专利名称：喷射头结构及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种流体喷射头结构及其制造方法，特别是涉及一种利用一层金属层与一层多晶硅层作为电传导层的流体喷射头结构及其制造方法。
背景技术：
目前，流体喷射装置已被广泛地运用于喷墨打印机的喷墨头等的设备中，而且随着流体喷射装置的可靠度(reliability)不断提高、成本的大幅度降低，以及可提供高频率(frequency)与高空间分辨率(spatialresolution)的高质量液滴喷射的研发，流体喷射装置也逐渐有其他众多可能的应用，例如燃料喷射系统(fuel injection system)、细胞分类(cellsorting)、药物释放系统(drug delivery system)、喷印光刻技术(printlithography)及微喷射推进系统(micro jet propulsion system)等等。
在现有喷墨头的产品中，有从中间供应墨水的方式(center feed)，例如市售惠普公司(HP，Hewlett-Packard)的的编号C6578墨水匣；也有从两边供应墨水的方式(edge feed)，例如市售惠普公司的编号C51645墨水匣。前者一般是采用喷砂、激光切割或化学蚀刻的方式，将芯片(chip)穿透，再由中间进行供墨。然而此法不但芯片尺寸需要比较大，而且挖掉的部分就无法做任何利用，故并不符合经济效益。至于后者，虽然不需进行打穿芯片的动作，但仍需使用到两层金属层与一层多晶硅层的制作工艺花费，且由于需要使用到多道光掩模制作工艺，因此不但制造成本以及制作时间均相对提高，同时也会造成相当多的资源浪费。
另外，在美国专利号码5,774,148中，则揭露一种使用第二层金属层并经过一介层窗(via)与一第一层金属层造成短路，用来作为加热元件(heater)与金氧半场效应晶体管(MOSFET)元件间的信号传递，而多晶硅层则作为MOSFET元件的栅极，并利用一接触窗(contact layer)与该第一层金属层造成短路而达到传讯的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种仅利用一层金属层与一层多晶硅层作为电性传导层的流体喷射头结构及其制造方法，以简化制作工艺，进而降低制造成本。
本发明的目的是这样实现的，即提供一种流体喷射头结构，该流体喷射头结构包括有一基材；至少一气泡产生器，设于该基材上；至少一功能元件，设于该基材上，用来控制该气泡产生器；一由多晶硅所构成的第一导电线路；以及一第二导电线路，用来电耦合于该功能元件与该气泡产生器之间，以及电耦合于该功能元件与该第一导电线路之间。
本发明还提供一种流体喷射头的制造方法，该制造方法包括有下列步骤提供一基材；形成至少一气泡产生器于该基材上；形成至少一功能元件于该基材上；形成一第一导电线路且该第一导电线路由多晶硅所构成；以及形成一第二导电线路，且该第二导电线路用以电耦合于该功能元件与该气泡产生器之间，以及电耦合于该功能元件与该第一导电线路之间。
而本发明的最佳实施例是，流体喷射头结构形成在一基材上，其包括有一气泡产生器，一用来控制气泡产生器的功能元件，一由多晶硅所构成的第一导电线路，一流体腔，一相连通于流体腔的歧管，用以供应一流体至流体腔，以及一第二导电线路，用来电耦合于功能元件与气泡产生器之间，以及电耦合于功能元件与第一导电线路之间。其中，流体腔另包括有至少一连通至基材表面的喷孔，而且栅极与第一导电线路形成于同一黄光暨蚀刻制作工艺(photo-etching-process，PEP)中。
由于本发明仅利用一层金属层与一层多晶硅层作为流体喷射头结构上的电传导层，并克服时间延迟与热产生问题，故在光掩模成本、加工费用与制作过程上有明显的优点。
