CN100421945C - 多个阻挡层 - Google Patents
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Abstract
一种流体喷射装置(103)，包括：具有第一表面的基底(115)；设置在第一表面上的流体喷射器(201)；以及保护层(124)，其限定了在流体喷射器周围形成的发射腔(202)，并在发射腔的上面形成了喷嘴(105)。所述保护层由至少两个SU8层构成。
Description
发明领域
本发明涉及流体喷射装置，更具体地涉及流体喷射装置中的多个阻挡层。
发明背景
在本技术领域中已经知道有各种喷墨打印的装置，其包括热致动的打印头和机械致动的打印头。热致动打印头往往会利用电阻元件等来实现墨水的喷出，而机械致动打印头往往会使用压电传感器等。
一种典型的热喷墨打印头具有多个设置在半导体基底上的薄膜电阻器。阻挡层沉积在基底上的薄膜层之上。阻挡层构成了位于每个电阻器周围的发射腔、对应于每一电阻器的喷嘴孔、以及通往各个发射腔的入口或流体通道。墨水往往通过基底中的狭槽来提供，并流经由喷嘴层形成的流体通道而到达发射腔。由“发射信号”致动的加热电阻器使得相应发射腔中的墨水被加热并通过相应的喷嘴孔排出。
在喷嘴层和薄膜层之间需要有连续的粘合。对于打印头基底电路小片，尤其是那些尺寸较大或具有高长宽比的电路小片而言，可能会由于机械应力或热应力而产生不希望有的翘曲，从而导致喷嘴层出现分层。举例来说，喷嘴层通常具有与半导体基底不同的热膨胀系数。热应力会导致喷嘴层或其它薄膜层出现分层，最终导致墨水渗漏和/或电短路。在另外一个实例中，当分开成品晶片上的电路小片时，可能会出现分层。在另外的和/或可供选择的实例中，喷嘴层可能会因为喷嘴层固化之后的收缩、装配喷嘴层时的结构粘合剂的收缩、装置的搬运、以及流体喷射装置的热循环而承受应力。
发明概要
一种流体喷射装置，包括：具有第一表面的基底；形成于第一表面上的流体喷射器；以及保护层，其限定了在流体喷射器周围形成的发射腔，并且在发射腔的上面构成了喷嘴。所述保护层由至少两个SU8层构成。
附图简介
图1示出了本发明流体喷射盒一实施例的透视图；
图2示出了流体喷射装置的一个实施例沿图1中的2-2剖面线剖开的剖视图；
图3是一阻挡岛结构及其相应发射腔的一个实施例的透视图；
图4A-4D是用于本发明的工艺方法的一个实施例的剖面图；
图5是用于图4A-4D中各图的流程图；
图6是本发明一实施例的剖面图，除了图4D所示的层之外还有一个层；
图7A-7H是用于本发明的工艺方法的一个实施例的剖面图；
图8是用于图7A-7H中各图的流程图；
图9是本发明一实施例的剖面图，除了图7H所示的层之外还有一个层；
图10A-10F是用于本发明的工艺方法的一个实施例的剖面图；
图11是用于图10A-10F中各图的流程图；
图12是本发明一实施例的剖面图，除了图10F所示的层之外还有一个层。
详细描述
图1是墨盒101的一个实施例的透视图，其包含有流体喷射装置103如打印头。墨盒内装有流体供给源如墨水。在打印头的外表面上可以看见有多个孔口或喷嘴105，流体通过这些孔口或喷嘴105而选择性地排出。在一实施例中，当打印机(未示出)通过电接头107传送指令至打印头时，流体就被排出。
图2的实施例示出了图1所示打印头103的剖视图，其中狭槽110形成为穿过基底115。用于穿过基底中的狭槽部位(或狭槽区域)而形成狭槽的一些实施例包括湿蚀刻、干蚀刻、深反应离子蚀刻(DRIE)、以及紫外激光加工。
在一实施例中，基底115是用硅制成的。在各个实施例中，基底是以下材料的其中一种：单晶硅、多晶硅、砷化镓、玻璃、硅石、陶瓷或半导体材料。被列为可用基底材料的各种材料并非必须是可互换的，而是可以根据具体的应用作出选择。
在图2所示的实施例中，薄膜叠层116(比如活性层、导电层、和带有微电子器件的层)设置或沉积在基底115的前侧或第一侧(或表面)上。在一实施例中，薄膜叠层116包括设置在基底第一表面上的盖层117。盖层117可以由各种不同的材料如氧化铁、二氧化硅、氧化铝、碳化硅、氮化硅以及玻璃(PSG)制成。在该实施例中，层119在盖层117上沉积或生长而成。在一具体实施例中，层119可以是氮化钛、钛钨合金、钛、钛合金、金属氮化物、钽铝合金、以及铝硅合金中的一种。
