DE69105605T2

DE69105605T2 - Beschichtungsverfahren.

Info

Publication number: DE69105605T2
Application number: DE69105605T
Authority: DE
Inventors: Frank Jansen; Daniel E Kuhman
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1990-04-30
Filing date: 1991-03-26
Publication date: 1995-04-13
Anticipated expiration: 2011-03-27
Also published as: US5073785A; EP0454995A1; EP0454995B1; JPH04229277A; JP2983679B2; DE69105605D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung ist auf Beschichtungsverfahren im allgemeinen und im besonderen auf die Beschichtung verschiedener Komponenten in einer Abbildungs- und Druckvorrichtung gerichtet. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere auf die Beschichtung von Tintenstrahl-Druckköpfen und dergleichen in druckenden Geräten gerichtet, wobei die Beschichtungen abriebsbeständig sind und die Minimierung oder Beseitigung unerwünschter Ablenkung der Tintentropfen ermöglichen, die eine schlechte Bildqualität verursachen kann, was in vielen Fällen der Fall ist. Bei einer Ausführung der vorliegenden Erfindung besteht die gewählte Beschichtung aus amorphem Kohlenstoff, der auch als diamantähnlicher Kohlenstoff bezeichnet wird. Dieses Material kann Wasserstoff, Halogen, insbesondere Fluor, Mischungen davon in allen Teilen der Beschichtungsschicht oder als Schicht auf der freiliegenden Oberfläche der Beschichtung enthalten.
Druckverfahren, die Tintenstrahltechniken benutzen, sind bekannt, und Tintenstrahldrucker, wie z.B. der Tintenstrahldrucker Modell 4020 von Xerox Corporation, sind kommerziel erhältlich. Beispielsweise wird auch in den U.S.-Patenten 4,335,389; 4,392,907 und 4,794,410 eine besondere Tintenstrahl-Drucktechnik dargestellt, die anstelle von elektrostatischen auf thermischen Tintenbeschleunigungsverfahren basiert. Tintenstrahl-Druckverfahren beinhalten meistens die physikalische Abtrennung einer vorbestimmten und gemessenen Menge von Tinte, die ein auf einem Farbstoff basierendes oder ein pigmentiertes flüssiges Material sein könnte, von einer Öffnung. Die spezifischen Einzelheiten dieses Vorgangs, die Abtrennung der flüssigen Tinte von ihren physikalischen Umgebungen, dem Tintenkanal und seiner Öffnung, bestimmen in einem hohen Maße die Richtung, in der die Tinte sich auf das Papier zubewegen wird, und bestimmen daher, wo die Markierung auf dem Papier erzeugt werden wird. Jede mikroskopisch kleine Unregelmäßigkelt, die die Isotropie dieses Tintenöffnungs-Abtrennungsvorgangs beeinflussen würde, wird gewöhnlich die Tinte veranlssen, sich in eine unkontrollierte und nicht beabsichtigte Richtung zu bewegen, d.h., z.B. nicht rechtwinklig zu der durch die Öffnung definierten Ebene. Dies hat eine schlechte Qualität der auf dem Papier gedruckten Bilder und Texte zur Folge. Die Verfahren dieser Erfindung vermeiden oder minimieren das vorerwähnte Problem, das heißt, sie ermöglichen die Minimierung oder Beseitigung der Auswirkungen solcher mikroskopischen Anisotropien der Offnung. In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird dies durch die Bereitstellung von Beschichtungen der Austrittsöffnung erreicht, die die Eigenschaft besitzen, daß sie die für den Druckvorgang verwendete Tinte abstoßen. Diese abstoßende Eigenschaft ist eine quantifizierbare physikalische Eigenschaft, die meistens in Form des Berührungswinkels, den ein kleines Tintentröpfchen mit dieser Beschichtung bildet, ausgedrückt wird. Ein großer Berührungswinkel von Z.B. mehr als 90º weist auf eine abstoßende Art der Beschichtung mit der Tinte hin, und kleinere Berührungswinkel von z.B. weniger als 85º zeigen an, daß die Tinte die Beschichtung bedecken ("benetzen") wird. Die Verfahren der vorliegenden Erfindung stellen Beschichtungsmischungen bereit, die für viele Tintenmischungen auf Farbstoff- und Wasserbasis, einschließlich solcher, die von E.I. DuPont de Nemours, Inc. kommerziel erhältlich sind, eine phobische oder meidende Eigenschaft besitzen. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, Beschichtungen bereitzustellen, die für die vorerwähnten Beschichtungsanwendungen insofern geeignet sind, als die phobische Wirkung beibehalten wird und sich für eine lange Zeit in den Tintenstrahldruckeinrichtungen nicht abnutzt, das heißt Z.B. Abnutzung kann z.B. durch chemische Reaktionen oder mechanischen Abrieb verursacht werden, auch wenn die Beschichtung dem Durchgang von Tintentropfen durch die Öffnung dauernd oder intermittierend ausgesetzt ist. Die Kombination der Eigenschaften der Abstoßung und der ausgedehnten Haltbarkeit wird insbesondere durch die Bereitstellung von Beschichtungen erhalten, die als diamantähnliche oder amorphe Kohlenstoffschichten bekannt sind. Diese Beschichtungen bestehen im wesentlichen aus Kohlenstoff, der etwa 1 bis 60 Prozent, vorzugsweise etwa 1 bis 40 Gew.-%, einwertige Elemente, z.B. Wasserstoff, Halogen, z.B. Fluor, Chlor oder Mischungen davon enthält, die entweder homogen in der ganzen Schicht oder auf der Oberfläche der Kohlenstoffbeschichtung vorhanden sind.
Andere thermische Tintenstrahl-Druckverfahren und -geräte, bei denen die Beschichtungen der vorliegenden Erfindungen gewählt werden können, werden in den U.S.-Patenten 4,639,748; 4,864,329 und der Abände rung 32,572 erläutert.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Minimierung oder Vermeidung von Tropfenablenkung bei Tintenstrahlgeräten zur Verfügung zu stellen, das die vorerwähnten Probleme vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Minimierung oder Vermeidung von Tropfenablenkung erfüllt, das die Merkmale von Anspruch 1 besitzt.
