改进的微流体喷射组件.pdf

一种包括硅基质的微流体喷射组件，所述硅基质中具有精确形成的流体通路。所述流体通路通过在基质上进行的深度反应性离子蚀刻处理而形成，该基质在蚀刻之前具有选自如下的表面特征：介电层厚度不超过约5000埃，和基本无介电材料的带凹坑表面，其中表面凹入的均方根深度小于约500埃，且最大表面凹入深度不超过约2500埃。在该基质中的流体通路具有改进的流动特征，以用于更可靠的流体喷射操作。

1.  一种包括硅基质的微流体喷射组件，所述硅基质中有精确形成的流体通路，该流体通路通过在基质上进行的深度反应性离子蚀刻处理而形成，所述基质在蚀刻之前具有选自如下的表面特征：介电层厚度不超过约5000埃，和基本无介电材料的带凹坑表面，其中表面凹入的均方根深度小于约500埃，且最大表面凹入深度不超过约2500埃。

2.  权利要求1的微流体喷射组件，其中所述表面特征包括氧化物的厚度不超过约5000埃。

3.  权利要求2的微流体喷射组件，其中所述氧化物的厚度范围为约200-5000埃。

4.  权利要求1的微流体喷射组件，其中所述表面特征包括基本无氧化物的带凹坑表面，其中表面凹入的均方根深度小于约500埃，且最大表面凹入深度不超过约2500埃。

5.  权利要求1的微流体喷射组件，其中所述表面特征邻近基质的流体开口区域。

6.  权利要求1的微流体喷射组件，其中介电层选自氧化硅、氮化硅、碳化硅、磷旋涂玻璃和硼搀杂的磷旋涂玻璃。

7.  一种喷墨打印机，其包含权利要求1的微流体喷射组件。

8.  一种用于喷墨打印机加热器芯片的基质，其中有精确形成的流体开口，该流体开口通过在基质上进行的深度反应性离子蚀刻处理而形成，其中所述基质包括硅基质，该硅基质在蚀刻之前具有选自如下的表面特征：氧化物层厚度为约0至不超过约5000埃，和基本无氧化物的带凹坑表面，其中表面凹入的均方根深度小于约500埃，且最大表面凹入深度不超过约2500埃。

9.  权利要求8的基质，其中所述表面特征包括氧化物的厚度不超过约5000埃。

10.  权利要求9的基质，其中所述氧化物的厚度范围为约200-5000埃。

11.  权利要求8的基质，其中所述表面特征包括基本无氧化物的带凹坑表面，其中表面凹入的均方根深度小于约500埃，且最大表面凹入深度不超过约2500埃。

12.  权利要求8的基质，其中所述表面特征邻近基质的流体开口区域。

13.  一种喷墨打印机，其包含权利要求8的基质。

14.  一种包括硅基质的微流体喷射组件，所述硅基质中有精确形成的反应性离子蚀刻流体流动特征，该蚀刻流体流动特征通过在基质上进行的反应性离子蚀刻处理而形成，所述基质在蚀刻之前具有选自如下的表面特征：氧化物层厚度不超过约5000埃，和基本无氧化物的带凹坑表面，其中表面凹入的均方根深度小于约500埃，且最大表面凹入深度不超过约2500埃。

15.  权利要求14的微流体喷射组件，其中所述表面特征包括氧化物的厚度不超过约5000埃。

16.  权利要求15的微流体喷射组件，其中所述氧化物的厚度范围为约200-5000埃。

17.  权利要求14的微流体喷射组件，其中所述表面特征包括基本无氧化物的带凹坑表面，其中表面凹入的均方根深度小于约500埃，且最大表面凹入深度不超过约2500埃。

