專利名稱：具有改進(jìn)的液體腔室的液滴噴射器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般說來，本發(fā)明涉及整體形成的液體腔室，更具體地說，本發(fā)明 涉及在噴墨裝置和其它液滴噴射器(或液滴噴射裝置)中使用的液體腔室。
背景技術(shù)：
已知按照要求的滴落(或轉(zhuǎn)轍指令(DOD))液體發(fā)射裝置作為噴 墨打印系統(tǒng)(或噴墨印刷系統(tǒng))中的墨水打印裝置(或墨液印刷裝置) 已經(jīng)很多年了。早期的裝置以壓電致動(dòng)器為基礎(chǔ)，比如Kyser等人在美 國專利No. 3946398和Stemme在美國專利No. 3747120中公開的那些裝 置。噴墨打印的一種當(dāng)前流行的形式即熱噴墨(或者"氣嚢噴射")采 用電阻加熱器以產(chǎn)生蒸汽氣泡，所述蒸汽氣泡引起液滴發(fā)射，如Hara 等人在美國專利No. 4296421中討論過的那樣。雖然對于液滴噴射器的 大多數(shù)市場是用于墨水的打印，但是其它的市場正在出現(xiàn)，比如聚合物 的噴射，導(dǎo)電墨水的噴射，或者藥物的輸送。
在過去，打印頭的制作涉及到將一個(gè)噴嘴板層壓到打印頭上。用這 種方法，將噴嘴對準(zhǔn)加熱器是有困難的。另外，將噴嘴板的厚度限制在 一定的厚度以上。最近已經(jīng)通過采用光學(xué)成像技術(shù)的打印頭制造過程開 發(fā)出了整體打印頭。通過選擇性地添加和減去多種材料的層，在一個(gè)基 底上構(gòu)造出部件。
Ohkuma等人在美國專利No. 5478606中公開一種用一個(gè)噴嘴板整 體地制作出墨水流動(dòng)路徑和腔室的方法。圖1圖示出帶有基底1的先有 技術(shù)，所述基底包含電熱件2和墨水饋送口 3。在可溶解的樹脂的頂部 形成可用光學(xué)成形出圖案的樹脂5，它確定出包括腔室4的墨水流動(dòng)^各 徑。隨后將可溶解的樹脂除去，以形成墨水流動(dòng)路徑和腔室。
在這種形成墨水流動(dòng)路徑和腔室的方法中，把包含電加熱件2的基 底1與形成墨水流動(dòng)路徑的部件連接起來要依賴于構(gòu)成形成流動(dòng)路徑的 部件的樹脂5的粘接作用力。在噴墨頭中，在正常的使用狀態(tài)下，流動(dòng) 路徑和腔室總被墨水充滿，從而使得在基底與形成流動(dòng)路徑的部件之間
5的連接部分的周邊總與墨水接觸。因此，如果僅只靠構(gòu)成形成流動(dòng)路徑 的部件的樹脂材料的粘接作用力實(shí)現(xiàn)連接，由于墨水的影響可能使這種 粘接作用變差。而在堿性墨水中所述粘接作用特別地差。
此外，在大多數(shù)熱噴墨頭中，樹脂材料在不同的區(qū)域粘接到比如氮 化硅或氧化硅的無機(jī)物層上。在其它區(qū)域，所述樹脂粘接到用于氣穴保
護(hù)(cavitation protection)的鉭材料層(或鉭層)上。這一鉭層粘接到構(gòu) 成形成流動(dòng)路徑的部件的樹脂質(zhì)材料上的作用力比氮化硅層的粘接作 用力要小。因此，樹脂可能由鉭層上剝落。為了防止出現(xiàn)這種情況，Yabe 在美國專利No. 6676241中z^開了在基底與形成流動(dòng)^各徑的部件之間形 成一個(gè)含有聚酰胺樹脂(polyetheramide resin )(或由其組成)的粘接 層。在這種情況下，在氮化硅或鉭層與連接形成流動(dòng)路徑的部件的樹脂 之間可以保持改進(jìn)了的粘接作用。然而，重要的是，必須將這個(gè)粘接層 形成適當(dāng)?shù)膱D案，使得沒有任何一部分與電熱件接觸。將這一層形成圖 案在制作中包含有額外的步驟，增加了花費(fèi)，并且降低了生產(chǎn)率。另外， 因?yàn)闃?gòu)成流動(dòng)路徑件的樹脂仍然與墨水接觸，所以樹脂可能膨脹，使得 應(yīng)力在樹脂與粘接層之間擴(kuò)展，仍然會(huì)造成流動(dòng)路徑部件的脫層。
Stout等人在美國專利No. 6739519中也公開了 一種在一層犧牲的保 護(hù)層(a sacrificial resist layer )上采用可光學(xué)成形的環(huán)氧樹脂 (photodefinable epoxy)用 一個(gè)噴嘴板或者替代地用可光學(xué)成形的環(huán)氧 樹脂的兩次曝光整體地制作出墨水流動(dòng)路徑和腔室的方法。該專利討論 了在環(huán)氧樹脂噴嘴板與基底之間持續(xù)粘接的問題。因?yàn)榄h(huán)氧樹脂的熱膨 脹系數(shù)比基底的大得多，在加熱器的點(diǎn)火過程中可能出現(xiàn)熱應(yīng)力，導(dǎo)致 出現(xiàn)脫層。所述專利提出在噴嘴板與基底之間采用一個(gè)底層涂料層(a primerlayer)。然而，環(huán)氧樹脂的界面仍然非?？拷訜崞?。
