CN100528571C - 用于墨水喷射装置的基片和形成基片的方法 - Google Patents
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Abstract
一种穿过一个具有第一面(162)和与该第一面相对的第二面(164)的基片(160)形成一开口(150)的方法，该方法包括：在该基片的第一面内形成一个沟槽(166)，在该沟槽内形成一个掩模层(167)，在该掩模层内形成至少一个孔(168)，填充该沟槽和至少一个孔，从该基片的第二面朝向掩模层在基片内形成开口的第一部分(152)以及穿过该掩模层内的至少一个孔从基片的第二面朝向基片的第一面在基片内形成开口的第二部分(154)。
Description
相关申请的交叉引用
本申请涉及律师案卷号为200300229的、申请序列号为10/348384，申请日为2003年1月21日的美国专利申请，其被转让给本发明的受让人，且在此引入以供参考。
技术领域
本发明一般涉及墨水喷射装置，尤其涉及一种用于墨水喷射装置的基片。
背景技术
在一些墨水喷射装置比如打印头中，微滴喷射元件形成在基片的正面上，且墨水通过基片中的一个开口或槽传送到微滴喷射元件的喷射腔。通常，基片是一个硅片，槽通过化学蚀刻形成在该硅片中。现有的穿过基片形成槽的方法包括从基片的背面朝向基片的正面蚀刻到基片中。基片的背面被限定为与形成微滴喷射元件那面相对的基片的一面。遗憾的是，从背面一直朝正面蚀刻到基片中会引起正面的槽对不准和/或正面的槽宽度不同。
因此，希望能够控制穿过基片的槽的形成。
发明内容
一种穿过具有第一面和与第一面相对的第二面的基片形成开口的方法，该方法包括在基片的第一面中形成沟槽、在沟槽内形成掩模层、在掩模层内形成至少一个孔、填充该沟槽和该至少一个孔、从基片的第二面朝掩模层在基片内形成开口的第一部分以及从基片的第二面穿过掩模层中的该至少一个孔朝基片的第一面在基片中形成开口的第二部分。
附图说明
图1是示出本发明喷墨打印系统一实施例的方框图；
图2是示出本发明墨水喷射装置一部分的一实施例的示意横剖图；
图3是示出形成在本发明的一个基片实施例上的墨水喷射装置一部分的一实施例的示意横剖图；
图4A-4H示出了一个根据本发明穿过基片形成开口的实施例。
具体实施方式
在下面优选实施例的详细说明中，参照形成其一部分的附图，且在其中通过举例示出了可实行本发明的特定实施例。在这一点上，方向术语比如“顶”、“底”、“正”、“反”、“前”、“后”等是参照所描述的附图的方位而使用的。因为本发明的部件可位于多个不同的方位上，所以方向术语是出于例示的目的使用的，决不加以限制。应该理解，可采用其它实施例，并可作结构或逻辑上的变化，而不脱离本发明的范围。因此，下面详细的说明并不是限制性的，且本发明的范围由随附的权利要求限定。
图1示出了一个本发明喷墨打印系统10的实施例。喷墨打印系统10构成了一个流体喷射系统的实施例，该流体喷射系统包括一个流体喷射组件，比如一个喷墨打印头组件12，和一个流体供给组件，比如一个墨水供给组件14。在示出的实施例中，喷墨打印系统10还包括一个安装组件16、一个介质传送组件18以及一个电子控制器20。
作为流体喷射组件的一个实施例，喷墨打印头组件12包括一个或多个打印头或流体喷射装置，其通过多个喷孔或喷嘴13喷射墨滴或流体微滴。在一个实施例中，微滴对准介质比如打印介质19，以便打印到打印介质19上。打印介质19可以是任何类型的合适的片材，比如纸张、卡片材料、透明胶片、聚酯薄膜等。一般喷嘴13被排列成一个或多个纵列或阵列，这样在一个实施例中，当喷墨打印头组件12和打印介质19相对移动时，喷嘴13中墨水适当的按序喷射使得字符、符号和/或其它图形或图像被打印在打印介质19上。
作为流体供给组件的一个实施例，墨水供给组件14给打印头组件12提供墨水，且包括一个储存器15，用于储存墨水。这样一来，在一个实施例中，墨水就从储存器15流向喷墨打印头组件12。在一个实施例中，喷墨打印头组件12和墨水供给组件14被一起容纳在一个喷墨或流体喷射盒或记录头中。在另一个实施例中，墨水供给组件14与喷墨打印头组件12分开，且通过一个接口连接件比如一根供给管给喷墨打印头组件12提供墨水。
