TW201625425A

TW201625425A - 具有連接至橫向驅動電路之頂式致動器的噴墨噴嘴裝置

Info

Publication number: TW201625425A
Application number: TW104127690A
Authority: TW
Inventors: 羅南歐瑞利; 葛雷果瑞麥可艾弗伊; 伊瑪克爾; 文森特羅樂; 密斯堤班格納特; 布萊恩多諾霍; 艾蜜兒雷恩
Original assignee: 滿捷特科技公司
Priority date: 2014-09-17
Filing date: 2015-08-25
Publication date: 2016-07-16
Also published as: US9550359B2; WO2016041913A1; US20160075135A1; US20160075134A1

Abstract

一種噴墨列印頭積體電路包括：基板，具有至少一矽層；噴嘴板，係配置在該矽層上；及嵌入式噴墨噴嘴裝置。每一個噴墨噴嘴裝置皆包括：噴嘴室，具有頂式致動器；驅動電路，相對於該噴嘴室而橫向配置；連接臂部，自該致動器朝向該驅動電路而與該噴嘴板平行地延伸；及金屬孔，使每一個連接臂部和該驅動電路互連，該金屬孔延伸而垂直於該噴嘴板。該驅動電路係相對於該底部的平面而位在接近該噴嘴板。

Description

具有連接至橫向驅動電路之頂式致動器的噴墨噴嘴裝置

本發明係有關包含噴墨噴嘴裝置的列印頭積體電路。主要已發展出用來製造具有自驅動電路至MEMS致動器的有效電流轉移之耐用、低成本的列印頭。

本案申請人已發展出如例如WO2011/143700、WO2011/143699及WO2009/089567中所述之一系列的Memjet^®噴墨印表機，其內容被併入文中作為參考。Memjet^®印表機使用與進給機構(feed mechanism)相結合的固定頁寬列印頭，該進給機構以單次掃瞄通過(single pass)方式將印刷媒體進給列印頭。因此，Memjet^®印表機提供遠比傳統掃瞄噴墨印表機更高的列印速度。

噴墨列印頭包含複數個(典型為數千個)個別的噴墨噴嘴裝置，每一個噴墨噴嘴裝置皆供有墨水。各噴墨噴嘴裝置典型上包含具有噴嘴孔的噴嘴室及用以將墨水射出通過噴嘴孔的致動器。噴嘴裝置的設計空間係廣闊，而且在專利文獻中也已說明太多不同的噴嘴裝置，包括不同類型的致動器及不同的裝置組態。

大部分時下的噴墨列印頭包含一或多個MEMS列印頭積體電路，藉此，噴墨噴嘴裝置使用MEMS製作技術而被製作於CMOS矽晶圓上。MEMS及CMOS特徵的整合為MEMS列印頭設計的關鍵部分。

研究解密(Research Disclosure)596074和US 6,938,340敘述包含配置在絕緣體層上覆矽基板上的MEMS層之噴墨噴嘴裝置。該絕緣體層促進背面墨水通道蝕刻處理的控制。

有些類型的噴墨噴嘴裝置使用接合至噴嘴室的頂部之致動器。例如，US 7,654,645敘述接合至噴嘴室的頂部之熱泡沫形成致動器；US 5,812,162敘述接合至噴嘴室的頂部之熱致送器，其暖化墨水以降低表面張力且致使液滴射出；US 7,819,503敘述具有包含熱彈性彎曲致動器的移動頂部之噴嘴室；及US 5,828,394敘述具有包含壓電致動器的移動頂部之噴嘴室。

相較於較普遍的底部接合式致動器，頂部接合式致動器提出不同的設計挑戰。這是因為MEMS-CMOS整合必須將功率自CMOS層中的驅動電晶體有效率地傳送上達至MEMS層中的致動器，其不可避免地使用延伸於噴嘴室的整個高度上的電連接器。這最終對噴嘴室高度施予實際的限制。

US 7,794,056和US 7,819,503敘述二種不同類型的電連接器，用以將電流傳送至位於噴嘴室頂部的移動部中的熱彈性致動器。

希望提供具有優異之噴嘴板耐用性的列印頭。進一步希望提供用以整合MEMS和CMOS特徵之改良式製程。更進一步希望提供具有優異電效率的頂式致動器之噴墨噴嘴裝置，且特別是，自驅動電路轉移功率，而此與噴嘴室高度無關。

