TW542794B - Thermal ink jet resistor passivation - Google Patents
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Description
542794 A7 B7 五、發明説明 螢明範疇 本發明係概括有關於一種熱喷墨列印頭，更具二 之，本發明係有關於一種熱喷墨列印頭之純化層。a i明背景 日。 在一熱喷墨（TIJ)列印頭中，藉由一電 .,.电丨且态的電阻加熱 生成的一瘵氣泡重覆性高速崩潰而經由一孔口噴射黑尺 2的内爆可侵肺J列印頭的表面，此侵糾或稱二腔） 曰化成譬如熱喷墨列印頭中的電阻器、保護性外套、 :的基材等噴注產生元件發生失效，可藉由一覆蓋住易 空腔的區域之鈍化層來減輕此有害影響。 …TIJ電阻器的一理想鈍化層係可在氣泡崩潰期間抵抗 機械應力，並對於_致性氣泡成核作用具有—平坦表面拓 樸結構，且具村承受包括來自各種墨水的高與低PH值等 各種払作％ i兄之化學惰性。先前已選擇電阻器的幾何結 構、材料及流體藉以改良TIJ列印頭的使用壽命。譬如在共 同讓渡且以引用方式併入本文之美國專利4,528,574號的 =示中，在一TIJ列印頭中採用一聲吸收器來降低空腔的損 傳統上係使用Ta作為頂鈍化層材料以保護TaAi電阻 不受到空腔的損害，但Ta&Ta合金卻會受到熱喷墨列印 % i兄中有害性能之數項特徵所困擾。 已知為求有效，當熱通量或溫度抵達一特定值時， 須以很呵可重複性發生沸騰，一譬如因為空腔或腐蝕而 欠的表面係受到表面上穩定成核部位之缺陷所困擾。 器 頭 必 改 缺 本紙張尺度翻中關家標準（哪）概格（2獻公楚） 受
.......……厂参…- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、? 542794 五 發明説明 而已知的鈍化層材料隨著使用時間變長將無法充分地抵 几二i及腐蝕，導致動態性變化的表面拓樸結構及性能降 低。 空腔仍為此產業的問題並會損害τ丨】列印頭的壽命，對 於造價較貴且統計上更易失效的大喷注陣列而言，空腔造 成的問題係特別嚴重。 需 阻 器 電 此外，譬如半永久性TIJ列印頭等TIJ技術的改良係 要改善的電阻器可靠度。採用具有伴隨較高電壓之高電 率電阻器時亦需要更強固的鈍化材料，藉以防止在電阻 與—金屬外套之間的介電質中若存在裂痕所可能產生的 弧。 MMMM. 的 本發明的示範性實施例係有關於—種熱喷墨列印頭 Τ化層，此鈍化層係為-可抵抗隸及空腔的薄膜、大致 呈原子平坦性或具有-受控制的純度且可抵抗腐钱。 子 根據示範性實施例’提供一熱喷墨列印頭的一鈍化 層’此鈍化層係藉由喷濺或其他物理氣相沉積技術在一電 阻器上正形性（conformaIly)配置為一非晶系或假非晶系層 並在-熱喷墨列㈣中與墨水呈流體接觸。tA致呈原 平坦性時’鏡化層的表面粗糙度為50、較佳20、最佳心 或者’鈍化層可具有-受控制的表面粗链度，其中此受控 制的表面粗糙度為100。 鈍化層的材料係配置為具有小到毫微米尺度的小顆粒 尺寸的-非晶系或假非晶系層，薄層材料係呈現出可抵抗 本紙張尺度適用中國國表標準（CNS) A4規格（210X297公酱） 542794 五、發明説明（ 空腔及腐蝕的性質。適當的材料係包括c〇基合金及以基合 金，Co基合金可具有25至30重量％的Cr以及選擇性5·〇重量 %的卩以？6基合金可具有10重量％的（：〇、2〇重量％的（>、1() 重量％的Mn。Co基及Fe基材料係表現出小於7亳克/小時、 較佳4毫克/小時的空腔率。 J式簡單說明 可由下列較佳實施例的詳細描述及圖式得知本發明其 他目的及優點，其中類似的編號代表類似元件，且其中： 第1圖為具有一鈍化層之一熱喷墨列印頭的示意剖視 圖； 第2圖為一熱喷墨列印頭的一部份之橫剖面的示意 圖，其中顯示一鈍化層及一系列的子層；及 第3(a至b)圖為（a)Stellite®及（b)组之一薄膜的原子力 顯微鏡（AFM)影像。 較佳實施例的描沭 弟1圖顯不具有一糸列的子層1 〇 2及一配置於一電阻器 106上的鈍化層104之一列印頭1〇〇的示範性實施例。鈍化層 104的一第一表面ι〇8係暴露於墨水通路110並在列印頭1〇〇 操作時與墨水呈流體接觸。 鈍化層104係為一可抵抗腐蝕及空腔的薄膜、並大致呈 原子平坦性或具有一受控制的粗糙度、且可抵抗腐蝕。第1 圖的示範性列印頭中，鈍化層1〇4係可為一 Co基合金，其 具有25至30重量％的Cr以及選擇性5重量％的Fe ;或一 Fe基 合金，其具有1〇重量％的C〇、20重量％的Cr、10重量％的 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 6 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂— .费， 542794 A7 ____B7__ 五、發明説明（4 ) Μη 〇 鈍化層104適用的一合金特定範例係為一種得自 Stellite®家族的合金，譬如得自加拿大安大略省貝爾維爾 的迪洛若史滴萊特（Deloro Stellite)之Stellite⑧6B。本發明 之鈍化層的其他適合材料係包括：得自北卡羅萊納州夏洛 特的凯思拓林優帖克公司（Castolin Eutectic Corp·)的 CaviTec® ;得自加拿大安大略省貝爾維爾的迪洛若史滴萊 特之Stellite®21及Tribaloy®T-400 ;及得自印地安那州高申 的史都狄迪洛若史滴萊特（Stoody Deloro Stellite)之 Hydroloy®914。部份示範性材料及308不銹鋼的化學組成 物係列於表1中，Stellite®6B及Tribaloy®T_400係為鈷基材 料，其中具有〜65%的Co含量，而Hydroloy®914及CaviTec® 為鐵基材料，其中具有〜60Fe含量。 表1 :部份可抵抗空腔的材料之化學組成物
Fe C Μ Si Cr Ni Co N Mo W 308不鎮 鋼 其餘 部份 0.04 1.7 0.83 20 8.9 — 0.05 — — CaviTec ⑧ 其餘 部份 0.3 10 3 17 — 10 0.1 — — Hydroloy ⑧914 其餘 部份 0.22 10 4.6 17 2 10 0.3 — — Stellite® 6B 2.07 1.22 0.3 1.1 28.61 2.23 其餘 部份 — 0.08 4.95 Tribaloy ®T-400 0.51 0.02 — 2.61 0.77 0.32 其餘 部份 -- 28.92 —
Co基合金係為可抵抗空腔材料應用之第一示範性選 用物’ Co基合金在高於600C時具有熱硬度及優良的抗磨 耗、抗磨損、抗腐蝕及抗侵蝕性。並且，抗磨耗性係為先 天所固有而非冷加工或熱處理所獲得的結果。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公爱） 7 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂- 542794 A7 B7 五、發明説明（5 )
Fe基合金係為可抵抗空腔材料應用之另一示範性選用 物，F e基材料在較中等溫度時具有良好的抗磨耗性。 示範性Co基及Fe基合金的空腔性質係如下列於表2 中，空腔率係取決於以4000石旁每平方对使用之一空腔喷注 測試裝置，其細節請見“基礎材料、熔接覆層及塗層之相對 空氣侵餘率的評估”，P.March及J.Hubble，Report No.WR28-1-900-282，田納西諾瑞思的田納西谷官方工程 實驗室，1996年9月，該文内容以引用方式併入本文中。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 表2:選定合金的空腔性質 空腔率 (毫克/小時） 附記 Stellite®6B 2.2 腐蝕下可抗磨耗且具延展性 Stellite®21 0.9 具延展性且可抵抗腐蝕 Hydoloy®914 3.7 可抵抗洞蝕及侵蝕 CavTec® 0.2 可抵抗洞蝕及侵蝕 .、可| .费|
