减少漏斗喷嘴的尺寸变化的制作方法

减少漏斗喷嘴的尺寸变化
1.本技术是申请日为2018年2月22日提出的申请号为201880020759.2，名称为“减少漏斗喷嘴的尺寸变化”的申请的分案申请。
技术领域
2.本说明书涉及微机电装置比如喷墨打印头中的喷嘴形成。


背景技术：

3.利用喷墨打印机打印高质量、高分辨率图像通常需要打印机在打印介质上的指定位置处精确地喷射所需量的油墨。通常，在打印头结构中形成多个密集包装的喷墨装置，每个都包括喷嘴和相关的油墨流动路径。油墨流动路径将油墨储存单元(例如油墨储存器或墨盒)连接到喷嘴。油墨流动路径包括泵送室。在泵送室中，油墨可被加压以流向终止于喷嘴中的下降区域。油墨从喷嘴末端的开口排出并落在打印介质上。介质可相对于流体喷射装置移动。从特定喷嘴喷射流体液滴与介质的移动同步，以将流体液滴放置在介质上的所需位置。
4.可以使用各种处理技术在打印头结构中形成油墨喷射器。这些处理技术可包括层形成，比如沉积和粘结，以及层修改，比如蚀刻、激光烧蚀、冲孔和切割。所使用的技术可以根据所需的喷嘴形状、流动路径几何形状以及例如用于喷墨打印机的材料而不同。


技术实现要素：

5.公开了一种漏斗形喷嘴，其具有直壁底部和弯曲顶部。漏斗形喷嘴的弯曲顶部朝向直壁底部逐渐会聚并与之平滑地连接。漏斗形喷嘴可具有围绕对称轴线的一个或多个侧表面，并且弯曲顶部和直壁底部在垂直于对称轴线的平面中的横截面在几何上相似。另外，漏斗形喷嘴的弯曲顶部包围比直壁底部包围大得多的体积，而直壁底部具有足够的高度以保持通过漏斗形喷嘴喷射的流体液滴的喷射平直度。
6.为了制造本说明书中描述的漏斗形喷嘴，首先，在半导体基板的电介质涂覆表面上沉积均匀的光致抗蚀剂层。电介质可以是热生长的二氧化硅，并且基板可以是绝缘体上硅晶片。使用uv曝光图案化光致抗蚀剂层，然后进行抗蚀剂显影。喷嘴的最小尺寸的横截面形状可以类似于抗蚀剂中的开口，允许椭圆形、圆形和任意喷嘴形状。使用干蚀刻将抗蚀剂中的开口转移到电介质中并剥离抗蚀剂。
7.均匀的光致抗蚀剂层类似地被图案化带有开口，该开口具有一个或多个侧壁，所述侧壁基本垂直于半导体基板的平面顶表面和光致抗蚀剂层的平面顶表面。抗蚀剂开口设计得稍大，具有类似的形状，并且精确地与电介质中的开口对准。然后，在真空中加热图案化的光致抗蚀剂层，使得层中的光致抗蚀剂材料在光致抗蚀剂材料的表面张力的影响下软化和回流。作为回流的结果，开口的顶部边缘上或之间的倾斜拐角变圆并且顶部边缘转变成单个圆形边缘。圆形边缘的曲率半径可以通过回流烘烤条件来控制。例如，圆形边缘的曲率半径可以等于或大于沉积在半导体基板上的均匀的光致抗蚀剂层的初始厚度。在获得所
需的顶部边缘的圆形形状之后，使图案化的光致抗蚀剂层冷却并重新硬化，同时保持顶部边缘的圆形形状。在回流之后，在电介质界面处开口的抗蚀剂层保持略大于电介质中的开口。
8.在形成具有带有弯曲侧表面的开口的图案化的光致抗蚀剂层之后，该弯曲侧表面朝向图案化的光致抗蚀剂层的暴露的顶表面逐渐扩展并且与之平滑地连接，可以开始在半导体基板中形成漏斗形凹部。
9.通过由电介质层限定的开口将直壁凹部蚀刻到半导体基板中，而不是由回流的光致抗蚀剂层形成的开口。例如，可以使用bosch过程形成直壁凹部。对直壁凹部的高选择性蚀刻使得光致抗蚀剂层基本上未被蚀刻。凹部的深度可以比漏斗形喷嘴的最终设计长度小几微米。一旦将直壁凹部形成到半导体基板中，就使用各向同性的干蚀刻过程将直壁凹部转变成漏斗形凹部。具体地，对于光致抗蚀剂、电介质和半导体基板的材料(例如si《100》晶片)，干蚀刻中使用的蚀刻剂应该具有相当(例如基本相等)的蚀刻速率。在干蚀刻期间，蚀刻剂逐渐加深直壁凹部，以形成漏斗形凹部的直壁底部。同时，干蚀刻将电介质层附近的孔部分的侧壁扩展成弯曲侧表面，其平坦地延伸到半导体基板的水平表面中。该漏斗朝向漏斗形凹部的直壁底部会聚并且平滑地过渡到其。通过从下方移除未被蚀刻的基板，可以在底部打开漏斗形凹部。
10.在一方面，一种制造喷嘴的方法，该方法包括：在基板的顶层中形成具有第一宽度的第一开口；在基板的顶表面上形成图案化的光致抗蚀剂层，图案化的光致抗蚀剂层包括第二开口，第二开口具有大于第一宽度的第二宽度。该方法包括：使图案化的光致抗蚀剂层回流，以形成终止于基板顶表面的弯曲侧表面；通过基板顶层中的第一开口蚀刻基板的第二层以形成直壁凹部，直壁凹部具有第一宽度、底表面和基本垂直于半导体基板的顶表面的侧表面。
11.在形成直壁凹部之后，该方法包括干蚀刻图案化的光致抗蚀剂层的弯曲侧表面、基板的顶层和基板的第二层，其中干蚀刻i)将直壁凹部转变成漏斗形凹部，漏斗形凹部包括弯曲侧壁，弯曲侧壁逐渐平滑地连接凹部的直壁下部或终止于底表面，ii)将直壁凹部的一部分扩大到比第一宽度更大的第三宽度，以及iii)将顶层中的第一开口扩大到比第三宽度更大的第四宽度。
