專利名稱：一種熱氣泡噴墨印頭的制法及其結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱氣泡噴墨印頭制造方法及其結(jié)構(gòu)，特別是一種單石集成化的熱氣泡噴墨印頭的制造方法及其結(jié)構(gòu)。
公知的熱氧泡噴墨印頭結(jié)構(gòu)，如Hewlett Packard公司(美國(guó)專利No.4,490,728、4,809,428)、Canon公司(美國(guó)專利No.4,596,994、4,723,129)或是Xerox公司(美國(guó)專利No.4,774,530、4,863,560)所開發(fā)的噴墨印頭，大致可分為如

圖1A、1B所示的側(cè)噴式(Sideshooting)以及如圖2A、2B所示的上噴式(Roof Shooting)兩類，其中該圖1B為該圖1A中A-A剖視圖，而該圖2B則為該圖2A中B-B剖視圖。該兩種公知的熱氣泡噴墨印頭的基本結(jié)構(gòu)均包括墨水通道1供墨水噴出的噴孔(nozzle)2及噴孔片(orifice plate)3；形成于一基板4，用于將電能轉(zhuǎn)熱能的能量轉(zhuǎn)換體(energy transducer)10，該能量轉(zhuǎn)換體10可由適當(dāng)布局的熱電阻膜5以及綠6所構(gòu)成；以及形成于該能量轉(zhuǎn)換體10上下的保護(hù)層7、8。該熱氣泡式噴墨印頭的工作原理，采用電阻加熱的能量轉(zhuǎn)換體10來(lái)加熱墨水通道1內(nèi)的墨水以達(dá)到噴墨的目的。當(dāng)要進(jìn)行印刷時(shí)，噴墨印頭接受由打印機(jī)所提供的一電流脈沖(current pulse)，該電流脈沖經(jīng)該導(dǎo)線6傳送至該能量轉(zhuǎn)換體10。于是該能量轉(zhuǎn)換體10此產(chǎn)生急劇的高溫將該墨水汽化，墨水蒸氣的快速膨脹提供一壓力源將墨滴由該噴孔2噴出。
一般公知熱氣泡噴墨印頭的制造方法大多是在硅晶片上生長(zhǎng)一層熱絕緣層，如二氧化硅(SiO2)，再將熱阻材料及導(dǎo)線材料濺鍍沉積(Sputtering)上去，然后利用標(biāo)準(zhǔn)的集成電路制造技術(shù)，如光罩暴光投影蝕刻等，來(lái)形成電熱能量轉(zhuǎn)換體及連接導(dǎo)線，之后再加上其它的保護(hù)層與干膜所構(gòu)成的墨水流道，最后并對(duì)準(zhǔn)一噴孔片粘合而形成噴墨元件。另一種公知的方法，如Xerox公司，則是將墨水流道制作在另一硅晶片上(與該薄膜熱阻所在不同的硅晶片)，再將兩片晶片對(duì)準(zhǔn)接合(bonding)起來(lái)。然而上述公知的方法，須將噴墨印頭分為好幾個(gè)不同的零件再加以組合，例如熱電阻所在的晶片、噴孔片以及構(gòu)成墨水流道的材料等，然后再將各部零件精密對(duì)準(zhǔn)與粘合，因而增加許多噴墨印頭的生產(chǎn)成本。
為了改進(jìn)上述缺點(diǎn)，Eastman Kodax公司在美國(guó)專利No.5,463,411、5,760,804中提到以非等向蝕刻的(110)硅晶片來(lái)制作墨水流道的方法，其中的微流道由晶背貫穿整個(gè)晶片，雖難可用于形成單石集成化的噴墨印頭結(jié)構(gòu)，但必須在晶背面對(duì)薄金屬片(metalfoil)制作控制墨水回流的節(jié)流縫(throttle slit)，且該方法在進(jìn)行非等向性蝕刻時(shí)，會(huì)在該微流道壁面上產(chǎn)生氣泡，使制程的穩(wěn)定性與良率不易控制。
綜上所述，仍有需要發(fā)展一種新的熱氣泡噴墨印頭的制造方法及其結(jié)構(gòu)以解決上述問(wèn)題。
