(57)【要約】【課題】流体吐出装置の熱酸化物コーティングを提供する。【解決手段】流体吐出装置は、流路本体と、第１の酸化物層と、膜と、第２の酸化物層と、を含む。流路本体は、第１の外表面と、その反対側の第２の外表面と、複数の流路であってそれぞれが少なくとも第１の外表面から第２の外表面まで延在する流路と、を有する。第１の酸化物層は、少なくとも流路のそれぞれの内表面並びに流路本体の第１の外表面及び第２の外表面を被覆し、｛１００｝面に沿った厚さの変動が５％未満である。膜は、第１の外表面を有する。第２の酸化物層は、膜の第１の外表面を被覆し、｛１００｝面に沿った厚さの変動が５％未満であり、第１の酸化物層と結合される。【選択図】図２Ｃ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の外表面と、その反対側の第２の外表面と、複数の流路であってそれぞれが少なくとも前記第１の外表面から前記第２の外表面まで延在する流路と、を有する流路本体と、
少なくとも前記複数の流路のそれぞれの内表面並びに前記流路本体の前記第１の外表面及び前記第２の外表面を被覆し、｛１００｝面に沿った厚さの変動が５％未満である、第１の酸化物層と、
第１の外表面を有する膜と、
前記膜の前記第１の外表面を被覆し、｛１００｝面に沿った厚さの変動が５％未満であり、前記第１の酸化物層と結合される、第２の酸化物層と、
を備える、流体吐出装置。
【請求項２】
第１の外表面を有するノズルプレートと、
前記ノズルプレートの前記第１の外表面を被覆し、厚さの変動が５％未満であり、前記第１の酸化物層と結合される、第３の酸化物層と、
を更に備える、請求項１に記載の流体吐出装置。
【請求項３】
前記第１の酸化物層及び前記第２の酸化物層の厚さが約０．１μｍ〜５μｍである、請求項１又は２に記載の流体吐出装置。
【請求項４】
前記厚さが約２μｍ未満である、請求項３に記載の流体吐出装置。
【請求項５】
前記第１の酸化物層及び前記第２の酸化物層のそれぞれの密度が約２．０ｇ／ｃｍ３より高い、請求項１乃至４のいずれかに記載の流体吐出装置。
【請求項６】
前記第１の酸化物層及び前記第２の酸化物層のそれぞれの密度が約２．２ｇ／ｃｍ３より高い、請求項５に記載の流体吐出装置。
【請求項７】
前記流路本体がシリコンを含む、請求項１乃至６のいずれかに記載の流体吐出装置。
【請求項８】
前記膜が単結晶シリコンを含む、請求項１乃至７のいずれかに記載の流体吐出装置。
【請求項９】
前記第１の酸化物層及び前記第２の酸化物層がシリコン酸化物を含む、請求項１乃至８のいずれかに記載の流体吐出装置。
【請求項１０】
前記第１の酸化物層及び前記第２の酸化物層のそれぞれの厚さの変動が３％未満である、請求項１乃至９のいずれかに記載の流体吐出装置。
【請求項１１】
膜の少なくとも一つの表面上に第１の熱酸化物層を形成する工程と、
複数の流路を備える流路本体の少なくとも一つの表面上に第２の熱酸化物層を形成する工程と、
前記第１の熱酸化物層を前記第２の熱酸化物層に結合する工程と、
を含む、流体吐出装置の形成方法。
【請求項１２】
前記第１の熱酸化物層を前記第２の熱酸化物層に結合する工程が、酸化物間結合を形成する工程を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第２の酸化物層を形成する工程が、前記複数の流路のそれぞれの壁に沿って熱酸化物層を形成する工程を含む、請求項１１又は１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第２の酸化物層の｛１００｝面に沿った厚さの変動が５％未満である、請求項１１乃至１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
ノズルプレートの少なくとも一つの表面上に第３の酸化物層を形成する工程と、
前記第３の酸化物層を前記第２の酸化物層に結合する工程と、
を更に含む、請求項１１乃至１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
前記結合する工程が約１０００℃より高い温度で行われる、請求項１１乃至１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
前記温度が約１２００℃〜１３００℃である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記形成された熱酸化物層の厚さが約０．１μｍ〜５μｍである、請求項１１乃至１７のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