12.实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。第二开口可以比第一开口大约1μm。可以使用步进器精确地对准在具有第一开口的基板的顶表面上的图案化的光致抗蚀剂层。可以通过用薄的未回流的抗蚀剂蚀刻来形成第一开口。基板可以是半导体基板，第一层可以是对于bosch蚀刻过程具有高选择性的氧化物层。第四宽度的一部分可以比第一宽度大40μm。使图案化的光致抗蚀剂层回流可以包括通过加热软化图案化的光致抗蚀剂层，直到第二开口的顶部边缘在表面张力的影响下变成圆形。在通过加热软化之后，可以重新硬化图案化的光致抗蚀剂层，同时第二开口的顶部边缘保持圆形。
13.沉积在基板的顶表面上的图案化的光致抗蚀剂层的厚度可以为至少10微米。通过加热软化图案化的光致抗蚀剂层还可以包括在真空环境中加热其中形成有第二开口的图案化的光致抗蚀剂层，直到图案化的光致抗蚀剂层中的光致抗蚀剂材料在表面张力的影响下回流。加热图案化的光致抗蚀剂层可以包括将图案化的光致抗蚀剂层加热至160-250摄氏度的温度。重新硬化图案化的光致抗蚀剂层可以包括冷却图案化的光致抗蚀剂层，同时
第二开口的顶部边缘保持圆形。弯曲顶部的顶部开口的宽度可以是弯曲顶部的底部开口的至少四倍。蚀刻基板的顶表面以形成直壁凹部可以包括使用bosch过程，通过图案化的光致抗蚀剂层中的开口蚀刻半导体基板的顶表面。
14.形成漏斗形凹部的干蚀刻对于图案化的光致抗蚀剂层和半导体基板可以具有基本相同的蚀刻速率。形成漏斗形凹部的干蚀刻可以包括使用cf4/chf3气体混合物的干蚀刻。图案化的光致抗蚀剂层中的第一开口在平行于图案化的光致抗蚀剂层的暴露的顶表面的平面中可以具有圆形横截面形状。漏斗形凹部在平行于基板的顶表面的平面中可以具有圆形横截面形状。多个喷嘴的喷嘴宽度的标准偏差可以小于0.15微米。凹部可以一直延伸穿过顶层。
15.特定实施方式可以包括没有、一个或多个以下优点。
16.漏斗形喷嘴具有弯曲顶部，其体积足够大以容纳流体的若干个液滴(例如3或4个液滴)。漏斗形喷嘴的侧表面是流线型的，并且在流体喷射方向上没有不连续。与具有相同深度和液滴尺寸的直壁喷嘴(例如圆柱形喷嘴)相比，漏斗形喷嘴的侧表面在流体喷射期间在流体上产生较小的摩擦，并且当液滴从喷嘴脱离时防止喷嘴吸入空气。减少流体摩擦不仅改善了液滴形成的稳定性和均匀性，而且还允许更高的喷射频率、更低的驱动电压和/或更高的功率效率。具有喷嘴的单个窄部分可以使弯液面固定在稳定的位置。防止空气进入喷嘴有助于防止被捕获的气泡堵塞喷嘴或流动路径的其他部分。
17.尽管具有锥形平坦侧壁的喷嘴(例如倒金字塔形状的喷嘴)相对于圆柱形喷嘴也可以实现一些优点(例如减小的摩擦)，但是锥形喷嘴的底部开口处的锐角边缘仍然比漏斗形喷嘴对液滴造成更大的阻力。另外，锥形喷嘴开口的倾斜边缘和矩形(或方形)形状也以不可预测的方式影响滴落方向的平直度，导致打印质量的劣化。在本说明书中描述的漏斗形喷嘴中，直壁底部不占整个喷嘴深度或占其一小部分，因此直壁底部确保喷射平直度而不会对排出的流体造成太大摩擦。因此，漏斗形喷嘴可以帮助实现更好的喷射平直度、更高的出射频率、更高的功率效率、更低的驱动电压和/或液滴形状和位置的均匀性。
18.尽管可以使用电铸或微模制技术形成具有弯曲侧表面的漏斗形喷嘴，但是这种技术限于金属或塑料材料，并且可能不适用于在半导体基板中形成喷嘴。此外，电铸或微模制技术往往具有较低的精度，并且不能实现高分辨率印刷所需的尺寸、几何形状和间距要求。半导体加工技术可用于生产高度紧凑和均匀的大型喷嘴阵列，并且可满足高分辨率印刷所需的尺寸、几何形状和间距要求。例如，喷嘴可以小到5微米，喷嘴到喷嘴的间距精度可以是约0.5微米或更小(例如0.25微米)，第一喷嘴到最后喷嘴间距精度可以是约1微米，并且喷嘴尺寸精度可以至少为0.6微米。
19.本文公开的方法和系统减少了漏斗孔直径的变化。减小的喷嘴尺寸变化可以减少(例如消除)印刷线宽度变化，并且减少废弃包含具有太多变化的喷嘴的喷嘴板的需要。由于在使用非回流抗蚀剂蚀刻到硅晶片中的直孔中尺寸变化不太显著，因此本文公开的方法使用氧化物层中的开口的边缘，而不是回流的光致抗蚀剂中的开口来限定bosch蚀刻的直壁凹部的尺寸，该凹部是漏斗形喷嘴的前体。通过使氧化物开口略小于光致抗蚀剂开口，氧化物而不是回流的抗蚀剂允许用薄的未回流的抗蚀剂制造开口，因此氧化物开口比回流的抗蚀剂开口更精确。氧化物对bosch蚀刻也具有高选择性。在附图和以下描述中阐述了本发明的一个或多个实施例的细节。根据说明书和附图以及权利要求，本发明的其他特征、目的
和优点将显而易见。
附图说明
20.图1示出了用于流体液滴喷射的装置的横截面侧视图。
21.图2a是带有具有单个直侧壁的喷嘴(即圆柱形喷嘴)的打印头流动路径的横截面侧视图以及喷嘴的俯视图。
22.图2b是带有具有锥形平坦侧壁的喷嘴的打印头流动路径的横截面侧视图以及喷嘴的俯视图。
23.图2c是带有具有突出地连接到直壁底部的锥形顶部的喷嘴的打印头流动路径的横截面侧视图以及喷嘴的俯视图。
24.图3a是具有平滑地连接到直壁底部的弯曲顶部的漏斗形喷嘴的横截面侧视图。
