用于制造流体喷射设备的方法以及流体喷射设备与流程

本公开涉及用于制造流体喷射设备的方法和流体喷射设备。

背景技术：

现有技术中已知多种类型的流体喷射设备，特别是用于打印应用的喷墨头。具有适当修改的类似的头同样可以用于喷射除了油墨之外的流体，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中的生物材料(例如，DNA)的局部应用、用于织物或陶瓷的装饰、以及用于3D打印和添加剂生产的应用。

已知的制造方法设想经由胶合或键合来耦合大量预加工的部件；然而，所述方法昂贵并且需要高精度，并且所得到的设备具有大的厚度。

为了克服上述缺点，美国专利公开号2014/0313264公开了一种用于制造流体喷射设备的方法，利用通常用于制造半导体设备的技术将该流体喷射设备完全设置在硅衬底上，并且通过仅耦合三个晶片来获得该流体喷射设备。

美国专利公开号2017/182778公开了另一种用于制造改进型流体喷射设备的方法。特别地，在将对应的晶片耦合到其他晶片用于形成成品设备之前，在对应的晶片上执行用于制造喷嘴的步骤。另外，设想了以简单且廉价的方式在限定喷嘴的孔内形成具有高润湿性的层。最后，同样在该案例中，制造过程设想了仅耦合三个晶片，从而降低未对准的风险，并且限制制造成本。

晶片之间的耦合的步骤设想了它们具有大于最小厚度的某个厚度，以使得能够经由键合期间通常使用的工具对其进行处理。上述两种流体喷射设备都具有供给通道，该供给通道被布置在流体容纳腔室和用于喷射容纳在腔室中的流体的喷嘴之间。针对上面讨论的目的，该通道形成用于将流体从腔室通过结构层供给到喷嘴的路径，该结构层具有增加其中形成通道本身的对应的晶片的厚度的功能。

本申请人已经发现，在给定的操作状况下，上述供给通道的存在可能导致打印头的谐振频率的恶化，并且同样可能影响从喷嘴喷射流体的速度，从而将速度减小。

技术实现要素：

实施例针对一种用于制造流体喷射设备的方法和对应的流体喷射设备。特别地，一个或多个实施例针对用于基于压电技术制造流体喷射头的方法，以及基于压电技术的对应的流体喷射头。

附图说明

为了更好地理解本公开，现在参考附图，纯粹通过非限制性示例的方式，描述其优选实施例，其中：

图1示出了在侧向截面图中根据本公开的一个实施例的流体喷射设备；

图2-图12示出了根据一个实施例的用于制造图1的流体喷射设备的步骤；

图13-图15示出了在相应的操作步骤期间的图1的流体喷射设备；以及

图16A和图16B示出了根据另一实施例的流体喷射设备。

具体实施方式

可以通过将由通常用于制造MEMS(微机电系统)设备的微加工技术预先加工的多个晶片键合或胶合在一起，来制造基于压电技术的流体喷射设备。特别地，参考图1，图示了根据本公开的一方面的流体喷射设备1。参考图1，流体喷射设备1包括第一晶片2、第二晶片4和第三晶片8。

第一晶片包括衬底11和至少一个压电致动器3，压电致动器3被设计成被控制用于生成与其耦合的膜7的偏斜。膜7部分地悬置于至少一个腔室10之上地延伸，至少一个腔室10限定用于容纳在使用期间排出的流体6的贮存器。

第二晶片4限定压电致动器3的至少一个容纳腔室5，其配置成在使用中将压电致动器3与待喷射的流体6隔离，并且第二晶片4还具有用于流体6的至少一个入口通道9，该至少一个入口通道9与腔室10流体连接。

第三晶片8包括由例如多晶硅(由附图标记35和45指定)制成的本体，以及用于喷射流体6的至少一个通道13(喷射喷嘴)，至少一个通道13被形成为部分地通过多晶硅本体，被设置有亲水区域42(例如由SiO2制成)，并且被配置成将腔室10布置成与流体喷射设备1外部的环境流体连通。

