專利名稱：用于制造具有彎曲特征的薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及MEMS器件的制造。
背景技術(shù)：
許多MEMS器件包括在施加電壓的情況下偏斜的壓電致動器。這些器件的示例包括流體噴射系統(tǒng)，其響應(yīng)于連接到流體通道的壓電致動器的動作而噴射流體。噴墨打印機(jī)中的打印頭模塊是流體噴射系統(tǒng)的一個示例。打印頭模塊通常具有噴嘴行或陣列，這些噴嘴具有相應(yīng)的墨水通道以及相關(guān)聯(lián)的致動器陣列，并且可以通過一個或多個控制器來單獨(dú)控制來自每個噴嘴的墨滴噴射。打印頭模塊可以包括半導(dǎo)體打印頭管芯(die)，其被蝕刻來限定包括增壓室(pumping chamber)的流體通道。壓電致動器可以形成在增壓室的一側(cè)，并且在操作中，可以響應(yīng)于驅(qū)動電壓信號而彎曲，從而沿墨水通道來驅(qū)動流體。壓電致動器包括一個壓電材·料層，其響應(yīng)于一對相反電極施加在該壓電層兩端的驅(qū)動電壓而改變幾何形狀(即，發(fā)生致動)。與具有類似橫向尺寸的平坦壓電元件相比較，諸如圓頂形或凹陷形壓電薄膜之類的彎曲壓電元件可以在給定驅(qū)動電壓的情況下產(chǎn)生更大的位移。由于壓電位移的幅度影響噴射期望滴量的流體滴所需的驅(qū)動電壓，從而影響打印頭模塊的功率效率，因此已經(jīng)提出了具有彎曲壓電薄膜的壓電致動器。并且已經(jīng)提出了各種制造方法來生產(chǎn)彎曲的或者具有彎曲特征的壓電薄膜。

發(fā)明內(nèi)容
本說明書描述了與用于生產(chǎn)具有彎曲特征的薄膜的MEMS制造工藝相關(guān)的技術(shù)。當(dāng)在輪廓傳遞(profile-transferring)襯底表面上均勻沉積了一薄層材料時，該材料層呈現(xiàn)與輪廓傳遞襯底表面的輪廓一致的表面特征。為了形成具有彎曲特征的薄膜(例如，其中形成有凹陷陣列的壓電薄膜)，首先制備具有彎曲特征(例如，凹陷陣列)的輪廓傳遞襯底表面。為了制備該輪廓傳遞襯底表面，首先，在半導(dǎo)體襯底的平面表面上，在期望具有彎曲特征的位置處形成空穴(例如，平底凹部)。然后，在真空中將一薄膜接合至襯底的表面，以使得空穴被薄膜密封為真空的。然后，將薄膜的表面暴露至流體壓力(例如，大氣壓力)，以使得薄膜在空穴位置處變形(即，彎曲)，并且薄膜的下表面與每個空穴的底表面接觸(即，擠壓)，接觸面積小于空穴的整個底表面。此時，薄膜的暴露表面可以用作輪廓傳遞襯底表面，并且在薄膜的暴露表面上沉積的均勻材料層在薄膜彎曲進(jìn)空穴的位置處將包括彎曲特征。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，如果隨后的工藝步驟將在真空中執(zhí)行，則通過對薄膜的下表面與襯底中空穴的底表面之間的接觸區(qū)域進(jìn)行退火處理來使變形薄膜中形成的彎曲特征永久。當(dāng)變形薄膜與空穴側(cè)壁內(nèi)襯底之間的接合變得永久時，即使流體壓力(例如，大氣壓力)移除或減小(例如，如果隨后的在具有彎曲特征的薄膜上沉積其他材料層的工藝步驟在真空中或在低壓力環(huán)境中執(zhí)行)，變形薄膜的彎曲特征將保持。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，在已經(jīng)在薄膜的頂表面上均勻沉積了至少一層材料(例如，壓電致動器組件的底電極層)之后，可以從襯底的底側(cè)將空穴蝕刻開，并且可以從下面移除(例如，蝕刻)薄膜，以暴露沉積在薄膜的頂表面上的材料層的下表面。隨后，在移除薄膜之前或之后，可以在所述至少一層材料上順序沉積其他材料層(例如，壓電致動器組件的壓電層和頂電極層)。順序沉積的每個層也朝向空穴位置處的襯底彎曲。通常，一方面，用于制造具有彎曲特征的薄膜的方法包括以下操作將第一襯底的第一表面真空接合至第一薄膜層的第一表面，第一襯底的第一表面中形成有多個空穴，第一薄膜層為第二襯底的暴露層，第一薄膜層的第二表面附著至第二襯底的處理層(handlelayer)，以及第一薄膜層的第一表面對多個空穴進(jìn)行密封，以在真空接合完成處形成多個真空腔；移除第二襯底的處理層，以暴露第一薄膜層的第二表面；將第一薄膜層的第二表面暴露至流體壓力，以使得第一薄膜層在多個空穴上的區(qū)域中彎曲，并且在各個接觸位置處與多個空穴的各個底表面接觸；以及對第一薄膜層和第一襯底進(jìn)行退火處理，以在各個接觸位置處形成第一薄膜層與第一襯底之間的永久接合。 