專利名稱：液體噴射頭和制造液體噴射頭基底的方法
技術領域：
本發明涉及用于噴射液體的液體噴射頭，以及制造在液體噴射頭 中使用的液體噴射頭基底的方法。
背景技術：
用于噴墨記錄的噴墨記錄頭是一種示例性的用于噴射液體的液體 噴射頭。
美國專利No. 6143190公開了一種通過各向異性蝕刻形成供墨端 口的方法，所述供墨端口與具有噴射能量產生部分的液體腔室連通并 向其供應液體，所述噴射能量產生部分產生使液滴從噴射孔噴出的熱 能。美國專利No. 6143190還公開了一種使用犧牲層精確形成供墨端 口的方法。美國專利No. 6143190例如在圖1-3以及與這些附圖相關的 第 一實施例的說明中公開了犧牲層在精確蝕刻中所起的作用。美國專 利No. 7250113公開了通過同時執行形成犧牲層的步驟和另一步驟而 在執行精確蝕刻的同時簡化步驟的方法。
這些供墨端口通過使用堿性溶液對具有<100>平面取向的硅(Si) 基底進行各向異性蝕刻而形成。這種方法應用了堿性溶液在不同平面 取向間的溶解速度差異。更具體地，進行蝕刻而留下<111>平面，其溶 解速度極低。
圖7是示意性剖視圖，顯示了通過使用已知犧牲層和各向異性蝕 刻方法形成示例性供墨端口。圖7顯示了硅基底51、存在犧牲層的部 分52、蝕刻停止層54、蝕刻掩模58和硅基底的<111>平面55。如圖7 所示，<111>平面55相對于硅基底51的背面具有54.7°的斜度 因此， 當例如使用已知的硅各向異性蝕刻方法在具有厚度為T的硅基底51 中形成通孔時，按照幾何學，經受蝕刻的表面需要具有至少
"T/tan54.7。)的寬度。這給減小晶片尺寸或后端處理(例如，芯片焊 接步驟)中的晶片加工造成阻礙。
美國專利No. 6107209公開了一種解決上述問題的方法，其中， 在硅基底的熱處理之后進行各向異性蝕刻。根據這種方法，形成具有 桶形橫截面的供墨端口，其中，<111>平面的加工寬度從硅基底的背面 增大到希望的高度，隨后<111>平面的加工寬度減小。
美國專利No. 6805432公開了一種用于形成具有桶形橫截面的供 墨端口的方法，其中，在干蝕刻之后進行各向異性蝕刻。
然而，可以根據美國專利No. 6107209中公開的用于形成具有桶 形橫截面的供墨端口的方法形成的供墨端口的形狀(桶形的桶腰位置) 由于加工原因受到限制。如果在硅基底的晶體結構中存在任何缺陷， 蝕刻的進行情況在所述缺陷部分發生改變，從而使得不可能獲得具有 希望形狀的供墨端口。因此，難以在不管硅基底的晶體結構的情況下 穩定地形成希望的供墨端口 。
另外，在美國專利No. 6805432中公開的用于形成具有桶形橫截 面的供墨端口的方法中，制造過程中的負荷很重。更具體地，用于在 硅基底上形成深槽的干蝕刻步驟花費很長時間。而且，因為存在干蝕 刻之前和干蝕刻之后的步驟，例如涂布、曝光、顯影和移除步驟，這 些步驟需要花費時間和精力。
發明內容
本發明提供了一種用于制造液體噴射頭基底的方法，該方法能夠 以高形狀精度和高制造效率穩定地制造液體噴射頭基底。
根據本發明的一個方面，本發明的液體噴射頭包括具有用于供給 液體的供給端口的硅基底，用于制造液體噴射頭的方法包括提供表 面上具有蝕刻掩模層的硅基底，所述蝕刻掩模層在與所述供給端口對 應的部分上具有開口；穿過所述蝕刻掩模層上的開口對硅基底進行各 向異性蝕刻而在硅基底的表面上形成第一凹部；在第一凹部的一部分 表面上形成包括開口的笫二凹部，使得所述開口朝向硅基底的另 一表
