EP0714774B1 - Procédé de fabrication micromécanique de buses ou jets de liquide - Google Patents
Procédé de fabrication micromécanique de buses ou jets de liquide Download PDFInfo
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Description
La présente invention se rapporte à un procédé
de fabrication micromécanique de buses pour jets de
liquide. Elle s'applique à tous les systèmes utilisant
des jets de liquide de grande précision dans le domaine
médical, le domaine de la biologie ou encore de
l'imprimerie, par exemple. L'invention s'applique en
particulier à la fabrication de buses pour des têtes
d'imprimantes à jet d'encre goutte à goutte ou à jet
continu.
Dans la fabrication de têtes d'imprimantes, la
réalisation des buses de jet d'encre est une étape
décisive dans la mesure où elle conditionne la qualité
de l'impression. Aussi, pour réaliser les buses a-t-on
recours à des techniques connues en microélectronique.
A titre d'exemple, le document (1) référencé à
la fin de la présente description, décrit un procédé de
fabrication précis de buses circulaires en gravant des
trous dans une tranche de silicium d'orientation
cristalline 〈100〉. Le document (2), référencé à la fin
de la présente description, concerne un procédé
similaire pour la fabrication sur un même substrat
d'une pluralité de buses. Ces buses permettent la
formation de jets de liquide perpendiculairement au
plan du substrat dans lequel elles sont formées.
Les méthodes d'usinage de fines rainures à la
surface d'une tranche de silicium d'orientation
cristalline 〈100〉 et 〈110〉, présentées dans le document
(1) peuvent aussi être mises à profit pour la
fabrication de buses dont l'axe d'éjection de liquide
est parallèle à la tranche de substrat.
Ceci apparaít, par exemple, dans le document
(3) également référencé à la fin de la présente
description.
La figure 1, annexée, permet de comprendre le
fonctionnement et la fabrication de telles buses.
Une ou plusieurs rainures 10 sont gravées à la
surface 12 d'un premier substrat 14. Un deuxième
substrat 16 est scellé sur le premier substrat 14 de
façon à recouvrir les rainures 10 et former ainsi des
canaux. L'ensemble du premier et second substrats est
ensuite découpé perpendiculairement aux rainures 10
pour ouvrir les canaux et former des buses 18 qui
débouchent sur la face 20 découpée représentée par une
ligne discontinue.
Un ou plusieurs réservoirs 22 sont également
prévus, en connexion avec une ou plusieurs buses 18
pour les alimenter avec un liquide, tel que de l'encre
par exemple. Une tête d'impression comporte également
des éléments actifs tels que des électrodes ou des
éléments piézoélectriques de commande de l'impression
qui pour des raisons de simplification n'apparaissent
pas sur la figure.
La gravure des rainures dans le substrat 14 et
le scellement du deuxième substrat sur le premier
substrat sont des opérations bien maítrisées
actuellement et ne posent donc pas de problème
particulier.
L'opération de découpe ou de sciage pour ouvrir
les canaux restent cependant un point particulièrement
délicat de la fabrication.
La découpe des substrats est, de façon connue,
réalisée au moyen de lames usinant les substrats, en
l'occurrence le silicium, par arrachement de matière.
La découpe des substrats pose deux problèmes majeurs
illustrés à la figure 2 qui est une vue, à plus grande
échelle, de la face 20 après découpe.
Le premier problème est dû à des poussières 22
qui résultent de la découpe et qui viennent polluer
l'intérieur des buses 18 et qui peuvent, dans certains
cas, former un bouchon obstruant les buses 18. Un
nettoyage délicat des buses, après découpe, s'avère
ainsi nécessaire.
Un second problème est dû à la formation
d'écailles 24 sur les arêtes d'intersection 26 du plan
de découpe de la face 20 et les buses 18. Ces écailles
ont des effets néfastes sur la qualité des jets.
En effet, les écailles entraínent des
dispersions dans la direction des jets ainsi que des
instabilités pouvant modifier le comportement dynamique
des jets.
La taille des écailles dépend des conditions de
découpe. Le document (4) référencé à la fin de la
présente description décrit à ce sujet un procédé pour
minimiser la taille des écailles.
