专利名称：压电式喷墨晶片的成型方法
技术领域：
本发明涉及一种压电式喷墨晶片的成型方法，特别是涉及一种利用硅基板生产压电式喷墨晶片的方法。
过去的压电式喷墨晶片的基板材质大多是以层膜形成法所生产的氧化锆陶瓷为主。以陶瓷为基板，其结构厚度不易减薄，此类压电元件的尺寸通常为0.8mm×0.3mm，厚为10μm。若要使喷墨喷孔的密度达到180dpi以上，其元件的尺寸必须减至0.1mm×0.4mm，且厚度应减至1μm以下。但如此细微的结构，目前仍无法以陶瓷材质制造。
由于目前陶瓷基板已无法减薄到真正理想的厚度，因此在要求喷墨密度一再提高的前提之下，必须设法寻求其它材质加以替代。经检索发现，美国专利US 5,265,315号专利说明书中已披露了一种新压电晶片，是以铂或镍金属制的分隔层覆加于单硅晶基板上，再依序覆加氧化铝层、下电极层、一层二元锆钛酸铅及上电极层组合构成。上述结构层经过介于600℃至650℃的热处理，待压电层的结晶相转变后，就可形成结构较薄且喷墨密度较高的喷墨打印头产品。
美国专利US 5,265,315所披露的新压电晶片，由于其二元锆钛酸铅元件的压电特性实际上不完全符合喷墨元件的动作要求，因此迄今未见产品问世。但另一美国专利US 5,933,167则针对上述专利所披露的新压电晶片的缺点加以改进，改用一种三元锆钛酸铅以替代该二元锆钛酸铅，并将该元件的锻烧温度升高到800℃，然而，经过高温处理后的振动板却因此显得容易开裂。因此，该发明又采取另一解决对策在该硅单晶基材与下电极之间，再增加一层氧化锆层或锆金属层以改善之。
显然，利用硅基板制造压电式晶片，目前已经克服了若干材料技术的关键课题。虽然目前已有相当的技术及少数产品问世，但如何以更快速的方法生产，则仍有待进一步加以研发改进，才能合理地降低生产成本与提高产品品质。
图2为保护层上的光阻层经曝光显影及蚀刻形成开口后的局部断面示意图。
图3为以光阻层为遮罩，蚀刻保护层后于特定位置上形成开口的局部断面示意图。
图4为以保护层为遮罩，在硅基板上蚀刻出凹痕的局部断面示意图。
图5为以保护层为遮罩，以电化学蚀刻工艺在硅基板上蚀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断面示意图。
图6为在硅基板上覆加上喷孔片、振动板、压电层及电极层的局部断面示意图。
参考
图1，在硅基板10的两个表面上，同时或先后分别形成第一保护层21与第二保护层22。先将硅基板10置于1,000℃至1,200℃之间的炉温下进行湿热氧化反应，使硅基板10的上、下表面分别形成氧化硅层。依据本发明，前述硅基板10的厚度可介于150μm至600μm之间(例如200μm)；而该湿热氧化所形成的保护层21、22，其厚度则可介于0.2μm至1μm之间。
前述保护层21、22的形成，不限于湿热氧化法，例如亦可采用化学蒸镀的手段，或其他适当的薄膜成形方法，在硅基板10上形成氧化硅层，或再在氧化硅层上，另覆加一层氮化硅层(未图示)以调和该层膜的性质。
第一保护层21用来提供蚀刻的遮罩，可用以防止蚀刻超过预定的边界，该第一保护层21也可以是覆加的一层氮化硅层。第二保护层22的主要作用是用以作为蚀刻的终止层。由于第一保护层21是为了作为蚀刻的遮罩之用，因此其厚度以介于0.6μm至1μm之间为适当。而第二保护层22的氧化硅层是作为蚀刻的终止层，因此其厚度可介于0.2μm至1μm之间，但不建议使该厚度低于0.2μm以下。
参考图2，在第一保护层上面覆加一层光阻层30，利用曝光显影工艺在光阻层30上制作图案，由此在预定的位置上形成第一开口3001，使位于开口3001范围内原本受遮掩的第一保护层21的表面曝露出来。
接着，参考图3，以光阻层30为蚀刻遮罩，用氢氧化钾作为蚀刻剂，将第一开口3001下方所曝露的第一保护层21移除，而于第一保护层21形成第二开口2101。依据本发明，本步骤不限于采用上述的湿式蚀刻，例如亦可改用反应性气体等离子体的干式蚀刻来移除第一开口3001下方所曝露的第一保护层21，使之形成该第二开口2101。参考图4，最好继续利用前述的蚀刻方法或加入喷砂处理步骤，进一步蚀刻在第二开口2101范围内的硅基板10表面，以便使该范围内的硅基板10产生凹痕13，藉此加速下一蚀刻步骤的进行。
参考图5，将前一步骤的成品置入电化学蚀刻槽里，以电化学蚀刻工艺在硅基板10上产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。此步骤若采用一般的湿式蚀刻工艺，不但会让蚀刻的速度十分缓慢，而且所得到的墨水腔及墨水流道壁面将是倾斜的，如此将难以符合薄型化结构并提高密度的设计要求。
