TW510858B - Fluid injection head structure and method thereof - Google Patents

Description

^10858 五、發明說明（1) 發明之領域 本發明係提供一種流體喷射頭結構及其製造方法，尤 指一種利用兩排氣泡產生器之間進行電力線佈局之流體喷 射頭結構及其製造方法。 背景說明 目前，流體喷射裝置已被廣泛地運用於喷墨印表機的 噴墨頭等之設備中，而且隨著流體喷射裝置的可靠度 (reliability)不斷提昇、成本的大幅降低，以及可提供 高頻率（frequency)與高空間解析度（spatial r e s ο 1 u t i ο η )之高品質液滴喷射的研發，流體喷射裝置亦 逐漸有其他眾多可能之應用，例如：燃料噴射系統（f ue i injection system)、細胞分類(cell sorting)、藥物釋 放系統（drug delivery system)、喷印光刻技術（print lithography)及微喷射推進系統（micro jet propulsion system)等等 o 在現今的產品中，能夠個別地喷射出形狀一致之液滴 的流體喷射裝置種類並不多，其中最為成功的一種設計係 使用熱驅動氣泡（thermal dr iven bubble)以射出液滴的 方法。由於其設計簡單，且成本低廉，因此在使用上也最 為普遍:。

510858 五、發明說明（2) 例如’在習知的喷墨頭結構中，美國專利號碼 5，7 7 4，1 4 8中，便曾提到一種使用從中間歧管供應墨水的 方式（center feed)。此種喷墨頭結構通常是採用喷砂、 雷射切割或化學姓刻之方式，將晶片（chip)穿透，再由中 間歧管進行供墨。 然而利用此方法不但需要比較大的晶片尺寸，而且晶 片中挖掉的部分亦無法做任何利用，非常不符合經濟效 益0 發明概述 本發明之主要目的在於提供一種流體噴射頭結構及其 製造方法，藉由k昇線路佈局之積集度，以縮小所需之晶 片尺寸，並提高經濟效益。 在本發明之最佳實施例中，該流體喷射頭結構包含^ 一基材，一歧管形成於基材内，至少兩排相速通於該歧管 且位於歧管兩側之淹體1腔，至少一氣泡產生器，以及一導 | 電線路，係設於歧營上方之基材表面。其中，部份之導電 -線路係位於該二排後體腔之間，用以驅動氣泡產生器。 · 由於本發明所提供的流體噴射頭結構，不需將整個晶

第5頁 510858 五、發明說明（3) 片蝕穿即可達到順利供墨的效果，而且其更利用歧管上方 的空間來進行電路佈局，是以本發明不但可以有效增強歧 管上方結構層之強度，並能大幅縮減晶片尺寸，擴增喷頭 數目，進而提昇列印速度。 發明之詳細說明 請參見圖一，圖一係為本發明之流體喷射頭的結構剖 視圖。本發明之流體喷射頭係為一種具有虛擬氣閥 (virtual valve)的流體喷射裝置。如圖一所示，氣泡產 生器包含有兩個氣泡產生構件，分別為第一加熱元件1 4 a 與弟二加熱元件14b，環繞在喷孔（nozzle) 12四周，藉著 兩個加熱元件14a、14b間的差異，例如電阻值的不同，可 使得加熱此二加熱元件1 4a、1 4b時，會先後生成二氣泡。 首先在喷孔12旁較靠近歧管（manifold) 11的第一加熱元 件1 4 a處先形成一第一氣泡（未顯示），此第一氣泡會隔絕 歧管11與喷孔1 2，而產生類似氣閥的功能，以減小與相鄰 流體腔16產生互相干擾（cross talk)的效應，接著會於靠 近第二加熱元件1 4 b處產生一第二氣泡（未顯示），藉由此 第二氣泡推擠流體腔1 6内的流體（未顯1示），使流體由喷孔 1 2中喷出。最後，第二氣泡會與第一氣泡相結合，並藉由 此一氣泡的結合以達到減少衛星液滴（s a t e 1 1 i t e droplet)的產生。

