专利名称：具有驱动电路的微喷射头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微喷射头(Microinject head)的制作方法，尤其涉及一种具有驱动电路(Driving circuitry)且为一体成型的微喷射头的制作方法。
背景技术：
现今，液珠喷射器广泛用于喷墨打印机的打印，然而，液珠喷射器也具有众多其他的可能应用，例如燃料喷射系统(Fuel injection systems)、细胞分类(Cell sorting)、药物释放系统(Drug delivery systems)、直接喷印光刻术(Direct print lithography)以及微喷射推进系统(Micro jet propulsion systems)等，上述所有应用的共同点在于其皆须一可靠(Reliable)且低成本，以及可提供高频率(Frequency)及高空间解析度(Spatial resolution)的高品质液滴的液珠喷射器。
然而，只有数种装置能够个别地射出形状一致的液滴，在目前所知且被使用的液珠喷射系统中，利用热驱动气泡(Thermal driven bubble)以射出液珠的方式由于简单且成本相当低廉，因此一直是这种装置中较成功的设计。
在U.S.Pat.No.6,102,530-“以气泡作为微喷射器中的虚拟气阀以喷射液体的装置和方法(Apparatus and method for using bubbles as virtual valvein microinjector to eject fluid)”中曾提到一具有虚拟气阀(Virtual valve)的液珠喷射装置，如图1所示，加热器环绕在喷射孔四周，借着加热器电阻值的差异，使得加热时在流体腔靠近喷嘴的位置先产生一第一气泡，此第一气泡隔绝流体腔及喷嘴，而产生类似气阀的功能，可减小与相邻流体腔产生相互干扰(Cross talk)的效应；接着产生第二气泡，此第二气泡用以推挤流体，使流体从喷孔喷出，最后，第二气泡并与第一气泡结合，借着此二气泡的结合以达到减少卫星墨滴(Satellite droplet)的产生。
另外，在U.S.Pat.No.5,122,812-“其上具有驱动电路的热墨水喷射打印头及其制造方法(Thermal inkjet printhead having driver circuitry thereon andmethod for making the same)”中曾提到一种具有驱动电路的喷墨头结构(如图2所示)，系将加热元件与驱动电路整合制作于同一基板(Substrate)上，然而其制作过程所需的步骤数目仍多，而且根据其结构还必须形成一厚度达20～30μm的厚膜(Barrier layer)130，再贴合一喷嘴平板(Orifice plate)140于厚膜上，此种作法会因必要的装配公差(Assembly tolerance)而限制喷嘴的空间解析度，此外，贴合手续未必相容于IC制作过程，当微喷射器阵列(Array)与驱动电路需整合成一体以减少配线并确保封装紧密时，这个不相容的问题将更为突显，因此，此制作过程不仅较为繁琐，成本上亦相对较高，故现今提供一种成本较低、制作过程步骤较少，且能达到具有驱动电路结构的微液珠喷射头已经成为刻不容缓的趋势。
发明内容
本发明主要的目的即是要提供一种具有驱动电路的微喷射头，系用以同时控制一对以上的第一气泡产生构件与第二气泡产生构件，将一个以上流体腔内部的流体由喷孔喷出，以达到由多喷孔喷射出流体的作用。
本发明的另一目的即是要提供一种具有驱动电路的微喷射头的制作方法，系用以将驱动电路与气泡产生构件整合于同一基板上，制作过程步骤数目较少，且为一电路元件与连接线路数量较少的结构。
根据本发明的一个方面，提供一种制作具有驱动电路的微喷射头的方法，其包括提供一基板；形成一介电层于该基板上，该介电层包含一第一部位以及一第二部位；形成一驱动电路于该介电层的第一部位上，该驱动电路包含一个以上的功能元件；形成一低应力材料层于该介电层的第二部位上；蚀刻该基板与该介电层，以形成一歧管及一个以上的流体腔，且该歧管系与该流体腔相连通，以供应流体至该流体腔；形成多个气泡产生器于该低应力材料层上，且与该驱动电路相连通；以及形成一个以上的喷孔，且连通该对应的流体腔以喷出该流体。
