JPH08216415A - 液体噴射用ノズルの微細機械的加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高品質の異方性エツチングを可能とする液体
噴射用のノズル、特にインクジェットプリンタ用ノズル
の高精度の微細機械的（マイクロメカニカル）加工方法
を提供する。 【解決手段】 第１基板（１１４）の表面（１１２）上
に少なくとも１つの溝（１１０）を機械加工し、少なく
とも１つのチヤンネルを形成するように溝を被覆する第
２基板（１１６）と第１基板（１１２）を組立て、チヤ
ンネル壁の熱酸化によりチヤンネルの用の内部保護被覆
（１３８）を形成し、液体噴射用の少なくとも１つのノ
ズル（１１８）を形成するためにチヤンネルに対して垂
直に第１および第２基板を切断し、内部保護被覆（１３
８）を除去する段階を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は液体噴射用ノズルの
微細機械的加工方法に関する。本発明による方法は、医
療分野、生物学的分野または印刷における高微細粒度液
体ジェットを使用するあらゆる装置に適用し得る。本発
明はとくに連続ジェットまたは滴状インクジェットプリ
ンタヘツド用ノズルの製造に適用される。

【０００２】

【従来の技術】特に、プリンタヘツドの製造において、
インクジェットノズルの製造はそれが印刷の品質を左右
するというように重要な段階である。加えて、ノズルを
製造するために公知のマイクロエレクトロニクス技術が
使用される。

【０００３】例えば、本説明の終わりに列挙された文献
（１）は結晶配列＜１００＞のシリコンウエーハ中に孔
をエツチングすることにより円形ノズル用の精密加工方
法を記載している。また同様に、文献（２）は同一の基
板上の複数のノズルの加工のための同様な方法に関す
る。これらのノズルはそれらが形成される基板の平面に
対して垂直な液体ジェットの形成を許容する。

【０００４】文献（１）に示される結晶配列＜１００＞
および＜１１０＞のシリコンウエーハの表面上に微細な
溝を機械加工するのに使用される方法はまた、その液体
噴出軸線が基板のウエーハに対して平行であるノズルの
加工に好都合に使用されることができる。これは例え
ば、本説明の終わりに掲記される、文献（３）から推測
され得る。

【０００５】添付の図１はかかるノズルの作動および加
工のより良好な理解を許容する。１またはそれ以上の溝
１０が第１基板１４の表面１２にエツチングされる。第
１基板１６は溝１０を被覆しかつこの方法においてチヤ
ンネルを形成するように第１基板１４上で密封される。
第１および第２基板からなる構体は次いでチヤンネルを
開口しかつ破線で示される切断面２０に生じるノズルを
形成するために溝１０に対して垂直に切断される。

【０００６】１またはそれ以上のタンクまたは容器２２
がまた、例えばインクのごとき液体をノズルに供給する
ために、１またはそれ以上のノズル１８と関連して設け
られる。印刷ヘツドはまた、簡素化のために図面に示さ
れない、印刷の制御用の電極または圧電素子のごとき能
動要素を有する。

【０００７】基板１４の溝のエツチングおよび第１基板
上への第２基板の密封は現在良好に制御される領域制御
（ランド・マスタード）作業でありかつ特別な問題を生
じない。チヤンネルを開口するための切断または鋸挽き
の作業は加工の観点からとくに繊細である。

【０００８】公知の方法において、基板は、本件におい
ては、材料を引き離すことにより、シリコンから作られ
る、基板を機械加工するブレードを使用して切断され
る。基板の切断は、切断後、面２０の拡大図である、図
２に示される２つの主要な問題を生起する。

【０００９】第１の問題は切断作業から生じかつノズル
１８の内部を汚すホコリ２２の存在に起因しかつ幾つか
の場合において前記ノズル１８を遮断するプラグを形成
する。それゆえ、切断後、ノズルの慎重な清掃を実施す
るる必要がある。

【００１０】第２の問題は、ジェット品質に有害な作用
を有する、面２０およびノズル１８の切断面の交差縁部
２６上のチツプまたは鱗状片２４の形成に起因する。し
たがつて、前記鱗状片はジェットの方向への分散、なら
びにジェットの動的作用を加減し得る不安定性となり、
鱗状片の大きさは切断条件に依存する。本説明の終わり
に列挙されている、文献（４）は鱗状片を最小にするた
めの方法を記載している。

