CN1323844C - 气泡式喷墨打印头及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气泡式喷墨打印头及其制造方法，该打印头包括：衬底，其上设置有用于存储墨的墨室和用于加热墨的电阻发热体；以及，供墨通道，其穿透衬底并且与墨室连接。供墨通道包括第一沟槽和第二沟槽。第一沟槽按第一图案形成在衬底的第一表面处，第一图案距至少墨室入口和相邻墨室之间的连接部分的其中之一具有间距，衬底的第一表面其上设置有墨室。第二沟槽按第二图案形成在衬底的第二表面处，在第一沟槽的第一图案的范围内具有等于第一沟槽的面积和小于第一沟槽的面积其中之一，并且与第一沟槽连通。

Description

气泡式喷墨打印头及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种喷墨打印机的打印头及其制造方法，并且更加特别地涉及一种气泡式喷墨打印头及其制造方法，该打印头具有能够改善各个喷嘴喷墨特性均匀性的供墨口，从而即使喷嘴高度集成也能确保供往各个喷嘴或通过各个喷嘴喷射的墨量。
背景技术
由于喷墨打印机在抑制噪音和获取高分辨等方面的出色表现，并且还能够以很低的成本进行彩色打印，因此消费者对喷墨打印机的需求日增。
另外，随着半导体技术的发展，作为喷墨打印机主要部件，打印头的制造技术在过去十年间已经取得了积极的发展。结果，目前已在一次性墨盒中采用具有500至1000个喷嘴、并能够提供1200dpi分辨率的打印头。
图1示意性地示出了用于喷墨打印机的传统打印头10。
通常，墨从打印头10的衬底1的背面，通过第一供墨通道2供至衬底1的前面，第一供墨通道2组成了与墨盒(未示出)连接的供墨口。
通过第一供墨通道2供给的墨沿着由墨室板8和喷嘴板9限定的限流器或第二供墨通道3流动，到达墨室4。暂时滞留在墨室4中的墨立即由于从设置在保护层5下的加热器6产生的热量而沸腾。
结果，墨产生了易爆的气泡，气泡导致了墨室4中的一些墨通过形成在墨室4之上的喷嘴7从打印头10向外释放。
在这种打印头10中，第一供墨通道2和第二供墨通道3以及墨室4的形状和位置是影响单位喷嘴的墨流和频率特性的重要因素。
例如，如图2和3所示，单位喷嘴的频率特性受从第一供墨通道2至墨室4的入口或相邻墨室4之间的连接部分4’的距离SH的影响极大。
更加具体地说，第二供墨通道3的宽度形成得越窄，即第一供墨通道2边缘越接近墨室4，喷嘴4的供墨性能就越好，并且由此可以改善单位喷嘴的频率特性。
另外，在制造具有上述500个喷嘴7的打印头时，为了获得中出色的喷墨分散特性，打印头10应制造成确保从第一供墨通道2至各个墨室4的距离SH保持均匀。
因此，将第一供墨通道2和第二供墨通道3以及墨室4的形状和位置设计成确保从第一供墨通道2至各个墨室4的距离SH保持均匀。
在打印头10中，在其上形成有加热器6和开关单元(诸如晶体管)的衬底1上形成墨室板8和喷嘴板9或一体的墨室/喷嘴板(one body chamber/nozzle plate)(未示出)之前或之后，第一供墨通道2通常通过利用湿法或干法蚀刻工艺从后表面向其前表面蚀刻衬底1而形成。
然而，现有技术并非不存在问题。例如，若第一供墨通道2通过使用强碱性蚀刻溶液(诸如四甲基氢氧化铵(TMAH)的湿法蚀刻工艺形成，需要在执行湿法蚀刻工艺前，以抗底切材料和对于强碱性蚀刻溶液具有高选择比的氧化物或氮化物的层遮蔽衬底1的前和后表面，除了将要形成第一供墨通道2的部分，并去除掩模材料，以确保在执行湿法蚀刻工艺后，其残余物不会沿着第一供墨通道2保留。
另外，若第一供墨通道2通过使用喷砂器的硅干法蚀刻工艺形成，第一供墨通道2的边缘可能仅仅是没有清晰地形成，如图4所示，而且加热器6和开关元件也由于喷沙期间的微粒而被污染。
另外，若第一供墨通道2通过使用蚀刻气体的硅干法蚀刻工艺形成，由于将保护层5(诸如对于蚀刻气体具有高蚀刻选择比的氧化物或氮化物)用作衬底1前表面上的蚀刻停止层，如图5A和5B所示，因此由于保护层5与衬底1之间的界面处的充电现象，将产生横向蚀刻，从而不均匀地形成了即使是在蚀刻并去除了保护层5之后仍然保留下来的凹槽2’，使得第一供墨通道2无法精确测量。
当凹槽2’如上所述地不均匀形成时，经第二供墨通道3供入喷嘴7和通过第一供墨通道2供入墨室4的墨流变得不均匀，从而导致了单位喷嘴频率特性的不均匀。
