(57)【要約】【課題】半導体基板内に漏斗状ノズルを作製するための技術を提供する。【解決手段】本方法は、開口部を備えてパターン形成されたフォトレジスト層であって開口部はフォトレジスト層の露出した上面に滑らかに接続した湾曲した側面を有しているフォトレジスト層を、半導体基板の上面上に形成する工程と、フォトレジスト層内の開口部を介して半導体基板をエッチングして基板上面に対して実質的に垂直な側壁を有する穴部を形成する工程と、ドライエッチングによってフォトレジスト層の表面の輪郭に沿ってフォトレジスト層を徐々に薄くすると共に垂直側壁を有する穴部を漏斗状穴部へと変形する工程と、を含む。漏斗状穴部は、垂直側壁を有する下側部分と、下側部分の方へ徐々に収束して下側部分に滑らかに接続した湾曲した側壁を有する湾曲した上側部分と、を含む。湾曲した上側部分が囲む体積は、垂直側壁を有する下側部分が囲む体積よりも実質的に大きい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部を備えてパターン形成されたフォトレジスト層であって前記開口部は前記フォトレジスト層の露出した上面に滑らかに接続した湾曲した側面を有しているフォトレジスト層を、半導体基板の上面上に形成する工程と、
前記パターン形成されたフォトレジスト層内の前記開口部を介して前記半導体基板の前記上面をエッチングして、垂直側壁を有する穴部であって前記半導体基板の前記上面に対して実質的に垂直な側面を有する穴部を形成する工程と、
前記垂直側壁を有する穴部を形成した後に、前記パターン形成されたフォトレジスト層及び前記半導体基板をドライエッチングして、前記パターン形成されたフォトレジスト層の表面の輪郭に沿って前記パターン形成されたフォトレジスト層を徐々に薄くすると共に前記垂直側壁を有する穴部を漏斗状穴部へと変形する工程と、を含み、
前記漏斗状穴部は、垂直側壁を有する下側部分と、前記下側部分の方へ徐々に収束して前記下側部分に滑らかに接続した湾曲した側壁を有する湾曲した上側部分と、を含み、
前記湾曲した上側部分が囲む体積は、前記垂直側壁を有する下側部分が囲む体積よりも実質的に大きい、
液滴吐出ノズルの作製方法。
【請求項２】
前記パターン形成されたフォトレジスト層を前記半導体基板の前記上面上に形成する工程は、
均一なフォトレジスト層を前記半導体基板の前記上面上に設ける工程と、
前記均一なフォトレジスト層内に、前記均一なフォトレジスト層の露出した上面に対して実質的に垂直な側面を有する初期開口部を形成する工程と、
前記均一なフォトレジスト層内に前記初期開口部を形成した後に、前記初期開口部の上側の縁が表面張力の影響を受けて丸みを帯びるまで前記均一なフォトレジスト層を熱して軟化させる工程と、
前記均一なフォトレジスト層を熱して軟化させた後に、前記初期開口部の前記上側の縁の丸みを保ちつつ前記均一なフォトレジスト層を再硬化させる工程と、を含む、請求項１に記載の液滴吐出ノズルの作製方法。
【請求項３】
前記半導体基板の前記上面上に設けられた前記均一なフォトレジスト層の厚さは、少なくとも１０μｍである、請求項２に記載の液滴吐出ノズルの作製方法。
【請求項４】
前記均一なフォトレジスト層を熱して軟化させる工程は、前記均一なフォトレジスト層中のフォトレジスト材料が表面張力の影響を受けながら再流動化するまで、前記初期開口部が内部に形成されている前記均一なフォトレジスト層を真空環境中で熱する工程を含む、請求項２又は３に記載の液滴吐出ノズルの作製方法。
【請求項５】
前記均一なフォトレジスト層を熱して軟化させる工程は、前記均一なフォトレジスト層を１６０℃以上２５０℃以下に熱する工程を含む、請求項２乃至４のいずれかに記載の液滴吐出ノズルの作製方法。
【請求項６】
前記均一なフォトレジスト層を再硬化させる工程は、前記初期開口部の前記上側の縁の丸みを保ちつつ前記均一なフォトレジスト層を真空環境中で冷却する工程を含む、請求項２乃至５のいずれかに記載の液滴吐出ノズルの作製方法。
【請求項７】
前記湾曲した上側部分の上側開口部の幅は、前記湾曲した上側部分の下側開口部の幅の少なくとも４倍である、請求項１乃至６のいずれかに記載の液滴吐出ノズルの作製方法。
【請求項８】
前記半導体基板の前記上面をエッチングして前記垂直側壁を有する穴部を形成する工程は、前記パターン形成されたフォトレジスト層内の前記開口部を介して前記半導体基板の前記上面をボッシュ法を用いてエッチングする工程を含む、請求項１乃至７のいずれかに記載の液滴吐出ノズルの作製方法。
【請求項９】
前記漏斗状穴部を形成するための前記ドライエッチングは、前記パターン形成されたフォトレジスト層及び前記半導体基板に対して実質的に同じエッチ速度を有する、請求項１乃至８のいずれかに記載の液滴吐出ノズルの作製方法。
【請求項１０】
前記漏斗状穴部を形成するための前記ドライエッチングは、前記パターン形成されたフォトレジスト層の下に前記湾曲した上側部分の少なくとも一部を形成する、請求項１乃至９のいずれかに記載の液滴吐出ノズルの作製方法。
【請求項１１】
前記漏斗状穴部を形成するための前記ドライエッチングは、ＣＦ４／ＣＨＦ３混合ガスを用いるドライエッチングを含む、請求項１乃至１０のいずれかに記載の液滴吐出ノズルの作製方法。
【請求項１２】
前記パターン形成されたフォトレジスト層内の前記開口部は、前記パターン形成されたフォトレジスト層の露出した前記上面に平行な平面における断面形状が円形である、請求項１乃至１１のいずれかに記載の液滴吐出ノズルの作製方法。
【請求項１３】
前記漏斗状穴部は、前記半導体基板の前記上面に平行な平面における断面形状が円形である、請求項１乃至１２のいずれかに記載の液滴吐出ノズルの作製方法。
【請求項１４】
漏斗状ノズルが内部に形成されている半導体基板を備え、
前記漏斗状ノズルは、垂直側壁を有する下側部分と、前記下側部分の方へ徐々に収束して前記下側部分に滑らかに接続した湾曲した側壁を有する湾曲した上側部分と、を含み、
前記漏斗状ノズルは、前記半導体基板の上面に対して実質的に垂直な対称軸を有し、
前記湾曲した上側部分が囲む体積は、前記垂直側壁を有する下側部分が囲む体積よりも実質的に大きい、
液滴吐出装置。
【請求項１５】
前記対称軸を含む平面において、前記湾曲した上側部分の上側開口部の幅は前記湾曲した上側部分の下側開口部の幅よりも少なくとも７０μｍ大きい、請求項１４に記載の液滴吐出装置。
【請求項１６】
前記対称軸を含む平面において、前記垂直側壁を有する下側部分の幅は３０μｍ以上４０μｍ以下である、請求項１４又は１５に記載の液滴吐出装置。
【請求項１７】
前記対称軸を含む平面において、前記垂直側壁を有する下側部分の高さは５μｍ以上１０μｍ以下である、請求項１４乃至１６のいずれかに記載の液滴吐出装置。
【請求項１８】
前記対称軸と同一平面内にあって前記湾曲した上側部分の上側開口部及び下側開口部と交差する直線は、前記対称軸に対して３０度以上４０度以下の角度を成す、請求項１４乃至１７のいずれかに記載の液滴吐出装置。
【請求項１９】
前記対称軸を含む平面において、前記垂直側壁を有する下側部分の高さは前記垂直側壁を有する下側部分の幅の１０％以上３０％以下である、請求項１４乃至１８のいずれかに記載の液滴吐出装置。
【請求項２０】
前記漏斗状ノズルは、配列された複数の同じ漏斗状ノズルの一つであり、
前記配列された複数の同じ漏斗状ノズルのそれぞれは、独立に制御可能な流体吐出ユニットに属する、
請求項１４乃至１９のいずれかに記載の液滴吐出装置。
【請求項２１】
前記漏斗状ノズルに流体的に接続されたポンプ室を封止する柔軟膜を備え、前記半導体基板の上面に支持された、圧電アクチュエータアセンブリを更に備え、
前記柔軟膜のそれぞれの動作は、前記漏斗状ノズルの前記垂直側壁を有する下側部分を介して液滴が吐出されるように制御可能であり、
前記湾曲した上側部分によって囲まれている体積は、前記液滴の体積の３倍以上４倍以下である、
