專利名稱：用于高密度印刷頭的粘合硅結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及噴墨印刷設(shè)備領(lǐng)域，以及更具體地，涉及高密度壓電式噴墨印刷頭以及包括高密度壓電式噴墨印刷頭的印刷機(jī)。
背景技術(shù)：
按需噴墨技術(shù)廣泛地應(yīng)用于印刷工業(yè)中。使用按需噴墨技術(shù)的印刷機(jī)可以使用熱噴墨技術(shù)或者壓電技術(shù)。雖然壓電噴墨器比熱噴墨器制造更昂貴，但是由于它們可以使用更加廣泛多樣的墨以及可以消除焦化問(wèn)題，因而壓電噴墨器通常更受青睞。壓電式噴墨印刷頭通常包括有彈性的膜片，該膜片由例如不銹鋼制造而成。壓電式噴墨印刷頭還可以包括獨(dú)立的壓電式換能器(即PZT或者致動(dòng)器)陣列，該壓電式換能器連接到所述膜片。其他結(jié)構(gòu)可以包括一個(gè)或更多的激光圖案化電介質(zhì)絕緣層和柔性印刷電路(柔性電路)或者印刷電路板(PCB)，所述印刷電路板與每個(gè)換能器電耦合。印刷頭可以進(jìn)一步包括主板、出口板、以及孔板，這些板中的每一種都可以由不銹鋼制造而成。此外，印刷頭可以包括諸如激光圖案化粘合劑層等各種粘合劑層，所述粘合劑層將每個(gè)結(jié)構(gòu)粘結(jié)在一起，并且提供從墨貯存器開(kāi)始，穿過(guò)印刷頭，并穿出孔徑板內(nèi)的多個(gè)噴嘴輸出的墨通路。在壓電式印刷頭使用期間，通常是通過(guò)將壓電式換能器與電耦合到電壓源的柔性電路電極的電連接，將電壓施加壓電式換能器，從而引起壓電式換能器撓曲或偏斜，進(jìn)而導(dǎo)致膜片的彎曲。由壓電式換能器引起的膜片彎曲使一些墨從腔內(nèi)穿過(guò)孔板內(nèi)的特定的噴嘴(即一個(gè)或更多開(kāi)口)噴出。該彎曲進(jìn)一步將墨從主要的墨貯存器穿過(guò)開(kāi)口吸入到腔內(nèi)，從而替換已經(jīng)噴出的墨。隨著印刷頭的分辨率和密度的增加，可以用來(lái)提供電連接的區(qū)域減少。在該印刷頭內(nèi)的諸如墨供給結(jié)構(gòu)和電連接之類的其他功能件的布線競(jìng)爭(zhēng)該減少了的空間并且限制了所使用的材料的類 型。例如，當(dāng)前用于使用600點(diǎn)每英寸(DPI)印刷頭的技術(shù)可以包括在柔性電路板上的并行的電跡線(trace)，每個(gè)跡線電連接到柔性電路的焊盤陣列(即電極陣列)的焊盤(即電極)上。該并行的跡線可以具有38微米(ym)的間距和16i!m的跡線寬度，因此在每個(gè)跡線之間留下了 22 的空間。隨著印刷頭密度的增加，當(dāng)前的柔性電路設(shè)計(jì)實(shí)踐將要求跡線和焊盤的構(gòu)造具有更嚴(yán)格的公差和更小的特征尺寸。用于制造可以具有改進(jìn)的可靠性、產(chǎn)量和可伸縮性的印刷頭的方法以及通過(guò)該方法制造的印刷頭將是符合需要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式可以包括用于形成具有多個(gè)換能器的印刷頭噴射器疊摞的方法，所述方法包括在半導(dǎo)體襯底上形成金屬層，在所述金屬層上形成壓電層，以及在所述壓電層上形成導(dǎo)電層。可以蝕刻所述導(dǎo)電層從而形成用于多個(gè)換能器的多個(gè)換能器頂部電極。進(jìn)一步地，可以蝕刻所述壓電層，從而形成用于多個(gè)換能器的多個(gè)壓電元件，以及可以蝕刻所述半導(dǎo)體襯底，從而由所述半導(dǎo)體襯底形成用于所述印刷頭噴射器疊摞的主板。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，印刷頭噴射器疊摞可以包括多個(gè)換能器，其中該印刷頭噴射器疊摞包括半導(dǎo)體襯底主板、覆蓋在所述半導(dǎo)體襯底主板上的膜片、覆蓋在所述膜片上的有圖案的壓電層、以及覆蓋在所述有圖案的壓電層上的有圖案的導(dǎo)電層。在一個(gè)實(shí)施方式中，所述膜片包括所述多個(gè)換能器的導(dǎo)電底部電極，所述有圖案的壓電層包括用于多個(gè)換能器的多個(gè)壓電元件，以及所述有圖案的導(dǎo)電層包括用于多個(gè)換能器的多個(gè)頂部電極。在另一實(shí)施方式中，所述印刷頭噴射器疊摞還包括:多個(gè)導(dǎo)電焊盤，一個(gè)導(dǎo)電焊盤電耦合到所述多個(gè)換能器中的每個(gè)換能器；以及多個(gè)導(dǎo)電跡線，一個(gè)跡線電耦合到所述多個(gè)焊盤中的每個(gè)導(dǎo)電焊盤，其中所述多個(gè)導(dǎo)電焊盤和所述多個(gè)導(dǎo)電跡線為化學(xué)氣相沉積(CVD)金屬和濺射金屬中的每一個(gè)。