发明内容
本发明的其它方面和/或优点将部分地在下面的说明中展现，部分地通过说明而变得明显，或者可通过实践本发明而掌握。
本发明是为了解决现有技术中的上述和/或其它问题而开发出来。
因此，本发明的一个方面在于提供一种气泡式喷墨打印头及其制造方法，具有可以正确且均匀地形成通过第二供墨通道供往喷嘴或从与墨盒连接的第一供墨通道供往墨室的墨的流道的第一供墨通道，从而改善了各个喷嘴的喷墨特性的均匀性，并从而即使喷嘴高度地集成，也能确保了供往或从各个喷嘴射出的墨量彼此相等。
本发明的另一方面在于提供一种气泡式喷墨打印头及其制造方法，其具有通过经干法和/或湿法蚀刻工艺在衬底的前和后表面上蚀刻两个具有彼此不同尺寸的沟槽而形成的第一供墨通道，从而改善由于仅通过干法蚀刻工艺或湿法蚀刻工艺形成第一供墨通道时在衬底的后表面处产生的凹槽而导致的测量精度的下降。
本发明的又一方面在于提供一种气泡式喷墨打印头及其制造方法，其具有第一供墨通道，通过使预先形成在衬底前表面的第一供墨通道的出口具有大于后来形成在衬底后表面的第一供墨通道的入口的面积，该第一供墨通道可以补偿第一供墨通道入口蚀刻中的测量误差，并且还扩大了工艺裕度。
本发明的再一方面在于提供一种气泡式喷墨打印头及其制造方法，其具有第一供墨通道，通道通过在衬底前表面处靠近墨室形成第一供墨通道的出口，该第一供墨可以改善喷墨的效率和均匀性。
本发明的再一方面在于提供一种气泡式喷墨打印头及其制造方法，其具有第一供墨通道，通过降低形成在衬底后表面的第一供墨通道的入口的尺寸从而扩大衬底与墨盒之间的接触面积，该第一供墨通道可以防止墨在打印中泄漏。
本发明的再一方面在于提供一种气泡式喷墨打印头及其制造方法，其具有第一供墨通道，该第一供墨通道可应用于采用整体法的打印头的制造方法以及采用粘合法的打印头的制造方法中。
根据本发明的一个方面，提供一种气泡式喷墨打印头，包括：衬底，其上设置有用于存储墨的墨室和用于加热墨的电阻发热体；以及，供墨通道，其穿透衬底并且与墨室连接。供墨通道包括第一沟槽和第二沟槽。第一沟槽按第一图案形成在衬底的第一表面处，第一图案距至少墨室入口和相邻墨室之间的连接部分的其中之一具有间距，衬底的第一表面其上设置有墨室。第二沟槽按第二图案形成在衬底的第二表面处，在第一沟槽的第一图案的范围内具有等于第一沟槽的面积和小于第一沟槽的面积其中之一，并且与第一沟槽连通。
第一沟槽可具有5μm至20μm的深度。
根据本发明的另一方面，提供一种气泡式喷墨打印头的制造方法，包括：通过蚀刻工艺在衬底的第一表面形成第一沟槽，使其与后面将形成的墨室连通；以及，通过干法蚀刻工艺在衬底的第二表面形成第二沟槽，使其与第一沟槽连通。第一和第二沟槽包括了穿透衬底的供墨通道。
形成第一沟槽可包括：在衬底的第一表面上形成用于形成第一沟槽的蚀刻掩模；通过使用该蚀刻掩模的湿法蚀刻工艺和干法蚀刻工艺其中之一的蚀刻工艺蚀刻衬底的第一表面；以及，去除该蚀刻掩模。
该蚀刻掩模可为具有以下图案的蚀刻掩模，第一沟槽通过该图案与至少墨室入口和相邻墨室之间的连接部分的其中之一分开范围在1μm至5μm的距离。该蚀刻掩模的形状可包括与墨室的轮廓隔开的封闭曲线，与喷嘴的坐标设置无关。
该蚀刻掩模可由硅的氧化物、氮化物、光致抗蚀剂、环氧树脂和金属其中之一形成。
干法蚀刻工艺可产生范围在5μm至20μm的深度，并且可使用SF6气体、CF3气体和CHF3气体其中之一作为蚀刻气体，而湿法蚀刻工艺可产生范围在5μm至20μm的深度，并且可使用TMAH和KOH其中之一作为非等向性蚀刻溶液。
形成第二沟槽可包括：在衬底的第二表面上形成用于形成第二沟槽的蚀刻掩模；通过使用该蚀刻掩模的干法蚀刻工艺蚀刻衬底的第二表面；以及，去除该蚀刻掩模。
该蚀刻掩模可具有面积为等于第一沟槽的面积和小于第一沟槽的面积其中之一的图案。
该蚀刻掩模可为硅的氧化物、氮化物、光致抗蚀剂、环氧树脂和金属其中之一。法蚀刻工艺可使用SF6气体、CF3气体和CHF3气体其中之一。
该方法还可包括在该些形成操作之间，在衬底的第一表面上形成墨室和喷嘴。
形成墨室和喷嘴可包括：在衬底的第一表面上形成光致抗蚀剂层；通过使用掩模的光刻工艺构图光致抗蚀剂层而形成墨室板，该掩模中构图了墨室和构成限流器的供墨通道的各自的流道结构；在墨室板上形成干抗蚀剂薄膜层；以及，通过使用其中构图了喷嘴结构的掩模的光刻工艺构图干抗蚀剂薄膜层而形成喷嘴板。
