CN101203074A - 超合金微型加热器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明包括一种超合金微型加热器，其包含基底、设于该基底的正面的绝缘层、设于该绝缘层之上的图案化的加热电阻以及设于该加热电阻之上的接触电极，其中该加热电阻由超合金材料构成，具有耐腐蚀、高电阻、升温快以及耐高温等优点，可大幅提升该超合金微型加热器的可靠性及重复性。
Description
技术领域
本发明关于一种微型加热器(micro-heating apparatus)，特别是一种以超合金(superalloy)材料制作的超合金微型加热器。
背景技术
微机电统(micro-electro mechanical system，MEMS)以半导体的工艺技术来制作微米(micro-meter，μm)级的机械结构，并可整合多种组件，而成为一个微型统，其产品涵盖光学、电子、电机、材料、物理、化学、生医等多个领域，为典型跨领域整合科技产品。
以微机电工艺制作的微型加热器，近年来已被广泛的利用，如应用于喷墨打印机喷嘴的微型加热器，当施加通过微型加热器的电阻片的电流时，喷嘴内的墨水瞬间将加热到沸腾，并立即受到推挤自喷嘴喷洒出来进行打印；此种用于加热的微型加热器亦可见于生医领域的生物芯片，利用微型加热器对于芯片反应槽内的样本进行温度控制，以利于进行相关的生物反应或后续的样本检测。喷墨打印机喷嘴内和生物芯片内的微型加热器都是利用微型加热器局部加热的功效，完善提供喷嘴或生物芯片所需的微热源。
然而，已知的微型加热器常以高电阻值的金属为电阻材料，经一段时间反复通电产热后，由温度和电子风(electron wind)加乘效应造成电阻内金属离子的移动，将使得晶界(grain boundary)面积因缺少原子而大幅减少，因而应力大幅增加，导致晶界无法承受应力而破坏使电阻断路，此一结果可称的为电致迁移(electron migration)效应，为造成微型加热器重复性及可靠性不佳的重要原因之一。
发明内容
鉴于已知微型加热器面临电致迁移效应，导致可靠度下降的问题，本发明的目的在于提供以超合金微型加热器，其包含基底、绝缘层、设于该绝缘层上的包含超合金材料的加热电阻以及设于该加热电阻之上的接触电极，以期解决已知技术中无法克服的难题。
本发明的另一目的在于提供一种制作超合金微型加热器的方法。首先提供基底与超合金溅镀靶，分别置于溅镀系统的阳极与阴极，且该基底的背面与该溅镀系统的阳极连结，而且该基底的正面设有绝缘层及图案化光致抗蚀剂，然后进行溅镀工艺，在该绝缘层与该图案化光致抗蚀剂表面形成超合金薄膜，最后进行剥离工艺(lift-off)，剥除该图案化光致抗蚀剂并图案化该超合金薄膜，以构成加热电阻。
由于超合金本身具有耐高热、高硬度、良好高温机械性质等优点，当利用于制作微型加热器时，可有效提升产品的可靠性及重复利用性，为良好的微型加热器材料。
附图说明
图1至图6依据本发明的第一优选实施例所绘示的超合金微型加热器的制作方法流程示意图。
图7至图9依据本发明的第二优选实施例所绘示的超合金微型加热器的制作方法流程示意图。
附图标记说明
10 基底 12 超合金溅镀靶
14 绝缘层 16 溅镀室
18 直流电源供应器 20 阴极
22 阳极 24 第一开口
26 第二开口 28 超合金薄膜
30 图案化光致抗蚀剂 32 加热电阻
34 第二光致抗蚀剂层 36 接触电极
40 基底 42 绝缘层
44 图案化光致抗蚀剂 46 超合金薄膜
48 加热电阻
具体实施方式
为使更进一步了解本发明，以下列举出具体实例，并配合图示、组件符号等说明，细说明本发明的构成内容及其所达成的功效。
