JP5205396B2 - 疎水性のインク噴射面を有する印刷ヘッドを製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、プリンタの分野に関し、具体的にはインクジェット印刷ヘッド（ｉｎｋｊｅｔ ｐｒｉｎｔｈｅａｄ）の分野に関する。本発明は主に、高解像度印刷ヘッドの印刷品質及び信頼性を向上させるために開発された。

多くの異なるタイプの印刷が発明され、そのうちの多数が現在も使用されている。知られている印刷形態は、適切なマーキング媒体で印刷媒体にマークを付けるさまざまな方法を有する。一般的に使用される印刷形態には、オフセット印刷、レーザ印刷／複写装置、ドットマトリクス型インパクトプリンタ、感熱紙プリンタ、フィルムレコーダ、サーマルワックスプリンタ、染料昇華型プリンタ、ドロップオンデマンド型及び連続フロー型のインクジェットプリンタなどがある。費用、速度、品質、信頼性、構造及び動作の単純さなどを考えたとき、これらのタイプのプリンタはそれぞれ、それ自体の利点及び問題を有する。

近年、個々のそれぞれのインク画素を１つ又は複数のインクノズルから得るインクジェット印刷の分野が、主にその安価で汎用性のある性質のためにますます人気を集めている。

インクジェット印刷に関する多くの異なる技法が発明された。この分野を概観するためには、Ｊ Ｍｏｏｒｅによる記事、「Ｎｏｎ−Ｉｍｐａｃｔ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ：Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌ Ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ」、Ｏｕｔｐｕｔ Ｈａｒｄ Ｃｏｐｙ Ｄｅｖｉｃｅｓ、Ｒ Ｄｕｂｅｃｋ及びＳ Ｓｈｅｒｉ編、２０７〜２２０ページ（１９８８年）を参照されたい。

インクジェットプリンタ自体には、多くの異なるタイプがある。インクジェット印刷における連続インク流の利用は、少なくとも１９２９年まで遡るようであり、特許文献１は、単純な形態の連続流静電式インクジェット印刷を開示している。

特許文献２も、高周波静電界によってインクジェット流が、インク滴の分離を引き起こすように調節されるステップを含む、連続インクジェット印刷の方法を開示している。この技法は現在でも、Ｅｌｍｊｅｔ社及びＳｃｉｔｅｘ社を含むいくつかのメーカによって利用されている（特許文献３も参照されたい）。

圧電インクジェットプリンタも一般的に利用されているインクジェット印刷装置の一形態である。圧電システムは、ダイアフラム（ｄｉａｐｈｒａｇｍ）動作モードを利用する特許文献４、圧電結晶のスクイーズ（ｓｑｕｅｅｚｅ）動作モードを開示した特許文献５、圧電動作のベンド（ｂｅｎｄ）モードを開示した特許文献６、インクジェット流の圧電プッシュ（ｐｕｓｈ）モード作動を開示した特許文献７、及び剪断（ｓｈｅａｒ）モード型の圧電トランスデューサ要素を開示した特許文献８に開示されている。

最近、サーマル（ｔｈｅｒｍａｌ）インクジェット印刷が、極めて人気の高いインクジェット印刷形態となっている。サーマルインクジェット印刷技法は、特許文献９及び特許文献１０に開示された技法を含む。上記の参照文献はともに、ノズルなどの狭められた空間内で気泡を発生させ、それによりこの狭い空間に接続された開口から適切な印刷媒体上にインクを噴射させる電熱アクチュエータの活動化に依存したインクジェット印刷技法を開示したものである。電熱アクチュエータを利用する印刷装置は、Ｃａｎｏｎ社、Ｈｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ社などのメーカによって製造されている。

以上のことから分かるとおり、多くの異なるタイプの印刷技術が使用可能である。理想的には、１つの印刷技術がいくつかの望ましい属性を有するべきである。これには、安価な構造及び動作、高速動作、安全な長期連続動作などが含まれる。それぞれの技術は、費用、速度、品質、信頼性、電力使用量、動作の構造の単純さ、耐久性及び消耗部品の領域においてそれ自体の利点及び欠点を有する。

インクジェット印刷システムの構築において、特に大規模印刷ヘッド、特にページ幅タイプの印刷ヘッドが構築されるときには、互いにトレードオフされなければならないかなりの数の重要な因子がある。次に、これらの因子のいくつかを概説する。

第１に、インクジェット印刷ヘッドは通常、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）技法を利用して構築される。そのため、インクジェット印刷ヘッドは、シリコンウェーハ上に平らな層を付着させ、その平らな層のある部分をエッチングする標準集積回路構築／製造技法に依存する傾向がある。シリコン回路製造技術の範囲では、ある種の技法が他の技法よりもよく知られている。例えば、ＣＭＯＳ回路の製作に関連した技法は、強誘電体、ヒ化ガリウムなどを含むエキゾチック（ｅｘｏｔｉｃ）回路の製作に関連した技法よりも容易に使用される可能性が高い。したがって、ＭＥＭＳの構築では、「エキゾチック」プロセス又は材料を一切必要としない十分に証明された半導体製造技法を利用することが望ましい。もちろん、ある程度のトレードオフも行われ、エキゾチック材料を使用する利点がエキゾチック材料を使用する欠点よりもはるかに大きい場合には、なんとかしてエキゾチック材料を利用した方が望ましいこともある。しかしながら、より一般的な材料を使用して同じ又は同様の特性を達成することが可能な場合には、エキゾチック材料の問題を回避することができる。