依據本發明的第一態樣，提供一種噴墨列印頭積體電路，包含：絕緣層上覆矽基板，其具有第一矽層、配置在第一矽層上的絕緣體層及配置在絕緣體層上的第二矽層；噴嘴板，係配置在第二矽層上；及一或多個嵌入式噴墨噴嘴裝置，各噴墨噴嘴裝置包含：噴嘴室，係界定於第二矽層中，各噴嘴室包含：頂部，其界定各別的噴嘴開口，頂部包含噴嘴板的一部分；底部，其包含部分的絕緣層；及側壁，自底部延伸至頂部，第二矽層界定該等側壁；致動器，用以經由噴嘴開口而射出墨水；及驅動電路，係連接至致動器。

依據第一態樣的列印頭積體電路(“列印頭晶片”)有利地利用絕緣層上覆矽(SOI)晶圓，以便提供嶄新的嵌入式噴墨噴嘴裝置。習用MEMS製程將MEMS結構建立在鈍化的CMOS層上。於習用處理中，MEMS結構係藉由一系列的沉積、掩罩及蝕刻步驟來予以建立，且墨水室的高度係由該等沉積層的其中一沉積層的高度來予以界定。例如，於一些商用印表機中，墨水室係界定於所沉積的聚合層(例如，SU8)中；於另一些商用印表機中，墨水室係由所沉積之陶瓷材料(例如，氮化矽或氧化矽)來予以建構的。不可避免的是，習用MEMS製作技術引入了潛在的問題，諸如平面性、耐用性、對噴嘴室高度的限制、自驅動電路轉移功率等等。

相比之下，依據第一態樣的列印頭積體電路改良這些問題中的至少一些問題，並且對MEMS列印頭設計及製作提供嶄新的方法。隨著噴嘴板被直接沉積在SOI晶圓上，噴嘴板平面性之潛在的問題就大的程度而言被避免掉。隨著平面噴嘴板及噴墨裝置被嵌入於下方的矽層中，列印頭具有比習用MEMS列印頭更大的機械耐用性。隨著噴嘴室被界定於SOI晶圓的前側矽層中，對由習用MEMS沉積處理可達成的最大室高度有較少的限制。此外，使連接至CMOS驅動電路的電連接簡化，其典型上相對於各噴嘴室而被橫向地配置。自文中以下的詳細說明，本發明的這些和其他優點將是立即顯而易見。

較佳地，第一矽層係相對地比第二矽層更厚。第二矽層可具有5至50微米之範圍中的厚度，而第一矽層為大塊的矽，其可具有100至1000微米之範圍中的厚度。分開的絕緣體層典型上由二氧化矽所組成，如同習知技術中所已知者，且具有1至10微米之範圍中的厚度，CMOS電路在SOI晶圓製造期間被整合入第二層中。

較佳地，各噴嘴室的高度相當於第二矽層的厚度。噴嘴室通常藉由向下蝕刻第二層至絕緣體層，該絕緣體層用作為前側室蝕刻的蝕刻停止層。

較佳地，室入口係界定於各噴嘴室的底部中。室入口可藉由絕緣體層的前側或後側蝕刻來予以界定，其取決於所使之MEMS製作步驟的特殊序列。

較佳地，頂部包含致動器。頂式致動器可以是例如，熱泡形成電阻性加熱元件(例如，見US 7,654,645)；表面張力縮減加熱元件(例如，見US 5,812,162)；熱彈性彎曲致動器(見例如，見US 7,819,503)或壓電換能器(例如，見US 5,828,394)。

取決於所使用之致動器的類型，致動器可以被接合至頂部的下表面或上表面，或被夾置於頂部內的不同層之間。例如，熱彈性彎曲致動器可包含接合至被動元件的上表面之熱彈性元件以便提供移動頂部，其在啟動之後立即朝向噴嘴室的底部而彎曲。另一方面，電阻性加熱元件可被接合至頂部的下表面以便使與噴嘴室內部的墨水的熱接觸最大化。

