CN101484399A - 压电材料的抛光 - Google Patents

Abstract

本发明描述了具有致动器的器件，该致动器具有经抛光的压电材料。形成经抛光的压电材料的方法包括：将烧结的压电材料块结合到基底上和化学机械抛光该烧结的压电材料块。然后可以将该烧结的压电材料块的经抛光的表面结合到器件层上以形成致动器。

Description

压电材料的抛光

技术领域

本发明涉及形成具有压电层的器件。

背景技术

压电材料当经受机械应力时可以产生电或者电压。或者，在压电材料两端施加电压可以引起逆压电效应，即，当施加电压时压电材料发生机械变形。逆压电效应可以在压电材料中引起极高的弯曲力。利用产生电和逆压电效应的这两种性质用于电和机械器件，例如换能器如致动器和传感器。在微机电系统(MEMS)中，可以将多个包含致动器和传感器的组合的换能器组合在一起。

MEMS通常具有使用常规半导体加工技术在半导体基底中形成的机械结构。MEMS可以包括单一结构或者多重结构。MEMS具有电部件，在该电部件中电信号触发MEMS中的各结构或者电信号通过MEMS中各结构的触发而产生。

MEMS的一种实施包括：主体，其具有形成于该主体中的腔室；以及压电致动器，其形成在该主体的外表面上。该压电致动器具有压电材料(如陶瓷)层，以及用于传输电压的元件如电极。该压电致动器的各电极可以在压电材料的两端施加电压或者传输在使压电材料变形时产生的电压。

发明内容

在一种实施中，描述一种形成组件的方法，该方法包括：将预烧结(pre-fired)的压电材料结合到基底上；和化学机械抛光该预烧结的压电材料。该压电材料可以为锆钛酸铅。

在另一实施中，描述一种形成组件的方法。在压电材料上形成氧化物层。抛光该氧化物层。在抛光该氧化物层后，将该氧化物层等离子体活化。在该等离子体活化步骤之后，将该氧化物层与主体接触，其中该主体包含硅或者氧化硅。

在又一种实施中，描述了一种具有主体和致动器的流体喷射器件，该主体中具有腔室并且由硅形成，该致动器在该主体上并且与该腔室对齐，其中该致动器包含压电材料，所述压电材料具有小于20埃的表面粗糙度，其中用树脂将该致动器结合到该主体上。

在一种实施中，描述了一种具有主体和致动器的流体喷射器件，该主体中具有腔室，该主体由硅形成并且具有硅或者氧化硅上层，并且该致动器在该主体上并且与该腔室对齐，其中所述致动器包括压电材料，所述压电材料具有小于20埃的表面粗糙度，其中氧化物层在该压电材料上并且该氧化物层熔合结合到该主体的上层。

各实施方式可包括下列特征的一种或者多种。结合可以包括：将树脂涂布到烧结的压电材料块(block)或者基底之一上，和用树脂将烧结的压电材料块与基底组合在一起，烧结的压电材料块与基底之间有所述树脂。在化学机械抛光该块之前，可以磨掉该块的一部分厚度。化学机械抛光该块可以产生表面粗糙度为约10-20埃的表面。化学机械抛光该烧结的压电材料块可以形成经抛光的表面，并且该方法可以进一步包括：在该经抛光的表面上形成氧化物层；活化该氧化物层以形成活化的氧化物层；将硅或者氧化硅层的表面活化以形成活化的器件表面；和使该活化的氧化物层与该活化的器件表面接触。可以在活化该氧化物层之前抛光该氧化物层。在使该活化的氧化物层与该活化的器件表面接触之后，可以加热该活化的氧化物层和该活化的器件表面。加热可以至约200℃。化学机械抛光该烧结的压电材料块可以形成经抛光的表面，并且该方法可以进一步包括：将电极层施加(apply)到该经抛光的表面上；和将该电极层结合到器件表面上。可以使用树脂结合材料将该电极层结合到器件表面上。可以将该基底从该烧结的压电材料除去以形成暴露的压电材料；并且可以化学机械抛光该暴露的压电材料。将烧结的压电材料块结合到基底上可以包括：将该烧结的压电材料块结合到器件基底上。该器件基底可以包含邻近该烧结的压电材料块但是不与其相通的腔室。化学机械抛光该烧结的压电材料块可以包括抛光掉至少4微米或者约4-10微米的压电材料。可以加热该氧化物层和该主体。该腔室主体可以与喷嘴呈流体连通。该致动器可以具有小于约20微米的厚度。该致动器可以具有大于5微米的厚度。该压电材料可以为整体的(unitary)或者不含有多个层的压电材料。该压电材料可以具有7.5g/cm³或者更高的密度。该压电材料可以具有约8g/cm³的密度。该压电材料可以具有可以为约200或者更大的d₃₁系数。

