包括与基板一体形成的过滤构件的喷墨头及其制造方法

摘要

本发明公开一种具有与基板一体形成的过滤构件的喷墨头和制造其的方法。喷墨头包括设置于基板上的多个压力产生元件来产生压力以提供墨水喷射。设置穿过基板延伸的供墨通道与压力产生元件分开。从基板的顶表面凹入预定的深度且具有由供墨通道界定的宽度的歧管设置于压力产生元件和供墨通道之间。多个过滤柱设置于歧管的底表面上来在其间提供过滤开口。过滤柱与基板一体形成。界定流道的流道结构设置于基板的顶表面上，其中流道可以包括在其中包含压力产生元件的墨水室、向歧管的方向敞开墨水室的墨水沟道和与墨水室流体联通的喷嘴。

说明书

技术领域

本发明的总体构思涉及一种喷墨头和制造其的方法，更具体地涉及一种包括与基板一体形成的过滤构件的喷墨头和制造其的方法。

背景技术

喷墨记录装置通过将墨水的细小液滴喷射到记录介质的期望的位置打印图像。喷墨记录装置因为它们的便宜价格和它们以高清晰度打印各种颜色的能力已经得到广泛使用。喷墨记录装置包括用于实际喷射墨水的喷墨头和与墨水头流体联通(in fluid communication with)的墨水容器。基于墨水喷射所用的压力产生元件，喷墨头可以分为利用电热换能器的热型或利用电机换能器的压电型。

喷墨头包括具有片状的硅基板，和多个设置于硅基板的顶表面上的元件。在美国专利No.4882595中公开了热喷墨头的一个示例。热喷墨头具有：多个发热电阻器，设置于硅基板上来产生喷墨的压力；腔室层，用于界定包括墨水室和墨水沟道的流道的侧壁；和喷嘴层，设置于腔室层上。喷嘴层具有多个相应于每个发热电阻器的喷嘴。硅基板的底表面贴附于墨水容器，且墨水容器中的墨水经过通过硅基板的供墨通道供给到喷墨头。墨水通过墨水沟道的供墨通道供给到墨水室，在那里它被暂时存储。存储于墨水室中的墨水被发热电阻器瞬时加热且然后由产生的压力通过喷嘴以液滴的形状喷射到记录介质上。然后，用流过墨水沟道的墨水重新注满墨水室。

颗粒可能随墨水被引入流道。当颗粒的尺寸大于流道的尺寸时，流道可能被颗粒阻塞。这可能导致打印质量下降。另外，如果颗粒阻塞喷嘴之一，墨水可能不从该喷嘴喷射。为了防止该问题，在喷墨头和墨水容器之间提供了筛网过滤器来防止从墨水容器的颗粒引入流道。但是，为了高清晰度打印需要墨水液滴尺寸的减小，且因此流道的尺寸减小。因此限制了筛网过滤器的使用。

因此，已经研究了与在制造喷墨头的工艺期间在硅基板上形成构件相关的技术。在美国专利No.5463413和6626522中公开了具有过滤构件的喷墨头。

图1是美国专利No.5463413中公开的常规喷墨头的透视图。

参考图1，发热电阻器3设置于基板1上。界定包括墨水室和墨水沟道的流道的腔室层5设置于基板1上。提供有相应于每个发热电阻器3的喷嘴7’的喷嘴层7设置于腔室层5上。设置供墨通道9，在与发热电阻器3隔开的部分处经过基板1。柱11沿供墨通道9设置来防止从供墨通道9引入的颗粒穿入墨水室。依据美国专利No.5463413，柱11由与腔室层5相同的工艺和相同的材料形成。例如，柱11和腔室层5可以通过在基板1上形成光敏树脂层并利用光工艺构图所述光敏树脂层形成。一般地，柱11充当阻碍流道中墨水流动的阻流器(fluid resistor)。因此，具有小尺寸的柱11旨在防止颗粒穿入墨水室。但是，因为柱11通过如上阐述的构图光敏树脂层形成，存在减小柱11的尺寸的极限。即，考虑到腔室层5的厚度和墨水室的高度大于约10微米(μm)，可能对于通过光工艺形成的柱11难于具有大于约1的高宽比。高宽比可以定义为高度尺寸对宽度尺寸的比例。另外，即使如果柱11形成以具有大于约1的高宽比，由于光敏树脂层和基板1之间粘接强度不佳，柱可能也容易地从基板1分开。

