CN102729629B - 用于形成具有曲面特征的薄膜的方法和包括该薄膜的器件 - Google Patents

Abstract

本发明披露了制造具有曲面特征的薄膜的方法。利用掩膜、通过氢氧化钾蚀刻方法，在平坦的基板表面中形成多个凹穴，每个凹穴均为倒置平头金字塔形状。在基板表面之上形成氧化物层。该氧化物层可以被剥离，以在基板表面之中的凹穴的不同小平面之间留下圆滑的拐角，并且所述基板表面可以用来充当轮廓转移基板表面，用于制造具有凹形曲面特征的薄膜。或者，将一个处理层附接于氧化物层上并且移除基板，直到氧化物层的背面显露出来。显露出来的氧化物层的背面包括从处理层凸出的曲面部分，并且可以提供一种轮廓转移基板表面，用于制造具有凸形曲面特征的薄膜。

Description

用于形成具有曲面特征的薄膜的方法和包括该薄膜的器件

技术领域

本说明书涉及MEMS器件的制造。

背景技术

许多MEMS器件含有在所施加的电压下发生偏斜的压电致动器。这类器件例如包括流体喷射系统，该系统响应于与流体路径相连接的压电致动器的激励而喷射流体。喷墨打印机中的打印头模块是流体喷射系统的一个例子。打印头模块通常具有喷嘴行或阵列及相应的墨水路径及相关联的致动器阵列，并且来自每个喷嘴的墨滴喷射可以独立地由一个或多个控制器控制。

打印头模块可以包括半导体打印头管芯(die)，其被蚀刻为限定拥有泵室(pumpingchamber)的流体路径。压电致动器可以在泵室的一侧上形成，在运转时其可以响应于驱动电压信号而发生曲面，从而沿着墨水路径驱动流体。压电致动器包含一个压电材料层，其可以响应于由一对相反的电极施加于该压电层两端上的驱动电压来改变几何形状(即，激励)。

相比于横向尺寸相似的平坦压电元件，在给定的驱动电压下，曲面的压电元件(如圆顶形或凹形的压电薄膜)，可以产生更大的位移。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，因而也就影响打印头模块的功率效率，所以提出了具有曲面压电薄膜的压电致动器。提出了若干制造方法，以生产曲面的或有曲面特征的压电薄膜。

发明内容

本说明书所描述的技术涉及产生具有曲面特征的薄膜的MEMS器件的制造工艺。

当一个薄材料层均匀地沉积于轮廓传递(profile-transferring)基板表面上时，该材料层会呈现与轮廓传递基板表面的轮廓一致的形状。

为了制备用于生产具有凹形特征的薄膜的轮廓传递基板表面，首先，利用一个图案化的掩模、通过各向异性蚀刻，在一个半导体基板的平坦的顶面上形成一个底部平坦的凹穴(即，一个倒置的平头金字塔形状的凹穴)。然后，对半导体基板的顶面进行氧化，以形成覆盖凹穴内部和凹穴周围平坦的基板表面的氧化物层。氧化过程圆滑了凹穴内的陡直拐角。随后，可以剥离氧化物层，以在凹穴的底部和各倾斜的侧壁之间、以及凹穴的相邻的侧壁之间留下圆滑的相交处。氧化物层被剥离后，基板表面可用作轮廓传递基板表面，用以制造在其中形成有凹形特征(例如，凹陷)的薄膜。

或者，为了制备用于生产具有凸形特征的薄膜的轮廓传递基板表面，半导体基板的顶面被氧化以形成覆盖了凹穴内部及凹穴周围的平坦的基板表面的氧化物层后，可以将处理层附接至氧化物层的顶面上(只与氧化物层的平坦部分接触)。氧化物层的曲面部分从处理层突出，并且形成相对于处理层的圆顶。随后，半导体基板可以被移除(例如，通过蚀刻)，直到露出氧化物层的背面(即，氧化物层与基板相邻的一侧)。露出来的氧化物层的背面可用作轮廓传递基板表面，用以制造在其中形成有凸形特征(例如，圆顶)的薄膜。

一方面，一种用于形成具有曲面特征的薄膜的方法，包括以下步骤：对半导体基板的顶面进行氧化以形成氧化物层，该半导体基板的顶面具有形成于其中的凹穴，该凹穴具有平坦的端壁和与端壁邻接的多个平坦的、倾斜的侧壁，所述氧化物层包括凹穴端壁上的第一部分、凹穴倾斜侧壁上的第二部分、以及半导体基板顶面上的、位于半导体基板顶面中的凹穴开口周围的第三部分；以及剥离氧化物层以分别在凹穴的端壁和各倾斜侧壁之间、以及凹穴的相邻侧壁之间留下圆滑的相交处。

在一些实施例中，该方法还包括：剥离氧化物层后，在半导体基板的顶面上沉积第一材料层，该第一材料层至少覆盖凹穴的端壁和多个倾斜侧壁以及各个圆滑的相交处；并且从半导体基板的底面移除至少一部分半导体基板，以至少露出之前覆盖凹穴的端壁和与端壁相邻的各侧壁下部的区域中的第一材料层的底面。

