SE509932C2 - Vätskestrålemunstycke - Google Patents

Description

15 20 25 30 5o9 9s2 2 ovanpå skivan som innehåller v-räffloma, och íörseglar därigenom kanalema. En monolitisk “edgeshooter“ har presenterats i J. Chen, K. Wise, “A High-resolution Silicon Monolithic Nozzle Array for Inkjet Printing“, Transducers '95 , Digest of Technical Papers, vol. 2, sid. 321-324, Juni 1995. Kanalerna formas genom att underetsa ñskbensforrnade kiselribbor och därefter fórsegla ovansidan med deponerat dielektriskt material. Den andra typen av “bubble jet”, “sideshooter”, sprutar ut droppama vinkelrätt mot chipets ovansida. Munstyckena tillverkas vanligtvis genom elektroforrnning, vilken beskrivs i D. Lee, H-D. Lee, H-J. Lee, J-B. Yoon, K-H. Han, J-K. Kim, C-K. Kim, C-H. Han, “A Monolithic Thermal Inkjet Printhead Utilizing Electrochemical Etching and Two-step Electroplating Techniques“, Internatíonel Electron Device Meeting, Technical Digest, vol. 1026, sid. 601-604, 1995 och R. Askeland, W. Childers, W. Sperry, “The Second- Generation Thermal lnkjet Structure“, Hewlett-Packard Journal, vol. 39, sid. 28-31, Augusti 1988.

Andra kända tillverkningsforfaranden hittas i D. Westberg, O. Paul, H. Baltes, “Surface Micromachining by Sacrificial Aluminium Etching“, Journal of Microniechanics and Microeizgizieerírig, vol. 6, sid. 376-384, December 1996; O. Paul, D. Westberg, M. Homung, V.

Ziebart, H. Baltes, “Sacrificial Aluminium Etching for CMOS Microstructures“, Proceedings /WEMS'97, sid. 523-528, Januari 1997 och D. Westberg, O. Paul, G. Andersson, H. Baltes, “A CMOS-compatible Device for Fluid Density Measurementsfl Proceedings .ME/VIS '97, sid. 278-283, Januari 1997.

Kortfattad redogörelse fór uppfinningen Det huvudsakliga syftet med denna uppfinning är att presentera ett nytt, väsentligen helt integrerat tillverkningsförfarande som utnyttjar offeretsning av aluminium. Ett annat syfte med föreliggande uppfinning är att presentera ett tillverkningsforfarande där väldefinierade rör av dielektriskt material enkelt kan tillverkas genom att först irinesluta metalledningar mellan dielektiiska skikt och därefter avlägsna metallen genom våtetsning. Tillverkningsprocessen enligt föreliggande uppfinning är kompatibel med normala tekniker for tillverkning av integrerade kretsar, och den kräver typiskt endast tvâ extra maskeringssteg efter slutfört CIVIOS-, NMOS- eller PMOS- tillverkningsfcirlopp. Ännu ett annat syfte med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett nytt CMOS-, NMOS- eller PMOS-kompatibelt tillverkningsforfarande för miniatyriserade, monolitiska temiiska bläckstrâlehuvuden. Bläckkanalema bildas genom att offeravlägsna metalltledningar i en normal 10 15 20 25 30 509 932 3 CMOS-, NMOS- eller PMOS-process. Detta förenklar tillverkningsförloppet och möjliggör små avstånd mellan kanalema. Det tillåter även en enkel integration av munstycke och elektronik. En demonstratör tillverkad med användning av en kommersiellt tillgänglig CMOS-process följd av konventionell efterbehandling kommer att presenteras, såväl som särskilt tillverkade CMOS- kompatibla strukturer. Typiska dimensioner hos kanalema är omkring lO pm breda, 0,5-1,5 um tjocka, och 300-600 pm långa.