由于柱11提供了流阻，如上阐述的常规的具有柱11的喷墨头减小了墨水喷射之后墨水重新注入墨水室的速度。因此，可能限制了喷射频率的提高。

发明内容

本总体发明构思提供具有能够以最小的流阻防止颗粒穿入流道的过滤构件的喷墨头。

本总体发明构思还提供了一种制造具有过滤构件的喷墨头的方法。

本总体发明构思的附加的方面和优点部分在以下的描述中阐述，部分从描述中显见，或可以提供本总体发明构思的实践学到。

本总体发明构思的前述和/或其它方面和优点可以通过提供具有与基板一体形成的过滤柱的喷墨头获得。喷墨头包括设置于基板上的多个压力产生元件来产生压力以提供墨水喷射。设置通过基板延伸的供墨通道与压力产生元件分开。从基板的顶表面凹入预定的深度且具有由供墨通道界定的宽度的歧管(manifold)设置于压力产生元件和供墨通道之间。多个过滤柱设置于歧管的底表面上来在其间提供过滤开口。过滤柱与基板一体形成。界定流道的流道结构设置于基板的顶表面上，其中流道可以包括在其中包含压力产生元件的墨水室、向歧管的方向敞开墨水室的墨水沟道、和与墨水室流体联通的喷嘴。

本总体发明构思的前述和/或其它方面和优点还可以通过提供制造具有与基板一体形成的过滤柱的喷墨头的方法获得。该方法包括在基板上形成多个压力产生元件来产生压力以提供墨水喷射。构图基板来形成从压力产生元件隔开的沟槽且界定多个过滤柱，所述过滤柱从沟槽的侧壁隔开且形成来在其之间提供过滤开口。在具有过滤柱的基板上形成界定流道的流道结构，其中流道可以包括在其中包含压力产生元件的墨水室、向沟槽的方向敞开墨水室的墨水沟道、和与墨水室流体联通的喷嘴。可以蚀刻基板来形成通过沟槽的底部延伸的供墨通道和来界定包括过滤柱的歧管。

附图说明

结合附图，本总体发明构思的这些和/或其它方面将从实施例的以下描述变得明显且更加容易理解，其中：

图1是常规喷墨头的透视图；

图2是依据本总体发明构思的实施例的喷墨头的透视图；

图3是图2所示的喷墨头的平面图；

图4到9是沿图3的线I-I’所取的横截面图，示出制造依据本总体发明构思的一实施例的喷墨头的方法；

图10和11是示出制造依据本总体发明构思的另一实施例的喷墨头的方法的横截面图；

图12是示出过滤柱的直径和过滤开口的关系的平面图；

图13A和13B是示出依据本总体发明构思的过滤柱的SEM图像；和

图14A和14B是显示基于过滤柱的尺寸推测喷墨头的墨水喷射性能的计算机模拟结果的视图。

具体实施方式

现将详细参见本总体发明构思的实施例，在附图中示出了其的示例，其中贯穿全文相似的附图标记指示相似的元件。通过参考图在以下描述了实施例来说明本总体发明构思。

图2是依据本总体发明构思的实施例的喷墨头的透视图，且图3是图2所示的喷墨头的平面图。另外，图4到9是沿图3的线I-I’所取的横截面图，示出制造依据本总体发明构思的一实施例的喷墨头的方法。

首先，将参考图2、3和9描述依据本总体发明构思的实施例的喷墨头。

参考图2、3和9，压力产生元件设置于基板10的顶表面10a上。基板10可以是半导体制造工艺中使用的具有约500μm厚度的硅基板。压力产生元件产生压力来提供墨水喷射。依据本总体发明构思的实施例，压力产生元件可以是提供为电热换能器的发热电阻器12。发热电阻器12可以由诸如钽或钨的高电阻金属、包括高阻金属的诸如钽铝的合金、或在其中掺杂有杂质离子的多晶硅制成。另外，虽然在图中未显示，其它元件也可以设置于基板10的顶表面10a，除了其他元件之外包括将电信号提供到发热电阻器12的导线、将发热电阻器12与外部电路连接的导电焊盘、在基板10上在最低层形成的硅氧化物热屏障(heat barrier)、和形成来保护设置于基板10上的结构的钝化层。

