TWI403420B - 噴墨表面上塗有疏水性聚合物之列印頭 - Google Patents

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Description

噴墨表面上塗有疏水性聚合物之列印頭
本發明係有關於印表機，特別是關於噴墨列印頭的領域。本發明是要用來改善列印品質及高解析度列印頭的可靠度。
許多不同種類的列印已被開發出來，一大數量的這些列印種類目前仍在使用中。習知的列印形式具有各式方法來用相關的記錄媒介在列印媒介上記錄。一般使用的列印形式包括偏位列印，雷射列印及複製裝置，點矩陣式撞擊印表機，熱紙式印表機，薄膜記錄器，熱轉印式印表機，熱昇華式印表機及噴墨印表機這兩者都是即需即印(drop on demand)及連續流式的印表機。當考量到成本，速度，品質，結與與操作的簡單性時，每一種印表機各有其本身的優點與問題。
最近幾年，噴墨列印的領域(即每一油墨畫素都是從一或多個油墨噴嘴被驅出)由於它的便宜與多功能的本質而變得愈來愈受歡迎。
在噴墨列印上的許多不同的技術已被發明。在檢視此領域時，會參考到一篇由J Moore在Output Hard Copy Devices所發表之”Non－Impact Printing：Introduction and Historical Perspective”的文獻(1988年版第207－220頁，編者為R Dubeck及S Sherr)。
噴墨印表機本身即有許多不同的形式。利用一連續的油墨流於噴墨列印設備中的年代可追溯到至少1929年，其中授予Hansell的美國專利第1941001號揭露一簡單形式的連續流靜電噴墨列印。
美國專利第3596275號亦揭露一種連續噴墨列印的方法其包括用一高頻靜電電場來調制該噴墨流用以造成液滴分離。有數個製造上仍使用此技術，包括Elmjet及Seitex(亦參見美國專利第3373437號)。
壓電噴墨印表機亦為噴墨列印裝置常用的一種形式。壓電系統係揭露在授予Kyser等人的美國專利第3946398號(1970年)中其利用一隔膜操作模式，揭露在Zolten的美國專利第3683212號(1970年)中其揭示一壓電結晶的擠壓操作模式，揭露在Stemme的美國專利第3747120號中(1972年)其揭示壓電操作的一彎曲模式，揭露在Howkins的美國專利第4459601號中其揭示壓電推出模式來致動噴墨流及揭露在Fidchbeck的美國專利第4584590號中其揭示壓電換能器元件的一剪力模式。
最近，熱噴摸列印已變成為一種極為普遍的噴墨列印技術。該等噴墨列印技術包括揭露在英國專利第GB2007162(1979年)及美國專利第4490728號中的技術。這兩個前技文獻揭示依賴一熱電致動器的作動的噴墨列印技術，該作動會造成一泡泡被產生在一侷限的空間內，譬如一噴嘴內，藉以造成油墨從一連接至該侷限的空間之孔洞射出到一相關聯的列印媒介上。利用熱電致動器的列印裝置是由Canon及Hewlett Packard公司所製造的。
從上文中可看出已有許多列印技術可供使用。較佳地，一種列印技術應具有數所想要的面向。這些面向包括便宜的結構與操作，高速操作，安全且連續長時間的操作等等。每一種技術在成本，速度，品質，可靠度，電力使用，建造操作的簡易性，耐用性及可消費性等個領域上都會具有其本身的優點與缺點。
在建造任何噴墨列印系統時，有為數相當多的重要因子彼此之間必需要相互妥協，特別是在製造大規格的列印頭時，譬如像是頁寬的列印頭時。
首先，噴墨列印頭通常是利用微機電系統(MEMS)技術來建造。因此，它們基本上係依賴將平面層沉積在一矽晶圓上及將該等平面層某些部分蝕刻掉之標準的積體電路結構/製造技術。在矽電路製造技術中，某些技術較其它技術被廣為知曉。例如，與CMOS電路的製造相關聯的技術比起關於製造包括鐵電材質，砷化鎵等奇特的電路的技術更有可能被更仍易地使用。因此，在任何MEMS結構中運用已經被確實地驗證過的半導體製造技術是較佳的，並不需要任何”奇特的”製程與材料。當然，必需要採取一定程度的妥協，因為如果使用奇特的材料的好處遠大於其缺點的話，則使用該材料就變得是必要的了。然而，如果可用更為一般的材料來達到相同或類似的特性的話，則奇特材料的問題就可被避免掉。
