CN1890104A - 具有薄膜的打印头 - Google Patents

Abstract

本发明描述了微加工器件及用于形成微加工器件的方法。包括硅(680)的薄膜通过将绝缘体上硅衬底(685)结合到硅衬底而形成在硅体(25)上。绝缘体上硅衬底的柄和绝缘层(695，690)被去除，留下结合到硅体的硅薄膜，使得没有绝缘体材料的中间层留在所述膜与所述体之间。压电层被结合到所述膜。

Description

具有薄膜的打印头

技术领域

本发明涉及形成打印头模块(printhead module)和膜(membrane)。

背景技术

喷墨打印机通常包括从墨供应源(ink supply)至喷嘴路径(nozzle path)的墨路径(ink path)。喷嘴路径终止于喷嘴开口(nozzle opening)，墨滴从喷嘴开口喷射。墨滴喷射通过用致动器(actuator)压墨路径中的墨来控制，该致动器可以是例如压电导向器(piezoelectric deflector)、热泡沫喷射生成器(thermalbubble jet generator)、或静电导向元件(electrostatically deflected element)。通常的打印头具有墨路径阵列，墨路径具有相应的喷嘴开口和相关的致动器，从每个喷嘴开口的墨滴喷射能够被独立控制。在按需滴墨(drop-on-demand)打印头中，随着打印头和打印基质(printing substrate)彼此相对移动，每个致动器被开启从而在图像的特定像素位置选择性地喷射墨滴。在高性能打印头中，喷嘴开口通常具有50微米或更小的直径，例如25微米左右，以100-300喷嘴/英寸的节距分开，具有100至3000dpi或更高的分辨率，且提供大约1至70皮升(picoliter：pl)或更小的墨滴大小。墨滴喷射频率为通常10kHz或更高。

Hoisington等人的美国专利5265315描述了具有半导体打印头体和压电致动器的打印头，在此引用其全部内容作为参考。该打印头体由硅构成，其被蚀刻从而定义墨室(ink chamber)。喷嘴开口通过单独的喷嘴板(nozzle plate)定义，其被附着到硅体。压电致动器具有压电材料层，其响应于所施加的电压改变几何形状或弯曲。压电层的弯曲压沿墨路径定位的泵室(pumpingchamber)中的墨。

压电材料对于给定电压表现出的弯曲量与材料的厚度成反比。因此，随着压电层的厚度增大，电压要求增大。为了限制用于给定墨滴尺寸的电压要求，压电材料的导向壁(deflecting wall)区域可被增加。大的压电壁区域也会要求相应的大的泵室，这可使诸如保持用于高分辨率打印的小的孔间距的设计方面复杂化。

打印精度受很多因素影响，包括打印机中的头和多个头中的喷嘴喷射的墨滴的尺寸、速度和均匀性。墨滴尺寸和墨滴速度均匀性又受诸如墨路径的尺寸均匀性、声学干涉效应、墨流动路径中的污染、以及致动器的致动均匀性的因素影响。

发明内容

总的来说，在一个方面，本发明的特征在于一种形成微加工器件的方法。该方法包括蚀刻衬底的上表面从而形成至少一个蚀刻特征。多层衬底结合到该衬底的上表面使得该上表面上的所述蚀刻特征被覆盖从而形成室。该多层衬底包括硅层和柄层。该结合在该衬底的上表面与硅层之间形成硅到硅结合。该柄层从该多层衬底被去除从而形成包括该室之上的硅层的膜(membrane)。

本发明的实现可以包括下面特征中的一种或更多种。该多层衬底可以是绝缘体上硅衬底。该多层衬底可以包括氧化物层。该氧化物层可以通过例如蚀刻被去除从而形成膜。导电层可以形成在膜上。压电层可以粘合到该膜。通过熔合结合(fusion bonding)该多层衬底的硅层到该衬底的上表面的硅，该多层衬底可以与该衬底结合。熔合结合之前利用氢氟酸蚀刻可以从任何硅层去除氧化物。柄层(handle layer)可以例如通过蚀刻或研磨从该多层衬底去除。柄层可以由硅形成。该膜可以小于15、10、5或1微米厚。金属掩模可以形成在该衬底上。该金属可以包括镍和铬。在蚀刻之前，金属停止层可以形成在该衬底的底表面上。金属层可以包括镍、铬、铝、铜、钨或铁中的一种。

在另一方面，本发明的特征在于一种形成打印头的方法。该方法包括蚀刻衬底的上表面从而具有至少一个蚀刻特征。多层衬底结合到该衬底的上表面使得该上表面上的所述蚀刻特征被覆盖从而形成室。该多层衬底包括第一层和柄层。该柄层从该多层衬底去除从而形成膜。压电层结合到该膜。

本发明的实现可以包括下面特征的一种或更多种。喷嘴层可以结合到该衬底的下表面，其中该喷嘴层包括用于喷射流体的一个或更多喷嘴的至少一部分。该衬底的上表面可以被蚀刻从而形成墨流动路径的至少一部分。

在另一方面，本发明的特征在于一种形成微加工器件的方法。金属层形成在第一衬底的底表面上。该第一衬底从该衬底的顶表面被蚀刻使得蚀刻特征延伸穿过该第一衬底至该金属层。蚀刻该第一衬底之后，该金属层从该第一衬底的底表面被去除。一层被接合到该第一衬底的底表面。

本发明的实现可以包括下面特征中的一种或更多种。蚀刻该第一衬底可以包括深反应离子蚀刻该第一衬底。将层接合到该衬底的该底表面可包括将第一硅表面接合到第二硅表面。特征可以被蚀刻进该第一衬底的该底表面。多层衬底可以结合到该衬底的上表面使得该上表面上的蚀刻特征被覆盖从而形成一个或更多室，该多层衬底包括第一层和柄层，该柄层可以从该多层衬底去除从而形成覆盖该一个或更多室的膜。

在另一方面，本发明的特征在于一种形成微加工器件的方法。一个或更多凹进部被蚀刻进第一衬底的底表面。蚀刻该底表面之后牺牲层形成在该第一衬底的该底表面上。该第一衬底从该衬底的顶表面被蚀刻使得蚀刻特征延伸穿过该第一衬底至该牺牲层。该牺牲层从该第一衬底的底表面被去除。

