DE3921652A1 - Erzeugung von polymerbeschichtungen auf duesenplatten fuer drucker und schreibgeraete - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Poly­ merbeschichtung auf einer Seite einer Düsenplatte für mit Flüs­ sigkeitströpfchen arbeitende Drucker und Schreibgeräte durch Plasmapolymerisation gasförmiger Kohlenwasserstoffe.

Mit Flüssigkeitströpfchen arbeitende Drucker, sogenannte Tin­ tendrucker, sind bekannt (siehe beispielsweise: "Siemens-Zeit­ schrift", 51. Jahrg. (1977), Seiten 219 bis 221). Bei derarti­ gen Druckern sind in einem Schreibkopf Düsenkanäle angeordnet, durch welche die Schreibflüssigkeit tröpfchenförmig ausgestoßen wird; dies erfolgt mittels Stoßwellen, die durch piezoelektri­ sche Wandler erzeugt werden, welche die Düsenkanäle röhrchen­ förmig umschließen. Zwischen dem Schreibkopf und der Schreib­ walze, d.h. dem Papier, auf das die Schreibflüssigkeit aufge­ bracht wird, ist eine sogenannte Düsenplatte angeordnet. Die Düsenplatte weist eine Anzahl von Düsenöffnungen auf, die mit den Öffnungen der strahlenförmig auseinanderlaufenden Düsen­ kanäle des Schreibkopfes fluchten. Zur Verbesserung des Kontak­ tes zwischen der Düsenplatte und dem Schreibkopf und zum Aus­ gleich von Abstandsdifferenzen, die auch noch zu einem späteren Zeitpunkt auftreten können, ist es zweckmäßig, die dem Schreib­ kopf zugewandte Seite der Düsenplatte mit einer bis zu 50 µm und mehr dicken elastischen Polymerbeschichtung zu versehen.

Aus der DE-OS 25 27 647 ist ein mit Flüssigkeitströpfchen ar­ beitendes Schreibgerät bekannt, das ebenfalls nach dem piezo­ elektrischen Prinzip arbeitet. Bei diesem Schreibgerät, einem sogenannten Kammschreiber, dienen zur Erzeugung der piezoelek­ trischen Bewegungen stabförmige piezoelektrische Wandler, die parallel zueinander nach Art der Zinken eines Kammes angeordnet sind, wobei das freie Ende der einzelnen Stäbe jeweils einer der Öffnungen einer Düsenplatte, auch Düsenträger oder Loch­ matrize genannt, zugeordnet ist. Durch die Bewegung der piezo­ elektrischen Wandler wird dann aus den Öffnungen der Düsenplat­ te die Schreibflüssigkeit ausgestoßen und auf den davor ange­ ordneten Papier- bzw. Aufzeichnungsträger aufgebracht.

Zur einwandfreien Funktion benötigen Schreibgeräte der genann­ ten Art Düsenträger bzw. -platten, welche auf der dem Aufzeich­ nungsträger zugewandten Seite eine lyophobe Beschichtung auf­ weisen, um eine Benetzung durch die Schreibflüssigkeit zu ver­ meiden und auf diese Weise Schreibartefakte auszuschließen, welche das Schriftbild stören könnten. Als Material für der­ artige Beschichtungen, die etwa 1 µm dick sein sollen, eignen sich insbesondere Polymerisate aus perfluorierten Kohlenwasser­ stoffen, die - ähnlich wie Polytetrafluorethylen (PTFE) - eine extrem niedrige Oberflächenenergie bzw. Benetzungsfähigkeit aufweisen. Die Erzeugung der Polymerbeschichtungen kann in der Weise erfolgen, daß auf die Düsenplatten PTFE-Teilchen aus ei­ ner wäßrigen Suspension aufgetragen und dann durch einen Sin­ terprozeß zu einer kompakten Schicht verbunden werden (soge­ nannte Spin-off-Technik).

Aus der EP-PS 00 92 230 ist es bekannt, die lyophoben Schichten auf den Düsenplatten direkt zu erzeugen, und zwar durch eine Hochfrequenz-Niederdruck-Glimmentladung gasförmiger Kohlenwas­ serstoffe, d.h. durch Plasmapolymerisation. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß es dichte und pinhole-freie gleichmäßige Schichten liefert, deren Auftragsdicke leicht zu steuern ist.

