CN101380847B - 制造液体喷射头基底的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于制造液体喷射头基底的方法，所述基底包括具有用于供应液体的供给端口的硅基底。所述方法包括：在硅基底表面上设置蚀刻掩模层，所述蚀刻掩模层在与所述供给端口相对应的部分上具有开口；通过经由蚀刻掩模层上的开口对硅基底进行各向异性蚀刻而在所述硅基底上形成第一凹部；在所述硅基底的第一凹部的表面上形成第二凹部，所述第二凹部朝向硅基底的另一表面延伸；和通过从具有第二凹部的表面对所述硅基底进行各向异性蚀刻而形成供给端口。本发明还公开了相应的液体喷射头。

Description

制造液体喷射头基底的方法
技术领域
本发明涉及用于喷射液体的液体喷射头，以及制造在液体喷射头中使用的液体喷射头基底的方法。
背景技术
用于喷墨记录的喷墨记录头是一种示例性的用于喷射液体的液体喷射头。
美国专利No.6143190公开了一种通过各向异性蚀刻形成供墨端口的方法，所述供墨端口与具有喷射能量产生部分的液体腔室连通并向其供应液体，所述喷射能量产生部分产生使液滴从喷射孔喷出的热能。美国专利No.6143190还公开了一种使用牺牲层精确形成供墨端口的方法。美国专利No.6143190例如在图1-3以及与这些附图相关的第一实施例的说明中公开了牺牲层在精确蚀刻中所起的作用。美国专利No.7250113公开了通过同时执行形成牺牲层的步骤和另一步骤而在执行精确蚀刻的同时简化步骤的方法。
这些供墨端口通过使用碱性溶液对具有<100>平面取向的硅(Si)基底进行各向异性蚀刻而形成。这种方法应用了碱性溶液在不同平面取向间的溶解速度差异。更具体地，进行蚀刻而留下<111>平面，其溶解速度极低。
图7是示意性剖视图，显示了通过使用已知牺牲层和各向异性蚀刻方法形成示例性供墨端口。图7显示了硅基底51、存在牺牲层的部分52、蚀刻停止层54、蚀刻掩模58和硅基底的<111>平面55。如图7所示，<111>平面55相对于硅基底51的背面具有54.7°的斜度。因此，当例如使用已知的硅各向异性蚀刻方法在具有厚度为T的硅基底51中形成通孔时，按照几何学，经受蚀刻的表面需要具有至少(2T/tan54.7°)的宽度。这给减小晶片尺寸或后端处理(例如，芯片焊接步骤)中的晶片加工造成阻碍。
美国专利No.6107209公开了一种解决上述问题的方法，其中，在硅基底的热处理之后进行各向异性蚀刻。根据这种方法，形成具有桶形横截面的供墨端口，其中，<111>平面的加工宽度从硅基底的背面增大到希望的高度，随后<111>平面的加工宽度减小。
美国专利No.6805432公开了一种用于形成具有桶形横截面的供墨端口的方法，其中，在干蚀刻之后进行各向异性蚀刻。
然而，可以根据美国专利No.6107209中公开的用于形成具有桶形横截面的供墨端口的方法形成的供墨端口的形状(桶形的桶腰位置)由于加工原因受到限制。如果在硅基底的晶体结构中存在任何缺陷，蚀刻的进行情况在所述缺陷部分发生改变，从而使得不可能获得具有希望形状的供墨端口。因此，难以在不管硅基底的晶体结构的情况下稳定地形成希望的供墨端口。
另外，在美国专利No.6805432中公开的用于形成具有桶形横截面的供墨端口的方法中，制造过程中的负荷很重。更具体地，用于在硅基底上形成深槽的干蚀刻步骤花费很长时间。而且，因为存在干蚀刻之前和干蚀刻之后的步骤，例如涂布、曝光、显影和移除步骤，这些步骤需要花费时间和精力。
发明内容
