JPH06238884A - 音響液滴エジェクタとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 改善されたキャッピング構造体を有する音響
液滴エジェクタ及びその製造方法を提供すること。 【構成】 液滴エジェクタ１０はベース１４を含み、後
側に音響放射線を発生するトランデューサ２０が取付け
られている。この放射線はベース１４を通過して音響レ
ンズ３４へ達する。音響レンズ３４は、マーキング流体
４２の自由面又は近接位置でこの音響放射線を焦点合わ
せする。焦点合わせされた放射線は液体セルにおける液
体と、液体セル３２の頂部における窒素ケイ素３０の薄
膜層とを通過してマーキング流体へ達し、この流体から
液滴８が記録媒体１２へ噴射される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、音響インク印刷に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】種々のインクジェット印刷技術が開発さ
れている。音響インク印刷（ＡＩＰ）と呼ばれるある技
術は、インク液滴をマーキング流体の自由面から記録媒
体へ噴射させるために焦点合わせされた音響エネルギを
使用する。音響インク印刷のより詳細な記述は、米国特
許番号第 4,308,547号、第 4,697,195号、及び第 5,02
8,937号、並びにそれらの引用文献において入手可能で
ある。

【０００３】ＡＩＰにおいて、音響エネルギの焦点領域
とマーキング流体の自由面との間の空間関係は非常に重
要である。現在の実施は、音響的焦点領域が、自由面の
約１波長（約１０マイクロメータ）内にあることを求め
ている。これを確実に行なうことはかなり難しいが、こ
のタスクを達成するために種々の技術が開発されてい
る。

【０００４】他の技術がより良好であり得ることの一つ
の理由は、マーキング流体がそのインク容器から溢れ出
るのを阻止する必要性である。キャッピング構造体即ち
液体溢出を阻止する薄いバリヤー（障壁）を有する製造
（方法）がマーキング流体の自由面を位置決めするため
に使用されている。キャッピング構造体の主な利点は、
これらのキャッピング構造体が半導体製造技術を用いて
形成され得ることにある。このような成形によって、低
価格大量生産が可能となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、現在の
キャッピング構造体はインクが通過する細孔を有する。
従って、他のタイプのキャッピング構造体を有すること
が有利である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、囲繞された液
体セルを含む上部基板の上に好ましくはシリコンのカバ
ープレートを提供する。このカバープレートは、液体セ
ルと軸方向に位置合わせされている開孔を含む。マーキ
ング流体はカバープレートと上部基板の間、及び液体セ
ルの上へ流れる。マーキング流体が液体セルの上へ供給
されると、液滴は、カバープレート開孔を介して、液体
セルを通過する音響エネルギによって記録媒体へエジェ
クト（噴射）される。

【０００７】液体セルは、マーキング流体がその上を流
動する部分がほぼ音響的に透過性であるように構成され
る。音響的に薄い窒化ケイ素薄膜が好ましい。

【０００８】カバープレート、その開孔、上部基板とカ
バープレートの間のチャネル（流路）、及び液体セル
が、半導体製造技術を用いて少なくとも部分的に形成さ
れ得ることは利点である。

【０００９】本発明の一つの態様は、音響液滴エジェク
タであって、液体を保持する液体セルを有する上部基板
であって、前記液体セルが音響的に透過性の頂部薄膜を
有している上部基板と、前記上部基板と近接しているカ
バープレートであって、前記カバープレートが前記液体
セルと軸方向に位置合わせされている開孔を有するカバ
ープレートと、前記カバープレートを前記上部基板と近
接して保持するための手段と、前記頂部薄膜の上にマー
キング流体を供給する手段であって、これによって前記
マーキング流体が自由面を有することよりなる手段と、
音響エネルギを発生するトランスデューザと、前記音響
エネルギの焦点領域が前記自由面に近接するように、前
記液体セルを介して前記音響エネルギを焦点合わせする
ための手段と、を備える音響液滴エジェクタである。

【００１０】本発明の他の態様は、音響液滴エジェクタ
製造方法であって、シリコン＜１００＞ウェハーを調達
するステップと、前記ウェハー上にガラス層２０２を配
置するステップと、前記ウェハーを介して前記ガラス層
に達するまでボイドを異方性エッチングするステップ
と、前記ボイドの表面を覆って窒化ケイ素層を形成する
ステップと、前記ガラス層を介して前記ウェハーに達す
るまでスロットを形成するステップと、前記ガラス及び
前記ウェハーの露出頂面の上にシリコン層を蒸着するス
テップと、第１の構造体を生成するために前記ガラス層
をエッチングし除去するステップと、前記ボイドに液体
を充填するステップと、前記第１の製造された構造体を
トランスデューサを有するベースに取り付けるステップ
と、を備える音響液滴エジェクタ製造方法である。