頂部包含噴嘴板的一部分，其可由一或多個不同層所組成。例如，噴嘴板可包含單層的氧化矽或單層的氮化矽。替代的是，噴嘴板可以是包含一層氧化矽及一層氮化矽的雙層。其他的噴嘴板層亦在本發明的範圍之內。於一些實施例中，噴嘴板可包含例如塗層，以促進有效列印頭保持或覆蓋任何露出的致動器以防止經由遍佈噴嘴板上的墨水之電氣短路。塗層可包含例如，聚合塗層，諸如聚二甲基矽氧烷(PDMS)、聚倍半矽氧烷(PSQ)、環氧基光阻(epoxy-based photoresist)(例如，SU-8)等等。替代的是，塗層可包含低k介電材料。

較佳地，驅動電路係相對於噴嘴室而被橫向地配置；亦即，在該等側壁的其中一個側壁的一側。驅動電路典型上為CMOS電路，其包含藉由層間介電(ILD)層而相互分開的複數個金屬層(例如，2至4層)。

較佳地，驅動電路係相對於SOI基板的絕緣體層及/或含有噴嘴室的底部之平面而位在接近噴嘴板。此配置與習用噴墨噴嘴裝置相反，在習用噴墨噴嘴裝置中，驅動電路係相對於含有噴嘴室的底部之平面而通常位在遠離噴嘴板。

較佳地，各噴墨噴嘴裝置另包含與噴嘴板平行延伸的一或多個連接臂部，各連接臂部自致動器朝向驅動電路而延伸。較佳地，致動器及連接臂部係共平面的且利用共沉積處理而由相同的材料所組成。

較佳地，各噴墨噴嘴裝置另包含使各連接臂部及驅動電路互連的至少一金屬孔，各金屬孔延伸而垂直於噴嘴板。金屬孔典型上由銅所組成且可使用鑲嵌狀(damascene-like)處理來予以形成。較佳地，金屬孔的高度係小於噴嘴室的高度。因為電連接至驅動電路的長度與噴嘴室的高度無關，所以藉由使電流路徑的長度最小化而可達成優異的電氣效率及功率轉移。

較佳地，至少一墨水進給通道係界定於第一矽層中。較佳地，噴墨噴嘴裝置係排成列，其中，該等噴墨噴嘴裝置的一或多列經由各別的室入口而自共同的墨水進給通道接收墨水。例如，一個共同的墨水進給通道可將墨水供應至多色列印頭中的一對噴嘴列。替代的是，一個共同的墨水進給通道可將墨水供應至單色列印頭中的多個噴嘴列。

依據第二態樣，提供一種噴墨列印頭積體電路，包含：基板，具有至少一矽層；噴嘴板，係配置在該矽層上；及一或多個嵌入式噴墨噴嘴裝置，每一個噴墨噴嘴裝置接包含：噴嘴室，係界定於該矽層中，每一個噴嘴室皆包含：底部，具有界定於其中的室入口；頂部，包含致動器和該噴嘴板的一部分，該致動器係配置成將墨水射出穿過界定於該頂部中的噴嘴開口；及矽側壁，自該底部延伸至該頂部；驅動電路，相對於該噴嘴室而被橫向地配置；一或多個連接臂部，與該噴嘴板平行地延伸，每一個連接臂部自該致動器朝向該驅動電路而延伸；至少一金屬孔，使每一個連接臂部和該驅動電路互連，每一個金屬孔延伸而垂直於該噴嘴板，其中，該驅動電路係相對於該底部的平面而位在接近該噴嘴板。

將領會到經必要修正後，第一態樣的較佳實施例可應用至第二態樣。

同樣地，使用於第二態樣中的基板可以是具有第一矽層、配置在第一矽層上的絕緣體層及配置在絕緣體層上的第二矽層之絕緣層上覆矽基板，其中，噴嘴室係界定於第二矽層中。於此較佳實施例中，各噴嘴室的底部較佳地包含絕緣體層的一部分。