本文中所描述的方法和器件可以提供下列优点的一种或者多种。一些工艺，例如研磨可以损伤压电材料的表面。抛光可以将表面损伤从压电材料除去。从薄的压电材料层(例如小于20、10或者5微米厚度的材料)的表面除去损伤可以将裂纹从该压电材料除去。

在附图和以下描述中阐述了本发明的一个或者多个实施方式的细节。本发明的其它特征、目的和优点将从该描述和附图、以及从权利要求中明晰。

附图说明

图1显示基底和已平坦化的压电材料的组件。

图2-8是在半导体层上形成平坦化的压电层的过程的示意图。

图9是涉及在半导体层上形成平坦化的压电层的步骤的流程图。

图10是将压电材料低温结合到MEMS主体上的流程图。

图11为喷射结构的横截面视图。

不同附图中的相同标号表示相同的元件。

具体实施方式

参照图1，显示包括压电材料层105和支撑层110的组件，所述支撑层110由常规用在半导体加工中的材料形成。该压电材料可以为具有呈现出压电效应的晶体的材料，例如具有钙钛矿或者钨-青铜结构的陶瓷，或者例如锆钛酸铅(PZT)或者铌酸铅镁(PMN)的材料。支撑层110的材料可以为硅的一种，例如单晶硅。或者，可以根据使用者需要，将压电材料附着到另一个基底上。

参照图2和9，获得压电材料块150(步骤300)。块150是预烧结的材料片，其不需要进一步固化(curing)。所述块可以具有约1cm的初始加工厚度。在一种实施中，该压电材料为PZT并且该PZT具有约7.5g/cm³或者更高，例如约8g/cm³的密度。d31系数可以为约200或者更大。经HIPS处理的压电材料基底可作为来自Sumitomo Electric Industries，Osaka，Japan的H5C和H5D得到。该H5C材料呈现出约8.05g/cm³的表观密度和约210的d31。该H5D材料呈现出约8.15g/cm³的表观密度和约300的d31。基底通常约1cm厚，并且可以从该基底锯出具有所需加工厚度的块。该压电材料可以通过包括压制、刮涂、生片(green sheet)、溶胶凝胶或者沉积的技术形成。在Piezoelectric Ceramics，B.Jaffe，Academic Press Limited，1971中讨论了压电材料制造，将其全部内容引入本文作为参考。在第258-259页处描述了包括热压的形成方法。还可以使用可得自TRS Ceramics，Philadelphia，PA的单晶压电材料例如PMN。与溅射、丝网印刷或者溶胶凝胶形成的PZT材料相比，大块(bulk)PZT材料可以具有更高的d系数、介电常数、耦合系数、刚度和密度。

可以通过使用包括在将压电材料附着到主体上之前烧结该压电材料的技术在该压电材料中建立这些性质。例如，模制并且单独烧结的压电材料(与在支撑体上相反)具有如下优点：可以使用高的压力将该材料装填到模具(经加热或者未加热)中。此外，通常需要较少的添加剂，例如流动剂和粘合剂。在烧结过程中可以使用较高的温度，例如1200-1300℃，从而容许更好的烧成和晶粒生长。与通过溶胶凝胶或者溅射技术形成的压电层不同，大块压电材料中的晶粒可以具有约2-4微米的宽度。可以使用烧结气氛(例如富铅气氛)以减少陶瓷中PbO的损失(由于高温引起)。可以将模制部件的可能具有PbO损失或者其它降解的外表面切除并丢弃。该材料也可以通过高温等静压烧结(HIPs)加工，在HIPs期间，使陶瓷经受高的压力。Hipping过程可以在烧结期间或者在压电材料块已经烧结之后进行，并且用于提高密度、减少空隙和增加压电常数。Hipping过程可以在氧气或者氧气/氩气气氛中进行。

