JP2007526138A - スロット形成方法及び流体噴射装置 - Google Patents

スロット形成方法及び流体噴射装置 Download PDF

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Abstract

説明する実施形態はスロット付き基板(300)及びその形成方法に関する。例示的な一方法は、第1のスロット部分(410a)を基板(300)の第1の表面(302)に形成し、第1のスロット部分(410a)は第1の表面(302)にフットプリント(404)を画定する。方法はまた、第1のスロット部分(410a)を通して第2のスロット部分(410a1)を形成し、第2のスロット部分(410a1)と合致して基板(300)を貫通する流体取扱スロット(305)を形成するのに十分な程度、基板(300)の第2の表面(303)を通して第3のスロット部分(410a2)を形成する。

Description

流体噴射装置等の微小電気機械システムデバイスが、プリントカートリッジを含む各種の機能で使用されている。多くの微小電気機械システムデバイスはスロットが形成された基板を利用する。スロットは、適した各種の基板除去技法を利用して形成することができる。異なる基板除去技法は、特に基板除去速度、その技法を用いて形成可能なスロットの形状、及びその技法の制御性等の異なる属性を有する。スロット及び/又は処理パラメータの向上は、基板除去処理技法の組み合わせを利用してこれらの属性を活かすことによって実現することが可能である。
図面全体を通して、可能な場合は、同じ構成要素は同様の特徴及び構成要素を指す。アルファベットの添え字を利用して異なる実施形態を表す。後述する各種構成要素は一定の縮尺で描かれていないことがある。むしろ、含まれる図面は、本明細書において説明する本発明の各種発明の原理を読み手に示すための概略図として意図される。
以下説明する実施形態は、基板にスロットを形成する方法及びシステムに関する。スロットが流体取扱スロットを含むいくつかの実施形態を以下提供する。スロットは他の多くの用途に利用されている基板に付けられてもよい。
スロットは、3つ以上のスロット部分で形成され得る。個々のスロット部分は、その特定のスロット部分の特性に基づいて選択される基板除去プロセスを使用して形成され得る。基板除去技法としては特に、エッチング、レーザ加工、噴射磨耗加工、鋸引き、ドリリング、及び/又はこれらの任意の組み合わせを挙げることができる。
[例示的なプリント装置]
図1は、例示的なプリントカートリッジを利用することができる例示的なプリント装置の概略図を示す。この実施形態では、プリント装置はプリンタ100で構成される。ここに示すプリンタはインクジェットプリンタの形で具体化される。プリンタ100はモノクロ及び/又はカラーでのプリントが可能である。用語「プリント装置」は、スロット付き基板(複数可)を採用してその機能の少なくとも一部を実現するあらゆる種類のプリント装置及び/又は画像形成装置を指す。このようなプリント装置の例としては、プリンタ、ファクシミリ機、及びフォトコピー機を挙げることができるがこれらに限定されない。この例示的なプリント装置では、スロット付き基板は、例を以下に述べるプリントカートリッジに組み込まれるプリントヘッドの一部から構成される。
プリント分野を超えて、スロットが形成された例示的な基板は各種の微小電気機械システム(MEMS)デバイスに組み込むことが可能である。例示的なMEMSデバイスとしては特に、医療用途及び研究用途で利用されている流体噴射装置を含む。例示的な基板は他の各種用途で利用することも可能である。例示的なMEMSデバイスの他の例としては、スロット付き基板を採用して視覚表示を生み出す表示装置を挙げることができる。
[例示的な製品及び方法]
図2は、例示的なプリント装置に利用可能な例示的なプリントカートリッジ202の概略図を示す。この特定の構成では、プリントカートリッジはプリントヘッド204と、プリントヘッドを支持するカートリッジ本体206とから構成される。1つのプリントヘッド204をこのプリントカートリッジ202に採用するが、他の例示的な構成では1つのカートリッジに複数のプリントヘッドを採用してもよい。
プリントカートリッジ202は、自給式の流体供給源又はインク供給源をカートリッジ本体206内に有するように構成される。他のプリントカートリッジ構成は、これに加えて又はこれに代えて、外部供給源から流体を受け取るように構成することができる。他の例示的な構成は当業者に認められよう。
