TWI476113B

TWI476113B - 噴墨面上塗有含奈米粒子之聚合物的列印頭

Info

Publication number: TWI476113B
Application number: TW098125053A
Authority: TW
Inventors: Gregory John Mcavoy; Ronan Padraig Sean O'reilly; Emma Rose Kerr
Original assignee: Memjet Technology Ltd
Priority date: 2009-07-24
Filing date: 2009-07-24
Publication date: 2015-03-11
Also published as: TW201103758A

Description

噴墨面上塗有含奈米粒子之聚合物的列印頭

本發明關於列印頭及特別於噴墨列印頭領域。主要發展出改進列印品質及在高解析列印頭中的列印頭維護。

己發明許多不同類型的列印術，大多數於目前使用中。已知的列印形式具有各種以相關的標記媒介標記列印媒介的方法。常使用的列印形式包括套版列印、雷射列印及複印裝置，點矩陣型撞擊式列印機、熱感紙列印機、錄影機、熱蠟列印機、熱昇華列印機及按需滴墨(drop on demand)與連續流動型兩種的噴墨列印機。在考慮成本、速度、品質、可靠性、構造簡化性及操作等時，各類型的列印機具有其本身的優點及問題。

在近年來，其中墨水的各像素係從一或多個噴墨嘴衍生之噴墨列印的領域逐漸變得受歡迎，主要由於其不貴且多樣本性。

已發明許多不同的噴墨列印技術。關於領域的概述，參考J Moore,“Non-Impact Printing:Introduction and Historical Perspective”,Output Hard Copy Devices,Editors R Dubeck and S Sherr,pages 207-220(1988)之文件。

噴墨列印機本身以許多不同的類型問市。噴墨列印中的連續墨水流的利用似乎追溯到至少1929年，其中Hansell之美國專利第1941001號揭示一種簡單形式的連續流靜電噴墨列印。

Sweet之美國專利第3596275號亦揭示一種連續噴墨列印的方法，其包括其中噴墨流以高頻靜電場調節以造成墨滴分離之步驟。此技術仍被許多製造商利用，包括Elmjet及Scitex(亦參閱Sweet等人之美國專利第3373437號)。

壓電式噴墨列印機亦為常被使用的噴墨列印裝置的一種形式。壓電系統係由利用隔膜模式操作之Kyser等人在美國專利第3946398號(1970)中，由揭示一種壓電晶體的擠壓模式操作之Zolten在美國專利第3683212號(1970)中，由揭示一種彎曲模式的壓電操作之Stemme在美國專利第3747120號(1972)中，由揭示一種噴墨流的壓電推進模式致動之Howkins在美國專利第4459601號中及由揭示一種壓電換能器元件的切變模式類型之Fischbeck在美國專利第4584590號中所揭示。

最近，熱噴墨列印變成極受歡迎的噴墨列印形式。噴墨列印技術包括那些由Endo等人在GB 2007162(1979)中及Vaught等人在US專利第4490728號中所揭示者。上述兩種文獻皆揭示依賴電熱致動器活化之噴墨列印技術，其導致在壓縮空間(諸如噴嘴)中產生氣泡，藉此造成墨水從與禁閉空間連接的開口噴射在相關的列印媒介上。利用電熱致動器之列印裝置係由製造商(諸如Canon及Hewlett Packard)所製造。

可從上述觀察，許多不同類型的列印技術是有效的。理論上，列印技術應具有許多希望的屬性。這些包括不貴的構造及操作、高速操作、安全且連續的長期操作等。每種技術可在成本、速度、品質、可靠性、能源使用、構造操作簡化性、耐久性及耗材方面具有其本身的優點及缺點。

在任何噴墨列印系統的構造中，有相當多的重要因素必須彼此權衡，尤其在建構大尺度列印頭時，尤其那些寬頁類型。許多這些因素被概述於下。

首先，噴墨列印頭通常係利用微電機械系統(MEMS)技術建構。就其而論，此技術傾向依賴標準的積體電路構造/沉積平面層於矽晶圓上及蝕刻平面層的某些部位之製作技術。在矽電路製作技術範圍內，已知某些比其他技術更好的技術。例如，與產生CMOS電路締合的技術有可能比那些與產生外來電路(包括鐵電體、砷化鎵等)締合的技術更可輕易地被使用。於是希望在任何MEMS構造中利用被完全證實之半導體製作技術，其不需要任何〝外來〞方法或材料。若使用外來材料的優點遠勝過其缺點時，則當然將接受某種程度的權衡，接著無論如何可能變得希望利用外來材料。然而，若使用更常見的材料有可能達成一些或類似的性質時，則可避免外來材料的問題。

希望的噴墨列印頭特徵可能是疏水性噴墨面(〝前面〞或〝噴嘴面〞)，較佳地與親水性噴嘴室及供墨渠道組合。親水性噴嘴室及供墨渠道提供毛細作用，而因此在每一墨滴噴射之後最適合引動及再供應墨水到噴嘴室。疏水性前面使墨水溢流過列印頭前面的傾向減至最低。以疏水性前面使水性噴墨較不可能從旁邊溢流出噴嘴開口。此外，從噴嘴開口溢流的任何墨水較不可能擴散過前面且在前面上混合，墨水反而形成離散的球狀微滴，其可藉由適合的維護操作更輕易地處置。