噴墨列印頭的一個所想要的特徵為一個厭委性的噴墨表面(“正面”或”噴嘴面”)，較佳地配合親水性的噴嘴室及供墨管道。親水性噴嘴室及供墨管道提供一毛細管作用，因而對於在噴出液滴之後的液滴整齊及對於液滴的再供給而言是最佳的。一疏水性正面可將液滴溢漫過該列印頭的整個正面的傾向降至最小。在具有一疏水性的正面的結構下，液體的噴墨油墨較不會側向溢漫出該等噴嘴開口外。又，任何從該等噴嘴開口溢漫出來的油墨較不會擴散在該正面上且在正面上相混合，它們相反地會形成分開來的球形微液滴，其可藉由適當的維護操作來輕易地管理。
然而，雖然疏水性的正面及親水性的油墨室是所想要的，但在用MEMS技術製造此等列印頭時存在著一個大問題。MEMS列印頭製造的最後階段典型地為使用氧電漿之光阻的灰化。然而，沉積在該正面上的有機疏水物質典型地係用灰化處理來清除用以留下一親水的表面。再者，疏水物質的後灰化蒸汽沉積所具有的一個問題為該疏水物質將會被沉積在該等噴嘴室內以及會被沉積在該列印頭的正面上。噴嘴室壁變成被疏水性化，這在製造一個朝向該等噴嘴室的正的油墨壓力上是極為不利的。這是一個難題，其在列印頭製造上產生一極大的需求。
因此，提供一種所製造出來的列印頭具有改良的表面特性，不具有噴嘴室的表面特性的列印頭製造方法是所想要的。提供一種製造出來的列印頭具有疏水性的正面配合上親水性噴嘴室的列印頭製造方法亦是所想要的。
在本發明的第一態樣中，本發明提供一種具有一噴墨表面的列印頭，其中該噴墨表面的至少一部分被塗上一疏水聚合物質其係選自於包含聚合物化的矽氧烷及氟化的聚烯烴的組群中選取的。
選擇上地，該聚合物質為光阻劑且是用灰化來去除的。
選擇上地，該疏水性聚合物質在一氧氣電漿中形成一鈍態的表面氧化物。
選擇上地，該疏水性聚合物質在接受氧氣電漿之後恢復其疏水性。
選擇上地，該聚合物質是從包含聚二甲基矽氧烷(PDMS)及全氟聚乙烯(PEPE)的組群中選取的。
在本發明的進一步態樣中，本發明提供一列印頭其包含複數個形成在一基材上的噴嘴組件，每一噴嘴組件都包含：一噴嘴室，一噴嘴開口其界定在該噴嘴室的一室頂上及一致動器用來將油墨經由該噴嘴開口噴出。
選擇上地，一其上塗了疏水性聚合物的噴嘴表面至少部分地界定該噴墨表面。選擇上地，每一室頂都界定該列印頭的噴嘴表面的至少一部分，每一室頂因為該疏水性塗層的本質而具有一相對於每一噴嘴室的內表面的疏水性外表面。
選擇上地，該噴墨表面的至少一部分具有一大於90度的接觸角度且該等噴嘴室的內表面具有一小於90度的接觸角度。
選擇上地，每一噴嘴室都包含由陶瓷材質構成的一室頂及側壁。
選擇上地，該陶瓷材質是從包含氧化矽，氮化矽及氮氧化矽的組群中選取的。
選擇上地，該室頂與一基材間隔開來，使得每一噴嘴室的側壁都延伸於該噴嘴表面與該基材之間。
選擇上地，該噴墨表面相對於在該列印頭內的供墨管道是疏水性的。
選擇上地，該致動器為一加熱器元件其被建構來在該室內的油墨用以形成一氣泡，藉以迫使一油墨液滴通過該噴嘴開口。
選擇上地，該加熱器元件係被懸掛在該噴嘴室內。選擇上地，該致動器為一熱彎曲致動器，其包含：一第一主動元件用來連接至驅動電路；及一第二被動元件其機械性地與該第一元件配合使得當一電流通過該第一元件時，該第一元件會相對於該第二元件膨脹，造成該致動器的彎曲。
選擇上地，該熱彎曲致動器界定每一噴嘴室的室頂的至少一部分，藉此該致動器的致動會將該致動器朝向該噴嘴室的室底板移動。
選擇上地，該噴嘴開口被界定在該致動器上或在該室頂的一靜止不動的部分上。
選擇上地，該疏水性聚合物質界定一機械性密封於該致動器與該室頂的一靜止部分的部分之間，藉以將致動期間之漏墨減至最少。
選擇上地，該疏水性聚合物質具有一小於1000Mpa的楊氏係數。
在本發明的第二態樣中，本發明提供一種製造具有一疏水性噴墨表面的列印頭的方法該方法包含的步驟為：(a)提供部分製好的列印頭其包含複數個噴嘴室及一相對地親水的噴嘴表面，該噴嘴表面少部分地界定該噴墨表面；(b)將一層相對地疏水的聚合物質沉積在該噴嘴表面上，該聚合物質可抵抗灰化(ashing)的清除；及(c)界定複數個噴嘴開口於該噴嘴表面上，藉以提供一具相對疏水性的噴墨表面之列印頭，其中步驟(b)及(c)可以任何順序來實施。
選擇上地，步驟(c)是在步驟(b)之前實施，且該方法包含界定相應的複數個對準的噴嘴開口於該被沉積的聚合物質上之進一步的步驟。
選擇上地，該等相應的複數個對準的噴嘴開口係藉由將該聚合物質光圖案(photopatterning)而形成的。
選擇上地，步驟(c)是在步驟(b)之後實施，且該聚合物質是用作為蝕刻該噴嘴表面的一個罩幕。
選擇上地，該聚合物質被光圖樣用以在蝕刻該噴嘴表面之前界定出複數個噴嘴開口區。