面延伸，所述另一表面是與硅基底的所述表面相對的表面；和從具有 第二凹部的表面對硅基底進行各向異性蝕刻而形成供給端口 。
本發明的其它特征通過下文參照附圖描述的示例性實施例將變得 顯而易見。
圖1是根據本發明 一 個實施例的噴墨記錄頭的 一 部分的透視圖。 圖2是應用根據本發明 一 個實施例的制造方法的噴墨記錄頭基底 的剖視圖。
圖3A-3D顯示了根據本發明 一個實施例的制造噴墨記錄頭基底的 方法。
圖4是根據本發明 一 個實施例的噴墨記錄頭基底的改型實例的剖 視圖。
圖5A-5D顯示了一種用于制造應用圖3A-3D所示方法的噴墨記錄 頭的方法。
圖5E-5H顯示了 一種用于制造應用圖3A-3D所示方法的噴墨記錄 頭的方法。
圖6是基底背面的平面圖，所述基底具有在圖5F所示步驟中形 成的導孔。
圖7是示意性剖視圖，顯示了使用已知犧牲層和各向異性蝕刻方 法形成的示例性供墨端口。
具體實施例方式
現在將參照附圖描述本發明的實施例。在下面的說明中，在所有 視圖中，相同的參考數字表示相同的部件，因此有時省略其解釋。
雖然噴墨記錄頭在下文稱作應用本發明的示例性液體噴射頭，但 是本發明的液體噴射頭的適用范圍不限于此，本發明可適用于生物晶 片的制造、電子電路的印刷等。
首先，描述可適用本發明的噴墨記錄頭(下文還稱作"記錄頭，，)。
圖l是根據本發明一個實施例的記錄頭的示意圖。
噴墨記錄頭具有硅基底1,所述硅基底具有以預定間距布置成兩
排的排墨能量產生元件3。作為接觸層的聚醚酰胺層(未顯示)沉積 在硅基底1上，其上形成有具有流路側壁9和噴墨孔14的光聚合物涂 層12,所述噴墨孔在排墨能量產生元件3的上方開放。光聚合物涂層 12構成與供墨端口 16和噴墨孔14連通的墨水流路的上部。通過使用 二氧化硅(Si02)薄膜作為掩模對硅基底1進行各向異性蝕刻形成的 供墨端口 16在兩排排墨能量產生元件3之間開放。噴墨記錄頭通過給 經由供墨端口 16充于墨水流路中的墨水(液體)施加由排墨能量產生 元件3產生的壓力而進行記錄，從而使墨滴從噴墨孔14噴出并沉積在 記錄介質上。
噴墨記錄頭可以安裝在例如打印機、復印機、具有通信系統的傳 真機或者具有打印機裝置的文字處理機的設備上。噴墨記錄頭還可以 安裝在與各種加工設備結合使用的工業記錄設備上。噴墨記錄頭能夠 在包括紙、細絲、纖維、皮革、金屬、塑料、玻璃、木材和陶瓷的各 種記錄介質上記錄。在此，術語"記錄，，不僅表示在記錄介質上形成 具有含義的圖像，例如字母或圖形，還表示在記錄介質上形成無含義 的圖像，例如圖案。
使用導孔進行各向異性蝕刻的特征
圖2是應用根據本實施例的制造方法的噴墨記錄頭基底的剖視 圖。圖2是沿圖1中的線II，V-II，V剖開的剖視圖。圖2顯示了犧牲層 2、蝕刻停止層(鈍化層)4、硅基底1、用于各向異性蝕刻的蝕刻掩 模層8以及導孔20。
在本實施例中，首先，對在背面上具有蝕刻掩模層8的硅基底1 各向異性蝕刻到希望的圖案深度以形成第一凹部28，此處露出<100> 晶體取向平面。接下來，在第一凹部28中形成作為第二凹部的導孔(盲 孔)20，所述第二凹部延伸到剛好在犧牲層2前的位置。最后，進行 各向異性蝕刻以使導孔20到達犧牲層2并穿透珪基底1。在本實施例