本发明提供了一种用于制造液体喷射头基底的方法，该方法能够以高形状精度和高制造效率稳定地制造液体喷射头基底。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于制造液体喷射头基底的方法，所述基底包括具有用于供应液体的供给端口的硅基底，所述方法包括：提供表面上具有蚀刻掩模层的硅基底，所述表面具有<100>平面取向，所述蚀刻掩模层在与所述供给端口对应的部分上具有开口，所述硅基底还具有产生用于喷射液体的能量的能量产生元件；穿过所述蚀刻掩模层上的所述开口利用溶液对硅基底进行各向异性蚀刻而在硅基底的所述表面上形成第一凹部，所述第一凹部具有露出的<100>平面；在所述硅基底中的第一凹部的<100>平面的一部分上形成包括一开口的第二凹部；和通过从形成第二凹部的<100>平面利用溶液对硅基底进行各向异性蚀刻而形成所述供给端口。
本发明的其它特征通过下文参照附图描述的示例性实施例将变得显而易见。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的喷墨记录头的一部分的透视图。
图2是应用根据本发明一个实施例的制造方法的喷墨记录头基底的剖视图。
图3A-3D显示了根据本发明一个实施例的制造喷墨记录头基底的方法。
图4是根据本发明一个实施例的喷墨记录头基底的改型实例的剖视图。
图5A-5D显示了一种用于制造应用图3A-3D所示方法的喷墨记录头的方法。
图5E-5H显示了一种用于制造应用图3A-3D所示方法的喷墨记录头的方法。
图6是基底背面的平面图，所述基底具有在图5F所示步骤中形成的导孔。
图7是示意性剖视图，显示了使用已知牺牲层和各向异性蚀刻方法形成的示例性供墨端口。
具体实施方式
现在将参照附图描述本发明的实施例。在下面的说明中，在所有视图中，相同的参考数字表示相同的部件，因此有时省略其解释。
虽然喷墨记录头在下文称作应用本发明的示例性液体喷射头，但是本发明的液体喷射头的适用范围不限于此，本发明可适用于生物晶片的制造、电子电路的印刷等。
首先，描述可适用本发明的喷墨记录头(下文还称作“记录头”)。
图1是根据本发明一个实施例的记录头的示意图。
喷墨记录头具有硅基底1，所述硅基底具有以预定间距布置成两排的排墨能量产生元件3。作为接触层的聚醚酰胺层(未显示)沉积在硅基底1上，其上形成有具有流路侧壁9和喷墨孔14的光聚合物涂层12，所述喷墨孔在排墨能量产生元件3的上方开放。光聚合物涂层12构成与供墨端口16和喷墨孔14连通的墨水流路的上部。通过使用二氧化硅(SiO2)薄膜作为掩模对硅基底1进行各向异性蚀刻形成的供墨端口16在两排排墨能量产生元件3之间开放。喷墨记录头通过给经由供墨端口16充于墨水流路中的墨水(液体)施加由排墨能量产生元件3产生的压力而进行记录，从而使墨滴从喷墨孔14喷出并沉积在记录介质上。
喷墨记录头可以安装在例如打印机、复印机、具有通信系统的传真机或者具有打印机装置的文字处理机的设备上。喷墨记录头还可以安装在与各种加工设备结合使用的工业记录设备上。喷墨记录头能够在包括纸、细丝、纤维、皮革、金属、塑料、玻璃、木材和陶瓷的各种记录介质上记录。在此，术语“记录”不仅表示在记录介质上形成具有含义的图像，例如字母或图形，还表示在记录介质上形成无含义的图像，例如图案。
使用导孔进行各向异性蚀刻的特征
图2是应用根据本实施例的制造方法的喷墨记录头基底的剖视图。图2是沿图1中的线II，V-II，V剖开的剖视图。图2显示了牺牲层2、蚀刻停止层(钝化层)4、硅基底1、用于各向异性蚀刻的蚀刻掩模层8以及导孔20。
在本实施例中，首先，对在背面上具有蚀刻掩模层8的硅基底1各向异性蚀刻到希望的图案深度以形成第一凹部28，此处露出<100>晶体取向平面。接下来，在第一凹部28中形成作为第二凹部的导孔(盲孔)20，所述第二凹部延伸到刚好在牺牲层2前的位置。最后，进行各向异性蚀刻以使导孔20到达牺牲层2并穿透硅基底1。在本实施例中，可以形成延伸到刚好在牺牲层2前的位置处的导孔20，因为导孔20在第一凹部28形成于硅基底1中之后形成。如本实施例，通过形成延伸到刚好在牺牲层2前的位置处的导孔20，可以减少由硅基底1的可能存在的内部缺陷造成蚀刻故障的可能性。因此，这使得能够在不考虑硅基底1的内部晶体结构的情况下稳定、有效地制造喷墨记录头基底和喷墨记录头。
