CN100446977C - 流体喷射装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种流体喷射装置及其制造方法，其中流体喷射装置包括：一基底；一形成于该基底上的结构层；一歧管，该歧管设置于该基底中，以供应流体；多个具有相同长度的流体腔，所述多个具有相同长度流体腔形成于该基底与该结构层之间并与该歧管连通，以容纳要喷射的流体；以及多个喷孔，所述多个喷孔穿过该结构层并与所述多个流体腔连通，以喷射流体，其中该所述多个喷孔与该歧管的距离大体不同。本发明还包括流体喷射装置的制造方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体装置，特别是涉及一种流体喷射装置及其制造方法。
背景技术
目前，流体喷射技术已广泛应用于各种科技领域的中，例如打印机喷墨头、燃油喷射装置或是生物医学系统如药剂注射机制等的科技产品。
公知的流体喷射装置可参见图1加以说明。图1是显示美国专利第6,102,530号所揭示的流体喷射装置，此流体喷射装置包括一硅基材38、一歧管26，以输送流体、流体腔14，设于歧管26的一侧，用以容纳该流体、喷孔18，设于流体腔14的表面，用以供该流体喷出、以及喷射组件20、22，设于喷孔18周围。
以下特别针对上述流体喷射装置中流体腔14的制造方法加以说明，参阅图2a至图2c。如图2a所示，提供一包括上、下两保护层42、44的基底38。接着，如图2b所示，以非等向性湿蚀刻法蚀刻基底38的背面，以形成一歧管26，并露出替代层40，之后，再以氢氟酸(HF)溶液蚀刻移除替代层40，并再次使用KOH对基材38蚀刻以完成一流体腔14的制作，如图2c所示。
然而，如图3a与3b所示，其中图3a是为一流体腔的光掩模图形，图3b则为蚀刻流体腔后的示意图，当以非等向性湿蚀刻法制造流体腔14时，由于非等向性蚀刻对不同晶格平面有着不同的蚀刻速度，于是过程中势必对隔开流体腔的基材部分30产生蚀刻作用，造成流体腔长度与设计上有所差异，导致流体腔间的相互干扰(cross talk)，同时当蚀刻尖点31出现时，也会有应力集中的效应，对结构强度及使用寿命也会造成严重的影响，且结构尺寸越小，此一现象就越益严重。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是公开一种流体喷射装置，打算由相同流体腔长度的设计，以改善回填(refill)过程中相互干扰(cross talk)的现象。
为了达到上述目的，本发明提供一种流体喷射装置，包括：一基底；一形成于该基底上的结构层；一歧管，该歧管设置于该基底中，以供应流体；多个具有相同长度的流体腔，所述多个具有相同长度的流体腔形成于该基底与该结构层之间并与该歧管连通，以容纳要喷射的流体；多个通道，所述多个通道形成于所述这些流体腔与该歧管之间，其中每一通道两端分别连接一流体腔与该歧管；以及多个喷孔，所述多个喷孔穿过该结构层并与所述这些流体腔连通，以喷射流体。所述这些喷孔与该歧管的距离大体不同。
依本发明流体喷射装置的设计，当流体回填时，由于流体腔与歧管之间形成的狭长型通道，使得相互邻近的流体腔不会再因流体扰动过大而产生彼此干扰的现象。
本发明另提供一种流体喷射装置的制造方法，该多个喷孔包括下列步骤：提供一基底；形成一图形化替代层于该基底上，该图形化替代层是作为一预定形成多个通道以及多个具有相同长度流体腔的区域；形成一图形化结构层于该基底上，并覆盖该图形化替代层；形成一歧管穿过该基底，并露出该图形化替代层；移除该替代层，以完成所述这些通道与所述这些流体腔的制作，其中该流体腔借助该通道与该歧管连通；以及蚀刻该结构层，以形成多个与所述这些流体腔连通的喷孔，其中所述这些喷孔与该歧管的距离大体不同。
为使本发明的上述目的、特征及优点能更明显易懂，下面特举一较佳实施例，并结合附图，作详细说明如下：
附图说明
图1是为美国专利第6,102,530号中流体喷射装置的示意图。
图2a至图2c是为美国专利第6,102,530号中流体喷射装置制作的剖面示意图。
图3a与图3b是为公知光掩模图形与非等向性蚀刻示意图。
图4a至图4d是为根据本发明的第一实施例的流体喷射装置制作的示意图。
图5a与图5b是为根据本发明的第二实施例的流体喷射装置的光掩模图形与蚀刻示意图。
