TWI492852B

TWI492852B - 抗龜裂之熱彎曲致動器

Info

Publication number: TWI492852B
Application number: TW098128504A
Authority: TW
Inventors: Gregory John Mcavoy; Vincent Patrick Lawlor; Ronan Padraig Sean O'reilly
Original assignee: Memjet Technology Ltd
Priority date: 2009-08-25
Filing date: 2009-08-25
Publication date: 2015-07-21
Also published as: TW201107145A

Description

抗龜裂之熱彎曲致動器

本發明關於微機電系統(MEMS)裝置的領域，特別是關於噴墨列印頭。硏發該等噴墨列印頭主要用於改善熱彎曲致動器在微機電系統製造期間和作業期間的堅固耐用性。

本案申請人先前已描述使用熱彎曲致動之微機電系統噴墨噴嘴的噴墨過多之問題。熱彎曲致動通常意指由電流通過一種材料，然後該材料的熱膨脹相對於另一材料所產生的彎曲運動。結果的彎曲運動可用於從噴嘴的開口噴射墨水，選擇性地經由輪葉或葉片的運動來噴射墨水，因為該運動會在噴嘴腔室內產生壓力波。

本案申請人的第US6416167號美國專利(其內容併入本案做參考)描述的噴墨噴嘴，具有設於噴嘴腔室內的輪葉和設於噴嘴腔室外部的熱彎曲致動器。致動器採取傳導材料之下主動樑(例如氮化鈦)融合至非傳導材料之上被動樑(例如二氧化矽)的形式。致動器經由一臂部而連接至輪葉，該臂部容置並穿過在噴嘴腔室之壁中的槽。當電流通過下主動樑時，致動器向下彎曲，結果輪葉朝向噴嘴開口運動，該噴嘴開口界定在噴嘴腔室的頂部，藉此噴射墨水液滴。此設計的優點是其結構的簡單性。此設計的缺點在於：輪葉的兩面須對抗噴嘴腔室內側相對黏性的墨水而工作。

申請人之第US6260953號美國專利(茲將其內容併入本案作參考)描述一種噴墨噴嘴，其中的致動器形成噴嘴腔室的運動頂部。致動器採用聚合體材料包覆傳導材料之螺旋形芯部的形式。當致動時，致動器朝向噴嘴腔室的底部彎曲，增加腔室內的壓力，並迫使墨水液滴流出噴嘴開口，該噴嘴開口界定在腔室的頂部中。該噴嘴開口界定在該腔室頂部之非運動部分中。此設計的優點是運動頂部的一面必須對抗噴嘴腔室內側相對黏性的墨水工作。此設計的缺點在於：聚合體材料包覆螺旋形傳導性元件之致動器構造，難以達成微機電系統的製程。

申請人的第US6623101號美國專利(茲將其內容併入本案作參考)描述一種噴墨噴嘴，其包含具有可運動頂部的噴嘴腔室，該頂部具有界定在其內的噴嘴開口。可運動頂部經由一臂部連接至設置在噴嘴腔室外部的熱彎曲致動器。致動器採用上主動樑和下被動樑間隔開的形式。藉由將主動樑和被動樑間隔開，熱彎曲效率會最大化，因為被動樑不能做為主動樑的散熱器。當電流一通過主動樑時，具有噴嘴開口界定在其內的可運動頂部，被朝向噴嘴腔室的底部轉動，藉此噴射穿過噴嘴開口。因為噴嘴開口隨著頂部而運動，所以藉由適當修飾噴嘴邊緣的形狀，可控制液滴飛行的方向。此設計的優點是運動頂部只有一個面必須對抗噴嘴腔室內側相對黏性的墨水工作。另一個優點是藉由將主動樑構件和被動樑構件間隔開來，以使熱損失最小化。此設計的缺點在於：喪失間隔開來之主動樑構件和被動樑構件的構造剛性。

申請人的第US2008/0129795號美國專利公開申請案(茲將其內容併入本案作參考)描述一種噴墨噴嘴，其包含具有可運動頂部的噴嘴腔室，該頂部具有界定在其內的噴嘴開口。該可運動頂部包含熱彎曲致動器，用於朝向腔室的底部運動可運動頂部。用於改善致動器之效率的各種裝置已被描述了，包括使用多孔性的二氧化矽於致動器的被動層。

