JP6949966B2 - 液滴吐出器 - Google Patents

Description

本発明は、プリントヘッドのための液滴吐出器、液滴吐出器を備えるプリントヘッド、プリントヘッドのための液滴吐出器を製造するための方法、および液滴吐出器を備えるプリントヘッドを製造するための方法に関する。

インクジェットプリンタは、印刷媒体（紙など）の上にインクの液滴を噴射することによって、デジタル画像を媒体上に再現するために使用される。多くのインクジェットプリンタは、プリントヘッドのインクジェットノズルからの個々のインク液滴の順次の吐出が制御される「ドロップオンデマンド」技術を内蔵する。インク液滴は、媒体に固着するのに十分な運動量で吐出される。各液滴は、与えられた駆動信号に従って吐出され、このことは、ドロップオンデマンドインクジェットプリンタを、微細なノズルを通じてインクを圧送することによってインク液滴の連続的な流れが生成される連続的なインクジェットデバイスから区別している。

最も商業的に成功した２つのドロップオンデマンド技術は、熱インクジェットプリンタおよび圧電インクジェットプリンタである。熱インクジェットプリンタは、印刷流体が、水などの揮発性成分を含むことを必要とする。加熱要素が、プリントヘッド内の揮発性流体における気泡の自発的な核生成を生じさせ、ノズルを通じて流体の液滴を吐出させる。圧電インクジェットプリンタは、代わりに、流体チャンバの壁内に圧電アクチュエータを内蔵する。圧電要素の変形によって圧電アクチュエータの撓みが生じ、流体チャンバ内に貯蔵された印刷流体において圧力変化を誘起し、それによってノズルを通じて液滴を吐出させる。

熱インクジェットプリンタは、（流体が適切な揮発性を発揮しなければならないので）非常に少量の印刷流体を噴射するためにのみ使用可能である。熱インクジェットプリンタは、コゲーション（ｋｏｇａｔｉｏｎ）の問題があり、乾燥したインクの残余が加熱要素に堆積し、それらの使用可能な耐用年数を短縮させる。

圧電インクジェットプリンタは、広範な流体とともに使用可能であり、コゲーションの問題がないため、熱インクジェットプリンタよりも長い動作耐用年数を有する。しかしながら、既存の圧電技術では、典型的には、熱インクジェットプリントヘッドに比べて、各プリントヘッド当たりに非常に小さなノズル数しか達成できない。圧電プリントヘッドは、典型的には、流体における圧力波を通じて隣接する圧電アクチュエータおよび流体チャンネルが互いに相互作用を起こす音響的クロストーク問題がある。

本発明は、プリントヘッド上の隣接する圧電液滴吐出器の間での音響的クロストークを減少し、より大きなノズル数が達成されることを可能にする、プリントヘッドのための向上した圧電液滴吐出器を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、プリントヘッドのための液滴吐出器を提供する。液滴吐出器は、典型的には、装着面および反対側のノズル面を有する基板と、基板と一体化された（例えば、駆動回路の）少なくとも１つの電子コンポーネントと、基板のノズル面の少なくとも一部分に形成されたノズル形成層と、少なくとも一部基板によって、および少なくとも一部ノズル形成層によって画定された流体チャンバであって、少なくとも一部前記ノズル形成層のノズル部分によって画定された流体チャンバ出口を有する流体チャンバと、ノズル形成層のノズル部分の少なくとも一部分に形成された圧電アクチュエータと、圧電アクチュエータおよびノズル形成層を覆う保護層と、を備える。圧電アクチュエータは、典型的には、第１および第２の電極の間に設けられた圧電体を備える。前記第１および第２の電極のうちの少なくとも１つは、典型的には、（例えば、駆動回路の）少なくとも１つの電子コンポーネントに電気的に接続される。圧電体は、典型的には、４５０℃よりも低い温度において処理可能な１つまたは複数の圧電材料を含む（例えば、それらから形成される）。

３００℃を超えると、一体化された電子コンポーネント（例えば、ＣＭＯＳ電子コンポーネント）は、典型的には、劣化し始め、デバイスの動作を損ない、効率を低下させる。４５０℃を超えると、一体化された電子コンポーネント（例えば、ＣＭＯＳ電子コンポーネント）は、典型的には、更に大幅に劣化する。従って、４５０℃よりも低い温度において処理可能な圧電材料の使用は、前記少なくとも１つの電子コンポーネントに重大な損傷を与えることなく圧電アクチュエータを処理し、（例えば、駆動回路の）少なくとも１つの電子コンポーネントと一体化することを可能にする。

圧電体は、３００℃よりも低い温度において処理可能な１つまたは複数の圧電材料を含んでよい（例えば、それらから形成されてよい）。３００℃よりも低い温度において処理可能な圧電材料の使用は、前記少なくとも１つの電子コンポーネントへの損傷を更に減らしつつ圧電アクチュエータを処理し、（例えば、駆動回路の）少なくとも１つの電子コンポーネントと一体化することを可能にする。３００℃よりも低い温度において処理可能な圧電材料の使用は、典型的には、単一の基板での（例えば、単一の基板ウエハからの）複数の流体吐出器の大量生産から機能デバイスのより大きな歩留まりが達成されることを可能にする。

圧電アクチュエータを少なくとも１つの電子コンポーネント（例えば駆動電子装置）と一体化することによって、別個の液滴吐出器駆動電子装置（典型的には、既存のデバイスにおいては、任意の圧電プリントヘッドマイクロチップとは別個に提供される）を提供する必要性が減少または排除される。従って、多くの液滴吐出器が、１つのチップ上で近接して一体化され得、チップ当たりのノズル数を増加させ、プリントヘッドの包括的サイズを減少させ、既存の圧電プリントヘッドにおいて達成可能だったプリントヘッドノズルの密度より大きなプリントヘッドノズルの密度を可能にする。単一のプリントヘッドチップ上での一体化に関連する他の利点には、最終的な製造コストの減少、モジュール化、デバイスの信頼性などがある。

４５０℃よりも低い（または３００℃よりも低い）温度で処理可能な圧電材料は、典型的には、より高い温度での処理を必要とする圧電材料よりも圧電特性が低い（例えば、圧電定数がより低い）。例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの高温処理可能な圧電材料から形成された圧電アクチュエータは、他の要因が全て等しいとき、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの低温処理可能な圧電材料から形成された圧電アクチュエータよりも一桁大きい力を発揮することができる。

しかしながら、発明者は、（既存の液滴吐出器に見られるように流体チャンバ出口から遠くに離れて設けられる流体チャンバの壁にではなく）ノズル形成層のノズル部分に圧電アクチュエータを提供することによって、低温処理可能な圧電材料の使用が可能になる程に液滴吐出器の液滴吐出効率が十分に向上され得ることを見出した。低温処理可能な圧電材料の使用を可能にするのは本発明における液滴吐出器の特定の構造であり、それ自体が駆動電子装置との液滴吐出器の一体化を可能にする。

特には、第１および第２の電極の間への電場の印加は、典型的には、圧電アクチュエータの変形を誘起し、これは、ノズル形成層のノズル部分の著しく減衰された振動をもたらす。ノズル形成層のノズル部分の振動は、流体チャンバ内の振動圧力場をもたらし、流体チャンバ出口を通った液滴の吐出を駆動する。（流体チャンバ出口から遠くに離れて設けられる流体チャンバの壁を変位させるのではなく）ノズル形成層のノズル部分を変位させることによって、流体の液滴の吐出のために必要となるのは比較的小さな流体圧力、故に比較的小さな作動力になり、それによって、より低い圧電定数を有する低温処理可能な圧電材料の使用が容易になる。

低温処理可能な圧電材料を含む圧電アクチュエータによって発揮される力は（高温処理可能な圧電材料を含む圧電アクチュエータを使用するデバイスに比べて）比較的小さく、故に、達成される流体圧力が比較的小さいので、プリントヘッドの隣接する流体チャンバの間での（プリントヘッドを通じて伝播する音響波による）音響的クロストークは減少される。圧力が低いことで流体の圧縮率が減少し、音響的クロストークが発生することが少なくなる。より低い響的クロストークレベルは、印刷品質の低下を伴うことなく、プリントヘッド上の隣接した液滴吐出器の更に近接した一体化を可能にする。

圧電材料の処理は、典型的には、前記圧電材料の堆積を含む。圧電材料の処理は、堆積後に圧電材料の更なる処理（すなわち、堆積された圧電材料の堆積後処理、または「後処理」）も含んでよい。圧電材料の処理は、圧電材料の焼きなまし（すなわち、堆積後の）を含んでよい。

４５０℃よりも低い（または３００℃よりも低い）温度において処理可能な圧電材料は、典型的には、４５０℃よりも低い（または３００℃よりも低い）温度において堆積可能な圧電材料である。４５０℃よりも低い（または３００℃よりも低い）温度において処理可能な圧電材料は、典型的には、４５０℃またはそれよりも高い（または３００℃またはそれより高い）温度における如何なる堆積後処理（堆積後焼きなましなど）も必要としない。従って、典型的には、４５０℃よりも低い（または３００℃よりも低い）温度において処理可能な圧電材料は、（すなわち、圧電体を圧電性にするために圧電材料の焼きなましが必要であるなら）、４５０℃よりも低い（または３００℃よりも低い）温度において（堆積の後に）焼きなまし可能な圧電材料である。

１つまたは複数の圧電材料は、典型的には、圧電アクチュエータが４５０℃よりも低い（または３００℃よりも低い）温度において製造可能であるように、４５０℃よりも低い（または３００℃よりも低い）温度において処理可能（例えば、堆積可能、および必要であるなら焼きなまし可能）である。４５０℃よりも低い（または３００℃よりも低い）温度における圧電アクチュエータの製造は、基板と一体化された少なくとも１つの電子コンポーネントとの圧電アクチュエータの一体化を可能にする。

従って、典型的には、圧電体は、４５０℃よりも低い（または３００℃よりも低い）温度において、（例えば、１つまたは複数の圧電材料の堆積、および必要であるなら焼きなましによって）形成可能である。

１つまたは複数の圧電材料は、典型的には、４５０℃よりも低い（または３００℃よりも低い）基板温度において処理可能（例えば、堆積可能、および必要であるなら焼きなまし可能）である。換言すれば、基板の温度は、典型的には、１つまたは複数の圧電材料の処理（例えば、堆積、および必要であるなら焼きなまし）中に、４５０℃（または３００℃）に達することはなく、またはそれを超えることはない。基板の温度は、典型的には、圧電体の形成中に、４５０℃（または３００℃）に達することはなく、またはそれを超えることはない。基板の温度は、典型的には、圧電アクチュエータの製造中に、４５０℃（または３００℃）に達することはなく、またはそれを超えることはない。基板の温度は、（例えば、全体的な）液滴吐出器の製造中に、４５０℃（または３００℃）に達することはなく、またはそれを超えることがなくてよい。

圧電体は、典型的には、１つまたは複数の（例えば、低温）物理気相堆積（ＰＶＤ：ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｕｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方法によって、堆積可能である（例えば、堆積される）。圧電体は、典型的には、４５０℃よりも低い（または、より好ましくは３００℃よりも低い）温度において（すなわち、基板温度において）、１つまたは複数の（例えば、低温）物理気相堆積方法によって、堆積可能である（例えば、堆積される）。