Ovannämnda syften uppnås genom ett förfarande kännetecknat av stegen av att anordna nämnda munstycke på ett substrat på vilket åtminstone ett dielektriskt skikt och åtminstone ett skikt av metall eller metallremsa har deponerats, att avlägsna åtminstone en del av det deponerade metallskiktet, att kvarlämna kanaler närliggande nämnda åtminstone ena dielektriska skikt eller skikt, för uppvärmningselement till kanalen för vätskeframdrivning, vilket element överhettar vätskan till mellan dielektriska transport av vätskor, att applicera åtminstone ett att bilda en ångbubbla som sprutar ut åtminstone en del av den omgivande vätskan genom munstycket.

Enligt ett föredraget förfarande enligt uppfinningen mönstras eller trycks nämnda åtminstone ena skikt av metall eller metallremsa. Metallen består av aluminium, volfram, nickel, koppar eller vilken kombination som helst av dessa. Substratet tillverkas av kisel, Ill-V material (dvs. föreningar från kolumnerna lll och V i det periodiska systemet), glas, kvarts eller vilken kombination som helst av dessa. Det dielektriska skiktet tillverkas av termiska kiseloxider (kiselmonoxider, kiseldioxid), deponerade kiseloxider, deponerad kiselnitrid, deponerad kiseloxinitrid, plaster, polymerer eller vilken kombination som helst av dessa.

Kanallayouten definieras företrädesvis av metallremsor eller ledningar på en CMOS-, NMOS- eller PMOS-kompatibel, eller CMOS-, NMOS- eller PMOS-processad skiva. Metallremsoma eller - ledningama exponeras genom att forma t.ex. en “pad“-liknande struktur eller att skära eller slipa substratet eller en del av detta för att förbereda för framställningen av ett etsningsfönster. Åtminstone ett aktivt uppvärrnningselement appliceras i kanalens omedelbara närhet, lokalt levererande värme till kanalen. Nämnda uppvärmningselement tillverkas av CMOS-, NMOS- eller PMOS “gate" polykisel.

I ett fördelaktigt förfarande enligt uppfinningen avlägsnas nämnda metall genom offeretsning av 10 15 20 25 30 509 932 4 metall. Förfarandet kännetecknas även av att substratet avlägsnas nedanför den sektion av kanalen som innehåller uppvännningselementet för att reducera värmeförlusterna till substratet. Substratet kan avlägsnas genom anisotropisk etsning. Åtminstone ett av uppvärrnningselementen av polykisel är skyddat från aggressiva vätskor som transporteras i kanalen, av ett skikt av samma material som används som en diffusionsbarriär i metallen för polykiselkontakt i CMOS-, NMOS- eller PMOS-processen. Sidoprofilen hos munstycket definieras genom torretsning. En yttersta del hos munstycket frigörs från substratet genom bulkmikrobearbetning (EDP (etylendiamin, pyrokatekol, pyrazin, och vattenlösning), TMAH (tetrametyl ammoniumhydroxid och vattenlösning) eller KOH (kaliumhydroxid)).

I en föredragen utföringsforrn integreras de elektroniska kretsarna (drivenhet och adresseringslogik) på samma chip som munstycket. Även en grupp av munstycken kan integreras på ett chip, och nämnda grupp av munstycken kan bilda en flerdimensionell munstyckesmatris.

Kortfattad figurbeskrivning l det följ ande kommer uppfinningen att beskrivas i större detaljrikedom med hänvisning till bilder, upptagna med hjälp av ett sekundärt elektronmikroskop, vilka visar några icke-begränsande utföringsforrner, varvid: Fig. 1 visar en profil av en första utföringsforrn av munstycket, tillverkat enligt föreliggande uppfinning .

Fig. 2 är en andra utföringsforrn av munstycket tillverkat enligt föreliggande uppfinning.

Fig. 3 är en perspektivvy som visar ett snitt genom ett munstycke enligt föreliggande uppfinning.

Fig. 4 är en elevationsvy som illustrerar en maskningsskikt.

Fig. 5 är kanalöppningsstrukturen hos en annan utföringsfonn.

Fig. 6 är en vy från nära håll av ett typiskt munstycke enligt föreliggande uppfinning.

