CN1447190A - 流体喷射装置制造方法 - Google Patents

Abstract

一种流体喷射装置制造方法，在设计流体喷射装置结构时，通过蚀刻时掩模的图案设计，使未蚀刻间隔部产生互补几何形状，或对未蚀刻间隔部进行离子注入等方式，以在蚀刻时有效地延长蚀刻时间，使蚀刻后的间隔部接近特定几何形状，且流体腔达到足够的流体腔长度及深度，同时更可进一步避免蚀刻尖角出现的问题，防止于喷射时相邻该流体腔产生相互干扰(cross talk)的现象，而制造出高精度的流体喷射装置，并提高其性能及品质。

Description

流体喷射装置制造方法

                        技术领域

本发明涉及一种流体喷射装置的蚀刻制作工艺设计，特别是涉及一种通过在制作工艺中加入蚀刻互补或离子注入的步骤设计，而得到高精度的流道与流体腔的流体喷射装置制造方法。

                        背景技术

现今，流体技术已广泛应用于各科技领域之中，例如打印染机喷墨头、燃油喷射装置或是生物医学系统等领域之科技产品，均需使用到流体喷射之功能。

光电(Opt-electronics)、微电子元件(Microelectronics)、微机电系统(MEMS)等的产品制造上。现今由于流体喷射装置主要以半导体制作工艺来进行制造，因此，硅晶片也常被用来做为流体喷射装置的基材。

现有的流体喷射装置可参见图1来加以说明。图1为美国专利第6,102,530号的内容，揭示一种具有虚拟阀门(Virtual valve)的流体喷射装置，例如一喷墨头。如图1a所示，流体喷射装置10以一硅基材38构成，具有一歧管26，用以输送流体；流体腔14，设于歧管26的一侧，用以容纳该流体；一喷孔18，设于流体腔14表面，用以供该流体喷出；以及一喷射元件20，22，设于喷孔18的周围。

然而，硅晶片为一具有方向性的各向异性结晶材料，因此，在蚀刻时会产生各方向蚀刻结果不同的现象。请参见图2a与图2b，说明硅晶片进行蚀刻时的现象。

图2a为一硅晶片结构500，其表面为{100}的晶格方向，且具有一抗蚀刻层510，抗蚀刻层510上具有一开口，使蚀刻液(未图示)可对硅基材520进行蚀刻。若以蚀刻液，例如一氢氧化钾(KOH)蚀刻液，对硅晶片500进行一各向异性蚀刻时，由于该氢氧化钾蚀刻液对硅基材520上各晶面的蚀刻速率不同，在[110]方向具有较快的蚀刻速度，因此在蚀刻后，会在硅基材520表面产生与原{100}面夹角θ＝54.74度的晶格方向{111}的斜面522、524，而造成空间上的损失。

请再参见图2b，其显示另一硅晶片进行蚀刻的例子。图2b中的硅晶片500与图2a中的硅晶片500不同之处在于，图2b的抗蚀刻层510具有不同的开口图形，因此造成硅基材520蚀刻结果不同，而产生不同晶格方向的斜面，例如图2b中晶格方向{111}的斜面526以及晶格方向{112}的斜面528。

由上述硅晶片的蚀刻现象可得知，图1中的现有流体喷射装置10，在以各向异性蚀刻的方式来制造歧管26与流体腔14时，由于各向异性蚀刻的制作工艺对于不同晶格方向有不同的蚀刻速度，因此如图3a所示，在对硅基材38进行蚀刻以产生流体腔14的制作工艺中，势必也会对隔开流体腔14的间隔部30基材部分产生过蚀刻的现象，造成流体腔长度与设计上有差异。如此，就使用上而言，不但可能增加各流体腔14间的相互干扰(Cross talk)，同时若间隔部30基材部分产生过蚀刻较为严重，而如图3b所示，出现蚀刻尖角31时，会在蚀刻尖角31产生应力集中效应，对结构的强度及使用寿命上都会造成直接的影响。特别是当流体喷射装置10结构尺寸越小时，此一现象就更为严重，故在制造高精度的流体腔14时就会受到限制。

由于流体喷射装置的设计基于未来趋势的要求，必须朝向装置小型化与高精度的方向加以改进，因此必然受限于上述各向异性蚀刻制作工艺所产生的问题。

                        发明内容

本发明的目的在于针对流体喷射装置的制作工艺设计加以改变，通过蚀刻互补或离子注入等方法来避免流体腔间隔部的过蚀刻现象，因而可应用在打印染机喷墨头、燃油喷射装置或是生物医学系统等领域的流体喷射装置制造，解决现有流体喷射装置在各向异性蚀刻制作工艺所产生的问题。