图6a与图6b是为根据本发明的第三实施例的流体喷射装置的光掩模图形与蚀刻示意图。
图7a与图7b是为根据本发明的第四实施例的流体喷射装置的光掩模图形与蚀刻示意图。
附图符号说明：
公知部份(图1、图2a至图2c以及图3a与3b)
14～流体腔；
18～喷孔；
20、22～喷射组件；
26～歧管；
30、38～基材；
31～蚀刻尖点；
40～替代层；
42、44～保护层。
本发明实施例部份(图4a至图4c、图5a与图5b、图6a与图6b以及图7a与图7b)
Lc～流体腔长度；
Ln～颈部结构长度；
Wch～连接处宽度；
Wn～颈部结构宽度；
400～基底；
405～替代层；
410、510、610、710～歧管；
420、520、620、720～流体腔；
430～通道；
525、625、725～颈部结构；
530～连接处；
440～结构层；
450～电阻层；
460～隔离层；
470～导电层；
480～保护层；
490～讯号传送线路接触窗；
495～喷孔；
θ～夹角；
具体实施方式
实施例1
本实施例流体喷射装置的构成特征为，如图4d所示，流体腔420与歧管410之间形成一狭长通道430，使所述这些流体腔420的长度(Lc)维持相同。
参阅图4b(剖面示意图)以及图4d(俯视示意图)，说明本实施例流体喷射装置的构成，其中图4b是为图4d沿4b-4b剖切线的剖面图。如图4b所示，该流体喷射装置包括一基底400、一歧管410、流体腔420、通道430、一结构层440、一电阻层450、一隔离层460、一导电层470、一保护层480、多个讯号传送线路接触窗490以及多个喷孔495。其中歧管410形成于基底400中，流体腔420与通道430形成于基底400与结构层440之间，且由于通道430的设计使流体腔420的长度均一致，如图4d所示。
结构层440覆盖于基底400、通道430以及流体腔420上。电阻层450设置于结构层440上，且位于喷孔495两侧，其代表多个流体喷射致动器例如为加热器，使流体经由喷射致动器驱动后，由喷孔495喷出。隔离层460覆盖于基底400、结构层440以及电阻层450上，但露出部分电阻层450，以形成加热器接触窗。导电层470覆盖于隔离层460上，并填入加热器接触窗，作为讯号传送线路。
保护层480覆盖于隔离层460以及导电层470上，并露出部分导电层470，形成有多个讯号传送线路接触窗490，以利后续的封装作业。另外多个喷孔495穿过保护层480、导电层470、电阻层450以及结构层440的各层，并与流体腔420连通。
接着参阅图4a至图4c，说明本发明的一实施例的流体喷射装置的制作。首先，如图4a所示，提供一基底400，例如一硅基底，基底400的厚度大体介于625～675微米。接着，进行本实施例的一特征步骤，图形化替代层405的制作，首先，形成一替代层于基底400的一第一面4001上，之后，以一具有通道与流体腔图形布局的光掩模，如图4c所示，对该替代层进行曝光，经显影后即形成一包括一通道图形与一流体腔图形的图形化替代层405，其中形成流体腔图形的长度均一致。
替代层405由硼磷硅玻璃(BPSG)、磷硅玻璃(PSG)或氧化硅材料所构成，其中以磷硅玻璃为较佳的选择，替代层405的厚度大体介于1～2微米。
接着形成一图形化结构层440于基底400上，且覆盖图形化替代层405，结构层440可为由化学气相沉积法(CVD)所形成的一氮氧化硅层，结构层440的厚度大体介于1.5～2微米。此外，结构层440为一低应力材料，其应力值大体介于100～200百万帕(MPa)的拉应力。
接着，形成一图形化电阻层450于结构层440上，以做为流体喷射致动器例如为加热器，使流体经由喷射致动器驱动后，由后续制作的喷孔喷出，电阻层450由HfB2、TaAl、TaN或TiN所构成，其中以TaAl为较佳的选择。
再形成一图形化隔离层460，覆盖基底400、结构层440以及电阻层450，且形成加热器接触窗之后，形成一图形化导电层470于隔离层460上，并填入加热器接触窗，以形成讯号传送线路。最后，形成一保护层480于隔离层460与导电层470上，且形成讯号传送线路接触窗490，使导电层470露出，以利后续封装作业。
