JP4171037B2 - Inkjet printing nozzle device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インクジェット式の印刷システムの分野に関する。 The present invention relates to the field of ink jet printing systems.
(従来技術)
過去において印刷方式は、種々発明され、この内の非常に多くの方式が現在使用されている。公知の印刷形態には、印刷媒体に、関連する表示媒体を使用して表示する種々の方法がある。共通して使用される印刷形態は、オフセット印刷、レーザ印刷、コピー機、ドットマトリックスインパクトプリンタ、感熱紙プリンタ、フィルムレコーダ、熱転写プリンタ、及び、要求に応じて滴下するタイプと、連続流出タイプがある、昇華型プリンタとインクジェットプリンタがある。各種のプリンタには、費用、速度、品質、信頼性、構成及び操作の簡便性を考慮すると、それぞれ利点及び問題点がある。
(Conventional technology)
Various printing methods have been invented in the past, and many of these methods are currently used. Known printing forms include various methods for displaying on a print medium using an associated display medium. Commonly used printing forms include offset printing, laser printing, copiers, dot matrix impact printers, thermal paper printers, film recorders, thermal transfer printers, and dripping types on demand and continuous outflow types. There are sublimation printers and inkjet printers. Each type of printer has its advantages and problems when considering cost, speed, quality, reliability, configuration, and ease of operation.
近年、各インクの画素を、1個以上のインクノズルから引き出す、インクジェット印刷分野は、主に、安価なことと、用途が広いため、益々普及している。 In recent years, the ink-jet printing field, in which each ink pixel is drawn from one or more ink nozzles, is becoming increasingly popular due to its low cost and wide application.
各種のインクジェット印刷に関する技術が発明されてきた。この分野の概略を知るために参照する文献は、ハードコピー機の出力(編集者:R Dubeck及びS Sherr)(1988年)の中の、207−220ページ、J Mooreの論文「ノンインパクトプリンタ:概論並びに歴史的展望」である。 Various ink jet printing techniques have been invented. References to get an overview of this area are the output of the hard copy machine (editors: R Dubeck and S Sherr) (1988), pages 207-220, J Moore, “Non-impact printer: "Introduction and historical perspective".
インクジェットプリンタ自体、種々のタイプがある。インクジェット印刷において、インクの連続的な流出を活用したのは、少なくとも、1929年にまで遡ると思われる。これは、Hansellによる米国特許第1941001号であり、ここには、静電気インクジェット印刷でインクを連続的に流す簡単な形態が開示されている。 There are various types of inkjet printers themselves. The use of continuous ink spills in inkjet printing appears to date back to at least 1929. This is U.S. Pat. No. 194001 by Hansell, which discloses a simple form of flowing ink continuously in electrostatic inkjet printing.
Sweetによる米国特許第3596275号もまた、インクの流れを、高周波静電界によって調整することにより、インクの滴下を分離させるステップを含む、連続インクジェット印刷の工程を開示している。この技術は、ElmjetやScitexを含む、幾つかの製造業者によって今も利用されている(Sweet他の米国特許第3373437も参照のこと)。 US Pat. No. 3,596,275 to Sweet also discloses a process for continuous ink jet printing that includes the step of separating ink drops by adjusting the flow of ink with a high frequency electrostatic field. This technique is still used by several manufacturers, including Elmjet and Scitex (see also US Pat. No. 3,373,437 to Sweet et al.).
圧電性のインクジェットプリンタもまた、一般的に利用されるインクジェット装置の一形態である。圧電システムとしては、ダイアフラム方式を利用している、Kyser他による米国特許第3946398(1970年)、圧電クリスタルのスクイーズ方式を利用している、Zoltenによる米国特許第3683212(1970年)、圧電のベンド方式を開示した、Stemmeによる米国特許第3747120(1972年)、インクの流れに圧電プッシュ方式を開示したHowkinsによる米国特許第4459601、及び圧電振動子のシーヤー方式を開示したFischbeckによる米国特許第4584590が挙げられる。 Piezoelectric ink jet printers are another form of commonly used ink jet devices. As a piezoelectric system, US Pat. No. 3,946,398 (1970) by Kyser et al. Using a diaphragm system, US Pat. No. 3,683,212 (1970) by Zolten using a piezoelectric crystal squeeze system, a piezoelectric bend U.S. Pat. No. 3,747,120 (1972) by Stemme, U.S. Pat. No. 4,459,601 by Hawkins, which disclosed a piezoelectric push method for ink flow, and U.S. Pat. Can be mentioned.
最近では、熱インクジェット印刷が、極めて一般的なインクジェット印刷形態となっている。インクジェット印刷技術は、Endo他による英国特許第2007162(1979年)や、Vaught他による米国特許第4490728等がある。上記2つのインクジェット印刷技術を開示した文献では、電熱アクチュエータを活用しており、ノズル等の、圧迫された空間に、気泡を作り出し、これにより、インクを、閉鎖された空間に連結した開口部を介して、関連する印刷媒体に射出させている。電熱アクチュエータを利用した印刷装置は、キヤノンやヒューレットパッカード等の製造業者により製造されている。 Recently, thermal ink jet printing has become a very common form of ink jet printing. Ink-jet printing techniques include British Patent No. 200700712 (1979) by Endo et al., US Pat. No. 4,490,728 by Vaught et al. In the documents disclosing the above two ink jet printing technologies, an electrothermal actuator is used, and bubbles are created in a compressed space such as a nozzle, thereby opening an opening connecting the ink to the closed space. Through the associated print medium. Printing devices that use electrothermal actuators are manufactured by manufacturers such as Canon and Hewlett-Packard.
前記説明からもわかるように、種々のタイプの印刷技術を利用することが出来る。欲を言えば、印刷技術は、多くの望ましい特性を兼ね備えるべきである。これら望ましい特性とは、安価な構成、高速性、安全運転並びに長期の連続運転等が含まれている。それぞれの技術には、費用、速度、品質、信頼性、電力の使用方法、構成及び操作の簡便性、耐久性、消費可能性の点で、独自の利点、欠点を有している。 As can be seen from the above description, various types of printing techniques can be used. In lust, printing technology should have many desirable characteristics. These desirable characteristics include an inexpensive configuration, high speed, safe operation, and long-term continuous operation. Each technology has its own advantages and disadvantages in terms of cost, speed, quality, reliability, power usage, ease of construction and operation, durability, and consumption.
各種のインクジェット印刷機構が公知となっている。残念ながら、大量生産技術では、インクジェットヘッドの製造は極めて難しい。例えば、開口部や、ノズルプレートは、インク供給部及びインク射出機構から離して形成し、後に該機構に接着させる(Hewlett−Packard Journal 第36巻、第5、33−37ページ(1985年))。この種の精密機械で要求される、材料の分離処理では、製造にあたっては、実質的に費用が嵩んでしまう。 Various ink jet printing mechanisms are known. Unfortunately, inkjet heads are extremely difficult to manufacture with mass production technology. For example, the opening and the nozzle plate are formed separately from the ink supply unit and the ink ejection mechanism, and then adhered to the mechanism (Hewlett-Packard Journal Vol. 36, No. 5, pages 33-37 (1985)). . The material separation process required for this type of precision machine is substantially expensive to manufacture.
加えて、側方発射型インクジェット技術(米国特許第4,899,181)もしばしば使われるが、これも、如何に特別な設備投資によっても、大量生産できる処理量は制限されてしまう。 In addition, side-fired inkjet technology (US Pat. No. 4,899,181) is often used, but this also limits the amount of processing that can be mass produced, no matter how special the capital investment.
更に、より難解な技術もしばしば利用されている。これらの技術には、ニッケル段階の電鋳法(ヒューレットパッカードジャーナル、第36巻、第5、33−37ページ(1985年))、放電加工、レーザアブレーション(米国特許第5,208,604)、マイクロパンチングが含まれている。 In addition, more esoteric techniques are often used. These techniques include nickel phase electroforming (Hewlett Packard Journal, Vol. 36, 5, 33-37 (1985)), electrical discharge machining, laser ablation (US Pat. No. 5,208,604), Micro punching is included.
上記技術を利用すると、インクジェットプリントヘッドを大量生産する際に実質的に費用が嵩み、これにより、最終的な費用も実質的に増えてしまう。 The use of the above technique substantially increases the cost of mass-producing inkjet printheads, thereby substantially increasing the final cost.
それ故、インクジェットプリントヘッドを大量生産可能な効果的なシステムの開発が望まれる。 Therefore, development of an effective system capable of mass-producing inkjet print heads is desired.
発明の要約
本発明は、駆動される一連のインク排出ノズルを有するインクジェット印字機構を提供することを目的とするものである。該ノズルは、ノズル周りに電場を配置することによりノズルベースでノズル上で駆動される、内部選択アクチュエータ機構を有する。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is directed to providing an ink jet printing mechanism having a series of driven ink discharge nozzles. The nozzle has an internal selection actuator mechanism that is driven on the nozzle on a nozzle base by placing an electric field around the nozzle.
本発明の観点に基づくと、インクジェット印字ノズル装置は、一端にインク排出穴を有するノズルチャンバ、ノズルチャンバにインクを供給するインクチャンバと該ノズルチャンバとの間に位置決めされ、軟磁性体材料から形成されたプランジャ、該プランジャに近接して設けられ、ノズル駆動信号に電気的に接続された電気コイルを有する。駆動時には、該プランジャは、インク導入位置からインク排出位置へ移動され、排出穴を介してインクチャンバからインクを排出することが出来る。 In accordance with an aspect of the present invention, an inkjet print nozzle device is formed from a soft magnetic material, which is positioned between a nozzle chamber having an ink discharge hole at one end, an ink chamber for supplying ink to the nozzle chamber, and the nozzle chamber. And an electric coil provided proximate to the plunger and electrically connected to the nozzle drive signal. During driving, the plunger is moved from the ink introduction position to the ink discharge position, and ink can be discharged from the ink chamber through the discharge hole.
更に、インク排出ノズルは軟磁性体材料から構築されたアーマチュアプレートを有しており、プランジャは、コイルの駆動時に該アーマチュアプレートに引きつけられる。電気コイルが配置されるプランジャにより規定された空洞は、プランジャが動くことによりその寸法を減少させ、更にプランジャは、該空洞とインクチャンバを流体接続する一連の流体流動スロットを有し、該スロットは、形成された空洞内の圧力下で流体を逃すことができる。好ましくは、インクジェット印字ノズルは、インク排出穴からインクを排出させた後、インク排出位置からインク充填位置までプランジャを戻す際の助けとなる弾性手段を有している。該弾性手段は、該プランジャと実質的に同じ周囲形状を有するように正確に構築されているねじりバネであると、有利である。 Further, the ink discharge nozzle has an armature plate constructed from a soft magnetic material, and the plunger is attracted to the armature plate when the coil is driven. The cavity defined by the plunger in which the electrical coil is located reduces its size as the plunger moves, and the plunger further comprises a series of fluid flow slots that fluidly connect the cavity and the ink chamber, , Fluid can escape under pressure in the formed cavity. Preferably, the ink jet printing nozzle has elastic means that assists in returning the plunger from the ink discharge position to the ink filling position after discharging the ink from the ink discharge hole. Advantageously, the resilient means is a torsion spring that is precisely constructed to have substantially the same peripheral shape as the plunger.
本発明の別の観点は、本発明の先述の観点に基づいて構築されたインクジェット印字ノズル装置を提供することである。該装置のプランジャは、一つの表面に沿って、一連のスロットが形成されている。この表面は、プランジャと電気コイルの間の空洞を規定する内部の放射状の表面を形成している。更に、更にプランジャの、形成された空洞の上部壁を規定する上面には、流体流動スロットが形成されていない。電気コイルにより生じたプランジャの下方への移動により空洞寸法が減少すると、インクはスロットよりノズルチャンバ内に流入し、インク排出穴からのインクの排出を助けるように作用する。好ましくは、スロットは、実質的に均一な断面形状を有することが望ましい。 Another aspect of the present invention is to provide an ink jet print nozzle device constructed in accordance with the foregoing aspects of the present invention. The plunger of the device is formed with a series of slots along one surface. This surface forms an internal radial surface that defines a cavity between the plunger and the electrical coil. Furthermore, no fluid flow slot is formed on the upper surface of the plunger defining the upper wall of the formed cavity. When the cavity size is reduced due to the downward movement of the plunger caused by the electric coil, the ink flows from the slot into the nozzle chamber and acts to help discharge the ink from the ink discharge hole. Preferably, the slot has a substantially uniform cross-sectional shape.
本発明の別の観点は、チャンバの一つの壁にインク排出穴を有するノズルチャンバ、インク供給源、静電電極を有するインクジェットノズルを提供することである。インク供給源は、ノズルチャンバに接続されており、静電電極は、ノズルチャンバの底部表面内に形成された第1の平面電極及び該平面電極の上部に配置された、可動式の第2の平面電極を有する。該第2の平面電極は、電極間に電位差を形成すると、第1の平面電極に近接した前射出位置に動くことが出来、これにより、第2の電極の波形周辺部を変形させ、電位差を減少させた際に、波形部はその休止位置に戻り、ノズルチャンバからインクが排出される。 Another aspect of the present invention is to provide a nozzle chamber having an ink discharge hole on one wall of the chamber, an ink supply, and an inkjet nozzle having an electrostatic electrode. The ink source is connected to the nozzle chamber, and the electrostatic electrode is a first movable electrode formed in the bottom surface of the nozzle chamber and a movable second electrode disposed on the upper surface of the planar electrode. It has a planar electrode. When a potential difference is formed between the electrodes, the second planar electrode can move to a pre-emission position close to the first planar electrode, thereby deforming the waveform peripheral portion of the second electrode and reducing the potential difference. When decreased, the corrugated portion returns to its rest position and ink is ejected from the nozzle chamber.
本発明の別の観点は、チャンバの一つの壁にインク排出穴を有するノズルチャンバ、ノズルチャンバに接続されがインク供給源、インク排出穴を介してノズルチャンバからインクを排出する静電アクチュエータを有するインクジェットノズルを提供することである。該静電アクチュエータは、ノズルチャンバの底部表面内に形成された第1の平面電極及び該平面電極の上部に配置された、可動式の第2の平面電極を有する。インクノズル装置は、単一のモノリシックなウエハ上に材料を配置し、エッチングされることにより形成される。更に、第1及び第2の平面電極の間に、ノズルチャンバの側部で外部雰囲気と接続され、アクチュエータが動くことにより空気が出入りするエアギャップが有る。好ましくは、電極と対向し、向き合っている電極の表面は、吸着の可能性を低めるために低い摩擦係数を有する材料でコーティングされていることが望ましい。この材料は、実質的にポリテトラフルオロエチレンから構成されることが望ましい。第2の平面電極は、第2の平面電極の硬さを保持するために、実質的に窒化物から構成される堅い材料の層を含んでいることが望ましい。この第1及び第2の平面電極構造間のエアギャップは、犠牲材料を用いて、第2の平面電極を残す形で該犠牲材料をエッチング除去することにより形成される。 Another aspect of the present invention includes a nozzle chamber having an ink discharge hole on one wall of the chamber, an ink supply connected to the nozzle chamber, and an electrostatic actuator for discharging ink from the nozzle chamber through the ink discharge hole. An inkjet nozzle is provided. The electrostatic actuator has a first planar electrode formed in the bottom surface of the nozzle chamber and a movable second planar electrode disposed on top of the planar electrode. The ink nozzle device is formed by placing material on a single monolithic wafer and etching it. Furthermore, there is an air gap between the first and second planar electrodes, which is connected to the external atmosphere at the side of the nozzle chamber and through which air enters and exits as the actuator moves. Preferably, the surface of the electrode facing and facing the electrode is coated with a material having a low coefficient of friction to reduce the possibility of adsorption. This material is preferably composed substantially of polytetrafluoroethylene. The second planar electrode preferably includes a layer of rigid material substantially composed of nitride in order to maintain the hardness of the second planar electrode. The air gap between the first and second planar electrode structures is formed by using a sacrificial material and etching away the sacrificial material leaving the second planar electrode.
更に、インクチャンバの外壁表面は複数のエッチング穴が設けられ、構築中に犠牲層をより早くエッチング除去出来るようにしている。 In addition, the outer wall surface of the ink chamber is provided with a plurality of etching holes so that the sacrificial layer can be etched away faster during construction.
本発明の別の観点は、チャンバの一つの壁に排出穴を有するノズルチャンバ、ノズルチャンバと相互連結したインク供給源、静電アクチュエータ、電位差を生じさせるステップの構成方法を提供することである。静電アクチュエータは排出穴を介してノズルチャンバからインクを排出するため、弾力のある圧縮性材料と平行して挟み込まれた一連の伝導性板を有する。電位差は、近接した板をもう一方へ引き寄せるために生じさせられ、圧縮性材料に弾力性をもたらし、さらに電位差を減少させると圧縮性材料は静止位置に戻る。その結果、排出穴からインクの排出が起こる。圧縮性材料に弾力性を与えた結果、インク排出穴の周囲の表面張力によってインクがノズルチャンバの中へ引き込まれる。 Another aspect of the present invention is to provide a nozzle chamber having a discharge hole in one wall of the chamber, an ink supply interconnected with the nozzle chamber, an electrostatic actuator, and a method of constructing a potential difference. The electrostatic actuator has a series of conductive plates sandwiched in parallel with a resilient compressible material to eject ink from the nozzle chamber through the ejection holes. A potential difference is created to draw the adjacent plate to the other, providing elasticity to the compressible material, and further reducing the potential difference returns the compressible material to a rest position. As a result, ink is discharged from the discharge hole. As a result of the elasticity of the compressible material, ink is drawn into the nozzle chamber by surface tension around the ink discharge holes.
本発明の別の観点は、チャンバの一つの壁に排出穴を有するノズルチャンバ、ノズルチャンバと相互連結したインク供給源、静電アクチュエータ、インクを排出するステップからなるインクノズルを提供することである。該静電アクチュエータは排出穴を介してノズルチャンバからインクを排出するため、弾力のある圧縮性材料により、平行に挟み込まれた一連の伝導性板を有する。前記方法は、導電性板の間に電位差を生じさせて、近接した板同士を互いに引き寄せ、これにより圧縮性材料を弾性変形させ、更に、電位差を減少させて、圧縮性材料を静止位置に戻すステップを有する。その結果、排出穴からインクの排出が起こる。圧縮性材料が弾力変形した結果、インク排出穴の周囲の表面張力によってインクがノズルチャンバの中へ引き込まれる。 Another aspect of the present invention is to provide an ink nozzle comprising a nozzle chamber having a discharge hole in one wall of the chamber, an ink supply interconnected with the nozzle chamber, an electrostatic actuator, and a step of discharging ink. . The electrostatic actuator has a series of conductive plates sandwiched in parallel by a resilient compressible material to eject ink from the nozzle chamber through a discharge hole. The method includes the steps of creating a potential difference between the conductive plates, pulling adjacent plates together, thereby elastically deforming the compressible material, and further reducing the potential difference to return the compressible material to a rest position. Have. As a result, ink is discharged from the discharge hole. As a result of the elastic deformation of the compressible material, ink is drawn into the nozzle chamber by surface tension around the ink discharge holes.
本発明の第二の観点は、チャンバの一つの壁に排出穴を有するノズルチャンバ、ノズルチャンバと相互連結したインク供給源、静電アクチュエータを有するインクジェットノズル及び、導電性板の間に電位差を与えて、後述の圧縮性材料を弾力的変形させ、非駆動化により静電アクチュエータがインク排出穴を介したインクの排出を引き起こすような、制御方法を提供することである。なお、静電アクチュエータは、インク排出穴を介してノズルチャンバからインクの排出をするため、弾力のある圧縮性材料が挟み込まれた、一連の平行に設けられた導電性板を有する。圧縮性材料は、ピエゾ電気、電気ひずみを有する材料、または強誘電性相と反強誘電性相の間で切り替わることの出来る材料のような高い誘電性を有する材料を包含することが望ましい。静電アクチュエータは、一度に一枚の平面層を配置して、最初のサンドイッチ状の予備形成品を形成し、次いで該予備形成品を選択的にエッチングして、伝導性平行板を電気的に相互接続させる半導体製造技術を利用して構築されることが望ましい。更に一連の伝導性平行板のグループは、異なった材料から構成され、それにより板の選択的エッチングが可能となり、作動中においてそれらを異なった極性の2つのグループに分割することができる。各グループからの板は伝導性板へ蓄電するための共通導電性部分に接続している。これらの板は化学蒸着技術を用いて構成されることが望ましい。インクジェットノズルのノズルチャンバ外表面は、構築中により迅速な犠牲層のエッチングを可能とするための多数のエッチング孔を有する。 The second aspect of the present invention provides a potential difference between a nozzle chamber having a discharge hole on one wall of the chamber, an ink supply source interconnected with the nozzle chamber, an inkjet nozzle having an electrostatic actuator, and a conductive plate, It is an object of the present invention to provide a control method in which an after-mentioned compressive material is elastically deformed and the electrostatic actuator causes ink discharge through the ink discharge hole by non-driving. The electrostatic actuator has a series of conductive plates provided in parallel with an elastic compressible material sandwiched in order to discharge ink from the nozzle chamber through the ink discharge hole. Compressible materials desirably include materials with high dielectric properties, such as piezoelectric, electrostrictive materials, or materials that can switch between a ferroelectric phase and an antiferroelectric phase. An electrostatic actuator places one planar layer at a time to form an initial sandwich-shaped preform, and then selectively etches the preform to electrically connect the conductive parallel plates. It is desirable to build using interconnected semiconductor manufacturing technology. In addition, a series of conductive parallel plate groups are composed of different materials, thereby allowing selective etching of the plates, which can be divided into two groups of different polarity during operation. The plates from each group are connected to a common conductive portion for storing electricity on the conductive plates. These plates are preferably constructed using chemical vapor deposition techniques. The nozzle chamber outer surface of the inkjet nozzle has a number of etching holes to allow for faster sacrificial layer etching during construction.
本発明の別の観点は、インク供給チャンバが連結されたインクジェット印字ノズル装置の提供である。この機構は、ノズルチャンバ内のインクと連通する一つの表面を有するインク排出手段、インク排出手段と連結する反跳手段及び、インク排出手段と連結する第1アクチュエータ手段を含む。 Another aspect of the present invention is to provide an ink jet print nozzle apparatus having an ink supply chamber connected thereto. The mechanism includes an ink discharge means having a surface in communication with the ink in the nozzle chamber, a recoil means connected to the ink discharge means, and a first actuator means connected to the ink discharge means.
インクチャンバからのインク排出方法は第一アクチュエータ手段の活性化ステップと非活性化ステップを有する。第一アクチュエータ手段の活性化ステップは、休止位置から発射準備位置へインク排出手段を駆動し、非活性化ステップは、反跳手段を駆動して、インク穴を介してノズルチャンバからインク排出をするためのインク排出手段を駆動する。さらに、反跳手段は、弾性部材を有しており、第一アクチュエータが動くことにより、弾性手段の弾性的な運動を引き起こす。また、インク排出手段の駆動はインク排出手段上で動作する弾性部材を含む。第一アクチュエータは電磁石アクチュエータであることが好ましく、反跳手段はねじりバネであることが好ましい。インク排出手段と第一アクチュエータは片持ち梁配置で相互連結され、そこでの第一アクチュエータ手段の小さな運動はインク排出手段の大きな運動を引き起こす。反跳手段は片持ち梁構造の支点となる部分に実質的に配置されることが望ましい。 The method for discharging ink from the ink chamber includes an activation step and a deactivation step for the first actuator means. The activation step of the first actuator means drives the ink discharge means from the rest position to the firing preparation position, and the deactivation step drives the recoil means to discharge ink from the nozzle chamber through the ink holes. Driving the ink discharging means. Furthermore, the recoil means has an elastic member, and causes the elastic means to move elastically when the first actuator moves. The driving of the ink discharging means includes an elastic member that operates on the ink discharging means. The first actuator is preferably an electromagnet actuator, and the recoil means is preferably a torsion spring. The ink discharge means and the first actuator are interconnected in a cantilever arrangement, where a small movement of the first actuator means causes a large movement of the ink discharge means. It is desirable that the recoil means is substantially disposed at a portion serving as a fulcrum of the cantilever structure.
第一アクチュエータは第一固定磁石極と第二可動磁石極に囲まれたソレノイドコイルを有する。その結果、コイルを駆動すると、極は片持ち梁構造のアクチュエータ側と連結された可動磁石極により、互いに相対的な運動を生じる。可動磁石極は運動中に極を通してインクが流れるように多数の溝を有していることが好ましい。インク排出手段は、ピストン又は、プランジャ、又は、ノズルチャンバの一つの表面と実質的に係合する表面を有する。 The first actuator has a solenoid coil surrounded by a first fixed magnet pole and a second movable magnet pole. As a result, when the coil is driven, the poles move relative to each other by the movable magnet pole connected to the actuator side of the cantilever structure. The movable magnet pole preferably has a number of grooves so that ink flows through the pole during movement. The ink ejection means has a surface that substantially engages one surface of the piston or plunger or nozzle chamber.
本発明の別の観点は、インクジェットノズル装置の提供である。インクジェットノズル装置は、インク排出のためのインク排出口を有し、該インク排出口は、インク排出口と相互連結するノズルチャンバを有し、また、電磁石コイルを有する可動壁を有する。ノズルチャンバは磁場内にあり、電磁石コイルを駆動すると、可動壁は力を受けて動かされ、その結果インク排出口を介してノズルチャンバからインクが排出される。 Another aspect of the present invention is the provision of an inkjet nozzle device. The ink jet nozzle device has an ink discharge port for discharging ink, the ink discharge port has a nozzle chamber interconnected with the ink discharge port, and has a movable wall having an electromagnetic coil. The nozzle chamber is in a magnetic field, and when the electromagnet coil is driven, the movable wall is moved under force, and as a result, ink is discharged from the nozzle chamber through the ink discharge port.
更に、可動壁は駆動時に回転し、インク供給チャンバを介してノズルチャンバと連結し、ノズルチャンバはインクの排出時にインク供給チャンバからインクを再補給される。可動壁は弾性手段によってノズルチャンバ壁と相互連結されることが好ましい。弾性手段は電磁石コイルの非駆動時に、可動壁を休止位置へ戻すように作用する。電磁石コイルは実質的に銅からなる多数の層を有することが望ましい。更に、インクジェットノズルはネオジム鉄ボロン磁石によって供給される永久磁場内に形成することも可能である。 Further, the movable wall rotates when driven and is connected to the nozzle chamber via the ink supply chamber, and the nozzle chamber is refilled with ink from the ink supply chamber when ink is discharged. The movable wall is preferably interconnected with the nozzle chamber wall by elastic means. The elastic means acts to return the movable wall to the rest position when the electromagnetic coil is not driven. The electromagnet coil preferably has a number of layers consisting essentially of copper. Furthermore, the ink jet nozzle can be formed in a permanent magnetic field supplied by a neodymium iron boron magnet.
本発明の別の観点は、インクジェット印字ノズル装置の提供である。インクジェット印字ノズル配置は、インクチャンバと連通したノズルチャンバ、磁石ピストン及び駆動コイルを有し、ノズルチャンバはノズル装置によってプリントアウトされるインクの貯蔵のために利用される。ノズルチャンバはノズルチャンバからのインクの排出のためのノズルチャンバ排出穴を有する。磁石ピストンはノズルチャンバ内のアパチャー上に配置され、駆動コイルは磁石ピストンに隣接して配置される。その結果、電流により駆動されると、第一位置から第二位置へピストンを十分に動かす力がピストンに働く。この運動は、ノズルチャンバ内のインクを、ノズルチャンバ排出穴を介してノズルチャンバから印刷媒体上に排出する。 Another aspect of the present invention is the provision of an inkjet print nozzle device. The inkjet print nozzle arrangement has a nozzle chamber in communication with the ink chamber, a magnetic piston and a drive coil, which is utilized for storage of ink printed out by the nozzle device. The nozzle chamber has a nozzle chamber discharge hole for discharging ink from the nozzle chamber. The magnet piston is disposed on an aperture in the nozzle chamber and the drive coil is disposed adjacent to the magnet piston. As a result, when driven by electric current, a force that sufficiently moves the piston from the first position to the second position acts on the piston. This movement ejects ink in the nozzle chamber from the nozzle chamber onto the print medium through the nozzle chamber discharge holes.
更に、プリントノズル装置は一連の弾性手段を包含することが出来る。弾性手段は、駆動コイルの非駆動化により磁石ピストンを最初の位置に戻すために、磁石ピストンに取り付けられている。弾性手段は少なくとも一つのトーションバネを有していることが好ましい。 Furthermore, the print nozzle device can include a series of elastic means. The elastic means is attached to the magnet piston in order to return the magnet piston to the initial position by deactivating the drive coil. The elastic means preferably has at least one torsion spring.
インクジェットノズル装置は半導体製造技術を用いて構築され、磁石ピストンとコイルまたはそのいずれか一方は、デュアルダマスカスプロセスにより構築される。ノズルチャンバ吹き出し口の穴にはノズルリムを設け、親水性表面のインクの広がりを押さるようにすることが望ましい。駆動コイルは銅の配置行程から構築され、磁石ピストンは希土類磁石材料から構築されることが好ましい。 The inkjet nozzle device is constructed using semiconductor manufacturing technology, and the magnet piston and / or the coil is constructed by a dual damascus process. It is desirable to provide a nozzle rim in the hole of the nozzle chamber outlet so as to press the spread of ink on the hydrophilic surface. Preferably, the drive coil is constructed from a copper placement process and the magnet piston is constructed from a rare earth magnet material.
更に、インクジェット印字ノズル装置内の弾性手段は、シリコン窒化物から構成され得る。 Furthermore, the elastic means in the inkjet print nozzle device can be composed of silicon nitride.
本発明の観点は、インク漕、ノズルチャンバ及びシャッタ手段を有するインクジェットノズルの提供である。インク槽は、振動圧下でインクを供給し、ノズルチャンバは、印刷媒体へのインク滴の射出用のインク排出口を有し、シャッタ手段は、インク漕とノズルチャンバを接続している。シャッタ手段はインク排出口からのインクの排出を制御するために電磁作用を用いて操作可能である。 An aspect of the present invention is the provision of an ink jet nozzle having an ink fountain, a nozzle chamber and shutter means. The ink tank supplies ink under an oscillating pressure, the nozzle chamber has an ink outlet for ejecting ink droplets onto the print medium, and the shutter means connects the ink fountain and the nozzle chamber. The shutter means can be operated using electromagnetic action to control the discharge of ink from the ink discharge port.
実施例では、電磁石を駆動して、シャッタ手段の少なくとも一端と相互連結されたアームを動かす。その結果、インクが流れるために溝が開く。更に溝の開状態を維持するために低保持電流を維持し、更に電磁石の非駆動化の後、シャッタは閉状態に戻る。電磁石は第一、第二の端を有し、それぞれの端はアームと近接して配置され、電磁力作用は両端と近接したアームの運動を含む。更に、アームは電磁石の第一、第二の端部間で回動し、電磁石は螺旋形である。 In an embodiment, the electromagnet is driven to move an arm interconnected with at least one end of the shutter means. As a result, the groove opens because the ink flows. Further, a low holding current is maintained in order to maintain the open state of the groove, and after the electromagnet is not driven, the shutter returns to the closed state. The electromagnet has first and second ends, each end being disposed proximate to the arm, and the electromagnetic force action includes movement of the arm proximate to both ends. Further, the arm rotates between the first and second end portions of the electromagnet, and the electromagnet is helical.
インクジェット印字ノズルはシャッタ手段に連結された弾性手段を有することが望ましい。弾性手段は電磁力作用によって弾力的に変形させられ、シャッタ手段の非駆動化により最初の位置に戻り、インク漕からノズルチャンバへのインクの過度の流れを制限する。 The ink jet printing nozzle preferably has elastic means connected to the shutter means. The elastic means is elastically deformed by the action of electromagnetic force and returns to its initial position by deactivating the shutter means, limiting the excessive flow of ink from the ink fountain to the nozzle chamber.
弾性手段はコイルバネを有するのが好ましい。インクジェット印字ノズルには半導体製造技術を利用して、軟磁性金属鉄心を取り囲む銅コイルが形成される。銅コイルはダマスカスプロセスを利用して形成され得る。シャッタ手段はノズルチャンバの壁に形成された孔上で動く一連の可動板を有することが望ましい。 The elastic means preferably has a coil spring. A copper coil surrounding the soft magnetic metal core is formed on the ink jet printing nozzle by utilizing semiconductor manufacturing technology. The copper coil can be formed using a Damascus process. The shutter means preferably has a series of movable plates that move over holes formed in the wall of the nozzle chamber.
本発明の別の観点は、インクジェット印字ノズルからのインク排出方法の提供である。インクジェット印字ノズルは、ノズルチャンバへのインクの流れを制御するために電磁的に駆動されるシャッタを利用して構成する。その結果、インクの排出のために加圧されたインク供給漕の最初の高圧サイクルと、ノズルチャンバのインクから排出されたインク滴を分離するための低圧サイクルと、ノズルチャンバをインクで再び満たすための、加圧されたインク供給槽の第二の高圧周期を利用して、シャッタが開状態で、インクはノズルチャンバから排出される。 Another aspect of the present invention is to provide a method for discharging ink from an inkjet printing nozzle. Inkjet printing nozzles are constructed using electromagnetically driven shutters to control the flow of ink to the nozzle chamber. As a result, an initial high pressure cycle of the pressurized ink supply trough for ink discharge, a low pressure cycle to separate the ink drops discharged from the ink in the nozzle chamber, and refilling the nozzle chamber with ink Using the second high-pressure cycle of the pressurized ink supply tank, the ink is discharged from the nozzle chamber with the shutter open.
本発明の別の観点は、ノズルチャンバからのインク排出のためのインク排出口を有するノズルチャンバ、ノズルチャンバへのインク供給のためのインク供給漕及び、ノズルチャンバとインク供給漕の間に配置された磁石アクチュエータを有するインクジェットノズルの提供である。磁石アクチュエータ、は外部から供給された磁気パルスサイクルにより駆動され、インクを排出する。 Another aspect of the present invention is arranged between a nozzle chamber having an ink discharge port for discharging ink from the nozzle chamber, an ink supply tank for supplying ink to the nozzle chamber, and the nozzle chamber and the ink supply tank. An inkjet nozzle having a magnet actuator. The magnet actuator is driven by a magnetic pulse cycle supplied from the outside, and discharges ink.
更に、インクジェットノズルはノズルアレイの一部分を構成し、各ノズルはブロック手段を有する。ブロック手段は、電流の磁石パルス周期において、ノズルチャンバからインクの排出が行われないように磁石アクチュエータの動きをブロックする。ブロック手段は可動の端部突起が設けられた熱アクチュエータを有することが好ましい。端部突起は磁石アクチュエータの運動の進路を塞ぐ位置に移動できる。磁石アクチュエータはアクチュエータの移動時に、ブロック手段と係合するように設計された端部突起を有する。磁力アクチュエータは、二つの屈曲可能なストリップ部によりノズルチャンバに近接した壁に固定されることが望ましい。これらのストリップ部は、外部から供給された磁力パルスサイクルによりアクチュエータが駆動された際に、磁石アクチュエータの曲げ動作を許容する。 Further, the ink jet nozzles constitute a part of the nozzle array, and each nozzle has blocking means. The blocking means blocks the movement of the magnet actuator so that ink is not discharged from the nozzle chamber during the magnet pulse period of the current. The blocking means preferably has a thermal actuator provided with a movable end projection. The end projection can be moved to a position that blocks the path of motion of the magnet actuator. The magnet actuator has an end projection designed to engage the blocking means during movement of the actuator. The magnetic actuator is preferably secured to the wall proximate the nozzle chamber by two bendable strips. These strip portions allow a bending operation of the magnet actuator when the actuator is driven by a magnetic pulse cycle supplied from the outside.
更に、熱アクチュエータは回路基板に固着された実質的に二つのアームを有する。第一アームは高い熱膨張率を有する材料に包まれた薄い曲がりくねった構造をしており、第二アームは、回路基板に近接した部分で熱アクチュエータの屈曲を集中させるために、回路基板と連結した端部に近い位置にテーパ状の薄い部分を有する、第1のアームよりも厚いアームを有する。ブロック手段は窪みを通したゆっくりとした流れを有する窪み内に配置する。熱アクチュエータの曲がりくねったアームは空洞の沿って並んで配置されることが好ましい。 Further, the thermal actuator has substantially two arms secured to the circuit board. The first arm has a thin and winding structure wrapped in a material with a high coefficient of thermal expansion, and the second arm is connected to the circuit board to concentrate the bending of the thermal actuator in the part close to the circuit board A thicker arm than the first arm, with a tapered thin portion at a position close to the end. The blocking means is placed in a well having a slow flow through the well. The serpentine arms of the thermal actuator are preferably arranged side by side along the cavity.
インクジェットノズルは半導体製造技術を利用したシリコンウエハの製造を介して構築される。アクチュエータは、近接部分からそれらを絶縁し、不動態化するのに要求されるシリコン窒化物によるカバーを有する。更に、ノズルチャンバはシリコン基板の高密度低圧力プラズマエッチングから形成することができる。 Inkjet nozzles are built through the manufacture of silicon wafers using semiconductor manufacturing techniques. The actuators have a silicon nitride cover that is required to insulate and passivate them from adjacent parts. Furthermore, the nozzle chamber can be formed from a high density, low pressure plasma etch of a silicon substrate.
本発明の別の観点は、ノズルチャンバ、固定電気コイル及び可動プランジャプレートを有するインクジェットノズルを提供することである。ノズルチャンバは、該チャンバの一つの壁にインク排出穴を有しており、固定電気コイルは、チャンバまたはチャンバの壁内に配置されている。可動プランジャプレートには、電気コイルが埋め込まれ、固定電気コイルに近接して配置されている。そして、配置されたコイルを通過する電流の量が変化すると、可動プランジャ板は、固定電気コイルへ向かう運動または離れる運動をする。この運動はインク排出口を介したノズルチャンバからのインクの排出に利用される。 Another aspect of the present invention is to provide an inkjet nozzle having a nozzle chamber, a stationary electrical coil and a movable plunger plate. The nozzle chamber has an ink discharge hole in one wall of the chamber, and the stationary electrical coil is disposed in the chamber or the wall of the chamber. An electric coil is embedded in the movable plunger plate, and is arranged close to the fixed electric coil. When the amount of current passing through the arranged coil changes, the movable plunger plate moves toward or away from the stationary electric coil. This movement is used to discharge ink from the nozzle chamber via the ink discharge port.
更に、インクジェットノズルは可動プランジャプレートに連結するバネ手段を有する。可動プランジャプレートは、コイルを駆動することにより休止位置からバネ負荷へ移動し、コイルの非駆動化によりバネ手段は可動コイルを休止位置へ戻す。その結果インク排出口からインクの排出が起こる。好ましくは、可動プランジャプレートの固定電気コイルは、伝導性材料で形成された多数の渦巻きコイルが積層されており、積み重ねられた伝導性材料は渦巻きの軸の中心接続される。コイルは結合された回路を形成するために電気的に相互に接続している。 In addition, the ink jet nozzle has spring means connected to the movable plunger plate. The movable plunger plate moves from the rest position to the spring load by driving the coil, and the spring means returns the movable coil to the rest position by deactivating the coil. As a result, ink is discharged from the ink discharge port. Preferably, the fixed electric coil of the movable plunger plate has a large number of spiral coils formed of a conductive material, and the stacked conductive materials are connected to the center of the spiral axis. The coils are electrically connected to form a coupled circuit.
更に、バネ手段は可動コイルに取り付けられたトーションバネを有し、導電性の細長いコイルへの接続子がトーションバネ内に配置される。コイルは実質的に銅からなり、ダマスカス構造を利用して形成されることが好ましい。ノズルは可動コイルの構造を生成するために犠牲エッチングを利用して構成される。ノズルチャンバはノズルチャンバへインクの供給をするためにノズルチャンバの壁内に一連の溝を有することが好ましく、ノズルチャンバの外表面はインクジェットプリントノズルの構築中に利用された犠牲層のエッチングのための一連の小さなエッチング穴を有することが好ましい。 Further, the spring means has a torsion spring attached to the movable coil, and a connector to the conductive elongated coil is disposed in the torsion spring. The coil is substantially made of copper and is preferably formed using a damascus structure. The nozzle is configured using sacrificial etching to create a moving coil structure. The nozzle chamber preferably has a series of grooves in the wall of the nozzle chamber to supply ink to the nozzle chamber, and the outer surface of the nozzle chamber is for etching the sacrificial layer utilized during construction of the inkjet print nozzle. It is preferable to have a series of small etching holes.
本発明の別の観点は、ノズルチャンバからのインクの排出方法の提供である。該方法は、少なくとも一つのプレートを動かすための場所に埋め込まれた二つのコイル間の電磁力を利用する。その運動はさらにノズルチャンバからのインクの排出を引き起こす。さらに、電磁力の利用は、可動プレートと固定プレートに埋め込まれたコイル間の電磁力の利用から構成される。その結果、可動プレートは固定プレートの近くへ移動し、更に動くことにより、バネに接続している可動プレートはバネ内にエネルギをため、コイルに流れる電流が切れると、バネがそのためられたエネルギを放出し、これにより、可動プレートの運動が引き起こされ、ノズルからインクの排出が起こる。 Another aspect of the present invention is to provide a method for discharging ink from a nozzle chamber. The method utilizes an electromagnetic force between two coils embedded in a location for moving at least one plate. The movement further causes ink to drain from the nozzle chamber. Furthermore, utilization of electromagnetic force is comprised from utilization of the electromagnetic force between the coils embedded in the movable plate and the fixed plate. As a result, the movable plate moves closer to the fixed plate and moves further, so that the movable plate connected to the spring stores energy in the spring, and when the current flowing in the coil is cut off, the spring stores the stored energy. Discharging, which causes the movement of the movable plate and causes ink ejection from the nozzles.
本発明の別の観点では、インクジェットノズル配置は以下のものを包含する:インクの排出のためのインク排出口を有するノズルチャンバ、ノズルチャンバへのインク供給のためのインク供給漕、ノズルチャンバ内に配置されたプランジャ、更にプランジャに連結され、該プランジャを駆動してインク排出口からインクを排出させるリニアステッパーアクチュエータ。ノズルチャンバの壁に沿って配置されたプランジャの少なくとも一つの表面は疎水性である。インクジェットノズルチャンバ内でプランジャと連結したリニアアクチュエータは、一連の電磁石によって3相に駆動されることが好ましい。一連の12個の電磁石はリニアアクチュエータに沿って、向かい合った対になるように配置されるのが好ましい。更にそれぞれの相が2重になっているので、結果として各層について4つの電磁石となる。インクジェットノズルは、プランジャの裏表面に沿って開いた壁を有し、該壁は、開いた壁を介したノズルチャンバ内へのインクの流れに対するフィルターを形成するための一連の柱を有している。リニアアクチュエータ構造は、リニアアクチュエータをガイドするためにノズルチャンバの反対側端部にガイドを有する。 In another aspect of the invention, the inkjet nozzle arrangement includes: a nozzle chamber having an ink outlet for discharging ink, an ink supply basin for supplying ink to the nozzle chamber, within the nozzle chamber A linear stepper actuator which is connected to the arranged plunger and further to the plunger, and drives the plunger to discharge ink from the ink discharge port. At least one surface of the plunger disposed along the wall of the nozzle chamber is hydrophobic. The linear actuator connected to the plunger in the inkjet nozzle chamber is preferably driven in three phases by a series of electromagnets. A series of twelve electromagnets are preferably arranged in opposing pairs along the linear actuator. Furthermore, each phase is doubled, resulting in four electromagnets for each layer. The inkjet nozzle has an open wall along the back surface of the plunger, the wall having a series of columns to form a filter for ink flow through the open wall into the nozzle chamber. Yes. The linear actuator structure has a guide at the opposite end of the nozzle chamber to guide the linear actuator.
本発明の別の観点は、ノズルチャンバ、インク供給漕及びシャッタを有するインクジェットノズルを提供することである。ノズルチャンバは、ノズルチャンバからインクを排出するためのインク排出口を有し、インク供給漕は、ノズルチャンバへインクの供給をする。シャッタは、インク排出口からインクの排出を引き起こすためにインク漕とチャンバの間の流れを開通、閉塞する。シャッタは、アクチュエータにより駆動された駆動手段を利用することにより、シャッタを開位置から閉位置へ動かすためのラチェットエッジを有する。更に、駆動手段は駆動手段に連結されたギヤ手段を有する。ギヤ手段は、駆動手段の運転周期に対してラチェットエッジの駆動周期を減少させる。駆動手段はラチェットエッジ上で力を働かせるために磁場内の導電素子を利用し、また、ラチェットエッジに力を伝えるために利用されるギヤ機構を用いて、該ギヤ機構の歯に力を働かせるために磁場内の導電素子を利用することが好ましい。導電性素子は、導電性素子の運動を拡張または縮小するために設計された伸縮可能な構造を有することが望ましい。 Another aspect of the present invention is to provide an inkjet nozzle having a nozzle chamber, an ink supply tub and a shutter. The nozzle chamber has an ink discharge port for discharging ink from the nozzle chamber, and the ink supply tank supplies ink to the nozzle chamber. The shutter opens and closes the flow between the ink fountain and the chamber to cause ink discharge from the ink discharge port. The shutter has a ratchet edge for moving the shutter from the open position to the closed position by using driving means driven by an actuator. Further, the drive means has gear means connected to the drive means. The gear means reduces the driving cycle of the ratchet edge with respect to the driving cycle of the driving means. The drive means uses a conductive element in the magnetic field to exert a force on the ratchet edge, and uses a gear mechanism used to transmit the force to the ratchet edge, to exert a force on the teeth of the gear mechanism. It is preferable to use a conductive element in the magnetic field. The conductive element desirably has a stretchable structure designed to expand or contract the movement of the conductive element.
シャッタ機構は、インク漕とノズルチャンバの間でシャッタをガイドするために利用される保持器に対応する一連の溝を有しており、シャッタはシリコンウエハ構造上のノズルアレイの組立を通して形成される。インク供給漕内のインクは振動するインク圧を用いて駆動されることが好ましい。 The shutter mechanism has a series of grooves corresponding to a retainer utilized to guide the shutter between the ink fountain and the nozzle chamber, the shutter being formed through assembly of a nozzle array on the silicon wafer structure. . The ink in the ink supply tub is preferably driven using a vibrating ink pressure.
本発明の別の観点は、ノズルチャンバ、インク漕及びテーパ磁石プランジャを有するインクジェットノズルを提供することである。ノズルチャンバは、ノズルチャンバからインクの排出をするためのインク排出口を有し、インク槽は、ノズルチャンバへインクの供給をする。テーパ磁石プランジャは、ノズルチャンバとインク供給漕の間に配置されている。テーパ磁石プランジャは電磁石装置に取り囲まれている。そのため装置が駆動されると磁力プランジャはインク排出口に向けて力を受け、それによりインク排出口からのインクの排出を引き起こす。 Another aspect of the present invention is to provide an inkjet nozzle having a nozzle chamber, an ink fountain, and a tapered magnet plunger. The nozzle chamber has an ink discharge port for discharging ink from the nozzle chamber, and the ink tank supplies ink to the nozzle chamber. The tapered magnet plunger is disposed between the nozzle chamber and the ink supply tub. The tapered magnet plunger is surrounded by an electromagnet device. Therefore, when the apparatus is driven, the magnetic plunger receives a force toward the ink discharge port, thereby causing ink to be discharged from the ink discharge port.
プランジャは実質的に円筒形であることが好ましく、電磁石装置に隣接した部分でテーパリムを有することが好ましい。電磁石装置は円柱状であり、プランジャは該円筒の中央に配置される。プランジャは電磁石装置の不活性化によりプランジャを最初の位置に戻させる弾性手段と連結していることが望ましい。磁石プランジャは側壁へ放射状かつ螺旋状に広がる一連のバネを用いてノズルチャンバの側壁に連結されている。バネは配置された材料の引っ張り解放状態から形成されることが好ましい。更に該配置された材料は窒化物とすることが可能である。 The plunger is preferably substantially cylindrical and preferably has a tapered rim at a portion adjacent to the electromagnet device. The electromagnet device has a cylindrical shape, and the plunger is disposed at the center of the cylinder. The plunger is preferably connected to an elastic means for returning the plunger to its initial position by deactivation of the electromagnet device. The magnet plunger is connected to the side wall of the nozzle chamber using a series of springs that extend radially and spirally to the side wall. The spring is preferably formed from a tension release state of the disposed material. Further, the disposed material can be a nitride.
本発明の別の観点は、シャッターグリルインクジェットプリンタの提供である。シャッターグリルインクジェットプリンタにおいて、チャンバから印刷媒体上へインクの排出を行うために、シャッタは閉状態から開状態へ電磁的に作動させられる。 Another aspect of the present invention is the provision of a shutter grill ink jet printer. In a shutter grill ink jet printer, the shutter is electromagnetically actuated from a closed state to an open state to eject ink from the chamber onto the print medium.
本発明の別の観点は、インクチャンバ、インク槽及びシャッタ装置を有するシャッターインクジェットノズルを提供することである。インクチャンバは、インクチャンバからインクの排出を行うためのインク排出ノズルを有し、インク槽は、圧力下でインクチャンバへインクの供給をする。シャッタ機構は、インク漕、インクチャンバとインク漕の間でインクを制限するためにインク漕とインクチャンバの間に配置される。それにより、チャンバからインクの排出が引き起こされ、シャッタ機構はオンデマンドで作動させられる。 Another aspect of the present invention is to provide a shutter inkjet nozzle having an ink chamber, an ink reservoir and a shutter device. The ink chamber has an ink discharge nozzle for discharging ink from the ink chamber, and the ink tank supplies ink to the ink chamber under pressure. A shutter mechanism is disposed between the ink fountain and the ink chamber to restrict ink between the ink fountain and the ink chamber. This causes ink ejection from the chamber and the shutter mechanism is activated on demand.
更に、アクチュエータは磁石バーを引きつける電磁石コイル装置を有する。コイルはウエハに固定されていることが好ましく、磁石バーは、インク漕とインクチャンバの間インクの流れを許容する一連のシャッタ穴上で開閉するシャッタ板と連結することが好ましい。シャッターインクジェットノズルは、アクチュエータの作動時のシャッタ穴を覆うシャッタ板の移動距離を増幅させるため、少なくとも一つの線状バネを有するアクチュエータを有することが望ましい。線状バネはインクチャンバの片側に固定され、電磁石コイルは、線状バネ固定装置と電磁石固定装置の間で運転されるシャッタ板に対してインクチャンバの反対側に固定される。インク漕は振動するインク圧下のインクを有することが好ましい。シャッタ機構は多数のシャッタ板を有し、該シャッター板は、インクチャンバとインク漕の間のインクの流れを許容する、対応する多数のシャッタ穴を覆う多数のシャッタ板を有する。更に、インクチャンバはシリコンウエハの結晶学的エッチングにより形成することが可能である。ノズルチャンバからのインク滴の排出サイクルは、インク漕内のインク振動圧サイクルの実質的に半分である。インクジェットノズルアレイは、別々のグループに分けられ、それぞれのグループはインクジェット漕内の圧力条件を緩和させるために交代で駆動させられる。 Furthermore, the actuator has an electromagnet coil device that attracts the magnet bar. The coil is preferably fixed to the wafer, and the magnet bar is preferably connected to a shutter plate that opens and closes over a series of shutter holes that allow ink flow between the ink fountain and the ink chamber. The shutter inkjet nozzle desirably includes an actuator having at least one linear spring in order to amplify the moving distance of the shutter plate that covers the shutter hole when the actuator is operated. The linear spring is fixed to one side of the ink chamber, and the electromagnet coil is fixed to the opposite side of the ink chamber with respect to the shutter plate operated between the linear spring fixing device and the electromagnet fixing device. The ink fountain preferably has a vibrating ink under pressure. The shutter mechanism has a number of shutter plates that have a number of shutter plates that cover a number of corresponding shutter holes that allow ink flow between the ink chamber and the ink fountain. Furthermore, the ink chamber can be formed by crystallographic etching of a silicon wafer. The ink drop ejection cycle from the nozzle chamber is substantially half of the ink vibration pressure cycle in the ink fountain. The inkjet nozzle array is divided into separate groups, each group being driven in alternation to relieve pressure conditions within the inkjet tub.
