專利名稱：制造具有平噴嘴板的噴墨打印頭的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)來制造噴墨打印頭的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
已經(jīng)發(fā)明了許多不同類型的印刷，它們中的許多目前在使用。已知的印刷形式具 有多種用相關(guān)標(biāo)記介質(zhì)來標(biāo)記印刷介質(zhì)的方法。印刷的常用形式包括膠印、激光印刷和復(fù) 印裝置、點(diǎn)陣型擊打式打印機(jī)、熱敏紙打印機(jī)、膠片記錄器、噴蠟打印機(jī)、熱升華印刷機(jī)以及 墨滴按需和連續(xù)流動(dòng)式的噴墨打印機(jī)。當(dāng)考慮成本、速度、質(zhì)量、可靠性、構(gòu)造和操作的簡單 性等時(shí)，每種類型的打印機(jī)具有它自身的優(yōu)點(diǎn)和問題。近年來，噴墨打印技術(shù)主要由于它的廉價(jià)和通用性質(zhì)而越來越流行，在噴墨打印 技術(shù)中，墨的每個(gè)像素來自一個(gè)或多個(gè)墨噴嘴。已經(jīng)發(fā)明了多種不同的噴墨打印技術(shù)。為了全面了解本領(lǐng)域，參考J Moore的文章 "Non-Impact Printing Introduction and HistoricalPerspective，，,輸出硬拷貝設(shè)備，R Dubeck 和 S Sherr 編輯，第 207-220 頁(1988)。噴墨打印機(jī)本身具有多種不同類型。噴墨打印中連續(xù)墨流的利用至少可追溯到 1929年，其中Hansell的美國專利No. 1941001公開了連續(xù)流靜電噴墨打印的一種簡單形式。(Sweet等的)美國專利No. 3596275也公開了一種連續(xù)噴墨打印的方法，包括這 樣的步驟，其中噴墨流由高頻靜電場(chǎng)調(diào)制，以便導(dǎo)致墨滴分離。該技術(shù)仍然由多個(gè)制造商利 用，包括Elmjet和Scitex (也見Sweet等人的美國專利No. 3373437)。壓電噴墨打印機(jī)也是一種常用噴墨打印設(shè)備。壓電系統(tǒng)在以下文獻(xiàn)中公開利用 隔膜操作模式的美國專利No. 3946398 (Kyser等)，公開了壓電晶體的擠壓操作模式的美國 專利No. 3683212 (Zolten)，公開了壓電操作的彎曲模式的美國專利No. 3747120 (Stemme), 公開了噴墨流的壓電推動(dòng)模式驅(qū)動(dòng)的美國專利No. 4459601 (Howkins)，和公開了壓電換能 器元件的剪切模式類型的US4584590 (Fischbeck)。近來，熱噴墨打印成為噴墨打印的一種非常流行的形式。噴墨打印技術(shù)包括在 Endo等人的GB 2007162和Vaught等人的US4490728中公開的那些。上述兩個(gè)文獻(xiàn)公開了 依靠電熱促動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)的噴墨打印技術(shù)，該電熱促動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)在狹窄空間例如噴嘴中產(chǎn)生 氣泡，由此導(dǎo)致墨從與限定空間連接的孔噴射到相關(guān)打印介質(zhì)上。利用電熱促動(dòng)器的打印 設(shè)備由制造商例如佳能和惠普公司制造。從上述內(nèi)容可以看出，多種不同類型的打印技術(shù)可以使用。理想的是，打印技術(shù)應(yīng) 當(dāng)具有許多希望的屬性。這些包括廉價(jià)的結(jié)構(gòu)和操作、高速操作、安全和連續(xù)長期操作等。 每個(gè)技術(shù)都可能在成本、速度、質(zhì)量、可靠性、能量使用、構(gòu)造操作的簡單性、耐用性和消耗 品方面具有它自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。很多噴墨打印頭利用微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)來構(gòu)造。因此，它們傾向于依靠將 平面層沉積在硅晶片上并蝕刻平面層的某些部分的標(biāo)準(zhǔn)集成電路構(gòu)造/制造技術(shù)。