專利名稱：制造具有疏水噴墨面的打印頭的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及打印機領域，尤其涉及噴墨打印頭。它主要被開發(fā)用 于提高高分辨率打印頭的打印質量和可靠性。
背景技術：
發(fā)明了許多不同類型的印刷，它們中的許多目前在使用。印刷的 已知形式具有用相關標記介質標記印刷介質的許多方法。印刷的常用 形式包括膠印、激光印刷和復印設備、點陣型擊打式打印機、熱紙打 印機、膠片記錄器、熱蠟打印機、染料升華印刷機以及墨滴按需和連 續(xù)流動式噴墨打印機。當考慮成本、速度、質量、可靠性、構造和操 作的簡單性等時每種類型的打印機具有它自身的優(yōu)點和問題。
近年來，其中油墨的每個單個像素來自 一個或多個油墨噴嘴的噴
墨打印技術主要由于它的廉價和通用性質而越來越流行。
發(fā)明了關于噴墨打印的許多不同技術。為了全面了解本領域，參
考 J Moore 的文章，"Non-Impact Printing: Introduction and Historical Perspective",《輸出石更拷貝i殳備》，R Dubeck和S Sherr編 輯，第207-220頁(1988)。
噴墨打印機本身具有許多不同類型。噴墨打印中連續(xù)墨流的利用 至少可追溯到1929年，其中Hansell的美國專利No.1941001公開了 連續(xù)流靜電噴墨打印的一種簡單形式。
Sweet的美國專利3596275也z〉開了 一種連續(xù)噴墨打印的方法， 包括一個步驟，其中噴墨流由高頻靜電場調制以導致墨滴分離。該技 術仍然由幾個制造商利用，包括Elmjet和Scitex (也參見Sweet等人 的美國專利No.3373437)。
壓電噴墨打印機也是常用油墨打印設備的一種形式。在利用隔膜操作模式的Kyser等人的美國專利No.3946398 ( 1970)中，在公開了 壓電晶體的擠壓操作模式的Zolten的美國專利3683212 ( 1970)中， 在公開了壓電操作的彎曲模式的Stemme的美國專利No.3747120 (1972)中，在公開了噴墨流的壓電推動模式致動的Howkins的美國 專利No.4459601中，和在公開了壓電換能器元件的剪切模式類型的 Fischbeck的美國專利4584590中公開了壓電系統(tǒng)。
近來，熱噴墨打印成為噴墨打印的一種非常流行的形式。噴墨打 印技術包括在Endo等人的GB 2007162 ( 1979)和Vaught等人的美 國專利4490728中公開的那些。上述兩個文獻公開了依靠電熱致動器 的啟動的噴墨打印技術，電熱致動器的啟動在縮窄空間，例如噴嘴中 產生氣泡，由此導致油墨從連接到狹窄空間的開孔噴射到相關打印介 質上。利用電熱致動器的打印設備由制造商，例如佳能和惠普公司制 造。
從上述內容可以看出，許多不同類型的打印技術是可用的。實際 上，打印技術應當具有許多理想的屬性。這些包括廉價的構造和操作、 高速操作、安全和連續(xù)長期操作等。每個技術可以在成本、速度、質 量、可靠性、耗電量、構造操作的簡單性、耐用性和消耗品方面具有 它自身的優(yōu)點和缺點。
在任何噴墨打印系統(tǒng)的構造中，有相當多的重要因素必須彼此被 權衡，尤其當構造大型打印頭，尤其是頁寬型的那些時。許多這些因 素歸納如下。
首先，通常利用微型機電系統(tǒng)(MEMS)技術構造噴墨打印頭。 因此，它們傾向于依靠將平面層沉積在硅片上并且蝕刻平面層的某些 部分的標準集成電路構造/制造技術。在硅電路制造技術中，某些技術 比其他技術更公知。例如，與產生CMOS電路關聯(lián)的技術很可能比與 產生包括鐵電體、砷化鎵等的奇異電路關聯(lián)的那些更容易使用。因此， 在任何MEMS構造中希望利用不需要任何"奇異"過程或材料的充分 證明的半導體制造技術。當然，將進行一定程度的權衡，原因是如果 使用奇異材料的優(yōu)點遠超它的缺點，則無論如何利用該材料是理想的。然而，如果有可能使用更普通的材料獲得相同或類似性質，奇異材料 的問題可以被避免。
