JP2010241111A - ノズル出口に対する層の付加 - Google Patents

Abstract

【課題】媒体上に液滴を均一に配置するために、均一なサイズ及び速さの液滴を同じ方向に吐出する流体吐出デバイスを提供すること。
【解決手段】第１の表面と、第１の表面の反対側の第２の表面と、半導体本体を貫通して形成され第１の表面と第２の表面とを接続するノズルとを有する半導体本体であって、ノズルが、第２の表面上のノズル出口を介して流体を吐出するように構成される、半導体本体と、第２の表面上のノズル出口の周囲及びノズルの少なくとも部分的に内側にある金属層であって、ノズルの内側の金属層は完全に露出している、金属層と、を有するノズル層を構成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、流体吐出デバイスに関する。

流体吐出デバイスには、一つ又は複数のノズルから媒体上に液滴が吐出されるものがある。ノズルは、流体ポンプ室を含む流体経路に流体連結される。流体ポンプ室は、アクチュエータによって作動させることができ、それにより液滴が吐出される。媒体は、流体吐出デバイスに対して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を媒体の移動に対してタイミングを合わせることにより、液滴を媒体上の所望の位置に配置する。

特許文献１は、ノズルの一例を開示している。

米国特許第７，３４７，５３２号明細書

これらの流体吐出デバイスでは、通常、媒体上に液滴を均一に配置するために、均一なサイズ及び速さの液滴を同じ方向に吐出することが望ましい。

本発明の一態様は、第１の表面と、第１の表面の反対側の第２の表面と、半導体本体を貫通して形成され第１の表面と第２の表面とを接続するノズルとを有する半導体本体であって、ノズルが、第２の表面上のノズル出口を介して流体を吐出するように構成される、半導体本体と、第２の表面上のノズル出口の周囲及びノズルの少なくとも部分的に内側にある金属層であって、ノズルの内側の金属層は完全に露出している、金属層と、を有するノズル層である。

本発明の他の態様は、半導体のノズル層のノズル出口の周囲及びノズルの少なくとも部分的に内側に、金属層を付着させるステップと、ノズルの内側の金属層を完全に露出させたまま保つステップと、を含む方法である。

本発明の他の態様は、ノズル層を製造するための方法であって、ノズル層内の複数のノズルの出口の幅を測定するステップと、複数のノズルの平均ノズル出口幅を計算するステップと、平均ノズル出口幅と所望のノズル出口幅との比較に基づいて、ノズル層に付着させるべきカバー層の厚さを計算するステップと、各ノズル出口の周囲及び各ノズルの少なくとも部分的に内側に、計算された厚さを有するカバー層を付着させるステップと、を含む方法である。

本発明の他の態様は、第１の表面と第１の表面上に第１の複数の開口を有し第１の半導体本体を貫通する第１の複数の流体流路とを有する第１の半導体本体であって、第１の複数の開口が第１の平均側方向開口寸法を有する、第１の半導体本体と、第１の平均側方向ノズル寸法を有するノズルを実現するための、第１の表面上及び第１の複数の開口の少なくとも部分的に内側にある第１のカバー層と、を含む第１のプリントヘッドと、第２の表面と第２の表面上に第２の複数の開口を有し第２の半導体本体を貫通する第２の複数の流体流路とを有する第２の半導体本体であって、第２の複数の開口が第１の平均側方向開口寸法と異なる第２の側方向開口寸法を有する、第２の半導体本体と、第１の平均側方向ノズル寸法にほぼ等しい第２の平均側方向ノズル寸法を有するノズルを実現するための、第２の表面上及び第２の複数の開口の少なくとも部分的に内側にある第２のカバー層と、を含む第２のプリントヘッドと、を備えるキットである。

実施態様は、以下の特徴のうちの一つ又は複数を含むことができる。金属層は、チタン、金、白金、ロジウム、タンタル、ニッケル、ニッケルクロムからなる群から選択された金属を含むことができる。金属層は、アルカリ性流体に対して耐薬品性のものとすることができる。金属層は、約１μｍ以上の厚さを有することができる。ノズル層は、第２の表面上の金属層上に非濡れ性コーティングをも有することができる。金属層の厚さは、約０．１μｍ〜約１０μｍとすることができる。金属層は、第２の表面上の出口の周囲及びノズルの内側で完全に露出させることができる。ノズルは、第１の表面を第２の表面に接続するテーパ壁又は平行壁を有することができる。金属層は、湾曲した縁部を有するようにノズル出口を整形することができる。湾曲した縁部は、約１μｍ以上の曲率半径を有することができる。ノズル出口は、方形とすることができる。ノズル層の半導体本体は、シリコンを含むことができる。金属層を付着させるステップは、金属をスパッタするステップ、又はスパッタされた金属上に金属を電気めっきするステップを含むことができる。この方法は、ノズル層を流体流路体に固定するステップを更に含むことができる。また、この方法は、ノズル出口の周囲の金属層を完全に露出させたまま保つステップを含むことができる。ノズル出口は、ノズル層の外部表面上に位置することができ、ノズル出口の周囲の金属層は、その外部表面上にあることができ、この方法は、非濡れ性コーティングを、ノズル層の外部表面上の金属層上に付着させノズルの内側には付着させないステップを更に含むことができる。この方法は、湾曲した縁部を有するように、金属層を使用してノズル出口を整形するステップを含むことができる。ノズル出口幅を測定するステップは、光学測定器具を使用するステップを含むことができる。カバー層は、金属を含むことができる。

実施態様は、以下の利点のうちの一つ又は複数を含むことができる。湾曲した縁部及び／又は隅部を有するようにノズル出口を整形することにより、鋭角の出口に伴う問題を緩和することができる。すなわち、ノズルが屑で目詰まりする可能性を少なくすることができ、噴射直進性を改善することができ、ノズルをより耐久性のあるものにすることができ、液滴サイズをより均一にすることができる。

