В сердце прогресса струйной печати *

Некоторые компании при производстве печатающих головок уже почти четыре десятилетия используют микроэлектромеханические системы (МЭМС; MEMS). HP** применяла МЭМС-технологии в производстве ранних моделей термоструйных (ТС) печатающих головок. Другие производители ТС-принтеров, присутствующие на рынке с ранних этапов развития этой технологии, в том числе Canon**, Lexmark и Olivetti**, также внедрили МЭМС-технологии для изготовления головок. Ряд производителей струйных печатающих головок для промышленной и высокопроизводительной печати, в том числе такие производители пьезоструйных (ПС) головок, как Fujifilm Dimatix**, Xaar**, Konica Minolta, Epson** и Ricoh** по примеру OEM-производителей ТС-головок и компонентов внедрили МЭМС-технологии в процесс производства ПС-головок.

Растущая конкуренция заставляет производителей печатающих головок инвестировать в дальнейшие разработки, чтобы удовлетворить требованиям, предъявляемым заказчиками в различных рыночных нишах. Конкуренция между производителями повышает интерес к исследованиям и разработкам, направленным на поиск способов преодоления ограничений, с которыми сталкивается струйная печать. МЕМС-технологии производства позволили производить головки, обладающие более высокими разрешением, скоростью и точностью печати, находящие применение во всё большем числе сегментов рынка. МЭМС настолько улучшили характеристики струйной печати, что она смогла успешно конкурировать с аналоговыми методами печати по скорости, воспроизводимости, экологичности и экономичности.

Проникновение в мир чрезвычайно малых размеров с созданием микро- и наноэлектромеханических систем потребовало от производителей и перехода на новую систему контроля качества, более строгую, чем система «шести сигм».

Эта статья посвящена использованию МЭМС при изготовлении струйных печатающих головок. Мы рассмотрели новые модели головок и преимущества, которые появились у них благодаря использованию МЭМС-технологий.

МЭМС и совершенствование струйных печатающих головок

МЭМС — технологии изготовления и использования устройств с микрокомпонентами — компонентами размером от микрометра (мкм) до миллиметра (мм). На практике использование МЕМС-технологий в производстве позволяет добиться более плотного размещения транзисторов и сенсоров и создать печатающие головки с компонентами субмикронных размеров, меньше 500 нанометров (нм). Такие изделия уже могут называться наноэлектромеханическими системами (НЭМС). Фотолитография, то есть литография с экспонированием светом, применяемая при производстве некоторых изделий МЭМС/НЭМС, позволяет создавать элементы размером от 10 нм¹. Способность фотолитографии и других МЭМС/НЭМС-технологий создавать компоненты очень малого размера позволяет использовать преимущества миниатюрности, например, создавать головки с повышенной плотностью сопел (дюз), более высокой чувствительностью, скоростью срабатывания и резонансной (собственной) частотой.

МЭМС-технологии используют для создания сопел в пластинах-матрицах струйных головок, отверстий, полостей и каналов для чернил. В производстве печатающих головок могут применяться следующие МЭМС-технологии: фотолитография, лазерная абляция, формование и осаждение/напыление, модифицированные технологические процессы полупроводникового производства, «сухое» и жидкостное селективное травление, электроэрозионная обработка (ЭЭО²). МЭМС/НЭМС-технологии используются при изготовлении струйных головок для обработки ряда материалов: кремния, никеля, нержавеющей стали и других.

К числу МЭМС-технологий производства³ относятся, в частности, следующие:

• Объёмная микрообработка: состоит в селективном травлении подложки-основы (обычно кремниевой пластины) для образования на ней требуемых микроструктур⁴.

Анизотропное жидкостное травление идёт с разными скоростями в разных направлениях. Эту технологию обычно применяют для обработки кремниевых пластин, создавая на них действием травителя выемки на не защищённых шаблоном участках поверхности кремния. Форма такой выемки зависит от ориентации кристаллической структуры кремния пластины. Для описания ориентации кристаллической структуры используют индексы Миллера: они представляют собой три цифры в круглых скобках, характеризующие расположение атомных плоскостей в кристалле⁵. При анизотропном жидкостном травлении кремниевой пластины с ориентацией (100) получится выемка трапециевидного сечения, боковые стенки которой наклонены под углом 54,7^o к поверхности кремниевой пластины. А при анизотропном жидкостном травлении кремниевой пластины с ориентацией (110) получится выемка прямоугольного сечения, с вертикальными боковыми стенками. При анизотропном жидкостном травлении иногда, как и при изотропном травлении, возможно протравливание участка поверхности под защитной маской. При анизотропном жидкостном травлении в качестве травителя используются, в частности, гидроксид калия (KOH), этилендиамин + пирокатехин (EDP) и гидроксид тетраметиламмония (TMAH). Анизотропное жидкостное травление часто применяют совместно с глубоким реактивным ионным травлением кремния при ориентации (100), при этом с помощью АЖТ на поверхности создаётся исходная выемка, а ГРЖИТ формирует вертикальные стенки протравленной выемки.

