JP2011121357A - 流体吐出装置の非湿潤性コーティング - Google Patents

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Abstract

【課題】流体吐出装置の非湿潤性コーティングを提供する。
【解決手段】流体吐出装置への非湿潤性コーティングの形成方法は、基板に酸素プラズマを当てて基板の内側部分の密度よりも高い密度を有する基板の外側部分を形成する工程と、外側部分の外表面上に非湿潤性コーティングを付与する工程と、を含む。外側部分の厚さは8nm未満である。
【選択図】図4F

Description

本発明は、一般に流体吐出装置のコーティングに関する。
一般に、流体吐出装置(例えばインクジェットプリントヘッド)は、内表面と、流体が吐出されるオリフィスと、外表面とを有する。オリフィスから流体が吐出されるとき、流体吐出装置の外表面に流体が溜まり得る。オリフィスに隣接した外表面に流体が溜まると、その後にオリフィスから吐出される流体が、溜まった流体との相互作用(例えば表面張力に起因する)により、意図された進行経路から逸らされたり完全に阻まれたりすることがある。流体吐出装置を作製する材料の一部(例えばシリコン)は親水性であり、そのことは流体が吐出されるときの滞溜の問題を一般に悪化させる。
テフロン(登録商標)及びフルオロカーボンポリマーなどの非湿潤性コーティングを、表面の被覆に用いることができる。
米国特許出願公開第2007/0030306号明細書 米国特許出願公開第2008/0136866号明細書 国際公開第2007/005857号 米国特許出願公開第2004/0125169号明細書
しかしながら、一般に、テフロン(登録商標)及びフルオロカーボンポリマーは、軟質であり、耐久性を有するコーティングではない。また、こうしたコーティングは、高価であり、パターニングが困難でもあり得る。
一般に、一態様において、流体吐出装置への非湿潤性コーティングの形成方法は、基板に酸素プラズマを当てて基板の内側部分の密度よりも高い密度を有する基板の外側部分を形成する工程と、外側部分の外表面上に非湿潤性コーティングを付与する工程と、を含む。外側部分の厚さは8nm未満である。
この実施形態及び他の実施形態は、任意に以下の特徴のうちの一つ又は複数を含み得る。外側部分の密度は2.5g/cm以上であり得る。外側部分の密度は約2.6g/cmであってもよい。内側部分の密度は2.0g/cm〜2.5g/cmであり得る。非湿潤性コーティングは、トリデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロオクチルトリクロロシラン(FOTS)及び1H,1H,2H,2H−パーフルオロデシルトリクロロシラン(FDTS)の少なくとも一方を含む前駆物質蒸気から形成することができる。非湿潤性コーティングは自己組織化単分子膜であり得る。非湿潤性コーティングの厚さは0.5nm〜3nmであってもよい。非湿潤性コーティングの厚さは1nm〜2nmであってもよい。非湿潤性コーティングは分子凝集体であり得る。この非湿潤性コーティングの厚さは1nm〜100nmであってもよい。プラズマは1Torr(1.3×10Pa)未満の圧力で当てられてもよい。酸素プラズマは5分間〜60分間にわたって当てられてもよい。酸素プラズマはアノードカップリング型プラズマツールを用いて当てられてもよい。非湿潤性コーティングは化学気相成長法によって付与することができる。本方法は、基板内に形成された流体路の内表面に酸素プラズマを当てる工程と、内表面に非湿潤性コーティングを付与する工程と、を更に含み得る。この方法は、内表面から非湿潤性コーティングを除去する工程を更に含み得る。この方法は、内表面から非湿潤性コーティングを除去する工程中に外表面をマスキングする工程を更に含み得る。
一般に、一態様において、流体吐出装置は、基板と、非湿潤性コーティングと、を備える。基板は、外表面と、外表面内のオリフィスへの流体流路を画成する内表面と、を有する。基板は、内側部分と、外表面を備える外側部分と、を有する。内側部分は、第1の密度を有し、外側部分は、第1の密度より高い第2の密度を有する。外側部分の厚さは8nm未満である。非湿潤性コーティングは、外表面の少なくとも一部分に隣接する。