どの特定の理論にも限定されることなしに、ノズル出口の鋭い縁部は、ブレードのように働き、保守デバイス（例えばワイパ）の一部分をそり落とすことが可能であり、ワイパの拭き取り動作は、この屑をノズル内に押し込み、ノズルを詰まらせることがある。湾曲した縁部を有するようにノズル出口を整形することにより、ノズルで屑が発生し閉じ込められる傾向を低減することができる。

どの特定の理論にも限定されることなしに、実質的に方形のノズル出口、又は鋭い若しくは尖った隅部を有する任意の出口は、それらの隅部における高い流体表面張力により、液滴をまっすぐ吐出するのが困難なことがある。鋭い隅部における高い表面張力は、液滴をその隅部に向かって引き寄せ、液滴をある角度で吐出させ得る。湾曲した隅部を有するように出口を整形することにより、液滴が隅部に向かって引き寄せられる傾向を低減し、噴射直進性を改善することができる。更に、流体吐出中に、流体が跳ね返り、ノズルプレートの外部表面上に集まった場合には、この流体は、吐出される後続の液滴と干渉することがある。例えば、表面上の流体はノズル出口付近で合体することができ、液滴が吐出されたとき、ノズル表面上の流体は、吐出された液滴を一つの側に引き寄せ、液滴の直進性に影響を及ぼし、印刷媒体上で液滴配置誤差を引き起こす。縁部が鋭い場合、表面上の合体した流体がノズルの内側に戻ることは困難であるが、湾曲した縁部及び隅部の場合、どの特定の理論にも限定されることなしに、流体は、より容易にノズルに再進入することができ、その結果、次に吐出される液滴の直進性に影響を及ぼさない。

どの特定の理論にも限定されることなしに、半導体材料から形成されたノズルの鋭い、又は尖った縁部は、もろく、損傷を受けやすい可能性があり、損傷した場合、ノズル出口は、不規則な形状になり、液滴を、直進以外のある角度で吐出することがある。更に、ノズル出口に対する損傷は、出口の寸法（例えば、幅又は直径）を増大させ、したがって、吐出される液滴の液滴体積を増大させることがある。湾曲した縁部及び隅部を有するように出口を整形することにより、ノズルの耐久性を改善することができる。

ツインニングは、液滴を直進ではなくある角度で吐出する噴射によって引き起こされる液滴配置誤差について述べるために使用される用語である。例えば、噴射が液滴をある角度で吐出したとき、この液滴は、隣接する液滴に対して、所望の位置より近くに着地することがある。これら二つの液滴は、共に合併することがあり、合併した液滴の表面張力は、液滴が完全に広がることができないようにすることができ、印刷媒体上に白い空間を残す。例えば、湾曲した形状を有するようにノズルを整形することによって噴射直進性を改善することにより、ツインニングを防止することができる。

無機の非金属性材料の層、若しくは金属層、又はその両方をノズル出口の周囲及びノズルの部分的に内側に付着させることにより、ノズル出口を損傷に対して強化し、かつ／又はノズル表面を耐薬品性にすることができる。ノズル層の基礎となる材料より耐久性のあるこれらの層の一つ又は複数を付着させることにより、また縁部及び隅部で曲率半径を増大させることにより、ノズルを強化することができる。金属層、又は金属でドープされた酸化物層は、ノズル層表面上での電界増大を低減し、かつ／又はプリントヘッド内の電気化学的適合性を改善することができる。湾曲した縁部及び／又は隅部と共に、或いは湾曲した縁部及び／又は隅部なしに、一つ又は複数の層をノズル出口に付着させることができる。

本発明の一つ又は複数の実施形態の詳細は、添付の図面及び下記の説明で示される。本発明の他の特徴、目的、利点は、この説明及び図面から、また特許請求の範囲から明らかになるであろう。

液滴吐出装置の側面断面図である。 テーパ壁を有するノズルを有するノズル層を含むデバイスの側面断面図である。 ノズル層内に形成されたノズル出口の底面図である。 平行壁を有するノズルの側面断面図である。 ノズルの損傷した出口の底面図を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 ノズル層を製造する方法のフローチャートである。 ノズル層の製造工程を説明する図である。 ノズル層の製造工程を説明する図である。 ノズル層の製造工程を説明する図である。 ノズル層の製造工程を説明する図である。 ノズル層の製造工程を説明する図である。 ノズル層の製造工程を説明する図である。 テーパ壁を有するノズルの側面断面図である。 図６Ａにおけるノズルの底面図である。 ノズル壁及びノズル出口の周囲に付加された金属層の側面断面図である。 図６Ｃにおけるノズル層の底面図である。 テーパ壁とノズルの表面上に成長させた無機酸化物層とを有するノズルの側面断面図を示すＳＥＭ画像である。 酸化物層を除去して別の酸化物層を再成長させた後のノズルの、右側だけの斜視断面図を示すＳＥＭ画像である。 酸化物層を有し、テーパ壁と湾曲した縁部及び隅部とを有する、ノズルの斜視断面図である。 湾曲した隅部を有するノズル出口を示すノズル層の底面図である。 縮小された曲率半径を有する湾曲した隅部を有するノズル出口を示す保護層を含むノズル層の底面図である。 下行部層に固定されたノズル層の側面断面図を示すＳＥＭ画像である。

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。

液滴吐出は、流体流路体と膜とノズル層とを有する基板、例えば微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）を用いて実施することができる。流路体には、流体流路が形成されており、流体流路は、流体充填通路と、流体ポンプ室と、下行部と、出口を有するノズルと、を含むことができる。アクチュエータは、膜の流路体と反対側の表面上に、流体ポンプ室に近接して位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、流体ポンプ室に圧力パルスを与え、出口を介して流体の液滴の吐出を引き起こす。流路体は、しばしば、複数の流体流路及びノズルを含む。

