用于流体喷射装置的改进的制造方法以及流体喷射装置

摘要

一种用于制造用于喷射流体(6)的装置(1)的方法，包括产生喷嘴板(8)的步骤，产生喷嘴板(8)的步骤包括以下步骤：在第一半导体本体(31,35)中形成具有第一直径(d1)的第一喷嘴空腔(35’；35”)；至少部分地在第一喷嘴空腔(35’；35”)中形成亲水层(42)；在亲水层上形成结构层(45)；蚀刻结构层以形成在流体喷射方向(Z)上与第一喷嘴空腔对准并且具有大于第一直径(d1)的第二直径(d4)的第二喷嘴空腔(48)；继续进行对结构层的蚀刻，以用于去除结构层的在第一喷嘴空腔中的部分，以到达亲水层(42)并且被布置成与第一和第二喷嘴空腔流体连通；以及将喷嘴板(8)与用于容纳流体(6)的腔室(10)耦合。

说明书

技术领域

本发明涉及用于流体喷射装置的制造方法以及流体喷射装置。特别地，本发明涉及用于制造基于压电技术的流体喷射头的工艺，并且涉及使用压电技术操作的流体喷射头。

背景技术

现有技术已知多种类型的流体喷射装置，特别是用于打印应用的喷墨头。通过适当的修改，类似的头同样可以用于喷射除了墨水之外的流体，例如用于生物或生物医学领域中的应用、用于在制造用于生物分析的传感器时的生物材料(例如DNA)的局部应用、用于织物或陶瓷的装饰、以及用在3D打印和添加剂制造的应用中。

已知的制造方法构思经由胶合或接合对大量预处理部分进行耦合。这一工艺证明是昂贵的并且要求高精度，并且所得到的装置具有大的厚度。

为了克服这些缺点，文献No.2014/0313264公开了用于流体喷射装置的制造方法，该流体喷射装置利用半导体器件的典型制造技术完全在硅衬底上获得并且通过将仅三个晶片耦合在一起而形成。然而，根据该工艺，喷嘴的制造是在将支撑喷嘴的晶片耦合至已经耦合在一起的其它晶片之后获得的。其结果是在所形成的堆叠上的受限的动作自由度，部分因为用于处理耦合的晶片的堆叠的机器，并且部分因为技术流程，该技术流程与用于耦合三个晶片的粘接材料不兼容(例如高温工艺或涉及使用一些类型的溶剂的工艺)。此外，在喷嘴周围形成防湿涂层证明是不方便的。

发明内容

本发明的目的是提供将会克服现有技术的缺点的用于流体喷射装置的制造方法以及流体喷射装置。

根据本发明，提供了如在所附权利要求中限定的用于流体喷射装置的制造方法以及流体喷射装置。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在将参考附图仅借由非限制性示例来描述本发明的优选实施例，其中：

图1在横截面中示出了根据形成本公开的流体喷射装置的方法提供的流体喷射装置；

图2-12示出了根据本发明的实施例的用于制造图1中的流体喷射装置的步骤；以及

图13-15示出了在相应操作步骤期间根据图2-12的步骤制造的流体喷射装置。

具体实施方式

基于压电技术的流体喷射装置可以通过将采用微加工技术先前处理的多个晶片接合或胶合在一起进行制造，微加工技术典型地用于生产MEMS(微机电系统)器件。特别地，参考图1，图示出根据本公开的一个方面的液体喷射装置1。参考图1，包括衬底11的第一晶片2被处理以用于在其上形成一个或多个压电致动器3，压电致动器3被设计为被驱动以用于产生薄膜7的偏转，薄膜7部分地悬置在一个或多个腔室10之上延伸，腔室10被设计为限定用于容纳在使用期间将要被排出的流体6的相应的储存器。第二晶片4被处理以用于形成用于容纳压电致动器3的一个或多个腔室5，以便在使用时将压电致动器3与将要被排出的流体6隔离，以及用于形成与腔室10流体连接的用于流体6的一个或多个入口孔9。第三晶片8被处理以在例如由多晶硅(由附图标记35和45指定)制成的本体中形成用于流体6的喷射的孔13(喷嘴)，本体设置有亲水区域42(例如SiO₂的)。