25.图3b是具有平滑地连接到直壁底部的弯曲顶部的漏斗形喷嘴的俯视图，其中喷嘴的水平横截面形状是圆形的。
26.图3c是带有具有平滑地连接到直壁底部的锥形顶部的喷嘴的打印头流动路径的横截面侧视图。
27.图4a-4f示出了制造具有平滑地连接到直壁底部的弯曲顶部的漏斗形喷嘴的过程。
28.图5a和5b示出了使用图4a-4f所示的过程制成的漏斗形凹口的图像。
29.图6a和6b比较了使用图4a-4f所示的过程和另一过程制成的喷嘴的最大、最小和平均喷嘴尺寸。
30.图7a和7b比较了使用图4a-4f所示的过程和另一过程制造的喷嘴的喷嘴尺寸的标准偏差。
31.各个图中的相同附图标记表示相同的元件。
具体实施方式
32.流体液滴喷射可以用基板实现，例如微机电系统(mems)，包括流体流动主体、膜和喷嘴层。流动路径主体具有形成在其中的流体流动路径，其可包括流体填充通道、流体泵送室、下降器和具有出口的喷嘴。致动器可以位于膜的与流动路径主体相对的表面上并且靠近流体泵送室。当致动器被致动时，致动器向流体泵送室施加压力脉冲，以使流体液滴通过喷嘴的出口喷射。通常，流动路径主体包括多个流体流动路径和喷嘴，比如密集排列的相同喷嘴阵列及其相应的相关流动路径。流体液滴喷射系统可包括基板和用于基板的流体源。流体储存器可以流体连接到基板，用于供应用于喷射的流体。流体可以是例如化学化合物、生物物质或油墨。
33.参考图1，示出了微机电装置的一部分的横截面示意图，比如在一个实施方式中的打印头。打印头包括基板100。基板100包括流体路径主体102、喷嘴层104和膜106。喷嘴层104由诸如硅的半导体材料制成。流体储存器将流体供应到流体填充通道108。流体填充通道108流体连接到上升器110。上升器110流体连接到流体泵送室112。流体泵送室112紧邻致动器114。致动器114可以包括介于驱动电极和接地电极之间的压电材料，比如锆钛酸铅(pzt)。可以在致动器114的驱动电极和接地电极之间施加电压，以向致动器施加电压，从而
致动致动器。膜106位于致动器114和流体泵送室112之间。粘合剂层(未示出)可将致动器114固定到膜106。
34.喷嘴层104固定到流体路径主体102的底表面，并且可具有约15和100微米之间的厚度。具有出口118的喷嘴117形成在喷嘴层104的外表面120中。流体泵送室112流体连接到下降器116，其流体连接到喷嘴117。
35.虽然图1示出了各个通道，比如流体填充通道、泵送室和下降器，但这些部件可能不都在共同的平面中。在一些实施方式中，流体路径主体、喷嘴层和膜中的两个或更多个可以形成为整体。另外，部件的相对尺寸可以变化，并且一些部件的尺寸在图1中被放大用于说明的目的。
36.流动路径的设计特别是喷嘴尺寸和形状影响打印质量、打印分辨率以及打印装置的能量效率。图2a-2c示出了许多传统的喷嘴形状。
37.例如，图2a示出了具有直喷嘴204的打印头流动路径202。直喷嘴204具有直侧壁206。图2a的顶部示出了在穿过喷嘴204的中心轴线208的平面中的流动路径202和喷嘴204的横截面侧视图。中心轴线208是穿过喷嘴204的所有水平横截面的几何中心的轴线。在本说明书中，在每个水平横截面的几何中心也是水平横截面的对称中心的情况下，喷嘴的中心轴线208有时被称为喷嘴的对称轴线。如图2a的顶部所示，在包括中心轴线208的平面中，侧壁206的轮廓是平行于中心轴线208的直线。在该示例中，喷嘴204是圆形直圆柱形，并且具有单个直侧壁。在其他示例中，喷嘴可以是方形直圆柱形，并且具有四个直的平坦侧表面。
38.如图2a所示，喷嘴204形成在喷嘴层210中。喷嘴204在垂直于喷嘴204的中心轴线208的平面中具有相同的横截面形状和尺寸。图2a的下部示出了喷嘴层210的俯视图。在该示例中，喷嘴204在垂直于喷嘴204的中心轴线208的平面中具有圆形横截面形状。在各种实施方式中，喷嘴204可具有其他横截面形状，比如椭圆形、方形、矩形或其他规则的多边形形状。
39.具有直侧壁的喷嘴相对容易制造。喷嘴的直侧壁可以帮助保持喷射平直度并使得从喷嘴喷射的油墨液滴的着落位置更加可预测。然而，为了确保足够的液滴尺寸，直壁喷嘴的高度需要相当大(例如数十微米或更大)。当流体作为液滴从喷嘴喷出时，直壁喷嘴的大垂直尺寸在喷嘴内的流体上产生大量的摩擦。在直壁喷嘴中产生的较高流动阻力导致较低的喷射频率和/或较高的驱动电压，这可以进一步导致较低的打印速度、较低的分辨率、较低的功率效率和/或较低的设备寿命。
40.直壁喷嘴的另一个缺点是，当液滴从喷嘴的出口(例如出口212)脱离时，空气可以从喷嘴的出口开口被吸入喷嘴并被捕获在喷嘴或流动路径的其他部分内。捕获在喷嘴内的空气可阻挡油墨流动或使从其所需轨迹喷射的流体液滴偏转。
41.图2b示出了带有具有锥形平坦侧壁218的喷嘴216的打印头流动路径214。图2b的上部示出了在包含喷嘴216的中心轴线220的平面中的打印头流动路径214的横截面侧视图。在包含中心轴线220的平面中，喷嘴216的轮廓是从喷嘴216的顶部开口到喷嘴216的底部开口(或出口212)朝向中心轴线220会聚的直线。喷嘴216的轮廓可以由朝向中心轴线220会聚的多个平面形成。
