CN107953672A - 流体喷射头及制作流体喷射头的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种流体喷射头以及一种制作流体喷射头的方法。所述方法包括：提供衬底，所述衬底在其装置表面上含有多个流体喷射致动器。在所述衬底中形成一个或多个流体供应通孔。将流动特征层叠层到所述衬底，并通过光掩模将所述流动特征层暴露于紫外光辐射，以提供所述流动特征层的经紫外光暴露区域。对所述流动特征层进行加热，以使所述经紫外光暴露区域中的材料交联。将喷嘴板层叠层到所述流动特征层，并通过光掩模将所述喷嘴板层暴露于紫外光辐射，以提供用于喷嘴孔的经紫外光暴露区域。利用热量使喷嘴板层交联，并对流动特征层及喷嘴板层进行显影，以在流动特征层及喷嘴板层中分别形成流动特征及喷嘴孔。

Description

流体喷射头及制作流体喷射头的方法
技术领域
本发明涉及一种流体喷射装置，且更具体来说，涉及用于制作流体喷射头结构的改良方法。
背景技术
流体喷射头可用于喷射包括墨水、冷却流体、药物、润滑剂等在内的各种流体。被广泛使用的流体喷射头是喷墨打印机。然而，流体喷射头也可用在用于蒸气疗法(vaportherapy)、电子烟等的汽化装置中。正不断开发出新的技术，以为此类装置提供成本低、可靠性高的流体喷射头。
流体喷射头是一种表面上看来简单的装置，其具有相对复杂的结构，所述结构含有电路、墨水通道、以及各种精确组装的细小部件，以提供一种强有力且用途广泛的流体喷射头。所述喷射头的各种组件必须彼此协作，且可用于各种流体及流体配方。因此，使喷射头组件与被喷射的流体匹配是重要的。生产品质的轻微变化，便可对产品良率及最终的喷射头性能产生巨大的影响。
流体喷射头的主要组件是半导体衬底、流动特征层、喷嘴板层、以及附装到衬底的柔性电路。所述半导体衬底优选地是由硅制成，且含有沉积在所述半导体衬底的装置表面上的各种钝化层、导电金属层、电阻层、绝缘层以及保护层。在衬底的装置表面上形成的流体喷射致动器，可以是热致动器或压电致动器。对于热致动器来说，各个加热器电阻器界定在电阻层中，且每一加热器电阻器对应于喷嘴板中的一个喷嘴孔，用于加热流体并从喷射头朝向所需的衬底或目标喷射流体。
喷嘴板层及流动特征层可分别由光成像型(photo-imageable)材料制成。流动特征层通常被旋转涂布在衬底上、成像并显影，以在其中提供流动特征，用于将流体从衬底中的流体通孔引导至衬底上的加热器。接下来，在深反应性离子蚀刻(deep reactive ionetching，DRIE)工艺中，对衬底进行蚀刻以形成流体通孔。然后，利用经加热的压力辊，将干膜光刻胶喷嘴层叠层到流动特征层。最终，将喷嘴层暴露出并进行显影，以在其中形成喷嘴孔。
在喷嘴板层叠层工艺期间，喷嘴板层桥接衬底中的流体通孔与流动特征层中的流动特征。在叠层机辊沿径向压缩喷嘴板层时，从叠层机辊向喷嘴板层中引入应力，从而推动喷嘴板层向下运动到流动特征层的未受支撑的区域中。对喷嘴板层的径向压缩在喷嘴板层成像期间造成紫外光衍射，从而产生不良的喷嘴孔图像品质。造成不良的喷嘴孔图像品质的第二个因素是衬底上的加热器是由高反射性材料构成。高反射性材料使得在喷嘴板成像期间使用的紫外光线反射回喷嘴板层光刻胶材料中，使得未经暴露的喷嘴孔的区域被暴露至少量的紫外光辐射，此产生畸形的喷嘴孔。
喷嘴板层的平面性对控制流体喷射方向性来说至关重要。喷嘴孔直径变化同样可造成滴剂质量(drop mass)不一致。因此，一直需要提供改良的流体喷射头组件的制造工艺及技术。
发明内容