在一些实施例中，该方法还包括：通过掩膜，使用各向异性蚀刻剂，蚀刻半导体基板顶面中的凹穴。

在一些实施例中，该方法还包括：在蚀刻之前，在半导体基板顶面上形成掩膜，该掩膜具有一个开口，通过该开口暴露半导体基板的顶面，并且掩膜中的开口具有多个直边。

在一些实施例中，掩膜中的开口是矩形形状的。

在一些实施例中，各向异性蚀刻剂为氢氧化钾。

另一方面，一种用于形成具有曲面特征的薄膜的方法包括以下步骤：对半导体基板的顶面进行氧化以形成氧化物层，该半导体基板的顶面具有形成于其中的凹穴，该凹穴具有平坦的端壁和与该端壁邻接的多个平坦倾斜侧壁，该氧化物层包括凹穴端壁上的第一部分、凹穴倾斜侧壁上的第二部分、以及半导体基板顶面上的、位于半导体基板顶面中的凹穴开口周围的第三部分；在氧化物层的第一侧接合处理层，该处理层与氧化物层的第三部分相接触；以及移除至少一部分半导体基板，以在氧化物层的第一部分以及与第一部分相邻的第二部分中的至少一部分的区域露出氧化物层的与所述第一侧相对的第二侧。

在一些实施例中，该方法还包括：在氧化物层的第二侧、至少在氧化物层的第一部分以及氧化物层的第二部分的至少一部分上沉积第一材料层。

在一些实施例中，该方法还包括：沉积第一材料层后，移除至少部分处理层，以将至少氧化物层的第一部分和第二部分中的氧化物层的第一侧重新暴露出来。

在一些实施例中，该方法还包括：移除至少部分处理层后，至少移除氧化物层的第一部分和氧化物层的至少一部分第二部分，以露出之前沉积于被移除的氧化物层部分之上的第一材料层的一部分。

在一些实施例中，该方法还包括：通过掩膜，使用各向异性蚀刻剂，蚀刻半导体基板顶面中的凹穴。

在一些实施例中，该方法还包括：在蚀刻之前，在半导体基板顶面上形成掩膜，该掩膜具有开口，半导体基板顶面通过该开口暴露出来，掩膜中的开口具有多个直边。

在一些实施例中，掩膜中的开口是矩形形状的。

在一些实施例中，各向异性蚀刻剂为氢氧化钾。

另一方面，一种器件包括：基底晶片(basewafer)；以及附接于该基底晶片顶面上的薄膜，其中该薄膜是连续层，并且包括平面部分和从平面部分突出的曲面部分，该曲面部分包括与基底晶片顶面平行的平坦端壁和与该端壁邻接的、多个平坦的倾斜侧壁，并且端壁与各倾斜侧壁之间的各相交处、以及每一对相邻侧壁之间的各相交处是圆滑的。

在一些实施例中，曲面部分从基底晶片突出。

在一些实施例中，基底晶片具有孔，以及曲面部分突出到基底晶片中的孔中。

在一些实施例中，薄膜是氧化硅薄膜。

在一些实施例中，曲面部分的高度在5微米至10微米之间。

在一些实施例中，曲面部分的横向尺寸在100微米至200微米之间。

在一些实施例中，薄膜的厚度在1微米至3微米之间。

在一些实施例中，该器件还包括：形成于薄膜顶面上的压电致动器组件，该压电致动器组件包括曲面部分，其与薄膜的曲面部分的轮廓一致。

在一些实施例中，压电致动器组件包括导电参考电极层、导电驱动电极层、以及位于导电参考电极层和导电驱动电极层之间的溅射压电层。

在一些实施例中，薄膜厚度基本上均匀。

在一些实施例中，至少一部分曲面部分比薄膜的平面部分薄。

本说明书中所描述的主题的具体实施方式的执行可以实现一个或多个以下益处。

可以通过一系列的标准MEMS制造工艺形成具有曲面特征的轮廓传递基板表面。形成于轮廓传递基板表面中的曲面特征的大小、形状、位置是一致且可控的。通过使用按照本说明书所披露的方法所制造出来的轮廓传递基板表面，可以在该轮廓传递基板表面之上形成各种材料的薄膜，其中每个薄膜也呈现出与该轮廓传递基板表面中存在的曲面特征一致的曲面特征。

相比注射成型或机械方式获得的薄膜的颗粒结构而言，通过在轮廓传递基板表面上的材料沉积所形成的薄膜(诸如通过溅射沉积的压电薄膜)的颗粒结构，大小及分布会更均匀，并且更一致的对齐。更加均匀和对齐的颗粒结构能够有助于提高重复激励期间薄膜的寿命。

曲面压电致动器和换能器可由具有曲面特征的薄膜(例如，压电薄膜或导电薄膜)形成。当曲面特征在曲面特征的不同的平坦部分之间具有圆滑且平滑的过渡时，相应的压电致动器和换能器可以更耐用并且更好地承受压电致动器和换能器运转过程中造成的应力。

本说明书所描述的过程可用来形成包括曲面压电元件的耐用、高效、紧凑、以及高分辨率集成压电致动器组件或压电换能器列阵。

本说明书中所描述的主题的一个或多个实施方式的细节将在附图及下面的描述中呈现。该主题的其它特征、方面、优点将会从该描述、附图及权利要求中变得显而易见。

附图说明

图1A至图1M图示了用于形成具有曲面特征的薄膜的两个示例工艺。图1A至图1D及随后的图1E至图1G图示了制造一个具有凹形特征(如，凹穴)的薄膜的示例工艺。图1A至图1D及随后的图1H至图1M图示了制造一个具有凸形特征的薄膜(如，圆顶)的示例工艺。