Im allgemeinen ist die Beschichtung in einer wirksamen Dicke von z.B. etwa 1 bis 10um, vorzugsweise etwa 1 bis 5um, vorhanden, jedoch können andere Dicken gewählt werden. Als Beschichtung können diamantähnlicher Kohlenstoff, hydrierter amorpher Kohlenstoff, der z.B. etwa 1 bis 60 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1 bis 40 Gew.-%, Wasserstoff umfaßt, oder halogenierter amorpher Kohlenstoff mit chloriertem und fluoriertem amorphem Kohlenstoff und vorzugsweise fluoriertem amorphem Kohlenstoff gewählt werden, worin das Halogen in einer wirksamen Menge von z.B. etwa 1 bis 40% und vorzugsweise etwa 1 bis 20 Gew.-% vorhanden ist.
In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Vermeidung oder Minimierung der Ablenkung von Tintentröpfchen in einer Tintenstrahl-Druckvorrichtung, einschließlich thermischer Tintenstrahl-Druckvorrichtungen, zur Verfügung gestellt, wobei das Verfahren die Beschichtung der Tintenstrahlkopfkomponenten mit diamantähnlichem Kohlenstoff umfaßt, die durch einen Prozeß hergestellt wird, der das Einbringen des zu beschichtenden Subtstrats in eine Depositionskammer, Anlegen eines Vakuums von etwa 0.133 Pa (1 mTorr) bis etwa 133 Pa (1 Torr), Erhitzen des Substrats auf eine Temperatur von etwa Raumtemperatur bis etwa 300ºC, Einbringen einer Mischung aus Gasen oder Dämpfen in die Depositionskammer, die wenigstens ein kohlenstoffhaltiges Gas enthält, Einstellen des Gesamtdrucks auf einen effektiven Wert von z.B. etwa 0.133 Pa (1 mTorr) bis etwa 133 Pa (1 Torr), Aktivieren, z.B. durch Erhitzen, der Gasmischung in dem gebildeten Plasma sowie das Fortsetzen dieser Aktivierung umfaßt, bis die Beschichtung auf dem Tintendruckkopf gebildet ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Amorphe Kohlenstoffschichten, deren harte Abwandlung diamantähnlicher Kohlenstoff genannt wird, sind bekannt. Eine umfangreiche Übersicht der vorerwähnten Materialien und ihrer Prozesse wird von C. Angus in Kapitel 5 des Buches "Plasma Deposited Films", herausgegeben von J. Mort und F. Jansen und veröffentlicht in 1986 von CRC Press, Boca Raton, Florida, erläutert. Offensichtlich gibt es jedoch keine einheitliche Nomenklatur, um diese Materialien zu bezeichnen. Begriffe wie amorpher Kohlenstoff, diamantartlger Kohlenstoff, DLC-Filme, i- Kohlenstoff und a-C oder a-C:H oder a-C:F oder a-C:H:F werden alle benutzt, um eine Klasse von Schichten, die hauptsächlich aus Kohlenstoff besteht, ohne weitreichende Ordnungszahl zu bezeichnen. Die Eigenschaften dieser Kohlenstoffilme sind generell sehr verschieden von den relativ weichen graphitischen Filmen, die erhalten werden, wenn Kohlenstoff verdampft wird. Der Zusatz von Wasserstoff zu amorphem Kohlenstoff, um hydrierten amorphen Kohlenstoff (a-C:H) zu bilden, kann seine Eigenschaften sehr beeinflussen. Die Filmdichte nimmt im allgemeinen ab, wenn Wasserstoff enthalten ist, und kann bis zu 1.2 Gramm/cm³ niedrig sein. Abhängig von der Wasserstoffkonzentration besitzen diese hydrierten amorphen Kohlenstoffilme oftmals nicht die überlegenen mechanischen Eigenschaften, z.B. Härte und Verschleißfestigkeit, die für das unhydrierte Material typisch sind. Das Einbringen von Wasserstoff mildert jedoch einen Teil der hohen inneren Spannung, die für ein überbeanspruchtes Kohlenstoffgeflecht typisch ist, und erlaubt die Deposition von Filmen mit mehr als 1um Dicke. Die Einbringung von Wasserstoff mit einem Pegel von mehr als 5% und bis zu 60% erhöht auch den Berührungswinkel des Films mit den Tintenstrahl-Zusammensetzungen. Obwohl es unerwünscht ist, durch Theorie eingeschränkt zu werden, glaubt man, daß die Zunahme des Berührungswinkels mit der Abnahme in der ungesättigten Bindungsdichte an der Oberfläche der Kohlenstoffschicht mit zunehmender Wasserstoffkonzentration zusammenhängt. Ein wichtiger Parameter bei der Deposition von dichten und harten Kohlenstoffilmen ist, im Gegensatz zu graphitischen Kohlenstoffilmen, die relativ weich sind, die Bombardierung der Oberfläche des Films während des Wachsens mit energetischen Ionen oder Atomen. Obwohl es unerwünscht ist, durch Theorie eingeschränkt zu werden, kann man vermuten, daß die Bombardierung die Bildung ausgedehnter graphitischer Zonen verhindert und die amorphe Natur und die zufällige Bindung in dem festen Körper fördert. Obwohl viele andere Depositionsverfahren bekannt sind, werden auch diese Filme meistens durch bekannte Verfahren, einschließlich Sputtern, oder durch plasmaangereicherte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) aufgebracht, wie in wissenschaftlichen Veröffentlichungen, z.B. von Jansen et al. im Journal of Vacuum Science and Technology A3, 605, 1985, offenbart. Sputtern kann als ein Dünnfilm-Depositionsverfahren bezeichnet werden, bei dem durch physikalisches Entfernen von Atomen und Molekülen von einer festen Platte oder Scheibe, als Target bezeichnet, ein kondensierbarer Dampfstrom erzeugt wird. Bei Kohlenstoffilmen ist das Target oft hochreines Graphit. Das Target wird mit tragen Gasionen und Atomen ausreichend hoher Energie, typisch 1,000 