安装组件16相对于介质传送组件18使喷墨打印头组件12定位，而介质传送组件18相对于喷墨打印头组件12使打印介质19定位。这样，一个打印区17就被限定在接近喷嘴13的一个在喷墨打印头组件12与打印介质19之间的区域内。在一个实施例中，喷墨打印头组件12是一个扫描型打印头组件，安装组件16包括一个使喷墨打印头组件12相对于介质传送组件18移动的滑架。在另一个实施例中，喷墨打印头组件12是一个非扫描型打印头组件，安装组件16将喷墨打印头组件12固定在相对于介质传送组件18的指定位置上。
电子控制器20与喷墨打印头组件12、安装组件16以及介质传送组件18相通。电子控制器20从一个主机系统比如一台计算机中接收数据21，且包括暂时存储数据21的存储器。一般地，数据21沿着一条电子的、红外线的、光学的或其它信息传输路径被送到喷墨打印系统10中。数据21例如表示将被打印的文档和/或文件。这样一来，数据21就形成一项喷墨打印系统10的打印作业，并包括一个或多个打印作业指令和/或指令参数。
在一个实施例中，电子控制器20提供对喷墨打印头组件12的控制，其包括从喷嘴13中喷射墨滴的定时控制。这样一来，电子控制器20就限定了喷射墨滴的图案，其在打印介质19上形成字符、符号和/或其它图形或图像。因此，定时控制和喷射墨滴的图案由打印作业指令和/或指令参数决定。在一实施例中，形成一部分电子控制器20的逻辑和驱动电路位于喷墨打印头组件12上。在另一实施例中，逻辑和驱动电路不在喷墨打印头组件12上。
图2示出了喷墨打印头组件12上的一部分墨水喷射装置30的一个实施例。墨水喷射装置30包括一个微滴喷射元件31的阵列。微滴喷射元件31形成在基片40上，该基片40具有一个形成在其内的流体(或墨水)供给槽41。这样一来，流体供给槽41就给微滴喷射元件31提供流体(或墨水)的供给。基片40例如是由硅、玻璃或一种稳定的聚合物形成的。
在一个实施例中，每个微滴喷射元件31包括一个带有喷射电阻34的薄膜结构32和一个喷孔层36。薄膜结构32具有一个形成在其内的流体(或墨水)供给孔33，其与基片40上的流体供给槽41相通。喷孔层36具有一个正面37和一个形成在正面37上的喷嘴开口38。喷孔层36还具有一个形成在其内的喷嘴腔39，其与喷嘴开口38和薄膜结构32上的流体供给孔33相通。喷射电阻34位于喷嘴腔39内，且包括导线35，其将喷射电阻34和驱动信号电连接并接地。
薄膜结构32例如是通过一个或多个二氧化硅、碳化硅、氮化硅、正硅酸乙酯(TEOS)或其它合适材料的钝化或绝缘层形成的。在一个实施例中，薄膜结构32还包括一层导电层，其限定了喷射电阻34和导线35。该导电层例如是通过多晶硅、铝、金、钽、钽铝合金或其它金属或金属合金形成的。
在一个实施例中，在操作期间，流体通过流体供给孔33从流体供给槽41流到喷嘴腔39中。喷嘴开口38在操作中与喷射电阻34连接，这样流体微滴就在喷射电阻34激发的时候通过喷嘴开口38(例如垂直于喷嘴电阻34的平面)从喷嘴腔39中喷出且喷向介质。
墨水喷射装置30的示范性实施例包括如上所述的热敏打印头、压电打印头、挠性拉伸(flex-tensional)打印头或任何本领域中公知的其它类型的流体喷射装置。在一个实施例中，墨水喷射装置30是一个完全集成的热敏喷墨打印头。
图3示出了喷墨打印头组件12的一部分墨水喷射装置130的另一个实施例。墨水喷射装置130包括一个微滴喷射元件131的阵列。微滴喷射元件131形成在基片140上，该基片140具有一个形成在其内的流体(或墨水)供给槽141。这样一来，流体供给槽141给微滴喷射元件131提供流体(或墨水)的供给。基片140例如是由硅、玻璃或一种稳定的聚合物形成的。