Bei der Erzeugung von Polymerbeschichtungen in der vorstehend genannten Weise, d.h. durch Plasmapolymerisation, kann insbe­ sondere dann, wenn Schichten mit größerer Dicke erforderlich sind, nicht ausgeschlossen werden, daß unzulässige Mengen an Plasmapolymerisat auch an die Innenwände der Düsenöffnungen ge­ langen und diese Öffnungen sogar verengen, obwohl hierbei die Gefahr eines Überdeckens der Düsenöffnungen weitaus geringer ist als bei der Spin-off-Technik. Andererseits müssen die In­ nenwände der Düsenöffnungen aber frei von Anteilen lyophober Beschichtungen sein, um das Durchfließen der Schreibflüssigkeit nicht zu beeinträchtigen und die Form der ausgestoßenen Flüs­ sigkeitströpfchen nicht zu verändern. Die Düsenöffnungen müssen außerdem einwandfreie Kanten besitzen, damit die Flüssigkeits­ tröpfchen die richtige Flugrichtung aufweisen.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren der eingangs ge­ nannten Art in der Weise auszugestalten, daß nicht nur eine pinhole-freie und gleichmäßige Beschichtung von Düsenplatten möglich ist, sondern daß auch eine scharfe Strukturierung im Bereich der Düsenöffnungen erfolgt, d.h. daß die Öffnungen der Düsenplatten und deren Innenwände frei von Anteilen an Polymer­ beschichtung sind.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß nach der Be­ schichtung die beschichtete Seite der Düsenplatte ganzflächig abgedeckt wird, und daß die unbeschichtete Seite der Düsenplat­ te einem Sauerstoffplasma ausgesetzt wird, wodurch ein reakti­ ves Ionenätzen erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Beibehaltung der ur­ sprünglichen Größe der Öffnungen der Düsenplatten in einer ra­ tionellen Weise, ohne daß hierzu ein hoher technischer Aufwand erforderlich ist. Dies wäre beispielsweise dann nicht der Fall, wenn die Düsenöffnungen durch den Einsatz von Laserstrahlen freigesetzt würden. Dies würde nämlich nicht nur einen hohen Justieraufwand erfordern, sondern wäre, vor allem bei Düsen­ platten mit vielen Öffnungen, auch sehr zeitraubend.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die bei der Beschich­ tung der Düsenplatten teilweise zugewachsenen Öffnungen wieder vollständig freigeätzt. Dies erfolgt durch eine Behandlung der beschichteten Düsenplatten in einem Sauerstoffplasma (mit RF- Anregung), wobei die organischen Polymeren quantitativ zu gas­ förmigen Produkten abgebaut werden, während das Material der Düsenplatten, die aus Metall bestehen, nicht abgetragen wird. Eine derartige Vorgehensweise wäre aber sehr aufwendig, wenn dabei zum Schutz der beschichteten Seite der Düsenplatten mit einer Abdeckmaske gearbeitet werden müßte, weil hierbei eine Deckungsgleichheit erforderlich wäre.

Es hat sich nun aber überraschenderweise gezeigt, daß die Dü­ senöffnungen auch dann freigelegt werden können, und zwar voll­ ständig und konturenscharf, wenn - entsprechend dem erfindungs­ gemäßen Verfahren - die Behandlung der beschichteten Düsenplat­ ten mit dem sauerstoffhaltigen Niederdruckplasma in der Weise ausgeführt wird, daß die Düsenplatten dem Plasma auf der unbe­ schichteten Seite ausgesetzt werden, während die beschichtete Seite ganzflächig abgedeckt wird, beispielsweise durch eine Elektrode. Das Ätzplasma gelangt in diesem Fall von der Rück­ seite her in die Düsenöffnungen und setzt diese durch reakti­ ves Ionenätzen frei, während es im übrigen Bereich von der Po­ lymerbeschichtung ferngehalten wird.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können alle Öffnungen einer Düsenplatte gleichzeitig und ohne zusätzliche Hilfsmittel konturenscharf freigelegt werden; dieses Verfahren kann somit leicht in einen Fertigungsprozeß eingebaut werden. Das Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich durch rasterelektro­ nenmikroskopische Aufnahmen gut veranschaulichen. Derartige Aufnahmen zeigen, daß nach dem reaktiven Ionenätzen, d.h. nach der Behandlung der Düsenplatten im Sauerstoffplasma, einerseits die Innenwände der Düsenöffnungen völlig frei von Plasmapolyme­ risat sind und die Öffnungen einwandfreie Kanten aufweisen, während andererseits eine gleichmäßige und pinhole-freie Be­ schichtung der Düsenplatten gegeben ist.