形成墨室和喷嘴可包括：在衬底的第一表面上形成第一光致抗蚀剂层；通过光刻工艺构图第一光致抗蚀剂层而形成光致抗蚀剂模具；在其上形成了光致抗蚀剂模具的衬底的第一表面上形成第二光致抗蚀剂层；以及，通过使用其中构图了喷嘴结构的掩模的光刻工艺构图第二光致抗蚀剂层。其后，可去除光致抗蚀剂模具。
该方法还包括在形成第二沟槽的步骤之后，在衬底的第一表面上形成墨室和喷嘴。
形成墨室和喷嘴可包括在衬底的第一表面上形成干抗蚀剂薄膜层；通过使用掩模的光刻工艺构图干抗蚀剂薄膜层而形成墨室板，该掩模中构图了墨室和构成限流器的供墨通道的流道结构；以及，在墨室板上，利用热量和压力，粘合由光致抗蚀剂等制成的喷嘴板和由聚酰亚胺薄膜制成的喷嘴板其中之一，由光致抗蚀剂等制成的喷嘴板通过使用具有芯的衬底的电解沉积制成，而聚酰亚胺薄膜的喷嘴板制造为具有通过激光切割而形成于其中的喷嘴。
根据本发明的又一方面，提供一种喷墨打印头，包括：衬底；至少一个形成在衬底顶面上、加热墨的加热器；至少部分设置于该至少一个加热器上的墨室；以及，穿过衬底延伸的供墨口，墨通道与供墨室和墨室是液体连通。供墨口包括按照第一图案形成在衬底的墨室一侧的第一沟槽和按第二图案形成在衬底的第二表面处的第二沟槽。该第一图案距至少墨室入口和相邻墨室之间的连接部分的其中之一具有间距，衬底的第一表面其上设置有墨室。该第二图案在第一沟槽的第一图案的范围内具有等于第一沟槽的面积和小于第一沟槽的面积其中之一，并且与第一沟槽连通。
根据本发明的再一方面，提供一种气泡式喷墨打印头的制造方法，包括如下地设置供墨口：通过蚀刻工艺在衬底的第一表面形成第一沟槽，使其与后面将形成的至少一个墨室连通；以及，通过干法蚀刻工艺在衬底的第二表面形成第二沟槽，使其与第一沟槽连通。
根据本发明的再一方面，提供一种改善由于仅通过干法蚀刻工艺和湿法蚀刻工艺其中之一形成透过衬底的供墨通道时产生的凹槽而导致的测量精度的下降的方法，包括通过经干法和/或湿法蚀刻工艺在衬底的前和后表面上蚀刻两个具有彼此不同尺寸的沟槽而形成第一供墨通道。
根据本发明的再一方面，提供一种补偿供墨通道入口蚀刻中的测量误差并扩大对于该蚀刻的工艺裕度的方法，包括：通过蚀刻工艺在衬底的第一表面形成第一沟槽，使其与后面将形成的至少一个墨室连通；以及，形成第一沟槽后，通过干法蚀刻工艺在衬底的第二表面形成第二沟槽，使其与第一沟槽连通。第一沟槽开口面积大于第二沟槽开口面积。
根据本发明的再一方面，提供一种防止墨在气泡式打印头中泄漏的方法，包括：通过蚀刻工艺在衬底的第一表面形成第一沟槽，使其与后面形成的墨室中的至少一个连通，以及，通过干法蚀刻工艺在衬底的第二表面形成第二沟槽，使其与第一沟槽连通，从而扩大衬底与墨盒之间的接触面积。
附图说明
本发明的这些和/或其它方面及优点将通过结合附图详细介绍实施例而变得明显且易于接受，附图中：
图1为示出传统打印头的截面图；
图2为图1所示打印头的顶视平面图，其示出了单位墨室和第一供墨通道；
图3为显示单位喷嘴的频率特性同第一供墨通道与墨室之间距离之间的关系的视图；
图4为显示通过使用喷砂器的干法蚀刻工艺制造的打印头的第一供墨通道的边缘部分的照片；
图5A和5B为示出在一般的干法蚀刻工艺期间产生的凹槽现象的截面图和照片；
图6A至6F为示出制造根据本发明第一实施例的气泡式喷墨打印头的方法的视图；
图7A至7F为示出制造根据本发明第二实施例的气泡式喷墨打印头的方法的视图；以及
图8A至8J为示出制造根据本发明第三实施例的气泡式喷墨打印头的方法的视图。
具体实施方式
图6F示出了通过整体法(monolithic method)制造的、根据本发明第一实施例的气泡式喷墨打印头100。
本实施例的打印头100包括：厚度500至800μm硅衬底101，其上形成有多个用于加热墨的加热器106、诸如晶体管的开关元件(未示出)和用于保护加热器和开关元件的保护层105；第一供墨通道102，其组成透过衬底101形成的供墨口；墨室板108，通过利用使用光掩模的光刻工艺构图光致抗蚀剂而形成在保护层105上，其中，该光掩模中构图了墨室104和构成限流器的第二供墨通道103等的流道结构(flow channel structure)；以及，喷嘴板109，通过利用使用光掩模的光刻工艺构图干抗蚀剂薄膜而形成在墨室板108上，其中，该光掩模中构图了喷嘴107的结构。
