流體噴射裝置的製造方法

2023-09-17 18:53:20

專利名稱：流體噴射裝置的製造方法
技術領域：
本發明涉及一種流體噴射裝置及其製造方法，且尤其涉及一種 微流體噴射裝置及其製造方法。
背景技術：
微流體噴射裝置近來已廣泛地運用於信息產業，例如噴墨列印
才幾或類如乂i殳備中。隨著《效系糹充工禾呈(micro system engineering )的逐 步開發，這種流體噴射裝置逐漸在其它眾多領域應用，例如燃料噴 射系糹充(fuel injection system )、糹田月包篩選(cell sorting )、 藥物釋力文 系糹克(drug delivery system )、 噴印光刻4支術(print lithography )及 微噴射推進系統(micro jet propulsion system )等。
圖1顯示一種現有美國專利號碼6,102,530的單塊的流體噴射 裝置1，其以石圭基底IO作為本體，且在石圭基底IO上形成結構層12， 而在矽基底10和結構層12之間形成流體腔14，用以容納流體26; 而在結構層12上"^殳有第一加熱器20、以及第二加熱器22，第一加 熱器20用以在流體腔14內產生第一氣泡30，第二加熱器22用以 在流體腔14內產生第二氣泡32，以將流體腔14內的流體26射出。
上述的單塊的流體噴射裝置1製作步驟依次為提供晶片作為 矽基底10,且在矽基底10上形成結構層12，並在矽基底10和結 構層12之間形成圖案化犧牲層。接著，設置流體致動裝置於結構 層12上。然後，在結構層12上形成保護層。之後對矽基底背面進
4亍非等向性蝕刻直至犧牲層4果露，以形成流體通道。移除犧牲層並 再一次對石圭基底進行非等向性蝕刻，以得到擴大的流體腔。最後， 依次蝕刻保護層、結構層形成相互連通的通孔，其中通孔與流體腔 連通。
在現有的單塊流體噴射裝置的工藝中，以硼矽酸磷玻璃
(BPSG)作為犧牲層，通常需採用高濃度的氫氟酸蝕刻液移除硼 石圭酸石粦3皮璃以形成流體月空，然而在蝕刻硼石圭酸石粦iE皮璃過禾呈中，具有 高腐蝕性的氫氟酸溶液易過蝕刻結構層而^皮壞位於基底上的驅動 線路等組件。再者，由於硼矽酸磷玻璃的形成厚度受限於沉積技術， 故去除犧牲層後，還另需對基底進行蝕刻以擴大流體腔的尺寸，而 增加工藝的步駛朵。
因此，目前亟需一種可改善上述缺點的樣i流體噴射裝置的製造 方法。

發明內容
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種可改善上述缺點的流體 噴射裝置的製造方法，其在形成流體腔的工藝中降低對在基底上組 件的破壞，且可減少工藝步驟。本發明提供一種流體噴射裝置的制 造方法，包括提供基底，具有第一面及第二面，且該第二面與該 第一面相對；形成圖案化的多孔性結構區於該基底內；形成第一結 構層於該基底的該第一面上及覆蓋該圖案化的多孔性結構區；由該 基底的該第二面蝕刻該基底並暴露該圖案化的多孔性結構區，以形 成流體通道；去除該圖案化的多孔性結構區以形成連接該流體通道 的流體腔；以及圖案化該第 一結構層以在噴孔預定區上形成開口 。
由於在形成作為犧牲層的多孔性結構區時即定義出流體腔的 尺寸，故可不需額外的擴大流體腔的工藝。並且以如多孔矽的多孔
性結構區作為犧牲層時，可利用如氫氧化鉀(KOH)溶液、四甲基 氬氧4b氨(氫fU匕四甲基銨，Tetramethyl Ammonium Hydroxide, TMAH)、 乙二胺鄰苯二酚(Ethylene Diamine Pyrochatechol, EDP ) 或其它^f氐濃度蝕刻液去除犧4生層，如此，可避免J見有衝支術中以BPSG 作為犧4生層時，氫氟酸蝕刻液對基底上的組件造成的《皮壞。


圖1是示出現有單塊的流體噴射裝置的示意圖2A至2H是示出本發明第一實施例的流體噴射裝置的製造 方法的剖面圖3A至3H是示出本發明第二實施例的流體噴射裝置的製造 方法的剖面圖；以及
圖4是示出本發明實施例的以電化學蝕刻法形成多孔性結構區 的示意圖。
具體實施例方式
第一實施例
