CN1919605A - 喷墨打印头及其制造方法 - Google Patents

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朴炳夏
金敬镒
河龙雄
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Abstract

本发明提供了一种喷墨打印头及其制造方法。在所述喷墨打印头中，基板包括形成在顶面上用于容纳要喷射的墨的墨室、形成在底面上用于将墨供应到所述墨室的墨输送孔、和形成在所述墨室和墨输送孔之间用于连接所述墨室和墨输送孔的限流部。在所述基板上形成多个钝化层。加热器和向加热器提供电流的导体形成在所述钝化层之间。由导热环氧树脂形成环氧树脂喷嘴层以覆盖所述钝化层。该环氧树脂喷嘴层形成有连接至墨室的喷嘴。

Description

喷墨打印头及其制造方法
技术领域
本发明涉及喷墨打印头及喷墨打印头的制造方法，具体而言，涉及通过有效地散失加热器产生的热而改善了喷墨特性的逆向击射(back-shooting)型喷墨打印头和逆向击射型喷墨打印头的制造方法。
背景技术
通常，打印头是用于通过向打印介质的希望区域上喷射墨滴而在打印介质上打印彩色图像的装置。喷墨打印机有两种类型：梭式喷墨打印机和行打印式喷墨打印机。梭式喷墨打印机的喷墨打印头在其沿垂直于打印介质的馈送方向的方向上移动的同时打印图像。行打印式喷墨打印机是新开发的高速打印机，其具有宽度与打印介质宽度对应的阵列打印头。阵列打印头包括以预定模式布置的多个喷墨打印头。在行打印式喷墨打印机中，阵列打印头固定，而打印介质被馈送以进行打印，从而可以实现高速打印。
喷墨打印头可以根据墨滴的喷射机理分为两种类型：热型喷墨打印头，其利用热来产生气泡以利用气泡的膨胀喷射墨滴；和压电型喷墨打印头，其包括压电材料，以利用压电材料的变型所产生的压力喷射墨滴。
现在将更加详细地描述热打印头的墨滴喷射机理。当向电阻性加热材料形成的加热器施加脉冲电流时，从加热器产生热以立刻将邻近的墨的温度提高到大约300℃。由此，产生气泡，该气泡随着其膨胀在装入墨室中的墨上施加压力。从而将墨通过喷嘴以液滴形式推出墨室。
热型喷墨打印头可以根据气泡的产生方向和墨滴的喷射方向分为三种类型：正向击射(top-shooting)型喷墨打印头、侧向击射型喷墨打印头和逆向击射型喷墨打印头。在正向击射喷墨型打印头中，气泡的产生方向和墨滴的喷射方向是相同的；在侧向击射型喷墨打印头中，两个方向是彼此垂直的；而在逆向击射型喷墨打印头中，它们是彼此相反的。
图1示出了美国专利No.5841452公开的喷墨打印头的侧视截面图，以作为传统逆向击射型喷墨打印头的一个示例。
参照图1，墨室15形成在基板10的上部中，以容纳要喷射的墨；墨输送孔17形成在基板10的下部，以将墨供应到墨室15中，在墨室15和墨输送孔17之间，沿垂直于基板10表面的方向形成限流部(restrictor)13，以连接墨室15和墨输送孔17。喷嘴板20叠置于基板10上，喷嘴板20形成有喷射墨滴30的喷嘴21。喷嘴板20包括形成在基板10表面上的氧化硅层23、围绕喷嘴21形成在氧化硅层23上的加热器22和保护加热器22的钝化层25。在钝化层25中，设置热分流器24以在喷墨之后将聚集在加热器22周围的热向基板10散失。
但是，在上述喷墨打印头中，利用加热器22喷墨之后剩余的热通过导热率较低的氧化硅层23向基板10散失。因此，在喷墨之后，大量的热聚集在喷嘴板20中，这会提高墨室15中墨的温度，从而改变墨的粘度并使墨的喷射性能变差。