第一供墨通道102包括朝向墨室104位于其上的衬底101的前表面形成的第一沟槽102a，以及朝向与墨盒(未示出)连接的衬底101的后表面形成的第二沟槽102b，使其与第一沟槽102a连通。
为改善单位喷嘴的频率特性，第一沟槽102a形成为具有约5至20μm的厚度，并按第一图案形成，该第一图案形成了闭合曲线，在单元打印头的设计中，其形状为距相邻墨室104之间的连接部分(未示出)和/或构成墨室104轮廓的墨室104的入口具有范围在1μm至5μm的间距SH，不考虑喷嘴107和墨室104折线形或沿着一条直线布置的坐标设置，如下所述。
形成第二沟槽102b以扩大衬底101除去第一沟槽102a以外部分的深度，并且第二沟槽102b按第二图案形成，第二图案在第一沟槽102a的第一图案的范围中具有等于或小于第一沟槽102a的面积。
每个加热器106包括由具有高电阻率的金属或掺杂的多晶硅制成的电阻发热体。
加热器106上的保护层105包括以0.5μm的厚度、通过LPCVD汽相沉积氮化硅、碳化硅等制成的钝化层(未示出)，以及通过汽相沉积Ta、TaN、TiN等的金属层形成在钝化层上、以隔离墨水的抗气穴层(anti-cavitationlayer)(未示出)。
墨室板108形成了墨室104、构成限流器的第二供墨通道103等的流道结构的图案，而喷嘴板109形成了喷嘴107的图案。
根据分辨率或喷嘴107集中或集成的程度，流道结构的图案可形成为具有折线形或沿直线布置的喷嘴107和墨室104的坐标设置。
利用诸如SU-8的环氧族光敏聚合物或聚酰亚胺形成构成墨室板108的光致抗蚀剂，使其具有约10至100μm的厚度，例如(而非限于)，30至40μm。
下面将参照图6A至6F详细介绍根据本发明第一实施例构造的整体气泡式喷墨打印头的制造方法。
首先，按本领域熟知的方式，在硅衬底101的前表面上形成开关元件和加热器106。
此处，加热器106一般通过选择性地蚀刻具有高和低电阻率的薄金属层中电阻率相对低的金属层而形成，或者通过在硅衬底101的前表面上形成其中掺有杂质的多晶硅层并随后构图该多晶硅层而形成。
接着，如图6A所示，在衬底101上形成保护层105，以保护开关元件和加热器106。
保护层105包括以0.5μm的厚度、通过LPCVD汽相沉积氮化硅、碳化硅等制成的钝化层(未示出)，以及通过汽相沉积Ta、TaN、TiN等的金属层而形成在钝化层上的抗气穴层。
接着，为了形成形成第一供墨通道102的第一部分的、较浅的第一沟槽102a，在衬底101的保护层105上厚厚地涂覆第一光致抗蚀剂，以形成第一光致抗蚀剂层(未示出)，并且将第一光致抗蚀剂层暴露于诸如UV的光并通过使用具有第一沟槽102a的第一图案的光掩模(未示出)的光刻工艺显影。结果，在保护层105上形成了第一沟槽蚀刻掩模图案(未示出)。
此处，光掩模中第一沟槽102a的第一图案形成了封闭曲线，在单元打印头的设计中，其形状为距相邻墨室104之间的连接部分(未示出)和/或构成墨室104轮廓的墨室104的入口具有范围在1μm至5μm的间距SH，不考虑喷嘴107和墨室104折线形或沿着一条直线布置的坐标设置
第一沟槽蚀刻掩模图案可包括，例如，通过汽相沉积或溅射形成的硅的氧化物、氮化物、环氧树脂薄膜、纯金属薄膜等，而非通过光刻工艺构图的第一光致抗蚀剂层。
形成第一沟槽蚀刻掩模图案后，通过使用第一沟槽蚀刻掩模图案作为蚀刻掩模的硅蚀刻工艺蚀刻衬底101前表面上的保护层105。硅蚀刻工艺可通过分别使用诸如CF3气体、CHF3等的蚀刻气体和诸如对于保护层105具有蚀刻选择性的TMAH或KOH的非等向性蚀刻溶液的干法和湿法蚀刻法其中之一来执行。
结果，如图6B所示，仅暴露出衬底101前表面的、其中将形成第一沟槽102a的部分。
其后，通过诸如使用第一沟槽蚀刻掩模图案作为蚀刻掩模的干法蚀刻法(示例而非限制)的硅蚀刻工艺来蚀刻衬底101前表面的暴露部分。此时，使用对于硅衬底101具有蚀刻选择性的SF6气体作为蚀刻气体。结果，如图6C所示，在衬底101前表面的暴露部分形成了较浅的、具有范围在5μm至20μm的深度的第一沟槽102a。
