CN100484763C - 单石化流体喷射装置及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单石化流体喷射装置的制作方法，包括：提供一基底，该基底具有第一表面及第二表面。形成信号传送线及加热单元于第一表面。形成保护层覆盖信号传送线及加热单元。形成电镀起始层覆盖第一表面。形成图案化的第一光致抗蚀剂层于电镀起始层上，以定义出牺牲层预定区。形成牺牲层于牺牲层预定区内，移除第一光致抗蚀剂层。形成图案化的第二光致抗蚀剂层于牺牲层及电镀起始层上，以定义出结构层预定区。形成结构层于结构层预定区内。移除第二光致抗蚀剂层，以同时形成喷孔贯穿该结构层。由第二表面侧形成一流体通道以贯穿该基底，并露出牺牲层，以及移除牺牲层以形成与喷孔相连的流体腔。

Description

单石化流体喷射装置及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种单石化流体喷射装置的制作方法，特别是涉及一种单石化流体喷射装置的制作过程改善。

背景技术

目前，流体喷射技术已广泛应用于各种科技领域之中，例如打印机喷墨头、燃油喷射装置或是生物医学系统如药剂注射机制等的科技产品。

现有流体喷射装置可分为喷孔片贴合及单石化工艺两种，其中喷孔片贴合利用半导体工艺形成加热元件及钝化保护层后，再利用感旋光性厚膜光致抗蚀剂在加热元件上进行流体腔及流道的制作，之后再以喷孔片对位贴合于厚膜光致抗蚀剂上，完成喷射芯片的结构制作，但对位贴合的方法，易导致喷孔错位(misalignment)。

美国专利第6,102,530号揭示有一种单石化流体喷射装置，请参照图1，其以一硅基底10作为本体，且在硅基底10上形成一结构层12，而在硅基底10和结构层12之间形成一流体腔14，用以容纳流体26；而在结构层12上设有一第一加热单元20、以及一第二加热单元22，第一加热单元20用以在流体腔14内产生一第一气泡30，第二加热单元22用以在流体腔14内产生一第二气泡32，以将流体腔14内的流体26射出。由于单石化的流体喷射装置1具有虚拟气阀(virtual valve)的设计，并拥有高排列密度、低交互干扰、低热量损失的特性，且无须另外利用组装方式接合喷孔片，因此可以降低生产成本。

上述单石化流体喷射装置，使用各向异性蚀刻以在芯片内形成供墨道，而流体腔的制作方式利用牺牲层蚀刻的技术，包括利用半导体工艺沉积氧化硅薄膜于芯片上作为牺牲层，再利用不同膜层对蚀刻液选择比不同的特性，以湿蚀刻移除牺牲层，最后再各向异性蚀刻该芯片。然而，由于一般的氧化硅薄膜的沉积需要相当的高温，且需要利用氢氟酸进行氧化硅层的蚀刻及移除，增加工艺的困难度。此外，由于在现有的单石化的流体喷射装置1中，结构层主要由氮化硅所组成，而该牺牲层由氧化硅所组成，两层的材料性质相近(同为介电材料)，因此，往往在移除该牺牲层时亦无法避免同时除此掉部份的结构层，而该单石化流体喷射装置的耐久度与该氮化硅结构层的强度相关，较薄的结构层将导致该流体喷射装置的使用寿命较短。

综合上述，发展出具有较稳定工艺及结构性较强的单石化流体喷射装置，确实是目前喷射装置器技术亟需研究的重点。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述问题，本发明的主要目的为提供一种单石化流体喷射装置的制造方法，通过更改牺牲层材料及整合工艺以达到降低成本及增加工艺稳定度的效果，并进一步增加单石化流体喷射装置的使用寿命。