在硅電路制造技術(shù)中，某些技術(shù)比其他技術(shù)更公知。例如，與產(chǎn)生CMOS電路關(guān)聯(lián)的技術(shù)很可能比 與產(chǎn)生包括鐵電體、砷化鎵等的奇特電路相關(guān)聯(lián)的技術(shù)更容易使用。因此，在任何MEMS構(gòu) 造中都希望利用不需要任何“奇特”過程或材料的、已充分證明的半導(dǎo)體制造技術(shù)。當(dāng)然， 將進(jìn)行一定程度的權(quán)衡，其中，當(dāng)使用奇特材料的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)超它的缺點(diǎn)時(shí)，可能無論如何希望 利用該材料。然而，如果有可能使用更普通的材料獲得相同或類似性質(zhì)，可以避免奇特材料 的問題。 任何噴墨打印機(jī)的一個(gè)重要方面是打印頭的維護(hù)。打印頭的維護(hù)增加了打印頭的 使用壽命，并使得打印頭能夠在空閑期之后使用。打印頭維護(hù)的通常目標(biāo)是將微粒從打印 頭上除去、除去溢出至打印頭表面上的墨以及疏通可能被墨(“去瓶蓋”)或微粒阻塞的噴 嘴。迄今，已經(jīng)使用了多種技術(shù)來用于打印頭維護(hù)，例如抽吸壓蓋機(jī)和刮板式刮除器。不過，打印頭維護(hù)的通常問題在本申請(qǐng)人的頁寬打印頭上加劇，該頁寬打印頭具 有利用MEMS技術(shù)在硅晶片上構(gòu)造的高密度噴嘴。盡管這些打印頭的制造非常便宜，但是它 們通常比其它噴墨打印頭更不結(jié)實(shí)，因此到目前為止都需要特別考慮打印頭的維護(hù)。因此， 本申請(qǐng)人提出了多種用于打印頭維護(hù)的新穎技術(shù)，包括非接觸維護(hù)技術(shù)。這些維護(hù)技術(shù)的 一部分在以下文獻(xiàn)中說明美國專利申請(qǐng)No. 11/246688 (申請(qǐng)日為2005年10月11日)、 11/246707 (申請(qǐng)日為 2005 年 10 月 11 日)、No. 11/246693 (申請(qǐng)日為 2005 年 10 月 11 日)、 11/482958 (申請(qǐng)日為2OO6年7月10日)以及11/4%815(申請(qǐng)日為2OO6年7月31日)， 這些文獻(xiàn)的內(nèi)容被本文參引。還希望提供一種MEMS頁寬打印頭，它可以適合多種打印頭維護(hù)技術(shù)，包括接觸維 護(hù)技術(shù)。還希望提供一種MEMS打印頭，它有優(yōu)良的機(jī)械堅(jiān)固性。還希望提供一種MEMS打 印頭，它捕獲很少的微粒，因此有利于打印頭維護(hù)。

發(fā)明內(nèi)容
在第一方面，提供了一種噴墨打印頭，它包括橫跨多個(gè)噴嘴的增強(qiáng)雙層噴嘴板結(jié) 構(gòu)。也可選擇，各噴嘴包括噴嘴腔室，該噴嘴腔室有頂板，各頂板由所述噴嘴板結(jié)構(gòu)的 一部分來確定。也可選擇，噴嘴腔室形成于基板上。也可選擇，各噴嘴腔室包括所述頂板，該頂板與所述基板間隔開；以及側(cè)壁，該 側(cè)壁在所述頂板和所述基板之間延伸。也可選擇，各頂板有確定于其中的噴嘴孔。也可選擇，噴嘴板結(jié)構(gòu)包括第一噴嘴板，該第一噴嘴板橫跨多個(gè)噴嘴，所述第一噴嘴板有多個(gè)確定于其中的
空腔；光致抗蝕劑，該光致抗蝕劑填充所述空腔；以及第二噴嘴板，該第二噴嘴板覆蓋所述第一噴嘴板和所述光致抗蝕劑。也可選擇，第二噴嘴板確定了所述打印頭的平外表面。也可選擇，第一和第二噴嘴板由相同或不同的材料構(gòu)成。也可選擇，材料是可通過PECVD沉積的陶瓷材料。
也可選擇，材料從以下組中獨(dú)立選擇氮化硅、二氧化硅和氮氧化硅。也可選擇，各噴嘴包括形成于基板上的噴嘴腔室，所述噴嘴腔室包括頂板，該頂 板與所述基板間隔開；以及側(cè)壁，該側(cè)壁在所述頂板和所述基板之間延伸，所述第一噴嘴板 和所述側(cè)壁由相同材料構(gòu)成。在第二方面，提供了一種噴墨打印頭集成電路，它包括基板，該基板有形成于它上面的多個(gè)噴嘴；驅(qū)動(dòng)電路，該驅(qū)動(dòng)電路與促動(dòng)器電連接，該促動(dòng)器與所述噴嘴相關(guān)連；以及增強(qiáng)雙層噴嘴板結(jié)構(gòu)，該增強(qiáng)雙層噴嘴板結(jié)構(gòu)橫跨多個(gè)噴嘴。