CN101062612A

CN101062612A - 流体喷射装置及其制作方法

Info

Publication number: CN101062612A
Application number: CN 200610077356
Authority: CN
Inventors: 庄文宾; 周忠诚
Original assignee: BenQ Corp
Current assignee: BenQ Corp
Priority date: 2006-04-29
Filing date: 2006-04-29
Publication date: 2007-10-31

Abstract

本发明提供一种流体喷射装置及其制作方法。在具体实例中，在具有凹槽的第一衬底上形成蚀刻停止层，接着再将该蚀刻停止层接合于第二衬底表面上，以在该蚀刻停止层与该第二衬底间形成腔室，然后，移除该第一衬底。移除该第一衬底后，在该第二衬底上形成外框以构成该流体喷射装置。其中，还可在该腔室内及该蚀刻停止层上形成第一氧化层、第二氧化层以及第三氧化层结构。藉此流体喷射装置可增加绝热及降低热串扰(Thermal Crosstalk)效应，进而提升其热使用率及喷墨效果。

Description

流体喷射装置及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种流体喷射装置及其制作方法，特别涉及一种增加热使用率及降低热串扰(Thermal Crosstalk)的流体喷射装置及其制作方法。

背景技术

由于喷液打印机的打印技术不断的突破创新，对于打印质量和分辨率等方面的要求不断提高。使得增加喷墨头芯片封装元件的可靠度、喷孔密度以及减少元件尺寸方面的需求也随之增加。热气泡式喷墨头芯片藉由加热元件加热流体腔室内的墨水，使墨水遇热产生气泡进而将墨水推出。墨滴喷出后温度随即降低，流体腔室内的温度也随之降低，再藉由毛细管原理将突出的墨水拉回腔体内。然而加热元件所产生的热量，除了传输至墨水之外，也会传导至与加热元件接触的结构部份，特别是加热元件下方的衬底部份。以致于产生无法将所供应的电压功率完全利用而产生功率散失的缺点，间接造成所需驱动电压功率的提高。

因此，一般现有技术会在加热元件底下制作绝热层，减少向下方衬底的热传递，以提升热使用效率。如图1所显示，此为一般常规流体喷射结构，其中流体喷射装置包括衬底10及绝热层12，该绝热层12设置于该衬底上方，且在该绝缘层上还设置一加热元件14。一般而言，可增加绝热层12的厚度，以提高其热使用率。但增加厚度除了工艺成本相对提高外，且易伴随着应力及附着力的问题。因此，一般其厚度限制为3微米(μm)。而且热会集中于绝热层，故会造成两相邻加热元件间加热墨水时产生热串扰(Thermal Crosstalk)效应，使得喷墨效果变差。

如美国专利第4,847,636号专利所述，在两加热元件间形成热遮蔽元件，藉此热遮蔽元件可加速将热能传递至底下的衬底，藉以消除两相邻间加热元件的热串扰(Thermal Crosstalk)效应。然而，加速热能的消散却不能有效的提升热使用率，使得整个喷射装置功率上升。

发明内容

有鉴于此，本发明涉及一种流体喷射装置及其制作方法，特别是关于一种具有腔室的流体喷射装置及其制作方法，以同时增加流体喷射装置热使用率及改善其喷墨效果。

本发明的一目的在于提供一种流体喷射装置的制作方法。首先提供一具有凹槽的第一衬底，接着在该凹槽与该第一衬底表面保形地形成蚀刻停止层，之后将该蚀刻停止层接合于第二衬底上表面，使该第二衬底表面与该蚀刻停止层间的该凹槽形成腔室，接着移除该第一衬底。其中该腔室填充气体，例如空气，且空气操作时(500K-850K)的导热系数约为0.04-0.06(W/cm·℃)，可有效达到绝热效果，以提升流体喷射装置热使用率及喷墨效果。