噴墨打印頭的理想特性將是疏水噴墨面("正面"或"噴嘴面")，優(yōu) 選地與親水噴嘴室和油墨供應通道組合。親水噴嘴室和油墨供應通道 提供毛細管作用并且因此最佳地用于啟動和用于在每次墨滴噴射之后 將油墨再供應到噴嘴室。疏水正面最小化油墨在打印頭的正面上溢流 的傾向。使用疏水正面，含水噴墨油墨不太可能離開噴嘴開口從旁邊 溢流。此外，從噴嘴開口溢流的任何油墨不太可能在面上擴散并且在 正面上混合，而是它們將形成可以通過合適的維護操作更容易處理的 離散球形微滴。
然而，盡管疏水正面和親水油墨室是理想的，通過MEMS技術 制造這樣的打印頭有較大問題。MEMS打印頭制造的最后階段典型地 是使用氧等離子體灰化光致抗蝕劑。然而，沉積在正面上的有機、疏 水材料典型地通過灰化過程被去除以留下親水表面。而且，疏水材料 的灰化后蒸汽沉積的問題在于疏水材料將被沉積在噴嘴室內部以及打 印頭的正面上。噴嘴室壁被疏水化，這在產生朝著噴嘴室偏壓的正油 墨壓力方面是很不利的。這是在打印頭制造上產生顯著需要的難題。
因此，希望提供一種打印頭制造工藝，其中產生的打印頭具有改 善的表面特性，不包括噴嘴室的表面特性。進一步希望提供一種打印 頭制造工藝，其中產生的打印頭具有與親水噴嘴室結合的疏水正面。

發(fā)明內容
在第一方面中，本發(fā)明提供了一種制造具有疏水噴墨面的打印頭 的方法，所述方法包括以下步驟
(a )提供包括多個噴嘴室和相對親水噴嘴表面的部分制造的打印 頭，所述噴嘴表面至少部分限定噴墨面；
(b) 將相對疏水聚合材料層沉積在噴嘴表面上，所述聚合材料耐 受通過灰化去除；和
(c) 在所述噴嘴表面中限定多個噴嘴開口，由此提供具有相對疏水噴墨面的打印頭，其中步驟(b)和(C)按任意順序被執(zhí)行。
可選地，步驟(C)在步驟(b)之前被執(zhí)行，并且所述方法包括
在所述沉積聚合材料中限定相應的多個對準噴嘴開口的進一步步驟。
可選地，所述相應的多個對準噴嘴開口通過光構圖所述聚合材料
被限定。
可選地，步驟(c)在步驟(b)之后被執(zhí)行，并且所述聚合材料
用作用于蝕刻所述噴嘴表面的掩模。
可選地，在蝕刻所述噴嘴表面之前所述聚合材料被光構圖以限定 多個噴嘴開口區(qū)域。
可選地，(c)在步驟(b)之后被執(zhí)行，并且步驟(c)包括以下 步驟
在所述聚合材料上沉積掩模；
構圖所述掩模以在多個噴嘴開口區(qū)域中暴露所述聚合材料； 蝕刻所述暴露的聚合材料和所述下層噴嘴表面以限定多個噴嘴開 口 ；和
去除所述掩模。
可選地，所述掩模是光致抗蝕劑，并且所述光致抗蝕劑通過灰化 4皮去除。
可選地，相同的化學氣體用于蝕刻所述聚合材料和所述噴嘴表面。
可選地，所述化學氣體包括02和含氟化合物。
可選地，在所述部分制造的打印頭中，每個噴嘴室的室頂由犧牲 光致抗蝕劑支架支撐，所述方法進一步包括通過灰化去除所述光致抗 蝕劑支架的步驟。
可選地，每個噴嘴室的室頂至少部分由所述噴嘴表面限定。
可選地，所述噴嘴表面與襯底間隔，使得每個噴嘴室的側壁在所 述噴嘴表面與所述襯底之間延伸。
可選地，每個噴嘴室的室頂和側壁由通過CVD可沉積的陶瓷材
料構成。
可選地，所述室頂和側壁由選自包括下列的組的材料構成氧化硅、氮化硅和氮氧化硅。
可選地，所述疏水聚合材料在o2等離子體中形成鈍化表面氧化物。
可選地，所述疏水聚合材料在受到o2等離子體之后恢復它的疏水性。
可選地，所述聚合材料選自包括下列的組聚合硅氧烷和氟化聚 烯烴。
可選地，所述聚合材料選自包括下列的組聚二曱基硅氧烷 (PDMS)和全氟化聚乙烯(PFPE)。
可選地，所述聚合材料的至少一些在沉積之后被紫外固化。
在進一步的方面中，本發(fā)明提供了一種通過本發(fā)明的方法獲得或 可獲得的打印頭。
在第二方面中，本發(fā)明提供了一種具有噴墨面的打印頭，其中噴 墨面的至少部分涂覆選自包括下列的組的疏水聚合材料聚合硅氧烷 和氟化聚烯烴。
可選地，所述聚合材料耐受通過灰化去除。
可選地，所述聚合材料在氧等離子體中形成鈍化表面氧化物。
可選地，所述疏水聚合材料在受到氧等離子體之后恢復它的疏水性。
可選地，所述聚合材料選自包括下列的組聚二甲基硅氧垸 (PDMS)和全氟化聚乙烯(PFPE)。
在進一步的方面中，本發(fā)明提供了一種打印頭，所述打印頭包括 形成于襯底上的多個噴嘴組件，每個噴嘴組件包括噴嘴室，在噴嘴 室的室頂中限定的噴嘴開口和用于通過噴嘴開口噴射油墨的致動器。