圧電体は、１つまたは複数の（例えば、低温）ＰＶＤ堆積可能圧電材料を含んでよい（例えば、それらから形成されてよい）。圧電体は、１つまたは複数の（例えば、低温）ＰＶＤ堆積された圧電材料を含んでよい（例えば、それらから形成されてよい）。

物理気相堆積方法（例えば、低温物理気相堆積方法）は、以下の堆積方法、すなわち、陰極アーク堆積、電子ビーム物理気相堆積、蒸発堆積、パルスレーザー堆積、スパッタ堆積のうちの１つまたは複数を含んでよい。スパッタ堆積は、単一のまたは複数のスパッタリング目標からの材料のスパッタリングを含んでよい。

１つまたは複数の圧電材料は、典型的には、４５０℃よりも低い（または３００℃よりも低い）堆積温度を有する。１つまたは複数の圧電材料は、４５０℃よりも低い（または３００℃よりも低い）ＰＶＤ堆積温度を有してよい。１つまたは複数の圧電材料は、４５０℃よりも低い（または３００℃よりも低い）スパッタリング温度を有してよい。１つまたは複数の圧電材料は、４５０℃よりも低い（または３００℃よりも低い）堆積後焼きなまし温度を有してよい。堆積温度、ＰＶＤ堆積温度、スパッタリング温度または焼きなまし温度は、典型的には、それぞれの処理中の基板の温度であることは理解されよう。

圧電体は、１つの圧電材料を含んでよい（例えば、それから形成されてよい）。代替的に、圧電体は、２つ以上の圧電材料を含んでよい（例えば、それらから形成されてよい）。

圧電体は、アルミニウムおよび窒素、ならびに、任意選択で、スカンジウム、イットリウム、チタニウム、マグネシウム、ハフニウム、ジルコニウム、スズ、クロム、ホウ素から選択される１つまたは複数の元素を含むセラミック材料を含んでよい（例えば、それから形成されてよい）。

圧電体は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含んでよい（例えば、それから形成されてよい）。

圧電体は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を含んでよい（例えば、それから形成されてよい）。

１つまたは複数の圧電材料は、窒化アルミニウムおよび／または酸化亜鉛を含んでよい（例えば、それからなってよい）。

窒化アルミニウムは、純粋な窒化アルミニウムからなってよい。代替的に、窒化アルミニウムは、１つまたは複数の元素を含んでよい（すなわち、窒化アルミニウムは、窒化アルミニウム化合物を含んでよい）。窒化アルミニウムは、以下の元素、すなわち、スカンジウム、イットリウム、チタニウム、マグネシウム、ハフニウム、ジルコニウム、スズ、クロム、ホウ素のうちの１つまたは複数を含んでよい。

圧電体は、窒化スカンジウムアルミニウム（ＳｃＡｌＮ）を含んでよい（例えば、それから形成されてよい）。窒化スカンジウムアルミニウムにおけるスカンジウムのパーセンテージは、典型的には、製造性の限界以内でｄ_３１圧電定数を最適化するように選ばれる。例えば、Ｓｃ_ｘＡｌ_１−ｘＮにおけるｘの値は、典型的には、０＜ｘ≦０．５の範囲から選ばれる。スカンジウムの割合が大きくなると、典型的には、より大きなｄ_３１の値（すなわちより強い圧電効果）がもたらされる。窒化スカンジウムアルミニウムにおけるスカンジウムの質量パーセント（すなわち、重量パーセント）は、典型的には、５％より大きい。窒化スカンジウムアルミニウムにおけるスカンジウムの質量パーセント（すなわち、重量パーセント）は、典型的には、１０％より大きい。窒化スカンジウムアルミニウムにおけるスカンジウムの質量パーセント（すなわち、重量パーセント）は、典型的には、２０％より大きい。窒化スカンジウムアルミニウムにおけるスカンジウムの質量パーセント（すなわち、重量パーセント）は、典型的には、３０％より大きい。窒化スカンジウムアルミニウムにおけるスカンジウムの質量パーセント（すなわち、重量パーセント）は、典型的には、４０％より大きい。窒化スカンジウムアルミニウムにおけるスカンジウムの質量パーセント（すなわち、重量パーセント）は、５０％未満であるかまたはそれに等しくてよい。

窒化アルミニウム化合物（および、特には、窒化スカンジウムアルミニウム）を含む窒化アルミニウムならびに酸化亜鉛は、４５０℃よりも低い、またはより好ましくは３００℃よりも低い温度で堆積され得る圧電材料である。窒化アルミニウム化合物（および、特には、窒化スカンジウムアルミニウム）を含む窒化アルミニウムならびに酸化亜鉛は、４５０℃よりも低い、またはより好ましくは３００℃よりも低い温度で、物理気相堆積（例えば、スパッタリング）によって堆積され得る圧電材料である。窒化アルミニウム化合物（および、特には、窒化スカンジウムアルミニウム）を含む窒化アルミニウムならびに酸化亜鉛は、堆積後の焼きなましを典型的には必要としない圧電材料である。

圧電体は、４５０℃よりも低い、またはより好ましくは３００℃よりも低い温度での物理気相堆積によって堆積された窒化アルミニウム（例えば、窒化アルミニウム化合物、例えば、窒化スカンジウムアルミニウム）および／または酸化亜鉛を含んでよい（例えば、それらから形成されてよい）。

圧電体は、１つまたは複数のＩＩＩ−Ｖ族および／またはＩＩ−ＶＩ族半導体（すなわち、周期表のＩＩＩ族およびＶ族ならびに／またはＩＩ族およびＶＩ族からの元素を含む化合物半導体）を含んでよい（例えば、それらから形成されてよい）。このようなＩＩＩ−Ｖ族およびＩＩ−ＶＩ族半導体は、典型的には、六角ウルツ鉱結晶構造（ｈｅｘａｇｏｎａｌ ｗｕｒｔｚｉｔｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）に結晶化する。六角ウルツ鉱結晶構造に結晶化したＩＩＩ−Ｖ族およびＩＩ−ＶＩ族半導体は、典型的には、それらの非中心対称性の結晶構造のせいで圧電性である。

圧電体は、非強誘電性圧電材料を含んでよい（例えば、それから形成されてよく、またはそれからなってよい）。１つまたは複数の圧電材料は、１つまたは複数の非強誘電性圧電材料であってよい。強誘電性材料は、典型的には、印加された強い電場の下での、（すなわち、堆積後）極性調整を必要とする。非強誘電性圧電材料は、典型的には、極性調整を必要としない。

圧電体は、典型的には３０ｐＣ／Ｎ未満の、または、より典型的には２０ｐＣ／Ｎ未満の、または、更により典型的には１０ｐＣ／Ｎ未満の大きさを有する圧電定数ｄ_３１を有する。１つまたは複数の圧電材料は、典型的には３０ｐＣ／Ｎ未満の、または、より典型的には２０ｐＣ／Ｎ未満の、または、更により典型的には１０ｐＣ／Ｎ未満の大きさを有する圧電定数ｄ_３１を有する。

１つまたは複数の圧電材料は、典型的には、ＣＭＯＳ適合性である。このことによって、１つまたは複数の圧電材料は、典型的にはＣＭＯＳ電子構造に損傷を与える物質を含むものではないこと、または、典型的にはそのような物質を使用することなく処理可能（例えば、堆積可能、および必要であるなら焼きなまし可能）であることが理解されよう。例えば、１つまたは複数の圧電材料の処理（例えば、堆積、および必要であるなら焼きなまし）は、典型的には、（塩酸などの）酸（例えば、強酸）および／または（水酸化カリウムなどの）アルカリ（例えば、強アルカリ）の使用を含まない。

ノズル形成層は、ノズルプレートを備えてよい。ノズルプレートは、材料の単一の層からなってよい。代替的に、ノズルプレートは、（例えば、異なる）材料の２つ以上の層の積層構造からなってよい。ノズルプレートは、典型的には、およそ７０ＧＰａからおよそ３００ＧＰａの間のヤング係数（すなわち、引張弾性係数）をそれぞれ有する１つまたは複数の材料から形成される。ノズルプレートは、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、炭化珪素（ＳｉＣ）、酸窒化珪素（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）のうちの１つまたは複数から形成されてよい。

ノズル形成層は、電気相互接続層を備えてよい。電気相互接続層は、典型的には、電気絶縁体によって包囲された１つまたは複数の電気接続部（例えば、電気配線）を備える。１つまたは複数の電気接続部（例えば、電気配線）は、典型的には、金属または金属合金から形成される。適切な金属としては、アルミニウム、銅、タングステン、およびそれらの合金がある。電気絶縁体は、典型的には、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、または酸窒化珪素（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）などの誘電材料から形成される。

電気相互接続層は、基板とノズルプレートとの間に設けられてよい（例えば、形成されてよい）。電気相互接続層は、基板の第２の面上に設けられてよく（例えば、形成されてよく）、ノズルプレートは、電気相互接続層上に設けられてよい（例えば、形成されてよい）。ノズルプレートは、電気相互接続層への電気接続部がそれらを通って形成され得る１つまたは複数の開口を備えてよい。

電気相互接続層のノズル部分は、ノズル形成層のノズル部分の少なくとも一部を形成してよい。電気相互接続層のノズル部分は誘電材料からなってよい。代替的に、電気相互接続層は、ノズル形成層のノズル部分の一部を形成しなくてよい。

第１および第２の電極は、典型的には、金属（チタニウム、プラチナ、アルミニウム、タングステンまたはそれらの合金など）の１つまたは複数の層を備える。第１および第２の電極は、典型的には、４５０℃よりも低い（または、より典型的には、３００℃よりも低い）温度において（すなわち、基板温度において）、（例えば、低温）ＰＶＤによって堆積される。

第１の電極は、少なくとも１つの電子コンポーネントに電気的に接続されてよい。第２の電極は、少なくとも１つの電子コンポーネントに電気的に接続されてよい。第１および第２の電極の両方は、少なくとも１つの電子コンポーネントに電気的に接続されてよい。

液滴吐出器は、駆動回路を備えてよい。駆動回路は、典型的には、基板と一体化される。少なくとも１つの電子コンポーネントは、典型的には、駆動回路の一部を形成する。第１および第２の電極のうちの少なくとも１つは、駆動回路に電気的に接続されてよい。第１の電極は、駆動回路に電気的に接続されてよい。第２の電極は、駆動回路に電気的に接続されてよい。第１および第２の電極の両方は、駆動回路に電気的に接続されてよい。

少なくとも１つの電子コンポーネントは、第１および第２の電極の間に、（例えば、可変的な）電位差（すなわち、電圧）を、（すなわち、使用中に）提供するように構成されてよい。少なくとも１つの電子コンポーネントは、第１および第２の電極の間の電位差（すなわち、電圧）を、（すなわち、使用中に）変化させるように構成されてよい。

駆動回路は、第１および第２の電極の間に、（例えば、可変的な）電位差（すなわち、電圧）を、（すなわち、使用中に）提供するように構成されてよい。駆動回路は、第１および第２の電極の間の電位差（すなわち、電圧）を、（すなわち、使用中に）変化させるように構成されてよい。

少なくとも１つの電子コンポーネントは、少なくとも１つの能動電子コンポーネント（例えば、トランジスタ）を備えてよい。追加的にまたは代替的に、少なくとも１つの電子コンポーネントは、少なくとも１つの受動電子コンポーネント（例えば、抵抗器）を備えてよい。

少なくとも１つの電子コンポーネントは、基板と一体化された少なくとも１つのＣＭＯＳ（すなわち、相補型金属酸化物半導体：ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）電子コンポーネントを備えてよい。

