インク噴射面上をコーティングするポリシルセスキオキサンを有する印刷ヘッド
【課題】優れた印刷ヘッド（特に、インク噴射面上をコーティングするポリシルセスキオキサンを有する印刷ヘッド）を提供する。
【解決手段】疎水性ポリマー材料でコーティングされたインク噴射面を有する印刷ヘッド。ポリマー材料が、ポリ（メチルシルセスキオキサン）又はポリ（フェニルシルセスキオキサン）等のポリシルセスキオキサンから成る。印刷ヘッドは、インク噴射面と接触することを必要とする様々な印刷ヘッド保守操作に適応できる。
【解決手段】疎水性ポリマー材料でコーティングされたインク噴射面を有する印刷ヘッド。ポリマー材料が、ポリ（メチルシルセスキオキサン）又はポリ（フェニルシルセスキオキサン）等のポリシルセスキオキサンから成る。印刷ヘッドは、インク噴射面と接触することを必要とする様々な印刷ヘッド保守操作に適応できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プリンタの分野に関し、特にインクジェット印刷ヘッドの分野に関する。本発明は主に、高解像度印刷ヘッドの印刷品質及び印刷ヘッド保守を向上させるために開発された。
【背景技術】
【０００２】
多くの異なるタイプの印刷が発明され、そのうちの多数が現在も使用されている。知られている印刷形態は、適切なマーキング媒体で印刷媒体にマークを付ける様々な方法を有する。一般的に使用される印刷形態には、オフセット印刷、レーザ印刷及び複写装置、ドットマトリクス型インパクトプリンタ、感熱紙プリンタ、フィルムレコーダ、サーマルワックスプリンタ、染料昇華型プリンタ、ドロップオンデマンド型及び連続フロー型のインクジェットプリンタ等がある。費用、速度、品質、信頼性、構造及び動作の単純さ等を考えたとき、プリンタの各タイプにはそれ自体の利点及び問題がある。
【０００３】
近年、個々のそれぞれのインク画素を１つ又は複数のインクノズルから得るインクジェット印刷の分野が、主にその安価で汎用性のある性質のためにますます人気を集めている。
【０００４】
インクジェット印刷に関する多くの異なる技法が発明された。この分野を概観するためには、Ｊ Ｍｏｏｒｅによる記事「Ｎｏｎ−Ｉｍｐａｃｔ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ： Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌ Ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ」、Ｏｕｔｐｕｔ Ｈａｒｄ Ｃｏｐｙ Ｄｅｖｉｃｅｓ、Ｒ Ｄｕｂｅｃｋ及びＳ Ｓｈｅｒｒ編、２０７〜２２０ページ（１９８８年）を参照されたい。
【０００５】
インクジェットプリンタ自体には、多くの異なるタイプがある。インクジェット印刷における連続インク流の利用は、少なくとも１９２９年まで遡るようであり、Ｈａｎｓｅｌｌによる米国特許第１９４１００１号は、単純な形態の連続流静電式インクジェット印刷を開示している。
【０００６】
Ｓｗｅｅｔによる米国特許第３５９６２７５号も、インク滴の分離を引き起こすように高周波静電界によってインクジェット流が調節されるステップを含む、連続インクジェット印刷の方法を開示している。この技法は現在でも、Ｅｌｍｊｅｔ社及びＳｃｉｔｅｘ社を含むいくつかのメーカによって利用されている（Ｓｗｅｅｔ等による米国特許第３３７３４３７号も参照されたい）。
【０００７】
圧電インクジェットプリンタも一般的に利用されるインクジェット印刷装置の一形態である。圧電システムは、ダイアフラム（ｄｉａｐｈｒａｇｍ）動作モードを利用する米国特許第３９４６３９８号（１９７０年）においてＫｙｓｅｒ等によって、及び、圧電結晶のスクイーズ（ｓｑｕｅｅｚｅ）動作モードを開示した米国特許第３６８３２１２号（１９７０年）においてＺｏｌｔｅｎによって開示され、Ｓｔｅｍｍｅは、米国特許第３７４７１２０号（１９７２年）において圧電動作のベンド（ｂｅｎｄ）モードを開示し、Ｈｏｗｋｉｎｓは米国特許第４４５９６０１号においてインクジェット流の圧電プッシュ（ｐｕｓｈ）モード作動を開示し、Ｆｉｓｃｈｂｅｃｋは米国特許第４５８４５９０号において剪断（ｓｈｅａｒ）モード型の圧電トランスデューサ要素を開示する。
【０００８】
最近、サーマルインクジェット印刷が、極めて人気の高いインクジェット印刷形態となっている。インクジェット印刷技法には、英国特許２００７１６２号公報（１９７９年）においてＥｎｄｏ等によって、及び、米国特許第４４９０７２８号においてＶａｕｇｈｔ等によって開示された技法がある。上記の参照文献はともに、ノズル等の狭められた空間内で気泡を発生させ、それによって、この狭い空間に接続された開口から適切な印刷媒体上にインクを噴射させる電熱アクチュエータの活動化に依存したインクジェット印刷技法を開示した。電熱アクチュエータを利用する印刷装置は、Ｃａｎｏｎ（登録商標）社、Ｈｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ（登録商標）社等のメーカによって製造されている。
【０００９】
以上のことから分かるとおり、多くの異なるタイプの印刷技術が使用可能である。理想的には、１つの印刷技術がいくつかの望ましい属性を有するべきである。これらには、安価な構造及び動作、高速動作、安全な長期連続動作等が含まれる。それぞれの技術は、費用、速度、品質、信頼性、電力使用量、動作の構造の単純さ、耐久性及び消耗部品の領域においてそれ自体の利点及び欠点を有する。
【００１０】
インクジェット印刷システムの構築において、特に大規模印刷ヘッド、特にページ幅タイプの印刷ヘッドが構築されるときには、互いにトレードオフされなければならないかなりの数の重要な因子がある。以下に、これらの因子のいくつかを概説する。
【００１１】
第１に、インクジェット印刷ヘッドは通常、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）技法を利用して構築される。そのため、インクジェット印刷ヘッドは、シリコンウェーハ上に平らな層を付着させ、その平らな層のある部分をエッチングする標準集積回路構築／製造技法に依存する傾向がある。シリコン回路製造技術の範囲では、ある種の技法が他の技法よりもよく知られている。例えば、ＣＭＯＳ回路の製作に関連した技法は、強誘電体、ヒ化ガリウム等を含むエキゾチック（ｅｘｏｔｉｃ）回路の製作に関連した技法よりも容易に使用される可能性が高い。従って、ＭＥＭＳの構築では、「エキゾチック」プロセス又は材料を一切必要としない十分に証明された半導体製造技法を利用することが望ましい。もちろん、エキゾチック材料を使用する利点がエキゾチック材料を使用する欠点よりもはるかに大きく、よって、なんとかしてエキゾチック材料を利用した方が望ましいであろう場合には、ある程度のトレードオフが行われるだろう。しかしながら、より一般的な材料を使用して同じ又は同様の特性を達成することが可能な場合には、エキゾチック材料の問題を回避することができる。
【００１２】
インクジェット印刷ヘッドの望ましい特徴は、好ましくは、親水性のノズルチャンバ及びインク供給チャネルを組み合わせた疎水性のインク噴射面（「前面」又は「ノズル面」）の組合せであろう。親水性のノズルチャンバ及びインク供給チャネルは毛管作用を提供し、従って、親水性のノズルチャンバ及びインク供給チャネルは、ノズルチャンバへインクを注入し、各インク滴噴射後にノズルチャンバへインクを再供給するために最適である。疎水性の前面は、印刷ヘッドの前面を横切ってインクが溢れる傾向を最小化する。前面が疎水性であれば、水性のインクジェットインクはノズル開口から横に溢出しにくいと考えられる。更に、ノズル開口から溢れ出たインクは前面を横切って広がったり、前面上で混ざり合ったりしにくいと考えられ、その代わりに、ノズル開口から溢れ出たインクは、適当な保守操作によってより容易に処理することができる分離した球形の微小インク滴を形成する。
【００１３】
以上に、本出願は、印刷ヘッドの前面をコーティングし、疎水性の表面をもたらすためにＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）を使用することを説明した。しかし、ＰＤＭＳは、優れた疎水性の特性を有し、印刷ヘッドＭＥＭＳ製造プロセスに容易に組み込むことができる一方で、比較的劣った耐摩耗性を有し、印刷ヘッド保守（例えば、参照によって本明細書に組み込まれる２００８年１月１６日に出願された米国特許出願第１２／０１４、７７２号参照のこと）のために使用されるワイパーブレードによって引っ掻かれるか、又は、そうでなければ損傷される恐れがある。従って、ＭＥＭＳ製造プロセスによって容易に作製でき、良好な耐摩耗性を有する、疎水性のインク噴射面を有する印刷ヘッドを提供することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許第１９４１００１号
【特許文献２】米国特許第３５９６２７５号
【特許文献３】米国特許第３３７３４３７号
【特許文献４】米国特許第３９４６３９８号
【特許文献５】米国特許第３６８３２１２号
【特許文献６】米国特許第３７４７１２０号
【特許文献７】米国特許第４４５９６０１号
【特許文献８】米国特許第４５８４５９０号
【特許文献９】英国特許２００７１６２号公報
【特許文献１０】米国特許第４４９０７２８号
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】記事「Ｎｏｎ−Ｉｍｐａｃｔ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ： Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌ Ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ」、Ｏｕｔｐｕｔ Ｈａｒｄ Ｃｏｐｙ Ｄｅｖｉｃｅｓ、Ｒ Ｄｕｂｅｃｋ及びＳ Ｓｈｅｒｒ編、２０７〜２２０ページ（１９８８年）、Ｊ Ｍｏｏｒｅ著
【発明の概要】
【００１６】
第１の態様では、ポリシルセスキオキサンから成る疎水性ポリマー材料で少なくとも一部分がコーティングされたインク噴射面を有する印刷ヘッドを提供する。本発明による印刷ヘッドは、印刷ヘッドをインク噴射面との接触を伴う様々な印刷ヘッド保守操作（例えば、ワイピング）に適応させる優れた耐久性及び耐摩耗性を有する。更に、ポリシルセスキオキサンは、ＭＥＭＳ印刷ヘッド製造プロセスに容易に組み込まれるスピンオンプロセスによって、薄層（０．５〜２ミクロン）に付着できる。
【００１７】
任意で、ポリシルセスキオキサンが、ポリ（アルキルシルセスキオキサン）及びポリ（アリルシルセスキオキサン）からなる群から選択される。
【００１８】
任意で、ポリシルセスキオキサンが、ポリ（メチルシルセスキオキサン）及びポリ（フェニルシルセスキオキサン）からなる群から選択される。
【００１９】
任意で、ポリマー材料が、ＭＥＭＳ印刷ヘッド製造中に印刷ヘッドのノズル板上に付着されハードベーク（堅焼き（hardbake））される。
【００２０】
任意で、印刷ヘッドが、基板上に形成された複数のノズルアセンブリを具備し、各ノズルアセンブリは、ノズルチャンバと、ノズルチャンバのルーフに画定されたノズル開口と、ノズル開口を通してインクを噴射するためのアクチュエータとを備える。
【００２１】
任意で、ポリマー材料が印刷ヘッドのノズル板上にコーティングされ、ノズル板が各ノズルチャンバのルーフによって少なくとも部分的に画定される。
【００２２】
任意で、各ルーフが疎水性コーティングの効果によって各ノズルチャンバの内面と比較して疎水性である外面を有する。
【００２３】
任意で、各ノズルチャンバが、セラミック材料から成るルーフと側壁とを備える。
【００２４】
任意で、セラミック材料が、窒化シリコン、酸化ケイ素及び酸窒化シリコンからなる群から選択される。
【００２５】
任意で、ルーフが、各ノズルチャンバの側壁がノズル板と基板との間に延在するように、基板から間隔を置いて配置される。
【００２６】
任意で、アクチュエータが、気泡を形成するようにチャンバ内でインクを加熱し、それによって、ノズル開口を通してインク小滴を押し出すように構成されるヒータ要素である。
【００２７】
任意で、ヒータ要素がノズルチャンバ内に懸架される。
【００２８】
任意で、アクチュエータが、
駆動回路に接続する第１の能動要素と、
第１の要素と機械的に協働する第２の受動要素と
を備え、第１の要素を通して電流が流れる場合、第１の要素が第２の要素に対して膨張し、その結果、アクチュエータが曲がる、
サーマルベンドアクチュエータである。
【００２９】
任意で、サーマルベンドアクチュエータが各ノズルチャンバのルーフの少なくとも一部分を画定し、それによって、アクチュエータの作動が、ノズルチャンバのフロアに向かってルーフの移動部分を移動させる。
【００３０】
任意で、ノズル開口がルーフの移動部分内に画定される。
【００３１】
任意で、ノズル開口がルーフの静止部分内に画定される。
【００３２】
任意で、ポリマー材料がルーフの移動部分と静止部分との間の機械的シールを画定し、それによって、アクチュエータの作動中にインク漏れを最小にする。
【００３３】
第２の態様では、ナノ粒子が混ぜ込まれた重合シロキサン類から成るポリマー材料で少なくとも一部分がコーティングされるインク噴射面を有する印刷ヘッドを提供する。第２の態様によると、ナノ粒子は、ポリマーコーティングに耐久性、耐摩耗性、疲労抵抗、疎水性、親水性等の所望の特性を付与する。
【００３４】
任意で、重合シロキサン類が、ポリ（アルキルシルセスキオキサン）、ポリ（アリルシルセスキオキサン）及びポリジアルキルシロキサンからなる群から選択される。
【００３５】
任意で、重合シロキサン類が、ポリ（メチルシルセスキオキサン）、ポリ（フェニルシルセスキオキサン）及びポリジメチルシロキサンからなる群から選択される。
【００３６】
任意で、ナノ粒子が、無機ナノ粒子及び有機ナノ粒子からなる群から選択される。
【００３７】
任意で、無機ナノ粒子が、金属酸化物、金属炭酸塩及び金属硫化物からなる群から選択される。
