微流道结构的制造方法与流程

本案关于一种微流道结构的制造方法，尤指一种使用不同相位电荷的电源驱动的微流道结构的制造方法。

背景技术：

目前于各领域中无论是医药、电脑科技、打印、能源等工业，产品均朝精致化及微小化方向发展，其中微帮浦、喷雾器、喷墨头、工业打印装置等产品所包含的流体输送结构为其关键技术。

随着科技的日新月异，流体输送结构的应用上亦愈来愈多元化，举凡工业应用、生医应用、医疗保健、电子散热等等，甚至近来热门的穿戴式装置皆可见它的踨影，可见传统的流体输送结构已渐渐有朝向装置微小化、流量极大化的趋势。

于现有技术中，虽已有利用微机电制程制出一体成型的微型化流体输送结构，但在使用时因作动方式的不同致使现有利用微机电制程制出的微型化结构无法用来输送气体，是以，如何借创新微型化结构突破其技术瓶颈，为发展的重要内容。

技术实现要素：

本案的主要目的是提供一种微流道结构的制造方法，以标准化微机电制程制造，微流道结构可借由不同相位电荷的电源驱动，用以传输流体。因此，有着开发及量产成本低、稳定的结构尺寸以及平整度、增加作动的可靠性及使用寿命等优点。

本案的一广义实施态样为一种微流道结构的制造方法，包含：1.提供一基板，基板具有相对的一第一表面及一第二表面；2.沉积及蚀刻一第一绝缘层，是先透过一绝缘材料沉积于基板的第一表面上以形成第一绝缘层，再透过蚀刻制程形成至少一第一孔洞b以及至少一第二孔洞，该至少一第二孔洞围绕该至少一第一孔洞而设置；3.沉积及蚀刻一支撑层，是透过一导电材料沉积于第一绝缘层上以形成支撑层，并透过蚀刻定义出一凸部及一导电部；4.沉积及蚀刻一阀层，是透过一氧化材料沉积于支撑层上以形成一第一氧化层，并透过蚀刻定义出一第一锚定区，再透过一导电材料沉积于第一氧化层上以及第一锚定区内以形成阀层，阀层并透过蚀刻定义出一具有高度的基部、一可动部、一固定部以及一中空孔洞；5.沉积及蚀刻一第二绝缘层，是透过一氧化材料沉积于阀层上以形成一第二氧化层，并透过蚀刻定义出一第二锚定区，再透过一绝缘材料沉积于第二氧化层上以及第二锚定区内以形成第二绝缘层，第二绝缘层并透过蚀刻定义出一具有一高度的支撑部；6.沉积及蚀刻一振动层、一下电极层以及一压电致动层，是透过一导电材料沉积于第二绝缘层上以形成振动层，再透过一金属材料沉积于振动层上以形成下电极层，以及再透过一压电材料沉积于下电极层上以形成压电致动层，再透过蚀刻下电极层、压电致动层以定义出所需求下电极层、压电致动层之外型尺寸，且蚀刻定义出振动层的一悬浮部、一外框部、至少一连接部以及一焊垫部，悬浮部、外框部以及至少一连接部之间形成至少一间隙；7.提供一光阻层沉积蚀刻多个焊垫，是透过一光阻材料形成于压电致动层以及振动层上以形成光阻层，再透过蚀刻光阻层定义出多个凹陷区分别在阀层的固定部位置、振动层的外框部位置、压电致动层位置以及焊垫部位置，并透过一金属材料沉积于多个凹陷区上以形成一焊垫层，且透过蚀刻焊垫层形成多个焊垫，多个焊垫分别定义为一于振动层的焊垫部上的一参考电极焊垫，一于压电致动层上之一上电极焊垫，一于振动层之外框部一侧的一下电极焊垫，以及一于阀层的固定部上的一阀层电极焊垫；8.沉积及蚀刻一遮罩层，是透过一氧化材料沉积于基板的第二表面上以形成遮罩层，并透过蚀刻定义出基板的至少一流道以及一容置槽，且容置槽与支撑层的导电部电性相连通，再填入高分子导电材至容置槽内形成一基台电极焊垫，使基台电极焊垫与支撑层的导电部做电性连接；9.蚀刻一第一腔室，是自基板的至少一流道透过蚀刻以将阀层的基部内侧区域的第一氧化层释放移除定义出基部内侧形成第一腔室，并使阀层的中空孔洞与第一腔室相连通；以及10.蚀刻一第二腔室，是自振动层的至少一间隙透过蚀刻以将第二绝缘层的支撑部内侧区域的第二氧化层释放移除定义出支撑部内侧形成第二腔室，并使第二腔室透过中空孔洞与第一腔室相连通。

