CN100427311C - 喷墨记录头及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有优异的排放能力的喷墨记录头及其制造方法，使用最小的需要量的耐墨水保护膜覆盖墨水供应孔的侧壁。其中通过蚀刻基片的暴露部分，涂覆基片的蚀刻部分，并且交替地重复蚀刻和涂覆步骤，直至蚀刻的部分变成与液体流动通路相连接为止，从而形成墨水供应孔；并且对于凹陷部分的深度a和相邻凸起部分的距离b，当深度a是1μm或者更小，并且距离b是5μm或者更小的时候，a和b满足如下关系：b/a≥1.7。

Description

喷墨记录头及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种喷墨记录头及其制造方法，尤其涉及一种墨水供应孔的表面形状。
背景技术
喷墨记录方法近年来迅速地获得广泛应用，因为它在记录时具有可以忽略不计的微小噪音、能够实现高速记录、能够无需特别处理即能使记录内容固着在所谓的普通纸上。
在喷墨记录头中，其中与承载排出能量产生元件的基片垂直地排出墨滴的喷墨记录头被称作“侧射记录头”，本发明涉及在这种侧射记录头中的墨水供应。
现在将对这种侧射记录头的总体结构进行说明。
图7为示意性透视图，显示出普通侧射喷墨记录头，图8为沿着图7所示的记录头的墨水通路剖开的剖面图。
通过采用膜成形技术在硅基片上形成排放能量产生部分、公共墨水腔室、墨水通路、排放口25等(将在下面详细描述)，制备出图7和图8所示的侧射喷墨记录头。在具有这些部件的硅基片(器件基片27)中，形成细长形状的贯通的墨水供应孔29。在墨水供应孔29的两侧上，沿着记录材料的传送方向，即沿着墨水供应孔29的纵向方向，按照预定的间距并以相互移位半个间距的关系形成两列的多个电热转换部件30，由此分别构成排放能量产生部分。除了这种电热转换部件30之外，通过采用膜成形技术给器件基片27设置用于将电热转换部件30与设备的主体电连接的电极终端31和电线(未显示)。在器件基片27上形成孔板33，该孔板33设有与墨水供应孔29相通的公共墨水腔室32、分别与电热转换部件30相对的多个排放喷嘴25、以及与公共墨水腔室32和相应排放喷嘴25连通的墨水通路34。在相邻的墨水通路34之间形成分隔壁35。
根据提供给与墨水通路34相对应的电热转换部件30的驱动信号，从墨水供应孔29向各个墨水通路34提供的液体，因为电热转换部件30中产生的热量而沸腾，并在因此产生的气泡的压力作用下从排放喷嘴25排出。
在这种侧射记录头中，通过在承载着作为排放能量产生元件的电热转换元件的基片(器件基片)中形成通孔，可以形成用于墨滴排放的墨水供应。
为了在这种喷墨记录头的器件基片中形成墨水供应孔，已经提出了一种采用钻孔、激光或者喷砂的方法，或者利用如日本专利申请公开NO.H09-11479所述的各向异性蚀刻方法。
日本专利申请公开No.2003-53979也提出了一种方法，其中对基片的第一表面上暴露的部分进行蚀刻，然后涂覆基片的蚀刻部分，并交替重复这些步骤，直至形成通过该基片的流体通道。这种方法称之为Bosch过程。
但是，通过钻孔、激光或者喷砂的方法形成墨水供应孔涉及一个难题，就是难以获得墨水供应孔的尺寸精度。
而且在通过各向异性蚀刻方法形成墨水供应孔的情况中，在<100>取向的硅基片的情况中，墨水供应孔会具有梯形截面(参见图8)。因此，在利用这种晶体取向的硅基片制造用于喷墨记录头的芯片的时候，难以减小这种芯片的尺寸，从而非常难以降低成本。另一方面，在<110>取向的硅基片的情况中可以获得与基片表面相垂直的墨水供应孔。但是由于这种<110>基片，在其上制造的半导体电路中具有较小的ON阻抗，因此与利用<100>硅基片的情况相比，芯片尺寸的减小是有限的。