上述晶片2、4、8通过焊接界面区域和/或键合区域和/或胶合区域和/或粘合区域耦合在一起，这些区域由例如聚合材料制成并且在图1作为整体由15指定。

压电致动器3包括布置在顶部电极18和底部电极19之间的压电区域16，顶部电极18和底部电极19被设计为向压电区域16提供电信号，用于在使用中生成压电区域16的偏斜，其最终以本身已知的方式导致膜7的偏斜。金属路径(作为整体由附图标记20指定)从顶部电极18和底部电极19朝向电接触区域延伸，金属路径被设置有接触焊盘21，接触焊盘21被设计成通过键合线(未图示)来被偏置。

现在接下来参考图2-图12来描述根据本公开的一个实施例的用于制造流体喷射设备1的过程。

特别地，图2-图4描述了第一晶片2和第二晶片4的微加工的步骤；图5-图12描述了第三晶片8的微加工的步骤。

特别地，参考图2，简要设想了制造第一晶片2的步骤，首先，提供半导体材料(例如硅)的衬底11。然后，在所述衬底上形成膜层7，例如包括SiO2-多晶硅-SiO2的堆叠体，其中SiO2层具有例如在0.1μm和2μm之间的厚度，并且多晶硅层(外延生长)具有在1μm和20μm之间的厚度。在各种实施例中，膜可以由通常用于MEMS设备的其他材料制成，例如厚度在0.5μm和10μm之间的SiO2或SiN，或者以SiO2-Si-SiN的各种组合的堆叠体。

随后，在膜层7上形成压电致动器3的底部电极19(例如，由厚度在5nm和50nm之间的TiO2层形成，该TiO2层上沉积有厚度在30nm和300nm之间的Pt层)。

随后，通过沉积具有厚度在0.5μm和3.0μm之间(更典型地，1μm或2μm)的PZT(Pb、Zr、TiO3)层，来在底部电极19的顶部上沉积压电层(在随后的限定步骤之后，该压电层将形成压电区域16)。接下来，在压电层上沉积厚度在30nm和300nm之间的第二导电材料层(例如Pt或Ir或IrO2或TiW或Ru)，来形成顶部电极18。

对电极和压电层进行光刻和刻蚀步骤，用于根据期望的图案对它们图案化，从而形成底部电极19、压电区域16和顶部电极18。

然后在底部电极19、压电区域16和顶部电极18上沉积一个或多个钝化层17。钝化层包括用于电极的电绝缘的电介质材料(例如SiO2或SiN或Al2O3的层，单层或布置在彼此之上的堆叠体)，其具有在10nm和1000nm之间的厚度。然后在选择性区域中刻蚀钝化层，以产生用于接入底部电极19和顶部电极18的沟槽。随后在由此产生的沟槽内以及钝化层17上进行沉积诸如金属(例如铝或金，可能与屏障层和粘附层(诸如Ti、TiN、TiW或Ta、TaN)一起)的导电材料的步骤。后续的图案化步骤使得能够形成导电路径23、25，导电路径23、25使得能够选择性地接入顶部电极18和底部电极19，以便在使用期间将它们电偏置。还可以形成另外的钝化层(例如，SiO2或SiN，未图示)，用于保护导电路径23、25。同样地，在压电致动器旁边形成导电焊盘21，该导电焊盘21电耦合到导电路径23、25。

最后，在压电致动器3旁边延伸并且与压电致动器3相距一定距离处的膜层7的区域中选择性地刻蚀膜层7，以暴露下面的衬底11的表面区域11’。因此形成穿过膜层7的通孔14，在后续的制造步骤中，通孔14使得能够形成从流体喷射设备1的外部通过入口通道9朝向贮存器10的流体路径，如在图1中所图示的。

参考第二晶片4(在图3中图示)，制造步骤设想了提供具有例如400μm的厚度的半导体材料(例如，硅)的衬底22，在其两侧上设置有一个或多个电介质层29a、29b(例如，SiO2或SiN的层或其组合)。厚度在1μm和20μm之间(例如4μm)的结构多晶硅层26在第二晶片4的顶面，结构多晶硅层26沉积在电介质层29a上。