流体喷射头可用于喷射包括墨水、冷却流体、药物、润滑剂等在内的各种流体。被广泛使用的流体喷射头是喷墨打印机。然而，流体喷射头也可用在用于蒸气疗法(vaportherapy)、电子烟等的汽化装置中。正不断开发出新的技术，以为此类装置提供成本低、可靠性高的流体喷射头。
流体喷射头是一种表面上看来简单的装置，其具有相对复杂的结构，所述结构含有电路、墨水通道、以及各种精确组装的细小部件，以提供一种强有力且用途广泛的流体喷射头。所述喷射头的各种组件必须彼此协作，且可用于各种流体及流体配方。因此，使喷射头组件与被喷射的流体匹配是重要的。生产品质的轻微变化，便可对产品良率及最终的喷射头性能产生巨大的影响。
流体喷射头的主要组件是半导体衬底、流动特征层、喷嘴板层、以及附装到衬底的柔性电路。所述半导体衬底优选地是由硅制成，且含有沉积在所述半导体衬底的装置表面上的各种钝化层、导电金属层、电阻层、绝缘层以及保护层。在衬底的装置表面上形成的流体喷射致动器，可以是热致动器或压电致动器。对于热致动器来说，各个加热器电阻器界定在电阻层中，且每一加热器电阻器对应于喷嘴板中的一个喷嘴孔，用于加热流体并从喷射头朝向所需的衬底或目标喷射流体。
喷嘴板层及流动特征层可分别由光成像型(photo-imageable)材料制成。流动特征层通常被旋转涂布在衬底上、成像并显影，以在其中提供流动特征，用于将流体从衬底中的流体通孔引导至衬底上的加热器。接下来，在深反应性离子蚀刻(deep reactive ionetching，DRIE)工艺中，对衬底进行蚀刻以形成流体通孔。然后，利用经加热的压力辊，将干膜光刻胶喷嘴层叠层到流动特征层。最终，将喷嘴层暴露出并进行显影，以在其中形成喷嘴孔。
在喷嘴板层叠层工艺期间，喷嘴板层桥接衬底中的流体通孔与流动特征层中的流动特征。在叠层机辊沿径向压缩喷嘴板层时，从叠层机辊向喷嘴板层中引入应力，从而推动喷嘴板层向下运动到流动特征层的未受支撑的区域中。对喷嘴板层的径向压缩在喷嘴板层成像期间造成紫外光衍射，从而产生不良的喷嘴孔图像品质。造成不良的喷嘴孔图像品质的第二个因素是衬底上的加热器是由高反射性材料构成。高反射性材料使得在喷嘴板成像期间使用的紫外光线反射回喷嘴板层光刻胶材料中，使得未经暴露的喷嘴孔的区域被暴露至少量的紫外光辐射，此产生畸形的喷嘴孔。
喷嘴板层的平面性对控制流体喷射方向性来说至关重要。喷嘴孔直径变化同样可造成滴剂质量(drop mass)不一致。因此，一直需要提供改良的流体喷射头组件的制造工艺及技术。
附图说明
通过结合附图参照详细说明，所公开实施例的其他特征及优点将变得显而易见，各附图并未按比例绘制，其中在所有的几个视图中，相同的参考编号指示相同的元件，且在视图中：
图1A是根据本发明的流体喷射头的一部分的未按比例绘制的示意性剖视图。
图1B是根据本发明的流体喷射头的一部分的未按比例绘制的、沿图1A的1B-1B线所见的平面示意图。
图2至图5A是用于制作流体喷射头的现有技术步骤的未按比例绘制的示意图。
图5B是从图2至图5A所示的工艺获得的喷嘴板层的未按比例绘制的示意性透视图。
图6至图10是根据本发明的用于制作流体喷射头的步骤的未按比例绘制的示意图。
[符号的说明]
10：流体喷射头
12：衬底
14：加热器电阻器
16：装置表面
18：流体供应通孔
20：流体供应通道
22：流体室
24：厚膜层
26：喷嘴孔
28：喷嘴板层
30：掩模
32：透明区域
34：不透明区域
36：紫外光辐射
38：辊叠层机
40：流动特征层
42：紫外光辐射
44：掩模
46：不透明区域
48：透明区域
50：喷嘴板层
52：压缩辊叠层机
54：紫外光辐射
