TWI721652B - 用於列印頭之晶粒及其形成方法，及列印頭 - Google Patents

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安東尼 Ｍ 富樂
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Abstract

本文描述一種用於列印頭之晶粒。該晶粒包括設置於與該晶粒之縱軸平行之一直線中的許多流體進給孔，其中，該等流體進給孔經形成彼等穿過該晶粒的基板。該晶粒包括許多流體致動器，彼等靠該等流體進給孔以噴射從該等流體進給孔接收的流體。在該晶粒上的電路運作該等流體致動器，其中，連接在該等流體進給孔兩側上之電路的數條跡線設於在相鄰流體進給孔之間的數層中。

Description

用於列印頭之晶粒及其形成方法，及列印頭
本發明係有關於用於列印頭之晶粒。
作為流體噴射系統之一實施例的列印系統可包括列印頭，供給液態油墨至該列印頭的油墨供給器，與控制該列印頭的電子控制器。該列印頭通過複數個噴嘴或孔口噴射印刷流體的液滴於印刷媒體上。合適的印刷流體可包括用於二維或三維列印的油墨與藥劑。該等列印頭可包括製作於積體電路晶圓或晶粒上的熱或壓電列印頭。首先製造驅動電子設備及控制特徵，然後添加數條直行的加熱器電阻器(heater resistor)，以及最後添加例如由光可成像環氧樹脂形成的結構層且加工以形成微流體噴射器(microfluidic ejector)或微滴產生器(drop generator)。在某些實施例中，該等微流體噴射器排列成至少一直行或陣列，致使在列印頭與印刷媒體相對移動時，從孔口正確地依序噴射油墨造成字母或其他圖像列印於印刷媒體上。
依據本發明之一實施例，係特地提出一種用於列印頭之晶粒，其包含： 設置於與該晶粒之一縱軸平行之一直線中的複數個流體進給孔，其中，該等流體進給孔經形成彼等穿過該晶粒的一基板；複數個流體致動器，彼等靠近該等複數個流體進給孔以噴射從該等複數個流體進給孔接收的流體；與運作該等流體致動器的電路，其中，連接在該等複數個流體進給孔兩側上之電路的數條跡線設於在該等複數個流體進給孔的相鄰流體進給孔之間的數層中。
100:晶粒
102:流體致動器
104:流體進給槽
106:接墊
108:寬度
200:晶粒
202:次級積體電路或特殊應用積體電路(ASIC)
204:流體進給孔
206:流體致動器
208:熱電阻器
210:矽橋
212:縱軸
214:寬度
216:熱感測器
300:列印頭
302、304:晶粒
310:聚合物底座
314:槽
318:流體進給孔
320:噴嘴
322:實心分段
324:貫穿分段
400:列印機匣
402:接墊
404:殼體
406:柔性連接件
408:列印機接觸或接墊
500:部份
502:層
504:層/金屬1
506:層/金屬2
508:層或多晶矽跡線
510:邏輯電路
512:電源電路
514:熱感應式噴墨電阻器(TIJ)
516:層/金屬1
518:層/金屬2
602:跡線
604:FET
608:陣列
702:直線
704:鉭層
802:SU-8底漆
804:橫截面
806:矽層
808:場氧化物或FOX層
810:縱樑
812:第一電介質層
814:第二電介質層
816:鈍化層
818:鉭(Ta)層
820:SU-8
822:流動通道
824:鈕粒
826:鈕粒
900:方法
902-904:區塊
1000:方法
1002-1012:區塊
1100:方法
1102-1114:區塊
1200:示意圖
1202、1204:噴嘴
1206:中央流體進給區
1300:佈局
1302:數位電源匯流排/Vdd/Lgnd
1304:數位訊號匯流排/數位上至下路由
1306:感測匯流排
1308:邏輯電路
1310:基元
1402:電源條帶
1404:矽肋條
1502:匯流排
1504:基元邏輯電路
1506:解碼電路
1508:非揮發性記憶體元件/記憶體
1510、1512:FET
1514:共享電源(Vpp)匯流排
1516、1518:TIJ電阻器
1520:另一共享電源匯流排
1602:電路分段
1604:微機電系統(MEM)區
1702:重覆結構
1802:TIJ電阻器
2002:裂紋
2004:跡線
2006:部份
2200:方法
2202-224:區塊
Fx:FET
Rx:TIJ電阻器
描述一些實施例於以下的詳細說明且參考附圖，其中：圖1A圖示使用於列印頭的晶粒實施例；圖1B為該晶粒之一部份的放大圖；圖2A圖示使用於列印頭的的晶粒實施例；圖2B為該晶粒之一部份的放大圖；圖3A的繪圖圖示由裝入封裝化合物(potting compound)之黑色晶粒形成的列印頭實施例；圖3B的繪圖圖示使用顏色晶粒形成的列印頭實施例，它可使用於3種顏色的油墨；圖3C的橫截面圖圖示列印頭，其包括穿過實心分段及有流體進給孔之貫穿分段的裝上晶粒；圖4圖示包括在說明圖3B時所述之顏色晶粒的列印機匣；圖5的繪圖圖示一顏色晶粒實施例的一部 份，其圖示用來形成顏色晶粒的諸層；圖6A及圖6B的繪圖圖示該顏色晶粒，其圖示使顏色晶粒之邏輯電路連接至顏色晶粒電源側上之FET的多晶矽跡線實施例之近視圖；圖7A及圖7B的繪圖圖示該顏色晶粒，其圖示在流體進給孔之間的跡線之近視圖；圖8A及圖8B的電子顯微圖圖示在兩個流體進給孔之間的分段；圖9的加工流程圖圖示形成晶粒的一方法實施例；圖10的加工流程圖圖示使用複數個層形成晶粒上之組件的一方法實施例；圖11的加工流程圖圖示用於形成電路於晶粒上的一方法實施例，該晶粒具有耦合各在晶粒兩側上之電路的跡線；圖12示意圖示由4個基元組成之集合的實施例，被稱為四基元(quad