制造单体喷墨打印头的方法 【技术领域】
本发明涉及一种制造喷墨打印头的方法，更具体来讲，本发明涉及一种利用负光致抗蚀剂制造单体(monolithic)喷墨打印头的方法。
背景技术
一般来讲，喷墨打印头是这样的装置：其通过向一记录介质上的所需位置处喷射细小的打印墨滴、而以设定的颜色打印出图像。在这种喷墨打印头中，墨汁被从一储墨器经过一供墨孔和一限流器而输送到一墨腔中。充注到墨腔中的墨汁被设置在墨腔中的一个加热元件加热，并在加热元件所产生气泡的压力作用下，从几个喷嘴以微滴的形式喷出。
通常，由于喷墨打印头要实现高清晰度和高打印速度，所以其结构中需要高度集成地设置多个喷嘴。在此情况下，如要提高打印性能和打印图像的质量，各个喷嘴的形状和精度、以及各墨汁通道单元之间的均匀性和精度就是最为重要的工艺变量。
图1A到图1H中地各个剖视图表示了用于制造喷墨打印头的常用方法，其中的喷墨打印头采用顶部喷射的工作方式，基本上，在制造顶部喷射工作方式喷墨打印头的过程中，都采用了光蚀刻工艺和电铸工艺。
顶部喷射式喷墨打印头的制造方法包括这样一些步骤：按照图1A到图1D所示过程制造一喷嘴板15；按照图1E到图1G所示过程在一打印头芯片衬底21上形成带有一供墨孔22、一限流器27以及一墨腔26的一墨汁通道，其中，在衬底21上还形成一加热元件23；并如图1H所示那样，将喷嘴板15粘接到打印头芯片衬底21上，从而完成一个喷墨打印头。
更具体来讲，如图1A所示，在一硅基板11上形成电铸所需的籽晶层12，并在该籽晶层12上涂敷正性光致抗蚀剂13。也就是说，通过溅射或沉积NiV而形成厚度为几千埃的籽晶层12。正性光致抗蚀剂13是用旋涂的方法进行涂敷的，其厚度约为几个微米，也就是说，通常厚度在4微米到8微米之间。随后，利用光掩模(photomask)14选择性曝光正性光致抗蚀剂13。
之后，对曝光后的光致抗蚀剂13进行显形。在此情况下，如图1B所示，籽晶层12上只留下了被遮盖部分的光致抗蚀剂13a。如图1D所示，在喷嘴15a的周围，将由剩下的光致抗蚀剂13a形成一个弧坑(crater)15b。
图1C表示了这样的情况：通过将构图后的衬底11浸泡在电镀容器中、并执行电铸工艺，而在籽晶层12上形成镍制的喷嘴板15。在这样的情况中，通过调整施加于电镀容器的总电流强度和电镀时间，就可将喷嘴板15的厚度制到合适的数值。与此同时，电镀层是无法覆盖到剩下的光致抗蚀剂13a上的，从而就形成了喷嘴15a。
如图1D所示，在完成了电铸成型工艺之后，将喷嘴板15与衬底11分离，并进行清理。在此情况下，在喷嘴15a的周围，就由剩下的光致抗蚀剂13a形成了弧坑15b。
图1E表示了这样的情况：在打印头芯片衬底21上涂敷负性光致抗蚀剂24，在其中的衬底21上制有加热元件23和供墨孔22，加热元件是用电阻性加热体构成的。负性光致抗蚀剂24是用层压的方法涂敷到打印头芯片衬底21上的，其中的层压方法用于在打印头芯片衬底21上对树脂制成的干膜抗蚀剂进行加热加压，其中的树脂例如是杜邦公司生产的Vacrel或Riston材料。
然后，如图1F所示那样，用一光掩模25对负性光致抗蚀剂24进行选择性曝光。结果就是：如图1G所示那样，负性光致抗蚀剂24上受到曝光的部分就被固化了，从而形成了环绕墨腔26的围壁24a。而负性光致抗蚀剂24未经过曝光的部分则可用溶剂去除掉，这样就形成了墨腔26和一个限流器27。限流器27是制在供墨孔22与墨腔26之间的连接通路。
最后，如图1H所示那样，将先前形成的喷嘴板15加热后紧压在围壁24a上，并与打印头芯片衬底21粘接在一起，这样就形成了喷墨打印头。
上述用于制造喷嘴板的方法是公知的，该方法被称为Mandrel型喷嘴电铸成型方法。目前，许多制造商采用该方法来制造彩色喷墨打印头和具有多个小喷嘴的单体喷墨打印头。
