專利名稱：獨石流體噴射裝置及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種獨石(monolithic)流體噴射裝置及其制造方法，特別地，涉及一種改善工藝良率及穩(wěn)定性并簡化工藝的流體噴射裝置及其制造方法。
背景技術：
公知的流體噴射裝置可分為噴孔片貼合及獨石工藝兩種，其中噴孔片貼合的方式是利用半導體工藝形成加熱元件及鈍化保護層后，再利用感光性厚膜光致抗蝕劑在加熱元件上進行流體腔及流體通道的制作，之后再以接合劑將金屬噴孔片對位貼合于厚膜光致抗蝕劑上，而完成噴射晶片的結構制作；對于獨石流體噴射裝置，其流體腔主要由基材與結構層組成，而結構層又由多層不同時間點所形成的薄膜所組成。目前流體噴射裝置大多應用于噴墨頭、燃料噴射器、生物科技的藥劑注射、微全分析是統(tǒng)(μ-TAS)與無光罩線路系統(tǒng)等范圍，其中噴墨頭更是大量地使用熱趨氣泡式設計。
圖1顯示一種公知的美國專利No.6102530的獨石流體噴射裝置1，始于硅襯底10，且在硅襯底10上形成結構層12，在硅襯底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上設有第一加熱器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。
公知的獨石流體噴射裝置的結構層為金屬層，其材料可為金、鉑、鎳或鎳合金；流體通道的制作方式是使用公知的各向異性蝕刻方式，蝕刻晶片以形成流體通道；而流體腔的制作方式是利用犧牲層蝕刻的技術，其為利用半導體工藝在芯片上沉積氧化硅薄膜作為犧牲層，再利用氮化硅及氧化硅薄膜對蝕刻液選擇比不同的特性，在經過犧牲層移除后，以各向異性蝕刻在芯片上形成。
然而，由于一般的氧化硅薄膜的沉積需要相當的高溫，且需要利用氫氟酸進行薄膜的蝕刻及去除，這樣的工藝在穩(wěn)定性上有其一定的限制而無法達到理想的最佳參數，基于工藝穩(wěn)定性及操作困難度而言，高分子材料大都可用常見的一些有機溶劑即可移除，因此利用高分子材料做為犧牲層的工藝便成為另一種成本低、工藝穩(wěn)定的選擇。
獨石流體噴射裝置的結構層為金屬層，常用微電鑄或電鍍工藝來制作，在電鍍工藝之前必須先在犧牲層上制作出電鑄起始導電層，傳統(tǒng)上主要的方法是利用濺鍍或電子束蒸鍍技術的方式沉積一層厚度較薄的金屬薄膜以作為電鍍起始層(under bump metallurgy，UBM)。在結構層完成后，必須把犧牲層及流體腔內的電鍍起始層完全移除，才可以避免犧牲層及電鍍起始層的殘留，而造成電鍍起始層與填裝的流體產生化學反應。而在制作電鍍起始層以及移除犧牲層和電鍍起始層時常會發(fā)生許多的問題。例如制作電鍍起始層時，因濺鍍或蒸鍍的高溫工藝而導致犧牲層材料變質而無法完全移除；移除犧牲層和電鍍起始層時，嚴重的電鍍起始層底切，將造成金屬結構層剝落及電鍍起始層移除不完全等。
基于上述缺點，因此需要一種獨石流體噴射裝置及其制造方法。

發(fā)明內容
鑒于此，本發(fā)明的主要目的是提供一種獨石流體噴射裝置及制造方法，在電鍍起始層下方設置保護層，在形成電鍍起始層的高溫工藝時，可保護犧牲層不會產生變質，且可改善移除犧牲層及電鍍起始層時的工藝穩(wěn)定度。借助于在犧牲層結構上形成保護層，可改善移除電鍍起始層及犧牲層時的底切及移除不完全的現象，由此提升工藝良率。
