具有驅動電路的微噴射頭的製作方法
2023-07-08 12:33:31 3
專利名稱：具有驅動電路的微噴射頭的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微噴射頭(Microinject head)的製作方法，尤其涉及一種具有驅動電路(Driving circuitry)且為一體成型的微噴射頭的製作方法。
背景技術：
現今，液珠噴射器廣泛用於噴墨印表機的列印，然而，液珠噴射器也具有眾多其他的可能應用，例如燃料噴射系統(Fuel injection systems)、細胞分類(Cell sorting)、藥物釋放系統(Drug delivery systems)、直接噴印光刻術(Direct print lithography)以及微噴射推進系統(Micro jet propulsion systems)等，上述所有應用的共同點在於其皆須一可靠(Reliable)且低成本，以及可提供高頻率(Frequency)及高空間解析度(Spatial resolution)的高品質液滴的液珠噴射器。
然而，只有數種裝置能夠個別地射出形狀一致的液滴，在目前所知且被使用的液珠噴射系統中，利用熱驅動氣泡(Thermal driven bubble)以射出液珠的方式由於簡單且成本相當低廉，因此一直是這種裝置中較成功的設計。
在U.S.Pat.No.6,102,530-「以氣泡作為微噴射器中的虛擬氣閥以噴射液體的裝置和方法(Apparatus and method for using bubbles as virtual valvein microinjector to eject fluid)」中曾提到一具有虛擬氣閥(Virtual valve)的液珠噴射裝置，如圖1所示，加熱器環繞在噴射孔四周，借著加熱器電阻值的差異，使得加熱時在流體腔靠近噴嘴的位置先產生一第一氣泡，此第一氣泡隔絕流體腔及噴嘴，而產生類似氣閥的功能，可減小與相鄰流體腔產生相互幹擾(Cross talk)的效應；接著產生第二氣泡，此第二氣泡用以推擠流體，使流體從噴孔噴出，最後，第二氣泡並與第一氣泡結合，借著此二氣泡的結合以達到減少衛星墨滴(Satellite droplet)的產生。
另外，在U.S.Pat.No.5,122,812-「其上具有驅動電路的熱墨水噴射列印頭及其製造方法(Thermal inkjet printhead having driver circuitry thereon andmethod for making the same)」中曾提到一種具有驅動電路的噴墨頭結構(如圖2所示)，系將加熱元件與驅動電路整合製作於同一基板(Substrate)上，然而其製作過程所需的步驟數目仍多，而且根據其結構還必須形成一厚度達20～30μm的厚膜(Barrier layer)130，再貼合一噴嘴平板(Orifice plate)140於厚膜上，此種作法會因必要的裝配公差(Assembly tolerance)而限制噴嘴的空間解析度，此外，貼合手續未必相容於IC製作過程，當微噴射器陣列(Array)與驅動電路需整合成一體以減少配線並確保封裝緊密時，這個不相容的問題將更為突顯，因此，此製作過程不僅較為繁瑣，成本上亦相對較高，故現今提供一種成本較低、製作過程步驟較少，且能達到具有驅動電路結構的微液珠噴射頭已經成為刻不容緩的趨勢。
發明內容
本發明主要的目的即是要提供一種具有驅動電路的微噴射頭，系用以同時控制一對以上的第一氣泡產生構件與第二氣泡產生構件，將一個以上流體腔內部的流體由噴孔噴出，以達到由多噴孔噴射出流體的作用。
