CN1205038C - 流体喷射头及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种流体喷射头结构及其制造方法。流体喷射头结构形成在一基材上，其包括有一歧管，至少一气泡产生器及一导电线路，其中具有至少两排相连通于歧管且位于歧管两侧的流体腔，而导电线路设于歧管上方的基材表面，通过部分的导电线路位于二排流体腔之间，用以驱动该气泡产生器。

Description

流体喷射头及其制造方法

                        技术领域

本发明涉及一种流体喷射头结构及其制造方法，特别是涉及一种利用两排气泡产生器之间进行电力线布局的流体喷射头结构及其制造方法。

                        背景技术

目前，流体喷射装置已被广泛地运用于喷墨打印机的喷墨头等的设备中，而且随着流体喷射装置的可靠度(reliability)不断提高、成本的大幅度降低，以及可提供高频率(frequency)与高空间分辨率(spatial resolution)的高质量液滴喷射的研发，流体喷射装置也逐渐有其它众多可能的应用，例如：燃料喷射系统(fuel injection system)、细胞分类(cell sorting)、药物释放系统(drugdelivery system)、喷印光刻技术(print lithography)及微喷射推进系统(micro jetpropulsion system)等等。

在现今的产品中，能够个别地喷射出形状一致的液滴的流体喷射装置种类并不多，其中最为成功的一种设计为使用热驱动气泡(thermal driven bubble)以射出液滴的方法。由于其设计简单，且成本低廉，因此在使用上也最为普遍。

例如，在现有的喷墨头结构中，美国专利号码5,774,148中，便曾提到一种使用从中间歧管供应墨水的方式(center feed)。此种喷墨头结构通常是采用喷砂、激光切割或化学蚀刻的方式，将芯片(chip)穿透，再由中间歧管进行供墨。

然而利用此方法不但需要比较大的芯片尺寸，而且芯片中挖掉的部分也无法做任何利用，非常不符合经济效益。

还有，在美国专利号码6,102,530中，揭露一种包括通过两个不同大小气泡产生构件而形成一种虚拟气阀的流体喷射装置及其方法；在EP-A2-493897中公开了一种具有驱动电路的热墨水喷射打印头；在JP-A-62-240558中公开了一种采用两个加热器的液体喷射打印头；在JP-A-55-132259中公开了一种液体喷射打印方法，等等，然而上述所公开的内容均未公开通过提高线路布局而使芯片尺寸减少等特点。

                        发明内容

本发明的目的在于提供一种流体喷射头结构及其制造方法，通过提高线路布局的积集度，以缩小所需的芯片尺寸，并提高经济效益。

本发明的目的是这样实现的，即提供一种流体喷射头结构，该流体喷射头结构包括有：一基材；一歧管，形成于该基材内；至少两排流体腔，各该流体腔相连通于该歧管且位于该歧管的两侧，用来使一流体由该歧管流至该流体腔；至少一气泡产生器，形成于该基材上，且位于相对应的该流体腔内；以及一导电线路，位于该歧管上方的该基材表面，且部分的该导电线路位于该至少二排流体腔之间，用以驱动该气泡产生器；一第一金氧半场效应晶体管，设于一第一流体腔外端；以及一第二金氧半场效应晶体管，设于一第二流体腔外端；其中该第一金氧半场效应晶体管以及该第二金氧半场效应晶体管用于驱动该气泡产生器，并且该第一金氧半场效应晶体管以及该第二金氧半场效应晶体管分别形成在该歧管的相对两侧。

本发明还提供一种流体喷射头的制造方法，该制造方法包括有下列步骤：提供一基材；在该基材上形成至少一气泡产生器；在该气泡产生器上方形成有一保护层；在保护层上形成一金属层，其经该保护层上一开洞与该气泡产生器连通；形成一位于该基材内的歧管；形成至少二排流体腔，且各该流体腔相连通于该歧管且位于该歧管的两侧，用来使一流体由该歧管流至该流体腔内；在该歧管上方的该基材表面形成一导电线路，且部分的该导电线路位于该至少二排流体腔之间，用以驱动该气泡产生器；以及在该基材上形成至少一晶体管，且该晶体管通过该导电线路来电耦合于该气泡产生器。

