TWI272127B - Fluid injector and method of controlling fluid injector with optimized droplet - Google Patents

Description

1272127 九、發明說明： [發明所屬之技術領域] 抑本發明係有關於一種流體喷射裝置技術，特別係有關於一種包括感測 器之流體喷射裝置系統及控制流體噴射品質的方法。 [先前技術] ^流體儒裝置近來已廣泛地運麟魏產#，例如喷神表機或類 似叹備中。[^著祕系統工程(仙⑽System 的逐步開發，此種流 體情裝置逐漸有其他眾多躺之翻，例如㈣傭系統你d injection system)、細胞篩選(cell sorting)、藥轉放系統町辦 細技lithography)及微喷射推進系統⑽⑽拎sys_ 等。在則述各應用領域中，較為成功的一種設計係使用熱驅動氣泡啦福 d_n bubble)方式以彌出液_方法。由於其設計簡單城本低廉，因此 在使用上也最為普遍。 第1圖顯示美國專利唬碼第6，1〇2,53〇號所揭露的單石化的流體喷射裝 置1以石夕基底ίο作為本體，且在石夕基底1〇上形成一結構層12，而在 矽基底H)和結構層12之間形成一流體腔14，用以容納流體％。在結構層 12上設有一第一加熱器20、以及一第二加熱器22，第-加熱器20用以在 14内產生-第-氣泡3〇,第二加熱器22用以在流體腔μ内產生一 第二氣泡32，以將流體腔14内之流體26射出。 由於單石化的越翁裝置i射虛擬_ (你㈣ν_)的設計， 並擁有高排列密度、低交互干擾、低熱量損失的特性，且無須另外利用組 裝方式接合喷孔片，因此可以降低生產成本。 然而，在習知的單石化的流體喷射裝置！巾，結構層12主要由低應力 氮化石夕卜st職nitride)為材質所構成。在製程中，其厚度直接影響^體 喷射It置儒品質。此結構層，除作錢泡產生裝置之承载仙外，亦提 供對HF溶社侧域層的伽。是麟__度飾雜質對整體裝

