JP2010508136A

JP2010508136A - 高速ジェット噴射用装置のノズル

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Publication number: JP2010508136A
Application number: JP2009534016A
Authority: JP
Inventors: ニサト，ジョバンニ; ローゼボーン，フレッディ; ルビンフ，ヤン‐エリク，イェー．，エム．; デッケルス，ウァウテル
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2006-10-25
Filing date: 2007-10-23
Publication date: 2010-03-18
Also published as: CN101528466A; US20100331769A1; WO2008050287A1; EP2076394A1

Abstract

たとえば半導体の大量製造を可能にする一のパターニングされたシリコン基板を有するジェット噴射用装置のノズルが記載されている。当該ノズルの製造方法は、前記シリコン基板上に堆積された一のマスク層を用いることを特徴とする。前記シリコン基板のエッチングは、前記マスク層を介した第1等方性エッチング及び第2異方性エッチングの手段によって行われる。その結果、ノズルが完全に位置合わせされる。

Description

本発明は、流体噴射のための高速噴射装置用ノズルの製造方法、及び高速噴射装置用ノズルに関する。

特許文献1は単結晶シリコン内にノズルを製造する方法について開示している。その方法は、シリコン基板を介した、該シリコン基板と一体化した高濃度p型不純物ドーピングエッチング耐性バリア層の異方性エッチングを利用する。続いてそのp型層は先にエッチングされて穴を形成している底部を介してエッチングされる。この方法によって製造されるノズルは、半導体材料で作られたノズル本体及び前記半導体材料の膜を有する。前記ノズル本体は、第1断面積を有する長方形の入口アパーチャを有し、かつ前記第1断面積よりも小さな第2断面積を有する先細り形状である。前記の半導体材料の膜は、前記第2断面積内部で形成され、かつ出口アパーチャが形成されている。該出口アパーチャは前記第2断面積よりも小さな面積を有し、かつ前記第2断面積とは異なる断面形状を有する。この方法の課題は、第1エッチング工程と第2エッチング工程との良好な位置合わせを供することである。位置合わせのミスは、たとえばインクジェットプリントのように10m/s未満の流体噴射速度である低速ジェット噴射用途にノズルが用いられている限り重要ではない。流体噴射速度が60m/sを超える高速ジェット噴射用途においては、位置合わせのミスは乱流を生じさせる恐れがある。その乱流は高速ジェット噴射装置の噴射効率を低下させる。前記乱流は、入力エネルギーと利用可能な最大流体噴射速度との関係によって表される。

米国特許第3921916号明細書

米国化学会誌、第128巻、pp.9712、2006年

本発明の目的は流体のジェット噴射用ノズルの製造方法を供することである。

上記目的は、
第1面と第2面を有する基板を供する工程；
前記の基板の第1面にマスク層を供し、かつ前記の基板の第2面に保護層(3)を供する工程；
前記マスク層内に少なくとも1つの開口部を供する工程；
前記のマスク層内の開口部を介して前記基板の一部を等方的に除去することによって噴射空洞を形成する工程；
前記マスク層(2)内の開口部(10)を介して前記基板(1)の一部を異方的に除去することによって少なくとも1つの噴射管(30)を形成する工程；
前記基板(1)の第2面で前記噴射管を開放する工程；及び
前記マスク層(2)を除去する工程；
を有する方法によって実現される。

前記基板の一部の等方的な除去とは、噴射チャンバの最大幅が、マスク層の開口部の幅に対して独立していることを意味する。なお幅は基板の第1面に対して平行な方向で測定されている。例としては以下のようなものがある。

-基板とマスク層との間の界面での効果が無視できる場合で、かつその基板が等方的な構造を有する場合に半球空洞を形成する、前記マスク層の開口部を介した等方性エッチング。

-前記マスク層と前記基板との間の界面でのエッチング速度が前記基板内でのエッチング速度よりも速くなるような、前記マスク層の開口部を介した前記基板のエッチング。

-前記マスク層内の開口部及び該開口部の周辺領域の加熱による前記基板材料（たとえばポリマー）の蒸発。

前記基板の一部の異方的な除去とは、噴射チャンバの最大幅が、マスク層の開口部の幅によって決定されていることを意味する。なお幅は基板の第1面に対して平行な方向で測定されている。例としては以下のようなものがある。

-前記基板内の管が前記マスク層内の開口部の幅によって決定される直径を有するような、前記マスク層内の開口部を介した異方性エッチング。

-シャドーマスクの一種としての前記マスク層内の開口部を用いた前記基板のレーザードリル。

工程の順序は完全に決められているわけではない。噴射管は第1工程においてたとえば基板の異方性エッチングによって形成されて良い。噴射チャンバは後続の工程において第2エッチャントを用いて形成されて良い。その第2エッチャントを用いたエッチングは、基板内での等方性エッチング速度よりも、マスク層と基板との間の界面でのエッチング速度の方が速いことを特徴とする。代替手法では、噴射チャンバは、第1工程においてマスク層内の開口部を介した等方性基板エッチングによって形成され、かつ噴射管は後続の異方性エッチング工程によって形成される。