在这一实施例中，导电层121是通过将导电材料沉积在层119上形成的。导电材料用以下各种不同材料中的至少一种制成，包括铝、带有大约1/2％铜的铝、铜、金、以及带有1/2％硅的铝，而且可以通过任何一种方法比如溅射或蒸发进行沉积。导电层121被图案化并且被蚀刻，以形成导电迹线。当形成导电迹线之后，将电阻材料125沉积在经过蚀刻的导电材料121上。对电阻材料进行蚀刻，以形成喷射元件201，如流体喷射器、电阻器、加热元件和气泡发生器。各种适当的电阻材料为本领域中的技术人员所熟知，包括钽铝合金、镍铬合金、钨硅氮化物以及氮化钛，它们可以选择性地掺杂有适当的杂质如氧、氮和碳，以调节材料的电阻率。
如图2中的实施例所示，薄膜叠层116还包括设置在电阻材料上的绝缘钝化层127。钝化层127可以用任何适当的材料如二氧化硅、氧化铝、碳化硅、氮化硅和玻璃制成。在此实施例中，空化层129被加在钝化层127上。在一具体实施例中，空化层是用钽制成的。
在一实施例中，保护层如阻挡层124被沉积在薄膜叠层116上，具体地说是沉积在空化层129上。在一实施例中，保护层124是这样的层，其包括快速交联的聚合物，比如可光成像的环氧树脂(如IBM研制的SU8)、可光成像的聚合物或光敏硅树脂电介质(如ShinEtsuTM生产的SINR-3010)、或者环氧硅氧烷(如纽约Mechanicsville的Polyset公司生产的PCX30)。在另一实施例中，保护层124用有机聚合物的共混物制成，它对墨水的腐蚀作用基本上是呈惰性的。适合于这一用途的聚合物包括由特拉华州威尔明顿市的E.I.杜邦耐莫斯公司的以商标名VACREL和RISTON进行销售的产品。
保护层的物理设置以及薄膜子结构的一个实例在1994年2月的期刊“Hewlett-Packard Journal”的第44页示出。在共同转让的美国专利No.4,719,477、No.5,317,346和No.6,162,589中提出了打印头的更多实例。本发明的实施例包括，根据具体应用而将任意数目和类型的层形成于或沉积在基底上。
在一具体实施例中，保护层124形成了发射腔202和喷嘴孔105，流体在发射腔202中被相应的喷射元件201加热，加热的流体通过喷嘴孔105喷射出去。流体流经狭槽110，并通过利用保护层124形成的通道203而流入发射腔202。传送到电阻器的电流或“发射信号”使得相应发射腔中的墨水被加热，并通过相应的喷嘴105排出。
如图2中的剖视图以及图3中的透视图所示，该实施例中的保护层124包含有两个层205、207。第一层205如底涂层和底部层形成于层129的上面，而第二层207(如顶涂层、腔室层和喷嘴层)形成于层205的上面。在此实施例中，第一层205至少部分地限定了发射腔202，而第二层207限定了流体通道203的顶层、发射腔和壁的其余部分、以及喷嘴105。在未示出的另一个实施例中，第一层205形成了发射腔壁，而第二层207形成了喷嘴。
在一实施例中，层205和207用不同的材料制成。在此实施例中，层205和207用相同的材料制成。在可供选择的实施例中，层205和207的厚度大致相同，或者层207比层205更厚，或者层205比层207更厚。在此实施例中，层205比层207更薄。在一实施例中，层205的厚度为大约2至15微米，优选为2至6微米，最好是2微米。在一实施例中，层207的厚度为大约20至60微米，优选的是30微米。在一实施例中，底涂层的厚度小于层124整个厚度的大约50％。