eV, bombardiert, um die Entfernung des Targetmaterlals zu bewirken. Der Dampfstrom wird durch ein Substrat abgefangen, auf dem das gesputterte Material kondensiert, und der Film wird gebildet. Mehrere verschiedene Sputterverfahren können nach Maßgabe der Einzelheiten, wie die energetischen trägen Gasatome erhalten werden, unterschieden werden. Gleichstrom- und Hochfrequenzsputtern sind bei parallelen Plattensystemen verwendet worden, leiden aber unter dem Problem, daß die Sputterwirkungsgrade für Kohlenstoff sehr niedrig sind. Magnetfelder können benutzt werden, um die Elektronen nahe des Targets einzuschließen und starke Plasmen zu erzeugen. Solche magnetisch verstärkten Entladungen erlauben die Deposition von Kohlenstoffilmen bei höheren Raten. Es gibt Anzeichen, daß ein Bruchteil sowohl des Kohlenstoffs als auch der trägen Gasatome an dem Substrat mit erheblicher Energie eintreffen, um so Bedingungen zu erzeugen, die für das Wachsen von dichten amorphen Kohlenstoffilmen zugänglich sind. Bei jeder dieser Anordnungen kann das Substrat auch vorgespannt werden, um eine weitere Kontrolle über die energetischen Beschußbedingungen während des Wachsens zu erreichen. Eine bessere Kontrolle über die Ionen-Sputterenergie wird erhalten, wenn die Ionen in Ionenkanonen erzeugt und beschleunigt werden. Diese Art des Sputterns wird allgemein als Inonenstrahl-Sputtern bezeichnet. Die Wachstumsumgebung am Substrat kann kontrollierbar verändert werden, indem den Ionen gestattet wird, das Substrat während des Filmwachsens entweder von der ersten oder von einer zweiten Ionenkanone zu beschießen. Mehr Ionenbeschuß hat im allgemeinen einen höheren Grad der Abweichung von der graphitischen Struktur und härtere Filme zur Folge. Mit mehr Ionenbeschuß nimmt jedoch auch die Dichte von chemisch ungesättigten Bindungen zu, und der Berührungswinkel des Films mit z.B. dreifach destilliertem Wasser nimmt ab. Eine Kontrolle über den Berührungswinkel kann erhalten werden, wenn einwertlge Blndungs-Sättigungselemente, z.ß. Wasserstoff oder Fluor, im Kohlenstoff der Filmstrukur enthalten sind. Jedes der bekannten Sputterverfahren kann kann Filme ergeben, die nur aus Kohlenstoff bestehen. Durch Sputtern mit Gasen, die mit Kohlenstoff reagieren ("reaktives" Sputtern) kann man die chemische Zusammensetzung des Films in einer kontrollierten Weise verändern und daher die Eigenschaften des Kohlenstoffilms verändern. Das Element, das die Eigenschaften von Kohlenstoffilmen am stärksten beeinflußt, scheint Wasserstoff zu sein. Da Wasserstoffatome zu leicht sind, um Sputtern zu bewirken, wird normalerweise Wasserstoffgas mit einem schwereren Sputtergas, z.B. Argon, vermischt.
Hydrierte oder halogenierte amorphe Kohlenstoffilme können ebenfalls mit dem bekannten plasmaangereicherten chemischen Gasphasenabscheidungsverfahren (PECVD) aufgebracht werden. Dieses Verfahren benutzt im allgemeinen keine feste Form von Kohlenstoff als Quellenmaterial, sonder eher Kohlenstoff, der Gase oder Dämpfe enthält, die bei einer Glühentladung ("Plasma") zerlegt werden. Kondensationsreaktionen an der Oberfläche des wachsenden Films werden thermisch aktiviert und auch durch Ionenbeschuß beeinflußt. PECVD-Reaktoren sind oft vom parallelen Plattentyp und werden von HF-Leistung erregt und sind daher einer HF-Sputteranordnung sehr ähnlich. Kohlenstoffilme werden so wohl auf der geerdeten als auch der elektrische gespeisten Elektrode aufgebracht. Bei einem symmetrischen System sind die Eigenschaften der auf diesen Elektroden abgelagerten Kohlenstoffilme im wesentlichen identisch. Die DC-Selbstvorspannung an den Elektroden in einem solchen System beträgt eine Hälfte der Amplitude der HF-Spannung. Die Beschußenergien des Films, sowohl durch Ionen als auch durch neutrale Arten, betragen jedoch normal nur einen Bruchteil der Selbstvorspannung infolge von Kollisions- und Ladungsaustauschprozessen in den Umhüllungen an den Elektroden. Elektroden verschiedener Größe können als Folge des Unterschieds in der Elektroden-Selbstvorspannung oft dazu führen, daß sich die Filmeigenschaften unterscheiden. Diese Unterschiede können durch die Einfügung eines Sperrkondensators in die elektrische Versorgungsleitung an die kleinere Elektrode maximiert werden. in dieser Situation kann eine negative DC-Vorspannung von ungefähr der Amplitude der angelegten Hochfrequenzspannung, etwa 800 Volt oder mehr, an dieser Elektrode erhalten werden, während die Vorspannung an der großen Elektrode minimal, z.B. 10 Volt oder mehr, z.B. 100 Volt, ist. Härtere und weniger transparente Filme mit einer geringeren Wasserstoffkonzentration werden an der gespeisten Elektrode im Vergleich zu dem auf der großen Elektrode abgelagerten Film infolge des Unterschieds in den Beschußbedingungen des Films während des Wachsens erhalten. Wasserstoff und/oder Halogen, z.B. Fluor, muß nicht gleichmäßig in dem ganzen Film vorhanden sein, um den Berührungswinkel des Films zu vergrößern; die Anwesenheit dieser Elemente in oder an der Oberfläche oder einer nahen Oberflächenschicht ist bei einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ausreichend. Daher kann eine Optimierung, z.B. der mechanischen Eigenschaften des Films, durch Aufwachsen des Films unter Bedingungen mit hohem Ionenbeschuß erreicht werden, und durch Aussetzen der Oberfläche des bindungsdefekten Films einem Plasma, das Wasserstoff- oder Fluoratome enthält, wird separat der Berührungswinkel erhöht. In einer solchen Weise werden hydrophobische Filme, die auch mechanisch hart sind, erhalten, obwohl diese Eigenschaften als sich gegenseitig ausschließend erscheinen könnten.