第6頁 510858 五、發明說明（4) 由於本發明之流體噴射頭的結構係不用蝕穿整個晶片 即可達到順利喷出液體的需求，因此基於這種架構下，本 發明便可在歧管11上方進行電力線（power 1 ines)的佈 局，同時增強歧管11上方結構層之強度。此外，為了解說 方便起見，以下本發明之流體喷射頭便以喷墨頭為實施例 來加以說明。 請參見圖二，圖二係為本發明整個晶片製作完成的剖 面圖，其中第一加熱元件1 4 a與第二加熱元件1 4 b上方沉積 了 一低溫氧化層1 8以作為保護層，且在指定的地區開洞 (v i a )以使金屬層1 3經由此洞流入加熱器1 4 a、1 4 b的上方 表面’而達成金屬傳導層1 3與加熱器14a、14 b電連的目 的0 同樣地，在M0SFET(金氧半場效應電晶體）元件15的汲 極（drain)68與源極（source)66亦透過金屬層1 3電連接至 加熱器14a、14 b與接地端（ground)20。所以當MOSFE T元件 15的閘極（gate) 64被打開時，由金屬層13所構成的襯墊 (pad)會將外部所供給的電壓訊號送到此喷墨頭内，此 時，電流會由襯墊進入，先經由金屬層1 3到第一加熱器 143與第二加熱器1413，再經由&108?£1[元件15的汲極到源 極’再流至接地端2 〇而完成一次加熱的動作。此時，由於 流體腔1 6 (即此喷墨頭之喷墨腔）内的墨水被加熱，_而產 生兩個氣泡將墨滴經由喷孔1 2推擠出去。其中，可根據所

510858 五、發明說明（5) 需列印資料量的不同，而分別控制不同的喷孔12以喷出墨 水液滴。此外，金屬層13的材質係選自鋁（Aluminum)、金 (Gold)、銅（Copper)、鎢（Tungsten)及鋁矽銅合金 (Alloys of Al-Si-Cu)所構成族群中之任一者。 清參見圖二及圖四，圖三係為本發明之喷墨頭之上視 ，。在此實施例中，係將其分成16個p群（包含？1至p16)， 每個P群又包含有2 2個定址（A d d r e s s，A 1至A 2 2 )，可對照 圖五的矩陣式驅動電路圖，一邏輯電路或微處理器將會 根據所需列印的資料，送出一選擇訊號至電力線驅動器 (power driver)34以及位址線驅動器（address driver)35,來控制要開啟哪個定址（“至A22)以及供電給 那個P群（p 1至P 1 6 )。舉例而言，若供電給P 1，且開啟 A 2 2 ’則此時p 1群中a 2 2的加熱器.1 4 a、1 4 b將會依照設定的 時間完成加熱以及喷墨的操作。

圖四為圖三中β區域（虛線部分）之局部放大圖。如圖 四所示，可以清楚地看到晶片的中間設置有兩排喷孔1 2， 若將整個晶片的喷孔1 2分成兩半（以圖三之a - A，分隔線作 區分）’亦即在晶片A - A ’的右側包含有八群喷孔（p 1至 P8 )，而左側亦包含有八群喷孔（P9至p丨6 )。並利用歧管i i 的上方，兩排喷孔12間的中央地區來進行電力線（power 1 ine) 1 9之佈局，於分隔線A-A’的右側佈局了 8條金屬線 (metal lines，ρ@Ρ8)，並連接到右邊的輸出入襯墊

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五、發明說明（6) (I/O pads)。同樣地，分隔線A-A，的左側也佈局了 8條金 屬線（metal lines，P9至P16)，並連接到左邊的輸出入襯 墊（I/O pads，圖中未示）。 本發明之每組襯墊P至襯墊G係採取U字型的驅動線路 佈局方法，例如襯墊P1到襯墊G 1的驅動線路佈局方法（如 虛線部位所示），而且各電路連接間互不跨接，且僅使用 層金屬層1 3即完成電力線1 9至加熱器1 4a —…“、、w - -- 1 a υ '行逆 M0SFET元件1 5，最後至接地端襯墊g的連線動作。另外， 在M0SFET元件1 5的上下兩邊各佈局丨丨條橫向金屬線22，橫 向金屬線2 2與襯墊A連接，並用以將位址線驅動器3 5入的 、料傳入各Μ 0 S F E T元件1 5，以決定哪個喷孔1 2喷出墨水， 並在MOSFETtg件1 5的左右兩邊（亦即靠近晶片的兩端）各佈 ，了 11條縱向多晶石夕線（p〇lysi i ic〇n Hnes)23，共22條 多晶石夕線23,並且在橫向金屬線22和縱向多晶矽線23要電 連接的部分打上接觸層（c〇ntact Uyer) 24以完成電連 接，而多晶矽線2 3之作用為連通晶片上下端之橫向金屬線 2 2 ’例如’由襯墊A丨輸入訊號，此時欲打開p丨6的加熱元 ，，則需經由縱向多晶矽線23傳遞至下方的橫向金屬線 2，才能連接至p丨―6的加熱器，達成喷墨的功能，而其 作原理將於後面詳述。

