JP2002240285A

JP2002240285A - 波形の多層膜構造を持つ、静電的にアクチュエートされるデバイス

Info

Publication number: JP2002240285A
Application number: JP2002008241A
Authority: JP
Inventors: Peter M Gulvin; エムガルヴィンピーター; Elliott A Eklund; エイエクルンドエリオット
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 2001-01-24
Filing date: 2002-01-17
Publication date: 2002-08-28
Also published as: EP1226945A1; US20020097303A1; US6572218B2

Abstract

(57)【要約】【課題】イジェクタ寸法を減少させずに、あるいは、
膜厚を増加させずに、実用的な寸法のインク飛沫を排出
する、インクジェット飛沫のイジェクタ能力を増加させ
る。【解決手段】絶縁層を基板の上に持つ基板と、絶縁層
の上に形成された導電部と、導電部に隣接し、波形の多
層構造をもつ膜と、膜を取り囲み、ノズルトップ及びノ
ズルサイドを持つノズルプレートと、ノズルプレートと
膜との間に形成された、その中に液体が格納される圧力
チャンバーと、液体をイジェクトするために、ノズルプ
レートに形成されたノズルと、導電部と膜との間に接続
され、電源が起動された時に電源が、膜の頂部を導電部
方向に曲げ、液体を圧力チャンバ内のノズルからイジェ
クトするために十分な電力を供給する電源と、を備えた
マイクロ電子機械的液体イジェクタ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、静電的にアクチュ
エートされるデバイスに関連し、より詳細には、増強さ
れた堅牢性のための、波形の多層シリコン膜構造を持つ
シリコンベースのアクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】インクジェット印刷では、インクの飛沫
(droplet)は、プリントヘッドの複数のドロップ(drop)
イジェクタから選択的に排出される。イジェクタは、プ
リントヘッドを通過する印刷メディア上に望ましい画像
を生成するために、デジタル指令に従ってアクチュエー
トされる。プリントヘッドは、シートに対して、タイプ
ライター流に、行ったり来たりし得る。あるいは、リニ
アアレーにおいては、プリントヘッドは、一回の通過で
画像を作るために、シートの幅全体に広がる寸法であり
得る。

【０００３】イジェクタは一般的には、ノズルあるいは
ドロップ排出開口部と、一つあるいはそれ以上の共通イ
ンク供給マニホルドとの双方に接続されたアクチュエー
タを含む。インクは、アクチュエータによる適切な信号
への応答があるまで、各チャンネル内に保持される。イ
ジェクタの一つの実施例では、インク飛沫は、静電的あ
るいは静磁的にアクチュエートさせられた変形可能な膜
の体積変位による過渡的な圧力によって排出される。こ
の変形可能な膜は、一般的には、柔軟な電極，固定逆電
極を持つキャパシタ構造であり、２つの電極間の電圧バ
イアスによってアクチュエートされる。

【０００４】シリコンベースのアクチュエータもまた、
ポンピング及びスイッチングで使用され得る微小電子機
械デバイスにおいて採用可能である。そして、ここで例
えば、シリコンベースのアクチュエータはそれぞれ、微
小液体ポンピング及び光スイッチング用に用いられる。
液体は、静電的あるいは静磁的に変形可能な膜（これは
柔軟な電極，固定逆電極を持つキャパシタ構造であり、
２つのシリコン電極間の電圧バイアスによってアクチュ
エートされる。）の体積変位によってポンプされる。光
スイッチングは、他のチップ上の構成要素あるいは静磁
デバイスパッケージとの、静電的あるいは静磁的な相互
作用によるアクチュエートの結果として、光構成要素の
変位によって起こる。例えば、光スイッチングでは、変
位を起こすための静電的アクチュエータを用いた光構成
要素として、鏡が採用され得る。

【０００５】これらのシリコンベースのアクチュエータ
のための、変形可能な膜を組み入れるこのキャパシタ構
造は、標準ポリシリコン表面マイクロマシン技術プロセ
スで製造され得る。それは、現存するシリコン鋳物製造
網力を用いて低コストで、大量生産され得る。表面マイ
クロマシン技術プロセスは、集積微小エレクトロニクス
とコンパティブルであることが証明されており、関連す
るアドレシングエレクトロニクスを用いて、アクチュエ
ータのモノリシック集積を許容する。