primitive)；圖13的繪圖圖示數位電路的一佈局實施例，其展示用單組噴嘴電路可實現的簡化；圖14的繪圖圖示一黑色晶粒實施例，其展示跨槽路由對於能量及電源路由的影響；圖15的繪圖圖示用於顏色晶粒的一電路平面布置圖(circuit floorplan)實施例；圖16的另一繪圖圖示一顏色晶粒實施例； 圖17的繪圖圖示一顏色晶粒實施例，其圖示重覆結構；圖18的繪圖圖示一黑色晶粒實施例，其圖示該晶粒的整體結構；圖19的繪圖圖示一黑色晶粒實施例，其圖示重覆結構；圖20的繪圖圖示一黑色晶粒實施例，其圖示用於裂紋檢測的系統；圖21為黑色晶粒之一流體進給孔實施例的展開圖，其圖示路由於流體進給孔附近的裂紋檢測跡線；與圖22的加工流程圖圖示形成裂紋檢測跡線的一方法實施例。
列印頭使用具有例如微流體噴射器及微流體泵之流體致動器的晶粒形成。該等流體致動器可基於熱或壓電技術，且使用在此被稱為晶粒的長窄矽片形成。如本文所使用的，流體致動器為在晶粒上的裝置，其係迫使流體流出腔室且包括腔室及相關結構。在描述於本文的數個實施例中，有一種流體致動器稱為微流體噴射器，它在使用於列印或其他應用的晶粒中用作微滴噴射器或噴嘴。例如，在二維及三維列印應用和包括製藥、實驗室、醫學、生命科學及法醫學應用的其他高精度流體分配系統中，列印頭可用作流體噴射裝置。
列印頭的成本常取決於矽使用於晶粒的數量，因為晶粒及製程的成本隨著矽使用於晶粒的總量增加。相應地，藉由把機能移出晶粒到其他積體電路可形成成本較低的列印頭，這使得較小的晶粒成為有可能。
許多當前晶粒有在晶粒中間把油墨帶到流體致動器的油墨進給槽。油墨進給槽通常提供一屏障(barrier)以從晶粒之一側攜載訊號至晶粒的另一側，這常需要複製在晶粒兩側的電路，而進一步增加晶粒的尺寸。在此配置中，在油墨進給槽可稱為左邊或西方之一側上的流體致動器有與在油墨進給槽可稱為右邊或東方之反側上的流體致動器獨立的定址及電源匯流排電路。
描述於本文的實施例提供流體至微滴噴射器之流體致動器的新方法。在此方法中，油墨進給槽換成由靠近流體致動器沿著晶粒設置之流體進給孔組成的陣列。沿著晶粒設置的流體進給孔陣列在此可稱為進給區。結果，訊號可在流體進給孔之間路由穿過進給區，例如，從位在流體進給孔之一側的邏輯電路到位在流體進給孔之反側的列印電源電路，例如場效電晶體(FET)。在此這被稱為跨槽路由(cross-slot routing)。路由訊號的電路包括設於在相鄰油墨或流體進給孔之間的數層中的跡線。
如本文所使用的，晶粒的第一側與晶粒的第二側為晶粒與位在晶粒中央或附近之流體進給孔對齊的長邊。此外，如本文所使用的，流體致動器位在晶粒的正面上，且油墨或流體從在晶粒背面上的槽進給至流體進給 孔。因此，晶粒寬度的測量是從晶粒之第一側的邊緣到晶粒之第二側的邊緣。同樣，晶粒厚度的測量是從晶粒的正面到晶粒的背面。
該跨槽路由允許排除晶粒上的重複電路，這可減少晶粒的寬度，例如，150微米(μm)或更多。在某些實施例中，這可提供約450微米或約360微米或更少之寬度的晶粒。在某些實施例中，藉由跨槽路由來排除重複電路可用來增加晶粒上之電路的大小，例如，以增強較高價值之應用的效能。在這些實施例中，可增加電源FET、電路跡線、電源跡線及其類似者的尺寸。這可提供能夠有較高微滴重量的晶粒。相應地，在某些實施例中，晶粒可小於約500微米，或小於約750微米，或小於約1000微米。
也藉由利用流體進給孔所得到的效率來減少該晶粒從正面到背面的厚度。利用油墨進給槽的先前晶粒可能大於約675微米，然而利用流體進給孔的晶粒厚度可小於約400微米。晶粒的長度可約為10毫米(mm)，約20毫米，或約20毫米，這取決於設計所使用的流體致動器個數。晶粒的長度包括晶粒各端用於電路的空間，相應地，該等流體致動器佔據晶粒長度的一部份。例如，對於長約20毫米的黑色晶粒，該等流體致動器可佔據約13毫米，這是掃描帶長度(swath length)。掃描帶長度為在列印頭移動越過印刷媒體時形成的列印或流體噴射的帶寬。
此外，它允許數個類似裝置的共置(co-location)以增加效率及佈局。該跨槽路由也藉由允許 多個流體致動器的左、右直行或數個流體致動器區共享電源及接地路由電路來優化電源輸送。較窄的晶粒可能比較寬的晶粒更脆弱。相應地，該晶粒可裝入聚合物封裝化合物，它在反面有一槽以允許油墨流到流體進給孔。在某些實施例中，該封裝化合物為環氧樹脂，然而它可為壓克力、聚碳酸酯、聚苯硫(polyphenylene sulfide)、及其類似者。
該跨槽路由也考慮到電路佈局的優化。例如，考慮到晶粒之可靠性及形狀因素的改善，可隔離流體進給孔之相對兩側的高電壓及低電壓領域。高電壓及低電壓領域的分離可減少或排除寄生電壓、串擾和影響晶粒之可靠性的其他問題。此外，可設計包括用於一組噴嘴之邏輯電路、流體致動器、流體進給孔及電源電路的重覆單元以在極窄的形狀因素中提供所欲間距。
與晶粒之縱軸平行地擺成一行的流體進給孔可能使晶粒更容易受損於機械應力。例如，該等流體進給孔可能起一系列穿孔的作用而增加裂紋將通過流體進給孔沿著晶粒縱軸成長的機會。為了在製造期間檢測裂紋，例如，在裝入封裝化合物之前，裂紋檢測電路可以蜿蜒的方式放在該等流體進給孔附近。該裂紋檢測電路可為若有裂紋形成時斷裂導致電阻從例如數十萬歐姆之第一電阻變成開路的電阻器。這可藉由在製程完成前識別破裂的晶粒而有較低的生產成本。