由樹脂材料制成的噴嘴板會(huì)透氣。因此，在噴嘴板下面的腔室中的 墨水會(huì)越來越多地蒸發(fā)。結(jié)果，在腔室中的墨水的性質(zhì)比如粘性可能改 變，使得噴射特性變差。另外，由外面進(jìn)入腔室的空氣可能形成氣泡， 同樣會(huì)使噴射變差。Inoue等人在美國專利No. 6186616中公開了將一個(gè) 金屬層添加到噴嘴板樹脂的頂面上，以防止吸收空氣。然而，必須特別 小心地在樹脂與金屬層之間形成好的粘接。另外，金屬必須與墨水相容， 使得金屬不會(huì)被腐蝕。由于對樹脂材料的熱限制，不能采用在較高溫度 下沉積的材料。關(guān)于用環(huán)氧樹脂形成的腔室的內(nèi)側(cè)面，另 一個(gè)問題是用墨水使腔室 壁變濕。用墨水將內(nèi)腔室壁變濕很重要。否則打印頭的起動(dòng)將是困難的。 另外，在噴射出一個(gè)液滴之后，使腔室沒有墨水，并且必須在可以噴射 出另 一個(gè)液滴之前完全充填該腔室。不能變濕的壁將妨礙這個(gè)重新充填 過程。例如可以通過暴露給氧等離子體減小環(huán)氧樹脂的壁的接觸角。然 而，經(jīng)過一段時(shí)間表面將返回到不能變濕的狀態(tài)。另外，氧等離子體會(huì) 使環(huán)氧樹脂的表面變粗糙，這也會(huì)妨礙重新充填的過程。
因此，對于用墨水變濕的內(nèi)腔室壁用 一種替代的選擇比如氧化硅或 氮化硅可能是有利的。這樣的層對于在打印頭中采用的基底層具有極好 的粘接能力。在高溫下沉積這些層，并且這些層對于與墨水接觸的應(yīng)用
有其它的極好性能，比如材料的堅(jiān)固性，熱膨脹率低，濕氣吸收少，
以及可以透過濕氣。
Ramaswami等人在美國專利No. 6482574中公開了 一種全無機(jī)物的 腔室，通過沉積厚度為5-20微米的氧化物層，形成圖案、并且進(jìn)行刻蝕 以形成該腔室，填充一層犧牲層并使該層變成平面，沉積一個(gè)噴嘴板， 并且除去那層犧牲材料。以很長的沉積和刻蝕時(shí)間加工這樣的厚氧化物 層是困難的。這些厚的層也會(huì)由于應(yīng)力的積累形成裂紋。
在共同受讓的美國專利No. 6644786中7>開了 一種用于熱致動(dòng)器液 滴噴射器的形成腔室的方法。將不能光學(xué)成像的聚酰亞胺的圖案形成所 述犧牲層，使得可以沉積一個(gè)高溫?zé)o機(jī)物結(jié)構(gòu)層，比如氧化硅或氮化硅 層能形成腔室壁和噴嘴板。在這種情況下，僅只需要一次無機(jī)物層的沉 積就可以確定出腔室壁和噴嘴板。雖然這個(gè)過程消除了聚合物噴嘴板的 缺點(diǎn)，但是氧化硅層是一種脆性材料，使得包括用這種方法制作的腔室 的打印頭可能更為脆弱。同樣，較厚的無機(jī)物噴嘴板更難生產(chǎn)。無機(jī)物 噴嘴板的另一方面是它難以形成有回縮型線(a retrograde profile )的噴 嘴。有回縮型線的噴嘴對于液滴噴射的穩(wěn)定性和重新充填或充滿是有利 的。
因此，對于這樣的腔室形成過程有需求該過程提供對基底的良好 的粘接，有好的穩(wěn)定性和相對墨水有變濕性能的內(nèi)腔室材料，可調(diào)節(jié)的 噴嘴板的厚度，有回縮型線的噴嘴，以及不會(huì)被墨水變濕的頂表面。
發(fā)明內(nèi)容
7本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種液體噴射器，它具有粘接到所述液體 噴射器的基底上的機(jī)械上堅(jiān)固的液體腔室。
向所述液體噴射器的液體腔室提供穩(wěn)定的且可被提供給該腔室的 液體變濕的內(nèi)腔室壁材料，從而改進(jìn)該液體腔室的使用壽命也是本發(fā)明 的一個(gè)目的。
按照本發(fā)明的一個(gè)方面， 一種液滴噴射器包括一基底和一用來容納 液體的液體腔室。該液體腔室定位在基底之上，并包括一噴嘴板， 一腔 室壁和一襯里層。噴嘴板和腔室壁包括有機(jī)物材料。襯里層包括無機(jī)物 材料。將襯里層設(shè)置在噴嘴板和腔室壁上，使得當(dāng)在腔室中存在液體時(shí) 無才幾物材并?？膳c液體接觸。
按照本發(fā)明的另 一個(gè)特點(diǎn)， 一種制作液體噴射器的方法包括提供一
基底；并且在該基底之上形成一液體腔室，并通過以下步驟包括一噴嘴 板， 一腔室壁和一襯里層在基底之上設(shè)置第一有機(jī)物材料；使第一有 機(jī)物材料形成圖案，以產(chǎn)生用于腔室壁的位置；通過在形成圖案的第一 有機(jī)物材料上沉積一層無機(jī)物材料形成襯里層；通過在無機(jī)物材料之上 沉積第二有機(jī)物材料形成噴嘴板和腔室壁，使得襯里層的無機(jī)物材料位 于噴嘴板和腔室壁上，并且，當(dāng)在腔室中存在液體時(shí)這些無機(jī)物材料可 與液體接觸；并且，除去已經(jīng)形成圖案的第一有機(jī)物材料的一部分。
在下面提供的對本發(fā)明的實(shí)施例的詳細(xì)描述中，要參考附圖，在附 圖中