根据本发明的另一个方面，提供一种制作具有驱动电路的微喷射头的方法，其包括提供一基板；形成一介电层于该基板上，该介电层包含一第一部位以及一第二部位；形成一驱动电路于该介电层的第一部位上，该驱动电路包含一个以上的功能元件；蚀刻部分该介电层的第二部位，且形成一牺牲层于该被蚀刻的部分介电层第二部位的位置上；形成一低应力材料层于该牺牲层上；蚀刻不具该驱动电路的该基板与牺牲层，以形成一歧管及一个以上的流体腔，且该歧管是与该流体腔相连通，以供应流体至该流体腔；形成多个气泡产生器于该低应力材料层上，且与该驱动电路相连通；以及形成一个以上的喷孔，且连通该对应的流体腔以喷出该流体。
根据本发明所披露的具有驱动电路的微喷射头，其包括一个以上的流体腔、一歧管、一个以上的喷孔、一对以上的气泡产生器及一驱动电路，其中气泡产生器包含一第一气泡产生构件与一第二气泡产生构件。
其中，歧管系与流体腔相连通，用以供应流体至流体腔内；而一个以上的喷孔系与对应的流体腔相连通。
而第一气泡产生构件与第二气泡产生构件系配置于接近对应的喷孔处，且位于对应流体腔的上方，当对应的流体腔充满流体时，第一气泡产生构件在流体腔中产生一第一气泡以做为一虚拟气阀，继第一气泡产生后，第二气泡产生构件产生一第二气泡，以导致流体腔中的流体由喷孔射出。
另外，驱动电路系包含一个以上的功能元件，且与一对以上的第一气泡产生构件与第二气泡产生构件形成于同一基板上，驱动电路用以分别独立地传送一讯号至个别的气泡产生器，且用以驱动一对以上的气泡产生器，以此达到同时控制一对以上的气泡产生器的作用。
根据本发明所披露具有驱动电路的微喷射头的制作方法，其包括提供一基板，再于基板上形成驱动电路，且驱动电路系包含一个以上的功能元件，再形成牺牲层于基板上，且不覆盖住驱动电路，或是利用形成驱动电路时，最上层的介电材料层做为牺牲层，接着，形成一低应力材料层于牺牲层上；再蚀刻基板与牺牲层以形成一歧管及一个以上的流体腔，歧管系与流体腔相连通，以供应流体至流体腔内。
再者，形成一对以上的第一气泡产生构件及第二气泡产生构件于低应力材料层上，且与驱动电路相连通；最后形成一个以上的喷孔，系位于对应的第一气泡产生构件与第二气泡产生构件之间，且连通对应的流体腔以喷出流体，如此即可完成一具有驱动电路且为一体成型的微喷射头。
图1系为现有技术具有虚拟气阀功能的喷射装置的立体结构图；图2系为现有技术具有驱动电路的喷墨头的结构剖面图；以及图3～9系为本发明制作具有驱动电路的微喷射头步骤及其微喷射头的结构示意图，其中，图9系为本发明具有驱动电路的微喷射头的完整结构示意图。
图10～12系为本发明另一实施例制作具有驱动电路的微喷射头步骤及其微喷射头的结构示意图。
附图标记说明10阵列 12微喷射器14流体腔16歧管18喷孔 20第一加热器22第二加热器24共同电极26流体 38基板40牺牲层42低应力层44导电层45、46低温氧化层50第二部位 51介电层52第一部位 101薄氧化层102氮化硅层 105多晶硅栅极106源极 107漏极130厚膜 140喷嘴平板具体实施方式
首先，请参考如“图1”所示的结构，系为一微喷射器12的一阵列10，阵列10包含多个相互邻接的微喷射器12，每一微喷射器包含一流体腔(Chamber)14、一歧管(Manifold)16、一喷孔(Orifice)18、一第一加热器20以及一第二加热器22。第一加热器20及第二加热器22系以串联连接(In series)至一共同电极(Common electrode)24的电极。
第一加热器20及第二加热器22的作动方式，则为第一加热器20产生第一气泡隔绝流体腔14及喷孔18，而产生类似气阀的功能，而第二加热器22则接着产生第二气泡，此第二气泡则用以推挤流体26，使流体26从喷孔18喷出，以达到喷射流体26的作用。
其中，流体腔14内系以流体26填满，而流体26可包括但并未限制于下列流体墨水、汽油、油类、化学药品(Chemicals)、生物医药溶液(Biomedicalsolution)及水等类似物质，而选用何种流体系取决于特定的应用场合。
然而本发明为了能达到同时控制一对以上的第一加热器20与第二加热器22，故需再加入一驱动电路于微喷射头中方可达到此目的。