在另一方面，本发明的特征在于一种形成打印头的方法。第一衬底从该第一衬底的顶表面被蚀刻使得蚀刻特征延伸穿过该第一衬底至该第一衬底的该底表面上的层。从顶表面蚀刻该第一衬底之后，层接合到该第一衬底的底表面。所述层接合到该底表面之后，喷嘴特征形成在该层中使得喷嘴特征连接到所述蚀刻特征。

在一方面，本发明的特征在于一种微加工器件。该器件包括体(body)、膜和压电结构。该体由第一材料构成且具有多个凹进部。该膜由该第一材料构成且小于15微米厚。该膜结合到该体使得该体中的凹进部至少部分地被该膜覆盖且该膜与体之间的界面基本没有除了该第一材料之外的材料。该压电结构形成在该膜上，其中该压电结构包括第一导电层和压电材料。

该器件可以包括提供一个或更多路径的凹进部，每条路径具有入口和出口以与体外部连通。该路径可以包括不同深度的区域。每条路径的出口可以是喷嘴。喷嘴可以在所述体的与所述膜相反的一侧。该膜厚度可以小于1微米地变化。该第一材料可以是硅。该膜可以基本没有开口。凹进部可以包括与膜相邻的泵室。该膜可以小于10、5、或1微米厚。该膜可以包括第二材料例如氧化物。该压电结构可以包括第二导电层。该压电材料可以在所述第一和第二导电层之间。

本发明的潜在优势可以不包括、包括下面的一个或更多。模块衬底中的蚀刻特征例如喷嘴、过滤器和墨供应部可以利用金属蚀刻停止层来形成。在硅衬底上形成金属蚀刻停止层来制造打印头蚀刻特征可以减少蚀刻期间的电荷累积。电荷不累积可以减少底切(undercut)，否则当绝缘体上硅衬底中的氧化物层被用作蚀刻停止层时将会发生所述底切。蚀刻过程还会产生累积的高热，导致衬底中的缺陷。然而，利用金属蚀刻停止层能提供改善的散热，因为金属比氧化物具有更高的热导率。在蚀刻工艺末尾，当硅衬底被蚀刻穿时，金属层能够阻止冷却剂从衬底相反侧的泄漏。金属还可用作蚀刻掩模，消除了对应用光致抗蚀剂、构图光致抗蚀剂和蚀刻衬底的多个重复的需要。

包括致动器膜的致动器通常形成或结合在模块衬底的顶部。硅衬底可以结合到模块衬底上，然后被研磨至所需厚度从而形成致动器膜。替代地，致动器膜可以通过将绝缘体上硅衬底结合到模块衬底上而形成。将具有所需厚度的硅器件层的绝缘体上硅衬底结合到模块衬底上可以允许形成比通过传统研磨技术形成的膜更薄的膜。绝缘体上硅衬底的硅层在每个衬底中可以非常均匀，因此利用绝缘体上硅衬底形成的打印头的致动器膜也可以非常均匀。更薄的膜是有利的，因为其可以比较厚的膜需要更小的电压来产生相同的墨滴尺寸。当形成较薄的膜时，压电致动器的导向壁区域和泵室尺寸也可以减小。较小的孔间距是可行的，其允许制造更高分辨率的打印机。当研磨所述膜被将绝缘体上硅衬底结合到模块衬底所取代时，横跨打印头的膜厚度均匀性可被改善。

附图和下面的描述中阐明了本发明的一个或更多实施例的细节。本发明的其它特征、目的和优点将从说明书和附图以及从权利要求中变得明显。

附图说明

图1示出打印头的透视图，图1A是图1中区域A的放大视图；

图2A、2B和2C示出打印头模块的透视图；

图3示出打印头单元的一个实施例的横截面图；

图4A示出打印头模块中通过流动路径的横截面组件视图，图4B是沿图4A中的线BB的模块的横截面组件视图；

图5示出阻抗过滤器特征的顶视图；

图6A至6P示出说明打印头模块体的制造的横截面图；

图7是流程图，示出压电致动器和模块组件的制造。

各图中相似的附图标记表示相似的元件。

具体实施方式

打印头结构

参照图1，喷墨打印头10包括打印头单元76，打印头单元76以横跨纸张(sheet)14或部分纸张的方式保持在框架(frame)86上，图像打印到纸张上。当打印头10和纸张14彼此相对移动时(沿箭头方向)，通过选择性地从单元76喷墨可以打印图像。在图1的实施例中，横跨例如大约12英寸或更多的宽度示出了三组打印头单元76。每组包括多个打印头单元，例如沿着打印头与纸张之间相对运动方向的三个。这些单元可以布置得偏移喷嘴开口从而增加分辨率和/或打印速度。替代地，或另外地，每组中的每个单元可以被提供不同类型或颜色的墨。该布置可以用于在打印头单次经过纸张时在纸张的整个宽度上的彩色打印。

参照图2A、2B和3，每个打印头单元76包括能可控地喷射小墨滴的打印头模块12。打印头模块定位于面板(faceplate)82上(见图1A)，使得模块12的喷嘴65通过面板82中的开口51暴露(见图3)。柔性电路(未示出)固着到模块的背表面用于传送控制墨喷射的驱动信号。特别地参照图1和3，面板82和模块12封装在外罩(housing)88中并且附着到包括用于向模块12传送墨的墨供应路径的管路(manifold assembly)。

返回到图2A，模块12为基本矩形立体。在一个实现中，模块12为大约30与70mm之间长、4与12mm之间宽、400至1000微米厚。模块的尺寸例如在其中蚀刻有流动路径的半导体衬底内变化，如下面将论述的。例如，模块的宽度和长度可以为10cm或更大。

模块12包括模块衬底25和压电致动器结构100。模块衬底的前表面20包括喷嘴65的阵列，墨滴从喷嘴65喷射，衬底25的背表面固定到压电致动器结构100。

参照图2A、2C和4A，衬底包括多个流动路径55从而将墨从入口30运送到喷嘴。具体地，如图4A所示，每个流动路径是由墨入口30、上升部35、阻抗过滤器(impedance filter)部件50、泵室45、以及下降部40定义的穿过模块衬底25的通路(passage)。墨沿着流动路径55(见图4A)从管路向喷嘴65流动。