本发明的第一形态是提供了一种流体喷射装置制造方法，其中该流体喷射装置用以喷射流体，且具有多个流体腔以及用以分隔流体腔的多个间隔部，而间隔部具有一特定几何形状。本发明第一形态的流体喷射装置制造方法包括下列步骤：提供一基材；提供一掩模，具有一互补图案；在该基材上涂覆(coating)一光致抗蚀剂层；在该光致抗蚀剂层上转移该互补图案，而决定多个未蚀刻间隔部，该各未蚀刻间隔部具有大于该特定几何形状的互补几何形状；以及对该基材进行蚀刻(etching)，使该基材经蚀刻后构成具有该特定几何形状的该各间隔部。

上述第一形态的流体喷射装置制造方法中，转移互补图案于光致抗蚀剂层上的步骤可还包括下列步骤：通过该掩模对该光致抗蚀剂层进行曝光；以及对该光致抗蚀剂层进行显影，而于该光致抗蚀剂层上形成多个未蚀刻间隔部。互补几何形状可为将特定几何形状沿基材的至少一晶格方向增加面积而构成的形状。

另外，本发明的第二形态揭示一种流体喷射装置制造方法，其中该流体喷射装置用以喷射流体，且具有多个流体腔以及用以分隔流体腔的多个间隔部，而该各间隔部具有一特定几何形状。本发明的第二形态的流体喷射装置制造方法包括下列步骤：提供一基材；对基材上预定的间隔部区域进行离子注入(ion implanting)；以及对基材进行蚀刻，使基材经蚀刻后构成具有特定几何形状的间隔部。

上述第二形态的流体喷射装置制造方法中，离子注入步骤可采用硼离子、磷离子或砷离子其中之一者进行注入。

另外，本发明的第三形态揭示一种流体喷射装置制造方法，其中该流体喷射装置用以喷射流体，且具有多个流体腔及用以分隔流体腔的多个间隔部，而间隔部具有一特定几何形状。本发明第三形态的流体喷射装置制造方法包括下列步骤：提供一基材；提供一掩模，其具有一图案；在基材上涂覆一光致抗蚀剂层；在光致抗蚀剂层上转移图案，而形成多个间隔形状，该各间隔形状大于特定几何形状；以及对基材进行蚀刻，使基材经蚀刻后形成具有特定几何形状的间隔部，且间隔部还至少具有一突出部，用以防止于喷射时相邻流体腔产生相互干扰(cross talk)的现象。

上述第三形态的流体喷射装置制造方法中，转移图案于光致抗蚀剂层上的步骤可还包括下列步骤：通过该掩模对该光致抗蚀剂层进行曝光；以及对该光致抗蚀剂层进行显影，而在该光致抗蚀剂层上形成多个未蚀刻间隔部。互补几何形状可为将特定几何形状沿基材的至少一晶格方向增加面积而构成的形状。

本发明的流体喷射装置制造方法中，流体喷射装置可还包括：一流体储存槽，用以储存流体；一歧管，连接流体储存槽与流体腔，用以导引流体由流体储存槽分配至流体腔；多个加热装置，分别位于对应的流体腔，用以加热流体腔内的流体；一顶层结构，用以承载加热装置；以及多个喷孔，分别连接于流体腔，用以喷射流体腔内的流体。另外，基材可为具有单晶结构的材料或具有各向异性蚀刻性质的材料。蚀刻步骤则可采用湿式蚀刻方式(wet etching)。

通过本发明的流体喷射装置制造方法，可针对半导体制作工艺的流体喷射装置制作工艺，特别是在蚀刻制作工艺上加以改进，而提供小型化的高精度流体喷射装置结构，例如打印染机喷墨头制造时。同时，本发明可改善流体喷射现象，例如打印染机喷墨头进行喷墨中的相互干扰(Crosstalk)的现象会减少；且应用本发明可使高分辨率喷嘴在制造上更为容易，且对产品的使用寿命及良率上也可有大幅的提高。