請求項１４乃至２０のいずれかに記載の液滴吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェットプリントヘッドなどの、微小電気機械デバイスにおけるノズルの作製に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェットプリンタを使用して画像を高画質及び高解像度で印刷するには、一般的に、印刷媒体上の指定された位置に所望の量のインクを正確に吐出するプリンタが必要である。典型的には、プリントヘッド構造体内に、それぞれがノズルとそれに関連するインク流路とを含む多数のインク吐出デバイスが高密度に形成される。インク流路は、インクの容器やカートリッジなどのインク貯蔵ユニットとノズルとを接続する。インク流路は、ポンプ室を含む。インクは、ポンプ室内で加圧されて、ノズルで終端する下降流路の方へ流れる。インクは、ノズル端部の開口部から発射されて、印刷媒体上に着地する。媒体は、流体吐出デバイスに対して相対的に移動させることができる。特定のノズルからの液滴の吐出と媒体の移動とのタイミングを合わせることにより、媒体上の所望の位置に液滴を配置する。
【０００３】
プリントヘッド構造体内にインク吐出部を形成するために、様々な加工技術を使用することができる。これらの加工技術は、蒸着及び接着などの層形成、並びにエッチング、レーザー照射、孔形成及び切削などの層加工を含むことができる。使用する技術は、例えば、所望のノズル形状や流路の幾何学的形状によって、更にはインクジェットプリンタで使用される材料によって、変更することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第４，８５７，４７７号明細書
【特許文献２】米国特許第５，２５８，３３２号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１０／０１４１７０９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の形状のノズルでは、流体吐出時に流体に対して生じる摩擦が大きかったりノズル内に空気が取り込まれたりすることがある。
【０００６】
本発明は、垂直側壁を有する下側部分と湾曲した上側部分とを有する漏斗状ノズルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
漏斗状ノズルの湾曲した上側部分は、垂直側壁を有する下側部分の方へ徐々に収束し、垂直側壁を有する下側部分に滑らかに接続する。漏斗状ノズルは、対称軸の周りに一つ又は複数の側表面を有することができ、対称軸に垂直な平面において、湾曲した上側部分及び垂直側壁を有する下側部分のそれぞれの断面は、幾何学的に相似である。更に、漏斗状ノズルの湾曲した上側部分は、垂直側壁を有する下側部分に比べて実質的に大きい体積を囲むが、垂直側壁を有する下側部分は、漏斗状ノズルを介して吐出される液滴の噴射直進性を維持するのに十分な高さを有する。
【０００８】
本明細書で説明されている漏斗状ノズルを製造するために、まず、均一なフォトレジスト層を半導体基板の平坦な上面上に設ける。次いで、規則正しいパターンを形成するプロセス（例えば、ＵＶ露光を行い、その後にレジスト現像を行う）によって、均一なフォトレジスト層にパターンを形成する。均一なフォトレジスト層内に形成された開口部は、半導体基板の平坦な上面及びフォトレジスト層の平坦な上面に対して実質的に垂直な一つ又は複数の側壁を有する。次いで、パターン形成されたフォトレジスト層を真空中で熱して、層中のフォトレジスト材料を軟化させてフォトレジスト材料の重さ及び表面張力の影響下で再流動化させる。再流動の結果、開口部の上側縁やそれらの間の角のある隅が丸みを帯び、上側縁は単一の丸みを帯びた縁に変わる。丸みを帯びた縁の曲率半径は、再流動化の際の加熱条件によって制御することができる。例えば、丸みを帯びた縁の曲率半径は、半導体基板上に設けられた均一なフォトレジスト層の初期厚さ以上であってもよい。上側縁の所望の丸みを帯びた形状が得られた後、上側縁の丸みを帯びた形状を保ちつつ、パターン形成されたフォトレジスト層を冷却して再硬化させる。
【０００９】
フォトレジスト層の露出した上面に向かって徐々に広がってその上面に滑らかに接続した湾曲した側面を有する開口部を備えてパターン形成されたフォトレジスト層を形成した後、半導体基板内への漏斗状穴部の形成を開始することができる。
【００１０】
まず、垂直側壁を有する穴部を、パターン形成されたフォトレジスト層を介して、例えばボッシュ法を用いて、エッチングにより半導体基板内に形成する。垂直側壁を有する穴部の高選択性エッチングでは、フォトレジスト層が実質的にエッチングされない状態で残る。穴部の深さは、漏斗状ノズルの最終的な設計高さより数μｍ浅くてもよい。漏斗状穴部の水平断面形状は、円形、長円形、又は多角形であってもよく、パターン形成されたフォトレジスト層内の開口部の側方形状によって決定される。垂直側壁を有する穴部を半導体基板内に形成した後、ドライエッチングを開始して、垂直側壁を有する穴部を漏斗状穴部へと変形する。特に、ドライエッチングで使用されるエッチャントは、フォトレジスト及び半導体基板材料（例えば、Ｓｉ（１００）ウエハ）の両方に対して同程度の（例えば、実質的に等しい）エッチ速度を有する。ドライエッチングにおいて、エッチャントが垂直側壁を有する穴部を徐々に深めて漏斗状穴部の垂直側壁を有する下側部分を形成する。それと同時に、ドライエッチングは、垂直側壁を有する穴部の垂直な側壁を、上側では半導体基板の水平な上面と平らになり下側では漏斗状穴部の垂直側壁を有する下側部分の方へ収束してその下側部分へ滑らかに遷移する、湾曲した側面へと広げる。ドライエッチングで形成される湾曲した側面は、漏斗状穴部の湾曲した上側部分を形成し、垂直側壁を有する下側部分が囲む体積よりも実質的に大きい体積を囲む。漏斗状穴部は、エッチングを続けることによって、又は未エッチング基板を下側から除去することによって、下側を開くことができる。
【００１１】
一態様では、液滴吐出ノズルの作製方法は、開口部を備えてパターン形成されたフォトレジスト層であって前記開口部は前記フォトレジスト層の露出した上面に滑らかに接続した湾曲した側面を有しているフォトレジスト層を、半導体基板の上面上に形成する工程を含む。前記半導体基板の前記上面は、前記パターン形成されたフォトレジスト層内の前記開口部を介してエッチングされて、垂直側壁を有する穴部であって前記半導体基板の前記上面に対して実質的に垂直な側面を有する穴部が形成される。前記垂直側壁を有する穴部が形成された後に、前記パターン形成されたフォトレジスト層及び前記半導体基板はドライエッチングされ、このドライエッチングは、前記パターン形成されたフォトレジスト層の表面の輪郭に沿って前記パターン形成されたフォトレジスト層を徐々に薄くすると共に前記垂直側壁を有する穴部を漏斗状穴部へと変形する。前記漏斗状穴部は、垂直側壁を有する下側部分と、前記下側部分の方へ徐々に収束して前記下側部分に滑らかに接続した湾曲した側壁を有する湾曲した上側部分と、を含み、前記湾曲した上側部分が囲む体積は、前記垂直側壁を有する下側部分が囲む体積よりも実質的に大きい。
【００１２】
