DE4402096A1 - Mikrostrukturierte Hochleistungsventil-Düse und -Sitz - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem Mikro­ miniaturventil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Allgemein befaßt sich die Erfindung mit mikrominiaturisier­ ten Vorrichtungen und insbesondere mit mikrominiaturisierten Ventilen.

Viele Techniken, die bei der Herstellung von elektronischen integrierten Schaltungschips eingesetzt werden, können ohne weiteres für die Mikrobearbeitung von mechanischen Vorrich­ tungen auf der Grundlage von Halbleitersubstraten eingesetzt werden. Das US-Patent Nr. 5,058,856 offenbart ein thermisch betätigtes Mikrominiaturventil mit einem Sitz-Substrat, wel­ ches aufgrund eines ersten Halbleiterwafers hergestellt wird. Das Sitz-Substrat umfaßt einen Flußweg und eine ange­ hobene Ventilsitzstruktur, welche den Flußweg an einer Vor­ derfläche umgibt. Ein zweiter Halbleiterwafer ist struktu­ riert, so daß er einen mittigen Anker bzw. eine Armatur für die Ausrichtung mit der angehobenen Ventilsitzstruktur um­ faßt und ferner ein Feld von Beinen beinhaltet, die sich von dem mittigen Anker aus erstrecken. Jedes Bein hat zwei me­ tallische Schichten, wobei jede der beiden Metalle im we­ sentlichen unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffi­ zienten hat. Wenn das Bein erwärmt wird, bewirkt die Differenz der thermischen Ausdehnungen der beiden Metall­ schichten, daß sich die Beine biegen, wodurch die mittige Armatur bezüglich des Flußweges versetzt wird. Dieses Patent ist auf den Anmelder der vorliegenden Anmeldung übertragen, wobei dessen Inhalt durch diese Querbezugnahme zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.

Mikrostrukturierte Ventile finden zunehmende Verbreitung. Die US-Patente Nr. 4,581,624 und Nr. 5,069,419 offenbaren gleichfalls mikrominiaturisierte Ventile. Obgleich diese Patente nicht ein Feld von Beinen zeigen, wie dies in dem US-Patent Nr. 5,058,856 gezeigt ist, besteht ein gemeinsames Merkmal in einer in axialer Richtung beweglichen Armatur bzw. einem Anker, welcher eine glatte Siliziumoberfläche aufweist, welcher als Ventilfläche bekannt ist. Die Ventil­ fläche öffnet sich und schließt sich gegen eine Ventilsitz­ struktur, die den Flußweg umgibt.

Bei den oben beschriebenen Patenten nach dem Stand der Tech­ nik bestimmen Herstellungspraktiken eine wesentliche Rolle bei der Bestimmung der Konstruktion des mikrominiaturisier­ ten Ventiles. Aufgrund von Ungewißheiten bezüglich der Ätz­ raten bei der Halbleiterherstellung sind Herstellungstole­ ranzen bei dem Entwurf von Ventilmerkmalen maßgeblich. Es muß eine Überätzung sowie eine Unterätzung während der Bil­ dung von mikrominiaturisierten Teilen in Betracht gezogen werden. Ein weiterer kritischer Punkt bei der Herstellung betrifft die Fehlausrichtung insbesondere bei dem Ätzen des Flußweges durch das Sitz-Substrat des Ventiles.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen­ den Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Mikrominia­ tur-Ventil und ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Ventiles zu schaffen, bei dem die pneumatischen Charakteri­ stika und die thermischen Charakteristika verbessert werden, ohne daß die Ausbeute bei der Herstellung derartiger Ventile beeinträchtigt wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Ventil gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Verfahrens­ anspruch gelöst.

Die Erfindung schafft ein Mikrominiaturventil zum Steuern des Fluidflusses, welches ein einheitliches Substrat mit einem Flußweg aufweist, der durch Wände längs der {111}-Ebe­ nen hat, die bei der die Last tragenden Fläche des angehobe­ nen Ventilsitzes beginnen. Radial äußere Wände des Ventil­ sitzes haben gleichfalls eine {111} Orientierung. Die Be­ standteile des Ventilsitzes und des Flußweges sind nicht einer lateralen Fehlausrichtung unterworfen, da die kriti­ schen Teile durch ein anisotropes Ätzen an der Substrat­ oberfläche mit dem angehobenen Ventilsitz gebildet werden. Das Verfahren liefert eine selbstausrichtende Struktur und ist nicht in einem nennenswerten Maße gegenüber unterschied­ lichen Ätzraten empfindlich.

Das anisotrope Ätzen bildet parallel radial nach außen schräg verlaufende Wände, die an den entgegengesetzten Sei­ ten der tragenden Fläche des Ventilsitzes beginnen. Die die Last tragende Fläche ist ausreichend breit, so daß der Ventilsitz nicht der Gefahr des Brechens bei Schließen einer Armatur ausgesetzt ist, wobei er jedoch ausreichend dünn ist, um die pneumatischen und thermischen Charakteristika des Ventiles zu verbessern. Die pneumatischen Charakteri­ stika werden verbessert, da die Struktur ein herausragendes Verhältnis der Fläche des Flußweges an dem Innendurchmesser der Tragfläche bezogen auf die Fläche an dem Außendurchmes­ ser der Tragfläche umfaßt. Die thermischen Charakteristika werden verbessert, da der Ventilsitz derart geätzt werden kann, daß er parallele innere und äußere Wände in einer solchen Art umfaßt, daß die kapazitive und thermische Ener­ gie von der thermisch betätigten Armatur zu dem Substrat geleitet wird, in dem der Flußweg ausgebildet ist.