附图说明

图1为本案微流道结构的剖面示意图。

图2为本案微流道结构的制造方法的流程示意图。

图3a至图3z为本案微流道结构的制造步骤分解示意图。

图4a为本案微流道结构的振动板的俯视示意图。

图4b为本案微流道结构的振动板的其他态样。

图4c为本案微流道结构的基板的俯视示意图。

图5a为本案微流道结构的驱动电荷示意图。

图5b至图5d为本案微流道结构的作动示意图。

附图标记说明

1：微流道结构

1a：基板

11a：第一表面

12a：第二表面

13a：流道

14a：容置槽

1b：第一绝缘层

11b：第一孔洞

12b：第二孔洞

1c：支撑层

11c：凸部

12c：导电部

1d：阀层

11d：第一氧化层

12d：第一锚定区

13d：基部

14d：中空孔洞

15d：可动部

16d：固定部

1e：第二绝缘层

11e：第二氧化层

12e：第二锚定区

13e：支撑部

14e：振动区

15e：焊垫区

1f：振动层

11f：悬浮部

12f：外框部

13f：连接部

14f：间隙

15f：第三锚定区

16f：焊垫部

1g：下电极层

1h：压电致动层

1i：焊垫层

11i：参考电极焊垫

12i：上电极焊垫

13i：下电极焊垫

14i：阀层电极焊垫

1j：遮罩层

11j：导电区

12j：流道区

1k：基台电极焊垫

r1：第一腔室

r2：第二腔室

l1：第一回路

l2：第二回路

l3：第三回路

m：光阻层

m1、m2、m3、m4：凹陷区

s1～s10：微流道结构的制造方法的步骤

具体实施方式

体现本案特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本案能够在不同的态样上具有各种的变化，其皆不脱离本案的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非用以限制本案。

本案的微流道结构用于输送流体，并且增加或是控制流体的流速。请参阅图1，于本案实施例中，微流道结构1包含有：一基板1a、一第一绝缘层1b、一支撑层1c、一阀层1d、一第二绝缘层1e、一振动层1f、一下电极层1g、一压电致动层1h、一焊垫层1i以及一遮罩层1j，其制造方法如下说明。

请参阅图2以及图3a，于本案实施例中，如步骤s1所示，提供基板1a，基板1a为一种多晶硅材料，且具有一第一表面11a以及一相对于第一表面11a的第二表面12a。

请参阅图2、图3a以及图3b，于本案实施例中，如步骤s2所示，沉积及蚀刻第一绝缘层1b，是透过一氮化硅材料沉积制程形成第一绝缘层1b于基板1a的第一表面11a之上，沉积制程可为一物理气相沉积制程(pvd)、一化学气相沉积制程(cvd)或两者的组合，但不以此为限。于本案实施例中，第一绝缘层1b透过一光刻蚀刻制程形成至少一第一孔洞11b以及至少一第二孔洞12b。至少一第二孔洞12b围绕至少一第一孔洞11b而设置。值得注意的是，于本案实施例中，蚀刻制程可为一湿式蚀刻制程、一干式蚀刻制程或两者的组合，但不以此为限。

请参阅图2、图3c以及图3d，于本案实施例中，如步骤s3所示，沉积及蚀刻支撑层1c，是透过一多晶硅材料沉积制程形成支撑层1c于第一绝缘层1b之上(如图3c所示)，并透过光刻蚀刻制程形成一凸部11c及一导电部12c。导电部12c围绕于凸部11c外侧。支撑层1c透过光刻蚀刻制程蚀刻至少一第二孔洞12b的部分，以定义出完整露出的至少一第二孔洞12b(如图3d所示)。