56：掩模
58：透明区域
60：不透明区域
62：喷嘴孔区域
64：喷嘴孔
70：流体喷射头
具体实施方式
参照图1A及图1B，示出了对现有技术流体喷射头10的一部分的简化表示。所述喷射头包括衬底12，所述衬底12优选地是硅半导体衬底，含有形成在衬底12的装置表面16上的多个流体喷射致动器(例如，压电装置或加热器电阻器14)，如图1A的简化图所示。在激活加热器电阻器14时，通过衬底12中的一个或多个流体供应通孔18而供应的流体，通过流体供应通道20流到厚膜层24中的流体室22，在流体室22中使得流体通过喷嘴板层28中的喷嘴孔26进行喷射。流体喷射致动器(例如，加热器电阻器14)是通过众所周知的半导体制造技术，而形成在衬底12的装置表面16上。
衬底12的大小相对为小，且通常具有介于约2毫米至约8毫米宽、约10毫米至约20毫米长、且约0.4mm至约0.8mm厚的范围内的整体尺寸。在传统衬底12中，流体供应通孔18在衬底12中经喷砂处理(grit-blasted)。此流体供应通孔18具有：长约9.7毫米、且宽介于约50微米至约400微米范围内的尺寸。可通过流体供应通孔18中的单个或通过衬底12中的多个开口，而向流体喷射致动器提供流体，所述多个开口是通过选自反应性离子蚀刻(reactive ion etching，RIE)或深反应性离子蚀刻(deep reactive ion etching，DRIE)、电感耦合等离子体蚀刻等的干蚀刻工艺制成。
流体供应通孔18将流体从流体储存库引导至衬底12的含有加热器电阻器14的装置表面16，其中，流体喷射头10通过流体供应通孔18而附装到流体储存库。衬底12的装置表面16还优选地含有：从加热器电阻器14到接触垫的电迹线(electrical tracing)，用于将衬底12连接到柔性电路或胶带自动结合(tape automated bonding，TAB)电路，以从流体喷射控制器供应电脉冲，从而激活衬底12上的一个或多个加热器电阻器14。
在图2至图6中示意性地说明用于制作流体喷射头的现有技术工艺。根据现有技术工艺，将厚膜层24旋转涂布到衬底12的含有加热器电阻器14的装置表面16上。厚膜层24可由负性光刻胶材料形成。厚膜层24可具有介于约10μm至约80μm范围内或更大的厚度，例如介于约20μm至约60μm范围内的厚度。
在对衬底进行涂布之后，对厚膜层24进行加热，以从经旋转涂布的材料移除溶剂，从而在衬底12上留下光刻胶材料的固体层。使用掩模30(图3)掩盖厚膜层24的将保持可溶的那些区域。因此，掩模30含有实质上透明区域32以及实质上不透明区域34，用于对厚膜层24成像。使用紫外光(UV)辐射36来对厚膜层24成像并使负性光刻胶材料交联。
在对厚膜层24成像之后，进一步对衬底12及厚膜层24加热，以使其经暴露区域中的光刻胶材料交联。然后，对衬底12及厚膜层24应用显影剂溶剂，以移除未固化的光刻胶材料，从而在其中形成流体供应通道20及流体室22。可使用在约200℃下进行约2小时的第三加热步骤，来移除可能位于光刻胶材料中的任何残留光引发剂。
接下来，使用深反应性离子蚀刻(DRIE)工艺，来蚀刻含有经成像且经显影的厚膜层24的衬底12，以在其中形成流体供应通孔18。DRIE工艺通常使用正性光刻胶材料来掩盖衬底12。在蚀刻衬底12之后，使用高压溶剂剥除工艺来移除正性光刻胶材料。图4示出在穿过衬底12蚀刻出流体供应通孔18之后的衬底12及厚膜层24。