液滴吐出システムは、前述の基板を含むことができる。また、このシステムは、基板用の流体源を含むことができる。吐出用の流体を供給するために、流体供給部を基板に流体連結させることができる。流体は、例えば化学物質、生物学的物質、又はインクとすることができる。

図１において、一実施態様におけるプリントヘッドなどの微小電子機械デバイスの一部分の概略断面図が示されている。このプリントヘッドは、基板１００を含む。基板１００は、流体路体１０２と、ノズル層１０４と、膜１０６とを含む。流体供給部が、流体充填通路１０８に流体を供給する。流体充填通路１０８は、上行部１１０に流体連結される。上行部１１０は、流体ポンプ室１１２に流体連結される。流体ポンプ室１１２は、アクチュエータ１１４に近接している。アクチュエータ１１４は、駆動電極と接地電極の間に挟まれた、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料を含むことができる。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することによってアクチュエータに電圧を印加し、それ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）でアクチュエータ１１４を膜１０６に固定することができる。

ノズル層１０４は、流路体１０２の底面に固定され、約１μｍ〜約１００μｍ（例えば約５μｍ〜５０μｍ、又は約１５μｍ〜３５μｍ）の厚さを有することができる。出口１１８を有するノズル１１７は、ノズル層１０４の外部表面１２０内に形成される。流体ポンプ室１１２は下行部１１６に流体連結され、下行部１１６は、ノズル１１７に流体連結される。図１は、流体充填通路、ポンプ室、下行部など、様々な通路を示すが、これらの構成要素は、全てが共通平面内になくてもよい。いくつかの実施態様では、流路体、ノズル層、及び膜の二つ以上が一つの体として形成されてもよい。

図２Ａは、流路体２１０に取り付けられたノズル層２０１を含むモジュール２００を示す。ノズル層２０１は、第１の表面２０７上の入口２０６を第２の表面２０９上の出口２０８に接続するテーパ壁２０４を有するノズル２０２を含む。出口２０８は、入口２０６より狭くすることができる。ノズル層２０１の第１の表面２０７は、流路体２１０に固定することができる（例えば、陽極接合、シリコン対シリコンの直接ウエハ接合、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）のような接着剤を用いた接着などによる固定）。陽極接合、及び陽極接合で使用される材料の例については、米国特許第７，０５２，１１７号明細書に記載されており、その内容全体を参照により組み込む。ノズル層及び流体流路体は、シリコン、例えば単結晶シリコンなど、半導体材料製とすることができる。液滴は、第２の表面２０９上に形成された出口２０８を介して吐出することができる。図２Ｂは、方形の出口２０８を示し、出口２０８の一辺の幅Ｗ２１２は、約１μｍ〜約１００μｍ、例えば約１μｍ〜１０μｍ、例えば約１０μｍ〜３０μｍ、又は約５μｍ〜５０μｍである。

他の例として、図２Ｃは、ノズル入口２１６をノズル出口２１８に接続する平行壁２１４を有するノズル２０２を示す。一般に、出口の縁部は、ノズル層の外部表面の平面から測定して約９０°以下（例えば約４５°以下）の角度を有することができる。図２Ａは、約５４°の角度２２２を有する出口縁部２２０を有するノズルを示し、一方、図２Ｃは、約９０°の角度２２６を有する出口縁部２２４を示す。

図２Ａ及び図２Ｃに示されている出口２０８、２１８は、（図２Ｂに示されているように）方形、円形、楕円形、多角形、又は液滴吐出に適した任意の他の形状とすることができる。出口が方形以外である場合、その最も長い寸法は約１μｍ〜約１００μｍ、例えば、約１μｍ〜１０μｍ、約１０μｍ〜３０μｍ、又は約５μｍ〜５０μｍなどとすることができる。この出口サイズは、いくつかの実施態様にとって有用な液滴サイズを作り出すことができる。ノズル層は、シリコンなどの半導体の本体内に形成することができ、ノズルは、プラズマエッチング（例えば、深掘反応性イオンエッチング）、ウェットエッチング（例えば、ＫＯＨエッチング）、又は別のプロセスによって、半導体本体内に形成することができる。複数のノズル層を、単一のシリコンウエハ内に形成し、共に処理することができる。また、複数のノズル層を含むシリコンウエハを、複数の流体流路体を含むウエハなど、他のウエハに接着することができる。複数の流路体を含むウエハもまた、複数の膜を含む別のウエハに接着することができる。

図２Ａ〜図２Ｃにおけるノズルは、鋭い縁部を有する出口を含み、これらの鋭い縁部は、保守作業又はプリントヘッドの取扱い中に破損又は欠損する可能性がある。鋭い縁部は、０．１μｍ未満の曲率半径を有する縁部を含むことができる。保守作業中には、ワイパを使用し、余分な流体をノズル層の外部表面から拭き取ることができる。出口が鋭い縁部を有するため、これらの縁部はブレードのように働き、ワイパの一部分をそり落とすことがあり、その後で、ノズル内に屑を残し、かつ／又はノズル出口の縁部を損傷する。他の場合には、吐出される流体がノズル層の材料を侵食し、出口の縁部をエッチング除去するおそれがある。

図３は、損傷した方形のノズル出口３０２を有するノズル層３００を示すＳＥＭ画像である。例えば、ノズル出口の右側は欠損及び破損しており、現在、不規則な形状になっている。そのような不規則な形状では、もはや液滴が直進するように吐出されない。それどころか、液滴は、ある曲がった角度で吐出されることになり、印刷媒体上で液滴配置誤差を引き起こす。テーパ壁を有するノズルの場合には、ノズル出口の幅が、出口の縁部が欠損するにつれて著しく増大する可能性があり、軌道誤差及び速度の減少による液滴配置誤差だけでなく、液滴体積の望ましくない増大をも引き起こす。