请参阅图2、图3e至图3i，于本案实施例中，如步骤s4所示，沉积及蚀刻阀层1d，是先透过沉积一氧化材料于支撑层1c上以形成一第一氧化层11d，再经平坦化处理(如图3f所示)及蚀刻一第一锚定区12d(如图3g所示)后，于第一氧化层11d上沉积一多晶硅材料以构成阀层1d。多晶硅材料经过重掺杂后可导电，常用来作为金属氧化物半导体的栅极，因此足以传递适当频率的信号。其中平坦化处理可使用化学机械研磨(cmp)、旋涂式玻璃(sog)或回流(reflow)法，以减少第一氧化层11d上产生阶梯覆盖，而有助于第一氧化层11d上进行光阻涂布及曝光，以及在第一氧化层11d上所沉积材料能够较为平整地形成。第一锚定区12d的蚀刻深度是至与支撑层1c表面接触为止，如此在第一锚定区12d生成一基部13d，使阀层1d能够借由基部13d与支撑层1c相结合并连接定位。于本案实施例中，第一氧化层11d为氧化硅材质，其厚度为1～5微米(μm)。于其他实施例中，第一氧化层11d也可为磷硅玻璃(psg)或硼磷硅玻璃(bpsg)材质，但不以此为限。再请参阅图3i，于本案实施例中，再透过光刻蚀刻制程于阀层1d对应支撑层1c的凸部11c的位置蚀刻形成一中空孔洞14d，借此阀层1d于中空孔洞14d周围附近延伸到基部13d的部分定义为一可动部15d，以及阀层1d自基部13d向外延伸部分定义为一固定部16d。

请参阅图2、图3j至图3n，于本案实施例中，如步骤s5所示，沉积及蚀刻第二绝缘层1e，是先透过沉积一氧化材料于阀层1d上以形成一第二氧化层11e，再经平坦化处理(如图3k所示)及蚀刻出一第二锚定区12e(如图3l所示)后，于第二氧化层11e上沉积一氮化硅材料以形成第二绝缘层1e。其中平坦化处理可使用化学机械研磨(cmp)、旋涂式玻璃(sog)或回流(reflow)法，以减少第二氧化层11e上产生阶梯覆盖，而有助于第二氧化层11e上进行光阻涂布及曝光，以及在第二氧化层11e上所沉积材料能够较为平整地形成。第二锚定区12e的蚀刻深度是至与阀层1d表面接触为止，如此在第二锚定区12e生成一支撑部13e，使第二绝缘层1e能够借由支撑部13e与阀层1d相结合并连接定位。于本案实施例中，第二氧化层11e为氧化硅材质，其厚度为1～5微米(μm)。于其他实施例中，第二氧化层11e也可为磷硅玻璃(psg)或硼磷硅玻璃(bpsg)材质，但不以此为限。再参阅图3n，于本案实施例中，再透过光刻蚀刻制程于第二绝缘层1e形成贯穿至第二氧化层11e的振动区14e及焊垫区15e。

请参阅图2、图3o至图3p，于本案实施例中，如步骤s6所示，沉积及蚀刻振动层1f、下电极层1g以及压电致动层1h，是透过沉积一多晶硅材料在第二绝缘层1e上以形成振动层1f、透过沉积一金属材料在振动层1f上以形成下电极层1g、以及透过沉积一压电材料在下电极层1g上以形成压电致动层1h(如图3o所示)。多晶硅材料经过重掺杂后可导电，常用来作为金属氧化物半导体的栅极，因此足以传递适当频率的信号。于本案实施例中，振动层1f厚度为1～5微米(μm)。于其他实施例中，压电致动层1h亦可透过溶胶-凝胶法(sol-gel)制程制出，但不以此为限。再参阅图3p，于本案实施例中，透过光刻蚀刻制程蚀刻下电极层1g以及压电致动层1h之外侧部分，借以定义出压电致动层1h作为一驱动体以及下电极层1g作为一下电极，以及定义出所需求下电极层1g以及压电致动层1h之外型尺寸。