在第三方面，提供了一種制造具有平噴嘴板的噴墨打印頭的方法，該方法包括以 下步驟(a)提供部分制造的打印頭，它有第一噴嘴板，該第一噴嘴板由第一材料構(gòu)成，橫 跨多個(gè)噴嘴，所述第一噴嘴板具有多個(gè)空腔；(b)用填料填充所述空腔，這樣，所述第一噴嘴板的上表面和所述填料的上表面一 起確定了連續(xù)平表面；以及(c)將第二材料沉積在所述平表面上，以便形成具有平外表面的第二噴嘴板。也可選擇，第二材料通過PECVD來沉積。也可選擇，第一材料通過PECVD而沉積在非平面犧牲臺(tái)架上，以便形成所述第一 噴嘴板。也可選擇，第一和第二材料是彼此相同或不同的材料。也可選擇，第一和第二材料從以下組中獨(dú)立選擇氮化硅、二氧化硅和氮氧化硅。也可選擇，填料為光致抗蝕劑。也可選擇，步驟(b)通過以下子步驟來進(jìn)行(b) (i)將一層光致抗蝕劑沉積在所述第一噴嘴板上，以便填充所述空腔；以及(b) (ii)除去所述光致抗蝕劑的一部分，這樣，填充所述空腔的所述光致抗蝕劑的 上表面和所述第一噴嘴板的上表面一起確定了連續(xù)的平表面。也可選擇，該方法還包括以下步驟使所述光致抗蝕劑熱回流，以便于完全填充所述空腔。也可選擇，步驟(b) (ii)通過化學(xué)機(jī)械平面化或通過光致抗蝕劑蝕刻來進(jìn)行。也可選擇，該方法還包括以下步驟(d)確定通過所述第一和第二噴嘴板的噴嘴孔。也可選擇，各噴嘴包括形成于基板上的噴嘴腔室，所述噴嘴腔室包括頂板，該頂 板與所述基板間隔開；以及側(cè)壁，該側(cè)壁在所述頂板和所述基板之間延伸，所述第一噴嘴板 和所述側(cè)壁由相同材料構(gòu)成。本發(fā)明的打印頭包括多個(gè)噴嘴，且通常包括與各噴嘴相對(duì)應(yīng)的腔室和促動(dòng)器(例如加熱器元件)。打印頭的最小重復(fù)單元通常將有墨供給進(jìn)口，該墨供給進(jìn)口將墨供給一 個(gè)或多個(gè)腔室。整個(gè)噴嘴陣列通過重復(fù)這些單獨(dú)單元而形成。這樣的單獨(dú)單元通常在本文 中稱為“單位晶格”。打印頭可以包括多個(gè)打印頭集成電路，各打印頭集成電路包括多個(gè)噴 嘴。這里使用的術(shù)語“墨”的意思是任何可噴出液體，并不局限于包含著色染料的普通墨。非著色墨的實(shí)例包括定色劑、紅外線吸收劑墨、功能化的化學(xué)物質(zhì)、粘接劑、生物流體、藥劑、水和其它溶劑等。墨或可噴出液體也不需要是嚴(yán)格的液體，它可以包含固體顆粒的懸 浮液。


下面將通過實(shí)例參考附圖介紹本發(fā)明的實(shí)施例，附圖中圖1表示了在本發(fā)明打印頭上的MEMS噴嘴陣列的部分制造單位晶格，該單位晶格 沿圖3中的線A-A剖開；圖2表示了圖1的部分制造單位晶格的透視圖；圖3表示了與加熱器元件溝槽的蝕刻相關(guān)聯(lián)的掩模；圖4是在溝槽蝕刻后的單位晶格的剖視圖；圖5是圖4中所示的單位晶格的透視圖；圖6是與圖7中所示的犧牲光致抗蝕劑的沉積相關(guān)聯(lián)的掩模；圖7表示了在犧牲光致抗蝕劑溝槽沉積后的單位晶格，其中，局部放大了在犧牲 材料的邊緣和溝槽的側(cè)壁之間的間隙；圖8是圖7中所示的單位晶格的透視圖；圖9表示了在犧牲光致抗蝕劑回流以便封閉沿溝槽側(cè)壁的間隙之后的單位晶格；圖10是圖9中所示的單位晶格的透視圖；圖11是表示加熱器材料層的沉積的剖視圖；圖12是圖11中所示的單位晶格的透視圖；圖13是與圖14中所示的加熱器材料的金屬蝕刻相關(guān)聯(lián)的掩模；圖14是表示金屬蝕刻以便使加熱器促動(dòng)器成形的剖視圖；圖15是圖14中所示的單位晶格的透視圖；圖16是與圖17中所示的蝕刻相關(guān)聯(lián)的掩模；圖17表示了光致抗蝕劑層的沉積以及隨后蝕刻墨進(jìn)口至在CMOS驅(qū)動(dòng)層頂部的鈍 化層；圖18是圖17中所示的單位晶格的透視圖；圖19表示了通過鈍化和CMOS層至底側(cè)硅晶片的氧化蝕刻；圖20是圖19中所示的單位晶格的透視圖；圖21是進(jìn)入硅晶片內(nèi)的墨進(jìn)口的深各向異性蝕刻；圖22是圖21中所示的單位晶格的透視圖；圖23是與圖24中所示的光致抗蝕劑蝕刻相關(guān)聯(lián)的掩模；圖24表示了光致抗蝕劑蝕刻，用于形成腔室頂板和側(cè)壁用的開口 ；圖25是圖24中所示的單位晶格的透視圖；圖26表示了側(cè)壁和危險(xiǎn)材料(risk