本发明还提供一种增加一流体喷射头强度的方法，包括以下步骤：提供该流体喷射头，其包括：一基材；一歧管，形成于该基材内；至少两排流体腔，各该流体腔相连通于该歧管且位于该歧管的两侧，用来使一流体由该歧管流至该流体腔，用来使一流体由该歧管流至该流体腔；至少一气泡产生器，形成于该基材上，且位于相对应的该流体腔内；在基材的上表面形成一导电线路，用于驱动该气泡产生器，其中部分该导电线路设置于该至少二排流体腔之间，且位于该歧管之上。

本发明还提供一种用于减少一流体喷射头上电路布局所需面积的方法，包括以下步骤：提供该流体喷射头，包括：一基材，一歧管，形成于该基材内；至少两排流体腔，各该流体腔相连通于该歧管且位于该歧管的两侧，用来使一流体由该歧管流至该流体腔；至少一气泡产生器，形成于该基材上，且位于相对应的该流体腔内；在基材的上表面形成一导电线路，用于驱动该气泡产生器，其中部分该导电线路设置于该至少二排流体腔之间，且位于该歧管之上。

本发明还提供一种制造一加强流体喷射头的方法，包括以下步骤：提供一基材；在该基材上形成一场氧化层；在该场氧化层上形成有一上层；从该基材的背面蚀刻以在该基材上形成歧管；蚀刻该场氧化层，以形成至少两排流体腔，各该流体腔相连通于该歧管且位于该歧管的两侧，用来使一流体由该歧管流至该流体腔；在该歧管和该上层之上形成一驱动线路，该驱动线路包括一导电线路，其中部分该导电线路位于该两排流体腔之间且该歧管之上；在基材上形成至少一气泡产生器；以及形成一喷孔，与该流体腔连接；其中该加强流体喷射头的形成不需另外贴上可分离的喷嘴平板。

由于本发明所提供的流体喷射头结构，不需将整个芯片蚀穿即可达到顺利供墨的效果，而且其更于利用歧管上方的空间来进行电路布局，所以本发明不但可以有效增强歧管上方结构层的强度，并能大幅度缩减芯片尺寸，扩增喷头数目，进而提高打印速度。

                         附图说明

图1为本发明喷墨头结构的结构剖视图；

图2为本发明的实施例横切面示意图；

图3为本发明流体喷射头的上视图；

图4为本发明流体喷射头芯片的局部放大图；

图5为本发明流体喷射头的矩阵式驱动电路示意图；

图6至图8为本发明流体喷射头的制作流程示意图。

                      具体实施方式

请参见图1，图1为本发明的流体喷射头的结构剖视图。本发明的流体喷射头为一种具有虚拟气阀(virtual valve)的流体喷射装置。如图1所示，气泡产生器包括有两个气泡产生构件，分别为第一加热组件14a与第二加热组件14b，环绕在喷孔(nozzle)12四周，由两个加热组件14a、14b间的差异，例如电阻值的不同，可使得加热此二加热组件14a、14b时，会先后生成二气泡。首先在喷孔12旁比靠近歧管(manifold)11的第一加热组件14a处先形成一第一气泡(未显示)，此第一气泡会隔绝歧管11与喷孔12，而产生类似气阀的功能，以减小与相邻流体腔16产生互相干扰(cross talk)的效应，接着会于靠近第二加热组件14b处产生一第二气泡(未显示)，由此第二气泡推挤流体腔16内的流体(未显示)，使流体由喷孔12中喷出。最后，第二气泡会与第一气泡相结合，并由此二气泡的结合以达到减少卫星液滴(satellitedroplet)的产生。

由于本发明的流体喷射头的结构不用蚀穿整个芯片即可达到顺利喷出液体的需求，因此基于这种架构下，本发明便可在歧管11上方进行电力线(power lines)的布局，同时增强歧管11上方结构层的强度。此外，为了解说方便起见，以下本发明的流体喷射头便以喷墨头为实施例来加以说明。

请参见图2，图2为本发明整个芯片制作完成的剖视图，其中第一加热组件14a与第二加热组件14b上方沉积了一低温氧化层18以作为保护层，且在指定的地区开洞(via)以使金属层13经由此洞流入加热器14a、14b的上方表面，而达成金属传导层13与加热器14a、14b电连接的目的。