在工艺的下一步骤中，使用经加热的辊叠层机38，将用于提供喷嘴板层28的干膜负性光刻胶材料叠层到厚膜层24，如图5A所示。喷嘴板层28具有介于约5μm至约50μm范围内、例如介于约10μm至约30μm范围内的厚度。在叠层工艺期间，喷嘴板层28桥接流体供应通孔18与厚膜层24的流动特征，且辊叠层机38的辊沿径向压缩喷嘴板层28，从而推动喷嘴板层28向下运动到未受支撑的流体供应通孔18、流体供应通道20及流体室22中。对喷嘴板层28的压缩可在用于喷嘴板层28的成像步骤期间造成紫外光衍射，从而造成不良的喷嘴孔26的品质，如图5B所示。可导致不良的喷嘴孔26的图像品质的第二个因素是：衬底12上的加热器电阻器14是由高反射性金属制成。高反射性金属使得紫外光辐射反射回喷嘴板层28中，使得未经暴露的喷嘴孔26的区域被暴露至少量的不需要的紫外光辐射，从而产生图5B所示的畸形的喷嘴孔26。
喷嘴板层28的平面性对控制流体喷射方向性来说至关重要。此外，喷嘴直径变化也可造成滴剂质量不一致。因此，根据本发明提供了一种用于制作流体喷射头的改良工艺。
根据本发明的实施例，使用流动特征层40来支撑喷嘴板层，并在衬底12上的高反射性加热器电阻器14之上提供减反射涂层。此种流动特征层40可以是光刻胶材料，所述光刻胶材料的折射率在用于对喷嘴孔成像的紫外光辐射的波长下进行测量时，低于喷嘴板层的折射率。在另一实施例中，流动特征层40可选自以下材料，所述材料吸收用于对喷嘴板中的喷嘴孔成像的波长下的紫外光辐射。在其他实施例中，流动特征层40可以是吸收紫外光辐射且折射率低于喷嘴板层的折射率的材料。此种可移除和/或可图案化的流动特征层40可选自含有紫外光吸收填充剂(例如，染料或颜料)的负性光刻胶材料。
此种经染料或颜料填充的光刻胶层可利用紫外光辐射进行图案化，使得其保持处于加热器电阻器14之上的流体供应通道20及流体室22中、和/或位于衬底12的装置表面16上的电触头中。在喷嘴孔的形成期间，用于形成喷嘴孔的紫外光辐射被流动特征层40吸收，使得没有大量365纳米辐射从衬底12的装置表面16反射出，从而防止不规则的喷嘴孔形成。
在图6至图10中说明使用流动特征层40来提供支撑的工艺。在衬底12上沉积流动特征层40及喷嘴板层50之前，使用深反应性离子蚀刻(DRIE)工艺来蚀刻衬底12，以在其中形成流体供应通孔18。所述DRIE工艺如上所述。在蚀刻衬底12之后，使用高压溶剂剥除工艺来移除正性光刻胶材料。图6示出穿过衬底12蚀刻出流体供应通孔18之后的衬底12。
接下来，通过将流动特征层40干叠层到衬底12的装置表面上，而将流动特征层40施加到衬底12。在将流动特征层40叠层到衬底12之前，可通过使用氧和/或硅烷对衬底12的装置表面16进行等离子体处理，而将衬底12的装置表面16制备成促进衬底12与流动特征层40之间的粘合。可与光刻胶配方的组分相容的硅烷化合物，通常具有能够与选自由以下组成的群组中的至少一个成员发生反应的功能团：多官能环氧树脂化合物(multifunctionalepoxy compound)、双官能环氧树脂化合物(difunctional epoxy compound)以及光引发剂(photo-initiator)。此种粘合增强剂可以是具有环氧化物官能团的硅烷，例如缩水甘油氧基-烷基三烷氧基硅烷(glycidoxy-alkyltrialkoxysilane)，例如下-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷(gamma-glycidoxypropyltrimethoxysilane)。当使用粘合增强剂时，基于固化树脂的总重量计，粘合增强剂优选地以介于约0.5重量％至约2重量％、且更优选地介于约1.0重量％至约1.5重量％范围内(包括包含在其中的所有范围)的量存在。本文中所述的粘合增强剂被定义成，指的是：可溶于光刻胶组合物中的有机材料，其有助于膜成形及衬底12的装置表面16上的流体特征层40的粘合特性。