圖l是按照先有技術(shù)的噴墨打印頭的剖面示意圖； 圖2是按照本發(fā)明的噴墨系統(tǒng)的示意圖3 A和3 B分別是在圖2中示出的噴墨打印頭在噴嘴附近的頂視圖 和按照本發(fā)明沿著線A-A取的噴墨打印頭的剖面圖4是按照本發(fā)明的內(nèi)襯里層和相對應(yīng)的墨水腔室的實(shí)施例的剖開 透視圖5A-5I是用于本發(fā)明的過程的一個(gè)實(shí)施例的剖面圖； 圖6是本發(fā)明用來產(chǎn)生不變濕的噴嘴板表面的過程的 一個(gè)實(shí)施例的 剖面圖7是噴墨打印頭的透視圖，示出了按照本發(fā)明刻蝕進(jìn)入聚酰亞胺鈍化層(passivation layer)中的夾緊結(jié)構(gòu)；以及
圖8A-8G為用于本發(fā)明的過程的第二實(shí)施例的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
給出的描述將特別針對形成按照本發(fā)明的設(shè)備(或裝置)的一部分 的那些部件或者更直接地與按照本發(fā)明的設(shè)備協(xié)同工作的那些部件。應(yīng) 該理解，沒有具體地示出或描述的那些部件可以取本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟 知的多種形式。
如下面所描述的那樣，本發(fā)明提供一種用來形成用于液滴噴射器 (液滴噴射裝置)的噴嘴板和腔室的方法。這些裝置中最熟悉的是用做 噴墨打印系統(tǒng)中的打印頭。也出現(xiàn)了許多其它應(yīng)用，這些應(yīng)用采用與噴 墨打印頭類似的裝置，然而所述裝置發(fā)射液體而不是墨水，這些液體需 要進(jìn)行精細(xì)地計(jì)量，并且以很高的空間精度沉積這些液體。在這里將可 互換地使用噴墨和液滴噴射器這兩個(gè)術(shù)語。下面描述的本發(fā)明也提供用 于液滴噴射器的改進(jìn)的腔室和噴嘴板。
圖2是結(jié)合有按照本發(fā)明制作的液體噴射器的噴墨打印系統(tǒng)的示意 圖。所述系統(tǒng)包括圖像數(shù)據(jù)源12,所述圖像數(shù)據(jù)源提供由控制器14接 收的信號(hào)，作為打印液滴的命令?？刂破?4將信號(hào)輸出到電脈沖源16。 電脈沖源16進(jìn)而產(chǎn)生包括電能脈沖(或由其組成)的電壓信號(hào)，所述 電壓信號(hào)^皮施加到噴墨打印頭20內(nèi)的電熱加熱器2上。脈沖源16可以 與打印頭分開。在優(yōu)選實(shí)施例中，將脈沖源16集成到打印頭中。噴墨 打印頭20包括噴嘴陣列18和相關(guān)聯(lián)的電熱件2。墨水貯室48將墨水供 應(yīng)到所述打印頭。電能脈沖造成液體通過噴嘴18的噴射，與脈沖的電 熱加熱器相關(guān)聯(lián)，發(fā)射出液滴50,所述液滴落在記錄介質(zhì)100上。
圖3A圖示出圖2的噴墨打印頭20在噴嘴區(qū)域附近的示意性頂一見 圖。在一個(gè)實(shí)施例中，將噴嘴18按兩排布置。4吏每一排中的噴嘴偏置， 以實(shí)現(xiàn)打印頭的npi分辨。在其它實(shí)施例中，可將每排中的噴嘴陣列錯(cuò) 開，或者可將噴嘴的圖案安排成一個(gè)二維陣列。
圖3B為在圖3A中示出的實(shí)施例穿過剖面A-A取的剖面圖，將此 圖布置成能夠示出用于兩排的噴嘴區(qū)域。在這個(gè)實(shí)施例中，在基底的前 側(cè)面或第一側(cè)面上形成或沉積出薄膜疊置體22。在一個(gè)實(shí)施例中，基底 l是硅。在其它實(shí)施例中，基底l是下列材料之一多晶硅，石英，不銹鋼，或者聚酰亞胺。
熱屏蔽層(或熱阻擋層)24可以由多種材料制成，比如沉積的二氧
化硅，場氧化物(field oxide)，玻璃(BPSG)和氮氧化物。這一層實(shí) 現(xiàn)了電熱加熱器2與基底1之間的熱絕緣和電絕緣。在熱屏蔽層24的 頂面上是電阻加熱(或加熱器)層26。在這個(gè)實(shí)施例中，這個(gè)電阻加熱 層由三元的鉭硅氮化物材料制成。
在電阻加熱層26的頂面上沉積有導(dǎo)電層28。所述導(dǎo)電層28由典型 地在MOS制造中采用的金屬比如鋁或者包含銅和/或硅的鋁合金制成。 使所述導(dǎo)電層28形成圖案并對所述導(dǎo)電層進(jìn)行刻蝕，以形成導(dǎo)電跡線 (或傳導(dǎo)跡線)，所述導(dǎo)電跡線連接到在噴墨打印頭20上制作出的控 制線路上，且所述導(dǎo)電層也形成電熱加熱器2。
如在圖3B中所示，接著沉積絕緣的鈍化層30。這一絕緣的鈍化層 30可以由氮化硅，氧化硅和碳化硅，或者這些材料的任意組合制成。在 所述絕緣的鈍化層30的頂面沉積有保護(hù)層32。所述保護(hù)層32由鉭，鉭 硅的氮化物或者兩種材料的組合制成。這一層保護(hù)電熱件使它不接觸到 墨水。穿過薄膜疊置體向下直到基底1刻蝕出兩個(gè)墨水饋送口 6,且也 用來在噴嘴刻蝕過程中保護(hù)下面的那些層。
圖3B也示出了穿過基底1,熱屏蔽層24,絕緣鈍化層30和保護(hù)層 32刻蝕出來的墨水饋送口 3。在這個(gè)實(shí)施例中，所述墨水饋送口3是供 應(yīng)所有噴嘴的長狹槽。在其他實(shí)施例中，所述墨水饋送口 3可以是開孔 陣列。采用干法刻蝕和/或濕法刻蝕形成所述墨水饋送口 3。
