CN101005952A - 液体排出装置及液体排出装置的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种液体排出装置，包括：半导体基板(11)；设置在该半导体基板(11)上的发热元件(12)；设置在该半导体基板(11)上的覆盖层(14)，其中喷嘴(14a)布置在该发热元件(12)上的区域中；以及用于使该发热元件(12)上的区域与外部连通的单独流路(14b)。半导体基板(11)配备有：芯片(10)，该芯片上不形成与单独流路(14b)连通的通孔，其上形成公共流路(21b)的墨供应部件(21)和芯片(10)被粘接从而允许公共流路(21b)与芯片(10)的单独流路(14b)连通；及设置在该芯片(10)和墨供应部件(21)上方的用于密封贯穿的部件的顶板(22)，该贯穿的部分被提供来形成公共流路(21b)。
Description
技术领域
本发明涉及用作喷墨打印机的打印头等的液体排出头(discharge head)且涉及制造该液体排出头的工艺。更具体地，本发明涉及具有满意的产率且被制造而无需在半导体基板中形成通孔的便宜的液体排出头且涉及制造该液体排出头的工艺。
背景技术
图10是作为已知液体排出头示例的热打印头的剖视图。在图10中，打印头包括给墨部件2和粘接在给墨部件2上的芯片(chip)1。芯片1包括设置在半导体基板1a上的加热器元件3、以及设置为将喷嘴4a定位在各加热器元件3之上的涂层4。单独通道4b从加热器元件3之上的区域延伸到与该加热器元件3之上的区域连通的周边区域。此外，半导体基板1a包括通孔1b。
另一方面，给墨部件2包括给墨开口2a和穿过给墨部件2的基底(base)的公共通道2b，公共通道2b与给墨开口2a连通。
在该打印头中，墨从外部墨盒(未示出)等通过给墨开口2a供给到公共通道2b。墨通过通孔1b进入单独通道(individual channel)4b。结果，加热器元件3之上的区域被充有墨。
在此状态中加热器元件3的快速加热在加热器元件3上产生气泡(bubble)。气泡的产生期间压力的改变将加热器元件3之上的墨滴通过喷嘴4a排出。所排出的墨到达记录介质等从而形成像素。
如下所述地制造该打印头。
首先，加热器元件通过半导体制造技术等形成在由例如硅构成的基板(半导体基板1a)上。可溶树脂例如光敏树脂诸如光致抗蚀剂构成的图案通过光刻技术形成在加热器元件3上从而形成牺牲层(未示出)。将成为一结构的涂层(树脂层)4通过应用例如旋涂形成在牺牲层上。
喷嘴4a通过干蚀刻形成在涂层4中。当涂层4由光敏树脂形成时，喷嘴4通过光刻技术形成。用作给墨开口2a的通孔1b通过从半导体基板1a的背面的湿蚀刻形成，例如如日本专利No.3343875所述。通过通孔1b灌注用于牺牲层的溶解液体。当牺牲层由光敏树脂构成时，通过通孔1b灌注显影剂等。由此，牺牲层溶解(被洗脱)从而形成芯片1。
给墨部件2由铝、不锈钢或树脂构成且通过机械加工形成。芯片1粘接到给墨部件2。由此，完成打印头。
在已知技术中，通孔1b从半导体基板1a的背面形成在半导体基板1a中。通过通孔1b灌注用于牺牲层的溶解液体以溶解牺牲层。在半导体基板1a中形成通孔1b的步骤通常通过各向异性湿蚀刻或干蚀刻，或者两者的组合来进行。
然而，各向异性蚀刻具有下述缺点。
首先，蚀刻速率非常低(约0.5至约1.0μm/min)。例如，在具有约600μm厚度的半导体基板1a中形成通孔1b所需的时间为至少约10小时。因此，它不利地花费非常长的生产时间。