如文中所使用者，術語“墨水”意指任何可噴射的流體及可包括例如，習用CMYK墨水、紅外線墨水、UV可固化墨水、固色劑、3D列印材料、聚合物、生物流體等等。

100‧‧‧噴墨噴嘴裝置

10‧‧‧列印頭積體電路

14‧‧‧第一矽層

16‧‧‧第二矽層

18‧‧‧絕緣體層

20‧‧‧噴嘴板

22‧‧‧四矽酸鹽層

24‧‧‧CMOS驅動電路

26‧‧‧氮化矽層

28‧‧‧氧化矽層

30‧‧‧噴嘴室

32‧‧‧熱彈性樑元件

34‧‧‧上塗佈層

35‧‧‧底部

37‧‧‧側壁

39‧‧‧室入口

41‧‧‧噴嘴開口

43‧‧‧移動部

45‧‧‧固定部

46‧‧‧連接臂部

48‧‧‧銅孔

50‧‧‧後側墨水進給通道

現在將僅利用實例參照附圖來說明本發明的實施例，其中：圖1係依據本發明包含噴墨噴嘴裝置之列印頭積體電路的部分的剖面透視圖。

參照圖1，其顯示有依據本發明的列印頭積體電路10(“列印頭IC”)，該列印頭IC 10包含排成列的複數個噴墨噴嘴裝置100。圖1中僅顯示一個噴嘴裝置100，雖然將領會到列印頭IC 10可能含有排成列的複數個噴嘴裝置，如同習知技術中所已知的。

列印頭IC 10係基於絕緣層上覆矽晶圓基板，其包含第一矽層14、第二矽層16和絕緣體層18，其典型上為氧化矽，夾置於第一矽層與第二矽層之間。如同典型上於SOI晶圓中，第一矽層14係相對地比第二矽層16更厚。典型上，第二矽層16具有5至50微米之範圍中的厚度，該厚度係藉由SOI晶圓製程來予以界定的。第一矽層14可具有100至1000微米之範圍中的厚度，該厚度通常係藉由背面研磨或蝕刻作為列印頭IC MEMS製程的一部分這樣的程度來予以界定的。

噴嘴板20係配置在第二矽層16上。噴嘴板20可以是單層，但更通常是包含複數層。如圖1所示，噴嘴板包含藉由電漿增強化學氣相沉積法所沉積之四矽酸鹽層(“PETEOS層”)22。PETEOS層22主要用作為鈍化介電層用以隔離下層的CMOS驅動電路24。噴嘴板另包含配置在PETEOS層22上的氮化矽層26及配置在氮化矽層上之相對更薄的氧化矽層28。氮化矽層及氧化矽層26及28界定用於噴墨噴嘴裝置100之各噴嘴室30的陶瓷頂部，以及，界定用於熱彈性彎曲致動器的被動樑元件。氮化矽層及氧化矽層的組合在製作及操作期間有利地使破裂最小化，且附加地使配置在氧化矽層上之熱彈性樑元件32的熱絕緣最大化。這些優點係更加詳述於US 8,079,668中，其內容在文中被併入做為參考。

於圖1所示的實施例中，噴嘴板另包含上塗佈層 34，其提供附加的耐用性並且使致動器與噴嘴板上的任何外來的導電材料(例如，墨水、纖維等)電絕緣，其可能橋接於鄰接的致動器之間而且可能造成短路。塗佈層34可以由提供最佳用於列印頭維護及流體管理的表面特性之材料所組成。典型上，相對疏水性的塗佈層34係較佳的，諸如聚合物，如US 8,342,650中所述，其內容在文中被併入做為參考。

仍參照圖1，各噴墨噴嘴裝置100被嵌入於第二矽層16中。噴嘴室30係界定於第二矽層16中並且包含：底部35，其包含絕緣體層18的一部分；頂部，其包含噴嘴板的一部分(如圖1所示的層26、28及34)；及延伸在底部及頂部之間的側壁37，該等側壁為由第二矽層16所界定的矽側壁。室入口39係界定於底部35中，且噴嘴開口41係界定於噴嘴室30的頂部中。噴嘴開口41典型上與室入口39偏離開。

因為噴嘴室30係藉由蝕刻第二矽層16來予以界定，噴嘴室的高度通常相當於第二矽層的高度。因此，本發明可提供相對較高的噴嘴室，其可能不適合使用例如，US 7,819,503及US 6,755,509中所述的習用MEMS沉積處理。

對於熟知此技藝者而言，用於噴嘴室30及室入口39的選擇性前側蝕刻的適合蝕刻化學將會是立即顯而易見的。噴嘴室30可藉由使用例如，“波希(Bosch)”蝕刻(見US 5,501,893)或其它適合蝕刻化學(例如，SF₆/O₂/Ar) 之第二矽層16的DRIE來予以界定。室入口39可使用任何適合的氧化物蝕刻化學(例如，C₄F₈/O₂)來予以選擇性地蝕刻。