Das anisotrope Ätzen liefert eine konstante Ventilsitz­ geometrie unabhängig von der Ätzzeit. Die Dauer des Ätzens beeinträchtigt die Tiefe des Ventilsitzes, wobei jedoch nach der Bildung der parallelen, {111}-orientierten Wände die Querschnittskonfiguration des Ventilsitzes im wesentlichen festgelegt ist.

Das Herstellen des Ventilsitzes umfaßt das Maskieren aus­ gewählter Abschnitte sowohl an der Vorderfläche als auch an der Rückfläche des Substrates. Ein erster Bereich wird an der Rückfläche offengelassen. Das Ätzen des freiliegenden ersten Bereiches bildet einen Weg entweder teilweise oder ganz durch das Substrat. Vorzugsweise ist das Ätzen ein anisotropes Ätzen, welches {111}-Wände bildet. Eine Maske an der Vorderseite wird strukturiert, um die Tragfläche des Ventilsitzes zu bilden. Das anisotrope Ätzen wird über eine ausreichende Zeitdauer ausgeführt, um {111}-Wände zu bilden, welche einen ansteigend erweiterten Flußweg bei zunehmender Entfernung von der Tragfläche festlegt. Wände mit einer {111}-Orientierung werden gleichfalls in die Vorderfläche an den Seiten der Maske gebildet, welche dem Flußweg gegen­ überliegen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt die Herstellung des Flußweges eine Zwischen-Wanderungswand mit einer hauptsächlichen Richtkomponente längs der Verti­ kalen.

Bei dem Entwurf der Mikrominiaturventile besteht ein Kon­ flikt zwischen der Erhöhung der Flußwegfläche und der Ver­ minderung der Fläche, die durch die äußere Peripherie des Ventilsitzes umschlossen ist. Eine Erhöhung der Fläche des Ventilsitzes führt zu einem erhöhten Volumen des Fluidflus­ ses, wenn das Ventil sich in seiner geöffneten Position be­ findet. Jedoch wird eine derartige Erhöhung typischerweise durch Erhöhung der Größe des Ventilsitzes erreicht. Da der Fluiddruck, der durch das Ventil gesteuert werden kann, in enger Weise durch Teilen der Kraft, die bei dem thermisch betätigten Betätigungsglied aufgewendet wird, durch die Um­ fangsfläche des Ventilsitzes angenähert wird, führt eine Vergrößerung des Außenmessers zu einer Verminderung des steuerbaren Ventildruckes. Wie bereits oben angemerkt wurde, liefert die Erfindung ein verbessertes Verhältnis der Fläche des Flußweges bezogen auf die Fläche innerhalb des äußeren Umfanges der Tragfläche des Ventilsitzes. Daher kann bei einem gegebenen Außenumfang ein größeres Fluidvolumen ge­ steuert werden.

Weitere Vorteile der Erfindung bestehen in einer Verminde­ rung der ungenutzt verbrauchten Leistung, wobei diese un­ genutzt verbrauchte oder vergeudete Leistung als diejenige Leistung definiert wird, die nicht direkt für die Änderung der Temperatur des thermisch betriebenen Betätigungsteiles verwendet wird. Da ein Kontakt zwischen dem Betätigungsteil und dem Ventilsitz besteht, gibt es einen thermisch leit­ fähigen Weg von dem Betätigungsglied zu dem Ventilsitz­ substrat. Dieser Wege erstreckt sich von der Innenfläche der Armatur und der Tragfläche durch den Ventilsitz in den mas­ sigen Bereich des Ventilsitzsubstrates. Die {111}-Wände an den entgegengesetzten Seiten der Tragfläche ermöglichen ge­ mäß der Erfindung eine Verminderung der thermischen Leit­ fähigkeit von dem Betätigungsglied zu dem Sitzsubstrat.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß das Verfahren zum Herstellen des Mikrominiaturventiles ein sol­ ches ist, bei dem die Flußdüse und der Ventilsitz selbst­ ausrichtend sind, so daß der Herstellungsprozeß nicht gegen­ über einem Überätzen oder einem Unterätzen empfindlich ist.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenschnittansicht eines Mikrominiatur­ ventiles mit einer Flußdüse und einem Ventilsitz gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Seitendarstellung des Ventilsitzes gemäß Fig.

