專利名稱：用于對打印頭的墨供應通道表面形狀進行修正的方法
技術領域：
本發明涉及一種用于對打印頭中的墨供應通道表面形狀進行修正的方法。本發明主要開發用于使所述墨供應通道中的可能擾亂墨流的角形側壁突起最小化。
對相關申請的交互引用
由本發明的申請人或者受讓人提交的下列專利或者專利申請以交叉引用的方式并入本文中。
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一些申請是以檔案號列出的。當知道申請號后，將替換所述檔案號。
背景技術：
近些年，微電子行業的MEMS(微機電系統)器件的影響極其重要。實際上，MEMS是微電子中成長最快的領域之一。MEMS的成長通過硅基照相平版印刷技術擴展到用于加工微尺度機械器件和結構而可以在大的范圍內使用。當然，照相平版印刷技術依賴于可靠的蝕刻技術，所述蝕刻技術允許精確地蝕刻掩模之下露出的硅基層。
MEMS器件在寬廣的領域內建立了廣泛的應用，如用于物理、化學和生物傳感器件。MEMS器件的一種重要應用是用于噴墨打印頭，噴墨噴嘴的微尺度致動器可以使用MEMS技術加工。本申請人開發了帶有MEMS噴墨器件的打印頭，并且所述打印頭在下列專利和專利申請中描述，所述專利和專利申請全部都以引用的方式并入本文中。
6,227,6526,213,5886,213,5896,231,1636,247,795 6,394,5816,244,6916,257,7046,416,1686,220,694 6,257,7056,247,7946,234,6106,247,7936,264,306 6,241,3426,247,7926,264,3076,254,2206,234,611 6,302,5286,283,5826,239,8216,338,5476,247,796 6,557,9776,390,6036,362,8436,293,6536,312,107 6,227,6536,234,6096,238,0406,188,4156,227,654 6,209,9896,247,7916,336,7106,217,1536,416,167 6,243,1136,283,5816,247,7906,260,9536,267,469 6,273,5446,309,0486,420,1966,443,5586,439,689 6,378,9896,848,1816,634,7356,623,1016,406,129 6,505,9166,457,8096,550,8956,457,8126,428,133 6,362,8686,755,509 通常，MEMS噴墨打印頭(“MEMJET打印頭”)由多個芯片組成，每個芯片都有數千個噴嘴。每個噴嘴都包含用于噴墨的致動器，例如，致動器可以是熱彎曲致動器(例如US 6,322,195)或者是形成氣泡式加熱器元件驅動器(例如US 6,672,709)。芯片使用MEMS技術加工，意味著高噴嘴密度進而高分辨率的打印頭能夠以相當低的成本大量生產。
在制造MEMS打印頭芯片時，經常要求進行深的或者極深的蝕刻。蝕刻深度大約在3μm至10μm范圍內可稱為“深蝕刻”，而蝕刻深度深于約10μm可稱為“極深蝕刻”。