图2A是具有凹形压电致动器的示例流体喷射模块中的打印头管芯的示意性截面图。

图2B是具有凸形压电致动器的示例流体喷射模块中的打印头管芯的示意性截面图。

许多层和特征被放大，以更好地展示制造工艺步骤和结果。各个附图中的相同参考标号和符号表示相同元件。

具体实施方式

流体滴的喷射可以通过包括使用MEMS处理技术制造的管芯的打印头模块来实施。打印头管芯包括一个其中形成了多个微加工的流体流动路径的基板，以及位于基板上的用于促使流体选择性地从与流动路径连通的喷嘴喷出的多个致动器。每个流动路径及与它相关联的致动器提供了一个可单独控制的MEMS流体喷射器单元，这些致动器形成了一个致动器组件。

具有曲面压电薄膜的MEMS致动器可以通过使用一个具有弯曲表面特征(例如，在一个平坦的基板表面中的一个凹穴或圆顶)的轮廓传递基板形成。相应地，含有致动器阵列的致动器组件可以通过使用一个具有曲面表面特征阵列(例如，在一个平坦的基板表面中的凹穴阵列或圆顶阵列)的轮廓传递基板形成。在轮廓传递基板被从压电薄膜的曲面部分下面移除前，至少在轮廓传递基板表面的曲面部分之上沉积(例如，溅射)用于压电致动器的压电材料。

不限于任何特定的理论，所产生的曲面压电薄膜可以包括颗粒结构，这些颗粒结构是柱状的，并且不仅在曲面部分而且在曲面部分周围的任意平面部分中都是对齐的，以及所有或基本上所有的柱状的颗粒在局部与压电薄膜的表面垂直。相比通过碾磨大块的压电材料或通过注射成型制造成的曲面压电薄膜，这种对齐的颗粒结构在致动过程中具有更少的内部应力并且更耐用。

可以使用不同的工艺在轮廓传递基板表面上形成曲面特征。如本发明所述，氧化物层被形成在蚀刻于半导体基板表面中的倒置平头金字塔形状的凹穴的内部和周围。氧化物层的顶面(包括突出进入基板的曲面部分)可被用来提供具有凹形表面特征(如，凹穴)的轮廓传递基板表面。或者，氧化物层可以被剥离，被剥离的氧化物层下面的半导体基板表面可被用来提供具有凹形表面特征(如，凹穴)的轮廓传递基板表面。或者，不剥离氧化物层，取而代之，可在氧化物层的顶面附接处理层，并且可以移除基板以露出氧化物层的背面。被露出的氧化物层的背面(包括从处理层突出的曲面部分)可被用来提供具有凸形表面特征(如，圆顶)的轮廓传递基板表面。

当薄材料层均匀地沉积在轮廓传递基板表面上时，薄材料层继承了与轮廓传递基板表面的轮廓一致的形状。这样，薄材料层形成的薄膜所具有的曲面特征与轮廓传递基板壁表面的曲面表面特征一致。

随后，至少从薄膜的曲面部分下蚀刻掉基板或处理层，留下薄膜的悬垂的、自由偏歇的曲面特征。沉积在轮廓传递基板表面上的第一薄材料层可以是压电致动器组件的底部电极层。其它的材料层(如，压电层和顶部电极层)可以依次沉积在第一薄材料层之上，每一层均分别继承了与下面一层的曲面特征一致的曲面表面特征。

图1A至图1M图示了用于形成具有曲面特征的薄膜的两个示例工艺。图1A至图1D及随后的图1E至图1G图示了制造具有凹形特征(如，凹穴)的薄膜的示例工艺。图1A至图1D及随后的图1H至图1M图示了制造具有凸形特征的薄膜(如，圆顶)的示例工艺。

图1A中，掩模102(例如，图案化的氧化硅掩模，或图案化的氮化硅掩模)被放置或形成于平坦的基板100(例如，如硅晶片的半导体基板)的顶面104上。平坦的基板100还具有与顶面104相反的平坦的底面108。掩模102包括一个或多个开口106，或开口106的阵列。每个开口106都可以是具有多个直边的多边形形状(例如，正方形或长方形)。开口106的多边形形状允许在基板表面104中通过各向异性蚀刻(例如，氢氧化钾蚀刻)形成平壁的(例如，垂直的或倾斜的)凹穴。

在一些实施例中，开口106的形状基于基板100的晶格结构来选择，以形成凹穴，该凹穴具有多个平坦倾斜的侧壁，这些侧壁会聚于平坦的水平端壁。此外，在各向异性蚀刻中使用的蚀刻剂对于基板100的不同晶面而言具有不同的选择性，并且要形成于基板表面104中的凹穴的几何形状受控于蚀刻剂的依赖于晶向的选择性。影响蚀刻剂的依赖于晶向的选择性的因素包括例如蚀刻剂的成分和浓度，以及蚀刻环境的温度。

在一个示例中，对于具有(100)表面晶向的单晶硅基板，为了形成倒置的平头金字塔形状的凹穴，开口106为正方形或长方形。用于各向异性蚀刻的蚀刻剂(例如，氢氧化钾溶液)对于晶面不同的基板具有不同的选择性(例如，{110}的蚀刻速率＞{100}的蚀刻速率＞＞{111}的蚀刻速率)。得到的形成于基板表面中的凹穴可以具有平坦的侧壁和平坦的端壁，并且凹穴的几何形状是具有正方形或长方形底部的倒置平头金字塔。例如，凹穴的侧壁可以形成于硅基板的{111}晶面中，而凹穴的端壁可以形成于{100}晶面中。