0535-A20465TW(N2)；A03738 ^ A03624；JAMNGWO 1272127 置製作之良率影響至鉅。 旦、上述缺點，一般晶圓代工薇對於上述結構層之厚度管控，主要以 里測結構層的光學性質的量 _ 王要以 整d⑽曰、ai …，例如猎由薄膜量測儀，隨機抽樣進行 ^曰^之局相測。此種隨機的取樣方式，對整體晶圓之膜厚可提供一 二，值’但對純上以數百計之流體噴射裝置而言，前述方法所量、、則 之數據則_不足。 Μ泛所里測 發明内容： 、有!廉於此’本發明的目的在於提供一種具感測器之流體喷射穿置 感測器量猶體傭裝置結構層的厚度，以精確掌握整片晶圓/各^ 噴射晶片之結構層厚度，以提升製程良率。 所本發明白勺目的在於提供一種控制具感測器之流體喷射裝置系統喷射品 ^紋，藉體儒裝獅結騎厚度，經由_比較器與^ k的資枓庫比較，以調整最佳之流體喷射驅動條件。 〜根據上述目的，本發明提供一種流體喷射裝置，包括一流體腔，用以 容納流體其上有-第-層；至少—氣泡產生裝置，設置於第_層上且於流 ϋ腔之相對側；-感測器，用以量測第—層的厚度；—第二層，形成於第 一層上’覆蓋氣泡產生裝置與感測器；以及一喷孔，鄰近氣泡產生裝置且 牙透弟一層與第一層，且與流體腔連通。 根據上述目的，本發明又提供一種控制流體喷射裝置噴射品質之方 法，流體噴射裝置包含一結構層與至少一氣泡產生裝置，氣泡產生裝置設 置於該結構層上，上述方法包括：量測該結構層的物理性質，並輸出一訊 號；以及接收該訊號後，據以驅動氣泡產生裝置。 以下配合圖式以及較佳實施例，以更詳細地說明本發明。 實施方式： 本發明之實施例提供一種流體喷射裝置系統及控制嘖射品質的方 0535-A20465TW(M2);A03738、A03624;JAMNGW〇 1272127 法，藉感測為夏測流體T射裝置的結構層厚度，以精石隹掌握整片晶圓中， 各ail體1^射晶片之結構層厚度，以提升製程良率。此外，在驅動喷射過程 中，亦可經由一比較器與内建的資料庫比較，以提供最佳化之流體喷射驅 動條件，提升喷射品質。根據本發明之實施例，流體喷射裝置包括一基 材具有一基底、一結構層、一流體腔、以及一通道。其中，結構層設置在 基底上，流體腔形成於結構層與基底之間，以及通道與流體腔連接。至少 一氣泡產生裝置，設置於結構層上且於流體腔之相對侧。一感測器，位於 基材上，用以量測結構層的厚度。一保護層，覆蓋氣泡產生裝置與感測器。 以及一喷孔，鄰近氣泡產生裝置且穿透保護層與結構層，且與流體腔連通。 雖然本發明是以熱驅式流體喷射裝置為例，然並非用以限定本發 明，其他流體喷射裝置，例如壓電式流體噴射裝置，亦可應用本發 明之感測器量測流體噴射裝置之可變形層(def〇rmable kyer)的厚度，設 定最佳的驅動條件，以達到最佳的喷射效果。 以下係為本發明所述之具感測器之流體噴射裝置及控制其噴射品質的 方法的較佳實施例，茲配合附圖詳細說明如下。 第2A圖係顯示本發明之具有感測器之流體噴射裝置1〇的剖面示意 圖。本實施例之流體噴射裝置10包括一基材1〇〇，具有一基底1〇1、一結 構層110、一流體腔113、以及一通道ι15，其中，結構層11〇設置在基底 101上，級體腔llj形成於結構層11〇與基底之間，以及通道lb與流 體腔113連接。至少一氣泡產生裝置13〇設置於結構層11〇上，與流體腔 113對應。-感測益iso，位於基材100上，用以量測結構層11〇的厚度。 -保瘦層120 ’形成於該結構層11〇上且覆蓋氣泡產生裝置13〇及感測器 150。一喷孔114 ,鄰近該氣泡產生裝置13〇且穿透保護層12〇與結構層ιι〇 與流體腔113連通。 氣泡產生裝置130係設置於結構層11〇表面上，並且位於流體腔ιΐ3 之相對側。氣泡產生裝置13〇較佳者為由電阻層所構狀加熱器。在本實 施例中，氣泡產生裝置13G包括-第—加熱器132、以及—第二加熱器 0535-A20465TW(N2);A03738、A03624;JAMNGW〇 7 1272127 第-加熱器132，用以在流體腔113内產生—第一氣泡(表 圖 力喷器m、與第-加熱器132分別位於第—噴孔m的相對側，且如= 般，用以在流體腔113内產生一第二氣泡(參考 贿 白 流體射出。 ^_將流體腔113内之 上述氣泡產生裝置更包括-訊號傳送線路(糊示 與保護層之間，連接鶴氣泡赴裝置13Q 成H冓層⑽ 利用物理氣相沉積法(PVD)沉積-圖荦化導^ D H線路係 他導線材料於結上。' 3案化^層，例如WAlCu或其 感測器150包括一電阻17〇與至少一帝六 、 形式，例如R-C電路，形成於基材1〇〇上盘;:串聯的 測結構層110的厚度。 …、、ϋ構層110耦接，用以量 保護層120(例如二氧化矽)設置於 弟一實施例 流體喷射裝置10於製作過程中， Ρ - (ΚΟΗ-30%)蝕刻液對晶圓之基底 -义（_49%)、鹼 ^ 展100或犧牲層（未圖示k隹> u 刻，而結構層110提供抵擋蝕刻液的作用。（#Ητ)進订钱 為達上述目的’結構層11〇 ρ 、 力（〜lOOMpa且為拉應力）氮化^戶斤，儿積之低應 缺陷，而使表面電路受到損害。而完：後之：f會土生龜裂等 中亦發現不同厚度（0.6〜；L2um)二]衣，；測試過程 X、、、口構層11 〇 ,對流體嗜 任 動條件影響亦姖(包括加熱時間或驅動電麼）。 、射之驅 第^圖係顯示根據本發明實施例之感測器⑼ 至屬/、夕晶石夕㈣y-silicon)作為電容器16〇之上電極板⑹及 0535-A20465TW(N2);A03738、A03624;JA_GW〇 1272127 中完成。根據本發明實施例，可利用^^(1=同-製程步驟 與R-C電路之總輸出„公式：v=v'^l= 係：c^/d， 為A及結構層之介電常數為 ），在電極板面積 計算出結構層之厚度d。感測器:件^^