同样地，在MOSFET(金氧半场效应晶体管)组件15的漏极(drain)68与源极(source)66也通过金属层13电连接至加热器14a、14b与接地端(ground)20。所以当MOSFET组件15的栅极(gate)64被打开时，由金属层13所构成的衬垫(pad)会将外部所供给的电压信号送到此喷墨头内，此时，电流会由衬垫进入，先经由金属层13到第一加热器14a与第二加热器14b，再经由MOSFET组件15的漏极到源极，再流至接地端20而完成一次加热的动作。此时，由于流体腔16(即此喷墨头的喷墨腔)内的墨水被加热，因而产生两个气泡将墨滴经由喷孔12推挤出去。其中，可根据所需打印数据量的不同，而分别控制不同的喷孔12以喷出墨水液滴。此外，金属层13的材料选自铝(Aluminum)、金(Gold)、铜(Copper)、钨(Tungsten)及铝硅铜合金(Alloys of Al-Si-Cu)所构成族群中的任一者。

请参见图3及图4，图3为本发明的喷墨头的上视图。在此实施例中，将其分成16个P群(包含P1至P16)，每个P群又包括有22个寻址(Address，A1至A22)，可对照图5的矩阵式驱动电路图，一逻辑电路或微处理器32将会根据所需打印的数据，送出一选择信号至电力线驱动器(power driver)34以及地址线驱动器(address driver)35，来控制要开启哪个寻址(A1至A22)以及供电给哪个P群(P1至P16)。举例而言，若供电给P1，且开启A22，则此时P1群中A22的加热器14a、14b将会依照设定的时间完成加热以及喷墨的操作。

图4为图3中B区域(虚线部分)的局部放大图。如图4所示，可以清楚地看到芯片的中间设置有两排喷孔12，若将整个芯片的喷孔12分成两半(以图3的A-A’分隔线作区分)，即在芯片A-A’的右侧包括有八群喷孔(P1至P8)，而左侧也包括有八群喷孔(P9至P16)。并利用歧管11的上方，两排喷孔12间的中央地区来进行电力线(power line)19的布局，在分隔线A-A’的右侧布局了8条金属线(metal lines，P1至P8)，并连接到右边的输出入衬垫(I/Opads)。同样地，分隔线A-A’的左侧也布局了8条金属线(metal lines，P9至P16)，并连接到左边的输出入衬垫(I/O pads，图中未示)。

本发明的每组衬垫P至衬垫G采取U字型的驱动线路布局方法，例如衬垫P1到衬垫G1的驱动线路布局方法(如虚线部位所示)，而且各电路连接间互不跨接，且仅使用一层金属层13即完成电力线19至加热器14a、14b，再连到MOSFET组件15，最后至接地端衬垫G的联机动作。另外，在MOSFET组件15的上下两边各布局11条横向金属线22，横向金属线22与衬垫A连接，并用以将地址线驱动器35入的数据传入各MOSFET组件15，以决定哪个喷孔12喷出墨水，并在MOSFET组件15的左右两边(即靠近芯片的两端)各布局了11条纵向多晶硅线(polysilicon lines)23，共22条多晶硅线23，并且在横向金属线22和纵向多晶硅线23要电连接的部分打上接触层(contact layer)24以完成电连接，而多晶硅线23的作用为连通芯片上下端的横向金属线22，例如，由衬垫A1输入信号，此时要打开P16的加热组件，则需经由纵向多晶硅线23传递至下方的横向金属线22，才能连接至P16的加热器，达成喷墨的功能，而其动作原理将于后面详述。

在此进一步详述本发明流体喷射头结构的制程方法如下。请参考图6至图8，图6至图8为本发明流体喷射头结构的制作流程示意图。首先，在一硅芯片基板60上以局部热氧化法(Local oxidation)形成一场氧化层(Fieldoxide)62。接着进行一硼离子布植(Blanket boron implant)，以调整驱动电路的起始电压(Threshold voltage)，再形成一多晶硅栅极(Polysilicon gate)64在场氧化层62中，其中，形成多晶硅栅极64的同时，也于芯片接近边缘的两侧，形成如前所述22条纵向多晶硅线23，以作为导线之用。之后，并再施以离子布植，以于栅极64两侧形成一源极(Source)66及一漏极(Drain)68，完成MOSFET组件15。随后沉积一低应力层(Low stress layer)72，如氮化硅(SiNx)材料，以做为流体腔16的上层，如图6所示。

