本發(fā)明涉及用于流體噴射裝置的制造方法以及流體噴射裝置。特別地，本發(fā)明涉及用于制造基于壓電技術(shù)的流體噴射頭的工藝，并且涉及使用壓電技術(shù)操作的流體噴射頭。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)已知多種類型的流體噴射裝置，特別是用于打印應(yīng)用的噴墨頭。通過適當(dāng)?shù)男薷?，類似的頭同樣可以用于噴射除了墨水之外的流體，例如用于生物或生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用、用于在制造用于生物分析的傳感器時(shí)的生物材料(例如dna)的局部應(yīng)用、用于織物或陶瓷的裝飾、以及用在3d打印和添加劑制造的應(yīng)用中。

已知的制造方法構(gòu)思經(jīng)由膠合或接合對大量預(yù)處理部分進(jìn)行耦合。這一工藝證明是昂貴的并且要求高精度，并且所得到的裝置具有大的厚度。

為了克服這些缺點(diǎn)，文獻(xiàn)no.2014/0313264公開了用于流體噴射裝置的制造方法，該流體噴射裝置利用半導(dǎo)體器件的典型制造技術(shù)完全在硅襯底上獲得并且通過將僅三個(gè)晶片耦合在一起而形成。然而，根據(jù)該工藝，噴嘴的制造是在將支撐噴嘴的晶片耦合至已經(jīng)耦合在一起的其它晶片之后獲得的。其結(jié)果是在所形成的堆疊上的受限的動(dòng)作自由度，部分因?yàn)橛糜谔幚眈詈系木亩询B的機(jī)器，并且部分因?yàn)榧夹g(shù)流程，該技術(shù)流程與用于耦合三個(gè)晶片的粘接材料不兼容(例如高溫工藝或涉及使用一些類型的溶劑的工藝)。此外，在噴嘴周圍形成防濕涂層證明是不方便的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供將會克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)的用于流體噴射裝置的制造方法以及流體噴射裝置。

根據(jù)本發(fā)明，提供了如在所附權(quán)利要求中限定的用于流體噴射裝置的制造方法以及流體噴射裝置。

附圖說明

為了更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)在將參考附圖僅借由非限制性示例來描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中：

圖1在橫截面中示出了根據(jù)形成本公開的流體噴射裝置的方法提供的流體噴射裝置；

圖2-12示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于制造圖1中的流體噴射裝置的步驟；以及

圖13-15示出了在相應(yīng)操作步驟期間根據(jù)圖2-12的步驟制造的流體噴射裝置。

具體實(shí)施方式

基于壓電技術(shù)的流體噴射裝置可以通過將采用微加工技術(shù)先前處理的多個(gè)晶片接合或膠合在一起進(jìn)行制造，微加工技術(shù)典型地用于生產(chǎn)mems(微機(jī)電系統(tǒng))器件。特別地，參考圖1，圖示出根據(jù)本公開的一個(gè)方面的液體噴射裝置1。參考圖1，包括襯底11的第一晶片2被處理以用于在其上形成一個(gè)或多個(gè)壓電致動(dòng)器3，壓電致動(dòng)器3被設(shè)計(jì)為被驅(qū)動(dòng)以用于產(chǎn)生薄膜7的偏轉(zhuǎn)，薄膜7部分地懸置在一個(gè)或多個(gè)腔室10之上延伸，腔室10被設(shè)計(jì)為限定用于容納在使用期間將要被排出的流體6的相應(yīng)的儲存器。第二晶片4被處理以用于形成用于容納壓電致動(dòng)器3的一個(gè)或多個(gè)腔室5，以便在使用時(shí)將壓電致動(dòng)器3與將要被排出的流體6隔離，以及用于形成與腔室10流體連接的用于流體6的一個(gè)或多個(gè)入口孔9。第三晶片8被處理以在例如由多晶硅(由附圖標(biāo)記35和45指定)制成的本體中形成用于流體6的噴射的孔13(噴嘴)，本體設(shè)置有親水區(qū)域42(例如sio2的)。