MEMS打印頭芯片通常要求經過單獨的直徑約為20μm的墨供應通道將墨傳送到每一個墨嘴。這些供應通道通常被蝕刻穿過厚度約為200μm的晶片，所以對采用的蝕刻方法具有相當多的要求。特別重要的是每個墨通道垂直于所述晶片表面并且不能包含彎曲、側壁突起(如草狀起伏(grassing))或者棱角狀連接部，這些都會妨礙墨流動。
在申請人的以引用的方式并入本文中的US專利申請10/728,784(申請人編號MTB08)和10/728,970(申請人編號MTB07)中，描述了一種使用帶有滴噴射側和供墨側的晶片加工噴墨打印頭的方法。參見圖1，示出了一種包含形成氣泡式加熱器元件驅動器組件2的典型MEMS噴嘴裝置1。驅動器組件2形成在硅晶片5的鈍化層4上的噴嘴腔3內。所述晶片代表性的厚度“B”約為200μm，同時，所述噴嘴腔代表性地占據的厚度“A”約為20μm。
參見圖2，墨供應通道6被蝕刻穿過晶片5到達連接部件7的CMOS金屬化層。入口8提供了墨供應通道6和所述噴嘴腔之間的流體連接(在圖2中為了清楚起見已經去除)。CMOS驅動電路9設置在晶片5和連接部件7之間。致動器組件2、相關聯的驅動電路9和墨供應通道6可以通過照相平版印刷掩模蝕刻技術而形成在晶片3上，如以引用的方式并入本文中的US申請10/302,2274中所描述的方式。
參見圖3，通過首先從晶片的滴噴射側(也就是噴嘴側)進行蝕刻部分地穿過晶片5，墨供應通道6形成在晶片5上。(所述溝槽將變成入口8，如圖2所示)。一旦形成，所述溝槽由光致抗蝕劑10填塞，如圖3所示，而且通過從晶片5的供墨側極深蝕刻到光致抗蝕劑塞，形成墨供應通道6。最后，光致抗蝕劑10被從溝槽剝去而形成入口8，這提供了墨供應通道6和噴嘴腔3之間的流體連接。
所述“背向蝕刻”技術避免了在以照相平版印刷技術形成晶片內的噴嘴結構的同時對整個200μm長的墨供應通道填充和去除抗蝕劑。然而，這種背向蝕刻墨供應通道的方法還存在一定數量的問題。首先，供墨側上的掩模需要仔細地對準，使得蝕刻的通道連接由光致抗蝕劑填塞的溝槽，并且不損害驅動電路9。第二，蝕刻需要垂直并且各向異性地達到約200μm的深度。第三，在所述墨通道內產生棱角狀的側壁特征，特別是在墨通道6和入口8的連接部處。這些棱角狀的肩部理想地應該被最小化以便墨平滑流出。因此需要改進蝕刻方法，使得允許在硅晶片中加工有相對平滑的側壁的極深溝槽。
在本領域內公知數種在硅內蝕刻極深溝槽的方法。所有的這些方法包括使用氣體等離子體的深反應離子蝕刻法(DRIE)。其上帶著適當掩模的半導體基片處理放在離子反應堆的下電極上，并且暴露于由氣體混合物形成的電離等離子體氣體。所述電離等離子體氣體(通常帶有正電)通過施加在電極上的偏壓而向所述基片加速。所述等離子體氣體通過物理轟擊、化學反應或者兩者的結合而蝕刻所述基片。對硅的蝕刻通常最后通過揮發性硅鹵化物(如SiF4)的形成而實現，所述揮發性硅鹵化物由光致惰性運載氣體(如氦)從蝕刻正面運走。
各向異性的蝕刻通常通過下述方式而實現隨著其形成而將鈍化層沉積到溝槽的基部和側壁上，并且使用氣體等離子體選擇性地蝕刻溝槽的基部。
一種用于實現極深各向異性的蝕刻方法是“Bosch方法”，該方法在US 5,501,893和US 6,284,148中描述。這種方法包括交替的聚合物沉積和蝕刻步驟。在淺的溝槽形成之后，首先聚合物沉積步驟在所述溝槽的基部和側壁上沉積聚合物。所述聚合物由在惰性氣體存在或者缺乏的情況下從氟化氣體(例如CHF3，C4F8或者C2F4)中形成的氣體等離子體沉積。在后續的蝕刻步驟中，所述等離子體氣體混合物改成SF6/Ar。當所述側壁保持被保護時，沉積在所述溝槽基部上的聚合物通過在所述蝕刻步驟中的離子輔助而很快分解。因此，各向異性蝕刻被完成。然而，所述Bosch方法的一個主要缺點是聚合物沉積和蝕刻步驟需要交替進行，這意味著連續更替等離子體的氣體成分。這種更替又導致溝槽側壁不平坦——其特征在于形成有圓齒的表面。
