TWI220415B

TWI220415B - Fluid eject device and method of fabricating the same

Info

Publication number: TWI220415B
Application number: TW092130744A
Authority: TW
Inventors: Hung-Sheng Hu; Wei-Lin Chen
Original assignee: Benq Corp
Priority date: 2003-11-04
Filing date: 2003-11-04
Publication date: 2004-08-21
Also published as: US20070105382A1; US7186349B2; TW200516008A; US20050093106A1

Description

1220415 五、發明說明（1) 發明所屬之技術領域：種本發明係有關於/種半導體裝置，特別是有關於流體喷射裝置及其製造方法。 ' 先前技術：在現今矽晶片的製程，常會利用氫氧化四甲錢 (TMAH)、氫氧化鉀（Κ0Η)或氫氧化鈉（NaOH)等的& μ J强驗性沒液作為蝕刻製程中的蝕刻液。此類溶液對於砂i ^ 同結晶平面有著不同的I虫刻表現，雖然I虫刻表現备左 + 液的種類、濃度或蝕刻溫度的不同有些許的差異Y ^餘刻上對不同結晶表面的蝕刻率，存在著（丨丨丨）〈&丨’但大體 (1 0 0 )的特性’尤其是（1 1 1 )的餘刻率，遠遠小於〈晶平面。、/、他的結請參照第1圖與第2圖，說明強鹼性蝕刻液平面晶片的银刻表$。圖i所示為對(100 不同結晶果’其會在基底1〇中形成一失角為5 4 7度的非軌跡’而圖2所示則為對（111)晶片的#刻結果、，=餘刻底10中形成一呈垂直角痄沾非笙A t 具會在基且月度的非寺向性蝕刻執跡。因此’當製作流體噴射裝置，北 —、形成孔洞的背後蝕刻擊程日士 ^ 月牙透晶圓以、. 私日守，右使用結晶平面為Π η η、晶片，將造成一背面' 0 )的㈠叫阉孔遂大於正面狹窄處一歧管狹窄處僅有大I# 9 η n w水αα + g ’例如巧八月足2 0 0微未的噴墨裝置，复昔你Μ 即會因蝕刻表現的緣故，# ”月後開孔又擴張至大體1，1〇〇〜12〇寬度，此極大比例的落#， # 一 “川U未的各是亦表不依結晶平面（100)製作

0535-10441TWF(N1);A03236;DAVID.ptd 第5頁 1220415

官’會佔據晶圓底部甚大的面積，減少其他可利另在噴墨頭的組裝中’晶片背面亦須有足夠的空間用來上膠：以使墨E與晶片緊密結合，一般來說，兩側所保留的上膠區丄左右大體各丨，2〇〇微米，遂連同上述歧管的背面開口，單片晶圓至少須提供一大體3, 5〇〇〜3, 6〇〇微米的空間，予流體噴射裝置的製作，相當程度降低了晶圓在底部面積的可利用性。為了縮小歧管佔據晶圓底部的面積，產業上有改以結晶平面（1 1 1 )的晶片作為钱刻基底的做法，然雖可適時減 _ 縮背面開口區的寬度（由於其呈垂直角度的蝕刻表現），但卻會產生歧管形狀偏斜，進而造成流體腔形狀控制不易的問題，嚴重影響該裝置的噴墨效果。，習知的流體喷射裝置可參見第3圖加以說明。此流體、喷射裝置係以一矽基材1 0為主體，歧管（m a n i f 〇丨d ) 2 〇，用以輸送流體；流體腔（chamber)30，設於歧管20上端的兩側’用以容納該流體；複數個喷孔（n 〇 z z 1 e ) 4 0，設於流體腔3 0的表面，用以供該流體喷出。依上述流體喷射裝置的設計，歧管2 0呈現—下寬上窄的形狀，致使歧管2 0的背面開孔佔據了甚多的晶圓底面〇積，降低晶圓面積的使用效能。另傳統上製造流體喷射裝置的方法如下，請參閱第4a 圖與第4b圖。如第4a圖所示，提供一基底丨〇，例如一石夕基底’其晶格排列方向為（1 〇 0)。形成一圖案化犧牲層2 〇於

