CN1684830A - 液体喷射头、液体喷射设备和制造液体喷射头的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液体喷射头、液体喷射设备和制造液体喷射头的方法。根据本发明，通过除去绝缘膜(21、24、30和33)至少沿多排能量转换器形成浅沟槽(M)，因此，即使在高速切片期间也可以通过沟槽防止由于破裂和剥落而出现的各种损坏。

Description

液体喷射头、液体喷射设备和制造液体喷射头的方法

技术领域

本发明涉及液体喷射头、液体喷射设备和制造液体喷射头的方法，并且涉及例如一种热打印头。根据本发明，除去晶片上的绝缘膜，以沿至少多排能量转换器形成浅槽。这样，即使在高速切片(dicing)期间也可以通过沟槽防止由于破裂和剥落而出现的各种损坏。

背景技术

在设有用来喷射墨滴的打印头的打印机中，能量转换器将电能转换成用于喷墨的能量。对于热打印头而言，采用加热器件作为能量转换器。

在热打印头中，加热器件对容纳在墨室中的墨水进行加热，以产生气泡，并且通过起泡形成的压力使墨滴从喷嘴中喷射出来。

在这种打印头中，加热器件和驱动电路密集地集成在半导体基底上，结果可获得高分辨率打印。而且，通过以下半导体制造工艺有效地生产出这些打印头：将用于多个芯片的加热器件和驱动电路集成在一半导体基底或晶片上；将该基底切割(cut)成芯片；及在这些芯片上形成墨室和喷嘴。

图1为通过公知的工艺制造出的半导体基底的平面图。在该工艺中，例如对六英寸的硅圆片1进行连续加工，从而以预定间距形成矩形区域2，每个区域包括用于一个芯片的加热器件和驱动电路。在图1中，相对于硅圆片1所示出的区域2的尺寸大于它们的实际尺寸。

图2示出了在打印头制造过程中对硅圆片1进行加工期间形成在区域2之间的切割区域3。如图3的剖视图所示，从硅圆片1将用于防止墨水渗透的保护膜4和位于该保护膜4下面的绝缘膜5除去，以形成比用于切片的刀片宽的切割区域3。在图3所示的实例中，对于50μm的刀片宽度而言，切割区域3的宽度为140μm。

在该工艺中，将硅圆片1固定在切割机的工作台上。驱动工作台或刀片高速旋转，使刀片基本上在切割区域3的中心处将硅圆片1切割成芯片。在制造打印头的这个步骤中，向待切割区域供给去离子水流，以便冷却刀片并冲走切屑。

在该切片步骤中，由于提高切割速度而产生的冲击造成在芯片边缘处出现破裂和剥落。图4为图3中芯片边缘的平面图。用直径为50mm的刀片以30000rpm的速度旋转和30mm/sec的进给速度切割硅圆片1而形成芯片，并且具有大约为17μm的切口部分。在这些条件下，给出的刀片和硅圆片1之间的相对速度为50[mm]×3.14×60×30000/1000000＝282km/h。刀片以高速与硅圆片碰撞可能导致破裂和剥落。

在打印头中，装在墨室中的墨水由芯片上的加热器件加热，从而将墨滴喷出。当芯片中出现破裂或剥落时，墨水将渗入芯片并且可能造成半导体性能不稳定。当从芯片的侧面将墨水引入墨室中时，与墨室相连的墨道中的流体阻力由于破裂或剥落可能改变，从而导致打印质量略有变化。另外，当切削碎片(chipping fragments)留在芯片表面上时，这些碎片在墨室成形期间将损坏芯片表面。若由碎片导致的损坏达到芯片内部，墨水将渗入芯片中，在严重损坏的情况下，可能损坏布线图或类似部分。

为了防止芯片出现破裂和剥落，在制造打印头的过程中，切割速度应比在制造标准集成电路的过程中的切割速度慢。

在例如日本未审专利申请公开6-275713号中披露了一种切割标准集成电路的方法，其中，在切割区域两侧上形成有比如转换器之类的器件的深度更深的沟槽，以防止在切割期间裂纹扩展。

在喷射头的制造过程中，以5mm/sec的切割速度沿六十条纵向线和十二条横向线切割六英寸硅圆片，以形成芯片，切割所需时间为60×12×(150/5)/3600＝6hours。显然，为了避免出现破裂和剥落而以低速切割芯片的公知切片步骤的缺点是费时。

当采用在日本未审专利申请公开6-275713号中所披露的方法作为解决该问题的方案时，需要额外的蚀刻步骤，以形成比器件更深的沟槽。此外，由于不可能避免碎片，所以，这些碎片对芯片表面造成的破坏将不可避免。