18.  权利要求14的微流体喷射组件，其中所述表面特征邻近基质的流体开口区域。

19.  一种喷墨打印机，其包含权利要求14的微流体喷射组件。

改进的微流体喷射组件
技术领域
本发明涉及微流体喷射组件，具体涉及一种其中具有精确形成的蚀刻流动特征的喷射组件。
背景技术
微流体喷射组件通常包括硅基质材料，该硅基质材料包括形成于其中的流体开口、沟槽和/或凹陷。本文中，流体开口、沟槽和/或凹陷统称为“流动特征”。这些流动特征可以通过各种微机械加工技术而形成，包括喷砂、湿化学蚀刻和反应性离子蚀刻。当装置变得更小(例如用于喷墨印刷头用途)时，基质的微机械加工变为更关键的操作。并不是所有的微机械加工技术都能足够可靠地在基质中产生精确定位的具有类似的流动特性的流动特征。因此，微流体喷射组件领域一直在寻找能够以最小成本高收率生产的改进的微流体喷射组件。
发明内容
如上所述，本发明提供了一种包括硅基质的微流体喷射组件，该硅基质中有精确形成的流体通路。流体通路通过在基质上进行的深度反应性离子蚀刻处理而形成，该基质在蚀刻之前具有选自如下的表面特征：介电层厚度不超过约5000埃，和基本无介电材料的带凹坑表面，其中表面凹入的均方根深度小于约500埃，且最大表面凹入深度不超过约2500埃。
在另一实施方式中，提供了用于喷墨打印机加热器芯片的基质，其中具有精确形成的流体开口。流体开口通过在基质上进行的深度反应性离子蚀刻处理而形成。该基质包括硅基质，该硅基质在蚀刻之前具有选自如下的表面特征：氧化物层厚度为约0至不超过约5000埃，和基本无氧化物的带凹坑表面，其中表面凹入的均方根深度小于约500埃，且最大表面凹入深度不超过约2500埃。
在又一实施方式中，提供了一种包括硅基质的微流体喷射组件，该硅基质中具有精确形成的反应性离子蚀刻流体流动特征。该蚀刻流体流动特征通过在基质上进行反应性离子蚀刻处理而形成，该基质在蚀刻之前具有选自如下的表面特征：氧化物层厚度不超过约5000埃，和基本无氧化物的带凹坑表面，其中表面凹入的均方根深度小于约500埃，且最大表面凹入深度不超过约2500埃
这里所述实施方式的优点是蚀刻基质可以通过深度反应性离子蚀刻而生产，以便提供满足或超过部件的关键公差的精确制造部件。该部件可以包括多种流动特征，包括但不限于用于流体如墨的蚀刻流体开口或蚀刻凹陷。对于本发明，“介电层”和“介电材料”包括但不局限于氧化硅、氮化硅、碳化硅、磷旋涂玻璃(spin on glass)(PSOG)和硼搀杂的磷旋涂玻璃(BPSOG)等。
附图说明
通过下面结合附图对优选实施方式的详细说明，本发明的其它优点将更清楚，在全部附图中，相同参考标记表示相同元件，其中：
图1是流体喷射装置的透视图(未按比例)；
图2是用于流体喷射装置的流体盒的透视图(未按比例)；
图3和4是微流体喷射组件的一部分的剖视图(未按比例)；
图5-9是其中具有沟槽或通路位置的硅基质的剖视图(未按比例)。
具体实施方式
这里所述的实施方式特别适用于用于流体喷射装置中的微流体喷射组件。图1中表示了示例的流体喷射装置10。在优选实施方式中，该流体喷射装置10为包含一个或多个喷墨打印机盒12的喷墨打印机。
图2中表示了示例的喷墨打印机盒12。盒12包括打印头14，该打印头14在本文中也称为“微流体喷射组件”。如后面更详细描述的，打印头14包括加热器芯片16，该加热器芯片16有喷嘴板18，该喷嘴板18包含安装在其上面的喷嘴孔20。打印头14安装在盒12的打印头部位22上。盒12的主体24包括流体储罐，用于将流体如墨供给打印头14。包含用于与打印机10连接的电触点28的柔性电路或胶带自动粘接(TAB)电路26与盒12的主体24相连。来自电触点28的电引线(tracing)30与加热器芯片16相连，以便根据打印机10(盒12与该打印机10相连)的要求来驱动加热器芯片16上的电装置。不过，本发明并不局限于上述墨盒12，因为这里所述的微流体喷射组件14可以用于多种流体喷射装置，包括但不局限于喷墨打印机、微流体冷却器、给药系统等。