此外，最近，人们积极地开发行打印式喷墨打印机，以满足对打印头的高集成度和高速打印的需求。这样的行打印式喷墨打印机一般采用具有多个喷墨打印头的阵列打印头。由于阵列打印头设置有多个加热器，所以由加热器产生并聚集在加热器周围的热相当大。因此，如果上述传统喷墨打印头用于阵列打印头，则阵列打印头的喷墨性能会严重变差。
发明内容
本发明提供了一种通过有效散失加热器产生的热而改善喷墨性能的逆向击射型喷墨打印头以及逆向击射型喷墨打印头的制造方法。
本发明的其它方面和优点部分将在以下描述陈述，部分可以从所述描述中显见，或者可以通过对本发明的实践而习得。
本发明的上述以及/或者其它方面和用途可以通过提供一种喷墨打印头来实现，所述喷墨打印头包括：基板，其包括形成在顶面上并用于容纳要喷射的墨的墨室、形成在底面上并用于将墨供应到所述墨室的墨输送孔、和形成在所述墨室和墨输送孔之间用于连接所述墨室和墨输送孔的限流部；形成在所述基板上的多个钝化层；形成在所述钝化层之间的加热器和导体；和由导热环氧树脂形成并用于覆盖所述钝化层的环氧树脂喷嘴层，其中该环氧树脂喷嘴层形成有连接至所述墨室的喷嘴。
所述钝化层可以限定出从其中穿过的热塞以露出所述基板的顶面，所述环氧树脂喷嘴层可以通过所述热塞接触所述基板。
所述钝化层可以限定出从其中穿过并与所述喷嘴对齐的喷嘴过孔，并且所述环氧树脂喷嘴层可以形成为覆盖所述喷嘴过孔的内壁。
所述导热环氧树脂可以是含有导热纳米颗粒的光敏环氧树脂。所述导热纳米颗粒可以由诸如Ag的金属或诸如氮化铝(AlN)的陶瓷形成。所述环氧树脂喷嘴层可以具有20μm到30μm的厚度。
所述钝化层可以包括顺序叠置于所述基板上的第一钝化层和第二钝化层，所述加热器可以形成在第一和第二钝化层之间，并且所述导体可以形成在所述加热器和第二钝化层之间。所述第一和第二钝化层可以由氧化硅或氮化硅形成。
所述限流部可以与所述墨室形成在同一平面上。所述墨室和限流部可以包括形成有氧化层的内壁。
所述喷嘴可以具有朝向喷嘴的出口端变窄的渐缩形状侧部。
本发明的上述以及/或者其它方面和用途还可以通过提供一种喷墨打印头的制造方法来实现，所述方法包括：在基板的顶面中形成沟槽以限定墨室和限流部，并且在所述基板的包括所述沟槽内壁的顶面上形成氧化层；用由预定材料形成的牺牲层填充所述沟槽；在所述基板和牺牲层上叠置钝化层，并在所述钝化层之间形成加热器和导体；对所述钝化层构图以形成露出所述牺牲层顶面的喷嘴过孔和露出所述基板顶面的热塞；由导热环氧树脂形成环氧树脂喷嘴层以覆盖所述钝化层，其中所述环氧树脂喷嘴层限定出从其中穿过并与所述喷嘴过孔对齐的喷嘴，以露出所述牺牲层的顶面；通过刻蚀所述基板的底面形成墨输送孔，以露出形成在所述沟槽底部的氧化层；通过移除通过喷嘴露出的所述牺牲层形成所述墨室和限流部；以及移除位于所述墨输送孔和限流部之间的一部分所述氧化层。
填充所述沟槽可以包括：利用外延法(epitaxial method)在所述基板的氧化层上生长出所述多晶硅，以填充所述沟槽；和通过化学机械抛光法(CMP，chemical mechanical polishing)工艺使所述多晶硅的顶面平坦化，以露出所述基板的顶面。
叠置所述钝化层和形成所述加热器和导体可以包括：在所述牺牲层和基板的顶面上形成第一钝化层；在所述第一钝化层的顶面上形成所述加热器并在所述加热器的顶面上形成所述导体；以及在所述第一钝化层的顶面上形成第二钝化层，以覆盖所述加热器和导体。
形成所述环氧树脂喷嘴层可以包括：用导热环氧树脂涂覆所述钝化层，以填充所述喷嘴过孔和热塞；以及通过利用光刻工艺对所述导热环氧树脂构图而形成与所述喷嘴过孔对齐的喷嘴。
附图说明
本发明的这些以及/或者其它方面和优点在以下结合附图对实施例的描述中将变得显见和更加容易理解，所述附图中：
图1是传统逆向击射型喷墨打印头的示例的侧视截面图；
图2是根据本发明实施例的喷墨打印头的示意性平面图；