実施形態は、以下の特徴のうちの一つ又は複数を含むことができる。前記パターン形成されたフォトレジスト層を前記半導体基板の前記上面上に形成する工程は、均一なフォトレジスト層を前記半導体基板の前記上面上に設ける工程と、前記均一なフォトレジスト層内に、前記均一なフォトレジスト層の露出した上面に対して実質的に垂直な側面を有する初期開口部を形成する工程と、前記均一なフォトレジスト層内に前記初期開口部を形成した後に、前記初期開口部の上側の縁が表面張力の影響を受けて丸みを帯びるまで前記均一なフォトレジスト層を熱して軟化させる工程と、前記均一なフォトレジスト層を熱して軟化させた後に、前記初期開口部の前記上側の縁の丸みを保ちつつ前記均一なフォトレジスト層を再硬化させる工程と、を含んでもよい。前記半導体基板の前記上面上に設けられた前記均一なフォトレジスト層の厚さは、少なくとも１０μｍであってもよい。前記均一なフォトレジスト層を熱して軟化させる工程は、前記均一なフォトレジスト層中のフォトレジスト材料が表面張力の影響を受けながら再流動化するまで、前記初期開口部が内部に形成されている前記均一なフォトレジスト層を真空環境中で熱する工程を含んでもよい。前記均一なフォトレジスト層を熱して軟化させる工程は、前記均一なフォトレジスト層を１６０℃以上２５０℃以下に熱する工程を含んでもよい。前記均一なフォトレジスト層を再硬化させる工程は、前記初期開口部の前記上側の縁の丸みを保ちつつ前記均一なフォトレジスト層を真空環境中で冷却する工程を含んでもよい。前記湾曲した上側部分の上側開口部の幅は、前記湾曲した上側部分の下側開口部の幅の少なくとも４倍であってもよい。前記半導体基板の前記上面をエッチングして前記垂直側壁を有する穴部を形成する工程は、前記パターン形成されたフォトレジスト層内の前記開口部を介して前記半導体基板の前記上面をボッシュ法を用いてエッチングする工程を含んでもよい。前記漏斗状穴部を形成するための前記ドライエッチングは、前記パターン形成されたフォトレジスト層及び前記半導体基板に対して実質的に同じエッチ速度を有していてもよい。漏斗状穴部を形成するための前記ドライエッチングは、前記パターン形成されたフォトレジスト層の下に前記湾曲した上側部分の少なくとも一部を形成してもよい。漏斗状穴部を形成するための前記ドライエッチングは、ＣＦ４／ＣＨＦ３混合ガスを用いるドライエッチングを含んでもよい。パターン形成されたフォトレジスト層内の前記開口部は、前記パターン形成されたフォトレジスト層の露出した前記上面に平行な平面における断面形状が円形であってもよい。漏斗状穴部は、前記半導体基板の前記上面に平行な平面における断面形状が円形であってもよい。
【００１３】
別の態様では、液滴吐出装置は、漏斗状ノズルが内部に形成されている半導体基板を備える。前記漏斗状ノズルは、垂直側壁を有する下側部分と、前記下側部分の方へ徐々に収束して前記下側部分に滑らかに接続した湾曲した側壁を有する湾曲した上側部分と、を含む。前記漏斗状ノズルは、前記半導体基板の上面に対して実質的に垂直な対称軸を有する。前記湾曲した上側部分が囲む体積は、前記垂直側壁を有する下側部分が囲む体積よりも実質的に大きい。
【００１４】
実施形態は、以下の特徴のうちの一つ又は複数を含むことができる。前記対称軸を含む平面において、前記湾曲した上側部分の上側開口部の幅は前記湾曲した上側部分の下側開口部の幅よりも少なくとも７０μｍ大きくてもよい。前記対称軸を含む平面において、前記垂直側壁を有する下側部分の幅は３０μｍ以上４０μｍ以下であってもよい。前記対称軸を含む平面において、前記垂直側壁を有する下側部分の高さは５μｍ以上１０μｍ以下であってもよい。前記対称軸と同一平面内にあって前記湾曲した上側部分の上側開口部及び下側開口部と交差する直線は、前記対称軸に対して３０度以上４０度以下の角度を成してもよい。前記対称軸を含む平面において、前記垂直側壁を有する下側部分の高さは前記垂直側壁を有する下側部分の幅の１０％以上３０％以下であってもよい。前記漏斗状ノズルは、配列された複数の同じ漏斗状ノズルの一つであって、前記配列された複数の同じ漏斗状ノズルのそれぞれは、独立に制御可能な流体吐出ユニットに属していてもよい。圧電アクチュエータアセンブリが、前記漏斗状ノズルに流体的に接続されたポンプ室を封止する柔軟膜を備えて、前記半導体基板の上面に支持されていてもよい。前記柔軟膜のそれぞれの動作は、前記漏斗状ノズルの前記垂直側壁を有する下側部分を介して液滴が吐出されるように制御可能であってもよい。湾曲した上側部分によって囲まれている体積は、前記液滴の体積の３倍以上４倍以下であってもよい。
【００１５】
特定の実施形態は、以下の利点のうち、一つ又は複数を含んでいてもよいし、どれも含まなくてもよい。
【００１６】
漏斗状ノズルは、流体の数滴（例えば、３滴から４滴）を保持するのに十分な大きさの体積を有する湾曲した上側部分を含む。漏斗状ノズルの側面は、流線型であり、流体吐出方向に不連続部がない。同じ深さ及び液滴サイズの垂直側壁ノズル（例えば、円筒状のノズル）に比べて、漏斗状ノズルの側面は、流体吐出時に流体に対して生じる摩擦が小さく、液滴がノズルから飛び出るときにノズルが空気を取り込むことを防ぐ。流体摩擦を低減することで、液滴生成の安定性及び均一性を改善するだけでなく、吐出周波数を高め、駆動電圧を下げ、及び／又は出力効率を高くすることもできる。ノズル内に空気が入らないようにすることで、滞留した気泡がノズルや流路の他の部分を塞ぐことを防止しやすくなる。
【００１７】
テーパが付いた平坦な側壁を有するノズル（例えば、ピラミッドを逆さまにした形状のノズル）も、円筒状のノズルに比べていくつかの利点（例えば、摩擦の低減）を有するが、テーパが付いたノズルの下側開口部の鋭角の縁は、漏斗状ノズルに比べて液滴に対してまだ大きい抗力を与える。更に、テーパが付いたノズルの開口部の角のある縁及び矩形（例えば、正方形）の形状も、予測不能な形で液滴の方向の直進性に影響を及ぼし、これは印刷品質の劣化に至る。本明細書で説明されている漏斗状ノズルでは、垂直側壁を有する下側部分は全体的なノズルの深さのうちのごくわずかしか占めず、したがって、垂直側壁を有する下側部分は、発射される流体にあまり大きい摩擦を生じることなく吐出の直進性を保証する。したがって、漏斗状ノズルは、吐出の直進性を改善し、発射周波数を高め、出力効率を高め、駆動電圧を下げ、及び／又は液滴形状及び配置の均一さを高めることに役立つことができる。
【００１８】
湾曲した側面を有する漏斗状ノズルは、電鋳やマイクロモールディング技術を用いて形成することもできるが、そのような技術は、加工対象が金属やプラスチック材料に限定され、半導体基板にノズルを形成する場合には有効でないことがある。更に、電鋳やマイクロモールディング技術は、精度が低い傾向があり、高解像度印刷に必要なサイズ、幾何学的形状及びピッチの要件を満たしえない。半導体加工技術は、非常にコンパクトで均一なノズルの多くの配列を生産するために使用することができ、高解像度印刷に必要なサイズ、幾何学的形状及びピッチの要件を満たすことができる。例えば、ノズルは、５μｍ程度と小さいものとすることができ、ノズル間ピッチの誤差は、約０．５μｍ以下（例えば、０．２５μｍ）とすることができ、最初のノズルと最後のノズルとの間のピッチの誤差は、約１μｍとすることができ、ノズルサイズの誤差は、０．６μｍ以下とすることができる。
【００１９】
本発明の一つ又は複数の実施形態の詳細を、添付の図面及び以下の説明に記載する。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になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】液滴吐出装置の側断面図である。
【図２Ａ】単一の垂直側壁を有するノズル（即ち、円筒状のノズル）を持つプリントヘッドの流路の側断面図及び当該ノズルの上面図である。
【図２Ｂ】テーパが付いた平坦な側壁を有するノズルを持つプリントヘッドの流路の側断面図及び当該ノズルの上面図である。
【図２Ｃ】垂直側壁を有する下側部分に急峻に接続したテーパ付き上側部分を有するノズルを持つプリントヘッドの流路の側断面図及び当該ノズルの上面図である。
【図３Ａ】垂直側壁を有する下側部分に滑らかに接続した湾曲した上側部分を有する漏斗状ノズルの側断面図である。
【図３Ｂ】垂直側壁を有する下側部分に滑らかに接続した湾曲した上側部分を有し水平断面形状が円形である漏斗状ノズルの上面図である。
【図３Ｃ】垂直側壁を有する下側部分に滑らかに接続した湾曲した上側部分を有する漏斗状ノズルを持つプリントヘッドの流路の側断面図である。
【図４Ａ】垂直側壁を有する下側部分に滑らかに接続した湾曲した上側部分を有する漏斗状ノズルを作製するための加工工程を例示する図である。
【図４Ｂ】垂直側壁を有する下側部分に滑らかに接続した湾曲した上側部分を有する漏斗状ノズルを作製するための加工工程を例示する図である。