但是，随着单元集成度的提高和喷嘴数目的增加，图1A到图1H中所示方法出现了很多问题，其中，单元集成度指标是用每英寸内的单元数来表征(CPI)的。首先，由于喷嘴板15是分开形成的，且被粘接到打印头芯片衬底21上，所以在此过程中必须要有很高的精度。其次，由于当将喷嘴板15加热粘接到打印头芯片衬底21上时，喷嘴板15与打印头芯片衬底21的热膨胀系数是不同的，所以会在喷嘴15a与加热元件之间出现不对正的情况。第三，由于需要执行一个电铸工艺过程、两步光蚀刻过程、以及一个粘接过程，所以制造喷墨打印头的工艺过程非常复杂。
因而，近来出现了这样的喷墨打印头制造方法：在一打印头芯片衬底上整体地形成墨汁通道和喷嘴等各个元件。
图2的透视图表示了一个以侧喷射形式工作的普通喷墨打印头，且图3A到图3E中的剖视图表示了用于制造图2所示单体喷墨打印头的方法。图3A到图3E中左侧的图形是沿图2中的A-A线所作的剖视图，而图3A到图3E中右侧的图形是沿图2中的B-B线所作的剖视图。该方法中基本上也是采用光蚀刻工艺，但在该方法中省去了电铸步骤和粘接步骤。
参见图2，这种采用侧喷射方法的现有喷墨打印头具有这样的结构：在一打印头芯片衬底31上叠压了一块墨汁通道成型壁(ink passage formingwall)41，该壁用于形成一供墨孔45、一墨腔42以及一墨汁通道43。在墨汁通道43的一侧上制有一加热元件32，也就是制在靠近墨腔42的那一部分上，且在墨汁通道43的另一例制有一喷嘴44。
下面将逐步地描述制造上述结构喷墨打印头的单体制造方法。
如图3A所示，在打印头芯片衬底31上涂层厚度约为几十个微米的正性光致抗蚀剂33，且在其中的衬底31上制有一电阻性加热体形式的加热元件32。随后，利用一光掩模34对光致抗蚀剂33进行选择性曝光。
然后，对曝光后的光致抗蚀剂33进行显形。在此情况下，如图3B所示，在打印头芯片衬底31上只剩下了未经曝光的光致抗蚀剂33a。由剩下的光致抗蚀剂33a就形成了图2所示的墨腔42和墨汁通道43。
之后，在打印头芯片衬底31和剩下的光致抗蚀剂33a上涂敷可光致固化的聚合物34，聚合物34通过加热或光照而被固化，随后，如图3D所示那样，用紫外线(UV)对可光致固化的聚合物34进行均匀正射，可光致固化聚合物34上受到照射的部分发生固化，这样就形成了墨汁通道成型壁41。通过沿图3D中的C-C线对图3D中的生成物进行切割，而将剩下的光致抗蚀剂33a暴露到外界。
参见图3E，如果用溶剂将剩下的光致抗蚀剂33a溶解掉，就形成墨腔42、墨汁通道43和喷嘴44。同时，在用溶剂将剩下的光致抗蚀剂33a去掉之前，形成供墨孔45。结果就是：形成了图2所示以侧喷射方式工作的喷墨打印头。
上述用于制造喷墨打印头的方法可在打印头芯片衬底上整体地形成墨汁通道和喷嘴。因而，由于取消了电铸步骤和粘接步骤，所以该方法具有工艺过程比图1A到图1H所示方法中工艺过程简单的优点。另外，由于墨汁通道、喷嘴以及加热元件是用光蚀刻方法对齐的，所以不会出现不对正的情况，这样，就提高了各单元之间的均匀性，并提高了打印性能。但是，该方法存在一局限性：其只能用来制造以侧喷射方式工作的喷墨打印头。另外，由于该方法需要一个切割过程，所以切割过程中产生的粉末和颗粒可能会堵塞喷嘴和墨汁通道，且在切割过程中，用于形成墨汁通道的可光致固化聚合物的形状也会发生变形。
【发明内容】
为解决上述问题，本发明的目的是提供一种制造具有改进结构的单体喷墨打印头的方法，在这种方法中，利用单一的负光致抗蚀剂在一衬底上整体地制成了如喷嘴和墨汁通道的元件，从而简化了制造喷墨打印头的工艺。