为达成上述目的，该单石化流体喷射装置的制造方法包括以下步骤。首先，提供一基底，该基底具有一第一表面及一第二表面位于该第一表面的相反侧。形成一加热单元及一信号传送线于该基底的第一表面。形成一保护层覆盖该信号传送线及该加热单元。形成一电镀起始层覆盖该基底的第一表面。形成一图案化的第一光致抗蚀剂层于该电镀起始层上，以定义出一牺牲层预定区。接着，形成一牺牲层于该牺牲层预定区内，之后，移除该第一光致抗蚀剂层。形成一图案化的第二光致抗蚀剂层于该牺牲层及该电镀起始层上，以定义出一结构层预定区。形成一结构层于该结构层预定区内。移除该第二光致抗蚀剂层，以同时形成一喷孔贯穿该结构层。由该基底的第二表面侧形成一流体通道以贯穿该基底，并露出该牺牲层，以及移除该牺牲层以形成一与该喷孔相连的流体腔。

根据本发明的另一优选实施例，该单石化流体喷射装置的制造方法包括以下步骤。提供一基底，该基底具有一第一表面及一第二表面位于该第一表面的相反侧。形成一加热单元及一信号传送线于该基底的第一表面。形成一保护层覆盖该信号传送线及该加热单元。形成一电镀起始层覆盖该基底的第一表面。形成一图案化的光致抗蚀剂层于该电镀起始层上，以定义出一牺牲层预定区。形成一牺牲层于该牺牲层预定区内。接着，移除该光致抗蚀剂层，并形成一高分子结构层以覆盖该基底的第一表面。图形化该高分子结构层以形成一喷孔贯穿该高分子结构层。由该基底的第二表面侧形成一流体通道以贯穿该基底，并露出该牺牲层。最后，移除该牺牲层以形成一与该喷孔相连的流体腔。

根据本发明的一优选实施例，本发明所述的单石化流体喷射装置，包括一基底，该基底具有一流体通道贯穿该基底；一加热单元形成于该基底之上；一信号传送线形成于该加热单元之上；一保护层覆盖该加热单元及该信号传送线；一电镀起始层覆盖该保护层，以及一具有一喷孔及一流体腔的结构层形成于该电镀起始层上，其中该喷孔通过该流体腔与该流体通道连通，且该结构层由高分子或是金属所构成。

为使本发明的目的、特征能更明显易懂，以下配合附图以及优选实施例，以更详细地说明本发明。

附图说明

图1为显示一现有单石化流体喷射装置的剖面图。

图2A～2J为显示本发明第一实施例所述的单石化流体喷射装置的制造流程剖面图。

图3A～3I为显示本发明第一实施例所述的单石化流体喷射装置的制造流程剖面图。

简单符号说明

现有部分(图1)

1～单石化的流体喷射装置；10～硅基底；12～结构层；14～流体腔；20～第一加热单元；22～第二加热单元；26～流体通道；30～第一气泡；32～第二气泡。

本发明部分(图2A～3I)

100、300～流体喷射装置；110、310～基底；111、311～第一表面；112、312～第二表面；120、320～加热单元；130、330～信号传送线；140、340～保护层；142、342～开口；150、350～电镀起始层；160、360～第一光致抗蚀剂层；161、361～牺牲层预定区；170、370～牺牲层；180～第二光致抗蚀剂层；181～结构层预定区；182～喷孔预定区；190～结构层；192、382～喷孔；200、400～流体通道；210、410～流体腔；380～高分子结构层。

具体实施方式

实施例一

图2A～2I为显示本发明实施例一所述的单石化流体喷射装置100的工艺剖面图。

首先，请参见图2A，连续沉积电阻层与导电层(未图示)于基底110的第一表面111。使用光刻蚀刻工艺同时对电阻层与导电层进行图案化，再利用一次光刻蚀刻工艺对导电层进行图案化，使部分电阻层裸露，藉以形成加热单元120及信号传送线130。本发明对于加热单元120及信号传送线130的材料没有特别的限制，可为任何适用的材料。在本发明一优选实施例中，该电阻层可例如为HfB2、TaAl、或TaN，而该导电层可例如为Al、Cu、或AlCu。

接着，请参照图2B，坦覆性形成一保护层140于该第一表面111，以覆盖该加热单元120及该信号传送线130。接着，对该保护层140进行一光刻蚀刻工艺，以形成开口142贯穿该保护层140，露出该信号传送线130。其中，该保护层140可例如为氧化硅、氮化硅、碳化硅或上述膜层经复合堆栈而成。

