用于制造流体喷射设备的方法以及流体喷射设备技术

本公开的实施例涉及用于制造流体喷射设备的方法以及流体喷射设备。一种用于制造用于喷射流体的设备的方法，包括步骤：在容置喷射设备的喷嘴的第一半导体晶片中形成第一结构层；去除第一结构层的选择性部分，以形成用于容纳流体的腔室的第一部分；在容置喷射设备的致动器的第二半导体晶片中去除第二结构层的选择性部分，以形成腔室的第二部分；将第一半导体晶片和第二半导体晶片耦合在一起，以便第一部分直接面对第二部分，从而形成腔室。第一部分限定腔室的体积的一部分，体积的该部分大于由第二部分限定的腔室的体积的相应部分。

Method for manufacturing fluid injection equipment and fluid injection equipment

【技术实现步骤摘要】
用于制造流体喷射设备的方法以及流体喷射设备
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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于制造用于喷射流体的设备的方法，所述方法包括：在第一半导体晶片的第一侧处形成第一结构层；去除所述第一结构层的选择性部分以形成腔室的第一部分，同时，将所述第一半导体晶片的喷嘴与所述第一部分流体耦合；在第二半导体晶片中去除第二结构层的选择性部分以形成所述腔室的第二部分，致动器耦合所述第二半导体晶片；以及将所述第一半导体晶片和所述第二半导体晶片耦合在一起，其中所述第一部分面对所述第二部分以形成被配置成容纳所述流体的腔室，所述第一部分限定所述腔室的总体积的第一体积，所述第二部分限定所述总体积的第二体积，所述第一体积大于所述第二体积。

【技术特征摘要】
2018.01.17 IT 1020180000011521.一种用于制造用于喷射流体的设备的方法，所述方法包括：在第一半导体晶片的第一侧处形成第一结构层；去除所述第一结构层的选择性部分以形成腔室的第一部分，同时，将所述第一半导体晶片的喷嘴与所述第一部分流体耦合；在第二半导体晶片中去除第二结构层的选择性部分以形成所述腔室的第二部分，致动器耦合所述第二半导体晶片；以及将所述第一半导体晶片和所述第二半导体晶片耦合在一起，其中所述第一部分面对所述第二部分以形成被配置成容纳所述流体的腔室，所述第一部分限定所述腔室的总体积的第一体积，所述第二部分限定所述总体积的第二体积，所述第一体积大于所述第二体积。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一半导体晶片包括衬底和喷嘴层，所述喷嘴层包括所述喷嘴，所述第一结构层在所述喷嘴层上形成，其中去除所述第一结构层的选择性部分以形成所述第一部分包括刻蚀所述第一结构层直到达到所述喷嘴层并且暴露所述喷嘴。3.根据权利要求2所述的方法，还包括通过去除所述喷嘴层的选择性部分来形成喷嘴腔，直到到达刻蚀停止层，从而形成开口，所述开口具有与所述刻蚀停止层横切的侧壁。4.根据权利要求1所述的方法，还包括：在去除所述第二结构层的选择性部分之前，在所述第二半导体晶片上形成所述第二结构层；在所述第二结构层的第一面上形成膜层；以及在所述膜层上形成所述致动器，所述致动器是压电致动结构，其中在所述第二半导体晶片中去除所述第二结构层的选择性部分包括在第二面处刻蚀所述第二结构层，所述第二面与所述第一面相对，其中所述膜层被悬置在所述腔室的所述第二部分处。5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括：用帽覆盖所述致动器，并且形成腔，其中所述致动器位于所述腔中；在所述帽中形成通孔；通过经由所述通孔引入二氧化铪，利用二氧化铪层涂覆所述腔中的至少一个表面；以及闭合所述通孔。6.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述第二结构层的厚度减小到小于所述第一结构层的厚度。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述腔室的所述第一体积在所述腔室的所述总体积的60％和90％之间。8.根据权利要求1所述的方法，还包括：在第三半导体晶片中形成入口通孔；以及将所述第二半导体晶片和所述第三半导体晶片耦合在一起，以便所述入口通孔被流体耦合到所述腔室。9.根据权利要求8所述的方法，其中耦合所述第一半导体晶片和所述第二半导体晶片以及耦合所述第二半导体晶片和所述第三半导体晶片包括形成相应的键合层或双面粘合带的层。10.根据权利要求1所述的方法，还包括利用二氧化铪层来涂覆界定所...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·朱斯蒂，M·费雷拉，C·L·佩瑞里尼，M·卡塔内奥，A·诺梅尔里尼，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利,IT