专利名称：独石流体喷射装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种独石(monolithic)流体喷射装置及其制造方法，特别地，涉及一种改善工艺良率及稳定性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独石工艺两种，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；对于独石流体喷射装置，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所形成的薄膜所组成。目前流体喷射装置大多应用于喷墨头、燃料喷射器、生物科技的药剂注射、微全分析是统(μ-TAS)与无光罩线路系统等范围，其中喷墨头更是大量地使用热趋气泡式设计。
图1显示一种公知的美国专利No.6102530的独石流体喷射装置1，始于硅衬底10，且在硅衬底10上形成结构层12，在硅衬底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。
公知的独石流体喷射装置的结构层为金属层，其材料可为金、铂、镍或镍合金；流体通道的制作方式是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芯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，以各向异性蚀刻在芯片上形成。
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，这样的工艺在稳定性上有其一定的限制而无法达到理想的最佳参数，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。
独石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，才可以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，因此需要一种独石流体喷射装置及其制造方法。
发明内容
鉴于此，本发明的主要目的是提供一种独石流体喷射装置及制造方法，在电镀起始层下方设置保护层，在形成电镀起始层的高温工艺时，可保护牺牲层不会产生变质，且可改善移除牺牲层及电镀起始层时的工艺稳定度。借助于在牺牲层结构上形成保护层，可改善移除电镀起始层及牺牲层时的底切及移除不完全的现象，由此提升工艺良率。
为实现本发明的上述目的，本发明提供一种独石流体喷射装置的制造方法，包括提供衬底，且上述衬底具有第一表面和第二表面；在上述衬底的上述第一表面上形成图案化牺牲层；在上述图案化牺牲层上形成图案化保护层；在上述衬底的上述第一表面上形成电镀起始层，且覆盖该图案化保护层；在上述电镀起始层上形成图案化光致抗蚀剂层；在暴露的上述电镀起始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上述电镀起始层及上述图案化保护层，以形成一喷孔。上述独石流体喷射装置的制造方法，还包括由蚀刻上述衬底的上述第二表面，在上述衬底中形成流体通道，以露出上述图案化牺牲层；接着，进一步包括移除上述图案化牺牲层，以形成流体腔，且此流体腔与上述喷孔及上述流体通道连通；在上述金属结构层上形成化学稳定的金属薄膜。其中上述独石流体喷射装置的制造方法中的保护层具有化学稳定性及隔绝热的能力，此保护层可隔离电镀起始层与喷液间的接触，所以本发明可不需移除电镀起始层，因此，可避免移除电镀起始层造成底切效应而导致金属结构层剥落，且此保护层还可吸收或阻绝在溅镀或蒸镀时的高温工艺所产生的热，以保护牺牲层不会因高温而变质，从而利于后续移除牺牲层步骤时，此牺牲层不会因变质而造成残留。
本发明还提供一种独石流体喷射装置，包括衬底，具有第一表面，且上述衬底中具有流体通道；保护层，形成在上述衬底的上述第一表面上；电镀起始层，形成于上述保护层上方；金属结构层，形成于上述电镀起始层上，此金属结构层与上述衬底的上述第一表面间形成流体腔，且上述保护层与上述金属结构层中具有喷孔，与上述流体腔连通。上述独石流体喷射装置还包括化学稳定的金属薄膜，其形成在该金属结构层上，且该化学稳定的金属薄膜从该金属结构层上表面延伸至该喷孔内。其中上述独石流体喷射装置中的保护层具有化学稳定性及隔绝热的能力，此保护层可隔离电镀起始层与喷液间的接触，所以本发明可不需移除电镀起始层，因此，可避免移除电镀起始层所造成的底切效应，而导致金属结构层剥落，且此保护层还可吸收或阻绝在溅镀或蒸镀时的高温工艺所产生的热，从而保护牺牲层不会因高温而变质，以利于后续移除牺牲层步骤时，此牺牲层不会因变质而造成残留。