完成上述制作流程后，在该第二衬底上还可形成外框，该外框与该第二衬底形成喷液室，以供流体通过。其中该外框具有喷孔，该喷孔与该加热元件相互对应，以供液体受热后喷出。

上述本发明的流体喷射装置的制作方法，还可以再在该腔室内的该第二衬底的上表面及该蚀刻停止层的第一表面上形成第一氧化层及第二氧化层，以及在该蚀刻停止层的第二表面形成第三氧化层。该些氧化层厚度可以是1微米(μm)，且该腔室尺寸可控制大于10微米(μm)，相比于因应力及附着力的问题而氧化层厚度限制为3μm的流体喷射装置，因此，本发明揭露的制作方法所制作的流体喷射装置较常规流体喷射装置具有明显的绝热效果，进而可增加流体喷射装置热使用率及降低相邻流体喷射装置内加热元件的热串扰(Thermal Crosstalk)。

值得注意的是，本发明的流体喷射装置的制作方法仅需要一道掩模。因此，本发明的制作方法并不需花费昂贵的成本，即能制作具有显著绝热效果的流体喷射装置。

本发明的另一目的在于提供一种流体喷射装置，其中该流体喷射装置包括衬底及蚀刻停止层，该蚀刻停止层具有第一表面及第二表面，且该第一表面与该衬底形成腔室，该腔室内呈现真空，以隔绝流体喷射装置产生的热散失。其中该蚀刻停止层上方还设置有加热元件，且在该衬底上形成外框，该外框与该衬底构成喷液室，以供流体通过。该外框还具有喷孔，该喷孔与该加热元件相互对应，以供液体受热后喷出。

其中在该腔室内的该第二衬底的上表面及该蚀刻停止层的第一表面上形成第一氧化层及第二氧化层，以及在该蚀刻停止层的第二表面形成第三氧化层。该些氧化层厚度可以是1μm，且该腔室尺寸可控制大于10微米(μm)，相比于因应力及附着力的问题而氧化层厚度限制为3μm的流体喷射装置，本发明所揭露的流体喷射装置较常规流体喷射装置具有明显的绝热效果，进而可增加流体喷射装置热使用率、降低流体喷射装置内相邻加热元件的热串扰。

附图说明

图1为常规流体喷射装置的剖面图；

图2A-2H为根据本发明实施例的制作流程剖面图；

图3为根据本发明的流体喷射装置剖面图。

主要元件符号说明

10～衬底；

12～绝热层；

14加热元件；

100～第一衬底；

110～遮蔽层；

112～图案化遮蔽层；

120～开口；

121～凹槽；

130～蚀刻停止层；

131～蚀刻停止层的第一表面；

132～蚀刻停止层的第二表面；

140～腔室；

151～第一氧化层；

152～第二氧化层；

153～第三氧化层；

160～加热元件；

200～第二衬底；

201～第二衬底的上表面；

202～第二衬底的下表面；

210～保护层；

400～外框；

410～喷孔；

420～喷液室。

具体实施方式

以下以实施例并配合附图以详细说明本发明，在附图或描述中，相似或相同部份使用相同的符号。在附图中，实施例的形状或厚度可扩大，以简化或是方便标示。附图中元件的部份将以描述说明之。可了解的是，未绘示或描述的元件，可以是具有各种本领域技术人员所知的形式。此外，当叙述一层位于一衬底或是另一层上时，此层可直接位于衬底或是另一层上，或是其间亦可以有中介层。

图2A～2H为显示根据本发明实施例的流体喷射装置的制作方法剖面示意图。首先请参阅图2A，在第一衬底100上形成遮蔽层110，其中此第一衬底优选材质为硅或其它已知的半导体材料，且此遮蔽层110优选材质为氮化硅(SiNx)。形成遮蔽层110的方法可以是导入硅烷及氮气的化学气相淀积(CVD)法，例如低压化学气相淀积(LPCVD)或等离子体增强式化学气相淀积法(PECVD)，在该第一衬底100上形成此氮化硅层，其优选厚度范围约4500至5500，且其中最优选厚度大约为5000。本发明另一实施例，可形成硅氮氧化物层或碳化硅层等作为遮蔽层110。