【００１１】

【実施例】図１は、音響プリントヘッドの小部分２を示
す。部分２は、多数の開孔６を有する頂面４を有してい
る。各開孔６は、マーキング流体の液滴８が音響的に噴
射され得るポートを示す。実際、音響液滴プリントヘッ
ドは、膨大な数（恐らく10,000以上）の開孔を有する。
各開孔は、それ自体が対応する液滴エジェクタを有す
る。

【００１２】図１の音響プリントヘッドにおいて使用さ
れるための一つの好適な液滴エジェクタが図２に示され
ている。図２は、液滴８を記録媒体１２上へ付着する過
程における、本発明による液滴エジェクタ１０を示して
いる。液滴エジェクタ１０は、両側が研磨されている７
７４０ガラス（パイレックス）製の厚さ３０ミルのプレ
ートを備えるベース１４を含む。ベースの裏側１６には
ZnO（酸化亜鉛）トランスデューサ２０が取付けられて
いる。トランスデューサ２０は、その電極のペア２２に
印加されたＲＦエネルギに応答して音響エネルギを発生
する。

【００１３】ベース１４の前側には、やはり両側が研磨
されている厚さ３００ミクロンの＜１００＞シリコンの
ウェハーを備えた上部基板２６が接着されている。上部
基板内には開孔２８が画定されている。開孔２８を形成
する壁には、開孔の頂部の上へ延出する窒化ケイ素３０
が蒸着されている。窒化ケイ素層３０は、厚さ約2,000
オングストロームの音響的に透過性の構造体である。上
部基板２６は、囲繞された液体セル３２を形成するため
にベースに取り付けられている。液体セルは、低音響減
衰性を有する液体により充填されている。例えば、水も
好適な液体である。

【００１４】液体セル３２内のベース１４上には音響レ
ンズ３４がある。音響レンズは、引き続いて記述される
ように、マーキング流体の自由面の近傍に位置する焦点
領域へベース１４を通過する音響エネルギを焦点合わせ
する。球面形音響レンズは音響エネルギを焦点合わせす
るために使用されるが、フレネル（Fresnel ）レンズは
図２の液滴エジェクタにおいて使用される。

【００１５】上部基板２６から約２ミクロン上の位置に
はカバープレート３６が配置されている。カバープレー
トは、多くの材料から製造され得るが、液滴エジェクタ
１０においては、材料はポリシリコンである。カバープ
レートの上面４は図１の頂面４と対応している。カバー
プレートは、図１における開孔６と対応する開孔６を含
む。開孔６は、液体セル３２の軸と軸方向に位置合わせ
されている。

【００１６】いくつかのサポート（支持体）３８は離間
して配置され、かつ上部基板２６の上にあるカバープレ
ート３６を支持する。液滴エジェクタ１０においては、
サポート３８はカバープレート３６の一体化部分であ
る。それゆえ、空間４０は、カバープレート３６と上部
基板２６の間で画定される。動作上、インク手段４３に
よってマーキング流体４２が空間４０へ充填される。イ
ンク手段は、圧力パルスを流体へ供給する能力を有す
る。サポート３８が、マーキング流体が液体セル３２の
頂部の上へ流れ込むのを遮断しない比較的小さな構造体
であることに注目することが重要である。

【００１７】マーキング流体４２の表面張力が開孔６に
よってメニスカス（液体表面の湾曲面）を形成する。こ
れによって、メニスカスは空間的位置において安定する
自由面４４を生成する。

【００１８】液滴８を噴射するために、音響放射線がト
ランスデューサ２０によって発生される。この音響放射
線はべース１４を介して音響レンズ３４へ送られる。音
響レンズ３４は、マーキング流体の自由面に又は非常に
近接した位置に、音響放射線を焦点合わせする。焦点合
わせされた放射線は、液体セル内の液体 と、液体セル
の頂部における窒化ケイ素の薄層とを介してマーキング
流体４２へ送られ、このマーキング流体４２からの液滴
８が記録媒体１２へ噴射される。

【００１９】液体セル３２はいくつかの利点を提供す
る。液体セルの頂部は薄膜であるので、実質的に透過性
であるだけでなく、音響放射線とほぼ一致して移動す
る。この種の物理的な動作によって、所望可能な追加の
速度が噴射された液滴へ提供されることになる。さら
に、液体セル内の液体は、マーキング流体である必要は
ない。マーキング流体が一般に音響放射線を過度に減衰
させるので、このことは重要である。従って、水などの
低音響減衰性を有する液体が液体セルを充填させること
ができる。

