專(zhuān)利名稱(chēng)：具有改進(jìn)的硅腐蝕特性的含水組合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及打印含水噴墨用墨組合物的方法及可用于噴墨打印機(jī)中的含水組合物。具體而言，本發(fā)明涉及其中所采用的墨或其它含水組合物包含有機(jī)芳族偶氮化合物的可溶鹽的這類(lèi)方法，其中所述可溶鹽使與墨接觸的包含硅基材料的有用微機(jī)電器件的腐蝕最小化。所述墨組合物尤其可用于延長(zhǎng)打印設(shè)備在連續(xù)噴墨打印應(yīng)用中的壽命。
背景技術(shù)：
其中硅為主要構(gòu)造材料的硅基材料用于眾多集成電路(IC)和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS) 器件中。然而，早就知道，在硅基傳感器和執(zhí)行器可能用于的含水化學(xué)環(huán)境中，硅基材料的腐蝕(蝕刻)可能導(dǎo)致器件過(guò)早磨損和失效。事實(shí)上，許多機(jī)械加工硅的常用方法依賴(lài)于硅的濕法腐蝕(蝕刻)；參見(jiàn)例如 Kendall，D. L. ；Shoultz, R. A. "Wet Chemical Etching of Silicon and SiO2, and Ten Challenges for Micromachiners，，，SPIE Handbook of Microfabrication,Micromachining,and Microlithography,Vol. 2,SPIE Optical Press, 41-97頁(yè)，1997，Ed.P.I ai-Choudhury。近來(lái)，MEMS技術(shù)已被應(yīng)用于流體管理系統(tǒng)。引入了硅基MEMS器件的微流體管理系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例為連續(xù)噴墨(CIJ)打印。連續(xù)噴墨(CIJ)打印機(jī)通常由兩個(gè)主要部件組成流體系統(tǒng)和打印頭或多個(gè)打印頭。墨從儲(chǔ)料器經(jīng)供給管線泵送至歧管，歧管將墨分配到通常布置成線性陣列的多個(gè)孔口以在足夠的壓力下使墨流從打印頭的孔口流出。向打印頭施加激勵(lì)以使那些墨流形成液滴大小和間隔均勻的流，這些流被偏轉(zhuǎn)到打印或非打印路徑中。非打印液滴經(jīng)由液滴捕捉器和返回管線返回儲(chǔ)料器。美國(guó)專(zhuān)利3，761，953A、4，734，711和5，394，177及EP 1，013，450 詳細(xì)描述了用于CIJ裝置的流體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。硅基MEMS CIJ打印頭制造和打印裝置更新近的發(fā)展可見(jiàn)于US 6，588，888和US 6，943，037中。打印系統(tǒng)的液滴發(fā)生器中使用的噴嘴板(打印頭芯片)的設(shè)計(jì)是MEMS CIJ技術(shù)的獨(dú)特元件之一。單晶硅芯片可用作噴嘴板的襯底并包含互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)電子設(shè)備作為器件的一部分。表面噴嘴結(jié)構(gòu)和伴隨的板上CMOS電子設(shè)備用與硅集成電路的構(gòu)造所用相同的制造技術(shù)和材料組制造。打印頭芯片還引入貫穿硅的流體通道。在液滴生成過(guò)程中，器件中的加熱器將向通過(guò)各個(gè)噴嘴噴射的流體傳遞熱能。如上面的討論中所述，CIJ打印頭由若干部件構(gòu)成。由于硅-流體相互作用與本發(fā)明特別相關(guān)，所以本文中關(guān)于打印頭及其運(yùn)行的更詳細(xì)的討論將重點(diǎn)特別放在硅及其與流體的相互作用上。