超合金微型加熱器及其製作方法

2023-10-19 23:49:42

專利名稱：超合金微型加熱器及其製作方法
技術領域：
本發明關於一種微型加熱器(micro-heating apparatus),特別是一種以超 合金(superalloy)材料製作的超合金微型加熱器。
背景技術：
微機電統(micro-electro mechanical system, MEMS)以半導體的工藝4支術 來製作微米(micro-meter, pm)級的機械結構，並可整合多種組件，而成為一 個微型統，其產品涵蓋光學、電子、電機、材料、物理、化學、生醫等多個 領域，為典型跨領域整合科技產品。
以微機電工藝製作的微型加熱器，近年來已被廣泛的利用，如應用於噴 墨印表機噴嘴的微型加熱器，當施加通過微型加熱器的電阻片的電流時，噴 嘴內的墨水瞬間將加熱到沸騰，並立即受到推擠自噴嘴噴灑出來進行列印； 此種用於加熱的微型加熱器亦可見於生醫領域的生物晶片，利用微型加熱器 對於晶片反應槽內的樣本進行溫度控制，以利於進行相關的生物反應或後續 的樣本檢測。噴墨印表機噴嘴內和生物晶片內的微型加熱器都是利用微型加熱器局部加熱的功效，完善提供噴嘴或生物晶片所需的微熱源。
然而，已知的微型加熱器常以高電阻值的金屬為電阻材料，經一段時間 反覆通電產熱後，由溫度和電子風(electron wind)加乘效應造成電阻內金屬離 子的移動，將使得晶界(grainboundary)面積因缺少原子而大幅減少，因而應 力大幅增加，導致晶界無法承受應力而破壞使電阻斷路，此一結果可稱的為 電致遷移(electron migration)效應，為造成微型加熱器重複性及可靠性不佳的 重要原因之一。

發明內容
鑑於已知微型加熱器面臨電致遷移效應，導致可靠度下降的問題，本發 明的目的在於提供以超合金微型加熱器，其包含基底、絕緣層、設於該絕緣 層上的包含超合金材料的加熱電阻以及設於該加熱電阻之上的接觸電極，以
期解決已知技術中無法克服的難題。
本發明的另一目的在於提供一種製作超合金微型加熱器的方法。首先提 供基底與超合金濺鍍耙，分別置於濺鍍系統的陽極與陰極，且該基底的背面 與該濺鍍系統的陽極連結，而且該基底的正面設有絕緣層及圖案化光致抗蝕 劑，然後進行濺鍍工藝，在該絕緣層與該圖案化光致抗蝕劑表面形成超合金 薄膜，最後進行剝離工藝(lift-off)，剝除該圖案化光致抗蝕劑並圖案化該超 合金薄膜，以構成加熱電阻。
由於超合金本身具有耐高熱、高硬度、良好高溫機械性質等優點，當利 用於製作微型加熱器時，可有效提升產品的可靠性及重複利用性，為良好的 微型加熱器材料。


圖1至圖6依據本發明的第一優選實施例所繪示的超合金微型加熱器的 製作方法流程示意圖。
圖7至圖9依據本發明的第二優選實施例所繪示的超合金微型加熱器的 製作方法流程示意圖。
附圖標記說明
10基底12超合金賊鍍耙
14絕緣層16濺鍍室
18直流電源供應器20陰極
22陽極24第一開口
26第二開口28超合金薄膜
30圖案化光致抗蝕劑32力口熱電阻
34第二光致抗蝕劑層36接觸電極
40基底42絕緣層
44圖案化光致抗蝕劑46超合金薄膜
48加熱電阻
具體實施例方式
為使更進一步了解本發明，以下列舉出具體實例，並配合圖示、組件符 號等說明，細說明本發明的構成內容及其所達成的功效。
請參考圖1至圖6,圖1至圖6依據本發明的第一優選實施例所繪示的 超合金微型加熱器的製作方法流程示意圖。首先提供基底10以及超合金濺
