CN1325268C

CN1325268C - 流体喷射装置及其制造方法

Info

Publication number: CN1325268C
Application number: CNB2003101237181A
Authority: CN
Inventors: 胡宏盛; 陈苇霖
Original assignee: BenQ Corp
Current assignee: BenQ Corp
Priority date: 2003-12-23
Filing date: 2003-12-23
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2023-12-23
Also published as: CN1631673A

Abstract

本发明公开了一种流体喷射装置及其制造方法。该装置包括：一第一基底，具有一第一晶格排列方向，一第二基底，黏合于该第一基底上，且具有一第二晶格排列方向，而该第一晶格排列方向不同于该第二晶格排列方向，一歧管，穿过该第一基底与该第二基底，一流体腔，形成于该第二基底，并与该歧管连通，以及多个喷孔，与该流体腔连通。本发明还公开了上述流体喷射装置的制造方法。

Description

流体喷射装置及其制造方法

技术领域

本发明有关一种半导体装置，特别是有关一种流体喷射装置及其制造方法。

背景技术

在现今硅晶片的工艺，常会利用氢氧化四甲铵(TMAH)、氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(NaOH)等的强碱性溶液作为蚀刻工艺中的蚀刻液。此类溶液对于硅单晶体的不同结晶平面有着不同的蚀刻表现，虽然蚀刻表现会随蚀刻液的种类、浓度或蚀刻温度的不同有些许的差异，但大体上对不同结晶表面的蚀刻率，存在着(111)＜(110)＜(100)的特性，尤其是(111)的蚀刻率，远远小于其他的结晶平面。

请参照图1与图2，说明强碱性蚀刻液对不同结晶平面晶片的蚀刻表现。图1所示为对(100)晶片的蚀刻结果，其会在基底10中形成一夹角为54.7度的各向异性蚀刻轨迹，而图2所示则为对(111)晶片的蚀刻结果，其会在基底10中形成一呈垂直角度的各向异性蚀刻轨迹。

因此，当制作流体喷射装置，进行从背后穿透晶圆以形成孔洞的背后蚀刻工艺时，若使用结晶平面为(100)的晶片，将造成一背面开孔远大于正面狭窄处的歧管，例如一歧管狭窄处仅有大体200微米的喷墨装置，其背后开孔即会因蚀刻表现的缘故，扩张至大体1,100～1,200微米的宽度，此极大比例的落差，亦表示依结晶平面(100)制作而成的歧管，会占据晶圆底部甚大的面积，减少其他可利用的范围。

另在喷墨头的组装中，晶片背面亦须有足够的空间用来上胶，以使墨匣与晶片紧密结合，一般来说，两侧所保留的上胶区，左右大体各1,200微米，遂连同上述歧管的背面开口，单片晶圆至少须提供一大体3,500～3,600微米的空间，予流体喷射装置的制作，相当程度降低了晶圆在底部面积的可利用性。

为了缩小歧管占据晶圆底部的面积，产业上有改以结晶平面(111)的晶片作为蚀刻基底的做法，但是虽可适时减缩背面开口区的宽度(由于其呈垂直角度的蚀刻表现)，但却会产生歧管形状偏斜，进而造成流体腔形状控制不易的问题，严重影响该装置的喷墨效果。

现有的流体喷射装置可参见图3加以说明。此流体喷射装置以一硅基材10为主体，歧管(manifold)20，用以输送流体；流体腔(chamber)30，设于歧管20上端的两侧，用以容纳该流体；多个喷孔(nozzle)40，设于流体腔30的表面，用以供该流体喷出。

依上述流体喷射装置的设计，歧管20呈现一下宽上窄的形状，致使歧管20的背面开孔占据了甚多的晶圆底面积，降低晶圆面积的使用效能。

另传统上制造流体喷射装置的方法如下，请参阅图4a与图4b。如图4a所示，提供一基底10，例如一硅基底，其晶格排列方向为(100)。形成一图案化牺牲层20于该基底10上，牺牲层20由硼磷硅玻璃(BPSG)、磷硅玻璃(PSG)或氧化硅材质所构成，其中以磷硅玻璃为优选的选择。接着，形成一图案化结构层30于该基底10上，并覆盖该图案化牺牲层20，结构层30可为由化学气相沉积法(CVD)所形成的氮氧化硅层。

接着形成一图案化电阻层40于该结构层30上，以做为致动器例如为加热器，电阻层40由HfB₂、TaAl、TaN或TiN所构成。接着，形成一图案化隔离层50，覆盖该基底10以及结构层30，且形成一加热器接触窗45，之后，形成一图案化导电层60于该结构层30上，并填入加热器接触窗45，以形成一讯号传送线路62。最后，形成一保护层70于该隔离层50与该导电层60上，且在保护层70中形成一讯号传送线路接触窗75，使导电层60露出，以利后续的封装作业。