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，印刷機(jī)可以包括印刷頭，該印刷頭具有印刷頭噴射器疊摞。該印刷頭噴射器疊摞可以包括多個(gè)換能器、半導(dǎo)體襯底主板、覆蓋在所述半導(dǎo)體襯底主板上的膜片、覆蓋在所述膜片上的有圖案的壓電層、以及覆蓋在所述有圖案的壓電層上的有圖案的導(dǎo)電層。在一個(gè)實(shí)施方式中，所述膜片包括所述多個(gè)換能器的導(dǎo)電底部電極，所述有圖案的壓電層包括用于所述多個(gè)換能器的多個(gè)壓電元件，以及所述有圖案的導(dǎo)電層包括用于所述多個(gè)換能器的多個(gè)頂部電極。該印刷機(jī)可以進(jìn)一步包括圍繞所述印刷頭的印刷機(jī)外殼。


圖1-11為描述用于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式所述的噴墨印刷頭的處理中的結(jié)構(gòu)的橫截面；圖12為包括根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式所述的噴墨印刷頭的印刷機(jī)的透視圖；以及圖13-15為描述用于根據(jù)本發(fā)明的另外的實(shí)施方式所述的噴墨印刷頭的處理中的結(jié)構(gòu)的橫截面以及圖16為其俯視圖。應(yīng)當(dāng)指出的是，這些圖的一些細(xì)節(jié)已經(jīng)簡(jiǎn)化，并且其繪制沒(méi)有保持嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)精確度、細(xì)節(jié)以及比例，以幫助理解本發(fā)明。
具體實(shí)施例方式除非另有說(shuō)明，此處使用的術(shù)語(yǔ)“印刷機(jī)”包括為了任何目的執(zhí)行印刷輸出功能的任何裝置，例如數(shù)字復(fù)印機(jī)、裝訂機(jī)、傳真機(jī)、多功能機(jī)、繪圖機(jī)等等。壓電式印刷頭的設(shè)計(jì)具有各種各樣的失效模式是公知的。例如，多重的材料和疊層結(jié)構(gòu)可以很容易分離或分層，這可以導(dǎo)致墨泄露并且腐蝕到達(dá)壓電式換能器的電連接。進(jìn)一步地，污染物可以阻塞噴嘴并導(dǎo)致降低印刷質(zhì)量。此外，有圖案的粘合劑層和隔開(kāi)層(standoff layers)不對(duì)齊可以限制墨流動(dòng)穿過(guò)墨通道。在印刷頭的整個(gè)壽命期間，由溫度周期變化和其他誘導(dǎo)應(yīng)力引起的故障可以消極地影響其可靠性。此外，鋪設(shè)單獨(dú)的跡線(即導(dǎo)線)到柔性電路板或PCB上的每個(gè)壓電式換能器的空間是有限的。隨著壓電式換能器的數(shù)量增加以提供更高分辨率的印刷頭，在可利用的空間內(nèi)提供增加數(shù)量的跡線變得更加困難。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式可以包括使用諸如半導(dǎo)體晶片裝配制造技術(shù)等半導(dǎo)體設(shè)備(微電子的)制造技術(shù)形成各種機(jī)電印刷頭結(jié)構(gòu)。例如，如在以下所詳細(xì)描述的，由蝕刻過(guò)的半導(dǎo)體襯底制造的結(jié)構(gòu)可以替換傳統(tǒng)的不銹鋼主板。形成的覆蓋半導(dǎo)體襯底的金屬層可以替換傳統(tǒng)的不銹鋼膜片。通過(guò)使用包括半導(dǎo)體設(shè)備金屬化技術(shù)的工藝可以提供各種導(dǎo)電焊盤和導(dǎo)電跡線，該導(dǎo)電焊盤和導(dǎo)電跡線通常通過(guò)使用柔性電路或PCB形成。通常，諸如光學(xué)光刻，硅、金屬和電介質(zhì)蝕刻，化學(xué)氣相沉積(CVD)，噴濺涂覆法等半導(dǎo)體設(shè)備制造技術(shù)的使用可以提供高密度印刷頭和使用該高密度印刷頭的印刷機(jī)。使用半導(dǎo)體設(shè)備加工技術(shù)形成的這些材料比傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是較少可能分層的。圖1-11描述了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式。圖1描述了半導(dǎo)體襯底10，該半導(dǎo)體襯底10可以是諸如硅晶片、鎵晶片等半導(dǎo)體晶片。