圖所示。 π #予双％路如第2C 第3圖係顯示感測器j^c串 假設Vg=3v，電極板面積串A=效電路的模擬測試結果。 R=30kQ，氮化石夕薄膜之介電常數μΐΏΧ·_，串聯電阻 時間t，ns的情況下，可得到：：矽:xl:F:m，而在充電 之關係如表1所示。 " 旱又變化舆輸出電壓 結構層厚度(μπι) 表I ρ-——--- 電壓(Volt) ^ ~] 0.6 l.06 — '' 0.8 ------ 1 Γ\ ------ 1.32 — ——. 1·0 1·2. — 1.55 ~ —_____ 1.74 ~ " 本發明之感測器製作，在實際應 科— 射裝置製程之金屬或多晶们 ^原有〜體^ 或影塑Pt 就衣作成本而S，並無增力， 曰义率之虞。此外，對於結構 f^I，J 5 而導致产俨喑如壯m .J I了以減少日日圓因薄膜局部缺1¾ 而”，L體贺射裝置於製程中受損之風險。 第4A-4C圖係顯示根據本發

圖。太每彻私ώ 月灵軛例之感應器電容的示I Η本κ例係利用一改良型電容哭 型電容組依复中間的介雷厗^ 巧以測，之木構。此改長 中間的"電層又可細分為三組電容：Ca、Cb、

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Cc。請參閱第4A圖，第—電容c由 ⑽及失置於電極162請間電極 CA：s：N A/dsiN ^ R.C t ^ , ^ ^ 可包極板面積為Α及結構層之介電常數 用量測電壓V值而計算以_ 11()。丨_的ϋ下，利 請參閱第4Β圖，第二電容Cb由第^一^ ’。 極166及夾置於電極164與丨 包極164、昂三電 r λ ]保邊層120所構成，ά CB-sSi02A/dSi02，與 R_c 電 由 V=V0(1-e^,^t^£s^A；>^^^ ： ε_的條件下，利用量測電壓v 曰二吊數為 度dSi02。 出保缦層120之厚 請參閱第4C圖，篱二雷交「山》 脱及夹置於電極i 6 2 ;間二二—電極16 2、第三電極 ! v-v r c=：rsi〇2A/ds-- ^ ^ ^ ^ " ° 6 )，可在電極板面積為A及結構層之介雷常數 的條件下，利用量測電壓v值而計算出 與保護層120之厚度dsiN+sj〇2。 严产發Γ實施例’上述個別求得電極板之間介電層的 尽度刖k為’，電層的介電常·為已知1結構^ ιι〇 電常數ε為未知，則可修正上述改良型電容組作為感測器，並 =由三組電容公式聯立求解。結構層11〇的介電常數為未知的 ^兄下求得結構層110的厚度。例如：各方程式中下標表示所 I測之材料，當所量測相f容值分別為CA=2 88pF、 2.42pF、CC=1.31PF，且電極板面積 Α=2〇〇μηιχ2〇〇_，保 =層120的介電常數Ssi〇2=41s〇=3 63xl〇5F/，，則可將此三組 %立方私式之 dSiN、ds丨02 與 sSiN 解出：dsiN==〇 8jIm、dsi〇2=〇 6_ 與 sSiN=5.75xl〇5F~m 〇

0535-A20465TW(N2)；A03738 ' A03624；JAMNGWO 1272127 示圖弟二二圖顯示本發明另-實施例之改良型電容組的 參閱第5A圖^齡·化石夕保護層120之介電常數設為已知。請 電容组c . _先罩之随設計，與晶圓代工叙製程配合，形成

CD ρτ-—322- ,--SSiQ2SSiN • \dsm^dSiN) Y{dSiNeSl02^dSi〇2eSiN)\ ε 式1 積之mr分別為第5a圖中不同薄膜所佔面積，與前三組電極板面 ίπ te"Y=x=2 5

⑶、㈣2rG與二氧化㈣複合薄離xyY)，與純二氧娜 組方裎t，/州之面積相同，且各為縣面積之半。如此即可利用四 S於βι"-太t積已知的十月況下’將^、dsi〇2、㈣與知02解出。第5B 良型電容…示意 利用式i複合式電容:公式，將c ;Α;等d三個電容’同樣可 _ Ε 以 dsiN、dsi02、ε_ 與 SSi02 表示， f η :第5C圖係顯示本發明實施例另-實施例之改 =示意圖。電容組仏至少可分成ai、a2、a3 寻二個電容，同樣可利用式i複合式電容組公式，將&以‘ ds〗〇2、sSiN|4sSi〇2表不，並進行求解各參數。 第二實施例 根據本發明的目的’本發明另提供—種控制流體噴射裝置的喷射品質 的方法。如前狀微顏儒裝置，及加鋪承載於結構層上，加敎哭所 產生的熱，經由結構層傳遞至流體腔内的流體。而由熱傳原理知，相同的 材料具她綱雜k，在_溫差ΔΤ的條件下，紐量了與傳遞距離l 成反比，(即J=-k/L)。因此’上述流體噴射裝置在相同的驅動條件下，流 體喷射裝置傭效果《著結縣敍賴化，造射射品料不穩定。 根據習知技術’為達相同之噴射效果所需的能4(tum,咖奶鈿

