专利名称：一种热气泡喷墨印头的制法及其结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热气泡喷墨印头制造方法及其结构，特别是一种单石集成化的热气泡喷墨印头的制造方法及其结构。
公知的热氧泡喷墨印头结构，如Hewlett Packard公司(美国专利No.4,490,728、4,809,428)、Canon公司(美国专利No.4,596,994、4,723,129)或是Xerox公司(美国专利No.4,774,530、4,863,560)所开发的喷墨印头，大致可分为如
图1A、1B所示的侧喷式(Sideshooting)以及如图2A、2B所示的上喷式(Roof Shooting)两类，其中该图1B为该图1A中A-A剖视图，而该图2B则为该图2A中B-B剖视图。该两种公知的热气泡喷墨印头的基本结构均包括墨水通道1供墨水喷出的喷孔(nozzle)2及喷孔片(orifice plate)3；形成于一基板4，用于将电能转热能的能量转换体(energy transducer)10，该能量转换体10可由适当布局的热电阻膜5以及绿6所构成；以及形成于该能量转换体10上下的保护层7、8。该热气泡式喷墨印头的工作原理，采用电阻加热的能量转换体10来加热墨水通道1内的墨水以达到喷墨的目的。当要进行印刷时，喷墨印头接受由打印机所提供的一电流脉冲(current pulse)，该电流脉冲经该导线6传送至该能量转换体10。于是该能量转换体10此产生急剧的高温将该墨水汽化，墨水蒸气的快速膨胀提供一压力源将墨滴由该喷孔2喷出。
一般公知热气泡喷墨印头的制造方法大多是在硅晶片上生长一层热绝缘层，如二氧化硅(SiO2)，再将热阻材料及导线材料溅镀沉积(Sputtering)上去，然后利用标准的集成电路制造技术，如光罩暴光投影蚀刻等，来形成电热能量转换体及连接导线，之后再加上其它的保护层与干膜所构成的墨水流道，最后并对准一喷孔片粘合而形成喷墨元件。另一种公知的方法，如Xerox公司，则是将墨水流道制作在另一硅晶片上(与该薄膜热阻所在不同的硅晶片)，再将两片晶片对准接合(bonding)起来。然而上述公知的方法，须将喷墨印头分为好几个不同的零件再加以组合，例如热电阻所在的晶片、喷孔片以及构成墨水流道的材料等，然后再将各部零件精密对准与粘合，因而增加许多喷墨印头的生产成本。
为了改进上述缺点，Eastman Kodax公司在美国专利No.5,463,411、5,760,804中提到以非等向蚀刻的(110)硅晶片来制作墨水流道的方法，其中的微流道由晶背贯穿整个晶片，虽难可用于形成单石集成化的喷墨印头结构，但必须在晶背面对薄金属片(metalfoil)制作控制墨水回流的节流缝(throttle slit)，且该方法在进行非等向性蚀刻时，会在该微流道壁面上产生气泡，使制程的稳定性与良率不易控制。
综上所述，仍有需要发展一种新的热气泡喷墨印头的制造方法及其结构以解决上述问题。
据此，本发明的目的在于提供一种单石集成喷墨印头的制造方法与结构，可达到简化制程、降低生产成本的要求。
根据上述目的，本发明利用半体体制程技术，将组成一热气泡喷墨印头的各部元件，例如，墨水通道(Ink Channel)墨水通入槽(InkSlot)能量转换体(energy transducer)喷孔片(orifice plate)等，均完成于同一基板。此种热气泡喷墨印头的制造方法，特别有利于进行分批处理的作业方式(All Batch process)且毋须传统喷墨印头制程的喷孔片精密对准粘合的步骤，因而可大幅增进生产效率，降低生产成本。
根据本发明的一种单石集成化的热气泡喷墨印头的制造方法，在在同一基板上完成组成该喷墨印头的各部结构，至少包含下列步骤在该基板的上表面形成一第一保护层，并在该第一保护层与该基板之间蚀刻形成墨水通通；在该第一保护层上对应该墨水通道的位置形成能量转换体(energytransducer)以及适当的导线，并以一绝缘层加以保护；在该基板背面蚀刻至少一连通该墨水通道的墨水通入槽(InkSlot)；在该基板的正面蚀刻形成适当的电性连接垫(pad)以及连通该墨水通道的喷孔；在该基板正面形成一喷孔片(Orifice Plate)。
其中在该基板的上表面形成一第一保护层，并在该第一保护层与该基板之间蚀刻形成墨水通道的步骤，包括下列步骤在该上表面形成一图案化的牺牲层，以定义出墨水通道的图形。