【図４Ｃ】垂直側壁を有する下側部分に滑らかに接続した湾曲した上側部分を有する漏斗状ノズルを作製するための加工工程を例示する図である。
【図４Ｄ】垂直側壁を有する下側部分に滑らかに接続した湾曲した上側部分を有する漏斗状ノズルを作製するための加工工程を例示する図である。
【図４Ｅ】垂直側壁を有する下側部分に滑らかに接続した湾曲した上側部分を有する漏斗状ノズルを作製するための加工工程を例示する図である。
【図４Ｆ】垂直側壁を有する下側部分に滑らかに接続した湾曲した上側部分を有する漏斗状ノズルを作製するための加工工程を例示する図である。
【図４Ｇ】垂直側壁を有する下側部分に滑らかに接続した湾曲した上側部分を有する漏斗状ノズルを作製するための加工工程を例示する図である。
【図４Ｈ】垂直側壁を有する下側部分に滑らかに接続した湾曲した上側部分を有する漏斗状ノズルを作製するための加工工程を例示する図である。
【図５Ａ】図４Ａ〜４Ｇに示す加工工程によって作製された漏斗状穴部の一例の画像を示す図である。
【図５Ｂ】図４Ａ〜４Ｇに示す加工工程によって作製された漏斗状穴部の一例の画像を示す図である。
【００２１】
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】
【００２２】
流体液滴の吐出は、例えば、流体流路本体部と膜とノズル層とを有する微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）である基板によって行うことができる。流体流路本体部の内部には流体流路が形成され、この流体流路は、流体充填流路と流体ポンプ室と下降流路と吐出口を有するノズルとを備えることができる。膜の流体流路本体部側とは反対側の流体ポンプ室に近い表面の上に、アクチュエータを配置することができる。アクチュエータが駆動されると、アクチュエータは、圧力パルスを流体ポンプ室に加えて、ノズル吐出口からの流体液滴の吐出を起こす。多くの場合、流体流路本体部は、高密度に配列された複数の同じノズル及びそれらのそれぞれに関連する流路などの、複数の流体流路及びノズルを備える。液滴吐出システムは、基板とその基板のための流体源とを備えることができる。流体容器は、基板に流体的に接続されて、吐出される流体を供給することができる。流体は、例えば、化学的材料、生物学的材料、又はインクであってもよい。
【００２３】
図１は、本願発明の一実施形態による微小電気機械デバイスであるプリントヘッドの一部の概略断面図である。プリントヘッドは、基板１００を備える。基板１００は、流体流路本体部１０２、ノズル層１０４及び膜１０６を備える。ノズル層１０４は、シリコンなどの半導体材料から作られる。流体容器が、流体を流体充填流路１０８に供給する。流体充填流路１０８は、上昇流路１１０に流体的に接続される。上昇流路１１０は、流体ポンプ室１１２に流体的に接続される。流体ポンプ室１１２は、アクチュエータ１１４に密接している。アクチュエータ１１４は、駆動電極と接地電極との間に挟装されたチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材を備えることができる。アクチュエータ１１４の駆動電極と接地電極との間に電圧を印加してアクチュエータに電圧を印加することにより、アクチュエータを駆動することができる。膜１０６は、アクチュエータ１１４と流体ポンプ室１１２との間にある。接着剤層（不図示）によって、アクチュエータ１１４を膜１０６に固定することができる。
【００２４】
ノズル層１０４は、流体流路本体部１０２の下面に固定され、１５μｍから１００μｍ程度の範囲の厚さを有することができる。吐出口１１８を有するノズル１１７が、ノズル層１０４の外面１２０に形成される。流体ポンプ室１１２は下降流路１１６に流体的に接続され、下降流路１１６はノズル１１７に流体的に接続される。
【００２５】
図１は、流体充填流路、ポンプ室及び下降流路などの様々な流路を示しているが、これらの構成部の全てが同一の平面内にある必要はない。いくつかの実施形態では、流体流路本体部、ノズル層及び膜の二つ以上を一体として形成することができる。更に、各構成部の相対的な寸法は変化しうるものであり、図１では、いくつかの構成部の寸法が例示を目的として誇張されている。
【００２６】
流路及びノズルの寸法及び特に形状のデザインが、印刷品質及び印刷解像度や印刷デバイスのエネルギー効率に影響を及ぼす。図２Ａ〜２Ｃは、いくつかの従来のノズルの形状を示す。
【００２７】
例えば、図２Ａは、真直ノズル２０４を有するプリントヘッドの流路２０２を示している。真直ノズル２０４は、ノズル層２１０の外面に対して垂直な側壁２０６を有する。図２Ａの上側の図は、ノズル２０４の中心軸２０８を通る平面における流路２０２及びノズル２０４の側断面図である。中心軸２０８は、ノズル２０４のあらゆる水平断面の幾何学的中心を通る軸である。本明細書において、ノズルの各水平断面の幾何学的中心がその水平断面の対称中心でもある場合は、ノズルの中心軸２０８をノズルの対称軸とも呼ぶ。図２Ａの上側の図に示すように、中心軸２０８を含む平面における側壁２０６の輪郭は、中心軸２０８に平行な直線である。この例では、ノズル２０４は、ノズル層２１０の外面に対して垂直な円筒であり、単一の垂直側壁を有する。他の例では、ノズルは、ノズル層の外面に対して垂直な正方筒であってもよく、四つの平坦な垂直側面を有する。
【００２８】
図２Ａに示すように、ノズル２０４は、ノズル層２１０内に形成される。ノズル２０４は、ノズル２０４の中心軸２０８に垂直なあらゆる平面において断面形状及び大きさが同じである。図２Ａの下側の図は、ノズル層２１０の上面図である。この例では、ノズル２０４は、ノズル２０４の中心軸２０８に垂直なあらゆる平面において断面形状が円形である。様々な実施形態において、ノズル２０４の断面形状は、長円形、正方形、長方形、又は他の正多角形形状などの、他の形状であってもよい。
【００２９】
垂直側壁を有するノズルは、作製が比較的容易である。ノズルが垂直側壁を有していることは、ノズルからの吐出の直進性を保ち、ノズルから吐出されるインク滴の着地位置を予測可能にする上で役立つことがある。しかし、十分な液滴の大きさを確保するためには、垂直側壁を有するノズルの高さをかなり大きくする必要がある（例えば、数十μｍ以上）。垂直側壁を有するノズルの高さ方向の寸法が大きいと、ノズルから流体が液滴として吐出される際に、ノズルの内側の流体に対して著しい大きさの摩擦が生じる。垂直側壁を有するノズル内に生じる流れ抵抗が大きいほど、結果として、吐出周波数が低くなり、及び／又は駆動電圧が高くなり、更には、印刷速度が遅くなり、解像度が低くなり、出力効率が下がり、及び／又は装置の寿命が短くなる可能性がある。
【００３０】
垂直側壁を有するノズルの別の欠点は、液滴がノズルの吐出口（例えば、吐出口２１２）から飛び出たときに、空気がノズルの吐出口の開口部からノズル内に取り込まれてノズルの内側や流路の他の部分の内側に滞留する可能性があることである。ノズルの内側に滞留した空気は、インクの流れを阻害したり吐出された液滴を所望の軌道から逸らしたりする可能性がある。
【００３１】
図２Ｂは、テーパが付いた平坦な側壁２１８を有するノズル２１６を持つプリントヘッドの流路２１４を示している。図２Ｂの上側の図は、ノズル２１６の中心軸２２０を含む平面におけるプリントヘッドの流路２１４の側断面図である。中心軸２２０を含む平面におけるノズル２１６の輪郭は、ノズル２１６の上側開口部からノズル２１６の下側開口部（即ち、吐出口２１２）に向かって中心軸２２０の方へ収束する直線である。ノズル２１６の輪郭は、中心軸２２０の方へ収束する複数の平面によって形成されてもよい。
【００３２】
ノズル２１６は、ノズル層２２４内に形成され、中心軸２２０に垂直な複数の平面におけるノズル２１６の断面形状のそれぞれは、連続的に小さくなる正方形である。ノズル２１６は、ノズル２１６の上側開口部の辺からノズル２１６の下側開口部の対応する辺までそれぞれ傾斜している四つの平坦な側壁を有する。図２Ｂの下側の図は、ノズル層２２４の上面図である。図２Ｂの下側の図に示すように、ノズル２１６の各側壁２１８は、二つの隣接する平坦な側壁２１８のそれぞれと縁２２６に沿って交わる平坦な表面である。各縁２２６は、角のある縁であり、丸みを帯びた縁ではない。