隨后，經(jīng)由在圖1中作為整體由附圖標(biāo)記15指定的焊接界面區(qū)域、和/或接合區(qū)域、和/或膠合區(qū)域、和/或例如聚合物材料的粘接區(qū)域?qū)⑶笆鼍?、4、8組裝在一起。

壓電致動(dòng)器3包括被布置在頂電極18與底電極19之間的壓電區(qū)域16，頂電極18與底電極19被設(shè)計(jì)為向壓電區(qū)域16供應(yīng)電信號，以用于在使用時(shí)產(chǎn)生壓電區(qū)域16的偏轉(zhuǎn)，該偏轉(zhuǎn)因此以本身已知的方式引起薄膜7的偏轉(zhuǎn)。金屬路徑(作為整體由附圖標(biāo)記20指定)從頂電極18與底電極19朝向電接觸區(qū)域延伸，電接觸區(qū)域設(shè)置有被設(shè)計(jì)為通過接合線(未示出)被偏置的接觸焊盤21。

參考圖2-12，接下來描述用于制造根據(jù)本公開的實(shí)施例的流體噴射裝置1的工藝。

特別地，圖2-4描述了用于微加工第一和第二晶片2、4的步驟；圖5-12描述了用于微加工第三晶片8的步驟。

特別地，參考圖2，簡言之，用于制造第一晶片2的步驟構(gòu)思首先提供半導(dǎo)體材料(例如硅)的襯底11。隨后，薄膜層7被形成在該襯底上，例如包括sio2-多晶硅-sio2堆疊，其中sio2層具有例如被包括在0.1與0.2μm之間的厚度。并且多晶硅層(外延生長的)具有被包括在1和20μm之間的厚度。在不同的實(shí)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之間的厚度，或者通過在sio2-si-sin的各種組合中的堆疊。

下一步驟是在薄膜層7上形成壓電致動(dòng)器3的底電極19(例如，由具有被包括在5和50nm之間的厚度的tio2層形成，在其上沉積有具有被包括在30和300nm之間的厚度的pt層)。

隨后將壓電層沉積在底電極19上、沉積具有被包括在0.5與3μm之間(更典型地1或2μm)的厚度pzt層(pb、zr、tio3)(其在后續(xù)定義步驟之后將形成壓電區(qū)域16)。接下來，在壓電層上沉積具有被包括在30和300nm之間的厚度的第二傳導(dǎo)材料層(例如pt或ir或iro2或tiw或ru)，以用于形成頂電極18。

電極和壓電層經(jīng)受光刻和蝕刻步驟，以便根據(jù)期望的圖案對電極和壓電層進(jìn)行圖案化，因而形成底電極19、壓電區(qū)域16和頂電極18。

一個(gè)或多個(gè)鈍化層17隨后被沉積在底電極19、壓電區(qū)域16和頂電極18上。鈍化層包括用于電極的電隔離的電介質(zhì)材料，例如sio2或sin或al2o3層，不管是單個(gè)層或彼此堆疊，具有被包括在10和1000nm之間的厚度。隨后在選擇性區(qū)域中蝕刻鈍化層，以創(chuàng)建朝向底電極19和頂電極18的接入溝槽。隨后是在所創(chuàng)建的溝槽內(nèi)以及在鈍化層17上沉積傳導(dǎo)材料的步驟，諸如金屬(例如鋁或者金，可能與阻擋層和諸如ti、tin、tiw或者ta、tan的接合層一起)。后續(xù)的圖案化步驟使得能夠形成傳導(dǎo)路徑23、25，其使得能夠?qū)旊姌O18和底電極19的選擇性接入，以使得能夠在使用時(shí)對其進(jìn)行電偏置。還有可能形成另外的鈍化層(例如sio2或sin層，未示出)以用于保護(hù)傳導(dǎo)路徑23、25。傳導(dǎo)焊盤21同樣與壓電致動(dòng)器并排形成，電耦合至傳導(dǎo)路徑23、25。

