專利名稱：壓電式噴墨晶片的成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電式噴墨晶片的成型方法，特別是涉及一種利用硅基板生產(chǎn)壓電式噴墨晶片的方法。
過(guò)去的壓電式噴墨晶片的基板材質(zhì)大多是以層膜形成法所生產(chǎn)的氧化鋯陶瓷為主。以陶瓷為基板，其結(jié)構(gòu)厚度不易減薄，此類壓電元件的尺寸通常為0.8mm×0.3mm，厚為10μm。若要使噴墨噴孔的密度達(dá)到180dpi以上，其元件的尺寸必須減至0.1mm×0.4mm，且厚度應(yīng)減至1μm以下。但如此細(xì)微的結(jié)構(gòu)，目前仍無(wú)法以陶瓷材質(zhì)制造。
由于目前陶瓷基板已無(wú)法減薄到真正理想的厚度，因此在要求噴墨密度一再提高的前提之下，必須設(shè)法尋求其它材質(zhì)加以替代。經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，美國(guó)專利US 5,265,315號(hào)專利說(shuō)明書(shū)中已披露了一種新壓電晶片，是以鉑或鎳金屬制的分隔層覆加于單硅晶基板上，再依序覆加氧化鋁層、下電極層、一層二元鋯鈦酸鉛及上電極層組合構(gòu)成。上述結(jié)構(gòu)層經(jīng)過(guò)介于600℃至650℃的熱處理，待壓電層的結(jié)晶相轉(zhuǎn)變后，就可形成結(jié)構(gòu)較薄且噴墨密度較高的噴墨打印頭產(chǎn)品。
美國(guó)專利US 5,265,315所披露的新壓電晶片，由于其二元鋯鈦酸鉛元件的壓電特性實(shí)際上不完全符合噴墨元件的動(dòng)作要求，因此迄今未見(jiàn)產(chǎn)品問(wèn)世。但另一美國(guó)專利US 5,933,167則針對(duì)上述專利所披露的新壓電晶片的缺點(diǎn)加以改進(jìn)，改用一種三元鋯鈦酸鉛以替代該二元鋯鈦酸鉛，并將該元件的鍛燒溫度升高到800℃，然而，經(jīng)過(guò)高溫處理后的振動(dòng)板卻因此顯得容易開(kāi)裂。因此，該發(fā)明又采取另一解決對(duì)策在該硅單晶基材與下電極之間，再增加一層氧化鋯層或鋯金屬層以改善之。
顯然，利用硅基板制造壓電式晶片，目前已經(jīng)克服了若干材料技術(shù)的關(guān)鍵課題。雖然目前已有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)及少數(shù)產(chǎn)品問(wèn)世，但如何以更快速的方法生產(chǎn)，則仍有待進(jìn)一步加以研發(fā)改進(jìn)，才能合理地降低生產(chǎn)成本與提高產(chǎn)品品質(zhì)。
圖2為保護(hù)層上的光阻層經(jīng)曝光顯影及蝕刻形成開(kāi)口后的局部斷面示意圖。
圖3為以光阻層為遮罩，蝕刻保護(hù)層后于特定位置上形成開(kāi)口的局部斷面示意圖。
圖4為以保護(hù)層為遮罩，在硅基板上蝕刻出凹痕的局部斷面示意圖。
圖5為以保護(hù)層為遮罩，以電化學(xué)蝕刻工藝在硅基板上蝕刻出壁面基本垂直于硅基板表面的墨水腔及墨水流道的局部斷面示意圖。
圖6為在硅基板上覆加上噴孔片、振動(dòng)板、壓電層及電極層的局部斷面示意圖。
參考

圖1，在硅基板10的兩個(gè)表面上，同時(shí)或先后分別形成第一保護(hù)層21與第二保護(hù)層22。先將硅基板10置于1,000℃至1,200℃之間的爐溫下進(jìn)行濕熱氧化反應(yīng)，使硅基板10的上、下表面分別形成氧化硅層。依據(jù)本發(fā)明，前述硅基板10的厚度可介于150μm至600μm之間(例如200μm)；而該濕熱氧化所形成的保護(hù)層21、22，其厚度則可介于0.2μm至1μm之間。