可選地，在其上涂覆疏水聚合物的噴嘴表面至少部分限定噴墨面。
可選地，每個室頂限定打印頭的噴嘴表面的至少一部分，每個室 頂通過所述疏水涂層具有相對于每個噴嘴室的內表面的疏水外表面。
可選地，噴墨面的至少一部分具有大于90。的接觸角并且噴嘴室 的內表面具有小于90。的接觸角?？蛇x地，每個噴嘴室包括由陶瓷材料構成的室頂和側壁。
可選地，陶瓷材料選自包括下列的組氮化硅、氧化硅和氮氧化硅。
可選地，所述室頂與襯底間隔，使得每個噴嘴室的側壁在所述噴
嘴表面與所述襯底之間延伸。
可選地，噴墨面相對于打印頭中的油墨供應通道是疏水的。 可選地，所述致動器是加熱元件，所述加熱元件被構造成用于加
熱所述室中的油墨以形成氣泡，由此迫使油墨的小滴通過所述噴嘴開口 。
可選地，所述加熱元件被懸掛在所述噴嘴室中。 可選地，所述致動器是熱彎曲致動器，包括 第一有源元件，用于連接到驅動電路；和
第二無源元件，其與第一元件機械協(xié)作，使得當電流通過第一元 件時，第一元件相對于第二元件膨脹，導致致動器的彎曲。
可選地，所述熱彎曲致動器限定每個噴嘴室的室頂的至少一部分， 由此所述致動器的致動朝著所述噴嘴室的底面移動所述致動器。
可選地，所述噴嘴開口在所述致動器中或在所述室頂的靜態(tài)部分 中被限定。
可選地，所述疏水材料限定在所述致動器與所述室頂的靜態(tài)部分
之間的機械密封件，由此最小化致動期間的油墨泄漏。
可選地，所述疏水聚合材料具有小于1000 MPa的楊氏模量。 在第三方面中，本發(fā)明提供了一種用于噴墨打印頭的噴嘴組件，
所述噴嘴組件包括
具有室頂的噴嘴室，所述室頂具有可相對于靜態(tài)部分移動的移動
部分和在所述室頂中限定的噴嘴開口 ，使得所述移動部分相對于所述
靜態(tài)部分的移動導致油墨通過噴嘴開口噴射；
致動器，用于相對于所述靜態(tài)部分移動所述移動部分；和 互連所述移動部分和所述靜態(tài)部分的機械密封件，其中所述機械
密封件包括選自包括下列的組的聚合材料聚合硅氧烷和氟化聚烯烴?？蛇x地，所述噴嘴開口在所迷移動部分中被限定。 可選地，所述噴嘴開口在所述靜態(tài)部分中被限定。
可選地，所述致動器是熱彎曲致動器，包括 第一有源元件，用于連接到驅動電路；和 第二無源元件，其與第一元件機械協(xié)作，使得當電流通過第一元 件時，第一元件相對于第二元件膨脹，導致致動器的彎曲。 可選地，所述第一和第二元件是懸臂梁。
可選地，所述熱彎曲致動器限定所述室頂的移動部分的至少一部
分，由此所述致動器的致動朝著所述噴嘴室的底面移動所述致動器。 可選地，聚合材料具有小于1000 MPa的楊氏模量。 可選地，聚合材料選自包括下列的組聚二曱基硅氧烷(PDMS)
和全氟化聚乙烯(PFPE)。
可選地，所述聚合材料是疏水的并且耐受通過灰化去除。 可選地，所述聚合材料在受到02等離子體之后恢復它的疏水性。 可選地，聚合材料被涂覆于整個所述室頂上，使得所述打印頭的
噴墨面是疏水的。
可選地，每個室頂形成打印頭的噴嘴表面的至少一部分，每個室
頂依靠所述疏水涂層具有相對于每個噴嘴室的內表面的疏水外表面。 可選地，所述聚合涂層具有大于90。的接觸角并且噴嘴室的內表
面具有小于90。的接觸角。
可選地，所述聚合涂層具有大于110。的接觸角。
可選地，所述噴嘴室的內表面具有小于70。的接觸角。
可選地，所述噴嘴室包括在所述室頂與襯底之間延伸的側壁，使
得所述室頂與所述襯底間隔。
可選地，所述室頂和所述側壁由通過CVD可沉積的陶資材料構
成o
可選地，陶瓷材料選自包括下列的組氮化硅、氧化硅和氮氧化硅。


現在將通過例子僅僅參考附圖描述本發(fā)明的可選實施例，其中 圖l是熱噴墨打印頭的噴嘴組件的陣列的部分透視圖； 圖2是圖1中所示的噴嘴組件單元的側視圖； 圖3是圖2中所示的噴嘴組件的透視圖4顯示了在側壁和室頂材料沉積在犧牲光致抗蝕劑層上之后的 部分形成的噴嘴組件；
圖5是圖4中所示的噴嘴組件的透視圖6是與圖7中所示的噴嘴邊緣蝕刻關聯(lián)的掩模；
圖7顯示了蝕刻室頂層以形成噴嘴開口邊緣；
圖8是圖7中所示的噴嘴組件的透視圖9是與圖10中所示的噴嘴開口蝕刻關聯(lián)的掩模；
圖IO顯示了蝕刻室頂材料以形成橢圓形噴嘴開口；