最后，在薄膜層7的與壓電致動(dòng)器3并排并且相距一定距離延伸的區(qū)域中選擇性地蝕刻薄膜層7，以用于暴露下面的襯底11的表面區(qū)域11’。因此，穿過薄膜層7形成了通孔14，其在后續(xù)制造步驟中使得能夠形成在流體噴射裝置1外部通過入口孔9朝向儲存器10的流體路徑，如圖1中所示。

參考圖3中示出的第二晶片4，制造步驟構(gòu)思提供半導(dǎo)體材料(例如硅)的襯底22，其具有例如400μm的厚度并且在兩側(cè)上設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)電介質(zhì)層29a、29b(例如sio2或sin層或它們的組合)。在電介質(zhì)層29a上沉積在第二晶片4的頂面上的是結(jié)構(gòu)化多晶硅層26，具有被包括在1和20μm之間的厚度，例如4μm。

隨后，在與第二晶片4的頂面相對的底面上執(zhí)行處理步驟。特別地，在其中將要通過貫穿電介質(zhì)層29b和襯底22的厚度去除電介質(zhì)層29b和襯底22的選擇性部分并且挖出深溝槽來形成入口孔9的區(qū)域中蝕刻第二晶片4(其中蝕刻停止在電介質(zhì)層29a上)。

通過對第二晶片4的底面的進(jìn)一步的蝕刻步驟，形成了凹陷27a和凹陷27b，凹陷27a在后續(xù)步驟中將形成容納腔室5，凹陷27b在后續(xù)步驟中將被布置為面向第一晶片2的容納傳導(dǎo)焊盤21的區(qū)域。根據(jù)本公開的一個(gè)方面，所形成的凹陷27a、27b具有沿著z被包括在50和300μm之間的厚度。

所產(chǎn)生的第一和第二晶片2、4隨后被耦合在一起(例如通過晶片間接合技術(shù)，如圖4中所示)，使得容納腔室5將完全容納壓電致動(dòng)器并且使得穿過薄膜7制作的通孔14將與穿過第二晶片4的襯底22制作的入口孔9對準(zhǔn)并且流體連接。因此，獲得了晶片的堆疊。

晶片2的襯底11隨后被蝕刻以用于在與容納壓電致動(dòng)器3的側(cè)相對的側(cè)上形成空腔，形成薄膜7的硅氧化物層通過該空腔被暴露。該步驟使得能夠釋放薄膜7，使得其被懸置。

現(xiàn)在在下文中描述根據(jù)本公開的一個(gè)方面的第三晶片8的處理步驟。

參考圖5a，提供第三晶片8，包括襯底31，襯底31例如具有被包括在近似400和800μm之間的厚度，特別地，近似600μm。根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例，襯底31由半導(dǎo)體材料(諸如硅)制成。襯底31具有在方向z上彼此相對的第一表面31a和第二表面31b。通過在第一表面31a上進(jìn)行熱氧化形成硅氧化物(sio2)的第一界面層33。熱氧化的步驟典型地涉及也在襯底31的背部(在第二表面31b上)形成氧化物層34。第一界面層33(并且同樣背部氧化物層34)例如具有被包括在近似0.2μm和2μm之間的厚度。

根據(jù)本公開的另一實(shí)施例，如圖5b所示，有可能在界面層33(或者作為其備選)上形成一個(gè)或多個(gè)另外的防濕層33’，其具有疏水特性，即它們被設(shè)計(jì)為在隨后產(chǎn)生的噴嘴13上給予防濕功能。所述層是典型地由硅形成的材料，在包含氫或碳或氟的化合物中，例如sixhx、sic、sioc。

