CN102730633B - 用于制造具有弯曲特征的薄膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于制造具有弯曲特征的薄膜的方法。通过将薄膜真空接合至衬底的顶表面来创建具有弯曲特征的轮廓传递衬底表面，其中所述顶表面中形成有空穴。将薄膜的表面暴露至流体压力，以使得薄膜变形并且薄膜的下表面与空穴的底部接触。可以通过对薄膜与衬底之间的接合区域进行退火处理来使变形薄膜中形成的弯曲特征变得永久。薄膜的暴露表面上沉积的均匀材料层将在薄膜弯曲进空穴的位置处包括弯曲特征。在薄膜上已经均匀沉积了至少一层材料之后，从底部蚀刻开空穴，以从下方移除薄膜。

Description

用于制造具有弯曲特征的薄膜的方法
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(pumpingchamber)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(handlelayer)，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。
在一些实现方式中，所述方法还包括：在沉积了第二薄膜层之后，移除多个空穴的底表面，以打开多个真空腔，并且暴露多个空穴的各侧壁内区域中的第一薄膜层的第一表面。
在一些实现方式中，移除多个空穴的底表面还包括：至少蚀刻多个空穴的各侧壁内区域中的第一衬底的第二表面，以使得多个真空腔被打开，并且使得第一薄膜层的第一表面暴露在多个空穴的各侧壁内的区域中，其中第一薄膜层的暴露的第一表面用作蚀刻的蚀刻停止层。
在一些实现方式中，所述方法还包括：移除多个空穴的侧壁内区域中的第一薄膜层，以暴露第二薄膜层的弯曲部分，同时在移除第一薄膜层期间和移除第一薄膜层之后，第二薄膜层的弯曲部分保留弯曲。
在一些实现方式中，移除多个空穴的各侧壁内区域中的第一薄膜层还包括：蚀刻多个空穴的各侧壁内区域中的第一薄膜层，以暴露第二薄膜层的弯曲部分，其中第二薄膜层的暴露的弯曲部分用作蚀刻停止层，而第一衬底用作蚀刻掩模。
在一些实现方式中，所述方法还包括：通过图案化的光致抗蚀剂层来选择性地蚀刻第一衬底的第一表面以形成多个空穴，图案化的光致抗蚀剂层分别限定了多个空穴的横向尺寸和位置；以及在多个空穴达到预定深度之后，从第一衬底的第一表面移除图案化的光致抗蚀剂层。
在一些实现方式中，选择性蚀刻为干法蚀刻。
在一些实现方式中，多个空穴的各个底表面足够光滑从而能够与另一衬底接合。
在一些实现方式中，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的操作还包括：在硅衬底上形成氧化物或氮化物层；以及在真空环境中将氧化物或氮化物层的暴露表面接合至第一衬底的第一表面。
在一些实现方式中，所述方法还包括在第一衬底的第一表面中形成多个空穴。
在一些实现方式中，将第一薄膜层的第二表面暴露至流体压力的操作包括：将第一薄膜层的第二表面暴露至大气压力。
在一些实现方式中，多个空穴具有5-15微米的深度。
在一些实现方式中，多个空穴分别具有150-200微米的横向尺寸。
在一些实现方式中，第一薄膜层具有1-2微米的厚度。
通常，另一方面，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一个空穴，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，以及第一薄膜层的第一表面对空穴进行密封，以在真空接合完成处形成真空腔；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空穴上方的区域中弯曲，并且在接触位置处与空穴的底表面接触；对第一薄膜层和第一衬底进行退火处理，以在第一薄膜层与第一衬底之间的接触位置处形成永久接合；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，并且在空穴之上区域中包括弯曲部分；以及在沉积了第二薄膜层之后，移除空穴的底表面，以打开真空腔，并且暴露空穴侧壁内区域中的第一薄膜层的第一表面。
