专利名称：在基材中形成开口的方法以及由此制造的喷墨打印头的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及在基材中形成开口，更具体涉及使用该技术制造喷墨 打印头。
背景技术：
喷墨打印头是使用照相平版技术在硅晶片基材上制造的多种制品中的 一种。打印头是具有多个喷嘴或小孔的墨滴生成装置，墨滴通过所述喷嘴 或小孔选择性地喷出。可使用任何合适的喷射机构实现墨滴通过喷嘴的喷 出，例如热气泡或压电式压力波。热喷墨打印头的一种普通构造具有多个 设置在半导体基片上的薄膜电阻器。在基材的薄膜层上设置孔板。孔板限
定了围绕各电阻器的喷射腔(firing chamber),对应于各喷射腔的喷嘴，以 及与各喷射腔流体连通的油墨进料通道。油墨通过基材中形成的油墨进料
口或狭缝进入，流过油墨进料通道，到达喷射腔。通过"喷射信号"驱动 电阻器，使相应喷射腔中的油墨被加热，通过相应的喷嘴喷出。
制造这种喷墨打印头的步骤通常包括在硅晶片基材的正面上形成孔 板，然后在基材中形成油墨进料口。形成油墨进料口的一种已知的操作包 括激光微机械加工和湿化学蚀刻割缝的混合方法。在该混合割缝方法中， 激光微机械加工操作在背面氧化层中制造硬掩模开口，然后激光微机械加 工硬掩模开口中的沟槽。该激光沟槽必须在给定的边缘内加工到特定的深 度。然后，采用湿化学蚀刻方法从背面和正面同时进行蚀刻，以达到最终 的临界尺寸(FCD)，从而完成油墨进料口。
虽然该混合割缝方法一般能提供令人满意的结果，但是该方法偶尔会 有产品缺陷。该方法所产生的一种普遍的产品缺陷是所谓的"浅蚀刻 (under-etch)"缺陷，即蚀刻不充分，造成油墨进料口无法达到其最终临界 尺寸(FCD)。造成浅蚀刻缺陷的一个主要原因是在油墨进料口的中心区域的
4正面蚀刻较差。因为正面蚀刻基本在孔板形成的封闭腔内进行，所述化学 反应产生的氢气没有空间逃逸，从而阻碍了蚀刻过程。因此，正面蚀刻仅 仅从油墨进料口的边缘开始，并沿着该边缘蚀刻，而中心区域的蚀刻非常 少。结果，正面和背面蚀刻需要更长的时间才能面对面贯穿，导致更糟糕 的浅蚀刻缺陷。
该混合方法的另一种普遍的产品缺陷是孔板的"激光击穿"。也就是 在激光微机械加工背面沟槽时击穿基材的正面，破坏了孔板。造成孔板激 光击穿的一个主要原因是激光沟槽深度被定得太深而空白太小。换言之， 为了获得所需的蚀刻结果，背面沟槽需要加工得非常深，因此非常靠近基 材正面，这样有可能偶尔导致击穿孔板。
发明内容
在一个实施方式中，本发明提供一种形成贯穿基材的开口的方法，所 述基材具有相对的第一和第二平坦表面。该方法包括在将要形成开口的第 一表面上限定一区域，该区域具有侧翼有边缘区的中心区。在第一表面上 形成位于该区域上的具有基本闭合的空间的顶层。提供促进中心区蚀刻的 元件，在该区域中蚀刻基材的第一表面。
在另一个实施方式中，本发明提供制造喷墨打印头的方法。该方法包 括提供具有相对的第一和第二平坦表面的基材，在第一表面上限定油墨进 料口区域。油墨进料口区域具有侧翼有边缘区的中心区。在第一表面上形 成孔板，在孔板中形成基本闭合的空间。该空间位于油墨进料口区域之上。 在该空间中提供多个蚀刻促进元件。蚀刻促进元件与中心区中的第一表面 接触。然后对油墨进料口区域中的基材第一表面进行湿蚀刻。
在另一个实施方式中，本发明提供一种制造喷墨打印头的方法，其中 提供具有相对的第一和第二平坦表面的基材。在第一表面上限定第一油墨
进料口区域；该第一油墨进料口区域具有侧翼有边缘区的中心区。在第一 表面上施加腔层，腔层的一部分被除去以限定喷射腔和油墨进料通道，以 及在中心区中形成蚀刻促进元件。在腔层上施加喷嘴层，在喷嘴层中形成 多个喷嘴。在第二表面上限定第二油墨进料口区域，在第二油墨进料口区