圖11是圖10中所示的噴嘴組件的透視圖12顯示了第一和第二犧牲層的氧等離子體灰化；
圖13是圖12中所示的噴嘴組件的透視圖14顯示了灰化之后的噴嘴組件，以及晶片的反面；
圖15是圖14中所示的噴嘴組件的透視圖16是與圖17中所示的背面蝕刻關聯(lián)的掩模；
圖17顯示了在晶片中背面蝕刻油墨供應通道；
圖18是圖17中所示的噴嘴組件的透視圖19顯示了在沉積疏水聚合涂層之后的圖IO的噴嘴組件；
圖20是圖19中所示的噴嘴組件的透視圖21顯示了在光構圖聚合涂層之后的圖19的噴嘴組件；
圖22是圖21中所示的噴嘴組件的透^f見圖23顯示了在沉積疏水聚合涂層之后的圖7的噴嘴組件；
圖24是圖23中所示的噴嘴組件的透視圖25顯示了在光構圖聚合涂層之后的圖23的噴嘴組件；
圖26是圖25中所示的噴嘴組件的透視圖；圖27是包括室頂的噴墨噴嘴組件的側視截面圖，所述室頂具有由 熱彎曲致動器限定的移動部分；
圖28是圖27中所示的噴嘴組件的剖視透視圖29是圖27中所示的噴嘴組件的透視圖30是圖27中所示的噴嘴組件的陣列的剖視透視圖31是包括室頂的可選噴墨噴嘴組件的側視截面圖，所述室頂具 有由熱彎曲致動器限定的移動部分；
圖32是圖31中所示的噴嘴組件的剖視透視圖33是圖31中所示的噴嘴組件的透視圖34顯示了圖27的噴嘴組件，室頂上的聚合涂層形成移動室頂 部分與靜態(tài)室頂部分之間的機械密封件；和
圖35顯示了圖31的噴嘴組件，室頂上的聚合涂層形成移動室頂 部分與靜態(tài)室頂部分之間的機械密封件。
具體實施例方式
本發(fā)明可以用于任何類型的打印頭。本申請人先前描述了很多噴 墨打印頭。為了理解本發(fā)明不一定在這里描述所有這樣的打印頭。然 而，現在將結合熱氣泡形成的噴墨打印頭和機械熱彎曲的致動噴墨打 印頭描述本發(fā)明。從以下論述將顯而易見本發(fā)明的優(yōu)點。
熱氣泡形成噴墨打印頭
現在參考圖1，顯示了包括多個噴嘴組件的打印頭的一部分。圖2 和3在側視截面圖和剖視透視圖中顯示了噴嘴組件中的一個。
每個噴嘴組件包括通過MEMS制造技術在硅片襯底2上形成的 噴嘴室24。噴嘴室24由室頂21和從室頂21延伸到硅襯底2的側壁 22限定。如圖1中所示，每個室頂由橫跨打印頭的噴射面的噴嘴表面 56的一部分限定。噴嘴表面56和側壁22由相同材料形成，所述材料 在MEMS制造期間通過PECVD ^皮沉積在光致抗蝕劑的犧牲支架上。 典型地，噴嘴表面56和側壁22由陶瓷材料，例如二氧化硅或氮化硅 形成。這些硬材料具有用于打印頭穩(wěn)固性的優(yōu)良性質，并且它們固有的親水性質有利于通過毛細管作用將油墨供應到噴嘴室24。然而，噴 嘴表面56的外(噴墨)表面也是親水的，這導致在表面上的任何溢流 油墨的擴散。
返回噴嘴室24的細節(jié)，將會看到噴嘴開口 26在每個噴嘴室24 的室頂中被限定。每個噴嘴開口 26為大體橢圓形并且具有關聯(lián)的噴嘴 邊緣25。噴嘴邊緣25在打印期間幫助墨滴定向性以及至少在某種程 度上減小油墨從噴嘴開口 26的溢流。用于從噴嘴室24噴射油墨的致 動器是位于噴嘴開口 26之下并且懸桂在凹坑8上的加熱元件29。電 流通過電極9被供應到加熱元件29，所述電極連接到村底2的下層 CMOS層5的驅動電路。當電流通過加熱元件29時，它快速過度加 熱周圍油墨以形成氣泡，所述氣泡迫使油墨通過噴嘴開口。通過懸掛 加熱元件29，當噴嘴室24被啟動時它完全浸沒在油墨中。這提高了 打印頭效率，原因是更少的熱量耗散到下層襯底2中并且更多的輸入 能量用于產生氣泡。
在圖1中可以最清楚地看到，噴嘴成排被布置并且沿著排縱向延 伸的油墨供應通道27將油墨供應到排中的每個噴嘴。油墨供應通道 27將油墨輸送到用于每個噴嘴的油墨入口通道15,所述油墨入口通道 通過噴嘴室24中的油墨管道23從噴嘴開口 26的側面供應油墨。
用于制造這樣的打印頭的MEMS制造工藝在我們先前于2005年 10月11日提交的美國申請No.11/246，684中被詳細描述，上述申請的 內容被引用于此作為參考。為了清楚起見，在這里簡述該制造工藝的 后面階段。