D'après le document (4) les écailles plus
grandes que 2µm ne sont pas acceptables pour des
imprimantes thermiques. Pour éviter de telles écailles,
la face de sortie au niveau des buses est obtenue par
une première découpe avec une lame à base de résine
d'une épaisseur de 100 à 250µm (4 à 10 mils) et ayant
une vitesse de rotation de 32000 à 45000 tr/min. La
découpe complète des deux substrats est réalisée avec
une lame standard, mais plus fine que la précédente.
Dans ce document sont également décrits tous les
paramètres de découpe. Il persiste cependant des
écailles de la taille de l'ordre du micron sur les
arêtes des buses. Pour certaines applications,
l'amélioration proposée par le document n'est donc pas
suffisante. Ceci est par exemple le cas des imprimantes
à jets d'encre continus.
Des opérations de polissage de la face de
découpe peuvent éventuellement être envisagées.
D'autres procédés de fabrication de buses ont
été envisagés pour éviter le problème des écailles.
Dans le document (5), par exemple, référence à la fin
de la présente description, le plan de sortie des buses
correspond à un plan cristallin 〈111〉 du silicium usiné
par gravure chimique anisotrope d'un substrat orienté
selon 〈110〉. Un deuxième substrat prédécoupé est
ensuite aligné sur le plan de sortie des buses. Cette
solution présente l'avantage de ne pas réaliser le plan
de sortie des buses par sciage. En raison des lois de
gravure du silicium, il est cependant impossible dans
ce cas d'avoir des jets perpendiculaires au plan de
sortie des buses si celles-ci sont réalisées par une
attaque anisotrope. Dans l'article précédemment cité,
les buses sont réalisées par une gravure isotrope dont
on sait que la qualité est inférieure à celle d'une
gravure anisotrope.
On connaít également par le document
JP-A-60 032673 un procédé de fabrication de buses dans
lequel les buses sont remplies avec un matériau de
remplissage avant d'être découpées, ce matériau étant
ensuite éliminé.
Un but de la présente invention est, par
conséquent, de proposer un procédé de fabrication
micromécanique de buses de grande précision qui ne
présente pas les inconvénients mentionnés des procédés
connus.
Un autre but de l'invention est de proposer un
procédé qui permette la fabrication de buses dont les
arêtes avec la face d'éjection du liquide sont
dépourvues d'écailles.
Pour atteindre les buts évoqués, l'invention
propose un procédé comportant les étapes suivantes :
Grâce à l'invention, les imperfections et les
écailles qui surviennent lors de l'opération de découpe
se produisent dans le revêtement de protection
intérieur et sont éliminés en même temps que ce
revêtement en laissant une buse nette.
Le procédé de l'invention permet donc de
fabriquer des buses avec une qualité de jet parfaite
quel que soit le mode de découpe. Le mode de découpe
et/ou l'épaisseur du revêtement sont choisis de sorte
que la taille des écailles soit plus petite que
l'épaisseur du revêtement; Le revêtement remplit ainsi
son rôle de protection de la buse.
Selon un aspect particulier de l'invention, le
premier substrat est une tranche d'orientation
cristalline 〈100〉 et, lors de l'étape a) du procédé, on
forme des rainures par gravure anisotrope avec arrêt
sur des plans 〈111〉 du réseau cristallin du premier
substrat.
Le premier et le second substrats peuvent être
choisis en des matériaux identiques ou différents.
Toutefois, selon une mise en oeuvre préférentielle du
procédé, le premier et le second substrat sont en
silicium.
Dans le cas où les substrats sont en silicium,
le revêtement, en oxyde de silicium, peut être éliminé
dans un bain d'acide fluorhydrique.
Selon un autre aspect particulier on peut
réaliser en outre un orifice et/ou un réservoir
d'alimentation de chaque buse, avantageusement, dans au
moins l'un des premier et second substrats.