供墨通道26穿过基板10延伸。供墨通道26可以从发热电阻器分开来延伸通过基板10的中间部分。另外，供墨通道26可以具有从平面图观之的狭槽形状。发热电阻器12可以在供墨通道26的两侧沿供墨通道26的长度方向排列为两行。从顶表面10a凹入预定的深度且具有由供墨通道26所界定的宽度的歧管14’设置于供墨通道26和发热电阻器12之间。如上所述，当供墨通道26具有狭槽形状时，歧管14’可以沿供墨通道26的长度方向设置。多个过滤柱16设置于歧管14’的底部表面。过滤柱16与基板10一体形成。过滤柱16可以通过蚀刻基板10形成。在该情况中，基板10被蚀刻的部分形成为歧管14’。因此，过滤柱16具有的高度基本相同于歧管14’从基板10的顶表面10a的深度。过滤柱16可以设置于歧管14’上，且以相同的间距分开，由此提供在其之间具有相同尺寸的柱开口O。

界定流道的流道结构设置于基板10的顶表面10a。流道包括在其中包含发热电阻器12的墨水室28、向歧管14’的方向敞开墨水室28的墨水沟道30、和与墨水室28流体联通的喷嘴24’。流道结构可以包括腔室层20a、覆盖层20b和喷嘴层24。腔室层20a设置于基板10的顶表面10a上来界定墨水室28和墨水沟道30的侧壁。覆盖层20b可以设置于腔室层20a的同一水平高度来与过滤柱16的顶表面接触且覆盖供墨通道26。另外，覆盖层20b从位于墨水沟道30两侧的歧管14’的边缘E充分分开，使得自墨水容器(未显示)供应的墨水通过供墨通道26平稳地流入流道。腔室层20a和覆盖层20b可以由相同的工艺和相同的材料层形成。例如，腔室层20a和覆盖层20b可以是光敏树脂层。喷嘴层24设置于腔室层20a和覆盖层20b上，且喷嘴24’穿过喷嘴层24延伸以分别相应于发热电阻器12。

自墨水容器供应的墨水依次通过供墨通道26、由过滤柱16提供的过滤开口O和墨水沟道30来暂时存储于墨水室28中。在该过程中，为了让过滤柱16过滤墨水中的颗粒，过滤开口O的尺寸可以小于包括墨水沟道30的流道的最小尺寸。这允许任何大得足以阻塞具有最小尺寸的流道的部分的颗粒被过滤柱16过滤。典型地，流道的最小尺寸可以是喷嘴24’的直径。另外，过滤柱16的高度可以基本等于腔室层20a的厚度，即，墨水室28的高度。

过滤柱16可能充当阻碍墨水流动的阻流器。过滤柱16的尺寸可以减小来最小化由过滤柱16产生的流阻。过滤柱16每个可以具有相同的直径D且可以具有沿垂直于墨水移动方向的轴延伸的相同的高度。如果当通过减小它们的直径D增加过滤柱16的高宽比时维持过滤开口O的宽度，即，过滤柱16之间的间隙，则可以增加所有过滤开口O的宽度的总和，从而最小化由过滤柱16产生的流阻。

图12是示出过滤柱的直径和过滤开口的关系的平面图。

参考图12，当设置具有第一直径D1的过滤柱16a和具有小于第一直径D1的第二直径D2的过滤柱16b来提供具有相同宽度的过滤开口O时，由具有第二直径D2的过滤柱16b提供的所有过滤开口O的宽度的总和增加。例如，当具有10微米(μm)的直径的过滤柱设置来在具有300μm的长度的歧管上提供具有10μm的宽度的过滤开口时，所有过滤开口的宽度的总和成为150μm。另一方面，在具有5μm的直径的过滤柱的情况下，所有过滤开口的宽度总和成为200μm。

仍参考图2、3和9，因为依据本总体发明构思的过滤柱16与基板10一体形成，所以与过滤柱16对基板10的顶表面10a的粘接相关的问题可以减轻。另外，虽然通过蚀刻基板10形成过滤柱16导致高宽比大于1，但是过滤柱16仍可以可靠地形成。因此，可以最小化由过滤柱16产生的流阻，因为过滤开口O可以在歧管14’上制造得更宽。另外，因为流阻接近最小，在墨水喷射后墨水重新注入墨水室28的速度增加，且墨水喷射频率改善。