如图3～5所示，欲将一具驱动电路的微喷射器阵列10制作于一基板38，如硅晶圆(Si wafer)上，首先，形成一薄氧化层101于基板38上，接着形成一氮化硅(SiNx)层102于薄氧化层上(如图3所示)，将氮化硅102作曝光显影后，进行蚀刻(如图4所示)，再利用局部热氧化法(Local oxidation)氧化未受保护的薄氧化层101，以形成场氧化层(Field oxide)。至此形成的一介电层51(见图5)包含有一第一部位52以及一第二部位50，第一部位52系为薄氧化层101被氮化硅层102所覆盖的部分，而第二部位50则为由局部热氧化法所形成的场氧化层。此一场氧化层可于后续的制作过程中加以蚀刻，以形成流体腔14。之后，再去除氮化硅层102，地毯式布植硼离子(Blanket boron implant)于第一部位52及第二部位50上(如图5所示)，以调整驱动电路的起始电压(Threshold voltage)，再形成一多晶硅栅极(Polysilicongate)105于第一部位52上，并施以离子布植磷(phosphorus)至此多晶硅栅极105以降低其电阻值，最后再离子布植砷(Arsenic)离子于基板38内，以形成一源极(Source)106及一漏极(Drain)107邻近栅极，至此即可于基板38上形成一个以上的功能元件(如图6所示)。
请参考图7，其系于第二部位50上沉积一低应力层(Low stress layer)42，如氮化硅(SiNx)材料，以做为流体腔14的上层。
请参考图8，接下来，使用蚀刻液氢氧化钾(KOH)从基板38的背面蚀刻以形成歧管16，做为供给流体进入的主要流道，而后再将第二部位50以蚀刻液氢氟酸(HF)移除。又精确地控制蚀刻时间下进行另一次以蚀刻液氢氧化钾(KOH)的蚀刻，用以加大流体腔14的深度，如此流体腔14与歧管16相连通且填满流体；在进行此蚀刻步骤期间需特别留意，因为流体腔14的凸角(Convex corner)亦会被攻击且会被蚀刻成圆弧的形状。
再沉积加热器，其中加热器包含有第一加热器20及第二加热器22，并对其进行图案转移(Patterning)，对第一加热器20及第二加热器22而言，较佳的材质为铝钽合金(Alloys of tantalum and aluminum)，而其他材料如铂(Platinum)、硼化铪(HfB2)等亦可达到相同作用；另外，为了保护第一加热器20与第二加热器22及隔离此一个以上的功能元件，故于整个基板38上，包括栅极105、源极106、漏极107及第二部位50的范围再沉积一低温氧化层45以做为保护层。
接着，在第一加热器20与第二加热器22上形成导电层(Conductivelayer)44，用以导通第一加热器20、第二加热器22与驱动电路的功能元件，其中，驱动电路系用以分别独立地传送一讯号至个别的加热器(第一加热器20与第二加热器22)，且用以驱动一对以上的加热器(第一加热器20与第二加热器22)，如此即可利用数量较少的电路元件与连接线路达到相同电路控制的功效。例如在本实施例中，第一加热器20与第二加热器22系串联连接，驱动电路利用矩阵(matrix)的方式来控制多个气泡产生器，例如一列的气泡产生器同时通电，而另一行则用以分别传输讯号(或称信息)进入，来达到可以单独控制个别的第一加热器20与第二加热器22的功用。而导电层44较佳的材质则为如铝硅铜合金(Alloys of Aluminum-Silicon-Copper)、铝(Aluminum)、铜(Copper)、金(Gold)或钨(Tungsten)等金属材料；接着再沉积一低温氧化层46于导电层44之上以做为保护层。
最后，请参考图9，喷孔18于第一加热器20与第二加热器22之间形成，若光刻术(Lithography)可容许3μm的线宽，则喷孔18约可小至2μm，且喷孔18与邻近喷孔之间的间距(Pitch)约可小至15μm。至此，即可形成一体成型且具有驱动电路的微喷射器阵列，不仅可将驱动电路与加热器整合于同一基板上，而且不需另外贴上喷嘴平板即可完成整体微喷射头的结构。
