JP4380962B2 - インクジェットプリントヘッドの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェットプリントヘッドに関する。より詳細には、本発明は、外部に配置されたアクチュエータを備えた可動ノズルを有するインクジェットプリントヘッドの製造方法に関する。
【０００２】
（同時係属出願）
本発明による様々な方法、システムおよび装置は、本発明の出願人または譲受人により、本願と同時に出願された以下の同時係属出願に開示されている。
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これらの同時係属出願の開示は、参照により本願明細書に援用されたものとする。
【０００３】
【従来の技術】
本願出願人の同時係属中の米国特許出願第０９／１１２，８３５号に、一般的に、可動ノズルの製造方法が開示されている。このような可動ノズルデバイスは、可動ノズルを移動させ、それを行いながら、インクを排出するための磁気応答デバイスにより作動される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この構成の問題として、アクチュエータにインクが入らないように、デバイスの部品に疎水処理を施す必要がある点が挙げられる。
【０００５】
疎水処理が不要な可動ノズルタイプデバイスの製造方法が提案される。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、
基板を与えるステップと、
各アセンブリのノズルが要求に応じてインクを排出するように基板に対して変位可能であり、ノズルの変位を制御するようにノズルに接続されチャンバの外部に配設されたアクチュエータユニットをノズルアセンブリが有し、各ノズルアセンブリのノズルのノズル開口とノズルチャンバを流通状態にして、基板上にノズルアセンブリのアレイを作るステップとを有するインクジェットプリントヘッドの製造方法が提供される。
【０００７】
本願明細書において、「ノズル」という用語は、開口を規定する要素であり、開口そのものではないものとして理解されたい。
【０００８】
この方法は、平面モノリシック堆積、リソグラフィおよびエッチングプロセスを用いてアレイを作ることを有することが好ましい。
【０００９】
さらに、この方法は、基板上に多数のプリントヘッドを同時に形成することを有するものであってよい。
【００１０】
この方法は、同じ基板上に集積駆動電子機器を形成することを有するものであってよい。集積駆動電子機器は、ＣＭＯＳ製造プロセスを用いて形成されてよい。
【００１１】
この方法は、ノズルの一部からチャンバを規定する壁の第１の部分と、チャンバからのインクの流出を阻止し、基板から延在する阻止手段から壁の第２の部分を形成することを有するものであってよい。より詳細には、この方法は、堆積およびエッチングプロセスにより、阻止手段を基板から延在するように形成することを有するものであってよい。
【００１２】
この方法は、ノズルがアクチュエータユニットに対して片持ち式に設けられるように、アームによりノズルとアクチュエータユニットとを相互接続することを有するものであってよい。
【００１３】
アクチュエータユニットは、熱曲げアクチュエータであってよく、一方が能動ビームであり、他方が受動ビームである少なくとも２つのビームからアクチュエータを形成することを有するものであってよい。「能動」ビームとは、能動ビームを電流が流れると、熱膨張するものである。これに対して、「受動」ビームとは、電流がながれず、使用中、能動ビームが曲がりやすいように働くものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しながら、例示的に本発明について記載する。
【００１５】
最初に、図面の図１を参照すると、本発明によるノズルアセンブリが、参照番号１０で概して示されている。インクジェットプリントヘッドは、シリコン基板１６上のアレイ１４に配設された複数のノズルアセンブリ１０を有する。アレイ１４については、以下に詳細に記載する。
【００１６】
アセンブリ１０は、誘電体層１８が堆積されるシリコン基板またはウェーハ１６を有する。誘電体層１８上には、ＣＭＯＳパッシベーション層２０が堆積される。
【００１７】
各ノズルアセンブリ１２は、ノズル開口２４を規定するノズル２２と、レバーアーム２６の形をした接続部材と、アクチュエータ２８とを有する。レバーアーム２６は、アクチュエータ２８をノズル２２に接続する。
【００１８】
図面の図２から４にさらに詳細に示されているように、ノズル２２は、スカート部分３２がクラウン部分３０から垂下したクラウン部分３０を備える。スカート部分３２は、ノズルチャンバ３４の周囲壁の一部をなす（図面の図２から４）。ノズル開口２４は、ノズルチャンバ３４と流通状態にある。ノズル開口２４が、ノズルチャンバ３４にあるインク体４０のメニスカス３８（図２）を「ピンでとめる」***リム３６により囲まれていることに留意されたい。
【００１９】
ノズルチャンバ３４の床４６に、インク入口孔４２（図面の図６に最も明確に図示）が規定される。孔４２は、基板１６を通って規定されるインク入口チャネル４８と流通状態にある。
【００２０】
壁部分５０が、孔４２の境界を定め、床部分４６から上向きに延在する。上述したように、ノズル２２のスカート部分３２は、ノズルチャンバ３４の周囲壁の第１の部分を規定し、壁部分５０は、ノズルチャンバ３４の周囲壁の第２の部分を規定する。
【００２１】
壁５０は、以下にさらに詳細に記載するように、ノズル２２を置き換えるときに、インクを流出させない流体シールとして作用する内側に向いたリップ５２を自由端に有する。インク４０の速度と、リップ５２とスカート部分３２との間のわずかな間隔により、内側に向いたリップ５２と表面張力は、インクをノズルチャンバ３４から流出させないための効果的なシールとして機能することを理解されたい。
【００２２】
アクチュエータ２８は、熱曲げアクチュエータであり、基板１６から、より詳細には、ＣＭＯＳパッシベーション層２０から上向きに延在するアンカー５４に接続される。アンカー５４は、アクチュエータ２８と電気的接続を形成する伝導性パッド５６上に設けられる。
【００２３】
アクチュエータ２８は、第２の受動ビーム６０の上方に配設された第１の能動ビーム５８を備える。好適な実施形態において、両方のビーム５８および６０は、窒化チタン（ＴｉＮ）などの伝導性セラミック材料からなるか、その材料を有するものである。
【００２４】