Durch die Wahl der Plasmabedingungen, d.h. DC-Vorspannung ("self bias"), Druck und Leistungsdichte, kann beim erfin­ dungsgemäßen Verfahren die Diffusion der ätzwirksamen Spezies beeinflußt werden, insbesondere in der Weise, daß Düsenöffnun­ gen mit beliebiger Ausformung, beispielsweise konische Düsen­ öffnungen, an allen Stellen freigelegt werden. So erfolgt das reaktive Ionenätzen vorteilhaft bei einer DC-Vorspannung zwi­ schen 0 und -1,2 kV; im Sauerstoffplasma wird vorzugsweise ein Druck zwischen 0,01 und 2 mbar aufrechterhalten und die Lei­ stungsdichte im Sauerstoffplasma beträgt vorzugsweise 0,1 bis 10 W/cm².

Durch die Wahl der Kohlenwasserstoffe, d.h. der Ausgangsmono­ meren, lassen sich die chemischen und physikalischen Eigen­ schaften der Polymerbeschichtungen beeinflussen, insbesondere die Beständigkeit gegenüber der Schreibflüssigkeit und die Ela­ stizität. Vorteilhaft finden beim erfindungsgemäßen Verfahren Fluorkohlenstoffe Verwendung, d.h. perfluorierte Kohlenwasser­ stoffe. Derartige Verbindungen sind beispielsweise Tetrafluor­ ethylen, Hexafluorpropen, Perfluorbuten, Octafluorcyclobutan und Perfluorcyclohexan.

Anhand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

Zur Beschichtung der Düsenplatten bzw. für das reaktive Ionen­ ätzen dient jeweils eine Apparatur mit folgendem Aufbau. Ein Glaszylinder mit ca. 80 mm lichter Weite wird oben durch eine Platte aus VA-Stahl abgeschlossen, die kreisförmige Öffnungen zur Gaszufuhr aufweist und von der eine höhenverstellbare Mas­ seelektrode in Form eines auf dem Kopf stehenden Tisches in den Reaktionsraum hineinragt; durch den zentral angeordneten hohlen Fuß des Tisches kann das Gas aus dem Reaktionsraum abgesaugt werden. Zwischen Masseelektrode und Glaszylinder ist ein etwa 1 mm breiter Ringspalt vorhanden, wodurch eine gleichmäßige Gasströmung erreicht wird. Den Boden des Glaszylinders bildet eine Platte aus Polytetrafluorethylen, in welche in der Mitte eine HF-Elektrode aus VA-Stahl eingelassen ist. Diese Elektro­ de, die kühlbar ist, dient gleichzeitig zur Aufnahme der Sub­ strate, d.h. der Düsenplatten.

Nach der Beschickung des Reaktionsraumes mit den Düsenplatten wird zunächst bis zu einem Druck von ca. 10 ^-3 mbar evakuiert. Dann wird die Gaszufuhr geöffnet und die Durchflußrate des Ga­ ses, d.h. Monomer bzw. Sauerstoff, mittels eines Dosierventils eingestellt; der gewünschte Arbeitsdruck wird mittels eines Drosselventils festgelegt. Der Beschichtungs- bzw. der Ätzvor­ gang wird durch Zünden einer Glimmentladung eingeleitet, bei­ spielsweise bei einer Frequenz von 13,56 MHz; hierzu dient ein HF-Generator mit einer (maximalen) Leistung von 500 W. Da die beiden Elektroden verschieden groß sind (Masseelektrode: ca. 45 cm²; HF-Elektrode: ca. 12,5 cm²), bildet sich während der Entladung eine Gleichspannung, die sogenannte "self bias"- Spannung aus, die sich der HF-Spannung überlagert. Dies bedeu­ tet, daß die kleinere Elektrode - bezogen auf die positive Plasmasäule - stärker negativ wird als die größere Elektrode, d.h. die HF-Elektrode wird zur Kathode und die Masseelektrode zur Anode.

Zur Beschichtung gelangen beispielsweise aus Nickel bestehende Düsenplatten für Tintendrucker mit einer Dicke von 0,2 mm und einer Größe von 18 mm · 16 mm. Die Düsenplatten weisen konische Öffnungen mit einer Weite von 55 µm auf der Vorderseite und 70 µm auf der zu beschichtenden Rückseite auf. Unter Verwendung von Octafluorcyclobutan (C₄F₈) als gasförmiges Monomer werden auf derartigen Düsenplatten Glimmpolymerisatschichten mit einer Dicke zwischen 20 und 60 µm abgeschieden.

Um eine ausreichende Haftfestigkeit dicker Schichten zu gewähr­ leisten, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Substratober­ flächen - zur Reinigung - unmittelbar vor der Beschichtung ei­ nem Sputterprozeß mit Argon zu unterwerfen. Dies geschieht bei­ spielsweise bei folgenden Bedingungen:
Arbeitsdruck: 0,2 mbar; Durchflußrate: 250 mbar · cm³ · s^-1; einge­ koppelte HF-Leistung (bei 13,56 MHz): 10 W · cm^-2; DC-Vorspan­ nung: -700 V; Dauer: 5 bis 10 min.