参照图3和9，将压电材料块150结合到牺牲基底160上(步骤310)。该牺牲基底可以为足够刚性的材料以支撑该压电材料并且防止该压电材料在后续加工步骤中的至少一些步骤期间的破裂。在一些实施方式中，该牺牲基底160对承受后续任选加工步骤的加工条件具有足够的耐久性。在一些实施方式中，该牺牲基底160为硅基底。结合材料170将块150结合到该牺牲基底160上。该结合材料170可以为可部分固化或者产生足够弱的结合的材料，使得可以移去块150而不损伤或者毁坏块150。或者，该结合材料170可以完全地固化，然后以机械方式或者化学方式除去。该结合材料170可以为将压电材料块150结合到该牺牲基底160上的树脂，例如聚合的苯并环丁烯(BCB)。

参照图4和9，使压电材料块150变薄(步骤320)。牺牲基底160容许块150变薄至所需的厚度和形成压电材料层180，特别是当该厚度使得该压电材料易于由于处理而损伤时。例如，如果PZT块大于200微米厚，则该块没有小于200微米厚的块易碎，并且在步骤310中使用牺牲基底是任选的。可以通过研磨使该块变薄。在水平研磨中，将工件安置在具有机械加工至高的平面度公差的基准面的旋转卡盘(rotating chuck)上。将工件的暴露表面与水平砂轮接触，并且以高的公差对齐。研磨可以产生例如约0.5微米或者更小(例如约0.3微米或者更小)的平面度和平行度。研磨还产生均匀的残余应力。在该组件完成后，层180可以比该压电材料的最终厚度厚。例如，层180可以比层105的最终厚度厚约2-100微米、或者约4-50微米、约4-20微米或者约4-10微米。研磨过程可以产生约5微米深的表面损伤。初始厚度可以比最终厚度大1-2倍的表面损伤的深度。如果该压电材料与压电材料层的最终期望厚度大致为相同的厚度，则块150的变薄步骤是任选的。

参照图5和9，一旦压电材料层180为所需厚度，就将暴露的表面190平坦化以获得平坦表面(步骤330)。用化学机械抛光(CMP)设备进行平坦化。CMP通过与材料进行化学反应以及通过物理抛光掉材料而起到除去材料的作用。CMP设备使用把持待抛光材料使之抵靠着抛光表面的旋转卡盘。此外，将浆料引入到该抛光表面和待抛光材料之间。该浆料为具有研磨颗粒的液体。通常，CMP抛光中的化学反应取决于所选的浆料。如果压电材料层180由PZT形成，则该抛光表面可以为硬聚氨酯垫。该浆料可以具有硅石颗粒和碱性pH，例如pH为11。在一些实施中，该浆料为来自位于日本的Kiyosu的Fujimi，Co.的P4217。对于其它压电材料，其它抛光垫或者抛光液对于抛光可为最佳的。可以抛光掉暴露表面190的约4-10微米。抛光掉至少4微米以除去表面损伤，例如由研磨引起的损伤。通过抛光可以获得约5-50埃(例如约10-20埃)的表面粗糙度。在CMP抛光中，在正被抛光的层的边缘处可以出现塌边(roll off)。即，边缘可以以不同于材料中心的速度抛光。为防止塌边影响从压电材料层的一端到另一端的最终公差，在后续步骤中可以除去层的边缘部分。在一些实施中，压电材料具有例如在长度和宽度方向上比该压电材料的最终可用区域大至少1cm的区域。

任选地，经抛光的表面190可以例如通过切成小方块(dicing)、切割、涂布或其它调整该暴露表面190的方法加工。在2004年10月15日提交的美国申请No.10/967,073中描述了这样的加工，将该文献引入本文作为参考用于所有目的。