インクジェット印刷ヘッドの望ましい特徴は、疎水性のインク噴射面（ｉｎｋ ｅｊｅｃｔｉｏｎ ｆａｃｅ）（「前面（ｆｒｏｎｔ ｆａｃｅ）」又は「ノズル面」）、好ましくは疎水性のインク噴射面と親水性のノズルチャンバ（ｎｏｚｚｌｅ ｃｈａｍｂｅｒ）及びインク供給チャネル（ｉｎｋ ｓｕｐｐｌｙ ｃｈａｎｎｅｌ）の組合せであるであろう。親水性のノズルチャンバ及びインク供給チャネルは毛管作用を提供し、したがって、親水性のノズルチャンバ及びインク供給チャネルは、ノズルチャンバへのインクの注入及び各インク滴噴射後のノズルチャンバへのインクの再供給のために最適である。疎水性の前面は、印刷ヘッドの前面を横切ってインクが溢れる傾向を最小化する。前面が疎水性であれば、水性のインクジェットインクはノズル開口から横に溢出しにくいと考えられる。さらに、ノズル開口から溢れ出たインクは前面を横切って広がったり、前面上で混ざり合ったりしにくいと考えられ、その代わりに、ノズル開口から溢れ出たインクは、適当な保守操作によってより容易に処理することができる分離した球形の微小インク滴を形成する。

しかしながら、疎水性の前面及び親水性のインクチャンバが望ましいとはいえ、ＭＥＭＳ技法によってこのような印刷ヘッドを製造することには大きな問題がある。ＭＥＭＳ印刷ヘッド製造の最終段階は一般に、酸素プラズマを使用したフォトレジストのアッシング（ａｓｈｉｎｇ）である。しかしながら、前面に付着させた有機疎水性材料は一般にこのアッシングプロセスによって除去されて、親水性の表面を残す。また、アッシング後に疎水性材料を蒸着させることの問題は、疎水性材料が、印刷ヘッドの前面だけでなくノズルチャンバの内側にも付着することである。ノズルチャンバ壁は疎水化され、このことは、ノズルチャンバに向かってバイアスされた正のインク圧力を発生させる観点から非常に望ましくない。これは難問であり、印刷ヘッド製造に対するかなりの要求を生み出す。

したがって、その結果得られる印刷ヘッドがノズルチャンバの表面特性を含まない改良された表面特性を有する、印刷ヘッド製造プロセスを提供することが望ましいであろう。その結果得られる印刷ヘッドが疎水性の前面及び親水性のノズルチャンバを併せ持つ、印刷ヘッド製造プロセスを提供することも望ましいであろう。

米国特許第１９４１００１号 米国特許第３５９６２７５号 米国特許第３３７３４３７号 米国特許第３９４６３９８号 米国特許第３６８３２１２号 米国特許第３７４７１２０号 米国特許第４４５９６０１号 米国特許第４５８４５９０号 英国特許公開公報２００７１６２号 米国特許第４４９０７２８号

第１の態様では、本発明が、疎水性のインク噴射面を有する印刷ヘッドを製造する方法であって、
（ａ）複数のノズルチャンバと、インク噴射面を少なくとも部分的に画定する相対的に親水性のノズル表面とを備えた、部分的に製造された印刷ヘッドを用意するステップと、
（ｂ）ノズル表面に、アッシングによる除去に対して抵抗性を有する相対的に疎水性のポリマー材料の層を付着させるステップと、
（ｃ）前記ノズル表面内に複数のノズル開口を画定するステップと
を含み、
これによって、相対的に疎水性のインク噴射面を有する印刷ヘッドを提供し、
ステップ（ｂ）と（ｃ）が任意の順序で実行される
方法を提供する。

任意選択で、ステップ（ｃ）がステップ（ｂ）の前に実行され、前記方法が、付着させた前記ポリマー材料内に、整列した対応する複数のノズル開口を画定する追加のステップを含む。

任意選択で、前記整列した対応する複数のノズル開口が、前記ポリマー材料をフォトパターニングすることによって画定される。

任意選択で、ステップ（ｃ）がステップ（ｂ）の後に実行され、前記ポリマー材料が、前記ノズル表面をエッチングするためのマスクとして使用される。

任意選択で、前記ノズル表面をエッチングする前に、前記ポリマー材料をフォトパターニングして、複数のノズル開口領域を画定する。

任意選択で、ステップ（ｃ）がステップ（ｂ）の後に実行され、ステップ（ｃ）が、
前記ポリマー材料上にマスクを付着させるステップと、
前記マスクをパターニングして、複数のノズル開口領域内の前記ポリマー材料を露出させるステップと、
露出させた前記ポリマー材料及びその下の前記ノズル表面をエッチングして、前記複数のノズル開口を画定するステップと、
前記マスクを除去するステップと
を含む。

任意選択で、前記マスクがフォトレジストであり、前記フォトレジストがアッシングによって除去される。

任意選択で、前記ポリマー材料及び前記ノズル表面をエッチングするのに同じガスケミストリが使用される。

任意選択で、前記ガスケミストリがＯ_２とフッ素含有化合物とを含む。

任意選択で、前記部分的に製造された印刷ヘッド内において、それぞれのノズルチャンバのルーフが犠牲フォトレジストスカフォルドによって支持され、前記方法がさらに、前記フォトレジストスカフォルドをアッシングによって除去するステップを含む。

任意選択で、それぞれのノズルチャンバのルーフが前記ノズル表面によって少なくとも部分的に画定される。

任意選択で、前記ノズル表面と基板との間にそれぞれのノズルチャンバの側壁が延びるように、前記ノズル表面が前記基板から間隔を置いて配置される。

任意選択で、それぞれのノズルチャンバのルーフ及び側壁が、ＣＶＤによって付着させることができるセラミック材料からなる。

任意選択で、前記ルーフ及び側壁が、酸化シリコン、窒化シリコン及び酸窒化シリコンを含むグループから選択された材料からなる。

任意選択で、前記疎水性ポリマー材料が、Ｏ_２プラズマ中で不活性化表面酸化物を形成する。

任意選択で、前記疎水性ポリマー材料が、Ｏ_２プラズマにさらされた後にその疎水性を回復する。

任意選択で、前記ポリマー材料が、重合シロキサン類及びフッ化ポリオレフィン類を含むグループから選択される。

任意選択で、前記ポリマー材料が、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）及び過フッ化ポリエチレン（ＰＦＰＥ）を含むグループから選択される。