而且通过Bosch工艺来形成墨水供应孔可以提供基本竖直的墨水供应孔，具有高精度的孔宽度和高度纵横比。但是，重复蚀刻步骤和沉积步骤导致波状的形状，称为扇形图案，如在扇形壳上观察一样，且如图1所示。图1所示的扇形的深度a对应于蚀刻步骤的侧蚀刻的量。而且扇形图案的相邻突出点之间的距离b对应于在蚀刻步骤中的蚀刻量，量a和b均受到在晶片表面上图案的开孔率、图案尺寸以及蚀刻条件的影响。
另一方面，当在硅基片上通过干法蚀刻形成墨水供应孔时，暴露在墨水供应孔侧壁上的硅晶面不必是相对于碱性溶液而言蚀刻率较低的(111)面。因此，在具有这种墨水供应孔的喷墨记录头中采用碱性溶液的情况下，硅溶解在墨水中。因此必须用抵抗碱性墨水的模覆盖表面。但是在墨水供应孔的蚀刻侧壁上形成的扇形图案显示出明显的凸起和凹陷的情况下，例如在这种扇形图案的凸起点上难以获得足够的覆盖率，如图2中圆圈所示。较厚的涂层可以在这样的点上获得足够的覆盖率，但是在墨水供应孔中难以实现精确的孔的宽度。墨水供应孔的宽度发生波动，会导致从墨水供应孔的端部至电热转换元件(加热器)的距离发生波动。因此，在喷嘴之中的流动阻力可能发生波动，可能难以获得预期的再填充频率(在从排放口排放液体之后，在液体流动通路中再次填充液体的单位时间内的重复率)。
发明内容
鉴于上述情况，本发明的一个目的是，在通过Bosch工艺形成墨水供应孔中，用最低必需量的保护膜覆盖整个侧壁，由此提供具有优异排放性能的喷墨记录头，以及其制造方法。
根据本发明，通过如下喷墨记录头可以实现上述目的，该喷墨记录头，包括：排放口，用于排放墨水；排放能量产生元件，用于产生用来从排放口排放墨水的能量；液体流动通路，与排放能量产生元件相对应地设置，并与排放口相通；以及墨水供应孔，用于给液体流动通路提供墨水，并且，墨水供应孔的侧壁包括具有凸起和凹陷部分的重复图案，其中，凹陷部分的深度是a，相邻凸起之间的距离是b；并且深度a是1μm或者更小，距离b是5μm或者更小，a和b满足如下关系：b/a≥1.7。
根据本发明，提供一种用于制造喷墨记录头的方法，该记录头包括：排放口，用于排放墨水；排放能量产生元件，用于产生用来从排放口排放墨水的能量；液体流动通路，与排放能量产生元件相对应地设置，并与排放口相通；以及墨水供应孔，用于给液体流动通路提供墨水，其中，该方法包括：蚀刻步骤，通过蚀刻基片的暴露部分，涂覆基片的蚀刻部分，并且交替地重复蚀刻和涂覆步骤，形成墨水供应孔；从而使得该墨水供应孔的侧壁包括具有凸起和凹陷部分的重复图案，其中，凹陷部分的深度是a，相邻凸起之间的距离是b，并且其中，深度a是1μm或者更小，距离b是5μm或者更小，a和b满足如下关系：b/a≥1.7。
根据本发明，提供一种用于制造喷墨记录头的方法，包括：在基片的表面上形成排放能量产生元件的步骤，该排放能量产生元件用于产生用来排放墨水的能量；在基片的表面上用可溶的树脂形成与排放能量产生元件相对应的墨水流动通路的步骤；在可溶的树脂层上形成覆盖树脂层的步骤；在覆盖树脂层中形成与墨水流动通路相通的墨水排放口的步骤；以及在覆盖树脂层中形成与墨水流动通路相通的墨水供应孔的步骤；其中，通过蚀刻基片的暴露部分，涂覆基片的蚀刻部分，并且交替地重复蚀刻和涂覆，形成墨水供应孔，从而使得墨水供应孔的侧壁包括具有凸起和凹陷部分的重复图案，其中，凹陷部分的深度是a，相邻凸起之间的距离是b；并且其中，深度a是1μm或者更小，并且距离b是5μm或者更小，a和b满足如下关系：b/a≥1.7。