При изотропном жидкостном травлении не имеет значения ориентация кристаллической структуры кремния в пластине. Для изотропного жидкостного травления кремния в качестве травителя обычно используется смесь плавиковой, азотной и уксусной кислот (HNA⁶). Диоксид кремния или нитрид кремния чаще всего используют как маскирующий материал, устойчивый к действию травителя HNA. Изотропный жидкостной травитель удаляет материал из кремниевой пластины в направлении как вглубь, так и параллельно поверхности. При этом обычно в некоторой степени удаляется материал и под краем маски.

Поверхностная микрообработка: сначала на поверхность подложки наносят несколько слоёв материала (конструкционного и расходуемого/«жертвенного»), обычно с использованием вакуума и часто при нагревании, а затем расходуемый/«жертвенный» материал вытравляется.

• Сращивание пластин.

• Глубокое реактивное ионное травление (ГРИТ) кремния⁷.

• Глубокое реактивное ионное травление (ГРИТ) стекла.

• Технология LIGA (от немецкого «Lithographie, Galvanoformung, Adformung» — «Литография, гальванопластика, формовка»): толстый слой фоторезиста облучается синхротронным излучением через маску. После проявления получаются полимерные детали на подложке. Электрогальванопластикой формируются металлические компоненты. После осаждения металлический микрорельеф можно отделить от подложки и использовать для массового тиражирования деталей литьём или штамповкой.

• Горячее тиснение.

• Сухое парофазное травление с участием дифторида ксенона (XeF2).

• Электроэрозионная микрообработка.

• Лазерная микрообработка.

• Микрообработка фокусируемым ионным пучком.

Помимо головок, МЭМС применяются при производстве и других изделий, например, датчиков давления, акселерометров для промышленности, автомобилестроения и медицины, гиродатчиков для автомобилестроения, экранов, волоконно-оптических переключателей, регуляторов и аттенюаторов, радиочастотных реле и других радиокомпонентов, в системах адресной доставки лекарственных средств, секвенирования ДНК, химического анализа для биомедицинской промышленности⁸.

МЭМС-технологии позволяют изготавливать головки с меньшим размером частей, меньшей массы, с большей точностью и меньшей себестоимостью. Головки, изготовленные с использованием МЭМС-технологий, могут выдавать капли меньшего и более постоянного объёма из всех своих сотен или даже тысяч сопел. Преимущества, которые несут с собой МЭМС, побудили производителей головок внедрить эти технологии в производственный процесс. МЭМС позволяют изготовить головки с более плотным расположением сопел, то есть печатающие с бóльшим разрешением, и генерирующие капли с большей частотой, то есть печатающие быстрее.

МЭМС-технологии представляют собой результат дальнейшего развития методов фотолитографии и травления, применяемых при обработке полупроводниковых компонентов и в производстве интегральных схем (ИС). Внедрение новых материалов, например, кремния и германия, дало материал для многих МЭМС.

Компания HP положила начало использованию МЭМС в производстве головок. HP применяла МЭМС-технологии для изготовления пластин-матриц с соплами и кремниевых подложек для них уже в своих ранних моделях термоструйных головок в 1977–1978 гг. С тех пор HP получает больший доход от МЭМС-технологий, чем любая другая компания. Согласно оценке специалистов Yole Development (маркетинговые исследования и изучение рынка) в 2015 г. термоструйные головки HP составили 57% от общего количества струйных головок, изготовленных с МЭМС-элементами, а на ТС-головки пришлось 85% всего рынка струйных МЭМС-головок¹². Сегодня HP применяет МЭМС при производстве почти всех систем ТС-печати PageWide. МЭМС применяют и другие производители ТС-головок: Memjet и Canon в своей системе FINE (full lithography nozzle engineering — литографическая технология изготовления сопел), Funai (купившая подразделение струйной печати Lexmark в апреле 2013 г.). Kodak использует МЭМС в своих струйных головках с непрерывной подачей чернил. Пьезоструйные головки PrecisionCore от Epson и Samba от Fujifilm Dimatix тоже изготовлены с использованием МЭМС-элементов. Согласно Yole Development, на Epson в 2015 г. пришлось 8% струйных МЭМС-головок, а на Fujifilm Dimatix — 2%. Компании используют МЭМС-технологии микрообработки полупроводниковых пластин для изготовления блоков пьезоактивации, чернильных каналов и пластин-матриц с соплами. Ricoh, Konica Minolta, HP Scitex (X2), Panasonic и Fujifilm Dimatix применяют операции микрообработки кремниевой пластины при изготовлении частей своих головок, например, блока управляющих пьезоэлементов-активаторов, пластин-матриц с соплами, чипа с системой камер и каналов подачи чернил.

