專利名稱：超合金微型加熱器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種微型加熱器(micro-heating apparatus),特別是一種以超 合金(superalloy)材料制作的超合金微型加熱器。
背景技術(shù)：
微機(jī)電統(tǒng)(micro-electro mechanical system, MEMS)以半導(dǎo)體的工藝4支術(shù) 來制作微米(micro-meter, pm)級(jí)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并可整合多種組件，而成為一 個(gè)微型統(tǒng)，其產(chǎn)品涵蓋光學(xué)、電子、電機(jī)、材料、物理、化學(xué)、生醫(yī)等多個(gè) 領(lǐng)域，為典型跨領(lǐng)域整合科技產(chǎn)品。
以微機(jī)電工藝制作的微型加熱器，近年來已被廣泛的利用，如應(yīng)用于噴 墨打印機(jī)噴嘴的微型加熱器，當(dāng)施加通過微型加熱器的電阻片的電流時(shí)，噴 嘴內(nèi)的墨水瞬間將加熱到沸騰，并立即受到推擠自噴嘴噴灑出來進(jìn)行打??； 此種用于加熱的微型加熱器亦可見于生醫(yī)領(lǐng)域的生物芯片，利用微型加熱器 對于芯片反應(yīng)槽內(nèi)的樣本進(jìn)行溫度控制，以利于進(jìn)行相關(guān)的生物反應(yīng)或后續(xù) 的樣本檢測。噴墨打印機(jī)噴嘴內(nèi)和生物芯片內(nèi)的微型加熱器都是利用微型加熱器局部加熱的功效，完善提供噴嘴或生物芯片所需的微熱源。
然而，已知的微型加熱器常以高電阻值的金屬為電阻材料，經(jīng)一段時(shí)間 反復(fù)通電產(chǎn)熱后，由溫度和電子風(fēng)(electron wind)加乘效應(yīng)造成電阻內(nèi)金屬離 子的移動(dòng)，將使得晶界(grainboundary)面積因缺少原子而大幅減少，因而應(yīng) 力大幅增加，導(dǎo)致晶界無法承受應(yīng)力而破壞使電阻斷路，此一結(jié)果可稱的為 電致遷移(electron migration)效應(yīng)，為造成微型加熱器重復(fù)性及可靠性不佳的 重要原因之一。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于已知微型加熱器面臨電致遷移效應(yīng)，導(dǎo)致可靠度下降的問題，本發(fā) 明的目的在于提供以超合金微型加熱器，其包含基底、絕緣層、設(shè)于該絕緣 層上的包含超合金材料的加熱電阻以及設(shè)于該加熱電阻之上的接觸電極，以
期解決已知技術(shù)中無法克服的難題。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種制作超合金微型加熱器的方法。首先提 供基底與超合金濺鍍耙，分別置于濺鍍系統(tǒng)的陽極與陰極，且該基底的背面 與該濺鍍系統(tǒng)的陽極連結(jié)，而且該基底的正面設(shè)有絕緣層及圖案化光致抗蝕 劑，然后進(jìn)行濺鍍工藝，在該絕緣層與該圖案化光致抗蝕劑表面形成超合金 薄膜，最后進(jìn)行剝離工藝(lift-off)，剝除該圖案化光致抗蝕劑并圖案化該超 合金薄膜，以構(gòu)成加熱電阻。
由于超合金本身具有耐高熱、高硬度、良好高溫機(jī)械性質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)利 用于制作微型加熱器時(shí)，可有效提升產(chǎn)品的可靠性及重復(fù)利用性，為良好的 微型加熱器材料。