選擇上地，步驟(c)是在步驟(b)之後實施，且步驟(c)包含的步驟為：沉積一罩幕於該聚合物質上；將該罩幕圖案化用以將該聚合物質上的複數個噴嘴開口區去除罩幕；蝕刻該被去除罩幕的聚合物質及底下的噴嘴表面用以界定出複數個噴嘴開口；及去除掉該罩幕。
選擇上地，該罩幕為光阻劑，且該光阻劑係藉由灰化來去除的。選擇上地，一相同的氣體化學物被用來蝕刻該聚合物質及該噴嘴表面。
選擇上地，該氣體化學物包含氧氣及一含氟的複合物。
選擇上地，在該已部分製好的列印頭中，每一噴嘴室的室頂是由一犧牲性的光阻支架所支撐的，該方法更包含藉由灰化將該光阻支架去除掉的步驟。
選擇上地，每一噴嘴室的室頂至少部分是由該噴嘴表面來界定。
選擇上地，該噴嘴表面與一基材間隔開來，使得每一噴嘴室的側壁都延伸於該噴嘴表面與該基材之間。
選擇上地，每一噴嘴室的室頂與側壁都是由可用CVD沉積之陶瓷物質所構成的。
選擇上地，該室頂及側壁是由一選自於包含氧化矽，氮化矽及氮氧化矽的組群中的物質所構成的。
選擇上地，該疏水性聚合物質在一氧氣電漿中形成一鈍態的表面氧化物。
選擇上地，該疏水性聚合物質在接受氧氣電漿之後恢復其疏水性。
選擇上地，該疏水性聚合物質是從包含聚合物化的矽氧烷及氟化的聚烯烴的組群中選取的。
選擇上地，該聚合物質是從包含聚二甲基矽氧烷(PDMS)及全氟聚乙烯(PEPE)的組群中選取的。
選擇上地，該聚合物質的至少一部分在沉積之後被UV硬化。
在本發明的進一步態樣中，本發明提供一種用本發明的方法製成的列印頭或一種可用本發明的方法製成的列印頭。
在本發明的第三態樣中，本發明提供一種用於一噴墨列印頭的噴嘴組件，該噴嘴組件包含：一具有一室頂的噴嘴室，該室頂具有一活動的部分其可相對於一靜止不動的部分活動及一界定在該室頂上的噴嘴開口，使得該活動的部分相對於該靜止不動的部分的移動可促成油墨通過該噴嘴開口噴出；一致動器用來將該活動的部分相對於該靜止不動的部分移動；及一機械性密封其將該活動的部分連結至該靜止不動的部分，其中該機械性密封包含一聚合物質其係由一包含聚合物化的矽氧烷及氟化的聚烯烴的組群中選取的。
選擇上地，該噴嘴開口係界定在該活動的部分上。
選擇上地，該噴嘴開口係界定在靜止不動的部分上。
選擇上地，該致動器為一熱彎曲致動器，其包含：一第一主動元件用來連接至驅動電路；及一第二被動元件其機械性地與該第一元件配合使得當一電流通過該第一元件時，該第一元件會相對於該第二元件膨脹，造成該致動器的彎曲。
選擇上地，該第一與第二元件為懸臂樑。
選擇上地，該致動器界定該室頂之活動的部分的至少一部分，藉此該致動器的致動會將該致動器朝向該噴嘴室的室底板移動。
選擇上地，該疏水性聚合物質具有一小於1000Mpa的楊氏係數。
選擇上地，該聚合物質是從包含聚二甲基矽氧烷(PDMS)及全氟聚乙烯(PEPE)的組群中選取的。
選擇上地，該聚合物質為疏水性的且可抵擋灰化的清除。
選擇上地，該聚合物質是在接受氧氣電漿之後恢復其疏水性。
選擇上地，該聚合物質被塗在該室等的整個表面上，使得該列印頭的噴墨表面都是疏水性的。
選擇上地，每一室頂都界定該列印頭的噴嘴表面的至少一部分，每一室頂因為該聚合物塗層的本質而具有一相對於每一噴嘴室的內表面的疏水性外表面。
選擇上地，該聚合物塗層具有一大於90度的接觸角度且該等噴嘴室的內表面具有一小於90度的接觸角度。
選擇上地，該聚合物塗層具有一大於110度的接觸角度。
選擇上地，該噴嘴室的內表面具有一小於70度的接觸角度。
選擇上地，該噴嘴室包含延伸於該室頂與一基材之間的側壁，使得該室頂與該基材間隔開。
選擇上地，該室頂與該等側壁是由可用CVD沉積的陶瓷材質所構成的。
選擇上地，該陶瓷材質是從包含氧化矽，氮化矽及氮氧化矽的組群中選取的。
本發明可與任何種類的列印頭一起使用。本申請案已描述過許多噴墨列印頭，瞭解本發明並不需要將所有這些列印頭進行描述。然而，本發明現將配合一熱氣泡形成式噴墨列印頭及一機械式熱彎曲致動式噴墨列印頭來加以說明。本發明的優點從下面的討論中將會變得很明顯。
熱氣泡形成式噴墨列印頭
參照圖1其顯示出一部分的列印頭，該列印頭包含複數個噴嘴組件。圖2及3以側剖面圖及切開立體圖的形式顯示這些噴嘴組件中的一個。