参照图2B，每个模块12在其背部分16上具有柔性印刷附着到其上的一系列驱动接触17。每个驱动接触对应于单个致动器21，每个致动器21与墨路径55相关联，使得从每个喷嘴开口的墨喷射是单独可控的。在示出的实施例中，模块具有单行喷嘴开口。然而，模块可以设置有多行喷嘴开口。例如，一行中的开口可相对于另一行偏移从而提高分辨率。替代地或另外地，与不同行中的喷嘴对应的流动路径55可以被提供有不同颜色或类型(例如热熔的(hot melt)、UV固化的、水基的(aqueous-based))的墨。参照图2C，示出了喷嘴65对墨流动路径55的关系(各墨路径以虚影示出)。

模块衬底

特别参照图3、4A和4B，模块衬底25是独石半导体的体(monolithicsemiconductor body)例如硅衬底。穿过硅衬底的通路定义用于墨通过该衬底的流动路径。模块衬底可以由硅形成。

模块12可以包括在模块中线两侧的流动路径。在图3所示的一个实施例中，穿过衬底25的通路定义墨入口30和30’、阻抗过滤器部件50和50’、泵室45和45’、以及喷嘴65。致动器21、21’位于泵室45、45’之上。因此，供应相邻喷嘴的泵室45、45’在模块衬底的中心线的交替侧。泵室45、45’位于更接近衬底的背表面15而喷嘴65形成在衬底的前表面10中。墨从管路流动路径24供应，进入入口30，沿上升部35向上流动并送往阻抗过滤器部件50。墨经过阻抗过滤器部件50流到泵室45，在该处墨被致动器21加压使得其被送往下降部40并离开喷嘴开口65。蚀刻特征能够以各种方式构造。

独石体以及打印头中多个模块的独石体之间的厚度均匀性高。例如，对于横跨6英寸抛光硅衬底形成的独石体，独石体的厚度均匀性可以是例如大约+1微米或更小。结果，蚀刻进衬底中的流动路径特征的尺寸均匀性基本没有被体中的厚度变化降低。此外，喷嘴开口定义在模块体中而没有单独的喷嘴板。在特定实施例中，喷嘴开口的厚度为大约1至200微米，例如大约30至50微米。在一个实现中，喷嘴开口具有大约140微米的节距(pitch)。泵室具有大约1至5mm的长度例如大约1至2mm、大约0.1至1mm的宽度例如大约0.1至0.5mm、以及大约60至100微米的深度。在特定实施例中，泵室具有大约1.8mm的长度、大约0.21mm的宽度、以及大约65微米的深度。

参照图4A、4B和5，模块衬底25包括位于泵室45上游的阻抗过滤器部件50。阻抗过滤器部件50由流动路径中的一系列凸出部39定义。阻抗过滤器部件50可以构造来仅提供过滤、仅提供声阻抗控制、或者提供过滤和声阻抗控制两者。选择凸出部的位置、尺寸、间距、以及形状从而提供过滤和/或所需的声阻抗。作为过滤器，该部件捕获碎屑例如微粒或纤维从而它们不到达并阻塞喷嘴。作为声阻抗元件，该部件吸收从泵室45向入口30传播的压力波，从而减小模块中室之间的声串扰并增大操作频率。

可以选择阻抗过滤器部件50中流开口37的数目使得对于连续高频操作泵室可得到足够的墨流。例如，足以提供阻尼的小尺寸单个流开口37会限制墨供应。为避免这样的墨不足，可以提供多个开口。可选择开口的数量使得该部件的总体流阻小于喷嘴的流阻。另外，为提供过滤，流开口的直径或最小横截面尺寸可以小于相应喷嘴开口的直径(最小横截面)，例如喷嘴开口的60％或更小。过滤阻抗部件50的一个实施例，开口37的横截面为喷嘴开口横截面的约60％或更小，并且部件中全部流开口的横截面积大于喷嘴开口的横截面积，例如大约2或3倍喷嘴横截面积或更多，例如大约10倍或更多。对于其中流开口具有变化的直径的阻抗过滤器部件，流开口横截面积在其最小横截面尺寸位置测量。在沿墨流方向具有互连流动路径的阻抗过滤器部件50的情况中，横截面尺寸和面积在最小横截面区域测量。在一些实施例中，压力降(pressure drop)可用于确定通过部件的流阻。压力降可以以喷射流测量。喷射流(jetting flow)是墨滴体积/激励脉冲宽度。在一些实施例中，在喷射流方面，跨过阻抗/过滤器部件的压力降小于经过喷嘴流动路径的压力降。例如，经过该部件的压力降为大约经过喷嘴流动路径的压力降的0.5至0.1。

在一个实现中，阻抗过滤器部件50可具有三行凸出部。在该实现中，凸出部39具有大约25至30微米的直径，其中在每行中凸出部39分隔开约15至20微米且凸出部的每行分隔开约5至20微米。可以选择阻抗过滤器部件50从而显著减小声反射进入墨供应路径。例如，部件50的阻抗可以基本匹配泵室45的阻抗。替代地，可以期望提供比室大的阻抗从而增强过滤功能或者提供比室小的阻抗从而增强墨流。在后面的情况中，通过利用顺应膜(compliant membrane)或者流动路径中其它地方的额外阻抗控制部件可以减小串扰。泵室45和阻抗过滤器部件50的阻抗可以利用流体动力学软件模拟，例如来自Flow Science Inc.，Santa Fe，NM的Flow 3D。

图4A示出的喷嘴65是对应于孔直径的恒定直径的基本圆筒路径。喷嘴开口的小的、基本恒定直径上游的区域通过提高墨滴轨迹相对于喷嘴开口的轴的准直度(straightness)而提高了打印精度。另外，通过阻碍空气通过喷嘴开口的吸入，喷嘴65改善了高频操作的墨滴稳定性。在以喷射前填充(fill-before-fire)模式运行的打印头中这是特别有利的，该模式中在喷射之前致动器产生负压从而将墨吸进泵室中。负压还会导致喷嘴中的墨弯月面从喷嘴开口向里吸引。通过提供比最大弯月形回缩更厚的喷嘴65，阻碍了空气吸入。替代地，喷嘴65可具有恒定或可变的直径。例如，喷嘴65可具有从下降部附近较大直径向喷嘴开口附近较小直径延伸的漏斗或锥形形状。锥角可以为例如5至30°。喷嘴65还可包括从较大至较小直径的二次曲线、或喇叭口形状。喷嘴65还可包括向喷嘴开口逐渐为较小直径的多个圆筒区域。向着喷嘴开口直径逐渐降低减小了跨越加速器区域68的压力降，其减小了驱动电压，并且增加了墨滴尺寸范围和喷射速度(fire rate)能力。具有不同直径的喷嘴流动路径的部分的长度可被精确定义。