為實現本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提供一種獨石流體噴射裝置的制造方法，包括提供襯底，且上述襯底具有第一表面和第二表面；在上述襯底的上述第一表面上形成圖案化犧牲層；在上述圖案化犧牲層上形成圖案化保護層；在上述襯底的上述第一表面上形成電鍍起始層，且覆蓋該圖案化保護層；在上述電鍍起始層上形成圖案化光致抗蝕劑層；在暴露的上述電鍍起始層上形成金屬結構層，且上述金屬結構層與上述圖案化光致抗蝕劑層相鄰；移除上述圖案化光致抗蝕劑層與上述圖案化光致抗蝕劑層下方的上述電鍍起始層及上述圖案化保護層，以形成一噴孔。上述獨石流體噴射裝置的制造方法，還包括由蝕刻上述襯底的上述第二表面，在上述襯底中形成流體通道，以露出上述圖案化犧牲層；接著，進一步包括移除上述圖案化犧牲層，以形成流體腔，且此流體腔與上述噴孔及上述流體通道連通；在上述金屬結構層上形成化學穩(wěn)定的金屬薄膜。其中上述獨石流體噴射裝置的制造方法中的保護層具有化學穩(wěn)定性及隔絕熱的能力，此保護層可隔離電鍍起始層與噴液間的接觸，所以本發(fā)明可不需移除電鍍起始層，因此，可避免移除電鍍起始層造成底切效應而導致金屬結構層剝落，且此保護層還可吸收或阻絕在濺鍍或蒸鍍時的高溫工藝所產生的熱，以保護犧牲層不會因高溫而變質，從而利于后續(xù)移除犧牲層步驟時，此犧牲層不會因變質而造成殘留。
本發(fā)明還提供一種獨石流體噴射裝置，包括襯底，具有第一表面，且上述襯底中具有流體通道；保護層，形成在上述襯底的上述第一表面上；電鍍起始層，形成于上述保護層上方；金屬結構層，形成于上述電鍍起始層上，此金屬結構層與上述襯底的上述第一表面間形成流體腔，且上述保護層與上述金屬結構層中具有噴孔，與上述流體腔連通。上述獨石流體噴射裝置還包括化學穩(wěn)定的金屬薄膜，其形成在該金屬結構層上，且該化學穩(wěn)定的金屬薄膜從該金屬結構層上表面延伸至該噴孔內。其中上述獨石流體噴射裝置中的保護層具有化學穩(wěn)定性及隔絕熱的能力，此保護層可隔離電鍍起始層與噴液間的接觸，所以本發(fā)明可不需移除電鍍起始層，因此，可避免移除電鍍起始層所造成的底切效應，而導致金屬結構層剝落，且此保護層還可吸收或阻絕在濺鍍或蒸鍍時的高溫工藝所產生的熱，從而保護犧牲層不會因高溫而變質，以利于后續(xù)移除犧牲層步驟時，此犧牲層不會因變質而造成殘留。


圖1是一種公知的獨石流體噴射裝置的剖視圖；圖2a-2n是本發(fā)明的獨石流體噴射裝置第一實施例的一系列工藝剖視圖；圖3是本發(fā)明的獨石流體噴射裝置第二實施例的剖視圖。
主要元件符號說明1～獨石流體噴射裝置；10～硅襯底；12～結構層；14～流體腔；
20～第一加熱器；22～第二加熱器；26～流體通道；30～第一氣泡；32～第二氣泡；100a～獨石流體噴射裝置；100b～獨石流體噴射裝置；200～襯底；201～驅動電路；202～加熱器；204～犧牲層；204a～圖案化犧牲層；205～圖案化光致抗蝕劑層；206～保護層；206a～圖案化保護層；207～圖案化光致抗蝕劑層；208～電鍍起始層；209～圖案化光致抗蝕劑層；210～金屬結構層；211～噴孔；212～流體通道；216～流體腔；214～化學穩(wěn)定的金屬薄膜；301～第一表面；302～第二表面。
具體實施例方式
以下利用工藝剖視圖更詳細地說明本發(fā)明優(yōu)選實施例的流體噴射裝置及其制造方法。圖2a至2n及圖3顯示優(yōu)選實施例的工藝中間階段剖視圖，在本發(fā)明各實施例中，相同的符號表示相同的元件。
請參照圖2a，其顯示第一實施例中，形成流體噴射裝置100a的起始步驟。首先，提供例如硅的襯底200，其具有第一表面301與第二表面302。在襯底200的第一表面301上設置驅動電路201以及加熱元件202。加熱元件202優(yōu)選為由電阻層構成的氣泡產生器，其中驅動電路201以及加熱元件202是由半導體工藝形成。