以下配合圖2A至2H說明本發明第一實施例的流體噴射裝置 的製造方法的剖面圖。首先請參照圖2A，提供基底IOO,其具有第 一面1001及第二面1002,而第一面1001與第二面1002相對。基 底100可包括單晶或多晶材料，例如單晶矽，優選基底100為P型 石圭。以如化學氣相沉積的沉積法於基底100的第一面1001及第二 面1002上形成掩才莫層110,掩才莫層110可包括氮化矽。接著，通過 光刻及蝕刻工藝圖案化第一面1001上的掩模層110以暴露部分的
基底100,在此，所暴露的基底部分是流體噴射裝置的流體腔預定
形成的4立置。
^青參照圖2B，通過電4匕學々蟲刻(electrochemical etching, ECE ) 工藝於未覆蓋掩模層110的基底100中形成諸如多孔矽的多孔性結 構區120。電化學蝕刻的工藝如圖4所示，將基底100置於蝕刻槽 400中作為陽極，並且提供諸如白金的材料作為陰極200，蝕刻槽 400內含有諸如氫氟酸溶液的電解液300,於基底100及陰極200 之間連接電源供應器500，以提供穩定電流。於電化學蝕刻過程中， 基底100內的空穴擴散至基底100的表面與電解液300的界面，而 造成基底材料的氧化並溶解於電解液300中，由此，可在基底100 暴露於電解液的區域中均勻的形成大小約10至20nm的孔洞，而形 成圖案化的多孔性結構區120。孔洞的大小可通過調整電流密度、 電解液濃度、電化學蝕刻時間以及基底特性加以控制。在一優選實 施例中，多孔性結構區120的厚度約介於10至20|am為較佳。在形 成多孔性結構區120之後，通過如利用熱磷酸為蝕刻液的溼蝕刻法 去除掩一莫層110。
請參照圖2C，於基底100的第一面1001上形成第一結構層 130,且第一結構層130覆蓋多孔性結構區120。第一結構層130可 包括由化學氣相沉積法(CVD)所形成的低應力的氮化矽，其應力 介於0至300MPa為佳。於此同時，基底100的第二面1002上也形 成第一結構層103。
請參照圖2D,接著於第一結構層130上形成流體致動組件140、 連4妄流體致動組件140的驅動電路150、以及覆蓋流體致動組件140 與驅動電3各150的保護層160。流體致動組件140可包括形成於結 構層130上的圖案化電阻層以作為加熱器(heater),其可利用物理 氣相;咒積、(PVD),侈'H口蒸鍍(evaporation )、、減鍍(sputtering ),形 成如H氾2、 TaAl、 TaN或其它電阻材料。驅動電路150可包括以物
理氣相沉積法(PVD)形成如A1、 Cu、 AlCu或其它導線材泮十的圖 案化導電層。而保護層160可包括以化學氣相沉積法(CVD)形成 如氮化石圭的介電材料於基底100上，以覆蓋流體致動組件140與驅 動電路150,其厚度約介於2至3nm為較佳。其中保護層160還包 括通孔(via) 165以作為驅動電路150對外的電性連接。
請參照圖2E,於保護層160上形成圖案化的第二結構層170 以加強組件的結構強度，第二結構層170可包括如金、白金(鉑)、 鎳、鎳鈷合金的金屬或高分子材料，其厚度約介於10至20(im為較 佳。圖案化的第二結構層170具有開口 175,開口175對應於後續
形成的流體噴射裝置的噴孔的位置。
請參照圖2F,通過光刻及蝕刻工藝圖案化第二面1002上的第 一結構層103以暴露部分的基底100，在此，所暴露的基底部分是 流體噴射裝置的流體通道預定形成的位置。，接著，以圖案化的第一 結構層103為掩模蝕刻基底100的第二面1002以暴露出多孔性結 構區120，由jt匕形成流體通道105。蝕刻基底100的方法可包4舌3口 等離子體蝕刻的幹蝕刻法。在其它實施例中，也可以圖案化第一結 構層103為掩才莫利用幹蝕刻法去除基底100的第二面1002以形成 流體通道105，並且過蝕刻部分的多孔性結構區120直至第一結構 層130暴露出來。
請參照圖2G,去除多孔性結構區120以形成連接流體通道105 的流體"空115。去除多孔性結構區120的方法可包4舌利用溼蝕刻法， 例如4吏用氫氧化鍾(KOH )、 四甲基氫氧化氨(Tetramethyl Ammonium Hydroxide, TMAH )或乙二胺4卩苯二S^ (Ethylene Diamine Pyrochatechol， EDP )的蝕刻液々蟲刻去除多孑W生結構區120。 由於多孔性結構區120相較於基底IOO較為鬆散，因此在溼蝕刻過 程中兩者具有顯著的蝕刻選擇比，由此可利用如氬氧化鉀或低濃度
