CN103373071A - 形成漏斗状喷嘴 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及形成漏斗状喷嘴，具体提供了用于在半导体衬底中制造漏斗状喷嘴的技术。漏斗状凹部包括直壁底部和弯曲顶部，所述弯曲顶部具有朝向所述直壁底部逐渐会聚且平滑地接合到所述直壁底部的弯曲侧壁，并且所述弯曲顶部所包围的体积显著大于所述直壁底部所包围的体积。

Description

形成漏斗状喷嘴
技术领域
本说明书涉及诸如喷墨打印头等微机电装置中的喷嘴形成。
背景技术
利用喷墨打印机打印高品质、高分辨率图像通常需要在打印介质上指定位置处准确地喷射期望墨汁量的打印机。通常，以打印头结构形成众多密集封装的喷墨装置，其每一个均包括喷嘴和相关的墨汁流路。墨汁流路将墨汁存储单元（诸如墨汁容器或盒）连接到喷嘴。墨汁流路包括泵送室。在该泵送室中，可以对墨汁进行加压，以使其流向终止于喷嘴中的下降部区域。使墨汁从喷嘴端部的开口排出并落在打印介质上。该介质可以相对于流体喷射装置移动。使从特定喷嘴的流体滴的喷射与该介质的移动节拍一致，以将流体滴放置在介质上的期望位置处。
可以使用各种处理技术来形成打印头结构中的墨汁喷射器。这些处理技术可包括诸如沉积和接合的层形成，诸如蚀刻、激光烧蚀、冲压和切割的层修改。所使用的技术可以例如根据期望的喷嘴形状、流路几何形状以及喷墨打印机中所用的材料而有所不同。
发明内容
公开了一种具有直壁底部和弯曲顶部的漏斗状喷嘴。漏斗状喷嘴的弯曲顶部朝向直壁底部逐渐会聚且平滑地接合到直壁底部。漏斗状喷嘴在对称轴周围可以具有一个或多个侧表面，弯曲顶部和直壁底部在垂直于对称轴的平面中的截面几何形状相似。此外，漏斗状喷嘴的弯曲顶部所包围的体积显著大于直壁底部所包围的体积，同时直壁底部具有足够的高度以保持通过漏斗状喷嘴喷射的流体滴的平直度。
首先，为了制造本说明书中所描述的漏斗状喷嘴，在半导体衬底的平坦顶表面上沉积均匀光刻胶层。然后，以常规构图工艺（例如，UV曝光，接着光刻胶显影）来对均匀光刻胶层进行构图，形成在均匀光刻胶层中的开口具有一个或多个基本上垂直于半导体衬底的平面顶表面和光刻胶层的平面顶表面的一个或多个侧壁。然后，在真空中对构图的光刻胶层进行加热，使得该层中的光刻胶材料软化，并且在光刻胶材料的重力和表面张力的作用下回流。作为回流的结果，使开口的顶边缘之上或之间的有角（angled）拐角变得圆滑，并使一个或多个顶边缘变形成单个圆滑边缘。圆滑边缘的曲率半径可以由回流烘烤条件来控制。例如，圆滑边缘的曲率半径可以等于或大于沉积在半导体衬底上的均匀光刻胶层的初始厚度。在得到期望的顶边缘的圆滑形状之后，允许构图的光刻胶层冷却和重新硬化，同时保持顶边缘的圆滑形状。
在形成具有开口的构图的光刻胶层之后，可以开始在半导体衬底中形成漏斗状凹部，该开口具有朝向构图的光刻胶层的暴露顶表面逐渐扩大并平滑地接合到该暴露顶表面的弯曲侧表面。
首先，例如使用博世（Bosch）工艺，通过构图的光刻胶层来在半导体衬底中蚀刻直壁凹部。直壁凹部的高选择性蚀刻留下基本上未被蚀刻光刻胶层。凹部的深度可以比漏斗状喷嘴的最终设计高度小数微米。漏斗状凹部的水平截面形状可以是圆形、椭圆形或多边形，并且由构图的光刻胶层中的开口的横向形状来确定。一旦在半导体衬底中形成了直壁凹部，就开始干法蚀刻工艺以将直壁凹部变形成漏斗状凹部。具体而言，在干法蚀刻中使用的蚀刻剂对于光刻胶和半导体衬底材料（例如，硅(100)晶片）这两者具有可比较（例如，基本上相等）的蚀刻速率。在干法蚀刻期间，蚀刻剂逐渐加深直壁凹部，以形成漏斗状凹部的直壁底部。同时，干法蚀刻将直壁凹部的一个或多个垂直侧壁扩大成弯曲侧表面，该弯曲侧表面在顶部处趋平为半导体衬底的水平顶表面，并且朝向漏斗状凹部的直壁底部会聚并平滑过渡为直壁底部。在干法蚀刻期间形成的弯曲侧表面形成漏斗状凹部的弯曲顶部，且包围的体积显著地大于直壁底部所包围的体积。通过继续蚀刻或通过从下面去除未蚀刻的衬底，可以在底部打开漏斗状凹部。
在一个方案中，用于制造喷射流体滴的喷嘴的工艺包括：在半导体衬底的顶表面上形成构图的光刻胶层，所述构图的光刻胶层包括开口，所述开口具有平滑地接合到所述构图的光刻胶层的暴露顶表面的弯曲侧表面。通过所述构图的光刻胶层中的所述开口，对所述半导体衬底的所述顶表面进行蚀刻以形成直壁凹部，所述直壁凹部具有基本上垂直于所述半导体衬底的所述顶表面的侧表面。在形成所述直壁凹部之后，对所述构图的光刻胶层和所述半导体衬底进行干法蚀刻，其中所述干法蚀刻沿所述构图的光刻胶层的表面轮廓逐渐减薄所述构图的光刻胶层，同时将所述直壁凹部变形成漏斗状凹部。所述漏斗状凹部包括直壁底部和弯曲顶部，所述弯曲顶部具有朝向所述直壁底部逐渐会聚且平滑地接合到所述直壁底部的弯曲侧壁，并且所述弯曲顶部所包围的体积显著大于所述直壁底部所包围的体积。