この実施形態及び他の実施形態は、任意に以下の特徴のうちの一つ又は複数を含み得る。内側部分は、実質的にシリコンのみからなり得る。第2の密度は2.5g/cm以上であり得る。第2の密度は約2.6g/cmであってもよい。第1の密度は2.0g/cm〜2.5g/cmであり得る。非湿潤性コーティングは、トリデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロオクチルトリクロロシラン(FOTS)及び1H,1H,2H,2H−パーフルオロデシルトリクロロシラン(FDTS)の少なくとも一方を含む前駆物質蒸気から形成することができる。非湿潤性コーティングは自己組織化単分子膜であり得る。非湿潤性コーティングの厚さは0.5nm〜3nmであってもよい。非湿潤性コーティングの厚さは1nm〜2nmであってもよい。非湿潤性コーティングは分子凝集体であり得る。この非湿潤性コーティングの厚さは1nm〜100nmであってもよい。
ある実施態様は、以下の利点のうちの一つ又は複数を有し得る。非湿潤性コーティングをシリコン基板に直接的に結合させることにより、非湿潤性コーティングとノズル層との間の接着層が不要となる。接着層を有しないため、製造費及び材料費の両方が節減される。更に、接着層は侵蝕性のインクによる侵蝕を受け易いものであり得るため、非湿潤性コーティングをシリコン層に直接的に結合させることで、接着層が侵蝕された場合に起こり得る非湿潤性コーティングのノズル層からの剥離のリスクが低減される。
一つ又は複数の実施形態の詳細を、添付図面及び以下の説明において示す。本発明の他の特徴、目的及び利点は、説明、図面、及び特許請求の範囲から明らかとなろう。
被覆されていない流体吐出装置の実施態様の断面図である。 外表面上に非湿潤性コーティングを有する図1Aの流体吐出装置の実施態様の断面図である。 図1Bの流体吐出装置の底面図である。 非湿潤性コーティング単分子膜の概要図である。 非湿潤性コーティング凝集体の概要図である。 非湿潤性コーティングの例示的な分子の化学構造の概要図である。 流体吐出装置の例示的な形成工程を示す。 流体吐出装置の例示的な形成工程を示す。 流体吐出装置の例示的な形成工程を示す。 流体吐出装置の例示的な形成工程を示す。 流体吐出装置の例示的な形成工程を示す。 流体吐出装置の例示的な形成工程を示す。
それぞれの図面における同様の参照符号は同様の要素を示す。
図1Aは、被覆されていない流体吐出装置100(例えばインクジェットプリントヘッドノズル)の断面図であり、本明細書で論じられないその態様については、内容が参照により本明細書に援用される米国特許出願公開第2008−0020573号明細書に記載されるように実施することができる。
被覆されていない流体吐出装置100は、中に複数の流体路を有する流路モジュール110と、ノズル層120と、を備え、これらはどちらもシリコン(例えば単結晶シリコン)で作製され得る。一実施態様においては、被覆されていない流体吐出装置100は単一のユニットであり、流路モジュール110とノズル層120とは別個の部品ではない。被覆されていない流体吐出装置100は、流体路137に沿った内表面150と、外表面160と、を有する。膜層182が、ポンプ室135の上方に置かれる。流路モジュール110、ノズル層120及び膜層182が、非湿潤性コーティングが付与され得る基板となる。
アクチュエータ172がポンプ室135内の流体(例えばインク、更に例えば水性インク)を加圧し、その流体は下降部130を通じて流れ、ノズル層120内のオリフィス140を通じて吐出される。アクチュエータ172は、圧電層176と、下側電極178(例えば接地電極)と、上側電極174(例えば駆動電極)と、を備え得る。膜層182及びアクチュエータ172は、これ以降の図では示されないが、存在し得る。或いは、他の構成の流路137及びアクチュエータを、本明細書で説明されるコーティング及び技術と共に用いることができる。