42.喷嘴216形成在喷嘴层224中，并且喷嘴216在垂直于中心轴线220的平面中的横截
面形状是连续减小尺寸的方形。喷嘴216具有四个平坦的侧壁，每个侧壁从喷嘴216的顶部开口的边缘倾斜到喷嘴216的底部开口的相应边缘。图2b的下部示出了喷嘴层224的俯视图。如图2b的下部所示，喷嘴216的每个侧壁218是平坦表面，其沿着边缘226与两个相邻的平坦侧壁218中的每个相交。每个边缘226是成倾斜边缘，而不是圆形边缘。
43.如图2b的下部所示，喷嘴216的下部开口是较小的方形开口，而喷嘴216的上部开口是较大的方形开口。中心轴线220穿过喷嘴216的上部开口和下部开口的几何中心。与图2a所示的直壁喷嘴204相比，喷嘴216的锥形侧壁218对穿过喷嘴的流体提供减小的摩擦。喷嘴216的锥形形状还减少了在喷嘴出口212处的液滴破裂期间发生的进气量。
44.图2b中所示的锥形喷嘴216可以通过使用koh蚀刻在半导体喷嘴层224(例如硅喷嘴层)中形成。然而，锥形喷嘴216的形状由存在于半导体喷嘴层224中的晶面决定。当通过koh蚀刻形成喷嘴216时，喷嘴216的侧表面沿着半导体喷嘴层224的《111》晶面形成。因此，每个倾斜侧表面218和中心轴线220之间的角度具有约35度的固定值。
45.尽管就降低的流动阻力和减少的空气吸收而言，图2b所示的锥形喷嘴216相对于图2a所示的直壁喷嘴204提供了一些改进，但在改变喷嘴开口的形状或锥形侧壁的角度方面存在非常小的灵活性。喷嘴出口的方角有时会形成随体(在液滴喷射期间除了主液滴之外产生微小的二次液滴)。另外，在喷嘴出口212的边缘处的平坦侧壁218与喷嘴层224的水平底表面之间的尖锐不连续性也导致液滴上的额外阻力，从而导致喷射速度和频率降低。
46.图2c示出了另一种喷嘴结构，其组合了如图2b所示的锥形部分与如图2a所示的直线部分。由于koh蚀刻技术的限制，直底部和锥形顶部通过从基板的两侧蚀刻而形成。然而，双面蚀刻会导致难以对准问题。另外，必须采取特殊设计的步骤以从与锥形部分相同的一侧形成直底部，例如在美国专利公开2011-0181664中所述，该专利通过引用结合于此。
47.图2c的顶部示出了带有具有突出地连接到直底部238的锥形顶部236的喷嘴234的打印头流动路径232的横截面侧视图。图2c所示的横截面侧视图位于包含喷嘴234的中心轴线240的平面中。在包含中心轴线240的平面中，锥形顶部236的轮廓包括从喷嘴234的顶部开口朝向锥形顶部236和直壁底部238之间的交叉会聚的直线。在包含中心轴线240的平面中，直壁底部238的轮廓包括平行于中心轴线240的直线。该轮廓可以由与中心轴线240同轴的圆柱体提供。锥形顶部236和直壁底部238之间的交叉不平滑并且在垂直方向(即在该示例中是流体喷射方向)上具有一个或多个不连续或倾斜边缘。
48.在该示例中，锥形顶部236在垂直于喷嘴234的中心轴线的平面中的横截面形状是方形的，而底部238在垂直于喷嘴234的中心轴线的平面中的横截面形状是圆形的。因此，锥形顶部236具有四个平坦的侧表面244，每个都从锥形顶部236的顶部开口的边缘倾斜到顶部236和底部238之间的交叉的相应边缘。尽管图2c所示的直底部238具有圆形横截面，但直底部也可以具有方形横截面或其他形状的横截面。
49.喷嘴234形成在喷嘴层242中。图2c的下部示出了喷嘴234的俯视图。在该俯视图中，直壁底部238的下部开口是圆形的，并且锥形顶部236的顶部开口是方形的，并且直底部238和锥形顶部236之间的交叉是圆柱孔和倒金字塔孔之间的交叉。由于顶部和底部之间的横截面形状之间的不匹配，交叉的边缘包括曲线和尖锐的不连续。这些不连续还会引起流体摩擦和液滴形成的不稳定。即使顶部236和底部238的横截面形状都是方形的，在流体喷射方向上的两个部分之间的交叉处仍存在不连续。由于例如关于图2b所述的其他原因，方
形喷嘴开口也不如圆形喷嘴出口理想。
50.在本说明书中，公开了一种漏斗形喷嘴，其具有平滑地连接到形成在半导体喷嘴层(例如硅喷嘴层)中的直壁底部的弯曲顶部。漏斗形喷嘴的弯曲顶部与图2c所示的锥形顶部的不同之处在于，弯曲顶部的侧表面在包含喷嘴中心轴线的平面中的轮廓由弯曲线而不是直线构成。另外，弯曲顶部的轮廓朝向直底部会聚并且平滑地连接到直壁底部，而不是在弯曲顶部和直壁底部之间的交叉处以突然角度弯曲。
51.另外，在一些实施方式中，从喷嘴层的水平顶表面到漏斗形喷嘴的弯曲侧表面的过渡也是平滑的而不是突然的。另外，漏斗形喷嘴在垂直于喷嘴中心轴线的平面中的水平横截面形状在几何上相似并且对于喷嘴的整个深度是同心的。因此，在漏斗形喷嘴的弯曲顶部和直壁底部之间没有锯齿状交叉。本说明书中描述的漏斗形喷嘴相比于例如关于图2a-2c描述的传统喷嘴形状提供了许多优点。
