(57)【要約】  液滴排出装置は、基板(1)、及び液体を受け入れる液体チャンバ(36)を有する。前記液体チャンバは、前記基板の上に位置し、かつノズルプレート、チャンバ壁、及びライナ層(39)を有する。前記ノズルプレート及び前記チャンバ壁は有機材料(44)を有する。前記ライナ層は無機材料を有する。前記ライナ層は、前記ノズルプレート及び前記チャンバ壁上に設けられている。そのため、前記液体が前記チャンバ内に存在するときには、前記無機材料は前記液体と接することができる。
2010512261.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板及び液体を受ける液体チャンバを有する液滴排出装置であって、
前記液体チャンバは、前記基板の上に位置し、かつノズルプレート、チャンバ壁、及びライナ層を有し、
前記ノズルプレート及び前記チャンバ壁は有機材料を有し、
前記ライナ層は無機材料を有し、
前記ライナ層は前記ノズルプレート及び前記チャンバ壁上に設けられ、そのため、前記液体が前記チャンバ内に存在するときには、前記無機材料は前記液体と接することができる、
液滴排出装置。
【請求項２】
前記ノズルプレートはノズル穴を有し、かつ
該ノズル穴は内部にライナ層を有していない、
請求項1に記載の液滴排出装置。
【請求項３】
前記ライナ層の無機材料が厚さを有し、
前記有機材料が厚さを有し、かつ
前記無機材料の厚さは前記有機材料の厚さ未満である、
請求項1に記載の液滴排出装置。
【請求項４】
前記無機材料の厚さが0.2μmから7μmである、請求項3に記載の液滴排出装置。
【請求項５】
前記基板上であって前記基板とノズルプレートの間に設けられた無機材料をさらに有する液滴排出装置であって、
前記無機材料層は前記液体が前記チャンバ内に存在するときには前記液体と接することが可能で、かつ
前記無機材料層は前記ライナ層の無機材料の一部と接する、
請求項1に記載の液滴排出装置。
【請求項６】
前記チャンバ壁の有機材料が、前記ライナ層の無機材料と、前記液体が前記チャンバ内に存在するときにも前記液体と接することのできない無機材料の領域との間に位置している、請求項1に記載の液滴排出装置。
【請求項７】
有機材料の領域をさらに有する液滴排出装置であって、
前記液体が前記チャンバ内に存在するときにも前記液体と接することができない前記無機材料層は、前記有機材料の領域と前記チャンバ壁の有機材料との間に存在するように、前記有機材料の領域は前記無機材料層に対して位置設定される、
請求項6に記載の液滴排出装置。
【請求項８】
前記液体が前記チャンバ内に存在するときにも前記液体と接することができない前記無機材料層対して位置設定される前記有機材料の領域は、ポリイミドである、請求項7に記載の液滴排出装置。
【請求項９】
前記ノズルプレートが外側表面を有し、かつ
前記ノズルプレートの外側表面はフッ素を含む、
請求項1に記載の液滴排出装置。
【請求項１０】
インク供給ポートをさらに有する液滴排出装置であって、
前記ノズルプレートは前記液体チャンバ全体にわたって第1厚さを有し、
前記ノズルプレートは前記インク供給ポート全体にわたって第2厚さを有し、かつ
前記第1厚さは前記第2厚さよりも厚い、
請求項1に記載の液滴排出装置。
【請求項１１】
第2液体チャンバをさらに有する液滴排出装置であって、
前記液体チャンバが第1高さを有する第1液体チャンバで、
前記第2液体チャンバが第2高さを有し、かつ
前記第1高さが前記第2高さよりも高い、
請求項1に記載の液滴排出装置。
【請求項１２】
第2液体チャンバをさらに有する液滴排出装置であって、
前記液体チャンバが第1液体チャンバで、
前記ノズルプレートが前記第1液体チャンバ全体にわたって第1厚さを有し、
前記ノズルプレートが前記第2液体チャンバ全体にわたって第2厚さを有し、かつ
前記第2厚さが前記第1厚さよりも厚い、
請求項1に記載の液滴排出装置。
【請求項１３】
液滴排出装置の作製方法であって、
当該方法は、基板を供する工程、並びに、ノズルプレート、チャンバ壁、及びライナ層を有する液体チャンバを前記基板の上に形成する工程を有し、
前記液体チャンバを前記基板の上に形成する工程は：
前記基板の上に第1有機材料を供する工程；
該第1有機材料をパターニングして前記チャンバ壁の位置を生成する工程；
前記のパターニングされた第1有機材料の上に無機材料層を堆積することによって前記ライナ層を形成する工程；
前記ライナ層の無機材料が前記ノズルプレートと前記チャンバ壁上に設けられ、かつ前記チャンバ内に液体が存在するときには該液体と接することが可能となるように、前記無機材料の上に第2有機材料を堆積することによって、前記ノズルプレートと前記チャンバ壁を形成する工程；並びに、
前記のパターニングされた第1有機材料の一部を除去する工程；
によって行われる、
方法。
【請求項１４】
前記ライナ層を形成する工程が、前記無機材料が第2領域から間隔を空けて存在する第1領域を有するように、前記のパターニングされた第1有機材料全体にわたって前記無機材料を堆積する工程を有し、かつ