本發明的另一目的即是要提供一種具有驅動電路的微噴射頭的製作方法，系用以將驅動電路與氣泡產生構件整合於同一基板上，製作過程步驟數目較少，且為一電路元件與連接線路數量較少的結構。
根據本發明的一個方面，提供一種製作具有驅動電路的微噴射頭的方法，其包括提供一基板；形成一介電層於該基板上，該介電層包含一第一部位以及一第二部位；形成一驅動電路於該介電層的第一部位上，該驅動電路包含一個以上的功能元件；形成一低應力材料層於該介電層的第二部位上；蝕刻該基板與該介電層，以形成一歧管及一個以上的流體腔，且該歧管系與該流體腔相連通，以供應流體至該流體腔；形成多個氣泡產生器於該低應力材料層上，且與該驅動電路相連通；以及形成一個以上的噴孔，且連通該對應的流體腔以噴出該流體。
根據本發明的另一個方面，提供一種製作具有驅動電路的微噴射頭的方法，其包括提供一基板；形成一介電層於該基板上，該介電層包含一第一部位以及一第二部位；形成一驅動電路於該介電層的第一部位上，該驅動電路包含一個以上的功能元件；蝕刻部分該介電層的第二部位，且形成一犧牲層於該被蝕刻的部分介電層第二部位的位置上；形成一低應力材料層於該犧牲層上；蝕刻不具該驅動電路的該基板與犧牲層，以形成一歧管及一個以上的流體腔，且該歧管是與該流體腔相連通，以供應流體至該流體腔；形成多個氣泡產生器於該低應力材料層上，且與該驅動電路相連通；以及形成一個以上的噴孔，且連通該對應的流體腔以噴出該流體。
根據本發明所披露的具有驅動電路的微噴射頭，其包括一個以上的流體腔、一歧管、一個以上的噴孔、一對以上的氣泡產生器及一驅動電路，其中氣泡產生器包含一第一氣泡產生構件與一第二氣泡產生構件。
其中，歧管系與流體腔相連通，用以供應流體至流體腔內；而一個以上的噴孔系與對應的流體腔相連通。
而第一氣泡產生構件與第二氣泡產生構件系配置於接近對應的噴孔處，且位於對應流體腔的上方，當對應的流體腔充滿流體時，第一氣泡產生構件在流體腔中產生一第一氣泡以做為一虛擬氣閥，繼第一氣泡產生後，第二氣泡產生構件產生一第二氣泡，以導致流體腔中的流體由噴孔射出。
另外，驅動電路系包含一個以上的功能元件，且與一對以上的第一氣泡產生構件與第二氣泡產生構件形成於同一基板上，驅動電路用以分別獨立地傳送一訊號至個別的氣泡產生器，且用以驅動一對以上的氣泡產生器，以此達到同時控制一對以上的氣泡產生器的作用。
根據本發明所披露具有驅動電路的微噴射頭的製作方法，其包括提供一基板，再於基板上形成驅動電路，且驅動電路系包含一個以上的功能元件，再形成犧牲層於基板上，且不覆蓋住驅動電路，或是利用形成驅動電路時，最上層的介電材料層做為犧牲層，接著，形成一低應力材料層於犧牲層上；再蝕刻基板與犧牲層以形成一歧管及一個以上的流體腔，歧管系與流體腔相連通，以供應流體至流體腔內。
再者，形成一對以上的第一氣泡產生構件及第二氣泡產生構件於低應力材料層上，且與驅動電路相連通；最後形成一個以上的噴孔，系位於對應的第一氣泡產生構件與第二氣泡產生構件之間，且連通對應的流體腔以噴出流體，如此即可完成一具有驅動電路且為一體成型的微噴射頭。
圖1係為現有技術具有虛擬氣閥功能的噴射裝置的立體結構圖；圖2係為現有技術具有驅動電路的噴墨頭的結構剖面圖；以及圖3～9係為本發明製作具有驅動電路的微噴射頭步驟及其微噴射頭的結構示意圖，其中，圖9係為本發明具有驅動電路的微噴射頭的完整結構示意圖。
圖10～12係為本發明另一實施例製作具有驅動電路的微噴射頭步驟及其微噴射頭的結構示意圖。