实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。在所述半导体衬底的所述顶表面上形成所述构图的光刻胶层可以包括：在所述半导体衬底的所述顶表面上沉积均匀光刻胶层，在所述均匀光刻胶层中形成初始开口，其中所述初始开口具有基本上垂直于所述均匀光刻胶层的暴露顶表面的侧表面，在所述均匀光刻胶层中形成所述初始开口之后，通过加热使所述均匀光刻胶层软化，直到所述初始开口的顶边缘在表面张力的作用下变得圆滑，以及在通过加热进行所述软化之后，使所述均匀光刻胶层重新硬化，同时所述初始开口的所述顶边缘保持圆滑。沉积在所述半导体衬底的所述顶表面上的所述均匀光刻胶层的厚度至少可以为10微米。通过加热使所述均匀光刻胶层软化可以包括：在真空环境中对其中形成有所述初始开口的所述均匀光刻胶层进行加热，直到所述均匀光刻胶层中的光刻胶材料在表面张力的作用下回流。对所述均匀光刻胶层进行加热可以包括将所述均匀光刻胶层加热到160-250摄氏度的温度。使所述均匀光刻胶层重新硬化可以包括：在真空环境中对所述均匀光刻胶层进行冷却，同时所述初始开口的所述顶边缘保持圆滑。所述弯曲顶部的顶部开口的宽度可以是所述弯曲顶部的底部开口的宽度的至少4倍。对所述半导体衬底的所述顶表面进行蚀刻以形成所述直壁凹部可以包括：使用Bosch工艺，通过所述构图的光刻胶层中的所述开口来对所述半导体衬底的所述顶表面进行蚀刻。形成所述漏斗状凹部的所述干法蚀刻对于所述构图的光刻胶层和所述半导体衬底可以具有基本上相同的蚀刻速率。形成所述漏斗状凹部的所述干法蚀刻可以形成所述构图的光刻胶层下方的所述弯曲顶部的至少一部分。形成所述漏斗状凹部的所述干法蚀刻可以包括使用CF4/CHF3气体混合物的干法蚀刻。所述构图的光刻胶层中的所述开口在平行于所述构图的光刻胶层的所述暴露顶表面的平面中可以具有圆形截面形状。所述漏斗状凹部在平行于所述半导体衬底的所述顶表面的平面中可以具有圆形截面形状。
在另一方案中，用于喷射流体滴的装置包括其中形成有漏斗状喷嘴的半导体衬底。所述漏斗状喷嘴包括直壁底部和弯曲顶部，所述弯曲顶部具有朝向所述直壁底部逐渐会聚且平滑地接合到所述直壁底部的弯曲侧表面。漏斗状喷嘴具有基本上垂直于所述半导体衬底的顶表面的对称轴。所述弯曲顶部所包围的体积显著大于所述直壁底部所包围的体积。
实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。在包含所述对称轴的平面内，所述弯曲顶部的顶部开口可以比所述弯曲顶部的底部开口宽至少70微米。所述直壁底部在包括所述对称轴的平面中的宽度可以为30-40微米。所述直壁底部在包含所述对称轴的平面中的高度可以为5-10微米。与所述对称轴共面且与所述弯曲顶部的顶部开口和底部开口相交的直线与所述对称轴的角度可以为30-40度。在包含所述对称轴的平面中，所述直壁底部的高度可以是所述直壁底部的宽度的10-30%。所述漏斗状喷嘴可以是相同的漏斗状喷嘴的阵列中的一个漏斗状喷嘴，并且所述相同的漏斗状喷嘴的阵列中的每一个漏斗状喷嘴属于独立可控的流体喷射单元。压电致动器组件可以支承在所述半导体衬底的顶表面上并包括柔性膜，所述柔性膜将流体地连接到所述漏斗状喷嘴的泵送室密封。所述柔性膜的每次致动用于通过所述漏斗状喷嘴的所述直壁底部喷射流体滴。由所述弯曲顶部包围的体积可以是所述流体滴的大小的3倍或4倍。
特定实施方式可以不包括、或包括一个或多个以下优点。
漏斗状喷嘴具有弯曲顶部，其体积大到足以容纳数滴（例如，3或4滴）流体。漏斗状喷嘴的侧表面是流线型的且在流体喷射方向没有间断部（discontinuity）。与相同深度和液滴大小的直壁喷嘴（例如，圆柱形喷嘴）相比，漏斗状喷嘴的侧表面在流体喷射期间对流体产生较小摩擦，并且在液滴脱离喷嘴时防止空气吸入喷嘴。减小流体摩擦不仅提高了液滴形成的稳定性和均匀性，还允许更快的喷射频率、更低的驱动电压和/或更高的功率效率。防止空气进入喷嘴可以帮助防止陷入的气泡阻塞喷嘴或流路的其它部分。
虽然与圆柱形喷嘴相比，具有锥形平坦侧壁的喷嘴（例如，倒金字塔形喷嘴）也可以实现某些优点（例如，减少摩擦），但是在锥形喷嘴的底部开口处的尖角边缘仍然会对液滴造成比漏斗状喷嘴更大的阻力。此外，有角边缘和矩形（或正方形）形状的锥形喷嘴开口还会以不可预料的方式影响下落方向的平直度，从而导致打印质量恶化。在本说明书中描述的漏斗状喷嘴中，直壁底部仅占整个喷嘴深度的一小部分，因此直壁底部可以确保喷射的平直度，而不会对排出的流体产生太大的摩擦。因此，漏斗状喷嘴可以帮助实现更好的喷射平直度、更高的喷射频率、更高的功率效率、更低的驱动电压、和/或均匀的液滴形状和位置。
虽然可以使用电铸或微成型技术来形成具有弯曲侧表面的漏斗状喷嘴，但是这样的技术仅限于金属或塑料材料，而对于在半导体衬底中形成喷嘴是不可行的。此外，电铸或微成型技术往往有较低的精确度，不能达到高分辨率打印所需的尺寸、几何形状和间距要求。半导体处理技术可用于制造高度紧凑和均匀的大型喷嘴阵列，并能满足高分辨率打印所需的尺寸、几何形状和间距要求。例如，喷嘴可以小至5微米，喷嘴至喷嘴的间距精度可以约为0.5微米或更小（例如，0.25微米），第一个喷嘴至最后一个喷嘴的间距精度可以约为1微米，喷嘴大小的精度可以至少为0.6微米。
在附图和下面的描述中阐述了本发明的一个或多个实施例的细节。根据描述和附图以及权利要求，本发明的其它特征、目的和优点将更加显而易见。
附图说明
图1示出了用于流体滴喷射的装置的截面侧视图；
图2A是包括具有单个平直侧壁的喷嘴（即，圆柱形喷嘴）的打印头流路的截面侧视图、和喷嘴的顶视平面图；
图2B是具有锥形平坦侧壁的喷嘴的打印头流路的截面侧视图、和喷嘴的顶视平面图；
图2C是具有陡峭地（abruptly）接合到直壁底部的锥形顶部的喷嘴的打印头流路的截面侧视图、和喷嘴的顶视平面图；
图3A是具有平滑地接合到直壁底部的弯曲顶部的漏斗状喷嘴的截面侧视图；