需要改善熱彎曲噴墨噴嘴的設計，以獲得更有效率的液滴噴射和改善的機構堅固耐用性。從噴墨噴嘴的作業特性和其製造兩個觀點而言，機構堅固耐用性是重要的因素。製造時需要微機電系統製造步驟的順序，以便以高全程產量來提供列印頭積體電路。

在第一方面，提供一種熱彎曲致動器，包含：主動樑和被動樑；主動樑用於連接至驅動電路；被動樑和該主動樑機械式地耦合，使得當電流通過該主動樑時，該主動樑相對於該被動樑膨脹，導致該致動器彎曲；其中該被動樑包括第一層和第二層；該第一層包含氮化矽；該第二層包含二氧化矽，且位於該第一層和該主動樑之間。

本發明的熱彎曲致動器的優點包括堅固且抗龜裂，同時維持優良的熱效率。第一層的氮化矽提供抗龜裂，同時第二層的二氧化矽提供熱絕緣，其維持整體的高效率。由於主動樑和被動樑內不可避免的應力，所以龜裂是熱彎曲致動器內的問題，特別是被動樑。通常由二氧化矽形成被動樑，二氧化矽具有良好的熱絕緣性質。藉由使用本文所描述的雙層被動樑，本發明解決龜裂問題。

選擇性地，該第一層比該第二層還厚。第一層的氮化矽可為第二層的二氧化矽厚2至20倍，選擇性地厚8至20倍。

選擇性地，該第一層比該第二層至少厚兩倍，選擇性地至少厚四倍，或選擇性地至少厚八倍。

選擇性地，該第二層的厚度在0.01和0.5微米的範圍內，選擇性地在0.02和0.3微米的範圍內，選擇性地在0.05和0.2微米的範圍內，或選擇性地為約0.1微米。

選擇性地，該第一層的厚度在0.05和5.0微米的範圍內，選擇性地在1.0和2.0微米的範圍內，或選擇性地為約1.4微米。

選擇性地，該主動樑的厚度在0.05和5.0微米的範圍內，選擇性地在1.0和3.0微米的範圍內，選擇性地在1.5和2.0微米的範圍內，或選擇性地為約1.7微米。

選擇性地，該主動樑經由一對電性接點連接至該驅動電路，該對接點位在該致動器的一端。

選擇性地，藉由沉積製程，該主動樑被融合至該被動樑。

選擇性地，該主動樑包含傳導性熱彈性材料，該材料選擇性地選自一群組，該群組由氮化鈦、氮化鈦鋁、和鋁合金組成。

選擇性地，該主動樑包含釩鋁合金。

在第二方面，提供一種噴墨噴嘴組合體，包含：噴嘴腔室，具有噴嘴開口和墨水入口；和熱彎曲致動器，用於噴射墨水經過該噴嘴開口。該致動器包括：主動樑和被動樑；主動樑用於連接至驅動電路；被動樑和該主動樑機械式地耦合，使得當電流通過該主動樑時，該主動樑相對於該被動樑膨脹，導致該致動器彎曲；其中該被動樑包括第一層和第二層；該第一層包含氮化矽；該第二層包含二氧化矽，且位於該第一層和該主動樑之間。

除了上文關於第一方面所討論的優點以外，第二方面之噴墨噴嘴組合體的其他優點為：第二層的氮化矽示對噴嘴腔室內所含之液體的滲漏阻礙物。因此含水離子部能穿過被動樑而溶出，且不能污染主動樑。該污染會導致噴嘴故障。從熱墨水溶出含水離子，已被本申請案證明是熱彎曲致動器的故障機制，該致動器具有只由二氧化矽製成之被動樑。