Eine für das Verfahren der vorliegenden Erfindung gewählte und wie hierin dargestellt hergestellte oder von kommerziellen Quellen erhaltene spezifische Beschichtung ist diamantähnlicher Kohlenstoff, der aus amorphem Kohlenstoff mit etwa 2 bis 40 Gew.-% und vorzugsweise 10 bis 20 Gew.-% Halogen oder Wasserstoff besteht. Diese Kohlenstofffilme zeigen diamantähnliche Eigenschaften und wegen ihrer Härte sind sie nicht leicht durch einen rostfreien Stahlstift zu zerkratzen, der von Hand gegen die Oberfläche gedrückt und unter erheblicher Kraft quer darüber bewegt wird. Das einwertige Element, z.B. Wasserstoff oder halogenähnliches Fluor, sättigt die freien Bindungen sowohl im Material als auch an seiner Oberfläche. Die Oberflächenenergie wird daher vermindert, und die Oberfläche wird auf die Anwesenheit irgendeiner anderen Substanz, z.B. Wasser oder Tinte, als Repellent reagieren. Diese Eigenschaften machen diese Filme zu einem bevorzugten Material zur Beschichtung von Öffnungsplatten für Tintenstrahldrucker. Halogen und/oder Fluor kann in dem Material enthalten sein, wenn PECVD als Depositionsverfahren für die diamantähnlichen Kohlenstoffilme benutzt wird, oder wenn die Oberfläche eines Kohlenstoffilms einem Plasma ausgesetzt wird, das Wasserstoff- und/oder Fluoratome enthält, besonders, wenn das Niveau der Bindungssättigung nicht hoch genug ist, wie z.B. aus der Beobachtung relativ kleiner Berührungswinkel, 80º, geschlossen wird. Dieses Behandlungsverfahren ist hoch wirksam bei der Erhöhung des Berührungswinkels und verwendet z.B. das Aussetzen der Oberfläche der Beschichtung einem Plasma niedriger Leistungsdichte aus z.B. CF&sub4; oder H&sub2;. Eine solche Behandlung trägt keine Beschichtung auf, sondern modifiziert lediglich die physikalischen und chemischen Eigenschaften der frei liegenden Oberfläche durch die Sättigung der freien Bindungen. Die Fluorbehandlung der Oberfläche ist besonders wirksam beim Erhöhen der Berührungswinkel auf erwünschte Werte von über 90º. Auch fluorlerte Oberflächen, z.B. Teflon , die chemisch relativ träge sind, können für die Beschichtungen gewählt werden, um diesen Oberflächen nichthaftende Eigenschaften zu geben.
Spezifisch kann in einer Ausführung der vorliegenden Erfindung die Deposition und die Bindungs-Passivierungsbehandlung durch Aussetzen des Plasmas dem Halogen, z.B. Flour- oder Wasserstoffplasma, in einer relativ einfachen, bekannten PECVD-Vorrichtung durchgeführt werden, die in der folgenden Zeichnung schematisch dargestellt ist.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung und ein Verfahren, die zur Herstellung der Beschichtungen der vorliegenden Erfindung in einer Ausführung davon gewählt werden können. Diese Zeichnung zeigt eine Vakuumkammer 1 mit Elektroden 3 und 5, die aus Metall, z.B. Aluminium oder rostfreiem Stahl, bestehen und gewöhnlich wassergekühlt sind, und wobei die Elektroden mit einer Vakuumpumpe, nicht gezeigt, verbunden sind; eine Gaseinlaßeinrichtung 7; eine Gasauslaßeinrichtung 9; die auf der Elektrode 5 befindliche zu beschichtende Komponente 11; eine elektrische Stromquelle 15; ein Plasma 17; einen Spannungsregler 19, bei dem die elektrische Leistung entweder an die obere oder die untere Elektrode oder, wenn gewünscht, an beide Elektroden angelegt wird, und bei dem die elektrische Kammer geerdet ist.
Kohlenstoffhaltige Gase, z.B. Kohlenwasserstoffgase, von denen Methan, Ethan und Acetylen Beispiele sind, sind nützliche Vorläufermaterialien für die Deposition von Kohlenstoffbeschichtungen mit diamantähnlichen Eigenschaften. Fluorierte Gase sind ebenfalls nützlich, erfordern aber oft die Anwesenheit von Wasserstoff, um mit dem Fluor zu reagieren, so daß sich ein Film ablagert anstatt sofort durch das Fluor weggeätzt zu werden. Mit Kohlenwasserstoffgasen werden hydrierte amorphe Kohlenstoffilme gebildet, die einen Wasserstoffgehalt von etwa 5 bis 40% und vorzugsweise von etwa 5% bis etwa 15% Wasserstoff besitzen, der an den Kohlenstoff gebunden ist. Mit halogenierten Gasen, z.B. Fluorkohlenstoffgasen, werden flourierte amorphe Kohlenstofflime gebildet, die einen Fluorgehalt von etwa 5 bis etwa 20 Gew.-% und vorzugsweise etwa 5 bis 15 Gew.-% Fluor besitzen, das an den Kohlenstoff gebunden ist. Kohlenwasserstoff- oder Fluorkohlenstoffgase durchfließen das System, Bezugszeichen 1, bevorzugt Z.B. bei reichlicher Anwesenheit eines inerten Gases wie Argon, z.B. in einem 1:10 Verhältnis, und mit Gesamtflußmengen, die etwa 1 Normalliter pro Minute betragen. Diese Filme werden bei relativ niedrigen Temperaturen von etwa Raumtemperatur bis etwa 100ºC durch Zersetzen des Gasgemischs durch elektrische Leistung aufgebracht. Sowohl Gleichstrom als auch HF-Spannung können an eine der Elektroden angelegt werden, aber die härtesten Filme werden auf den Elektroden mit der negativen Vorspannung gebildet. Typische Leistungsdichten liegen im Bereich von 0.01 bis 1 mW/cm² für sowohl HF- als auch Gleichstromleistung. Die gebildeten Filme sind amorph, und die Wachstumsraten bei dem Prozeß liegen typisch bei 0.1 bis 1 um pro Stunde. Die Oberflächeneigenschaften können durch Aussetzen der Oberfläche einem einwertigen Gas, z.B. Wasserstoff oder Fluor, und spezifischer, durch Aussetzen der Oberfläche einem Plasma aus Wasserstoff oder CF4 z.B. für eine Dauer von etwa 10 bis 20 Minuten verbessert werden.