在特定实施例中，喷嘴65的厚度与喷嘴开口的直径的比率通常为约0.5或更大，例如约1至4，或约1至2。喷嘴65具有大约50至300微米的最大横截面及大约400-800微米的长度。喷嘴开口和喷嘴65具有大约5至80微米的直径，例如约10至50微米。喷嘴65具有约1至200微米的长度，例如约20至50微米。在模块体的喷嘴之间，喷嘴65长度的均匀性可以为例如大约+3％或更小或者+2微米或更小。对于布置用于10pl墨滴的流动路径，下降部具有大约550微米的长度。通向喷嘴65的下降部具有跑道(racetrack)、椭圆形状，具有约160微米的主要宽度(major width)和约85微米的次要宽度(minor width)。喷嘴65具有约30微米的长度和约23微米的直径。

致动器

参照图4A和4B，形成各致动器21的压电致动器结构100包括致动器膜80(其也可看成衬底25的部分)、地电极层110、压电层105、以及驱动电极层120。压电层105是压电材料薄膜，具有约50微米或更小的厚度，例如约25微米至1微米，或约8至约18微米。压电层105可以由具有所需特性例如高密度、低空隙(void)、以及高压电常数的压电材料构成。致动器膜可以由硅形成。

致动器电极层110和120可以是金属，例如铜、金、钨、铟锡氧化物(ITO)、钛、铂、或金属的组合。电极层的厚度可以是例如约2微米或更小，例如约0.5微米。在特定实施例中，使用ITO以减少短路(shorting)。ITO材料可以填充压电材料中的小空隙和通路并具有足够的电阻以减少短路。ITO对于以较高电压驱动的薄压电层是有利的。

一侧具有地电极层110的压电层105固定到致动器膜80。致动器膜80将地电极层110和压电层105与室45中的墨隔离。致动器膜80可以是硅并具有选定的顺应性(compliance)使得压电层的活动引起致动器膜80的弯曲，其足以对泵室45中的墨加压。致动器膜的厚度均匀性提供横跨模块的精确且均匀的动作。

在一实施例中，压电层105通过结合层附着到致动器膜80。在其它实施例中，致动器不包括压电层与泵室之间的膜。压电层可以直接暴露于墨室。在该情况中，驱动和地电极两者可设置在压电层的相反背侧并且不暴露于墨室。

回到图2B以及图4A和4B，模块中心线两侧的致动器通过具有延伸到致动器膜80的深度的切割线18、18’分隔开。相邻的致动器通过隔离切口(isolation cut)19分隔开。隔离切口延伸(例如1微米深，约10微米宽)到硅体衬底(图4B)中。隔离切口19机械地隔离相邻室从而降低串扰。如果需要，切口可以更深地延伸到硅中，例如至泵室的深度。致动器的背部分16还包括地接触13，其通过延伸到压电层中而不损坏电极层110的分隔切口130(图4A)与致动器和驱动接触17分隔开。顶表面被金属化之前制成的地平面切口(ground plane cut)115在模块的边缘处暴露地电极层110使得顶表面金属化将地接触连接到地电极层110。

制造

参照图6A至6P，示出包括衬底和压电致动器的模块的制造。多个模块衬底可以同时形成在衬底上。为清晰起见，图6A-6P示出了单个模块的单个流动路径。流动路径特征可以通过蚀刻工艺形成。

图7提供了说明图6A-6P所示的制造方法的流程图。

参照图6A，提供单个双面抛光(DSP)衬底605，即主要包括硅的衬底(步骤705)。衬底605具有前侧610和背侧615，其中将形成模块衬底的上升部、下降部、阻抗过滤器部件、模块供应路径和泵室、或其它蚀刻特征。DSP衬底605在任一侧或两侧可具有氧化物层603(如图6B所示)。该衬底可以为400与1000微米之间厚，例如600微米左右，或适于制造打印头模块的任何厚度。DSP衬底605用于形成模块衬底25。

参照图6B，如果期望蚀刻特征模块流动路径55朝向衬底的前部，光致抗蚀剂625沉积在衬底605的前侧上。光致抗蚀剂625被构图且衬底605被蚀刻从而形成将提供流动路径特征的凹进620，例如墨入口30(步骤710)。然后去除留下的光致抗蚀剂625和氧化物603。氧化物603被去除时，衬底605的相反侧可以例如用带(tape)或光致抗蚀剂保护。

如图6C所示，衬底的前表面610被金属化(步骤715)，例如通过用金属例如镍、铬、铝、铜、钨、或铁真空沉积或溅镀从而形成金属层630。

如图6D所示，光致抗蚀剂层623被设置到硅的背表面615上。氧化物层603和光致抗蚀剂623被构图从而定义流动路径的蚀刻特征中的至少一些的位置。然后衬底从背侧被蚀刻，如图6E所示(步骤720)。可以利用构图光致抗蚀剂和蚀刻的多个层来制造多级(multilevel)特征。例如，蚀刻可以形成通道635和640，以及凹进645和650，当工艺完成时其可提供上升部35、下降部40、泵室45、以及阻抗过滤器部件50。

蚀刻工艺的示例是通过深反应离子蚀刻的各向同性干蚀刻，其利用等离子体来选择性地蚀刻硅从而形成具有基本垂直侧壁的特征。称为博施(Bosch)工艺的反应离子蚀刻技术在Laermor等人的美国专利5501893中进行了论述，在此引用其全部内容作为参考。从STS Redwood City，CA，Alcatel，Plano，Texas，或Unaxis Switzerland可得到深硅反应离子蚀刻设备，通过包括IMT，Santa Barbara，CA的蚀刻提供商可以进行反应离子蚀刻。深反应离子蚀刻被使用是由于切基本恒定直径的深特征的能力。利用等离子体及诸如SF₆和C₄F₈的气体在真空室中进行蚀刻。由于蚀刻工艺期间产生的热会引起衬底中的缺陷，衬底的背表面被冷却。诸如氦的冷却剂可以用来冷却衬底。金属层有效地将热传导到冷却剂，并防止冷却剂逸入真空室中并破坏真空。