接着，请参照图2C，坦覆性形成一电镀起始层150于该保护层140层上，该电镀起始层150并通过该开口142以与该信号传送线130电连接。其中，该电镀起始层150的材料可例如为TiW、Au、Ta、TaN或上述材料的任意结合。

接着，请参照图2D，形成一图案化的第一光致抗蚀剂层160于部份的该电镀起始层150上，而未被该第一光致抗蚀剂层160覆盖的电镀起始层150表面，则被定义为牺牲层预定区161。

接着，请参照图2E，利用电镀的方式，形成一牺牲层170于该牺牲层161预定区内。其中，该牺牲层170为一导电的金属层，可例如为Cu、Ni、Al或上述材料的任意结合。

接着，请参照图2F，在完全移除该第一光致抗蚀剂层160后，形成一图案化的第二光致抗蚀剂层180于该牺牲层170及该电镀起始层150上，以定义出一结构层预定区181。值得注意的是，该牺牲层170的表面具有一喷孔预定区182，而该图案化的第二光致抗蚀剂层180形成于该牺牲层170上的该喷孔预定区182内。

接着，请参照图2G，形成一结构层190于该结构层预定区181内。在此步骤中，值得注意的是，由于喷孔预定区182上方已经被第二光致抗蚀剂层覆盖，因此结构层190并不会在喷孔预定区上，进而形成一喷孔。其中，该结构层190的形成方法可例如为电镀，其材料为金属，可例如为Au、Ni、Co、Pd、Pt或上述材料的任意结合。值得注意的是，该牺牲层180与结构层190的材料必需不同，即当该牺牲层180为Ni时，该结构层190必定不为Ni。

接着，请参照图2H，完全移除该第二光致抗蚀剂层180，以同时形成喷孔192贯穿该结构层190，露出该牺牲层170。接着，请参照图2I，经由该基底110第二表面侧112，蚀刻该基底110、保护层140及该电镀起始层150，以形成一流体通道200贯穿该基底110，露出该牺牲层170下表面。该第二表面112位于该第一表面111的相反侧。形成该流体通道200的方法可例如为激光钻孔工艺、干蚀刻、或湿蚀刻，若为干蚀刻、或湿蚀刻，则可进一步搭配一掩模层以进行该蚀刻工艺。

最后，请参照图2J，移除该牺牲层170，以形成一与该喷孔192及该流体通道200相连的流体腔210。移除该牺牲层170的方法可例如为一湿蚀刻工艺。至此，完成本发明实施例一所述的单石化流体喷射装置100。

实施例二

图3A～3I为显示本发明实施例二所述的单石化流体喷射装置300的工艺剖面图。

首先，请参见图3A，连续沉积电阻层与导电层(未图示)于基底310的第一表面311。使用光刻蚀刻工艺同时对电阻层与导电层进行图案化，再利用一次光刻蚀刻工艺对导电层进行图案化，使部分电阻层裸露，藉以形成加热单元320及信号传送线330。本发明对于加热单元320及信号传送线330的材料没有特别的限制，可为任何适用的材料。在本发明一优选实施例中，该电阻层可例如为HfB₂、TaAl、或TaN，而该导电层可例如为Al、Cu、或AlCu。。

接着，请参照图3B，坦覆性形成一保护层340于该第一表面311，以覆盖该加热单元320及该信号传送线330。接着，对该保护层340进行一光刻蚀刻工艺，以形成开口342贯穿该保护层340，露出该信号传送线330。其中，该保护层340可例如为氧化硅、氮化硅、碳化硅或上述任意膜层经复合堆栈而成。

接着，请参照图3C，坦覆性形成一电镀起始层350于该保护层340层上。其中，该电镀起始层350的材料可例如为TiW、Au、Ta、TaN或上述材料的任意结合。

接着，请参照图3D，形成一图案化的第一光致抗蚀剂层360于部份的该电镀起始层350上，而未被该第一光致抗蚀剂层360覆盖的电镀起始层350表面，则被定义为牺牲层预定区361。