さらに、噴射管を形成して基板の第2面に前記噴射管を開放するには3つの異なる方法が存在する。

-噴射管が第1工程において、保護層にまで異方的にエッチングされる。前記保護層は後続の工程において除去される。

-噴射管が第1工程において、異方的にエッチングされるが保護層にまでは到達しない。前記保護層は後続の工程において除去される。それに続いて前記基板は、前記噴射管が開くまで、前記基板の第2面をたとえば研磨又はエッチングすることによって薄くされる。

-保護層が除去され、それに続いて基板は、該基板の第2面をたとえば研磨又はエッチングすることによって薄くされる。最終的に前記基板は、噴射管が前記基板の第2面に到達し、かつ前記噴射管が開くまで、マスク層を介して異方的に除去される。

全ての方法は、噴射チャンバと（複数の）噴射管との完全な位置合わせを実現する。その理由は、マスク層内の（複数の）開口部は、（複数の）噴射管の形成だけではなく噴射チャンバの形成にも用いられるからである。さらに噴射チャンバ及び噴射管を供するのにマスク層内の円形開口部が1つしか用いられない場合には、本発明による方法は、噴射チャンバ内に角部が存在しないように用いられても良い。それに加えて従来技術とは異なり、噴射チャンバと噴射管との間で階段状の遷移は存在しない。いずれの手法も乱流を減少させることで、噴射効率を改善する。当該方法は、ノズルアレイの製造を容易にするという利点を有する。

基板の第1面から基板の一部を除去する後続の工程が当該方法に追加されて良い。基板の一部は該基板の第1面のエッチング又は研磨によって除去される。この後続の工程は、基板を薄くするのに用いられて良い。それに加えて基板は、噴射チャンバの最大幅が実現される程度にまで除去されて良い。この方法を実行する結果、マスク層（除去される前）と残された基板材料は90°未満の角度をなす（その残された基板は、マスク層と接する地点で、噴射チャンバの境界に対する接線となる）。それにより噴射される流体が加速され、かつ噴射される流体の流体力学特性が改善される。これは高速ジェット噴射にとっては好ましい。

本発明による方法の別な実施例では、噴射チャンバ及び噴射管の表面は、その表面の最表面を除去することによって平滑化される。これには2つの異なる手法が存在する。

i)基板表面は、噴射チャンバ及び噴射管が供された後に（たとえば酸化雰囲気中でその基板を加熱することによって）酸化される。基板材料及び該基板材料の酸化物（たとえば酸化して表面がSiO₂となったSi基板）は（たとえばHFによってSiO₂が）選択的に除去されうるという前提条件に基づいて、酸化膜が除去され、その結果表面が平滑化される。その理由は、表面の粗さを定義する構造の表面と体積との関係から、これらの構造の酸化速度が速くなるからである。従って酸化された基板表面を除去する結果、表面の粗さは減少する。追加のマスク工程は、平滑化工程を噴射チャンバ及び噴射管に限定するのに用いられて良い。

ii)基板表面は等方性エッチングによって直接的に除去されて良い。選択性の高いエッチャント-たとえばシリコン基板の場合であればXeF₂-を用いることで、表面の粗さは減少する。その理由は、表面の粗さを定義する構造の表面と体積との関係から、これらの構造のエッチング速度が速くなるからである。追加のマスク工程は、平滑化工程を噴射チャンバ及び噴射管に限定するのに用いられて良い。

噴射チャンバと噴射管の平滑化された表面は、噴射される流体との摩擦を減少させる。それに加えて、たとえば噴射チャンバと噴射管との間でのエッチング遷移でのエッジが平滑化されて良い。それにより噴射される流体の乱流は減少、さらには防止される。その結果噴射効率が向上する。噴射チャンバ及び噴射管の表面を平滑化する他の手法は平滑化層を供することである。たとえばシリコン基板を例にとると、平滑化層は、たとえばリン酸シリケートガラス(PSG)又はボロン-燐シリケートガラス(BPSG)の低圧化学気相成長(LPCVD)法、及び後続のリフロー工程（PSG：950℃〜1100℃、BPSG：約800℃）によって供されて良い。平滑化層を供する他の方法はたとえば、ディップコーティング、スプレイコーティングなどである。