图1是一种公知的独石流体喷射装置的剖视图；图2a-2n是本发明的独石流体喷射装置第一实施例的一系列工艺剖视图；图3是本发明的独石流体喷射装置第二实施例的剖视图。
主要元件符号说明1～独石流体喷射装置；10～硅衬底；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～独石流体喷射装置；100b～独石流体喷射装置；200～衬底；201～驱动电路；202～加热器；204～牺牲层；204a～图案化牺牲层；205～图案化光致抗蚀剂层；206～保护层；206a～图案化保护层；207～图案化光致抗蚀剂层；208～电镀起始层；209～图案化光致抗蚀剂层；210～金属结构层；211～喷孔；212～流体通道；216～流体腔；214～化学稳定的金属薄膜；301～第一表面；302～第二表面。
具体实施例方式
以下利用工艺剖视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2n及图3显示优选实施例的工艺中间阶段剖视图，在本发明各实施例中，相同的符号表示相同的元件。
请参照图2a，其显示第一实施例中，形成流体喷射装置100a的起始步骤。首先，提供例如硅的衬底200，其具有第一表面301与第二表面302。在衬底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优选为由电阻层构成的气泡产生器，其中驱动电路201以及加热元件202是由半导体工艺形成。
请参照图2b及2c，其显示在衬底200的第一表面301上形成厚度为10～40μm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是由化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD)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，利用微影工艺在牺牲层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，同时以包含有机溶剂的蚀刻方式将部份牺牲层204湿蚀刻移除，从而在衬底200的第一表面301上留下图案化牺牲层204a。还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剥除图案化光致抗蚀剂层205。从而在衬底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。
请参照图2d，其显示在衬底200的第一表面301上形成保护层206，且覆盖驱动电路201以及图案化牺牲层204a。保护层206是由化学气相沉积法(CVD)形成或者以旋转涂布法形成的高分子聚合物。上述保护层206的材质可包括氮化硅、氧化硅、多晶硅或高分子聚合物，其中高分子聚合物可以是光致抗蚀剂，在接下来的蒸镀及溅镀工艺中，可吸收那些工艺时的高温，使得光致抗蚀剂本身固化，以具有良好的化学稳定性，上述光致抗蚀剂例如是厂商BREWER SCIENCE INC.制作的PSKTM2000光致抗蚀剂。保护层206的厚度范围优选为3000～4000，其中此保护层206优选厚度约为3500。
请参照图2e，其显示利用微影工艺在保护层206上形成图案化光致抗蚀剂207，利用此图案化光致抗蚀剂207作为蚀刻掩模，同时以包含有机溶剂的蚀刻方式将部分保护层206湿蚀刻移除，从而在上述图案化牺牲层204a上留下图案化保护层206a，如图2f所示。还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剥除图案化光致抗蚀剂层207。从而在上述图案化牺牲层204a上留下图案化的保护层206a。上述图案化保护层206a具有良好的化学稳定性及隔绝热的能力。
接着，请参照图2g，其显示在衬底200的第一表面301上形成电镀起始层208，且覆盖驱动电路201及图案化保护层206a。此电镀起始层208可利用蒸镀或溅镀的方式形成。电镀起始层208材质可以是钛或金。此电镀起始层208的优选厚度范围介于500～1000。