在另一個(gè)實(shí)施方式中，半導(dǎo)體襯底10可以是硅外延層、石英、陶瓷、玻璃以及這些材料的復(fù)合材料。除非另有說(shuō)明，此處使用的術(shù)語(yǔ)“半導(dǎo)體襯底”將包括以上這些材料中的任何一種。應(yīng)理解，半導(dǎo)體襯底10還可以是半導(dǎo)體晶片切塊(section)或者具有合適尺寸的其他材料。這些材料可以從例如半導(dǎo)體晶片切割而來(lái)，或者形成具有不需要切割的合適的尺寸。半導(dǎo)體襯底10可以包括各種各樣的其他結(jié)構(gòu)，例如導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、電介質(zhì)結(jié)構(gòu)、或者為簡(jiǎn)化起見(jiàn)沒(méi)有描述的摻雜區(qū)。在這個(gè)過(guò)程的這一點(diǎn)上，半導(dǎo)體襯底10可以具有約200 ii m和約600 U m之間的厚度，具體取決于特定的設(shè)計(jì)。在一個(gè)實(shí)施方式中，晶片厚度可以在約500 ii m和約600 ii m之間。在另一個(gè)實(shí)施方式中，晶片厚度可以在約200iim和約300 iim之間，例如約250 y m，或者另一個(gè)適當(dāng)?shù)暮穸取０雽?dǎo)體層將作為以下所描述的完整的印刷頭噴射器疊摞的主板的至少部分運(yùn)行。如圖1所描述的，使用諸如材料沉積或通過(guò)氧化硅晶片生長(zhǎng)二氧化硅之類的已知技術(shù)，在半導(dǎo)體襯底上形成諸如二氧化硅或氮化硅等覆蓋(blanket)電介質(zhì)蝕刻終止層12。蝕刻終止層12可以生長(zhǎng)在硅晶片上或者沉積在半導(dǎo)體襯底10上，并且達(dá)到約Iym和約IOym之間的厚度，或者其他合適的厚度。在另一個(gè)實(shí)施方式中，結(jié)構(gòu)12可以例如使用硼植入在半導(dǎo)體襯底10內(nèi)以提供摻雜區(qū)，該摻雜區(qū)提供蝕刻終止層，使得該蝕刻停止層不用增加到該結(jié)構(gòu)的厚度。隨后，在半導(dǎo)體襯底10的表面上和蝕刻終止層12上形成覆蓋金屬層14，使得蝕刻終止層12介于覆蓋金屬層14和半導(dǎo)體襯底10之間。通過(guò)使用例如噴濺涂覆法或者化學(xué)氣相沉積(CVD)，覆蓋金屬層14可以形成大約5 u m到大約10 y m之間，或者從大約7 u m到大約8 u m的厚度，或者另外的合適的厚度。在一個(gè)實(shí)施方式中，金屬層14可以包括鎳、鉻、或者鈦、這些金屬的合金和/或組合物、或者其他合適的金屬。在另一個(gè)實(shí)施方式中，金屬層14可以包括不同的金屬的多個(gè)層。金屬層14可以包括諸如一個(gè)或更多粘合層等其他層，該粘合層通過(guò)物理方式接觸蝕刻終止層12從而確保金屬層14和蝕刻終止層12之間的粘合，或者在主要的核心金屬層的頂部形成，從而確保粘附到后面的層。金屬層14可以作為完整的印刷頭噴射器疊摞的膜片的至少部分運(yùn)行以及作為以下所述的每個(gè)壓電式換能器的底部電極(即底板或者底部電容器板)運(yùn)行。金屬層14和蝕刻終止層12的任何一個(gè)或兩者都可以在這一階段或者在其他處理階段圖案化，從而形成墨排放口，該墨排放口用于讓墨流過(guò)整個(gè)印刷頭的膜片。通過(guò)膜片形成墨排放口的處理階段將取決于特定的印刷頭設(shè)計(jì)。在形成與圖1所描述的相似的結(jié)構(gòu)之后，在如圖2所描述的金屬層14上形成壓電層20。壓電層20可以是例如粘合到金屬層14的鋯鈦酸鉛的單片層。在另一個(gè)實(shí)施方式中，壓電層20可以是膜，該膜通過(guò)使用例如溶膠-凝膠工藝進(jìn)行化學(xué)沉積而成。在又一個(gè)實(shí)施方式中，壓電層20可以通過(guò)使用例如噴濺涂覆工藝進(jìn)行機(jī)械沉積而成。還可以使用其他合適的處理技術(shù)。在一個(gè)實(shí)施方式中，壓電層20可以加工成大約5 ii m至大約50 ii m之間的厚度，或者另外合適的厚度。壓電層20將作為以下所述的換能器的壓電層運(yùn)行。隨后，例如通過(guò)使用回蝕、磨削、或拋光處理，可以減少半導(dǎo)體襯底10的厚度，從而形成圖3的結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體襯底10的厚度的減少形成了具有適合用作噴射器疊摞主板的厚度的結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施方式中，半導(dǎo)體襯底10的厚度可以減少到約50 ii m和約125 iim之間，或者約75 ii m和約IOOiim之間。