TWI436901B - 靜電致動器及製造方法 - Google Patents

Description

靜電致動器及製造方法 發明背景

本案所請求之標的係與一種可以用於噴墨印刷作用中之靜電致動器有關。

在製造靜電致動式噴墨列印頭之傳統方法中，蝕刻作用通常被用來控制重要的尺寸，其包括有該導電膜的厚度以及在該控制導體與導電膜之間的靜電間隙之寬度。傳統方法也需要矽基材來支持摻雜植入物，並使用其他的半導體加工材料。

圖式簡要說明

第1圖係為一例示說明噴墨列表機之一具體例的方塊圖。

第2A與2B圖係為例示說明一靜電列印頭的一具體例之動作元件之簡化剖視圖。第2A圖顯示該致動器係處於一其中該墨水通道係被擴大之撓曲位置中。第2B圖顯示該致動器係處於一其中該墨水通道係被收縮之未撓曲位置中。

第3圖係為依據本揭示內容之一具體例來架構之靜電列印頭的一透視圖。

第4圖係為在第3圖中所顯示之該列印頭具體例的分解圖。

第5A－16A圖係為橫向剖面圖而第5B－16B圖係為縱向剖面圖，其等例示說明用於製造例如在第3和4圖中所顯示者之靜電列印頭的方法之具體例。

發明詳述

本揭示內容之具體例係被加以研發來改良用於製造靜電噴墨列印頭的方法。該等具體例省略一需要矽基材之製程與材料，並且去除蝕刻作用以控制該靜電間隙之該寬度。參照噴墨列印作用來加以描述之該揭示內容的具體例，並未被侷限於噴墨印刷作用。其他的形式、細節以及具體例都可以被進行與實施。因此，下列的說明不應該被解釋為係用於侷限該揭示內容之範圍，其應係被界定於隨附於本發明說明之後的申請專利範圍中。

第1圖係為一例示說明一包括有一列印頭14之陣列12、一墨水供給源16、一印刷媒介傳送機構18以及一電子列表機控制器20的噴墨列表機10之方塊圖。在第1圖中之列印頭陣列12通常代表數個列印頭14，以及用於將墨滴噴射至一張或一條印刷媒介22上之相關的機械與電氣元件。靜電噴墨列印頭14可以包括有每個均與一對應之墨水通道相連之一或更多墨水噴射口。由導體所產生之靜電力會快速地來回地撓曲該墨水通道之一側壁，以交替地將該墨水通道擴大與收縮而通過對應的噴射口來噴射墨滴。(墨水噴射口一般也被稱為墨水噴射噴嘴)。在運作時，列表機控制器20會選擇性地將在一列印頭中或是列印頭群組中之導體 以適當的順序來通電，而將係為對應於所欲之列印影像的圖案以墨水噴射在媒介22上。

列印頭陣列12和墨水供應源16可以被裝設成單一單元或者其等可以包含有分離的單元。列印頭陣列12可以是一越過印刷媒介22之該寬度的固定之較大單元(具備或不具備供給源16)。或者，列印頭陣列12可以是一在一可動機台上來回地越過印刷媒介22之該寬度方方而進行掃瞄之較小單元。媒介傳輸器18會將列印媒介22縱長地輸送通過列印頭陣列12。對於一固定式列印頭陣列12而言，媒介傳輸器18可以連續地將媒介22向前輸送越過該陣列12。對於一掃瞄式列印頭陣列12而言，媒介傳輸企18可以逐漸地將媒介22向前輸送越過該陣列12，其會在每一列印條被印刷時停止然後將媒介22前進以印刷下一個列印條。控制器20可以自一部電腦或是其他主機裝置24接收列印資料，並在有需要時，將該資料加工處理為列表機控制資訊與影像資料。控制器20可以控制該機台以及媒介運輸器(如果有的話)18之運動。如上文所說明的，控制器20係被電氣地連接至列印頭陣列12以使得該導體通電，而將墨滴噴射在媒介22上。藉由以墨滴噴射作用來協調陣列12與媒介22之相對位置，控制器20會在媒介22上依據自主機裝置24所接收的列印資料來產生所需之影像。