Co基合金的抗拉強度係為目前抗空腔層的钽（Ta)之三 倍，表3比較Stellite®6B及Ta的抗拉強度。 表3 :選定Stellite®合金的抗拉強度性質 材料 抗拉強度（百萬帕，@25C) 组 〜350 Stellite®6B 1010 第2圖為一熱喷墨列印頭的一部份之橫截面的示意 圖，其中顯示一鈍化結構200及一系列的子層202。圖中的 示範性實施例中，子層202係為：配置於一電阻器204上之 一第一介電質206、一第二介電質208、一選擇性Ta層210 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 量 而 其 可 明 的 係 542794 五、發明説明（6 ) 及鈍化層212。適當的介電材料係為Sic及SiN。鈍化層212 ，正形性沉料-薄膜並為對於—電阻器綱之最外層，可 猎由錢或4如離子束喷濟笼甘 贾/賤寺其他物理氣相沉積技術來施 加鈍化層212。第2圖所示的+ μ α — 口所不的不乾性實施例中，鈍化層212 為1000至7000厚且藉由俊用习习土 使用白知賀濺參數的熱噴濺自藉由 -粉末狀合金製成的-噴濺目標加以沉積。子層的總厚度 為0.3至1.5微米。 因為頂層的表面拓樸結構係與墨水呈緊密接觸，純化 層212的表面粗糙度會影響到扣列印頭中之成核動力學及 氣泡形成。一平坦、無變化的表面係產生具有一致性能 及氣泡尺寸的氣泡’一粗糙表面將藉由出現一成核部位 有利於氣泡形成’故使—氣泡成核所需要的能量降低。 中-型粗糙表面係為—受控制的表面，受控制的表面係 為-重覆圖型的表面細節之隨機分佈式表面變化，本發 之一受控制的表面粗糙度圖型的範例係為一申級式陣列 埃尺度圓錐或角錐。 示範性實施例的一鈍化層係可改善平坦不變表面及具 有受控制的表面粗糙度的表面之成核性能。具有改良的抗 空腔及腐餘性之-鈍化層係可導致對於成核更加穩定且可 靠的一表面。藉由本發明，已大致消除抗空腔及腐蝕性， 藉以使用-平坦的表面拓樸結構或—受控制的表面粗糖 度’此兩者在使用時間變長時均大致不變。 已發現’譬如三成份Stemte®系統或金屬間丁心丨巧⑧ 等多組份材料當藉由一物理蒸氣沉積技術進行沉積時 本紙張尺度適用中國國家標準（〇jS) 規格（210X297公楚） (請先閲讀背面之注意事項再填窝本頁)
542794 A7 B7 五、發明説明（7 ) 容易形成一非晶系或假非晶系的大致原子平坦性薄膜。此 處，假非晶系係代表毫微米尺度的顆粒尺寸以及由一寬廣 (亦即2?>40)單隆起代表之一X射線衍射圖型。以最高達約 7000的膜厚度來保留Stellite®薄膜的非晶系特質。 第3(a)圖顯示經喷濺Stellite⑧6B的一原子力顯微鏡 (AFM)影像，第3(b)圖顯示一表面Ta層且可供比較用。對於 平坦表面的應用，表面粗糙度可<50，在一5微米x5微米區 域上的AFM測量係顯示：Stellite®6B具有一表面粗糙度7， 而T a則為5 1。在一受控制的表面粗縫度應用中，純化層可 具有一表面粗糙度100或更高，將表面粗链度計算為一 rms 表面粗链度。 鈍化層表面係暴露於墨水通路且當列印頭操作時與墨 水呈流體接觸，TIJ列印頭中所使用的墨水係包含具有高酸 性或高驗性的附屬pH值之各種化學物，因此，鈍化層應對 於這些環境呈現出化學性抵抗。
Stellite®薄膜係暴露於所研究的各種化學物及其抗蝕 刻性，表4綜合列出所使用的各種化學蝕刻劑，Stellite®薄 膜在浸入這些蝕刻劑中隨著時間變長最高達1週以及最高 達這些蝕刻劑沸點的升高溫度之後，仍可保留其表面反射 率。 10 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 542794 A7 B7 五、發明説明（ 表4 :選定材料及其#刻劑
材料 I虫刻劑 W HN〇3+H2S〇4+H20 Mo H2〇2+CH3COOH+H2〇 Ni hno3+hci+h2o Mg H202+H20+H3P04 Fe hno3+h2o Si HN03+CH3COOH+HF Si02 HF