本発明による方法の別な実施例では、平滑化層は、流体がノズルを介して噴射されるように備えられている。平滑化層は、気泡の生成を引き起こす恐れのある表面欠陥を減少させる。その気泡の生成は、特に大きな圧力が流体に加えられることで、キャビテーションやジェット速度の低下を引き起こすようなときに生じる。平滑化層の材料と噴射される流体との接触角は90°未満である。噴射される流体は、噴射チャンバ及び噴射管の表面を濡らす。

このことは、ノズルがジェット噴射デバイスに取り付けられ、かつジェットの噴射後に噴射される流体によって噴射チャンバが自己充填されることが求められる場合に、有利となる。噴射チャンバ及び噴射管は、特に平滑化層と噴射される流体との間の接触角がゼロに近い（十分濡れている）場合に、噴射される流体によって十分に充填される。水ベースの噴射される流体を例にとると、親水性平滑化層-たとえばPSG-が上述したように供されて良い。あるいはその代わりにパリレンのようなポリマーが、通常は室温で行われるLPCVDによって堆積されても良い。他の親水性コーティング（たとえばオクタデシル-トリクロロシラン、トリメトキシ（3,3,3トリフルオロプロピル）シラン）が、油ベースの噴射される流体のジェット噴射を可能にするのに用いられても良い。

殺菌特性を有する無機コーティング（たとえばAgCl、AgBr）又は殺菌塩の（ナノ）粒子を含むポリマーコーティングが、バクテリアの成長及び汚染の危険性を減少させるために用いられて良い（非特許文献1を参照のこと）。

本発明による方法の他の実施例では、終端層が基板の第2面に供される。前記終端層と噴射される流体との接触角は90°よりも大きい。水ベースの噴射される流体を例にとると、シラン化合物（たとえばオクタデシル-トリクロロシラン）からなる疎水層、又はフッ化化合物-たとえばトリメトキシ（3,3,3トリフルオロプロピル）シラン-からなる疎水層が供されて良い。疎水性コーティングは、特に低速供給領域において、基板の第2面での液滴の生成を促進し、かつノズル板の外側層での流体膜の形成を防止する。これによりジェットの生成が阻害される。

本発明による他の方法の別な実施例では、他の窪み構造が基板の第1面に供される。その窪み構造はマスク層内の窪み開口部によって供される。噴射チャンバ及び噴射管が供されるとすぐに、窪み開口部は、基板内に窪み構造を供することを可能にする。その窪み構造はたとえば、噴射チャンバ及び噴射管の周りで同心円となる溝であって良い。小さなサイズの噴射チャンバ及び噴射管については、該噴射チャンバ及び噴射管の検出及び特定に係る労力が、窪み構造によって軽減されうる。さらに窪み構造は、流体の流れを最適化するため、ジェット噴射デバイスの筐体に対してノズルを位置合わせするのに用いられて良い。基板の一部がその基板の第1面から除去される場合、窪み構造の深さはそれに従って調節されなければならない。それに加えて又はその代わりに、位置合わせ構造物が基板の第1面に供されても良い。高速ジェット噴射デバイスの相補的構造に適合するある種のカギを生成するため、この位置合わせ構造物はたとえば、基板の第1面上に堆積され、かつ構造が形成されて良い。その構造物はたとえば、銅製の構造を有するメッキベースであっても良い。電気化学的プロセス（たとえば無電解メッキ）によって銅を堆積するとき、構造を有するベースが供される。そのベースは、ジェット噴射デバイスの筐体に取り付けられた基本的に同一の構造物へノズルをはんだ付けするのに用いられて良い。はんだ付け中でのノズルの自己位置合わせによって、ジェット噴射デバイスの組み立ては単純化される。

本発明の他の目的は、流体のジェット噴射用ノズルを改善することである。

この目的は、
第1面と第2面を有する基板；
該基板内の空洞で、かつ前記基板の第1面で開放されている噴射チャンバ；
該基板内の空洞で、かつ前記基板の第2面で開放されている少なくとも1つの噴射管；
を有する流体ジェット噴射用ノズルであって、
前記基板に対して平行な前記噴射チャンバの断面積は深さの関数であって一定ではなく、
前記基板に対して平行な前記噴射管の断面積は深さの関数であって一定であり、かつ
前記噴射チャンバと前記少なくとも1つの噴射管は互いに接続することで、前記基板を介した流路を形成する、
流体ジェット噴射用ノズルによって実現される。

高速ジェット噴射にとっては、前記基板の第1面に対して平行である前記噴射チャンバの最大断面積が、前記基板の第1面によって画定される面内に設けられていることは有利である。さらに前記基板の第1面に対して平行である前記噴射チャンバの断面積が、前記基板の第1面によって画定される面を始点として先細りする場合も、高速ジェット噴射にとって有利である。それに加えて、前記噴射管が前記基板の第1面に対して平行である一定の断面積を有する場合も、高速ジェット噴射にとって有利である。前記噴射管の先細りが制限されるのは、当業者にとって周知なノズル製造中でのプロセスのばらつきの結果である。