プリントカートリッジ202の信頼性はプリンタ100の適宜機能のために望ましい。さらに、製造中のプリントカートリッジの故障は製造コストを上昇させる。プリントカートリッジの信頼性は、適切な流体(インク)の流れを妨げる、又は詰まらせる異物によって影響を受ける。異物の一発生源は、スロット付けプロセス中に発生する破片である。そのようなものとして、以下説明する各種実施形態では、不適当なインクの流れによる故障の発生を低減するプリントヘッドを提供することができる。
図3は、図2に示す例示的なプリントヘッド204の一部の概略側断面図を示す。図3の図は、流体供給スロット(後述)のx軸を横切ったものであり、この軸は、図3が現れているページの平面に至って、この平面から外へ向けて延びている。ここで、基板300は、第1の基板表面(「第1の表面」)302と第2の基板表面(「第2の表面」)303との間に延在する厚さtを有する。
この実施形態では、第1の表面302と第2の表面303との間で、スロット305が基板300を貫通する。より詳細に後述するように、いくつかのスロット形成技法によっては、スロット305を画定する基板素材上、及び/又は第1の表面302及び第2の表面303上に破片を不注意に発生させてしまうものがある。このような破片は流体によって完成したプリントヘッド内に運ばれ、パフォーマンスの低下を引き起こす恐れがある。説明する実施形態のいくつかはこのような破片を除去することができる。
この特定の実施形態では、基板300は、ドープされていても非ドープでもよいケイ素から構成される。他の基板材料としては、ヒ化ガリウム、ガリウム燐、リン化インジウム、ガラス、水晶、又は他の材料を挙げることができるがこれらに限定されない。
基板の厚さtは、意図する用途に適した任意の適した大きさを有することができる。いくつかの実施形態では、基板の厚さtは、100ミクロン未満から2,000ミクロン超にわたってもよい。例示的な一実施形態は、およそ675ミクロンの厚さの基板を利用することができる。1枚の基板について本明細書において考察するが、他の適した実施形態は、組み立て中及び/又は完成品において複数の部品を有する基板で構成されてもよい。たとえば、このような一実施形態は、第1の部品と、加工中の或る時点で破棄される第2の犠牲部品とを有する基板を採用してもよい。
この特定の実施形態では、1つ又は複数の薄膜層314が基板の第1の表面302上にわたって配置される。少なくともいくつかの実施形態では、障壁層316と、オリフィス板すなわちオリフィス層318とが薄膜層314上にわたって配置される。
一実施形態では、1つ又は複数の薄膜層314は、1つ又は複数の導電トレース(図示せず)、及び抵抗320等の電気部品を備えてもよい。個々の抵抗は、電気トレースを介して選択的に制御されてもよい。薄膜層314はまた、いくつかの実施形態では、流体が通過することができる複数の流体供給通路322の壁又は表面を少なくとも部分的に画定することもできる。薄膜層314はまた特に、フィールド酸化層又は熱酸化層で構成されてもよい。障壁層316は、複数の発射チャンバ324を少なくとも部分的に画定することができる。いくつかの実施形態では、流体供給通路322は、障壁層316単独に画定されるか又は薄膜層314との組み合わせに画定されてもよい。オリフィス層318は複数の発射ノズル326を画定することができる。個々の発射ノズルがそれぞれ個々の発射チャンバ324と位置合わせされる。
作動中、インク等の流体が図2に示すカートリッジ本体からスロット305に流入することができる。次いで、流体は個々の通路322を通って個々のチャンバ324内に流入することができる。流体は、電流が個々の抵抗320を流れるときにチャンバから噴射される。電流は、発射チャンバ内に格納されている流体のいくらかを沸点まで加熱するのに十分な程度に抵抗を加熱することができ、それによって流体は膨張してその一部がそれぞれ配置されたノズル326から噴出される。次いで、噴出された流体は、通路322からの追加流体で補充される。
図4a〜図4oは、一実施形態による、例示的なスロット付き基板を形成する作製工程の概略図を示す。図4aは基板の第1の表面302aの上面図を示す。図4b〜図4oは基板300aの側断面図を示す。