参照图6和9，将压电材料层180的先前暴露的表面190结合到基底200上(步骤340)。该基底200可以为半导体基底，例如硅。粘合剂可以用于将压电材料层180结合到该基底200上。或者，如果基底200的表面足够光滑，则可以如图10中的流程图所述，利用低温结合将压电材料层180结合到基底200上。在一些实施方式中，表面具有小于约20埃的粗糙度。为将压电材料层180和基底200熔合结合在一起，清洁各自的表面以除去污染物。例如通过使用PECVD沉积氧化物层(例如氧化硅层)而在压电材料上形成所述氧化物层，(步骤400)。然后抛光该氧化物以获得粗糙度小于约20埃的表面(步骤410)。然后等离子体活化该经抛光的氧化物表面(步骤420)。如果要将压电材料附着到硅或者氧化硅MEMS主体上，则还等离子体活化该MEMS主体。然后，将各活化的表面组合在一起使其直接接触，所述直接接触在各表面之间产生结合(步骤430)。任选地，随后例如通过在200℃下加热该结合后的材料而加强该结合(步骤440)。

参照图7和9，除去牺牲基底160(步骤350)。可以通过使结合材料170释放牺牲基底160而除去牺牲基底160。或者，可以通过将牺牲基底160磨掉而除去该牺牲基底。任选地，研磨压电材料层180以确保所暴露的表面上未残留结合材料170。

参照图8和9，将压电材料层180最近暴露的表面210抛光(步骤360)。从该暴露的表面210除去约4-10微米。然后进行任何其它所需加工步骤，例如使经抛光的压电层180金属化。该组件可以切割成小方块、蚀刻、锯或者以其它方式减小尺寸，使得由于抛光步骤引起的塌边区域从最终组件除去。如上所述，抛光后的表面粗糙度可以为约10-20埃。从6英寸的压电材料晶片的一端到另一端，均匀度可以为约1微米。

本文中所描述的技术可以用在其中需要下列特征的两种或者更多种的组合的应用中：薄的压电材料层、具有非常光滑的表面的压电材料层、或者具有非常少的表面损伤的压电材料层。研磨通常可以产生表面损伤。化学机械抛光将表面损伤从压电材料的表面除去。相反地，其它除去表面损伤的方法(例如在酸性溶液中清洁压电材料)实际上可以除去压电材料晶粒(grains)或者使其松动，留下具有与压电材料的剩余部分不同的电子机械性质的孔或者区域。因此，这些方法可以产生其它类型的表面损伤。当压电材料层薄(例如20微米厚或者更薄)时，材料的任意一侧之上的5微米的表面损伤基本上可以在材料中形成裂纹。损伤区域或者裂纹根本不会传递能量例如电能，或者不如未损伤的材料好。在一些实施方式中。该层为至少5微米厚，例如至少10微米厚，或者约10-25微米厚。

如果在压电材料上形成电极，则压电材料可以用于形成换能器。经抛光的表面可以包括压电材料的不完整晶粒。然而，所述不完整晶粒提供其上可以形成电极的平坦表面。压电表面中的裂纹或者损伤可以导致各电极具有不均匀电性质的区域。如果裂纹足够深或者足够大，则所述裂纹可以导致电极中的不连续，使通过电极的电传输中断。