请参阅图3q、图4a以及图4b，于本案实施例中，透过光刻蚀刻制程蚀刻振动层1f以形成一悬浮部11f、一外框部12f以及至少一连接部13f。悬浮部11f、外框部12f及至少一连接部13f之间形成至少一间隙14f。于本案实施例中，振动层1f在至少一间隙14f的蚀刻深度为蚀刻至与第二氧化层11e表面接触为止。于本案实施例中，至少一连接部13f形成于悬浮部11f及外框部12f之间，连接部13f的数量为8个，用以提供弹性支撑悬浮部11f的支撑力，但不以此为限。值得注意的是，于本案实施例中，悬浮部11f为一正方形形态(如图4a所示)，但不以此为限。于其他实施例中，悬浮部11f的形态可依实际需求而变化，如：圆形(如图4b所示)。值得注意的是，于本案实施例中，还透过光刻蚀刻制程在振动层1f的一侧蚀刻，以定义出一第三锚定区15f及一焊垫部16f，并且第三锚定区15f的蚀刻深度为蚀刻至与第二绝缘层1e表面接触为止，使得焊垫部16f不与振动层1f的悬浮部11f、外框部12f及至少一连接部13f导电连接。

请参阅图3r及图3s，于本案实施例中，如步骤s7所示，提供一光阻层m沉积蚀刻多个焊垫，光阻层m形成于压电致动层1h以及振动层1f上，再透过光刻蚀刻制程蚀刻光阻层m，以形成多个凹陷区m1、m2、m3、m4。凹陷区m1的蚀刻深度为蚀刻至与阀层1d的固定部16d的表面接触为止，凹陷区m2的蚀刻深度为蚀刻至与振动层1f之外框部12f表面接触为止，凹陷区m3的蚀刻深度为蚀刻至与压电致动层1h表面接触为止，凹陷区m4的蚀刻深度为蚀刻至与焊垫部16f表面接触为止。于本案实施例中，光阻层m为一负光阻材料，但不以此为限。

请参阅图2、图3t至图3u，于本案实施例中，透过沉积一金属材料于阀层1d的固定部16d、振动层1f之外框部12f、压电致动层1h、焊垫部16f以及剩余的光阻层m上以形成一焊垫层1i。请再参阅图3u，于本案实施例中，透过一剥离(lift-off)制程将光阻层m移除，借以定义出焊垫层1i的一参考电极焊垫11i、一上电极焊垫12i、一下电极焊垫13i以及一阀层电极焊垫14i。阀层电极焊垫14i位于阀层1d的固定部16d上；下电极焊垫13i位于靠近阀层电极焊垫14i的振动层1f之外框部12f的一侧；上电极焊垫12i位于压电致动层1h上；以及参考电极焊垫11i位于振动层1f的焊垫部16f上，如此，压电致动层1h形成于上电极焊垫12i以及下电极层1g之间，下电极焊垫13i透过振动层1f与下电极层1g电性相连通。值得注意的是，第三锚定区15f的设置使得参考电极焊垫11i透过第二绝缘层1e的隔离而与下电极层1g以及下电极焊垫13i不电性连通。上述焊垫层1i的参考电极焊垫11i、上电极焊垫12i、下电极焊垫13i以及阀层电极焊垫14i的位置及相对层别结构可依照需求配置，在此仅出示打线的可行性。

请参阅图2、图3v以及图3w，于本案实施例中，如步骤s8所示，沉积及蚀刻遮罩层1j，是透过沉积一氧化硅材料于基板1a的第二表面12a上以形成遮罩层1j，再透过光刻蚀刻制程对遮罩层1j蚀刻以定义出一导电区11j以及至少一流道区12j。遮罩层1j的至少一流道区12j与第一绝缘层1b的至少一第二孔洞12b的位置相对应，且导电区11j及至少一流道区12j的深度为蚀刻至基板1a的第二表面12a接触为止。

请参阅图3x以及图4c，于本案实施例中，再透过光刻蚀刻制程在遮罩层1j的导电区11j以及至少一流道区12j的区域蚀刻，蚀刻深度为自基板1a的第二表面12a至第一绝缘层1b接触为止，使基板1a蚀刻定义出至少一流道13a以及一容置槽14a。如此，至少一流道13a与第一绝缘层1b的至少一第二孔洞12b位置相对应。于本案实施例中，流道13a的数量为4个，但不以此为限。于本案实施例中，4个流道13a以等角距环绕容置槽14a而设置(如图4c所示)，但不以此为限。于本案实施例中，容置槽14a具有一环状形态，但不以此为限。请参阅图3y，于本案实施例中，透过将一高分子导电材填入基板1a的容置槽14a内以形成一基台电极焊垫1k，如此基台电极焊垫1k可与支撑层1c的导电部12c电性连接。值得注意的是，于其他实施例中，基台电极焊垫1k可使用任何导电材制出，或以微电铸的方式制出，但不以此为限，而基台电极焊垫1k的位置亦可依不同需求而变化。