附圖標記說明10陣列 12微噴射器14流體腔16歧管18噴孔 20第一加熱器22第二加熱器24共同電極26流體 38基板40犧牲層42低應力層44導電層45、46低溫氧化層50第二部位 51介電層52第一部位 101薄氧化層102氮化矽層 105多晶矽柵極106源極 107漏極130厚膜 140噴嘴平板具體實施方式
首先，請參考如「圖1」所示的結構，係為一微噴射器12的一陣列10，陣列10包含多個相互鄰接的微噴射器12，每一微噴射器包含一流體腔(Chamber)14、一歧管(Manifold)16、一噴孔(Orifice)18、一第一加熱器20以及一第二加熱器22。第一加熱器20及第二加熱器22系以串聯連接(In series)至一共同電極(Common electrode)24的電極。
第一加熱器20及第二加熱器22的作動方式，則為第一加熱器20產生第一氣泡隔絕流體腔14及噴孔18，而產生類似氣閥的功能，而第二加熱器22則接著產生第二氣泡，此第二氣泡則用以推擠流體26，使流體26從噴孔18噴出，以達到噴射流體26的作用。
其中，流體腔14內系以流體26填滿，而流體26可包括但並未限制於下列流體墨水、汽油、油類、化學藥品(Chemicals)、生物醫藥溶液(Biomedicalsolution)及水等類似物質，而選用何種流體系取決於特定的應用場合。
然而本發明為了能達到同時控制一對以上的第一加熱器20與第二加熱器22，故需再加入一驅動電路於微噴射頭中方可達到此目的。
如圖3～5所示，欲將一具驅動電路的微噴射器陣列10製作於一基板38，如矽晶圓(Si wafer)上，首先，形成一薄氧化層101於基板38上，接著形成一氮化矽(SiNx)層102於薄氧化層上(如圖3所示)，將氮化矽102作曝光顯影后，進行蝕刻(如圖4所示)，再利用局部熱氧化法(Local oxidation)氧化未受保護的薄氧化層101，以形成場氧化層(Field oxide)。至此形成的一介電層51(見圖5)包含有一第一部位52以及一第二部位50，第一部位52係為薄氧化層101被氮化矽層102所覆蓋的部分，而第二部位50則為由局部熱氧化法所形成的場氧化層。此一場氧化層可於後續的製作過程中加以蝕刻，以形成流體腔14。之後，再去除氮化矽層102，地毯式布植硼離子(Blanket boron implant)於第一部位52及第二部位50上(如圖5所示)，以調整驅動電路的起始電壓(Threshold voltage)，再形成一多晶矽柵極(Polysilicongate)105於第一部位52上，並施以離子布植磷(phosphorus)至此多晶矽柵極105以降低其電阻值，最後再離子布植砷(Arsenic)離子於基板38內，以形成一源極(Source)106及一漏極(Drain)107鄰近柵極，至此即可於基板38上形成一個以上的功能元件(如圖6所示)。
請參考圖7，其繫於第二部位50上沉積一低應力層(Low stress layer)42，如氮化矽(SiNx)材料，以做為流體腔14的上層。
請參考圖8，接下來，使用蝕刻液氫氧化鉀(KOH)從基板38的背面蝕刻以形成歧管16，做為供給流體進入的主要流道，而後再將第二部位50以蝕刻液氫氟酸(HF)移除。又精確地控制蝕刻時間下進行另一次以蝕刻液氫氧化鉀(KOH)的蝕刻，用以加大流體腔14的深度，如此流體腔14與歧管16相連通且填滿流體；在進行此蝕刻步驟期間需特別留意，因為流體腔14的凸角(Convex corner)亦會被攻擊且會被蝕刻成圓弧的形狀。