接着，将上述已淀积遮蔽层110的第一衬底100，以光刻工艺形成光致抗蚀剂图案(图未显示)于此遮蔽层110上，接着以此光致抗蚀剂图案为蚀刻掩模，同时蚀刻此遮蔽层110，以形成具有开口120的图案化遮蔽层112，如图2B所示。上述蚀刻步骤优选为干法蚀刻工艺，且上述图案化遮蔽层112的开口120暴露出下方第一衬底100的部份表面，此开口120优选尺寸范围约为40μm至100μm间的方形区域，其中最优选的尺寸约是70μm。当然上述开口120并非以方形为限，该开口120也可以是圆形、半圆形、多边形及任何本领域普通技术人员所习知的图形，在不脱离本发明的精神和范围内皆属本发明的范围。

形成上述的图案化遮蔽层112后，移除上述光致抗蚀剂，再利用此图案化遮蔽层112作为硬掩模，由开口120蚀刻此第一衬底100以形成凹槽121，如图2C所示。蚀刻第一衬底100的方式例如为湿法蚀刻，且优选的蚀刻液为氢氧化钾(KOH)溶液，而蚀刻条件可以是45％及80℃的氢氧化钾溶液。上述蚀刻步骤优选的时间范围为20至30分钟，且上述凹槽121的深度范围为10μm至20μm之间，其中最佳凹槽121深度大约为15μm。

接下来，由上述具有凹槽121的第一衬底100移除此图案化遮蔽层112，而露出具有凹槽121的第一衬底100表面。之后在上述第一衬底100表面掺杂离子，藉以在此第一衬底100表面及凹槽121形成蚀刻停止层130，如图2D所示。此离子掺杂步骤例如注入硼于硅第一衬底100以形成硼掺杂区域，且注入浓度为10¹⁵～10¹⁹(atom/cm³)。此蚀刻停止层130优选厚度为等于或小于1.0μm，其中最优选厚度大约为1.5μm。

上述形成蚀刻停止层130的方法，还包括离子掺杂后再进行高温炉管扩散工艺，使此蚀刻停止层具有优选的离子浓度分布并可延伸此蚀刻停止层130厚度以增加阻绝蚀刻的效果，例如将此蚀刻停止层130扩散至厚度10μm至20μm之间，其中此蚀刻停止层130的扩散厚度范围例如为15μm。

接着请参阅图2E，在此第一衬底100上形成蚀刻停止层130后，将第二衬底200接合于第一衬底100上，亦即将此蚀刻停止层130的第一表面131接合于第二衬底200的上表面201，此第一衬底100的凹槽121与该第二衬底200上表面201之间形成腔室140。此接合方式包含直接融合接合、阳极接合以及其它本领域技术人员所知悉的接合方式。此时上述腔室140可填充大约1大气压的空气，或其它绝热性质较佳的材料。再者，可视需要形成保护层210于上述第二衬底200的下表面202。

之后，将上述接合的两衬底以蚀刻步骤处理以移除上述第一衬底100且暴露出此蚀刻停止层130的第二表面132，如图2F所示，此为旋转180度的剖面图。其中移除第一衬底100后，上述腔室140看起来便像悬浮于此第二衬底200上方。藉由第二衬底200的下表面202的保护层210，当进行上述蚀刻步骤时此保护层210可保护此第二衬底200，避免此第二衬底200被蚀刻。其中该保护层210优选材质可以是氮化硅或氮氧化硅，此保护层210优选厚度范围至