図4a及び図4bは第1の表面302a上にわたってパターニングされたエッチングレジスト層402を示す。エッチングレジスト層402はパターニングされてフットプリント404を画定することができる。フットプリントは、後続の作製工程において基板300aに形成され得るスロットの最大サイズ及び相対位置を定める。このような加工段階の例について以下説明する。いくつかの実施形態では、エッチングレジスト層402は、図3に関連して上述した薄膜層314等、1つ又は複数の薄膜層から構成される。
フットプリント404は、図4aに示すように概して矩形に近い。他のフットプリントは特に楕円、正方形、円形、又は不規則な形状に近くてもよい。
エッチング剤が基板300aに対して作用する後続の作製工程を示す図4c〜図4eを参照する。この特定の実施形態では、エッチング剤は主に、基板の第1の表面302aの露出部分、たとえばエッチングレジスト層402で覆われていない部分に対して作用する。この場合、露出部分はフットプリント404で構成される。
図4c〜図4eに示す特定の工程では、ウェットエッチング剤の異なる実施形態が第1の表面302aに対して作用して、第1のスロット部分410a〜410cをそれぞれ形成する。ウェットエッチング剤の例としては特に、水酸化カリウム及び水酸化テトラメチルアンモニウムを挙げることができる。
図4c〜図4eは、基板300aに形成され得るスロット部分410a〜410cの3つのプロファイル例を示す。個々の副部分が、様々であってもよい第1の深さda〜dcだけそれぞれ延在する。スロット部分410a〜410cは、ウェットエッチングプロセス等の1つの例示的な除去プロセスを使用して実現され得るスロット部分プロファイルの例を示すことができる。このスロット部分プロファイルは、特に、基板の組成、エッチング環境の温度、及びエッチングプロセスの持続時間を含むエッチング条件によって影響を受け得る。当業者は、他の例示的なスロット部分プロファイルも利用されてもよいことを認めるであろう。
図4f及び図4gは、エッチングレジスト層402aがフォトレジストを含み、エッチング剤がドライエッチング剤を含む代替の加工工程を示す。フォトレジストの例としては、特にSPR3625が挙げられる。ドライエッチング剤の例としては特に、ボッシュプロセスに利用されるC48及びSF6を挙げることができる。いくつかの実施形態では、基板の第1の表面302aをエッチング剤に曝してスロット部分を形成することができる。これら実施形態のいくつかでは、エッチングとパッシベーションの交互作用を利用してスロット部分プロファイル410dを特に図4gに示す深さddまで形成することができる。他の実施形態は、他の異方性エッチングプロセス及び/又は等方性エッチングプロセスを利用して基板300aに例示的なスロット部分を形成してもよい。この特定の実施形態では、エッチングレジスト層402aが薄膜314a上にわたって配置される。他の例示的な実施形態は、エッチングレジスト層402aを、いずれの中間層もない状態で、第1の表面302aを備える基板材料と物理的に接触して配置する等、他の構成を利用してもよい。
以下の作製工程については、説明のために図4cに示す基板300aに関連して説明する。当業者は、以下の作製工程が上述した他の例及び/又は他の構成に適用可能なことを認めるであろう。
これより、いくつかの実施形態では、保護被膜420が基板の第1の表面302a上にわたって配置され得る図4hを参照する。保護被膜は、後続する加工工程中に、裏にある材料を破片と加工に関連する損傷とから保護することができる。各種の保護被膜が市販されており、当業者により認められるであろう。
さらなる基板材料が第1の表面302aを通して除去されて第2の異なるスロット部分410a1を形成する図4iを参照する。さらなる基板材料の除去により、第2のスロット部分410a1が第2の深さda1まで形成される。いくつかの実施形態では、このように増加されたスロット部分深さは、第1の表面302aにおけるフットプリント404を維持しながら実現され得る。各種の例示的な除去プロセスを利用することができる。例としては、レーザ加工、ドライエッチング、及び噴射磨耗加工が挙げられるがこれらに限定されない。