Spezifisch sind handelsübliche PECVD-Reaktorsysteme, z.B. das System PlasmaTherm 700 , hergestellt von Plasma Therm Corporation, erhältlich von Voorhees, NJ, und das System Plasmox , erhältlich von CVC von Rochester, NY, Bezugszeichen 1, Beispiele von nützlichen Reaktorsystemen, die verwendet werden können, um die Beschichtungen auf der Stirnseite eines thermischen Tintenstrahlgerätes aufzubringen. Die Gesamtgasflüsse in diese Systeme während der Deposition können bei allen verschiedenen Zyklen auf 300 Normalkubikzentimenter pro Minute (sccm) eingestellt werden. Zu Anfang wird eine Reinigungs- und Abschlackungsmischung von 50% Argon und 50% Stickstoffoxid in die Reaktionskammer eingeleitet, und der Druck wird bei 20 Pa (150 mTorr) stabilisiert. Eine HF-Leistung (13.56 MHz) wird mit einer Leistungsdichte von 0.05 mW/cm² an die Elektrode angelegt, auf der der thermische Tintenstrahlkopf ruht. Die gegenüberliegende Elektrode ist geerdet, und beide Elektroden sind wassergekühlt. Das Plasma, das aus dem Anlegen der elektrischen Leistung resultiert, wird für eine Dauer von 20 minuten beibehalten. Dann werden alle Gase aus der Kammer gepumpt, und eine Mischung aus 50% Argon und 50% Wasserstoff wird eingeführt, und der Druck wird bei 20 Pa (150 mTorr) stabilisiert. Die HF-Leistung (13.56 MHz) wird erneut mit einer Leistungsdichte von 0.1 mW/cm² an die Elektrode angelegt, auf der z.B. die thermischen Tintenstrahlköpfe ruhen. Die gegenüberliegende Elektrode ist geerdet, und beide Elektroden sind wassergekühlt. Das Plasma, das aus dem Anlegen der elektrischen Leistung resultiert, wird für eine Dauer von 10 Minuten beibehalten. Dieser Vorgang stellt sicher, daß die Stirnseite abgeschlackt und in einen reproduzierbaren Reinheltszustand gebracht wird, bereit, um die Beschichtung zu empfangen. Nachdem alle Gase aus der Kammer gepumpt sind, wird eine Mischung aus 95% Argon und 5% Acetylen darin eingeführt, und der Druck wird bei 13 Pa (100 mTorr) stabilisiert. Die HF-Leistung (13.56 MHz) wurde erneut mit einer Leistungsdichte von 0.1 mW/cm² an die Elektrode angelegt, auf der die thermischen Tintenstrahlköpfe ruhen. Die gegenüberliegende Elektrode wurde geerdet und beide Elektroden wassergekühlt. Das Plasma 17, das aus dem Anlegen der elektrischen Leistung resultiert, wurde für eine Dauer von 30 Minuten beibehalten. Nachdem alle Gase aus der Kammer gepumpt wurden, wurde ein Tetrafluorkohlenstoff eingeführt, und der Druck wurde bei 26.6 Pa (200 mTorr) stabilisiert. Die HF-Leistung (13.56 MHz) wurde erneut mit einer Leistungsdichte von 0.01 mW/cm² an die Elektrode angelegt, auf der die thermischen Tintelstrahlköpfe ruhen. Die gegenüberliegende Elektrode wurde geerdet. Das Plasma, das aus dem Anlegen der elektrischen Leistung resultiert, wurde für eine Dauer von 30 Minuten beibehalten. Nach dem Entfernen der erzeugten beschichteten Musterprodukte wurde festgestellt, daß sie ausgezeichnete, gewünschte hohe Berührungswinkel sowohl mit dreifach destilliertem Wasser als auch bei verschiedenen Tinten, die in dem Test enthalten waren, zeigen. Die sich ergebenden abgekühlten Tintenstrahleinrichtungen wurden als Druckköpfe in einen experimentellen Tintenstrahldrucker eingebaut, der die Fähigkeit besaß, gepulste elektrische Leistung an den Druckkopf anzulegen und den Druckkopf in einer Richtung parallel zu dem Papier zu bewegen, auf das der Tintenstrahl gerichtet wurde, und wurden auf Bündelung und Lebensdauer geprüft. Es wurde herausgefunden, daß die Bündelung der Tintentropfen für jeden Tintenkanal verbessert war, indem das Tintenmuster auf dem Papier mit der Kanalanordnung des Kopfes geometrisch übereinstimmt. Spezifisch wurde für einen einzigen Heizimpuls, der an jeden der 192 Kanäle des Gerätes angelegt wurde, ohne den Kopf zu bewegen, ein entsprechendes Muster von 192 Marken gleichmäßig beabstandet und in einer geraden Linie auf dem Papier vorgefunden. Dies ist den Ergebnissen des gleichen Versuchs gegenüberzustellen, bevor die hydrophobische Stirnseitenbeschichtung angebracht wurde. In dieser Situation befanden sich viele der Tropfen nicht auf einer geraden Linie, und viele Tropfen überschnitten sich teilweise oder ganz. Dieses fehlgeleitete Tropfenmuster beeinträchtigt ernsthaft die Qualität von gedrucktem Text insofern, als die Zeichen gezackt erscheinende Ränder aufweisen. Dieses Problem wird mit den Beschichtungen der vorliegenden Erfindung gelöst. Die Gerätelebensdauer und die Bündelungsleistung wurden durch die Stirnseitenbeschichtung nicht begrenzt, da Geräte noch mit allen Kanälen bei der Sollspezifikation von 50 Millionen Impulsen pro Kanal mit einem Bündelungsmuster drucken, das vom ersten Druck nicht unterschieden werden kann.
Die folgenden Beispiele werden vorgelegt, um weiter verschiedene Arten der vorliegenden Erfindung zu erklären. Diese Beispiele sind gedacht, nur veranschaulichend zu sein, und sind nicht gedacht, den Umfang der vorliegenden Erfindung zu begrenzen. Wenn nicht anders angegeben, sind Teile und Prozentsätze nach Gewicht.