【００３８】
任意で、無機ナノ粒子が、シリカ、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、炭酸カルシウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化銅、酸化クロム、酸化カルシウム、酸化タングステン、酸化鉄、酸化コバルト及び硫酸バリウムからなる群から選択される。
【００３９】
任意で、有機ナノ粒子が、架橋シリコーン樹脂粒子、架橋ポリオレフィン樹脂粒子、架橋アクリル樹脂粒子、架橋スチレン−アクリル樹脂粒子、架橋ポリエステル樹脂粒子、ポリイミド粒子、メラミン樹脂粒子及びカーボンナノチューブからなる群から選択される。
【００４０】
任意で、ナノ粒子が１〜７０重量％の範囲の量で重合シロキサン類に混ぜ込まれる。
【００４１】
任意で、ナノ粒子が、１〜１００ｎｍの範囲の平均粒子サイズを有する。
【００４２】
任意で、印刷ヘッドが、基板上に形成された複数のノズルアセンブリを具備し、各ノズルアセンブリは、ノズルチャンバと、ノズルチャンバのルーフに画定されたノズル開口と、ノズル開口を通してインクを噴射するためのアクチュエータとを備える。
【００４３】
任意で、ポリマー材料が印刷ヘッドのノズル板上にコーティングされ、ノズル板が各ノズルチャンバのルーフによって少なくとも部分的に画定される。
【００４４】
任意で、各ノズルチャンバが、窒化シリコン、酸化ケイ素及び酸窒化シリコンからなる群から選択されるセラミック材料から成るルーフと側壁とを備える。
【００４５】
任意で、ルーフが、各ノズルチャンバの側壁がノズル板と基板との間に延在するように、基板から間隔を置いて配置される。
【００４６】
任意で、アクチュエータが、気泡を形成するようにチャンバ内でインクを加熱し、それによって、ノズル開口を通してインク小滴を押し出すように構成されるヒータ要素である。
【００４７】
任意で、ヒータ要素がノズルチャンバ内に懸架される。
【００４８】
任意で、アクチュエータが、
駆動回路に接続する第１の能動要素と、
第１の要素と機械的に協働する第２の受動要素と
を備え、第１の要素を通して電流が流れる場合、第１の要素が第２の要素に対して膨張し、その結果、アクチュエータが曲がる、
サーマルベンドアクチュエータである。
【００４９】
任意で、サーマルベンドアクチュエータが各ノズルチャンバのルーフの少なくとも一部分を画定し、それによって、アクチュエータの作動が、ノズルチャンバのフロアに向かってルーフの移動部分を移動させる。
【００５０】
任意で、ノズル開口がルーフの移動部分、又は、ルーフの静止部分内に画定される。
【００５１】
任意で、ポリマー材料がルーフの移動部分と静止部分との間の機械的シールを画定し、それによって、アクチュエータの作動中にインク漏れを最小にする。
【００５２】
第３の態様では、ナノ粒子が混ぜ込まれたポリマー材料でコーティングされたインク噴射面を有し、ナノ粒子がインク噴射面に１つ又は複数の所与の特徴を付与し、所与の特徴は、
噴射可能な流体の固有の特性と、
印刷ヘッドに関連した印刷ヘッド保守形態と、
ノズルアクチュエータのタイプと、
の少なくとも１つを補足する、
噴射可能な流体を噴射するためのインクジェット印刷ヘッドを提供する。
【００５３】
第３の態様による本発明は、インク噴射面の表面の特徴をプリンタの所与の特徴に合わせることを可能にする。例えば、あるプリンタでは、印刷ヘッド保守が優先でき、他のプリンタでは、最適な流体噴射が優先できる。代替的に、ナノ粒子がプリンタの特徴を折衷するために選択できる。
【００５４】
任意で、１つ又は複数の所与の特徴が、親水性、疎水性、耐摩耗性及び疲労抵抗からなる群から選択される。
【００５５】
任意で、１つ又は複数の所与の特徴が、ナノ粒子の表面エネルギーの特徴、ナノ粒子のサイズ、ナノ粒子の量、及び、ナノ粒子の耐久特性の１つ又は複数によって付与される。
【００５６】
任意で、ナノ粒子が、無機ナノ粒子及び有機ナノ粒子からなる群から選択される。
【００５７】
任意で、無機ナノ粒子が、シリカ、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、炭酸カルシウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化銅、酸化クロム、酸化カルシウム、酸化タングステン、酸化鉄、酸化コバルト及び硫酸バリウムからなる群から選択される。
【００５８】
任意で、有機ナノ粒子が、架橋シリコーン樹脂粒子、架橋ポリオレフィン樹脂粒子、架橋アクリル樹脂粒子、架橋スチレン−アクリル樹脂粒子、架橋ポリエステル樹脂粒子、ポリイミド粒子、メラミン樹脂粒子及びカーボンナノチューブからなる群から選択される。
【００５９】
任意で、噴射可能な流体の固有の特性が、親水性、疎水性、粘性、表面張力及び沸点からなる群から選択される。
【００６０】
任意で、噴射可能な流体が、水性流体及び非水性流体からなる群から選択される。
【００６１】
任意で、印刷ヘッド保守形態が、印刷ヘッドキャッピング、印刷ヘッドワイピング、印刷ヘッドフラッディング及び非接触インク除去からなる群から選択される１つ又は複数の作動を備える。
【００６２】
任意で、ポリマー材料が重合シロキサン類から成る。
【００６３】
任意で、重合シロキサン類が、ポリ（アルキルシルセスキオキサン）、ポリ（アリルシルセスキオキサン）及びポリジアルキルシロキサンからなる群から選択される。
【００６４】
任意で、重合シロキサン類が、ポリ（メチルシルセスキオキサン）、ポリ（フェニルシルセスキオキサン）及びポリジメチルシロキサンからなる群から選択される。
【００６５】
第３の態様による印刷ヘッドの他の任意の実施形態は、第１及び第２の態様による任意の実施形態と全く同一である。
【００６６】
ここで添付図面を参照して、本発明の任意の実施形態を単に例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】サーマルインクジェット印刷ヘッドのノズルアセンブリのアレイの部分斜視図である。
【図２】図１に示されるノズルアセンブリ単位セルの側面図である。
【図３】図２に示されるノズルアセンブリの斜視図である。
【図４】犠牲フォトレジスト層上に側壁及びルーフ材料を付着させた後の部分的に形成されたノズルアセンブリを示す図である。
【図５】図４に示されるノズルアセンブリの斜視図である。
【図６】図７に示されるノズルリムエッチングに関連したマスクである。
【図７】ノズル開口リムを形成するためのルーフ層のエッチングを示す図である。
【図８】図７に示されるノズルアセンブリの斜視図である。
【図９】図１０に示されるノズル開口エッチングに関連したマスクである。
【図１０】楕円形のノズル開口を形成するためのルーフ材料のエッチングを示す図である。
【図１１】図１０に示されるノズルアセンブリの斜視図である。
【図１２】第１及び第２の犠牲層の酸素プラズマアッシングを示す図である。
【図１３】図１２に示されるノズルアセンブリの斜視図である。
【図１４】アッシング後のノズルアセンブリ及びウェーハの反対側を示す図である。
【図１５】図１４に示されるノズルアセンブリの斜視図である。
【図１６】図１７に示される裏面エッチングに関連したマスクである。
【図１７】ウェーハ内にインク供給チャネルをエッチングする裏面エッチングを示す図である。
【図１８】図１７に示されるノズルアセンブリの斜視図である。
【図１９】疎水性ポリマーコーティングを付着させた後の図７のノズルアセンブリを示す図である。
【図２０】図１９に示されるノズルアセンブリの斜視図である。
【図２１】金属保護膜を付着させた後の図１９のノズルアセンブリを示す図である。
【図２２】金属保護膜、ポリマーコーティング及びノズルルーフを貫通してエッチングした後の図２１のノズルアセンブリを示す図である。
【図２３】裏面ＭＥＭＳ処理及びフォトレジスト除去後の完成したノズルアセンブリを示す図である。
【図２４】図２３に示されるノズルアセンブリの斜視図である。
【図２５】ノズルチャンバの側壁が形成される、ステップの第１のシーケンス後の部分的に製造された代替的インクジェットノズルアセンブリの側部断面図である。
【図２６】図２５に示される部分的に製造されたインクジェットノズルアセンブリの斜視図である。
【図２７】ノズルチャンバがポリイミドで満たされる、ステップの第２のシーケンス後の部分的に製造されたインクジェットノズルアセンブリの側部断面図である。
【図２８】図２７に示される部分的に製造されたインクジェットノズルアセンブリの斜視図である。
【図２９】接続ポストがチャンバルーフに向かって上向きに形成される、ステップの第３のシーケンス後の部分的に製造されたインクジェットノズルアセンブリの側部断面図である。
【図３０】図２９に示される部分的に製造されたインクジェットノズルアセンブリの斜視図である。
【図３１】導電性金属版が形成される、ステップの第４のシーケンス後の部分的に製造されたインクジェットノズルアセンブリの側部断面図である。
【図３２】図３１に示される部分的に製造されたインクジェットノズルアセンブリの斜視図である。
【図３３】サーマルベンドアクチュエータの能動ビーム部材が形成される、ステップの第５のシーケンス後の部分的に製造されたインクジェットノズルアセンブリの側部断面図である。
【図３４】図３３に示される部分的に製造されたインクジェットノズルアセンブリの斜視図である。
【図３５】ポリマー層でコーティングし、金属層で保護し、ノズル開口をエッチングした後の、ステップの第６のシーケンス後の部分的に製造されたインクジェットノズルアセンブリの側部断面図である。
【図３６】裏面ＭＥＭＳ処理及びフォトレジスト除去後の完成したインクジェットノズルアセンブリの側部断面図である。
【図３７】図３６に示されるインクジェットノズルアセンブリの破断斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００６８】
本発明は、任意のタイプの印刷ヘッドと共に使用することができる。本発明の出願人はこれまでに、非常に多数のインクジェット印刷ヘッドを説明してきた。本発明の理解のために、このような印刷ヘッドの全てをここで説明する必要はない。しかし、次に、サーマル気泡形成型インクジェット印刷ヘッド及び機械的サーマルベンド作動型インクジェット印刷ヘッドに関して本発明を説明する。本発明の利点は以下の議論から容易に明らかになるだろう。
【００６９】
サーマル気泡形成型インクジェット印刷ヘッド
図１を参照すると、複数のノズルアセンブリを備えた印刷ヘッドの一部分が示される。図２及び図３は、これらのノズルアセンブリのうちの１つを断面図及び破断斜視図で示す。
【００７０】
各ノズルアセンブリは、ＭＥＭＳ製造技法によってシリコンウェーハ基板２上に形成されたノズルチャンバ２４を備える。ノズルチャンバ２４は、ルーフ２１と、ルーフ２１からシリコン基板２まで延在する側壁２２とによって画定される。図１に示されるように、各ルーフは、印刷ヘッドの噴射面を横切って広がるノズル表面５６の部分によって画定される。ノズル表面５６と側壁２２は同じ材料から形成され、この材料は、ＭＥＭＳ製造中に犠牲フォトレジストスカフォルド（ｓｃａｆｆｏｌｄ）の上にＰＥＣＶＤによって付着させる。ノズル表面５６と側壁２２は一般に、二酸化シリコン、窒化シリコン等のセラミック材料から形成される。これらの硬質材料は、印刷ヘッドの頑丈さ対する優れた特性を有し、本来的に備わっているそれらの親水性は、毛管作用によってノズルチャンバ２４にインクを供給するのに有利である。しかしながら、ノズル表面５６の外面（インク噴射面）も親水性であり、このことがノズル表面に溢れ出たインクを広げさせる。
【００７１】
ノズルチャンバ２４の細部に戻ると、各ノズルチャンバ２４のルーフにノズル開口２６が画定されることが分かる。ノズル開口２６はそれぞれ一般に楕円形であり、関連するノズルリム２５を有する。ノズルリム２５は、印刷中のインク滴の指向性を助け、またノズル開口２６から溢れ出るインクを少なくともある程度は低減させる。ノズルチャンバ２４からインクを噴射するアクチュエータは、ノズル開口２６の下方に配置され、ピット８を横切って懸架されたヒータ要素２９である。ヒータ要素２９には、その下にある基板２のＣＭＯＳ層５の駆動回路に接続された電極９を通して電流が供給される。ヒータ要素２９に電流が流されると、ヒータ要素２９は周囲のインクを急速に過熱して気泡を形成し、気泡はノズル開口を通してインクを押し出す。ヒータ要素２９を懸架することによって、ノズルチャンバ２４にインクが注入されたときに、ヒータ要素２９はインク中に完全に浸される。より少ない熱がその下に横たわる基板２中へ放散し、より多くの入力エネルギーが気泡を生成するのに使用されるため、このことは印刷ヘッドの効率を向上させる。
【００７２】
図１に最も明らかに示されているように、ノズルは複数の列として配置され、列に沿って縦に延びるインク供給チャネル２７はその列の各ノズルにインクを供給する。インク供給チャネル２７は、各ノズルのインク入口通路１５にインクを送達し、インク入口通路１５は、ノズル開口２６の側方からインク導管２３を通してノズルチャンバ２４内にインクを供給する。
【００７３】
このような印刷ヘッドを製造するＭＥＭＳ製造プロセスが、２００５年１０月１１日に出願された本発明の出願人の以前の米国特許出願第１１／２４６、６８４号に詳細に記載されている。この明細書の内容は参照によって本明細書に組み込まれる。分かりやすくするため、この製造プロセスの終わりの方のいくつかの段階をここで再び簡単に説明する。
【００７４】
図４及び図５は、犠牲フォトレジスト１０（「ＳＡＣ１」）及び１６（「ＳＡＣ２」）を内包したノズルチャンバ２４を備えた部分的に製造された印刷ヘッドを示す。ＳＡＣ１フォトレジスト１０は、懸架されたヒータ要素２９を形成するためのヒータ材料を付着させるためのスカフォルドとして使用された。ＳＡＣ２フォトレジスト１６は、側壁２２及び（ノズル表面５６の部分を画定する）ルーフ２１を付着させるためのスカフォルドとして使用された。
【００７５】