図1Bに示すように、被覆された流体吐出装置105は、流体吐出装置の外表面160に沿って非湿潤性コーティング170を備えることができる。図2は、非湿潤性コーティング170を有する被覆された流体吐出装置105の底面である。オリフィス140は、矩形の開口として示されているが、他の開口形状、例えば、円形、又は5つ以上の辺を有する形状などの多角形が適していることもある。下降部130及びノズルの壁は、想像線で示されている。
図3Aに示すように、非湿潤性コーティング170は、自己組織化単分子膜、即ち単一分子層であってもよい。かかる非湿潤性コーティング単分子膜170の厚さは、約0.5nm〜3nm、例えば約1nm〜2nm、更に例えば約1.5nmであってもよい。或いは、図3Bに示すように、非湿潤性コーティング170は分子凝集体であってもよい。分子凝集体において、分子152は、個別の分子であるが、イオン結合や共有結合ではなく分子間力(例えば水素結合及び/又はファンデルワールス力)により、凝集体として保持される。かかる非湿潤性コーティング凝集体170は、多層(例えば2層)状に形成することができ、その全厚は、約1nm〜100nm、例えば1nm〜50nm、更に例えば3nm〜5nmであってもよい。非湿潤性コーティングの厚さが増すほど、非湿潤性コーティングの耐久性及びより広範な流体に対する抵抗性が高まる。
非湿潤性コーティングの分子は、一方の末端が−CF基で終端された一つ又は複数の炭素鎖を含むことができる。炭素鎖の他方の末端は、SiCl基で終端されていてもよく、又は当該分子がシリコン酸化物層(不図示)と結合している場合には、シリコン酸化物層の酸素原子と結合しているSi原子(そのSi原子の残りの結合手は、隣接する非湿潤性コーティング分子の終端のSi原子と結び付いた酸素原子、若しくはOH基、又はそれらの両方と結合していてもよい)で終端されていてもよい。炭素鎖は、完全に飽和していても、又は部分的に不飽和であってもよい。炭素鎖中の炭素原子の一部について、水素原子がフッ素に置換されていてもよい。炭素鎖中の炭素数は3〜10個であってもよい。例えば、炭素鎖は、(CH(CFCF(ここで、M≧2及びN≧0、かつM+N≧2)、例えば(CH(CFCFであってもよい。
図3Cに示すように、ノズル層120に隣接する非湿潤性コーティングの分子、即ち、単分子膜又は分子凝集体のうち基板に隣接する部分は、ノズル層120の表面近傍に形成された酸化物又はノズル層120の表面上のOH基と結合を形成するシロキサンであってもよく、以下に更に説明するとおり、いずれとの結合もOプラズマ処理によって強化することができる。
流体吐出装置(例えばインクジェットプリントヘッドノズル)への非湿潤性コーティングの形成方法は、図4Aに示すように、被覆されていないノズル層120を有する流路モジュール110から開始される。流路モジュール110及びノズル層120は、単結晶シリコンから形成することができる。実施態様によっては、流体吐出装置の表面上に、元来の酸化物層、即ちシリコン酸化物(その厚さは、例えば最大で約4nm、例えば約2nm〜3nmである)が存在する。しかしながら、元来の酸化物層は、密度が比較的低い傾向があり、非湿潤性コーティングと弱い結合を形成することがある。したがって、元来の酸化物を部分的に又は完全に除去して、元来の酸化物層を極めて薄く(例えば厚さ1nm未満だけ)残すか、又は実質的に純粋なシリコンで形成される表面を残すことができる。元来の酸化物層の密度は、2.0g/cm未満、例えば1.9g/cmであり得る。
流体吐出装置は、酸素(O)プラズマ処理に供することができる。例えば、酸素プラズマ処理は、プラズマツール、例えばアノードカップリング型プラズマツール(例えばアメリカ合衆国カリフォルニア州リヴァーモアのYield Engineering Systems製)若しくはカソードカップリング型プラズマツール又は誘導結合プラズマ(ICP)ツールなどで行うことができる。流体吐出装置は、圧力が真空近く、例えば1Torr(1.3×10Pa)未満、例えば0.2Torr(27Pa)又は10−5Torr(1.3×10−3Pa)まで減圧されたプラズマツールの真空チャンバ内に置かれ得る。チャンバ内に酸素が例えば80sccmの流量で導入され得る。高周波電力(例えば500Wの電力)の印加が開始されると、Oプラズマが形成される。Oプラズマ処理は、1分間〜90分間、例えば5分間〜60分間にわたって行われ得る。流体吐出装置の内表面150及び外表面160の両方が、Oプラズマに曝露され得る。
