ES2251153T3

ES2251153T3 - Orificio de chorro de fluido de polimero de imagen directa.

Info

Publication number: ES2251153T3
Application number: ES99301512T
Authority: ES
Inventors: Chien-Hau Chen; Donald E. Wenzel; Qin Liu; Naoto Kawamura; Richard W. Seaver; Carl Wu; Colby Van Vooren; Jeffery S. Hess; Colin C. Davis
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1998-03-02
Filing date: 1999-03-01
Publication date: 2006-04-16
Anticipated expiration: 2019-03-01
Also published as: DE69928978T2; DE69928978D1; US6162589A; US6902259B2; JPH11314371A; US20020145644A1; BR9900203A; EP0940257A3; KR100563356B1; RU2221701C2; JP4233672B2; US6447102B1; CN1142856C; EP1595703A3; CN1227790A; EP1595703A2; KR19990077489A; EP0940257B1; EP0940257A2; TW404893B

Abstract

UN PROCEDIMIENTO PARA CREAR, Y UN APARATO SIRVIENDOSE DE, ORIFICIOS CONFORMADOS EN UN SUSTRATO SEMICONDUCTOR (20). UNA CAPA DE MATERIAL DE LENTA RETICULACION (34) SE APLICA SOBRE EL SUSTRATO SEMICONDUCTOR (20). UNA IMAGEN POR ABERTURA (42) Y UNA IMAGEN POR POCILLO DE FLUIDO (43), SE TRANSFIEREN A LA CAPA DE MATERIAL DE LENTA RETICULACION (34). ESA PARTE DE LA CAPA DE MATERIAL DE LENTA RETICULACION (34), EN LA QUE ESTA SITUADA LA IMAGEN POR ABERTURA, SE REVELA ENTONCES JUNTO CON ESA PARTE DE LA CAPA DE MATERIAL DE LENTA RETICULACION (34), EN LA QUE ESTA SITUADA LA IMAGEN POR POCILLO DE FLUIDO (43), PARA DEFINIR UNA ABERTURA QUE SE ABRE EN EL SUSTRATO SEMICONDUCTOR.

Description

Orificio de chorro de fluido de polímero de imagen directa.

Antecedentes de la invención

Esta invención está relacionada en general con la impresión térmica por chorro de tinta. Más en particular, esta invención está relacionada con el aparato y proceso de fabricación de orificios precisos de polímero que comprenden epoxy, poliimida u otros materiales fotorresistentes de actuación negativa que utilizan técnicas de imágenes directas.

Las impresoras térmicas de chorro de tinta tienen, típicamente, un cabezal de impresión montado cobre un carro que atraviesa de un lado para otro la anchura del papel o de otro medio que se alimente en la impresora. El cabezal de impresión incluye una serie ordenada de orificios (llamados también toberas) que están enfrentados al papel. Unos canales llenos de tinta (u otro fluido) alimentan los orificios con tinta desde una fuente de un depósito de tinta. Aplicada individualmente a unos elementos direccionables de disipación de energía (tales como resistencias), la energía calienta la tinta dentro de los orificios originando burbujas en la tinta y haciendo que se expulse tinta desde el orificio hacia el papel. Los expertos en la técnica apreciarán que existen otros métodos de transferencia de energía a la tinta o fluido, y que siguen cayendo dentro del espíritu, alcance y principio de la presente invención. A medida que se expulsa la tinta, las burbujas se colapsan y los canales se llenan con más tinta desde el depósito, permitiendo la repetición de la expulsión de tinta.

Los diseños actuales de los cabezales de impresión de chorro de tinta tienen problemas de fabricación, de vida de funcionamiento y de precisión para dirigir el chorro sobre el papel. Los cabezales de impresión fabricados actualmente comprenden una ranura de alimentación de tinta a través de un substrato, un interfaz de barrera (el interfaz de barrera canaliza la tinta sobre la resistencia y define el volumen de la recámara. El material del interfaz de barrera es un material grueso y fotosensible que está laminado sobre un substrato, se expone, se revela y se endurece), y una placa de orificios (la placa de orificios es el camino de salida de la recámara que fue definido por el interfaz de barrera. La placa de orificios está, típicamente, electroformada con níquel (Ni) y después es recubierta con oro (Au), paladio (Pd), u otros metales preciosos resistentes a la corrosión. El espesor de la placa de orificios y el diámetro de abertura de los orificios son controlados para permitir la expulsión repetitiva de tinta en el encendido). Durante la fabricación, el ajuste de la placa de orificios sobre el substrato con el material del interfaz de barrera requiere una precisión especial y unos adhesivos especiales para fijarla. Si la placa de orificios está alabeada o si el adhesivo no pega correctamente la placa de orificios al interfaz de barrera, se tiene como resultado un control pobre de la trayectoria de la gota de tinta y se reducen las prestaciones o la vida del cabezal de impresión. Si el ajuste del cabezal de impresión es incorrecto o si la placa de orificios está abollada (no uniforme en su aplanamiento), la tinta será expulsada lejos de su trayectoria apropiada y la calidad de la imagen del cabezal de impresión se reduce. Debido a que la placa de orificios es una pieza independiente en cabezales de impresión construidos convencionalmente, el espesor requerido para impedir el alabeo o el pandeo durante la fabricación requiere que la altura (relacionada con el espesor de la placa de orificios) del hueco del orificio sea más alta de lo necesario para la eficiencia térmica. Usualmente, se une una sola placa de orificios a un solo troquel de cabezal de impresión sobre una oblea de semiconductor que contiene muchos cabezales de impresión. Es deseable disponer de un proceso que permita la colocación de placas de orificios simultáneamente por toda la oblea de semiconductor para aumentar la productividad, así como para asegurar la precisión de la colocación de los orificios.

