PRODUCCIÓN DE DIAFRAGMAS DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere a diafragmas de silicio micromaquinados y específicamente a métodos para fabricar tales diafragmas. El principio de trabajo de muchos dispositivos micromecánicos emplea el uso de diafragmas flexibles como una parte de flexión, que actúa normalmente como un elemento transductor pasivo. El amplio rango de dispositivos que incorporan diafragmas flexibles incluyen sensores de presión micromaquinados, micrófonos y una diversidad de dispositivos microfluídicos tales como microbombas y cabezas de impresión a chorro de tinta. La tolerancia de geometría del diafragma durante el proceso de fabricación, así como su compatibilidad térmica con el resto del dispositivo puede tener un gran impacto sobre el funcionamiento del dispositivo total, especialmente en aplicaciones tales como percepción de baja presión o manejo preciso de pico-litros de volumen líquido. Desde el comienzo de la era de micromaquinación, sea han empleado diferentes soluciones en términos de control material y de geometría de los diafragmas. Los sensores de presión desde su primera etapa emplearon diafragmas de silicio delgado como el elemento de detección. Los diafragmas se formaron al grabar anisotrópicamente simplemente áreas de silicio expuestas controlándose el espesor de los diafragmas por grabado cronometrado o por técnicas de detención de grabado tales como fuerte dopado con boro o formación de unión p-n inversa. El elemento de flexión material en las cabezas de impresión de chorro de tinta y las microbombas se hicieron normalmente de acero inoxidable, vidrio o silicio. Un ejemplo de un diafragma de acero inoxidable se muestra en "The piezoelectric capillary inyector - A new hydrodynamic method for dot pattern generation", E Stem e and S. Larsson, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED- 20, No. 1, enero 1973, páginas 14-19. Los ejemplos de diagramas de vidrio se muestran en "Fabrication of an integrated planar silicon ink-jet structure", K. Petersen, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-26, No. 12, December 1979, and "Micromachined flat-walled valveless diffuser pumps", A. Olsson, P. Enoksson, G. Stemme and E. Stemme, Journal of Microelectro echanical Systems, Vol. 6, No. 2, junio de 1997. Ejemplos de diafragmas de silicio se dan en "Design and development of a silicon microfabricated flow-through dispenser for on-line picolitre sample hanling", T. Laurell, L. Wallman and J. Nilsson, Journal of Micromechanics and Microengineering 9 (1999), páginas 369-376 y "The flow structure inside a microfabricated inkjet printhead", C. Meinhart and H. Zhang, Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 9, NO. 1 marzo del 2000, páginas 67-75. La selección del material del diafragma depende de la compatibilidad con el proceso de fabricación total y en términos de la tecnología de micromaquinación estándar con base en la fabricación por lote dos materiales principales son vidrio y silicio. Las limitaciones de usar vidrio consisten en primer lugar en la dificultad de su maquinado preciso y en segundo lugar de su desajuste térmico con el silicio. Estas limitaciones desaparecen en el caso del silicio. En la mayoría de los casos los diafragmas del silicio se forman usando grabado de silicio acompañado por técnicas de detección de grabado. La Patente Norteamericana 4,872,945 describe un proceso para fabricar el diafragma de silicio en donde una cavidad se graba selectivamente en una cara de una oblea de silicio antes de grabar la otra cara para controlar el espesor de la oblea. La Patente Norteamericana 5,915,168 describe un proceso para fabricar una cubierta para una estructura de puente de aire. Sin embargo, la estructura se forma en tal forma que no es flexible. Una desventaja significativa de usar grabado para reducir el espesor de una oblea de silicio es la cantidad de tiempo empleado. Como un ejemplo, la eliminación de 200 m de silicio por grabado anisotrópico usando una solución acuosa de hidróxido de potasio (KOH) en condiciones estándar toma de tres a cuatro horas. Además, el proceso depende de condiciones tales como la temperatura. De acuerdo con 'un aspecto de la presente invención, se proporciona un método para fabricar un diafragma sobre una cavidad, comprendiendo el método reducir el espesor de una oblea triturando y proporcionando una cavidad bajo el diafragma . Una ventaja de triturar radica en su naturaleza puramente mecánica y la eficiencia de tiempo. La eliminación de 200 m de silicio usando triturado de silicio toma típicamente cinco minutos y es independiente de la temperatura, y en consecuencia, es posible fabricar diafragmas de silicio flexibles con alta precisión y a alta velocidad en esta forma. El diafragma puede fabricarse sobre la cavidad al reducir el espesor de la oblea al triturar una cara y formar una cavidad en la cara opuesta. Alternativamente, la cavidad puede proporcionarse en una oblea adicional que se une a la oblea antes de triturar la oblea. La cavidad puede formarse antes de o subsecuente a reducir el espesor de la oblea. La cavidad puede formarse en una diversidad de formas que incluyen grabado.
El diafragma puede apoyarse durante el triturado para prevenir la distorsión del diafragma. Típicamente, este soporte se proporciona por una capa protectora que se elimina después del triturado. En una modalidad preferida, la cavidad naciente puede usarse como la capa protectora. En una oblea de silicio, esto puede lograse al formar silicio poroso como la capa protectora. La oblea usada puede llevar solamente un diafragma. Sin embargo, por razones económicas, es deseable fabricar una pluralidad de diafragmas sobre la misma oblea. Puede fabricarse un dispensador de caída sobre demanda al fabricar un diafragma sobre una cavidad conforme al primer aspecto de la invención y uniendo a eso una segunda oblea que tiene una boquilla que comunica con la cavidad. Una pluralidad de los dispositivos puede fabricarse sobre las dos obleas . La reducción en espesor puede realizarse antes de la etapa de unión. Sin embargo, para mejorar la facilidad de manejo, la etapa de unión se realiza típicamente antes de la etapa de reducción de espesor. Las obleas pueden fabricarse de una diversidad de materiales que incluyen vidrio pero, en una modalidad preferida, se fabrican de un semiconductor tal como silicio. Dependiendo de la aplicación, podrían formarse diversas estructuras sensoras o impulsadas sobre el diafragma. Estas incluyen, pero no se restringen a, dispositivos neumáticos, térmicos, electrostáticos, piezoresistivos y piezoeléctricos. En el caso de un dispositivo piezoeléctrico, este podría pegarse al diafragma. Preferiblemente, sin embargo, los electrodos superior y de fondo y un elemento piezoeléctrico se imprimen en pantallas sobre el diafragma. Este proceso de impresión en pantalla se realiza ventajosamente antes de eliminar la capa protectora. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Ejemplos de la presente invención se describirán ahora con referencia a los dibujos anexos, en los cuales:- La Figura 1 es una vista esquemática de un aparato para el triturado de precisión de obleas de silicio; Las Figuras 2a a 2j muestran las etapas del proceso involucradas para producir un dispensador de caída sobre demanda de silicio; La Figura 3 es una sección transversal esquemática que muestra el mecanismo por el cual los diagramas se desvían; Las Figuras 4a, 4b muestran un proceso para producir silicio poroso y es una vista esquemática de una cavidad que contiene silicio poroso formado en una oblea de silicio; La Figura 5 muestra el perfil de un diafragma formado sin soporte; La Figura 6 muestra el perfil de un diagrama formado con soporte de silicio poroso; La Figura 7 muestra un dispensador de caída sobre demanda que incorpora un transductor piezoeléctrico; Las Figuras 8a a 8c muestran un diafragma sobre una cavidad fabricada usando dos obleas; Las Figuras 9a a 9c muestran un diafragma sobre una cavidad en donde la cavidad está soportada por silicio poroso durante el triturado; y La Figura 10 muestra una oblea con una pluralidad de diafragmas idénticos. La Figura 1 muestra una oblea 1 de silicio mantenida sobre un sostén 2 de obleas. Una rueda 3 de triturado y la oblea 1 de silicio giran a alta velocidad. Durante la rotación, la rueda 3 de triturado se mantiene en contacto directo con la oblea 1 de silicio y ejerce una cierta presión sobre la oblea 1 de silicio. Esto causa la abrasión continua de la oblea 1 de silicio por los dientes 4 de diamante de la rueda 3 de triturado. La cantidad de material eliminado de la oblea 1 de silicio se controla por un calibrador 5 de espesor. Este procedimiento es puramente mecánico y no depende de parámetros tales como la temperatura o concentración de dopado de la oblea. El triturado de precisión de la oblea 1 de silicio procede en dos etapas; triturado burdo y triturado fino. Durante la etapa de triturado burdo la velocidad de eliminación de silicio de la oblea 1 de silicio es aproximadamente 250 m/min y la tolerancia del espesor de la oblea es 25 µm . Durante la etapa de triturado fino, la velocidad de eliminación de silicio de la oblea 1 de silicio es 20 m/min y la tolerancia del espesor de la oblea es 0.5 µ Las etapas del proceso típicamente usadas para fabricar un dispensador de caída sobre demanda se muestran en las Figuras 2a a 2j . El proceso inicia como se muestra en las Figuras 2a y 2b con la deposición de las capas 21a-21d de nitruro de silicio de 1000Á de espesor sobre las caras frontal y posterior de dos obleas 20a y 20b de silicio. Típicamente, las obleas 20a y 20b de silicio puede ser de 10 cm de diámetro con dopado n- o p- y un espesor inicial de 525 ± 25 µm . Subsecuentemente, la capa 21a de nitruro de silicio sobre la oblea 20a de silicio se modela con modelos circulares de 6 mm de diámetro típico y grabada usando un proceso de grabado en plasma para proporcionar una máscara 22 de grabado como se muestra en la Figura 2c. La capa 21c de nitruro de silicio sobre la oblea 20b de silicio se modela con aberturas cuadradas y se graba similarmente usando un proceso de grabado en plasma para proporcionar la máscara 23 de grabado como se muestra en la Figura 2d. La siguiente etapa consiste de grabado anisotrópico de la oblea 20a de silicio para producir la cavidad 24 como se muestra en la Figura 2c y de la oblea 20b de silicio para producir la abertura 25 a través de la oblea como se muestra en la Figura 2f. La profundidad de la cavidad está típicamente dentro del rango de 25-75 µm . Las capas 21a a 21d de nitruro de silicio se despojan después de las obleas 20a y 20b de silicio como se muestra en las Figuras 2g y 2h. Las obleas 20a y 20b de silicio se unen después como se muestra en la Figura 2i usando un proceso de unión directa de silicio en tal forma que la abertura 25 a través de la oblea en la oblea 20b de silicio está en el centro de la cavidad 24 en la oblea 20a de silicio. La subsecuente y última etapa del proceso mostrado en la Figura 2j consiste del triturado de precisión de la oblea 20a de silicio para controlar el espesor del diafragma 26. En el caso de diafragmas gruesos, >150 µm, y/o cavidades profundas es posible usar obleas individuales puesto que después del triturado el espesor de la oblea aún será suficiente para proporcionar resistencia mecánica y estabilidad. Es posible de esta forma seguir el procedimiento para la oblea 20a de silicio mostrado en las Figuras 2a, c, e, g, i sin unirla a la oblea 20b antes del triturado. Los diafragmas de espesor 150 µm han sido fabricados en esta forma. Sin embargo, para diafragmas delgados <100 µm, especialmente cuando se combinan con cavidades huecas, el uso de sustratos individuales resultaría en una oblea muy frágil. En este caso, es preferible unir la oblea 20a de silicio a la oblea 20b antes del triturado. Las estructuras con espesores de diafragma de <100 µm se han logrado en esta forma. Alguna desviación del diafragma puede ocurrir durante el proceso de triturado, por una eliminación no uniforme del material de silicio en el área del diafragma, a causa de la desviación del diafragma debido a la presión aplicada a él por los dientes de triturado. Esto se ilustra en la Figura 3 que muestra una oblea 50 de silicio con diafragma' 51. La presión ejercida por la rueda 52 de triturado causa que el diafragma se doble y en consecuencia la cantidad de silicio eliminado de la oblea 50 de silicio no es constante a través del diámetro del diafragma 51. Debido a la creciente flexibilidad del diafragma hacia su centro, y a causa de la falta de soporte bajo él durante el triturado, el diafragma se desviará, estando la desviación más alta en su centro, y la más pequeña cerca de los bordes (véase Figura 3) . Esto, a su vez, causará la eliminación no uniforme del material de silicio menos cerca del centro del diafragma (más material eliminado cerca de los bordes, menos cerca del centro) y, en consecuencia, inducirá la diferencia entre el área de lo alto y bajo del diafragma, resultando en el pandeo del diafragma. La forma más directa para prevenir el pandeo del diafragma, es realizar el triturado de las obleas, antes de grabar las cavidades y la formación del diafragma. Esta solución, sin embargo, se aplica solamente a los casos en donde la cavidad total y el espesor del diafragma es suficientemente grande para que lo manipulen obleas individuales . En algunos casos en donde los diafragmas son delgados, y/o es necesario realizar la unión de la oblea de silicio antes del triturado (véase Figuras 2i,j), debe proporcionarse soporte fácilmente removible para los diafragmas . Una técnica adecuada para proporcionar este soporte involucra la formación de silicio poroso en las cavidades antes del triturado. Un ejemplo del proceso de fabricación que utiliza silicio poroso como un soporte consiste de las siguientes etapas : 1. Dos lotes de obleas de silicio se oxidan en seco para producir una capa de óxido con un espesor de típicamente 60-150Á. 2. Se deposita nitruro de silicio en ambos lotes de obleas de silicio con un espesor típico de 3000-4000Á. 3. El nitruro de silicio sobre el lado frontal del primer lote de obleas se modela para la creación de la ventana de la cavidad en la misma forma que la oblea 20a de silicio mostrado en la Figura 2c. El nitruro de silicio y el óxido seco sobre la parte posterior del primer lote de obleas se elimina usando grabado en plasma. 4. Se forma silicio poroso en las ventanas de silicio expuestas sobre el frente del primer lote de obleas. 5. La capa de nitruro de silicio se elimina después del frente del primer lote de obleas, usando típicamente ácido ortofosfórico. 6. El proceso del segundo lote de obleas se lleva a cabo conforme a aquel mostrado en las Figuras 2b, d, f, h para la oblea 20b de silicio. Cuando el nitruro de silicio se elimina, el óxido subyacente se deja. 7. Ambos lotes de obleas se unen juntos después usando un proceso de unión directa de silicio alineado. 8. Los diafragmas de silicio se forman después arriba de las regiones de silicio porosa usando el proceso de triturado de precisión. 9. El silicio poroso se elimina después por grabado químico. El proceso de formación de silicio poroso usado en la etapa 4 se muestra en la Figura 4a. Un conductor 70 contiene una mezcla acida, típicamente de ácido fluorhídrico, etanol y agua en la relación de 1:1:2. La oblea 71 de silicio se suspende en esta solución junto con los electrodos 72a y 72b y se provoca que fluya una corriente eléctrica entre ellos. La densidad de corriente aplicada está en el rango de 4 a 9 mA/cm2. La oblea 71 de silicio se ilumina desde la, parte posterior usando una lámpara 73 de halógeno-tungsteno. También se muestra en la Figura 4b una vista a gran escala de una oblea 74 de silicio con capas 75 y 76 de óxido y nitruro de silicio respectivamente. El silicio 77 poroso se forma en la cavidad 78. Puede formarse un amplio rango de profundidades de silicio poroso en esta forma, dependiendo de la densidad de la corriente y la duración del proceso. Después de la formación de silicio poroso, y antes de la etapa de unión, el silicio poroso puede eliminarse de algunas cavidades por una inmersión corta de una parte de la oblea en solución de hidróxido de potasio acuoso (40% en peso) . Esto permite, en una etapa posterior, evaluar, dentro de la misma oblea, el efecto de silicio poroso sobre la magnitud del pandeo del diafragma. La Figura 9a muestra una oblea 130 que tiene una cavidad que contiene silicio 131 poroso. La oblea 130 es triturada para proporcionar un diafragma 132 como se muestra en la Figura 9b. El silicio 131 poroso soporta el diagrama 132 durante el triturado. El silicio 131 poroso se elimina después para dejar una cavidad 133 bajo el diafragma 132 como se muestra en la Figura 9c.
Después de la etapa de triturado y antes de la eliminación del silicio poroso, se investigó el pandeo de los diafragmas usando un equipo de medición Alpha Step 200 de Tencor Instruments. Se observó que la presencia de silicio poroso, durante el triturado, suprime fuertemente la distorsión del diafragma. Las Figuras 5 y 6 muestran perfiles de desviación de dos diafragmas de espesor de 50 µm . El perfil mostrado en la Figura 5 es de un diafragma formado sin soporte, mientras que la Figura 6 muestra el perfil de un diagrama formado con soporte de silicio poroso. Se ve claramente a partir de estos perfiles que proporcionar soporte de diafragma en la forma de silicio poroso disminuye la magnitud de la distorsión. Además, se observó que el perfil de los diafragmas formados con silicio poroso subyacente es casi plano en forma, a diferencia de los diafragmas formados sin silicio poroso subyacente, que tienen un perfil curvado. Algunos perfiles de los diafragmas con silicio poroso subyacente muestran una pequeña punta 101 en el centro del perfil 100 como se muestra en la Figura 6. La existencia de la punta 101 en el centro del diafragma puede explicarse por el hecho de que, en el centro del fondo de las cavidades, existen aberturas grabadas a través de la oblea del fondo. Durante el triturado, no existe soporte proporcionado para el área del diafragma arriba de la abertura. Asi, el área del diafragma, arriba de la abertura, se doblará más durante el triturado que otras partes del diafragma, y eventualmente conducirá a una distorsión pos-triturado más alta en esa área. Esto se confirma por el hecho de que, no se notó punta en el perfil en la muestra en donde la abertura a través del grabado estuvo fuera del área de la cavidad principal. El hecho de que la distorsión tome lugar, se atribuye a la existencia de un intervalo entre la superficie de silicio poroso y la superficie de la otra oblea unida, inducida por la capa de óxido delgado sobre la oblea con silicio poroso y/o el posible daño causado al silicio poroso antes/durante el triturado. En algunos casos en donde no está presente la capa de óxido la desviación del diafragma se elimina marginal o virtualmente. Un dispensador de caída sobre demanda fabricado conforme a las etapas del proceso mostradas en las Figuras 2a a 2j puede impulsarse usando un transductor piezoeléctrico unido al diafragma 26. Un dispensador 110 de caída sobre demanda se muestra en la Figura 7 con un transductor 111 piezoeléctrico sobre el diafragma 112. Un electrodo 114 de fondo se imprime en pantalla sobre un diafragma 112 superior. El transductor 111 piezoeléctrico entonces se imprime en pantalla sobre el electrodo 114 de fondo usando una pasta piezoeléctrica. El electrodo 114 de fondo ocupa un área más grande que el transductor 111 piezoeléctrico para permitir la conexión eléctrica. Finalmente, un electrodo 115 superior se imprime en pantalla sobre el transductor 111 piezoeléctrico. Este proceso de impresión en pantalla se realiza típicamente antes de eliminar el silicio 116 poroso de la cavidad 113 para proporcionar apoyo para la cavidad durante el proceso de impresión en pantalla. El proceso de impresión en pantalla también puede realizarse antes de grabar la cavidad. Esta técnica tiene la ventaja de que no es necesario pegar los discos piezoeléctricos individuales sobre cada diafragma y en consecuencia, proporcionaría unión más estable, y así, menos fallas y más repetibilidad de dispositivo a dispositivo. Además, la técnica es más apropiada para la producción en lote que pegar discos piezoeléctricos individuales sobre los diafragmas. Es posible fabricar un diafragma sobre una cavidad usando dos obleas como se muestra en las Figuras 8a a 8c. En la Figura 8a, existe una oblea 120 de una oblea 121 que tiene un hueco 126 grabado a través. Las dos obleas 120 y 121 se unen juntas como se muestra en la Figura 8b para proporcionar un par 122 de obleas unidas. Subsecuentemente, este par de obleas se tritura para proporcionar un diafragma 124 sobre una cavidad 125 como se muestra en la Figura 8c.
Por razones económicas una pluralidad de diafragmas idénticos se fabricará normalmente sobre una oblea sencilla.
La Figura 10 muestra una oblea 140 que tiene catorce diafragmas 141. Los diafragmas 141 pueden fabricarse conforme a cualquiera de los procesos descritos en la presente.