图3是图2中的部分A的放大图；
图4是沿图3中的线IV-IV’截取的截面图；
图5是沿图3中的线V-V’截取的截面图；
图6是图5中部分B的放大图；以及
图7A至7H示出了根据本发明实施例的喷墨打印头的制造方法。
具体实施方式
现在将详细说明本发明的实施例，其示例图示于附图中，所有附图中相同的标号表示相同的元件。以下参照附图描述实施例以说明本发明。
图2是示意性示出根据本发明实施例的喷墨打印头的平面图。参照图2，喷墨打印头包括垂直布置成两行的喷墨部分133和布置成与相应的喷墨部分133电连接的结合区131。尽管图2中喷墨部分133布置成两行，但是喷墨部分133也可以布置成一行，或者三行或更多行以提高分辨率。
图3是图2中的部分A的放大图；图4是沿图3中的线IV-IV’截取的截面图；图5是沿图3中的线V-V’截取的截面图；图6是图5中部分B的放大图。
参照图3至5，墨室106以预设深度形成在基板100的顶面上，以容纳要喷射的墨，墨输送孔102形成在基板100的底面上，以将墨供应到墨室106。通常，基板100可以由硅晶片形成。在墨室106和墨输送孔102之间，形成限流部105以连接墨室106和墨输送孔102。限流部105可以平行于基板100的顶面与墨室106形成在同一平面内。此外，在墨室106和限流部105的内壁上形成包括氧化硅层的氧化层101。
多个钝化层111和114形成在形成有墨室106、限流部105和墨输送孔102的基板100上。加热器112和导体113形成在钝化层111和114之间。加热器112加热墨室106中的墨以产生气泡，导体113向加热器112施加电流。具体而言，第一钝化层111形成在基板100上以形成墨室106的上壁。第一钝化层111是为加热器112提供保护以及在加热器112和基板100之间提供绝缘的材料层。第一钝化层111可以由氧化硅或氮化硅形成。
在形成于墨室106上方的第一钝化层111上，形成加热器112。加热器112的数量可以对应于墨室106的数量。加热器112的位置和形状可以任选地改变成与图示的不一样。加热器112可以由电阻性加热材料形成，例如钽-铝合金、氮化钽、氮化钛或硅化钨。导体113形成在加热器112的顶面上，与加热器112电连接，用于向加热器112供应电流。导体113可以由具有高导电率的材料形成，例如铝(Al)、铝合金、金(Au)或银(Ag)。
第二钝化层114形成在第一钝化层111的顶面上，以覆盖加热器112和导体113。第二钝化层114是保护加热器112和导体113的材料层，其可以由氧化硅或氮化硅形成。此外，第一和第二钝化层111和114限定出与喷嘴117(以下将描述)对齐的喷嘴过孔118b。此外，在基板100的两侧穿过第一和第二钝化层111和114形成热塞(thermal plug)118a，以露出基板100。
环氧树脂喷嘴层115形成在第一和第二钝化层111和114上。环氧树脂喷嘴层115填入热塞118a中以穿过热塞118a与基板100的顶面接触。环氧树脂喷嘴层115可以具有大约20μm到30μm的厚度(t)。环氧树脂喷嘴层115由导热的环氧树脂形成。具体而言，如图6所示，环氧树脂喷嘴层115可以由含有诸如金属(例如Ag)纳米颗粒或陶瓷(例如氮化铝(AlN)纳米颗粒)之类的高导热率纳米颗粒115a的光敏环氧树脂形成。如上所述，在该实施例中，环氧树脂喷嘴层115由导热环氧树脂形成，使得从加热器112产生的热可以通过环氧树脂喷嘴层115迅速散失到基板100，从而改善喷墨性能。