駆動回路は、基板と一体化されたＣＭＯＳ回路（例えば、ＣＭＯＳ電子装置）を備えてよい。

ＣＭＯＳ電子コンポーネント（例えば、ＣＭＯＳ回路の一部を形成するＣＭＯＳ電子コンポーネント、すなわちＣＭＯＳ電子装置）は、典型的には、標準的なＣＭＯＳ製造方法によって基板上に形成（例えば、成長）される。例えば、一体化されたＣＭＯＳ電子コンポーネントは、以下の方法、すなわち、物理気相堆積、化学気相堆積、電気化学堆積、分子線エピタキシー、原子層堆積、イオン注入、フォトパターニング、反応性イオンエッチング、プラズマ照射のうちの１つまたは複数によって堆積されてよい。

保護層は、典型的には、圧電アクチュエータおよびノズル形成層の上に形成される。保護層は、典型的には、圧電アクチュエータおよびノズル形成層を覆う。保護層は、典型的には、化学的に不活性であり、不浸透性であり、および／または流体撥水性（ｆｌｕｉｄ−ｒｅｐｅｌｌｅｎｔ）である。保護層は、低いヤング係数（すなわち、引張弾性係数）を有するべきである。保護層は、ノズル形成層（および、特には、ノズルプレート）および／または圧電体のヤング係数よりも実質的に小さなヤング係数を有するべきである。保護層は、典型的には、５０ＧＰａ未満のヤング係数を有する。保護層は、ポリイミドまたはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの１つまたは複数の高分子材料から、もしくはダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）から形成されてよい。

液滴吐出器は、典型的には、一体式である。液滴吐出器は、典型的には、一体化される（すなわち、一体型液滴吐出器）。基板、ノズル形成層、圧電アクチュエータ、流体チャンバ、（例えば、駆動電子装置の）少なくとも１つの電子コンポーネント、および保護層は、典型的には、一体化（すなわち、互いに対して）される。液滴吐出器は、典型的には、基板、ノズル形成層、圧電アクチュエータ、（例えば、駆動電子装置の）少なくとも１つの電子コンポーネント、および保護層を、１つまたは複数の堆積処理を通じて一体的に形成することによって製造される。液滴吐出器は、典型的には、１つまたは複数の個別に形成されたコンポーネント（例えば、個別に形成された基板、ノズル形成層、圧電アクチュエータ、電子コンポーネントおよび／または保護層）を一緒に接合することによって製造されるものではない。

基板の装着面は、流体入口開口を備えてよい。流体入口開口は、典型的には、流体チャンバと流体連通する。

流体チャンバは、実質的に細長くてよい。流体チャンバは、典型的には、基板の装着面からノズル面まで延在する。流体チャンバは、典型的には、装着面および／またはノズル面に対して実質的に垂直な方向に沿って延在する。

流体チャンバは、基板の平面を通るその断面が実質的に円形状であってよい。流体チャンバは、基板の平面を通るその断面が実質的に多角形状であってよい（例えば、流体チャンバはその断面が実質的に矩形状であってよい）。流体チャンバは、基板の平面を通るその断面が多面的であってよい。

流体チャンバは、その形状が実質的に角柱状であってよい。実質的に角形状の流体チャンバの長手軸は、典型的には、装着面および／またはノズル面に対して実質的に垂直な方向に沿って延在する。

流体チャンバは、その形状が実質的に筒状であってよい。実質的に筒状のチャンバの長手軸は、典型的には、装着面および／またはノズル面に対して実質的に垂直な方向に沿って延在する。

ノズル形成層のノズル部分は、典型的には、流体チャンバを横切って延在するノズル形成層の部分であり、それによって、流体チャンバの少なくとも１つの壁を形成する。

ノズル形成層のノズル部分は、典型的には、基板を越えて突出し、従って、基板とは独立して屈曲可能である。

ノズル形成層のノズル部分は、実質的に環状であってよい。

ノズル形成層のノズル部分の周辺部は、実質的に多角形状であってよい。ノズル形成層のノズル部分の周辺部は、実質的に多面的であってよい。ノズル形成層のノズル部分は、典型的には、開口を備える。開口は、実質的に円形状であってよい。開口は、実質的に多角形状であってよい。開口は、多面的であってよい。

ノズル形成層のノズル部分（すなわち、流体チャンバを横切って延在し、それによって流体チャンバの少なくとも１つの壁を形成するノズル形成層の部分）は、基板の平面におけるその断面において流体チャンバの形状に実質的に類似するように付形されてよい。例えば、流体チャンバが実質的に筒状（すなわち、その断面が実質的に円形状）であるとき、ノズル形成層のノズル部分の周辺部は、実質的に円形状である。

プリントヘッドは、インクジェットプリントヘッドであってよい。液滴吐出器は、インクジェットプリントヘッドのための（例えば、インクジェットプリントヘッドにおける使用のために構成された）液滴吐出器であってよい。液滴吐出器は、インクジェット液滴吐出器であってよい。

プリントヘッドは、プリンテッドエレクトロニクスの製造における使用のために流体（例えば、機能流体）を印刷するように構成されてよい。

プリントヘッドは、生物学的流体を印刷するように構成されてよい。生物学的流体は、典型的には、生物学的巨大分子、例えば、ＤＮＡまたはＲＮＡなどのポリヌクレオチド、微生物および／または酵素を含む。プリントヘッドは、希釈液または試薬などの、生物学または生物工学の用途において使用される他の流体を印刷するように構成されてよい。

プリントヘッドは、ボクセルプリントヘッド（すなわち、３Ｄ印刷、例えば、積層印刷（ａｄｄｉｔｉｖｅ ｐｒｉｎｔｉｎｇ）における使用のために構成されたプリントヘッド）であってよい。

本発明の第２の態様は、複数の、本発明の第１の態様による液滴吐出器を備えるプリントヘッドを提供する。複数の液滴吐出器は、共通基板を共有してよい。例えば、複数の液滴吐出器は、前記共通基板上に一体化されてよい。

プリントヘッドは、インクジェットプリントヘッドであってよい。複数の液滴吐出器の各々は、インクジェット液滴吐出器であってよい。

プリントヘッドは、プリンテッドエレクトロニクスの製造における使用などのために機能流体を印刷するように構成されてよい。

プリントヘッドは、生物学的流体を印刷するように構成されてよい。生物学的流体は、典型的には、生物学的巨大分子、例えば、ＤＮＡまたはＲＮＡなどのポリヌクレオチド、微生物および／または酵素を含む。プリントヘッドは、希釈液または試薬などの、生物学または生物工学の用途において使用される他の流体を印刷するように構成されてよい。

プリントヘッドは、ボクセルプリントヘッド（すなわち、３Ｄ印刷、例えば、積層印刷における使用のために構成されたプリントヘッド）であってよい。

本発明の第３の態様は、プリントヘッドのための液滴吐出器を製造する方法を提供し、方法は、第１の面および第１の面の反対側の第２の面を有する基板を提供するステップと、基板の第２の面内にまたは基板の第２の面上に少なくとも１つの電子コンポーネントを形成するステップと、基板の第２の面上にノズル形成層を形成するステップと、４５０℃よりも低い温度において、ノズル形成層上に圧電アクチュエータを形成するステップと、圧電アクチュエータおよびノズル形成層を覆う保護層を形成するステップと、基板において流体チャンバを形成するステップと、を備える。

圧電アクチュエータを形成するステップは、典型的には、ノズル形成層上に第１の電極を形成するステップと、４５０℃よりも低い温度において、第１の電極上に１つまたは複数の圧電材料の少なくとも１つの層を形成するステップと、１つまたは複数の圧電材料の少なくとも１つの層上に第２の電極を形成するステップと、を備える。第１の電極を形成するステップおよび第２の電極を形成するステップも、典型的には、４５０℃よりも低い温度において実行される。

３００℃を超えると、一体化された電子コンポーネント（例えば、ＣＭＯＳ電子コンポーネント）は、典型的には、劣化し始め、デバイスの動作を損ない、効率を低下させる。４５０℃を超えると、一体化された電子コンポーネント（例えば、ＣＭＯＳ電子コンポーネント）は、典型的には、更に大幅に劣化する。従って、４５０℃よりも低い温度において圧電アクチュエータを形成するステップ（例えば、第１の電極、１つまたは複数の圧電材料、および第２の電極を形成するステップ）は、前記少なくとも１つの電子コンポーネントに重大な損傷を与えることなく圧電アクチュエータが（例えば、駆動回路の）少なくとも１つの電子コンポーネントと一体化することを可能にする。

方法は、３００℃よりも低い温度において、ノズル形成層上に圧電アクチュエータを形成するステップを備えてよい。圧電アクチュエータを形成するステップは、ノズル形成層上に第１の電極を形成するステップと、３００℃よりも低い温度において、第１の電極上に１つまたは複数の圧電材料の少なくとも１つの層を形成するステップと、１つまたは複数の圧電材料の少なくとも１つの層上に第２の電極を形成するステップと、を備えてよい。第１の電極を形成するステップおよび第２の電極を形成するステップも、３００℃よりも低い温度において実行されてよい。３００℃よりも低い温度において圧電アクチュエータを形成するステップ（例えば、第１の電極、１つまたは複数の圧電材料、および第２の電極を形成するステップ）は、前記少なくとも１つの電子コンポーネントに更により小さな損傷しか与えずに、圧電アクチュエータが（例えば、駆動回路の）少なくとも１つの電子コンポーネントと一体化することを可能にする。このことは、典型的には、単一の基板ウエハでの複数の流体吐出器の大量生産から機能デバイスのより大きな歩留まりが達成されることを可能にする。

方法は、典型的には、４５０℃よりも低い（または３００℃よりも低い）基板温度において、ノズル形成層上に圧電アクチュエータを形成するステップを備える。換言すれば、基板の温度は、典型的には、圧電アクチュエータを形成するステップ中に、４５０℃に達することはなく、またはそれを超えることはない（もしくは３００℃よりも低い）。従って、圧電アクチュエータを形成するステップは、典型的には、ノズル形成層上に第１の電極を形成するステップと、４５０℃よりも低い（または３００℃よりも低い）基板温度において、第１の電極上に１つまたは複数の圧電材料の少なくとも１つの層を形成するステップと、１つまたは複数の圧電材料の少なくとも１つの層上に第２の電極を形成するステップと、を備える。第１の電極を形成するステップおよび第２の電極を形成するステップも、典型的には、４５０℃よりも低い（または３００℃よりも低い）基板温度において実行される。基板の温度は、（例えば全体的な）液滴吐出器の製造中に、４５０℃（または３００℃）に達することはなく、またはそれを超えることがなくてよい。

ノズル形成層を形成するステップ、保護層を形成するステップ、および流体チャンバを形成するステップは、４５０℃未満の（または、より典型的には、３００℃よりも低い）温度において行われてよい。

ノズル形成層を形成するステップは、前記ノズル形成層においてノズル開口を形成するステップを備えてよい。ノズル形成層は、基板の第２の面の１つまたは複数の部分に形成されてよく、それによってノズル開口を形成してよい。代替的に、ノズル形成層が、先ず基板の第２の面上に形成されてよく、続いて、ノズル形成層の一部分が取り除かれ、それによってノズル開口を形成してよい。ノズル開口は、典型的には、ノズル形成層の全厚を貫通して（すなわち、基板の第１および／または第２の面に実質的に垂直な方向に）延在する。

