制造具有疏水喷墨面的打印头的方法

专利名称：制造具有疏水喷墨面的打印头的方法
技术领域：
本发明涉及打印机领域，尤其涉及喷墨打印头。它主要被开发用 于提高高分辨率打印头的打印质量和可靠性。
背景技术：
发明了许多不同类型的印刷，它们中的许多目前在使用。印刷的 已知形式具有用相关标记介质标记印刷介质的许多方法。印刷的常用 形式包括胶印、激光印刷和复印设备、点阵型击打式打印机、热纸打 印机、胶片记录器、热蜡打印机、染料升华印刷机以及墨滴按需和连 续流动式喷墨打印机。当考虑成本、速度、质量、可靠性、构造和操 作的简单性等时每种类型的打印机具有它自身的优点和问题。
近年来，其中油墨的每个单个像素来自 一个或多个油墨喷嘴的喷
墨打印技术主要由于它的廉价和通用性质而越来越流行。
发明了关于喷墨打印的许多不同技术。为了全面了解本领域，参
考 J Moore 的文章，"Non-Impact Printing: Introduction and Historical Perspective",《输出石更拷贝i殳备》，R Dubeck和S Sherr编 辑，第207-220页(1988)。
喷墨打印机本身具有许多不同类型。喷墨打印中连续墨流的利用 至少可追溯到1929年，其中Hansell的美国专利No.1941001公开了 连续流静电喷墨打印的一种简单形式。
Sweet的美国专利3596275也z〉开了 一种连续喷墨打印的方法， 包括一个步骤，其中喷墨流由高频静电场调制以导致墨滴分离。该技 术仍然由几个制造商利用，包括Elmjet和Scitex (也参见Sweet等人 的美国专利No.3373437)。
压电喷墨打印机也是常用油墨打印设备的一种形式。在利用隔膜操作模式的Kyser等人的美国专利No.3946398 ( 1970)中，在公开了 压电晶体的挤压操作模式的Zolten的美国专利3683212 ( 1970)中， 在公开了压电操作的弯曲模式的Stemme的美国专利No.3747120 (1972)中，在公开了喷墨流的压电推动模式致动的Howkins的美国 专利No.4459601中，和在公开了压电换能器元件的剪切模式类型的 Fischbeck的美国专利4584590中公开了压电系统。
近来，热喷墨打印成为喷墨打印的一种非常流行的形式。喷墨打 印技术包括在Endo等人的GB 2007162 ( 1979)和Vaught等人的美 国专利4490728中公开的那些。上述两个文献公开了依靠电热致动器 的启动的喷墨打印技术，电热致动器的启动在缩窄空间，例如喷嘴中 产生气泡，由此导致油墨从连接到狭窄空间的开孔喷射到相关打印介 质上。利用电热致动器的打印设备由制造商，例如佳能和惠普公司制 造。
从上述内容可以看出，许多不同类型的打印技术是可用的。实际 上，打印技术应当具有许多理想的属性。这些包括廉价的构造和操作、 高速操作、安全和连续长期操作等。每个技术可以在成本、速度、质 量、可靠性、耗电量、构造操作的简单性、耐用性和消耗品方面具有 它自身的优点和缺点。
在任何喷墨打印系统的构造中，有相当多的重要因素必须彼此被 权衡，尤其当构造大型打印头，尤其是页宽型的那些时。许多这些因 素归纳如下。
首先，通常利用微型机电系统(MEMS)技术构造喷墨打印头。 因此，它们倾向于依靠将平面层沉积在硅片上并且蚀刻平面层的某些 部分的标准集成电路构造/制造技术。在硅电路制造技术中，某些技术 比其他技术更公知。例如，与产生CMOS电路关联的技术很可能比与 产生包括铁电体、砷化镓等的奇异电路关联的那些更容易使用。因此， 在任何MEMS构造中希望利用不需要任何"奇异"过程或材料的充分 证明的半导体制造技术。当然，将进行一定程度的权衡，原因是如果 使用奇异材料的优点远超它的缺点，则无论如何利用该材料是理想的。然而，如果有可能使用更普通的材料获得相同或类似性质，奇异材料 的问题可以被避免。
喷墨打印头的理想特性将是疏水喷墨面("正面"或"喷嘴面")，优 选地与亲水喷嘴室和油墨供应通道组合。亲水喷嘴室和油墨供应通道 提供毛细管作用并且因此最佳地用于启动和用于在每次墨滴喷射之后 将油墨再供应到喷嘴室。疏水正面最小化油墨在打印头的正面上溢流 的倾向。使用疏水正面，含水喷墨油墨不太可能离开喷嘴开口从旁边 溢流。此外，从喷嘴开口溢流的任何油墨不太可能在面上扩散并且在 正面上混合，而是它们将形成可以通过合适的维护操作更容易处理的 离散球形微滴。