虽然，在本发明的本实施例中，将第一沟槽102a解释为通过在保护层105上形成第一沟槽蚀刻掩模图案并随后通过使用第一沟槽蚀刻掩模图案作为蚀刻掩模顺序蚀刻保护层105和衬底101而形成，可以理解，第一沟槽102a可通过在利用第一沟槽蚀刻掩模图案作为蚀刻掩模蚀刻保护层105后去除第一沟槽蚀刻掩模图案并随后通过使用分开形成的蚀刻掩模图案作为蚀刻掩模蚀刻衬底101而形成。
在此情况下，如同第一沟槽蚀刻掩模图案，该分开形成的蚀刻掩模图案可包括通过汽相沉积或溅射形成的硅的氧化物、氮化物、环氧树脂薄膜、纯金属薄膜等，以及通过光刻工艺构图的光致抗蚀剂层中的一种。
另外，在硅蚀刻工艺中，将保护层105和衬底101解释为通过干法或湿法蚀刻法和干法蚀刻法分别蚀刻，由此使得保护层105和衬底101能够分别通过彼此不同的蚀刻法蚀刻，但为了方便蚀刻，其可以通过相同类型的一种蚀刻法顺序蚀刻，即，干法和湿法蚀刻法其中之一，其中，仅蚀刻气体或溶液的种类根据目标(即保护层105和衬底101)而变化。
在此情况下，若保护层105和衬底101通过湿法蚀刻法顺序蚀刻，则衬底101以及保护层105通过诸如对其具有蚀刻选择性的TMAH和KOH的非等向性蚀刻溶液来蚀刻。
其后，清除在蚀刻工艺期间流入衬底101表面中的有机物质，并去除第一沟槽蚀刻掩模图案。
接着，以大约10至100μm(诸如30至40μm)的厚度，在衬底101的保护层105上涂覆诸如SU-8或聚酰亚胺的负光致抗蚀剂，从而形成负光致抗蚀剂层(未示出)，将负光致抗蚀剂层暴露于诸如UV的光并通过使用光掩模(未示出)的光刻工艺显影，该光掩模中构图了具有折线形或沿直线排列的坐标设置的墨室104和第二供墨通道103等的流道结构。
结果，如图6D所示，在保护层105上形成墨室板108。后面，墨室板108提供了墨室104、第二供墨通道103等的流道结构。另外，墨室板108的厚度达到了后面将形成的墨室104和第二供墨通道103的高度。
在保护层105上形成墨室板108后，如图6E所示，以利用热量和压力在墨室板108上叠置干抗蚀剂薄膜，从而形成干抗蚀剂薄膜层，并且将干抗蚀剂薄膜层暴露于诸如UV的光并通过使用光掩模(未示出)的光刻工艺显影，该光掩模中构图了具有类似于墨室104的折线形或沿直线排列的坐标设置的喷嘴107的结构。结果，在墨室板108上形成了其中具有喷嘴107的喷嘴板109。
形成喷嘴板109后，为形成构成第一供墨通道102的第二部分的、较深的第二沟槽102b，在衬底101的后表面上厚厚地涂覆第二光致抗蚀剂，以形成第二光致抗蚀剂层(未示出)，将第二光致抗蚀剂层暴露于诸如UV的光并通过使用光掩模(未示出)的光刻工艺显影，该光掩模具有等于或小于第一沟槽102a的第一图案的第二沟槽102b的第二图案。结果，在衬底101的后表面上形成了第二沟槽蚀刻掩模图案(未示出)。
此处，第二沟槽蚀刻掩模图案解释为包括通过光刻工艺构图的光致抗蚀剂图案。然而，可以理解，与第一沟槽蚀刻掩模图案类似，该层可以包括通过汽相沉积或溅射形成的硅的氧化物、氮化物、环氧树脂薄膜、纯金属薄膜等。
形成第二沟槽蚀刻掩模图案后，通过使用第二沟槽蚀刻掩模图案作为蚀刻掩模的硅干法蚀刻工艺，朝向衬底101的前表面非等向性地蚀刻衬底101的后表面。结果，如图6F所示，在衬底101的后表面处形成了较深的第二沟槽102b，并延伸到除5至20μm的第一沟槽102a’以外的衬底101’深度的其余部分。
去除在蚀刻工艺期间流入衬底101后表面的有机物质以及第二沟槽蚀刻掩模图案后，对所得的衬底101执行泛曝光(flood-exposing)工艺和硬化烘烤(hard-baking)工艺，从而分别增强墨室板108和喷嘴板109的机械强度和抗腐蚀性，并使墨室板108和喷嘴板109与衬底101结合得更加紧密，并最终完成打印头100的制造。
此时，通过以范围在几百个mJ/cm2至几千个mJ/cm2剂量的UV对所得的衬底101曝光来执行泛曝光工艺，而通过以范围在几十摄氏度至几百摄氏度的温度(例如，130至150℃)烘烤所得的衬底101几至几十分钟(例如，30分钟)来执行硬化烘烤工艺。
实施例2
图7F示出了通过粘合法制造的、根据本发明第二实施例的气泡式喷墨打印头。
除墨室板108c和喷嘴板109a通过粘合法制造以外，本实施例的打印头100’与参照图6F说明的第一优选实施例类似。因此，关于打印头100’对应构造的说明在此略去。
