TWI281442B - Ink jet recording head and producing method therefor - Google Patents

Description

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r I (1) 九、發明說明 .【發明所屬之技術領域】. ' 本發明有關一噴墨記錄頭及生產該噴墨記錄頭的方法 * ’且更特別有關一墨水供給孔口之表面形狀。 【先前技術】 由於其在記錄時之微不足道地小噪音之優點、用於達 φ 成高速記錄之能力、及將一記錄定影在所謂普通紙上而沒 有任何特定處理之能力，該噴墨記錄方法近年來正迅速地 ψ 變流行。 - 在該等噴墨記錄頭之中，一墨滴垂直於一基板排出之 • 記錄頭係所謂“側面熱氣泡噴墨（shooter)記錄頭”，該基 ' 板支承一墨水排出能量產生元件，且本發明有關一在此側 ^ 面熱氣泡噴墨記錄頭中之墨水供給。 現在，將在此說明此側面熱氣泡噴墨記錄頭之一般結 φ 構。 圖7係一槪要透視圖，其顯示一普通之側面熱氣泡噴 墨記錄頭，及圖8係一沿著圖7所示記錄頭之墨水路徑的 橫截面視圖。 圖7及8所示之側面熱氣泡噴墨記錄頭係藉著用薄膜 形成技術在矽基板上形成一排出能量產生部份、一共用之 墨水室、一墨水路徑、一排出通口 2 5等所製備，其將稍 後說明。於一具有此等零組件（裝置基板）之5夕基板中，已 形成一修長形之穿透墨水供給孔口 2 9。在該墨水供給孔口 -4- (2) 1281442

r I 2 9之兩側面上，複數電熱轉換構件3 0係以兩列形成 .預定節距，並沿著一記錄材料之運送方向、亦即沿著 水供給孔口 29之縱向具有互相位移達一半節距之關 藉此分別構成排出#重產生部份。除了此等電熱轉換 30以外，該裝置基板27係藉著一薄膜形成技術設有 . 端子3 1，用於電連接該電熱轉換構件3 〇與該設備之 要本體及電子線路（未示出）。在該裝置基板27上，已 φ 一孔口板33，該孔口板設有與該墨水供給孔口 29相 共用墨水室3 2、分別與該等電熱轉換構件3 〇相向之 排出噴嘴25、及與該共用墨水室32及該等個別排出 - 2 5相通之墨水路徑3 4。一分隔壁面3 5係形成於鄰接 • 路徑34之間。 回應於一對應於該墨水路徑3 4而給予該電熱轉 件3 0之驅動信號，由該墨水供給孔口 2 9供給至每一 路徑34之液體藉著該電熱轉換構件30所產生之熱量 # 一煮沸作用，且藉著如此產生水泡之壓力由該排出噴 _ 排出。 於此側面熱氣泡噴墨記錄頭中，一用於該墨滴排 墨水供給係藉著於該基板（裝置基板）中形成一穿透孔 達成，該基板支承一用作排出能量產生元件之電熱轉 件。 用於在此噴墨記錄頭之裝置基板中形成一墨水供 口’在此已提出一利用鑽孔、雷射或噴砂之方法、或 各向異性蝕刻之方法，如在日本特許公開專利申請 :在一 該墨 i係， :構件 ‘電極 .一主 形成 通之 複數 噴嘴 墨水 換構 墨水 造成 嘴25 出之 口所 換元 給孔 利用 案第 -5- (3) 1281442 H09- 1 1 479號中所敘述者。 . 日本特許公開專利申請案第2 0 0 3 - 5 3 9 7 9號亦提出蝕 刻已暴露在該基板的第一表面上之一部份、然後塗覆該基 板之一已蝕刻部份、及交互地重複這些步驟直至形成一經 過該基板之流體通道的方法。此方法係稱爲一波許（B 〇 s c h) 製程。 然而，藉著鑽孔、雷射或噴砂形成一墨水供給孔口涉 g 及一困難性’即難以獲得該墨水供給孔口之尺寸精密度。 亦於藉著一各向異性蝕刻法形成墨水供給孔口之案例 中，於<100>方位之矽基板的案例中，該等墨水供給孔口 將具有一梯形橫截面（參考圖8)。