據(jù)此，本發(fā)明的目的在于提供一種單石集成噴墨印頭的制造方法與結(jié)構(gòu)，可達(dá)到簡(jiǎn)化制程、降低生產(chǎn)成本的要求。
根據(jù)上述目的，本發(fā)明利用半體體制程技術(shù)，將組成一熱氣泡噴墨印頭的各部元件，例如，墨水通道(Ink Channel)墨水通入槽(InkSlot)能量轉(zhuǎn)換體(energy transducer)噴孔片(orifice plate)等，均完成于同一基板。此種熱氣泡噴墨印頭的制造方法，特別有利于進(jìn)行分批處理的作業(yè)方式(All Batch process)且毋須傳統(tǒng)噴墨印頭制程的噴孔片精密對(duì)準(zhǔn)粘合的步驟，因而可大幅增進(jìn)生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。
根據(jù)本發(fā)明的一種單石集成化的熱氣泡噴墨印頭的制造方法，在在同一基板上完成組成該噴墨印頭的各部結(jié)構(gòu)，至少包含下列步驟在該基板的上表面形成一第一保護(hù)層，并在該第一保護(hù)層與該基板之間蝕刻形成墨水通通；在該第一保護(hù)層上對(duì)應(yīng)該墨水通道的位置形成能量轉(zhuǎn)換體(energytransducer)以及適當(dāng)?shù)膶?dǎo)線，并以一絕緣層加以保護(hù)；在該基板背面蝕刻至少一連通該墨水通道的墨水通入槽(InkSlot)；在該基板的正面蝕刻形成適當(dāng)?shù)碾娦赃B接墊(pad)以及連通該墨水通道的噴孔；在該基板正面形成一噴孔片(Orifice Plate)。
其中在該基板的上表面形成一第一保護(hù)層，并在該第一保護(hù)層與該基板之間蝕刻形成墨水通道的步驟，包括下列步驟在該上表面形成一圖案化的犧牲層，以定義出墨水通道的圖形。
在該上表面及該犧牲層上形成該第一保護(hù)層，并在該犧牲層上的該第一保護(hù)層開出網(wǎng)孔(mesh)；以非等向性蝕刻技術(shù)蝕刻該犧牲層及該基板的該上表面以形成墨水通道(ink channel)；以及在該第一保護(hù)層上形成一平坦化絕緣層以填滿該網(wǎng)孔。
其中該犧牲層的材料為復(fù)晶硅(Poly silcon)。
其中該犧牲層的材料為非晶硅(Amorphous silicon)。
其中該犧牲層的材料為鋁。
一種單石集成化熱氣泡噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，至少包含一基板，其正面具有一上表面，而背面具有一下表面，讓上表面具有數(shù)個(gè)下凹的墨水通道，該墨水通道與該基板呈水平，其一下表面則形成有至少一墨水通入槽，該墨水通入槽約略垂直貫通該基板而與該墨水通道相連通以供應(yīng)墨水予該墨水通道；一保護(hù)層，被覆于該基板正面，將該墨水通道覆蓋于下；數(shù)個(gè)能量轉(zhuǎn)換體，形成于該平坦化絕緣層上，每一該能量轉(zhuǎn)換體對(duì)應(yīng)一該墨水通道；一絕緣層，被覆于該保護(hù)層以及該能量轉(zhuǎn)換體上；一噴孔片，形成于該絕緣層上，以及數(shù)個(gè)噴孔片，約略垂直貫穿該噴孔片，該絕緣層以及該保護(hù)層，每一該噴孔與一相對(duì)應(yīng)的該墨水通道相連通，以作為墨水噴出的管道，該噴孔與該墨水通入槽的位置分設(shè)于該能量轉(zhuǎn)換體的兩側(cè)。
根據(jù)上述方法所制造的單石集成化噴墨印頭結(jié)構(gòu)，不受公知制程中干膜材料以及電鑄噴孔片(Nozzle Plate by Electroforming)的低解析度限制；可進(jìn)一步將該墨水通道與噴孔縮小，以縮小噴出墨滴的體積，有助于提高噴孔密度與孔縮小，以縮小噴出墨滴的體積，有助于提高噴孔密度與印刷解析度(Dot Per InchDPI)。且該單石集成化的噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，在制造上亦較容易擴(kuò)展成頁(yè)寬式印頭(page-wideprinthead)。
另外，該單石集成化的噴墨結(jié)構(gòu)中，該墨水通入槽與該能量換體及該噴孔分別設(shè)置于該基板的不同面，且該能量轉(zhuǎn)換體與該噴孔在不同位置，如此在提高噴孔密度的線路布局能力上亦較公知的結(jié)構(gòu)為佳。
以下結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的較佳實(shí)施例，以便對(duì)本發(fā)明的目的，構(gòu)造特微及其功能有進(jìn)一步的了解。其中圖1A、1B為公知的一種側(cè)噴式熱氣泡噴墨印頭的結(jié)構(gòu)剖面示意圖；圖2A、2B為公知的一種上噴式熱氣泡噴墨印頭的結(jié)構(gòu)剖面示意圖；圖3A～3M為根據(jù)本發(fā)明的一種熱氣泡噴墨印頭的制造方法的流程剖面圖；圖4A為根據(jù)本發(fā)明的方法所完成的一種熱氣泡噴墨印頭的俯視立體圖；圖4B為根據(jù)本發(fā)明的方法所完成的一種熱氧泡噴墨印頭的仰視立體圖；圖5A表示一種熱氣泡噴墨印頭的墨水通道結(jié)構(gòu)，該墨水通道底部形成有一島狀阻擋結(jié)構(gòu)；圖5B表示另一種熱氣泡噴墨印頭的墨水通道結(jié)構(gòu)，該墨水通道兩側(cè)壁形成一頸狀阻擋結(jié)構(gòu)。
參考圖3A～3M揭露根據(jù)本發(fā)明的一種單石集成化熱氣泡墨印頭的制造方法的流程剖面圖。
首先如圖3A所示，提供一基板20，例如，一硅圓片(siliconwafer)該基板20的正面(top side)具有一上表面21，而其背后(backside)具有一下表面22。
然后，如圖3B所示，在該上表面21上，例如，以化學(xué)蒸鍍的方式，沉積一犧牲層23，該犧牲層23可為多晶硅、非晶硅或鋁等材質(zhì)。
然后，如圖3C所示，以蝕刻方式，例如，干式蝕刻(dry Etch)將該犧牲層23加以圖案化，以定義出墨水通道(Ink Channel)的圖形。
接著，如圖3D所示，沉積一第一保護(hù)層24在該基板20的該上表面21及該犧牲層23上，而在該基板20的該下表面22亦沉積一第二保護(hù)層25。其中該第一保護(hù)層24的材料可為SiC、Sinx、Sio2、SioxNy等，而該第二保證25的材料則可為SiC、Sinx、SiO2SiOxNy等。
然后，如圖3E所示，在該犧牲層23上的該第一保護(hù)層24上開出網(wǎng)孔(mesh)26，該網(wǎng)孔孔洞大小為1～9μm2左右。另外，可同時(shí)對(duì)該基板下表面22的該第二保護(hù)層25進(jìn)行蝕刻，以定義出墨水入口27的大小。
接著，如圖3F所示，以非等向性蝕刻技術(shù)，利用該網(wǎng)孔26作為蝕刻液(例如，KOH)往下刻的窗口，利用該犧牲層23以及該基板20的該上表面21，而在該基板20的該上表面21形成墨水通道40(InkChannels)。同時(shí)亦可在該基板下表面22的該墨水入口27處蝕刻出約力與該墨水通道40同等深度的凹槽。
在完成該墨水通道40的蝕刻后，接著如圖3G所示，在該第一保護(hù)層24上沉積一平坦化絕緣層28填滿該網(wǎng)孔26，使達(dá)到表面平坦化。該平坦化絕緣層28可為單一或多膜層結(jié)構(gòu)，其材質(zhì)可為SiNx、SiC、SiOXNY、Ta2O5、Sio2等。
然后，如圖3H所示，在該平坦化絕緣層28上，例如，以薄膜濺鍍及蝕刻技術(shù)，完成適當(dāng)?shù)臒嶙枘?9及導(dǎo)線30布局，而在對(duì)應(yīng)每一該墨水通道40的位置形成電熱轉(zhuǎn)換的能量轉(zhuǎn)換體(energytransducer)35。在此實(shí)施例中，該能量轉(zhuǎn)換體雖以電熱轉(zhuǎn)換體為例，但并不以此為限，也可為其它形式的能量轉(zhuǎn)換體。
接著，如圖3I所示，在該基板20正面沉積一絕緣層31以保護(hù)該導(dǎo)線30及該電熱轉(zhuǎn)換體35免受外界環(huán)境的侵蝕。該絕緣層31可為單一或多膜層結(jié)構(gòu)，其材質(zhì)可為SiNx、SiC、SiOxNy、Ta2O5或SiO2等膜層的任意組合。然后，自該基板20背面的該墨水入口處，以非等向性蝕刻方式，蝕穿該基板20以形成與該墨水通道40相連通的至少一墨水通入槽(Ink slot)36。較佳來(lái)說(shuō)，該墨水通入槽36與該墨水通道40的一前端41附近相通連。
接著，如圖3J所示，在該絕緣層31上形成一種子金屬層(SeedLayer)32，該種子金屬32可單一或多膜層結(jié)構(gòu)，其材質(zhì)可為Ta、Cr、Au、Ni、Al、Cu、Pd、Pt、Ti、Tiw等的任意組合。
接著，如圖3K所示，蝕刻該種子金屬層32，以定義出噴孔位置及電性連接墊(Pad)的區(qū)域。
然后，如圖3L所示，以蝕刻方式由該基板正面蝕刻出適當(dāng)?shù)碾娦赃B接墊(Pad)33以及連通該墨水通道40的噴孔34。較佳來(lái)說(shuō)，該噴孔34與該墨水通道40的一尾端42附近相連接。
然后，如圖3M所示，以電鍍方式在該種子金屬32上形成一金屬噴孔片37。
上述的實(shí)施例雖以電鍍方式來(lái)形成該噴孔片37，然而本發(fā)明并非以此為限定，該噴孔片亦可以其它方法來(lái)形成，例如，以旋轉(zhuǎn)涂布法(Spincoating)或壓合法(lamination)來(lái)形成塑料噴孔片。若以此兩種方法來(lái)形成塑料噴孔片，則毋需形成該種子金屬層32。
參考圖4A、4B表示根據(jù)上述方法所完成的一種單石集成化噴墨印頭的立體結(jié)構(gòu)。圖4A為該噴墨印頭結(jié)構(gòu)的俯視圖，其中可見于該基板20正面形成的該噴孔片37，以及在該噴孔片37上的數(shù)個(gè)噴孔34。該基板20的正面并曝露出數(shù)個(gè)該接觸墊33。圖4B則為該噴墨印頭結(jié)構(gòu)的仰視圖，其中可見該基板20背面的兩個(gè)該墨水通入槽36。
每一前述的墨水通道40內(nèi)可設(shè)有增加墨水回流阻抗的阻檔結(jié)構(gòu)，其位置介于該墨水通入槽36與該能量轉(zhuǎn)換體35之間。該阻擋結(jié)構(gòu)可為公知的節(jié)流結(jié)構(gòu)(throttle)或如圖5A所示的一種墨水通道的結(jié)構(gòu)，該墨水通道40底部形成一島狀阻檔結(jié)構(gòu)(Island)38。又如圖5B所示的另一種墨水通道的結(jié)構(gòu)，該墨水通道兩側(cè)壁形成一頸狀阻檔結(jié)構(gòu)(Neck)39。
以上所述僅為本發(fā)明其中的較佳實(shí)施例而已，并非用來(lái)限定本發(fā)明的實(shí)施范圍，即凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所作的均等變化與修飾，皆為本發(fā)明權(quán)利要求范圍所覆蓋。
權(quán)利要求
1.一種單石集成化熱氣泡噴墨印頭制造方法，在同一基板上完成該噴墨印頭的各部結(jié)構(gòu)，至少包含下列步驟在該基板的上表面形成一第一保護(hù)層，并在該第一保護(hù)層與該基板之間蝕刻形成墨水通通；在該第一保護(hù)層上對(duì)應(yīng)該墨水通道的位置形成能量轉(zhuǎn)換體以及適當(dāng)?shù)膶?dǎo)線，并以一絕緣層加以保護(hù)；在該基板背面蝕刻至少一連通該墨水通道的墨水通入槽；在該基板的正面蝕刻形成適當(dāng)?shù)碾娦赃B接墊以及連通該墨水通道的噴孔；在該基板正面形成一噴孔片。
2.如權(quán)利要求1所述的單石集成化熱氣泡噴墨印頭的制造方法，其中在該基板的上表面形成一第一保護(hù)層，并在該第一保護(hù)層與該基板之間蝕刻形成墨水通道的步驟，包括下列步驟在該上表面形成一圖案化的犧牲層，以定義出墨水通道的圖形；在該上表面及該犧牲層上形成該第一保護(hù)層，并在該犧牲層上的該第一保護(hù)層開出網(wǎng)孔；以非等向性蝕刻技術(shù)蝕刻該犧牲層及該基板的該上表面以形成墨水通道；以及在該第一保護(hù)層上形成一平坦化絕緣層以填滿該網(wǎng)孔。
3.如權(quán)利要求2所述的單石集成化熱氣泡噴墨印頭的制造方法，其中該犧牲層的材料為復(fù)晶硅。
4.如權(quán)利要求2所述的單石集成化熱氣泡噴墨印頭的制造方法，其中該犧牲層的材料為非晶硅。
5.如權(quán)利要求2所述的單石集成化熱氣泡噴墨印頭的制造方法，其中該犧牲層的材料為鋁。
6.如權(quán)利要求2所述的單石集成化熱氣泡噴墨印頭的制造方法，其中該網(wǎng)孔的孔洞大小為1～9μm2。
7.如權(quán)利要求2所述的單石集成化熱氣泡噴墨印頭的制造方法，其中該平坦化絕緣層選自SiNx、SiC、SiOxNy、Ta2O5、SiO2膜層所組成的族群中的任何一種單一或多膜層結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求1所述的單石集成化熱氣泡噴墨印頭的制造方法，其中該噴孔片系以旋轉(zhuǎn)涂布法所形成的塑料噴孔片。
9.如權(quán)利要求1所述的單石集成化熱氣泡噴墨印頭的制造方法，其中該噴孔片系以壓合法所形成的塑料噴孔片。
10.如權(quán)利要求1所述的單石集成化熱氣泡噴墨印頭的制造方法，其中該噴孔片是以電鍍方式所形成的金屬噴孔片。
11.如權(quán)利要求10所述的單石集成化熱氣泡噴墨印頭的制造方法，其中在蝕刻出該電性連接墊以及該噴孔之前，還包含在該絕緣層上形成一種子金屬層的步驟。
12.如權(quán)利要求11所述的單石集成化熱氣泡噴墨印頭的制造方法，其中該種子金屬選自Ta、Cr、Au、Ni、Al、Cu、Pd、Pt、Ti、Tiw膜層所組成的族群中的任何一種單一或多膜層結(jié)構(gòu)。
13.如權(quán)利要求1所述的單石集成化熱氣泡噴墨印頭的制造方法，其中該基本為一硅基板。
14.如權(quán)利要求1所述的單石集成化熱氣泡噴墨印頭的制造方法，其中該第一保護(hù)層選自SiC、SiNx、SiO2、SiOxNy膜層所組成的族群中的任何一種單一或多膜層結(jié)構(gòu)。
15.如權(quán)利要求1所述的單石集成化熱氣泡噴墨印頭的制造方法，更包含在該基板的一下表面形成一第二保護(hù)層的步驟。
16.如權(quán)利要求15所述的單石集成化熱氣泡噴墨印頭的制造方法，其中該第二保護(hù)層選自SiC、SiNx、SiO2、SiOxNy膜層所組成的族群中的任何一種單一或多膜層結(jié)構(gòu)。
17.如權(quán)利要求1所述的單石集成化熱氣泡噴墨印頭的制造方法，其中該絕緣層選自SiNx、SiC、SiOxNy、Ta2O5、SiO2膜層所組成的族群的任何一單一或多膜層結(jié)構(gòu)。
18.一種單石集成化熱氣泡噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，至少包含一基板，其正面具有一上表面，而背面具有一下表面，讓上表面具有數(shù)個(gè)下凹的墨水通道，該墨水通道與該基板呈水平，其一下表面則形成有至少一墨水通入槽，該墨水通入槽約略垂直貫通該基板而與該墨水通道相連通用以供應(yīng)墨水予該墨水通道；一保護(hù)層，被覆于該基板正面，將該墨水通道覆蓋于下；數(shù)個(gè)能量轉(zhuǎn)換體，形成于該平坦化絕緣層上，每一該能量轉(zhuǎn)換體對(duì)應(yīng)一該墨水通道；一絕緣層，被覆于該保護(hù)層以及該能量轉(zhuǎn)換體上；一噴孔片，形成于該絕緣層上，以及數(shù)個(gè)噴孔片，約略垂直貫穿該噴孔片，該絕緣層以及該保護(hù)層，每一該噴孔與一相對(duì)應(yīng)的該墨水通道相連通，以作為墨水出的管道，該噴孔與該墨水通入槽的位置分設(shè)于該能量轉(zhuǎn)換體的兩側(cè)。