再沉積加熱器，其中加熱器包含有第一加熱器20及第二加熱器22，並對其進行圖案轉移(Patterning)，對第一加熱器20及第二加熱器22而言，較佳的材質為鋁鉭合金(Alloys of tantalum and aluminum)，而其他材料如鉑(Platinum)、硼化鉿(HfB2)等亦可達到相同作用；另外，為了保護第一加熱器20與第二加熱器22及隔離此一個以上的功能元件，故於整個基板38上，包括柵極105、源極106、漏極107及第二部位50的範圍再沉積一低溫氧化層45以做為保護層。
接著，在第一加熱器20與第二加熱器22上形成導電層(Conductivelayer)44，用以導通第一加熱器20、第二加熱器22與驅動電路的功能元件，其中，驅動電路系用以分別獨立地傳送一訊號至個別的加熱器(第一加熱器20與第二加熱器22)，且用以驅動一對以上的加熱器(第一加熱器20與第二加熱器22)，如此即可利用數量較少的電路元件與連接線路達到相同電路控制的功效。例如在本實施例中，第一加熱器20與第二加熱器22系串聯連接，驅動電路利用矩陣(matrix)的方式來控制多個氣泡產生器，例如一列的氣泡產生器同時通電，而另一行則用以分別傳輸訊號(或稱信息)進入，來達到可以單獨控制個別的第一加熱器20與第二加熱器22的功用。而導電層44較佳的材質則為如鋁矽銅合金(Alloys of Aluminum-Silicon-Copper)、鋁(Aluminum)、銅(Copper)、金(Gold)或鎢(Tungsten)等金屬材料；接著再沉積一低溫氧化層46於導電層44之上以做為保護層。
最後，請參考圖9，噴孔18於第一加熱器20與第二加熱器22之間形成，若光刻術(Lithography)可容許3μm的線寬，則噴孔18約可小至2μm，且噴孔18與鄰近噴孔之間的間距(Pitch)約可小至15μm。至此，即可形成一體成型且具有驅動電路的微噴射器陣列，不僅可將驅動電路與加熱器整合於同一基板上，而且不需另外貼上噴嘴平板即可完成整體微噴射頭的結構。
以下將介紹本發明的另一實施例。與上述實施例不同的是，上述實施例圖7、8、9所示的製作過程系直接觸刻圖6所示的第二部位50，以形成流體腔14。而本實施例則先蝕刻部分的第二部位50，並另形成一犧牲層40於此被蝕刻部分的位置上，再於此犧牲層40上進行後續的製作過程。請參考圖10、圖10系接續圖6的製作過程，先將圖6所示的第二部位50進行部分蝕刻，並另沉積一氧化層於此不覆蓋驅動電路的基板38部位上，以做為之後流體腔14(參考圖11)的犧牲層(Sacrificial layer)40，而後再沉積一低應力層42′，做為流體腔14的上層。
接下來請參考圖11、12。圖11、12系接續圖10，並與圖8、9所述的製作過程相類似。如圖11所示，首先，從背面蝕刻基板38及犧牲層40以形成歧管16及流體腔14，再沉積第一加熱器20、第二加熱器22、以及具保護作用的低溫氧化層45。再來，形成導電層44以導通第一、第二加熱器20、22及驅動電路，並沉積另一低溫氧化層46於導電層44之上以做為保護層。最後，如圖12所示，以光刻術形成噴孔18於第一加熱器20與第二加熱器22之間，如此亦可完成一體成型且具有驅動電路的微噴射器陣列。當然，以上所述的製作過程步驟可依狀況調整製作過程步驟順序，並不限定於如上所述的順序，亦可形成相同具有驅動電路的微液珠噴射頭。
根據本發明所披露的具有驅動電路的微液珠噴射頭及其製作方法，其效果為1.提供一種改進後的微液珠噴射頭結構，可應用於如噴墨列印方面等技術；2.提供一種一體成型的微液珠噴射頭，將驅動電路與加熱器整合於同一基板上，且不需另外貼上噴嘴平板即可完成整體結構；3.完成整體結構所需的製作過程步驟數目較少，可簡化所需的製作過程步驟；以及4.整體結構的電路元件與連接線路數量較少，可降低製作成本，且可達到相同電路控制的功效。