如本文所述，使用於列印頭的晶粒利用電阻器加熱流體致動器中的流體以藉由熱膨脹來產生微滴噴 射。不過，該等晶粒不限於熱驅動型流體致動器且可使用從流體進給孔饋入的壓電流體致動器。如本文所述，流體致動器包括驅動器與相關結構，例如用於微流體噴射器的流體腔室與噴嘴。
此外，該晶粒可用來形成用於除列印頭以外之其他應用的流體致動器，例如使用於分析儀器應用的微流體泵。在此實施例中，流體致動器可從流體進給孔饋入測試溶液，或其他流體，而不是油墨。因此，在各種實施例中，流體進給孔及油墨可用來提供可藉由源於熱膨脹或壓電激活之微滴噴射來噴出或泵送的流體材料。
圖1A的視圖圖示使用於列印頭之晶粒100的一實施例。晶粒100包括所有電路以運作在流體進給槽104兩側的流體致動器102。相應地，使所有的電性連線都在位於晶粒100之各端的接墊106上。結果，晶粒的寬度108約為1500微米。圖1B圖示晶粒100之一部份的放大圖。在此放大圖可見，流體進給槽104在晶粒100中央佔據實質數量的空間，而使晶粒100的寬度108增加。
圖2A的視圖圖示使用於列印頭之晶粒200的一實施例。圖2B圖示晶粒200之一部份的放大橫截面。相較於圖1A的晶粒100，晶粒200的設計允許激活電路的一部份接到次級積體電路或特殊應用積體電路(ASIC)202。
與晶粒100的流體進給槽104對比，晶粒200使用流體進給孔204來提供例如油墨的流體給流體致動器 206以便藉由熱電阻器208噴射。如本文所述，跨槽路由允許電路沿著在流體進給孔204之間且跨越晶粒200縱軸212的矽橋(silicon bridge)210路由。這允許實質減少晶粒200的寬度214而優於沒有流體進給孔204的先前設計。
減少晶粒200的寬度214可實質減少成本，例如，透過減少晶粒200之基板中的矽數量。此外，電路的分布和晶粒與ASIC 202之間的功能允許進一步減少寬度214。如本文所述，晶粒200也包括用於運作及診斷的感測器電路。在某些實施例中，晶粒200包括例如沿著晶粒之縱軸安置在晶粒之一端附近、在晶粒中央、以及在晶粒之另一端附近的熱感測器216。
圖3A至圖3C的繪圖圖示列印頭300的形成係藉由將晶粒302或304裝入在由封裝化合物形成的聚合物底座310。晶粒302及304太窄而無法附接至筆身或流體路由源於貯器的流體。因此，除其他以外，晶粒302及304裝入由例如環氧樹脂材料之封裝化合物形成的聚合物底座310。列印頭300的聚合物底座310有數個槽314，彼等提供開放區讓流體可從貯器流到晶粒302及304的流體進給孔204。
圖3A的繪圖圖示由裝入封裝化合物之黑色晶粒302形成的列印頭300之一實施例。在圖3A的黑色晶粒302中，可看見兩排噴嘴320，其中，由兩個交替噴嘴320組成的各群組從流體進給孔204中之一者沿著黑色晶粒302饋入。每個噴嘴320為通到在熱電阻器上面之流體腔室 的開口。熱電阻器的致動迫使流體通過噴嘴320流出，因此，熱電阻器流體腔室與噴嘴的每一個組合代表一流體致動器，特別是，微流體噴射器。可注意到，流體進給孔204彼此未隔離，而允許流體從流體進給孔204流到附近的流體進給孔204，這可提供較高的流率給作用中的噴嘴。
圖3B的繪圖圖示使用顏色晶粒304形成的列印頭300之一實施例，它可使用於3種顏色的油墨。例如，一個顏色晶粒304可使用於青色油墨，另一個顏色晶粒304可使用於洋紅色油墨，以及最後一個顏色晶粒304可使用於黃色油墨。油墨會各自從個別顏色油墨貯器饋入顏色晶粒304的相關槽314。雖然此圖只圖示在底座中的顏色晶粒304中之3者，然而可包括例如黑色晶粒302的第四晶粒以形成CMYK晶粒。同樣，可使用其他的晶粒組態。
圖3C的橫截面圖圖示列印頭300，其包括穿過實心分段322及有流體進給孔318之貫穿分段324的裝上晶粒302或304。這顯示流體進給孔318均耦合至槽314以允許油墨從槽314流動通過裝上晶粒302及304。如本文所述，圖3A至圖3C中的結構不限於油墨，反而可用來提供其他流體給晶粒中的流體致動器。
圖4圖示列印機匣400的一實施例，其包含在說明圖3B時提及的顏色晶粒304。裝上顏色晶粒304形成接墊402。如本文所述，接墊402包括多色矽晶粒，與聚合物安裝化合物，例如環氧樹脂封裝化合物。殼體404持有用來進給在接墊402中之裝上顏色晶粒304的油墨貯器。例 如可撓電路的柔性連接件406持有用來與列印機匣400介接的列印機接觸或接墊408。如本文所述，不同的電路設計與先前列印機匣相比允許較少個接墊408使用於列印機匣400。
圖5的繪圖圖示顏色晶粒304的一部份500，其圖示用來形成顏色晶粒304的層502、504及506。在說明圖2時提及的元件用相同元件符號表示。用來製作該等層的材料包括多晶矽、鋁-銅(AlCu)、鉭(Ta)、金(Au)、摻雜植入物(N井、P井等等)。在繪圖中，層502展示數層或數條多晶矽跡線508從在流體進給孔204之間的顏色晶粒304之邏輯電路510路由到形成顏色晶粒304之電源電路512(部份圖示於附圖)的場效電晶體(FET)。這允許該等FET通電以驅動熱感應式噴墨電阻器(TIJ)514，其係供電給流體致動器以迫使液體流出在熱電阻器上面的腔室。可包括金屬1 504及金屬2 506的附加層516及518用來作為流到TIJ電阻器514之電流的電源接地回路(power ground return)。也可注意到，圖示於圖5顏色晶粒304的是只放在流體進給孔204之一側的TIJ電阻器514，它在高重量微滴(HWD)、低重量微滴(LWD)之間交替以提供不同的微滴大小用以提高微滴準確度。為了控制微滴重量，用於HWD的TIJ電阻器514及相關結構大於用於LWD的TIJ電阻器514，如進一步在說明圖15時所述。如本文所述，在流體致動器中的相關結構包括用於微流體噴射器的流體腔室與噴嘴。在黑色晶粒302中，TIJ電阻器514及相關結構有相 同的尺寸，且在流體進給孔204的兩側之間交替。