在一实施例中，底涂层205是由在210℃时固化的低粘度SU8材料制成的。在另一实施例中，用于底涂层205的材料是根据对墨水的耐蚀性以及与薄膜叠层116及喷嘴层或腔室层的粘附力来选择的。在另外一个实施例中，底涂层205比保护层124的其它层更具柔性。在另外的一个实施例中，底涂层205比保护层124的其它层更具抗墨水腐蚀性。在另一个实施例中，底涂层205用NANOTM SU8Flex CP制成，这是一种较低模量的SU8形成物。在另一个实施例中，底涂层205是一种柔化的环氧树脂。在另一个实施例中，底涂层205是聚酰亚胺-聚酰胺层。在另一实施例中，底涂层205用SU8制成，其含有可供选择的可使材料具光敏性的光酸产生剂(PAG)。在另一个实施例中，底涂层205在比保护层124中其它层的固化温度更高的温度下固化。这一更高的温度使得可具有更强的抗墨水腐蚀性和更大的应力。然而，层205的厚度仍然保持较薄，以减少不希望有的破裂。
在一实施例中，层207具有高分辨率的光刻特性。在一实施例中，层207在170℃下固化。
在图4A-4D所示的实施例中，示出了形成双层(205、207)阻挡层124的工艺过程。图5示出了对应于图4A至4D中所示工艺过程的流程图。在步骤500中涂覆底涂层205，然后在步骤510中将底涂层205曝光。在步骤520中将喷嘴层材料207a涂覆到底涂层205上，如图4A所示。在步骤530中使喷嘴层207在两个掩模中曝光，如图4B和4C所示。在步骤540中，如图4D所示，将余下的未曝光的喷嘴层材料207a进行显影处理而将其除去。喷嘴层就形成了发射腔202和喷嘴105。
在图6所示实施例中，一附加的顶涂层209设置在喷嘴层207的上面。在一实施例中，顶涂层209是可用光来限定的。在一实施例中，顶涂层209用SU8制成。在一实施例中，顶涂层是不润湿的。在另一实施例中，顶涂层209是一整平层，用以使通常比较粗糙的喷嘴层表面形貌平坦化。在另外的一个实施例中，顶涂层209是掩模，其被拉伸而产生沉孔以减少胶泥填塞。在另一个实施例中，顶涂层209具有低表面能。在另一个实施例中，顶涂层209用硅氧烷基材料形成。在另一个实施例中，顶涂层209用含氟聚合物基材料制成。在一实施例中，层209的厚度在大约1/2微米至5微米的范围之内，优选的是1.1微米。
在图7A-7H所示的实施例中，示出了形成三层(205、206、208)阻挡层124的工艺过程。图8的实施例示出了对应于图7A至7H中所示工艺过程的流程图。在步骤800中，将形成流体喷射器的薄膜116沉积在基底上。在步骤810中，底涂层205被旋涂到薄膜层116上并形成图案。在步骤820中，如图7A所示，将形成腔室层的材料206a旋涂上去。如图7B所示，将材料206a进行图案化或曝光，以形成腔室层206。如图7C所示，在步骤820中，使材料206a显影并将其除去。在步骤830中，如图7D所示，用填充材料300如抗蚀剂来涂覆腔室层206。在步骤840中，如图7E所示，通过对填充材料300进行化学机械抛光(CMP)、图案化和显影等方法，而使填充材料300平坦化。在步骤850中，如图7F所示，用形成喷嘴层的材料208a来涂覆腔室层206和已进行平坦化处理的材料300。如图7G所示，使喷嘴层208曝光。在步骤850中，使材料208a显影。在步骤860中，如图7H所示，填充材料(如抗蚀剂)被除去。在图7A至7H中以及在流程图8中所示的方法可被称作失蜡法。
在此实施例中，图7H的底涂层的厚度在大约2至15微米范围内，优选的是2至6微米，最好是2微米。在此实施例中，腔室层206和喷嘴层208的厚度分别在大约10至30微米的范围内。在一更具体的实施例中，层206和208中的至少一个层的厚度在大约15至20微米的范围之内。在另一实施例中，层206和208中的至少一个层的厚度为15或20微米。
在一实施例中，喷嘴层208利用与上述层207相类似的材料来制成。在一实施例中，腔室层206用与上述层207相类似的材料来制成。在另一实施例中，腔室层206用带有可光漂白染料以实现z-对比(z-contrast)的SU8来制成。在一实施例中，z-对比指的是与大致平坦的基底垂直的方向。在一更为具体的实施例中，z-对比指的是将吸收材料放入制剂中以完全地消除光强度。在此实施例中，“对比”指的是在使SU8材料能够耐受显影剂的光酸浓度与可被显影剂溶解的浓度之间过渡的锐度。在一实施例中，这种过渡越锐利，则特征就越具有直角的特征。在此实施例中，这种可光漂白的染料在足够剂量的电磁能辐射下会漂白脱色，而变得透明。