BEISPIEL I

Ein System PlasmaTherm 700 , erhalten von Plasma Therm Corporation of Voorhees, NJ, wurde verwendet, um hydrophobische, diamantähnliche Beschichtungen an der Stirnseite von thermischen Tintenstrahl-Kopfeinrichtungen wie folgt aufzubringen. Eintausend Teile in robotisch geladenen antistatischen Packen wurden auf der unteren Elektrode des Systems plaziert, worauf das System geschlossen und vollständig leergepumpt wurde. Zu Beginn wurde eine Reinigungs- und Abschlackungsmischung von 50% Argon und 50% Stickstoffoxid in das 700-Gerät eingeführt, und der Druck wurde durch geeignetes Drosseln der Vakuumpumpen bei 20 Pa (150 mTorr) stabilisiert. Die gesamten Gasströme in das Depositionssystem während aller Behandlungen und Depositionsschritte betrug bei all den verschiedenen Zyklen 300 Normalkubikzentimeter pro Minute (sccm). Eine HF-Leistung (13.56 MHz) wurde mit einer Leistungsdichte von 0.05 mW/cm² an die untere Elektrode, auf der die thermischen Drückköpfe ruhen, angelegt. Die gegenüberliegende Elektrode wurde geerdet, und beide Elektroden wurden mit Wasser gekühlt. Das sich aus dem Anlegen der elektrischen Leistung ergebende Plasma wurde für eine Dauer von 20 Min. beibehalten. Dann wurden alle Gase aus der Kammer abgepumpt, und eine Mischung aus 50% Argon und 50% Wasserstoff wurde eingeführt, und der Druck wurde bei 20 Pa (150 mTorr) stabilisiert. Dann wurde HF-Leistung, nun mit einer Leistungsdichte von 0.1 mW/cm², an die Elektrode, auf der die Tintenstrahlköpfe ruhen, angelegt. Die gegenüberliegende Elektrode wurde geerdet, und beide Elektroden wurden mit Wasser gekühlt. Das sich aus dem Anlegen der elektrischen Leistung ergebende Plasma wurde für eine Dauer von 10 Min. beibehalten. Diese Vorgänge stellen sicher, daß die Stirnseite des Tintenstrahlkopfes abgeschlackt und in einen reproduzierbaren Reinheitszustand gebracht wurde, bereit, um die Beschichtung zu empfangen. Nachdem alle Gase aus der Kammer abgepumpt waren, wurde eine Mischung aus 95% Argon und 5% Acetylen eingeführt, und der Druck wurde bei 13 Pa (100 mTorr) stabilisiert. Die HF-Leistung (13.56 MHz) wurde mit einer Leistungsdichte von 0.1 mW/cm² an die Elektrode, auf der die Tintenstrahlköpfe ruhen, angelegt. Die genüberliegende Elektrode wurde geerdet, und beide Elektroden wurden mit Wasser gekühlt. Das sich aus dem Anlegen der elektrischen Leistung ergebende Plasma wurde für eine Dauer von 30 Minuten beibehalten. Nach dem alle Gase aus der Kammer abgepumpt waren, wurden 300 sccm CF&sub4; eingeführt, und der Druck wurde bei 26.6 Pa (200 mTorr) stabilisiert. Die HF-Leistung (13.56 MHz) wurde mit einer Leistungsdichte von 0.01 mW/cm² an die Aluminiumelektrode, auf der die Tintenstrahlköpfe ruhen, angelegt. Die genüberliegende Aluminiumelektrode wurde geerdet. Das sich aus dem Anlegen der elektrischen Leistung ergebende Plasma wurde für eine Dauer von 3 Minuten beibehalten. Beim Entnehmen eines beschichteten thermischen Tintenstrahlkopfmusters wurde festgestellt, daß es ausgezeichnete hohe Berührungswinkel mit dreifach destilliertem Wasser von etwa 105º (erhöht von etwa 60º ±5 auf 100º ±5) zeigte. Die Auger- Analyse zeigte, daß die Oberfläche des Tintenstrahlkopfes Fluor aufwies, das daran gebunden war. Die Tintenstrahleinrichtungen wurden dann als Druckköpfe in ein experimentelles Druckgerät eingebaut und auf Bündelung und Lebensdauer geprüft. Die Druckstation war imstande, jedem der Heizelemente des thermischen Druckkopfes elektrische Impulse von 40 Volt zu liefern und Papier mit einer konstanten Geschwindigkeit vor dem Kopf in einem Abstand von 5.1 x 10&supmin;&sup4; (50 tausendstel Zoll) entfernt von der Stirnselte, wo die Beschichtung aufgebracht war, zu transportleren. Die Papiergeschwindigkeit war von 0 bis 25.4 cm/s (0 - 10 Zoll/s) einstellbar. Die für diese Tests benutzte Tinte war eine Tinte auf Farbstoffbasis aus 5 Gew.-% schwarzer Lebensmittelfarbe in Lösung mit gleichen Teilen (50) Wasser und Ethylenglykol. In periodischen Abständen von jeweils 2 Min. wurde die Stirnseite der Tintenstrahlköpfe mit einem Tintenlöscher aus lintfreiem Tuch mechanisch abgewischt. Es wurde festgestellt, daß die Bündelung der Tintentropfen gegenüber der unbeschichteten Version des gleichen Kopfes in hohem Maße verbessert war. Die Bündelung wurde durch die Kanalrichtung und nicht durch die Einzelheiten der Kanalöffnung, durch die die Tinte den Kanal verläßt, ermittelt. Spezifisch wurde für einen einzigen Heizimpuls von 40 Volt, der an jeden der 192 Kanäle des Kopfes angelegt wurde, ohne den Kopf zu bewegen, ein entsprechendes Muster von 192 Marken gleichmäßig beabstandet und in einer geraden Linie auf dem Papier vorgefunden. Dies ist den Ergebnissen der gleichen Tests gegenüberzustellen, bevor die obige hydrophobische Stirnseitenbeschichtung des Tintenstrahlkopfes angebracht wurde. In dieser Situation befanden sich viele Tropfen nicht auf einer geraden Linie, und viele Tropfen überschnitten sich teilweise oder ganz. Dieses fehlgeleitete Tropfenausstoßmuster beeinträchtigte ernsthaft die Qualität von gedrucktem Text insofern, als die Zeichen gezackt erscheinende Ränder aufwiesen. Dieses Problem wurde mit den Beschichtungen, und in diesem Fall die obige Beschichtung, der vorliegenden Erfindung gelöst. Die Kopflebensdauer und die Bündelungsleistung wurden durch die Stirnseitenbeschichtung nicht begrenzt, da Geräte noch mit allen Kanälen bei der Sollspezifikation von 50 Millionen Impulsen pro Kanal mit einem Bündelungsmuster druckten, das vom ersten Druck nicht unterschieden werden konnte.