通常，另一方面，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一个空穴；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，以及第一薄膜层的第一表面对空穴进行密封，以在真空接合完成时形成真空腔；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空穴上方的区域中弯曲；在第一薄膜层的第二表面上沉积第二薄膜层，同时将第一薄膜层的第二表面暴露至流体压力，以使得第二薄膜层与第一薄膜层的第二表面一致，并且包括空穴之上区域中的弯曲部分；以及在沉积了第二薄膜层之后，移除空穴的底表面，以打开真空腔，并且暴露空穴侧壁内区域中的第一薄膜层的第一表面。
在一些实现方式中，移除空穴的底表面的操作还包括：至少蚀刻空穴侧壁内区域中的第一衬底的第二表面，以使得真空腔被打开，并且第一薄膜层的第一表面暴露在空穴侧壁内的区域中，其中第一薄膜层的暴露的第一表面用作蚀刻的蚀刻停止层。
在一些实现方式中，所述方法还包括：移除空穴侧壁内区域中的第一薄膜层，以暴露第二薄膜层的弯曲部分，同时在移除第一薄膜层期间或移除第一薄膜层之后，第二薄膜层的弯曲部分保持弯曲。
在一些实现方式中，移除空穴的侧壁内区域中的第一薄膜层的操作还包括：蚀刻空穴侧壁内区域中的第一薄膜层，以暴露第二薄膜层的弯曲部分，其中第二薄膜层的暴露的弯曲部分用作蚀刻停止层，而第一衬底用作蚀刻掩模。
本说明书中描述的主题的具体实现方式可以实现以下优点中的一个或多个。
具有弯曲特征的轮廓传递衬底表面可以通过一系列MEMS制造工艺形成。轮廓传递衬底表面中形成的弯曲特征的大小、形状、和位置均匀并且可控。另外，轮廓传递衬底表面中弯曲特征的密度可以高于注模法或机械手段所能够实现的密度。通过使用根据本说明书中所公开的方法产生的轮廓传递衬底表面，可以在轮廓传递衬底表面上形成各种材料的薄膜，其中每个薄膜也呈现与轮廓传递衬底表面中存在的弯曲特征一致的弯曲特征，并且薄膜中的弯曲特征也具有很好控制的大小、形状、位置、和高密度。
另外，提供轮廓传递衬底表面的薄膜随后可以被移除，而不影响在其移除之前已经沉积在薄膜上的材料层中所形成的弯曲特征。与通过注模法或机械手段可实现的结构相比较，通过在轮廓传递衬底表面上沉积材料而形成的薄膜的粒状结构(诸如通过溅镀沉积的压电薄膜)可以在大小、形状、和分布上更为均匀，并且可以更一致地对齐。更均匀并且更对齐的粒状结构有助于提高薄膜在重复致动期间的寿命。
本说明书中描述的工艺可以用来形成持久耐用、高效、紧凑、和高分辨率的集成压电致动器组件，或者用来形成包括弯曲压电元件的压电变换器阵列。
本说明书中描述的主题的一种或多种实现的细节在附图和以下描述中阐明。所述主题的其他特征、方面、和优点根据以下的描述、附图、和权利要求书而变得明显。
附图说明
图1A至图1G示出了用于形成具有弯曲特征的薄膜的工艺示例。
图2是具有弯曲压电致动器的示例流体喷射模块中的打印头模具的示意截面视图。
为了更好地示出工艺步骤和结果，放大了许多层和特征。附图中，相同或相似的参考标号和命名表示相同或相似的元件。
具体实施方式
可以利用包括使用MEMS工艺技术制造的模具的打印头模块来实现流体滴喷射。打印头模具包括其中形成有多个微制造流体流道的衬底、以及衬底上的使流体从连接到流道的喷嘴选择性地喷射的多个致动器。每个流道连同与其相关联的致动器提供一个单独可控的MEMS流体喷射单元，而多个致动器形成一个致动器组件。
可以使用具有弯曲表面特征(例如，平面衬底表面中的凹部或凹陷)的轮廓传递衬底来形成具有弯曲压电薄膜的MEMS致动器。因此，可以使用具有弯曲表面特征阵列(例如，平面衬底表面中的凹部或凹陷阵列)的轮廓传递衬底来形成具有致动器阵列的致动器组件。在从弯曲压电薄膜下方移除轮廓传递衬底之前，至少在轮廓传递衬底表面的弯曲部分上沉积(例如，溅镀)用于压电致动器的压电材料。不限于任何特定原理，所产生的弯曲压电薄膜可以包括粒状结构，其在弯曲部分和围绕弯曲部分的任意平面部分中为柱状并且对齐，所有或基本所有柱状粒都局部垂直于压电薄膜的表面。
可以使用不同的工艺在轮廓传递衬底表面上形成弯曲特征。如本说明书中所描述，使用薄膜来提供具有弯曲特征的轮廓传递衬底表面。当在轮廓传递衬底表面上均匀沉积了一薄层材料时，该材料薄层采用与轮廓传递衬底表面的轮廓一致的表面特征。因此，该材料薄层形成新薄膜，其具有与轮廓传递衬底表面的弯曲特征一致的弯曲特征。
提供轮廓传递衬底表面的薄膜随后可以从新薄膜的至少弯曲部分内的新薄膜下方移除，而新薄膜的弯曲特征保持悬垂和自由偏斜。沉积在轮廓传递衬底表面上的第一材料薄层可以为压电致动器组件的底电极层。可以在第一材料薄层上顺序沉积其他材料层(例如，压电层和顶电极层)，每层采用与该层紧接的下一层的弯曲特征一致的弯曲表面特征。