本発明の別の観点は、ノズルチャンバとインク漕を有するシャッターインクジェット印字ノズルの運転方法の提供である。インク漕は振動するインク圧を有する。該方法は、シャッタを開けて、ノズルチャンバからインクの排出を起こさせ、これによりノズルチャンバ内のインクが減少し、インク圧の次の高圧期の間、シャッタを開状態にして、さらにノズルチャンバを再び満たし、続いて該高圧期の最後にシャッタを閉状態にして、ノズルチャンバからインク漕へインクの逆流を制限するように構成される。 Another aspect of the present invention is the provision of a method for operating a shutter inkjet print nozzle having a nozzle chamber and an ink fountain. The ink fountain has a vibrating ink pressure. The method opens the shutter and causes ink to drain from the nozzle chamber, thereby reducing the ink in the nozzle chamber and opening the shutter during the next high pressure phase of the ink pressure, further And then closing the shutter at the end of the high pressure period to limit the back flow of ink from the nozzle chamber to the ink fountain.
本発明の別の観点では、インクジェット印字ノズル装置はインクの排出のための排出口を有するインク排出チャンバを有して構成される。インク排出チャンバは、排出すべきインクを供給するインク槽と連通している。そして、少なくともチャンバの一つの壁は、排出チャンバからインクの排出を引き起こすためローレンツ力を用いて駆動される可動隔壁を有する。可動隔壁は波形がつけられ、又は折りたたみ伸縮可能な形状であり、埋め込まれた伝導性コイルを有する。伝導性コイルの電流と静止磁場の間のローレンツ相互作用により隔壁が作動すると、隔壁は折りたたみ伸縮作用によって伸張可能である。隔壁は適切なハーフトーンマスクを利用して形成されることが好ましい。インクジェット印字ノズル内のインクチャンバは、シリコンウエハの等方性エッチングを用いて形成される。 In another aspect of the present invention, the ink jet print nozzle device includes an ink discharge chamber having a discharge port for discharging ink. The ink discharge chamber communicates with an ink tank that supplies ink to be discharged. At least one wall of the chamber has a movable partition that is driven using Lorentz force to cause ink ejection from the ejection chamber. The movable bulkhead has a corrugated or foldable shape and has an embedded conductive coil. When the partition is actuated by Lorentz interaction between the current of the conductive coil and the static magnetic field, the partition can be expanded by the folding and stretching action. The partition walls are preferably formed using an appropriate halftone mask. The ink chamber in the inkjet printing nozzle is formed using isotropic etching of a silicon wafer.
本発明の別の観点は、チャンバからのインクの排出を引き起こすためのアクチュエータとして、磁場内の磁歪性物質の状態変化を利用したインクジェットノズルの提供である。更に、この方法は休止位置にある磁歪性弁を有する。磁歪性弁は、磁場の適用により排出状態へ変形し、その結果、チャンバからインクの排出が起こる。磁場は、磁歪物質に隣接した伝導性コイルへの電流の通過により与えられることが好ましい。インクチャンバは、アクチュエータによって実質的に形成されたチャンバの一表面を有するように、シリコンウエハの結晶学的エッチングから形成される。アクチュエータはインクが排出されるノズル口の反対側の、チャンバの一つの壁に取り付けられる。ノズル口は、埋没されたエピタキシャルな層へのシリコンウエハのバックエッチングと、エピタキシャルな層のノズル口穴のエッチングによって形成されることが望ましい。更に、結晶学的エッチングは、処理されたシリコンウエハの非エッチング層である、側壁の溝に対するものも含む。結晶学的エッチング行程の結果として、ノズルチャンバの大きさが拡張される。磁歪性形状記憶合金は実質的にTerfanol−Dであることが好ましい。 Another aspect of the present invention is to provide an ink jet nozzle that utilizes a change in state of a magnetostrictive substance in a magnetic field as an actuator for causing ink to be discharged from the chamber. Furthermore, the method has a magnetostrictive valve in the rest position. The magnetostrictive valve is deformed into an ejected state by application of a magnetic field, and as a result, ink is ejected from the chamber. The magnetic field is preferably provided by the passage of current to a conductive coil adjacent to the magnetostrictive material. The ink chamber is formed from a crystallographic etch of the silicon wafer to have one surface of the chamber substantially formed by the actuator. The actuator is attached to one wall of the chamber opposite the nozzle port from which ink is discharged. The nozzle port is preferably formed by back-etching the silicon wafer into the buried epitaxial layer and etching the nozzle hole of the epitaxial layer. Further, crystallographic etching also includes those for sidewall trenches, which are non-etched layers of processed silicon wafers. As a result of the crystallographic etching process, the size of the nozzle chamber is expanded. Preferably, the magnetostrictive shape memory alloy is substantially Terfanol-D.
本発明の別の観点は、ノズルチャンバ、インク供給源、静電アクチュエータ及び磁場発動手段を有するインクジェットノズル装置の提供である。ノズルチャンバは、該チャンバの一つの壁にインク排出口を有し、インク供給源は、ノズルチャンバと相互連結している。静電アクチュエータは、インク排出口を介してノズルチャンバからインクを排出し、磁場発動手段は、アクチュエータの磁歪作用を引き起こすために磁歪性アクチュエータの周囲に磁場を生じさせる。アクチュエータの磁歪作用により、インク排出口からインクの排出が起こる。磁場発動手段は磁歪アクチュエータを取り囲む伝導性コイルを有することが好ましい。さらに、インクジェットノズル装置は、半導体処理技術を利用してシリコンウエハ上に形成可能であり、伝導性コイルは、インクジェットプリンタの制御回路を提供する下部金属層と相互連結している Another aspect of the present invention is to provide an ink jet nozzle apparatus having a nozzle chamber, an ink supply source, an electrostatic actuator, and a magnetic field generating means. The nozzle chamber has an ink outlet on one wall of the chamber, and the ink supply is interconnected with the nozzle chamber. The electrostatic actuator discharges ink from the nozzle chamber through the ink discharge port, and the magnetic field generating means generates a magnetic field around the magnetostrictive actuator to cause the magnetostrictive action of the actuator. The ink is discharged from the ink discharge port by the magnetostrictive action of the actuator. The magnetic field generating means preferably has a conductive coil surrounding the magnetostrictive actuator. Further, the inkjet nozzle device can be formed on a silicon wafer using semiconductor processing technology, and the conductive coil is interconnected with a lower metal layer that provides the control circuitry for the inkjet printer.
本発明の別の観点は、チャンバからのインク排出方法の提供である。該方法は、チャンバからのインクの排出を引き起こすためのアクチュエータとして、形状記憶合金のマルテンサイト相からオーステナイト相(又は、visa versa)への変態の利用を含む。さらに、アクチュエータは、休止状態の伝導性形状記憶合金パネルを有する。伝導性形状記憶合金パネルは加熱によりインク排出状態へと変形し、チャンバからインクの排出を引き起こす。加熱は形状記憶合金を流れる電流によって生ずることが好ましい。チャンバは、アクチュエータによって実質的に形成されたチャンバの一表面を有するように、シリコンウエハの結晶学的エッチングにより形成される。アクチュエータは、曲がりくねった形状で配置された伝導性形状記憶合金から形成され、インクが排出されるノズル口の反対側のチャンバ壁に取り付けられることが望ましい。さらに、ノズル口はエピタキシャルな層へのシリコンウエハのバックエッチングと、エピタキシャルな層のノズル穴のエッチングによって形成され得る。結晶学的エッチングは、処理されたシリコンウエハの非エッチング層の側壁溝のエッチングを含み、その結晶学的エッチング行程の結果として、チャンバの寸法が拡張される。形状記憶合金はニッケルチタニウム合金から構成することが好ましい。 Another aspect of the present invention is to provide a method for discharging ink from a chamber. The method involves the use of a transformation from the martensite phase to the austenite phase (or visa versa) of the shape memory alloy as an actuator for causing ink ejection from the chamber. In addition, the actuator has a dormant conductive shape memory alloy panel. The conductive shape memory alloy panel is transformed into an ink discharge state by heating, causing ink discharge from the chamber. Heating is preferably caused by a current flowing through the shape memory alloy. The chamber is formed by crystallographic etching of a silicon wafer so as to have one surface of the chamber substantially formed by the actuator. The actuator is preferably formed from a conductive shape memory alloy arranged in a tortuous shape and attached to the chamber wall opposite the nozzle port from which ink is discharged. Furthermore, the nozzle port can be formed by back-etching the silicon wafer into the epitaxial layer and etching the nozzle holes in the epitaxial layer. Crystallographic etching involves the etching of the sidewall grooves of the unetched layer of the processed silicon wafer, and as a result of the crystallographic etching process, the chamber dimensions are expanded. The shape memory alloy is preferably composed of a nickel titanium alloy.
本発明の別の観点は、インク排出ノズルからのインクの排出のためのインクジェットノズル装置の提供である。インクジェットノズル装置は以下のものを有する。回路基板;回路基板上に形成され、制御された方法で運転可能な導電性コイル;導電性コイルを取り囲み、回路基板とアクチュエータ間でインクノズルチャンバを形成する可動磁石アクチュエータ。可動磁石アクチュエータはさらにその中に規定されたインク排出ノズルを含む;導電性コイルの電圧レベルの変化によって磁石アクチュエータは最初の位置から第2の位置へ動かされ、それによりノズルチャンバ内のインク圧に変化が生じ、その結果、ノズルチャンバからインクの排出が引き起こされる。 Another aspect of the present invention is the provision of an inkjet nozzle device for the discharge of ink from an ink discharge nozzle. The inkjet nozzle device has the following. A circuit board; a conductive coil formed on the circuit board and operable in a controlled manner; a movable magnet actuator surrounding the conductive coil and forming an ink nozzle chamber between the circuit board and the actuator. The movable magnet actuator further includes an ink discharge nozzle defined therein; a change in the voltage level of the conductive coil moves the magnet actuator from the first position to the second position, thereby reducing the ink pressure in the nozzle chamber. A change occurs that results in the ejection of ink from the nozzle chamber.
この装置はさらに、ノズルチャンバへインクの再供給をするためにノズルチャンバと相互連結したインク供給溝を有する。この相互連結は、回路基板にエッチングされた一連の細長い溝から構成することが出来る。回路基板はシリコンウエハから構成することができ、インク供給溝はウエハを介してエッチングさる。 The apparatus further includes an ink supply channel interconnected with the nozzle chamber for resupplying ink to the nozzle chamber. This interconnection can consist of a series of elongated grooves etched into the circuit board. The circuit board can be composed of a silicon wafer, and the ink supply groove is etched through the wafer.
可動磁石アクチュエータは導電性コイルの運転によって、拡張されたノズルチャンバ容量を有する第1の位置から、収縮したノズルチャンバ容量を有する第2の位置へ移動可能である。この装置はさらに、休止状態において、第1の位置で可動磁石アクチュエータにバイアスをかけるため、可動磁石アクチュエータに取り付けられた少なくとも一つの弾性部材を含む。少なくとも一つの弾性部材はリーフバネを有する。 The movable magnet actuator is movable by operation of the conductive coil from a first position having an expanded nozzle chamber volume to a second position having a contracted nozzle chamber volume. The apparatus further includes at least one elastic member attached to the movable magnet actuator for biasing the movable magnet actuator in the first position in the resting state. At least one elastic member has a leaf spring.
溝は磁石アクチュエータと回路基板の間に規定され、溝に近接した基板及びアクチュエータ部分は、溝を介したインクはねが最小となるように疎水性化処理がされ得る。 The groove is defined between the magnet actuator and the circuit board, and the substrate and the actuator portion adjacent to the groove can be hydrophobized so that ink splash through the groove is minimized.
磁石基板は、導電性コイルと回路基板の間に配置され、その結果磁石アクチュエータとノズル板は実質的に導電性コイルを取り囲む。磁石アクチュエータはコバルトニッケル鉄合金から形成可能である。 The magnet substrate is disposed between the conductive coil and the circuit board so that the magnet actuator and the nozzle plate substantially surround the conductive coil. The magnet actuator can be formed from a cobalt nickel iron alloy.
IJM Consistory Clauses
本発明の別の観点は、放射プランジャインクジェット印字ヘッドの製造方法の提供である。ノズルのアレイは平面モノリシック配置とリソグラフとエッチング行程を利用して基板上に形成される。多数のインクジェットヘッドはシリコンウエハのような単一平面回路基板上に同時に形成されることが好ましい。
IJM Consistory Clauses
Another aspect of the present invention is the provision of a method for manufacturing a radial plunger ink jet printhead. An array of nozzles is formed on the substrate using a planar monolithic arrangement, lithographic and etching processes. Multiple inkjet heads are preferably formed simultaneously on a single planar circuit board such as a silicon wafer.
印字ヘッドは、標準のVLSI/ULSI工程を用いて形成することが出来、おなじ基板に形成された集積駆動電子回路を有する。該駆動電子回路は、好ましくは、CMOSタイプである。最終的に、インクは基板に対して実質的に直角な方向に射出される。 The printhead can be formed using standard VLSI / ULSI processes and has integrated drive electronics formed on the same substrate. The drive electronic circuit is preferably of the CMOS type. Eventually, the ink is ejected in a direction substantially perpendicular to the substrate.
本発明の別の観点は、一連のノズルチャンバを有するインクジェット印字ヘッド装置の製造方法の提供である。この方法は以下のステップから構成される:(a)中に電子回路層と埋没エピタキシャル層を有する初期半導体ウエハを使用する、(b)ウエハ内にノズルチャンバの窪みをエッチングする、エッチングは実質的にエピタキシャル層で停止させる、(c)第1磁気プレートを規定するために電気回路層上に高飽和磁束密度を有する第1の層を配置し、エッチングする、(d)第1の層と電気回路層の上に絶縁層を配置し、エッチングする。該エッチングは、引き続く伝導性層に対するビアのエッチングを含む、(e)第1の層と導電的に連結した導電性コイルを形成する形で、絶縁層の上に導電性層を配置し、エッチングする、(f)第1の磁石プレートとコイルの領域内で犠牲材料層を配置し、エッチングする、このエッチングは一連のバネポストのための穴を規定する、(g)連結された第2の磁気プレート、接続された一連のバネ、バネポストを形成するため、高飽和磁束密度を有する第2層を配置し、エッチングする、(h)ウエハの背部をエピタキシャル層までエッチングする、(i)エピタキシャル層を介してノズルチャンバの窪みに接続するインク排出ノズルをエッチングする、(j)残っている犠牲材料層をエッチング除去する。 Another aspect of the present invention is the provision of a method for manufacturing an inkjet printhead device having a series of nozzle chambers. The method consists of the following steps: (a) using an initial semiconductor wafer having an electronic circuit layer and a buried epitaxial layer in it, (b) etching a recess in a nozzle chamber in the wafer, the etching is substantially (C) placing and etching a first layer having a high saturation flux density on the electrical circuit layer to define a first magnetic plate; and (d) first layer and electrical stop. An insulating layer is disposed on the circuit layer and etched. The etching includes subsequent etching of the vias to the conductive layer, (e) placing the conductive layer over the insulating layer in a form to form a conductive coil conductively connected to the first layer, and etching (F) placing and etching a sacrificial material layer in the region of the first magnet plate and coil, this etching defining a hole for a series of spring posts, (g) a coupled second magnetic Place and etch a second layer with high saturation flux density to form a plate, a series of connected springs, spring posts, (h) etch back of wafer to epitaxial layer, (i) epitaxial layer And (j) etching away the remaining sacrificial material layer.
ステップ(f)はさらに一連のバネポストを規定する窪みのエッチングを含む。ステップ(g)は、第1の方向に磁石板に弾力的にバイアスをかけるため、第1の磁石プレートと連結する一連の板バネを形成することを含むことが好ましい。導電性層は実質的に銅から構成することが可能である。 Step (f) further includes etching the recesses defining a series of spring posts. Step (g) preferably includes forming a series of leaf springs coupled to the first magnet plate for resiliently biasing the magnet plate in the first direction. The conductive layer can consist essentially of copper.
層のエッチングは。後の層の部分と電気的に連結させるためのビアのエッチングを含むことが可能である。 Etching layer. It is possible to include etching vias for electrical connection with portions of subsequent layers.
磁束材料は実質的にコバルトニッケル鉄合金で構成することが出来、ウエハは両面研磨されたCMOSウエハから構成することが可能である。 The magnetic flux material can be substantially composed of a cobalt nickel iron alloy, and the wafer can be composed of a double-side polished CMOS wafer.
このステップは、ウエハを別々の印字ヘッドに同時に分割するためにも利用されることが好ましい。 This step is also preferably used to simultaneously divide the wafer into separate print heads.
本発明の別の観点は、静電インクジェット印字ヘッドの製造方法の提供である。その中で、ノズルのアレイは平面モノリシック配置、リソグラフ、エッチング行程を利用して基板上に形成される。好ましくは、多数のインクジェットヘッドはシリコンウエハのような単一平面基板上に同時に形成される。 Another aspect of the present invention is to provide a method for manufacturing an electrostatic inkjet printhead. Among them, an array of nozzles is formed on a substrate using a planar monolithic arrangement, lithograph, and etching process. Preferably, multiple inkjet heads are formed simultaneously on a single planar substrate such as a silicon wafer.
印字ヘッドは、標準のVLSI/ULSI工程を用いて形成することが出来、同じ基板に形成された集積駆動電子回路を有する。該駆動電子回路は、好ましくは、CMOSタイプである。最終的に、インクは基板に対して実質的に直角な方向に射出される。 The print head can be formed using standard VLSI / ULSI processes and has integrated drive electronics formed on the same substrate. The drive electronic circuit is preferably of the CMOS type. Eventually, the ink is ejected in a direction substantially perpendicular to the substrate.
本発明の別の観点は、一連のノズルチャンバを有するインクジェット印字ヘッド装置の製造方法の提供である。この方法は、以下のステップから構成される。(a)その上に電気回路層が形成された初期半導体ウエハを使用する、(b)電気回路層の上又は中に導電性物質の底部電極層を形成する、(c)該電極層上に第1疎水性層を配置し、エッチングする、(d)第1疎水性層上に、犠牲材料の第1犠牲層を配置し、エッチングする、(e)該第1の犠牲層の上に、導電材料からなる上部電極層を配置し、エッチングする、上部電極層は、電気回路層に接続された所定部分を有する、(f)上部電極層の上に膜層を配置し、エッチングする、(g)膜層の上に第2犠牲層を配置し、エッチングする、第2犠牲層はノズルチャンバ壁のブランクを形成する、(h)第2犠牲層の上に不活性材料層を配置、エッチングして、ノズルチャンバと連結したノズル排出穴に加えて、ノズルチャンバを取り囲むノズルチャンバ壁を形成する、(i)ノズルチャンバと連結するインク供給溝をエッチングする、(j)運転装置を残す形で犠牲層をエッチング除去する。 Another aspect of the present invention is the provision of a method for manufacturing an inkjet printhead device having a series of nozzle chambers. This method consists of the following steps. (A) using an initial semiconductor wafer having an electrical circuit layer formed thereon, (b) forming a bottom electrode layer of a conductive material on or in the electrical circuit layer, (c) on the electrode layer Disposing and etching a first hydrophobic layer; (d) disposing and etching a first sacrificial layer of a sacrificial material on the first hydrophobic layer; and (e) overlying the first sacrificial layer. An upper electrode layer made of a conductive material is disposed and etched. The upper electrode layer has a predetermined portion connected to an electric circuit layer. (F) A film layer is disposed on the upper electrode layer and etched. g) Disposing and etching a second sacrificial layer over the membrane layer, the second sacrificial layer forming a nozzle chamber wall blank, (h) Disposing and etching an inert material layer over the second sacrificial layer In addition to the nozzle discharge hole connected to the nozzle chamber, Forming the nozzle chamber wall, (i) etching the ink supply groove that connects the nozzle chamber to etch away the sacrificial layer in a manner that leaves the (j) operating system.
上部電極層と膜層は、膜層を動かすため折りたたみ可能なエッジを有する。底部電極層は、回路層の金属平面層から形成され得る。 The upper electrode layer and the membrane layer have foldable edges for moving the membrane layer. The bottom electrode layer can be formed from a metal planar layer of the circuit layer.
インク供給溝は、ウエハの裏表面から溝をエッチングすることによって形成され得る。ステップ(h)は、ノズル排出穴の周りのノズルリムと、ノズルチャンバの少なくとも一つの壁に形成される一連の小さな穴のエッチングを含むことが好ましい。疎水性層は実質的にポリテトラフルオロエチレンから構成することができる。 The ink supply groove can be formed by etching the groove from the back surface of the wafer. Step (h) preferably includes etching a nozzle rim around the nozzle discharge hole and a series of small holes formed in at least one wall of the nozzle chamber. The hydrophobic layer can consist essentially of polytetrafluoroethylene.
これらのステップは、ウエハを別々の印字ヘッドに同時に分割するためにも利用されることが好ましい。 These steps are also preferably used to simultaneously divide the wafer into separate print heads.
本発明の別の観点は、積み重ねられた静電インクジェット印字ヘッドの製造方法の提供である。その中で、ノズルのアレイは平面モノリシック配置、リソグラフ、エッチング行程を利用して基板上に形成される。多数のインクジェットヘッドはシリコンウエハのような単一平面基板の上に同時に形成されることが好ましい。 Another aspect of the present invention is to provide a method of manufacturing a stacked electrostatic inkjet printhead. Among them, an array of nozzles is formed on a substrate using a planar monolithic arrangement, lithograph, and etching process. Multiple inkjet heads are preferably formed simultaneously on a single planar substrate such as a silicon wafer.
印字ヘッドは、標準のVLSI/ULSI工程を用いて形成することが出来、おなじ基板に形成された集積駆動電子回路を有する。該駆動電子回路は、好ましくは、CMOSタイプである。最終的に、インクは基板に対して実質的に直角な方向に射出される。 The printhead can be formed using standard VLSI / ULSI processes and has integrated drive electronics formed on the same substrate. The drive electronic circuit is preferably of the CMOS type. Eventually, the ink is ejected in a direction substantially perpendicular to the substrate.
本発明の別の観点は、一連のノズルチャンバを有するインクジェット印字ヘッド装置の製造方法の提供である。この方法は以下のステップから構成される:(a)その上に電気回路層が形成された初期半導体ウエハを使用し、後の層と回路の連結のためのエッチングされたビアを含む、(b)電子回路層の上に一連の平面層を繰り返し配置する。平面層は第1導電性層、第2導電性層、中間の圧縮性非導電層を含む、(c)一連の交互に積み重ねられた構造を形成するために平面層をエッチングする、(d)交互に積み重ねられた構造の少なくとも一つの第1端部を隔離する、(e)第1導電性層を露出させるために、第2導電性層と中間の圧縮性層を該端部に沿ってエッチングする、(f)交互に積み重ねられた構造の第2の端部を隔離する、(g)第2導電性層を露出させるために、第1導電性層と中間の圧縮性層を第2の端部に沿ってエッチングする、(h)第1の端部に沿って第1導電性層と相互連結している第1部分と、第2の端部に沿って第2導電性層と相互連結している第2部分を有する第3導電性層を配置し、エッチングする、第1と第2の部分は電気回路層中の対応する部分と相互接続している、(i)ウエハ上に犠牲材料層を配置し、エッチングする、エッチングは後のノズルチャンバ層のための型(モールド)を形成する、(j)インク排出穴に加えて、導電性層を取り囲むノズルチャンバを形成するために、犠牲層上に不活性材料層を配置し、エッチングする、(k)ノズルチャンバと相互連結するためにウエハの一部を介してインク供給溝をエッチングする、(l)犠牲材料層をエッチング除去する。 Another aspect of the present invention is the provision of a method for manufacturing an inkjet printhead device having a series of nozzle chambers. The method comprises the following steps: (a) using an initial semiconductor wafer on which an electrical circuit layer is formed, and including etched vias for connection of subsequent layers and circuits, (b) ) Repeatingly arranging a series of planar layers on the electronic circuit layer. The planar layer includes a first conductive layer, a second conductive layer, and an intermediate compressible non-conductive layer, (c) etching the planar layer to form a series of alternating stacked structures, (d) Isolating at least one first end of the alternately stacked structure; (e) a second conductive layer and an intermediate compressible layer along the end to expose the first conductive layer; Etching, (f) isolating the second end of the alternately stacked structure, (g) second conductive layer and intermediate compressive layer second to expose the second conductive layer. (H) a first portion interconnected with the first conductive layer along the first end, and a second conductive layer along the second end; Disposing and etching a third conductive layer having a second portion interconnected, the first and second portions corresponding in the electrical circuit layer (I) a sacrificial material layer is placed on the wafer and etched, etching forms a mold for a later nozzle chamber layer, (j) in the ink drain holes In addition, an inert material layer is disposed and etched on the sacrificial layer to form a nozzle chamber surrounding the conductive layer, (k) ink through a portion of the wafer to interconnect with the nozzle chamber (1) Etch away the sacrificial material layer.
ステップ(j)では、チャンバと周囲を連通接続させるために、ノズルチャンバ壁に一連の小さな穴をエッチングすることが好ましい。第1導電性層と第2導電性層は異なった導電性材料から形成されることが好ましい。圧縮性層は実質的にエラストマーから構成することが可能である。この方法はさらに端部に沿ったエラストマーの膨張を含むことが好ましい。インク供給溝は、ウエハの裏表面からウエハを介してエッチングされ得る。 In step (j), it is preferable to etch a series of small holes in the nozzle chamber wall in order to communicate the chamber and the surroundings. The first conductive layer and the second conductive layer are preferably formed from different conductive materials. The compressible layer can consist essentially of an elastomer. The method preferably further includes expansion of the elastomer along the edge. The ink supply groove can be etched through the wafer from the back surface of the wafer.
このステップはまた、ウエハを別々の印字ヘッドに同時に分割するために利用されることが好ましい。 This step is also preferably used to split the wafer into separate print heads simultaneously.
本発明の別の観点は、反転バネ型インクジェット印字ヘッドの製造方法の提供である。その中で、ノズルのアレイは平面モノリシック配置、リソグラフ、エッチング行程を利用して基板上に形成される。多数のインクジェットヘッドはシリコンウエハのような単一平面基板上に同時に形成されることが好ましい。 Another aspect of the present invention is to provide a method for manufacturing a reversal spring type ink jet print head. Among them, an array of nozzles is formed on a substrate using a planar monolithic arrangement, lithograph, and etching process. Multiple inkjet heads are preferably formed simultaneously on a single planar substrate such as a silicon wafer.
印字ヘッドは、標準のVLSI/ULSI工程を用いて形成することが出来、おなじ基板に形成された集積駆動電子回路を有する。該駆動電子回路は、好ましくは、CMOSタイプである。最終的に、インクは基板に対して実質的に直角な方向に射出される。 The printhead can be formed using standard VLSI / ULSI processes and has integrated drive electronics formed on the same substrate. The drive electronic circuit is preferably of the CMOS type. Eventually, the ink is ejected in a direction substantially perpendicular to the substrate.
本発明の別の観点は、一連のノズルチャンバを含むインクジェット印字ヘッドの製造方法の提供である。この方法は、以下のステップから構成される:(a)その上に電子回路層と埋没エピタキシャル層が形成された初期半導体ウエハを使用する、(b)ウエハ内にノズルチャンバの窪みをエッチングする、エッチングは実質的にエピタキシャル層で停止させる、(c)第1の磁石プレートを規定するために、電気回路層上に高飽和磁束密度を有する第1の層を配置し、エッチングする、(d)第1の層と電気回路層の上に絶縁層を配置し、エッチングする、エッチングは後の導電性層のためのビアのエッチングを含む、(e)第1の層と導電的に接続された導電性コイルを形成する形で、絶縁層の上に導電性層を配置し、エッチングする、(f)第1の磁石プレートとコイルの領域内で犠牲材料層を配置し、エッチングする、このエッチングは一連のバネ支柱、てこアーム、相互連結したノズルパドルのための穴を規定する、(g)相互連結された磁石プレート、ノズルパドルに取り付けられたてこアーム、てこアーム回動軸周辺の一連のバネ支柱を形成するために、高い飽和磁束密度を有する第2の層を配置し、エッチングする、(h)エピタキシャル層までウエハの背部をエッチングする、(i)エピタキシャル層を介して、ノズルチャンバの窪みと連結したインク排出ノズルをエッチングする、(j)残った犠牲層をエッチングして除去する。 Another aspect of the present invention is the provision of a method of manufacturing an ink jet print head that includes a series of nozzle chambers. The method comprises the following steps: (a) using an initial semiconductor wafer on which an electronic circuit layer and a buried epitaxial layer are formed, (b) etching a recess in a nozzle chamber in the wafer, Etching stops at the epitaxial layer substantially, (c) a first layer having a high saturation flux density is placed on the electrical circuit layer and etched to define a first magnet plate, (d) An insulating layer is disposed over and etching the first layer and the electrical circuit layer, the etching includes etching a via for a later conductive layer, (e) electrically connected to the first layer A conductive layer is disposed on the insulating layer and etched in the form of a conductive coil; (f) a sacrificial material layer is disposed and etched in the region of the first magnet plate and the coil; this etching Is A series of springs around the pivot axis of the lever arm, defining a series of spring struts, lever arms, holes for the interconnected nozzle paddles, (g) interconnected magnet plates, lever arms attached to the nozzle paddles Place and etch a second layer with high saturation flux density to form pillars, (h) Etch back of wafer to epitaxial layer, (i) Recess of nozzle chamber through epitaxial layer (J) The remaining sacrificial layer is etched and removed.
ステップ(f)はさらに、一連のバネ支柱を規定する窪みのエッチングを含むことが出来、ステップ(g)は、実質的に第1磁石プレートの逆方向に向けて第2磁石プレーを弾性的に付勢する、てこアームに連結された、一連のねじり回動軸バネの形成を含むことが好ましい。 Step (f) can further include etching a recess defining a series of spring struts, and step (g) elastically moves the second magnet plate toward the opposite direction of the first magnet plate. Preferably, it includes the formation of a series of torsional pivot springs coupled to the lever arms that bias.
導電性層は実質的に銅から構成されており、磁束物質は実質的にコバルトニッケル鉄合金から構成される。 The conductive layer is substantially composed of copper, and the magnetic flux material is substantially composed of cobalt nickel iron alloy.
層のエッチングは、後の層の部分と電気的に接続するためのビアのエッチングを含むことが好ましい。 Etching the layer preferably includes etching a via for electrical connection with a subsequent layer portion.
これらのステップは、ウエハを別々の印字ヘッドに同時に分割するためにも利用されることが好ましい。 These steps are also preferably used to simultaneously divide the wafer into separate print heads.
本発明の別の観点は、パドルタイプインクジェット印字ヘッドの製造方法の提供である。その中で、ノズルのアレイは平面モノリシック配置、リソグラフ、エッチング行程を利用して基板上に形成される。多数のインクジェットヘッドはシリコンウエハのような単一平面基板の上に同時に形成されることが好ましい。 Another aspect of the present invention is to provide a method for manufacturing a paddle type ink jet print head. Among them, an array of nozzles is formed on a substrate using a planar monolithic arrangement, lithograph, and etching process. Multiple inkjet heads are preferably formed simultaneously on a single planar substrate such as a silicon wafer.
印字ヘッドは、標準のVLSI/ULSI工程を用いて形成することが出来、おなじ基板に形成された集積駆動電子回路を有する。該駆動電子回路は、好ましくは、CMOSタイプである。最終的に、インクは基板に対して実質的に直角な方向に射出される。 The printhead can be formed using standard VLSI / ULSI processes and has integrated drive electronics formed on the same substrate. The drive electronic circuit is preferably of the CMOS type. Eventually, the ink is ejected in a direction substantially perpendicular to the substrate.
本発明の別の観点は、一連のノズルチャンバを有するインクジェット印字ヘッド装置の製造方法の提供である。この方法は、以下のステップから構成される:(a)その上に電子回路層と埋没エピタキシャル層が形成された初期半導体ウエハを使用する、該ウエハには、該回路層の所定部分と接続された一連のビアを有する上部防護層が形成されている、(b)該回路層の所定部分に接続された第1導電性コイルを有する第1導電性層を、半導体ウエハ層の上に形成する、(c)第1導電性層の上に、後の層とより下の層を接続するための所定のビアを有する非伝導性層を配置し、エッチングする、(d)非伝導層の上に第2導電性層を形成する。第2導電性層には、第2の導電性コイル及び該コイルの所定部分と第1の導電性コイル及び前記回路層との接続部分も含まれる、(e)第2の非導電性層を第2導電性層上に配置し、エッチングする、このエッチングは第2非導電性層内の一連の溝のエッチングを含む、(f)第1及び第2非導電性層及び第1及び第2導電性層を貫通して一連の溝をエッチングし、ノスルパドルを形成する、(g)ノズルチャンバを規定するためノズルパドルの下の半導体ウエハをエッチングする、(h)エピタキシャル層まで半導体ウエハをバックエッチングする、(i)ノズル排出穴を規定するためエピタキシャル層をエッチングし、ノズルチャンバと連結する。 Another aspect of the present invention is the provision of a method for manufacturing an inkjet printhead device having a series of nozzle chambers. The method comprises the following steps: (a) using an initial semiconductor wafer on which an electronic circuit layer and a buried epitaxial layer are formed, the wafer being connected to a predetermined portion of the circuit layer. An upper protective layer having a series of vias is formed, and (b) a first conductive layer having a first conductive coil connected to a predetermined portion of the circuit layer is formed on the semiconductor wafer layer. (C) Disposing and etching a non-conductive layer having a predetermined via for connecting the subsequent layer and a lower layer on the first conductive layer, and (d) on the non-conductive layer A second conductive layer is formed. The second conductive layer also includes a second conductive coil and a connection portion between the predetermined portion of the coil and the first conductive coil and the circuit layer. (E) a second non-conductive layer Disposing and etching on the second conductive layer, this etching includes etching a series of grooves in the second non-conductive layer, (f) the first and second non-conductive layers and the first and second Etch a series of grooves through the conductive layer to form a nosul paddle, (g) etch the semiconductor wafer under the nozzle paddle to define the nozzle chamber, (h) back etch the semiconductor wafer to the epitaxial layer (I) Etch the epitaxial layer to define the nozzle discharge holes and connect to the nozzle chamber.
ステップ(g)は結晶学的エッチングを含むことができ、エッチング停止層としてエピタキシャル層を利用することが出来る。 Step (g) can include crystallographic etching, and an epitaxial layer can be utilized as an etch stop layer.
ステップ(i)は、チャンバと外周囲を連通する、ノズルチャンバ壁の一連の小さな穴のエッチングを含むことが好ましい。 Step (i) preferably includes etching a series of small holes in the nozzle chamber wall that communicate with the chamber and the outer periphery.
第1導電性層と第二導電性層は実質的に銅から形成されることが好ましい。 The first conductive layer and the second conductive layer are preferably formed substantially from copper.
これらのステップは、ウエハを別々の印字ヘッドに同時に分割するためにも利用されることが好ましい。 These steps are also preferably used to simultaneously divide the wafer into separate print heads.
本発明の別の観点は、永久磁石電磁気インクジェット印字ヘッドの提供である。その中で、ノズルのアレイは平面モノリシック配置、リソグラフ、エッチング行程を利用して基板上に形成される。多数のインクジェットヘッドはシリコンウエハのような単一平面基板上に同時に形成されることが好ましい。 Another aspect of the present invention is the provision of a permanent magnet electromagnetic inkjet printhead. Among them, an array of nozzles is formed on a substrate using a planar monolithic arrangement, lithograph, and etching process. Multiple inkjet heads are preferably formed simultaneously on a single planar substrate such as a silicon wafer.
印字ヘッドは、標準のVLSI/ULSI工程を用いて形成することが出来、おなじ基板に形成された集積駆動電子回路を有する。該駆動電子回路は、好ましくは、CMOSタイプである。最終的に、インクは基板からウエハへ実質的に直角な方向に排出される。 The printhead can be formed using standard VLSI / ULSI processes and has integrated drive electronics formed on the same substrate. The drive electronic circuit is preferably of the CMOS type. Eventually, the ink is ejected in a direction substantially perpendicular from the substrate to the wafer.
本発明の別の観点は、一連のノズルチャンバを有するインクジェット印字ヘッド装置の製造方法の提供である。この方法は以下のステップから構成される:(a)その上に電気回路層と埋没エピタキシャル層を有する初期半導体ウエハを使用する。(b)第1不活性層を配置し、エッチングする。このエッチングは、所定のビアとノズルチャンバ孔のエッチングを含む。(c)ノズル孔の周囲の第1不活性層の上に第1導電性コイル層を形成する。該第1導電性コイル層は、前記電気回路層と接続された所定の部分を含む。(d)ウエハ内にノズルチャンバをエッチングするためにノズル孔を利用する。(e)ノズルチャンバを含むウエハ上に犠牲材料層を配置し、エッチングする。このエッチングは、一連の磁石支持支柱及びノズル孔上の永久磁石の、一連の型のエッチングも含む。(f)磁石物質層を配置し、エッチングする。磁石物質層は、ノズル孔の上の永久磁石を形成する。(g)永久磁石と一連のバネ支柱を弾性的に連結する不活性材料層を配置し、エッチングする(h)埋め込まれたエピタキシャル層までウエハをバックエッチングする。(i)埋め込まれたエピタキシャル層を介してノズル排出孔をエッチングする(j)犠牲層をエッチング除去する。 Another aspect of the present invention is the provision of a method for manufacturing an inkjet printhead device having a series of nozzle chambers. This method consists of the following steps: (a) An initial semiconductor wafer having an electrical circuit layer and a buried epitaxial layer thereon is used. (B) A first inactive layer is disposed and etched. This etching includes etching of predetermined vias and nozzle chamber holes. (C) A first conductive coil layer is formed on the first inactive layer around the nozzle hole. The first conductive coil layer includes a predetermined portion connected to the electric circuit layer. (D) Use nozzle holes to etch the nozzle chamber into the wafer. (E) A sacrificial material layer is disposed on the wafer including the nozzle chamber and etched. This etching also includes a series of types of etching of a series of magnet support posts and permanent magnets on the nozzle holes. (F) A magnet material layer is disposed and etched. The magnet material layer forms a permanent magnet over the nozzle hole. (G) An inert material layer that elastically connects the permanent magnet and the series of spring posts is placed and etched (h) The wafer is back-etched to the buried epitaxial layer. (I) Etching the nozzle discharge hole through the buried epitaxial layer (j) Etching away the sacrificial layer.
導電性コイル層は、導電性コイル層の型を形成するために、最初に配置し、エッチングした犠牲層によって形成される。導電性コイル層は、化学機械的平面化を利用して形成され、実質的に銅から構成される。 The conductive coil layer is formed by a sacrificial layer that is initially placed and etched to form a conductive coil layer mold. The conductive coil layer is formed using chemical mechanical planarization and is substantially composed of copper.
第1不活性層は実質的にシリコン窒化物から構成される。 The first inactive layer is substantially composed of silicon nitride.
これらのステップは、ウエハを別々の印字ヘッドに同時に分割するためにも利用されることが好ましい。 These steps are also preferably used to simultaneously divide the wafer into separate print heads.
本発明の別の観点は、平面スイング格子電磁石インクジェット印字ヘッドの製造方法の提供である。その中で、ノズルアレイは平面モノリシック配置、リソグラフ、エッチング行程を利用して基板上に形成される。多数のインクジェットヘッドはシリコンウエハのような単一平面基板上に同時に形成されることが好ましい。 Another aspect of the present invention is the provision of a method of manufacturing a planar swing grid electromagnet inkjet printhead. Among them, the nozzle array is formed on the substrate using a planar monolithic arrangement, a lithograph, and an etching process. Multiple inkjet heads are preferably formed simultaneously on a single planar substrate such as a silicon wafer.
印字ヘッドは、標準のVLSI/ULSI工程を用いて形成することが出来、おなじ基板に形成された集積駆動電子回路を有する。該駆動電子回路は、好ましくは、CMOSタイプである。最終的に、インクは基板から、該基板に対して実質的に直角な方向に排出される。 The printhead can be formed using standard VLSI / ULSI processes and has integrated drive electronics formed on the same substrate. The drive electronic circuit is preferably of the CMOS type. Eventually, the ink is ejected from the substrate in a direction substantially perpendicular to the substrate.
本発明の別の観点は、一連のノズルチャンバを有するインクジェット印字ヘッド装置の製造方法の提供である。この方法は以下のステップから構成される。(a)その上に電子回路層及び埋め込まれたエピタキシャル層を有する初期半導体ウエハを使用する。(b)電子回路層内に、半導体ウエハ内のノズルチャンバと連結するノズルチャンバ孔をエッチングする。(c)ノズルチャンバを満たす第1犠牲層を配置する。(d)ノズルチャンバ孔の上の格子構造物及び前記電気回路層と引き続く層を電気的に接続するビアを有する不動態材料層を配置し、エッチングする。(e)電子回路層と連結された下部電気コイル部分を有する第1導電材料層を配置し、エッチングする(f)第1導電材料層の上に不活性材料層を配置し、エッチングする。不活性材料層は第1導電材料層と後の層を接続する所定のビアを有する。(g)第2犠牲層を配置し、エッチングする。このエッチングは、固定磁石軸、枢軸、一連のバネ、バネ支柱のための型のエッチングを含む。(h)固定磁石軸、枢軸、連結されたシャッタ格子てこアーム及びバネ、バネ支柱を形成するため高飽和磁束材料層を配置し、エッチングする。(i)より下層と後の層を連結する所定のビアを有する第2不活性材料層を、高飽和磁束材料層の上に配置し、エッチングする。(j)第1導電材料層と連結された側部電気コイル部分を有する第二導電材料層を配置し、エッチングする。(k)側部導電材料層と連結された上部電気コイル部分を有する第3導電材料層を配置し、エッチングする。(l)腐食バリアとして上部不活性材料層を配置し、エッチングする。(m)エピタキシャル層までウエハをバックエッチングする。(n)エピタキシャル層にノズル孔をエッチングする。(o)犠牲層をエッチング除去する。 Another aspect of the present invention is the provision of a method for manufacturing an inkjet printhead device having a series of nozzle chambers. This method consists of the following steps. (A) An initial semiconductor wafer having an electronic circuit layer and an embedded epitaxial layer thereon is used. (B) Etching a nozzle chamber hole connected to the nozzle chamber in the semiconductor wafer in the electronic circuit layer. (C) Disposing a first sacrificial layer that fills the nozzle chamber. (D) Disposing and etching a passivating material layer having vias that electrically connect the lattice structure above the nozzle chamber holes and the subsequent electrical circuit layer to the layer. (E) A first conductive material layer having a lower electric coil portion connected to the electronic circuit layer is disposed and etched. (F) An inert material layer is disposed on the first conductive material layer and etched. The inert material layer has a predetermined via that connects the first conductive material layer and the subsequent layer. (G) A second sacrificial layer is disposed and etched. This etch includes a mold etch for a fixed magnet shaft, pivot, series of springs, and spring struts. (H) A high saturation flux material layer is placed and etched to form a fixed magnet shaft, pivot, connected shutter grid lever arms and springs, and spring struts. (I) A second inert material layer having a predetermined via that connects a lower layer and a later layer is disposed on the high saturation magnetic flux material layer and etched. (J) Disposing and etching a second conductive material layer having side electrical coil portions connected to the first conductive material layer. (K) A third conductive material layer having an upper electrical coil portion connected to the side conductive material layer is disposed and etched. (L) An upper inert material layer is placed as a corrosion barrier and etched. (M) Back-etch the wafer up to the epitaxial layer. (N) Etching nozzle holes in the epitaxial layer. (O) Etching away the sacrificial layer.
これらのステップはさらに、シャッタ周囲のシャッタ格子ガードの同時形成も含むことが出来る。 These steps can also include the simultaneous formation of a shutter grid guard around the shutter.
エピタキシャル層は、ステップ(b)でエッチング停止層として利用され、ステップ(b)はウエハの結晶学的エッチングを含むことが出来る。 The epitaxial layer is utilized as an etch stop layer in step (b), and step (b) can include crystallographic etching of the wafer.
導電性層は実質的に銅から構成することが出来、不活性層は実質的にシリコン窒化物から構成することが出来る。 The conductive layer can be substantially composed of copper, and the inactive layer can be substantially composed of silicon nitride.
これらのステップは、ウエハを別々の印字ヘッドに同時に分割するためにも利用されることが好ましい。 These steps are also preferably used to simultaneously divide the wafer into separate print heads.
本発明の更に別の観点は、パルス磁場インクジェット印字ヘッドの製造方法を提供することである。ノズルアレイは、平面的モノリシック配置、リソグラフ及びエッチング工程により基板上に形成される。好ましくは、多数のインクジェットヘッドは、シリコンウエハなどの単一の平坦な基板の上に同時に形成される。 Yet another aspect of the present invention is to provide a method for manufacturing a pulsed magnetic field inkjet printhead. The nozzle array is formed on the substrate by planar monolithic arrangement, lithographic and etching processes. Preferably, multiple inkjet heads are formed simultaneously on a single flat substrate such as a silicon wafer.
印字ヘッドは、標準のVLSI/ULSI工程を用いて形成することが出来、おなじ基板に形成された集積駆動電子回路を有する。該駆動電子回路は、好ましくは、CMOSタイプである。最終的に、インクは基板に対して実質的に直角な方向に射出される。 The printhead can be formed using standard VLSI / ULSI processes and has integrated drive electronics formed on the same substrate. The drive electronic circuit is preferably of the CMOS type. Eventually, the ink is ejected in a direction substantially perpendicular to the substrate.
本発明の更に別の観点は、2枚の板を反転させつつインクを射出する磁場インクジェット印字ヘッドを製造する方法を提供することである。ノズルアレイは、平面的モノリシック配置、リソグラフ及びエッチング工程により基板上に形成される。好ましくは、多数のインクジェットヘッドは、シリコンウエハなどの単一の平坦な基板の上に同時に形成される。 Yet another aspect of the present invention is to provide a method of manufacturing a magnetic field inkjet printhead that ejects ink while inverting two plates. The nozzle array is formed on the substrate by planar monolithic arrangement, lithographic and etching processes. Preferably, multiple inkjet heads are formed simultaneously on a single flat substrate such as a silicon wafer.
印字ヘッドは、標準のVLSI/ULSI工程を用いて形成することが出来、おなじ基板に形成された集積駆動電子回路を有する。該駆動電子回路は、好ましくは、CMOSタイプである。最終的に、インクは基板に対して実質的に直角な方向に射出される。 The printhead can be formed using standard VLSI / ULSI processes and has integrated drive electronics formed on the same substrate. The drive electronic circuit is preferably of the CMOS type. Eventually, the ink is ejected in a direction substantially perpendicular to the substrate.
本発明の更に別の観点は、一連のノズルチャンバを有するインクジェット印字ヘッド装置の製造方法を提供することである。該方法は、以下のステップから構成される。(a)中に電子回路層を有する初期半導体ウエハを使用し、(b)該電子回路層に予め接続された導電材料からなる第1の下部固定コイル層を配置し、エッチングする。(c)該固定コイル層の上に第1の保護層を配置し、エッチングする。(d)電子回路層に予め接続された導電材料からなる第1の可動コイル層を配置し、エッチングする。(e)該可動コイル層の上に第2の保護層を配置し、エッチングする。(f)該第2の可動コイル層の上に犠牲材料層を配置し、エッチングする。(g)該犠牲材料層の上に、不動態材料を配置し、エッチングして、第1及び第2のコイル層の周囲にノズルチャンバを形成する。(h)該ノズルチャンバに接続されたインク供給溝をエッチングする。(i)犠牲材料をエッチング除去する。 Yet another aspect of the present invention is to provide a method of manufacturing an inkjet printhead device having a series of nozzle chambers. The method comprises the following steps. (A) An initial semiconductor wafer having an electronic circuit layer therein is used, and (b) a first lower fixed coil layer made of a conductive material previously connected to the electronic circuit layer is disposed and etched. (C) A first protective layer is disposed on the fixed coil layer and etched. (D) A first movable coil layer made of a conductive material previously connected to the electronic circuit layer is disposed and etched. (E) A second protective layer is disposed on the movable coil layer and etched. (F) A sacrificial material layer is disposed on the second movable coil layer and etched. (G) Disposing a passive material over the sacrificial material layer and etching to form a nozzle chamber around the first and second coil layers. (H) The ink supply groove connected to the nozzle chamber is etched. (I) Etching away the sacrificial material.
該方法は、好ましくは、第1及び第2のコイル層の間に疎水性層形成するステップを有する。 The method preferably includes forming a hydrophobic layer between the first and second coil layers.
第1及び第2のコイル層は、好ましくは、不動態材料層内に形成され、ディュアルダマスカスプロセスを用いて形成される
インク供給溝は、ウエハの裏表面からステップ(h)により、溝をエッチングすることで形成することが出来、このステップ(h)は、好ましくは、ノズルチャンバの少なくとも一つの壁に一連の小さな穴をエッチングすることを含む。
The first and second coil layers are preferably formed in the passive material layer and formed using a dual damascus process. The ink supply groove is formed by step (h) from the back surface of the wafer. This step (h) preferably includes etching a series of small holes in at least one wall of the nozzle chamber.
疎水性層は、実質的にポリテトラフルオロエチレンから構成することが出来る。更に、該方法は、装置の部分上に、腐食バリアを配置し、腐食効果を低減するようにするステップを含む。 The hydrophobic layer can consist essentially of polytetrafluoroethylene. Further, the method includes the step of placing a corrosion barrier on the portion of the device to reduce the corrosion effect.
ウエハは、両面研磨されたCMOSウエハから構成することが出来る。 The wafer can be constructed from a double-side polished CMOS wafer.
該ステップは、好ましくは、同時に該ウエハを分離して、分離された印字ヘッドとすることが出来るステップをも有する。 The step preferably also includes the step of simultaneously separating the wafer into a separated print head.
本発明の更に別の観点は、リニアステッパアクチュエータを用いたインクジェット印字ヘッドの製造方法を提供することであり、そのノズルアレイは、平面的モノリシック配置、リソグラフ及びエッチング工程により基板上に形成される。好ましくは、多数のインクジェットヘッドは、シリコンウエハなどの単一の平坦な基板の上に同時に形成される。 Yet another aspect of the present invention is to provide a method for manufacturing an inkjet printhead using a linear stepper actuator, the nozzle array of which is formed on a substrate by planar monolithic placement, lithographic and etching processes. Preferably, multiple inkjet heads are formed simultaneously on a single flat substrate such as a silicon wafer.
印字ヘッドは、標準のVLSI/ULSI工程を用いて形成することが出来、おなじ基板に形成された集積駆動電子回路を有する。該駆動電子回路は、好ましくは、CMOSタイプである。最終的に、インクは基板に対して実質的に直角な方向に射出される。
本発明の更に別の観点は、一連のノズルチャンバを有するインクジェット印字ヘッド装置の製造方法を提供することである。該方法は、以下のステップから構成される。(a)中に電気回路層を有する初期半導体ウエハを使用し、(b)下部電気コイルの型を形成する第1犠牲層を配置し、エッチングする。(c)該電気回路層に接続された下部電気コイル部を有する第1の導電材料層を配置し、エッチングする。(f)該第1導電材料層の上に不動態材料層を配置し、エッチングする。この不動態材料層は、引き続く層と第1の導電材料層を接続する所定のビアを有する。(g)固定磁気ポール、一連の可動ポール、水平ガイド及びコアプッシャロッドの型をエッチングすることを含んだ形で、第2犠牲層を配置し、エッチングする。(h)固定磁気ポール、一連の可動ポール、水平ガイド及びコアプッシャロッドを形成する高飽和磁束材料を配置し、エッチングする。(i)該高飽和磁束材料層の上に第2の不動態材料層を配置し、エッチングする。この不動態材料層は、引き続く層と第1の導電材料層を接続する所定のビアを有する。(j)第1の導電材料層に接続された側部電気コイル部を有する第2の導電材料層を配置し、エッチングする。(k)該側部導電材料層に接続された上部電気コイル部を有する第3の導電材料層を配置し、エッチングする。(l)疎水性層を配置し、エッチングして、前記コアプッシャロッド周囲にプランジャ素子を形成する。(m)第3の犠牲材料層を配置し、エッチングして、ノズルチャンバの型を形成する。(n)プランジャ素子の周囲にノズルチャンバを形成する不動態材料の第3の層を配置し、エッチングする。(o)インク供給溝をノズルチャンバに向けてエッチングする。(p)犠牲材料層をエッチング除去する。
The printhead can be formed using standard VLSI / ULSI processes and has integrated drive electronics formed on the same substrate. The drive electronic circuit is preferably of the CMOS type. Eventually, the ink is ejected in a direction substantially perpendicular to the substrate.