请参阅图2以及图3z，于本案实施例中，如步骤s9所示，蚀刻一第一腔室r1，是再经蚀刻制程，将阀层1d的基部13d内侧区域的第一氧化层11d释放移除以定义出第一腔室r1。亦即，透过蚀刻液由基板1a的至少一流道13a流入阀层1d的基部13d内侧区域的第一氧化层11d，进而蚀刻并释放移除第一氧化层11d以定义出第一腔室r1。

于本案实施例中，如步骤s10所示，蚀刻一第二腔室r2，是再经蚀刻制程，将第二绝缘层1e的支撑部13e内侧区域的第二氧化层11e释放移除以定义出第二腔室r2。亦即，透过蚀刻液由至少一间隙14f流入第二绝缘层1e的支撑部13e内侧区域的第二氧化层11e，进而蚀刻并释放移除第二氧化层11e以定义出第二腔室r2，并使位于中空孔洞14d处的第二氧化层11e也被释放移除，让中空孔洞14d得与第二腔室r2以及第一腔室r1相连通，也使第一腔室r1连通基板1a的至少一流道13a。

于本案实施例中，第一腔室r1于阀层1d的可动部15d与支撑层1c之间具有一深度，第一腔室r1深度为1～5微米(μm)，但不以此为限，以及第二腔室r2于阀层1d的可动部15d与振动层1f的悬浮部11f之间具一深度，第二腔室r2深度为1～5微米(μm)，但不以此为限。又，值得注意的是，本案微流道结构1在阀层1d设置基部13d以及于第二绝缘层1e设置支撑部13e，是用以限制第一氧化层11d及第二氧化层11e的氧化蚀刻的范围。在将光阻层m移除的剥离(lift-off)制程中，因微流道结构1为微型化结构，在开孔较少及较小的情况下，蚀刻时间被迫拉长，如此，借由阀层1d的基部13d以及第二绝缘层1e的支撑部13e的阻隔，可避免第一腔室r1及第二腔室r2发生侧蚀的情况，以形成尺寸稳定的第一腔室r1及第二腔室r2，极具进步效益。

由上述说明可知，微流道结构1是由遮罩层1j、基板1a、第一绝缘层1b、支撑层1c、阀层1d、第二绝缘层1e、振动层1f、下电极层1g、压电致动层1h及焊垫层1i依序堆叠结合后形成为一体的微型化结构，接着就微流道结构1的作动方式做详细说明如下。

请先参阅图1及图5a，于本案实施例中，于上电极焊垫12i连接一线路(未图示，可为已知打线连接方式的线路)形成一第一回路l1，而下电极焊垫13i连接一线路(未图示，可为已知打线连接方式的线路)形成一第二回路l2，于阀层电极焊垫14i与参考电极焊垫11i连接一线路(未图示，可为已知打线连接方式的线路)形成一第三回路l3，于基台电极焊垫1k与参考电极焊垫11i连接一线路(未图示，可为已知打线连接方式的线路)形成一第四回路l4。施加具有不同相位的驱动电源于第一回路l1、第二回路l2、第三回路l3以及第四回路l4，利用电荷同性相斥、异性相吸原理，使得振动层1f的悬浮部11f、阀层1d的可动部15d以及基板1a之间作相对运动，进而达到流体传输。值得注意的是，由于第一腔室r1以及第二腔室r2的深度极小，因此使得基板1a、阀层1d及振动层1f之间的静电力更大，借此，微流道结构1不仅可靠控制阀层1d及振动层1f的共振频率来传输流体，并可配合赋予基板1a以及阀层1d一电荷电性来操作作动，更容易实现微型化微流道结构1的实施可行性及传输效率。

请参阅图5a及图5b，于本案实施例中，微流道结构1的具体作动方式，是首先施加正电压给第一回路l1、负电压给第二回路l2，使得压电致动层1h带动振动层1f的悬浮部11f朝向远离基板1a的方向位移，借此，外部流体(例如气体或液体)由至少一流道13a被吸入至微流道结构1内，而进入微流道结构1内的流体依序通过第一腔室r1及中空孔洞14d，再汇集于第二腔室r2内。再请参阅图5a以及图5c，此时再施加正电压给第三回路l3以及第四回路l4，使得阀层1d的可动部15d与支撑层1c的导电部12c具有相同电荷，让可动部15d与导电部12c构成电荷同性相斥的相对运动，亦即阀层1d的可动部15d朝向远离基板1a的方向位移。如同图5c所示，振动层1f的悬浮部11f与阀层1d的可动部15d皆往上位移，如此外部流体持续由至少一流道13a被吸入微流道结构1内，并且汇集于第二腔室r2内的部分流体得以被挤压往第二腔室r2的周围部分移动。最后再请参阅图5a以及图5d，接着转换第一回路l1、第二回路l2、第三回路l3以及第四回路l4的电性，施加负电压给第一回路l1以及施加正电压给第二回路l2，如此振动层1f的悬浮部11f朝向靠近基板1a的方向位移，同时施加正电压给第三回路l3、施加负电压给第四回路l4，使得阀层1d的可动部15d与支撑层1c的导电部12c具有不相同电荷，让可动部15d与导电部12c构成电荷异性相吸的相对运动，亦即阀层1d的可动部15d朝向靠近基板1a的方向位移。如同图5d所示，振动层1f的悬浮部11f与阀层1d的可动部15d皆往下位移，如此阀层1d的可动部15d与导电部12c相吸靠近，且抵靠支撑层1c的凸部11c，因此阀层1d的中空孔洞14d被凸部11c所封闭，使由至少一流道13a被吸入微流道结构1内流体无法进入第二腔室r2内，同时第二腔室r2内体积受振动层1f的悬浮部11f压缩，致使汇集于第二腔室r2内的流体得以由至少一间隙14f排出于微流道结构1外，完成一微流道结构1的流体传输。由上述说明微流道结构1单一传输流体的操作方式，再透过不断地重复上述图5b至图5d所示的作动步骤，即可使微流道结构1能够连续使流体高速流动，达到微流道结构1持续传输流体的操作。

值得注意的是，由上述说明可知本案微流道结构1的制造方法及作动方式，于本案实施例中，支撑层1c的凸部11c的设置，在阀层1d的可动部15d朝向基板1a位移时，可贴抵于支撑层1c的凸部11c，借此确保中空孔洞14d不与第一腔室r1及至少一流道13a相连通，以阻隔第一腔室r1及第二腔室r2的流体流通，如此更有利应用于传输低密度流体。在其他实施例中，支撑层1c也可不具有凸部11c来实施微流道结构1传输流体的操作。又，于本案实施例中，支撑层1c的导电部12c围绕于凸部11c外侧的设置，也可以使阀层1d的可动部15d与导电部12c构成电荷异性相吸的相对运动时，避免与可动部15d之前端接触，以免造成短路，且让可动部15d之前端容易贴抵于支撑层1c的凸部11c，以封闭阀层1d的中空孔洞14d。此外，于本案实施例中，阀层1d平坦化后，可施加表面处理，借施打电浆或涂抹高分子材料等方法降低表面的毛细力(capillaryforce)，改善悬浮结构的沾粘问题(stiction)，使阀层1d容易在第一腔室r1及第二腔室r2之间位移。

本案提供一微流道结构的制造方法，主要以半导体制程来完成的，并且借由施加不同相位电荷的驱动电源于压电致动层的上下、阀层以及基板的基台电极焊垫，利用电荷同性相斥、异性相吸原理，使得振动层的悬浮部、阀层的可动部以及基板之间作相对运动，进而达到流体传输。如此，微型化流道结构能够在极浅的腔室结构中克服静电力，达到传输流体的实施可行性及在极微型化结构中产生极大的传输效率，极具产业的利用价值，爰依法提出申请。

本案得由熟知此技术的人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附申请专利范围所欲保护者。