如上所述且如图7所示，然后，通过掩模44将流动特征层40暴露于紫外光辐射42，掩模44具有不透明区域46及透明区域48。对流动特征层40进行加热，以使流动特征层40的位于掩模44的透明区域48之下的经紫外光暴露区域交联。然而，不同于现有技术工艺，在此工艺阶段处不对流动特征层40进行显影。
在所述工艺的下一步骤中，如图8所示，使用压缩辊叠层机52将喷嘴板层50叠层到经暴露且未经显影的流动特征层40。通过使用氧等离子体及成形气体和/或硅烷对流动特征层40进行处理，可促进流动特征层40与喷嘴板层50之间的粘合性。由于未经显影的流动特征层40为喷嘴板层50提供支撑，因此，可使用更高的温度及压力来将喷嘴板层50叠层到流动特征层40。
为了在喷嘴板层50中提供喷嘴孔，通过掩模56将喷嘴板层50暴露于紫外光辐射54，掩模56具有透明区域58及对应于喷嘴孔区域62的不透明区域60(图9)。在将喷嘴板层50暴露于紫外光辐射54之后，使用光刻胶显影剂同时对喷嘴板层50及流动特征层40进行显影(图10)。在一个实施例中，将含有经暴露的流动特征层40及经暴露的喷嘴板层50的衬底12放置在显影剂浴(developer bath)中，使用兆声波振动(megasonic agitation)来溶解流动特征层40及喷嘴板层50两个中的未经交联的材料，使得来自流动特征层40的未经交联的材料通过先前形成的流体供应通孔18而溶解，且来自喷嘴板层50的未经交联的材料通过喷嘴板层50中的喷嘴孔64而溶解。用于显影剂浴中的说明性显影剂包括：例如，丁基溶纤剂醋酸酯(butyl cellosolve acetate)、环己酮(cyclohexanone)、甲基乙基酮(methyl ethylketone)、二甲苯(xylene)与丁基溶纤剂醋酸酯(butyl cellosolve acetate)的混合物、及C1-6醋酸酯(C1-6acetates)(例如，丁基醋酸酯(butyl acetate))、或上述二个或更多个的组合。
在一些实施例中，喷嘴板层50是光刻胶材料的单层。在其他实施例中，喷嘴板层50包括：亲水性光刻胶材料层，设置为邻近流动特征层40；以及疏水性光刻胶材料层，设置为邻近亲水性光刻胶材料层。亲水性光刻胶材料层可具有介于约60度至约90度范围内、例如介于约80度至约88度范围内的水接触角，且疏水性光刻胶材料层可具有介于约91度至约120度范围内的水接触角。可向疏水性光刻胶材料层中添加苯氧基树脂(phenoxy resin)，以增大亲水性光刻胶材料层的亲水性。可添加到疏水性光刻胶材料层中，以增大疏水性光刻胶材料层的疏水性的化合物，可包括但不限于：十七氟癸基三甲氧基硅烷(heptadecafluorodecyltrimethoxysilane)、十八烷基二甲基氯硅烷(octadecyldimethylchlorosilane)、十八烷基三氯硅烷(octadecyltricholorsilane)以及硅氧烷(siloxanes)。
喷嘴孔64通常具有介于约10微米至约50微米范围内的入口直径、以及介于约6微米至约40微米范围内的出口直径。由于喷嘴孔64的大小，即使轻微的变化或缺陷，便可对流体喷射头70的性能产生巨大的影响。