510858 五、發明說明（7) 結構之製作流程示意圖。首先，在〆石夕晶圓基板6 0上以局 部熱氧化法（L 〇 c a 1 ο X i d a t i ο η )形成一场氧化層（^ i e 1 d oxide) 62。接著進行一硼離子佈植（Blanket boron implant)，以調整驅動電路之起始電壓（Threshold voltage)，再形成一多晶矽閘極（PolysHicon gate) 64 於場氧化層62中，其中，形成多晶石夕閘極W的同時，亦於 晶片接近邊緣之兩側，形成如前所述2 2條縱向多晶石夕線 2 3，以作為導線之用。之後，並再施以離子佈植，以於閘 極6 4兩側形成一源極（S 〇 u r c e ) 6 6及一汲極（D r a i η ) 6 8， 完成Μ 0 S F Ε Τ元件1 5。隨後沉積一低應力層（L ο w s t r e s s layer) 72，如氮化矽（Si Nx)材料，以做為流體腔1 6之上 層，如圖六所示。 請參考圖七，接下來，使用屬刻液氫氧化鉀（K〇H)從 基板6 0之背面蝕刻以形成歧管π，做為供給流體進入之主 要流道’而後再將部分場氧化層6 2以蝕刻液氫氟酸（HF )移 除，作為流體腔1 6。隨後在精確地控制蝕刻時間下，進行 另一次以蝕刻液氫氧化鉀（K〇H)之蝕刻，用以加大流體腔 16之深度，如此流體腔16與歧管丨丨便得以相連通且可填滿 流體。在進行此蝕刻步驟期間需塒別留意，因為流體腔16 之凸角（Convex corner)亦會被蝕刻液攻擊而會被蝕刻成

510858 五、發明說明（8) 第一加熱器1 4a及第二加熱器1 4b，而加熱器之製裎係為習 知該項技藝者所能輕易完成，故在此不多加贅述。此外， 對第一加熱器14a及第二加熱器14b而言，較佳的材質為铭 组合金（A 1 1 〇 y s 〇 f t a n t a 1 u m a n d a 1 u m i n u m )，而其他材 料如鉑（Platinum)、硼化铪（HfB2)等亦可達到相同作用。 另外，為了保護第一加熱器1 4a與第二加熱器1 4b並隔離此 一個以上之M0SFET元件15，故於整個基板60上，包括間極 64、源極66、汲極68及場氧化層62之範圍會再沉積一低溫 氧化層7 4用以做為保護層。 接著’在第一加熱器14 a與第二加熱器14 b上形成一導 電層（Conductive layer) 13，用來當作第一導電線路以 導通第一加熱器14a、第二加熱器14b與驅動電路之功能元 件。其中’驅動電路係用以分別獨立地傳送一訊號至個別 的加熱器（第一加熱器14a與第二加熱器14b)，且用以驅動 一對以上之加熱器（第一加熱器14a與第二加熱器i4b)，如 此即可利用數量較少的電路元件與連接線路，可相同達到 控制電路之功&。在本發明之實施例中，導電層13的較佳 材質係為如鋁矽鋼合金（Ailoys of A1〜ς· Γ 銅（copper)、金（Gold)或鱗（Tungsten)等金 :材：，後再沉積一低溫氧化層76於導電層"之上以做 為保護層。 最後，請參考圖八，於第一加熱器l4a與第:二加熱 器