La tinta del interior de la recámara llena el hueco del orificio hasta los bordes exteriores de la placa de orificios. Así, otro problema de esta altura aumentada de tinta en el hueco del orificio es que requiere más energía para expulsar la tinta. Además, la impresión de fotografías de alta calidad requiere resoluciones más altas y, por tanto, gotas de tinta más pequeñas. Por tanto, existe la necesidad de poder fabricar una placa de orificios más delgada. Además, como la cantidad de tinta expulsada en cada gota se hace menor, se requieren más orificios dentro del cabezal de impresión para crear un modelo dado en un solo pase del cabezal de impresión sobre el medio de impresión a una velocidad de impresión fija. Para impedir que el cabezal de impresión se sobrecaliente debido al aumento del número de orificios, la cantidad de energía utilizada por cada orificio debe ser reducida.

Además, en el pasado, el periodo de vida del cabezal de impresión era adecuado. El cabezal de impresión era parte de una pluma desechable que era sustituida una vez que se agotaba el suministro de tinta. Sin embargo, las expectativas del usuario en cuanto a calidad están conduciendo a la necesidad de disponer de un cabezal de impresión de bajo coste y larga duración con una permanencia a lo largo de muchos años y la presente invención ayuda a satisfacer estas expectativas.

La patente de Estados Unidos 5686224 divulga un método para fabricar dispositivos de chorro de tinta en los que se aplica una capa del mismo material reticulante sobre una superficie de un substrato y una máscara de múltiples niveles controla la profundidad a la cual tiene lugar la reticulación de múltiples capas de material idéntico. La profundidad a la cual tendrá lugar la reticulación es una función de la opacidad de la máscara y del tiempo de exposición.

La patente europea 0734866 divulga un proceso para fabricar un cabezal de impresión de chorro de tinta que incluye un camino para la tinta comunicado con una salida de descarga, y un elemento de generación de energía para generar energía utilizada para descargar tinta desde dicha salida de descarga, comprendiendo dicho proceso los pasos de: proporcionar un substrato provisto de dicho elemento generador de energía; formar una capa fotosensible comprendida por una resina fotosensible que puede descomponerse para una radiación ionizante, que contiene una unidad estructural reticulante sobre dicho substrato, de manera que cubra dicho elemento generador de energía dispuesto sobre dicho substrato; someter dicha capa de resina fotosensible a un tratamiento reticulante para convertir dicha capa fotosensible en una capa fotosensible reticulada; formar una capa de resina de recubrimiento sobre dicha capa sensible reticulada; endurecer dicha capa de resina de recubrimiento, irradiando una radiación ionizante a dicha capa fotosensible reticulada a través de dicha capa de resina de recubrimiento endurecida para descomponer y solubilizar dicha capa fotosensible reticulada de manera que contribuya a la formación de dicho camino de tinta; y eluir dicha capa fotosensible reticulada irradiada con dicha radiación ionizante para formar así dicho camino de tinta comunicado con la salida de descarga.

Sumario de la invención

Un método para construir un cabezal de impresión de chorro de fluido que tiene un substrato semiconductor que tiene una primera superficie y una segunda superficie con una ranura de alimentación de fluido que se extiende a través de dicho substrato de semiconductor y acoplada a un canal de alimentación de fluido sobre dicha segunda superficie, que comprende:

aplicar una capa de polímero reticulante relativamente lento sobre dicha superficie de dicho substrato de semiconductor;

aplicar una capa de polímero reticulante relativamente rápido sobre dicha capa aplicada de polímero reticulante relativamente lento;

exponer dicho polímero reticulante relativamente rápido y dicho polímero reticulante relativamente lento a una dosis relativamente alta de un patrón de energía electromagnética, suficiente para reticular dicho polímero reticulante relativamente rápido y dicho polímero reticulante relativamente lento para crear un modelo de pozo de fluido;

exponer dicho polímero reticulante relativamente rápido y dicho polímero reticulante relativamente lento a una dosis relativamente baja de un patrón de energía electromagnética, suficiente para reticular dicho polímero reticulante relativamente rápido pero no dicho polímero reticulante relativamente lento para crear un modelo de orificio; y

revelar dicho modelo de pozo de fluido y dicho modelo de orificio.

En un modo de realización posible de la presente invención, el material reticulante relativamente lento comprende distintas capas de polímero de formación de imágenes fotográficas y tintes ópticos, mezclas de polímero de formación de imágenes fotográficas y tintes ópticos, o un polímero de formación de imágenes fotográficas.

En un posible modo de realización de la presente invención, el polímero de formación de imágenes fotográficas es un epoxy de formación de imágenes fotográficas.

