CN101062494A

CN101062494A - 流体喷射装置及其制造方法

Info

Publication number: CN101062494A
Application number: CN 200610080118
Authority: CN
Inventors: 洪益智; 陈苇霖; 庄文宾
Original assignee: BenQ Corp
Current assignee: BenQ Corp
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2007-10-31

Abstract

本发明提供一种流体喷射装置及其制造方法，此流体喷射装置包括：基底，具有第一表面，且上述基底的中具有流体通道；导电高分子层，形成于上述基底的上述第一表面上；金属结构层，形成于上述导电高分子层上，上述金属结构层与上述基底的上述第一表面间形成流体腔，且上述导电高分子层与该金属结构层的中具有喷孔，与上述流体腔连通。上述的流体喷射装置可还包括抗化性金属薄膜，形成于上述金属结构层上，且上述抗化性金属薄膜从上述金属结构层上表面延伸至上述喷孔内。

Description

流体喷射装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种流体喷射装置及其制造方法，特别涉及一种改善工艺良率及稳定度并简化工艺的流体喷射装置及其制造方法。

背景技术

公知的流体喷射装置可分为喷孔片贴合及单片化工艺两种，其中喷孔片贴合的方式，是利用半导体工艺形成加热元件及钝化保护层后，再利用感光性厚膜光致抗蚀剂在加热元件上进行流体腔及流体通道的制作，之后再以接合剂将金属喷孔片对位贴合于厚膜光致抗蚀剂上，而完成喷射晶片的结构制作；在单片化流体喷射装置，其流体腔主要由基材与结构层组成，而结构层又由多层不同时间点形成的薄膜组成。目前流体喷射装置大多运用于喷墨头、燃料喷射器、生物科技的药剂注射、微全分析系统(μ-TAS)与无掩模线路系统等范围，其中喷墨头更是大量的使用热趋气泡式设计。

图1显示一种公知美国专利第6,102,530号的单片化的流体喷射装置1，始于硅基底10，且在硅基底10上形成结构层12，在硅基底10和结构层12之间形成流体腔14，用以容纳流体26；而在结构层12上设有第一加热器20、以及第二加热器22，第一加热器20用以在流体腔14内产生第一气泡30，第二加热器22用以在流体腔14内产生第二气泡32，以将流体腔14内的流体26射出。

公知的单片化流体喷射装置的结构层为金属层，其材料可为金、白金、镍或是镍合金；流体通道的制作方式使用公知的各向异性蚀刻方式，蚀刻晶片以形成流体通道；而流体腔的制作方式是利用牺牲层蚀刻的技术，其为利用半导体工艺在晶片上沉积氧化硅薄膜作为牺牲层，再利用氮化硅及氧化硅薄膜对蚀刻液选择比不同的特性，在经过牺牲层移除后，通过各向异性蚀刻在晶片上形成。

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薄膜的蚀刻及去除，这样的工艺在稳定度上有其一定的限制而较无法达到理想的最优化参数，基于工艺稳定性及操作困难度而言，高分子材料大都可用常见的一些有机溶剂即可移除，因此利用高分子材料做为牺牲层的工艺便成为另一种成本低、工艺稳定的选择。

在单片化流体喷射装置的结构层为金属层，常用微电铸或电镀工艺来制作，在电镀工艺之前必须先在牺牲层上制作出电铸起始导电层，传统上主要的方法是利用溅镀或电子束蒸镀技术的方式沉积一层厚度较薄的金属薄膜以作为电镀起始层(under bump metallurgy；UBM)。在结构层完成后，必须把牺牲层及流体腔内的电镀起始层完全移除，始可避免牺牲层及电镀起始层的残留，而造成电镀起始层与填装的流体产生化学反应。而在制作电镀起始层以及移除牺牲层和电镀起始层时常会发生许多的问题。例如制作电镀起始层时，因溅镀或蒸镀的高温工艺而导致牺牲层材料变质而无法完全移除；移除牺牲层和电镀起始层时，严重的电镀起始层底切，将造成金属结构层剥落及电镀起始层移除不完全等。