在印刷頭的初期制造之后,減少半導(dǎo)體襯底的厚度可以降低對(duì)易碎的晶片的損害。在印刷頭的制造過(guò)程中，或遲或早，還可以確定晶片的最終厚度。隨后，在圖4所描述的壓電層20上形成導(dǎo)電層40。導(dǎo)電層40可以包括鎳、金、鋁、一種或更多的合金或其他合適的材料的一個(gè)或更多的層。在一個(gè)實(shí)施方式中，在壓電層20上可以形成粘合層(為簡(jiǎn)化起見(jiàn)沒(méi)有單獨(dú)描述)，從而提高導(dǎo)電層40到壓電層20的粘附性。在一個(gè)實(shí)施方式中，導(dǎo)電層40可以在約0.05 ii m和約2.0 ii m的厚度之間，并且可以通過(guò)使用噴濺涂覆法、CVD、或者另外的合適的方法形成。導(dǎo)電層40可以作為在完整的噴射器疊摞之內(nèi)的壓電式換能器陣列的每個(gè)換能器的頂部電極(頂板或者頂部電容器板)運(yùn)行。圖4進(jìn)一步描述了在導(dǎo)電層40上的有圖案的掩膜層42，例如可以通過(guò)使用光學(xué)光刻形成的有圖案的光刻膠掩膜。在形成與圖4所描述的相似的結(jié)構(gòu)之后，可以實(shí)施蝕刻來(lái)去除導(dǎo)電層40和壓電層20的暴露部分，并且在金屬層14上停止，從而形成圖5的結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施方式中，第一蝕刻可以去除導(dǎo)電層40以及不同的第二蝕刻可以去除壓電層20以有選擇地到達(dá)導(dǎo)電層40和金屬層14。在另一個(gè)實(shí)施方式中，可以實(shí)施單獨(dú)的蝕刻來(lái)去除導(dǎo)電層40和壓電層20的暴露部分并且停止在金屬層14上。在金屬層14上的停止可以通過(guò)定時(shí)蝕刻的使用或者通過(guò)蝕刻化學(xué)過(guò)程(etch chemistry)的使用來(lái)實(shí)施,所述蝕刻化學(xué)過(guò)程去除導(dǎo)電層40和壓電層20以選擇地到達(dá)金屬層14。所述蝕刻將導(dǎo)電層40和壓電層20分離成單獨(dú)的壓電元件，該單獨(dú)的壓電元件將作為用于壓電式換能器的電容器電介質(zhì)運(yùn)行。圖4的導(dǎo)電層40提供圖5的單個(gè)的換能器頂部電極40，而壓電層20提供用于每個(gè)換能器的壓電材料。金屬層14可以提供用于在完整的結(jié)構(gòu)中的每個(gè)換能器的底部電極。因此每個(gè)換能器可以包括頂部電極40、電介質(zhì)20和底部電極14。隨后，可以去除有圖案的掩膜層42并且在每個(gè)換能器頂部電極40上形成有圖案的導(dǎo)體層(導(dǎo)體)60。導(dǎo)體60可以包括多個(gè)導(dǎo)電塊，一個(gè)或更多的導(dǎo)電塊在圖6所描述的每個(gè)換能器頂部電極40上。導(dǎo)體60可以由諸如焊料之類的金屬制成。在一個(gè)實(shí)施方式中，可以將導(dǎo)體60當(dāng)作導(dǎo)電膠(如銀填充膏)分配到每個(gè)換能器頂部電極40。在這個(gè)處理階段期間，或者在當(dāng)前的處理階段之前或之后可以形成導(dǎo)體60。圖6描述了兩個(gè)完整的壓電元件20A、20B和一個(gè)部分壓電元件20C的橫截面。每個(gè)換能器包括底部電極14、壓電元件20和頂部電極40。要理解的是，換能器陣列可以包括幾百個(gè)換能器的柵極(grid)。然后，例如通過(guò)使用光刻膠層的光學(xué)光刻或者諸如鏤空等其他合適的工藝，在圖7所描述的半導(dǎo)體襯底10上形成有圖案的掩膜70。該有圖案的掩膜70暴露了在所描述的壓電材料20下面的位置的半導(dǎo)體襯底10。
隨后，通過(guò)使用掩膜70作為圖樣可以蝕刻半導(dǎo)體襯底10。可以使用化學(xué)蝕刻來(lái)將半導(dǎo)體襯底10的材料(例如硅)去除以有選擇地到達(dá)蝕刻終止層12的材料(例如，二氧化硅、氮化硅、或者襯底的硼摻雜物)。在另一個(gè)實(shí)施方式中，可以使用定時(shí)蝕刻，該定時(shí)蝕刻可以在蝕刻終止層12暴露之后結(jié)束。該蝕刻圖案化了圖7的半導(dǎo)體襯底10從而提供圖8所描述的有圖案的噴射器疊摞主板80。在移動(dòng)有圖案的掩膜70之后，可以留下與圖8所描述的結(jié)構(gòu)相似的結(jié)構(gòu)。