雖然本發明以前述的較佳實施例披露如上，然其並非用以限定本發明，任何業內人士，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視後附的權利要求範圍所界定者為準。
權利要求
1.一種製作具有驅動電路的微噴射頭的方法，其包括提供一基板；形成一介電層於該基板上，該介電層包含一第一部位以及一第二部位；形成一驅動電路於該介電層的第一部位上，該驅動電路包含一個以上的功能元件；形成一低應力材料層於該介電層的第二部位上；蝕刻該基板與該介電層，以形成一歧管及一個以上的流體腔，且該歧管系與該流體腔相連通，以供應流體至該流體腔；形成多個氣泡產生器於該低應力材料層上，且與該驅動電路相連通；以及形成一個以上的噴孔，且連通該對應的流體腔以噴出該流體。
2.如權利要求1所述製作具有驅動電路的微噴射頭的方法，其中形成該介電層的步驟包括形成一薄氧化層於該基板上；形成一氮化矽層於該薄氧化層上；利用局部熱氧化法氧化未被該氮化矽層覆蓋的薄氧化層，以形成一場氧化層，其中被該氮化矽層所覆蓋的該薄氧化層為該介電層的第一部位，而該場氧化層則為該介電層的第二部位；以及去除該氮化矽層。
3.如權利要求1所述製作具有驅動電路的微噴射頭的方法，其中形成該驅動電路的步驟包括布植硼離子於該介電層上；形成一多晶矽柵極於該介電層的第一部位上；以及離子布植砷離子於該基板內，形成一源極及一漏極鄰近該柵極。
4.如權利要求1所述製作具有驅動電路的微噴射頭的方法，其中該驅動電路用以分別獨立地傳送一訊號至個別的該氣泡產生器，且用以驅動該多個氣泡產生器。
5.如權利要求1所述製作具有驅動電路的微噴射頭的方法，其中該功能元件係為一電晶體。
6.如權利要求5所述製作具有驅動電路的微噴射頭的方法，其中該電晶體係為一金屬氧化物半導體場效電晶體。
7.如權利要求1所述製作具有驅動電路的微噴射頭的方法，其中蝕刻該基板與該介電層以形成歧管及流體腔的步驟包括背面蝕刻該基板以形成該歧管；去除該介電層的第二部位；以及再次背面蝕刻該基板以形成該流體腔。
8.如權利要求1所述製作具有驅動電路的微噴射頭的方法，其中該氣泡產生器包含一第一氣泡產生構件及一第二氣泡產生構件，且該噴孔位於對應的該第一氣泡產生構件與該第二氣泡產生構件之間。
9.如權利要求1所述製作具有驅動電路的微噴射頭的方法，其中該形成氣泡產生器的步驟包括形成一電阻層於該低應力材料層上，以形成一加熱器；以及形成一導電層於該電阻層上，且該導電層與該驅動電路相連通。
10.如權利要求9所述製作具有驅動電路的微噴射頭的方法，其中該導電層的材質是選自於鋁、金、銅、鎢及鋁矽銅合金所構成的族群中的任一者。
11.如權利要求9所述製作具有驅動電路的微噴射頭的方法，其中該加熱器的材質是選自於鋁鉭合金、鉑及硼化鉿所構成的族群中的任一者。
12.如權利要求9所述製作具有驅動電路的微噴射頭的方法，其中於形成該電阻層與形成該導電層之間還包括一步驟形成一第一氧化層於該電阻層上，以保護該加熱器。
13.如權利要求1所述製作具有驅動電路的微噴射頭的方法，其中還包括一步驟形成一第二氧化層於該氣泡產生器上，以保護該氣泡產生器。