请参考图7，接下来，使用蚀刻液氢氧化钾(KOH)从基板60的背面蚀刻以形成歧管11，做为供给流体进入的主要流道，而后再将部分场氧化层62以蚀刻液氢氟酸(HF)移除，作为流体腔16。随后在精确地控制蚀刻时间下，进行另一次以蚀刻液氢氧化钾(KOH)的蚀刻，用以加大流体腔16的深度，如此流体腔16与歧管11便得以相连通且可填满流体。在进行此蚀刻步骤期间需特别留意，因为流体腔16的凸角(Convex comer)也会被蚀刻液攻击而会被蚀刻成圆弧的形状。

然后再继续进行加热器的制作过程。其中，加热器包括有第一加热器14a及第二加热器14b，而加热器的制作过程为现有该项技术者所能轻易完成，故在此不多加赘述。此外，对第一加热器14a及第二加热器14b而言，较佳的材料为铝钽合金(Alloys of tantalum and aluminum)，而其它材料如铂(Platinum)、硼化铪(HfB2)等也可达到相同作用。另外，为了保护第一加热器14a与第二加热器14b并隔离此一个以上的MOSFET组件15，故在整个基板60上，包括栅极64、源极66、漏极68及场氧化层62的范围会再沉积一低温氧化层74用以做为保护层。

接着，在第一加热器14a与第二加热器14b上形成一导电层(Conductivelayer)13，用来当作第一导电线路以导通第一加热器14a、第二加热器14b与驱动电路的功能组件。其中，驱动电路用以分别独立地传送一信号至个别的加热器(第一加热器14a与第二加热器14b)，且用以驱动一对以上的加热器(第一加热器14a与第二加热器14b)，如此即可利用数量较少的电路组件与连接线路，可相同达到控制电路的功效。在本发明的实施例中，导电层13的较佳材料为如铝硅铜合金(Alloys of Al-Si-Cu)、铝(Aluminum)、铜(Copper)、金(Gold)或钨(Tungsten)等金属材料。随后再沉积一低温氧化层76于导电层13之上以做为保护层。

最后，请参考图8，在第一加热器14a与第二加热器14b之间形成一喷孔12。至此，即可形成一体成型且具有驱动电路的流体喷射装置数组。由上述说明可知，本发明不仅可将驱动电路与加热器整合于同一基板上，而且不需另外贴上喷嘴平板即可完成整体微喷射头的结构。

接着详述其动作原理如下：请参图4与图5，当进行喷墨打印时，逻辑电路或微处理器32将会根据所需打印的数据，决定要由哪一个喷孔喷出墨水，接着会送出一选择信号至电力线驱动器(power driver)34以及地址线驱动器(address driver)35，以开启相对应的寻址(A1至A22)以及供电至相对应的P群(P1至P16)，之后电流便会流经加热器14a、14b而加热流体以产生气泡，进行一喷墨动作。举例而言：若要让位于A1P1处的喷孔12a喷出液滴，则必须要经由输出入衬垫A1送进一个电压信号至MOSFET组件15的栅极64来将开关打开，接着再由输出入衬垫P1提供一电压信号，以产生电流，此时电流便会流经加热器14a、14b而加热墨水以产生气泡，再流经MOSFET组件15的漏极68到源极66，最后流至接地端20，至此，完成一个墨滴喷出的动作。

上述的喷墨头结构虽仅以单色打印机的结构来作说明，但本发明的应用并不局限于单色喷墨打印机，在彩色或多色的喷墨头结构中也可适用本发明。此外，本发明的流体喷射装置也具有其它众多可能的应用，例如：燃料喷射系统、细胞分类、药物释放系统、喷印光刻技术、微喷射推进系统等，并不以喷墨打印为限。