图1为本发明喷墨头结构的结构剖视图；图2为本发明的实施例横切面示意图；图3为本发明流体喷射头的上视图；图4为本发明流体喷射头芯片的局部放大图；图5为本发明流体喷射头的矩阵式驱动电路示意图；图5A为本发明流体喷射头的地址线信号传输示意图；图5B为本发明流体喷射头中P1群的A1等效电路示意图；图5C为本发明流体喷射头中P16群的A1等效电路示意图；图5D为本发明流体喷射头中P1A1等效电路与P16A1等效电路的HSPICE模拟图；图6至图8为本发明流体喷射头的制作流程示意图。
具体实施例方式
请参见图1，图1为本发明的流体喷射头的结构剖视图。本发明的流体喷射头为一种具有虚拟气阀(virtual valve)的流体喷射装置。如图1所示，气泡产生器包括有两个气泡产生构件，分别为第一加热元件14a与第二加热元件14b，环绕在喷孔(nozzle)12四周，通过两个加热元件14a、14b间的差异，例如电阻值的不同，可使得加热此二加热元件14a、14b时，会先后生成二气泡。首先在喷孔12旁较靠近歧管(manifold)11的第一加热元件14a处先形成一第一气泡(未显示)，此第一气泡会隔绝歧管11与喷孔12，而产生类似气阀的功能，以减小与相邻流体腔16产生互相干扰(cross talk)的效应，接着会在靠近第二加热元件14b处产生一第二气泡(未显示)，由此第二气泡推挤流体腔16内的流体(未显示)，使流体由喷孔12中喷出。最后，第二气泡会与第一气泡相结合，并通过此二气泡的结合以达到减少卫星液滴(satellite droplet)的产生。
由于本发明的流体喷射头的结构不用蚀穿整个芯片即可达到顺利喷出液体的需求，因此基于这种架构下，本发明便可在歧管11上方进行电力线(power lines)的布局。在不考虑电阻层的前提之下，本发明可以仅使用单一多晶硅层与单一金属层(single polysilicon and single metal，SPSM)的制作工艺，就能完成整个芯片的电传导的电路布局。因此本发明明显地在光掩模成本以及制作时程上优于现行产品。为了解说方便起见，以下本发明的流体喷射头便以喷墨头为实施例来加以说明。
请参见图2，图2为本发明整个芯片制作完成的剖视图，其中第一加热元件14a与第二加热元件14b上方沉积了一低温氧化层18以作为保护层，且在指定的地区开洞(via)以使金属层13经由此洞流入加热器14a、14b的上方表面，而达成金属层13与加热器14a、14b连通的目的。
同样地，在MOSFET(金氧半场效应晶体管)元件15的漏极(drain)68与源极(source)66也通过金属层13电连接至加热器14a、14b与接地端(ground)20。所以当MOSFET元件15的栅极(gate)64被打开时，由金属层13所构成的衬垫(pad)会将外部所供给的电压信号送到此喷墨头内，此时，电流会由衬垫进入，先经由金属层13到第一加热元件14a与第二加热元件14b，再经由MOSFET元件15的漏极68到源极66，再流至接地端20而完成一次加热的动作。此时，由于流体腔16(即此喷墨头之喷墨腔)内的墨水被加热，因而产生两个气泡将墨滴经由喷孔12推挤出去。其中，可根据所需打印数据量的不同，而分别控制不同的喷孔12以喷出墨水液滴。此外，金属层13的材料选自铝(Aluminum)、金(Gold)、铜(Copper)、钨(Tungsten)及铝硅铜合金(Alloys of Al-Si-Cu)所构成族群中的任一者。