En un posible modo de realización de la presente invención, la capa de material reticulante relativamente lento tiene un espesor de 8 a 34 micras.

En un posible modo de realización de la presente invención, el polímero reticulante relativamente rápido y el polímero reticulante relativamente lento son expuestos a dicha dosis relativamente alta de un patrón de energía electromagnética y a dicha dosis relativamente baja de un patrón de energía electromagnética, a través de una máscara de niveles de densidad múltiple.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1A ilustra la vista superior de un solo orificio de un modo de realización preferido.

La figura 1B es una vista isométrica en sección transversal del orificio, mostrando la estructura básica.

Las figuras 2A a 2H ilustran los pasos del proceso del modo de realización preferido para crear un orificio in-situ. La vista en sección es la perspectiva AA de la figura 1A.

La figura 3A es una vista superior de un cabezal de impresión mostrando múltiples orificios.

La figura 3B es la vista inferior del cabezal de impresión ilustrado en la figura 3A.

La figura 4 muestra un carro de impresión que utiliza un cabezal de impresión, el cual puede emplear la presente invención.

La figura 5 muestra un mecanismo de impresión que utiliza un carro de impresión que tiene un cabezal de impresión, el cual puede emplear la presente invención.

La figura 6A ilustra un patrón de máscara utilizado para crear un modo de realización alternativo de la invención.

La figura 6B ilustra un patrón de máscara posible al utilizar el modo de realización preferido de la invención.

La figura 7A ilustra una vista superior del modo de realización preferido de la invención.

La figura 7B ilustra una vista lateral del modo de realización preferido de la invención, mostrando las dimensiones relevantes utilizadas para definir el orificio reentrante.

La figura 8 es un gráfico que representa las contrapartidas de diseño del tiempo de rellenado y desbordamiento basadas en la relación de alturas del orificio reentrante del modo de realización preferido.

Las figuras 9A a 9G ilustran los resultados del proceso para crear una versión de una sola capa del orificio in-situ.

Las figuras 10A a 10E ilustran los resultados del proceso para crear una mascara de niveles de densidad múltiple en un modo de realización preferido de la invención.

Descripción detallada de los modos de realización preferido y alternativo

La invención está relacionada con un proceso novedoso de fabricación de orificios de polímero, que crea una superposición de capas de formación de imágenes fotográficas con múltiples materiales sobre el substrato, y que no requiere una placa de orificios de Ni ni un material de interfaz de barrera. Cada capa de formación de imágenes fotográficas tiene una tasa reticulante diferente para una intensidad de energía dada. Además, la invención abarca una topología de diseño que utiliza capas de formación de imágenes fotográficas que produce un orificio de perfil reentrante (dirigido hacia dentro) en forma de sombrero de copa. El orificio de sombrero de copa puede ser adaptado variando los parámetros del proceso, para optimizar las características de expulsión de tinta. Esta topología de diseño en sombrero de copa ofrece varias ventajas sobre las arquitecturas de paredes rectas o con conicidad lineal. La cámara de orificios reentrantes en forma de sombrero de copa que expulsa las gotas de fluido, está fácilmente definida por una cámara de pozo de fluido y una cámara de orificio. La superficie y forma de cada cámara, según se ve mirado por el orificio, se define utilizando una máscara patrón o un conjunto de máscaras. Las máscaras permiten controlar el diámetro de entrada, el diámetro de salida y el volumen de la recámara basándose en el espesor o en la altura de la capa de orificios. La altura de la cámara de orificios y la altura de la cámara de pozo de fluido son controladas independientemente para permitir una estabilidad del proceso y una gama de exposiciones del diseño óptimas. Controlando la forma, la superficie y la altura de las cámaras del orificio y del pozo de fluido, el diseñador puede controlar el tamaño de la gota, la forma de la gota, y amortiguar el efecto del rebufo (la parte de la burbuja que expulsa la tinta y que se expande en dirección opuesta a la dirección de expulsión de la gota) y, en alguna medida, la velocidad de rellenado (el tiempo requerido para dejar que la tinta llene la estructura completa del orificio en sombrero de copa). Además, esta topología en forma de sombrero de copa permite colocar las ranuras de alimentación de fluido, que entregan el fluido al orificio, más lejos del elemento de disipación de energía utilizado para expulsar el fluido y reducir la posibilidad de que la burbuja entre en el camino de suministro de fluido y pueda crear así un bloqueo.

El orificio de polímero de creación de imágenes directas comprende normalmente dos o más capas de materiales fotorresistentes de actuación negativa, con unas tasas de disolución ligeramente diferentes. Las tasas de disolución están basadas en que los diferentes materiales de cada capa tienen un peso molecular, una composición física o una densidad óptica diferentes. En un ejemplo de proceso que utiliza dos capas, se aplica sobre un substrato un material de fotorresistencia "lenta" que requiere una intensidad de 500 mJulios/cm^{2} de energía electromagnética para la reticulación. En un cabezal de impresión de chorro de fluido, este substrato está comprendido por un material semiconductor que ha tenido aplicada sobre su superficie una pila de capas de películas delgadas. Sobre la capa de material de fotorresistencia lenta se aplica un material de fotorresistencia "rápida" que requiere solamente una intensidad de
100 mJulios/cm^{2} de energía electromagnética para la reticulación. Tras el endurecimiento, las capas fotorresistentes del substrato son expuestas a través de una máscara a una intensidad muy alta de al menos 500 mJulios/cm^{2} para definir la cámara del pozo de fluido. La intensidad es suficientemente alta para reticular tanto la capa superior como la inferior. Las capas fotorresistentes del substrato son expuestas después a través de otra máscara a una energía electromagnética de baja intensidad de 100 mJulios/cm^{2} para definir la cámara del orificio. Es importante que la intensidad de la segunda exposición sea suficientemente baja para que la capa inferior del orificio de material de fotorresistencia lenta que está por debajo de la abertura del orificio no sea reticulada.