第2A與2B圖係為例示說明一靜電列印頭26的一具體例之動作元件之簡化剖視圖，例如可以被用來作為被顯示於第1圖中之該列表機10的陣列12中之一列印頭14 者。舉例來說，在一台大型噴墨列表機中之該列印頭陣列，可以包含有數百或數千個之個別的列印頭26。第2A圖顯示一處於撓曲位置中之靜電致動器28，其中該墨水噴射腔室30係被擴大。第2B圖顯示一處於未撓曲位置中之致動器28，其中該墨水噴射腔室30係被收縮以噴射一墨滴。致動器28包括有一MEMS(微機電系統)電容器，其中該電容器之一導體係附接於墨水通道30之可撓性膜/外壁，而另一個/相對的導體係附接於一硬質基材的一部份。一越過該等導體而施加之可變電壓訊號係，係交替地將該薄膜拉向該導體基材並將該薄膜釋放而彈回最初的位置，以通過一噴射口32而泵送墨水。

參照第2A與2B圖，致動器28包括有一沿著致動器基材36之第一、非可撓曲導體34，以及一可操作地連接至墨水通道噴射腔室30之可撓性外壁40的可撓曲導體38。可撓性外壁40有時係被稱為一薄膜或是一振動板。導體38係"可操作地連接"至外壁40係指導體38係被附接或者逼迫，以使得在導體38中之形變會在外壁40中產生一對應形變。導體34和38係彼此相對而沿著墨水通道噴射腔室30延伸越過電容/靜電間隙42。非撓曲導體34本身可以是可撓性的或不可撓性的。如果導體34係為可撓性的，那麼其將會被附接於基材36或是其他適當的支持物，以達到所需之硬度。可撓性外壁40的延伸程度及/或導體38覆蓋外壁40之程度可以依據腔室30之其他特性而改變。然而，可撓性外壁40係被預期，通常將會實質上延伸至噴射腔室30之整個長 度並跨越實質上整個寬度，而導體38通常將會實質上覆蓋外壁40之所有的可撓性部分。

"控制"導體34係被連接至一以訊號線46所指示之訊號產生器或是其他適當的電壓源44。導體38係被維持在一基礎電壓下。在該等二個導體34和38之間產生一越過間隙42之電壓差，以形成可以被用來將導體38與對應外壁40來回地撓曲之靜電力，以交替地將噴射腔室30擴大與收縮短。以所欲之態樣來改變該電壓差的大小或調整控制信號的頻率可以控制墨滴通過噴射口32之噴射作用。任何適當的驅動電路以及控制系統都可以被用來形成所需要之力量。該所顯示的驅動電路僅係一範例結構。其他之結構也是可行的。舉例來說，可變化電壓可以通過一連接至每個導體34和38之獨立訊號產生器而施加至每個導體34,38。因此，在此一文件中所使用的，導體係被"可操作地連接"至一電壓來源，代表其係以一種可以在該等導體之間被產生電壓差的方式來連接，其特別是包括有但限於上述之連接作用。

第3和4圖係分別為依據本揭示內容之一具體例來架構的靜電列印頭48的一透視圖與分解圖。參照第3和4圖，列印頭48係為一種由一附接於薄膜/墨水通道結構52的一側之導體結構50，以及一附接於該膜結構52的另一側之噴射口板54。導體結構50、薄膜結構52以及噴射口板54係被分別地製造，然後結合在一起或者彼此附接以形成列印頭48。薄膜結構52本身係為一包括有四個主要元件之複合 結構－－一墨水歧管56、"被動"導體片58、一薄膜60以及一電容間隙分隔器62。

導體結構50也是一種複合結構，其包在一被形成於適當基材68上之"控制"導體66。導體片58會形成列印頭48中之該MEMS電容器的電容器導體中之一者，而導體66會形成另一個電容器導體。在大多數的列印頭48應用中，一般都預期導體片58將會被維持於一接地電壓下而每個導體66的電壓都會被改變以使得薄膜60撓曲/振動(此一電氣結構係被顯示於第2A與2B圖)。針對此一電氣結構，導體片58可以被描述為該電容器被動導體而導體66則為電容器控制導體。其他的結構是可行的。舉例來說，其可以使用一個別獨立被動導體而非如第4圖所示之一形成每個被動電容器導體的連續導電片。同時，這些導體並不需要是被動的。也就是說，每個電容器之兩個導體都可以被連接至一訊號產生器或是其他的適當電壓來源萊改變被施加至每個導體之電壓。