图3B是具有平滑地接合到直壁底部的弯曲顶部的漏斗状喷嘴的顶视平面图，其中喷嘴的水平截面形状为圆形；
图3C是具有平滑地接合到直壁底部的弯曲顶部的漏斗状喷嘴的打印头流路的截面侧视图；
图4A至4H示出了用于制造具有平滑地接合到直壁底部的弯曲顶部的漏斗状喷嘴的工艺；
图5A和图5B示出了使用图4A至4G中所示的工艺制造的两个漏斗状凹部的图像。
在各个附图中，相似的附图标记表示相似的元件。
具体实施方式
流体滴喷射可以由包括流体流路主体、膜及喷嘴层的衬底来实现，例如，微机电系统（MEMS）。流路主体具有形成在其中的流体流路，其可以包括流体填充通路、流体泵送室、下降部以及具有出口的喷嘴。致动器可以位于膜的与流路主体相对的表面上，并靠近流体泵送室。当致动器致动时，致动器对流体泵送室施加压力脉冲，以使得流体滴通过喷嘴的出口喷射。通常，流路主体包括多个流体流路和喷嘴，诸如具有各自的相关流路的相同喷嘴的密集封装阵列。流体滴喷射系统可以包括衬底和用于衬底的流体源。流体容器可以流体地连接到衬底以提供用于喷射的流体。流体例如可以是化学化合物、生物物质或墨汁。
参考图1，示出了一个实施方式中的微机电装置（例如，打印头）的一部分的截面示意图。该打印头包括衬底100。衬底100包括流体流路主体102、喷嘴层104和膜106。喷嘴层104由诸如硅的半导体材料制成。流体容器将流体提供到流体填充通路108。流体填充通路108流体地连接到上升部110。上升部110流体地连接到流体泵送室112。流体泵送室112紧靠致动器114。致动器114可以包括夹置于驱动电极与接地电极之间的压电材料，诸如锆钛酸铅（PZT）。可以将电压施加在致动器114的驱动电极与接地电极之间，以对致动器施加电压，由此使致动器致动。膜106位于致动器114与流体泵送室112之间。粘附层（未示出）将致动器114固定于膜106。
喷嘴层104固定于流体流路主体102的底表面，并且喷嘴层104的厚度可以在大约15至100微米之间。具有出口118的喷嘴117形成在喷嘴层104的外表面120中。流体泵送室112流体地连接到下降部116，下降部116流体地连接到喷嘴117。
虽然图1示出了诸如流体填充通路、泵送室和下降部等不同通路，但是这些部件可以不全在共同的平面上。在一些实施方式中，两个或更多流体流路主体、喷嘴层和膜可以形成为一体。此外，部件的相对尺寸可以发生变化，为了例示的目的，在图1中某些部件的尺寸被夸大了。
流路（特别是喷嘴的尺寸和形状）的设计会影响打印质量、打印分辨率以及打印设备的功率效率。图2A至2C示出了一些常规的喷嘴形状。
例如，图2A示出了具有平直喷嘴204的打印头流路202。平直喷嘴204具有平直侧壁206。图2A的上部示出了流路202和喷嘴204在穿过喷嘴204的中心轴208的平面上的截面侧视图。中心轴208是穿过喷嘴204的所有水平截面的几何中心的轴。在本说明书中，在每个水平截面的几何中心也是水平截面的对称中心的情况下，喷嘴的中心轴208有时也被称为喷嘴的对称轴。如图2A的上部所示，在包括中心轴208的平面上，侧壁206的轮廓是平行于中心轴208的直线。在该示例中，喷嘴204是圆形直柱，且具有单个平直侧壁。在其它实施例中，喷嘴可以是正方形直柱，并具有四个平直侧表面。
如图2A所示，喷嘴204形成在喷嘴层210中。喷嘴204在垂直于喷嘴204的中心轴208的平面上具有相同的截面形状和尺寸。图2A的下部示出了喷嘴层210的顶视平面图。在该示例中，喷嘴204在垂直于喷嘴204的中心轴208的平面上具有圆形截面形状。在各种实施方式中，喷嘴204可以具有其它截面形状，诸如椭圆形、正方形、矩形、或其它规则多边形形状等。
具有一个或多个平直侧壁的喷嘴相对易于制造。喷嘴的一个或多个平直侧壁可以帮助保持喷射的平直度，并且使从喷嘴喷射的墨滴的着落位置更加可预测。但是，为了确保足够的墨滴大小，直壁喷嘴的高度需要为相当大（例如，数十微米或更大）。当流体作为液滴从喷嘴喷射出时，直壁喷嘴的大垂直尺寸对喷嘴内的流体产生了大量摩擦。在直壁喷嘴内产生的较高的流动阻力导致了较低的喷射频率和/或较高的驱动电压，这还会导致较低的印刷速度、较低的分辨率、较低的功率效率、和/或较低的设备寿命。
直壁喷嘴的另一缺点在于：当液滴从喷嘴的出口（例如，出口212）脱离时，可以将空气从喷嘴的出口吸入到喷嘴内，并使空气陷入在喷嘴或流路的其它部分内。陷入在喷嘴内的空气可以阻塞墨汁流动或使将要喷射的流体滴偏离其期望轨迹。
图2B示出了具有喷嘴216的打印头流路214，喷嘴216具有锥形平坦侧壁218。图2B的上部示出了打印头流路214在包含喷嘴216的中心轴220的平面上的截面侧视图。在包含中心轴220的平面中，喷嘴216的轮廓是从喷嘴216的顶部开口至喷嘴216的底部开口（或出口212）朝向中心轴220会聚的直线。喷嘴216的轮廓可以由多个朝向中心轴220会聚的平面形成。
喷嘴216形成在喷嘴层224中，喷嘴216在垂直于中心轴220的平面上的截面形状是大小连续减小的正方形。喷嘴216有四个平坦侧壁，每个平坦侧壁从喷嘴216的顶部开口的边缘向喷嘴216的底部开口的相应边缘倾斜。图2B的下部示出了喷嘴层224的顶视平面图。如图2B的下部所示，喷嘴216的每个侧壁218是每两个相邻的平坦侧壁218沿边缘226相交的平坦表面。每个边缘226是有角度的边缘，而不是圆滑边缘。