【００２０】液滴エジェクタ１０がもたらす潜在的な問
題は、画定された空間４０内部におけるメニスカスの形
成である。この様なメニスカスが生じると、マーキング
流体が液体セルの上へ流れ込むのが遮断され得る。この
問題に対する一つの解決方法は、インク手段４３がマー
キング流体４２にプライミング圧力パルスを印加し、こ
れによって強制的にマーキング流体を液体セルの上に流
れ込ませることである。他の解決方法は、上部基板の頂
面の上に、及び／又はカバープレートの底面に、親水性
コーティングを塗布することである。

【００２１】液滴エジェクタ１０の製造は、液滴エジェ
クタ１０の製造方法１００のフローチャートを示す図
３、及び製造の種々の段階において液滴エジェクタ１０
を示す図４乃至図１５によって説明される。説明されて
いる方法は、当然、多数（一般的には数百又は数千）の
液滴エジェクタが同時に形成されるように、有利に実行
される。

【００２２】この方法１００は、ステップ１０１で開始
され、ステップ１０２と図４においてシリコン＜１００
＞ウェハー２００を得ることから進められる。厚さ２ミ
クロンのガラス層２０２がウェハー２００上に配置さ
れ、次いでステップ１０４と図５においては、窒化ケイ
素耐エッチング薄膜層２０４がガラス層の上、そしてウ
ェハーの底部に形成される。製造処理の間に完全にエッ
チングされて除去されるので、ガラス層２０２は犠牲層
である。

【００２３】ステップ１０４の後、ステップ１０６と図
６において、フォトレジスト層２０６が薄膜層２０４の
上に蒸着される。次に、ステップ１０８と図７におい
て、正確に寸法が決められた細長いスロット２０８が、
標準的フォトグラフィック（写真平版）技術を用いて、
底部フォトレジスト層２０６を貫通するように液体セル
の所望される位置に形成される。スロット２０８は、化
学的作用のために底部エッチング抵抗薄膜層２０４の領
域２１０を露出する。ステップ１１０と図８において、
露出された領域２１０は、ウェハー２００の部分２１２
を露出させるために好適なエッチング液を用いることに
よって除去される。次に、ステップ１１２と図９におい
ては、汚染を低減させるために残りのフォトレジスト層
２０６が除去される。

【００２４】図９に示されているウェハー構造体は、ス
テップ１１４と図１０において、露出部分２１２からウ
ェハー２００を介してガラス層２０２まで異方性エッチ
ングされる。異方性エッチングは、結果的に生じるボイ
ド（間隙）が、その頂部よりその底部でより幅広くなる
ように、内側へ傾斜する角度で、ウェハーの結晶面に沿
って進行する。エッチングは進行し、ガラス層２０２で
停止する。

【００２５】次いで、ステップ１１６と図１１におい
て、耐エッチング薄膜層２０４が除去され、かつ新たな
耐エッチング薄膜層２０４がウェハー２００の底面に配
置される。ボイドに蒸着された耐エッチング薄膜層２０
４が、液体セル３２の頂部を含む内部表面を形成する。
従って、ボイドの頂部における耐エッチング薄膜層は、
約2,000 オングストロームの厚さになるように制御され
る。

【００２６】次に、ステップ１１８と図１２において、
スロット２１４がガラス層２０２を介してウェハー２０
０ヘ達するように形成される。スロット２１４は、ウェ
ハーボイドを形成するために使用される処理と非常に類
似した処理を用いて形成される。類似していることによ
り、その処理を図示した別の図面は省略されている。最
初に、フォトレジスト層がガラス上に形成される。次い
で、スロットの位置がフォトレジスト層上にフォトリソ
グラフィック技術により画定され、かつこの画定された
フォトレジストスロット位置がガラス２０２の部分を露
光するために除去される。次いで、ガラススロット２１
４は、露出されたガラス部分をガラス性エッチング液を
用いてエッチングすることによって形成される。次い
で、常駐フォトレジストが除去され、これにより図１２
の構造体が残される。