第二，在形成通孔1b之前，用作蚀刻掩模的部件需要形成在除了通孔1b之外的区域中，因此不利地使工艺复杂化。
第三，在铝垫(pad)等设置在半导体基板1a的表面上的情况下，当蚀刻溶液到达该表面时，铝垫不利地被蚀刻。因此，需要防止蚀刻溶液到达该表面。供选地，需要形成保护膜从而即使蚀刻溶液到达该表面时也不导致问题。
另一方面，干蚀刻也具有下述缺点。
首先，蚀刻速率不利地比各向异性蚀刻更低。
第二，以与各向异性蚀刻中的第二问题相同的方式，不利地需要蚀刻掩模。
如上所述，蚀刻技术的使用使生产工艺复杂化且延长了生产时间。因此，打印头具有差的产率，导致高成本。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于提供一种以低成本和满意的产率制造液体排出头的简单工艺，该工艺不包括在半导体基板中形成通孔的(蚀刻)步骤。
本发明通过如下所述地解决所述问题而克服了所述问题。
根据本发明的第一方面，液体排出头包括：半导体芯片，其具有半导体基板；设置在该半导体基板上的多个加热元件，该加热元件沿一方向布置；设置在该半导体基板上的涂层，该涂层具有喷嘴，该喷嘴的每个布置在该加热元件中的对应的一个上；以及单独通道，设置在该半导体基板和该涂层之间，该单独通道的每个与外界和加热元件中的对应的一个之上的区域连通，其中该半导体芯片不具有与每个单独通道连通的通孔；给液部件，具有穿过基底的公共通道，该给液部件以公共通道与半导体芯片的单独通道连通的方式粘接到该半导体芯片；以及密封部件，设置在该半导体芯片的该涂层和该给墨部件上从而密封该公共通道的开口。
在本发明的第一方面中，该半导体基板不具有通孔。该密封部件密封当该半导体芯片粘接到该给液部件时该给液部件和该半导体芯片之间的间隙，即该密封部件密封该公共通道的开口。由此，形成通过该给液部件、该半导体芯片和该密封部件定义的该公共通道。
根据本发明的第二方面，制造液体排出头的工艺包括：第一步骤，形成多个加热元件在半导体基板上，该加热元件沿一方向布置；第二步骤，形成牺牲层在一区域上，包括该加热元件上的区域，该牺牲层可溶解在溶解液体中；第三步骤，形成涂层在该牺牲层上；第四步骤，在第三步骤之后或同时地在该涂层的区域中形成喷嘴，所述区域的每个位于对应的加热元件之上，且该喷嘴的每个穿透该涂层；第五步骤，沿该牺牲层和该涂层的堆叠方向切割该半导体基板从而形成半导体芯片，其每个在对应的切割端暴露该牺牲层；以及第六步骤，将在第五步骤中形成的半导体芯片浸在溶解液体中从而溶解该牺牲层，其中该工艺还包括：粘接步骤，将至少第五步骤之后的每个半导体芯片以这样的方式粘接到包括穿过基底的公共通道的给液部件，所述方式即对应的半导体芯片的每个切割端朝向该公共通道；以及密封步骤，用密封部件以这样的方式密封该公共通道的开口，所述方式即所述密封部件设置在该给液部件和在该粘接步骤中粘接的每个半导体芯片的所述涂层上。
在本发明的第二方面中，该半导体芯片通过第一至第六步骤制造。在制造该半导体芯片的工艺中，未进行在该半导体基板中形成通孔的步骤。该半导体芯片中包括该加热元件上的区域(用于液体的室)的单独通道通过牺牲层的溶解形成在该半导体基板和该涂层之间。
该给液部件和该半导体芯片之间的间隙即该公共通道的开口在该密封步骤中被密封。
根据本发明的第一方面，该公共通道和该单独通道可以被形成而没有在该半导体基板中形成通孔。
根据本发明的第二方面，包括该公共通道和该单独通道的该液体排出头可以被制造而没有在该半导体基板中形成通孔的步骤。由此，可以以低成本制造具有满意的产率的液体排出头。
附图说明