每一個噴嘴組件都包含一噴嘴室24其係使用MEMS製造技術形成在一矽晶圓基材2上。該噴嘴室24是由一室頂21及側壁22所界定出來的，該等側壁22係延伸於該室頂21與該基材2之間。如圖1所示，每一室頂都是由部分的噴嘴表面56界定的，該噴嘴表面伸展橫越該列印頭的噴墨表面。該噴嘴表面56及側壁22是用相同的材質製成的，該材質係在MEMS製造期間用PECVD沉積在該光阻的一犧牲支架上。典型地，該噴嘴表面56與側壁22是用陶瓷材質製成的，譬如二氧化矽或氮化矽。這些硬的材質對於列印頭的強健而言市是具有絕佳的特定，且它們本有的親水本質對於利用毛細管作用供墨至噴嘴室24而言是有利的。然而，該噴嘴表面56的內部(噴墨)表面亦是親水性的，這可造成在該表面上的任何溢漫的油墨會散佈開。
回到該噴嘴室24的細節，一噴嘴開口26被界定在每一噴嘴室24的室頂上。每一噴嘴開口26都大致上是橢圓形的且具有一相關聯的噴嘴邊緣25。該噴嘴邊緣25可輔助在列印期間之液滴方向上以及降低某些程度之從該噴嘴開口26溢漫出來的油墨。用來將油墨從該噴嘴室24中噴出的致動器為一加熱器元件29其位置在該噴嘴開口26的底下且懸跨於一凹坑8上方。電流透過連接至位在底下的基材2的CMOS層5內的驅動電路的電極9而被供應至該加熱器元件29。當電流通過該加熱器元件29時，它快速地讓周遭的油墨過熱用以形成一氣泡，該氣泡迫使油墨通過該噴嘴開口。藉由將該加熱器元件29懸掛起來，使得當該噴嘴室24被灌注時它可完全浸沒在該油墨中。這可改善列印頭的效率，因為較少的熱被散逸到底下的基材2中且更多的失無入能源被用來產生氣泡。
可從圖1清楚地看出的是，噴嘴成列地被安排且一沿著該列噴嘴縱長向地延伸的供墨管道27提供油墨給在該列上的每一個噴嘴。該供墨管道27將油墨輸送至每一噴嘴的油墨入口通道15處，其由該噴嘴開口26的側邊經由一位在該噴嘴室24內的油墨導管23供應油墨。
用來製造此等列印頭之MEMS製造處理係詳細地描述在吾人於2005年10月11日提申的美國專利申請案第11/246,684號內，該案的內容藉由此參照而被併於本文中。
圖4及5顯示一已部分製好的列印頭其包含一噴嘴室24其內封包了犧牲光阻10(“SCA1”)及16(“SCA2”)。該SCA1光阻10被用作為一用於加熱器材質的沉積之支架用以形成該加熱器元件29。SCA2光阻16被用作為一用於側壁22及室頂21的沉積的支架(其界定該噴嘴表面56的一部分)。
在前技的處理中(參照圖6至8)，MEMS製造的下個階段為藉由將2微米的室頂物質20蝕刻掉而來界定出在該室頂21上的橢圓形的噴嘴邊緣25。該蝕刻係使用一層光阻(未示出)來界定的，該光阻層係用圖6所示的暗色調(dark tone)邊緣光罩來曝光。該橢圓形邊緣25包含兩個同軸的邊緣唇25a及25b，位在其各自的熱致動器29上。
參照圖9至11，下一個階段藉由蝕刻穿透被該邊緣25所包圍之其餘的物質而來界定一橢圓形的噴嘴孔26於該室頂21上。此蝕刻係使用一層光阻(未示出)來界定，該層光阻係用圖9所示的暗色調(dark tone)室頂光罩來曝光。該橢圓形噴嘴孔26係位在該熱致動器29的上方，如圖1所示。
在所有MEMS噴嘴特徵都完全被形成之下，下個階段即是用氧氣電漿灰化(圖12及13)來去除掉該SAC1及SAC2光阻層10及16。圖14及15顯示在該SAC1及SAC2光阻層10及16灰化之後該矽晶圓2的整個厚度(150微米)。
參照圖16至18，當該晶圓的前端MEMS處理完成時，該等供墨管道27就使用標準的非等方向性的DRIE從該晶圓的背側被蝕刻用以與該等油墨入口15相遇。此背側蝕刻係使用一層光阻(未示出)來界定，該層光阻係用圖16所示的暗色調(dark tone)光罩來曝光。該供墨管道27形成一流體連結於該晶圓的背側於該等油墨入口15之間。
最後，參照圖2及3，該晶圓藉由背側蝕刻而被薄化至約135微米。圖1以一完成的列印頭積體電路的切開立體圖的方式來顯示三列相鄰的噴嘴列。每一列噴嘴都具有各自的供墨管道27，其沿著該列的長度延伸並供應墨水至每一列中的複數個油墨入口15。該等油墨入口則供應油墨至用於每一列的油墨導管23，其中每一噴嘴室都從該列所共用的一油墨導管接收油墨。
如上文中已討論的，此前技的MEMS製造處理無可避免地留下一親水性的噴墨表面，因為噴嘴表面56是用陶瓷材質製成的，譬如二氧化矽，氮化矽，氮氧化矽，氮化鋁等等。
噴嘴蝕刻之後接著疏水性聚合物塗覆