Yet another aspect of the present invention is to provide a method of manufacturing an inkjet printhead device having a series of nozzle chambers. The method comprises the following steps. (A) An initial semiconductor wafer having an electric circuit layer therein is used, and (b) a first sacrificial layer forming a lower electric coil mold is disposed and etched. (C) A first conductive material layer having a lower electric coil portion connected to the electric circuit layer is disposed and etched. (F) A passive material layer is disposed on the first conductive material layer and etched. The passive material layer has a predetermined via that connects the subsequent layer and the first conductive material layer. (G) Arranging and etching the second sacrificial layer, including etching the mold of the fixed magnetic pole, the series of movable poles, the horizontal guide and the core pusher rod. (H) Arrange and etch highly saturated magnetic flux material that forms a fixed magnetic pole, a series of movable poles, horizontal guides and core pusher rods (I) A second passive material layer is disposed on the highly saturated magnetic flux material layer and etched. The passive material layer has a predetermined via that connects the subsequent layer and the first conductive material layer. (J) A second conductive material layer having a side electrical coil portion connected to the first conductive material layer is disposed and etched. (K) A third conductive material layer having an upper electric coil portion connected to the side conductive material layer is disposed and etched. (L) A hydrophobic layer is disposed and etched to form a plunger element around the core pusher rod. (M) A third sacrificial material layer is placed and etched to form a nozzle chamber mold. (N) Place and etch a third layer of passive material that forms the nozzle chamber around the plunger element. (O) The ink supply groove is etched toward the nozzle chamber. (P) Etching away the sacrificial material layer.
導電層は、実質的に銅から構成することが出来、不動態層は、実質的に窒化シリコンとすることが出来る。疎水性層は、実質的にポリテトラフルオロエチレンから構成することが出来る。ウエハは、両面研磨されたCMOSウエハから構成することが出来る。 The conductive layer can be substantially composed of copper and the passive layer can be substantially silicon nitride. The hydrophobic layer can consist essentially of polytetrafluoroethylene. The wafer can be constructed from a double-side polished CMOS wafer.
該ステップは、好ましくは、同時に該ウエハを分離して、分離された印字ヘッドとするのに利用することも出来る。 This step can preferably be used to simultaneously separate the wafers into separate print heads.
本発明の更に別の観点は、印字ヘッドの製造方法を提供することであり、そのノズルアレイは、平面的モノリシック配置、リソグラフ及びエッチング工程により基板上に形成される。好ましくは、多数のインクジェットヘッドは、シリコンウエハなどの単一の平坦な基板の上に同時に形成される。 Yet another aspect of the present invention is to provide a method for manufacturing a print head, the nozzle array of which is formed on a substrate by a planar monolithic arrangement, lithographic and etching processes. Preferably, multiple inkjet heads are formed simultaneously on a single flat substrate such as a silicon wafer.
印字ヘッドは、標準のVLSI/ULSI工程を用いて形成することが出来、おなじ基板に形成された集積駆動電子回路を有する。該駆動電子回路は、好ましくは、CMOSタイプである。最終的に、インクは基板に対して実質的に直角な方向に射出される。 The printhead can be formed using standard VLSI / ULSI processes and has integrated drive electronics formed on the same substrate. The drive electronic circuit is preferably of the CMOS type. Eventually, the ink is ejected in a direction substantially perpendicular to the substrate.
本発明の更に別の観点は、テーパ状磁気ポール電磁石型インクジェット印字ヘッドの製造方法を提供することであり、そのノズルアレイは、平面的モノリシック配置、リソグラフ及びエッチング工程により基板上に形成される。好ましくは、多数のインクジェットヘッドは、シリコンウエハなどの単一の平坦な基板の上に同時に形成される。 Yet another aspect of the present invention is to provide a method of manufacturing a tapered magnetic pole electromagnet ink jet print head, the nozzle array of which is formed on a substrate by planar monolithic placement, lithographic and etching processes. Preferably, multiple inkjet heads are formed simultaneously on a single flat substrate such as a silicon wafer.
印字ヘッドは、標準のVLSI/ULSI工程を用いて形成することが出来、おなじ基板に形成された集積駆動電子回路を有する。該駆動電子回路は、好ましくは、CMOSタイプである。最終的に、インクは基板に対して実質的に直角な方向に射出される。 The printhead can be formed using standard VLSI / ULSI processes and has integrated drive electronics formed on the same substrate. The drive electronic circuit is preferably of the CMOS type. Eventually, the ink is ejected in a direction substantially perpendicular to the substrate.
本発明の更に別の観点は、一連のノズルチャンバを有するインクジェット印字ヘッド装置の製造方法を提供することである。該方法は、以下のステップから構成される。(a)電気回路層及び埋め込まれたエピタキシャル層がその上に形成された初期半導体ウエハを使用する。(b)ウエハ内にノズルチャンバの窪みをエッチングする、エッチングは実質的にエピタキシャル層で停止させる。(c)ノズルチャンバの窪みを第1の犠牲材料層で埋める。(d)第1の電気回路層の上に高飽和磁束密度を有する第1の層を配置し、エッチングして、第1の磁気プレートを規定する。(e)該第1層と電気回路層の上に絶縁層を配置し、エッチングする。該エッチングは、引き続く層に対するビアのエッチングを含む。(f)第1の層に導電的に接続された導電コイルの形に、絶縁層上に導電層を配置し、エッチングする。(g)第1の磁気プレート及びコイルの領域に犠牲材料層を配置し、エッチングする。(h)高飽和磁束密度を有する第2層を配置し、エッチングして、ノズルチャンバ上を環で囲む第2の磁気プレートを形成する。(i)磁気プレートと環を弾性的に連結する不動態材料層を配置し、エッチングする。(j)ウエハの背部をエピタキシャル層までエッチングする。(k)エピタキシャル層を介してノズルチャンバの窪みに接続するインク排出ノズルをエッチングする。(k)残っている犠牲材料層をエッチング除去する。 Yet another aspect of the present invention is to provide a method of manufacturing an inkjet printhead device having a series of nozzle chambers. The method comprises the following steps. (A) An initial semiconductor wafer having an electric circuit layer and a buried epitaxial layer formed thereon is used. (B) Etching a recess in the nozzle chamber into the wafer, the etching is substantially stopped at the epitaxial layer. (C) Fill the recess in the nozzle chamber with the first sacrificial material layer. (D) A first layer having a high saturation magnetic flux density is disposed on the first electric circuit layer and etched to define a first magnetic plate. (E) An insulating layer is disposed on the first layer and the electric circuit layer and etched. The etching includes via etching for subsequent layers. (F) A conductive layer is placed on the insulating layer in the form of a conductive coil conductively connected to the first layer and etched. (G) A sacrificial material layer is placed in the region of the first magnetic plate and coil and etched. (H) A second layer having a high saturation magnetic flux density is disposed and etched to form a second magnetic plate surrounding the nozzle chamber with a ring. (I) A passive material layer that elastically connects the magnetic plate and the ring is disposed and etched. (J) Etch the wafer back to the epitaxial layer. (K) Etch the ink discharge nozzle connected to the recess in the nozzle chamber through the epitaxial layer. (K) Etching away the remaining sacrificial material layer.
導電層は、実質的に銅から構成することが出来る。磁気磁束材料は実質的に、コバルトニッケル鉄合金から構成することが出来、不動態材料は、窒化シリコンから構成することができる。 The conductive layer can be substantially composed of copper. The magnetic flux material can be substantially composed of a cobalt nickel iron alloy and the passive material can be composed of silicon nitride.
本方法は、装置の部分の上に腐食バリアを配置するステップを有することが出来、腐食の影響を減少させる。 The method can include placing a corrosion barrier over the portion of the device, reducing the effects of corrosion.
層のエッチングは、好ましくは、ビアのエッチングを含み、引き続く層部分との電気的な接続を許容する。 Layer etching preferably includes via etching to allow subsequent electrical connection with the layer portion.
第2の磁石プレートは、好ましくは、ノズルチャンバに隣接するテーパ部を揺する。 The second magnet plate preferably rocks the taper adjacent to the nozzle chamber.
ステップは、好ましくは、同時に該ウエハを分離して、分離された印字ヘッドとするのに利用することも出来る。 The step can preferably be used to simultaneously separate the wafers into separate print heads.
本発明の更に別の観点は、リニアバネ電磁石格子を用いたインクジェット印字ヘッドの製造方法を提供することであり、そのノズルアレイは、平面的モノリシック配置、リソグラフ及びエッチング工程により基板上に形成される。好ましくは、多数のインクジェットヘッドは、シリコンウエハなどの単一の平坦な基板の上に同時に形成される。 Yet another aspect of the present invention is to provide a method of manufacturing an inkjet printhead using a linear spring electromagnet grid, the nozzle array being formed on a substrate by planar monolithic placement, lithographic and etching processes. Preferably, multiple inkjet heads are formed simultaneously on a single flat substrate such as a silicon wafer.
印字ヘッドは、標準のVLSI/ULSI工程を用いて形成することが出来、おなじ基板に形成された集積駆動電子回路を有する。該駆動電子回路は、好ましくは、CMOSタイプである。最終的に、インクは基板に対して実質的に直角な方向に射出される。 The printhead can be formed using standard VLSI / ULSI processes and has integrated drive electronics formed on the same substrate. The drive electronic circuit is preferably of the CMOS type. Eventually, the ink is ejected in a direction substantially perpendicular to the substrate.
本発明の更に別の観点は、一連のノズルチャンバを有するインクジェット印字ヘッド装置の製造方法を提供することである。該方法は、以下のステップから構成される。(a)中に電気回路層を有する初期半導体ウエハを使用する。その上に埋め込みエピタキシャル層が形成される。(b)半導体ウエハの中のノズルチャンバと接続されたノズルチャンバアパチャーを電気回路層にエッチングする。(c)第1の犠牲層を該ノズルチャンバを充填して配置する。(d)不動態材料層を配置し、エッチングする。この不動態材料層はノズルチャンバアパチャー上の格子構造及び電気回路層と引き続く層の間の電気的接続のためのビアを含む。(e)電気回路層に接続された一連の下部電気コイル部を有する、第1の導電材料層を配置し、エッチングする。(f)第1の導電材料層の上に不動態材料層を配置し、エッチングする。この不動態材料層は、引き続く層と第1の導電材料層を接続する所定のビアを有する。(g)第2の犠牲材料層を配置し、エッチングする。このエッチングには、ソレノイド、固定磁気ポール、リニアばねアンカの型をエッチングすることを含む。(h)高飽和磁束材料層を配置し、エッチングして、一連の固定磁気ポール、リニアばね、リニアばねアンカ、及び接続シャッタ格子を形成する。(i)下層と引き続く層とを接続する所定のビアを有する第2の不動態材料層を高飽和磁束材料層上に配置し、エッチングする。(j)第1の導電材料層に接続された一連の固定磁気ポールを取り囲む、側部電磁コイル部を有する第2導電材料層を配置し、エッチングする。(k)側部導電材料層に接続された上部電気コイル部を有する、第3の導電材料層を配置し、エッチングする。(l)腐食バリアとして上部不動態材料層を配置し、エッチングする。(m)ウエハをエピタキシャル層までバックエッチングする。(n)エピタキシャル層にノズルアパチャーをエッチングする。(o)犠牲層をエッチング除去する。 Yet another aspect of the present invention is to provide a method of manufacturing an inkjet printhead device having a series of nozzle chambers. The method comprises the following steps. (A) An initial semiconductor wafer having an electric circuit layer therein is used. A buried epitaxial layer is formed thereon. (B) The nozzle chamber aperture connected to the nozzle chamber in the semiconductor wafer is etched into the electric circuit layer. (C) A first sacrificial layer is disposed to fill the nozzle chamber. (D) A passive material layer is placed and etched. This passive material layer includes a grid structure on the nozzle chamber aperture and vias for electrical connection between the electrical circuit layer and subsequent layers. (E) A first conductive material layer having a series of lower electrical coil portions connected to the electrical circuit layer is disposed and etched. (F) A passive material layer is disposed on the first conductive material layer and etched. The passive material layer has a predetermined via that connects the subsequent layer and the first conductive material layer. (G) Disposing and etching a second sacrificial material layer. This etching includes etching molds of solenoids, fixed magnetic poles, and linear spring anchors. (H) A highly saturated magnetic flux material layer is placed and etched to form a series of fixed magnetic poles, linear springs, linear spring anchors, and connecting shutter gratings. (I) A second passive material layer having a predetermined via that connects the lower layer and the subsequent layer is disposed on the highly saturated magnetic flux material layer and etched. (J) Disposing and etching a second conductive material layer having side electromagnetic coil portions surrounding a series of fixed magnetic poles connected to the first conductive material layer. (K) A third conductive material layer having an upper electrical coil portion connected to the side conductive material layer is disposed and etched. (L) Place and etch the upper passivation material layer as a corrosion barrier. (M) Back-etch the wafer to the epitaxial layer. (N) Etch the nozzle aperture in the epitaxial layer. (O) Etching away the sacrificial layer.
エピタキシャル層は、ウエハの結晶学的エッチングを構成するステップ(b)のエッチングストップとして利用することが出来る。 The epitaxial layer can be used as an etch stop in step (b) which constitutes the crystallographic etching of the wafer.
高飽和磁束材料は実質的に、コバルトニッケル鉄合金から構成することが出来、導電層は、実質的に窒化シリコンからなる不動態層を有する銅から構成することができる。 The high saturation flux material can be substantially composed of a cobalt nickel iron alloy, and the conductive layer can be composed of copper having a passive layer substantially composed of silicon nitride.
ステップは、好ましくは、同時に該ウエハを分離して、分離された印字ヘッドとするのに利用することも出来る。 The step can preferably be used to simultaneously separate the wafers into separate print heads.
本発明の更に別の観点は、ローレンツダイアフラム電磁型インクジェット印字ヘッドの製造方法を提供することであり、そのノズルアレイは、平面的モノリシック配置、リソグラフ及びエッチング工程により基板上に形成される。好ましくは、多数のインクジェットヘッドは、シリコンウエハなどの単一の平坦な基板の上に同時に形成される。 Yet another aspect of the present invention is to provide a method for manufacturing a Lorenz diaphragm electromagnetic ink jet print head, the nozzle array of which is formed on a substrate by planar monolithic placement, lithographic and etching processes. Preferably, multiple inkjet heads are formed simultaneously on a single flat substrate such as a silicon wafer.
印字ヘッドは、標準のVLSI/ULSI工程を用いて形成することが出来、おなじ基板に形成された集積駆動電子回路を有する。該駆動電子回路は、好ましくは、CMOSタイプである。最終的に、インクは基板に対して実質的に直角な方向に射出される。 The printhead can be formed using standard VLSI / ULSI processes and has integrated drive electronics formed on the same substrate. The drive electronic circuit is preferably of the CMOS type. Eventually, the ink is ejected in a direction substantially perpendicular to the substrate.
本発明の更に別の観点は、一連のノズルチャンバを有するインクジェット印字ヘッド装置の製造方法を提供することである。該方法は、以下のステップから構成される。(a)電気回路層及び埋め込まれたエピタキシャル層がその上に形成された初期半導体ウエハを使用する。(b)ウエハ内にノズルチャンバの窪みをエッチングする。エッチングは実質的にエピタキシャル層で停止させる。(c)ノズルチャンバの窪みを埋める形で第1の犠牲材料層を配置し、エッチングする。エッチングは、ノズルチャンバの窪みの上の、犠牲層内に伸縮する一連のうねをエッチングすることを含む。(d)伸縮する畝の上に第1の不動態材料層を配置し、エッチングする。該第1の不動態材料層は、その表面に一連の伸縮する畝を残す。(e)該第1の不動態材料層の一連の畝の上に、第1の導電材料層を配置し、エッチングして、ノズルの窪みの上に伸縮する一連のワイヤ部を有するコイル層を形成する。(d)第1の導電材料層の上に、第2の不動態材料層を配置し、エッチングする。第1及び第2の不動態材料層は、その表面に一連の伸縮する畝を残している。(e)ウエハの背部をエピタキシャル層までエッチングする。(f)エピタキシャル層を介してノズルチャンバの窪みに接続するインク排出ノズルをエッチングする。(g)残っている犠牲材料層をエッチング除去する。 Yet another aspect of the present invention is to provide a method of manufacturing an inkjet printhead device having a series of nozzle chambers. The method comprises the following steps. (A) An initial semiconductor wafer having an electric circuit layer and a buried epitaxial layer formed thereon is used. (B) Etching a recess in the nozzle chamber into the wafer. Etching is substantially stopped at the epitaxial layer. (C) A first sacrificial material layer is disposed and etched to fill the recess in the nozzle chamber. Etching involves etching a series of ridges that stretch into the sacrificial layer above the recesses in the nozzle chamber. (D) A first passivating material layer is placed on the expanding and contracting ridge and etched. The first passive material layer leaves a series of stretchable wrinkles on its surface. (E) A coil layer having a series of wire portions that are placed on and etched from a series of ridges on the first passivating material layer and that are stretched over a nozzle recess. Form. (D) A second passive material layer is disposed on the first conductive material layer and etched. The first and second passivating material layers leave a series of stretchable wrinkles on their surfaces. (E) Etch the back of the wafer to the epitaxial layer. (F) Etch the ink discharge nozzle connected to the recess in the nozzle chamber via the epitaxial layer. (G) Etching away the remaining sacrificial material layer.
不動態材料層は、実質的に窒化シリコンから構成することができ、導電層は、実質的に銅から構成することが出来る。 The passive material layer can consist essentially of silicon nitride, and the conductive layer can consist essentially of copper.
層のエッチングは、好ましくは、ビアのエッチングを含み、引き続く層の部分への電気的な接続を許容する。 Layer etching preferably includes via etching to allow subsequent electrical connection to portions of the layer.
ステップは、好ましくは、同時に該ウエハを分離して、分離された印字ヘッドとするのに利用することも出来る。 The step can preferably be used to simultaneously separate the wafers into separate print heads.
本発明の更に別の観点は、振動する圧力を開閉するPTFE表面射出型インクジェット印字ヘッドの製造方法を提供することであり、そのノズルアレイは、平面的モノリシック配置、リソグラフ及びエッチング工程により基板上に形成される。好ましくは、多数のインクジェットヘッドは、シリコンウエハなどの単一の平坦な基板の上に同時に形成される。 Yet another aspect of the present invention is to provide a method of manufacturing a PTFE surface injection ink jet print head that opens and closes oscillating pressure, and the nozzle array is formed on a substrate by a planar monolithic arrangement, lithographic and etching processes. It is formed. Preferably, multiple inkjet heads are formed simultaneously on a single flat substrate such as a silicon wafer.
印字ヘッドは、標準のVLSI/ULSI工程を用いて形成することが出来、おなじ基板に形成された集積駆動電子回路を有する。該駆動電子回路は、好ましくは、CMOSタイプである。最終的に、インクは基板に対して実質的に直角な方向に射出される。 The printhead can be formed using standard VLSI / ULSI processes and has integrated drive electronics formed on the same substrate. The drive electronic circuit is preferably of the CMOS type. Eventually, the ink is ejected in a direction substantially perpendicular to the substrate.
本発明の更に別の観点は、一連のノズルチャンバを有するインクジェット印字ヘッド装置の製造方法を提供することである。該方法は、以下のステップから構成される。(a)その上に形成された電気回路層を有する初期半導体ウエハを使用する。(b)電気回路層にノズル入口穴をエッチングする。(c)電気回路層上に第1の犠牲材料層を配置し、エッチングする。犠牲材料層の配置には、ノズル入口穴を充填することも含む。エッチングは、第1の犠牲材料層内のアンカーアクチュエータ領域をエッチングすることを含む。(d)高熱膨張率を有する材料からなる、第1の膨脹材料層を配置し、エッチングする。エッチングは、第1の膨脹材料層内の所定のビアのエッチングも含む。(e)該第1の膨脹材料層の上に、第1の導電材料層を配置し、エッチングする。該第1の導電材料層は、電気回路層にビアを介して導電的に接続される。(f)高熱膨張率を有する材料からなる、第2の膨脹材料層を配置し、エッチングする。このエッチングは、第1及び第2の膨脹材料層の組み合わせによる可動パドル素子及び第1の導電層の形成を含む。(g)第2の犠牲材料層を配置し、エッチングする。エッチングはノズルチャンバの型の形成も含む。(h)犠牲材料層の上に不動態材料層配置し、エッチングして、可動パドルの周囲にノズルチャンバを形成する。エッチングは、不動態材料層内のノズル排出アパチャーをエッチングすることを含む。(i)ウエハを介してインク供給溝をエッチングする。(j)犠牲材料層をエッチング除去する。 Yet another aspect of the present invention is to provide a method of manufacturing an inkjet printhead device having a series of nozzle chambers. The method comprises the following steps. (A) An initial semiconductor wafer having an electric circuit layer formed thereon is used. (B) The nozzle inlet hole is etched in the electric circuit layer. (C) A first sacrificial material layer is disposed on the electrical circuit layer and etched. Arrangement of the sacrificial material layer also includes filling the nozzle inlet holes. Etching includes etching an anchor actuator region in the first sacrificial material layer. (D) A first expansion material layer made of a material having a high coefficient of thermal expansion is disposed and etched. Etching also includes etching certain vias in the first expansion material layer. (E) A first conductive material layer is disposed on the first expansion material layer and etched. The first conductive material layer is conductively connected to the electric circuit layer through a via. (F) A second expansion material layer made of a material having a high coefficient of thermal expansion is disposed and etched. This etching includes the formation of a movable paddle element and a first conductive layer by a combination of first and second expansion material layers. (G) Disposing and etching a second sacrificial material layer. Etching also includes forming a nozzle chamber mold. (H) A passive material layer is placed over the sacrificial material layer and etched to form a nozzle chamber around the movable paddle. Etching includes etching the nozzle exhaust aperture in the passive material layer. (I) The ink supply groove is etched through the wafer. (J) Etching away the sacrificial material layer.
ステップ(h)は、好ましくは、不動態材料層に一連の小孔をエッチングすることを含む。 Step (h) preferably includes etching a series of small holes in the passive material layer.
第1及び第2の膨張材料層は実質的にポリテトラフルオロエチレンから構成することが出来、不動態材料層は、実質的に窒化シリコンから構成することができる。 The first and second intumescent material layers can be substantially composed of polytetrafluoroethylene, and the passive material layer can be substantially composed of silicon nitride.
インク供給溝は、両面研磨CMOSウエハを構成するウエハの裏表面から溝をエッチングすることにより形成することが出来る。 The ink supply groove can be formed by etching the groove from the back surface of the wafer constituting the double-side polished CMOS wafer.
ステップは、好ましくは、同時に該ウエハを分離して、分離された印字ヘッドとするのに利用することも出来る。 The step can preferably be used to simultaneously separate the wafers into separate print heads.
本発明の更に別の観点は、磁歪型インクジェット印字ヘッドの製造方法を提供することであり、そのノズルアレイは、平面的モノリシック配置、リソグラフ及びエッチング工程により基板上に形成される。好ましくは、多数のインクジェットヘッドは、シリコンウエハなどの単一の平坦な基板の上に同時に形成される。 Yet another aspect of the present invention is to provide a method for manufacturing a magnetostrictive inkjet printhead, the nozzle array of which is formed on a substrate by a planar monolithic arrangement, lithographic and etching processes. Preferably, multiple inkjet heads are formed simultaneously on a single flat substrate such as a silicon wafer.
印字ヘッドは、標準のVLSI/ULSI工程を用いて形成することが出来、おなじ基板に形成された集積駆動電子回路を有する。該駆動電子回路は、好ましくは、CMOSタイプである。最終的に、インクは基板に対して実質的に直角な方向に射出される。 The printhead can be formed using standard VLSI / ULSI processes and has integrated drive electronics formed on the same substrate. The drive electronic circuit is preferably of the CMOS type. Eventually, the ink is ejected in a direction substantially perpendicular to the substrate.
本発明の更に別の観点は、形状記憶合金型印字ヘッドの製造方法を提供することであり、そのノズルアレイは、平面的モノリシック配置、リソグラフ及びエッチング工程により基板上に形成される。好ましくは、多数のインクジェットヘッドは、シリコンウエハなどの単一の平坦な基板の上に同時に形成される。 Yet another aspect of the present invention is to provide a method of manufacturing a shape memory alloy type print head, the nozzle array of which is formed on a substrate by a planar monolithic arrangement, lithographic and etching processes. Preferably, multiple inkjet heads are formed simultaneously on a single flat substrate such as a silicon wafer.
印字ヘッドは、標準のVLSI/ULSI工程を用いて形成することが出来、おなじ基板に形成された集積駆動電子回路を有する。該駆動電子回路は、好ましくは、CMOSタイプである。最終的に、インクは基板に対して実質的に直角な方向に射出される。 The printhead can be formed using standard VLSI / ULSI processes and has integrated drive electronics formed on the same substrate. The drive electronic circuit is preferably of the CMOS type. Eventually, the ink is ejected in a direction substantially perpendicular to the substrate.
本発明の更に別の観点は、一連のノズルチャンバを有するインクジェット印字ヘッド装置の製造方法を提供することである。該方法は、以下のステップから構成される。(a)その上に埋め込みエピタキシャル層及び電気回路層を有する初期半導体ウエハを使用する。(b)ウエハ内にノズルチャンバをエッチングし、電気回路層をエッチングする。(c)ノズルチャンバを満たす形で犠牲材料層を配置し、エッチングする。(d)形状記憶合金の層を配置し、エッチングして、電気回路層に取り付けられた導電性パドル構造物をノズルチャンバ上に形成する。(e)半導体ウエハをエピタキシャル層までバックエッチングする。(f)エピタキシャル層をエッチングして、ノズルチャンバに接続されたノズル排出穴を規定する。(g)犠牲層をエッチング除去する。 Yet another aspect of the present invention is to provide a method of manufacturing an inkjet printhead device having a series of nozzle chambers. The method comprises the following steps. (A) An initial semiconductor wafer having a buried epitaxial layer and an electric circuit layer thereon is used. (B) The nozzle chamber is etched in the wafer, and the electric circuit layer is etched. (C) A sacrificial material layer is placed and etched to fill the nozzle chamber. (D) A layer of shape memory alloy is placed and etched to form a conductive paddle structure attached to the electrical circuit layer on the nozzle chamber. (E) Back-etching the semiconductor wafer to the epitaxial layer. (F) Etch the epitaxial layer to define nozzle discharge holes connected to the nozzle chamber. (G) Etching away the sacrificial layer.
エピタキシャル層は、ウエハの結晶学的エッチングを構成するステップ(b)のエッチングストップとして利用することが出来る。形状記憶合金は、実質的にニチノルで構成することが出来る。 The epitaxial layer can be used as an etch stop in step (b) which constitutes the crystallographic etching of the wafer. The shape memory alloy can be substantially composed of nitinol.
ステップは、好ましくは、同時に該ウエハを分離して、分離された印字ヘッドとするのに利用することも出来る。 The step can preferably be used to simultaneously separate the wafers into separate print heads.
本発明の更に別の観点は、コイル駆動磁気プレート型インクジェット印字ヘッドの製造方法を提供することであり、そのノズルアレイは、平面的モノリシック配置、リソグラフ及びエッチング工程により基板上に形成される。 Yet another aspect of the present invention is to provide a method for manufacturing a coil driven magnetic plate ink jet print head, the nozzle array of which is formed on a substrate by planar monolithic placement, lithographic and etching processes.
好ましくは、多数のインクジェットヘッドは、単一の平坦な基板の上に同時に形成される。基板は、シリコンウエハとすることができる。 Preferably, the multiple inkjet heads are formed simultaneously on a single flat substrate. The substrate can be a silicon wafer.
印字ヘッドは、標準のVLSI/ULSI工程を用いて形成することが出来、おなじ基板に形成された集積駆動電子回路を有する。集積駆動電子回路は、CMOSタイプである。 The printhead can be formed using standard VLSI / ULSI processes and has integrated drive electronics formed on the same substrate. The integrated drive electronic circuit is of the CMOS type.
最終的に、インクは基板に対して実質的に直角な方向に射出される。 Eventually, the ink is ejected in a direction substantially perpendicular to the substrate.
本発明の更に別の観点は、一連のノズルチャンバを有するインクジェット印字ヘッド装置の製造方法を提供することである。該方法は、以下のステップから構成される。(a)その上に電気回路層が形成された初期半導体ウエハを使用する。(b)少なくとも回路層に一連のスロットをエッチングして、ノズルの窪みの入口を規定する。(c)電気回路層上に第1の磁束材料層を配置し、エッチングして、第1の磁気プレートを規定する。(d)電気回路層と第1の層上に絶縁層を配置し、エッチングする。このエッチングは、引き続く導電層に対するビアをエッチングすることを含む。(e)電気回路層に導電的に接続された導電コイルを形成するために導電層を配置し、エッチングする。(f)導電コイルの領域内に疎水性材料層を配置し、エッチングする。(g)コイルと第1の磁気プレートの領域に犠牲材料層を配置し、エッチングする。(h)犠牲材料の上に磁束材料の第2の層を配置し、エッチングして、該導電コイルを実質的に包む。(i)犠牲材料をエッチング除去する。(j)ウエハを介してインク供給溝をエッチングし、ノズルチャンバへの流体の連通を形成する。 Yet another aspect of the present invention is to provide a method of manufacturing an inkjet printhead device having a series of nozzle chambers. The method comprises the following steps. (A) An initial semiconductor wafer having an electric circuit layer formed thereon is used. (B) Etch a series of slots in at least the circuit layer to define the inlet of the nozzle recess. (C) A first magnetic flux material layer is disposed on the electrical circuit layer and etched to define a first magnetic plate. (D) An insulating layer is disposed on the electrical circuit layer and the first layer and etched. This etching includes etching vias for subsequent conductive layers. (E) A conductive layer is disposed and etched to form a conductive coil conductively connected to the electrical circuit layer. (F) A hydrophobic material layer is placed in the region of the conductive coil and etched. (G) A sacrificial material layer is disposed in the region of the coil and the first magnetic plate and etched. (H) A second layer of magnetic flux material is placed over the sacrificial material and etched to substantially enclose the conductive coil. (I) Etching away the sacrificial material. (J) Etch the ink supply channel through the wafer to form fluid communication to the nozzle chamber.
ステップ(g)は、更に一連のバネポストを規定する窪みをエッチングすることが出来、ステップ(h)は、好ましくは、第1の方向に磁気プレートを弾性的に曲げるために第1の磁気ポプレートに接続された一連の板バネを形成することを含む。導電層は、実質的に銅である。ステップ(j)は、ウエハの後表面からのウエハの貫通エッチングを含む。 Step (g) can further etch the depressions defining the series of spring posts, and step (h) preferably includes the step of forming the first magnetic pop plate to elastically bend the magnetic plate in the first direction. Forming a series of connected leaf springs. The conductive layer is substantially copper. Step (j) includes through-etching the wafer from the back surface of the wafer.
本方法は、更に、装置部分の上に腐食バリを配置して腐食効果を減少させるステップを含むことが出来、層のエッチングは、好ましくは、ビアを介してエッチングを行い、引き続く層の部分との電気的な接続を計るステップを含むことが出来る。 The method can further include the step of disposing a corrosion burr on the device portion to reduce the corrosion effect, wherein the etching of the layer is preferably performed via the via, The step of measuring the electrical connection can be included.
磁束材料は実質的に、コバルトニッケル鉄合金から構成することが出来、ウエハは、両面研磨されたCMOSウエハから構成することが出来る。 The magnetic flux material can be substantially composed of a cobalt nickel iron alloy, and the wafer can be composed of a double-side polished CMOS wafer.
ステップは、好ましくは、同時に該ウエハを分離して、分離された印字ヘッドとするのに利用することも出来る。 The step can preferably be used to simultaneously separate the wafers into separate print heads.
好ましい実施例及び他の実施例の説明
好ましい実施例及び、その他の実施例をここで説明する。この説明では、参照しやすいように、IJ番号を含む見出しを付け、それぞれの見出しの下で説明する。また、見出しには、熱タイプT、シャッタタイプS、電場タイプFを有する、形式表示が入っている。
Description of preferred and other embodiments Preferred and other embodiments will now be described. In this description, for easy reference, a heading including an IJ number is attached and explained under each heading. The heading also includes a format indication having a thermal type T, a shutter type S, and an electric field type F.
IJ01の説明:F
図1は、本発明の方針に従った、単一のインクジェットノズル4の構成を説明するための、分解斜視図である。
Explanation of IJ01: F
FIG. 1 is an exploded perspective view for explaining the configuration of a
ノズル4は、電気−機械エネルギ変換の原則に従って作動し、該ノズル4は、第1端部12において、磁気プレート13に電気的に連結したソレノイド11から構成されており、該磁気プレート13は、インクノズル4を作動させるために使用する電源、例えば14に連結されている。磁気プレート13は、導電性の鉄から構成することが出来る。
The
また、軟磁鉄で構成された、第2磁気プランジャ15が設けられている。ソレノイド11にエネルギを与えると、プランジャ15が固定した磁気プレート13に引き寄せられる。これにより、プランジャは、ノズルチャンバ17内に高圧領域を形成する形で、ノズル4内にあるインクを押す。これにより、ノズルチャンバ17内でインクが移動する。第1の設計では、これに続いてインクが射出される。一連の開口部、例えば、20が設けられているため、ソレノイド11の領域内にあるインクは、下にあるプレート13に対して移動するにつれて、開口部20からプランジャ15の上部内に噴出する。これにより、ソレノイド11の領域内に閉じこめられたインクが、プランジャ15に作用する圧力を増加させて、該プランジャ15を移動させるに必要な磁力を増やしてしまうことを防いでいる。
Moreover, the 2nd
図2は、プランジャ電流制御信号のタイミング30を示している。まず最初に、プランジャを移動させ、インクノズルからインクを射出させるために、ソレノイド電流を作動させる。約2マイクロ秒後、ソレノイドに対する電流を止める。それと同時に、又は、それより僅かに後の時間32で、順電流の約半分の大きさの逆電流を加える。プランジャは、残留磁気を有しているため、逆電流32により、プランジャは本来の位置とは反対方向に移動する。一連のトーションばね22、23(図1)も、プランジャが本来の位置に戻るのを助けている。プランジャの磁性が逆戻りして、プランジャが再び固定プレートに引き寄せられることになる前に、逆電流を止める。
FIG. 2 shows the
図1に戻って言及するが、プランジャを休止位置に無理に戻すと、チャンバ17内は低い圧力となる。これにより、インクを出口ノズル24から内方に向けて流し、かつ、空気をチャンバ17内に吸い込むことが出来る。チャンバ17内のインクの滴が前に進む速度と、インクが後に戻る速度により、ノズル24の周囲でインク滴の分離が生じる。すると、インク滴が、インク自体の勢いで、記録媒体の方に進む。ノズルは、ノズルチップ24において、インクの表面張力により再び満ちる。インク滴の分離後の僅か後に、ノズルチップには、略凹状の半球状の表面を持つ形で、メニスカスが形成される。表面張力により、インクは前方への力を発揮し、これによりノズルにインクが補充される。それ故、ノズルの反復速度は、主に、機械の結合構造、インクの表面張力、射出した滴の量によって変わる、100マイクロ秒にもなるノズル充填時間によって決まる。
Referring back to FIG. 1, if the plunger is forcibly returned to the rest position, the pressure in the
更に、図3に言及するが、ここで、電磁気駆動のプリントノズルの作用に関する重要な点を説明する。電流をコイル11に流すと、プレート15は、強くプレート13に引き寄せられるようになる。プレートは、下向きの力を受け、プレート13の方へ移動し始める。この動きは、ノズルチャンバ17内のインクに、勢いを与える。これに続いて、インクが前述したように射出される。残念ながら、プレート15の動きにより、プレート15とコイル11の間の領域64内で圧力が増大する。この増大は、通常、インクを射出させる際、プレートの有効性を減少させてしまう。
Still referring to FIG. 3, the important points regarding the operation of the electromagnetically driven print nozzle will now be described. When a current is passed through the
しかしながら、第1の設計では、プレート15には一連の開口部、例えば20が形成されていることが好ましく、これにより、インクが領域64から、インクチャンバ内に戻るように流れることで、領域64内の圧力を減少させることが出来る。これにより、プレート15の作用の有効性は向上する。
However, in the first design, the
開口部20は、プランジャの放射方向の距離が増すにつれて、直径が大きくなる涙の形をしていると好ましい。開口部の輪郭により、プランジャの構造上の完全性を維持しながら、該プランジャ内の磁束の乱れを最小限に留めることが出来る。 The opening 20 is preferably in the form of a tear that increases in diameter as the radial distance of the plunger increases. The contour of the opening can minimize magnetic flux disturbances within the plunger while maintaining the structural integrity of the plunger.
プランジャ15がその端部位置に到達した後、コイル11にかけた電流は逆戻りし、2つのプレート13、15は反発する。更に、トーションばね、例えば23が、プレート15を最初の位置に戻すように作用する。
After the
トーションばね、例えば23を使用すると、実質的な利点が沢山ある。即ち、コンパクトな設計が可能であり、トーションばねを、プレート15と同一の素材を用いて、同一の加工工程で構成することが可能であること等である。
There are many substantial advantages to using a torsion spring, eg 23. That is, a compact design is possible, and the torsion spring can be configured in the same processing step using the same material as the
別の設計では、プレート15の上面には、一連の開口部が形成されていない。それよりはむしろ、プレート15の内部半径方向面は、ノズルチャンバ17と領域64の間、及びプレート15とソレノイド11間において液体が連絡するための、実質的に一定な横断面形状を有する複数の穴を形成する。コイル11を作動すると、プレート15は磁気プレートに引き寄せられると共に、プレート13に対して向けられた力を受ける。この動きの結果、領域64内の流体は、加圧され、該領域周囲に比べて、比較的高い圧力を受ける。この結果、プレート15の内部半径方向面25内の複数の穴から、ノズルチャンバ17内に流体が流れる。プレート15の動きに加えて、チャンバ17内に流れてきた流体により、インクノズル口24からインクが射出する。そしてまた、プレート15が移動することにより、トーションばね、例えば23が弾性的に変形する。プレートの動きが終わると、コイル11は不活発になり、僅かな逆電流が流れる。この逆電流により、プレート15は、磁気プレート13から遠ざかるように作用する。ここで、トーションばね、例えば23は、プレート15を、初期位置又は休止位置に戻す追加的な手段として機能する。
In another design, the top surface of the
製作
再び図1に戻って説明すると、ノズルの開口部は、ホウ素を添加したシリコンから構成することが出来る、開口24を有するノズルチップ40等の、次に示す主要な部分から構成されている。ノズルチップの開口24の半径は、滴下速度並びに滴下の大きさを左右する重要な決め手となる。
Fabrication Returning to FIG. 1 again, the nozzle opening is composed of the following major parts, such as a
次に、CMOSシリコン層42が設けられており、該層上には、あらゆるデータの記録装置及び駆動回路41が組み立てられている。この層内には、ノズルチャンバも構成されている。ノズルチャンバ17は、チャンバ壁からの粘性抵抗により、プランジャに必要とされる駆動力を大きく増加させないような十分な幅を有していることが必要である。加えて、ノズルチャンバ17は、プランジャが休止状態に戻った時に、ノズル口24を介して吸い込まれた空気が、プランジャ装置に届かないような十分な深さを有している必要がある。ノズルチャンバ17がこれを満足していれば、ノズル内へのインク補充が適切に行えなくなる、吸い込まれた気泡が半球状の表面を形成せずに、円筒形の表面を形成することがなくなる。プランジャ装置に対する電流接続ための多くの電流通路部を有しているCMOSの誘電性及び絶縁性を有する層も44として設けられている。
Next, a
次に、強誘電性材料からなる固定プレートが、2つの部分13、46を有する形で設けられる。この2つの部分13、46は、互いに電気的に絶縁している。
Next, a fixing plate made of a ferroelectric material is provided in the form having two
また、ソレノイド11が設けられる。該ソレノイド11は、溶着銅のらせんコイルから構成されている。好ましくは、単一のらせん層を利用して、製作上の困難を避け、抵抗率が低く、電気イオン移動抵抗が高いため、銅を使用する。
A
次に、発生した磁力を最大限に活用するプランジャ15を、強磁性材料から構成する。プランジャ15と固定磁気プレート13、46は、円環面として、ソレノイド11を包囲している。こうして、磁束は殆ど失われることがなく、該磁束は、プランジャ15と固定プレート13、46間のギャップの周囲に集中する。
Next, the
固定プレート13、46とプランジャ15との間のギャップは、プリントノズル4にとって、最も重要な部分の1つとなっている。該ギャップの大きさは、発生する磁力に大きく影響し、かつこれにより、プランジャ15の移動が制限されている。磁力を強くするためには、小さいギャップが好ましいが、プランジャがより広範囲に亘って移動するためには、大きいギャップが好ましい。このため、プランジャの半径は比較的小さいものを利用することが出来る。
The gap between the
次に、インク滴が射出された後、プランジャ15を休止位置に戻すための、ばね、例えば、22、23が設けられる。ばね、例えば、22、23は、プランジャ15と同一の材料を使い、同一の加工法により製作することが出来る。ばね、例えば、22、23は、プランジャ15との相互作用に関して、トーションばね(ねじりバネ)として作用する。
Next, after the ink droplets are ejected, springs, for example, 22 and 23, are provided for returning the
最終的に、すべての表面に、シリコンニトライド(Si3N4)、ダイヤモンド様カーボン、他の、化学的に不活性で、かつ不浸透性の高い層等の、不動態化層を被覆する。運転中の装置は、インクの中に浸されるので、不動態化層は、装置の寿命にとって特に重要である。 Ultimately, all surfaces are coated with a passivating layer, such as silicon nitride (Si 3 N 4 ), diamond-like carbon, or other chemically inert and highly impervious layers. . Since the running device is immersed in the ink, the passivation layer is particularly important for the lifetime of the device.
本発明の実施例による原理に従って作用する、一体型インクジェットヘッドを製造する際に使用することが出来る詳細な製造工程の一形態は、次の方法を利用して進めることが出来る。 One form of detailed manufacturing process that can be used in manufacturing an integrated ink-jet head that operates according to the principles according to embodiments of the present invention can proceed using the following method.
1.両面研磨されたウエハに、重度にボロンが添加された、3ミクロンのエピタキシャルなシリコンを配置する。 1. A 3 micron epitaxial silicon doped with heavy boron is placed on the double-side polished wafer.
2.使用するCMOSプロセスにより、p型かn型の、10ミクロンのエピタキシャルシリコンを配置する。
2. Depending on the CMOS process used, either p-type or n-
3.0.5ミクロン単層ポリシリコン2層メタルCMOSプロセスを完成させる。このステップは、図5に示されている。理解しやすいように、これらの図は、ノットスケールで示されており、ノズルの単一面での断面を示すものでもない。図4は、これら製造図における多様な材料、及び相互参照用インクジェット構成を示す見出しである。 3. Complete 0.5 micron single layer polysilicon two layer metal CMOS process. This step is illustrated in FIG. For ease of understanding, these figures are shown on a knot scale and do not show a cross-section on a single face of the nozzle. FIG. 4 is a heading showing various materials and cross-reference inkjet configurations in these manufacturing drawings.
4.マスク1を使用して、CMOS酸化層を、シリコン又はアルミニウムに到達するまでエッチングする。このマスクは、ノズルチャンバと、プリントヘッドチップの端部と、アルミニウム電極と2分割された分割固定磁気プレートのコンタクト用ビアを規定する。
4). The
5.ステップ4の酸化物をマスクとして用いて、ボロンが添加された埋込層にまでシリコンをプラズマエッチングする。このエッチングにより、実質的にアルミニウムをエッチングすることにはならない。このステップを図6に示す。
5. Using the oxide of
6.コバルトニッケル鉄合金の種層を配置する。2テスラの高い飽和磁束度、及び低い保磁力により、CoNiFeを選ぶ。(テツヤ他、大阪、高飽和磁束密度を有する、軟質磁気CoNiFeフィルム、Nature392、796−798(1998年))
7.4ミクロンのレジストを回転塗布し、マスク2を用いて感光、現像する。このマスクは、レジストが電気メッキモールドとして作用する分割型固定磁気プレートを規定する。このステップを図7に示す。
6). A seed layer of cobalt nickel iron alloy is disposed. CoNiFe is chosen because of its high saturation flux of 2 Tesla and low coercivity. (Tetsuya et al., Osaka, Soft magnetic CoNiFe film with high saturation magnetic flux density, Nature 392, 796-798 (1998))
A 7.4 micron resist is spin-coated, and the
8.3ミクロンのCoNiFeを電気めっきする。このステップを図8に示す。 8.3 micron CoNiFe is electroplated. This step is shown in FIG.
9.レジストを剥がし、露出した種層をエッチングする。このステップを図9に示す。 9. The resist is removed and the exposed seed layer is etched. This step is shown in FIG.
10.0.1ミクロンのシリコン窒化物(Si3N4)を配置する。 10. Place 0.1 micron silicon nitride (Si 3 N 4 ).
11.マスク3を用いて、窒化物層をエッチングする。このマスクは、ソレノイドコイルの各端部と、2分割固定磁気プレートとの接触ビアを規定する。
11. The nitride layer is etched using the
12.銅の種層を配置する。抵抗率が低く(結果的に効率が高くなる)、電子移動抵抗が高いため、電流密度が高い時でも信頼性があるため、銅を使う。 12 Place a copper seed layer. Copper is used because of its low resistivity (resulting in high efficiency) and high electron transfer resistance, which is reliable even at high current densities.
13.5ミクロンのレジストを塗布し、マスク4を用いて、感光、現像する。このマスクは、レジストが電気めっきモールドとして作用する螺旋状ソレノイドコイルと、ばねポストを規定する。このステップを図10に示す。
14.4ミクロンの銅を電気めっきする。
15.レジストを剥ぎ、露出した銅種層をエッチングする。このステップを図11に示す。
16.ウエハの試験。この時点で、全ての電気的接続が完成される。接合パッドにはアクセス可能であり、チップはまだ分離されていない。
17.0.1ミクロンのシリコン窒化物を配置する。
18.0.1ミクロンの犠牲材料を配置する。この層により、磁気ギャップが決まる。
19.マスク5を用いて、犠牲材料をエッチングする。このマスクは、ばねポストを規定する。このステップを図12に示す。
20.CoNiFeの種層を配置する。
21.4.5ミクロンのレジストを塗布し、マスク6を用いて、感光、現像する。このマスクは、磁気プランジャの壁、及びばねポストを規定する。レジストは、これら部材の電気めっきモールドを形成する。このステップを図13に示す。
22.4ミクロンのCoNiFeを電気めっきする。このステップを図14に示す。
23.CoNiFeの種層を配置する。
24.4ミクロンのレジストを塗布し、マスク7を用いて、感光、現像する。このマスクは、磁気プランジャの屋根、ばね、ばねポストを規定する。レジストは、これら部材の電気メッキモールドを形成する。このステップを図15に示す。
25.3ミクロンのCoNiFeを電気めっきする。このステップを図16に示す。
26.ウエハをガラスブランクに設け、KOHを用いてマスクを用いずにウエハをバックエッチングする。このエッチングにより、ウエハは薄くなり、ボロンが添加された埋込シリコン層でエッチングを止める。このステップを図17に示す。
27.マスク8を用いて、(約)1ミクロンのボロンが添加されたシリコン層をプラズマバックエッチングする。このマスクは、ノズルのリムを規定する。このステップを図18に示す。
28.マスク9を用いて、ボロンが添加された層を介してプラズマバックエッチングを行う。このマスクは、ノズルと、チップのエッジを規定する。この段階で、チップは分離されるが依然ガラスブランクに設けられている。このステップを図19に示す。
29.チップをガラスブランクから分離する。全ての接着層、レジスト層、犠牲層、露出種層を剥ぐ。このステップを図20に示す。
30.プリントヘッドを容器に装着する。この容器は、異なる色のインクをウエハの前表面の適当な領域に供給するためのインク溝が導入された、プラスチック形成された成形部材でもよい。
31.プリントヘッドを中継装置に接続する。
32.プリントヘッドの前表面を疎水性化する。
33.完成したプリントヘッドにインクを満たし、テストする。インクが満たされたノズルを図21に示す。
A 13.5 micron resist is applied, and using the
Electroplate 14.4 micron copper.
15. Strip the resist and etch the exposed copper seed layer. This step is shown in FIG.
16. Wafer testing. At this point, all electrical connections are complete. The bond pad is accessible and the chip is not yet separated.
17. Place 0.1 micron silicon nitride.
18. Place 0.1 micron sacrificial material. This layer determines the magnetic gap.
19. The sacrificial material is etched using the
20. A seed layer of CoNiFe is placed.
A resist of 21.4.5 microns is applied, and using the mask 6, it is exposed and developed. This mask defines the walls of the magnetic plunger and the spring post. The resist forms an electroplating mold for these members. This step is shown in FIG.
Electroplate 22.4 micron CoNiFe. This step is shown in FIG.
23. A seed layer of CoNiFe is placed.
A resist of 24.4 microns is applied, and using the mask 7, it is exposed and developed. This mask defines the roof, spring, and spring post of the magnetic plunger. The resist forms an electroplating mold for these members. This step is shown in FIG.
Electroplate 25.3 micron CoNiFe. This step is shown in FIG.
26. The wafer is provided on a glass blank, and the wafer is back-etched using KOH without using a mask. By this etching, the wafer becomes thin, and the etching is stopped at the buried silicon layer to which boron is added. This step is shown in FIG.
27. Using the mask 8, the silicon layer to which (about) 1 micron of boron is added is plasma back etched. This mask defines the rim of the nozzle. This step is shown in FIG.
28. Plasma back etching is performed using the
29. Separate the chip from the glass blank. Strip all adhesive, resist, sacrificial and exposed seed layers. This step is shown in FIG.
30. Mount the printhead on the container. The container may be a plastic molded member into which ink grooves are introduced to supply different color inks to appropriate areas on the front surface of the wafer.
31. Connect the printhead to the relay device.
32. Hydrophobize the front surface of the print head.
33. Fill the completed printhead with ink and test. FIG. 21 shows a nozzle filled with ink.
IJ2の説明 F
実施例においては、インクジェットプリントヘッドは、それぞれインク射出口を有する、複数のノズルチャンバから構成されている。平行に設けられた2枚のプレート間に働く引力を利用して、インクをインク射出口から射出させる。
Explanation of IJ2 F
In the embodiment, the ink jet print head is composed of a plurality of nozzle chambers each having an ink ejection port. Ink is ejected from the ink ejection port by utilizing an attractive force acting between two plates provided in parallel.
