[发明专利]用于制造具有弯曲特征的薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及MEMS器件的制造。

背景技术

许多MEMS器件包括在施加电压的情况下偏斜的压电致动器。这些器件的示例包括流体喷射系统，其响应于连接到流体通道的压电致动器的动作而喷射流体。喷墨打印机中的打印头模块是流体喷射系统的一个示例。打印头模块通常具有喷嘴行或阵列，这些喷嘴具有相应的墨水通道以及相关联的致动器阵列，并且可以通过一个或多个控制器来单独控制来自每个喷嘴的墨滴喷射。

打印头模块可以包括半导体打印头管芯(die)，其被蚀刻来限定包括增压室(pumping chamber)的流体通道。压电致动器可以形成在增压室的一侧，并且在操作中，可以响应于驱动电压信号而弯曲，从而沿墨水通道来驱动流体。压电致动器包括一个压电材料层，其响应于一对相反电极施加在该压电层两端的驱动电压而改变几何形状(即，发生致动)。

与具有类似横向尺寸的平坦压电元件相比较，诸如圆顶形或凹陷形压电薄膜之类的弯曲压电元件可以在给定驱动电压的情况下产生更大的位移。由于压电位移的幅度影响喷射期望滴量的流体滴所需的驱动电压，从而影响打印头模块的功率效率，因此已经提出了具有弯曲压电薄膜的压电致动器。并且已经提出了各种制造方法来生产弯曲的或者具有弯曲特征的压电薄膜。

发明内容

本说明书描述了与用于生产具有弯曲特征的薄膜的MEMS制造工艺相关的技术。

当在轮廓传递(profile-transferring)衬底表面上均匀沉积了一薄层材料时，该材料层呈现与轮廓传递衬底表面的轮廓一致的表面特征。为了形成具有弯曲特征的薄膜(例如，其中形成有凹陷阵列的压电薄膜)，首先制备具有弯曲特征(例如，凹陷阵列)的轮廓传递衬底表面。为了制备该轮廓传递衬底表面，首先，在半导体衬底的平面表面上，在期望具有弯曲特征的位置处形成空穴(例如，平底凹部)。然后，在真空中将一薄膜接合至衬底的表面，以使得空穴被薄膜密封为真空的。然后，将薄膜的表面暴露至流体压力(例如，大气压力)，以使得薄膜在空穴位置处变形(即，弯曲)，并且薄膜的下表面与每个空穴的底表面接触(即，挤压)，接触面积小于空穴的整个底表面。此时，薄膜的暴露表面可以用作轮廓传递衬底表面，并且在薄膜的暴露表面上沉积的均匀材料层在薄膜弯曲进空穴的位置处将包括弯曲特征。

在一些实现方式中，如果随后的工艺步骤将在真空中执行，则通过对薄膜的下表面与衬底中空穴的底表面之间的接触区域进行退火处理来使变形薄膜中形成的弯曲特征永久。当变形薄膜与空穴侧壁内衬底之间的接合变得永久时，即使流体压力(例如，大气压力)移除或减小(例如，如果随后的在具有弯曲特征的薄膜上沉积其他材料层的工艺步骤在真空中或在低压力环境中执行)，变形薄膜的弯曲特征将保持。

在一些实现方式中，在已经在薄膜的顶表面上均匀沉积了至少一层材料(例如，压电致动器组件的底电极层)之后，可以从衬底的底侧将空穴蚀刻开，并且可以从下面移除(例如，蚀刻)薄膜，以暴露沉积在薄膜的顶表面上的材料层的下表面。随后，在移除薄膜之前或之后，可以在所述至少一层材料上顺序沉积其他材料层(例如，压电致动器组件的压电层和顶电极层)。顺序沉积的每个层也朝向空穴位置处的衬底弯曲。

通常，一方面，用于制造具有弯曲特征的薄膜的方法包括以下操作：将第一衬底的第一表面真空接合至第一薄膜层的第一表面，第一衬底的第一表面中形成有多个空穴，第一薄膜层为第二衬底的暴露层，第一薄膜层的第二表面附着至第二衬底的处理层(handle layer)，以及第一薄膜层的第一表面对多个空穴进行密封，以在真空接合完成处形成多个真空腔；移除第二衬底的处理层，以暴露第一薄膜层的第二表面；将第一薄膜层的第二表面暴露至流体压力，以使得第一薄膜层在多个空穴上的区域中弯曲，并且在各个接触位置处与多个空穴的各个底表面接触；以及对第一薄膜层和第一衬底进行退火处理，以在各个接触位置处形成第一薄膜层与第一衬底之间的永久接合。

在一些实现方式中，所述工艺还包括：在第一薄膜层的第二表面上沉积第二薄膜层，以使得第二薄膜层与第一薄膜层的第二表面一致，并且在多个空穴之上区域中包括多个弯曲部分。

在一些实现方式中，第二薄膜层包括多个子层，并且沉积第二薄膜层包括在第一薄膜层的第二表面上顺序沉积多个子层中的每一个。

在一些实现方式中，所述子层至少包括一个参考电极层、一个溅镀压电层、和一个驱动电极层。

在一些实现方式中，沉积在退火处理之后执行。