然而，尽管疏水正面和亲水油墨室是理想的，通过MEMS技术 制造这样的打印头有较大问题。MEMS打印头制造的最后阶段典型地 是使用氧等离子体灰化光致抗蚀剂。然而，沉积在正面上的有机、疏 水材料典型地通过灰化过程被去除以留下亲水表面。而且，疏水材料 的灰化后蒸汽沉积的问题在于疏水材料将被沉积在喷嘴室内部以及打 印头的正面上。喷嘴室壁被疏水化，这在产生朝着喷嘴室偏压的正油 墨压力方面是很不利的。这是在打印头制造上产生显著需要的难题。
因此，希望提供一种打印头制造工艺，其中产生的打印头具有改 善的表面特性，不包括喷嘴室的表面特性。进一步希望提供一种打印 头制造工艺，其中产生的打印头具有与亲水喷嘴室结合的疏水正面。

发明内容
在第一方面中，本发明提供了一种制造具有疏水喷墨面的打印头 的方法，所述方法包括以下步骤
(a )提供包括多个喷嘴室和相对亲水喷嘴表面的部分制造的打印 头，所述喷嘴表面至少部分限定喷墨面；
(b) 将相对疏水聚合材料层沉积在喷嘴表面上，所述聚合材料耐 受通过灰化去除；和
(c) 在所述喷嘴表面中限定多个喷嘴开口，由此提供具有相对疏水喷墨面的打印头，其中步骤(b)和(C)按任意顺序被执行。
可选地，步骤(C)在步骤(b)之前被执行，并且所述方法包括
在所述沉积聚合材料中限定相应的多个对准喷嘴开口的进一步步骤。
可选地，所述相应的多个对准喷嘴开口通过光构图所述聚合材料
被限定。
可选地，步骤(c)在步骤(b)之后被执行，并且所述聚合材料
用作用于蚀刻所述喷嘴表面的掩模。
可选地，在蚀刻所述喷嘴表面之前所述聚合材料被光构图以限定 多个喷嘴开口区域。
可选地，(c)在步骤(b)之后被执行，并且步骤(c)包括以下 步骤
在所述聚合材料上沉积掩模；
构图所述掩模以在多个喷嘴开口区域中暴露所述聚合材料； 蚀刻所述暴露的聚合材料和所述下层喷嘴表面以限定多个喷嘴开 口 ；和
去除所述掩模。
可选地，所述掩模是光致抗蚀剂，并且所述光致抗蚀剂通过灰化 4皮去除。
可选地，相同的化学气体用于蚀刻所述聚合材料和所述喷嘴表面。
可选地，所述化学气体包括02和含氟化合物。
可选地，在所述部分制造的打印头中，每个喷嘴室的室顶由牺牲 光致抗蚀剂支架支撑，所述方法进一步包括通过灰化去除所述光致抗 蚀剂支架的步骤。
可选地，每个喷嘴室的室顶至少部分由所述喷嘴表面限定。
可选地，所述喷嘴表面与衬底间隔，使得每个喷嘴室的侧壁在所 述喷嘴表面与所述衬底之间延伸。
可选地，每个喷嘴室的室顶和侧壁由通过CVD可沉积的陶瓷材
料构成。
可选地，所述室顶和侧壁由选自包括下列的组的材料构成氧化硅、氮化硅和氮氧化硅。
可选地，所述疏水聚合材料在o2等离子体中形成钝化表面氧化物。
可选地，所述疏水聚合材料在受到o2等离子体之后恢复它的疏水性。
可选地，所述聚合材料选自包括下列的组聚合硅氧烷和氟化聚 烯烃。
可选地，所述聚合材料选自包括下列的组聚二曱基硅氧烷 (PDMS)和全氟化聚乙烯(PFPE)。
可选地，所述聚合材料的至少一些在沉积之后被紫外固化。
在进一步的方面中，本发明提供了一种通过本发明的方法获得或 可获得的打印头。
在第二方面中，本发明提供了一种具有喷墨面的打印头，其中喷 墨面的至少部分涂覆选自包括下列的组的疏水聚合材料聚合硅氧烷 和氟化聚烯烃。
可选地，所述聚合材料耐受通过灰化去除。
可选地，所述聚合材料在氧等离子体中形成钝化表面氧化物。
可选地，所述疏水聚合材料在受到氧等离子体之后恢复它的疏水性。
可选地，所述聚合材料选自包括下列的组聚二甲基硅氧垸 (PDMS)和全氟化聚乙烯(PFPE)。
在进一步的方面中，本发明提供了一种打印头，所述打印头包括 形成于衬底上的多个喷嘴组件，每个喷嘴组件包括喷嘴室，在喷嘴 室的室顶中限定的喷嘴开口和用于通过喷嘴开口喷射油墨的致动器。
可选地，在其上涂覆疏水聚合物的喷嘴表面至少部分限定喷墨面。
可选地，每个室顶限定打印头的喷嘴表面的至少一部分，每个室 顶通过所述疏水涂层具有相对于每个喷嘴室的内表面的疏水外表面。