52.图3a是具有平滑地连接到直壁底部306的弯曲顶部304的漏斗形喷嘴302的横截面侧视图。在直壁底部306中，喷嘴的侧面是平行的，并且垂直于喷嘴层的外表面322。直壁底部306可以是圆柱形通道(即壁沿上/下是直的而不是沿横向)。取决于加工参数，可以避免直壁部分306且漏斗部分316可以继续到表面322。漏斗形喷嘴302是形成在平面半导体喷嘴层308中的漏斗形通孔。在弯曲顶部304和直壁底部306之间的交叉(其位置由图3a中的虚线320表示)是光滑的并且基本上没有任何不连续及垂直于喷嘴302的中心轴线310的任何表面。
53.如图3a所示，弯曲顶部304的高度基本上大于直壁底部306的高度。然而，直壁底部306可具有至少一些高度，例如弯曲顶部304的高度的10-30％。例如，弯曲顶部304的高度可以是40-75微米(例如40、45或50微米)，而底部306的高度可以仅为5-10微米(例如5、7或10微米)。弯曲顶部304包围的体积比直壁底部306大得多。较大的弯曲顶部保持大部分待喷射的流体。在一些实施方式中，包围在弯曲顶部304中的体积是若干个液滴(例如3或4个液滴)的尺寸。每个液滴可以是3-100微微升。直底部分306具有较小的体积，比如具有的体积小于单个液滴的尺寸。
54.直壁部分306的高度足够小，使得它不会引起显著量的流体摩擦，并且在液滴断开期间不会引起大量的空气吸收。同时，直壁部分的高度足够大以保持喷射平直度。在一些实施方式中，直壁部分306的高度约为喷嘴出口直径的10-30％。例如，在图3a中，喷嘴出口的直径为35微米，直壁部分的高度为5-10微米(例如7微米)。在一些实施方式中，喷嘴出口的直径可以为15-45微米。
55.喷嘴302的弯曲顶部304和直壁底部306都在液滴形成和喷射中起重要作用。弯曲顶部304设计成保持足够体积的流体，使得当从喷嘴出口喷射液滴时，在喷嘴中产生很少或没有以在喷嘴内形成气泡的空隙。漏斗的底部可以保持较小体积的流体。
56.漏斗形喷嘴302与图2b和2c所示的喷嘴的不同之处还在于，漏斗形喷嘴302在垂直于喷嘴302的中心轴线310的平面中的横截面形状对于喷嘴302的整个深度是圆形的而不是矩形的。因此，沿流体喷射方向在弯曲顶部304和直底部306之间没有不连续。漏斗形喷嘴302的流线型轮廓提供比图2b和2c所示的喷嘴甚至更小的流体摩擦。另外，漏斗形喷嘴304的侧表面是完全光滑的，并且也没有任何不连续或方位角方向的突然变化。因此，漏斗形喷嘴304也不会产生阻力或不稳定从而导致在图2b和图2c所示的喷嘴中存在的其他缺点(例
如随体形成)。
57.使用常规蚀刻过程在硅中形成漏斗形喷嘴可能是困难的。传统的蚀刻过程比如bosch过程形成直的垂直壁，而koh蚀刻形成锥形的直壁。尽管各向同性蚀刻可以形成弯曲特征，比如碗形特征，但不能在相对的形成中制作弯曲壁以形成漏斗形特征。
58.另外，考虑到本说明书中提供的处理技术，漏斗形喷嘴的弯曲顶部从其顶部开口朝向直壁底部会聚的间距可以通过设计来改变，而不是通过某些晶面的定向来固定。具体地，假设点a是弯曲顶部304的顶部开口的边缘与包含中心轴线310的平面之间的交叉，并且点b是弯曲顶部304的底部开口的边缘与包含中心轴线310的相同平面之间的交叉。与图2c所示的喷嘴234不同，连接点a和点b的直线与中心轴线310之间的角度α不是由半导体喷嘴层308的晶面决定的固定角度(例如图2c中的35度)。相反，在制作漏斗形喷嘴304时，可以通过改变加工参数来设计漏斗形喷嘴304的角度α。在一些实施方式中，漏斗形喷嘴304的角度α可以在30-40度之间。在一些实施方式中，漏斗形喷嘴304的角度α可以大于40度。
59.如图3a所示，漏斗形喷嘴302的弯曲顶部304不同于圆形唇部，圆形唇部是由在基板中形成圆柱形凹部的过程中产生的凹部壁的自然圆化或锥形化而产生的。
60.首先，漏斗形凹部302的弯曲顶部304所呈现的锥形量远大于由于制造不精确(例如通过直壁光致抗蚀剂掩模蚀刻基板)而可能固有存在的任何锥形。例如，漏斗形喷嘴的侧壁的锥形角度约为30至40度。弯曲顶部304的垂直范围可以是几十微米(例如50-75微米)。弯曲顶部304的顶部开口的宽度可以是100微米或更大，并且可以是弯曲顶部304的底部开口的宽度的3或4倍。相反，由于制造缺陷和/或不精确而在圆柱形凹部的顶部开口附近存在的锥形化或圆化通常小于1度。与本说明书中描述的漏斗形喷嘴中存在的那些相比，自然锥形化或圆化还具有小得多的高度和宽度变化(例如在纳米或小于1-2微米的范围内)。
61.图3b是漏斗形喷嘴(例如图3a中所示的喷嘴302)的俯视图。如图3b所示，漏斗形喷嘴302的顶部开口312和底部开口314都是圆形的并且是同心的。在整个喷嘴302的侧表面316的任何部分处没有不连续。顶部开口312的宽度是喷嘴302的底部开口214的宽度的至少3倍。在一些实施方式中，喷嘴302的顶部开口312流体连接到漏斗形喷嘴302上方的泵送室，并且泵送室的边界限定漏斗形喷嘴302的顶部开口312的边界。图3c示出了具有漏斗形喷嘴302的打印头流动路径318。