在图9所示的实施例中，一附加的顶涂层209设置在喷嘴层208的上面。该顶涂层209与参考图6所述的顶涂层209相类似。
在图10A-10F所示的实施例中，示出了形成四层(205、1206、1000、1208)阻挡层124的工艺过程。图11示出了对应于图10A至10F中所示工艺过程的流程图。在步骤1100和图10A中，用于形成腔室层的材料1206a被涂覆在底涂层205的上面。在步骤1110中，如图10B所示，腔室层1206被曝光从而形成了围绕腔室的壁，并将未曝光的材料1206a留在腔室区域内。在步骤1120和图10C中，用于形成光子阻挡层的材料1000a被涂覆在腔室层1206和材料1206a的上面。在步骤1130和图10D中，用于喷嘴层的材料1208a被涂覆在光子阻挡层材料1000a的上面。在步骤1140中，如图10E所示，喷嘴层1208和光子阻挡层1000被曝光。材料1206a留在腔室202中，而材料1000a和1208a留在喷嘴105中。在步骤1150中，如图10F所示，材料1206a、1000a和1208a被显影，因此就从腔室及喷嘴中除去。
在此实施例中，光子阻挡层1000由包含环氧树脂或丙烯酸树脂、粘合剂、溶剂、光酸产生剂(光敏)和i-线(i-line)染料(光子阻挡)中的至少一种的溶液而铸成。在一实施例中，光子阻挡层1000的厚度在大约1/2微米至2微米的范围之内，优选的是1/2微米。在另一实施例中，光子阻挡层被最小化，但仍然具有足够的吸收性。
在一实施例中，腔室层1206和喷嘴层1208由与上述层207相类似的材料制成。在一实施例中，层1206所用的材料与层206的材料类似。在另一实施例中，光子阻挡层1000由带有可光漂白染料的SU8来形成，这种SU8材料与上面参照层206的实施例所述的材料相类似。在一实施例中，带有可光漂白染料的SU8使得可具有更大尺寸的控制和更直的边缘。举例来说，如图10F中所示，腔室和喷嘴之间的拐角边缘基本上是直角边缘。
在图12所示的实施例中，附加的顶涂层209设置在喷嘴层1208的上面。该顶涂层209与参考图6所介绍的顶涂层209类似。
在一实施例中，上述保护层124中的至少一层形成有相同的初始的基础涂层材料。然而，该材料经过不同的处理，因而相对于保护层124中的其它层而具有不同的性能。举例来说，在一实施例中，与保护层124中的其余各层相比，所述的这一层在不同剂量的电磁辐射下曝光或者在不同的温度下固化。
在一实施例中，用于保护层124中各层的材料是根据以下至少一项特性来选择的：热膨胀系数匹配性、抗墨水腐蚀性、应力释放性、不润湿性、润湿性、光固化性能、高分辨率加工能力、表面光滑性、相容性、以及相互混合能力。
在一实施例中，上述保护层124中至少有一层是由采用以下至少一种方法来进行图案化或进行蚀刻的材料而形成的：研磨喷砂、干蚀刻、湿蚀刻、紫外线辅助湿蚀刻、曝光和显影、深反应离子蚀刻、以及紫外激光加工。在一实施例中，上述保护层124中至少有一层是由干膜形成的。
在一实施例中，形成底涂层、腔室层和/或喷嘴层的材料是通过i-线曝光来进行光限定的。i-线曝光是一种曝光类型，具体地说是在波长为大约365纳米的光线下进行的曝光。在一实施例中，这种光限定的图案上覆盖有抗蚀材料。在一实施例中，所述抗蚀剂是一种正的光致抗蚀剂，比如在一特定实施例中它是SPR-220。抗蚀剂一般来说在110℃至190℃下在对流烘箱中进行烘烤，以便使抗蚀剂稳定而有利于后续的平坦化和喷嘴层的处理。在某些实施例中，用以除去未曝光的腔室层和喷嘴层的溶剂显影处理过程也用于去除抗蚀剂。
上述实施例中的至少一个实施例通过减小孔口与腔室对齐的可变性，而最大程度地实现了对迹线的控制。
在一实施例中，对SU8的成分之比、添加剂以及SU8低聚物的分子量进行调整，使该材料的特性如上所述具有一定的范围。