material)的沉積；圖27是圖26中所示的單位晶格的透視圖；圖28是與圖29中所示的噴嘴輪緣蝕刻相關(guān)聯(lián)的掩模；圖29表示了頂板層的蝕刻，用于形成噴嘴孔輪緣；圖30是圖29中所示的單位晶格的透視圖31是與圖32中所示的噴嘴孔蝕刻相關(guān)聯(lián)的掩模；圖32表示了頂板材料的蝕刻，用于形成橢圓形噴嘴孔；圖33是圖32中所示的單位晶格的透視圖；圖34表示了在背側(cè)蝕刻、等離子灰化和晶片減薄之后的單位晶格；圖35是圖34中所示的單位晶格的透視圖；圖36是在打印頭集成電路上的噴嘴陣列的剖視透視圖；圖37是圖27中所示的單位晶格在填充空腔后的透視圖；圖38是圖37中所示的單位晶格在第二頂板沉積后的側(cè)視圖；圖39是圖38中所示的單位晶格的透視圖；以及圖40是具有增強(qiáng)雙層噴嘴板的打印頭集成電路的剖視透視圖。
具體實(shí)施例方式參考圖36，圖中表示了 MEMS打印頭集成電路的剖視透視圖，該MEMS打印頭集成電 路如本申請(qǐng)人的更早美國專利申請(qǐng)No. 11/246684 (申請(qǐng)日為2005年10月11日)中所述， 該文獻(xiàn)的內(nèi)容被本文參引。如圖36中所示，每一排噴嘴具有各自的墨供給槽道27，該墨供 給槽道沿其長度延伸，并將墨供給各排中的多個(gè)墨進(jìn)口 15。墨進(jìn)口再將墨供給用于各排的 墨導(dǎo)管23，其中，各噴嘴腔室從沿各排縱向延伸的公共墨導(dǎo)管接收墨。具有各自噴嘴輪緣 25的噴嘴孔26確定于噴嘴板101中，該噴嘴板101橫跨多排和多列噴嘴。如后面更詳細(xì)所 述，噴嘴板101通過使陶瓷材料(例如氮化硅)PECVD至光致抗蝕劑臺(tái)架上而形成。通過該 沉積過程，噴嘴板101有限定于其中的多個(gè)空腔102?？涨?02布置在一排中的相鄰噴嘴之 間。這些空腔102通常為幾微米深(例如1-5微米深)，并將不連續(xù)性引入噴嘴板101中。 總體效果是噴嘴板由于這些空腔102而為基本非平面形。根據(jù)特殊噴嘴設(shè)計(jì)和制造方法，空腔102可以基本比圖36中所示更大(更寬、更長或更深)。它們可以在噴嘴的排或列之間延伸。由噴嘴板101中的空腔102而產(chǎn)生的不連續(xù)性或非平面性由于多個(gè)原因而并不有 禾|J。首先，空腔102是噴嘴板101中的薄弱點(diǎn)，并降低了打印頭的總體機(jī)械堅(jiān)固性，特別是 對(duì)于橫過噴嘴板施加的剪切力。這特別明顯，因?yàn)闄M過噴嘴板101表面的擦拭作用(如在 一些類型的打印頭維護(hù)過程中可能采用)引起相對(duì)較高剪切力。其次，空腔102可能容易 捕獲墨和/或微粒，然后它們很難除去。特別不希望空腔102鄰近噴嘴孔26，因?yàn)椴东@的任 何微粒都更可能阻塞噴嘴和影響打印質(zhì)量。為了完全理解本發(fā)明，下面將介紹圖36中所示的打印頭集成電路怎樣通過MEMS 制造方法而形成。此外，還介紹了本發(fā)明的可選制造方法，其中，明顯提高了噴嘴板101的 平面性。MEMS制造方法MEMS制造方法將在完成CMOS處理后在硅晶片上形成噴嘴結(jié)構(gòu)。圖2是在完成 CMOS處理后和在MEMS處理之前噴嘴單位晶格100的剖視透視圖。在晶片的CMOS處理過程中，四個(gè)金屬層沉積在硅晶片2上，其中，金屬層散布在夾 層電介質(zhì)(ILD)層之間。四個(gè)金屬層稱為M1、M2、M3和M4層，并在CMOS處理過程中順序形 成于晶片上。這些CMOS層提供用于操作打印頭的全部驅(qū)動(dòng)電路和邏輯電路。
在完成的打印頭中，各加熱器元件促動(dòng)器通過限定于最外側(cè)M4層中的一對(duì)電極 而與CMOS連接。因此，M4CM0S層是用于晶片的隨后MEMS處理的基礎(chǔ)。M4層也確定了沿各 打印頭集成電路的縱向邊緣的結(jié)合墊。這些結(jié)合墊(未示出)使得CMOS能夠通過從結(jié)合 墊伸出的線結(jié)合部而與微處理器連接。圖1和2表示了鋁M4層3，該鋁M4層3有沉積在它上面的鈍化層4 (這些圖中只 表示了 M4層的MEMS特征；M4層的主CMOS特征位于噴嘴單位晶格的外側(cè))。M4層3的厚度 為1微米，它自身沉積在2微米的CVD氧化物層5上。如圖1和2中所示，M4層3有墨進(jìn) 口開口 6和凹坑開口 7。這些開口確定了隨后在MEMS過程中形成的墨進(jìn)口和凹坑的位置。