【００１１】文献（４）によれば、２μｍより大きい鱗
状片は熱プリンタに許容できない。かかる鱗状片を回避
するために、ノズルでの出口面は１００ないし２５０μ
ｍ（４ないし１０ミル）の厚さを有する樹脂を基礎にし
たブレードを使用しかつ３２０００ないし４５０００
ｒ．ｐ．ｍ．の回転速度を有する第１切断作業により得
られる。２枚の基板の完全な切断は第１ブレードより薄
い標準のブレードにより引き起こされる。この文献はま
たすべての切断パラメータを記載している。しかしなが
ら、およそ１ミクロンの大きさを有する鱗状片がまだノ
ズルの縁部上に残される。幾つかの用途に関して、この
文献により提案された改良は不適切であり、それは例え
ば連続インクジェットプリンタによる場合である。

【００１２】切断面の研磨を伴う作業が考えられ得る。

【００１３】ノズルの加工用の他の方法は鱗状片の問題
を回避するために考えられ得る。例えば、本説明の終わ
りに掲記される、文献（５）は＜１１０＞配列の基板の
異方性化学エツチングにより機械加工されたシリコンの
結晶面＜１１１＞に対応するノズルの出口平面を有す
る。第２の予め切断された基板は次いでノズルの出口平
面と一直線に整列される。この解決方法は、鋸挽きによ
りノズルの出口平面を製造しない利点がある。シリコン
エツチングの定石により、しかしながら、この場合に、
ノズルが異方性エツチングにより製造されるならば、ノ
ズルの出口平面に対して垂直なジェットを有することは
不可能である。上述した論文において、ノズルは、その
品質が異方性エツチングの品質より低い異方性エツチン
グにより製造される。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的はそれゆ
え上述した欠点を被らない非常に大きな精度を有するノ
ズルの微細機械的（マイクロメカニカル）加工方法を提
供することにある。

【００１５】本発明の他の目的は、液体噴射面を有する
縁部が鱗状片を持たない、ノズルの加工を許容する方法
を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は以下の段階、すなわち、 ａ）第１基板の表面上の少なくとも１つの溝の形成、 ｂ）少なくとも１つのチヤンネルを形成するために溝を
被覆する第２の基板との第１の基板の組立て、 ｃ）チヤンネル壁の熱酸化によるチヤンネル内の内部保
護被覆の形成、 ｄ）液体噴射用の少なくとも１つのノズルを形成するた
めにチヤンネルに対して垂直な第１および第２基板の切
断、 ｅ）内部保護被覆の除去、の各段階を有する微細機械的
加工方法を提供する。

【００１７】本発明による上記各工程を有する方法を実
施した結果として、切断作業中に生じる欠損部および鱗
状片は内部保護被覆において引き起こされかつ前記被覆
が綺麗なノズルを残すと同時に除去される。かくして、
本発明の方法は切断作業に関係なく完全なジェット品質
を有するノズルの製造を可能にする。切断方法および／
または被覆の厚さは鱗状片の大きさが被覆の厚さより小
さいような方法において選ばれる。それゆえ被覆はノズ
ルを保護する。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の特殊な態様によれば、第
１の基板は結晶配列＜１００＞のウエーハであり、そし
て方法の段階ａ）の間中、溝は第１の基板の結晶格子の
＜１１１＞平面上に停止することにより異方性エツチン
グにより形成される。

【００１９】第１および第２基板は、同一のまたは異な
る材料から作られ得る。しかしながら、本発明の好適な
実施例によれば、第１および第２基板はシリコンから作
られる。

【００２０】基板がシリコンから作られるとき、酸化シ
リコン被覆がフッ化水素酸浴中で除去される。

【００２１】他の態様によれば、また、好都合には第１
および第２基板の少なくとも１つにおいて、各ノズル用
の開口または供給容器を作ることができる。

【００２２】

【実施例】本発明の他の特徴および利点は以下の非限定
的な、例示的説明および添付図面から推測され得る。

【００２３】図３ないし図５の説明の間中、１００が付
された参照符号は図１または図２の要素と同一または同
様である、対応する要素に使用される。明瞭化のため
に、図面の種々の部分は同一尺度で示される。最後に、
簡単化のために、図面は単一の溝および／または単一の
ノズルのみを示す。しかしながら、本方法は複数のノズ
ルの同時の加工を許容する。したがつて、説明は、各場
合に１つのみが示されるけれども、複数のノズルに当て
はまる。