5域中加工背面沟槽。通过湿蚀刻第一表面上的第一油墨进料口区域和第二 表面上的第二油墨进料口区域，在基材中形成油墨进料口。
结合附图阅读以下详细说明和所附权利要求将更容易理解本发明和本 发明与现有技术相比的优点。
本说明书的结束部分特别突出了本发明的主题，并且清楚地提出了权 利要求。但是，参考以下说明并结合附图可以最佳地理解本发明，其中 图1是热喷墨打印头的截面侧视图。
图2是具有正面油墨进料口区域的半成品打印头的截面侧视图。
图3是具有腔层的半成品打印头的截面侧视图。
图4是部分腔层被除去的半成品打印头的截面侧视图。
图5是图4所示半成品打印头的部分俯视图，显示了颗粒容纳或蚀刻
促进元件。
图6是具有填充材料的半成品打印头的截面侧视图。
图7是具有喷嘴层的半成品打印头的截面侧视图。
图8是具有背面沟槽的半成品打印头的截面侧视图。
图9是打印头的放大侧视图，显示在基材和颗粒容纳或蚀刻促进元件
的界面处形成气泡。
图10是显示颗粒容纳或蚀刻促进元件的另一实施方式的部分俯视图。 图11是显示颗粒容纳或蚀刻促进元件的另一实施方式的部分俯视图。 图12是显示颗粒容纳或蚀刻促进元件的另一实施方式的部分俯视图。 图13是热喷墨打印头的另一个实施方式的一部分的截面侧视图。 图14是图13所示打印头的部分俯视图，显示了颗粒容纳或蚀刻促进
元件的一种构造。
图15是图13所述打印头的部分俯视图，显示了颗粒容纳或蚀刻促进 元件的另一种构造。 '
图16是图13所述打印头的部分俯视图，显示了颗粒容纳或蚀刻促进 元件的另一种构造。发明详述
参考附图，其中所有附图中相同的附图标记表示相同的元件，图l-8
显示了穿过基材的开口的形成方法的一个实施方式。图1-8具体描述了制 造热喷墨打印头的方法；其中在基材中形成的开口是油墨进料口。这仅仅 是形成穿过基材的开口的方法的一个可能的应用方式，用以举例说明本发 明。应注意，除了制造喷墨打印头外，在基材中形成开口的该方法可以用 于许多其它的应用。另外，应注意，图l-8对于基材的一些极小区域是示 意性的，这些区域的尺寸可能比显示的区域大许多数量级，各种结构特征 仅仅是为了说明的目的而并非按比例绘制。
图1显示了由下述方法制造的示例性喷墨打印头10，也就是该方法的 最终产品。打印头IO包括基材12，该基材具有至少一个形成在其中的油墨 进料口 14和围绕着该油墨进料口 14的多个墨滴发生器16。各墨滴发生器 16包括喷嘴18、与喷嘴18流体连通的喷射腔20、在油墨进料口 14和喷射 腔20之间建立流体连通的油墨进料通道22以及设置在喷射腔20中的电阻 器或类似加热元件24。应注意，虽然在此仅仅以例举的形式描述了热活性 电阻器，但是本发明可包括其它类型的流体喷射器，例如压电激励器。在 基材12顶部形成的孔板26限定了喷嘴18、喷射腔20和油墨进料通道22。 在油墨进料口 14上从孔板26向下悬挂多个颗粒容纳元件28、 30。尽管图 1显示了一种普通的打印头结构，即在一个共同的油墨进料口周围有两排墨 滴发生器，但是在本发明的实施中还可以形成用于喷墨打印的其它结构。
在运行中，油墨通过油墨进料通道22从油墨进料口 14(与常规的墨源 (未显示)流体连通)引入喷射腔20。选择性通入电流，使之通过电阻器24， 将相关喷射腔20中的油墨过加热到气穴点，使墨泡膨胀、瘪塌，从而通过 相关的喷嘴18喷出墨滴。然后，通过油墨进料通道22从油墨进料口 14向 喷射腔20中再填充油墨，以进行下一次操作。颗粒容纳元件28和30的作 用是俘获油墨中可能存在的颗粒，防止这种颗粒堵塞油墨进料通道22和喷 嘴18。
现在参考图2，该制造方法从基材12开始，基材12通常是硅晶片。 基材12具有第一平坦表面32(在本文中也称为正面)和背对该第一表面32