【００３３】
図２Ｂの下側の図に示すように、ノズル２１６の下側開口部は比較的小さい正方形の開口部であり、ノズル２１６の上側開口部は比較的大きい正方形の開口部である。中心軸２２０は、ノズル２１６の上側開口部及び下側開口部の両方の幾何学的中心を通る。テーパが付いた側壁２１８を有するノズル２１６は、図２Ａに示す垂直側壁を有するノズル２０４に比べて、ノズルを通過する流体に対する摩擦が小さい。また、ノズル２１６のテーパが付いた形状は、液滴の発射に伴うノズル吐出口２１２での空気取り込み量を減らす。
【００３４】
図２Ｂに示すテーパ付ノズル２１６は、ＫＯＨエッチングを用いて半導体のノズル層２２４（例えば、シリコンのノズル層）内に形成することができる。しかし、テーパ付ノズル２１６の形状は、半導体ノズル層２２４内に存在する結晶面によって決定される。ノズル２１６がＫＯＨエッチングによって作製される場合、ノズル２１６の側壁面は半導体ノズル層２２４の｛１１１｝結晶面に沿って形成される。したがって、傾斜した側面２１８のそれぞれと中心軸２２０とが成す角度は、約３５度の固定値となる。
【００３５】
図２Ｂに示すテーパ付ノズル２１６は、図２Ａに示す垂直側壁を有するノズル２０４と比較して、流動抵抗が低く空気取り込み量が少ないという点で幾分改善されているが、ノズル開口部の形状やテーパが付いた側壁の角度を変更することについては自由度が極めて低い。ノズル吐出口の正方形の隅は、サテライト（液滴吐出の際に主液滴に付随して生成される二次的液滴）を生成する原因となることがある。また、ノズル吐出口２１２の縁の、平坦な側壁２１８とノズル層２２４の水平な下面との間の鋭い不連続部は、液滴に働く抗力を増す原因となり、吐出速度及び周波数を低下させる。
【００３６】
図２Ｃは、図２Ｂに示すようなテーパ付き部分と図２Ａに示すような垂直部分とを組み合わせた別のノズル構成を示す。ＫＯＨエッチング技術がもたらす制限があるため、垂直な下側部分とテーパが付いた上側部分とは、基板の両面からのエッチング加工によって形成される。しかし、両面エッチングは、位置合わせが困難であるという問題を招くことがある。さもなければ、例えば参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願公開第２０１１／０１８１６６４号明細書で説明されているように、テーパが付いた部分と同じ側から垂直な下側部分を形成するように特別に工夫された加工工程を実行しなければならない。
【００３７】
図２Ｃの上側の図は、垂直な下側部分２３８に急峻に接続したテーパ付き上側部分２３６を有するノズル２３４を含むプリントヘッドの流路２３２の側断面図である。図２Ｃに示す側断面図は、ノズル２３４の中心軸２４０を含む平面内にある。中心軸２４０を含む平面におけるテーパ付き上側部分２３６の輪郭は、ノズル２３４の上側開口部からテーパ付き上側部分２３６と垂直側壁を有する下側部分２３８との接続部に向かって収束する直線からなる。中心軸２４０を含む平面における垂直側壁を有する下側部分２３８の輪郭は、中心軸２４０に平行な直線からなる。この輪郭は、中心軸２４０と同軸の円筒形によって構成されることができる。テーパ付き上側部分２３６と垂直側壁を有する下側部分２３８との接続部は、滑らかではなく、垂直方向（即ち、この例では流体吐出方向）に一つ以上の不連続部、即ち角のある縁を有する。
【００３８】
この例では、ノズル２３４の中心軸２４０に垂直な複数の平面におけるテーパ付き上側部分２３６の断面形状のそれぞれは正方形であるが、ノズル２３４の中心軸２４０に垂直な複数の平面における下側部分２３８の断面形状のそれぞれは円形である。したがって、テーパ付き上側部分２３６は、テーパ付き上側部分２３６の上側開口部の辺から上側部分２３６と下側部分２３８との接続部の対応する辺までそれぞれ傾斜している四つの平坦な側面２４４を有する。図２Ｃに示されている垂直側壁を有する下側部分２３８の断面は円形であるが、垂直側壁を有する下側部分の断面は正方形又は他の形状であってもよい。
【００３９】
ノズル２３４は、ノズル層２４２内に形成される。図２Ｃの下側の図は、ノズル２３４の上面図である。この上面図において、垂直側壁を有する下側部分２３８の下側開口部は円形であり、テーパ付き上側部分２３６の上側開口部は正方形であり、垂直側壁を有する下側部分２３８とテーパ付き上側部分２３６との接続部は、円筒形の孔とピラミッドを逆さまにした形の孔との接続部である。上側部分と下側部分とで断面形状が一致していないので、接続部の縁は曲線部と鋭い不連続部とを含む。これらの不連続部も、流体摩擦及び液滴生成の不安定性の原因となる。上側部分２３６及び下側部分２３８の断面形状が両方とも正方形である場合であっても、依然として二つの部分の接続部に不連続部が流体吐出方向にある。また、正方形のノズル開口部は、例えば、図２Ｂに関して述べた他の理由からも、円形のノズル吐出口に比べて非理想的である。
【００４０】
本明細書では、半導体のノズル層（例えば、シリコンのノズル層）内に形成された垂直側壁を有する下側部分に滑らかに接続した湾曲した上側部分を有する漏斗状ノズルが開示されている。漏斗状ノズルの湾曲した上側部分は、ノズルの中心軸を含む平面における湾曲した上側部分の側面の輪郭が直線ではなく曲線からなるという点で、図２Ｃに示すテーパ付き上側部分と異なる。更に、湾曲した上側部分の輪郭は、垂直側壁を有する下側部分に向かって収束して垂直側壁を有する下側部分に滑らかに接続していて、湾曲した上側部分と垂直側壁を有する下側部分との接続部で急峻な角度で曲がってはいない。
【００４１】
更に、いくつかの実施形態では、ノズル層の水平な上面から漏斗状ノズルの湾曲した側面への移行部も、滑らかであって急峻ではない。更に、ノズルの中心軸に垂直な複数の平面における漏斗状ノズルの水平断面形状のそれぞれは、ノズルの深さ方向の全体にわたって互いに幾何学的に相似かつ同心である。したがって、漏斗状ノズルの湾曲した上側部分と垂直側壁を有する下側部分との間に鋭い接続部はない。本明細書で説明されている漏斗状ノズルは、例えば、図２Ａ〜２Ｃに関して説明されている従来のノズル形状に比べて、多くの利点を有する。
【００４２】
図３Ａは、垂直側壁を有する下側部分３０６に滑らかに接続した湾曲した上側部分３０４を有する漏斗状ノズル３０２の側断面図である。垂直側壁を有する下側部分３０６において、ノズル３０２の側面は、互いに平行であり、ノズル層３０８の外側表面３２２に垂直である。垂直側壁を有する下側部分３０６は、円筒状通路である（つまり、側壁は横方向ではなく垂直上下方向に沿っている）。漏斗状ノズル３０２は、平坦な半導体ノズル層３０８内に形成された漏斗状の貫通孔である。テーパ付き上側部分３０４と垂直側壁を有する下側部分３０６との接続部（その位置が図３Ａにおいて点線３２０によって示されている）は、滑らかであり、不連続部もノズル３０２の中心軸３１０に垂直な表面も実質的に存在しない。
【００４３】
図３Ａに示すように、湾曲した上側部分３０４の高さは、垂直側壁を有する下側部分３０６の高さよりも実質的に大きい。しかし、垂直側壁を有する下側部分３０６は、少なくともある高さ、例えば湾曲した上側部分３０４の高さの１０％以上３０％以下の高さを有する。例えば、湾曲した上側部分３０４の高さは４０μｍ以上７５μｍ以下（例えば、４０μｍ、４５μｍ、又は５０μｍ）であってもよいが、下側部分３０６の高さは僅か５μｍ以上１０μｍ以下（例えば、５μｍ、７μｍ、又は１０μｍ）であってもよい。湾曲した上側部分３０４は、垂直側壁を有する下側部分３０６よりもかなり大きい体積を囲む。より大きい湾曲した上側部分は、吐出される流体の大半を保持する。いくつかの実施形態では、湾曲した上側部分３０４内に囲まれている体積は、漏斗状ノズル３０２から吐出される液滴の数滴（例えば、３滴から４滴）分の体積に相当する。それぞれの液滴は、３ピコリットル（ｐｌ）以上１００ｐｌ以下であってもよい。垂直側壁を有する下側部分３０６の体積は、より小さく、例えば、単一の液滴の体積よりも小さい。