为了实现以上目的，提供一种制造单体喷墨打印头的方法，在该方法中，在一衬底上整体地形成了从储墨器输送墨汁的墨汁通道、以及将输送来的墨汁喷射出的喷嘴。所述方法包括步骤：在衬底的表面上形成加热元件，其中的加热元件对墨汁进行加热而产生气泡；在其上已形成加热元件的衬底上涂敷设定厚度的负性光致抗蚀剂；通过利用一第一光掩模正射(flush)曝光并固化负性光致抗蚀剂的一部分来执行第一次曝光，此部分形成了一墨汁通道成型壁的侧壁，以环绕一墨腔和一限流器，在该第一光掩模上形成了墨汁通道中墨腔和限流器的图样；通过利用一第二光掩模曝光负性光致抗蚀剂上的一个部分，且只将该部分固化至设定的厚度来进行第二次曝光，该部分形成墨汁通道成型壁的顶壁，在第二光掩模上制有喷嘴的图样；以及用溶剂溶解并去掉负性光致抗蚀剂上在第一曝光步骤和第二曝光步骤中未被固化的部分。
当所述负性光致抗蚀剂是干膜抗蚀剂(dty film resist)时，则在形成加热元件的步骤与涂敷负性光致抗蚀剂的步骤之间对衬底进行蚀刻而形成一个供墨孔。当负性光致抗蚀剂是液体时，则在第二次曝光步骤与去除步骤之间进行对衬底的蚀刻而形成一个供墨孔。
根据本发明，可制造出这样一种喷墨打印头：其各个元件是通过简化的过程、用单一的负性光致抗蚀剂制造出来的。同时，如果衬底是硅晶片，则其适于大批量地进行制造。
在形成加热元件的步骤中，通过溅射作为电阻加热体的金属在衬底上形成加热元件，或者是通过利用化学气相沉积方法沉积一掺杂多晶硅层、并对该掺杂多晶硅层进行构图来形成加热元件。
优选的是，所述负性光致抗蚀剂包括从如下一组材料中选定的至少一种，该组包括：环氧树脂族材料、聚酰亚胺族材料、以及聚丙烯酸酯族材料，且负性光致抗蚀剂的涂层厚度在10微米到100微米之间。
优选的是，在负性光致抗蚀剂为干膜抗蚀剂时，负性光致抗蚀剂通过层压技术涂敷到衬底上。在负性光致抗蚀剂为液体时，通过旋涂的方法将负性光致抗蚀剂涂敷到衬底上。
优选的是，在第一曝光步骤中，光量在1000mJ/cm2到4000mJ/cm2之间；在第二曝光步骤中，照射量在2mJ/cm2到300mJ/cm2之间。在本发明中，通过第二曝光步骤中的照射量，就可调节墨汁通道和喷嘴的高度。
【附图说明】
通过以下参照附图对优选实施例进行的详细描述，本发明的上述目的和优点就变得更为清晰明了，在附图中：
图1A到图1H中的剖视图表示了制造顶喷射式喷墨打印头的传统方法；
图2中的透视图表示了一种以侧喷射方式工作的现有喷墨打印头；
图3A到图3E中的剖视图表示了用于整体制造图2所示喷墨打印头的方法；以及
图4A到图4E中的剖视图表示了根据本发明的单体喷墨打印头的制造方法。
【具体实施方式】
下文中，通过参照附图对本发明的优选实施例进行描述，来详细地介绍本发明。但本发明也可以通过多种不同的方式来实施，因而不应由所列举的实施例进行限定。在附图中，将用相同的附图标记来指代具有相同功能的元件，且为了清楚起见，图中各个元件的尺寸和厚度都经过了夸大处理。可以理解：如果称某一层物质是在另一层之上或在衬底上，则这一层可以是直接位于另一层或衬底上，也可以是中间隔着其它的层。
图4A到4E中的各个剖视图表示了根据本发明制造单体喷墨打印头的方法。
根据本发明制造单体喷墨打印头的方法基本上也采用的是光刻工艺。但是，与现有技术不同的是：其不涉及电铸工艺、粘接过程以及切割过程。
根据本发明的制造单体喷墨打印头的方法包括步骤：如图4A所示那样，在一打印头芯片衬底110上形成一加热元件112；如图4B到图4D所示那样，用光刻工艺在打印头芯片衬底110上形成一墨汁通道成型壁120a；并如图4E所示那样，完成喷墨打印头，该打印头的各个元件整体地形成在打印头芯片衬底110上。
更具体来讲，如图4A所示，在衬底110上形成了加热元件112及一个供墨孔114，其中的加热元件通过对墨汁加热而产生气泡，供墨孔114则用于从一个储墨器(图中未示出)输送墨汁。
此处，用硅基板作为所述的衬底110。这是因为这样就能利用半导体器件制造中广泛采用的硅晶片，因而适于大批量制造。