如果诸如二氧化硅的电绝缘体接触所蚀刻的层，电荷将积累在界面处，导致硅与绝缘体的界面处硅的底切(undercut)。该底切可收集空气并干扰墨流。当使用金属作为蚀刻停止层时，金属的导电性防止电荷累积在硅与金属的界面处，从而避免了底切问题。

除了或替代使用光致抗蚀剂层作为蚀刻掩模，可以应用金属蚀刻掩模例如镍铬合金蚀刻掩模到DSP衬底605的前侧610。在该实现中，金属层可以形成在DSP衬底605上，例如在光致抗蚀剂层被沉积之前通过真空沉积或溅镀。光致抗蚀剂层被构图，然后可以利用该光致抗蚀剂层作为掩模来蚀刻和构图该金属层。利用构图的金属层作为掩模，衬底605然后经历蚀刻步骤，例如上述深反应离子蚀刻。衬底蚀刻步骤中光致抗蚀剂层可以留在金属层上，或者该光致抗蚀剂层在蚀刻衬底605之前被剥离。

尽管大多数蚀刻工艺是选择性的，使得光致抗蚀剂的蚀刻速率低于硅的蚀刻速率，但是当仅利用光致抗蚀剂层作为蚀刻掩模进行很深的蚀刻时，蚀刻工艺可蚀刻穿光致抗蚀剂。为了避免该问题，在部件达到所需深度之前，应用光致抗蚀剂、构图该光致抗蚀剂和蚀刻的多次反复是必需的。然而，金属通常蚀刻得比光致抗蚀剂慢得多。因此，通过利用金属层作为蚀刻掩模，在单个蚀刻步骤中可以蚀刻很深的特征，由此消除蚀刻较深的、基本均匀横截面的特征所需的一个或更多步骤。

接着，金属层630从衬底的背侧剥离(且，如果存在的话，从衬底前侧剥离)，例如通过酸蚀刻，如图6F所示(步骤725)。所有特征被蚀刻之后，硅层可以结合到模块衬底25的前侧615。

参照图6G，硅到硅的熔合结合(fusion bonding)或者直接硅结合(directsilicon bonding)被用来将被蚀刻的硅衬底的前表面610结合到绝缘体上硅衬底653(步骤730)。绝缘体上硅衬底653包括硅的喷嘴层或器件层655、氧化物层657、以及柄硅层(handle silicon layer)659，氧化物层657夹在喷嘴层655与柄层659之间。绝缘体上硅衬底653可以通过在DSP衬底的表面上生长氧化物层657且然后在氧化物层657上形成器件层655而形成。具体地，为了形成器件层655，第二DSP衬底可以结合到氧化物层657并被研磨到预定厚度。研磨可以是多步工艺。研磨工艺的第一部分可以是块研磨(bulk grind)从而从器件层655去除材料。块研磨之后可以是第二精细研磨步骤。可选的最后抛光可以降低表面粗糙度。

当使两个平坦的、高度抛光的、清洁硅表面在一起而没有中间层在该两个硅层之间时，会发生熔合结合，其在两个硅表面之间产生范德瓦尔斯键。为了制备用于熔合结合的两个元件，模块衬底25和绝缘体上硅衬底653都被清洁，例如通过逆RCA清洁(reverse RCA cleaning)。利用缓冲氢氟酸蚀刻(BOE)可以去除模块衬底25和绝缘体上硅衬底653上的任何氧化物。然后使模块衬底25和绝缘体上硅衬底653到一起并在例如1050℃-1100℃的退火温度退火。熔合结合的优点是没有额外层形成在模块衬底25与喷嘴层655之间。熔合结合之后，两个硅层成为一个整体的层，使得事实上两层之间不存在界线(delineation)，结合完成。因此，该结合的组件在该组件内基本可没有氧化物层。该组件可基本由硅形成。熔合结合的其它方法例如疏水衬底处理可被用来结合一个硅层至第二硅层。熔合结合之后，柄层659的剩余部分被研磨从而去除部分厚度，如图6H所示。蚀刻被用来完全去除柄层659(步骤735)。

抗蚀剂660设置在衬底的前表面上，并且抗蚀剂660和氧化物层657被构图，如图6I所示。然后衬底被蚀刻，例如利用深反应离子蚀刻，从而生成穿透通道(through passage)以形成喷嘴665。抗蚀剂层和任何氧化物层从衬底剥离，如图6J所示(步骤740)。

在替代实施例中，可以使用DSP衬底替代绝缘体上硅衬底来形成喷嘴。如果第二DSP衬底被用来形成喷嘴665，第二DSP衬底被结合到前侧610。然后衬底被蚀刻到第二DSP衬底中。采用任一喷嘴形成方法，喷嘴665的长度由其中蚀刻有喷嘴的硅衬底的厚度决定。这允许喷嘴流动路径长度的精确定义。喷嘴形状可以是圆筒形。在一些实施例中，部分流动路径例如墨入口30对模块衬底25的前部开放。该开口可以与喷嘴665同时蚀刻。

如图6K所示，第二绝缘体上硅衬底685的薄硅层680可以用来形成致动器膜。第二绝缘体上硅衬底685具有夹在硅柄层695与硅膜层680之间的掩埋氧化物层690。第二绝缘体上硅衬底685可以利用粘合剂或熔合结合结合到模块衬底25(步骤745)，如上面关于步骤730所论述的。在一个实施例中，疏水性熔合结合将模块衬底25的硅与绝缘体上硅衬底685的硅膜层680结合。

参照图6L，一旦绝缘体上硅衬底685已经结合到模块衬底25上，所结合的绝缘体上硅衬底685的柄硅层695被去除，例如通过研磨、蚀刻或进行体研磨步骤之后蚀刻剩余的硅(步骤750)(图中的虚线表示膜与室体熔合的地方)。如果柄695被蚀刻，则绝缘体上硅衬底的氧化物层690用作蚀刻停止层。从绝缘体上硅残留的氧化物层690可以被保留以浮置电极或者例如通过利用SF₆和O₂的反应离子蚀刻被去除。从绝缘体上硅衬底685留下的膜680可以是任何厚度，下至1微米左右。绝缘体上硅层上的硅层680倾向于横跨衬底是均匀的，因此通过将绝缘体上硅衬底结合到室体而形成的致动器膜内的厚度均匀性高。如果光致抗蚀剂层被包括在绝缘体上硅衬底中，例如在氧化物层690与膜层680之间或在膜层680与柄硅层695之间，柄硅层695可以通过去除光致抗蚀剂的技术被去除，例如代替蚀刻和研磨或与之一起的去顶方法(lift-off method)中使用的技术。然后绝缘体上硅衬底685的保留的层或多层被金属化，例如通过真空沉积，从而形成金属层700(步骤755)。

