TW200819301A - Methods for fabricating a fluid injector - Google Patents

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200819301 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種流體喷射裝置及其製造方法，且 特別有關於一種微流體喷射裝置及其製造方法。 【先前技術】 微流體喷射裝置近來已廣泛地運用於資訊產業，例如 喷墨印表機或類似設備中。隨著微系統工程(micro system engineering)的逐步開發，此種流體喷射裝置逐漸有其他眾 ⑩ 多領域之應用，例如燃料喷射系統(fuel injection system)、 細胞篩選（cell sorting)、藥物释放系統（drug delivery system)、喷印光刻技術(print lithography)及微喷射推進系 統（micro jet propulsion system)等0 第1圖顯示一種習知美國專利號碼6，102,530的單石化 的流體喷射裝置1，其以一矽基底10作為本體，且在石夕基 底10上形成一結構層12，而在矽基底1〇和結構層12之 馨間形成一流體腔14，用以容納流體26 ;而在結構層12上 設有一第一加熱器20、以及一第二加熱器22，第一加熱器 20用以在流體腔14内產生一第一氣泡30，第二加熱器ο 用以在流體腔14内產生一第二氣泡32，以將流體腔I*内 之流體26射出。 上述之單石化的流體噴射裝置1製作步驟依序為：提 供一晶圓作為矽基底10，且在矽基底1〇上形成一結構屑 12,並在矽基底1〇和結構層π之間形成一圖案化犧牲層。 接著，設置流體致動裝置於結構層12上。然後，在結構層 0535-A21738TWF(N2)；A05689；CLAIRE 5 200819301 12上形成一保護層。之後對矽基底背面進行非等向性蝕刻 直至犧牲層裸露，以形成流體通道。移除犧牲層並再一次 對矽基底進行非等向性钱刻，以得到一擴大之流體腔。最 後，依序#刻保護層、結構層形成相互連通的一通孔，其 中通孔與流體腔連通。 在習知之單石化流體喷射裝置的製程中，係以硼矽酸 磷玻璃(BPSG)作為犧牲層，通常需採用高濃度的氳氟酸蝕 刻液移除硼矽酸磷玻璃以形成流體腔，然而在蝕刻硼矽酸 • 磷玻璃過程中，具高腐蝕性之氫氟酸溶液易過蝕刻結構層 而破壞位於基底上之驅動線路等元件。再者，由於硼矽酸 磷玻璃之形成厚度受限於沈積技術，故去除犧牲層後，還 另需對基底進行蝕刻以擴大流體腔之尺寸，而增加製程之 步驟。 因此，目前亟需一種可改善上述缺點的微流體喷射裝 置之製造方法。 _ 【發明内容】 有鑑於此，本發明之目的在於提供一種可改善上述缺 點之流體喷射裝置的製造方法，其在形成流體腔的製程中 降低對於基底上元件之破壞，且可減少製程步驟。本發明 提供一種流體喷射裝置的製造方法，包括：提供一基底， 具有一第一面及一第二面，且該第二面相對於該第一面； 形成一圖案化之多孔性結構區於該基底内；形成一第一結 構層於該基底之該第一面上及覆蓋該圖案化之多孔性結構 區；由該基底之該第二面蝕刻該基底並暴露該圖案化之多 0535-A21738TWF(N2)；A05689；CLAlRE 6 200819301 孔性結構區，以形成一流體通道；去除該圖案化之多孔性 結構區以形成連接該流體通道之一流體腔；以及圖案化該 第一結構層以在一喷孔預定區上形成一開口。 【實施方式】 弟一實施例 以下配合第2A至2H圖說明本發明第一實施例之流體 噴射裝置的製造方法之剖面圖。首先請參照第2A圖，提 供基底100,其具有第一面1〇〇1及第二面1〇〇2，而第一面 參1001係相對於第二面1〇〇2。基底100可包括單晶或多晶材 料，例如單晶矽，較佳者基底100為P型矽。以如化學氣 相沈積之沈積法於基底100之第一面1〇〇1及第二面1〇〇2 上形成罩幕層11〇，罩幕層11〇可包括氮化矽。接著，藉 由微影及蝕刻製程圖案化第一面1001上之罩幕層11〇以暴 露部分之基底100，在此，所暴露之基底部分係流體喷射 裝置之流體腔預定形成之位置。 • 明參知、弟2B圖’藉由電化學|虫刻（eiectr〇chemicai etching ’ ECE)製程於未覆蓋罩幕層no之基底1〇〇中升^成 如多孔矽之多孔性結構區12〇。電化學蝕刻之製程如第4 圖所繪示，將基底1 〇〇置於姓刻槽400中作為陽極，並且 提供如白金之材料作為陰極200，蝕刻槽4〇〇内含有如氫 氟酸溶液之電解液300，於基底1〇〇及陰極2⑽之間連接 一電源供應為500，以提供穩定電流。於電化學餘刻過程 中’基底100内的電洞擴散至基底1〇〇的表面與電解液3〇〇 之界面，而造成基底材料之氧化並溶解於電解液3〇〇中， 0535-A21738TWF(N2)；A05689；CLAIRE 7 200819301 藉此’可在基底100暴露於電解液的區域中均勻的形成大 小約10至20 nm的孔洞，而形成圖案化之多孔性結構區 120。孔洞之大小可藉由調整電流密度、電解液濃度、電化 學姓刻時間以及基底特性加以控制。在一較佳實施例中， 多孔性結構區120之厚度約介於10至20//m為較佳。在 形成多孔性結構區12〇之後，藉由如利用熱磷酸為蝕刻液 之濕勉刻法去除罩幕層120。