在最壞的情況下，所述Bosch方法由于不完全地去除所述聚合物鈍化層而將在所述溝槽的側壁上留下草狀的突出部。這些草狀的殘留物在墨供應通道內是特別不利的，因為經過所述通道的墨流可能折斷草狀突出部并且堵塞下游的墨噴嘴。此外，尖銳的側壁突起在所述墨中產生氣穴，這能夠導致差的墨流，進而導致差的打印質量以及/或者堵塞噴嘴。
在轉讓給應用材料公司(Applied Materials Inc.)的US6,127,278中描述了對循環Bosch方法的修改。在應用材料公司的方法中，首先使用HBr/O2等離子體進行鈍化蝕刻，在交替操作中緊跟著使用SF6/HBr/O2進行主蝕刻。大概通過在所述沉積層相對不揮發的溴化硅的形成，HBr改善鈍化。然而，這種循環的鈍化/蝕刻仍然存在Bosch方法中顯著的草狀起伏和圓齒的側壁這一問題。
另一種極深各向異性蝕刻方法是US 6,191,043描述的“Lam方法”。所述Lam方法利用不變的、非交互的等離子體化學氣體SF6/O2/Ar/He并且同時在所述蝕刻期間實現側壁鈍化。在某種程度上，這種方法可以消除循環蝕刻方法中圓齒側和草狀起伏的問題。
然而，為了使草狀起伏和圓齒側的有害作用最小化，仍然需要改善極深溝槽的表面形狀。特別希望使打印頭中噴嘴入口和墨供應通道之間的棱角狀連接部最小化。像上面討論的一樣，當從打印頭晶片的所述供墨側“背向蝕刻”墨供應通道時，棱角狀的肩連接部是一個普遍的問題。
發明內容
在第一方面，本發明提供一種用于對打印頭中的墨供應通道的表面形狀進行修正的方法，所述方法包括如下步驟 (i)提供包括至少一個墨供應通道的打印頭；以及 (ii)對所述至少一個墨供應通道進行離子銑削。
在第二方面，本發明提供一種加工噴墨打印頭的方法，所述噴墨打印頭包括多個噴嘴、噴射致動器、相關聯的驅動電路和墨供應通道，所述方法包括如下步驟 (i)提供帶有滴噴射側和供墨側的晶片； (ii)蝕刻多個部分地穿過所述晶片的所述滴噴射側的溝槽； (iii)用光致抗蝕劑填充所述溝槽； (iv)采用照相平板印刷掩模蝕刻技術在所述晶片的所述滴噴射側上形成多個相應的噴嘴、噴射致動器和相關聯的驅動電路； (v)從所述晶片的所述供墨側到所述光致抗蝕劑蝕刻多個相應的墨供應通道； (vi)通過離子銑削對所述墨供應通道的表面形狀進行修正； (vii)從所述溝槽剝去所述光致抗蝕劑以形成噴嘴入口，籍此提供所述供墨側和所述噴嘴之間的流體連接。
在第三方面，本發明提供一種噴墨打印頭，其包括 帶有滴噴射側和供墨側的晶片； 多個形成在所述滴噴射側上的噴嘴，每個所述噴嘴在所述晶片中具有相應的入口；以及 多個相應的墨供應通道，其從所述供墨側通向每個入口，其中，由所述墨供應通道和所述入口的連接部所限定的肩部被錐形化以及/或者被圓角化。
至今為止，通過MEMS技術加工打印頭墨供應通道的表面形狀的重要性還沒有被充分認識。盡管幾種極深蝕刻技術在最近幾年變得可利用，但是這些技術都沒有解決起伏不平、帶圓齒的側壁以及/或者噴嘴入口和墨供應通道之間的棱角狀肩部連接部的問題。本發明將一種其它的表面形狀修正步驟引入到打印頭加工工藝中，可錐形化以及/或者圓角化墨供應通道的側壁上的棱角狀表面特征。因此，用本發明的方法制造的打印頭一般展示出經改善的經過其墨供應通道的墨流。