7的第二平坦表面34(在本文中称为背面)。第一氧化层36(可.以例如是场氧 化层)生长或沉积在正面32上，第二氧化层38(也可以是场氧化层)生长或 沉积在背面34上。在第一氧化层36顶部施加薄膜叠层40。在一个实施方 式中，薄膜叠层40通常在本领域中是众所周知的，包括例如形成电阻器24 和导电痕迹的导电金属层，以及一个或多个钝化层。钝化层通常由例如钽、 二氧化硅、碳化硅、氮化硅、多晶硅玻璃或任何其它合适的材料形成。导 电金属层通常由例如铝、金或其它金属或金属合金形成。使用已知的照相 平版技术对薄膜叠层40和第一氧化层36进行布图和蚀刻，以限定在基材 12的正面32上的划出区域44的开口 42，在此形成油墨进料口 14的正面 部分。该区域44在本文中称为油墨进料口区域。
然后，在薄膜叠层40顶部形成孔板26(图2中未显示)。孔板26优选 但并非必须由一种可光成像的环氧材料形成，例如可从许多渠道购得的 SU8，这些渠道包括马萨诸塞州牛顿市微化学公司(MicroChem Corporation of Newton， Massachusetts)。形成孔板26的一种可能的方法包括产生三个独 立的层底层、腔层和喷嘴层。在该方法中，首先将底层(未显示)施加在 薄膜叠层40上。在一个实施方式中，底层可包括粘合促进剂如硅垸偶联剂 (SCA)和与制备孔板26的材料相适应的薄层材料的组合。例如，当孔板26 由SU8制成时，该薄层可以是2-8微米的SU8层，该层具有约10-250厘泊 的低粘度。
如图3所示，随后在底层(未示出)上施加腔层48。在一个实施方式中， 腔层48可包含旋涂的更高粘度(例如粘度约为2000-4000厘泊)的SU8。根 据所需的墨滴尺寸和流体性能，腔层的厚度在约9-25微米之间。粘度更 高的SU8可以获得更厚的涂层和更佳的均一性。焙烧组件，然后使用合适 的成形腔水平掩模(formed chamber level mask)进行光成像，该掩模掩盖 随后要去除的腔层48的区域，而不掩盖要保留的区域。SU8表现为负性光 刻胶，意味着SU8保留在曝光的区域中。在曝光后，使用合适的试剂如丙 二醇单甲醚乙酸酯(PGMEA)或乳酸乙酯对腔层48进行显影，除去未曝光的 SU8。也就是说，显影剂从不接受光的区域除去腔层材料，从而产生如图4 和5所示的空隙50。除去腔层材料产生的空隙50将形成喷射腔20和油墨进料通道22。也就是说，在显影步骤中未除去的腔层48的一部分将构成喷 射腔20和油墨进料通道22的侧壁，图5最清楚地显示了该结构。
覆盖在油墨进料口区域44上的腔层48的一部分在显影步骤中也未除 去，从而形成颗粒容纳元件28、 30。在该过程中的这一时刻，颗粒容纳元 件28和30是从油墨进料口区域44中的基材表面向上直立并且与该表面接 触。如图5所示，油墨进料口区域44沿其整个宽度W被分为中心区52和 在中心区52侧翼的两个边缘区54。因此，颗粒容纳元件包括位于两个边缘 区54中每一个区中的多个第一颗粒容纳元件28和位于中心区52中的多个 第二颗粒容纳元件30。第一颗粒容纳元件28限定了优选与相应的油墨进料 通道22相邻并将用于俘获颗粒以防止油墨流动通道22和喷嘴18堵塞的柱 子。位于油墨进料口区域44的中心区52中的第二颗粒容纳元件也有助于 俘获颗粒，防止堵塞。如下文将更详细描述的，第二颗粒容纳元件30还用 于在打印头10的制造过程中促进中心区52中基材12的蚀刻。
参看图6，使用失蜡方法在之后的加工过程中保护空隙50(图6中未显 示)。填充材料56，例如标准正性光刻胶或惰性填充材料，被施加在腔层 48上，以填充空隙50。然后通过光阻回蚀(resist etch back, REB)方法或化 学机械抛光(CMP)法使原本溢出空隙50的填充材料56平坦化。该平坦化处 理除去了任何多余的填充材料，使空隙50中的填充材料56与腔层48齐平。