本發明申請人至此已敘述使用PDMS(聚二甲基矽氧烷)塗佈列印頭前面且提供疏水性表面。然而，雖然PDMS具有極佳的疏水性且可被輕易地併入列印頭MEMS製作方法中，但是其具有相對差的耐磨性且可被用於列印頭維護之擦拭器刮片劃傷或另外損傷(參閱例如在2008年1月16日申請之美國申請案第12/014,772號，併入本文以供參考)。因此可能希望提供一種具疏水性噴墨面的列印頭，其可輕易地藉由MEMS製作方法製造且具有好的耐磨性。

在第一個觀點中，其係提供一種具噴墨面的列印頭，其中至少一部分噴墨面塗有疏水性聚合物材料，聚合物材料包含聚矽倍半氧烷。根據本發明的列印頭具有極佳的耐久性及耐磨性，使其與涉及與噴墨面接觸的各種列印頭維護操作(例如，擦拭)可相容。而且，聚矽倍半氧烷可藉由旋轉塗佈法以薄層(0.5至2微米)沉積，其可被輕易地併入MEMS列印頭製作方法中。

聚矽倍半氧烷可隨意地選自：聚(烷基矽倍半氧烷)及聚(芳基矽倍半氧烷)。

聚矽倍半氧烷可隨意地選自：聚(甲基矽倍半氧烷)及聚(苯基矽倍半氧烷)。

聚合物材料可隨意地在MEMS列印頭製作期間沉積且硬烘烤在列印頭的噴嘴板上。

列印頭可隨意地包含複數個在基板上形成的噴嘴組合件，每個噴嘴組合件包含：噴嘴室、限定於噴嘴室之室頂內的噴嘴開口及用於經噴嘴開口噴墨的致動器。

聚合物材料可隨意地塗佈於列印頭的噴嘴板上，噴嘴板至少部分限定於每個噴嘴室之室頂。

每個室頂由於疏水性塗層可隨意地具有相對於每個噴嘴室內表面的疏水性外表面。

每個噴嘴室可隨意地包含由陶瓷材料所組成之室頂及側壁。

陶瓷材料可隨意地選自：氮化矽、氧化矽及氧氮化矽。

室頂與基板可隨意地有距離地隔開，使得每個噴嘴室的側壁係在噴嘴板與基板之間延伸。

致動器可隨意地為經建構用於加熱室內的墨水以形成氣泡之加熱器元件，藉此強迫墨水滴經過噴嘴開口。

加熱器元件可隨意地懸吊在該噴嘴室中。

致動器可隨意地為熱彎曲致動器，其包含：與驅動電路連接之第一主動元件；及與第一元件以機械共同操作之第二被動元件，使得電流通過第一元件時，使第一元件相對於第二元件膨脹，造成致動器彎曲。

熱彎曲致動器可隨意地限定每個噴嘴室的至少一部分室頂，藉此以致動器之致動作用使該室頂的移動部位向該噴嘴室的室底移動。

噴嘴開口可隨意地限定於室頂的該移動部位內。

噴嘴開口可隨意地限定於室頂的靜止部位內。

聚合物材料可隨意地限定在室頂的移動部位與靜止部位之間的機械密封，藉此使致動器的致動期間的墨水洩漏減至最少。

在第二個觀點中，其係提供一種具噴墨面的列印頭，其中至少一部分噴墨面塗有聚合物材料，該聚合物材料包含併入奈米粒子之聚合矽氧烷。依照第二個觀點，奈米粒子授與聚合物塗層希望的性質，諸如耐久性、耐磨性、耐疲勞性、疏水性、親水性等。

聚合矽氧烷可隨意地選自：聚(烷基矽倍半氧烷)、聚(芳基矽倍半氧烷)及聚二烷基矽氧烷。

聚合矽氧烷可隨意地選自：聚(甲基矽倍半氧烷)、聚(苯基矽倍半氧烷)及聚二甲基矽氧烷。

奈米粒子可隨意地選自：無機奈米粒子及有機奈米粒子。

無機奈米粒子可隨意地選自：金屬氧化物、金屬碳酸鹽及金屬硫酸鹽。

無機奈米粒子可隨意地選自：矽石、氧化鋯、氧化鈦、氧化鋁、碳酸鈣、氧化錫、氧化鋅、氧化銅、氧化鉻、氧化鈣、氧化鎢、氧化鐵、氧化鈷及硫酸鋇。

有機奈米粒子可隨意地選自：交聯之聚矽氧樹脂粒子、交聯之聚烯烴樹脂粒子、交聯之丙烯酸系樹脂粒子、交聯之苯乙烯-丙烯酸系樹脂粒子、交聯之聚酯粒子、聚醯亞胺粒子、三聚氰胺樹脂粒子及碳奈米管。

奈米粒子可隨意地以從1至70重量%為範圍之量併入聚合矽氧烷中。

奈米粒子可隨意地具有1至100奈米之範圍內的平均粒度。

每個噴嘴室可隨意地包含由陶瓷材料所組成之室頂及側壁，陶瓷材料係選自：氮化矽、氧化矽及氧氮化矽。

加熱器元件可隨意地懸吊在噴嘴室中。

熱彎曲致動器可隨意地限定每個噴嘴室的至少一部分室頂，藉此以該致動器之致動作用使該室頂的移動部位向該噴嘴室的室底移動。

噴嘴開口可隨意地限定於下列任一部位內：該室頂的該移動部位；或該室頂的靜止部位。

聚合物材料可隨意地限定在該室頂的該移動部位與靜止部位之間的機械密封，藉此使該致動器的致動期間的墨水洩漏減至最少。

在第三個觀點中，其係提供一種用於噴射可噴射流體之噴墨列印頭，列印頭具塗有併入奈米粒子之聚合物材料的噴墨面，其中奈米粒子授與噴墨面一或多種預定特徵，預定特徵補足下列中至少一者：可噴射流體之固有性質；與列印頭有關聯的列印頭維護狀態；及噴嘴致動器類型。