图3中表示了微流体喷射组件14的小的剖视简化图。微流体喷射组件14包括半导体芯片32，该半导体芯片32包含流体喷射发生器，该流体喷射发生器由与芯片32相连的加热器电阻34和喷嘴板18来提供。喷嘴板18包含喷嘴孔20，并优选为由抗流体的聚合物如聚酰亚胺制造。流体在加热器电阻34附近从流体通道38在流体腔室36中提供，该流体通道38通过芯片中的开口或通路40而与盒12的主体24中的流体储罐连接。
为了向加热器电阻34提供电脉冲，半导体芯片32进行多个薄膜沉积和蚀刻步骤，以便在半导体基质如硅42上确定多个功能层(图4)。常规的微电子制造方法例如物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)或溅射均可以用于提供在半导体基质42上的各层。如图4中所示，芯片32包括硅的基质层42、绝缘或第一介电层44、电阻层46、第一导电层48以及一个或多个保护层50、52和54。提供第二介电层56用于在第一导电层48和第二导电层58之间进行绝缘。第一和第二导电层48和58提供了与加热器电阻34的阳极和阴极连接。
优选地，第一介电层44为二氧化硅的场氧化物层，其在电阻层46的下面的厚度为约10000埃。但第一介电层44也可以由其它材料提供，包括但不局限于碳化硅、氮化硅、磷旋涂玻璃和硼搀杂的磷旋涂玻璃等。电阻层46可以从具有电阻特性的多种金属或合金中选择。第一和第二导电层48、58通常为金属导电层。保护层50、52和54包括钝化材料如SiN和SiC和钽。
为了在芯片32上确定各个绝缘层、电阻层和导电层，进行多个蚀刻步骤。直到现在还不能控制残留在芯片32的开口、通路或沟槽40中的氧化层44的量。因此，在蚀刻通路之前，在通路40中的介电材料的厚度(例如氧化层厚度)可以从基本大于约5000埃的厚度变化至凹入的硅32表面没有介电材料。介电层厚度的这种变化或者在通路位置过滤除去介电材料将对通路形成处理产生不利影响。
当进行反应性离子蚀刻时，由不同材料制成的薄膜物质有明显不同的蚀刻速率。另外，这些物质的反应性离子蚀刻可以沿明显不同的机械通道来进行。例如，在同样的等离子体蚀刻操作条件下，二氧化硅的蚀刻速率通常比纯硅低两个数量级。通常，二氧化硅的蚀刻比纯硅慢100-150倍。因此，当蚀刻硅基质时，氧化物可以用作掩膜层或蚀刻停止层。为了公开目的，术语“氧化硅”将包括一氧化硅、二氧化硅和SiO_x，其中，x为约1-4。
下面参考图5和6，当硅基质42或晶片的半导体基质表面如表面60暴露于空气时，氧化硅层62形成于硅基质42的表面60上，如图5所示。通常，该氧化硅层62的厚度不超过约200埃。当硅基质42用作上述微流体喷射组件14的薄膜层部件时，通过在它上面沉积附加层而在该基质上形成电部件。优选地，在沉积上述电阻层46、金属层48和58、保护层50、52和54以及第二介电层56之前，足够厚度的绝缘第一介电层64形成于硅基质表面60上。介电层64可以包括氧化物层62(图2)，通常有厚度或高度h，其为微流体喷射装置操作提供足够的绝缘和/或介电特征。优选地，合适高度为约8000-12000埃。
尽管其作为绝缘或介电材料的有利特征，但是观察到在基质42(图7)的反应性离子蚀刻位置如用于流体开口或通路40的位置66中存在一些介电材料如介电层和氧化物64/62将严重影响蚀刻基质42的质量，从而导致不精确和不可重复的几何形状。在蚀刻区域66中存在相对薄的介电层/氧化物64/62能够明显增加蚀刻基质42的工作循环时间，因为一些介电材料的蚀刻速率明显比纯硅的蚀刻速率更长。类似地，各介电层/氧化物64/62的厚度变化或除去介电材料的方法变化可能导致径向不均匀蚀刻以及基质表面60的凹陷，如图8中所示。