然后，可以在圖8的結(jié)構(gòu)上實(shí)施附加的處理，該處理可以包括使用粘合劑92將進(jìn)口 /出口板90粘附到主板80。進(jìn)一步地，具有多個(gè)噴嘴96的孔板94可以通過(guò)使用粘合劑98粘附到進(jìn)口 /出口板90，從而產(chǎn)生與圖9所描述的結(jié)構(gòu)相似的結(jié)構(gòu)。進(jìn)口 /出口板90和孔板94可以由不銹鋼或者另外的合適的材料加工而成。然后，可以將有圖案的隔開(kāi)層100粘附到圖10所描述的圖9的結(jié)構(gòu)的頂面。有圖案的隔開(kāi)層100可以包括一個(gè)或更多的電介質(zhì)層，該電介質(zhì)層例如已經(jīng)使用激光鏤空，從而提供用于暴露導(dǎo)體60和換能器頂部電極40的開(kāi)口。包括多個(gè)導(dǎo)電焊盤102、導(dǎo)電跡線104、以及一個(gè)或更多的電介質(zhì)層106的柔性電路可以通過(guò)物理方式和可導(dǎo)電方式粘附到圖10所描述的圖9的結(jié)構(gòu)上。導(dǎo)電焊盤102可以通過(guò)物理方式與導(dǎo)體60接觸，然后使用合適的技術(shù)加熱和冷卻(對(duì)于金屬或焊料導(dǎo)電塊)、或者固化(對(duì)于導(dǎo)電膠)導(dǎo)體60，從而通過(guò)導(dǎo)體60的使用，將多個(gè)柔性電路板焊盤102電耦合到多個(gè)換能器頂部電極40。因此可以通過(guò)柔性電路的跡線104單獨(dú)地訪問(wèn)在換能器陣列內(nèi)的多數(shù)換能器。可以實(shí)施任何附加的處理來(lái)完成圖10所描述的噴射器疊摞108。然后，可以將歧管(manifold)llO結(jié)合到噴射器疊摞108的上表面，這是通過(guò)物理方式將歧管110連結(jié)到噴射器疊摞108。歧管110的連結(jié)可以包括諸如粘合劑等不漏的密封連接物112的使用，從而形成圖11所描繪的噴墨印刷頭114。噴墨印刷頭114可以包括墨貯存器116，該墨貯存器116通過(guò)歧管110的表面和噴射器疊摞108的上表面形成，用于存儲(chǔ)大量的墨。來(lái)自墨貯存器116的墨被釋放穿過(guò)噴射器疊摞108內(nèi)的排放口(沒(méi)有單獨(dú)描繪)，其中通過(guò)穿過(guò)柔性電路板106、隔開(kāi)層100、膜片14、以及蝕刻終止層12的連續(xù)的開(kāi)口部分地形成該墨排放口。需要理解的是，圖11是簡(jiǎn)化的視圖。實(shí)際的印刷頭可以包括圖11沒(méi)有描述的各種結(jié)構(gòu)和不同方面，例如為了解釋的簡(jiǎn)單，沒(méi)有描述朝左和朝右的額外的結(jié)構(gòu)。在使用中，在印刷頭114的歧管110內(nèi)的墨貯存器116包括一定容積的墨。可以使用印刷頭的初始啟動(dòng)來(lái)引起墨從墨貯存器116流出，穿過(guò)在噴射器疊摞108內(nèi)的墨排放口(沒(méi)有單獨(dú)描繪)。響應(yīng)于置于跡線104上的電壓122轉(zhuǎn)移到柔性電路焊盤陣列的焊盤102、到導(dǎo)體60、到壓電式電極頂板40，每個(gè)壓電式換能器將在合適的時(shí)間彎曲或者偏轉(zhuǎn)作為回應(yīng)。換能器的偏轉(zhuǎn)引起膜片14撓曲，從而在噴射器疊摞108內(nèi)的腔124中產(chǎn)生壓力脈沖，使墨滴排出噴嘴96。因此，以上所描述的方法和結(jié)構(gòu)形成用于噴墨印刷機(jī)的噴射器疊摞108。在一個(gè)實(shí)施方式中，噴射器疊摞108可以作為圖12所描繪的噴墨印刷頭114的部分使用。圖12描繪了印刷機(jī)120，該印刷機(jī)120包括一個(gè)或更多的印刷頭114和墨132，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，墨132從一個(gè)或更多的噴嘴96噴射出。每個(gè)印刷頭114配置為根據(jù)數(shù)字指令運(yùn)轉(zhuǎn)，從而在諸如紙張、塑料等印刷介質(zhì)134上創(chuàng)建所需的圖像。每個(gè)印刷頭114可以在掃描運(yùn)動(dòng)中相對(duì)于印刷介質(zhì)134來(lái)回移動(dòng)，從而生成成幅的圖像。替代地，印刷頭114可以保持固定，然后印刷介質(zhì)134相對(duì)于印刷頭移動(dòng)，在單個(gè)工次(pass)中生成和印刷頭114 一樣寬的圖像。印刷頭114可以比印刷介質(zhì)134更窄，或者可以和印刷介質(zhì)134—樣寬。