図4jに示すように、図4iに示す保護膜420は既知のプロセスを利用して除去され得る。いくつかの実施形態はこれに代えて又はこれに加えて基板をウェットエッチング剤に曝す。いくつかの実施形態では、主に第2のスロット部分410a1の大きさを増すためにではなく、主に除去プロセスの進行中に発生する破片を除去するためにウェットエッチング剤が利用されてもよい。いくつかの適した実施形態は、スロット部分410a、410a1のプロファイルに影響することなくエッチングしてもよい。いくつかの他の実施形態では、エッチング剤がスロット部分410a、410a1のプロファイルに影響してもよい。このような例は、図4jに示されるプロファイルと比較して図4kに提供される。このエッチング工程がプロファイルに影響するか否かは、数ある要因の中でも特に、エッチング液及び/又はエッチングプロセスの持続時間を調整することによって制御され得る。いくつかの実施形態では、基板をウェットエッチング剤に曝すことは基板をウェットエッチング剤で洗うことを含んでよい。
図4lは、障壁層316aが第1の表面302a上にわたってパターニングされるさらなる作製工程を示す。各種の既知の障壁層材料が利用される。特定のある実施では、障壁層316aはフォトイメージング可能なポリマー材料等の厚膜材料で構成される。フォトイメージング可能なポリマー材料は任意の適した様式で塗布されることができる。たとえば、障壁層316aを材料層として塗布してから、図3に関連して説明したような発射チャンバ及び流体通路を形成するようにパターニングされることができる。
これより、さらなる基板除去プロセス(複数可)を利用して第2の表面303aを通して基板材料を除去し、第3のスロット部分410a2が形成される図4m及び図4nを参照する。基板材料は、第2のスロット部分410a1と合致して基板300aを貫通するスロット305aを形成するのに十分な程度、第2の表面を通して除去されてもよい。任意の適した基板除去技法を利用して第2の表面を通して材料を除去してもよい。
これより、オリフィス層318aを第1の表面302a上にわたって配置してプリントヘッド204aを形成する図4oを参照する。オリフィス層318aは、いくつかの実施形態では、電鋳ニッケル又は他の適した金属材料を含んでよい。別法として、オリフィス層318aはレーザで除去されたノズルを有する「カプトン(登録商標)」又は「オリフレックス」等のポリマーであってもよい。他の適した実施形態は、障壁層とオリフィス層の両方の機能を行うオリフィス層を採用してもよい。
図5a〜図5fは、一実施形態による別の例示的なスロット付き基板を形成する作製工程の概略図を示す。図5aは基板の第1の表面302eの上面図を示す。図5b〜図5fは基板300eの側断面図を示す。
図5a及び図5bは、基板300eに形成するスロットのフットプリント404eを画定するように第1の表面302e上にわたってパターニングされたエッチングレジスト層402eを示す。この特定の例では、パターニングされた層402eは、フットプリント404eを画定することができる「レーストラック」形に実質的に近い。
図5c及び図5dは、ウェットエッチング剤により、フットプリント404eを画定する第1のスロット部分410eを形成するように基板材料を除去するさらなる作製工程を示す。図5cに示すように、図5dは基板300eの一部及び第1のスロット部分410eをもう少し詳細に示す。この特定の実施形態では、第1のスロット部分410eは、少なくとも部分的に、第1の表面302eに対して鈍角αを成す側壁部分によって画定される。2つの側壁部分510及び512をスロット部分410eに関連して図5dに示す。
これより、第1の表面302eを通して基板材料をさらに除去して第2の異なるスロット部分410e1を形成する図5eを参照する。この実施形態では、第2のスロット部分410e1は、少なくとも部分的に、第1の表面302eに対して略直交する側壁部分によって画定される。この特定の例では、第1の表面302eに対して略直交する2つの側壁部分520、522を示す。この特定の実施形態では、側壁部分510、512として表されるレーストラックの外周がこの除去工程中維持される。外周内にある他の材料はこの除去工程で除去してもよい。
これより、さらなる基板除去プロセスが、第2の表面303eを通して基板材料を除去して第3のスロット部分410e2を形成する、図5f及び図5gを参照する。基板材料は、第2のスロット部分410e1と合致して基板300eを貫通するスロット305eを形成するのに十分な程度、第2の表面を通して除去されてもよい。この実施形態では、第3のスロット部分410e2は、第1の表面302e1に略直交する側壁部分によって、少なくとも部分的に画定される。この特定の例では、第1の表面302eに略直交する2つの側壁部分530、532を示される。