请参照图2h，其显示利用微影工艺在电镀起始层208上形成图案化光致抗蚀剂209。接下来，请参照图2i，其显示在暴露的此电镀起始层208上形成金属结构层210。金属结构层208可利用电镀或无电镀法形成，其材质可包括镍、金、铜、银、铬、镍合金、锡铅合金、锌合金或铝合金等金属，且金属结构层210与图案化光致抗蚀剂层209相邻，其厚度与图案化光致抗蚀剂层的厚度相近，优选实施例中，金属结构层210的优选厚度为10～40μm。
请参照图2j，其显示在金属结构层210中形成喷孔211，可使用例如干式或湿式蚀刻法蚀刻图案化光致抗蚀剂209与该图案化光致抗蚀剂层209下方的电镀起始层208，如图2k所示。接着再移除部分图案化保护层206a，直到露出图案化牺牲层204a为止，从而形成喷孔211，如图21所示。图案化光致抗蚀剂209为形成金属结构层210的母模，其位置及大小形状决定了金属结构层210以及喷孔211的位置及大小形状。
请参照图2m，其显示在衬底200中形成流体通道212。其方法可为公知的微影工艺/各向异性蚀刻方式例如干式蚀刻法或湿式蚀刻法，从衬底200的第二表面302选择性地蚀刻衬底200，从而在衬底200中形成流体通道212，直到露出图案化牺牲层204a为止。
请参照图2n，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，从而形成流体腔214，且流体腔214与喷孔211及流体通道212连通。以形成本发明第一实施例的流体喷射装置100a。其中上述图案化保护层206a可隔离上述电镀起始层208与喷液间的接触，以避免此电镀起始层208与喷液产生化学变化。因此，在移除上述牺牲层204a后，不需移除此电镀起始层208，所以可避免移除电镀起始层208时，在电镀起始层208与上述衬底200的第一表面301接触部位产生底切的现象。进而，增强金属结构层210的结构完整性。而且，上述图案化保护层206a可吸收上述形成电镀起始层208的高温工艺所产生的热，以避免上述图案化牺牲层204a产生变质(例如交联(cross-link)等)，因此，可改善移除此图案化牺牲层204a时，所造成图案化牺牲层204a残留的问题。
如上所述的流体喷射装置100a，包括衬底200，具有第一表面301，且衬底200中具有流体通道212；保护层206a，形成于衬底200的第一表面301上；电镀起始层208，形成于上述保护层206a上；金属结构层210，形成于电镀起始层208及保护层206a上，金属结构层210与衬底200的第一表面301间形成流体腔214，且电镀起始层208及保护层206a与金属结构层210中具有喷孔211，与流体腔214连通。
图3是本发明第二实施例的流体喷射装置100b的剖视图，其显示在该金属结构层210上形成化学稳定的金属薄膜216，且此化学稳定的金属薄膜216从金属结构层210上表面延伸至喷孔211内。化学稳定的金属薄膜216的优选厚度为1μm，其材质可包含金或其合金。优选实施例中，化学稳定的金属薄膜216可利用无电镀法形成，其厚度优选为1μm。其中元件与图2a至2n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独石流体喷射装置100a与100b中，主要差异在于独石流体喷射装置100b将化学稳定的金属薄膜216形成在金属结构层210上，且化学稳定的金属薄膜216从金属结构层210上表面延伸至喷孔211内。此化学稳定的金属薄膜216具有可防止金属结构层210表面氧化的功能。
虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但是其并非用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下可进行改动与润饰，因此本发明的保护范围应当以所附权利要求的定义为准。
权利要求
1.一种独石流体喷射装置的制造方法，包括提供衬底，且该衬底具有第一表面及第二表面；在该衬底的所述第一表面上形成图案化牺牲层；在该图案化牺牲层上形成图案化保护层；在该衬底的所述第一表面上形成电镀起始层，且覆盖该图案化保护层；在该电镀起始层上形成图案化光致抗蚀剂层；在暴露的该电镀起始层上形成金属结构层，且该金属结构层与该图案化光致抗蚀剂层相邻；移除该图案化光致抗蚀剂层与该图案化光致抗蚀剂层下方的该电镀起始层及该图案化保护层，从而形成喷孔。
2.如权利要求1所述的独石流体喷射装置的制造方法，其中还包括在该衬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所述的独石流体喷射装置的制造方法，其中该图案化牺牲层覆盖该加热元件。
