）にはまた、構造材料に収容される犠牲材料構造領域１６を示す。
【００８３】
　図１４（ｂ）では、座屈部材４０下方の、座屈部材４０および自由縁領域１８の周囲および側部の液体チャンバ領域から、基板１０が除去される。除去は、リアクティブイオンエッチング等の異方性エッチング法によって、または使用する基板が単結晶シリコンの場合は指向性エッチング等によって行うことができる。図１４（ｂ）ではまた、酸素およびフッ素源を用いたドライエッチング等の貫通工程によって、犠牲材料層２９が除去されている。ノズル３０から、および前段階で基板１０の裏側からエッチングして新たに開けられた流体供給チャンバ領域１２から、エッチャントガスが進入する。このステップにより、装置の移動容積から犠牲材料を除去して座屈部材４０が自由に移動できるようにし、液滴噴射装置構造の製造を完了する。
【００８４】
　移動容積または液体チャンバ１１側部に位置する構造領域１６中の犠牲材料は、構造材料によって封入されたままである。犠牲材料のこれら領域は、液滴噴射に用いられる圧力衝撃による損傷に対して、かつブロッタまたはワイパ等の前面メンテナンスハードウェアによる損傷に対して、装置を強化する役割をもつ。図１４に示す構造は、一般には図７に示す座屈部材駆動型の装置よりもノズル近傍において平坦である。
【００８５】
　一般にインクジェット装置のアレイには、液体は充填されていないが、リードの設置や流体進入路等に十分なスペーシングを設けるのに必要な、広い領域がある。電気リード取付け位置の近傍を除いて、この大きな空間領域には犠牲材料が充填され、構造材料で封入されて最終装置中の定位置に残される。出来上がった装置は、力学的によりロバストで、ノズル面がより効果的に清浄される。構造材料だけを装置の深い形状に充填して液体チャンバ領域の上カバー部分中にノズル穴用の適正な厚みを維持することは、期待できない。
【００８６】
　図１５は、露出した基板１０の自由縁領域１８に隣接した、サーマルアクチュエータの可動部分の自由縁における上層２６、デフレクタ層２４、および底層２２の他の構成例を示す。図１５は、構造層２８は形成されているが、基板材料も犠牲材料もどちらも除去されていない座屈部材構成の製造ステップを示す。図１５（ａ）では、上層２６はデフレクタ層２４には重なるが、底層２２には重ならない。またこの実施例では、上層は底層より薄い層として堆積される。解放かつ動作時には、座屈部材のアクチュエータはノズル３０に向かって上向きに変形する。
【００８７】
　図１５（ｂ）では、上層２６はデフレクタ層２４に重なり、底層２２の幅と一致する。この構成は、パターニングしていない底層上にデフレクタ層をパターニングした後に、座屈部材領域において上層と底層とを同時にパターニングすることによって製造できる。
【００８８】
　図１５（ｃ）では、上層２６はデフレクタ層２４および底層２２に重なる。この構成は、座屈部材領域においてデフレクタ層と底層とを同時にパターニングし、その後、上層を形成かつパターニングすることによって製造できる。この層縁構成では、サーマルアクチュエータの自由縁は上層の自由縁と一致する。また、図１５（ｃ）に示す設計では、上層材料は底層材料より分厚い層に堆積される。この構成の座屈部材は、解放かつ動作時には、吐出口３２から離れる方向に下向きに変形する。下向きに移動するアクチュエータは、以下に説明する通常閉鎖型マイクロバルブの構成に有用である。
【００８９】
　上記の説明の大半では液滴噴射装置、特にインクジェットプリントヘッドを例として用いたが、本発明の製造方法では、これ以外の多数の液体制御装置も製造できる。図１６および図１７は、本発明に従って製造可能な通常開放型および通常閉鎖型マイクロバルブを示す。
【００９０】
　図１６に通常開放型マイクロバルブ１３０を示す。座屈部材４０は、流体口３２近傍に、流体口３２を閉じるのに十分な座屈変形ができる程度に近く配置される。この構成により、流体は流入路３４を介して圧力源から自由に流れ、流体吐出口３２を出て流体の流れ５２を形成する（図１６（ａ））。デフレクタ材料中に形成したヒータ抵抗器に熱パルスがかけられると、デフレクタ層２４は分厚い底層２２に対して伸張して、変形可能な要素が流体口３２に抗して付勢し、バルブを閉鎖する（図１６（ｂ））。通常開放型マイクロバルブ１３０は、変形可能な要素に上向きの座屈状態を維持するのに十分な加熱を継続すれば、閉鎖状態に維持できる。
【００９１】