前記形成された熱酸化物層の厚さが約２μｍ未満である、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に流体吐出装置のコーティングに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、流体吐出装置（例えばインクジェットプリントヘッド）は、流体流路を画成する複数の内表面と、流体が吐出されるオリフィスと、外表面と、を有する。流体が流体吐出装置を通って流れるとき、侵蝕性（例えばアルカリ性）の流体が流体吐出装置の内表面及び外表面に作用して、流体吐出装置の内表面及び外表面を劣化させることがある。流体吐出装置の内表面及び外表面が平らでないと、配列された流体吐出素子において素子ごとに差異が生じる。かかる不均一性は、不均一で不正確な流体吐出をもたらすことがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／０１３６８６６号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００７／００３０３０６号明細書
【特許文献３】特開平９−５７９８１号公報
【特許文献４】米国特許出願公開第２００４／０１２５１６９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
流体液滴の吐出中に、侵蝕性（例えばアルカリ性）の流体が流体吐出装置の内表面及び外表面に作用して、流体吐出装置が劣化することがある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
熱酸化物を用いて、露出した内表面及び外表面を保護することができる。
【０００６】
一態様において、流体吐出装置は、流路本体と、第１の酸化物層と、膜と、第２の酸化物層と、を含む。流路本体は、第１の外表面と、その反対側の第２の外表面と、複数の流路であってそれぞれが少なくとも第１の外表面から第２の外表面まで延在する流路と、を有する。第１の酸化物層は、少なくとも流路のそれぞれの内表面並びに流路本体の第１の外表面及び第２の外表面を被覆し、｛１００｝面に沿った厚さの変動が５％未満である。膜は、第１の外表面を有する。第２の酸化物層は、膜の第１の外表面を被覆し、｛１００｝面に沿った厚さの変動が５％未満であり、第１の酸化物層と結合される。
【０００７】
この実施形態及び他の実施形態は、任意に以下の特徴のうちの一つ又は複数を含み得る。流体吐出装置は、第１の外表面を有するノズルプレートと、ノズルプレートの第１の外表面を被覆する第３の酸化物層とを更に含むことができる。第３の酸化物層は、変動が５％未満である厚さを有することができ、第１の酸化物層と結合され得る。第１の酸化物層及び第２の酸化物層の厚さは、約０．１〜５μｍ、例えば約２μｍ未満であり得る。第１の酸化物層及び第２の酸化物層のそれぞれの密度は、約２．０ｇ／ｃｍ３より高く、例えば約２．２ｇ／ｃｍ３であり得る。流路本体は、シリコンを含むことができる。膜は、単結晶シリコンを含むことができる。第１の酸化物層及び第２の酸化物層は、シリコン酸化物を含むことができる。第１の酸化物層及び第２の酸化物層のそれぞれの厚さの変動は、３％未満であり得る。
【０００８】
一態様において、流体吐出装置の形成方法は、膜の少なくとも一つの表面上に第１の熱酸化物層を形成する工程と、複数の流路を備える流路本体の少なくとも一つの表面上に第２の熱酸化物層を形成する工程と、第１の熱酸化物層を第２の熱酸化物層に結合する工程と、を含む。
【０００９】
この実施形態及び他の実施形態は、任意に以下の特徴のうちの一つ又は複数を含み得る。第１の熱酸化物層を第２の熱酸化物層に結合する工程は、酸化物間結合を形成する工程を含むことができる。第２の酸化物層を形成する工程は、流路のそれぞれの壁に沿って熱酸化物層を形成する工程を含むことができる。第２の酸化物層の｛１００｝面に沿った厚さの変動は、５％未満であり得る。この方法は、ノズルプレートの少なくとも一つの表面上に第３の酸化物層を形成する工程と、第３の酸化物層を第２の酸化物層に結合する工程と、を更に含むことができる。結合する工程は、約１０００℃より高い温度で行うことができる。この温度は、約１２００℃〜１３００℃であってもよい。形成された熱酸化物層の厚さは、約０．１μｍ〜５μｍ、例えば約２μｍ未満であってもよい。