圖4和5顯示了部分制造的打印頭，該打印頭包括封裝犧牲光致 抗蝕劑10 ( "SAC1")和16 ( "SAC2")的噴嘴室24。 SAC1光致抗蝕 劑10用作用于沉積加熱材料以形成懸掛加熱元件29的支架。SAC2 光致抗蝕劑16用作用于沉積側壁22和室頂21 (其限定噴嘴表面56 的一部分)的支架。
在現有技術的工藝中，并且參考圖6-8， MEMS制造的下一階段 通過蝕刻2微米的室頂材料20在室頂21中限定橢圓形噴嘴邊緣25。該蝕刻使用由圖6中所示的暗色調邊緣掩模暴露的光致抗蝕劑層(未 顯示)被限定。橢圓形邊緣25包括位于它們各自的熱致動器29之上 的兩個共軸邊緣唇邊25a和25b。
參考圖9-11,下一階段通過一直蝕刻通過由邊緣25界定的剩余室 頂材料在室頂21中限定橢圓形噴嘴開孔26。該蝕刻使用由圖9中所 示的暗色調室頂掩模暴露的光致抗蝕劑層(未顯示)被限定。橢圓形 噴嘴開孔26位于熱致動器29之上，如圖ll中所示。
現在完全形成所有MEMS噴嘴特征之后，下一階段通過02等離 子體灰化去除SAC1和SAC2光致抗蝕劑層10和16 (圖12和13 )。 圖14和15顯示了在灰化SAC1和SAC2光致抗蝕劑層10和16之后 的硅片2的整個厚度(150微米)。
參考圖16-18, —旦完成晶片的正面MEMS處理，油墨供應通道 27使用標準各向異性DRIE從晶片的背面被蝕刻以碰到油墨入口 15。 該背面蝕刻使用由圖16中所示的暗色調掩模暴露的光致抗蝕劑層(未 顯示)被限定。油墨供應通道27進行晶片的背面與油墨入口 15之間 的流體連接。
最后，參考圖2和3，晶片通過背面蝕刻被薄化到大約135微米。 圖1在完成打印頭集成電路的剖視透視圖中顯示了三個相鄰的噴嘴 排。每個噴嘴排具有沿著它的長度延伸并且將油墨供應到每排中的多 個油墨入口 15的各自的油墨供應通道27。油墨入口又將油墨供應到 每排的油墨管道23中，每個噴嘴室接收來自該排的公共油墨管道的油
如上面早已所述，該現有技術的MEMS制造工藝由于噴嘴表面 56由陶瓷材料例如二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化鋁等形成而不 可避免地留下親水噴墨面。
噴嘴蝕刻之后跟隨疏水聚合物涂覆
作為上述過程的替換選擇，噴嘴表面56具有在噴嘴開口蝕刻(即， 在圖lO和ll中表示的階段)之后立即沉積在其上的疏水聚合物。由 于光致抗蝕劑支架層必須隨后被去除，聚合材料應當耐受灰化過程。優(yōu)選地，聚合材料應當耐受通過02或H2灰化等離子體去除。申請人
找到了滿足疏水同時耐02或H2灰化的上述要求的聚合材料族。這些
材料典型地是聚合硅氧烷和氟化聚烯烴。更具體而言，聚二甲基硅氧
烷(PDMS)和全氟化聚乙烯(PFPE)都表明是特別有利的。這樣的 材料在02等離子體中形成鈍化表面氧化物，并且隨后相對快速地恢復 它們的疏水性。這些材料的進一步優(yōu)點在于它們具有對陶資例如二氧 化硅和氮化硅的出色附著力。這些材料的進一步優(yōu)點在于它們可光構 圖，這4吏它們特別適合用于MEMS工藝中。例如，PDMS可用紫外 光固化，由此PDMS的未暴露區(qū)域可以相對容易地被去除。
參考圖10，顯示了在先前描述的邊緣和噴嘴蝕刻之后的部分制造 打印頭的噴嘴組件。然而，不同于繼續(xù)進行SAC1和SAC2灰化(如 圖12和13中所示)，在該階段疏水聚合材料100的薄層(大約1微米) 被旋涂到噴嘴表面56上，如圖19和20中所示。
在沉積之后，該聚合材料層被光構圖以去除沉積在噴嘴開口 26 內的材料。光構圖可以包括聚合層100暴露于紫外光，噴嘴開口 26 內的那些區(qū)域除外。因此，如圖21和22中所示，打印頭現在具有疏 水噴嘴表面，并且隨后的MEMS處理步驟可以類似地繼續(xù)進行結合 圖12-18所述的步驟。重要地，疏水聚合物100未通過用于去除光致 抗蝕劑支架10和16的02灰化步驟被去除。
在用充當蝕刻掩模的聚合物進行噴嘴蝕刻之前進行疏水聚合物涂
作為備選過程，在圖7和8所表示的階段之后疏水聚合物層100 立即被沉積。因此，在邊緣25通過邊緣蝕刻被限定之后，但是在噴嘴 開口 26通過噴嘴蝕刻被限定之前，疏水聚合物被旋涂到噴嘴表面上。