随后，经由在图1中作为整体由附图标记15指定的焊接界面区域、和/或接合区域、和/或胶合区域、和/或例如聚合物材料的粘接区域将前述晶片2、4、8组装在一起。

压电致动器3包括被布置在顶电极18与底电极19之间的压电区域16，顶电极18与底电极19被设计为向压电区域16供应电信号，以用于在使用时产生压电区域16的偏转，该偏转因此以本身已知的方式引起薄膜7的偏转。金属路径(作为整体由附图标记20指定)从顶电极18与底电极19朝向电接触区域延伸，电接触区域设置有被设计为通过接合线(未示出)被偏置的接触焊盘21。

参考图2-12，接下来描述用于制造根据本公开的实施例的流体喷射装置1的工艺。

特别地，图2-4描述了用于微加工第一和第二晶片2、4的步骤；图5-12描述了用于微加工第三晶片8的步骤。

特别地，参考图2，简言之，用于制造第一晶片2的步骤构思首先提供半导体材料(例如硅)的衬底11。随后，薄膜层7被形成在该衬底上，例如包括SiO₂-多晶硅-SiO₂堆叠，其中SiO₂层具有例如被包括在0.1与0.2μm之间的厚度。并且多晶硅层(外延生长的)具有被包括在1和20μm之间的厚度。在不同的实施例中，薄膜可以是典型地用于MEMS器件的其它材料，例如SiO₂或者SiN，具有被包括在0.5和10μm之间的厚度，或者通过在SiO₂-Si-SiN的各种组合中的堆叠。

下一步骤是在薄膜层7上形成压电致动器3的底电极19(例如，由具有被包括在5和50nm之间的厚度的TiO₂层形成，在其上沉积有具有被包括在30和300nm之间的厚度的Pt层)。

随后将压电层沉积在底电极19上、沉积具有被包括在0.5与3μm之间(更典型地1或2μm)的厚度PZT层(Pb、Zr、TiO₃)(其在后续定义步骤之后将形成压电区域16)。接下来，在压电层上沉积具有被包括在30和300nm之间的厚度的第二传导材料层(例如Pt或Ir或IrO₂或TiW或Ru)，以用于形成顶电极18。

电极和压电层经受光刻和蚀刻步骤，以便根据期望的图案对电极和压电层进行图案化，因而形成底电极19、压电区域16和顶电极18。

一个或多个钝化层17随后被沉积在底电极19、压电区域16和顶电极18上。钝化层包括用于电极的电隔离的电介质材料，例如SiO₂或SiN或Al₂O₃层，不管是单个层或彼此堆叠，具有被包括在10和1000nm之间的厚度。随后在选择性区域中蚀刻钝化层，以创建朝向底电极19和顶电极18的接入沟槽。随后是在所创建的沟槽内以及在钝化层17上沉积传导材料的步骤，诸如金属(例如铝或者金，可能与阻挡层和诸如Ti、TiN、TiW或者Ta、TaN的接合层一起)。后续的图案化步骤使得能够形成传导路径23、25，其使得能够对顶电极18和底电极19的选择性接入，以使得能够在使用时对其进行电偏置。还有可能形成另外的钝化层(例如SiO₂或SiN层，未示出)以用于保护传导路径23、25。传导焊盘21同样与压电致动器并排形成，电耦合至传导路径23、25。

最后，在薄膜层7的与压电致动器3并排并且相距一定距离延伸的区域中选择性地蚀刻薄膜层7，以用于暴露下面的衬底11的表面区域11’。因此，穿过薄膜层7形成了通孔14，其在后续制造步骤中使得能够形成在流体喷射装置1外部通过入口孔9朝向储存器10的流体路径，如图1中所示。

参考图3中示出的第二晶片4，制造步骤构思提供半导体材料(例如硅)的衬底22，其具有例如400μm的厚度并且在两侧上设置有一个或多个电介质层29a、29b(例如SiO₂或SiN层或它们的组合)。在电介质层29a上沉积在第二晶片4的顶面上的是结构化多晶硅层26，具有被包括在1和20μm之间的厚度，例如4μm。