噴嘴室30的頂部包含用以在使用期間經由噴嘴開口41而射出墨水滴之致動器。於圖1所示的實施例中，致動器為包含熱彈性樑元件32及由雙層氮化矽層及氧化矽層26及28所組成的下層被動樑元件之熱彈性彎曲致動器。頂部包含包括熱彈性彎曲致動器的移動部43及固定部45。於該裝置的啟動期間，熱彈性樑元件32接收來自CMOS驅動電路24的電脈衝。熱彈性樑元件32快速地加熱且相對於下層被動樑元件而膨脹，其致使移動部43朝向噴嘴室30的底部35彎曲，而導致液滴射出通過噴嘴開口41。

頂部啟動的熱彈性彎曲致動器已被詳述於例如，US 7,794,056中，其內容在文中被併入做為參考。用於熱彈性樑元件32的適合材料包括鋁合金，諸如鈦鋁及釩鋁。

用以形成包括各噴嘴室30的頂部的噴嘴板之適合的製作方法係說明於US 7,866,795中，其內容在文中被併入做為參考。

提供電流至熱彈性樑元件32之CMOS驅動電路24係相對於噴嘴室30的其中一側壁37而被橫向地配置。如圖1所示，CMOS驅動電路24包含四個金屬層，雖然將領會到可使用任何數量的金屬CMOS層。CMOS驅動電路24係相對於噴嘴室30的絕緣體層18及底部35而接近噴嘴板。因此，噴墨噴嘴裝置100的整體設計使驅動電路24與頂式致動器之間的電流路徑的長度最小化，並且使此電流路徑的長度與含有頂式致動器之噴嘴室30的高度無關。

熱彈性樑元件32係經由連接臂部46而被連接至CMOS驅動電路24，其各自依序經由銅孔48而被連接至最上面的金屬CMOS層(M4)。每一個連接臂部46(圖1中僅顯示一個)與噴嘴板平行地延伸自熱彈性樑元件32朝向CMOS驅動電路24。各連接臂部46與熱彈性樑元件32係共平面且鄰接的，它們係由相同的材料所構成並且在MEMS製程期間被沉積在同一層中。此層之適合的掩罩及蝕刻同時在一個製作步驟中界定熱彈性樑元件32及鄰接的連接臂部46。

銅孔48相對於噴嘴板而向下垂直延伸至最上面的CMOS層。銅孔係藉由先蝕刻過PETEOS層24、氮化矽層26及氧化矽層28以形成孔、再沉積銅層以充填孔、及最後使用例如，化學機械平坦化(CMP)之平坦化而停止在氧化矽層28上來予以形成的。類似的鑲嵌狀處理係說明於US 8,453,329中，其內容在文中被併入做為參考。

列印頭IC 10具有界定於第一矽層14中的至少一後側墨水進給通道50。藉由與研究解密596074中所述的處理類比的處理，將領會到絕緣體層18提供用於此後側蝕刻的蝕刻停止層。

於單色列印頭IC中，所有的噴墨噴嘴裝置100可經由界定於絕緣體層18中的各別室入口39而自共同的後側墨水進給通道50接收墨水。然而，諸如US 7,441,865中所述的墨水進給通道配置(其內容在文中被併入做為參考)當然可被使用於多色列印頭。典型上，一個墨水進給通道將墨水供應至多色列印頭中的一對噴嘴列(“奇數”及“偶數”噴嘴列)。

多個列印頭IC 10可被組合以形成噴墨列印頭總成，諸如頁寬式噴墨列印頭總成。列印頭IC 10可以是端對端對接的，如同例如，US 7,441,865中所述者。替代的是，列印頭IC 10可以用交錯重疊配置的方式來予以組合，如同例如，US 6,394,573；US 6,409,323及US 8,662,636中所述者，其全部揭露被併入本文作為參考。因此，使用列印頭IC 10的各種類型的噴墨印表機對於熟習此項技藝者而言將會是立即顯而易見的。

當然將可領會的，本發明已僅經由實例說明以及細節的修改可在附加的申請專利範圍中所界定之本發明的範疇內進行。