任意選択で、付着後に、前記ポリマー材料の少なくとも一部分をＵＶ硬化させる。

他の態様では、本発明が、本発明の方法によって得られた、又は得ることができる印刷ヘッドを提供する。

第２の態様では、本発明が、インク噴射面を有し、前記インク噴射面の少なくとも一部分が、重合シロキサン類及びフッ化ポリオレフィン類を含むグループから選択された疎水性ポリマー材料でコーティングされた印刷ヘッドを提供する。

任意選択で、前記ポリマー材料がアッシングによる除去に対して抵抗性を有する。

任意選択で、前記ポリマー材料が、酸素プラズマ中で不活性化表面酸化物を形成する。

任意選択で、前記ポリマー材料が、酸素プラズマにさらされた後にその疎水性を回復する。

任意選択で、前記ポリマー材料が、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）及び過フッ化ポリエチレン（ＰＦＰＥ）を含むグループから選択される。

他の態様では、本発明が、基板上に形成された複数のノズルアセンブリを備えた印刷ヘッドであって、ノズルアセンブリがそれぞれ、ノズルチャンバと、ノズルチャンバのルーフに画定されたノズル開口と、ノズル開口を通してインクを噴射するアクチュエータとを備えた印刷ヘッドを提供する。

任意選択で、疎水性ポリマーを上にコーティングされているノズル表面が、インク噴射面を少なくとも部分的に画定する。

任意選択で、それぞれのルーフが、印刷ヘッドのノズル表面の少なくとも一部分を画定し、前記疎水性コーティングのおかげで、それぞれのルーフの外面が、それぞれのノズルチャンバの内面よりも疎水性である。

任意選択で、インク噴射面の少なくとも一部分が９０°超の接触角を有し、ノズルチャンバの内面が９０°未満の接触角を有する。

任意選択で、それぞれのノズルチャンバが、セラミック材料からなるルーフ及び側壁を備える。

任意選択で、セラミック材料が、窒化シリコン、酸化シリコン及び酸窒化シリコンを含むグループから選択される。

任意選択で、前記ノズル表面と基板との間にそれぞれのノズルチャンバの側壁が延びるように、前記ルーフが前記基板から間隔を置いて配置される。

任意選択で、インク噴射面が、印刷ヘッドのインク供給チャネルよりも疎水性である。

任意選択で、前記アクチュエータが、気泡を形成するように前記チャンバ内のインクを加熱し、それにより前記ノズル開口を通してインク小滴を押し出すように構成されたヒータ要素である。

任意選択で、前記ヒータ要素が前記ノズルチャンバ内に懸架される。

任意選択で、前記アクチュエータが、
駆動回路に接続する第１の能動要素と、
第２の受動要素と
を備え、
第１の要素に電流が流されたときに第１の要素が第２の要素に対して膨張するように第２の受動要素が第１の要素と機械的に協力し、その結果、アクチュエータが曲がる
サーマルベンドアクチュエータである。

任意選択で、前記サーマルベンドアクチュエータが、それぞれのノズルチャンバのルーフの少なくとも一部分を画定し、それにより、前記アクチュエータの作動が、前記ノズルチャンバのフロアに向かって前記アクチュエータを移動させる。

任意選択で、前記ノズル開口が、前記アクチュエータ又は前記ルーフの静止部分に画定される。

任意選択で、前記疎水性ポリマー材料が、前記アクチュエータと前記ルーフの静止部分との間に機械シールを画定し、それにより作動中のインクの漏れを最小化する。

任意選択で、前記疎水性ポリマー材料が１０００ＭＰａ未満のヤング率を有する。

第３の態様では、本発明が、インクジェット印刷ヘッド用のノズルアセンブリであって、
ルーフを有するノズルチャンバであり、前記ルーフが、静止部分に対して移動可能な移動部分と、前記ルーフに画定されたノズル開口とを、前記静止部分に対する前記移動部分の移動がノズル開口を通したインクの噴射を引き起こすように有するノズルチャンバと、
前記静止部分に対して前記移動部分を移動させるアクチュエータと、
前記移動部分と前記静止部分とを相互接続する機械シールであり、重合シロキサン類及びフッ化ポリオレフィン類を含むグループから選択されたポリマー材料を含む機械シールと
を備えたノズルアセンブリを提供する。

任意選択で、前記ノズル開口が前記移動部分に画定される。

任意選択で、前記ノズル開口が前記静止部分に画定される。

任意選択で、前記アクチュエータが、
駆動回路に接続する第１の能動要素と、
第２の受動要素と
を備え、
第１の要素に電流が流されたときに第１の要素が第２の要素に対して膨張するように第２の受動要素が第１の要素と機械的に協力し、その結果、アクチュエータが曲がる
サーマルベンドアクチュエータである。

任意選択で、前記第１及び第２の要素が片持ち梁である。

任意選択で、前記サーマルベンドアクチュエータが前記ルーフの移動部分の少なくとも一部分を画定し、それにより、前記アクチュエータの作動が、前記ノズルチャンバのフロアに向かって前記アクチュエータを移動させる。

任意選択で、前記ポリマー材料が１０００ＭＰａ未満のヤング率を有する。

任意選択で、ポリマー材料が、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）及び過フッ化ポリエチレン（ＰＦＰＥ）を含むグループから選択される。

任意選択で、前記ポリマー材料が疎水性であり、アッシングによる除去に対して抵抗性を有する。

任意選択で、前記ポリマー材料が、Ｏ_２プラズマにさらされた後にその疎水性を回復する。

任意選択で、前記印刷ヘッドのインク噴射面が疎水性となるように、前記ルーフ全体にポリマー材料がコーティングされる。

任意選択で、それぞれのルーフが、印刷ヘッドのノズル表面の少なくとも一部分を形成し、前記ポリマーコーティングのおかげで、それぞれのルーフの外面が、それぞれのノズルチャンバの内面よりも疎水性である。