在该上表面及该牺牲层上形成该第一保护层，并在该牺牲层上的该第一保护层开出网孔(mesh)；以非等向性蚀刻技术蚀刻该牺牲层及该基板的该上表面以形成墨水通道(ink channel)；以及在该第一保护层上形成一平坦化绝缘层以填满该网孔。
其中该牺牲层的材料为复晶硅(Poly silcon)。
其中该牺牲层的材料为非晶硅(Amorphous silicon)。
其中该牺牲层的材料为铝。
一种单石集成化热气泡喷墨印头的结构，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，让上表面具有数个下凹的墨水通道，该墨水通道与该基板呈水平，其一下表面则形成有至少一墨水通入槽，该墨水通入槽约略垂直贯通该基板而与该墨水通道相连通以供应墨水予该墨水通道；一保护层，被覆于该基板正面，将该墨水通道覆盖于下；数个能量转换体，形成于该平坦化绝缘层上，每一该能量转换体对应一该墨水通道；一绝缘层，被覆于该保护层以及该能量转换体上；一喷孔片，形成于该绝缘层上，以及数个喷孔片，约略垂直贯穿该喷孔片，该绝缘层以及该保护层，每一该喷孔与一相对应的该墨水通道相连通，以作为墨水喷出的管道，该喷孔与该墨水通入槽的位置分设于该能量转换体的两侧。
根据上述方法所制造的单石集成化喷墨印头结构，不受公知制程中干膜材料以及电铸喷孔片(Nozzle Plate by Electroforming)的低解析度限制；可进一步将该墨水通道与喷孔缩小，以缩小喷出墨滴的体积，有助于提高喷孔密度与孔缩小，以缩小喷出墨滴的体积，有助于提高喷孔密度与印刷解析度(Dot Per InchDPI)。且该单石集成化的喷墨印头的结构，在制造上亦较容易扩展成页宽式印头(page-wideprinthead)。
另外，该单石集成化的喷墨结构中，该墨水通入槽与该能量换体及该喷孔分别设置于该基板的不同面，且该能量转换体与该喷孔在不同位置，如此在提高喷孔密度的线路布局能力上亦较公知的结构为佳。
以下结合附图详细说明本发明的较佳实施例，以便对本发明的目的，构造特微及其功能有进一步的了解。其中图1A、1B为公知的一种侧喷式热气泡喷墨印头的结构剖面示意图；图2A、2B为公知的一种上喷式热气泡喷墨印头的结构剖面示意图；图3A～3M为根据本发明的一种热气泡喷墨印头的制造方法的流程剖面图；图4A为根据本发明的方法所完成的一种热气泡喷墨印头的俯视立体图；图4B为根据本发明的方法所完成的一种热氧泡喷墨印头的仰视立体图；图5A表示一种热气泡喷墨印头的墨水通道结构，该墨水通道底部形成有一岛状阻挡结构；图5B表示另一种热气泡喷墨印头的墨水通道结构，该墨水通道两侧壁形成一颈状阻挡结构。
参考图3A～3M揭露根据本发明的一种单石集成化热气泡墨印头的制造方法的流程剖面图。
首先如图3A所示，提供一基板20，例如，一硅圆片(siliconwafer)该基板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，如图3B所示，在该上表面21上，例如，以化学蒸镀的方式，沉积一牺牲层23，该牺牲层23可为多晶硅、非晶硅或铝等材质。
然后，如图3C所示，以蚀刻方式，例如，干式蚀刻(dry Etch)将该牺牲层23加以图案化，以定义出墨水通道(Ink Channel)的图形。
接着，如图3D所示，沉积一第一保护层24在该基板20的该上表面21及该牺牲层23上，而在该基板20的该下表面22亦沉积一第二保护层25。其中该第一保护层24的材料可为SiC、Sinx、Sio2、SioxNy等，而该第二保证25的材料则可为SiC、Sinx、SiO2SiOxNy等。
然后，如图3E所示，在该牺牲层23上的该第一保护层24上开出网孔(mesh)26，该网孔孔洞大小为1～9μm2左右。另外，可同时对该基板下表面22的该第二保护层25进行蚀刻，以定义出墨水入口27的大小。
接着，如图3F所示，以非等向性蚀刻技术，利用该网孔26作为蚀刻液(例如，KOH)往下刻的窗口，利用该牺牲层23以及该基板20的该上表面21，而在该基板20的该上表面21形成墨水通道40(InkChannels)。同时亦可在该基板下表面22的该墨水入口27处蚀刻出约力与该墨水通道40同等深度的凹槽。
在完成该墨水通道40的蚀刻后，接着如图3G所示，在该第一保护层24上沉积一平坦化绝缘层28填满该网孔26，使达到表面平坦化。该平坦化绝缘层28可为单一或多膜层结构，其材质可为SiNx、SiC、SiOXNY、Ta2O5、Sio2等。