将绝缘体上硅衬底685熔合结合到模块衬底25的替代是将厚硅片结合到模块衬底并将片研磨至所需厚度。然而，研磨或抛光该片限制了膜的最小厚度。通常，小于15微米的膜一般不能通过研磨形成，因为这样的膜不能应付研磨期间的机械力。相反，将绝缘体上硅衬底685熔合结合到模块衬底25允许非常薄的膜形成在氧化物上并且转移到模块衬底25。绝缘体上硅衬底685可以通过在硅柄衬底695上生长氧化物层690来形成。然后硅器件层680可以结合到氧化物层690。因为硅器件层680然后可以被抛光或蚀刻至所需厚度。当硅器件层680的厚度减小时，硅柄层695支承硅器件层680。因此，膜层680能够以几乎任何所需厚度形成，例如薄于15微米、10微米、5微米或甚至薄于1微米，然后结合到衬底25上，从而允许所得到的膜80很薄。在一个实施例中，该膜为大约8微米厚。

选择压电材料705用于在模块衬底25上构造压电致动器结构100。压电材料705的密度为大约7.5g/cm³或更高，例如约8g/cm³至10g/cm³。d31系数为大约200或更大。HIPS处理的压电材料705作为H5C和H5D可以从日本Sumitomo Piezoelectric Materials获得。H5C材料表现出大约8.05g/cm³的表观密度(apparent density)以及约210的d31。H5D材料表现出大约8.15g/cm³的表观密度以及约300的d31。衬底通常约1cm厚并且可以切片至约0.2mm。压电材料705可以通过包括压(pressing)、刮片(doctor blading)、坯片(green sheet)、溶胶凝胶(sol gel)、或沉积技术的技术形成。压电材料705的制造在Piezoelectric Ceramics(B.Jaffe，Academic Press Limited，1971)中进行了论述，在此引用其全部内容作为参考。包括热压的形成方法在第258-9页进行了描述。高密度、高压电常数材料或者较低特性材料可以被研磨从而提供薄层和光滑、均匀的表面形态。单晶压电材料例如来自宾夕法尼亚费城TRS Ceramics的铅镁铌酸盐(PMN)也可被使用。

通过使用包括在将材料结合到致动器膜之前烧制(firing)该材料的技术可以在压电材料705中建立这些特性。例如，模制和单独烧制(与在支承物上相反)的压电材料705具有这样的优点，即可以用高压将材料705填塞到模具中(加热或未加热)。另外，通常需要少许添加剂例如流动活性剂(flowagent)或粘结剂(binder)。在烧制工艺中可以使用较高的温度例如1200-1300℃，允许更好的熟化(maturing)和晶粒(grain)生长。可以使用减小PbO从陶瓷中的损失(由于高温)的烧制气氛(例如富铅气氛)。可能具有PbO损失或其它退化的模制部分的外部表面可以被切除并作废。材料还可以通过热等静压制(hot isostatic pressing)(HIP)处理，期间陶瓷经历高压，通常1000-2000atm。热等静压工艺通常在压电材料块已经烧制之后进行，并用于增加密度、减少空隙、及增加压电常数。

压电材料705的前部被金属化，诸如通过真空沉积例如溅镀，从而形成金属层707(步骤760)。沉积的金属包括铜、金、钨、锡、铟锡氧化物(ITO)、钛、铂、或金属的组合。在一个实施例中，金属层707包括钛-钨、金-锡和金的叠层。类似地，金属层700可包括钛-钨和金的叠层。压电材料的金属化表面707然后被结合到硅膜680上的金属层700(步骤765)。该结合可以利用在大约305℃及在1000N的力下形成的共晶结合(eutectic bond)实现。该结合形成地电极710，如图6M所示。替代地，PZT层可以利用粘合层例如环氧树脂结合到模块衬底25。

如图6N所示，预烧制的压电材料705的薄层可以通过减少较厚衬底的厚度形成(步骤770)。精细研磨技术例如水平研磨可以制造具有光滑、低空隙表面形态的高均匀薄层。在水平研磨中，工件安装在具有以高平坦容差加工的参考表面的旋转夹具上。工件的暴露表面与水平研磨轮接触，还以高容差对准。压电衬底可以具有足够的厚度，例如约0.2mm或更大，其可以被处理用于初始表面研磨。该研磨可以产生例如0.25微米或更小的平面度和平行度，例如约0.1微米或更小，以及衬底上5nm Ra或更小的表面光洁度。研磨还产生对称的表面光洁度及均匀的残留应力。需要时，可以产生稍微凹入或凸起的表面。研磨期间，可以覆盖喷嘴开口从而密封墨流路径免于暴露到研磨冷却剂。喷嘴开口可以用带(tape)覆盖。

适合的精密研磨设备是Toshiba Model UHG-130C，通过CiebaTechnologies ChandlerAZ可以获得。衬底可以用粗轮研磨，然后用细轮。适合的粗和细轮分别具有1500粒度(grit)和2000粒度的人造金刚石树脂基体。适合的研磨轮可从日本的Adoma或Ashai Diamond Industrial Corp.获得。工件轴以500rpm运转，研磨轮轴以1500rpm运转。x轴进给速率对于使用粗轮的第一个200-250微米是10微米/分钟，对于使用细轮的最后50-100微米是1微米/分钟。冷却剂是18mW去离子水。表面形态可以利用Zygo的Newview 5000型干涉仪使用Metroview软件测量，其从CT Middlefield的Zygo公司可以得到。

替代结合预烧制的PZT层以在模块衬底25上形成压电致动器结构100，PZT层可以利用其它层形成技术形成，所述技术包括但不限于溅镀例如RF溅镀、或溶胶凝胶。PZT层可以形成所需的PZT层厚度，或者更厚并被研磨从而获得所需厚度，如上所述。