基于上述缺点，因此有需要一种流体喷射装置的制造方法，在形成电镀起始层时不需要高温工艺，且能改善形成金属结构层的工艺稳定度。通过在牺牲层结构上形成导电高分子层作为电镀起始层，可使金属结构层的工艺稳定度提升，由此提升工艺成品率。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种流体喷射装置及制造方法，利用导电高分子层作为电镀起始层，以改善上述公知技术的问题。

为达成发明的上述目的，本发明提供一种流体喷射装置的制造方法，包括：提供基底，且上述基底具有第一表面与第二表面；在上述基底的上述第一表面上形成图案化牺牲层；在上述基底的上述第一表面上形成导电高分子层，且覆盖上述图案化牺牲层；在上述导电高分子层上形成图案化光致抗蚀剂层；在暴露的上述导电高分子层上形成金属结构层，且上述金属结构层与上述图案化光致抗蚀剂层相邻；移除上述图案化光致抗蚀剂层与上述图案化光致抗蚀剂层下方的导电高分子层，以形成喷孔。上述流体喷射装置的制造方法，还包括由上述第二表面蚀刻上述基底，在上述基底中形成流体通道，以露出上述牺牲层；移除上述牺牲层，以形成流体腔，且该流体腔与上述喷孔及上述流体通道连通；在该金属结构层上形成抗化性金属薄膜。

本发明又提供一种流体喷射装置，包括：基底，具有第一表面，且上述基底的中具有流体通道；导电高分子层，形成于上述基底的上述第一表面上；金属结构层，形成于上述导电高分子层上，上述金属结构层与上述基底的上述第一表面间形成流体腔，且上述导电高分子层与该金属结构层的中具有喷孔，与上述流体腔连通。上述的流体喷射装置，其中还包括抗化性金属薄膜，形成于上述金属结构层上，且上述抗化性金属薄膜从上述金属结构层上表面延伸至上述喷孔内。

附图说明

图1为一种公知的流体喷射装置剖面图。

图2a～2i为本发明的流体喷射装置第一实施例的一系列工艺剖面图。

图3为本发明的流体喷射装置第二实施例的剖面图。

图4a～4d为本发明流体喷射装置第三实施例的一系列中间工艺剖面图。

附图标记说明

1～单片化的流体喷射装置； 10～硅基底；

12～结构层； 14～流体腔；

20～第一加热器； 22～第二加热器；

26～流体通道； 30～第一气泡；

32～第二气泡； 100a～流体喷射装置；

100b～流体喷射装置； 200～基底；

201～驱动电路； 202～加热元件；

204～牺牲层； 204a～图案化牺牲层；

205～图案化光致抗蚀剂层； 206～导电高分子层；

207～图案化光致抗蚀剂层； 208～金属结构层；

209～喷孔； 210～流体通道；

211～流体腔； 212～抗化性金属薄膜；

220～掩模； 220a～非透光区域；

220b～透光区域； 230～光线；

301～第一表面； 302～第二表面。

具体实施方式

以下利用工艺剖面图，更详细地说明本发明优选实施例的流体喷射装置及其制造方法。图2a至图2i；图3以及图4a至图4d显示优选实施例的工艺中间阶段剖面图，在本发明各实施例中，相同的符号表示相同的元件。

请参考图2a，其显示第一实施例中，形成流体喷射装置100a的起始步骤。提供例如硅的基底200，其具有第一表面301与第二表面302。在基底200的第一表面301上设置驱动电路201以及加热元件202。加热元件202优选者为由电阻层所构成的气泡产生器，其中驱动电路201以及加热元件202由半导体工艺所形成。

请参考图2b及图2c，其显示在基底200的第一表面301上形成厚度为10～40um的牺牲层204，且牺牲层204覆盖驱动电路201以及加热元件202。牺牲层204由化学气相沉积法(Chemical vapor deposition；CVD)所形成的多晶硅(Poly-Si)或磷硅玻璃，或者以旋转涂布法形成的高分子聚合物等。接着，利用光刻工艺在牺牲层204上形成图案化光致抗蚀剂层205，定义出流体喷射装置的大小及形状。利用上述图案化光致抗蚀剂层205作为蚀刻掩模，同时以蚀刻方式将部分牺牲层204湿蚀刻移除，以在基底200的第一表面301上留下图案化牺牲层204a。也可利用干蚀刻方式取代上述湿蚀刻。然后，施以氧等离子体或光致抗蚀剂剥除液来剥除图案化光致抗蚀剂层205。从而在基底200的第一表面301上留下图案化的牺牲层204a。图案化的牺牲层204a决定了流体腔的位置及大小形状，且图案化的牺牲层204a覆盖在加热元件202之上。