本发明可以利用最小必需量的耐墨水保护膜，在通过Bosch工艺形成的墨水供应孔中覆盖具有凸起和凹陷的重复图案的整个侧壁，由此获得具有优异排放性能和高可靠性的喷墨记录头。
附图说明
图1是显示构成本发明的喷墨记录头的墨水供应孔中的扇形图案的部分的名称和尺寸的示意剖面图；
图2是显示图1所示的扇形图案的表面上的保护膜涂层的示意剖面图；
图3是显示本发明的喷墨记录头的墨水供应孔中的扇形图案示例的示意剖面图；
图4是显示本发明的喷墨记录头的墨水供应孔中的扇形图案示例的示意剖面图；
图5是显示本发明的喷墨记录头的墨水供应孔中的扇形图案示例的示意剖面图；
图6A、6B、6C、6D、6E和6F是显示用于制造喷墨记录头的本发明的制造方法的步骤的视图；
图7是显示一般的侧面射出喷墨记录头的示意透视图；
图8是图7所示的记录头沿着墨水流动通路的剖面图。
具体实施方式
以下参考附图详细描述本发明的实施方案。
在本实施方案中，基本通过重复蚀刻步骤和沉积步骤的蚀刻方法(所谓的Bosch工艺)来形成穿透喷墨记录头的基片的墨水供应孔，本实施方案定义了能够在所蚀刻的墨水供应孔的侧壁上形成足够的保护膜的扇形形状(图1)。以下的试验用于定义这种形状。
(试验)
在通过在承载热量生成电阻器的基片上重复蚀刻步骤和沉积步骤的所谓Bosch工艺而形成墨水供应孔之后，从基片的后表面侧通过等离子体CVD形成SiO膜，从而覆盖墨水供应孔的侧壁表面。墨水供应孔的侧壁上的扇形图案的尺寸根据蚀刻步骤和沉积步骤的条件而发生变化，如图3-5所示。在图3-5中，扇形的深度a对应于在蚀刻步骤中的侧蚀刻量，扇形的相邻凸起点之间的距离b对应于在蚀刻步骤中的蚀刻量。
图3和图4的比较显示，a1＜a2，b1＝b2。在图4的具有相同的尺寸b和较大的尺寸a的情况下，在墨水供应孔侧壁上的扇形图案中的凸起部分变得较为尖锐，由此保护膜的覆盖率变低。
图3和图4的比较显示，a1＜a2，b1＝b2。在图4的具有相同的尺寸b和较大的尺寸a的情况下，在墨水供应孔侧壁上的扇形图案中的凸起部分变得较为尖锐，由此保护膜的覆盖率变低。
图3和图5的比较显示，a1＝a3，b1＜b3。在图5的具有相同的尺寸a和较大的尺寸b的情况下，在墨水供应孔侧壁上的扇形图案中的凸起部分变得较钝，由此提高了保护膜的覆盖率。
因此进行一个覆盖率的试验。
制备样品，其尺寸a对应于扇形图案的深度，分别为1)0.2μm，2)0.3μm，3)0.4μm，4)0.5μm，5)0.8μm，以及6)1.0μm。制备样品，其尺寸b对应于扇形图案的相邻凸起点之间的距离，分别为1)0.5μm，2)1.0μm，3)3.0μm，4)5.0μm。通过将尺寸a与每个尺寸b结合制备样品。然后，在墨水供应孔的侧壁上从基片的后表面侧通过等离子体CVD形成厚度大约为0.5μm的SiO薄膜，并粘贴承载有液体流动通路和排放口的孔板，以获得喷墨记录头，然后进行排放耐用性测试。结果如表1-4所示。
在以下条件下进行排放耐用性测试。测试采用的墨水组成是：乙二醇/脲/异丙醇/黑色染料/水＝5/3/2/3/87份。响应以30μs和3KHz频率施加给所制备的喷墨记录头的电热转换构件(加热器)的30伏矩形电压的信号，从排放口排放墨水。
前述墨水含有脲作为增湿成分(用于减少墨水蒸发，并因此避免墨水堵塞)，脲在水解的时候显示弱碱性。在墨水供应孔的侧壁没有被充分保护的情况下，用这种碱性墨水重复地排放墨滴导致硅溶解在墨水中，造成在加热器上cogation(灼伤的表面)，甚至因为沉淀导致液体流动通路的堵塞，由此不能排放墨水。在本申请中，达到这种情况的重复排放次数被定义为耐用次数。