掩模102中的开口106的尺寸、位置、及总体分布基于要制造的轮廓传递基板表面上的曲面表面特征、并且最终基于利用轮廓传递基板表面形成的薄膜层上的曲面特征的期望尺寸、位置、及总体分布来选择。为了适应将要沉积于凹穴上的不同层(例如氧化物层)的厚度所产生的变化，可对开口106的横向尺寸进行调整。

例如，对于制造表面中带有凹穴的轮廓传递基板，为了补偿随后凹穴内侧上的氧化物层的生长和移除，开口106的尺寸可制造成稍小于所期望的凹穴的尺寸。可选择地，如果氧化物层不被剥离并且将被用于提供其中形成有凹穴的轮廓传递基板表面，开口106的尺寸可制造成稍大于所期望的凹穴的尺寸，以补偿凹穴内侧上的氧化物层的生长。或者，如果氧化物层被用于提供其中形成有圆顶的轮廓传递基板，开口106的尺寸可制造成稍小于所期望的圆顶的尺寸，以补偿圆顶内侧上的氧化物层的生长。

图1B中，被掩模覆盖的基板100通过掩模102的开口106暴露于各向异性蚀刻(例如，在选定温度下浸入选定浓度的氢氧化钾溶液中)，从而在基板100的顶面104中，在开口106的位置上形成了一个或多个凹穴110。

每个凹穴110都包括一个平坦的端壁112和四个平坦的侧壁114。侧壁114分别相对于与端壁112平行的平面倾斜一定角度。每个凹穴110的四个侧壁114都向凹穴110的端壁112会聚，并且分别在端壁112的各边上与端壁112接合。每个凹穴110的每一对相邻的侧壁114同样在凹穴110各边棱处接合。这时，基板100的顶面104包含了凹陷入基板100的主体的曲面部分(即，由凹穴110的侧壁114和端壁112所形成的部分)，以及曲面部分周围的平面部分116。

在一些实施例中，当凹穴110达到预定的深度(即，经过测定的凹穴110的开口所在平面与凹穴110的端壁112所在平面之间的距离)时，各向异性蚀刻将被停止。在一些实施例中，可以以时间和蚀刻深度来标定蚀刻速度，经过与期望的凹穴110的深度相对应的一段时间后，各向异性蚀刻将被停止。在一些实施例中，一种绝缘体上硅(SOI)晶片可被用来做基板100，并且当进行凹穴110的蚀刻时，SOI晶片中的氧化物层可用作蚀刻停止层。当使用SOI晶片时，在蚀刻开始前，SOI晶片的硅层可被打薄(例如通过抛光)，使其厚度与期望的凹穴110的深度相等同。

当达到期望的凹穴110的深度后，蚀刻可被停止，并且可以从基板100的顶面104上移除(例如通过蚀刻或磨光)掩模102。图1C示出了凹穴110已被形成于基板100的顶面104中之后的基板100。此时，每个凹穴110的端壁112与各侧壁114之间的相交处、每个凹穴110的每一对相邻的侧壁114之间的各相交处、以及各侧壁114与顶面104的平面部分116之间的各相交处，都是陡直过渡(与圆滑或者平滑过渡相反)。

在一些实施例中，如果在要制造的薄膜中曲面特征的不同部分之间陡直过渡是能够被接受的，则如图1C中所示的顶面104便可以用来当作轮廓传递基板表面。然而，在很多的应用中，需要的是在其各个不同小平面之间不包含陡直过渡的曲面特征。薄膜中的曲面特征的不同小平面之间的更平滑和更圆滑的过渡可以潜在地降低使用过程中的破损的可能性，并提高包含该薄膜的MEMS器件的寿命。

为了制造具有包括圆滑拐角(即，每个曲面特征中相邻小平面面之间的平滑和圆润的过渡)的曲面特征的轮廓传递基板表面，可在基板100的顶面104上形成氧化物层118，既在凹穴110内的凹穴110的侧壁114和端壁112上，也在顶面104的平面部分116上形成氧化物层118，如图1D所示。在一些实施例中，可以通过将顶面104曝露于氧化环境中(例如，富含氧的、高温的环境)，在基板100的顶面104上生长氧化物层118。氧化物层118的生长(例如，氧向基板100的顶面的注入)改变了基板100的顶面104的表面轮廓，从而使得存在于顶面104中的陡直的拐角(例如，每个凹穴110的不同的小平面之间的相交处的拐角)变得平滑和圆滑。

如图1D所示，氧化物层118已形成于基板100的顶面104上。该氧化物层118包含凹穴110内的突起部分110’，以及位于基板100的顶面104的平面部分116之上的平面部分116’。氧化物层118的每个突起或曲面部分110’包含位于相应凹穴110的侧壁114之上的侧壁部分114’，以及位于相应凹穴110的端壁112之上的端壁部分112’。

在氧化物层118的各个曲面部分110’内，各个侧壁部分114’与相邻的端壁部分112’之间的各个相交处是圆滑的。此外，曲面部分110’内每一对相邻的侧壁部分114’之间的各个相交处也是圆滑的。氧化物层118的平面部分116’与曲面部分110’之间的各个相交处也是圆滑的。

在一些实施例中，氧化物层118的顶面120(包括平面部分116’和向凹穴110突出的曲面部分110’)可被作为轮廓传递基板表面，用于制造在其中形成有凹穴的薄膜。氧化物层118的厚度可以在几微米(例如，1微米至3微米)之间。氧化物层118的曲面部分110’的深度可以在5-10微米之间，而曲面部分110’的开口的横向尺寸可以是几百微米(例如，100微米至200微米)。