以上所述的處理的另一個替代例為，緊接在該噴嘴開口蝕刻之後(即，在圖10及11所代表的階段)，該噴嘴表面56具有一疏水性的聚合物被沉積於其上。因為該等光阻支架層必需在後續處理中被去除掉，所以該聚合物質必需要能夠抵抗灰化處理。較佳地，該聚合物質必需要能抵擋氧氣或氫氣電漿灰化的清除。申請人已找出一個族系的聚合物質能夠符合上述既要是疏水性的又同時要能夠抵擋氧氣或氫氣灰化。這些聚合物質典型地為聚合物化的矽氧烷及氟化的聚烯烴。更明確地，聚二甲基矽氧烷(PDMS)及全氟聚乙烯(PEPE)兩者都顯示出具有特別的優點。這些物質在氧氣電漿中形成一鈍態表面氧化物，然後相當快速地恢復其疏水性。這些物質的另一項優點為，它們對陶瓷，譬如二氧化矽及氮化矽，具有絕佳的黏著性。這些物質的另一項優點為，它們是可光圖案化的(photopatternable)，這讓它們特別適合使用於MEMS處理中。例如，PDMS是可UV光線硬化的，藉此未被曝照的PDMS區域可相當容易被去除掉。
參照圖10，其顯示在稍早所描述的邊緣蝕刻及噴嘴蝕刻之後一已部分製造的列印頭的噴嘴組件。然而，在此階段，一層薄的疏水性聚合物質100(ca 1微米)被旋施於該噴嘴表面56上，而不是實施圖12及13所示的SAC1及SAC2的灰化處理，如圖19及20所示。
在沉積之後，此層聚合物質被光圖案化用以去除掉被沉積在噴嘴開口26內的物質。該光圖案化可包含讓該聚合物層100曝照於UV光線下，但在噴嘴開口26內區域則除外。因此，如圖21及22所示，該列印頭現已具有一疏水性的噴嘴表面，後續的MEMS處理步驟可類似於參照圖12－18所描述的步驟來進行。很重要的是，該疏水性聚合物100並沒有被用來去除光阻支架10及16的氧氣灰化步驟去除掉。
在噴嘴蝕刻之前塗覆疏水性聚合物並將該聚合物用作為蝕刻罩幕
作為一替代的處理，該疏水性聚合物層100在圖7及8所代表的階段之後緊接著被沉積。因此，在該邊緣25藉由邊緣蝕刻而被界定之後，但在噴嘴開口26藉由噴嘴蝕刻而被界定之前，該疏水性聚合物被旋施於該噴嘴表面上。
參照圖23及24，其顯示在該疏水性聚合物100沉積之後的噴嘴組件。該聚合物100然後被光圖案化用以去除掉該噴嘴開口區域中圍在該邊緣25內的物質，如圖25及26所示。因此，該疏水性聚合物100現可如一用於蝕刻該噴嘴開口26的蝕刻罩幕般地作用。
該噴嘴開口26係藉由蝕刻穿透該室頂結構21來界定，其典型地係使用一包含氧及氟化碳氫化合物(如，CF4 或C2 F8 )的化學物質來實施。疏水性化合物，譬如PDMS及PFPE，通常是在相同的條件下被蝕刻。然而，因為像是氮化矽之類的物質蝕刻的較快速，所以室頂21可使用PDMS或PFPE作為蝕刻罩幕而被選擇性地蝕刻。相較之下，在(CF4 ：O2 )為3：1的氣體比之下，氮化矽以每小時約240微米被蝕刻，而PDMS則是以每小時約20微米被蝕刻。因此，當界定該噴嘴開口26時可使用PDMS罩幕來達成蝕刻選擇性。
當該室頂21被蝕刻以界定出該噴嘴開口時，該噴嘴組件24係如圖21及22所示。因此，後續的MEMS處理步驟可類似於參照圖12－18所描述的步驟來進行。很重要的是，該疏水性聚合物100並沒有被用來去除光阻支架10及16的氧氣灰化步驟去除掉。
在用額外的光阻罩幕蝕刻噴嘴蝕刻之前塗覆疏水性聚合物
圖25及26顯示該疏水性聚合物100是如何被用作為一用於一噴嘴開口蝕刻的蝕刻罩幕。典型地，介於聚合物100與該室頂21之間之如上文所述的蝕刻率差異提供了足夠的蝕刻選擇性。
然而，在沒有足夠的蝕刻選擇性的情況中，一層光阻(未示出)可如圖24所示地被沉積在該疏水性聚合物100上，這可允許傳統的下游MEMS處理。藉由將此光阻頂層光圖案化，該疏水性聚合物100及該室頂21可自相同氣體化學物的步驟中被蝕刻，其中該光阻頂層係被用作為一標準的蝕刻罩幕。一CF4 /O2 的氣體化學物首先蝕刻穿過該疏水性聚合物100，然後穿過該室頂21。
後續的氧氣灰化可被用來只去除掉該光阻頂層(用以獲得如圖10及11所示的噴嘴組件)，或延長的氧氣灰化可被用來去除掉該光阻頂層以及犧牲光阻層10及16(或以獲得如圖12及13所示的噴嘴組件)。
除了上文提到的三個例子之外，熟習此技藝者可以想像出其它替代的MEMS處理步驟順序。然而，將被瞭解的是，在找出可以耐受的了氧氣及氫氣灰化處理的疏水性聚合物上，本案發明人已提供一可行的方式來提供一疏水性噴嘴表面於一噴墨列印頭製程中。
熱彎曲式致動器列印頭
一列印頭的噴嘴表面可被疏水性化的方式已在上文中加以討論，應可瞭解的是任何種類的列印頭可用相同的方式加以疏水性化。然而，本發明實現了與申請人之前描述過之包含熱彎曲致動器噴嘴組件的列印頭有關的特殊優點。因此，細文中將說明本發明是如何可以被使用在這些列印頭中。
在一熱彎曲致動的列印頭中，一噴嘴組件可包含一具有一室頂部分的噴嘴室，該室頂部分可相對於該室的一室底板部分移動。該可活動的室頂部分典型地透過一雙層式熱彎曲致動器而被致動用以朝向該室底板部分移動。此致動器可被設置在該噴嘴室的外面或它可界定該室頂結構的活動部分。
一活動的室頂是有利的，因為它藉由只讓該活動結構的一個面來對該黏稠的油墨作用而降低了液滴噴出能量。然而，與此等活動的室頂結構相關的一個問題為，在致動期間必需要將油墨密封在該噴嘴室的內部。典型地，該噴嘴室需要一流體密封，其利用油墨的表面張力來形成一密封。然而，此等密封是不完美的且形成一機械式的密封是所想要的，它可避免依賴表面張力來作為封住油墨的手段。此一機械性的密封必需要夠撓曲用以承受該室頂的彎曲運動。
一具有一活動的室頂結構的典型噴嘴組件400係揭露在吾人在2006年12月4日提申之美國專利申請案地11/67,976號中(該案的內容藉由此參照被併於本文中)且被示於本案的圖27至3中。該噴嘴組件400包含一形成在一矽基材403之鈍態的CMOS層402上的噴401。該噴嘴室是由一室頂404及從該室頂延伸至該鈍態的CMOS層402的側壁所界定出來的。油墨係藉由與一供墨管渡407流體連通的油墨入口406而被供應至該噴嘴室401，該供墨管道從該矽基材的背側接受油墨。油墨經由一界定在該室頂404上的噴嘴開口408而從該噴嘴室401被噴出。該噴嘴開口408係偏離該油墨入口406。
如圖28所示，室頂404具有一活動的部分409其界定該室頂404的總面積的一大部分。典型地，該活動的部分409界定該室頂404的總面積的至少50%。在圖27至30所示的實施例中，噴嘴開口408與噴嘴邊緣415係被界定在該活動的部分409內，使得該噴嘴開口與噴嘴邊緣與該活動的部分一起運動。
該噴嘴組件400的特徵在於，該活動的部分409是由一熱彎曲致動器410所界定的，該致動器具有一平的上主動樑411及一平的下被動樑412。因此，該致動器410典型地界定該室頂404的總面積的至少50%。相應地，該上主動樑411典型地界定該室頂404的總面積的至少50%。
如圖27及28所示，至少部分的上主動樑411與該下被動樑412是分隔開的以達到兩個樑之間最大的熱隔離。詳言之，一層鈦被用作為用TiN製成的上主動樑411與用SiO2 製成的下被動樑412之間的橋接層413。該橋接層413讓一間隙414被形成在該致動器410中介於該主動與被動樑之間。此間隙414藉由將由該上主動樑411至該下被動樑412的熱傳遞最小化來改善該致動器410的整體效率。
然而，將可被瞭解的是，該上主動樑411可被直接熔接或黏接到該下被動樑412上用以改善結構的剛性。此等設計修改是在熟習此技藝者可預知的範圍內。
該上主動樑411透過該鈦橋接層被連接至一對接點416(正極與地極)。該等接點416與位在CMOS層內的驅動電路接觸。
當需要從該噴嘴室401噴出一油墨液滴時，電流流經介於兩接點416之間的上主動樑411。該上主動樑411迅速被該電流加熱並相對於該下被動樑412脹大，藉以造成該致動器410(其界定該頂室404之活動的部分409)朝向該基材403向下彎曲。由於介於該活動的部分409與該靜止部動的部分461之間的間隙460太小，所以當該活動的部分409被致動而朝向該基材403移動時可依賴表面張力來密封此間隙。
該致動器410的運動會造成油墨因為該噴嘴室401內部的壓力快速地升高而從噴嘴開口408噴出。當電流停止時，該室頂404之活動的部分409會回復到其靜止的位置，而這會將油墨從該入口406吸入到噴嘴室401內，以備下一次噴墨之用。
翻到圖12，可以清楚地看到的是該噴嘴組件可被複製成為噴嘴組件的陣列用以界定一列印頭或列印頭積體電路。一列印頭積體電路包含一矽基材，形成於該基材上之一陣列的噴嘴組件(典型地係成列地安排)，及用於該等噴嘴組件之驅動電路。複數個列印頭積體電路可彼此緊靠或連接在一起用以形成一頁寬的噴墨列印頭，如在申請人於2004年5月27日提申之美國專利申請案第10/854,491號及2004年12月20日提申之美國專利申請案第11/014,732號中所描述的，這兩個申請案的內容藉由此參照被併於本文中。
示於圖31至33中的另一噴嘴組件500在作為一熱彎曲致動器510界定該噴嘴室501的室頂504的一活動的部分的方面是與與噴嘴組件400類似，其中該熱彎曲致動器具有一上主動樑511及一下被動樑512。