下面，将参照图7A至7F详细介绍根据本发明第二实施例构造的粘合型气泡式喷墨打印头100’的制造方法。
首先，设置其上形成有开关元件(未示出)(诸如晶体管)和加热器106’的、厚度为500至800μm的硅衬底101’。
接着，如图7A所示，形成保护层105’后，按照与第一实施例中打印头100相同的方式，通过使用第一沟槽蚀刻掩模图案(未示出)作为蚀刻掩模的硅干法蚀刻工艺，在硅衬底101’的前表面处，形成构成第一供墨通道102’的第一部分的、较浅的第一沟槽102a’。第一沟槽102a’具有5至20μm的深度，以及距将在后面形成的墨室104’的入口和/或相邻墨室104’之间的连接部分(未示出)的、范围在1μm至5μm的间距SH。
接着，为了形成构成第一供墨通道102’的第二部分的、较深的第二沟槽102b’，通过使用按照与第一实施例的打印头100相同的方式形成的第二沟槽蚀刻掩模图案(未示出)作为蚀刻掩模的硅干法蚀刻工艺，非等向性地蚀刻衬底101’的后表面。结果，如图7B所示，在衬底101’的后表面处形成了与第一沟槽102a’一起构成第一供墨通道102’的、较深的第二沟槽102b’。第二沟槽102b’具有等于或小于第一沟槽102a’的面积，并延伸到除5至20μm的第一沟槽102a’以外的衬底101’深度的其余部分。
其后，去除在硅干法蚀刻工艺期间流入衬底101’表面的有机物质以及第一和第二沟槽蚀刻掩模图案。
然后，如图7C所示，利用热量和压力在衬底101’的整个前表面上叠置干抗蚀剂薄膜，从而形成干抗蚀剂薄膜层108a。干抗蚀剂薄膜包括诸如VACREL、RISTON或Dupont与之类似的树脂材料的负光致抗蚀剂。
接着，如图7D所示，对干抗蚀剂薄膜层108a执行UV曝光工艺。UV曝光工艺通过使用其中构图了墨室104’和构成限流器的第二供墨通道103’的流道结构的光掩模108’来执行。结果，在干抗蚀剂薄膜层108a处形成了未暴露于UV且未硬化的部分108b。
其后，通过显影工艺蚀刻并去除干抗蚀剂薄膜层108a的未硬化部分108b。结果，在衬底101’的前表面上，形成了其中具有墨室104’、第二供墨通道103’等的流道结构的墨室板108c。
在此状态中，如图7F所示，将由光致抗蚀剂等或聚酰亚胺薄膜制成的喷嘴板109a利用热量和压力粘合在墨室板108c上，并最终完成了打印头100’的制造。
此时，由光致抗蚀剂等制成的喷嘴板预先通过使用具有芯(未示出)的衬底(未示出)的电沉积工艺制成，而聚酰亚胺薄膜的喷嘴板预先制造为具有通过激光切割工艺形成于其中的喷嘴107’。
实施例3
图8J示出了通过整体法制造的、根据本发明第三实施例的气泡式喷墨打印头100”。
除具有墨室/喷嘴板109a”以外，本实施例的打印头100”与参照图6F和7F说明的第一和第二实施例的类似，在墨室/喷嘴板109a”中，限定墨室104”的墨室板和限定喷嘴107”的喷嘴板通过整体法制造在一体中。因此，关于打印头100”对应构造的说明在此略去。
下面，将参照图8A至8J，更加详细地介绍根据本发明第三优选实施例构造的整体气泡式喷墨打印头100”的制造方法。
首先，设置其上形成有开关元件(未示出)(诸如晶体管)和加热器106”的、厚度为500至800μm的硅衬底101”。
接着，如图8A所示，形成第一保护层105”后，按照与第一实施例的打印头100相同的方式，在硅衬底101”的前表面处，通过使用第一沟槽蚀刻掩模图案(未示出)作为蚀刻掩模的硅干法蚀刻工艺，形成构成第一供墨通道102”的第一部分的、较浅的第一沟槽102a”。第一沟槽102a”具有5至20μm的深度，以及距将在后面形成的墨室104”的入口和/或相邻墨室104”之间的连接部分(未示出)的、范围在1μm至5μm的间距SH。
接着，去除在硅干法蚀刻工艺期间流入衬底101”前表面的有机物质以及第一沟槽蚀刻掩模图案。
其后，如图8B所示，在衬底101”的第一保护层105”上，以几十μm(例如，10至30μm)的厚度涂覆光致抗蚀剂，从而形成第一光致抗蚀剂层108a’，将第一光致抗蚀剂层108a’暴露于UV并通过使用光掩模108”的光刻工艺显影，如图8C所示。
结果，如图8D所示，在第一保护层105”上形成光致抗蚀剂模具108c’作为牺牲层。光致抗蚀剂模具108c’将在后面去除，从而提供墨室104”、第二供墨通道103”等的流道结构。