发明内容

鉴于所述问题，本发明提供一种液体喷射头、一种液体喷射设备和一种制造所述液体喷射头的方法，其中即使在高速切片期间也能防止由于破裂和剥落而引起的各种损坏。

为了解决这些问题，本发明适用于通过驱动能量转换器来喷射液体的液滴喷射头，其中，通过除去绝缘膜，至少与设有能量转换器的侧面平行地形成至少一道沟槽。

根据本发明的结构，本发明可适用于通过驱动能量转换器喷射液滴的液体喷射头，例如喷射墨滴、染料滴、用于形成保护层的液滴等的液体喷射头；用于喷射反应试剂等液滴的微型分配器、测量单元或测试单元的液体喷射头；以及用于在蚀刻期间用来喷射保护目标要件的试剂液滴的起模单元(pattern-drawing units)的液体喷射头。根据本发明的结构，由于通过除去绝缘膜而至少与设有能量转换器的侧面平行地形成至少一道沟槽，所以在对绝缘膜构图的步骤中可以同时形成这些沟槽。因此，可以高效地形成这些沟槽，而不增加加工步骤数。这些沟槽可防止破裂和剥落扩展到芯片，且可减小碎片的尺寸，防止液体通过破裂或剥落部分渗入芯片中，减小墨道中的流体阻力变化，并减小由于碎片而导致的损坏。如上所述，即使在高速切片期间也可以通过沟槽防止由于破裂和剥落而导致的各种损坏。

本发明还适用于通过驱动液体喷射头上的能量转换器来喷射液滴的液体喷射设备。头芯片(head chip)包括通过除去绝缘膜而至少与设有能量转换器的侧面平行地形成的至少一道沟槽。

根据本发明的结构，本发明可以提供一种液体喷射设备，其中，即使在高速切片期间，也能防止由于破裂和剥落而导致的各种损坏。

本发明还适用于制造通过驱动能量转换器来喷射液滴的液体喷射头的方法。该方法包括：在切割步骤前除去绝缘膜，以便形成平行于至少设有能量转换器的侧面的沟槽的步骤。

根据本发明的结构，本发明还提供一种制造液体喷射头的方法，其中，即使在高速切片期间也可防止由于破裂和剥落而导致的各种损坏。

附图说明

图1为平面图，它示出了头芯片在硅圆片上的布置；

图2为平面图，图示说明了头芯片的切割；

图3为剖视图，图示说明了切割区域；

图4为平面图，图示说明了剥落；

图5为本发明第一实施方式的打印头的透视图；

图6为适用于图5中打印头的头芯片的剖视图；

图7(A)和7(B)分别为平面图和剖视图，图示说明了图6中示出的头芯片在硅圆片上的布置；

图8为剖视图，它示出了图6中的头芯片在硅圆片上的切割区域；

图9为剖视图，它示出了本发明第二实施方式的硅圆片的切割区；

图10为平面图，图示说明了本发明另一实施方式的头芯片的布置；

图11为平面图，其中所有头芯片沿相同方向对准。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的优选实施方式进行更详细的说明。

1.第一实施方式

1.1第一实施方式的结构

图5为本发明一实施方式的适用于打印机的打印头的透视图。该实施方式的打印机通过驱动设在打印头11上的能量转换器即加热器件将墨滴喷射到纸张或类似部件上，并且打印出图像等。通过顺序地将干膜13和孔板14层压在头芯片12上而形成打印头11。

利用IC技术通过切割加工出的硅圆片形成头芯片12，并将多个加热器件17和用于驱动这些加热器件17的驱动电路集成在其中。加热器件17以预定的间距设置在头芯片12上。干膜13由有机树脂构成。在将干膜13压力结合在头芯片12上之后，除去部分干膜以形成墨室15和墨道16，然后使之固化。孔板14具有预定的形状，在头芯片12上的相应于加热器件17的上方设有小的喷墨口即喷嘴19，并使孔板与干膜13结合。于是，打印头11包括用于头芯片12的、由干膜13和孔板14形成的墨室15和墨道16。

在该实施方式中，加热器件17沿芯片的侧面设置在头芯片12上。在该打印头11中，干膜13具有梳子形状，致使墨室15的入口通向设有加热器件17的侧面，并且墨道16还沿入口的侧面形成。因此，在打印头11中，从头芯片12的侧面提供墨水，并且通过驱动头芯片12上的加热器件17喷射墨滴。