El material del polímero es bien conocido en la industria de CI por su capacidad de hacerse plana sobre topografías de película delgada. Los datos empíricos demuestran que la variación de la topografía de la placa de orificios puede mantenerse muy bien dentro de 1 micra. Esta característica es importante para proporcionar una trayectoria constante de la gota.

Además, existen muchos materiales polímeros diferentes que tienen propiedades de material fotorresistente de actuación negativa. Ejemplos de materiales polímeros son poliimida, epoxy, polibenzoxazoles, benzociclobuteno y sol-geles. Los expertos en la técnica apreciarán que existen otros materiales polímeros fotorresistentes de actuación negativa y que siguen cayendo dentro de alcance de la invención. Añadiendo un tinte óptico (tal como Orange #3, \sim 2% en peso) a un material polímero transparente, puede hacerse un material de fotorresistencia lenta a partir de un material de fotorresistencia rápida que no tenga tinte o que tenga una pequeña cantidad de tinte. Otro modo de realización sería recubrir una capa de material polímero con una capa delgada de tinte. Los métodos alternativos para crear un material de fotorresistencia lenta comprenden la mezcla de polímeros con diferentes pesos moleculares, con diferentes características de absorción de longitudes de onda, con diferentes velocidades de revelado y la utilización de pigmentos. Los expertos en la técnica apreciarán que existen otros métodos para ralentizar la fotosensibilidad de los polímeros y que siguen cayendo dentro del alcance de la invención.

La figura 1A ilustra la vista superior de un solo orificio 42 (llamado también tobera o agujero), que utiliza el modo de realización preferido de la presente invención. La capa superior 34 de orificios está comprendida por un polímero de reticulación rápida, tal como un epoxy de formación de imágenes fotográficas (tal como el SU8 desarrollado por IBM) o un polímero de formación de imágenes fotográficas (tal como el OCG, conocido comúnmente en la técnica). La capa superior 34 de orificios se utiliza para definir la forma y la altura de la abertura del orificio 42. Dentro de la capa de orificios hay escondidas unas ranuras 30 de alimentación de fluido y un pozo 43 de fluido. El fluido, tal como la tinta, fluye hacia el pozo 43 de fluido a través de las ranuras 30 de alimentación de fluido y es calentado por el elemento 32 de disipación de energía formando una burbuja de vapor de fluido que expulsa de manera forzada el fluido restante del orificio 42. La vista AA muestra la dirección de observación para las vistas en sección transversal de figuras posteriores.

La figura 1B es una vista isométrica en sección transversal del único orificio ilustrado en la figura 1A de un cabezal de impresión de chorro de fluido térmico totalmente integrado (FIT). La capa inferior 35 de orificios es aplicada sobre la parte superior de una pila de capas 50 de película delgada, que han sido procesadas por capas individuales y han sido incorporadas sobre la superficie del substrato 20 de semiconductor. Un ejemplo de orificio tendría un diámetro del orificio 42 de 16 \mum, una longitud del pozo 43 de fluido de 42 \mum, una anchura del pozo 43 de fluido
de 20 \mum, un espesor de la capa superior 34 de orificios de 6 \mum, y un espesor de la capa inferior 35 de orificios de
6 \mum. El substrato 20 de semiconductor es decapado una vez que han sido aplicadas las capas 50 de película delgada para proporcionar un canal 44 de alimentación de fluido, el cual suministra fluido a las ranuras 30 de alimentación de fluido (no ilustradas). Las ranuras 30 de alimentación de fluido están definidas dentro de la pila de capas 50 de película
delgada.

Las figuras 2A a 2H ilustran diversos pasos de proceso utilizados para crear modos de realización alternativos de la invención. La figura 2A ilustra el substrato 20 de semiconductor una vez que ha sido procesado para incorporar la pila de capas 50 de película delgada, que incluye el elemento 32 de disipación de energía. La pila de capas 50 de película delgada ha sido procesada de forma tal que las ranuras 30 de alimentación de fluido se extienden a través de todo su espesor.