加热元件112被制成电阻加热体的形式，其制造方法可通过在衬底110上溅射钽-铝合金等金属来实现，或者是通过在衬底110上沉积一掺杂多晶硅层、并对掺杂多晶硅层进行构图来实现。当加热元件112是用多晶硅制成时，就可通过低压化学气相沉积(LP CVD)方法在衬底110的整个表面上沉积掺杂的多晶硅，其中的杂质可以是含磷(P)的源气体，然后，通过执行一借助于光掩模和光致抗蚀剂的光刻工艺、以及通过执行一利用光致抗蚀剂图案作为蚀刻掩模的蚀刻工艺，来对沉积后的多晶硅层进行构图。
随后，通过对衬底110的背面进行蚀刻而形成供墨孔114。具体来讲，如果在衬底110的背面上形成了限定蚀刻区域的一蚀刻掩模，且对该区域进行湿蚀刻或干蚀刻，形成供墨孔114。在此情况下，如果是以四甲基氢氧化铵(TMAH)(tetramethyl ammonium hydroxide)作为蚀刻剂对该区域执行湿刻，就可以形成图4A所示的、带有预定坡度的供墨孔114。
尽管在上文描述中供墨孔114是在图4A所示步骤中形成的，但也可以如下文将要描述的那样，在图4D所示步骤中形成供墨孔114。具体来讲，当使用了图4B所示步骤中干燥并成膜的干膜抗蚀剂120时，则就可如上述那样，在光蚀刻步骤之前形成供墨孔114。但是，当采用的是液态的光致抗蚀剂，则是在图4D所示的光蚀刻步骤之后，通过对衬底110进行蚀刻来形成供墨孔114，也就是说，供墨孔的制造是在通过对液态光致抗蚀剂进行固化而形成一墨汁通道成型壁120之后进行的。
图4B表示了这样的情况：在已形成加热元件112的打印头芯片衬底110上涂敷负性的光致抗蚀剂120，其中的加热元件由电阻加热体形成。该负性光致抗蚀剂120可采用环氧树脂族、聚酰亚胺族、或聚丙烯酸酯族光致抗蚀剂。例如，可用MicroChem公司生产的SU-8型材料、杜邦公司生产的聚酰亚胺族光致抗蚀剂、或由TOK和JSR公司生产的负性干膜抗蚀剂作为负性光致抗蚀剂120。
如果将负性光致抗蚀剂120曝光，则负性光致抗蚀剂120就体现出这样的特性：低分子量变为高分子量，并通过高分子链形成的网络结构而使负性光致抗蚀剂120固化。另外，可通过调节照射量来调整网络结构的交联密度及交联层的深度。负性光致抗蚀剂120被固化的部分表现出耐化学品性和高机械强度。而负性光致抗蚀剂120的未固化部分则仍为低分子量物质，也就是说处于单体状态或低聚物状态，因而易于被显影剂、丙酮、含卤素溶剂、以及碱性溶剂溶解掉。
由于按照分辨率的不同，墨腔(图4E中的标记124)的高度以及限流器(图4E中的标记126)的尺寸也是不同的，以便于与墨滴的量相适应，所以负性光致抗蚀剂120的涂层厚度可以是在约10微米到100微米之间，以满足上述的尺寸变化。在负性光致抗蚀剂120为干膜抗蚀剂的情况下，用层压方法将负性光致抗蚀剂120涂敷到打印头芯片衬底110上，该层压方法用于加热挤压并压缩干膜抗蚀剂。在负性光致抗蚀剂120为液体的情况下，用旋涂的方法将液态负性光致抗蚀剂120涂敷到打印头芯片衬底110上。
随后，如图4C所示那样，利用负性光致抗蚀剂120的上述特性，用一第一光掩模131保护某一部分来对负性光致抗蚀剂120进行选择性曝光，其中，在被保护的部分中形成了一墨汁通道。在此情况下，负性光致抗蚀剂120上曝光部分被几千mJ/cm2的照射量进行正射曝光，其中的照射量最好是在1000mJ/cm2到4000mJ/cm2之间。结果就是，负性光致抗蚀剂120上被正射曝光的部分就变为高分子并发生固化，该高分子是交联密度很高的网络结构，因而，负性光致抗蚀剂120的被正射曝光部分具有耐化学品性和很高的机械强度。用正射曝光固化的该部分形成了墨汁通道成型壁120a上包围着墨腔(图4E中的标记124)和限流器(图4E中的标记126)的侧壁。