任意選択で、前記ポリマーコーティングが９０°超の接触角を有し、ノズルチャンバの内面が９０°未満の接触角を有する。

任意選択で、前記ポリマーコーティングが１１０°超の接触角を有する。

任意選択で、前記ノズルチャンバの内面が７０°未満の接触角を有する。

任意選択で、前記ルーフが基板から間隔を置いて配置されるように前記ルーフと前記基板との間に延びる側壁を、前記ノズルチャンバが備える。

任意選択で、前記ルーフ及び前記側壁が、ＣＶＤによって付着させることができるセラミック材料からなる。

任意選択で、セラミック材料が、窒化シリコン、酸化シリコン及び酸窒化シリコンを含むグループから選択される。

サーマルインクジェット印刷ヘッドのノズルアセンブリのアレイの部分透視図である。 図１に示されたノズルアセンブリ単位セルの側面図である。 図２に示されたノズルアセンブリの透視図である。 犠牲フォトレジスト層上に側壁及びルーフ材料を付着させた後の部分的に形成されたノズルアセンブリを示す図である。 図４に示されたノズルアセンブリの透視図である。 図７に示されたノズルリムエッチングに関連したマスクである。 ノズル開口リムを形成するためのルーフ層のエッチングを示す図である。 図７に示されたノズルアセンブリの透視図である。 図１０に示されたノズル開口エッチングに関連したマスクである。 楕円形のノズル開口を形成するためのルーフ材料のエッチングを示す図である。 図１０に示されたノズルアセンブリの透視図である。 第１及び第２の犠牲層の酸素プラズマアッシングを示す図である。 図１２に示されたノズルアセンブリの透視図である。 アッシング後のノズルアセンブリ及びウェーハの反対側を示す図である。 図１４に示されたノズルアセンブリの透視図である。 図１７に示された裏面エッチングに関連したマスクである。 ウェーハ内にインク供給チャネルをエッチングする裏面エッチングを示す図である。 図１７に示されたノズルアセンブリの透視図である。 疎水性ポリマーコーティングを付着させた後の図１０のノズルアセンブリを示す図である。 図１９に示されたノズルアセンブリの透視図である。 ポリマーコーティングをフォトパターニングした後の図１９のノズルアセンブリを示す図である。 図２１に示されたノズルアセンブリの透視図である。 疎水性ポリマーコーティングの付着させた後の図７のノズルアセンブリを示す図である。 図２３に示されたノズルアセンブリの透視図である。 ポリマーコーティングをフォトパターニングした後の図２３のノズルアセンブリを示す図である。 図２５に示されたノズルアセンブリの透視図である。 サーマルベンドアクチュエータによって画定された移動部分を有するルーフを備えたインクジェットノズルアセンブリの側断面図である。 図２７に示されたノズルアセンブリの破断透視図である。 図２７に示されたノズルアセンブリの透視図である。 図２７に示されたノズルアセンブリのアレイの破断透視図である。 サーマルベンドアクチュエータによって画定された移動部分を有するルーフを備えた代替インクジェットノズルアセンブリの側断面図である。 図３１に示されたノズルアセンブリの破断透視図である。 図３１に示されたノズルアセンブリの透視図である。 移動ルーフ部分と静止ルーフ部分との間に機械シールを形成するポリマーコーティングをルーフ上に有する図２７のノズルアセンブリを示す図である。 移動ルーフ部分と静止ルーフ部分との間に機械シールを形成するポリマーコーティングをルーフ上に有する図３１のノズルアセンブリを示す図である。

次に、添付図面を参照して、本発明の任意選択の実施形態を単に例として説明する。

本発明は、任意のタイプの印刷ヘッドとともに使用することができる。本発明の出願人はこれまでに、非常に多数のインクジェット印刷ヘッドを記載した。本発明の理解のために、このような印刷ヘッドの全てをここで説明する必要はない。とは言うものの、次に、サーマル気泡形成型インクジェット印刷ヘッド（ｔｈｅｒｍａｌ ｂｕｂｂｌｅ−ｆｏｒｍｉｎｇ ｉｎｋｊｅｔ ｐｒｉｎｔｈｅａｄ）及びメカニカルサーマルベンド作動型インクジェット印刷ヘッド（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｔｈｅｒｍａｌ ｂｅｎｄ ａｃｔｕａｔｅｄ ｉｎｋｊｅｔ ｐｒｉｎｔｈｅａｄ）に関して本発明を説明する。本発明の利点は以下の議論から容易に明らかになるであろう。

サーマル気泡形成型インクジェット印刷ヘッド
図１を参照すると、複数のノズルアセンブリを備えた印刷ヘッドの一部分が示されている。図２及び３は、これらのノズルアセンブリのうちの１つのノズルアセンブリの断面図及び破断透視図を示す。

それぞれのノズルアセンブリは、ＭＥＭＳ製造技法によってシリコンウェーハ基板２上に形成されたノズルチャンバ２４を備える。ノズルチャンバ２４は、ルーフ（ｒｏｏｆ）２１と、ルーフ２１からシリコン基板２まで延びる側壁２２とによって画定される。図１に示されているように、それぞれのルーフは、印刷ヘッドの噴射面を横切って広がるノズル表面５６の部分によって画定される。ノズル表面５６と側壁２２は同じ材料から形成され、この材料は、ＭＥＭＳ製造中に犠牲フォトレジストスカフォルド（ｓｃａｆｆｏｌｄ）の上にＰＥＣＶＤによって付着させる。ノズル表面５６と側壁２２は一般に、二酸化シリコン、窒化シリコンなどのセラミック材料から形成される。これらの硬質材料は、印刷ヘッドの頑丈さ対する優れた特性を有し、本来的に備わっているそれらの親水性は、毛管作用によってノズルチャンバ２４にインクを供給するのに有利である。しかしながら、ノズル表面５６の外面（インク噴射面）も親水性であり、このことがノズル表面に溢れ出たインクを広げさせる。