選擇性地，該噴嘴腔室包括底部和頂部，該頂部具有運動部分，藉此，該致動器的致動將該運動部分朝向該底部運動。

選擇性地，該運動部分包括該致動器。

選擇性地，相對於該噴嘴腔室的該底部，該主動樑設在該被動樑的上表面上。

選擇性地，該噴嘴開口被界定在該運動部分中，使得該噴嘴開口可相對於該底部運動。

選擇性地，該致動器可相對於該噴嘴開口運動。

選擇性地，以聚合材料塗覆該頂部，該聚合材料例如本文構詳細描述之聚合矽氧烷。

在第三方面，提供一種噴墨列印頭，包含複數噴嘴組合體，每一噴嘴處合體包括：噴嘴腔室，具有噴嘴開口和墨水入口；和熱彎曲致動器，用於噴射墨水經過該噴嘴開口。該致動器包含：主動樑和被動樑；主動樑用於連接至驅動電路；被動樑和該主動樑機械式地耦合，使得當電流通過該主動樑時，該主動樑相對於該被動樑膨脹，導致該致動器彎曲。其中該被動樑包括第一層和第二層；該第一層包含氮化矽；該第二層包含二氧化矽，且位於該第一層和該主動樑之間。

在第四方面，提供一種微機電系統裝置，包含一或更多熱彎曲致動器，每一熱彎曲致動器包括：主動樑和被動樑。主動樑連接至驅動電路；被動樑和該主動樑機械式地耦合，使得當電流通過該主動樑時，該主動樑相對於該被動樑膨脹，導致該致動器彎曲。其中該被動樑包括第一層和第二層；該第一層包含氮化矽；該第二層包含二氧化矽，且位於該第一層和該主動樑之間。

此等微機電系統裝置的例子包括晶片實驗室(LOC)閥和晶片實驗室泵(如同申請人之第12/142779號美國申請案中所述)、感測器、開關等。熟悉技藝人士充分瞭解包含有熱彎曲致動器之微機電系統裝置的液體過多之問題。

在第五方面，提供製造熱彎曲致動器的方法，該方法的步驟包括：(a)沉積第一層至犧牲支架上，該第一層包括氮化矽；(b)沉積第二層至該第一層上，該第二層包括二氧化矽；(c)沉積主動樑層至該第二層上；(d)蝕刻該主動樑層、第一層、和第二層，以界定該熱彎曲致動器，該熱彎曲致動器包括主動樑和被動樑，該被動樑包括該第一層和第二層；和(e)藉由移除該犧牲支架，而釋出該熱彎曲致動器。

選擇性地，該犧牲支架包括光阻劑或聚醯亞胺。

選擇性地，藉由氧化的電漿移除犧牲支架，在該技藝中稱為「灰化(ashing)」。使用氧(O₂ )電漿、氧/氮(O₂ /N₂ )電漿、或任何其他氧化的電漿，可達成灰化。

選擇性地，在釋出熱彎曲致動器以後，被動樑中的殘留應力主要存在於第一層內。

選擇性地，該方法形成用於噴墨噴嘴組合體之微機電系統製造製程的至少一部分。

選擇性地，該第一和第二層界定噴嘴腔室的頂部。

選擇性地，該頂部包括運動部分，該運動部分包括熱彎曲致動器。

選擇性地，在釋出該熱彎曲致動器以前，先在頂部內界定噴嘴開口。

選擇性地，噴嘴開口界定在頂部的運動部分內。

選擇性地，在釋出該熱彎曲致動器以前，先以聚合材料塗覆頂部。

選擇性地，在釋出該熱彎曲致動器以前，先以金屬層保護聚合材料。

選擇性地，藉由旋轉製程將聚合材料塗覆在頂部上。

選擇性地，聚合材料為聚合矽氧烷，例如聚二甲基倍半矽氧烷、聚甲基倍半矽氧烷、或聚苯基倍半矽氧烷。

當然應瞭解，結合第一方面之熱彎曲致動器所描述的選擇性方面，可等同地應用至第二、第三、第四、和第五方面。

應瞭解本發明可和具有主動樑融合至被動樑之任何熱彎曲致動器一起使用。發現此等熱彎曲致動器使用在許多微機電系統裝置中，包括噴墨噴嘴、開關、感測器、泵、閥等。例如如同在第12/142779號美國案中所描述者，申請人已展示在晶片實驗室(lab-on-a-chip)裝置中使用熱彎曲致動器，該案的內容併入本文做參考。如同在本文所註明之交互參考專利案和專利申請案中所描述者，申請人也展示噴墨噴嘴之液體過多的問題。雖然微機電系統熱彎曲致動器可有許多不同的用途，但是本發明在本文將參考申請人之噴墨噴嘴組合體其中之一做描述。當然應瞭解，本發明不限於此特定的裝置。