因此，於以此結晶方位 之矽基板產生一噴墨記錄頭用之晶片的案例中，，其係難 ' 以減少此晶片之尺寸，因此減少之成本變得很難。在另一 • 方面，於<1〇〇>方位之矽基板的案例中，能獲得一垂直於 該基板表面之墨水供給孔口。然而’因爲此〈1 1 0 >基板在 | 製備於其上面之半導體電路中顯示一較小之導通阻抗（0N-re si stance)，與具有該<100>矽基板之案例相比較，一·晶片 尺寸之縮減係有限的。 藉著波許製程形成一墨水供給孔口亦能提供一大體上 垂直之墨水供給孔口，具有一極精密之孔口寬度及一高縱 橫比。然而，蝕刻之步驟及沈積步驟之重複導致一波浪形 狀，稱爲扇貝圖案，如在一扇貝殻上所觀察者及如於圖1 所示。圖1所示扇貝之深度a對應於一蝕刻步驟中之側面 蝕刻的數量。該扇貝圖案的鄰接突出點間之距離b對應於 -6 - (4) 1281442 * i 該触刻步驟中之蝕刻數量’且該等數量a及b兩者係受該 晶圓表面上之圖案的孔口比率、圖案尺寸及蝕刻狀態所影 響。 在另一方面，當一墨水供給孔口係藉著一乾式蝕刻法 形成於一矽基板中時，暴露在該墨水供給孔口的一橫側壁 面上之矽結晶面係不須爲一（1 1 1)平面，而對於鹼性溶液顯 示一低蝕刻速率。因此’如果一鹼性墨水係用於一具有此 > 墨水供給孔口之噴墨記錄頭中，矽溶入該墨水。因此其係 需要以一抗該鹼性墨水之薄膜蓋住該表面。然而，如果形 成在該墨水供給孔口的已蝕刻橫側壁面上之扇貝圖案顯示 顯著之突出部份及壁凹，其變得難以譬如在此扇貝圖案之 一突出點上獲得一充分之涵蓋範圍，如由圖2中之一圓所 指示。一較厚之塗層能夠甚至在此點上達成一充分之涵蓋 範圍，但一精確之孔口寬度變得難以於該墨水供給孔口中 獲得。該墨水供給孔口的寬度中之波動導致由墨水供給孔 > 口之一端部至該電熱轉換元件（加熱器）的距離中之波動。 如此，一流動阻抗可在該等噴嘴之中變動，且一預期之再 充塡頻率（在來自該排出通口的一液體排出之後，該液體 流動路徑中之液體再充塡的每單位時間之重複速率）可變 得難得到的。 【發明內容】 考慮到前文，本發明之一目的係於藉著波許製程形成 一墨水供給孔口中，以一最小需要之保護薄膜蓋住一整個 -7- (5) 1281442 . 橫側壁面，藉此提供一優異排出性能之噴墨記錄頭；及一 ..生產該噴墨記錄頭的方法。 根據本發明藉著一噴墨記錄頭可達成前述之目的，該 噴墨記錄頭包含一排出通口，用於排出墨水；一排出能量 產生元件，用於產生一待利用於由該排出通口排出該墨水 之能量；一液體流動路徑，其提供對應於該排出能量產生 兀件及與該排出通口相通；及一墨水供給孔口，其提供用 φ 於以該墨水供給該液體流動路徑；其中該墨水供給孔口之 一橫側壁面包含突出及凹入部份之一重複圖案，並具有一 凹入αβ份之涂度a及鄰接突出部份之一距離b ;及該深度 * a係於1微米或更少，與該距離b係於5微米或更少，且 • a及b滿足b/agl.7之關係。 — 本發明允許於藉著波許製程所形成之一墨水供給孔口 中’以一最小需要之抗墨水保護薄膜蓋住一具有突出部份 及壁凹之重複圖案的整個橫側壁面，藉此獲得一具有優異 # 之排出性能及高可靠性的噴墨記錄頭。 【實施方式】 於下文中，將參考所附圖面說明本發明之一具體實施 例。 在本具體實施例中，一貫穿該噴墨記錄頭之基板的墨 水供給孔口係根本上藉著重複一蝕刻步驟及一沈積步驟之 蝕刻法（所謂波許製程）所形成，且本具體實施例界定一扇 貝形狀（圖1 )，而能夠使一充分之保護薄膜形成在如此蝕 -8- (6) 1281442 .刻的墨水供給孔口之橫側壁表面上。進行以下之實驗，以 ，便界定此形狀。 (實驗） 在錯著於基板上重複一蝕刻步驟及一沈積步驟之所謂 波許製程形成一墨水供給孔口之後，且該基板支承一生熱 電阻器，一 S i 0薄膜係藉著一電漿C V D由該基板之後表 | 面側邊所形成，以便蓋住該墨水供給孔口之橫側壁表面。 根據該蝕刻步驟及該沈積步驟之條件，變化該墨水供給孔 口的橫側壁面上之扇貝圖案的尺寸，如在圖3至5所示。 於圖3至5中，該扇貝之深度a對應於該蝕刻步驟中之一 側面蝕刻數量，且該扇貝的鄰接突出點間之一距離b對應 於該蝕刻步驟中之一蝕刻數量。 圖3及4之比較指示al<a2及bl=b2。於圖4之狀態 中，具有相同之尺寸b及較大之尺寸a，該墨水供給孔口 g 的橫側壁面上之扇貝圖案中之突出部份變得更尖銳’藉此 降低該保護薄膜之涵蓋範圍。 圖3及4之比較指示al<a2及bl=b2。於圖4之狀態 中，具有相同之尺寸b及較大之尺寸a，該墨水供給孔口 的橫側壁面上之扇貝圖案中之突出部份變得更尖銳，藉此 降低該保護薄膜之涵蓋範圍。 圖3及5之比較指示al=a3及bl<b3。於圖5之狀態 中，具有相同之尺寸a及較大之尺寸b，該墨水供給孔口 的橫側壁面上之扇貝圖案中之突出部份變得較鈍’藉此改 (7) 1281442 善該保護薄膜之涵蓋範圍。 ' 如此在該涵蓋範圍上進行一項實驗。 製備具有尺寸a之諸樣本，並對應於1)〇·2微米、 2)0.3微米、3)0.4微米、4)0.5微米、5)0.8微米、及 6>1.〇微米的扇貝圖案之深度。亦製備具有尺寸b之諸樣 本，並對應於1)0.5微米、2)1.0微米、3)3.0微米、及 4)5.0微米之扇貝圖案的鄰接突出點間之距離。藉著組合 | 該尺寸a與每一尺寸13製備樣本。然後’一 Si0薄膜係藉 著一電漿CVD由該基板之後表面側邊所形成，並在該墨 水供給孔口之橫側壁面上具有大約〇 · 5微米之厚度，且黏 著一支承液體流動路徑及排出通口之孔口板，以獲得一噴 墨記錄頭，其係接著遭受一排出耐用性測試。結果係顯示 在表1至4中。 該排出耐用性測試在以下之條件下進行。該測試採用 —具有乙二醇/尿素/異丙醇/黑染料/水= 5/3/2/3/87等分之 I 組成的墨水。該墨水係回應於3 0伏特乘以3 0微秒之矩形 電壓及3千赫之頻率的信號由該排出通口排出，該信號施 加至該製備噴墨記錄頭之電熱轉換構件（加熱器）。 該前述之墨水包含尿素當作一使潮濕成份（用於減少 墨水黑發及如此避免墨水阻塞），且該尿素於加水分解時 顯示一弱鹼性。如果該墨水供給孔口之橫側壁面未被充分 地保護，具有此鹼性墨水的重複墨滴排出造成一砂分解進 入該墨水’導致在該加熱器上之~ c 〇 g a t i ο η (烤焦物質）， 且最後藉著一沉澱物導致該液體流動路徑之阻塞，藉此該 -10- (8) 1281442 墨水排出變得不可能。在本申請案中，對此狀態的若干重 複之排出係界定爲耐用性數目。 表1 :尺寸b = 0.5微米/ 0.5微米藉著電漿CVD之保護薄膜 尺寸a(微米） 0.2 0.3 0.4 0.4 0.8 1.0 排出耐用性測試 + + - - - 表2:尺寸b=1.0微米/ 0.5微米藉著電漿CVD之保護薄膜 尺寸a(微米） 0.2 0.3 0.4 0.4 0.8 1.0 排出耐用性測試 + + + + - - 表3:尺寸b = 3.0微米/(K5微米藉著電漿CVD之保護薄膜 尺寸a(微米） 0.2 0.3 0.4 0.4 0.8 1.0 排出耐用性測試 + + + + + +