在圖3B中也示出了內(nèi)無機(jī)物層34,它形成墨水腔室36的內(nèi)壁。在 某些實(shí)施例中，可以使用不是墨水的液體。在一個(gè)實(shí)施例中，這種內(nèi)無 機(jī)物層34是一種無機(jī)物材料，比如氮化硅，氧化硅，無定形硅，或者 二氧化硅?？梢允褂闷渌牧希@包括金屬比如鉭。所述內(nèi)無機(jī)物層34 直接與墨水接觸，且因此將所述材料選擇成針對墨水具有優(yōu)越的性能。 所述內(nèi)無機(jī)物層34也與保護(hù)層32和絕緣的鈍化層30接觸(未示出)。 可以采用等離子體增強(qiáng)的化學(xué)蒸汽沉積在高溫下沉積選擇用于內(nèi)無機(jī) 物層34的無機(jī)物材料，所述材料可以實(shí)現(xiàn)對于這兩層材料的優(yōu)良的粘 接。腔室壁38包括當(dāng)沉積無機(jī)物層34時(shí)形成的兩個(gè)無機(jī)物材料區(qū)域。 第一區(qū)域當(dāng)在腔室36中有液體時(shí)可與液體接觸。無機(jī)物材料的第二區(qū) 域39通過間隙與可與液體接觸的那部分無機(jī)物材料分開，從而使得當(dāng)
10在腔室36中有液體時(shí)這個(gè)第二區(qū)域39不會(huì)與液體接觸。
腔室在裝置的其它區(qū)域上方的外面是厚的聚酰亞胺鈍化層40和頂 部襯里層42。在沉積內(nèi)無機(jī)物層34的同時(shí)沉積所述頂部襯里層42。鈍 化層40和頂部襯里層42的組合保護(hù)在噴墨打印頭20上的裝置線路(或 電路)不會(huì)由于環(huán)境影響和與墨水接觸而變差。
在內(nèi)無機(jī)物層34和頂部襯里層42的頂面上沉積噴嘴板有機(jī)物層 44。所述噴嘴板有機(jī)物層44使噴墨打印頭的表面變成平面，并且充填 或充滿由內(nèi)無機(jī)物層34和第二區(qū)域的無機(jī)物材料39形成的腔室側(cè)壁 38。在一個(gè)實(shí)施例中，所述噴嘴板有機(jī)物層44是一種可光學(xué)成像的環(huán) 氧樹脂，比如由Microchem公司制造的SU-8。在另一個(gè)實(shí)施例中，這 種材料是聚酰亞胺或BCB或其它可光學(xué)成像的聚合物或者光敏感的硅 電介質(zhì)。所述噴嘴板有機(jī)物層44與內(nèi)無機(jī)物層34 —起形成墨水腔室36, 并且形成噴嘴18,穿過所述噴嘴噴射出墨水，在墨水被相對應(yīng)的電熱件 2加熱的實(shí)施例中形成墨滴50。
圖4示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的打印頭的剖開圖。內(nèi)無機(jī)物層34 和噴嘴板有機(jī)物層44形成腔室壁。在這個(gè)實(shí)施例中，墨水饋送口 3是 位于兩排噴嘴18之間的長狹槽。如在圖4中所示，在這個(gè)實(shí)施例中， 也存在有由內(nèi)無機(jī)物層34和所述噴嘴板有機(jī)物層44形成的過濾(器) 立柱46。在這個(gè)實(shí)施例中，它們穿過保護(hù)層和絕緣的鈍化層伸展，并且 -故裝接到基底1上。在其它實(shí)施例中，這些過濾立柱46可以由頂腔室 壁懸伸出。
圖5A-5I圖示出形成噴墨打印頭20的過程，在該打印頭中用噴嘴板 形成腔室，且所述腔室包括內(nèi)襯里層。圖5A示出了在腔室形成前的基 底，其中在基底上已經(jīng)形成了驅(qū)動(dòng)器和控制線路或電路(未示出)。也 示出了薄膜疊置體22,如前面已經(jīng)描述過的那樣，其包括電熱加熱器2。 用于墨水饋送口 3的狹槽穿過薄膜疊置體開放，向下通到基底1。
圖5B圖示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中涂布或者施加了一種不能 光學(xué)成像的聚酰亞胺48。所選擇的聚酰亞胺是一種帶有熱膨脹系數(shù)小， 好的變成平面的性能，并且沒有添加任何組分比如光激活組分的材料。 一種這樣的聚酰亞胺是來自HD Microsystems公司的PI261L聚酰亞胺 48確定腔室的高度。在亞胺化烘烤(imidizatkmbake )之后所述聚酰亞 胺48的厚度在范圍8-16微米。在優(yōu)選實(shí)施例中，高度為13-14微米。亞胺化烘烤在300-4000C之間的溫度下歷時(shí)一小時(shí)。在這個(gè)實(shí)施例中， 將溫度選擇成比后續(xù)的處理溫度高或者等于后續(xù)的處理溫度。
圖5C圖示出沉積在有機(jī)物材料48上的硬掩才莫52。所述硬掩才莫52 是通過PECVD沉積的氮化硅，氧化硅，或者是通過濺射沉積的鋁。在 優(yōu)選實(shí)施例中，所述硬掩模52是氮化硅。涂布形成保護(hù)層51的硬掩模， 并且使所述硬掩模形成圖案。通過干法刻蝕例如采用 一種用于氮化物的 以氟為基的等離子體刻蝕將所述圖案轉(zhuǎn)移到所述硬掩模52上。