接下来，参见图4b，开始进行一连串的蚀刻，以形成最终的流体喷射装置。首先，以非等向性的湿蚀刻法，蚀刻液例如为氢氧化钾(KOH)溶液，蚀刻基底400的背面，即一第二面4002，以形成一歧管410，并露出图形化替代层405。
歧管410的窄开口宽度大体介于160～200微米，宽开口宽度大体介于1100～1200微米，其内壁与水平线夹角θ大体为54.74度，于是蚀刻之后的歧管410为一下宽上窄的形状结构，而歧管410向下与一流体储存槽相互连通。
接着用含氢氟酸(HF)溶液的湿蚀刻法，蚀刻图形化替代层405，之后，再度以蚀刻液例如为氢氧化钾(KOH)溶液的湿蚀刻法蚀刻基底400，以扩大图形化替代层405被掏空的区域，而形成流体腔420与通道430。通道430形成于流体腔420与歧管410之间，且由于通道430的特殊设计使所述这些流体腔420的长度(Lc)均相同，如图4d所示。
最后，依序蚀刻保护层480、隔离层460与结构层440，以形成与流体腔420连通的喷孔495，其中喷孔495与歧管410的距离大体不同。蚀刻是利用等离子蚀刻、化学气体蚀刻、反应性离子蚀刻或激光蚀刻法。至此，即完成一流体喷射装置的制作。
本实施例利用光掩模上歧管-通道-流体腔的特殊连接布局，在蚀刻速率较快的方向作补偿，而维持了流体腔间长度的一致性，明显改善流体回填至某一流体腔时易干扰邻近流体腔喷墨效果的现象。
实施例2
本实施例流体喷射装置的构成特征为，如图5b所示，流体腔520与歧管510之间形成一颈部结构525，使所述这些流体腔520的长度(Lc)维持相同，且颈部结构525向内与歧管510连接处530的宽度(Wch)也维持相同，本实施例与实施例1的差异在于，实施例1仅维持流体腔420的长度相同，而本实施例除所有流体腔520长度均相同外，另加设的颈部结构525，其向内与歧管510连接处530的宽度(Wch)也均相同。
本实施例流体喷射装置的制造步骤与实施例1的步骤大体相同，仅在图形化替代层的图形形成上有所差异，以下即就本实施例与实施例1的差异部分作说明。在形成一替代层于基底的一第一面上后，以一具有颈部结构与流体腔图形布局的光掩模，如图5a所示，对该替代层进行曝光，经显影后即形成一包括一颈部结构图形与一流体腔图形的图形化替代层，其中形成流体腔图形的长度均一致。
在各半导体层完成沉积步骤后，开始进行一连串的蚀刻，以形成最终的流体喷射装置。蚀刻后形成流体腔520与颈部结构525。颈部结构525形成于流体腔520与歧管510之间，由于颈部结构525的特殊设计使所述这些流体腔520的长度(Lc)均相同，另外颈部结构525向内与歧管510连接处530的宽度(Wch)也均相同，如图5b所示。
本实施例歧管-颈部结构-流体腔特殊连接布局的光掩模，其呈矩形、狭长设计的颈部结构，使流体腔维持一固定尺寸，且颈部结构向内与歧管连接处的相同宽度，也明显改善邻近腔室的干扰现象，此外，因光掩模中增加如图3b所示间隔30前端部位的面积而有效减缓了蚀刻尖角的出现。
实施例3
本实施例流体喷射装置的构成特征为，如图6b所示，流体腔620与歧管610之间形成一颈部结构625，使所述这些流体腔620的长度(Lc)维持相同，且颈部结构625的长度(Ln)也均相同，本实施例与实施例2的差异在于，实施例2未设定颈部结构525的长短，而本实施例则设计颈部结构625的长度(Ln)均相同。
本实施例流体喷射装置的制造步骤与实施例2的步骤大体相同，仅在图形化替代层的图形形成上有所差异，以下即就本实施例与实施例2的差异部分作说明。在形成一替代层于基底的一第一面上后，以一具有颈部结构与流体腔图形布局的光掩模，如图6a所示，对该替代层进行曝光，经显影后即形成一包括一颈部结构图形与一流体腔图形的图形化替代层，其中形成流体腔图形的长度均一致，且颈部结构图形的长度也均相同。
在各半导体层完成沉积步骤后，开始进行一连串的蚀刻，以形成最终的流体喷射装置。蚀刻后形成流体腔620与颈部结构625。颈部结构625形成于流体腔620与歧管610之间，由于颈部结构625的特殊设计使所述这些流体腔620的长度(Lc)均相同，另外颈部结构625的长度也维持相同，如图6b所示。
本实施例歧管-颈部结构-流体腔特殊连接布局的光掩模，其颈部结构的设计，使流体腔维持一固定尺寸，且该相同长度的颈部结构，除改善干扰的现象外，对控制流阻也助益甚多。