在第一保护层105”上形成光致抗蚀剂模具108c’后，如图8E所示，在衬底101”的整个前表面上涂覆环氧树脂的光致抗蚀剂，从而形成第二光致抗蚀剂层109a’。
其后，如图8F所示，将第二光致抗蚀剂层109a’暴露于UV，并通过使用光掩模109’的光刻工艺显影，光掩模109’中构图了喷嘴107”的结构。结果，如图8G所示，形成了其中具有喷嘴107”的墨室/喷嘴板109a”。
形成墨室/喷嘴板109a”后，如图8H所示，在墨室/喷嘴板109a”上形成第二保护层111，从而在下面用于形成第一供墨通道102”的第二沟槽102b”的蚀刻工艺期间保护墨室/喷嘴板109a”。
其后，如图8I所示，为了形成构成第一供墨通道102”的第二部分的、较深的第二沟槽102b”，通过使用按照与第一沟槽蚀刻掩模图案(未示出)相同的方式形成的第二沟槽蚀刻掩模图案(未示出)作为蚀刻掩模的硅干法蚀刻工艺，朝向衬底101”的前表面非等向性地蚀刻衬底101”的后表面。
此处，当衬底101”后表面通过第二沟槽蚀刻掩模图案暴露的部分几乎全被蚀刻并去除的时候，由于光致抗蚀剂模具108c’与衬底101”之间界面处的充电现象产生的横向蚀刻，形成了凹槽102c。然而，由于凹槽102c位于通过预先形成在衬底101”前表面处的第一沟槽102a”而与墨室104”分开的第一供墨通道102”的中部，因此其不影响经第二供墨通道103”供往喷嘴107”和通过第一供墨通道102”供往墨室104”的墨流，以及打印期间喷嘴107”的频率特性。
因此，完成硅干法蚀刻工艺后，衬底101”后表面的暴露部分形成了与第一沟槽102a”一起构成第一供墨通道102”的第二沟槽102b”。第二沟槽102b”具有等于或小于第一沟槽102a”的面积，并延伸到除5至20μm的第一沟槽102a’以外的衬底101’深度的其余部分。
接着，去除在硅干法蚀刻工艺期间流入衬底101”后表面的有机物质以及第二沟槽蚀刻掩模图案。
然后，去除第二保护层111后，利用溶剂溶解并去除光致抗蚀剂模具108c’。结果，在墨室/喷嘴板109a”中形成了墨室104”、第二供墨通道103”等的流道结构，并最终完成了打印头100”的制造。
可以理解，根据本发明上述实施例的气泡式喷墨打印头及其制造方法可以正确并均匀地形成通过第二供墨通道供往喷嘴和从与墨盒连接的第一供墨通道供往墨室的墨的流道，从而改善了各个喷嘴的喷墨特性的均匀性，并从而即使喷嘴高度地集成，也能确保了供往或从各个喷嘴射出的墨量彼此相等。
另外，根据本发明上述实施例的气泡式喷墨打印头及其制造方法通过经干法和/或湿法蚀刻工艺在衬底的前和后表面上蚀刻两个具有彼此不同尺寸的沟槽形成了第一供墨通道，并且从而可以改善由于仅通过干法蚀刻工艺或湿法蚀刻工艺形成第一供墨通道时在衬底的后表面处产生的凹槽而导致的测量精度的下降。
另外，根据本发明上述实施例的气泡式喷墨打印头及其制造方法，通过使预先形成在衬底前表面的第一供墨通道的出口具有大于后来形成在衬底后表面的第一供墨通道的入口的面积，可以补偿第一供墨通道入口蚀刻中的测量误差，并且还扩大了工艺裕度。
另外，根据本发明上述实施例的气泡式喷墨打印头及其制造方法，通过靠近墨室在衬底前表面处形成第一供墨通道的出口，可以改善喷墨的效率和均匀性。
另外，根据本发明上述实施例的气泡式喷墨打印头及其制造方法，无论喷嘴和墨室的坐标设置根据分辨率或喷嘴集中或集成的程度而为折线形的还是沿直线布置的，都是可行的，由此提供了宽泛的应用。
另外，根据本发明上述实施例的气泡式喷墨打印头及其制造方法，通过降低形成在衬底后表面的第一供墨通道入口的尺寸从而扩大衬底与墨盒之间的接触面积，可以防止墨在打印中泄漏。
另外，根据本发明上述实施例的气泡式喷墨打印头及其制造方法，提供了可应用于采用整体法的打印头的制造方法和采用粘合法的打印头的制造方法中的第一供墨通道。
虽然，已示出并介绍了本发明的几个实施例，但本发明不限于上述实施例。本领域技术人员更应认识到，可在不脱离本发明的原理和精髓的基础上，对这些实施例进行改动，本发明的范围由权利要求及其等效物限定。

Claims (20)

1.一种气泡式喷墨打印头，包括：
衬底，其上设置有用于存储墨的墨室和用于加热墨的电阻发热体；以及
供墨通道，其穿透衬底并且与墨室连接，供墨通道包括：