包括印刷頭114的印刷機(jī)硬件可以封裝在印刷機(jī)外殼136內(nèi)。在另一個(gè)實(shí)施方式中，印刷頭114可以印刷到諸如旋轉(zhuǎn)的鼓或帶(為簡(jiǎn)化起見(jiàn)沒(méi)有描述)等中間表面上，隨后傳送到印刷介質(zhì)上。圖13-16描繪了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式。在這個(gè)實(shí)施方式中，通過(guò)使用半導(dǎo)體設(shè)備制造技術(shù)，通常可以替換由柔性電路板或PCB提供的一些或所有的跡線和/或金屬化焊盤。在一個(gè)實(shí)施方式中，除了省略了導(dǎo)體60，可以形成與圖9所描述的結(jié)構(gòu)相似的結(jié)構(gòu)。如圖13所描繪的，可以設(shè)置平坦電介質(zhì)間隙層130以提供總體上平坦的上表面。電介質(zhì)間隙層130可以包括例如聚酰亞胺、聚合物、二氧化硅、諸如SU-8之類的光敏環(huán)氧樹脂、苯并環(huán)丁烯(BCB)、光刻膠等。在這個(gè)實(shí)施方式中，可以形成電介質(zhì)間隙層130來(lái)覆蓋所描繪的所有設(shè)備結(jié)構(gòu)，包括壓電式換能器頂部電極40。同樣在這個(gè)實(shí)施方式中，在相鄰的換能器之間形成電介質(zhì)間隙層130。然后，例如使用光學(xué)光刻來(lái)圖案化光刻膠層，以形成有圖案的掩膜層132，使得有圖案的掩膜層132包括暴露每個(gè)電壓式換能器頂板40的部分的開(kāi)口。取決于設(shè)備的設(shè)計(jì)，掩膜層132可以包括其他開(kāi)口，從而暴露其他設(shè)備結(jié)構(gòu)以形成其他特征，例如穿過(guò)膜片14的墨排放開(kāi)口(為簡(jiǎn)化起見(jiàn)沒(méi)有描繪)，在印刷期間墨能通過(guò)該開(kāi)口。實(shí)施蝕刻來(lái)去除暴露的電介質(zhì)間隙層130，然后去除掩膜132形成圖14所描繪的有圖案的電介質(zhì)間隙層130。然后，形成諸如鋁、銅、或鋁制/銅制疊摞之類的覆蓋金屬層140來(lái)接觸換能器頂部電極40。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，圖14將覆蓋金屬層140描繪為平面，但是可以理解的是覆蓋金屬層140可以是共形的。隨后，使用例如光學(xué)光刻來(lái)圖案化光刻膠層，形成有圖案的掩膜層142。有圖案的掩膜層142可以用于定義(define)觸體(即焊盤)到換能器頂部電極40以及導(dǎo)電跡線，從而將電壓傳送到觸體，并且因此傳送到換能器頂部電極。在其他位置的掩膜142內(nèi)的開(kāi)口可以用來(lái)使任何先前形成的排放口(為簡(jiǎn)化起見(jiàn)沒(méi)有描述)暢通。然后，蝕刻圖14的結(jié)構(gòu)，以及去除掩膜142，從而形成圖15的結(jié)構(gòu)，圖15描繪了由金屬層140形成的焊盤150和跡線152。圖16是圖15的結(jié)構(gòu)的俯視圖，但是描繪了半導(dǎo)體襯底10的更大的區(qū)域。圖16的結(jié)構(gòu)包括換能器的4x4陣列(array)，但是應(yīng)理解的是可以形成柵格，該柵格包括更多的換能器陣列，例如1200或更多的換能器。在圖16中，跡線152可以在跡線152的第一末端與焊盤150電耦合，以及跡線152可以在每個(gè)跡線的第二末端與焊盤160電耦合。因此，每個(gè)跡線152在設(shè)備操作期間可以在焊盤150和焊盤160之間傳送電壓。在每個(gè)跡線152的第二末端的焊盤160可以位于諸如專用集成電路(ASIC) 162等半導(dǎo)體設(shè)備下，因此該焊盤160將不會(huì)顯示在圖16的結(jié)構(gòu)中，但是描述出來(lái)，便于解釋。通過(guò)使用諸如球柵陣列(BGA)或凸管將ASIC 162上的焊盤(為簡(jiǎn)單起見(jiàn)沒(méi)有描繪)電耦合到在每個(gè)跡線152的第二末端的焊盤160，可以將ASIC 162倒裝芯片安裝在半導(dǎo)體襯底10上。此外，跡線或控制線路164在焊盤160和焊盤166之間傳遞信號(hào)，焊盤160和焊盤166可以沿著襯底10的邊緣定位。反過(guò)來(lái)，焊盤166可以連接到柔性電路(為簡(jiǎn)單起見(jiàn)沒(méi)有描述)并且按路線連接到驅(qū)動(dòng)器板(為簡(jiǎn)單起見(jiàn)沒(méi)有描述)。