図22は、実施例に従って構成した、単一のノズル装置110の断面図である。該ノズル装置110には、ノズルチャンバ111が設けられており、該ノズルチャンバ111には、インク射出口112から射出するインクが収納されている。ノズル装置110は、後に詳述する、ミクロ電気機械システム構成技術を利用して、シリコンウエハ上に構成することが出来る。ノズルプレートの上面には、製造中に、ノズル装置110の下層に対して行う電気防食エッチングを効果的なものとするために、一連のエッチング液穴、例えば113が、規則正しい間隔を有する形で設けられている。エッチング液穴113の大きさは、運転中に、表面張力特性により穴113からの射出が防止される程度に小さくなっている。
FIG. 22 is a cross-sectional view of a
インク供給溝、例えば115を介して、インクを、ノズルチャンバ111に供給する。
Ink is supplied to the
図23は、ノズル装置110の一側の断面図である。ノズル装置110は、シリコンウエハベース117上に構成され、該ベース117の上面には、最初に構築された、各ノズル装置に必要な駆動回路や制御回路標を含んだ標準CMOSの、二レベル金属層118がある。この層118は、二つのレベルのアルミニウムを含み、一つのレベルのアルミニウム119は底部電極板として利用されている。この層の他の部分120は、窒化不動態化物を構成する。層119の上には、薄いポリテトラフルオロエチレン(PTFE)層121が設けられている。
FIG. 23 is a cross-sectional view of one side of the
次に、エアギャップ127が上下層間に設けられている。エアギャップ127上には、上部平面122の一部を構成する更なるPTFE層128が配置される。PTFE層121,128は、上部及び下部プレートが吸着してしまう可能性を低下させるように設けられている。次に、窒化物層(図示せず)に覆われた形で設けられた上部アルミニウム電極層130が有り、窒化物層が上部電極プレートに構造的な完全性を付与している。該層128〜130は、上部プレート122の動きにより折り畳まれる波形の部分123を有するように製造されている。
Next, an
二つのアルミニウム層119と130間に電位差を設けることにより、上部板122は下部アルミニウム層119へ引かれ、これにより、上部プレート122は下部プレート119に向けて動くことが出来る。これにより、側部空気孔、例えば133から空気が排出されるのに加えて、折り畳まれたバネ装置123にエネルギを蓄えることとなる。そして、インクは、インク排出孔112(図22)上のメニスカスが湾曲する結果として、ノズルチャンバに吸引される。続いて、プレート間の電位差は解消され、折り畳まれたバネ部123はプレート122をその休止位置に迅速に戻す。プレート122が迅速に戻ると、その結果ノズルチャンバからインクがインク排出孔112(図22)を介して排出される。また、プレート122下部にエアギャップ133を介して空気が流れる。
By providing a potential difference between the two
本実施例のインクジェットノズルは、半導体製造及びMEMS技術の利用により形成することが出来る。図24は、ノズル装置110の最終的な構築状態における多様な層を示す分解斜視図である。シリコンウエハ117の最下層上に、他の全ての処理ステップが行われる。シリコン層117の上面には、主としてガラスから構築されたCMOS回路層118がある。この層の上に、窒化物の不動態層120があり、この層は、引き続く層を構築してゆく際に用いられる犠牲プロセスから下部のガラス層を不動態化して保護するために主として用いられている。次に、アルミニウム層119が配置される。アルミニウム層119は、下部のCMOSガラス層118の一部を形成することも出来る。この層119は、底部プレートを構成する。次に、二つのPTFE層126,128が設けられ、それら層の間にはガラスなどの犠牲層が設けられる。犠牲層は、次いでエッチング除去され、プレート122(図23)を生成する。PTFE層128の上には、アルミニウム層130が配置され、引き続いてより厚い窒化物層(図示せず)が配置される。窒化物層は、上部電極を構造的に保持することが出来、電極が変形したり、垂れ下がったりしてしまうことを防止している。この層の後に、上部窒化物ノズルチャンバ層135が有り、それは、ノズルチャンバの残り部分とインク補充溝を形成する。この層135は、犠牲層を配置、エッチングすることにより形成され、その後に窒化物層が配置され、犠牲材料をエッチング除去する前に適宜なマスクを用いてノズルとエッチング孔をエッチングする。
The ink jet nozzle of this embodiment can be formed by using semiconductor manufacturing and MEMS technology. FIG. 24 is an exploded perspective view showing various layers in the final construction state of the
明らかに、印字ヘッドは、単一のウエハ上のノズル装置110の大規模アレイから構築することが出来、それは、その後、小片化され、印字ヘッドに分離される。インク補給部は、サーフィステクノロジーシステム社から入手可能な高密度低圧プラズマエッチングシステムのような、深い異方性エッチングシステムを使用してウエハの側部又はウエハを貫通する形で形成することが出来る。更に、波形の部分123は、ハーフトーンマスク処理を用いて形成することが出来る。
Obviously, the print head can be constructed from a large array of
本実施例の主要な教示に基づいて動作する、一つのインクジェットプリントヘッドを製造するために使用することの出来る詳細な製造過程の一つの形を、以下のステップを行いつつ実行することが出来る。 One form of detailed manufacturing process that can be used to manufacture a single inkjet printhead that operates based on the main teachings of this embodiment can be performed while performing the following steps.
1.両面研磨されたウエハを使って、0.5ミクロンの単層ポリシリコン2層メタルCMOSプロセスを完成させる。このステップを図26に示す。わかりやすく示すために、これらの図表は、ノットスケールで示されており、ノズルの単一面での断面を示すものでもない。図25には、これらの製造過程を示す図における多様な材料とインクジェット構造を構成する多様な材料を示すキーとなる表示を示す。 1. The double-side polished wafer is used to complete a 0.5 micron single layer polysilicon two layer metal CMOS process. This step is shown in FIG. For clarity, these charts are shown on a knot scale and do not represent a cross section of the nozzle in a single plane. FIG. 25 shows key displays showing various materials and various materials constituting the ink jet structure in the drawings showing these manufacturing processes.
2.不動態化層を、第2レベルのメタルを構成している、底部電極が露出するまでエッチングする。このエッチングは、マスク1を用いて実行する。このステップを図27に示す。
2. The passivation layer is etched until the bottom electrode that constitutes the second level metal is exposed. This etching is performed using the
3.50nmのPTFE、又は、疎水性が高い材料を配置する。 3. Place 50 nm PTFE or highly hydrophobic material.
4.0.5ミクロンのポリイミド等の、犠牲材料を配置する。 4. Place sacrificial material, such as 0.5 micron polyimide.
5.0.5ミクロンの(犠牲)感光性ポリイミドを配置する。 5. Place 0.5 micron (sacrificial) photosensitive polyimide.
6.マスク2を用いて、感光性ポリイミドを感光、現像する。このマスクは、上部電極の折り畳み端を規定するグレースケールマスクである。エッチングの結果、電極の周囲に一連の三角形上のリッジが形成される。引張応力を曲げひずみに変換させる目的で折り畳み端を使うと、電圧が電極に加えられた際に、上部電極を移動させることが出来る。このステップを図28に示す。
6). Using the
7.マスク3を用いて、ポリイミド層と不動態化層をエッチングする。これにより、第2レベルのメタルに形成された上部電極との接触部が露出する。
7. Using the
8.上部電極を形成する形で、0.1ミクロンのタンタルを配置する。 8). 0.1 micron tantalum is placed to form the top electrode.
9.上部電極の移動自在な膜を形成する、シリコン窒化物(Si3N4)を配置する。 9. Silicon nitride (Si 3 N 4 ) that forms a movable film of the upper electrode is disposed.
10.マスク4を用いて、窒化物とタンタルをエッチングする。このマスクは、上部電極及び該上部電極との接触部を規定する。
10. Nitride and tantalum are etched using the
11.12ミクロンの(犠牲)感光性ポリイミドを配置する。
11.
12.マスク5を用いて、感光性ポリイミドを感光、現像する。焦点深さを大きく取るために、近接アライナを使うことが出来る。このステップの線幅は、2ミクロン以上であるが、5ミクロン以上とすることも出来る。このマスクは、ノズルチャンバ壁を規定する。このステップを図30に示す。
12 Using the
13.3ミクロンのPECVDガラスを配置する。このステップを図31に示す。 Place 13.3 micron PECVD glass. This step is shown in FIG.
14.マスク6を用いて、深さ1ミクロンをエッチングする。このマスクは、ノズルのリムを規定する。このステップを図32に示す。
14
15.マスク7を用いて、犠牲層までエッチングダウンする。このマスクは、ノズルチャンバの屋根及びノズル自体を規定する。このステップを図33に示す。 15. Etching down to the sacrificial layer is performed using the mask 7. This mask defines the roof of the nozzle chamber and the nozzle itself. This step is shown in FIG.
16.マスク8を用いて、(例えば、Surface Technology SystemsのASE(改良型シリコンエッチング装置を使って))シリコンウエハを介して完全にバックエッチングする。このマスクは、ウエハを介してエッチングしたインク入口を規定する。 16. The mask 8 is used to back etch completely through the silicon wafer (eg, Surface Technology Systems ASE (using an improved silicon etcher)). This mask defines the ink inlet etched through the wafer.
17.ウエハ内の穴を介して、CMOS酸化層を介してバックエッチングする。このステップを図34に示す。
18.犠牲ポリイミドをエッチングする。このエッチングにより、ノズルチャンバがきれいになり、電極間にギャップが形成され、チップ同士が離れる。静止摩擦を避けるために、過冷二酸化炭素を使った最終リンス剤を使用することが出来る。このステップを図35に示す。
17. Back etching is performed through the hole in the wafer and through the CMOS oxide layer. This step is shown in FIG.
18. Etch the sacrificial polyimide. This etching cleans the nozzle chamber, creates a gap between the electrodes, and leaves the chips apart. To avoid static friction, a final rinse with supercooled carbon dioxide can be used. This step is shown in FIG.
19.プリントヘッドを容器に装着する。この容器は、適宜な色のインクを、ウエハの裏面のインク口に供給するためのインク溝が導入された、プラスチック形成された成形部材でもよい。 19. Mount the printhead on the container. This container may be a molded member made of plastic into which an ink groove for supplying ink of an appropriate color to the ink port on the back surface of the wafer is introduced.
20.プリントヘッドを相互連結装置に接続する。空気流の乱れを最小限に抑えたロープロファイル接続のために、TABを用いても良い。紙とのクリアランスが十分有る状態で作動する場合には、ワイヤ結合を使用することも出来る。 20. Connect the printhead to the interconnection device. TAB may be used for low profile connections with minimal air flow turbulence. Wire bonding can also be used when operating with sufficient clearance from the paper.
21.プリントヘッドの前面を疎水性化する。 21. Make the front face of the print head hydrophobic.
22.完成したプリントヘッドに、インクを充填し、これを試験する。充填したノズルを図36に示す。 22. The completed printhead is filled with ink and tested. The filled nozzle is shown in FIG.
IJ04 Fの記述
実施例では、圧縮性ポリマーの間に交互に電極を挟んだ、積層形静電アクチュエータが設けられる。これにより、積層コンデンサが駆動されると、板は共に引っ張られてポリマーを圧縮する。これにより、圧縮されたポリマー内にエネルギが蓄えられる。コンデンサは、次いで駆動解除又は、ドレインされ、その結果圧縮されたポリマーはアクチュエータを、その原点位置に戻すように作用する。そして、インクの排出がインク排出口から生じる。
In the described embodiment of IJ04 F, a stacked electrostatic actuator is provided in which electrodes are alternately sandwiched between compressible polymers. Thus, when the multilayer capacitor is driven, the plates are pulled together to compress the polymer. This stores energy in the compressed polymer. The capacitor is then undriven or drained so that the compressed polymer acts to return the actuator to its home position. Then, ink discharge occurs from the ink discharge port.
図37に、実施例に基づいて構築された単一ノズル装置310を示す。ノズル装置310は、インクをオンデマンドで排出するインク排出口311を有しており、インクは、ノズルチャンバ310から積層されたコンデンサ形装置313により排出される。最初の設計では、積層されたコンデンサ装置313は圧縮性ポリマーの間に挟まれた静電容量板を有している。静電容量板に蓄電すると、ポリマーは圧縮され、これにより、アクチュエータ313は一般的な“アコーディオン”又は“コンチェルティーナ”のようになり、その上部表面は、インク排出口311から遠ざかる。サンドイッチ状態のポリマーが圧縮されると、該圧縮されたポリマー内にエネルギが蓄えられる。引き続いて、コンデンサは急速に放電され、圧縮されたポリマー内のエネルギは、ポリマーの休止位置へ戻る際に開放される。アクチュエータがその休止位置に戻ることにより、ノズルチャンバ312からインクが排出される。図38から図41に、その工程を模式的に示す。図38は、ノズルチャンバ310が、ノズル排出口311の周りにメニスカス314を有する、その休止位置またはアイドル状態にあることを示す。引き続き、静電アクチュエータ313が駆動され、図39に示すように、その収縮状態となる。この収縮により、図示するように、メニスカス314の形状が変化し、表面張力が作用して、メニスカス周囲のインクを内側に引き込むと共に、引き続いて、インク316がノズルチャンバ312内に流入する。
FIG. 37 shows a
十分な時間の後、図40に示すように、コンデンサ313は射出(図41)に備えて負荷され、メニスカス314はその休止位置に戻る。そして、コンデンサ板313は、図41に示すように、急速に放電され、アクチュエータ313が急速にその原点位置に復帰する。アクチュエータが急速に戻ることにより、運動量がノズルチャンバ312内のインクに付与され、インクメニスカス314に膨脹が生じ、引き続いて、ノズルチャンバ312からインクが排出される。
After sufficient time, as shown in FIG. 40,
図42は、一部分解したアクチュエータ313の部分的な斜視図である。アクチュエータ313は、圧縮力のある材料322を挟んだ一連の板320,321を有しており、圧縮力のある材料322は、例えば、それは、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレンのブロック共重合体などである。電極の1グループ、例えば、320、323、325は、積層されたコンデンサ配置の一側面に突出しており、電極の第2のグループ、例えば、321,324は、静電アクチュエータの第2の側面に突出している。電極は、一端が第1の導電性材料327に接続しており、他の電極、例えば、321,324は、第2の導電性材料328(図37)に接続している。二つの導電性材料327,328は電気的に互いに絶縁されており、またそれらは、以後すぐに明らかになるが、交互に下部の信号及び駆動層に接続されている。
FIG. 42 is a partial perspective view of the
また、積層されるコンデンサ装置313を、例としてのスチレン−エチレン−ブチレン−スチレンのブロック共重合体に替えて、他の薄いフィルム材料で構成することも出来る。こうした材料は、
1)
PZTなどのピエゾ電気材料
2)
PZLTなどの電気ひずみ材料
3)
PLZSnTなどの強誘電性相と反強誘電性相の間で電気的に切り替わることの出来る材料
などである。
Further, the
1)
Piezoelectric materials such as PZT 2)
Electrostrictive materials such as PZLT 3)
For example, a material that can be electrically switched between a ferroelectric phase such as PLZSnT and an antiferroelectric phase.
重要なことは、電極アクチュエータ313は、化学蒸着(CVD)技術を用いて迅速に構築することが出来る。多様な層320,321,322が、平坦なウエハ上に交互に該ウエハの全表面を覆う形で配置される。積層動作は、CVD技術を用いることで、迅速に完了することが出来る。2セットの電極は好ましくは、別々の金属を用いて配置される。例えば、アルミニウムやチタニウムは、該金属層の材料として使用することが出来る。異なる金属層の使用は、マスク層を用いた選択的なエッチングを可能とし、図42に示す様な構造を形成することが出来る。例えば、CVDのサンドイッチが最初に配置され、次に、適宜なマスクを用いた選択的な一連のエッチングを行って、全体の積層コンデンサ構造を生成する。CVD処理の利用は、実質的に積層コンデンサ装置の製造効率を高める。
インクノズル装置の構築
Importantly, the
Construction of ink nozzle device
図43に、実施例に基づいた単一インクジェットノズルの構築を示す、分解斜視図を示す。インクジェットノズル310は、標準のシリコンウエハ330上に構築され、シリコンウエハの上には、2レベル金属CMOS層311のような、通常CMOS層311のような方法で構築されたデータ駆動回路が構築されている。CMOS層311の上には、窒化不動体層332が構築され、運転中、また、通常ならば下層を溶解してしまうエッチングの使用に対する、不動態防御を提供する。積層装置313の多様な層313,例えば320,321、322は、CVD技術を用いて配置することが出来る。積層された装置313は、先述した、適宜なマスクを用いて選択的にエッチングし、全体の積層コンデンサ構造を製造することを含む、前述の製造ステップを利用して構築される。更に、電極327,328とCMOS層331の回路の接続が設けられる。最後に、窒化物層333を設け、ノズルチャンバ壁、例えば334,ノズルチャンバの一つの開放壁内に支柱、例えば335を形成する。層333の表面層337は、犠牲層上に配置することが出来る。該犠牲層は、次いでエッチングされ、ノズルチャンバ312を形成する(図37)。この目的のために、上部層337は、インク排出孔311に加えてエッチング孔、例えば338を有し、エッチング処理の高速化を図っている。エッチング孔、例えば338の直径は、インク排出孔311のそれよりも十分に小さい。もし、必要ならば、層320の上に、追加の窒化物層を設け、犠牲材料をエッチングしてノズルチャンバ312(図37)を形成している間及び、インクジェットノズルの運転中に、積層装置313を保護するようにしても良い。
FIG. 43 shows an exploded perspective view showing the construction of a single inkjet nozzle based on the example. The
本実施例の主要な教示に基づいて動作する、モノリシックなインクジェットプリントヘッドを製造するために使用することの出来る詳細な製造過程の一つの形を、以下のステップを行いつつ実行することが出来る。 One form of a detailed manufacturing process that can be used to manufacture a monolithic inkjet printhead that operates based on the main teachings of this embodiment can be performed while performing the following steps.
1.両面研磨したウエハを使い、0.5ミクロンの単ポリ2メタルCMOSプロセスを完成させる。このステップを図45に示す。わかりやすく示すために、これらの図表は、ノットスケールで示されており、ノズルの単一面での断面を示すものではない。図44は、これらの製造図の多様な材料及び、相互参照用インクジェット構成を示す見出しである。
1. Using a double-side polished wafer, a 0.5 micron
2.マスク1を用いて、CMOS酸化層を、第2のレベルの金属に達するまでエッチングする。このマスクは、静電積層体から、駆動回路までのコンタクトビアを規定する。
2. Using the
3.0.1ミクロンのアルミニウムを配置する。 3. Place 0.1 micron aluminum.
4.0.1ミクロンのエラストマを配置する。 4. Place 0.1 micron elastomer.
5.0.1ミクロンのタンタルを配置する。 5. Place 0.1 micron tantalum.
6.0.1ミクロンのエラストマを配置する。 6. Place 0.1 micron elastomer.
7.ステップ2−5を20回繰り返して、40の金属層と、40のエラストマ層を使って、8ミクロンの代替金属とエラストマの積層体を作る。このステップを図46に示す。 7. Steps 2-5 are repeated 20 times to produce an 8 micron surrogate metal and elastomer laminate using 40 metal layers and 40 elastomer layers. This step is shown in FIG.
8.マスク2を用いて、積層体をエッチングする。これにより、各ノズルには、分離した方形の、多層積層体が残る。このステップを図47に示す。
8). The stacked body is etched using the
9.レジストを塗布し、マスク3を用いて、感光、現像する。このマスクは、積層体の一側を規定する。このステップを図48に示す。
9. A resist is applied, and exposure and development are performed using the
10.露出したエラストマ層を、水平深さ1ミクロンまでエッチングする。 10. Etch the exposed elastomer layer to a horizontal depth of 1 micron.
11.露出したアルミニウム層を、水平深さ3ミクロンまでウエットエッチングする。 11. The exposed aluminum layer is wet etched to a horizontal depth of 3 microns.
12.露出したエラストマ層に、50nmだけ気泡を生じさせて、エッチングしたアルミニウムに残った0.1ミクロンのギャップを埋める。 12 The exposed elastomer layer is bubbled by 50 nm to fill the remaining 0.1 micron gap in the etched aluminum.
13.レジストを剥ぐ。このステップを図49に示す。 13. Strip the resist. This step is shown in FIG.
14.レジストを塗布し、マスク4を用いて、感光し、現像する。このマスクは、積層体の反対側を規定する。このステップを図50に示す。
14 A resist is applied, exposed using the
15.露出したエラストマ層を、水平深さ1ミクロンまでエッチングする。 15. Etch the exposed elastomer layer to a horizontal depth of 1 micron.
16.露出したタンタル層を、水平深さ3ミクロンまでウエットエッチングする。 16. The exposed tantalum layer is wet etched to a horizontal depth of 3 microns.
17.露出したエラストマ層に、50nmだけ気泡を生じさせて、エッチングしたアルミニウムに残った0.1ミクロンのギャップを埋める。 17. The exposed elastomer layer is bubbled by 50 nm to fill the remaining 0.1 micron gap in the etched aluminum.
18.レジストを剥ぐ。このステップを図51に示す。 18. Strip the resist. This step is shown in FIG.
19.1.5ミクロンのタンタルを配置する。この金属は、積層体の一方の側で、全てのアルミニウム層と接触し、スタックのもう一方の側で、全てのタンタル層と接触する。 19. Place 1.5 micron tantalum. This metal contacts all aluminum layers on one side of the stack and all tantalum layers on the other side of the stack.
20.マスク5を用いて、タンタルをエッチングする。このマスクは、積層体の両端の電極を規定する。このステップを図52に示す。
20. Tantalum is etched using the
21.18ミクロンの犠牲材料(例えば、感光性ポリイミド)を配置する。 21. Place 1818 micron sacrificial material (eg, photosensitive polyimide).
22.マスク6を用いて、近接アライナを使って、犠牲層を感光、現像する。このマスクは、ノズルチャンバ壁及び、入口フィルタを規定する。このステップを図53に示す。 22. The sacrificial layer is exposed and developed using the mask 6 and the proximity aligner. This mask defines the nozzle chamber walls and the inlet filter. This step is shown in FIG.
23.3ミクロンのPECVDガラスを配置する。 Place 23.3 micron PECVD glass.
24.マスク7を用いて、深さ1ミクロンまでエッチングする。このマスクは、ノズルのリムを規定する。このステップを図54に示す。 24. Etch to a depth of 1 micron using mask 7. This mask defines the rim of the nozzle. This step is shown in FIG.
25.マスク8を用いて、犠牲層までエッチングダウンする。このマスクは、ノズルチャンバの屋根、及びノズル自体を規定する。このステップを図55に示す。 25. Etch down to the sacrificial layer using the mask 8. This mask defines the roof of the nozzle chamber and the nozzle itself. This step is shown in FIG.
26.マスク9を用いて、(例えば、Surface Technology SystemsのASE(改良型シリコンエッチング装置を使って))シリコンウエハを介して完全にバックエッチングする。このマスクは、ウエハを貫通してエッチングしたインク口を規定する。このエッチングにより、ウエハもさいの目形になる。このステップを図56に示す。
26. The
27.ウエハの穴を介して、CMOS酸化層を介してバックエッチングする。 27. Back etching is performed through the hole in the wafer and through the CMOS oxide layer.
28.犠牲材料をエッチングする。このエッチングにより、ノズルチャンバはきれいになり、チップ同士は分離する。このステップを図57に示す。 28. Etch the sacrificial material. This etching cleans the nozzle chamber and separates the chips. This step is shown in FIG.
29.プリントヘッドを容器に装着する。この容器は、適宜な色のインクを、ウエハの裏面のインク口に供給するためのインク溝が導入された、プラスチック形成された成形部材でもよい。 29. Mount the printhead on the container. This container may be a molded member made of plastic into which an ink groove for supplying ink of an appropriate color to the ink port on the back surface of the wafer is introduced.
30.プリントヘッドを相互連結装置に接続する。空気流の妨害を最小限に抑えた形で、低い輪郭で接続するために、TABを用いても良い。プリンタが、紙とのクリアランスが十分有る状態で作動する場合には、ワイヤ結合を使用することも出来る。 30. Connect the printhead to the interconnection device. A TAB may be used to connect with a low profile in a manner that minimizes airflow obstruction. Wire bonds can also be used if the printer operates with sufficient clearance from the paper.
31.プリントヘッドの前面を疎水性化する。 31. Make the front face of the print head hydrophobic.
32.完成したプリントヘッドに、インクを充填し、これを試験する。充填したノズルを図58に示す。 32. The completed printhead is filled with ink and tested. The filled nozzle is shown in FIG.
IJ05 Fの記述
本発明の実施例は、バネに“負荷をかける”ために磁気アクチュエータを利用したものであり、磁気アクチュエータを非駆動とすると、スプリングは、その原点位置に戻る際に、インク滴を排出することなる。
Description of IJ05 F An embodiment of the present invention utilizes a magnetic actuator to “load” the spring, and when the magnetic actuator is undriven , the spring drops into the ink drop when returning to its origin position. Will be discharged.
図59は、実施例に基づいて構築したインクノズル装置401の分解斜視図である。実施例はノズル装置401のアレイとして構築して、印刷用のラインを共に形成することが出来る。
FIG. 59 is an exploded perspective view of the
図59のインクノズル装置401の運転は、インク滴を印字しようとする際に駆動回路403により駆動される、ソレノイド402により行われる。駆動されたソレノイド402は、固定された軟磁性体極404と可動の軟磁性体極405内の磁場を有している。ソレノイドに最大電流が流れると、可動極405がその休止位置から固定磁極404に近い停止位置にまで、十分に動く。図59のインクノズル装置401は、インクで満たされたインクチャンバ内に置かれる。従って、プレート405が動いている時に、コイル402の周囲からインクを“噴出”させるために、穴406が、可動軟磁性体極405内に設けられている。
The operation of the
可動軟磁性体極は、ピストンヘッド409と支点408を介してバランスしている。静止磁極413に近づく磁極405の動きは、ピストンヘッド409をノズルチャンバ411から遠ざけ、インク排出孔413を介してチャンバ411内に空気を引き入れる。ピストン409は、こうしてソレノイド402を通る低い“保持”電流を維持することにより、ノズルチャンバ411上に、開状態で保持される。このソレノイド402を流れる保持レベルの電流は、固定された軟磁性体極404に対して可動極405を保持するのに十分なものである。二つの極404と405の間のギャップは、最小限なので、電流のレベルは、実質的に最大電流レベルよりも小さい。例えば、最大電流レベルの10パーセントの保持レベル電流が適当である。この運転相の間、ノズルチップ又はインク排出穴413におけるメニスカスは、空気の流れにより、窪んだ半球状となっている。メニスカス上の表面張力はインク上に力を作用させ、インクチャンバからノズルチャンバ411へのインクの流入を生じさせる。これは、引き込まれたピストンヘッド409により生じた容積を埋める、ノズルチャンバへのインクの再補給となる。この工程は、約100マイクロ秒である。
The movable soft magnetic pole is balanced via the
そして、ソレノイド402内の電流は、最大電流の半分まで逆転される。逆転により磁極は解磁され、ピストン409はその休止位置に戻り始める。ピストン409は、両磁石の反発作用及び、可動極405の移動によりねじる状態にあり、応力下にあったねじりバネ416,419に蓄えられたエネルギにより、その通常の休止位置に移動される。
The current in
逆電流とバネ416,419の結果、ピストン409に作用する力は、ピストン409の動きの開始時に最大となり、バネの弾性応力がゼロに落ちると減少する。その結果、ピストン409の加速は、逆ストロークの開始時に高く、チャンバ411内の結果としてのインク速度は、該ストローク中、均一なものとなる。これは、印字ヘッド表面上にインク流が生じる前の運転許容量を増加させる。
As a result of the reverse current and the springs 416, 419, the force acting on the
戻りストローク間の所定時間において、ソレノイドの逆電流は停止する。可動極の残留磁気が最小となった時点で電流は停止される。ピストン409はその原点休止位置に向けて移動し続ける。
At a predetermined time between return strokes, the reverse current of the solenoid stops. The current is stopped when the residual magnetism of the movable pole becomes minimum. The
ピストン409はその慣性より静止又は休止位置をオーバーシュートする。ピストンの動きのオーバーシュートは、排出される滴の容積及び速度がより大きくなることと、オーバーシュートからピストンがその休止位置に戻った際の、よりよい滴の分離という、二つのことを達成する。
The
ピストン409は、結局オーバーシュートからその休止位置に戻る。この戻りは、今度は反対方向に負荷されるバネ416,419によりもたらされる。ピストンの戻りは、ノズルチャンバ411へのいくらかのインクの逆“吸い込み”を生じさせ、これによりインク滴とノズルチャンバ411内のインクを結ぶインクの絆が細くなる。インク滴の前方への速度とノズルチャンバ411内のインクの後方への速度により、インク滴はノズルチャンバ411内のインクから分離される。
The
ピストン409は次の滴の排出サイクルまで休止位置に留まる。
The
液体インク印字ヘッドは多数のノズルのそれぞれが関連付けられた一つのインクノズル装置401を有する。装置401は、以下の主要な部品を有する。
The liquid ink print head has one
(1)ソレノイド402を駆動する駆動回路403。
(1) A
(2)ノズルチップ413。ノズルチップ413の直径は、滴の速度及び大きさを決定する上で重要である。
(2)
(3)ピストン409。これは、インクを排出するノズルチャンバ411を介して動くシリンダである。ピストン409はレベルアーム417の一端部に接続されている。ピストンの半径は穴413の半径の約1.5〜2倍である。出力されるインク滴の容積は、ほとんどピストンの戻りストローク中で該ピストンにより移動されるインクの量により決定される。
(3)
(4)ノズルチャンバ411。ノズルチャンバ411はピストン409よりも僅かに広い。ピストン409とノズルチャンバ壁との間のギャップは、ピストンがその駆動または戻りの間にノズルチャンバと接触しないことが保証される程度に小さい。仮に、印字ヘッドが0.5ミクロンの半導体リソグラフィーを用いて製造されるなら、1ミクロンのギャップで通常は十分である。ノズルチャンバは、プランジャ409がその休止位置に戻った際にノズルチップ413を介して吸い込まれる空気がピストン409にまで達しない程度の深さである。もし、空気がピストンに到達すると、半球状の表面の代わりに円筒状の表面が吸入された気泡により形成され、ノズルはインクの再補給を適切に行うことが出来なくなる。
(4)
(5)ソレノイド402。これは、渦巻き状の銅のコイルである。銅はその低抵抗と高い電気泳動抵抗により、使用される。
(5)
(6)強磁性体材料の固定磁石極404。
(6) A fixed
(7)強磁性体材料の可動磁石極405。磁力を最大限に発生させるために、可動磁石極405と固定磁石極404はソレノイド402をトーラスとして囲んでいる。こうして、磁束の喪失は最小限となる。また、磁束は可動磁石極405と固定極404の間のギャップを横切って集中する。可動磁石極405はソレノイド402上の表面に穴406(図59)を有し、閉じこめられたインクを逃がすようにしている。これらの穴は、可動磁石極405と固定磁石極404間に生成される磁力に対する影響を最小限にする形状及び配置となっている。
(7) A movable magnet pole 405 made of a ferromagnetic material. In order to generate the maximum magnetic force, the movable magnet pole 405 and the fixed
(8)磁石のギャップ。固定プレート404と可動磁石極405の間のギャップは、印字アクチュエータの最も重要な“部分”の一つである。ギャップの大きさは生成される磁力に大きく影響し、可動磁石極405の行程をも制限する。強い磁力を生成するには小さなギャップが望ましい。ピストン409の行程は、てこアーム417による可動磁石極405(従ってギャップ)の行程に関連している。
(8) Magnet gap. The gap between the
(9)てこアーム417の長さ。てこアーム417はピストン409と可動磁石極405の行程を独立的に最適になるようにする。てこアーム417の短い端部に可動磁石極405がある。てこアーム417の長い端部にピストン409がある。バネ416が支点408にある。磁石のギャップを最小化するために、可動磁石極405にとって最適な行程は1ミクロン以下である。ピストン409の最適な行程は、1200dpiのプリンタの場合、約405マイクロメートルである。最適な行程の違いは、てこ417を、その長さにおいて5:1またはそれ以上の割合でとることにより解決される。
(9) Length of the
(10)バネ416,419(図59)。バネ、例えば416は、アクチュエータの駆動解除後に、ピストンをその休止位置に戻す。バネ416は、てこアームの支点408にある。
(10) Springs 416, 419 (FIG. 59). A spring, for example 416, returns the piston to its rest position after deactivating the actuator. Spring 416 is at the
(11)不動態層(図示せず)。アウミニウム層は、好ましくは、窒化シリコン(Si3N4)、カーボンなどのダイヤモンド(DLC)又は他の化学的に不活性、不浸透性を有する層などの不動態層によりコーティングされている。装置はインクに浸漬されているので、不動態層は装置の寿命にとって特に重要である。前述の記述からも明らかなように、滴をソレノイド402の駆動解除時に排出することは利点である。この利点は、ピストン又はプランジャとして使用される可動磁石極405の加速度から来るものである。
(11) Passive layer (not shown). The aluminium layer is preferably coated with a passive layer such as silicon nitride (Si 3 N 4 ), diamond such as carbon (DLC) or other chemically inert and impermeable layers. Since the device is immersed in ink, the passive layer is particularly important for the lifetime of the device. As is apparent from the above description, it is advantageous to eject the droplet when the
電磁誘導場により可動磁石極405により生成される力は、可動磁石極405と静止磁石極404の間のギャップの二乗に反比例する。ソレノイド402がオフとなると、このギャップが最大となる。ソレノイド402がオンとなると、可動磁石極405は静止極404に引かれる。ギャップが減少すると、力が増大し、可動磁石極405は速く加速される。速度は、非常に非線形に、ほぼ時間の二乗で増加する。駆動解除されて可動磁石極405が逆方向に動いている間、可動磁石極405の加速度は最初が最大であり、そしてバネ弾性応力がゼロになるに従って低下する。
The force generated by the movable magnet pole 405 by the electromagnetic induction field is inversely proportional to the square of the gap between the movable magnet pole 405 and the
その結果、可動磁石極405の速度は、戻りストローク動作中、より均一なものとなる。 As a result, the speed of the movable magnet pole 405 becomes more uniform during the return stroke operation.
(1)ピストン又はプランジャ409の速度は、滴の排出ストロークの継続時間中、より均一なものとなる。
(1) The speed of the piston or
(2)ピストン又はプランジャ409は、インク補充ステージの間、インクチャンバから容易に、完全に離れる。これにより、ノズル補充時間は減少させることが出来、より早い印字ヘッドの運転が可能となる。
(2) The piston or
しかし、このアプローチは、アクチュエータによる直接噴射においては、いくつかの不利な点を有する。 However, this approach has several disadvantages in direct injection with actuators.
(1)バネ416の応力は比較的大きい。バネに使用する材料の降伏以下で、該バネが使用されることを確認した注意深い設計が必要である。 (1) The stress of the spring 416 is relatively large. Careful design is required to ensure that the spring is used below the yield of the material used for the spring.
(2)ソレノイド402には、“保持”電流がノズル補給時間の間供給される必要がある。保持電流は、典型的にはソレノイドの駆動電流の10パーセント未満である。しかしながら、ノズル補給時間は、典型的には、滴の射出時間の約50倍の時間である。従って、保持エネルギは、典型的にはソレノイド駆動エネルギを超えてしまう。
(2) The
(3)アクチュエータの運転は“保持”相の要求により、より複雑なものとなる。 (3) The operation of the actuator is more complicated due to the requirement of the “hold” phase.
印字ヘッドは、二つのシリコンウエハから作られる。最初のウエハは印字ノズルを製造するために使用され(印字ヘッドウエハ)、2番目のウエハ(インク溝ウエハ)は、第1の溝の支持手段を提供するほかに、多様なインク溝を製造するために使用される。 The print head is made from two silicon wafers. The first wafer is used to produce the print nozzle (print head wafer), and the second wafer (ink groove wafer) provides the first groove support means, as well as various ink grooves. Used for.
製造工程は、以下の通り。 The manufacturing process is as follows.
(1)重度にボロンを添加したシリコンのエピタキシャル層422が埋め込まれた単一結晶のシリコンウエハ420から開始する。ボロンは、好ましくはcm3当たり1020原子以上が、約3マイクロメートルに厚さに渡り添加されるべきである。ボロンは、適切に選択されたアクティブ半導体装置技術を用いて添加されるべきである。印字ヘッドウエハのウエハ直径はインク溝ウエハのものと同じであるべきである。
(1) Start with a single
(2)選択された処理(例えば、CMOS)に基づいて、駆動トランジスタ及びデータ分配回路403を製造する。
(2) The drive transistor and
(3)化学的機械的平面化処理(CPM)を用いてウエハ420を平面化する。
(3) The
(4)第2の層金属上に、5ミクロンのガラス(SiO2)を配置する。 (4) 5 micron glass (SiO 2 ) is placed on the second layer metal.
(5)デュアルダマスカスプロセスを用いて二つのレベルを上部酸化層までエッチングする。レベル1は、4ミクロンの深さで、レベル2は、5ミクロンの深さである。レベル2は第2レベル金属と接触する。静止磁石極用のマスクを使用する。
(5) Etch the two levels to the top oxide layer using a dual damascus process.
(6)5ミクロンのニッケル鉄合金(NiFe)を配置。
(7)
MPを用いて、SiO2のレベルまでウエハを平面化して磁石極404を生成する。
(6) A 5 micron nickel iron alloy (NiFe) is disposed.
(7)
Using MP, the wafer is planarized to the level of SiO 2 to generate
(8)0.1ミクロンの窒化シリコン(Si3N4)を配置。 (8) Silicon nitride (Si 3 N 4 ) of 0.1 microns is disposed.
(9)ソレノイドとの接続のためのビア穴とノズルチャンバ領域411のために、Si3N4をエッチングする。
(9) Si 3 N 4 is etched for the via hole for connecting to the solenoid and the
(10)SiO2を4ミクロン配置する。 (10) Arrange 4 microns of SiO 2 .
(11)ソレノイド及び支持柱マスクを用いて、SiO2をプラズマエッチングする。 (11) Plasma etching of SiO 2 using a solenoid and a support column mask.
(12)Ti,TiN又はTiW等の薄い拡散バリアを配置する。もし選択された拡散バリアが十分に付着しない場合には、付着層を配置する。 (12) A thin diffusion barrier such as Ti, TiN or TiW is disposed. If the selected diffusion barrier does not adhere well, an adhesion layer is placed.
(13)バネ支柱424及びソレノイド402を形成するために、4ミクロンの銅を配置する。配置は、スパッタリング、CVD、又は無電界メッキにより行われる。銅は、アルミニウムよりも低い抵抗ばかりか、十分に高い電気泳動に対する抵抗を有する。電流密度は3x106アンペア/cm2のオーダが要求されるので、電気泳動抵抗は重要である。低エネルギーキネティクイオンスパッタリングにより配置された銅フィルムは、アルミニウムシリコン合金よりも1000〜10000倍大きな電気泳動寿命を有することが分かっている。配置された銅は、シリコン合金よりも最大の電気泳動寿命を有するように合金化され、層とされる。配置された銅は、高い電気伝導性を保持した形で、最大の電気泳動抵抗を有するように合金化され、層とされるべきである。
(13) 4 micron copper is placed to form the spring post 424 and
(14)SiO2のレベルに達するまで、CMPを用いてウエハを平面化する。ダマスカスプロセスが、銅をエッチングすることが困難であることから、銅に対して使用される。しかし、ダマスカス絶縁体層は、実質的に除去されるので、もし標準の配置/エッチングサイクルがダマスカスの代わりに使用されたなら、行程は実際により単純なものである。しかし、銅エッチングのアスペクト比は、ダマスカス酸化物エッチングに対しては、僅か4:1であるのに対して、この設計の場合8:1であることを認識すべきである。この違いは、銅が1ミクロンの幅で、4ミクロンの厚さであるが、たった0.5ミクロンの間隔しかないことから生じる。ダマスカスプロセスは、レジストが酸化物の上であり、金属ではないので、リソグラフィーの困難性を低下させることも可能である。 (14) Planarize wafer using CMP until the level of SiO 2 is reached. The Damascus process is used for copper because it is difficult to etch copper. However, since the damascus insulator layer is substantially removed, the process is actually simpler if standard placement / etching cycles are used instead of damascus. However, it should be appreciated that the aspect ratio of the copper etch is only 4: 1 for the damascus oxide etch, compared to 8: 1 for this design. This difference arises from the fact that the copper is 1 micron wide and 4 microns thick, but only 0.5 microns apart. The Damascus process can also reduce lithography difficulties because the resist is on oxide and not metal.
(15)ノズルチャンバ411を、ボロン添加エピタキシャルシリコン層421で停止させる形でプラズマエッチングする。このエッチングは、約13ミクロンのSiO2と8ミクロンのシリコンを貫通する。このエッチングは、垂直に近い側壁を有する、高度に異方性を有するものである。エッチング停止は、排気ガス中のボロンを検知して行われる。もしこのエッチングが、NiFeに対して選択的であるならば、このステップ及び次のステップに対するマスクは組み合わせることが出来る。これにより、次のステップを省略することが出来る。このステップは、印字ヘッドウエハの端部をもボロン層までエッチダウンし、後の分離に備える。
(15) Plasma etching is performed so that the
(16)SiO2の層をエッチングする。これは、NiFeの固定磁石極上の領域のものを除去するためだけである。従って、NiFeに対して選択的にSiとSiO2のエッチングが行われていると、前述のステップで除去することが出来る。 (16) Etch the SiO 2 layer. This is only to remove the area above the NiFe fixed magnet pole. Therefore, if Si and SiO 2 are selectively etched with respect to NiFe, they can be removed by the aforementioned steps.
(17)高密度のSi3N4を均一に配置する。これは腐食バリアを構成する。従って、ピンホールが生じないように、またOHイオンに対して不浸透性を有するようにする。 (17) High density Si 3 N 4 is uniformly arranged. This constitutes a corrosion barrier. Therefore, pinholes are not generated and are impermeable to OH ions.
(18)厚い犠牲層440を配置する。この層はノズルチャンバを完全に満たし、ウエハを完全に被覆して、更に8ミクロンの厚さを増す形でコートする。犠牲層はSiO2である。 (18) A thick sacrificial layer 440 is disposed. This layer completely fills the nozzle chamber, completely coats the wafer, and coats with an additional 8 micron thickness. The sacrificial layer is SiO 2.
(19)デュアルダマスカスプロセスのために犠牲層に二つの深さでエッチングする。深いエッチングは8ミクロンであり、浅いエッチングは3ミクロンである。マスクは、ピストン409,てこアーム417,バネ416及び可動磁石極405を規定する。
(19) Etch the sacrificial layer at two depths for a dual damascus process. Deep etching is 8 microns and shallow etching is 3 microns. The mask defines a
(20)0.1ミクロンの高密度Si3N4を均一に配置する。これは、腐食バリアを構成する。従って、ピンホールが生じないように、またOHイオンに対して不浸透性を有するようにする。 (20) Uniformly arrange 0.1 micron high density Si 3 N 4 . This constitutes a corrosion barrier. Therefore, pinholes are not generated and are impermeable to OH ions.
(21)8ミクロンのニッケル鉄合金(NiFe)を配置する。 (21) An 8 micron nickel iron alloy (NiFe) is placed.
(22)CMPを用いてウエハを、SiO2のレベルに達するまで平面化する。 (22) Planarize wafer using CMP until the level of SiO 2 is reached.
(23)0.1ミクロンの窒化シリコン(Si3N4)を配置する。 (23) Silicon nitride (Si 3 N 4 ) of 0.1 microns is placed.
(24)プランジャの先端を除いて全てのSi3N4をエッチングする。 (24) Etch all Si 3 N 4 except the tip of the plunger.
(25)ボンドパッドを開く。 (25) Open the bond pad.
(26)ウエハを予め作られていたインク溝ウエハ上に恒久的に接合する。印字ヘッドウエハの動作側は、インク溝ウエハに面する。インク溝ウエハは既に分離されたインク溝チップにエッチングされているので、インク溝ウエハはバックプレートに取り付けられる。 (26) Permanently bond the wafer onto the previously made ink groove wafer. The operating side of the print head wafer faces the ink groove wafer. Since the ink groove wafer is already etched into the separated ink groove chips, the ink groove wafer is attached to the back plate.
(27)印字ヘッドウエハをボロン添加エピタキシャル層422のレベルまでエッチングして、背部シリコンを完全に除去する。このエッチングは、エチレンヂアミン ピロカテコール(EDP)内でバッチウエットエッチングで行う。
(27) The printhead wafer is etched to the level of the boron-added
(28)印字ヘッドウエハの下側からノズルリム414をマスクする。このマスクはチップ端部をも含む。 (28) Mask the nozzle rim 414 from below the print head wafer. The mask also includes a tip end.
(31)ボロン添加シリコン層422を貫通エッチングし、ノズル穴を形成する。このエッチングは、ノズルチャンバ内の犠牲材料をも十分に深くエッチングし、犠牲層を除去するために要する時間を短縮する。
(31) The boron added
(32)犠牲層を完全にエッチングする。この材料がSiO2ならば、HFエッチングが使用される。多様な層上の窒化物コーティングが、装置内のガラス絶縁体層や他の材料をHFエッチングから防御する。犠牲層材料へのHFのアクセスは、ノズルを介して行われ、同時にインク溝チップを介して行われる。エッチングの有効深さは、21ミクロンである。 (32) Completely etch the sacrificial layer. This material if SiO 2, HF etch is used. Nitride coatings on various layers protect glass insulator layers and other materials in the device from HF etching. HF access to the sacrificial layer material is performed through the nozzle and simultaneously through the ink groove tip. The effective depth of etching is 21 microns.
(33)チップをバックプレートから分離する。各チップは、今やインク溝を含むフル印字ヘッドである。二つのウエハは既に貫通エッチングされており、従って、印字ヘッドは小片化する必要がない。 (33) The chip is separated from the back plate. Each chip is now a full print head including ink grooves. The two wafers have already been etched through, so the print head does not need to be shredded.
(34)印字ヘッドをテストし、TABを良品の印字ヘッドに接合する。 (34) Test the print head and bond the TAB to a good print head.
(35)印字ヘッドの前表面を疎水性化する。 (35) Hydrophobize the front surface of the print head.
(36)TAB接合された印字ヘッドを最終テストする。 (36) The TAB bonded print head is finally tested.
図60は、実施例に基づいて構築された単一のインクジェットノズル装置の一部分解斜視図である。 FIG. 60 is a partially exploded perspective view of a single inkjet nozzle device constructed according to the embodiment.
本実施例の主要な教示に基づいて動作する、モノリシックなインクジェットプリントヘッドを製造するために使用することの出来る詳細な製造過程の一つの変形例を、以下のステップを行いつつ実行することが出来る。 One variation of the detailed manufacturing process that can be used to manufacture a monolithic inkjet printhead that operates based on the main teaching of this embodiment can be carried out with the following steps: .
1.両面研磨したウエハに、重度にボロンが添加された、3ミクロンのエキタピシャルシリコンを配置する。 1. A 3 micron epitaxial silicon to which boron is heavily added is placed on the wafer polished on both sides.
2.使用するCMOSプロセスに応じて、p型又はn型の10ミクロンのエピタキシャルシリコンを配置する。
2. Depending on the CMOS process used, p-type or n-
3.0.5ミクロン単層ポリシリコン2層メタルCMOSプロセスを完成させる。このステップを図62に示す。わかりやすく示すために、これらの図表は、ノットスケールで示されており、ノズルの単一面での断面を示すものではない。図61は、これら製造図における多様な材料を示す見出しである。 3. Complete 0.5 micron single layer polysilicon two layer metal CMOS process. This step is shown in FIG. For the sake of clarity, these diagrams are shown on a knot scale and do not represent a cross-section on a single face of the nozzle. FIG. 61 is a heading showing various materials in these manufacturing drawings.
4.マスク1を用いて、シリコン又はアルミニウムに到達するまでCMOS酸化層をエッチングする。このマスクは、ノズルチャンバ、プリントヘッドチップの端部、アルミニウム電極から、2分割固定磁気プレートまでのコンタクトビアを規定する。
4). The
5.ステップ4の酸化物をマスクとして用いて、シリコンを、ボロンが添加された埋込層に到達するまで、エッチングする。このエッチングにより、実質的にアルミニウムがエッチングされることはない。このステップを図63に示す。
5. Using the oxide from
6.コバルトニッケル鉄合金の種層を配置する。2テスラの高い飽和磁束密度、及び低い保磁力により、CoNiFeを選ぶ。(テツヤ他、大阪、高飽和磁束密度を有する、軟質磁気CoNiFeフィルム、Nature392、796−798(1998年))
7.4ミクロンのレジストを塗布し、マスク2を用いて感光、現像する。このマスクは分割型固定磁気プレートとノズルチャンバ壁を規定する。また、このマスクによりレジストが電気メッキ型として作用する。このステップを図64に示す。
6). A seed layer of cobalt nickel iron alloy is disposed. CoNiFe is chosen because of its high saturation flux density of 2 Tesla and low coercivity. (Tetsuya et al., Osaka, Soft magnetic CoNiFe film with high saturation magnetic flux density, Nature 392, 796-798 (1998))
Apply a 7.4 micron resist, and use
8.3ミクロンのCoNiFeを電気めっきする。このステップを図65に示す。 8.3 micron CoNiFe is electroplated. This step is shown in FIG.
9.レジストを剥ぎ、露出した種層をエッチングする。このステップを図66に示す。 9. Strip the resist and etch the exposed seed layer. This step is shown in FIG.
10.0.1ミクロンのシリコン窒化物(Si3N4)を配置する。 10. Place 0.1 micron silicon nitride (Si 3 N 4 ).
11.マスク3を用いて、窒化層をエッチングする。このマスクは、ソレノイドコイルの各端部から、2分割固定磁気プレートまでのコンタクトビアを規定する。
11. The nitride layer is etched using the
12.銅の種層を配置する。抵抗率が低く(結果的に効率が高くなる)、電子泳動抵抗が高いため、電流密度が高い時でも信頼性があるため、銅を使う。 12 Place a copper seed layer. Copper is used because of its low resistivity (resulting in high efficiency) and high electrophoretic resistance, which is reliable even at high current densities.
13.5ミクロンのレジストを塗布し、マスク4を用いて、感光、現像する。このマスクは、ソレノイドらせんコイル、ノズルチャンバ壁、レジストが電気めっき型として作用するばねポストを規定する。このステップを図67に示す。
A 13.5 micron resist is applied, and using the
14.4ミクロンの銅を電気めっきする。 Electroplate 14.4 micron copper.
15.レジストを剥ぎ、露出した銅の種層をエッチングする。このステップを図68に示す。 15. Strip the resist and etch the exposed copper seed layer. This step is shown in FIG.
16.ウエハの試験。この時点で、全ての電気的接続が完成される。接合パッドにはアクセス可能であり、チップはまだ分離されていない。 16. Wafer testing. At this point, all electrical connections are complete. The bond pad is accessible and the chip is not yet separated.
17.0.1ミクロンのシリコン窒化物を配置する。 17. Place 0.1 micron silicon nitride.
18.1ミクロンの犠牲材料をエッチングする。この層は、磁石のギャップを規定する。 18. Etch sacrificial material of 1 micron. This layer defines the gap of the magnet.
19.マスク5を用いて、犠牲材料をエッチングする。このマスクは、ばね支柱及びノズルチャンバ壁を規定する。このステップを図69に示す。
19. The sacrificial material is etched using the
20.CoNiFeの種層を配置する。 20. A seed layer of CoNiFe is placed.
21.4.5ミクロンのレジストを塗布する。マスク6を用いて、感光、現像する。このマスクは磁石プランジャの壁、てこアーム、ノズルチャンバ壁及びバネ支柱を規定する。このレジストは、これら部材の電気めっき型を形成している。このステップを図70に示す。 21. Apply 4.5 micron resist. The mask 6 is used for exposure and development. This mask defines the walls of the magnetic plunger, the lever arm, the nozzle chamber wall and the spring struts. This resist forms an electroplating mold for these members. This step is shown in FIG.
22.4ミクロンのCoNiFeを電気めっきする。このステップを図71に示す。 Electroplate 22.4 micron CoNiFe. This step is shown in FIG.
23.CoNiFeの種層を配置する。 23. A seed layer of CoNiFe is placed.
24.4ミクロンのレジストを塗布し、マスク7を用いて、感光、現像する。このマスクは、磁気プランジャの屋根、ノズルチャンバ壁、てこアーム、ばね、ばね支柱を規定する。レジストは、これら部材の電気めっき型を形成する。このステップを図72に示す。 A resist of 24.4 microns is applied, and using the mask 7, it is exposed and developed. The mask defines a magnetic plunger roof, nozzle chamber walls, leverage arms, springs, and spring struts. The resist forms an electroplating mold for these members. This step is shown in FIG.
25.3ミクロンのCoNiFeを電気めっきする。このステップを図73に示す。 Electroplate 25.3 micron CoNiFe. This step is shown in FIG.
26.ウエハを、グラスブランクに設け、KOHを使って、マスクを用いずに、ウエハをバックエッチングする。このエッチングにより、ウエハは薄くなり、ボロンが添加されたシリコン層でエッチングを止める。このステップを図74に示す。 26. The wafer is provided on a glass blank, and the wafer is back-etched using KOH without using a mask. By this etching, the wafer becomes thin, and the etching is stopped at the silicon layer to which boron is added. This step is shown in FIG.
27.マスク8を用いて、ボロンを添加したシリコン層を、深さ1ミクロンまでプラズマバックエッチングする。このマスクは、ノズルのリムを規定する。このステップを図75に示す。 27. Using the mask 8, the silicon layer doped with boron is plasma back etched to a depth of 1 micron. This mask defines the rim of the nozzle. This step is shown in FIG.