ノズルチャンバ２４の細部に戻ると、それぞれのノズルチャンバ２４のルーフにノズル開口２６が画定されることが分かる。ノズル開口２６はそれぞれ一般に楕円形であり、関連するノズルリム（ｒｉｍ）２５を有する。ノズルリム２５は、印刷中のインク滴の指向性を助け、またノズル開口２６から溢れ出るインクを少なくともある程度は低減させる。ノズルチャンバ２４からインクを噴射するアクチュエータは、ノズル開口２６の下に配置され、ピット（ｐｉｔ）８を横切って懸架されたヒータ要素２９である。ヒータ要素２９には、その下にある基板２のＣＭＯＳ層５の駆動回路に接続された電極９を通して電流が供給される。ヒータ要素２９に電流が流されると、ヒータ要素２９は周囲のインクを急速に過熱して気泡を形成し、気泡はノズル開口からインクを押し出す。ヒータ要素２９を懸架することによって、ノズルチャンバ２４にインクが注入されたときに、ヒータ要素２９はインク中に完全に浸される。より少ない熱がその下の基板２中へ放散し、より多くの入力エネルギーが気泡を生成するのに使用されるため、このことは印刷ヘッドの効率を向上させる。

図１に最も明らかに示されているように、ノズルは複数の列として配置され、列に沿って縦に延びるインク供給チャネル２７はその列のそれぞれのノズルにインクを供給する。インク供給チャネル２７は、それぞれのノズルのインク入口通路１５にインクを送達し、インク入口通路１５は、ノズル開口２６の側方からインク導管２３を通してノズルチャンバ２４内にインクを供給する。

このような印刷ヘッドを製造するＭＥＭＳ製造プロセスが、２００５年１０月１１日に出願された本発明の出願人の以前の米国特許出願第１１／２４６，６８４号明細書に詳細に記載されている。この明細書の内容は参照によって本明細書に組み込まれる。分かりやすくするため、この製造プロセスの終わりの方のいくつかの段階をここで再び簡単に説明する。

図４及び５は、犠牲フォトレジスト１０（「ＳＡＣ１」）及び１６（「ＳＡＣ２」）を内包したノズルチャンバ２４を備えた部分的に製造された印刷ヘッドを示す。ＳＡＣ１フォトレジスト１０は、懸架されたヒータ要素２９を形成するためのヒータ材料を付着させるためのスカフォルドとして使用された。ＳＡＣ２フォトレジスト１６は、側壁２２及び（ノズル表面５６の部分を画定する）ルーフ２１を付着させるためのスカフォルドとして使用された。

図６から８を参照すると、この従来技術のプロセスでは、ＭＥＭＳ製造の次の段階で、ルーフ材料２０を２ミクロンエッチングすることによって、ルーフ２１内に楕円形のノズルリム２５を画定する。このエッチングは、図６に示されたダークトーンリムマスクによって露出させたフォトレジスト層（図示せず）を使用して画定される。楕円形のリム２５は、それらのそれぞれのサーマルアクチュエータ２９の上に配置された２つの同軸のリムリップ（ｌｉｐ）２５ａ及び２５ｂを含む。

図９から１１を参照すると、次の段階で、リム２５によって境界された残りのルーフ材料を貫通するまで完全にエッチングすることによって、ルーフ２１内に楕円形のノズル開口２６を画定する。このエッチングは、図９に示されたダークトーンルーフマスクによって露出させたフォトレジスト層（図示せず）を使用して画定される。図１１に示されているように、楕円形のノズル開口２６はサーマルアクチュエータ２９の上に配置される。

このようにして全てのＭＥＭＳノズルフィーチャ（ｆｅａｔｕｒｅ）が完全に形成された後、次の段階で、ＳＡＣ１及びＳＡＣ２フォトレジスト層１０及び１６をＯ_２プラズマアッシングによって除去する（図１２及び１３）。図１４及び１５は、ＳＡＣ１及びＳＡＣ２フォトレジスト層１０及び１６をアッシングした後のシリコンウェーハ２の全厚（１５０ミクロン）を示す。

図１６から１８を参照すると、ウェーハの前面ＭＥＭＳ処理が完了した後、インク入口１５と交わるように、標準異方性ＤＲＩＥを使用してウェーハの裏面からインク供給チャネル２７がエッチングされる。この裏面エッチングは、図１６に示されたダークトーンマスクによって露出させたフォトレジスト層（図示せず）を使用して画定される。インク供給チャネル２７は、ウェーハの裏面とインク入口１５との間を流体接続する。

最後に、図２及び３を参照すると、裏面エッチングによってウェーハが約１３５ミクロンまで薄くされる。図１は、完成した印刷ヘッド集積回路の隣接する３つのノズル列の破断透視図を示す。ノズル列はそれぞれ、その長さに沿って延び、それぞれの列の複数のインク入口１５にインクを供給するそれぞれのインク供給チャネル２７を有する。インク入口は、それぞれの列のインク導管２３にインクを供給し、それぞれのノズルチャンバは、その列の共通のインク導管からインクを受け取る。

既に上で論じたとおり、この従来技術のＭＥＭＳ製造プロセスは、ノズル表面５６が二酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、窒化アルミニウムなどのセラミック材料から形成されることにより、不可避的に親水性のインク噴射面を残す。