接着，请参见图4b，以湿蚀刻法，例如以氢氧化钾溶液，蚀刻基底10的背面，以形成一歧管80，并露出牺牲层20，之后，再以氢氟酸(HF)溶液蚀刻牺牲层20以形成一流体腔90，最后，依序蚀刻保护层70、隔离层50与结构层30，以形成一与流体腔90连通的喷孔95。至此，即完成一流体喷射装置的制作。

选用晶格排列方向为(100)的晶片，制作歧管80时，由于此特定的晶格排列，使在基底10中形成的歧管80结构，呈现一下宽上窄的形状，而歧管80结构的宽开口处，即显示出占据过多的晶圆底面积。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是公开一种流体喷射装置，其藉双层基底的设置，达到有效缩小歧管的开口尺寸以及控制流体腔形状的效果。

为了达成上述目的，本发明提供一种流体喷射装置，包括：一第一基底，具有一第一晶格排列方向，一第二基底，黏合于该第一基底上，且具有一第二晶格排列方向，而该第一晶格排列方向不同于该第二晶格排列方向，一歧管，穿过该第一基底与该第二基底，一流体腔，形成于该第二基底，并与该歧管连通，以及多个喷孔，与该流体腔连通，其中，该第一基底的结晶平面的蚀刻率小于该第二基底的结晶平面的蚀刻率。

依本发明不同结晶平面基底的组合设计，使在蚀刻以形成歧管结构时，先遭遇例如结晶平面为(111)，蚀刻轨迹呈垂直角度的晶片，缩小了晶片背面开口区的尺寸，且尔后再蚀刻例如结晶平面为(100)的晶片时，由于蚀刻表现的不同，接着可达成流体腔形状的有效控制。

本发明另提供一种流体喷射装置的制造方法，包括下列步骤：提供一第一基底，该第一基底具有一第一晶格排列方向，黏合一第二基底于该第一基底上，且该第二基底具有一第二晶格排列方向，而该第一晶格排列方向不同于该第二晶格排列方向，且该第一基底的结晶平面的蚀刻率小于该第二基底的结晶平面的蚀刻率。接着形成一图案化牺牲层于该第二基底上，该图案化牺牲层作为一预定形成至少一流体腔的区域。

接着，形成一图案化结构层于该第二基底上，并覆盖该图案化牺牲层。续形成一歧管，穿过该第一基底以及该第二基底，并露出该图案化牺牲层。之后，移除该牺牲层，以形成该流体腔，并蚀刻该流体腔，以扩大该流体腔的容积，使该流体腔占据该第二基底。最后，蚀刻该结构层，以形成至少一与该流体腔连通的喷孔。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合附图，作详细说明如下，其中：

图1至2为不同结晶平面的蚀刻表现示意图；

图3为传统流体喷射装置结构的剖面示意图；

图4a至4b为传统流体喷射装置工艺的剖面示意图；以及

图5a至5c为根据本发明的一实施例，流体喷射装置工艺的剖面示意图。

附图标记说明

现有部分(图1至图3)

10～基底；20～歧管；30～流体腔；40～喷孔。

现有部分(图4a至图4b)

10～基底；20～牺牲层；30～结构层；40～电阻层；45～加热器接触窗；50～隔离层；60～导电层；62～讯号传送线路；70～保护层；75～讯号传送线路接触窗；80～歧管；90～流体腔；95～喷孔。

本发明实施例部分(图5a至图5c)

500～第一基底；510～第二基底；520～牺牲层；530～结构层；540～电阻层；550～隔离层；555～加热器接触窗；560～导电层；570～保护层；580～讯号传送线路接触窗；590～歧管；600～流体腔；610～喷孔。

具体实施方式

实施例

请参阅图5a至5b，说明本发明的一实施例，流体喷射装置的制作。首先，如图5a所示，提供一第一基底500以及一第二基底510，其中第一基底500例如为一硅基底，其晶格排列方向为(111)，而第二基底510例如为一硅基底，其晶格排列方向为(100)。第一基底500与第二基底510的厚度比例，大约介于10∶1，第一基底500的厚度大约介于500～675微米，第二基底510厚度大约介于30～50微米。

上述第二基底510黏合于第一基底500上，黏合方式包括直接黏合方式以及介质黏合方式，其中直接黏合方式的反应温度大约达摄氏1000度以上，另介质黏合方式中的介质为氧化物。