前記チャンバ壁を形成する工程が、前記無機材料層の第1領域と第2領域との間に前記第2有機材料を堆積する工程を有する、
請求項13に記載の方法。
【請求項１５】
前記第1有機材料と前記第2有機材料とは異なる有機材料である、請求項13に記載の方法。
【請求項１６】
前記基板を供する工程が、前記液体チャンバを形成する工程の前に、薄膜堆積手法を用いることによって液滴排出装置を形成する工程を有する、請求項13に記載の方法。
【請求項１７】
前記ノズルプレートが外側表面を有する方法であって、前記ノズルプレートの外側表面をフッ化する工程をさらに有する、請求項13に記載の方法。
【請求項１８】
前記第1有機材料の一部を除去する工程、及び前記ライナ層の対応する一部を除去する工程、によって前記ノズルプレート内にノズル穴を形成する工程をさらに有する、請求項13に記載の方法。
【請求項１９】
前記ライナ層の対応する一部を除去する工程が、フッ素ベースのプラズマエッチング処理を用いる工程を有する、請求項18に記載の方法。
【請求項２０】
前記ノズルプレートが外側表面を有し、
前記フッ素ベースのプラズマエッチング処理が、前記ノズルプレートの外側表面をフッ化する一方で、前記ライナ層の対応する一部を除去する、
請求項19に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概してモノリシック構造となるように形成された液体チャンバに関し、より詳細にはインクジェット装置及び他の液滴排出装置に用いられる液体チャンバに関する。
【背景技術】
【０００２】
ドロップ・オン・デマンド(DOD)液滴放出装置は、インクジェットプリントシステムのインクプリント装置として長年にわたって知られてきた。初期の装置は、特許文献1及び2に開示されているような圧電アクチュエータに基づいていた。最近流行のインクジェットプリント-熱インクジェット（又は“バブル”ジェット）-の形態は、特許文献3で論じられているような、液滴の放出を起こす蒸気泡を発生させる電気抵抗ヒータを用いている。液滴放出装置の市場のほとんどがインクプリント向けであるとはいえ、ポリマー若しくは導電性インクの放出、又はドラッグデリバリーといった他の市場も成長している。
【０００３】
これまで、プリントヘッドの製造は、プリントヘッドへのノズルプレートの積層工程を含んでいた。この方法では、ヒータに対するノズルの位置合わせが難しい。またノズルプレートの厚さはある厚さより厚い値に制限される。近年モノリシックプリントヘッドが、フォトイメージング手法を用いるプリントヘッド製造プロセスによって開発された。その製品は、様々な材料層を選択的に追加又は削除することによって、基板上に構築される。
【０００４】
大熊他は特許文献4において、インク流路とノズルプレートを有するチャンバをモノリシック構造となるように製造する方法について開示している。図1は、電熱素子2及びインク供給ポート3を有する基板1を備えた従来技術を図示している。感光性樹脂5が、チャンバ4を含むインク流路を画定する可溶性樹脂の上部に形成される。その後その可溶性樹脂は、インク流路及びチャンバを形成するように除去される。
【０００５】
インク流路及びチャンバを形成するこの方法では、電熱素子2及びインク流路形成部材を有する基板1の接合は、流路形成部材を構成する樹脂5の接合力に依存する。インクジェットプリントヘッドでは、流路及びチャンバは、通常の使用状態では常にインクで満たされている。そのため基板と流路形成部材との間の接合部の周辺は常にインクと接している。従って接合が樹脂材料の接合力だけによって実現されていることで、流路形成部材が構成されている場合には、この接合はインクの影響によって劣化してしまう恐れがある。その接合はアルカリインクにおいて特に不十分である。
【０００６】
それに加えて、大抵のインクジェットヘッドでは、樹脂材料は、様々な領域で無機層-たとえばシリコン窒化物又はシリコン酸化物-と接合する。他の領域では、樹脂は、キャビテーション保護に用いられるタンタル層に接合する。係るタンタル層は、流路形成部材を構成する樹脂材料に対するシリコン窒化物層よりも小さな接合力を有する。従ってタンタル層は樹脂から引きはがされてしまう恐れがある。これを防ぐため、特許文献5は、基板と流路形成部材との間にポリエーテルアミドからなる接合層を形成することについて開示している。この場合、シリコン窒化物又はタンタル層と、接合する流路形成部材である樹脂との間での接合の改善を維持することができる。しかしこの接合層は、電熱素子と接する部分が存在しないように適切にパターニングされることが重要である。この層のパターニングには製造中に新たな工程が含まれる。それによりコストが増大して歩留まりが低下する。また流路形成部材を構成する樹脂が依然としてインクと接しているので、その樹脂は膨張して、樹脂と接合層との間で応力が進展し、流路形成部材が再び引きはがされる。
【０００７】