以下将介绍本发明的另一实施例。与上述实施例不同的是，上述实施例图7、8、9所示的制作过程系直接触刻图6所示的第二部位50，以形成流体腔14。而本实施例则先蚀刻部分的第二部位50，并另形成一牺牲层40于此被蚀刻部分的位置上，再于此牺牲层40上进行后续的制作过程。请参考图10、图10系接续图6的制作过程，先将图6所示的第二部位50进行部分蚀刻，并另沉积一氧化层于此不覆盖驱动电路的基板38部位上，以做为之后流体腔14(参考图11)的牺牲层(Sacrificial layer)40，而后再沉积一低应力层42′，做为流体腔14的上层。
接下来请参考图11、12。图11、12系接续图10，并与图8、9所述的制作过程相类似。如图11所示，首先，从背面蚀刻基板38及牺牲层40以形成歧管16及流体腔14，再沉积第一加热器20、第二加热器22、以及具保护作用的低温氧化层45。再来，形成导电层44以导通第一、第二加热器20、22及驱动电路，并沉积另一低温氧化层46于导电层44之上以做为保护层。最后，如图12所示，以光刻术形成喷孔18于第一加热器20与第二加热器22之间，如此亦可完成一体成型且具有驱动电路的微喷射器阵列。当然，以上所述的制作过程步骤可依状况调整制作过程步骤顺序，并不限定于如上所述的顺序，亦可形成相同具有驱动电路的微液珠喷射头。
根据本发明所披露的具有驱动电路的微液珠喷射头及其制作方法，其效果为1.提供一种改进后的微液珠喷射头结构，可应用于如喷墨打印方面等技术；2.提供一种一体成型的微液珠喷射头，将驱动电路与加热器整合于同一基板上，且不需另外贴上喷嘴平板即可完成整体结构；3.完成整体结构所需的制作过程步骤数目较少，可简化所需的制作过程步骤；以及4.整体结构的电路元件与连接线路数量较少，可降低制作成本，且可达到相同电路控制的功效。
虽然本发明以前述的较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何业内人士，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求范围所界定者为准。
权利要求
1.一种制作具有驱动电路的微喷射头的方法，其包括提供一基板；形成一介电层于该基板上，该介电层包含一第一部位以及一第二部位；形成一驱动电路于该介电层的第一部位上，该驱动电路包含一个以上的功能元件；形成一低应力材料层于该介电层的第二部位上；蚀刻该基板与该介电层，以形成一歧管及一个以上的流体腔，且该歧管系与该流体腔相连通，以供应流体至该流体腔；形成多个气泡产生器于该低应力材料层上，且与该驱动电路相连通；以及形成一个以上的喷孔，且连通该对应的流体腔以喷出该流体。
2.如权利要求1所述制作具有驱动电路的微喷射头的方法，其中形成该介电层的步骤包括形成一薄氧化层于该基板上；形成一氮化硅层于该薄氧化层上；利用局部热氧化法氧化未被该氮化硅层覆盖的薄氧化层，以形成一场氧化层，其中被该氮化硅层所覆盖的该薄氧化层为该介电层的第一部位，而该场氧化层则为该介电层的第二部位；以及去除该氮化硅层。
3.如权利要求1所述制作具有驱动电路的微喷射头的方法，其中形成该驱动电路的步骤包括布植硼离子于该介电层上；形成一多晶硅栅极于该介电层的第一部位上；以及离子布植砷离子于该基板内，形成一源极及一漏极邻近该栅极。
4.如权利要求1所述制作具有驱动电路的微喷射头的方法，其中该驱动电路用以分别独立地传送一讯号至个别的该气泡产生器，且用以驱动该多个气泡产生器。
5.如权利要求1所述制作具有驱动电路的微喷射头的方法，其中该功能元件系为一晶体管。
6.如权利要求5所述制作具有驱动电路的微喷射头的方法，其中该晶体管系为一金属氧化物半导体场效晶体管。
7.如权利要求1所述制作具有驱动电路的微喷射头的方法，其中蚀刻该基板与该介电层以形成歧管及流体腔的步骤包括背面蚀刻该基板以形成该歧管；去除该介电层的第二部位；以及再次背面蚀刻该基板以形成该流体腔。
8.如权利要求1所述制作具有驱动电路的微喷射头的方法，其中该气泡产生器包含一第一气泡产生构件及一第二气泡产生构件，且该喷孔位于对应的该第一气泡产生构件与该第二气泡产生构件之间。
9.如权利要求1所述制作具有驱动电路的微喷射头的方法，其中该形成气泡产生器的步骤包括形成一电阻层于该低应力材料层上，以形成一加热器；以及形成一导电层于该电阻层上，且该导电层与该驱动电路相连通。
10.如权利要求9所述制作具有驱动电路的微喷射头的方法，其中该导电层的材质是选自于铝、金、铜、钨及铝硅铜合金所构成的族群中的任一者。