La figura 2B ilustra el substrato 20 de semiconductor una vez que la capa inferior 35 de orificios, comprendida por un polímero de reticulación lenta, ha sido aplicada sobre la parte superior de la pila de capas 50 de película delgada. El polímero de reticulación lenta se aplica utilizando una herramienta convencional de deposición centrífuga, tal como las fabricadas por Kart Suss KG. El proceso de deposición centrífuga asociado con la herramienta de deposición centrífuga permite formar una superficie plana a medida que el polímero 35 de reticulación lenta llena las ranuras 30 de alimentación de fluido y la superficie de la pila de capas 50 de película delgada. Un ejemplo del proceso para la deposición centrífuga es rociar una capa de material protector sobre una capa de semiconductor con la herramienta de deposición centrífuga fijada en 70 rpm, con una aceleración de 100 rpm/s y un tiempo de rociado de 20 segundos. Se detiene después la rotación de la oblea con una deceleración de 100 rpm/s y un descanso de 10 segundos. Después se hace girar la oblea a 1060 rpm con una tasa de aceleración de 300 rpm/s durante 30 segundos para extender el material protector sobre toda la oblea. Los procesos alternativos de aplicación de polímeros incluyen el recubrimiento con rodillos, el recubrimiento por cortina, el recubrimiento por extrusión, el recubrimiento por rociado, y el recubrimiento por inmersión. Los expertos en la técnica apreciarán que existen otros métodos para aplicar las capas de polímero al substrato y que siguen cayendo dentro del espíritu y alcance de la invención. El polímero de reticulación lenta está hecho mediante la mezcla de un tinte óptico (tal como el Orange #3, \sim 2% en peso) con una poliimida de formación de imágenes fotográficas o bien con un material polímero transparente de epoxy de formación de imágenes fotográficas. Al añadir el tinte, la cantidad de energía electromagnética requerida es mayor que el material no mezclado con tinte para reticular el material.

La figura 2C ilustra el resultado de la aplicación de una capa superior 34 de orificios comprendida por un polímero de reticulación rápida, sobre una superficie inferior 35 de orificios.

La figura 2D ilustra la aplicación de una fuerte intensidad de radiación electromagnética 11 a la capa superior 34 de orificios y a la capa inferior 35 de orificios. La energía suministrada por la radiación electromagnética debe ser suficiente para reticular tanto la capa superior 34 de orificios como la capa inferior 35 de orificios donde están expuestas (ilustrado en las figuras 2D, 2E y 2F como zonas tachadas). En un ejemplo de modo de realización, este paso se efectúa utilizando una herramienta de SVG Micralign fijada en 300 mJulios con un descentramiento de foco de +9 \mum. Este paso define la forma y la superficie del pozo 43 de fluido en el orificio.

La figura 2E ilustra el paso siguiente del proceso, en el cual se aplica una intensidad inferior de energía electromagnética 12 a la capa superior 34 de orificios y a la capa inferior 35 de orificios. La energía total consumida durante este paso (ya sea limitando la intensidad o el tiempo de exposición o una combinación de ambos) es solamente suficiente para reticular el polímero de reticulación rápida en la capa superior 34 de orificios. En un ejemplo de modo de realización, este paso se efectúa utilizando una herramienta de SVG Micralign fijada en 60,3 mJulios con un descentramiento de foco de +3 \mum. Este paso define la forma y la superficie de la abertura 42 del orificio.

La figura 2F ilustra el proceso de exposición del modo de realización preferido. En lugar de utilizar dos máscaras, una para definir el pozo de fluido como en la figura 2D y otra para definir una abertura 42 del orificio como en la figura 2E, solamente se utiliza una máscara. Este enfoque reduce las posibles faltas de alineación cuando se utilizan dos máscaras independientes. Esta máscara está comprendida por tres regiones de densidad independientes por cada abertura de orificio (véanse las figuras 6A y 6B) que forman una máscara de niveles de densidad múltiple. Una región es esencialmente no opaca a la energía electromagnética. La segunda región es parcialmente opaca a la energía electromagnética. La tercera región es completamente opaca a la energía electromagnética.

La primera región permite pasar una fuerte intensidad de energía electromagnética 11 a través de la máscara para reticular completamente y definir las capas de orificios donde no hay que eliminar material de formación de imágenes fotográficas. Tanto la capa superior 34 de orificios como la capa inferior 35 de orificios son reticuladas para impedir la eliminación durante el revelado. La segunda región está diseñada para permitir que pase solamente una intensidad menor de energía electromagnética 12 a su través para reticular la capa superior 34 de orificios al tiempo que deja sin reticular el material que está por debajo de la segunda región en el orificio inferior 35. La tercera región (totalmente opaca) se utiliza para definir la forma y la superficie de la abertura 42 del orificio. Debido a que no ser permite el paso de ninguna energía electromagnética a través de esta tercera región, el polímero reticulante que está por debajo de la tercera región opaca de la máscara no será expuesto, y por tanto será eliminado cuando se revele posteriormente.

La figura 2G ilustra el paso del proceso de revelado donde el material de la capa superior 34 de orificios y de la capa inferior 35 de orificios, incluyendo el material en las ranuras 30 de alimentación de fluido, está eliminado. Un ejemplo de proceso es utilizar una herramienta de revelado 7110 Solitec, con un revelado de 700 segundos en NMP a 1 krpm, y 8 segundos de mezcla de IPA y NMP a 1 krpm, un aclarado de 10 segundos con IPA a 1 krpm y una centrifugación de 60 segundos a 2 krpm.