在單位晶格1的MEMS處理開始之前，沿各打印頭集成電路的縱向邊緣的結(jié)合墊通 過蝕刻穿過鈍化層4來確定。這樣的蝕刻露出在結(jié)合墊位置處的M4層3。對(duì)于該步驟，噴 嘴單位晶格1完全由光致抗蝕劑遮蔽，因此不受蝕刻的影響。參考圖3至5，MEMS處理的第一階段穿過鈍化層4和CVD氧化物層5來蝕刻凹坑 8。該蝕刻利用一層光致抗蝕劑(未示出)來確定，該光致抗蝕劑通過圖3中所示的暗色調(diào) 凹坑掩模來曝光。凹坑8的深度為2微米，如從M4層3的頂部所測(cè)量到的那樣。在蝕刻凹 坑8的同時(shí)，通過使得M4層3通過鈍化層4局部露出，電極9確定于凹坑的各側(cè)。在完成 的噴嘴中，加熱元件橫過凹坑8懸在電極9之間。在下一個(gè)步驟(圖6至8)中，凹坑8填充光致抗蝕劑10的第一犧牲層(“SAC1”)。 2微米的高粘性光致抗蝕劑層首先旋轉(zhuǎn)施加在晶片上，然后利用圖6中所示的暗色調(diào)掩模 來曝光。SACl光致抗蝕劑10形成臺(tái)架，用于隨后橫過在凹坑8各側(cè)的電極9沉積加熱器材 料。因此，重要的是，SACl光致抗蝕劑10有平的上表面，該上表面與電極9的上表面平齊。 同時(shí)，SACl光致抗蝕劑必須完全填充凹坑8，以避免橫過凹坑延伸和使電極9短路的、導(dǎo)電 加熱器材料的“縱梁(stringer)”。通常，當(dāng)用光致抗蝕劑填充溝槽時(shí)，需要使得溝槽周邊外側(cè)的光致抗蝕劑曝光，以 便保證光致抗蝕劑靠著溝槽的壁填充，并因此避免在隨后沉積步驟中的“縱梁”。不過，該技 術(shù)導(dǎo)致在溝槽周邊的周圍產(chǎn)生升高(或尖釘狀)的光致抗蝕劑輪緣。這是在隨后的沉積步 驟中不希望的，材料將不均勻地沉積在升高輪緣上-輪緣上的垂直或傾斜表面與填充溝槽 的光致抗蝕劑的水平平表面相比將接收更少的沉積材料。結(jié)果是在區(qū)域中的“電阻熱點(diǎn)”， 在該處，材料很薄地沉積。如圖7中所示，本發(fā)明的方法利用圖6中所示的掩模來故意曝光在凹坑8周邊壁 內(nèi)側(cè)(例如在0. 5微米內(nèi))的SACl光致抗蝕劑。這保證SACl光致抗蝕劑10的平上表面， 且避免在凹坑8的周邊輪緣周圍的、任何光致抗蝕劑的尖釘狀區(qū)域。在SACl光致抗蝕劑10曝光之后，光致抗蝕劑通過加熱而回流。光致抗蝕劑的回 流使它能夠流到凹坑8的壁，從而確實(shí)填充它。圖9和10表示了在回流后的SACl光致抗 蝕劑10。光致抗蝕劑有平的上表面，并與形成電極9的M4層3的上表面平齊。在回流后， SACl光致抗蝕劑10進(jìn)行U. V.固化和/或烤硬，以避免在隨后的加熱器材料沉積步驟過程 中的任何回流。圖11和12表示了在加熱器材料11在SACl光致抗蝕劑10上沉積0. 5微米之后 的單位晶格。由于上述回流處理，加熱器材料11均勻和成平面層地沉積在電極9和SACl 光致抗蝕劑10上。加熱器材料可以由任意合適的導(dǎo)電材料構(gòu)成，例如TiAl、TiN, TiAlN,TiAISiN等。典型的加熱器材料沉積處理可以包括順序沉積ιοοΑ的TiAI種子層、2500A 的TiAlN層、還一IOOA的TiAl種子層和最后另一2500A的TiAlN層。參考圖13至15，在下一步驟中，加熱器材料11層進(jìn)行蝕刻，以便確定熱促動(dòng)器12。各促動(dòng)器12有接觸部28，該接觸部28形成與在SACl光致抗蝕劑10的各側(cè)的各電極 9的電連接。加熱器元件29橫跨在它的相應(yīng)接觸部28之間。這樣的蝕刻由利用圖13中所示的暗色調(diào)掩模曝光的一層光致抗蝕劑(未示出) 來確定。如圖15中所示，加熱器元件12為橫跨在一對(duì)電極9之間的線性梁。不過，加熱器 元件12可以選擇采用其它結(jié)構(gòu)，例如在本申請(qǐng)人的美國專利No. 6755509中所述，該文獻(xiàn)的 內(nèi)容被本文參引。在下面順序的步驟中，穿過鈍化層4、氧化物層5和硅晶片2來蝕刻用于噴嘴的墨 進(jìn)口。在CMOS處理過程中，各金屬層有墨進(jìn)口開口(例如見圖1中的M4層3中的開口 6)， 該墨進(jìn)口開口在準(zhǔn)備該墨進(jìn)口蝕刻時(shí)進(jìn)行穿過蝕刻。這些金屬層與散布的ILD層一起形成 用于墨進(jìn)口的密封環(huán)，從而防止墨滲透至CMOS層中。參考圖16至18，相對(duì)較厚的光致抗蝕劑層13旋轉(zhuǎn)施加在晶片上，并利用圖16中 所示的暗色調(diào)掩模來曝光。