下面，将描述制造依据本总体发明构思的实施例的喷墨头的方法。

参考图3和4，制备基板10。在基板10的顶表面10上形成多个压力产生元件来产生压力以提供墨水喷射。压力产生元件可以时由诸如钽和钨的高电阻金属、包括高电阻金属的诸如钽铝的合金或其中掺杂有杂质离子的多晶硅制成。在基板10的顶表面10a上也可以形成其它元件，包括，除了其他元件之外，将电信号提供到发热电阻器12的导线、将发热电阻器12与外部电路连接的导电焊盘、在基板10上在最低层形成的硅氧化物热屏障、和形成来保护设置于基板10上的结构的钝化层。

参考图3和5，构图基板10来在基板10的中间部分形成与发热电阻器12分开的沟槽14。更具体地，在基板10上形成掩模图案(未显示)，且利用掩模图案作为蚀刻掩模将基板10蚀刻预定的深度。结果，形成沟槽14来在基板10的中间部分界定多个过滤柱16。过滤柱16是被掩模图案遮掩的部分。沟槽14的深度，即，过滤柱16的高度基本相同于腔室层的厚度，腔室层将通过随后的工艺形成。另外，形成过滤柱16以与沟槽14的侧壁分开且沿沟槽14的侧壁以相同的间距彼此分开，由此在过滤柱16之间提供具有相同宽度的过滤开口O。形成过滤柱16来具有大于约1的高宽比，且过滤柱16的高宽比与所有过滤开口O的宽度总和具有正比关系。相反地，过滤柱16的直径D与有过滤开口O的宽度总和具有反比关系。

依据本总体发明构思的各种实施例，可以通过反应离子蚀刻(RIE)工艺或深反应离子蚀刻(DRIE)工艺蚀刻基板10。DRIE工艺又称为感性耦合等离子体(ICP)工艺。具体地，DRIE工艺通过使用高密度等离子体源和交替执行蚀刻和钝化层沉积可以形成具有高高宽比的过滤柱16。在该情况中，SF₆气体可以用作蚀刻等离子体源，且C₄F₈可以用作钝化等离子体源。

参考图3和6，在去除掩模图案之后，形成下牺牲层18来填充沟槽14。下牺牲层18可以由聚酰亚胺基或聚酰胺基正光敏树脂层或通过旋涂方法形成的热塑性树脂层形成。在具有下牺牲层18的基板10上形成腔室层20a和覆盖层20b。形成覆盖层20b来覆盖过滤柱16且与沟槽14的侧壁分开。腔室层20a和覆盖层20b可以通过在基板10的顶表面10a上形成光敏树脂层且然后曝光和显影该光敏树脂层来形成。该光敏树脂层可以利用液体光敏树脂通过旋涂方法形成，或通过层压方法由热压光敏干膜层(dry film layer)形成。当利用干膜层时，可以省略形成下牺牲层18的工艺。

参考图3和7，形成上牺牲层22来填充腔室层20a和覆盖层20b之间的空间。上牺牲层22可以由类似于下牺牲层18的聚酰亚胺基或聚酰胺基正光敏树脂层或热塑性树脂层形成。或者，在图7所示的形成上牺牲层22的工艺之后可以执行图6所示的形成腔室层20a和覆盖层20b的工艺。即，在形成下牺牲层18之后，可以在基板10上形成上牺牲层22来覆盖形成流道的区域。然后可以形成腔室层20a和覆盖层20b。

参考图3和8，在腔室层20a、覆盖层20b和上牺牲层22上形成具有相应于每个发热电阻器12的喷嘴24’的喷嘴层24。通过在腔室层20a、覆盖层20b和上牺牲层22上形成光敏树脂层且然后曝光并显影该光敏树脂层可以形成喷嘴层24。该光敏树脂层可以利用液体光敏树脂通过旋涂方法形成，或通过层压方法由热压光敏干膜层形成。当利用干膜层时，可以省略形成上牺牲层22的工艺。