鍍靶12,且基底10的正面設有絕緣層14。本優選實施例所使用的基底10 為矽基底，但不以此為限，超合金濺鍍靶12可包含鎳基超合金(Inconel)、高 鎳基比超合金(Nimonic)、鎳鈷基超合金(Incoloy)、鐵基超合金(Invar)、鎳鉻 超合金(Illium)或NX-188合金等超合金金屬的燒結體，供後續的工藝使用。 將基底10與超合金濺鍍靶12放置於濺鍍系統中，並準備進行濺鍍工藝。如 圖1所示，其繪示一個典型直流式濺鍍系統的濺鍍室16,濺鍍室16內設有 直流電源供應器18的陰極20和陽極22，其中，超合金濺鍍靶12與濺鍍室 16內的陰極20電連接，基底10則是設於陽極22上。濺鍍室16另設有第一 開口 24與第二開口 26，第一開口 24供濺鍍時所需的等離子體氣體進入，例 如氦氣或氬氣，且第二開口 26連接維持濺鍍室16真空度的機械泵浦。於本 優選實施例中，進行該濺鍍工藝時，先由該機械泵浦將濺鍍室16抽真空， 此時賊鍍室16內的氣體壓力約為10-5-10-6託耳(torr)，較佳的氣體壓力為 10-8-10-9託耳。接著由直流電源供應器18在陰極20與陽極22間施以電壓， 加速帶正電的等離子體氣體離子轟擊連接陰極20的超合金濺鍍靶12表面， 這些等離子體氣體離子在和超合金濺鍍靶12表面的原子交換動量，就會從 超合金濺鍍靶12表面濺出原子，並飛向置於陽極22的基底10並鍍在基底 IO表面，形成超合金薄膜28。
如圖2所示，基底10表面鍍有超合金薄膜28，接著在超合金薄膜28 表面塗布光致抗蝕劑層，並進行黃光工藝(lithography),在該光致抗蝕劑層表 面定義圖案以形成圖案化光致抗蝕劑30。如圖3所示，進行蝕刻工藝，例如 千蝕刻工藝或溼蝕刻工藝，以前一步驟所形成的圖案化光致抗蝕劑為蝕刻掩 模，對超合金薄膜28進行蝕刻，並圖案化超合金薄膜28，定義本發明的超 合金微型加熱器的加熱電阻結構。於是如圖4所示，移除圖案化光致抗蝕劑 層30並暴露已圖案化的超合金薄膜28,此圖案化的超合金薄膜28即為本發 明的加熱電阻32。然後如圖5所示，形成第二光致抗蝕劑層34於加熱電阻 32表面，並利用第二黃光工藝圖案化第二光致抗蝕劑層34定義加熱電阻32 所需的接觸電極的位置及大小，最後如圖6所示，進行沉積工藝，沉積包含金(Au)、鉑(Pt)、 4各(Cr)、鈦(Ti)或前述金屬的組合，形成金屬層以覆蓋第二 光致抗蝕劑層34，再進行剝離工藝，移除第二光致抗蝕劑層34及大部分的 該金屬層，以形成接觸電極36於加熱電阻32之上。接觸電極36不限於前 述先形成與接觸電極36圖案互補的光致抗蝕劑圖案、以及後續利用剝離工 藝移除光致抗蝕劑圖案以完成製作接觸電極36的方式，已知的方法如先 沉積金屬層，再以定義接觸電極位置、大小的圖案化光致抗蝕劑為掩模並進 行蝕刻工藝，最後移除圖案光致抗蝕劑以曝露出製作完成的接觸電極等的一 連串的半導體工藝，亦可以用於本發明以製作接觸電極。
另外，依據本發明的第二優選實施例，其揭露另一超合金微型加熱器的 製作方法，相關的圖示說明請參考圖7至圖9。如圖7所示，提供基底40， 基底40的正面形成有絕緣層42以及圖案化光致抗蝕劑44。絕緣層40通常 是由具有良好熱絕緣效果的氧化矽材料所構成，且圖案化光致抗蝕劑44歷 經光致抗蝕劑塗布工藝與黃光工藝形成圖案化光致抗蝕劑以反向定義本發 明的加熱電阻的位置和圖案。接著如圖8所示，進行濺鍍工藝，形成超合金 薄膜46以覆蓋圖案化光致抗蝕劑44。該濺鍍工藝利用如圖1所繪示的濺鍍 系統，以適合的工藝條件運作之，詳細工藝內容已於前述的第一優選實施例 中敘述，在此便不多做說明。然後如圖9所示，進行剝離工藝，移除圖案化 光致抗蝕劑44及位於圖案化光致抗蝕劑表面的超合金薄膜46,以圖案化該 超合金薄膜46,形成由超合金材料所構成的加熱電阻48。最後，利用如圖5 及圖6的接觸電極的製作流程，形成接觸電極50於加熱電阻48之上，相關 的說明請參考圖5及圖6，在此不再重複敘述。
當本發明的超合金微加熱器完成後，可另與其它腔體如印表機噴嘴的墨 水腔或生物晶片的反應槽結合，由於接觸電極的電阻遠小於加熱電阻的電 阻，使得電能主要由加熱電阻轉換成熱能，來為該腔體內的流體進行加熱。 上述圖示中所繪示的加熱電阻或接觸電極的外型、相對位置或大小為一簡單 圖示，其變化型可依實際工藝更動，並不局限於本發明所揭露的樣式。此外， 本發明所述的濺鍍工藝以簡易的直流式濺鍍系統為例，亦可配合其它設備， 如在賊鍍室內增加準直管(collimator)、或是在賊鍍室周圍加裝經射頻(RF)電 壓加壓的RF線圏(coils),提升沉積超合金薄膜的覆蓋能力，然而，形成本發 明的超合金薄膜的方法並不限於第一、第二優選實施例所述的濺鍍工藝，其 它已知可用於沉積金屬薄膜的工藝，如蒸鍍、化學氣相沉積、或物理氣相沉積等方法，亦適用於本發明。