在一实施例中，每个微滴喷射元件131包括一个喷射电阻134和一个喷孔层136。另外，基片140具有一个或多个形成在其内的流体(或墨水)供给孔142，这些供给孔142与流体供给槽141相通。喷孔层136具有一个正面137和一个形成在正面137上的喷嘴开口138。喷孔层136还具有一个形成在其内部的喷嘴腔139，该喷嘴腔139与喷嘴开口138和流体供给孔142相通。
在一个实施例中，操作期间，流体通过流体供给孔142从流体供给槽141流到喷嘴腔139。喷嘴开口138在操作中与喷射电阻134连接，这样当喷射电阻134激发时，流体的微滴就通过喷嘴开口138从喷嘴腔139中喷出并喷向介质。
如图3中的实施例所述，基片140具有第一面143和第二面144。在一实施例中，第二面144与第一面143相对，且与第一面143基本平行。这样一来，流体供给孔142与第一面143相通，而流体供给槽141与基片140的第二面144相连。流体供给孔142和流体供给槽141相互之间是相通的，这样就形成一个穿过基片140的通道或开口145。这样一来，流体供给槽141形成开口145的第一部分，而流体供给孔142形成开口145的第二部分。开口145形成在根据本发明一个实施例的基片140内。在一个实施例中，开口是通过化学蚀刻和/或激光加工(激光作用)形成在基片140内的，如下所述。
在一实施例中，基片140具有一个形成在第一面143上的沟槽146，并包括一层形成在沟槽146内的嵌入掩模层147。另外，基片140包括一种安置在沟槽146内的填充材料149。在一个实施例中，嵌入掩模层147形成图案，从而在其内形成有一个或多个开口或孔148。这样一来，在穿过基片140形成开口145的过程中，靠近孔148设置的嵌入掩模层147的一部分就掩蔽或屏蔽填充材料149的区域，如下所述。这样，包括孔148的嵌入掩模层147就限定并控制基片140内流体供给孔142的形成。更具体地说，孔148控制着流体供给孔142的侧向尺寸，以及在第一面143上确定流体供给孔142的位置。
在一实施例中，填充材料149位于嵌入掩模层147上面的沟槽146内。填充材料位于沟槽146内，从而形成基片140的第一面143。这样，在一实施例中，喷射电阻134和喷孔层136就形成在填充材料149上。填充材料149例如包括一种非晶态材料、一种非晶态硅材料或一种多晶硅材料。
图4A-4H示出了穿过基片160形成开口150的一个实施例。在一实施例中，基片160是一个硅基片，且开口150是通过化学蚀刻和/或激光加工(激光作用)形成在基片160内的，如下所述。基片160具有第一面162和第二面164。在一实施例中，第二面164与第一面162相对，且与第一面162基本平行。开口150与基片160的第一面162和第二面164相通，从而提供了一个穿过基片160的通道或通路。虽然图中仅示出一个开口150形成在基片160中，但应该理解，任意数目的开口都可以形成在基片160中。
在一实施例中，基片160代表墨水喷射装置130的基片140，而开口150代表开口145，包括形成在基片140中的流体供给槽141和流体供给孔142。这样一来，墨水喷射装置130上的微滴喷射元件131就形成在基片160的第一面162上。因而，第一面162形成基片160的正面，而第二面164形成基片160的背面，这样墨水就从背面朝着正面流经开口150，且因此流经基片160。因此，开口150便提供了一个流体通道，以使流体(或墨水)穿过基片160与微滴喷射元件131相通。
如图4A和4B中的实施例所示，在开口150穿过基片160形成之前，沟槽166形成在基片160中。在一实施例中，沟槽166是通过化学蚀刻进入基片160而形成在基片160中的，如下所述。
在一实施例中，如图4A所示，为了在基片160中形成沟槽166，在基片160上形成一掩蔽层170。更具体地说，掩蔽层170形成在基片160的第一面162上。掩蔽层170被用于选择性地控制或阻止第一面162的蚀刻。这样一来，掩蔽层170就沿着基片160的第一面162形成，并形成图案来曝露第一面162的区域，且限定沟槽166将要形成在基片160内的位置。