С помощью МЭМС получают отдельные слои чипов, входящих в состав головок. Производство печатающих головок по МЭМС-технологиям требует прежде всего наличия предприятия по изготовлению первичных чипов-слоёв будущего единого чипа: блока активаторов, пластины-матрицы с соплами и других деталей. Получив первичные чипы, производитель головок объединяет их в виде слоёв и создаёт все необходимые соединения. Производством первичных чипов занимаются, в числе прочих, ST Microelectronics, Rohm Semiconductor, Silicon Sensing (SSS), Silex Microsystems. Кроме того, у Canon, Ricoh, Konica Minolta и Epson есть собственное производство чипов. Stork Veco B. V., партнёрская компания SPGPrints, согласно сообщениям, — «мировой лидер в производстве двумерных металлических изделий высокой точности»¹³. Stork Veco B. V. применяет МЭМС-технологии и, в частности, занимается микрообработкой пластин-матриц с соплами струйных головок, с выполнением операций нанесения фоторезиста методом центрифугирования, гальванопластики, фотохимической обработки и лазерной резки.

Производство струйных головок с использованием МЭМС-элементов требует удаления загрязнений с поверхности пластины перед нанесением защитного шаблона и фоторезиста. Обычно очистку поверхности пластины проводят пероксидом водорода или другой жидкостью с похожими свойствами. Затем поверхность материала нагревают до температуры около 150 ^oC для того, чтобы с неё испарились остатки жидкости. После этого в рамках фотолитографического процесса на поверхность кремниевой или металлической подложки наносят слой фоторезиста с помощью центрифугирования или другого метода нанесения. После спекания фоторезиста проводится его облучение УФ-светом с формированием шаблона. Затем выполняется травление поверхности и удаление остатков фоторезиста. Фотолитография способна создавать структуры точной геометрической формы, поэтому с её помощью изготавливают пластины-матрицы с соплами и другие слои-компоненты печатающей головки.

Применяемый в Stork Veco метод состоит в нанесении фоторезиста на металлическую подложку для электроформования с использованием никеля. В ходе этого процесса происходит осаждение никеля на участки поверхности подложки, не покрытые фоторезистом. Когда толщина слоя никеля превышает толщину фоторезиста, никель «переливается» на поверхность фоторезиста.

При всех своих преимуществах, использование МЭМС-технологий в производстве сопряжено и с некоторыми проблемами. Прежде всего, они могут использоваться только на плоских ровных поверхностях пластин-подложек. Эти технологии не позволяют создавать неплоские структуры. Кроме того, они требуют чистоты: для получения головок допустимого качества нужна «чистая комната», воздух которой свободен от пыли и загрязнений. Обычно рекомендуют чистую комнату стандарта не ниже класса 10 по федеральному стандарту классификации чистых помещений США FED STD 209E. Класс 10 по FED STD 209E соответствует классу ISO 4. Для соответствия этому классу требуется, чтобы в любом кубическом метре воздуха «чистой комнаты» содержалось не более 352 частиц размером 0,5 мкм или более (по наибольшему измерению).

Продолжение в следующих номерах.

* © SGIA Journal, ноябрь/декабрь, 2016.

** Компании-члены Ассоциации специальных видов печати (SGIA), в порядке упоминания: Canon, c 2006 г.; Olivetti, с 2009 г.; Fujifilm Dimatix, с 2004 г.; Xaar, с 2007 г.; Epson, с 2006 г.; Ricoh, с 2014 г.; Xante, с 2016 г.; Afinia, с 2013 г.; Xerox, с 2013 г.; Panasonic, с 2007 г.; Global Inkjet Systems, с 2014 г.

¹ http://www.memscentral.com/overview_of_mems.htm Overview of MEMS by MEMSCentral and Chang Liu.

² http://www.silversheen.com/pdf/Introduction%20to%20Inkjet%20Technology.pdf.

³ https://www.mems-exchange.org/MEMS/fabrication.html.

⁴ http://mems.isi.edu.

⁵ Более подробная информация об индексах Миллера применительно к кремнию приведена здесь: http://www.cleanroom.byu.edu/EW_orientation.phtml.

⁶ http://web.ece.ucdavis.edu/~anayakpr/Papers/Wet%20and%20Dry%20Etching_submitted.pdf.

⁷ Патент США US20030024897, 2003. D. Milligan & T. Weber, принадлежит HP.

⁸ http://robotics.eecs.berkeley.edu/~pister/245/Notes/Intro.pdf.

¹² http://www.yole.fr: Yole Inkjet Printhead Market and Technology Trends, March 2016.

¹³ http://www.azooptics.com.