圖1至13顯示申請人較早之第2008/0309728號美國專利案中所描述之用於噴墨噴嘴組合體100的微機電系統之製造步驟的順序，該案的內容併入本文做參考。圖12、13所示之已完成的噴墨噴嘴組合體100使用熱彎曲致動器，藉此，頂部的運動部分朝向基板彎曲，導致噴射墨水。

製造微機電系統的開始點是標準的CMOS晶圓，該CMOS晶圓具有形成在矽晶圓上部的CMOS驅動電路。在微機電系統製造製程的末端，將該晶圓切割成個別的列印頭積體電路，且每一積體電路包含驅動電路和複數噴嘴組合體。

如圖1和2所示，基板101具有形成在其上部的電極102。電極102是一對相鄰電極(正極和接地)其中之一，用於供給電力至噴墨噴嘴100的致動器。電極接受來自CMOS驅動電路(未示)的電力，該CMOS驅動電路在基板101的上層。

圖1和2所示之另一電極103是用於供給電力至相鄰的噴墨噴嘴。圖式大致顯示用於噴嘴組合體的微機電系統製造步驟，該噴嘴組合體是一陣列噴嘴組合體其中之一。下列的描述聚焦在這些噴嘴組合體其中之一噴嘴組合體的製造步驟。但是當然應瞭解：對應的步驟可同時實施於形成在晶圓上的各噴嘴組合體。圖式中顯示相鄰噴嘴組合體的一部分，此是為了本發明的目的而忽略另一部分。因此，本文不詳細描述相鄰噴嘴組合體的電極103和全部特徵。事實上，為了清楚起見，一些微機電系統製造步驟未顯示在相鄰噴嘴組合體上。

在圖1、2所示之步驟順序中，首先在基板101上沉積8微米的二氧化矽層。二氧化矽的厚度界定噴墨噴嘴之噴嘴腔室105的深度。在沉積二氧化矽(SiO₂ )層以後，蝕刻該層以界定壁104，該等壁104將成為噴嘴腔室105的側壁。

如圖3、4所示，然後以光阻劑或聚醯亞胺106充滿噴嘴腔室105，該光阻劑於後續的沉積步驟當作犧牲支架。使用標準技術將聚醯亞胺106旋轉塗覆(spin)至晶圓上，紫外線硬化和/或烤硬(hardbaked)，然後經歷化學機械平面化停止在二氧化矽壁104的上表面。

在圖4、5、6中，形成高傳導性的連接器柱108和噴嘴腔室105的頂部構件107，該等連接器柱108向下延伸至電極102。如圖12、13所示，部分的頂部構件107被用於界定被動樑116，該被動樑116在完成的噴墨噴嘴組合體中用於熱彎曲致動器115。在申請人先前的噴墨噴嘴設計中，頂部構件107(和藉此之熱彎曲致動器的被動樑)是由二氧化矽製成。二氧化矽的熱傳導性不佳，此性質使得在致動期間傳輸離開熱彎曲致動器之主動樑的熱量最小化。藉由使用具有不好熱傳導性的被動樑，改善了裝置的整個效率。但是在微機電系統製造期間和已完成之噴墨噴嘴組合體的操作期間，二氧化矽容易受影響而龜裂。二氧化矽的另一缺點是其具有某些程度的含水離子(例如氯化物離子)滲透率，經由從噴嘴腔室中的熱墨水溶出(leach)含水離子，導致隨著時間的經過而污染主動樑層。此污染的機制會導致主動樑和熱彎曲致動器故障。非常不希望出現此故障。

相較於二氧化矽，氮化矽較不易受影響而龜裂，且允許較大範圍的殘留應力--壓應力和張應力兩者。氮化矽也完全不具滲透率，此性質能將經由從噴嘴腔室中的墨水溶出離子導致噴嘴故障最小化。但是氮化矽比二氧化矽的熱傳導性高很多，導致熱彎曲致動器的效率較差。因此儘管氮化矽比二氧化矽具有較佳的機械性質，但是通常不用氮化矽當作被動樑。