また特許文献6は、犠牲層レジスト層全面にわたる設けられる感光性エポキシを用いることによって、又は感光性エポキシの2重露光によって、モノリシック構造となるようにインク流路及びノズルプレートを有するチャンバを製造する方法についても開示している。その特許発明はエポキシノズルプレートと基板との間の連続した接合の問題について論じている。エポキシの熱膨張係数は基板の熱膨張係数よりもはるかに大きいので、ヒータの加熱中、熱応力が進展して、ノズルプレートが引きはがされる。その特許発明はノズルプレートと基板との間のプライマー層の使用を提案している。しかしエポキシ界面は依然としてヒータに近接している。
【０００８】
樹脂材料から形成されるノズルプレートは気体を浸透させる。従ってノズルプレートの下に位置するチャンバ内のインクの蒸発が増大する。その結果、チャンバ内のインクの特性-たとえば粘性-が変化することで、排出特性が劣化する恐れがある。また外部からチャンバへ入り込む空気が気泡を生成することで、再度排出特性を劣化させる恐れがある。特許文献7はノズルプレート樹脂の上部に金属層を追加することで空気の摂取を防ぐことについて開示している。しかし樹脂と金属層との間が良好に接合されていることに注意を払わなければならない。また金属は、腐食をしないようにインクとの相性が良くなければならない。高温で堆積される材料は、樹脂材料の熱的制約のため用いることができない。
【０００９】
エポキシで形成されたチャンバ内部についての別な問題は、チャンバ壁に対してインクが濡れることである。インクはチャンバ壁に対して濡れることが重要である。さもなければヘッドのプリントは難しくなる。また液滴が排出された後、チャンバは、インクを消耗し、かつ他の液滴が放出可能となる前に完全に再充填しなければならない。濡れない壁は再充填プロセスを妨げてしまう。エポキシ壁の接触角は、たとえば酸素プラズマへの曝露によって低下させることができる。しかし表面は長時間経過することで濡れない状態に戻る。また酸素プラズマはエポキシ表面を粗くして、再び再充填を妨げてしまう。
【００１０】
従ってインクが濡れる内側チャンバ-たとえばシリコン酸化物又はシリコン窒化物-を選ぶことが有利である。そのような層は、プリントヘッドに用いられる基板層に対して優れた接合特性を有する。これらの層は高温で堆積され、かつインクと接した状態で使用する上で優れた他の特性を有する。そのような特性とはたとえば、材料の頑丈さ、低熱膨張、低吸水性及び透水性である。
【００１１】
特許文献8は、5-20μmの厚い酸化層を堆積し、パターニング及びエッチングによってチャンバを形成し、犠牲層を充填及び平坦化し、ノズルプレートを堆積し、かつ犠牲層を除去することによって形成される全無機チャンバについて開示している。そのような厚い酸化層を長い堆積時間及びエッチング時間で処理することは難しい。そのような厚い層にはまた応力の発生によって亀裂が生じやすい。
【００１２】
同一出願人による特許文献9では、熱アクチュエータ液滴排出装置用のチャンバ形成方法が開示されている。非感光性ポリイミドが犠牲層としてパターニングされることで、高温の無機構造層-たとえばシリコン酸化物又はシリコン窒化物-を堆積してチャンバ壁及びノズルプレートを形成することが可能となる。この場合、チャンバ壁とノズルプレートの両方を画定するのに、1層の無機層だけを堆積すれば良い。たとえこの方法がポリマーノズルプレートの欠点を解決するとしても、シリコン酸化物層は脆性材料であるため、この方法で作られたチャンバを有するプリントヘッドはより壊れやすくなる恐れがある。また無機のノズルプレートが厚くなればなるほど製造が困難になる。無機の材料プレートに係る他の特徴は、レトログレードプロファイル（retrograde  profile）を有するノズルを形成することが困難なことである。レトログレードプロファイルを有するノズルは、液滴排出の安定性及び再充填にとって有利である。
【００１３】
従って基板に対する良好な接合、インクに対する良好な安定性及び濡れ特性を有する内側チャンバ材料、調節可能なノズルプレート厚さ、レトログレードプロファイルを有するノズル、並びにインクに対して濡れない上側表面が必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許第3946398号明細書
【特許文献２】米国特許第3747120号明細書
【特許文献３】米国特許第4296421号明細書
【特許文献４】米国特許第5478606号明細書
【特許文献５】米国特許第6676241号明細書
【特許文献６】米国特許第6739519号明細書
【特許文献７】米国特許第6186616号明細書
【特許文献８】米国特許第6482574号明細書
【特許文献９】米国特許第6644786号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の目的は、基板に接合した機械的に頑丈な液体チャンバを有する液体排出装置を供することである。
【００１６】