図６〜図８を参照すると、この従来技術のプロセスでは、ＭＥＭＳ製造の次の段階で、ルーフ材料２０を２ミクロンエッチングすることによって、ルーフ２１内に楕円形のノズルリム２５を画定する。このエッチングは、図６に示されるダークトーンリムマスクによって露出させたフォトレジスト層（図示せず）を使用して画定される。楕円形のリム２５は、それらのそれぞれのサーマルアクチュエータ２９の上に配置された２つの同軸のリムリップ２５ａ及び２５ｂを含む。
【００７６】
図９〜図１１を参照すると、次の段階で、リム２５によって境界された残りのルーフ材料を貫通するまで完全にエッチングすることによって、ルーフ２１内に楕円形のノズル開口２６を画定する。このエッチングは、図９に示されるダークトーンルーフマスクによって露出させたフォトレジスト層（図示せず）を使用して画定される。図１１に示されるように、楕円形のノズル開口２６はサーマルアクチュエータ２９の上に配置される。
【００７７】
このようにして全てのＭＥＭＳノズル形状が完全に形成された後、次の段階で、ＳＡＣ１及びＳＡＣ２フォトレジスト層１０及び１６をＯ２プラズマアッシングによって除去する（図１２及び図１３）。図１４及び図１５は、ＳＡＣ１及びＳＡＣ２フォトレジスト層１０及び１６をアッシングした後のシリコンウェーハ２の全厚（１５０ミクロン）を示す。
【００７８】
図１６〜図１８を参照すると、ウェーハの前面ＭＥＭＳ処理が完了した後、インク入口１５と交わるように、標準異方性ＤＲＩＥを使用してウェーハの裏面からインク供給チャネル２７がエッチングされる。この裏面エッチングは、図１６に示されるダークトーンマスクによって露出させたフォトレジスト層（図示せず）を使用して画定される。インク供給チャネル２７は、ウェーハの裏面とインク入口１５との間を流体接続する。
【００７９】
最後に、図２及び図３を参照すると、裏面エッチングによってウェーハが約１３５ミクロンまで薄くされる。図１は、完成した印刷ヘッド集積回路の隣接する３つのノズル列の破断斜視図を示す。各ノズル列はその長さに沿って延び、各列の複数のインク入口１５にインクを供給するそれぞれのインク供給チャネル２７を有する。続いて、インク入口は、各列のインク導管２３にインクを供給し、各ノズルチャンバは、その列の共通のインク導管からインクを受け取る。
【００８０】
既に上で論じたように、この従来技術のＭＥＭＳ製造プロセスは、ノズル表面５６が二酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、窒化アルミニウム等のセラミック材料から形成されることにより、不可避的に親水性のインク噴射面を残す。
【００８１】
ノズル表面５６を疎水化するための好ましいプロセスにおいて（及び、参照によってその内容が本明細書に組み込まれる米国特許出願公開第２００９／０１３９９６１号に説明されるように）、ウェーハは、図７及び図８に例示される段階で、ノズルリムエッチングの直後に疎水性ポリマー８０でコーティングされる。
【００８２】
疎水性ポリマー１００の薄層（約１〜２ミクロン）は、ウェーハ上にスピンコートされ、ハードベーク（堅焼き）されて、図１９及び図２０に示される部分的に製造された印刷ヘッドをもたらす。
【００８３】
ここで図２１を参照すると、次いで、金属保護膜９０（厚さ約１００ｎｍ）は、ポリマー層８０上に付着される。金属膜は、チタン又はアルミニウムから一般的に成り、後期段階の酸化アッシング条件から疎水性ポリマー８０を保護する。従って、ポリマー層８０は侵食性アッシング条件に露出されず、ＭＥＭＳ処理ステップを通してその疎水的特徴を維持する。
【００８４】
図２２は、金属膜１１０、ポリマー層８０及びノズルルーフ２１を貫通してノズル開口２６をエッチングした後のウェーハを示す。このエッチングするステップは、全てのノズルをエッチングするステップのための共通のマスクとして従来のパターンフォトレジスト層（図示せず）を利用する。一般的なエッチングのシーケンスでは、金属膜９０は、最初に標準的ドライ金属エッチング（例えば、ＢＣｌ３／Ｃｌ２）又はウェット金属エッチング（例えば、Ｈ２Ｏ２又はＨＦ）のいずれかによってエッチングされる。次に、第２のドライエッチングが、ポリマー層８０及びノズルルーフ２１を貫通してエッチングするために使用される。典型的に、第２のエッチングステップは、Ｏ２及びフッ素化されたエッチングガス（例えば、ＳＦ６又はＣＦ４）を採用するドライエッチングである。
【００８５】
一旦、ノズル開口２６が図２２に示されるように画定されると、裏面ＭＥＭＳ処理ステップ（例えば、インク供給チャネルのエッチング、ウェーハの薄厚化等）、及び、後期段階のフォトレジストのアッシングが、図１４〜図１８に関して上記に説明したステップに類似する、知られた手順によって進められる。最終的にＨ２Ｏ２又はＨＦ洗浄を使用する金属膜９０が除去されると、図２３及び図２４に示される、疎水性ポリマー層８０を有する完成したノズルアセンブリが得られる。
【００８６】
サーマルベンドアクチュエータ印刷ヘッド
以上のことから、任意のタイプの印刷ヘッドが類似の態様で疎水化できることが理解できるだろう。しかし、ポリマーコーティングは、ポリマー層が印刷ヘッドの移動ルーフ部分と静止体との間の機械的シールとしての役目をするため、本発明の出願人のサーマルベンドアクチュエータノズルアセンブリで使用するのに特に有利である。これらの利点は、その内容が参照によって本明細書に組み込まれる本出願の出願人の米国特許出願公開２００８／０２２５０７６号に一層詳細に説明される。
【００８７】
図２５〜図３７は、その内容が参照によって本明細書に組み込まれる本出願の出願人の以前の米国特許出願公開第２００８／０３０９７２８号に説明されるインクジェットノズルアセンブリ１００のためのＭＥＭＳ製造ステップのシーケンスを示す。図３６及び図３７に示される完成したインクジェットノズルアセンブリ１００は、ルーフの移動部分が基板に向かって曲がり、その結果インクが噴射されるサーマルベンドアクチュエーションを利用する。
【００８８】
ＭＥＭＳ製造の開始点は、シリコンウェーハの上側部分にＣＭＯＳ駆動回路が形成された標準ＣＭＯＳウェーハである。ＭＥＭＳ製造プロセスの最後に、このウェーハは個別の印刷ヘッド集積回路（ＩＣ）にダイシングされ、各ＩＣは駆動回路及び複数のノズルアセンブリを備える。
【００８９】
図２５及び図２６に示されるように、基板１０１は上方部分に形成された電極１０２を有する。電極１０２は、インクジェットノズル１００のアクチュエータに電力を供給するための一組の隣接する電極（正極及び接地）である。電極は基板１０１の上方層でＣＭＯＳ駆動回路（図示せず）から電力を受け取る。
【００９０】
図２５及び図２６に示される他の電極１０３は、隣接するインクジェットノズルに電力を供給するためのものである。概して、図面は、ノズルアセンブリの列の内の１つであるノズルアセンブリのためのＭＥＭＳ製造ステップを示す。以下の説明は、これらのノズルアセンブリの１つに関する製造ステップに焦点を絞る。しかし、相当するステップがウェーハ上に形成される全てのノズルアセンブリについて同時に実施されることはもちろん理解されるだろう。隣接するノズルアセンブリが図面に部分的に示されるが、本目的のためにこれを無視できる。従って、電極１０３及び隣接するノズルアセンブリの全ての機能を本明細書では詳細に説明しない。実際、明確化のために、隣接するノズルアセンブリについてのＭＥＭＳ製造ステップは示されない。
【００９１】
図２５及び図２６に示されるステップのシーケンスにおいて、二酸化シリコンの８ミクロンの層が、最初に基板１０１上に付着される。二酸化シリコンの深さはインクジェットノズルのノズルチャンバ１０５の深さを画定する。ＳｉＯ２層を付着させた後に、それは、エッチングされて、図２６に最も明らかに示されるノズルチャンバ１０５の側壁になる壁部１０４を画定する。
【００９２】
次いで、図２７及び図２８に示されるように、ノズルチャンバ１０５は、後続の付着させるステップのための犠牲スカフォルドとしての役目をするフォトレジスト又はポリイミド１０６で満たされる。ポリイミド１０６は、標準的技法、ＵＶ硬化及び／又はハードベーク（堅焼き）を使用してウェーハ上にスピンコートされ、次いで、ＳｉＯ２の壁部１０４の最上部の表面で停止する化学機械研磨（ＣＭＰ）を受ける。
【００９３】
図２９及び図３０では、ノズルチャンバ１０５のルーフ部材１０７が形成され、且つ、電極１０２に向かって下向きに延在する高導電性接続ポスト１０８が形成される。最初に、ＳｉＯ２の１．７ミクロンの層がポリイミド１０６及び壁部１０４上に付着される。このＳｉＯ２層はノズルチャンバ１０５のルーフ１０７を画定する。次に、一対のビアホールが、標準異方性ＤＲＩＥを使用して壁部１０４内に電極１０２へ向かって下向きに形成される。このエッチングはそれぞれのビアホールを貫通して一対の電極１０２を露出させる。次に、ビアホールは、無電解メッキを使用して銅等の導電性の高い金属で満たされる。付着された銅ポスト１０８は、平らな構造をもたらすＳｉＯ２のルーフ部材１０７で停止するＣＭＰを受ける。無電解銅メッキ中に形成される銅接続ポスト１０８は、それぞれの電極１０２と交わって、ルーフ部材１０７に向かって上向きに線形の導電性経路をもたらすことが分かる。
【００９４】
図３１及び図３２では、金属パッド１０９が、ルーフ部材１０７及び接続ポスト１０８上にアルミニウムの０．３ミクロンの層を最初に付着することによって形成される。任意の導電性の高い金属（例えば、アルミニウム、チタン等）が使用でき、ノズルアセンブリの全体の平坦さに重大な影響を与えないように、約０．５ミクロン以下の厚さで付着される。金属パッド１０９は、熱弾性の能動ビーム部材の所定の「ベンド領域」内で接続ポスト１０８を覆い、ルーフ部材１０７上に配置される。
【００９５】
図３３及び図３４では、熱弾性の能動ビーム部材１１０が、ＳｉＯ２のルーフ１０７を覆って形成される。能動ビーム部材１１０に融着される効果によって、ＳｉＯ２のルーフ部材１０７の部分が、能動ビーム１１０及び受動ビーム１１６によって画定される機械的サーマルベンドアクチュエータの下方の受動ビーム部材１１６として機能する。熱弾性の能動ビーム部材１１０は、窒化チタン、窒化チタンアルミニウム及びアルミニウム合金等の任意の適切な熱弾性の材料から成り得る。本出願の出願人の以前の米国特許出願公開第２００８／０１２９７９３号（その内容は参照によって本明細書に組み込まれる）に説明されるように、バナジウム−アルミニウム合金が、高い熱膨張率、低い密度及び高いヤング率の有利な特性を兼ね備えるため、望ましい材料である。
【００９６】
能動ビーム部材１１０を形成するために、能動ビーム材の１．５ミクロンの層が標準的ＰＥＣＶＤによって最初に付着させる。次いで、ビーム材は、標準的金属エッチングを使用してエッチングされて、能動ビーム部材１１０を画定する。金属エッチングの完了後に、図３３及び図３４に示されるように、能動ビーム部材１１０は、各端部で接続ポスト１０８を介して正極及び接地の電極１０２に電気的に接続される部分的ノズル開口１１１及びビーム部材１１２を備える。平らなビーム部材１１２は、第１の（正極の）接続ポストの最上部から延出し、１８０度湾曲して、第２の（接地の）接続ポストの最上部に戻る。
【００９７】
更に、図３３及び図３４を参照すると、金属パッド１０９は、抵抗がより高い可能性のある領域の電流の流れを容易にするために配置される。１つの金属パッド１０９がビーム部材１１２のベンド領域に配置され、能動ビーム部材１１０と受動ビーム部材１１６との間に挟まれる。他の金属パッド１０９が、接続ポスト１０８の最上部とビーム部材１１２の端部との間に配置される。
【００９８】
図３５を参照すると、疎水性ポリマー層８０がウェーハ上に付着され、保護金属層９０（例えば、１００ｎｍアルミニウム）で覆われる。次いで、適切なマスキングの後、金属層９０、ポリマー層８０及びＳｉＯ２のルーフ部材１０７はエッチングされて、ノズル開口１１３及びルーフの移動部分１１４を完全に画定する。エッチングは、一般的には、図２２に関して上記に説明したような２段エッチングプロセスである。
【００９９】
移動部分１１４は、それ自体が能動ビーム部材１１０及び下に横たわる受動ビーム部材１１６から成るサーマルベンドアクチュエータ１１５を備える。ノズル開口１１３は、ノズル開口が作動中にアクチュエータと共に移動するように、ルーフの移動部分１１４内に画定される。ノズル開口１１３が、米国特許出願公開第２００８／０１２９７９３号に説明されるように移動部分１１４に対して静止している構成も可能であり、この構成も本発明の範囲内である。
【０１００】
ルーフの移動部分１１４の周りの外周の隙間又は空隙１１７は、ルーフの静止部分１１８から移動部分を分離する。この空隙１１７によって、移動部分１１４が、アクチュエータ１１５の作動時に基板１０１に向かってノズルチャンバ１０５内へ曲がることが可能になる。疎水性ポリマー層８０は空隙１１７を満たして、ルーフ１０７の移動部分１１４と静止部分１１８との間に機械的シールをもたらす。ポリマーは、作動中にインクが空隙１１７を通して漏れ出ることを防止しながら、アクチュエータが基板１０１に向かって曲がることを可能にするのに充分に低いヤング率を有する。
【０１０１】
最後のＭＥＭＳ処理ステップにおいて、図３６及び図３７に示されるように、インク供給チャネル１２０が、基板１０１の裏面からノズルチャンバ１０５まで貫通してエッチングされる。インク供給チャネル１２０は、図３６及び図３７では、ノズル開口１１３と整列して表されるが、もちろん、それをノズル開口からずらして配置することもできる。
【０１０２】
インク供給チャネルのエッチングに続いて、ノズルチャンバ１０５を満たしていたポリイミド１０６が酸化性プラズマ内でのアッシングによって除去され、金属膜９０がＨＦ又はＨ２Ｏ２洗浄によって除去されて、ノズルアセンブリ１００が得られる。
【０１０３】
ＭＳＱを備えるポリマー層
疎水性ポリマー層８０は、本出願の出願人の印刷ヘッドの重要な特徴であることが判明している。それは、全体の印刷品質を向上させるのに役立つように、印刷ヘッドの前面を疎水化するだけでなく、作動可能な状態に印刷ヘッドを維持するために採用される印刷ヘッド保守手段（例えば、ワイパーブレード）の平らな疎水性の表面をもたらすことによって印刷ヘッド保守も補助する。もちろん、上記のサーマルベンド作動型印刷ヘッド１００の場合において、ポリマー８０は、印刷ヘッドの本体からノズルの移動部分を機械的にシールする追加機能をもたらす。