图1是侧剖视图，顺序示出根据第一实施例制造头的工艺；
图2是说明图，示出图1所示的制造步骤之后的制造步骤；
图3是说明图，示出图2所示的制造步骤之后的制造步骤；
图4是说明图，示出图3所示的制造步骤之后的制造步骤；
图5是说明图，示出图4所示的制造步骤之后的制造步骤；
图6是根据第二实施例的侧剖视图，该视图对应于示出第一实施例的图4；
图7是根据第二实施例的侧剖视图，该视图对应于示出第一实施例的图5；
图8是根据示例1的头的侧剖视图；
图9是根据示例2的头的侧剖视图；
图10是作为已知液体排出头的示例的热打印头的剖视图。
具体实施方式
下面将参照附图描述本发明的实施例。下面的实施例中，热喷墨打印头(下文中简称为“头”)以及制造该热喷墨打印头的工艺将作为根据本发明的液体排出头和制造液体排出头的方法的例子。
第一实施例
图1至5每个是侧剖视图，顺序示出根据第一实施例制造头的工艺。
在图1中，加热元件12形成半导体基板11上(第一步骤)，半导体基板11通过用于半导体和电子器件生产的精细加工技术由硅、玻璃、陶瓷材料等构成。在图1中，加热元件12沿半导体基板11的纵向以预定间距布置。此外，相关于垂直于图1的页面的方向，加热元件12沿一方向以预定节距连续布置。例如，为了制造具有600dpi分辨率的头，加热元件12沿垂直于页面的方向具有42.3μm的节距。
牺牲层13形成在将成为半导体芯片中的单独通道的区域中(第二步骤)，该区域的每个包括加热元件12上的区域(将成为用于液体的室)。牺牲层13每个由光致抗蚀剂等构成的树脂层形成。
涂层14形成在包括具有牺牲层13的区域的范围上(第三步骤)。涂层14用作已知喷嘴片和阻挡层且通过例如旋涂应用来形成。
喷嘴14a以喷嘴的每个位于对应的加热元件12的正上方的方式形成在涂层14中(第四步骤)。喷嘴14a由光致抗蚀剂等形成从而到达牺牲层13，即穿透涂层14。
如图2所示，半导体基板11用切割机等沿切割线L1和切割线L2被切割(第五步骤)。图2示出切割线L1和切割线L2。切割线L1是位于不包括牺牲层13的部分中的切割线。在该实施例中，切割线L1位于不包括牺牲层13和涂层14的部分中。
切割线L2是每个位于对应的(连续)牺牲层13的的基本中间部分的切割线。沿切割线L2切割基板产生在切割线L2两侧对称的半导体基板11，当所述对称的半导体基板之一反转180°时，所得对称的半导体基板具有相同的形状。
由于切割线L2是位于各牺牲层13上的切割线，所以牺牲层13在切割后在其端面被暴露。
下文中，图2所示的所得切割片之一被称为“芯片(半导体芯片)”。
如图2所示的切割在没有牺牲层13时难以进行。
缺少牺牲层13导致与牺牲层13对应的腔在切割期间用作间隙(clearance)，因此影响处理精度等。
如图3所示，每个芯片10浸在含有溶解液52的槽51中(第六步骤)。当牺牲层13每个由光致抗蚀剂构成时，溶解液52优选是用于该光致抗蚀剂的显影液。供选地，例如，切割端可被喷淋以溶解液52而不浸在溶解液52中。
当每个芯片10浸在溶解液52中时，芯片10中的牺牲层13溶解在溶解液中从而形成流体。该流体被排出(洗脱)到外面。另一方面，涂层14在浸在溶解液52中之前和之后在形状等方面不改变。如图3右侧所示，腔形成在曾被牺牲层13占据的位置。腔构成每个包括用于液体的室的单独通道14b。在牺牲层13的溶解之后喷嘴14a与各单独通道14b连通。加热元件12设置在各单独通道14b中。
由此，芯片10每个包括半导体基板11、加热元件12、以及具有喷嘴14a和单独通道14b的涂层14。