参考图3和9，在形成喷嘴层24之后，蚀刻在沟槽14的底部分的基板10来形成供墨通道26。供墨通道26可以通过诸如RIE工艺或喷砂工艺的干蚀刻方法形成，或通过利用诸如氢氧化四甲基铵(TMAH)的强碱溶液作为蚀刻剂的湿法蚀刻形成。在沟槽14的两侧部分通过形成供墨通道26界定包括过滤柱16的歧管14’。即，歧管14’具有由供墨通道26界定的宽度。一旦形成供墨通道26，通过适当的溶液去除下和上牺牲层18和22，例如，乙二醇醚、乳酸甲酯或乳酸乙酯。结果，在去除上牺牲层22的区域形成墨水室28和墨水沟道30。依据本总体发明构思的实施例，腔室层20a、覆盖层20b和喷嘴层24构成流道结构来界定墨水室28、墨水沟道30和喷嘴24’。

图10和11是示出制造依据本总体发明构思的另一实施例的喷墨头的方法的横截面图。

参考图10，在通过执行图4和图5所述的工艺形成沟槽14来界定过滤柱16之后，形成下牺牲层18来填充沟槽14。然后，在基板10上形成上牺牲层22来覆盖将形成流道的区域。

参考图11，在基板10上形成流道材料层(未显示)来覆盖上牺牲层22、基板10和下牺牲层18。形成流道材料层来填充上牺牲层22的部分之间的空间，且自上牺牲层22的顶表面具有预定的厚度。流道材料层可以由光敏树脂层形成。然后构图流道材料层来形成具有相应于每个发热电阻器12的喷嘴34’的流道结构。因此，依据本实施例，可以通过相同的工艺一体形成包括腔室层30a、覆盖层30b和喷嘴层34的流道结构。在形成流道结构之后，执行如参照图9所述的工艺来形成供墨通道。

示例

图13A和13B是示出依据本总体发明构思的过滤柱的SEM图像。通过在硅基板上形成光致抗蚀剂图案来覆盖将形成过滤柱的区域，且然后利用光致抗蚀剂图案作为蚀刻掩模蚀刻硅基板，来形成过滤柱。然后利用DRIE工艺干蚀刻硅基板。形成的过滤柱P来具有约5微米(μm)的宽度X和约20μm的高度Y，由此具有约4的高宽比。另外，形成过滤柱P来具有约10μm的间隙(即，过滤开口)。

参考图13A和13B，且依据本总体发明构思的实施例，当干法蚀刻硅基板来形成过滤柱P时，形成过滤柱P具有高高宽比。即使过滤柱P具有高高宽比，过滤柱P也能够形成牢固和可靠的颗粒过滤系统，因为过滤柱P与基板一体形成且其后未从其分开。

图14A和14B是显示基于过滤柱的尺寸推测喷墨头的墨水喷射性能的计算机模拟结果的视图。图14A和14B中，设计墨水室C来具有三边阻挡结构。另外，设计过滤柱来分别具有约10μm和5μm的直径和约10μm的柱间间隙，即，过滤开口的宽度。图14A和14B是显示在墨水喷射之后七秒之后结果的视图。

参考图14A和14B，当过滤柱具有约5μm的直径时，看起来在墨水喷射之后墨水引入墨水室C比当过滤柱具有约10μm的直径时更快。另外，当过滤柱具有约5μm和10μm的直径时计算所得的墨水喷射频率分别为约72KHz和59KHz的值。这些结果的原因是当过滤柱具有约5μm的直径时通过提供更多的过滤开口所有的过滤开口的宽度总和得到增加。

通过蚀刻基板依据本总体发明构思的实施例的过滤柱与基板一体形成。因此，虽然过滤柱具有高高宽比，过滤柱仍可以可靠地形成来在具有严格尺寸的流道中提供许多过滤开口。因此，不仅通过最小化流阻，而且通过防止颗粒阻塞流道从而可以最小化墨水喷射性能的恶化。

如前述所见，蚀刻基板来形成与基板一体形成的过滤柱。虽然过滤柱具有高高宽比，过滤柱仍坚固且可靠地形成于基板上。因此，本总体发明构思能够改善喷墨头的性能，不仅通过最小化流阻，而且通过防止颗粒阻塞流道。

虽然展示和描述了本总体发明构思的一些实施例，然而本领域的一般技术人员可以理解在不脱离本总体发明构思的原则和精神内可以对这些实施例作出改变，本总体发明构思的范围由权利要求和其等同物界定。

本申请要求于2004年7月23日提交的韩国专利申请No.2004-57854的权益，其全部内容引入作为参考。