La figura 2H ilustra el resultado después de efectuar un proceso de decapado de la cara oculta con hidróxido de tetrametil amonio (TMAH) (véase U. Schnakenburg, W.Benecke y P.Lange, Decapantes TMAHW para la micromecanización de Silicio, Tech. Dig. 6ª Conf. Int. de Sensores y Accionamientos (Transductores '91) de Estado Sólido, San Francisco, CA, Estados Unidos, 24-28 de Junio de 1991, páginas 815-818), para crear un canal 44 de alimentación de fluido que se abre en las ranuras 30 de alimentación de fluido para permitir que el fluido entre en la cámara 43 del pozo de fluido y sea expulsado finalmente hacia el exterior de la abertura 42 del orificio.

La figura 3A representa un ejemplo de cabezal 60 de impresión que comprende una pluralidad de aberturas 42 de orificios situados en la capa superior 34 de orificios y en la capa inferior 35 de orificios. Las capas de orificios son aplicadas sobre una pila de capas 50 de película delgada, que ha sido procesada sobre un substrato 20 de semiconductor.

La figura 3B ilustra la cara opuesta del cabezal 60 de impresión para dejar ver los canales 44 de alimentación de fluido y las ranuras 30 de alimentación de fluido.

La figura 4 ilustra un ejemplo de modo de realización de un cartucho 100 de impresión, que utiliza un cabezal 60 de impresión. Tal cartucho de impresión podría ser similar al HP5162A disponible por Hewlett-Packard Co. El cabezal 60 de impresión está unido a un circuito impreso flexible 106 que acopla señales de control de los contactos eléctricos 102 al cabezal 60 de impresión. El fluido se guarda en el depósito 104 de fluido, que comprende un conjunto de distribución de fluido del cual se presenta un ejemplo tipo, una esponja 108 y un tubo vertical (no ilustrado). El fluido es almacenado en la esponja 108 y entregado al cabezal 60 de impresión a través del tubo vertical.

La figura 5 ilustra un ejemplo de aparato 200 de grabación por chorro de líquido, similar al Hewlett-Packard Deskjet 340 (C2655A), que utiliza el cartucho 100 de impresión de la figura 4. El medio 230 (tal como papel) se toma de la bandeja 210 del medio y se transporta a lo largo de su longitud a través del cartucho 100 de impresión por el mecanismo 260 de alimentación del medio. El cartucho 100 de impresión es transportado a lo largo de la anchura del medio 230 sobre el conjunto 240 de carro. El mecanismo 260 de alimentación del medio y el conjunto 240 de carro juntos, forman un conjunto de transporte para transportar el medio 230. Cuando se ha grabado sobre el medio 230, éste es expulsado sobre la bandeja 220 de salida del medio.

La figura 6A ilustra una sola máscara 140 de niveles de densidad múltiple; ésta se utiliza para formar la abertura 42 del orificio en un modo de realización alternativo de la presente invención. La zona opaca 142 se utiliza para definir la forma y la superficie de la abertura 42 del orificio. La zona parcialmente opaca 144 se utiliza para definir la forma y la superficie del pozo de fluido. La zona no opaca 146 es esencialmente transparente a la energía electromagnética y esta zona de la máscara define aquellas zonas en la capa superior 34 de orificios y en la capa inferior 35 de orificios que serán reticuladas y no eliminadas en el revelado. La forma de la zona opaca 142 coincide con la forma geométrica de la zona parcialmente opaca 144 con el fin de optimizar el proceso de revelado.

La figura 6B ilustra el modo de realización preferido de una máscara 150 de niveles de densidad múltiple en la cual la forma geométrica de la zona opaca 152 es diferente de la forma geométrica de la zona parcialmente opaca 154. Esta técnica está permitida debido a que el método de formación de imágenes directas permite la definición independiente de la forma del pozo de fluido y de la forma de la abertura del orificio. Esta técnica permite que el diseño óptimo del pozo de fluido permita unas velocidades de relleno rápidas, un porcentaje de rebufo de burbujas y una densidad máxima de orificios múltiples en un cabezal de impresión. Cuando se expulsa un gota de fluido desde un orificio, la gota tiene una forma del cuerpo principal y una parte de cola, que combinadas forman el volumen de la gota. El método de formación de imágenes directas permite al diseño óptimo de la abertura 42 del orificio proporcionar el volumen apropiado de fluido expulsado, el diseño de la cola del fluido expulsado y la forma del fluido cuando sale del orificio, lo cual permite minimizar la ruptura del fluido en su camino de vuelo hacia el medio. La zona no opaca 156 es esencialmente transparente a la energía electromagnética y esta zona de la máscara define aquellas zonas de la capa superior 34 de orificios y de la capa inferior 35 de orificios que serán reticuladas y no eliminadas en el revelado. En este modo de realización, un ejemplo de máscara tendría una capacidad de transmisión para la zona no opaca 156 de esencialmente 100%, una capacidad de transmisión para la zona opaca 154 de esencialmente el 20% y una capacidad de transmisión para la zona opaca 152 esencialmente de 0%.

La capacidad de adoptar diferentes formas permite a las ranuras 30 de alimentación de fluido ser colocadas más lejos del elemento 32 de disipación de energía para reducir la posibilidad de engullir el rebufo de la burbuja, limitando así la inyección de aire a través del orificio.

Además, debido a la capacidad de controlar el espesor tanto de la capa inferior 35 de orificios como de la capa superior 34 de orificios, con la capacidad de controlar las formas individuales del pozo de fluido y de la abertura del orificio, puede conseguirse un diseño general para la arquitectura del orificio.