表1  尺寸b＝0.5μm/通过等离子体CVD形成的0.5μm的保护膜
  尺寸a(μm)   0.2   0.3   0.4   0.4   0.8   1.0
  排放耐用性测试   +   +   -   -   -   -
表2  尺寸b＝1.0μm/通过等离子体CVD形成的0.5μm的保护膜
  尺寸a(μm)   0.2   0.3   0.4   0.4   0.8   1.0
  排放耐用性测试   +   +   +   +   -   -
表3  尺寸b＝3.0μm/通过等离子体CVD形成的0.5μm的保护膜
  尺寸a(μm)   0.2   0.3   0.4   0.4   0.8   1.0
  排放耐用性测试   +   +   +   +   +   +
表4  尺寸b＝5.0μm/通过等离子体CVD形成的0.5μm的保护膜
  尺寸a(μm)   0.2   0.3   0.4   0.4   0.8   1.0
  排放耐用性测试   +   +   +   +   +   +
从基片的后表面侧形成的SiO薄膜在墨水供应孔的侧壁上形成的厚度大约为0.5μm，原因如下。较厚的保护膜可以与扇形图案无关地避免硅溶解在墨水中，但是增加了墨水供应孔宽度的公差，因此影响了再填充频率。在以下的喷墨记录头中，需要使得在基片中央形成为贯穿孔的墨水供应孔的尺寸尽可能地小，基片的尺寸也要减小，以实现较小的记录头和降低成本。但是，对于较小宽度的墨水供应孔，流动阻力因为尺寸变化而显示出较大的增加，因此甚至墨水供应孔的宽度稍微减小，就会导致再填充频率急剧下降的现象。因此，墨水供应孔的宽度需要更严格的公差，这不仅需要减少墨水供应孔的蚀刻公差，而且需要较小的保护膜厚度以及较小的公差。
在本实施方案中，考虑到实际的条件，在墨水供应孔的侧壁上形成厚度大约0.5μm的SiO薄膜。
在表1-4中，在排放耐用性测试中显示为失败(-)的每个头被拆下来并加以调查。结果观察到硅溶解在墨水中，这被证实为是失败的原因。然后，调查这种现象与尺寸a和b的比例之间的关系，得到表5所示的关系，处在如下范围之内：尺寸a是1.0μm或更小，尺寸b是5.0μm或更小，显示出关系b/a≥1.7。
表5  b/a(黑斜体字显示出排放耐用性测试的可接收的范围)
Figure C20051012460400111
[实施例]
以下，参考图6A-6F解释本发明的喷墨记录头的制造方法的实施例。
图6A显示了喷墨记录头的基片(基础构件)。在硅基片100的表面上，设置加热器200和蚀刻阻挡层300。本实施例的蚀刻阻挡层300由铝构成。硅基片100的厚度是200μm。
图6B显示了硅基片100的后表面设有蚀刻掩膜400而顶表面设有表面保护抗蚀剂500的状态，所述蚀刻掩膜400用于通过后面步骤中的各向异性干法蚀刻形成墨水供应孔。在本实施例中，采用TokyoOka Co.制造的抗蚀剂OFPR作为蚀刻掩膜400和表面保护抗蚀剂500，但是也可以采用其他市售的正光致抗蚀剂或其他的材料。
图6C显示了通过干法蚀刻在硅基片100中形成墨水供应孔的状态。在本实施例中，利用Alcatel Co.制造的型号为601E的ICP蚀刻设备，并通过交替重复用SF6蚀刻和用C4F8沉积(也称之为涂覆)的所谓Bosch工艺来进行干法蚀刻。
在这种操作中，通过等离子体CVD形成的铝蚀刻阻挡层300阻挡用于形成墨水供应孔的各向异性干法蚀刻。
在本实施例中，在通过Bosch工艺形成的墨水供应孔的侧壁形状的观察中，扇形图案的相邻凸起点在硅基片100的厚度方向上的距离大约是1μm。扇形图案在与硅基片100的厚度方向垂直的方向上的凹槽深度大约是0.3μm。
