CN101177067A - 流体喷射装置的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种流体喷射装置的制造方法，包括：提供基底，具有第一面及第二面，且第二面与第一面相对；形成图案化的多孔性结构区于该基底内；形成第一结构层于该基底的该第一面上及覆盖该图案化的多孔性结构区；由该基底的该第二面蚀刻该基底并暴露该图案化的多孔性结构区，以形成流体通道；去除该图案化的多孔性结构区以形成连接该流体通道的流体腔；以及图案化该第一结构层以在喷孔预定区上形成开口。
Description
技术领域
本发明涉及一种流体喷射装置及其制造方法，且尤其涉及一种微流体喷射装置及其制造方法。
背景技术
微流体喷射装置近来已广泛地运用于信息产业，例如喷墨打印机或类似设备中。随着微系统工程(micro system engineering)的逐步开发，这种流体喷射装置逐渐在其它众多领域应用，例如燃料喷射系统(fuel injection system)、细胞筛选(cell sorting)、药物释放系统(drug delivery system)、喷印光刻技术(print lithography)及微喷射推进系统(micro jet propulsion system)等。
图1显示一种现有美国专利号码6,102,530的单块的流体喷射装置1，其以硅基底10作为本体，且在硅基底10上形成结构层12，而在硅基底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。
上述的单块的流体喷射装置1制作步骤依次为：提供晶片作为硅基底10，且在硅基底10上形成结构层12，并在硅基底10和结构层12之间形成图案化牺牲层。接着，设置流体致动装置于结构层12上。然后，在结构层12上形成保护层。之后对硅基底背面进行非等向性蚀刻直至牺牲层裸露，以形成流体通道。移除牺牲层并再一次对硅基底进行非等向性蚀刻，以得到扩大的流体腔。最后，依次蚀刻保护层、结构层形成相互连通的通孔，其中通孔与流体腔连通。
在现有的单块流体喷射装置的工艺中，以硼硅酸磷玻璃(BPSG)作为牺牲层，通常需采用高浓度的氢氟酸蚀刻液移除硼硅酸磷玻璃以形成流体腔，然而在蚀刻硼硅酸磷玻璃过程中，具有高腐蚀性的氢氟酸溶液易过蚀刻结构层而破坏位于基底上的驱动线路等组件。再者，由于硼硅酸磷玻璃的形成厚度受限于沉积技术，故去除牺牲层后，还另需对基底进行蚀刻以扩大流体腔的尺寸，而增加工艺的步骤。
因此，目前亟需一种可改善上述缺点的微流体喷射装置的制造方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可改善上述缺点的流体喷射装置的制造方法，其在形成流体腔的工艺中降低对在基底上组件的破坏，且可减少工艺步骤。本发明提供一种流体喷射装置的制造方法，包括：提供基底，具有第一面及第二面，且该第二面与该第一面相对；形成图案化的多孔性结构区于该基底内；形成第一结构层于该基底的该第一面上及覆盖该图案化的多孔性结构区；由该基底的该第二面蚀刻该基底并暴露该图案化的多孔性结构区，以形成流体通道；去除该图案化的多孔性结构区以形成连接该流体通道的流体腔；以及图案化该第一结构层以在喷孔预定区上形成开口。
由于在形成作为牺牲层的多孔性结构区时即定义出流体腔的尺寸，故可不需额外的扩大流体腔的工艺。并且以如多孔硅的多孔性结构区作为牺牲层时，可利用如氢氧化钾(KOH)溶液、四甲基氢氧化氨(氢氧化四甲基铵，Tetramethyl Ammonium Hydroxide，TMAH)、乙二胺邻苯二酚(Ethylene Diamine Pyrochatechol，EDP)或其它低浓度蚀刻液去除牺牲层，如此，可避免现有技术中以BPSG作为牺牲层时，氢氟酸蚀刻液对基底上的组件造成的破坏。
附图说明
图1是示出现有单块的流体喷射装置的示意图；
图2A至2H是示出本发明第一实施例的流体喷射装置的制造方法的剖面图；
图3A至3H是示出本发明第二实施例的流体喷射装置的制造方法的剖面图；以及
图4是示出本发明实施例的以电化学蚀刻法形成多孔性结构区的示意图。
具体实施方式
第一实施例