28.マスク9を用いて、ボロンを添加した層を貫通してプラズマバックエッチングする。このマスクは、ノズル及びチップの端部を規定する。この段階で、チップは分離されるが、依然ガラスブランクに設けられている。このステップを図76に示す。
28. Using the
29.チップをガラスブランクから脱着する。全ての接着層、レジスト層、犠牲層、露出した種層を剥ぐ。このステップを図77に示す。 29. Detach the chip from the glass blank. Strip all adhesive layer, resist layer, sacrificial layer and exposed seed layer. This step is shown in FIG.
30.プリントヘッドを容器に装着する。この容器は、異なる色のインクをウエハの前表面の適当な領域に供給するためのインク溝が導入された、プラスチック形成された成形部材でもよい。
31.プリントヘッドを中継装置に接続する。
32.プリントヘッドの前表面を疎水性化する。
33.完成したプリントヘッドにインクを満たし、テストする。インクが満たされたノズルを図78に示す。
30. Mount the printhead on the container. The container may be a plastic molded member into which ink grooves are introduced to supply different color inks to appropriate areas on the front surface of the wafer.
31. Connect the printhead to the relay device.
32. Hydrophobize the front surface of the print head.
33. Fill the completed printhead with ink and test. A nozzle filled with ink is shown in FIG.
IJ06 Fの記述
図79に、実施例に基づいて構築された単一のインクノズルユニット510の断面図を示す。インクノズルユニット510は、ノズルチャンバ513に設けられたインク排出用のインク排出ノズル511を有する。インクは、ノズルチャンバ513からハドル515の動きにより排出される。ハドル515はハドル515の平面に沿って走る磁界516内で動作する。パドル515は、ノズル駆動信号の制御下で駆動される少なくとも一つのソレノイドコイル517を有する。パドル515は、磁界内の電荷の移動により生じる力のよく知られた原理により駆動される。従って、パドル515を駆動してインク排出ノズル511からインク滴を排出しようとした場合には、ソレノイドコイル517を駆動する。駆動の結果、パドルの一端は下向きの力519を受ける、一方で、パドルの他端は上向きの力520を受ける。下向きの力519はハドルの対応する動きを生じさせ、インクを排出させる。
Description of IJ06 F FIG. 79 shows a cross-sectional view of a single
図79の断面図から分かるように、パドル515は多数層のソレノイド線を有する。ソレノイド線、例えば521は、パドル515の中心周りに反時計方向に電流が流れる完全な回路を構成している。この結果、パドル515は中心点を通る軸を中心に回転する(図80に示す)。この回転はねじりバネ、例えば522により補助される。ねじりバネは、パドル515の電流が停止した後に、パドル515をその休止位置に戻すように作用する。ねじりバネ522が望ましいが、リーフバネ等、他のバネの形でもよい。
As can be seen from the cross-sectional view of FIG. 79,
ノズルチャンバ513は、インクが排出された後、排出ノズル511のインクの表面張力により、インクが補充される。
製造構築方法
インクジェットノズルの構築は、半導体製造の技術分野における技術者によく知られたマイクロエレクトロニクス製造技術を用いて行われる。マイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS)の一般的な紹介については、この分野における最近の進展と会議に関する行動が記載された、SPIE(International Society for Optical Engineering)第2642及び2882巻の会報を含む、この分野における標準手続が参照される。
After the ink is discharged, the
Manufacturing Construction Method Inkjet nozzles are constructed using microelectronics manufacturing techniques well known to engineers in the technical field of semiconductor manufacturing. For a general introduction to micro-electromechanical systems (MEMS), this area, including newsletters in the International Society for Optical Engineering (SPIE) volumes 2642 and 2882, which describes recent developments in this area and actions related to meetings Reference is made to the standard procedures in
構築の一形態に基づいて、二つのウエハが利用される。駆動回路及びインクジェット印字ノズルが組み立てられるウエハと、インク溝が組み立てられる別のウエハである。 Based on one form of construction, two wafers are utilized. A wafer on which the drive circuit and the inkjet printing nozzle are assembled, and another wafer on which the ink grooves are assembled.
図81に、実施例に基づいて構築される単一のインクジェットノズルの分解斜視図を示す。構築は、シリコンウエハ540から開始され、その上に、エピタキシャルボロン添加層541及びエピタキシャルシリコン層542を組み立てる。ボロン層は、好ましくは1020/cm3以上の濃度で添加され、約2ミクロンの厚さである。シリコンエピタキシャル層は約8ミクロンの厚さで構築され、アクティブ半導体装置技術に適した方法で添加される。
FIG. 81 shows an exploded perspective view of a single inkjet nozzle constructed based on the embodiment. Construction begins with a silicon wafer 540 on which an epitaxial boron doped
次に、駆動トランジスタ及び分配回路が選択された製造工程に基づいて構築され、CMOS論理及び駆動トランジスタレベル543となる。次いで、窒化シリコン層544が配置される。
Next, the drive transistor and distribution circuit are built based on the selected manufacturing process, resulting in CMOS logic and drive
パドル金属層が、化学的研磨技術(CMP)を利用したよく知られた行程である、ダマスカスプロセスを利用して構築される。化学的研磨技術(CMP)は、多層金属を適用したものとして利用がよく知られている。パドル515(図79)のソレノイドコイルは2重層から構成され、第1の層はシングルダマスカスプロセスを利用して製造される。 The paddle metal layer is constructed using the Damascus process, a well-known process using chemical polishing techniques (CMP). The chemical polishing technique (CMP) is well known as an application of multilayer metal. The solenoid coil of the paddle 515 (FIG. 79) is composed of double layers, and the first layer is manufactured using a single damascus process.
次に、第2の層546が、デュアルダマスカスプロセスを利用して配置される。銅層545,546は接続ポスト547,548を有しており、それらは電磁気コイルをCMOS543へ窒化シリコン層544(図示せず)のビアを介して接続している。しかし、金属ポスト部は、それと下方の銅層を接続するビア(接続穴)を有する。ダマスカスプロセスは、平面化されたガラス層で終了する。層543,546の配置を利用したダマスカスプロセスの利用中に製造されるガラス層は、図81の一つの層575として示される。
Next, the
続いて、パドルが形成され、停止層580の位置までのダウンエッチングであるプラズマエッチングにより隣接するガラス層から分離される。更に、パドルの下のノズルチャンバ513は、ボロン層541へのダウンエッチングを行うシリコン異方性ウエットエッチングにより形成される。そして、不動態層が形成される。不動態層は炭素のような相似のダイヤモンド層又は高密度Si3N4コーティングから形成することが出来、パドルは高度に腐食性を有する環境の水とインク内に存在しなければならないので、このコーティングはパドル及びその周囲に対する保護層を提供する。
Subsequently, paddles are formed and separated from the adjacent glass layers by plasma etching, which is down-etching to the stop layer 580 position. Further, the
次に、シリコンウエハをボロンが添加された層及び排出穴511を貫通する形でバックエッチングし、排出穴リム550(図79)をエッチング行程を利用して生成する。
Next, the silicon wafer is back-etched so as to penetrate the boron-added layer and the
本実施例の主要な教示に基づいて動作する、モノリシックなインクジェットプリントヘッドを製造するために使用することの出来る詳細な製造過程の一つの変形例を、以下のステップを行いつつ実行することが出来る。 One variation of the detailed manufacturing process that can be used to manufacture a monolithic inkjet printhead that operates based on the main teaching of this embodiment can be carried out with the following steps: .
1.両面研磨したウエハに、重度にボロンが添加された、3ミクロンのエキタピシャルシリコンを配置する。 1. A 3 micron epitaxial silicon to which boron is heavily added is placed on the wafer polished on both sides.
2.使用するCMOSプロセスに応じて、p型又はn型の10ミクロンのエピタキシャルシリコンを配置する。
2. Depending on the CMOS process used, p-type or n-
3.0.5ミクロン単層ポリシリコン2層メタルCMOSプロセスを完成させる。このステップを図83に示す。わかりやすく示すために、これらの図表は、ノットスケールで示されており、ノズルの単一面での断面を示すものではない。図82は、これら製造図における多様な材料、及び相互参照用インクジェット構造の多様な材料を示す見出しである。
4.0.1ミクロンのシリコン窒化物(Si3N4)を配置する。
5.マスク1を用いて、窒化層をエッチングする。このマスクはソレノイドコイルから第2レベルの金属接触部までのコンタクトビアを規定する。
6.銅の種層を配置する。抵抗率が低く(結果的に効率が高くなる)、電気泳動抵抗が高いため、電流密度が高い時でも信頼性があるため、銅を使う。
7.3ミクロンのレジストを塗布し、マスク2を用いて、感光、現像する。このマスクは、ソレノイドの第1レベルのコイルを規定する。レジストは、電気めっき型として作用する。このステップを図84に示す。
8.2ミクロンの銅を電気めっきする。
9.レジストを剥ぎ、露出した銅の種層をエッチングする。このステップを図85に示す。
10.0.1ミクロンのシリコン窒化物(Si3N4)を配置する。
3. Complete 0.5 micron single layer polysilicon two layer metal CMOS process. This step is shown in FIG. For the sake of clarity, these diagrams are shown on a knot scale and do not represent a cross-section on a single face of the nozzle. FIG. 82 is a heading showing various materials in these manufacturing drawings and various materials in the cross-reference inkjet structure.
4. Place 0.1 micron silicon nitride (Si 3 N 4 ).
5. The nitride layer is etched using the
6). Place a copper seed layer. Copper is used because of its low resistivity (resulting in high efficiency) and high electrophoretic resistance, which is reliable even at high current densities.
Apply 7.3 micron resist, and use
8. Electroplate copper of 2 microns.
9. Strip the resist and etch the exposed copper seed layer. This step is shown in FIG.
10. Place 0.1 micron silicon nitride (Si 3 N 4 ).
11.マスク3を用いて、窒化層をエッチングする。このマスクは、ソレノイドの第1レベル及び第2レベル間のコンタクトバイアスを規定する。
11. The nitride layer is etched using the
12.銅の種層を配置する。
13.3ミクロンのレジストを塗布し、マスク4を用いて、感光、現像する。このマスクは、ソレノイドの第2レベルのコイルを規定する。レジストは、電気めっき型として作用する。このステップを図86に示す。
12 Place a copper seed layer.
A 13.3 micron resist is applied, and using the
14.2ミクロンの銅を電気めっきする。 14. Electroplate copper of 2 microns.
15.レジストを剥ぎ、露出した銅の種層をエッチングする。このステップを図87に示す。 15. Strip the resist and etch the exposed copper seed layer. This step is shown in FIG.
16.ウエハの試験。この時点で、全ての電気的接続が完成される。接合パッドにはアクセス可能であり、チップはまだ分離されていない。
17.0.1ミクロンのシリコン窒化物を配置する。
16. Wafer testing. At this point, all electrical connections are complete. The bond pad is accessible and the chip is not yet separated.
17. Place 0.1 micron silicon nitride.
18.マスク5を用いて、シリコンに到達するまで、窒化層及びCMOS酸化層をエッチングする。このマスクは、結晶ウエットエッチング用の、ノズルチャンバマスクと、プリントヘッドチップの端部を規定する。このステップを図88に示す。
18. The nitride layer and the CMOS oxide layer are etched using the
19.露出したシリコンに対してKOHを用いて、結晶学的エッチングを行う。このエッチングは、結晶面(111)上で止めると共に、ボロンを添加した、シリコン埋込層上で止める。マスク5の設計により、下方に向けて回転させるためのクリアランスをパドルに設ける形で、シリコンの下を切り取る。
19. Crystallographic etching is performed on the exposed silicon using KOH. This etching is stopped on the crystal plane (111) and on the silicon buried layer to which boron is added. Depending on the design of the
20.ウエハをガラスブランクに設け、KOHを用いてマスクを用いずにウエハをバックエッチングする。このエッチングにより、ウエハは薄くなり、ボロンが添加された埋込シリコン層でエッチングを止める。このステップを図89に示す。 20. The wafer is provided on a glass blank, and the wafer is back-etched using KOH without using a mask. By this etching, the wafer becomes thin, and the etching is stopped at the buried silicon layer to which boron is added. This step is shown in FIG.
21.マスク6を用いて、ボロンが添加されたシリコン層を1ミクロンの深さにまでプラズマバックエッチングする。このマスクは、ノズルのリムを規定する。このステップを図90に示す。
22.マスク7を用いて、ボロンが添加された層を介してプラズマバックエッチングを行う。このマスクは、ノズルと、チップのエッジを規定する。この段階で、チップは分離されるが依然ガラスブランクに設けられている。このステップを図91に示す。
23.接着層を剥ぎ、チップをガラスブランクから分離する。このステップを図92に示す。
24.プリントヘッドを容器に装着する。この容器は、異なる色のインクをウエハの前表面の適当な領域に供給するためのインク溝が導入された、プラスチック形成された成形部材でもよい。
25.プリントヘッドを中継装置に接続する。
26.プリントヘッドの前表面を疎水性化する。
27.インクで満たし、チップの表面に、強い磁場を加え、完成したプリントヘッドに対してテストする。インクが満たされたノズルを図93に示す。
21. Using the mask 6, the silicon layer doped with boron is plasma back etched to a depth of 1 micron. This mask defines the rim of the nozzle. This step is shown in FIG.
22. Plasma back etching is performed using the mask 7 through the layer to which boron is added. This mask defines nozzles and chip edges. At this stage, the chips are separated but still provided on the glass blank. This step is shown in FIG.
23. The adhesive layer is peeled off and the chip is separated from the glass blank. This step is shown in FIG.
24. Mount the printhead on the container. The container may be a plastic molded member into which ink grooves are introduced to supply different color inks to appropriate areas on the front surface of the wafer.
25. Connect the printhead to the relay device.
26. Hydrophobize the front surface of the print head.
27. Fill with ink, apply a strong magnetic field to the surface of the chip and test against the finished printhead. A nozzle filled with ink is shown in FIG.
IJ07 F の記述
図94に、実施例の技術に基づいて構築された単一のノズルの断面斜視図601を示す。
Description IJ07 F FIG. 94 shows a
各ノズル601は、電磁気ピストン605の駆動によりノズルチャンバ604からインクが排出されるノズル排出穴602を有する。電磁気ピストン605は、ピストン605を囲むソレノイドコイル606を介して駆動される。ソレノイドコイル606に電流が流れると、ピストン605は613に示すような方向に力を受ける。ピストン605が排出穴602に向けて移動すると、ノズルチャンバ604内のインクにモーメントが与えられる。ねじりバネ、例えば608がピストン605の動きを抑制するが、該ピストン605の動きを完全には止めることはない。
Each
排出サイクルが完了すると、コイル606に対する電流が切れ、その結果、ねじりバネ、例えば608はピストン605を、最初に図94で示したその休止位置にまで戻すように作用する。続いて、表面張力がチャンバ604に作用し、インクを補給し、“再射出“に備える。
When the discharge cycle is complete, the current to
コイル606への電流は、コイル606と半導体駆動トランジスタと論理層618を接続するアルミニウムコネクタ(図示せず)を介して供給される。
Current to the
構築
液体インクジェット印字ヘッド601は、多数のノズルのそれぞれに関連した一つのアクチュエータ装置を有している。アクチュエータ601は、標準の半導体製造技術及びマイクロメカニカル製造技術を用いて構築された、以下の主要な部品を有することは明らかである。
Construction The liquid
1.駆動回路618。
1.
2.ノズル排出穴602。ノズル排出穴602の半径は、滴速度及び滴の大きさにとって重要な事項である。
2.
3.磁石ピストン605。ネオジム鉄ボロン(NeFeB)又はサマリウムコバルト(SaCo)のような希土類磁石材料からなるシリンダである。ピストン605は印字ヘッド製造における最後の高温ステップの後、磁化され、磁化後にはキューリー温度を超えないようにする。典型的な印字ヘッドは数千のピストンを有し、それらは同時に同じ方向に磁化される。
3.
4.ノズルチャンバ604。ノズルチャンバ604は、ピストン605よりも僅かに広い。ピストン605とノズルチャンバ604との間の間隙は、ピストンが戻っている間に、ピストンがノズルチャンバに決して接触しないような程度に小さくなっている。仮に、印字ヘッドが標準の0.5ミクロンのリソグラフ行程を用いて製造されたならば、1ミクロンの間隙で通常は十分である。ノズルチャンバ604はプランジャがその休止位置に戻る際にノズルチップ602を介して吸い込まれた空気がピストンにまで到達しないように、十分深くなっている。もし、到達すると、吸い込まれた空気は半球状の表面を形成せずに、円筒状の表面を形成し、ノズルチャンバ604は適切にインクの補給がされなくなる。
5.ソレノイドコイル606。これは銅の螺旋コイルである。小さな装置半径で強い磁力を得るために、二重層の螺旋が使用される。銅がその低抵抗性と高い電気泳動抵抗により使用される。
6.バネ608―611。バネ608−611は、滴603が排出された後に、ピストン605をその休止位置に戻す。バネは、窒化シリコンから作ることが出来る。
7.不動態層。全ての表面は不動態層によりコーティングされる。不動態層は、窒化シリコン(Si3N4)、ダイヤモンド状炭素(DLC)又は他の化学的に不活性で高い不浸透性を有する層からなる。不動態層は、駆動装置がインクに浸漬されていることから、特に装置の寿命にとって重要である。
4).
5.
6). Spring 608-611. Springs 608-611
7). Passive layer. All surfaces are coated with a passive layer. The passive layer consists of silicon nitride (Si 3 N 4 ), diamond-like carbon (DLC) or other chemically inert and highly impervious layers. The passive layer is particularly important for the lifetime of the device because the drive device is immersed in the ink.
製造方法の例
印字ヘッドは、二つのシリコンウエハから製造される。第1のウエハは、印字ヘッドノズルの組み立に使用されるウエハ(印字ヘッドウエハ)であり、2番目のウエハ(インク溝ウエハ)は、第1の溝の支持手段を提供し、多様なインク溝を形成するために利用される。図95は、印字ヘッド上に単一のインクジェットノズル601を構築する様子を示した分解斜視図である。組立行程は以下の通りである。
Example of Manufacturing Method The print head is manufactured from two silicon wafers. The first wafer is a wafer (print head wafer) used for assembling the print head nozzles, and the second wafer (ink groove wafer) provides support means for the first groove, and various ink grooves. Is used to form FIG. 95 is an exploded perspective view showing a state in which a
ボロンが重度に添加されたシリコンのエピタキシャル層621が埋め込まれた単一のシリコンウエハから開始する。ボロンは、好ましくは1020原子/cm3以上の濃度で添加され、約3ミクロンの厚さである。ボロンが添加された層621の上に、ボロンが軽度に添加されたシリコンのエピタキシャル層622が、約8ミクロンの厚さで配置され、ボロンは選択されたアクティブ半導体装置技術に適した方法で添加される。これが印字ヘッドウエハの開始点である。ウエハの直径はインク溝ウエハの直径と等しい。
We start with a single silicon wafer embedded with a
次に、標準CMOS層618内の第1レベル金属上の酸化物まで、選択された処理に基づいて各ノズルに必要な駆動トランジスタとデータ分配回路を製造する。CMOS層618の上に、窒化シリコン不動態層625を配置する。次に、シリコン酸化層627を配置し、銅コイル層用のマスクを用いてシリコン酸化層627をエッチングする。続いて、銅層630を銅コイル用のマスクを介して配置する。層627,625はまた銅コイル層630と下のCMOS層618を接続するためのビア(図示せず)を有する。次に、ノズルチャンバ604(図94)をエッチングする。次いで、犠牲材料を配置してエッチングされた容量(図示せず)を完全に充填する。犠牲材料上にはサイト部632を含む窒化シリコン層631が配置される。次に、磁気ピストンマスクを用いて磁石材料層633を配置する。この層は、ポスト、例えば634を含む。
Next, the drive transistors and data distribution circuits required for each nozzle are fabricated based on the process selected, up to the oxide on the first level metal in the
磁気ピストン及びねじりバネ、例えば608用のマスクを用いて最終窒化シリコン層635を、窒化物層631の露出部分をカバーするように配置された追加犠牲材料層(図示せず)上に、磁気材料層633の高まで配置する。前述した犠牲材料をエッチングすることにより、ねじりバネ、例えば608と磁気ピストン605(図94参照)が生成される。
Using a mask for a magnetic piston and torsion spring, eg 608, the final
マイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS)の一般的な紹介については、この分野における最近の進展と会議に関する行動が記載された、SPIE(International Society for Optical Engineering)第2642及び2882巻の会報を含む、この分野における標準手続が参照される。 For a general introduction to micro-electromechanical systems (MEMS), this area, including newsletters in the International Society for Optical Engineering (SPIE) volumes 2642 and 2882, which describes recent developments in this area and actions related to meetings Reference is made to the standard procedures in
本実施例の主要な教示に基づいて動作する、モノリシックなインクジェット印字ヘッドを製造するために使用することの出来る詳細な製造過程の一つを、以下のステップを行いつつ実行することが出来る。 One of the detailed manufacturing processes that can be used to manufacture a monolithic inkjet printhead that operates based on the main teachings of this embodiment can be performed while performing the following steps.
1.両面研磨したウエハに、重度にボロンが添加された、3ミクロンのエキタピシャルシリコンを配置する。 1. A 3 micron epitaxial silicon to which boron is heavily added is placed on the wafer polished on both sides.
2.使用するCMOSプロセスに応じて、p型又はn型の10ミクロンのエピタキシャルシリコンを配置する。
2. Depending on the CMOS process used, p-type or n-
3.0.5ミクロン単層ポリシリコン2層メタルCMOSプロセスを完成させる。この金属層は、電流密度が高く、その結果、高温処理が可能なため、アルミニウムの代わりに銅を使う。このステップを図97に示す。わかりやすく示すために、これらの図表は、ノットスケールで示されており、ノズルの単一面での断面を示すものではない。図96は、これら製造図における多様な材料、及び相互参照用インクジェット構造の多様な材料を示す見出しである。
4.0.5ミクロンの低応力PECVDシリコン窒化物(Si3N4)を配置する。窒化物は、誘電体として作用し、また、エッチング停止材、銅拡散バリア及びイオン拡散バリアとして作用する。プリントヘッドの作動速度は遅いので、シリコン窒化物に高い誘電率を持たせることは重要ではない。このため、サブミクロンのCMOSバックエンドプロセスと比較して、窒化層を厚くすることが出来る。
3. Complete 0.5 micron single layer polysilicon two layer metal CMOS process. This metal layer has a high current density and as a result can be processed at high temperature, so copper is used instead of aluminum. This step is shown in FIG. For the sake of clarity, these diagrams are shown on a knot scale and do not represent a cross-section on a single face of the nozzle. FIG. 96 is a heading showing various materials in these manufacturing drawings and various materials in the cross-reference inkjet structure.
4. Place 0.5 micron low stress PECVD silicon nitride (Si 3 N 4 ). The nitride acts as a dielectric and also acts as an etch stop, copper diffusion barrier, and ion diffusion barrier. Since the printhead operates slowly, it is not important to have a high dielectric constant for the silicon nitride. For this reason, the nitride layer can be made thicker than a submicron CMOS back-end process.
5.マスク1を用いて、窒化層をエッチングする。このマスクは、ソレノイドコイルから第2レベルの金属接触部までのコンタクトビア、及びノズルチャンバを規定する。このステップを図98に示す。
5. The nitride layer is etched using the
6.4ミクロンのPECVDガラスを配置する。 Place 6.4 micron PECVD glass.
7.マスク2を用いて、窒化物又は第2レベルの金属に達するまでガラスをエッチングする。このマスクはソレノイドを規定する。このステップを図99に示す。
8.Ta又はTaNの薄いバリア層を配置する。
9.銅の種層を配置する。抵抗率が低く(結果的に効率が高くなる)、電気泳動抵抗が高いため、電流密度が高い時でも信頼性があるため、銅を使う。
7). The
8). A thin barrier layer of Ta or TaN is disposed.
9. Place a copper seed layer. Copper is used because of its low resistivity (resulting in high efficiency) and high electrophoretic resistance, which is reliable even at high current densities.
10.4ミクロンの銅を電気めっきする。 10.4 micron copper is electroplated.
11.CMPを用いて、平滑化する。ステップ4からステップ11までは、銅アスペクト比が4:1(高さ4ミクロン、幅1ミクロン)の、銅デュアルダマスカスプロセスを表している。このステップを図100に示す。
11. Smoothing is performed using CMP.
12.マスク3を用いて、シリコンに到達するまでエッチングする。このマスクは、ノズル穴を規定する。このステップを図101に示す。
12 Etching is performed using the
13.KOHを用いて、露出したシリコンに対して結晶学的エッチングを行う。このエッチングは、結晶面(111)上で止めると共に、ボロンを添加した、シリコン埋込層上で止める。このステップを図102に示す。 13. A crystallographic etch is performed on the exposed silicon using KOH. This etching is stopped on the crystal plane (111) and on the silicon buried layer to which boron is added. This step is shown in FIG.
14.0.5ミクロンの低応力PECVDシリコン窒化物を配置する。 14. Place 0.5 micron low stress PECVD silicon nitride.
15.マスク4を用いて、結合パッドを開く。
15. Using the
16.ウエハを試験する。この時点で、全ての電気的接続が完成される。接合パッドにはアクセス可能であり、チップはまだ分離されていない。 16. Test the wafer. At this point, all electrical connections are complete. The bond pad is accessible and the chip is not yet separated.
17.ノズル穴を充填させる形で、厚い犠牲層(例えば、低応力ガラス)を配置する。窒化面上に深さ5ミクロンまで犠牲層を平滑化する。このステップを図103に示す。 17. A thick sacrificial layer (eg, low stress glass) is placed to fill the nozzle holes. The sacrificial layer is smoothed to a depth of 5 microns on the nitrided surface. This step is shown in FIG.
18.マスク5を用いて、犠牲層を深さ6ミクロンまでエッチングする。このマスクは、永久磁石及び磁石支持ポストを規定する。このステップを図104に示す。
18. Using the
19.ネオジムアイアンボロン(NdFeB)等の、6ミクロンの永久磁石材を配置する。平滑化する。このステップを図105に示す。 19. A 6-micron permanent magnet material such as neodymium iron boron (NdFeB) is disposed. Smooth. This step is shown in FIG.
20.0.5ミクロンの低応力PECVDシリコン窒化物を配置する。 20. Place 0.5 micron low stress PECVD silicon nitride.
21.マスク6を用いて、窒化物をエッチングする。このマスクは、ばねを規定する。このステップを図106に示す。 21. The nitride is etched using the mask 6. This mask defines a spring. This step is shown in FIG.
22.材料に応じた温度で永久磁石材をアニールする。 22. The permanent magnet material is annealed at a temperature corresponding to the material.
23.ウエハを2テスラ(20,000ガウス)の均一磁場に、チップ表面に垂直な磁場で配置する。これにより、永久磁石が磁化される。 23. The wafer is placed in a uniform magnetic field of 2 Tesla (20,000 Gauss) with a magnetic field perpendicular to the chip surface. Thereby, a permanent magnet is magnetized.
24.ウエハをガラスブランクに設け、KOHを用いてマスクを用いずに、ウエハをバックエッチングする。このエッチングにより、ウエハは薄くなり、ボロンが添加された埋込シリコン層でエッチングを止める。このステップを図107に示す。
25.マスク7を用いて、ボロンが添加されたシリコン層を、深さ1ミクロンまでプラズマバックエッチングする。このマスクは、ノズルのリムを規定する。このステップを図108に示す。
26.マスク8を用いて、ボロンが添加された層を介してプラズマバックエッチングを行う。このマスクは、ノズルと、チップのエッジを規定する。
27.ボロンが添加されたシリコン層の穴を介して、ガラス犠牲層にまで窒化物をプラズマバックエッチングする。この段階で、チップは分離されるが、依然ガラスブランクに設けられている。このステップを図109に示す。
28.接着層を剥ぎ、チップをガラスブランクから分離する。
29.緩衝HFで、犠牲ガラス層をエッチングする。このステップを図110に示す。
30.プリントヘッドを容器に装着する。この容器は、異なる色のインクをウエハの前表面の適当な領域に供給するためのインク溝が導入された、プラスチック成形された成形部材でもよい。
31.プリントヘッドを中継装置に接続する。
32.プリントヘッドの前表面を疎水性化する。
33.完成したプリントヘッドにインクを満たし、これをテストする。インクが満たされたノズルを図111に示す。
24. The wafer is provided on a glass blank, and the wafer is back-etched using KOH without using a mask. By this etching, the wafer becomes thin, and the etching is stopped at the buried silicon layer to which boron is added. This step is shown in FIG.
25. Using the mask 7, the silicon layer doped with boron is plasma back etched to a depth of 1 micron. This mask defines the rim of the nozzle. This step is shown in FIG.
26. Plasma back etching is performed using the mask 8 through the layer to which boron is added. This mask defines nozzles and chip edges.
27. The nitride is plasma back etched through the holes in the silicon layer doped with boron to the glass sacrificial layer. At this stage, the chips are separated but still provided on the glass blank. This step is shown in FIG.
28. The adhesive layer is peeled off and the chip is separated from the glass blank.
29. Etch the sacrificial glass layer with buffered HF. This step is shown in FIG.
30. Mount the printhead on the container. The container may be a plastic molded member into which ink grooves are introduced to supply different color inks to appropriate areas on the front surface of the wafer.
31. Connect the printhead to the relay device.
32. Hydrophobize the front surface of the print head.
33. Fill the completed printhead with ink and test it. A nozzle filled with ink is shown in FIG.
IJ08 SFの記述
本実施例は、シャッタが磁石コイルにより駆動される。取り付けられたシャッタを移動するために利用されるコイルは、シャッタを開閉する。シャッタは、変動するインク圧力下にあるインク貯蔵部とインクの排出を規定するインク排出穴を有するノズルチャンバとの間に設けられている。シャッタが開くと、インクはインク貯蔵部からノズルチャンバに流れ込み、インク排出穴からインクが排出される。シャッタが閉じると、インクがチャンバから排出されない安定状態となる。
Description of IJ08 SF In this embodiment, the shutter is driven by a magnet coil. A coil used to move the attached shutter opens and closes the shutter. The shutter is provided between an ink reservoir under varying ink pressure and a nozzle chamber having an ink discharge hole that defines ink discharge. When the shutter is opened, ink flows from the ink reservoir to the nozzle chamber, and the ink is discharged from the ink discharge hole. When the shutter is closed, ink is not discharged from the chamber.
図112に、閉位置にある単一のインクジェットノズル装置710を示す。装置710は一連のシャッタ711を有し、シャッタはノズルチャンバに対応するアパチャー上に配置されている。
FIG. 112 shows a single
図113に、開状態を示すインクジェットノズル710を示す。ここでは、アパチャー712がインク排出穴714とノズルチャンバ713との液体接続を提供していることが示されている。シャッタ、例えば711は互いに接続されており、更にシャッタ、例えば711がその周りに回転する回転中心717の周りに回転自在に設けられたアーム716に接続されている。シャッタ711とアーム716はニッケル鉄(NiFe)から構築され、電磁気装置719に磁気的に取り付けられている。電磁気装置719はNiFeコア720及びその周りに構築された銅コイル721を有する。銅コイル721は、下層の装置にビア723,724を介して接続されている。コイル719はコイル721に通電することにより駆動され、領域726,727に拡大された対応する引力を発生させる。高い引力は、電磁石719の両端部に近接していることから生じる。これにより表面726,727に回転中心717周りの全体的な回転が生じ、これにより、シャッタが閉位置から開位置に回転する。
FIG. 113 shows an
多数のコイルバネ730−732が設けられており、コイルバネはシャッタが回転することによりエネルギを蓄える。従って、電磁石719が非駆動となると、コイルバネ730−732はシャッタをその閉位置に戻すように作用する。前にも述べたように、シャッタ711の開放と閉鎖はインクの流れを、引き続く射出に備えてノズルチャンバに向ける。コイル719はアーム716を回転させ、表面726,727は電磁石719と接触する。表面はアーム716が最初に移動を開始するのに必要な量よりも小さい状態で近接しているので、表面726,727は、保持電流により電磁石719と接触を保持する。
A number of
シャッタ711は、シャッタ711の端部分に僅かに被さったガイド734により平面内に保持される。
The
図114は、実施例に基づくノズル装置710の構築の一形態を示す分解斜視図である。ボロンが添加されたシリコン層740を有する底部レベルは、選択されたウエハ内に添加されたエピタキシャル層を構築することから形成され、次いで、エッチング停止部としてボロン添加層を用いてバックエッチングする。次いで、ノズルチャンバ713を形成する結晶学的にエッチングされたピット有するシリコン層741を設ける。シリコン層7441の上には、ノズルチャンバピットの開口を有する2ミクロンの2酸化シリコン層742が構築され、ノズルチャンバピットの側壁は引き続く窒化層により不動態化されている。2酸化シリコン層742の上には、窒化層744が構築され、下部の2酸化シリコン層742を不動態化すると共に、電磁石部分とシャッタを構築するためのベースともなる。窒化層744と下部の2酸化シリコン層は、電磁石回路に要求により電力を供給するために、電磁石回路の端部に接続する適宜なビアを有する。
FIG. 114 is an exploded perspective view showing one form of construction of the
次に、銅層745が設けられる。銅層は、回転中心717の下部に加えて電磁石アレイのためのベース配線層及びガイド734の構築部分を構成するために利用される銅層の下の部分を供給する。
Next, a
次に、電磁石の内部720を形成するために利用されるNiFe層747が設けられ、NiFe層747は更に、回転中心、アパチャーアームとシャッタ711、更にガイド734部分、更に多様ならせんバネの形成に利用される。NiFe層747の上に、コイル721の側面及び上面巻を提供する銅層749が設けられ、銅層749は、ガイド734の上部の構成をも提供する。各層745,747は、窒化不動態層(図示せず)を利用することによりその周囲から絶縁されている。更に、上部不動態層はインク貯蔵部及びノズルチャンバ内でインクに晒される多様な上面層をカバーすることができる。多様な層745,749は、駆動装置を残す形で犠牲材料がエッチング除去される犠牲構造を用いることにより、形成することが出来る。
Next, a
本実施例の主要な教示に基づいて動作する、モノリシックなインクジェット印字ヘッドを製造するために使用することの出来る詳細な製造過程の一つを、以下のステップを行いつつ実行することが出来る。 One of the detailed manufacturing processes that can be used to manufacture a monolithic inkjet printhead that operates based on the main teachings of this embodiment can be performed while performing the following steps.
1.両面研磨したウエハに、重度にボロンが添加された、3ミクロンのエキタピシャルシリコンを配置する。 1. A 3 micron epitaxial silicon to which boron is heavily added is placed on the wafer polished on both sides.
2.使用するCMOSプロセスに応じて、p型又はn型の10ミクロンのエピタキシャルシリコンを配置する。
2. Depending on the CMOS process used, p-type or n-
3.0.5ミクロン単層ポリシリコン2層メタルCMOSプロセスを完成させる。このステップを図116に示す。わかりやすく示すために、これらの図表は、ノットスケールで示されており、ノズルの単一面での断面を示すものではない。図115は、これら製造図における多様な材料、及び相互参照用インクジェット構造の多様な材料を示す見出しである。 3. Complete 0.5 micron single layer polysilicon two layer metal CMOS process. This step is shown in FIG. For the sake of clarity, these diagrams are shown on a knot scale and do not represent a cross-section on a single face of the nozzle. FIG. 115 is a heading showing various materials in these manufacturing drawings and various materials in the cross-reference inkjet structure.
4.マスク1を用いて、シリコン又はアルミニウムに到達するまでCMOS酸化層をエッチングする。このマスクは、ノズルチャンバ及び印字ヘッドチップのエッジを規定する。このステップを図117に示す。
4). The
5.KOHを用いて、露出したシリコンを結晶学的にエッチングする。このエッチングは、結晶面(111)上で止めると共に、ボロンを添加した、シリコン埋込層上で止める。このステップを図118に示す。 5. The exposed silicon is crystallographically etched using KOH. This etching is stopped on the crystal plane (111) and on the silicon buried layer to which boron is added. This step is shown in FIG.
6.10ミクロンの犠牲材料を配置する。CMPを用いて、酸化物まで平滑化する。一時的に、犠牲材料がノズルの窪みを満たす。このステップを図119に示す。
6.
7.0.5ミクロンのシリコン窒化物(Si3N4)を配置する。 7. Place 0.5 micron silicon nitride (Si 3 N 4 ).
8.マスク3を用いて、アルミニウム又は犠牲材料に到達するまで窒化物及び酸化物をエッチングする。このマスクは、アルミニウム電極からソレノイドまでのコンタクトバイアス及び、ノズルの窪み上の固定された格子を規定する。このステップを図120に示す。
8). Using the
9.銅の種層を配置する。抵抗率が低く(結果的に効率が高くなる)、電気泳動抵抗が高いため、電流密度が高い時でも信頼性があるため、銅を使う。 9. Place a copper seed layer. Copper is used because of its low resistivity (resulting in high efficiency) and high electrophoretic resistance, which is reliable even at high current densities.
10.2ミクロンのレジストを塗布し、マスク4を用いて、感光、現像する。このマスクは、ソレノイドの四角い螺旋の底部側及びシャッタ格子の垂直な壁の最下層を規定する。レジストは、電気めっき型として作用する。このステップを図121に示す。
A 10.2 micron resist is applied, and exposure and development are performed using a
11.1ミクロンの銅を電気めっきする。このステップを図122に示す。 11.1 micron copper is electroplated. This step is shown in FIG.
12.レジストを剥ぎ、露出した銅の種層をエッチングする。このステップを図123に示す。 12 Strip the resist and etch the exposed copper seed layer. This step is shown in FIG.
13.0.1ミクロンのシリコン窒化物を配置する。 13. Place 0.1 micron silicon nitride.
14.0.5ミクロンの犠牲材料を配置する。 14. Place 0.5 micron sacrificial material.
15.マスク5を用いて、窒化物に到達するまで犠牲材料をエッチングする。このマスクは、ソレノイド、固定磁気ポール、ピボット(回転中心)、ばね支柱、及びシャッタ格子の垂直な壁の中間層を規定する。このステップを図124に示す。
15. The sacrificial material is etched using the
16.コバルトニッケル鉄合金の種層を配置する。2テスラの高い飽和磁束度、及び低い保磁力により、CoNiFeを選ぶ。(テツヤ他、大阪、高飽和磁束密度を有する、軟質磁気CoNiFeフィルム、Nature392、796−798(1998年))
17.3ミクロンのレジストを塗布し、マスク6を用いて感光、現像する。このマスクは、固定磁気ポール、ピボット、シャッタグリル、てこアーム、ばねポスト、シャッタグリル垂直ストッパの中間層である、全ての軟質磁気部材を規定する。レジストは、電気めっき型として作用する。このステップを図125に示す。
16. A seed layer of cobalt nickel iron alloy is disposed. CoNiFe is chosen because of its high saturation flux of 2 Tesla and low coercivity. (Tetsuya et al., Osaka, Soft magnetic CoNiFe film with high saturation magnetic flux density, Nature 392, 796-798 (1998))
A 17.3 micron resist is applied and exposed and developed using a mask 6. This mask defines all soft magnetic members that are intermediate layers of fixed magnetic poles, pivots, shutter grills, lever arms, spring posts, and shutter grill vertical stoppers. The resist acts as an electroplating mold. This step is illustrated in FIG.
18.2ミクロンのCoNiFeを電気めっきする。このステップを図126に示す。
19.レジストを剥ぎ、露出した種層をエッチングする。このステップを図127に示す。
18.2 micron CoNiFe is electroplated. This step is illustrated in FIG.
19. Strip the resist and etch the exposed seed layer. This step is shown in FIG.
20.0.1ミクロンのシリコン窒化物(Si3N4)を配置する。 20. Place 0.1 micron silicon nitride (Si 3 N 4 ).
21.2ミクロンのレジストを塗布し、マスク7を用いて、感光し、現像する。このマスクは、レジストが電気めっき型として作用する、ソレノイド垂直ワイヤセグメントを規定する。このステップを図128に示す。 A 21.2 micron resist is applied, exposed using the mask 7, and developed. This mask defines solenoid vertical wire segments where the resist acts as an electroplating mold. This step is shown in FIG.
22.マスク7レジストを用いて、銅に到達するまで窒化物をエッチングする。 22. Using the mask 7 resist, the nitride is etched until it reaches copper.
23.2ミクロンの銅を電気めっきする。このステップを図129に示す。 Electroplate 23.2 micron copper. This step is shown in FIG.
24.銅の種層を配置する。 24. Place a copper seed layer.
25.2ミクロンのレジストを塗布し、マスク8を用いて、感光、現像する。このマスクは、ソレノイドの四角い螺旋の上部側及びシャッタ格子の垂直な壁の上部層を規定する。このレジストは、電気めっき型として作用する。このステップを図130に示す。 A 25.2 micron resist is applied and exposed and developed using a mask 8. This mask defines the upper side of the square helix of the solenoid and the upper layer of the vertical walls of the shutter grid. This resist acts as an electroplating mold. This step is shown in FIG.
26.1ミクロンの銅を電気めっきする。このステップを図131に示す。 26.1 micron copper is electroplated. This step is shown in FIG.
27.レジストを剥ぎ、露出した銅の種層をエッチングし、新たに露出したレジストを剥ぐ。このステップを図132に示す。 27. Strip the resist, etch the exposed copper seed layer, and strip the newly exposed resist. This step is shown in FIG.
28.0.1ミクロンの相似のシリコン窒化物を、腐食バリアとして配置する。 28. A similar silicon nitride of 0.1 microns is placed as a corrosion barrier.
29.マスク9を用いて、接合パッドを開く。
29. Using the
30.ウエハの試験。この時点で、全ての電気的接続が完成される。接合パッドにはアクセス可能であり、チップはまだ分離されていない。
31.ウエハをガラスブランクに設け、KOHを用いてマスクを用いずにウエハをバックエッチングする。このエッチングにより、ウエハは薄くなり、ボロンが添加された埋込シリコン層でエッチングを止める。このステップを図133に示す。
32.マスク9を用いて、ボロンが添加されたシリコン層を深さ1ミクロンまでプラズマバックエッチングする。このマスクは、ノズルのリムを規定する。このステップを図134に示す。
33.マスク10を用いて、ボロンが添加された層を介してプラズマバックエッチングを行う。このマスクは、ノズルと、チップのエッジを規定する。この段階で、チップは分離されるが依然ガラスブランクに設けられている。このステップを図135に示す。
34.チップをガラスブランクから分離する。全ての接着層、レジスト層、犠牲層、露出種層を剥ぐ。このステップを図136に示す。
35.プリントヘッドを容器に装着する。この容器は、異なる色のインクをウエハの前表面の適当な領域に供給するためのインク溝が導入された、プラスチック形成された成形部材でもよい。容器には、インク溝の後ろに取り付けられた圧電性のアクチュエータも設けられている。圧電性のアクチュエータは、インク噴出作用に必要な変動するインク圧を提供している。
36.印字ヘッドを中継装置に接続する。
37.印字ヘッドの前表面を疎水性化する。
38.完成した印字ヘッドにインクを満たし、これをテストする。インクが満たされたノズルを図137に示す。
30. Wafer testing. At this point, all electrical connections are complete. The bond pad is accessible and the chip is not yet separated.
31. The wafer is provided on a glass blank, and the wafer is back-etched using KOH without using a mask. By this etching, the wafer becomes thin, and the etching is stopped at the buried silicon layer to which boron is added. This step is shown in FIG.
32. Using the
33. Plasma back etching is performed using the
34. Separate the chip from the glass blank. Strip all adhesive, resist, sacrificial and exposed seed layers. This step is illustrated in FIG.
35. Mount the printhead on the container. The container may be a plastic molded member into which ink grooves are introduced to supply different color inks to appropriate areas on the front surface of the wafer. The container is also provided with a piezoelectric actuator attached behind the ink groove. Piezoelectric actuators provide the fluctuating ink pressure required for ink ejection.
36. Connect the print head to the relay device.
37. Make the front surface of the print head hydrophobic.
38. Fill the completed printhead with ink and test it. A nozzle filled with ink is shown in FIG.
IJ10 TFの記述
本実施例は、各ノズルが外部パルス磁場の影響下にあるように設けられたインクジェットノズルのアレイである。外部パルス磁場は、選択されたノズルにそのインクノズルチャンバからインクを排出させる。
Description of IJ10 TF This example is an array of inkjet nozzles provided such that each nozzle is under the influence of an external pulsed magnetic field. The external pulsed magnetic field causes the selected nozzle to eject ink from its ink nozzle chamber.
図138及び図139に単一のインクノズル910の一部断面斜視図を示す。図138は、休止位置にあるノズルを示し、図139は、インク排出位置にあるノズル910を示す。インクジェットノズル910は、オンデマンドでインクを排出するインク排出穴911を有する。インク排出穴911は、通常はインクで満たされ、インク貯蔵部913から穴、例えば915を介してインクが補給されるインクノズルチャンバ912に接続されている。
138 and 139 are partial cross-sectional perspective views of a
磁気駆動装置925は、窒化物コーティング、例えば918により囲まれた磁気ソフトコア917を有している。窒化物コーティングは端部突起927を有する。
The magnetic drive 925 has a magnetic
磁気コア917は、外部パルス磁場の影響下で動作する。そして外部磁場がとても高いとアクチュエータ925は下方に迅速に移動して、インク排出穴911からインクを排出させる。アクチュエータ920に近接して、二つのアーム922,924を有する銅の抵抗回路からなる熱アクチュエータを構成するロッキング機構920が設けられている。電流は、接続されたアーム922,924を通過し、それらを加熱する。より薄い構造のアーム922は、より厚い構造のアーム924よりも抵抗熱が大きく生じる。また、アーム922は曲がりくねった形であり、高い熱膨張率を有するポリテトラフルオロエチレン(PTFE)により囲まれている。これにより、加熱時の膨脹度合が増加する。銅部分は、PTFE部分共にアコーディオン式に膨脹する。アーム924は、加熱に際して多様な力が作用する結果、集中した曲げ領域となる薄肉部929(図140)を有している。それゆえ、アーム924の曲げは領域929で強調され、加熱時には、領域929は曲がり、端部926(図138)は外方に移動して、アクチュエータ925の端部927の下方への動きを阻害する。従って、現在のノズルチャンバからインク滴を排出しようとすると、ロッキング機構920を駆動させず、その結果インクはインク排出穴から、次の外部磁気パルスのフェーズ中で排出される。現在のノズルからインクを排出させない場合には、ロッキング機構920はアクチュエータ925の動きを阻止するために駆動され、チャンバからのインクの排出を停止する。
The
重要なことは、アクチュエータ920は、運転中にアーム922を通過するインクの量は極めて少ない一方で、アーム924ではより多くのインクが流動するように、窪み928内に配置されていることである。
Importantly, the
図140に、ノズルを構成する多様な層を示す単一のインクジェットノズル910の分解斜視図を示す。ノズル910は、マイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS)の構築に通常使用される技術に加えて、標準の半導体製造技術を用いて半導体ウエハ上に構築することが出来る。マイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS)の一般的な紹介については、この分野における最近の進展と会議に関する行動が記載された、SPIE(International Society for Optical Engineering)第2642及び2882巻の会報を含む、この分野における標準手続が参照される。ボトムレベル930に、インク排出穴911を含むノズルプレートが構築される。ノズルプレート930は、シリコンウエハに埋め込まれたボロン添加エピタキシャル層から構築され、該エピタキシャル層の位置までバックエッチングされる。次いで、エピタキシャル層自体は、マスクを用いてエッチングされ、ノズルリム(図示せず)とノズル穴911が形成される。
FIG. 140 shows an exploded perspective view of a
次に、シリコンウエハ層932はエッチングされ、ノズルチャンバ912が形成される。シリコン層932は、サーフィステクノロジーシステムから入手可能な高密度低圧プラズマエッチングを用いて、実質的に垂直な壁を含む形でエッチングされ、後にエッチング除去される犠牲材料が実質的に充填される。
Next, the
シリコン層の上部に、通常の金属とポリ層に加えて実質的にガラスから構成される2層CMOS回路層933を配置する。層933は、銅から構築されるヒータ素子の接点を構成する。PTFE層935は、最初に配置される底のPTFE層の構築から始まり、銅層934、次いで該銅層934をカバーする第2のPTFE層が配置されて、設けられる。
On top of the silicon layer, a two-layer
次に、下層に対する不動態層を提供するように作用する窒化物の不動態層936が設けられ、不動態層936は、アクチュエータ925の磁気アクチュエータ部を形成する軟磁ニッケル鉄層917のベースをも設ける形に作用する。窒化物層936はアクチュエータの曲げに利用される曲げ部940を有する。
Next, a nitride passivation layer 936 is provided that acts to provide a passivation layer for the underlying layer, and the passivation layer 936 also includes the base of the soft magnetic
次に、窒化物不動態層939を配置し、ニッケル鉄(NiFe)層917の上部及び側部表面を不動態化する。
Next, a
本実施例の主要な教示に基づいて動作する、モノリシックなインクジェット印字ヘッドを製造するために使用することの出来る詳細な製造過程の一つを、以下のステップを行いつつ実行することが出来る。 One of the detailed manufacturing processes that can be used to manufacture a monolithic inkjet printhead that operates based on the main teachings of this embodiment can be performed while performing the following steps.
1.両面研磨したウエハに、重度にボロンが添加された、3ミクロンのエキタピシャルシリコンを配置する。 1. A 3 micron epitaxial silicon to which boron is heavily added is placed on the wafer polished on both sides.
2.使用するCMOSプロセスに応じて、p型又はn型の10ミクロンのエピタキシャルシリコンを配置する。
2. Depending on the CMOS process used, p-type or n-
3.0.5ミクロン単層ポリシリコン2層メタルCMOSプロセスを用いて、駆動トランジスタ、データ分配及びタイミング回路を完成させる。このステップのウエハの関連する特徴を図142に示す。わかりやすく示すために、これらの図表は、ノットスケールで示されており、ノズルの単一面での断面を示すものではない。図141は、これら製造図における多様な材料、及び相互参照用インクジェット構造の多様な材料を示す見出しである。 3. Complete the drive transistor, data distribution and timing circuit using a 0.5 micron single layer polysilicon two layer metal CMOS process. The relevant features of the wafer in this step are shown in FIG. For the sake of clarity, these diagrams are shown on a knot scale and do not represent a cross-section on a single face of the nozzle. FIG. 141 is a heading showing various materials in these manufacturing drawings and various materials of the cross-reference inkjet structure.
4.マスク1を用いて、シリコン又はアルミニウムに到達するまでCMOS酸化層をエッチングする。このマスクは、ノズルチャンバ及びプリントヘッドチップのエッジを規定する。このステップを図143に示す。
4). The
5.例えば、KOH又はEDP(エチレンジアミンピロカテコール)を用いて、露出したシリコンに対して結晶学的エッチングを行う。このエッチングは、結晶面(111)上で止めると共に、ボロンを添加した、シリコン埋込層上で止める。このステップを図144に示す。 5. For example, crystallographic etching is performed on the exposed silicon using KOH or EDP (ethylenediamine pyrocatechol). This etching is stopped on the crystal plane (111) and on the silicon buried layer to which boron is added. This step is shown in FIG.
6.0.5ミクロンのシリコン窒化物(Si3N4)を配置する。 6. Place 0.5 micron silicon nitride (Si 3 N 4 ).
7.10ミクロンの犠牲材料を配置する。CMPを用いて、窒化物上で、1ミクロンまで平滑化する。一時的に、犠牲材料がノズル穴を満たす。このステップを図145に示す。
7.
8.0.5ミクロンのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を配置する。 8. Place 0.5 micron polytetrafluoroethylene (PTFE).
9.マスク2を用いてコンタクトバイアスを、PTFE,犠牲材料、窒化物、及びCMOS酸化層内に第2レベルの金属に到達するまで、エッチングする。このステップを図146に示す。
9. The contact bias is etched using
10.1ミクロンのチタニウム窒化物(TiN)を配置する。 Place 10.1 micron titanium nitride (TiN).
11.マスク3を用いて、TiNをエッチングする。このマスクは、キャッチアクチュエータのホットアーム用のヒータパターン、キャッチアクチュエータのコールドアーム及びキャッチを規定する。このステップを図147に示す。
11. TiN is etched using the
12.1ミクロンのPTFEを配置する。 Place 12.1 micron PTFE.