蚀刻条件是：等离子体功率2200W，基片偏压功率120W，SF6/500ml/min(正常)/5.0s/ca.5.0E-2mbar，C4F8/150ml/min(正常)/2.0s/ca.1.6E-2mbar。采用-5℃的晶片温度，总的蚀刻时间是20分钟。
图6D显示了除去铝蚀刻阻挡层300、然后剥去蚀刻掩模400和表面保护抗蚀剂500的状态。用混合的酸C-6(Tokyo Oka Co.制造)除去铝，利用Shipley Far East Co.制造的剥离剂1112A剥去蚀刻掩模400和表面保护抗蚀剂500。
图6E显示了通过等离子体CVD从硅基片100的后表面侧形成厚度为0.5μm的SiO膜的状态。在硅基片100的后表面上形成SiO膜，并作为墨水供应孔侧壁上的保护膜550。在墨水供应孔的侧壁上，如上所述由于扇形图案在相邻的凸起点之间具有大约1μm的距离，并且凹槽的深度为大约0.3μm，因此薄至0.5μm的保护薄膜可以充分地覆盖扇形图案的凸起点。
图6F显示了其中形成有液体流动通路700和排放口650的孔板600粘附有粘接剂的状态。
将通过图6A至6F所示的步骤制备的喷墨记录头安装在记录设备上，并使用碱性墨水进行记录操作。结果，可以进行稳定的打印操作，并获得高品质的打印。
本申请要求2004年11月9日提交的日本专利申请No.2004-324979的优先权，其内容在此引入作为参考。

Claims (3)

1.一种喷墨记录头，包括：
排放口，用于排放墨水；
排放能量产生元件，用于产生用来从排放口排放墨水的能量；
液体流动通路，与排放能量产生元件相对应地设置，并与排放口相通；以及
墨水供应孔，用于给液体流动通路提供墨水，
并且，墨水供应孔的侧壁包括具有凸起和凹陷部分的重复图案，其中，凹陷部分的深度是a，相邻凸起之间的距离是b；
并且深度a是1μm或者更小，距离b是5μm或者更小，a和b满足如下关系：b/a≥1.7。
2.一种用于制造喷墨记录头的方法，该记录头包括：排放口，用于排放墨水；排放能量产生元件，用于产生用来从排放口排放墨水的能量；液体流动通路，与排放能量产生元件相对应地设置，并与排放口相通；以及墨水供应孔，用于给液体流动通路提供墨水，其中，该方法包括：
蚀刻步骤，通过蚀刻基片的暴露部分，涂覆基片的蚀刻部分，并且交替地重复蚀刻和涂覆步骤，形成墨水供应孔；
从而使得该墨水供应孔的侧壁包括具有凸起和凹陷部分的重复图案，其中，凹陷部分的深度是a，相邻凸起之间的距离是b，并且其中，深度a是1μm或者更小，距离b是5μm或者更小，a和b满足如下关系：b/a≥1.7。
3.一种用于制造喷墨记录头的方法，包括：
在基片的表面上形成排放能量产生元件的步骤，该排放能量产生元件用于产生用来排放墨水的能量；
在基片的表面上用可溶的树脂形成与排放能量产生元件相对应的墨水流动通路的步骤；
在可溶的树脂层上形成覆盖树脂层的步骤；
在覆盖树脂层中形成与墨水流动通路相通的墨水排放口的步骤；以及
在覆盖树脂层中形成与墨水流动通路相通的墨水供应孔的步骤；
其中，通过蚀刻基片的暴露部分，涂覆基片的蚀刻部分，并且交替地重复蚀刻和涂覆，形成墨水供应孔，从而使得墨水供应孔的侧壁包括具有凸起和凹陷部分的重复图案，其中，凹陷部分的深度是a，相邻凸起之间的距离是b；并且
其中，深度a是1μm或者更小，并且距离b是5μm或者更小，a和b满足如下关系：b/a≥1.7。
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