可選地，在墨供應通道的所述側壁上的棱角狀表面特征通過離子銑削被錐形化以及/或者圓角化。例如，棱角狀表面特征可以是從側壁向內伸出的突起。作為選擇，它可以是位于所述墨供應通道縮小為噴嘴入口的位置處的棱角狀肩部。本發明方法有利地使這些棱角狀表面特征錐形化，使得它們大致地圓角化或者使其平滑。因此，流過這些特征的墨接近彎曲表面，而不是棱角狀表面。這意味著墨可以平滑地流出，在墨流動相對較慢處的突出突起之后的凹部內不會產生過多的紊流以及/或者氣泡。
代表性地，所述墨供應通道本身通過各向異性極深蝕刻半導體(例如硅)晶片而形成。任何已知的各向異性極深蝕刻技術，如上描述的那些，可以用于形成墨供應通道。
可選地，所述離子銑削在等離子體蝕刻反應堆內進行，如在感應耦合的等離子體蝕刻反應堆內進行。等離子體蝕刻反應堆在本領域內是公知的并且在商業上可從各種來源得到(例如SurfaceTechnology Systems(表面技術系統)，PLC)。通常，所述蝕刻反應堆包含由鋁、玻璃或者石英形成的腔，該腔包含一對平行的電極板。然而，其它的反應堆設計也是可用的，并且本發明適用于任何類型的等離子體蝕刻反應堆。
一射頻(RF)能量源用于使引入所述腔內的等離子體氣體(或者是氣體混合物)電離。電離后的氣體通過一個偏壓被朝著位于下電極(靜電夾頭)上的基片加速。在本發明中，蝕刻代表性地純粹通過物理轟擊所述基片而實現。設置各種控制方式用于控制所述偏壓、RF電離能量、基片溫度、腔壓強等等。當然，為了使蝕刻條件最佳化而改變等離子體反應堆的參數，這在本領域普通技術人員的公知常識的范圍之內。
可選地，所述離子銑削使用重惰性氣體而進行，該重惰性氣體從氬、氪或者氙中選出。優選地，所述惰性氣體是氬氣，因為這可以在相對低的成本下廣泛應用，而且還因為它的相對高質量、極好的噴濺特性。通常，氬離子等離子體在等離子體蝕刻反應堆內產生，而且氬離子朝著具有墨供應通道的硅晶片垂直加速。
所述離子銑削可以在任何合適的壓強下進行。代表性地，所述壓強將在5到2000毫托的范圍內。換句話說，離子銑削可以在低壓(約5到25O毫托)下或者高壓(約250到2000毫托)下進行。
低壓離子銑削具有以下優點大多數商業上可用的等離子體蝕刻反應堆構造用于低壓蝕刻。因此，低壓離子銑削不需要任何特殊儀器。
然而，離子銑削也可以在高壓下進行。高壓離子銑削有通常可獲得更陡錐形的優勢。應用高壓離子銑削加工陡錐角的原理可以理解如下。通常，濺式蝕刻在相對低壓(例如50到250毫托)下進行以獲得高的濺式蝕刻效率。此種低壓為從所述表面噴濺出的硅原子產生幾乎無碰撞的路徑，從而對蝕刻效率進行優化。
通過在高壓下而非低壓下進行濺式蝕刻，噴濺出的硅原子的平均無碰撞路徑減小，這是因為噴濺出的(反射的)硅原子有更大的可能性與等離子體氣體中入射的氬離子碰撞。這導致在所述基片表面上形成氣體云，將反射的硅原子再沉積回所述硅表面之上。在較大的深度處具有增大的反射硅原子凈沉積，這導致在所述側壁上的棱角狀表面特征變得更加錐形化。
以參引的方式并入本文中的US 5,888,901描述了使用氬離子作為噴濺氣體對SiO2絕緣體表面進行的高壓離子銑削。而在US5,888,901中描述的方法用于使SiO2絕緣體表面層錐形化，而不是使蝕刻到硅內的極深通道的側壁上的棱角狀表面特征錐形化，這種方法可以合理地改進并應用于本發明的方法中。