【０１０４】
これまでに、本出願の出願人はポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）の使用を提案してきた。この材料は、ＭＥＭＳ製造プロセスに容易に組み込むことができ、サーマルベンドアクチュエーションを効果的にする優れた疎水性及びヤング率を有する。しかし、ＰＤＭＳは比較的劣った耐摩耗性を有し、例えば、ワイパーブレードと繰り返し接触することによって引っ掻かれるか、又は、そうでなければ損傷される恐れがある。
【０１０５】
ここで、本出願の出願人は、ポリシルセスキオキサンが、ＰＤＭＳの利点を全て維持しながら、更に、ＰＤＭＳより優れた耐摩耗性を提供することを発見した。ポリシルセスキオキサンは、重合シロキサン類、又は、シリコーンとして知られるポリマーの一般的分類に属し、実験式（ＲＳｉＯ１．５）ｎを有する。ここで、Ｒは水素又は有機グループであり、ｎはポリマー鎖の長さを表す整数である。有機グループは、Ｃ１−１２アルキル（例えば、メチル）、Ｃ１−１０アリール（例えば、フェニル）、又は、Ｃ１−１６アリールアルキル（例えば、ベンジル）であり得る。ポリマー鎖は、本技術分野で知られる任意の長さ（例えば、ｎが２〜１０、０００）を有することができる。
【０１０６】
ポリ（メチルシルセスキオキサン）及びポリ（フェニルシルセスキオキサン）等のポリ（アルキルシルセスキオキサン）及びポリ（アリルシルセスキオキサン）は、本出願の出願人の印刷ヘッドにおいてポリマー層８０として使用される場合、優れた疎水性、耐久性及び耐摩耗性を有することが示されている。例えば、ＭＳＱ又はＰＳＱでコーティングされる印刷ヘッドは、インク及び紙の繊維が１時間焼き付けられた後であっても、損傷なく、拭いて清掃できる。
【０１０７】
ポリ（メチルシルセスキオキサン）は、メチルシルセスキオキサン、ＭＳＱ、ＭＳＳＱ、ＰＭＳＱ及びＰＭＳＳＱとしても本技術分野で知られる。ポリ（フェニルシルセスキオキサン）は、フェニルシルセスキオキサン、ＰＳＱ、ＰＳＳＱ、ＰＰＳＱ及びＰＰＳＳＱとしても本技術分野で知られる。簡潔さのためにこれ以降、本出願の出願人は、ポリ（メチルシルセスキオキサン）をＭＳＱ、ポリ（フェニルシルセスキオキサン）をＰＳＱと呼ぶものとする。
【０１０８】
ＭＳＱは、低い誘電率（ｋ＝２．７）を有し、以前から絶縁材料として使用されている。しかし、ＭＥＭＳインクジェット印刷ヘッド用の疎水性コーティングとしてＭＳＱを使用することは、以前は知られていなかった。
【０１０９】
ＭＳＱ又はＰＳＱは、上記のＭＥＭＳ製造プロセスによってポリマー層８０として印刷ヘッドに組み込むことができる。ＭＳＱ又はＰＳＱ溶液は、約０．５〜５ミクロン（例えば、１ミクロン）の深さまでウェーハ上にスピンオン法で塗布され、ハードベーキングされて、ノズル板に接着することを促進し、印刷ヘッドに耐久性のあるインク噴射面を提供する。ハードベーキングは、ＵＶ硬化ステップを含むことができる。例えば、典型的なハードベーキングプロセスは以下のステップを含む。
１． コーティングの直後に２分間１１０℃で接触ベーク
２． 6.5分間３００℃で接触ベーク
３． １３０秒間ＵＶ露出（約１３００ｍＪ）
４． １時間オーブン硬化（１８０℃から始まり、約４℃／分で上昇）
上記の本出願の出願人のハードベーキングプロセスは、ＭＳＱ又はＰＳＱでコーティングされた優れた耐久性を有する印刷ヘッドをもたらすが、ハードベーキングは任意の従来の工程の次に実施できることが理解できるであろう。
【０１１０】
ＭＳＱ及びＰＳＱはそれぞれ、ＰＤＭＳよりも多少高い約３ＧＰａのヤング率を有する。しかし、本出願の出願人は、ポリマー層８０がＭＳＱ又はＰＳＱから成る場合、サーマルベンド作動型印刷ヘッドはそのより高いヤング率にもかかわらず更に効果的に作動することを発見した。更に、ＭＳＱ及びＰＳＱの全体の頑丈さは、通常、それらのより高いヤング率に起因する欠点を上回る。もちろん、移動部分がないサーマル気泡形成型印刷ヘッドでは、ポリマー層８０のヤング率はノズル作動と無関係である。
【０１１１】
本発明の発明者は、インクジェット印刷ヘッド技術において、ＭＳＱ又はＰＳＱの使用が有意義な飛躍的進歩を意味すると考えている。インクジェット印刷ヘッド、特に、ＭＥＭＳ製造プロセスによって製造されたものを疎水化することは、業界のプレーヤにとって非常に重大な問題とみなされていた。本発明の出願人は、ＭＳＱ又はＰＳＱはＭＥＭＳ製造プロセスに組み込むことができ、優れた耐久性及び耐摩耗性を有する疎水性インク噴射面をもたらすことができることを実例により説明した。この望ましい機能の組み合わせは、当技術分野で以前は達成されなかった。
【０１１２】
ナノ粒子を含むポリマー層
上記のように、ポリマーコーティングとして使用するのに、ＭＳＱ及びＰＳＱは、ＰＤＭＳを越える重大な利点を有するが、ＰＤＭＳがなお適切な材料である場合がある。例えば、低動力のサーマルベンド作動型印刷ヘッドでは、インク滴噴射エネルギーを最小にするのに、ＰＤＭＳのより低いヤング率は有利であり得る。例えば、ＰＤＭＳの低いヤング率以外の耐摩耗性の特徴を向上させることが望ましい。
【０１１３】
他のシナリオでは、印刷ヘッドのポリマーコーティングは、印刷ヘッドから噴出される特定の流体に適さない特性を有する場合がある。サーマルベンド作動型印刷ヘッドは水性及び非水性の液体の両方（例えば、ＯＬＥＤ印刷のためのポリマー）を噴射でき、印刷ヘッドのインク噴射面は、噴出される流体の固有の特性を補足する特徴を有することができることに注意すべきである。これらの特性には、例えば、流体の親水性、疎水性、粘性、表面張力及び／又は沸点があるだろう。
【０１１４】
代替的に、インク噴射面は、採用される特定のタイプの印刷ヘッド保守形態（例えば、参照によって本明細書に組み込まれる米国特許出願第１２／０１４、７７２号に説明されるような印刷ヘッドキャッピング／ワイピング、又は、参照によって本明細書に組み込まれる米国特許第７、４０１、８８６号に説明されるような印刷ヘッドフラッディング／非接触保守）を補足する特徴を有することができる。例えば、耐摩耗性は、印刷ヘッドとの接触を伴う印刷ヘッド保守形態には重要であるが、非接触保守形態にはさほど重要ではない。
【０１１５】
代替的に、インク噴射面は、特定のタイプのノズルアクチュエータを補足する特徴を有することができる。例えば、疲労抵抗は、ポリマー材料が印刷ヘッドの本体に対してノズルの移動部分をシールするサーマルベンドアクチュエータには重要である。しかし、疲労抵抗は、上記のサーマル気泡形成型ノズル等の移動しないノズルにはさほど重要ではない。
【０１１６】
ＭＥＭＳ製造プロセスを根本的に変更することなく、インク噴射面の特徴を「調整（ｔｕｎｅ）」する性能は、非常に望ましい。この「調整」は、例えば、インク噴射面の堅牢性、耐摩耗性、疲労抵抗及び／又は表面エネルギーの特徴を向上させることができる。些細な例として、ポリマー等の疎水性の液体を印刷する場合、インク噴射面は（水性インクの印刷と比較して）疎水性よりはむしろ比較的親水性であることが好ましい。
【０１１７】
ナノ粒子（「添加剤」として本技術分野で時に知られる）を混ぜ込まれたシリコーンポリマーを利用できるということは、シリコーンポリマー（例えば、ＰＤＭＳ、ＭＳＱ、ＰＳＱ）の特徴はそこに混ぜ込ませるナノ粒子を変更することにより修正できることを意味する。異なるナノ粒子を使用することで、ポリマー層８０によって画定されるインク噴射面の特徴を相応に「調整」する。
【０１１８】
もちろん、ナノ粒子は、特定の用途に応じた任意の適切なタイプ、サイズ及び形状であり得る。ナノ粒子は、無機粒子、有機粒子、又は、両方の組み合わせを含むことができる。無機ナノ粒子のいくつかの例として、金属酸化物、金属炭酸塩及び金属硫化物がある。更に具体的には、無機ナノ粒子は、例えば、シリカ（コロイド状シリカを含む）、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、炭酸カルシウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化銅、酸化クロム、酸化カルシウム、酸化タングステン、酸化鉄、酸化コバルト、硫酸バリウム等がある。有機ナノ粒子のいくつかの例として、架橋シリコーン樹脂粒子、（例えば、ＰＤＭＳ、ＭＳＱ、ＰＳＱ）、架橋ポリオレフィン樹脂粒子（例えば、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン）、架橋アクリル樹脂粒子、架橋スチレン−アクリル樹脂粒子、架橋ポリエステル樹脂粒子、ポリイミド粒子、メラミン樹脂粒子、カーボンナノチューブ等がある。
【０１１９】
本明細書で使用される際、用語「ナノ粒子」は１〜１０００ｎｍ、更に通常には１〜１００ｎｍ、及び、更に通常には１〜５０ｎｍの範囲の平均粒子サイズを有する粒子を指す。２０ｎｍの平均粒子サイズが概して好ましい。粒子は、単分散又は多分散であり得る。
【０１２０】
ナノ粒子は、１〜７０重量％の範囲の量で存在でき、任意で５〜６０重量％、任意で１０〜５０重量％で存在できる。ナノ粒子の存在量はポリマーフィルムの必要な特徴による。
【０１２１】
ナノ粒子は、当業者にはよく知られるゾル−ゲル法等の任意の適切なプロセスによってポリマーに混ぜ込むことができる。結果として生じるポリマーは、ハードベーキングが続くスピンオン法等の任意の適切なプロセスによって付着させることができる。
【０１２２】
シリカナノ粒子が混ぜ込まれたＰＤＭＳポリマーは本技術分野で知られ、そのようなポリマーは、本発明においてポリマー層８０として使用できる。シリカナノ粒子は、ＰＤＭＳポリマーに耐摩耗性及び疲労抵抗の所望の特徴を付与する。シリカ粒子の存在量によって、ＰＤＭＳは、幾つかの用途で有用な比較的親水性の表面も有することができる。
【０１２３】
幅広く記載された本発明の精神又は範囲から逸脱することなく、特定の実施形態に示されるような本発明に多数の変形及び／又は変更を加えることができるということを当業者なら理解するであろう。従って、本発明の実施形態は、あらゆる点で例示的なものであり、限定的なものではないとみなすべきである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プリンタの分野に関し、特にインクジェット印刷ヘッドの分野に関する。本発明は主に、高解像度印刷ヘッドの印刷品質及び印刷ヘッド保守を向上させるために開発された。
【背景技術】
【０００２】
多くの異なるタイプの印刷が発明され、そのうちの多数が現在も使用されている。知られている印刷形態は、適切なマーキング媒体で印刷媒体にマークを付ける様々な方法を有する。一般的に使用される印刷形態には、オフセット印刷、レーザ印刷及び複写装置、ドットマトリクス型インパクトプリンタ、感熱紙プリンタ、フィルムレコーダ、サーマルワックスプリンタ、染料昇華型プリンタ、ドロップオンデマンド型及び連続フロー型のインクジェットプリンタ等がある。費用、速度、品質、信頼性、構造及び動作の単純さ等を考えたとき、プリンタの各タイプにはそれ自体の利点及び問題がある。
【０００３】
近年、個々のそれぞれのインク画素を１つ又は複数のインクノズルから得るインクジェット印刷の分野が、主にその安価で汎用性のある性質のためにますます人気を集めている。
【０００４】
インクジェット印刷に関する多くの異なる技法が発明された。この分野を概観するためには、Ｊ Ｍｏｏｒｅによる記事「Ｎｏｎ−Ｉｍｐａｃｔ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ： Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌ Ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ」、Ｏｕｔｐｕｔ Ｈａｒｄ Ｃｏｐｙ Ｄｅｖｉｃｅｓ、Ｒ Ｄｕｂｅｃｋ及びＳ Ｓｈｅｒｒ編、２０７〜２２０ページ（１９８８年）を参照されたい。
【０００５】
インクジェットプリンタ自体には、多くの異なるタイプがある。インクジェット印刷における連続インク流の利用は、少なくとも１９２９年まで遡るようであり、Ｈａｎｓｅｌｌによる米国特許第１９４１００１号は、単純な形態の連続流静電式インクジェット印刷を開示している。
【０００６】
Ｓｗｅｅｔによる米国特許第３５９６２７５号も、インク滴の分離を引き起こすように高周波静電界によってインクジェット流が調節されるステップを含む、連続インクジェット印刷の方法を開示している。この技法は現在でも、Ｅｌｍｊｅｔ社及びＳｃｉｔｅｘ社を含むいくつかのメーカによって利用されている（Ｓｗｅｅｔ等による米国特許第３３７３４３７号も参照されたい）。
【０００７】
圧電インクジェットプリンタも一般的に利用されるインクジェット印刷装置の一形態である。圧電システムは、ダイアフラム（ｄｉａｐｈｒａｇｍ）動作モードを利用する米国特許第３９４６３９８号（１９７０年）においてＫｙｓｅｒ等によって、及び、圧電結晶のスクイーズ（ｓｑｕｅｅｚｅ）動作モードを開示した米国特許第３６８３２１２号（１９７０年）においてＺｏｌｔｅｎによって開示され、Ｓｔｅｍｍｅは、米国特許第３７４７１２０号（１９７２年）において圧電動作のベンド（ｂｅｎｄ）モードを開示し、Ｈｏｗｋｉｎｓは米国特許第４４５９６０１号においてインクジェット流の圧電プッシュ（ｐｕｓｈ）モード作動を開示し、Ｆｉｓｃｈｂｅｃｋは米国特許第４５８４５９０号において剪断（ｓｈｅａｒ）モード型の圧電トランスデューサ要素を開示する。
【０００８】
最近、サーマルインクジェット印刷が、極めて人気の高いインクジェット印刷形態となっている。インクジェット印刷技法には、英国特許２００７１６２号公報（１９７９年）においてＥｎｄｏ等によって、及び、米国特許第４４９０７２８号においてＶａｕｇｈｔ等によって開示された技法がある。上記の参照文献はともに、ノズル等の狭められた空間内で気泡を発生させ、それによって、この狭い空間に接続された開口から適切な印刷媒体上にインクを噴射させる電熱アクチュエータの活動化に依存したインクジェット印刷技法を開示した。電熱アクチュエータを利用する印刷装置は、Ｃａｎｏｎ（登録商標）社、Ｈｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ（登録商標）社等のメーカによって製造されている。