また本発明の目的は、液体チャンバの寿命を延ばすため、そのチャンバに供される液体に対して安定であって、かつ液体が濡れる内側チャンバ壁を、液滴排出装置の液体チャンバに供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の一の態様によると、液滴排出装置は、基板、及び液体を受ける液体チャンバを有する。前記液体チャンバは、前記基板の上に位置し、かつノズルプレート、チャンバ壁、及びライナ層を有する。前記ノズルプレート及び前記チャンバ壁は有機材料を有する。前記ライナ層は無機材料を有する。前記ライナ層は、前記ノズルプレート及び前記チャンバ壁上に設けられている。そのため、前記液体が前記チャンバ内に存在するときには、前記無機材料は前記液体と接することができる。
【００１８】
本発明の他の態様によると、液滴排出装置の作製方法は、基板を供する工程、並びに、ノズルプレート、チャンバ壁、及びライナ層を有する液体チャンバを前記基板の上に形成する工程を有する。前記液体チャンバを前記基板の上に形成する工程は、前記基板の上に第1有機材料を供する工程、該第1有機材料をパターニングして前記チャンバ壁の位置を生成する工程、前記のパターニングされた第1有機材料の上に無機材料層を堆積することによって前記ライナ層を形成する工程、前記ライナ層の無機材料が前記ノズルプレートと前記チャンバ壁上に設けられ、かつ前記チャンバ内に液体が存在するときには該液体と接することが可能となるように、前記無機材料の上に第2有機材料を堆積することによって、前記ノズルプレートと前記チャンバ壁を形成する工程、並びに、前記のパターニングされた第1有機材料の一部を除去する工程、によって行われる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来技術によるインクジェットプリントヘッドの概略的断面図である。
【図２】本発明によるインクジェットシステムの概略図である。
【図３Ａ】図2に図示されたインクジェットプリントヘッドのノズル近くでの上面を図示している。
【図３Ｂ】図3Aの線A-Aに沿ってとられた本発明によるインクジェットプリントヘッドの断面を図示している。
【図４】本発明による内側ライナ層及び対応するインクチャンバの実施例の斜視断面図である。
【図５】A-Iは本発明のプロセスに係る実施例の断面図である。
【図６】本発明の濡れないノズルプレート表面の生成プロセスに係る実施例の断面図である。
【図７】本発明によるポリイミド保護層へのエッチングによって形成されたクランプ構造を有するインクジェットプリントヘッドの斜視図である。
【図８】A-Gは本発明のプロセスに係る第2実施例の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以降で与えられる本発明の実施例の詳細な説明では、添付の図面が参照される。
【００２１】
本説明は特に、本発明による装置の一部を構成する素子（部材）、又はより直接的に協働する素子（部材）に関する。特に図示されていない又は記載されていない素子（部材）は、当業者にとって周知である様々な形態をとって良いことに留意して欲しい。
【００２２】
後述するように、本発明は、液体排出装置用のノズルプレート及びチャンバを形成する方法を供する。係る装置のうちで最もよく知られたものはインクジェットプリントシステムのプリントヘッドとして用いられている。インクジェットプリントヘッドと同様の装置を用いるが、より微量の測定及び高空間解像度での堆積が必要な、インク以外の液体を放出する他の多くの用途も成長している。インクジェット排出装置と液滴排出装置は本明細書においては同義に用いられている。後述する本発明はまた、液滴排出装置用の改善されたチャンバ及びノズルプレートをも供する。
【００２３】
図2は、本発明によって作製された液滴排出装置を組み込むインクジェットプリントシステム10の概略図である。当該システムは、液滴をプリントする命令として制御装置14によって受信される信号を供する画像データ源12を有する。制御装置14は電気パルス源16へ信号を出力する。電気パルス源16は電圧信号を発生させ、その電圧信号は電気エネルギーパルスからなり、その電気エネルギーパルスはインクジェットプリントヘッド20内部の電熱ヒータ2に印加される。そのパルス源16は前記プリントヘッドから隔離されて良い。好適実施例では、パルス源16は前記プリントヘッドに集積される。前記プリントヘッド20はノズル18のアレイ及び関連する電熱素子2を有する。インク貯蔵室48はインクを前記プリントヘッドへ供給する。電気エネルギーパルスは、電熱ヒータに関連するノズル18を介した液体の排出を起こし、記録媒体100上に到達するインク液滴50を放出する。
【００２４】
図3Aは、図2に図示されたインクジェットプリントヘッドのノズル近くでの上面を図示している。一の実施例では、ノズル18は2列に配置されている。各列のノズルは、前記ヘッドがnpiの解像度となるようにオフセットされる。他の実施例では、各列のノズルアレイは交互に配置されても良いし、あるいは2次元アレイを構成するようにパターンを形成しても良い。