図4Bに示すように、Oプラズマ処理により、ノズル層120の外側部分122の密度を高めることができる。例えば、Oプラズマによりノズル層120の外側部分に沿ってSiOを形成して、外側部分122の密度を高めることができる(密度が高められた外側部分122を想像線で示す)。更に、プラズマによりチャンバの壁の原子(例えばアルミニウム原子)が壁から引き離されてノズル層120の外側部分に埋め込まれることにより、外側部分122の密度が高まり得る。例えば、AlOが外側部分122に埋め込まれ得る。高密度化された外側部分122の厚さは、約1nm〜9nm、例えば2nm〜8nm、更に例えば2nm〜5nmであってもよい。更に、高密度化された外側部分122の密度は、2.5g/cmより大きく、例えば2.6g/cmであってもよく、一方、内側の高密度化されていない部分の密度は、2.5g/cm未満、例えば2.0g/cm〜2.5g/cm、更に例えば2.33g/cmであり得る。このような高密度の外側部分122は、非湿潤性層が結合することができる酸化物を増やし、非湿潤性層の物理的頑健性を向上させて、ノズル表面の機械的な払拭に対する非湿潤性層の耐久性を向上させることができる。材料の密度は、X線反射率法(XRR)を用いて測定することができる。
更に、Oプラズマ処理により、ノズル層120の表面上のOH基の密度を高めることができる。OH基の密度が高まると、非湿潤性コーティング170の被覆率が向上する。即ち、非湿潤性膜の前駆物質はノズル層120上のOH基と結合するので、OH基の密度が高いほど非湿潤性コーティング170の被覆率がより向上する。OH基の割合がより高いことは、飛行時間型二次イオン質量分析装置(TOF−SIMS)(例えばGaイオンを用いてOH基を検出するもの)を用いて検証することができる。場合によっては、Oプラズマ処理された表面上のOH基の密度は、処理されていない表面上のOH基の密度の1.5〜2倍高い。OH基によってもたらされる非湿潤性コーティングの被覆率の向上は、非湿潤性コーティングの化学的頑健性を向上させて、吐出される流体のコーティングへの浸透をより起り難くする。膜の被覆率は、X線光電子分光法(XPS)によって測定することができる。
図4Cに示すように、非湿潤性コーティング170(例えば疎水性材料の層)は、流体吐出装置の露出した表面(外表面160及び内表面150の両方を含む)に付与される。非湿潤性コーティング170は、ブラッシング、ローリング又はスピンオンではなく、蒸着によって付与され得る。
非湿潤性コーティング170は、例えば、前駆物質及び水蒸気を化学気相成長(CVD)反応器に低圧で導入することにより、付与することができる。前駆物質の分圧は0.05Torr(6.7Pa)〜1Torr(1.3×10Pa)(例えば、0.1Torr(13Pa)〜0.5Torr(67Pa))であってもよく、HOの分圧は0.05Torr(6.7Pa)〜20Torr(2.7×10Pa)(例えば、0.1Torr(13Pa)〜2Torr(2.7×10Pa))であってもよい。堆積温度は、室温から約100℃の間であってもよい。このコーティング方法は、例として、アメリカ合衆国カリフォルニア州サンノゼのApplied MicroStructures,Inc.製のMolecular Vapor Deposition(MVD)(商標)装置を使用して実施することができる。