在本發明中，頂部構件107界定致動器完成品的被動樑。頂部構件107包含相對厚的氮化矽層131(約1.4微米)和相對薄的二氧化矽層130(約0.1微米)。暫時參考圖12，在完成的致動器115中，二氧化矽層130位於主動樑110和氮化矽層131之間。此配置改善了微機電系統的製造，因為當藉由移除犧牲聚醯亞胺或光阻劑106而「釋出(release)」致動器時，頂部構件107較不易受影響而龜裂，特別是頂部構件107界定熱彎曲致動器之被動樑的部分較不受影響。也改善了列印頭成品中之被動樑116和連續頂部構件107所界定之列印頭的噴嘴板的堅固耐用性，而不必明顯地折衷熱效率。再者，頂部構件107不會允許從熱墨水溶出任何的含水離子至熱彎曲致動器的主動樑。因此可瞭解：雙層被動樑改善了致動器的操作和致動器的製造。

現在回到圖5、6，在沉積雙層的頂部構件107以後，使用標準非等向性深活性離子蝕刻(DRIE)在壁104內形成一對通孔，且向下至電極102。此蝕刻經由個別通孔而暴露該對電極102。其次，使用無電式電鍍以例如銅的高傳導性金屬充滿通孔。已沉積的銅柱108遭受化學機械平面化(CMP)，停止在雙層頂部構件107上，以提供平坦構造。可看得到，在無電式銅電鍍期間所形成的銅連接器柱108碰到各電極102，以提供線性傳導路徑向上至頂部構件107。

在圖7、8中，藉由初始地沉積0.3微米的鋁層在雙層頂部構件107和連接器柱108上，而形成金屬墊109。可使用任何的高傳導性金屬(例如鋁、鈦等)，且該金屬應沉積約0.5微米或以下的厚度，以免太嚴重影響噴嘴組合體的整體平面度。金屬墊109位在連接器柱108上方且在頂部構件107的上面，且在熱彈性主動樑構件之預定「彎曲區域」中。

在圖9、10中，熱彈性主動樑構件110形成在雙層頂部107上方。藉由將部分的頂部構件107融合至主動樑構件110，該部分的頂部構件107當作機械熱彎曲致動器的下被動樑構件116之用，該致動器是由主動樑110和被動樑116所界定。熱彈性主動樑構件110可由任何適合的熱彈性材料製成，例如氮化鈦、氮化鈦鋁、和鋁合金。如同在申請人較早之第2008/0129793號美國案(茲將其內容併入做參考)所解釋者，釩鋁合金是較佳的材料，因為釩鋁合金組合高熱膨脹和低密度及高楊氏模數的有利性質。

為了形成主動樑構件110，藉由標準的電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)初始地沉積1.5微米傳導性熱彈性主動材料層。然後使用標準金屬蝕刻法蝕刻樑的材料，以界定主動樑構件110。在完成如圖9、10所示的金屬蝕刻以後，主動樑構件110包含部分的噴嘴開口111和樑元件112，該樑元件112經由連接器柱108電性地連接在正電極和接地電極102的每一端。平坦的樑元件112從第一(正)連接器柱108的頂部延伸，且彎曲180度回到第二(接地)連接器柱的頂部。

仍然參考圖9、10，設置金屬墊109的位置，以利在潛在性較高阻抗區域中的電流流動。一個金屬墊109位在樑元件112的彎曲區域，且位在主動樑構件110和被動樑構件116之間。其他的金屬墊109位在連接器柱108的頂部和樑元件112的端部之間。

參考圖11，將疏水性聚合物層80沉積至晶圓上，並以保護性金屬層90(例如100奈米的鋁)覆蓋疏水性聚合物層80。在適當的遮蔽以後，金屬層90、聚合物層80、和雙層的頂部構件107被蝕刻，以界定頂部之完整的噴嘴開口113和運動部分114。

運動部分114包含熱彎曲致動器115，熱彎曲致動器115本身包括主動樑構件110和下面的被動樑構件116。噴嘴開口113被界定在頂部的運動部分114內，所以在致動期間，噴嘴開口隨著致動器運動。如同第2008/0129793號美國案所述，噴嘴開口113相對於運動部分114呈靜止的結構也有可能，且也在本發明的範圍內。