14.一種製作具有驅動電路的微噴射頭的方法，其包括提供一基板；形成一介電層於該基板上，該介電層包含一第一部位以及一第二部位；形成一驅動電路於該介電層的第一部位上，該驅動電路包含一個以上的功能元件；蝕刻部分該介電層的第二部位，且形成一犧牲層於該被蝕刻的部分介電層第二部位的位置上；形成一低應力材料層於該犧牲層上；蝕刻不具該驅動電路的該基板與犧牲層，以形成一歧管及一個以上的流體腔，且該歧管是與該流體腔相連通，以供應流體至該流體腔；形成多個氣泡產生器於該低應力材料層上，且與該驅動電路相連通；以及形成一個以上的噴孔，且連通該對應的流體腔以噴出該流體。
15.如權利要求14所述製作具有驅動電路的微噴射頭的方法，其中形成該介電層的步驟包括形成一薄氧化層於該基板上；形成一氮化矽層於該薄氧化層上；利用局部熱氧化法氧化未被該氮化矽層覆蓋的薄氧化層，以形成一場氧化層，其中被該氮化矽層所覆蓋的該薄氧化層為該介電層的第一部位，而該場氧化層則為該介電層的第二部位；以及去除該氮化矽層。
16.如權利要求14所述製作具有驅動電路的微噴射頭的方法，其中形成該驅動電路的步驟包括布植硼離子於該介電層上；形成一多晶矽柵極於該介電層的第一部位上；以及離子布植砷離子於該基板內，形成一源極及一漏極鄰近該柵極。
17.如權利要求14所述製作具有驅動電路的微噴射頭的方法，其中該驅動電路用以分別獨立地傳送一訊號至個別的該氣泡產生器，且用以驅動該多個氣泡產生器。
18.如權利要求14所述製作具有驅動電路的微噴射頭的方法，其中該功能元件係為一電晶體。
19.如權利要求18所述製作具有驅動電路的微噴射頭的方法，其中該電晶體係為一金屬氧化物半導體場效電晶體。
20.如權利要求14所述製作具有驅動電路的微噴射頭的方法，其中該蝕刻基板與犧牲層以形成岐管及流體腔的步驟包括背面蝕刻該基板以形成該岐管；去除該不覆蓋該驅動電路的犧牲層部位；以及再次背面蝕刻該基板以形成該流體腔。
21.如權利要求14所述製作具有驅動電路的微噴射頭的方法，其中該氣泡產生器包含一第一氣泡產生構件及一第二氣泡產生構件，且該噴孔位於對應的該第一氣泡產生構件與該第二氣泡產生構件之間。
22.如權利要求14所述製作具有驅動電路的微噴射頭的方法，其中該形成氣泡產生器的步驟包括形成一電阻層於該低應力材料層上，以形成一加熱器；以及形成一導電層於該電阻層上，且該導電層與該驅動電路相連通。
23.如權利要求22所述製作具有驅動電路的微噴射頭的方法，其中該導電層的材質系選自於鋁、金、銅、鎢及鋁矽銅合金所構成的族群中的任一者。
24.如權利要求22所述製作具有驅動電路的微噴射頭的方法，其中該加熱器的材質系選自於鋁鉭合金、鉑及硼化鉿所構成的族群中的任一者。
25.如權利要求22所述製作具有驅動電路的微噴射頭的方法，其中於形成該電阻層與形成該導電層之間還包括一步驟形成一第一氧化層於該電阻層上，以保護該加熱器。
26.如權利要求14所述製作具有驅動電路的微噴射頭的方法，其中還包括一步驟形成一第二氧化層於該氣泡產生器上，以保護該氣泡產生器。
全文摘要
本發明公開一種製作具有驅動電路的微噴射頭的方法，包括提供一基板；形成一介電層於該基板上，該介電層包含一第一部位以及一第二部位；形成一驅動電路於該介電層的第一部位上，該驅動電路包含一個以上的功能元件；形成一低應力材料層於該介電層的第二部位上；蝕刻該基板與該介電層，以形成一歧管及一個以上的流體腔，且該歧管系與該流體腔相連通，以供應流體至該流體腔；形成多個氣泡產生器於該低應力材料層上，且與該驅動電路相連通；以及形成一個以上的噴孔，且連通該對應的流體腔以噴出該流體。
文檔編號B05B1/00GK1526481SQ20031012372
公開日2004年9月8日 申請日期2001年4月3日 優先權日2001年4月3日
發明者陳志清, 黃宗偉 申請人:明基電通股份有限公司