可选地，喷墨面的至少一部分具有大于90。的接触角并且喷嘴室 的内表面具有小于90。的接触角。可选地，每个喷嘴室包括由陶瓷材料构成的室顶和侧壁。
可选地，陶瓷材料选自包括下列的组氮化硅、氧化硅和氮氧化硅。
可选地，所述室顶与衬底间隔，使得每个喷嘴室的侧壁在所述喷
嘴表面与所述衬底之间延伸。
可选地，喷墨面相对于打印头中的油墨供应通道是疏水的。 可选地，所述致动器是加热元件，所述加热元件被构造成用于加
热所述室中的油墨以形成气泡，由此迫使油墨的小滴通过所述喷嘴开口 。
可选地，所述加热元件被悬挂在所述喷嘴室中。 可选地，所述致动器是热弯曲致动器，包括 第一有源元件，用于连接到驱动电路；和
第二无源元件，其与第一元件机械协作，使得当电流通过第一元 件时，第一元件相对于第二元件膨胀，导致致动器的弯曲。
可选地，所述热弯曲致动器限定每个喷嘴室的室顶的至少一部分， 由此所述致动器的致动朝着所述喷嘴室的底面移动所述致动器。
可选地，所述喷嘴开口在所述致动器中或在所述室顶的静态部分 中被限定。
可选地，所述疏水材料限定在所述致动器与所述室顶的静态部分
之间的机械密封件，由此最小化致动期间的油墨泄漏。
可选地，所述疏水聚合材料具有小于1000 MPa的杨氏模量。 在第三方面中，本发明提供了一种用于喷墨打印头的喷嘴组件，
所述喷嘴组件包括
具有室顶的喷嘴室，所述室顶具有可相对于静态部分移动的移动
部分和在所述室顶中限定的喷嘴开口 ，使得所述移动部分相对于所述
静态部分的移动导致油墨通过喷嘴开口喷射；
致动器，用于相对于所述静态部分移动所述移动部分；和 互连所述移动部分和所述静态部分的机械密封件，其中所述机械
密封件包括选自包括下列的组的聚合材料聚合硅氧烷和氟化聚烯烃。可选地，所述喷嘴开口在所迷移动部分中被限定。 可选地，所述喷嘴开口在所述静态部分中被限定。
可选地，所述致动器是热弯曲致动器，包括 第一有源元件，用于连接到驱动电路；和 第二无源元件，其与第一元件机械协作，使得当电流通过第一元 件时，第一元件相对于第二元件膨胀，导致致动器的弯曲。 可选地，所述第一和第二元件是悬臂梁。
可选地，所述热弯曲致动器限定所述室顶的移动部分的至少一部
分，由此所述致动器的致动朝着所述喷嘴室的底面移动所述致动器。 可选地，聚合材料具有小于1000 MPa的杨氏模量。 可选地，聚合材料选自包括下列的组聚二曱基硅氧烷(PDMS)
和全氟化聚乙烯(PFPE)。
可选地，所述聚合材料是疏水的并且耐受通过灰化去除。 可选地，所述聚合材料在受到02等离子体之后恢复它的疏水性。 可选地，聚合材料被涂覆于整个所述室顶上，使得所述打印头的
喷墨面是疏水的。
可选地，每个室顶形成打印头的喷嘴表面的至少一部分，每个室
顶依靠所述疏水涂层具有相对于每个喷嘴室的内表面的疏水外表面。 可选地，所述聚合涂层具有大于90。的接触角并且喷嘴室的内表
面具有小于90。的接触角。
可选地，所述聚合涂层具有大于110。的接触角。
可选地，所述喷嘴室的内表面具有小于70。的接触角。
可选地，所述喷嘴室包括在所述室顶与衬底之间延伸的侧壁，使
得所述室顶与所述衬底间隔。
可选地，所述室顶和所述侧壁由通过CVD可沉积的陶资材料构
成o
可选地，陶瓷材料选自包括下列的组氮化硅、氧化硅和氮氧化硅。


现在将通过例子仅仅参考附图描述本发明的可选实施例，其中 图l是热喷墨打印头的喷嘴组件的阵列的部分透视图； 图2是图1中所示的喷嘴组件单元的侧视图； 图3是图2中所示的喷嘴组件的透视图4显示了在侧壁和室顶材料沉积在牺牲光致抗蚀剂层上之后的 部分形成的喷嘴组件；
图5是图4中所示的喷嘴组件的透视图6是与图7中所示的喷嘴边缘蚀刻关联的掩模；
图7显示了蚀刻室顶层以形成喷嘴开口边缘；
图8是图7中所示的喷嘴组件的透视图9是与图10中所示的喷嘴开口蚀刻关联的掩模；
图IO显示了蚀刻室顶材料以形成椭圓形喷嘴开口；
图11是图10中所示的喷嘴组件的透视图12显示了第一和第二牺牲层的氧等离子体灰化；
图13是图12中所示的喷嘴组件的透视图14显示了灰化之后的喷嘴组件，以及晶片的反面；
图15是图14中所示的喷嘴组件的透视图16是与图17中所示的背面蚀刻关联的掩模；
图17显示了在晶片中背面蚀刻油墨供应通道；