因此，本发明所提供的流体喷射头结构以及其制造方法，在歧管上方两排气泡产生器之间的位置，进行整片芯片的导电层电路布局，其具有下列功效：

(1)由于供墨方式不是采用整个芯片打穿的方式，因此可于歧管上方进行电路布局，将节省整个芯片的尺寸而增加整片芯片(wafer)的芯片切割量；

(2)在歧管上方的结构层上进行绕线布局可有效提高此一结构层的强度；以及

(3)通过此一提高线路布局积集度的方法，将可节省电路布局所占之面积，即在相同的芯片面积下，可以设置更多的喷孔，以提高打印速度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡按本发明权利要求所作的均等变化与修饰，都应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (26)

1.一种流体喷射头，该流体喷射头包括有：

一基材；

一歧管，形成于该基材内；其特征在于，该流体喷射头还包括：

至少两排流体腔，各该流体腔相连通于该歧管且位于该歧管的两侧，用来使一流体由该歧管流至该流体腔；

至少一气泡产生器，形成于该基材上，且位于相对应的该流体腔内；

一导电线路，位于该歧管上方的该基材表面，且部分的该导电线路位于该至少二排流体腔之间，用以驱动该气泡产生器；

一第一金氧半场效应晶体管，设于一第一流体腔外端；以及

一第二金氧半场效应晶体管，设于一第二流体腔外端；

其中该第一金氧半场效应晶体管以及该第二金氧半场效应晶体管用于驱动该气泡产生器，并且该第一金氧半场效应晶体管以及该第二金氧半场效应晶体管分别形成在该歧管的相对两侧。

2.如权利要求1所述的流体喷射头，还包括有至少一喷孔，且该喷孔相连通于该相对应的该流体腔。

3.如权利要求2所述的流体喷射头，其中该气泡产生器另包括一第一气泡产生构件与一第二气泡产生构件，且该第一气泡产生构件与该第二气泡产生构件设于接近该相对应的喷孔处以及该对应的流体腔上方，当对应的该流体腔充满该流体时，该第一气泡产生构件会在该流体腔内产生一第一气泡以作为一虚拟气阀，待产生该第一气泡后，该第二气泡产生构件会产生一第二气泡，使该流体腔的该流体由该喷孔喷出。