Fig. 3 eine Seitendarstellung eines bekannten Ventilsitzes eines Mikrominiaturventiles;

Fig. 4 eine Kurve des Betätigungsversatzes bezogen auf die Leistung eines bekannten Mikrominiaturventiles mit dem in Fig. 3 gezeigten Ventils;

Fig. 5-11 Schritte zur Herstellung des Ventilsitzes und der Flußdüse bei einem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1;

Fig. 12 eine perspektivische Darstellung des Substrates, welches unter Verwendung der Schritte nach den Fig. 5-11 hergestellt ist; und

Fig. 13-18 Schritte zur Herstellung eines zweiten Aus­ führungsbeispieles des Substrates gemäß Fig. 12.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die Ausführung der Erfindung erläutert. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt ein Mikrominiaturventil 10 ein Sitz-Substrat 12, welches als Grundteil arbeitet. Ein mittiger Flußweg 14 wird durch das Sitz-Substrat gebildet.

Das Sitz-Substrat 12 ist vorzugsweise ein Siliziumchip, der von einem Wafer unter Verwendung von Herstellungsschritten zur Herstellung einer Partie hergestellt ist. Das Mikro­ miniaturventil 10 hat Abmessungen von 10 mm×10 mm, wobei jedoch diese Maße unkritisch sind. An dessen Umfang hat das Sitz-Substrat eine Dicke von 400 Mikrometer.

Oberhalb des Sitzsubstrates 12 ist ein zweites Substrat ge­ tragen,. welches einen festen Umfang 16 und eine mittige Armatur 18 umfaßt. Die Länge und Breite des zweiten Substra­ tes passen mit den Dimensionen des Sitz-Substrates 12 zu­ sammen. Wiederum ist das bevorzugte Material Silizium. Die Dicke des Siliziums beträgt 30 Mikrometer, wobei jedoch die Dicke ein Faktor ist, der die Größe der maximalen Öffnung des Mikrominiaturventiles 10 bestimmt, so daß die ideale Dicke der Siliziumschicht sich in Abhängigkeit von den An­ wendungsfällen ändert.

Die Struktur und die Betätigung des oberen Substrates, welches die feste Peripherie 16 umfaßt, und der mittigen Armatur 18 sind vollständig in dem US-Patent Nr. 5,058,856 beschrieben, welches auf den Anmelder der vorliegenden An­ meldung übertragen ist, wobei dessen Inhalt durch Querbe­ zugnahme aufgenommen wird. Kurz gesagt, wird eine Nickel­ schicht auf dem oberen Substrat unter Verwendung der Dampf­ abscheidungstechniken, der photolithographischen Techniken sowie der Techniken der Elektroplatierung abgeschieden. Ein Feld von Beinen 20 und 22 verbindet den festen Umfang 16 mit der mittigen Armatur 18. Wenn das obere Substrat erwärmt wird, bewirkt die Differenz der thermischen Ausdehnungsko­ effizienten von Silizium und Nickel, daß sich die Beine bie­ gen und die Armatur 18 von dem Sitz-Substrat 12 anheben. Wenn die Armatur von dem Sitz-Substrat beabstandet ist, steht der Flußweg 14 in Flußverbindung mit den umgebenden Flächen 24 und 26. Erneut stehen die Flächen 24 und 26 in Fluidverbindung mit einem Gerät oder von einem Gerät, wobei dieser Fluß durch das Mikrominiaturventil 10 zu regulieren ist.

Obgleich das beschriebene Mikrominiaturventil 10 ein Feld von Beinen 20 und 22 umfaßt, ist der Gegenstand der vor­ liegenden Erfindung nicht auf die Verwendung mit einer Be­ tätigung aufgrund von sich biegenden Beinen beschränkt. Bei­ spielsweise kann die Struktur, welche die mittige Armatur 18 mit dem festen Umfang 16 verbindet, anstelle dessen eine feste kreisförmige Membran sein, welche wahlweise ausgelenkt wird, um den Fluidfluß zwischen dem Flußweg 14 und dem Be­ reich 24 und 26 zu steuern.

Die Struktur, die für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wichtig ist, ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Das Sitz- Substrat 12 umfaßt einen Ventilsitz 28, der sich von einer oberen Hauptfläche 30 aufwärts erstreckt. Der Ventilsitz umfaßt eine Tragfläche 32, gegen die die Armatur 18 anliegt, wenn sich die Armatur in ihrer geschlossenen Position be­ findet.

Wie nachfolgend vollständig beschrieben werden wird, sind der Ventilsitz 28 und der Flußweg 14 durch anisotropes Ätzen der Sitzstruktur 12 an der oberen Fläche des Substrates ge­ bildet. Von der radial inneren Kante der Tragfläche 32 er­ streckt sich der Ventilsitz nach unten längs einer {111}- Ebene, um eine erste schräg verlaufende Wand 34 zu bilden. Wie im Stand der Technik bekannt ist, werden Winkel von ungefähr 54,7½ durch anisotropes Ätzen des Siliziumsub­ strates gebildet, so daß die erste schräg verlaufende Wand 34 in einem Winkel von ungefähr 125,3½ bezogen auf die Tragfläche angeordnet ist. Die zweite schräg verlaufende Wand 36 wird parallel zu der ersten schräg verlaufenden Wand gebildet und erstreckt sich nach unten zu einer unteren Hauptfläche 38 des Sitz-Substrates 12. Eine Zwischenwand 40, welche im allgemeinen vertikal angeordnet ist, verbindet die ersten und zweiten schräg verlaufenden Wände.