Π^^-ΔΡΠ4^Τ\Λ/ΓΝ?)：ΔΠ.Ί7^ ^ ΑΠ.^βΡΛ：.IAMNRWO 1272127 droplet flrmg)，流體噴射裝置的結 各個流體動懷置的加熱 域關成反比關係。 具較厚結構層之流體喷射裝置賴之厚度增加而降低。亦即， 之流體喷射裝置相同的縣的，時間，才能達到與較薄結構層 情況時，必須針對不同的厚声=發生結構層的厚度不均勾的 根據本發批整f=赠均—时射結果。 構層的厚度。在預量測的级、二，精由一膜厚感測器，量測結 的關係式，當電_ :置-電極板’利临 件下：由量_值即可推算“：=:常她知的條 .果其中 V〇—JV、電極板面積 Α=20〇μιηχ200μιη， _ ’祕料膜的介電常細5.57χ_/μηι。在充電時間 :二:二:下可t算出結構層的厚度。各種不同厚度結構層與輸出電壓 的關係如雨·貫施例中表1所示。 在貫際應用中，薄膜厚度與驅動條件之關係，在利用實驗數據進行統 計分析之後，將此__於純内之訊號控制單元。而感量測結構 層厚度所得狀滅，胁_綠位(聽)轉換器轉換成數健號候， 送^較器。與既㈣倾進行輯後，提供_修正後之訊號至控制單元， 以最適合該流體喷射裝置的最佳驅動條件訊號控制加熱，使 體液滴的大小達最佳化。 ' ;μ瓜 第6圖係顯示根據本發明實施例之一種流體喷射裝置系統的示意圖。 流體喷射裝置系統600包括一流體喷射裝置610，包括結構層62〇、二熱器 630及感測器640 ’其詳細結構如第2Α圖所示之剖面圖。一類比//數位轉換 裔650與感測器640連接，將感測器640量測結構層620的厚度訊號轉換 成一數位訊號。一比較器660，比較該數位訊號與一内建的資料庫67〇，輸 出一调整後之訊號。一控制器680 ’藉由該調整後之訊號控制該氣泡產生裝 置。 0535-A20465TW(N2)；A03738 ' A03624；JAMNGWO 12 1272127 根據本發明之實關，另提供—種控制流射射品質方法 士 體嗔射裝置610，具有-結構層_，至少—氣泡產生裝置⑽，設置於ς 結構層上以及-感· 64G ’用以量測該結構層的厚度。藉由感測器_二 測結構層620的厚度，以獲得-類比訊號。將類比訊號轉換成—數位訊^ 並傳送至-比較器66〇，與-内建的資料庫謂比較，並獲得_調整後之二 號。將該調整後之訊號傳送至-控制器68〇，藉由該調整後之訊號外 泡產生裝置630。 風 根據本發明，在餘中每-晶圓可在不更改原# ^目_ 電性測試設備下，利用流體噴射裝置内之感測器，對每單一曰 片之結構層厚度，4或介電㈣進行_見格檢測。達到在無續曰曰 擔額外測試成本之條件下達到每一晶粒更精破之合格良^數 利用本發明之载結果，除可了解全片晶圓之膜厚與介雷 常數分布，藉此作為是否進行後續㈣製程之判斷依據外，= 可作為流體喷射之驅動條件設定參考。 此感測器可藉由輸出之電壓訊號，藉以得到晶圓上每一晶片之膜厚與 材料特性數據，用以改善原有晶圓之局部量測缺點，從而達^每—曰 精確之良率控制目的。本發日綠置可有效應用於文字或影像之歸處 理、燃料喷射系統及生醫科技之藥劑注射等相關或類似系統。 [本案特徵及效果] 本發明之特徵與效果在於利用感測器量測流體噴射裝置結構層的厚 度，以精確掌握整片晶圓中，各流體噴射晶片之結構層厚度，並經由一比 杈盗與内建的資料庫比較，以調整最佳之流體噴射驅動條件。在製程中， 每一晶圓可在不更改原有晶圓測試廠之電性測試設備下，利用 流體噴射裝置内之感測器，對每單一晶片之結構層厚度，甚或 介電常數進行規格檢測。達到在無須負擔額外測^成本之條件 下達到每一晶片更精確之合格良率數據。利用本發明之測試結 0535-A20465TW(N2);A03738、A03624;JAMNGW〇 13 Ϊ272127 ί行解全片晶圓之膜厚與介電常數分布，藉此作為是否 件設ί::刻製程之判斷依據外’更可作為流體喷射之驅動條 何熟=本發日犯雜佳實施例揭露如上，然其並翻以限定本發明，任 、、自項技蟄者’在不脫離本發明之精神和範圍内，者 因此本發明之鑛綱當視_之巾請專利顧所界定"者轉更動與潤飾， Ω5：^-Α?04βίΓΓ\Α/(Ν2);Α03738、A03624;JAMNGW〇 14 1272127 【圖式簡單說明】 第1圖係顯示一種習知的單石化的流體喷射裝置； 第2A圖係顯示本發明之具有感測器之流體喷射裝置10的剖面示意圖; 第2B圖係顯示根據本發明實施例之感測器的局部放大示 意圖； 第2C圖係顯示根據本發明實施例之感測器的R-C串聯等 致電路； 第3圖係顯示感測器R-C串聯等效電路的模擬測試結果； 弟4A-4C圖係顯不根據本發明貫施例之感應裔'電容的不意圖； 第5A-5C圖係顯示根據本發明之另一實施例之感應器電容的示意 圖；以及 第6圖係顯示根據本發明實施例之一種流體喷射裝置系統的示意圖。 【主要元件符號說明】 習知部分(第1圖） 1〜單石化的流體喷射裝置； 10〜碎基底； 12〜結構層； 14〜流體腔； 20〜第一加熱器； 22〜第二加熱器； 26〜流體通道； 30〜第一氣泡； 32〜第二氣泡。 本案部分(第2〜6圖） 10〜流體喷射裝置； 100〜基材； 0535-A20465TW(N2)；A03738 ' A03624JAMNGWO 15 1272127 101〜基底； 110〜結構層； 113〜流體腔； 114〜喷孔； 115〜通道； 120、120’、120”〜保護層； 130〜氣泡產生裝置； 132、134〜加熱器； 150、150a、150b、150c〜電容感測器； 160〜電容； 162、164、166、262、266〜電極； 170〜電阻； 600〜流體喷射裝置系統； 610〜流體喷射裝置； 620〜結構層； 630〜加熱器； 640〜感測裔， 650〜類比/數位轉換器； 660〜比較器； 670〜内建的資料庫； 680〜控制器； CA、CB、Cc、CD、CE、CF〜電容。 0535-A20465TW(N2);A03738、A〇3624;JAMNGW〇 16