的基底蝕刻液來去除作為犧牲層的多孑L性結構區120,以形成流體 月空115，而不致《皮壞形成於基底上的驅動電路等組件。
然而在其它實施例中，圖案^f匕第一結構層103以於流體通道的 預定區暴露基底100之後，接著利用圖案化的第一結構層103為掩 模，通過溼蝕刻法自基底100的第二面1002去除部分基底100及 多孑L性結構區120，以形成流體通道105及流體腔115，如圖2G所 示。蝕刻基底100及多孔性結構區120可包括利用氮氧化鉀(KOH ) 為蝕刻液。
請參照圖2H,圖案化保護層160及第一結構層130以於鄰近 流體致動器140的噴孔預定區上形成連4妄流體腔115的噴孔180。 形成噴孔180的方法包括以第二結構層170為掩模，通過如等離子 體蝕刻的幹蝕刻法去除部分^f呆護層160及第一結構層130以於噴孔 預定區上形成開口 。根據上述4是供的第 一實施例可製作以多孔性結 構區為犧牲層的單塊流體噴射裝置。
第二實施例
以下配合圖3A至3H說明本發明第二實施例的流體噴射裝置 的製造方法的剖面圖。此處與圖2A至2H中相同的材料或結構標 示相同的標號。另外，圖3A至3D的步驟與圖2A至2D相同，此 處省略其說明。接著請參照圖3E，在基底IOO上的第一結構層130 上形成流體致動組件140、連接流體致動組件140的驅動電路150、 以及覆蓋流體致動組件140與驅動電路150的保護層160之後，形 成圖案化保護層160及第一結構層130以便於流體噴射裝置的噴孔 預定區上形成開口 106作為噴孔，且開口 106暴露多孔性結構區 120。形成開口 106的方法包括利用光刻工藝及如等離子體蝕刻的 幹蝕刻法圖案化保護層160及第一結構層130。在一優選實施例中，
可利用光刻及蝕刻工藝圖案4W呆護層160及/或第一結構層130,以 同時形成開口 106以及通孑L 165。
請參照圖3F,於保護層160上還形成圖案化的第二結構層170 以加強組件的結構強度，第二結構層170具有開口 175，其在噴孔 預定區上，即對應於開口 106的位置。而第二結構層170的材料及 厚度如第一實施例所述，此處省略其說明。
請參照圖3G,通過光刻及蝕刻工藝圖案化第二面1002上的第 一結構層103以暴露部分的基底100,在此，所暴露的基底部分是 流體噴射裝置的流體通道預定形成的位置。4妄著，以圖案化的第一 結構層103為掩才莫自第二面1002蝕刻基底100以暴露出多孔性結 構區120，由此形成流體通道105。接著請參照圖3H,以如溼蝕刻 法去除多孔性結構區120以形成連接流體通道105及開口 106的流 體腔115。在圖3G至3H中形成流體通道105流體腔115的方法與 第2F至2G相同，此處不再加以詳述。
衝艮據上述才是供的第二實施例可製作以多孔性結構區為犧牲層 的單塊流體噴射裝置，於第二實施例中，在去除多孔性結構區以形 成流體l空之前，即完成蝕刻結構層以形成噴3L的步驟，如此可避免 於第一實施例中以幹蝕刻去除結構層而形成噴孔的過程中，發生過 蝕刻流體腔下的基底的情況。
根據上述的實施例，由於在形成作為犧牲層的多孔性結構區時 即定義出流體腔的尺寸，故可不需額外的擴大流體腔的工藝。並且 以如多孔矽的多孔性結構區作為犧牲層時，可利用如氫氧化鉀 (KOH )溶液、四曱基氬氧化氨(Tetramethyl Ammonium Hydroxide, TMAH )、乙二胺鄰苯二酚(Ethylene Diamine Pyrochatechol ， EDP ) 或其它〗氐濃度蝕刻液去除犧牲層，如此，可避免現有衝支術中以BPSG 作為犧牲層時，氫氟酸蝕刻液對基底上的組件造成的《皮壞。 雖然本發明已以優選實施例4皮露如上，4旦是其並非用以限定本 發明，任何本領域普通技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內， 可作 一些更動與潤飾，因此本發明的保護範圍應當以所附的權利要 求書所限定的為準。