接着，如图5b所示，形成一图案化牺牲层520于第二基底510的一第一面上5001，牺牲层520由硼磷硅玻璃(BPSG)、磷硅玻璃(PSG)或氧化硅材质所构成，其中以磷硅玻璃为优选的选择，牺牲层520的厚度大约介于5,000～20,000埃。并作为一预定形成至少一流体腔的区域。

接着形成一图案化结构层530于第二基底510上，且覆盖图案化牺牲层520，结构层530可为由化学气相沉积法(CVD)所形成的氮氧化硅层，结构层530的厚度大体介于0.5～2微米。此外，结构层530为一低应力材质，其应力值大体介于50～200百万帕(MPa)。

接着，形成一图案化电阻层540于结构层530上，以做为流体喷射致动器(actuator)例如为加热器，使流体经由喷射致动器驱动后，由后续制作的喷孔喷出，电阻层540由HfB₂、TaAl、TaN或TiN所构成，其中以TaAl为优选的选择。

再形成一图案化隔离层550，覆盖结构层530且形成加热器接触窗555，之后，形成一图案化导电层560于隔离层550上，并填入加热器接触窗555，以形成讯号传送线路。最后，形成一保护层570于第二基底510上，覆盖隔离层550与导电层560，且于保护层570中形成讯号传送线路接触窗580，使导电层560露出，以利后续封装作业。

接下来，请参见图5c，开始进行一连串的蚀刻工艺，以形成最终的流体喷射装置。首先，以各向异性的湿蚀刻法，蚀刻液例如为氢氧化四甲铵(TMAH)、氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(NaOH)溶液，蚀刻第一基底500的背面，即一第二面5002，以开始形成一歧管590的结构。

由于不同结晶平面的基底组合，使在进行蚀刻以形成歧管590结构时，会先遭遇结晶平面为(111)，蚀刻轨迹呈垂直角度的第一基底500，而此蚀刻表现，即显示较现有技术明显减缩了第一基底500背面开口区的尺寸，大幅提升第一基底500其底部可利用的范围。

接着再蚀刻结晶平面为(100)的第二基底510，以完成歧管590完整结构的制作，此段蚀刻步骤后，由于不同于前者的蚀刻表现，使对后续流体腔600形状的控制，具极大的助益。歧管590完成制作后，其结构穿过第一基底500与第二基底510，并露出牺牲层520。

歧管590的窄开口宽度大体介于90～200微米，背面开口的宽度大体介于150～300微米，与现有背面开口至少需要大体1,100～1,200微米的空间相较，确实缩减甚多。另歧管590向下与一流体储存槽相互连通。

接着以含氢氟酸(HF)溶液的湿蚀刻法，蚀刻牺牲层520，之后，再度以碱性蚀刻液例如为氢氧化钾(KOH)溶液的湿蚀刻法，蚀刻牺牲层520，以扩大牺牲层520被掏空的区域，而形成流体腔600，流体腔600于蚀刻液予以扩大容积后，即占据第二基底510的空间。

最后，依序蚀刻保护层570、隔离层550与结构层530，以形成与流体腔600连通的喷孔610，且流体腔600与上述歧管590连通。喷孔610的制作是利用激光或反应离子轰击的方法制作。至此，即完成一流体喷射装置的制作。

若每单排流体腔的设计为解析度300dpi(点每英寸：dot perinch)，本实施例另可藉各排流体腔间的错位排列，将喷射密度提高至600～1,200dpi，而达到单位时间内更快速喷射流体的效果，但是此技术并非本发明的重点，遂不在此赘述。

本发明利用黏合的双层基底，一方面改善现有技术中，歧管背面开口占据过多基底面积的问题，另方面，由于可维持原本歧管与流体腔连接处，倾斜54.7度的结构构型，也使之后制作而成的流体腔，具优选的结构形状，以稳定流体喷出的效果。

虽然本发明已以优选实施例公开如上，但是其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可作更动与润饰，因此本发明的保护范围当以所附的权利要求所确定的为准。