前記ノズルは、低速ジェット噴射プリンタ-たとえばインクジェットプリンタ-又は経皮ドラッグデリバリーのいずれかに用いられて良い。経皮ドラッグデリバリーでは、薬は皮膚を介して注入され、かつ（ヒトの）皮膚を構成する複数の層を通り抜けるため、60m/sを超える高い流体速度が必要とされる。

他の応用分野は、歯に付着するバイオフィルム又はガムを除去するのに高速（水）ジェットを利用する口腔ヘルスケア素子である。

本発明によるノズルに係る一の実施例では、前記噴射管は円筒形で、前記噴射チャンバは半球空洞で、かつ前記噴射チャンバと前記噴射管は該噴射管の円筒軸に沿って位置合わせされている。このような高い対称性を有する前記ノズルの位置設定は、乱流を引き起こす端部が、従来技術で説明したピラミッド形状のノズルのように、噴射効率を減少させることを防ぐ。特許文献1で開示されたエッチング耐性を有するバリア層内の円形開口部を備えたピラミッド形状のノズルは、流体噴射速度が10m/s未満である低速ジェット噴射用途-たとえばインクジェットプリント-には十分適している。流体噴射速度が60m/sよりも速い高速ジェット噴射デバイスでは、ピラミッド形状及び円形開口部への不連続なエッチング遷移は大きな乱流を引き起こす。その結果、前記開口部を介してサテライトジェットが噴射される。そのサテライトジェットは当該高速ジェット噴射デバイスの噴射効率を劇的に減少させる。前記噴射効率は、入力エネルギーと利用可能な最大流体噴射速度との関係によって表される。

本発明の他の実施例では、上述した前記ノズルはジェット噴射デバイスの一部で、当該ジェット噴射デバイスは、電源、及び前記ノズルを介して噴射される流体へ圧力を加える圧力アプリケータをさらに有し、かつ噴射中に前記噴射される流体が流れる方向は、前記噴射チャンバから前記噴射管である。前記ノズルは当該ジェット噴射デバイスへ組み合わせられる。該組み合せは、前記噴射される流体は前記噴射チャンバを通り抜けて前記ノズルへ入り込み、かつ前記噴射管を介して当該ジェット噴射デバイスを飛び出すように行われる。前記基板の第2面は当該ジェット噴射デバイスの外側表面の一部である。前記噴射チャンバが連続的で滑らかな先細り構造をとり、かつ前記噴射管へ滑らかに遷移することで、意図しない損失を引き起こす乱流が抑制される。前記圧力アプリケータは、筐体内で一体化された静電作動するピストン若しくはメンブレン、筐体内で一体化された熱作動するピストン若しくはメンブレン、又は筐体内で一体化された圧電作動するピストン若しくはメンブレンであって良い。当該ジェット噴射デバイスへの追加が可能な他の構成部品は、前記噴射チャンバの容積を増大させる流体チャンバ、流体貯蔵容器、前記流体チャンバと前記噴射チャンバを前記流体貯蔵容器と接続する供給パイプ、及び前記噴射を制御する手段-たとえば集積回路やセンサ-である。

当該ジェット噴射デバイスは、低速ジェット噴射プリンタ-たとえばインクジェットプリンタ-又は経皮ドラッグデリバリーのいずれかに用いられて良い。経皮ドラッグデリバリーでは、薬は皮膚を介して注入され、かつ（ヒトの）皮膚を構成する複数の層を通り抜けるため、60m/sを超える高い流体速度が必要とされる。他の応用分野は、歯に付着するバイオフィルム又はガムを除去するのに高速（水）ジェットを利用する口腔ヘルスケア素子である。

ノズルの製造方法に係る様々な連続する段階を表す断面図である。ノズルの製造方法に係る様々な連続する段階を表す断面図である。ノズルの製造方法に係る様々な連続する段階を表す断面図である。ノズルの製造方法に係る様々な連続する段階を表す断面図である。ノズルの製造方法に係る様々な連続する段階を表す断面図である。ノズルの製造方法に係る様々な連続する段階を表す断面図である。ノズルの製造方法に係る様々な連続する段階を表す断面図である。ノズルの製造方法に係る様々な連続する段階を表す断面図である。ノズルの製造方法に係る様々な連続する段階を表す断面図である。位置合わせ構造物を備えたノズルに係る一の実施例の断面図を表す。さらにノズル表面を平滑化する工程を表す断面図である。さらにノズル表面を平滑化する工程を表す断面図である。様々なマスク層の設計図の上面図である。様々なマスク層の設計図の上面図である。様々なマスク層の設計図の上面図である。本発明による方法によって製造されたノズルの断面SEM像を表している。本発明によるノズルを備えた高速ジェット噴射装置の断面図を表している。本発明によるノズルを備えた他の高速ジェット噴射装置の断面図を表している。