接着，请参照图3E，利用电镀的方式，形成一牺牲层370于该牺牲层361预定区内。其中，该牺牲层370为一导电的金属层，可例如为Cu、Ni、Al或上述材料的任意结合。

接着，请参照图3F，在完全移除该第一光致抗蚀剂层360后，形成一高分子结构层380于该基底310的第一表面311之上，以覆盖该牺牲层370及该电镀起始层350。其中，该高分子结构层380的形成方式可例如为旋转涂布或是热压贴合，可例如为一高分子厚膜层。

接着，请参照图3G，图案化该高分子结构层380，以同时形成一喷孔382贯穿该高分子结构层380，该喷孔382露出该牺牲层370表面。

接着，请参照图3H，经由该基底310第二表面侧312，蚀刻该基底310、保护层340及该电镀起始层350，以形成一流体通道400贯穿该基底310，露出该牺牲层370下表面。形成该流体通道400的方法可例如为激光钻孔工艺、干蚀刻、或湿蚀刻，若为干蚀刻、或湿蚀刻，则可进一步搭配一掩模层以进行该蚀刻工艺。

最后，请参照图3I，移除该牺牲层370，以形成一与该喷孔382及该流体通道400相连的流体腔410。移除该牺牲层370的方法可例如为湿蚀刻。至此，完成本发明实施例二所述的单石化流体喷射装置300。

由于本发明所述的单石化流体喷射装置使用金属材料作为牺牲层，其材料性质与作为结构层的氮化硅或高分子材料明显不同，因此在移除该牺牲层不至于伤害该结构层。此外，由于该牺牲层为金属材料，因此可以使用激光钻孔或是干蚀刻方式制作流体通道。

综上所述，本发明的单石化流体喷射装置的制造方法，可达增加工艺稳定度的效果，并增加单石化流体喷射装置的使用寿命

虽然本发明以优选实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以后附的权利要求所界定者为准。

Claims (28)

