Технология изготовления микросопел и горизонтальных микроканалов

Сопла – одни из самых простых в изготовлении микроструктур при использовании анизотропного травления кремния, гальванопластики (electroforming) или лазерного бурения металлического листа. Серия американских патентов, выданных в 1970 году компании IBM, описывает изготовление кремниевых сопел и их применение в струйной печати. Компания Ford Motor экспериментировала в 1980-х годах с использованием микромеханических сопел для впрыска топлива в двигатель. С истечением большинства ключевых патентов на формирование сопла, микромеханические сопла стали основой в конструкции форсунков (разбрызгивателей), медицинских ингаляторов и гидравлических систем распыления. Сопла не обязательно должны быть из кремния. MicroParts GmbH of Dortmund, изготовители устройств для больных астмой, внедрила высокоточные пластиковые микросопла в производство, используя LIGA-процесс и процесс формовки.

Простейшее квадратное кремниевое сопло может быть легко изготовлено путем осаждения нитрида кремния на обе стороны (100) пластины и формирование рисунка (фотошаблона) в нитриде кремния на задней стороне. Анизотропное травление гидроксидом калия (КОН) или гидроксидом тетраметиламмония (TMAH) образует отверстие сквозь пластину со стенками, определяемыми плоскостями кремния (111). Размеры отверстия в нитриде кремния на задней стороне должны быть больше, чем 71% толщины пластины для того, чтобы протравливать через пластину.

Формирование сопла круглой или произвольной формы в кремнии включает дополнительные шаги изготовления. Наиболее распространенным подходом является выращивание на пластине (100) эпитаксиального слоя кремния p-типа с высокой концентрацией бора (>1×1019 cm−3). Фотошаблоном рисуется форма сопла и слой кремния p-типа травится с использованием стандартной литографии и плазма-травления (или RIE –реактивное ионное травление). Защитный слой нитрида кремния наносится на обе стороны пластины и формируется квадратное изображение на задней стороне. Двусторонняя литография обеспечивает точное совмещение между отверстием сопла и квадратом на задней стороне. Изготовление заканчивается анизотропным травлением кремния с задней стороны посредством КОН или ТМАН. Слой p-типа действует в качестве стоп-слоя для травления, сохраняя таким образом форму сопла.

Эти сопла ориентированы перпендикулярно поверхности пластины и известны в области струйной печати как канавки в верхней плоскости. Сопла, ориентированные параллельно плоскости, называются канавками в боковой плоскости. Одна из таких реализаций использует ориентационно-зависимое травление для формирования канавок на кремнии. Другие пластины покрывают слоем полиимида и совмещают с пластиной со сформированными канавками. В конце, пластина разрезается для создания треугольных каналов.

Также они могут быть получены формовкой.