如图4所示，每个芯片10粘接到给墨(液)部件21(粘接步骤)。给墨部件21由铝、不锈钢、陶瓷材料、树脂等构成且具有在该图中垂直穿透基底的孔。通孔下侧用作给墨(液)开口21a。通孔内部用作公共通道21b。
在根据图4所示实施例的给墨部件21中，每个芯片10粘接到的面在高度上低于其他面。如图4所示，当芯片10被粘接时，芯片10的涂层14的上表面具有与给墨部件21的未粘接到芯片10的其他表面基本相同的高度。
每个芯片10以单独通道14b的开口面对公共通道21b的方式被粘接。
随后，如图5所示，顶22(对应于本发明的密封部件)与粘合剂23粘接从而被设置在芯片10的涂层14的上表面和给墨部件21的上表面上(密封步骤)。
顶22是片部件(sheet member)，其由聚酰亚胺、PET等构成的树脂膜形成或者由镍、铝、不锈钢等构成的金属箔形成。粘合剂23预先设置在顶22的下表面或者设置在涂层14和给墨部件21的上表面上。粘合剂23通过热压缩法等粘接。
结果，设置在给墨部件21上侧的开口被顶22密封。换言之，上侧的开口被顶22盖住。由此，公共通道21b由给墨部件21、芯片10和顶22定义。
溶解牺牲层13的步骤(图3)可以在将芯片10粘接到给墨部件21的步骤(图4)之后或者在粘接顶22的步骤(图5)之后进行。
如图5所示，墨通过给墨开口21a进入给墨部件21，经过公共通道21b，进入芯片10的单独通道14b。在此状态将加热元件12加热，在加热元件12上的墨中产生气泡。气泡的产生即气泡的膨胀和收缩期间压力的改变将部分墨作为液滴通过喷嘴14a排出到外面。在图5中，墨的流动由箭头表示。
第二实施例
图6和7每个是根据本发明第二实施例的侧剖视图。图6和7分别对应于图4和5。第二实施例中使用的芯片10与第一实施例中的相同。给墨部件21在形状上不同于第一实施例中的给墨部件。芯片10的数量与第一实施例不同。给墨部件21和顶22的材料与第一实施例相同。
在第一实施例中(图4)，芯片10粘接到给墨部件21的一侧，跨通孔(公共通道21b)在另一侧对面。
相反，在第二实施例中，给墨部件21的上表面具有相同高度。芯片10粘接到给墨部件21的两侧，跨通孔(公共通道21b)在彼此对面。
如图6所示，芯片10以单独通道14b的开口面对公共通道21b且跨公共通道21b彼此面对的方式粘接。给墨部件21的粘接到芯片10的上表面高度相等。因此，当芯片10被粘接时，芯片10的涂层14的上表面高度相等。
如图7所示，顶22利用粘合剂23被粘接从而设置在芯片10的涂层14上。
在图7中，墨的流动以与图5相同的方式由箭头表示。如图7所示，墨通过给墨开口21a进入给墨部件21，经过公共通道21b，进入芯片10中的单独通道14b。
图5或7所示的头消除了在半导体基板11中形成通孔等的步骤，该步骤在传统上被实施。因此，该头可以通过简单步骤形成。
下面将描述本发明的示例。
示例1
图8是根据示例1的头的侧剖视图。
正光致抗蚀剂EMER-LA900(Tokyo Ohka Kogyo Co.，Ltd.制造)通过旋涂应用在包括加热元件12的硅晶片(半导体基板11)上以具有10μm的厚度。用掩模对准器(mask aligner)曝光之后，所应用的光致抗蚀剂用显影液(氢氧化四甲铵(tetramethylammonium hydroxide)的3％水溶液)显影且用去离子水漂洗从而形成通道图案。整个抗蚀剂图案用掩模对准器曝光且使其在氮气氛中保持24小时。