根據第三個觀點，本發明能使噴墨面的表面特徵被調整到預定的列印機特徵。例如，列印頭維護可於一些列印機中被給予優先權，反之，最佳的流體噴射可於其他的列印機中被給予優先權。或者，奈米粒子可經選擇以提供列印機特徵的折衷辦法。

一或多種預定特徵可隨意地選自：親水性、疏水性、耐磨性及耐疲勞性。

一或多種預定特徵可隨意地由下列中之一或多者授與：奈米粒子表面能量特徵、奈米粒子尺寸、奈米粒子量及奈米粒子耐磨性。

奈米粒子可隨意地選自：無機奈米粒子及有機奈米粒子。

可噴射流體的固有性質可隨意地選自：親水性、疏水性、黏度、表面張力及沸點。

可噴射流體可隨意地選自：水性流體及非水性流體。

列印頭維護狀態可隨意地包含一或多種選自：列印頭封蓋、列印頭擦拭、列印頭溢流及非接觸性墨水移除之操作。

聚合物材料可隨意地包含聚合矽氧烷。

根據第三個觀點的其他隨意的具體例反映於根據第一及第二觀點的那些隨意的具體例。

隨意的具體例之敘述

本發明可供任何類型的列印頭使用。本發明申請者先前敘述一種多墨式噴墨列印頭。在此沒必要為了瞭解本發明而敘述所有此等列印頭。然而，本發明現將結合以熱形成氣泡之噴墨列印頭及以機械熱彎曲致動之噴墨列印頭予以敘述。從隨後的討論可輕易地明白本發明的優點。

以熱形成氣泡之噴墨列印頭

參考圖1，其係顯示包含複數個噴嘴組合件之列印頭的一部分。圖2及3顯示這些噴嘴組合件中之一的側剖視圖及剖面透視圖。

每個噴嘴組合件包含以MEMS製作技術在矽晶圓基板2上所形成之噴嘴室24。噴嘴室24限定於室頂21及從室頂21延伸到矽基板2之側壁22。如圖1中所示，每個室頂限定於跨越列印頭噴墨面的噴嘴表面56一部分。噴嘴表面56及側壁22係由相同的材料所形成，該材料係藉由PECVD而在MEMS製作期間沉積於光阻層的犧牲支架上。噴嘴表面56及側壁22典型地由陶瓷材料(諸如二氧化矽或氮化矽)所形成。這些硬材料對列印頭堅固性具有極佳的性質，且其固有的親水本性有利於以毛細作用供應墨水到噴嘴室24。然而，噴嘴表面56的外(噴墨)表面亦為親水性，其造成任何溢流於表面之墨水擴散。

返回噴嘴室24的細部，經觀察噴嘴開口26限定於每個噴嘴室24的室頂內。每個噴嘴開口26通常為橢圓形且具有締合之噴嘴邊緣25。噴嘴邊緣25有助於在列印期間的墨滴定向性，以及至少減少墨水從噴嘴開口26溢流到某些程度。用於從噴嘴室24噴墨的致動器為設置在噴嘴開口26之下且懸吊越過凹槽8的加熱器元件29。電流係經由與在下面的基板2之CMOS層5中的驅動電路連接的電極9供應到加熱器元件29。當電流通過加熱器元件29時，其快速地過度加熱墨水周圍以形成氣泡，其強迫墨水經過噴嘴開口。當噴嘴室24引動時，則藉由懸吊加熱器元件29而使其完全插入墨水中。此改進列印頭效率，因為較少的熱散逸到在下面的基板2中且更多的輸入能量被用於產生氣泡。

如圖1中更清楚地觀察，將噴嘴排成列且沿著列縱向延伸之供墨渠道27供應墨水到排成列的每個噴嘴中。供墨渠道27輸送墨水到每個噴嘴的墨水入口通道15，其從噴嘴開口26側經由噴嘴室24中的墨水導管23供應墨水。

用於製造此等列印頭的MEMS製作方法被詳細地敘述於吾等先前在2005年10月11日申請之美國申請案第11/246,684號中，將其內容併入本文以供參考。為了清楚起見，在此簡要地重新瀏覽此製作方法的後段。

圖4及5顯示包含封裝犧牲光阻層10(〝SAC1)〞及16(〝SAC2〞)之噴嘴室24的部分製作之列印頭。SAC1光阻層10被用作沉積加熱器材料之支架，以形成懸吊之加熱器元件29。SAC2光阻層16被用作沉積側壁22及室頂21(其限定噴嘴表面56一部分)之支架。

在先前技藝方法中，且參考圖6至8，MEMS製作的下一階段係藉由蝕刻掉2微米室頂材料20來限定在室頂21中的橢圓形噴嘴邊緣25。此蝕刻係使用圖6中所示之暗色調邊緣罩幕所暴露之光阻層(未顯示)限定。橢圓形邊緣25包含兩個設置在其個別的熱致動器29上的同軸邊緣蓋25a及25b。

參考圖9至11，下一階段係藉由蝕刻所有經過其餘的室頂材料之路徑來限定在室頂21中的橢圓形噴嘴開口26，其由邊緣25所限制。此蝕刻係使用圖9中所示之暗色調室頂罩幕所暴露之光阻層(未顯示)限定。橢圓形噴嘴開口26係設置在熱致動器29上，如圖11所示。