【００２４】図３に示されるように、その面の清掃に続
いて、配列＜１００＞の第１のシリコン基板上に方向＜
１１０＞に配列されかつ溝の位置を画成する長手方向開
口１３２が作られる窒化シリコン被覆１３０が形成され
る。

【００２５】この構造は例えば、溝１１０の異方性エツ
チングを実施するために、矢印により表される、水酸化
カリウム浴の作用に従う。エツチングの時間はシリコン
の結晶格子の２つの結晶平面＜１１１＞上で停止するこ
とにより溝を得るのに十分である。これは結晶配列の完
全な幾何学的品質の利用を可能にする。

【００２６】本方法は基板の種々の結晶平面上のエツチ
ング速度差の利点を採用しかつまたこの点において文献
１が参照され得る。

【００２７】同一方法を使用して、エツチングは例えば
インクを１または複数のノズルに供給するための容器１
２２の図４において見ることができる、第２の基板１１
６において行われる。変形例によれば、前記容器はまた
第１の基板に直接製造され得る。

【００２８】基板のエツチングに続いて、窒化シリコン
１３０が除去されかつ基板の密封されるべき表面１１
２，１１２’がそれらを親水性にする浴を必要とする。

【００２９】濯ぎおよび乾燥後、２つの基板が直接密封
される。それらは位置決めされかつ次いで、第２の基板
がチヤンネルを形成するために溝を被覆する、図４に示
される構造を得るために互いに押圧される。

【００３０】第１の熱処理が２つの基板１１４，１１６
間の面１１２，１１２’で化学的な結合を創出すべく実
施されかくして構体の良好な機械的作用を保証する。

【００３１】これにチヤンネルの保護被覆の形成が続
く。記載された例において該被覆は酸素流れ下での熱処
理により得られる酸化シリコン被覆１３８であるが、例
えば化学堆積により得られる、薄いニツケル被覆のごと
き他の性質の被覆にすることも可能である。かかる酸化
処理は被覆１３８の厚さの精密制御を許容する。この酸
化を許容するために、チヤンネルへのアクセス開口が設
けられねばならずかつそれは例えば容器１２２の開口１
４０である。被覆１３８の厚さはシリコンに形成されて
いる鱗状片を阻止するのに適切でなければならない。記
載された例において、約１ないし４μｍの厚さが適切で
ある。

【００３２】本方法は、面１２０に開口したノズル１１
８を形成するために、チヤンネルに対して垂直方向に組
み立てられた基板の切断面に継続して実施される。

【００３３】この表面および切断線は図４に破線形状に
おいて示される。切断は例えばダイヤモンド樹脂ブレー
ドにより行われる。この作業はまた、予見される用途に
よれば、液体ジェットの油圧ヘツド損失問題と噴射方向
の安定性および精度との間の妥協を結果として生じる、
ノズルの長さの定義を許容する。

【００３４】図５は、切断後の基板の面１２０を示す。
ノズル１１８および内部保護被覆を形成する酸化物被覆
１３８を見ることができる。被覆はノズルを画成する基
板１１６の面１１２’を越えてかつ基板１１４の結晶面
に対応する面上に延びる。第５図に見られ得るように、
鱗状片１２４は被覆１３８上に形成しかつ酸化シリコン
埃１２２がノズル上に堆積される。

【００３５】切断された構造は次いで、酸化被覆１３８
だけでなく、またすべての埃１２２を抑制しない、フッ
化水素酸浴中に浸漬される。図６に示されるように、こ
れはその面１２０の開口が完全に清浄であるノズル１１
８を付与する。

【００３６】図２に比して、ノズルの角度はより丸くさ
れる。そのうえ、溝の初期の深さおよび被覆の厚さは、
前記被覆の除去に続いて、その油圧直径が予見される用
途に対応するノズルを得るように決定される。この油圧
直径は例えば数十マイクロメータである。

【００３７】最後に、本発明による方法の結果として、
ノズルの幾何学的品質要件かつそれゆえプリンタの噴射
精度およびとくに連続インクジェットプリンタと比較し
得るノズルを得ることができる。