然后，如图3H所示，在该平坦化绝缘层28上，例如，以薄膜溅镀及蚀刻技术，完成适当的热阻膜层29及导线30布局，而在对应每一该墨水通道40的位置形成电热转换的能量转换体(energytransducer)35。在此实施例中，该能量转换体虽以电热转换体为例，但并不以此为限，也可为其它形式的能量转换体。
接着，如图3I所示，在该基板20正面沉积一绝缘层31以保护该导线30及该电热转换体35免受外界环境的侵蚀。该绝缘层31可为单一或多膜层结构，其材质可为SiNx、SiC、SiOxNy、Ta2O5或SiO2等膜层的任意组合。然后，自该基板20背面的该墨水入口处，以非等向性蚀刻方式，蚀穿该基板20以形成与该墨水通道40相连通的至少一墨水通入槽(Ink slot)36。较佳来说，该墨水通入槽36与该墨水通道40的一前端41附近相通连。
接着，如图3J所示，在该绝缘层31上形成一种子金属层(SeedLayer)32，该种子金属32可单一或多膜层结构，其材质可为Ta、Cr、Au、Ni、Al、Cu、Pd、Pt、Ti、Tiw等的任意组合。
接着，如图3K所示，蚀刻该种子金属层32，以定义出喷孔位置及电性连接垫(Pad)的区域。
然后，如图3L所示，以蚀刻方式由该基板正面蚀刻出适当的电性连接垫(Pad)33以及连通该墨水通道40的喷孔34。较佳来说，该喷孔34与该墨水通道40的一尾端42附近相连接。
然后，如图3M所示，以电镀方式在该种子金属32上形成一金属喷孔片37。
上述的实施例虽以电镀方式来形成该喷孔片37，然而本发明并非以此为限定，该喷孔片亦可以其它方法来形成，例如，以旋转涂布法(Spincoating)或压合法(lamination)来形成塑料喷孔片。若以此两种方法来形成塑料喷孔片，则毋需形成该种子金属层32。
参考图4A、4B表示根据上述方法所完成的一种单石集成化喷墨印头的立体结构。图4A为该喷墨印头结构的俯视图，其中可见于该基板20正面形成的该喷孔片37，以及在该喷孔片37上的数个喷孔34。该基板20的正面并曝露出数个该接触垫33。图4B则为该喷墨印头结构的仰视图，其中可见该基板20背面的两个该墨水通入槽36。
每一前述的墨水通道40内可设有增加墨水回流阻抗的阻档结构，其位置介于该墨水通入槽36与该能量转换体35之间。该阻挡结构可为公知的节流结构(throttle)或如图5A所示的一种墨水通道的结构，该墨水通道40底部形成一岛状阻档结构(Island)38。又如图5B所示的另一种墨水通道的结构，该墨水通道两侧壁形成一颈状阻档结构(Neck)39。
以上所述仅为本发明其中的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围，即凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆为本发明权利要求范围所覆盖。
权利要求
1.一种单石集成化热气泡喷墨印头制造方法，在同一基板上完成该喷墨印头的各部结构，至少包含下列步骤在该基板的上表面形成一第一保护层，并在该第一保护层与该基板之间蚀刻形成墨水通通；在该第一保护层上对应该墨水通道的位置形成能量转换体以及适当的导线，并以一绝缘层加以保护；在该基板背面蚀刻至少一连通该墨水通道的墨水通入槽；在该基板的正面蚀刻形成适当的电性连接垫以及连通该墨水通道的喷孔；在该基板正面形成一喷孔片。
2.如权利要求1所述的单石集成化热气泡喷墨印头的制造方法，其中在该基板的上表面形成一第一保护层，并在该第一保护层与该基板之间蚀刻形成墨水通道的步骤，包括下列步骤在该上表面形成一图案化的牺牲层，以定义出墨水通道的图形；在该上表面及该牺牲层上形成该第一保护层，并在该牺牲层上的该第一保护层开出网孔；以非等向性蚀刻技术蚀刻该牺牲层及该基板的该上表面以形成墨水通道；以及在该第一保护层上形成一平坦化绝缘层以填满该网孔。
3.如权利要求2所述的单石集成化热气泡喷墨印头的制造方法，其中该牺牲层的材料为复晶硅。
4.如权利要求2所述的单石集成化热气泡喷墨印头的制造方法，其中该牺牲层的材料为非晶硅。
5.如权利要求2所述的单石集成化热气泡喷墨印头的制造方法，其中该牺牲层的材料为铝。
6.如权利要求2所述的单石集成化热气泡喷墨印头的制造方法，其中该网孔的孔洞大小为1～9μm2。