如图2B的下部所示，喷嘴216的下部开口是较小的正方形开口，而喷嘴216的上部开口是较大的正方形开口。中心轴220穿过喷嘴216的上部开口和下部开口这两者的几何中心。与图2A所示的直壁喷嘴204相比，喷嘴216的锥形侧壁218对通过喷嘴的流体提供了减小的摩擦。喷嘴216的锥形形状还减小了在液滴在喷嘴出口212处脱离的过程中发生的空气进入量。
图2B所示的锥形喷嘴216可以使用KOH蚀刻而形成在半导体喷嘴层224（例如，硅喷嘴层）中。然而，锥形喷嘴216的形状由半导体喷嘴层224中存在的晶面决定。当喷嘴216由KOH蚀刻形成时，沿半导体喷嘴层224的{111}晶面形成喷嘴216的侧表面。因此，每个倾斜侧表面218与中心轴220之间的角度具有约35度的固定值。
虽然与图2A中所示的直壁喷嘴相比，图2B所示的锥形喷嘴216在降低流动阻力和减小空气进入方面提出了一些改进，但是在改变喷嘴开口的形状或锥形侧壁的角度方面的灵活性极小。喷嘴出口的直角有时会导致形成从属物（在液滴喷射期间除主液滴外产生的微小的二次液滴）。此外，在喷嘴出口212的边缘处，在喷嘴层224的平坦侧壁218与水平底表面之间的尖锐的间断部还会对液滴产生额外的阻力，从而导致喷射速度和频率降低。
图2C示出了另一种喷嘴结构，其将如图2B所示锥形部与如图2A所示的平直部结合。由于KOH蚀刻技术所造成的限制，通过从衬底的两侧进行蚀刻来形成平直底部和锥形顶部。然而，两侧蚀刻会导致难以对齐的问题。否则，例如，如通过引用并入的美国专利公开2011-0181664中所述，必须采取专门设计的步骤来从与锥形部相同的侧形成平直底部。
图2C的上部示出了具有喷嘴234的打印头流路232的截面侧视图，喷嘴234具有陡峭地接合到平直底部238的锥形顶部236。图2C所示的截面侧视图处于包含喷嘴234的中心轴240的平面中。在包含中心轴240的平面中，锥形顶部236的轮廓包括从喷嘴234的顶部开口朝向锥形顶部236与直壁底部238之间的交叉部会聚的直线。在包含中心轴240的平面中，直壁底部238的轮廓包括平行于中心轴240的直线。该轮廓可以由与中心轴240共轴的圆柱形来提供。锥形顶部236与直壁底部238之间的交叉部不是平滑的，且在垂直方向（即，在本示例中的流体喷射方向）上具有一个或多个间断部或有角边缘。
在该示例中，锥形顶部236在垂直于喷嘴234的中心轴的平面上的截面形状是正方形，而底部238在垂直于喷嘴234的中心轴的平面上的截面形状是圆形。因此，锥形顶部236具有四个平坦侧表面244，每个平坦侧表面244从锥形顶部236的顶部开口的边缘向顶部236与底部238之间的交叉部的对应边缘倾斜。虽然图2C所示的平直底部238具有圆形截面，但是该平直底部也可以具有正方形截面或其它形状的截面。
喷嘴234形成在喷嘴层242中。图2C的下部示出了的喷嘴234的顶视平面图。在该顶视平面图中，直壁底部238的下部开口是圆形的，锥形顶部236的顶部开口是正方形的，平直底部238与锥形顶部236之间的交叉部是圆柱形孔与倒金字塔形孔之间的交叉部。由于顶部与底部之间的截面形状之间的失配，所以交叉部的边缘包括曲线和尖锐的间断部。这些间断部也导致液滴形成过程中的流体摩擦和不稳定性。即使顶部236和底部238的截面形状均为正方形，在流体喷射方向上，这两个部分之间的交叉部处仍存在间断部。例如，出于根据图2B所阐述的其它原因，正方形喷嘴开口也不如圆形喷嘴出口理想。
在本说明书中，公开了一种漏斗状喷嘴，其具有平滑接合到形成在半导体喷嘴层（例如，硅喷嘴层）中的直壁底部的弯曲顶部。漏斗状喷嘴的弯曲顶部与图2C所示的锥形顶部的不同之处在于：弯曲顶部在包含喷嘴的中心轴的平面上的侧表面的轮廓由曲线而非直线构成。此外，弯曲顶部的轮廓朝向平直底部会聚，并且在弯曲顶部与直壁底部之间的交叉部处平滑地接合到直壁底部，而不是以一陡峭角度弯曲。
另外，在一些实施方式中，从喷嘴层的水平顶表面到漏斗状喷嘴的弯曲侧表面的过渡也是平滑的而不是陡峭的。此外，漏斗状喷嘴在垂直于喷嘴的中心轴的平面上的水平截面形状在几何形状上是相似的，并且在喷嘴的整个深度上是同心的。因此，在漏斗状喷嘴的弯曲顶部与直壁底部之间不存在锯齿状交叉部。与例如根据图2A至2C描述的常规喷嘴形状相比，本说明书中所描述的漏斗状喷嘴提供了许多优点。
图3A是具有平滑接合到直壁底部306的弯曲顶部304的漏斗状喷嘴302的截面侧视图。在直壁底部306中，喷嘴的侧面是平行的，且垂直于喷嘴层的外表面322。直壁底部306可以是圆柱形通路（即，壁是直上/直下的，而不是横向的）。漏斗状喷嘴302是形成在平面半导体喷嘴层308中的漏斗状通孔。弯曲顶部304与直壁底部306之间的交叉部（其位置在图3A中由虚线320表示）是平滑的，且基本上不含任何间断部和任何垂直于喷嘴302的中心轴310的表面。
如图3A所示，弯曲顶部304的高度显著大于直壁底部306的高度。然而，直壁底部306至少具有某个高度，例如，弯曲顶部304的高度的10-30%。例如，弯曲顶部304的高度可以是40-75微米（例如，40、45或50微米），而底部306的高度可以仅是5-10微米（例如，5、7或10微米）。弯曲顶部304包围的体积远大于直壁底部306包围的体积。较大的弯曲顶部保持有大部分将要喷射的流体。在一些实施方式中，弯曲顶部304所包围的体积是数滴液滴（例如，3或4滴液滴）的大小。每个液滴可以是3-100皮升。平直底部306具有较小的体积，诸如小于一滴液滴的大小的体积。
