TWI231785B

TWI231785B - Fluid injector and method of manufacturing the same

Info

Publication number: TWI231785B
Application number: TW093130205A
Authority: TW
Inventors: Wei-Lin Chen; Hung-Sheng Hu; Der-Rong Shyu
Original assignee: Benq Corp
Priority date: 2004-10-06
Filing date: 2004-10-06
Publication date: 2005-05-01
Also published as: US20060071302A1; TW200611828A

Description

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發明所屬之技術領域士發明係有關於-種流體噴射裝置及其製造方法，特，，有關於一，具有表面平坦及抗墨水腐蝕性質的流體噴射叙置’可提南使用效率及延長壽命。先前技術微流體喷射裝置近來已廣泛地運用於資訊產業，例如噴墨印表機或類似設備中。隨著微系統工程（micr〇 system engineering)的逐步開發，此種流體喷射裝置逐漸有其他眾多領域之應用，例如燃料噴射系統（f u e 1 injection system)、細胞篩選（cell s〇rting)、藥物釋放系統（drug delivery system)、噴印光刻技術（print lithography)及微喷射推進系統（micr〇 jet pr〇pUisi〇n system)等。在前述各應用領域中，較為成功的一種設計係使用熱驅動氣泡（thermal dr i ven bubble)方式以喷射出液滴的方法。由於其設計簡單且成本低廉，因此在使用上也隶為普遍。第1圖顯示一種習知美國專利號碼6，1 〇 2，5 3 0的單石化的流體喷射裝置1，其以一矽基底1 〇作為本體，且在石夕基底1 0上形成一結構層1 2，而在矽基底1 〇和結構層1 2之間形成一流體腔1 4，用以容納流體2 6 ;而在結構層1 2上設有一第一加熱器2 0、以及一第二加熱器2 2，第一加熱器2 〇用以在流體腔1 4内產生一第一氣泡3 0，第二加熱器2 2用以在流體腔14内產生一第二氣泡32，以將流體腔14内之流體2 6射

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五、發明說明（2) 出。 valve由)於白^石計化的、=體噴射裝置1具有虛擬氣閥（士_ 里損夭的知性且無須另外利用組裝方式接人 _ 此可以降低生產成本。飞接口噴孔片，因 =，在習知的單石化的流體喷射裝置丨中，結構声要由低應力氮化矽（1 〇 w s t r e s s i 成。在製程”單層結構層12的厚度有二正體結構的哥命，且由於受氣泡擠壓而^ 姆層12厚…，而發生方向無法導正液f因 -人，加熱态2 0、22位於結構層1 2之上，產生的哉旦到流體腔内的流體26，但是相對的仍有部、； …、里會累積在結構層12上，間接影響到系統的操作頻率Γ 旦基於上述缺點，因而需要一種有效率地移除殘餘熱里，亚增加整體結構強度的流體喷射裝置。第2圖係顯示習知技術之流體噴射裝置100，藉由批覆一金屬層140於結構，130之上，利用金屬層良好的導熱性，達到消除殘餘σ 熱量，並增加整體結構強度的目的。習知的金屬層材料可為金、白金、鎳或是鎳合金，利用電鍍製程形成於結構層 130之上。然而，就金電鍍層而言，容易因表面粗糙度過大而造成累積液體於表面，使得液滴飛行方向偏離預定方向。另一方面，就鎳或鎳合金電鑛層而言，雖然可獲致較平滑的表面，以避免表面液體殘留的問題，然而鎳或鎳合金的抗化性較差，在長時間與液體接觸後，於表面易產生