La figura 7A ilustra la vista superior de la arquitectura preferida del orificio. La abertura 174 del orificio es de forma circular y el pozo 172 de fluido es de forma rectangular. La figura 7B ilustra la vista lateral del orificio según se ve a través de la perspectiva BB de la figura 7A. La capa superior 168 de orificios tiene una altura superior 162 del orificio que, junto con la superficie de la abertura 174 del orificio, determina el volumen de la cámara 176 del orificio. La capa inferior 170 de orificios tiene una altura inferior 164 del orificio que, junto con la superficie del pozo 172 de fluido determina el volumen de la cámara 180 del pozo de fluido. La altura total 166 del orificio es la suma de la altura superior 162 del orificio y de la altura inferior 164 del orificio. La relación de la altura inferior 164 del orificio a la altura superior 162 del orificio define un parámetro crítico, la relación de alturas, donde:

Relación_alturas = altura_inferior_orificio / altura_superior_orificio

Esta relación de alturas controla el volumen de desbordamiento de la gota expulsada, con relación a la longitud de su parte de cola, y el tiempo de rellenado, que es el tiempo requerido para rellenar el orificio con fluido tras la expulsión de fluido.

La figura 8 es un gráfico que ilustra el efecto de la relación de alturas con respecto al tiempo de rellenado y la relación de alturas con respecto al volumen de desbordamiento para un ejemplo de diámetro del orificio de 16 \mum y una longitud del pozo de fluido de 42 \mum y una anchura de 20 \mum. Al utilizar este gráfico se permitiría al diseñador del cabezal de impresión elegir el espesor de la capa para una forma deseada de la gota expulsada.

Las figuras 9A a 9B ilustran los pasos de un modo de realización alternativo de la invención que utiliza una sola capa de polímero de reticulación lenta y emplea una exposición reducida y una sobre-exposición de energía electromagnética del material polímero de reticulación lenta, como método para formar las capas independientes.

La figura 9A ilustra un substrato 20 de semiconductor procesado que tiene una pila de capas 50 de película delgada aplicada sobre él, las cuales contienen el elemento 32 de disipación de energía y las ranuras 30 de alimentación de fluido.

La figura 9B ilustra la aplicación de una capa de material 34 de reticulación lenta sobre la pila de capas 50 de película delgada y llenando las ranuras 30 de alimentación de fluido.

La figura 9C ilustra la exposición de la capa de polímero 34 de reticulación lenta con una dosis baja de energía electromagnética 12, para definir la abertura del orificio. La dosis de exposición es justamente la cantidad suficiente para exponer reducidamente y reticular el polímero de reticulación lenta a una profundidad deseada. Un ejemplo de exposición sería de 60,3 mJulios.

La figura 9D ilustra la exposición de una capa de polímero 34 de reticulación lenta con una dosis alta, suficiente para sobre-exponer y reticular toda la capa de polímero 34 de reticulación lenta con una dosis alta, suficiente para reticular toda la capa de polímero 34 de reticulación lenta, excepto donde ha de existir la cámara del pozo de fluido. Un ejemplo de exposición sería de 300 mJulios.

La figura 9E ilustra un paso alternativo del proceso al utilizado en las figuras 9C y 9D, utilizando una sola máscara con niveles de densidad múltiple, para permitir exponer, con dosis diferentes de energía electromagnética, la capa de polímero 34 de reticulación lenta. Esta técnica proporciona una alineación de precisión de la abertura 42 del orificio y de la cámara 43 del pozo de fluido, al tiempo que reduce el número de pasos del proceso.

La figura 9F ilustra el proceso de revelado, en el cual el material no reticulado es eliminado de la cámara del pozo de fluido y de la cámara del orificio. La cámara del orificio tiene una conicidad ligeramente reentrante debido a un reticulado inferior del material en profundidad de la capa de polímero 34 de reticulación lenta, ya que el tinte u otro material mezclado en el interior atenúan la energía electromagnética a medida que penetra.

La figura 9G ilustra el resultado final después del proceso decapante con TMAH de la cara oculta, para crear un canal 44 de alimentación de fluido que se abre en las ranuras 30 de alimentación de fluido.

Las figura 10A a 10E ilustran los resultados de los pasos de proceso para fabricar la máscara de niveles de densidad múltiple, utilizada en los procesos de fabricación de una sola máscara, para hacer los orificios en la capa de orificios.

La figura 10A ilustra un substrato 200 de cuarzo que es transparente para la energía electromagnética utilizada para exponer el polímero de formación de imágenes fotográficas utilizado para crear capas de orificios. El substrato 200 de cuarzo debe ser de una calidad óptica adecuada.

La figura 10B ilustra un substrato 200 de cuarzo con una capa de material dieléctrico semitransparente 210 aplicada sobre él. Tal ejemplo de material es óxido ferroso (FeO_{2}). Sobre la capa de material dieléctrico semitransparente 210 se aplica una capa de material opaco 220, un ejemplo del cual es el cromo. Tanto el FeO_{2} como el cromo pueden ser depositados utilizando un evaporador convencional de haz de electrones. Se aplica una capa de material fotorresistente de actuación negativa sobre la capa de material opaco 220, expuesta a la energía electromagnética y revelada para dejar una zona 230 de material fotorresistente que define la forma y el tamaño de la cámara del pozo de fluido.