请参考图1至图6，图1至图6依据本发明的第一优选实施例所绘示的超合金微型加热器的制作方法流程示意图。首先提供基底10以及超合金溅镀靶12，且基底10的正面设有绝缘层14。本优选实施例所使用的基底10为硅基底，但不以此为限，超合金溅镀靶12可包含镍基超合金(Inconel)、高镍基比超合金(Nimonic)、镍钴基超合金(Incoloy)、铁基超合金(Invar)、镍铬超合金(Illium)或NX-188合金等超合金金属的烧结体，供后续的工艺使用。将基底10与超合金溅镀靶12放置于溅镀系统中，并准备进行溅镀工艺。如图1所示，其绘示一个典型直流式溅镀系统的溅镀室16，溅镀室16内设有直流电源供应器18的阴极20和阳极22，其中，超合金溅镀靶12与溅镀室16内的阴极20电连接，基底10则是设于阳极22上。溅镀室16另设有第一开口24与第二开口26，第一开口24供溅镀时所需的等离子体气体进入，例如氦气或氩气，且第二开口26连接维持溅镀室16真空度的机械泵浦。于本优选实施例中，进行该溅镀工艺时，先由该机械泵浦将溅镀室16抽真空，此时溅镀室16内的气体压力约为10-5-10-6托耳(torr)，较佳的气体压力为10-8-10-9托耳。接着由直流电源供应器18在阴极20与阳极22间施以电压，加速带正电的等离子体气体离子轰击连接阴极20的超合金溅镀靶12表面，这些等离子体气体离子在和超合金溅镀靶12表面的原子交换动量，就会从超合金溅镀靶12表面溅出原子，并飞向置于阳极22的基底10并镀在基底10表面，形成超合金薄膜28。
如图2所示，基底10表面镀有超合金薄膜28，接着在超合金薄膜28表面涂布光致抗蚀剂层，并进行黄光工艺(lithography)，在该光致抗蚀剂层表面定义图案以形成图案化光致抗蚀剂30。如图3所示，进行蚀刻工艺，例如干蚀刻工艺或湿蚀刻工艺，以前一步骤所形成的图案化光致抗蚀剂为蚀刻掩模，对超合金薄膜28进行蚀刻，并图案化超合金薄膜28，定义本发明的超合金微型加热器的加热电阻结构。于是如图4所示，移除图案化光致抗蚀剂层30并暴露已图案化的超合金薄膜28，此图案化的超合金薄膜28即为本发明的加热电阻32。然后如图5所示，形成第二光致抗蚀剂层34于加热电阻32表面，并利用第二黄光工艺图案化第二光致抗蚀剂层34定义加热电阻32所需的接触电极的位置及大小，最后如图6所示，进行沉积工艺，沉积包含金(Au)、铂(Pt)、铬(Cr)、钛(Ti)或前述金属的组合，形成金属层以覆盖第二光致抗蚀剂层34，再进行剥离工艺，移除第二光致抗蚀剂层34及大部分的该金属层，以形成接触电极36于加热电阻32之上。接触电极36不限于前述先形成与接触电极36图案互补的光致抗蚀剂图案、以及后续利用剥离工艺移除光致抗蚀剂图案以完成制作接触电极36的方式，已知的方法如：先沉积金属层，再以定义接触电极位置、大小的图案化光致抗蚀剂为掩模并进行蚀刻工艺，最后移除图案光致抗蚀剂以曝露出制作完成的接触电极等的一连串的半导体工艺，亦可以用于本发明以制作接触电极。
另外，依据本发明的第二优选实施例，其揭露另一超合金微型加热器的制作方法，相关的图示说明请参考图7至图9。如图7所示，提供基底40，基底40的正面形成有绝缘层42以及图案化光致抗蚀剂44。绝缘层40通常是由具有良好热绝缘效果的氧化硅材料所构成，且图案化光致抗蚀剂44历经光致抗蚀剂涂布工艺与黄光工艺形成图案化光致抗蚀剂以反向定义本发明的加热电阻的位置和图案。接着如图8所示，进行溅镀工艺，形成超合金薄膜46以覆盖图案化光致抗蚀剂44。该溅镀工艺利用如图1所绘示的溅镀系统，以适合的工艺条件运作之，详细工艺内容已于前述的第一优选实施例中叙述，在此便不多做说明。然后如图9所示，进行剥离工艺，移除图案化光致抗蚀剂44及位于图案化光致抗蚀剂表面的超合金薄膜46，以图案化该超合金薄膜46，形成由超合金材料所构成的加热电阻48。最后，利用如图5及图6的接触电极的制作流程，形成接触电极50于加热电阻48之上，相关的说明请参考图5及图6，在此不再重复叙述。