可光致固化的负光致抗蚀剂通过旋涂以分辨率的数目应用在所得图案化的抗蚀剂上，使得该光致抗蚀剂在牺牲层13上具有10μm的厚度。用掩模对准器进行曝光。用显影液(OK73稀释剂，Tokyo Ohka Kogyo Co.，Ltd制造)进行显影。用漂洗液(IPA)进行漂洗。此外，每个具有15μm的直径的喷嘴14a形成在加热元件12上方。
该晶片利用切割机经历切割从而将该晶片切割成每个具有所需尺寸的片，从而形成芯片10。用于正抗蚀剂的光掩模以切割线位于图案化的正光致抗蚀剂上的方式设计。
接着，芯片10被浸在能溶解该正光致抗蚀剂的有机溶剂(PGMHA)中且同时应用超声波振动直到该正光致抗蚀剂被完全溶解和洗脱。
进行用IPA漂洗和干燥以形成喷嘴14a和单独通道14b。
另一方面，通过机械加工形成不锈钢构成的给墨部件21。如图8所示，芯片10利用硅树脂(silicone)粘合剂以芯片10的单独通道14b的入口面对公共通道21b的方式被粘接。粘接通过使芯片在室温下保持1小时来进行。给墨部件以给墨部件21的上表面具有与在此状态下的芯片10的上表面基本相同的高度的方式来设计。这样，具有所需形状且具有25μm厚度的聚酰亚胺板(顶22)粘接到具有相同高度的表面。
硅树脂粘合剂也在这里用作相同粘接条件下的粘合剂(粘合剂23)。此外，硅树脂粘合剂沿聚酰亚胺板的周边应用以确保密封该板从而防止墨泄漏。在一系列粘接中，所施加的粘合剂的量被准确调节从而防止公共通道21b和喷嘴14a由于硅树脂粘合剂的溢流而阻塞。
然后，用于驱动芯片10的印刷电路板24上的端子24a通过导线键接(wire bonding)连接到芯片10上的端子10a(垫)。此外，连接部分用密封剂(环氧树脂粘合剂)密封从而防止连接部分与墨接触。
所得头被测试用于墨排出。结果表明没有诸如墨泄漏引起的不良操作故障，且墨可以被稳定地排出。
示例2
图9是根据示例2的头的侧剖视图。
包括加热元件12、喷嘴14a、以及单独通道14b的芯片10以与示例1相同的工序制造。
另一方面，不锈钢构成的给墨部件21通过机械加工形成。芯片10用硅树脂粘合剂粘接到给墨部件21。如图9所示，芯片10以单独通道14b的入口彼此相对地面对公共通道21b的方式设置。粘接通过使芯片在室温下保持1小时来进行。
给墨部件21的用于与芯片10粘接的表面设计得具有相同高度。因此，芯片10的涂层14的上表面高度相等。具有所需形状且具有25μm厚度的聚酰亚胺板(顶22)粘接到芯片10的涂层14的高度相等的上表面。在这里也使用硅树脂粘合剂作为粘合剂(粘合剂23)。此外，硅树脂粘合剂沿聚酰亚胺板的周边施加以确保密封该板从而防止墨泄漏。在一系列粘接中，所施加的粘合剂的量被准确调节从而防止公共通道21b和喷嘴14a由于硅树脂粘合剂的溢流而阻塞。
然后，用于驱动芯片10的印刷电路板24上的端子24a通过导线键接连接到芯片10上的端子10a(垫)。此外，连接部分用密封剂(环氧树脂粘合剂)密封从而防止连接部分与墨接触。
所得头被测试用于墨排出。结果表明没有诸如墨泄漏引起的不良操作故障，且墨可以被稳定地排出。
Claims (7)
1.一种液体排出头，包括：
半导体芯片，包括：
半导体基板；
设置在所述半导体基板上的多个加热元件，所述加热元件沿一方向布置；
设置在所述半导体基板上的涂层，所述涂层具有喷嘴，每个喷嘴布置在所述加热元件中的对应的一个的上方；以及
设置在所述半导体基板和所述涂层之间的单独通道，所述单独通道的每个与外面和所述加热元件中的对应的一个上方的区域连通，
其中所述半导体芯片没有与每个单独通道连通的通孔；
具有穿过基底的公共通道的给液部件，所述给液部件以所述公共通道与所述半导体芯片的所述单独通道连通的方式粘接到所述半导体芯片；以及