圖6A及圖6B的繪圖圖示顏色晶粒304，其中近視圖展示跡線602使顏色晶粒304之邏輯電路510連接至在顏色晶粒304之電源電路512的FET 604。在說明圖2、圖3及圖5時提及的元件用相同元件符號表示。該等導體經堆疊成允許在流體進給孔204陣列608的左、右兩側之間有多條連線。在數個實施例中，使用互補金屬氧化物半導體技術進行該製造，其中，例如多晶矽層、第一金屬層、第二金屬層及其類似者的傳導層被電介質分離，該電介質允許它們堆疊而不會有電氣干擾，例如串擾。這在說明圖7及圖8時會進一步描述。
圖7A及圖7B的繪圖圖示顏色晶粒304，其中近視圖展示在流體進給孔204之間的跡線。在說明圖2及圖5時提及的元件用相同元件符號表示。圖7A圖示兩個流體進給孔204，同時圖7B為用直線702繪出剖面的展開圖。此圖可看見在流體進給孔204之間的不同層，包括鉭層704。進一步圖示在說明圖5時提及的諸層，包括多晶矽層508、金屬1層516、與金屬2層518。在某些實施例中，如在說明圖20及圖21時所述，多晶矽跡線508中之一者可用來提供顏色晶粒304的埋藏裂紋檢測器。層508、516及518被電介質分離以提供絕緣，如進一步在說明圖8A及圖8B時所述。應注意，儘管圖6A、圖6B、圖7A及圖7B圖示顏色晶粒304，然而相同的設計特徵可用在黑色晶粒302上。
圖8A及圖8B的電子顯微圖圖示在顏色晶粒 304的兩個流體進給孔204之間的剖面。在說明圖2、圖3及圖5時提及的元件用相同元件符號表示。此結構的頂層為SU-8底漆(primer)802，其用來形成在包括顏色晶粒304之噴嘴320的電路上方的最終覆蓋物。不過，在黑色晶粒302的流體進給孔204之間可存在相同的層。
圖8B圖示在顏色晶粒304的兩個流體進給孔204之間的橫截面804。如圖8B所示，流體進給孔204均蝕刻穿過作為基板的矽層806，留下連接顏色晶粒304之兩側的橋體。數層沉積於矽層806上面。沉積厚厚的場氧化物(field oxide)或FOX層808於矽層806上面以使更多層與矽層806絕緣。各在FOX層808兩側沉積由材料與金屬1 516相同形成的縱樑810(stringer)。
在FOX層808上面沉積數個多晶矽層508，例如，以使在晶粒200之一側上的邏輯電路耦合至在晶粒200之反側上的數個功率電晶體。多晶矽層508的其他用途可包括沉積於流體進給孔204之間的裂紋檢測跡線，如在說明圖20及圖21時所述。多晶矽或多晶體矽為矽的高純度多晶體形式。在數個實施例中，它是使用矽烷(SiH4)的低壓化學氣相沉積法沉積而成。可植入或摻雜多晶矽層508以形成n井及p井材料。沉積第一電介質層812於多晶矽層508上方作為絕緣屏障。在一實施例中，第一電介質層812由硼磷矽酸鹽玻璃(borophosphosilicate glass)/四乙基正矽酸鹽(tetraethyl ortho silicate，BPSG/TEOS)形成，然而可使用其他材料。
然後，可沉積一層金屬1 516於第一電介質層812上方。在各種實施例中，除了例如金的其他材料以外，金屬1 516由氮化鈦(TiN)、鋁銅合金(AlCu)、或氮化鈦/鈦(TiN/Ti)形成。沉積第二電介質層814於金屬1 516層上方以提供絕緣屏障。在一實施例中，第二電介質層814為用高密度電漿化學氣相沉積(HDP-TEOS/TEOS)形成的TEOS/TEOS層。
然後，可沉積一層金屬2 518於第二電介質層814上方。在各種實施例中，除了例如金的其他材料以外，金屬2 518由氮矽化鎢合金(WSiN)、鋁銅合金(AlCu)、或氮化鈦/鈦(TiN/Ti)形成。然後，沉積鈍化層816於金屬2 518的頂部上方以提供絕緣屏障。在一實施例中，鈍化層816為一層碳化矽/氮化矽(SiC/SiN)。
鉭(Ta)層818沉積於鈍化層816的頭部及第二電介質層814上方。鉭層818保護跡線的組份免受害於由潛在暴露於例如油墨之流體所致的劣化。然後，沉積一層SU-8 820於晶粒200上方，且予以蝕刻以形成噴嘴320及流動通道822於晶粒200上方。SU-8為基於環氧樹脂的負型光阻劑，其中暴露於紫外線光的部份呈交聯，變成對溶劑及電漿蝕刻有抵抗力。除了或取代SU-8以外，可使用其他材料。流動通道822經組配為可進給來自流體進給孔或流體進給孔204的流體至噴嘴320或流體致動器。在各個流動通道822中，在SU-8 820中形成鈕粒(button)824或突出物以阻擋流體中的顆粒進入在噴嘴320底下的噴射室。圖 8B的橫截面圖示一個鈕粒826。
堆疊數個導體於在流體進給孔204之間的矽層806上方增加在流體進給孔204陣列之左、右兩側之間的連線。如本文所述，多晶矽層508、金屬1層516、金屬2層518及其類似者全都是被允許它們堆疊的電介質或絕緣層812、814及816分離的獨一傳導層。取決於例如圖示於圖8A及圖8B的顏色晶粒304、裂紋檢測器及其類似者的設計實作，以不同的組合使用該等各種層以形成VPP、PGND及數位控制連線以驅動FET及TIJ電阻器。
圖9的加工流程圖圖示用於形成晶粒的方法900之一實施例。方法900可用來製作用作彩色列印機之晶粒的顏色晶粒304，以及使用於黑色油墨的黑色晶粒302，以及包括流體致動器的其他類型晶粒。方法900在區塊902以沿著與基板之縱軸平行的一直線蝕刻穿過矽基板的流體進給孔開始。在某些實施例中，首先，沉積數層，然後，在該等層形成之後，進行流體進給孔的蝕刻。