【０００６】インクジェット印刷で、アクチュエータと
してそのようなデバイス用いることに伴う問題は、プリ
ントヘッドからインクドロップをイジェクトするために
必要な圧力を生成するためには、膜は十分に堅牢でなけ
ればならないことである。標準表面マイクロマシン技術
プロセスでは許容されないかもしれない、膜厚を増やす
こと、あるいはより硬い材料を用いること以外で、一つ
の解決法は、膜を小さくすることである。しかし、膜が
縮むと、変位体積も縮み、よって排出される飛沫の寸法
も小さくなる。それゆえ、イジェクタ寸法を減少させず
に、あるいは、膜厚を増加ささえずに、実用的な寸法の
インク飛沫を排出する、インクジェット飛沫のイジェク
タ能力を増加させることが望ましい。

【０００７】

【発明の概要】基板上に絶縁層を持つ基板と、上記絶縁
層上に形成された導電部と、上記導電部に隣接する波形
の多層構造を持つ膜と、上記膜と上記導電部間の犠牲層
（sacrificial layer）を除去することによって形成さ
れたアクチュエータチャンバ、を備え、上記膜にバイア
ス電圧が加えられたときに上記膜が上記導電部に向けて
曲げられる、静電的デバイスが提供される。

【０００８】本発明のこれら及び他の面が、添付図面と
ともに、本発明の好ましい実施例の説明に用いられる以
下の記述から明白となる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明は以下にインクジェットプ
リントヘッドを参照して説明されるが、本発明の属する
技術分野の当業者は、本発明の原理は、上述の他の応用
にも適用可能であることを理解するであろう。

【００１０】図11を参照する。本発明のプリントヘッド
111とアクチュエータ・ドロップ・イジェクタ50、イン
クジェットプリンタ110を組み込んで、インクの飛沫
は、プリントヘッド111内のいくつかのドロップイジェ
クタ50からシート112にイジェクトされる。イジェクタ
は、プリントヘッド111を横切って動く印刷メディア上
に必要な画像を生成するために、デジタル命令に従って
動作させられる。プリントヘッド111は、印刷画像を帯
（swath）毎に生成するために、走査動作で、シートに
対して前後に動き得る。その代わりに、プリントヘッド
が固定されて、メディアがプリントヘッドに対して動
き、一回の通過で、プリントヘッドの広さ分の画像を生
成し得る。

【００１１】図1から図４を参照する。ドロップイジェ
クタは、アクチュエータとして、変形可能な膜50を利用
する。膜は、標準ポリシリコン表面マイクロマシン技術
を用いて形成され得る。ここで、開放されるポリシリコ
ン構造は、最終的には除去される犠牲層上に配置され
る。変形可能な膜50と逆電極40間の静電力が膜を変形す
る。一つの実施例では、膜は、電圧ドライブモードを用
いてアクチュエートされる。この電圧ドライブモード
で、膜50を形成する平行プレート導電部と、逆電極40の
間の電位差が制御される。このことは、一定のドロップ
寸法をイジェクトするドロップ生成デバイスのために有
用である。他の動作モードでは、膜は、荷電ドライブモ
ードを用いてアクチュエートされる。電荷ドライブモー
ドでは、平行プレート導電部間の電荷が制御され、それ
によって、可変のドロップ寸法デバイスを可能とする。
電圧ドライブと電荷ドライブの２つの異なった動作モー
ドは、異なった動作力につながるが、同じの、あるいは
異なった電源のいずれかを使用する。