圖5C示出了沉積在聚酰亞胺48上的形成圖案的硬掩才莫52。所述 硬掩模52是通過PECVD沉積的氮化硅，氧化硅，或者是通過濺射沉積 的鋁。用保護(hù)層(resist)并且通過采用例如用于氮化物的以氟為基的等 離子體干法刻蝕形成硬掩模的圖案。如在圖5D中所示，隨后采用一種
低壓高密度等離子體比如以氧作為主要?dú)怏w組分的感應(yīng)耦合等離子體 將硬掩模52的圖案轉(zhuǎn)移到聚酰亞胺48中。被轉(zhuǎn)移的圖案將形成腔室壁 38，立柱46，以及粘接結(jié)構(gòu)60(未示出)。在接合墊(或鍵墊(bond pad)) 區(qū)域62 (未示出)之上的聚酰亞胺層48也^f皮去掉。這種低壓感應(yīng)耦合 等離子體刻蝕產(chǎn)生非常垂直的刻蝕型線，有最少的底切(undercut), 從而可以獲得精確的腔室?guī)缀涡螤?。隨后采用干法刻蝕或濕法刻蝕將硬 掩模52除去。將聚酰亞胺層分成兩個(gè)區(qū)域，保護(hù)基底上的線路并對噴 嘴板提供機(jī)械支承的聚酰亞胺鈍化層40和形成墨水腔室36的聚酰亞胺 犧牲層54。
圖5E圖示出本發(fā)明的內(nèi)無機(jī)物層34,無機(jī)物材料的第二區(qū)域39 和頂部襯里層42的沉積。在優(yōu)選實(shí)施例中，內(nèi)襯里層是采用等離子體 增強(qiáng)的化學(xué)蒸汽沉積(PECVD)在350-400QC下沉積的氮化硅或氧化硅。 聚酰亞胺犧牲層54的應(yīng)用使得高溫沉積成為可能，而這在先有技術(shù)中 是不可能的，在先有技術(shù)中采用保護(hù)層作為犧牲層。這樣導(dǎo)致沉積出密 度較高的較高品質(zhì)的材料，所述材料將更能抵御墨水，并且有更好的粘 接性能。選擇氮化硅或氧化硅作為內(nèi)襯里層賦予了親水的腔室，所述親 水的腔室與先有技術(shù)的表面能低的環(huán)氧樹脂腔室相比將提供更好的墨 水充填，并且較少可能形成空氣氣泡。內(nèi)襯里層的厚度在0.2微米與7 微米之間，更可取地為l-2微米。典型地，在本實(shí)施例中，這種沉積技 術(shù)對于腔室壁38實(shí)現(xiàn)了 50-60%的側(cè)壁覆蓋。將腔室壁38的寬度選擇成 使得內(nèi)襯里層的沉積在內(nèi)無機(jī)物層34與無機(jī)物材料的第二區(qū)域39之間的腔室壁中留有間隙。
圖5F示出了涂布或施加可光學(xué)成像的環(huán)氧樹脂，形成用于噴嘴板 有機(jī)物層44的變成平面的表面，以及充填腔室壁38和過濾立柱46。將 可光學(xué)成像的環(huán)氧樹脂有機(jī)物層的涂布厚度選擇成比無機(jī)物襯里層的 厚度要厚。有機(jī)物材料層44的至少一部分定位于第一區(qū)域的無機(jī)物材 料層34與第二區(qū)域的無機(jī)物材料層39之間。將可光學(xué)成像的環(huán)氧樹脂 曝光，以形成噴嘴18,所述噴嘴可以呈現(xiàn)出豎直或者回縮的型線，并且 開通到接合墊區(qū)域62 (未示出)。噴嘴板層的厚度在3.0微米與20微 米之間，更可取地為10-12樣i米。
接著可選地將基底1變薄到300-400孩么米的厚度，并用保護(hù)層在背 面上形成圖案。在圖5G中，如在本技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知的那樣，用Bosch 過程采用深度反應(yīng)離子刻蝕將圖案刻蝕穿透硅基底1，以在基底中形成 墨水饋送口 3。
在圖5H中，采用通過饋送口區(qū)域3的氧等離子體穿過基底的背面 在前側(cè)面和噴嘴板有機(jī)物層44 ^L保護(hù)的條件下除去犧牲的聚酰亞胺區(qū) 域。內(nèi)無機(jī)物層34保護(hù)噴嘴板有機(jī)物層44不會(huì)受到氧等離子體侵?jǐn)_。 犧牲的聚酰亞胺層的去除導(dǎo)致形成墨水腔室36,并且打開墨水饋送口 3 的頂部。
在所述過程中的這一刻，內(nèi)無機(jī)物層34使噴嘴18堵塞。在圖51 中，將內(nèi)無機(jī)物層34由所述噴嘴區(qū)域刻蝕掉。在一個(gè)實(shí)施例中，內(nèi)襯 里層是氮化硅，在這種情況下，采用高壓下的以氟為基的等離子體。所 述刻蝕不用掩模，以噴嘴板有機(jī)物層44用做刻蝕掩模，因?yàn)樗鼘τ诘?化物刻蝕是選擇性的。保護(hù)層32對于等離子體刻蝕也是選擇性的，并 且保護(hù)加熱器區(qū)域免受侵?jǐn)_。在一個(gè)替代的實(shí)施例中，內(nèi)襯里層是氧化
硅。在這種情況下，可以采用HF蒸汽刻蝕以將氧化物由噴嘴區(qū)域除去。 所述裝置的運(yùn)行如下。將一個(gè)電脈沖加到電熱加熱器2上。加熱脈 沖造成一個(gè)氣泡在腔室中成核，其成長，將來自墨水腔室36的墨水以 液滴的形式通過噴嘴18排出，且也向后朝向墨水饋送口推動(dòng)墨水，使 墨水腔室的大部分不再有墨水。重新充填或充滿墨水腔室36所用的時(shí) 間限制了所述裝置的噴射頻率。疏水的腔室壁將增加重新充填的時(shí)間， 使得在下一次噴射脈沖之前不能完全充滿腔室。這進(jìn)而造成噴射出較小 的并且未對準(zhǔn)的液滴，或者在最壞的情況下，沒有任何液滴。疏水的腔