11.如权利要求9所述制作具有驱动电路的微喷射头的方法，其中该加热器的材质是选自于铝钽合金、铂及硼化铪所构成的族群中的任一者。
12.如权利要求9所述制作具有驱动电路的微喷射头的方法，其中于形成该电阻层与形成该导电层之间还包括一步骤形成一第一氧化层于该电阻层上，以保护该加热器。
13.如权利要求1所述制作具有驱动电路的微喷射头的方法，其中还包括一步骤形成一第二氧化层于该气泡产生器上，以保护该气泡产生器。
14.一种制作具有驱动电路的微喷射头的方法，其包括提供一基板；形成一介电层于该基板上，该介电层包含一第一部位以及一第二部位；形成一驱动电路于该介电层的第一部位上，该驱动电路包含一个以上的功能元件；蚀刻部分该介电层的第二部位，且形成一牺牲层于该被蚀刻的部分介电层第二部位的位置上；形成一低应力材料层于该牺牲层上；蚀刻不具该驱动电路的该基板与牺牲层，以形成一歧管及一个以上的流体腔，且该歧管是与该流体腔相连通，以供应流体至该流体腔；形成多个气泡产生器于该低应力材料层上，且与该驱动电路相连通；以及形成一个以上的喷孔，且连通该对应的流体腔以喷出该流体。
15.如权利要求14所述制作具有驱动电路的微喷射头的方法，其中形成该介电层的步骤包括形成一薄氧化层于该基板上；形成一氮化硅层于该薄氧化层上；利用局部热氧化法氧化未被该氮化硅层覆盖的薄氧化层，以形成一场氧化层，其中被该氮化硅层所覆盖的该薄氧化层为该介电层的第一部位，而该场氧化层则为该介电层的第二部位；以及去除该氮化硅层。
16.如权利要求14所述制作具有驱动电路的微喷射头的方法，其中形成该驱动电路的步骤包括布植硼离子于该介电层上；形成一多晶硅栅极于该介电层的第一部位上；以及离子布植砷离子于该基板内，形成一源极及一漏极邻近该栅极。
17.如权利要求14所述制作具有驱动电路的微喷射头的方法，其中该驱动电路用以分别独立地传送一讯号至个别的该气泡产生器，且用以驱动该多个气泡产生器。
18.如权利要求14所述制作具有驱动电路的微喷射头的方法，其中该功能元件系为一晶体管。
19.如权利要求18所述制作具有驱动电路的微喷射头的方法，其中该晶体管系为一金属氧化物半导体场效晶体管。
20.如权利要求14所述制作具有驱动电路的微喷射头的方法，其中该蚀刻基板与牺牲层以形成岐管及流体腔的步骤包括背面蚀刻该基板以形成该岐管；去除该不覆盖该驱动电路的牺牲层部位；以及再次背面蚀刻该基板以形成该流体腔。
21.如权利要求14所述制作具有驱动电路的微喷射头的方法，其中该气泡产生器包含一第一气泡产生构件及一第二气泡产生构件，且该喷孔位于对应的该第一气泡产生构件与该第二气泡产生构件之间。
22.如权利要求14所述制作具有驱动电路的微喷射头的方法，其中该形成气泡产生器的步骤包括形成一电阻层于该低应力材料层上，以形成一加热器；以及形成一导电层于该电阻层上，且该导电层与该驱动电路相连通。
23.如权利要求22所述制作具有驱动电路的微喷射头的方法，其中该导电层的材质系选自于铝、金、铜、钨及铝硅铜合金所构成的族群中的任一者。
24.如权利要求22所述制作具有驱动电路的微喷射头的方法，其中该加热器的材质系选自于铝钽合金、铂及硼化铪所构成的族群中的任一者。
25.如权利要求22所述制作具有驱动电路的微喷射头的方法，其中于形成该电阻层与形成该导电层之间还包括一步骤形成一第一氧化层于该电阻层上，以保护该加热器。
26.如权利要求14所述制作具有驱动电路的微喷射头的方法，其中还包括一步骤形成一第二氧化层于该气泡产生器上，以保护该气泡产生器。
全文摘要
本发明公开一种制作具有驱动电路的微喷射头的方法，包括提供一基板；形成一介电层于该基板上，该介电层包含一第一部位以及一第二部位；形成一驱动电路于该介电层的第一部位上，该驱动电路包含一个以上的功能元件；形成一低应力材料层于该介电层的第二部位上；蚀刻该基板与该介电层，以形成一歧管及一个以上的流体腔，且该歧管系与该流体腔相连通，以供应流体至该流体腔；形成多个气泡产生器于该低应力材料层上，且与该驱动电路相连通；以及形成一个以上的喷孔，且连通该对应的流体腔以喷出该流体。
文档编号B05B1/00GK1526481SQ20031012372
公开日2004年9月8日 申请日期2001年4月3日 优先权日2001年4月3日
发明者陈志清, 黄宗伟 申请人:明基电通股份有限公司