在一些實(shí)現(xiàn)方式中，所述工藝還包括在第一薄膜層的第二表面上沉積第二薄膜層，以使得第二薄膜層與第一薄膜層的第二表面一致，并且在多個空穴之上區(qū)域中包括多個彎曲部分。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，第二薄膜層包括多個子層，并且沉積第二薄膜層包括在第一薄膜層的第二表面上順序沉積多個子層中的每一個。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，所述子層至少包括一個參考電極層、一個濺鍍壓電層、和一個驅(qū)動電極層。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，沉積在退火處理之后執(zhí)行。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，所述方法還包括在沉積了第二薄膜層之后，移除多個空穴的底表面，以打開多個真空腔，并且暴露多個空穴的各側(cè)壁內(nèi)區(qū)域中的第一薄膜層的第一表面。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，移除多個空穴的底表面還包括至少蝕刻多個空穴的各側(cè)壁內(nèi)區(qū)域中的第一襯底的第二表面，以使得多個真空腔被打開，并且使得第一薄膜層的第一表面暴露在多個空穴的各側(cè)壁內(nèi)的區(qū)域中，其中第一薄膜層的暴露的第一表面用作蝕刻的蝕刻停止層。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，所述方法還包括移除多個空穴的側(cè)壁內(nèi)區(qū)域中的第一薄膜層，以暴露第二薄膜層的彎曲部分，同時在移除第一薄膜層期間和移除第一薄膜層之后，第二薄膜層的彎曲部分保留彎曲。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，移除多個空穴的各側(cè)壁內(nèi)區(qū)域中的第一薄膜層還包括蝕刻多個空穴的各側(cè)壁內(nèi)區(qū)域中的第一薄膜層，以暴露第二薄膜層的彎曲部分，其中第二薄膜層的暴露的彎曲部分用作蝕刻停止層，而第一襯底用作蝕刻掩模。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，所述方法還包括通過圖案化的光致抗蝕劑層來選擇性地蝕刻第一襯底的第一表面以形成多個空穴，圖案化的光致抗蝕劑層分別限定了多個空穴的橫向尺寸和位置；以及在多個空穴達(dá)到預(yù)定深度之后，從第一襯底的第一表面移除圖案化的光致抗蝕劑層。
在一些實(shí)現(xiàn)方式中，選擇性蝕刻為干法蝕刻。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，多個空穴的各個底表面足夠光滑從而能夠與另一襯底接合。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，將第一襯底的第一表面真空接合至第一薄膜層的第一表面的操作還包括在硅襯底上形成氧化物或氮化物層；以及在真空環(huán)境中將氧化物或氮化物層的暴露表面接合至第一襯底的第一表面。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，所述方法還包括在第一襯底的第一表面中形成多個空穴。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，將第一薄膜層的 第二表面暴露至流體壓力的操作包括將第一薄膜層的第二表面暴露至大氣壓力。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，多個空穴具有5-15微米的深度。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，多個空穴分別具有150-200微米的橫向尺寸。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，第一薄膜層具有1-2微米的厚度。通常，另一方面，用于制造具有彎曲特征的薄膜的方法包括以下操作將第一襯底的第一表面真空接合至第一薄膜層的第一表面，第一襯底的第一表面中形成有一個空穴，第一薄膜層為第二襯底的暴露層，第一薄膜層的第二表面附著至第二襯底的處理層，以及第一薄膜層的第一表面對空穴進(jìn)行密封，以在真空接合完成處形成真空腔；移除第二襯底的處理層，以暴露第一薄膜層的第二表面；將第一薄膜層的第二表面暴露至流體壓力，以使得第一薄膜層在空穴上方的區(qū)域中彎曲，并且在接觸位置處與空穴的底表面接觸；對第一薄膜層和第一襯底進(jìn)行退火處理，以在第一薄膜層與第一襯底之間的接觸位置處形成永久接合；在第一薄膜層的第二表面上沉積第二薄膜層，以使得第二薄膜層與第一薄膜層的第二表面一致，并且在空穴之上區(qū)域中包括彎曲部分；以及在沉積了第二薄膜層之后，移除空穴的底表面，以打開真空腔，并且暴露空穴側(cè)壁內(nèi)區(qū)域中的第一薄膜層的第一表面。