                       附图说明

图1为现有流体喷射装置结构的示意图；

图2a与图2b为现有硅晶片各向异性蚀刻的结构的示意图；

图3a为图1中现有流体喷射装置结构的间隔部产生过蚀刻的示意图；

图3b为图1中现有流体喷射装置结构的间隔部产生蚀刻尖角的示意图；

图4为本发明第一形态的流体喷射装置制造的流程图；

图5a与图5b为本发明一实施例的未蚀刻间隔部结构的互补几何形状的示意图；

图5c与图5d为图5b的结构进行蚀刻后的示意图；

图6a与图6b为本发明另一实施例的未蚀刻间隔部结构的互补几何形状的示意图；

图6c与图6d为图6b图的结构进行蚀刻后的示意图；

图7a与图7b为本发明另一实施例的未蚀刻间隔部结构的互补几何形状的示意图；

图7c与图7d为图7b的结构进行蚀刻后的示意图；

图8为本发明第二形态的流体喷射装置制造的流程图；

图9a为本发明一实施例的离子注入未蚀刻间隔部结构的示意图；

图9b为图9a的结构进行蚀刻后的示意图。

                      具体实施方式

本发明为了解决现有流体喷射装置在各向异性蚀刻制作工艺所产生的问题，而提出一种流体喷射装置制造方法。本发明所制造的流体喷射装置与图1、图3a以及图3b所示的现有流体喷射装置10相似，具有多流体腔14，而各流体腔14之间是以多间隔部30分隔，且间隔部30具有一特定几何形状，例如为一长方体。另外，流体喷射装置还可包括有储存流体的一流体储存槽(未图示)、连接流体储存槽与流体腔14的歧管26、以及连接于流体腔14，用以喷射流体的喷孔18。又，某些流体喷射装置还设有对应于流体腔14的加热装置，用以加热流体腔内的流体，以及用以承载加热装置的一顶层结构。

请参见图4，说明本发明第一形态的流体喷射装置制造方法。首先，提供用以制造流体喷射装置的一基材(步骤S110)，基材可使用具有单晶结构的材料，或具有各向异性蚀刻性质的材料，例如一硅基材。其次，提供一掩模，具有一互补图案(步骤S120)，用以对该基材进行曝光照射，该互补图案的目的是在基材上经由后续的曝光与显影各步骤形成具有互补几何形状的未蚀刻间隔部。接着，在基材上涂覆(Coating)一光致抗蚀剂层(步骤S130)，以准备进行曝光制作工艺；然后通过掩模对涂覆于基材上的光致抗蚀剂层进行曝光照射(步骤S140)，并对光致抗蚀剂层进行显影，以在光致抗蚀剂层上形成具有互补几何形状的多个未蚀刻间隔部(步骤S145)。通过步骤S140与S145的曝光与显影制作工艺，可将该互补图案转移在该光致抗蚀剂层上，而决定未蚀刻间隔部。然后，对该基材采用湿式蚀刻等方式进行蚀刻，使经由前述步骤而具有互补几何形状的未蚀刻间隔部经蚀刻后，由于具有多余的互补区域供蚀刻，而构成具有所需的特定几何形状的间隔部，同时产生流体腔(步骤S150)。如此，即可避免过蚀刻的发生，而完成高精度的流体喷射装置(步骤S160)。

上述第一形态的流体喷射装置制造方法中，互补几何形状必须大于间隔部所需的特定几何形状，也就是说，互补几何形状是由间隔部所需的特定几何形状再加上互补区域所形成。由于基材通常使用硅晶片等具有各向异性蚀刻性质的材料或具有单晶结构的材料，因此若能将特定几何形状沿基材的至少一晶格方向增加面积，其构成的形状即可适用于互补几何形状。

以下分别以三个实施例来说明互补几何形状的例子。其中，间隔部所需的特定几何形状如图3a与图3b所示相同，为长方形。

请参见图5a与图5b，其显示本发明一实施例的未蚀刻间隔部的互补几何形状结构。图5a的基材100为一硅基材，其上具有多未蚀刻间隔部110。根据现有技术，可得知硅基材100在[110]的方向具有较快的蚀刻速度；因此，本实施例的未蚀刻间隔部110即如图5b所示，由间隔部所需的长方形向[110]方向延伸，而产生互补区域112。如此，在进行蚀刻时，未蚀刻间隔部110可如图5c以及图5d所示，互补区域112会先受蚀刻，减缓蚀刻尖角的出现，而可较为接近间隔部所需的特定几何形状。