一有時被稱為通孔之穿過墨水歧管56的孔洞70會使得導體片58暴露以連接至一接地電壓。有時也會被稱為通孔之通過薄膜結構52的孔洞72，會使得導體66暴露以連接至一訊號產生器。在所顯示的具體例中，在墨水歧管56中形成有三個通道74。在噴射口板54中之一墨水噴射口76(也被稱為一噴嘴)係位於每個墨水通道74的前端。如其所顯示的，噴射口板58可以具有凹槽來為每個墨水通道74增加深度。同樣地，每墨水通道74的末端都可以具有凹槽來 為每個噴射口76增加深度。上述所謂的"邊緣噴射"之替代方式可以使用一種所謂的"表面噴射"，其中該墨水噴射口76可以如在第4圖中以虛線來指示之噴射口76'被形成於噴射口板54之表面。

第5A－16A圖係為橫向剖面圖而第5B－16B圖係為縱向剖面圖，其等例示說明用於製造例如在第4圖中所顯示之靜電列印頭的方法之具體例。第5A－8A和5B－8B圖顯示製備一導體結構50之步驟順序。第9A－12A和9B－12B圖顯示部份地製備一薄膜結構52之步驟順序。第13A－16A和13B－16B圖顯示組合此等二個結構50和52、完成薄膜結構52以及添加一噴射口板54之步驟順序。雖然其僅顯示單一列印頭48元件之形成作用，但是許多的此等列印頭元件可以被同時地形成於一晶圓或是連續基材材料片上，而該等個別的列印頭係被依序自該晶圓或材料片上切割出來。

首先參照第5A與5B圖，舉例來說，一薄絕緣層78係藉由在基材80的表面上沈積或生長一氧化物而被形成於基材80在兩側上。雖然在傳統的靜電列印頭製造過程中基材80可以是一矽晶圓，但是在下列的製造步驟中其並不一定要為一矽晶圓。結果，舉例來說，基材80可以是一玻璃晶圓或連續玻璃片。玻璃以及其他適當之非矽材料通常可以是一較佳的基材材料以減低成本並改善可擴充性－－晶圓加工作用係受限於模組/批次製程，而連續材料片則不會。參照第6A與6B圖，一鋁銅(AlCu)合金層或是另外之適當的導電性材料係被沈積或是被另外形成於基材80的一側 邊上之絕緣層78上。該導電層係藉由例如將該導電層圖案化與蝕刻而選擇性地移除以形成控制導體66。一氧化物或是其他的可以選擇性地相對於該導電層而蝕刻之此等絕緣層78係為較佳的，因為其可用來作為此一導體蝕刻作用之蝕刻中止層。

積體電路的形成通常包括有微影光罩與蝕刻作用。此一製程序包含有產生一包括欲被形成之元件的圖案之微影光罩，將該結構以一被稱為光阻之光敏感材料來塗覆，將該以光阻塗覆之晶圓暴露於通過光罩之紫外線光下以將部份的該光阻軟化或硬化，依據所被使用者為正型或負型光阻來移除該光阻被軟話之部份，蝕刻移除該材料而留下未被光阻所保護之部份並剝除剩餘的光阻。此一微影印光罩與蝕刻製程在此係被稱為"圖案化與蝕刻作用"。雖然一般預期該材料之選擇性移除作用可以典型地藉由圖案化與蝕刻作用而達成，其他之選擇行移除製程也可以被使用。因此，在所描述與顯示之範例製程中所參考之圖案化與蝕刻作用，不應該被解釋為會侷限在本說明之後的該申請專利範圍中所使用之材料的選擇性移除作用。