【０００９】
以上のことから分かるとおり、多くの異なるタイプの印刷技術が使用可能である。理想的には、１つの印刷技術がいくつかの望ましい属性を有するべきである。これらには、安価な構造及び動作、高速動作、安全な長期連続動作等が含まれる。それぞれの技術は、費用、速度、品質、信頼性、電力使用量、動作の構造の単純さ、耐久性及び消耗部品の領域においてそれ自体の利点及び欠点を有する。
【００１０】
インクジェット印刷システムの構築において、特に大規模印刷ヘッド、特にページ幅タイプの印刷ヘッドが構築されるときには、互いにトレードオフされなければならないかなりの数の重要な因子がある。以下に、これらの因子のいくつかを概説する。
【００１１】
第１に、インクジェット印刷ヘッドは通常、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）技法を利用して構築される。そのため、インクジェット印刷ヘッドは、シリコンウェーハ上に平らな層を付着させ、その平らな層のある部分をエッチングする標準集積回路構築／製造技法に依存する傾向がある。シリコン回路製造技術の範囲では、ある種の技法が他の技法よりもよく知られている。例えば、ＣＭＯＳ回路の製作に関連した技法は、強誘電体、ヒ化ガリウム等を含むエキゾチック（ｅｘｏｔｉｃ）回路の製作に関連した技法よりも容易に使用される可能性が高い。従って、ＭＥＭＳの構築では、「エキゾチック」プロセス又は材料を一切必要としない十分に証明された半導体製造技法を利用することが望ましい。もちろん、エキゾチック材料を使用する利点がエキゾチック材料を使用する欠点よりもはるかに大きく、よって、なんとかしてエキゾチック材料を利用した方が望ましいであろう場合には、ある程度のトレードオフが行われるだろう。しかしながら、より一般的な材料を使用して同じ又は同様の特性を達成することが可能な場合には、エキゾチック材料の問題を回避することができる。
【００１２】
インクジェット印刷ヘッドの望ましい特徴は、好ましくは、親水性のノズルチャンバ及びインク供給チャネルを組み合わせた疎水性のインク噴射面（「前面」又は「ノズル面」）の組合せであろう。親水性のノズルチャンバ及びインク供給チャネルは毛管作用を提供し、従って、親水性のノズルチャンバ及びインク供給チャネルは、ノズルチャンバへインクを注入し、各インク滴噴射後にノズルチャンバへインクを再供給するために最適である。疎水性の前面は、印刷ヘッドの前面を横切ってインクが溢れる傾向を最小化する。前面が疎水性であれば、水性のインクジェットインクはノズル開口から横に溢出しにくいと考えられる。更に、ノズル開口から溢れ出たインクは前面を横切って広がったり、前面上で混ざり合ったりしにくいと考えられ、その代わりに、ノズル開口から溢れ出たインクは、適当な保守操作によってより容易に処理することができる分離した球形の微小インク滴を形成する。
【００１３】
以上に、本出願は、印刷ヘッドの前面をコーティングし、疎水性の表面をもたらすためにＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）を使用することを説明した。しかし、ＰＤＭＳは、優れた疎水性の特性を有し、印刷ヘッドＭＥＭＳ製造プロセスに容易に組み込むことができる一方で、比較的劣った耐摩耗性を有し、印刷ヘッド保守（例えば、参照によって本明細書に組み込まれる２００８年１月１６日に出願された米国特許出願第１２／０１４、７７２号参照のこと）のために使用されるワイパーブレードによって引っ掻かれるか、又は、そうでなければ損傷される恐れがある。従って、ＭＥＭＳ製造プロセスによって容易に作製でき、良好な耐摩耗性を有する、疎水性のインク噴射面を有する印刷ヘッドを提供することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許第１９４１００１号
【特許文献２】米国特許第３５９６２７５号
【特許文献３】米国特許第３３７３４３７号
【特許文献４】米国特許第３９４６３９８号
【特許文献５】米国特許第３６８３２１２号
【特許文献６】米国特許第３７４７１２０号
【特許文献７】米国特許第４４５９６０１号
【特許文献８】米国特許第４５８４５９０号
【特許文献９】英国特許２００７１６２号公報
【特許文献１０】米国特許第４４９０７２８号
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】記事「Ｎｏｎ−Ｉｍｐａｃｔ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ： Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌ Ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ」、Ｏｕｔｐｕｔ Ｈａｒｄ Ｃｏｐｙ Ｄｅｖｉｃｅｓ、Ｒ Ｄｕｂｅｃｋ及びＳ Ｓｈｅｒｒ編、２０７〜２２０ページ（１９８８年）、Ｊ Ｍｏｏｒｅ著
【発明の概要】
【００１６】
第１の態様では、ポリシルセスキオキサンから成る疎水性ポリマー材料で少なくとも一部分がコーティングされたインク噴射面を有する印刷ヘッドを提供する。本発明による印刷ヘッドは、印刷ヘッドをインク噴射面との接触を伴う様々な印刷ヘッド保守操作（例えば、ワイピング）に適応させる優れた耐久性及び耐摩耗性を有する。更に、ポリシルセスキオキサンは、ＭＥＭＳ印刷ヘッド製造プロセスに容易に組み込まれるスピンオンプロセスによって、薄層（０．５〜２ミクロン）に付着できる。
【００１７】
任意で、ポリシルセスキオキサンが、ポリ（アルキルシルセスキオキサン）及びポリ（アリルシルセスキオキサン）からなる群から選択される。
【００１８】
任意で、ポリシルセスキオキサンが、ポリ（メチルシルセスキオキサン）及びポリ（フェニルシルセスキオキサン）からなる群から選択される。
【００１９】
任意で、ポリマー材料が、ＭＥＭＳ印刷ヘッド製造中に印刷ヘッドのノズル板上に付着されハードベーク（堅焼き（hardbake））される。
【００２０】
任意で、印刷ヘッドが、基板上に形成された複数のノズルアセンブリを具備し、各ノズルアセンブリは、ノズルチャンバと、ノズルチャンバのルーフに画定されたノズル開口と、ノズル開口を通してインクを噴射するためのアクチュエータとを備える。
【００２１】
任意で、ポリマー材料が印刷ヘッドのノズル板上にコーティングされ、ノズル板が各ノズルチャンバのルーフによって少なくとも部分的に画定される。
【００２２】
任意で、各ルーフが疎水性コーティングの効果によって各ノズルチャンバの内面と比較して疎水性である外面を有する。
【００２３】
任意で、各ノズルチャンバが、セラミック材料から成るルーフと側壁とを備える。
【００２４】
任意で、セラミック材料が、窒化シリコン、酸化ケイ素及び酸窒化シリコンからなる群から選択される。
【００２５】
任意で、ルーフが、各ノズルチャンバの側壁がノズル板と基板との間に延在するように、基板から間隔を置いて配置される。
【００２６】
任意で、アクチュエータが、気泡を形成するようにチャンバ内でインクを加熱し、それによって、ノズル開口を通してインク小滴を押し出すように構成されるヒータ要素である。
【００２７】
任意で、ヒータ要素がノズルチャンバ内に懸架される。
【００２８】
任意で、アクチュエータが、
駆動回路に接続する第１の能動要素と、
第１の要素と機械的に協働する第２の受動要素と
を備え、第１の要素を通して電流が流れる場合、第１の要素が第２の要素に対して膨張し、その結果、アクチュエータが曲がる、
サーマルベンドアクチュエータである。
【００２９】
任意で、サーマルベンドアクチュエータが各ノズルチャンバのルーフの少なくとも一部分を画定し、それによって、アクチュエータの作動が、ノズルチャンバのフロアに向かってルーフの移動部分を移動させる。
【００３０】
任意で、ノズル開口がルーフの移動部分内に画定される。
【００３１】
任意で、ノズル開口がルーフの静止部分内に画定される。
【００３２】
任意で、ポリマー材料がルーフの移動部分と静止部分との間の機械的シールを画定し、それによって、アクチュエータの作動中にインク漏れを最小にする。
【００３３】
第２の態様では、ナノ粒子が混ぜ込まれた重合シロキサン類から成るポリマー材料で少なくとも一部分がコーティングされるインク噴射面を有する印刷ヘッドを提供する。第２の態様によると、ナノ粒子は、ポリマーコーティングに耐久性、耐摩耗性、疲労抵抗、疎水性、親水性等の所望の特性を付与する。
【００３４】
任意で、重合シロキサン類が、ポリ（アルキルシルセスキオキサン）、ポリ（アリルシルセスキオキサン）及びポリジアルキルシロキサンからなる群から選択される。
【００３５】
任意で、重合シロキサン類が、ポリ（メチルシルセスキオキサン）、ポリ（フェニルシルセスキオキサン）及びポリジメチルシロキサンからなる群から選択される。
【００３６】
任意で、ナノ粒子が、無機ナノ粒子及び有機ナノ粒子からなる群から選択される。
【００３７】
任意で、無機ナノ粒子が、金属酸化物、金属炭酸塩及び金属硫化物からなる群から選択される。
【００３８】
任意で、無機ナノ粒子が、シリカ、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、炭酸カルシウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化銅、酸化クロム、酸化カルシウム、酸化タングステン、酸化鉄、酸化コバルト及び硫酸バリウムからなる群から選択される。
【００３９】
任意で、有機ナノ粒子が、架橋シリコーン樹脂粒子、架橋ポリオレフィン樹脂粒子、架橋アクリル樹脂粒子、架橋スチレン−アクリル樹脂粒子、架橋ポリエステル樹脂粒子、ポリイミド粒子、メラミン樹脂粒子及びカーボンナノチューブからなる群から選択される。
【００４０】
任意で、ナノ粒子が１〜７０重量％の範囲の量で重合シロキサン類に混ぜ込まれる。
【００４１】
任意で、ナノ粒子が、１〜１００ｎｍの範囲の平均粒子サイズを有する。
【００４２】
任意で、印刷ヘッドが、基板上に形成された複数のノズルアセンブリを具備し、各ノズルアセンブリは、ノズルチャンバと、ノズルチャンバのルーフに画定されたノズル開口と、ノズル開口を通してインクを噴射するためのアクチュエータとを備える。
【００４３】
任意で、ポリマー材料が印刷ヘッドのノズル板上にコーティングされ、ノズル板が各ノズルチャンバのルーフによって少なくとも部分的に画定される。
【００４４】
任意で、各ノズルチャンバが、窒化シリコン、酸化ケイ素及び酸窒化シリコンからなる群から選択されるセラミック材料から成るルーフと側壁とを備える。
【００４５】
任意で、ルーフが、各ノズルチャンバの側壁がノズル板と基板との間に延在するように、基板から間隔を置いて配置される。
【００４６】
任意で、アクチュエータが、気泡を形成するようにチャンバ内でインクを加熱し、それによって、ノズル開口を通してインク小滴を押し出すように構成されるヒータ要素である。
【００４７】
任意で、ヒータ要素がノズルチャンバ内に懸架される。
【００４８】
任意で、アクチュエータが、
駆動回路に接続する第１の能動要素と、
第１の要素と機械的に協働する第２の受動要素と
を備え、第１の要素を通して電流が流れる場合、第１の要素が第２の要素に対して膨張し、その結果、アクチュエータが曲がる、
サーマルベンドアクチュエータである。
【００４９】
任意で、サーマルベンドアクチュエータが各ノズルチャンバのルーフの少なくとも一部分を画定し、それによって、アクチュエータの作動が、ノズルチャンバのフロアに向かってルーフの移動部分を移動させる。
【００５０】
任意で、ノズル開口がルーフの移動部分、又は、ルーフの静止部分内に画定される。
【００５１】
任意で、ポリマー材料がルーフの移動部分と静止部分との間の機械的シールを画定し、それによって、アクチュエータの作動中にインク漏れを最小にする。
【００５２】
第３の態様では、ナノ粒子が混ぜ込まれたポリマー材料でコーティングされたインク噴射面を有し、ナノ粒子がインク噴射面に１つ又は複数の所与の特徴を付与し、所与の特徴は、
噴射可能な流体の固有の特性と、
印刷ヘッドに関連した印刷ヘッド保守形態と、
ノズルアクチュエータのタイプと、
の少なくとも１つを補足する、
噴射可能な流体を噴射するためのインクジェット印刷ヘッドを提供する。
【００５３】
第３の態様による本発明は、インク噴射面の表面の特徴をプリンタの所与の特徴に合わせることを可能にする。例えば、あるプリンタでは、印刷ヘッド保守が優先でき、他のプリンタでは、最適な流体噴射が優先できる。代替的に、ナノ粒子がプリンタの特徴を折衷するために選択できる。
【００５４】
任意で、１つ又は複数の所与の特徴が、親水性、疎水性、耐摩耗性及び疲労抵抗からなる群から選択される。
【００５５】
任意で、１つ又は複数の所与の特徴が、ナノ粒子の表面エネルギーの特徴、ナノ粒子のサイズ、ナノ粒子の量、及び、ナノ粒子の耐久特性の１つ又は複数によって付与される。
【００５６】
任意で、ナノ粒子が、無機ナノ粒子及び有機ナノ粒子からなる群から選択される。
【００５７】
任意で、無機ナノ粒子が、シリカ、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、炭酸カルシウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化銅、酸化クロム、酸化カルシウム、酸化タングステン、酸化鉄、酸化コバルト及び硫酸バリウムからなる群から選択される。
【００５８】
任意で、有機ナノ粒子が、架橋シリコーン樹脂粒子、架橋ポリオレフィン樹脂粒子、架橋アクリル樹脂粒子、架橋スチレン−アクリル樹脂粒子、架橋ポリエステル樹脂粒子、ポリイミド粒子、メラミン樹脂粒子及びカーボンナノチューブからなる群から選択される。
【００５９】