13.マスク4を用いて、PTFE2層をエッチングする。このマスクは、キャッチアクチュエータのホットアームのスリーブを規定する。このステップを図148に示す。
13. The
14.電気めっき用の種層を配置する。 14 A seed layer for electroplating is placed.
15.11ミクロンのレジストを塗布し、マスク5を用いて、感光、現像する。このマスクは、磁気パドルを規定する。このステップを図149に示す。
15. A 11-micron resist is applied, and using the
16.ニッケル鉄(NiFe)等の、10ミクロンの強磁性材料を電気めっきする。このステップを図150に示す。 16. Electroplating a 10 micron ferromagnetic material such as nickel iron (NiFe). This step is shown in FIG.
17.レジストを剥ぎ、種層をエッチングする。 17. Strip the resist and etch the seed layer.
18.0.5ミクロンの低応力PECVDシリコン窒化物を配置する。 18. Place 0.5 micron low stress PECVD silicon nitride.
19.ばねを規定する、マスク6を用いて、窒化物をエッチングする。このステップを図151に示す。 19. The nitride is etched using a mask 6 that defines a spring. This step is shown in FIG.
20.ウエハをガラスブランクに設け、KOHを用いてマスクを用いずにウエハをバックエッチングする。このエッチングにより、ウエハは薄くなり、ボロンが添加された埋込シリコン層でエッチングを止める。このステップを図152に示す。 20. The wafer is provided on a glass blank, and the wafer is back-etched using KOH without using a mask. By this etching, the wafer becomes thin, and the etching is stopped at the buried silicon layer to which boron is added. This step is shown in FIG.
21.マスク7を用いて、ボロンが添加されたシリコン層を深さ1ミクロンまでプラズマバックエッチングする。このマスクは、ノズルのリムを規定する。このステップを図153に示す。
22.マスク8を用いて、ボロンが添加された層を介してプラズマバックエッチングを行う。このマスクは、ノズルと、チップのエッジを規定する。
23.ボロンが添加された層の穴を介して、ガラス犠牲層にまで窒化物をプラズマバックエッチングする。この段階で、チップは分離されるが、依然ガラスブランクに設けられている。このステップを図154に示す。
24.接着層を剥ぎ、チップをガラスブランクから分離する。
25.犠牲層をエッチングする。このステップを図155に示す。
26.プリントヘッドを容器に装着する。この容器は、異なる色のインクをウエハの前表面の適当な領域に供給するためのインク溝が導入された、プラスチック形成された成形部材でもよい。
27.プリントヘッドを中継装置に接続する。
28.プリントヘッドの前表面を疎水性化する。
29.完成したプリントヘッドにインクを満たし、振動磁場を加えて、プリントヘッドをテストする。このステップを図156に示す。
21. Using the mask 7, the silicon layer doped with boron is plasma back etched to a depth of 1 micron. This mask defines the rim of the nozzle. This step is shown in FIG.
22. Plasma back etching is performed using the mask 8 through the layer to which boron is added. This mask defines nozzles and chip edges.
23. The nitride is plasma back etched through the holes in the layer doped with boron to the glass sacrificial layer. At this stage, the chips are separated but still provided on the glass blank. This step is shown in FIG.
24. The adhesive layer is peeled off and the chip is separated from the glass blank.
25. Etch the sacrificial layer. This step is illustrated in FIG.
26. Mount the printhead on the container. The container may be a plastic molded member into which ink grooves are introduced to supply different color inks to appropriate areas on the front surface of the wafer.
27. Connect the printhead to the relay device.
28. Hydrophobize the front surface of the print head.
29. Fill the completed printhead with ink and apply an oscillating magnetic field to test the printhead. This step is illustrated in FIG.
IJ11 Fの記述
本実施例は、インクが満たされたインクジェットノズル及びチャンバを提供する。前記ジェットノズルチャンバは、静止コイルと可動コイルを有する。駆動時には、静止コイルと可動コイルは互いに引き合い、バネを負荷する。コイルが駆動解除されると、ノズルからインク滴が排出される。
Description of IJ11 F This example provides an ink jet nozzle and chamber filled with ink. The jet nozzle chamber has a stationary coil and a movable coil. During driving, the stationary coil and the moving coil attract each other and load the spring. When the drive of the coil is released, the ink droplet is discharged from the nozzle.
図157から図160に実施例の動作を模式的に示す。図157に、インク排出穴1011及びインクメニスカスをこの部分1012に有する単一のインクジェットノズルチャンバ1010を示す。ノズルチャンバ1010の内側には、固定又は静止コイル1015及び可動コイル1015が配置されている。図157の装置はノズルチャンバ内での静止状態を示す。
FIG. 157 to FIG. 160 schematically show the operation of the embodiment. FIG. 157 shows a single
二つのコイルは駆動され、互いに引き合うこととなる。これにより、可動プレート1015は、図158に示すように、固定又は静止プレート1014に向けて移動する。移動の結果、バネ1018,1019は負荷状態となる。次いで、コイル1015が動くと、メニスカス1012の形状が変化し、チャンバ1010からインクが流出する。コイルは可動コイル1012がその位置(約2ミリ秒)に到達するまでの時間、駆動される。コイル電流レベルは、ノズルにインクが補給されるまで、より低い“レベル”に変わる。プレート1014と1015間の磁気ギャップは、可動コイル1015がその停止位置にある時に最小となるので、保持力は、実質的にプレート1015を動かすために使用される最大電流レベルよりも小さい。メニスカス1012の表面張力はインク内の力として作用し、図159に示すように、ノズルにインクが補充される。ノズルの補給は、約100ミリ秒程度かかる工程において、引き込まれたピストンの容積をインクで満たす。
The two coils are driven and attract each other. As a result, the
コイル電流が切れ、図160に示すように、可動コイル1015が、スプリング1018,1019により通常位置に加速されるプランジャとして動作する。プランジャコイル1015のバネの力は、そのストロークの最初で最大となり、バネの力がゼロに近づくにつれ遅くなる。その結果、プランジャプレート1015の加速度は、そのストロークの最初で最高となり、ストローク中で減少し、その結果、ストローク中でのインク速度はより均一となる。動くプレート1015はメニスカスを膨らませ、切れてインク滴1020を形成する。そして、プランジャコイル1015は、次の滴の排出サイクルまでその休止位置に停止する。
The coil current is cut off, and the
図161は、インクジェットノズル1010の構築の一例を示す斜視図である。インクジェットノズル1010は、シリコンウエハベース1022上に、例えば、1600dpi印字ヘッドのような、所定のdpiを有する印字ヘッドを供給する目的から形成される、大きなノズル1010アレイの一部の形で構築される。印字ヘッド1010は、アドバンストシリコン半導体製造及びマイクロマシニング及びマイクロ組立行程技術を用いて構築される。ウエハは最初に下層の駆動回路(図示せず)が形成され、次いで、接続のための適宜なバイアスと共に、2ミクロンの厚さの2酸化物層1022で仕上げる。好ましくは、CMOS層が、基礎的な接続用金属の一つのレベルを有する。ガラス層1022の上には、窒化物層1023が構築され、そこに二つのコイル層1025,1026が埋め込まれる。コイル層1025,1026は、窒化物層1023内に、よく知られたデュアルダマスカスプロセス及び化学的機械的平面化技術を用いて埋め込まれる(“マイクロエレクトロ材料の化学的機械的な平面化” Sterger
Wald他、ニューヨーク州、ニューヨーク、John
Wiley and Sonsにより1997年発行)。二つのコイル1025,1026は、それらの中央部で火を用いて接続されており、更に、端部1028,1029の適宜なビアにより、端部1028,1029に接続されている。同様に、可動コイルは二つの銅コイル1031,1032から形成されており、それらは、更なる窒化物層1033内に包まれている。銅コイル131,1032と窒化物層1033は、上端の可動コイルが底部コイルから離れた安定した状態となるようにねじりバネ1036−1039が設けられている。多様な銅コイルを電流が通過すると、上部銅コイル1031,132は底部銅コイル1025,1026側に引かれ、ねじるバネ1036−1039に負荷が作用する。そして、電流が切れると、バネ1036−1039は上部可動コイルをそのオリジナル位置に戻すように作用する。ノズルチャンバは隣接する壁間にスロットが形成された窒化壁部、例えば1040,1041を介して形成されている。スロットは、必要に応じてインクがチャンバ内に流れることを許容する。上部窒化プレート1044は、1010内部の上部のキャップを提供しており、インク流の溝支持体内に設けられている。ノズルプレート044は下レベル層の犠牲エッチングを補助する一連の穴1045を有している。また、その周辺に盛り上がった部分を有するインク排出ノズルも設けられ、ノズルの外表面上にインクが流出することを防止している。エッチングされた貫通穴1045の直径は、ノズル穴1011の直径よりも遙かに小さく形成され、インクがノズル1011から排出されると同時に、表面張力が貫通穴1045内にインクを保持する。
FIG. 161 is a perspective view illustrating an example of the construction of the
Wald et al., New York, New York, John
(Published in 1997 by Wiley and Sons). The two
以前に述べたように、ノズル1010の多様な層が、標準半導体及びマイクロメカニカル技術に基づいて構築される。これらの技術は、犠牲層エッチングを用いて後に形成される支持構造物を提供する層を提供する犠牲層エッチングの利用に加えて、以前述べたようなデュアルダマスカスプロセスを用いる。
As previously mentioned, the various layers of
インクは、ウエハの側面に沿ったインク溝を設けて、インクの流れをノズルプレート1044の下の領域に作るような、標準的な技術によりノズル1010内に供給される。また、インク溝の入口を、サーフィステクノロジーシステム社のアドバンストシリコンエッジ処理として知られた高密度低圧プラズマエッチング処理を利用することによりウエハを貫通させた形で設けることも出来る。エッチングされた入口1045は、表面張力がインクをそれらの入口穴から漏れ出ない用に作用することが出来る程度に小さい。
Ink is supplied into the
図162に、インクの排出準備が整った最終組立済みインクジェットノズルを示す。 FIG. 162 shows the final assembled inkjet nozzle ready for ink discharge.
本実施例の主要な教示に基づいて動作する、モノリシックなインクジェット印字ヘッドを製造するために使用することの出来る詳細な製造過程の一つを、以下のステップを行いつつ実行することが出来る。
1.両面研磨したウエハを使用する。0.5ミクロン単層ポリシリコン2層メタルCMOSプロセスを用いて、駆動トランジスタ、データ分配回路、タイミング回路を完成させる。このステップを図164に示す。わかりやすく示すために、これらの図表は、ノットスケールで示されており、ノズルの単一面での断面を示すものではない。図163は、これら製造図における多様な材料、及び相互参照用インクジェット構造の多様な材料を示す見出しである。
2.0.5ミクロンの低応力PECVDシリコン窒化物(Si3N4)を配置する。窒化物は、誘電体として作用し、エッチングを止めると、銅拡散バリア及びイオン拡散バリアとして作用する。プリントヘッドの作動速度は遅いので、シリコン窒化物に高い誘電率を持たせることは重要ではない。このため、サブミクロンのCMOSバックエンドプロセスと比較して、窒化層を厚くすることが出来る。
One of the detailed manufacturing processes that can be used to manufacture a monolithic ink jet print head that operates based on the main teachings of this embodiment can be performed while performing the following steps.
1. Use a double-side polished wafer. A drive transistor, a data distribution circuit, and a timing circuit are completed using a 0.5 micron single layer polysilicon two-layer metal CMOS process. This step is shown in FIG. For the sake of clarity, these diagrams are shown on a knot scale and do not represent a cross-section on a single face of the nozzle. FIG. 163 is a heading showing various materials in these manufacturing drawings and various materials of the cross-reference inkjet structure.
2. Place 0.5 micron low stress PECVD silicon nitride (Si 3 N 4 ). The nitride acts as a dielectric, and when etching is stopped, acts as a copper diffusion barrier and an ion diffusion barrier. Since the printhead operates slowly, it is not important to have a high dielectric constant for the silicon nitride. For this reason, the nitride layer can be made thicker than a submicron CMOS back-end process.
3.マスク1を用いて、窒化層をエッチングする。このマスクは、ソレノイドコイルから第2レベルの金属接触部までのコンタクトビアを規定する。このステップを図165に示す。
3. The nitride layer is etched using the
4.1ミクロンのPECVDガラスを配置する。
4.
5.マスク2を用いて、窒化物又は第2レベルの金属に達するまでガラスをエッチングする。このマスクは固定ソレノイドの第1層を規定する。このステップを図166に示す。
6.Ta又はTaNの薄いバリア層を配置する。
7.銅の種層を配置する。抵抗率が低く(結果的に効率が高くなる)、電子泳動抵抗が高いため、電流密度が高い時でも信頼性があるため、銅を使う。
5. The
6). A thin barrier layer of Ta or TaN is disposed.
7). Place a copper seed layer. Copper is used because of its low resistivity (resulting in high efficiency) and high electrophoretic resistance, which is reliable even at high current densities.
8.1ミクロンの銅を電気めっきする。 8. Electroplate copper of 1 micron.
9.CMPを用いて、平滑化する。ステップ2からステップ9までは、銅デュアルダマスカスプロセスを表している。このステップを図167に示す。
9. Smoothing is performed using CMP.
10.0.5ミクロンの低応力PECVDシリコン窒化物を配置する。 10. Place 0.5 micron low stress PECVD silicon nitride.
11.マスク3を用いて、窒化層をエッチングする。このマスクは、固定ソレノイドの第2層から第1層までのバイアスを規定する。このステップを図168に示す。
11. The nitride layer is etched using the
12.1ミクロンのPECVDガラスを配置する。 Place 12.1 micron PECVD glass.
13.マスク4を用いて、窒化物又は銅に達するまでガラスをエッチングする。このマスクは、固定ソレノイドの第2層を規定する。このステップを図169に示す。
13. The
14.薄いバリア層と、種層を配置する。 14 A thin barrier layer and a seed layer are placed.
15.1ミクロンの銅を電気めっきする。 15. Electroplate copper of 1 micron.
16.CMPを用いて、平滑化する。ステップ10からステップ16までは、第2銅デュアルダマスカスプロセスを表している。このステップを図170に示す。
16. Smoothing is performed using CMP.
17.0.5ミクロンの低応力PECVDシリコン窒化物を配置する。 17. Place 0.5 micron low stress PECVD silicon nitride.
18.0.1ミクロンのPTFEを配置する。こうして2つのソレノイド間の空間を疎水化することにより、ノズルをインクで満たした時、このスペースに気泡ができる。これにより、上部ソレノイドがより自由に移動することが出来る。 18. Place 0.1 micron PTFE. By making the space between the two solenoids hydrophobic in this way, bubbles are formed in this space when the nozzle is filled with ink. This allows the upper solenoid to move more freely.
19.4ミクロンの犠牲材料を配置する。これにより、2つのソレノイド間にスペースが形成される。 Place a 19.4 micron sacrificial material. Thereby, a space is formed between the two solenoids.
20.0.1ミクロンの低応力PECVDシリコン窒化物を配置する。 20. Place 0.1 micron low stress PECVD silicon nitride.
21.マスク5を用いて、窒化層、犠牲層、PTFE層、ステップ17の窒化層をエッチングする。このマスクは、第1層の移動ソレノイドから、第2層の固定ソレノイドまでのバイアスを規定する。このステップを図171に示す。
21. Using the
22.1ミクロンのPECVDガラスを配置する。 Place 22.1 micron PECVD glass.
23.マスク6を用いて、窒化物又は銅に到達するまでガラスをエッチングする。このマスクは、移動ソレノイドの第1層を規定する。このステップを図172に示す。 23. The mask 6 is used to etch the glass until it reaches the nitride or copper. This mask defines the first layer of the moving solenoid. This step is shown in FIG.
24.薄いバリア層及び種層を配置する。 24. A thin barrier layer and seed layer are placed.
25.1ミクロンの銅を電気めっきする。 Electroplate 25.1 micron copper.
26.CMPを用いて、平滑化する。ステップ20からステップ26までは、第3の銅デュアルダマスカスプロセスを表している。このステップを図173に示す。 26. Smoothing is performed using CMP. Steps 20 through 26 represent a third copper dual damascus process. This step is shown in FIG.
27.0.1ミクロンの低応力PECVDシリコン窒化物を配置する。 27. Place 0.1 micron low stress PECVD silicon nitride.
28.マスク7を用いて、窒化層をエッチングする。このマスクは、第2層の移動ソレノイドから、第1層の移動ソレノイドまでのバイアスを規定する。このステップを図174に示す。 28. The nitride layer is etched using the mask 7. This mask defines the bias from the second layer of moving solenoid to the first layer of moving solenoid. This step is shown in FIG.
29.1ミクロンのPECVDガラスを配置する。 Place 29.1 micron PECVD glass.
30.マスク8を用いて、窒化物又は銅に達するまでエッチングする。このマスクは、第2層の移動ソレノイドを規定する。このステップを図175に示す。 30. The mask 8 is used to etch until nitride or copper is reached. This mask defines a second layer of moving solenoid. This step is shown in FIG.
31.薄いバリア層及び種層を配置する。 31. A thin barrier layer and seed layer are placed.
32.1ミクロンの銅を電気めっきする。
33.CMPを用いて、平滑化する。ステップ27からステップ33までは、第4銅デュアルダマスカスプロセスを表している。このステップを図176に示す。
Electroplate 32.1 micron copper.
33. Smoothing is performed using CMP. Steps 27 to 33 represent the fourth copper dual damascus process. This step is illustrated in FIG.
34.0.1ミクロンの低応力PECVDシリコン窒化物を配置する。 34. Place 0.1 micron low stress PECVD silicon nitride.
35.マスク9を用いて、窒化物をエッチングする。このマスクは、移動ソレノイド及びそのばねと、ソレノイド間の空間内にあるエッチングすべき犠牲材料を規定する。また、結合パッドも規定する。このステップを図177に示す。
35. The nitride is etched using the
36.ウエハの試験。この時点で、全ての電気的接続が完成される。接合パッドにはアクセス可能であり、チップはまだ分離されていない。 36. Wafer testing. At this point, all electrical connections are complete. The bond pad is accessible and the chip is not yet separated.
37.10ミクロンの犠牲材料を配置する。 37. Place sacrificial material of 10 microns.
38.マスク10を用いて、犠牲材料をエッチングする。マスクはノズルチャンバ壁を規定する。このステップを図178に示す。
38. The sacrificial material is etched using the
39.3ミクロンのPECVDガラスを配置する。 Place 39.3 micron PECVD glass.
40.マスク11を用いて、1ミクロンの深さまでエッチングする。このマスクは、ノズルのリムを規定する。このステップを図179に示す。
40. Etch to a depth of 1
41.マスク12を用いて、犠牲層に到達するまでエッチングする。このマスクは、ノズルチャンバの屋根、及びノズルそのものを規定する。このステップを図180に示す。
41. Etching is performed using the
42.マスク7を用いて、(例えば、Surface Technology SystemsのASE(改良型シリコンエッチング装置を使って))シリコンウエハを介して完全にバックエッチングする。このマスクは、ウエハを貫通する形でエッチングしたインク口を規定する。このエッチングにより、ウエハもさいの目形になる。このステップを図181に示す。
43.犠牲材料をエッチングする。このエッチングにより、ノズルチャンバが形成され、アクチュエータも形成され、チップ同士が離れる。このステップを図182に示す。
42. The mask 7 is used to completely back-etch through the silicon wafer (for example, Surface Technology Systems ASE (using an improved silicon etcher)). The mask defines an ink port that is etched through the wafer. By this etching, the wafer also becomes a dice. This step is shown in FIG.
43. Etch the sacrificial material. By this etching, a nozzle chamber is formed, an actuator is also formed, and the chips are separated from each other. This step is illustrated in FIG.
44.プリントヘッドを容器に装着する。この容器は、適宜な色のインクをウエハの裏面にあるインク口に供給するためのインク溝が導入された、プラスチック形成された成形部材でもよい。
45.プリントヘッドを中継装置に接続する。空気流の乱れを最小限に抑えた形で、低い輪郭で接続するために、TABを用いても良い。プリンタが、紙とのクリアランスが十分有る状態で作動する場合には、ワイヤ結合を使用することも出来る。
46.プリントヘッドの前表面を疎水性化する。
47.完成したプリントヘッドにインクを満たし、これをテストする。インクが満たされたノズルを図183に示す。
44. Mount the printhead on the container. This container may be a plastic-formed molding member into which an ink groove for supplying ink of an appropriate color to the ink port on the back surface of the wafer is introduced.
45. Connect the printhead to the relay device. TAB may be used to connect with a low profile in a manner that minimizes airflow disturbance. Wire bonds can also be used if the printer operates with sufficient clearance from the paper.
46. Hydrophobize the front surface of the print head.
47. Fill the completed printhead with ink and test it. A nozzle filled with ink is shown in FIG.
IJ12 Fの記述
本実施例は、プランジャ装置の制御に使用するリニアステッパモータを示す。プランジャ装置は、ノズルチャンバ内のインクを圧縮し、チャンバからインクをオンデマンドで排出することが出来る。
Description of IJ12 F This example shows a linear stepper motor used to control a plunger device. The plunger device can compress the ink in the nozzle chamber and eject the ink on demand from the chamber.
図184に、本実施例に基づいて構築される単一のノズル装置1110を示す。ノズル装置1110は、ノズルチャンバ1111を有し、ノズルチャンバ1111にインクがノズルチャンバフィルタ1114を介して流れ込む。ノズルチャンバフィルタは、流れのインク内の異物をフィルタして除去するための一連の柱を有している。ノズルチャンバ1111は、インクをオンデマンドで排出するためのインク排出穴1115を有しており、通常は、ノズルチャンバ1111はインクで満たされている。
FIG. 184 shows a
リニアアクチュエータ1116は、ニッケル鉄プランジャ1118をノズルチャンバ1111内に迅速に押し込んで、チャンバ1111内のインク容積を圧縮して、インク排出穴1115からインク滴を排出させるために設けられている。プランジャ1118は、電磁石1120から1131の3相配列により駆動される、ステッパ可動柱装置1116に接続されている。電磁石は、第一相で駆動される電磁石1120,1126,1123及び1129、第二相で駆動される電磁石1121,1127,1124及び1130、及び第三相で駆動される電磁石1122,1128,1125及び1131により、3相に駆動される。電磁石は逆にも駆動され、アクチュエータ1116を介してプランジャ1118を駆動解除する。アクチュエータ1116は、一端をガイド1133,1134によりガイドされている。他端部には、プランジャ1118の主要な部分を構成する、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)のような疎水性材料でコーティングされている。PTFEは、ノズルチャンバ1111からのインクを押し返し、プランジャ1118と側壁、例えば1136,1137の間に薄膜、例えば1138,1139を形成する。薄膜1138,1139の表面張力の特性が、互いにバランスするように作用し、これによりプランジャ1118をノズルチャンバ内でガイドする。メニスカス、例えば1138,1139は更に、インクがチャンバ1111から流れ出ることを防止し、これにより電磁石1120から1131は、通常の空気中で運転される。
The
ノズル装置1110は、従って、適宜に同期駆動された電磁石1120から1131により駆動されたアクチュエータ111によりオンデマンドで滴を排出するように動作する。アクチュエータ1116が動くと、プランジャ1118はノズル排出穴1115に向けて移動し、これによりインクが穴1115から排出される。
Accordingly, the
次いで、電磁石は逆に駆動され、プランジャは逆方向に動き、インク入口穴1114に接続されたインク補充部からインクが流れ込む。
Next, the electromagnet is driven reversely, the plunger moves in the reverse direction, and ink flows from the ink replenishing portion connected to the
好ましくは、多数のインクノズル装置1110が互いに隣接する形で構築され、多数のノズルインク排出装置を形成することができる。ノズル装置1110は好ましくは、単一のシリコンウエハ上に形成されたアレイ印字ヘッドの形で構築され、要求により小片化される。小片化された印字ヘッドはインク入補充部に接続され、チップを貫通したインクの流れ、又はチップの側面からのインクの流れを構成する。
Preferably, a number of
図185に、ノズル装置1110の多様な層を分解斜視図を示す。ノズル装置は、2レベル金層CMOS層1141などの通常の電子回路を有するシリコンウエハ1140の上部に構築される。2金属CMOSは、電磁石がCMOS層に接続されることにより、ノズルからインクを排出するための駆動及び制御回路を提供する。CMOS層1141の上には、窒化物不動態層1142があり、ノズル装置1110の構築に際して利用される犠牲エッチング行程及び、インクの腐食から下層を不動態化する。
FIG. 185 shows an exploded perspective view of various layers of the
窒化物層1141の上には、多様な他の層が構築される。ウエハ層1140、CMOS層1141及び窒化物不動態層1142は、上の層を接続するために適当なファイア(Fires)で構築される。窒化物層1142の上には、CMOS層1141に適宜接続された底部銅層1143が構築される。次に、ガイド1131,1132,アクチュエータ1116及び電磁石のコアの部分を構成するニッケル鉄層1145が構築される。NiFe層1145の上に、電磁石装置の残りを形成する第2の銅層1146が構築される。銅層1146は、デュアルダマスカスプロセスを用いて構築することが出来る。次に、PTFE層1147が配置され、次いで、側部フィルター層及びノズルチャンバの側壁部分を含む窒化物層1148が構築される。窒化物層1148の上には、エッチングにより排出穴1115及びリム1151が構築される。窒化物層1148の上には、多数のアパチャー1150が設けられており、アパチャー1150は、窒化物層1148を含む多様な下層の構築に際して利用される犠牲材料の犠牲エッチングのために設けられている。
Various other layers are constructed on the
多様な層1143、1145から1148は、多様な層の構造を配置するために犠牲材料を用い、引き続くエッチングにより当該犠牲材料をエッチング除去し、ノズル装置1110の構造を形成(リリース)することにより、構築することが出来る。このことは、マイクロ−エレクトロ−メカニカルシステム(MEMS)構築技術の当業者には理解出来る事項である。
The
マイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS)の一般的な紹介については、この分野における最近の進展と会議に関する行動が記載された、SPIE(International Society for Optical Engineering)第2642及び2882巻の会報を含む、この分野における標準手続が参照される。 For a general introduction to micro-electromechanical systems (MEMS), this area, including newsletters in the International Society for Optical Engineering (SPIE) volumes 2642 and 2882, which describes recent developments in this area and actions related to meetings Reference is made to the standard procedures in
本実施例の主要な教示に基づいて動作する、モノリシックなインクジェットプリントヘッドを製造するために使用することの出来る詳細な製造過程の一つを、以下のステップを行いつつ実行することが出来る。
1.両面研磨したウエハを用いる。0.5ミクロン単層ポリシリコン2層メタルCMOSプロセスを用いて、駆動トランジスタ、データ分配及びタイミング回路を完成させる。このステップを図187に示す。わかりやすく示すために、これらの図表は、ノットスケールで示されており、ノズルの単一面での断面を示すものではない。図186は、これら製造図における多様な材料、及び相互参照用インクジェット構造の多様な材料を示す見出しである。
2.1ミクロンの犠牲材料を配置する。
3.マスク1を用いて、犠牲材料及びCMOS酸化層を、第2レベルの金属に到達するまでエッチングする。このマスクは、第2レベルの金属電極から、ソレノイドまでのコンタクトビアを規定する。このステップを図188に示す。
4.チタニウム窒化物(TiN)のバリア層及び、銅の種層を配置する。
5.2ミクロンのレジストを塗布し、マスク2を用いて、感光、現像する。このマスクは、ソレノイドの四角い巻の下側を規定する。レジストは、電気めっき型とし作用する。このステップを図189に示す。
6.1ミクロンの銅を電気めっきする。抵抗率が低く(結果的に効率が高くなる)、電気泳動抵抗が高いため、電流密度が高い時でも信頼性があるため、銅を使う。このステップを図193に示す。
7.レジストを剥ぎ、露出したバリア層及び種層をエッチングする。このステップを図190に示す。
8.0.1ミクロンのシリコン窒化物を配置する。
9.コバルトニッケル鉄合金の種層を配置する。2テスラの高い飽和磁束度、及び低い保磁力により、CoNiFeを選ぶ。(テツヤ他、大阪、高飽和磁束密度を有する、軟質磁気CoNiFeフィルム、Nature392、796−798(1998年))
10.3ミクロンのレジストを塗布し、マスク3を用いて感光、現像する。このマスクは、ソレノイドの固定磁石ポール、リニアアクチュエータの可動ポール、水平ガイド及び、インクプッシャのコアである、全ての軟磁部品を規定する。レジストは、電気めっきモールドとして作用する。このステップを図191に示す。
11.2ミクロンのCoNiFeを電気めっきする。このステップを図192に示す。
12.レジストを剥ぎ、露出した種層をエッチングする。このステップを図193に示す。
13.0.1ミクロンのシリコン窒化物(Si3N4)を配置する。
14.2ミクロンのレジストを塗布し、マスク4を用いて感光、現像する。このマスクは、レジストが電気めっきモールドとして作用する、ソレノイド垂直ワイヤセグメントを規定する。このステップを図194に示す。
15.マスク4レジストを用いて、銅に到達するまで窒化物をエッチングする。
16.2ミクロンの銅を電気めっきする。このステップを図195に示す。
17.銅の種層を配置する。
18.2ミクロンのレジストを塗布し、マスク5を用いて、感光、現像する。このマスクは、ソレノイドの四角い巻の上側を規定する。レジストは、電気めっき型として作用する。このステップを図196に示す。
19.1ミクロンの銅を電気めっきする。このステップを図197に示す。
20.レジストを剥ぎ、露出した銅の種層をエッチングし、新たに露出したレジストを剥ぐ。このステップを図198に示す。
21.マスク6を用いて、接合パッドを開く。
22.ウエハの試験。この時点で、全ての電気的接続が完成される。接合パッドにはアクセス可能であり、チップはまだ分離されていない。
23.5ミクロンのPTFEを配置する。
24.マスク7を用いて、PTFEを、犠牲層に到達するまでエッチングする。このマスクは、インクプッシャを規定する。このステップを図199に示す。
25.8ミクロンの犠牲材料を配置する。CMPを用いてPTFEインクプッシャの上まで平面化する。このステップを図200に示す。
26.0.5ミクロンの犠牲材料を配置する。このステップを図201に示す。
27.マスク8を用いて、犠牲材料の全ての層をエッチングする。このマスクは、ノズルチャンバ壁を規定する。このステップを図202に示す。
28.3ミクロンのPECVDガラスを配置する。
29.マスク9を用いて、深さ(約)1ミクロンまでエッチングする。このマスクは、ノズルのリムを規定する。このステップを図203に示す。
30.マスク10を用いて、犠牲層に到達するまでエッチングする。このマスクは、ノズルチャンバの屋根、ノズル、犠牲エッチングのアクセス穴を規定する。このステップを図204に示す。
31.マスク11を用いて、(例えば、Surface Technology SystemsのASE(改良型シリコンエッチング装置を使って))シリコンウエハを貫通して完全にバックエッチングする。犠牲層に到達するまで、CMOSガラス層を介してバックエッチングを継続する。このマスクは、ウエハを貫通してエッチングされたインク口を規定する。このエッチングにより、ウエハは小片化される。このステップを図205に示す。
One of the detailed manufacturing processes that can be used to manufacture a monolithic inkjet printhead that operates based on the main teaching of this embodiment can be carried out while performing the following steps.
1. A wafer polished on both sides is used. A drive transistor, data distribution and timing circuit are completed using a 0.5 micron single layer polysilicon two layer metal CMOS process. This step is illustrated in FIG. For the sake of clarity, these diagrams are shown on a knot scale and do not represent a cross-section on a single face of the nozzle. FIG. 186 is a heading showing various materials in these manufacturing drawings and various materials of the cross-reference inkjet structure.
Place a 2.1 micron sacrificial material.
3. Using the
4). A barrier layer of titanium nitride (TiN) and a copper seed layer are disposed.
Apply a 5.2 micron resist, and use
6. Electroplate copper of 1 micron. Copper is used because of its low resistivity (resulting in high efficiency) and high electrophoretic resistance, which is reliable even at high current densities. This step is shown in FIG.
7). The resist is stripped and the exposed barrier layer and seed layer are etched. This step is shown in FIG.
8. Place 0.1 micron silicon nitride.
9. A seed layer of cobalt nickel iron alloy is disposed. CoNiFe is chosen because of its high saturation flux of 2 Tesla and low coercivity. (Tetsuya et al., Osaka, Soft magnetic CoNiFe film with high saturation magnetic flux density, Nature 392, 796-798 (1998))
A 10.3 micron resist is applied and exposed and developed using a
11.2 micron CoNiFe is electroplated. This step is shown in FIG.
12 Strip the resist and etch the exposed seed layer. This step is shown in FIG.
13. Place 0.1 micron silicon nitride (Si 3 N 4 ).
14. A 2 micron resist is applied and exposed and developed using a
15. The nitride is etched using a
Electroplating 16.2 micron copper. This step is shown in FIG.
17. Place a copper seed layer.
18. A 18.2 micron resist is applied and exposed to light and developed using a
19. Electroplate copper with 1 micron. This step is shown in FIG.
20. Strip the resist, etch the exposed copper seed layer, and strip the newly exposed resist. This step is shown in FIG.
21. Using the mask 6, the bonding pad is opened.
22. Wafer testing. At this point, all electrical connections are complete. The bond pad is accessible and the chip is not yet separated.
Place 23.5 micron PTFE.
24. Using the mask 7, the PTFE is etched until it reaches the sacrificial layer. This mask defines the ink pusher. This step is illustrated in FIG.
Place a 25.8 micron sacrificial material. Using CMP, planarize to the top of the PTFE ink pusher. This step is illustrated in FIG.
26. Place 0.5 micron sacrificial material. This step is shown in FIG.
27. The mask 8 is used to etch all layers of sacrificial material. This mask defines the nozzle chamber walls. This step is shown in FIG.
2. Place 28.3 micron PECVD glass.
29. Etch to a depth (about) 1
30. Etching is performed using the
31. The
32.犠牲材料をエッチングする。このエッチングにより、ノズルチャンバが現れ、アクチュエータが生成され、チップは分離される。このステップを図206に示す。
33.プリントヘッドを容器に装着する。この容器は、適宜な色のインクをウエハの裏面にあるインク口に供給するためのインク溝が導入された、プラスチック形成された成形部材でもよい。容器は、また、該インク溝の後部に取り付けられた圧電アクチュエータを有する。圧電アクチュエータは、インクジェット運転に必要な振動する圧力を供給する。
34.プリントヘッドを中継装置に接続する。空気流の乱れを最小限に抑えた形で、低い輪郭で接続するために、TABを用いても良い。プリンタが、紙とのクリアランスが十分有る状態で作動する場合には、ワイヤ結合を使用することも出来る。
35.プリントヘッドの前表面を疎水性化する。
36.完成したプリントヘッドに
インクを満たし、これをテストする。インクが満たされたノズルを図207に示す。
32. Etch the sacrificial material. This etching reveals a nozzle chamber, creates an actuator, and separates the chip. This step is shown in FIG.
33. Mount the printhead on the container. This container may be a plastic-formed molding member into which an ink groove for supplying ink of an appropriate color to the ink port on the back surface of the wafer is introduced. The container also has a piezoelectric actuator attached to the back of the ink channel. Piezoelectric actuators supply the oscillating pressure required for inkjet operation.
34. Connect the printhead to the relay device. TAB may be used to connect with a low profile in a manner that minimizes airflow disturbance. Wire bonds can also be used if the printer operates with sufficient clearance from the paper.
35. Hydrophobize the front surface of the print head.
36. Fill the completed printhead with ink and test it. A nozzle filled with ink is shown in FIG.
更に、他の適当な材料のために、多様な材料を交換使用すること、窒化物不動態層の利用におけるバリエーションを含む、他の構築形態は、当業者にとって明白である。実施例は本発明の単なる例示であるものと容易に理解される。 In addition, other constructions will be apparent to those skilled in the art, including variations in the use of various materials and the use of nitride passivation layers for other suitable materials. It will be readily understood that the examples are merely illustrative of the invention.
IJ13 Sの記述
本実施例では、インクジェットノズルチャンバは、ノズルチャンバ上で開閉するシャッタ機構を有する。シャッタ機構は、スライド開閉を行うラチェット機構を有する。ラチェット機構は、ギヤ機構により駆動され、ギヤ機構は磁場内で通電することにより駆動される該駆動アクチュエータにより駆動される。アクチュエータの力はギヤダウンされ、ラチェットと爪機構を駆動し、ノズルチャンバ上のシャッタを開閉する。
Description of IJ13 S In this embodiment, the inkjet nozzle chamber has a shutter mechanism that opens and closes on the nozzle chamber. The shutter mechanism has a ratchet mechanism that opens and closes a slide. The ratchet mechanism is driven by a gear mechanism, and the gear mechanism is driven by the drive actuator that is driven by energization in a magnetic field. The force of the actuator is geared down, driving the ratchet and pawl mechanism, opening and closing the shutter on the nozzle chamber.
図208に、開位置にある単一のノスル装置1210を示す。ノスル装置1210は、異方性<111>結晶学的エッチングによるピットを有するノズルチャンバ1212を有する。該ピットは、インクを排出するノズル排出穴1215及びノズルリム1214を有する、当初のボロンが添加されたエピタキシャル層1213にまでエッチダウンされている。インクは、アパチャー1216が開いている時に、流動路1216を介して流れ込む。流動路1216を介したインクの流れは、振動するインク圧力下で運転されるインク貯留部から流れてくる。シャッタが開くと、インクはインク排出穴1215から排出される。シャッタ機構は、ガイド溝1218,1219を介して閉位置にまで駆動される板1217を有する。ノズルプレートの駆動は、ラッチ機構1220により行われるが、プレート機構はリテーナ1222から1225により、正しい位置に保持される。
FIG. 208 shows a
ノズル装置1210は、標準のマイクロエレクトロメカニカルシステム製造技術(MEMS)である、2レベルポリプロセスを用いて構築することが出来る。マイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS)の一般的な紹介については、この分野における最近の進展と会議に関する行動が記載された、SPIE(International Society for Optical Engineering)第2642及び2882巻の会報を含む、この分野における標準手続が参照される。プレート1217は第1レベルのポリシリコンから構築され、リテーナ1222から1225は、下部の第1レベルのポリ部分及び第2レベルのポリ部分から構築される。この点は、図209の分解斜視図によりより明らかになる。
The
プレート1217の底部回路は、プレート1217の底部表面に設けられた多数のピン1227を有し、これにより吸着効果を少なくしている。
The bottom circuit of the
ラチェット機構1220は、第1ギヤ1230,第2ギヤ1231及び第3ギヤ1232を有するギヤ装置により駆動される。これらのギヤ1230から1232は、各ギヤが対応する中央ピボット1235から1237を中心に構築された、2レベルのポリを用いて構築されている。ギヤ1230から1232は、ギヤアクチュエータ機構1240により駆動されるギヤにより、ラチェットのスピードまでギヤダウンされるように運転される。
The
図209に、単一のノズルチャンバ1210の分解斜視図を示す。アクチュエータ1243は、ギヤ1232の歯1243と係合して駆動する駆動端1242を有する銅回路を主として有する。銅部は、端部1243の動きにより伸縮する、曲がりくねった部分1245,1246を有する。端部1242は、ウエハ表面に垂直な磁場の存在する中で、銅部に通電することにより駆動され、磁場と回路の相互作用により、アクチュエータ1240上にローレンツ力が作用し、端部1242を動かし、歯1243を駆動する。銅部は、アクチュエータ1240が装着されたウエハ上の下層レベルの回路に接続された、アルミニウム盤1248,1249上に配置されている。
FIG. 209 shows an exploded perspective view of a
図208に、アクチュエータ1240は、アクチュエータ1240の高速駆動をギヤダウンするように作用する、高速ギヤ1230から1232により高速で駆動され、ラチェット機構1220の開閉をオンデマンドで行う。従って、ノズル1215からインク滴を排出する場合、駆動アクチュエータ1240によりシャッタが開かれる。振動する圧力サイクルの次の高圧部分において、インクはノズル1215から排出される。次にサイクルでインクを排出しない場合には、第2のアクチュエータ1250がギヤを逆方向に駆動し、ノズルチャンバ1212上のシャッタープレート1217を閉じる、引き続くサイクルでのインクの排出を止める。ピット1227は、シャッタープレート1217の開閉位置間の駆動に要する力を減少させるように作用する。
In FIG. 208, the
図210に、単一のノズルチャンバ1210を作っている多様な層を示す斜視断面図である。ノズルチャンバは、単一の印字ヘッドを構成するノズルチャンバアレイの一部を構成することが出来、単一の印字ヘッドは、また、MAMS組立及び構築の分野の当業者にとって周知な半導体ウエハ製造技術に基づく半導体ウエハ上に製造された印字ヘッドアレイの一部を構成する。
FIG. 210 is a perspective cross-sectional view showing the various layers making up a
底部のボロン層1213は、エッチングステップとしてボロンが添加されたエピタキシャル層を用いたシリコンウエハをバックエッチングする処理ステップから構築することが出来る。更に、ボロン層の処理は、ノズルリム1214を含むノズル穴1215を規定するために行われる。
The
次の層は、通常はボロン添加層1213の上に置かれるシリコンガラス層1252である。シリコンガラス層1252は、異方性エッチングされてノズルチャンバの構造を規定するピット1212を有している。シリコン層1252の上には、ガラス層1254が設けられており、ガラス層はアクチュエータを駆動するための多様な電気回路(図示せず)を有する。層1254は、ガラス層1254の側壁を不動態化している溝1257を含んだ窒化物の層1256により不動態化されている。
The next layer is a
不動態層1256の上には、シャッタや多様な歯車を規定する第1レベルのポリシリコン層1258が設けられている。第2のポリシリコン層1259は、歯車1231及び多様な保持機構を有する。次に、銅回路アクチュエータを規定する銅層1260が設けられている。銅1260は、銅アクチュエータを駆動するための回路を構築するためにガラス層1254の下部と接続されている。
Overlying the
ノズルチャンバ1210は、2酸化シリコンなどの犠牲材料を用いた多様な層を形成する標準的なMEMS処理を用いて構築され、次いで、下層は犠牲エッチングにより除去される。
The
次いで、一連の印字ヘッドを含んだウエハが、分離印字ヘッドに小片化され、印字ヘッドは、インク補充チャンバ内の圧力を制御する圧電素子振動アクチュエータを有するインク補給チャンバの壁の上に装着される。こうして、インクは、高い振動圧の期間にシャッタープレートが開放されることによりオンデマンドで排出され、インクは排出される。ノズルは、印字ヘッドを、永久磁石又は、電磁石装置及び、シャッタの開閉に必要で、これによりインクをオンデマンドで排出するアクチュエータ、例えば1240,1250を介した電流による強い磁場内に配置することにより駆動される。 A wafer containing a series of print heads is then shredded into separate print heads that are mounted on the walls of the ink replenishment chamber having a piezoelectric vibration actuator that controls the pressure in the ink refill chamber. . Thus, the ink is discharged on demand when the shutter plate is opened during a period of high vibration pressure, and the ink is discharged. Nozzles are arranged by placing the print head in a strong magnetic field due to the current through actuators, eg 1240, 1250, which are required for opening and closing the permanent magnet or electromagnet device and the shutter, thereby discharging ink on demand. Driven.
本実施例の主要な教示に基づいて動作する、モノリシックなインクジェットプリントヘッドを製造するために使用することの出来る詳細な製造過程の一つを、以下のステップを行いつつ実行することが出来る。
1.3ミクロンのボロンを重度に添加したエピタキシャルシリコンが配置された両面研磨されたウエハを用いる。
2.10ミクロンのn/n+エピタキシャルシリコンを配置する。エピタキシャル層は実質的に必要なCMOS層よりも厚い。これは、ノズルチャンバはこの層から結晶学的にエッチングされるからである。このステップを、図212に示す。図211は、これら製造図における多様な材料を示す見出しである。わかりやすく示すために、これらの図表は、ノットスケールで示されており、ノズルの単一面での断面を示すものではない。
3.マスク1を用い、例えば、KOH又はEDP(ethylenediamine
pyrocatechol)を用いて、エピタキシャルシリコンを結晶学的にエッチングする。このマスクは、ノズル穴を規定する。このエッチングは、<111>結晶面及びボロン添加シリコン層で停止される。このステップを、図213に示す。
4.12ミクロンの低応力犠牲酸化物を配置する。CMPを用いて、シリコンまで平面化する。犠牲材料は、一時的にノズルの窪みを満たす。このステップを214に示す。
5.CMOS処理を用いて駆動トランジスタ、データ分配及びタイミング回路を組立開始する。インクジェットの機械部品を形成するMEMS行程はCMOS装置の製造ステップにより分けられる。例として、1ミクロン2ポリ2メタルレトログレードPウエル処理がある。機械的な部品は、CMOSポリシリコン層から形成される。明瞭に示すために、CMOS駆動素子は図示を省略する。
6.標準のLOCOS技術を用いて場の酸化物を厚さ0.5ミクロンまで成長させる。トランジスタ間の絶縁のほかに、場の酸化物はMEMS犠牲層として使用される。従って、インクジェットの機械的な詳細は、動的な領域のマスク内に導入される。このステップのMEMSの特色は、図215に示す。
7.PMOSのフィールド閾値電圧埋め込みを行う。MEMS組立は全体の熱予算の計算以外では、このステップに影響を及ぼさない。
8.レトログレードP−ウエル及びNMOSの閾値電圧調整埋め込みをPウエルマスクを用いて行う。MEMS組立は全体の熱予算の計算以外では、このステップに影響を及ぼさない。
9.PMOS N−タブ重度燐注入を、制御された埋め込み及び浅いボロン埋め込みを介して行う。MEMS組立は全体の熱予算の計算以外では、このステップに影響を及ぼさない。
10.第1のポリシリコン層を配置してエッチングする。ゲート及びローカル接続に加えて、この層は下層MESM部品を含む。これは、ギヤ、シャッタ、シャッターガイドの下層を含む。この層は通常のCMOSの厚さよりも薄いことが好ましい。1ミクロンのポリシリコンの厚さを用いる。このステップのMEMSの特徴を、図215に示す。
11.NMOS軽度添加ドレイン(LDD)埋め込みを行う。この行程は、処理フロー内にMEMSが含まれることにより変わることはない。
12.酸化物の配置と、ポリシリコン側壁スペーサのRIEエッチングを行う。この行程は、処理フロー内にMEMSが含まれることにより変わることはない。
13.NMOSソース/ドレイン埋め込みを行う。二つのポリシリコン層の応力を低減するための延長された高温アニール時間は、この埋め込みの拡散に関する熱予算内となるように考慮しなければならない。他の点では、このチップのMEMS部分からの影響はない。
14.PMOSのソース及びドレインの埋め込みを行う。NMOSのソース及びドレインの埋め込みと同様に、チップのMEMS部分からの唯一の影響は、この埋め込みの拡散に関する熱予算である。
15.第1の中間層絶縁体として1ミクロンのガラスを配置し、CMOSコンタクトマスクを用いてエッチングする。この層のCMOSマスクは、MEMSのインターポリ犠牲酸化物に対するパターンも含む。このステップのMEMSの特徴を図216に示す。
16.第2のポリシリコン層を配置してエッチングする。CMOSローカル接続に加えて、この層は上層MEMS部品を含む。これは、ギヤ、シャッターガイドの上層を含む。1ミクロンのポリシリコンの厚さを用いることが出来る。このステップのMEMSの特徴を、図217に示す。
17.第2の中間層絶縁体として1ミクロンのガラスを配置し、1マスクを経由したCMOSを用いてエッチングする。この層のCMOSマスクは、MEMSのアクチュエータ接点に対するパターンも含む。
18.金属1の配置とエッチング。金属1は、ローレンツアクチュエータとして使用されるならば、金や白金のように水の中で腐食しないものであるべきである。このステップのMEMSの特徴を、図218に示す。
19.第3の中間層絶縁体配置とエッチングを図219に示す。これは標準CMOS第3中間層絶縁体装置である。マスクパターンはMEMSエリアの適用範囲を完全に包含する。
20.金属2の配置とエッチング。これは標準CMOS金属2である。マスクパターンはMEMSエリアに金属2を包含しない。
21.0.5ミクロンのシリコン窒化物を配置し、MEMSマスク2を用いてエッチングする。このマスクはステップ26で行われる犠牲酸化物のエッチング領域を規定する。犠牲酸化物のエッチングは等方性を有するので、シリコン窒化物開口部は大体普通より小さい。CMOS装置は犠牲酸化物のエッチングの影響を受けないようにMEMS装置から十分に離して配置しなければならない。このステップのMEMSの特徴を図220に示す。
22.ウエハをガラスブランクに設け、KOHを用いてマスクを用いずにウエハをバックエッチングする。このエッチングにより、ウエハは薄くなり、ボロンが添加された埋込シリコン層でエッチングを止める。このステップのMEMSの特徴を、図221に示す。
23.MEMSマスク3を用いて、1ミクロン深さで、ボロンが添加されたシリコン層をプラズマバックエッチングする。このマスクは、ノズルのリムを規定する。このステップのMEMSの特徴を、図222に示す。
24.マスク4を用いて、ボロンが添加された層を貫通してプラズマバックエッチングを行う。このマスクは、ノズルと、チップのエッジを規定する。この段階で、チップは分離されるが依然ガラスブランクに設けられている。このステップのMEMSの特徴を、図223に示す。
25.チップをガラスブランクから分離する。全ての接着層を剥ぐ。このステップを図224に示す。
26.無水のメタノール蒸気混合物を使用した蒸気フェーズエッチングを用いた犠牲酸化物をエッチングを行う。ドライエッチングを使用することにより吸着の問題を避けることが出来る。このステップを図225に示す。
27.プリントヘッドを容器に装着する。この容器は、異なる色のインクをウエハの前表面の適当な領域に供給するためのインク溝が導入された、プラスチック形成された成形部材でもよい。容器には、インク溝の後ろに取り付けられた圧電性のアクチュエータも設けられている。圧電性のアクチュエータは、インク噴出作用に必要な変動するインク圧を提供している。容器は永久磁石も備え、永久磁石は金属1を構成するローレンツアクチュエータに1テスラ磁場を供給する。
28.プリントヘッドを中継装置に接続する。
29.プリントヘッドの前表面を疎水性化する。
30.完成したプリントヘッドにインクを満たし、これをテストする。インクが満たされたノズルを図226に示す。
One of the detailed manufacturing processes that can be used to manufacture a monolithic inkjet printhead that operates based on the main teaching of this embodiment can be carried out while performing the following steps.
A double-side polished wafer in which epitaxial silicon heavily added with 1.3 micron boron is used is used.
2.
3. Using
The epitaxial silicon is crystallographically etched using pyrocatechol). This mask defines the nozzle holes. This etching is stopped at the <111> crystal plane and the boron-added silicon layer. This step is illustrated in FIG.
4.
5. Start assembly of drive transistor, data distribution and timing circuit using CMOS processing. The MEMS process for forming the inkjet mechanical parts is divided by the manufacturing steps of the CMOS device. An example is a 1
6). The field oxide is grown to a thickness of 0.5 microns using standard LOCOS techniques. In addition to the isolation between transistors, field oxide is used as a MEMS sacrificial layer. Thus, the mechanical details of the ink jet are introduced into the dynamic area mask. The MEMS features of this step are shown in FIG.
7). The PMOS field threshold voltage is embedded. MEMS assembly has no effect on this step other than the calculation of the overall thermal budget.
8). Retrograde P-well and NMOS threshold voltage adjustment embedding is performed using a P-well mask. MEMS assembly has no effect on this step other than the calculation of the overall thermal budget.
9. PMOS N-tab heavy phosphorus implantation is performed via controlled implantation and shallow boron implantation. MEMS assembly has no effect on this step other than the calculation of the overall thermal budget.
10. A first polysilicon layer is disposed and etched. In addition to the gate and local connections, this layer contains the underlying MESM components. This includes the gear, shutter, and lower layer of the shutter guide. This layer is preferably thinner than the normal CMOS thickness. A polysilicon thickness of 1 micron is used. The MEMS features of this step are shown in FIG.
11. Perform NMOS lightly doped drain (LDD) fill. This process is not changed by including MEMS in the processing flow.
12 Oxide placement and polysilicon sidewall spacer RIE etch. This process is not changed by including MEMS in the processing flow.