所需的光致抗蝕劑13的厚度取決于蝕刻墨進(jìn)口所采用的深反 應(yīng)離子蝕刻(DRIE)的選擇性。當(dāng)墨進(jìn)口開口 14確定于光致抗蝕劑13中時(shí)，晶片準(zhǔn)備進(jìn)行 隨后的蝕刻步驟。在第一蝕刻步驟(圖19和20)中，電介質(zhì)層(鈍化層4和氧化物層5)進(jìn)行穿過 蝕刻直至下面的硅晶片?？梢圆捎萌魏螛?biāo)準(zhǔn)的氧化物蝕刻(例如o2/c4F8等離子體)。在第二蝕刻步驟(圖21和22)中，墨進(jìn)口 15利用相同的光致抗蝕劑掩模13而穿 過硅晶片2蝕刻至25微米的深度。任何標(biāo)準(zhǔn)的各向異性DRIE (例如Bosch蝕刻，見美國專 利No. 6501893和6284148)可以用于該蝕刻。在蝕刻墨進(jìn)口 15之后，光致抗蝕劑層13通 過等離子體灰化而除去。在下一步驟中，墨進(jìn)口 15由光致抗蝕劑堵塞，且在SACl光致抗蝕劑10和鈍化層 4的頂上形成第二光致抗蝕劑16犧牲層(“SAC2”)。SAC2光致抗蝕劑16將作為用于隨后 頂板材料沉積的臺(tái)架，該頂板材料形成用于各噴嘴腔室的頂板和側(cè)壁。參考圖23至25，大 約6微米的高粘性光致抗蝕劑層旋轉(zhuǎn)施加在晶片上，并利用圖23中所示的暗色調(diào)掩模來曝 光。如圖23和25中所示，掩模使得SAC2光致抗蝕劑16中的側(cè)壁開口 17 (對(duì)應(yīng)于墨導(dǎo) 管的側(cè)壁和腔室側(cè)壁的位置)進(jìn)行曝光。此外，開口 18和19分別在堵塞進(jìn)口 15附近和噴 嘴腔室進(jìn)口附近進(jìn)行曝光。這些開口 18和19將在隨后的頂板沉積步驟中填充頂板材料， 并在本發(fā)明的噴嘴設(shè)計(jì)中提供獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。具體地說，由頂板材料填充的開口 18用作起動(dòng) 特征，它幫助將墨從進(jìn)口 15吸入各噴嘴腔室。由頂板材料填充的開口 19用作過濾結(jié)構(gòu)和 流體串音(cross talk)屏障。這些都有助于防止氣泡進(jìn)入噴嘴腔室和擴(kuò)散由熱促動(dòng)器12 產(chǎn)生的壓力脈沖。參考圖26和27，下一階段通過PECVD將3微米的頂板材料20沉積至SAC2光致抗 蝕劑16上。頂板材料20填充SAC2光致抗蝕劑16中的開口 17、18和19，以便形成具有頂 板21和側(cè)壁22的噴嘴腔室24。在頂板材料20的沉積過程中還形成用于將墨供給各噴嘴 腔室中的墨導(dǎo)管23。此外，同時(shí)形成任何起動(dòng)特征和過濾結(jié)構(gòu)(圖26和27中未示出)。分別與各噴嘴腔室24相對(duì)應(yīng)的頂板21橫跨在一排中的相鄰噴嘴腔室，以便形成噴嘴板。頂 板材料20可以由任意合適材料構(gòu)成，例如氮化硅、二氧化硅、氮氧化硅、氮化鋁等。如上所 述，噴嘴板101有在噴嘴之間區(qū)域中的空腔102 (圖36中所示)。參考圖28至30，下一階段通過蝕刻去除2微米的頂板材料20來確定頂板21中的橢圓形噴嘴輪緣25。該蝕刻利用通過圖28中所示的暗色調(diào)輪緣掩模來曝光的一層光致抗 蝕劑(未示出)而確定。橢圓形輪緣25包括兩個(gè)同軸的輪緣唇緣25a和25b，該輪緣唇緣 25a和25b位于它們各自的熱促動(dòng)器12上面。參考圖31至33，下一階段通過一直穿過其余的頂板材料20進(jìn)行蝕刻而確定在頂 板21中的橢圓形噴嘴孔26，該噴嘴孔26由輪緣25來界定。該蝕刻利用通過圖31中所示 的暗色調(diào)頂板掩模來曝光的一層光致抗蝕劑(未示出)而確定。橢圓形噴嘴孔26位于熱 促動(dòng)器12上面，如圖33中所示。這時(shí)，全部的MEMS噴嘴特征都完全形成，隨后的步驟通過背側(cè)DRIE來確定墨供給 槽道27，通過O2等離子體灰化而除去所有犧牲光致抗蝕劑(包括SACl和SAC2光致抗蝕劑 層10和16)，并通過背側(cè)蝕刻而減薄晶片至大約135微米。圖34和35表示了完成的單位 晶格，而圖36在完成的打印頭集成電路的剖視透視圖中表示了三個(gè)相鄰排的噴嘴。提供平噴嘴板的可詵MEMS制造方法上述MEMS制造方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是噴嘴板101通過PECVD來沉積。