62.尽管图3b示出了其整个深度具有圆形横截面形状的漏斗形喷嘴，但其他横截面形状也是可能的。漏斗形喷嘴的直壁底部的横截面形状可以是椭圆形、方形、矩形或其他多边形。漏斗形喷嘴的弯曲顶部将具有与直壁底部相似的横截面形状。然而，随着弯曲顶部的侧表面进一步远离直壁底部朝向弯曲顶部的顶部开口延伸，弯曲顶部的横截面形状中的拐角(如果有的话)逐渐消除或平滑。弯曲顶部的横截面的确切形状由制造步骤和用于形成漏斗形喷嘴的材料确定。
63.例如，在一些实施方式中，具有平滑地连接到直壁底部的弯曲顶部的漏斗形喷嘴可具有方形水平横截面形状。在这样的实施方式中，喷嘴的中心侧轮廓与图3a中所示的相同。然而，漏斗形喷嘴将具有四个会聚的弯曲侧表面，并且相邻的弯曲侧表面之间的交叉是朝向喷嘴的底部出口会聚的四条平滑的弯曲线并且平滑地过渡到喷嘴直底部中的四条直平行线。另外，相邻的弯曲侧表面之间的交叉是平滑的圆形，使得四个弯曲的侧表面形成漏斗形喷嘴的顶部中的单个光滑侧表面的一部分。
64.可以通过在各个半导体材料层中形成特征并将这些层附接在一起以形成主体来制造打印头主体。如在2002年7月3日提交的美国专利申请号10/189947中所述，通过使用传统的半导体加工技术，可以将通向喷嘴的流动路径特征比如泵送室和油墨入口蚀刻到基板中。喷嘴层和流动路径模块一起形成打印头主体，油墨流过该打印头主体并从中喷射油墨。油墨流过的喷嘴的形状可以影响油墨流动的阻力。通过形成本技术中描述的漏斗形喷嘴，可以实现更小的流动阻力、更高的喷射频率、更低的驱动电压和/或更好的喷射平直度。本说明书中描述的处理技术还允许具有所需尺寸和间距的喷嘴阵列具有良好的均匀性和效率。
65.图4a-4f示出了制造具有平滑地连接到直壁底部的弯曲顶部的漏斗形喷嘴的方法，例如图3a-3c所示的漏斗形喷嘴。
66.为了形成漏斗形喷嘴，首先，在半导体基板的顶表面上形成图案化的光致抗蚀剂层，其中图案化的光致抗蚀剂层包括开口，该开口具有平滑地连接到图案化的光致抗蚀剂层的暴露的顶表面的弯曲侧表面。例如，围绕z轴的开口将具有在z方向和方位角方向上弯曲的侧表面。开口的形状将决定漏斗形喷嘴在垂直于漏斗形喷嘴的中心轴线的平面中的横截面形状。开口的尺寸与漏斗形喷嘴的底部开口大致相同(例如35微米)。在图4a-4f所示的示例中，开口是圆形的，用于制造的漏斗形喷嘴在喷嘴的整个深度上具有圆形水平横截面。
67.为了形成图案化的光致抗蚀剂层，可以使用抗蚀剂回流过程。如图4a所示，将均匀的光致抗蚀剂层402施加到基板的平面顶表面404。基板可以是半导体基板406(例如硅晶片)。半导体基板406可以是具有若干晶体定向之一的基板，比如硅《100》晶片、硅《110》晶片或硅《111》晶片。光致抗蚀剂层402的厚度影响光致抗蚀剂层中的开口的弯曲侧表面的最终曲率，因此影响漏斗形喷嘴的弯曲侧表面的最终曲率。通常施加较厚的光致抗蚀剂层以获得漏斗形喷嘴的弯曲侧表面的较大曲率半径。
68.在该示例中，均匀的光致抗蚀剂层402的初始厚度为约10-11微米(例如11微米)。在一些实施方式中，可在半导体基板406的平面顶表面404上施加超过11微米的光致抗蚀剂。在处理步骤之后，一定厚度的光致抗蚀剂可保持在基板上以使漏斗形凹部具有所需深度。可以使用的光致抗蚀剂的示例包括例如由gmbh制造的az9260、az9245、az4620及其他正性光致抗蚀剂。半导体基板406的厚度等于或大于待制造的漏斗形喷嘴的所需深度。例如，图4a所示的基板406可以是soi晶片，其具有约50微米的硅层403，硅层403经由薄氧化物层405附接到处理层407。另一薄氧化物层401可以覆盖硅层403。例如，薄氧化物层401可以是约1微米。如图4a所示，第一光刻和蚀刻步骤可以在薄氧化物层401中形成具有第一宽度411的开口409。用于限定开口409的光致抗蚀剂可以是更精确的薄的非回流抗蚀剂。薄氧化物层401中的氧化物也可以对用于形成开口409的bosch蚀刻具有高选择性。非回流抗蚀剂和基板之间的选择性预期类似于回流抗蚀剂和基板之间的选择性，例如低于100:1。在一些实施例中，第一宽度411比第二宽度413小约1μm。均匀的光致抗蚀剂层402也填充开口409。可替代地，基板406可以是通过粘合剂层或范德华力附接到指示层的薄硅层。
69.如图4b所示，在将均匀的光致抗蚀剂层402施加到半导体基板406的平面顶表面404之后，对均匀的光致抗蚀剂层402进行图案化，从而产生具有第二宽度413的初始开口408和一个或多个垂直侧壁410。第二宽度413大于第一宽度411。在一些实施例中，第二宽度