直壁部306的高度足够小，从而不会引起大量的流体摩擦，且不会引起液滴脱离期间大量空气进入。同时，直壁部的高度大到足以维持喷射平直度。在一些实施方式中，直壁部306的高度约为喷嘴出口的直径的10-30%。例如，在图3A中，喷嘴出口的直径为35微米，直壁部的高度为5-10微米（例如，7微米）。在一些实施方式中，喷嘴出口的直径可以是15-45微米。
喷嘴302的弯曲顶部304和直壁底部306这两者在液滴形成和喷射中都起到了重要的作用。弯曲顶部304被设计成容纳足够量的流体，以使得当液滴从喷嘴出口喷射时，喷嘴中不产生或极少产生会在喷嘴内形成气泡的空隙。同时，直壁底部容纳体积小得多的流体，并用于保持喷射平直度而不会在喷射过程中对流体滴造成任何显著阻力。
漏斗状喷嘴302与图2B和2C所示的喷嘴的另一不同之处在于：对于喷嘴302的整个深度，漏斗状喷嘴302在垂直于喷嘴302的中心轴310的平面上的截面形状是圆形，而不是矩形。因此，在流体喷射方向上弯曲顶部304与平直底部306之间没有间断部。与图2B和2C所示的喷嘴相比，漏斗状喷嘴302的流线型轮廓提供了甚至更小的流体摩擦。此外，漏斗状喷嘴302的侧表面是完全平滑的，在方位角（azimuthal）方向上也没有任何间断部或突变。因此，漏斗状喷嘴302不产生引起图2B和图2C所示的喷嘴中存在的其它缺点（例如，从属物形成）的阻力或不稳定性。
使用常规蚀刻工艺难以在硅中形成漏斗状喷嘴。诸如Bosch工艺等常规蚀刻工艺形成平直的垂直壁，而KOH蚀刻形成锥形直壁。虽然各向同性蚀刻可以形成弯曲特征（类似碗状特征），但它不能以相对形成的方式制造弯曲壁来制造漏斗状特征。
另外，考虑到本说明书中提供的处理技术，可以通过设计来改变漏斗状喷嘴的弯曲顶部从其顶部开口朝向直壁底部会聚的倾斜度，而不是由特定晶面的取向所固定。具体而言，假设点A是弯曲顶部304的顶部开口的边缘与包含中心轴310的平面之间的交点，点B是弯曲顶部304的底部开口的边缘与包含中心轴310的同一平面之间的交点。不同于图2C所示的喷嘴234，连接点A和点B的直线与中心轴310之间的角度α不是由半导体喷嘴层308的晶面所决定的固定角度（例如，图2C中的35度）。相反，在制造漏斗状喷嘴302时，可以通过改变处理参数来设计漏斗状喷嘴302的角度α。在一些实施方式中，漏斗状喷嘴302的角度α可以在30-40度之间。在一些实施方式中，漏斗状喷嘴302的角度α可以大于40度。
如图3A所示，漏斗状喷嘴302的弯曲顶部304不同于通过在衬底中形成圆柱形凹部的工艺中形成的自然倒圆角（rounding）或凹壁削锥（tapering）而得到的圆滑唇状物。
首先，漏斗状喷嘴302的弯曲顶部304所呈现的削锥量比由于制造不精确（例如，通过直壁光刻胶掩模对衬底过蚀刻）而可能固有地存在的任何削锥要大得多。例如，漏斗状喷嘴的侧壁的削锥角约为30至40度。弯曲顶部304的垂直范围可以是数十微米（例如，50-75微米）。弯曲顶部304的顶部开口的宽度可以是100微米或更大，并且可以是弯曲顶部304的底部开口的宽度的3倍或4倍。与此相反，由于制造缺陷和/或不精确而存在于圆柱形凹部的顶部开口附近的削锥或倒圆角通常小于1度。另外，自然削锥或倒圆角的高度和宽度变化（例如，在数纳米的范围内或小于1-2微米）比本说明书中所描述的漏斗状喷嘴中存在的高度和宽度变化小得多。
图3B是漏斗状喷嘴（例如，图3A中所示的喷嘴302）的顶视平面图。如图3B所示，漏斗状喷嘴302的顶部开口312和底部开口314都是圆形且同心的。在整个喷嘴302的侧表面316的任何部分都不存在间断部。顶部开口312的宽度至少是喷嘴302的底部开口314的宽度的3倍。在一些实施方式中，喷嘴302的顶部开口312流体地连接至漏斗状喷嘴302上方的泵送室，泵送室的边界定义了漏斗状喷嘴302的顶部开口312的边界。图3C示出了具有漏斗状喷嘴302的打印头流路318。
虽然图3B示出了在其整个深度上具有圆形截面形状的漏斗状喷嘴，但是也可以是其它截面形状。漏斗状喷嘴的直壁底部的截面形状可以是椭圆形、正方形、矩形或其它多边形形状。漏斗状喷嘴的弯曲顶部会具有与直壁底部相似的截面形状。然而，随着弯曲顶部的侧表面朝向弯曲顶部的顶部开口延伸而进一步远离直壁底部，弯曲顶部的截面形状中的角（如果有的话）被逐渐消除或平滑。弯曲顶部的截面的确切形状由用于形成漏斗状喷嘴的制造步骤和材料来确定。
例如，在一些实施方式中，具有平滑地接合到直壁底部的弯曲顶部的漏斗状喷嘴可以具有正方形的水平截面形状。在这些实施方式中，喷嘴的中心侧轮廓与图3A所示的相同。然而，漏斗状喷嘴可具有四个会聚的弯曲侧表面，并且相邻的弯曲侧表面之间的交叉部是四条平滑曲线，该四条平滑曲线朝向喷嘴的底部出口会聚并平滑地过渡到喷嘴的平直底部中的四条平行直线。此外，相邻的弯曲侧表面之间的交叉部被平滑地倒圆角，使得四个弯曲侧表面形成漏斗状喷嘴的顶部中的单个平滑侧表面的一部分。