両方のビーム５８および６０は、アンカー５４に繋止された第１の端部と、アーム２６に接続されたそれらと反対の端部をそれぞれ有する。能動ビーム５８に電流が流れると、ビーム５８は熱膨張する。電流の流れがない受動ビーム６０が同率に膨張しないため、図面の図３に示されているように、アーム２６、ひいてはノズル２２が基板１６の方へ下向きに変位する曲げモーメントが生じる。これにより、図面の図３の参照番号６２で示されているように、ノズル開口２４を介してインクが排出される。能動ビーム５８から熱源が取り除かれると、すなわち、電流の流れを止めると、図面の図４に示されているように、ノズル２２は、静止位置に戻る。ノズル２２が静止位置に戻ると、図面の図４の参照番号６６で示されているように、インク滴のネック部分が***することにより、インク滴６４が形成される。インク滴６４は、紙などの印刷媒体上に進む。インク滴６４が形成されたことにより、図面の図４の参照番号６８で示されているように、「負」のメニスカスが形成される。この「負」のメニスカス６８により、ノズルチャンバ３４内にインク４０を流入して、次のメニスカス３８（図２）が形成され、ノズルアセンブリ１０から次のインク滴を排出する準備が整う。
【００２５】
以下、図面の図５および図６を参照しながら、ノズルアレイ１４について詳細に記載する。アレイ１４は、４色プリントヘッド用のものである。したがって、アレイ１４は、各色に１つずつ、ノズルアセンブリからなる４つのグループ７０を有する。各グループ７０は、二列７２および７４に並べられたノズルアセンブリ１０を有する。図面の図６に、グループ７０のうちの１つが示されている。
【００２６】
ノズルアセンブリ１０を列７２および７４に稠密に配置させやすいように、列７４のノズルアセンブリ１０は、列７２のノズルアセンブリ１０に対して段違いにされるか、または互い違いにされる。また、列７４のノズルアセンブリ１０のレバーアーム２６が列７２のアセンブリ１０の隣接したノズル２２間を通過できるように、列７２のノズルアセンブリ１０は、互いに十分な間隔を設けたものである。各ノズルアセンブリ１０の形状は、列７２のノズル２２が、列７４の隣接するノズルアセンブリ１０のノズル２２とアクチュエータ２８との間にはまり込むように、ほぼダンベル状のものであることに留意されたい。
【００２７】
さらに、ノズル２２を列７２および７４に稠密に配置させやすいように、各ノズル２２の形状は、ほぼ六角形である。
【００２８】
ノズル２２が基板１６の方向に変位するとき、使用中、ノズルチャンバ３４に対してノズル開口２４がわずかな角度にあるため、インクが垂直面からわずかにずれて排出されることは、当業者により理解されよう。列７２および７４のノズルアセンブリ１０のアクチュエータ２８が、列７２および７４の一方側に対して同じ方向に延在することは、図面の図５および図６に示されている配置の利点である。このようにすると、列７２にあるノズル２２から排出されるインクと、列７４にあるノズル２２から排出されるインクは、互いに対して同じ角度でオフセットされ、印刷品質が向上する。
【００２９】
また、図面の図５に示されているように、基板１６は、その上部に配設されたボンドパッド７６を有し、これにより、パッド５６を介して、ノズルアセンブリ１０のアクチュエータ２８に電気的接続を与える。これらの電気的接続は、ＣＭＯＳ層（図示せず）を介して形成される。
【００３０】
図面の図７を参照すると、本発明の展開が示されている。前の図面に関して、特記しないかぎり、同様の参照番号は同様の部品を表す。
【００３１】
この展開において、アレイ１４の基板１６上に、ノズルガード８０が設けられる。ノズルガード８０は、複数の通路８４が貫通して規定された本体部材８２を有する。通路８４は、アレイ１４のノズルアセンブリ１０のノズル開口２４と整合しているため、ノズル開口２４の任意の１つからインクが排出されると、インクは、関連する通路を通過した後、印刷媒体にあたる。
【００３２】
本体部材８２は、枝状突出部または支柱８６により、ノズルアセンブリ１０に対して間隔を置いて設けられる。支柱８６の１つには、そこに規定された空気入口開口８８がある。
【００３３】
使用中、アレイ１４が動作するとき、入口開口８８を介して空気が充填され、通路８４を通って進むインクとともに、通路８４に押し進められる。
【００３４】
インク滴６４と異なる速度で通路８４を介して空気が充填されるため、インクは空気に引き込まれない。例えば、インク滴４は、約３ｍ／ｓの速度でノズル２２から排出される。空気は、約１ｍ／ｓの速度で通路８４を介して充填される。
【００３５】
空気の目的は、通路８４に異物がない状態を維持することである。塵粒子などの異物がノズルアセンブリ１０に落ちると、それらの動作に悪影響を及ぼす危険性がある。ノズルガード８０に空気入口開口８８を設けることで、この問題が大幅に解消される。
【００３６】
以下、図面の図８から１０を参照すると、ノズルアセンブリ１０の製造プロセスが記載されている。
【００３７】
シリコン基板またはウェーハ１６で始まり、ウェーハ１６の表面上に、誘電体層１８が堆積される。誘電体層１８は、約１．５ミクロンのＣＶＤ酸化物の形をしたものである。層１８上に、レジストがスピニングされ、層１８は、マスク１００に対して露光されて、現像される。
【００３８】
現像後、層１８は、シリコン層１６まで下方にプラズマエッチングされる。次に、レジストが剥離され、層１８がクリーニングされる。このステップにより、インク入口孔４２が画定される。
【００３９】
図面の図８ｂにおいて、層１８上に、約０．８ミクロンのアルミニウム１０２が堆積される。レジストがスピニングされ、アルミニウム１０２は、マスク１０４に対して露光され現像される。アルミニウム１０２は、酸化物層１８まで下方にプラズマエッチングされ、レジストが剥離されて、デバイスがクリーニングされる。このステップにより、インクジェットアクチュエータ２８にボンドパッドと配線が与えられる。この配線は、ＮＭＯＳ駆動トランジスタとＣＭＯＳ層（図示せず）に形成された接続との電源プレーンに対するものである。
【００４０】
ＣＭＯＳパッシベーション層２０として、約０．５ミクロンのＰＥＣＶＤ窒化物が堆積される。レジストがスピニングされ、層２０は、マスク１０６に対して露光された後、現像される。現像後、窒化物は、アルミニウム層１０２および入口孔４２の領域にあるシリコン層１６まで下方にプラズマエッチングされる。レジストが剥離されて、デバイスがクリーニングされる。
【００４１】
層２０に、犠牲材料の層１０８がスピニングされる。層１０８は、６ミクロンの感光性ポリイミドまたは約４μｍの高温レジストである。層１０８は、ソフトベークされて、マスク１１０に対して露光された後、現像される。層１０８がポリイミドからなる場合、層１０８は、１時間４００℃でハードベークされるか、層１０８が高温レジストの場合、３００℃よりも高温でハードベークされる。図面において、マスク１１０の設計に際し、収縮により生じたポリイミド層１０８のパターンに依存したゆがみを考慮に入れることに留意されたい。
【００４２】
次のステップにおいて、図面の図８ｅに示されているように、第２の犠牲層１１２が適用される。層１１２は、スピニングされる２μｍの感光性ポリイミドまたは約１．３μｍの高温レジストのいずれかである。層１１２は、ソフトベークされ、マスク１１４に対して露光される。マスク１１４に対して露光された後、層１１２は現像される。層１１２がポリイミドである場合、層１１２は、約１時間４００℃でハードベークされる。層１１２がレジストである場合、約１時間３００℃より高温でハードベークされる。