在一實施例中，在晶粒的一部份上方形成一層光阻劑聚合物，例如SU-8，以保護不應被蝕刻的區域。該光阻劑可為藉由光而交聯的負型光阻劑，或藉由曝光而更加可溶的正型光阻劑。在一實施例中，遮罩暴露於紫外線光源以固定保護層的數個部份，且洗掉未暴露於紫外線光的部份。在此實施例中，該遮罩防止保護層覆蓋流體進給孔區的部份交聯。
在區塊904，在基板上形成複數個層以形成 晶粒。該等層可包括多晶矽，在多晶矽上方的電介質，金屬1，在金屬1上方的電介質，金屬2，在金屬2上方的鈍化層，與在頂部上方的鉭層。如上述，SU-8隨後可層疊於晶粒的頭部上方，且予以圖案化以實現流動通道及噴嘴。該等層的形成物可用沉積該等層的化學氣相沉積形成，接著是蝕刻以移除不需要的部份。製造技術可為在形成互補金屬氧化物半導體(CMOS)時所使用的標準製造。在進一步說明圖10時討論在區塊904可形成的諸層和組件的位置。
圖10的加工流程圖圖示使用複數個層在晶粒上形成組件的方法1000之一實施例。在一實施例中，方法1000展示在圖9區塊904中可形成之諸層的細節。該方法在區塊1002以形成邏輯電源電路於晶粒上開始。在區塊1004，在晶粒上形成數條位址線電路，包括用於基元群組的位址線，如在圖12及圖13時所述。在區塊1006，在晶粒上形成數條位址邏輯電路，其包括數個解碼電路，如在說明圖12及圖13時所述。在區塊1008，在晶粒上形成數個記憶體電路。在區塊1010，在晶粒上形成數個電源電路。在區塊1012，在晶粒中形成數條電源線。圖示於圖10的區塊不應被視為有順序性。作為本技藝中之一技能，在形成各種層時同時形成跨越晶粒的各種線路及電路。此外，在說明圖10時提及的製程可用來在顏色晶粒或者是黑白雙色晶粒上形成組件。
如本文所述，使用該等流體進給孔允許電路以形成於在流體進給孔間之矽上方的跡線跨越晶粒。相應 地，在晶粒兩側之間的電路可共享，這可減少晶粒上所需電路的總數量。
圖11的加工流程圖圖示用於形成電路於晶粒上的方法1100之實施例，該晶粒具有耦合各在晶粒兩側上之電路的跡線。如本文所使用的，晶粒的第一側與晶粒的第二側為晶粒與位在晶粒中央或附近之流體進給孔對齊的長邊。方法1100在區塊1102以形成沿著晶粒之第一側的邏輯電源線開始。該等邏輯電源線為用來例如以約2至約7V的電壓供電給邏輯電路的低電壓線以及邏輯電路的相關接地線。在區塊1104，形成沿著晶粒之第一側的位址邏輯電路。在區塊1106，形成沿著晶粒之第一側的位址線。在區塊1108，形成沿著晶粒之第一側的記憶體電路。
在區塊1110，形成沿著晶粒之第二側的噴射器電源電路。在某些實施例中，該等噴射器電源電路包括數個場效電晶體(FET)與熱感應式噴墨(TIJ)電阻器用來加熱流體以迫使流體從噴嘴噴出。在區塊1112，形成沿著晶粒之第二側的電源電路電源線。該等電源電路電源線為高電壓電源線(Vpp)與回線(Pgnd)用來例如以約25至約35V的電壓供電給噴射器電源電路。
在區塊1114，在流體進給孔之間形成使邏輯電路耦合至電源電路的跡線。如本文所述，該等跡線可攜載來自位於晶粒之第一側上之邏輯電路的訊號至在晶粒之第二側上的電源電路。此外，可包括跡線以進行流體進給孔之間的裂紋檢測，如本文所述。
在噴嘴電路被中央流體進給槽分離的晶粒中，邏輯電路、位址線及其類似者在中央流體進給槽的兩側上重覆。對比之下，使用圖9至圖11之方法形成的晶粒，能夠從晶粒一側路由到晶粒另一側的電路排除複製某些電路於晶粒兩側上的需要。這可藉由注視晶粒上的物理結構電路來澄清。在描述本文的一些實施例中，該等噴嘴分成被稱為基元的個別定址集合，如在進一步說明圖12時所述。
圖12的示意圖1200由4個基元組成的集合實施例，它被稱為四基元。為了有利於該等基元及共享定址的解釋，示意圖1200右邊的基元被標示為東方，例如，東北(NE)與東南(SE)。示意圖1200右邊的基元被標示為西方，例如，西北(NW)與西南(SW)。在此實施例中，各噴嘴1202由被標示為Fx的FET點火，在此x為1到32。示意圖1200也圖示與各噴嘴1202對應而被標示為Rx的TIJ電阻器，在此x也是1到32。儘管示意圖1200圖示噴嘴在流體進給區的兩側，然而這是虛擬配置。在使用當前技術形成的顏色晶粒304中，噴嘴1202會在流體進給區的同一側上。
在NE、NW、SE及SW的各基元中，以0至7標示的8個位址用來選擇用以點火的噴嘴。在其他實施例中，每個基元有16個位址，以及每個四基元有64個噴嘴。這些位址皆共享，其中，一個位址選擇在各群組中的一個噴嘴。在此實施例中，如果提供4個位址，則選擇被FET F9、F10、F25及F26激活的噴嘴1204供點火。若有的話， 這些噴嘴1204中那一個點火係取決於對於各基元為獨一的個別基元選擇。點火訊號也傳送給各基元。在一基元內的一噴嘴的點火是在傳送給該基元的位址資料選擇用以點火之一噴嘴，載入該基元的資料指示該基元應發生點火，且送出點火訊號時。
在某些實施例中，在此被稱為點火脈衝群組(FPG)的一噴嘴資料封包包括用來識別FPG開始的起始位元，用來在各基元資料中選擇噴嘴1202的位址位元，用於各基元的點火資料，用來組配運作設定值的資料，以及用來識別FPG結束的FPG停止位元。一旦FPG已被加載，則送出點火訊號給將會點火所有定址噴嘴的所有基元群組。例如，為了點火列印頭上的所有噴嘴，對各個位址值送出FPG，而且激活列印頭中的所有基元。因此，會發出各自與獨一位址0-7關連的8個FPG。可修改圖示於示意圖1200的定址以應付流體串擾、圖像品質及電源輸送限制的顧慮。該FPG也可用來寫入與各噴嘴關連的非揮發性記憶體元件，例如，而不是點火該噴嘴。