实施例4
本实施例流体喷射装置的构成特征为，如图7b所示，流体腔720与歧管710之间形成一颈部结构725，使所述这些流体腔720的长度(Lc)均相同，且颈部结构725的长度(Ln)也均相同，而其宽度(Wn)随流体腔720远离歧管710的距离而增加，本实施例与实施例3的差异在于，实施例3未设定颈部结构625的宽窄，而本实施例中颈部结构725的宽度(Wn)随流体腔720远离歧管710的距离而增加。
本实施例流体喷射装置的制造步骤与实施例3的步骤大体相同，仅在图形化替代层的图形形成上有所差异，以下即就本实施例与实施例3的差异部分作说明。在形成一替代层于基底的一第一面上后，以一具有颈部结构与流体腔图形布局的光掩模，如图7a所示，对该替代层进行曝光，经显影后即形成一包括一颈部结构图形与一流体腔图形的图形化替代层，其中形成流体腔图形的长度均一致，且颈部结构图形的长度也均相同，另颈部结构图形的宽度随流体腔图形远离未来形成歧管位置的距离而增加。
在各半导体层完成沉积步骤后，开始进行一连串的蚀刻工艺，以形成最终的流体喷射装置。蚀刻后形成流体腔720与颈部结构725。颈部结构725形成于流体腔720与歧管710之间，由于颈部结构725的特殊设计使所述这些流体腔720的长度(Lc)均相同，且颈部结构725的长度也维持相同，另外颈部结构725的宽度随流体腔720远离歧管710的距离而增加，例如Wn3＞Wn2＞Wn1，如图7b所示。
本实施例歧管-颈部结构-流体腔特殊连接布局的光掩模，其颈部结构的设计，使流体腔维持一固定尺寸，且颈部结构宽度的变动，精确控制了各流体腔的流阻，大幅提高喷射装置的喷墨品质。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然而其并非用以限定本发明，任何本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当然可作更动与润饰，因此本发明的保护范围应以权利要求书范围所界定的为准。
Claims (18)
1.一种流体喷射装置，包括：一基底；一歧管，该歧管设置于该基底中，以供应流体；多个流体腔；以及多个喷孔，其特征在于，该流体喷射装置还包括：
一形成于该基底上的结构层；以及
一通道，形成于该歧管与每一流体腔之间；
其中，所述多个流体腔具有相同长度，且形成于该基底与该结构层之间并与该歧管连通，以容纳要喷射的流体；并且
所述多个喷孔穿过该结构层并与所述这些流体腔连通，以喷射流体。
2.如权利要求1所述的流体喷射装置，其特征在于：所述多个喷孔至该歧管的距离不同。
3.如权利要求1所述的流体喷射装置，其特征在于：所述通道包括一颈部结构。
4.如权利要求3所述的流体喷射装置，其特征在于：该颈部结构为一矩形。
5.如权利要求3所述的流体喷射装置，其特征在于：所述这些颈部结构的长度相同。
6.如权利要求3所述的流体喷射装置，其特征在于：所述这些颈部结构的长度不同。
7.如权利要求3所述的流体喷射装置，其特征在于：所述这些颈部结构的宽度相同。
8.如权利要求3所述的流体喷射装置，其特征在于：所述这些颈部结构的宽度不同。
9.如权利要求3所述的流体喷射装置，其特征在于：所述这些通道与该歧管接合的宽度相同。
10.如权利要求3所述的流体喷射装置，其特征在于：所述这些通道与该歧管接合的宽度不同。
11.如权利要求3所述的流体喷射装置，其特征在于：所述多个喷孔至该歧管的距离不同。
12.如权利要求3所述的流体喷射装置，其特征在于：所述颈部结构的宽度随所述多个流体腔远离该歧管的距离而增加。
13.如权利要求12所述的流体喷射装置，其特征在于：该颈部结构为一矩形。
14.如权利要求12所述的流体喷射装置，其特征在于：所述这些颈部结构的长度相同。
15.如权利要求12所述的流体喷射装置，其特征在于：所述这些颈部结构的长度不同。
16.如权利要求12所述的流体喷射装置，其特征在于：所述这些通道与该歧管接合的宽度相同。
17.如权利要求12所述的流体喷射装置，其特征在于：所述这些通道与该歧管接合的宽度不同。
18.如权利要求12所述的流体喷射装置，其特征在于：所述多个喷孔至该歧管的距离不同。
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