在本实施例中，如图2所示，作为第二凹部的导孔20在硅基底1的第一凹部28(所述第一凹部28形成在要形成供墨端口16的区域内)中的形成方式使得至少两个导孔20沿供墨端口16的横向方向形成。希望的是，在硅基底1中，导孔20在要形成供墨端口16的区域内沿供墨端口16的纵向方向(穿透纸的方向)布置成两排，并且相对于供墨端口16的中心线对称。虽然导孔20在此处公开的实施例中布置成两排，但是导孔20可以布置成三排或三排以上。
图3A-3D示意性地显示了在具有如图2所示导孔的硅基底上进行的晶体各向异性蚀刻方法。
首先，对于每个导孔20形成<111>平面21a和21b，使得<111>平面21a和21b之间的距离沿从与硅基底1的背面邻近的导孔20末端向硅基底1的表面的方向减小。同时，从导孔20的内部沿与硅基底1的厚度方向垂直的方向(在图3A-3D中沿左右方向)进行蚀刻。另外，在形成于露出<100>平面的硅基底1的背面中的第一凹部28内形成<111>平面22，使得<111>平面22之间的距离朝向硅基底1的表面增大(图3A)。
当进一步进行蚀刻时，导孔20的<111>平面21b在导孔20之间的位置处彼此相交。然后，对由这些<111>平面21b形成的顶部朝向硅基底1的表面进一步蚀刻。另外，构成导孔20的外平面的<111>平面21a与从露出<100>平面的硅基底1的开口延伸的<111>平面22相交。因此，沿与硅基底1的厚度方向垂直的方向进行的蚀刻显然停止(图3B)。
当蚀刻进一步进行时，<100>平面形成在两个导孔20之间(图3C)。当蚀刻进行时，<100>平面接近硅基底1的表面，最后，到达牺牲层2。因此，完成各向异性蚀刻(图3D)。
如图3A-3D所示，根据本实施例的供墨端口16具有的形状使得供墨端口16沿横向方向的宽度从形成于硅基底1的背面上的供墨端口16的开口逐渐减小到硅基底1的第一深度位置(最初存在第一凹部28的最深部分的位置)，随后从第一深度位置朝向硅基底1的表面逐渐增大到第二深度位置(其为桶形部分的桶腰)，并且从第二深度位置逐渐减小到硅基底1的表面。
在用于形成供墨端口16的上述方法中，形成<111>平面21a(其间的距离朝向硅基底1的表面减小)的位置由导孔20的位置确定。形成<111>平面22(其间的距离从在形成于硅基底1的背面中的第一凹部28处露出的<100>平面朝向硅基底1的表面增大)的位置由通过各向异性蚀刻露出<100>平面的位置确定。
假设，如图2所示，L表示牺牲层2沿横向方向的宽度(牺牲层2沿横向方向的两端之间的距离)，T1表示从硅基底1的表面到第一凹部28的<100>平面的厚度，X表示两排导孔20之间的距离，即位于第一凹部28沿横向方向两端处的导孔20(盲孔)之间的距离，以及D表示导孔20的深度。
在上述蚀刻方法中，为了通过对硅基底1的背面进行各向异性蚀刻使供墨端口16到达牺牲层2，希望导孔20的深度D满足下列关系：
[表达式1]
T1-(X/2-L/2)×tan54.7°≥D≥T1-X/2×tan54.7°
另外，为了形成如上所述具有桶形横截面的供墨端口16，希望位于第一凹部28沿横向方向两端处的导孔20之间的距离X和<100>平面(在第一凹部28处露出)沿横向方向的宽度Y满足下列关系：
[表达式2]
(T1/tan54.7°)+L＞Y＞X
如果在第一凹部28处露出的<100>平面沿横向方向的宽度Y大于(T1/tan54.7°)+L，则会不希望地形成具有<111>平面(其间的距离从硅基底1的背面向表面减小)的供墨端口。
因此，根据本实施例的制造方法允许加工图案、导孔20的深度D以及从硅基底1的表面到第一凹部28的<100>平面的厚度T1发生变化。因此，可以形成各种桶形供墨端口。
图4是通过应用如图3A到3D所示制造方法形成的喷墨记录头基底的剖视图。
在图4所示实例中，首先，在硅基底1的背面上形成第一凹部28，所述第一凹部到<100>平面28a的深度小于图3A-3D所示的深度。其次，在<100>平面28a中形成布置成两排的导孔20a，并且进行各向异性蚀刻以形成第一桶形部分，所述第一桶形部分具有与硅基底1的表面相邻的<100>平面28b。最后，在<100>平面28b中形成布置成两排的导孔20b，并且在<100>平面28b到达牺牲层2之前进行各向异性蚀刻以形成第二桶形部分。因此，形成具有如图4所示两个桶形部分的供墨端口16。形成在供墨端口16中的桶形部分的数目不限于图3A-3D所示的一个或如图4所示的两个，而是可以为三个或以上。
下面参照图5A到5D和图5E到5H描述制造喷墨记录头的方法，对所述喷墨记录头应用上述制造喷墨记录头基底的方法。本发明不局限于下面公开的实施例，而是可以适用于落入权利要求书中所公开的本发明构思内的其它方法。
图5A到5D和图5E到5H是沿图1中直线II，V-II，V剖开的剖视图。
排墨能量产生元件3例如发热元件布置在硅基底1的表面上，如图5A所示。硅基底1的背面由SiO2薄膜6完全覆盖。牺牲层2形成在硅基底1的表面上，所述牺牲层将在供墨端口16形成期间溶解于碱性溶液中。图中没有显示用于驱动排墨能量产生元件3的金属线和半导体元件。牺牲层2由可通过碱性溶液进行蚀刻的材料制成。这种材料的实例包括能够迅速蚀刻的多晶硅和含铝材料，如铝、铝硅合金、铝铜合金、铝硅铜合金。然而，牺牲层2的材料不限于上述材料，并且可以适当选择比硅更迅速地被碱性溶液蚀刻的材料。在牺牲层2通过硅基底1的各向异性蚀刻露出之后，蚀刻停止层(钝化层)4需要停止由碱性溶液进行的蚀刻过程。希望的是，例如，蚀刻停止层4由储热层或保护膜构成，所述储热层由二氧化硅制成并位于排墨能量产生元件3的下面，所述保护膜由氮化硅制成并位于排墨能量产生元件3的上面。
接下来，如图5B所示，聚醚酰胺树脂层7和8分别形成在硅基底1的表面和背面上，并且在烧固步骤中固化。然而，为了使聚醚酰胺树脂层7形成图案，将正性抗蚀剂(未显示)利用旋涂方法等施加给硅基底1的表面，随后曝光和显影。聚醚酰胺树脂层7随后通过干蚀刻等方法形成图案，并且移除正性抗蚀剂。类似地，为了使聚醚酰胺树脂层8形成图案，将正性抗蚀剂(未显示)利用旋涂方法等施加给硅基底1的背面，随后曝光和显影。聚醚酰胺树脂层8随后通过干蚀刻等方法进行形成图案，并且移除正性抗蚀剂。由聚醚酰胺树脂层8制成的蚀刻掩模层在与形成供墨端口16的部分相对应的部分内具有开口8a。
然后，如图5C所示，在硅基底1的表面上使正性抗蚀剂10形成图案，所述正性抗蚀剂为成形材料，其占据构成墨水流路的部分。
随后，如图5D所示，构成喷嘴形成构件的光聚合物涂层12利用旋涂方法等形成在正性抗蚀剂10上。另外，光聚合物涂层12通过层压干膜等方法由防水材料13所覆盖。光聚合物涂层12暴露给紫外(UV)线、深紫外线等，随后显影和形成图案以在光聚合物涂层12上形成喷墨孔14。
接下来，如图5E所示，形成正性抗蚀剂10和光聚合物涂层12的硅基底1的表面以及硅基底1的侧面通过旋涂方法等由防护材料15覆盖。
然后，如图5F所示，在硅基底1的背面形成供墨端口16。首先，位于要形成硅基底1的背面中的第一凹部28的区域内的SiO2薄膜6通过设置于蚀刻掩模层8中的开口8a移除。然后，使用作为各向异性蚀刻剂的氢氧化四甲基铵(TMAH)溶剂，从背面对硅基底1的蚀刻表面进行蚀刻。因此，形成具有希望深度的第一凹部28，<100>晶体取向平面23在此处露出。接下来，通过激光加工形成从硅基底1的背面朝向表面延伸的导孔20。导孔20设置成使开口形成在<100>晶体取向平面23的一部分上。这时，使用频率三倍于YAG激光频率的激光束(THG：波长355nm)形成导孔20，同时适当设定激光束的功率和频率。希望导孔20的直径为大约5μm到100μm。在随后的各向异性蚀刻过程中，导孔20的直径过小会阻碍蚀刻剂进入导孔20。导孔20的直径过大会花费时间来形成具有希望深度的导孔20。如果导孔20的直径增大，需要相应地设定加工间距(pitch)，使得相邻导孔20不彼此接触。
图6是硅基底1的背面的平面图，所述硅基底1具有在图5F所示步骤中形成的导孔20。第一凹部28的<100>平面设置在与形成在硅基底1的表面上的牺牲层2(在图6中由虚线表示)相对应的位置处。
虽然在本实施例中使用作为YAG激光的三次谐波振荡波(THG：波长355nm)的激光束来形成导孔20，但是只要激光束具有足以在作为基底1的材料的硅上钻孔的波长即可，激光束不限于此。例如，可以使用YAG激光的二次谐波振荡波(SHG：波长532nm)形成导孔20，因为SHG被硅高度吸收，与THG类似。替代地，可以使用YAG激光的基波(波长1064nm)。
然后，如图5G所示，利用TMAH溶剂作为各向异性蚀刻剂对硅基底1的背面进行蚀刻以形成延伸到牺牲层2的供墨端口16。蚀刻按照图3A到3D所示的方法进行，相对于硅基底1的背面具有54.7°的斜度的<111>平面在导孔20的末端到达牺牲层2。通过蚀刻剂对牺牲层2进行各向异性蚀刻，因此，按牺牲层2的形状形成供墨端口16的上端。供墨端口16形成为具有沿图1中直线II，V-II，V剖开的桶形横截面，其中，<111>平面露出。因此，通过允许<111>平面暴露给供墨端口16，可以有效防止硅被从硅基底1上冲洗到流入供墨端口16的墨水中。
最后，如图5H所示，通过干蚀刻移除蚀刻停止层4覆盖供墨端口16的开口的部分。然后，移除聚醚酰胺树脂层8和防护材料15。然后，正性抗蚀剂10溶解并通过喷墨孔14和供墨端口16排出，从而形成墨水流路和泡沫室。
在进行了上述步骤之后，完成具有喷嘴部分的硅基底1。利用划片机等将硅基底1切成晶片。然后，在每个晶片中，结合用于驱动排墨能量产生元件3的电线。其后，用于供应墨水的晶片容器构件连接到晶片上。因此，完成喷墨记录头。
虽然根据本实施例的硅基底1具有600μm的厚度，本发明的制造方法可以应用于厚度小于或大于600μm的基底。
尽管已经参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。下列权利要求的范围应理解为最广义的解释，以便涵盖所有变型和等效结构及功能。

Claims (3)

1.一种用于制造液体喷射头基底的方法，所述基底包括具有用于供应液体的供给端口的硅基底，所述方法包括：
提供表面上具有蚀刻掩模层的硅基底，所述表面具有<100>平面取向，所述蚀刻掩模层在与所述供给端口对应的部分上具有开口，所述硅基底还具有产生用于喷射液体的能量的能量产生元件；
穿过所述蚀刻掩模层上的所述开口利用溶液对硅基底进行各向异性蚀刻而在硅基底的所述表面上形成第一凹部，所述第一凹部具有露出的<100>平面；
在所述硅基底中的第一凹部的<100>平面的一部分上形成包括一开口的第二凹部；和
通过从形成第二凹部的<100>平面利用溶液对硅基底进行各向异性蚀刻而形成所述供给端口。
2.如权利要求1所述的方法，其中，设置多个第二凹部，所述第二凹部布置成沿所述第一凹部的纵向方向延伸的至少两排，并且相对于沿所述第一凹部的纵向方向延伸的中心线对称。
3.如权利要求1所述的方法，其中，利用激光束形成所述第二凹部。
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