由於超合金材料本身具有耐高溫、高硬度、耐腐蝕、電阻大、升溫快等 良好高溫機械性質，因此適合再行加工形成濺鍍靶材，透過賊鍍等半導體相 關技術形成超合金的加熱電阻，大幅提升產品的可靠性及重複性。
以上所述僅為本發明的優選實施例，凡依本發明權利要求所做的等同變 化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
權利要求
1、一種超合金微型加熱器，其包含基底；設於該基底的正面的絕緣層；設於該絕緣層之上的包含超合金)材料的加熱電阻；以及設於該加熱電阻之上的接觸電極。
2、 如權利要求1所述的超合金微型加熱器，其中該加熱電阻包含圖案。
3、 如權利要求1所述的超合金微型加熱器，其中該接觸電極與外部電 源連接，提供電流並由該加熱電阻將電能轉換為熱能。
4、 如權利要求1所述的超合金微型加熱器，其中該超合金材料包含鎳 基超合金、高鎳基比超合金、鎳鈷基超合金、鐵基超合金、鎳鉻超合金、NX-188 合金或其混合物。
5、 一種超合金微型加熱器的製作方法，其包含提供基底與超合金賊鍍靶，該超合金賊鍍靶與賊鍍系統的陰極電連接， 且該基底的正面設有絕緣層及圖案化光致抗蝕劑；進行賊鍍工藝，在該絕緣層與該圖案化光致抗蝕劑表面上形成超合金薄 膜；以及進行剝離工藝，剝除該圖案化光致抗蝕劑並移除位於該圖案化光致抗蝕 劑表面的該超合金薄膜以圖案化該超合金薄膜，以構成加熱電阻。
6、 如權利要求5所述的製作方法，其中進行濺鍍工藝時，利用含氦或 氬的等離子體氣體，將超合金濺鍍至該絕緣層與該圖案化光致抗蝕劑表面， 形成該超合金薄膜。
7、 如權利要求5的製作方法，其中在該加熱電阻形成後，另包含接觸 電極的製作工藝，其步驟如下在該加熱電極表面形成第二光致抗蝕劑層；進行黃光工藝，圖案化該第二光致抗蝕劑，以定義接觸電極的位置及圖案；進行沉積工藝，形成金屬層以覆蓋該第二光致抗蝕劑及部分的加熱電極 表面；以及進行剝離工藝，移除該第二光致抗蝕劑及該金屬層，以形成該接觸電極。
8、 如權利要求5所述的製作方法，其中該超合金濺鍍靶包舍鎳基超合 金、高鎳基比超合金、鎳鈷基超合金、鐵基超合金、鎳鉻超合金、NX-188 合金或其混合物。
9、 一種超合全微型加熱器的製作方法，其包含提供基底與超合金濺鍍靶，該超合金賊鍍靶與賊鍍系統的陰極電連接， 且該基底的正面設有絕緣層；進行濺鍍工藝，在該絕緣層與該圖案化光致抗蝕劑表面形成超合金薄 膜；以及形成圖案化光致抗蝕劑以覆蓋該超合金薄膜；進行蝕刻工藝，以該圖案化光致抗蝕劑為屏蔽，圖案化該超合金薄膜；以及移除該圖案化光致抗蝕劑並暴露該圖案化的超合金薄膜，以形成加熱電阻。
10、 如權利要求9的製作方法，其中在該加熱電阻形成後，另包含接觸 電極的製作工藝，其步驟如下在該加熱電極表面形成第二光致抗蝕劑層；進行黃光工藝，圖案化該第二光致抗蝕劑，以定義接觸電極的位置及圖案；進行沉積工藝，形成金屬層以覆蓋該第二光致抗蝕劑及部分的加熱電極 表面；以及進行剝離工藝，移除該第二光致抗蝕劑及該金屬層，以形成接觸電極。
11、 如權利要求9所述的製作方法，其中該超合金濺鍍靶包含鎳基超合 金、高鎳基比超合金、鎳鈷基超合金、鐵基超合金、鎳鉻超合金、NX-188 合金或其混合物。
全文摘要
本發明包括一種超合金微型加熱器，其包含基底、設於該基底的正面的絕緣層、設於該絕緣層之上的圖案化的加熱電阻以及設於該加熱電阻之上的接觸電極，其中該加熱電阻由超合金材料構成，具有耐腐蝕、高電阻、升溫快以及耐高溫等優點，可大幅提升該超合金微型加熱器的可靠性及重複性。
文檔編號H05B3/12GK101203074SQ200610166760
公開日2008年6月18日 申請日期2006年12月14日 優先權日2006年12月14日
發明者康育輔 申請人:探微科技股份有限公司