請參照第2C圖，於基底100之第一面1001上形成第 一結構層130，且第一結構層13〇覆蓋多孔性結構區12〇。 第一結構層130可包括由化學氣相沈積法（CVD)所形成之 低應力的氮化矽，其應力介於〇至3〇〇MPa為佳。於此同 時，基底100之第二面1〇〇2上亦形成第一結構層1〇3。 請參照第2D圖，接著於第一結構層130上形成流體致 動元件140、連接流體致動元件14〇之驅動電路I%、以及 覆盍流體致動兀件140與驅動電路15〇之保護層16〇。流 脰致動元件140可包括形成於結構層上之圖案化電阻 層以作為加熱器（heatei〇，其可湘物理氣相沈積(pvD)， 例如蒸鍍(evaporation)、濺鍍⑽她响，形成如胞2、

TaAl TaN或其他電阻材料。驅動電路w可包括以物理 氣相沉積法(PVD)形成如ρ Λ1^ ^ 、、… 取戈AhCu'AlCu或其他導線材料之 圖案化導電層。而保護層 ^严 160可包括以化學氣相沈積法 (CVD)形成如氮化矽之介電 礼々 預杰 , 包材枓於基底100上，以覆蓋流 體致動元件140與驅動電路 炎&灶甘由位攻p 150 ’其厚度約介於2至3//m 為車父佳。其中保禮層16〇 ® ^ ^ ^ 匕括接觸窗（via)165以作為驅