当本发明的超合金微加热器完成后，可另与其它腔体如印表机喷嘴的墨水腔或生物芯片的反应槽结合，由于接触电极的电阻远小于加热电阻的电阻，使得电能主要由加热电阻转换成热能，来为该腔体内的流体进行加热。上述图示中所绘示的加热电阻或接触电极的外型、相对位置或大小为一简单图示，其变化型可依实际工艺更动，并不局限于本发明所揭露的样式。此外，本发明所述的溅镀工艺以简易的直流式溅镀系统为例，亦可配合其它设备，如在溅镀室内增加准直管(collimator)、或是在溅镀室周围加装经射频(RF)电压加压的RF线圈(coils)，提升沉积超合金薄膜的覆盖能力，然而，形成本发明的超合金薄膜的方法并不限于第一、第二优选实施例所述的溅镀工艺，其它已知可用于沉积金属薄膜的工艺，如蒸镀、化学气相沉积、或物理气相沉积等方法，亦适用于本发明。
由于超合金材料本身具有耐高温、高硬度、耐腐蚀、电阻大、升温快等良好高温机械性质，因此适合再行加工形成溅镀靶材，透过溅镀等半导体相关技术形成超合金的加热电阻，大幅提升产品的可靠性及重复性。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的等同变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (11)
1.一种超合金微型加热器，其包含：
基底；
设于该基底的正面的绝缘层；
设于该绝缘层之上的包含超合金)材料的加热电阻；以及
设于该加热电阻之上的接触电极。
2.如权利要求1所述的超合金微型加热器，其中该加热电阻包含图案。
3.如权利要求1所述的超合金微型加热器，其中该接触电极与外部电源连接，提供电流并由该加热电阻将电能转换为热能。
4.如权利要求1所述的超合金微型加热器，其中该超合金材料包含镍基超合金、高镍基比超合金、镍钴基超合金、铁基超合金、镍铬超合金、NX-188合金或其混合物。
5.一种超合金微型加热器的制作方法，其包含：
提供基底与超合金溅镀靶，该超合金溅镀靶与溅镀系统的阴极电连接，且该基底的正面设有绝缘层及图案化光致抗蚀剂；
进行溅镀工艺，在该绝缘层与该图案化光致抗蚀剂表面上形成超合金薄膜；以及
进行剥离工艺，剥除该图案化光致抗蚀剂并移除位于该图案化光致抗蚀剂表面的该超合金薄膜以图案化该超合金薄膜，以构成加热电阻。
6.如权利要求5所述的制作方法，其中进行溅镀工艺时，利用含氦或氩的等离子体气体，将超合金溅镀至该绝缘层与该图案化光致抗蚀剂表面，形成该超合金薄膜。
7.如权利要求5的制作方法，其中在该加热电阻形成后，另包含接触电极的制作工艺，其步骤如下：
在该加热电极表面形成第二光致抗蚀剂层；
进行黄光工艺，图案化该第二光致抗蚀剂，以定义接触电极的位置及图案；
进行沉积工艺，形成金属层以覆盖该第二光致抗蚀剂及部分的加热电极表面；以及
进行剥离工艺，移除该第二光致抗蚀剂及该金属层，以形成该接触电极。
8.如权利要求5所述的制作方法，其中该超合金溅镀靶包含镍基超合金、高镍基比超合金、镍钴基超合金、铁基超合金、镍铬超合金、NX-188合金或其混合物。
9.一种超合金微型加热器的制作方法，其包含：
提供基底与超合金溅镀靶，该超合金溅镀靶与溅镀系统的阴极电连接，且该基底的正面设有绝缘层；
进行溅镀工艺，在该绝缘层与该图案化光致抗蚀剂表面形成超合金薄膜；以及
形成图案化光致抗蚀剂以覆盖该超合金薄膜；
进行蚀刻工艺，以该图案化光致抗蚀剂为屏蔽，图案化该超合金薄膜；以及
移除该图案化光致抗蚀剂并暴露该图案化的超合金薄膜，以形成加热电阻。
10.如权利要求9的制作方法，其中在该加热电阻形成后，另包含接触电极的制作工艺，其步骤如下：
在该加热电极表面形成第二光致抗蚀剂层；
进行黄光工艺，图案化该第二光致抗蚀剂，以定义接触电极的位置及图案；
进行沉积工艺，形成金属层以覆盖该第二光致抗蚀剂及部分的加热电极表面；以及
进行剥离工艺，移除该第二光致抗蚀剂及该金属层，以形成接触电极。
11.如权利要求9所述的制作方法，其中该超合金溅镀靶包含镍基超合金、高镍基比超合金、镍钴基超合金、铁基超合金、镍铬超合金、NX-188合金或其混合物。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20080618 |