【００４４】
垂直側壁を有する下側部分３０６の高さは、大きい流体摩擦を引き起こさず、また液滴の発射時に空気取り込みを実質的に引き起こさないように、十分に小さい。それと同時に、垂直側壁を有する下側部分３０６の高さは、吐出の直進性を維持できるように、十分に大きい。いくつかの実施形態では、垂直側壁を有する下側部分３０６の高さは、ノズル吐出口の直径の約１０％以上３０％以下である。例えば、図３Ａにおいて、ノズル吐出口の直径は３５μｍであり、垂直側壁を有する下側部分の高さは５μｍ以上１０μｍ以下（例えば、７μｍ）である。いくつかの実施形態では、ノズル吐出口の直径は、１５μｍ以上４５μｍ以下であってもよい。
【００４５】
ノズル３０２の湾曲した上側部分３０４及び垂直側壁を有する下側部分３０６の両方は、液滴の形成及び吐出において重要な機能を果たす。湾曲した上側部分３０４は、液滴がノズル吐出口から吐出されたときにノズルの内側に気泡を形成する空隙がノズル内にほとんど（又は全く）生じないように、十分な体積の流体を保持するように設計されている。それと同時に、垂直側壁を有する下側部分３０６は、かなり小さい体積の流体を保持し、吐出時に液滴に対して著しい抗力を与えることなく吐出の直進性を維持する働きをする。
【００４６】
漏斗状ノズル３０２は、ノズル３０２の中心軸３１０に垂直な複数の平面における漏斗状ノズル３０２の断面形状のそれぞれがノズル３０２の深さ方向の全体にわたって円形であって矩形ではないという点で、図２Ｂ及び２Ｃに示すノズルと更に異なる。したがって、流体吐出方向において、湾曲した上側部分３０４と垂直側壁を有する下側部分３０６との間に不連続部はない。漏斗状ノズル３０２は、輪郭が流線形であるので、図２Ｂ及び２Ｃに示すノズルに比べて流体摩擦が更に低くなっている。また、漏斗状ノズル３０２の側面は、完全に滑らかであり、ノズル３０２の中心軸３１０の周りに回転する方向においても不連続部や急峻な変化がない。したがって、漏斗状ノズル３０２は、図２Ｂ及び２Ｃに示すノズルに存在する他の欠点（例えば、サテライトの生成）の原因となる抗力や不安定性を生じない。
【００４７】
従来のエッチング加工を用いると、漏斗状ノズルをシリコンで形成することが難しい場合がある。従来のエッチング加工のうち、ボッシュ法は平坦かつ垂直な壁を形成し、ＫＯＨエッチングはテーパが付いた平坦な壁を形成する。等方性エッチングは、椀形状のように湾曲した形状を形成することができるが、その逆に湾曲した形状の壁を作ることによって漏斗状の形状を作製することはできない。
【００４８】
また、本明細書に開示されている加工技術によれば、漏斗状ノズルの湾曲した上側部分がその上側開口部から垂直側壁を有する下側部分の方へ収束してゆく程度は、設計により変えることができ、特定の結晶面の配向によって固定されることはない。より詳しくは、湾曲した上側部分３０４の上側開口部の縁と中心軸３１０を含む平面との交点を点Ａとし、湾曲した上側部分３０４の下側開口部の縁と中心軸３１０を含む同じ平面との交点を点Ｂとする。図２Ｃに示すノズル２３４とは異なり、点Ａ及び点Ｂを結ぶ直線と中心軸３１０とが成す角度αは、半導体ノズル層３０８の結晶面によって決定される固定角度（例えば、図２Ｃでは３５度）ではない。その代わりに、漏斗状ノズル３０２における角度αは、漏斗状ノズル３０２を作製するときに加工パラメータを変化させることによってデザインすることができる。いくつかの実施形態では、漏斗状ノズル３０２における角度αは、３０度以上４０度以下であってもよい。いくつかの実施形態では、漏斗状ノズル３０２における角度αは、４０度より大きくてもよい。
【００４９】
図３Ａに示すように、漏斗状ノズル３０２の湾曲した上側部分３０４は、基板内に円筒状の穴部を形成する加工工程において穴部壁に自然に丸みやテーパが付いた結果として生じた丸みを帯びた縁部とは異なる。
【００５０】
まず、漏斗状ノズル３０２の湾曲した上側部分３０４が呈するテーパの量は、製造の不正確さ（例えば、垂直側壁を有するフォトレジストマスクを介して基板をエッチングする際の過剰なエッチング）により生じるかもしれないテーパに比べてかなり大きい。例えば、漏斗状ノズル３０２の側壁に対するテーパの角度は、約３０度から４０度である。湾曲した上側部分３０４の垂直方向の広がりは、数十μｍ（例えば、５０μｍ以上７５μｍ以下）であってもよい。湾曲した上側部分３０４の上側開口部の幅は、１００μｍ以上であってもよく、湾曲した上側部分３０４の下側開口部の幅の３倍以上４倍以下であってもよい。対照的に、製造の不完全さ及び／又は不正確さにより円筒状の穴部の上側開口部付近に存在するテーパや丸みは、典型的には１度未満である。また、自然に生じたテーパや丸みの高さ及び幅の変動は、本明細書で説明されている漏斗状ノズルに存在する高さ及び幅の変動に比べて、かなり小さい（例えば、ナノメートル程度から１μｍ〜２μｍ未満の範囲）。
【００５１】
図３Ｂは、漏斗状ノズル（例えば、図３Ａに示すノズル３０２）の上面図である。図３Ｂに示すように、漏斗状ノズル３０２の上側開口部３１２及び下側開口部３１４は、両方とも円形で同心である。ノズル３０２の全体の側面３１６のどの部分にも不連続部はない。ノズル３０２の上側開口部３１２の幅は、ノズル３０２の下側開口部３１４の幅の少なくとも３倍である。いくつかの実施形態では、ノズル３０２の上側開口部３１２は、漏斗状ノズル３０２の上にあるポンプ室に流体的に接続され、ポンプ室の境界が、漏斗状ノズル３０２の上側開口部３１２の境界を画成する。図３Ｃは、漏斗状ノズル３０２を有するプリントヘッドの流路３１８を示している。
【００５２】
図３Ｂは、ノズルの深さ方向の全体にわたって断面形状が円形である漏斗状ノズルを示しているが、他の断面形状も可能である。漏斗状ノズルの垂直側壁を有する下側部分の断面形状は、長円形、正方形、長方形、又は他の多角形形状であってもよい。このとき、漏斗状ノズルの湾曲した上側部分は、垂直側壁を有する下側部分と同様の断面形状を有する。しかし、湾曲した上側部分の断面形状内の隅（もし存在する場合）は、湾曲した上側部分の側面が垂直側壁を有する下側部分から湾曲した上側部分の上側開口部の方へ離れるにつれて、徐々に解消されて滑らかになっている。湾曲した上側部分の断面の正確な形状は、製造工程と漏斗状ノズルを作製するために使用される材料とによって決まる。
【００５３】
例えば、いくつかの実施形態では、垂直側壁を有する下側部分に滑らかに接続した湾曲した上側部分を有する漏斗状ノズルの水平断面形状は、正方形であってもよい。このような実施形態では、ノズルの中心側面形状は、図３Ａに示す形状と同じである。しかし、このとき、漏斗状ノズルは四つの収束する湾曲した側面を有し、互いに隣接する湾曲した側面の交線は、ノズルの下側吐出口の方へ収束して、ノズルの垂直側壁を有する下側部分内の四本の平行な直線へと滑らかに遷移する、四本の滑らかな曲線である。更に、互いに隣接する湾曲した側面の間の交差部は滑らかな丸みを帯びているので、四つの湾曲した側面は漏斗状ノズルの上側部分に単一の滑らかな側面部を形成している。
【００５４】
プリントヘッド本体部は、半導体材料の複数の層内に様々な形状を形成し、それらの層を互いに接着して本体部を形成することによって製造することができる。２００２年７月３日に出願された米国特許出願第１０／１８９，９４７号で説明されているように、従来の半導体加工技術を使用して、ポンプ室及びインク入口などのノズルに至る流路形状をエッチング加工によって基板内に形成することができる。ノズル層及び流路モジュールが一体となって、インクが中を通って吐出されるプリントヘッド本体部を形成する。インクが中を流れるノズルの形状は、インクの流れに対する抵抗に影響を及ぼすことがある。本明細書で説明されている漏斗状ノズルを作製することによって、流動抵抗を小さくし、吐出周波数を高め、駆動電圧を下げ、及び／又は吐出直進性を改善することができる。また、本明細書で説明されている加工技術によれば、所望の寸法及びピッチを有する複数のノズルの配列を高均一に高効率で形成することができる。