這意味著噴嘴 板的制造可以結(jié)合在使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS沉積/蝕刻技術(shù)的MEMS制造方法中。因此，打印頭的 總體制造成本可以保持較低。相反，很多現(xiàn)有技術(shù)打印頭具有層疊的噴嘴板，它們不僅容易 脫層，而且需要單獨(dú)的層壓步驟，該層壓步驟不能通過標(biāo)準(zhǔn)CMOS處理來進(jìn)行。最終，這增加 了該打印頭的成本。不過，噴嘴板101的PECVD沉積也有它自身的問題。沉積足夠厚度的頂板材料(例 如氮化硅)使得噴嘴板不是非常脆弱將很重要。當(dāng)沉積在平面形結(jié)構(gòu)上時(shí)，沉積不是問題； 不過，如圖24-27中所示，頂板材料20的沉積還必須形成噴嘴腔室24的側(cè)壁22。SAC2臺(tái) 架16可以有傾斜壁(圖24中未示出)，以便幫助使頂板材料沉積在側(cè)壁區(qū)域17中。不過， 為了保證腔室側(cè)壁22接收足夠的頂板材料20覆蓋物，需要在相鄰噴嘴之間有至少一些間 距。盡管這樣的噴嘴間的間距從頂板沉積的觀點(diǎn)來看很有利，但是所形成的頂板21 (和噴 嘴板101)不可避免地包含在噴嘴之間的多個(gè)空腔102。如前所述，這些空腔102起到捕獲 微粒和溢出墨的作用，因此防礙了打印頭的維護(hù)。下面參考圖37至40，圖中表示了可選的MEMS制造方法，它減小了一些上述問題。 在圖26和27所示的打印頭制造階段，不是直接進(jìn)行噴嘴輪緣和噴嘴孔的蝕刻，而是使頂板 21 (該頂板21形成噴嘴板101)首先平面化。平面化通過將附加層的光致抗蝕劑(例如大 約10微米厚度)沉積在頂板21上來實(shí)現(xiàn)，該附加層的光致抗蝕劑填充所有空腔102。通 常，該光致抗蝕劑再熱回流，以便保證完全填充空腔102。然后，除去該層光致抗蝕劑至頂板 21的高度，這樣，頂板21的上表面和沉積于空腔102中的光致抗蝕劑103的上表面一起形 成連續(xù)的平表面。光致抗蝕劑的除去可以通過任意合適技術(shù)來進(jìn)行，例如化學(xué)-機(jī)械平面 化(CMP)或控制光致抗蝕劑蝕刻(例如02等離子體)。如圖37中所示，所形成的單位晶格 有完全填充空腔102的光致抗蝕劑103。下一階段通過PECVD而將附加頂板材料(例如1微米厚的層)沉積至圖37所示的平面形結(jié)構(gòu)上。如圖38和39中所示，所形成的單位晶格有第一頂板21A和第二頂板21B。 重要的是，外部的第二頂板21B通過它沉積在平面形結(jié)構(gòu)上而成完全平面形。而且，第二頂 板21B通過填充第一頂板21A的空腔102的下方光致抗蝕劑103而增強(qiáng)。該增強(qiáng)雙層頂板結(jié)構(gòu)與圖27中所示的單個(gè)頂板結(jié)構(gòu)相比在機(jī)械上非常堅(jiān)固。增 加的厚度和在噴嘴間的增強(qiáng)提高了頂板結(jié)構(gòu)的總體堅(jiān)固性。而且，外部第二頂板21B的平 面性提高了相對(duì)于橫過頂板的剪切力的堅(jiān)固性。第一和第二頂板21A和21B可以由相同或不同材料構(gòu)成。通常，第一 和第二頂板 由從以下組中獨(dú)立選擇的材料而構(gòu)成，該組包括氮化硅、二氧化硅和氮氧化硅。在一個(gè)實(shí) 施例中，第一頂板21A由氮化硅構(gòu)成，第二頂板由二氧化硅構(gòu)成。在圖38和39中所示的單位晶格之后，可以類似于結(jié)合圖28至36所述的相應(yīng)步 驟來進(jìn)行隨后的MEMS處理。這里，進(jìn)行噴嘴輪緣和噴嘴孔的蝕刻，隨后進(jìn)行背側(cè)DRIE來確 定墨供給槽道27，進(jìn)行晶片減薄和光致抗蝕劑去除。當(dāng)然，由第一和第二頂板21A和21B封 閉的光致抗蝕劑103并不會(huì)暴露于任何灰化等離子體，并在后面階段的光致抗蝕劑除去過 程中保持未損。所形成的打印頭集成電路(具有平面形、雙層增強(qiáng)噴嘴板)如圖40中所示。噴嘴 板包括第一噴嘴板IOlA和外部的第二噴嘴板101B，它們?yōu)橥耆矫嫘?，保留給噴嘴輪緣和 噴嘴孔。本發(fā)明的這種打印頭集成電路有利于打印頭維護(hù)操作。它的改進(jìn)的機(jī)械整體性意 味著可以使用相對(duì)用力的清潔技術(shù)(例如擦拭)，而不會(huì)損壞打印頭。而且，在外部第二噴 嘴板102B中沒有空腔102將減小微?；蚰谰眯缘靥幱诖蛴☆^上的危險(xiǎn)。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)知道，本發(fā)明只是通過實(shí)例來介紹，在由附加權(quán)利要求確定的本發(fā)明范 圍內(nèi)可以對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行變化。