ノズルエッチング及びそれに続く疎水性ポリマーコーティング
上述のプロセスの代替プロセスとして、ノズル表面５６は、ノズル開口のエッチング（すなわち図１０及び１１に示された段階）の直後にその上に付着させた疎水性ポリマーを有する。後にフォトレジストスカフォルド層を除去しなければならないため、このポリマー材料はアッシングプロセスに対して抵抗性を有するべきである。好ましくは、このポリマー材料が、Ｏ_２又はＨ_２アッシングプラズマによる除去に対して抵抗性を有するべきである。本発明の出願人は、疎水性であり、同時にＯ_２又はＨ_２アッシングに対して抵抗性を有するという上記の要件を満たすポリマー材料群を識別した。これらの材料は一般に重合シロキサン類（ｐｏｌｙｍｒｉｚｅｄ ｓｉｌｏｘａｎｅｓ）又はフッ化ポリオレフィン類（ｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｏｌｅｆｉｎｓ）である。より具体的には、ポリジメチルシロキサン（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ：ＰＤＭＳ）及び過フッ化ポリエチレン（ｐｅｒｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ：ＰＦＰＥ）はともに特に有利であることが示されている。このような材料はＯ_２プラズマ中で不活性化（ｐａｓｓｉｖａｔｉｎｇ）表面酸化物を形成し、続いて、比較的に速くそれらの疎水性を回復する。これらの材料の他の利点は、二酸化シリコン、窒化シリコンなどのセラミックに対して優れた付着性を有することである。これらの材料の他の利点は、フォトパターニングが可能（ｐｈｏｔｏｐａｔｔｅｒｎａｂｌｅ）なことであり、このことはこれらの材料を、ＭＥＭＳプロセスにおいて使用するのに特に適したものにする。例えば、ＰＤＭＳはＵＶ光で硬化可能であり、このことにより、ＰＤＭＳの未露光領域を比較的に容易に除去することができる。

図１０を参照すると、前述のリムエッチング及びノズルエッチング後の部分的に製造された印刷ヘッドのノズルアセンブリが示されている。しかしながら、この段階で、（図１２及び１３に示されているように）ＳＡＣ１及びＳＡＣ２のアッシングに進む代わりに、図１９及び２０に示されているように、ノズル表面５６に、薄い疎水性ポリマー材料層１００（約１ミクロン）がスピンコートされる。

付着後、このポリマー材料層は、ノズル開口２６内に付着した材料を除去するようにフォトパターニングされる。フォトパターニングは、ノズル開口２６内のポリマー層１００の領域以外のポリマー層１００をＵＶ光で露光することを含むことができる。したがって、図２１及び２２に示されているように、この時点で印刷ヘッドは疎水性のノズル表面を有し、後続のＭＥＭＳ処理ステップは、図１２から１８に関して説明したステップと類似の態様で進行することができる。重要なことに、疎水性ポリマー１００は、フォトレジストスカフォルド１０及び１６を除去するために使用されるＯ_２アッシングステップによって除去されない。

疎水性ポリマーコーティング及びそれに続くポリマーをエッチングマスクとして使用したノズルエッチング
代替プロセスとして、図７及び８によって示された段階の直後に疎水性ポリマー層１００を付着させる。したがって、リムエッチングによってリム２５が画定された後に、ただしノズルエッチングによってノズル開口２６が画定される前に、ノズル表面に疎水性ポリマーがスピンコートされる。

図２３及び２４を参照すると、疎水性ポリマー１００を付着させた後のノズルアセンブリが示されている。次いで、図２５及び２６に示されているように、ノズル開口領域内のリム２５によって境界された材料を除去するように、ポリマー１００がフォトパターニングされる。したがって、この時点で疎水性ポリマー材料１００は、ノズル開口２６をエッチングするためのエッチングマスクの働きをすることができる。

ノズル開口２６は、ルーフ構造２１を貫通するエッチングによって画定され、このエッチングは一般に、Ｏ_２とフッ素化炭化水素（例えばＣＦ_４又はＣ_４Ｆ_８）とを含むガスケミストリ（ｇａｓ ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）を使用して実行される。ＰＤＭＳ、ＰＦＰＥなどの疎水性ポリマーは通常、同じ条件でエッチングされる。しかしながら、窒化シリコンなどの材料は、はるかに速くエッチングされるため、ＰＤＭＳ又はＰＦＰＥをエッチングマスクとして使用して、ルーフ２１を選択的にエッチングすることができる。比較すると、ガス比３：１（ＣＦ_４：Ｏ_２）で、窒化シリコンは１時間に約２４０ミクロンエッチングされ、ＰＤＭＳは１時間に約２０ミクロンエッチングされる。したがって、ノズル開口２６を画定するときには、ＰＤＭＳマスクを使用したエッチング選択性が達成可能であるということが理解できるであろう。

ノズル開口を画定するためにルーフ２１がエッチングされた後のノズルアセンブリ２４は、図２１及び２２に示されているのと同じである。したがって、後続のＭＥＭＳ処理ステップは、図１２から１８に関して説明したステップと類似の態様で進行することができる。重要なことに、疎水性ポリマー１００は、フォトレジストスカフォルド１０及び１６を除去するために使用されるＯ_２アッシングステップによって除去されない。

疎水性ポリマーコーティング及びそれに続く追加のフォトレジストマスクを使用したノズルエッチング
図２５及び２６は、疎水性ポリマー１００をノズル開口エッチングのエッチングマスクとしてどのように使用することができるかを示す。一般に、ポリマー１００とルーフ２１との間の異なるエッチング速度は、上で論じたとおり、十分なエッチング選択性を提供する。

しかしながら、他の代替として、特にエッチング選択性が不十分である状況に対応するため、図２４に示された疎水性ポリマー１００の上に、従来の下流ＭＥＭＳ処理を可能にするフォトレジスト層（図示せず）を付着させることができる。この最上位のレジスト層をフォトパターニングした後、最上位のフォトレジスト層を標準エッチングマスクとして使用し、同じガスケミストリを使用して、疎水性ポリマー１００とルーフ２１を１つのステップでエッチングすることができる。例えばＣＦ_４／Ｏ_２のガスケミストリは最初に疎水性ポリマー１００を貫通エッチングし、次いでルーフ２１を貫通エッチングする。

後続のＯ_２アッシングを使用して、最上位フォトレジスト層だけを除去することができ（図１０及び１１に示されたノズルアセンブリを得るため）、又は延長されたＯ_２アッシングを使用して、最上位フォトレジスト層と犠牲フォトレジスト層１０及び１６の両方を除去することができる（図１２及び１３に示されたノズルアセンブリを得るため）。