【００１０】
ある実施態様は、以下の利点のうちの一つ又は複数を有し得る。流体路を被覆するために熱酸化を用いると、高密度の酸化物層が生じる。この高密度の酸化物層は、不活性であり、アルカリ性の流体による侵蝕に対する抵抗性が下層のシリコン層に比べて高い。更に、膜、流路本体及びノズルプレートに対して、それらの部品を一体に結合する前に個別に熱酸化物層を形成することにより、熱酸化を行うのに十分な温度で流体吐出装置全体を加熱する必要性が回避される。結合された流体吐出装置全体を酸化させるのではないので、膜、流路本体及びノズルプレートの、酸化に高温が必要な結果として引き起こされ得る反りが防止される。反りを低減することにより、より一貫した正確な流体液滴吐出が可能となる。
【００１１】
一つ又は複数の実施形態の詳細を、添付図面及び以下の説明において示す。本発明の他の特徴、目的及び利点は、説明、図面、及び特許請求の範囲から明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】被覆されていない流体吐出装置の実施態様の断面図である。
【図１Ｂ】酸化物コーティングを有する図１Ａの流体吐出装置の実施態様の断面図である。
【図２Ａ】流体吐出装置の例示的な形成工程を示す。
【図２Ｂ】流体吐出装置の例示的な形成工程を示す。
【図２Ｃ】流体吐出装置の例示的な形成工程を示す。
【図３Ａ】流体吐出装置の別の例示的な形成工程を示す。
【図３Ｂ】流体吐出装置の別の例示的な形成工程を示す。
【図３Ｃ】流体吐出装置の別の例示的な形成工程を示す。
【図３Ｄ】流体吐出装置の別の例示的な形成工程を示す。
【図４Ａ】流体吐出装置の別の例示的な形成工程を示す。
【図４Ｂ】流体吐出装置の別の例示的な形成工程を示す。
【図４Ｃ】流体吐出装置の別の例示的な形成工程を示す。
【図４Ｄ】流体吐出装置の別の例示的な形成工程を示す。
【００１３】
それぞれの図面における同様の参照符号は同様の要素を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
流体液滴吐出装置は、流体吐出モジュール、例えば、四辺形の板形状のプリントヘッドモジュールを有することができ、プリントヘッドモジュールは、半導体加工技術を用いて製造されたダイであり得る。流体吐出装置は、プリントヘッドモジュールを支持するためのハウジング、及び他の構成要素、例えば、外部プロセッサからデータを受け取って駆動信号をプリントヘッドモジュールに提供するためのフレックス回路（フレキシブル基板）なども含むことができる。
【００１５】
プリントヘッドモジュールは、中に複数の流体流路が形成されている基板を含む。プリントヘッドモジュールは、流体を各流路から選択的に吐出するための、基板上に支持された複数のアクチュエータ、例えばトランスデューサも含む。このように、連係するアクチュエータを備えた各流路により、個別に制御可能なＭＥＭＳ流体吐出装置ユニットが構成される。
【００１６】
図１Ａは、流体吐出モジュール１００の被覆されていない流体吐出ユニット（例えば、インクジェットプリントヘッドの一つのノズル）の断面図である。被覆されていない流体吐出装置１００は、複数の流体路１３７（明解のために、図１Ａには一つの流体路１３７のみが図示されている）を形成する複数の内表面を有する流路本体１１０を含む。流体吐出装置１００は、複数のオリフィス１４０を有するノズルプレート１２０を更に含み、各オリフィス１４０は流体路１３７に接続している。流体路１３７の一部であるポンプ室１３５の上方に、膜１８２が置かれている。流路本体１１０、膜１８２及びノズルプレート１２０のそれぞれは、例えばシリコン、例えば（１００）方位を有する例えば単結晶シリコンから成る、均質な組成の単一の部材であってもよい。膜１８２、流路本体１１０及びノズルプレート１２０を、それぞれ別個の部品として形成し、後にそれらを一体に結合して流体吐出装置１０５を形成することができる。或いは、それらの部品のうち二つ以上を、単一の連続材料から作製することもできる。膜１８２、流路本体１１０及びノズルプレート１２０は、以下に説明するそれらの上に形成される酸化物層と共に、一体となって基板を構成することができる。
【００１７】