在一些实施例中，可以从基板100的顶面104剥离氧化物层118。例如，可以通过简单地将图1D所示结构浸入氧化物剥离溶液(例如，稀氢氟酸(DHF)溶液)来剥离氧化物层118。如图1E所示，氧化物剥离后，基板100的顶面104被暴露出来，并且基板100的顶面轮廓在各个凹穴110的侧壁114与端壁112之间的相交处、凹穴110的相邻的侧壁114之间的相交处、以及凹穴110的侧壁114与平面部分116之间的相交处展现出圆滑的拐角。氧化物剥离后，基板100的外表面104可被作为轮廓传递基板表面，用于制造在其中形成有凹穴的薄膜，其中各凹穴110的不同小平面之间的相交处是圆滑和平滑的。

如图1F所示，氧化物被剥离后，薄材料层124被沉积在基板100的暴露顶面104上。在一些实施例中，薄材料层124可以是一层导电材料(例如，几千埃的Au，Au/W，Ir，Pt等)。该薄材料层124厚度均匀，可充当压电致动器组件的底部电极层。该薄材料层124包含位于顶面104的平面部分116之上的平面部分，以及位于顶面104中的凹穴110上的突出或曲面部分126。这样，薄材料层124成为一个包括平面部分和突出到基板100主体中的曲面部分126的薄膜。在一些实施例中，氧化物层118被剥离后，另一个氧化物层可被形成(例如，生长或沉积)于基板100的暴露的顶面104上，新形成的氧化物层是一个包括平面部分和突出到基板100主体中的曲面部分126的薄膜。新形成的氧化物层可以比氧化物层118薄，这样当新氧化物层的生长或沉积完成时，新形成的氧化物层的不同部分之间的相交处仍然是平滑和圆滑的。

薄膜124的平面部分与曲面部分126之间的各相交处顺应于顶面104中的平面部分116与凹穴110之间的圆滑的相交处，同样是平滑和圆滑的。另外，各曲面部分126的侧壁与端壁之间的各相交处，以及各曲面部分126中相邻的侧壁之间的各相交处，也是平滑和圆滑的，如同基板100的凹穴110中的相应的相交处一样。

其他材料层(未在图1F中展示)可以被沉积于第一材料层124的顶面128之上，例如压电层、顶部电极层。各种用于沉积一个或多个材料层的适当的方法可供使用。例如，底部电极层、压电层、顶部电极层分别可以通过溅射、等离子体增强汽相沉积、化学汽相沉积、物理汽相沉积等方式来沉积。不同的材料层均可以在下一个材料层被沉积于它上面前被图案化。不同的层可以形成流体喷射模块或其它MEMS器件的压电致动器组件。

在一些实施例中，基板100或至少它的一部分可以从背面被去除(例如，从基板100的底面108)，用以曝露薄膜124的曲面部分126。例如，从基板100的底面108中的薄膜124的曲面部分126的正下方的区域中移除(例如通过蚀刻)基板材料。在基板100的底面侧，空腔可被形成于基板100中。可以在该空腔内继续进行蚀刻，直到薄膜124的底面暴露出来。

如图1G所示，在一些实施例中，基板100的一部分区域被蚀刻掉以形成空腔130。空腔130的横向尺寸可小于薄膜124的整个曲面部分126的横向尺寸，这样，只有曲面部分126的下部分(例如，包括曲面部分126的端壁及侧壁上的下3/4部分)暴露于空腔130内，剩下曲面部分126的上部分嵌入基板100里，如图1G中所示。

在一些实施例中，空腔130可以具有较大的横向尺寸，并且可以通过在空腔130内进行蚀刻来暴露薄膜124的整个曲面部分126(例如，包括端壁和所有侧壁)。在一些实施例中，空腔130的横向尺寸甚至可以更大，以暴露出薄膜124的整个曲面部分126和薄膜124的平面部分中围绕曲面部分126的一部分。

虽然未在图1E至图1G中示出，但在一些实施例中，接着图1D中所示步骤剥离氧化物层118后，一个新的氧化物层可以被形成(例如，生长或沉积)在暴露的基板表面104上。新形成的氧化物层(未示出)可被作为轮廓传递基板表面，用于制造薄膜124，当在基板100的底面108中产生(例如，通过蚀刻)空腔130时，新形成的氧化物层的背面首先被暴露出来。在一些实施例中，当新形成的氧化物层的背面暴露后，蚀刻可以停止，并且被暴露的新形成的氧化物层的背面可以作为蚀刻工艺的蚀刻停止层。作为选择，蚀刻可以被继续以将空腔130的壁中的新形成的氧化物层削薄至期望的厚度。通过减小新形成的氧化物层的厚度，薄膜124(例如，底部电极层)及任何其它形成于薄膜124之上的各层(例如，压电层和顶部电极层)可以具有更好的柔性并且在压力或其它致动力(例如，驱动电压)的作用下可以更自由地变形。被打薄的、新形成的氧化物层可以保护薄膜124不被实际的MEMS器件(例如，打印头)中填入空腔130中的其它原料(例如，墨水)侵蚀或污染。在一些实施例中，新形成的氧化物层的厚度被选择为薄于氧化物层118，这样，新形成的氧化物层具有足够的易弯曲性，并且在其不同的部分之间具有充分的平滑和圆滑的相交处。在一些实施例中，新形成的氧化物层的蚀刻可以继续，直到薄膜124的背面暴露于空腔130中。在这样的实施例中，新形成的氧化物层全部被从基板100的底面108中的空腔130的各壁内的区域中移除，但是至少在基板100的平面部分与薄膜124的平面部分之间留下部分新形成的氧化物层。