BEISPIEL II

Ein System PlasmaTherm 700 , erhalten von Plasma Therm Corporation of Voorhees, NJ, wurde verwendet, um hydrophobische, diamantähnliche Beschichtungen auf der Stirnseite von thermischen Tintenstrahleinrichtungen wie folgt aufzubringen. Eintausend Teile in robotisch geladenen antistatischen Packen wurden auf der unteren Elektrode des Systems plaziert, und das System wurde geschlossen und vollständig leergepumpt. Zu Beginn wurde eine Reinigungs- und Abschlackungsmischung von 50% Argon und 50% Stickstoffoxid eingeführt, und der Druck wurde durch geeignetes Drosseln der Vakuumpumpen bei 20 Pa (150 mTorr) stabilisiert. Die gesamten Gasströme in das Depositionssystem während aller Behandlungen und Depositionsschritte betrug bei all den verschiedenen Zyklen 300 Normalkubikzentimeter pro Minute (sccm). Eine HF-Leistung (13.56 MHz) wurde mit einer Leistungsdichte von 0.05 mW/cm² an die untere Elektrode, auf der die thermischen Drückköpfe ruhen, angelegt. Die gegenüberliegende Elektrode wurde geerdet, und beide Elektroden wurden mit Wasser gekühlt. Das sich aus dem Anlegen der elektrischen Leistung ergebende Plasma wurde für eine Dauer von 20 Min. beibehalten. Dann wurden alle Gase aus der Kammer abgepumpt, und eine Mischung aus 50% Argon und 50% Wasserstoff wurde eingeführt, und der Druck wurde bei 20 Pa (150 mTorr) stabilisiert. Wiederum wurde HF-Lelstung mit einer Leistungsdichte von 0.1 mW/cm², an die Elektrode, auf der die Tintenstrahlköpfe ruhen, angelegt. Die gegenüberliegende Elektrode wurde geerdet, und beide Elektroden wurden mit Wasser gekühlt. Das sich aus dem Anlegen der elektrischen Leistung ergebende Plasma wurde für eine Dauer von 10 Min. beibehalten. Diese Vorgänge stellten sicher, daß die Stirnseite des Tintenstrahlkopfes abgeschlackt und in einen reproduzierbaren Reinheitszustand gebracht wurde, bereit, um die Beschichtung zu empfangen. Nachdem alle Gase aus der Kammer abgepumpt waren, wurde eine Mischung aus 50% Argon und 50% Methan eingeführt, und der Druck wurde bei 26.6 Pa (200 mTorr) stabilisiert. Die HF-Leistung (13.56 MHz) wurde mit einer Leistungsdichte von 0.05 mW/cm² an die Elektrode, auf der die Tintenstrahlköpfe ruhten, angelegt. Die genüberliegende Elektrode wurde geerdet, und beide Elektroden wurden mit Wasser gekühlt. Das sich aus dem Anlegen der elektrischen Leistung ergebende Plasma wurde für eine Dauer von 40 Min. beibehalten. Beim Entnehmen eines beschichteten thermischen Tintenstrahlkopfmusters wurde festgestellt, daß dieses Muster ausgezeichnete hohe Berührungswinkel sowohl mit dreifach destilliertem Wasser als auch mit verschiedenen Tinten, die im Test enthalten waren, zeigte. Diese Tinten basierten alle auf Lebensmittelfarben in Lösung mit einer 1:1 Mischung aus Wasser und Ethylenglykol. Normale analytische Tests zeigten, daß die Beschichtung aus Kohlenstoff mit daran gebundenein Wasserstoff bestand. Etwa 40% der vorhandenen Wasserstoffs war als das Monohydrid (C-H) an Kohlenstoff gebunden, während eine fast gleiche Menge als das Dihydrid (C-H&sub2;) gebunden war. Der Rest (20%) des Wasserstoffs waren als CH&sub3; gebunden. Die Tintenstrahleinrichtungen wurden dann als Druckköpfe in Labor-Tintenstrahlgeräte eingebaut und auf Bündelung und Lebensdauer geprüft. In periodischen Abständen, nämlich alle 2 Min. kontinuierlichen Tintenstrahldruckens, wurde die Stirnselte der Tintenstrahlköpfe mit einem Tintenlöscher aus lintfreiem Tuch mechanisch abgewischt. Es wurde festgestellt, daß die Bündelung der Tintentropfen gegenüber der unbeschichteten Version des gleichen Kopfes in hohem Maße verbessert war. Die Bündelung wurde durch die Kanalrichtung und nicht durch die Einzelheiten der Kanalöffnung, durch die die Tinte den Kanal verläßt, ermittelt. Spezifisch wurde für einen einzigen Heizimpuls von 40 Volt, der an jeden der 192 Kanäle des obigen Kopfes angelegt wurde, ohne den Kopf zu bewegen, ein entsprechendes Muster von 192 Marken gleichmäßig