可以通过在半导体材料的各个层中形成特征并将这些层附接在一起以形成主体来制造打印头主体。如2002年7月3日提交的美国专利申请No.10/189,947所述，使用常规的半导体处理技术，可以将引导向喷嘴的流路特征（诸如泵送室和墨汁入口）蚀刻到衬底中。喷嘴层和流路模块一起形成打印头主体，墨汁流过该打印头主体并且从该打印头主体喷射。墨汁从中流过的喷嘴的形状可以影响墨汁流动的阻力。通过形成本申请中所描述的漏斗状喷嘴，能够实现较小的流动阻力、较高的喷射频率、较低的驱动电压和/或较好的喷射平直度。本说明书中描述的处理技术也允许具有期望尺寸和间距的喷嘴阵列，以得到良好的一致性和效率。
图4A-4H示出了用于制造具有平滑地接合到直壁底部的弯曲顶部的漏斗状喷嘴（例如，图3A-3C所示的漏斗状喷嘴）的工艺。
为了形成漏斗状喷嘴，首先，在半导体衬底的顶表面上形成构图的光刻胶层，其中该构图的光刻胶层包括具有平滑地接合到该构图的光刻胶层的暴露顶表面的弯曲侧表面的开口。例如，围绕z轴的开口具有在z方向和方位角方向上都弯曲的侧表面。开口的形状将确定漏斗状喷嘴在垂直于该漏斗状喷嘴的中心轴的平面上的截面形状。开口的大小大致与漏斗状喷嘴的底部开口相同（例如，35微米）。在图4A-4H所示的示例中，开口是圆形的，以使得漏斗状喷嘴在整个喷嘴深度上都具有圆形的水平截面。
为了形成构图的光刻胶层，可以使用抗蚀剂回流工艺。如图4A所示，将均匀光刻胶层402涂布于半导体衬底406（例如，硅晶片）的平坦顶表面404上。半导体衬底406可以是具有诸如硅(100)晶片、硅(110)晶片或硅(111)晶片等若干晶体取向之一的衬底。光刻胶层402的厚度影响光刻胶层中的开口的弯曲侧表面的最终曲率，从而影响漏斗状喷嘴的弯曲侧表面的最终曲率。通常涂布较厚的光刻胶层，以获得漏斗状喷嘴的弯曲侧表面的更大的曲率半径。
在本示例中，均匀光刻胶层402的初始厚度约为10-11微米（例如，11微米）。在一些实施方式中，可以将超过11微米的光刻胶涂布于半导体衬底406的平面顶表面404上。在处理步骤之后某个厚度的光刻胶可以保留在衬底上，以制造期望深度的漏斗状凹部。例如，可用的光刻胶的示例包括由
Figure BDA00003083685100141
GmbH制造的AZ9260、AZ9245，AZ4620，以及其它正光刻胶。半导体衬底406的厚度等于或大于将要制造的漏斗状喷嘴的期望深度。例如，衬底406可以是SOI晶片，该SOI晶片具有隔着薄氧化层附接于处理层的约50微米的硅层。或者，衬底406可以是通过粘结层或通过范德华力而附接于处理层的薄硅层。
如图4B所示，在将均匀光刻胶层402涂布于半导体衬底406的平面顶表面404上之后，对均匀光刻胶层402进行构图，从而形成具有一个或多个垂直侧壁410的初始开口408。在这个示例中，在均匀光刻胶层402中形成圆形开口，圆形开口的侧壁是单个弯曲表面，该单个弯曲表面垂直于均匀光刻胶层402的平面顶表面412以及半导体衬底406的平面顶表面404。初始圆形开口408的直径确定将要制造的漏斗状喷嘴的底部开口的直径。在这个示例中，初始圆形开口408的直径可以是约20-40微米（例如，35微米）。均匀光刻胶层402的构图可以包括在光掩模下进行标准UV曝光或曝光以及光刻胶显影工艺以去除暴露于光的那部分光刻胶层。
在均匀光刻胶层402中形成初始开口408之后，将光刻胶层402加热到约160至250摄氏度，直到使层402中的光刻胶材料软化。当构图的光刻胶层402中的光刻胶材料在热处理下软化时，在光刻胶材料的表面张力的作用下，光刻胶材料将会开始回流并自身重新成形，特别是在开口408的顶边缘414附近的区域。光刻胶材料的表面张力导致开口408的表面轮廓往回拉且变得圆滑。如图4C所示，开口408的顶边缘414在表面张力的作用下而变得圆滑。
在一些实施方式中，在真空环境中对光刻胶层402进行加热来实现光刻胶层402的回流。通过在真空环境下对光刻胶层402进行加热，使光刻胶层402的表面更加平滑，并且光刻胶材料内没有陷入的微小气泡。这将导致所生产的最终喷嘴的更好的表面平滑度。圆形开口408的顶边缘414被往回拉且变得圆滑的量受圆形开口408的横向尺寸、光刻胶层402的厚度以及光刻胶材料的重量和粘度的影响。可以调整这些参数，以达到一旦发生回流时开口408的顶边缘414就能实现的期望的扩大量。
在得到开口408的期望形状之后，对光刻胶层402进行冷却。可以通过去除热源或主动冷却来实现冷却。也可以在真空环境中进行冷却，以确保将要制造的漏斗状喷嘴有更好的表面性质。通过冷却光刻胶层402，使光刻胶层402重新硬化，开口408的表面轮廓在硬化工艺中保持其形状，并且如图4D所示，开口408的顶边缘414在重新硬化工艺结束时保持圆滑。
一旦构图的光刻胶层402被硬化，就可以开始对衬底406进行蚀刻。以两步蚀刻工艺形成漏斗状凹部。首先，在第一蚀刻工艺中形成直壁凹部。然后，在第二蚀刻工艺期间修改直壁凹部。在第二蚀刻工艺期间，使最初形成的直壁凹部加深，以形成漏斗状凹部的直壁底部。同时，第二蚀刻工艺从顶部开始逐渐扩大最初形成的直壁凹部，以形成漏斗状凹部的弯曲顶部。
如图4E所示，通过在第一蚀刻工艺中的构图的光刻胶层402，形成初始直壁凹部416。例如，第一蚀刻工艺可以是Bosch工艺。在第一蚀刻工艺中，形成直壁凹部416，且其深度略微小于（例如，小5-15微米）将要制造的漏斗状凹部的最终期望深度。例如，对于具有50-80微米的总深度的漏斗状凹部而言，在第一蚀刻工艺中形成的直壁凹部416可以是45-75微米。虽然在直壁凹部416的侧轮廓418上可能存在轻微的扇形图案，但是与直壁凹部416的总体尺寸（例如，35微米宽且45-75微米深）相比，这样的小变化（例如，1或2度）较小。