這些部件包括用于與流體系統(tǒng)對(duì)接并接受流體系統(tǒng)所供給的墨或其它流體以便這些流體可輸送至打印頭的其它部件的歧管；用于與向打印頭供給信息的外部寫(xiě)入系統(tǒng)所供給的電信號(hào)對(duì)接的電互連系統(tǒng)裝置，所述信息與載體上打印圖像自打印頭所生成的含墨液滴的液滴方式形成有關(guān)，其中所述載體是固定或非固定的；和液滴生成部件， 其功能是提供自從歧管傳送給液滴生成部件的墨或其它流體生成液滴的裝置。在硅基CIJ 打印系統(tǒng)中為生成液滴提供裝置的液滴生成部件采用與制造硅集成電路所用相同的技術(shù)制造的硅基器件。所述硅基器件可能含多個(gè)流道以及多個(gè)小孔口(也稱(chēng)噴嘴)，其使流體系統(tǒng)所供給的墨或其它流體可通過(guò)形成一個(gè)或多個(gè)當(dāng)采用適當(dāng)?shù)膲毫r(shí)將離開(kāi)硅基器件的流體柱(也稱(chēng)流體射流)而從歧管傳到載體。所述流體柱或流體射流在適當(dāng)?shù)臈l件下轉(zhuǎn)化為良好限定的液滴。硅基CIJ打印系統(tǒng)中采用的壓力通常高于69kPa而低于1380kPa。硅基MEMS CIJ打印頭中硅基器件的構(gòu)造材料可以是各式各樣的，與流體系統(tǒng)或歧管所供給的墨或其它流體接觸的構(gòu)造材料是本發(fā)明特別感興趣的。用作為從流體生成液滴提供裝置的部件的硅基器件通常用由單晶硅制得的襯底制造。大晶粒多晶硅襯底用于器件制造的用途是本領(lǐng)域熟知的。所述襯底可具有50微米到大于Imm的不同厚度，襯底表面可具有任何適合于器件應(yīng)用的結(jié)晶取向。例如，硅襯底可制備為具有密勒指數(shù)<100>、<111>、<110>所限定的取向。器件襯底中不同結(jié)晶取向的用途是熟悉半導(dǎo)體器件制造領(lǐng)域的人們熟知的。單晶硅襯底可具有不同的電性能。例如，單晶硅的電性能可通過(guò)引入少量外來(lái)雜質(zhì)(也稱(chēng)摻雜劑或載流子)加以改變。這些外來(lái)雜質(zhì)如硼或磷決定著硅晶體中多數(shù)載流子類(lèi)型的電荷是正還是負(fù)。這樣的改性襯底分別稱(chēng)為 η-型和ρ-型硅。ρ-型和η-型硅襯底用于硅基器件制造的用途是本領(lǐng)域熟知的。電阻率低于100歐姆-cm的低阻硅襯底和電阻率高于1000歐姆-cm的高阻硅襯底(不管載流子類(lèi)型和襯底結(jié)晶取向如何)的用途是半導(dǎo)體器件制造領(lǐng)域熟知的。在通過(guò)各種措施制得的絕緣層上通過(guò)各種措施沉積多晶或非晶硅的層以及通過(guò)各種措施沉積硅的其它襯底制備，例如在通過(guò)硅襯底的熱氧化形成的二氧化硅絕緣體上沉積的多晶硅(也稱(chēng)絕緣體上硅或S0I)，是本領(lǐng)域熟知的。所得的一個(gè)或多個(gè)含沉積硅的層可以是摻雜或未摻雜的，P-型或η-型的，并還可以是多晶、或者是非晶或結(jié)晶程度差的，其中多晶指層內(nèi)三維空間中硅原子的排列與單晶硅中的那些相同，非晶或結(jié)晶程度差指層內(nèi)三維空間中硅原子的排列偏離于單晶硅中的那些并相對(duì)于單晶硅中的那些原子位置表現(xiàn)出不同的無(wú)序程度。在襯底表面質(zhì)量通過(guò)使用其它層的沉積加以控制后，器件性能表現(xiàn)出改進(jìn)，此觀察結(jié)果是半導(dǎo)體器件制造領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的。隨后沉積的任選含硅的層的使用是半導(dǎo)體器件制造領(lǐng)域熟知的。任選含硅的沉積層可通過(guò)半導(dǎo)體器件制造領(lǐng)域熟知的任何方法制備，所述方法包括任選使用等離子體輔助或增強(qiáng)在低溫(< 400°C )和高溫(> 400°C )及低壓(< 1托)和高壓(> 1托)條件下的化學(xué)氣相沉積。