参考图7，在腔层48顶部施加喷嘴层58。在施加喷嘴层58时，填充 材料56使经填充的空隙50保持形状。喷嘴层58优选但非必须由与腔层48 相同的材料如SU8制成。使用合适的成形喷嘴水平掩模(formed nozzle level mask)对喷嘴层58进行光成像。SU8表现为负性光刻胶，意味着SU8保留 在曝光的区域中。再次使用合适的显影剂，这一次是为了除去喷嘴层58的 未曝光区域，从而形成喷嘴18。另外，填充腔层48中的空隙50的填充材 料56也要除去，留下基本闭合的空间，该空间限定了喷射腔20、油墨进料 通道22和油墨进料口区域44上方的空隙。该空间是"基本闭合的"，因 为其除了喷嘴18外完全封闭。底层(未示出)、腔层48和喷嘴层58共同构 成孔板26，也称为"顶层"。完成的结构在较高的温度(例如150-220。C)下 固化，然后暴露于氧等离子体灰，以除去表面的任何残余物。参看图8，下一步是在第二氧化层38中形成背面硬掩模，它决定了背 面34上油墨进料口 14所需的构造。背面硬掩模限定了背面34上的暴露区 域，在文中称为背面油墨进料口区域60。可以通过激光烧蚀第二氧化层38 的适当部分形成背面油墨进料口区域60。然后通过激光微机械加工，在背 面油墨进料口区域60中产生背面沟槽62。
除去多余的基材，产生图l所示具有成品尺寸的油墨进料口 14，从而 完成打印头10的制造。在一个实施方式中，使用湿蚀刻剂如氢氧化四甲铵 (TMAH)、氢氧化钾(KOH)等，通过正面和背面本体(bulk)湿蚀刻相结合的 方法形成油墨进料口 14。通过向背面油墨进料口区域60和背面沟槽62引 入蚀刻剂完成背面蚀刻。同时，通过向正面油墨进料口区域44引入蚀刻剂 完成正面蚀刻。蚀刻剂流过喷嘴18、腔20和油墨进料通道22，到达油墨 进料口区域44。蚀刻剂溢出正面油墨进料口区域44，包围颗粒容纳元件28、 30，开始蚀刻暴露的基材。
颗粒容纳元件28、 30在它们接触基材12的位置引发和加强(即促进) 基材12的蚀刻。这是因为颗粒容纳元件28、 30和基材12的界面形成一个 角，该角往往迫使化学反应产生的氢气泡远离蚀刻正面。因为正面蚀刻在 基本闭合的空间内进行，所以氢气泡在正常情况下(即没有颗粒容纳元件 28、 30)抵靠在基材12上，从而减慢蚀刻。但是，如图9所示，颗粒容纳 元件28或30与基材12限定的角防止了氢气泡64到达与界面相邻的空间 66，从而使新鲜蚀刻剂能够到达界面空间66中的基材。随着氢气泡尺寸的 增加，界面空间66变大。因此，虽然在颗粒容纳元件28、 30正下方的基 材12不能被蚀刻，但是余下的处于油墨进料口区域44中的基材表面可以 得到较高程度的蚀刻。正好位于颗粒容纳元件28、 30下方的基材最终通过 上述背面蚀刻基材12的方式除去。因为颗粒容纳元件28、 30促进基材蚀 刻，所以在本文中它们也被称为"蚀刻促进元件"。
正面油墨进料口区域44的中心区52中的蚀刻增强，可以产生更大的 总体正面蚀刻深度。例如，在一个实施方式中，第二颗粒容纳或蚀刻促进 元件30使中心区52中的蚀刻达到25-30微米的深度。无蚀刻促进元件但 是其它条件都相同的情况下，油墨进料口区域的中心区中的基材仅仅蚀刻
10到约l微米的深度。正面蚀刻越深，表明与无中心区蚀刻增强的情况相比， 背面激光沟槽62的本体蚀刻将更早地遇到正面蚀刻。这明显减少了湿蚀刻方法中的浅蚀刻缺陷。增强的中心区正面蚀刻还意味着背面沟槽62的加工深度不需要像常规处理中那么深。减小激光沟槽目标深度可以降低激光击 穿孔板的风险。此外，增强的中心区正面蚀刻还可以增加激光沟槽深度边， 从而增加产率。因此，本发明可以明显提高打印头制造产率，从而降低制 造成本。图5所示的第二颗粒容纳或蚀刻促进元件30具有椭圆形状，以侧面对 齐的方式平行地排列在中心区52中(即排列为一直线)。这仅仅是一种可能 的构造。用于蚀刻促进元件30的许多其它构造也是可行的。例如，图10 显示的一种实施方式中，第二蚀刻促进元件30为椭圆形状，但是以之字形 图案排列在中心52中。