由于喷嘴孔64是在将喷嘴板层50附装到流动特征层40之后形成在喷嘴板层50中，因此，图6至图10所示实施例的特征是：在喷嘴板层50中的喷嘴孔64与加热器电阻器14之间具有提高的对准公差。在将喷嘴板层50附装到流动特征层40之后，对喷嘴孔64进行成像，使得能够针对每一加热器电阻器14将喷嘴孔64放置在最佳位置中。
所公开实施例的另一益处在于：由于流体供应通孔18是在将流动特征层40施加到衬底12之前形成，因此用于形成流体供应通孔18的DRIE工艺将不会对流动特征层40造成损害。
所公开实施例的又一益处在于：相比于可利用现有技术工艺实现的处理，可使用较厚的流动特征层，实现对流体装置的更复杂的处理。
最后，所述实施例提供较简单的工艺步骤，且制作流体喷射头70所需的工艺步骤的数目减少。
已阐述了本发明的各种方面及实施例以及其若干优点，所属领域中的普通技术人员应认识到，在随附权利要求的精神及范围内所述实施例可易于进行各种修改、替代及修正。

Claims (10)

1.一种流体喷射头，其特征在于，包括：
衬底，配置为含有位于所述衬底的装置表面上的多个流体喷射致动器以及穿透所述衬底而形成的一个或多个流体供应通孔；
第一光刻胶层，配置为被叠层到所述衬底的所述装置表面；以及
第二光刻胶层，配置为被叠层到所述第一光刻胶层，
其中，所述第二光刻胶层包括：
亲水性光刻胶材料层，设置为邻近所述第一光刻胶层；以及
疏水性光刻胶材料层，设置为邻近所述亲水性光刻胶材料层。
2.根据权利要求1所述的流体喷射头，其特征在于，
所述第一光刻胶层配置为在所述衬底上提供减反射涂层。
3.根据权利要求1所述的流体喷射头，其特征在于，
所述亲水性光刻胶材料层配置为具有介于约60度到小于约90度范围内的水接触角。
4.根据权利要求1所述的流体喷射头，其特征在于，
所述疏水性光刻胶材料层配置为具有介于约91度到约120度范围内的水接触角。
5.一种制作流体喷射头的方法，其特征在于，包括：
提供衬底，所述衬底配置为含有位于所述衬底的装置表面上的多个流体喷射致动器；
在所述衬底中形成一个或多个流体供应通孔；
将第一光刻胶层叠层到所述衬底的所述装置表面；
通过第一光掩模将所述第一光刻胶层暴露于第一紫外光辐射，以提供所述第一光刻胶层的第一紫外光暴露区域；
对所述第一光刻胶层进行加热，以使所述第一光刻胶层的所述第一紫外光暴露区域中的材料交联；
将第二光刻胶层叠层到所述第一光刻胶层；
通过第二光掩模将所述第二光刻胶层暴露于第二紫外光辐射，以提供用于喷嘴孔的第二紫外光暴露区域；
利用热量使所述第二光刻胶层交联；以及
对所述第一光刻胶层及所述第二光刻胶层进行显影，以在所述第一光刻胶层中形成流动特征、且在所述第二光刻胶层中形成所述喷嘴孔。
6.根据权利要求5所述的制作流体喷射头的方法，其特征在于，
所述第一光刻胶层配置为在所述衬底上提供减反射涂层。
7.根据权利要求5所述的制作流体喷射头的方法，其特征在于，
所述第一光刻胶层配置为包含亲水性光刻胶材料。
8.根据权利要求5所述的制作流体喷射头的方法，其特征在于，
所述第二光刻胶层包括：
亲水性光刻胶材料层，设置为邻近所述第一光刻胶层；以及
疏水性光刻胶材料层，设置为邻近所述亲水性光刻胶材料层。
9.根据权利要求5所述的制作流体喷射头的方法，其特征在于，
所述衬底的所述装置表面配置为被进行等离子体处理，以促进所述第一光刻胶层与所述衬底的所述装置表面之间的粘合。
10.根据权利要求5所述的制作流体喷射头的方法，其特征在于，
所述第一光刻胶层配置为被使用氧及成形气体进行等离子体处理，以促进所述第一光刻胶层与所述第二光刻胶层之间的粘合。
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