任選含硅的沉積層可通過(guò)任選等離子體輔助或增強(qiáng)的物理氣相沉積(蒸發(fā))通過(guò)氣相沉積以及通過(guò)外延生長(zhǎng)法制備。所得任選含硅的層可以是電絕緣的或在不同程度上導(dǎo)電的，摻雜或未摻雜的，P-型或η-型的，并還可以是多晶、或者非晶或結(jié)晶程度差的，其中多晶指層內(nèi)三維空間中原子的排列與相同元素組成的單晶中的那些相同，非晶或結(jié)晶程度差指層內(nèi)三維空間中原子的排列偏離于相同元素組成的單晶中的那些并相對(duì)于單晶硅中的那些原子位置表現(xiàn)出不同的無(wú)序程度。本領(lǐng)域眾所周知，含硅的沉積層可含不同量的另外的外來(lái)原子，包括例如前面提到的摻雜劑硼和磷以控制電性能及由沉積過(guò)程產(chǎn)生的隙間或其它的另外的原子或其組合。摻雜劑的實(shí)例包括硼、磷、砷、氮、碳、鍺、鋁和鎵。 隙間或非隙間外來(lái)原子的實(shí)例包括氫、氧、氮、碳、選自元素周期表第VI B族的原子(0、S、 Se、Te)和選自元素周期表第VII B族的原子(F、Cl、Br、I)。氫、氧、氮和碳通常與硅一起存在于器件和含器件的微機(jī)電系統(tǒng)中，元素氧、氮和碳中的各個(gè)常見(jiàn)與硅以化學(xué)計(jì)量或非化學(xué)計(jì)量二元、三元和四元化合物如不同組成的硅氫化物、不同組成的硅氧化物、含硅低氧化物和水合硅氧化物及水合硅低氧化物的水合物、不同組成的硅氮化物、不同組成的硅氮氧化物、不同組成的硅碳化物和不同組成的硅碳氧化物的形式化合。這些二元和三元含硅化合物或是器件中離散的層或?yàn)楣?、多晶硅和非晶硅的表面成分的一部分。此外，其它元素如Al、Ti、Ta、W、Zr、Hf和Cu常見(jiàn)與硅和/或含硅的二元化合物如硅氧化物和硅碳化物一起存在于器件中并有時(shí)以與硅的金屬間合金觀察到。含硅金屬間合金的實(shí)例為所有組成的含鈦硅化物、所有組成的含鉭硅化物、所有組成的含鎢硅化物、所有組成的含鋯硅化物、所有組成的含鉿硅化物、所有組成的含銅硅化物以及三元鋁硅氧化物、三元鉿硅氧化物、三元鋯硅氧化物。半導(dǎo)體器件制造領(lǐng)域技術(shù)人員熟知加工過(guò)程中可能形成的不同合金、二元化合物、三元和四元化合物并視為該領(lǐng)域中的常識(shí)。當(dāng)連續(xù)噴墨打印系統(tǒng)在運(yùn)行中時(shí)，流體基本總是流經(jīng)液滴發(fā)生器的噴嘴。在用墨打印之前，可能有啟動(dòng)流體通過(guò)打印機(jī)以清潔流體輸送系統(tǒng)。因?yàn)檫\(yùn)行時(shí)間可能為數(shù)小時(shí)到數(shù)周，所以在給定的打印運(yùn)行過(guò)程中墨可能在打印系統(tǒng)中保留較長(zhǎng)時(shí)間。在墨更換過(guò)程中或作為例行保養(yǎng)的一部分，可使用沖洗流體。當(dāng)系統(tǒng)在打印時(shí)，通過(guò)液滴發(fā)生器的墨僅一小部分實(shí)際在基材上打印。大多數(shù)墨被收集和返回到流體輸送系統(tǒng)以便再用。最后可使用關(guān)閉流體和貯存流體來(lái)從流體輸送系統(tǒng)和打印頭清除墨并確保系統(tǒng)不在貯存后的啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)生故障。需要有能可靠地運(yùn)行數(shù)百到數(shù)千小時(shí)的打印頭。通過(guò)CIJ打印頭的流體量大；相應(yīng)地，在所需的打印頭壽命內(nèi)，可能有數(shù)千升溶液通過(guò)打印頭芯片。因此，在CIJ系統(tǒng)中，硅基噴嘴板將廣泛暴露于流體。硅基材料在這些溶液中如因腐蝕(或蝕刻或溶解)引起的任何降解均引起極大關(guān)注。運(yùn)行過(guò)程中在連續(xù)噴墨打印頭噴嘴板上存在可能為IOOkPa的顯著壓力梯度，從而將脆性的器件置于大的應(yīng)力下。