13室壁也會(huì)更傾向于在重新充填的過程中存留氣泡。在墨水饋送口的腔室 中存留的氣泡同樣會(huì)使液滴的噴射變差。在先有技術(shù)中采用的有機(jī)材料 比在本發(fā)明中的無機(jī)襯里層更疏水。本發(fā)明通過采用對于以水為基的墨 水有較高表面能的無機(jī)材料可以自由地調(diào)節(jié)腔室，使腔室成為親水的。
我們也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)形成腔室壁38的高溫等離子體沉積的氮化硅和 氧化硅比以環(huán)氧樹脂為基的材料能夠更好地粘接到基底上的保護(hù)層和 鈍化層上。因此，所述裝置更堅(jiān)固，能夠長時(shí)間不出現(xiàn)脫層。
有機(jī)物為基的噴嘴板的附加應(yīng)用使得打印頭在機(jī)械上堅(jiān)固并且容 易制造。因此，保留了以環(huán)氧樹脂為基的噴嘴板的優(yōu)點(diǎn)，而將缺點(diǎn)減少 或者甚至消除掉。
取決于設(shè)想的應(yīng)用，噴嘴板表面66不會(huì)被墨水變濕可能是有利的。 不會(huì)變濕的噴嘴板表面改進(jìn)了噴射出的液滴的方向穩(wěn)定性，并且減少殘 余的墨水表面溢流(residual ink surface flooding)。以環(huán)氧樹脂為基的 噴嘴板的優(yōu)點(diǎn)在于材料在一定程度上不會(huì)變濕。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過暴露 給氟為基的等離子體和/或以氟碳為基的等離子體可能提高噴嘴板表面 不變濕的能力?？梢栽趫D5I的打開噴嘴的步驟實(shí)現(xiàn)這一過程。
替代地，可以采用一個(gè)分開的步驟。在圖6中形成有氟化的表面層 68。在一個(gè)實(shí)施例中，采用一種低壓的高度定向的等離子體確保僅只將 頂表面氟化。
作為一個(gè)示例，在SU-8氟化之前和之后測量以水為基的墨水的接 觸角。在氟化之前所測得的接觸角為63、在5mT、 RF功率30瓦、ICP 功率2000瓦、QF8流動(dòng)速率11 sccm的條"f牛下運(yùn)4亍5分4中時(shí)間的感應(yīng)誄禺 合等離子體(ICP)系統(tǒng)中進(jìn)行氟化。在氟化之后接觸角提高到89°。
在一個(gè)替代的實(shí)施例中，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過包括夾緊結(jié)構(gòu)60可 以改進(jìn)噴嘴板有機(jī)材料層44在打印頭上的粘接。在圖7中示出了這個(gè) 實(shí)施例，且該實(shí)施例表明在圖5E中所示的步驟已經(jīng)完成之后的打印頭 的一部分的視圖。與腔室壁38類似地形成所述夾緊結(jié)構(gòu)60。所述夾緊 才幾構(gòu)可以是壁38或隔絕的開口 70。當(dāng)涂布SU-8環(huán)氧^f對脂時(shí)，如在圖 5F中所示的步驟中那樣，環(huán)氧樹脂將流進(jìn)并充填?yuàn)A緊結(jié)構(gòu)60,以對環(huán) 氧樹脂增加粘接表面積。
在第二實(shí)施例中，可以添加附加的步驟，以改變墨水腔室在打印頭 上的高度。特別是，當(dāng)在同一個(gè)打印頭上由噴嘴噴射出有不同體積的液滴時(shí)，希望調(diào)節(jié)腔室的高度，同時(shí)保持饋送口區(qū)域的高度不變。在這個(gè)
第二實(shí)施例中，直到由圖5B所示的步驟過程以前與圖5的實(shí)施例的過 程類似，并且包括由圖5B所示的步驟。圖8圖示出采用本發(fā)明的第二 實(shí)施例的過程的繼續(xù)。
如在圖8A中所示，沉積第一硬掩沖莫52A,并且使所述硬掩才莫形成 圖案。如在圖8B中所示，在將要形成降低的墨水腔室36A的區(qū)域?qū)⒕?酰亞胺層48部分地刻蝕掉。如在圖8C中所示，沉積上第二硬掩沖莫52B。 在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，將第一硬掩才莫52A留下，使得第二硬掩才莫52B成 為形成硬掩才莫52的兩層的組合。在另一個(gè)實(shí)施例中，可以在沉積第二 硬掩模之前將第 一硬掩模除去。
在這個(gè)步驟，處理過程返回到在圖5C-5I中所示的處理步驟。如在 圖8D中所示，與圖5C類似，以第二種圖案使硬掩^t形成圖案。隨后采 用以氧作為主要?dú)怏w組分的低壓感應(yīng)耦合等離子體將硬掩模52的圖案
轉(zhuǎn)移到聚酰亞胺48中。；故轉(zhuǎn)移的圖案將形成腔室壁38,立柱46,以及 粘接結(jié)構(gòu)60。在接合電區(qū)域62(未示出)上的聚酰亞胺層48也被去掉。 這種低壓感應(yīng)耦合等離子體刻蝕產(chǎn)生非常垂直的刻蝕型線，有最少的底 切，從而可以獲得精確的腔室?guī)缀涡螤睢ｋS后采用干法刻蝕或濕法刻蝕 將硬掩沖莫52除去。將聚酰亞胺層分成兩個(gè)區(qū)域，保護(hù)基底上的線路或 電路的聚酰亞胺鈍化層40和形成墨水腔室36的聚酰亞胺犧牲層54。