非湿潤性コーティング170の好適な前駆物質としては、例として、非湿潤性の末端と流体吐出装置の表面に付着可能な末端とを有する分子を含む前駆物質が挙げられる。例えば、一つの末端が−CF基で終端され二つめの末端が−SiCl基で終端された炭素鎖を含む前駆分子を用いることができる。シリコン表面に付着する好適な前駆物質の具体例としては、トリデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロオクチルトリクロロシラン(FOTS)及び1H,1H,2H,2H−パーフルオロデシル−トリクロロシラン(FDTS)が挙げられる。非湿潤性コーティングの他の例としては、3,3,3−トリフルオロプロピルトリクロロシラン(CF(CHSiCl)及び3,3,3,4,4,5,5,6,6−ノナフルオロヘキシルトリクロロシラン(CF(CF(CHSiCl)が挙げられる。いかなる特定の理論によっても制限されないが、分子が−SiCl末端を含む前駆物質(FOTSやFDTSなど)が水蒸気と共にCVD反応器に導入されると、前駆物質が加水分解され、次いでシロキサン結合が生じて、−SiCl基のシリコン原子がノズル層120の表面上の−OH基(例えばノズル層120に元来ある酸化物のOH基)の酸素原子と結合することにより、他方即ち非湿潤性の末端が露出した分子(例えば単分子層)のコーティングがもたらされるものと考えられる。
図4Dに示すように、任意に、流路の内部から非湿潤性コーティングを除去してもよい。流体吐出装置の外表面、例えば少なくともノズル140を取り囲む領域に、マスク165が施される。マスキング層は、様々な材料で形成され得る。例えば、テープ、ワックス又はフォトレジストをマスクとして使用することができる。マスク165は、それが施される表面を、クリーニング工程中に生ずる剥離や損傷から(例えば酸素プラズマに対する曝露から)、及び/又はそれに続く堆積から(例えばオーバーコート層の堆積から)、保護する。マスク165は、その下の非湿潤性コーティング170に剥離若しくは損傷又はその他の材料変質をもたらすことなく取り外すことができるように十分に低い接着性を有することができる。
図4Eに示すように、流体吐出装置の流体路内の内表面150は、非湿潤性コーティングのマスク165によって被覆されていない部分を除去するクリーニング工程、例えばクリーニングガス、更に例えば酸素プラズマ処理に供される。酸素プラズマがチャンバ内で基板に当てられてもよく、又は酸素プラズマ源が流体路の入口に接続されてもよい。前者の場合、マスク165は、チャンバ内の酸素プラズマが流体吐出装置の外側で外表面上の非湿潤性コーティングを取り除くことを防止する。後者の場合、マスク165は、酸素プラズマがオリフィスを通じて漏出すること及び外表面上の非湿潤性コーティングを取り除くことを防止する(この場合、マスクはオリフィスそれ自体を被覆するだけでよい)。
図4Fに示すように、クリーニング工程後に、マスク165が取り外されて図1Bに示すような流体吐出装置が提供される。最終的に完成した装置は、外表面160上の非湿潤性層170と、非湿潤性表面よりも湿潤性が高い内表面150と、を有する流体吐出装置である。
別の実施形態では、非湿潤性コーティング170は、流体路モジュール110及びノズル層120が接合される前に、流体吐出装置の外表面上に付与される。
非湿潤性コーティングをシリコンノズル層に、接着層を用いないで、直接的に結合させることにより、非湿潤性コーティングをより強固に形成することができる。即ち、接着層(例えばSiO、SiN、TiO、又はTa)の厚さは、一般に少なくとも100nm、例えば約200nmである。もし非湿潤性コーティングを貫通して小さいピンホールができると、侵蝕性のインクが厚い接着層を侵蝕することがあり、非湿潤性コーティングが基板から剥離してしまう結果となる。しかしながら、非湿潤性コーティングをシリコンノズル層に直接的に結合させる場合には、侵蝕性のインクが侵蝕する接着層がないので、剥離のリスクが低減される。更に、基板上に元来の酸化物層が存在するとしても、かかる極めて薄い層は侵蝕性のインクによって侵蝕され難いので、非湿潤性コーティングが基板から剥離する可能性はやはり低い。
特定の実施形態について説明した。他の実施形態は以下の特許請求の範囲の内にある。

Claims (28)

  1. 流体吐出装置への非湿潤性コーティングの形成方法であって、
    基板に酸素プラズマを当てて、前記基板の外側部分であって前記基板の内側部分の密度よりも高い密度を有し厚さが8nm未満である外側部分を形成する工程と、
    前記外側部分の外表面に非湿潤性コーティングを付与する工程と、
    を含む方法。
  2. 前記外側部分の密度は2.5g/cm以上である、請求項1に記載の方法。