【００２７】次に、ステップ１２０と図１３において、
ポリシリコン層２１６がガラス層２０２上に蒸着され
る。ポリシリコン層がカバープレートの上に形成される
と、スロット２１４を介してウェハー２００の上にも
（ポリシリコン層が）形成される。ポリシリコン層２１
６が完全に蒸着された後で、ステップ１２２と図１４に
おいて、液体セルと軸方向に位置合わせされる開孔２１
８がフォトリソグラフィック技術を用いてポリシリコン
層を介して形成される。開孔２１８は図２の開孔６に対
応している。開孔２１８の形成によって、ガラス層の部
分２２０が露出される。最後に、ステップ１２４におい
てガラス層２０２がエッチングされて除去され、図１５
で示されている構造体を残し、そしてステップ１２６で
処理が終了する。

【００２８】次いで、図１５の構造体が図２のベース１
４ヘ接着されてもよい。当然、ボイドは、接着前に、水
などの適切する液体によって充填されなければならな
い。

【００２９】

【発明の効果】本発明は、改善されたキャッピング構造
体を有する音響液滴エジェクタとその製造方法を提供す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】音響プリントヘッドの部分の省略されかつ簡単
化された断面図である。

【図２】本発明の原理による音響液滴エジェクタを示す
省略されかつ簡単化された断面図である。

【図３】図１の液体レベル制御構造体を製造するステッ
プのフローチャートである。

【図４】図３のフローチャートによって処理されるシリ
コン＜１００＞ウェハーの小部分断面立面図である。

【図５】ウェハーの上にガラス層と、結果的に生じた構
造体の頂面と底面の上にエッチング停止層とを有する図
４のウェハーを示す図である。

【図６】複数のエッチング停止層の上に蒸着されたフォ
トレジスト層を有する図５の構造体を示す図である。

【図７】エッチング停止層の一部分を露出する底部フォ
トレジスト層を介して形成されたスロットを有する図６
の構造体を示す図である。

【図８】ウェハーの一部分を露出するために露光された
エッチング停止層が除去された後の図７の構造体を示す
図である。

【図９】フォトレジスト層を除去した後の図８の構造体
を示す図である。

【図１０】ウェハーを介してボイドを異方性エッチング
した後の図９の構造体を示す図である。

【図１１】エッチング停止層を除去し、構造体の底面に
エッチング停止層を引続き再蒸着した後の図１０の構造
体を示す図である。

【図１２】ガラス層を介してスロットが形成された後の
図１１の構造体を示す図である。

【図１３】ガラス層の上にポリシリコン層を形成した後
の図１２の構造体を示す図である。

【図１４】ポリシリコン層を介して開孔を形成した後の
図１３の構造体を示す図である。

【図１５】完成した液滴エジェクタを示す図である。

【符号の説明】

４ 上部表面 ６ 開孔 ８ 液滴 １０ 液滴エジェクタ １２ 記録媒体 ２２ 電極 ３０ 窒化ケイ素 ３２ 液体セル ３８ 支持体 ４０ 空間 ４２ マーキング流体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ババー ビー．ハディオミグル アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94040 マウンテン ビュー オークツリ ー ドライブ 323

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 音響液滴エジェクタであって、 液体を保持する液体セルを有する上部基板であって、前
   記液体セルが音響的に透過性の頂部薄膜を有している上
   部基板と、 前記上部基板と近接しているカバープレートであって、
   前記カバープレートが前記液体セルと軸方向に位置合わ
   せされている開孔を有するカバープレートと、 前記カバープレートを前記上部基板と近接して保持する
   ための手段と、 前記頂部薄膜の上方にマーキング流体を供給する手段で
   あって、これによって前記マーキング流体が自由面を有
   することよりなる手段と、 音響エネルギを発生するトランスデューザと、 前記音響エネルギの焦点領域が前記自由面に近接するよ
   うに、前記液体セルを介して前記音響エネルギを焦点合
   わせするための手段と、 を備える音響液滴エジェクタ。
2. 【請求項２】 音響液滴エジェクタ製造方法であって、 シリコン＜１００＞ウェハーを調達するステップと、 前記ウェハー上にガラス層２０２を配置するステップ
   と、 前記ウェハーを介して前記ガラス層に達するまでボイド
   を異方性エッチングするステップと、 前記ボイドの表面を覆って窒化ケイ素層を形成するステ
   ップと、 前記ガラス層を介して前記ウェハーに達するまでスロッ
   トを形成するステップと、 前記ガラス層及び前記ウェハーの露出頂面の上にシリコ
   ン層を蒸着するステップと、 第１の構造体を生成するために前記ガラス層をエッチン
   グし除去するステップと、 前記ボイドに液体を充填するステップと、 前記第１の製造された構造体をトランスデューサを有す
   るベースに取り付けるステップと、 を備える音響液滴エジェクタ製造方法。