中，可以形成延伸到剛好在犧牲層2前的位置處的導孔20,因為導孔 20在第一凹部28形成于硅基底1中之后形成。如本實施例，通過形 成延伸到剛好在犧牲層2前的位置處的導孔20，可以減少由硅基底1 的可能存在的內部缺陷造成蝕刻故障的可能性。因此，這使得能夠在 不考慮硅基底1的內部晶體結構的情況下穩定、有效地制造噴墨記錄 頭基底和噴墨記錄頭。
在本實施例中，如圖2所示，作為第二凹部的導孔20在硅基底1 的第一凹部28(所述第一凹部28形成在要形成供墨端口 16的區域內) 中的形成方式使得至少兩個導孔20沿供墨端口 16的橫向方向形成。 希望的是，在硅基底1中，導孔20在要形成供墨端口 16的區域內沿 供墨端口 16的縱向方向(穿透紙的方向)布置成兩排，并且相對于供 墨端口 16的中心線對稱。雖然導孔20在此處公開的實施例中布置成 兩排，但是導孔20可以布置成三排或三排以上。
圖3A-3D示意性地顯示了在具有如圖2所示導孔的硅基底上進行 的晶體各向異性蝕刻方法。
首先，對于每個導孔20形成<111>平面21a和21b，佳_得<111>平 面21a和21b之間的距離沿從與硅基底1的背面鄰近的導孔20末端向 硅基底1的表面的方向減小。同時，從導孔20的內部沿與硅基底1 的厚度方向垂直的方向(在圖3A-3D中沿左右方向)進行蝕刻。另夕卜， 在形成于露出<100>平面的硅基底1的背面中的第一凹部28內形成 <111>平面22，使得<111>平面22之間的距離朝向硅基底1的表面增 大(圖3A)。
當進一步進行蝕刻時，導孔20的<111>平面21b在導孔20之間 的位置處彼此相交。然后，對由這些<111>平面21b形成的頂部朝向 硅基底1的表面進一步蝕刻。另外，構成導孔20的外平面的<111>平 面21a與從露出<100>平面的硅基底1的開口延伸的<111>平面22相 交。因此，沿與硅基底1的厚度方向垂直的方向進行的蝕刻顯然停止 (圖3B )。
當蝕刻進一步進行時，<100>平面形成在兩個導孔20之間(圖
8
3C)。當蝕刻進行時，<100>平面接近硅基底1的表面，最后，到達犧 牲層2。因此，完成各向異性蝕刻(圖3D)。
如圖3A-3D所示，根據本實施例的供墨端口 16具有的形狀使得 供墨端口 16沿橫向方向的寬度從形成于硅基底1的背面上的供墨端口 16的開口逐漸減小到硅基底1的第一深度位置(最初存在第一凹部28 的最深部分的位置)，隨后從第一深度位置朝向硅基底1的表面逐漸增 大到第二深度位置(其為桶形部分的桶腰)，并且從第二深度位置逐漸 減小到硅基底1的表面。
在用于形成供墨端口 16的上述方法中，形成<111>平面21a (其 間的距離朝向硅基底1的表面減小)的位置由導孔20的位置確定。形 成<111>平面22 (其間的距離從在形成于硅基底1的背面中的第一凹 部28處露出的<100>平面朝向硅基底l的表面增大)的位置由通過各 向異性蝕刻露出<100>平面的位置確定。
假設，如圖2所示，L表示犧牲層2沿橫向方向的寬度(犧牲層 2沿橫向方向的兩端之間的距離)，Tl表示從硅基底1的表面到第一 凹部28的<100>平面的厚度，X表示兩排導孔20之間的距離，即位 于第一凹部28沿橫向方向兩端處的導孔20 (盲孔)之間的距離，以 及D表示導孔20的深度。
在上述蝕刻方法中，為了通過對硅基底1的背面進行各向異性蝕 刻使供墨端口 16到達犧牲層2，希望導孔20的深度D滿足下列關系
[表達式1
Tl－(X/2-L/2 ) xtan54.7≥D≥Tl-X/2xtan54.7°