【００４３】
次に、０．２ミクロンの多層金属層１１６が堆積される。この層１１６の一部は、アクチュエータ２８の受動ビーム６０をなす。
【００４４】
層１１６は、約３００℃で１，０００Åの窒化チタン（ＴｉＮ）をスパッタリングした後、５０Åの窒化タンタル（ＴａＮ）をスパッタリングすることにより形成される。さらに、１，０００ÅのＴｉＮがスパッタリングされた後、５０ÅのＴａＮと、さらに１，０００ÅのＴｉＮがスパッタリングされる。
【００４５】
ＴｉＮの代わりに使用可能な他の材料は、ＴｉＢ2、ＭｏＳｉ2または（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎである。
【００４６】
次に、層１１６は、マスク１１８に対して露光され、現像されて、層１１２まで下方にプラズマエッチングされた後、硬化した層１０８または１１２を除去しないように注意しながら、層１１６に適用されたレジストがウェット剥離される。
【００４７】
４μｍの感光性ポリイミドまたは約２．６μｍの高温レジストをスピニングすることにより、第３の犠牲層１２０が適用される。層１２０は、ソフトベークされた後、マスク１２２に対して露光される。次に、露光された層は、現像された後、ハードベークされる。層１２０は、ポリイミドの場合、約１時間４００℃でハードベークされるか、層１２０がレジストからなる場合、３００℃を超える温度でハードベークされる。
【００４８】
層１２０に、第２の多層金属層１２４が適用される。層１２４の組成物は、層１１６と同じものであり、同じ方法で適用される。層１１６および１２４の両方は、導電層であることを理解されたい。
【００４９】
層１２４は、マスク１２６に対して露光されて、現像される。層１２４は、ポリイミドまたはレジスト層１２０まで下方にプラズマエッチングされた後、硬化した層１０８、１１２または１２０を除去しないように注意しながら、層１２４に適用されたレジストがウェット剥離される。層１２４の残りの部分が、アクチュエータ２８の能動ビーム５８を規定することに留意されたい。
【００５０】
４μｍの感光性ポリイミドまたは約２．６μｍの高温レジストをスピニングすることにより、第４の犠牲層１２８が適用される。層１２８は、ソフトベークされ、マスク１３０に対して露光された後、現像されて、図面の図９ｋに示されているように、アイランド部分を残す。層１２８の残りの部分は、ポリイミドの場合、約１時間４００℃でハードベークされるか、レジストの場合、３００℃よりも高温でハードベークされる。
【００５１】
図面の図８ｌに示されているように、高ヤング率の誘電体層１３２が堆積される。層１３２は、約１μｍの窒化シリコンまたは酸化アルミニウムにより構成される。層１３２は、犠牲層１０８、１１２、１２０、１２８のハードベーク温度より低い温度で堆積される。この誘電体層１３２に必要な主要な特徴は、高弾性率、化学的に不活性なこと、およびＴｉＮへの良好な接着性である。
【００５２】
２μｍの感光性ポリイミドまたは約１．３μｍの高温レジストをスピニングすることにより、第５の犠牲層１３４が適用される。層１３４は、ソフトベークされ、マスク１３６に対して露光されて、現像される。次に、層１３４の残りの部分は、ポリイミドの場合、１時間４００℃でハードベークされ、レジストの場合、３００℃を超える温度でハードベークされる。
【００５３】
誘電体層１３２は、犠牲層１３４を除去しないように注意しながら、犠牲層１２８まで下方にプラズマエッチングされる。
【００５４】
このステップにより、ノズル開口２４、レバーアーム２６およびノズルアセンブリ１０のアンカー５４が規定される。
【００５５】
高ヤング率の誘電体層１３８が堆積される。この層１３８は、犠牲層１０８、１１２、１２０および１２８のハードベーク温度より低い温度で、０．２μｍの窒化シリコンまたは窒化アルミニウムを堆積することにより形成される。
【００５６】
次に、図面の図８ｐに示されているように、層１３８は、０．３５ミクロンの深さまで異方性プラズマエッチングされる。このエッチングは、誘電体層１３２および犠牲層１３４の側壁以外の表面のすべてから誘電体層を取り除くためのものである。このステップにより、上述したように、インクのメニスカスを「ピンでとめる」ノズル開口２４付近のノズルリム３６が形成される。
【００５７】
紫外線（ＵＶ）剥離テープ１４０が適用される。シリコンウェーハ１６の背面に、４μｍのレジストがスピニングされる。ウェーハ１６は、ウェーハ１６をバックエッチングするようにマスク１４２まで露光されて、インク入口チャネル４８を規定する。次に、レジストは、ウェーハ１６から剥離される。
【００５８】
ウェーハ１６の背面に、さらなるＵＶ剥離テープ（図示せず）が適用され、テープ１４０が取り除かれる。酸素プラズマで犠牲層１０８、１１２、１２０、１２８および１３４が剥離されて、図面の図８ｒおよび図９ｒに示されているように、最終的なノズルアセンブリ１０を与える。参照しやすいように、これらの２つの図面に示されている参照番号は、ノズルアセンブリ１０の関連部品を示すために、図面の図１のものと同じである。図１１および図１２は、図８および図９を参照して上述したプロセスに従って製造されたノズルアセンブリ１０の動作を示し、これらの図は、図面の図２から４に対応する。
【００５９】
特定の実施形態に示されているように、広義に記載した本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく、本発明に様々な変更および／または修正が加えられてよいことは、当業者により理解されよう。したがって、本発明は、例示的かつ非制限的にすべての点において考慮されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 インクジェットプリントヘッドのノズルアセンブリの三次元略図を示す。
【図２】 図１のノズルアセンブリの動作の三次元略図を示す。
【図３】 図１のノズルアセンブリの動作の三次元略図を示す。
【図４】 図１のノズルアセンブリの動作の三次元略図を示す。
【図５】 インクジェットプリントヘッドを構成するノズルアレイの三次元図を示す。
【図６】 図５のアレイの一部の拡大図を示す。
【図７】 ノズルガードを有するインクジェットプリントヘッドの三次元図を示す。
【図８】 ａ〜ｒはそれぞれ、本発明によるインクジェットプリントヘッドのノズルアセンブリの製造におけるステップの三次元図を示す。
【図９】 ａ〜ｒはそれぞれ、製造ステップの断面側面図を示す。
【図１０】 ａ〜ｋはそれぞれ、製造プロセスにおける様々なステップで使用されるマスクのレイアウトを示す。
【図１１】 ａ〜ｃはそれぞれ、図８および図９の方法により製造されたノズルアセンブリの動作の三次元図を示す。