4.如权利要求1所述的流体喷射头，其中该流体喷射头结构用来作为一喷墨打印机的喷墨头，该歧管连接至一墨水匣，且该流体为该墨水匣中的墨水。

5.如权利要求1所述的流体喷射头，其中该导电线路的材料选自于铝、金、铜、钨及铝硅铜合金所构成族群中的任一者。

6.一种流体喷射头的制造方法，该制造方法包括有下列步骤：

提供一基材；

在该基材上形成至少一气泡产生器；

在该气泡产生器上方形成有一保护层；形成一位于该基材内的歧管；其特征在于，该制造方法还包括：

形成至少二排流体腔，且各该流体腔相连通于该歧管且位于该歧管的两侧，用来使一流体由该歧管流至该流体腔内；

在该歧管上方的该基材表面形成一导电线路，且部分的该导电线路位于该至少二排流体腔之间，用以驱动该气泡产生器；以及

在该基材上形成至少一晶体管，且该晶体管通过该导电线路来电耦合于该气泡产生器。

7.如权利要求6所述的制造方法，还包括有下列步骤：

在该基材上形成一介电层；

在该介电层上形成一低应力材料层；以及

蚀刻该基材与该介电层，以形成该歧管及各该流体腔。

8.如权利要求7所述的制造方法，其中该气泡产生器形成于该低应力材料层上，并电耦合于该导电线路。

9.如权利要求8所述的制造方法，其中该气泡产生器还包括有一第一气泡产生构件及一第二气泡产生构件。

10.如权利要求9所述的制造方法，还包括有下列步骤：

形成至少一喷孔，且该喷孔位于相对应的该第一气泡产生构件与该第二气泡产生构件之间，并连通至相对应的该流体腔，以喷出该流体腔中的流体。

11.如权利要求6所述的制造方法，其中该流体喷射头用来作为一喷墨打印机的喷墨头，该歧管连接至一墨水匣，且该流体为该墨水匣中的墨水。

12.如权利要求6所述的制造方法，其中该导电线路的材料选自铝、金、铜、钨及铝硅铜合金所构成族群中的任一者。

13.如权利要求6所述的制造方法，其中该晶体管为一金氧半场效应晶体管。

14.一种增加一流体喷射头强度的方法，包括以下步骤：

提供该流体喷射头，其包括：

一基材；

一歧管，形成于该基材内；

至少两排流体腔，各该流体腔相连通于该歧管且位于该歧管的两侧，用来使一流体由该歧管流至该流体腔，用来使一流体由该歧管流至该流体腔；

至少一气泡产生器，形成于该基材上，且位于相对应的该流体腔内；

其特征在于，该方法还包括在基材的上表面形成一导电线路，用于驱动该气泡产生器，其中部分该导电线路设置于该至少二排流体腔之间，且位于该歧管之上。

15.如权利要求14所述的方法，其中还包括至少一喷孔，该喷孔相连通于该相对应的该流体腔，以使该流体能从该流体腔流到该喷孔处。

16.如权利要求15所述的方法，其中该气泡产生器包括一第一气泡产生构件与一第二气泡产生构件，该第一气泡产生构件与该第二气泡产生构件设于接近该相对应的流体腔的喷孔处，其中当该流体腔充满流体时，该第一气泡产生构件会在该流体腔内产生一第一气泡，该第二气泡产生构件会在该流体腔内产生一第二气泡，以该流体腔内的流体被挤压而喷出该喷孔。

17.如权利要求16所述的方法，其中该第一气泡作为一虚拟气阀，限制该流体流出该流体腔。

18.一种用于减少一流体喷射头上电路布局所需面积的方法，包括以下步骤：

提供该流体喷射头，包括：

一基材，

一歧管，形成于该基材内；

至少两排流体腔，各该流体腔相连通于该歧管且位于该歧管的两侧，用来使一流体由该歧管流至该流体腔；

至少一气泡产生器，形成于该基材上，且位于相对应的该流体腔内；

其特征在于，该方法还包括在基材的上表面形成一导电线路，用于驱动该气泡产生器，其中部分该导电线路设置于该至少二排流体腔之间，且位于该歧管之上。

19.如权利要求18所述的方法，其中还包括至少一喷孔，该喷孔相连通于该相对应的该流体腔，以使该流体能从该流体腔流到该喷孔处。

20.如权利要求19所述的方法，其中该气泡产生器包括一第一气泡产生构件与一第二气泡产生构件，该第一气泡产生构件与该第二气泡产生构件设于接近该相对应的流体腔的喷孔处，其中当该流体腔充满流体时，该第一气泡产生构件会在该流体腔内产生一第一气泡，该第二气泡产生构件会在该流体腔内产生一第二气泡，以该流体腔内的流体被挤压而喷出该喷孔。

21.如权利要求20所述的方法，其中该第一气泡作为一虚拟气阀，限制该流体流出该流体腔。

22.一种制造一加强流体喷射头的方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供一基材；

在该基材上形成一场氧化层；

在该场氧化层上形成有一上层；

从该基材的背面蚀刻以在该基材上形成歧管；蚀刻该场氧化层，以形成至少两排流体腔，各该流体腔相连通于该歧管且位于该歧管的两侧，用来使一流体由该歧管流至该流体腔；

在该歧管和该上层之上形成一驱动线路，该驱动线路包括一导电线路，其中部分该导电线路位于该两排流体腔之间且该歧管之上；

在基材上形成至少一气泡产生器；以及

形成一喷孔，与该流体腔连接；

其中该加强流体喷射头的形成不需另外贴上可分离的喷嘴平板。

23.如权利要求22所述的方法，其中该上层是由氧化硅而形成的。

24.如权利要求22所述的方法，其中该驱动线路是由以下步骤所形成：

在该场氧化层上完成一硼离子布植工艺；

在该场氧化层中形成一多晶硅栅极；

在芯片的两侧缘上形成多晶硅线；

完成一砷布植工艺，以在该多晶硅栅极的两侧形成一源极和一漏极；

将该气泡产生器与该多晶硅线连接。

25.如权利要求22所述的方法，其中该气泡产生器包括一第一加热器和一第二加热器，该第一加热器与该第二加热器为串联连接，而该第一加热器与该第二加热器将先后产生两个气泡。

26.如权利要求22所述的方法，其中该驱线电路包括一金氧半场效应晶体管。

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