随后，在与第二晶片4的顶面相对的底面上执行处理步骤。特别地，在其中将要通过贯穿电介质层29b和衬底22的厚度去除电介质层29b和衬底22的选择性部分并且挖出深沟槽来形成入口孔9的区域中蚀刻第二晶片4(其中蚀刻停止在电介质层29a上)。

通过对第二晶片4的底面的进一步的蚀刻步骤，形成了凹陷27a和凹陷27b，凹陷27a在后续步骤中将形成容纳腔室5，凹陷27b在后续步骤中将被布置为面向第一晶片2的容纳传导焊盘21的区域。根据本公开的一个方面，所形成的凹陷27a、27b具有沿着Z被包括在50和300μm之间的厚度。

所产生的第一和第二晶片2、4随后被耦合在一起(例如通过晶片间接合技术，如图4中所示)，使得容纳腔室5将完全容纳压电致动器并且使得穿过薄膜7制作的通孔14将与穿过第二晶片4的衬底22制作的入口孔9对准并且流体连接。因此，获得了晶片的堆叠。

晶片2的衬底11随后被蚀刻以用于在与容纳压电致动器3的侧相对的侧上形成空腔，形成薄膜7的硅氧化物层通过该空腔被暴露。该步骤使得能够释放薄膜7，使得其被悬置。

现在在下文中描述根据本公开的一个方面的第三晶片8的处理步骤。

参考图5A，提供第三晶片8，包括衬底31，衬底31例如具有被包括在近似400和800μm之间的厚度，特别地，近似600μm。根据本公开的一个实施例，衬底31由半导体材料(诸如硅)制成。衬底31具有在方向Z上彼此相对的第一表面31a和第二表面31b。通过在第一表面31a上进行热氧化形成硅氧化物(SiO₂)的第一界面层33。热氧化的步骤典型地涉及也在衬底31的背部(在第二表面31b上)形成氧化物层34。第一界面层33(并且同样背部氧化物层34)例如具有被包括在近似0.2μm和2μm之间的厚度。

根据本公开的另一实施例，如图5B所示，有可能在界面层33(或者作为其备选)上形成一个或多个另外的防湿层33’，其具有疏水特性，即它们被设计为在随后产生的喷嘴13上给予防湿功能。所述层是典型地由硅形成的材料，在包含氢或碳或氟的化合物中，例如Si_xH_x、SiC、SiOC。

在第一界面层33上(或者在一个或多个另外的防湿层上，如果存在)形成第一喷嘴层35，第一喷嘴层35例如由外延生长的多晶硅制成，具有被包括在近似10μm和75μm之间的厚度。

第一喷嘴层35可以是与多晶硅不同的材料，例如硅或一些其它材料，只要其可以关于第一界面层33(或者防湿层，如果存在)由其制成的材料以选择性方式被去除。

接下来(图6A)，光刻胶掩模(未示出)被沉积在第一喷嘴层35的暴露的顶表面35a上，并且通过后续光刻和蚀刻步骤，穿过第一喷嘴层35形成通孔35’，直到界面层33的表面区域被暴露。在其中在界面层33上存在一个或多个另外的防湿层33’的情况下，所述另外的层在该工艺步骤中被蚀刻和去除以在喷嘴的完全打开期间自对准。

使用能够选择性地去除第一喷嘴层35由其制成的材料(在此，多晶硅)，但是不能去除界面层33由其制成的材料(在此，硅氧化物)的蚀刻化学物执行蚀刻。中间层35的蚀刻轮廓可以通过选择蚀刻技术和蚀刻化学物来控制，以便获得期望的结果。

例如，参考图6A，使用利用通常在半导体工业中使用的标准的硅蚀刻化学物(SF₆、HBr等)的干法蚀刻(诸如RIE或DRIE)，有可能获得具有沿Z基本上竖直的侧壁的通孔35’。通孔35’在后续制造步骤中部分地形成流体喷射装置1的喷射喷嘴。然而，如将参考图7更详细地描述的那样，后续制造步骤构思在通孔35’的内壁上形成涂层(图7中的附图标记42)，这因此使得其变窄。