此外，环氧树脂喷嘴层115可以覆盖形成在第一和第二钝化层111和114中的喷嘴过孔118b的内壁。因此，环氧树脂喷嘴层115限定出穿过其中并与喷嘴过孔118b对齐的喷嘴117。每个喷嘴117可以具有朝向其出口变窄的渐缩形状，以在喷墨之后快速稳定形成在墨表面上的弯液面。用于环氧树脂喷嘴层115的导热环氧树脂具有良好的可成形性，使得可以在环氧树脂喷嘴层115中形成具有统一形状和尺寸的喷嘴117。此外，环氧树脂喷嘴层115形成为具有大约20μm到30μm的相对较大的厚度，使得喷嘴117可以具有足够的长度。因此，可以改善通过喷嘴117喷射的墨滴的方向性。此外，由于光敏环氧树脂不与墨反应，所以环氧树脂喷嘴层115不受墨的腐蚀。
以下将描述上述喷墨打印头的制造方法。图7A至7H示出了根据本发明实施例的喷墨打印头的制造方法。
参照图7A，通过以预定图案刻蚀基板100，在基板100的顶面上形成沟槽103，在该沟槽103中将限定出墨室(参见图6中的106)和限流部(参见图4中的105)。这里，普通硅晶片被用于基板100。具体而言，在基板100的顶面上形成刻蚀掩模(未示出)，以限定出将被刻蚀的区域，然后通过刻蚀掩模对基板100曝光，将其刻蚀形成具有预定形状的沟槽103。刻蚀可以通过诸如反应离子刻蚀(RIE，reactive ion etching)之类的干法刻蚀来实现。由于沟槽103通过刻蚀基板100的顶面形成，所以沟槽103可以具有各种形状。这样，可以获得具有希望形状的墨室和限流部。在形成沟槽103之后，从基板100的顶面上移除刻蚀掩模。接下来，形成沟槽103的基板100顶面被氧化，以在基板100的顶面上(包括沟槽103的内表面)形成氧化层101。氧化层101可以由氧化硅形成。
参照图7B，在沟槽103中填充由预定材料形成的牺牲层102。牺牲层102可以由多晶硅形成。具体而言，多晶硅可以通过利用外延法生长在基板100的氧化层101上以填充沟槽103，然后，多晶硅的顶面可以通过化学机械抛光(CMP)处理平坦化。这里，氧化层101的被露出部分也被移除，以露出基板100的顶面。
参照图7C和7D，钝化层111和114叠置在牺牲层120和基板100的顶面上，加热器112和导体(参见图5中的113)形成在钝化层111和114之间。具体而言，参照图7C，在牺牲层120和基板100的顶面上形成第一钝化层111。第一钝化层111可以通过在牺牲层120和基板100的顶面上沉积氧化硅或氮化硅而形成。接下来，在第一钝化层111的顶面上形成加热器112。加热器112可以通过在第一钝化层111上沉积预定厚度的电阻性加热材料，例如钽-铝合金、氮化钽、氮化钛或钨的硅化物，并对沉积的电阻性加热材料构图而形成。接下来，在加热器112的顶面上形成导体113。导体113可以通过在加热器112的顶面上沉积预定厚度的高导电率金属，例如率(Al)、铝合金、金(Au)或银(Ag)，并对沉积的金属构图而形成。
参照图7D，在第一钝化层111的顶面上形成第二钝化层114，以覆盖加热器112和导体113。第二钝化层114可以通过在第一钝化层111上沉积氧化硅或氮化硅而形成。接下来，利用光刻法和刻蚀对第一和第二钝化层111和114构图，形成喷嘴过孔118b和热塞118a，以分别露出牺牲层120和基板100的顶面。这里，喷嘴过孔118b形成在要形成喷嘴(参见图4中的117)的位置，热塞118a被形成用于在基板的两侧露出基板100的顶面。
参照图7E，形成环氧树脂喷嘴层115以覆盖第一和第二钝化层111和114。这里，环氧树脂喷嘴层115穿过热塞118a接触基板100的顶面，并限定出与喷嘴过孔118b对齐的喷嘴117，以露出牺牲层120的顶面。环氧树脂喷嘴层115可以具有大约20μm到30μm的厚度(t)。优选，环氧树脂喷嘴层115由导热环氧树脂形成。这里，导热环氧树脂可以是含有诸如金属(例如Ag)纳米颗粒或陶瓷(例如氮化铝(AlN)纳米颗粒)之类的高导热率纳米颗粒的光敏环氧树脂。具体而言，导热环氧树脂以预定厚度涂覆在第一和第二钝化层111和114上，从而填充喷嘴过孔118b和热塞118a，然后通过光刻法对该涂覆的环氧树脂构图以形成环氧树脂喷嘴层115。在这个过程中，形成与喷嘴过孔118b对齐的喷嘴117，以露出牺牲层120的顶面。这里，喷嘴117可以朝向其喷墨出口端渐缩。