【００２５】
図3Bは、図3Aに図示された実施例について線A-Aに沿ってとられた断面を図示している。その断面は、両列のノズル領域を示すようにされている。この実施例では、薄膜積層体22は、基板の前面つまり第1面上に形成すなわち堆積される。一の実施例では、その基板1はシリコンである。他の実施例では、基板1は、多結晶シリコン、シリカ、ステンレス鋼、又はポリイミドのうちの1つである。
【００２６】
熱バリア層24は様々な材料-たとえば堆積された二酸化シリコン、フィールド酸化膜、ガラス(BPSG)、及び酸窒化物-で構成されて良い。この層は、電熱ヒータ2と基板1との間に断熱及び絶縁を供する。熱バリア層24上には、電気抵抗ヒータ26が存在する。この実施例では、この電気抵抗ヒータ層は、タンタル-シリコン-窒化物の3元材料で構成される。
【００２７】
電気伝導層28が電気抵抗ヒータ層26の上部に堆積される。電気伝導層28は、MOSの製造において一般的に用いられる金属-たとえばアルミニウム、又は銅及び/若しくはシリコンを含むアルミニウム合金-で構成される。電気伝導層28は伝導性トラックを形成するようにパターニング及びエッチングされる。その伝導性トラックは、インクジェットプリントヘッド20上に製造される制御回路と接続し、かつ電熱ヒータ2をも画定する。
【００２８】
図3Bに図示されているように、絶縁性保護層30が続いて堆積される。この絶縁性保護層30は、シリコン窒化物、シリコン酸化物、及びシリコンカーバイド、又はこれらの材料の混合物から形成されて良い。絶縁性保護層30の上部には保護層32が堆積される。保護層32はタンタル、タンタル-シリコン-窒化物、又は両材料の混合物から形成される。この層は、インクから電熱素子を保護し、かつノズルエッチング中下地層を保護する役割を果たす。
【００２９】
図3Bはまた、基板1、熱バリア層24、絶縁性保護層30、及び保護層32を貫通するようにエッチングして作られたインク供給ポート3をも図示している。この実施例ではインク供給ポート3は全てのノズルを供給する長いスロットである。他の実施例では、インク供給ポート3は開口部のアレイであって良い。インク供給ポート3はドライエッチング及び/又はウエットエッチングを用いて形成される。
【００３０】
インクチャンバ36の内壁を形成する内側無機層34も図3Bに図示されている。実施例によっては、インク以外の液体が用いられて良い。一の実施例では、この内側無機層34はたとえば、シリコン窒化物、シリコン酸化物、アモルファスシリコン、又はシリコンカーバイドのような無機材料である。タンタルのような金属を含む他の材料が用いられても良い。内側無機層34はインクと直接的に接するので、インクに対して有利な特性を有するように選ばれる。内側無機層34はまた保護層32及び絶縁性保護層30（図示されていない）とも接する。内側無機層34用に選ばれる無機材料は、プラズマ化学気相成長法を用いて高温で堆積されて良い。またその無機材料はこれら2つの層の材料に対して優れた接合を有する。チャンバ壁38は、無機層34が堆積されるときには、無機材料で形成される2つの領域を有する。第1領域は、液体がチャンバ36内に存在するときには、その液体と接触可能である。無機材料の第2領域39は、液体と接触可能な無機材料からギャップによって隔離されている。それによりこの第2領域39は、液体がチャンバ36内に存在するときには、その液体と接触できない。
【００３１】
そのデバイス領域の残りの領域の上に位置するチャンバ外部には、厚いポリイミド保護層40及び上部ライナ層42が存在する。上部ライナ層42は内側無機層34と同時に堆積される。保護層40と上部ライナ層42とを組み合わせることで、インクジェットプリントヘッドは、周囲の効果及びインクのとの接触による劣化から保護される。
【００３２】
ノズルプレートである有機層44は、内側無機層34及び上部ライナ層42の上に堆積される。ノズルプレートである有機層44は、インクジェットプリントヘッドの表面を平坦化し、かつ内側無機層34及び無機材料からなる第2領域39によって画定されるチャンバ側壁38を完成させる。一の実施例では、ノズルプレートである有機層44は、たとえばマイクロケム(Microchem)が製造するSU-8のような感光性エポキシである。他の実施例では、この材料は、ポリイミド若しくはBCB、若しくは他の感光性ポリマー、又は感光性シリコーン誘電体である。インクが対応する電熱素子2によって加熱される実施例では、内側無機層34と一つになったノズルプレートである有機層44は、インクチャンバ36を画定し、かつインクが排出されることでインク液滴50を生成するノズル18を画定する。
【００３３】