図４は、図２Ａ〜図２Ｃにおけるノズル層など、ノズル層を製造する方法のフローチャート４００である。図５Ａ〜図５Ｅは、例えばプリントヘッド用のノズル層の製造工程を説明する図である。図５Ａ〜図５Ｅは、流体流路体、例えば図２Ａにおける流体流路体２１０から分離されたノズル層５００を示す。最初に、図５Ａの断面図に示されているように、厚さＤ５０１を有するノズル層５００と、出口５０４を有するノズル５０２とが作製される（ステップ４０１）。ノズル層５００及びノズル５０２は、従来の技法を用いて作製することができ、図２Ａ〜図２Ｃに関連して上述した特徴を有することができる。具体的には、出口５０４は、鋭い縁部５０６を有することができる。図５Ｂに示されているように、無機酸化物５０８の層を、ノズル層５００の露出した表面上で熱成長させる（ステップ４０２）。いくつかの実施態様では、無機酸化物５０８は、外部表面５１０上の出口５０４の周囲、及びノズル５０２の少なくとも部分的に内側など、ノズル層の一部分の上だけで成長させることができる。次に、図５Ｃに示されているように、無機酸化物５０８を例えばフッ化水素酸を使用して除去する（ステップ４０４）。

無機酸化物（例えば二酸化ケイ素）の厚さは、約０．５μｍ以上、例えば約１μｍ以上、例えば約１μｍ〜１０μｍ、更に例えば約２μｍ〜５μｍとすることができる。

どの特定の理論にも限定されることなしに、熱酸化物を半導体（例えばシリコン、更に例えば単結晶シリコン）表面上で成長させたとき、その酸化物は、シリコン表面上にもシリコン表面内にも成長し、その結果、酸化物の厚さの約４６％が元のシリコン表面の下方にあり、５４％がその上方にある。熱酸化物を成長させる際には、酸化剤（例えば、水蒸気又は酸素）がシリコン表面でケイ素原子と結合し、シリコン酸化物の層がシリコン表面上に形成される。シリコン酸化物層が厚くなるにつれて、酸化剤は、シリコン表面に到達するために移動する距離が長くなる。やはりどの特定の理論にも限定されることなしに、ノズル出口の隅部及び縁部で酸化剤が移動しなければならない距離は、直線の、又は平坦な表面で酸化剤が移動しなければならない距離より更に大きい。隅部及び縁部で酸化剤が移動する距離が長くなるため、隅部のシリコン表面の方がゆっくり侵食され、隅部及び縁部が丸くなる、又は湾曲する。隅部に沿って、出口のシリコン縁部もまた、平坦な表面とは異なる速度で侵食され、縁部が、隅部ほどではないが湾曲する。図５Ｃは湾曲した縁部５１２を示し、図５Ｄは湾曲した隅部５１４を示す。一実施態様では、シリコン酸化物の層（例えば厚さ５μｍ）を、シリコンノズル層（例えば厚さ３０μｍ）上に、約８００℃〜１２００℃の温度で熱成長させ、その後で、そのシリコン酸化物を除去するために、フッ化水素酸の浴に（例えば約７分間）入れる。いくつかの実施態様では、酸化物層が除去された後で、後続の酸化物層を再成長させ除去することができる。成長させられ除去される各酸化物層を用いて、縁部及び隅部の曲率半径を更に増大させることができる。

他の例として、鋭い縁部及び隅部を湾曲するように整形するために、エッチング液（例えばＫＯＨ）を使用し、例えば、ノズル層をＫＯＨの浴に所定の時間入れることによって、湾曲した縁部及び隅部を生み出すように半導体ノズル層の鋭い形状部分をエッチングすることができる。

図５Ｃは、湾曲した縁部５１２を現在有する出口５０４を有するノズル５０２を残して、酸化物層５０８が除去された、ノズル層５００の断面図を示す。湾曲した縁部は、０．４μｍ以上など、０．１μｍより大きい曲率半径を有することができる。ノズル入口の縁部５１３もまた、酸化物が除去されたとき湾曲する。縁部及び隅部の湾曲量は、半導体ノズル層上に成長させられた酸化物の厚さに依存し得る。酸化物の厚さが増大するにつれて、縁部及び隅部の湾曲もまた増大し得る。

図５Ｄは、湾曲した隅部５１４を有するノズル出口５０４の底面図を示す光学顕微鏡写真である。どの特定の理論にも限定されることなしに、湾曲した隅部は、隅部における流体表面張力による高い応力を低減することにより、かつ／又はノズル層の外部表面上の流体がより容易にノズル出口に再進入することを可能にすることにより、液滴軌道の直進性を改善することができる。図５Ｄの出口５０４は、約０．５μｍ以上、例えば１μｍ以上、例えば約１μｍ〜１０μｍ、更に例えば約２μｍ〜５μｍの曲率半径５１８を有することができる湾曲した隅部５１４によって接続された直線の辺５１６を有する。