任意で、噴射可能な流体の固有の特性が、親水性、疎水性、粘性、表面張力及び沸点からなる群から選択される。
【００６０】
任意で、噴射可能な流体が、水性流体及び非水性流体からなる群から選択される。
【００６１】
任意で、印刷ヘッド保守形態が、印刷ヘッドキャッピング、印刷ヘッドワイピング、印刷ヘッドフラッディング及び非接触インク除去からなる群から選択される１つ又は複数の作動を備える。
【００６２】
任意で、ポリマー材料が重合シロキサン類から成る。
【００６３】
任意で、重合シロキサン類が、ポリ（アルキルシルセスキオキサン）、ポリ（アリルシルセスキオキサン）及びポリジアルキルシロキサンからなる群から選択される。
【００６４】
任意で、重合シロキサン類が、ポリ（メチルシルセスキオキサン）、ポリ（フェニルシルセスキオキサン）及びポリジメチルシロキサンからなる群から選択される。
【００６５】
第３の態様による印刷ヘッドの他の任意の実施形態は、第１及び第２の態様による任意の実施形態と全く同一である。
【００６６】
ここで添付図面を参照して、本発明の任意の実施形態を単に例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】サーマルインクジェット印刷ヘッドのノズルアセンブリのアレイの部分斜視図である。
【図２】図１に示されるノズルアセンブリ単位セルの側面図である。
【図３】図２に示されるノズルアセンブリの斜視図である。
【図４】犠牲フォトレジスト層上に側壁及びルーフ材料を付着させた後の部分的に形成されたノズルアセンブリを示す図である。
【図５】図４に示されるノズルアセンブリの斜視図である。
【図６】図７に示されるノズルリムエッチングに関連したマスクである。
【図７】ノズル開口リムを形成するためのルーフ層のエッチングを示す図である。
【図８】図７に示されるノズルアセンブリの斜視図である。
【図９】図１０に示されるノズル開口エッチングに関連したマスクである。
【図１０】楕円形のノズル開口を形成するためのルーフ材料のエッチングを示す図である。
【図１１】図１０に示されるノズルアセンブリの斜視図である。
【図１２】第１及び第２の犠牲層の酸素プラズマアッシングを示す図である。
【図１３】図１２に示されるノズルアセンブリの斜視図である。
【図１４】アッシング後のノズルアセンブリ及びウェーハの反対側を示す図である。
【図１５】図１４に示されるノズルアセンブリの斜視図である。
【図１６】図１７に示される裏面エッチングに関連したマスクである。
【図１７】ウェーハ内にインク供給チャネルをエッチングする裏面エッチングを示す図である。
【図１８】図１７に示されるノズルアセンブリの斜視図である。
【図１９】疎水性ポリマーコーティングを付着させた後の図７のノズルアセンブリを示す図である。
【図２０】図１９に示されるノズルアセンブリの斜視図である。
【図２１】金属保護膜を付着させた後の図１９のノズルアセンブリを示す図である。
【図２２】金属保護膜、ポリマーコーティング及びノズルルーフを貫通してエッチングした後の図２１のノズルアセンブリを示す図である。
【図２３】裏面ＭＥＭＳ処理及びフォトレジスト除去後の完成したノズルアセンブリを示す図である。
【図２４】図２３に示されるノズルアセンブリの斜視図である。
【図２５】ノズルチャンバの側壁が形成される、ステップの第１のシーケンス後の部分的に製造された代替的インクジェットノズルアセンブリの側部断面図である。
【図２６】図２５に示される部分的に製造されたインクジェットノズルアセンブリの斜視図である。
【図２７】ノズルチャンバがポリイミドで満たされる、ステップの第２のシーケンス後の部分的に製造されたインクジェットノズルアセンブリの側部断面図である。
【図２８】図２７に示される部分的に製造されたインクジェットノズルアセンブリの斜視図である。
【図２９】接続ポストがチャンバルーフに向かって上向きに形成される、ステップの第３のシーケンス後の部分的に製造されたインクジェットノズルアセンブリの側部断面図である。
【図３０】図２９に示される部分的に製造されたインクジェットノズルアセンブリの斜視図である。
【図３１】導電性金属版が形成される、ステップの第４のシーケンス後の部分的に製造されたインクジェットノズルアセンブリの側部断面図である。
【図３２】図３１に示される部分的に製造されたインクジェットノズルアセンブリの斜視図である。
【図３３】サーマルベンドアクチュエータの能動ビーム部材が形成される、ステップの第５のシーケンス後の部分的に製造されたインクジェットノズルアセンブリの側部断面図である。
【図３４】図３３に示される部分的に製造されたインクジェットノズルアセンブリの斜視図である。
【図３５】ポリマー層でコーティングし、金属層で保護し、ノズル開口をエッチングした後の、ステップの第６のシーケンス後の部分的に製造されたインクジェットノズルアセンブリの側部断面図である。
【図３６】裏面ＭＥＭＳ処理及びフォトレジスト除去後の完成したインクジェットノズルアセンブリの側部断面図である。
【図３７】図３６に示されるインクジェットノズルアセンブリの破断斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００６８】
本発明は、任意のタイプの印刷ヘッドと共に使用することができる。本発明の出願人はこれまでに、非常に多数のインクジェット印刷ヘッドを説明してきた。本発明の理解のために、このような印刷ヘッドの全てをここで説明する必要はない。しかし、次に、サーマル気泡形成型インクジェット印刷ヘッド及び機械的サーマルベンド作動型インクジェット印刷ヘッドに関して本発明を説明する。本発明の利点は以下の議論から容易に明らかになるだろう。
【００６９】
サーマル気泡形成型インクジェット印刷ヘッド
図１を参照すると、複数のノズルアセンブリを備えた印刷ヘッドの一部分が示される。図２及び図３は、これらのノズルアセンブリのうちの１つを断面図及び破断斜視図で示す。
【００７０】
各ノズルアセンブリは、ＭＥＭＳ製造技法によってシリコンウェーハ基板２上に形成されたノズルチャンバ２４を備える。ノズルチャンバ２４は、ルーフ２１と、ルーフ２１からシリコン基板２まで延在する側壁２２とによって画定される。図１に示されるように、各ルーフは、印刷ヘッドの噴射面を横切って広がるノズル表面５６の部分によって画定される。ノズル表面５６と側壁２２は同じ材料から形成され、この材料は、ＭＥＭＳ製造中に犠牲フォトレジストスカフォルド（ｓｃａｆｆｏｌｄ）の上にＰＥＣＶＤによって付着させる。ノズル表面５６と側壁２２は一般に、二酸化シリコン、窒化シリコン等のセラミック材料から形成される。これらの硬質材料は、印刷ヘッドの頑丈さ対する優れた特性を有し、本来的に備わっているそれらの親水性は、毛管作用によってノズルチャンバ２４にインクを供給するのに有利である。しかしながら、ノズル表面５６の外面（インク噴射面）も親水性であり、このことがノズル表面に溢れ出たインクを広げさせる。
【００７１】
ノズルチャンバ２４の細部に戻ると、各ノズルチャンバ２４のルーフにノズル開口２６が画定されることが分かる。ノズル開口２６はそれぞれ一般に楕円形であり、関連するノズルリム２５を有する。ノズルリム２５は、印刷中のインク滴の指向性を助け、またノズル開口２６から溢れ出るインクを少なくともある程度は低減させる。ノズルチャンバ２４からインクを噴射するアクチュエータは、ノズル開口２６の下方に配置され、ピット８を横切って懸架されたヒータ要素２９である。ヒータ要素２９には、その下にある基板２のＣＭＯＳ層５の駆動回路に接続された電極９を通して電流が供給される。ヒータ要素２９に電流が流されると、ヒータ要素２９は周囲のインクを急速に過熱して気泡を形成し、気泡はノズル開口を通してインクを押し出す。ヒータ要素２９を懸架することによって、ノズルチャンバ２４にインクが注入されたときに、ヒータ要素２９はインク中に完全に浸される。より少ない熱がその下に横たわる基板２中へ放散し、より多くの入力エネルギーが気泡を生成するのに使用されるため、このことは印刷ヘッドの効率を向上させる。
【００７２】
図１に最も明らかに示されているように、ノズルは複数の列として配置され、列に沿って縦に延びるインク供給チャネル２７はその列の各ノズルにインクを供給する。インク供給チャネル２７は、各ノズルのインク入口通路１５にインクを送達し、インク入口通路１５は、ノズル開口２６の側方からインク導管２３を通してノズルチャンバ２４内にインクを供給する。
【００７３】
このような印刷ヘッドを製造するＭＥＭＳ製造プロセスが、２００５年１０月１１日に出願された本発明の出願人の以前の米国特許出願第１１／２４６、６８４号に詳細に記載されている。この明細書の内容は参照によって本明細書に組み込まれる。分かりやすくするため、この製造プロセスの終わりの方のいくつかの段階をここで再び簡単に説明する。
【００７４】
図４及び図５は、犠牲フォトレジスト１０（「ＳＡＣ１」）及び１６（「ＳＡＣ２」）を内包したノズルチャンバ２４を備えた部分的に製造された印刷ヘッドを示す。ＳＡＣ１フォトレジスト１０は、懸架されたヒータ要素２９を形成するためのヒータ材料を付着させるためのスカフォルドとして使用された。ＳＡＣ２フォトレジスト１６は、側壁２２及び（ノズル表面５６の部分を画定する）ルーフ２１を付着させるためのスカフォルドとして使用された。
【００７５】
図６〜図８を参照すると、この従来技術のプロセスでは、ＭＥＭＳ製造の次の段階で、ルーフ材料２０を２ミクロンエッチングすることによって、ルーフ２１内に楕円形のノズルリム２５を画定する。このエッチングは、図６に示されるダークトーンリムマスクによって露出させたフォトレジスト層（図示せず）を使用して画定される。楕円形のリム２５は、それらのそれぞれのサーマルアクチュエータ２９の上に配置された２つの同軸のリムリップ２５ａ及び２５ｂを含む。
【００７６】
図９〜図１１を参照すると、次の段階で、リム２５によって境界された残りのルーフ材料を貫通するまで完全にエッチングすることによって、ルーフ２１内に楕円形のノズル開口２６を画定する。このエッチングは、図９に示されるダークトーンルーフマスクによって露出させたフォトレジスト層（図示せず）を使用して画定される。図１１に示されるように、楕円形のノズル開口２６はサーマルアクチュエータ２９の上に配置される。
【００７７】
このようにして全てのＭＥＭＳノズル形状が完全に形成された後、次の段階で、ＳＡＣ１及びＳＡＣ２フォトレジスト層１０及び１６をＯ２プラズマアッシングによって除去する（図１２及び図１３）。図１４及び図１５は、ＳＡＣ１及びＳＡＣ２フォトレジスト層１０及び１６をアッシングした後のシリコンウェーハ２の全厚（１５０ミクロン）を示す。
【００７８】
図１６〜図１８を参照すると、ウェーハの前面ＭＥＭＳ処理が完了した後、インク入口１５と交わるように、標準異方性ＤＲＩＥを使用してウェーハの裏面からインク供給チャネル２７がエッチングされる。この裏面エッチングは、図１６に示されるダークトーンマスクによって露出させたフォトレジスト層（図示せず）を使用して画定される。インク供給チャネル２７は、ウェーハの裏面とインク入口１５との間を流体接続する。
【００７９】
最後に、図２及び図３を参照すると、裏面エッチングによってウェーハが約１３５ミクロンまで薄くされる。図１は、完成した印刷ヘッド集積回路の隣接する３つのノズル列の破断斜視図を示す。各ノズル列はその長さに沿って延び、各列の複数のインク入口１５にインクを供給するそれぞれのインク供給チャネル２７を有する。続いて、インク入口は、各列のインク導管２３にインクを供給し、各ノズルチャンバは、その列の共通のインク導管からインクを受け取る。
【００８０】
既に上で論じたように、この従来技術のＭＥＭＳ製造プロセスは、ノズル表面５６が二酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、窒化アルミニウム等のセラミック材料から形成されることにより、不可避的に親水性のインク噴射面を残す。
【００８１】
ノズル表面５６を疎水化するための好ましいプロセスにおいて（及び、参照によってその内容が本明細書に組み込まれる米国特許出願公開第２００９／０１３９９６１号に説明されるように）、ウェーハは、図７及び図８に例示される段階で、ノズルリムエッチングの直後に疎水性ポリマー８０でコーティングされる。
【００８２】
疎水性ポリマー１００の薄層（約１〜２ミクロン）は、ウェーハ上にスピンコートされ、ハードベーク（堅焼き）されて、図１９及び図２０に示される部分的に製造された印刷ヘッドをもたらす。
【００８３】
ここで図２１を参照すると、次いで、金属保護膜９０（厚さ約１００ｎｍ）は、ポリマー層８０上に付着される。金属膜は、チタン又はアルミニウムから一般的に成り、後期段階の酸化アッシング条件から疎水性ポリマー８０を保護する。従って、ポリマー層８０は侵食性アッシング条件に露出されず、ＭＥＭＳ処理ステップを通してその疎水的特徴を維持する。
【００８４】
図２２は、金属膜１１０、ポリマー層８０及びノズルルーフ２１を貫通してノズル開口２６をエッチングした後のウェーハを示す。このエッチングするステップは、全てのノズルをエッチングするステップのための共通のマスクとして従来のパターンフォトレジスト層（図示せず）を利用する。一般的なエッチングのシーケンスでは、金属膜９０は、最初に標準的ドライ金属エッチング（例えば、ＢＣｌ３／Ｃｌ２）又はウェット金属エッチング（例えば、Ｈ２Ｏ２又はＨＦ）のいずれかによってエッチングされる。次に、第２のドライエッチングが、ポリマー層８０及びノズルルーフ２１を貫通してエッチングするために使用される。典型的に、第２のエッチングステップは、Ｏ２及びフッ素化されたエッチングガス（例えば、ＳＦ６又はＣＦ４）を採用するドライエッチングである。
【００８５】
一旦、ノズル開口２６が図２２に示されるように画定されると、裏面ＭＥＭＳ処理ステップ（例えば、インク供給チャネルのエッチング、ウェーハの薄厚化等）、及び、後期段階のフォトレジストのアッシングが、図１４〜図１８に関して上記に説明したステップに類似する、知られた手順によって進められる。最終的にＨ２Ｏ２又はＨＦ洗浄を使用する金属膜９０が除去されると、図２３及び図２４に示される、疎水性ポリマー層８０を有する完成したノズルアセンブリが得られる。