【００５５】
図４Ａ〜４Ｈに、垂直側壁を有する下側部分に滑らかに接続した湾曲した上側部分を有する漏斗状ノズル、例えば、図３Ａ〜３Ｃに示す漏斗状ノズルを作製するための工程を例示する。
【００５６】
漏斗状ノズルを形成するために、最初に、パターン形成されたフォトレジスト層を半導体基板の上面上に形成する。このパターン形成されたフォトレジスト層は、該層の露出した上面に滑らかに接続した湾曲した側面を有する開口部を備える。例えば、あるｚ軸（半導体基板の上面に垂直な軸）を中心とする開口部は、ｚ方向及びｚ軸周りに回転する方向のそれぞれにおいて湾曲している側面を有する。開口部の形状は、漏斗状ノズルの中心軸に垂直な複数の平面における漏斗状ノズルの断面形状のそれぞれを決定する。開口部の大きさは、漏斗状ノズルの下側開口部と大体同じである（例えば、３５μｍ）。図４Ａ〜４Ｈに示す例では、ノズルの深さ方向の全体にわたって水平断面形状が円形である漏斗状ノズルを作製するために、開口部は円形である。
【００５７】
パターン形成されたフォトレジスト層を形成するために、レジスト再流動化処理を用いることができる。図４Ａに示すように、均一なフォトレジスト層４０２を、半導体基板（例えば、シリコンウエハ）４０６の平坦な上面４０４に設ける。半導体基板４０６は、シリコン（１００）ウエハ、シリコン（１１０）ウエハ、シリコン（１１１）ウエハなどの、いくつかの結晶方位のうちの一つを有する基板であってよい。フォトレジスト層４０２の厚さは、フォトレジスト層内の開口部の湾曲した側面の最終的な曲率に影響を及ぼし、その結果、漏斗状ノズルの湾曲した側面の最終的な曲率に影響を及ぼす。一般的に、半導体基板４０６上に設けられたフォトレジスト層４０２が厚いほど、漏斗状ノズルの湾曲した側面の曲率半径が大きくなる。
【００５８】
この例では、均一なフォトレジスト層４０２の初期厚さは、約１０μｍ以上１１μｍ以下（例えば、１１μｍ）である。いくつかの実施形態では、半導体基板４０６の平坦な上面４０４にフォトレジストを１１μｍよりも厚く設けることができる。フォトレジストの厚みのある程度の部分が、所望の深さの漏斗状穴部を作る加工工程の後に、基板上に残っていてもよい。使用できるフォトレジストの例として、ＭｉｃｒｏＣｈｅｍｉｃａｌｓ（商標）ＧｍｂＨが製造するＡＺ９２６０、ＡＺ９２４５及びＡＺ４６２０や、他のポジ型フォトレジストが挙げられる。半導体基板４０６の厚さは、作製しようとする漏斗状ノズルの所望の深さ以上である。例えば、基板４０６は、酸化物薄層を介してハンドル層に付着した約５０μｍのシリコン層を有するＳＯＩウエハであってもよい。又は、基板４０６は、接着剤層により又はファンデルワールス力によりハンドル層に付着したシリコン薄層であってもよい。
【００５９】
図４Ｂに示すように、均一なフォトレジスト層４０２を半導体基板４０６の平坦な上面４０４に設けた後、均一なフォトレジスト層４０２にパターンを形成し、一つ又は複数の垂直側壁４１０を有する初期開口部４０８を形成する。この例では、均一なフォトレジスト層４０２内に円形開口部が形成され、円形開口部の側壁は、均一なフォトレジスト層４０２の平坦な上面４１２と半導体基板４０６の平坦な上面４０４とに対して垂直な単一の曲面である。初期円形開口部４０８の直径は、作製される漏斗状ノズルの下側開口部の直径を決定する。この例では、初期円形開口部４０８の直径は、約２０μｍ以上４０μｍ以下（例えば、３５μｍ）であってもよい。均一なフォトレジスト層４０２にパターンを形成する加工工程は、通常のフォトマスクを介した紫外光又は可視光による露光及びフォトレジスト層の露光された部分を除去するフォトレジスト現像工程を含んでいてもよい。
【００６０】
均一なフォトレジスト層４０２内に初期開口部４０８を形成した後、フォトレジスト層４０２を約１６０℃以上２５０℃以下に熱して、フォトレジスト層４０２内のフォトレジスト材料を軟化させる。パターン形成されたフォトレジスト層４０２内のフォトレジスト材料が熱処理によって軟化すると、フォトレジスト材料は、特に開口部４０８の上側縁４１４付近の領域で、再流動化してフォトレジスト材料の表面張力の影響によって再成形を始める。フォトレジスト材料の表面張力により、開口部４０８の表面の輪郭が後退して丸みを帯びる。図４Ｃに示すように、開口部４０８の上側縁４１４は、表面張力の影響によって丸みを帯びている。
【００６１】
いくつかの実施形態では、真空環境中でフォトレジスト層４０２を熱してフォトレジスト層４０２の再流動化を生じさせる。フォトレジスト層４０２への加熱を真空環境中で行うと、フォトレジスト層４０２の表面がより滑らかになり、フォトレジスト材料の内部に小さい気泡が取り込まれることがない。そのため、最終的に製造されるノズルの表面の滑らかさが改善される。円形開口部４０８の上側縁４１４が後退して丸みを帯びる程度は、円形開口部４０８の幅方向の大きさ、フォトレジスト層４０２の厚さ、及びフォトレジスト材料の重さや粘度に影響される。これらのパラメータは、再流動化が生じたときに開口部４０８の上側縁４１４が所望の程度だけ拡張するように調節することができる。
【００６２】
開口部４０８の所望の形状が得られた後、フォトレジスト層４０２を冷却する。この冷却は、熱源の除去又は能動的な冷却によって行うことができる。作製される漏斗状ノズルの表面特性を改善するために、この冷却を真空環境中で行ってもよい。フォトレジスト層４０２を冷却すると、フォトレジスト層４０２は再硬化し、再硬化の過程において開口部４０８の表面の輪郭はその形状を保ち、再硬化過程が終了したとき開口部４０８の上側縁４１４は図４Ｄに示すように丸みを帯びたままである。
【００６３】
パターン形成されたフォトレジスト層４０２が硬化したら、基板４０６のエッチングを始めることができる。漏斗状穴部は、二段階のエッチング加工で作製される。まず、第１のエッチング加工により、垂直側壁を有する穴部が作製される。次いで、第２のエッチング加工により、垂直側壁を有する穴部が変形される。第２のエッチング加工では、最初に形成された垂直側壁を有する穴部を深くして、漏斗状穴部の垂直側壁を有する下側部分を形成する。それと同時に、第２のエッチング加工では、最初に形成された垂直側壁を有する穴部を上部から徐々に拡張して、漏斗状穴部の湾曲した上側部分を形成する。
【００６４】
図４Ｅに示すように、第１のエッチング加工により、パターン形成されたフォトレジスト層４０２を介して、垂直側壁を有する初期穴部４１６が作製される。例えば、第１のエッチング加工は、ボッシュ法であってもよい。第１のエッチング加工で作製された垂直側壁を有する穴部４１６の深さは、最終的に作製しようとする漏斗状穴部の所望の深さよりもやや浅い（例えば、５μｍ以上１５μｍ以下程度浅い）。例えば、漏斗状穴部の全深さが５０μｍ以上８０μｍ以下であるとき、第１のエッチング加工で作製される垂直側壁を有する穴部４１６の深さは４５μｍ以上７５μｍ以下であってもよい。垂直側壁を有する穴部４１６の側面輪郭４１８に小さいスキャロップパターンが存在する場合があるが、そのような小さい変動（例えば、１度から２度）は垂直側壁を有する穴部４１６の全体的な寸法（例えば、幅３５μｍ、深さ４５μｍ以上７５μｍ以下）と比較して小さい。
【００６５】
第１のエッチング加工で作製された垂直側壁を有する穴部４１６は、半導体基板４０６の上面４０４に平行な平面における断面が、フォトレジスト層４０２の開口部４０８の下側縁によって囲まれた領域と実質的に同じ形状及び大きさである。図４Ｅに示すように、第１のエッチング加工で使用されるエッチャントは、フォトレジスト層４０２を、フォトレジスト層４０２の開口部４０８を介して露出された半導体基板４０６と比較して、極めて僅かしか除去しない。したがって、パターン形成されたフォトレジスト層４０２の表面の輪郭は、第１のエッチング加工が終了したとき実質的に変化していない。例えば、第１のエッチング加工における半導体基板４０６とフォトレジスト層４０２との選択比は、１００：１であってもよい。