在第一界面層33上(或者在一個(gè)或多個(gè)另外的防濕層上，如果存在)形成第一噴嘴層35，第一噴嘴層35例如由外延生長的多晶硅制成，具有被包括在近似10μm和75μm之間的厚度。

第一噴嘴層35可以是與多晶硅不同的材料，例如硅或一些其它材料，只要其可以關(guān)于第一界面層33(或者防濕層，如果存在)由其制成的材料以選擇性方式被去除。

接下來(圖6a)，光刻膠掩模(未示出)被沉積在第一噴嘴層35的暴露的頂表面35a上，并且通過后續(xù)光刻和蝕刻步驟，穿過第一噴嘴層35形成通孔35’，直到界面層33的表面區(qū)域被暴露。在其中在界面層33上存在一個(gè)或多個(gè)另外的防濕層33’的情況下，所述另外的層在該工藝步驟中被蝕刻和去除以在噴嘴的完全打開期間自對準(zhǔn)。

使用能夠選擇性地去除第一噴嘴層35由其制成的材料(在此，多晶硅)，但是不能去除界面層33由其制成的材料(在此，硅氧化物)的蝕刻化學(xué)物執(zhí)行蝕刻。中間層35的蝕刻輪廓可以通過選擇蝕刻技術(shù)和蝕刻化學(xué)物來控制，以便獲得期望的結(jié)果。

例如，參考圖6a，使用利用通常在半導(dǎo)體工業(yè)中使用的標(biāo)準(zhǔn)的硅蝕刻化學(xué)物(sf6、hbr等)的干法蝕刻(諸如rie或drie)，有可能獲得具有沿z基本上豎直的側(cè)壁的通孔35’。通孔35’在后續(xù)制造步驟中部分地形成流體噴射裝置1的噴射噴嘴。然而，如將參考圖7更詳細(xì)地描述的那樣，后續(xù)制造步驟構(gòu)思在通孔35’的內(nèi)壁上形成涂層(圖7中的附圖標(biāo)記42)，這因此使得其變窄。

特別地，涂層42是具有良好的潤濕特性的層，例如硅氧化物(sio2)。涂層42被視為在其呈現(xiàn)與沉積在其上的液滴(典型地，水)的小接觸角時(shí)具有良好的潤濕特性。眾所周知，固-液相互作用可以在沉積在所考慮的表面上的水滴的接觸角方面被評估，被測量作為形成在表面-液體界面處的角度。小接觸角是由于液體在表面上變平的趨勢，反之亦然。總體而言，具有使得當(dāng)液滴被沉積在其上時(shí)表面與液滴之間的接觸角(角度θ)具有小于90°(特別地等于或小于近似40°)的值的潤濕特性的表面被視為親水表面。相反，具有使得當(dāng)液滴被沉積在其上時(shí)表面與液滴之間的接觸角(角度θ)具有大于90°的值的潤濕特性的表面被視為疏水表面。

因此，假設(shè)通孔35’在頂視圖中具有圓形形狀，根據(jù)針對通孔35’的內(nèi)壁上的涂層構(gòu)思的厚度，通孔35’的直徑d1被選擇為大于噴射噴嘴的期望的直徑。

備選地，如圖6b所示，使用干法蝕刻(利用如上所提及的蝕刻化學(xué)物)或濕法蝕刻(例如tmah或koh中的蝕刻化學(xué)物)，有可能獲得具有傾斜的側(cè)壁的通孔35”，特別是在橫截面中相對于方向z以從0°到37°的角度α延伸的側(cè)壁。在圖6b中，通孔35”具有圓形形狀的頂部-基部開口(在第一噴嘴層35的頂表面35a處)，其具有大于底部-基部開口(通過其暴露界面層33)的直徑d1的直徑d2；即，其以截頭錐的形式延伸。同樣在該情況下，由于后續(xù)制造步驟構(gòu)思在通孔35”的內(nèi)壁上形成涂層(圖7中的附圖標(biāo)記42)，基部直徑d1和d2被減小。因此，假設(shè)通孔35”在頂視圖中具有圓形形狀，根據(jù)針對通孔35’的內(nèi)壁上的涂層構(gòu)思的厚度，通孔35”在的基部直徑d1和d2被選擇為大于用于噴射噴嘴的期望的值。