圖1至圖6依據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實(shí)施例所繪示的超合金微型加熱器的 制作方法流程示意圖。
圖7至圖9依據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選實(shí)施例所繪示的超合金微型加熱器的 制作方法流程示意圖。
附圖標(biāo)記說明
10基底12超合金賊鍍耙
14絕緣層16濺鍍室
18直流電源供應(yīng)器20陰極
22陽極24第一開口
26第二開口28超合金薄膜
30圖案化光致抗蝕劑32力口熱電阻
34第二光致抗蝕劑層36接觸電極
40基底42絕緣層
44圖案化光致抗蝕劑46超合金薄膜
48加熱電阻
具體實(shí)施例方式
為使更進(jìn)一步了解本發(fā)明，以下列舉出具體實(shí)例，并配合圖示、組件符 號(hào)等說明，細(xì)說明本發(fā)明的構(gòu)成內(nèi)容及其所達(dá)成的功效。
請參考圖1至圖6,圖1至圖6依據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實(shí)施例所繪示的 超合金微型加熱器的制作方法流程示意圖。首先提供基底10以及超合金濺
鍍靶12,且基底10的正面設(shè)有絕緣層14。本優(yōu)選實(shí)施例所使用的基底10 為硅基底，但不以此為限，超合金濺鍍靶12可包含鎳基超合金(Inconel)、高 鎳基比超合金(Nimonic)、鎳鈷基超合金(Incoloy)、鐵基超合金(Invar)、鎳鉻 超合金(Illium)或NX-188合金等超合金金屬的燒結(jié)體，供后續(xù)的工藝使用。 將基底10與超合金濺鍍靶12放置于濺鍍系統(tǒng)中，并準(zhǔn)備進(jìn)行濺鍍工藝。如 圖1所示，其繪示一個(gè)典型直流式濺鍍系統(tǒng)的濺鍍室16,濺鍍室16內(nèi)設(shè)有 直流電源供應(yīng)器18的陰極20和陽極22，其中，超合金濺鍍靶12與濺鍍室 16內(nèi)的陰極20電連接，基底10則是設(shè)于陽極22上。濺鍍室16另設(shè)有第一 開口 24與第二開口 26，第一開口 24供濺鍍時(shí)所需的等離子體氣體進(jìn)入，例 如氦氣或氬氣，且第二開口 26連接維持濺鍍室16真空度的機(jī)械泵浦。于本 優(yōu)選實(shí)施例中，進(jìn)行該濺鍍工藝時(shí)，先由該機(jī)械泵浦將濺鍍室16抽真空， 此時(shí)賊鍍室16內(nèi)的氣體壓力約為10-5-10-6托耳(torr)，較佳的氣體壓力為 10-8-10-9托耳。接著由直流電源供應(yīng)器18在陰極20與陽極22間施以電壓， 加速帶正電的等離子體氣體離子轟擊連接陰極20的超合金濺鍍靶12表面， 這些等離子體氣體離子在和超合金濺鍍靶12表面的原子交換動(dòng)量，就會(huì)從 超合金濺鍍靶12表面濺出原子，并飛向置于陽極22的基底10并鍍在基底 IO表面，形成超合金薄膜28。
如圖2所示，基底10表面鍍有超合金薄膜28，接著在超合金薄膜28 表面涂布光致抗蝕劑層，并進(jìn)行黃光工藝(lithography),在該光致抗蝕劑層表 面定義圖案以形成圖案化光致抗蝕劑30。如圖3所示，進(jìn)行蝕刻工藝，例如 千蝕刻工藝或濕蝕刻工藝，以前一步驟所形成的圖案化光致抗蝕劑為蝕刻掩 模，對超合金薄膜28進(jìn)行蝕刻，并圖案化超合金薄膜28，定義本發(fā)明的超 合金微型加熱器的加熱電阻結(jié)構(gòu)。于是如圖4所示，移除圖案化光致抗蝕劑 層30并暴露已圖案化的超合金薄膜28,此圖案化的超合金薄膜28即為本發(fā) 明的加熱電阻32。