另外，请参见图6a与图6b，显示另一实施例的互补几何形状结构。本实施例与前一实施例相同，基材100为一硅基材，其上具有多未蚀刻间隔部110，差别仅在于所使用的互补几何形状。如图6b所示，本实施例的未蚀刻间隔部110由间隔部所需的长方形向[100]方向延伸，同时由于[110]方向具有较快的蚀刻速度，因此将延伸的部分向侧方加宽面积，而产生互补区域114。如此，在进行蚀刻时，如图6c以及图6d所示，互补区域114会先受蚀刻，而减缓蚀刻尖角的出现，使蚀刻后的间隔部接近所需的特定几何形状。

另外，请再参见图7a与图7b，其显示另一实施例的互补几何形状结构。本实施例与前述的实施例相同，基材100为一硅基材，其上具有多未蚀刻间隔部110，差别仅在于所使用的互补几何形状。如图7b所示，本实施例的未蚀刻间隔部110由间隔部所需的长方形，在角部向[100]方向延伸，而产生长方形的互补区域116。如此，在进行蚀刻时，如图7c以及图7d所示，互补区域116会先受蚀刻，而同样可减缓蚀刻尖角的出现，接近间隔部所需的特定几何形状。

在此必须说明，由于本发明所制造的流体喷射装置中，间隔部所需的特定几何形状并非限定如上述的长方形，因此上述各实施例所述的互补几何形状并非用以限定本发明。换言之，本发明的流体喷射装置制造方法，可依所制造的流体喷射装置中间隔部的特定几何形状，来决定互补几何形状的设计，例如将特定几何形状沿基材的至少一晶格方向增加面积而产生互补几何形状。

另外，上述各实施例中，若将蚀刻的S150步骤控制成如图5c、图6c或图7c所示，在蚀刻后的间隔部还至少具有一突出部，则可达成本发明另一形态的目的，用以防止于喷射时相邻该流体腔产生相互干扰(cross talk)的现象。

其次，请参见图8，说明本发明第二形态的流体喷射装置制造方法。首先，提供用以制造流体喷射装置的一基材(步骤S210)，基材可使用具有单晶结构的材料，或具有各向异性蚀刻性质的材料，例如一硅基材。其次，对基材上预定的间隔部区域进行离子注入，将离子植入(步骤S220)，以如图9a所示，在基材100上形成预定做为未蚀刻间隔部的离子注入区域120与预定做为流体腔的离子未注入区域130。如此，离子注入区域120的基材被蚀刻率会大幅降低。然后，即可对该基材采用湿式蚀刻等方式进行蚀刻，使经由前述步骤而植入离子的未蚀刻间隔部经蚀刻后，如图9b所示，构成具有所需的特定几何形状的间隔部120，同时产生流体腔140(步骤S230)。如此，同样可避免过蚀刻的发生，而完成高精度的流体喷射装置(步骤S240)。

在此必须说明的是，上述第一与第二形态的蚀刻步骤在说明时均采用湿式蚀刻方式，以得到较佳的效果；然而，本发明并非限定蚀刻制作工艺所采用的蚀刻方式。

根据本发明所揭露的流体喷射装置制造方法，在结构设计时可经由使用的互补几何形状或离子布值等方式，如此可有效地延长蚀刻时间，以达到足够的流体腔长度及深度，还可进一步改善蚀刻尖角出现的问题，避免喷射时相邻流体腔产生相互干扰的现象，以制造出高精度的流体喷射装置，并提高其性能及质量。

虽然以上结合数个较佳实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围，仍可作少许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应以权利要求所界定的为准。

Claims (20)

1.一种流体喷射装置制造方法，其中该流体喷射装置用以喷射流体，且具有多个流体腔以及用以分隔该各流体腔的多个间隔部，而该各间隔部具有一特定几何形状，其中该流体喷射装置制造方法包括下列步骤：