在一实施例中，掩蔽层170通过沉积作用形成，且通过光刻蚀刻形成图案，以限定基片160第一面162的曝露部分。更具体地说，掩蔽层170形成图案以从第一面162创建沟槽166(图4B)形成在基片160上的轮廓。优选的是，沟槽166是通过化学蚀刻形成在基片160内的，如下所述。这样，掩蔽层170就由一种抵制用于在基片160中蚀刻沟槽166的蚀刻剂的材料形成。适宜用作掩蔽层170的材料示例包括二氧化硅、氮化硅或其它任何适合的介电材料或光致抗蚀剂或其它任意感光材料。
接下来，如图4B的实施例所示，沟槽166形成在基片160中。在一实施例中，沟槽166是通过蚀刻到第一面162中而形成在基片160中的。优选的是，沟槽166是使用各向异性的化学蚀刻方法形成在基片160中的。在一实施例中，这种蚀刻方法是一种干式蚀刻方法，比如一种基于氟(SF6)的等离子蚀刻。在另一实施例中，这种蚀刻方法是一种湿式蚀刻方法，其使用一种湿的各向异性蚀刻剂，比如四甲基氢氧化铵(TMAH)、氢氧化钾(KOH)或其它碱性蚀刻剂。
在基片160中形成沟槽166后，掩蔽层170从基片160上剥去或去除。这样一来，基片160的第一面是露出或外露的。在一实施例中，当掩蔽层170由一种氧化物形成时，掩蔽层170例如通过一种化学蚀刻被去除。在另一实施例中，当掩蔽层170由一种光致抗蚀剂形成时，掩蔽层170例如通过一种抗蚀剂剥离器被去除。
如图4C中的实施例所示，在沟槽166形成在基片160中且掩蔽层170从基片160上去除之后，一层嵌入掩模层167形成在沟槽166之内及基片160的第一面162之上。在一实施例中，嵌入掩模层167通过在沟槽166之内及基片160的第一面162之上生成一种抗蚀材料而形成。在另一实施例中，嵌入掩模层167是通过在沟槽166之内及基片160的第一面162之上沉积该抗蚀材料而形成的。该抗蚀材料例如包括氧化物、氮化物、氮氧化物、碳化硅或其它任何合适的沉积或热生长型膜。
接下来，在如图4D所示的实施例中，掩蔽层172形成在嵌入掩模层167上。在一实施例中，掩蔽层172形成具有一个或多个开口173的图案，从而露出嵌入掩模层167在沟槽166内的区域。
在一实施例中，掩蔽层172是通过沉积或喷涂形成的，并通过光刻蚀刻形成图案，从而限定嵌入掩模层167上的曝露部分。更具体地说，掩蔽层172形成图案以从基片160的第一面162创建孔168(图4E)形成在嵌入掩模层167上的轮廓。优选的是，孔168是通过蚀刻的方法形成在嵌入掩模层167内的，如下所述。因而，掩蔽层172是由一种抵制用于将孔168蚀刻到嵌入掩模层167中的蚀刻剂的材料形成的。在一实施例中，这种材料包括光致抗蚀剂。
接下来，如图4E中的实施例所示，孔168形成在嵌入掩模层167中。孔168沿着沟槽166内的嵌入掩模层167被隔开，从而限定开口150与基片160的第一面162连通的位置。虽然图中示出两个孔168形成在嵌入掩模层167中，但应该理解，任意数量的孔168可形成在嵌入掩模层167中。
在一实施例中，孔168通过从基片160的第一面162蚀刻到嵌入掩模层167中而形成在嵌入掩模层167中。优选的是，孔168是采用各向异性的化学蚀刻方法形成在嵌入掩模层167中的。在一实施例中，该蚀刻方法形成的孔168带有基本平行的侧边。在一实施例中，这种蚀刻方法是一种干式蚀刻，例如一种基于氟的等离子蚀刻。在一特定实施例中，该干式蚀刻是一种活性离子蚀刻(RIE)。在另一实施例中，该蚀刻方法是一种湿式蚀刻，例如缓冲氧化蚀刻(BOE)。
在孔168形成在基片160内后，掩蔽层172将从嵌入掩模层167上被剥去或除去。这样一来，带有孔168的嵌入掩模层167就露出或外露。在一实施例中，当掩蔽层172由光致抗蚀剂形成时，掩蔽层172例如通过一个抗蚀剂剥离器去除。
如图4F中的实施例所示，在孔168形成在嵌入掩模层167中且掩蔽层172被去除后，沟槽166被填满。沟槽166是通过在基片160的第一面162和嵌入掩模层167上沉积一种填充材料169以便填充沟槽166的方法来填充的。填充材料169被布置在沟槽166内，以便填充嵌入掩模层167内的孔168。填充材料169例如可以包括一种非晶态材料、一种非晶态硅材料或一种多晶硅材料。