413可以比第一宽度411大约1μm。步进器可以将开口408与开口409精确对准。例如，步进器可以存储关于在薄氧化物层401中限定的开口409的中心的信息，并且在产生初始开口408的光刻过程期间将其与初始开口408的中心匹配。在该示例中，圆形开口产生于均匀的光致抗蚀剂层402中，并且圆形开口的侧壁是单个弯曲表面，其垂直于均匀的光致抗蚀剂层402的平面顶表面412和半导体基板406的平面顶表面404。开口411的直径确定要制造的漏斗形喷嘴的底部开口的直径。在该示例中，初始圆形开口411的直径可以是约85-95微米(例如90.5微米)。均匀的光致抗蚀剂层402的图案化可以包括在光掩模下的标准uv或光曝光和光致抗蚀剂显影过程，以去除暴露于光的光致抗蚀剂层的部分。
70.在均匀的光致抗蚀剂层402中形成初始开口408之后，将光致抗蚀剂层402加热至约160至250摄氏度，直到层402中的光致抗蚀剂材料软化。当图案化的光致抗蚀剂层402中的光致抗蚀剂材料在热处理下软化时，光致抗蚀剂材料将在光致抗蚀剂材料的表面张力的影响下开始回流并自身重塑，特别是在开口408的顶部边缘414附近的区域中。光致抗蚀剂材料的表面张力使得开口408的表面轮廓向后拉并变圆。如图4c所示，开口408的顶部边缘414在表面张力的影响下变圆。抗蚀剂413中的开口基本上不会从回流变化。
71.在一些实施方式中，光致抗蚀剂层402在真空环境中被加热以实现光致抗蚀剂层402的回流。通过在真空环境中加热光致抗蚀剂层402，光致抗蚀剂层402的表面更加光滑且无微小的气泡被捕获在光致抗蚀剂材料内部。这将导致所生产的最终喷嘴中更好的表面光滑度。
72.在获得所需形状的开口408之后，冷却光致抗蚀剂层402。可以通过移除热源或主动冷却来完成冷却。冷却也可以在真空环境中进行，以确保要制造的漏斗形喷嘴的更好的表面性质。通过冷却光致抗蚀剂层402，光致抗蚀剂层402重新硬化，并且开口408的表面轮廓在硬化过程期间保持其形状，并且开口408的顶部边缘414在重新硬化过程结束时保持圆形。
73.一旦图案化的光致抗蚀剂层402硬化，就可以开始蚀刻基板406。漏斗形凹部通过两步蚀刻过程产生。首先，在第一蚀刻过程中产生直壁凹部。然后，在第二蚀刻过程中改变直壁凹部。在第二蚀刻过程中，初始形成的直壁凹部加深，以形成漏斗形凹部的直壁底部。同时，第二蚀刻过程从顶部逐渐扩展初始形成的直壁凹部，以形成漏斗形凹部的弯曲顶部。
74.如图4c所示，在第一蚀刻过程中通过开口409产生初始直壁凹部416。换句话说，薄氧化物层401中的氧化物的边缘限定凹部416的边界，而不是回流的抗蚀剂402。第一蚀刻过程可以是例如bosch过程。在第一蚀刻过程中，产生直壁凹部416，其深度略小于要制造的漏斗形凹部的最终所需深度(例如小1-15微米)。例如，对于总深度为50-80微米的漏斗形凹部，在第一蚀刻过程中产生的直壁凹部416可以是49-79微米。尽管在直壁凹部416的侧面轮廓418上可以存在微小的扇形图案，但是与直壁凹部416的整体尺寸(例如35微米宽和45-75微米深)相比，这种小变化(例如1或2度)是小的。
75.在第一蚀刻过程中，直壁凹部416在与半导体基板406的顶表面404平行的平面中具有与由开口409包围的区域基本相同的横截面形状和尺寸。如图4d所示，与通过薄氧化物层401中的开口409暴露的半导体基板406的器件层403相比，在第一蚀刻过程中使用的蚀刻剂去除非常少的光致抗蚀剂层402。因此，在第一蚀刻过程结束时，图案化的光致抗蚀剂层402的表面轮廓基本保持不变。例如，在第一蚀刻过程期间器件层403和光致抗蚀剂层402之
间的选择性可以是100:1。
76.在通过第一蚀刻过程在半导体基板406中形成初始直壁凹部416之后，可以开始第二蚀刻过程以将图4c所示的初始直壁凹部416转变成图4d所示的所需漏斗形凹部420。
77.如图4d所示，半导体基板406和图案化的光致抗蚀剂层402从垂直方向(例如垂直于图4d中的基板406的平面顶表面404的方向)暴露于干蚀刻。对于光致抗蚀剂和半导体基板406，在干蚀刻过程中使用的蚀刻剂可以具有相当的蚀刻速率。例如，光致抗蚀剂和半导体基板之间的干蚀刻的选择性可以是1:1。在一些实施方式中，使用cf4/chf3和o2气体混合物以高压板功率(例如大于400w)执行干蚀刻。
78.在干蚀刻期间，随着蚀刻过程的继续，在蚀刻剂的轰击下，光致抗蚀剂层402的表面轮廓在垂直方向上后退。由于在光致抗蚀剂层402中的开口408的顶部边缘处的弯曲轮廓414，与光致抗蚀剂层402下面的基板表面的其他部分相比，在光致抗蚀剂层402的最薄部分下方的薄氧化物层401的表面首先暴露于蚀刻剂。换句话说，蚀刻薄氧化层401。暴露于蚀刻剂的半导体表面的部分也逐渐被蚀刻掉。如图4d所示，虚线表示光致抗蚀剂层402和半导体基板406的表面轮廓414在蚀刻剂的轰击下逐渐后退。
79.如图4d所示，蚀刻薄氧化物层401中的开口409的边缘下方的区域422，并且器件层403的表面在横向方向上扩展。凹部416的侧表面418的扩展变为形成在半导体基板406中的漏斗形凹部420的弯曲顶部的弯曲侧表面424。