特别地，涂层42是具有良好的润湿特性的层，例如硅氧化物(SiO₂)。涂层42被视为在其呈现与沉积在其上的液滴(典型地，水)的小接触角时具有良好的润湿特性。众所周知，固-液相互作用可以在沉积在所考虑的表面上的水滴的接触角方面被评估，被测量作为形成在表面-液体界面处的角度。小接触角是由于液体在表面上变平的趋势，反之亦然。总体而言，具有使得当液滴被沉积在其上时表面与液滴之间的接触角(角度θ)具有小于90°(特别地等于或小于近似40°)的值的润湿特性的表面被视为亲水表面。相反，具有使得当液滴被沉积在其上时表面与液滴之间的接触角(角度θ)具有大于90°的值的润湿特性的表面被视为疏水表面。

因此，假设通孔35’在顶视图中具有圆形形状，根据针对通孔35’的内壁上的涂层构思的厚度，通孔35’的直径d₁被选择为大于喷射喷嘴的期望的直径。

备选地，如图6B所示，使用干法蚀刻(利用如上所提及的蚀刻化学物)或湿法蚀刻(例如TMAH或KOH中的蚀刻化学物)，有可能获得具有倾斜的侧壁的通孔35”，特别是在横截面中相对于方向Z以从0°到37°的角度α延伸的侧壁。在图6B中，通孔35”具有圆形形状的顶部-基部开口(在第一喷嘴层35的顶表面35a处)，其具有大于底部-基部开口(通过其暴露界面层33)的直径d₁的直径d₂；即，其以截头锥的形式延伸。同样在该情况下，由于后续制造步骤构思在通孔35”的内壁上形成涂层(图7中的附图标记42)，基部直径d₁和d₂被减小。因此，假设通孔35”在顶视图中具有圆形形状，根据针对通孔35’的内壁上的涂层构思的厚度，通孔35”在的基部直径d₁和d₂被选择为大于用于喷射喷嘴的期望的值。

根据相应的实施例，在形成通孔35’或35”的步骤之后，随后去除光刻胶掩模并且如果需要的话随后是清洁第一喷嘴层35的顶表面35a和通孔35’、35”内的侧壁的步骤。通过以高温(>250℃)在氧化环境中去除来执行的这一步骤具有去除可能已经在先前的蚀刻步骤期间形成的不想要的聚合物层的功能。

在下文中，将描述图6A中所示的类型的通孔35’，而这并不意味着损失一般性。实际上，所描述的内容在没有任何显著变化的情况下也适用于如在图6B中所示的那样处理的晶片。

随后(图7)，例如以被包括在800℃和1100℃之间的温度执行对晶片8的热氧化步骤，以在第一喷嘴层35上形成热氧化物层38。这一步骤具有使得能够实现具有低表面粗糙度的热氧化物层38的功能。替代使用热氧化，可以完全地或部分地沉积前述氧化物，例如使用CVD类型的技术。

氧化物层42在晶片8的顶面之上以及在通孔35’内延伸，涂覆其侧壁。氧化物层42的厚度在0.2μm与2μm之间。

在形成氧化物层42的步骤之后得到的通孔35’的直径d₃具有被包括在10μm和100μm之间的值，例如20μm。

接下来(图8)，在氧化物层42上形成例如由多晶硅制成的第二喷嘴层45。第二喷嘴层45具有被包括在80和150μm之间的最终厚度，例如100μm。第二喷嘴层45例如被外延生长在氧化物层42上和通孔35’内，直至达到比期望的厚度更大的厚度(例如近似3-5μm或更大)，并且随后经受CMP(化学机械抛光)的步骤，以减小其厚度并且获得具有低粗糙度的顶表面。

下一步骤是形成喷嘴的进料通道48并且去除在先前的步骤中已经填充通孔35’的多晶硅。为了这一目的，蚀刻掩模50被放置在第二喷嘴层上，并且随后是在其中通孔35’先前已经被形成的区域中进行蚀刻(由箭头51指示)的步骤。利用被设计为去除第二喷嘴层45由其形成的多晶硅、而不去除层42的硅氧化物的蚀刻化学物来执行蚀刻。蚀刻继续进行直到完全去除在通孔35’内部延伸的多晶硅，以形成穿过第二喷嘴层45与通孔35’流体连通的进料通道48，如图9所示。