然后，在第二晶片4的与顶面相对的底面上执行加工步骤。特别地，通过贯穿其厚度地去除电介质层29b和衬底22的选择性部分并且刻蚀深沟槽9’(在电介质层29a处具有刻蚀停止)，来在要形成入口通道9的区域中刻蚀第二晶片4。在刻蚀步骤期间，或者在刻蚀第二晶片4的底面的另一步骤中，同样地形成凹槽27a和凹槽27b，凹槽27a随后将构成容纳腔室5，凹槽27b在后续步骤中将面对容置导电焊盘21的第一晶片2的区域。根据本公开的一方面，由此形成的凹槽27a、27b沿着Z具有在50μm和300μm之间的深度。

参考图4，然后将由此制造的第一晶片2和第二晶片4耦合在一起(例如，通过晶片-晶片键合技术)，使得容纳腔室5完全容纳压电致动器3，并且使得穿过膜7制作的通孔14与穿过第二晶片4的衬底22刻蚀的沟槽9’对准，并且流体连接。由此获得晶片的堆叠体。

对晶片2的衬底11进行加工，以便减小其厚度。特别地，执行CMP(化学机械抛光)或研磨的，以便达到衬底11的最终厚度(例如，近似在5μm和200μm之间)。有鉴于此，可以注意到，在第一晶片2和第二晶片4之间的耦合的步骤之后，执行衬底11的厚度的减小。这样，使得能够将晶片接合在一起的晶片的处理没有受到危害或者造成问题。

然后以本身已知的方式对晶片2进行光刻和刻蚀步骤。特别地，刻蚀晶片2的衬底11，以便在与容置压电致动器3的一侧相对的一侧上形成腔，通过该腔暴露形成膜7的氧化硅层。

该步骤使得能够释放膜7，使膜7悬置，并且同时形成腔室10的第一部分10’。在限定膜7的该步骤中，小厚度的衬底11是有利的，只要它使得能够以基本上与所使用的刻蚀技术无关的方式高度控制膜7的尺寸。事实上，同样在各向同性刻蚀或者在与Z轴不平行地进行的刻蚀的情况下，对膜7的最终尺寸的影响(与光刻限定的尺寸相比)随着衬底11的厚度的减小而降低(换句话说，膜7的面积与所使用的光刻掩模越一致，则衬底11的厚度越小)。控制膜的面积，特别是其宽度，对于确定谐振频率和在膜被致动时由膜移位的流体的体积都是重要的

衬底11的厚度进一步限定了腔室10的第一部分10’的体积。根据本公开的一方面，由第一部分10’限定的体积在针对腔室10所设计的总体积的10％和60％之间，更特别地在10％和20％之间。

现在，根据本公开的一方面，接下来描述加工第三晶片8的步骤。

参考图5A，提供包括衬底31的第三晶片8，衬底31例如具有近似在400μm和800μm之间的厚度，特别地近似600μm的厚度。根据本公开的一个实施例，衬底31由诸如硅的半导体材料制成。衬底31具有第一表面31a和第二表面31b，第一表面31a和第二表面31b在Z方向上彼此相对。通过热氧化在第一表面31a上形成氧化硅(SiO2)的第一界面层33。热氧化的步骤通常还致使在衬底31的背面上(在第二表面31b上)形成氧化物层34。第一界面层33(以及同样地，背面氧化物层34)具有例如近似在0.2μm和2μm之间的厚度。

根据本公开的另一实施例，如在图5B中图示的，可以在界面层33上(或作为其备选)形成一个或多个另外的抗润湿性层33’，其具有疏水特性，即，被设计成用于为随后所获得的喷嘴13提供抗润湿性功能。这些层由通常由硅形成的材料(在包含氢或碳或氟的化合物中，例如，SixHx、SiC、SiOC)制成。

在第一界面层33上(或者在一个或多个另外的抗润湿性层上，如果存在)形成喷嘴层35，喷嘴层35可以是例如外延生长的多晶硅，其具有近似在10μm和75μm之间的厚度。