【００３８】〔説明において引用された文献〕 （１）「＜１００＞および＜１１０＞シリコンの異方性
エツチングによる新規な三次元微小構造の加工」、アー
ネスト・ベイサス、ＩＥＥＥ電子デバイスに関する議事
録、第２５巻、第１０号、１１７８〜１１８４頁。 （２）アメリカ合衆国特許第４１０６９７６号 （３）アメリカ合衆国特許第４６３９７４８号 （４）アメリカ合衆国特許第４８７８９９２号 （５）「集積平面シリコン、インクジェット構造」、カ
ート・イー・ピーターソン、ＩＥＥＥ電子デバイス議事
録、第Ｅｄ−２６巻、第１２号、１９１８〜１９２０
頁。

【００３９】

【発明の効果】本発明による上記各工程を有する方法を
実施した結果として、切断作業中に生じる欠損部および
鱗状片は内部保護被覆において引き起され、かつ前記被
覆が綺麗なノズルを残すと同時に除去される。

【００４０】かくして、本発明の方法は切断作業に関係
なく完全なジェット噴射性を保証するノズルの製造を可
能にする。切断方法および／または被覆の厚さは鱗状片
の大きさが被覆の厚さより小さいような方法において選
ばれる。それゆえ被覆はノズルを保護する。

【図面の簡単な説明】

【図１】液体噴射用ノズル加工中の印刷ヘツドの詳細を
示す長手方向断面図である。

【図２】従来技術により製造されたノズルが出てくる面
を示すより大きな尺度の部分概略図である。

【図３】本発明により製造されたノズルの加工の１段階
を示す第１の基板を示す長手方向断面図である。

【図４】本発明の方法によるノズルの加工中のかつノズ
ル用内部保護被覆を有する、印刷ヘツドの詳細を示す長
手方向断面図である。

【図５】流出が本発明の方法により加工されたノズルか
ら生じかつ内部保護被覆を備えている面のより大きい尺
度の、部分概略図である。

【図６】流出が内部保護被覆の除去に追随する本発明の
方法により加工されるノズルから生じる面の部分概略図
である。

【符号の説明】 １１０ 溝 １１２ 表面 １１４ 第１基板 １１６ 第２基板 １２２ 容器 １３０ 窒化シリコン被膜 １３８ 内部保護被膜 １４０ 開口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マリー−テレス・ドゥライエ フランス国 グルノーヴル、アレー・ド ゥ・ラ・プルース ３

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体噴射用ノズルの微細機械的加工方法
   において、 ａ）第１基板（１１４）の表面（１１２）上の少なくと
   も１つの溝（１１０）の形成、 ｂ）少なくとも１つのチヤンネルを形成するために前記
   溝（１１０）を被覆する第２の基板（１１６）との前記
   第１の基板（１１４）の組立て、 ｃ）チヤンネル壁の熱酸化によるチヤンネル内の内部保
   護被覆（１３８）の形成、 ｄ）液体噴射用の少なくとも１つのノズル（１１８）を
   形成するためにチヤンネルに対して垂直な前記第１およ
   び第２基板の切断、 ｅ）前記内部保護被覆（１３８）の除去、の各段階を有
   することを特徴とする微細機械的加工方法。
2. 【請求項２】 前記第１および第２基板少なくとも１つ
   の各ノズル（１１８）の供給のための開口（１４０）お
   よび／または容器（１２２）が形成されることを特徴と
   する請求項１に記載の微細機械的加工方法。
3. 【請求項３】 前記第１基板が配列＜１００＞のウエー
   ハであり、その結果溝（１１０）が段階ａ）の間中前記
   第１基板（１１４）の結晶格子の平面（１１４）上の停
   止により異方性エツチングにより形成されることを特徴
   とする請求項１に記載の微細機械的加工方法。
4. 【請求項４】 前記第１（１１４）および第２（１１
   ６）基板がシリコンから形成されることを特徴とする請
   求項１に記載の微細機械的加工方法。
5. 【請求項５】 前記内部保護被覆（１３８）が酸化シリ
   コンからなり、その結果前記被覆（１３８）がフッ化水
   素酸浴中で除去されることを特徴とする請求項１に記載
   の微細機械的加工方法。
6. 【請求項６】 段階ａ）の間中、形成が窒化シリコン被
   覆（１３０）からなる第１基板の表面（１１２）上で行
   われ、前記被覆に前記溝（１１０）の位置を画成する方
   向＜１１０＞に配列された長手方向開口（１１０）が作
   られ、前記第１基板が異方性エツチングを引き起こすた
   めに水酸化カリウム浴に曝されかつ次いで、エツチング
   後、窒化シリコン被覆を除去することを特徴とする請求
   の範囲第１項に記載の請求項１に記載の微細機械的加工
   方法。