Stellite⑧薄膜係在一氟基及一氯基反應性離子蝕刻 (RIE)程序中暴露於一蝕刻環境，蝕刻研究顯示：在測試環 境中大致不發生Stellite®薄膜的钱刻。然而，譬如離子束 喷濺技術等材料耗除技術已經將材料蝕刻，Stellite®薄膜 鈍化層的抗腐蝕性質係來自於非晶系晶體結構。 雖然已用較佳實施例來描述本發明，熟悉此技藝者暸 解：可進行未特別描述的添加、刪除、修改及替代而不脫 離申請專利範圍所界定之本發明的精神與範圍。 元件標號對照 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 100···歹丨J印頭 102、202…子層 104、212…鈍化層 106、204…電阻器 108…第一表面 110…墨水通路 200···鈍化結構 206···第一介電質 208···第二介電質 210…選擇性Ta層 11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐）
Claims (1)
- 542794申請專利範圍 丄·一種熱喷墨列印頭中之結構，其包含： 一電阻器； 至少一子層；及 一第一層， 其中該第一層係為具有<7毫克/小時的空腔率之正 形性配置的一非晶系合金。 2. 如申請專利範圍第！項之結構，其中該第一層具有<4亳 克/小時的一空腔率。 3. 如申請專利範圍第1項之結構，其中該非晶系合金為一 Co基或Fe基合金。 4. 如申請專利範圍第丨項之結構，其中該非晶系合金係為 包含25至30重量％的&及其餘為c〇之一 Co基合金。 5·如申請專利範圍第4項之結構，其中該非晶系合金進一 步包含5.0重量％的Fe。 6·如申請專利範圍第4項之結構，其中該Co係出現至少6〇 重量％。 7.如申請專利範圍第1項之結構，其中該非晶系合金係為 包含10重量％的〇〇、20重量％的心、1〇重量％的跑及其 餘為Fe之一Fe基合金。 8·如申請專利範圍第1項之結構，其中該第一層為對於該 電阻裔之一最外層且在一熱喷墨列印頭中與一墨水呈 流體接觸。 9·如申請專利範圍第1項之結構，其中該正形性配置係為 藉由一物理氣相沉積進行之沉積。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（21〇χ297公釐） 1210·如申請專利範圍第9項之結構，其中該物理氣相沉積技 術係為喷濺或離子束喷濺。 u·如申請專利範圍第1項之結構，其中該第-層大致係為 原子平坦性。 12.如申請專利範圍第1項之結構，其中該第-層具有表面 粗糙度50。 认如申請專利範圍第12項之結構，其中該表面粗縫度為 20 〇 14·如申請專利範圍第13項之結構，纟中該表面粗縫度為 10 ° 5 _如申巧專利範圍第1項之結構，其中該第一層具有一受 控制的表面粗糙度。 以如申請專利範圍第旧之結構，其中該受控制的表面粗 糙度為100。 17·種對於熱喷墨列印頭提供抗空腔性之方法，此方法包 含以下步驟： 配置具有<7毫克/小時的抗空腔性之一第一層的一 非晶系合金， 其中該第一層係正形性配置為對於一熱喷墨列印 頭電阻器的一最外層並與一熱噴墨列印頭的一墨水呈 流體導通。 18·如申請專利範圍第17項之方法，其中該非晶系合金係為 包含25至30重量％的Cr、選擇性5重量％的Fe、及其餘 為Co之一 Co基合金。 本紙張尺度適用申國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 13 542794、申請專利範圍 19.如申請專利範圍第17項之方法，其中該非晶系合金係為 包含1〇重量％的C〇、20重量％的Cr、10重量％的論、及 其餘為Fe之一 Fe基合金。 20·如申明專利fc圍第17項之方法，其中該正形性配置係為 藉由喷濺或其他物理氣相沉積技術進行之沉積。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) .、町| t, 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 14
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