CN101746143B

CN101746143B - 液体排出头用基板的制造方法

Info

Publication number: CN101746143B
Application number: CN2009102594215A
Authority: CN
Inventors: 森末将文; 铃木工; 久保田雅彦; 柬理亮二; 冈野明彦; 平本笃司
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2029-12-18
Also published as: RU2416522C1; KR101248344B1; JP2010143119A; US8366951B2; EP2202076B1; US20100156990A1; KR20100071912A; CN101746143A; EP2202076A2; JP4656670B2; EP2202076A3

Abstract

本发明涉及液体排出头和液体排出头用基板的制造方法。液体排出头包括Si基板和液体供给口，所述Si基板设置有产生用于排出液体的能量的元件，设置所述液体供给口以从第一表面至背面穿过所述Si基板，从而向所述元件供给液体。所述基板的制造方法包括以下步骤：在面取向为{100}的Si基板背面上形成多个凹部，所述凹部面向所述第一表面并沿所述Si基板的<100>方向成行排列；和使用Si基板{100}面的蚀刻速率比Si基板{110}面的蚀刻速率慢的蚀刻液，经由凹部，通过在Si基板上进行晶轴各向异性蚀刻而形成多个液体供给口。

Description

液体排出头用基板的制造方法

技术领域

本发明涉及液体排出头和所述液体排出头的制造方法。

背景技术

图9显示了示意性说明用于喷墨打印方式(scheme)的典型液体排出头的图。液体排出头设置有用于向Si基板上排出液体的微细排出口103、用于连接排出口103的流路104和设置于部分流路104上的液体排出能量产生元件101。在Si基板上，形成连接至流路104的供给口701。液体排出头通过例如USP6137510中公开的方法制造。

在日本专利申请特开2007-210242中，公开形成供给口的方法，其中通过激光加工在基板中形成导孔，然后进行硅晶轴各向异性蚀刻，从而形成供给口。

另一方面，如图12所示，当假定液体排出头包括独立供给口105和流路104时，可考虑以下问题，所述流路104连接至排出口103并相对于能量产生元件101对称设置。

这里，独立供给口表示独立地连接至流路104的供给口，所述流路104连接至排出口103。另外，副流路表示沿与排出口103对称的两个方向连接流路104的流路。另外，在独立供给口之间插入的梁状Si(下文中称作Si梁(pillar))106中，电配线(electriclines)可以引绕至液体排出能量产生元件。

另外，在该说明书中，将使用米勒指数(Miller index)描述结晶取向。将结晶学上等价的面，例如，(100)和(010)表示为{100}。另外，将结晶学上等价的取向，例如，[100]和[010]表示为<100>。

为了制造具有图12中所示形状的液体排出头的独立供给口105，使用在日本专利申请特开2007-210242中描述的方法，沿基板表面的垂直方向形成菱形的供给口横截面。尽管能够小地形成供给口的开口，但是当以高密度形成独立供给口时，两个最接近供给口之间的Si梁的宽度变得较窄，从而可以弱化所述头的强度。另外，可能存在难以向基板有效辐射从液体排出能量产生元件产生的热能的情况，从而有改进的需要。

公开了形成导孔之后进行Si晶轴各向异性蚀刻并在{110}面上形成供给口壁的情况。这是因为，为了形成为典型共通液室(common liquid chamber)的空间的目的，通过具有良好精度的Si晶轴各向异性蚀刻，沿<110>方向容易地形成沟(groove)(见图13)。由于此原因，根据现有技术的液体排出头的排出口通常沿<110>方向排列。

然而，在很多条件下，已知{110}面的Si晶轴各向异性蚀刻速率比为另一典型结晶取向的{100}面的蚀刻速率或{111}面的蚀刻速率快。由于此原因，当沿<110>方向形成对应于根据现有技术沿<110>方向排列的排出口的独立供给口时，所关心的是：两个最接近的供给口之间的Si梁的宽度可以比通过<110>方向高蚀刻速率的期望宽度更窄地形成。