然后如圖5所示，形成第二光致抗蝕劑層34于加熱電阻 32表面，并利用第二黃光工藝圖案化第二光致抗蝕劑層34定義加熱電阻32 所需的接觸電極的位置及大小，最后如圖6所示，進(jìn)行沉積工藝，沉積包含金(Au)、鉑(Pt)、 4各(Cr)、鈦(Ti)或前述金屬的組合，形成金屬層以覆蓋第二 光致抗蝕劑層34，再進(jìn)行剝離工藝，移除第二光致抗蝕劑層34及大部分的 該金屬層，以形成接觸電極36于加熱電阻32之上。接觸電極36不限于前 述先形成與接觸電極36圖案互補(bǔ)的光致抗蝕劑圖案、以及后續(xù)利用剝離工 藝移除光致抗蝕劑圖案以完成制作接觸電極36的方式，已知的方法如先 沉積金屬層，再以定義接觸電極位置、大小的圖案化光致抗蝕劑為掩模并進(jìn) 行蝕刻工藝，最后移除圖案光致抗蝕劑以曝露出制作完成的接觸電極等的一 連串的半導(dǎo)體工藝，亦可以用于本發(fā)明以制作接觸電極。
另外，依據(jù)本發(fā)明的第二優(yōu)選實(shí)施例，其揭露另一超合金微型加熱器的 制作方法，相關(guān)的圖示說明請參考圖7至圖9。如圖7所示，提供基底40， 基底40的正面形成有絕緣層42以及圖案化光致抗蝕劑44。絕緣層40通常 是由具有良好熱絕緣效果的氧化硅材料所構(gòu)成，且圖案化光致抗蝕劑44歷 經(jīng)光致抗蝕劑涂布工藝與黃光工藝形成圖案化光致抗蝕劑以反向定義本發(fā) 明的加熱電阻的位置和圖案。接著如圖8所示，進(jìn)行濺鍍工藝，形成超合金 薄膜46以覆蓋圖案化光致抗蝕劑44。該濺鍍工藝?yán)萌鐖D1所繪示的濺鍍 系統(tǒng)，以適合的工藝條件運(yùn)作之，詳細(xì)工藝內(nèi)容已于前述的第一優(yōu)選實(shí)施例 中敘述，在此便不多做說明。然后如圖9所示，進(jìn)行剝離工藝，移除圖案化 光致抗蝕劑44及位于圖案化光致抗蝕劑表面的超合金薄膜46,以圖案化該 超合金薄膜46,形成由超合金材料所構(gòu)成的加熱電阻48。最后，利用如圖5 及圖6的接觸電極的制作流程，形成接觸電極50于加熱電阻48之上，相關(guān) 的說明請參考圖5及圖6，在此不再重復(fù)敘述。
當(dāng)本發(fā)明的超合金微加熱器完成后，可另與其它腔體如印表機(jī)噴嘴的墨 水腔或生物芯片的反應(yīng)槽結(jié)合，由于接觸電極的電阻遠(yuǎn)小于加熱電阻的電 阻，使得電能主要由加熱電阻轉(zhuǎn)換成熱能，來為該腔體內(nèi)的流體進(jìn)行加熱。 上述圖示中所繪示的加熱電阻或接觸電極的外型、相對位置或大小為一簡單 圖示，其變化型可依實(shí)際工藝更動(dòng)，并不局限于本發(fā)明所揭露的樣式。此外， 本發(fā)明所述的濺鍍工藝以簡易的直流式濺鍍系統(tǒng)為例，亦可配合其它設(shè)備， 如在賊鍍室內(nèi)增加準(zhǔn)直管(collimator)、或是在賊鍍室周圍加裝經(jīng)射頻(RF)電 壓加壓的RF線圏(coils),提升沉積超合金薄膜的覆蓋能力，然而，形成本發(fā) 明的超合金薄膜的方法并不限于第一、第二優(yōu)選實(shí)施例所述的濺鍍工藝，其 它已知可用于沉積金屬薄膜的工藝，如蒸鍍、化學(xué)氣相沉積、或物理氣相沉積等方法，亦適用于本發(fā)明。
由于超合金材料本身具有耐高溫、高硬度、耐腐蝕、電阻大、升溫快等 良好高溫機(jī)械性質(zhì)，因此適合再行加工形成濺鍍靶材，透過賊鍍等半導(dǎo)體相 關(guān)技術(shù)形成超合金的加熱電阻，大幅提升產(chǎn)品的可靠性及重復(fù)性。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求所做的等同變 化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1、一種超合金微型加熱器，其包含基底；設(shè)于該基底的正面的絕緣層；設(shè)于該絕緣層之上的包含超合金)材料的加熱電阻；以及設(shè)于該加熱電阻之上的接觸電極。