　通常閉鎖型マイクロバルブ１２０を図１７に示す。座屈部材４０は、犠牲材料が除去され基板から解放された後の座屈部材４０の残留形状が弓型となる場合に、座屈部材自体を流体口３２に抗して付勢するのに十分な残留応力をもって形成される（図１７（ａ））。残留弓型形状は、例えばアルミニウム化チタンのＲＦまたはＤＣマグネトロンスパッタリングのところで上述したようにデフレクタ材料の堆積パラメータを制御することによって得られる。図示する構成では、流体は圧力下で流体源から流入路３４を通って進入する（図１７（ａ））。デフレクタ材料中に形成したヒータ抵抗器に電気パルスが印加されると、デフレクタ層２４は分厚い上層２６に対して伸張して座屈部材を下向きに変形させ、吐出口３２を開いて流体の流れ５２を解放する。通常閉鎖型マイクロバルブ１２０は、座屈部材に下向きの座屈状態を維持するのに十分な加熱を継続すれば、開状態に維持できる。
【００９２】
　上記の説明の大半は単一の液滴噴射装置またはマイクロバルブの製造に関して行ったが、本発明は複数の液滴噴射装置ユニットおよびバルブユニットのアレイおよびアセンブリの形成にも適用できることを理解されたい。また本発明に従うサーマルアクチュエータは、他の電子部品および回路と同時に製造してもよいし、または電子部品および回路の製造前もしくは製造後に同一基板上に形成してもよい。
【００９３】
　上記の説明から、本発明はすべての目的および目標の達成のために良好に適応されていることが理解できると考える。本発明の好適な実施形態の上記の説明は例示および説明用であり、本発明を開示する形状のみに限定または制限するものではない。当業者であれば、上記の教示から各種変形および変更が可能であることがわかると考える。かかる追加実施形態は、前掲の特許請求の範囲に記載する本発明の精神および範囲内のものである。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本実施形態のインクジェットシステムの概略図である。
【図２】本実施形態の片持ち梁式サーマルアクチュエータを用いたインクジェットユニットまたは液滴噴射ユニットのアレイの平面図である。
【図３】図２に示す個々のインクジェットユニットの拡大平面図である。
【図４】本実施形態の片持ち梁要素式サーマルアクチュエータの移動を示す側面図である。
【図５】本実施形態の座屈部材式サーマルアクチュエータを用いたインクジェットユニットまたは液滴噴射装置ユニットのアレイの平面図である。
【図６】図５に示す個々のインクジェットユニットの拡大平面図である。
【図７】本実施形態のサーマルアクチュエータの座屈部材の移動を示す側面図である。
【図８】本実施形態の製造方法の底層形成ステップの斜視図である。
【図９】本実施形態の製造方法のデフレクタ層形成ステップの斜視図である。
【図１０】本実施形態の製造方法の上層形成ステップの斜視図である。
【図１１】本実施形態の製造方法の犠牲層形成ステップの斜視図である。
【図１２】本実施形態の製造方法の構造層形成ステップの斜視図である。
【図１３】本実施形態の製造方法の最終段階の側面図であり、犠牲材料を除去して移動容積および液体チャンバを形成し、可動領域および自由縁領域下の基板材料を除去してサーマルアクチュエータを解放し流体路を完成する様子を示す図である。
【図１４】本実施形態の製造方法を他のサーマルアクチュエータ構成に適用した場合の最終段階の側面図であり、犠牲材料を除去して移動容積および液体チャンバを形成し、犠牲材料を構造領域に残し、かつ可動領域および自由縁領域下の基板材料を除去してサーマルアクチュエータを解放し流体路を完成する様子を示す図である。
【図１５】本発明の他の実施形態に従って自由縁領域中に上層、デフレクタ層、および底層を重ねる他の複数の方法を示す側面図である。
【図１６】本発明の他の実施形態に従う通常開放型マイクロバルブの構成を示す側面図である。
【図１７】本発明の他の実施形態に従う通常閉鎖型のマイクロバルブの構成を示す側面図である。
【符号の説明】
【００９５】
　１０　基板、１１　上液体チャンバ（移動容積）、１２　下液体チャンバ、１５　サーマルアクチュエータ、１６　犠牲材料、２２　底層、２４　デフレクタ層、２６　上層、２９　犠牲層、３０　ノズル、４０　座屈部材、５０　液滴。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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