图18是图17中所示的喷嘴组件的透视图19显示了在沉积疏水聚合涂层之后的图IO的喷嘴组件；
图20是图19中所示的喷嘴组件的透视图21显示了在光构图聚合涂层之后的图19的喷嘴组件；
图22是图21中所示的喷嘴组件的透^f见图23显示了在沉积疏水聚合涂层之后的图7的喷嘴组件；
图24是图23中所示的喷嘴组件的透视图25显示了在光构图聚合涂层之后的图23的喷嘴组件；
图26是图25中所示的喷嘴组件的透视图；图27是包括室顶的喷墨喷嘴组件的侧视截面图，所述室顶具有由 热弯曲致动器限定的移动部分；
图28是图27中所示的喷嘴组件的剖视透视图29是图27中所示的喷嘴组件的透视图30是图27中所示的喷嘴组件的阵列的剖视透视图31是包括室顶的可选喷墨喷嘴组件的侧视截面图，所述室顶具 有由热弯曲致动器限定的移动部分；
图32是图31中所示的喷嘴组件的剖视透视图33是图31中所示的喷嘴组件的透视图34显示了图27的喷嘴组件，室顶上的聚合涂层形成移动室顶 部分与静态室顶部分之间的机械密封件；和
图35显示了图31的喷嘴组件，室顶上的聚合涂层形成移动室顶 部分与静态室顶部分之间的机械密封件。
具体实施例方式
本发明可以用于任何类型的打印头。本申请人先前描述了很多喷 墨打印头。为了理解本发明不一定在这里描述所有这样的打印头。然 而，现在将结合热气泡形成的喷墨打印头和机械热弯曲的致动喷墨打 印头描述本发明。从以下论述将显而易见本发明的优点。
热气泡形成喷墨打印头
现在参考图1，显示了包括多个喷嘴组件的打印头的一部分。图2 和3在侧视截面图和剖视透视图中显示了喷嘴组件中的一个。
每个喷嘴组件包括通过MEMS制造技术在硅片衬底2上形成的 喷嘴室24。喷嘴室24由室顶21和从室顶21延伸到硅衬底2的侧壁 22限定。如图1中所示，每个室顶由横跨打印头的喷射面的喷嘴表面 56的一部分限定。喷嘴表面56和侧壁22由相同材料形成，所述材料 在MEMS制造期间通过PECVD ^皮沉积在光致抗蚀剂的牺牲支架上。 典型地，喷嘴表面56和侧壁22由陶瓷材料，例如二氧化硅或氮化硅 形成。这些硬材料具有用于打印头稳固性的优良性质，并且它们固有的亲水性质有利于通过毛细管作用将油墨供应到喷嘴室24。然而，喷 嘴表面56的外(喷墨)表面也是亲水的，这导致在表面上的任何溢流 油墨的扩散。
返回喷嘴室24的细节，将会看到喷嘴开口 26在每个喷嘴室24 的室顶中被限定。每个喷嘴开口 26为大体椭圆形并且具有关联的喷嘴 边缘25。喷嘴边缘25在打印期间帮助墨滴定向性以及至少在某种程 度上减小油墨从喷嘴开口 26的溢流。用于从喷嘴室24喷射油墨的致 动器是位于喷嘴开口 26之下并且悬桂在凹坑8上的加热元件29。电 流通过电极9被供应到加热元件29，所述电极连接到村底2的下层 CMOS层5的驱动电路。当电流通过加热元件29时，它快速过度加 热周围油墨以形成气泡，所述气泡迫使油墨通过喷嘴开口。通过悬挂 加热元件29，当喷嘴室24被启动时它完全浸没在油墨中。这提高了 打印头效率，原因是更少的热量耗散到下层衬底2中并且更多的输入 能量用于产生气泡。
在图1中可以最清楚地看到，喷嘴成排被布置并且沿着排纵向延 伸的油墨供应通道27将油墨供应到排中的每个喷嘴。油墨供应通道 27将油墨输送到用于每个喷嘴的油墨入口通道15,所述油墨入口通道 通过喷嘴室24中的油墨管道23从喷嘴开口 26的侧面供应油墨。
用于制造这样的打印头的MEMS制造工艺在我们先前于2005年 10月11日提交的美国申请No.11/246，684中被详细描述，上述申请的 内容被引用于此作为参考。为了清楚起见，在这里简述该制造工艺的 后面阶段。
图4和5显示了部分制造的打印头，该打印头包括封装牺牲光致 抗蚀剂10 ( "SAC1")和16 ( "SAC2")的喷嘴室24。 SAC1光致抗蚀 剂10用作用于沉积加热材料以形成悬挂加热元件29的支架。SAC2 光致抗蚀剂16用作用于沉积侧壁22和室顶21 (其限定喷嘴表面56 的一部分)的支架。
在现有技术的工艺中，并且参考图6-8， MEMS制造的下一阶段 通过蚀刻2微米的室顶材料20在室顶21中限定椭圆形喷嘴边缘25。该蚀刻使用由图6中所示的暗色调边缘掩模暴露的光致抗蚀剂层(未 显示)被限定。椭圆形边缘25包括位于它们各自的热致动器29之上 的两个共轴边缘唇边25a和25b。