硅基襯底的腐蝕可能導(dǎo)致打印頭芯片自身的完全破裂， 或在最低程度上使墨流經(jīng)的通道和孔口的尺寸增大，從而導(dǎo)致液滴噴射缺陷如永久性彎曲的射流或錯(cuò)誤的液滴尺寸。器件背面的廣泛腐蝕可能改變背面芯片的熱質(zhì)量并削弱器件內(nèi)的熱管理，從而對(duì)由射流形成液滴帶來(lái)額外的潛在問(wèn)題。很明顯，在硅基MEMS CIJ打印中及其中硅暴露于可能腐蝕硅的溶液的其它應(yīng)用中，需要防止或最小化硅基材料的腐蝕。解決硅基器件腐蝕的一個(gè)方法是向器件施加鈍化涂層。鈍化涂層是通常具有較低的蝕刻速率的保護(hù)性的涂層。已知硅自身易于形成天然硅氧化物涂層；但這些薄的天然硅氧化物涂層(約Inm)也經(jīng)受腐蝕過(guò)程并可能不足以保護(hù)硅金屬。鈍化涂層的實(shí)例包括熱法產(chǎn)生的硅氧化物、各種硅氮化物和氧化鉭(G. F. Eriksen和K. Dyrbye，“Protective Coatings in Harsh Environments", J. Micromech. Microeng. (1996), vol. 6, 55-57 ；C. Christensen 等人,“Tantalum Oxide Thin Films as Protective Coatings for Sensors",J. Micromech. Microeng. (1999)，vol. 9，113-118)。但鈍化方法成問(wèn)題，這是因?yàn)槠湫枰蚬に囍幸腩~外的涂布步驟，涂層可能在器件中引入不希望有的效應(yīng)如應(yīng)力，且涂層缺陷如針孔可能削弱鈍化涂層的有效性。此外，許多涂布方法對(duì)于微流體器件來(lái)說(shuō)可能不實(shí)用，這是因?yàn)榇坎嫉膮^(qū)域(例如流體通道)在器件內(nèi)部或因?yàn)橥坎挤椒ㄐ枰c器件不相容的條件如溫度。 改善墨硅腐蝕性能的另一通用方法是通過(guò)使用適宜的緩沖溶液調(diào)節(jié)墨PH值。例如，Inoue 等在US 7, 370, 952B2中提及，可使用緩沖劑來(lái)調(diào)節(jié)按需噴墨打印機(jī)中使用的墨的pH值以減少腐蝕效應(yīng)。這主要是因?yàn)橐阎璧母g將因較高PH值(更高堿性)的溶液如濕法蝕刻過(guò)程中使用的那些而加速。同時(shí)，可用于噴墨的墨組合物常需要一定的堿度以保持溶液完整性，例如以防止墨組分的沉淀。但對(duì)于技術(shù)如CIJ，在僅數(shù)十到數(shù)百小時(shí)的運(yùn)行后，即便 IOOnm/小時(shí)之下的范圍內(nèi)的較低蝕刻速率也可能永久性地降低系統(tǒng)性能，甚至導(dǎo)致不利的器件失效。硅腐蝕速率(也稱(chēng)蝕刻速率)的直接測(cè)定已在Dockery等的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)案2009/006M78中公開(kāi)。hch等的US 7，160, 377B2中公開(kāi)了使用有機(jī)萘偶氮化合物作為隨后用于墨、噴墨用墨、表面涂層和彩色印刷墨的生產(chǎn)中的膠態(tài)氣黑懸浮液(也稱(chēng)顏料分散體)的制備中的穩(wěn)定劑的用途。該參考文獻(xiàn)未公開(kāi)其作為硅腐蝕抑制劑加到不存在這類(lèi)偶氮化合物的預(yù)分散顏料中的用途，也未公開(kāi)其與其它顏料一起使用或在基本不存在顏料的溶液中的使用。此外，該參考文獻(xiàn)局限于萘偶氮化合物且其不方便，這是因?yàn)樗雠嫉衔镌谀渲浦凹拥筋伭戏稚Ⅲw中。

發(fā)明內(nèi)容