在第一蚀刻工艺中，直壁凹部416在平行于半导体衬底406的顶表面404的平面中与光刻胶层402中的开口408的底部边缘所包围的区域具有基本上相同的截面形状和尺寸。如图4E所示，与通过光刻胶层中的开口408暴露的半导体衬底406相比，第一蚀刻工艺中所使用的蚀刻剂去除极少的光刻胶层402。因此，构图的光刻胶层402的表面轮廓在第一蚀刻工艺结束时基本保持不变。例如，在第一蚀刻工艺期间，半导体衬底406与光刻胶层402之间的选择性可以是100：1。
在通过第一蚀刻工艺在半导体衬底406中形成初始直壁凹部416之后，可以开始第二蚀刻工艺来使图4E所示的初始直壁凹部416变形为图4F所示的期望的漏斗状凹部420。
如图4F所示，半导体衬底406和构图的光刻胶层402暴露于来自垂直方向（例如，垂直于图4F中的衬底406的平面顶表面404的方向）的干法蚀刻。干法蚀刻工艺中所使用的蚀刻剂对于光刻胶和半导体衬底406可以具有可比较的蚀刻速率。例如，光刻胶与半导体衬底之间的干法蚀刻的选择性可以是1：1。在一些实施方式中，在高台板功率（platen power）（例如，大于400W）下使用CF4/CHF3和O2的气体混合物来进行干法蚀刻。
在干法蚀刻期间，随着蚀刻工艺继续进行，光刻胶层402的表面轮廓在蚀刻剂的轰击下在垂直方向上后退。由于在光刻胶层402的开口408的顶边缘414处的弯曲轮廓，与光刻胶层402下方的衬底表面的其它部分相比，在光刻胶层402的最薄部分下的半导体衬底406的表面首先被暴露于蚀刻剂。暴露于蚀刻剂的部分半导体表面也被逐渐蚀刻掉。如图4F所示，点线表示在蚀刻剂的轰击之下逐渐后退的光刻胶层402和半导体衬底406的表面轮廓。
随着干法蚀刻继续进行，可以在光刻胶层402下方出现一些底切。例如，如图4F所示，对光刻胶层402中的开口408的边缘下方的区域422进行蚀刻，在横向方向上扩大半导体衬底406的表面。凹部416的扩大的侧表面418变为形成在半导体衬底406中的漏斗状凹部420的弯曲顶部的弯曲侧表面424。
随着干法蚀刻不断在横向方向上扩大凹部416的侧表面418，干法蚀刻也在垂直方向上加深了凹部416。凹部416的加深形成了漏斗状凹部420的直壁底部。附加的加深量形成了数微米深的直壁部分。直壁底部的侧表面426垂直于半导体衬底406的平面顶表面404。由于凹部420的侧表面424的横向扩大量从顶部到底部逐渐减小，所以弯曲顶部的弯曲侧表面424平滑地过渡成直壁底部的垂直侧表面426。漏斗状凹部420的顶部开口的边界由光刻胶开始接触衬底406的表面的边缘来定义。
一旦达到漏斗状凹部420的期望深度，就可以计时（time）和停止干法蚀刻。或者，一旦得到漏斗状凹部420的弯曲部的期望表面轮廓，就计时和停止干法蚀刻。
在一些实施方式中，如果半导体衬底的厚度是喷嘴层的期望厚度，就可以继续进行干法蚀刻，直到蚀刻穿透半导体衬底的整个厚度，完全地形成漏斗状喷嘴。在一些实施方式中，可以从背面对半导体衬底进行蚀刻、研磨和/或抛光直到从背面打开漏斗状凹部，以形成漏斗状喷嘴。
去除光刻胶402，图4G示出了已在底部打开的完整的漏斗状凹部428。在形成漏斗状喷嘴428之后，可以将喷嘴层406附接到流体喷射单元的其它层，诸如图4H所示的流体喷射单元430。在一些实施方式中，漏斗状喷嘴428是相同的漏斗状喷嘴的阵列中的一个，相同的漏斗状喷嘴阵列中的每一个属于独立可控的流体喷射单元430。在一些实施方式中，流体喷射单元包括压电致动器组件，该压电致动器组件支承在半导体衬底406的顶表面上并包括将流体地连接到漏斗状喷嘴428的泵送室密封的柔性膜。柔性膜的每次致动用于通过漏斗状喷嘴428的直壁底部喷射流体滴，由弯曲顶部包围的体积是流体滴的大小的3或4倍。
图5A和5B示出了使用图4A-4G所示的工艺制造的两个漏斗状凹部（例如，凹部502和凹部504）的图像。
漏斗状凹部的尺寸在不同实施方式中可以是不同的。如图5A所示，漏斗状凹部502的直壁底部506的深度约为30微米，而漏斗状凹部502的弯曲顶部508的深度约为37微米。当用该漏斗状凹部502来形成漏斗状喷嘴时，可以从底部对衬底进行研磨和抛光，使得直壁部分506具有期望深度，诸如5-10微米。如图5A所示，直壁底部506的直径在垂直于凹部502的中心轴的平面中是大致均匀的（对于20微米的直径而言，具有小于～.5微米的变化）。弯曲顶部508的底部开口平滑地接合到直壁底部506的顶部开口。凹部502的顶部开口的直径在126微米的范围内，是直壁底部506的直径的6倍。弯曲顶部508从底部到顶部的扩大的倾斜度可以由在弯曲顶部508的半高度处弯曲顶部508的宽度来定义。在这个示例中，弯曲顶部的半高度处的宽度约为34微米。
在图5B中，形成了较浅的漏斗状凹部504。弯曲顶部510的顶部开口的直径约为75微米，大约为直壁底部512的直径的4.4倍。漏斗状凹部504的总高度约为49微米，直壁底部512的高度约为4微米。弯曲顶部510的半高度处的宽度约为30微米。
已经描述了本发明的若干实施方式。然而，应当理解可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改。已经对形成上述结构的示例性方法进行了描述。不过，可以用其它工艺来替代所描述的那些工艺而实现相同或相似的结果。因此，其它实施例也在以下权利要求的范围之内。