0535-A21738TWF(N2)；A05689；CLA!RE 200819301 動電路150對外之電性連接。 請麥照第2E圖，於保護層160上形成圖案化之第二結 構層170 U加強兀件之結構強度，第二結構層17〇可包括 如金、白金、鎳、鎳鈷合金之金屬或高分子材料，其厚度 約介於10至20為較佳。圖案化之第二結構層17〇具 有開口 175 ’開口 175係對應於後續形成之流體噴射裝置 之喷孔的位置。 請爹照第2F圖，藉由微影及蝕刻製程圖案化第二面 籲1002上之第一結構層103以暴露部分之基底1〇〇，在此， 所暴露之基底部分係流體噴射裝置之流體通道預定形成之 位置。接著，以圖案化之第一結構層103為罩幕蝕刻基底 100之第二面1002以暴露出多孔性結構區12〇，藉此形成 流體通道105。蝕刻基底100之方法可包括如電漿蝕刻之 乾蝕刻法。在其他實施例中，亦可以圖案化第一結構層1〇3 為罩幕利用乾蝕刻法去除基底i⑽之第二面1〇〇2以形成流 體通道，並且過餘刻部分之多孔性結構區120直至第 一結構層130暴露出來。 請參照第2G圖，去除多孔性結構區120以形成連接流 體通道105之流體腔115。去除多孔性結構區120的方法 可包括利用濕I虫刻法，例如使用氫氧化鉀(KOH)、四甲基 氬氧化氨(Tetramethyl Ammonium Hydroxide，TMAH)或乙 二胺鄰苯二龄(Ethylene Diamine Pyrochatechol，EDP)之餘 刻液蝕刻去除多孔性結構區120。由於多孔性結構區120 相較於基底100較為鬆散，因此在濕蝕刻過程中兩者具有 0535-A21738TWF(N2)；A05689；CLAlRE 9 200819301 頒著的蝕刻選擇比，藉此可利用如氫氧化鉀或低濃度之基 底蝕刻液來去除作為犧牲層的多孔性結構區12Θ，以形成 流體腔115,而不致破壞形成於基底上之驅動電路等元件。 然而在其他實施例中，圖案化第_結構層1〇3以於流 體通道之預定區暴露基底1〇〇之後，接著利用圖案化之第 一結構層1〇3為罩幕，藉由濕蝕刻法自基底1〇〇之第二面 1002去除部分基底丨⑽及多孔性結構區12〇，以形成流體 通逗105及流體腔115，如第2G圖所示。蝕刻基底1〇〇及 多孔性結構區！2〇可包括利用氫氧化鉀(K〇H)為蝕刻液。 5月麥照第2H圖，圖案化保護層16〇及第一結構層13〇 以於鄰近流體致動器140之喷孔預定區上形成連接流體腔 115之噴孔180。形成喷孔180的方法包括以第二結構層 Π0為罩幕，藉由如電漿蝕刻之乾蝕刻法去除部分保護層 160及第一結構層130以於喷孔預定區上形成開口。根^ 上述提供之第一實施例可製作以多孔性結構區為犧牲層之 單石化流體喷射裝置。 曰 弟二貫施例 以下配合第3A至3H圖說明本發明第二實施例之流體 喷射裝置的製造方法之剖面圖。此處與第2a至圖中相 同之材料或結構係標示相同之標號。另外，第至3D圖 之步驟與第2Α至2D圖相同，此處省略其說明。接著請: 照第3Ε圖，在基底1〇〇上之第一結構層13〇上形成流^致 動元件140、連接流體致動元件140之驅動電路15〇、以及 覆蓋流體致動元件140與驅動電路15〇之保護層16〇之 0535-A21738TWF(N2)；A05689；CLAIRE 10 200819301 後’形成圖案化保護層16 射裝置之奴預定區上形成.於流體喷 暴露多孔性結構區120。 為貝孔，且開口 106 影製程及如電裝雜乾 結構層130。在一較佳〜木化保4層_及第一 1 例中，可利用微影及蝕刻繁裎 圖木化保瘦層160及/或第—妗 、蚀到衣私 10ό以及接觸窗165。 € ，以同時形成開口

第沖圖，於保護層160上更形成圖案化之第二 、、:構層Π〇Μ強元件之結構強度 : 孔預定區上，_於開J;= 此處省略其㈣。材料厚度如卜實施例所述， 明m 3G 1 ’藉由微影及蝕刻製程圖案化第二面 2 =之第-結構層1G3以暴露部分之基底·，在此， 所暴露之基底部分係流體噴射裝置之流體通道預定形成之 位置。接著，以圖案化之第一結構層1〇3為罩幕自第二面 1002蝕刻基底！〇〇以暴露出多孔性結構區12〇，藉此形成 流體通道105。接著請參照第3H圖，以如濕蝕刻法去除多 孔性結構區120以形成連接流體通道1〇5及開口 106之流 體腔115。在第3G至3H圖中形成流體通道105流體腔115 的方法與弟2F至2G相同，此處不再加以詳述。 根據上述提供之第二實施例可製作以多孔性結構區為 犧牲層之單石化流體噴射裝置，於第二實施例中，在去除 多孔性結構區以形成流體腔之前，即完成蝕刻結構層以形 0535-A21738TWF(N2)；A05689；CLAIRE 11 200819301 成喷孔之步驟，如此可避免於第一實施例中以乾蝕刻去除 結構層而形成喷孔之過程中，發生過蝕刻流體腔下之基底 的情況。 根據上述之實施例，由於在形成作為犧牲層之多孔性 結構區時即定義出流體腔之尺寸，故可不需額外之擴大流 體腔之製程。並且以如多孔矽之多孔性結構區作為犧牲層 時，可利用如氫氧化鉀（KOH)溶液、四曱基氫氧化氨 (Tetramethyl Ammonium Hydroxide，TMAH)、乙二胺鄰苯 籲二酚(Ethylene Diamine Pyrochatechol，EDP)或其他低濃度 蝕刻液去除犧牲層，如此，可避免習知技術中以bpsg作 為犧牲層時，氫氟酸餘刻液對基底上之元件造成的破壞。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神 和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