利用本发明的成型方法，必须包括并结合此电化学蚀刻的过程，其蚀刻的速率不但可超过每小时30μm以上，并且产生的墨水腔壁几乎垂直于硅基板表面，其深宽比甚至可达到100以上。因此，依据本发明的上述方法，就可在喷墨密度及生产效率方面超越已知的成型方法。
如图6所示，在前一步骤的形成的硅基板10表面上覆加振动板41、下电极42、压电层43及上电极44，经适当热处理及退火后，于硅基板10的另一面覆加喷孔片50，先使喷孔片50上的喷孔51分别对准各墨水腔11后加以黏合，从而构成压电式喷墨晶片成品。
虽然上面已经以较佳的实施例详细说明了本发明，但并非用以限定本发明。所属领域的普通技术人员在不背离本发明的精神和范围内，应有能力运用本发明作出其他简易的等效设计与改型，因此，本发明的保护范围应以所附的权利要求书界定的范围为准。
权利要求
1.一种压电式喷墨晶片的成型方法，至少包括下列步骤a.在硅基板的两表面分别覆加第一保护层及第二保护层；b.在该第一保护层上形成开口，露出该开口下方的硅基板表面；c.将该硅基板置入电化学蚀刻槽，利用电化学蚀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.在第二保护层上顺次至少覆加振动板、下电极层、压电层及上电极层；及e.在第一保护层上覆加喷孔片，该喷孔片上设有与该墨水腔的位置相对应的喷孔。
2.如权利要求1所述的压电式喷墨晶片的成型方法，其特征在于所述硅基板的厚度约为200μm。
3.如权利要求1所述的压电式喷墨晶片的成型方法，其特征在于所述第一保护层为氧化硅层。
4.如权利要求1所述的压电式喷墨晶片的成型方法，其特征在于所述第一保护层为氮化硅层。
5.如权利要求1所述的压电式喷墨晶片的成型方法，其特征在于所述第一保护层包括氧化硅层及氮化硅层。
6.如权利要求1所述的压电式喷墨晶片的成型方法，其特征在于所述第一保护层用作蚀刻遮罩，其厚度介于0.2μm至1μm之间。
7.如权利要求1所述的压电式喷墨晶片的成型方法，其特征在于所述第一保护层用作为蚀刻遮罩，其厚度介于0.6μm至1μm之间。
8.如权利要求1所述的压电式喷墨晶片的成型方法，其特征在于所述第二保护层为氧化硅层。
9.如权利要求1所述的压电式喷墨晶片的成型方法，其特征在于所述第二保护层用作蚀刻的终止层，其厚度介于0.2μm至1μm之间。
10.如权利要求1所述的压电式喷墨晶片的成型方法，其特征在于所述第一保护层及第二保护层是利用湿热氧化形成的。
11.如权利要求1所述的压电式喷墨晶片的成型方法，其特征在于所述第一保护层及第二保护层是利用化学蒸镀方法形成的。
12.如权利要求1所述的压电式喷墨晶片的成型方法，其特征在于所述第一保护层是先以制作了图案的光阻层为蚀刻遮罩，再蚀刻形成所述开口。
13.如权利要求12所述的压电式喷墨晶片的成型方法，其特征在于所述蚀刻是利用氢氧化钾为蚀刻剂，来移除所述遮罩的各开口下方的保护层，使之暴露出所述硅基板表面。
14.如权利要求12所述的压电式喷墨晶片的成型方法，其特征在于所述蚀刻是利用氢氧化钾为蚀刻剂，来移除所述遮罩的各开口下方的保护层，并在所述硅基板的表面蚀刻出凹痕。
15.如权利要求12所述的压电式喷墨晶片的成型方法，其特征在于所述蚀刻是包括利用反应性气体等离子体的干式蚀刻来移除所述遮罩的各开口下方的保护层，使之暴露出所述硅基板表面。
全文摘要
一种压电式喷墨晶片的成型方法，包括在硅基板的两面形成蚀刻保护层，取其中一层作为蚀刻的终止层，而取其另外一层再利用光阻曝光显影步骤在表面形成蚀刻遮罩，并利用湿蚀刻或干式蚀刻工艺在该遮罩上形成墨水腔形状和/或墨水流道的开口；利用此遮罩先在该硅基板上进行初步蚀刻；完成上述初步蚀刻后，再利用电化学蚀刻工艺继续加工，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。当上述步骤完成时，在所得到硅基板上顺次覆加振动板、下电极、压电层及上电极；最后在该硅基板的另一面覆加喷孔片，使该喷孔片上的喷孔一一对准墨水腔后，将之黏合形成压电式喷墨晶片。
文档编号B41J2/16GK1410267SQ0114169
公开日2003年4月16日 申请日期2001年10月9日 优先权日2001年10月9日
发明者杨明勋, 杨长谋 申请人:飞赫科技股份有限公司