基板において流体チャンバを形成するステップは、典型的には、基板において凹部を形成するステップを備える。凹部（すなわち、流体チャンバ）は、基板の第１の面において形成されてよい。凹部（すなわち、流体チャンバ）を形成するステップは、ノズル形成層を形成するステップの後に行われてよい。凹部（すなわち、流体チャンバ）を形成するステップは、ノズル形成層上に圧電アクチュエータを形成するステップの後に行われてよい。凹部（すなわち、流体チャンバ）を形成するステップは、保護層を形成するステップの後に行われてよい。例えば、方法は、先ず、第１の面および第１の面の反対側の第２の面を有する基板を提供するステップと、次いで、基板の第２の面内にまたは基板の第２の面上に少なくとも１つの電子コンポーネントを形成するステップと、次いで、基板の第２の面上にノズル形成層を形成するステップと、次いで、４５０℃よりも低い温度において、ノズル形成層上に圧電アクチュエータを形成するステップと、次いで、圧電アクチュエータおよびノズル形成層を覆う保護層を形成するステップと、次いで、基板において流体チャンバを形成するステップと、を備えてよい。

基板において凹部（すなわち、流体チャンバ）を形成するステップは、前記凹部（すなわち、前記流体チャンバ）を基板の全厚を貫通して（すなわち、第１の面から第２の面まで）形成するステップを備えてよい。基板において形成される凹部（すなわち、流体チャンバ）は、典型的には、基板の全厚を貫通して（すなわち、第１の面から第２の面まで）延在する。凹部（すなわち、流体チャンバ）は、典型的には、ノズル形成層を貫通して延在することはない。

凹部（すなわち、流体チャンバ）は、典型的には、基板において、ノズル形成層における開口の場所に重なる（例えば、一致する）場所に形成される。ノズル形成層の一部分（例えば、ノズル形成層のノズル部分）は、典型的には、凹部（すなわち、流体チャンバ）の少なくとも１つの壁を形成する。ノズル形成層のノズル部分は、典型的には、凹部（すなわち、流体チャンバ）の一部分を横切って延在する。凹部（すなわち、流体チャンバ）は、典型的には、ノズル開口と流体連通する。ノズル形成層におけるノズル開口は、典型的には、ノズル形成層を貫通して、凹部（すなわち、流体チャンバ）内に延在する開口である。従って、ノズル開口は、典型的には、流体チャンバ出口を画定する。流体流路は、典型的には、第１の面から、流体チャンバを通り、開口を通って、第２の面に向かって画定される。

基板の第１の面は、典型的には、流体リザーバを備えるプリントヘッド支持体に装着されるように構成された基板の装着面である。基板の第２の面は、典型的には、前記装着面の反対側の基板のノズル面である。

４５０℃よりも低い（または、より典型的には３００℃よりも低い）温度において、圧電アクチュエータを形成するステップは、４５０℃よりも低い（または、より典型的には３００℃よりも低い）温度において、圧電アクチュエータを堆積するステップを備えてよい。４５０℃よりも低い（または、より典型的には３００℃よりも低い）温度において、圧電アクチュエータを形成するステップは、４５０℃よりも低い（または、より典型的には３００℃よりも低い）温度において、１つまたは複数の物理気相堆積方法によって、圧電アクチュエータを堆積するステップを備えてよい。

物理気相堆積方法（例えば、低温物理気相堆積方法）は、典型的には、以下の堆積方法、すなわち、陰極アーク堆積、電子ビーム物理気相堆積、蒸発堆積、パルスレーザー堆積、スパッタ堆積のうちの１つまたは複数を含む。スパッタ堆積は、単一のまたは複数のスパッタリング目標からの材料のスパッタリングを含んでよい。

１つまたは複数の圧電材料の少なくとも１つの層を形成するステップは、４５０℃よりも低い（または、より典型的には３００℃よりも低い）温度において、１つまたは複数の圧電材料の少なくとも１つの層を堆積するステップを備えてよい。１つまたは複数の圧電材料の少なくとも１つの層を形成するステップは、４５０℃よりも低い（または、より典型的には３００℃よりも低い）温度において、物理気相堆積方法によって、１つまたは複数の圧電材料の少なくとも１つの層を堆積するステップを備えてよい。

方法は、４５０℃よりも低い（または、より典型的には３００℃よりも低い）温度において、１つまたは複数の圧電材料の任意の堆積後処理を行うステップを備えてよい。方法は、４５０℃よりも低い（または、より典型的には３００℃よりも低い）温度において、１つまたは複数の圧電材料を焼きなますステップを備えてよい。しかしながら、より典型的には、方法は、堆積後処理（例えば、焼きなまし）ステップを備えない。

圧電アクチュエータを形成するステップは、圧電体を、アルミニウムおよび窒素、ならびに、任意選択で、スカンジウム、イットリウム、チタニウム、マグネシウム、ハフニウム、ジルコニウム、スズ、クロム、ホウ素から選択される１つまたは複数の元素を含むセラミック材料から形成するステップを備えてよい。

１つまたは複数の圧電材料の少なくとも１つの層を形成するステップは、１つの圧電材料の少なくとも１つの層を形成するステップからなってよい。代替的に、１つまたは複数の圧電材料の少なくとも１つの層を形成するステップは、２つ以上の圧電材料の少なくとも１つの層を形成するステップからなってよい。

１つまたは複数の圧電材料の少なくとも１つの層を形成するステップは、前記１つまたは複数の圧電材料の１つの層を形成するステップからなってよい。代替的に、１つまたは複数の圧電材料の少なくとも１つの層を形成するステップは、前記１つまたは複数の圧電材料の２つ以上の層を形成するステップからなってよい。

１つまたは複数の圧電材料は、窒化アルミニウムを含んでよい。追加的にまたは代替的に、１つまたは複数の圧電材料は、酸化亜鉛を含んでよい。４５０℃よりも低い（または、より典型的には３００℃よりも低い）温度において、圧電アクチュエータを形成するステップ（例えば、４５０℃よりも低い（または、より典型的には３００℃よりも低い）温度において、１つまたは複数の圧電材料の少なくとも１つの層を形成するステップ）は、４５０℃よりも低い（または、より典型的には３００℃よりも低い）温度において、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）および／または酸化亜鉛（ＺｎＯ）を堆積するステップを備えてよい。

窒化アルミニウムは、純粋な窒化アルミニウムからなってよい。代替的に、窒化アルミニウムは、１つまたは複数の元素を含んでよい（すなわち、窒化アルミニウムは、窒化アルミニウム化合物を含んでよい）。窒化アルミニウムは、以下の元素、すなわち、スカンジウム、イットリウム、チタニウム、マグネシウム、ハフニウム、ジルコニウム、スズ、クロム、ホウ素のうちの１つまたは複数を含んでよい。

４５０℃よりも低い（または、より典型的には３００℃よりも低い）温度において、圧電アクチュエータを形成するステップ（例えば、４５０℃よりも低い（または、より典型的には３００℃よりも低い）温度において、１つまたは複数の圧電材料の少なくとも１つの層を形成するステップ）は、４５０℃よりも低い（または、より典型的には３００℃よりも低い）温度において、窒化スカンジウムアルミニウム（ＳｃＡｌＮ）を堆積するステップを備えてよい。

窒化スカンジウムアルミニウムにおけるスカンジウムのパーセンテージは、典型的には、製造性の限界以内でｄ_３１圧電定数を最適化するように選ばれる。例えば、Ｓｃ_ｘＡｌ_１−ｘＮにおけるｘの値は、典型的には、０＜ｘ≦０．５の範囲から選ばれる。スカンジウムの割合が大きくなると、典型的には、より大きなｄ_３１の値（すなわちより強い圧電効果）がもたらされる。窒化スカンジウムアルミニウムにおけるスカンジウムの質量パーセント（すなわち、重量パーセント）は、典型的には、５％より大きい。窒化スカンジウムアルミニウムにおけるスカンジウムの質量パーセント（すなわち、重量パーセント）は、典型的には、１０％より大きい。窒化スカンジウムアルミニウムにおけるスカンジウムの質量パーセント（すなわち、重量パーセント）は、典型的には、２０％より大きい。窒化スカンジウムアルミニウムにおけるスカンジウムの質量パーセント（すなわち、重量パーセント）は、典型的には、３０％より大きい。窒化スカンジウムアルミニウムにおけるスカンジウムの質量パーセント（すなわち、重量パーセント）は、典型的には、４０％より大きい。窒化スカンジウムアルミニウムにおけるスカンジウムの質量パーセント（すなわち、重量パーセント）は、５０％未満であるかまたはそれに等しくてよい。

１つまたは複数の圧電材料は、１つまたは複数のＩＩＩ−Ｖ族および／またはＩＩ−ＶＩ族半導体（すなわち、周期表のＩＩＩ族およびＶ族ならびに／またはＩＩ族およびＶＩ族からの元素を含む化合物半導体）を含んでよい。このようなＩＩＩ−Ｖ族およびＩＩ−ＶＩ族半導体は、典型的には、六角ウルツ鉱結晶構造に結晶化する。六角ウルツ鉱結晶構造に結晶化したＩＩＩ−Ｖ族およびＩＩ−ＶＩ族半導体は、典型的には、それらの非中心対称性の結晶構造のせいで圧電性である。それ故、４５０℃よりも低い（または、より典型的には３００℃よりも低い）温度において、圧電アクチュエータを形成するステップ（例えば、４５０℃よりも低い（または、より典型的には３００℃よりも低い）温度において、１つまたは複数の圧電材料の少なくとも１つの層を形成するステップ）は、４５０℃よりも低い（または、より典型的には３００℃よりも低い）温度において、１つまたは複数のＩＩＩ−Ｖ族および／またはＩＩ−ＶＩ族半導体を堆積するステップを備えてよい。

１つまたは複数の圧電材料は、非強誘電性圧電材料を含んでよい。強誘電性材料は、典型的には、印加された強い電場の下での（すなわち、堆積後）極性調整を必要とする。非強誘電性圧電材料は、典型的には、極性調整を必要としない。それ故、４５０℃よりも低い（または、より典型的には３００℃よりも低い）温度において、圧電アクチュエータを形成するステップ（例えば、４５０℃よりも低い（または、より典型的には３００℃よりも低い）温度において、１つまたは複数の圧電材料の少なくとも１つの層を形成するステップ）は、１つまたは複数の非強誘電性圧電材料を堆積するステップを備えてよい。方法は、典型的には、堆積後に１つまたは複数の圧電材料を極性調整するステップを含まない。

圧電アクチュエータの圧電体は、典型的には３０ｐＣ／Ｎ未満の、または、より典型的には２０ｐＣ／Ｎ未満の、または、更により典型的には１０ｐＣ／Ｎ未満の大きさを有する圧電定数ｄ_３１を有する。１つまたは複数の圧電材料は、典型的には３０ｐＣ／Ｎ未満の、または、より典型的には２０ｐＣ／Ｎ未満の、または、更により典型的には１０ｐＣ／Ｎ未満の大きさを有する圧電定数ｄ_３１を有する。

ノズル形成層上に第１の電極を形成するステップは、典型的には、ノズル形成層上に金属（チタニウム、プラチナ、アルミニウム、タングステンまたはそれらの合金など）の１つまたは複数の層を堆積するステップを備える。金属は、（例えば、低温）ＰＶＤによって堆積されてよい。金属は、典型的には、４５０℃よりも低い（または、より典型的には、３００℃よりも低い）温度において堆積される。

圧電材料上に第２の電極を形成するステップは、典型的には、圧電材料上に金属（チタニウム、プラチナ、アルミニウム、タングステンまたはそれらの合金など）の１つまたは複数の層を堆積するステップを備える。金属は、（例えば、低温）ＰＶＤによって堆積されてよい。金属は、典型的には、４５０℃よりも低い（または、より典型的には、３００℃よりも低い）温度において堆積される。

少なくとも１つの電子コンポーネントは、少なくとも１つの能動電子コンポーネント（例えば、トランジスタ）を備えてよい。追加的にまたは代替的に、少なくとも１つの電子コンポーネントは、少なくとも１つの受動電子コンポーネント（例えば、抵抗器）を備えてよい。

基板の第２の面内にまたは基板の第２の面上に少なくとも１つの電子コンポーネントを形成するステップは、基板内にまたは基板上に前記少なくとも１つの電子コンポーネントを一体的に形成する（例えば、一体化する）ステップを備えてよい。基板の第２の面内にまたは基板の第２の面上に少なくとも１つの電子コンポーネントを形成するステップは、基板内にまたは基板上に少なくとも１つのＣＭＯＳ（すなわち、相補型金属酸化物半導体）電子コンポーネントを一体的に形成する（例えば、一体化する）ステップを備えてよい。

方法は、基板上に駆動回路を形成するステップを備えてよい。少なくとも１つの電子コンポーネントは、駆動回路の一部を形成してよい。

駆動回路は、基板と一体化されたＣＭＯＳ回路（例えば、ＣＭＯＳ電子装置）を備えてよい。

方法は、ＣＭＯＳ電子コンポーネント（例えば、ＣＭＯＳ回路の一部を形成するＣＭＯＳ電子コンポーネント、すなわちＣＭＯＳ電子装置）を、物理気相堆積、化学気相堆積、電気化学堆積、分子線エピタキシー、原子層堆積、イオン注入、フォトパターニング、反応性イオンエッチング、プラズマ照射などの標準的なＣＭＯＳ製造方法によって、基板内にまたは基板上に形成（例えば、一体的に形成、例えば、一体化）するステップを備えてよい。

方法は、基板、少なくとも１つの電子コンポーネント、ノズル形成層、（例えば、第１の電極、１つまたは複数の圧電材料の少なくとも１つの層、および第２の電極を備える）圧電アクチュエータ、および保護層を一体的に形成（例えば、一体化）し、それによって一体式液滴吐出器を形成するステップを備えてよい。

ノズル形成層を形成するステップは、ノズルプレートを形成するステップを備えてよい。ノズルプレートを形成するステップは、材料の単一の層を堆積するステップを備えてよい。代替的に、ノズルプレートを形成するステップは、（例えば、異なる）材料の２つ以上の層を堆積し、それによって、積層構造を形成するステップを備えてよい。ノズルプレートは、典型的には、およそ７０ＧＰａからおよそ３００ＧＰａの間のヤング係数（すなわち、引張弾性係数）をそれぞれ有する１つまたは複数の材料から形成される。ノズルプレートは、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、炭化珪素（ＳｉＣ）、酸窒化珪素（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）のうちの１つまたは複数から形成されてよい。従って、ノズルを形成するステップは、以下の材料、すなわち、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、炭化珪素（ＳｉＣ）、酸窒化珪素（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）のうちの１つまたは複数の層を堆積させるステップを備えてよい。

ノズル形成層を形成するステップは、電気相互接続層を形成するステップを備えてよい。電気相互接続層を形成するステップは、典型的には、１つまたは複数の電気接続部（例えば、電気配線）と、電気絶縁体の１つまたは複数の層とを、基板の第２の面上に形成するステップを備える。１つまたは複数の電気接続部（例えば、電気配線）は、典型的には、金属または金属合金から形成される。適切な金属としては、アルミニウム、銅、タングステン、およびそれらの合金がある。電気絶縁体は、典型的には、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、または酸窒化珪素（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）などの誘電材料から形成される。

電気相互接続層を形成するステップは、典型的には、１つまたは複数の電気接続部と、電気絶縁体の１つまたは複数の層とを、イオン注入、化学気相堆積、物理気相堆積、エッチング、化学機械平坦化、電気めっき、プラズマ照射、フォトパターニングなどの方法を使用して堆積するステップを備える。

方法は、基板の第２の面上に電気相互接続層を形成するステップと、次いで、電気相互接続層上にノズルプレートを形成するステップと、を備えてよい。

本発明の第４の態様は、共通基板上に複数の液滴吐出器を形成するステップを備え、各液滴吐出器は、本発明の第３の態様によるいずれか１つの方法によって形成される、プリントヘッドを製造する方法を提供する。方法は、典型的には、共通基板を、流体リザーバを備えるプリントヘッド支持体上に装着するステップを更に備える。プリントヘッドは、インクジェットプリントヘッドであってよい。

本発明の第５の態様は、プリントヘッドのための液滴吐出器であって、装着面および反対側のノズル面を有する基板と、基板と一体化された少なくとも１つの電子コンポーネントと、基板のノズル面の少なくとも一部分に形成されたノズル形成層と、少なくとも一部基板によって、および少なくとも一部ノズル形成層によって画定された流体チャンバであって、少なくとも一部前記ノズル形成層のノズル部分によって画定された流体チャンバ出口を有する流体チャンバと、ノズル形成層のノズル部分の少なくとも一部分に形成された圧電アクチュエータであって、窒化アルミニウムおよび／または酸化亜鉛から形成された圧電体を備え、圧電体は、第１および第２の電極の間に設けられ、前記第１および第２の電極のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つの電子コンポーネントに電気的に接続される、圧電アクチュエータと、圧電アクチュエータおよびノズル形成層を覆う保護層と、を備える液滴吐出器を提供する。

圧電体は、ＰＶＤ堆積された圧電体であってよい。圧電体は、４５０℃よりも低い（または、より典型的には３００℃よりも低い）温度において堆積された、ＰＶＤ堆積された圧電体であってよい。

窒化アルミニウムは更に、以下の元素、すなわち、スカンジウム、イットリウム、チタニウム、マグネシウム、ハフニウム、ジルコニウム、スズ、クロム、ホウ素のうちの１つまたは複数を含んでよい。

液滴吐出器は、インクジェットプリントヘッドのための（すなわち、インクジェットプリントヘッドにおける使用のために構成された）液滴吐出器であってよい。

本発明の第６の態様は、複数の、本発明の第５の態様のいずれか１つの実施形態による液滴吐出器を備えるプリントヘッドを提供する。複数の液滴吐出器は、共通基板を共有して（例えば、その上に一体化されて）よい。

プリントヘッドは、インクジェットプリントヘッドであってよい。

プリントヘッドは、プリンテッドエレクトロニクスの製造における使用などのために機能流体を印刷するように構成されてよい。

プリントヘッドは、生物学的流体を印刷するように構成されてよい。生物学的流体は、典型的には、生物学的巨大分子、例えば、ＤＮＡまたはＲＮＡなどのポリヌクレオチド、微生物および／または酵素を含む。プリントヘッドは、希釈液または試薬などの、生物学または生物工学の用途において使用される他の流体を印刷するように構成されてよい。

プリントヘッドは、ボクセルプリントヘッド（すなわち、３Ｄ印刷、例えば、積層印刷における使用のために構成されたプリントヘッド）であってよい。

本発明の第７の態様は、プリントヘッドのための液滴吐出器を製造する方法であって、第１の面および第１の面の反対側の第２の面を有する基板を提供するステップと、基板の第２の面内にまたは基板の第２の面上に少なくとも１つの電子コンポーネントを形成するステップと、基板の第２の面上にノズル形成層を形成するステップと、ノズル形成層上に第１の電極を形成するステップと、４５０℃よりも低い温度において、第１の電極上に窒化アルミニウムおよび／または酸化亜鉛の少なくとも１つの層を形成するステップと、圧電材料の少なくとも１つの層上に第２の電極を形成するステップと、圧電アクチュエータおよびノズル形成層を覆う保護層を形成するステップと、を備える方法を提供する。

窒化アルミニウムおよび／または酸化亜鉛の少なくとも１つの層が堆積される温度は、典型的には、堆積処理中の基板の温度である（すなわち、それは基板温度である）ことが理解されよう。

４５０℃よりも低い温度において、第１の電極上に窒化アルミニウムおよび／または酸化亜鉛の少なくとも１つの層を形成するステップは、３００℃よりも低い温度（すなわち基板温度）において、第１の電極上に窒化アルミニウムおよび／または酸化亜鉛の前記少なくとも１つの層を形成するステップからなってよい。

窒化アルミニウムおよび／または酸化亜鉛の少なくとも１つの層を形成するステップは、物理気相堆積によって、窒化アルミニウムおよび／または酸化亜鉛の前記少なくとも１つの層を堆積するステップを備えてよい。

窒化アルミニウムは更に、以下の元素、すなわち、スカンジウム、イットリウム、チタニウム、マグネシウム、ハフニウム、ジルコニウム、スズ、クロム、ホウ素のうちの１つまたは複数を含んでよい。

プリントヘッドは、インクジェットプリントヘッドであってよい。液滴吐出器は、インクジェットプリントヘッドのための（例えば、インクジェットプリントヘッドにおける使用のために構成された）液滴吐出器であってよい。液滴吐出器は、インクジェット液滴吐出器であってよい。

プリントヘッドは、プリンテッドエレクトロニクスの製造における使用などのために機能流体を印刷するように構成されてよい。

プリントヘッドは、生物学的流体を印刷するように構成されてよい。生物学的流体は、典型的には、生物学的巨大分子、例えば、ＤＮＡまたはＲＮＡなどのポリヌクレオチド、微生物および／または酵素を含む。プリントヘッドは、希釈液または試薬などの、生物学または生物工学の用途において使用される他の流体を印刷するように構成されてよい。

プリントヘッドは、ボクセルプリントヘッド（すなわち、３Ｄ印刷、例えば、積層印刷における使用のために構成されたプリントヘッド）であってよい。

本発明の第８の態様は、共通基板上に複数の液滴吐出器を形成するステップを備え、各液滴吐出器は、本発明の第７の態様のいずれか１つの実施形態による方法によって形成される、プリントヘッドを製造する方法を提供する。方法は、共通基板を、流体リザーバを備えるプリントヘッド構造上に装着するステップを備えてよい。

プリントヘッドは、インクジェットプリントヘッドであってよい。

プリントヘッドは、プリンテッドエレクトロニクスの製造における使用などのために機能流体を印刷するように構成されてよい。

プリントヘッドは、生物学的流体を印刷するように構成されてよい。生物学的流体は、典型的には、生物学的巨大分子、例えば、ＤＮＡまたはＲＮＡなどのポリヌクレオチド、微生物および／または酵素を含む。プリントヘッドは、希釈液または試薬などの、生物学または生物工学の用途において使用される他の流体を印刷するように構成されてよい。

プリントヘッドは、ボクセルプリントヘッド（すなわち、３Ｄ印刷、例えば、積層印刷における使用のために構成されたプリントヘッド）であってよい。

次に、以下の図面を参照し、本発明の例示的実施形態が示される。

第１の実施形態による一体化された流体素子（ｆｌｕｉｄｉｃｓ）、電子回路、ノズルおよびアクチュエータを含む一体式流体液滴吐出器デバイスの図である。 図１に図示された線Ｆ２に沿った一体式液滴吐出器デバイスの断面図である。 保護コーティングが取り除かれた状態の、図１において図示される一体式液滴吐出器の特徴を図示するノズルの平面図である。 図１の液滴吐出器デバイスのための駆動パルスの実施態様を図示する概略図である。 図１の液滴吐出器デバイスを製造するための製造プロセスフローの概略図である。 本発明の第２の例示的実施形態による電極構造の代替的な実施態様を図示する断面図である。 図６の液滴吐出器デバイスのための代替的な駆動パルスの実施態様を図示する概略図である。 本発明の第４の例示的実施形態によるノズル構造の代替的な実施態様の断面を図示する概略図である。 本発明の第５の例示的実施形態によるボンドパッド構造の代替的な実施態様を図示する断面図である。

１つまたは複数の例示的実施形態の詳細な説明
第１の例示的実施形態
図１から図５を参照して第１の例示的実施形態が説明される。

図１は、本発明の第１の例示的実施形態による一体化された流体素子、電子回路、ノズルおよびアクチュエータを含む一体式流体液滴吐出器デバイス１を図示する。図２は、図１に図示された線Ｆ２に沿った一体式液滴吐出器デバイス１の断面図である。

図１および図２において図示されるように、流体液滴吐出器デバイスは、基板１００、流体入口チャンネル１０１、電子回路２００、配線を備える相互接続層３００、圧電アクチュエータ４００、ノズルプレート５００、保護前面６００、ノズル６０１、およびボンドパッド７００を含む一体式チップである。図１は、ボンドパッド領域１０４およびノズル領域１０５を図示する。

基板１００の厚さは、典型的には、２０から１０００マイクロメートルの間である。相互接続層３００、圧電アクチュエータ４００、ノズルプレート５００および保護前面６００の厚さは、典型的には、０．５から５マイクロメートルの間である。ノズル６０１の直径は、典型的には、３から５０マイクロメートルの間である。流体入口チャンネル１０３は、５０から８００マイクロメートルの間の特性寸法を有する。

図１において図示される一体式チップは、４列のノズルを備える。各列は、交互パターンで隣の列に対してオフセットされている。異なる構成において任意の数のノズル列が可能である。チップ上でのノズルの配置は、目標印刷密度（すなわち、インチ当たりのドット（ｄｐｉ：ｄｏｔｓ ｐｅｒ ｉｎｃｈ）の数）、目標発射頻度（ｔａｒｇｅｔ ｆｉｒｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）および／または目標印刷速度を達成するように構成される。特定の印刷要件を満たす広範な異なるノズル構成が可能である。異なるプリントヘッドノズル構成は、個々のノズルならびにノズルに固有の駆動電子装置２０１および２０２を配置することによってもたらされる。

基板１００は、シリコンウエハから形成され、支持体１０２、流体入口チャンネル１０１および電子回路２００を備える。

流体入口チャンネル１０１は、１つの面に流体入口１０３として開口を有するように基板１００の厚さを貫通して形成され、他端部において、ノズルプレート５００およびノズル６０１によって終端される。流体入口チャンネル１０１の壁は、基板１００および相互接続層３００を通じて類似の断面を有する。流体入口チャンネル１０１は、実質的に筒状（すなわち、基板の平面におけるその断面が実質的に円形状）である。ノズルプレートとの境界面および流体入口境界面における流体入口チャンネル１０１の角部は、応力集中を最小化するために丸められている。

電子回路２００は、流体入口１０３を含む面とは反対側の基板１００の面上に形成される。電子回路２００は、デジタルおよび／またはアナログ回路を含み得る。電子回路の一部分２０１および２０２は、相互接続層３００を貫通する配線３０１によって、圧電アクチュエータ４００に直接的に接続され、駆動波形の印加を最適化するためにアクチュエータ４００に近接して位置する。電極アクチュエータ配線相互接続部３０１および３０２は、連続的な単一の構築物であってよく、または配線の複数の層から構築されてもよい。駆動電子装置は、圧電アクチュエータに設定電圧または成形電圧（ｓｈａｐｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ）を、設定期間の間、印加するように構成されてよい。

電子回路２０３の一部分は、全体的な一体式液滴吐出器デバイスの包括的動作に関連し、アクチュエータ駆動回路２０１および２０２から離間して位置し得る。チップの一般的動作に関連する回路２０３は、データルーティング、認証、チップ監視（例えば、チップ温度監視）、使用年数管理、歩留まり情報処理、および／または不良ノズル監視などの広範な機能を行うことができる。回路２０３は、相互接続層３００を通じてボンドパッド７００ならびに固有の電極駆動回路２０１および２０２に接続される。チップ駆動電子装置２０３は、データキャッシング、データルーティング、バス管理、一般的論理（ｇｅｎｅｒａｌ ｌｏｇｉｃ）、同期、セキュリティ、認証、電力ルーティング、および／または入力／出力などの異なる機能を行うように構成されたアナログおよび／またはデジタル回路を含んでよい。チップ駆動電子装置２０３は、タイミング回路、インタフェース回路、センサおよび／または時計などの回路コンポーネントを備えてよい。

チップの異なる区画、例えば、ノズル列の間またはチップの周辺部付近に位置するいくつかの一般的駆動電子装置エリアがあってよい。

電子駆動回路は、ＣＭＯＳ駆動回路を含む。

相互接続層３００は、電子回路２００および基板１００の上に直接的に形成され、電気絶縁体と配線とを備える。相互接続層３００における配線は、チップ電子回路２０３をボンドパッド７００とアクチュエータ電極駆動回路２０１および２０２との両者に接続する。相互接続層３００は、ノズルの間、チップの周辺部付近および／または駆動電子装置の上にルーティングされる電力およびデータのルーティング配線を含む。相互接続層３００は、典型的には、異なる配線路を有する複数の層を備える。

ノズルプレート５００は、相互接続層３００の上に形成される。ノズルプレート５００は、単一の材料または複数の材料の積層体のいずれかから形成される。ノズルプレート５００は、チップの前面を連続的に横切り、下方の相互接続層３００と上方のアクチュエータ電極４０１との間に配線のための電気開口を有する。

ノズルプレート５００は、堆積温度、組成、化学的処理ステップに関してＣＭＯＳ電子駆動回路２００とともに製造可能でなければならない１つまたは複数の材料から形成される。また、ノズルプレート材料は、化学的に安定しているとともに、噴射される流体に対して不浸透性でなければならない。また、ノズルプレート材料は、圧電アクチュエータの機能に適合していなければならない。例えば、適切な材料のヤング係数は、７０ＧＰａから３００ＧＰａの範囲の間にある。しかしながら、ヤング係数におけるばらつきは、ノズルプレート５００の厚さを変えることによって吸収され得る。例示的なノズルプレート材料は、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、炭化珪素（ＳｉＣ）、および酸窒化珪素（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）のうちの１つまたは複数（例えば、それらの組み合わせまたは積層体を含む）を含む。

各圧電アクチュエータ４００は、第１の電極４０１、圧電層４０２および第２の電極４０３の積層体を備える。第１の電極４０１は、ノズルプレート５００に取り付けられる。圧電アクチュエータ４０２は、第１の電極４０１に取り付けられる。第２の電極４０３は、第１の電極の取り付け面とは反対側の圧電アクチュエータの面に取り付けられる。

第１の電極４０１は、相互接続層３００における配線接続部３０１に電気的に接続される。第２の電極４０３は、相互接続層３００における配線接続部３０２に電気的に接続される。第１の電極４０１および第２の電極４０３は、互いから電気的に絶縁されている。電極材料は、導電性であり、典型的には、チタニウム（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタンアルミナイド（ＴｉＡＬ）、タングステン（Ｗ）もしくはプラチナ（Ｐｔ）またはそれらの合金などの金属または金属間化合物から形成される。これらの材料は、（堆積温度および化学的処理適合性に関して）ＣＭＯＳ駆動回路および圧電層とともに製造可能である。

圧電アクチュエータ４０２は、ＣＭＯＳおよび相互接続回路の製造との適合性のために選ばれた材料から形成される。ＣＭＯＳ駆動回路は、典型的には、約４５０℃までの温度に耐えることができる。しかしながら、高い歩留まりの製造には、ピーク製造温度は大幅に低く、典型的には３００℃になる必要がある。ＣＭＯＳ駆動電子装置をある期間よりも長く高い温度に晒す堆積方法は、性能を劣化させることがあり、典型的には、ドーパント可動性および相互接続層内の配線の劣化に影響を与える。温度制限は、圧電層のための堆積方法を限定する。適切は圧電材料としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウム化合物（特には、窒化スカンジウムアルミニウム（ＳｃＡｌＮ））および酸化亜鉛（ＺｎＯ）があり、これらはＣＭＯＳ電子装置に適合性がある。圧電材料の組成は、圧電特性を最適化するように選ばれる。例えば、窒化アルミニウム化合物における任意の添加元素の濃度（窒化スカンジウムアルミニウムにおけるスカンジウムの濃度など）は、典型的には、ｄ_３１圧電定数の大きさを最適化するように選ばれる。窒化スカンジウムアルミニウムにおけるスカンジウムの濃度が高いほど、典型的にはｄ_３１の値が大きくなる。窒化スカンジウムアルミニウムにおけるスカンジウムの質量パーセントは、５０％ほどであってよい。

圧電アクチュエータ材料は、ノズルプレート５００の表面全体に連続するものではない。圧電材料は、ノズルプレートの上に主に位置し、電極開口４０４およびノズル４０５の周囲の領域を含むいくつかの開口を含む。

保護前面６００は、液滴吐出器デバイス１００の外側面上に形成され、圧電アクチュエータ４０２、電極４０１および４０３ならびにノズルプレート５００を覆う。保護前面は、ノズル６０１のためのおよびボンドパッド７００のための開口を有する。保護前面材料は、化学的に不活性であり、不浸透性である。また、保護前面材料は、吐出される流体に対して撥水性であってよい。保護前面材料の機械的特性は、圧電アクチュエータ４００およびノズルプレート５００の押し出し動作への影響を最小化するように注意深く選ばれる。保護前面材料は、例えば、処理温度および化学的処理適合性に関して、ＣＭＯＳ適合性処理フローによって製造可能であるように選ばれる。保護前面６００は、電極４０１および４０３ならびに圧電アクチュエータ４０２のいずれかとの流体の接触を防止する。適切な保護前面材料としては、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）または関連する材料がある。

図３は、第１の実施形態による、保護コーティング６００が取り除かれた状態の、一体式液滴吐出器構造１の特徴を図示するノズルの平面図である。破線は、下方の圧電アクチュエータ４００の流体入口１０３の位置を示す。

使用時には、流体液滴吐出器デバイス１は、流体入口１０３に流体を供給可能な基板に装着される。流体圧は、典型的には、流体入口１０３においてわずかに負圧であり、流体入口チャンネル１０１は、典型的には、表面張力によって引き起こされる毛細管現象によって「呼び水を差され」または流体で充填される。流体入口１０３に呼び水が差されると、ノズル６０１は、毛細管現象によって保護前面６００の外側面まで呼び水が差される。流体は、負の流体圧とノズル６０１の幾何画的形状との組み合わせによって、ノズル６０１を通り過ぎて保護面６００の外側面の上まで移動することはない。

アクチュエータ駆動回路２０１および２０２は、包括的駆動回路２０３からのタイミング信号に応じて駆動電極４０１および４０３への電圧パルスの印加を制御する。圧電材料４０２にわたる電極電圧の印加は、電場を生じさせる。この場の印加は、圧電材料４０２を変形させる。この変形は、材料における極性の向きに対する電場の向きに応じて引張歪みまたは圧縮歪みのどちらかであり得る。圧電材料４０２の伸長または収縮に起因して誘起された歪みは、ノズルプレート５００、圧電アクチュエータ４００および保護前方層６００の厚さに歪み勾配をもたらし、流体入口チャンネルに対して垂直な移動または変位を起こす。

圧電材料の圧電特性は、横圧電定数ｄ_３１によって部分的に特徴づけられ得る。ｄ_３１は、第１の方向に垂直な第２の方向沿って圧電材料において誘起された歪みに対して前記第１の方向において圧電材料にわたって印加される電場に関連する圧電係数テンソル量の特定の成分である。図示される圧電アクチュエータ４００は、印加された電場が、電場が印加された方向に垂直な方向において材料に歪みを誘起するように構成され、従って、ｄ_３１定数によって特徴づけられる。

ＤＣまたは一定の電場の印加は、ノズルプレート５００の正または負の実変位を起こし得る。ノズルプレートの正の変位は図４（ａ）に図示される。

パルス式の電場の印加は、ノズルプレート５００を振動させ得る。ノズルプレートのこの振動は、ノズルプレート５００の下の流体入口１０３に圧力を誘起し、ノズル６０１から外へ液滴を吐出させる。ノズルプレートの振動の振動数および振幅は、主に、ノズルプレート５００、圧電アクチュエータ４００、保護層６００の質量および剛性、流体特性（例えば、流体密度、流体粘性（ニュートン粘性または非ニュートン粘性）、および表面張力）、ノズルおよび流体入口の幾何学的形状、ならびに両駆動パルスの構成の関数である。

図４は駆動パルスの実施態様を図示する。電極４０１および４０３にわたる電圧パルスが図示される。電場の方向は、Ｅとラベル付けられ、撓みはｘとラベル付けられる。

電極にわたる定常電場またはＤＣ電場の印加は、図４（ａ）に図示されるように、圧電層４０２における収縮と、流体入口から離間するノズルプレートの定常撓みとをもたらす。ノズルプレートの下の流体圧は、流体入口供給圧力と同じである。歪みエネルギーは、ノズルプレート５００、圧電アクチュエータ４００および保護層６００に蓄えられる。

図４（ｂ）に図示されるように、この電場が除去され、逆向きの電場パルスが印加される。これは蓄えられた歪みエネルギーの解放と、圧電材料４０２の追加的な伸長の印加との両方をもたらす。図４（ｂ）に図示されるように、アクチュエータは、流体入口に向かって移動する。これは、流体入口およびノズル領域において正圧をもたらし、ノズル６０１から外へ液滴を吐出させる。逆向きの電場パルスは、ＤＣパルスの除去の直後に与えれてよく、またはわずかな期間遅延して与えられてもよい。

圧電材料４０２にわたる電場の最終的な除去は、ノズルプレート５００を歪みが誘起されていない位置に戻す。

デバイスにおける任意のノズル−アクチュエータ−ノズルプレートのための２つの電極の制御は、圧電材料の固有の極性に対する印加される電場の方向の切り換えを促進する。これは、デバイスが蓄えられた歪みエネルギーをノズルプレート５００およびアクチュエータ４００の構造内に組み入れることを可能にする。この蓄えられた歪みエネルギーの解放および統合は、ノズルプレートの液滴吐出振動の間の体積変位を増大する。体積変位の増加は、印加される電圧および電場を増加させる必要なく達成される。

図４（ａ）において説明されたＤＣ電場構成を、図４（ｂ）に図示されたパルス場構成によって置き換えることも可能である。これは、より長い期間の間、任意の印加された歪み効果を最小化するという利点を有する。場のパルスの切り換えの印加のタイミングによって、２重パルス式の手法の追加的な利点が可能になる。第１のパルスの印加は、図４（ｂ）に図示されるような、流体入口から離間するノズルプレートの初期移動を伴う振動を誘起する。この振動は、ノズルプレートの下に負の流体圧をもたらし、このことは、ノズルに向かう有効な流体流動をもたらし、ノズルを通る流体吐出流を追加的に増大させ得る。

図５は、液滴吐出器デバイスのための製造プロセスフローを図示する概略図である。図５（ａ）に図示されるように、第１の製造ステップは、シリコンウエハ基板の面上に駆動回路および相互接続層３００、例えば、ＣＭＯＳ駆動回路および相互接続部を作成することである。ＣＭＯＳ駆動回路は、標準的な処理、例えば、ｐ型またはｎ型基板上へのイオン注入によって形成され、次いで、標準的なＣＭＯＳ製作処理（例えば、イオン注入、化学気相堆積（ＣＶＤ：ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｕｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、物理気相堆積（ＰＶＤ）、エッチング、化学機械平坦化（ＣＭＰ）および／または電気めっき）によって配線相互接続層が作成される。

後続の製造ステップは、一体式液滴吐出器デバイスの特徴および構造を定めるように実行される。後続のステップは、前のステップにおいて形成された構造に損傷を与えないように選ばれる。重要な製造パラメータは、ピーク処理温度である。高温度におけるＣＭＯＳの処理に関する問題としては、ドーパント可動性および相互接続配線機構の劣化がある。ＣＭＯＳ電子装置は、４５０℃の温度に耐えることが知られている。しかしながら、高い歩留まりのためには、大幅に低い（すなわち、３００℃よりも低い）温度が望ましい。

図５（ｂ）に図示されるように、ノズルプレート５００、圧電アクチュエータ４００、保護層６００およびボンドパッド７００は、相互接続層の上に形成される。

ノズルプレート５００は、ＣＶＤまたはＰＶＤ処理を使用して堆積される。

ＣＭＯＳ適合性圧電材料４０２の形成は、これはアクチュエータの重要な駆動要素であるので、特に関心の対象となる。表１は、いくつかの一般的な圧電材料およびそれらに関連する製造方法を、典型的なｄ_３１値とともに列記している。最も大きいｄ_３１値を有する材料は、一体式ＣＭＯＳ構造の製造に適合しないことが分かる。ＣＭＯＳ構造に適合する材料のｄ_３１値は低く、従って、大幅に低い押し出し能力しか有さない。

表から分かるように、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）は、ＰＶＤ（スパッタリングを含む）によって低温度において堆積され得るが、それに続いて、ＣＭＯＳにとって許容される温度を超える温度における焼きなましの後処理を必要とする。ＰＺＴは、ゾルゲル法によっても堆積され得るが、これもまたＣＭＯＳの限界を超える高温度の焼きなましを必要とする。また、ＰＺＴの堆積は、商業的に実行することのできない非常にゆっくりとした速度ものである。更にＰＺＴは鉛を含有し、これは環境的に望ましいものではない。

ＺｎＯ、ＡｌＮ、およびＡｌＮ化合物（ＳｃＡｌＮなど）材料は、焼きなましなどの後処理を必要としない低温度ＰＶＤ（例えば、スパッタリング）処理を使用しても堆積され得る。これらの材料は極性調整も必要としない。極性調整ステップは、ＰＺＴでは必要となり、その場合、材料は、全ての電気双極子を場の方向に向ける非常に強い電場に晒される。

従って、ＺｎＯ、ＡｌＮ、およびＡｌＮ化合物（例えば、ＳｃＡｌＮ）材料は、一体式液滴吐出器デバイスの製作のために商業的に実行可能な材料である。しかしながら、これらの材料のｄ_３１の値は、ＰＺＴのものよりも著しく低い。吐出効率を向上させるノズルの特定の構成（すなわち作動可能なノズルプレート）、および（図４に図示されるように）作動効率を向上させる２つの制御電極の使用は、これらの材料に関連するより低いｄ_３１値を無効にする。

圧電電極材料は、ＰＶＤ（低温度スパッタリングを含む）などのＣＭＯＳ適合性処理を使用して堆積される。典型的な電極材料としては、チタニウム（Ｔｉ）、プラチナ（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）またはそれらの合金があり得る。電極は、標準的なパターニングおよびエッチング方法によって形成される。

保護材料は、スピンオンおよびキュア法（ｓｐｉｎ ｏｎ ａｎｄ ｃｕｒｅ ｍｅｔｈｏｄ）（ポリイミドまたは他の高分子材料に適している）を使用して堆積、およびパターニングされ得る。ＰＴＦＥなどのいくつかの材料は、より固有の堆積およびパターニング手法を必要とすることがある。

ボンドパッドは、ＣＶＤまたはＰＶＤ（例えば、スパッタリング）などの方法を使用して堆積される。

図５（ｃ）に図示されるように、流体入口チャンネルは、高アスペクト比の深掘反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ：Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法を使用して形成される。流体入口は、ウエハ表裏面位置合わせツールを使用してノズル構造と位置合わせされる。表裏面位置合わせおよびエッチングステップ中に、ウエハはハンドルウエハに装着されてよい。

ダイを個片化するためにもＤＲＩＥ手法が使用されてよいが、ウエハソーなどの他の手法も使用されてよい。

第２の例示的実施形態
図６は、電極構造の代替的な実施態様を図示する断面図である。この実施形態において、電極４０３は、配線３０２によって、駆動回路ではなく接地ライン２０４に接続される。接地ライン２０４は、相互接続層３００内に位置し、駆動回路領域２０３に接続され、または接地されたボンドパッド７００に直接的に接続される。

第３の例示的実施形態
図７は、この液滴吐出器デバイスに適合する代替的な駆動パルスの実施態様を図示する概略図である。図７において図示されるように、電圧パルスは、電極のうちの一方にだけ、例えば４０１にだけ印加される、これは、圧電アクチュエータ４００を通る電場を生み、ノズルプレート５００の下向きの変位をもたらす。駆動パルスが電極４０３に印加され、接地電圧が電極４０１に印加されるようにデバイスを構成することも可能である。

第４の例示的実施形態
図８は、ノズル構造の代替的な実施態様の断面を図示する概略図であり、流体入口１０１の近傍でノズルプレート層５００に取り付けられた相互接続層３０４の延伸を図示する。相互接続層の延伸部３０４は、如何なる配線も有さず、誘電材料だけを含んでよい。別の変形例において、デバイスはノズルプレート層を有さず、圧電アクチュエータに取り付けられた相互接続層だけを有する。

第５の例示的実施形態
図９は、ボンドパッド構造の代替的な実施態様を図示する断面図である。保護前面は、ボンドパッド７０１の近傍で取り除かれている。この幾何学的形状は、外部配線機構のアクセス性を向上させ、チップの高さより上のワイヤ接合の全体的な高さを減少させる。

本明細書において開示された発明の範囲内で、更なる変形および修正がなされ得る。

デバイスは、シリコンウエハ基板上に形成されてよい。代替的に、基板は、シリコンオンインシュレータ（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハまたはＩＩＩ−Ｖ族半導体ウエハを含んでよい。

流体入口チャンネルは、実質的に筒状であってよく、従って、基板の平面において、実質的に円形状の断面を有してよい。代替的に、流体入口チャンネルは、多面的な形状、規則的な形状、不規則的な形状などを含む様々な他の断面をとってよい。流体入口チャンネルの形状は、典型的には、ノズルのレイアウト、駆動電子装置の配置、相互接続層３００における配線ルーティングなどの、一体式チップデザインの他の態様に依存する。