上述した作製工程では、各種基板除去技法を組み合わせてスロット付き基板を形成することが可能である。基板除去技法は、所与のスロット部分又はスロット領域の形成に関連するそれらの属性で選択されてもよい。たとえば、パターニングされたエッチングレジスト層を通してのエッチングにより、第1の表面にスロット部分のフットプリントを正確に形成することができる。エッチングは、スロット部分のサイズ及び第1の表面上に配置される他の部品からのその相対距離を正確に決めることができる。このため、このエッチングプロセスを利用して第1の表面にスロット部分のフットプリントを形成することができるが、基板の厚さtの大部分を通してのスロット形成に関してはこのエッチングプロセスに頼ることができない。第1のエッチング工程で確立されたフットプリントを維持しながら、第2の除去プロセスを選択して、主に基板の厚さに関連してスロット部分の深さを増すように基板材料を除去することができる。多くの適した除去プロセスは、スロット部分の深さが増すにつれて非効率になるため、第3の基板除去プロセスを第2の表面から利用して、基板の片側から形成されるスロット部分深さを低減することができる。第1の基板除去プロセスによりスロットのフットプリントが確立される実施形態では、第2及び第3の基板除去プロセスを、数ある要因の中でも特に基板除去速度及び略直線の側壁を形成する能力等の属性で選択され得る。
特定の構造的特徴及び方法ステップについて説明したが、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の概念は必ずしも上述した特定の特徴又はステップに限定される必要がないことを理解されたい。むしろ、特定の特徴及びステップは本発明の概念の実施形式として開示した。
一実施形態による例示的なプリンタの概略正面図を示す。 一実施形態による、図1に示す例示的なプリンタでの使用に適したプリントカートリッジの概略斜視図を示す。 一実施形態による、図2に示すプリントカートリッジの一部の概略側断面図を示す。 一実施形態による例示的なスロット付き基板を形成する作製工程の概略図を示す。 一実施形態による例示的なスロット付き基板を形成する作製工程の概略図を示す。 一実施形態による例示的なスロット付き基板を形成する作製工程の概略図を示す。 一実施形態による例示的なスロット付き基板を形成する作製工程の概略図を示す。 一実施形態による例示的なスロット付き基板を形成する作製工程の概略図を示す。 一実施形態による例示的なスロット付き基板を形成する作製工程の概略図を示す。 一実施形態による例示的なスロット付き基板を形成する作製工程の概略図を示す。 一実施形態による例示的なスロット付き基板を形成する作製工程の概略図を示す。 一実施形態による例示的なスロット付き基板を形成する作製工程の概略図を示す。 一実施形態による例示的なスロット付き基板を形成する作製工程の概略図を示す。 一実施形態による例示的なスロット付き基板を形成する作製工程の概略図を示す。 一実施形態による例示的なスロット付き基板を形成する作製工程の概略図を示す。 一実施形態による例示的なスロット付き基板を形成する作製工程の概略図を示す。 一実施形態による例示的なスロット付き基板を形成する作製工程の概略図を示す。 一実施形態による例示的なスロット付き基板を形成する作製工程の概略図を示す。 別の実施形態による例示的なスロット付き基板を形成する作製工程の概略図を示す。 別の実施形態による例示的なスロット付き基板を形成する作製工程の概略図を示す。 別の実施形態による例示的なスロット付き基板を形成する作製工程の概略図を示す。 別の実施形態による例示的なスロット付き基板を形成する作製工程の概略図を示す。 別の実施形態による例示的なスロット付き基板を形成する作製工程の概略図を示す。 別の実施形態による例示的なスロット付き基板を形成する作製工程の概略図を示す。 別の実施形態による例示的なスロット付き基板を形成する作製工程の概略図を示す。

Claims (10)

  1. 基板(300)内に第1のスロット部分(410a)を形成することであって、前記第1のスロット部分(410a)は第1の表面(302)内に形成され、且つ、前記第1の表面(302)及び略対向する第2の表面(303)の間で画定される前記基板(300)の厚さ未満である第1の深さまで延在し、前記第1のスロット部分(410a)は前記第1の表面(302)にフットプリント(404)を画定する、第1のスロット部分(410a)を形成することと、
    前記第1の表面(302)における前記フットプリント(404)を維持しながら第2のスロット部分(410a1)を第2の深さまで形成するために、前記第1の表面(302)を通してさらなる基板材料を除去することと、