ここで図を参照しながら詳細に本発明を説明する。図中、同一参照番号は同様の部品を指すものとする。

図1は第1面と第2面を有するシリコン基板1の断面の主要図を示している。シリコン酸化物のマスク層2がシリコン基板1の第1面上のハードマスクとして堆積されている。シリコン基板の第2面は保護層3を構成するフォトレジストによってコーティングされている。図2には、マスク層2のリソグラフィパターニングが図示されている。典型的には10μm-200μmの直径を有する円形開口部10、及び該開口部10の周りで同心円状に配置される典型的には1μm-3μmの幅を有する環状の狭い窪み開口部11が、シリコン酸化物マスク層2内でエッチングされる。図3では、開口部10及び窪み開口部11を介したシリコン基板の等方性エッチング後におけるパターニングされたマスク層2及び保護層3を有するシリコン基板1が図示されている。その等方性エッチングは、エッチング反応チャンバ内にはSF6エッチングガスしか存在しない状態で、かつウエハチャックにバイアス電圧を印加することなく行われた。シリコン酸化物マスク層2内の円形開口部10を介したエッチングの結果、直径が約100μmから最大数百μmの基本的に半球形状の空洞が、シリコン基板1内の噴射チャンバ20となる。狭い窪み開口部11を介したエッチングの結果、噴射チャンバ20の周りで同心円状に延在し、かつ半円状の断面積を有する環状溝21となる。等方性エッチングの深さは、マスク層内の開口部10及び開口部11の幅、並びにエッチング時間によって制御される。開口部が広くなればなるほど、エッチング深さはより深くなる。ここで環状溝21の開口部（つまりは深さ）の最終的な幅は、基板1の第1面の処理後研磨をどの程度行うのかによって決定される。このように薄くした後に、環状溝21は依然として、ディスク形状のオリフィスを一つにするのを補助するために存在する/視認される必要がある。これらのエッチング工程によって、シリコン基板の第1面にさらなるチャネルが供されても良い。これらのチャネルは、たとえば高速ジェット噴射装置の噴射チャンバ20と流体貯蔵容器との間の接続を供するのに用いられて良い。図4に図示された以降の処理工程では、シリコン基板は、（異方性の）ボッシュエッチング条件へ切り換えることによって異方的にエッチングされる。これは、プラズマへSF₆/O₂とC₄F₈ガスの時間多重による交互導入によって引き起こされる。異方的にエッチングされた穴が所望の深さ-たとえば数十μm-になるまで、SF₆/O₂ガスは穴をエッチングし、C₄F₈ガスは穴の壁にテフロンのような保護層を形成する。ここでボッシュプロセスは、ウエハチャックへのバイアス電圧を利用して、主に反応性イオンエッチング領域でエッチングを起こし、マスク層2内の開口部10の直径にほぼ等しい穴の直径が得られる、ことを特徴とする。異方性エッチングは最終的に、噴射チャンバ20の底部に円柱状噴射管30、及び環状溝21の底部に、基板1の第1面に対して垂直な長方形の断面積を有する環状溝31を生成する。環状溝21と環状溝31のいずれも窪み構造を形成し、かつ基板1の第1面から基板1の一部を除去した後でさえも視認される。

管30（つまりは環状溝31）の形状は、C₄F₈保護ガス濃度の上昇若しくは保護サイクル期間の延長、又は保護サイクル中でのバイアス電圧チャックに印加される電圧の減少によって、（円柱形状ではなく）先細りプロファイルとなるようにさらに調節されて良い。ここでドライエッチングに係る調節パラメータは当業者には既知である。

図5では保護層3が除去される。図6ではシリコン基板1の一部が、噴射管が開くまで、研磨又は損傷エッチングによって基板1の第2面から除去される。図7では、シリコン酸化物マスク層2がたとえば緩衝酸化物エッチング(BOE)によって除去される。その結果、噴射チャンバ20、噴射管30、及び窪み構造を有する構造が形成される。図8は平滑化層40を供する追加工程を図示している。図7に図示されているように、ボロン-燐シリケートガラス(BPSG)が、LPCVDによって、ノズル50の表面上に堆積される。約800℃で行われる後続のリフロー工程は、噴射チャンバ20及び噴射管30の表面をさらに平滑化する。それに加えてBPSG平滑化層40は、噴射される水ベースの流体によって濡れる（つまり親水性である）。図9では、オクタデシル-トリクロロシランの終端層45が、平滑化層40上部であってシリコン基板1の第2面に蒸着された。終端層45は、疎水性であるため、噴射される水ベースの流体によって濡れない。この追加の工程は、基板1の第2面上に流体膜が形成されるのを防止することによって、噴射される流体の噴射を改善する。