第11頁 510858 五、發明說明（9) 1 4b之間形成一噴孔1 2。至此，即可形成一體成型且具有 驅動電路之流體噴射裝置陣列。由上述說明可知，本發明 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喷射頭之結構。 接著詳述其動作原理如下：請參圖四與圖五，當進行 噴墨列印時，邏輯電路或微處理器3 2將會根據所需列印的 資料’決定要由哪一個喷孔喷出墨水，接著會送出一選擇 訊號至電力線驅動器（p0wer driver)34以及位址線驅動器 (address driver) 35，以開啟相對應的定址（A1至A22)以 及供電至相對應的P群（P 1至P 1 6 )，之後電流便會流經加熱 器1 4 a、1 4 b而加熱流體以產生氣泡，進行一喷墨動作。舉 例而言··若要讓位於A1 P1處的噴孔1 2 a喷出液滴，則必須 要經由輸出入襯墊A1送進一個電壓訊號至M0SFET元件15的 閘極6 4來將開關打開，接著再由輸出入襯墊p 1提供一電壓 訊號，以產生電流，此時電流便會流經加熱器1 4 a、1 4 b而 加熱墨水以產生氣泡，再流經MOSFET元件1 5的汲極68到源 極66，最後流至接地端20，至此，完成一個墨滴喷出的動 作〇 上述之喷墨頭結構雖僅以單色印表機之結構來作說 明，但本發明之應用並不侷限於單色喷墨印表機，在彩色 或多色之喷墨頭結構中亦可適用本發明。此外，本發^之 流體喷射裝置亦具有其他眾多可能之應用，例如：燃料嘴

第12頁 510858 五、發明說明（】〇) I射系統、細胞分類、藥物釋放系統、喷印光刻技術、微脅 丨射推進系統等，並不以喷墨列印為限。 因此’本發明所提供之流體喷射頭結構以及其製造方 1法，係於歧管上方兩排氣泡產生器之間的位置，進行整片 晶片的導電層電路佈局，其具有下列功效： (1 )由於供墨方式不是採用整個晶片打穿的方式，因此可 於歧管上方進行電路佈局，將節省整個晶片的尺寸而增加 |整片晶圓（wafer)的晶片切割量； (2 )於歧管上方的結構層上進行繞線佈局可有效提昇此一 |結構層之強度；以及 η藉由此一提高線路佈局積集度的方法，將可節省電路 =:佔之面積，'亦即在相同的晶片面積下，可以設置更 丨多的噴孔，以提昇列印速度。 1文 以上所述僅為本發明之軟、# r奄立丨政㈤ 心早乂佳貫轭例，凡依本發明申諳 |蓋範圍。 J手艾化與修飾，皆應屬本發明專利之涵 第13頁 510858 圖式簡單說明 圖示之簡單說明 圖一係為本發明喷墨頭結構之結構剖視圖。 圖二係為本發明之實施例橫切面示意圖。 圖三係為本發明流體喷射頭之上視圖。 圖四係為本發明流體喷射頭晶片之局部放大圖。 圖五係為本發明流體喷射頭之矩陣式驅動電路示意 圖。 圖六至圖八為本發明流體喷射頭之製作流程示意圖。 圖示之符號說明 11 歧 管 12 喷 孔 12a 喷 孔 13 金 屬 層 14 氣 泡 產 生 器 14a 第 加 熱 器 14b 第 二 加 熱 器 15 MOSFET元 件 16 流 體 腔 18 低 溫 氧 化 層 19 電 力 線 20 接 地 端 22 橫 向 金 屬 線 23 縱 向 多 晶 矽 線 24 接 觸 層 '32 邏 輯 電 路 或 微處理器 34 電 力 線 驅 動器 35 位 址 線 驅 動 器 60 矽 晶 圓 基 板 62 場 氧 化 層 64 閘 極 6 6 源 極 68 汲 極 ：7 2 低 應 力 層

第14頁 510858 圖式簡單說明 7 6 低溫乳化層 7 4 低溫氧化層 第15頁

Claims (1)