此外，与用于形成压电材料层的其它技术相比，本文中所描述的技术可以提供具有更好的机械或者电性质的压电材料整体层。例如在器件主体上施加溶胶凝胶或者陶瓷生片的技术可以导致具有较低d系数、较低介电常数、较低耦合系数、较低刚度或者较不均匀的压电性质的材料。而且，由于本文中使用的压电材料是在可使该压电材料与基底(压电材料结合到其上)分开的压力下烧结的，因此，与压电材料结合的基底不需要经受形成具有所需密度(或者其它所需性质)的压电材料可能需要的苛刻加工条件。在其中压电层是通过涂布多个溶胶凝胶层形成的器件中，致动器是多层结构，所述结构可以是更为多孔的或者在各层之间具有间隙。而且，单独地或者在压力下烧结压电材料可以形成具有约70GPa杨氏模量的较强压电材料，其中溶胶凝胶压电材料可能仅具有10-40GPa的杨氏模量。此外，制造具有大于5微米厚度的溶胶凝胶致动器可为不合意的，因为涂布各层的反复过程可为非常耗时的。随着致动器的陶瓷生片形成，可以形成较厚的致动器，但是没有抛光步骤的表面粗糙度往往较大并且上述特性如密度和介电常数往往差于在将压电材料结合到基底之前烧结的压电材料块。因此，使用本文中所述的技术，其上施加有压电材料的基底可以包括更多通常不能耐受高热或高压力环境的精密部件。

参照图11，本文中所述的技术可以用于在具有一个或者多个喷射结构的模口(die)上形成致动器。经过模块(module)300中单个示例性喷射结构的流程的横截面包括供给路线312，墨水经由该供给路线312进入并且经由上升段(ascender)308送至阻抗部件314和增压室(pumping chamber)316。墨水通过致动器322在增压室316中加压并且经由下降段(descender)318送至喷嘴口320，液滴从该喷嘴口320喷射。

模块主体324中界定了流程特征(features)。模块主体324可以包括基础部分、喷嘴部分和膜。基础部分包括其上形成任选的氧化物层的基础硅层336。基础部分界定如下特征：供给路线312、上升段308、阻抗部件314、增压室316和下降段318。喷嘴部分由硅层332形成。喷嘴硅层332可以熔合结合(虚线)到基础部分的基础硅层336上并且可以界定将墨水从下降段318送至喷嘴口320的锥形壁334。膜包括熔合结合到基础硅层336上的、在与喷嘴硅层332相反一侧上的膜硅层342。

致动器322包括已抛光的压电层340。压电层340下方的导电层可以形成第一电极，例如接地电极352。可以在将经抛光的表面附着到膜上之前将第一电极施加到经抛光的压电材料上。压电层340上的上部导电层可以形成第二电极，例如驱动电极356。任选地，环绕接线350可以将接地电极352连接到在压电层340的上表面之上的接地接点354。电极断口360使接地电极352与驱动电极356电隔离。可以通过粘合剂层346将金属化的压电层340结合到硅膜342上。该粘合剂层可以包括粘合剂，例如树脂，如BCB。

可以将金属化的压电层340分区以在增压室上方界定活性压电区域、或者岛状物。可以将金属化的压电层340分区以提供隔离区域348。在该隔离区域348中，可以从在下降段318上方的区域除去压电材料。该隔离区域348可以分开在喷嘴阵列任一侧的致动器阵列。

可以将柔性电路(未示出)固定在致动器322背面以用于传输控制墨水喷射的驱动信号。

在一些实施方式中，不是将金属化的压电层340粘附性地结合到硅膜342上，而是将氧化物层施加到金属化的压电层340的金属上。在硅膜342上生长氧化物。将在硅膜342上的氧化物和在金属上的氧化物进行等离子体活化并且结合在一起。在一些实施方式中，在硅膜342上没有生长氧化物并且将金属上的活化的氧化物直接结合到硅膜上。

如上所述，当压电材料结合到MEMS主体上时，不需要高温结合。即，仅进行低温结合，通过等离子体活化步骤使得所述低温结合部分地实现。低温结合容许各种各样的材料成为MEMS主体的或者压电材料的一部分。不需要排除可不利地受高于200℃的温度影响的材料在组件中的使用。

已描述了本发明的许多实施方式。然而，应理解，可进行各种修改而不脱离本发明的精神和范围。因此，其它实施方式在所附权利要求的范围之内。

Claims (33)

1.一种形成组件的方法，包括：

将烧结的压电材料块结合到基底上；和

化学机械抛光该烧结的压电材料块。

2.权利要求1的方法，其中所述结合包括：将树脂涂布到该烧结的压电材料块或者该基底之一上，并且将该烧结的压电材料块与该基底组合在一起，在该烧结的压电材料块与该基底之间有该树脂。