参考图9-11,下一阶段通过一直蚀刻通过由边缘25界定的剩余室 顶材料在室顶21中限定椭圆形喷嘴开孔26。该蚀刻使用由图9中所 示的暗色调室顶掩模暴露的光致抗蚀剂层(未显示)被限定。椭圆形 喷嘴开孔26位于热致动器29之上，如图ll中所示。
现在完全形成所有MEMS喷嘴特征之后，下一阶段通过02等离 子体灰化去除SAC1和SAC2光致抗蚀剂层10和16 (图12和13 )。 图14和15显示了在灰化SAC1和SAC2光致抗蚀剂层10和16之后 的硅片2的整个厚度(150微米)。
参考图16-18, —旦完成晶片的正面MEMS处理，油墨供应通道 27使用标准各向异性DRIE从晶片的背面被蚀刻以碰到油墨入口 15。 该背面蚀刻使用由图16中所示的暗色调掩模暴露的光致抗蚀剂层(未 显示)被限定。油墨供应通道27进行晶片的背面与油墨入口 15之间 的流体连接。
最后，参考图2和3，晶片通过背面蚀刻被薄化到大约135微米。 图1在完成打印头集成电路的剖视透视图中显示了三个相邻的喷嘴 排。每个喷嘴排具有沿着它的长度延伸并且将油墨供应到每排中的多 个油墨入口 15的各自的油墨供应通道27。油墨入口又将油墨供应到 每排的油墨管道23中，每个喷嘴室接收来自该排的公共油墨管道的油
如上面早已所述，该现有技术的MEMS制造工艺由于喷嘴表面 56由陶瓷材料例如二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化铝等形成而不 可避免地留下亲水喷墨面。
喷嘴蚀刻之后跟随疏水聚合物涂覆
作为上述过程的替换选择，喷嘴表面56具有在喷嘴开口蚀刻(即， 在图lO和ll中表示的阶段)之后立即沉积在其上的疏水聚合物。由 于光致抗蚀剂支架层必须随后被去除，聚合材料应当耐受灰化过程。优选地，聚合材料应当耐受通过02或H2灰化等离子体去除。申请人
找到了满足疏水同时耐02或H2灰化的上述要求的聚合材料族。这些
材料典型地是聚合硅氧烷和氟化聚烯烃。更具体而言，聚二甲基硅氧
烷(PDMS)和全氟化聚乙烯(PFPE)都表明是特别有利的。这样的 材料在02等离子体中形成钝化表面氧化物，并且随后相对快速地恢复 它们的疏水性。这些材料的进一步优点在于它们具有对陶资例如二氧 化硅和氮化硅的出色附着力。这些材料的进一步优点在于它们可光构 图，这4吏它们特别适合用于MEMS工艺中。例如，PDMS可用紫外 光固化，由此PDMS的未暴露区域可以相对容易地被去除。
参考图10，显示了在先前描述的边缘和喷嘴蚀刻之后的部分制造 打印头的喷嘴组件。然而，不同于继续进行SAC1和SAC2灰化(如 图12和13中所示)，在该阶段疏水聚合材料100的薄层(大约1微米) 被旋涂到喷嘴表面56上，如图19和20中所示。
在沉积之后，该聚合材料层被光构图以去除沉积在喷嘴开口 26 内的材料。光构图可以包括聚合层100暴露于紫外光，喷嘴开口 26 内的那些区域除外。因此，如图21和22中所示，打印头现在具有疏 水喷嘴表面，并且随后的MEMS处理步骤可以类似地继续进行结合 图12-18所述的步骤。重要地，疏水聚合物100未通过用于去除光致 抗蚀剂支架10和16的02灰化步骤被去除。
在用充当蚀刻掩模的聚合物进行喷嘴蚀刻之前进行疏水聚合物涂
作为备选过程，在图7和8所表示的阶段之后疏水聚合物层100 立即被沉积。因此，在边缘25通过边缘蚀刻被限定之后，但是在喷嘴 开口 26通过喷嘴蚀刻被限定之前，疏水聚合物被旋涂到喷嘴表面上。
参考图23和24，显示了在疏水聚合物100沉积之后的喷嘴组件。 聚合物100然后被光构图以去除在喷嘴开口区域中由边缘25界定的材 料，如图25和26中所示。因此，疏水聚合材料100现在可以充当用 于蚀刻喷嘴开口 26的蚀刻掩模。
喷嘴开口 26通过蚀刻穿过室顶材料21被限定，这典型地使用包括02和氟代烃(例如CF4或C4F8)的化学气体被执行。疏水聚合物 例如PDMS和PFPE通常在相同条件下被蚀刻。然而，由于诸如氮化 硅这样的材料蚀刻一定更快，室顶21可以选择性地使用PDMS或 PFPE作为蚀刻掩才莫被蚀刻。作为比较，使用3:1 (CF4:02)的气体比 率，氮化硅以大约240微米每小时的速度蚀刻，而PDMS以大约20 微米每小时的速度蚀刻。因此，将会理解当限定喷嘴开口 26时选择性 地使用PDMS蚀刻是可实现的。