參照第7A與7B圖，薄絕緣層82可以被形成在導體66上。雖然絕緣層82係被期望通常係藉著運用一四矽酸四乙酯低溫化學氣相沈積(TEOS)製程來沈積二氧化矽，其也可以使用其他適當的材料與製程。舉例來說，絕緣層82係藉由化學機械研磨作用來平面化以提供一平坦的、平滑表面，以將導體結構50結合至薄膜結構52。絕緣層82係被 圖案化並如第8B圖所示的加以蝕刻，以在接觸開口72暴露導體66並完成導體結構50。

現在參照第9A與9B圖，一鉭層或另一適當的導電性材料可以被沈積或是另外形成於一基材84在一側邊上兒而形成導電片58。再一次，雖然在傳統的靜電列印頭製造過程中基材84可以是一矽晶圓，但是在下列的製造步驟中其並不一定要為一矽晶圓。結果，舉例來說，基材84可以是一玻璃或其他非矽晶圓或薄片。結果，基材8可以是一個玻璃或其他的非矽的張。舉例來說，如果其使用一例如不銹鋼之導電性基材84，那麼一絕緣層係首先在被沈積導電片58之前被形成於該基材84上。參照第10A與10B圖，一蝕刻中止層86係被形成在導體片58上而一間隔件88則被形成於該蝕刻中止層86上。參照第11A與11B圖，間隔件88係被圖案化並加以蝕刻以在該撓曲的與未撓曲的電容器導體58和66之間形成靜電/電容間隙90(第13A與13B圖)，並在該可撓性膜60和接觸開口的位置處將蝕刻中止層86暴露至控制導體66。在該等所顯示的具體例中，薄膜60包含有包括有部份的導體片58與蝕刻中止層86之薄膜"層堆"。

與傳統製程不同處在於該導電膜的厚度係藉著植入一矽基材內之摻雜物與矽蝕刻作用所控制，薄膜60的厚度係藉著導體片58與蝕刻中止層86的該沈積作用來控制。該被用來形成蝕刻中止層86與間隔件88之材料係可以彼此相對地選擇性蝕刻，因而蝕刻中止層86係實質上不會被用來移除在該等間隙位置之間隔件88的蝕刻作用所穿 透。在此一方式中，該間隙之寬度係由間隔件88的寬度/厚度所控制。因此，該薄膜的厚度與該間隙的寬度係由沈積製程所控制，而非植入或蝕刻製程。至少在維持沈積厚度相對於植入深度或蝕刻深度上，沈積製程係典型地比植入與蝕刻製程更容易控制。間隔件88也會提供用來將薄膜結構52結合至導體結構50之結合表面。在一TEOS氧化物結合層82已經被形成在導體結構50上時，一TEOS氧化物間隔件88將會在薄膜導體結構52上提供一良好的搭配結合表面。舉例來說，臭氧氧化物或是其他介電物質也可以被用來形成間隔件88。因此，一位在TEOS氧化物間隔件88下方的氮化物蝕刻中止層86，將會在蝕刻該氧化物間隔件88時提供所需要之障壁。一TEOS氧化物間隔件88也是所欲的，因為TEOS氣相沈積製程可以為間隔件88之厚度提供良好的控制效果。

現在參照第12A與12B圖，該蝕刻中止層86與導電片58層堆係被圖案化與蝕刻，以在接觸開口72的位置處將基材84暴露至控制導體66。所產生之加工中薄膜結構92然後可以結合至導體結構50。第13A－16A與13B－16B圖顯示組合導體結構50與加工中薄膜結構92、完成薄膜結構52以及添加一噴射口板54之步驟順序。參照第13A與13B圖，導體結構50與加工中薄膜結構92係例如藉著將導體結構50之TEOS氧化物絕緣層82，電漿結合至加工中薄膜結構92之TEOS氧化物取間隔件88而彼此附接。舉例來說，任何可以被使用之適當的結合技術包括有陽極結合與擴散結合技 術。如果有需要，該薄膜結構基材84之暴露部份係如第14A與14B圖所示，被研磨至一對應於墨水通道74之該所欲厚度。參照第15A與15B圖，基材84然後被圖案化並加以蝕刻以形成墨水通道74與研磨通孔70並完成通至控制導體66之通孔72的形成，因而完成薄膜結構的形成52。最後，如第16A與16B圖所示一由不銹鋼或另一適當的材料所製成之噴射口板54，係被結合至該薄膜結構52的暴露側邊以完成列印頭48。噴射口板54會覆蓋每個墨水通道74以形成一墨水噴射腔室94(但是其未覆蓋通孔70和72)。