在一实施例中，在填充材料169被沉积在沟槽166内后，填充材料169被平面化来产生一个相当平坦的表面。更具体地说，填充材料169被平面化，以便重新限定基片160的第一面162。在一实施例中，填充材料169是通过化学机械抛光(CMP)或抗深蚀刻处理进行平面化的。虽然填充材料169被示出是相对于形成在基片160的第一面162上的嵌入掩模层167平面化的，但填充材料169相对于基片160平面化也落在本发明的范围内。
并且，如图4F中的实施例所示，掩蔽层174形成在基片160的第二面164上。掩蔽层174形成图案以露出第二面164的一个区域，并限定基片160将被蚀刻形成开口150(图4G-4H)的第一部分152的位置。
接下来，如图4G中的实施例所示，开口150的第一部分152从第二面164被蚀刻到基片160中。这样一来，开口150的第一部分152是通过从第二面164朝第一面162蚀刻基片160上的曝露部分或区域来形成的。从第二面164朝第一面162进入基片160的蚀刻一直持续到开口150的第一部分152相对于嵌入掩模层167形成。
如图4H中的实施例所示，在开口150的第一部分152形成以后，开口150的第二部分154被蚀刻到填充材料169中，其从第二面164穿过第一部分152和嵌入掩模层167上的孔168重新限定基片160的第一面162。从第二面164穿过第一部分152和嵌入掩模层167上的孔168进入基片160的蚀刻继续穿过填充材料169到达第一面162，这样开口150的第二部分154就形成了。这样一来，开口150是穿过基片160形成的。
在一实施例中，包括第一部分152和第二部分154的开口150是使用一种各向异性蚀刻方法形成的。这种方法形成的开口150带有基本平行的侧边。在一实施例中，这种蚀刻方法是一种干式蚀刻，比如一种基于氟(SF6)的等离子蚀刻。在一个特定的实施例中，这种干式蚀刻是一种活性的离子蚀刻(RIE)，尤其是一种深度RIE(DRIE)。在另一实施例中，开口150的第一部分152是通过激光加工方法形成在基片160中的。其后，开口150的第二部分154通过一种干式蚀刻方法形成在基片160中。
在深度RIE期间，曝露部分选择性地被一种活性蚀刻气体蚀刻和涂布，直到形成孔。在一个示范性的实施例中，该活性蚀刻气体产生一个氟基团，其以化学和/或物理的方式蚀刻材料。在该示范性实施例中，一种聚合物涂层被沉积在成形孔的内表面上，包括侧壁和底部，该涂层对于所使用的蚀刻剂是有选择的。通过使用氟化碳气体产生这种涂层，其在这些表面上沉积(CF2)n、一种类似聚四氟乙烯的材料或产生聚四氟乙烯的单体。在该实施例中，该聚合物在后来的蚀刻期间基本上防止了侧壁的蚀刻。用于蚀刻剂的气体和用于在孔内部形成涂层的气体轮流交替。
当从第二面164将开口150的第一部分152蚀刻到基片160中时，嵌入掩模层167充当一蚀刻止挡层，其基本上限定或确定第一部分152的深度。这样一来，第一部分152的形成是相对于嵌入掩模层167进行的。另外，当从第一部分152将第二部分154蚀刻到基片160中时，嵌入掩模层167的孔168基本上限制了基片160的蚀刻，尤其包括孔内区域的填充材料169，并防止孔168侧向蚀刻。这样，孔168控制着开口150与第一面162相通的位置。此外，从第二面164将开口150的第一部分152和第二部分154蚀刻到基片160中产生了一种互补金属氧化物半导体(CMOS)的兼容方法，由此开口150可以在集成电路形成在基片160的第一面162上之后形成。
虽然上述说明是针对喷墨打印头组件中的其内形成有开口150的基片160而言的，但应该理解，可将其内形成有开口150的基片160结合到其它包括非打印应用场合或系统的流体喷射系统以及其它具有穿过基片的流体通道比如医疗卫生器材的应用场合中。因此，本发明不局限于打印头，而是适用于任何开槽的基片。