図4は本発明による内側ライナ層及び対応するインクチャンバの実施例の斜視断面図である。内側無機層34及びノズルプレートである有機層44はチャンバ壁を画定する。この実施例におけるインク供給ポート3はノズル18からなる2つの列の間に位置する長いスロットである。図4に図示されているように、この実施例では、内側無機層34及びノズルプレートである有機層44によって形成されるフィルタピラー46も存在する。この実施例では、フィルタピラー46は、保護層及び絶縁性保護層を介して基板へ向かって延びて、かつその基板に取り付けられている。他の実施例では、フィルタピラー46は上部チャンバ壁からぶら下がっていて良い。
【００３４】
図5A-5Iは、チャンバがノズルプレートを備え、かつ内側ライナ層を有するインクジェットプリントヘッド20の作製方法を図示している。図5Aは、チャンバ形成前の基板を図示している。ここではドライバ及び制御回路（図示されていない）が基板上に形成される。また前述した電熱ヒータ2を有する薄膜積層体22も図示されている。インク供給ポート3用のスロットが、薄膜積層体22を貫通して基板1に到達するまで開いている。
【００３５】
図5Bは本発明の一の実施例を図示している。ここでは非感光性ポリイミド48がコーティングすなわち塗布されている。その選ばれたポリイミドは、低熱膨張係数を有し、良好に平坦化され、かつたとえば光活性成分のようなものが加えられていない。そのようなポリイミドの1つはHDマイクロシステムズ（HD  Microsystems）から販売されているPI2611である。ポリイミド48はチャンバの高さを画定する。イミド化ベーキング後のポリイミド48の厚さは8-16μmの範囲である。好適実施例では、その高さは13-14μmである。イミド化ベーキングは、300-400℃で1時間行われる。この実施例では、任意の後続プロセス温度以上の温度が選ばれる。
【００３６】
図5Cはポリイミド48上に堆積されたパターニングされたハードマスク52を図示している。ハードマスク52は、PECVDによって堆積されたシリコン窒化物若しくはシリコン酸化物、又はスパッタリングによって堆積されたアルミニウムである。そのハードマスクは、レジストと、たとえば窒化物用のフッ素ベースプラズマエッチングを用いたドライエッチングによってパターニングされる。図5Dに図示されているように、ハードマスク52のパターンは、低圧高密度プラズマ-たとえば主成分ガスとしての酸素による誘導結合プラズマ-を用いることによって、ポリイミド48へ転写される。その転写されたパターンは、チャンバ壁38、ピラー46、及び接合構造60（図示されていない）を形成する。結合パッド領域62（図示されていない）を覆うポリイミド層48も除去される。この低圧誘導結合プラズマエッチングは、アンダーカットを最小限に抑制した非常に垂直なエッチングプロファイルを生成する。そのため厳密なチャンバの幾何学形状を作製することが可能である。続いてハードマスク52はドライ又はウエットエッチングを用いて除去される。ポリイミド層は2つの領域に分割される。1つは基板上の回路を保護するポリイミド保護層40で、もう1つはインクチャンバ36を画定する犠牲ポリイミド層54である。
【００３７】
図5Eは、本発明の、内側無機層34、無機材料からなる第2領域39、及び上部ライナ層42が堆積されている状態を図示している。好適実施例では、内側ライナ層は、プラズマ化学気相成長法(PECVD)を用いて350-400℃で堆積されるシリコン窒化物又はシリコン酸化物である。犠牲ポリイミド層54を用いることによって、レジストが犠牲層として用いられている従来技術では不可能だった高温成長が可能となる。この結果、堆積される材料はより高密度、高品質で、かつよりインクに対する耐性が強くなり、かつ良好な接合が実現する。内側ライナ層としてシリコン窒化物又はシリコン酸化物を選ぶことで、表面エネルギーの低い従来技術のエポキシチャンバよりもインク充填が良好となり、かつ気泡が発生しにくくなる。内側ライナ層の厚さは0.2μm-7μmで、より好適には1-2μmである。典型的にはこの堆積手法は、本実施例におけるチャンバ壁38については50-60%の側壁被覆率を与える。チャンバ壁38の幅は、内側ライナ層を堆積したときに、チャンバ壁内で内側無機層34と無機材料の第2領域39の間にギャップが残るように選ばれる。
【００３８】
図5Fは、感光性エポキシをコーティングすなわち塗布し、ノズルプレートである有機層44の表面を平坦化し、かつチャンバ壁38とフィルタピラー46を完成させた状態を図示している。感光性エポキシである有機層のコーティング厚さは、無機のライナ層の厚さよりも厚くなるように選ばれる。有機材料層44は少なくとも一部は、無機材料層34の第1領域と無機材料層34の第2領域39との間に位置している。感光性エポキシはノズル18を形成するように露光される。そのノズル18は、垂直プロファイル又はレトログレードプロファイルを示し、かつ結合パッド領域62（図示されていない）にまで開通している。ノズルプレート層の厚さは3.0μm-20μmで、より好適には10μm-12μmである。
【００３９】