当業者は、本明細書で論じた３つの代替シーケンスの外に、ＭＥＭＳ処理ステップの他の代替シーケンスを思い描くことができるであろう。しかしながら、Ｏ_２及びＨ_２アッシングに耐える能力を有する疎水性ポリマーの識別において、本発明の発明者らは、インクジェット印刷ヘッド製造プロセスにおいて疎水性ノズル表面を提供する実行可能な手段を提供したということが理解できるであろう。

サーマルベンドアクチュエータ印刷ヘッド
印刷ヘッドのノズル表面を疎水化することができる方法について論じたが、類似の態様でいかなるタイプの印刷ヘッドを疎水化することもできるということが理解できるであろう。とは言うものの、本発明は、サーマルベンドアクチュエータノズルアセンブリを備える本発明の出願人の以前に記載された印刷ヘッドに関する特定の利点を実現する。したがって、次に、このような印刷ヘッドにおいて本発明をどのように使用することができるかについて論じる。

サーマルベンド作動型印刷ヘッドでは、ノズルアセンブリが、チャンバのフロア（ｆｌｏｏｒ）部分に対して移動するルーフ部分を有するノズルチャンバを備えることができる。この移動可能なルーフ部分は一般に、２層サーマルベンドアクチュエータによって、フロア部分に向かって移動するように作動する。このようなアクチュエータはノズルチャンバの外に配置することができ、又はルーフ構造の移動部分を画定することができる。

移動ルーフは、粘性のインクに対して作用する移動構造の面が１つだけであることによってインク滴の噴射エネルギーを低下させるため、有利である。しかしながら、このような移動ルーフ構造の問題は、作動中、ノズルチャンバ内のインクを密封する必要があることである。ノズルチャンバは一般に、インクの表面張力を使用してシールを形成する流体シールに依存する。しかしながら、このようなシールは不完全であり、インクを封じ込める手段として表面張力に依存することを回避する機械シールを形成することが望ましいであろう。このような機械シールは、ルーフの屈曲運動に対応するために十分に柔軟である必要があるであろう。

移動ルーフ構造を有する一般的なノズルアセンブリ４００が、２００６年１２月４日に出願された本発明の出願人の以前の米国特許出願第１１／６０７，９７６号明細書（この明細書の内容は参照によって本明細書に組み込まれる）に記載された。本明細書ではこれが図２７から３０に示されている。ノズルアセンブリ４００は、シリコン基板４０３の保護された（ｐａｓｓｉｖａｔｅｄ）ＣＭＯＳ層４０２上に形成されたノズルチャンバ４０１を備える。ノズルチャンバは、ルーフ４０４と、ルーフから保護されたＣＭＯＳ層４０２まで延びる側壁４０５とによって画定される。インクは、シリコン基板の裏面からインクを受け取るインク供給チャネル４０７と流体連通したインク入口４０６によってノズルチャンバ４０１に供給される。インクは、ルーフ４０４に画定されたノズル開口４０８によってノズルチャンバ４０１から噴射される。ノズル開口４０８はインク入口４０６からずらして配置される。

図２８により明らかに示されているように、ルーフ４０４は、ルーフの全面積のうちのかなりの部分を画定する移動部分４０９を有する。移動部分４０９は一般に、ルーフ４０４の全面積の少なくとも５０％を画定する。図２７から３０に示された実施形態では、移動部分４０９に、ノズル開口４０８及びノズルリム４１５が、ノズル開口及びノズルリムが移動部分と一緒に移動するように画定される。

ノズルアセンブリ４００は、移動部分４０９が、平らな上能動ビーム（ａｃｔｉｖｅ ｂｅａｍ）４１１と平らな下受動ビーム（ｐａｓｓｉｖｅ ｂｅａｍ）４１２とを有するサーマルベンドアクチュエータ４１０によって画定されることを特徴とする。したがって、アクチュエータ４１０は一般にルーフ４０４の全面積の少なくとも５０％を画定する。それ対応して、上能動ビーム４１１は一般にルーフ４０４の全面積の少なくとも５０％を画定する。

図２７及び２８に示されているように、２つのビームの断熱を最大化するため、上能動ビーム４１１の少なくとも一部分は下受動ビーム４１２から間隔を置いて配置される。より具体的には、ＴｉＮからなる上能動ビーム４１１とＳｉＯ_２からなる下受動ビーム４１２の間のブリッジング層４１３としてＴｉ層が使用される。ブリッジング層４１３は、アクチュエータ４１０の能動ビームと受動ビームの間に隙間４１４が画定されることを可能にする。この隙間４１４は、能動ビーム４１１から受動ビーム４１２への熱伝達を最小化することによってアクチュエータ４１０の全体効率を向上させる。

しかしながら、代替として、構造の剛性を高めるために能動ビーム４１１を受動ビーム４１２に直接に融着又は接着することもできるということがもちろん理解できるであろう。このような設計変更は、当業者の領域内に十分に含まれるであろう。

能動ビーム４１１は、Ｔｉブリッジング層を介して一対のコンタクト４１６（正及び大地）に接続される。コンタクト４１６はＣＭＯＳ層の駆動回路に接続する。

ノズルチャンバ４０１からインク小滴を噴射する必要があるとき、２つのコンタクト４１６間の能動ビーム４１１に電流が流れる。能動ビーム４１１はこの電流によって急速に加熱され、受動ビーム４１２に対して膨張し、それにより（ルーフ４０４の移動部分４０９を画定する）アクチュエータ４１０が基板４０３に向かって下方へ曲がる。移動部分４０９と静止部分４６１との間の隙間４６０が非常に小さいため、一般に、移動部分が基板４０３に向かって移動するように作動するときにこの隙間を密封するのに、表面張力に依存することができる。

アクチュエータ４１０のこの移動は、ノズルチャンバ４０１の内側の圧力の急速な増大によって、ノズル開口４０８からのインクの噴射を引き起こす。電流が止まると、ルーフ４０４の移動部分４０９はその静止位置に戻ることが可能となり、これにより、次の噴射に備えて入口４０６からノズルチャンバ４０１内へインクが吸い込まれる。