Fig. 7 är uppvännningsdelen hos ett munstycke enligt föreliggande uppfinning.

Fig. 8 är en annan utföringsforrn av en uppvärmningsdel hos ett munstycke, enligt föreliggande uppfinning.

Beskrivning av uppfinningen Uppfinningen avser ett terrniskt drivet, miniatyriserat, monolitiskt vätskestrålemunstycke och tillverkningen därav. Munstycket består huvudsakligen av en kanal för att spruta ut vätskan och en 10 15 20 25 30 509 952 5 värmare for att skapa av en ångbubbla som kommer att frarndriva vätskan genom kanalen.

Strålmunstycket tillverkas med användning en normal process for halvledartillverkning (tex.

CMOS, NMOS eller PMOS), kombinerad med offertsning av metall. Följaktligen kan normala halvledarrnaterial eller halvledarrelaterade material, tex. kisel, III-V-material, glas, kvarts, eller en kombination av dessa, användas för substratet. De dielektriska skikten är också av normala keramiska typer, t.ex. termiska eller deponerade kiseloxider (omfattande kiselmonoxid och kiseldioxid), nitrider eller oxinitrider. Sålunda kan munstycket företrädesvis vara tillverkat på samma chip och i samma process som elektroniken som kan användas for att styra och driva det (Lex. drivenheter (transistorer) och adresseringslogik), vilket tillåter miniatyrisering och processeffektivitet.

Utgående från ett substrat adderas ett dielektriskt skikt. Polykisel eller metall deponeras for att bilda värmare. Metalledningar (tex. aluminium, volfram, nickel eller koppar eller en kombination av dessa) adderas for att definiera kanalemas layout. Ytterligare ett dielektriskt skikt deponeras.

Ett etsningsfonster framställs så att metalledningama exponeras. Kanalema skapas genom offeretsning av metall, vilket avlägsnar metalledningama. Maskning och torretsning används for att lokalt avlägsna det dielektriska materialet och sålunda skapa munstyckets sidoproñl (dvs.

XY-planet på fig. 1(a)). Anisotropic bulkbearbetning (t.ex. EDP, TMAH eller KOH) används for att frigöra munstyckenas spetsar från substratet.

En typisk värmare i kommunikation med rör visas på Fig. 7. Volymen ovanför värmaren är i storleksordningen av endast omkring 50 umB. Den effekt (omkring 25 mW/vännare) som krävs for att generera bubblor är också stor, vilket kräver stora drivtransistorer. Värrnama hos de “in-house” tillverkade strukturema, visade på Fig. 8, har därfor en ny form som tillåter att röret i uppvärmningsområdet underetsas anisotropiskt. Detta kommer väsentligt att reducera den erforderliga uppvärmningseffekten och överhömingen hos kanalerna.

Tillverkningsexempel Olika typer av processer kan användas: den forsta, i det följande kallad Typ I, varav produkten visas på Fig. l, är baserad på en CMOS-process. l exemplet användes en ungefär 0.8 pm CMOS- process från Austria Mikro Systeme International (AMS). Den andra, i det följande kallad Typ ll, varav produkten visas på Fig. 2, är tillverkad i en CMOS-kompatibel “wafer-scale” process. 10 15 20 25 30 509 932 Typ I - Efterbearbetade CMOS-chips Chips som redan är “diced” och CMOS-processade erhölls genom en multi-project-wafering.

Genom en noggrann layout av metalledningar definieras kanalens inre dimensioner. I detta exempel används aluminium. Etsmedlet måste vara anpassat till den använda metallen. Användning av endast det första metallskiktet resulterar i omkring 0,5 um höga strukturer. Användning av båda de tillgängliga metallskikten, ett placerat ovanpå det andra och integrerat av en via, uppnås normalt en metalltjocklek om 1,5 tim. Vid munstyckesänden av kanalen avslutas metallinjema av en “pad”- liknande struktur, vilken senare tjänar som ett etsningsfönster för offeretsningen, se Fig, 3.