根據(jù)相應(yīng)的實(shí)施例，在形成通孔35’或35”的步驟之后，隨后去除光刻膠掩模并且如果需要的話隨后是清潔第一噴嘴層35的頂表面35a和通孔35’、35”內(nèi)的側(cè)壁的步驟。通過以高溫(>250℃)在氧化環(huán)境中去除來執(zhí)行的這一步驟具有去除可能已經(jīng)在先前的蝕刻步驟期間形成的不想要的聚合物層的功能。

在下文中，將描述圖6a中所示的類型的通孔35’，而這并不意味著損失一般性。實(shí)際上，所描述的內(nèi)容在沒有任何顯著變化的情況下也適用于如在圖6b中所示的那樣處理的晶片。

隨后(圖7)，例如以被包括在800℃和1100℃之間的溫度執(zhí)行對晶片8的熱氧化步驟，以在第一噴嘴層35上形成熱氧化物層38。這一步驟具有使得能夠?qū)崿F(xiàn)具有低表面粗糙度的熱氧化物層38的功能。替代使用熱氧化，可以完全地或部分地沉積前述氧化物，例如使用cvd類型的技術(shù)。

氧化物層42在晶片8的頂面之上以及在通孔35’內(nèi)延伸，涂覆其側(cè)壁。氧化物層42的厚度在0.2μm與2μm之間。

在形成氧化物層42的步驟之后得到的通孔35’的直徑d3具有被包括在10μm和100μm之間的值，例如20μm。

接下來(圖8)，在氧化物層42上形成例如由多晶硅制成的第二噴嘴層45。第二噴嘴層45具有被包括在80和150μm之間的最終厚度，例如100μm。第二噴嘴層45例如被外延生長在氧化物層42上和通孔35’內(nèi)，直至達(dá)到比期望的厚度更大的厚度(例如近似3-5μm或更大)，并且隨后經(jīng)受cmp(化學(xué)機(jī)械拋光)的步驟，以減小其厚度并且獲得具有低粗糙度的頂表面。

下一步驟是形成噴嘴的進(jìn)料通道48并且去除在先前的步驟中已經(jīng)填充通孔35’的多晶硅。為了這一目的，蝕刻掩模50被放置在第二噴嘴層上，并且隨后是在其中通孔35’先前已經(jīng)被形成的區(qū)域中進(jìn)行蝕刻(由箭頭51指示)的步驟。利用被設(shè)計(jì)為去除第二噴嘴層45由其形成的多晶硅、而不去除層42的硅氧化物的蝕刻化學(xué)物來執(zhí)行蝕刻。蝕刻繼續(xù)進(jìn)行直到完全去除在通孔35’內(nèi)部延伸的多晶硅，以形成穿過第二噴嘴層45與通孔35’流體連通的進(jìn)料通道48，如圖9所示。

在平面圖中，進(jìn)料通道48具有大于直徑d1的直徑d4；例如，d4在50μm與200μm之間，特別是80μm。

如圖10所示，由第一晶片和第二晶片2、4形成的堆疊使用用于接合15的粘接材料通過晶片間接合技術(shù)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屬材料或者玻璃態(tài)材料。

特別地，第三晶片8被耦合至第一晶片2，使得進(jìn)料通道48與容納腔室10流體連接。

隨后(圖11)，執(zhí)行去除氧化物層34和暴露的襯底31的步驟。這一步驟通過研磨氧化物層34以及部分襯底31來執(zhí)行，或者利用蝕刻化學(xué)物或者利用這兩種工藝的組合來執(zhí)行。