  3. 前記外側部分の密度は約2.6g/cmである、請求項2に記載の方法。
  4. 前記内側部分の密度は2.0g/cm乃至2.5g/cmである、請求項1乃至3のいずれかに記載の方法。
  5. 前記非湿潤性コーティングは、トリデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロオクチルトリクロロシラン(FOTS)及び1H,1H,2H,2H−パーフルオロデシルトリクロロシラン(FDTS)の少なくとも一方を含む前駆物質蒸気から形成される、請求項1乃至4のいずれかに記載の方法。
  6. 前記非湿潤性コーティングは自己組織化単分子膜である、請求項1乃至5のいずれかに記載の方法。
  7. 前記非湿潤性コーティングの厚さは0.5nm乃至3nmである、請求項6に記載の方法。
  8. 前記非湿潤性コーティングの厚さは1nm乃至2nmである、請求項7に記載の方法。
  9. 前記非湿潤性コーティングは分子凝集体である、請求項1乃至5のいずれかに記載の方法。
  10. 前記非湿潤性コーティングの厚さは1nm乃至100nmである、請求項9に記載の方法。
  11. 前記プラズマは1Torr(1.3×10Pa)未満の圧力で当てられる、請求項1乃至10のいずれかに記載の方法。
  12. 前記酸素プラズマは5分間乃至60分間にわたって当てられる、請求項1乃至11のいずれかに記載の方法。
  13. 前記酸素プラズマはアノードカップリング型プラズマツールを用いて当てられる、請求項1乃至12のいずれかに記載の方法。
  14. 前記非湿潤性コーティングは化学気相成長法によって付与される、請求項1乃至13のいずれかに記載の方法。
  15. 前記基板内に形成された流体路の内表面に前記酸素プラズマを当てる工程と、
    前記内表面に前記非湿潤性コーティングを付与する工程と、
    を更に含む、請求項1乃至14のいずれかに記載の方法。
  16. 前記内表面から前記非湿潤性コーティングを除去する工程を更に含む、請求項15に記載の方法。
  17. 前記内表面から前記非湿潤性コーティングを除去する工程中に前記外表面をマスキングする工程を更に含む、請求項16に記載の方法。
  18. 外表面と前記外表面内のオリフィスへの流体流路を画成する内表面とを有する基板であって、前記基板は内側部分と前記外表面を備える外側部分とを有し、前記内側部分は第1の密度を有し前記外側部分は前記第1の密度より高い第2の密度を有し、前記外側部分の厚さは8nm未満である、基板と、
    前記外表面の少なくとも一部分に隣接する非湿潤性コーティングと、
    を備える流体吐出装置。
  19. 前記内側部分は実質的にシリコンのみからなる、請求項18に記載の流体吐出装置。
  20. 前記第2の密度は2.5g/cm以上である、請求項18又は19に記載の流体吐出装置。
  21. 前記第2の密度は約2.6g/cmである、請求項20に記載の流体吐出装置。
  22. 前記第1の密度は2.0g/cm乃至2.5g/cmである、請求項18乃至21のいずれかに記載の流体吐出装置。
  23. 前記非湿潤性コーティングは、トリデカフルオロ−1,1,2,2−テトラヒドロオクチルトリクロロシラン(FOTS)及び1H,1H,2H,2H−パーフルオロデシルトリクロロシラン(FDTS)の少なくとも一方を含む前駆物質蒸気から形成される、請求項18乃至22のいずれかに記載の流体吐出装置。
  24. 前記非湿潤性コーティングは自己組織化単分子膜である、請求項18乃至23のいずれかに記載の流体吐出装置。
  25. 前記非湿潤性コーティングの厚さは0.5nm乃至3nmである、請求項24に記載の流体吐出装置。
  26. 前記非湿潤性コーティングの厚さは1nm乃至2nmである、請求項25に記載の流体吐出装置。
  27. 前記非湿潤性コーティングは分子凝集体である、請求項18乃至23のいずれかに記載の流体吐出装置。
  28. 前記非湿潤性コーティングの厚さは1nm乃至100nmである、請求項27に記載の流体吐出装置。
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