请参见图3与图4，图3为本发明喷墨头的上视图。在实施例中，将其分成16个P群(包括P1至P16)，每个P群又包括有22个定址(Address，A1至A22)，可对照图5的矩阵式驱动电路图，一逻辑电路或微处理器32将会根据所需打印的数据，送出一选择信号至电力线驱动器(power driver)34以及地址线驱动器(address driver)35，来控制要开启哪个定址(A1至A22)以及供电给哪个P群(P1至P16)。举例而言，若供电给P1，且开启A22，则此时P1群中A22的加热器14a、14b将会依照设定的时间完成加热以及喷墨的操作。
请参见图4，图4为图3中B区域(虚线部分)的局部放大图。如图4所示，可以清楚地看到芯片的中间设置有两排喷孔12，若将整个芯片的喷孔12分成两半(以图3的A-A’分隔线作区分)，即在芯片A-A’的右侧包括有八群喷孔(P1至P8)，而左侧也包括有八群喷孔(P9至P16)。并利用歧管11的上方，两排喷孔12间的中央地区来进行电力线(power line)19的布局，在分隔线A-A’的右侧布局了8条金属线(metal lines，P1至P8)，并连接到右边的输出入衬垫(I/O pads)。同样地，分隔线A-A’的左侧也布局了8条金属线(metal lines，P9至P16)，并连接到左边的输出入衬垫(I/Opads，图中未示)。
本发明的每组衬垫P至衬垫G采取U字型的驱动线路布局方法，例如衬垫P1到衬垫G1的驱动线路布局方法(如虚线部位所示)，而且各电路连接间互不跨接，且仅使用一层金属层13即完成电路的配置，即从衬垫P晶电力线19至加热器14a、14b，再连到MOSFET元件15，最后至接地端衬垫G的连线动作。另外，在MOSFET元件15的上下两边各布局11条横向金属线22，横向金属线22与衬垫A连接，并用以将地址线驱动器35输入的数据传入各MOSFET元件15，以决定由哪个喷孔12喷出墨水，并在MOSFET元件15的左右两边(即靠近芯片的两端)各布局了11条纵向多晶硅线(polysilicon lines)23，共22条多晶硅线23，并且在横向金属线22和纵向多晶硅线23要电连接的部分打上接触层(contact layer)24以完成电连接，而纵向多晶线23的作用为连通芯片上下端的横向金属线22，例如，由衬垫A1输入信号，此时要打开P16的加热元件，则需经由纵向多晶硅线23传递至下方的横向金属线22，才能连接至P16的加热器，达成喷墨的功能，而其动作原理将至后面详述。
请参考图5A至图5D，图5A至图5D为本发明实施例中，利用多晶硅线23进行信号传输的电路示意图。在本发明的实施例中，使用了长达2901μm的纵向多晶硅线23来做Address(A1，A2，…，A22)的传导线，然而并不影响性能。其原因如下(一)MOSFET元件15的栅极端64几乎没有电流，所以不用担心纵向多晶硅线23的发热干扰效应；(二)如图5A所示，当我们欲喷出所有P群(包括P1-P16)的A1时，由于担心使用纵向多晶硅线23而造成因整条导线阻值太大，所产生的时间延迟(Time delay)问题发生，因此，为说明此一问题，我们选择相邻最远的两组A1 Address(即P1群的A1与P16群的A1)，并且由于整个喷墨的频率设定约略大于10KHz，因此在一个喷墨循环下(A1，A2，…，A22依序开启的情形)，每一个Address约为3.5μs的开启时间，且P群的电压供给时间必须在3.5μs的脉波宽度(Pulse width)内加热完成(约2μs)，即我们的加热时间只有邻近Address前后各约500ns的缓冲时间。只有符合前述的规格下，才不至于会有P1群的A1已经关掉了，且准备喷A2了，而P16群的A1才关掉或还没关掉的问题发生。