喷嘴层35可以由除了多晶硅之外的材料制成，例如硅或一些其他材料，只要它可以相对于形成第一界面层33(或抗润湿性层，如果存在)的材料选择性地去除。

参考图6A，在喷嘴层35的暴露的顶部表面35a上沉积光阻剂掩模(未图示)，并且通过后续的光刻和刻蚀步骤，穿过喷嘴层35形成通孔35’，直到暴露界面层33的表面区域。在界面层33上存在一个或多个另外的抗润湿性层33’的情况下，在该工艺步骤中刻蚀和去除所述另外的层，以便在完全打开喷嘴期间自对准。

使用能够选择性地去除制造喷嘴层35的材料(这里，多晶硅)的刻蚀化学物质，而不是能够选择性地去除制造界面层33的材料(这里，氧化硅)的刻蚀化学物质，来进行刻蚀。可以通过选择刻蚀技术和刻蚀化学物质来控制中间层35的刻蚀的轮廓，以便获得所期望的结果。

例如，参考图6A，使用利用在半导体工业中所使用的标准硅刻蚀化学物质(SF6、HBr等)的干法类型的刻蚀(RIE或DRIE)，可以获得通孔35’，通孔35’具有沿着Z大体垂直的侧壁。通孔35’形成流体喷射设备1的喷射喷嘴。然而，如参考图7更全面地描述的，后续的制造步骤设想了在通孔35’的内壁上形成覆盖层(图7中的附图标记42)，因此这导致通孔35’变窄。

覆盖层42(特别是呈现良好润湿性的特性的层)是例如氧化硅(SiO2)层。当覆盖层42与沉积在其上的一滴流体(通常是水基流体或不同流体的油墨)呈现减小的接触角时，认为覆盖层42具有良好的润湿性的特性。众所周知，固-液相互作用可以根据沉积在所考虑的表面上的一滴流体的接触角(被测量为在表面-流体界面处形成的角度)来评估。小的接触角是由于液滴在表面上变平的趋势，反之亦然。通常，当表面呈现润湿性的特性，使得当在其上沉积液滴时，表面与液滴之间的接触角(角度θ)具有小于90°的值(特别地等于或小于近似20°)(这有助于排出在腔室内困住的任何可能的气泡，使其从壁上移开)时，认为表面是亲水性的。相反，如果表面具有润湿性的特性，使得当在其上沉积液滴时，表面与液滴之间的接触角(角度θ)具有大于90°的值，则认为表面是疏水性的。

因此，假设通孔35’在俯视平面图中是圆形的，则将其直径d1选择为大于针对喷射喷嘴的所期望的直径，通孔35’的直径d1作为针对通孔35’的内壁的覆盖层所设想的厚度的函数。

备选地，如在图6B中图示的，使用干法类型(通过上面提及的刻蚀化学物质)的刻蚀或湿法类型(通过TMAH或KOH刻蚀化学物质)的刻蚀，可以获得具有倾斜的侧壁的通孔35”，特别地，在侧向截面图中，通孔35”以相对于Z方向从0°至37°的角度α延伸。在图6B中，通孔35”具有圆形形状的顶部基部开口(在喷嘴层35的顶部表面35a处)，并且具有大于底部基部开口(界面层33通过其暴露)的直径d1的直径d2；即，它以圆锥台的形式延伸。同样在该情况下，由于后续的制造步骤设想了在通孔35”的内壁上形成覆盖层(图7中的附图标记42)，因此基部直径d1和d2小。因此，假设通孔35”在俯视平面图中具有圆形形状，则将其基部直径d1和d2选择为大于针对喷射喷嘴的所期望的值，其基部直径d1和d2作为针对通孔35”的内壁覆盖层所设想的厚度的函数。

根据相应的实施例，形成通孔35’或35”的步骤跟随有去除光阻剂掩模的步骤，并且如果需要，则跟随有清洗喷嘴层35的顶部表面35a以及通孔35’、35”内部的侧壁的步骤。通过在高温(>250℃)和/或侵蚀性溶剂中的氧化环境中的去除来执行该步骤，该步骤具有去除在之前的刻蚀步骤中可能形成的不期望的聚合物层的功能。