发明内容

已作出本发明来解决上述问题，目的是提供液体排出头，其中将在Si基板中设置的供给口中相邻供给口之间的Si部分形成为具有适当宽度。另外，另一目的是提供液体排出头的制造方法，通过该方法能够高精度地获得液体排出头。

本发明的实例为液体排出头用基板的制造方法，所述液体排出头包括Si基板和液体供给口，所述Si基板在第一表面上设置有产生用于排出液体的能量的元件，设置所述液体供给口以从所述第一表面至其背面穿过所述Si基板，从而向所述元件供给液体。所述方法包括以下步骤：在面取向为{100}的Si基板的背面上形成多个凹部，以使得所述凹部沿Si基板的<100>方向成行排列，所述凹部面向所述第一表面；使用Si基板{100}面的蚀刻速率比Si基板{110}面的蚀刻速率慢的蚀刻液，经由凹部，通过在Si基板上进行晶轴各向异性蚀刻而形成多个液体供给口。

根据本发明，可设置液体排出头以使得在Si基板中设置的供给口中相邻供给口之间的Si部分形成为具有适当宽度。

一种液体排出头，其包含：Si基板，其面取向为{100}，并且第一表面设置有产生用于从排出口排出液体的能量的元件；和多个液体供给口，设置所述液体供给口以从所述第一表面至其背面穿过所述Si基板，从而与液体流路连通并向所述液体流路供给液体，所述液体流路与所述排出口连通，其中，彼此最接近的第一液体供给口和第二液体供给口沿所述Si基板的<100>方向排列，为{100}面的所述第二液体供给口的壁面设置于为{100}面的所述第一液体供给口壁面的背面上。

参考附图，从示例性实施方案的以下描述，本发明的进一步特征将变得显而易见。

附图说明

图1为示意性示出根据本发明制造的液体排出头的图。

图2为显示示出沿图1中线A-A′所取的液体排出头的横截面的透视图。

图3A、3B和3C为示意性示出用于描述加工顺序的本发明实施方案的横截面图。

图4为示意性示出本发明实施方案的图。

图5A、5B和5C为示出通过本发明的Si晶轴各向异性蚀刻形成独立供给口的图。

图6A、6B和6C为示意性示出用于描述加工顺序的本发明实施方案的横截面图。

图7A、7B和7C为示意性示出用于描述加工顺序的本发明实施方案的横截面图。

图8A和8B为示意性示出根据本发明制造的液体排出头的图。

图9为示意性示出现有技术中典型液体排出头的图。

图10A、10B、10C、10D、10E和10F为示意性示出用于描述加工顺序的本发明实施方案的横截面图。

图11A、11B和11C为示意性示出用于描述加工顺序的本发明实施方案的横截面图。

图12为示意性示出现有技术中液体排出头的图。

图13为示意性示出在液体排出头中典型形成的共通液室的图。

具体实施方式

(实施方案1)

图1为示意性示出当从排出面侧(discharge surface side)观察时根据本发明制造的液体排出头的图。图2显示示出沿图1中线A-A′所取的液体排出头横截面的透视图。在其表面上具有{100}面的Si基板100上，设置液体排出能量产生元件101。另外，使用喷嘴材料102形成用于排出液体的排出口103和用于保持液体的流路104。另外，在Si基板100中形成连接至流路104的多个供给口105。

将参考图3A至3C、4和5A至5C描述本发明的形状。图3A 至3C为示意性示出沿线A-A′所取的横截面(左侧的图)和以加工顺序示出的沿图1中线B-B′所取的液体排出头的横截面(右侧的图)的图。

首先，制备基板300(见图3A)。在基板300中，在具有{100}面的Si基板100上设置液体排出能量产生元件101，并形成排出口103和流路104。另外，在基板300中设置钝化膜(passivationfilm)301。钝化膜301为通过用于驱动液体排出能量产生元件101的晶体管的制造方法而形成的膜。另外，作为组分，钝化膜301由氧化硅膜、氮化硅膜或它们的层压结构形成。钝化膜301可以在Si基板100的全部表面上形成，或者部分地除去一些部分的结构而形成。