通常，另一方面，用于制造具有彎曲特征的薄膜的方法包括以下操作將第一襯底的第一表面真空接合至第一薄膜層的第一表面，第一襯底的第一表面中形成有一個空穴；第一薄膜層為第二襯底的暴露層，第一薄膜層的第二表面附著至第二襯底的處理層，以及第一薄膜層的第一表面對空穴進(jìn)行密封，以在真空接合完成時形成真空腔；移除第二襯底的處理層，以暴露第一薄膜層的第二表面；將第一薄膜層的第二表面暴露至流體壓力，以使得第一薄膜層在空穴上方的區(qū)域中彎曲；在第一薄膜層的第二表面上沉積第二薄膜層，同時將第一薄膜層的第二表面暴露至流體壓力，以使得第二薄膜層與第一薄膜層的第二表面一致，并且包括空穴之上區(qū)域中的彎曲部分；以及在沉積了第二薄膜層之后，移除空穴的底表面，以打開真空腔，并且暴露空穴側(cè)壁內(nèi)區(qū)域中的第一薄膜層的第一表面。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，移除空穴的底表面的操作還包括至少蝕刻空穴側(cè)壁內(nèi)區(qū)域中的第一襯底的第二表面，以使得真空腔被打開，并且第一薄膜層的第一表面暴露在空穴側(cè)壁內(nèi)的區(qū)域中，其中第一薄膜層的暴露的第一表面用作蝕刻的蝕刻停止層。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，所述方法還包括移除空穴側(cè)壁內(nèi)區(qū)域中的第一薄膜層，以暴露第二薄膜層的彎曲部分，同時在移除第一薄膜層期間或移除第一薄膜層之后，第二薄膜層的彎曲部分保持彎曲。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，移除空穴的側(cè)壁內(nèi)區(qū)域中的第一薄膜層的操作還包括蝕刻空穴側(cè)壁內(nèi)區(qū)域中的第一薄膜層，以暴露第二薄膜層的彎曲部分，其中第二薄膜層的暴露的彎曲部分用作蝕刻停止層，而第一襯底用作蝕刻掩模。
本說明書中描述的主題的具體實(shí)現(xiàn)方式可以實(shí)現(xiàn)以下優(yōu)點(diǎn)中的一個或多個。具有彎曲特征的輪廓傳遞襯底表面可以通過一系列MEMS制造工藝形成。輪廓傳遞襯底表面中形成的彎曲特征的大小、形狀、和位置均勻并且可控。另外，輪廓傳遞襯底表面中彎曲特征的密度可以高于注模法或機(jī)械手段所能夠?qū)崿F(xiàn)的密度。通過使用根據(jù)本說明書中所公開的方法產(chǎn)生的輪廓傳遞襯底表面，可以在輪廓傳遞襯底表面上形成各種材料的薄膜，其中每個薄膜也呈現(xiàn)與輪廓傳遞襯底表面中存在的彎曲特征一致的彎曲特征，并且薄膜中的彎曲特征也具有很好控制的大小、形狀、位置、和高密度。另外，提供輪廓傳遞襯底表面的薄膜隨后可以被移除，而不影響在其移除之前已經(jīng)沉積在薄膜上的材料層中所形成的彎曲特征。與通過注模法或機(jī)械手段可實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)相比較，通過在輪廓傳遞襯底表面上沉積材料而形成的薄膜的粒狀結(jié)構(gòu)(諸如通過濺鍍沉積的壓電薄膜)可以在大小、形狀、和分布上更為均勻，并且可以更一致地對齊。更均勻并且 更對齊的粒狀結(jié)構(gòu)有助于提高薄膜在重復(fù)致動期間的壽命。本說明書中描述的工藝可以用來形成持久耐用、高效、緊湊、和高分辨率的集成壓電致動器組件，或者用來形成包括彎曲壓電元件的壓電變換器陣列。本說明書中描述的主題的一種或多種實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)在附圖和以下描述中闡明。所述主題的其他特征、方面、和優(yōu)點(diǎn)根據(jù)以下的描述、附圖、和權(quán)利要求書而變得明顯。


圖IA至圖IG示出了用于形成具有彎曲特征的薄膜的工藝示例。圖2是具有彎曲壓電致動器的示例流體噴射模塊中的打印頭模具的示意截面視圖。為了更好地示出工藝步驟和結(jié)果，放大了許多層和特征。附圖中，相同或相似的參考標(biāo)號和命名表示相同或相似的元件。