断面形状は、機構の不良をもたらすことなくプリントヘッドチップの幅を最小化するように選択されてもよい。機構の不良は、構造的なもの（例えば、流体入口が多すぎるとチップの堅牢性を減少させることがある）であったり、動作的なもの（例えば、相互接続ワイヤが適切な電流を伝送するためには不十分であることがある）であったりすることがある。プリントヘッドの幅を減少させることは、単一のウエハ上に製造できるチップの数を増加させるので、望ましい。

Claims (40)

1. プリントヘッドのための液滴吐出器であって、
   装着面および反対側のノズル面を有する基板と、
   前記基板と一体化された少なくとも１つの電子コンポーネントと、
   前記基板の前記ノズル面の少なくとも一部分に形成されたノズル形成層と、
   少なくとも一部前記基板によって、および少なくとも一部前記ノズル形成層によって画定された流体チャンバであって、少なくとも一部前記ノズル形成層のノズル部分によって画定された流体チャンバ出口を有する流体チャンバと、
   前記ノズル形成層の前記ノズル部分の少なくとも一部分に形成された圧電アクチュエータであって、第１および第２の電極の間に設けられた圧電体を備え、前記第１および第２の電極のうちの少なくとも１つは、前記少なくとも１つの電子コンポーネントに電気的に接続され、前記圧電体は、４５０℃よりも低い温度において処理可能な１つまたは複数の圧電材料を含む、圧電アクチュエータと、
   前記圧電アクチュエータおよび前記ノズル形成層を覆う保護層と、を備える液滴吐出器。
2. 前記１つまたは複数の圧電材料は、４５０℃よりも低い温度において堆積可能である、請求項１に記載の液滴吐出器。
3. 前記１つまたは複数の圧電材料は、ＰＶＤ堆積された圧電材料である、請求項１または２に記載の液滴吐出器。
4. 前記１つまたは複数の圧電材料は、窒化アルミニウムおよび／または酸化亜鉛を含む、請求項１から３までのいずれか一項に記載の液滴吐出器。
5. 前記窒化アルミニウムは更に、以下の元素、すなわち、スカンジウム、イットリウム、チタニウム、マグネシウム、ハフニウム、ジルコニウム、スズ、クロム、ホウ素のうちの１つまたは複数を含む、請求項４に記載の液滴吐出器。
6. 前記圧電体は、アルミニウムおよび窒素、ならびに、任意選択で、スカンジウム、イットリウム、チタニウム、マグネシウム、ハフニウム、ジルコニウム、スズ、クロム、ホウ素から選択される１つまたは複数の元素を含むセラミック材料から形成される、請求項１から５までのいずれか一項に記載の液滴吐出器。
7. 前記１つまたは複数の圧電材料は、非強誘電性圧電材料である、請求項１から６までのいずれか一項に記載の液滴吐出器。
8. 前記圧電体は、１０ｐＣ／Ｎ未満の大きさを有する圧電定数ｄ₃₁を有する、請求項１から７までのいずれか一項に記載の液滴吐出器。
9. 前記基板と一体化された前記少なくとも１つの電子コンポーネントは、前記基板と一体化された少なくとも１つのＣＭＯＳ電子コンポーネントからなる、請求項１から８までのいずれか一項に記載の液滴吐出器。
10. 一体式液滴吐出器である、請求項１から９までのいずれか一項に記載の液滴吐出器。
11. 前記ノズル形成層は、ノズルプレートを備える、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の液滴吐出器。
12. 前記ノズル形成層は、電気相互接続層を備える、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の液滴吐出器。
13. 前記電気相互接続層は、前記基板と前記ノズルプレートとの間に設けられる、請求項１１に従属する請求項１２に記載の液滴吐出器。
14. 前記ノズル形成層の前記ノズル部分の少なくとも一部を形成する前記電気相互接続層のノズル部分は、誘電材料からなる、請求項１２または１３に記載の液滴吐出器。
15. 前記基板の前記装着面は、前記流体チャンバと流体連通する流体入口開口を備える、請求項１から１４までのいずれか一項に記載の液滴吐出器。
16. 前記流体チャンバは実質的に筒状であり、前記ノズル形成層の前記ノズル部分は実質的に環状である、請求項１から１５までのいずれか一項に記載の液滴吐出器。
17. 複数の、請求項１から１６までのいずれか一項に記載の液滴吐出器を備えるプリントヘッド。
18. 前記複数の液滴吐出器は、共通基板を共有する、請求項１７に記載のプリントヘッド。
19. プリントヘッドのための液滴吐出器を製造する方法であって、
    第１の面および前記第１の面の反対側の第２の面を有する基板を提供するステップと、
    前記基板の前記第２の面内にまたは前記基板の前記第２の面上に少なくとも１つの電子コンポーネントを形成するステップと、
    前記基板の前記第２の面上にノズル形成層を形成するステップと、
    ４５０℃よりも低い温度において、前記ノズル形成層上に圧電アクチュエータを形成するステップと、
    前記圧電アクチュエータおよび前記ノズル形成層を覆う保護層を形成するステップと、
    前記基板において流体チャンバを形成するステップと、を備える方法。
20. 前記圧電アクチュエータを形成する前記ステップは、前記ノズル形成層上に第１の電極を形成するステップと、４５０℃よりも低い温度において、前記第１の電極上に１つまたは複数の圧電材料の少なくとも１つの層を形成するステップと、１つまたは複数の圧電材料の前記少なくとも１つの層上に第２の電極を形成するステップと、を備える、請求項１９に記載の方法。
21. １つまたは複数の圧電材料の前記少なくとも１つの層を形成する前記ステップは、４５０℃よりも低い温度において、物理気相堆積によって、１つまたは複数の圧電材料の前記少なくとも１つの層を堆積するステップを備える、請求項２０に記載の方法。
22. 前記１つまたは複数の圧電材料は、窒化アルミニウムおよび／または酸化亜鉛を含む、請求項２０または２１に記載の方法。
23. 窒化アルミニウムは更に、以下の元素、すなわち、スカンジウム、イットリウム、チタニウム、マグネシウム、ハフニウム、ジルコニウム、スズ、クロム、ホウ素のうちの１つまたは複数を含む、請求項２２に記載の方法。
24. 前記圧電アクチュエータを形成する前記ステップは、圧電体を、アルミニウムおよび窒素、ならびに、任意選択で、スカンジウム、イットリウム、チタニウム、マグネシウム、ハフニウム、ジルコニウム、スズ、クロム、ホウ素から選択される１つまたは複数の元素を含むセラミック材料から形成するステップを備える、請求項２０から２３までのいずれか一項に記載の方法。
25. 前記１つまたは複数の圧電材料は、非強誘電性圧電材料である、請求項２０から２４までのいずれか一項に記載の方法。
26. 前記基板の前記第２の面内にまたは前記基板の前記第２の面上に少なくとも１つの電子コンポーネントを形成する前記ステップは、前記基板内にまたは前記基板上に少なくとも１つのＣＭＯＳ電子コンポーネントを一体的に形成するステップを備える、請求項１９から２５までのいずれか一項に記載の方法。
27. 前記基板、前記少なくとも１つの電子コンポーネント、前記ノズル形成層、前記圧電アクチュエータ、および前記保護層を一体的に形成し、それによって一体式液滴吐出器を形成するステップを更に備える、請求項１９から２６までのいずれか一項に記載の方法。
28. 前記ノズル形成層を形成する前記ステップは、ノズルプレートを形成するステップを備える、請求項１９から２７までのいずれか一項に記載の方法。
29. 前記ノズル形成層を形成する前記ステップは、電気相互接続層を形成するステップを備える、請求項１９から２８までのいずれか一項に記載の方法。
30. 前記基板の前記第２の面上に前記電気相互接続層を形成するステップと、次いで、前記電気相互接続層上に前記ノズルプレートを形成するステップと、を備える、請求項２８に依存する請求項２９に記載の方法。
31. 共通基板上に複数の液滴吐出器を形成するステップを備え、各液滴吐出器は、請求項１９から３０までのいずれか一項に記載の方法によって形成される、プリントヘッドを製造する方法。
32. プリントヘッドのための液滴吐出器であって、
    装着面および反対側のノズル面を有する基板と、
    前記基板と一体化された少なくとも１つの電子コンポーネントと、
    前記基板の前記ノズル面の少なくとも一部分に形成されたノズル形成層と、
    少なくとも一部前記基板によって、および少なくとも一部前記ノズル形成層によって画定された流体チャンバであって、少なくとも一部前記ノズル形成層のノズル部分によって画定された流体チャンバ出口を有する流体チャンバと、
    前記ノズル形成層の前記ノズル部分の少なくとも一部分に形成された圧電アクチュエータであって、窒化アルミニウムおよび／または酸化亜鉛から形成された圧電体を備え、前記圧電体は、第１および第２の電極の間に設けられ、前記第１および第２の電極のうちの少なくとも１つは、前記少なくとも１つの電子コンポーネントに電気的に接続され、前記圧電体は、４５０℃よりも低い温度において処理可能な１つまたは複数の圧電材料を含む、圧電アクチュエータと、
    前記圧電アクチュエータおよび前記ノズル形成層を覆う保護層と、を備える液滴吐出器。
33. 前記圧電体は、ＰＶＤ堆積された圧電体である、請求項３２に記載の液滴吐出器。
34. 前記窒化アルミニウムは更に、以下の元素、すなわち、スカンジウム、イットリウム、チタニウム、マグネシウム、ハフニウム、ジルコニウム、スズ、クロム、ホウ素のうちの１つまたは複数を含む、請求項３２または３３に記載の液滴吐出器。
35. 複数の、請求項３２から３４までのいずれか一項に記載の液滴吐出器を備えるプリントヘッド。
36. 前記複数の液滴吐出器は、共通基板を共有する、請求項３５に記載のプリントヘッド。
37. プリントヘッドのための液滴吐出器を製造する方法であって、
    第１の面および前記第１の面の反対側の第２の面を有する基板を提供するステップと、
    前記基板の前記第２の面内にまたは前記基板の前記第２の面上に少なくとも１つの電子コンポーネントを形成するステップと、
    前記基板の前記第２の面上にノズル形成層を形成するステップと、
    前記ノズル形成層上に第１の電極を形成するステップと、
    ４５０℃よりも低い温度において、前記第１の電極及び前記ノズル形成層上に窒化アルミニウムおよび／または酸化亜鉛の少なくとも１つの層を形成するステップと、
    窒化アルミニウムおよび／または酸化亜鉛の前記少なくとも１つの層上に第２の電極を形成するステップと、
    圧電アクチュエータおよび前記ノズル形成層を覆う保護層を形成するステップと、
    前記基板において流体チャンバを形成するステップと、を備える方法。
38. 前記窒化アルミニウムおよび／または酸化亜鉛の少なくとも１つの層を形成する前記ステップは、４５０℃よりも低い温度において、物理気相堆積によって、窒化アルミニウムおよび／または酸化亜鉛の前記少なくとも１つの層を堆積するステップを備える、請求項３７に記載の方法。
39. 前記窒化アルミニウムは更に、以下の元素、すなわち、スカンジウム、イットリウム、チタニウム、マグネシウム、ハフニウム、ジルコニウム、スズ、クロム、ホウ素のうちの１つまたは複数を含む、請求項３７または３８に記載の方法。
40. 共通基板上に複数の液滴吐出器を形成するステップを備え、各液滴吐出器は、請求項３７から３９までのいずれか一項に記載の方法によって形成される、プリントヘッドを製造する方法。
    

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