在平面图中，进料通道48具有大于直径d₁的直径d₄；例如，d₄在50μm与200μm之间，特别是80μm。

如图10所示，由第一晶片和第二晶片2、4形成的堆叠使用用于接合15的粘接材料通过晶片间接合技术被耦合至第三晶片8，粘接材料例如可以是聚合物材料或者金属材料或者玻璃态材料。

特别地，第三晶片8被耦合至第一晶片2，使得进料通道48与容纳腔室10流体连接。

随后(图11)，执行去除氧化物层34和暴露的衬底31的步骤。这一步骤通过研磨氧化物层34以及部分衬底31来执行，或者利用蚀刻化学物或者利用这两种工艺的组合来执行。

根据图12的实施例，仅在层35的顶表面上去除(在XY平面中)并且不沿着喷嘴13的内壁(例如使用干法类型的蚀刻技术，利用在半导体技术中使用的标准蚀刻化学物)去除层33。

根据本公开的一个方面，仅在用于墨水的出口的喷嘴处在层35上去除层33。

所描述的内容以类似的方式也适用于其中在氧化物层33上(或者作为其备选)存在一个或多个另外的防湿层的情况。然而，在这一情况下，去除结构层31或33的步骤停止在防湿层处，防湿层不被去除或者仅在其中它们存在的情况下沿着喷嘴13的壁被去除。

再次参考图12，随后是通过使用干法或湿法类型(例如使用基于SF₆的蚀刻化学物来去除层26的多晶硅)的化学蚀刻蚀刻结构层26、29a和22来打开第二晶片4的入口孔9的步骤。随后，层26、29a被完全去除。备选地，层26、29a的去除可以在蚀刻层22以用于形成入口孔9之前执行。

最终，沿着图12中所示的划片线57部分锯切第二晶片4的步骤使得能够在对应于传导焊盘21的区域中去除晶片4的边缘部分，以用于使得它们对于后续接线接合操作而言可从外部接入。因此获得了图1的流体喷射装置。

图13-15示出了在使用期间在操作步骤中的流体喷射装置1。

在第一步骤(图13)中，腔室10填充有将要被喷射的流体6。所述填入流体6的步骤可以通过入口通道9来执行。

随后(图14)，通过顶电极18和底电极19(由导电路径23、25偏置)管控压电致动器3，以用于产生薄膜7朝向腔室10的内部的偏转。这一偏转引起流体6通过通道48朝向喷嘴13的运动，并且产生液滴6朝向流体喷射装置1的外部的受控的排出。

随后(图15)，通过顶电极18和底电极19管控压电致动器3，以用于产生薄膜7在与图14中所示的方向相反的方向上的偏转，以用于增加腔室10的体积，从而通过入口通道9将另外的流体6收回到腔室10中。腔室10因此利用流体6重填。随后可以通过操作压电致动器3周期性继续进行，以用于喷射另一液滴。图14和15的步骤因此针对整个打印过程被重复。

通过偏置顶电极18和底电极19致动压电元件是本身已知的并且在本文中不再详细描述。

通过检查根据本公开提供的本发明的特性，其带来的优点是明显的。

特别地，在将第三晶片8耦合至第一晶片2之前在第三晶片8上执行用于制造喷嘴的步骤。这使得能够在不损害第一和第三晶片2、4之间的耦合层的情况下利用宽范围的微加工技术。此外，有可能以简单和便宜的方式在限定喷嘴13的孔内形成具有高润湿性的层(例如硅氧化物)。

此外，应当注意的是，用于制造根据本发明的流体喷射装置的步骤要求耦合仅三个晶片，因此就将晶片耦合在一起仅需要两个步骤而言减小了不对准的风险，从而限制了制造成本。

最终，清楚的是，可以对本文中所描述和所示的实施例进行修改和变化，而不由此背离如所附权利要求中限定的本发明的范围。