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(美國專利No.4,490,728、4,809,428)、Canon公司(美國專利No.4,596,994、4,723,129)或是Xerox公司(美國專利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。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公司在美國專利No.5,463,411、5,760,804中提到以非等向蝕刻的(110)硅晶片來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。較佳來說，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。較佳來說，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形成，例如，以旋轉(zhuǎn)涂布法(Spincoating)或壓合法(lamination)來形成塑料噴孔片。若以此兩種方法來形成塑料噴孔片，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