圍繞頂部之運動部分114的周圍區域117將運動部分和頂部的靜止部分118分離。當致動器115致動時，此周圍區域117允許運動部分114彎曲進入噴嘴腔室105內和朝向基板101。疏水性聚合物層80填充周圍區域117，以提供頂部107之運動部分114和靜止部分118之間的機械性密封。聚合物具有充分低的楊氏模數，以允許致動器朝向基板101彎曲，同時防止墨水在致動期間從間隙117滲漏。

聚合物層80通常由聚合的矽氧烷構成，可使用旋轉(spin-on)製程將聚合的矽氧烷沉積成薄層(例如0.5至2.0微米)並烤硬(hardbaked)。合適之聚合材料的例子為：聚(烷基倍半矽氧烷)，例如聚(甲基倍半矽氧烷)；聚(芳基倍半矽氧烷)，例如聚(苯基倍半矽氧烷)；聚(二烷基矽氧烷)，例如聚二甲基矽氧烷。聚合材料可併入奈米顆粒，以改善其耐久性、抗摩耗性、抗疲勞性等。

在最終的微機電處理步驟中，且如圖12、13所示，蝕刻形成墨水供給通道120，從基板101的背側貫穿至噴嘴腔室105。雖然圖12、13中所示的墨水供給通道120對齊噴嘴開口113，但是墨水供給通道120也可形成在偏離噴嘴開口的位置。

在蝕刻墨水供給通道以後，藉由在氧化的電漿中灰化(ashing)，而移除已填注在噴嘴腔室105的聚醯亞胺106，且藉由氟化氫(HF)或過氧化氫(H₂ O₂ )清洗而移除金屬膜90，以提供噴嘴組合體100。

此領域的一般工作者可瞭解，如同所示的特定實施例，可對本發明做很多種改變修飾，而不會脫離已寬廣地描述之本發明精神和範圍。因此應從各方面考慮本實施例為例示性而非限制性。

80．．．(疏水性)聚合物層

90．．．(保護性)金屬層

100．．．噴墨噴嘴(組合體)

101．．．基板

102．．．電極

103．．．電極

104．．．壁

105．．．噴嘴腔室

106．．．光阻劑(聚醯亞胺)

107．．．頂部(構件)

108．．．連接器柱

109．．．金屬墊

110．．．主動樑(構件)

111．．．(部分的)噴嘴開口

112．．．樑元件

113．．．(完整的)噴嘴開口

114．．．運動部分

115．．．(熱彎曲)致動器

116．．．被動樑(構件)

117．．．周邊區域(間隙)

118．．．靜止部分

120．．．墨水供給通道

130．．．二氧化矽層

131．．．氮化矽層

上文藉由只做為例子並參考附圖的方式，描述本發明的選擇性實施例。附圖為：

圖1是在各步驟中的第一順序以後，局部製造之替代噴墨噴嘴組合體的側剖視圖，在該第一順序中，形成噴嘴腔室側壁；

圖2是圖1所示之局部製造噴墨噴嘴組合體的立體圖；

圖3是在各步驟中的第二順序以後，局部製造之噴墨噴嘴組合體的側剖視圖，在該第二順序中，以聚醯亞胺注滿噴嘴腔室；

圖4是圖3所示之局部製造噴墨噴嘴組合體的立體圖；

圖5是在各步驟中的第三順序以後，局部製造之噴墨噴嘴組合體的側剖視圖，在該第三順序中，形成連接器柱上達腔室頂部；

圖6是圖5所示之局部製造噴墨噴嘴組合體的立體圖；

圖7是在各步驟中的第四順序以後，局部製造之噴墨噴嘴組合體的側剖視圖，在該第四順序中，形成傳導性金屬板；

圖8是圖7所示之局部製造噴墨噴嘴組合體的立體圖；

圖9是在各步驟中的第五順序以後，局部製造之噴墨噴嘴組合體的側剖視圖，在該第五順序中，形成熱彎曲致動器的主動樑構件；

圖10是圖9所示之局部製造噴墨噴嘴組合體的立體圖；

圖11是在各步驟中的第六順序以後、在以聚合物層塗覆以後、在以金屬層保護以後、和在蝕刻噴嘴開口以後，局部製造之噴墨噴嘴組合體的側剖視圖；

圖12是在後側微機電系統處理和移除光阻劑以後，已完成之噴墨噴嘴組合體的側剖視圖；和

圖13是圖12所示之噴墨噴嘴組合體的切除立體圖。