続いて基板1は任意で300-400μmの厚さにまで薄くされ、かつレジストによって背面がパターニングされる。図5Gでは、そのパターンは、ボッシュプロセス-これは当業者にとっては周知である-による深掘り反応性イオンエッチングを用いることによって、シリコン基板を貫通するようにエッチングされることで、その基板内にインク供給ポート3が形成される。
【００４０】
図5Hでは、犠牲ポリイミド領域が、供給ポート領域3を通り抜ける酸素プラズマを用いることによって、基板背面を介して除去される。このとき前面とノズルプレートである有機層44は保護されている。内側無機層34は、酸素プラズマによる侵襲からノズルプレートである有機層44を保護する。犠牲ポリイミド層が除去される結果、インクチャンバ36が形成されて、かつインク供給ポート3の上部が開く。
【００４１】
当該プロセスのこの段階では、内側無機層34がノズル18を塞いでいる。図5Iでは、内側無機層34はノズル領域からエッチングによって除去される。一の実施例では、内側ライナ層はシリコン窒化物である。その場合、高圧のフッ素ベースのプラズマが用いられる。エッチングは、エッチングマスクとして機能するノズルプレートである有機層44によってはマスクされない。その理由はノズルプレートである有機層44は窒化物のエッチングに対して選択的にエッチングされるからである。保護層32はまたプラズマエッチングに対しても選択的であり、かつヒーター領域を侵襲から保護する。代替実施例では、内側ライナ層はシリコン酸化物である。この場合、ノズル領域から酸化物を除去するのにHF蒸気エッチングが用いられて良い。
【００４２】
当該デバイスの動作は以下の通りである。電気パルスが電熱ヒーター2に印加される。その電気パルスは、チャンバ内で成長する気泡の核形成を起こし、インクチャンバ36からノズル18を介して液滴の状態でインクを排出し、かつインク供給ポートへ向けてインクを押し出してインクのインクチャンバのほとんどを空にする。当該デバイスの排出頻度は、インクチャンバ36を再充填するのに要する時間によって制限される。疎水性チャンバ壁は再充填時間を増大させることで、次の排出パルス前にチャンバを完全に充填できなくなる。この結果、液滴は小さくて誤った方向に導かれてしまい、最悪の場合には液滴が発生しなくなる。疎水性チャンバはまた、再充填中に気泡を捕獲しようとする傾向を有する。繰り返すがインク供給ポートのチャンバ内に捕獲された気泡は液滴排出特性を劣化させる。従来技術において用いられている有機材料は、本発明の無機ライナ層よりも疎水性が強い。本発明は、水ベースのインクに対してより大きな表面エネルギーを有する無機材料を用いることによって、チャンバの疎水性がより強くなるように調節する自由度を与える。
【００４３】
我々は、高温でプラズマ堆積されたシリコン窒化物及びシリコン酸化物が形成するチャンバ壁38が、エポキシベースの材料よりも、基板上の保護層に対して良好な接合特性を有することを発見した。よって当該デバイスは、長期的な剥離に対する耐性につては、より頑丈である。
【００４４】
有機ベースのノズルプレートをさらに用いることで、プリントヘッドを、機械的に頑丈で、かつ製造を容易にすることが可能となる。よってエポキシベースのノズルプレートの利点が得られ、かつ欠点は緩和又は解消さえされる。
【００４５】
予想される用途に依存して、ノズルプレート表面66をインクに対して濡れないようにすることは有利になることがある。濡れないノズルプレート表面は排出される液滴の方向の安定性を改善し、かつ残ったインク表面の氾濫を減らす。エポキシベースのノズルプレートの利点は、その材料がある程度濡れないことである。ノズルプレート表面、フッ素及び/又はフルオロカーボンベースのプラズマに曝露することによって濡れなくなる。これは、図5Iのノズルを開ける工程中に実現されて良い。
【００４６】
あるいはその代わりに別個の工程が用いられても良い。図6では、フッ素化した表面が形成される。一の実施例では、低圧の高指向性プラズマは、上部表面でしかフッ素化が起こらないことを保証するのに用いられる。
【００４７】
一例として、水ベースのインクの接触角がSU-8のフッ素化前後で測定された。フッ素化前では接触角は63°であった。フッ素化は、5mT、RF出力30W、ICP出力2000W、C4F8流速11sccm、及び5分間の条件で動作する誘導結合プラズマ(ICP)システム内で実行された。フッ素化後では接触角は89°であった。
【００４８】
代替実施例では、我々は、プリントヘッド全体にわたるノズルプレートである有機層44の接合は、クランプ構造60を含めることによって改善されうることを発見した。この実施例は図7に図示されていて、図5に図示された工程の完了後におけるプリントヘッドの一部を図示している。クランプ構造60は、チャンバ壁38と同じように形成される。そのクランプ構造は壁68又は孤立開口部70であって良い。図5Fに図示された工程のように、SU-8エポキシがコーティングされるとき、エポキシはそのクランプ構造60へ流れ込むことで、そのクランプ構造60を充填する。それによりエポキシの接合表面積が増大する。