図５Ｅは、酸化物が除去された後にノズル層５００に付加された保護層５２２（例えば、酸化物など無機の非金属性の層、金属層、又は導電層）を示す（ステップ４０６）。保護層は、半導体材料より耐久性のある材料とすることができ、半導体材料、特に、保守及び取扱い中などに損傷を受けやすい鋭い形状部分を強化することができる。無機の非金属性材料は、酸化物、ダイヤモンドのような炭素、又は窒化ケイ素若しくは窒化アルミニウムのような窒化物を含むことができる。保護層を付加すること、例えば別の酸化物層を再成長させること、又は金属層をスパッタすることにより、縁部５２３の湾曲を、図５Ｃにおけるシリコン縁部５１２の湾曲以上に増大することができる。縁部５２３の曲率半径は、約０．５μｍ以上、例えば１μｍ以上、例えば約１μｍ〜１０μｍ、又は約２μｍ〜５μｍなどとすることができる。しかし、ノズル出口が例えば方形である場合には、再成長酸化物が隅部の湾曲を減少させることがあり、非常に多くの酸化物が再成長した場合には、その酸化物が隅部を再度方形にし得る。したがって、いくつかの実施態様では、図５Ｄの隅部５１４が再度方形になるのを回避するために、再成長酸化物の厚さを、図５Ｂにおける除去された酸化物５０８の厚さより薄くすることができる。例えば、再成長酸化物の厚さは、除去された酸化物層の厚さに比べて約５０％以下とすることができる。湾曲した縁部５２３は、欠損や破損を受けにくくなる可能性があり、湾曲した縁部５２３は保守デバイスから屑をそり落とす可能性が少なくなるため、ノズル５０２が目詰まりするのを防止することができる。

図５Ｅは、ノズル層５００の表面を覆う保護層５２２を示すが、保護層は、ノズル出口の周囲、及びノズル５０４の部分的に内側の領域など、ノズル層の一部分だけを覆うこともできる。他の例として、保護層は、ノズル層の外部表面上でノズル出口の周囲だけにあり、ノズルの内側になくてもよい。シリコンなど、低い表面エネルギー（例えば約２０°以下の接触角）を有するノズル層の場合には、ノズル層の外部表面は、低粘着力テープ、シリコーン、及びガス発生ポリマーのようなプロセス汚染物質によって汚染される可能性がある。これらの汚染物質は、ノズル出口付近に、約７０°以上の接触角を有する非濡れ性領域を生み出し得る。汚染物質と保護層とがほぼ同じ表面エネルギーを有するように、金などの高い表面エネルギー（例えば７０°以上の接触角）を有する保護層をシリコンノズル層の外部表面上に付着させることができる。高い表面エネルギーを有する保護層をノズル層の外部表面上に含めることにより、ノズル層を汚染物質に耐性のあるものにすることができる。

図５Ｆは、流路体５２４（例えば炭素体又はシリコン体）に固定されたノズル層５００を示す（ステップ４０８）。ノズル層は、陽極接合、シリコン−シリコンの直接ウエハ接合、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）のようなエポキシなど接着剤の使用、又は他の固定手段により、流路体に固定することができる。

保護層５２２は、窒化ケイ素とすることができ、窒化ケイ素は、特に、より高い温度（例えば１０００℃以上）で処理された場合、シリコン又はシリコン酸化物より強靱であり、耐摩耗性がより高い可能性がある。より高い温度で処理することにより、より密度が高く、ピンホールがより少ない窒化物層が生成される。窒化物は酸化物より強靱であるため、より薄い層をノズルに付加することができ、例えば、この窒化物層の厚さは０．５μｍ未満、例えば約０．０５μｍ〜０．２μｍとすることができる。必要であれば、窒化ケイ素は、より低い温度（例えば３５０℃）で成長させることもでき、これは、そのキュリー温度より高い温度にさらされると減極する可能性がある圧電アクチュエータなどの、熱に敏感な他の構成要素にノズル層が接続される場合、重要となる可能性がある。

保護層（例えば非金属性の層又は金属層）は、吐出される流体に対するその耐薬品性に基づいて選択することができる。保護層は、例えばその層が流体と反応しない場合、耐薬品性である。例えば、流体が保護層を、著しく侵食することも、エッチングすることも、劣化させることもない。また、保護層は、ワイパなどの保守作業に対するその耐久性、及び／又はノズル層の基礎となる材料（例えば、シリコン）と比べたその頑健性で選択することができる。

ピンホールがより少ない保護層は、アルカリ性インクのような腐食性流体によって侵食されることから半導体材料をよりよく保護することができる。保護層５２２の厚さは、約１０ｎｍ以上、例えば約１０ｎｍ〜２０μｍとすることができる。

いくつかの実施態様では、保護層は、導電材料（例えば非金属性又は金属性）を含むことができ、それにより、例えば導電材料を接地することによって、ノズル表面上に現れる静電荷による電界増大を低減することができる。また、導電材料を使用し、プリントヘッド内の電気化学的適合性を改善することができる。導電材料は、セシウムや鉛などの金属がドープされうる、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）などの酸化物とすることができる。

いくつかの実施態様では、保護層は、金属層を含むことができる。この金属は、ノズル層の半導体材料（例えばシリコン）より強靱なものとすることができる。金属層は、例えば、チタン、タンタル、白金、ロジウム、金、ニッケル、ニッケルクロム、及びそれらの組合せを含むことができる。いくつかの実施態様では、保護層は、湾曲した縁部及び／又は隅部と共に、或いは湾曲した縁部及び／又は隅部なしに、ノズル出口に付着させることができる。例えば、保護層は、最初に酸化物層を成長させ除去することなしに、ノズル出口に付着させることができる。

図６Ａ〜図６Ｄは、ノズル層に付加される金属層（例えばチタン）の図を示し、ノズル出口は、湾曲した縁部又は隅部を有していない。図６Ａは、テーパ壁６０４を有するノズル６０２を有するノズル層６００を示し、図６Ｂは、長さＬ６０７を有する辺を有する方形のノズル出口６０６の底面図を示す。円形、楕円形、又は多角形など、他のノズル出口形状が可能である。図６Ｃは、ノズル内側のテーパ壁６０４上、ノズル出口６０６の周囲、及びノズル層６００の外部表面６１２上を含めて、ノズル層６００のいくつかの表面に付加された金属層６０８を示す。ノズルの内側にある金属層は、堆積プロセス（例えばスパッタリング）のため、外部表面６１２上の金属層より薄くなることがある。より均一な厚さを有する金属層のために、薄い金属層（例えば約２０ｎｍ以上）をノズル層上にスパッタすることができ、第２の金属層（例えば９８０ｎｍ以上）をスパッタされた金属層上に電気めっきすることができる。図６Ｄは、ノズル層の外部表面６１２に付加された金属層６０８を有するノズル出口６０６を示す。