7.如权利要求2所述的单石集成化热气泡喷墨印头的制造方法，其中该平坦化绝缘层选自SiNx、SiC、SiOxNy、Ta2O5、SiO2膜层所组成的族群中的任何一种单一或多膜层结构。
8.如权利要求1所述的单石集成化热气泡喷墨印头的制造方法，其中该喷孔片系以旋转涂布法所形成的塑料喷孔片。
9.如权利要求1所述的单石集成化热气泡喷墨印头的制造方法，其中该喷孔片系以压合法所形成的塑料喷孔片。
10.如权利要求1所述的单石集成化热气泡喷墨印头的制造方法，其中该喷孔片是以电镀方式所形成的金属喷孔片。
11.如权利要求10所述的单石集成化热气泡喷墨印头的制造方法，其中在蚀刻出该电性连接垫以及该喷孔之前，还包含在该绝缘层上形成一种子金属层的步骤。
12.如权利要求11所述的单石集成化热气泡喷墨印头的制造方法，其中该种子金属选自Ta、Cr、Au、Ni、Al、Cu、Pd、Pt、Ti、Tiw膜层所组成的族群中的任何一种单一或多膜层结构。
13.如权利要求1所述的单石集成化热气泡喷墨印头的制造方法，其中该基本为一硅基板。
14.如权利要求1所述的单石集成化热气泡喷墨印头的制造方法，其中该第一保护层选自SiC、SiNx、SiO2、SiOxNy膜层所组成的族群中的任何一种单一或多膜层结构。
15.如权利要求1所述的单石集成化热气泡喷墨印头的制造方法，更包含在该基板的一下表面形成一第二保护层的步骤。
16.如权利要求15所述的单石集成化热气泡喷墨印头的制造方法，其中该第二保护层选自SiC、SiNx、SiO2、SiOxNy膜层所组成的族群中的任何一种单一或多膜层结构。
17.如权利要求1所述的单石集成化热气泡喷墨印头的制造方法，其中该绝缘层选自SiNx、SiC、SiOxNy、Ta2O5、SiO2膜层所组成的族群的任何一单一或多膜层结构。
18.一种单石集成化热气泡喷墨印头的结构，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，让上表面具有数个下凹的墨水通道，该墨水通道与该基板呈水平，其一下表面则形成有至少一墨水通入槽，该墨水通入槽约略垂直贯通该基板而与该墨水通道相连通用以供应墨水予该墨水通道；一保护层，被覆于该基板正面，将该墨水通道覆盖于下；数个能量转换体，形成于该平坦化绝缘层上，每一该能量转换体对应一该墨水通道；一绝缘层，被覆于该保护层以及该能量转换体上；一喷孔片，形成于该绝缘层上，以及数个喷孔片，约略垂直贯穿该喷孔片，该绝缘层以及该保护层，每一该喷孔与一相对应的该墨水通道相连通，以作为墨水出的管道，该喷孔与该墨水通入槽的位置分设于该能量转换体的两侧。
19.如权利要求18所述的单石集成化热气泡喷墨印头的结构，其中该基板为一硅基板。
20.如权利要求18所述的单石集成化热气泡喷墨印头的结构，其中该墨水通道以及该墨水通入槽以蚀刻方式直接形成于该基板。
21.如权利要求18所述的单石集成化热气泡喷墨印头的结构，其中该喷孔片为金属喷孔片。
22.如权利要求18所述的单石集成化热气泡喷墨印头的结构，其中该喷孔片为塑料喷孔片。
23.如权利要求18所述的单石集成化热气泡喷墨印头的结构，其中每一该墨水通道内设有一增加墨水回流阻抗的阻挡结构，其位置介于该能量转换体与该墨水通入槽之间。
24.如权利要求23所述的单石集成化热气泡喷墨印头的结构，其中该回流阻档结构为形成于该墨水通道的底部的岛状阻档结构。
25.如权利要求23所述的单石集成化热气泡喷墨印头的结构，其中该回流阻挡结构为形成于该墨水通道两侧壁的颈状阻挡结构。
26.如权利要求18所述的单石集成化热气泡喷墨印头的结构，其中该能量转换体为由适当布局的热电阻膜层与导线所组成的电热能量转换体。
全文摘要
一种单石集成化的热氧泡喷墨印头的制造方法及其结构,将组成一热氧泡喷墨印头的各部元件,如墨水通道、墨水通入槽、能量转换体、喷孔片,均完成于同一基板,其中该墨水通道以非等向性蚀刻该基板的上表面而形成,而该墨水通入槽则以非等向性蚀刻该基板的下表面而形成,而该能量转换体与该喷孔片则利用镀膜与蚀刻技术依序形成于该墨水通道上方。该方法,特别有利于进行分批的作业,因而可大幅增进生产效率,降低生产成本。
文档编号B41J2/14GK1362330SQ01100028
公开日2002年8月7日 申请日期2001年1月4日 优先权日2001年1月4日
发明者武东星, 郑陈煜, 胡纪平, 吴义勇, 李忆兴 申请人:财团法人工业技术研究院