表4 :尺寸b = 5.0微米/0.5微米藉著電漿CVD之保護薄膜 尺寸a(微米） 0.2 0.3 0.4 0.4 0.8 1.0 排出耐用性測試 + + + + + + 由該基板之後方表面側邊所形成之S i 0薄膜係在該墨 -11 - (10) 1281442 表5 : b/a(粗斜體之數目指示於該排出耐用性測試中可接 受之範圍） a 0.2 0.3 0.4 0.5 0.8 1 b 0.5 2.5 1 .7 1 .3 1 .0 0.6 0.5 1 5.0 3.3 2.5 2.0 1 .3 1 .0 3 15.0 1 0.0 7.5 6.0 3.8 3.0 5 25.0 16.7 12.5 10.0 6.3 5.0

[範例] 於下文中，參考圖6A至6F，將說明一用於本發明之 生產噴墨記錄頭的方法範例。 圖6A顯示一噴墨記錄頭之基板（基底構件）。在一矽 基板100之表面上，已提供一加熱器200及一蝕刻中止層 3 00。在本範例中，該蝕刻中止層3 00係由鋁所構成。該 矽基板100具有200微米之厚度。 圖6 B顯示一狀態，在此該砍基板1 0 0之一後表面係 設有一蝕刻掩罩400，用於藉著一各向異性的乾式蝕刻法 於一稍後步驟中形成一墨水供給孔口，且一頂部表面係設 有一表面保護抗蝕劑5 00。在本範例中，藉由東京Oka公 司所製成之抗鈾劑0FPR被用作該蝕刻掩罩400及該表面 保護抗蝕劑5 00，但亦可採用其他商業用正光阻劑或其他 材料。 -13- (11) 1281442 圖6C顯示一狀態，在此一墨水供給孔口係藉著乾式 蝕刻法形成在該矽基板1 0 0中。在本範例中，該乾式蝕刻 法係以一藉由Alcatel公司所製造之60 1 E機型的ICP蝕刻 設備進行，且藉著交互地重複一用SF6之蝕刻及一用c4F8 之沈積（亦稱爲塗覆）進行所謂之波許製程。 於此操作中，用於形成該墨水供給孔口之各向異性的 乾式蝕刻法係藉由用電漿CVD所形成之鋁蝕刻中止層3 00 所中止。 在本範例中，於藉由該波許製程所形成的墨水供給孔 口之橫側壁面形狀的觀察中，該扇貝圖案之鄰接突出點於 該矽基板100的厚度方向中具有大約1微米之距離。該扇 貝圖案於一與該矽基板100之厚度方向垂直的方向中亦具 有大約0.3微米之壁凹深度。 蝕刻之條件係2 2 0 0瓦之電漿源功率、1 2 0瓦之基板偏 向功率、SF6/5 0 0毫升/最小（平常）/5.0 s/ca· 5.0E·2毫巴、 及C4F8/150毫升/最小（平常）/2.0 s/ca. 1.6E·2毫巴。亦已 採用攝氏-5度之晶圓溫度及20分之總蝕刻時間。 圖6D顯示一狀態，在此該鋁蝕刻中止層3 00被移去 ，且接著該蝕刻掩罩400及該表面保護抗蝕劑5 00被剝離 。該鋁係以一混合酸C-6(由東京Oka公司所製造）所移去 ，且該蝕刻掩罩400及該表面保護抗蝕劑5 00係以由 Shipley遠東公司所製造之剝離液1 1 12A所剝離。 圖6E顯示一狀態，在此SiO薄膜係藉著電漿CVD由 該矽基板100之後表面側邊形成有0.5微米之厚度。此 -14- (12) 1281442 s i 0薄膜係形成在該矽基板1 Ο 0之後表面上，且亦當作在 該墨水供給孔口 8 0 0的橫側壁面上之一保護薄膜5 5 0。在 該墨水供給孔口之橫側壁面上，既然該扇貝圖案於該等鄰 接突出點之間具有大約1微米之距離，及如上面所述大約 0·3微米之壁凹深度，薄至0.5微米之保護薄膜550可充 分蓋住該扇貝圖案之突出點。 圖6F顯示一狀態，在此形成液體流動路徑70 0及排 出通口 65 0之一孔口板600係以一黏接劑附著。 一經由圖6Α至6F所示步驟製備之噴墨記錄頭係安裝 在一記錄設備上，且用於具有鹼性墨水之一記錄操作中。 其結果是，一穩定之列印操作係可能的，且獲得一高品質 之印刷。 