参照图7F，通过刻蚀基板100的底面形成墨输送孔102。在这个过程中，通过墨输送孔102露出形成在沟槽103底部的氧化层101。为了形成墨输送孔102，可以在基板100的底面上形成刻蚀掩模(未示出)，以限定出要刻蚀的区域，然后可以对穿过刻蚀掩模露出的基板100进行干法刻蚀或湿法刻蚀，直到露出氧化层101。
参照图7G，通过喷嘴117露出的牺牲层120被利用刻蚀移除，以形成墨室106和限流部105。这样，墨室106和限流部105可以形成为平行于基板100的顶面并彼此位于同一平面内。可以通过利用诸如XeF2气体或BrF3之类的刻蚀气体干法刻蚀通过喷嘴117露出的牺牲层120而形成墨室106和限流部105。在此过程中，形成在沟槽103内壁上的氧化层101起到刻蚀阻挡层的作用。
最后，参照图7H，位于限流部105和墨输送孔102之间的一部分氧化层101通过干法刻蚀被移除，从而完成根据本发明该实施例的喷墨打印头的制造。
如上所述，喷墨打印头及其制造方法可以提供以下优点，即，在墨从打印头被喷射出之后，加热器产生的热可以通过环氧树脂喷嘴层迅速散失到基板，所述环氧树脂喷嘴层可以由导热环氧树脂形成。因此，可以改善喷墨性能。
另外，环氧树脂层可以由具有良好可成形性的光敏环氧树脂形成，使得可以形成具有统一形状和尺寸的喷嘴。
此外，环氧树脂喷嘴层可以具有相对较大的厚度，从而可以充分延长喷嘴。因此，可以改善通过喷嘴喷射的墨滴的方向性。
此外，环氧树脂喷嘴层由不与墨反应的材料形成，从而防止了环氧树脂材料层受到墨的腐蚀。
此外，本发明的喷墨打印头除了梭式喷墨打印机的喷墨打印头以外还可以用于行打印式喷墨打印机的阵列打印头。特别是，由于在阵列打印头中布置多个喷墨打印头，并且由于加热器产生的热相当大，所以本发明在应用于阵列打印头环境时可以更加有效地散热。
尽管已经示出并描述了本发明的一些实施例，但是本领域技术人员应该理解，在不背离由所附权利要求及其等同物限定范围的本发明的远离和精神的情况下，可以对这些实施例做出改变。
本申请要求享有2005年8月27日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No-10-2005-0079131的优先权，该在先申请的公开内容通过引用结合于此。

Claims (28)

1.一种喷墨打印头，其包括：
基板，其包括形成在顶面上并用于容纳要喷射的墨的墨室、形成在底面上并用于将墨供应到所述墨室的墨输送孔、和形成在所述墨室和墨输送孔之间用于连接所述墨室和墨输送孔的限流部；
形成在所述基板上的多个钝化层；
形成在所述钝化层之间的加热器和导体，所述加热器设置在所述墨室上方，所述导体向该加热器提供电流；和
由导热环氧树脂形成并用于覆盖所述钝化层的环氧树脂喷嘴层，该环氧树脂喷嘴层形成有连接至所述墨室的喷嘴。
2.如权利要求1所述的喷墨打印头，其中，所述钝化层限定出从其中穿过的热塞以露出所述基板的顶面，所述环氧树脂喷嘴层通过所述热塞接触所述基板。
3.如权利要求2所述的喷墨打印头，其中，所述钝化层限定出从其中穿过并与所述喷嘴对齐的喷嘴过孔，并且所述环氧树脂喷嘴层形成为覆盖所述喷嘴过孔的内壁。
4.如权利要求2所述的喷墨打印头，其中，所述导热环氧树脂是含有导热纳米颗粒的光敏环氧树脂。
5.如权利要求4所述的喷墨打印头，其中，所述导热纳米颗粒由金属或陶瓷形成。