4.如权利要求1所述的独石流体喷射装置的制造方法，其中该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所述的独石流体喷射装置的制造方法，其中该高分子聚合物为光致抗蚀剂。
6.如权利要求1所述的独石流体喷射装置的制造方法，其中该图案化保护层包括氮化硅、氧化硅、多晶硅或高分子聚合物。
7.如权利要求6所述的独石流体喷射装置的制造方法，其中该高分子聚合物为光致抗蚀剂。
8.如权利要求7所述的独石流体喷射装置的制造方法，其中该光致抗蚀剂为BREWER SCIENCE INC.制作的PSKTM2000光致抗蚀剂。
9.如权利要求1所述的独石流体喷射装置的制造方法，其中该金属结构层包括镍、金、铜、银、铬或其合金。
10.如权利要求1所述的独石流体喷射装置的制造方法，其中该金属结构的厚度与该图案化光致抗蚀剂层的厚度相近。
11.如权利要求1所述的独石流体喷射装置的制造方法，其中在形成该喷口后，还包括在该金属结构层上形成化学稳定的金属薄膜。
12.如权利要求11所述的独石流体喷射装置的制造方法，其中该化学稳定的金属薄膜为金或其合金。
13.如权利要求12所述的独石流体喷射装置的制造方法，其中形成该化学稳定的金属薄膜的方式包括电镀或无电镀法。
14.如权利要求2所述的独石流体喷射装置的制造方法，其中该加热元件为金属。
15.如权利要求2所述的独石流体喷射装置的制造方法，其中该驱动电路为金属氧化物半导体。
16.如权利要求1所述的独石流体喷射装置的制造方法，还包括通过蚀刻该衬底的所述第二表面，在该衬底中形成流体通道，从而露出该图案化牺牲层。
17.如权利要求16所述的独石流体喷射装置的制造方法，还包括移除该图案化牺牲层，从而形成流体腔，且该流体腔与该喷孔及该流体通道连通。
18.一种独石流体喷射装置，包括衬底，具有第一表面，且该衬底中具有流体通道；保护层，形成于该衬底的该第一表面上；电镀起始层，形成于该保护层上方；金属结构层，形成于该电镀起始层上，该金属结构层与该衬底的该第一表面间形成流体腔，且该保护层与该金属结构层中具有喷孔，与该流体腔连通。
19.如权利要求18所述的独石流体喷射装置，其中还包括在该衬底的该第一表面上形成加热元件及驱动电路。
20.如权利要求19所述的独石流体喷射装置，其中该加热元件位于流体腔中。
21.如权利要求18所述的独石流体喷射装置，其中该保护层包括氮化硅、氧化硅、多晶硅或高分子聚合物。
22.如权利要求21所述的独石流体喷射装置，其中该高分子聚合物为光致抗蚀剂。
23.如权利要求18所述的独石流体喷射装置，其中该保护层的厚度范围介于3000～4000。
24.如权利要求18所述的独石流体喷射装置，其中该电镀起始层的厚度范围介于900～1100。
25.如权利要求18所述的独石流体喷射装置，其中该金属结构层包括镍、金、铜、银、铬或其合金。
26.如权利要求18所述的独石流体喷射装置，其中该流体腔与该喷孔及该流体通道连通。
27.如权利要求18所述的独石流体喷射装置，还包括化学稳定的金属薄膜，形成在该金属结构层上，且该化学稳定的金属薄膜从该金属结构层上表面延伸至该喷孔内。
28.如权利要求27所述的独石流体喷射装置，其中该化学稳定的金属薄膜为金或其合金。
29.如权利要求27所述的独石流体喷射装置，其中形成该化学稳定的金属薄膜的方式包括电镀或无电镀法。
30.如权利要求19所述的独石流体喷射装置，其中该加热元件为金属。
31.如权利要求19所述的独石流体喷射装置，其中该驱动电路为金属氧化物半导体。
全文摘要
本发明提供一种独石流体喷射装置及其制造方法，该独石流体喷射装置包括衬底，具有第一表面，且上述衬底中具有流体通道；保护层，形成于上述衬底的上述第一表面上；电镀起始层，形成于上述保护层上方；金属结构层，形成于上述电镀起始层上，此金属结构层与上述衬底的上述第一表面间形成流体腔，且上述保护层与上述金属结构层中具有喷孔，与上述流体腔连通。上述独石流体喷射装置还可包括化学稳定的金属薄膜，形成于上述金属结构层上，且上述化学稳定的金属薄膜从此金属结构层上表面延伸至上述喷孔内。
文档编号B41J2/16GK101062498SQ20061008010
公开日2007年10月31日 申请日期2006年4月28日 优先权日2006年4月28日
发明者沈光仁, 陈苇霖, 洪益智 申请人:明基电通股份有限公司