一旦室顶21被蚀刻以限定喷嘴开口 ，喷嘴组件24如图21和22 中所示。因此，随后的MEMS处理步骤可以类似地继续进行结合图 12-18所述的步骤。重要地，疏水聚合物100未通过用于去除光致抗 蚀剂支架IO和16的02灰化步骤被去除。
在用附加光致抗蚀剂掩模进行喷嘴蚀刻之前进行疏水聚合物涂覆
图25和26示出了疏水聚合物100怎样可以用作用于喷嘴开口蚀 刻的蚀刻掩模。典型地，如上所述的聚合物100与室顶21之间的不同 蚀刻速度提供了充分的蚀刻选择性。
然而，作为进一步的替换选择并且特别为了适应蚀刻选择性不足 的情况。光致抗蚀剂层(未显示)可以被沉积在图24中所示的疏水聚 合物100上，这允许常规的下游MEMS处理。光构图该抗蚀剂顶层 之后，疏水聚合物100和室顶21可以在一个步骤中使用相同化学气体
进行蚀刻，光致抗蚀剂的顶层被用作标准蚀刻掩模。例如CF4/02的化
学气体首先蚀刻穿过疏水聚合物100并且然后穿过室顶21。
随后的02灰化可以用于仅仅去除光致抗蚀剂的顶层(以获得图 10和11中所示的喷嘴组件)，或者延长的02灰化可以用于去除光致 抗蚀剂的顶层和牺牲光致抗蚀剂层10和16 (以获得图12和13中所 示的喷嘴组件)。
除了这里所述的三个替换选择，熟练技术人员将能够预见MEMS 处理步骤的其他备选顺序。然而，将会理解在确定能够耐受02和H2 灰化的疏水聚合物中，本发明人提供了一种灵活手段，该手段用于在 喷墨打印头制造工艺中提供疏水喷嘴表面。热弯曲致动打印头
论述了打印头的喷嘴表面可以被疏水化的方法，将会理解任何类 型的打印头可以以类似方式被疏水化。然而，本发明实现了与申请人 的先前所述的包括热弯曲致动喷嘴组件的打印头结合的特殊优点。因 此，现在接着进行本发明怎样可以用于这样的打印头中的论述。
在热弯曲致动打印头中，喷嘴组件可以包括具有室顶部分的喷嘴 室，所述室顶部分相对于室的底面部分移动。可移动室顶部分典型地 借助于双层热弯曲致动器被致动以朝着底面部分移动。这样的致动器 可以位于喷嘴室的外部或者它可以限定室顶结构的移动部分。
移动室顶是有利的，原因是它通过仅仅用移动结构的一个面作用 于粘性油墨降低墨滴喷射能量。然而，这样的移动室顶结构的问题在 于它必须在致动期间密封喷嘴室内部的油墨。典型地，喷嘴室依靠流 体密封件，该流体密封件使用油墨的表面张力形成密封。然而，这样 的密封是不完美的并且希望形成避免依靠表面张力作为用于包含油墨 的手段的机械密封件。这样的机械密封件将需要具有足够挠性以适应 室顶的弯曲运动。
具有移动室顶结构的典型喷嘴组件400在我们先前于2006年12 月4日提交的美国申请No.11/607，976(它的内容被引用于此作为参考) 中被描述并且在这里在图27-30中被显示。喷嘴组件400包括形成于 硅衬底403的钝化CMOS层402上的喷嘴室401。喷嘴室由室顶404 和从室顶延伸到钝化CMOS层402的侧壁405限定。油墨借助于与油 墨供应通道407流体连通的油墨入口 406 ,皮供应到喷嘴室401，所述 油墨供应通道接收来自硅衬底的背面的油墨。油墨借助于在室顶404 中限定的喷嘴开口 408从喷嘴室401 ;故喷射。喷嘴开口 408从油墨入 口 406偏移。
如图28中更清楚地所示，室顶404具有移动部分409，该移动部 分限定室顶的总面积的大部分。典型地，移动部分409限定室顶404 的总面积的至少50%。在图27-30所示的实施例中，喷嘴开口 408和 喷嘴边缘415在移动部分409中被限定，使得喷嘴开口和喷嘴边缘随着移动部分移动。
喷嘴组件400的特征在于移动部分409由具有平面上有源梁411 和平面下无源梁412的热弯曲致动器410限定。因此，致动器410典 型地限定室顶404的总面积的至少50%。相应地，上有源梁411典型 地限定室顶404的总面积的至少50%。