Claims (1)

1272127 十、申請專利範圍： 1·一種流體喷射裝置，包括： 一流體腔，用以容納流體其上有一第一層； 至少一氣泡產生裝置，設置於該第一層上且於該流體腔之相對侧； 一感測器，用以量測該第一層的厚度； 一第二層，形成於該第一層上，覆蓋該氣泡產生裝置與該感測器；以 一噴孔，鄰近該氣泡產生裝置且穿透該第二層與該第一層，且與該淀 體腔連通。 N 2.如申請專利範圍第1項所述之流體噴射裝置，其中該氣泡產生裝置係 電阻加熱器。 ^ $ 括： 3.如申請專利範圍第2項所述之流體噴射裝置，其中該電阻加 熱器包 用 一第一加熱器，以位於該流體腔外的方式設置於該第一層表面上 以在該流體腔内產生一第一氣泡；以及 曰、 -第二加熱器’以位於該流體腔外的方式設置_第—表面上血 胃第-加締㈣側’用以在該流體 第 二氣泡以將該流體腔内之流體射出。 n乐 第一層係低應力 4·如申請專利範圍第1項所述之流體噴射裳置，其中該 氮化矽。 ^ 電5容如申請專利範圍第！項所述之_噴射裳置，其中該感測器包括至少 電阻與該至少 6.如申請專利範圍第5項所述之流體噴射裝置，更包括一 電容串聯。 " 電容包括複數個 7·如申請專利範圍第5項所述之流體噴射裝置，其中該 電容單元並聯組成。 "^ 〇535-A20465TW(N2)；A03738 ' A03624；JAMNGWO 17