図10では、図7に図示されたノズル50の断面の主要図が、シリコン基板1の第1面上に追加の位置合わせ構造物80が備えられた状態で図示されている。位置合わせ構造物80は、シリコン酸化物マスク層2がシリコン基板1の第1面上に堆積される前に、シリコン基板1の第1面内にエッチングされた噴射チャンバ20及び噴射管30を取り囲む同心円である。

噴射チャンバ20及び噴射管30の表面を平滑化する追加又は代替方法が図11及び図12に図示されている。図11では、図7に図示されたノズル50の表面が熱的に酸化される。酸化工程前にたとえばパターニングされたSi₃N₄層が供される場合、シリコン酸化物層60は、シリコン基板1の全表面、又は噴射チャンバ20及び噴射管30の表面を覆って良い。酸化速度は、とりわけ表面と体積との関係に依存する。孤立構造-たとえば細長くて先端が尖った形状-及び鋭い端部は、平坦なシリコン表面よりも速く酸化される。従って図12に図示されたようにBOEエッチングによって熱シリコン酸化層がエッチングされる結果、端部は丸みを帯び、かつ表面は平滑化される。最初に表面を酸化することの利点は、このプロセスが十分に制御されるものであり、かつシリコン酸化物層60が他のシリコンに影響を及ぼすことなく選択エッチングプロセスによって除去可能であることである。

図13から図15では、シリコン基板1上に堆積される構造を有したマスク層2に係る3種類の異なる設計の上面主要図が表されている。図13では、同心円状の円形窪み開口部11によって取り囲まれている7種類の円形開口部10がマスク層内に供されている。円形開口部10のうちの1つは窪み開口部11の中心に位置し、かつ残りの6つの開口部10によって対称的に取り囲まれている。開口部10を介して基板を等方的に除去する結果、1つの共通噴射チャンバ20が生成される。続いて開口部10を介して基板1を異方的に除去する結果、前記噴射チャンバの底部に7つの隣接した噴射管30が生成される。図14では、図13の円形開口部10は、環状窪み開口部11の仮想的中心の周りで対称となるように配置された3つの楕円開口部10に置き換えられている。この場合も同様に、基板1の等方的除去に続いて基板1の異方的除去が行われる結果、1つの噴射チャンバ20及び3つの噴射管が生成される。図15では、1つの開口部10が環状窪み開口部11の中心に供され、線AA’は図1-12の断面が生成される位置を示している。

図16に図示されている、本発明に係る方法によって製造されたノズル50のSEM像は、シリコン基板1、ドライエッチング後に残った開口部10を有するマスク層2、噴射チャンバ20、及び噴射管30を表している。開口部10は環状であり、かつ約22.3μmの直径を有する。噴射チャンバ20は約110μmの最大直径を有する。基板材料とマスク層2は90°未満の角度αをなす。その残された基板は、マスク層2と接する地点で、噴射チャンバ20の境界に対する接線となる。噴射管30は、高さが約90μmの円筒形であって、プロセスのばらつきに起因して、噴射チャンバ20底部で直径約34μmの第1開口部を有し、かつ噴射管30終端では直径約264.μmを有する、わずかに先の細い構造である。さらなる処理工程では、基板1の第2面の一部は、噴射管30の第2開口部を供するため、エッチング又は研磨によって除去される。さらにマスク層2が除去され、噴射チャンバ20の最大直径が110μmになるまで、任意で基板1の第1面の一部がエッチング又は研磨によって除去される。

図17では、経皮ドラッグデリバリーデバイスに実装された本発明によるノズル50の概略図が示されている。経皮ドラッグデリバリーデバイスは、半球状噴射チャンバ20、円形噴射管30、円形窪み構造、及び環状位置合わせ構造物80を備えたノズル50、ケーシング110、支持構造体113によって前記ケーシング110と一の面で機械的に結合してメンブレン116と他の面で機械的に結合する圧電トランスデューサ111を有する。圧電トランスデューサ111-たとえば多層セラミックスからなる小さなバルクの圧電トランスデューサ-は、駆動ユニット（図示されていない）と接続する圧電トランスデューサ111とを接続する電力線112を介して駆動される。マイクロ制御装置は経皮ドラッグデリバリーデバイスを制御する。経皮ドラッグデリバリーデバイスの制御とは特に、圧電トランスデューサ111の供給である。メンブレン116は流体チャンバ117の壁を形成する。流体チャンバ117は噴射チャンバの一面で開かれている。流体チャンバ117は流体供給ライン114と接続する。流体供給ライン114は、流体チャンバ117からある程度離れた地点でメンブレン116を通り抜け、メンブレン116と、流体チャンバ117を取り囲む中間層119との間の少なくとも一部にまで延びる。ノズル50の基板1の第1面に設けられた位置合わせ構造物80は、中間層119内に設けられ、かつ該中間層119内の相補的案内物と接合する。流体は、流体貯蔵容器（図示されていない）と接続する流体供給ライン114を介して当該デバイスへ供給される。