图1A至图1G所描述的过程及其所形成的如图1G中所示的结构可被用于形成如图2A所示的示例流体喷射系统200a。更多关于图2A所示的示例流体喷射系统200a的细节将会在本说明书的稍后部分提供。

图1A至图1D及图1H至图1M图示了制造一个其中形成有凸形表面特征(如，圆顶)的轮廓传递基板表面，以及利用该轮廓传递基板表面制造具有凸形特征的薄膜的示例方法。

为了制造其中形成有圆顶的轮廓传递基板表面，按照上述关于图1A至图1D所述的过程，首先在基板100的平坦顶面104中形成凹穴，并在基板100的顶面104上形成氧化物层118。氧化物层118具有位于基板表面104的平面部分116之上的平面部分116’，以及位于凹穴110的侧壁114和端壁112之上的曲面部分110’(即由氧化物层118的侧壁部分114’和相邻的端壁部分112’所形成的部分)。氧化物层118的曲面部分110’突入基板100内。由于氧化物层118是厚度均匀的层，所以当另一个基板(例如，一个处理层)被附接在氧化物层118的顶面120上，并将整个结构倒置时，氧化物层118的凹形的曲面部分110’相对于新的基板主体而言将变为凸形的曲面部分。

如图1H所示，平坦的处理层132(例如，另一个硅基板)被放置在如图1D中所示的氧化物层118的顶面120上。该处理层132可以为几百微米厚(例如，150微米至600微米)。在一些实施例中，在处理层132的平坦的底面134与氧化物层118的顶面120接触前，处理层132的底面134及氧化物层118的顶面120已为接合做好了准备(例如，已清洁和抛光)。

如图1I所示，当处理层132的底面134与氧化物层118的顶面120被压在一起时，只是氧化物层118的平面部分116’与处理层132的平坦的底面134相接触。在一些实施例中，处理层132和氧化物层118被退火，这样处理层132的底面134与氧化物层118的顶面120之间的临时接合变为永久的接合，并且曲面部分110’的开口被处理层132的底面134密封。

当图1I中所示结构被翻转时，氧化物层的曲面部分110’相对于处理层132变为凸形特征。可以从背面108移除(例如，通过研磨或蚀刻)基板100，以露出被嵌入的氧化物层118的背面。暴露出的氧化物层118的背面将包括从处理层突出来的、被氧化物层118的平面部分围绕的曲面部分。

图1J显示基板100已经被移除(例如，通过研磨或蚀刻)从而之前覆盖了基板100中的凹穴110的氧化物层118从背面被暴露出来。之前被嵌入的氧化物层118的下表面现在变为被暴露出来的氧化物层118的外表面138。被暴露出来的氧化物层118包括平面部分116’及从处理层132突出来的曲面部分110”。该突出的或曲面部分110”包括平坦的端壁112’和倾斜的侧壁114’，形状为具有矩形底部的平头金字塔。氧化物层118的凹形的曲面部分110’现在变为凸形的曲面部分110”(例如，氧化物圆顶壳)。

在一些实施例中，当通过蚀刻移除基板100时，氧化物层118可以充当在移除基板100的过程中的蚀刻停止层。每个氧化物圆顶壳110”的端壁112’及侧壁114’之间的相交处、以及氧化物圆顶壳110”的相邻的侧壁114’之间的相交处是圆滑的。氧化物层118的暴露出来的外表面138可提供在其中形成有凸形表面特征(如，圆顶)的轮廓传递基板表面。

如图1K所示，薄材料层140沉积在氧化物层118的暴露出来的外表面138上(例如，至少在氧化物圆顶壳110”的区域上)。在一些实施例中，薄材料层140可以是一层导电材料(例如，几千埃的Au，Au/W，Ir，Pt等)。该薄材料层140厚度均匀，并且可充当压电致动器组件的底部电极层。该薄材料层140包含位于氧化物层118的平面部分116’之上的平面部分，以及位于氧化物层118的曲面部分110”之上的曲面部分142。这样，薄材料层140成为一个包括平面部分和从处理层132主体突出来的曲面部分142的薄膜。

薄膜140的平面部分与曲面部分142之间的相交处顺应于氧化物层118的平面部分116’与曲面部分110”之间的圆滑的相交处，同样是平滑和圆滑的。另外，薄膜140的各曲面部分142的侧壁与端壁之间的各相交处，以及各曲面部分142中相邻的侧壁之间的各相交处也是平滑和圆滑的，如同氧化物层118的曲面部分110”中的相应的相交处一样。

其他的材料层(未在图1K中示出)可以被沉积在第一材料层140的顶面之上，例如压电层、顶部电极层。各种用于沉积一个或多个材料层的适当的方法可供使用。例如，底部电极层、压电层、顶部电极层分别可以通过溅射、等离子体增强汽相沉积、化学汽相沉积、物理汽相沉积等方式来沉积。不同的材料层均可以在下一个材料层被沉积在它上面前被图案化。不同的层可以形成流体喷射单元的或其它MEMS器件的压电致动器组件。