【圖式簡單說明】 圖1係一槪要之橫截面視圖，顯示於本發明之噴墨記 錄頭的墨水供給孔口中，構成一扇貝圖案的各部份之名稱 及尺寸； 圖2係一槪要橫截面視圖，顯示圖1所示扇貝圖案表 面上之一保護薄膜塗層； 圖3係一槪要橫截面視圖，顯示本發明之噴墨記錄頭 的墨水供給孔口中之扇貝圖案範例； 圖4係一槪要橫截面視圖，顯示本發明之噴墨記錄頭 的墨水供給孔口中之扇貝圖案範例； 圖5係一槪要橫截面視圖，顯示本發明之噴墨記錄頭 -15- (13) 1281442 ' 的墨水供給孔口中之扇貝圖案範例； 圖6A、6B、6C、6D、6E及6F係視圖，顯示用於生 ' 產一噴墨記錄頭之本發明生產方法的步驟； " 圖7係一槪要透視圖，顯示一般之側面熱氣泡噴墨記 錄頭；及 圖8係圖7所示記錄頭沿著墨水流動路徑之一橫截面 視圖。 【主要元件符號說明】 2 5 :排出通口 ， 2 7 :裝置基板 2 9 :墨水供給孔口 3 0 :電熱轉換構件 3 1 :電極端子 3 2 :共用墨水室 φ 3 3 :孔口板 3 4 :墨水路徑 3 5 :分隔壁面 1 0 0 :矽基板 200 :加熱器 3 〇 〇 :蝕刻中止層 400 :蝕刻掩罩 5 00 :表面保護抗蝕劑 5 5 0 :保護薄膜 -16- 1281442 (14) 600 650 700 :孔口板 =排出通口 =液體流動路徑 8 0 0 :墨水供給孔口

Claims (1)

1. (1) 1281442 十、申請專利範圍 1 · 一種噴墨記錄頭，包含： 一排出通口，用於排出墨水； " 一排出能量產生元件，用於產生一待利用於由該排出 通口排出該墨水之能量； 一 '液體流動路徑，其提供對應於該排出能量產生元件 及與該排出通口相通；及 • 一墨水供給孔口，其提供用於以該墨水供給該液體流 動路徑； 其中該墨水供給孔口之一橫側壁面包含突出及凹入部 - 份之一重複圖案，並具有一凹入部份之深度a及鄰接突出 部份之一距離b ;及 當該深度a係於1微米或更少之範圍中及該距離b係 於5微米或更少之範圍中時，a及b滿足b/a- 1.7之關係 〇 • 2· 一種用於生產噴墨記錄頭之方法，該噴墨記錄頭包 含一排出通口，用於排出墨水；一排出能量產生元件，用 於產生一待利用於由該排出通口排出該墨水之能量；一液 體流動路徑，其提供對應於該排出能量產生元件及與該排 出通□相通；及一墨水供給孔口，其提供用於以該墨水供 給該液體流動路徑，其中該方法包含： 形成該墨水供給孔口的橫側壁面之一蝕刻步驟，其係 藉著蝕刻該基板之一暴露部份、塗覆該基板之已蝕刻部份 、及交互地重複該鈾刻與該塗覆操作，直至該蝕刻部份變 •18- (2) 1281442 ' 得與該液體流動路徑連接；及 . 用於一凹入部份之深度a及用於鄰接突出部份之一距 離b，當該深度a係於1微米或更少之範圍中及該距離b _ 係於5微米或更少之範圍中時，a及b滿足b/a g 1 .7之關 係。 3 . —種用於生產噴墨記錄頭之方法，包含： 一在基板的表面上形成排出能量產生元件之步驟，用 φ 於產生待利用於排出墨水之能量； 一形成對應於該排出能量產生元件的墨水流動路徑之 步驟，而在該基板之表面上具有一可溶解之樹脂； 一在該可溶解之樹脂層上形成覆蓋樹脂層之步驟； 一形成墨水排出通口之步驟，該墨水排出通口與該覆 蓋樹脂層中之墨水流動路徑相通；及 一形成墨水供給孔口之步驟，該墨水供給孔口與該覆 蓋樹脂層中之墨水流動路徑相通； φ 其中該墨水供給孔口係藉著蝕刻該基板之一暴露部份 、塗覆該基板之已蝕刻部份、及交互地重複該蝕刻與該塗 覆操作，直至該蝕刻部份變得與該液體流動路徑連接所形 成；及 用於一凹入部份之深度a及用於鄰接突出部份之一距 離b，當該深度a係於1微米或更少之範圍中及該距離b 係於5微米或更少之範圍中時，a及b滿足b/a 2 1 · 7之關 係0 -19-