主要組件符號i兌明
1 現有的流體噴射裝置；
10~娃基底
12~結構層
14 ~流體腔
20~第一加熱器
22~第二加熱器
26 ~流體
100 ~基底
105 ~流體通道
106 ~開口
110~掩模層
115 ~流體腔
1002-基底的第二面 130、 103-第一結構層
1001 -基底的第一面 120~多孔性結構區
140~流體致動器
150~驅動電路
160~保護層
165 ~通孑L
170~第二結構層
175 ~開口 200 ~陰極 400~蝕刻槽
180 噴孑L 300—電解液
500 ~電源供應器
權利要求
1.一種流體噴射裝置的製造方法，包括提供基底，其具有第一面及一第二面，且所述第二面與所述第一面相對；形成圖案化的多孔性結構區於所述基底內；形成第一結構層於所述基底的所述第一面上並覆蓋所述圖案化的多孔性結構區；由所述基底的所述第二面蝕刻所述基底並暴露所述圖案化的多孔性結構區，以形成流體通道；去除所述圖案化的多孔性結構區以形成連接所述流體通道的流體腔；以及圖案化所述第一結構層以在噴孔預定區上形成開口。
2. 根據權利要求1所述的流體噴射裝置的製造方法，還包括在所 述第一結構層上形成流體致動組件、驅動電路以連4妄所述流體 致動組件、以及保護層以覆蓋所述流體致動組件與所述驅動電 路。
3. 根據權利要求2所述的流體噴射裝置的製造方法，還包括在所 述保護層上形成第二結構層。
4. 根據權利要求3所述的流體噴射裝置的製造方法，其中所述第 二結構層包括金屬或高分子。
5. 根據權利要求3所述的流體噴射裝置的製造方法，其中所述第 二結構層包括金、白金、鎳、鎳鈷合金。
6. 根據權利要求1所述的流體噴射裝置的製造方法，其中形成所 述圖案4匕的多3L性結構區包4舌實施電4匕學蝕刻。
7. 根據權利要求6所述的流體噴射裝置的製造方法，其中所述電 4匕學蝕刻4吏用氫氟酸溶液為電解液。
8. 根據權利要求1所述的流體噴射裝置的製造方法，其中所述基 底是P型石圭。
9. 根據權利要求1所述的流體噴射裝置的製造方法，其中所述圖 案化的多孔性結構區包括多孔矽。
10. 根據權利要求1所述的流體噴射裝置的製造方法，其中形成所 述流體通道包括實施幹蝕刻步驟。
11. 4艮據權利要求1所述的流體噴射裝置的製造方法，其中形成所 述流體通道包括實施溼蝕刻步驟。
12. 根據權利要求1所述的流體噴射裝置的製造方法，其中去除所 述圖案化的多孔性結構區包括實施溼蝕刻步驟。
13. 根據權利要求12所述的流體噴射裝置的製造方法，其中所述 溼蝕刻步驟包括以氬氧化鉀、四曱基氫氧化氨或乙二胺鄰苯二 酚溶液進行蝕刻。
14. 根據權利要求1所述的流體噴射裝置的製造方法，其中所述圖 案化的多孔性結構區的厚度約介於10至20pm。
15. 根據權利要求1所述的流體噴射裝置的製造方法，其中所述第 一結構層包括氮化矽。
16. 根據權利要求1所述的流體噴射裝置的製造方法，其中在形成 所述流體腔之後，圖案化所述第一結構層以在所述噴孔預定區 上形成所述開口 。
17. 根據權利要求1所述的流體噴射裝置的製造方法，其中在形成 所述流體腔之前，圖案化所述第一結構層以在所述噴孔預定區 上形成所述開口。
18. 根據權利要求1所述的流體噴射裝置的製造方法，其中所述圖 案4b的多孑L性結構區具有10至20nm的孔洞。
19. 根據權利要求1所述的流體噴射裝置的製造方法，在所述噴孔 預定區上形成所述開口包括實施幹蝕刻步驟。
全文摘要
本發明提供一種流體噴射裝置的製造方法，包括提供基底，具有第一面及第二面，且第二面與第一面相對；形成圖案化的多孔性結構區於該基底內；形成第一結構層於該基底的該第一面上及覆蓋該圖案化的多孔性結構區；由該基底的該第二面蝕刻該基底並暴露該圖案化的多孔性結構區，以形成流體通道；去除該圖案化的多孔性結構區以形成連接該流體通道的流體腔；以及圖案化該第一結構層以在噴孔預定區上形成開口。
文檔編號B41J2/16GK101177067SQ200610138610
公開日2008年5月14日 申請日期2006年11月8日 優先權日2006年11月8日
發明者胡宏盛, 陳葦霖 申請人:明基電通股份有限公司