圖8E圖示出本發(fā)明的內(nèi)無機(jī)物層34和頂部襯里層42的沉積。圖 8F圖示出涂布或施加可光學(xué)成^象的環(huán)氧沖對脂，即涂布SU-8,形成用于 噴嘴板有機(jī)物層44的變成平面的表面，并且充填或充滿腔室壁38和過 濾立柱46。將SU-8曝光，以形成噴嘴18,所述噴嘴顯示出回縮的型線， 并開通到接合墊區(qū)域62 (未示出)。噴嘴板層的厚度在3.0微米與20 微米之間，更可取地為10-12微米。在該第二實(shí)施例中，噴嘴板層在降 低的墨水腔室36A區(qū)域?qū)⒈容^厚，使得噴嘴相對應(yīng)地較厚。
圖8G圖示出在圖5G-5I中所示的步驟已經(jīng)完成之后的完工的打印 頭。如圖中所示，在一個(gè)實(shí)施例中，在噴嘴的一個(gè)子組上完成或?qū)崿F(xiàn)降 低的墨水腔室。在另一實(shí)施例中，在所有的墨水腔室上完成或?qū)崿F(xiàn)降低 的墨水腔室過程。在這個(gè)過程中可以看到墨水饋送口區(qū)域3有最大的 高度，以使墨水重新充滿達(dá)到最佳，同時(shí)降低的墨水腔室36A的高度被 調(diào)節(jié)到使墨水噴射達(dá)到最大。由上面所述，將會(huì)看到，本發(fā)明是4艮好地適宜于獲得所有目的的發(fā) 明。為了說明和描迷的目的已經(jīng)給出了對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的上述描 述。不希望它是無遺漏的，或者將本發(fā)明限制為所公開的嚴(yán)格形式。任 何的改進(jìn)和變化都是可能的，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)上面的內(nèi)容將會(huì)意識(shí) 到這一點(diǎn)。例如，本發(fā)明不限于形成熱氣泡噴射裝置的腔室，而且包括 形成用于其它液滴噴射方法比如熱致動(dòng)器或靜電致動(dòng)器或壓電致動(dòng)的 液體裝置的腔室。這些附加的實(shí)施例屬于所附的權(quán)利要求書的范圍以內(nèi)。部件目錄
1 基底
2 電熱件
3 墨水饋送口
4 腔室
5 可用光學(xué)方法形成圖案的樹脂
10 噴墨打印系統(tǒng)(或噴墨印刷系統(tǒng))
12 圖像數(shù)據(jù)源 14控制器
16 脈沖源
18 噴嘴
20噴墨打印頭(或噴墨印刷頭)
22 薄膜疊置體
24 熱屏蔽層
26 電阻加熱(器)層
28 導(dǎo)電層
30 絕緣的鈍化層
32 保護(hù)層
34 內(nèi)無機(jī)物層
36 墨水腔室
36A降低的墨水腔室
38 腔室側(cè)壁
39 無機(jī)物材料的第二區(qū)域
40 聚酰亞胺鈍化層 42 頂部襯里層
44 噴嘴板有機(jī)物層
46 過濾(器)立柱
48 不能光學(xué)成像的聚酰亞胺
50 墨(水)滴
52 硬掩才莫
52A第一硬掩模層52B第二硬掩^t層
54 犧牲的聚酰亞胺區(qū)域
60 夾緊結(jié)構(gòu)
62 接合墊(或鍵墊(Bondpad))區(qū)域
66 噴嘴板表面
68 改變的表面層
70 第二襯里層 100記錄介質(zhì)
18
權(quán)利要求
1.一種液滴噴射器，它包括基底；以及用來容納液體的液體腔室，所述液體腔室定位在所述基底之上，并包括噴嘴板，腔室壁和襯里層，所述噴嘴板和所述腔室壁包括有機(jī)物材料，所述襯里層包括無機(jī)物材料，將所述襯里層設(shè)置在所述噴嘴板和所述腔室壁上，使得當(dāng)在所述腔室中存在液體時(shí)所述無機(jī)物材料可與液體接觸。
2. 按照權(quán)利要求1所述的液體噴射器，其特征在于，所述噴嘴板包 括噴嘴孔，在所述噴嘴孔內(nèi)沒有任何襯里層。
3. 按照權(quán)利要求1所述的液體噴射器，其特征在于，所述襯里層的 所述無機(jī)物材料包括一定厚度，而所述有機(jī)物材料包括一定厚度，其中， 所述無機(jī)物材料的厚度比所述有機(jī)物材料的厚度小。
4. 按照權(quán)利要求3所述的液體噴射器，其特征在于，所述襯里層的 所述無機(jī)物材料在0.2微米與7微米之間。
5. 按照權(quán)利要求1所述的液體噴射器，其特征在于，其還包括 設(shè)置在所述基底上在所述基底與所述噴嘴板之間的無機(jī)物材料層，當(dāng)在所述腔室中存在液體時(shí)所述無機(jī)物材料層可與液體接觸，其中，所 述無機(jī)物材料層與所述襯里層的所述無機(jī)物材料的一部分接觸。
6. 按照權(quán)利要求1所述的液體噴射器，其特征在于，所述腔室壁的 所述有機(jī)物材料定位在所述襯里層的所述無機(jī)物材料層與當(dāng)在所述腔