不受理论所限制，只是为举例目的，据认为蚀刻速率机理对应于以下等式，为了简化假定为线性蚀刻速率：
z＝r_硅*(t-h/r_氧化物)+h
其中，t≥h/r_氧化物，且z为沟槽的蚀刻深度，r_硅是硅的蚀刻速率，r_氧化物是硅氧化物的蚀刻速率，t是蚀刻时间，而h是沟槽中氧化物的厚度。因此，当蚀刻区域66中的介电层/氧化物64/62的高度或厚度h增加时，给定时间t的蚀刻深度减小。
例如，对于0.2微米的氧化物厚度h，假定硅的线性蚀刻速率为每分钟10微米，而氧化硅的蚀刻速率为每分钟0.07微米，在5分钟后的蚀刻深度z将为约21.6微米。当介电层/氧化物厚度h为0.02微米时，在5分钟后的蚀刻深度将为约47.3微米。换句话说，包含厚度为0.02微米的介电层/氧化物64/62的基质42的蚀刻速率比在蚀刻位置包含厚度为0.2微米的介电层/氧化物64/62的基质42的蚀刻速率大两倍。因此，厚度为约2000埃的介电层/氧化物64/62的量可能明显增加蚀刻时间。而且，在活性蚀刻区域66中存在介电层/氧化物64/62可能引起蚀刻腔室污染，从而缩短腔室清洁之间的工作时间，从而进一步增加了工作循环的蚀刻时间。与其它技术如喷砂相反，使用反应性离子蚀刻方法如深度反应性离子蚀刻(DRIE)的一个优点是能够快速和同时蚀刻基质42的芯片部分。在DRIE方法中，光致抗蚀剂材料70施加到基质42上，以便确定基质42中的开口或沟槽40的位置66。另一方面，当工作循环的时间明显增加时，DRIE的经济优点可能减小。
尽管对于反应性离子蚀刻，从硅基质42的表面60上的蚀刻位置66基本完全除去介电层/氧化物64/62将是最希望的情况，且通常在技术上努力实现该情况，但是该问题的解决方案自身通常导致不希望的结果。例如，当通过等离子体蚀刻除去介电层时通常导致在硅表面60上形成一个或多个凹坑68，如图8所示。首先，该问题似乎是简单的停留时间问题，但是进一步分析发现，等离子体蚀刻通常对于包含不足蚀刻区域(保持有氧化物的区域)和过度蚀刻区域(凹坑68)的特定基质具有非均匀特征。不足蚀刻区域的问题是由于前面文献所述的原因，即残余介电层增加了蚀刻工作循环的时间。而过度蚀刻区域尽管假定它们没有介电层，但是这时有凹坑68。凹坑68在一定严重水平时可能导致形成水平或垂直的针状凸起的现象，本领域通常称为“长草(grassing)”。当在DRIE蚀刻之前有凹坑时，最好的情况是该凹坑68形成意外的用于蚀刻物质的通路。蚀刻有凹坑的基质将导致很不精确的蚀刻，这可能对相邻薄膜和/或光致抗蚀剂层产生有害结果。这里所述的实施方式提供了对于硅基质42的表面特征的公差和极限，以便提供改进的蚀刻产品和蚀刻速率。
因此，至少在通路位置66中第一介电层厚度不超过约5000埃的硅基质42能够为通路40的DRIE蚀刻提供合理的蚀刻工作循环时间。因此，优选的基质42具有约0-5000埃的介电层厚度，更优选为约200-5000埃。同样，基质42优选为在通路位置66中具有凹坑表面特征，其均方根凹入深度小于约500埃，且最大凹坑深度为约2500埃。在通路和沟槽40区域有这种介电层公差的基质42具有提高的蚀刻速率，且在蚀刻后有基本均匀的表面特征。
如图7和8所示，上述通路40穿过基质42的厚度延伸。不过应当知道，这里所述的实施方式也可用于在基质42中形成沟槽或凹陷区域72，如图9所示。
尽管已经介绍了本发明的具体实施方式，但应当意识到，在所附权利要求的精神和范围内，本领域技术人员能够对本发明进行改进和增加。