图ll显示的另一种实施方式中，蚀刻促进元件30 为圆形，以一直线排列在中心区52的中间。在图12中，蚀刻促进元件30 也是圆形，以两条平行的直线排列在中心区52中。所示直线相互交错。一般而言，第二颗粒容纳或蚀刻促进元件30经过设计，能够最好地促 进中心区蚀刻，同时仍然能在最终的打印头10中提供颗粒容纳功能。下文 给出设计蚀刻促进元件30的一些通用原则。首先，因为蚀刻不能直接发生 在蚀刻促进元件30下方，所以元件30应该尽可能小。其次，最小的元件尺寸和到油墨进料口边缘的净空间应该满足相关的制造商的设计规则。第 三，相邻的蚀刻促进元件30之间的间隔应该最优化。通常，如果该间隔太 小，则相邻元件30之间的蚀刻将很快终止，产生较浅的沟槽。如果间隔太 大，则元件之间更多的基材得不到蚀刻，导致总蚀刻深度不够。对于一种 目前流行的打印头结构设计，相邻元件之间最佳的间隔约为20微米。第四， 蚀刻促进元件30应该与待蚀刻的基材表面接触。第五，因为蚀刻仅仅沿着 与基材表面接触的元件的周边进行，因此蚀刻促进元件30的周边应该尽可 能长。第六，蚀刻促进元件30应该设置在油墨进料口中心区52内，这样 在存放期间和位于喷射腔内时，油墨的流体动力学(fluidic dynamitic)性质 不受影响。图13显示了具有促进蚀刻的元件的油墨打印头110的另一个实施方11式。打印头110包括基材112，该基材具有至少一个形成在其中的油墨进料口 114和围绕着该油墨进料口 114的多个墨滴发生器116。各墨滴发生器 116包括喷嘴118、与喷嘴118流体连通的喷射腔120、在油墨进料口 114 和喷射腔12t)之间建立流体连通的油墨进料通道122以及设置在喷射腔120 中的电阻器或类似加热元件124。如上所述，应注意虽然在此仅仅以举例的 形式描述了热活性电阻器，但是本发明可包括其它类型的流体喷射器，例 如压电激励器。在基材112的正面上形成氧化层136，在氧化层136顶部施 加用于提供电阻器124的薄膜叠层140。在基材112顶部形成包括底层146、 腔层148和喷嘴层158的孔板126。孔板126限定了喷嘴118、喷射腔120 和油墨进料通道122。打印头IIO还包括通过与上述实施方式中的第一微粒容纳元件相同的 方式在油墨进料口 114上从孔板126悬挂下来的多个第一颗粒容纳元件 128。多个第二颗粒容纳或蚀刻促进元件130从第一颗粒容纳元件128上悬 挂下来。蚀刻促进元件130在第一颗粒容纳元件128之间延伸，主要由底 层146形成。图14-16显示了用于蚀刻促进元件130的一些可能的构造。 具体而言，图14显示了分立的蚀刻促进元件130，各蚀刻促进元件130在 位于油墨进料口 114的相反面上的相应的一对第一颗粒容纳元件128之间 延伸。图15显示了在第一颗粒容纳元件128之间呈之字形分布的蚀刻促进 元件130。图16显示了在第一颗粒容纳元件128之间呈栅格形延伸的蚀刻 促进元件130。虽然已经描述了本发明的具体实施方式
，但是对本领域技术人员显而 易见的是，在不背离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下可 以进行各种修改。
权利要求
1.一种形成贯穿具有相对的第一和第二平坦表面(32和34)的基材(12)的开口(14)的方法，所述方法包括在将要形成所述开口(14)的所述第一表面(32)上限定一区域(44)，所述区域(44)具有侧翼有边缘区(54)的中心区(52)；在所述第一表面(32)上形成顶层(26)，所述顶层(26)限定位于所述区域(44)上方的基本闭合的空间(20和22)；提供用于促进所述区域(44)的所述中心区(52)的蚀刻的装置(30)；和蚀刻所述区域(44)中的所述基材(12)的所述第一表面(32)。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述用于促进蚀刻的装置 (30)包括在所述中心区(52)中形成的多个蚀刻促进元件(30)。