beabstandet und in einer geraden Linie auf dem Papier vorgefunden. Dies war den Ergebnissen der gleichen Tests gegenüberzustellen, bevor die obige hydrophobische Beschichtung des Stirnseite angebracht wurde. In diesem Fall befanden sich viele Tropfen nicht auf einer geraden Linie, und viele Tropfen überschnitten sich teilweise oder ganz. Dieses fehlgeleitete Trop fenausstoßmuster beeinträchtigte ernsthaft die Qualität des gedrucktes Textes insofern, als die Zeichen gezackt erscheinende Ränder aufwiesen. Dieses Problem wurde mit den Beschichtungen, und in diesem Fall die obige Beschichtung, der vorliegenden Erfindung gelöst. Die Kopflebensdauer und die Bündelungsleistung wurden durch die Stirnseitenbeschichtung in keiner Weise begrenzt, da Geräte noch mit allen Kanälen bei der Sollspezifikation von 50 Millionen Impulsen pro Kanal mit einem Bündelungsmuster druckten, das vom ersten Druck nicht unterschieden werden konnte.
Obwohl die Erfindung mit Verweis auf spezifische bevorzugte Ausführungen beschrieben worden ist, ist sie nicht gedacht, darauf beschränkt zu sein. Vielmehr werden die Fachleute in der Technik Veränderungen und Modifikationen erkennen, die darin vorgenommen werden können und die innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche liegen.

Claims

1. Verfahren zur Minimierung oder Vermeidung von Tropfenablenkung in einer Tintenstrahlvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß Tintenstrahlkopfkomponenten mit hydriertem amorphem Kohlenstoff oder halogeniertem amorphem Kohlenstoff oder diamantähnlichem Kohlenstoff beschichtet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hydrierte amorphe Kohlenstoff nachfolgend fluoriert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der amorphe Kohlenstoff etwa 1 bis etwa 40 Gew.-% Wasserstoff enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der fluorierte amorphe Kohlenstoff etwa 1 bis etwa 20 Gew.-% Fluor enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Wasserstoff als eine Oberflächenschicht auf dein amorphen Kohlenstoff vorliegt.

6. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Fluor als eine Oberflächenschicht auf dem hydrierten amorphen Kohlenstoff vorliegt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Oberflächenschicht eine Dicke von etwa 10&supmin;&sup7; m (1000 Å) hat.

8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Oberflächenschicht eine Dicke von 10&supmin;&sup8; m (1000 Å) hat.

9. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Beschichtung eine Dicke von etwa 10&supmin;&sup8; m (100 Å) bis etwa 10 um hat.

10. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Beschichtung mittels Sputtern aufgebracht wird.

11. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Beschichtung mittels Plasma unterstützer chemischer Dampfauftragungstechniken (PECVD) aufgebracht wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der hydrierte amorphe Kohlenstoff 1 bis etwa 60 Gewichtsprozente Wasserstoff enthält.

13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der halogenierte amorphe Kohlenstoff 1 bis etwa 40 Gewichtsprozente Wasserstoff enthält.

14. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Halogen Fluor ist.

15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die diamantähnliche Kohlenstoffbeschichtung durch ein Verfahren präpariert wird, bei welchem die Komponenten auf ein Substrat in ein Auftragungssystem eingebracht werden, Anlegen eines Vakuums von etwa 0,133 Pa (1 mTorr) bis etwa 133 Pa (1 Torr), Erhitzen des Substrats auf eine Temperatur von etwa Raumtemperatur bis etwa 300ºC, Einführen einer Mischung aus Gas oder Dampf in die Kammer, welches wenigstens ein Kohlenstoff enthaltendes Gas enthält, Regeln des totalen Drucks von etwa 0,133 Pa (1 mTorr) bis etwa 133 Pa (1 Torr) und Aktivierung der Gasmischung in ein Plasma.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Tintenstrahlkopfkomponente eine Tintenstrahldruckerkopfanordnung ist.