隨著現在完全形成之所有的MEMS噴嘴特色，下一階段係藉由O₂ 電漿灰化來移除SAC1及SAC2光阻層10及16(圖12及13)。圖14及15顯示在灰化SAC1及SAC2光阻層10及16之後的矽晶圓2的整個厚度(150微米)。

參考圖16至18，一經完成晶圓的前側MEMS處理時，則使用標準的各向異性DRIE從晶圓背側蝕刻供墨渠道27，與墨水入口15相遇。此背側蝕刻係使用圖16中所示之暗色調罩幕所暴露之光阻層(未顯示)限定。供墨渠道27使晶圓背側與墨水入口15之間以流體連接。

最後，且參考圖2及3，晶圓係藉由背側蝕刻而變薄到135微米。圖1顯示在完成之列印頭積體電路之剖面透視圖中的三個相鄰的噴嘴列。各噴嘴列具有沿著其長度延伸且供應墨水到各列中複數個墨水入口15的各個供墨渠道27。墨水入口依次供應墨水到各列的墨水導管23，以每個噴嘴室接收來自該列的共同墨水導管之墨水。

如上述已討論，此先前技藝MEMS製作方法由於噴嘴表面56係由陶瓷材料(諸如二氧化矽、氮化矽、氧氮化矽、氮化鋁等)所形成而不可避免地留下親水性噴墨面。

在使噴嘴面56疏水化的較佳方法中(且如US 2009/0139961中所述，將其內容併入本文以供參考)，晶圓係在噴嘴邊緣於圖7及8中所示例之階段蝕刻之後立即以疏水性聚合物80塗佈。

將疏水性聚合物100的薄層(約1至2微米)旋轉塗佈於晶圓上且硬烘烤，以提供圖19及20中所示之部分製作之列印頭。

現參考圖21，接著將保護金屬膜90(約100奈米厚度)沉積在聚合層80上。金屬膜典型地包含鈦或鋁且保護疏水性聚合物80免於後期階段的氧灰化條件。於是聚合物層80未經暴露於侵略性灰化條件且在整個MEMS處理步驟期間保留其疏水性特徵。

圖22顯示在蝕刻穿過金屬膜90、聚合物層80及噴嘴室頂21的噴嘴開口26之後的晶圓。此蝕刻步驟利用習知的圖案化光阻層(未顯示)作為所有噴嘴蝕刻步驟的共同罩幕。在典型的蝕刻順序中，先將金屬膜90以標準的乾金屬蝕刻(例如，BCl₃ /Cl₂ )或濕金屬蝕刻(例如，H₂ O₂ 或HF)蝕刻。接著使用第二乾蝕刻步驟穿過聚合物層80及噴嘴室頂21蝕刻。第二蝕刻步驟典型地為使用O₂ 及氟化蝕刻氣體(例如，SF₆ 或CF₄ )的乾蝕刻。

在噴嘴開口26如圖22中所示被限定時，則背側MEMS處理步驟(例如，蝕刻供墨渠道，晶圓變薄等)及後期階段的光阻層灰化可依照類似於關於圖14至18之上述步驟的已知協定進行。使用H₂ O₂ 或HF沖洗的最後金屬膜90移除得到圖23及24中所示具疏水性聚合物層80的完成之噴嘴組合件。

熱彎曲致動器列印頭

從上述理解可將任何類型的列印頭以類似的方式疏水化。然而，聚合物塗層特別有利於申請者的熱彎曲致動器組合件中使用，因為聚合物層充當列印頭的移動室頂部位與靜止體之間的機械密封。這些優點被更詳細地討論於申請者的美國專利公開案第2008/0225076號中，將其內容併入本文以供參考。

圖25至37顯示在吾等較早期的美國專利公開案第2008/0309728號中所述之噴墨嘴組合件100的MEMS製作步驟的順序，將其內容併入本文以供參考。在圖36及37中所示完成之噴墨嘴組合件100利用熱彎曲致動作用，藉此使室頂之移動部位向基板彎曲，造成噴墨。

MEMS製作的起點為在矽晶圓的上部位中所形成之具CMOS驅動電路的標準CMOS晶圓。在MEMS製造方法結束時，此晶圓被分切成單獨的列印頭積體電路(IC)，以每個IC皆包含驅動電路及複數個噴嘴組合件。

如圖25及26中所示，基板101具有在其上部位中所形成之電極102。電極102為一對相鄰的電極(正極與地極)中之一，用於供應能源到噴墨嘴100的致動器。電極接收來自基板101上層中的CMOS驅動電路(未顯示)的能源。

在圖25及26中所示之其他電極103係用來供應能源到相鄰的噴墨嘴。通常圖式顯示用於噴嘴組合件的MEMS製作步驟，其為噴嘴組合件陣列中之一。下述說明針對這些噴嘴組合件中之一的製造步驟。然而，當然應理解對應之步驟被同時執行於所有在晶圓上所形成之噴嘴組合件。在有相鄰的噴嘴組合件被部分地顯示於圖中之處，就本發明的目的而言可忽略此處。據此，電極103及相鄰的噴嘴組合件的所有特色未被詳細地敘述於本文中。事實上，以利於清楚起見，一些MEMS製作步驟將不顯示於相鄰的噴嘴組合件上。

在圖25及26中所示之步驟順序中，先將8微米的二氧化矽層沉積於基板101上。二氧化矽的深度限定噴墨嘴的噴嘴室105深度。在沉積SiO₂ 層之後，將該層蝕刻，以限定壁104，其成為噴嘴室105的側壁，非常清楚地顯示於圖26中。