13. Perform NMOS source / drain embedding. The extended high temperature anneal time to reduce the stress in the two polysilicon layers must be considered to be within the thermal budget for this buried diffusion. In other respects, there is no influence from the MEMS part of the chip.
14 The source and drain of the PMOS are buried. Similar to the NMOS source and drain implants, the only impact from the MEMS portion of the chip is the thermal budget for diffusion of this implant.
15. 1 micron glass is placed as the first interlayer insulator and etched using a CMOS contact mask. The CMOS mask of this layer also includes a pattern for the MEMS interpoly sacrificial oxide. The MEMS characteristics of this step are shown in FIG.
16. A second polysilicon layer is disposed and etched. In addition to the CMOS local connection, this layer includes upper layer MEMS components. This includes the upper layers of gears and shutter guides. A polysilicon thickness of 1 micron can be used. The MEMS features of this step are shown in FIG.
17. 1 micron glass is disposed as the second intermediate layer insulator, and etching is performed using CMOS through one mask. The CMOS mask of this layer also includes patterns for MEMS actuator contacts.
18.
19. A third interlayer insulator arrangement and etching is shown in FIG. This is a standard CMOS third interlayer insulator device. The mask pattern completely encompasses the coverage area of the MEMS area.
20.
21. Place 0.5 micron silicon nitride and etch using
22. The wafer is provided on a glass blank, and the wafer is back-etched using KOH without using a mask. By this etching, the wafer becomes thin, and the etching is stopped at the buried silicon layer to which boron is added. The MEMS feature of this step is shown in FIG.
23. Using the
24. Plasma back etching is performed using the
25. Separate the chip from the glass blank. Remove all adhesive layers. This step is illustrated in FIG.
26. Etch sacrificial oxide using vapor phase etching using an anhydrous methanol vapor mixture. Adsorption problems can be avoided by using dry etching. This step is illustrated in FIG.
27. Mount the printhead on the container. The container may be a plastic molded member into which ink grooves are introduced to supply different color inks to appropriate areas on the front surface of the wafer. The container is also provided with a piezoelectric actuator attached behind the ink groove. Piezoelectric actuators provide the fluctuating ink pressure required for ink ejection. The container also includes a permanent magnet, which supplies a 1 Tesla magnetic field to the Lorentz actuator that constitutes
28. Connect the printhead to the relay device.
29. Hydrophobize the front surface of the print head.
30. Fill the completed printhead with ink and test it. A nozzle filled with ink is shown in FIG.
IJ14の Fの記述
本実施例では、電磁石装置に囲まれたプランジャを取り込むインクジェットノズルを提供する。プランジャは磁気材料から構成され、該プランジャーは磁力装置が駆動された際に、ノズル開口部に向けて力を受け、それによりノズル開口部からインクが放出される。電磁石を非駆動状態にすると、電磁石を元の位置に戻すよう構成された一連のバネを利用して、プランジャはその休止位置に戻る。
Description of F of IJ14 In this embodiment, an inkjet nozzle is provided that incorporates a plunger surrounded by an electromagnet device. The plunger is composed of a magnetic material, and when the magnetic device is driven, the plunger receives a force toward the nozzle opening, thereby discharging ink from the nozzle opening. When the electromagnet is deactivated, the plunger returns to its rest position utilizing a series of springs configured to return the electromagnet to its original position.
図227は実施例として単一のインクジェットノズル1310の断面図を示す。インクジェットノズル1310はノズルチャンバ1311を有する。ノズルチャンバ1311はインクの放出のためノズル開口部に連結される。インクはニッケル鉄材料(NIFE)のような柔らかい磁気を帯びた材料でつくられたテーパプランジャー装置を用いて噴出される。プランジャ1314は、内部連結された窒化物バネ、1317参照、に加えてテーパの端の部分を有する、1316参照。
FIG. 227 shows a cross-sectional view of a
電磁石装置はプランジャ1314の周りに構築され、外周部に軟磁性材料1319を有する。軟磁性材料1319は、銅コイル1320の第1の端をニッケル鉄材料の第1の部分に連結し、銅コイルの第2の端をニッケル鉄材料の第2の部分に連結した状態で、銅の電流ワイヤ鉄心1320を囲む。回路は電流を運ぶワイヤと下層をつなぐバイアスを用いて形成される。下層は標準CMOS構成層を構成してもよい。
The electromagnet device is built around the
電磁石を駆動することによって、テーパにされたプランジャ部分1316は電磁石に引きつけられる。テーパ部分に作用する力は、プランジャ1314全体の下向き運動に分解される。下向きの運動によってインク放出口1312からインクの放出が引き起こされる。やがて、電磁石によりプランジャは上表面が十分に平らな安定した状態となる。電源を切ると、プランジャ1314は窒化物バネに蓄えられたエネルギによって最初の位置に戻る。ノズルチャンバ1311はインク貯蔵部1323から注入口1322を介して流入するインクで再び満たされる。
By driving the electromagnet, the tapered
図228は、単一ノズル1310のそれぞれの層の構造の分解斜視図である。最下層1330は、エッチングを止めるためのボロン添加エピタキシャル層を有するシリコンウエハをエッチングすることによって構成することができる。ボロン添加層1330はさらに、個別にマスクすることにより、ノズルリム1331とノズル放出口1312をかたどるようにエッチングすることができる。次にシリコン層1332が形成される。シリコン層1332は、ボロン添加層1330を有する最初のウエハの一部として形成することができる。ノズルチャンバは、垂直面を作るためにシリコン層1332を高密度低圧力プラズマエッチングすることにより実質的に形成することができ、それによりノズルチャンバが形成される。シリコン層1332の上にガラス層1333が設置される。ガラス層はノズル1310の配列(アレイ)を動かすのに要求される駆動装置と制御回路を包含することができる。駆動装置と制御回路は、上層のバイアスを用いた銅コイル回路と内部連結している標準2レベル金属CMOS回路を構成することができる(図示せず)。つぎに、窒化物保護層1334が、ノズル部分の構成で利用される犠牲エッチングから下ガラス層、1333参照、を保護するために設けられる。窒化物層1334の上に第一ニッケル鉄層1336、続いて銅層1337そしてさらにニッケル鉄層1338が配置される。それらはデュアルダマスカスプロセスにより形成することができる。層1338の上部に、窒化物層1340の半導体処理によって、引っ張り状態でバネが生成された形の、該バネを有する最終窒化物バネ層を形成し、プランジャ1314に僅かに力が作動した状態とする。図228で開示されていない多くの技術を、装置1310のいくつかの部分を構築する際に利用することが出来る。たとえば、ノズルチャンバは前述のプラズマエッチングを利用して構築することができ、その後プランジャ1314を支持するために設けられるガラスのような犠牲材料でノズルチャンバを満たし、次いで、該プランジャ1314を該犠牲層を犠牲エッチングにすることにより形成することができる。
FIG. 228 is an exploded perspective view of the structure of each layer of the
さらに、ニッケル鉄合金のテーパ端部分は、プランジャ1314の所望する底部テーパ形状に対応する濃淡パターンを有するハーフトーンマスクを利用して形成することができる。ハーフトーンマスクは、レジストをハーフトンにすることが出来、形状が該レジストに、次いで、犠牲ガラスなどの下の層に移行する。下の層の上には、化学的機械的な平面化技術を用いて最終的に平面化されるニッケル鉄材料を配置することが出来る。
Further, the taper end portion of the nickel iron alloy can be formed using a halftone mask having a shading pattern corresponding to the desired bottom taper shape of the
本実施例の主要な教示に基づいて動作する、モノリシックなインクジェットプリントヘッドを製造するために使用することのできる詳細な製造過程の一つを以下のステップを行いつつ実行することができる。
1.3ミクロンのボロンを重度に添加したエピタキシャルシリコンが配置された両面研磨されたウエハを用いる。
2.使用するCMOSプロセスにより、p型かn型の、10ミクロンのエピタキシャルシリコンを配置する。
3.駆動トランジスタ、データ分配、タイミング回路を、0.5ミクロン、1ポリ、2金属CMOSプロセスを用いて完成させる。このステップは図230に示す。わかりやすく示すために、これらの図表は、ノットスケールで示されており、ノズルの単一面での断面を示すものではない。図229は、これら製造図における多様な材料、及び相互参照用インクジェット構造の多様な材料を示す見出しである。
4.マスク1を用いてCMOS酸化層を、シリコンまたはアルミニウムに到達するまでエッチングする。このマスクはノズルチャンバとプリントヘッドチップの端を規定する。
5.マスクとしてステップ4の酸化物を用いて、シリコンをボロン添加埋め込み層に到達するまでプラズマエッチングする。このエッチングはアルミニウムをエッチングしない。このステップを図231に示す。
6.0.5ミクロンのシリコン窒化物(Si3N4)を配置する。
7.12ミクロンの犠牲材料を配置する。
8.CMPを用いて窒化物を平面化する。これがノズチャンバの高さをチップ表面に達するまで満たす。このステップを図232に示す。
9.マスク2を用いて、窒化物及びCMOS酸化層を、第2レベルの金属に到達するまでエッチングする。このマスクは、第2レベルの金属電極から、2分割固定磁気ポールまでのコンタクトバイアスを規定する。このステップを図223に示す。
10.コバルトニッケル鉄合金の種層を配置する。2テスラの高い飽和磁束度、及び低い保磁力により、CoNiFeを選ぶ。(テツヤ他、大阪、高飽和磁束密度を有する、軟磁性体CoNiFeフィルム、Nature392、796−798(1998年))
11.5ミクロンのレジストを塗布して、マスク3を用いて感光、現像する。このマスクは2分割固定磁気ポールの最下層と磁気プランジャの最も薄いリムを規定する。このレジストは電気めっきの型として作用する。このステップを図234に示す。
12.4ミクロンのCoNiFeを電気めっきする。このステップを図235に示す。
13.0.1ミクロンのシリコン窒化物(Si3N4)を配置する。
14.マスク4を用いて窒化物層をエッチングする。このマスクは、ソレノイドコイルの各端部と、2分割固定磁気ポールのコンタクトバイアスを規定する。
15.銅の種層を配置する。
16.5ミクロンのレジストを塗布し、マスク5を用いて、感光、現像する。このマスクは、レジストが電気めっきの型として作用する螺旋状ソレノイドコイルと、ばねポストを規定する。このステップを図236に示す。
17.4ミクロンの銅を電気めっきする。抵抗率が低く(結果的に効率が高くなる)、エレクトロマイグレーションが高いため、電流密度が高い時でも信頼性があるため、銅を使う。
18.レジストを剥ぎ、露出した銅種層をエッチングする。このステップを図237に示す。
19.ウエハの試験。この時点で、全ての電気的接続が完成される。ボンドパッドにはアクセス可能であり、チップはまだ分離されていない。
20.0.1ミクロンのシリコン窒化物を配置する。この窒化物層は銅コイルの浸食防止と電気絶縁を提供する。
21.マスク6を用いて窒化物層をエッチングする。このマスクはCoNiFeの中間層と下層との連続部分を規定する。
22.4.5ミクロンのレジストを塗布して、マスク6を用いて感光、現像する。このマスクは2分割固定磁気ポールと、磁気プランジャの中間リムを規定する。レジストはそれらのパーツのための電気めっき型を形成する。このステップを図238に示す。
23.4ミクロンのCoNiFeを電気めっきする。CoNiFeの最下層は種層として作用する。このステップを図239に示す。
24.CoNiFeの種層を配置する。
25.4.5ミクロンのレジストを塗布し、マスク7を用いて感光し、現像する。このマスクは、2分割固定磁気ポールの最上層と磁気プランジャの最高部を規定する。レジストはそれらのパーツのための電気めっき型を形成する。このステップを図240に示す。
26.4ミクロンのCoNiFeを電気めっきする。このステップを図241に示す。
27.1ミクロンの犠牲材料を配置する。
28.マスク8を用いて犠牲材料をエッチングする。このマスクは分割磁力ポール、磁力プランジャと窒化物バネとの接合部分を規定する。
このステップを図242に示す。
29.0.1ミクロンの低応力シリコン窒化物を配置する。
30.0.1ミクロンの高応力シリコン窒化物を配置する。これらの窒化物の2層は固定磁力ポールのコアスペースの外へ磁力プランジャを持ち上げる、プレストレスを与えられたバネを形成する。
31.マスク9を用いて窒化物の2層をエッチングする。このマスクは窒化物バネを規定する。このステップを図243に示す。
32.ウエハをガラスブランクに設け、KOHを用いてマスクを用いずにウエハをバックエッチングする。このエッチングにより、ウエハは薄くなり、ボロンが添加された埋込シリコン層でエッチングを止める。このステップを図244に示す。
33.マスク10を用いて、(約)1ミクロンのボロンが添加されたシリコン層をプラズマバックエッチングする。このマスクは、ノズルのリムを規定する。このステップを図245に示す。
34.マスク11を用いて、ボロンが添加された層を介してプラズマバックエッチングを行う。このマスクは、ノズルと、チップのエッジを規定する。この段階で、チップは分離されるが依然ガラスブランクに設けられている。このステップを図246に示す。
35.チップをガラスブランクから分離する。すべての接着層、レジスト層、犠牲層、露出種層を剥ぐ。このステップで窒化物バネは開放され、3ミクロン単位で固定磁力ポールから持ち上げられる。
このステップを図247に示す。
36.プリントヘッドを容器に装着する。この容器は、異なる色のインクをウエハの前表面の適当な領域に供給するためのインク溝が導入された、プラスチック形成された成形部材でもよい。
37.プリントヘッドを中継装置に接続する。
38.プリントヘッドの前表面を疎水性化する。
39.完成したプリントヘッドにインクを満たし、テストする。インクが満たされたノズルを図248に示す。
One of the detailed manufacturing processes that can be used to manufacture a monolithic inkjet printhead that operates based on the main teaching of this embodiment can be carried out with the following steps.
A double-side polished wafer in which epitaxial silicon heavily added with 1.3 micron boron is used is used.
2. Depending on the CMOS process used, either p-type or n-
3. The drive transistors, data distribution, and timing circuits are completed using a 0.5 micron, 1 poly, 2 metal CMOS process. This step is illustrated in FIG. For the sake of clarity, these diagrams are shown on a knot scale and do not represent a cross-section on a single face of the nozzle. FIG. 229 is a heading showing various materials in these manufacturing drawings and various materials of the cross-reference inkjet structure.
4). The
5. Using the oxide from
6. Place 0.5 micron silicon nitride (Si 3 N 4 ).
7. Place sacrificial material of 12 microns.
8). The nitride is planarized using CMP. This fills the height of the nose chamber until it reaches the chip surface. This step is illustrated in FIG.
9. Using
10. A seed layer of cobalt nickel iron alloy is disposed. CoNiFe is chosen because of its high saturation flux of 2 Tesla and low coercivity. (Tetsuya et al., Osaka, Soft magnetic CoNiFe film having high saturation magnetic flux density, Nature 392, 796-798 (1998))
A 11.5 micron resist is applied and exposed and developed using the
Electroplate 12.4 micron CoNiFe. This step is illustrated in FIG.
13. Place 0.1 micron silicon nitride (Si 3 N 4 ).
14 The nitride layer is etched using the
15. Place a copper seed layer.
A 16.5 micron resist is applied, and the
17.4 micron copper is electroplated. Copper is used because of its low resistivity (resulting in high efficiency), high electromigration, and reliability even at high current densities.
18. Strip the resist and etch the exposed copper seed layer. This step is illustrated in FIG.
19. Wafer testing. At this point, all electrical connections are complete. The bond pad is accessible and the chip is not yet isolated.
20. Place 0.1 micron silicon nitride. This nitride layer provides corrosion protection and electrical insulation of the copper coil.
21. The nitride layer is etched using the mask 6. This mask defines a continuous portion of the CoNiFe intermediate layer and lower layer.
22. A 4.5-micron resist is applied and exposed and developed using a mask 6. This mask defines a two-part fixed magnetic pole and an intermediate rim of the magnetic plunger. The resist forms an electroplating mold for those parts. This step is illustrated in FIG.
Electroplate 23.4 micron CoNiFe. The lowest layer of CoNiFe acts as a seed layer. This step is illustrated in FIG.
24. A seed layer of CoNiFe is placed.
A resist of 25.4.5 microns is applied, exposed using a mask 7 and developed. This mask defines the top layer of the two-part fixed magnetic pole and the top of the magnetic plunger. The resist forms an electroplating mold for those parts. This step is illustrated in FIG.
Electroplate 26.4 micron CoNiFe. This step is shown in FIG.
Place a 27.1 micron sacrificial material.
28. The sacrificial material is etched using the mask 8. This mask defines the junction between the split magnetic pole, the magnetic plunger and the nitride spring.
This step is shown in FIG.
29. Place 0.1 micron low stress silicon nitride.
30. Place 0.1 micron high stress silicon nitride. These two layers of nitride form a prestressed spring that lifts the magnetic plunger out of the core space of the fixed magnetic pole.
31. Etch two layers of
32. The wafer is provided on a glass blank, and the wafer is back-etched using KOH without using a mask. By this etching, the wafer becomes thin, and the etching is stopped at the buried silicon layer to which boron is added. This step is shown in FIG.
33. Using the
34. Plasma back etching is performed using the
35. Separate the chip from the glass blank. Strip all adhesive, resist, sacrificial and exposed seed layers. At this step, the nitride spring is released and lifted from the fixed magnetic pole by 3 microns.
This step is shown in FIG.
36. Mount the printhead on the container. The container may be a plastic molded member into which ink grooves are introduced to supply different color inks to appropriate areas on the front surface of the wafer.
37. Connect the printhead to the relay device.
38. Hydrophobize the front surface of the print head.
39. Fill the completed printhead with ink and test. A nozzle filled with ink is shown in FIG.
IJ15の説明 S
本発明は、インクチャンバからのインクを放出する、磁力作動インクジェットプリントノズルを供給する。磁力作動インクジェットは、線状バネを利用している。線状バネは、ノズルが閉鎖している状態でのインクの圧力変動を防ぐシャッタグリルの移動量を増大させる。しかし、シャッタが開いている時、圧力変化はノズルチャンバに直接伝えられる。その結果、チャンバからのインク放出が発生し得る。インク漕内でインク圧を変動させるために、シャッタグリルが開放されたノズルからインクが排出される。
Explanation of IJ15 S
The present invention provides a magnetically actuated inkjet print nozzle that ejects ink from an ink chamber. Magnetically actuated ink jets utilize linear springs. The linear spring increases the amount of movement of the shutter grille that prevents ink pressure fluctuation when the nozzle is closed. However, when the shutter is open, the pressure change is transmitted directly to the nozzle chamber. As a result, ink ejection from the chamber can occur. In order to change the ink pressure in the ink fountain, the ink is discharged from the nozzle with the shutter grille opened.
図249では、休止または閉鎖状態にある時のノズル構造の実施例が示されている。装置1410はシャッタ1412、1413を伴うシャッタ構造1411を含んでいる。これらは、構造の安定性を提供するために、1415と一端部で相互接続している。1412、1413のシャッタは、他端部で可動バー1416と相互接続している。さらにその可動バーは、板バネ1420,1421を介して静止バー1418と接続している。バー1416は、軟磁性体材料(NiFe)で作られていてもよい。
In FIG. 249, an embodiment of the nozzle structure when in a resting or closed state is shown. Device 1410 includes a
電磁力アクチュエータは、バー1416を全体的に方向1425に引き寄せるために活用される。この電磁力アクチュエータは、周りを銅コイルワイヤー1426で構成した軟鉄のかぎつめから構成される。電磁力アクチュエータは、銅コイルワイヤーを通じて相互接続されているアクチュエータ1428−1430から構成することができる。従って、シャッタ1412−1413を開放する際には、コイル1426を作動させ、電磁石1428−1430に向けてバー1416を引き寄せる。誘引1425によって、線状バネ1420、1421の相互作用が発生し、図250に示すようにシャッタ1412、1413が開放位置に移動する。その結果、入口1432、1433がインク放出チャンバ1434に開放され、インク放出ノズル1436を通してインクの排出ができる。
An electromagnetic force actuator is utilized to pull the
線状バネ1420、1421は8のファクタによる作動の結果、シャッタの動きを増加させるように設計されている。電磁石に向けたバーの1ミクロンの運動は8ミクロンの横の運動となる。これがシステム効率を劇的に向上させることができる。なぜなら、磁場は、距離により大きく減衰するが、線状バネは、一つの軸と他の軸との間の動きに線形の関係があるからである。線状バネ1420、1421の使用によって、要求される相対的な大幅な動きが簡単に達成できるようになる。
Linear springs 1420, 1421 are designed to increase shutter movement as a result of actuation by a factor of eight. A 1 micron movement of the bar towards the electromagnet results in a lateral movement of 8 microns. This can dramatically improve system efficiency. This is because the magnetic field is greatly attenuated with distance, but the linear spring has a linear relationship in the movement between one axis and the other axis. The use of
ウエハの表面は、インク漕、または関連する大きなインク溝に直接浸漬されている。超音波変換器(例:圧電器変換器)(図示せず)は漕内に配置されている。この変換器は、インク圧を約100kHz.で振動させる。シャッタ1412,1413によって妨げなかった場合、このインク圧の振動によりノズルからインク滴が排出されてしまう。プリントヘッドに出力されたデータ信号が特定のノズルのインクの排出を指示する場合、そのノズルの駆動トランジスタが作動する。これによりアクチュエータ1428−1430が駆動され、シャッタを動かし、インクチャンバをふさぐのを妨げる。インクの圧力変化のピークによって、インクがノズルから噴出する。インク圧が負の方向に働くと、インクはノズルに戻り、インク滴が分離される。シャッタ1412、1413は、ノズルに次の正の圧力周期がくるまで、解放されたままになっている。次いで、次の負の圧力周期の際にはインクがノズルから引き込まれないように閉鎖された状態となる。
The surface of the wafer is directly immersed in an ink fountain or associated large ink groove. An ultrasonic transducer (e.g., a piezoelectric transducer) (not shown) is disposed in the cage. This transducer oscillates the ink pressure at about 100 kHz. If not blocked by the
インクの排出には二つのインク圧周期を要する。好ましくは、ノズルの半分は一方の位相でインク滴を排出し、もう半分はもう他方の位相で排インク滴を排出する。これが、大量のノズルを作動させ多彩に生じる圧力変動を最小限にする。 Ink discharge requires two ink pressure cycles. Preferably, half of the nozzles eject ink drops in one phase and the other half ejects ink drops in the other phase. This minimizes pressure fluctuations that can be caused by operating a large number of nozzles.
超音波変換器の振幅は、インクの粘度(一般には温度によって影響される)およびその時点の周期における排出すべきインク滴の数に応じて、更に変化する。この振幅調整は、様々な環境の変化に際して、滴のサイズを一定に維持するために使用される。 The amplitude of the ultrasonic transducer further varies depending on the viscosity of the ink (generally affected by temperature) and the number of ink drops to be ejected in the current cycle. This amplitude adjustment is used to keep the drop size constant during various environmental changes.
ノズルチャンバ1434を説明するために図250の線Iで示された部分を図251で示す。ノズルチャンバ1434はシリコン基板の非等方性結晶学的エッチングを利用して構成することが可能である。基板を貫通するエッチングはシャッタグリルの溝1432、1422を形成することができる。
In order to describe the
この装置はボロンが埋没されたエッチング停止層1440を有する<100>シリコンの上で形成されるが、<010><001>面に関して45°回転している。その結果、ノズルチャンバの結晶学的エッチングを停止する<111>面は45°矩形を形成し、その上に固定グリルの溝が形成される。シリコンへの腐食液の接触を制限するため、このエッチングはかなりゆっくりと進行する。しかしながら、ウエハの底部を薄くする大量のシリコンエッチングと同時にエッチングされる。
The device is formed on <100> silicon with an
インクジェットプリントヘッド1410の構造内各層の分解斜視部を図252に示す。これらの層はボロン添加層1440を包含する。ボロン埋没層はエッチング停止材として作用し、マイクロエロクトロメカニカルシステム(MEMS)としてよく知られている、埋め込まれたエピタキシャル層を有するシリコンウエハをバックエッチングすることから得ることも可能である。マイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS)の一般的な紹介については、この分野における最近の進展と会議に関する行動が記載された、SPIE(International Society for Optical Engineering)第2642及び2882巻の会報を含む、この分野における標準手続が参照される。ノズルチャンバの側面は、エッチング停止材として使用されるボロン添加層1440を有するウエハ1441を結晶学的エッチングすることにより形成される。
An exploded perspective view of each layer in the structure of the inkjet print head 1410 is shown in FIG. These layers include a boron doped
次の層1442は駆動トランジスタとプリンタ論理回路として構成され、2レベル金属CMOS処理層1442を包含する。CMOS処理層はCMOS層1442の側面を覆い保護する1444部分を包含する窒化物層1443によって覆われている。銅層1445はデュアルダマスカスプロセスを使用して構成することも可能である。最後に、アクチュエータの残りを形成するために、柔金属層(NiFe)1446が設けられる。1444、1445の両層は、窒化物保護層によって別々に塗装されている(図示せず)窒化物保護層は不動態化と保護を提供し、標準0.1μm処理とすることも可能である。
The
それゆえ、図249の装置は、モノリシックなページ幅プリントヘッドとして組み立てるための、整列したインクジェットノズルアレイの組立に適した高速発射速度(およそ50kHz)を有するインクジェットノズルを提供する。 Therefore, the apparatus of FIG. 249 provides an inkjet nozzle having a high firing rate (approximately 50 kHz) suitable for assembly of an aligned inkjet nozzle array for assembly as a monolithic page width printhead.
本実施例の主要な教示に基づいて動作する、モノリシックなインクジェットプリントヘッドを製造するために使用することのできる詳細な製造過程の一つを以下のステップを行いつつ実行することができる。
1.両面研磨されたウエハに、重度にボロンが添加された、3ミクロンのエピタキシャルなシリコンを配置する。
2.使用するCMOSプロセスにより、p型かn型の、10ミクロンのエピタキシャルシリコンを配置する。
3.駆動トランジスタ、データ分配、タイミング回路を、0.5ミクロン、1ポリ、2金属CMOS処理を用いて完成させる。このステップのウエハの関連図は図254に示す。理解しやすいように、これらの図は、ノットスケールで示されており、ノズルの単一面での断面を示すものでもない。図253は、これら製造図における多様な材料、及び相互参照用インクジェット構成を示す見出しである。
4.マスク1を使用してCMOS酸化層をシリコンまたはアルミニウムに到達するまでエッチングする。このマスクはノズルチャンバとプリントヘッドチップの端を規定する。このステップを図255に規定する。
5.例えば、KOH又はEDP(エチレンジアミンピロカテコール)を用いて、露出したシリコンに対して結晶学的エッチングを行う。このエッチングは、結晶面(111)上で止めると共に、ボロンを添加した、シリコン埋込層上で止める。このステップを図256に示す。
6.12ミクロンの犠牲材料を配置する。CMPを用いて酸化物まで平面化する。一時的に、犠牲材料がノズル穴を満たす。このステップを図257に示す。
7.0.5ミクロンのシリコン窒化物(Si3N4)を配置する。
8.マスク3を用いて、アルミニウムまたは犠牲材料に到達するまで窒化物と酸化物をエッチングする。このマスクはノズル空洞上の固定グリルだけではなくアルミニウム電極からソレノイドへのコンタクトビアを規定する。
このステップを図258に示す。
9.銅の種層を配置する。抵抗率が低く(結果的に効率が高くなる)、エレクトロマイグレーションが高いため、電流密度が高い時でも信頼性があるため、銅を使う。
10.2ミクロンのレジストを塗布し、マスク4を用いて感光し、現像する。このマスクはソレノイドスクエア巻線の下面を規定する。レジストは電気めっきの型として作用する。このステップを図259に示す。
11.1ミクロンの銅を電気めっきする。このステップを図260に示す。
12.レジストを剥ぎ、露出した銅種層をエッチングする。このステップを図261に示す。
13.0.1ミクロンのシリコン窒化物を配置する。
14.0.5ミクロンの犠牲材料を配置する。
15.マスク5を用いて犠牲材料を窒化物までエッチングする。このマスクはソレノイド、固定磁気ポール、線形バネ固定装置を規定する。このステップを図262に示す。
16.コバルトニッケル鉄合金の種層を配置する。2テスラの高い飽和磁束度、及び低い保磁力により、CoNiFeを選ぶ。(テツヤ他、大阪、高飽和磁束密度を有する、軟質磁気CoNiFeフィルム、Nature392、796−798(1998年))
17.3ミクロンのレジストを塗布し、マスク6を使用し感光し、現像する。このマスクは柔磁性体部分のすべて、U型の固定磁力ポール、線形バネ、線形バネの固定装置、シャッタグリルを規定する。レジストは電気めっきの型として作用する。このステップを図263に示す。
18.2ミクロンのCoNiFeを電気めっきする。このステップを図264に示す。
19.レジストを剥ぎ、露出した種層をエッチングする。このステップを図265に示す。
20.0.1ミクロンのシリコン窒化物(Si3N4)を配置する。
21.2ミクロンのレジストを塗布し、マスク7を用いて感光し、現像する。このマスクはソレノイド垂直ワイヤセグメントを規定し、該レジストは、該ワイヤセグメントの電気メッキ形として作用する。このステップを図266に示す。
22.マスク7レジストを用いて窒化物を銅までエッチングする。
23.2ミクロンの銅を電気めっきする。このステップを図267に示す。
24.銅の種層を配置する。
25.2ミクロンのレジストを塗布し、マスク8を用いて感光し、現像する。このマスクはソレノイド角形巻き線の上側を規定する。レジストは電気めっきの型として作用する。このステップを図268に示す。
26.1ミクロンの銅を電気めっきする。このステップを図269に示す。
27.レジストを剥ぎ、露出した種層をエッチングする。このステップは図270に示す。
28.0.1ミクロンのコンフォーマルシリコン窒化物を腐食バリアとして配置する。
29.マスク9を用いてボンドパッドを開ける。
30.ウエハの試験。この時点で、全ての電気的接続が完成される。ボンドパッドにはアクセス可能であり、チップはまだ分離されていない。
31.ウエハをガラスブランクに設け、KOHを用いてマスクを用いずにウエハをバックエッチングする。このエッチングにより、ウエハは薄くなり、ボロンが添加された埋込シリコン層でエッチングを止める。このステップを図271に示す。
32.マスク9を用いて、1ミクロンのボロンが添加されたシリコン層をプラズマバックエッチングする。このマスクは、ノズルのリムを規定する。このステップを図272に示す。
33.マスク10を用いて、ボロンが添加された層を介してプラズマバックエッチングを行う。このマスクは、ノズルと、チップのエッジを規定する。この段階で、チップは分離されるが依然ガラスブランクに設けられている。このステップを図273に示す。
34.チップをガラスブランクから分離する。すべての接着層、レジスト層、犠牲層、露出種層を剥ぐ。このステップを図274に示す。
35.プリントヘッドを容器に装着する。この容器は、異なる色のインクをウエハの前表面の適当な領域に供給するためのインク溝が導入された、プラスチック形成された成形部材でもよい。容器には、インク溝の後ろに取り付けられた圧電性のアクチュエータも設けられている。圧電性のアクチュエータは、インク噴出作用に必要な変動するインク圧を提供している。
36.プリントヘッドを中継装置に接続する。
37.プリントヘッドの前表面を疎水性化する。
38.完成したプリントヘッドにインクを満たし、テストする。インクが満たされたノズルを図275に示す。
One of the detailed manufacturing processes that can be used to manufacture a monolithic inkjet printhead that operates based on the main teaching of this embodiment can be carried out with the following steps.
1. A 3 micron epitaxial silicon doped with heavy boron is placed on the double-side polished wafer.
2. Depending on the CMOS process used, 10 micron epitaxial silicon of p-type or n-type is disposed.
3. The drive transistor, data distribution, and timing circuit are completed using 0.5 micron, 1 poly, 2 metal CMOS processing. A related drawing of the wafer in this step is shown in FIG. For ease of understanding, these figures are shown on a knot scale and do not show a cross-section on a single face of the nozzle. FIG. 253 is a heading showing various materials and cross-reference inkjet configurations in these manufacturing drawings.
4). The
5. For example, crystallographic etching is performed on the exposed silicon using KOH or EDP (ethylenediamine pyrocatechol). This etching is stopped on the crystal plane (111) and on the silicon buried layer to which boron is added. This step is illustrated in FIG.
6. Place sacrificial material of 12 microns. Using CMP, the oxide is planarized. Temporarily, the sacrificial material fills the nozzle holes. This step is shown in FIG.
7. Place 0.5 micron silicon nitride (Si 3 N 4 ).
8). Using the
This step is illustrated in FIG.
9. Place a copper seed layer. Copper is used because of its low resistivity (resulting in high efficiency), high electromigration, and reliability even at high current densities.
A 10.2 micron resist is applied, exposed using
11.1 micron copper is electroplated. This step is illustrated in FIG.
12 Strip the resist and etch the exposed copper seed layer. This step is shown in FIG.
13. Place 0.1 micron silicon nitride.
14. Place 0.5 micron sacrificial material.
15. The sacrificial material is etched down to nitride using the
16. A seed layer of cobalt nickel iron alloy is disposed. CoNiFe is chosen because of its high saturation flux of 2 Tesla and low coercivity. (Tetsuya et al., Osaka, Soft magnetic CoNiFe film with high saturation magnetic flux density, Nature 392, 796-798 (1998))
17.3 micron resist is applied, exposed using mask 6 and developed. This mask defines all the soft magnetic parts, a U-shaped fixed magnetic pole, a linear spring, a linear spring fixing device, and a shutter grille. The resist acts as an electroplating mold. This step is shown in FIG.
18.2 micron CoNiFe is electroplated. This step is shown in FIG.
19. Strip the resist and etch the exposed seed layer. This step is shown in FIG.
20. Place 0.1 micron silicon nitride (Si 3 N 4 ).
A 21.2 micron resist is applied, exposed using a mask 7 and developed. The mask defines a solenoid vertical wire segment and the resist acts as an electroplated form of the wire segment. This step is illustrated in FIG.
22. Etch nitride to copper using mask 7 resist.
Electroplate 23.2 micron copper. This step is shown in FIG.
24. Place a copper seed layer.
A 25.2 micron resist is applied, exposed using the mask 8, and developed. This mask defines the upper side of the solenoid square winding. The resist acts as an electroplating mold. This step is illustrated in FIG.
26.1 micron copper is electroplated. This step is shown in FIG.
27. Strip the resist and etch the exposed seed layer. This step is illustrated in FIG.
28. Place 0.1 micron conformal silicon nitride as a corrosion barrier.
29. The bond pad is opened using the
30. Wafer testing. At this point, all electrical connections are complete. The bond pad is accessible and the chip is not yet isolated.
31. The wafer is provided on a glass blank, and the wafer is back-etched using KOH without using a mask. By this etching, the wafer becomes thin, and the etching is stopped at the buried silicon layer to which boron is added. This step is shown in FIG.
32. Using the
33. Plasma back etching is performed using the
34. Separate the chip from the glass blank. Strip all adhesive, resist, sacrificial and exposed seed layers. This step is shown in FIG.
35. Mount the printhead on the container. The container may be a plastic molded member into which ink grooves are introduced to supply different color inks to appropriate areas on the front surface of the wafer. The container is also provided with a piezoelectric actuator attached behind the ink groove. Piezoelectric actuators provide the fluctuating ink pressure required for ink ejection.
36. Connect the printhead to the relay device.
37. Hydrophobize the front surface of the print head.
38. Fill the completed printhead with ink and test. A nozzle filled with ink is shown in FIG.
IJ16の説明 F
本実施例では、磁場の中での電流が流されるワイヤに作用するローレンツ力を利用して、隔壁を駆動し、ノズル穴を経由してノズルチャンバからインクを射出する。
Explanation of IJ16 F
In this embodiment, the partition is driven using Lorentz force acting on the wire through which a current in a magnetic field flows, and ink is ejected from the nozzle chamber via the nozzle hole.
磁場は静止しており、インクジェットヘッドのノズル周囲の永久磁石ヨークによって供給されている。 The magnetic field is stationary and is supplied by a permanent magnet yoke around the nozzles of the inkjet head.
はじめに、図276について言及する。実施例に基づいて構築された単一インクジェットノズルチャンバ装置1510を図示する。それぞれのインクジェットノズルは、インクの射出用のインクポート1513を有するノズルチャンバの上に支持された、波形をつけた隔壁1511を含む。隔壁1511は、多数の銅コイルから成る平面銅コイル層を有する多数の層から構築され、該銅コイルは隔壁1511を横切る電流の流れる回路を形成する。隔壁コイル部分1511のワイヤ内の電流は、同じ方向にすべて流れる。図283は単一インクジェットノズルの構築に使用される電流回路の透視図であり、図276の隔壁1511には、その軌跡の波形構造を図示する。永久磁石ヨーク(図示せず)が配置された結果、磁場1516はチップ表面に生じ、隔壁コイル1511に交差する電流の方向に垂直になる。
First, reference is made to FIG. FIG. 14 illustrates a single inkjet
隔壁1511が、コイルワイヤ1514を介した電流によって駆動されているときの、図276の線A−A1に沿って描かれたインクジェットノズル1510の断面図を図277で図示する。隔壁1511が全体的にノズル1513の方向へ押しつけられた結果、チャンバ1518内のインクが放出口1513から放出される。隔壁1511とチャンバ1518はインク漕1519と連結しており、放出口1513経由でインクの放出が行われた結果、インク漕1519からチャンバ1518へのインクの補充が行われる。
A cross-sectional view of the
隔壁1511の運動は、コイル電流と磁場間のローレンツ相互作用によって生じる。
The movement of the
隔壁1511は、弾性的な曲げ運動として隔壁運動が起きるように、波形がつけられた。これは、平らな隔壁が引っ張り応力によって曲がるのを防ぐために重要である。
The
プリントヘッドに分配されたデータ信号が特定のノズルのインク滴排出を指示すると、そのノズルのための駆動トランジスタは動く。これはコイル1514に電流を与えて、下方への隔壁1511の弾力のある変形を引き起こし、インクが放出される。およそ3μsの後、コイルの電流は切れ、隔壁は休止位置に戻る。隔壁が戻ったことにより、ノズルの中へインクが引き戻され、インク滴1520とノズル内のインクの結合は細くなる。チャンバ1518内のインクの滴が前に進む速度と、インクが後に戻る速度により、ノズル内のインク滴1520の分離が生じる。すると、インク滴1520は記録媒体に向かい続ける。ノズルチャンバ1518のインク補充は隔壁両端の2つの溝1522、1523を経由して行われる。インク補充はノズルにおけるインクメニスカスの表面張力によって引き起こされる。
When the data signal distributed to the print head indicates ink ejection for a particular nozzle, the drive transistor for that nozzle moves. This applies an electric current to the
図278に示すように、波形の隔壁は犠牲ガラス層1531の上に配置したレジスト層1530によって形成され得る。レジスト層1530は波形を描くハーフトーンパターンを有するマスク1532を使用して感光される。現像の後、図279に図示するように、レジスト1530は波形パターンを有する。レジスト層1530と犠牲ガラス層は、犠牲ガラス1531と大体同じ割合でレジスト1530を腐食する腐食液を使用してエッチングされる。犠牲ガラス層1531の波形パターンの変化は図280に図示する。図281に図示するように、その後、窒化物不動態化層1534はコイルマスクを使用して作られた銅層1535の次に配置される。さらに窒化物不動態化層1536が配置され、続いて銅層1535が配置される。隔壁の側面の窒化物層にある溝1522、1523はエッチングされ得る(図276)。そしてその後犠牲ガラス層は波形にされた隔壁を残してエッチングにより取り去られる。
As shown in FIG. 278, the corrugated partition may be formed by a resist
図282では、インクジェットノズル1510の各層の分解斜視図を図示する。インクジェットノズル1510はボロンが埋没されたエピタキシャルな層1540を有するシリコンウエハの上に構成される。層1540は最終工程でバックエッチングされ、インク排出穴1513を有する。シリコン基板1541は(以下で述べるが)ノズルチャンバ構造を形成するために非等方性結晶学的エッチングされる。シリコン基板層1541の上はCMOS層1542である。CMOS層1542は2レベル金属駆動回路と制御回路を包含することも可能である。CMOS層1542の上は第一不動態化層である。第一不動態化層は、後のエッチング行程から下層を保護するシリコン窒化物で構成することも可能である。この層の上に電流供給のための、例えば1546から、CMOS層への貫通穴を有する、銅層1545を配置する。銅層1545の上は第二窒化物不動態化層1547である。第二窒化物不動態化層は、インクから銅層を保護し、絶縁する。
FIG. 282 illustrates an exploded perspective view of each layer of the
ノズル1510は単一ウエハ上に形成されたノズルアレイの一部として構成され得る。組立の後、ノズル1510を構成するウエハはインク供給のためのインク溝を有する第二インク供給ウエハへ接着され得る。そのようなノズル1510はかたわらにインク漕が効果的に供給され、要求に応じて記録媒体の上に穴1513を介してインクの放出をする。
The
ノズルチャンバ1518はシリコン基板の非等方性結晶学的エッチングを使用して形成される。腐食液は隔壁の側面の溝1522、1523を経由して基板に到達する。装置は<100>シリコン(ボロンが埋没されたエッチング停止層を有する)の上に形成されるが、<010><001>面に関連して45°回転する。これによって、ノズルチャンバの結晶学的エッチングを止める面<111>は、窒化物層にスロットを形成した45°の矩形を形成する。腐食液のシリコンへの接触を制限するため、エッチングはゆっくりと進行する。しかしながら、ウエハを薄くする大量のシリコンエッチングと同時にエッチングは行われ得る。インクの発射速度はおよそ7kHzである。インクジェットヘッドはモノリシックなページ幅プリントヘッドとしての構成に適している。この図は‘下方発射’構成の1600dpiプリントヘッドの単一ノズルを表す。
The
本実施例の主要な教示に基づいて動作する、モノリシックなインクジェットプリントヘッドを製造するために使用することのできる詳細な製造過程の一つを以下のステップを行いつつ実行することができる。
1.両面研磨されたウエハに、重度にボロンが添加された、3ミクロンのエピタキシャルなシリコンを配置する。
2.使用するCMOSプロセスにより、p型かn型の、10ミクロンのエピタキシャルシリコンを配置する。
3.駆動トランジスタ、データ分配及びタイミング回路を、0.5ミクロン、1ポリ、2金属CMOS行程で完成させる。このステップのウエハの関連図は図285に示す。理解しやすいように、これらの図は、ノットスケールで示されており、ノズルの単一面での断面を示すものでもない。図284には、これらの製造過程を示す図における多様な材料とインクジェット構造を構成する多様な材料を示すキーとなる表示を示す。
4.マスク1を用いてCMOS酸化層を、シリコンまたはアルミニウムに到達するまでエッチングする。このマスクはノズルチャンバとプリントヘッドチップの端を規定する。このステップを図286に示す。
5.例えば、KOH又はEDP(エチレンジアミンピロカテコール)を用いて、露出したシリコンに対して結晶学的エッチングを行う。このエッチングは、結晶面(111)上で止めると共に、ボロンを添加した、シリコン埋込層上で止める。このステップを図287に示す。
6.12ミクロンの犠牲材料(ポリイミド)を配置する。CMPを用いて、酸化物まで平面化する。一時的に、犠牲材料がノズル穴を満たす。このステップを図288に示す。
7.1ミクロンの(犠牲)感光性ポリイミドを配置する。
8.マスク2を用いて感光性ポリイミドを感光、現像する。このマスクはソレノイドの中心部分を包含する柔軟な膜の折り畳みうねを規定するグレースケールマスクである。エッチングは結果として、インク押圧膜の全体長さを越えた一連の三角形上のうねになる。このステップを図289に示す。
9.0.1ミクロンのPECVDシリコン窒化物(Si3N4)を配置する。
10.マスク3を用いて窒化物層をエッチングする。このマスクはソレノイドコイルから第2レベルの金属接触部までのコンタクトバイアスを規定する。
11.銅の種層を配置する。
12.2ミクロンのレジストを塗布し、マスク4を用いて感光、現像する。このマスクはソレノイドコイルを規定する。レジストは電気めっきの型として作用する。このステップを図290に示す。
13.1ミクロンの銅を電気めっきする。抵抗率が低く(結果的に効率が高くなる)、エレクトロマイグレーションが高いため、電流密度が高い時でも信頼性があるため、銅を使う。
14.レジストを剥ぎ、露出した銅種層をエッチングする。このステップを図291に示す。
15.0.1ミクロンのシリコン窒化物(Si3N4)を配置する。
16.マスク5を用いて窒化物層をエッチングする。このマスクはインク押圧膜の端とボンドパッドを規定する。
17.ウエハの試験。この時点で、全ての電気的接続が完成される。ボンドパッドにはアクセス可能であり、チップはまだ分離されていない。
18.ウエハをガラスブランクに設け、KOHを用いてマスクを用いずにウエハをバックエッチングする。このエッチングにより、ウエハは薄くなり、ボロンが添加された埋込シリコン層でエッチングを止める。このステップを図292に示す。
19.マスク6を用いて、1ミクロンのボロンが添加されたシリコン層をプラズマバックエッチングする。このマスクは、ノズルのリムを規定する。このステップを図293に示す。
20.マスク7を用いて、ボロンが添加された層を介してプラズマバックエッチングを行う。このマスクは、ノズルと、チップのエッジを規定する。この段階で、チップは依然ガラスブランクに設けられている。このステップを図294に示す。
21.接着層を剥ぎ、チップをガラスブランクから分離する。犠牲層をエッチングする。この行程で完全にチップを分離する。このステップを図295に示す。
22.プリントヘッドを容器に装着する。この容器は、異なる色のインクをウエハの前表面の適当な領域に供給するためのインク溝が導入された、プラスチック形成された成形部材でもよい。
23.プリントヘッドを中継装置に接続する。
24.プリントヘッドの前表面を疎水性化する。
25.インクを満たし、チップ表面に強力な磁場を適用し、完成したプリントヘッドを試験する。インクで満たされたノズルを図296で示す。
One of the detailed manufacturing processes that can be used to manufacture a monolithic inkjet printhead that operates based on the main teaching of this embodiment can be carried out with the following steps.
1. A 3 micron epitaxial silicon doped with heavy boron is placed on the double-side polished wafer.
2. Depending on the CMOS process used, 10 micron epitaxial silicon of p-type or n-type is disposed.
3. The drive transistors, data distribution and timing circuits are completed in 0.5 micron, 1 poly, 2 metal CMOS process. A related drawing of the wafer in this step is shown in FIG. For ease of understanding, these figures are shown on a knot scale and do not show a cross-section on a single face of the nozzle. FIG. 284 shows key displays showing various materials and various materials constituting the ink jet structure in the drawings showing these manufacturing processes.
4). The
5. For example, crystallographic etching is performed on the exposed silicon using KOH or EDP (ethylenediamine pyrocatechol). This etching is stopped on the crystal plane (111) and on the silicon buried layer to which boron is added. This step is shown in FIG.
6.
7.
8). Photosensitive polyimide is exposed and developed using the
9. Place 0.1 micron PECVD silicon nitride (Si 3 N 4 ).
10. The nitride layer is etched using the
11. Place a copper seed layer.
A 12.2 micron resist is applied and exposed and developed using a
13. Electroplate copper of 1 micron. Copper is used because of its low resistivity (resulting in high efficiency), high electromigration, and reliability even at high current densities.
14 Strip the resist and etch the exposed copper seed layer. This step is shown in FIG.
15. Place 0.1 micron silicon nitride (Si 3 N 4 ).
16. The nitride layer is etched using the
17. Wafer testing. At this point, all electrical connections are complete. The bond pad is accessible and the chip is not yet isolated.
18. The wafer is provided on a glass blank, and the wafer is back-etched using KOH without using a mask. By this etching, the wafer becomes thin, and the etching is stopped at the buried silicon layer to which boron is added. This step is shown in FIG.
19. Using the mask 6, plasma back etching is performed on the silicon layer to which boron of 1 micron is added. This mask defines the rim of the nozzle. This step is shown in FIG.
20. Plasma back etching is performed using the mask 7 through the layer to which boron is added. This mask defines nozzles and chip edges. At this stage, the chips are still provided on the glass blank. This step is shown in FIG.
21. The adhesive layer is peeled off and the chip is separated from the glass blank. Etch the sacrificial layer. In this process, the chip is completely separated. This step is illustrated in FIG.
22. Mount the printhead on the container. The container may be a plastic molded member into which ink grooves are introduced to supply different color inks to appropriate areas on the front surface of the wafer.
23. Connect the printhead to the relay device.
24. Hydrophobize the front surface of the print head.
25. Fill the ink, apply a strong magnetic field to the chip surface, and test the finished printhead. A nozzle filled with ink is shown in FIG.
IJ25の記述 F
本実施例では、インク排出口と電気コイルで囲まれた磁歪アクチュエータを備えたノズルチャンバが設けられる。その結果、コイルが作動されると、アクチュエータにノズルチャンバからインク排出させる効果をアクチュエータに与える磁場が生成される。
Description of IJ25 F
In this embodiment, a nozzle chamber having a magnetostrictive actuator surrounded by an ink discharge port and an electric coil is provided. As a result, when the coil is activated, a magnetic field is generated that gives the actuator the effect of causing the actuator to eject ink from the nozzle chamber.