然后，如图4D所示，用一第二光掩模132遮住某一部分后对负性光致抗蚀剂120进行曝光，其中，在被遮住的部分处将形成一喷嘴。在此情况下，负性光致抗蚀剂120上的外露部分被进行弱曝光，此过程中的照射量小于图4C所示步骤中所用的照射量。辐射光，也即紫外线UV的穿透深度将随光致抗蚀剂的材料类型、透明度以及厚度而有所不同。因而，照射量将根据负性光致抗蚀剂120的情况而在几mJ/cm2到几百mJ/cm2的范围内变动，最好是在2mJ/cm2到300mJ/cm2之间变动。当负性光致抗蚀剂120上的露出部分被弱曝光时，在负性光致抗蚀剂120的靠近光源的表面处产生交联，从而发生高分子固化。但是，光线不会造成抗蚀剂内的深部也产生交联，因而，负性光致抗蚀剂120的深部仍然为单体态或低聚物态。这样，负性光致抗蚀剂120上只有上方设定厚度的一部分(除了要形成喷嘴(图4E的122)的那一部分之外)被曝光固化，从而就形成了墨汁通道成型壁120a上包围墨腔(见图4E中的标记124)和限流器(见图4E中的标记126)的顶壁。在此情况下，通过调节光的照射量就可调整墨腔、限流器以及喷嘴的高度。也就是说，通过调节光照射量就可改变负性光致抗蚀剂120中固化部分的厚度，因而能改变墨腔、限流器和喷嘴的高度。
在负性光致抗蚀剂120为液体的情况下，可在上述的墨汁通道成型壁120a制造完毕之后再形成供墨孔114。
根据本发明，喷墨打印头的各个元件都是用同一种光致抗蚀剂120制成的，并对负性光致抗蚀剂120执行了两次曝光，而在现有技术中则是用两种类型的光致抗蚀剂制成喷墨打印头的各元件的。
最后，如图4E所示，采用上述溶剂将负性光致抗蚀剂120上的未固化部分溶解去掉。结果就是，形成了被墨汁通道成型壁120a包围着的墨腔124、限流器126以及喷嘴122，这样就形成了一个以顶部喷射方式工作的单体喷墨打印头。
尽管上文对本发明的优选实施例作了详细的描述，但本发明的保护范围并不仅限于此，而可对优选实施例作多种改变，并存在其它的实施方式。例如，尽管根据本发明的、用于制造单体喷墨打印头的方法适用于以顶部喷射方式工作的喷墨打印头，但本发明的基本技术思路也同样适用于以其它喷射方式工作的喷墨打印头，还适用于利用MEMS传感器以及利用流体的流动性质的致动器产生的压力来控制流体流动的装置。
另外，在本发明中，用于制造喷墨打印头上各个元件所用的材料也可采用未提到的材料。也就是说，衬底也可以用除硅之外其它具有良好加工性能的材料制造。
另外，在根据本发明的单体喷墨打印头制造方法中，根据具体情况的不同，各个步骤之间的次序也可以是不同的。例如，如上所述，对衬底进行蚀刻来形成供墨孔的过程可以是在图4D所示步骤中执行，也可以是在图4A所示步骤中执行。
另外，根据具体情况的需要，各步骤中的尺寸关系也可以在能使单体喷墨打印头正常工作的范围内调节。
如上所述，根据本发明的单体喷墨打印头制造方法具有如下的优点：
首先，可通过光蚀刻工艺在打印头芯片衬底上整体地形成供墨孔、限流器、墨腔以及喷嘴等各个元件，而无需执行现有技术中的电镀成型工艺、粘接工艺、以及切割工艺。另外，光蚀刻工艺在同一种负性光致抗蚀剂上进行，而在现有技术中，要用两种或多种负性光致抗蚀剂进行光蚀刻处理。因而，根据本发明，制造喷墨打印头的过程得以简化，并能减少制造时间和成本。
其次，由于采用了光蚀刻工艺，所以墨汁通道或喷嘴的精细形状形成得接近设计尺寸。这样就可以提高各单元之间的尺寸精度和一致性，从而能达到很高的清晰度和很高的打印速度。另外，通过调整光照射量以及对光掩模进行变形能改变墨腔高度以及喷嘴直径。
第三，由于在本发明中未采用粘接工艺，所以就避免了很多缺陷，这些缺陷例如是由于各元件在粘接过程中热膨胀系数不一致而产生的不对正现象、以及由残余应力引起的破坏等，从而能提高生产率。另外，根据本发明，无须像现有技术那样在电镀工艺之后对喷嘴板执行清理过程和切割处理，所以就不会产生堵塞墨汁通道和喷嘴的粉尘或异物颗粒。
尽管在本文中结合优选实施例对本发明作了具体描述，但本领域普通技术人员可以理解：在不悖离由权利要求书限定的本发明核心思想和保护范围的前提下，可对其实施形式和细节特征作多样的改动。