Die Breite des Ventilsitzes 28 kann ohne weiteres verändert werden, ist jedoch derart gewählt, daß sie ausreichend groß ist, damit der Ventilsitz nicht zu einem Bruch bei wieder­ holtem Schließen der Armatur 18 neigt. Da jedoch der Fluid­ druck, gegen den das Ventil geöffnet werden kann, durch das Maß der Fläche innerhalb der radial äußeren Kante der Trag­ fläche 32 beeinflußt wird, sollte die Breite des Ventil­ sitzes nicht unnötig groß gewählt werden. Bei dem bevorzug­ ten Ausführungsbeispiel hat die Flußdüse 14 Quadratseiten­ abmessungen von 200 Mikrometer, wobei der radial äußere Um­ fang der Tragfläche 32 240 Mikrometer bezüglich der Quadrat­ seitenlänge beträgt. Die Konfiguration des Ventilsitzes 28 und der Flußdüse 14 verbessern sowohl die pneumatischen als auch die thermischen Charakteristika des Mikrominiaturven­ tiles 10 verglichen mit dem Ventil nach dem Stand der Technik.

Fig. 3 zeigt einen typischen bekannten Ventilsitz. Ein Sitz-Substrat 42 umfaßt eine obere Fläche 44 mit einem ange­ hobenen Ventilsitz 46. Die obere Fläche 44 umfaßt eine Kante 48 zwischen dem Ventilsitz und einer Wand 50 des Flußweges. An dem äußeren Durchmesser 52 krümmt sich der Ventilsitz 46 nach unten zu der Oberfläche 44. An der entgegengesetzten Seite hat der Ventilsitz eine schräg verlaufende Wand 54 zu der Kante 48 hin.

Ein Ziel bei der Herstellung eines Mikrominiaturventiles liegt in der Verminderung der Fläche innerhalb des Außen­ durchmessers 52 des Ventilsitzes 46, um dadurch ein Öffnen des Ventiles gegen einen erhöhten Fluiddruck zu ermöglichen. Ein weiteres Ziel liegt in der Erhöhung der Größe des Fluß­ weges, welche durch die Wand 50 festgelegt wird, um das Gas­ volumen zu erhöhen, welches durch das Ventil gesteuert wer­ den kann. Da der Ventilsitz von einer Seite des Sitz-Sub­ strates 42 geätzt wird, während der Flußweg von der anderen Seite geätzt wird, ist es schwierig, gleichzeitig diese Zie­ le zu erreichen. Man muß einen gewissen Freiheitsgrad für eine laterale Fehlausrichtung des Flußweges bezüglich des Ventilsitzes zugestehen. Ferner muß ein Freiheitsgrad für ein Überätzen oder ein Unterätzen zugestanden werden. Als Ergebnis ist das Verhältnis der Fläche des Flußweges zu der Fläche innerhalb des äußeren Durchmessers 52 des Ventil­ sitzes ein Wert, der nötigerweise eine fehlende Effektivität mit sich bringt. Die nach unten schräg verlaufende Wand 54 und die Kante 48 bei dem bekannten Ventil beeinträchtigen das Leistungsverhalten des bekannten mikrominiaturisierten Ventiles und damit dessen Fähigkeit um Größenordnungen.

Im Gegensatz hierzu bewirken die zu beschreibenden Fabri­ kationsschritte die einen geringeren Teil an Abfall mit sich bringende Struktur, die in Fig. 2 gezeigt ist. Im Falle des bevorzugten Ausführungsbeispieles, bei dem die Flußdüse Quadratseitenabmessungen von 200 Mikrometer hat und die Fläche innerhalb des Außenumfanges der Tragfläche 32 eine Quadratseitenabmessung von 240 Mikrometer hat, liegt der Flächenwirkungsgrad bei 70%. Dies liefert einen Flußwir­ kungsgrad von ungefähr 33%, der weit oberhalb des Wirkungs­ grades von 0,03% von einigen bekannten Mikrominiaturven­ tilen liegt.

Wiederum bezugnehmend auf Fig. 3 hat der Gegenstand der vorliegenden Erfindung zusätzlich zur Verbesserung der pneumatischen Charakteristika gegenüber dem Stand der Tech­ nik herausragende thermische Charakteristika. Wie bereits erwähnt, sind die mikrominiaturisierten Ventile thermisch betätigte Vorrichtungen. Ein oberes Substrat wird erwärmt, um eine Verschiebung einer Armatur bezüglich des Ventil­ sitzes 46 zu bewirken. Ein Ziel bei dem Entwurf der Ventile liegt in der Minimierung der Vergeudung von thermischer Energie. Jedoch existiert ein thermischer leitfähiger Weg von Armatur zu dem Ventilsitz 46 und durch die Struktur unterhalb des Ventilsitzes zu dem Massenmaterial des Sitz- Substrates 42. Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, wird die Leitfähigkeit dieses thermischen Weges erheblich durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung aufgrund der Geo­ metrie des Ventilsitzes 28 vermindert. Zunächst kann die Ätztiefe größer sein. Wenn beim Stand der Technik die Ätz­ tiefe vergrößert wird, werden die entgegengesetzt geneigten Wände des Ventilsitzes unerwünscht dicker, während der Be­ reich des Weges vermindert wird. Im Gegensatz hierzu nimmt der Ventilsitz 28 gemäß der vorliegenden Erfindung nicht in seiner Breite zu und vermindert nicht die Größe des Fluß­ weges, da der Ventilsitz in seiner Tiefe zunimmt. Eine Tiefe von 25 Mikrometer wird als bevorzugt angesehen.

Die entgegengesetzten parallelen Seiten des Ventilsitzes 28 liefern eine Struktur, die ausreichend robust ist, um wiederholten Schließvorgängen der Armatur 18 zu widerstehen. Da jedoch die entgegengesetzten Seiten nicht auseinander­ laufen, ist die Struktur ausreichend dünn, um einen Schutz gegen eine übermäßige Vergeudung thermischer Energie von der Armatur an das Massenmaterial des Sitz-Substrates 12 zu ver­ meiden. Die Minimierung der Prozentage des thermischen Ener­ gieverlustes durch den Ventilsitz 28 ist wichtig für das Erreichen einer stabilen Ventiloperation bei niedrigen Fluß­ raten. Da sich ein normalerweise geschlossenes thermisch betätigtes Ventil während der Zuführung von Leistung öffnet, fällt die thermische Leitung von einer Armatur 18 durch einen Ventilsitz 28 ab, da ein Spalt zwischen der Armatur und dem Ventilsitz auftritt. Die thermische Leitung tritt über diesen Spalt auf, wobei jedoch das Entweichen der Energie über diesen Spalt abnimmt, wenn das Ventil sich ständig weiter öffnet.

Typischerweise wird eine konstante Leistung an die Armatur 18 angelegt. Wenn das Ventil geschlossen ist, fließt die thermische Energie von der Armatur durch den thermischen leitfähigen Weg, der unter Bezugnahme auf den Ventilsitz 28 erläutert wurde, jedoch gleichfalls durch getrennte thermi­ sche Leitungswege, welche Strukturen radial außerhalb der Armatur umfassen, wobei Konvektionsströme und Leitungsströme in dem Gas oder dem Fluid beinhaltet sind, welche die Arma­ tur umgeben. Diese drei Flüsse, die auftreten, wenn die Leistung an die Armatur angelegt wird, bestimmen, wie weit die Umgebungstemperatur und die Temperatur der Armatur an­ steigen.

Wenn das Ventil sich zu öffnen beginnt und die Leitung durch den Ventilsitz 28 abnimmt, steigt die Temperatur der Armatur an. Demgemäß wird das Mikrominiaturventil 10 bezüglich der Energie wirksamer, so daß sich das Ventil in einer plötz­ lichen Art öffnet. Dieser Effekt ist graphisch in Fig. 4 dargestellt, wobei diese Darstellung die Betätigungsver­ schiebung einer bekannten Armatur bezogen auf die angelegte Leistung darstellt. Man sieht, daß die Verschiebung gegen­ über der angelegten Leistung ausgesprochen nicht-linear im Bereich der Öffnung 56 und im Bereich des Schließens 58 ist.

Diese Nicht-Linearität des bekannten Ventiles, welche durch die Kurve gemäß Fig. 4 dargestellt ist, wird hauptsächlich durch die sich ändernde thermische Leitfähigkeit durch den Ventilsitz des bekannten Ventiles bewirkt. In den meisten Fällen ist diese Nicht-Linearität unerwünscht, da durch sie die Steuerbarkeit des Gasvolumens durch den Flußweg ver­ mindert wird. Die Nicht-Linearität wird beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung reduziert, indem die prozentuale Änderung des gesamten Wärmeflusses aufgrund von Änderungen in der thermischen Leitfähigkeit des Ventilsitzes vermindert wird. Die Nicht-Linearität kann etwas mehr durch Öffnen der Armatur 18 an einem Winkel gegenüber dem Ventilsitz 28 ver­ mindert werden, so daß die Armatur in Kontakt mit einem Teil des Ventilsitzes während eines Teils des Öffnungsvorganges oder während des gesamten Ventilöffnungsvorganges bleibt.

Fig. 5 bis 10 zeigen ein erstes Verfahren zum Herstellen des Sitz-Substrates 12 gemäß Fig. 1. In Fig. 4 werden bekannte Maskierungsmaterialien photolithographisch an den beiden Hauptflächen des Siliziumwafers 60 strukturiert. Jede Haupt­ fläche hat eine erste Schicht aus Siliziumoxid 62 und 64 und eine Außenschicht aus Siliziumnitrid 66 und 68. Unter Ver­ wendung bekannter Plasmaätztechniken wird ungefähr 50% der Nitridaußenschicht 66 an der Oberfläche bei Abschnitten der Schicht entfernt, so daß dicke Nitridbereiche 70 und 72 übrigbleiben, welche verwendet werden, um einen Ventilsitz festzulegen, wobei äußere dicke Nitridbereiche 74 und 76 übrigbleiben, die verwendet werden, um das Ausmaß der oberen Ventilfläche festzulegen.

An der unteren Fläche des Siliziumwafers 60 werden die Oxid- und Nitrid-Schichten 64 und 68 vollständig an einem Mitten­ bereich geätzt. Fluorwasserstoffsäure bzw. Flußsäure wird zum Ätzen des Grundoxides verwendet.

Gemäß Fig. 6 wird Kaliumhydroxid (KOH) verwendet, um durch den Boden des Siliziumwafers 60 zu Ätzen, der bei dem Ätzen der Siliziumnitridschicht 68 und der Oxidschicht 64 frei­ liegt. Das Silizium wird weit langsamer längs der {111}- Ebenen geätzt, so daß sich die schrägen Wände 78 und 80 er­ geben. Ein anisotropes Ätzen des Siliziumwafers liefert Wände mit einem Winkel von ungefähr 54,7°. Das anisotrope Ätzen verläuft vollständig durch den Siliziumwafer, wobei jedoch ein Anhalten des Ätzens bei Erreichen der Oxidschicht 62 nicht kritisch ist. Ein fortdauerndes Ätzen würde dazu führen, daß die obere Siliziumnitridschicht 66 und die Oxidschicht 62 an dem Loch, welches durch die anisotrope Ätze gebildet wird, brechen, wobei dies jedoch nicht negativ die Herstellung des Sitz-Substrates beeinträchtigen würde. Das bedeutet, daß der in Fig. 6 gezeigte Schritt nicht ge­ genüber einem Überätzen empfindlich ist.

Gemäß Fig. 7 wird die Siliziumnitridschicht geätzt, um lediglich einen Anteil der vorherigen dicken Bereiche 70 bis 76 übrigzulassen und um vollständig das Nitrid zwischen den dicken Bereichen zu entfernen. Das freiliegende Oxid 62 wird dann in Flußsäure geätzt. Als Ergebnis wird ein mittiger Kanal mit oberen und unteren Düsen gebildet, der sich voll­ ständig durch den Siliziumwafer 60 erstreckt. Jedoch bildet der mittige Kanal nicht den letztendlich herzustellenden Flußweg. Im Gegensatz hierzu liefert das Ätzen von der Grundseite des Siliziumwafers 60 ausgehend lediglich die "grobe" Form des Flußweges.

Wie nun in Fig. 8 gezeigt ist, wird ein anisotropes Ätzen mittels KOH dann auf die beiden Hauptflächen des Halbleiter­ wafers 60 ausgeübt. Die freiliegenden Bereiche der Ober­ fläche des Wafers werden geätzt, um umgekehrte und pyrami­ denstumpfförmige Flächen 82 und 84 zu bilden. Die Tiefen der pyramidenstumpfförmigen Flächen verändern sich in Abhängig­ keit von der Dauer des KOH-Ätzens.

Anfänglich bildet das an der oberen Fläche ausgeführte Ätzen die geneigten Wände 86 und 88, die nach unten und innen längs der {111}-Ebenen gerichtet sind. Im wesentlichen ver­ tikale Wände 90 und 92 verbinden die radial nach innen ge­ richteten Wände 86 und 88 mit den vorher gebildeten Wänden 78 und 80.

Wenn das anisotrope Ätzen an den entgegengesetzten Seiten des Siliziumwafers 60 anhält, wandern die vertikalen Wände 90 und 62 nach unten, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist. Die endgültige Konfiguration des Ventilsitzes beginnt sich zu bilden, wenn das anisotrope Ätzen, das an der oberen Fläche stattfindet, parallele entgegengesetzte Wände 94 und 96 und parallele entgegengesetzte Wände 98 und 100 bildet. Wie dies in dieser Figur dargestellt ist, nimmt die Tiefe der umge­ kehrten und pyramidenstumpfförmigen Flächen 82 und 84 mit zunehmender Ätzzeit zu.

Gemäß Fig. 10 sind die vertikalen Wände 90 und 92 nach unten gewandert und die Pyramidenflächen 82 und 84 haben in ihrer Tiefe zugenommen. Jedoch bleibt die Querschnittsgeometrie des Ventilsitzes, wie er durch die parallelen Wände 94 und 96 gebildet wird, und es bleiben die parallelen Wände 98 und 100 unverändert. Wie dies im Stand der Technik bekannt ist, ändert sich die Geometrie nicht an den Ecken einer Maske, so daß Schritte unternommen werden, um geeignete Ergebnisse an den Maskenecken zu gewährleisten. Falls dies gewünscht ist, kann das Ätzen fortgeführt werden, bis die vertikalen Wände 90 und 92 die untere Fläche des Siliziumwafers 60 erreichen, um dadurch 90°-Ecken an der Düse des sich ergebenden Fluß­ weges zu bilden.

Gemäß Fig. 11 wird das Maskierungsmaterial von der oberen und unteren Fläche des Siliziumwafers entfernt, um das Sitz-Substrat 12 gemäß den Fig. 1 und 2 zu schaffen. Das Substrat umfaßt den Ventilsitz 28 und die Tragfläche 32 an der Oberseite des Ventilsitzes. Ein mittiger Flußdurchgang 14 mit den oben beschriebenen Vorzügen ist gebildet.

Fig. 12 ist eine perspektivische Darstellung des Sitz- Substrates mit Ausnahme des angehobenen Bereiches längs des Außenumfanges der oberen Fläche 30.

Ein zweites Ausführungsbeispiel zum Erzeugen eines Ventil­ sitzes gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 13 bis 18 erläutert. Ein Siliziumwafer 102 wird an seiner oberen Fläche mit einer Schicht aus Siliziumnitrid 104 beschichtet und an seiner unteren Seite mit einer photolithographisch strukturierten Schicht 106 aus Siliziumnitrid versehen. Ein KOH-Ätzen des Siliziumwafers legt die strukturierte untere Schicht 106 frei, welche die Düsenwände 108 und 110 mit einer {111}- Orientierung liefert. Das anisotrope Ätzen wird beendet, wenn die Dicke des Siliziumwafers kleiner als 50 Mikrometer ist oder gleich 50 Mikrometer ist.

Wie in Fig. 14 gezeigt ist, wird die obere Schicht aus Siliziumnitrid strukturiert, um Schutzbereiche 112, 114, 116 und 118 zu bilden. Der Siliziumwafer wird dann von beiden Seiten in KOH geätzt. Nach innen abgeschrägte Wände 120 und 122 mit einer Tiefe von 25 Mikrometer oder weniger werden anfänglich gebildet. Jedoch weitet sich, wie dies in Fig. 15 gezeigt ist, die Öffnung durch den Siliziumwafer auf, bis die äußeren Kanten der Öffnung die inneren Kanten der mitti­ gen Schutzbereiche 114 und 116 aus Siliziumnitrid treffen. Daher werden vertikale Durchgangswände 124 und 126 gebildet.

Wie in den Fig. 16 und 17 gezeigt ist, wandern die vertika­ len Durchgangswände 124 und 126 nach unten, wenn das aniso­ trope Ätzen fortgesetzt wird. Daher ist der Herstellungs­ prozeß nicht empfindlich gegenüber der Ätzzeit. Obgleich dies nicht dargestellt ist, nimmt die Tiefe des Ventilsitzes 128 zu, wenn der Siliziumwafer an den Oberflächenbereichen 130 und 132 geätzt wird.

Das anisotrope Ätzen kann fortgesetzt werden, bis die ver­ tikalen Durchgangswände 124 und 126 den Bereich der unteren Fläche 134 des Siliziumwafers 102 erreichen.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Ventil zur Handhabung von Fluiddrucken bis zu 600 psi. Dies stellt eine erhebliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar. Ferner können Fluidströme Stromraten bis zu 1,5 Litern pro Minute erreichen, verglichen mit 150 ccm pro Minute bei bekannten Vorrichtungen.

Obgleich der Gegenstand der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf eine Verwendung eines Siliziumsubstrates erläutert worden ist, können auch andere Materialien ver­ wendet werden. Beispielsweise kann als Ersatzmittel Gallium­ arsenid (GaAs) eingesetzt werden. Ferner können Beschichtun­ gen, wie beispielsweise Siliziumdioxid abgeschieden oder auf der Oberfläche der vervollständigten Struktur aufgewachsen werden.

Claims (17)

1. Mikrominiaturventil (10) zum Steuern des Flusses eines Fluides, mit folgenden Merkmalen:
einem einheitlichen, kristallinen Substrat (12) mit entgegengesetzten ersten und zweiten Hauptflächen (30 und 38) und einem Flußweg (14), der sich von der ersten Hauptfläche zu der zweiten Hauptfläche erstreckt, wobei das einheitliche Substrat ferner eine Ventilsitzstruktur (28) aufweist, die sich einstückig von der Ebene der ersten Hauptfläche aus erstreckt, wobei die Ventilsitz­ struktur eine Tragfläche (32) hat, welche innere Ausmaße hat, die eine Düse des Flußweges festlegen,
einer Armatur (18) mit einer ebenen Fläche, wobei die Armatur eine geschlossene Position hat, bei der die ebene Fläche in Kontakt mit der Tragfläche der Ven­ tilsitzstruktur steht, um einen Fluidfluß durch die Düse zu dem Flußweg zu verhindern, und wobei die Armatur ferner eine offene Position hat, und
einer Einrichtung (20, 22) zum selektiven Versetzen der Armatur zwischen der geschlossenen und der geöffneten Lage, wobei die Ventilsitzstruktur ein schräges Inneres (34) in der Weise hat, daß der Flußweg in seiner Quer­ schnittsfläche mit zunehmender Entfernung von der Trag­ fläche zunimmt.

2. Ventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einheitliche Substrat (12) ein Halbleitersubstrat ist und daß das geneigte Innere (34) der Ventilsitzstruktur (28) durch {111}-Ebenen gebildet ist, die sich von dem Innenmaß der Tragfläche aus erstrecken.

3. Ventil gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die {111}-Ebenen sich von der Tragfläche (32) zu wenigstens einer Ebene erstrecken, welche durch die erste Hauptfläche (30) gebildet ist.

4. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das geneigte Innere (34) eine Mehrzahl von Innen­ wänden umfaßt, und
daß die Ventilsitzstruktur (28) eine Mehrzahl von äuße­ ren Wänden (46) hat, die sich von dem Außenmaß der Trag­ fläche (32) zu der ersten Hauptfläche (30) erstrecken, wobei jede äußere Wand parallel zu einer der inneren Wände ist.

5. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Wände (46) sich entlang der {111}-Ebenen erstrecken.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Flußweg (14) eine vierseitige Konfiguration hat.

7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Flußweg (14) eine Querschnittsfläche hat, die mit zunehmender Entfernung von der zweiten Hauptfläche (38) abnimmt.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jede Seite des Flußweges (14) eine Zwischenwand (40) hat, welche in die obere und die untere Wand (34, 36) übergeht, wobei jede Zwischenwand an einem Niveau zwi­ schen der ersten Hauptfläche (30) des einheitlichen Substrates (12) liegt, und wobei jede Zwischenwand längs einer Ebene mit einer Hauptrichtungskomponente längs der Vertikalen orientiert ist.

9. Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die obere und die untere Wand einer jeden Seite des Flußweges parallele Wände längs der {111}-Ebenen sind.

10. Verfahren zum Herstellen eines mikrostrukturierten Ele­ ments, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
Bereitstellen eines Substrates mit einer Vorderseite und einer Rückseite;
Maskieren von Bereichen der Rückseite des Substrates, wobei ein erster freiliegender Bereich der Rückseite übriggelassen wird;
Ätzen des ersten freiliegenden Bereiches der Rückseite, um einen ersten Teil des Substrates zu entfernen, wo­ durch ein erster Weg mit ersten geneigten Wänden gebil­ det wird, die sich zumindest anteilig durch das Substrat erstrecken, wobei der erste Weg eine abnehmende Quer­ schnittsfläche mit zunehmender Entfernung von der Rück­ fläche hat;
Strukturieren einer Maske auf der Vorderfläche des Substrates in der Weise, daß die Maske eine äußere Kante und eine innere Kante hat, die einen zweiten freiliegen­ den Bereich eingrenzt, mit einem hervorspringenden Be­ reich innerhalb des Bereiches des ersten freiliegenden Bereiches auf der rückseitigen Oberfläche, wobei die Strukturierung einen zweiten freiliegenden Bereich mit einer Querschnittsfläche freiläßt, die kleiner ist als die Querschnittsfläche des ersten Weges an der Rücksei­ te; und
anisotropes Ätzen der Vorderfläche, um einen zweiten Abschnitt des Substrates zu entfernen, mit einem aniso­ tropen Ätzmaterial von den ersten geneigten Wänden des ersten Weges, der während des Ätzens an der Rückseite gebildet wird, um dadurch zweite geneigte Wände zu bil­ den, die im wesentlichen an der inneren Kante der Maske an der Vorderfläche entspringen;
wodurch ein sich selbst ausrichtender Flußweg durch das Substrat in der Weise gebildet wird, daß der Flußweg einen sich ändernden Querschnittsbereich hat einschließ­ lich einer zunehmenden Querschnittsfläche mit zunehmen­ der Entfernung von der Vorderseite.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des anisotropen Ätzens des zweiten frei­ liegenden Bereiches der Vorderfläche das Ätzen der Vorderfläche radial außerhalb der äußeren Kante der Maske umfaßt, wodurch parallel sich erstreckende ge­ neigte Wände an den Innen- und Außenkanten der Maske geätzt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das anisotrope Ätzen des zweiten frei liegenden Bereiches der Vorderfläche ein Schritt ist, bei dem ein Wandab­ schnitt in eine Richtung auf die Rückseite zu wandert, wobei die Wanderung durch gleichzeitiges anisotropes Ätzen der Vorderseite und der Rückseite bewerkstelligt wird, wobei der wandernde Wandabschnitt die zweite schräge Wand mit der ersten schrägen Wand verbindet.

13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Bilden der ersten und zweiten schrägen Wände einen sich selbst ausrichtenden Flußweg mit den Wänden längs der {111}-Ebenen liefert.

14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des anisotropen Ätzens des freiliegenden Bereiches der Rückseite vor dem Bilden eines Durchganges vollständig durch das Substrat beendet wird, wobei der anschließende Schritt des anisotropen Ätzens des frei­ liegenden Bereiches der Vorderseite eine Öffnung für die Vorderfläche zu dem Weg bildet.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des anisotropen Ätzens der freiliegenden Fläche der Rückseite ein Schritt des Bildens der Düse vollständig durch das Substrat ist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Maskierungsmaterial für die Strukturierung der Maske auf der Vorderfläche vor dem Schritt des anisotropen Ätzens zum Ätzen der freiliegenden Fläche der Rückseite bereitgestellt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, ferner gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt des Ent­ fernens von Maskierungsmaterial von der Vorderseite und der Rückseite des Substrates.