以下配合图2A至2H说明本发明第一实施例的流体喷射装置的制造方法的剖面图。首先请参照图2A，提供基底100，其具有第一面1001及第二面1002，而第一面1001与第二面1002相对。基底100可包括单晶或多晶材料，例如单晶硅，优选基底100为P型硅。以如化学气相沉积的沉积法于基底100的第一面1001及第二面1002上形成掩模层110，掩模层110可包括氮化硅。接着，通过光刻及蚀刻工艺图案化第一面1001上的掩模层110以暴露部分的基底100，在此，所暴露的基底部分是流体喷射装置的流体腔预定形成的位置。
请参照图2B，通过电化学蚀刻(electrochemical etching，ECE)工艺于未覆盖掩模层110的基底100中形成诸如多孔硅的多孔性结构区120。电化学蚀刻的工艺如图4所示，将基底100置于蚀刻槽400中作为阳极，并且提供诸如白金的材料作为阴极200，蚀刻槽400内含有诸如氢氟酸溶液的电解液300，于基底100及阴极200之间连接电源供应器500，以提供稳定电流。于电化学蚀刻过程中，基底100内的空穴扩散至基底100的表面与电解液300的界面，而造成基底材料的氧化并溶解于电解液300中，由此，可在基底100暴露于电解液的区域中均匀的形成大小约10至20nm的孔洞，而形成图案化的多孔性结构区120。孔洞的大小可通过调整电流密度、电解液浓度、电化学蚀刻时间以及基底特性加以控制。在一优选实施例中，多孔性结构区120的厚度约介于10至20μm为较佳。在形成多孔性结构区120之后，通过如利用热磷酸为蚀刻液的湿蚀刻法去除掩模层110。
请参照图2C，于基底100的第一面1001上形成第一结构层130，且第一结构层130覆盖多孔性结构区120。第一结构层130可包括由化学气相沉积法(CVD)所形成的低应力的氮化硅，其应力介于0至300MPa为佳。于此同时，基底100的第二面1002上也形成第一结构层103。
请参照图2D，接着于第一结构层130上形成流体致动组件140、连接流体致动组件140的驱动电路150、以及覆盖流体致动组件140与驱动电路150的保护层160。流体致动组件140可包括形成于结构层130上的图案化电阻层以作为加热器(heater)，其可利用物理气相沉积(PVD)，例如蒸镀(evaporation)、溅镀(sputtering)，形成如HfB2、TaAl、TaN或其它电阻材料。驱动电路150可包括以物理气相沉积法(PVD)形成如Al、Cu、AlCu或其它导线材料的图案化导电层。而保护层160可包括以化学气相沉积法(CVD)形成如氮化硅的介电材料于基底100上，以覆盖流体致动组件140与驱动电路150，其厚度约介于2至3μm为较佳。其中保护层160还包括通孔(via)165以作为驱动电路150对外的电性连接。
请参照图2E，于保护层160上形成图案化的第二结构层170以加强组件的结构强度，第二结构层170可包括如金、白金(铂)、镍、镍钴合金的金属或高分子材料，其厚度约介于10至20μm为较佳。图案化的第二结构层170具有开口175，开口175对应于后续形成的流体喷射装置的喷孔的位置。
请参照图2F，通过光刻及蚀刻工艺图案化第二面1002上的第一结构层103以暴露部分的基底100，在此，所暴露的基底部分是流体喷射装置的流体通道预定形成的位置。接着，以图案化的第一结构层103为掩模蚀刻基底100的第二面1002以暴露出多孔性结构区120，由此形成流体通道105。蚀刻基底100的方法可包括如等离子体蚀刻的干蚀刻法。在其它实施例中，也可以图案化第一结构层103为掩模利用干蚀刻法去除基底100的第二面1002以形成流体通道105，并且过蚀刻部分的多孔性结构区120直至第一结构层130暴露出来。
请参照图2G，去除多孔性结构区120以形成连接流体通道105的流体腔115。去除多孔性结构区120的方法可包括利用湿蚀刻法，例如使用氢氧化钾(KOH)、四甲基氢氧化氨(TetramethylAmmonium Hydroxide，TMAH)或乙二胺邻苯二酚(EthyleneDiamine Pyrochatechol，EDP)的蚀刻液蚀刻去除多孔性结构区120。由于多孔性结构区120相较于基底100较为松散，因此在湿蚀刻过程中两者具有显著的蚀刻选择比，由此可利用如氢氧化钾或低浓度的基底蚀刻液来去除作为牺牲层的多孔性结构区120，以形成流体腔115，而不致破坏形成于基底上的驱动电路等组件。