7. 按照權(quán)利要求6所述的液體噴射器，其特征在于，其還包括有機(jī)物材料的區(qū)域相對于當(dāng)在所述腔室中存在液體時(shí)無機(jī)物材料 層不會(huì)與液體接觸的那個(gè)區(qū)域設(shè)置成，使得當(dāng)在所述腔室中存在液體時(shí) 無機(jī)物材料層不會(huì)與液體接觸的所述區(qū)域在所述有機(jī)物材料區(qū)域與所 述腔室壁的所述有機(jī)物材料之間。
8. 按照權(quán)利要求7所述的液體噴射器，其特征在于，相對于當(dāng)在所 述腔室中存在液體時(shí)無機(jī)物材料層不會(huì)與液體接觸的所述區(qū)域設(shè)置的 所述有機(jī)物材料區(qū)域是聚酰亞胺。
9. 按照權(quán)利要求1所述的液體噴射器，其特征在于，所述噴嘴板包 括外表面，其中，所述噴嘴板的外表面所述含有氟。
10. 按照權(quán)利要求1所述的液體噴射器，其特征在于，所述噴嘴板在液體腔室之上有第一厚度，它還包括墨水饋送口，所述噴嘴板在所述墨水饋送口之上有笫二厚度，其中， 所述第一厚度比所述第二厚度大。
11. 按照權(quán)利要求1所述的液體噴射器，其特征在于，所述液體腔室是有第一高度的第一液體腔室，它還包括有第二高度的第二液體腔室，其中，所述第一高度比所述第二高度大。
12. 按照權(quán)利要求1所述的液體噴射器，其特征在于，所述液體腔 室是第一液體腔室，所述噴嘴板在所述第一液體腔室之上有第一厚度， 它還包4舌第二液體腔室，所述噴嘴板在所述第二液體腔室之上有笫二厚度， 其中，所述第一厚度比所述第二厚度大。
13. —種制作液體噴射器的方法，它包括 提供基底；并且在所述基底之上形成液體腔室，并通過以下步驟包括噴嘴板，腔室 壁和襯里層在所述基底之上設(shè)置第 一有機(jī)物材料；使所述第一有機(jī)物材料形成圖案，以產(chǎn)生用于腔室壁的位置； 通過在形成圖案的第 一有機(jī)物材料之上沉積無機(jī)物材料形成 所述襯里層；通過在所述無機(jī)物材料之上沉積第二有機(jī)物材料形成所述噴 嘴板和所述腔室壁，使得所述襯里層的無機(jī)物材料位于所述噴嘴板 和所述腔室壁上，并且，當(dāng)在所述腔室中存在液體時(shí)所述無機(jī)物材 泮十可與液體接觸；并且除去已經(jīng)形成圖案的第一有機(jī)物材料的一部分。
14. 按照權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，形成襯里層包括在 所述已經(jīng)形成圖案的第一有機(jī)物材料之上沉積無機(jī)物材料層，使得所述 無機(jī)物材料層包括與第二區(qū)域分間隔開的第 一 區(qū)域，形成腔室壁包括在 所迷無機(jī)物材料的所述第一區(qū)域與所述無機(jī)物材料的所述第二區(qū)域之 間沉積第二有機(jī)物材料。
15. 按照權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一有機(jī)物材料和所述第二有機(jī)物材料是不同的有機(jī)物材料。
16. 按照權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，提供基底包括在形成液體腔室之前采用薄膜沉積技術(shù)形成液滴噴射器。
17. 按照權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述噴嘴板包括外 表面，所述方法還包括使所述噴嘴板的所述外表面氟化。
18. 按照權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，其還包括 通過以下步驟在所述噴嘴板中形成噴嘴孔除去第二有機(jī)物材料的一部分；并且除去所述襯里層的相對應(yīng)部分。
19. 按照權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，除去所述襯里層的 相對應(yīng)部分包括采用以氟為基的等離子體刻蝕過程。
20. 按照權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述噴嘴板包括外 表面，其中，以氟為基的等離子體刻蝕過程使所述噴嘴板的所述外表面 氟化，同時(shí)除去所述襯里層的相對應(yīng)部分。
全文摘要
本發(fā)明提出一種液滴噴射器，它包括一基底(1)和一用來容納液體的液體腔室(36)。該液體腔室定位在基底之上，并且該腔室包括一噴嘴板，一塊室壁和一襯里層(39)。噴嘴板和腔室壁包括有機(jī)物材料(44)。襯里層包括無機(jī)物材料。將襯里層設(shè)置在噴嘴板和腔室壁上，使得當(dāng)在腔室中存在液體時(shí)無機(jī)物材料可與液體接觸。
文檔編號(hào)B41J2/16GK101557939SQ200780046082
公開日2009年10月14日 申請日期2007年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月12日
發(fā)明者J·A·勒本斯 申請人:伊斯曼柯達(dá)公司