上述之各種不同層次與元件之特定尺寸可以依據該列印之應用而改變。然而，針對一用於陣列12(第1圖)中之靜電噴墨列印頭48的其中該陣列包括有數百個列印頭之非常大的型式列印應用而言，下列係為600dpi(每吋列印點數)的解析度之列印頭中的一些元件之標準尺寸的範例48。每個墨水通道74以及對應薄膜60均係寬約30微米。該靜電間隙90與薄膜60每個之厚度係約為200奈米(導電片58之厚度係大約為100奈米而一氮化物蝕刻中止層之厚度則大約為100奈米)。在每個墨水通道30中之噴射腔室94的深度係大約為200微米(其包括在被形成於結構50和52兩者中之部份)。

如在此一文件中所使用的，在另一部件"之上"形成一部件並不一定係代表在另一部件上面形成一部件。一形成於第二部件之上的一第一部件，將代表該第一部件係依據該等部件之方位而形成於該第二部件的上方、下方及/或側邊。同時， "之上"係包括在一第二部件上形成一第一部件，或是在該第二部件上方、下方及/或側邊形成該第一部件，而在該第一部件和第二部件之間具有一或更多之其他的部件。

如同在本發明說明最初所說明的，在該等圖式中所顯示並描述於上文中的典型具體例，例示說明了但是並未侷限制本案之揭示內容。其他的形式、細節以及具體例可以被製造與實施。因此，前面的說明不應被解釋為係用於侷該揭示內容之範圍，其係被界定於隨後的申請專利範圍中。

10‧‧‧噴墨列表機

12‧‧‧陣列

14‧‧‧列印頭

16‧‧‧墨水供給源

18‧‧‧印刷媒介傳送機構

20‧‧‧電子列表機控制器

22‧‧‧媒介

24‧‧‧主機裝置

26‧‧‧靜電列印頭

28‧‧‧靜電致動器

30‧‧‧墨水噴射腔室

32‧‧‧噴射口

34‧‧‧導體

36‧‧‧致動器基材

38‧‧‧導體

40‧‧‧外壁

42‧‧‧間隙

44‧‧‧電壓源

46‧‧‧訊號線

48‧‧‧列印頭

50‧‧‧導體結構

52‧‧‧薄膜/墨水通道結構

54‧‧‧噴射口板

56‧‧‧墨水歧管

58‧‧‧被動導體片

60‧‧‧薄膜

62‧‧‧電容間隙分隔器

66‧‧‧導體

68‧‧‧基材

70‧‧‧孔洞

72‧‧‧孔洞

74‧‧‧墨水通道

76‧‧‧墨水噴射口

78‧‧‧薄絕緣層

80‧‧‧基材

82‧‧‧絕緣層

84‧‧‧導電性基材

86‧‧‧中止層

88‧‧‧間隔件

90‧‧‧靜電/電容間隙

92‧‧‧薄膜結構

94‧‧‧墨水噴射腔室

第1圖係為一例示說明噴墨列表機之一具體例的方塊圖。

第2A與2B圖係為例示說明一靜電列印頭的一具體例之動作元件之簡化剖視圖。第2A圖顯示該致動器係處於一其中該墨水通道係被擴大之撓曲位置中。第2B圖顯示該致動器係處於一其中該墨水通道係被收縮之未撓曲位置中。

第3圖係為依據本揭示內容之一具體例來架構之靜電列印頭的一透視圖。

第4圖係為在第3圖中所顯示之該列印頭具體例的分解圖圖。

第5A－16A圖係為橫向剖面圖而第5B－16B圖係為縱向剖面圖，其等例示說明用於製造例如在第3和4圖中所顯示者之靜電列印頭的方法之具體例。

48‧‧‧列印頭

50‧‧‧導體結構

52‧‧‧薄膜/墨水通道結構

54‧‧‧噴射口板

76‧‧‧墨水噴射口

Claims (12)