Claims (21)

1.一种用于制造喷射流体滴的喷嘴的工艺，所述工艺包括：
在半导体衬底的顶表面上形成构图的光刻胶层，所述构图的光刻胶层包括开口，所述开口具有平滑地接合到所述构图的光刻胶层的暴露顶表面的弯曲侧表面；
通过所述构图的光刻胶层中的所述开口，对所述半导体衬底的所述顶表面进行蚀刻以形成直壁凹部，所述直壁凹部具有基本上垂直于所述半导体衬底的所述顶表面的侧表面；以及
在形成所述直壁凹部之后，对所述构图的光刻胶层和所述半导体衬底进行干法蚀刻，其中所述干法蚀刻沿所述构图的光刻胶层的表面轮廓逐渐减薄所述构图的光刻胶层，同时将所述直壁凹部变形成漏斗状凹部，所述漏斗状凹部包括直壁底部和弯曲顶部，所述弯曲顶部具有朝向所述直壁底部逐渐会聚且平滑地接合到所述直壁底部的弯曲侧壁，并且所述弯曲顶部所包围的体积显著大于所述直壁底部所包围的体积。
2.根据权利要求1所述的工艺，其中，在所述半导体衬底的所述顶表面上形成所述构图的光刻胶层包括：
在所述半导体衬底的所述顶表面上沉积均匀光刻胶层；
在所述均匀光刻胶层中形成初始开口，其中所述初始开口具有基本上垂直于所述均匀光刻胶层的暴露顶表面的侧表面；
在所述均匀光刻胶层中形成所述初始开口之后，通过加热使所述均匀光刻胶层软化，直到所述初始开口的顶边缘在表面张力的作用下变得圆滑；以及
在通过加热进行所述软化之后，使所述均匀光刻胶层重新硬化，同时所述初始开口的所述顶边缘保持圆滑。
3.根据权利要求2所述的工艺，其中，沉积在所述半导体衬底的所述顶表面上的所述均匀光刻胶层的厚度至少为10微米。
4.根据权利要求2所述的工艺，其中，通过加热使所述均匀光刻胶层软化还包括：
在真空环境中对其中形成有所述初始开口的所述均匀光刻胶层进行加热，直到所述均匀光刻胶层中的光刻胶材料在表面张力的作用下回流。
5.根据权利要求2所述的工艺，其中，对所述均匀光刻胶层进行加热包括：
将所述均匀光刻胶层加热到160-250摄氏度的温度。
6.根据权利要求2所述的工艺，其中，使所述均匀光刻胶层重新硬化包括：
在真空环境中对所述均匀光刻胶层进行冷却，同时所述初始开口的所述顶边缘保持圆滑。
7.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述弯曲顶部的顶部开口的宽度是所述弯曲顶部的底部开口的宽度的至少4倍。
8.根据权利要求1所述的工艺，其中，对所述半导体衬底的所述顶表面进行蚀刻以形成所述直壁凹部包括：
使用博世工艺，通过所述构图的光刻胶层中的所述开口来对所述半导体衬底的所述顶表面进行蚀刻。
9.根据权利要求1所述的工艺，其中，形成所述漏斗状凹部的所述干法蚀刻对于所述构图的光刻胶层和所述半导体衬底具有基本上相同的蚀刻速率。
10.根据权利要求1所述的工艺，其中，形成所述漏斗状凹部的所述干法蚀刻形成所述构图的光刻胶层下方的所述弯曲顶部的至少一部分。
11.根据权利要求1所述的工艺，其中，形成所述漏斗状凹部的所述干法蚀刻包括使用CF4/CHF3气体混合物的干法蚀刻。
12.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述构图的光刻胶层中的所述开口在平行于所述构图的光刻胶层的所述暴露顶表面的平面中具有圆形截面形状。
13.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述漏斗状凹部在平行于所述半导体衬底的所述顶表面的平面中具有圆形截面形状。
14.一种用于喷射流体滴的装置，包括：
其中形成有漏斗状喷嘴的半导体衬底，其中所述漏斗状喷嘴包括直壁底部和弯曲顶部，所述弯曲顶部具有朝向所述直壁底部逐渐会聚且平滑地接合到所述直壁底部的弯曲侧表面，漏斗状喷嘴具有基本上垂直于所述半导体衬底的顶表面的对称轴，并且所述弯曲顶部所包围的体积显著大于所述直壁底部所包围的体积。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，在包含所述对称轴的平面内，所述弯曲顶部的顶部开口比所述弯曲顶部的底部开口宽至少70微米。
16.根据权利要求14所述的装置，其中，所述直壁底部在包括所述对称轴的平面中的宽度为30-40微米。
17.根据权利要求14所述的装置，其中，所述直壁底部在包含所述对称轴的平面中的高度为5-10微米。
18.根据权利要求14所述的装置，其中，与所述对称轴共面且与所述弯曲顶部的顶部开口和底部开口相交的直线与所述对称轴的角度为30-40度。
19.根据权利要求14所述的装置，其中，在包含所述对称轴的平面中，所述直壁底部的高度是所述直壁底部的宽度的10-30%。
20.根据权利要求14所述的装置，所述漏斗状喷嘴是相同的漏斗状喷嘴的阵列中的一个漏斗状喷嘴，并且所述相同的漏斗状喷嘴的阵列中的每一个漏斗状喷嘴属于独立可控的流体喷射单元。
21.根据权利要求14所述的装置，还包括：
压电致动器组件，支承在所述半导体衬底的顶表面上并包括柔性膜，所述柔性膜将流体地连接到所述漏斗状喷嘴的泵送室密封，所述柔性膜的每次致动用于通过所述漏斗状喷嘴的所述直壁底部喷射流体滴，并且由所述弯曲顶部包围的体积是所述流体滴的大小的3倍或4倍。
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