【００８６】
サーマルベンドアクチュエータ印刷ヘッド
以上のことから、任意のタイプの印刷ヘッドが類似の態様で疎水化できることが理解できるだろう。しかし、ポリマーコーティングは、ポリマー層が印刷ヘッドの移動ルーフ部分と静止体との間の機械的シールとしての役目をするため、本発明の出願人のサーマルベンドアクチュエータノズルアセンブリで使用するのに特に有利である。これらの利点は、その内容が参照によって本明細書に組み込まれる本出願の出願人の米国特許出願公開２００８／０２２５０７６号に一層詳細に説明される。
【００８７】
図２５〜図３７は、その内容が参照によって本明細書に組み込まれる本出願の出願人の以前の米国特許出願公開第２００８／０３０９７２８号に説明されるインクジェットノズルアセンブリ１００のためのＭＥＭＳ製造ステップのシーケンスを示す。図３６及び図３７に示される完成したインクジェットノズルアセンブリ１００は、ルーフの移動部分が基板に向かって曲がり、その結果インクが噴射されるサーマルベンドアクチュエーションを利用する。
【００８８】
ＭＥＭＳ製造の開始点は、シリコンウェーハの上側部分にＣＭＯＳ駆動回路が形成された標準ＣＭＯＳウェーハである。ＭＥＭＳ製造プロセスの最後に、このウェーハは個別の印刷ヘッド集積回路（ＩＣ）にダイシングされ、各ＩＣは駆動回路及び複数のノズルアセンブリを備える。
【００８９】
図２５及び図２６に示されるように、基板１０１は上方部分に形成された電極１０２を有する。電極１０２は、インクジェットノズル１００のアクチュエータに電力を供給するための一組の隣接する電極（正極及び接地）である。電極は基板１０１の上方層でＣＭＯＳ駆動回路（図示せず）から電力を受け取る。
【００９０】
図２５及び図２６に示される他の電極１０３は、隣接するインクジェットノズルに電力を供給するためのものである。概して、図面は、ノズルアセンブリの列の内の１つであるノズルアセンブリのためのＭＥＭＳ製造ステップを示す。以下の説明は、これらのノズルアセンブリの１つに関する製造ステップに焦点を絞る。しかし、相当するステップがウェーハ上に形成される全てのノズルアセンブリについて同時に実施されることはもちろん理解されるだろう。隣接するノズルアセンブリが図面に部分的に示されるが、本目的のためにこれを無視できる。従って、電極１０３及び隣接するノズルアセンブリの全ての機能を本明細書では詳細に説明しない。実際、明確化のために、隣接するノズルアセンブリについてのＭＥＭＳ製造ステップは示されない。
【００９１】
図２５及び図２６に示されるステップのシーケンスにおいて、二酸化シリコンの８ミクロンの層が、最初に基板１０１上に付着される。二酸化シリコンの深さはインクジェットノズルのノズルチャンバ１０５の深さを画定する。ＳｉＯ２層を付着させた後に、それは、エッチングされて、図２６に最も明らかに示されるノズルチャンバ１０５の側壁になる壁部１０４を画定する。
【００９２】
次いで、図２７及び図２８に示されるように、ノズルチャンバ１０５は、後続の付着させるステップのための犠牲スカフォルドとしての役目をするフォトレジスト又はポリイミド１０６で満たされる。ポリイミド１０６は、標準的技法、ＵＶ硬化及び／又はハードベーク（堅焼き）を使用してウェーハ上にスピンコートされ、次いで、ＳｉＯ２の壁部１０４の最上部の表面で停止する化学機械研磨（ＣＭＰ）を受ける。
【００９３】
図２９及び図３０では、ノズルチャンバ１０５のルーフ部材１０７が形成され、且つ、電極１０２に向かって下向きに延在する高導電性接続ポスト１０８が形成される。最初に、ＳｉＯ２の１．７ミクロンの層がポリイミド１０６及び壁部１０４上に付着される。このＳｉＯ２層はノズルチャンバ１０５のルーフ１０７を画定する。次に、一対のビアホールが、標準異方性ＤＲＩＥを使用して壁部１０４内に電極１０２へ向かって下向きに形成される。このエッチングはそれぞれのビアホールを貫通して一対の電極１０２を露出させる。次に、ビアホールは、無電解メッキを使用して銅等の導電性の高い金属で満たされる。付着された銅ポスト１０８は、平らな構造をもたらすＳｉＯ２のルーフ部材１０７で停止するＣＭＰを受ける。無電解銅メッキ中に形成される銅接続ポスト１０８は、それぞれの電極１０２と交わって、ルーフ部材１０７に向かって上向きに線形の導電性経路をもたらすことが分かる。
【００９４】
図３１及び図３２では、金属パッド１０９が、ルーフ部材１０７及び接続ポスト１０８上にアルミニウムの０．３ミクロンの層を最初に付着することによって形成される。任意の導電性の高い金属（例えば、アルミニウム、チタン等）が使用でき、ノズルアセンブリの全体の平坦さに重大な影響を与えないように、約０．５ミクロン以下の厚さで付着される。金属パッド１０９は、熱弾性の能動ビーム部材の所定の「ベンド領域」内で接続ポスト１０８を覆い、ルーフ部材１０７上に配置される。
【００９５】
図３３及び図３４では、熱弾性の能動ビーム部材１１０が、ＳｉＯ２のルーフ１０７を覆って形成される。能動ビーム部材１１０に融着される効果によって、ＳｉＯ２のルーフ部材１０７の部分が、能動ビーム１１０及び受動ビーム１１６によって画定される機械的サーマルベンドアクチュエータの下方の受動ビーム部材１１６として機能する。熱弾性の能動ビーム部材１１０は、窒化チタン、窒化チタンアルミニウム及びアルミニウム合金等の任意の適切な熱弾性の材料から成り得る。本出願の出願人の以前の米国特許出願公開第２００８／０１２９７９３号（その内容は参照によって本明細書に組み込まれる）に説明されるように、バナジウム−アルミニウム合金が、高い熱膨張率、低い密度及び高いヤング率の有利な特性を兼ね備えるため、望ましい材料である。
【００９６】
能動ビーム部材１１０を形成するために、能動ビーム材の１．５ミクロンの層が標準的ＰＥＣＶＤによって最初に付着させる。次いで、ビーム材は、標準的金属エッチングを使用してエッチングされて、能動ビーム部材１１０を画定する。金属エッチングの完了後に、図３３及び図３４に示されるように、能動ビーム部材１１０は、各端部で接続ポスト１０８を介して正極及び接地の電極１０２に電気的に接続される部分的ノズル開口１１１及びビーム部材１１２を備える。平らなビーム部材１１２は、第１の（正極の）接続ポストの最上部から延出し、１８０度湾曲して、第２の（接地の）接続ポストの最上部に戻る。
【００９７】
更に、図３３及び図３４を参照すると、金属パッド１０９は、抵抗がより高い可能性のある領域の電流の流れを容易にするために配置される。１つの金属パッド１０９がビーム部材１１２のベンド領域に配置され、能動ビーム部材１１０と受動ビーム部材１１６との間に挟まれる。他の金属パッド１０９が、接続ポスト１０８の最上部とビーム部材１１２の端部との間に配置される。
【００９８】
図３５を参照すると、疎水性ポリマー層８０がウェーハ上に付着され、保護金属層９０（例えば、１００ｎｍアルミニウム）で覆われる。次いで、適切なマスキングの後、金属層９０、ポリマー層８０及びＳｉＯ２のルーフ部材１０７はエッチングされて、ノズル開口１１３及びルーフの移動部分１１４を完全に画定する。エッチングは、一般的には、図２２に関して上記に説明したような２段エッチングプロセスである。
【００９９】
移動部分１１４は、それ自体が能動ビーム部材１１０及び下に横たわる受動ビーム部材１１６から成るサーマルベンドアクチュエータ１１５を備える。ノズル開口１１３は、ノズル開口が作動中にアクチュエータと共に移動するように、ルーフの移動部分１１４内に画定される。ノズル開口１１３が、米国特許出願公開第２００８／０１２９７９３号に説明されるように移動部分１１４に対して静止している構成も可能であり、この構成も本発明の範囲内である。
【０１００】
ルーフの移動部分１１４の周りの外周の隙間又は空隙１１７は、ルーフの静止部分１１８から移動部分を分離する。この空隙１１７によって、移動部分１１４が、アクチュエータ１１５の作動時に基板１０１に向かってノズルチャンバ１０５内へ曲がることが可能になる。疎水性ポリマー層８０は空隙１１７を満たして、ルーフ１０７の移動部分１１４と静止部分１１８との間に機械的シールをもたらす。ポリマーは、作動中にインクが空隙１１７を通して漏れ出ることを防止しながら、アクチュエータが基板１０１に向かって曲がることを可能にするのに充分に低いヤング率を有する。
【０１０１】
最後のＭＥＭＳ処理ステップにおいて、図３６及び図３７に示されるように、インク供給チャネル１２０が、基板１０１の裏面からノズルチャンバ１０５まで貫通してエッチングされる。インク供給チャネル１２０は、図３６及び図３７では、ノズル開口１１３と整列して表されるが、もちろん、それをノズル開口からずらして配置することもできる。
【０１０２】
インク供給チャネルのエッチングに続いて、ノズルチャンバ１０５を満たしていたポリイミド１０６が酸化性プラズマ内でのアッシングによって除去され、金属膜９０がＨＦ又はＨ２Ｏ２洗浄によって除去されて、ノズルアセンブリ１００が得られる。
【０１０３】
ＭＳＱを備えるポリマー層
疎水性ポリマー層８０は、本出願の出願人の印刷ヘッドの重要な特徴であることが判明している。それは、全体の印刷品質を向上させるのに役立つように、印刷ヘッドの前面を疎水化するだけでなく、作動可能な状態に印刷ヘッドを維持するために採用される印刷ヘッド保守手段（例えば、ワイパーブレード）の平らな疎水性の表面をもたらすことによって印刷ヘッド保守も補助する。もちろん、上記のサーマルベンド作動型印刷ヘッド１００の場合において、ポリマー８０は、印刷ヘッドの本体からノズルの移動部分を機械的にシールする追加機能をもたらす。
【０１０４】
これまでに、本出願の出願人はポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）の使用を提案してきた。この材料は、ＭＥＭＳ製造プロセスに容易に組み込むことができ、サーマルベンドアクチュエーションを効果的にする優れた疎水性及びヤング率を有する。しかし、ＰＤＭＳは比較的劣った耐摩耗性を有し、例えば、ワイパーブレードと繰り返し接触することによって引っ掻かれるか、又は、そうでなければ損傷される恐れがある。
【０１０５】
ここで、本出願の出願人は、ポリシルセスキオキサンが、ＰＤＭＳの利点を全て維持しながら、更に、ＰＤＭＳより優れた耐摩耗性を提供することを発見した。ポリシルセスキオキサンは、重合シロキサン類、又は、シリコーンとして知られるポリマーの一般的分類に属し、実験式（ＲＳｉＯ１．５）ｎを有する。ここで、Ｒは水素又は有機グループであり、ｎはポリマー鎖の長さを表す整数である。有機グループは、Ｃ１−１２アルキル（例えば、メチル）、Ｃ１−１０アリール（例えば、フェニル）、又は、Ｃ１−１６アリールアルキル（例えば、ベンジル）であり得る。ポリマー鎖は、本技術分野で知られる任意の長さ（例えば、ｎが２〜１０、０００）を有することができる。
【０１０６】
ポリ（メチルシルセスキオキサン）及びポリ（フェニルシルセスキオキサン）等のポリ（アルキルシルセスキオキサン）及びポリ（アリルシルセスキオキサン）は、本出願の出願人の印刷ヘッドにおいてポリマー層８０として使用される場合、優れた疎水性、耐久性及び耐摩耗性を有することが示されている。例えば、ＭＳＱ又はＰＳＱでコーティングされる印刷ヘッドは、インク及び紙の繊維が１時間焼き付けられた後であっても、損傷なく、拭いて清掃できる。
【０１０７】
ポリ（メチルシルセスキオキサン）は、メチルシルセスキオキサン、ＭＳＱ、ＭＳＳＱ、ＰＭＳＱ及びＰＭＳＳＱとしても本技術分野で知られる。ポリ（フェニルシルセスキオキサン）は、フェニルシルセスキオキサン、ＰＳＱ、ＰＳＳＱ、ＰＰＳＱ及びＰＰＳＳＱとしても本技術分野で知られる。簡潔さのためにこれ以降、本出願の出願人は、ポリ（メチルシルセスキオキサン）をＭＳＱ、ポリ（フェニルシルセスキオキサン）をＰＳＱと呼ぶものとする。
【０１０８】
ＭＳＱは、低い誘電率（ｋ＝２．７）を有し、以前から絶縁材料として使用されている。しかし、ＭＥＭＳインクジェット印刷ヘッド用の疎水性コーティングとしてＭＳＱを使用することは、以前は知られていなかった。
【０１０９】
ＭＳＱ又はＰＳＱは、上記のＭＥＭＳ製造プロセスによってポリマー層８０として印刷ヘッドに組み込むことができる。ＭＳＱ又はＰＳＱ溶液は、約０．５〜５ミクロン（例えば、１ミクロン）の深さまでウェーハ上にスピンオン法で塗布され、ハードベーキングされて、ノズル板に接着することを促進し、印刷ヘッドに耐久性のあるインク噴射面を提供する。ハードベーキングは、ＵＶ硬化ステップを含むことができる。例えば、典型的なハードベーキングプロセスは以下のステップを含む。
１． コーティングの直後に２分間１１０℃で接触ベーク
２． 6.5分間３００℃で接触ベーク
３． １３０秒間ＵＶ露出（約１３００ｍＪ）
４． １時間オーブン硬化（１８０℃から始まり、約４℃／分で上昇）
上記の本出願の出願人のハードベーキングプロセスは、ＭＳＱ又はＰＳＱでコーティングされた優れた耐久性を有する印刷ヘッドをもたらすが、ハードベーキングは任意の従来の工程の次に実施できることが理解できるであろう。
【０１１０】
ＭＳＱ及びＰＳＱはそれぞれ、ＰＤＭＳよりも多少高い約３ＧＰａのヤング率を有する。しかし、本出願の出願人は、ポリマー層８０がＭＳＱ又はＰＳＱから成る場合、サーマルベンド作動型印刷ヘッドはそのより高いヤング率にもかかわらず更に効果的に作動することを発見した。更に、ＭＳＱ及びＰＳＱの全体の頑丈さは、通常、それらのより高いヤング率に起因する欠点を上回る。もちろん、移動部分がないサーマル気泡形成型印刷ヘッドでは、ポリマー層８０のヤング率はノズル作動と無関係である。
【０１１１】
本発明の発明者は、インクジェット印刷ヘッド技術において、ＭＳＱ又はＰＳＱの使用が有意義な飛躍的進歩を意味すると考えている。インクジェット印刷ヘッド、特に、ＭＥＭＳ製造プロセスによって製造されたものを疎水化することは、業界のプレーヤにとって非常に重大な問題とみなされていた。本発明の出願人は、ＭＳＱ又はＰＳＱはＭＥＭＳ製造プロセスに組み込むことができ、優れた耐久性及び耐摩耗性を有する疎水性インク噴射面をもたらすことができることを実例により説明した。この望ましい機能の組み合わせは、当技術分野で以前は達成されなかった。