提高噴射含水流體時(shí)微機(jī)電硅打印頭耐久性的需要通過(guò)用包含將與墨組合物接觸的硅基材料的噴墨打印機(jī)打印含水墨組合物的方法實(shí)現(xiàn)，所述方法包括對(duì)打印機(jī)裝載含水墨組合物并對(duì)記錄材料噴射所述墨組合物，其中所述墨組合物包含至少第一著色劑和濃度足以抑制硅基材料與墨組合物接觸時(shí)的腐蝕的可溶有機(jī)芳族偶氮化合物。還提供了一種方法，所述方法包括對(duì)包含硅基材料的噴墨打印機(jī)裝載含水組合物并使打印機(jī)的硅基材料與所述含水組合物接觸，其中所述含水組合物包含濃度足以抑制硅基材料與所述含水組合物接觸時(shí)的腐蝕的可溶有機(jī)芳族偶氮化合物，且其中所述含水組合物包含低于2重量％的任何著色劑。還提供了一種用于包含與含水墨組合物接觸的硅基材料的噴墨打印機(jī)中的含水墨組合物，所述組合物包含至少第一著色劑和濃度足以抑制硅基材料與含水組合物接觸時(shí)的腐蝕的可溶有機(jī)芳族偶氮化合物，其中所述可溶有機(jī)偶氮化合物濃度為0.001到低于
1. O重量％。還提供了一種用于包含與含水組合物接觸的硅基材料的噴墨打印機(jī)中的含水組合物，所述組合物包含濃度足以抑制硅基材料與含水組合物接觸時(shí)的腐蝕的可溶有機(jī)芳族偶氮化合物，其中所述含水組合物包含低于2重量％的任何著色劑。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明具有眾多優(yōu)勢(shì)。最出乎意料地已發(fā)現(xiàn)，具有溶解的有機(jī)芳族偶氮化合物的噴墨用墨和其它含水組合物的制劑通過(guò)最小化與墨和其它組合物接觸的硅基材料的腐蝕提供了顯著的改進(jìn)。本發(fā)明提供了一種通過(guò)硅基打印頭打印噴墨組合物及用抑制硅器件部件自然溶于水中的其它改進(jìn)的含水流體進(jìn)行打印的方法。硅基微機(jī)電流體器件的穩(wěn)健性能和有效壽命得以擴(kuò)展。
具體實(shí)施例方式在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，含水噴墨組合物包含至少一種主要著色劑和本發(fā)明中所公開(kāi)的類(lèi)型的偶氮化合物。在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，含水組合物包含非成像含水流體如相對(duì)透明的保護(hù)性外涂層流體或清潔流體或維護(hù)流體，本發(fā)明中所公開(kāi)的類(lèi)型的偶氮化合物以抑制硅腐蝕但不為噴墨用墨打印提供有效著色力的水平存在。本發(fā)明尤其適用于尤其是用于CIJ中的極微硅腐蝕性噴墨成像墨和其它流體的制劑。根據(jù)本發(fā)明采用的可溶有機(jī)芳族偶氮化合物可以是通式(1)的鹽
權(quán)利要求
1.一種利用包含與墨組合物接觸的硅基材料的噴墨打印機(jī)來(lái)打印含水墨組合物的方法，包括對(duì)所述打印機(jī)裝載含水墨組合物并對(duì)記錄材料噴射所述墨組合物，其中所述墨組合物包含至少第一著色劑和濃度足以抑制所述硅基材料與所述墨組合物接觸時(shí)的腐蝕的可溶有機(jī)芳族偶氮化合物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述可溶有機(jī)芳族偶氮化合物包括式(1)的化合物
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中Y或S1中的至少之一被至少一個(gè)磺酸鹽基團(tuán)所取代。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述可溶有機(jī)芳族偶氮化合物包括式O)的化合物
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中禮、1 2、1 3、1 4、1 6、1 7中的至少一個(gè)取代基為羥基。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中禮、1 2、1 3、1 4、1 6、1 7中的至少一個(gè)取代基為羥基且至少另一個(gè)為氨基或酰胺基。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述可溶有機(jī)芳族偶氮化合物包括式(3)的化合物