如图27和28中所示，上有源梁411的至少一部分与下无源梁412 间隔以用于最大化两个梁的热绝缘。更具体而言，Ti层被用作由TiN 构成的上有源梁411与由Si02构成的下无源梁412之间的桥接层413。 桥接层413允许在致动器410中在有源和无源梁之间限定间隙414。 该间隙414通过最小化从有源梁411到无源梁412的热传递提高了致 动器410的总体效率。
然而，当然将会理解有源梁411可以备选地直接融合或粘结到无 源梁412以用于提高结构刚性。这样的设计改进将完全在熟练技术人 员的能力范围内。
有源梁411通过Ti桥接层连接到一对触点416 (正和接地)。触 点416与CMOS层中的驱动电路连接。
当需要从喷嘴室401喷射油墨的小滴时，电流流过两个触点416 之间的有源梁411 。有源梁411由电流快速加热并且相对于无源梁412 膨胀，由此导致致动器410 (其限定室顶404的移动部分409)向下朝 着衬底403弯曲。由于移动部分409与静态部分461之间的间隙460 太小，当移动部分被致动以朝着衬底403移动时通常依赖表面张力以 密封该间隙。
致动器410的移动通过喷嘴室401内部的压力的快速增加导致从
喷嘴开口 408喷射油墨。当电流停止流动时，室顶404的移动部分409
被允许返回它的静止位置，这将来自入口 406的油墨吸入喷嘴室401 中，准备下一次喷射。
参见图12，将容易理解喷嘴组件可以被复制成喷嘴组件的阵列以 限定打印头或打印头集成电路。打印头集成电路包括硅衬底，形成于 衬底上的喷嘴组件的阵列(典型地成排布置)，和用于喷嘴组件的驱动电路。多个打印头集成电路可以邻接或连接以形成例如在申请人早先
于2004年5月27日提交的美国申请Nos.10/854，491和2004年12月 20日提交的11/014,732中所述的页宽喷墨打印头，上述申请的内容被 引用于此作为参考。
就具有上有源梁511和下无源梁512的热弯曲致动器510限定喷 嘴室501的室顶504的移动部分而言，图31-33中所示的备选喷嘴组 件500类似于喷嘴组件400。
然而，与喷嘴组件400相比，喷嘴开口 508和边缘515未由室顶 504的移动部分限定。而是喷嘴开口 508和边缘515在室顶504的固 定或静态部分561中被限定使得在墨滴喷射期间致动器510独立于喷 嘴开口和边缘移动。该布置的优点在于它提供了墨滴飞行方向的更容 易控制。再次地，在致动期间通过使用油墨的表面张力依靠在移动部 分509与静态部分561之间的间隙560的小尺寸产生流体密封。
喷嘴组件400和500和相应的打印头可以4吏用合适的MEMS工艺 以类似于上述的那些的方式被构造。在所有情况下喷嘴室的室顶(移 动或别样)通过将室顶材料沉积到合适的牺牲光致抗蚀剂支架上形成。
现在参考图34，将会看出先前在图27中所示的喷嘴组件400现 在具有涂覆在室顶，包括室顶的移动409和静态部分461上的疏水聚 合物101的附加层(如上详细所述)。重要地，疏水聚合物101密封图 27中所示的间隙460。聚合物例如PDMS和PFPE的一个优点在于它 们具有极低的硬度。典型地，这些材料具有小于1000 MPa并且典型 地为大约500MPa的杨氏模量。该特性是有利的，原因是它允许它们 在这里所述的类型的热弯曲致动喷嘴中形成机械密封件-在致动期间 聚合物弹性地拉伸，而不会显著地阻碍致动器的移动。实际上，当墨 滴喷射发生时，弹性密封件有助于弯曲致动器返回它的静止位置。而 且，由于移动室顶部分409与静态室顶部分461之间没有间隙，在致 动期间，除了通过喷嘴开口 408之外，油墨完全被密封在喷嘴室401 内部并且不能逸出。
图35显示了带有疏水聚合物涂层101的喷嘴组件500。通过与喷通过用聚合物101密封间隙560，形成提 供喷嘴室501中的油墨的出色机械密封的机械密封件562 。
本领域的普通技术人员将会理解可以如具体实施例所示对本发明 进行许多变化和/或修改而不脱离广义所述的本发明的精神或范围。所 以本实施例应当在所有方面被认为是示例性的而不是限定性的。
权利要求