1. 一種製造一靜電致動器的方法，其包含有：在一第一基材上形成一第一導體以形成一第一結構；在一第二基材上形成一可撓性第二導體以形成一第二結構；在該第一導體上形成一蝕刻中止層(etch stop)以成為該第一結構的一部份，或是在該第二導體上作為該第二結構的一部份；在該蝕刻中止層上形成一間隔件，該間隔件可以相對於該蝕刻中止層而選擇性地加以蝕刻；在一介於該第一導體與該第二導體之間的間隙位置處，蝕刻穿越該間隔件至該蝕刻中止層；並且將該第一結構與該第二結構結合在一起，以使得該第一導體係越過該間隙而位在相對於該第二導體處。
2. 如申請專利範圍第1項的方法，其中在該蝕刻中止層上形成一間隔件的步驟包含有在該蝕刻中止層上沈積一可以相對於該蝕刻中止層而選擇性蝕刻之材料。
3. 如申請專利範圍第1項的方法，其中在該第一導體上或在該第二導體上形成一蝕刻中止層的步驟，包含有在該第二導體上形成一作為該第二結構的一部份之蝕刻中止層。
4. 如申請專利範圍第1項的方法，其中：在該第一導體上或在該第二導體上形成一蝕刻中 止層的步驟，包含有在該第一導體上或在該第二導體上形成一氮化物層；並且在該蝕刻中止層上形成一間隔件的步驟包含有在該氮化物層上沈積一氧化物層。
5. 如申請專利範圍第1項的方法，其中在一第二基材上形成一第二導體的步驟，包含有在該第二基材上沈積一第二導體。
6. 如申請專利範圍第1項的方法，其中在一第二基材上形成一可撓性第二導體的步驟，包括有在將該第一結構結合至該第二結構之後，選擇性地在介於該第一導體與第二導體之間的該間隙位置處移除該第二基材。
7. 如申請專利範圍第1項的方法，其中在一第一基材上形成一第一導體的步驟，包含在該第一基材上形成一經絕緣的第一導體。
8. 如申請專利範圍第7項的方法，其中在一第一基材上形成經絕緣的第一導體之步驟，包含有在該第一基材上形成一第一氧化物層、在該第一氧化物上形成該第一導體，並且在該第一導體上形成一第二氧化物層。
9. 一種製造用於自數個腔室噴射流體之靜電致動器的方法，其包含有：在一第一基材上形成數個第一導體以形成一第一結構；在一第二基材上形成一第二導體以形成一第二結構； 在該等第一導體上形成一蝕刻中止層以成為該第一結構的一部份，或是在該第二導體上作為該第二結構的一部份；在該蝕刻中止層上形成一間隔件，該間隔件可以相對於該蝕刻中止層而選擇性地蝕刻；在介於每個該等第一導體與該第二導體之間的間隙位置處，蝕刻穿越該間隔件至該蝕刻中止層；將該第一結構與該第二結構結合在一起，以使得每個該等第一導體係越過一間隙而位在相對於該第二導體處；選擇性地在每個間隙位置處移除該第二基材，以沿著相對於對應的第一導體之該第二導體的一側形成一通道；並且以一第三結構來覆蓋每個通道以形成每個都在其中具有一噴射口之數個腔室，流體可以通過該噴射口而自該腔室來噴射。
10. 如申請專利範圍第9項的方法，其中在一第二基材上形成一第二導體的步驟包含有沈積一單一的第二導體，其在該第一結構與該第二結構被結合在一起時會與每個該等第一導體重疊。
11. 如申請專利範圍第10項的方法，其中沈積一單一第二導體的步驟包含有沈積一係為導電性材料的連續薄片，其在該第一結構與該第二結構被結合在一起時會與每個該等第一導體重疊。
12. 如申請專利範圍第9項的方法，其中選擇性地在每個間隙位置處移除該第二基材，以沿著相對於對應的第一導體之該第二導體的一側形成一通道的步驟，係於該第一結構與該第二結構被結合在一起之後才進行。