いくつかの実施態様では、図６Ｃ及び図６Ｄの金属層が露出し、これは、後続の層が金属層の上部に付加されないことを意味する。金属層は、外部表面上で、またノズルの内側で、共に完全に露出させることができる。自然酸化物層が金属の表面上で成長する可能性があるが、この層の厚さはオングストローム程度であるので、本発明においては、その表面上に自然酸化物層を有する金属も、露出した金属とみなすものとする。チタンなどいくつかの金属では、自然酸化物層は、金属層を腐食性流体に対して耐性のあるものにする化学的不活性をもたらす。

いくつかの実施態様では、ノズルの内側の金属層だけが完全に露出する一方、外部表面上の金属層には、非濡れ性コーティングが付加される。非濡れ性コーティングは、外部表面上の流体を、ノズル出口付近で液溜まりを形成することなく玉にする、疎水性表面をもたらす。非濡れ性コーティングは、ノズルの内側にはない。というのは、ノズルの内側の非濡れ性コーティングは、メニスカスの位置、及びノズル出口の周囲の領域を適正に濡らす流体の能力に影響を及ぼし得るからである。非濡れ性コーティングは、米国特許出願公開第２００７／００３０３０６号（名称「Ｎｏｎ−Ｗｅｔｔｉｎｇ Ｃｏａｔｉｎｇ ｏｎ ａ Ｆｌｕｉｄ Ｅｊｅｃｔｏｒ」、Ｏｋａｍｕｒａらによって２００６年６月３０日に出願され、２００７年２月８日に公開された）、米国特許出願公開第２００８／０１５０９９８号（名称「Ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆ Ｎｏｎ−Ｗｅｔｔｉｎｇ Ｃｏａｔｉｎｇ ｏｎ ａ Ｆｌｕｉｄ Ｅｊｅｃｔｏｒ」、Ｏｋａｍｕｒａによって２００７年１２月１８日に出願され、２００８年６月２６日に公開された）、及び米国特許出願公開第２００８／０１３６８６６号（名称「Ｎｏｎ−Ｗｅｔｔｉｎｇ Ｃｏａｔｉｎｇ ｏｎ ａ Ｆｌｕｉｄ Ｅｊｅｃｔｏｒ」、Ｏｋａｍｕｒａらによって２００７年１１月３０日に出願され、２００８年６月１２日に公開された）に記載されており、これらの内容全体を参照により組み込む。図６Ｃは表面全体を覆う金属層６０８を示すが、金属層は、ノズル層の一部分、例えばノズル出口の周囲及びノズルの出口付近の少なくとも部分的に内側の領域だけを覆うように付着させることができる。金属層は、特定の流体（例えば、高いｐＨを有するアルカリ性流体又は低いｐＨを有する酸性流体）に対して耐薬品性となるように選択することができる。耐薬品性金属の例は、チタン、金、白金、ロジウム、及びタンタルを含むことができる。一実施態様では、アルカリ性流体に対して耐薬品性であるチタン又はタンタル金属層をプリントヘッドのシリコンノズル層に付着させることにより、ノズル出口を、アルカリ性流体の液滴を吐出するときにエッチングされることから保護することができる。

金属層の厚さは、約０．１μｍ以上、例えば約０．２μｍ〜５μｍ（例えば２μｍ〜２．５μｍ）とすることができる。耐久性のために、金属層の厚さは、約１μｍ以上、例えば約１μｍ〜１０μｍとすることができる。金属層は、導電性とすることができる。ノズル層をより耐久性のあるものにすることと共に、金属層がノズル出口の縁部を湾曲するように整形するように、例えば真空成膜（例えばスパッタリング）によって、又は真空成膜及び電気めっきの組合せによって、金属層を付着させることができる。電気めっきされた金属は、スパッタされた金属より共形、均一な層をもたらすことができ、ノズル出口縁部の曲率半径を増大することができる。例えば、出口縁部上の金属層は、１μｍ以上、例えば２μｍ〜５μｍの曲率半径を有することができる。

保護層（例えば金属層）を付着させるとき、追加の材料を追加して、プリントヘッド間でノズルをより均一にするためにノズルの幅を変更することができる。例えば、所望のノズル出口幅が１０μｍであり、第１のプリントヘッドの第１のノズル層が１１μｍの平均出口幅を有し、第２のプリントヘッドの第２のノズル層が１２μｍの平均出口幅を有する場合には、第１及び第２のノズル層が共に１０μｍの平均出口幅を有するように、追加の１μｍの材料（例えば金属）を第１のノズル層のノズルの周囲に、２μｍを第２のノズル層に付着させることができる。個々のノズルの幅は、ＪＭＡＲ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ又はＴａｍａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙから入手可能な光学測定器具を使用して測定することができる。

無機の非金属性材料（例えば、酸化物、窒化ケイ素、又は窒化アルミニウム）の第１の層、及び金属の第２の層など、他の組合せも可能である。シリコン製のノズル層の場合、例えば、金属ノズル層、特により厚いノズル層（例えば３μｍ〜１００μｍ）では可能でないことがあるフォトリソグラフィやドライ又はウェットエッチングによって、精密なノズル形状をシリコン内にエッチングすることができる。薄い金属層をシリコン上に付加することにより、ノズルプレートを、細かい形状を有するだけでなく、耐久性のある化学的不活性なものにすることができる。