図３０を参照すると、印刷ヘッド又は印刷ヘッド集積回路を画定するために、このノズルアセンブリを複製してノズルアセンブリのアレイとすることができるということが容易に理解できるであろう。印刷ヘッド集積回路は、シリコン基板と、基板上に形成されたノズルアセンブリのアレイ（一般に複数の列として配置される）と、ノズルアセンブリ用の駆動回路とを備える。例えば２００４年５月２７日に出願された本発明の出願人の以前の米国特許出願第１０／８５４，４９１号明細書及び２００４年１２月２０日に出願された本発明の出願人の以前の米国特許出願第１１／０１４，７３２号明細書に記載されたページ幅インクジェット印刷ヘッドを形成するために、複数の印刷ヘッド集積回路を隣接させ又は連結することができる。これらの明細書の内容は参照によって本明細書に組み込まれる。

図３１から３３に示された代替ノズルアセンブリ５００は、サーマルベンドアクチュエータ５１０が、ノズルチャンバ５０１のルーフ５０４の移動部分を画定する上能動ビーム５１１及び下受動ビーム５１２を有する限りにおいて、ノズルアセンブリ４００と似ている。

しかしながら、ノズルアセンブリ４００とは対照的に、ノズル開口５０８及びリム５１５がルーフ５０４の移動部分によって画定されない。反対に、ノズル開口５０８及びリム５１５は、インク小滴の噴射時、アクチュエータ５１０がノズル開口及びリムとは無関係に移動するように、ルーフ５０４の固定部分ないし静止部分５６１に画定される。この配置の利点は、インク滴の飛行方向の制御がより容易なことである。この場合もやはり、作動中にインクの表面張力を使用することによって流体シールを形成するのに、移動部分５０９と静止部分５６１との間の隙間５６０の小さな寸法に依存する。

ノズルアセンブリ４００及び５００、並びにこれらに対応する印刷ヘッドは、上で説明したプロセスと類似の態様の適当なＭＥＭＳプロセスを使用して構築することができる。全てのケースで、ノズルチャンバの（移動又は静止）ルーフは、適当な犠牲フォトレジストスカフォルド上にルーフ材料を付着させることによって形成される。

次に図３４を参照すると、前に図２７に示したノズルアセンブリ４００がここでは、ルーフの移動部分４０９と静止部分４６１の両方を含むルーフ上に（上で詳細に説明した）追加の疎水性ポリマー層１０１をコーティングされていることが分かるであろう。重要なことに、図２７に示された隙間４６０を疎水性ポリマー１０１が密封する。極めて低いこわさ（ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）を有することは、ＰＤＭＳ及びＰＦＰＥなどのポリマーの利点である。一般に、これらの材料は、１０００ＭＰａ未満、一般に約５００ＭＰａ程度のヤング率を有する。この特徴は、これらの材料が、本明細書に記載されたタイプのサーマルベンドアクチュエータノズル内に機械シールを形成すること可能にするため、有利である。作動中、このポリマーは弾力的に伸び、アクチュエータの移動をあまり妨げない。実際、弾性シールは、ベンドアクチュエータがその静止位置に戻るのを助ける。このときがインク滴の噴射が起こるときである。さらに、移動ルーフ部分４０９と静止ルーフ部分４６１の間に隙間がないことにより、インクはノズルチャンバ４０１の内側に完全に密封され、作動中、ノズル開口４０８以外から漏れ出ることができない。

図３５は、疎水性ポリマーコーティング１０１を有するノズルアセンブリ５００を示す。ノズルアセンブリ４００と同様に、隙間５６０をポリマー１０１で密封することによって、ノズルチャンバ５０１内のインクの優れた機械的密封を提供する機械シール５６２が形成されるということが理解できるであろう。

幅広く記載された本発明の趣旨又は範囲から逸脱することなく、特定の実施形態に示された本発明に多数の変形及び／又は変更を加えることができるということを当業者なら理解するであろう。したがって本発明の実施形態は、あらゆる点で例示的なものであり、限定的なものではないとみなすべきである。

Claims (4)

1. 疎水性のインク噴射面を有する印刷ヘッドを製造する方法であって、
   （ａ）犠牲材料を内包した複数のノズルチャンバと、前記インク噴射面を少なくとも部
   分的に画定する親水性のノズル表面と、を備えた印刷ヘッドを提供するステップと、
   （ｂ）疎水性のポリマー材料の層を、前記ノズル表面に付着させるステップと、
   （ｃ）前記ノズル表面内に複数のノズル開口を画定するステップであって、
   （ｃ１）前記ポリマー材料上にフォトレジストマスクを付着させるステップと、
   （ｃ２）前記フォトレジストマスクをパターニングして、複数のノズル開口領域内の
   前記ポリマー材料を露出させるステップと、
   （ｃ３）露出させた前記ポリマー材料及びその下の前記ノズル表面をエッチングして
   、前記複数のノズル開口を画定するステップと、
   を含む、当該ノズル開口を画定するステップと、
   （ｄ）前記犠牲材料および前記フォトレジストマスクをＯ_２プラズマアッシングによっ
   て除去するステップであって、前記ポリマー材料は前記Ｏ_２プラズマアッシングによる除
   去に対して抵抗性を有し、前記ポリマー材料は重合シロキサン類（ｐｏｌｙｍｒｉｚｅｄ
   ｓｉｌｏｘａｎｅｓ）である、当該除去するステップと、
   を含み、
   これにより、疎水性のインク噴射面を有する印刷ヘッドを製造する方法。
2. 前記ポリマー材料及び前記ノズル表面をエッチングするのに同じガスケミストリが使用
   される、請求項１に記載の方法。
3. 前記ガスケミストリが、Ｏ_２とフッ素含有化合物とを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記印刷ヘッド内において、それぞれのノズルチャンバのルーフが犠牲のフォトレジス
   トスカフォルドによって支持され、
   前記方法は、前記フォトレジストスカフォルドをアッシングによって除去するステップ
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。

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