设置在所述半导体芯片的所述涂层和所述给液部件上从而密封所述公共通道的开口的密封部件。
2.根据权利要求1的液体排出头，其中所述给液部件具有用于与所述半导体芯片粘接的第一表面和用于与所述密封部件粘接的第二表面，所述第一表面高度低于所述第二表面，且所述第二表面与所述半导体芯片的涂层的上表面高度相同。
3.一种液体排出头，包括：
一对半导体芯片，每个半导体芯片包括：
半导体基板；
设置在所述半导体基板上的多个加热元件，所述加热元件沿一方向布置；
设置在所述半导体基板上的涂层，所述涂层具有喷嘴，每个喷嘴布置在所述加热元件中的对应的一个的上方；以及
设置在所述半导体基板和所述涂层之间的单独通道，所述单独通道的每个与外面和所述加热元件中的对应的一个上方的区域连通，
其中所述半导体芯片没有与每个单独通道连通的通孔；
具有穿过基底的公共通道的给液部件，所述给液部件以所述公共通道与所述半导体芯片的所述单独通道连通的方式粘接到所述对半导体芯片；以及
设置在所述对半导体芯片的涂层上从而密封所述公共通道的开口的密封部件。
4.一种制造液体排出头的工艺，包括：
第一步骤，形成多个加热元件在半导体基板上，所述加热元件沿一方向布置；
第二步骤，形成牺牲层在一区域上，所述区域包括所述加热元件上的区域，所述牺牲层可溶解在溶解液体中；
第三步骤，形成涂层在所述牺牲层上；
第四步骤，在第三步骤之后或同时地在所述涂层的区域中形成喷嘴，所述区域的每个位于对应的加热元件上方，且所述喷嘴的每个穿透所述涂层；
第五步骤，沿所述牺牲层和所述涂层的堆叠方向切割所述半导体基板从而形成半导体芯片，其每个在对应的切割端暴露所述牺牲层；以及
第六步骤，将在第五步骤中形成的半导体芯片浸在溶解液体中从而溶解所述牺牲层，
其中所述工艺还包括：
粘接步骤，将至少第五步骤之后的每个半导体芯片以一方式粘接到包括穿过基底的公共通道的给液部件，该方式为使得对应的半导体芯片的每个切割端朝向所述公共通道；以及
密封步骤，用密封部件以所述密封部件设置在所述给液部件和在所述粘接步骤中粘接的每个半导体芯片的所述涂层上的方式密封所述公共通道的开口。
5.根据权利要求4的制造液体排出头的工艺，其中对经历所述第六步骤的每个半导体芯片进行所述粘接步骤。
6.一种制造液体排出头的工艺，包括：
第一步骤，形成多个加热元件在半导体基板上，所述加热元件沿一方向布置；
第二步骤，形成牺牲层在一区域上，所述区域包括所述加热元件上的区域，所述牺牲层可溶解在溶解液体中；
第三步骤，形成涂层在所述牺牲层上；
第四步骤，在第三步骤之后或同时地在所述涂层的区域中形成喷嘴，所述区域的每个位于所述加热元件中的对应的一个上方，且所述喷嘴的每个穿透所述涂层；
第五步骤，沿所述牺牲层和所述涂层的堆叠方向切割所述半导体基板从而形成半导体芯片，其每个在对应的切割端暴露所述牺牲层；以及
第六步骤，将在第五步骤中形成的半导体芯片浸在溶解液体中从而溶解所述牺牲层，
其中所述工艺还包括：
粘接步骤，将至少第五步骤之后的一对半导体芯片以一方式粘接到包括穿过基底的公共通道的给液部件，该方式为使得所述半导体芯片的切割端跨所述公共通道在彼此对面设置从而彼此面对；以及
密封步骤，用密封部件以所述密封部件设置在所述粘接步骤中粘接的半导体芯片的所述涂层上的方式密封所述公共通道的开口。
7.根据权利要求6的制造液体排出头的工艺，其中对经历所述第六步骤的半导体芯片进行所述粘接步骤。
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