图6为一剖视图，它示出了头芯片12的结构。在头芯片12中，在由硅圆片获得的硅基底20上沉积氮化硅(Si₃N₄)膜并对其构图，然后对起掩模作用的所述氮化硅(Si₃N₄)膜进行热氧化步骤，以形成热氧化硅膜21，即用于使器件绝缘的区域(LOCOS：硅的局部氧化)。在头芯片12中，通过用于隔离器件的区域来隔离器件，并且形成MOS(金属-氧化物-半导体)晶体管22和23。

在头芯片12中，形成由氧化硅构成的第一绝缘中间层24，然后对绝缘中间层24构图形成接触孔26。随后，形成用于形成布线图的材料膜，并对其进行蚀刻，以形成第一布线图27。在头芯片12中，在所述步骤中形成的第一布线图27使晶体管22与另一晶体管23连接，以形成逻辑电路，然后将逻辑电路和驱动加热器件17的开关晶体管23连接在一起。

在头芯片12中，形成由氧化硅构成的第二绝缘中间层29，然后对叠层电阻膜构图，以形成加热器件17。随后，沉积由氮化硅构成的绝缘膜30并对其蚀刻，以形成接触孔31。另外，形成用于形成布线图的材料膜，并对其构图，以形成第二布线图32。在头芯片12中，第二布线图32形成用于连接电源、接地和各种驱动信号的焊盘。然后使这些焊盘与驱动电路和加热器件17连接，从而使加热器件17与晶体管23连接。

在形成由氮化硅构成的绝缘膜33之后，在含有4％的氢的氮气氛中或在100％的氮气氛中在400℃的温度下对头芯片12进行60分钟的热处理。因此，可使头芯片12的晶体管22和23的性能稳定，并使在第一布线图27和第二布线图32之间的连接可靠，以降低接触电阻。通过退火进行热处理，从而可消除绝缘中间层29中的残余应力等。

在头芯片12中，部分除去绝缘膜33，以便暴露出用于电源、接地和各种驱动信号的焊盘，并且通过溅射形成防气蚀的钽层34。然后，在分成各个独立的芯片的切片步骤之后，如图5所示一样，将头芯片12集成在打印头11中。

图7(A)为一平面图，它示出了按照所述方式形成在硅圆片40上的头芯片12的布置。头芯片12上的加热器件17面对位于该硅圆片40上的另一相邻头芯片12上的那些加热器件。处于头芯片12之间的区域作为切割区39。如图7(B)中所示，沿硅圆片40上的切割区39形成远离这些器件的浅窄槽M。根据该实施方式，能量转换器即加热器件17沿头芯片12的边缘之一设置，而浅窄槽M沿头芯片的所述边缘形成。

图8为图7(B)中的部分A的局部放大图。当将刀片安置在位于硅圆片40上的切割区39的中心处时，沟槽M之间的距离设定为在刀片的两侧上包括8μm的间隔。因此，根据该实施方式，按照公知的技术，将切割区域39设定为比图4中所示的切割区域3窄，因此头芯片12更加密集地形成在硅圆片40上。

在硅圆片40上，在加工头芯片12期间，还在切割区域39上顺序形成用于隔离这些器件的区域即热氧化硅膜21、第一绝缘中间层24、第二绝缘中间层29及绝缘膜30和33。这样，在所述形成薄膜和对其构图的步骤中，在头芯片12和切割区域39之间不会出现任何高度差(level difference)，并且可高精确度地进行在头芯片12上构图等步骤。

通过部分除去绝缘中间层24和29以及绝缘膜30和33形成沟槽M。在形成热氧化硅膜21之前，通过氮化硅膜遮掩上面形成有沟槽M的硅圆片40的部分，使在用于形成沟槽M的部分上不会形成热氧化硅膜21。在绝缘中间层24中形成接触孔的步骤中将在用于形成沟槽M的部分上的绝缘中间层24除去。在绝缘中间层29和绝缘膜30中形成接触孔的步骤中，还将在用于形成沟槽M的部分上的绝缘中间层29和绝缘膜30除去。在形成绝缘膜33之后，在使用于电源、接地和各种驱动信号的焊盘暴露的步骤中，将在用于形成沟槽M的部分上的绝缘膜33除去。

在形成头芯片的过程中，制作出用于对绝缘中间层24、绝缘中间层29、绝缘膜30和绝缘膜33构图的刻线，致使在这些构图步骤期间可形成沟槽M。因此根据本实施方式，不用额外的步骤就可形成沟槽M。沟槽M的宽度设计成在最深部位处为2μm。