如图6O所示，研磨平面715可以例如通过锯法(sawing)被切割穿过压电层705、地电极层710、和模块衬底25的硅680从而暴露地电极层710(步骤775)。然后衬底被清洁。

参照图6P，切割的压电材料被金属化，例如通过真空沉积钛、钨、镍和金、铜、镍铬合金、或其它合适金属的层到压电层705背部上(步骤780)。压电材料上的金属层720提供到地层710的金属接触并还提供压电层705的致动器部分的背表面之上的金属层。电极分隔切口730也制得穿过顶金属化层并部分穿过压电层705使得地电极710与顶金属化层电分隔，从而金属层720形成驱动电极。隔离切口718切割在压电层705中流动路径之间从而将致动器结构100分离成用于相邻的室的各个致动器21(步骤785)。这些切口可以是直线锯痕(saw cut)。替代地或另外地，通过蚀刻可以形成凹槽(kerf)，然后利用切割锯可以在凹槽中生成切口。模块也可以沿着凹槽手工折断。然后衬底被再次清洁。

对于最后的组装，模块的前表面附着到面板，柔性电路附着到模块的背表面，且该装置固定到管路框架。

模块的前面可以设置有提高或阻碍墨润湿的保护涂层(coating)和/或涂层。涂层可以是例如聚合物诸如特富龙(Teflon)或者金属诸如金或铑。

用途

该打印头模块可以用于任何打印应用中，特别是高速、高性能打印。该模块在宽格式打印中特别有用，宽格式打印中宽基质通过长模块和/或布置成阵列的多个模块打印。

回到图4A和4B，模块衬底定义墨流路径55。在该示例中，下降部40相对于上和下模块衬底表面垂直地引导墨流。下降部40具有较大体积而喷嘴65具有较小体积。下降部40将墨从泵室45送往喷嘴65，该处墨在从喷嘴开口喷射出去之前被加速。横跨模块的喷嘴65的均匀性增强了墨滴尺寸和墨滴速度的均匀性。

致动器膜80通常是不活泼材料并具有顺应性使得压电层的动作引起致动器膜层的足以给泵室中的墨加压的弯曲。电压施加在地和驱动电极之间，导致压电层弯曲。压电层施加力在膜上。膜流进墨供应路径、喷嘴流动路径和喷嘴开口到打印介质上。

该模块可以用在打印机中，用于替换偏移打印。该模块可以用来选择性地沉积施加到被打印的材料或打印基质的光滑透明涂层。该打印头和模块可以用于分发或沉积各种流体，包括非图像形成流体。例如，三维模型膏(paste)可以被选择性地沉积来构造模型。生物样品可沉积在分析阵列上。

从描述显见，任何所描述的技术可以与其它技术结合从而实现说明书的目标。例如，任何上述技术可以与申请日期为2002年7月3日的打印头专利申请No.10/189947中描述的技术和设备结合，在此引用其全部内容作为参考。在一个实施例中，压电致动器在喷嘴层结合到模块衬底之前固定到模块衬底。由于上述方法能够可重复地形成小于15微米的高均匀膜层，该方法可以用在打印头以外的微机电器件中。例如，高均匀薄膜可以用于换能器(transducer)。更进一步的实施例在所附权利要求中。

已经说明了本发明的多个实施例。然而，应当理解在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变。例如，在一个实现中，硅体可以被掺杂。因此，其它实施例在所附权利要求的保护范围内。

本申请要求2003年10月10日提交的美国临时申请No.60/510459的优先权，在此引用其全部内容作为参考。

Claims (64)

1.一种形成微加工器件的方法，包括：

蚀刻衬底的上表面从而形成至少一个蚀刻特征；

将多层衬底结合到所述衬底的所述上表面，使得所述上表面上的所述蚀刻特征被覆盖从而形成室，所述多层衬底包括硅层和柄层，其中所述结合形成所述衬底的所述上表面与所述硅层之间的硅到硅结合；以及