在本發明中一般優選使用低壓離子銑削，因為為了改進墨流動特性，通常僅僅需要使棱角狀側壁特征圓角化，而不是使全部的側壁特征錐形化。而且，低壓離子銑削不需要任何特殊儀器，并且因此可以容易地集成到典型的打印頭加工方法中。
可選地，每個墨供應通道的深度在100到300μm的范圍內，可選地在150到250μm的范圍內，或者可選地在200μm左右。可選地，每個墨供應通道的直徑在5到30μm的范圍內，可選地在14到28μm的范圍內，或者可選地在17到25μm的范圍內。
可選地，每個噴嘴入口的深度在5到40μm的范圍內，可選地在10到30μm的范圍內，或者可選地在15到25μm的范圍內。可選地，每個噴嘴入口的直徑在3到28μm的范圍內，可選地在8到24μm的范圍內，或者可選地在12到20μm的范圍內。
通常，每個墨供應通道的直徑比相應噴嘴入口的直徑大，而且本發明中所述方法可以用于使由入口和通道之間的連接部限定的棱角狀肩部錐形化。
圖1示出打印頭的現有技術打印頭噴嘴裝置的概略立體圖； 圖2示出圖1中現有技術打印頭噴嘴裝置的剖視立體圖，其中所述致動器組件被移除并且所述墨供應通道暴露。
圖3示出在去掉光致抗蝕劑塞之前的圖2中打印頭噴嘴裝置的剖視立體圖。
圖4示出根據本發明打印頭噴嘴裝置的剖視立體圖，其中所述致動器組件被移除并且所述墨供應通道暴露。
具體實施例方式
圖2示出的現有技術打印頭噴嘴裝置帶有棱角狀肩部11，棱角狀肩部11限定墨供應通道6和入口8之間的連接部。這些棱角狀肩部通過如上所述以及在本申請人的US專利申請10/728,784(申請人編號MTB08)和10/728,970(申請人編號MTB07)中所述的現有技術的極深蝕刻方法而形成，所述兩篇文獻在此以引用的方式并入本文中。
參見圖3，這里示出了移除光致抗蝕劑塞10之前的墨供應通道6。墨供應通道6超出光致抗蝕劑塞10以及在光致抗蝕劑塞10的周圍被部分地蝕刻。依照本發明，在打印頭的加工過程中，所述晶片在等離子體蝕刻反應堆中承受氬離子銑削。等離子體蝕刻反應堆的最佳操作參數可以由本領域的技術人員容易地確定。
在所述氬離子銑削期間，棱角狀肩部11通過同時蝕刻和將濺出的硅再沉積回到所述墨供應通道的側壁上而錐形化。結果是獲得如圖4所示的打印頭噴嘴裝置，該裝置具有錐形的肩部12，肩部12限定入口8和墨供應通道6之間的連接部。
依賴于壓強、偏置功率以及/或者銑削時間，所述肩部可以被完全錐形化(如圖4所示)或者僅僅部分圓角化。在任一情況下，去除棱角狀肩部11一般可以改善流經墨供應通道6的墨流，并且使紊流區以及/或者氣泡的形成最小化。
當然，可以理解，僅僅通過例子對本發明進行了描述，而且可以在由所附權利要求所限定的本發明的范圍內進行細節的修改。
權利要求
1.一種用于對打印頭中的至少一個墨供應通道的表面形狀進行修正的方法，所述方法包括以下步驟
(i)提供包括至少一個墨供應通道的打印頭；以及
(ii)對所述至少一個墨供應通道進行離子銑削。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述打印頭包括多個墨供應通道。