非金属性の層及び金属層は、例えばＰＶＤ、ＰＥＣＶＤのようなＣＶＤで付着させることができ、又は熱酸化物の場合には熱成長によって付加することができ、除去される酸化物層と同じ厚さを有することができ、或いはより厚くてもより薄くてもよく、例えば厚さは、約０．１μｍ以上、例えば約０．５μｍ〜２０μｍ、更に例えば約１μｍ〜１０μｍとすることができる。層を鋭い縁部に付加するとき、層は、約０．５μｍ以上、例えば１μｍ以上、更に例えば約１μｍ〜５μｍの曲率半径をもたらすことができる。隅部を有するノズルの場合には、追加の層が隅部内の湾曲をわずかに低減することがある。したがって、層は、ノズル出口の隅部が再度方形となることを回避するために、十分薄いものとすべきである。

図７Ａは、半導体ノズル層（例えばシリコン）内に形成されたノズル７０２の側面断面図を示すノズル層７００のＳＥＭ画像である。ノズル７０２の出口７０４は、図の上辺付近に位置し、入口７０６は図の底辺の方に近い。ノズル７０２は、テーパ壁７０８と縁部７１０とを有し、縁部７１０は、熱酸化物層７１２の成長によってわずかに侵食され、その結果、縁部７１０がわずかに湾曲している。上述のように、酸化物層７１２をノズル層７０２の表面上で成長させることにより、縁部及び隅部が湾曲するように形作られる。

図７Ｂは、酸化物層７１２を除去し、そのシリコン表面上に酸化物層７１５を再成長させた後のノズル７０２の、右側だけの斜視断面図を示すＳＥＭ画像である。縁部７１３は、図７Ａにおけるシリコン縁部７１０の湾曲より大きい曲率半径を有する。

図７Ｃは、第１の表面７１４上の入口７０６から始まり、第２の表面７１６上の出口７０４で終わるテーパ壁７０８を有する、ノズル層７００内に形成されたノズル７０２の断面斜視上面概略図である。テーパ壁７０８は、四角錐台形状を呈し、この形状は、ＫＯＨエッチングによって形成することができる。ノズル入口７０６及び出口７０４は、湾曲した隅部７２０によって接続された直線の辺７１８を有し、入口７０６は、テーパ壁７０８によって出口７０４に接続される。無機の非金属性の層及び／又は金属層など、保護層７２２が、湾曲した形状を有するノズル層７００に付加される。いくつかの実施態様では、テーパ壁は、四角錐状ではなく円錐状又は多角錘状とすることができる。他の例として、ノズルは、テーパ壁と平行壁との組合せを有することができ、例えば、その内容全体を参照により組み込む米国特許第７，３４７，５３２号に記載されているノズルなど、ノズル入口で始まるノズルの第１の部分が、ノズル出口で終わる平行壁を有するノズルの第２の部分に接続するテーパ壁を有することができる。

図７Ａ及び図７Ｂに戻ると、一実施態様では、酸化物層７１２（図７Ａに示されている）を約５μｍの厚さに熱成長させた後に除去することができ、それにより、シリコン縁部７１０は、約０．４μｍの曲率半径を有するように形作られる。約２μｍの厚さを有する酸化物層７１５（図７Ｂに示されている）をシリコン表面上に再成長させて、酸化物縁部７１３での曲率半径を約２．５μｍとする。前述のように、酸化物層を再成長させると、縁部７１３の曲率半径が増大するが、隅部の曲率半径が減少することがある。例えば、図７Ｄは、（図７Ａから）厚さ５μｍの酸化物層７１２を成長させて除去した後で、隅部７２４がシリコン表面７２４で約５μｍの曲率半径７２６を有するノズル出口７０２を示す。いくつかの実施態様では、隅部７２４の曲率半径は、除去された酸化物層７１２の厚さにほぼ等しくすることができる。図７Ｅは、厚さ２μｍの酸化物層７１５を再成長させた後のノズル出口７０２を示し、隅部７３０での曲率半径７２８は、約３μｍに減少する。曲率半径の減少を制限するために、再成長酸化物は、除去された酸化物層より薄くすることができる。

ノズル層は、図５Ａ〜図５Ｅに示されているように個別に処理することも、処理するために別の部分に固定することもできる。例えば、ノズル層が個別に処理するのに十分厚いものでない場合には、ノズル層を、例えば陽極接合、シリコン−シリコンの直接ウエハ接合、又は接着剤（例えばＢＣＢ）の使用によって別の部分に接着する（例えば、膜及びアクチュエータのない流路体に接着する、又は下行部層に接着する）ことができる。図８は、下行部層８０２（例えばシリコン）に固定されたノズル層８０１（例えばシリコン）を含む組合せ部分８００の側面断面図を示すＳＥＭ画像である。ノズル層８０１は、下行部層８０２内に形成された複数の下行部８０６と位置合わせされた複数のノズル８０４を含む。上述のプロセスと同様に、酸化物層を組合せ部分８００に付加した後除去することができ、第２の層（例えば、酸化物又は金属のような保護層）を組合せ部分８００に付加することができ、最後に、それを流体流路体（不図示）に固定することができる。

いくつかの実施態様では、ノズル層は、個別に部分的に処理してから、ノズル層を別の部分に接着した後で完全に処理することができる。例えば、熱酸化物層をノズル層上に成長させてノズル層から除去することができ、次いで、ノズル層を流体流路体に接着することができ、その後で、保護層をノズル層に付着させることができる。他の実施態様では、ノズル層は酸化されず、熱酸化物を除く保護層を、流路体に既に接着されているノズル層の表面に付着させることができる。

本明細書及び特許請求の範囲における「内部」及び「外部」並びに「上部」及び「底面、底部」などの用語の使用は、基板、ノズル層、及び本明細書で述べられている他の要素の様々な構成要素間の相対配置を示す。「内部」及び「外部」並びに「上部」及び「底面、底部」などの用語の使用は、基板又はノズル層の特定の向きを示唆しない。本明細書では特定の実施形態について述べたが、他の特徴、目的、及び利点は、その説明及び図面から明らかになるであろう。そのような変形形態全てが、以下の特許請求の範囲によって規定される本発明の所期の範囲内に含まれる。