其中保护层210厚度例如为

此蚀刻方式例如为湿法蚀刻，而优选蚀刻条件例如为45％及80℃的氢氧化钾溶液。

请参阅图2G所示，在完成上述移除第一衬底100以形成悬浮的腔室140后，可再进行热氧化工艺，以在上述腔室140内的第二衬底200的上表面201形成第一氧化层151，并且在此蚀刻停止层130的第一表面131上形成第二氧化层152，同时在蚀刻停止层130第二表面132上方形成第三氧化层153。上述氧化层优选材料为二氧化硅，优选厚度范围为0.5μm至1.5μm，其中最优选厚度例如为1.0μm。另外，若上述腔室140内存在的气体为空气时，经此热氧化工艺后，此腔室140内空气中氧因参与热氧化反应，故腔室140内压力会低于一大气压。

接着，在上述第三氧化层153上方形成加热元件160，如图2H所示。形成此加热元件160的方法例如可以是溅镀方式淀积金属层(图未显示)，之后选择性蚀刻此金属层以形成上述加热元件160，此加热元件160的材质可以是金属，例如钛、铝、钽或其合金，也可以是非金属，例如多晶硅或其相似物的化合物。

完成上述加热元件160后，可在此第二衬底200上形成外框400，如图3所示。此外框400与第二衬底200构成喷液室420，此喷液室420可提供液体通过。上述外框400还具有喷孔410，此喷孔410与加热元件160相互对应，当加热元件160接收外界电压时，此加热元件160会加热喷液室420内的液体，使液体受热形成气泡再经此喷孔410喷出。

值得注意的是，本发明可广泛应用于各种喷射元件中，上述流体喷射装置可以是上边喷射流体结构、侧边喷射流体结构或背面喷射流体结构。

图3为流体喷射装置剖面图，其中此流体喷射装置包括第二衬底200，其上方设置有蚀刻停止层130，此蚀刻停止层130具有第一表面131及第二表面132，其中此第一表面131与上述第二衬底200的上表面201形成腔室140。上述蚀刻停止层130上方还设置有加热元件160，其中该加热元件为导电材料，例如金属。在第二衬底200的上方再形成外框400，且此外框400与第二衬底200构成喷液室420，以提供液体通过。其中此外框400具有喷孔410，此喷孔410与加热元件160相互对应，以提供液体受热后经此喷孔410喷出。其中上述腔室140内可填充空气或绝热材料，以增加流体喷射装置绝热效果及避免相邻通道内产生热串扰(Thermal Crosstalk)。上述第二衬底200的下表面202还具有保护层210，以在工艺中保护此第二衬底200。

上述第二衬底200可以是硅衬底或其它半导体材料，且上述保护层210可以是氮化硅或氮氧化硅等，其中此保护层210优选厚度范围为至

其中此保护层210最优选厚度大约为

上述蚀刻停止层130可以是掺杂硼离子的掺杂层或具有阻绝蚀刻第二衬底200能力的材质，本实施例中的蚀刻停止层130以硼硅层为例，此蚀刻停止层130厚度范围是10μm至20μm之间，其中此蚀刻停止层130最优选厚度范围大约为15μm。

上述加热元件160接收外部电压，此加热元件160会加热喷液室420内的液体，使液体受热形成气泡，再经由上述喷孔410喷出。上述流体喷射装置的外框400可以是高分子或绝缘材质，且此喷孔410可以是对应设置于此加热元件160上方型式的顶喷型，或是喷孔410设置于此加热元件160的侧边型式的侧喷型。

请再参阅图3，其中上述流体喷射装置可视需要在上述腔室140内设置氧化层，例如在第二衬底200的上表面201及上述蚀刻停止层130的第一表面131上设置第一氧化层151及第二氧化层152。另外，也可以在此蚀刻停止层130的第二表面132上设置第三氧化层153，此第三氧化层设置于此第二表面132与上述加热元件160之间。其中这三层氧化层结构可更加强隔绝加热元件160所产生的热散失。且上述腔室140内若填充空气，其腔室内140压力更可小于大气压力，以提高流体喷射装置隔绝热的能力。