【図１２】 ａ〜ｃはそれぞれ、図８および図９の方法により製造されたノズルアセンブリの動作の断面側面図を示す。
【符号の説明】
１…ノズルアセンブリ、１０…ノズルアセンブリ、１６…基板、２２…ノズル、２４…ノズルアセンブリ、２８…アクチュエータユニット、３４…ノズルチャンバ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェットプリントヘッドに関する。より詳細には、本発明は、外部に配置されたアクチュエータを備えた可動ノズルを有するインクジェットプリントヘッドの製造方法に関する。
【０００２】
（同時係属出願）
本発明による様々な方法、システムおよび装置は、本発明の出願人または譲受人により、本願と同時に出願された以下の同時係属出願に開示されている。
ＰＣＴ／ＡＵ００／００５１８，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５１９，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５２０，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５２１，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５２２，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５２３，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５２４，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５２５，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５２６，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５２７，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５２８，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５２９，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５３０，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５３１，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５３２，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５３３，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５３４，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５３５，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５３６，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５３７，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５３８，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５３９，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５４０，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５４１，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５４２，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５４３，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５４４，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５４５，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５４７，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５４６，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５５４，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５５６，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５５７，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５５８，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５５９，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５６０，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５６１，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５６２，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５６３，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５６４，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５６５，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５６６，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５６７，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５６８，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５６９，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５７０，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５７１，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