1.2第一实施方式的操作

在所述结构中，根据该实施方式的打印头11(图5所示)如下形成：在硅圆片40上顺序形成晶体管22和23、加热器件17等；用切片机将该晶片切割成单独的头芯片12(图6所示)；将干膜13压力结合在头芯片12上并进行处理；并且设置孔板14以形成墨室15、墨道16等。

在打印头11中，如上所述地通过形成在头芯片12的侧面处的墨道16将墨水导入墨室15中。通过驱动带有晶体管22和23的加热器件17，从喷嘴19将容纳在墨室15中的墨水的墨滴喷射到目标例如纸张上。

当导入墨水的侧面处出现破裂时，与墨室15连接的墨道中的流体阻力发生变化。这种变化出现在弯液面中，并且在逐个喷嘴处的墨滴体积改变，从而导致图像质量变差。当出现破裂时，墨水从墨道16的侧面渗入头芯片，晶体管22和23的性能将变得不稳定。而且，当由于切割而形成的碎片留在该表面上时，这些碎片被压力结合在具有干膜13的头芯片12上，并损坏头芯片12的表面。在严重损坏的情况中，这些碎片可能被推进头芯片12中，从而造成如接线断开之类的损坏。

在这种方式中(图8和7)，在硅圆片40上使头芯片12排列成使得一个芯片上的加热器件17面对着在另一芯片上的加热器件，切割区域39形成在头芯片12之间，并且沿切割区域39形成窄槽M。由于这些窄槽M，利用用于形成头芯片的切片机切出切割区域39时可减少头芯片12上的破裂和剥落。

如上所述，由于沟槽M形成在切割区域39的任一侧面上，所以剪切应力集中在沟槽M之间的区域上，并且在这些沟槽M处停止破裂和剥落。因此，可以防止破裂和剥落扩展到头芯片12。

在该实施方式中，由于这些沟槽M沿着多排加热器件17形成，所以可以防止在与墨水接触的头芯片12的侧面处出现破裂和剥落，因此可以防止墨水渗入头芯片12中，还可防止墨道中的流体阻力发生变化。

剥落产物即碎片的尺寸较小，从而可以用蒸馏水从头芯片12中将这些碎片冲掉，以减小由这些碎片造成的损坏。

在本实施方式中，即使在高速切片期间也可防止由于破裂和剥落引起的各种损坏，因此可以提高生产率。

在本实施方式中，在切割之前例如通过热处理消除在绝缘中间层29中的切割部分的残余应力。因此，即使切片机的刀片尖端以高速冲击硅圆片40，与公知的工艺相比也能够明显减少在硅圆片40上的剥落和破裂。这样，即使在高速切片期间，也能防止由于破裂和剥落而引起的各种损坏。

在头芯片12中，在对绝缘中间层24、绝缘中间层29和绝缘膜30构图以形成接触孔的步骤中和在对绝缘膜33构图以暴露出用于电源等的焊盘的步骤中，除去部分绝缘膜以形成沟槽M。因此，可以高效地形成沟槽，而不用增加加工步骤数，并且通过沟槽M可以防止由于破裂而引起的各种损坏。

由于在对晶体管22和23进行热处理以使其性能稳定期间同时完成所述热处理，所以不需要再设退火步骤。

当在参照图3所述的条件下切割晶片时，在切割表面边缘上只观察到微小的破裂。若将破裂部分放大，将发现沟槽M处阻断了破裂的扩展。

1.3第一实施方式的效果

根据上面的结构，通过除去绝缘膜以沿包括多排能量转换器即加热器件17的头芯片12的边缘形成窄沟槽，即使在高速切片期间也可防止在头芯片12上出现由破裂和剥落而引起的各种损坏。

由于待除去的绝缘膜起用于布线图的绝缘中间层的作用，所以在对绝缘中间层构图期间也可形成沟槽。

由于待除去的绝缘膜起能量转换器即加热器件和墨水之间的保护膜的作用，所以在对保护膜构图以暴露出焊盘期间就可以形成这些沟槽。

在切割之前通过用于消除在绝缘膜中的残余应力的热处理步骤，可以进一步减少破裂和剥落，因此，可以进一步防止由于破裂和剥落引起的各种损坏。

2.第二实施方式

图9为与图8相应的剖视图，它示出了应用于本发明第二实施方式的在头芯片12之间的切割区域59。在此实施方式中，通过除去绝缘膜30和33来形成沟槽M。由于此实施方式除了形成沟槽M的步骤之外具有与第一实施方式相同的结构，所以不再赘述。