另外，基板300中的排出口103和流路104可以通过根据现有技术的方法制造。此时，排列芯片使得排出口阵列的纵向为如图4中所示的{100}面的Si基板100上的<100>方向。

接下来，使用激光束形成导孔302，从而从Si基板的背面(与其上形成流路104的表面相对的表面)除去Si基板100((见图3B)，第一Si除去加工)。此时，导孔302作为凹部形成，从而两个最接近的导孔302沿Si基板100上晶轴的<100>方向排列。

此时，需要通过激光加工控制形成的深度，从而不到达钝化膜301。这是因为当激光加工到达钝化膜301时，在一些情况下可能损伤钝化膜301和在其上形成的喷嘴材料102。另外，考虑到通过激光加工形成的深度偏差来确定加工的深度值。从防止在激光加工中对喷嘴材料102损伤的观点，作为凹部的导孔302的顶端和钝化膜301之间的间隔合适地为5μm以上。

用于激光加工的激光束的波长、脉冲时间和激光照射的光点形状并不特别限制，只要能够有效除去Si基板即可。在这种情况下，激光照射的光点形状通常为考虑到成本优选的圆形。当将圆形用作激光照射的光点形状时，待形成的导孔302的直径合适地在15μm至35μm的范围内。另外，两个最接近的导孔302之间Si梁的宽度合适地在50μm至70μm的范围内。这是因为通过后面将描述的第二Si除去加工能够以高密度形成供给口，并且能够增强要获得的液体排出头的强度。

接下来，使用基于氢氧化四甲铵(TMAH)的蚀刻剂(蚀刻液)，进行Si晶轴各向异性蚀刻，从而供给口的部分空间到达钝化膜301(第二Si除去加工)。

此时，在{100}面的蚀刻速率小于{110}面的蚀刻速率的条件下进行蚀刻。通过适当调整各种参数如TMAH浓度或温度，能够满足此蚀刻速率的条件。例如，当TMAH浓度在17.5％至25％的范围内和蚀刻温度在70℃至90℃的范围内时，能够合适地满足蚀刻速率的条件。

另外，Si晶轴各向异性蚀刻的蚀刻剂并不限于TMAH溶液。除了基于碱溶液如TMAH或KOH(氢氧化钾)的蚀刻剂，蚀刻剂并不受限，只要蚀刻剂具有满足{100}面的蚀刻速率小于{110}面的蚀刻速率的晶面蚀刻速率即可。

其后，通过化学蚀刻或通过湿法蚀刻从背面除去钝化膜301，从而形成连接至流路104的独立供给口105(见图3C)。

这里，将参考图5A至5C详细地描述通过Si晶轴各向异性蚀刻形成供给口的过程。图5A至5C为示意性示出从基板背面观察时的液体排出头的图。用虚线示出在基板表面上形成的排出口和流路。

如图5A所示，在表面上形成的流路能够从背面连接至Si基板的位置进行激光加工，从而形成导孔302。此时，形成在相对于Si晶轴的<100>方向上排列的两个最接近的导孔。

接下来，在{100}面的蚀刻速率小于{110}面的蚀刻速率的条件下进行Si晶轴各向异性蚀刻。如图5B中所示，具有低蚀刻速率的{100}面作为独立供给口105的侧面形成。

另外，形成沿上述<100>方向排列的导孔302并不意味着所有加工中心都沿<100>方向排列。进行Si晶轴各向异性蚀刻之后，独立供给口105之间的距离可以沿<100>方向限定来设置。例如，如图5C中所示，两个导孔302的中心位置可以偏离<100>轴。