然而在其它实施例中，图案化第一结构层103以于流体通道的预定区暴露基底100之后，接着利用图案化的第一结构层103为掩模，通过湿蚀刻法自基底100的第二面1002去除部分基底100及多孔性结构区120，以形成流体通道105及流体腔115，如图2G所示。蚀刻基底100及多孔性结构区120可包括利用氢氧化钾(KOH)为蚀刻液。
请参照图2H，图案化保护层160及第一结构层130以于邻近流体致动器140的喷孔预定区上形成连接流体腔115的喷孔180。形成喷孔180的方法包括以第二结构层170为掩模，通过如等离子体蚀刻的干蚀刻法去除部分保护层160及第一结构层130以于喷孔预定区上形成开口。根据上述提供的第一实施例可制作以多孔性结构区为牺牲层的单块流体喷射装置。
第二实施例
以下配合图3A至3H说明本发明第二实施例的流体喷射装置的制造方法的剖面图。此处与图2A至2H中相同的材料或结构标示相同的标号。另外，图3A至3D的步骤与图2A至2D相同，此处省略其说明。接着请参照图3E，在基底100上的第一结构层130上形成流体致动组件140、连接流体致动组件140的驱动电路150、以及覆盖流体致动组件140与驱动电路150的保护层160之后，形成图案化保护层160及第一结构层130以便于流体喷射装置的喷孔预定区上形成开口106作为喷孔，且开口106暴露多孔性结构区120。形成开口106的方法包括利用光刻工艺及如等离子体蚀刻的干蚀刻法图案化保护层160及第一结构层130。在一优选实施例中，可利用光刻及蚀刻工艺图案化保护层160及/或第一结构层130，以同时形成开口106以及通孔165。
请参照图3F，于保护层160上还形成图案化的第二结构层170以加强组件的结构强度，第二结构层170具有开口175，其在喷孔预定区上，即对应于开口106的位置。而第二结构层170的材料及厚度如第一实施例所述，此处省略其说明。
请参照图3G，通过光刻及蚀刻工艺图案化第二面1002上的第一结构层103以暴露部分的基底100，在此，所暴露的基底部分是流体喷射装置的流体通道预定形成的位置。接着，以图案化的第一结构层103为掩模自第二面1002蚀刻基底100以暴露出多孔性结构区120，由此形成流体通道105。接着请参照图3H，以如湿蚀刻法去除多孔性结构区120以形成连接流体通道105及开口106的流体腔115。在图3G至3H中形成流体通道105流体腔115的方法与第2F至2G相同，此处不再加以详述。
根据上述提供的第二实施例可制作以多孔性结构区为牺牲层的单块流体喷射装置，于第二实施例中，在去除多孔性结构区以形成流体腔之前，即完成蚀刻结构层以形成喷孔的步骤，如此可避免于第一实施例中以干蚀刻去除结构层而形成喷孔的过程中，发生过蚀刻流体腔下的基底的情况。
根据上述的实施例，由于在形成作为牺牲层的多孔性结构区时即定义出流体腔的尺寸，故可不需额外的扩大流体腔的工艺。并且以如多孔硅的多孔性结构区作为牺牲层时，可利用如氢氧化钾(KOH)溶液、四甲基氢氧化氨(Tetramethyl Ammonium Hydroxide，TMAH)、乙二胺邻苯二酚(Ethylene Diamine Pyrochatechol，EDP)或其它低浓度蚀刻液去除牺牲层，如此，可避免现有技术中以BPSG作为牺牲层时，氢氟酸蚀刻液对基底上的组件造成的破坏。
虽然本发明已以优选实施例披露如上，但是其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可作一些更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以所附的权利要求书所限定的为准。
主要组件符号说明
1～现有的流体喷射装置；
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
100～基底 105～流体通道
106～开口 110～掩模层
115～流体腔 1001～基底的第一面
1002～基底的第二面 120～多孔性结构区
130、103～第一结构层 140～流体致动器
150～驱动电路 160～保护层
165～通孔 170～第二结构层
175～开口 180～喷孔
200～阴极 300～电解液
400～蚀刻槽 500～电源供应器
Claims (19)
1.一种流体喷射装置的制造方法，包括：
提供基底，其具有第一面及一第二面，且所述第二面与所述第一面相对；
形成图案化的多孔性结构区于所述基底内；
形成第一结构层于所述基底的所述第一面上并覆盖所述图案化的多孔性结构区；