在此实施方式中，在硅圆片40上用于形成沟槽M的部分上没有形成热氧化物膜21。在绝缘中间层24中形成接触孔期间，除去用于形成沟槽M的那部分上的绝缘中间层24。在暴露焊盘期间也除去用于形成沟槽M的那部分上的绝缘中间层24。因此，在此实施方式中形成的沟槽M比在第一实施方式中的沟槽窄。

根据第二实施方式的结构，通过部分除去绝缘膜来形成沟槽，可获得与第一实施方式相同的效果。

3.其它实施方式

本发明不限于所述的、通过在切割区域的任一侧上形成沟槽来减少在头芯片的所有侧面处的破裂和剥落的实施方式。必要时，沟槽M可以只沿每一排加热器件17形成。如图10所示，例如沟槽M只形成在沿多排加热器件17的那部分上，并且为上面没有形成沟槽M的切割区域留有足够的空间。在这种安排中，可以通过在被提供墨水的那侧的沟槽M来减少破裂和剥落，因此可以防止墨水渗透及墨道中的流体阻力出现变化。

本发明并不限于上面的、芯片上的加热器件被排列成面对着相邻芯片上的那些加热器件的实施方式。与图7相比，如图11所示的那样，所有头芯片可以沿相同的方向对准。在这种情况中，可以只在靠近加热器件17的切割区形成沟槽M。

本发明并不限于上面的、在形成最上面层即绝缘膜33之后进行热处理的实施方式。由于在切片之前进行热处理可减少破裂等，所以必要时可以在切片之前的任意步骤中进行热处理。如果破裂等处于允许的范围，也可以省去热处理。

本发明并不限于上面的、逻辑电路包括MOS晶体管的实施方式。本发明还可以适用于包括双极晶体管的逻辑电路。

本发明并不限于上面的、驱动电路和能量转换器集成在头芯片上的实施方式。本发明还可以应用于只包括能量转换器的头芯片。

本发明并不限于上面的、加热器件起能量转换器作用的实施方式。在另外的实施方式中可以采用各种能量转换器。例如，通过静电改变墨室中的压力的静电致动器也可用作能量转换器。

本发明并不限于涉及上面的喷射墨滴的打印头的实施方式。本发明还可用于喷射染料滴、用于形成保护层的液滴等而不是墨滴的打印头；喷射反应试剂液滴等的微型分配器、测量单元或试验单元；在蚀刻期间喷射用来保护目标要件的试剂液滴的起模单元等。

根据本发明所述，通过除去绝缘膜以沿至少多排能量转换器形成浅沟槽，因而即使在高速切片期间也能够防止由于破裂和剥落引起的各种损坏。

工业实用性

本发明论及了液体喷射头、液体喷射设备和用于制造液体喷射头的方法，本发明例如论及了一种热打印头。

Claims (6)

1.一种用于通过驱动能量转换器喷射液滴的液体喷射头，它包括通过切割半导体基底制作出的头芯片，其中，所述能量转换器沿一侧面设置，通过除去一绝缘膜至少与设置所述能量转换器的所述侧面平行地形成至少一道沟槽。

2.一种通过驱动在液体喷射头上的能量转换器喷射液滴的液体喷射设备，其中，所述液体喷射头形成有通过切割半导体基底制成的头芯片，所述能量转换器沿一侧面设置在所述头芯片上，并且通过除去一绝缘膜至少与设置所述能量转换器的所述侧面平行地形成至少一道沟槽。

3.一种制造用于通过驱动能量转换器喷射液滴的液体喷射头的方法，该方法包括：

在一半导体基底上形成多排能量转换器的形成步骤；

沿所述能量转换器的所述排切割所述半导体基底以形成头芯片的切割步骤；

将所述头芯片组装成所述液体喷射头的装配步骤；以及

除去一绝缘膜的除去步骤，以便在所述切割步骤之前，在所述头芯片上至少与设置所述能量转换器的侧面平行地形成至少一道沟槽。

4.如权利要求3所述的用于制造液体喷射头的方法，其中，所述绝缘膜是一用于布线图的绝缘中间层，所述绝缘膜的除去步骤是对所述绝缘中间层构图的步骤。

5.如权利要求3所述的制造液体喷射头的方法，其中，所述绝缘膜是形成在所述能量转换器和液体之间的一保护膜，所述绝缘膜的除去步骤是对所述保护膜构图的步骤。

6.如权利要求3所述的制造液体喷射头的方法，其中，还包括用于消除所述绝缘膜中的残余应力的退火步骤。

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