在一些实施例中，处理层132或至少它的一部分可以从背面(即，从处理层132的与如图1H所示的表面134相对的背面)被移除，用以从背面(即，之前图1H中所示的氧化物层118的顶面120)曝露至少氧化物层118的曲面部分110”。例如，如图1L所示，从处理层132的底面中、氧化物层118的曲面部分110”(即，由侧壁114’和相邻的端壁112’形成的部分110”)的正下方的区域移除(例如，通过蚀刻)处理层材料。这样，可以在处理层132的底面侧在处理层132中形成空腔144。蚀刻可以在这个空腔144内继续，直到氧化物层118的背面(即，之前的顶面120)重新暴露或开放于空气中。

在一些实施例中，蚀刻可以被继续，直到空腔144的各壁内的氧化物层118变薄为期望的厚度。通过减少氧化物层118的厚度，薄膜140(例如，底面电极层)和形成于薄膜140之上的其它的层(例如，压电层、顶部电极层)可以拥有更好的柔性并且在压力或其它致动力(例如，驱动电压)的作用下可以更自由地变形。被打薄的氧化物层118可以防止薄膜140不会被实际的MEMS器件(例如，打印头)中填入空腔144中的其它原料(例如，墨水)侵蚀或污染。

在一些实施例中，氧化物层118的蚀刻可以被继续，直到薄膜140的背面在空腔144内被暴露出来，换言之，直到薄膜140的曲面部分142的内部的表面暴露或开放于空气中。如图1M所示，氧化物层118已经完全从处理层132的底面侧的空腔144的各侧壁内的区域中被移除。氧化物层118残留在处理层132的平面部分与薄膜140的平面部分之间。在一些实施例中，空腔144可被做得更大，可使薄膜140的全部的曲面部分142，以及薄膜140的围绕曲面部分142的一些平面部分在空腔144内被暴露并悬垂。

图1A至图1D及随后的图1H至图1M所描述的过程及其所形成的如图1M中所示的结构可被用于形成如图2B所示的示例流体喷射系统200b。更多的关于图2B所示的示例流体喷射系统200b的细节将会在本说明书的稍后部分提供。

图2A是一个可以至少部分地使用如图1A至图1G所示的进程制造的示例流体喷射系统200a的示意性截面图。如图2A所示，具有形成于其中的空腔130的基板100可以充当流体喷射系统200a的泵室层202a，空腔130可以充当流体喷射系统200a的泵室腔204a。泵室腔204a与通过另外的制造进程形成于泵室层202a的流体路径相连通。喷嘴206a形成于喷嘴层208a中，并与泵室腔204a相连通。在氧化物层118被剥离后被沉积在基板100上的多个层可以在泵室层202a上形成压电致动器组件210a。如图2A所示，这些层包括底部电极层212a、压电层214a、顶部电极层216a。这个三层中的每一个均可被图案化，以直接在每个泵室腔204a上限定各致动器单元，该致动器单元包括一个顶部电极、一个底部电极、以及压电元件。这三个层中的每一个均包括各自的突入泵室腔204a的开口内的曲面部分，其周围围绕着各自的平面部分。

虽然未在图2A中示出，在一些实施例中，如果氧化物层118被剥离后，压电致动器组件210a已经被形成于新生长或沉积于基板表面上的氧化物层之上，并且如果空腔130的各壁中的新形成的氧化物层被削薄但没有全部被移除，则在泵室腔204a的各侧壁内的区域中可以存在较小厚度的新形成的氧化物层，而在泵室腔204a以外的、泵室层202a的平面部分中仍然以它的原始厚度存在。新形成的氧化物层的曲面部分突出到泵室腔204a的孔中，支撑着沉积于该新形成的氧化物层之上的各层的曲面部分。在一些实施例中，空腔204a的各侧壁内的新形成的氧化物层可以全部被移除，而在泵室层202a的平面部分中仍然以它的原始厚度存在。在一些实施例中，新形成的氧化物层可以在所有的区域内保持它的原始厚度，它存在于压电致动器组件210a之下并支撑着压电致动器组件210a。

图2B是一个可以至少部分地使用如图1A至图1D及随后的图1H至图1M所示的进程制造的示例流体喷射系统200b的示意性截面图。如图2B所示，具有形成于其中的空腔144的氧化物层118连同处理层132可以充当流体喷射系统200b的泵室层202b，空腔144可以充当流体喷射系统200b的泵室腔204b。泵室腔204b与通过另外的制造进程形成于泵室层202b中的流体路径相连通。喷嘴206b形成于喷嘴层208b，并与泵室腔204b相连通。

被沉积于氧化物层118上的多个层可以在泵室层202b上形成压电致动器组件210b。如图2B所示，这些层包括底部电极层212b、压电层214b、顶部电极层216b。这三个层中的每一个均可被图案化，以直接在泵室腔204b上方限定各致动器单元，该致动器单元包括顶部电极、底部电极、以及压电元件。在一些实施例中，氧化物层118在所有的区域内具有均匀的厚度。在一些实施例中，泵室腔204b的各侧壁的区域内的氧化物层118被削薄了，而在泵室腔204b外的部分仍然拥有它的原始厚度。在一些实施例中，泵室腔204b的各侧壁内的氧化物层118可以全部被移除，而在泵室腔204b以外的部分仍然拥有它的原始厚度。

尽管上述例子是从制造用于流体喷射系统的压电致动器组件的过程的方面描述的，但是该过程可以用于制造其它包括具有曲面特征或曲面特征阵列的薄膜的MEMS器件。

在整个说明书和权利要求中，诸如“前面”、“背面”、“顶面”、“底面”、“背面”“在…的上面”、“在…正上方”、“在…下面”的术语的使用是为了阐述系统的若干组件之间的相对位置及方向。这些术语的使用不表明该结构的方向是特定的。同样，任何用以描述元件的水平的或垂直的术语的使用只是涉及所描述的该实施例。在其它实施例中，同样或类似的元件可视情况定向，而不是水平地或垂直地。