Für die Beschichtung der Düsenplatten (mittels C₄F₈) werden beispielsweise folgende Bedingungen gewählt:
Arbeitsdruck: 0,5 mbar; Durchflußrate: 156 mbar · cm³ · s^-1; einge­ koppelte HF-Leistung (bei 13,56 MHz): 0,86 W · cm^-2; DC-Vorspan­ nung: <-50 V; Abscheidedauer (für eine Schichtdicke von 30 µm): 45 min; oder
Arbeitsdruck: 0,5 mbar; Durchflußrate: 156 mbar · cm³ · s^-1; einge­ koppelte HF-Leistung (bei 13,56 MHz): 1,43 W · cm^-2; DC-Vorspan­ nung: <-50 V; Abscheidedauer (für eine Schichtdicke von 30 µm): 30 min.

Mikroskopische Untersuchungen ergaben, daß die Abscheidung dicker Schichten der vorstehend genannten Art auch zu einer Be­ legung der Innenwände der Düsenöffnungen und zu einem teilwei­ sen Zuwachsen, d.h. zu einer Verengung, führt. So beträgt bei­ spielsweise bei einer Dicke der Polymerbeschichtung von 20 µm die Weite der Düsenöffnungen - anstatt 70 µm - nur noch ca. 55 µm und bei einer Schichtdicke von 70 µm nur noch ca. 35 µm, d.h. 50% des ursprünglichen Wertes.

Um die ursprüngliche Weite der Düsenöffnungen wieder herzustel­ len, wird deshalb - im Anschluß an die Beschichtung - ein reak­ tives Ionenätzen mit Sauerstoff durchgeführt. Die Düsenplatten werden dazu mit der beschichteten Seite auf die HF-Elektrode der Ätzvorrichtung gelegt, so daß diese Seite geschützt ist und die unbeschichtete Seite dem Ätzplasma ausgesetzt wird. Der Ätzvorgang (mit Sauerstoff) erfolgt beispielsweise bei folgen­ den Bedingungen:
Arbeitsdruck: 0,3 mbar; Durchflußrate: 308 mbar · cm³ · s^-1; einge­ koppelte HF-Leistung (bei 13,56 MHz): 2,03 W · cm^-2; DC-Vorspan­ nung: -200 V; Ätzdauer (bei einer Schichtdicke von 30 µm): 4,5 h.

Nach dem Ätzvorgang weisen die Innenwände der Düsenöffnungen keinen Belag mehr auf, d.h. sie sind frei von Plasmapolymeri­ sat, und zwar auf der gesamten Länge. Dies ist deshalb von Be­ deutung, weil das Plasma von der engeren Seite her in die koni­ schen Düsenöffnungen eindringen muß. Die Ränder der Düsenöff­ nungen auf der beschichteten Seite der Düsenplatten sind glatt und scharfkantig, d.h. die nach der Beschichtung ursprünglich vorhandenen wulstförmigen Abrundungen sind verschwunden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann ebenso vorteilhaft bei der Erzeugung dünner Polymerbeschichtungen eingesetzt werden, wie dies beispielsweise bei Düsenplatten für Kammschreiber der Fall ist. Hierbei ist wesentlich, daß die Innenwände der Düsenöff­ nungen lyophil, d.h. frei von lyophobem Plasmapolymerisat sind; außerdem müssen die Ränder der Öffnungen einwandfreie Kanten aufweisen. Bei dünnen Beschichtungen ergibt sich außerdem der Vorteil einer kürzeren Dauer des Atzvorganges und damit eine erhöhte Wirtschaftlichkeit.

Claims (5)

1. Verfahren zur Erzeugung einer Polymerbeschichtung auf einer Seite einer Düsenplatte für mit Flüssigkeitströpfchen arbeiten­ de Drucker und Schreibgeräte durch Plasmapolymerisation gasför­ miger Kohlenwasserstoffe, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nach der Beschichtung die beschichtete Seite der Düsenplatte ganzflächig abgedeckt wird, und daß die unbeschichtete Seite der Düsenplatte einem Sauerstoffplasma ausgesetzt wird, wodurch ein reaktives Ionenätzen erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das reaktive Ionenätzen bei einer DC- Vorspannung zwischen 0 und -1,2 kV erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Sauerstoffplasma ein Druck zwischen 0,01 und 2 mbar aufrechterhalten wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsdichte im Sauerstoffplasma 0,1 bis 10 W/cm² beträgt.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als gasför­ mige Kohlenwasserstoffe Fluorkohlenstoffe eingesetzt werden.