請參照圖2b及2c，其顯示在襯底200的第一表面301上形成厚度為10～40μm的犧牲層204，且犧牲層204覆蓋驅動電路201以及加熱元件202。犧牲層204是由化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition，CVD)形成的多晶硅(Poly-Si)或磷硅玻璃，或者以旋轉涂布法形成的高分子聚合物等。接著，利用微影工藝在犧牲層204上形成圖案化光致抗蝕劑層205，定義出流體噴射裝置的大小及形狀。利用上述圖案化光致抗蝕劑層205作為蝕刻掩模，同時以包含有機溶劑的蝕刻方式將部份犧牲層204濕蝕刻移除，從而在襯底200的第一表面301上留下圖案化犧牲層204a。還可利用干蝕刻方式取代上述濕蝕刻。然后，施以氧等離子體或光致抗蝕劑剝除液剝除圖案化光致抗蝕劑層205。從而在襯底200的第一表面301上留下圖案化的犧牲層204a。圖案化的犧牲層204a決定了流體腔的位置及大小形狀，且圖案化的犧牲層204a覆蓋在加熱元件202之上。
請參照圖2d，其顯示在襯底200的第一表面301上形成保護層206，且覆蓋驅動電路201以及圖案化犧牲層204a。保護層206是由化學氣相沉積法(CVD)形成或者以旋轉涂布法形成的高分子聚合物。上述保護層206的材質可包括氮化硅、氧化硅、多晶硅或高分子聚合物，其中高分子聚合物可以是光致抗蝕劑，在接下來的蒸鍍及濺鍍工藝中，可吸收那些工藝時的高溫，使得光致抗蝕劑本身固化，以具有良好的化學穩(wěn)定性，上述光致抗蝕劑例如是廠商BREWER SCIENCE INC.制作的PSKTM2000光致抗蝕劑。保護層206的厚度范圍優(yōu)選為3000～4000，其中此保護層206優(yōu)選厚度約為3500。
請參照圖2e，其顯示利用微影工藝在保護層206上形成圖案化光致抗蝕劑207，利用此圖案化光致抗蝕劑207作為蝕刻掩模，同時以包含有機溶劑的蝕刻方式將部分保護層206濕蝕刻移除，從而在上述圖案化犧牲層204a上留下圖案化保護層206a，如圖2f所示。還可利用干蝕刻方式取代上述濕蝕刻。然后，施以氧等離子體或光致抗蝕劑剝除液剝除圖案化光致抗蝕劑層207。從而在上述圖案化犧牲層204a上留下圖案化的保護層206a。上述圖案化保護層206a具有良好的化學穩(wěn)定性及隔絕熱的能力。
接著，請參照圖2g，其顯示在襯底200的第一表面301上形成電鍍起始層208，且覆蓋驅動電路201及圖案化保護層206a。此電鍍起始層208可利用蒸鍍或濺鍍的方式形成。電鍍起始層208材質可以是鈦或金。此電鍍起始層208的優(yōu)選厚度范圍介于500～1000。
請參照圖2h，其顯示利用微影工藝在電鍍起始層208上形成圖案化光致抗蝕劑209。接下來，請參照圖2i，其顯示在暴露的此電鍍起始層208上形成金屬結構層210。金屬結構層208可利用電鍍或無電鍍法形成，其材質可包括鎳、金、銅、銀、鉻、鎳合金、錫鉛合金、鋅合金或鋁合金等金屬，且金屬結構層210與圖案化光致抗蝕劑層209相鄰，其厚度與圖案化光致抗蝕劑層的厚度相近，優(yōu)選實施例中，金屬結構層210的優(yōu)選厚度為10～40μm。
請參照圖2j，其顯示在金屬結構層210中形成噴孔211，可使用例如干式或濕式蝕刻法蝕刻圖案化光致抗蝕劑209與該圖案化光致抗蝕劑層209下方的電鍍起始層208，如圖2k所示。接著再移除部分圖案化保護層206a，直到露出圖案化犧牲層204a為止，從而形成噴孔211，如圖21所示。圖案化光致抗蝕劑209為形成金屬結構層210的母模，其位置及大小形狀決定了金屬結構層210以及噴孔211的位置及大小形狀。
請參照圖2m，其顯示在襯底200中形成流體通道212。其方法可為公知的微影工藝/各向異性蝕刻方式例如干式蝕刻法或濕式蝕刻法，從襯底200的第二表面302選擇性地蝕刻襯底200，從而在襯底200中形成流體通道212，直到露出圖案化犧牲層204a為止。