中央流體進給區1206可包括數個流體進給孔或一流體進給槽。不過，如果中央油墨進給區1206為流體進給槽，則複製邏輯電路及定址線，例如在此實施例中用來提供位址0-7供選擇噴嘴以點火各基元的3條位址線，因為跡線無法跨越中央油墨進給區1206。不過，如果中央流體進給區1206由數個流體進給孔構成，則每一側可共享電路而簡化該邏輯。
儘管描述於圖12中之基元的噴嘴1202圖示在晶粒的相對兩側上，例如，在中央流體進給區1206的兩側上，然而這是虛擬配置。噴嘴1202相對於中央油墨進給區1206的位置取決於晶粒的設計，如在說明以下附圖時所述。在一實施例中，黑色晶粒302在流體進給孔的兩側上有交錯的噴嘴，其中，該等交錯噴嘴有相同的尺寸。在另一實施例中，顏色晶粒304在與晶粒之縱軸平行的一直線中有一行噴嘴，其中，該行噴嘴的噴嘴尺寸以較大的噴嘴與較小的噴嘴交替。
圖13的繪圖圖示數位電路的佈局1300之一實施例，其展示用單組噴嘴電路可實現的簡化。佈局1300可使用於黑色晶粒302或者是顏色晶粒304。在佈局1300中，數位電源匯流排1302提供電源及接地給所有邏輯電路。數位訊號匯流排1304提供數條位址線、數條基元選擇線、及其他邏輯線給該等邏輯電路。在此實施例中，圖示一感測匯流排1306。感測匯流排1306為共享或多工化的類比匯流排，其攜載感測器訊號，例如包括來自溫度感測器的訊號、及其類似者。感測匯流排1306也可用來讀取該等非揮發性記憶體元件。
在此實施例中，用於在晶粒之東西兩側上之基元的邏輯電路1308共享數位電源匯流排1302、數位訊號匯流排1304及感測匯流排1306的存取。此外，在用於例如基元NW及NE的基元1310群組的單一邏輯電路中可進行位址解碼。結果，晶粒所需的總電路減少。
圖14的繪圖圖示黑色晶粒302的一實施例，其展示跨槽路由對於能量及電源路由的影響。在說明圖2及圖6時提及的元件用相同元件符號表示。在黑色晶粒302圖示於此實施例中時，該等TIJ電阻器在流體進給孔204的兩側。類似的結構可使用於顏色晶粒304中，然而該等TIJ電阻器可在流體進給孔204的單側上且大小可交替。連接跨越矽肋條1404在流體進給孔204之間的電源條帶(power strap)1402增加用於輸送電流至TIJ電阻器之電源匯流排的有效寬度。在使用油墨進給槽的先前解決方案中，右、左直行電源路由無助於另一直行。此外，使用金屬1及金屬2層作為延伸於流體進給孔之間的電源平面，致能噴嘴的左直行(東方)與右直行(西方)可共享共用接地以及提供匯流排接送(busing)。繪圖中也可看見使黑色晶粒302之邏輯電路510連接至在黑色晶粒302之電源電路512中之FET 604的跡線602。
圖15的繪圖圖示電路平面布置圖的一實施例，其圖示用於顏色晶粒304的許多晶粒區。在說明圖2、圖3及圖5時提及的元件用相同元件符號表示。在顏色晶粒304中，匯流排1502帶有數條控制線、數條資料線、數條位址線及數條電源線以用於包括邏輯電源區的基元邏輯電路1504，該邏輯電源區包括共用邏輯電源線(Vdd)及共用邏輯接地線(Lgnd)以提供約5V的供給電壓用於邏輯電路。匯流排1502也包括一位址線區，其包括數條位址線用來指示一位址用於在噴嘴之各個基元群組中的一噴嘴。相 應地，該基元群組為由在顏色晶粒304上之流體致動器組成的流體致動器群組或子集。
位址邏輯區包括數個位址線電路，例如基元邏輯電路1504與解碼電路1506。基元邏輯電路1504使位址線耦合至用於在一基元群組中選擇一噴嘴的解碼電路1506。基元邏輯電路1504也儲存通過資料線載入該基元的資料位元。該等資料位元包括位址線的位址值，以及與各基元關聯的位元，該位元選擇該基元點火一定址噴嘴還是儲存資料。
解碼電路1506選擇用於點火的噴嘴或選擇包括非揮發性記憶體元件1508之記憶體區中的記憶體元件以接收資料。在通過匯流排1502的資料線收到點火訊號時，將資料存入非揮發性記憶體元件1508中的記憶體元件，或者是用來激活在位於顏色晶粒304之電源電路512上之電源電路區中的FET 1510或1512。FET 1510或1512的激活從共享電源(Vpp)匯流排1514供電給對應TIJ電阻器1516或1518。在此實施例中，該等跡線包括供電給TIJ電阻器1516或1518的電源電路。另一共享電源匯流排1520可用來提供FET 1510及1512的接地。在某些實施例中，Vpp匯流排1514與第二共享電源匯流排1520可顛倒。
流體進給區包括數個流體進給孔204與在流體進給孔204之間的跡線。對於顏色晶粒304，可使用由各自與各噴嘴關聯之熱電阻器噴出的兩個微滴大小。可使用較大TIJ電阻器1516噴出高重量微滴(HWD)。可使用較小 TIJ電阻器1518噴出低重量微滴(LWD)。在電氣方面，HWD噴嘴在第一直行中，例如，西方，如在說明圖12及圖13時所述。LWD噴嘴在例如東方的第二直行中電氣耦合，如在說明圖12及圖13時所述。在此實施例中，顏色晶粒304的實體噴嘴呈HWD噴嘴與LWD噴嘴交替的相互交叉。
進一步改善佈局的效率可藉由改變對應FET 1510及1512的尺寸以匹配TIJ電阻器1516及1518的電源需求。因此，在此實施例中，對應FET 1510及1512的尺寸均基於被供電的TIJ電阻器1516或1518。較大TIJ電阻器1516由較大FET 1512激活，同時較小TIJ電阻器1518由較小FET 1510激活。在其他實施例中，FET 1510及1512有相同的尺寸，然而圖示通過FET 1510用來供電給較小TIJ電阻器1518的電力較低。