请参考图2d，其显示导电高分子层206形成于基底200的第一表面301上，且覆盖驱动电路201以及图案化牺牲层204a。导电高分子层206可利用旋转涂布或浇铸法形成，可避免因高温工艺而导致图案化牺牲层204a材料变质而无法完全移除。导电高分子层206材料可包括环氧树脂、聚乙炔(polyacetylene)、聚噻吩(polythiophene)、聚二乙炔(polydiacetylene)、聚对苯撑乙烯(polyparaphenylene)、聚吡咯(polypyrrole)、聚双噻吩(polybithiophene)、聚异噻吩(polyisothiophene)、聚噻嗯基乙烯(polythienylvinylene)、聚次苯基硫化物(polyphenylenesulfide)、聚苯胺(polyanilines)、聚(3，4-二氧乙基噻吩)/聚(对苯乙烯磺酸)(poly(3，4-ethylenedioxy-thiophene)/poly(styrenesulfonate)，PEDOT:PSS)或氟代烷基硅烷(fluoroalkylsilane)。导电高分子层优选为环氧树脂(epoxy resin)或聚酰亚胺(polyimide)，导电高分子层206的厚度优选为1～3um。

请参考图2e，其显示利用光刻工艺在导电高分子层206上形成图案化的光致抗蚀剂207。接下来，请参考图2f，其显示在暴露的导电高分子层206上形成金属结构层208。金属结构层208的形成方法可利用电铸或无电镀法形成，其材料可包括镍、金、镍钴合金或其组合，且金属结构层208与图案化光致抗蚀剂层207相邻，其厚度相近于图案化光致抗蚀剂层的厚度，在优选实施例中，金属结构层208的优选厚度为10～40um。本发明实施例中的流体喷射装置100a的导电高分子层206为电镀起始层，因其具有低的电阻率(10^-2～10^-5Ω·cm)，因此可利用导电高分子206的导电性质制作后续步骤形成的金属结构层208的电镀起始层。

请参考图2g，其显示在金属结构层208中形成喷孔209，可使用例如干式或湿式蚀刻法蚀刻图案化光致抗蚀剂207与图案化光致抗蚀剂层207下方的导电高分子层206，直到露出图案化牺牲层204a为止，以形成喷孔209。图案化光致抗蚀剂207为形成金属结构层208的母模，其位置及大小形状决定了金属结构层208以及喷孔209的位置及大小形状。当导电高分子层206结构为环氧树脂或聚酰亚胺材料时，其抗氧化性的稳定性质，可避免图案化光致抗蚀剂层207与其下方的一部分导电高分子层206移除时，对位于金属结构层208下的导电高分子层206造成攻击(底切现象)，并可以保护金属结构层208及喷孔209底部的结构完整性。

请参考图2h，其显示在基底200中形成流体通道210。其方法可为公知的光刻工艺/各向异性蚀刻方式例如干式蚀刻法或湿式蚀刻法，由基底200的第二表面302选择性地蚀刻基底200，以在基底200中形成流体通道210，直到露出图案化牺牲层204a为止。

请参考图2i，其显示利用各向异性蚀刻法例如湿式蚀刻法，移除图案化牺牲层204a，以形成流体腔211，且流体腔211与喷孔209及流体通道210连通。以形成本发明第一实施例的流体喷射装置100a。

如上所述的流体喷射装置100a，包括：基底200，具有第一表面301，且基底200的中具有流体通道210；导电高分子层206，形成于基底200的第一表面301上；金属结构层208，形成于导电高分子层206上，金属结构层208与基底200的第一表面301之间形成流体腔211，且导电高分子层206与金属结构层208之中具有喷孔209，与流体腔211连通。

图3为本发明第二实施例的流体喷射装置100b剖面图，其显示在金属结构层208上形成抗化性金属薄膜212，且抗化性金属薄膜212从金属结构层208上表面延伸至喷孔209内。抗化性金属薄膜212的优选厚度为1um，其材料可包含金或其合金。优选实施例中，抗化性金属薄膜212的形成方法可利用无电镀法，其厚度优选为1um。其中元件与图2a至图2i所示相同的部分，则可参考前面的相关叙述，在此不作重复叙述。