５７２，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５７３，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５７４，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５７５，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５７６，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５７７，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５７８，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５７９，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５８１，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５８０，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５８２，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５８７，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５８８，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５８９，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５８３，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５９３，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５９０，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５９１，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５９２，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５８４，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５８５，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５８６，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５９４，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５９５，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５９６，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５９７，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５９８，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５１６，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５１７，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５１１，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５０１，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５０２，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５０３，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５０４，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５０５，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５０６，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５０７，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５０８，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５０９，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５１０，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５１２，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５１３，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５１４，ＰＣＴ／ＡＵ００／００５１５
これらの同時係属出願の開示は、参照により本願明細書に援用されたものとする。
【０００３】
【従来の技術】
本願出願人の同時係属中の米国特許出願第０９／１１２，８３５号に、一般的に、可動ノズルの製造方法が開示されている。このような可動ノズルデバイスは、可動ノズルを移動させ、それを行いながら、インクを排出するための磁気応答デバイスにより作動される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この構成の問題として、アクチュエータにインクが入らないように、デバイスの部品に疎水処理を施す必要がある点が挙げられる。
【０００５】
疎水処理が不要な可動ノズルタイプデバイスの製造方法が提案される。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、
基板を与えるステップと、
各アセンブリのノズルが要求に応じてインクを排出するように基板に対して変位可能であり、ノズルの変位を制御するようにノズルに接続されチャンバの外部に配設されたアクチュエータユニットをノズルアセンブリが有し、各ノズルアセンブリのノズルのノズル開口とノズルチャンバを流通状態にして、基板上にノズルアセンブリのアレイを作るステップとを有するインクジェットプリントヘッドの製造方法が提供される。
【０００７】