前述保護(hù)層21、22的形成，不限于濕熱氧化法，例如亦可采用化學(xué)蒸鍍的手段，或其他適當(dāng)?shù)谋∧こ尚畏椒ǎ诠杌?0上形成氧化硅層，或再在氧化硅層上，另覆加一層氮化硅層(未圖示)以調(diào)和該層膜的性質(zhì)。
第一保護(hù)層21用來(lái)提供蝕刻的遮罩，可用以防止蝕刻超過(guò)預(yù)定的邊界，該第一保護(hù)層21也可以是覆加的一層氮化硅層。第二保護(hù)層22的主要作用是用以作為蝕刻的終止層。由于第一保護(hù)層21是為了作為蝕刻的遮罩之用，因此其厚度以介于0.6μm至1μm之間為適當(dāng)。而第二保護(hù)層22的氧化硅層是作為蝕刻的終止層，因此其厚度可介于0.2μm至1μm之間，但不建議使該厚度低于0.2μm以下。
參考圖2，在第一保護(hù)層上面覆加一層光阻層30，利用曝光顯影工藝在光阻層30上制作圖案，由此在預(yù)定的位置上形成第一開(kāi)口3001，使位于開(kāi)口3001范圍內(nèi)原本受遮掩的第一保護(hù)層21的表面曝露出來(lái)。
接著，參考圖3，以光阻層30為蝕刻遮罩，用氫氧化鉀作為蝕刻劑，將第一開(kāi)口3001下方所曝露的第一保護(hù)層21移除，而于第一保護(hù)層21形成第二開(kāi)口2101。依據(jù)本發(fā)明，本步驟不限于采用上述的濕式蝕刻，例如亦可改用反應(yīng)性氣體等離子體的干式蝕刻來(lái)移除第一開(kāi)口3001下方所曝露的第一保護(hù)層21，使之形成該第二開(kāi)口2101。參考圖4，最好繼續(xù)利用前述的蝕刻方法或加入噴砂處理步驟，進(jìn)一步蝕刻在第二開(kāi)口2101范圍內(nèi)的硅基板10表面，以便使該范圍內(nèi)的硅基板10產(chǎn)生凹痕13，藉此加速下一蝕刻步驟的進(jìn)行。
參考圖5，將前一步驟的成品置入電化學(xué)蝕刻槽里，以電化學(xué)蝕刻工藝在硅基板10上產(chǎn)生壁面基本垂直于硅基板10表面的墨水腔11及墨水流道12。此步驟若采用一般的濕式蝕刻工藝，不但會(huì)讓蝕刻的速度十分緩慢，而且所得到的墨水腔及墨水流道壁面將是傾斜的，如此將難以符合薄型化結(jié)構(gòu)并提高密度的設(shè)計(jì)要求。
利用本發(fā)明的成型方法，必須包括并結(jié)合此電化學(xué)蝕刻的過(guò)程，其蝕刻的速率不但可超過(guò)每小時(shí)30μm以上，并且產(chǎn)生的墨水腔壁幾乎垂直于硅基板表面，其深寬比甚至可達(dá)到100以上。因此，依據(jù)本發(fā)明的上述方法，就可在噴墨密度及生產(chǎn)效率方面超越已知的成型方法。
如圖6所示，在前一步驟的形成的硅基板10表面上覆加振動(dòng)板41、下電極42、壓電層43及上電極44，經(jīng)適當(dāng)熱處理及退火后，于硅基板10的另一面覆加噴孔片50，先使噴孔片50上的噴孔51分別對(duì)準(zhǔn)各墨水腔11后加以黏合，從而構(gòu)成壓電式噴墨晶片成品。
雖然上面已經(jīng)以較佳的實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明了本發(fā)明，但并非用以限定本發(fā)明。所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不背離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，應(yīng)有能力運(yùn)用本發(fā)明作出其他簡(jiǎn)易的等效設(shè)計(jì)與改型，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所附的權(quán)利要求書(shū)界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種壓電式噴墨晶片的成型方法，至少包括下列步驟a.在硅基板的兩表面分別覆加第一保護(hù)層及第二保護(hù)層；b.在該第一保護(hù)層上形成開(kāi)口，露出該開(kāi)口下方的硅基板表面；c.將該硅基板置入電化學(xué)蝕刻槽，利用電化學(xué)蝕刻方法形成壁面基本垂直于硅基板表面的墨水腔和壁面基本垂直于硅基板表面的墨水流道；d.在第二保護(hù)層上順次至少覆加振動(dòng)板、下電極層、壓電層及上電極層；及e.在第一保護(hù)層上覆加噴孔片，該噴孔片上設(shè)有與該墨水腔的位置相對(duì)應(yīng)的噴孔。