Etsningsfönstret kan även erhållas genom Lex. slipning eller genom att skära skivan så att metallen exponeras. Gate-polykisel är mönstrat och används som värmare. För att öka den termiska konduktiviteten mellan värmaren och vätskan görs en metall-till-poly kontakt vid värmaren. Polyn skyddas från det aggressiva bläcket av ett tunnt skikt av titannitrid, använt som diffusionsbarnär i CMOS-processen.

Det första efterbearbetningssteget är att definiera munstyckets yttre. Detta görs genom anisotropisk torretsning av de dielektriska skikten. Den totala tjockleken som skall etsas är ungefär 3,5 um.

Därför används krom som maskningsmaterial. Kromet avdunstas och mönstras enligt Fig. 4.

Munstyckets kant är tillbakadragen några mikrometer från etsningsfönstret för att säkerställa att kanalspetsen ej böjs. Före torretsning, måste den synliga metallen avlägsnas för att ta bort oxiden under den. Ungefär 20 minuters etsning i kommersiellt etsmedel för aluminium vid omkring 50°C är tillräckligt för att avlägsna metallen i etsningsfönstret och några mikrometer in i kanalen. Chipet torretsas därefter tills allt dielektriskt material har avlägsnats från de exponerad ytoma och underliggande kisel blir synligt.

Följ ande steg är att frigöra den yttersta delen hos munstyckena genom bulkmikrobearbetning med användning av t.ex. EDP eller TMAH. Den resulterande strukturen visas på Fig. 5. Kromet som används som mask för torretsningen kan också tjäna som skydd för ovannämnda “pads” i EDP-etsmedlet. Den erforderliga etsningstiden, från omkring 30 till 60 minuter vid ungefär 95 ° C, är dock tillräckligt kort för att ovannämnda “pads“ av aluminium skall överleva utan skydd.

Nästa steg är att skapa kanalerna genom förlängd offeretsning av aluminium. Med användning av en lösning sammansatt av fyra volymetriska delar av HCl (37%), två delar HBO, och en del H30: (30%) vid omkring 40°C, avlägsnas inom omkring 30 minuter all metall i ungefär 300 pm långa

Claims (22)

10 15 20 25 509 952 PATENTKRAV

1. Ett förfarande för tillverkning av ett monolitiskt, tenniskt vätskestrålemunstycke, företrädesvis för elektroniskt styrd framdrivning av vätskor, kännetecknar av stegen av - att anordna nämnda munstycke på ett substrat på vilket åtminstone ett dielektriskt skikt och åtminstone ett skikt av metall eller metallremsa har deponerats, - att avlägsna åtminstone en del av det deponerade metallskiktet och därvid kvarlämna kanaler, närliggande nämnda åtminstone ena dielektriska skikt eller mellan dielektriska skikt, För transport av vätskor, - att applicera åtminstone ett uppvärmningselement till kanalen för vätskeframdrivning, vilket element överhettar vätskan till att bilda en ångbubbla, vilken sprutar ut åtminstone en del av den omgivande vätskan genom munstycket.

2. Förfarandet enligt patentkrav 1, kännetecknar av att nämnda åtminstone ena skikt av metall eller metallremsa är mönstrat eller tryckt.

3. Förfarandet enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknar av att metallen består av aluminium, volfram, nickel, koppar eller vilken kombination som helst av dessa.

4. Förfarandet enligt något av patentkraven 1-3, kännetecknar av att substratet tillverkas av kisel, III-V material, glas, kvarts eller vilken kombination som helst av dessa.

5. Förfarandet enligt något av patentkraven 1-4, kännetecknar av att det dielektriska skiktet tillverkas av terrniska kiseloxider (kiselmonoxid, kiseldioxid), deponerade kiseloxider, deponerad kiselnitrid, deponerad kiseloxinitrid, plaster, polymerer eller vilken kombination som helst av dessa. 10 15 20 25 509. 932 Z

6. Förfarandet enligt något av patentkraven 1-5, kännetecknar av att kanalayouten definieras med hjälp av metallremsor eller ledningar hos en CMOS-, NMOS- eller PMOS-kompatibel eller CMOS-, NMOS- eller PMOS-processad skiva.