1220415 五、發明說明（3) ' — 為基底1 0上’犧牲層2 0係由硼磷矽玻璃（BPSG )、磷矽玻璃， (PSG)或氧化石夕材質所構成，其中以磷矽玻璃為較佳的選 · 擇。接著’形成一圖案化結構層3 〇於該基底1 〇上，並覆蓋該圖案化犧牲層2 〇，結構層3 〇可為由化學氣相沉積法 (CVD)所形成之氮氡化矽層。押續形成一圖案化電阻層4〇於該結構層3〇上，以做為致動器例如為加熱器，電阻層40係由HfB2、TaAl、TaN或TiN 所構成。接著，形成一圖案化隔離層5〇，覆蓋該基底1〇以及結，層30，且形成一加熱器接觸窗45，之後，形成一圖案化導電層60於該結構層3〇上，並填入加熱器接觸窗45，j 以形成一訊號傳送線路62。最後，形成一保護層7〇於該隔▼ 離層50與該導電層6〇上，且在保護層7〇中形成一訊號傳送線路接，窗75，使導電層60露出，以利後續之封裝作業。接著，巧芩見第4 b圖，以濕蝕刻法，例如以氫氧化鉀溶液，蝕刻基底10之背面，以形成一歧管8〇，並露出犧牲層2〇，之後，再以氫氟酸（HF)溶液蝕刻犧牲層2〇以形成一流體腔90，最|，依序钱刻保護層7〇、隔離層5〇與結構層 3〇，以形成一與流體腔90連通之喷孔95。至此，即二流體喷射裝置的製作。

選用晶格排列方向為（1 00)的晶片，製作歧管8〇時，由於此特定的晶格排列，使在基底丨〇中形成的歧管8〇結構，王現一下見上窄的形狀，而歧管8 0結構的寬開口處即顯示出佔據過多的晶圓底面積。 1220415

五、發明說明（4) 發明内容： ^ f鑑於此，本發明之目的係揭露一種流體噴射裝置，其係藉雙層基底的設置，達到有效縮小歧管的開口尺寸以及控制流體腔形狀的效果。為了達成上述目的’本發明提供一種流體喷射裝置，包括：一第一基底，具有一第一晶袼排列方向，一第二基底，黏合於該第一基底上，且具有一第二晶格排列方向土， f該Ϊ 一晶格排列方向不同於該第二晶袼排列方向，一歧 =，牙過該第一基底與該第二基底，一流體腔，形成於該第二基底，並與該歧管連通，以及複數個喷孔，與該流體腔連通。 & 依本發明不同結晶平面基底的組合設計，使在蝕刻以形f歧管結構時，先遭遇例如結晶平面為（丨丨丨），蝕刻執跡王垂直角度的晶片，縮小了晶片背面開口區的尺寸，且爾後再餘刻例如結晶平面為（1 〇〇 )的晶片時，由於蝕刻表現的不同，續可達成流體腔形狀的有效控制。本發明另提供一種流體喷射裝置之製造方法，包括. 列步驟：提供一第一基底，該第一基底具有一第一晶格排

2二黏合一第二基底於該第一基底上，且該第二基. /、有弟一晶格排列方向，而該第一曰炊祕^七A X η 該第二晶格排列方向。續形成—；：格排列方向：同: 底上，該圖案化犧牲層係作為_I=犧牲層於s亥弟― 區域。裉㈠係作4予員$形成至少-流體腔接著形成一圖案化結構層於該第二基底上，並覆蓋

0535-10441TWF(Nl);A03236;DAVID.ptd 第8頁 1220415 五、發明說明（5) 1一" 該圖案化犧牲層。續形成一歧管，穿過該第一基底以及該第二基底’並露出該圖案化犧牲層。之後，移除該犧牲層以$成遠流體腔’並餘刻該流體腔，以擴大該流體月允之容積’使該流體腔佔據該第二基底。最後，蝕刻該結構層’以形成至少一與該流體腔連通之噴孔。為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：實施方式：實施例請參閱第5 a圖至5 b圖，說明本發明之一實施例，流體喷射裝置的製作。首先，如第5a圖所示，提供一第一基底 5 0 0以及一第二基底510，其中第一基底5〇〇例如為_石夕土基& 底’其晶格排列方向為（1 1 1 )，而第二基底5丨〇例如為一石夕基底，其晶格排列方向為（100)。第一基底500與第二基底 510的厚度比例，大約介於10 ·· 1，第一基底50 0的厚^大約介於5 0 0〜6 75埃，第二基底510厚度大約介於30〜5〇埃"。上述第二基底510係黏合於第一基底5〇〇上，黏合方式係包括直接黏合方式以及介質黏合方式，其中直接黏合方⑩ 式的反應溫度大約達攝氏1 〇〇〇度以上，另介質黏合方式中的介質係為氧化物。接著，如第5 b圖所示，形成一圖案化犧牲層5 2 〇於第二基底5 1 0的一第一面上5 0 0 1，犧牲層5 2 〇係由硼磷矽玻璃