D'autres caractéristiques et avantages de
l'invention ressortiront mieux de la description qui va
suivre, donnée à titre illustratif et non limitatif, en
référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1, déjà décrite, est une coupe longitudinale schématique d'un détail d'une tête d'imprimante, lors de la fabrication de buses pour jets de liquide,
- la figure 2, déjà décrite, est une vue schématique partielle, à plus grande échelle, d'une face où débouche une buse fabriquée selon des techniques connues,
- la figure 3 est une coupe longitudinale d'un premier substrat illustrant une étape de fabrication d'une buse conformément à l'invention,
- la figure 4 est une coupe longitudinale d'un détail d'une tête d'imprimante, lors de la fabrication d'une buse conformément au procédé de l'invention et présentant un revêtement intérieur de protection de la buse,
- la figure 5 est une vue schématique partielle, à plus grande échelle, d'une face où débouche une buse fabriquée conformément au procédé de l'invention et pourvue d'un revêtement intérieur de protection,
- la figure 6 est une vue schématique partielle d'une face où débouche une buse fabriquée conformément au procédé de l'invention après élimination du revêtement intérieur de protection.
Lors de la description des figures 3 à 5, des
références auxquelles on a ajouté 100 sont utilisées
pour des éléments correspondants, identiques ou
similaires, à des éléments des figures 1 ou 2. Par
ailleurs, les différentes parties des figures ne sont,
pour des raisons de clarté, pas représentées à une même
échelle. Enfin, pour des raisons de simplification, les
figures ne représentent qu'une seule rainure et/ou une
seule buse. Le procédé permet toutefois la fabrication
simultanée d'une pluralité de buses. Ainsi, la
description se réfère-t-elle à une pluralité de buses
dont une seule est chaque fois représentée.
Comme le montre la figure 3, après nettoyage de
sa surface, on forme sur un premier substrat 114 de
silicium, d'orientation 〈100〉, une couche 130 de
nitrure de silicium dans laquelle on pratique des
ouvertures longitudinales 132 orientées suivant la
direction 〈110〉 et définissant un emplacement pour des
rainures.
On soumet cette structure par exemple à un bain
d'hydroxyde de potassium, symbolisé par des flèches,
pour réaliser une gravure anisotrope de rainures 110.
Le temps de gravure est choisi suffisant pour
obtenir des rainures par arrêt sur deux plans
cristallographiques 〈111〉 du réseau cristallin de
silicium. Ceci permet d'exploiter la parfaite qualité
géométrique des orientations cristallines.
Le procédé met à profit la différence de
vitesse d'attaque de gravure sur les différents plans
cristallographiques du substrat. On peut se référer à
ce sujet également au document 1.
Selon un procédé analogue, on grave dans un
deuxième substrat 116, visible à la figure 4, un
réservoir 122 pour alimenter la (ou les) buse(s) par
exemple en encre. Le réservoir peut selon une variante
être également réalisé directement dans le premier
substrat.
Après gravure des substrats, la couche 130 de
nitrure de silicium est éliminée et les surfaces 112,
112' à sceller respectivement des substrats subissent
un bain qui les rend hydrophiles.
Après rinçage et séchage, les deux substrats
sont scellés directement. Ils sont positionnés puis
pressés l'un contre l'autre pour obtenir la structure
représentée à la figure 4 où le second substrat
recouvre les rainures pour former des canaux.
Un premier traitement thermique est effectué
pour créer des liaisons chimiques à l'interface 112,
112' entre les deux substrats 114 et 116 et pour
assurer ainsi un bon comportement mécanique de
l'ensemble.
Vient ensuite la formation d'un revêtement
de protection dans le canal. Il s'agit dans
l'exemple décrit d'une couche d'oxyde de silicium 138
obtenue par un traitement thermique sous un flux
d'oxygène. Un tel traitement d'oxydation permet un
contrôle précis de l'épaisseur de la couche 138. Pour
permettre cette oxydation, un orifice d'accès aux
canaux doit être prévu. Il s'agit par exemple d'un
orifice 140 du réservoir 122. L'épaisseur de la couche
138 doit être suffisante pour permettre d'éviter les
écailles dans le silicium. Une épaisseur de l'ordre de
1 à 4 µm convient dans l'exemple décrit.