図297に、単一インクジェットノズル装置2410の透視斜視断面図を示す。
ノズル装置はインク放出のためのノズル放出口1412を開口するノズルチャンバ2411を有する。
FIG. 297 shows a perspective perspective sectional view of a single
The nozzle device has a
ノズル2410は、ノズルの一団から同時に形成された多数のプリントヘッドを備えた大きなシリコンウエハの上に形成される。ノズル穴2412はボロンが添加されたエピタキシャルな層2413のレベルまでシリコンウエハをバックエッチングすることにより形成される。続いて、層2413は、リム2415を含むノズル口2412を形成するために適切なマスクを用いてエッチングされる。ノズルチャンバ2411はさらにシリコンウエハ2416の残存部分の結晶学的エッチングから形成される。結晶学的エッチング過程はマイクロエロクトロメカニカルシステム(MEMS)分野ではよく知られている。マイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS)の一般的な紹介については、この分野における最近の進展と会議に関する行動が記載された、SPIE(International Society for Optical Engineering)第2642及び2882巻の会報を含む、この分野における標準手続が参照される。
The
図297に実施例の単一インクジェットノズル配置2410の構成を分解斜視図で示す。
FIG. 297 shows an exploded perspective view of the configuration of the single
シリコンウエハ2416の上に、あらかじめ構築されたアルミニウム層を包む2レベル金属CMOS層2417が配置される(図示せず)。CMOS層217はインクジェットノズル2410のための制御回路とデータを供給するために構築される。CMOS層2417の上には窒化物パドル部分2421を有する窒化物不動態化層2420が構築される。窒化物層2421はガラスなどの犠牲材料を用いて、最初に結晶学的エッチングが行われたノズルチャンバ42411を満たし、次いで、犠牲層をエッチング除去して窒化物層2421を解放する。窒化物層2421の上にはTerfenol(テルフェノール)−D層2422が配置される。Telefenol−Dは高い磁歪性を有する物質である(Terfenol−Dの性質の詳細、“磁気弾力性の磁歪・理論・応用”《Etienne du Tremolett de Lachiesserieより 1993年CRCプレス出版》)。磁界の影響を受けてTerfenol−D物質は膨脹する。Terfenol−D層2422は、膨脹の影響を受けない下の窒化物層2421に取り付けられる。結果として、力が、窒化物層2421がノズル排出穴2412に向けて曲がるように作用し、インク放出口2412からインクの放出が起こる。
A two-level
Telefenol−D層2422は窒化物層2423によって不動態化される。窒化物層2423の上には一連のビアを経由して下のCMOS層2417と連結した銅コイル層2424がある。その結果、銅コイル層2424は駆動される。銅コイル層2424の駆動はTerfenol−D層2422と交差した磁界2425を生成する。それにより、Terfenol−D層2422に状態の変化をもたらす。その結果、ノズルチャンバ2411からインクの噴出をするために、Terfenol−D層2422が状態変化をさせられ、インク噴出口2412の方向にアクチュエータ2426(図297)が曲がり、インク滴の噴出が起こる。上部コイル層2424が非駆動化されると、アクチュエータ2426(図297)は休止位置に戻り、いくらかのインクがノズルチャンバへ戻り、インク滴とノズルチャンバ内のインクの結合は薄くなる。インクの滴が前に進む速度と、チャンバ2411内のインクが後に戻る速度により、ノズルチャンバ2411からインク滴の分離が生じる。ノズルチャンバ2411のインク補充は、放出口2412におけるインクメニスカスの表面張力の結果としてアクチュエータ2426(図297)の側面を経由して行われる。
Telefenol-
銅層2424は、窒化物層(図示せず)により不動態化され、ノズル配置2410はインク供給漕2428と当接する(図297)。
本実施例の主要な教示に基づいて動作する、モノリシックなインクジェットプリントヘッドを製造するために使用することのできる詳細な製造過程の一つを以下のステップを行いつつ実行することができる。
1.両面研磨されたウエハに、重度にボロンが添加された、3ミクロンのエピタキシャルなシリコンを配置する。
2.使用するCMOSプロセスにより、p型かn型の、20ミクロンのエピタキシャルシリコンを配置する。
3.駆動トランジスタ、データ分配及び制御回路を、0.5ミクロン、1ポリ、2金属CMOS行程を使用して完成させる。この金属層は、電流密度が高く、その結果、高温処理が可能なため、アルミニウムの代わりに銅を使う。このステップのウエハの関連図は図300に示す。理解しやすいように、これらの図は、ノットスケールで示されており、ノズルの単一面での断面を示すものでもない。図299には、これらの製造過程を示す図における多様な材料とインクジェット構造を構成する多様な材料を示すキーとなる表示を示す。
4.マスク1を用いてCMOS酸化層を、シリコンに到達するまでエッチングする。このマスクはノズルチャンバを規定する。このステップを図301に示す。
5.1ミクロンの低応力PECVDシリコン窒化物(Si3N4)を配置する。
6.Terfenol―Dの種層を配置する。
7.3ミクロンのレジストを配置し、マスク2を用いて感光する。このマスクはアクチュエータビームを規定する。レジストはTerfenol−Dの電気めっきの型を形成する。このステップを図302に示す。
8.2ミクロンのTerfenol−Dを電気めっきする。
9.レジストを剥ぎ、種層をエッチングする。このステップを図303に示す。
10.マスク3を用いて窒化物層をエッチングする。このマスクはアクチュエータビームとノズルチャンバ、ソレノイドコイルから第2レベルの金属接触部までのコンタクトバイアスを規定する。このステップを図304に示す。
11.銅の種層を配置する。
12.22ミクロンのレジストを配置し、マスク4を用いて感光する。このマスクはソレノイドを規定し、アスペクト比が非常に高いためエックス線近接マスクを用いて感光されるべきである。レジストは銅の電気めっき型を形成する。このステップは図305に示す。
13.20ミクロンの銅を電気めっきする。
14.レジストを剥ぎ、銅の種層をエッチングする。ステップ10から13はLIGA行程を形成する。このステップを図306に示す。
15.例えば、KOH又はEDP(エチレンジアミンピロカテコール)を用いて、露出したシリコンに対して結晶学的エッチングを行う。このエッチングは、結晶面(111)上で止めると共に、ボロンを添加した、シリコン埋込層上で止める。このステップを図307に示す。
16.腐食バリアとして、カーボン(DLC)のようなECRダイアモンドを0.1ミクロン配置する(図示せず)。
17.マスク5を用いてボンドパッドを開ける。
18.ウエハの試験。この時点で、全ての電気的接続が完成される。ボンドパッドにはアクセス可能であり、チップはまだ分離されていない。
19.ウエハをガラスブランクに設け、KOHを用いてマスクを用いずにウエハをバックエッチングする。このエッチングにより、ウエハは薄くなり、ボロンが添加された埋込シリコン層でエッチングを止める。このステップを図308に示す。
20.マスク6を用いて、1ミクロンのボロンが添加されたシリコン層をプラズマバックエッチングする。このマスクは、ノズルのリムを規定する。このステップを図309に示す。
21.マスク6を用いて、ボロンが添加された層を介してプラズマバックエッチングを行う。このマスクは、ノズルと、チップのエッジを規定する。ノズル穴を介して薄いECR DLC層をエッチングする。このステップを図310で示す。
22.ガラスブランクからチップを分離するために粘着層を剥ぐ。
23.プリントヘッドを容器に装着する。この容器は、異なる色のインクをウエハの前表面の適当な領域に供給するためのインク溝が導入された、プラスチック形成された成形部材でもよい。
24.プリントヘッドを中継装置に接続する。
25.プリントヘッドの前表面を疎水性化する。
26.完成したプリントヘッドにインクを満たし、テストする。インクが満たされたノズルを図311に示す。
One of the detailed manufacturing processes that can be used to manufacture a monolithic inkjet printhead that operates based on the main teaching of this embodiment can be carried out with the following steps.
1. A 3 micron epitaxial silicon doped with heavy boron is placed on the double-side polished wafer.
2. Depending on the CMOS process used, 20 micron epitaxial silicon of p-type or n-type is placed.
3. The drive transistor, data distribution and control circuit is completed using a 0.5 micron, 1 poly, 2 metal CMOS process. This metal layer has a high current density and as a result can be processed at high temperature, so copper is used instead of aluminum. A related diagram of the wafer in this step is shown in FIG. For ease of understanding, these figures are shown on a knot scale and do not show a cross-section on a single face of the nozzle. FIG. 299 shows key displays showing various materials and various materials constituting the inkjet structure in the drawings showing these manufacturing processes.
4). The
5. Place 5.1 micron low stress PECVD silicon nitride (Si 3 N 4 ).
6). A seed layer of Terfenol-D is arranged.
7.3-micron resist is placed and exposed using
Electroplate 8.2 micron Terfenol-D.
9. Strip the resist and etch the seed layer. This step is shown in FIG.
10. The nitride layer is etched using the
11. Place a copper seed layer.
A 12.22 micron resist is placed and exposed using a
13. Electroplate 20 micron copper.
14 Strip the resist and etch the copper seed layer.
15. For example, crystallographic etching is performed on the exposed silicon using KOH or EDP (ethylenediamine pyrocatechol). This etching is stopped on the crystal plane (111) and on the silicon buried layer to which boron is added. This step is shown in FIG.
16. As a corrosion barrier, 0.1 micron of ECR diamond such as carbon (DLC) is arranged (not shown).
17. The bond pad is opened using the
18. Wafer testing. At this point, all electrical connections are complete. The bond pad is accessible and the chip is not yet isolated.
19. The wafer is provided on a glass blank, and the wafer is back-etched using KOH without using a mask. By this etching, the wafer becomes thin, and the etching is stopped at the buried silicon layer to which boron is added. This step is shown in FIG.
20. Using the mask 6, plasma back etching is performed on the silicon layer to which boron of 1 micron is added. This mask defines the rim of the nozzle. This step is shown in FIG.
21. Plasma back etching is performed using the mask 6 through the layer to which boron is added. This mask defines nozzles and chip edges. Etch a thin ECR DLC layer through the nozzle hole. This step is illustrated in FIG.
22. Peel the adhesive layer to separate the chips from the glass blank.
23. Mount the printhead on the container. The container may be a plastic molded member into which ink grooves are introduced to supply different color inks to appropriate areas on the front surface of the wafer.
24. Connect the printhead to the relay device.
25. Hydrophobize the front surface of the print head.
26. Fill the completed printhead with ink and test. A nozzle filled with ink is shown in FIG.
IJ26の Fの記述
本実施例では、インクチャンバのノズルからインクを射出するのに適したアクチュエータを構築するため、形状記憶材料を使用する。
Description of IJ26 F In this example, a shape memory material is used to construct an actuator suitable for ejecting ink from the nozzles of the ink chamber.
図312に、本実施例に基づいて構築される単一のノズルの分解透視図2510を示す。インクジェットノズル2510は、ボロンが添加されたエピタキシャルな層へのウエハへのバックエッチングを行ったシリコンウエハ基板から構成される。この故に、インクジェットノズル2510は、ボロン添加シリコンから構築された層2511を有する。このボロン埋没シリコン層は液晶学的エッチング停止層としても利用される。次の層は、54.74度の通常角度で側面エッチングされた結晶学的穴を有するシリコン層2512から構成される。層2512は必要とされる多数の回路構成とトランジスタ、例えばCMOS層(図示せず)をも有する。この後、0.5ミクロンの厚さの熱シリコン酸化物層2515がシリコンウエハ2512上に形成される。
FIG. 312 shows an exploded
この後、層2512内に形成されたCMOSトランジスタに内部連結される2レベル金属CMOS処理層を構成可能な様々な層がある。形状記憶合金層2520とCMOS金属層2516間の相互連結する二つの金属接続部2518、2519をのぞいては、多様な金属経路などは図312には示されていない。次に形状記憶金属層が配置される。形状記憶金属層は、端部金属接続/ビア部2521、2523で熱せられる、曲がりくねったコイルを形成する。上部窒化物層2522は、休止状態の形状記憶合金層を上向きに曲げる引っ張り応力を含む手段の提供に加えて、全体の不動態化と下層の保護を供給する。
After this, there are various layers that can constitute a two-level metal CMOS processing layer interconnected to a CMOS transistor formed in
実施例は、マルテンサイト相からオーステナイト相へ変化する形状記憶合金2520(SMA)の熱変化に頼っている。形状記憶効果の基本は、冷却時にPolydemane相を生成するマルテンサイト変態である。このPolydemane相は、システムの機械的な自己エネルギに大きな変化を生じさせることなく、有限な可逆的機械的な変形を受け入れる。従って、その後、オーステナイトの状態への再変態により、システムは以前の巨視的な状態に戻り、よく知られた機械記憶示す。熱の変化は、SMAに電流が流れることにより起こる。アクチュエータ層2520は、ノズルチャンバ2513の入口で、下層へのビアリード2518,2519に接続された形で、支持される。
The examples rely on the thermal change of shape memory alloy 2520 (SMA) that changes from martensite phase to austenite phase. The basis of the shape memory effect is a martensitic transformation that generates a Polydemane phase during cooling. This Polydemane phase accepts a finite reversible mechanical deformation without causing a large change in the mechanical self-energy of the system. Therefore, subsequent re-transformation to the austenite state causes the system to return to the previous macroscopic state, showing well-known mechanical memory. The change in heat is caused by a current flowing through the SMA. The
図313に、給費状態の単一ノズル2510の断面を示す。これは、図312の線A−Aで切った断面である。アクチュエータ2530は休止状態の時にノズルから離れて曲がっている。
FIG. 313 shows a cross section of the
図314に作動状態の単一ノズル2510の対応する断面を示す。電圧を加えて作動させるとアクチュエータ2530はまっすぐになり、インクがノズルの外へ押し出される。アクチュエータ2530に電圧を加えて作動させる行程は、遷移温度以上にSMAを昇温させ、SMA2520の変態を促すための潜熱を供給するに十分なエネルギの供給が要求される。
FIG. 314 shows a corresponding cross-section of the activated
見てわかるとおり、マルテンサイトの状態のSMAはオーステナイト相から異なった形状になるためにプレストレスを与えられている。多数のノズルを有するプリントヘッドにとって、簡単な手法によりプレストレスを与えることは重要である。これは、SMA層の上で、およそ300℃でプラズマ支援化学気相堆積法(PECVD)を用いてシリコン窒化物層2522の層を配置することにより達成される。その堆積物はSMAがオーステナイトの状態の間に生ずる。プリントヘッドが室温に冷えた後、SMA屈曲アクチュエータの下部の回路基板は犠牲物質の化学エッチングにより除去される。シリコン窒化物層2522は張力応力を下に有り、アクチュエータは上向きに曲がる。SMAの弱いマルテンサイト相は、この屈曲に対して少し抵抗する。SMAがオーステナイト層にまで加熱されると、窒化物が配置された間にアニールされた平坦な形状に戻る。変態は、ノズルチャンバからのンクを噴出させるに十分な速度である。
As can be seen, the SMA in the martensite state is prestressed because it has a different shape from the austenite phase. For a printhead having a large number of nozzles, it is important to prestress by a simple technique. This is accomplished by placing a layer of
それぞれのノズルに一つのSMA屈曲アクチュエータ2320がある。SMA屈曲アクチュエータの一端2531は基板と機械的に結合している。もう一端は層に内在する応力をうけて動くために固定されていない。
There is one SMA bending actuator 2320 for each nozzle. One
図312では、3層から構成されたアクチュエータ層を示す。 FIG. 312 shows an actuator layer composed of three layers.
1.SiO2下層2515。この層は窒化物張力層のための圧力‘基準’として作用する。この層は、ノズルチャンバを形成する結晶学的シリコンエッチングからSMAの保護もする。この層はプリントヘッドの駆動電子回路用の標準CMOS工程の一部として形成することもできる。
1. SiO 2
2.SMA加熱層2520。ニッケルチタニウム(NiTi)合金のようなSMAが配置され、電気抵抗を増加させるために曲がりくねった形状にエッチングされる。
2.
3.シリコン窒化物上部層2522。これはPECVDを用いて配置された高剛性の薄い層である。窒化物化学量論は、SiO2相に対して、室温でかなりの引っ張り応力を有する層を完成させるために調節される。その目的は、低温マルテンサイト相でアクチュエータを屈曲することである。
3. Silicon
前に述べたように、図312のインクジェットノズルはボロンが埋め込まれたエピタキシャルな層を有するシリコンウエハを用いることによって構成され得る。0.5ミクロンの厚さの二酸化物層2515は次の結晶学的エッチングで使用される横溝2545を有するよう形成される。つぎに、多様なCMOS層2516は駆動装置と制御回路(図示せず)を包含して形成される。SMA層2520は、層2515、2516の上部に作られ、駆動回路と連結している。その後、シリコン窒化物層2522は上部に形成される。それぞれの層2515、2516、2522は、例えば後の結晶学的エッチングで使用される2545のようないくつかの溝を有する。シリコンウエハはその後、エッチングを止めるボロン層2511を用いたバックエッチングによって薄くされる。後のボロンエッチングはノズル穴、例えば2547とリム2546を形成する(図314)。次いで、チャンバが、シリコン酸化層2512内でのエッチングの拡張を規定する溝2545を用いて、結晶学的エッチングを用いて形成される。
As previously mentioned, the inkjet nozzle of FIG. 312 may be constructed by using a silicon wafer having an epitaxial layer with embedded boron. A 0.5 micron
大きなノズルアレイが同じウエハ上に形成される。一方、ウエハはノズルチャンバを満たすためのインクチャンバと結合している。 A large nozzle array is formed on the same wafer. On the other hand, the wafer is combined with an ink chamber to fill the nozzle chamber.
本実施例の主要な教示に基づいて動作する、モノリシックなインクジェットプリントヘッドを製造するために使用することのできる詳細な製造過程の一つを以下のステップを行いつつ実行することができる。
1.両面研磨されたウエハに、重度にボロンが添加された、3ミクロンのエピタキシャルなシリコンを配置する。
2.使用するCMOSプロセスにより、p型かn型の、10ミクロンのエピタキシャルシリコンを配置する。
3.駆動トランジスタ、データ分配、タイミング回路を、0.5ミクロン、1ポリ、2金属CMOS行程をもしいて完成させる。このステップのウエハの関連図は図316に示す。理解しやすいように、これらの図は、ノットスケールで示されており、ノズルの単一面での断面を示すものでもない。図315には、これらの製造過程を示す図における多様な材料とインクジェット構造を構成する多様な材料を示すキーとなる表示を示す。
4.マスク1を用いてCMOS酸化層を、シリコンまたはアルミニウムに到達するまでエッチングする。このマスクはノズルチャンバとプリントヘッドチップの端を規定する。このステップを図317に示す。
5.例えば、KOH又はEDP(エチレンジアミンピロカテコール)を用いて、露出したシリコンに対して結晶学的エッチングを行う。このエッチングは、結晶面(111)上で止めると共に、ボロンを添加した、シリコン埋込層上で止める。このステップを図318に示す。
6.12ミクロンの犠牲材料を配置する。CMPを用いて、酸化物まで平面化する。一時的に、犠牲材料がノズル穴を満たす。このステップを図319に示す。
7.0.1ミクロンの高応力シリコン窒化物(Si3N4)を配置する。
8.マスク2を用いて窒化物層をエッチングする。このマスクは形状記憶ヒーターから第2レベルの金属接触部までのコンタクトバイアスを規定する。
9.種層を配置する。
10.2ミクロンのレジストを塗布し、マスク3を用いて感光し、現像する。このマスクはパドルに埋め込まれた形状記憶ワイヤを規定する。レジストは電気めっきの型として作用する。このステップを図320に示す。
11.1ミクロンのニチノールを電気めっきする。ニチノールはアメリカの海軍軍需品研究所で作られたニッケルとチタニウムの‘形状記憶’合金である(故にNi−Ti−NOL)。形状記憶合金は弱いマルテンサイト状態と高剛性のオーステナイト状態の間を熱で切り替えることが可能である。
12.レジストを剥ぎ、露出した種層をエッチングする。このステップを図321に示す。
13.ウエハの試験。この時点で、全ての電気的接続が完成される。ボンドパッドにはアクセス可能であり、チップはまだ分離されていない。
14.0.1ミクロンの高応力シリコン窒化物を配置する。高応力窒化物が使用された結果、犠牲材料はエッチングされ、パドルははずされ、窒化物層の応力は比較的弱いマルテンサイト相の形状記憶合金を屈曲する。形状記憶合金が、シリコン窒化物層が比較的高い温度に晒されることによりアニールされると、(オーステナイト相で)平らになるので、電気的に加熱されることにより、それは平らな状態に戻る。
15.ウエハをガラスブランクに設け、KOHを用いてマスクを用いずにウエハをバックエッチングする。このエッチングにより、ウエハは薄くなり、ボロンが添加された埋込シリコン層でエッチングを止める。このステップを図322に示す。
16.マスク4を用いて、1ミクロンのボロンが添加されたシリコン層をプラズマバックエッチングする。このマスクは、ノズルのリムを規定する。このステップを図323に示す。
17.マスク5を用いて、ボロンが添加された層を介してプラズマバックエッチングを行う。このマスクは、ノズルと、チップのエッジを規定する。この段階で、チップは依然ガラスブランクに設けられている。このステップを図324に示す。
18.接着層を剥ぎ、チップをガラスブランクから分離する。犠牲層をエッチングする。この行程で完全にチップを分離する。このステップを図325に示す。
19.プリントヘッドを容器に装着する。この容器は、異なる色のインクをウエハの前表面の適当な領域に供給するためのインク溝が導入された、プラスチック形成された成形部材でもよい。
20.プリントヘッドを中継装置に接続する。
21.プリントヘッドの前表面を疎水性化する。
22.インクで満たし、完成されたプリントヘッドを試験する。インクで満たされたノズルを図326に示す。
One of the detailed manufacturing processes that can be used to manufacture a monolithic inkjet printhead that operates based on the main teaching of this embodiment can be carried out with the following steps.
1. A 3 micron epitaxial silicon doped with heavy boron is placed on the double-side polished wafer.
2. Depending on the CMOS process used, 10 micron epitaxial silicon of p-type or n-type is disposed.
3. The drive transistor, data distribution and timing circuit is completed with 0.5 micron, 1 poly, 2 metal CMOS process. A related drawing of the wafer in this step is shown in FIG. For ease of understanding, these figures are shown on a knot scale and do not show a cross-section on a single face of the nozzle. FIG. 315 shows key displays showing various materials and various materials constituting the ink jet structure in the drawings showing these manufacturing processes.
4). The
5. For example, crystallographic etching is performed on the exposed silicon using KOH or EDP (ethylenediamine pyrocatechol). This etching is stopped on the crystal plane (111) and on the silicon buried layer to which boron is added. This step is illustrated in FIG.
6. Place sacrificial material of 12 microns. Using CMP, the oxide is planarized. Temporarily, the sacrificial material fills the nozzle holes. This step is illustrated in FIG.
High stress silicon nitride 7.0.1
8). The nitride layer is etched using the
9. Arrange the seed layer.
A 10.2 micron resist is applied, exposed using
Electroplating 11.1 micron Nitinol. Nitinol is a nickel and titanium 'shape memory' alloy (hence Ni-Ti-NOL) made at the US Navy Munitions Research Institute. Shape memory alloys can switch between a weak martensite state and a highly rigid austenite state by heat.
12 Strip the resist and etch the exposed seed layer. This step is shown in FIG.
13. Wafer testing. At this point, all electrical connections are complete. The bond pad is accessible and the chip is not yet isolated.
14. Place 0.1 micron high stress silicon nitride. As a result of the use of high stress nitride, the sacrificial material is etched, the paddles are removed, and the stress of the nitride layer bends a relatively weak martensitic phase shape memory alloy. When the shape memory alloy is annealed by exposing the silicon nitride layer to a relatively high temperature, it flattens (in the austenite phase), so that when heated electrically, it returns to a flat state.
15. The wafer is provided on a glass blank, and the wafer is back-etched using KOH without using a mask. By this etching, the wafer becomes thin, and the etching is stopped at the buried silicon layer to which boron is added. This step is illustrated in FIG.
16. Plasma back etching is performed on the silicon layer to which boron of 1 micron is added using the
17. Plasma back etching is performed using the
18. The adhesive layer is peeled off and the chip is separated from the glass blank. Etch the sacrificial layer. In this process, the chip is completely separated. This step is illustrated in FIG.
19. Mount the printhead on the container. The container may be a plastic molded member into which ink grooves are introduced to supply different color inks to appropriate areas on the front surface of the wafer.
20. Connect the printhead to the relay device.
21. Hydrophobize the front surface of the print head.
22. Test the completed printhead filled with ink. A nozzle filled with ink is shown in FIG.
IJ45の Fの記述
本実施例は、一連のノズル装置から構成されるインクジェットプリントヘッドであり、各ノズル装置は、パルスが流れるコイルにより駆動され、磁石プレートを移動させてインクを射出させる電磁力プレートアクチュエータを有する。磁石プレートの動きは、板バネ装置を弾力的に伸張させ、コイルが非駆動化されたときに、磁石プレートは休止位置に戻り、該プレートに作られた穴からインク滴が射出される。
Description of F of IJ45 This embodiment is an ink jet print head composed of a series of nozzle devices, and each nozzle device is driven by a coil through which a pulse flows, and an electromagnetic force plate that ejects ink by moving a magnet plate It has an actuator. The movement of the magnet plate elastically stretches the leaf spring device, and when the coil is deactivated, the magnet plate returns to the rest position and ink drops are ejected from holes made in the plate.
図327から329では、実施例の作用が説明されている。 In FIGS. 327 to 329, the operation of the embodiment is described.
図327では、インク噴出ノズル4403と連結するノズルチャンバ4402包含するインクジェットノズル配置4401を示す。休止位置にあるときインクメニスカス4404はノズル4403の上に形成される。ノズル4403は磁石ノズルプレート4405に形成されている。磁石ノズルプレート4405は鉄の材料から構築され得る。ノズルプレート4405に接合しているのは一連の板バネ、例えば基板4409から離れたノズル板4405にバイアスをかける4406、4407である。ノズル板4405と基板4409の間に、標準CMOS回路層を構成することのできる下層回路4411を経由して連結され制御される、伝導性コイル4410が供給される。半導体ウエハ4413を介したエッチングによって形成された下部のインク供給溝4412からのインクで、インクチャンバ4402は満たされる。CMOS層4411を介してエッチングされ得る一連の溝4414によってインクチャンバ4402はインク供給溝と相互連結される。
FIG. 327 shows an
コイル4410の周囲は疎水性加工処理された結果、活動中に小さなメニスカス、例えば4416、4417をノズル板4405と基板4409との間に形成する。
As a result of the hydrophobic processing around the
インクの噴出をさせたい時にコイル4410を作動させる。その結果、図328で示すようにプレート4405の運動が生ずる。プレート4405の全体の下向き運動の結果、ノズルチャンバ4402内の圧力が増加する。この圧力の増加の結果、ノズルチャンバ4403からのインクの流れがメニスカスの中で急速に増加する。プレート4405の運動の結果、バネ4406、4407に全般的な弾性的な伸張が生じる。溝4414の幅が狭いことにより、ノズルチャンバ4412へのインクの流れはわずかとなる。
The
そのわずか後、図329で示すように、コイル4410が不活性化され、ノズルプレートに作用するバネ4406、4407により、プレート4405は休止位置に戻る。ノズルプレート4405が休止位置に戻ることにより、ノズルチャンバ4402内での圧力の急激な減少が起こり、次にノズル4403の周囲のインクの全体的な逆流が起こる。ノズルプレート4403の外側の、インクの前に進む勢いと噴出ノズル4403の周囲のインクの逆向きの吸引は、インク滴4419を形成して分離され、印刷媒体へとインク滴が進み続ける。
Shortly thereafter, as shown in FIG. 329, the
図327の休止位置に再び達するまでに、ノズル4403を横断する表面張力の特性により、インク供給溝4412からのインクが流入する。こうして、コイル駆動磁気インクジェット印字ヘッドは、オンデマンドでインク滴を生成する。重要なことだが、コイル4410周囲の領域は、当該領域内にインクが流れ込まないように、疎水性加工される。
The ink from the
図330には、図327から図329についてあらかじめ概略を述べた原則に従って構築された、単一ノズル装置の部分断面側面斜視図を示す。装置4401は、インク供給チャンバ4402の周りに形成されたノズルプレート4405とインク噴出ノズル4403を有する。一連の板バネ要素4406―4408も設けられ、これらはノズル板4405を同じ材料から形成することもできる。コイル4410を中に入れための基板4409も設けられる。ウエハ4413はノズルチャンバ4402へインクを運ぶための一連の溝4414を有する。ノズルチャンバ4402は溝を経由してインク供給溝4412と連結している。溝4414は、薄い細長い形状をしており、チャンバ4402から流体が迅速に流出することに対する流体抵抗となっている。
FIG. 330 shows a partial cross-sectional side perspective view of a single nozzle device constructed in accordance with the principles outlined previously for FIGS. 327-329. The
コイル4410は、該コイル4410の運転及びベースプレート4405の動きを制御するための下部CMOS層に、所定の位置(図示せず)で導電的に接続されている。また、基板4409は2つに分割された半円形の板とすることが出来、そしてコイル4410は、下部のCMOS層に接続された半円形の板の一つを介して接続される、分割された端部を有するように構成することも出来る。
The
見てわかるとおり、インクジェットノズル装置アレイは、多数のプリントヘッドを形成するために単一シリコンウエハ上に一度に形成することが可能である。 As can be seen, the inkjet nozzle device array can be formed at once on a single silicon wafer to form multiple printheads.
本実施例の主要な教示に基づいて動作する、モノリシックなインクジェットプリントヘッドを製造するために使用することのできる詳細な製造過程の一つを以下のステップを行いつつ実行することができる。
1.両面研磨されたウエハを使って、0.5ミクロンの単層ポリシリコン2層メタルCMOSプロセスを完成させる。電流密度が高いため、両金属層はエレクトロマイグレーションに対する抵抗のために、銅を使う。このステップを図332に示す。わかりやすく示すために、これらの図表は、ノットスケールで示されており、ノズルの単一面での断面を示すものではない。図331は、これらの製造図の多様な材料及び、相互参照用インクジェット構成を示す見出しである。
One of the detailed manufacturing processes that can be used to manufacture a monolithic inkjet printhead that operates based on the main teaching of this embodiment can be carried out with the following steps.
1. The double-side polished wafer is used to complete a 0.5 micron single layer polysilicon two layer metal CMOS process. Due to the high current density, both metal layers use copper for resistance to electromigration. This step is illustrated in FIG. For the sake of clarity, these diagrams are shown on a knot scale and do not represent a cross-section on a single face of the nozzle. FIG. 331 is a heading showing the various materials of these recipes and the cross-reference inkjet configuration.
2.マスク1を用いてCMOS酸化層を、シリコンまたはアルミニウムに到達するまでエッチングする。ノズルチャンバの入口の十字溝と、プリントヘッドチップの端部と、2レベル金属電極から2分割固定磁気プレートの二つの半片への接続のためのバイアスを規定する。
2. The
3.ステップ2からの酸化物をマスクとして使用して、15ミクロンの深さでシリコンをプラズマエッチングする。このエッチングは2レベル金属をエッチングしない。このステップを図333に示す。
4.コバルトニッケル鉄合金の種層を配置する。2テスラの高い飽和磁束度、及び低い保磁力により、CoNiFeを選ぶ。(テツヤ他、大阪、高飽和磁束密度を有する、軟質磁気CoNiFeフィルム、Nature392、796−798(1998年))
5.4ミクロンのレジストを塗布し、マスク2で感光し、現像する。このマスクは分割固定磁気プレートを規定し、レジストは該プレートのための電気めっきの型として作用する。このステップを図334に示す。
3. Plasma etch silicon at a depth of 15 microns using the oxide from
4). A seed layer of cobalt nickel iron alloy is disposed. CoNiFe is chosen because of its high saturation flux of 2 Tesla and low coercivity. (Tetsuya et al., Osaka, Soft magnetic CoNiFe film with high saturation magnetic flux density, Nature 392, 796-798 (1998))
Apply 5.4 micron resist, expose with
6.3ミクロンのCoNiFeを電気めっきする。このステップを図335に示す。 6.3 micron CoNiFe is electroplated. This step is illustrated in FIG.
7.レジストを剥ぎ、露出した種層をエッチングする。このステップを図336に示す。 7. Strip the resist and etch the exposed seed layer. This step is illustrated in FIG.
8.0.5ミクロンのシリコン窒化物を配置する。シリコン窒化物は固定磁気プレートからソレノイドを絶縁する。 8. Place 0.5 micron silicon nitride. Silicon nitride insulates the solenoid from the fixed magnetic plate.
9.マスク3を用いて窒化物層をエッチングする。このマスクは、ノズルチャンバを親水性の状態に戻すのに加えて、ソレノイドコイルの各端部から、2分割固定磁気プレートの二つの半片へのコンタクトバイアスを規定する。このステップを図337に示す。
10.接着層に加えて銅種層を配置する。抵抗率が低く(結果的に効率が高くなる)、エレクトロマイグレーション抵抗が高いため、電流密度が高い時でも信頼性があるため、銅を使う。
11.13ミクロンのレジストを塗布し、マスク4を用いて感光する。マスクはソレノイドスパイラルコイルを規定し、レジストは電気めっきの型として作用する。レジストは厚く、アスペクト比は高いため、LIGAのようなエックス線近接行程が使われる。このステップを図338に示す。
9. The nitride layer is etched using the
10. In addition to the adhesive layer, a copper seed layer is disposed. Copper is used because of its low resistivity (resulting in high efficiency) and high electromigration resistance, which is reliable even at high current densities.
11. A 13-micron resist is applied and exposed using a
12.12ミクロンの銅を電気めっきする。 12. Electroplate copper at 12 microns.
13.レジストを剥ぎ、露出した銅種層をエッチングする。このステップを図339に示す。
14.ウエハの試験。この時点で、全ての電気的接続が完成される。ボンドパッドにはアクセス可能であり、チップはまだ分離されていない。
15.0.1ミクロンのシリコン窒化物を配置する。シリコン窒化物は腐食バリアとして作用する。(図示せず)
16.0.1ミクロンのPTFEを配置する(図示せず)。PTFEは固定磁気プレートの上表面とソレノイドを疎水性化し、その結果、ソレノイドと磁気ピストンの間の空間にインクが満ちるのを防止する(水性のインクが使われた場合、通常これらの表面はインクに親和性がないように作られる)。
17.マスク5を用いてPTFE層をエッチングする。このマスクはノズルチャンバの親水性部分を規定する。このエッチングは、ノズルチャンバを親水性状態に戻す。
18.1ミクロンの犠牲材料を配置する。これは磁気ギャップと磁気ピストンの工程を規定する。
19.マスク6を用いて犠牲層をエッチングする。このマスクは、バネポストを規定する。このステップを図340に示す。
13. Strip the resist and etch the exposed copper seed layer. This step is illustrated in FIG.
14 Wafer testing. At this point, all electrical connections are complete. The bond pad is accessible and the chip is not yet isolated.
15. Place 0.1 micron silicon nitride. Silicon nitride acts as a corrosion barrier. (Not shown)
16. Place 0.1 micron PTFE (not shown). PTFE makes the upper surface of the fixed magnetic plate and the solenoid hydrophobic, thus preventing the space between the solenoid and the magnetic piston from filling up with ink (if water-based ink is used, these surfaces are usually Is made to have no affinity).
17. The PTFE layer is etched using the
18. Place sacrificial material of 1 micron. This defines the process of magnetic gap and magnetic piston.
19. The sacrificial layer is etched using the mask 6. This mask defines a spring post. This step is illustrated in FIG.
20.CoNiFeの種層を配置する。 20. A seed layer of CoNiFe is placed.
21.12ミクロンのレジストを配置する。レジストのスピン塗布工程中においても、ソレノイドがレジストの流動を阻害するので、レジストはスプレイ散布される。マスク7を用いてレジストを感光させる。このマスクは磁気プランジャの壁に加えてバネポストも規定する。レジストは厚く、アスペクト比は高いため、LIGAのようなエックス線近接行程が使われる。
このステップを図341に規定する。
Place 21.12 micron resist. Even during the spin coating process of the resist, the resist is sprayed because the solenoid inhibits the flow of the resist. The resist is exposed using the mask 7. This mask defines a spring post in addition to the wall of the magnetic plunger. Since the resist is thick and the aspect ratio is high, an X-ray proximity process such as LIGA is used.
This step is defined in FIG.
22.12ミクロンのCoNiFeを電気めっきする。このステップを342に示す。 Electroplating 22.12 micron CoNiFe. This step is shown at 342.
23.CoNiFeの種層を配置する。 23. A seed layer of CoNiFe is placed.
24.4ミクロンのレジストを塗布し、マスク8を用いて感光し、現像する。このマスクは磁気プランジャの屋根、ノズル、ばね、ばねポストを規定する。レジストはこれらのパーツのための電気めっきの型を形成する。このステップを図343に示す。 A 24.4 micron resist is applied, exposed using a mask 8, and developed. This mask defines the magnetic plunger roof, nozzle, spring, spring post. The resist forms the electroplating mold for these parts. This step is shown in FIG.
25.3ミクロンのCoNiFeを電気めっきする。このステップを図344に示す。 Electroplate 25.3 micron CoNiFe. This step is shown in FIG.
26.レジストと犠牲素材を分離し、種層を感光させる。このステップを図345に示す。 26. The resist and the sacrificial material are separated and the seed layer is exposed. This step is illustrated in FIG.
27.マスク9を用いてノズルチャンバ口の十字部に到達するまでシリコンウエハを介したバックエッチングを行う。このエッチングはASE Advanced Silicon Etcher from Surface Technology Systemsを用いて行ってもよい。このエッチングは、ウエハを介してエッチングされたインク引き入口を規定する。またこのウエハはこのエッチングにより、小片化される。このステップは図346に示す。
27. Back etching through the silicon wafer is performed using the
28.プリントヘッドを容器に装着する。この容器は、適切な色のインクをウエハの裏のインク引き入れ口に供給するインク溝が導入された、プラスチック形成された成形部材でもよい。 28. Mount the printhead on the container. This container may be a plastic-formed molded member into which an ink groove for supplying ink of an appropriate color to the ink inlet on the back of the wafer is introduced.
29.プリントヘッドを中継装置に接続する。空気流の乱れを最小化するロウプロファイル接続のため、TABを使用することが出来る。もし、プリンタが紙との間に十分なクリアランスをもって運転されるならば、ワイヤボンディングも使用することが出来る。 29. Connect the printhead to the relay device. TAB can be used for low profile connections that minimize air flow turbulence. Wire bonding can also be used if the printer is operated with sufficient clearance from the paper.
30.完成したプリントヘッドにインクを満たし、テストする。インクが満たされたノズルを図347に示す。 30. Fill the completed printhead with ink and test. A nozzle filled with ink is shown in FIG.
IJの用途
今発表したインクジェットプリント技術は以下のものを包含するプリントシステムに広範囲に適合する:カラー・モノクロ事務用プリンタ、使い切りデジタルプリンタ、高速デジタルプリンタ、オフセット印刷補足プリンタ、低コストスキャニングプリンタ高速ページ幅プリンタ、ページ幅プリンタ内蔵ノート型コンピュータ、携帯用カラー・モノクロプリンタ、カラー・モノクロプリンタ、カラー・モノクロファクシミリ、複合プリンタ、ファクシミリ・コピー機、ラベルプリンタ、ラージフォーマットプロッター、写真コピー機、デジタル写真“現像所”用プリンタ、ビデオプリンタ、写真CDプリンタ、PDA用携帯プリンタ、壁紙プリンタ、インドアサインプリンタ、広告掲示板プリンタ、ファブリックプリンタ、カメラプリンタ・故障耐性商業用プリンタアレイ。
インクジェット技術
本発明の実施例はインクジェットプリンタ型装置を使用している。もちろん、多くの異なる装置を使用することができる。しかしながら、現在ポピュラーなインクジェットプリント技術は適していそうにも無い。
IJ Applications The inkjet printing technology just announced is widely compatible with printing systems that include: color and monochrome office printers, single-use digital printers, high-speed digital printers, offset printing supplemental printers, low-cost scanning printer high-speed pages Width printer, notebook computer with built-in page width printer, portable color / monochrome printer, color / monochrome printer, color / monochrome facsimile, composite printer, facsimile / copier, label printer, large format plotter, photocopier, digital photo "Developer" printer, video printer, photo CD printer, PDA portable printer, wallpaper printer, indoor sign printer, billboard printer, fabric printer, camera Printer, fault tolerant commercial printer arrays.
Inkjet Technology Embodiments of the present invention use an inkjet printer type device. Of course, many different devices can be used. However, currently popular inkjet printing technology is unlikely to be suitable.
サーマルインクジェットでの最も重要な問題は電力消費である。インク滴の射出のエネルギ効率が悪いことに起因し、高速のために必要な電力は約100倍である。インクを吐出させる蒸気泡を生成するために、水の迅速な沸騰を必要とするからである。水は大変高い熱容量を有していて、サーマルインクジェットの利用において過熱される。これは、電気の入力を運動の出力に変換するため、約0.02%の効率を必要とする。
ピエゾエレクトリックインクジェットでの最も重要な問題はサイズとコストである。ピエゾエレクトリッククリスタルは適当な駆動電圧にて非常に小さなデフレクション(deflection)を有していて、それ故、各ノズルのために大きなエリアが必要となる。また、各ピエゾエレクトリックのアクチュエータは、分離した基板の駆動回路に接続されなければならない。このことは、300程度のノズルの電流制限においては重要な問題ではないが、19,200のノズルを有するページ幅プリントヘッドの製造には大きな障害となる。
低電力(10ワット未満)
高解像度性能(1,600dpi又はそれ以上)
写真クォリティの出力
低製造コスト
小サイズ(横切り幅が最小となるようにページ幅を調整する)
ハイスピード(<1頁当たり2秒)
これらの特徴の全ては、後述するインクジェットシステムにより、異なるレベルの困難さで突破されることが可能である。45個の異なるインクジェット技術は、高ボリュームの製造のために幅広い選択を与えるよう、受け継ぐ者によって発展されてきた。これらの技術は、後に記載する表に示すように、本出願人に指定された分離された応用を形成する。
The most important problem with thermal inkjet is power consumption. Due to the poor energy efficiency of ink drop ejection, the power required for high speed is about 100 times. This is because rapid boiling of water is required to generate vapor bubbles for ejecting ink. Water has a very high heat capacity and is overheated in the use of thermal ink jets. This requires an efficiency of about 0.02% in order to convert electrical input into motion output.
The most important issues with piezo electric inkjet are size and cost. Piezoelectric crystals have very small deflection at the appropriate drive voltage, and therefore require a large area for each nozzle. Also, each piezoelectric actuator must be connected to a separate substrate drive circuit. This is not a significant problem in limiting the current of about 300 nozzles, but is a major obstacle to the manufacture of page width printheads with 19,200 nozzles.
Low power (less than 10 watts)
High resolution performance (1,600 dpi or higher)
Photo quality output Low manufacturing cost Small size (Adjust page width to minimize cross-cut width)
High speed (<2 seconds per page)
All of these features can be overcome with different levels of difficulty by the inkjet system described below. Forty-five different inkjet technologies have been developed by successors to give a wide choice for high volume manufacturing. These techniques form isolated applications designated by the applicant, as shown in the tables described below.
ここに示されるインクジェットの設計(デザイン)は、電池で駆動される1回使用のデジタルカメラから、卓上のネットワークプリンタや業務用のプリントシステムまで、幅の広いデジタルプリントシステムに適している。 The inkjet design shown here is suitable for a wide range of digital printing systems, from battery-powered single-use digital cameras to desktop network printers and commercial printing systems.
標準の装置を使用して簡単に製造するために、前記プリントヘッドは、MEMS後処理法によって、モノリシックの0.5ミクロンのCMOSチップに設計される。カラー写真の応用のため、前記プリントヘッドは100mmの長さで、インクジェットのタイプに応じた幅を有する。最小のプリントヘッドはIJ38であり、幅は0.35mmで、35mm2のチップ面積を有する。そのプリントヘッドは19,200個のノズルとデータ及び制御回路を有している。 In order to be easily manufactured using standard equipment, the printhead is designed into a monolithic 0.5 micron CMOS chip by a MEMS post-processing method. For color photography applications, the printhead is 100 mm long and has a width that depends on the type of ink jet. Minimum printhead is IJ38, width is 0.35 mm, with a chip area of 35 mm 2. The print head has 19,200 nozzles and data and control circuitry.
インクは、射出成形されたプラスチック製のインク通路を経由して、プリントヘッドの背面に供給される。そのモールディングは50ミクロの特徴(features)が必要とされる。その特徴は、標準的な射出成型工具の中にリソグラフィでマイクロマシン加工されたインサートを使用して形成されることができる。インクは、ウエハの正面に形成されたノズル・チャンバーへ、ウエハを貫通するように形成された孔を通って流れる。そのプリントヘッドはTABによりカメラ回路に接続されている。
相互参照付きのアプリケーション
次表は、特許出願の相互参照用ガイドである。それらの出願は、これと共に一斉に提出され、特別なケースに言及するときに、次の表で使用される参考を用いて検討されている。
The ink is supplied to the back surface of the print head via an injection-molded plastic ink passage. The molding requires 50 micro features. The features can be formed using lithographically micromachined inserts in standard injection molding tools. Ink flows through a hole formed through the wafer to a nozzle chamber formed in the front of the wafer. The print head is connected to the camera circuit by TAB.
The following table is a cross-reference guide for patent applications. These applications are filed together with this and are discussed using the references used in the following table when referring to special cases.
ドロップ・オン・デマンド方式のインクジェット
個々のインクジェットノズルの基本動作に関する11個の重要な特徴が特定されてきている。これらの特徴は大体は直角(orthogonal)であり、したがって、11次元のマトリクスとして解明されることができる。このマトリクスの11軸のほとんどは、本出願人により発展された記入事項を含む。
Eleven important features relating to the basic operation of individual inkjet nozzles in drop-on-demand inkjet have been identified. These features are roughly orthogonal and can therefore be resolved as an 11-dimensional matrix. Most of the eleven axes of this matrix contain entries developed by the applicant.
次の表は、インクジェットタイプの11次元の表の軸を形成する。
アクチュエータ・メカニズム(18タイプ)
基本動作モード(7タイプ)
補助のアクチュエータ(8タイプ)
アクチュエータの増幅及び改良方法(17タイプ)
アクチュエータの動き(19タイプ)
ノズル補給方法(4タイプ)
吸入口への逆流を制限する方法(10タイプ)
ノズルの掃除方法(9タイプ)
ノズルプレート構造(9タイプ)
滴の噴出方向(5タイプ)
インクタイプ(7タイプ)
これらの軸により表示された完全な11次元の表は、インクジェットノズルに関し、369億の可能な形態を含む。様々なインクジェット技術においてそれらの全てが実現可能ではないけれども、数百万は実行可能である。可能な形態の全てを説明することは、明らかに非現実的である。その代わり、いくつかのインクジェットタイプが詳細に吟味されてきた。それらが、上述の、指名されたIJ01からIJ45である。
The following table forms the axis of an ink jet type 11-dimensional table.
Actuator mechanism (18 types)
Basic operation mode (7 types)
Auxiliary actuator (8 types)
Actuator amplification and improvement method (17 types)
Actuator movement (19 types)
Nozzle replenishment method (4 types)
Method to limit backflow to the inlet (10 types)
Nozzle cleaning method (9 types)
Nozzle plate structure (9 types)
Drop ejection direction (5 types)
Ink type (7 types)
The complete 11-dimensional table displayed by these axes contains 36.9 billion possible forms for inkjet nozzles. Millions are viable, although not all of them are feasible in the various inkjet technologies. It is clearly impractical to describe all possible forms. Instead, several ink jet types have been examined in detail. These are the nominated IJ01 to IJ45 described above.
他のインクジェットの形態は、11軸の1又はそれ以上に沿って代替となる形態に置き換えることにより、これらの45の例から直ちに導き出すことができる。IJ01からIJ45のほとんどは、何らかの現在利用できるインクジェット技術より上位である特徴を、インクジェットプリントヘッドに作り込むことができる。 Other ink jet forms can be readily derived from these 45 examples by replacing them with alternative forms along one or more of the 11 axes. Most of IJ01 through IJ45 can incorporate features that are superior to any currently available inkjet technology into inkjet printheads.
発明者に知られている先行技術例がある場合には、これらの1又はそれ以上が、下記の表の例の欄に示される。該IJ01からIJ45のシリーズはまた、例の欄にも示されている。幾つかのケースでは、プリンタが、1つ以上の特徴を共有する場合には、1つの表に1回以上示されるかも知れない。 Where there are prior art examples known to the inventor, one or more of these are shown in the example column of the table below. The series IJ01 to IJ45 is also shown in the example column. In some cases, if a printer shares more than one feature, it may appear more than once in a table.
好適な応用は以下のものを含む。すなわち、家庭用プリンタ、オフィス用ネットワークプリンタ、短期用デジタルプリンタ、業務用プリントシステム、布用プリンタ、ポケットプリンタ、インターネットwwwプリンタ、ビデオプリンタ、医療用画像、大判プリンタ、ノート型パソコン用プリンタ、ファックス機、工業用プリントシステム、写真コピー機、写真現像店等。 Suitable applications include: Home printers, office network printers, short-term digital printers, commercial printing systems, fabric printers, pocket printers, Internet www printers, video printers, medical images, large format printers, notebook computer printers, fax machines , Industrial printing systems, photocopiers, photo development stores, etc.
前述した11次元のマトリクスで関連付けられた情報が以下の表に示される。 Information associated with the 11-dimensional matrix described above is shown in the following table.
アクチュエータのメカニズム(選択されたインク滴にのみ適用される) Actuator mechanism (applies only to selected ink drops)
基本オペレーションモード Basic operation mode
補助装置のメカニズム Auxiliary mechanism
アクチュエータの増幅、或いは変更方法 Actuator amplification or modification method
アクチュエータの動き Actuator movement
ノズル補給方法 Nozzle replenishment method
注入口での逆流を減少させる方法 How to reduce backflow at the inlet
ノズルを綺麗にする方法 How to clean the nozzle
ノズルプレート構造 Nozzle plate structure
滴の噴出方向 Drop ejection direction
インクタイプ Ink type
インクジェット印刷
多数のインクジェットプリンタの新しい形式が開発され、画像処理やデータ配分システムにとって代わりとなるインクジェット技術が促進される。インクジェット装置の多様な組み合わせが本発明の一部を導入したプリンタ装置には可能である。互いに参照することにより特に導入された、インクジェットに関するオーストラリア仮特許は、以下のものを含む。
Inkjet printing New forms of numerous inkjet printers have been developed to promote alternative inkjet technology for image processing and data distribution systems. Various combinations of ink jet devices are possible for printer devices incorporating a portion of the present invention. Australian provisional patents relating to inkjet, specifically introduced by reference to each other, include:
インクジェット製造
更に、現出願は、インクジェットプリンタの大規模アレイの製造に先進的半導体製造技術を使用することができる。適した製造技術は以下のオーストラリア仮特許に述べられている。以下を参照のこと。
Inkjet Manufacturing In addition, the current application can use advanced semiconductor manufacturing techniques to manufacture large arrays of inkjet printers. Suitable manufacturing techniques are described in the following Australian provisional patents. See below.
液補充
更に、本出願は、インクジェットヘッドへのインクの補給システムに利用することが出来る。一連のインクジェットノズルへのインクの供給に関する補給システムは、以下のオーストラリア仮特許に述べられている。開示は以下を参照のこと。
Liquid Replenishment Further, the present application can be used for an ink replenishment system for an inkjet head. A replenishment system for the supply of ink to a series of inkjet nozzles is described in the following Australian provisional patent. See below for disclosure.
MEMS技術
更に、本出願は、インクジェットプリンタの大規模アレイの製造に際して、先進的な半導体マイクロエレクトロメカニカル技術を使用することが出来る。適切なマイクロエレクトロメカニカル技術は以下のオーストラリア仮特許出願明細書に記述されている。
MEMS Technology In addition, the present application can use advanced semiconductor microelectromechanical technology in the manufacture of large-scale arrays of inkjet printers. Suitable microelectromechanical techniques are described in the following Australian provisional patent application.
IR技術
更に、本出願は、使い捨てカメラシステムを利用することも含まれる。これらについては、以下オーストラリア仮特許出願明細書を参照のこと。
IR Technology In addition, the present application includes utilizing a disposable camera system. Refer to the Australian provisional patent application description below for these.
ドットカード技術
更に、本出願は、以下のオーストラリア仮特許明細書に述べられているデータ配分システムを利用することも含むことができる。
Dot Card Technology In addition, this application may include utilizing the data distribution system described in the following Australian provisional patent specifications.
アートカム技術
更に、本出願は、以下のオーストラリア仮特許明細書で述べられたアートカムタイプの装置のようなカメラ及びデータ処理技術を利用することも含むことが出来る。
Artcam Technology The present application may further include utilizing cameras and data processing techniques such as the Artcam type device described in the following Australian Provisional Patent Specification.
当業者にとって、特定の実施例に示された本発明に対して、広範に述べられた発明の範囲及び精神から離脱することなく多様な変形や変更を加えることが可能である。本実施例は、従って例外的なものであり、制限的なものではないものとあらゆる面で考慮すべきである。 It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made to the invention shown in the specific embodiments without departing from the scope and spirit of the invention as broadly described. This embodiment is therefore exceptional and should be considered in all respects as non-limiting.
Claims (8)
前記ノズルチャンバは、印字用のインクを貯蔵すると共に、該インクの排出のためのノズルチャンバ排出穴を有し、
前記磁石ピストンは、前記ノズルチャンバ内であって前記排出穴の上方に配置され、
前記駆動コイルは、前記磁石ピストンに隣接して配置され、その結果、第1電流により駆動されると、前記排出穴に近接する位置である第1位置から該第1位置よりも前記排出穴から離れた位置である第2位置へ前記磁石ピストンを十分に動かす力が該ピストンに働き、該第1電流とは逆方向の第2電流により駆動されると、前記第2位置から前記第1位置へ前記磁石ピストンを十分に動かす力が該ピストンに働き、前記第1位置から前記第2位置へ、及び前記第2位置から前記第1位置への運動は、前記ノズルチャンバ内のインクを、前記排出穴を介してノズルチャンバから印刷媒体上に排出させることを特徴とする、インクジェット印字ノズル装置。 A communication has been the nozzle chamber to the ink chamber, the magnet piston, and the drive coil,
The nozzle chamber stores ink for printing, and has a nozzle chamber discharge hole for discharging the ink,
The magnet piston is disposed in the nozzle chamber and above the discharge hole ,
The drive coil is disposed adjacent to the magnet piston, and as a result, when driven by a first current, from the first position, which is a position closer to the discharge hole, from the discharge hole than the first position . sufficiently move force of the magnet piston to a second position which is away acts on the piston, when the first current is driven by a second current of opposite direction, said first position from said second position the acts on the magnet piston forces the piston to fully move into, the said from the first position to the second position, and movement to the first position from the second position, the ink in the nozzle chamber, said An ink jet print nozzle device, wherein the ink is discharged from a nozzle chamber onto a print medium through a discharge hole.
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