19.如權(quán)利要求18所述的單石集成化熱氣泡噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，其中該基板為一硅基板。
20.如權(quán)利要求18所述的單石集成化熱氣泡噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，其中該墨水通道以及該墨水通入槽以蝕刻方式直接形成于該基板。
21.如權(quán)利要求18所述的單石集成化熱氣泡噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，其中該噴孔片為金屬噴孔片。
22.如權(quán)利要求18所述的單石集成化熱氣泡噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，其中該噴孔片為塑料噴孔片。
23.如權(quán)利要求18所述的單石集成化熱氣泡噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，其中每一該墨水通道內(nèi)設(shè)有一增加墨水回流阻抗的阻擋結(jié)構(gòu)，其位置介于該能量轉(zhuǎn)換體與該墨水通入槽之間。
24.如權(quán)利要求23所述的單石集成化熱氣泡噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，其中該回流阻檔結(jié)構(gòu)為形成于該墨水通道的底部的島狀阻檔結(jié)構(gòu)。
25.如權(quán)利要求23所述的單石集成化熱氣泡噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，其中該回流阻擋結(jié)構(gòu)為形成于該墨水通道兩側(cè)壁的頸狀阻擋結(jié)構(gòu)。
26.如權(quán)利要求18所述的單石集成化熱氣泡噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，其中該能量轉(zhuǎn)換體為由適當(dāng)布局的熱電阻膜層與導(dǎo)線所組成的電熱能量轉(zhuǎn)換體。
全文摘要
一種單石集成化的熱氧泡噴墨印頭的制造方法及其結(jié)構(gòu),將組成一熱氧泡噴墨印頭的各部元件,如墨水通道、墨水通入槽、能量轉(zhuǎn)換體、噴孔片,均完成于同一基板,其中該墨水通道以非等向性蝕刻該基板的上表面而形成,而該墨水通入槽則以非等向性蝕刻該基板的下表面而形成,而該能量轉(zhuǎn)換體與該噴孔片則利用鍍膜與蝕刻技術(shù)依序形成于該墨水通道上方。該方法,特別有利于進(jìn)行分批的作業(yè),因而可大幅增進(jìn)生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)B41J2/14GK1362330SQ01100028
公開日2002年8月7日 申請(qǐng)日期2001年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月4日
發(fā)明者武東星, 鄭陳煜, 胡紀(jì)平, 吳義勇, 李憶興 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院