【００１２】アクチュエータチャンバ54は、他の圧力で
密閉されるか、あるいは、アクチュエータチャンバ内の
空気が逃げられる（穴は図示せず）ことを許容するため
に雰囲気（atmosphere）に開放され得る。電荷ドライブ
モードを用いるグレースケール印刷のためには、膜は、
中間位置に引き降ろされ得る。アクチュエータチャンバ
内の体積減少は、後に、アッパーチャンバとノズルプレ
ートが付加されたときに、置換された液体の体積を決定
する。ノズルプレート（図示せず）は、静電的にアクチ
ュエートされた膜50の上に位置し、ノズルプレートと膜
の間に液体圧力チャンバを形成する。ノズルプレート
は、そこに形成されたノズルを持つ。液体が、液体貯槽
（図示せず）からこのチャンバーに供給される。液体圧
力チャンバは、液体貯槽から液体圧力チャンバへの液体
流を制限するために、チェックバルブによって液体貯槽
から分離され得る。膜は当初は、膜と逆電極間の印加電
圧によって発生された静電力によって引き降ろされる。
膜のたわみによって作られた、液体圧力チャンバ内の置
換された体積が、液体によって満たされ、印加電圧を除
去することによって膜が開放されたときに、液体はノズ
ルを通してイジェクトされる。

【００１３】基板20は一般的にはシリコンウェハであ
る。しかし、基板20は、薄い絶縁フィルムを持つガラス
や金属のような、いかなる平坦な基板でもあり得る。絶
縁部は、一般的に、窒化シリコンの薄いフィルムであ
る。導電部40は、逆電極として振舞い、一般的に金属、
あるいはポリシリコンのような、ドープされた半導体フ
ィルムである。膜50は、ポリシリコンのような構造材料
から作られ、一般的に表面マイクロマシン技術プロセス
で製造される。それはまた、薄い金属フィルムのよう
な、他の導電材料であり得る。インナーストラクチャ56
は、膜50の一部分に付着され、孤立パッド43とともに、
膜が、電圧が印加されたエリアの導電部に触れるのを防
ぐように振舞う。膜50と基板20の間のアクチュエータチ
ャンバ54は、表面マイクロマシン技術で用いられるよう
な、一般的な技術を用いて生成され得る。化学蒸気蒸着
（ＣＶＤ）によって蒸着される、酸化シリコンのような
犠牲層は、その後、膜を形成する構造材料によって更に
被覆される。膜の端部に空けられたままにされる開口部
（図示せず）は、ポストプロセスエッチにおいて、犠牲
層が、膜と逆電極の間で除去されるのを許容する。酸化
物のための一般的な腐食液は濃縮フッ化水素酸である。
このプロセスステップで、インナーストラクチャ56は、
乾燥中に、液体腐食液毛管力が引き下げるときに、膜が
下の表面に付着しないように振舞う。

【００１４】一般的に、柔軟な膜50は薄い。電圧が印加
されると、膜50は、膜50と固定逆電極40の間の静電力に
よってアクチュエートされる（引き下げられる）。膜50
の下側上のインナーストラクチャ56は、逆電極上の電気
的に孤立された中央部（着地パッド）43の上にある。ア
ウターストラクチャ58と絶縁着地パッド42は、インナー
ストラクチャ56と孤立した着地パッド43に類似する。ア
ウターストラクチャ58と絶縁着地パッド42は、シリコン
表面マイクロマシン技術プロセスで製造され、逆電極40
内でパターン化された、対応する着地パッドを伴った、
膜50の下側上の突起からなる。アウターストラクチャ58
と絶縁着地パッド42は、接触が起こりやすいエリア53で
の最小電極40間隔を規定する役目を果たし、その結果、
アーク発生とアクチュエータ10の故障を防ぐ。アウター
ストラクチャ58は、影響されやすい領域53において、膜
50の過剰な曲げを最小にするようなインナーストラクチ
ャ56からの距離において、インナーストラクチャ56から
外側の位置において、インナーストラクチャ56より外側
に位置する。最小電極40間隔を、アクチュエータ10中心
における間隔と類似あるいは一致するように規定するこ
とによって、接触とそれによるアーク発生が除去され、
アクチュエータ10の寿命が大きく延びる。

【００１５】本発明の更なる詳細を見てみると、本発明
は、膜の堅牢さを増すための、波形の多層のシリコン膜
構造（structure）を持つアクチュエータに係る。

【００１６】図３と図４は、波形の多層構造を示す。こ
の構造は、トップのポリシリコン層とボトムのポリシリ
コン層の間の酸化層上で、同心円状の円形及び／又は放
射状の穴をパターン化することによって作られる。図３
の同心円状及び放射状の区分は、ポリシリコンの最上部
201が、底部ポリシリコン層202との接触のために落ち込
む場所に対応する。層と層の間の空間は、元々、二酸化
シリコンで満たされているが、底部ポリシリコン層のエ
ッチホールは、酸化物が開放プロセスにおいて溶解する
のを許容する。一方、酸化物はその場所に残され得、そ
の場合には、エッチホールは必要無い。酸化物の除去に
よって、全体的応力及び、応力によるデバイスの曲げが
減少しやすい。