3.权利要求1的方法，进一步包括在化学机械抛光该块之前，将该块的一部分厚度磨掉。

4.权利要求1的方法，其中化学机械抛光该块产生具有约10-20埃的表面粗糙度的表面。

5.权利要求1的方法，其中化学机械抛光该烧结的压电材料块形成经抛光的表面，所述方法进一步包括：

在该经抛光的表面上形成氧化物层；

活化该氧化物层以形成活化的氧化物层；

将硅或者氧化硅层的表面活化以形成活化的器件表面；和

使该活化的氧化物层与该活化的器件表面接触。

6.权利要求5的方法，进一步包括在活化该氧化物层之前抛光该氧化物层。

7.权利要求5的方法，进一步包括在使该活化的氧化物层与该活化的器件表面接触之后，加热该活化的氧化物层和该活化的器件表面。

8.权利要求7的方法，其中加热包括加热至约200℃。

9.权利要求1的方法，其中化学机械抛光该烧结的压电材料块形成经抛光的表面，所述方法进一步包括：

将电极层施加到该经抛光的表面上；和

将该电极层结合到器件表面上。

10.权利要求9的方法，其中将该电极层结合到器件表面上包括使用树脂结合材料。

11.权利要求9的方法，进一步包括：

从该烧结的压电材料除去该基底以形成暴露的压电材料；和

化学机械抛光该暴露的压电材料。

12.权利要求1的方法，其中将烧结的压电材料块结合到基底上包括将该烧结的压电材料块结合到器件基底上。

13.权利要求12的方法，其中该器件基底包括邻近该烧结的压电材料块但是不与其相通的腔室。

14.权利要求1的方法，其中化学机械抛光该烧结的压电材料块包括抛光掉至少4微米的压电材料。

15.权利要求1的方法，其中化学机械抛光该烧结的压电材料块包括抛光掉约4-10微米的压电材料。

16.一种形成组件的方法，包括：

在压电材料上形成氧化物层；

抛光该氧化物层；

在抛光该氧化物层后，等离子活化该氧化物层；和

在所述等离子活化步骤之后，使该氧化物层与主体接触，其中该主体包括硅或者氧化硅。

17.权利要求16的方法，进一步包括加热该氧化物层和该主体。

18.一种流体喷射器件，包括：

其中具有腔室的主体，该主体由硅形成；和

在该主体上并且与该腔室对齐的致动器，其中该致动器包含压电材料，该压电材料具有小于20埃的表面粗糙度，其中用树脂将该致动器结合到该主体上。

19.权利要求18的器件，其中该主体中的该腔室与喷嘴呈流体连通。

20.权利要求18的器件，其中该致动器具有小于约20微米的厚度。

21.权利要求18的器件，其中该致动器具有大于5微米的厚度。

22.权利要求18的器件，其中该压电材料不包含多个层。

23.权利要求18的器件，其中该压电材料具有7.5g/cm³或者更高的密度。

24.权利要求18的器件，其中该压电材料具有约8g/cm³的密度。

25.权利要求18的器件，其中该压电材料具有能为约200或者更大的d31系数。

26.一种流体喷射器件，包括：

其中具有腔室的主体，该主体由硅形成并且具有硅或者氧化硅上层；和

在该主体上并且与该腔室对齐的致动器，其中该致动器包含压电材料，该压电材料具有小于20埃的表面粗糙度，其中在该压电材料上有氧化物层并且该氧化物层熔合结合到该主体的上层上。

27.权利要求26的器件，其中该主体中的该腔室与喷嘴呈流体连通。

28.权利要求26的器件，其中该致动器具有小于约20微米的厚度。

29.权利要求26的器件，其中该致动器具有大于5微米的厚度。

30.权利要求26的器件，其中该压电材料不包含多个层。

31.权利要求26的器件，其中该压电材料具有7.5g/cm³或者更高的密度。

32.权利要求26的器件，其中该压电材料具有约8g/cm³的密度。

33.权利要求26的器件，其中该述压电材料具有能为约200或者更大的d31系数。

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