權(quán)利要求
一種制造具有平噴嘴板的噴墨打印頭的方法，所述方法包括以下步驟(a)提供部分制造的打印頭，該打印頭具有第一噴嘴板，該第一噴嘴板由第一材料構(gòu)成，其橫跨多個(gè)噴嘴，所述第一噴嘴板具有多個(gè)空腔；(b)用填料填充所述空腔，使得所述第一噴嘴板的上表面和所述填料的上表面一起限定連續(xù)的平的表面；以及(c)將第二材料沉積在所述平的表面上，以便形成具有平的外表面的第二噴嘴板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第二材料通過PECVD沉積。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一材料通過PECVD沉積在非平的犧牲臺(tái) 架上，以便形成所述第一噴嘴板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一和第二材料彼此相同或不同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一和第二材料從以下組中獨(dú)立選擇氮化 硅、二氧化硅和氮氧化硅。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述填料為光致抗蝕劑。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中步驟(b)通過以下子步驟來進(jìn)行(b) (i)將光致抗蝕劑層沉積在所述第一噴嘴板上，以便填充所述空腔；以及(b) (ii)除去所述光致抗蝕劑的一部分，使得填充所述空腔的所述光致抗蝕劑的上表 面和所述第一噴嘴板的上表面一起限定連續(xù)的平的表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，還包括以下步驟使所述光致抗蝕劑熱回流，以便于完全填充所述空腔。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中步驟(b)(ii)通過化學(xué)機(jī)械平面化或通過光致 抗蝕劑蝕刻來進(jìn)行。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括以下步驟(d)限定通過所述第一和第二噴嘴板的噴嘴孔。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中各噴嘴包括形成于基板上的噴嘴腔室，所述噴 嘴腔室包括頂板，該頂板與所述基板間隔開；以及側(cè)壁，該側(cè)壁在所述頂板和所述基板之 間延伸，所述第一噴嘴板和所述側(cè)壁由相同材料構(gòu)成。
12.—種噴墨打印頭，可通過根據(jù)前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的方法來獲得。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種制造噴墨打印頭的方法。該方法包括以下步驟(a)提供部分制造的打印頭，它有第一噴嘴板，該第一噴嘴板由第一材料構(gòu)成，橫跨多個(gè)噴嘴，第一噴嘴板具有多個(gè)空腔；(b)用填料填充所述空腔，這樣，第一噴嘴板的上表面和填料的上表面一起確定了連續(xù)平表面；以及(c)將第二材料沉積在所述平表面上，以便形成具有平外表面的第二噴嘴板。
文檔編號(hào)B41J2/165GK101821104SQ200780101099
公開日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2007年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月24日
發(fā)明者D·M·約翰斯通, K·西爾弗布魯克, W·R·維什涅夫斯基 申請(qǐng)人:西爾弗布魯克研究股份有限公司