【０１１２】
ナノ粒子を含むポリマー層
上記のように、ポリマーコーティングとして使用するのに、ＭＳＱ及びＰＳＱは、ＰＤＭＳを越える重大な利点を有するが、ＰＤＭＳがなお適切な材料である場合がある。例えば、低動力のサーマルベンド作動型印刷ヘッドでは、インク滴噴射エネルギーを最小にするのに、ＰＤＭＳのより低いヤング率は有利であり得る。例えば、ＰＤＭＳの低いヤング率以外の耐摩耗性の特徴を向上させることが望ましい。
【０１１３】
他のシナリオでは、印刷ヘッドのポリマーコーティングは、印刷ヘッドから噴出される特定の流体に適さない特性を有する場合がある。サーマルベンド作動型印刷ヘッドは水性及び非水性の液体の両方（例えば、ＯＬＥＤ印刷のためのポリマー）を噴射でき、印刷ヘッドのインク噴射面は、噴出される流体の固有の特性を補足する特徴を有することができることに注意すべきである。これらの特性には、例えば、流体の親水性、疎水性、粘性、表面張力及び／又は沸点があるだろう。
【０１１４】
代替的に、インク噴射面は、採用される特定のタイプの印刷ヘッド保守形態（例えば、参照によって本明細書に組み込まれる米国特許出願第１２／０１４、７７２号に説明されるような印刷ヘッドキャッピング／ワイピング、又は、参照によって本明細書に組み込まれる米国特許第７、４０１、８８６号に説明されるような印刷ヘッドフラッディング／非接触保守）を補足する特徴を有することができる。例えば、耐摩耗性は、印刷ヘッドとの接触を伴う印刷ヘッド保守形態には重要であるが、非接触保守形態にはさほど重要ではない。
【０１１５】
代替的に、インク噴射面は、特定のタイプのノズルアクチュエータを補足する特徴を有することができる。例えば、疲労抵抗は、ポリマー材料が印刷ヘッドの本体に対してノズルの移動部分をシールするサーマルベンドアクチュエータには重要である。しかし、疲労抵抗は、上記のサーマル気泡形成型ノズル等の移動しないノズルにはさほど重要ではない。
【０１１６】
ＭＥＭＳ製造プロセスを根本的に変更することなく、インク噴射面の特徴を「調整（ｔｕｎｅ）」する性能は、非常に望ましい。この「調整」は、例えば、インク噴射面の堅牢性、耐摩耗性、疲労抵抗及び／又は表面エネルギーの特徴を向上させることができる。些細な例として、ポリマー等の疎水性の液体を印刷する場合、インク噴射面は（水性インクの印刷と比較して）疎水性よりはむしろ比較的親水性であることが好ましい。
【０１１７】
ナノ粒子（「添加剤」として本技術分野で時に知られる）を混ぜ込まれたシリコーンポリマーを利用できるということは、シリコーンポリマー（例えば、ＰＤＭＳ、ＭＳＱ、ＰＳＱ）の特徴はそこに混ぜ込ませるナノ粒子を変更することにより修正できることを意味する。異なるナノ粒子を使用することで、ポリマー層８０によって画定されるインク噴射面の特徴を相応に「調整」する。
【０１１８】
もちろん、ナノ粒子は、特定の用途に応じた任意の適切なタイプ、サイズ及び形状であり得る。ナノ粒子は、無機粒子、有機粒子、又は、両方の組み合わせを含むことができる。無機ナノ粒子のいくつかの例として、金属酸化物、金属炭酸塩及び金属硫化物がある。更に具体的には、無機ナノ粒子は、例えば、シリカ（コロイド状シリカを含む）、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、炭酸カルシウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化銅、酸化クロム、酸化カルシウム、酸化タングステン、酸化鉄、酸化コバルト、硫酸バリウム等がある。有機ナノ粒子のいくつかの例として、架橋シリコーン樹脂粒子、（例えば、ＰＤＭＳ、ＭＳＱ、ＰＳＱ）、架橋ポリオレフィン樹脂粒子（例えば、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン）、架橋アクリル樹脂粒子、架橋スチレン−アクリル樹脂粒子、架橋ポリエステル樹脂粒子、ポリイミド粒子、メラミン樹脂粒子、カーボンナノチューブ等がある。
【０１１９】
本明細書で使用される際、用語「ナノ粒子」は１〜１０００ｎｍ、更に通常には１〜１００ｎｍ、及び、更に通常には１〜５０ｎｍの範囲の平均粒子サイズを有する粒子を指す。２０ｎｍの平均粒子サイズが概して好ましい。粒子は、単分散又は多分散であり得る。
【０１２０】
ナノ粒子は、１〜７０重量％の範囲の量で存在でき、任意で５〜６０重量％、任意で１０〜５０重量％で存在できる。ナノ粒子の存在量はポリマーフィルムの必要な特徴による。
【０１２１】
ナノ粒子は、当業者にはよく知られるゾル−ゲル法等の任意の適切なプロセスによってポリマーに混ぜ込むことができる。結果として生じるポリマーは、ハードベーキングが続くスピンオン法等の任意の適切なプロセスによって付着させることができる。
【０１２２】
シリカナノ粒子が混ぜ込まれたＰＤＭＳポリマーは本技術分野で知られ、そのようなポリマーは、本発明においてポリマー層８０として使用できる。シリカナノ粒子は、ＰＤＭＳポリマーに耐摩耗性及び疲労抵抗の所望の特徴を付与する。シリカ粒子の存在量によって、ＰＤＭＳは、幾つかの用途で有用な比較的親水性の表面も有することができる。
【０１２３】
幅広く記載された本発明の精神又は範囲から逸脱することなく、特定の実施形態に示されるような本発明に多数の変形及び／又は変更を加えることができるということを当業者なら理解するであろう。従って、本発明の実施形態は、あらゆる点で例示的なものであり、限定的なものではないとみなすべきである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インク噴射面を有する印刷ヘッドであって、
前記インク噴射面の少なくとも一部分は、ポリシルセスキオキサンからなる群から選択される疎水性ポリマー材料でコーティングされている、当該印刷ヘッド。
【請求項２】
前記ポリマー材料が、ポリ（アルキルシルセスキオキサン）及びポリ（アリルシルセスキオキサン）からなる群から選択される、請求項１に記載の印刷ヘッド。
【請求項３】
前記ポリマー材料が、ポリ（メチルシルセスキオキサン）及びポリ（フェニルシルセスキオキサン）からなる群から選択される、請求項１に記載の印刷ヘッド。
【請求項４】
前記ポリマー材料が、ＭＥＭＳ印刷ヘッド製造中に前記印刷ヘッドのノズル板上に付着され堅焼きされる、請求項１に記載の印刷ヘッド。
【請求項５】
基板上に形成された複数のノズルアセンブリを具備し、各ノズルアセンブリは、ノズルチャンバと、前記ノズルチャンバのルーフに画定されたノズル開口と、前記ノズル開口を通してインクを噴射するためのアクチュエータとを備える、請求項１に記載の印刷ヘッド。
【請求項６】
前記ポリマー材料が前記印刷ヘッドのノズル板上にコーティングされ、前記ノズル板が各ノズルチャンバの前記ルーフによって少なくとも部分的に画定される、請求項５に記載の印刷ヘッド。
【請求項７】
各ルーフが疎水性コーティングの効果によって各ノズルチャンバの内面と比較して疎水性である外面を有する、請求項６に記載の印刷ヘッド。
【請求項８】
各ノズルチャンバが、セラミック材料から成るルーフと側壁とを備える、請求項５に記載の印刷ヘッド。
【請求項９】
前記セラミック材料が、窒化シリコン、酸化ケイ素及び酸窒化シリコンからなる群から選択される、請求項８に記載の印刷ヘッド。
【請求項１０】
前記ルーフが、各ノズルチャンバの側壁がノズル板と前記基板との間に延在するように、前記基板から間隔を置いて配置される、請求項５に記載の印刷ヘッド。
【請求項１１】
前記アクチュエータが、気泡を形成するように前記チャンバ内でインクを加熱し、それによって、前記ノズル開口を通してインク小滴を押し出すように構成されるヒータ要素である、請求項５に記載の印刷ヘッド。
【請求項１２】
前記ヒータ要素が前記ノズルチャンバ内に懸架される、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
【請求項１３】
前記アクチュエータが、
駆動回路に接続する第１の能動要素と、
前記第１の要素と機械的に協働する第２の受動要素と、
を備え、前記第１の要素を通して電流が流れる場合、前記第１の要素が前記第２の要素に対して膨張し、その結果、前記アクチュエータが曲がる、
サーマルベンドアクチュエータである、請求項５に記載の印刷ヘッド。
【請求項１４】
前記サーマルベンドアクチュエータが各ノズルチャンバのルーフの少なくとも一部分を画定し、それによって、前記アクチュエータの作動が、前記ノズルチャンバのフロアに向かって前記ルーフの移動部分を移動させる、請求項１３に記載の印刷ヘッド。
【請求項１５】
前記ノズル開口が前記ルーフの前記移動部分内に画定される、請求項１４に記載の印刷ヘッド。
【請求項１６】
前記ノズル開口が前記ルーフの静止部分内に画定される、請求項１４に記載の印刷ヘッド。
【請求項１７】
前記ポリマー材料が前記ルーフの前記移動部分と静止部分との間の機械的シールを画定し、それによって、前記アクチュエータの作動中にインク漏れを最小にする、請求項１４に記載の印刷ヘッド。
【請求項１】
インク噴射面を有する印刷ヘッドであって、
前記インク噴射面の少なくとも一部分は、ポリシルセスキオキサンからなる群から選択される疎水性ポリマー材料でコーティングされている、当該印刷ヘッド。
【請求項２】
前記ポリマー材料が、ポリ（アルキルシルセスキオキサン）及びポリ（アリルシルセスキオキサン）からなる群から選択される、請求項１に記載の印刷ヘッド。
【請求項３】
前記ポリマー材料が、ポリ（メチルシルセスキオキサン）及びポリ（フェニルシルセスキオキサン）からなる群から選択される、請求項１に記載の印刷ヘッド。
【請求項４】
前記ポリマー材料が、ＭＥＭＳ印刷ヘッド製造中に前記印刷ヘッドのノズル板上に付着され堅焼きされる、請求項１に記載の印刷ヘッド。
【請求項５】
基板上に形成された複数のノズルアセンブリを具備し、各ノズルアセンブリは、ノズルチャンバと、前記ノズルチャンバのルーフに画定されたノズル開口と、前記ノズル開口を通してインクを噴射するためのアクチュエータとを備える、請求項１に記載の印刷ヘッド。
【請求項６】
前記ポリマー材料が前記印刷ヘッドのノズル板上にコーティングされ、前記ノズル板が各ノズルチャンバの前記ルーフによって少なくとも部分的に画定される、請求項５に記載の印刷ヘッド。
【請求項７】
各ルーフが疎水性コーティングの効果によって各ノズルチャンバの内面と比較して疎水性である外面を有する、請求項６に記載の印刷ヘッド。
【請求項８】
各ノズルチャンバが、セラミック材料から成るルーフと側壁とを備える、請求項５に記載の印刷ヘッド。
【請求項９】
前記セラミック材料が、窒化シリコン、酸化ケイ素及び酸窒化シリコンからなる群から選択される、請求項８に記載の印刷ヘッド。
【請求項１０】
前記ルーフが、各ノズルチャンバの側壁がノズル板と前記基板との間に延在するように、前記基板から間隔を置いて配置される、請求項５に記載の印刷ヘッド。
【請求項１１】
前記アクチュエータが、気泡を形成するように前記チャンバ内でインクを加熱し、それによって、前記ノズル開口を通してインク小滴を押し出すように構成されるヒータ要素である、請求項５に記載の印刷ヘッド。
【請求項１２】
前記ヒータ要素が前記ノズルチャンバ内に懸架される、請求項１１に記載の印刷ヘッド。
【請求項１３】
前記アクチュエータが、
駆動回路に接続する第１の能動要素と、
前記第１の要素と機械的に協働する第２の受動要素と、
を備え、前記第１の要素を通して電流が流れる場合、前記第１の要素が前記第２の要素に対して膨張し、その結果、前記アクチュエータが曲がる、
サーマルベンドアクチュエータである、請求項５に記載の印刷ヘッド。
【請求項１４】
前記サーマルベンドアクチュエータが各ノズルチャンバのルーフの少なくとも一部分を画定し、それによって、前記アクチュエータの作動が、前記ノズルチャンバのフロアに向かって前記ルーフの移動部分を移動させる、請求項１３に記載の印刷ヘッド。
【請求項１５】
前記ノズル開口が前記ルーフの前記移動部分内に画定される、請求項１４に記載の印刷ヘッド。
【請求項１６】
前記ノズル開口が前記ルーフの静止部分内に画定される、請求項１４に記載の印刷ヘッド。
【請求項１７】
前記ポリマー材料が前記ルーフの前記移動部分と静止部分との間の機械的シールを画定し、それによって、前記アクチュエータの作動中にインク漏れを最小にする、請求項１４に記載の印刷ヘッド。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【公表番号】特表２０１２−５２９３８３（Ｐ２０１２−５２９３８３Ａ）
【公表日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５１４２８８（Ｐ２０１２−５１４２８８）
【出願日】平成２１年７月２４日（２００９．７．２４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＡＵ２００９／０００９３６
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／００９１５３
【国際公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【出願人】（３０３０２４６００）シルバーブルック リサーチ ピーティワイ リミテッド (150)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月２４日（２００９．７．２４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＡＵ２００９／０００９３６
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／００９１５３
【国際公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【出願人】（３０３０２４６００）シルバーブルック リサーチ ピーティワイ リミテッド (150)
【Ｆターム（参考）】
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