在本发明第一及第二实施例的流体喷射装置100a与100b中，主要差异在于流体喷射装置100b将抗化性金属薄膜212形成于金属结构层208上，且抗化性金属薄膜212从金属结构层208上表面延伸至喷孔209内。此抗化性金属薄膜212具有可防止金属结构层208表面氧化的功能。

图4a至图4d为一系列的工艺中间阶段剖面图。其显示本发明的流体喷射装置的工艺剖面图。请参考图4a，其显示形成流体喷射装置的起始步骤，提供基底200，接着，在基底200的第一表面301上依序形成驱动电路201、加热元件202以及图案化的牺牲层204a，且图案化的牺牲层204a覆盖于加热元件202之上。接着，在基底200的第一表面301上形成导电高分子层206，且覆盖驱动电路201以及图案化牺牲层204a。本实施例中导电高分子层206可为含有导电粒子的光致抗蚀剂(例如为IBM公司专利US4882245的SU-8)或含有感光性材料，例如可为添加光酸产生剂(photo acid generation material，PAG)的导电高分子层。可以光刻方式，利用掩模220，其具有非透光区域220a以及透光区域220b，将掩模220和导电高分子层206适当对准，接着进行曝光，曝光时光线230穿透透光区域220b，将掩模220的影像转移至导电高分子层206。请参考图4b，其显示经过显影步骤后，形成图案化的导电高分子层206，覆盖于图案化牺牲层204a以及部分基底200的第一表面301上。

请参考图4c，其显示在未覆盖图案化的导电高分子层206的图案化牺牲层204a以及一部分第一表面301上形成图案化光致抗蚀剂层207。接着，请参考图4d，其显示在暴露的该导电高分子层206上形成金属结构层208。金属结构层208由电铸或无电镀法形成，其材料可包括镍、金、镍钴合金或其组合，且金属结构层208与图案化光致抗蚀剂层207相邻，其厚度相近于图案化光致抗蚀剂层的厚度。图案化光致抗蚀剂层207的位置及大小形状决定了金属结构层208的形状。之后的步骤相同于图2g至图2i。其中元件与图2a至图2i所示相同的部分，则可参考前面的相关叙述，在此不作重复叙述。

Claims

1.一种流体喷射装置的制造方法，包括下列步骤：

提供基底，且所述基底具有第一表面与第二表面；

在所述基底的所述第一表面上形成图案化牺牲层；

在所述基底的所述第一表面上形成导电高分子层，且所述导电高分子层覆盖所述图案化牺牲层；

在所述导电高分子层上形成图案化光致抗蚀剂层；

在暴露的所述导电高分子层上形成金属结构层，且所述金属结构层与所述图案化光致抗蚀剂层相邻；

移除所述图案化光致抗蚀剂层与所述图案化光致抗蚀剂层下方的导电高分子层，以形成喷孔。

2.如权利要求1所述的流体喷射装置的制造方法，其中还包括在所述基底的所述第一表面上形成加热元件及驱动电路。

3.如权利要求2所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述图案化牺牲层覆盖所述加热元件。

4.如权利要求1所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述图案化牺牲层包括多晶硅、磷硅玻璃或高分子聚合物。

5.如权利要求4所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述高分子聚合物为光致抗蚀剂。

6.如权利要求1所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述导电高分子层为电镀起始层。

7.如权利要求1所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述导电高分子层包括环氧树脂、聚酰亚胺、聚乙炔、聚噻吩、聚二乙炔、聚对苯撑乙烯、聚吡咯、聚双噻吩、聚异噻吩、聚噻嗯基乙烯、聚次苯基硫化物、聚苯胺、聚(3，4-二氧乙基噻吩)/聚(对苯乙烯磺酸)或氟代烷基硅烷。

8.如权利要求1所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述导电高分子层为SU-8。

9.如权利要求5所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述导电高分子层是感光性材料。

10.如权利要求9所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述感光性材料为通过添加光酸产生剂形成。

11.如权利要求1所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述导电高分子层为具有导电粒子的光致抗蚀剂。