由图5A中，根据金属线22的片电阻(Sheet resistance)约为0.1Ω/μm与多晶硅线23的片电阻10Ω/μm而可求得，当开启全部A1 MOSFET元件15的栅极64时，P1群的A1与P16群的A1电传导线阻值分别如图5B及图5C所示，图5B为P1群的A1的等效电路，图5C则是P16群的A1的等效电路，由于信号传输到P16群的A1时，需多经过纵向多晶硅线23与横向金属线22，因此在图5C中会额外多了一多晶硅线23的电阻R1(阻值约为2901Ω)与一横向金属线22的电阻R2(阻值约为147Ω)。将上述两个电路对其执行HSPICE模拟，其结果如图五D所示，可知P1群的A1的clock 50％发生在710ns，而经过RC delay的P16群里的A1的clock 50％则发生在718ns。由此可知，P1群与P16群的A1信号延迟只相差8ns，距离我们可容许的范围500ns还有很大的距离，故不会对喷墨打印造成任何影响。
在此进一步详述本发明流体喷射头结构的制作工艺方法如下。请参考图6至图8，图6至图8为本发明流体喷射头结构的制作流程示意图。首先，在一硅晶片基板60上以局部热氧化法(Local oxidation)形成一场氧化层(Field oxide)62，接着进行一硼离子布植(Blanket boron implant)，以调整驱动电路的起始电压(Threshold voltage)。随后形成一多晶硅栅极(Polysilicon gate)64在场氧化层62中，其中，形成多晶硅栅极64的同时，也于芯片接近边缘的两侧，形成如前所述的22条纵向多晶硅线23(未显示)，用来当作第一导电线路，并再施以离子布植，以于栅极64两侧形成一源极(Source)66及一漏极(Drain)68，完成MOSFET元件15。随后沉积一低应力层(Low stress layer)72，如氮化硅(SiNx)材料，以做为流体腔16的上层，如图6所示。
请参考图7，接下来，使用蚀刻液氢氧化钾(KOH)从基板60的背面蚀刻以形成歧管11，做为供给流体进入的主要流道，而后再将部分场氧化层62以蚀刻液氢氟酸(HF)移除，作为流体腔16。随后在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16的深度，如此流体腔16与歧管11便得以相连通且可填满流体。在进行此蚀刻步骤期间需特别留意，因为流体腔16的凸角(Convex corner)也会被蚀刻液攻击而会被蚀刻成圆弧的形状。
然后再继续进行加热器的制作工艺。其中，加热器包括有第一加热器14a及第二加热器14b，而加热器的制作工艺为现有该项技术者所能轻易完成，故在此不多加赘述。此外，对第一加热器14a及第二加热器14b而言，较佳的材料为铝钽合金(Alloys of tantalum and aluminum)，而其他材料如铂(Platinum)、硼化铪(HfB2)等也可达到相同作用。另外，为了保护第一加热器14a与第二加热器14b并隔离此一个以上的MOSFET功能元件15，故在整个基板60上，包括栅极64、源极66、漏极68及场氧化层62的范围会再沉积一低温氧化层74用以做为保护层。
接着，在第一加热器14a与第二加热器14b上形成一导电层(Conductive layer)13，用来当作第一导电线路以导通第一加热器14a、第二加热器14b与驱动电路之MOSFET功能元件15。其中，驱动电路用以分别独立地传送一信号至个别的加热器(第一加热器14a与第二加热器14b)，且用以驱动一对以上的加热器(第一加热器14a与第二加热器14b)，如此即可利用数量较少的电路元件与连接线路，可相同达到控制电路的功效。在本发明的实施例中，导电层13的较佳材料为如铝硅铜合金(Alloys ofAluminum-Silicon-Copper)、铝(Aluminum)、铜(Copper)、金(Gold)或钨(Tungsten)等金属材料。随后再沉积一低温氧化层76在导电层13之上以做为保护层。
最后，请参考图8，在第一加热器14a与第二加热器14b之间形成一喷孔12。至此，即可形成一体成型且具有驱动电路的流体喷射装置阵列。