其中上述第一、第二及三第氧化层(151，152，153)的优选材质可以是二氧化硅及其它绝热材质。且这些氧化层优选厚度范围是0.1μm至1.0μm，最优选厚度范围为0.2～0.8μm。

此外，本发明还可广泛应用于各种流体喷射元件中，上述流体喷射装置可以是上边喷射流体结构、侧边喷射流体结构或背面喷射流体结构。

虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作此许更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定为准。

Claims

1.一种流体喷射装置的制作方法，包括：

提供具有凹槽的第一衬底；

在该凹槽与该第一衬底表面保形地形成蚀刻停止层；

将第二衬底接合于该蚀刻停止层上，使得该第二衬底与该蚀刻停止层之间的该凹槽之中形成腔室；以及

去除该第一衬底。

2.如权利要求1所述的流体喷射装置的制作方法，其中该第一、第二衬底为硅衬底。

3.如权利要求2所述的流体喷射装置的制作方法，其中形成具有该凹槽的该衬底的方法包括：

首先于该第一衬底上形成图案化遮蔽层；

蚀刻该第一衬底以形成该凹槽；以及

移除该图案化遮蔽层。

4.如权利要求3所述的流体喷射装置的制作方法，其中该图案化遮蔽层包括氮化硅。

5.如权利要求4所述的流体喷射装置的制作方法，其中蚀刻液为氢氧化钾溶液。

6.如权利要求2所述的流体喷射装置的制作方法，其中该蚀刻停止层为注入5×10¹⁸atom/cm³的硼离子于该第一衬底所形成的含硼硅层。

7.如权利要求6所述的流体喷射装置的制作方法，其中该蚀刻停止层通过注入硼离子小于或等于1.0微米，接着施以热扩散工艺使得该含硼硅层的扩散深度为10～20微米而形成。

8.如权利要求6所述的流体喷射装置的制作方法，还包括施以热氧化工艺，以在该腔室内的第二衬底表面与该蚀刻停止层的第一表面分别形成第一氧化层及第二氧化层，并且在该蚀刻停止层的第二表面形成第三氧化层。

9.如权利要求1所述的流体喷射装置的制作方法，其中该第二衬底接合于该蚀刻停止层上的方法包括阳极接合或热接合。

10.如权利要求1所述的流体喷射装置的制作方法，还包括在该蚀刻停止层的第二表面形成加热元件。

11.如权利要求10所述的流体喷射装置的制作方法，其中该加热元件包括金属或非金属。

12.如权利要求1所述的流体喷射装置的制作方法，还包括在该第二衬底上形成保护层，使该第二衬底位于该蚀刻停止层与该保护层之间。

13.如权利要求10所述的流体喷射装置的制作方法，还包括在该第二衬底上方形成外框，该外框与该第二衬底构成喷液室以提供液体通过，且该外框具有喷孔以提供液体喷出，该喷孔与该加热元件相互对应。

14.一种流体喷射装置，包括：

衬底；

蚀刻停止层，包括第一表面及第二表面，该第一表面与该衬底形成腔室，该腔室呈现真空，以隔绝该流体喷射装置产生的热散失；

加热元件，设置于该蚀刻停止层的第二表面上；以及

外框，设置于该衬底上表面，以构成喷液室，该外框具有喷孔，以提供液体通过，且该喷孔与该加热元件相互对应。

15.如权利要求14所述的流体喷射装置，其中该衬底为硅衬底。

16.如权利要求15所述的流体喷射装置，其中该蚀刻停止层为硼掺杂层。

17.如权利要求16所述的流体喷射装置，其中该衬底的上表面及该蚀刻停止层的第一表面分别形成第一氧化层及第二氧化层，该第二表面还设置第三氧化层。

18.如权利要求14所述的流体喷射装置，其中该衬底的下表面还包括保护层。

19.如权利要求18所述的流体喷射装置，其中该保护层为氮化硅。

20.如权利要求14所述的流体喷射装置，其中该加热元件包括金属或非金属。