7. Förfarandet enligt något av patentkraven l-6, kännetecknar av att exponera metallremsoma eller -ledningama genom att forma Lex. en “pad”-liknande struktur eller att skära eller slipa substratet eller en del av detta för att förbereda för framställningen av ett etsningsfönster.

8. Förfarandet enligt något av patentkraven l - 7, kännetecknar av att applicera åtminstone ett aktivt uppvärrnningselement i kanalens omedelbara närhet, vilket lokalt tillför värme till kanalen.

9. Förfarandet enligt patentkrav 8, kännetecknar av att uppvärrnningselementet tillverkas av

10. CMOS-, NMOS- eller PMOS gate polykisel. lO. Förfarandet enligt patentkrav l, kännetecknar av att avlägsna nämnda metall genom offeretsning av metall.

11. l 1. Förfarandet enligt något av patentkraven l - 9, kännetecknar av att avlägsna substratet nedanför den sektion av kanalen som innehåller uppvärrnningselementet för att reducera de terrniska forlustema till substratet.

12. Förfarandet enligt patentkrav 1 1, kännetecknar av att avlägsna substratet genom anisotropisk etsning.

13. Förfarandet enligt något av patentkraven l - 12, kännetecknar av att åtminstone det ena av den polykiseluppvärrnningselementen är skyddat från aggressiva vätskor som transporteras i kanalen av ett skikt av samma material som används som en diffusionsbarriär i metallen för kiselkontakt i CMOS, NMOS- eller PMOS-processen.

14. l4. Förfarandet enligt något av patentkraven l - 13, kännetecknar av att munstyckets sidoprofil definieras genom torretsning.

15. Förfarandet enligt något av patentkraven l - 14, kännetecknar av att frigöra en yttersta del hos munstycket från substratet genom bulkmikrobearbetnin g (EDP: etylendiamin, pyrokatekol, pyrazin, och vattenlösning). 10 15 20 (11 CD \O xD ut IQ é?

16. Förfarandet enligt något av patentkraven 1 - 14, kännetecknar av att frigöra en yttersta del hos munstycket från substratet genom TMAH (tetrametylarrunoniumhydroxid och vattenlösning).

17. l7. Förfarandet enligt något av patentkraven l - l4, kännetecknar av att frigöra en yttersta del hos munstycket från substratet genom KOH (kaliumhydroxid).

18. Förfarandet enligt något av patentkraven l - 17, kännetecknar av att integrera elektroniska kretsar (drivenheter och adresseringslogik) på samma chip som munstyckena.

19. Förfarandet enligt något av patentkraven 1 - 17, kännetecknar av en grupp av munstycken på ett chip.

20. Förfarandet enligt patentkrav 19, kännetecknar av att nämnda grupp av munstycken bildar en flerdimensionell munstyckesgrupp.

21. _ Ett monolitiskt, termiskt vätskestrålemunstycke för elektroniskt kontrollerad framdrivning av en vätska tillverkat enligt något av patentkraven l-20.

22. Ett monolitiskt, tenniskt vätskestrålemunstycke för elektroniskt styrd framdrivning av en vätska, kännetecknar av att nämnda munstycke består av - ett substrat, som har deponerat på sig åtminstone ett dielektriskt skikt och åtminstone ett skikt av metall eller metallremsa, - åtminstone en kanal närliggande nämnda åtminstone ena dielektri ska skikt för transport av vätska, nämnda kanal bestående av nämnda deponerade metallskikt varav åtminstone en del är avlägsnad, - uppvärmningselement för framdrivning av vätskan, nämnda uppvärmningselement applicerat till kanalen, För överhettning som bildar en ångbubbla i nämnda vätska för att spruta ut åtminstone en del av vätskan genom munstycket.