Le procédé se poursuit par la découpe des
substrats assemblés, perpendiculairement aux canaux,
pour former des buses 118 qui débouchent sur une face
120.
Cette surface et la ligne de découpe sont
représentées en trait discontinu sur la figure 4. La
découpe est opérée par exemple par une lame en résine
diamantée. Cette opération permet de définir également
la longueur des buses qui, selon l'application
envisagée, résulte d'un compromis entre les problèmes
de pertes de charge hydraulique des jets de liquide et
les problèmes de stabilité et de précision dans la
direction des jets.
La figure 5 montre la face 120 des substrats
après découpe. On distingue sur cette figure une buse
118 et la couche d'oxyde 138 qui forme le revêtement de
protection intérieur. La couche s'étend sur la face
112' du substrat 116 délimitant la buse et sur les
faces correspondant aux plans cristallographiques 〈111〉
du substrat 114. Comme on le constate sur la figure 5,
des écailles 124 se forment sur la couche 138 et des
poussières 122 d'oxyde de silicium se déposent dans la
buse 118.
La structure découpée est enfin plongée dans un
bain d'acide fluorhydrique qui non seulement supprime
la couche d'oxyde 138 mais aussi toutes les poussières
122. On obtient, comme le montre la figure 6, une buse
118 dont l'orifice sur la face 120 est parfaitement
net.
On peut noter que, comparativement à la buse
représentée à la figure 2, les angles de la buse sont
plus arrondis.
Par ailleurs, la profondeur initiale des
rainures et l'épaisseur de la couche de revêtement sont
déterminés de façon à obtenir, après élimination de
cette couche une buse dont le diamètre hydraulique
correspond à l'application envisagée.
Ce diamètre hydraulique est par exemple de
l'ordre de quelques dizaines de micromètres.
Finalement, grâce au procédé de l'invention, il
est possible de réaliser des buses compatibles avec les
exigences de qualité géométrique des buses et donc de
précision de jet pour les imprimantes et en particulier
les imprimantes à jet d'encre continu.
"Fabrication of Novel Three-Dimensional Microstructures by the Anisotropic Etching of 〈100〉 and 〈110〉 Silicon" de Ernest Bassous IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICE, vol. 25, n° 10, pages 1178-1184
US-A-4 106 976
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"Fabrication of an integrated, Planar Silicon,
Ink-jet Structure" de Kurt E. Petersen, IEEE Transactions of Electron Devices, vol. Ed-26, n°12, pages 1918-1920
Claims (6)
- Procédé de fabrication micromécanique de buses pour jets de liquide comportant les étapes suivantes :caractérisé en ce que la formation du revêtement de protection (138) a lieu par oxydation thermique des parois du canal.a) formation d'au moins une rainure (110) à la surface (112) d'un premier substrat (114),b) assemblage du premier substrat (114) avec un second substrat (116) recouvrant la rainure (110) pour former au moins un canal, et, dans l'ordre :c) la formation d'un revêtement de protection (138) intérieur du canal,d) la découpe du premier (114) et du second (116) substrats perpendiculairement au canal pour former au moins une buse (118) pour jet de liquide,e) l'élimination du revêtement de protection (138) intérieur,
- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise en outre un orifice (140) et/ou un réservoir (122) d'alimentation de chaque buse (118) dans au moins un des premier et second substrats.
- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier substrat étant une tranche d'orientation 〈100〉 on forme des rainures (110) lors de l'étape a) par gravure anisotrope avec arrêt sur des plans 〈111〉 du réseau cristallin du premier substrat (114).
- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier (114) et le second (116) substrats sont en silicium.
- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le revêtement de protection intérieur (138) étant de l'oxyde de silicium, on élimine le revêtement (138) dans un bain d'acide fluorhydrique.
- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lors de l'étape a), on forme sur une surface (112) du premier substrat une couche (130) de nitrure de silicium, on pratique dans la couche des ouvertures longitudinales (132) orientées suivant la direction 〈110〉 définissant un emplacement pour les rainures (110), on soumet le premier substrat à un bain d'hydroxyde de potassium pour réaliser une gravure anisotrope puis, après gravure, on élimine la couche de nitrure de silicium.
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