根據(jù)圖12的實(shí)施例，僅在層35的頂表面上去除(在xy平面中)并且不沿著噴嘴13的內(nèi)壁(例如使用干法類型的蝕刻技術(shù)，利用在半導(dǎo)體技術(shù)中使用的標(biāo)準(zhǔn)蝕刻化學(xué)物)去除層33。

根據(jù)本公開的一個(gè)方面，僅在用于墨水的出口的噴嘴處在層35上去除層33。

所描述的內(nèi)容以類似的方式也適用于其中在氧化物層33上(或者作為其備選)存在一個(gè)或多個(gè)另外的防濕層的情況。然而，在這一情況下，去除結(jié)構(gòu)層31或33的步驟停止在防濕層處，防濕層不被去除或者僅在其中它們存在的情況下沿著噴嘴13的壁被去除。

再次參考圖12，隨后是通過使用干法或濕法類型(例如使用基于sf6的蝕刻化學(xué)物來去除層26的多晶硅)的化學(xué)蝕刻蝕刻結(jié)構(gòu)層26、29a和22來打開第二晶片4的入口孔9的步驟。隨后，層26、29a被完全去除。備選地，層26、29a的去除可以在蝕刻層22以用于形成入口孔9之前執(zhí)行。

最終，沿著圖12中所示的劃片線57部分鋸切第二晶片4的步驟使得能夠在對應(yīng)于傳導(dǎo)焊盤21的區(qū)域中去除晶片4的邊緣部分，以用于使得它們對于后續(xù)接線接合操作而言可從外部接入。因此獲得了圖1的流體噴射裝置。

圖13-15示出了在使用期間在操作步驟中的流體噴射裝置1。

在第一步驟(圖13)中，腔室10填充有將要被噴射的流體6。所述填入流體6的步驟可以通過入口通道9來執(zhí)行。

隨后(圖14)，通過頂電極18和底電極19(由導(dǎo)電路徑23、25偏置)管控壓電致動(dòng)器3，以用于產(chǎn)生薄膜7朝向腔室10的內(nèi)部的偏轉(zhuǎn)。這一偏轉(zhuǎn)引起流體6通過通道48朝向噴嘴13的運(yùn)動(dòng)，并且產(chǎn)生液滴6朝向流體噴射裝置1的外部的受控的排出。

隨后(圖15)，通過頂電極18和底電極19管控壓電致動(dòng)器3，以用于產(chǎn)生薄膜7在與圖14中所示的方向相反的方向上的偏轉(zhuǎn)，以用于增加腔室10的體積，從而通過入口通道9將另外的流體6收回到腔室10中。腔室10因此利用流體6重填。隨后可以通過操作壓電致動(dòng)器3周期性繼續(xù)進(jìn)行，以用于噴射另一液滴。圖14和15的步驟因此針對整個(gè)打印過程被重復(fù)。

通過偏置頂電極18和底電極19致動(dòng)壓電元件是本身已知的并且在本文中不再詳細(xì)描述。

通過檢查根據(jù)本公開提供的本發(fā)明的特性，其帶來的優(yōu)點(diǎn)是明顯的。

特別地，在將第三晶片8耦合至第一晶片2之前在第三晶片8上執(zhí)行用于制造噴嘴的步驟。這使得能夠在不損害第一和第三晶片2、4之間的耦合層的情況下利用寬范圍的微加工技術(shù)。此外，有可能以簡單和便宜的方式在限定噴嘴13的孔內(nèi)形成具有高潤濕性的層(例如硅氧化物)。

此外，應(yīng)當(dāng)注意的是，用于制造根據(jù)本發(fā)明的流體噴射裝置的步驟要求耦合僅三個(gè)晶片，因此就將晶片耦合在一起僅需要兩個(gè)步驟而言減小了不對準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)，從而限制了制造成本。

最終，清楚的是，可以對本文中所描述和所示的實(shí)施例進(jìn)行修改和變化，而不由此背離如所附權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的范圍。