基板上に支持されたアクチュエータ１７２が、ポンプ室１３５内の流体（例えばインク、例えば水性インク）を加圧し、その流体が下降部１３０を流れてノズル層１２０のオリフィス１４０を介して吐出される。アクチュエータ１７２は、圧電層１７６、下部電極１７８（例えば接地電極）及び上部電極１７４（例えば駆動電極）を含むことができる。アクチュエータ１７２は、これ以降の図には示されないが、存在し得る。本明細書に記載されるコーティング及び技術と共に、他の構成の流路１３７及びアクチュエータが代わりに用いられてもよい。
【００１８】
図１Ｂに示すように、被覆された流体吐出装置１０５は、一つ以上の酸化物層１７０、例えば一つ以上のシリコン酸化物層を含むことができる。酸化物層１７０は、膜１８２、流路本体１１０及びノズルプレート１２０のそれぞれの上の酸化物層１７０ａ、１７０ｂ及び１７０ｃを含むことができる。酸化物層１７０ａは、膜層１８２の流路モジュール１１０に近い側の第１の外表面に直接接触し、例えばそれを被覆することができ、任意に（図１Ｂに示されるとおり）、膜層１８２の第１の外表面と反対側の、膜層１８２の流路モジュール１１０から遠い側の第２の外表面を被覆することができる。酸化物層１７０ｂは、流路本体１１０の第１の外表面及び流路１３７の壁に直接接触し、例えばそれらを被覆することができ、任意に（図１Ｂに示されるとおり）、流路本体１１０の第１の外表面と反対側の流路本体１１０の第２の外表面を被覆することができる。更に、酸化物層１７０ｃは、ノズル層１２０の流路モジュール１１０に近い側の第１の外表面に直接接触し、例えばそれを被覆することができ、任意に（図１Ｂに示されるとおり）、ノズル層１２０の第１の外表面と反対側の、ノズル層１２０の流路モジュール１１０から遠い側の第２の外表面を被覆することができる。流体吐出装置１０５として結合されたとき、酸化物層１７０ａ、１７０ｂ及び１７０ｃを含む酸化物層１７０は、膜１８２と流路本体１１０との間、及び流路本体１１０とノズルプレート１２０との間、並びに流体路１３７の壁に沿って延在する部分を含むことができる。
【００１９】
膜１８２と流体流路１１０との間にある酸化物層１７０ａの部分は、膜１８２と流体流路１１０との間にある酸化物層１７０ｂの部分と、酸化物間結合によって結合することができる。同様に、流体流路１１０とノズルプレート１２０との間にある酸化物層１７０ｂの部分は、流体流路１１０とノズルプレート１２０との間にある酸化物層１７０ｃの部分と、酸化物間結合によって結合することができる。したがって、膜１８２、流路本体１１０及びノズルプレート１２０は、酸化物層１７０ａ、１７０ｂ及び１７０ｃ以外のいかなる介在層も用いることなく、組み合わされて基板を構成することができる。
【００２０】
酸化物層１７０ａ、１７０ｂ及び１７０ｃを含む酸化物層１７０は、熱酸化物層であり得る。酸化物層１７０の厚さは、０．１μｍ〜５μｍ、例えば０．１μｍより大きく２μｍより小さく、例えば０．４μｍ又は１μｍであってもよい。酸化物層１７０ａ、１７０ｂ及び１７０ｃのそれぞれは、等価な面方位に沿った表面、例えば｛１００｝面に沿った表面について厚さが均一であり得る。したがって、酸化物層１７０ａ、１７０ｂ及び１７０ｃのそれぞれの、等価な面方位に沿った表面に沿った厚さの変動は、層の全長にわたり、少なくとも２０ｍｍ、例えば少なくとも５０ｍｍの距離にわたり、等価な面方位に沿って５％未満、例えば３％未満であり得る。更に、酸化物層１７０の密度は、２．０ｇ／ｃｍ３より大きく、例えば２．２ｇ／ｃｍ３より大きく、例えば２．６ｇ／ｃｍ３であり得る。
【００２１】
図２Ａ〜図２Ｃは、被覆された流体吐出装置１０５の形成過程を示す。図２Ａに示すように、流体吐出装置１０５の形成方法は、別個の即ち結合されていない膜層１８２、流路本体１１０及びノズルプレート１２０から開始される。流体路１３７は、流路本体１１０に予めエッチングにより形成されていてもよい。
【００２２】
図２Ｂに示すように、膜層１８２、流路本体１１０及びノズルプレート１２０のそれぞれは、熱酸化を用いて、対応する酸化物層１７０ａ、１７０ｂ及び１７０ｃにより個別に被覆される。酸化物層１７０ａ、１７０ｂ及び１７０ｃは、被覆される部品、例えば膜層１８２、流路本体１１０又はノズルプレート１２０の上に気化した水を循環させる湿式熱酸化プロセスを用いて成長させることができる。湿式熱酸化プロセスが起る温度は、約８００℃〜１２００℃、例えば１０００℃〜１１００℃、例えば１０８０℃であり得る。湿式熱酸化プロセスに要する時間は、１／２時間〜５時間、例えば２時間であり得る。熱酸化物の成長速度及びそれにより最終的に得られる厚さは、露出表面の方位に依存し得る。例えば、（１００）シリコンについては、｛１１１｝面上での成長速度は｛１００｝面上での成長速度より１．７倍速い。したがって、｛１００｝面に沿った表面に形成された酸化物は均一な第１の厚さを有することができ、また、｛１１１｝面に沿った表面に形成された酸化物は均一な第２の厚さを有することができる。成長速度及び原子密度は｛１１１｝面に沿ってより大きいため、｛１１１｝表面上には｛１００｝表面と比較してより厚い熱酸化物層が形成され得る。