本願明細書において、「ノズル」という用語は、開口を規定する要素であり、開口そのものではないものとして理解されたい。
【０００８】
この方法は、平面モノリシック堆積、リソグラフィおよびエッチングプロセスを用いてアレイを作ることを有することが好ましい。
【０００９】
さらに、この方法は、基板上に多数のプリントヘッドを同時に形成することを有するものであってよい。
【００１０】
この方法は、同じ基板上に集積駆動電子機器を形成することを有するものであってよい。集積駆動電子機器は、ＣＭＯＳ製造プロセスを用いて形成されてよい。
【００１１】
この方法は、ノズルの一部からチャンバを規定する壁の第１の部分と、チャンバからのインクの流出を阻止し、基板から延在する阻止手段から壁の第２の部分を形成することを有するものであってよい。より詳細には、この方法は、堆積およびエッチングプロセスにより、阻止手段を基板から延在するように形成することを有するものであってよい。
【００１２】
この方法は、ノズルがアクチュエータユニットに対して片持ち式に設けられるように、アームによりノズルとアクチュエータユニットとを相互接続することを有するものであってよい。
【００１３】
アクチュエータユニットは、熱曲げアクチュエータであってよく、一方が能動ビームであり、他方が受動ビームである少なくとも２つのビームからアクチュエータを形成することを有するものであってよい。「能動」ビームとは、能動ビームを電流が流れると、熱膨張するものである。これに対して、「受動」ビームとは、電流がながれず、使用中、能動ビームが曲がりやすいように働くものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しながら、例示的に本発明について記載する。
【００１５】
最初に、図面の図１を参照すると、本発明によるノズルアセンブリが、参照番号１０で概して示されている。インクジェットプリントヘッドは、シリコン基板１６上のアレイ１４に配設された複数のノズルアセンブリ１０を有する。アレイ１４については、以下に詳細に記載する。
【００１６】
アセンブリ１０は、誘電体層１８が堆積されるシリコン基板またはウェーハ１６を有する。誘電体層１８上には、ＣＭＯＳパッシベーション層２０が堆積される。
【００１７】
各ノズルアセンブリ１２は、ノズル開口２４を規定するノズル２２と、レバーアーム２６の形をした接続部材と、アクチュエータ２８とを有する。レバーアーム２６は、アクチュエータ２８をノズル２２に接続する。
【００１８】
図面の図２から４にさらに詳細に示されているように、ノズル２２は、スカート部分３２がクラウン部分３０から垂下したクラウン部分３０を備える。スカート部分３２は、ノズルチャンバ３４の周囲壁の一部をなす（図面の図２から４）。ノズル開口２４は、ノズルチャンバ３４と流通状態にある。ノズル開口２４が、ノズルチャンバ３４にあるインク体４０のメニスカス３８（図２）を「ピンでとめる」***リム３６により囲まれていることに留意されたい。
【００１９】
ノズルチャンバ３４の床４６に、インク入口孔４２（図面の図６に最も明確に図示）が規定される。孔４２は、基板１６を通って規定されるインク入口チャネル４８と流通状態にある。
【００２０】
壁部分５０が、孔４２の境界を定め、床部分４６から上向きに延在する。上述したように、ノズル２２のスカート部分３２は、ノズルチャンバ３４の周囲壁の第１の部分を規定し、壁部分５０は、ノズルチャンバ３４の周囲壁の第２の部分を規定する。
【００２１】
壁５０は、以下にさらに詳細に記載するように、ノズル２２を置き換えるときに、インクを流出させない流体シールとして作用する内側に向いたリップ５２を自由端に有する。インク４０の速度と、リップ５２とスカート部分３２との間のわずかな間隔により、内側に向いたリップ５２と表面張力は、インクをノズルチャンバ３４から流出させないための効果的なシールとして機能することを理解されたい。
【００２２】
アクチュエータ２８は、熱曲げアクチュエータであり、基板１６から、より詳細には、ＣＭＯＳパッシベーション層２０から上向きに延在するアンカー５４に接続される。アンカー５４は、アクチュエータ２８と電気的接続を形成する伝導性パッド５６上に設けられる。
【００２３】
アクチュエータ２８は、第２の受動ビーム６０の上方に配設された第１の能動ビーム５８を備える。好適な実施形態において、両方のビーム５８および６０は、窒化チタン（ＴｉＮ）などの伝導性セラミック材料からなるか、その材料を有するものである。
【００２４】
両方のビーム５８および６０は、アンカー５４に繋止された第１の端部と、アーム２６に接続されたそれらと反対の端部をそれぞれ有する。能動ビーム５８に電流が流れると、ビーム５８は熱膨張する。電流の流れがない受動ビーム６０が同率に膨張しないため、図面の図３に示されているように、アーム２６、ひいてはノズル２２が基板１６の方へ下向きに変位する曲げモーメントが生じる。これにより、図面の図３の参照番号６２で示されているように、ノズル開口２４を介してインクが排出される。能動ビーム５８から熱源が取り除かれると、すなわち、電流の流れを止めると、図面の図４に示されているように、ノズル２２は、静止位置に戻る。ノズル２２が静止位置に戻ると、図面の図４の参照番号６６で示されているように、インク滴のネック部分が***することにより、インク滴６４が形成される。インク滴６４は、紙などの印刷媒体上に進む。インク滴６４が形成されたことにより、図面の図４の参照番号６８で示されているように、「負」のメニスカスが形成される。この「負」のメニスカス６８により、ノズルチャンバ３４内にインク４０を流入して、次のメニスカス３８（図２）が形成され、ノズルアセンブリ１０から次のインク滴を排出する準備が整う。
【００２５】
以下、図面の図５および図６を参照しながら、ノズルアレイ１４について詳細に記載する。アレイ１４は、４色プリントヘッド用のものである。したがって、アレイ１４は、各色に１つずつ、ノズルアセンブリからなる４つのグループ７０を有する。各グループ７０は、二列７２および７４に並べられたノズルアセンブリ１０を有する。図面の図６に、グループ７０のうちの１つが示されている。
【００２６】
ノズルアセンブリ１０を列７２および７４に稠密に配置させやすいように、列７４のノズルアセンブリ１０は、列７２のノズルアセンブリ１０に対して段違いにされるか、または互い違いにされる。また、列７４のノズルアセンブリ１０のレバーアーム２６が列７２のアセンブリ１０の隣接したノズル２２間を通過できるように、列７２のノズルアセンブリ１０は、互いに十分な間隔を設けたものである。各ノズルアセンブリ１０の形状は、列７２のノズル２２が、列７４の隣接するノズルアセンブリ１０のノズル２２とアクチュエータ２８との間にはまり込むように、ほぼダンベル状のものであることに留意されたい。
【００２７】
さらに、ノズル２２を列７２および７４に稠密に配置させやすいように、各ノズル２２の形状は、ほぼ六角形である。
【００２８】