如圖27及28中所示，接著將噴嘴室105以光阻劑或聚醯亞胺106填充，其充當後續沉積步驟的犧牲支架。將聚醯亞胺106使用標準技術旋轉塗佈於晶圓上、UV固化及/或硬烘烤，並接受停止在SiO₂ 壁104之頂端表面上的化學機械平面化作用(CMP)。

在圖29及30中，噴嘴室105的室頂元件107被形成，以及高導電性連接器柱108向下延伸到電極102。先將1.7微米SiO₂ 層沉積在聚亞醯胺106及壁104上。此SiO₂ 層限定噴嘴室105的室頂元件107。接著使用標準的各向異性DRIE在向下到電極102的壁104中形成一對通孔。此蝕刻暴露穿過個別通孔的電極102對。接著將通孔以高導電性金屬(諸如銅)使用無電式電鍍填充。沉積之銅柱108接受停止在SiO₂ 室頂元件107上的CMP，以提供平面結構。可觀察出在無電式銅電鍍期間所形成之銅連接器柱108與個別電極102相遇，以提供上達室頂元件107的直線導電路徑。

在圖31及32中，金屬墊109係藉由先沉積0.3微米鋁層於室頂元件107及連接器柱108上而形成。可使用任何高導電性金屬(例如，鋁、鈦等)且應以約0.5微米或更薄的厚度沉積，以不嚴重地衝擊噴嘴組合件的整體平面性。金屬墊109係設置在連接器柱108及熱彈性主動樑件的預定“彎曲區”內的室頂元件107上。

在圖33及34中，熱彈性主動樑件110形成於SiO₂ 室頂107上。部分的SiO₂ 室頂元件107由於與主動樑件110熔接而具有作為機械熱彎曲致動器的下層被動樑件116的功能，該致動器限定於主動樑件110及被動樑件116。熱彈性主動樑件110可包含任何適合的熱彈性材料，諸如氮化鈦、氮化鈦鋁及鋁合金。如在申請人早期的美國發表案第2008/0129793號(將其內容併入本文以供參考)中所解釋，釩鋁合金為較佳的材料，因為其結合高熱膨脹性、低密度及高楊氏(Young’s)模數的有利性質。

為了形成主動樑件110，先將1.5微米主動樑材料層以標準的PECVD沉積。接著將樑材料使用標準的金屬蝕刻法蝕刻，以限定主動樑件110。在完成金屬蝕刻之後，且如圖33及34中所示，主動樑件110包含部分噴嘴開口111及樑件112，在每個末端上與正及接地電極102經由連接器柱108以電連接。平面樑件112從第一(正極)連接器柱的頂端延伸且彎曲約180度，返回第二(接地)連接器柱的頂端。

仍參考圖33及34，金屬墊109係經設置以加速在可能較高的電阻區域內的電流流動。一種金屬墊109被設置在樑件112的彎曲區域內，且被夾在主動樑件110與被動樑件116之間。其他的金屬墊109被設置在連接器柱108頂端與樑件112末端之間。

參考圖35，將疏水性聚合物層80沉積在晶圓上且以保護金屬層90(例如，100奈米鋁)覆蓋。在適合的遮蔽之後，接著蝕刻金屬層90、聚合物層80及SiO₂ 室頂元件107，以完全限定噴嘴開口113及室頂的移動部位114。蝕刻典型地為兩階段蝕刻法，如以上關於圖22所述。

移動部位114包含熱彎曲致動器115，其本身包含主動樑件110及在下面的被動樑件116。噴嘴開口113亦限定於室頂的移動部位114中，使得噴嘴開口在致動期間隨致動器移動。藉此使噴嘴開口113關於移動部位114而呈靜止的構形亦有可能，如美國發表案第2008/0129793號中所述，且在本發明的可行範圍內。

以室頂的移動部位114附近的周圍空間或間隙117隔開室頂的移動部位114與靜止部位118。此間隙117允許移動部位114在致動器115致動時進入噴嘴室105中且向基板101彎曲。疏水性聚合物層80填充間隙117，在室頂107的移動部位114與靜止部位118之間提供機械密封。聚合物具有足以允許致動器向基板101彎曲的低楊氏模數，同時避免墨水在致動期間穿過間隙117漏出。

在最後的MEMS處理步驟中，且如圖36及37中所示，從基板101背側穿過噴嘴元件105蝕刻供墨渠道120。雖然供墨渠道120於圖36及37中顯示與噴嘴開口113對齊，但是其當然可經設置而偏離噴嘴開口。

在蝕刻供墨渠道之後，用於填充噴嘴室105的聚醯亞胺106係藉由在氧化電漿中灰化而移除，且金屬膜90係藉由HF或H₂ O₂ 沖係而移除，以提供噴嘴組合件100。

包含MSO之聚合物層

疏水性聚合物層80經證實為申請者之列印頭的重要特色。其不僅使列印頭前面具有疏水性，其幫助改進整體的列印品質，亦藉由以平坦的疏水性表面呈現於在可操作條件下用於維護列印頭的列印頭維護裝置(例如，擦拭器刮片)而有助於列印頭維護。當然，在上述以熱彎曲致動之列印頭100的情況中，聚合物80提供從列印頭實體以機械密封噴嘴的移動部分之額外功能。

至此，申請者提出聚二甲基矽氧烷(PDMS)的使用。此材料可被輕易地併入MEMS製作方法中，具有極佳的疏水性及楊氏模數，其允許有效的熱彎曲致動作用。然而，PDMS具有相對差的耐磨性且可與例如擦拭器刮片的重複接觸而劃傷或另外損傷。