0535-10441TWF(Nl);A03236;DAVID.ptd 第9頁 1220415 五、發明說明（6) -- (BPSG)、磷矽玻璃（PSG)或氧化矽材質所構成，其中以鱗矽玻璃為較佳之選擇，犧牲層5 2 〇的厚度大約介於 5，0 0 0〜2 0，〇〇〇埃。並作為一預定形成至少一流體腔之區域。續形成一圖案化結構層53〇於第二基底51〇上，且覆蓋圖案化犧牲層5 2 0，結構層5 3 0可為由化學氣相沉積法 (CVD)所形成之氮氧化矽層，結構層53〇的厚度大體介於〇. 5〜2微米。此外，結構層53〇係為一低應力材質，其應力值大體介於50〜200百萬帕（MPa)。八〜接著’形成一圖案化電阻層540於結構層5 3 0上，以做為流體噴射致動器例如為加熱器，使流體經由噴射致動器驅動後，由後續製作的噴孔喷出，電阻層54〇係由Hfh、 TaAl、TaN或TiN所構成，其中以TaAi為較佳之選擇。扣再形成一圖案化隔離層5 5 0，覆蓋結構層53〇且形成加熱為接觸窗5 5 5，之後，形成一圖案化導電層5 6 〇於隔離層上，並填入加熱器接觸窗5 5 5，以形成訊號傳送線路。最後，形成一保護層570於第二基底51〇上，覆蓋隔離層 5 5 0與導電層5 6 0，且於保護層57〇中形成訊號傳送線路接觸窗5 8 0 ’使導電層5 6 0露出，以利後續封裝作業。接下來，請參見第5 c圖，開始進行一連串的蝕刻製程，以形成最終之流體噴射裝置。首先，以非等向性之濕蝕刻法，蝕刻液例如為氫氧化四曱銨（TMAH)、氫氧化鉀 (Κ Ο Η)或氫氧化鈉（N a Ο Η )溶液，蝕刻第一基底5 〇〇之背面，即一第二面5 0 0 2，以開始形成一歧管5 9 ◦的結構。

122〇415 五、發明說明（7) 由於不同結晶平面的基底組合，使在進行姓刻以形成歧管5 9 0結構時，會先遭遇結晶平面為（；[丨丨），蝕刻執跡呈垂直角度的第一基底5 0 0，而此蝕刻表現，即顯示較習知技術明顯減縮了第一基底5 〇〇背面開口區的尺寸，大幅提升第一基底5 0 0其底部可利用的範圍。續再蝕刻結晶平面為（1 〇〇 )的第二基底5 1 〇，以完成歧管5 9 0完整結構的製作，此段蝕刻步驟後，由於不同於前者的#刻表現’使對後續流體腔6 〇〇形狀的控制，具極大的助益。歧管5 9 0完成製作後，其結構穿過第一基底5 〇〇與弟一基底510’並露出犧牲層520。歧管59 0的窄開口寬度大體介於90〜2〇〇微米，背面開口的寬度大體介於1 5 0〜3 0 0微米，與習知背面開口至少需要大體1，1 0 0〜1，2 0 0微米的空間相較，確實縮減甚多。另歧管5 9 0向下與一流體儲存槽相互連通。續以含氫氟酸（HF )溶液的濕蝕刻法，蝕刻犧牲層 5 2 0，之後，再度以鹼性蝕刻液例如為氫氧化鉀（κ〇 H)溶液之濕餘刻法’餘刻犧牲層5 2 0，以擴大犧牲層5 2 〇被掏空之區域’而形成流體腔6 0 0，流體腔6 〇〇於蝕刻液予以擴大容積後’即佔據第二基底5 1 0的空間。最後’依序餘刻保護層5 7 0、隔離層5 5 〇與結構層 5 3 0. ’以形成與流體腔6 0 0連通之噴孔61〇，且流體腔⑽〇盥述歧管590連通。f孔610的製作係利用雷射或反應性離子轟擊的方法I作。至此，即完成一流體喷射裝置的製作。、、