由上述说明可知，本发明的实施例使用一层多晶硅线及一层金属线以完成电路的连接，其中多晶硅导线23更可与多晶硅栅极同时制作于一黄光暨蚀刻制作工艺(PEP)以简化制作工艺。如此，不但可以避免使用到第二层金属层而达到节省成本的效果，并可在不影响其性能下完成MOSFET元件15的栅极64开关动作。
接着详述其动作原理如下请参考图4及图5，当进行喷墨打印时，逻辑电路或微处理器32将会根据所需打印的数据，决定要由哪一个喷孔喷出墨水，接着会送出一选择信号至电力线驱动器(power driver)34以及地址线驱动器(address driver)35，以开启相对应的定址(A1至A22)以及供电至相对应的P群(P1至P16)，之后电流便会流经加热器14a、14b而加热流体以产生气泡，进行一喷墨动作。举例而言若要让位于A1P1处的喷孔12a喷出液滴，则必须要经由输出入衬垫A1送进一个电压信号至MOSFET元件15的栅极64来将开关打开，接着再由输出入衬垫P1提供一电压信号，以产生电流，此时电流便会流经加热器14a、14b而加热墨水以产生气泡，再流经MOSFET元件15的漏极68到源极66，最后流至接地端20，至此，完成一个墨滴喷出的动作。
上述的喷墨头结构虽仅以单色打印机的结构来作说明，但本发明的应用并不局限于单色喷墨打印机，在彩色或多色的喷墨头结构中也可适用本发明。此外，本发明的流体喷射装置也具有其他众多可能的应用，例如燃料喷射系统、细胞分类、药物释放系统、喷印光刻技术、微喷射推进系统等，并不以喷墨打印为限。
因此，本发明仅使用一层金属层与一层多晶硅制作工艺所完成的整体芯片电路布局，其有下列的功效(1)本发明的喷墨头结构不仅比现行的喷墨头产品的驱动电路少了两道光掩模的费用，更可因少了两道光掩模制作工艺而减少加工费用、缩短制作时间并提高产量速度；(2)由于供墨方式不采用整个芯片打穿的方式，因此可在歧管上方进行电路布局，将节省整个芯片的尺寸而增加整片晶片(wafer)的芯片(die)切割量；以及(3)在相同的芯片面积下，可由此方法设置更多的喷孔，以提高打印速度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
权利要求
1.一种流体喷射头结构，该流体喷射头结构包括有一基材；至少一气泡产生器，设于该基材上；至少一功能元件，设于该基材上，用来控制该气泡产生器；一由多晶硅所构成的第一导电线路；以及一第二导电线路，用来电耦合于该功能元件与该气泡产生器之间，以及电耦合于该功能元件与该第一导电线路之间。
2.如权利要求1所述的流体喷射头结构，还包括有一接触层，设于该第一导电线路与该第二导电线路之间，用以电耦合该第一导电线路与该第二导电线路。
3.如权利要求1所述的流体喷射头结构，其中该第二导电线路还包括有至少一衬垫(pad)。
4. 如权利要求1所述的流体喷射头结构，还包括有一介电层，设于该第一导电线路以及该第二导电线路之间。
5.如权利要求1所述的流体喷射头结构，其中该功能元件为一晶体管，且该晶体管包括有一源极、一漏极与一栅极。
6.如权利要求5所述的流体喷射头结构，其中该晶体管为一金氧半场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET)，且该栅极由多晶硅所构成。
7.如权利要求6所述的流体喷射头结构，其中该栅极与该第一导电线路形成于同一黄光暨蚀刻制作工艺(photo-etching-process，PEP)。
8.如权利要求1所述的流体喷射头结构，其中该第二导电线路的材料选自于铝(Aluminum)、金(Gold)、铜(Copper)、钨(Tungsten)及铝硅铜合金(Alloys of Al-Si-Cu)所构成族群中的任一者。