申請者目前發現聚矽倍半氧烷提供比PDMS更卓越的耐磨性，且仍維持PDMS的所有優點。聚矽倍半氧烷屬於已知為聚合矽氧烷或聚矽氧的聚合物綜合性類別，且具有實驗式(RSiO_1.5 )_n ，其中R為氫或有機基團及n為代表聚合物鏈長度的整數。有機基團可為C_1-12 烷基(例如，甲基)、C_1-10 芳基(例如，苯基)或C_1-16 芳烷基(例如，苯甲基)。聚合物鏈可具有本技藝中已知的任何長度(例如，n係從2至10,000)。

當聚(烷基矽倍半氧烷)及聚(芳基矽倍半氧烷)，諸如聚(甲基矽倍半氧烷)及聚(苯基矽倍半氧烷)被用作申請者之列印頭中的聚合物層80時，其已顯示具有極佳的疏水性、耐久性及耐磨性。例如，塗有MSQ或PSQ之列印頭可經擦拭清潔而沒有損傷，甚至在墨水及紙纖維被烘烤在列印頭上經1小時之後。

聚(甲基矽倍半氧烷)亦在本技藝中已知為甲基矽倍半氧烷、MSQ、MSSQ、PMSQ及PMSSQ。聚(苯基矽倍半氧烷)亦在本技藝中已知為苯基矽倍半氧烷、PSQ、PSSQ、PPSQ及PPSSQ。為了簡潔起見，申請者將於下文中稱聚(甲基矽倍半氧烷)為MSQ及稱聚(苯基矽倍半氧烷)為PSQ。

MSQ具有低的介電常數(k=2.7)且於先前被用作為絕緣材料。然而，先前不知道使用MSQ作為MEMS噴墨列印頭的疏水性塗層。

MSQ或PSQ可藉由上述之MEMS製作方法併入列印頭中作為聚合物層80。將MSQ或PSQ溶液旋轉塗佈於晶圓上至約0.5至5微米(例如，1微米)深度且接著硬烘烤，以促進與噴嘴板的黏著性及提供列印頭耐久的噴墨面。硬烘烤可包括UV固化步驟。例如，典型的硬烘烤方法可包含下列步驟：

1.在塗佈之後立即以＠110℃接觸烘烤2分鐘

2.以＠300℃接觸烘烤6.5分鐘

3.以UV暴露130秒(~1300毫焦耳)

4.烤箱固化1小時(以＠180℃開始及以＠~4℃/分鐘之斜坡上升)

雖然上述之申請者的硬烘烤方法提供具有極佳的耐久性之塗有MSQ或塗有PSQ之列印頭，但是應理解硬烘烤可接在任何習知的程序之後。

MSQ及PSQ各具有約3GPa之楊氏模數，其比PDMS略高。然而，申請者發現當聚合物層80包含MSQ或PSQ時，以熱彎曲致動之列印頭仍有效地操作，儘管其較高的楊氏模數。而且，MSQ及PSQ的整體堅固性經常勝過由其較高的楊氏模數出現的任何不利趨勢。當然，在沒有任何移動零件的以熱形成氣泡之列印頭中，聚合物層80的楊氏模數與噴嘴致動作用無關。

本發明者考慮MSQ或PSQ的使用代表噴墨列印頭技術的重大突破。疏水化噴墨列印頭，尤其那些以MEMS製作方法所製造之列印頭被所有工業競賽者視為非常重大的挑戰。本發明申請者論證MSQ或PSQ可被併入MEMS製作方法中且提供具有極佳的耐久性及耐磨性的疏水性噴墨面。未曾於先前技藝中達成此希望的特色組合。

含有奈米粒子的聚合物層

如上所述，雖然MSQ及PSQ具有比PDMS用作為聚合物塗層更顯著的優點，但是可能有一些其中PDMS仍為選擇的材料之實例。例如，在以低熱能彎曲致動之列印頭中，PDMS的低楊氏模數可能有利於減少墨滴噴射能量至最低。可能希望改進例如PDMS的耐磨特徵，而不包含改進其低的楊氏模數。

在其他的方面，列印頭的聚合物塗層可具有使其不適合從列印頭噴射特殊流體的性質。應注意以熱彎曲致動之列印頭可噴射水性及非水性液體二者(例如，用於列印OLED之聚合物)，且列印頭之噴墨面可具有補足欲噴射流體之固有性質的特徵。這些性質可包括例如流體之親水性、疏水性、黏度、表面張力及/或沸點。

或者，噴墨面可具有補足所使用之特殊類型的列印頭維護狀態的特徵(例如，列印頭封蓋/擦拭，如併入本文以供參考之美國申請案第12/014,772號中所述；或列印頭溢流/非接觸性維護，如併入本文以供參考之US 7,401,886中所述)。例如，耐磨性對涉及與列印頭接觸的列印頭維護狀態具有重要性，但是對非接觸性維護狀態較不重要。

或者，噴墨面可具有補足特殊類型之噴嘴致動器的特徵。例如，耐疲勞性對其中聚合物材料密封噴嘴的移動部位到列印頭實體的熱彎曲致動器具有重要性。然而，耐疲勞性對非移動式噴嘴較不重要，諸如上述以熱形成氣泡之噴嘴。

可能非常希望有〝調整〞噴墨面特徵而根本上不改變MEMS製作方法的能力。此〝調整〞可改進例如噴墨面的韌性、耐磨性、耐疲勞性及/或表面能量特徵。當列印疏水性液體(諸如聚合物)時，則噴墨面較佳地應具有相對的親水性而不是疏水性(與列印的水性墨水接觸)，其係作為一個不重要的實例。