2.如權(quán)利要求1所述的壓電式噴墨晶片的成型方法，其特征在于所述硅基板的厚度約為200μm。
3.如權(quán)利要求1所述的壓電式噴墨晶片的成型方法，其特征在于所述第一保護(hù)層為氧化硅層。
4.如權(quán)利要求1所述的壓電式噴墨晶片的成型方法，其特征在于所述第一保護(hù)層為氮化硅層。
5.如權(quán)利要求1所述的壓電式噴墨晶片的成型方法，其特征在于所述第一保護(hù)層包括氧化硅層及氮化硅層。
6.如權(quán)利要求1所述的壓電式噴墨晶片的成型方法，其特征在于所述第一保護(hù)層用作蝕刻遮罩，其厚度介于0.2μm至1μm之間。
7.如權(quán)利要求1所述的壓電式噴墨晶片的成型方法，其特征在于所述第一保護(hù)層用作為蝕刻遮罩，其厚度介于0.6μm至1μm之間。
8.如權(quán)利要求1所述的壓電式噴墨晶片的成型方法，其特征在于所述第二保護(hù)層為氧化硅層。
9.如權(quán)利要求1所述的壓電式噴墨晶片的成型方法，其特征在于所述第二保護(hù)層用作蝕刻的終止層，其厚度介于0.2μm至1μm之間。
10.如權(quán)利要求1所述的壓電式噴墨晶片的成型方法，其特征在于所述第一保護(hù)層及第二保護(hù)層是利用濕熱氧化形成的。
11.如權(quán)利要求1所述的壓電式噴墨晶片的成型方法，其特征在于所述第一保護(hù)層及第二保護(hù)層是利用化學(xué)蒸鍍方法形成的。
12.如權(quán)利要求1所述的壓電式噴墨晶片的成型方法，其特征在于所述第一保護(hù)層是先以制作了圖案的光阻層為蝕刻遮罩，再蝕刻形成所述開(kāi)口。
13.如權(quán)利要求12所述的壓電式噴墨晶片的成型方法，其特征在于所述蝕刻是利用氫氧化鉀為蝕刻劑，來(lái)移除所述遮罩的各開(kāi)口下方的保護(hù)層，使之暴露出所述硅基板表面。
14.如權(quán)利要求12所述的壓電式噴墨晶片的成型方法，其特征在于所述蝕刻是利用氫氧化鉀為蝕刻劑，來(lái)移除所述遮罩的各開(kāi)口下方的保護(hù)層，并在所述硅基板的表面蝕刻出凹痕。
15.如權(quán)利要求12所述的壓電式噴墨晶片的成型方法，其特征在于所述蝕刻是包括利用反應(yīng)性氣體等離子體的干式蝕刻來(lái)移除所述遮罩的各開(kāi)口下方的保護(hù)層，使之暴露出所述硅基板表面。
全文摘要
一種壓電式噴墨晶片的成型方法，包括在硅基板的兩面形成蝕刻保護(hù)層，取其中一層作為蝕刻的終止層，而取其另外一層再利用光阻曝光顯影步驟在表面形成蝕刻遮罩，并利用濕蝕刻或干式蝕刻工藝在該遮罩上形成墨水腔形狀和/或墨水流道的開(kāi)口；利用此遮罩先在該硅基板上進(jìn)行初步蝕刻；完成上述初步蝕刻后，再利用電化學(xué)蝕刻工藝?yán)^續(xù)加工，可快速地形成壁面基本垂直于硅基板表面的墨水腔及墨水流道。當(dāng)上述步驟完成時(shí)，在所得到硅基板上順次覆加振動(dòng)板、下電極、壓電層及上電極；最后在該硅基板的另一面覆加噴孔片，使該噴孔片上的噴孔一一對(duì)準(zhǔn)墨水腔后，將之黏合形成壓電式噴墨晶片。
文檔編號(hào)B41J2/16GK1410267SQ0114169
公開(kāi)日2003年4月16日 申請(qǐng)日期2001年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月9日
發(fā)明者楊明勛, 楊長(zhǎng)謀 申請(qǐng)人:飛赫科技股份有限公司