【００１７】本発明は、多くの利点を持つ。本発明によ
って、膜の寸法を減少すること無く、増強された堅牢さ
を持った膜が可能となる。インクジェット印刷でのドロ
ップを生成するために、より小さな膜によれば、より小
さな置換された体積を作り出すことになり、それによっ
てより小さなドロップを作り出すことになる。更に、本
発明によって、標準ポリシリコン表面マイクロマシン技
術プロセスにおける、構成要素層の標準の厚みを用いつ
つ、より硬いアクチュエータ膜が可能となる。より厚い
層は、実際、印刷のために使用することが可能である
が、非常に、非標準の、そして非最適のプロセス状態を
表し、製造プロセスからの、受け入れ難く低いデバイス
の歩留まりにつながりやすい。

【００１８】単に、ポリシリコン層及び酸化物の層を、
表面マイクロマシンプロセス内で重ねることによって、
増強された堅牢さを持つ、より厚い膜を製造することは
可能である。しかし、これによって、酸化層がポリシリ
コン層の間に挟まれた大きな領域をもたらし、これらの
複層構造での大きな内部応力量のために、ラッピング
（wrapping）に際して問題をもたらす。本発明は、囲ま
れた酸化物の領域を小さくして、製造中にこれらの酸化
物の開放を許容することによって、これらの問題を回避
する。

【００１９】更に堅牢なポリシリコン膜が、ポリシリコ
ン層のみを積み上げ、２番目のポリシリコン層の蒸着前
に、中間の酸化層を除去することによって製造され得
る。しかし、このアプローチは、厚さを２倍にするだけ
であるのに対し、本発明は、もっと厚いポリシリコン膜
の、堅牢さを持つ波形の構造を可能とする。

【００２０】アクチュエータ構造及び、特に、本発明の
波形の膜は、良く知られたポリシリコン表面マイクロマ
シン技術プロセスを用いて形成され得る。このタイプの
波形構造も、また、シリコン以外の材料から、ここで議
論されているものでは無い、他のマイクロ製造プロセス
で製造され得る。ポリシリコン表面マイクロマシン技術
のプロセス段階の基本的な順序は、図５から図１０に示
される。ウェハープロセスの初期段階では、そこにはシ
リコン基板ウェハー20，低圧化学蒸気蒸着（ＬＰＣＶ
Ｄ）低応力窒化シリコンの電気的に絶縁された層30（約
0.6μｍ厚，0.5μｍＬＰＣＶＤ低応力ポリシリコン層
（ｐｏｌｙ0）202）、及び、フォトレジスト層（図示せ
ず）が存在する。シリコン基板ウェハーは、一般的に厚
さ525μｍ，ｎあるいはｐ型，0.5Ω−ｃｍの抵抗度を持
つ。表面上の静電気デバイスからの、基板を通した電荷
フィードを減少させるために、表面ウェハーは、標準拡
散炉で、ドーパント源としてＰＯＣＬ３を用いて、燐
（リン）によって重くドープされる。ｐｏｌｙ0層202を
パターン化するために、フォトレジスト層（図示せず）
が用いられる。

【００２１】図６では、フォトレジストがパターン化さ
れ、このパターンは、リアクティブイオンエッチング
（RIE）を用いて、ポリシリコン（あるいはｐｏｌｙ）
層に転写される。2.0μｍのリン珪酸塩ガラス（Phospho
-Silicate Glass: PSG）犠牲層（酸化層１）が、その
後ＬＰＣＶＤによって蒸着される。フォトレジスト層
（図示せず）を用いて、ガラス層がパターン化され、約
0.75μｍの深さの小さな穴205が生成される。

【００２２】図８では、非所望の酸化１層が、ＲＩＥを
用いて選択的に除去され、その後、フォトレジストが剥
離され、図９に示されるように、付加的ポリシリコン層
201（約2.0μｍ厚）が、蒸着される。２つの層202と201
が、波形の膜アクチュエータ50を形成する。