併入奈米粒子之聚矽氧聚合物(在本文有時被稱為〝填充劑〞)的有效性意謂聚矽氧聚合物(例如，PDMS、MSQ、PSQ)的特徵可藉由改變併入其中的奈米粒子而修改。不同的奈米粒子的使用將對應地〝調整〞以聚合物層80限定之噴墨面的特徵。

當然，奈米粒子可取決於特殊的應用而具有任何適合的類型、尺寸及形狀。奈米粒子可包含無機粒子、有機粒子或二者之組合。無機奈米粒子的一些實例為金屬氧化物、金屬碳酸鹽及金屬硫酸鹽。更特別地，無機奈米粒子可為例如矽石(包括膠態矽石)、氧化鋯、氧化鈦、氧化鋁、碳酸鈣、氧化錫、氧化鋅、氧化銅、氧化鉻、氧化鈣、氧化鎢、氧化鐵、氧化鈷、硫酸鋇等。有機奈米粒子的一些實例為交聯之聚矽氧樹脂粒子(例如，PDMS、MSQ、PSQ)、交聯之聚烯烴樹脂粒子(例如，聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯)、交聯之丙烯酸系樹脂粒子、交聯之苯乙烯-丙烯酸系樹脂粒子、交聯之聚酯粒子、聚醯亞胺粒子、三聚氰胺樹脂粒子、碳奈米管等。

如本文所使用之術語〝奈米粒子〞係指具有1至1000奈米，更經常為1至100奈米，而更經常為1至50奈米之範圍內的平均粒度之粒子。通常以約20奈米之平均粒度較佳。粒子可為單分散狀或多分散狀。

奈米粒子可以從1至70重量%，可隨意以5至60重量%，可隨意以10至50重量%為範圍之量存在。奈米粒子的存在量將取決於聚合物膜必要的特徵而定。

可將奈米粒子以任何適合的方法併入聚合物中，諸如熔凝膠法，其為熟習本技藝者所熟知。可將所得聚合物以任何適合的方法沉積，諸如旋轉塗佈法，且接著硬烘烤。

併入矽石奈米粒子的PDMS聚合物為本技藝已知且此等聚合物可被用作為本發明中的聚合物層80。矽石奈米粒子授與PDMS聚合物希望的耐磨性及耐疲勞性特徵。

PDMS亦可取決於矽石粒子的存在量而具有相對的親水性表面，其在一些應用中是有用的。

在此領域中的一般研究者應理解可對如特殊的具體例中所示之本發明進行各種變化及/或修改，而不違背如廣義敘述之本發明的精神或範圍。本發明的具體例因此被認為是所有方面的例證而非限制。