3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述蚀刻促进元件(30)与 所述第一表面(32)接触。
4. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述蚀刻促进元件(30)各 为椭圆形。
5. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述蚀刻促进元件(30)各 为圆形。
6. —种制造喷墨打印头(10)的方法，所述方法包括 提供具有相对的第一和第二平坦表面(32和34)的基材(12); 在所述第一表面(32)上限定油墨进料口区域(44)，所述油墨进料口区域(44)具有侧翼有边缘区(54)的中心区(52); 在所述第一表面(32)上形成孔板(26);在所述孔板(26)中形成基本闭合的空间(20和22)，所述空间(20和22) 位于所述油墨进料口区域(44)上方；在所述空间(20和22)中提供多个蚀刻促进元件(30)，所述蚀刻促进元 件(30)与所述中心区(52)中的所述第一表面(32)接触；和湿蚀刻所述油墨进料口区域(44)中的所述基材(12)的所述第一表面(32)。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，限定油墨进料口区域(44) 的步骤包括在所述第一表面(32)上形成氧化层(36)，除去一部分所述氧化层 (36)，以限定所述油墨进料口区域(44)。
8. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括在所述边缘区(54) 中形成多个颗粒容纳元件(28)。
9. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括湿蚀刻所述基材(12) 的所述第二表面(34)。
10. —种喷墨打印头(IO)，其包括具有贯穿其中的油墨进料口(14)的基材(12)，所述油墨进料口(14)具有 侧翼有边缘区(54)的中心区(52);在所述基材(12)的第一表面(32)上形成的孔板(26)，所述孔板(26)限定多 个与所述油墨进料口(14)流体连通的喷射腔(20)和多个与相应的所述喷射 腔(20)流体连通的喷嘴(18);和多个颗粒容纳元件(28和30)， 一些所述颗粒容纳元件(28)位于所述边 缘区(54)中， 一些所述颗粒容纳元件(30)中位于所述中心区(52)中。
全文摘要
一种形成穿过基材(12)的开口(14)的方法，包括在基材(12)的第一表面(32)上限定一区域(44)，开口(14)在该区域中形成，该区域(44)具有侧翼有边缘区(54)的中心区(52)。在第一表面(32)上形成位于该区域(44)上的具有基本闭合的空间(20和22)的顶层(26)。提供促进中心区(52)的蚀刻的结构(30)，在该区域(44)中蚀刻基材(12)的第一表面(32)。在一个实施方式中，所述方法可制造一种喷墨打印头(10)，该打印头(10)具有基材(12)和在其上形成的孔板(26)，所述基材(12)具有贯穿其中的油墨进料口(14)。位于油墨进料口的中心区52上方的多个颗粒容纳元件(30)有助于打印头(10)制造过程中的蚀刻作用。
文档编号B41J2/16GK101568435SQ200680056568
公开日2009年10月28日 申请日期2006年12月7日 优先权日2006年12月7日
发明者B·A·罗哈斯, J·唐纳德森, R·里瓦斯, 辜建辉 申请人:惠普发展公司，有限责任合伙企业