【００６６】
第１のエッチング加工によって垂直側壁を有する初期穴部４１６を半導体基板４０６内に形成した後、第２のエッチング加工を開始して、図４Ｅに示す垂直側壁を有する初期穴部４１６を図４Ｆに示す所望の漏斗状穴部４２０に変形することができる。
【００６７】
図４Ｆに示すように、半導体基板４０６及びパターン形成されたフォトレジスト層４０２を、垂直方向（例えば、図４Ｆで基板４０６の平坦な上面４０４に垂直な方向）からのドライエッチングに曝す。ドライエッチング加工で使用されるエッチャントのエッチ速度は、フォトレジスト及び半導体基板４０６の両方に対して同程度であってもよい。例えば、ドライエッチングのフォトレジストと半導体基板との選択比は、１：１であってもよい。いくつかの実施形態では、ＣＦ４／ＣＨＦ３及びＯ２混合ガスを使用して高いプラテン出力（例えば、４００Ｗ超）でドライエッチングを行う。
【００６８】
ドライエッチング中に、エッチング加工が進むにつれて、フォトレジスト層４０２の表面の輪郭はエッチャントの衝撃によって垂直方向に後退する。フォトレジスト層４０２の開口部４０８の上側縁４１４が湾曲した輪郭を有しているので、半導体基板４０６の表面のうちフォトレジスト層４０２の最も薄い部分の下にある部分が、フォトレジスト層４０２の下にある半導体基板４０６の表面の他の部分と比較して、先にエッチャントに曝される。半導体表面のエッチャントに曝された部分も、徐々にエッチングにより除去される。図４Ｆにおいて、エッチャントの衝撃によって徐々に後退したフォトレジスト層４０２及び半導体基板４０６のそれぞれの表面の輪郭を、点線により表す。
【００６９】
ドライエッチングが進むにつれて、フォトレジスト層４０２の下に幾分かのアンダーカッティングが生じることがある。例えば、図４Ｆに示すように、フォトレジスト層４０２の開口部４０８の縁の下の領域４２２がエッチングされて、半導体基板４０６の表面が横方向に拡張される。穴部４１６の側面４１８は、拡張されて、半導体基板４０６内に形成された漏斗状穴部４２０の湾曲した上側部分の湾曲した側面４２４となる。
【００７０】
ドライエッチングが進むにつれて、穴部４１６は、側面４１８が横方向に拡張されるのと同時に、垂直方向にも深くなる。穴部４１６が深まることにより、漏斗状穴部４２０の垂直側壁を有する下側部分が形成される。穴部４１６が深まることにより、垂直側壁を有する下側部分が数μｍ深まる。垂直側壁を有する下側部分の側面４２６は、半導体基板４０６の平坦な上面４０４に垂直である。穴部４２０の側面４２４が横方向に拡張される程度は上側から下側へと徐々に減少するので、湾曲した上側部分の湾曲した側面４２４は、垂直側壁を有する下側部分の垂直側面４２６へと滑らかに遷移する。漏斗状穴部４２０の上側開口部の境界は、フォトレジストが基板４０６の表面と接し始める縁によって画成される。
【００７１】
ドライエッチングは、漏斗状穴部４２０が所望の深さに達する頃合で終了してもよい。又は、ドライエッチングは、漏斗状穴部４２０の湾曲部分の所望の表面の輪郭が得られる頃合で終了してもよい。
【００７２】
いくつかの実施形態では、半導体基板の厚さがノズル層の所望の厚さである場合は、エッチングが半導体基板の厚さ方向の全体に及んで漏斗状ノズルが完全に形成されるまでドライエッチングを続けてもよい。いくつかの実施形態では、半導体基板を反対側からエッチング、研削及び／又は研磨することにより、漏斗状穴部を反対側から開いて漏斗状ノズルを形成してもよい。
【００７３】
図４Ｇに、フォトレジスト層４０２が除去され下側が開かれて完成した漏斗状穴部４２８を示す。漏斗状ノズル４２８を形成した後、ノズル層４０６を、図４Ｈに示す流体吐出ユニット４３０などの流体吐出ユニットの他の層に取り付けることができる。いくつかの実施形態では、漏斗状ノズル４２８は、配列された複数の同じ漏斗状ノズルの一つであり、配列された複数の同じ漏斗状ノズルのそれぞれは、独立に制御可能な流体吐出ユニット４３０に属する。いくつかの実施形態では、流体吐出ユニットは、漏斗状ノズル４２８に流体的に接続されたポンプ室を封止する柔軟膜を備えて半導体基板４０６の上面に支持された圧電アクチュエータアセンブリを備える。柔軟膜のそれぞれの動作は、漏斗状ノズル４２８の垂直側壁を有する下側部分を介して液滴が吐出されるように制御可能であり、湾曲した上側部分によって囲まれている体積は、液滴の体積の３倍以上４倍以下である。
【００７４】
図５Ａ及び５Ｂに、図４Ａ〜４Ｇに示す加工工程によって作製された二つの漏斗状穴部（例えば、穴部５０２及び穴部５０４）の画像を示す。
【００７５】
漏斗状穴部の寸法は、実施形態によって異なることがある。図５Ａに示すように、漏斗状穴部５０２の垂直側壁を有する下側部分５０６の深さは約３０μｍであり、漏斗状穴部５０２の湾曲した上側部分５０８の深さは約３７μｍである。この漏斗状穴部５０２から漏斗状ノズルを作製する際に、垂直側壁を有する下側部分５０６が例えば５μｍ以上１０μｍ以下の所望の深さとなるように、基板を下側から研削及び研磨することができる。図５Ａに示すように、垂直側壁を有する下側部分５０６の直径は、穴部５０２の中心軸に垂直な平面において大体均一（下側部分５０６の直径が２０μｍであるのに対して変動は０．５μｍ未満）である。湾曲した上側部分５０８の下側開口部は、垂直側壁を有する下側部分５０６の上側開口部に滑らかに接続している。穴部５０２の上側開口部の直径は、１２６μｍの範囲であり、垂直側壁を有する下側部分５０６の直径の６倍である。湾曲した上側部分５０８が下側から上側へと広がる程度は、湾曲した上側部分５０８の半分の高さのところの湾曲した上側部分５０８の幅によって定義できる。この例では、湾曲した上側部分の半分の高さのところの幅は、約３４μｍである。
【００７６】
図５Ｂでは、より細い漏斗状穴部５０４が形成されている。湾曲した上側部分５１０の上側開口部の直径は、約７５μｍであり、垂直側壁を有する下側部分５１２の直径の約４．４倍である。漏斗状穴部５０４の全高は約４９μｍであり、垂直側壁を有する下側部分５１２の高さは約４μｍである。湾曲した上側部分５１０の半分の高さのところの幅は、約３０μｍである。
【００７７】
本発明のいくつかの実施形態を説明してきた。しかし、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な変形を行うことができることが理解されるであろう。また、上述の構造を形成する例示的な方法を説明してきた。しかし、他の加工工程を、説明されている加工工程と同じ又は類似の結果を求めるために代わりに使用することができる。したがって、他の実施形態は、特許請求の範囲内にある。
【図１】
2013230676.tif 000003
【図２Ａ】
2013230676.tif 000004
【図２Ｂ】
2013230676.tif 000005
【図２Ｃ】
2013230676.tif 000006
【図３Ａ】
2013230676.tif 000007
【図３Ｂ】
2013230676.tif 000008
【図３Ｃ】
2013230676.tif 000009
【図４Ａ】
2013230676.tif 000010
【図４Ｂ】
2013230676.tif 000011
【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
2013230676.tif 000013
【図４Ｅ】
2013230676.tif 000014
【図４Ｆ】
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【図４Ｇ】
2013230676.tif 000016
【図４Ｈ】
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【図５Ａ】
2013230676.tif 000018
【図５Ｂ】
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