1.一种制造具有疏水喷墨面的打印头的方法，所述方法包括以下步骤(a)提供包括多个喷嘴室和相对亲水喷嘴表面的部分制造的打印头，所述喷嘴表面至少部分地限定所述喷墨面；(b)将相对疏水聚合材料层沉积在所述喷嘴表面上，所述聚合材料耐受通过灰化去除；和(c)在所述喷嘴表面中限定多个喷嘴开口，由此提供具有相对疏水喷墨面的打印头，其中所述步骤(b)和所述步骤(c)按任意顺序被执行。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(c)在所述步骤 (b)之前被执行，并且所述方法包括在所述沉积的聚合材料中限定相 应的多个对准喷嘴开口的又一步骤。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中所述相应的多个对准喷嘴开 口通过光构图所述聚合材料被限定。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(c)在所述步骤 (b)之后被执行，并且所述聚合材料用作用于蚀刻所述喷嘴表面的掩 模。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中在蚀刻所述喷嘴表面之前所 述聚合材料被光构图以限定多个喷嘴开口区域。
6. 根据权利要求l所述的方法，其中(c)在所述步骤(b)之后 被执行，并且所述步骤(c)包括以下步骤在所述聚合材料上沉积掩模；构图所述掩模以在多个喷嘴开口区域中暴露所述聚合材料； 蚀刻所述暴露的聚合材料和所述下层喷嘴表面以限定所述多个喷 嘴开口；和去除所述掩模。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中所述掩模是光致抗蚀剂，并且所述光致抗蚀剂通过灰化被去除。
8. 根据权利要求6所述的方法，其中相同的化学气体用于蚀刻所 述聚合材料和所述喷嘴表面。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中所述化学气体包括02和含 氟化合物。
10. 根据权利要求1所述的方法，其中在所述部分制造的打印头 中，每个喷嘴室的室顶由牺牲的光致抗蚀剂支架支撑，所述方法进一 步包括通过灰化去除所述光致抗蚀剂支架的步骤。
11. 根据权利要求1所述的方法，其中每个喷嘴室的室顶至少部 分地由所述喷嘴表面限定。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中所述喷嘴表面与衬底间隔， 使得每个喷嘴室的侧壁在所述喷嘴表面与所述衬底之间延伸。
13. 根据权利要求1所述的方法，其中每个喷嘴室的室顶和侧壁 由通过CVD可沉积的陶瓷材料构成。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中所述室顶和侧壁由选自包 括下列的组的材料构成氧化硅、氮化硅和氮氧化硅。
15. 根据权利要求1所述的方法，其中所述疏水聚合材料在02 等离子体中形成钝化表面氧化物。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中所述疏水聚合材料在受到 02等离子体之后恢复它的疏水性。
17. 根据权利要求1所述的方法，其中所述聚合材料选自包括下 列的组聚合硅氧烷和氟化聚烯烃。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中所述聚合材料选自包括下 列的组聚二曱基硅氧烷(PDMS)和全氟化聚乙烯(PFPE)。
19. 根据权利要求1所述的方法，其中所述聚合材料的至少一些 在沉积之后被紫外固化。
20. 根据权利要求1所述的方法获得或可获得的打印头。
全文摘要
提供了一种制造具有疏水喷墨面的打印头的方法。所述方法包括以下步骤(a)提供包括多个喷嘴室和相对亲水喷嘴表面的部分制造打印头，所述喷嘴表面至少部分限定喷墨面；(b)将相对疏水聚合材料层沉积在喷嘴表面上，所述聚合材料耐受通过灰化去除；和(c)在所述喷嘴表面中限定多个喷嘴开口，由此提供具有相对疏水喷墨面的打印头。步骤(b)和(c)按任意顺序被执行。
文档编号B41J2/175GK101610909SQ200780051615
公开日2009年12月23日 申请日期2007年3月12日 优先权日2007年3月12日
发明者E·R·克尔, G·J·麦克沃依, K·西尔弗布鲁克, M·巴格纳, V·P·劳勒 申请人:西尔弗布鲁克研究股份有限公司