類似的電路平面布置圖可使用於黑色晶粒302。不過，如本文的舉例所示，用於黑色晶粒的FET有相同的尺寸，因為TIJ電阻器及噴嘴有相同的尺寸。
圖16的另一繪圖圖示顏色晶粒304的一實施例。在說明圖3、圖5及圖15時提及的元件用相同元件符號表示。由該繪圖可見，TIJ電阻器1516及1518沿著流體進給孔204的一側放在與顏色晶粒304之縱軸平行的一直線中。TIJ電阻器1516及1518與流體進給孔204的群組化可被稱為微機電系統(MEM)區1604。此外，在此繪圖中，解碼電路1506與非揮發性記憶體元件1508一起包括在電路 分段1602中。FET 1510及1512在圖16的繪圖有相同的尺寸。不過，在某些實施例中，激活較小TIJ電阻器1518的FET 1510都小於激活較大TIJ電阻器1516的FET 1512，如在說明圖15時所述。因此，顏色及黑色兩者的晶粒有優化列印頭之電源輸送能力的重覆結構，同時最小化晶粒的尺寸。
圖17的繪圖圖示顏色晶粒304的一實施例，其圖示重覆結構1702。在說明圖5及圖16時提及的元件用相同元件符號表示。如本文所述，使用流體進給孔204使得來自邏輯電路之低電壓控制訊號的路由有可能連接至在流體進給孔204之間的高電壓FET。結果，重覆結構1702包括兩個FET 604、兩個噴嘴320、與一個流體進給孔204。對於每英吋有1200點的顏色晶粒304，這提供42.33微米的重覆間距。當FET 604及噴嘴320只在流體進給孔204的一側時，由於允許顏色晶粒304對黑色晶粒302有較小的尺寸而可減少電路面積要求。
圖18的繪圖圖示黑色晶粒302的一實施例，其圖示用於該晶粒的整體結構。在說明圖2、圖3、圖6及圖16時提及的元件用相同元件符號表示。在此實施例中，TIJ電阻器1802在流體進給孔204的兩側上，其允許噴嘴有相似的尺寸，同時維持緊密的垂直間隔，或點距(dot pitch)。在此實施例中，FET 604全部有相同的尺寸以驅動TIJ電阻器1802。黑色晶粒302的邏輯電路510經佈局成與在說明圖15時提及的顏色晶粒304之邏輯電路510相同 的組態。相應地，跡線602在電源電路512中使邏輯電路510耦合至FET 604。
圖19的繪圖圖示黑色晶粒302的一實施例，其圖示重覆結構1702。在說明圖5、圖6、圖16及圖17時提及的元件用相同元件符號表示。如說明顏色晶粒304時所述，由於連接至高電壓FET的低電壓控制訊號可路由於流體進給孔204之間，因此新的直行電路架構及佈局有可能。此佈局包括有兩個FET 604、兩個噴嘴320及一個流體進給孔204的重覆結構1702。這類似顏色晶粒304的重覆結構。不過，在此實施例中，在重覆結構1702中，一個噴嘴320會在流體進給孔204的左邊，且一個噴嘴320會在流體進給孔204的右邊。這種設計顧及用於較大墨滴容積的較大點火噴嘴，同時維持較低的電路面積要求且優化該佈局以允許較小的晶粒。至於顏色晶粒304，跨槽路由在自然包括多晶矽層及鋁銅層等等的多個金屬層的引出端(exit)進行。
黑色晶粒302比顏色晶粒304寬些，因為噴嘴320在流體進給孔204的兩側上。在某些實施例中，黑色晶粒302約有400至約450微米。在某些實施例中，顏色晶粒304約有300至約350微米。
圖20的繪圖圖示黑色晶粒302的一實施例，其圖示用於裂紋檢測的系統。在說明圖2、圖3、圖5、圖6及圖16提及的元件用相同元件符號表示。在與黑色晶粒302之縱軸平行的一直線中引進由流體進給孔204組成的 陣列增加晶粒的脆弱性。如本文所述，流體進給孔204的行為如同沿著黑色晶粒302或者是顏色晶粒304之縱軸的穿孔線，而允許裂紋2002在這些特徵之間形成。為了檢測這些裂紋2002，跡線2004路由於各個流體進給孔204之間以用作埋藏裂紋檢測器。在一實施例中，在裂紋形成時，跡線2004會斷裂。結果，跡線2004的導電率降到零。
在流體進給孔204之間的跡線2004可由易碎材料製成。在使用金屬跡線時，金屬的延展性可允許它撓曲跨越在未檢測下已形成的裂紋。相應地，在某些實施例中，在流體進給孔204之間的跡線2004由多晶矽製成。如果在流體進給孔204之間在流體進給孔204旁邊及在其間貫穿黑色晶粒302的跡線全由多晶矽製成，則電阻可能高達數百萬歐姆。在某些實施例中，為了減少整體電阻及改善裂紋的可檢測性，跡線2004在流體進給孔204旁邊形成且連接在流體進給孔204之間之跡線2004的部份2006由例如鋁-銅等等的金屬製成。
圖21為黑色晶粒302之流體進給孔204的展開圖，其圖示路由於相鄰流體進給孔204之間的跡線2004。在此實施例中，在流體進給孔204之間的跡線2004由多晶矽形成，同時跡線2004在流體進給孔204旁邊的部份2006由金屬形成。
圖22的加工流程圖圖示用於形成裂紋檢測跡線的方法2200之一實施例。該方法始於區塊2202，其係在與基板之縱軸平行的一直線中蝕刻許多流體進給孔。
在區塊2204，形成許多層於該基板上以形成該裂紋檢測器跡線，其中，該裂紋檢測器跡線在基板上路由於該等複數個流體進給孔中之各者之間。如本文所述，該等層經形成可在每一對相鄰流體進給孔之間，沿著下一個流體進給孔的外側，然後在下一對相鄰流體進給孔之間，從晶粒的一側迴路到另一側。在數個實施例中，形成數層以使裂紋檢測器跡線耦合至被晶粒上之其他感測器共享的感測匯流排，例如在說明圖2時提及的熱感測器。該感測匯流排耦合至一接墊以允許感測器訊號被外部裝置讀取，例如在說明圖2時提及的ASIC。