第11頁 1220415 五、發明說明（8) 若每單排流體腔的設計為解析度30 0 dpi(dot per i n c h )，本實施例另可藉各排流體腔間的錯位排列，將喷射密度提高至6 0 0〜1，2 0 0 dp i，而達到單位時間内更快速喷射流體的效果，然此技術並非本發明的重點，遂不在此贅述。本發明利用黏合的雙層基底，一方面改善習知技術中，歧管背面開口佔據過多基底面積的問題，另方面，由於可維持原本歧管與流體腔連接處，傾斜54. 7度的結構構型，也使之後製作而成的流體腔，具較佳的結構形狀，以穩定流體喷出的效果。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。

0535-10441TWF(Nl);A03236;DAVID.ptd 第12頁 1220415 圖式簡單說明第1至2圖係為不同結晶平面之蝕刻表現示意圖。第3圖係為傳統流體喷射裝置結構之剖面示意圖。第4a至4b圖係為傳統流體噴射裝置製程之剖面示意圖。第5a圖至5c圖係為根據本發明之一實施例，流體喷射裝置製程之剖面示意圖。符號說明：習知部份（第1圖至3圖） 10〜基底； 2 0〜歧管； 3 0〜流體腔； 4 0〜喷孔。習知部份（第4a圖至4b圖） 10〜基底； 2 0〜犧牲層； 3 0〜結構層； 4 0〜電阻層； 4 5〜加熱器接觸窗； 5 0〜隔離層； 60〜導電層； 6 2〜訊號傳送線路； 7 0〜保護層； 7 5〜訊號傳送線路接觸窗；

0535- 10441rnVF(Nl) ;A03236;DAVID. ptd 第13頁 1220415 圖式簡單說明 8 0〜歧管； 9 0〜流體腔； 9 5〜喷孔。本案實施例部份（第5 a圖至5 c圖） 5 0 0〜第一基底； 51 0〜第二基底； 5 2 0〜犧牲層； 5 3 0〜結構層； 5 4 0〜電阻層； 5 5 0〜隔離層； 5 5 5〜加熱器接觸窗； 5 6 0〜導電層； 5 7 0〜保護層； 5 8 0〜訊號傳送線路接觸窗； 5 9 0〜歧管； 6 0 0〜流體腔； 6 1 0〜喷孔。

0535-1044 nW(Nl);A03236;DAVID.ptd 第14頁

Claims

1220415 六、申請專利範圍 1. 一種流體喷射裝置，包括：一第一基底，具有一第一晶格排列方向；一第二基底，黏合於該第一基底上，且具有一第二晶格排列方向，而該第一晶格排列方向不同於該第二晶格排列方向；一歧管（manifold)，穿過該第一基底與該第二基底；一流體腔（c h a m b e r )，形成於該第二基底，並與該歧管連通；以及複數個喷孔（η ο z z 1 e )，與該流體腔連通。 2. 如申請專利範圍第1項所述之流體喷射裝置，其中該第一晶格排列方向為（1 11 )，而該第二晶格排列方向為 (100)。 3. 如申請專利範圍第1項所述之流體喷射裝置，其中該第一基底係為一石夕基底。 4. 如申請專利範圍第1項所述之流體喷射裝置，其中該第二基底係為一矽基底。 5. 如申請專利範圍第1項所述之流體喷射裝置，其中該第一基底厚度與該第二基底厚度之比例大約為1 0 : 1。 6. 如申請專利範圍第1項所述之流體喷射裝置，其中該第一基底之厚度大約介於5 0 0〜6 7 5微米。 7. 如申請專利範圍第1項所述之流體喷射裝置，其中該第二基底之厚度大約介於30〜50微米。 8. 如申請專利範圍第1項所述之流體喷射裝置，其中該第一基底與該第二基底之黏合方式係包括直接黏合或介

0535-10441TWF(Nl);A03236;DAVID.ptd 第15頁 1220415 六、申請專利範圍質黏合。 9.如申請專利範圍第8項所述之流體喷射裝置，其中該介質黏合方式中之介質物質係為氧化物。 1 0.如申請專利範圍第1項所述之流體喷射裝置，其中該歧管之窄開口寬度大約介於1 6 0〜2 0 0微米。 1 1 .如申請專利範圍第1項所述之流體喷射裝置，其中更包括至少一流體喷射致動器（a c t u a t 〇 r )位於該流體腔内。 1 2.如申請專利範圍第1項所述之流體喷射裝置，其中於該第二基底上依序更包括一結構層、一隔離層、一導電層以及一保護層。 1 3 .如申請專利範圍第1 2項所述之流體喷射裝置，其中該結構層係由氮氧化矽材質所構成。 1 4 .如申請專利範圍第1 2項所述之流體喷射裝置，其中該結構層之厚度大約介於0 . 5〜2微米。 1 5.如申請專利範圍第1 2項所述之流體喷射裝置，其中該結構層係為一低應力材質所構成。 1 6 .如申請專利範圍第1 5項所述之流體喷射裝置，其中該應力值大約介於50〜2 0 0百萬帕（MPa)。 1 7 · —種流體喷射裝置之製造方法，包括下列步驟：提供一第一基底，該第一基底具有一第一晶格排列方向；黏合一第二基底於該第一基底上，且該第二基底具有一第二晶格排列方向，而該第一晶格排列方向不同於該第