ノズル２２が基板１６の方向に変位するとき、使用中、ノズルチャンバ３４に対してノズル開口２４がわずかな角度にあるため、インクが垂直面からわずかにずれて排出されることは、当業者により理解されよう。列７２および７４のノズルアセンブリ１０のアクチュエータ２８が、列７２および７４の一方側に対して同じ方向に延在することは、図面の図５および図６に示されている配置の利点である。このようにすると、列７２にあるノズル２２から排出されるインクと、列７４にあるノズル２２から排出されるインクは、互いに対して同じ角度でオフセットされ、印刷品質が向上する。
【００２９】
また、図面の図５に示されているように、基板１６は、その上部に配設されたボンドパッド７６を有し、これにより、パッド５６を介して、ノズルアセンブリ１０のアクチュエータ２８に電気的接続を与える。これらの電気的接続は、ＣＭＯＳ層（図示せず）を介して形成される。
【００３０】
図面の図７を参照すると、本発明の展開が示されている。前の図面に関して、特記しないかぎり、同様の参照番号は同様の部品を表す。
【００３１】
この展開において、アレイ１４の基板１６上に、ノズルガード８０が設けられる。ノズルガード８０は、複数の通路８４が貫通して規定された本体部材８２を有する。通路８４は、アレイ１４のノズルアセンブリ１０のノズル開口２４と整合しているため、ノズル開口２４の任意の１つからインクが排出されると、インクは、関連する通路を通過した後、印刷媒体にあたる。
【００３２】
本体部材８２は、枝状突出部または支柱８６により、ノズルアセンブリ１０に対して間隔を置いて設けられる。支柱８６の１つには、そこに規定された空気入口開口８８がある。
【００３３】
使用中、アレイ１４が動作するとき、入口開口８８を介して空気が充填され、通路８４を通って進むインクとともに、通路８４に押し進められる。
【００３４】
インク滴６４と異なる速度で通路８４を介して空気が充填されるため、インクは空気に引き込まれない。例えば、インク滴４は、約３ｍ／ｓの速度でノズル２２から排出される。空気は、約１ｍ／ｓの速度で通路８４を介して充填される。
【００３５】
空気の目的は、通路８４に異物がない状態を維持することである。塵粒子などの異物がノズルアセンブリ１０に落ちると、それらの動作に悪影響を及ぼす危険性がある。ノズルガード８０に空気入口開口８８を設けることで、この問題が大幅に解消される。
【００３６】
以下、図面の図８から１０を参照すると、ノズルアセンブリ１０の製造プロセスが記載されている。
【００３７】
シリコン基板またはウェーハ１６で始まり、ウェーハ１６の表面上に、誘電体層１８が堆積される。誘電体層１８は、約１．５ミクロンのＣＶＤ酸化物の形をしたものである。層１８上に、レジストがスピニングされ、層１８は、マスク１００に対して露光されて、現像される。
【００３８】
現像後、層１８は、シリコン層１６まで下方にプラズマエッチングされる。次に、レジストが剥離され、層１８がクリーニングされる。このステップにより、インク入口孔４２が画定される。
【００３９】
図面の図８ｂにおいて、層１８上に、約０．８ミクロンのアルミニウム１０２が堆積される。レジストがスピニングされ、アルミニウム１０２は、マスク１０４に対して露光され現像される。アルミニウム１０２は、酸化物層１８まで下方にプラズマエッチングされ、レジストが剥離されて、デバイスがクリーニングされる。このステップにより、インクジェットアクチュエータ２８にボンドパッドと配線が与えられる。この配線は、ＮＭＯＳ駆動トランジスタとＣＭＯＳ層（図示せず）に形成された接続との電源プレーンに対するものである。
【００４０】
ＣＭＯＳパッシベーション層２０として、約０．５ミクロンのＰＥＣＶＤ窒化物が堆積される。レジストがスピニングされ、層２０は、マスク１０６に対して露光された後、現像される。現像後、窒化物は、アルミニウム層１０２および入口孔４２の領域にあるシリコン層１６まで下方にプラズマエッチングされる。レジストが剥離されて、デバイスがクリーニングされる。
【００４１】
層２０に、犠牲材料の層１０８がスピニングされる。層１０８は、６ミクロンの感光性ポリイミドまたは約４μｍの高温レジストである。層１０８は、ソフトベークされて、マスク１１０に対して露光された後、現像される。層１０８がポリイミドからなる場合、層１０８は、１時間４００℃でハードベークされるか、層１０８が高温レジストの場合、３００℃よりも高温でハードベークされる。図面において、マスク１１０の設計に際し、収縮により生じたポリイミド層１０８のパターンに依存したゆがみを考慮に入れることに留意されたい。
【００４２】
次のステップにおいて、図面の図８ｅに示されているように、第２の犠牲層１１２が適用される。層１１２は、スピニングされる２μｍの感光性ポリイミドまたは約１．３μｍの高温レジストのいずれかである。層１１２は、ソフトベークされ、マスク１１４に対して露光される。マスク１１４に対して露光された後、層１１２は現像される。層１１２がポリイミドである場合、層１１２は、約１時間４００℃でハードベークされる。層１１２がレジストである場合、約１時間３００℃より高温でハードベークされる。
【００４３】
次に、０．２ミクロンの多層金属層１１６が堆積される。この層１１６の一部は、アクチュエータ２８の受動ビーム６０をなす。
【００４４】
層１１６は、約３００℃で１，０００Åの窒化チタン（ＴｉＮ）をスパッタリングした後、５０Åの窒化タンタル（ＴａＮ）をスパッタリングすることにより形成される。さらに、１，０００ÅのＴｉＮがスパッタリングされた後、５０ÅのＴａＮと、さらに１，０００ÅのＴｉＮがスパッタリングされる。
【００４５】
ＴｉＮの代わりに使用可能な他の材料は、ＴｉＢ2、ＭｏＳｉ2または（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎである。
【００４６】
次に、層１１６は、マスク１１８に対して露光され、現像されて、層１１２まで下方にプラズマエッチングされた後、硬化した層１０８または１１２を除去しないように注意しながら、層１１６に適用されたレジストがウェット剥離される。
【００４７】
４μｍの感光性ポリイミドまたは約２．６μｍの高温レジストをスピニングすることにより、第３の犠牲層１２０が適用される。層１２０は、ソフトベークされた後、マスク１２２に対して露光される。次に、露光された層は、現像された後、ハードベークされる。層１２０は、ポリイミドの場合、約１時間４００℃でハードベークされるか、層１２０がレジストからなる場合、３００℃を超える温度でハードベークされる。
【００４８】
層１２０に、第２の多層金属層１２４が適用される。層１２４の組成物は、層１１６と同じものであり、同じ方法で適用される。層１１６および１２４の両方は、導電層であることを理解されたい。
【００４９】