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中&到R13中的至少之一為硝基。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述可溶芳族偶氮化合物以低于或等于1.0重量％的濃度存在。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述可溶芳族偶氮化合物以0.001到低于1. 0重量％ 的濃度存在。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述著色劑包括顏料。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述著色劑包括染料。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述著色劑包括黃色、品紅或青色染料或顏料。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述噴墨打印機(jī)為采用硅基液滴生成打印頭的連續(xù)噴墨打印機(jī)。
15.一種用于包含與含水墨組合物接觸的硅基材料的噴墨打印機(jī)中的含水墨組合物， 包含至少第一著色劑和濃度足以抑制所述硅基材料與所述含水組合物接觸時(shí)的腐蝕的可溶有機(jī)芳族偶氮化合物，其中所述可溶有機(jī)偶氮化合物的濃度為0. 001到低于1. 0重量％。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的墨組合物，其中所述可溶有機(jī)芳族偶氮化合物包括式(1)的化合物
17.根據(jù)權(quán)利要求15的墨組合物，其中所述著色劑包括黃色、品紅或青色染料或顏料。
18.一種用于包含與含水組合物接觸的硅基材料的噴墨打印機(jī)中的含水組合物，包含 濃度足以抑制所述硅基材料與所述含水組合物接觸時(shí)的腐蝕的可溶有機(jī)芳族偶氮化合物， 其中所述含水組合物包含低于2重量％的任何著色劑。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的含水組合物，其中所述含水組合物包含0.001到低于1. 0重量％的可溶有機(jī)偶氮化合物和低于1.0重量％的任何作為著色劑的化合物。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的含水組合物，其中所述可溶有機(jī)芳族偶氮化合物包括式(1)的化合物
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種通過(guò)硅基微機(jī)電打印機(jī)結(jié)構(gòu)打印噴墨用墨和其它含水組合物的方法，所述方法抑制與含水組合物接觸的硅器件部件的正常溶解。所述方法中使用的噴墨用墨和其它含水組合物含濃度足以抑制硅腐蝕的有機(jī)芳族偶氮化合物的可溶鹽。基于硅構(gòu)造的微機(jī)電流體器件的可用壽命得以延長(zhǎng)。
文檔編號(hào)B41J2/135GK102449080SQ201080023407
公開(kāi)日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2010年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月29日
發(fā)明者凱文·帕特里克·多克里, 巴巴拉·博蘭·盧西爾, 庫(kù)爾特·D·西貝爾, 米哈埃拉·盧米尼察·馬達(dá)拉斯, 邱慧靈, 阿蘭·弗朗西斯·索文斯基 申請(qǐng)人:伊斯曼柯達(dá)公司