1. 六 1· 申請專利範圍 一種流體哙h -基材；射頭結冑，該流體噴射頭結構包含有 m排：m内、 於該歧管之兩伽—，各該流體腔係相連通於該歧管且位 至少一氣治客用^使一流體由該歧管流至該流體腔； 應之該流體腔內·生器，係形成於該基材上，且位於相對 -導電線：：以及… 份之該導電線路後係位於忒歧官上方之該基材表面，且部 該氣泡產生器。糸位於該至少二排流體腔之間’用以驅動 2 ·如申清專利範圍第1項所述之流體喷射頭結構，還包 含有至少一噴孔，且該喷孔係相連通於該相對應之該流體 腔0 產係當在該以 泡件，會生， 氣構方件產泡 二生上構迨氣 第產腔生，二 一泡體產閥第 與氣流泡氣\ 件二之氣擬生 構第應 \ 虚產 生該對第一會。 產與該該為件出 泡件及，作構噴 氣構以時以生孔 i 1 生處體泡產喷 項 2第產孔流氣泡該 第一泡喷該一氣由 圍含氣之滿第二體 範包一應充一第流 利另第對腔生該該 專器該相體產，之 請生且該流内後腔 申產，近該腔泡體 泡件接之體氣流 氣構於應流一該 該生設對該第使 3 如 中 其 ， 構 結 頭 射 喷 體 流 之 述 所

   第16頁 510858 六、申請專利範圍 4 ·如申請專利範圍第1項所述之流體喷射頭結構，其中 該流體喷射頭結構係用來作為一喷墨印表機之喷墨頭，而 該歧管係連接至一墨水匣，且該流體係為該墨水匣中的屢 水。 5 ·如申請專利範圍第1項所述之流體喷射頭結構，其中 該導電線路之材質係選自於I呂（Aluminum)、金（Gold)、麵 (Copper)、鶴（Tungsten)及銘石夕銅合金（Alloys of Al-Si-Cu)所構成族群中之任一者。 6 ·如申請專利範圍第1項所述之流體喷射頭結構，還包 含有至少一金氧半場效應電晶體（metal 〇xide semiconductor field effect transistor, M0SFET)，且 該金氧半場效應電晶體係藉由該導電線路來電耦合於該氣 泡產生器。 ' 7 · 一種流體喷射頭之製造方法，該製造方法包含有下列 步驟： 提供一基材； 形成至少一氣泡產生器於該基材上； 形成一位於該基材内之歧管； 形成至少二排流體腔，且各該流體腔係相連通於該歧 管且位於該歧管之兩側，用來使一流體由該歧管流至該流 體腔内；以及 /

   第17頁 510858 六、申請專利範圍 形成一導電線路於該歧管上方之該基材表面，且部份 之該導電線路係位於該至少二排流體腔之間’用以驅動該 氣泡產生器。 8. 如申請專利範圍第7項所述之製造方法，還包含有下 列步驟： 形成一介電層於該基材上； 形成一低應力材料層於該介電層上；以及 蝕刻該基材與該介電層，以形成該歧管及各該流體腔。 9. 如申請專利範圍第8項所述之製造方法，其中該氣泡 產生器係形成於該低應力材料層上，並電耦合於該導電線 路。 1 0.如申請專利範圍第9項所述之製造方法，其中該氣泡 產生器還包含有一第一氣泡產生構件及一第二氣泡產生構 件。 11.如申請專利範圍第1 0項所述之製造方法，還包含有下 列步驟： 形成至少一喷孔，且該喷孔係位於相對應之該第一氣泡產 生構件與該第二氣泡產生構件之間，並連通至相對應之該 流體腔，以喷出該流體腔中之流體。

   第18頁 510858 六、申請專利範圍 1 2.如申請專利範圍第7項所述之製造方法，其中該流體 喷射頭係用來作為一喷墨印表機之喷墨頭，而該歧管係連 接至一墨水匣，且該流體係為該墨水匣中的墨水。 1 3.如申請專利範圍第7項所述之製造方法，其中該導電 線路之材質係選自铭（Aluminum)、金（Gold)、銅 (Copper)、鎢（Tungsten)及銘石夕銅合金（Alloys of A 1 - S i - C u )所構成族群中之任一者。 1 4.如申請專利範圍第7項所述之製造方法，還包含有下 列步驟： 形成至少一金氧半場效應電晶體（M0SFET)於該基材上，且 該金氧半場效應電晶體係藉由該導電線路來電耦合於該氣 泡產生器。

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