請參照圖2n，其顯示利用各向異性蝕刻法例如濕式蝕刻法，移除圖案化犧牲層204a，從而形成流體腔214，且流體腔214與噴孔211及流體通道212連通。以形成本發(fā)明第一實施例的流體噴射裝置100a。其中上述圖案化保護層206a可隔離上述電鍍起始層208與噴液間的接觸，以避免此電鍍起始層208與噴液產生化學變化。因此，在移除上述犧牲層204a后，不需移除此電鍍起始層208，所以可避免移除電鍍起始層208時，在電鍍起始層208與上述襯底200的第一表面301接觸部位產生底切的現象。進而，增強金屬結構層210的結構完整性。而且，上述圖案化保護層206a可吸收上述形成電鍍起始層208的高溫工藝所產生的熱，以避免上述圖案化犧牲層204a產生變質(例如交聯(cross-link)等)，因此，可改善移除此圖案化犧牲層204a時，所造成圖案化犧牲層204a殘留的問題。
如上所述的流體噴射裝置100a，包括襯底200，具有第一表面301，且襯底200中具有流體通道212；保護層206a，形成于襯底200的第一表面301上；電鍍起始層208，形成于上述保護層206a上；金屬結構層210，形成于電鍍起始層208及保護層206a上，金屬結構層210與襯底200的第一表面301間形成流體腔214，且電鍍起始層208及保護層206a與金屬結構層210中具有噴孔211，與流體腔214連通。
圖3是本發(fā)明第二實施例的流體噴射裝置100b的剖視圖，其顯示在該金屬結構層210上形成化學穩(wěn)定的金屬薄膜216，且此化學穩(wěn)定的金屬薄膜216從金屬結構層210上表面延伸至噴孔211內?；瘜W穩(wěn)定的金屬薄膜216的優(yōu)選厚度為1μm，其材質可包含金或其合金。優(yōu)選實施例中，化學穩(wěn)定的金屬薄膜216可利用無電鍍法形成，其厚度優(yōu)選為1μm。其中元件與圖2a至2n所示相同的部分，則可參考前面的相關敘述，在此不作重復敘述。
在本發(fā)明第一及第二實施例的獨石流體噴射裝置100a與100b中，主要差異在于獨石流體噴射裝置100b將化學穩(wěn)定的金屬薄膜216形成在金屬結構層210上，且化學穩(wěn)定的金屬薄膜216從金屬結構層210上表面延伸至噴孔211內。此化學穩(wěn)定的金屬薄膜216具有可防止金屬結構層210表面氧化的功能。
雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實施例揭露如上，但是其并非用來限定本發(fā)明，任何本領域技術人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可進行改動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍應當以所附權利要求的定義為準。
權利要求
1.一種獨石流體噴射裝置的制造方法，包括提供襯底，且該襯底具有第一表面及第二表面；在該襯底的所述第一表面上形成圖案化犧牲層；在該圖案化犧牲層上形成圖案化保護層；在該襯底的所述第一表面上形成電鍍起始層，且覆蓋該圖案化保護層；在該電鍍起始層上形成圖案化光致抗蝕劑層；在暴露的該電鍍起始層上形成金屬結構層，且該金屬結構層與該圖案化光致抗蝕劑層相鄰；移除該圖案化光致抗蝕劑層與該圖案化光致抗蝕劑層下方的該電鍍起始層及該圖案化保護層，從而形成噴孔。
2.如權利要求1所述的獨石流體噴射裝置的制造方法，其中還包括在該襯底的所述第一表面上形成加熱元件及驅動電路。
3.如權利要求2所述的獨石流體噴射裝置的制造方法，其中該圖案化犧牲層覆蓋該加熱元件。
4.如權利要求1所述的獨石流體噴射裝置的制造方法，其中該圖案化犧牲層包括多晶硅、磷硅玻璃或高分子聚合物。
5.如權利要求4所述的獨石流體噴射裝置的制造方法，其中該高分子聚合物為光致抗蝕劑。
6.如權利要求1所述的獨石流體噴射裝置的制造方法，其中該圖案化保護層包括氮化硅、氧化硅、多晶硅或高分子聚合物。
7.如權利要求6所述的獨石流體噴射裝置的制造方法，其中該高分子聚合物為光致抗蝕劑。
8.如權利要求7所述的獨石流體噴射裝置的制造方法，其中該光致抗蝕劑為BREWER SCIENCE INC.制作的PSKTM2000光致抗蝕劑。