本發明實施例容易做出各種修改及替代形式而且只是為了圖解說明而予以顯示。此外，應瞭解，本發明技術無意受限於揭示於本文的特定實施例。其實，隨附請求項的範疇被認為包括對熟諳本發明揭示專利標的所屬技藝者而言為顯而易見的所有替代、修改及等效陳述。
204:流體進給孔
510:邏輯電路
512:電源電路
514:熱感應式噴墨電阻器(TIJ)
602:跡線
604:FET
608:陣列

Claims (17)

  1. 一種用於列印頭之晶粒，其包含：設置於與該晶粒之一縱軸平行之一直線中的複數個流體進給孔，其中，該等流體進給孔經形成為穿過該晶粒的一基板；複數個流體致動器，彼等靠近該等複數個流體進給孔以噴射從該等複數個流體進給孔接收的流體；使該等流體致動器運作的電路，其中，數條跡線設於在該等複數個流體進給孔的相鄰流體進給孔之間的數層中，而連接該等複數個流體進給孔兩側上之電路；與供電給用於該等流體致動器之電源電路的一共享共用接地與一共享電源匯流排。
  2. 如請求項1所述之晶粒，其中，該等跡線包含激活該電源電路的致能電路。
  3. 如請求項1或2所述的晶粒，其中，該等複數個流體致動器與該等複數個流體進給孔平行，且界定一掃描帶長度。
  4. 如請求項1或2所述的晶粒，其中，該等跡線包含供電給流體致動器的該電源電路。
  5. 如請求項1或2所述的晶粒，其包含複數個晶粒區，其包含：沿著該晶粒之一邊緣的一邏輯電源區，其包含一共用邏輯電源線與一共用邏輯接地線；一位址線區； 一位址邏輯區，其包含位址邏輯，用於從該等複數個流體致動器中之一組流體致動器選出一流體致動器；一記憶體區，其包含用於該等複數個流體致動器中之各組流體致動器的一記憶體元件；一進給區，其包含該等複數個流體進給孔；一電源電路區，其包含供電給供該等複數個流體致動器中之各者用之數個熱電阻器的該電源電路；與一電源區，其包含用於該電源電路的該共享電源匯流排與該共享共用接地。
  6. 如請求項5所述的晶粒，其包含：一第一流體致動器區，其包含該等複數個流體致動器之一部份，且沿著該進給區之一側設置；與一第二流體致動器區，其包含該等複數個流體致動器之另一部份，且沿著該進給區與該第一流體致動器區相對的一側設置。
  7. 如請求項1或2所述的晶粒，其包含一流體致動器區，該流體致動器區包含該等複數個流體致動器，其中，該等複數個流體致動器設置於與該縱軸平行的一直線中且設置於該等複數個流體進給孔的一側上，且其中，數個較大的流體致動器與數個較小的流體致動器交替。
  8. 如請求項1或2所述的晶粒，其中，該晶粒有小於約400微米的厚度。
  9. 如請求項1或2所述的晶粒，其中，該晶粒有小於約750微米的寬度。
  10. 如請求項1或2所述的晶粒，其中，該晶粒有小於約20毫米的長度。
  11. 一種列印頭，其包含：一晶粒，其包含：設置於一直線中的複數個流體進給孔，其中，該等流體進給孔經形成為穿過該晶粒的一基板；複數個流體致動器，彼等靠近該等複數個流體進給孔以噴射從該等流體進給孔接收的流體；使該等流體致動器運作的電路，其中，數條跡線設於在該等複數個流體進給孔的相鄰流體進給孔之間的數層中；與供電給用於該等流體致動器之電源電路的一共享共用接地與一共享電源匯流排；與一聚合物底座，其經形成可沿著邊緣固持該晶粒，其包含沿著該聚合物底座的一背面的一槽，以進給流體至該等複數個流體進給孔。
  12. 如請求項11所述之列印頭，其中，該等複數個流體致動器設置於該等複數個流體進給孔的各側上，且其中，該等複數個流體進給孔之一側上的該等複數個流體致動器偏離該等複數個流體進給孔之相對側上的該等複數個流體致動器。
  13. 如請求項11或12所述的列印頭，其中，該等複數個流體致動器設置於該等複數個流體進給孔之一單側上的一直線中，且其中，該等複數個流體致動器 包含交替的數個大流體致動器與數個小流體致動器。
  14. 一種用於形成列印頭之晶粒的方法，其包含：在與一基板之縱軸平行的一直線中蝕刻複數個流體進給孔；在該基板上形成複數個層以形成：沿著該基板之一邊緣的數個邏輯電源電路，其包含一共用邏輯電源線與一共用邏輯接地線；數個位址線電路；數個位址邏輯電路，其包含用於從一組流體致動器選出一流體致動器的位址邏輯；數個記憶體電路，其包含用於各組流體致動器的一記憶體元件；數個列印電源電路，其包含供電給複數個流體致動器中之各者的一電源電路，且其中，在該基板上位於該等複數個流體進給孔之間的數層使該位址邏輯電氣耦合至該電源電路；與數條列印電源連線，其包含用於該等電源電路的一共享電源匯流排與一共享共用接地。
  15. 如請求項14所述之方法，其包含：形成沿著該等複數個流體進給孔之各側設置的複數個熱電阻器，其中，該等複數個熱電阻器電氣耦合至該等列印電源電路，且其中，該等複數個流體進給孔之一側上的該等複數個熱電阻器與該等複數個流體進給孔之一相對側上的該 等複數個熱電阻器交錯。
  16. 如請求項14或15所述的方法，其包含：形成沿著該等複數個流體進給孔之一側設置於一直線中的複數個熱電阻器，其中，該等複數個熱電阻器電氣耦合至該等列印電源電路，且其中，該等複數個熱電阻器包含與數個較小熱電阻器交替的數個較大熱電阻器。
  17. 如請求項14或15所述的方法，其包含：將該基板埋藏於一聚合物底座中，其中，該聚合物底座包含設置於該基板後面的一開放區，以從該等流體進給孔進給流體至該等流體致動器。
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