Claims (27)

1. 第１の表面と、前記第１の表面の反対側の第２の表面と、半導体本体を貫通して形成され前記第１の表面と前記第２の表面とを接続するノズルとを有する半導体本体であって、前記ノズルが、前記第２の表面上のノズル出口を介して流体を吐出するように構成される、半導体本体と、
   前記第２の表面上の前記ノズル出口の周囲及び前記ノズルの少なくとも部分的に内側にある金属層であって、前記ノズルの内側の金属層は完全に露出している、金属層と、
   を備えるノズル層。
2. 前記金属層が、チタン、金、白金、ロジウム、タンタル、ニッケル、ニッケルクロムからなる群から選択された金属を含む、請求項１に記載のノズル層。
3. 前記金属層が、アルカリ性流体に対して耐薬品性である、請求項１又は２に記載のノズル層。
4. 前記第２の表面上の前記金属層上に非濡れ性コーティングを更に備える、請求項１乃至３のいずれかに記載のノズル層。
5. 前記金属層の厚さが約０．１μｍ乃至約１０μｍである、請求項１乃至４のいずれかに記載のノズル層。
6. 前記金属層の厚さが約１μｍ以上である、請求項５に記載のノズル層。
7. 前記金属層が、前記第２の表面上の前記ノズル出口の周囲及び前記ノズルの内側で完全に露出している、請求項１乃至３のいずれかに記載のノズル層。
8. 前記ノズルが、前記第１の表面を前記第２の表面に接続するテーパ壁を有する、請求項１乃至７のいずれかに記載のノズル層。
9. 前記ノズルが、前記第１の表面を前記第２の表面に接続する平行壁を有する、請求項１乃至７のいずれかに記載のノズル層。
10. 前記金属層が、湾曲した縁部を有するように前記ノズル出口を整形する、請求項１乃至９のいずれかに記載のノズル層。
11. 前記湾曲した縁部が、約１μｍ以上の曲率半径を有する、請求項１０に記載のノズル層。
12. 前記ノズル出口が方形である、請求項１乃至１１のいずれかに記載のノズル層。
13. 前記半導体本体がシリコンを含む、請求項１乃至１２のいずれかに記載のノズル層。
14. 半導体のノズル層のノズル出口の周囲及びノズルの少なくとも部分的に内側に、金属層を付着させるステップと、
    前記ノズルの内側の前記金属層を完全に露出させたまま保つステップと、
    を含む方法。
15. 前記金属層を付着させるステップが、金属をスパッタするステップを含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記金属層を付着させるステップが、前記スパッタされた金属上に金属を電気めっきするステップを更に含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記ノズル層を流体流路体に固定するステップを更に含む、請求項１４乃至１６のいずれかに記載の方法。
18. 前記ノズル出口の周囲の前記金属層を完全に露出させたまま保つステップを更に含む、請求項１４乃至１７のいずれかに記載の方法。
19. 前記ノズル出口が前記ノズル層の外部表面上に位置し、前記ノズル出口の周囲の前記金属層が前記外部表面上にあり、非濡れ性コーティングを、前記ノズル層の前記外部表面上の前記金属層上に付着させ前記ノズルの内側には付着させないステップを更に含む、請求項１４乃至１７のいずれかに記載の方法。
20. 前記金属層の厚さが約１μｍ以上である、請求項１４乃至１９のいずれかに記載の方法。
21. 湾曲した縁部を有するように、前記金属層を使用して前記ノズル出口を整形するステップを更に含む、請求項１４乃至２０のいずれかに記載の方法。
22. 前記湾曲した縁部が、約１μｍ以上の曲率半径を有する、請求項２１に記載の方法。
23. ノズル層を製造するための方法であって、
    ノズル層内の複数のノズルのノズル出口幅を測定するステップと、
    前記複数のノズルの平均ノズル出口幅を計算するステップと、
    前記平均ノズル出口幅と所望のノズル出口幅との比較に基づいて、前記ノズル層に付着させるべきカバー層の厚さを計算するステップと、
    各ノズルの出口の周囲及び各ノズルの少なくとも部分的に内側に、前記厚さを有する前記カバー層を付着させるステップと、
    を含む方法。
24. 前記ノズル出口幅を測定するステップが、光学測定器具を使用するステップを含む、請求項２３に記載の方法。
25. 前記カバー層が金属を含む、請求項２３又２４に記載の方法。
26. 前記カバー層を付着させるステップが、前記金属をスパッタするステップを含む、請求項２５に記載の方法。
27. 第１の表面と前記第１の表面上に第１の複数の開口を有し第１の半導体本体を貫通する第１の複数の流体流路とを有する第１の半導体本体であって、前記第１の複数の開口が第１の平均側方向開口寸法を有する、第１の半導体本体と、第１の平均側方向ノズル寸法を有するノズルを実現するための、前記第１の表面上及び前記第１の複数の開口の少なくとも部分的に内側にある第１のカバー層と、を含む第１のプリントヘッドと、
    第２の表面と前記第２の表面上に第２の複数の開口を有し第２の半導体本体を貫通する第２の複数の流体流路とを有する第２の半導体本体であって、前記第２の複数の開口が前記第１の平均側方向開口寸法と異なる第２の側方向開口寸法を有する、第２の半導体本体と、前記第１の平均側方向ノズル寸法にほぼ等しい第２の平均側方向ノズル寸法を有するノズルを実現するための、前記第２の表面上及び前記第２の複数の開口の少なくとも部分的に内側にある第２のカバー層と、を含む第２のプリントヘッドと、
    を備えるキット。