另外，為了形成如上所述具有桶形橫截面的供墨端口 16，希望位 于第一凹部28沿橫向方向兩端處的導孔20之間的距離乂和<100>平 面(在第一凹部28處露出)沿橫向方向的寬度Y滿足下列關系
[表達式2
(Tl/tan54.7。 ) +L>Y>X
如果在第一凹部28處露出的＜100＞平面沿橫向方向的寬度Y大于 (Tl/tan54.7。) +L，則會不希望地形成具有<111>平面(其間的距離從 硅基底1的背面向表面減小)的供墨端口。
因此，根據本實施例的制造方法允許加工圖案、導孔20的深度D 以及從硅基底1的表面到第一凹部28的<100>平面的厚度Tl發生變 化。因此，可以形成各種桶形供墨端口。
圖4是通過應用如圖3A到3D所示制造方法形成的噴墨記錄頭基 底的剖視圖。
在圖4所示實例中，首先，在硅基底1的背面上形成第一凹部28， 所述第一凹部到<100>平面28a的深度小于圖3A-3D所示的深度。其 次，在<100>平面28a中形成布置成兩排的導孔20a,并且進行各向異 性蝕刻以形成第一桶形部分，所述第一桶形部分具有與硅基底1的表 面相鄰的<100>平面28b。最后，在<100>平面28b中形成布置成兩排 的導孔20b，并且在<100>平面28b到達犧牲層2之前進行各向異性蝕 刻以形成第二桶形部分。因此，形成具有如圖4所示兩個桶形部分的 供墨端口 16。形成在供墨端口 16中的桶形部分的數目不限于圖3A-3D 所示的一個或如圖4所示的兩個，而是可以為三個或以上。
下面參照圖5A到5D和圖5E到5H描述制造噴墨記錄頭的方法， 對所迷噴墨記錄頭應用上述制造噴墨記錄頭基底的方法。本發明不局 限于下面公開的實施例，而是可以適用于落入權利要求書中所公開的 本發明構思內的其它方法。
圖5A到5D和圖5E到5H是沿圖1中直線II，V-II，V剖開的剖視圖。
排墨能量產生元件3例如發熱元件布置在硅基底1的表面上，如 圖5A所示。硅基底l的背面由Si02薄膜6完全覆蓋。犧牲層2形成 在硅基底1的表面上，所述犧牲層將在供墨端口 16形成期間溶解于堿 性溶液中。圖中沒有顯示用于驅動排墨能量產生元件3的金屬線和半 導體元件。犧牲層2由可通過堿性溶液進行蝕刻的材料制成。這種材 料的實例包括能夠迅速蝕刻的多晶硅和含鋁材料，如鋁、鋁硅合金、 鋁銅合金、鋁硅銅合金。然而，犧牲層2的材料不限于上述材料，并 且可以適當選擇比硅更迅速地被堿性溶液蝕刻的材料。在犧牲層2通
過硅基底1的各向異性蝕刻露出之后，蝕刻停止層(鈍化層)4需要 停止由堿性溶液進行的蝕刻過程。希望的是，例如，蝕刻停止層4由 儲熱層或保護膜構成，所述儲熱層由二氧化硅制成并位于排墨能量產 生元件3的下面，所述保護膜由氮化硅制成并位于排墨能量產生元件 3的上面。
接下來，如圖5B所示，聚醚酰胺樹脂層7和8分別形成在硅基 底l的表面和背面上，并且在燒固步驟中固化。然而，為了使聚醚酰 胺樹脂層7形成圖案，將正性抗蝕劑(未顯示)利用旋涂方法等施加 給硅基底l的表面，隨后曝光和顯影。聚醚酰胺樹脂層7隨后通過干 蝕刻等方法形成圖案，并且移除正性抗蝕劑。類似地，為了使聚醚酰 胺樹脂層8形成圖案，將正性抗蝕劑(未顯示)利用旋涂方法等施加 給硅基底l的背面，隨后曝光和顯影。聚醚酰胺樹脂層8隨后通過干 蝕刻等方法進行形成圖案，并且移除正性抗蝕劑。由聚醚酰胺樹脂層 8制成的蝕刻掩模層在與形成供墨端口 16的部分相對應的部分內具有 開口 8a。