1.一种单石化流体喷射装置的制作方法，包括下列步骤：

提供一基底，该基底具有一第一表面及一位于该第一表面的相反侧的第二表面；

形成一加热单元及一信号传送线于该基底的第一表面；

形成一保护层覆盖该信号传送线及该加热单元；

形成一电镀起始层覆盖该基底的第一表面上的保护层；

形成一图案化的第一光致抗蚀剂层于该电镀起始层上，以定义出一牺牲层预定区；

形成一牺牲层于该牺牲层预定区内；

移除该第一光致抗蚀剂层；

形成一图案化的第二光致抗蚀剂层于该牺牲层及该电镀起始层上，以定义出一结构层预定区；

形成一结构层于该结构层预定区内；

移除该第二光致抗蚀剂层，以形成一喷孔贯穿该结构层；

由该基底的第二表面侧形成一流体通道以贯穿该基底，并露出该牺牲层；以及

移除该牺牲层以形成一与该喷孔相连的流体腔。

2.如权利要求1所述的单石化流体喷射装置的制作方法，其中该加热单元及该信号传送线的形成方式包括：

依序形成一电阻层及一导电层于该基底的第一表面；

图案化该电阻层及该导电层；以及

进一步图案化该导电层，并露出部份该电阻层，从而由该图案化的电阻层和导电层分别形成该加热单元及该信号传送线。

3.如权利要求1所述的单石化流体喷射装置的制作方法，其中信号传送线与该加热单元电连接。

4.如权利要求1所述的单石化流体喷射装置的制作方法，其中在形成该保护层之后，还包括：

形成一开口贯穿该保护层并露出该信号传送线。

5.如权利要求1所述的单石化流体喷射装置的制作方法，其中该图案化的第二光致抗蚀剂层形成于该牺牲层上的一喷孔预定区内。

6.如权利要求1所述的单石化流体喷射装置的制作方法，其中该流体通道由激光钻孔工艺所形成。

7.如权利要求1所述的单石化流体喷射装置的制作方法，其中该流体通道由干蚀刻工艺所形成。

8.如权利要求1所述的单石化流体喷射装置的制作方法，其中该流体通道由湿蚀刻工艺所形成。

9.如权利要求1所述的单石化流体喷射装置的制作方法，其中移除该牺牲层的方法包括湿蚀刻。

10.如权利要求1所述的单石化流体喷射装置的制作方法，其中该结构层的材料为Au、Ni、Co、Pd、Pt或上述材料的任意结合。

11.如权利要求1所述的单石化流体喷射装置的制作方法，其中该保护层的材料为氧化硅、氮化硅、碳化硅或上述材料任意复合堆栈而成。

12.如权利要求1所述的单石化流体喷射装置的制作方法，其中该电镀起始层的材料为TiW、Au、Ta、TaN或上述材料的任意结合。

13.如权利要求1所述的单石化流体喷射装置的制作方法，其中该牺牲层为一金属层。

14.如权利要求1所述的单石化流体喷射装置的制作方法，其中该牺牲层的材料为包含铜、镍、铝或上述材料的任意结合。

15.一种单石化流体喷射装置的制作方法，包括下列步骤：

提供一基底，该基底具有一第一表面及一位于该第一表面的相反侧的第二表面；

形成一加热单元及一信号传送线于该基底的第一表面；

形成一保护层覆盖该加热单元及该信号传送线；

形成一电镀起始层覆盖该基底的第一表面上的保护层；

形成一图案化的光致抗蚀剂层于该电镀起始层上，以定义出一牺牲层预定区；

形成一牺牲层于该牺牲层预定区内；

移除该光致抗蚀剂层；

形成一高分子结构层以覆盖该基底的第一表面以覆盖该牺牲层和该电镀起始层；

图形化该高分子结构层以形成一喷孔贯穿该高分子结构层；

由该基底的第二表面侧形成一流体通道以贯穿该基底，并露出该牺牲层；以及

移除该牺牲层以形成一与该喷孔相连的流体腔。

16.如权利要求15所述的单石化流体喷射装置的制作方法，其中该加热单元及该信号传送线的形成方式包括：

依序形成一电阻层及一导电层于该基底的第一表面；

图案化该电阻层及该导电层；以及

进一步图案化该导电层，并露出部份该电阻层，从而由该图案化的电阻层和导电层分别形成该加热单元及该信号传送线。

17.如权利要求15所述的单石化流体喷射装置的制作方法，其中信号传送线与该加热单元电连接。

18.如权利要求15所述的单石化流体喷射装置的制作方法，其中在形成该保护层之后，还包括：

形成一开口贯穿该保护层并露出该信号传送线。

19.如权利要求15所述的单石化流体喷射装置的制作方法，其中该喷孔贯穿该高分子结构层，且露出该牺牲层。

20.如权利要求15所述的单石化流体喷射装置的制作方法，其中该流体通道由激光钻孔工艺所形成。

21.如权利要求15所述的单石化流体喷射装置的制作方法，其中该流体通道由干蚀刻工艺所形成。

22.如权利要求15所述的单石化流体喷射装置的制作方法，其中该流体通道由湿蚀刻工艺所形成。

23.如权利要求15所述的单石化流体喷射装置的制作方法，其中移除该牺牲层的方法包括湿蚀刻。

24.如权利要求15所述的单石化流体喷射装置的制作方法，其中该高分子结构层为一高分子厚膜层。

25.如权利要求15所述的单石化流体喷射装置的制作方法，其中该保护层的材料为氧化硅、氮化硅、碳化硅或上述材料任意复合堆栈而成。

26.如权利要求15所述的单石化流体喷射装置的制作方法，其中该电镀起始层的材料为TiW、Au、Ta、TaN或上述材料的任意结合。

27.如权利要求15所述的单石化流体喷射装置的制作方法，其中该牺牲层为一金属层。

28.如权利要求15所述的单石化流体喷射装置的制作方法，其中该牺牲层的材料为包含铜、镍、铝或上述材料的任意结合。

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