【００２３】図10では、エッチホール（図６の205とし
て示される）を通した、湿式あるいは乾式エッチングを
用いて、犠牲酸化１層がエッチされ、膜50が機械的にア
クチュエートされるように、膜50を開放する。図示され
ない、リリースエッチホールを生成するための他の方法
は、ウェハーの背面から来る穴を持つことである。これ
は、現状の熱インクジェットデバイスの液体貯槽を形成
する際に用いられるエッチング技術に類似する、湿った
異方性のエッチング技術を用いることによって可能とな
る。また、ディープリアクティブイオンエッチング（Ｄ
ＲＩＥ）のような乾式エッチング技術を用いることによ
って可能となる。エッチホールはまた、膜50の側を通し
て、継続的な酸化物経路を提供することによって、ウェ
ハーの前面上に形成され得る。この経路は、厚いポリイ
ミド内に形成された圧力チャンバ設計内の液体によっ
て、再充填から保護され得る。現在、本発明の好ましい
実施例として考えられるものが図示され、説明されてき
たが、当業者にとって、膨大な変更及び修正が生じ得る
ことを理解して欲しい。付加された特許請求の範囲の請
求項においては、本発明の精神と範囲内に入る、これら
の全ての変更及び修正をカバーすることが意図される。

【図面の簡単な説明】

【図１】偏向されない状態での、静電的にアクチュエー
トされる膜の断面図。

【図２】偏向された状態での、静電的にアクチュエート
される膜の断面図。

【図３】放射状で同心円状の支持構造を持った、波形の
静電的にアクチュエートされる膜の上面図。

【図４】図３の静電的にアクチュエートされる膜の断面
図。

【図５】標準ポリシリコン表面マイクロマシン技術プロ
セスでの基本プロセスステップ。

【図６】標準ポリシリコン表面マイクロマシン技術プロ
セスでの基本プロセスステップ。

【図７】標準ポリシリコン表面マイクロマシン技術プロ
セスでの基本プロセスステップ。

【図８】標準ポリシリコン表面マイクロマシン技術プロ
セスでの基本プロセスステップ。

【図９】標準ポリシリコン表面マイクロマシン技術プロ
セスでの基本プロセスステップ。

【図１０】標準ポリシリコン表面マイクロマシン技術プ
ロセスでの基本プロセスステップ。

【図１１】ドロップイジェクタプリントヘッドを持つイ
ンクジェットプリンタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者エリオットエイエクルンドアメリカ合衆国ニューヨーク州 14526 ペンフィールドジャクソンロードイーエックスティー 34 Ｆターム(参考） 2C057 AF93 AP14 AP32 AP34 AP37 AP53 AQ02 BA15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、上記基板に隣接する膜であって、波形の多層構造を持つ
膜と、上記膜と上記基板との間に形成されたアクチュエータチ
ャンバであって、電圧が上記基板に加えられた時に、上
記膜が上記基板に向けて曲げられるアクチュエータチャ
ンバと、を備えたデバイス。
【請求項２】上記基板がその上に絶縁層を持ち、当該
絶縁層上に導電部が形成された、請求項１に記載の静電
デバイス。
【請求項３】絶縁層を基板の上に持つ該基板と、上記絶縁層の上に形成された導電部と、上記導電部に隣接し、波形の多層構造をもつ膜と、上記膜を取り囲み、ノズルトップ及びノズルサイドを持
つノズルプレートと、上記ノズルプレートと上記膜との間に形成された、その
中に液体が格納される圧力チャンバーと、液体をイジェクトするために、ノズルプレートに形成さ
れたノズルと、上記導電部と上記膜との間に接続され、電源が起動され
た時に当該電源が、上記膜の頂部を上記導電部方向に曲
げ、液体を圧力チャンバ内の上記ノズルからイジェクト
するために十分な電力を供給する電源と、を備えたマイ
クロ電子機械的液体イジェクタ。
【請求項４】上記波形の多層構造が放射状の波形の支
持構造を備えた、請求項３に記載のマイクロ電子機械的
液体イジェクタ。