因此，使用多個(gè)跡線152和多個(gè)焊盤150，通過(guò)驅(qū)動(dòng)板和/或ASIC 162可以單獨(dú)地訪問(wèn)每個(gè)換能器。如上所述，每個(gè)焊盤150與換能器頂部電極40電耦合。ASIC 162可以包括額外的焊盤，以接收來(lái)自驅(qū)動(dòng)器板的額外的操作信號(hào)，并且可以提供諸如邏輯和控制功能等其他功能。可以使用圖13-16的實(shí)施方式來(lái)形成非常小的焊盤150，160, 166，非常窄的跡線152, 164,以及高分辨率印刷頭。通過(guò)使用諸如光刻法、金屬化(例如噴濺涂覆法和CVD)以及蝕刻技術(shù)之類的半導(dǎo)體設(shè)備處理技術(shù)能夠形成非常小的特征，從而形成集成設(shè)備。在這個(gè)實(shí)施方式中，可以通過(guò)控制線路164到ASIC 162來(lái)執(zhí)行輸入/輸出功能。控制線164的數(shù)量可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于來(lái)自換能器陣列的輸出152的導(dǎo)線數(shù)。當(dāng)來(lái)自換能器數(shù)組的導(dǎo)線數(shù)等于或約等于換能器的數(shù)量時(shí)，ASIC 162可以通過(guò)20或24的導(dǎo)線數(shù)來(lái)訪問(wèn)。此外，使用傳統(tǒng)方法形成的跡線可以有約38 y m的間距，然而使用光刻技術(shù)形成的跡線可以有約3 u m的間距，具體取決于設(shè)備形貌以及其他因素。進(jìn)一步地，通過(guò)消除粘合劑和它們的粘合/固化操作，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量的提高。可以減少或者消除這些結(jié)構(gòu)的分層。進(jìn)一步地，因?yàn)橄啾扔趥鹘y(tǒng)印刷頭的處理，凈化室處理已經(jīng)減少了污染，因而可以減少諸如噴嘴阻塞等失效模式。進(jìn)一步地，與使用傳統(tǒng)技術(shù)制造的印刷頭相比，使用此處討論的制造技術(shù)，與溫度周期變化有關(guān)的故障預(yù)期會(huì)減少。與現(xiàn)有方法相比，這種方法的優(yōu)勢(shì)包括用于非常小的特征尺寸的可能性。可以通過(guò)將組件、材料和組裝階段的硅處理外包給一些半導(dǎo)體晶片制造設(shè)備的承包商(鑄造廠)中的任何一個(gè)，從而簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝。額外的益處包括允許甚至更高的密度的增加的分辨率，以及通過(guò)消除激光切割零部件而改進(jìn)的清潔度。通過(guò)消除諸如PZT分層的許多當(dāng)前的失效模式以及墨在腔室之間的滲漏，可以提高產(chǎn)量。通過(guò)高度可重復(fù)的半導(dǎo)體制造過(guò)程，可以改進(jìn)印刷頭均勻性，可能允許消除印刷頭歸一化。此外，通過(guò)簡(jiǎn)化材料設(shè)置，可以改進(jìn)和墨以及噴墨印刷頭的其他典型的環(huán)境材料的兼容性。
權(quán)利要求
1.一種用于形成印刷頭噴射器疊摞的方法，所述印刷頭噴射器疊摞包括多個(gè)換能器，所述方法包括: 在半導(dǎo)體襯底上形成金屬層； 在所述金屬層上形成壓電層； 在所述壓電層上形成導(dǎo)電層； 蝕刻所述導(dǎo)電層，以形成用于所述多個(gè)換能器的多個(gè)換能器頂部電極； 蝕刻所述壓電層，以形成用于所述多個(gè)換能器的多個(gè)壓電元件；以及 蝕刻所述半導(dǎo)體襯底，以由所述半導(dǎo)體襯底形成用于所述印刷頭噴射器疊摞的主板。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括: 在所述半導(dǎo)體襯底上形成所述金屬層，從而形成用于所述多個(gè)換能器的底板以及用于所述印刷頭噴射器疊摞的膜片。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括: 在所述半導(dǎo)體襯底上形成蝕刻終止層； 在所述蝕刻終止層上形成所述金屬層；以及 在蝕刻所述半導(dǎo)體襯底期間，使用所述蝕刻終止層作為蝕刻終止。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括: 在所述半導(dǎo)體襯底上形成有圖案的光刻膠層；以及 使用所述有圖案的光刻膠層執(zhí)行所述蝕刻所述半導(dǎo)體襯底，以圖案化所述半導(dǎo)體襯底，從而形成用于所述印刷頭噴射器疊摞的主板。