圧電トランスデューサ111の駆動中、その圧電トランスデューサ111は柔軟性メンブレン116を押すように拡張する。これにより流体チャンバ117内の流体が圧縮され。その結果、流体は噴射チャンバによって集められて、噴射管30を流れ出る。圧電トランスデューサ111の駆動が止まるとすぐに、圧電トランスデューサ111とメンブレン116はいずれも休息状態に戻り、流体は、毛管力によって、流体供給ライン114を介して流体チャンバ117及び噴射チャンバ20へ入り込む。

高速流体噴射を実現するため、当該デバイスは機械的に剛性である。圧電トランスデューサ111の駆動中での当該デバイスの機械的変形があまりに大きすぎる場合、流体チャンバ117及び噴射チャンバの圧力は、高速流体ジェット噴射を実現するには低すぎるだろう。さらに長さと流体供給ライン114との相関は、噴射される流体へ十分高い圧力を加えるため、十分高くなければならない。

ノズル50に依存するドラッグデリバリーデバイスの構築に用いることのできる材料は、ステンレス鋼、アルミニウム、セラミックス、ガラス、及び真ちゅうである。当該デバイスはまた殺菌（消毒）処理に耐えられる必要もある。構成部品は、2成分エポキシ接着剤を用いて1つにされて良い。

圧電トランスデューサ111は、矩形（又は他の適当な形状の）電圧パルスを用いて駆動される。その際その電圧パルスは圧電トランスデューサ111に印加される。通常動作においては、ブロックパルスの高さは0[V]から100[V]まで変化して良い。電圧の増加によって、流体の噴射速度が増大する。パルス長は10μsから1000μsの間で変化する。パルス長が増大することで、噴射される流体の容積が影響を受け、ある程度ではあるが速度も影響を受ける。ブロックパルスの繰り返し速度（周波数）を変化させることによって、1秒間に噴射される流体の量を変化させることができる。一般的な周波数は1〜1000Hzである。同様に、低速での噴射には矩形電圧パルスが必要となる一方で、高速領域での高速ジェット噴射には、階段状の電圧変化による急激な容積変化が必要とされる。流体チャンバ117及び噴射チャンバ30は自己充填であり、流体の表面張力によって駆動する。それにより、流体貯蔵容器（図示されていない）に大きな圧力を与える必要がなくなる。流体チャンバ117及び噴射チャンバ30の自己充填は、流体チャンバ117及び噴射チャンバ30の表面コーティング-そのコーティングには噴射される流体が濡れる-によってさらに改善することができる。

図18は、高速ジェット噴射デバイスに実装された本発明によるノズル50の第2実施例の概略図を表している。当該高速ジェット噴射デバイスは、ノズル50、アクチュエータ構造物、及び支持構造物を有する。ノズル50は、シリコン基板1、噴射チャンバ20、及び噴射管30を有する。噴射チャンバ20及び噴射管30は、図12の記載に従った平滑化された表面を有する。前記アクチュエータ構造物は、構造を有するシリコンベース基板300、該シリコンベース基板300に取り付けられた第1電極層303、該第1電極層303上部に堆積された圧電層302-たとえばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)-、及び前記圧電層302上部に堆積された構造を有する第2電極層301を有する。支持構造物はシリコン背面基板200及び複数の固定構造202を有する。複数の固定構造202は、シリコン背面基板200上に堆積されるか、又はシリコン背面基板200内でエッチングされる。アクチュエータ構造物は周知の半導体薄膜プロセスによって作製されて良い。高速ジェット噴射デバイスは、構造を有する電極層301によって形成される電極へ固定構造202を接合することによって組み立てられる。固定構造202は、構造を有する電極層301によって形成される電極を機械的に安定にする。それに加えて固定構造202が伝導性材料を有する場合には、その固定構造202は、電極への電気的接続を供するのにも用いられて良い。ベース基板300の一部が除去されることで、第1電極層303、圧電層302、及び構造を有する第2電極層301を有する独立のメンブレンが固定構造202の間に形成され、圧電性メンブレントランスデューサのアレイ400が構築される。ノズル50はベース基板300の残った部分と接合する。その際、ベース基板300の残りの部分は噴射チャンバ20に対向し、ベース基板300の残りの部分及びメンブレントランスデューサ400のメンブレンは流体チャンバ317の境界をなす。噴射チャンバ20及び流体チャンバ317は、噴射される流体で満たされる1つの共通空洞を形成する。本発明によるノズル50を備えた高速噴射デバイスは、ウエハベースの半導体プロセスで製造されて良い。多数の高速噴射デバイスは、ノズル50を備えたウエハ、アクチュエータ構造物を備えたウエハ、及び支持構造物を備えたウエハを含む3ウエハプロセスによる並列処理が可能である。さらに複数の高速噴射デバイスのアレイは容易に製造可能である。高速噴射デバイスが皮膚の炎症を防ぐための経皮ドラッグデリバリーに用いられる場合には、後者は有利となるだろう。