提供一基材；

提供一掩模，具有一互补图案；

在该基材上涂覆(coating)一光致抗蚀剂层；

将该互补图案转移在该光致抗蚀剂层上，而决定多个未蚀刻间隔部，该各未蚀刻间隔部具有大于该特定几何形状的互补几何形状；以及

对该基材进行蚀刻(etching)，使该基材经蚀刻后构成具有该特定几何形状的该各间隔部。

2.如权利要求1所述的流体喷射装置制造方法，其中将该互补图案转移在光致抗蚀剂层上的步骤包括下列步骤：

透过该掩模对该光致抗蚀剂层进行曝光；以及

对该光致抗蚀剂层进行显影，而在该光致抗蚀剂层上形成多个未蚀刻间隔部。

3.如权利要求1所述的流体喷射装置制造方法，其中该流体喷射装置还包括：

一流体储存槽，用以储存该流体；

一歧管，连接该流体储存槽与该各流体腔，用以导引该流体由该流体储存槽分配至该各流体腔；

多个加热装置，分别位于对应的该各流体腔，用以加热该各流体腔内的该流体；

一顶层结构，用以承载该各加热装置；以及

多个喷孔，分别连接于该各流体腔，用以喷射该各流体腔内的该流体。

4.如权利要求1所述的流体喷射装置制造方法，其中该基材具有单晶结构的材料。

5.如权利要求1所述的流体喷射装置制造方法，其中该基材具有各向异性蚀刻性质的材料。

6.如权利要求1所述的流体喷射装置制造方法，其中该互补几何形状将该特定几何形状沿该基材的至少一晶格方向增加面积而构成的形状。

7.如权利要求1所述的流体喷射装置制造方法，其中该蚀刻步骤采用湿式蚀刻方式(wet etching)。

8.一种流体喷射装置制造方法，其中该流体喷射装置用以喷射流体，且具有多个流体腔以及用以分隔该各流体腔的多个间隔部，而该各间隔部具有一特定几何形状，其中该流体喷射装置制造方法包括下列步骤：

提供一基材；

对该基材上预定的间隔部区域进行离子注入(ion implanting)；以及

对该基材进行蚀刻，使该基材经蚀刻后构成具有该特定几何形状的该各间隔部。

9.如权利要求8所述的流体喷射装置制造方法，其中该流体喷射装置还包括：

一流体储存槽，用以储存该流体；

一歧管，连接该流体储存槽与该等流体腔，用以导引该流体由该流体储存槽分配至该各流体腔；

多个加热装置，分别位于对应的该各流体腔，用以加热该各流体腔内的该流体；

一顶层结构，用以承载该各加热装置；以及

多个喷孔，分别连接于该各流体腔，用以喷射该各流体腔内的流体。

10.如权利要求8所述的流体喷射装置制造方法，其中该基材具有单晶结构的材料。

11.如权利要求8所述的流体喷射装置制造方法，其中该基材具有各向异性蚀刻性质的材料。

12.如权利要求8所述的流体喷射装置制造方法，其中该蚀刻步骤采用湿式蚀刻方式。

13.如权利要求8所述的流体喷射装置制造方法，其中该进行离子注入步骤的离子采用选自于硼离子、磷离子及砷离子所形成族群中的任一者以进行离子注入。

14.一种流体喷射装置制造方法，其中该流体喷射装置用以喷射流体，且具有多个流体腔及用以分隔该等流体腔的多个间隔部，而该各间隔部具有一特定几何形状，其中该流体喷射装置制造方法包括下列步骤：

提供一基材；

提供一掩模，其具有一图案；

在该基材上涂覆一光致抗蚀剂层；

将该图案转移在该光致抗蚀剂层上，而形成多个间隔形状，该各间隔形状大于该特定几何形状；以及

对该基材进行蚀刻，使该基材经蚀刻后形成具有该特定几何形状的该各间隔部，且该各间隔部还至少具有一突出部，用以防止于喷射时相邻该流体腔产生相互干扰(cross talk)的现象。

15.如权利要求14所述的流体喷射装置制造方法，其中将该图案转移在光致抗蚀剂层上的步骤包括下列步骤：

通过该掩模对该光致抗蚀剂层进行曝光；以及

对该光致抗蚀剂层进行显影，而在该光致抗蚀剂层上形成多个该间隔形状。

16.如权利要求14所述的流体喷射装置制造方法，其中该流体喷射装置还包括：

一流体储存槽，用以储存该流体；

一歧管，连接该流体储存槽与该各流体腔，用以导引该流体由该流体储存槽分配至该各流体腔；

多个加热装置，分别位于对应的该各流体腔，用以加热该各流体腔内的该流体；

一顶层结构，用以承载该各加热装置；及

多个喷孔，分别连接于该各流体腔，用以喷射该各流体腔内的该流体。

17.如权利要求14所述的流体喷射装置制造方法，其中该基材具有单晶结构的材料。

18.如权利要求14所述的流体喷射装置制造方法，其中该基材具有各向异性蚀刻性质的材料。

19.如权利要求14所述的流体喷射装置制造方法，其中该互补几何形状将该特定几何形状沿该基材的至少一晶格方向增加面积而构成的形状。

20.如权利要求14所述的流体喷射装置制造方法，其中该蚀刻步骤采用湿式蚀刻方式。

Images