此时，能够将供给口之间Si梁的宽度表示为图3C中示出的W1或W2。然后，通过由晶轴各向异性蚀刻产生的{100}面的距离确定Si梁的宽度W1或W2。

由于需要以高密度形成供给口105，供给口105阵列的间距相对于纵向典型地变窄，从而W1小于W2。

在具有宽度W1的Si梁表面上，在一些情况下可以形成配线以将液体排出能量产生元件101和用于驱动液体排出能量产生元件101的半导体元件电连接。另外，Si梁在传输从液体排出能量产生元件101产生的热至基板中起到核心作用。

从结构强度、电可靠性和热稳定性的观点，稳定地形成W1以具有尽可能大的值是合适的。根据此实施方案，由于通过具有低蚀刻速率的{100}面限定供给口之间Si梁的宽度，因此具有大的Si梁宽度能够容易地形成的效果。在该实施方案中，例如，W1在35μm至50μm的范围内，该范围是合适的，这是因为能够以高密度形成供给口105并且液体排出头的强度和稳定性高。

另外，由于沿深度方向的加工表面和沿水平方向的加工表面两者都为{100}面，通过由蚀刻剂的浓度、温度和杂质引起的蚀刻速率的变化难以影响这些加工表面。因此，能够获得容易地稳定形成供给口结构的效果。

因此，通过能够以高收率制造的液体排出头能够有利地获得打印质量。

(实施方案2)

将参考图6A至6C描述实施方案2。图6A至6C为示意性示出以加工顺序沿图1中线A-A′所取的横截面(左侧的图)和沿线B-B′所取的横截面(右侧的图)的图。

首先，制备设置有牺牲层601的基板600(见图6A)。在基板600中，通过当进行Si晶轴各向异性蚀刻时被各向同性蚀刻而设置牺牲层601。另外，以期望的大小将牺牲层601图案化。作为牺牲层601，能够采用金属膜如，例如铝、多晶Si膜或多孔Si氧化物膜。

接下来，从基板背面形成导孔602(见图6B)。作为导孔602的形成方法，可以采用激光加工或干法蚀刻。在该实施方案中，将描述通过干法蚀刻进行的加工实例。

当牺牲层601的蚀刻速率或者钝化膜的蚀刻速率充分低于Si基板的蚀刻速率时，可以形成到达牺牲层601或钝化膜的导孔602。当使用导电性牺牲层时，能够期望有效抑制当将Si基板进行蚀刻加工时由使基板充电引起的形状缺陷。

另外，使用光刻技术形成导孔602，以使两个最接近的导孔602沿Si晶轴的<100>方向排列。当平行于基板表面观察时导孔602的横截面形状并不限制为圆形或矩形，只要横截面面积落入在形成流路的基板侧上图案化的牺牲层601的范围之内即可。

接下来，类似于上述实施方案1，进行Si晶轴各向异性蚀刻。此时，也可同时除去牺牲层601。其后，通过化学蚀刻或干法蚀刻从背面除去钝化膜，从而形成连接至流路的独立供给口(见图6C)。

此外，在形成牺牲层601的区域中，形成作为部分供给口的空间。结果，通过牺牲层601的图案化形状限定在基板表面侧上的供给口端部。为此原因，通过使用牺牲层601，能够以高精度有效地形成基板表面侧上的供给口开口的位置。

另外，根据很多参数如晶轴各向异性蚀刻的条件、牺牲层601的图案和牺牲层601的蚀刻速率，沿相对于基板表面的垂直方向独立供给口的横截面形状不同，但是本发明并不限于这些形状。

(实施方案3)

将参考图7A至7C和8A至8B描述实施方案3。图7A至7C为示意性示出沿图8B中线A-A′所取的横截面(左侧的图)和沿线B-B′所取的横截面(右侧的图)的图。

类似于上述实施方案1，制备基板。在这种情况下，基板可设置或者不设置有牺牲层。

将抗蚀层(etching resist layer)700在基板背面上图案化，从而对应于变为共通液室的空间701的位置(图7A)。其后，通过蚀刻除去Si基板，从而形成变为共通液室的空间701。

作为形成变为共通液室的空间701的蚀刻方法，可以采用Si晶轴各向异性蚀刻或干法蚀刻。通过适当地选择适合于所选蚀刻方法的材料，能够形成抗蚀层700。

当采用干法蚀刻时，作为共通液室的空间701能够具有高的垂直性(perpendicularity)，并能够实现芯片收缩。另外，能够不管Si晶轴而进行配置。因此，能够提高设计的灵活性。存在能够提高设计灵活性的优点。在这种情况下，类似于实施方案1，可以以图4的配置制备Si基板。

另外，当采用Si晶轴各向异性蚀刻时，可以实现简单和高生产性的制造。然而，由于通过Si晶轴各向异性蚀刻露出的{111}面的角度，导致排出口阵列的纵向限制为<110>方向。因此，例如，如图8A至8B所示，排出口、流路和独立供给口可以倾斜地排列于在基板中形成为薄的区域702上。

当形成作为共通液室的空间701之后，类似于实施方案1和实施方案2，在基板中形成为薄的区域702上形成独立供给口(见图7B和7C)。因此，形成作为连接至少两个以上独立供给口的共通液室的空间701。由于独立供给口沿其深度方向短，因此当加工导孔时加工形状的长径比小，并且有效提高加工形状的精度或生产节拍性能(tact performance)。

在下文中，将描述根据本发明的实施例，但是本发明并不限于这些实施例。

(实施例1)

图10A至10F示出该实施例的液体排出头的制造方法。

首先，制备包括{100}面并设置有用于排出液体的加热器和用于驱动和控制所述加热器的半导体元件的Si基板(见图10A)。

使用N-甲基吡咯烷酮作为溶剂的聚醚酰胺700通过旋涂形成作为晶片背面上的膜，并在晶片背面上进一步涂布正性抗蚀剂。使用光刻技术在晶片背面上将正性抗蚀剂图案化之后，进行化学干法蚀刻以除去聚醚酰胺层部分，然后剥离正性抗蚀剂(见图10B)。

在晶片表面上，涂布含有聚甲基异丙烯基酮的抗蚀剂并用作用于形成墨流路的模具材料1001，然后在图案化之后进行曝光和显像(图10C)。

接下来，涂布感光性环氧树脂(photosensitive epoxy)102以形成孔板，然后通过曝光和显像图案化，从而形成排出口(见图10D)。

其后，为了保护形成的孔板，将由橡胶树脂制成的保护膜1002涂布在晶片表面和周围部分上。

其后，使用在背面图案化的聚醚酰胺作为抗蚀剂，并使用 22重量％的氢氧化四甲铵(TMAH)作为蚀刻剂，进行晶轴各向异性蚀刻，以使得基板的剩余膜厚度为125μm，从而形成变为共通液室的空间。

接下来，利用由ESI Inc.制造的激光加工设备(商品名：“Model 5330”)形成两个最接近的导孔，以使得导孔沿Si晶轴的<100>方向排列。激光束波长为355nm，脉冲时间为70±5ns，激光照射的光点形状为圆形。形成的导孔深度为120μm，导孔顶端和钝化膜之间的距离为5μm。另外，两个最接近的导孔之间Si梁的宽度为59μm(见图10E)。

其后，使用10重量％和80℃的氢氧化四甲铵(TMAH)作为蚀刻剂，在导孔上进行晶轴各向异性蚀刻，从而形成{100}面变为壁面的供给口。形成供给口以使得到达钝化膜。另外，此时面取向的典型蚀刻速率为{100}＝0.87μm/min，{110}＝1.28μm/min。

其后，通过化学干法蚀刻除去晶片背面的聚醚酰胺树脂。接下来，通过化学干法蚀刻除去钝化层。然后，通过使用二甲苯除去涂布于晶片表面和晶片的周围部分上的保护膜1002。最后，通过使用乳酸甲酯除去作为墨流路模具材料1001的抗蚀剂(见图10F)。

如上所述，制造设置有独立供给口和副流路的液体排出头。

所得液体排出头的两个最接近的供给口之间Si梁的宽度为39μm，并显示充分的强度。另外，各Si梁的宽度基本上彼此相等，几乎未发现任何偏差。

(实施例2)

图11A至11C示出该实施例的液体排出头的制造方法。

首先，制备包括{100}面并设置有用于排出液体的加热器、用于驱动和控制该加热器的半导体元件和为Si晶轴各向异性蚀刻的牺牲层的Al膜的Si基板。

相对于如图4所示Si晶片的结晶取向来设置液体排出头的芯片。

另外，以与实施例1中那些相同的加工形成排出口(见图11A)。其后，为了保护形成的孔板，将由橡胶树脂制成的保护膜涂布于晶片表面及周围部分。

然后，以博世(Bosch)方式通过干法蚀刻形成作为共通液室的空间，以使得基板具有膜厚度125μm。

接下来，通过喷雾方式将正性抗蚀剂涂布在作为共通液室形成的空间的底部。

使用光刻方法将正性抗蚀剂图案化，以使得两个最接近的导孔沿Si晶轴的<100>方向排列，然后以博世方式进行干法蚀刻，从而形成导孔。在干法蚀刻中，将作为牺牲层的Al用作蚀刻停止膜(stopper)。形成的导孔的形状为圆形，其面积落入牺牲层的范围内。另外，两个最接近的导孔之间Si梁的宽度为59μm(见图11B)。

然后，使用38重量％和70℃的氢氧化钾(KOH)作为蚀刻剂，在导孔上进行晶轴各向异性蚀刻并除去牺牲层，从而形成侧面(side surface)为{100}面的供给口。

另外，此时{100}面的蚀刻速率为0.64μm/min，{110}面的蚀刻速率为1.30μm/min。

其后，通过化学干法蚀刻除去晶片背面的聚醚酰胺树脂。接下来，通过化学干法蚀刻除去钝化层。然后，通过使用二甲苯除去涂布于晶片表面和晶片的周围部分上的保护膜。最后，通过使用乳酸甲酯除去作为墨流路模具材料1001的抗蚀剂(见图11C)。

如上所述，制造液体排出头。

所得液体排出头的两个最接近的供给口之间Si梁的宽度为 39μm，并显示充分的强度。另外，各Si梁的宽度基本上彼此相等，几乎未发现任何偏差。

虽然已参考示例性实施方案描述本发明，但应理解，本发明并不限于公开的示例性实施方案。以下权利要求的范围符合最宽泛的解释，从而包含所有的此类改进和等同结构及功能。

Claims

1.一种液体排出头用基板的制造方法，所述液体排出头包括Si基板和液体供给口，所述Si基板在第一表面上设置有产生用于排出液体的能量的液体排出能量产生元件、用于电连接所述液体排出能量产生元件和用于驱动所述液体排出能量产生元件的半导体元件的配线，设置所述液体供给口以从所述第一表面至其背面穿过所述Si基板，从而向所述元件供给液体，所述方法包括以下步骤：

在面取向为{100}的Si基板的背面上形成多个凹部，以使得所述凹部沿所述Si基板的<100>方向成行排列；

使用所述Si基板{100}面的蚀刻速率比所述Si基板{110}面的蚀刻速率慢的蚀刻液，经由所述凹部，通过在所述Si基板上进行晶轴各向异性蚀刻而形成多个液体供给口；

其中所述供给口的表面用{100}面形成，W1为35μm至50μm，其中所述W1为所述供给口之间的Si梁宽度中沿排列所述供给口的所述<100>方向上的宽度。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中所述蚀刻液含有氢氧化四甲铵。

3.根据权利要求1所述的方法，

其中所述蚀刻液含有氢氧化钾。

4.根据权利要求1所述的方法，

其中将所述Si基板进行激光加工，从而形成所述凹部。

5.根据权利要求1所述的方法，

其中所述Si基板在所述第一表面上设置有牺牲层，并且

其中将所述牺牲层通过所述蚀刻液各向同性蚀刻。