參考圖23和24，顯示了在疏水聚合物100沉積之后的噴嘴組件。 聚合物100然后被光構圖以去除在噴嘴開口區(qū)域中由邊緣25界定的材 料，如圖25和26中所示。因此，疏水聚合材料100現在可以充當用 于蝕刻噴嘴開口 26的蝕刻掩模。
噴嘴開口 26通過蝕刻穿過室頂材料21被限定，這典型地使用包括02和氟代烴(例如CF4或C4F8)的化學氣體被執(zhí)行。疏水聚合物 例如PDMS和PFPE通常在相同條件下被蝕刻。然而，由于諸如氮化 硅這樣的材料蝕刻一定更快，室頂21可以選擇性地使用PDMS或 PFPE作為蝕刻掩才莫被蝕刻。作為比較，使用3:1 (CF4:02)的氣體比 率，氮化硅以大約240微米每小時的速度蝕刻，而PDMS以大約20 微米每小時的速度蝕刻。因此，將會理解當限定噴嘴開口 26時選擇性 地使用PDMS蝕刻是可實現的。
一旦室頂21被蝕刻以限定噴嘴開口 ，噴嘴組件24如圖21和22 中所示。因此，隨后的MEMS處理步驟可以類似地繼續(xù)進行結合圖 12-18所述的步驟。重要地，疏水聚合物100未通過用于去除光致抗 蝕劑支架IO和16的02灰化步驟被去除。
在用附加光致抗蝕劑掩模進行噴嘴蝕刻之前進行疏水聚合物涂覆
圖25和26示出了疏水聚合物100怎樣可以用作用于噴嘴開口蝕 刻的蝕刻掩模。典型地，如上所述的聚合物100與室頂21之間的不同 蝕刻速度提供了充分的蝕刻選擇性。
然而，作為進一步的替換選擇并且特別為了適應蝕刻選擇性不足 的情況。光致抗蝕劑層(未顯示)可以被沉積在圖24中所示的疏水聚 合物100上，這允許常規(guī)的下游MEMS處理。光構圖該抗蝕劑頂層 之后，疏水聚合物100和室頂21可以在一個步驟中使用相同化學氣體
進行蝕刻，光致抗蝕劑的頂層被用作標準蝕刻掩模。例如CF4/02的化
學氣體首先蝕刻穿過疏水聚合物100并且然后穿過室頂21。
隨后的02灰化可以用于僅僅去除光致抗蝕劑的頂層(以獲得圖 10和11中所示的噴嘴組件)，或者延長的02灰化可以用于去除光致 抗蝕劑的頂層和犧牲光致抗蝕劑層10和16 (以獲得圖12和13中所 示的噴嘴組件)。
除了這里所述的三個替換選擇，熟練技術人員將能夠預見MEMS 處理步驟的其他備選順序。然而，將會理解在確定能夠耐受02和H2 灰化的疏水聚合物中，本發(fā)明人提供了一種靈活手段，該手段用于在 噴墨打印頭制造工藝中提供疏水噴嘴表面。熱彎曲致動打印頭
論述了打印頭的噴嘴表面可以被疏水化的方法，將會理解任何類 型的打印頭可以以類似方式被疏水化。然而，本發(fā)明實現了與申請人 的先前所述的包括熱彎曲致動噴嘴組件的打印頭結合的特殊優(yōu)點。因 此，現在接著進行本發(fā)明怎樣可以用于這樣的打印頭中的論述。
在熱彎曲致動打印頭中，噴嘴組件可以包括具有室頂部分的噴嘴 室，所述室頂部分相對于室的底面部分移動?？梢苿邮翼敳糠值湫偷?借助于雙層熱彎曲致動器被致動以朝著底面部分移動。這樣的致動器 可以位于噴嘴室的外部或者它可以限定室頂結構的移動部分。
移動室頂是有利的，原因是它通過僅僅用移動結構的一個面作用 于粘性油墨降低墨滴噴射能量。然而，這樣的移動室頂結構的問題在 于它必須在致動期間密封噴嘴室內部的油墨。典型地，噴嘴室依靠流 體密封件，該流體密封件使用油墨的表面張力形成密封。然而，這樣 的密封是不完美的并且希望形成避免依靠表面張力作為用于包含油墨 的手段的機械密封件。這樣的機械密封件將需要具有足夠撓性以適應 室頂的彎曲運動。
具有移動室頂結構的典型噴嘴組件400在我們先前于2006年12 月4日提交的美國申請No.11/607，976(它的內容被引用于此作為參考) 中被描述并且在這里在圖27-30中被顯示。噴嘴組件400包括形成于 硅襯底403的鈍化CMOS層402上的噴嘴室401。噴嘴室由室頂404 和從室頂延伸到鈍化CMOS層402的側壁405限定。油墨借助于與油 墨供應通道407流體連通的油墨入口 406 ,皮供應到噴嘴室401，所述 油墨供應通道接收來自硅襯底的背面的油墨。油墨借助于在室頂404 中限定的噴嘴開口 408從噴嘴室401 ;故噴射。噴嘴開口 408從油墨入 口 406偏移。
如圖28中更清楚地所示，室頂404具有移動部分409，該移動部 分限定室頂的總面積的大部分。典型地，移動部分409限定室頂404 的總面積的至少50%。在圖27-30所示的實施例中，噴嘴開口 408和 噴嘴邊緣415在移動部分409中被限定，使得噴嘴開口和噴嘴邊緣隨著移動部分移動。