尽管在此已出于说明一个优选实施例的目的示出并描述了特定实施例，但对于本领域的普通技术人员来说，将会理解的是，可用各种实现相同目的的替换和/或等价实施方式来代替所示出并描述的特定实施例，而不脱离本发明的范围。那些化学、机械、机电、电子以及计算机领域的技术人员将容易理解的是，本发明可以多种实施例来实现。本申请要覆盖在此讨论的优选实施例的任何改进或变化。因此，本发明显然仅由技术方案及其等同物限定。
Claims (17)
1.一种穿过一个具有第一面(162)和与该第一面相对的第二面(164)的基片(160)形成一开口(150)的方法，该方法包括：
在该基片的第一面内形成一个沟槽(166)；
在该沟槽内形成一个掩模层(167)；
在该掩模层内形成至少一个孔(168)；
填充该沟槽和至少一个孔；
从该基片的第二面朝向掩模层在基片内形成开口的第一部分(152)；以及
穿过该掩模层内的至少一个孔从基片的第二面朝向基片的第一面在基片内形成开口的第二部分(154)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该基片是由硅形成的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在该基片的第一面内形成沟槽包括从第一面蚀刻到基片中。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在该沟槽内形成掩模层包括在沟槽内生成和沉积一种抗蚀材料中的至少一种方式。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，该抗蚀材料包括氧化物、氮化物、氮氧化合物以及碳化硅中的一种。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在该掩模层内形成至少一个孔包括从该基片的第一面蚀刻到掩模层中。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，填充该沟槽包括用非晶态材料、非晶态硅材料以及多晶硅材料中的一种来填充沟槽。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在该基片内形成该开口的第一部分包括蚀刻和激光加工到基片中的一种，并且，在该基片内形成该开口的第二部分包括穿过掩模层中的该至少一个孔进行蚀刻。
9.一种用于墨水喷射装置的基片(160)，该基片包括：
一个在其内形成有一沟槽(166)的第一面(162)；
一个与该第一面相对的第二面(164)；
一个形成在该第一面沟槽内的掩模层(167)，该掩模层在其内形成有至少一个孔(168)；
一种位于该掩模层上的该第一面沟槽内的填充材料(169)；以及
一个与该第一面和第二面相通的开口(150)，
其中，该开口的第一部分(152)从第二面延伸到掩模层，而该开口的第二部分(154)穿过该掩模层中的至少一个孔和填充材料延伸到第一面。
10.如权利要求9所述的基片，其特征在于，该基片是由硅形成的。
11.如权利要求9所述的基片，其特征在于，该沟槽被蚀刻到第一面中。
12.如权利要求9所述的基片，其特征在于，该掩模层包括一种抗蚀材料，其中该抗蚀材料通过生长和沉积方式的一种位于沟槽内。
13.如权利要求12所述的基片，其特征在于，该抗蚀材料包括氧化物、氮化物、氮氧化合物以及碳化硅中的一种。
14.如权利要求9所述的基片，其特征在于，该掩模层内的至少一个孔从第一面蚀刻到掩模层中。
15.如权利要求9所述的基片，其特征在于，该填充材料包括非晶态材料、非晶态硅材料以及多晶硅材料中的一种。
16.如权利要求9所述的基片，其特征在于，该开口的第一部分是通过蚀刻和激光加工方式中的一种进入第二面的，并且，该开口的第二部分是穿过掩模层中的该至少一个孔和填充材料从第二面蚀刻的。
17.如权利要求9所述的基片，其特征在于，该墨水喷射装置包括一个形成在该第一面上的微滴喷射元件(131)。
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