9.如权利要求1所述的流体喷射头结构，另包括有至少一流体腔，设于该基材中，且各该流体腔中均包括有至少一喷孔连通至该基材表面；以及至少一歧管，设于该基材中并相连通于该流体腔，用以供应一流体至该流体腔。
10.如权利要求9所述的流体喷射头结构，其中该气泡产生器包括一第一气泡产生构件与一第二气泡产生构件，且该第一气泡产生构件与该第二气泡产生构件设于接近该相对应的喷孔处以及该对应的流体腔上方，当对应的流体腔充满该流体时，该第一气泡产生构件会在该流体腔内产生一第一气泡以作为一虚拟气阀，以产生该第一气泡后，该第二气泡产生构件产生一第二气泡，以使该流体腔的该流体由该喷孔喷出。
11.如权利要求9所述的流体喷射头结构，其中该流体喷射头结构用来作为一喷墨打印机的喷墨头，而该歧管连接至一墨水匣，且该流体为该墨水匣中的墨水。
12.一种流体喷射头的制造方法，该制造方法包括有下列步骤提供一基材；形成至少一气泡产生器于该基材上；形成至少一功能元件于该基材上；形成一第一导电线路且该第一导电线路由多晶硅所构成；以及形成一第二导电线路，且该第二导电线路用以电耦合于该功能元件与该气泡产生器之间，以及电耦合于该功能元件与该第一导电线路之间。
13.如权利要求12所述的制造方法，另包括有一步骤形成一接触层，介于该第一导电线路与该第二导电线路之间，用以电耦合该第一导电线路与该第二导电线路。
14.如权利要求12所述的制造方法，其中该第二导电线路另包括有一衬垫(pad)。
15.如权利要求12所述之制造方法，另包括有一步骤形成一介电层，介于该第一导电线路与该第二导电线路之间。
16.如权利要求12所述的制造方法，其中该功能元件为一晶体管，且该晶体管包括有一源极、一漏极与一栅极。
17.如权利要求16所述的制造方法，其中该晶体管为一金氧半场效应晶体管(MOSFET)，且该栅极由多晶硅所构成。
18.如权利要求12所述的制造方法，其中该栅极与该第一导电线路形成于同一黄光暨蚀刻制作工艺(PEP)。
19.如权利要求12所述的制造方法，其中该第二导电线路的材料选自铝(Aluminum)、金(Gold)、铜(Copper)、钨(Tungsten)或铝硅铜合金(Alloysof Al-Si-Cu)所构成族群的任一者。
20.如权利要求12所述的制造方法，其中该气泡产生器另包括有一第一气泡产生构件及一第二气泡产生构件。
21.如权利要求20所述的制造方法，另包括有下列步骤形成一介电层于该基材上；蚀刻该基材与该介电层，以形成一歧管以及至少一相连通于该歧管的流体腔；以及形成至少一喷孔，且该喷孔位于相对应的该第一气泡产生构件与该第二气泡产生构件之间，并连通至相对应的该流体腔，以喷出该流体腔中的流体。
22.如权利要求21所述的制造方法，另包括有下列步骤形成一低应力材料层于该介电层上，且该气泡产生器形成于该低应力材料层之上。
23.如权利要求21所述的制造方法，其中该流体喷射头用来作为一喷墨打印机的喷墨头，该歧管连接至一墨水匣，且该流体为该墨水匣中的墨水。
全文摘要
本发明提供一种流体喷射头结构及其制造方法。流体喷射头结构形成于一基材上，其包括有一气泡产生器，一用来控制该气泡产生器的功能元件，一由多晶硅所构成的第一导电线路，一流体腔，一相连通于流体腔的歧管，用以供应一流体至流体腔，以及一第二导电线路，用来电耦合于功能元件与气泡产生器之间，以及电耦合于功能元件与第一导电线路之间。其中，流体腔另包括有至少一连通至该基材表面的喷孔，而且栅极与第一导电线路形成于同一黄光暨蚀刻制作工艺(PEP)。
文档编号B41J2/14GK1426844SQ011433
公开日2003年7月2日 申请日期2001年12月20日 优先权日2001年12月20日
发明者黄宗伟, 陈志清 申请人:明基电通股份有限公司