たとえ本発明が、特定の実施例に関連して説明されているとしても、本発明を本明細書で説明した特定形態に限定することは意図していない。むしろ、本発明の技術的範囲は「特許請求の範囲」に記載された請求項によってのみ限定される。

さらに、明細書及び特許請求の範囲に記載されている第1、第2、第3等の語は、同様の構成要素を区別するために用いられており、必ずしも生起順序又は時系列順序を表すものではない。よって用いられているそれらの語は適切な状況下では同義であり、本明細書で説明されている本発明は、説明すなわち例示されている順序以外の順序での動作が可能であることに留意すべきである。

しかも、明細書及び特許請求の範囲に記載されている上部、下部、上、下等の語は、説明目的で使用されており、必ずしも相対的位置を表すものではない。よって用いられているそれらの語は適切な状況下では同義であり、本明細書で説明されている本発明は、説明すなわち例示されている順序以外の順序での動作が可能であることに留意すべきである。

Claims

流体ジェット噴射用ノズルの製造方法であって：
第1面と第2面を有する基板を供する工程；
前記の基板の第1面にマスク層を供し、かつ前記の基板の第2面に保護層を供する工程；
前記マスク層内に少なくとも1つの開口部を供する工程；
前記のマスク層内の開口部を介して前記基板の一部を等方的に除去することによって噴射空洞を形成する工程；
前記マスク層内の開口部を介して前記基板の一部を異方的に除去することによって少なくとも1つの噴射管を形成する工程；
前記基板の第2面で前記噴射管を開放する工程；及び
前記マスク層を除去する工程；
を有する方法。
前記マスク層の除去後に前記基板の第1面から該基板の一部を除去する追加工程を有する、請求項1に記載の方法。
前記噴射チャンバ及び噴射管の表面の最表面を除去することによって、該噴射チャンバの表面及び該噴射管の表面を平滑化する追加工程をさらに有する、請求項1又は2に記載の方法。
少なくとも前記噴射チャンバ及び噴射管の表面に平滑化層を供する追加工程を有する、請求項1,2又は3に記載の方法。
前記平滑化層は、噴射される流体との接触角が90°未満となる材料で構成される、請求項4に記載の方法。
前記基板の第2面に終端層を供する追加工程を有する方法であって、
前記終端層は、前記噴射される流体との接触角が90°未満となる材料で構成される、
上記請求項のいずれかに記載の方法。
少なくとも1つのさらなる窪み構造が前記基板の第1面内に供される、上記請求項のいずれかに記載の方法。
前記基板の第1面に位置合わせ構造物を供する追加工程を有する、上記請求項のいずれかに記載の方法。
第1面と第2面を有する基板；
該基板内の空洞で、かつ前記基板の第1面で開放されている噴射チャンバ；
該基板内の空洞で、かつ前記基板の第2面で開放されている少なくとも1つの噴射管；
を有する流体ジェット噴射用ノズルであって、
前記基板に対して平行な前記噴射チャンバの断面積は深さの関数であって一定ではなく、
前記基板に対して平行な前記噴射管の断面積は深さの関数であって一定であり、かつ
前記噴射チャンバと前記少なくとも1つの噴射管は互いに接続することで、前記基板を介した流路を形成する、
流体ジェット噴射用ノズル。
前記噴射管は円筒形で、
前記噴射チャンバは半球空洞で、かつ
前記噴射チャンバと前記噴射管は該噴射管の円筒軸に沿って位置合わせされている、
請求項9に記載のノズル。
請求項9又は10に記載のノズルを有するジェット噴射デバイス。
当該ジェット噴射デバイスは、電源、及び前記ノズルを介して噴射される流体へ圧力を加える圧力アプリケータをさらに有し、かつ
前記基板の第2面は当該ジェット噴射デバイスの外側表面の一部である、
請求項11に記載のノズル。
請求項11又は12に記載のジェット噴射デバイスの経皮ドラッグデリバリーへの使用。