La figura 10C ilustra el resultado después de haber decapado convencionalmente el substrato 200 de cuarzo. Cuando el material opaco 220 está comprendido por cromo, el ejemplo de proceso de decapado es un baño decapante de cromo KTI estándar. El substrato 200 de cuarzo es sometido después a otro proceso decapante convencional para eliminar el material dieléctrico semitransparente 210 que forma la capa semitransparente 212. Cuando se utiliza el FeO_{2} para el material dieléctrico semitransparente 210, un ejemplo de proceso decapante es el decapado por plasma utilizando el plasma SF6 o CF4. Después se elimina el material fotorresistente restante 230.

En la figura 10D, se aplica después otra capa de material fotorresistente al substrato 200 de cuarzo, expuesto para definir la forma y la superficie de la abertura del orificio y revelado después para crear el diseño 240 del orificio.

La figura 10E ilustra el resultado después de haber procesado el substrato 200 de cuarzo en un baño decapante para eliminar la capa opaca 222 donde no esté situado el diseño 240 del orificio, para crear así el diseño 224 de la abertura del orificio de la capa opaca. Para un material opaco que sea el cromo, un ejemplo de proceso decapante es el decapado químico húmedo, de manera que la capa dieléctrica semitransparente 212 no es atacada en el proceso decapante.

El proceso de orificios de polímero de formación de imágenes directas es sencillo, económico, utiliza los equipos existentes y es compatible con la tecnología actual de chorro de tinta térmica. Proporciona una flexibilidad de diseño y un estrecho control de la dimensión del orificio al permitir el control independiente de la geometría del orificio y del pozo de fluido. Un diseño de máscara de niveles de densidad múltiple permite utilizar una sola exposición para proporcionar una alineación inherente del orificio y del pozo de fluido para mejorar las prestaciones y la consistencia.

Aunque se han ilustrado distintas formas de orificios reentrantes, son posibles otras formas reentrantes utilizando las técnicas mencionadas anteriormente, que caen dentro del espíritu y alcance de la invención.

La invención aborda la necesidad de un control direccional más estrecho del chorro de fluido y un volumen más pequeño de la gota, para la fina resolución que se requiere para una impresión fotográfica viva y clara. Además, la invención simplifica la fabricación del cabezal de impresión, que reduce el coste de producción, permite unas tasas de ejecución de gran volumen y aumenta la calidad, fiabilidad y consistencia de los cabezales de impresión. El modo de realización preferido, y sus modos de realización alternativos de la invención, demuestran que pueden crearse formas exclusivas de los orificios para abordar problemas adicionales o para aprovecharse de las distintas propiedades del fluido expulsado desde el cabezal de impresión.

Claims

1. Un método para construir un cabezal de impresión de chorro de fluido que tiene un substrato semiconductor (20) que tiene una primera superficie y una segunda superficie con una ranura (30) de alimentación de fluido, que se extiende a través de dicho substrato semiconductor (20) y que está acoplado a un canal (44) de alimentación de fluido sobre dicha segunda superficie, comprendiendo:

aplicar una capa de polímero (35) de reticulación relativamente lenta, sobre dicha superficie de dicho substrato semiconductor (20);

aplicar una capa de polímero (34) de reticulación relativamente rápida, sobre dicha capa aplicada de polímero (35) de reticulación relativamente lenta;

exponer dicho polímero (34) de reticulación relativamente rápida y dicho polímero (35) de reticulación relativamente lenta a una dosis relativamente alta de un patrón de energía electromagnética, suficiente para reticular tanto dicho polímero (34) de reticulación relativamente rápida como dicho polímero (35) de reticulación relativamente lenta para crear un diseño de pozo (43) de fluido;

exponer dicho polímero (34) de reticulación relativamente rápida y dicho polímero (35) de reticulación relativamente lenta a una dosis relativamente baja de un patrón de energía electromagnética, suficiente para reticular dicho polímero (34) de reticulación relativamente rápida pero no dicho polímero (35) de reticulación relativamente lenta para crear un diseño de orificio (42); y

revelar dicho diseño de pozo (43) de fluido y dicho diseño de orificio (42).

2. El método de la reivindicación 1, en el que dicho material (35) de reticulación relativamente lenta comprende capas diferenciadas de polímero de formación de imágenes fotográficas y de tintes ópticos, mezclas de polímero de formación de imágenes fotográficas y tintes ópticos, o un polímero de formación de imágenes fotográficas.

3. El método de la reivindicación 2, en el que el polímero de formación de imágenes fotográficas es un epoxy de formación de imágenes fotográficas.

4. El método de la reivindicación 1, en el que la capa de material (35) de reticulación relativamente lenta tiene un espesor de 8 a 34 micras.

5. El método de la reivindicación 1, en el que el polímero (34) de reticulación relativamente rápida y el polímero (35) de reticulación relativamente lenta son expuestos a dicha dosis relativamente alta de un patrón de energía electromagnética y a dicha dosis relativamente baja de un patrón de energía electromagnética a través de una máscara de niveles de densidades múltiples.