然而，與噴嘴組件400相反的是，噴嘴開口508及邊緣515並不是由該室頂504的活動部分所界定的。而是，該，噴嘴開口508及邊緣515是被界定在該室頂504的一固定的或靜止不動的部分561上，使得該致動器510在液滴噴出期間是獨立於該噴嘴開口及邊緣之外自行運動的。此結構的一項好處為，它可對液滴飛行方向提供更為流暢的控制。再次地，介於該活動的部分509與該靜止不動的部分561之間之間隙560的小尺度在致動期間可藉由利用油墨的表面張力來產生流體密封。
噴嘴組件400與500以及相應的列印頭可用與上文中所描述之MEMS處理相同的方式來製造。在所有的例子中，該噴嘴組件的室頂(活動的或不動的)係藉由沉積一室頂材質於一適當的犧牲光阻支架上來形成的。
現參照圖34，可看出的是示於圖27中之噴嘴組件400現具有一塗佈在該室頂上之額外的疏水性聚合物層101(如上文中所詳述的)，其包括了該室頂的活動部分409與靜止不動的部分461。很重要的，該疏水性聚合物層101密封該間隙460，如圖27所示。聚合物(譬如PDMS及PFPE)具有極低的堅硬度是較佳的。典型地，這些物質具有小於1000Mpa的楊氏係數且典型地為500Mpa。此特性是有利的，因為這讓它們可以在本文中所描述的熱彎曲式致動器噴嘴組件內形成一機械性的密封，該聚合物於致動期間彈性地伸展且不會顯著地遲滯該致動器的運動。確實地，一彈性密封在液滴噴出發生時有助於該彎曲致動器回復到它原來靜止的位置。又，當活動的室頂部分409與強止不動的室頂部分461之間沒有間隙時，油墨在致動期間會完全被密封在該噴嘴室401內而無法漏出來，只能從噴嘴開口408噴出。
圖35顯示具有疏水性聚合物塗層101的噴嘴組件500。在與噴嘴組件400相較之下吾人可瞭解到的是，藉由用該聚合物101來密封該間隙560，一機械式密封562可被形成用以提供在該噴嘴室501內之油墨絕佳的機械式密封。
在此領域中一般的工作者將可瞭解的是，在不偏離本發明之廣意的精神與範圍之下，以特定實施例來顯示之本發明可以有許多變化及/或修改。因此，這些實施例在各方面都應被視為是舉例性質而非是限制性質的例子。
2．．．矽基材
21．．．室頂
22．．．側壁
24．．．噴嘴室
56．．．噴嘴表面
26．．．噴嘴開口
25．．．噴嘴邊緣
29．．．加熱器元件
8．．．凹坑
9．．．電極
5．．．CMOS層
27．．．供墨管道
15．．．油墨入口通道
23．．．油墨導管
10．．．犧牲性光阻(SAC1)
16．．．犧牲性光阻(SAC2)
20．．．室頂物質
25a．．．邊緣唇
25b．．．邊緣唇
26．．．噴嘴孔
29．．．熱致動器
100．．．聚合物層
400．．．噴嘴組件
401．．．噴嘴室
402．．．CMOS層
403．．．矽基材
404．．．室頂
405．．．側壁
406．．．油墨入口
407．．．供墨管道
408．．．噴嘴開口
409．．．活動的部分
415．．．噴嘴邊緣
410．．．熱彎曲致動器
411．．．上主動樑
412．．．下被動樑
413．．．橋接層
414．．．間隙
416．．．接點
460．．．間隙
500．．．噴嘴組件
510．．．熱彎曲致動器
511．．．上主動樑
512．．．下被動樑
501．．．噴嘴室
504．．．室頂
508．．．噴嘴開口
515．．．噴嘴邊緣
560．．．間隙
561．．．靜止不動的部分
509．．．活動的部分
461．．．靜止不動的部分
101．．．疏水性聚合物塗層
本發明的較佳實施例現將以舉例的方式參照附圖來描述，其中圖1為一熱噴墨式列印頭的噴嘴組件陣列的部分立體圖；圖2為圖1中之噴嘴組件單元細胞的側視圖；圖3為圖2中之噴嘴組件的立體圖；圖4顯示在沉積室頂與側壁物質於一犧牲光阻層上之後被部分製好的噴嘴組件；圖5為圖4中之噴嘴組件的立體圖；圖6為與圖7中之噴嘴邊緣蝕刻相關的罩幕；圖7顯示該室頂層的蝕刻，用以形成噴嘴開口邊緣；圖8為圖7中之噴嘴組件的立體圖；圖9為與圖10中之噴嘴開口蝕刻相關聯的罩幕；圖10顯示室頂物質的蝕刻，用以形成該橢圓形的噴嘴開口；圖11為圖10中之噴嘴組件的立體圖；圖12顯示第一及第二犧牲層的氧氣電漿灰化；圖13為圖12中之噴嘴組件的立體圖；圖14顯示灰化之後的噴嘴組件，以及該晶圓的相反側；圖15為圖14中之噴嘴組件的立體圖；圖16顯示與圖17中之背側蝕刻相關連的罩幕；圖17顯示進入到該晶圓內之供墨管道的背側蝕刻；圖18為圖17中之噴嘴組件的立體圖；圖19顯示在沉積一疏水性聚合物塗層之後圖10的噴嘴組件；圖20為圖19中之的噴嘴組件的立體圖；圖21顯示在該聚合物塗層