9.如權利要求1所述的獨石流體噴射裝置的制造方法，其中該金屬結構層包括鎳、金、銅、銀、鉻或其合金。
10.如權利要求1所述的獨石流體噴射裝置的制造方法，其中該金屬結構的厚度與該圖案化光致抗蝕劑層的厚度相近。
11.如權利要求1所述的獨石流體噴射裝置的制造方法，其中在形成該噴口后，還包括在該金屬結構層上形成化學穩(wěn)定的金屬薄膜。
12.如權利要求11所述的獨石流體噴射裝置的制造方法，其中該化學穩(wěn)定的金屬薄膜為金或其合金。
13.如權利要求12所述的獨石流體噴射裝置的制造方法，其中形成該化學穩(wěn)定的金屬薄膜的方式包括電鍍或無電鍍法。
14.如權利要求2所述的獨石流體噴射裝置的制造方法，其中該加熱元件為金屬。
15.如權利要求2所述的獨石流體噴射裝置的制造方法，其中該驅動電路為金屬氧化物半導體。
16.如權利要求1所述的獨石流體噴射裝置的制造方法，還包括通過蝕刻該襯底的所述第二表面，在該襯底中形成流體通道，從而露出該圖案化犧牲層。
17.如權利要求16所述的獨石流體噴射裝置的制造方法，還包括移除該圖案化犧牲層，從而形成流體腔，且該流體腔與該噴孔及該流體通道連通。
18.一種獨石流體噴射裝置，包括襯底，具有第一表面，且該襯底中具有流體通道；保護層，形成于該襯底的該第一表面上；電鍍起始層，形成于該保護層上方；金屬結構層，形成于該電鍍起始層上，該金屬結構層與該襯底的該第一表面間形成流體腔，且該保護層與該金屬結構層中具有噴孔，與該流體腔連通。
19.如權利要求18所述的獨石流體噴射裝置，其中還包括在該襯底的該第一表面上形成加熱元件及驅動電路。
20.如權利要求19所述的獨石流體噴射裝置，其中該加熱元件位于流體腔中。
21.如權利要求18所述的獨石流體噴射裝置，其中該保護層包括氮化硅、氧化硅、多晶硅或高分子聚合物。
22.如權利要求21所述的獨石流體噴射裝置，其中該高分子聚合物為光致抗蝕劑。
23.如權利要求18所述的獨石流體噴射裝置，其中該保護層的厚度范圍介于3000～4000。
24.如權利要求18所述的獨石流體噴射裝置，其中該電鍍起始層的厚度范圍介于900～1100。
25.如權利要求18所述的獨石流體噴射裝置，其中該金屬結構層包括鎳、金、銅、銀、鉻或其合金。
26.如權利要求18所述的獨石流體噴射裝置，其中該流體腔與該噴孔及該流體通道連通。
27.如權利要求18所述的獨石流體噴射裝置，還包括化學穩(wěn)定的金屬薄膜，形成在該金屬結構層上，且該化學穩(wěn)定的金屬薄膜從該金屬結構層上表面延伸至該噴孔內。
28.如權利要求27所述的獨石流體噴射裝置，其中該化學穩(wěn)定的金屬薄膜為金或其合金。
29.如權利要求27所述的獨石流體噴射裝置，其中形成該化學穩(wěn)定的金屬薄膜的方式包括電鍍或無電鍍法。
30.如權利要求19所述的獨石流體噴射裝置，其中該加熱元件為金屬。
31.如權利要求19所述的獨石流體噴射裝置，其中該驅動電路為金屬氧化物半導體。
全文摘要
本發(fā)明提供一種獨石流體噴射裝置及其制造方法，該獨石流體噴射裝置包括襯底，具有第一表面，且上述襯底中具有流體通道；保護層，形成于上述襯底的上述第一表面上；電鍍起始層，形成于上述保護層上方；金屬結構層，形成于上述電鍍起始層上，此金屬結構層與上述襯底的上述第一表面間形成流體腔，且上述保護層與上述金屬結構層中具有噴孔，與上述流體腔連通。上述獨石流體噴射裝置還可包括化學穩(wěn)定的金屬薄膜，形成于上述金屬結構層上，且上述化學穩(wěn)定的金屬薄膜從此金屬結構層上表面延伸至上述噴孔內。
文檔編號B41J2/16GK101062498SQ20061008010
公開日2007年10月31日 申請日期2006年4月28日 優(yōu)先權日2006年4月28日
發(fā)明者沈光仁, 陳葦霖, 洪益智 申請人:明基電通股份有限公司