由所述基底的所述第二面蚀刻所述基底并暴露所述图案化的多孔性结构区，以形成流体通道；
去除所述图案化的多孔性结构区以形成连接所述流体通道的流体腔；以及
图案化所述第一结构层以在喷孔预定区上形成开口。
2.根据权利要求1所述的流体喷射装置的制造方法，还包括在所述第一结构层上形成流体致动组件、驱动电路以连接所述流体致动组件、以及保护层以覆盖所述流体致动组件与所述驱动电路。
3.根据权利要求2所述的流体喷射装置的制造方法，还包括在所述保护层上形成第二结构层。
4.根据权利要求3所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述第二结构层包括金属或高分子。
5.根据权利要求3所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述第二结构层包括金、白金、镍、镍钴合金。
6.根据权利要求1所述的流体喷射装置的制造方法，其中形成所述图案化的多孔性结构区包括实施电化学蚀刻。
7.根据权利要求6所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述电化学蚀刻使用氢氟酸溶液为电解液。
8.根据权利要求1所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述基底是P型硅。
9.根据权利要求1所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述图案化的多孔性结构区包括多孔硅。
10.根据权利要求1所述的流体喷射装置的制造方法，其中形成所述流体通道包括实施干蚀刻步骤。
11.根据权利要求1所述的流体喷射装置的制造方法，其中形成所述流体通道包括实施湿蚀刻步骤。
12.根据权利要求1所述的流体喷射装置的制造方法，其中去除所述图案化的多孔性结构区包括实施湿蚀刻步骤。
13.根据权利要求12所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述湿蚀刻步骤包括以氢氧化钾、四甲基氢氧化氨或乙二胺邻苯二酚溶液进行蚀刻。
14.根据权利要求1所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述图案化的多孔性结构区的厚度约介于10至20μm。
15.根据权利要求1所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述第一结构层包括氮化硅。
16.根据权利要求1所述的流体喷射装置的制造方法，其中在形成所述流体腔之后，图案化所述第一结构层以在所述喷孔预定区上形成所述开口。
17.根据权利要求1所述的流体喷射装置的制造方法，其中在形成所述流体腔之前，图案化所述第一结构层以在所述喷孔预定区上形成所述开口。
18.根据权利要求1所述的流体喷射装置的制造方法，其中所述图案化的多孔性结构区具有10至20nm的孔洞。
19.根据权利要求1所述的流体喷射装置的制造方法，在所述喷孔预定区上形成所述开口包括实施干蚀刻步骤。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103128525A (zh) * | 2013-01-31 | 2013-06-05 | 南京航空航天大学 | 采用低熔点合金牺牲层的孔加工方法 |
| CN109689254A (zh) * | 2016-09-05 | 2019-04-26 | 西门子股份公司 | 用于借助于多孔的辅助结构增材制造的方法、构件和设备 |
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2006
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Cited By (3)
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| CN103128525B (zh) * | 2013-01-31 | 2016-01-20 | 南京航空航天大学 | 采用低熔点合金牺牲层的孔加工方法 |
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |