CN109278407A - 具有压电致动的微流体mems器件及其制造工艺 - Google Patents

Abstract

本公开涉及具有压电致动的微流体MEMS器件及其制造工艺。一种微流体器件具有多个喷射器元件。每个喷射器元件包括：容纳第一流体流动通道和致动器室的第一区域；容纳流体容纳室的第二区域；以及容纳第二流体流动通道的第三区域。流体容纳室流体耦合到第一和第二流体流动通道。第二区域由膜层、膜限定层和流体腔室限定体形成，膜限定层机械地耦合到膜层并且具有膜限定开口，流体腔室限定体机械地耦合到膜限定层并且具有腔室限定开口，腔室限定开口的宽度大于膜限定开口的宽度。因此，膜的宽度由腔室限定开口的宽度限定。

Description

具有压电致动的微流体MEMS器件及其制造工艺

技术领域

本公开涉及微流体MEMS(“微机电系统”)器件和相关的制造工艺。

背景技术

众所周知，已经提出了使用可以使用微电子制造技术来制造的具有小尺寸的微流体器件，来喷射油墨和/或香料，例如香水。

例如，美国专利No.9,174,445描述了一种被设计用于将油墨热喷涂到纸上的微流体器件。

被设计用于喷射流体的另一类型的微流体器件基于压电原理。特别地，具有压电致动的器件可以基于振荡模式(纵向还是横向)来分类。在下文中，将参考以横向模式操作的器件，而本公开不限于这类器件。

具有横向类型的压电致动的微流体器件的一个示例性实施例在例如美国专利公开No.2014/0313264中描述并且在图1中示出，其涉及用1表示并且集成到半导体基底中的单个喷射器元件。

图1中的喷射器元件1包括相互叠置和接合的下部部分、中间部分和上部部分。

下部部分由第一区域2构成，第一区域2由半导体材料制成，并且具有入口通道10。

中间部分由半导体材料的第二区域3形成，第二区域3横向地界定流体容纳室12。此外，流体容纳室12在底部由第一区域2界定并且在顶部由膜层4(例如，氧化硅)界定。膜层4的在流体容纳室12顶部的区域形成膜7。膜层4形成为具有能够偏转的厚度，例如约2.5μm。

上部部分由半导体材料的第三区域5形成，第三区域5界定致动器室6，致动器室6叠置到流体容纳室12上并且叠置到膜7上。第三区域5具有通过膜层4中的相应开口14与流体容纳室12连通的通道13。

压电致动器8在致动器室6中设置在膜7顶部。压电致动器8由成对的相互叠置的电极15、16组成，压电材料层9(例如，PZT(Pb，Zr，TiO₃))在电极15、16之间延伸。

喷嘴板17设置在第三区域5顶部，喷嘴板17借助于粘合剂层18粘合到第三区域5。喷嘴板17具有孔19，孔19与通道13对准并且通过粘合剂层18中的开口20与通道13流体连接。孔19形成射流发射通道的喷嘴，射流发射通道总体上用21表示并且还包括通道13和开口14、20。

在使用中，待喷射的流体或液体通过入口通道10被供应到流体容纳室12，并且外部控制装置(未示出)生成致动控制信号，以在成对的电极15、16之间施加适当的电压。特别地，在第一步骤中，成对的电极15、16以如下方式被偏置，该方式使得膜7朝向流体容纳室12的外部偏转。流体容纳室12的体积增加，并且因此充满液体。在第二步骤中，压电致动器8以如下方式在相反方向上被控制，该方式使得膜7朝向流体容纳室12的内部偏转，导致存在于流体容纳室12中的流体朝向射流发射通道21运动。因此生成射流的受控排出，如箭头23所示。随后，第一步骤以如下方式执行，该方式使得能够再次增加流体容纳室12的体积，要求更多流体通过入口通道10。

具有所描述的类型的压电致动的微流体器件在打印质量、低成本和射流的最小尺寸方面是特别有利的，这使得能够获得具有极好的细节和/或高的清晰度以及高的雾化密度的打印。

通常，每个微流体器件包括以如下方式并排设置的大量喷射器元件，该方式使得能够提供所需要的打印特性。例如，各个喷射器元件可以并排布置在各个行上。

在一些应用中，希望所有喷射器元件生成具有相同体积和相同喷射速度的射流。这可以当在同一基底内部的微流体器件的所有喷射器元件具有相同尺寸时获得，特别是当它们具有宽度相同且厚度相同的膜时。

允许量化喷射器元件的性能特性并且因此评估微流体器件的喷射器元件是否足够相等的一个参数是膜的“柔量”。特别地，在由氧化物/硅/氧化物制成的膜的情况下，根据用下面的等式(1)表示的Roark公式，柔量C取决于膜的几何特性(McGraw-Hill的第七版的第504页的表11.4的W.C.Young、R.G.Budynas的“Roark的应力和应变公式(Roark’sFormulas for Stress and Strain)”)：

其中L是膜的长度(在平行于笛卡尔坐标系XYZ的X轴的方向上，图1)，W是膜的宽度(在平行于Y轴的方向上)，E是膜的杨氏模量，并且T是膜的厚度(在平行于Z轴的方向上)。

根据申请人的研究，已经确定，为了使95％的喷射器元件以最多为10％的体积变化和最多为10％的喷射速度变化来喷射射流，期望的是，膜的厚度T(在平行于Z轴的方向上)与设计值相比具有不大于5％的厚度变化，并且膜的宽度W(在平行于Y轴的方向上)与设计值(例如，100μm)相比具有不大于1％的宽度变化。

尽管可以用常规技术获得对膜的厚度的控制，但是通过使用包括例如深硅蚀刻步骤的常规制造技术难以以这样的精度水平获得对膜的宽度W的控制。实际上，例如在标称宽度W为80μm的情况下，难以获得小于0.8μm的变异性，特别是考虑到流体容纳室的蚀刻(其确定膜的宽度)是也为100μm或更大的深蚀刻。此外，在光刻工艺期间的对准中的潜在误差也对膜的宽度W产生影响并且还对变异性产生影响。

其结果是，对于当前的制造工艺，关于与期望的设计值相比的尺寸变化(同一晶片内的所有微流体器件的变异性)，以及关于同一晶片上的各个器件之间存在的变化、以及关于器件内的各种喷射器元件之间存在的变化，喷射器元件表现出不可忽略的尺寸变异性。

发明内容

提供了一种微流体MEMS(“微机电系统”)器件(诸如用于喷墨打印并且具有压电致动)和一种用于形成该器件的相关制造工艺。

附图说明

为了理解本公开，现在参考附图纯粹通过非限制性示例来描述其实施例，在附图中：

图1示出了具有压电致动的用于喷墨打印的已知的微流体MEMS器件的喷射器元件的截面；

图2示出了具有压电致动的用于喷墨打印的本发明的微流体MEMS器件的喷射器元件沿着图3中的方向II-II截取的截面；

图3示出了沿着图2中的平面III-III截取的平面截面，其中喷射器元件的部分是透明的；

图4示出了从上方看的简化视图，其示出了具有压电致动的用于喷墨打印的本发明的微流体MEMS器件中的多个喷射器元件的布置；

图5A至图13A示出了在相继的制造步骤中沿着图2中的喷射器元件的方向II-II截取的截面；以及

图5B至图13B示出了在与图5A至13A中的那些步骤相对应的相继的制造步骤中、沿着图2中的V-V方向截取的并且使喷射器元件的部分透明的纵向截面。

具体实施方式

图2示出了集成到微流体器件30中的单个喷射器元件40。

图2中的喷射器元件40包括相互叠置和接合的第一区域41、第二区域42和第三区域43。

第一区域41由主体46形成，主体46由半导体材料(例如，单晶硅)制成，竖直穿过主体46，在平行于参考坐标系XYZ的Z轴的方向上是与外部贮存器(未示出)连通的入口通道50。主体46还形成致动器室68，致动器室68设置在入口通道50的侧面并且与入口通道50隔离。

第二区域42叠置在第一区域41上并且借助于第一粘合剂层48接合到第一区域41上。第二区域42包括相互叠置的膜层64、膜限定元件81和腔室体86；例如，膜层64和膜限定元件81由多晶硅制成，并且腔室体86例如由单晶硅制成。

详细地，膜层64接合到第一区域41并且在顶部封闭致动器室68。

腔室体86和膜限定元件81具有相应的开口(膜限定开口81A和腔室开口86A，也参见图3)，这些开口横向地界定流体容纳室52。在本微流体器件30中，腔室体86的厚度远大于膜限定层81的厚度，特别地是至少两倍厚，原因如下所述；例如，腔室体86的厚度等于50μm，而膜限定层81的厚度等于10μm。

膜层64的竖直设置在膜限定元件81的开口81A的下方的区域形成膜67。

膜层64和膜限定元件81被绝缘材料(诸如TEOS(正硅酸乙酯))的绝缘层82至84覆盖。

流体容纳室52通过入口孔51与入口通道50流体连接，入口孔51穿过膜层64和第一粘合剂层48。

膜67在其面向第一区域41的一侧上承载设置在致动器室68内部的压电致动器90。以本身已知的方式，压电致动器90由如下单元组成，该单元包括：第一电极93，第一电极93由导电材料制成，例如钛(Ti)或铂(Pt)；压电材料层91，例如PZT(Pb，Zr，TiO₃)；第二电极94，例如TiW(钛和钨的合金)；以及电介质层100，例如通过CVD(化学气相沉积)沉积的氧化硅和氮化硅。特别地，电介质层100在压电材料层91的侧面上延伸并且使压电材料层91与第一接触轨103和第二接触轨104电隔离，第一接触轨103和第二接触轨104分别与第二电极94和第一电极93电接触。

此外，膜层64在其面向第一区域41的一侧上承载由导电材料制成的成对的触点70，成对的触点70相对于致动器室68横向地设置并且暴露于微流体器件30的外部。

由半导体材料制成的第三区域43在顶部界定流体容纳室52，并且借助于第二粘合剂层49叠置并且接合到第二区域42上。

详细地，第三区域43包括：由半导体材料制成的出口通道层72，出口通道层72在顶部界定流体容纳室52；位于出口层48的顶部并且借助于热氧化物层71耦合到出口层的喷嘴板74；以及在喷嘴板74顶部延伸的抗润湿层75。第三区域43还具有与流体容纳室52连通的出口通道56。

特别地，形成在喷嘴板74中的出口通道56的部分构成用120表示的喷嘴，喷嘴用于被容纳在流体容纳室52中的液体的射流朝向外部的发射。

如图3中特别示出的，膜限定开口81A和腔室开口86A具有矩形形状，在平行于X轴的方向上具有长度并且在平行于Y轴的方向上具有宽度。具体地，在所示的示例性实施例中，膜限定开口81A和腔室限定开口86A的长度在沿着流体腔室52从入口通道50朝向出口通道56流出的液体的流动方向上测量。

特别地，在喷射器元件40中，膜67的有效尺寸、特别是其沿坐标参考系XYZ的第二Y轴的宽度W由膜限定开口81A的尺寸来确定。

详细地，图3示出了：喷射器元件40的一部分，并且更确切地说是腔室体86和相关的腔室开口86A；膜限定元件81的在腔室开口86A内部突出的部分；膜限定开口81A；设置在由膜限定开口81A限定的区域内部的膜层64的一部分；致动器室68(透明的，带虚线)；入口通道50(透明的)；和入口孔51。膜层64的与第一区域41(图2)接合的部分在图3中以灰色表示。

如上所述，如图3所示的并且由膜限定开口81A界定的膜层64的部分形成膜67并且在平行于坐标参考系XYZ的X轴的方向上具有长度L，在平行于Y轴的方向上具有宽度W，并且在平行于Z轴的方向上具有厚度T(图2)。

如随后参考制造工艺所解释的，宽度尺寸W和长度尺寸L可以借助于薄层上的光刻工艺以精确的方式控制，并且因此相对于腔室开口86A的尺寸以更准确的方式控制(宽度尺寸W'和长度尺寸L')，另一方面，腔室开口86A的尺寸取决于深蚀刻工艺(例如，“深硅蚀刻”)。

特别地，可以以小于1％的误差控制膜67的宽度W。鉴于此，如等式(1)所示，柔量C取决于膜67的宽度W的五次幂并且直接取决于长度L，以这种方式可以显著减小喷射器元件40的操作特性的变异性。

考虑到每个器件30包括多个喷射器元件40并且这些喷射器元件可以在它们之间表现出尺寸变异性，这是特别重要的。例如，喷射器元件40可以以图4所示的方式并排布置在微流体器件30中的不同行中。所考虑的具有例如约23mm的长度(在图4中用L″指示)和约6mm的宽度(图4中用W″指示)的类型的微流体器件30可以包含例如多达1200个喷射器元件40。

利用图2和3中的结构，因此可以获得95％的喷射器元件40表现出小于10％的喷射的射流的重量的变异性。关于射流的喷射速度，获得了类似的精度提高。

喷射器元件40的制造步骤在图5A至图13A和图5B至至13B中示出。

如图5A和5B所示，氧化硅保护层125通过已知的生长技术热生长在被设计用于形成图2中的腔室体86的半导体材料晶片上，并因此用相同的附图标记表示。由此形成的晶片整体用附图标记140表示。

参考图6A和6B，第一晶片140的选择性部分使用已知的蚀刻技术(例如，“深硅蚀刻”)被去除，从而形成包围突出部分124的横向凹部130，突出部分124从上方看具有长度为L并且宽度为W的矩形形状、或者尺寸等于待形成的膜67的尺寸(图2、3)的矩形形状。第一晶片140中的凹部130在平行于Z轴的方向上的深度为例如约10μm。

第一蚀刻停止层141沉积在第一晶片140的表面上，厚度为例如等于0.6μm；随后，根据已知技术对第一蚀刻停止层141进行热致密化，从而形成(在横向凹部130的壁上和底部上)第三绝缘层84。此外，在从横向凹部130突出的部分124顶部，第一蚀刻停止层141并入保护层125。

在下面的图8A和8B中，使用已知的技术，在第一晶片140的表面上生长填充横向凹部130的第一外延层142。第一外延层142在平行于Z轴的方向上生长例如等于约30μm的厚度。

在图9A、9B中，根据已知技术对外延层142进行减薄和平坦化。特别地，第一外延层142借助于研磨步骤在深度方向(平行于Z轴)减小约15μm；随后，第一外延层142的表面借助于诸如CMP(化学机械抛光)等已知技术被抛光。这样，第一外延层142的厚度进一步减小约5μm并且被平坦化；此外，在抛光步骤中，第一蚀刻停止层141允许抛光停止，从而起到“硬停止”的作用。以这种方式，第一外延层142的剩余部分形成膜限定层81。

参考图10A和10B，第二停止层(未示出)沉积在经减薄的第一外延层142上；特别地，第二绝缘层具有约0.6μm的厚度(在平行于Z轴的方向上)。第二绝缘层被致密化，从而形成第二绝缘层83，第二绝缘层83在突出部分124顶部并入第一蚀刻停止层141和保护层125。

如图11A和11B所示，第二外延层以受控的方式生长在第二绝缘层83的表面上，厚度在例如2μm到10μm之间的范围内，以形成膜层64。因此，电介质材料层(未示出)被沉积并且致密化，从而形成第一绝缘层82。

以如下方式执行与在通过引用并入本文的美国专利No.2014/0313264中描述的类似的步骤，该方式使得能够获得复合晶片150，如图12A和12B所示。特别地，根据已知技术蚀刻第一晶片140，以便形成入口孔51；随后，形成第一电极93、压电材料层91、第二电极94、电介质层100和接触轨103、104、以及触点70。

此外，第二晶片145被接合到载板45并且以如下方式进行处理，该方式使得能够形成致动器室68、入口通道50和接触室155，接触室155相对于致动器室68横向地设置。第二晶片145因此借助于第一粘合剂层48以类似于在美国专利No.2014/0313264中描述的方式接合到第一晶片140，由此获得复合晶片150。

因此，如图13A和13B所示，根据已知的掩模和蚀刻技术，使用掩模157，借助于深蚀刻工艺以如下方式蚀刻第一晶片140，该方式使得能够形成第二区域42。特别地，深蚀刻步骤允许去除第一晶片140的一部分材料，以形成腔室开口86A(其尺寸由掩模157确定)和膜限定开口81A(其尺寸由突出部分124确定，这是因为存在第三绝缘层84，第三绝缘层84覆盖形成膜限定层81的第二外延层142的部分)。以这种方式，限定腔室体86。

掩模157的尺寸确定以如下方式在考虑潜在的对准误差的情况下进行设计，该方式使得能够确保这限定了腔室限定开口81A的较大且在外部(从上方看)的蚀刻窗口，这种限定使得腔室层86不影响膜67的尺寸。

以未示出的方式，以与美国专利No.2014/0313264所述的相似的方式处理的第三区域43借助于第二粘合剂层49接合到第二区域42。此外，入口通道50被形成，载板45和设置在接触腔室155顶部的第一区域41的一部分被移除，使得触点70从外部可接入，以用于随后的引线键合步骤。

以这种方式，获得了图2中的喷射元件40。

本喷射器元件和本器件的优点如下。

第二区域42的制造过程允许膜67的有效尺寸借助于膜限定开口81A的尺寸来确定，这可以通过在相对薄的层(膜限定层81)上使用光刻限定技术以特别精确的方式实现。特别地，如所指出的，该尺寸确定允许获得膜67的长度为L并且最重要的是宽度为W的尺寸的有限变异性。

此外，膜67通过膜限定层81的尺寸的限定表示掩模157的潜在的对准误差不会对膜67的柔量产生影响。

以这种方式，减小了每个微流体器件30中的各个喷射元件40之间以及形成在同一晶片内的各个微流体器件30之间的尺寸变异性。

最后，将清楚的是，在不脱离本公开的保护范围的情况下，修改和变型可以应用于这里描述和示出的器件和方法。

可以组合上述各种实施例以提供另外的实施例。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，在以下权利要求中，所使用的术语不应当被解释为将权利要求限制于在说明书和权利要求中公开的特定实施例，而是应当被解释为包括所有可能的实施例以及这样的权利要求有权享有的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。

Claims (21)

1.一种微流体器件，包括：

多个喷射器元件，每个喷射器元件包括：

第一区域，具有第一流体流动通道和致动器室；

在所述致动器室中的致动器；

第二区域，具有流体耦合到所述第一流体流动通道的流体容纳室，所述第二区域包括：

耦合到所述第一区域的膜层，所述膜层具有封闭所述流体容纳室并且支撑所述致动器的第一表面；

膜限定层，耦合到所述膜层并且具有膜限定开口，所述膜限定开口在所述膜限定层的平面中具有宽度；以及

腔室限定体，耦合到所述膜限定层并且具有腔室限定开口；以及

第三区域，耦合到所述第二区域并且具有流体耦合到所述流体容纳室的第二流体流动通道；

其中所述流体容纳室由所述膜层、所述膜限定层、所述腔室限定体和所述第三区域界定，

其中所述腔室限定开口在平行于所述平面的方向上的宽度大于所述膜限定开口的宽度，以及

其中所述膜限定开口在所述膜层中限定柔性膜。

2.根据权利要求1所述的器件，其中所述流体容纳室在长度方向上具有第一端和第二端，所述第一流体流动通道在所述流体容纳室的所述第一端处伸出，并且所述第二流体流动通道在所述流体容纳室的所述第二端处伸出。

3.根据权利要求1所述的器件，其中所述膜限定开口和所述腔室限定开口具有矩形形状，并且其中所述腔室限定开口具有更大的面积并且包围所述膜限定开口。

4.根据权利要求1所述的器件，其中所述膜限定层由第一材料制成，其中所述膜层由第二材料制成，其中所述膜限定层被第三材料的第一保护层包围，并且其中所述膜层在与所述第一表面相对的第二表面上被第四材料的第二保护层覆盖。

5.根据权利要求4所述的器件，其中所述第一材料和所述第二材料是半导体材料，并且其中所述第一保护层和所述第二保护层由电介质材料制成。

6.根据权利要求1所述的器件，其中所述膜限定层具有第一厚度，并且所述流体腔室限定体具有第二厚度，并且其中所述第二厚度大于所述第一厚度。

7.根据权利要求1所述的器件，其中所述致动器是压电致动器，所述压电致动器包括：

在所述膜层的第一表面上的第一电极；

在所述第一电极之上延伸的压电层；

在所述压电层之上延伸的第二电极；

至少部分地在所述膜层之上以及在第一电极和所述第二电极之上延伸的电介质层；以及

至少部分地在所述电介质层之上延伸的第一接触轨和第二接触轨。

8.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一流体流动通道是入口通道，并且所述第二流体流动通道是出口通道。

9.一种方法，包括：

制造包括多个喷射器元件的微流体器件，其中所述制造包括：

在半导体材料的第一区域中形成第一流体流动通道和开口；

在半导体材料的晶片上形成膜限定层；

在所述膜限定层上形成具有第一表面和第二表面的膜层；

在所述膜层的所述第一表面上形成致动器；

将所述第一区域耦合到所述膜层的所述第一表面，使得所述开口包围所述致动器并且形成致动器室；

在所述晶片中形成腔室限定开口；以及

在所述膜限定层中形成膜限定开口，所述膜限定开口在所述膜限定层的铺设平面中具有宽度，其中所述腔室限定开口在平行于所述铺设平面的长度方向上的宽度大于所述膜限定开口的宽度，其中所述膜限定开口在所述膜层中限定柔性膜；以及

将第三区域耦合到所述晶片，使得所述膜层、所述膜限定层、所述腔室限定体和所述第三区域界定流体容纳室，所述第三区域具有第二流体流动通道，其中所述流体容纳室与所述第一流体流动通道和所述第二流体流动通道流体接触。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述流体容纳室在所述长度方向上具有第一端和第二端，所述第一流体流动通道在所述流体容纳室的所述第一端处开口，并且所述第二流体流动通道在所述流体容纳室的所述第二端处开口。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述膜限定开口和所述腔室限定开口具有矩形形状，所述腔室限定开口具有更大的面积并且包围所述膜限定开口。

12.根据权利要求9所述的方法，其中：

形成所述膜限定层包括：

去除所述晶片的选择性部分以便在所述晶片中形成凹部，所述凹部包围所述晶片的突出部分，所述突出部分的形状对应于所述膜限定开口的形状；

在所述突出部分的侧表面上和所述凹部上形成第一蚀刻停止层；以及

在所述突出部分的侧面上形成所述膜限定层。

13.根据权利要求12所述的方法，其中形成所述膜限定层包括生长半导体材料的外延层并且将所述外延层向下减薄至所述突出部分。

14.根据权利要求12所述的方法，包括：在形成所述膜层之前，在所述突出部分之上形成第二蚀刻停止层。

15.根据权利要求14所述的方法，其中形成流体容纳室和所述腔室限定开口包括：将所述晶片减薄并且移除所述晶片的选择性部分向下直到所述第一蚀刻停止层和所述第二蚀刻停止层。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一蚀刻停止层和所述第二蚀刻停止层由电介质材料制成。

17.根据权利要求9所述的方法，其中所述膜限定层具有第一厚度，并且所述流体腔室限定体具有第二厚度，所述第二厚度大于所述第一厚度。

18.一种微流体器件，包括：

多个喷射器元件，每个喷射器元件包括：

第一部分，具有第一流体流动通道和开口；

第二部分，包括：

膜层，耦合到所述第一本体，所述膜层覆盖所述第一本体的开口并且形成致动器室；

膜限定层，耦合到所述膜层并且具有膜限定开口，所述膜限定开口在所述膜层中限定柔性膜，所述膜限定开口在所述膜限定层的平面中具有宽度；以及

腔室限定体，耦合到所述膜限定层并且具有腔室开口，其中所述腔室开口在平行于所述平面的方向上的宽度大于所述膜限定开口的宽度；

耦合到所述第二部分的第三部分，其中所述第三部分、所述膜层和所述第三部分的所述腔室限定体中的腔室开口形成流体容纳室，其中所述第三部分包括流体耦合到所述流体容纳室的第二流体流动通道；以及

位于所述柔性膜上并且在所述致动器室中的致动器。

19.根据权利要求18所述的微流体器件，其中所述第一流体流动通道是入口通道，并且所述第二流体流动通道是出口通道。

20.根据权利要求18所述的微流体器件，其中所述致动器是压电致动器。

21.根据权利要求18所述的微流体器件，其中所述膜限定层由半导体材料制成，并且其中所述膜层由半导体材料制成。