6.如权利要求5所述的喷墨打印头，其中，所述金属包括银。
7.如权利要求5所述的喷墨打印头，其中，所述陶瓷包括氮化铝。
8.如权利要求2所述的喷墨打印头，其中，所述环氧树脂喷嘴层具有20μm到30μm的厚度。
9.如权利要求2所述的喷墨打印头，其中，所述钝化层包括顺序叠置于所述基板上的第一钝化层和第二钝化层，所述加热器形成在第一和第二钝化层之间，并且所述导体形成在所述加热器和第二钝化层之间。
10.如权利要求9所述的喷墨打印头，其中，所述第一和第二钝化层由氧化硅或氮化硅形成。
11.如权利要求2所述的喷墨打印头，其中，所述限流部与所述墨室形成在同一平面上。
12.如权利要求11所述的喷墨打印头，其中，所述墨室和限流部包括形成有氧化层的内壁。
13.如权利要求2所述的喷墨打印头，其中，所述喷嘴具有朝向喷嘴的出口端变窄的渐缩形状侧部。
14.一种喷墨打印头的制造方法，其包括：
在基板的顶面中形成沟槽以限定墨室和限流部，并且在所述基板的包括所述沟槽内壁的顶面上形成氧化层；
用由预定材料形成的牺牲层填充所述沟槽；
在所述基板和牺牲层上叠置钝化层，并在所述钝化层之间形成加热器和导体；
对所述钝化层构图以形成露出所述牺牲层顶面的喷嘴过孔和露出所述基板顶面的热塞；
由导热环氧树脂形成环氧树脂喷嘴层以覆盖所述钝化层，所述环氧树脂喷嘴层限定出从其中穿过并与所述喷嘴过孔对齐的喷嘴，以露出所述牺牲层的顶面；
通过刻蚀所述基板的底面形成墨输送孔，以露出形成在所述沟槽底部的氧化层；
通过移除通过喷嘴露出的所述牺牲层形成所述墨室和限流部；以及
移除位于所述墨输送孔和限流部之间的一部分所述氧化层。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述基板由硅晶片形成。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述氧化层由氧化硅形成。
17.如权利要求14所述的方法，其中，所述牺牲层由多晶硅形成。
18.如权利要求17所述的方法，其中，填充所述沟槽包括：
利用外延法在所述基板的氧化层上生长出所述多晶硅，以填充所述沟槽；和
通过化学机械抛光法工艺使所述多晶硅的顶面平坦化，以露出所述基板的顶面。
19.如权利要求14所述的方法，其中，叠置所述钝化层和形成所述加热器和导体包括：
在所述牺牲层和基板的顶面上形成第一钝化层；
在所述第一钝化层的顶面上形成所述加热器并在所述加热器的顶面上形成所述导体；以及
在所述第一钝化层的顶面上形成第二钝化层，以覆盖所述加热器和导体。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述第一和第二钝化层由氧化硅和氮化硅形成。
21.如权利要求14所述的方法，其中，形成所述环氧树脂喷嘴层包括：
用导热环氧树脂涂覆所述钝化层，以填充所述喷嘴过孔和热塞；以及
通过利用光刻工艺对所述导热环氧树脂构图而形成与所述喷嘴过孔对齐的喷嘴。
22.如权利要求21所述的方法，其中，所述环氧树脂喷嘴层形成为具有20μm到30μm的厚度。
23.如权利要求21所述的方法，其中，所述导热环氧树脂是含有导热纳米颗粒的光敏环氧树脂。
24.如权利要求23所述的方法，其中，所述导热纳米颗粒由金属或陶瓷形成。
25.如权利要求24所述的方法，其中，所述金属包括银。
26.如权利要求24所述的方法，其中，所述陶瓷包括氮化铝。
27.如权利要求14所述的方法，其中，所述墨室和限流部的形成是通过利用干法刻蚀移除所述牺牲层而实现的。
28.如权利要求14所述的方法，其中，移除一部分所述氧化层是通过干法刻蚀实现的。
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