从所述多层衬底去除所述柄层从而在所述室之上形成包括所述硅层的膜。

2.如权利要求1所述的方法，其中：

该多层衬底是包括氧化物层的绝缘体上硅衬底。

3.如权利要求2所述的方法，还包括：

从所述绝缘体上硅衬底去除所述氧化物层从而形成所述膜。

4.如权利要求3所述的方法，其中：

从所述绝缘体上硅衬底去除所述氧化物层包括蚀刻所述氧化物层。

5.如权利要求1所述的方法，还包括：

在所述膜上形成导电层。

6.如权利要求1所述的方法，还包括：

将压电层结合到所述膜。

7.如权利要求1所述的方法，其中：

将多层衬底结合到所述衬底的所述上表面包括将所述第一层的硅熔合结合到所述上表面的硅。

8.如权利要求1所述的方法，其中：

从所述多层衬底去除所述柄层包括研磨所述柄层。

9.如权利要求1所述的方法，其中：

从所述多层衬底去除所述柄层包括蚀刻所述柄层。

10.如权利要求1所述的方法，其中：

所述膜小于15微米厚。

11.如权利要求10所述的方法，其中：

所述膜小于10微米厚。

12.如权利要求11所述的方法，其中：

所述膜小于5微米厚。

13.如权利要求11所述的方法，其中：

所述膜小于1微米厚。

14.如权利要求1所述的方法，还包括：

在蚀刻所述上表面之前在所述衬底的所述上表面上形成金属掩模。

15.如权利要求14所述的方法，其中：

所述金属掩模包括镍和铬。

16.如权利要求1所述的方法，还包括：

在蚀刻之前在所述衬底的底表面上形成金属停止层。

17.如权利要求16所述的方法，其中：

所述金属停止层包括来自包括镍、铬、铝、铜、钨和铁的组的至少一种金属。

18.如权利要求1所述的方法，其中：

所述柄层包括硅。

19.如权利要求1所述的方法，还包括：

在结合所述多层衬底之前从所述衬底的所述上表面去除氧化物。

20.如权利要求19所述的方法，还包括：

在结合所述多层衬底之前从所述多层衬底的所述硅层去除氧化物。

21.如权利要求19所述的方法，其中：

去除所述氧化物包括氢氟酸蚀刻。

22.一种形成打印头的方法，包括：

蚀刻衬底的上表面从而具有至少一个蚀刻特征；

将多层衬底结合到所述衬底的所述上表面，使得所述上表面上的所述蚀刻特征被覆盖从而形成室，所述多层衬底包括第一层和柄层；

从所述多层衬底去除所述柄层从而形成膜；及

将压电层结合到所述膜。

23.如权利要求22所述的方法，还包括：

将喷嘴层结合到所述衬底的下表面，其中所述喷嘴层包括用于喷射流体的一个或更多喷嘴的至少一部分。

24.如权利要求22所述的方法，其中：

蚀刻所述衬底的所述上表面形成墨流路径的至少一部分。

25.如权利要求1所述的方法，其中蚀刻衬底的上表面包括蚀刻主要包括硅的衬底。

26.一种形成微加工器件的方法，包括：

在第一衬底的底表面上形成金属层；

从所述衬底的顶表面蚀刻所述第一衬底，使得蚀刻特征延伸穿过所述第一衬底至所述金属层；

蚀刻所述第一衬底之后从所述第一衬底的所述底表面去除所述金属层；及

将层接合到所述第一衬底的所述底表面。

27.如权利要求26所述的方法，其中：

蚀刻所述第一衬底包括深反应离子蚀刻所述第一衬底。

28.如权利要求26所述的方法，其中：

将层接合到所述衬底的所述底表面包括将第一硅表面接合到第二硅表面。

29.如权利要求26所述的方法，其中：

所述第一衬底包括双面抛光硅衬底。

30.如权利要求26所述的方法，还包括：

蚀刻一个或更多特征到所述第一衬底的所述底表面中。

31.如权利要求30所述的方法，其中：

蚀刻所述一个或更多特征发生在形成所述金属层之前。

32.如权利要求26所述的方法，还包括：

将多层衬底结合到所述衬底的所述上表面，使得所述上表面上的所述蚀刻特征被覆盖从而形成一个或更多室，所述多层衬底包括第一层和柄层；及

从所述多层衬底去除所述柄层从而形成覆盖所述一个或更多室的膜。

33.一种形成微加工器件的方法，包括：

将一个或更多凹进部蚀刻到第一衬底的底表面中；

在蚀刻所述底表面之后在所述第一衬底的所述底表面上形成牺牲层；

从所述衬底的顶表面蚀刻所述第一衬底，使得蚀刻特征延伸穿过所述第一硅衬底至所述牺牲层；及

从所述第一衬底的所述底表面去除所述牺牲层。

34.如权利要求33所述的方法，其中：

形成牺牲层包括形成金属层。

35.如权利要求34所述的方法，其中：

形成金属层包括形成包括镍、铬、铝、铜、钨或铁中的至少一种的层。

36.如权利要求33所述的方法，其中：

形成牺牲层包括形成蚀刻停止层。

37.如权利要求33所述的方法，还包括：

蚀刻所述第一衬底包括深反应离子蚀刻。

38.如权利要求33所述的方法，其中：

形成所述牺牲层包括形成这样的材料的层，当所述第一衬底从所述顶表面被蚀刻时该材料不导致底切形成在所述第一衬底中。

39.如权利要求33所述的方法，还包括：

在蚀刻所述衬底的所述顶表面之前在所述衬底的所述顶表面上形成金属掩模。

40.如权利要求39所述的方法，其中：

所述金属掩模包括镍和铬。

41.一种形成打印头的方法，包括：

从第一衬底的顶表面蚀刻所述第一衬底，使得蚀刻特征延伸穿过所述第一衬底至所述第一衬底的底表面上的层；

在从所述顶表面蚀刻所述第一衬底之后将层接合到所述第一衬底的所述底表面；以及

在将所述层接合到所述底表面之后，在所述层中形成喷嘴特征使得所述喷嘴特征连接到所述蚀刻特征。

42.如权利要求41所述的方法，其中：

形成喷嘴特征包括蚀刻。

43.如权利要求41所述的方法，其中：

所述第一衬底包括硅。

44.如权利要求43所述的方法，其中：

将层接合到所述第一衬底的所述底表面包括将双面抛光衬底结合到所述第一衬底。

45.如权利要求43所述的方法，其中：

将层接合到所述第一衬底的所述底表面包括将多层衬底结合到所述第一衬底，其中所述多层衬底包括硅层。

46.如权利要求43所述的方法，其中：

将所述层接合到所述第一衬底的所述底表面包括熔合结合。

47.如权利要求43所述的方法，其中：

将层接合到所述第一衬底的所述底表面包括将绝缘体上硅衬底结合到所述第一衬底，其中所述绝缘体上硅衬底包括硅层、氧化物层和柄层。

48.如权利要求43所述的方法，其中：

将层接合到所述底表面形成硅到硅结合，其中所述结合基本没有氧化物。

49.一种微加工器件，包括：

第一材料体，其中所述体具有多个凹进部；

所述第一材料的膜，小于15微米厚且被结合到所述体，使得所述体中的所述凹进部至少部分地被所述膜覆盖，且所述膜与体之间的界面基本没有除了所述第一材料之外的材料；以及

压电结构，形成在所述膜上，其中所述压电结构包括第一导电层和压电材料。

50.如权利要求49所述的器件，其中：

所述体中的所述凹进部提供一条或更多路径，每条路径具有入口和出口从而与体外部连通。

51.如权利要求50所述的器件，其中：

所述一条或更多路径包括变化深度的一个或更多区域。

52.如权利要求51所述的器件，其中：

每条路径的所述出口是喷嘴。

53.如权利要求52所述的器件，其中：

所述喷嘴在所述体的与所述膜相反的一侧。

54.如权利要求53所述的器件，其中：

所述膜厚度变化小于1微米。

55.如权利要求54所述的器件，其中：

所述第一材料是硅。

56.如权利要求55所述的器件，其中：

所述膜基本没有开口。

57.如权利要求56所述的器件，其中：

所述凹进部包括与所述膜相邻的泵室。

58.如权利要求57所述的器件，其中：

所述膜小于10微米厚。

59.如权利要求58所述的器件，其中：

所述膜小于5微米厚。

60.如权利要求59所述的器件，其中：

所述膜小于1微米厚。

61.如权利要求57所述的器件，其中：

所述膜包括第二材料。

62.如权利要求61所述的器件，其中：

所述第二材料是氧化物。

63.如权利要求57所述的器件，其中：

所述压电结构包括第二导电层。

64.如权利要求63所述的器件，其中：

所述压电材料在所述第一与第二导电层之间。

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