〇535-A20500TWF(N2) ；A03625；JAMNGW〇. 第8頁 1231785 五、發明說明（3) 腐蝕問題，直接影響到使用壽命。美國專利第US 6 1 5 5 6 7 6號揭示在鎳或鎳合金外以铑包覆之’可有效地增加對流體的化學抵抗能力。然而，就單石化流體喷射裝置而言’以習知的製程形成金屬層的保護層，在技術上有實施的困難。發明内容有鐘於此及抗墨水腐蝕種不同金屬之率，加強流體根據上述，本發明的性質的流體平坦表面與喷出穩定性目的，本發括：一基材，包括一基底一流體腔形成腔；至少一氣相對側；一第產生裝護層，氣泡產生裝置置；一順應性於結構層與泡產生裝置一保護層，第二結構層地形成於第且穿透第二層與第一結構層，且與流由第一結構層根據上述造方法，包括之一第一面上、第一保護目的，本發 :提供一基 ;形成一圖目的在喷射裝抗化性 ’延長明提供 '一第基底之 ’設置形成於，位於一結構保護層體腔連層及第明另提底，形案化第於提供一種具有表面平坦置及其製造方法。結合兩佳的特性，可提高使用效使用壽命。一種流體喷射裝置，包一結構層設置在基底上、間、以一通道連接流體於結構層上且於流體腔之覆蓋氣泡一第二保第一結構層上，第一保護層上；層上；以及一喷孔，鄰近、弟二結構層、第一保護通；其中，喷孔的内壁係二保護層所構成。供一種流體喷射成一圖案化犧牲裝置的製層於基底結構層於基底上，且覆

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五、發明說明（4) 盖圖案化犧上’其中氣護層於第一牲層；形泡產生裝結構層上順應地性覆蓋第一保蓋一喷孔的預定位置層的表面構層於起始位置處留下光阻層於部除第二光阻層；形成上；順應性地形成一始層上；移通道於基板一開口，分起始層成一流體腔以形成一噴除第三光之一第二 ;以及沿孔鄰近氣成至少一置位於流並覆蓋氣護層上；，露出該上’移除露出起始上；移除一圖案化第二保護阻層及其面，以露開口依序泡產生裝氣泡產體腔的泡產生形成一起始層第一光層表面該噴孔第三光層於第下層的出犧牲蝕刻保置且與生裝置於第對側；形成一第一保裝置；形成圖案化第一表面；形成阻層，並於結構層一起始層光阻層覆一第二結喷孔預定，形成一圖案化第二始層；移的起始層裸露之起位置處的起阻層於部分二結構層及起始層；形層；移除犧護層及第一流體腔連通成凉'體牲層以形結構層，以下配合圖式以及較佳〒施例，以更詳細地說明本發實施方式本發明實施例提供一種复質的流體喷射裝置及其製造^有表，平坦及抗墨水腐蝕性之平坦表面與抗化性佳的於权法，藉由結合兩種不同金屬用效率，加強流體噴出穩^ ，可提咼流，噴射裝置的使明之實施例，流體噴射裝詈^，延長使用壽命。根據本發匕括一基材具有一基底、—沾

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JHH 苐10頁 1231785 五、發明說明（5) 構層、一流體腔、以及一通道。其中，結構層設置在基底上，流體腔形成於結構層與基底之間’以及通道與流體腔連接。至少一氣泡產生裝置，設置於結構層上且於流體腔之相對側。一第一保護層，形成於第一結構層上，覆蓋氣泡產生裝置。一第二結構層，位於第一保護層上。一第二保護層，順應性地形成於第二結構層上。以及一喷孔，鄰近氣泡產生裝置且穿透第二保護層、第二結構層、第一保護層與第一結構層，且與流體腔連通。其中，噴孔的内壁係由第一結構層、第一保護層及第二保護層所構成。第3 A - 3 Η圖係顯示根據本發明實施例之流體喷射裝置的製程剖面示意圖。請參閱第3Α圖，提供一基底3〇〇，例如單晶矽基底，且在基底3 0 0上形成一圖案化犧牲層3丨〇。犧牲層310係由化學氣相沉積（CVD)法所沉積之硼石夕酸構玻璃（BPSG)、矽酸磷玻璃（PSG)或其他氧化矽材質。接著，順應性形成一圖案化結構層32 0於基底300上，且覆蓋圖案化犧牲層310。結構層32 0可由化學氣相沉積法所形' 成之一低應力氮氧化矽（Si ON)層，或低應力氮化石夕層，其應力介於10 0〜20 0百萬帕（MPa)。接著，形成一氣泡^生^ 置3 4 0於結構層3 2 0上。氣泡產生裝置3 4 0較佳者為由一電阻層所構成之加熱器，其中電阻層係由物理氣相沉積法〃 (PVD)，例如蒸鍍、濺鍍法或反應性濺鍍法，形成如、 TaAl、TaN或其他電阻材料。接著，在結構層“ο上^ 2 一' 保護層330，覆蓋氣泡產生裝置34〇。保護層33〇的材^ 為化學氣相沉積法所形成之氧化矽或氮化矽。接著，貝在保

1231785 ·_ --- 五、發明說明（6) 二?。3〇電上二成;/ 鍍起始層 35。（under bum"etal，在本〇可為薄的了^/^層或薄的Cr/Cu層。 342 Λ /^ 體腔3 9 5内產生= 一加熱器342，用以在流與第一加教哭一氣（麥考第1圖），第二加熱器弟加^ 342分別位於喷孔的相對側。示），上形速成氣於包第產-生Λ置3 40更包括一訊號傳送線路（未圖驅動氣泡產生^置^320與第一保護層330之間，連接其他導線材料於結：/上化，電層’例如A1，、A1Cu或明參閱第3 B圖，施以微影製 — 360於噴孔預定位置衣:2圖-化弟-光阻層請參閱第3C圖，：成第起：°的表面。 35 0之上。第二結構心：；：構層370於電鍍起始層避免表面液體殘留的曰門題;f平滑的表面性質為佳，能電鎮或無電鑛屬。弟二結構層370可由電鑛、请茶閱第3D圖，移除第一光阻# 圖案化第二光阻層3 75於喷孔 θ 1 ’形成 36〇a，露出起始層35〇表面。置處4下開0 睛參閱第3 E圖，移除開口 ^ f； n f ^ ㈣。移除起始可=裸露二起始層蝕刻法進仃，例如濕蝕刻 0535-A20500TWF(N2)；A03625;JAMNGW0.ptd 第12頁 1231785 五、發明說明（7) 法0 "月參閱第3 F圖，形成一圖案化光阻層4 〇〇，覆蓋部分電鍍起始層3 50。 1 请芩閱第3 G圖，形成一第二保護層38 〇，於順應性覆蓋第二結構層370與起始層350上。第二保護層38〇可由電鍍或無電鍍等方式形成。為增加第二保護層3 8 0與第二結構層37 0的附著性，可在形成一第二保護層38〇的步驟之前，形成一附著層（未圖示）。接著，移除光阻層4〇〇，與其下層的起始層35 0。第二保護層380的材質可為金、金合金、鈀、鉑或其他貴重金屬。請參閱第3H圖，以濕蝕刻法蝕刻基底3〇()的背面形成一流體通這3 9 G，且露出犧牲層3丨〇。然後，再蝕刻犧牲層 310以形^成一流體腔395並擴大之，成為擴大的流體腔。曰接著，沿開口 3 60a，依序蝕刻保護層33〇及結構層 320，以形成一噴孔114鄰近氣泡產生裝置34〇且與流體腔 3 9 5連通，以完成本發明實施例之流體喷射裝置的製作。根據第3 Η圖所示的流體噴射裝置，其構造包括一基底 3 0 0。一結構層3 3 0懸置在基底3 〇〇上，其間夾置一流體腔 3 9 5。一通迢3 9 0連接流體腔3 9 5與墨水儲存槽（未圖示）。一氣泡產生裝置340，設置於結構層33{)上且位於流體腔 395之相對側。一第一保護層33〇，形成於第一結構層33〇上，覆蓋氣泡產生裝置340。一第保護層3 3 0上。一第二保護層3 8 〇，構層3 7 0上。以及一噴孔3 6 0 c，鄰二結構層3 6 0，位於第一順應性地形成於第二結近該氣泡產生裝置34 0且