然后，如圖5C所示，在硅基底1的表面上使正性抗蝕劑10形成 圖案，所述正性抗蝕劑為成形材料，其占據構成墨水流路的部分。
隨后，如圖5D所示，構成噴嘴形成構件的光聚合物涂層12利用 旋涂方法等形成在正性抗蝕劑10上。另外，光聚合物涂層12通過層 壓干膜等方法由防水材料13所覆蓋。光聚合物涂層12暴露給紫外 (UV)線、深紫外線等，隨后顯影和形成圖案以在光聚合物涂層12上 形成噴墨孔14。
接下來，如圖5E所示，形成正性抗蝕劑10和光聚合物涂層12 的硅基底1的表面以及硅基底1的側面通過旋涂方法等由防護材料15 覆蓋。
然后，如圖5F所示，在硅基底1的背面形成供墨端口 16。首先， 位于要形成硅基底1的背面中的第一凹部28的區域內的Si02薄膜6 通過設置于蝕刻掩模層8中的開口 8a移除。然后，使用作為各向異性 蝕刻劑的氫氧化四甲基銨(TMAH)溶劑，從背面對硅基底l的蝕刻
表面進行蝕刻。因此，形成具有希望深度的第一凹部28， <100>晶體 取向平面23在此處露出。接下來，通過激光加工形成從硅基底1的背 面朝向表面延伸的導孔20。導孔20設置成使開口形成在<100>晶體取 向平面23的一部分上。這時，使用頻率三倍于YAG激光頻率的激光 束(THG:波長355nm)形成導孔20，同時適當設定激光束的功率和 頻率。希望導孔20的直徑為大約5jim到100nm。在隨后的各向異性 蝕刻過程中，導孔20的直徑過小會阻礙蝕刻劑進入導孔20。導孔20 的直徑過大會花費時間來形成具有希望深度的導孔20。如果導孔20 的直徑增大，需要相應地設定加工間距(pitch )，使得相鄰導孔20不 彼此接觸。
圖6是硅基底1的背面的平面圖，所述硅基底1具有在圖5F所 示步驟中形成的導孔20。第一凹部28的<100>平面設置在與形成在硅 基底1的表面上的犧牲層2 (在圖6中由虛線表示)相對應的位置處。
雖然在本實施例中使用作為YAG激光的三次諧波振蕩波(THG: 波長355nm)的激光束來形成導孔20,但是只要激光束具有足以在作 為基底1的材料的硅上鉆孔的波長即可，激光束不限于此。例如，可 以使用YAG激光的二次諧波振蕩波(SHG:波長532nm )形成導孔 20，因為SHG被硅高度吸收，與THG類似。替代地，可以使用YAG 激光的基波(波長1064nm )。
然后，如圖5G所示，利用TMAH溶劑作為各向異性蝕刻劑對硅 基底1的背面進行蝕刻以形成延伸到犧牲層2的供墨端口 16。蝕刻按 照圖3A到3D所示的方法進行，相對于硅基底1的背面具有54.7°的 斜度的<111>平面在導孔20的末端到達犧牲層2。通過蝕刻劑對犧牲 層2進行各向異性蝕刻，因此，按犧牲層2的形狀形成供墨端口 16 的上端。供墨端口 16形成為具有沿圖1中直線II，V-II，V剖開的桶形 橫截面，其中，<111>平面露出。因此，通過允許<111>平面暴露給供 墨端口 16,可以有效防止硅被從硅基底1上沖洗到流入供墨端口 16 的墨水中。
最后，如圖5H所示，通過干蝕刻移除蝕刻停止層4覆蓋供墨端
口16的開口的部分。然后，移除聚醚酰胺樹脂層8和防護材料15。 然后，正性抗蝕劑10溶解并通過噴墨孔14和供墨端口 16排出，從而 形成墨水流路和泡沫室。
在進行了上述步驟之后，完成具有噴嘴部分的硅基底1。利用劃 片機等將硅基底1切成晶片。然后，在每個晶片中，結合用于驅動排 墨能量產生元件3的電線。其后，用于供應墨水的晶片容器構件連接 到晶片上。因此，完成噴墨記錄頭。