具體實(shí)施例方式可以利用包括使用MEMS工藝技術(shù)制造的模具的打印頭模塊來實(shí)現(xiàn)流體滴噴射。打印頭模具包括其中形成有多個微制造流體流道的襯底、以及襯底上的使流體從連接到流道的噴嘴選擇性地噴射的多個致動器。每個流道連同與其相關(guān)聯(lián)的致動器提供一個單獨(dú)可控的MEMS流體噴射單元，而多個致動器形成一個致動器組件?？梢允褂镁哂袕澢砻嫣卣?例如，平面襯底表面中的凹部或凹陷)的輪廓傳遞襯底來形成具有彎曲壓電薄膜的MEMS致動器。因此，可以使用具有彎曲表面特征陣列(例如，平面襯底表面中的凹部或凹陷陣列)的輪廓傳遞襯底來形成具有致動器陣列的致動器組件。在從彎曲壓電薄膜下方移除輪廓傳遞襯底之前，至少在輪廓傳遞襯底表面的彎曲部分上沉積(例如，濺鍍)用于壓電致動器的壓電材料。不限于任何特定原理，所產(chǎn)生的彎曲壓電薄膜可以包括粒狀結(jié)構(gòu)，其在彎曲部分和圍繞彎曲部分的任意平面部分中為柱狀并且對齊，所有或基本所有柱狀粒都局部垂直于壓電薄膜的表面。可以使用不同的工藝在輪廓傳遞襯底表面上形成彎曲特征。如本說明書中所描述，使用薄膜來提供具有彎曲特征的輪廓傳遞襯底表面。當(dāng)在輪廓傳遞襯底表面上均勻沉積了一薄層材料時，該材料薄層采用與輪廓傳遞襯底表面的輪廓一致的表面特征。因此，該材料薄層形成新薄膜，其具有與輪廓傳遞襯底表面的彎曲特征一致的彎曲特征。提供輪廓傳遞襯底表面的薄膜隨后可以從新薄膜的至少彎曲部分內(nèi)的新薄膜下方移除，而新薄膜的彎曲特征保持懸垂和自由偏斜。沉積在輪廓傳遞襯底表面上的第一材料薄層可以為壓電致動器組件的底電極層?？梢栽诘谝徊牧媳由享樞虺练e其他材料層(例如，壓電層和頂電極層)，每層采用與該層緊接的下一層的彎曲特征一致的彎曲表面特征。圖IA至圖IG示出了用于使用第一薄膜提供彎曲輪廓傳遞襯底表面、以及基于彎曲輪廓傳遞襯底表面形成具有彎曲特征的第二薄膜的示例工藝。首先，使用第一薄膜創(chuàng)建具有彎曲表面特征的輪廓傳遞襯底表面。如圖IA中所 示，制備具有多個空穴104的襯底102。襯底102可以為具有平面頂表面106的半導(dǎo)體襯底(諸如硅襯底)。多個空穴104例如通過蝕刻形成在襯底102的平面頂表面106中。例如，可以使用各向異性蝕刻(例如，等離子體干法蝕刻)來創(chuàng)建具有直側(cè)壁的平底凹部?？昭ǖ奈恢?、大小、和形狀分別基于輪廓傳遞襯底表面所期望的、以及隨后沉積在輪廓傳遞襯底表面上的一個或多個材料層最終所期望的彎曲特征(例如，凹陷)各自的位置、大小、和形狀而被預(yù)先確定。例如，如果期望其中形成有彎曲特征矩形陣列的壓電層，則需要具有彎曲特征矩形陣列的輪廓傳遞襯底表面，因此，應(yīng)該在襯底102的頂表面106中形成空穴矩形陣列。類似地，如果期望其中形成有彎曲特征平行四邊形陣列的壓電層，則應(yīng)該在襯底102的頂表面106中形成空穴平行四邊形陣列。其他總體形狀的彎曲特征陣列也是可行的。陣列中各空穴的位置以類似方式基于陣列中各彎曲特征的位置而確定。除了空穴陣列的總體形狀和各空穴的位置之外，襯底102的頂表面106中空穴的開口形狀基于各彎曲特征的期望橫向形狀而確定。因此，如果壓電薄膜中期望圓形凹陷，則空穴的開口也應(yīng)該為圓形。類似地，如果壓電薄膜中期望具有彎曲側(cè)壁的方形凹陷，則空穴的開口應(yīng)該為方形；以此類推?？昭ㄩ_口的橫向尺寸(例如，柱狀空穴的半徑)應(yīng)該大致等于將要沉積在輪廓傳遞襯底表面上的層中期望的彎曲特征的橫向尺寸(例如，圓形凹陷的半徑)?？梢詫昭ㄩ_口的橫向尺寸進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)由于形成在空穴開口上的不同層的厚度而產(chǎn)生的各種變化。每個空穴的縱橫比(即，空穴橫向尺寸與空穴深度之比)應(yīng)該根據(jù)將要形成在薄膜(將要沉積在輪廓傳遞襯底表面上的導(dǎo)電薄膜)中的彎曲特征(例如，凹陷)的期望深度和橫向尺寸而確定。以下將關(guān)于圖ID來更詳細(xì)地描述空穴的縱橫比和深度。在形成襯底102的頂表面106中的空穴104的示例工藝中，可以在頂表面106上沉積光致抗蝕劑層。對光致抗蝕劑層進(jìn)行圖案化，以限定空穴開口的位置、橫向形狀、和尺寸。然后，將頂表面106暴露至干法蝕刻或濕法蝕刻處理中的蝕刻劑，從而通過圖案化的光致抗蝕劑在襯底表面106中形成空穴104。在一些實(shí)現(xiàn)中，蝕刻是各向異性處理，其中形成在襯底102的頂表面106中的空穴具有直側(cè)壁和平底表面，如圖IA中所示。該示例中，已經(jīng)創(chuàng)建了直壁凹部。但是，在一些實(shí)現(xiàn)中，所得到的空穴可以具有斜側(cè)壁，斜側(cè)壁會聚至平底上。在空穴104在襯底102中達(dá)到預(yù)定深度之后，可以停止蝕刻。可替換地，襯底102可以包括嵌入的蝕刻停止層，并且蝕刻可以進(jìn)行到蝕刻停止層被暴露為止。光致抗蝕劑可以被剝離，以重新暴露此時其中已形成有多個空穴104的襯底102的頂表面106。
在一些實(shí)現(xiàn)中，還對襯底102的頂表面106進(jìn)行處理以使其足夠光滑來隨后與另一襯底表面接合。如果空穴形成之后所得到的表面足夠光滑，則無需附加處理來使其進(jìn)一步光滑。在襯底102的第一表面106中形成多個空穴104之后，將第一薄膜真空接合至襯底102的頂表面106，以使得第一薄膜的底表面對襯底102的頂表面106中的空穴104進(jìn)行密封，以形成多個真空腔。在第一薄膜中創(chuàng)建彎曲表面特征之后，第一薄膜的頂表面將用來提供具有彎曲表面特征的輪廓傳遞襯底表面。在一些實(shí)現(xiàn)中，如圖IB中所示，具有薄膜層110和附著至薄膜層110的處理層112的襯底108可以真空接合至襯底102的頂表面106。例如，薄膜層110的底表面114可以在真空環(huán)境中通過粘結(jié)來接合至襯底102的頂表面106?？商鎿Q地，薄膜層110的底表面114可以在真空環(huán)境中壓在襯底102的頂表面106上以形成臨時接合。然后，對整個結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火處理，以在薄膜層110的底表面114與襯底102的頂表面106之間的兩個表面接觸的區(qū)域中形成永久接合。真空接合之后，空穴104被薄膜層110的底表面114密封為真空的。在薄膜層110的底表面114真空接合至襯底102的頂表面106之后，可以移除襯·底108的處理層112，以暴露薄膜層110的頂表面116?？梢允褂酶鞣N方法(諸如磨、拋光、和蝕刻)來移除處理層112。圖IC示出了移除襯底108的處理層112之后暴露了薄膜層110的頂表面116的結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)現(xiàn)中，可以通過使用氧化物(例如，SiO2)或氮化物(例如，SiN2)沉積處理涂覆硅襯底來形成襯底108。可替換地，可以通過將硅襯底暴露至氧氣或氮?dú)猸h(huán)境來生長氧化物或氮化物層。根據(jù)任意處理得到的氧化物或氮化物層可以用作薄膜層110，并且氧化物或氮化物層下方的其余襯底可以用作處理層112。薄膜層110的厚度被選擇為足夠薄，以在流體壓力(例如，大氣壓力、液體壓力、或氣體壓力)下彎曲并且與空穴104的底表面接觸而不會斷裂。在一些實(shí)現(xiàn)中，對于空穴開口為100-300微米(例如，170微米)寬和5-15微米(例如，10微米)深的空穴，薄膜層110約為1-2微米(例如，I微米或2微米)厚。處理層112的厚度可以為幾百微米，例如200微米至600微米。圖ID示出了例如在從真空環(huán)境中移除了具有真空接合薄膜110的襯底102之后當(dāng)薄膜層110的頂表面116暴露至流體壓力(例如，大氣壓力)時彎曲進(jìn)多個空穴的薄膜層110。在一些實(shí)現(xiàn)中，如果薄膜層110的彎曲量不足以使薄膜層110的底表面114與空穴104的底表面接觸并且形成足夠大的接觸面積，則可以稍微增大外部流體壓力以進(jìn)一步將薄膜110壓入空穴。薄膜層110可以被推進(jìn)空穴104中的程度還取決于空穴開口的大小和形狀以及空穴104的深度。薄膜層110的材料屬性(例如，易彎曲性和柔性)以及薄膜層110的厚度也影響薄膜層110可以被推進(jìn)空穴104中的程度以及薄膜層110可以與空穴104的底表面接觸的程度。當(dāng)薄膜層110通過外部流體壓力而推壓至空穴104的底表面時，在空穴104位置處形成在薄膜層110中的每個彎曲特征118 (例如，凹陷)在中間處具有平坦部分，并且該平坦部分小于彎曲特征118的整個橫向大小。換句話說，每個彎曲特征118包括從寬開口朝向較小平底逐漸會聚的側(cè)表面，如圖ID中所示。
在一些實(shí)現(xiàn)中，圖ID中所示的結(jié)構(gòu)可以用作輪廓傳遞襯底來形成隨后的具有與薄膜層Iio的頂表面116 —致的彎曲特征(例如，凹陷)的材料層。但是，在薄膜層110的底表面114與空穴104的底表面之間的兩個表面的接觸位置處形成永久接合之前，如果隨后的工藝步驟將要在真空中執(zhí)行，則薄膜層110將恢復(fù)為其原始的平面形狀。因此，在一些實(shí)現(xiàn)中，在高溫下對圖ID中所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火處理，同時將薄膜層Iio的頂表面116暴露至流體壓力(例如，大氣壓力)，并且同時在薄膜層110的底表面114與空穴104的底表面之間的各個接觸位置處使薄膜層110的底表面114擠壓空穴104的底表面。當(dāng)薄膜層110的底表面114與空穴104的底表面之間的接合通過退火處理而變得永久時，形成在薄膜層110中的彎曲特征118將保持，即使隨后的工藝步驟在低壓或真空環(huán)境中執(zhí)行。然后，薄膜層110的頂表面116可以用作 輪廓傳遞襯底表面，隨后其上可以均勻沉積一個或多個材料層，并且隨后的材料層將包括與形成在輪廓傳遞襯底表面中的彎曲特征一致的彎曲特征(例如，凹陷)。如圖IE中所示，在薄膜層110的暴露的頂表面116上沉積導(dǎo)電材料層120(例如，幾千埃的Au、Au/W、Ir、或Pt等)。導(dǎo)電材料層120具有均勻的厚度，并且可以用作壓電致動器組件的底電極層。導(dǎo)電材料層120包括與薄膜110的頂表面116所提供的輪廓傳遞襯底表面一致的彎曲部分122。導(dǎo)電材料層120可選地還包括圍繞彎曲部分122的平面部分?？梢栽诘谝徊牧蠈?20上沉積其他材料層(圖IE中沒有示出)，例如壓電層和頂電極層?？梢允褂酶鞣N適當(dāng)方法來沉積一個或多個材料層。例如，底電極層、壓電層、和頂電極層均可以通過濺鍍、等離子體增強(qiáng)氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、或物理氣相沉積等來沉積。在不同材料層上沉積下一材料層之前，可以對這些不同材料層進(jìn)行圖案化。不同層可以形成流體噴射模塊的壓電致動器組件或者其他MEMS器件，諸如超聲變換器。在一些實(shí)現(xiàn)中，在至少已將第一材料層(例如，第一材料層120)沉積在薄膜層110的頂表面116上之后，薄膜層110或其至少一部分可以從空穴104側(cè)壁內(nèi)的后方移除。在一些實(shí)現(xiàn)中，在移除薄膜層110之前，在空腔104內(nèi)沉積更多層。如圖IF中所示，首先，例如通過磨削、拋光、或蝕刻從襯底102的后方移除材料，直到移除空穴104的底表面并且空穴104從底部打開為止。此時，薄膜層110的底表面114暴露在空穴104的側(cè)壁內(nèi)區(qū)域中。不限于任何特定原理，即使在薄膜層110與空穴的底表面之間的永久接合不再存在之后，薄膜層110的彎曲部分和沉積在薄膜層110上的層的彎曲部分也保留。薄膜層110以及沉積在薄膜層110上的其他層中的彎曲特征將保留，而與隨后的工藝發(fā)生在真空還是非真空環(huán)境中無關(guān)。在空穴104從底部打開并且薄膜層110的底表面114暴露在空穴104的側(cè)壁內(nèi)區(qū)域中之后，可以從薄膜層Iio的底表面114移除材料以暴露沉積在薄膜層110的頂表面116上的第一材料層120的底表面。在一些實(shí)現(xiàn)中，可以使用襯底102和空穴104的底部開口作為掩模，通過各向異性蝕刻來移除薄膜層110的材料。圖IG示出了已經(jīng)完全蝕刻掉空穴104側(cè)壁內(nèi)的薄膜層110以及第一材料層120的底表面已經(jīng)暴露在空穴104側(cè)壁內(nèi)所得到的結(jié)構(gòu)。薄膜層110的平面部分保留在空穴104側(cè)壁外的區(qū)域中，位于襯底102上方并且位于沉積在薄膜層110的第一材料層120的平面部分下方。在一些實(shí)現(xiàn)中，一薄層薄膜層110可以保留，并且用作隨后的工藝步驟中沉積在薄膜層110上的第一材料層120的保護(hù)層。在一些實(shí)現(xiàn)中，整個薄膜層110可以保留在沉積在薄膜層Iio上的第一材料層120的下方。圖2是可以至少部分使用圖IA至圖IG中所示工藝來形成的示例流體噴射系統(tǒng)200的示意圖。如圖2中所示，保留的薄膜層110連同其中形成有空穴104的襯底102可以用作流體噴射系統(tǒng)200的增壓室層202，并且空穴104可以用作流體噴射系統(tǒng)200的增壓室空穴204。增壓室空穴204連接到已經(jīng)在不同工藝中形成在增壓室層202中的流道。噴嘴206形成在噴嘴層208中，并且連接到增壓室空穴204。沉積在薄膜層110上的多個層可以形成增壓室層202上的壓電致動器組件210。如圖2中所示，這些層包括底電極層212、壓電層214、和頂電極層216?？梢詫@三個層中的每一個進(jìn)行圖案化，以限定每個增壓室空穴204正上方的包括頂電極、底電極、和壓電元件的各致動器單元。如圖2中所示，薄膜層110已經(jīng)從增壓室空穴204的側(cè)壁內(nèi)移除，但是仍然存在于增壓室空穴204外部的增壓室層202的平面部分中。盡管上述示例關(guān)于制造流體噴射系統(tǒng)的壓電致動器組件的工藝而描述，但是該工 藝可以用于制造包括具有彎曲特征或彎曲特征陣列的薄膜的其他MEMS器件。說明書和權(quán)利要求中對術(shù)語“前”、“后”、“頂”、“底”、“上”、“上方”、“下方”等的使用是為了示出系統(tǒng)各組件的相對位置或方位。這些術(shù)語的使用不表示結(jié)構(gòu)的特定方位。類似地，用來描述元件的任意水平或豎直術(shù)語的使用與所描述的實(shí)現(xiàn)方式有關(guān)。在其他實(shí)現(xiàn) 中，相同或類似的元件可以定位為除了水平或豎直之外的任意可能的情況。
權(quán)利要求
1.一種用于制造具有彎曲特征的薄膜的方法，包括 將第一襯底的第一表面真空接合至第一薄膜層的第一表面，第一襯底的第一表面中形成有多個空穴，第一薄膜層為第二襯底的暴露層，第一薄膜層的第二表面附著至第二襯底的處理層，以及第一薄膜層的第一表面對多個空穴進(jìn)行密封，以在真空接合完成時形成多個真空腔； 移除第二襯底的處理層，以暴露第一薄膜層的第二表面； 將第一薄膜層的第二表面暴露至流體壓力，以使得第一薄膜層在多個空穴上方的區(qū)域中彎曲，并且在各個接觸位置處與多個空穴的各個底表面接觸；以及 對第一薄膜層和第一襯底進(jìn)行退火處理，以在各個接觸位置處形成第一薄膜層與第一襯底之間的永久接合。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，還包括在第一薄膜層的第二表面上沉積第二薄膜層，以使得第二薄膜層與第一薄膜層的第二表面一致，并且在多個空穴之上的區(qū)域中包括的多個彎曲部分。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中 第二薄膜層包括多個子層，并且 沉積第二薄膜層包括在第一薄膜層的第二表面上順序沉積多個子層中的每一個。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述子層至少包括一個參考電極層、一個濺鍍壓電層、和一個驅(qū)動電極層。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其中沉積在退火處理之后執(zhí)行。
6.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括 在沉積了第二薄膜層之后，移除多個空穴的底表面，以打開多個真空腔，并且暴露多個空穴的各側(cè)壁內(nèi)區(qū)域中的第一薄膜層的第一表面。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中移除多個空穴的底表面還包括 至少蝕刻多個空穴的各側(cè)壁內(nèi)區(qū)域中的第一襯底的第二表面，以使得多個真空腔被打開，并且使得第一薄膜層的第一表面暴露在多個空穴的各側(cè)壁內(nèi)的區(qū)域中，其中第一薄膜層的暴露的第一表面用作蝕刻的蝕刻停止層。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括 移除多個空穴的側(cè)壁內(nèi)區(qū)域中的第一薄膜層，以暴露第二薄膜層的彎曲部分，同時在移除第一薄膜層期間和移除第一薄膜層之后，第二薄膜層的彎曲部分保留彎曲。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中移除多個空穴的各側(cè)壁內(nèi)區(qū)域中的第一薄膜層還包括 蝕刻多個空穴的各側(cè)壁內(nèi)區(qū)域中的第一薄膜層，以暴露第二薄膜層的彎曲部分，其中第二薄膜層的暴露的彎曲部分用作蝕刻停止層，而第一襯底用作蝕刻掩模。
10.如權(quán)利要求I所述的方法，還包括 通過圖案化的光致抗蝕劑層來選擇性地蝕刻第一襯底的第一表面以形成多個空穴，圖案化的光致抗蝕劑層分別限定了多個空穴的橫向尺寸和位置；以及 在多個空穴達(dá)到預(yù)定深度之后，從第一襯底的第一表面移除圖案化的光致抗蝕劑層。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中選擇性蝕刻為干法蝕刻。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中多個空穴的各個底表面足夠光滑從而能夠與另一襯底接合。
13.如權(quán)利要求I所述的方法，其中將第一襯底的第一表面真空接合至第一薄膜層的第一表面還包括 在硅襯底上形成氧化物或氮化物層；以及 在真空環(huán)境中將氧化物或氮化物層的暴露表面接合至第一襯底的第一表面。
14.如權(quán)利要求I所述的方法，還包括 在第一襯底的第一表面中形成多個空穴。
15.如權(quán)利要求I所述的方法，其中將第一薄膜層的第二表面暴露至流體壓力包括 將第一薄膜層的第二表面暴露至大氣壓力。
16.如權(quán)利要求I所述的方法，其中多個空穴具有5-15微米的深度。
17.如權(quán)利要求I所述的方法，其中多個空穴分別具有150-200微米的橫向尺寸。
18.如權(quán)利要求I所述的方法，其中第一薄膜層具有1-2微米的厚度。
19.一種用于制造具有彎曲特征的薄膜的方法，包括 將第一襯底的第一表面真空接合至第一薄膜層的第一表面，第一襯底的第一表面中形成有一個空穴，第一薄膜層為第二襯底的暴露層，第一薄膜層的第二表面附著至第二襯底的處理層，以及第一薄膜層的第一表面對空穴進(jìn)行密封，以在真空接合完成時形成真空腔； 移除第二襯底的處理層，以暴露第一薄膜層的第二表面； 將第一薄膜層的第二表面暴露至流體壓力，以使得第一薄膜層在空穴上方的區(qū)域中彎曲，并且在接觸位置處與空穴的底表面接觸； 對第一薄膜層和第一襯底進(jìn)行退火處理，以在接觸位置處形成第一薄膜層與第一襯底之間的永久接合； 在第一薄膜層的第二表面上沉積第二薄膜層，以使得第二薄膜層與第一薄膜層的第二表面一致，并且包括空穴上方的區(qū)域中的彎曲部分；以及 在沉積了第二薄膜層之后，移除空穴的底表面，以打開真空腔，并且暴露空穴側(cè)壁內(nèi)區(qū)域中的第一薄膜層的第一表面。
20.一種用于制造具有彎曲特征的薄膜的方法，包括 將第一襯底的第一表面真空接合至第一薄膜層的第一表面，第一襯底的第一表面中形成有一個空穴，第一薄膜層為第二襯底的暴露層，第一薄膜層的第二表面附著至第二襯底的處理層，以及第一薄膜層的第一表面對空穴進(jìn)行密封，以在真空接合完成時形成真空腔； 移除第二襯底的處理層，以暴露第一薄膜層的第二表面； 將第一薄膜層的第二表面暴露至流體壓力，以使得第一薄膜層在空穴上方的區(qū)域中彎曲； 在第一薄膜層的第二表面上沉積第二薄膜層，同時將第一薄膜層的第二表面暴露至流體壓力，以使得第二薄膜層與第一薄膜層的第二表面一致，并且包括空穴上方的區(qū)域中的彎曲部分；以及 在沉積了第二薄膜層之后，移除空穴的底表面，以打開真空腔，并且暴露空穴側(cè)壁內(nèi)區(qū)域中的第一薄膜層的第一表面。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中移除空穴的底表面還包括 至少蝕刻空穴側(cè)壁內(nèi)區(qū)域中的第一襯底的第二表面，以使得真空腔被打開，并且第一薄膜層的第一表面暴露在空穴側(cè)壁內(nèi)的區(qū)域中，其中第一薄膜層的暴露的第一表面用作蝕刻的蝕刻停止層。
22.如權(quán)利要求20所述的方法，還包括 移除空穴側(cè)壁內(nèi)區(qū)域中的第一薄膜層，以暴露第二薄膜層的彎曲部分，同時在移除第一薄膜層期間或移除第一薄膜層之后，第二薄膜層的彎曲部分保留彎曲。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中移除空穴的側(cè)壁內(nèi)區(qū)域中的第一薄膜層還包括 蝕刻空穴側(cè)壁內(nèi)區(qū)域中的第一薄膜層，以暴露第二薄膜層的彎曲部分，其中第二薄膜 層的暴露的彎曲部分用作蝕刻停止層，而第一襯底用作蝕刻掩模。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于制造具有彎曲特征的薄膜的方法。通過將薄膜真空接合至襯底的頂表面來創(chuàng)建具有彎曲特征的輪廓傳遞襯底表面，其中所述頂表面中形成有空穴。將薄膜的表面暴露至流體壓力，以使得薄膜變形并且薄膜的下表面與空穴的底部接觸。可以通過對薄膜與襯底之間的接合區(qū)域進(jìn)行退火處理來使變形薄膜中形成的彎曲特征變得永久。薄膜的暴露表面上沉積的均勻材料層將在薄膜彎曲進(jìn)空穴的位置處包括彎曲特征。在薄膜上已經(jīng)均勻沉積了至少一層材料之后，從底部蝕刻開空穴，以從下方移除薄膜。
文檔編號B81C3/00GK102730633SQ20121010139
公開日2012年10月17日 申請日期2012年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月31日
發(fā)明者格雷戈里·德布拉班德爾, 馬克·內(nèi)波穆尼西 申請人:富士膠片株式會社