第一沟槽，按第一图案形成在衬底的第一表面处，第一图案距至少墨室入口和相邻墨室之间的连接部分的其中之一具有间距，衬底的第一表面其上设置有墨室，以及
第二沟槽，按第二图案形成在衬底的第二表面处，在第一沟槽的第一图案的范围内具有等于第一沟槽的面积和小于第一沟槽的面积其中之一，并且与第一沟槽连通，
其中第一沟槽具有5μm至20μm的深度。
2.如权利要求1所述的打印头，其中所述间距为1μm至5μm。
3.如权利要求1所述的打印头，其中第一沟槽形成为具有比第二沟槽宽的宽度。
4.一种气泡式喷墨打印头的制造方法，包括：
通过蚀刻工艺在衬底的第一表面形成第一沟槽，使其与后面将形成的墨室连通；以及
通过干法蚀刻工艺在衬底的第二表面形成第二沟槽，使其与第一沟槽连通，
其中，第一和第二沟槽包括了穿透衬底的供墨通道，
其中第一沟槽具有5μm至20μm的深度。
5.如权利要求4所述的方法，其中形成第一沟槽包括：
在衬底的第一表面上形成用于形成第一沟槽的蚀刻掩模；
通过使用该蚀刻掩模的湿法蚀刻工艺和干法蚀刻工艺其中之一的蚀刻工艺蚀刻衬底的第一表面；以及
去除该蚀刻掩模。
6.如权利要求5所述的方法，其中该蚀刻掩模为具有以下图案的蚀刻掩模，第一沟槽通过该图案与至少墨室入口和相邻墨室之间的连接部分的其中之一分开范围在1μm至5μm的距离。
7.如权利要求5所述的方法，其中该蚀刻掩模的形状包括与墨室的轮廓隔开的封闭曲线，与喷嘴的坐标设置无关。
8.如权利要求6所述的方法，其中该蚀刻掩模由从硅的氧化物、氮化物、光致抗蚀剂、环氧树脂和金属构成的组中选的至少一种材料形成。
9.如权利要求5所述的方法，其中所述干法蚀刻工艺产生了范围在5μm至20μm的深度，并且使用SF6气体、CF3气体和CHF3气体中之一作为蚀刻气体，以及
其中所述湿法蚀刻工艺产生了范围在5μm至20μm的深度，并且使用从由TMAH和KOH构成的组中选取的至少一种材料作为非等向性蚀刻溶液。
10.如权利要求4所述的方法，其中形成第二沟槽包括：
在衬底的第二表面上形成用于形成第二沟槽的蚀刻掩模；
通过使用该蚀刻掩模的干法蚀刻工艺蚀刻衬底的第二表面；以及
去除该蚀刻掩模。
11.如权利要求10所述的方法，其中该蚀刻掩模具有面积为等于第一沟槽的面积和小于第一沟槽的面积其中之一的图案。
12.如权利要求10所述的方法，其中该蚀刻掩模由从硅的氧化物、氮化物、光致抗蚀剂、环氧树脂和金属构成的组中选的至少一种材料形成。
13.如权利要求12所述的方法，其中该蚀刻掩模包括通过光刻工艺构图的光致抗蚀剂、以及硅的氧化物、氮化物、环氧树脂和金属其中之一。
14.如权利要求10所述的方法，其中干法蚀刻工艺使用SF6气体、CF3气体和CHF3气体其中之一。
15.如权利要求4所述的方法，还包括在该些形成操作之间，在衬底的第一表面上形成墨室和喷嘴。
16.如权利要求15所述的方法，其中形成墨室和喷嘴包括：
在衬底的第一表面上形成光致抗蚀剂层；
通过使用掩模的光刻工艺构图光致抗蚀剂层而形成墨室板，该掩模中构图了墨室和构成限流器的供墨通道的各自的流道结构；
在墨室板上形成干抗蚀剂薄膜层；以及
通过使用其中构图了喷嘴结构的掩模的光刻工艺构图干抗蚀剂薄膜层而形成喷嘴板。
17.如权利要求15所述的方法，其中形成墨室和喷嘴包括：
在衬底的第一表面上形成第一光致抗蚀剂层；
通过光刻工艺构图第一光致抗蚀剂层而形成光致抗蚀剂模具；
在其上形成了光致抗蚀剂模具的衬底的第一表面上形成第二光致抗蚀剂层；以及
通过使用其中构图了喷嘴结构的掩模的光刻工艺构图第二光致抗蚀剂层。
18.如权利要求17所述的方法，还包括在形成第二沟槽后去除光致抗蚀剂模具。
19.如权利要求4所述的方法，还包括在形成第二沟槽的步骤之后，在衬底的第一表面上形成墨室和喷嘴。
20.如权利要求19所述的方法，其中形成墨室和喷嘴包括：
在衬底的第一表面上形成干抗蚀剂薄膜层；
通过使用掩模的光刻工艺构图干抗蚀剂薄膜层而形成墨室板，该掩模中构图了墨室和构成限流器的供墨通道的流道结构；以及
在墨室板上，利用热量和压力，粘合由光致抗蚀剂等制成的喷嘴板和由聚酰亚胺薄膜制成的喷嘴板中之一，由光致抗蚀剂等制成的喷嘴板通过使用具有芯的衬底的电解沉积制成，而聚酰亚胺薄膜的喷嘴板制造为具有通过激光切割而形成于其中的喷嘴。
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