的光圖案化之後圖19的噴嘴組件；圖22為圖21中之噴嘴組件的立體圖；圖23顯示在沉積一疏水性聚合物塗層之後圖7的噴嘴組件；圖24為圖23中之噴嘴組件的立體圖；圖25顯示在該聚合物塗層的光圖案化之後圖23的噴嘴組件；圖26為圖25中之噴嘴組件的立體圖；圖27為一包含一室頂的噴墨噴嘴組件的側剖面圖，該室頂具有由一熱彎曲致動器所界定之活動的部分；圖28為圖27中之噴嘴組件的切開立體圖；圖29為圖27中之噴嘴組件的立體圖；圖30為圖27中之噴嘴組件的陣列的切開立體圖；圖31為另一噴墨噴嘴組件的側剖面圖，其包含一具有由一熱彎曲致動器所界定的活動部分的室頂；圖32為圖31中之噴嘴組件的切開立體圖；圖33為圖31中之噴嘴組件的立體圖；圖34顯示圖27的噴嘴組件具有一聚合物塗層在該室頂上，其形成一機械式密封於一活動的室頂部分與一靜止不動的室頂部分之間；及圖35顯示圖31的噴嘴組件具有一聚合物塗層在該室頂上，其形成一機械式密封於一活動的室頂部分與一靜止不動的室頂部分之間。
2．．．矽基材
26．．．噴嘴開口
25．．．噴嘴邊緣
29．．．加熱器元件
10．．．犧牲性光阻(SAC1)
16．．．犧牲性光阻(SAC2)
100．．．聚合物層

Claims (18)

  1. 一種具有一噴墨表面的列印頭，包含複數個形成在一基材上的噴嘴組件，每一噴嘴組件都包含：一噴嘴室，一噴嘴開口其界定在該噴嘴室的一室頂上及一致動器用來將油墨經由該噴嘴開口噴出，其中該噴墨表面的至少一部分被塗上一疏水性聚合物質其係選自於包含：聚合物化的矽氧烷及氟化的聚烯烴的組群中，以及其中該室頂與一基材間隔開來，使得每一噴嘴室的側壁都延伸於該噴嘴表面與該基材之間。
  2. 如申請專利範圍第1項之列印頭，其中該聚合物質為光阻劑且可用灰化來去除。
  3. 如申請專利範圍第1項之列印頭，其中該聚合物質在一氧氣電漿中形成一鈍態的表面氧化物。
  4. 如申請專利範圍第3項之列印頭，其中該聚合物質在接受氧氣電漿之後恢復其疏水性。
  5. 如申請專利範圍第1項之列印頭，其中該聚合物質是從包含：聚二甲基矽氧烷(PDMS)及全氟聚乙烯(PEPE)的組群中選取的。
  6. 如申請專利範圍第1項之列印頭，其中一其上塗了疏水性聚合物的噴嘴表面至少部分地界定該噴墨表面。
  7. 如申請專利範圍第6項之列印頭，其中每一室頂都界定該列印頭的噴嘴表面的至少一部分，每一室頂因為該疏水性塗層的本質而具有一相對於每一噴嘴室的內表面的疏水性外表面。
  8. 如申請專利範圍第1項之列印頭，其中該噴墨表面的至少一部分具有一大於90度的接觸角度且該等噴嘴室的內表面具有一小於90度的接觸角度。
  9. 如申請專利範圍第1項之列印頭，其中每一噴嘴室都包含由陶瓷材質構成的一室頂及側壁。
  10. 如申請專利範圍第9項之列印頭，其中該陶瓷材質是從包含氧化矽，氮化矽及氮氧化矽的組群中選取的。
  11. 如申請專利範圍第1項之列印頭，其中該噴墨表面相對於在該列印頭內的供墨管道是疏水性的。
  12. 如申請專利範圍第1項之列印頭，其中該致動器為一加熱器元件其被建構來加熱在該室內的油墨用以形成一氣泡，藉以迫使一油墨液滴通過該噴嘴開口。
  13. 如申請專利範圍第12項之列印頭，其中該加熱器元件係被懸掛在該噴嘴室內。
  14. 如申請專利範圍第1項之列印頭，其中該致動器為一熱彎曲致動器，其包含：一第一主動元件用來連接至驅動電路；及一第二被動元件其機械性地與該第一元件配合，使得當一電流通過該第一元件時，該第一元件會相對於該第二元件膨脹，造成該致動器的彎曲。
  15. 如申請專利範圍第14項之列印頭，其中該熱彎曲致動器界定每一噴嘴室的室頂的至少一部分，藉此該致動器的致動會將該致動器朝向該噴嘴室的室底板移動。
  16. 如申請專利範圍第14項之列印頭，其中該噴嘴開 口被界定在該致動器上或在該室頂的一靜止不動的部分上。
  17. 如申請專利範圍第14項之列印頭，其中該疏水性聚合物質界定一機械性密封於該致動器與該室頂的一靜止部分之間，藉以將致動期間之漏墨減至最少。
  18. 如申請專利範圍第17項之列印頭，其中該疏水性聚合物質具有一小於1000Mpa的楊氏係數。
TW096116518A 2007-03-12 2007-05-09 噴墨表面上塗有疏水性聚合物之列印頭 TWI403420B (zh)

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