2‧‧‧矽晶圓基板

5‧‧‧COMS層

8‧‧‧凹槽

9‧‧‧電極

10‧‧‧犧牲光阻層

15‧‧‧墨水入口通道

16‧‧‧犧牲光阻層

20‧‧‧室頂材料

21‧‧‧室頂

22‧‧‧側壁

23‧‧‧墨水導管

24‧‧‧噴嘴室

25‧‧‧噴嘴邊緣

25a‧‧‧邊緣蓋

25b‧‧‧邊緣蓋

26‧‧‧噴嘴開口

27‧‧‧供墨渠道

29‧‧‧加熱器元件

29‧‧‧熱致動器

56‧‧‧噴嘴表面

80‧‧‧疏水性聚合物

80‧‧‧聚合物層

90‧‧‧保護金屬膜

100‧‧‧疏水性聚合物的薄層

100‧‧‧噴墨嘴組合件

101‧‧‧基板

102‧‧‧電極

103‧‧‧電極

104‧‧‧側壁

105‧‧‧噴嘴室

106‧‧‧聚醯亞胺

107‧‧‧室頂

108‧‧‧連接器柱

109‧‧‧金屬墊

110‧‧‧熱彈性主動樑件

111‧‧‧部分噴嘴開口

112‧‧‧平面樑件

113‧‧‧噴嘴開口

114‧‧‧移動部位

115‧‧‧熱彎曲致動器

116‧‧‧被動樑件

117‧‧‧間隙

118‧‧‧靜止部位

120‧‧‧供墨渠道

本發明隨意的具體例現以僅參考所附圖式之實例方式予以敘述，其中：

圖1為熱噴墨列印頭的噴嘴組合件陣列之部分透視圖；

圖2為圖1中所示之噴嘴組合件單位晶格之側面圖；

圖3為圖2中所示之噴嘴組合件之透視圖；

圖4顯示在側壁及室頂材料沉積於犧牲的光阻層上之後部分形成之噴嘴組合件；

圖5為圖4中所示之噴嘴組合件之透視圖；

圖6為與圖7中所示之噴嘴邊緣蝕刻締合之罩幕；

圖7顯示形成噴嘴開口邊緣之室頂層的蝕刻；

圖8為圖7中所示之噴嘴組合件之透視圖；

圖9為與圖10中所示之噴嘴開口蝕刻締合之罩幕；

圖10顯示形成橢圓形噴嘴開口之室頂材料的蝕刻；

圖11為圖10中所示之噴嘴組合件之透視圖；

圖12顯示第一及第二犧牲層的氧電漿灰化；

圖13為圖12中所示之噴嘴組合件之透視圖；

圖14顯示在灰化之後的噴嘴組合件，以及晶圓之相對側；

圖15為圖14中所示之噴嘴組合件之透視圖；

圖16為與圖17中所示之背側蝕刻締合之罩幕；

圖17為顯示進入晶圓之供墨渠道的背側蝕刻；

圖18為圖17中所示之噴嘴組合件之透視圖；

圖19為沉積疏水性聚合物塗層之後的圖7之噴嘴組合件；

圖20為圖19中所示之噴嘴組合件之透視圖；

圖21為沉積保護金屬膜之後的圖19之噴嘴組合件；及

圖22顯示在蝕刻穿過保護金屬膜、聚合物塗層及噴嘴室頂之後的圖21之噴嘴組合件；

圖23顯示在背側MEMS處理及移除光阻層之後完成之噴嘴組合件；

圖24為圖23中所示之噴嘴組合件之透視圖；

圖25為其中形成噴嘴室側壁的第一步驟順序之後的部分製作之替代性噴墨嘴組合件之側剖視圖；

圖26為圖25中所示之部分製作之噴墨嘴組合件之透視圖；

圖27為其中噴嘴室以聚醯亞胺填充的第二步驟順序之後的部分製作之噴墨嘴組合件之側剖視圖；

圖28為圖27中所示之部分製作之噴墨嘴組合件之透視圖；

圖29為其中連接器柱形成上達於室頂的第三步驟順序之後的部分製作之噴墨嘴組合件之側剖視圖；

圖30為圖29中所示之部分製作之噴墨嘴組合件之透視圖；

圖31為其中形成導電金屬板的第四步驟順序之後的部分製作之噴墨嘴組合件之側剖視圖；

圖32為圖31中所示之部分製作之噴墨嘴組合件之透視圖；

圖33為其中形成熱彎曲致動器的主動樑件的第五步驟順序之後的部分製作之噴墨嘴組合件之側剖視圖；

圖34為圖33中所示之部分製作之噴墨嘴組合件之透視圖；

圖35為以聚合物層塗佈、以金屬層保護及蝕刻噴嘴開口之後的第六步驟順序之後的部分製作之噴墨嘴組合件之側剖視圖；

圖36為背側MEMS處理及移除光阻層之後完成之噴墨嘴組合件之側剖視圖；及

圖37為圖36中所示之噴墨嘴組合件之剖面透視圖。

80．．．聚合物層

100．．．噴墨嘴組合件

101．．．基板

102．．．電極

104．．．側壁

105．．．噴嘴室

108．．．連接器柱

109．．．金屬墊

110．．．金屬膜

113．．．噴嘴開口

116．．．被動樑件

120．．．供墨渠道

Claims

一種具有噴墨面的列印頭，其中至少一部分噴墨面塗有聚合物材料，該聚合物材料併入有奈米粒子，其中，該列印頭包含複數個在基板上形成的噴嘴組合件，每個噴嘴組合件包含：噴嘴室、限定於噴嘴室之室頂內的噴嘴開口及用於經噴嘴開口噴墨的熱彎曲致動器，該熱彎曲致動器包含：與驅動電路連接之第一主動元件；及與第一元件以機械共同操作之第二被動元件，使得電流通過第一元件時，使第一元件相對於第二元件膨脹，造成致動器彎曲，其中，該熱彎曲致動器限定每個噴嘴室的至少一部分室頂，藉此以該熱彎曲致動器之致動作用使該室頂的移動部位向該噴嘴室的室底移動。
如申請專利範圍第1項之列印頭，其中該聚合物材料為選自下列之聚合矽氧烷：聚(烷基矽倍半氧烷)、聚(芳基矽倍半氧烷)及聚二烷基矽氧烷。
如申請專利範圍第2項之列印頭，其中該聚合矽氧烷係選自：聚(甲基矽倍半氧烷)、聚(苯基矽倍半氧烷)及聚二甲基矽氧烷。
如申請專利範圍第1項之列印頭，其中該奈米粒子係選自：無機奈米粒子及有機奈米粒子。
如申請專利範圍第4項之列印頭，其中該無機奈米粒子係選自：金屬氧化物、金屬碳酸鹽及金屬硫酸鹽。
如申請專利範圍第4項之列印頭，其中該無機奈米粒子係選自：矽石、氧化鋯、氧化鈦、氧化鋁、碳酸鈣、氧化錫、氧化鋅、氧化銅、氧化鉻、氧化鈣、氧化鎢、氧化鐵、氧化鈷及硫酸鋇。
如申請專利範圍第4項之列印頭，其中該有機奈米粒子係選自：交聯之聚矽氧樹脂粒子、交聯之聚烯烴樹脂粒子、交聯之丙烯酸系樹脂粒子、交聯之苯乙烯-丙烯酸系樹脂粒子、交聯之聚酯粒子、聚醯亞胺粒子、三聚氰胺樹脂粒子及碳奈米管。
如申請專利範圍第1項之列印頭，其中該奈米粒子係以從1至70重量%為範圍之量併入該聚合矽氧烷中。
如申請專利範圍第1項之列印頭，其中該奈米粒子具有1至100奈米之範圍內的平均粒度。
如申請專利範圍第1項之列印頭，其中該聚合物材料係塗佈於列印頭的噴嘴板上，該噴嘴板至少部分限定於每個噴嘴室之室頂。
如申請專利範圍第10項之列印頭，其中該室頂由選自：氮化矽、氧化矽及氧氮化矽之陶瓷材料所構成。
如申請專利範圍第10項之列印頭，其中該室頂與該基板有距離地隔開，使得每個噴嘴室的側壁係在該噴嘴板與該基板之間延伸。
如申請專利範圍第1項之列印頭，其中該噴嘴開口限定於下列任一部位內：該室頂的該移動部位；或該室頂的靜止部位。
如申請專利範圍第1項之列印頭，其中該聚合物材料限定在該室頂的該移動部位與靜止部位之間的機械密封，藉此使該致動器的致動期間的墨水洩漏減至最少。