0535-10441W(Nl);A03236;DAVID.ptd 第16頁 1220415 六、申請專利範圍二晶格排列方向；形成一圖案化犧牲層於該第二基底上；形成一圖案化結構層於該第二基底上，並覆蓋該圖案化犧牲層；形成一歧管，穿過該第一基底以及該第二基底，並露出該圖案化犧牲層；移除該犧牲層，以形成至少一流體腔；蝕刻該流體腔，以擴大該流體腔之容積；以及形成至少一喷孔，通過該結構層，並與該流體腔連通。 1 8.如申請專利範圍第1 7項所述之製造方法，其中第一晶格排列方向為（1 1 1 )，而該第二晶格排列方向為 (100) 〇 1 9.如申請專利範圍第1 7項所述之製造方法，其中該第一基底係為一矽基底。 2 0 .如申請專利範圍第1 7項所述之製造方法，其中該第二基底係為一矽基底。 2 1 .如申請專利範圍第1 7項所述之製造方法，其中該第一基底厚度與該第二基底厚度之比例大約為1 0 : 1。 2 2 .如申請專利範圍第1 7項所述之製造方法，其中該第一基底之厚度大約介於5 0 0〜6 7 5微米。 2 3.如申請專利範圍第1 7項所述之製造方法，其中該第二基底之厚度大約介於3 0〜5 0微米。 24.如申請專利範圍第1 7項所述之製造方法，其中該

0535-10441TWF(N1);A03236;DAVID.ptd 第17頁 1220415 六、申請專利範圍第一基底與該第二基底之黏合方式係包括直接黏合或介質黏合。 2 5 .如申請專利範圍第2 4項所述之製造方法，其中該直接黏合方式之反應溫度係大約為攝氏1，0 0 0度以上。 2 6 .如申請專利範圍第2 4項所述之製造方法，其中該介質黏合方式之介質物質係為氧化物。 2 7.如申請專利範圍第1 7項所述之製造方法，其中該犧牲層係由硼磷矽玻璃（BPSG)、磷矽玻璃（PSG)或氧化矽所構成。 28.如申請專利範圍第1 7項所述之製造方法，其中該犧牲層之厚度大約介於0 . 5〜2微米。 2 9.如申請專利範圍第1 7項所述之製造方法，其中該結構層係由氮氧化矽所構成。 3 0 .如申請專利範圍第1 7項所述之製造方法，其中該結構層之厚度大約介於0 . 5〜2微米。 3 1 .如申請專利範圍第1 7項所述之製造方法，其中該結構層係為一低應力材質所構成。 3 2 .如申請專利範圍第3 1項所述之製造方法，其中該應力值大約介於50〜200百萬帕（MPa)。 3 3 .如申請專利範圍第1 7項所述之製造方法，其中該歧管之窄開口寬度大約介於9 0〜2 0 0微米 3 4 .如申請專利範圍第1 7項所述之製造方法，其中形成該歧管之步驟係利用非等向性之濕蝕刻法。 3 5 .如申請專利範圍第3 4項所述之製造方法，其中該

0535-10441BiF(Nl);A03236;DAVID.ptd 第18頁 1220415 t、申請專利範圍濕蝕刻法所使用之蝕刻液係為氫氧化鉀。 3 6 .如申請專利範圍第1 7項所述之製造方法，其中移除該犧牲層之步驟係利用濕蝕刻法。 3 7 .如申請專利範圍第3 6項所述之製造方法，其中該濕蝕刻法所使用之蝕刻液係為氫氟酸。 3 8 .如申請專利範圍第1 7項所述之製造方法，其中蝕刻該流體腔之步驟係利用濕蝕刻法。 3 9 .如申請專利範圍第3 8項所述之製造方法，其中該濕蝕刻法所使用之蝕刻液係為氫氧化鉀。 4 0 .如申請專利範圍第1 7項所述之製造方法，其中形成該喷孔之步驟係利用雷射或反應離子轟擊之方式。 _

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