1231785 五、發明說明（8) 穿透該第二保護層380、該第二結構層370、該第一保護層 330與該第一結構層32〇，且與流體腔395連通。其中，喷孔3 6 0〇的内壁係由該第一結構層32〇、該第一保護層33()及該第二保護層3 8 0所構成。 ^ 上述氣泡產生裝置340包括一第一加熱器342、以及一第一 ^熱器344，第一加熱器342，用以在流體腔3 9 5内產生一第一氣泡（參考第1圖），第二加熱器344與第一加熱器 342分別位於喷孔36吒的相對側，且如在體f95内產生一第二氣泡（參考第…以將流體腔395内之流體射出。 [本案特徵及效果] 本發明之特徵與效果在於接墨水腐純質的流體喷射有表面平坦及抗表面與抗化性佳的特性，；金屬之平坦液殘留在表面，影響液滴飛行=的坦性’避免溶較佳的Au金屬層，避免液體腐蝕面，担，利用杬化性置的使用效率及壽命。又’可提向流體噴射裝雖然本發明已以較佳實施例限定本發明，任何熟習此項技蓺者， ’、然其並非用以神和範圍β，當可作更動與潤〗，田：脫離本發明之精口此本發明之保護範圍弟14頁〇535-A20500TWF(N2);A03625;JAMNGWO.ptd 1231785

0535-A20500TWF(N2);A03625;JAMNGWO.ptd 第 15 頁 1231785 圖式簡單說明第1圖係顯示一種習知的單石化的流體喷射裝置；第2圖係顯示習知技術之流體喷射裝置，藉由批覆一金屬層於結構層之上，利用金屬層良好的導熱性，達到消除殘餘熱量，並增加整體結構強度的目的；以及第3A-3H圖係顯示根據本發明實施例之流體喷射裝置的製程剖面示意圖。【主要元件符號說明】習知部分（第1、2圖） 1〜單石化的流體喷射裝置； 10〜矽基底； 1 2〜結構層； 1 4〜流體腔； 2 0〜第一加熱器； 2 2〜第二加熱器； 2 6〜流體通道， 3 0〜第一氣泡； 3 2〜第二氣泡； I 0 0〜流體喷射裝置； II 0〜基材； 11 1〜基底； 11 2〜結構層； 1 3 0〜保護層； .1 4 0〜金屬層；

0535-A20500TWF(N2);A03625;JAMNGWO.ptd 第16頁 1231785_ 圖式簡單說明 11 3〜流體腔； 11 4〜喷孔； 11 6〜通道。本案部分（第3A〜3G圖） 3 0 0〜基底； 3 1 0〜犧牲層； 3 2 0〜第一結構層； 3 3 0〜第一保護層； 34 0〜氣泡產生裝置.； 34 2〜第一加熱器； 344〜第二加熱器； 350〜電鐘起始層； 360〜第一光阻層； 3 6 0 a〜開口； 3 6 0 c〜喷孔； 3 7 0〜第二結構層； 375〜第二光阻層； 3 8 0〜第二保護層； 3 9 0〜流體通道； 3 9 5〜流體腔； 400〜第三光阻層。

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Claims

1231785__ 六、申請專利範圍 1 · 一種流體喷射裝置，包括：一基材，包括：一基底；一第一結構層，設置在該基底上，一流體腔，形成該結構層與該基底之間；以及一通道，連接該流體腔；至少一氣泡產生裝置，設置於該結構層上且於該流體腔之相對側；一第一保護層，形成於該第一結構層上，覆蓋該氣泡產生裝置；一第二結構層，位於該第一保護層上；一第二保護層，順應性地形成於該第二結構層上；以一噴孔，鄰近該氣泡產生裝置且穿透該第二保護層、該第二結構層、該第一保護層與該第一結構層，且與該流, 體腔連通；其中’該喷孔的内壁係由該第一結構層、該第一保護層及該第二保護層所構成。 2 ·如申请專利範圍第1項所述的流體喷射裝置，其中該氣泡產生裝置係電阻加熱器。 ’、 3.如申請專利範圍第2項°°所述的流體喷射裝置，其中該電阻加熱器包括：一第一加熱器，以位於該流體腔外的方式設面上，用以在該流體腔内產生_第—氣泡；以及 '-表