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，還包括: 在所述多個(gè)換能器頂部電極上以及在相鄰換能器之間形成電介質(zhì)間隙層； 蝕刻所述電介質(zhì)間隙層，以暴露所述多個(gè)換能器頂部電極； 在所述電介質(zhì)間隙層上形成覆蓋金屬層，以電接觸所述多個(gè)換能器頂部電極； 使用光刻技術(shù)在所述覆蓋金屬層上形成有圖案的掩膜；以及蝕刻所述覆蓋金屬層，以形成多個(gè)跡線和多個(gè)焊盤，所述多個(gè)跡線和所述多個(gè)焊盤電耦合到所述多個(gè)換能器，其中每個(gè)換能器通過(guò)所述多個(gè)跡線和所述多個(gè)焊盤可被獨(dú)立訪問(wèn)。
6.一種印刷頭噴射器疊摞，所述印刷頭噴射器疊摞包括多個(gè)換能器，其中所述印刷頭噴射器疊摞包括: 半導(dǎo)體襯底主板； 膜片，所述膜片覆蓋在所述半導(dǎo)體襯底主板上； 有圖案的壓電層，所述有圖案的壓電層覆蓋在所述膜片上；以及 有圖案的導(dǎo)電層，所述有圖案的導(dǎo)電層覆蓋在所述有圖案的壓電層上， 其中所述膜片包括所述多個(gè)換能器的導(dǎo)電底部電極，所述有圖案的壓電層包括用于所述多個(gè)換能器的多個(gè)壓電元件，以及所述有圖案的導(dǎo)電層包括用于所述多個(gè)換能器的多個(gè)頂部電極。
7.如權(quán)利要求6所述的印刷頭噴射器疊摞，還包括: 多個(gè)導(dǎo)電焊盤，一個(gè)導(dǎo)電焊盤電耦合到所述多個(gè)換能器中的每個(gè)換能器；以及 多個(gè)導(dǎo)電跡線，一個(gè)跡線電耦合到所述多個(gè)焊盤中的每個(gè)導(dǎo)電焊盤，其中所述多個(gè)導(dǎo)電焊盤和所述多個(gè)導(dǎo)電跡線為化學(xué)氣相沉積(CVD)金屬和濺射金屬中的每一個(gè)。
8.如權(quán)利要求7所述的印刷頭噴射器疊摞，還包括: 專用集成電路(ASIC)，所述專用集成電路通過(guò)物理方式連接到所述半導(dǎo)體襯底并且與用于所述多個(gè)換能器的所述多個(gè)頂部電極電耦合。
9.一種印刷機(jī),包括: 印刷頭，所述印刷頭包括印刷頭噴射器疊摞，所述印刷頭噴射器疊摞包括: 多個(gè)換能器； 半導(dǎo)體襯底主板； 膜片，所述膜片覆蓋在所述半導(dǎo)體襯底主板上； 有圖案的壓電層，所述有圖案的壓電層覆蓋在所述膜片上；以及 有圖案的導(dǎo)電層，所述有圖案的導(dǎo)電層覆蓋在所述有圖案的壓電層上， 其中所述膜片包括所述多個(gè)換能器的導(dǎo)電底部電極，所述有圖案的壓電層包括用于所述多個(gè)換能器的多個(gè)壓電元件，以及所述有圖案的導(dǎo)電層包括用于所述多個(gè)換能器的多個(gè)頂部電極； 印刷機(jī)外殼，所述印刷機(jī)外殼圍繞所述印刷頭。
10.如權(quán)利要求9所述的印刷機(jī)，其中所述噴射器疊摞還包括: 多個(gè)導(dǎo)電焊盤，一個(gè)導(dǎo)電焊盤電耦合到所述多個(gè)換能器中的每個(gè)換能器；以及 多個(gè)導(dǎo)電跡線，一個(gè)跡線電耦合到多個(gè)焊盤中的每個(gè)導(dǎo)電焊盤， 其中所述多個(gè)導(dǎo)電焊盤和所述多個(gè)導(dǎo)電跡線為化學(xué)氣相沉積(CVD)金屬和濺射金屬中的每一個(gè)。
全文摘要
一種包括噴射器疊摞的印刷頭，所述印刷頭可以通過(guò)使用半導(dǎo)體設(shè)備制造技術(shù)形成。覆蓋金屬層、覆蓋壓電元件層、以及覆蓋導(dǎo)電層可以在諸如半導(dǎo)體晶片或者晶片部分等半導(dǎo)體襯底上形成。所述壓電元件層和所述覆蓋導(dǎo)電層可以通過(guò)圖案化來(lái)分別提供多個(gè)換能器壓電元件和頂部電極，而金屬層形成用于所述多個(gè)換能器的底部電極。隨后,半導(dǎo)體襯底可以通過(guò)圖案化形成用于印刷頭噴射器疊摞的主板。通過(guò)使用半導(dǎo)體設(shè)備制造技術(shù)形成印刷頭噴射器疊摞可以提供具有小特征尺寸的高分辨率設(shè)備。
文檔編號(hào)B41J2/14GK103112253SQ2012104394
公開(kāi)日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2012年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月10日
發(fā)明者彼得·J·奈斯特龍, 比喬伊羅伊·薩胡 申請(qǐng)人:施樂(lè)公司