噴嘴組件400的特征在于移動部分409由具有平面上有源梁411 和平面下無源梁412的熱彎曲致動器410限定。因此，致動器410典 型地限定室頂404的總面積的至少50%。相應地，上有源梁411典型 地限定室頂404的總面積的至少50%。
如圖27和28中所示，上有源梁411的至少一部分與下無源梁412 間隔以用于最大化兩個梁的熱絕緣。更具體而言，Ti層被用作由TiN 構成的上有源梁411與由Si02構成的下無源梁412之間的橋接層413。 橋接層413允許在致動器410中在有源和無源梁之間限定間隙414。 該間隙414通過最小化從有源梁411到無源梁412的熱傳遞提高了致 動器410的總體效率。
然而，當然將會理解有源梁411可以備選地直接融合或粘結到無 源梁412以用于提高結構剛性。這樣的設計改進將完全在熟練技術人 員的能力范圍內。
有源梁411通過Ti橋接層連接到一對觸點416 (正和接地)。觸 點416與CMOS層中的驅動電路連接。
當需要從噴嘴室401噴射油墨的小滴時，電流流過兩個觸點416 之間的有源梁411 。有源梁411由電流快速加熱并且相對于無源梁412 膨脹，由此導致致動器410 (其限定室頂404的移動部分409)向下朝 著襯底403彎曲。由于移動部分409與靜態(tài)部分461之間的間隙460 太小，當移動部分被致動以朝著襯底403移動時通常依賴表面張力以 密封該間隙。
致動器410的移動通過噴嘴室401內部的壓力的快速增加導致從
噴嘴開口 408噴射油墨。當電流停止流動時，室頂404的移動部分409
被允許返回它的靜止位置，這將來自入口 406的油墨吸入噴嘴室401 中，準備下一次噴射。
參見圖12，將容易理解噴嘴組件可以被復制成噴嘴組件的陣列以 限定打印頭或打印頭集成電路。打印頭集成電路包括硅襯底，形成于 襯底上的噴嘴組件的陣列(典型地成排布置)，和用于噴嘴組件的驅動電路。多個打印頭集成電路可以鄰接或連接以形成例如在申請人早先
于2004年5月27日提交的美國申請Nos.10/854，491和2004年12月 20日提交的11/014,732中所述的頁寬噴墨打印頭，上述申請的內容被 引用于此作為參考。
就具有上有源梁511和下無源梁512的熱彎曲致動器510限定噴 嘴室501的室頂504的移動部分而言，圖31-33中所示的備選噴嘴組 件500類似于噴嘴組件400。
然而，與噴嘴組件400相比，噴嘴開口 508和邊緣515未由室頂 504的移動部分限定。而是噴嘴開口 508和邊緣515在室頂504的固 定或靜態(tài)部分561中被限定使得在墨滴噴射期間致動器510獨立于噴 嘴開口和邊緣移動。該布置的優(yōu)點在于它提供了墨滴飛行方向的更容 易控制。再次地，在致動期間通過使用油墨的表面張力依靠在移動部 分509與靜態(tài)部分561之間的間隙560的小尺寸產生流體密封。
噴嘴組件400和500和相應的打印頭可以4吏用合適的MEMS工藝 以類似于上述的那些的方式被構造。在所有情況下噴嘴室的室頂(移 動或別樣)通過將室頂材料沉積到合適的犧牲光致抗蝕劑支架上形成。
現在參考圖34，將會看出先前在圖27中所示的噴嘴組件400現 在具有涂覆在室頂，包括室頂的移動409和靜態(tài)部分461上的疏水聚 合物101的附加層(如上詳細所述)。重要地，疏水聚合物101密封圖 27中所示的間隙460。聚合物例如PDMS和PFPE的一個優(yōu)點在于它 們具有極低的硬度。典型地，這些材料具有小于1000 MPa并且典型 地為大約500MPa的楊氏模量。該特性是有利的，原因是它允許它們 在這里所述的類型的熱彎曲致動噴嘴中形成機械密封件-在致動期間 聚合物彈性地拉伸，而不會顯著地阻礙致動器的移動。實際上，當墨 滴噴射發(fā)生時，彈性密封件有助于彎曲致動器返回它的靜止位置。而 且，由于移動室頂部分409與靜態(tài)室頂部分461之間沒有間隙，在致 動期間，除了通過噴嘴開口 408之外，油墨完全被密封在噴嘴室401 內部并且不能逸出。
圖35顯示了帶有疏水聚合物涂層101的噴嘴組件500。通過與噴通過用聚合物101密封間隙560，形成提 供噴嘴室501中的油墨的出色機械密封的機械密封件562 。