【００４９】
第2実施例では、追加工程が、プリントヘッド全体にわたるチャンバ高さを変化させるのに追加されて良い。特に同一のプリントヘッドの複数のノズルからそれぞれ異なる体積の液滴を排出するとき、チャンバの高さを調節しながら供給ポート領域の高さを一定にすることが望ましい。この第2実施例では、当該プロセスは、図5Bに図示されている工程を含むところまでは図5の実施例に示されたプロセスと似ている。図8は、本発明の第2実施例を用いたプロセスの続きを表している。
【００５０】
図8Aに図示されているように、第1ハードマスク52Aが堆積され、かつパターニングされる。図8Bに図示されているように、ポリイミド層48は低下したインクチャンバ36を形成する領域内で部分エッチングされる。図8Cに図示されているように、第2ハードマスク52Bが図示されている。好適実施例では、第1ハードマスク52Aはそのまま残され、それにより第2ハードマスク層52Bとの2層が結合して形成されたハードマスク52となる。他の実施例では、第1ハードマスクは第2ハードマスクの堆積前に除去されて良い。
【００５１】
この段階では、当該プロセスは図5C-5Iに図示されたプロセス工程に戻る。図8Dに図示されているように、ハードマスクは図5Cの同様の第2パターンでパターニングされる。続いてハードマスク52のパターンは、低圧高密度プラズマ-たとえば主成分ガスとしての酸素による誘導結合プラズマ-を用いることによって、ポリイミド48へ転写される。その転写されたパターンは、チャンバ壁38、ピラー46、及び接合構造60を形成する。結合パッド領域62（図示されていない）を覆うポリイミド層48も除去される。この低圧誘導結合プラズマエッチングは、アンダーカットを最小限に抑制した非常に垂直なエッチングプロファイルを生成する。そのため厳密なチャンバの幾何学形状を作製することが可能である。続いてハードマスク52はドライ又はウエットエッチングを用いて除去される。ポリイミド層は2つの領域に分割される。1つは基板上の回路を保護するポリイミド保護層40で、もう1つはインクチャンバ36を画定する犠牲ポリイミド層54である。
【００５２】
図8Eは、本発明の、内側無機層34、及び上部ライナ層42が堆積されている状態を図示している。図5Fは、感光性エポキシ-特にSU-8-をコーティングすなわち塗布し、ノズルプレートである有機層44の表面を平坦化し、かつチャンバ壁38とフィルタピラー46を完成させた状態を図示している。SU-8はノズル18を形成するように露光される。そのノズル18は、レトログレードプロファイルを示し、かつ結合パッド領域62（図示されていない）にまで開通している。ノズルプレート層の厚さは3.0μm-20μmで、より好適には10μm-12μmである。この第2実施例では、ノズルプレート層は低下したインクチャンバ36Aの深さよりも厚い。それによりノズルも対応して厚くなる。
【００５３】
図8Gは、図5G-5Iに図示された工程が完了した後の完成したプリントヘッドを図示している。図示されているように、一の実施例では、低下したインクチャンバは複数のノズルの一部からなる組で行われる。他の実施例では、低下したインクチャンバプロセスは全てのインクチャンバで行われる。このプロセスでは、インク供給ポート3は再充填を最適化する高さを有する一方で、低下したインクチャンバ36Aは、インク排出を最大にするように調節された高さを有する。
【００５４】
前述の記載より、本発明は、全ての目的を得るために十分に適合したものである。本発明の好適実施例についての前記の記載は例示及び説明目的で与えられたものである。本発明を開示された厳密な形態に限定することは意図していない。修正型及び変化型が可能であり、これらは上記教示によって当業者は理解できる。たとえば本発明は熱バブルジェットデバイスのチャンバ形成に限定されず、他の液滴排出デバイスのチャンバ形成をも含む。他の液滴排出デバイスとはたとえば、熱又は静電アクチュエータ、圧電起動液体デバイスである。係る追加の修正型は添付された請求項の技術的範囲内である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図５Ｇ】
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【図５Ｈ】
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【図５Ｉ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図８Ｆ】
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【図８Ｇ】
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【国際調査報告】
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