在下文中，将描述图6A中图示的类型的通孔35’，而这并不意味着一般性的任何损失。事实上，在没有显著变化的情况下，所描述的内容还适用于如在图6B中所图示的经加工的晶片。

参考图7，执行晶片8的热氧化的可选步骤(例如在800℃和1100℃之间的温度下)，以在喷嘴层35上形成热氧化物层38。该步骤具有使得能够形成呈现低表面粗糙度的薄热氧化物层38的功能。代替通过热氧化，可以全部或部分地沉积上述氧化物，例如利用CVD类型的技术。

氧化物层42在晶片8的顶面上并且在通孔35’内延伸，涂覆通孔35’的侧壁。氧化物层42的厚度在0.2μm和2μm之间。

在形成氧化物层42的步骤之后产生的通孔35’的直径d3具有在1μm和100μm之间的值，例如等于20μm。

参考图8，在氧化物层42上形成例如由多晶硅制成的结构层45。结构层45具有在5μm和200μm之间的最终厚度，例如100μm。例如，在氧化物层42上和通孔35’内外延生长结构层45，直到达到大于所期望的厚度的厚度(例如，大近似3-5μm)，然后进行CMP步骤，以减小其厚度并且获得具有低粗糙度的暴露的顶部表面。

接下来形成腔室10的第二部分10”，并且去除在之前步骤中填充了通孔35’的多晶硅。为此目的，在结构层上设置刻蚀掩模50，并且在之前已经形成通孔35’的区域中执行刻蚀步骤(由箭头51标识)。利用刻蚀化学物质(被设计成去除制造结构层45的多晶硅，但不去除层42的氧化硅)来执行刻蚀。刻蚀进行到完全去除在通孔35’内延伸的多晶硅，以形成腔室10的第二部分10”，第二部分10”通过结构层45来与通孔35’流体连通，如在图9中图示的。

结构层45的厚度限定了腔室10的第二部分10”的体积。根据本公开的一方面，由第二部分10”限定的体积在针对腔室10所设计的总体积的90％和40％之间，更特别地在90％和80％之间(作为前面讨论的第一部分10’的体积的函数)。

如在图10中所图示的，由第一晶片2和第二晶片4形成的堆叠体经由晶片-晶片键合技术使用用于键合15的粘合材料(其可以是例如聚合物或金属或玻璃态)来被耦合到第三晶片8。

特别地，第三晶片8被耦合到第一晶片2，以便第一部分10’和第二部分10”共同形成单个流体容纳腔室，即腔室10。

参考图11，去除氧化物层34和衬底31。可以通过研磨衬底31的一部分和氧化物层34，或者通过化学刻蚀，或者通过这两种工艺的组合来执行该步骤。

根据图12的实施例，仅将在层35的顶部表面(在XY平面中)的层33去除，而不将沿着喷嘴13的内壁的层33去除(例如，使用干法类型的刻蚀技术，其利用在半导体技术中标准的刻蚀化学物质)。

根据本公开的一方面，仅将在油墨出口喷嘴处的层35上的层33去除。

已经描述的内容以类似的方式还适用于在氧化物层33(或作为其备选)上存在一个或多个另外的抗润湿性层的情况。然而，在该情况下，去除结构层31或33的步骤在未被去除的抗润湿性层处停止，或者在存在沿着喷嘴13的壁的抗润湿性层的情况下，仅将沿着喷嘴13的壁的抗润湿性层去除。

再次参考图12，然后通过完全去除第二晶片4的结构层26和29a来完成入口通道9的形成。

沿着图12中图示的划线57，仅部分地锯切第二晶片4的步骤使得能够在与导电焊盘21对应的区域中去除第二晶片4的边缘部分，以使得它们可以从外部接入以用于后续的引线键合操作。由此获得图1的流体喷射设备。