【００２３】
図２Ｃに示すように、次に、膜層１８２、流路本体１１０及びノズルプレート１２０が一体に結合されて酸化物間結合が形成される。酸化物間結合が起る温度は、約１０００℃より高く、例えば約１２００℃〜１３００℃であり得る。
【００２４】
いくつかの実施形態では、酸化物層上に非湿潤性コーティングを堆積させることができる。
【００２５】
いくつかの実施形態では、図３Ａに示すように、ノズルプレート１２０は、最初は、酸化物層２０２とハンドル層２０４とを含むシリコン・オン・オキサイド（ＳＯＩ）ウエハ２００のシリコン層である。かかる実施形態では、オリフィス１４０は、例えば酸化物層２０２をエッチストップとして用いて、シリコン層１２０にエッチングにより形成することができる。図３Ｂに示すように、次に、上述の方法を用いて、シリコン層１２０の露出表面上、即ちシリコン層１２０の酸化物層２０２とは反対側の表面上に酸化物層１７０ｃが形成される（酸化物はシリコン層１２０の埋もれている表面上には形成されず、この表面は後にノズルプレート１２０の露出表面となり得る）。任意に、ハンドル層２０４の露出表面上にも同時に酸化物層が形成され得る。図３Ｃに示すように、次に、流路本体１１０とノズルプレート１２０とが一体に結合されて、酸化物層１７０ｂと酸化物層１７０ｃとの間に酸化物間結合が形成される。結合後、図３Ｄに示すように、ハンドル層２０４（及び任意に酸化物層２０２）は、例えば研削及び／又はエッチングにより取り除くことができる。
【００２６】
同様に、いくつかの実施形態では、図４Ａに示されるとおり、膜１８２は、最初は、酸化物層２１２とハンドル層２１４とを含むシリコン・オン・オキサイド（ＳＯＩ）ウエハ２１０のシリコン層である。図４Ｂに示すように、上述の方法を用いて、シリコン層１８２の露出表面上、即ち層１８２の酸化物層２１２とは反対側の表面上に酸化物層１７０ａが形成される（酸化物はシリコン層１８２の埋もれている表面上には形成されず、この表面は後に膜１８２の露出表面となり得る）。任意に、ハンドル層２１４の露出表面上にも同時に酸化物層が形成され得る。図４Ｃに示すように、次に、流路本体１１０と膜１８２とが一体に結合されて、酸化物１７０ａと１７０ｂとの間に酸化物間結合が形成される。結合後、図４Ｄに示すように、ハンドル層２１４（及び任意に酸化物層２１２）は、例えば研削及び／又はエッチングにより取り除くことができる。
【００２７】
流体路を被覆するために熱酸化を用いることにより、高密度の酸化物層が連続的でピンホールのない表面を形成し、この表面は、不活性であり、アルカリ性流体などの侵蝕性の流体による侵蝕に対して抵抗性がある。更に、化学気相蒸着（ＣＶＤ）酸化物ではなく熱酸化物を用いることにより、酸化物層は、完全性がより高く、均一性がより高く、欠陥がより少ないものとなり得るとともに、洗浄又は研磨なしに一体に結合され得る。最後に、膜、流路本体及びノズルプレートに対して、それらの部品を一体に結合する前に個別に熱酸化物層を形成することにより、他の方法では材料ごとに応力が異なる結果として起こり得る流体吐出装置の反りを回避することができる。
【００２８】
特定の実施形態について説明した。他の実施形態は以下の特許請求の範囲の内にある。
【図１Ａ】
2012016940.tif 000003
【図１Ｂ】
2012016940.tif 000004
【図２Ａ】
2012016940.tif 000005
【図２Ｂ】
2012016940.tif 000006
【図２Ｃ】
2012016940.tif 000007
【図３Ａ】
2012016940.tif 000008
【図３Ｂ】
2012016940.tif 000009
【図３Ｃ】
2012016940.tif 000010
【図３Ｄ】
2012016940.tif 000011
【図４Ａ】
2012016940.tif 000012
【図４Ｂ】
2012016940.tif 000013
【図４Ｃ】
2012016940.tif 000014
【図４Ｄ】
2012016940.tif 000015