Claims (21)

1.一种用于形成具有曲面特征的薄膜的方法，包括：

对半导体基板的顶面进行氧化，以形成一个氧化物层，该半导体基板的顶面具有形成于其中的凹穴，该凹穴具有一个平坦的端壁和多个与端壁邻接的平坦倾斜侧壁，所述氧化物层包括凹穴端壁上的第一部分、凹穴倾斜侧壁上的第二部分、以及半导体基板顶面上位于半导体基板顶面中的凹穴开口周围的平面第三部分；

剥离所述氧化物层的第一部分、第二部分和第三部分，以分别在凹穴的端壁和各倾斜侧壁之间、以及凹穴的相邻的侧壁之间留下圆滑的相交处；

在剥离所述氧化物层后，在半导体基板的顶面上沉积第一材料层，所述第一材料层至少覆盖凹穴的端壁和多个倾斜的侧壁以及各个圆滑的相交处；以及

从半导体基板的底面移除至少一部分半导体基板，以至少露出之前覆盖凹穴的端壁和与端壁邻接的各侧壁的下部的区域中的第一材料层的底面。

2.如权利要求1所述的方法，还包括：

通过掩膜来使用各向异性蚀刻剂蚀刻半导体基板顶面中的凹穴。

3.如权利要求2所述的方法，还包括：

在所述蚀刻之前，在半导体基板顶面上形成掩膜，该掩膜具有一个开口，半导体基板顶面通过该开口被暴露出来，并且所述掩膜中的开口具有多个直边。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述掩膜中的开口为矩形形状。

5.如权利要求2所述的方法，其中所述各向异性蚀刻剂为氢氧化钾。

6.一种用于形成具有曲面特征的薄膜的方法，包括：

对半导体基板的顶面进行氧化，以形成氧化物层，该半导体基板的顶面具有形成于其中的凹穴，该凹穴具有平坦的端壁和多个与端壁邻接的平坦倾斜侧壁，所述氧化物层包括凹穴端壁上的第一部分、凹穴倾斜侧壁上的第二部分、以及半导体基板顶面上位于半导体基板顶面中的凹穴开口周围的平面第三部分；

在氧化物层的第一侧接合处理层，该处理层与氧化物层的第三部分相接触并且与氧化物层的第一部分不接触；

移除至少一部分半导体基板，以在氧化物层的第一部分以及与第一部分相邻的第二部分中的至少一部分的区域中露出氧化物层的与第一侧相反的第二侧，以便露出凹穴的端壁和各倾斜侧壁之间的各个圆滑的相交处、以及凹穴的相邻侧壁之间的各个圆滑的相交处；

在氧化物层的第二侧、至少在氧化物层的第一部分以及至少部分第二部分上沉积第一材料层；

在沉积了第一材料层后，移除至少部分处理层，以使在氧化物层的第一侧的至少氧化物层的第一部分和第二部分重新暴露出来；以及

在移除至少部分处理层后，至少移除氧化物层的第一部分和至少一部分氧化物层的第二部分，以露出之前沉积于氧化物层被移除部分之上的一部分第一材料层。

7.如权利要求6所述的方法，还包括：

通过掩膜来使用各向异性蚀刻剂时刻半导体基板顶面中的凹穴。

8.如权利要求7所述的方法，还包括：

在蚀刻之前，在半导体基板顶面上形成掩膜，该掩膜具有开口，半导体基板顶面通过该开口暴露出来，掩膜中的开口具有多个直边。

9.如权利要求8所述的方法，其中掩膜中的开口是矩形形状的。

10.如权利要求7所述的方法，其中各向异性蚀刻剂为氢氧化钾。

11.一种器件，包括：

基底晶片；以及

附接于该基底晶片顶面上的薄膜，其中该薄膜是一个连续的层，并且包括平面部分和从该平面部分突出的曲面部分，该曲面部分包括与衬底顶面平行的平坦端壁和与端壁邻接的、多个平坦倾斜的侧壁，端壁与各倾斜的侧壁之间的各相交处、每一对邻接的侧壁之间的各相交处都是圆滑的。

12.如权利要求11所述的器件，其中曲面部分从基底晶片突出来。

13.如权利要求11所述的器件，其中基底晶片包括孔，并且曲面部分突出到基底晶片中的孔中。

14.如权利要求11所述的器件，其中薄膜是氧化硅薄膜。

15.如权利要求11所述的器件，其中所述曲面部分的高度在5微米至10微米之间。

16.如权利要求11所述的器件，其中所述曲面部分的横向尺寸在100微米至200微米之间。

17.如权利要求11所述的器件，其中所述薄膜的厚度在1微米至3微米之间。

18.如权利要求11所述的器件，还包括：

压电致动器组件，其形成于薄膜顶面上，该压电致动器组件包括曲面部分，其轮廓与薄膜的曲面部分一致。

19.如权利要求18所述的器件，其中压电致动器组件包括导电参考电极层、导电驱动电极层、以及位于导电参考电极层和导电驱动电极层之间的溅射压电层。

20.如权利要求11所述的器件，其中所述薄膜厚度实质上均匀。

21.如权利要求11所述的器件，其中所述曲面部分的至少一部分比所述薄膜的平面部分薄。