Claims

1.一种流体喷射装置，包括：

一第一基底，具有一第一晶格排列方向；

一第二基底，黏合于该第一基底上，且具有一第二晶格排列方向，而该第一晶格排列方向不同于该第二晶格排列方向；

一歧管，穿过该第一基底与该第二基底；

一流体腔，形成于该第二基底，并与该歧管连通；以及

多个喷孔，与该流体腔连通，

其中，该第一基底的结晶平面的蚀刻率小于该第二基底的结晶平面的蚀刻率。

2.如权利要求1所述的流体喷射装置，其中该第一晶格排列方向为(111)，而该第二晶格排列方向为(100)。

3.如权利要求1所述的流体喷射装置，其中该第一基底为一硅基底。

4.如权利要求1所述的流体喷射装置，其中该第二基底为一硅基底。

5.如权利要求1所述的流体喷射装置，其中该第一基底厚度与该第二基底厚度的比例大约为10∶1。

6.如权利要求1所述的流体喷射装置，其中该第一基底的厚度大约介于500～675微米。

7.如权利要求1所述的流体喷射装置，其中该第二基底的厚度大约介于30～50微米。

8.如权利要求1所述的流体喷射装置，其中该第一基底与该第二基底的黏合方式包括直接黏合或介质黏合。

9.如权利要求8所述的流体喷射装置，其中该介质黏合方式中的介质物质为氧化物。

10.如权利要求1所述的流体喷射装置，其中该歧管的窄开口宽度大约介于160～200微米。

11.如权利要求1所述的流体喷射装置，其中还包括至少一流体喷射致动器位于该流体腔内。

12.如权利要求1所述的流体喷射装置，其中于该第二基底上依序还包括一结构层、一隔离层、一导电层以及一保护层。

13.如权利要求12所述的流体喷射装置，其中该结构层由氮氧化硅材质所构成。

14.如权利要求12所述的流体喷射装置，其中该结构层的厚度大约介于0.5～2微米。

15.如权利要求12所述的流体喷射装置，其中该结构层为一低应力材质所构成。

16.如权利要求15所述的流体喷射装置，其中该应力值大约介于50～200百万帕。

17.一种流体喷射装置的制造方法，包括下列步骤：

提供一第一基底，该第一基底具有一第一晶格排列方向；

黏合一第二基底于该第一基底上，该第二基底具有一第二晶格排列方向，而该第一晶格排列方向不同于该第二晶格排列方向，且该第一基底的结晶平面的蚀刻率小于该第二基底的结晶平面的蚀刻率；

形成一图案化牺牲层于该第二基底上；

形成一图案化结构层于该第二基底上，并覆盖该图案化牺牲层；

形成一歧管，穿过该第一基底以及该第二基底，并露出该图案化牺牲层；

移除该牺牲层，以形成至少一流体腔；

蚀刻该流体腔，以扩大该流体腔的容积；以及

形成至少一喷孔，通过该结构层，并与该流体腔连通。

18.如权利要求17所述的制造方法，其中第一晶格排列方向为(111)，而该第二晶格排列方向为(100)。

19.如权利要求17所述的制造方法，其中该第一基底为一硅基底。

20.如权利要求17所述的制造方法，其中该第二基底为一硅基底。

21.如权利要求17所述的制造方法，其中该第一基底厚度与该第二基底厚度的比例大约为10∶1。

22.如权利要求17所述的制造方法，其中该第一基底的厚度大约介于500～675微米。

23.如权利要求17所述的制造方法，其中该第二基底的厚度大约介于30～50微米。

24.如权利要求17所述的制造方法，其中该第一基底与该第二基底的黏合方式包括直接黏合或介质黏合。

25.如权利要求24所述的制造方法，其中该直接黏合方式的反应温度大约为摄氏1,000度以上。

26.如权利要求24所述的制造方法，其中该介质黏合方式的介质物质为氧化物。

27.如权利要求17所述的制造方法，其中该牺牲层由硼磷硅玻璃、磷硅玻璃或氧化硅所构成。

28.如权利要求17所述的制造方法，其中该牺牲层的厚度大约介于0.5～2微米。

29.如权利要求17所述的制造方法，其中该结构层由氮氧化硅所构成。

30.如权利要求17所述的制造方法，其中该结构层的厚度大约介于0.5～2微米。

31.如权利要求17所述的制造方法，其中该结构层为一低应力材质所构成。

32.如权利要求31所述的制造方法，其中该应力值大约介于50～200百万帕。

33.如权利要求17所述的制造方法，其中该歧管的窄开口宽度大约介于90～200微米。

34.如权利要求17所述的制造方法，其中形成该歧管的步骤利用各向异性的湿蚀刻法。

35.如权利要求34所述的制造方法，其中该湿蚀刻法所使用的蚀刻液为氢氧化钾。

36.如权利要求17所述的制造方法，其中移除该牺牲层的步骤利用湿蚀刻法。

37.如权利要求36所述的制造方法，其中该湿蚀刻法所使用的蚀刻液为氢氟酸。

38.如权利要求17所述的制造方法，其中蚀刻该流体腔的步骤利用湿蚀刻法。

39.如权利要求38所述的制造方法，其中该湿蚀刻法所使用的蚀刻液为氢氧化钾。

40.如权利要求17所述的制造方法，其中形成该喷孔的步骤利用激光或反应离子轰击的方式。