雖然根據本實施例的硅基底1具有600nm的厚度，本發明的制造 方法可以應用于厚度小于或大于600pm的基底。
盡管已經參照示例性實施例對本發明進行了描述，但是應當理解， 本發明不限于所公開的示例性實施例。下列權利要求的范圍應理解為 最廣義的解釋，以便涵蓋所有變型和等效結構及功能。
權利要求
1. 一種用于制造液體噴射頭基底的方法，所述基底包括具有用于供應液體的供給端口的硅基底，所述方法包括:提供表面上具有蝕刻掩模層的硅基底，所述蝕刻掩模層在與所述供給端口對應的部分上具有開口；穿過所述蝕刻掩模層上的開口對硅基底進行各向異性蝕刻而在硅基底的表面上形成第一凹部；在第一凹部的一部分表面上形成包括一開口的第二凹部，使得所述開口朝向硅基底的另一表面延伸，所述另一表面是與硅基底的所述表面相對的表面；和從具有第二凹部的表面對硅基底進行各向異性蝕刻而形成供給端口。
2. 如權利要求l所述的方法，其中，設置多個第二凹部，所述第 二凹部布置成沿所述第一凹部的縱向方向延伸的至少兩排，并且相對 于沿所述第一凹部的縱向方向延伸的中心線對稱。
3. 如權利要求l所述的方法，其中，利用激光束形成所述第二凹部。
4. 如權利要求1所述的方法，其中，所述硅基底的表面具有<100> 平面取向。
5. 如權利要求l所述的方法，其中，所述硅基底的另一表面具有 能量產生元件，其產生用于噴射液體的能量。
6. —種用于制造液體噴射頭基底的方法，所述基底包括具有用于 供應液體的供給端口的硅基底，所述方法包括提供表面上具有蝕刻掩模層的硅基底，所迷表面具有<100>平面 取向，所述蝕刻掩模層在與所述供給端口相對應的部分上具有開口 ；穿過蝕刻掩模層上的開口對硅基底進行各向異性蝕刻而在所述硅 基底的表面上形成第一凹部，所述第一凹部具有露出的<100>平面；在所述硅基底中的第一凹部的<100>平面的一部分上形成包括一 開口的第二凹部；和通過從形成第二凹部的<100>平面對硅基底進行各向異性蝕刻而 形成供給端口。
7. —種包括硅基底的液體噴射頭，所述硅基底具有位于其表面上 的能量產生元件和供給端口，所述能量產生元件構造為產生用于噴射 液體的能量，所述供給端口用于給所述能量產生元件供應液體，其中，所述供給端口成形為使得所述供給端口沿橫向方向的寬度 從設置在硅基底的另 一表面上的供給端口的開口逐漸減小到硅基底的 第一深度位置，隨后，從所述第一深度位置朝基底的表面的方向逐漸 增大到第二深度位置，并且從所述第二深度位置向所述硅基底的表面 逐漸減小。
全文摘要
本發明公開了一種用于制造液體噴射頭基底的方法，所述基底包括具有用于供應液體的供給端口的硅基底。所述方法包括在硅基底表面上設置蝕刻掩模層，所述蝕刻掩模層在與所述供給端口相對應的部分上具有開口；通過經由蝕刻掩模層上的開口對硅基底進行各向異性蝕刻而在所述硅基底上形成第一凹部；在所述硅基底的第一凹部的表面上形成第二凹部，所述第二凹部朝向硅基底的另一表面延伸；和通過從具有第二凹部的表面對所述硅基底進行各向異性蝕刻而形成供給端口。本發明還公開了相應的液體噴射頭。
文檔編號B41J2/16GK101380847SQ2008102125
公開日2009年3月11日 申請日期2008年9月5日 優先權日2007年9月6日
發明者千田充, 坂井稔康, 小野賢二, 尾崎范保, 阿保弘幸, 阿部和也 申請人:佳能株式會社