3.如權利要求1所述的方法，其中所述至少一個墨供應通道的側壁內的棱角狀表面特征通過所述離子銑削而被錐形化以及/或者圓角化。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述離子銑削在等離子體蝕刻反應堆內進行。
5.如權利要求1所述的方法，其中所述離子銑削采用從由氬、氪和氙構成的組中選擇的惰性氣體進行。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述離子銑削在5到2000毫托的壓強范圍內進行。
7.如權利要求1所述的方法，其中所述墨供應通道的深度在100到300μm的范圍內。
8.如權利要求1所述的方法，其中所述墨供應通道的直徑在2到30μm的范圍內。
9.一種包括多個墨供應通道的打印頭，其中所述墨供應通道由如權利要求1所述的方法修正。
10.一種對包括多個噴嘴、噴射致動器、相關聯的驅動電路和墨供應通道的噴墨打印頭進行加工的方法，所述方法包括以下步驟
(i)提供帶有滴噴射側和供墨側的晶片；
(ii)蝕刻多個部分地經過所述晶片的所述滴噴射側的溝槽；
(iii)用光致抗蝕劑填充所述溝槽；
(iv)采用照相平板印刷掩模蝕刻技術在所述晶片的所述滴噴射側上形成多個相應的噴嘴、噴射致動器和相關聯的驅動電路；
(v)從所述晶片的所述供墨側到所述光致抗蝕劑蝕刻多個相應的墨供應通道；
(vi)通過離子銑削修正所述墨供應通道的所述表面形狀；以及
(vii)從所述溝槽剝去所述光致抗蝕劑以形成噴嘴入口，籍此在所述供墨側和所述噴嘴之間提供流體連接。
11.如權利要求10所述的方法，其中由所述墨供應通道和所述入口的連接部所限定的肩部通過所述離子銑削而錐形化以及/或者圓角化。
12.如權利要求10所述的方法，其中所述溝槽的深度在5到150μm的范圍內。
13.如權利要求10所述的方法，其中所述墨供應通道以及/或者所述溝槽通過各向異性深反應離子蝕刻方法被蝕刻。
14.一種打印頭，其采用如權利要求10所述的方法加工。
15.一種噴墨打印頭，其包括
帶有滴噴射側和供墨側的晶片；
多個形成于所述滴噴射側上的噴嘴，在所述晶片上的每個所述噴嘴有一個相應的入口；以及
從所述供墨側通向各入口的多個相應墨供應通道，其中由所述墨供應通道和所述入口的連接部所限定的肩部被錐形化以及/或者圓角化。
16.如權利要求15所述的噴墨打印頭，其中每個墨供應通道的直徑比其相應入口的直徑大，并且每個墨供應通道向著其相應入口而逐漸朝內成錐形。
17.如權利要求15所述的噴墨打印頭，其中每個墨供應通道的深度在100到300μm的范圍內。
18.如權利要求15所述的噴墨打印頭，其中每個墨供應通道的直徑在5到30μm的范圍內。
19.如權利要求15所述的噴墨打印頭，其中每個入口的深度在5到40μm的范圍內。
20.如權利要求15所述的噴墨打印頭，其中每個入口的直徑在3到28μm的范圍內。
全文摘要
本發明提供一種用于對打印頭中的墨供應通道(6)的表面形狀進行修正的方法。所述方法包括以下步驟提供一種包括墨供應通道的打印頭，以及對所述墨供應通道(6)進行離子銑削。所述離子銑削通常采用氬進行，并且使所述通道內的棱角狀側壁特征(12)錐形化以及/或者圓角化。
文檔編號B41J2/16GK1968819SQ200580019
公開日2007年5月23日 申請日期2005年3月31日 優先權日2004年6月17日
發明者達雷爾·拉魯·麥克雷諾茲, 卡·西爾弗布魯克 申請人:西爾弗布魯克研究有限公司