图13-图15示出了在使用期间的操作步骤中的流体喷射设备1。

在第一步骤(图13)中，腔室10由待被喷射的流体6填充。穿过入口通道9执行加载流体6的该步骤。

参考图14，通过顶部电极18和底部电极19(其由导电路径23、25偏置)来控制压电致动器3，以便生成朝向腔室10内部的膜7的偏斜。该偏斜引起流体6的运动，流体6从腔室10直接(即，没有中间通道)通过喷嘴13，随后朝向流体喷射设备1的外部受控地喷射流体6的液滴。

参考图15，通过顶部电极18和底部电极19来控制压电致动器3，以便在与图14中图示的方向相反的方向上生成膜7的偏斜，以便增加腔室10的体积，以通过入口通道9朝向腔室10进一步召回流体6。因此腔室10再次充满流体6。因此，可以通过操作压电致动器3来循环地进行，以喷射流体的另外的液滴。然后在整个打印过程中重复图14和图15的步骤。

通过偏置顶部电极18和底部电极19来操作压电元件本身是已知的，并且在本文不再详细描述。

通过检查本文提供的公开内容的特征，其提供的优点是显而易见的。

特别地，腔室10和喷嘴13之间的直接流体连接使得能够在所有操作状况下优化打印头的谐振频率，并且同样使得能够增加从喷嘴13喷射流体的速度。

另外，在将第三晶片8耦合到第一晶片2之前，在第三晶片8上执行喷嘴的制造步骤。这使得可以使用各种微加工技术，而不会有损坏第一晶片2和第三晶片4之间的耦合层的风险。另外，可以以简单且廉价的方式在限定喷嘴13的孔内形成高润湿性层(例如，由氧化硅制成的)。

另外，应该注意，流体喷射设备的制造步骤仅指定三个晶片的耦合，因此在仅需要两个步骤的晶片耦合的情况下降低了未对准的风险，从而限制了制造成本。

参照图16A，除了所示出的流体喷射设备1a包括进一步的处理步骤之外，流体喷射设备1a与图12的流体喷射设备1处于相同的制造阶段。特别地，流体喷射设备1a的制造包括在衬底22中形成到腔室5的通孔49。然后，可以包括压电致动器3的腔室5壁涂覆有绝缘材料。特别地，通过经由通孔49引入二氧化铪层50的原子层沉积(ALD)，来涂覆腔室壁和可能的压电致动器3。二氧化铪层50提供防潮的屏障。在形成二氧化铪层50时，然后可以通过已知的方法来闭合通孔49。

参考图16B，除了流体喷射设备1b还包括进一步的处理步骤之外，流体喷射设备1b示出与图16A的流体喷射设备1a类似的制造阶段。特别地，流体喷射设备1b的制造包括利用绝缘层(诸如通过二氧化铪层50的ALD)来涂覆设备的更多层，诸如腔室10、沟槽9和喷嘴13的表面。此外，二氧化铪层可以位于流体喷射设备1b的外层上，诸如位于衬底22的外层上。二氧化铪层保护表面(诸如腔室和导管(诸如沟槽9和喷嘴13)的表面)，防止与设备一起使用的腐蚀性油墨的影响。

最后，清楚的是，可以在不脱离本公开的范围的情况下，对本文中已经描述和图示的内容进行修改和变化。

特别地，如在附图中图示的，基于上面已经阐述的内容以对本领域技术人员本身已知的方式，本公开内容还适用于具有除了入口孔或通道9之外的另一再循环孔或通道的流体喷射设备，该另一再循环孔或通道被耦合到流体容纳腔室10，以使得能够再循环未穿过喷嘴13喷射的流体6。例如，在美国专利号9,744,765中描述了该类型的流体喷射设备。

可以组合上面描述的各种实施例以提供进一步的实施例。

根据以上详细描述，可以对实施例进行这些和其他改变。通常，在随附权利要求中，所使用的术语不应当被解释为将权利要求限制于在本说明书和权利要求中所公开的特定实施例，而是应当被解释为包括所有可能的实施例以及赋予这些权利要求的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。