因此应当认识到，可以用与所述具体方法不同的方式来实施本发明。举例来说，本发明并不限于热致动流体喷射装置，而是还可包括比如压电致动的流体喷射装置、其它机械致动打印头、以及其它的流体喷射装置。在一个另外的实施例中，本发明的保护层124包含有多个层，比如4层、5层、6层等。根据具体应用，这些层中的每一个可以具有相同或不同的材料成分。因此，本发明的实施例在各个方面都应被认为是说明性的而非限制性的，本发明的范围是由所附权利要求来限定、而非由上述说明来确定的。当权利要求引用等效元件的其中“一”元件或“第一”元件时，这样的权利要求应被认为是包含了一个或多个这样的元件，既非要求也不排除两个或更多个这样的元件。
Claims (12)
1. 一种流体喷射装置(103)，包括：
具有第一表面的基底(115)；
在所述第一表面上形成的流体喷射器(201)；和
保护层(124)，其限定了在所述流体喷射器(201)周围形成的发射腔(202)，并在所述发射腔(202)的上面限定了喷嘴(105)，
其中，所述保护层(124)由至少两个SU8层(205，207；205，206，208；205，1206，1000，1208)构成。
2. 根据权利要求1所述的流体喷射装置(103)，其特征在于，所述SU8层(205，207)中的每一个层都是由相同的材料制成的。
3. 根据权利要求2所述的流体喷射装置(103)，其特征在于，所述SU8层(205，207)中的每一个层经过不同的处理。
4. 根据权利要求1所述的流体喷射装置(103)，其特征在于，所述保护层(124)具有底涂层(205)和喷嘴层(207)，其中，所述底涂层(205)的厚度小于所述保护层的厚度的50％。
5. 根据权利要求1所述的流体喷射装置(103)，其特征在于，所述底涂层(124)是在210℃下固化的低粘度的SU8。
6. 根据权利要求1所述的流体喷射装置(103)，其特征在于，所述保护层(124)具有至少三层，包括：涂覆有薄膜层(116)的底涂层(205)、限定了所述发射腔(202)的腔室层(206)、以及限定了所述喷嘴(105)的喷嘴层(208)。
7. 根据权利要求1所述的流体喷射装置(103)，其特征在于，所述流体喷射装置还包含有设置在所述保护层(124)上面的顶涂层(209)。
8. 根据权利要求1所述的流体喷射装置(103)，其特征在于，构成所述保护层(124)的多个层中的至少一个层是通过失蜡法形成的。
9. 根据权利要求1所述的流体喷射装置(103)，其特征在于，用于所述保护层(124)中的各层的材料是根据以下至少一项特性选择的：热膨胀系数匹配性、抗墨水腐蚀性、应力释放性、不润湿性、润湿性、光固化性能、高分辨率加工能力、表面光滑性、相容性、以及相互混合能力。
10. 根据权利要求1所述的流体喷射装置(103)，其特征在于，构成所述保护层(124)的多个层中的至少一个层是由干膜形成的。
11. 根据权利要求1所述的流体喷射装置(103)，其特征在于，所述保护层(124)具有至少四个层，包括：涂覆有薄膜层(116)的底涂层(205)、限定了所述发射腔(202)的腔室层(1206)、光子阻挡层(1000)，以及限定了所述喷嘴(105)的喷嘴层(1208)。
12. 一种形成流体喷射装置(103)的方法，包括以下步骤：
用第一材料(205)来涂覆包含有流体喷射器(201)的薄膜叠层(116)；
使所述第一材料(205)曝光，以形成第一SU8保护层(205)；
用第二材料(206a)来涂覆所述第一材料(205)；
使所述第二材料(206a)曝光，以形成第二SU8保护层(206)，所述第二SU8保护层(206)限定了腔室(202)；
进行显影处理，以从所述腔室(202)中除去未曝光的所述第二材料(206a)；
用抗蚀剂(300)填充所述腔室(202)；
使所述抗蚀剂(300)平坦化；
用第三材料(208a)来涂覆所述抗蚀剂(300)；
使所述第三材料(208a)曝光，以形成第三SUg保护层(208)，所述第三SU8保护层(208)限定了喷嘴(105)；和
进行显影处理，以除去所述抗蚀剂(300)和所述第三材料(208a)。
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