0535-A21738TWF(N2)；A05689；CLAiRE 12 200819301 【圖式簡單說明】 第1圖係繪示習知單石化的流體喷射裝置之示意圖； 第2A至2H圖係繪示本發明第一實施例之流體喷射裝 置的製造方法之剖面圖； 第3A至3H圖係繪示本發明第二實施例之流體喷射裝 置的製造方法之剖面圖；以及 第4圖係繪示本發明實施例之以電化學蝕刻法形成多 孔性結構區之不意圖。 【主要元件符號說明】 1〜習知之流體喷射裝置； 10〜矽基底； 12〜結構層； 14〜流體腔； 20〜第一加熱器； 22〜第二加熱器； _ 26〜流體； 1⑽〜基底； 105〜流體通道； 106〜開口； 110〜罩幕層； 115〜流體腔； 1001〜基底之第一面； 1002〜基底之第二面； 0535-A21738TWF(N2)；A05689；CLA!RE 13 200819301 120〜 多孔性結構區； 130、 103〜第一結構層 140〜 流體致動器； 150〜 驅動電路； 160〜 保護層； 165〜 •接觸窗； 170〜 ，第二結構層； 175〜 '開口； 180〜 /喷孔； 200〜陰極； 300〜 -電解液； 400〜勉刻槽； 500〜 /電源供應裔。

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Claims (1)

1. 200819301 十、申請專利範圍： 1. 一種流體喷射裝置的製造方法，包括： 提供一基底，具有一第一面及一第二面，且該第二面 相對於該第一面； 形成一圖案化之多孔性結構區於該基底内； 形成一第一結構層於該基底之該第一面上及覆蓋該圖 案化之多孔性結構區； 由該基底之該第二面蝕刻該基底並暴露該圖案化之多 • 孔性結構區，以形成一流體通道； 去除該圖案化之多孔性結構區以形成連接該流體通道 之一流體腔；以及 圖案化該第一結構層以在一喷孔預定區上形成一開 Π 〇 2. 如申請專利範圍第1項所述之流體喷射裝置的製造 方法，更包括在該第一結構層上形成一流體致動元件、一 驅動電路以連接該流體致動元件、以及一保護層以覆蓋該 ®流體致動it件與該驅動電路。 3. 如申請專利範圍第2項所述之流體喷射裝置的製造 方法，更包括在該保護層上形成一第二結構層。 4. 如申請專利範圍第3項所述之流體喷射裝置的製造 方法，其中該第二結構層包括金屬或高分子。 5. 如申請專利範圍第3項所述之流體喷射裝置的製造 方法，其中該第二結構層包括金、白金、鎳、鎳钴合金。 6. 如申請專利範圍第1項所述之流體喷射裝置的製造 0535-A21738TWF(N2)；A05689；CLAIRE 15 200819301 方法，其中形成該圖案化之多孔性結構區包括實施一電牝 學名虫刻。 7·如申請專利範圍第6項所述之流體喷射裝置的製造 方法，其中該電化學蝕刻係使用氫氟酸溶液為電解液。 8·如申凊專利範圍第1項所述之流體喷射裝置的製造 方去’其中該基底係p型石夕。

   9·如申凊專利紅圍第1項所述之流體喷射裝置的製造 方去，其中該圖案化之多孔性結構區包括多孔矽。 10·如申请專利範圍第i項所述之流體噴射裝置的製造 方法，其中形成該流體通道包括實施乾蝕刻步驟。 11 ·如申明專利範圍第1項所述之流體喷射裝置的製邊 方法’其中形成該流體通道包括實施濕蝕刻步驟。 12.如申W專利範圍第1項所述之流體喷射裝置的製造 方法’其中去除該圖案化之多孔性結構區包括係實施一满 姓刻步驟。 、13·如申明專利範圍第12項所述之流體喷射裝置的製 造方法，其中賴_步驟包括以氫氧化鉀、四曱基氮氧 化氨或乙二胺鄰苯二酚溶液進行蝕刻。 =中請專利範圍第！項所述之流體嘴射裝置的製造 方法’其中該圖案化之多孔性結構區之厚度約介於10至 體噴射裝置的製造 15·如申請專利範圍第丨項所述之流 方法，其中該第一結構層包括氮化矽。 16·如申請專利範圍第 1項所述之流體噴射裝置的製造 0535-A21738TWF (N 2) ； A05689 ； CLAIRE 16 200819301 方法，其中在形成該流體腔之後，圖案化該第一結構層以 在該喷孔預定區上形成該開口。 17. 如申請專利範圍第1項所述之流體喷射裝置的製造 方法，其中在形成該流體腔之前，圖案化該第一結構層以 在該喷孔預定區上形成該開口。 18. 如申請專利範圍第1項所述之流體喷射裝置的製造 方法，其中該圖案化之多孔性結構區具有10至20nm之孔 洞。 • 19.如申請專利範圍第1項所述之流體喷射裝置的製造 方法，在該喷孔預定區上形成該開口包括實施乾蝕刻步驟。

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