本領域的普通技術人員將會理解可以如具體實施例所示對本發(fā)明 進行許多變化和/或修改而不脫離廣義所述的本發(fā)明的精神或范圍。所 以本實施例應當在所有方面被認為是示例性的而不是限定性的。
權利要求
1.一種制造具有疏水噴墨面的打印頭的方法，所述方法包括以下步驟(a)提供包括多個噴嘴室和相對親水噴嘴表面的部分制造的打印頭，所述噴嘴表面至少部分地限定所述噴墨面；(b)將相對疏水聚合材料層沉積在所述噴嘴表面上，所述聚合材料耐受通過灰化去除；和(c)在所述噴嘴表面中限定多個噴嘴開口，由此提供具有相對疏水噴墨面的打印頭，其中所述步驟(b)和所述步驟(c)按任意順序被執(zhí)行。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中所述步驟(c)在所述步驟 (b)之前被執(zhí)行，并且所述方法包括在所述沉積的聚合材料中限定相 應的多個對準噴嘴開口的又一步驟。
3. 根據權利要求2所述的方法，其中所述相應的多個對準噴嘴開 口通過光構圖所述聚合材料被限定。
4. 根據權利要求1所述的方法，其中所述步驟(c)在所述步驟 (b)之后被執(zhí)行，并且所述聚合材料用作用于蝕刻所述噴嘴表面的掩 模。
5. 根據權利要求4所述的方法，其中在蝕刻所述噴嘴表面之前所 述聚合材料被光構圖以限定多個噴嘴開口區(qū)域。
6. 根據權利要求l所述的方法，其中(c)在所述步驟(b)之后 被執(zhí)行，并且所述步驟(c)包括以下步驟在所述聚合材料上沉積掩模；構圖所述掩模以在多個噴嘴開口區(qū)域中暴露所述聚合材料； 蝕刻所述暴露的聚合材料和所述下層噴嘴表面以限定所述多個噴 嘴開口；和去除所述掩模。
7. 根據權利要求6所述的方法，其中所述掩模是光致抗蝕劑，并且所述光致抗蝕劑通過灰化被去除。
8. 根據權利要求6所述的方法，其中相同的化學氣體用于蝕刻所 述聚合材料和所述噴嘴表面。
9. 根據權利要求8所述的方法，其中所述化學氣體包括02和含 氟化合物。
10. 根據權利要求1所述的方法，其中在所述部分制造的打印頭 中，每個噴嘴室的室頂由犧牲的光致抗蝕劑支架支撐，所述方法進一 步包括通過灰化去除所述光致抗蝕劑支架的步驟。
11. 根據權利要求1所述的方法，其中每個噴嘴室的室頂至少部 分地由所述噴嘴表面限定。
12. 根據權利要求11所述的方法，其中所述噴嘴表面與襯底間隔， 使得每個噴嘴室的側壁在所述噴嘴表面與所述襯底之間延伸。
13. 根據權利要求1所述的方法，其中每個噴嘴室的室頂和側壁 由通過CVD可沉積的陶瓷材料構成。
14. 根據權利要求13所述的方法，其中所述室頂和側壁由選自包 括下列的組的材料構成氧化硅、氮化硅和氮氧化硅。
15. 根據權利要求1所述的方法，其中所述疏水聚合材料在02 等離子體中形成鈍化表面氧化物。
16. 根據權利要求15所述的方法，其中所述疏水聚合材料在受到 02等離子體之后恢復它的疏水性。
17. 根據權利要求1所述的方法，其中所述聚合材料選自包括下 列的組聚合硅氧烷和氟化聚烯烴。
18. 根據權利要求17所述的方法，其中所述聚合材料選自包括下 列的組聚二曱基硅氧烷(PDMS)和全氟化聚乙烯(PFPE)。
19. 根據權利要求1所述的方法，其中所述聚合材料的至少一些 在沉積之后被紫外固化。
20. 根據權利要求1所述的方法獲得或可獲得的打印頭。
全文摘要
提供了一種制造具有疏水噴墨面的打印頭的方法。所述方法包括以下步驟(a)提供包括多個噴嘴室和相對親水噴嘴表面的部分制造打印頭，所述噴嘴表面至少部分限定噴墨面；(b)將相對疏水聚合材料層沉積在噴嘴表面上，所述聚合材料耐受通過灰化去除；和(c)在所述噴嘴表面中限定多個噴嘴開口，由此提供具有相對疏水噴墨面的打印頭。步驟(b)和(c)按任意順序被執(zhí)行。
文檔編號B41J2/175GK101610909SQ200780051615
公開日2009年12月23日 申請日期2007年3月12日 優(yōu)先權日2007年3月12日
發(fā)明者E·R·克爾, G·J·麥克沃依, K·西爾弗布魯克, M·巴格納, V·P·勞勒 申請人:西爾弗布魯克研究股份有限公司