2、 如權(quán)利要求1所述的超合金微型加熱器，其中該加熱電阻包含圖案。
3、 如權(quán)利要求1所述的超合金微型加熱器，其中該接觸電極與外部電 源連接，提供電流并由該加熱電阻將電能轉(zhuǎn)換為熱能。
4、 如權(quán)利要求1所述的超合金微型加熱器，其中該超合金材料包含鎳 基超合金、高鎳基比超合金、鎳鈷基超合金、鐵基超合金、鎳鉻超合金、NX-188 合金或其混合物。
5、 一種超合金微型加熱器的制作方法，其包含提供基底與超合金賊鍍靶，該超合金賊鍍靶與賊鍍系統(tǒng)的陰極電連接， 且該基底的正面設(shè)有絕緣層及圖案化光致抗蝕劑；進(jìn)行賊鍍工藝，在該絕緣層與該圖案化光致抗蝕劑表面上形成超合金薄 膜；以及進(jìn)行剝離工藝，剝除該圖案化光致抗蝕劑并移除位于該圖案化光致抗蝕 劑表面的該超合金薄膜以圖案化該超合金薄膜，以構(gòu)成加熱電阻。
6、 如權(quán)利要求5所述的制作方法，其中進(jìn)行濺鍍工藝時(shí)，利用含氦或 氬的等離子體氣體，將超合金濺鍍至該絕緣層與該圖案化光致抗蝕劑表面， 形成該超合金薄膜。
7、 如權(quán)利要求5的制作方法，其中在該加熱電阻形成后，另包含接觸 電極的制作工藝，其步驟如下在該加熱電極表面形成第二光致抗蝕劑層；進(jìn)行黃光工藝，圖案化該第二光致抗蝕劑，以定義接觸電極的位置及圖案；進(jìn)行沉積工藝，形成金屬層以覆蓋該第二光致抗蝕劑及部分的加熱電極 表面；以及進(jìn)行剝離工藝，移除該第二光致抗蝕劑及該金屬層，以形成該接觸電極。
8、 如權(quán)利要求5所述的制作方法，其中該超合金濺鍍靶包舍鎳基超合 金、高鎳基比超合金、鎳鈷基超合金、鐵基超合金、鎳鉻超合金、NX-188 合金或其混合物。
9、 一種超合全微型加熱器的制作方法，其包含提供基底與超合金濺鍍靶，該超合金賊鍍靶與賊鍍系統(tǒng)的陰極電連接， 且該基底的正面設(shè)有絕緣層；進(jìn)行濺鍍工藝，在該絕緣層與該圖案化光致抗蝕劑表面形成超合金薄 膜；以及形成圖案化光致抗蝕劑以覆蓋該超合金薄膜；進(jìn)行蝕刻工藝，以該圖案化光致抗蝕劑為屏蔽，圖案化該超合金薄膜；以及移除該圖案化光致抗蝕劑并暴露該圖案化的超合金薄膜，以形成加熱電阻。
10、 如權(quán)利要求9的制作方法，其中在該加熱電阻形成后，另包含接觸 電極的制作工藝，其步驟如下在該加熱電極表面形成第二光致抗蝕劑層；進(jìn)行黃光工藝，圖案化該第二光致抗蝕劑，以定義接觸電極的位置及圖案；進(jìn)行沉積工藝，形成金屬層以覆蓋該第二光致抗蝕劑及部分的加熱電極 表面；以及進(jìn)行剝離工藝，移除該第二光致抗蝕劑及該金屬層，以形成接觸電極。
11、 如權(quán)利要求9所述的制作方法，其中該超合金濺鍍靶包含鎳基超合 金、高鎳基比超合金、鎳鈷基超合金、鐵基超合金、鎳鉻超合金、NX-188 合金或其混合物。
全文摘要
本發(fā)明包括一種超合金微型加熱器，其包含基底、設(shè)于該基底的正面的絕緣層、設(shè)于該絕緣層之上的圖案化的加熱電阻以及設(shè)于該加熱電阻之上的接觸電極，其中該加熱電阻由超合金材料構(gòu)成，具有耐腐蝕、高電阻、升溫快以及耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，可大幅提升該超合金微型加熱器的可靠性及重復(fù)性。
文檔編號(hào)H05B3/12GK101203074SQ200610166760
公開日2008年6月18日 申請日期2006年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月14日
發(fā)明者康育輔 申請人:探微科技股份有限公司