80.随着干蚀刻在横向方向上继续扩展凹部416的侧表面418，干蚀刻也在垂直方向上加深凹部416。凹部416的加深产生了漏斗形凹部420的直壁底部。额外的加深量产生了几微米深的直壁部分。直壁底部的侧表面426垂直于半导体基板406的平面顶表面404。由于凹部420的侧表面424的横向扩展量从顶部到底部逐渐减小，因此弯曲顶部的弯曲侧表面424平滑地过渡到直壁底部的垂直侧表面426。漏斗形凹部420的顶部开口的边界由光致抗蚀剂与薄氧化物层401的表面相遇的边缘限定。
81.一旦达到漏斗形凹部420的所需深度，就可以定时和停止干蚀刻。可替代地，一旦获得漏斗形凹部420的弯曲部分的所需表面轮廓，就定时并停止干蚀刻。
82.在一些实施方式中，如果半导体基板具有所需厚度的喷嘴层，则可以继续干蚀刻，直到蚀刻穿过半导体基板的整个厚度，并且漏斗形喷嘴完全形成。在一些实施方式中，可以从后侧蚀刻、研磨和/或抛光半导体基板，直到漏斗形凹部从后侧打开以形成漏斗形喷嘴。
83.去除光致抗蚀剂402，并且图4e示出了在底部开口的完整的漏斗形凹部428。在形成漏斗形喷嘴428之后，喷嘴层429可以附接到流体喷射单元的其他层，比如图4f中所示的流体喷射单元430。在一些实施方式中，漏斗形喷嘴428是相同漏斗形喷嘴阵列中的一个，并且相同漏斗形喷嘴阵列中的每个属于可独立控制的流体喷射单元430。在一些实施方式中，流体喷射单元包括压电致动器组件，其支撑在半导体基板406的顶表面上并且包括密封流体连接到漏斗形喷嘴428的泵室的柔性膜。柔性膜的每次致动可操作以通过漏斗形喷嘴428的直壁底部喷射流体液滴，并且由弯曲顶部包围的体积是流体液滴的尺寸的三倍或四倍。
84.图5a和5b示出了使用图4a-4f所示的过程制成的两个漏斗形凹部(例如凹部502和凹部504)的图像。
85.在不同的实施方式中，漏斗形凹部的尺寸可以不同。如图5a所示，漏斗形凹部502的底部506具有约2-5微米的深度，而漏斗形凹部502的弯曲顶部508具有约25-28微米的深
度。当从该漏斗形凹部502产生漏斗形喷嘴时，可以从底部研磨和抛光基板，使得直壁部分506具有所需的深度。如图5a所示，在垂直于凹部502的中心轴线的平面中，直壁底部506的直径大致均匀(对于20微米直径具有小于～0.5微米的变化)。弯曲顶部508的底部开口平滑地连接到直壁底部506的顶部开口。凹部502的顶部开口的直径在96微米的范围内，约为直壁底部506的直径的5倍。弯曲顶部508从底部向顶部扩展的间距可以由在弯曲顶部508的半高度处的弯曲顶部508的宽度限定。在该示例中，在弯曲顶部的半高度处的宽度约为27微米。下降器510位于凹部502上方。
86.虚线矩形盒区域内的漏斗形凹部502的部分在图5b中示出。图5b中的图像旋转了180
°
，并且在更高的放大率下，凹部502实际上不具有直壁部分。
87.图6a示出了使用图4a-4f中概述的过程在两个晶片上制造的最大、最小和平均漏斗喷嘴尺寸的曲线图。作为比较，图6b示出了使用另一过程在十五个晶片上制造的最大、最小和平均漏斗形喷嘴尺寸的曲线图，其中回流光致抗蚀剂具有的初始开口小于薄氧化物层中限定的开口。使用另一过程，回流抗蚀剂的边缘限定了在图4c所示的第一蚀刻过程期间形成的直壁凹部的喷嘴边界。图6a中的曲线602示出了最大漏斗喷嘴尺寸，其大部分落在22-23微米之间。相比之下，图6b中的曲线608示出了最大漏斗喷嘴尺寸的较大变化，其在约19至22.5微米之间。图6a中的曲线604示出了最小漏斗喷嘴尺寸，其大部分落在21.5-22.4微米之间。相比之下，图6b中的曲线610示出了最小漏斗喷嘴尺寸的显著更大的变化，其在约17至21.5微米之间。图6a中的曲线606示出了平均漏斗喷嘴尺寸，其具有比图6b中的曲线612小得多的变化。
88.基于经验数据，比如图6a和6b所示的数据，漏斗孔的直径变化大于koh喷嘴的宽度，比如图2a所示的那些，其中喷嘴具有直的倾斜轮廓。一小部分漏斗孔可以比群体大致(1-3μm)小。喷嘴尺寸变化会导致打印线宽度变化，因此具有太多变化的喷嘴板可能不得不报废。对于
±
1.5μm的喷嘴直径变化规格，可能导致大的(例如25％)模具产量损失。由于在使用非回流抗蚀剂蚀刻到硅晶片中的直孔上没有观察到尺寸变化，因此图4a-4f中概述的过程解决了可能由回流过程引起的可变性。对漏斗喷嘴过程的改进产生具有减小的孔尺寸变化的漏斗喷嘴，如图6a所示。
89.图7a示出了使用图4a-4f所示的过程制造的喷嘴宽度的标准偏差的曲线702。大多数喷嘴的标准偏差约为0.1微米。相比之下，图7b示出了使用另一过程制造的喷嘴宽度的标准偏差的曲线704，其中回流抗蚀剂的边缘限定了在图4c所示的第一蚀刻过程期间形成的直壁凹部的喷嘴边界。曲线704中的标准偏差通常大于0.2微米。
90.已经描述了本发明的许多实施方式。然而，应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。已经描述了形成前述结构的示例性方法。然而，其他过程可以代替被描述以实现相同或相似结果的那些过程。因此，其他实施例在以下权利要求的范围内。