層１２４は、マスク１２６に対して露光されて、現像される。層１２４は、ポリイミドまたはレジスト層１２０まで下方にプラズマエッチングされた後、硬化した層１０８、１１２または１２０を除去しないように注意しながら、層１２４に適用されたレジストがウェット剥離される。層１２４の残りの部分が、アクチュエータ２８の能動ビーム５８を規定することに留意されたい。
【００５０】
４μｍの感光性ポリイミドまたは約２．６μｍの高温レジストをスピニングすることにより、第４の犠牲層１２８が適用される。層１２８は、ソフトベークされ、マスク１３０に対して露光された後、現像されて、図面の図９ｋに示されているように、アイランド部分を残す。層１２８の残りの部分は、ポリイミドの場合、約１時間４００℃でハードベークされるか、レジストの場合、３００℃よりも高温でハードベークされる。
【００５１】
図面の図８ｌに示されているように、高ヤング率の誘電体層１３２が堆積される。層１３２は、約１μｍの窒化シリコンまたは酸化アルミニウムにより構成される。層１３２は、犠牲層１０８、１１２、１２０、１２８のハードベーク温度より低い温度で堆積される。この誘電体層１３２に必要な主要な特徴は、高弾性率、化学的に不活性なこと、およびＴｉＮへの良好な接着性である。
【００５２】
２μｍの感光性ポリイミドまたは約１．３μｍの高温レジストをスピニングすることにより、第５の犠牲層１３４が適用される。層１３４は、ソフトベークされ、マスク１３６に対して露光されて、現像される。次に、層１３４の残りの部分は、ポリイミドの場合、１時間４００℃でハードベークされ、レジストの場合、３００℃を超える温度でハードベークされる。
【００５３】
誘電体層１３２は、犠牲層１３４を除去しないように注意しながら、犠牲層１２８まで下方にプラズマエッチングされる。
【００５４】
このステップにより、ノズル開口２４、レバーアーム２６およびノズルアセンブリ１０のアンカー５４が規定される。
【００５５】
高ヤング率の誘電体層１３８が堆積される。この層１３８は、犠牲層１０８、１１２、１２０および１２８のハードベーク温度より低い温度で、０．２μｍの窒化シリコンまたは窒化アルミニウムを堆積することにより形成される。
【００５６】
次に、図面の図８ｐに示されているように、層１３８は、０．３５ミクロンの深さまで異方性プラズマエッチングされる。このエッチングは、誘電体層１３２および犠牲層１３４の側壁以外の表面のすべてから誘電体層を取り除くためのものである。このステップにより、上述したように、インクのメニスカスを「ピンでとめる」ノズル開口２４付近のノズルリム３６が形成される。
【００５７】
紫外線（ＵＶ）剥離テープ１４０が適用される。シリコンウェーハ１６の背面に、４μｍのレジストがスピニングされる。ウェーハ１６は、ウェーハ１６をバックエッチングするようにマスク１４２まで露光されて、インク入口チャネル４８を規定する。次に、レジストは、ウェーハ１６から剥離される。
【００５８】
ウェーハ１６の背面に、さらなるＵＶ剥離テープ（図示せず）が適用され、テープ１４０が取り除かれる。酸素プラズマで犠牲層１０８、１１２、１２０、１２８および１３４が剥離されて、図面の図８ｒおよび図９ｒに示されているように、最終的なノズルアセンブリ１０を与える。参照しやすいように、これらの２つの図面に示されている参照番号は、ノズルアセンブリ１０の関連部品を示すために、図面の図１のものと同じである。図１１および図１２は、図８および図９を参照して上述したプロセスに従って製造されたノズルアセンブリ１０の動作を示し、これらの図は、図面の図２から４に対応する。
【００５９】
特定の実施形態に示されているように、広義に記載した本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく、本発明に様々な変更および／または修正が加えられてよいことは、当業者により理解されよう。したがって、本発明は、例示的かつ非制限的にすべての点において考慮されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 インクジェットプリントヘッドのノズルアセンブリの三次元略図を示す。
【図２】 図１のノズルアセンブリの動作の三次元略図を示す。
【図３】 図１のノズルアセンブリの動作の三次元略図を示す。
【図４】 図１のノズルアセンブリの動作の三次元略図を示す。
【図５】 インクジェットプリントヘッドを構成するノズルアレイの三次元図を示す。
【図６】 図５のアレイの一部の拡大図を示す。
【図７】 ノズルガードを有するインクジェットプリントヘッドの三次元図を示す。
【図８】 ａ〜ｒはそれぞれ、本発明によるインクジェットプリントヘッドのノズルアセンブリの製造におけるステップの三次元図を示す。
【図９】 ａ〜ｒはそれぞれ、製造ステップの断面側面図を示す。
【図１０】 ａ〜ｋはそれぞれ、製造プロセスにおける様々なステップで使用されるマスクのレイアウトを示す。
【図１１】 ａ〜ｃはそれぞれ、図８および図９の方法により製造されたノズルアセンブリの動作の三次元図を示す。
【図１２】 ａ〜ｃはそれぞれ、図８および図９の方法により製造されたノズルアセンブリの動作の断面側面図を示す。
【符号の説明】
１…ノズルアセンブリ、１０…ノズルアセンブリ、１６…基板、２２…ノズル、２４…ノズルアセンブリ、２８…アクチュエータユニット、３４…ノズルチャンバ。
Claims (7)
- インクジェットプリントヘッドの製造方法であって、
基板を与えるステップと、
各アセンブリのノズルが要求に応じてインクを排出するように基板に対して変位可能であり、ノズルの変位を制御するようにノズルに接続されチャンバの外部に配設されたアクチュエータユニットをノズルアセンブリが有し、各ノズルアセンブリのノズルのノズル開口とノズルチャンバを流通状態にして、基板上にノズルアセンブリのアレイを作るステップと、
を有し、
前記ノズルが前記アクチュエータユニットに対して片持ち式に設けられるように、アームにより前記ノズルと前記アクチュエータユニットとを相互接続する、
ことを特徴とするインクジェットプリントヘッドの製造方法。 - 平面モノリシック堆積、リソグラフィおよびエッチングプロセスを用いて前記アレイを作ることを有する請求項１に記載の方法。
- 基板上に多数のプリントヘッドを同時に形成することを有する請求項１に記載の方法。
- 同じ基板上に集積駆動電子機器を形成することを有する請求項１に記載の方法。
- ＣＭＯＳ製造プロセスを用いて、集積駆動電子機器を形成することを有する請求項４に記載の方法。
- ノズルの一部からチャンバを規定する壁の第１の部分と、チャンバからのインクの流出を阻止し、基板から延在する阻止手段から壁の第２の部分を形成することを有する請求項１に記載の方法。
- アクチュエータユニットは、熱曲げアクチュエータであり、一方が能動ビームであり、他方が受動ビームである少なくとも２つのビームからアクチュエータを形成することを有する請求項１に記載の方法。
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