    前記第1の表面(302)と前記第2の表面(303)との間に延在するスロット(305)を形成するために、前記第2の表面(303)を通して少なくとも前記第2のスロット部分(410a1)まで基板材料を除去することを含むことを特徴とする方法。
  2. 前記第1のスロット部分(410a)を形成することは、少なくとも1つのエッチングレジスト層(402)を前記第1の表面(302)上にわたってパターニングした後に異方性ウェットエッチングを施すことを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 前記第1の表面(302)を通してさらなる基板材料を除去することは、前記フットプリント(404)内をレーザ加工することを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  4. 前記第1の表面(302)を通してさらなる基板材料を除去することは、前記第1の表面(302)の少なくとも部分上にわたって保護層(420)を形成することと、前記フットプリント(404)内をレーザ加工することとを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  5. 基板(302)内に第1のスロット部分(410a)を形成することは、前記第1の表面(302)に略レーストラック形を有するように前記第1のスロット部分(410a)を形成することを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  6. 基板(300)の第1の表面(302)内に第1のスロット部分(410a)を形成することであって、前記第1のスロット部分(410a)は前記第1の表面(302)にフットプリント(404)を画定する、第1のスロット部分(410a)を形成することと、
    前記第1のスロット部分(410a)を通して第2のスロット部分(410a1)を形成することと、
    前記フットプリント(404)を実質的に維持しながら、前記基板(300)を貫通する流体取扱スロット(305)を形成するために、前記第2のスロット部分(410a1)と合致するのに十分な程度、前記基板(300)の第2の表面(303)を通して第3のスロット部分(410a2)を形成することとを含むことを特徴とするスロット形成方法。
  7. 第1の基板表面(302)と第2の基板表面(303)との間に延在する少なくとも1つの流体取扱スロット(305)を有する基板(300)を備え、
    前記スロット(305)は、前記第1の表面(302)にエッチングされるフットプリント(404)を有するとともに、前記第1の表面(302)に対して鋭角を成す少なくとも第1の側壁部分(510)と、前記第1の表面(302)に対して略直交して延在する少なくとも第2の側壁部分(520)とを有するプロファイルを有し、前記第2の側壁部分(520)は、前記フットプリント(404)を通して前記基板(300)に向けられる第1の基板除去プロセスと、前記第2の基板表面(303)の上方から前記基板(300)に向けられる第2の基板除去プロセスとにより形成されることを特徴とする流体噴射装置。
  8. 第1の除去プロセスを利用して、第1の表面(302)を通して第1の深さまで基板(300)から材料を除去することと、
    前記第1の除去プロセスと異なる第2の除去プロセスを利用して、前記第1の表面(302)を通して第2の深さまでさらなる基板材料を除去することと、
    前記第1の表面(302)に略対向する第2の表面(303)を通して基板材料を除去することであって、前記第2の表面(303)を通して前記基板材料を除去した後にスロット(305)が前記基板(300)内に形成される、基板材料を除去することとを含むことを特徴とする方法。
  9. 前記第1の除去プロセスは、少なくとも1つのエッチングレジスト層(402)を前記第1の表面(302)上にわたってパターニングした後に、異方性ウェットエッチングを施すことを含むことを特徴とする請求項8に記載の方法。
  10. 前記第1の表面(302)を通して前記基板(300)から材料を除去することは、前記第1の表面(302)に、略レーストラック形のプロファイルを形成することを含むことを特徴とする請求項8に記載の方法。
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