12.如权利要求11所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述导电粒子包括银、铜、镍或金。

13.如权利要求1所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述导电高分子层的电阻率范围介于10^-2～10^-5Ω·cm。

14.如权利要求1所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述导电高分子利用旋转涂布、浇铸或光刻/蚀刻方式形成。

15.如权利要求2所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述导电高分子层覆盖所述驱动电路。

16.如权利要求1所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述图案化光致抗蚀剂层与所述图案化光致抗蚀剂层下方的导电高分子利用干式蚀刻或光刻/蚀刻方式去除。

17.如权利要求1所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述金属结构层包括镍、金或镍钴合金或其组合。

18.如权利要求1所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述金属结构层的厚度相近于图案化光致抗蚀剂层的厚度。

19.如权利要求1所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述金属结构层由金属微电铸或电镀工艺形成。

20.如权利要求1所述的流体喷射装置的制造方法，还包括由所述第二表面蚀刻所述基底，在所述基底中形成流体通道，以露出所述图案化牺牲层。

21.如权利要求20所述的流体喷射装置的制造方法，还包括移除所述图案化牺牲层，以形成流体腔，且所述流体腔与所述喷孔及所述流体通道连通。

22.如权利要求1所述的流体喷射装置的制造方法，还包括在所述金属结构层上形成抗化性金属薄膜。

23.如权利要求22所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述抗化性金属薄膜为金或其合金。

24.如权利要求22所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述抗化性金属薄膜利用无电镀法形成。

25.一种流体喷射装置，包括：

基底，具有第一表面，且所述基底的中具有流体通道；

导电高分子层，形成于所述基底的所述第一表面上；

金属结构层，形成于所述导电高分子层上，所述金属结构层与所述基底的所述第一表面间形成流体腔，且所述导电高分子层与所述金属结构层的中具有喷孔，与所述流体腔连通。

26.如权利要求25所述的流体喷射装置，其中还包括在所述基底的所述第一表面上形成的加热元件及驱动电路。

27.如权利要求26所述的流体喷射装置，其中所述加热元件位于所述流体腔中。

28.如权利要求25所述的流体喷射装置，其中所述导电高分子层为电镀起始层。

29.如权利要求25所述的流体喷射装置，其中所述导电高分子层包括环氧树脂、聚酰亚胺、聚乙炔、聚噻吩、聚二乙炔、聚对苯撑乙烯、聚吡咯、聚双噻吩、聚异噻吩、聚噻嗯基乙烯、聚次苯基硫化物、聚苯胺、聚(3，4-二氧乙基噻吩)/聚(对苯乙烯磺酸)或氟代烷基硅烷。

30.如权利要求25所述的流体喷射装置，其中所述导电高分子层为SU-8。

31.如权利要求30所述的流体喷射装置，其中所述导电高分子层为感光性材料。

32.如权利要求31所述的流体喷射装置，其中所述感光性材料通过添加光酸产生剂形成。

33.如权利要求25所述的流体喷射装置，其中所述导电高分子层为具有导电粒子的光致抗蚀剂。

34.如权利要求33所述的流体喷射装置，其中所述导电粒子包括银、铜、镍或金。

35.如权利要求25所述的流体喷射装置，其中所述导电高分子层的电阻率范围介于10^-2～10^-5Ω·cm。

36.如权利要求25所述的流体喷射装置，其中所述导电高分子利用旋转涂布、浇铸或光刻/蚀刻方式形成。

37.如权利要求25所述的流体喷射装置，其中所述金属结构层包括镍、金或镍钴合金或其组合。

38.如权利要求25所述的流体喷射装置，其中所述金属结构层由金属微电铸或电镀工艺形成。

39.如权利要求25所述的流体喷射装置，其中所述流体腔与所述喷孔及所述流体通道连通。

40.如权利要求25所述的流体喷射装置，还包括抗化性金属薄膜，形成于所述金属结构层上，且所述抗化性金属薄膜从所述金属结构层上表面延伸至所述喷孔内。

41.如权利要求40所述的流体喷射装置，其中所述抗化性金属薄膜为金或其合金。

42.如权利要求40所述的流体喷射装置，其中所述抗化性金属薄膜利用无电镀法形成。