1231785 一第二加熱器’以位於該流體腔外的方式設置於該表面上’且與該第一加熱器分別位於該第一通孔的相對側，用以在該流體腔内產生一第二氣泡以將該流體腔内之流體射出。 #4·如申請專利範圍第1項所述的流體喷射裝置，其中該第一結構層係一低應力氮化矽層或一低應力氮氧化矽層。 5·如申請專利範圍第1項所述的流體喷射裝置，其中該弟一保護層係一氧化石夕層。 6·如申請專利範圍第1項所述的流體喷射裝置，其中該弟一結構層具平滑的表面。 7 ·如申請專利範圍第6項所述的流體喷射裝置，其中該第二結構層係鎳、銅或前述金屬之合金。 8 ·如申請專利範圍第1項所述的流體噴射裝置，其中該第一保護層具有抗墨水腐钱性。 9·如申請專利範圍第8項所述的流體喷射裝置，其中該第二保護層係一金、鈀、鉑或前述金屬之合金。 1 0 · —種流體噴射裝置的製造方法，包括下列步驟：提供一基底；形成一圖案化犧牲層於該基底之一第一面上；形成一圖案化第一結構層於該基底上，且覆蓋該圖案化犧牲層；形成至少一氣泡產生裝置於該第一結構層上，其中該至少一氣泡產生裝置位於該流體腔的對侧；

0535-A20500TWF(N2);A03625;JAMNGWQ.ptd 第19頁 1231785 六、申請專利範圍

一結構層上並覆蓋該至少形成一第一保護層於該第氣泡產生裝置；形成一起始層順應地性覆蓋該第形成一圖案化第一光阻層覆蓋一出該起始層表面_; 一保護層上；喷孔的預定位置，露开/成苐一結構層於該起始層的表面上；私除該第一光阻層，並於該喷孔預定位置處留露出該起始層表面；下一開形成一圖案化第二光阻層於部分起始層上；移除該喷孔位置處的該起始層；移除該第二光阻層；形成一圖案化第三光阻層於部分的該起始層上；順應性地形成一第二保護層於該第二結構層及該裸露之起始層上；移除該第三光阻層及其下層的該起始層；形成一流瀣通道於該基板之一第二面，以露出該犧牲移除該犧牲層以形成一流體腔；以及沿該開口依序蝕刻該保護層及該第一結構層，以形成一噴孔鄰近該氣泡產生裝置且與該流體腔連通。 1 1 ·如申請專利範圍第1 〇項所遂的流體喷射裝置的製造方法’其中該第一結構層係一低應力氮化石夕層或一低應力鼠氧化層。 1 2 .如申請專利.範圍第1 〇項所述的流體喷射裝置的製

1231785_；_ 六、申請專利範圍造方法，其中該第一保護層係一氧化石夕層。 1 3.如申請專利範圍第1 0項所述的流體喷射裝置的製造方法，其中該第二結構層具平滑的表面。 1 4.如申請專利範圍第1 3項所述的流體喷射裝置的製造方法，其中該第二結構層係鎳、銅或前述金屬之合金。 1 5.如申請專利範圍第1 3項所述的流體喷射裝置的製造方法，其中該第二結構層的形成方法包括電鐘、電鑄或無電鍍。 1 6.如申請專利範圍第1 0項所述的流體喷射裝置的製造方法，其中該第二保護層具有抗墨水腐蝕性。 1 7.如申請專利範圍第1 6項所述的流體喷射裝置的製造方法，其中該第二保護層係一金、纪、翻或前述金屬之合金。 1 8.如申請專利範圍第1 6項所述的流體喷射裝置的製造方法，其中該第二保護層的形成方法包括電鍍、電鑄或無電鐘。

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