图1A至图1G示出了用于使用第一薄膜提供弯曲轮廓传递衬底表面、以及基于弯曲轮廓传递衬底表面形成具有弯曲特征的第二薄膜的示例工艺。
首先，使用第一薄膜创建具有弯曲表面特征的轮廓传递衬底表面。如图1A中所示，制备具有多个空穴104的衬底102。衬底102可以为具有平面顶表面106的半导体衬底(诸如硅衬底)。多个空穴104例如通过蚀刻形成在衬底102的平面顶表面106中。例如，可以使用各向异性蚀刻(例如，等离子体干法蚀刻)来创建具有直侧壁的平底凹部。
空穴的位置、大小、和形状分别基于轮廓传递衬底表面所期望的、以及随后沉积在轮廓传递衬底表面上的一个或多个材料层最终所期望的弯曲特征(例如，凹陷)各自的位置、大小、和形状而被预先确定。
例如，如果期望其中形成有弯曲特征矩形阵列的压电层，则需要具有弯曲特征矩形阵列的轮廓传递衬底表面，因此，应该在衬底102的顶表面106中形成空穴矩形阵列。类似地，如果期望其中形成有弯曲特征平行四边形阵列的压电层，则应该在衬底102的顶表面106中形成空穴平行四边形阵列。其他总体形状的弯曲特征阵列也是可行的。阵列中各空穴的位置以类似方式基于阵列中各弯曲特征的位置而确定。
除了空穴阵列的总体形状和各空穴的位置之外，衬底102的顶表面106中空穴的开口形状基于各弯曲特征的期望横向形状而确定。因此，如果压电薄膜中期望圆形凹陷，则空穴的开口也应该为圆形。类似地，如果压电薄膜中期望具有弯曲侧壁的方形凹陷，则空穴的开口应该为方形；以此类推。空穴开口的横向尺寸(例如，柱状空穴的半径)应该大致等于将要沉积在轮廓传递衬底表面上的层中期望的弯曲特征的横向尺寸(例如，圆形凹陷的半径)。可以对空穴开口的横向尺寸进行调整，以适应由于形成在空穴开口上的不同层的厚度而产生的各种变化。
每个空穴的纵横比(即，空穴横向尺寸与空穴深度之比)应该根据将要形成在薄膜(将要沉积在轮廓传递衬底表面上的导电薄膜)中的弯曲特征(例如，凹陷)的期望深度和横向尺寸而确定。以下将关于图1D来更详细地描述空穴的纵横比和深度。
在形成衬底102的顶表面106中的空穴104的示例工艺中，可以在顶表面106上沉积光致抗蚀剂层。对光致抗蚀剂层进行图案化，以限定空穴开口的位置、横向形状、和尺寸。然后，将顶表面106暴露至干法蚀刻或湿法蚀刻处理中的蚀刻剂，从而通过图案化的光致抗蚀剂在衬底表面106中形成空穴104。在一些实现中，蚀刻是各向异性处理，其中形成在衬底102的顶表面106中的空穴具有直侧壁和平底表面，如图1A中所示。该示例中，已经创建了直壁凹部。但是，在一些实现中，所得到的空穴可以具有斜侧壁，斜侧壁会聚至平底上。在空穴104在衬底102中达到预定深度之后，可以停止蚀刻。可替换地，衬底102可以包括嵌入的蚀刻停止层，并且蚀刻可以进行到蚀刻停止层被暴露为止。光致抗蚀剂可以被剥离，以重新暴露此时其中已形成有多个空穴104的衬底102的顶表面106。
在一些实现中，还对衬底102的顶表面106进行处理以使其足够光滑来随后与另一衬底表面接合。如果空穴形成之后所得到的表面足够光滑，则无需附加处理来使其进一步光滑。
在衬底102的第一表面106中形成多个空穴104之后，将第一薄膜真空接合至衬底102的顶表面106，以使得第一薄膜的底表面对衬底102的顶表面106中的空穴104进行密封，以形成多个真空腔。在第一薄膜中创建弯曲表面特征之后，第一薄膜的顶表面将用来提供具有弯曲表面特征的轮廓传递衬底表面。
在一些实现中，如图1B中所示，具有薄膜层110和附着至薄膜层110的处理层112的衬底108可以真空接合至衬底102的顶表面106。例如，薄膜层110的底表面114可以在真空环境中通过粘结来接合至衬底102的顶表面106。可替换地，薄膜层110的底表面114可以在真空环境中压在衬底102的顶表面106上以形成临时接合。然后，对整个结构进行退火处理，以在薄膜层110的底表面114与衬底102的顶表面106之间的两个表面接触的区域中形成永久接合。真空接合之后，空穴104被薄膜层110的底表面114密封为真空的。
在薄膜层110的底表面114真空接合至衬底102的顶表面106之后，可以移除衬底108的处理层112，以暴露薄膜层110的顶表面116。可以使用各种方法(诸如磨、抛光、和蚀刻)来移除处理层112。图1C示出了移除衬底108的处理层112之后暴露了薄膜层110的顶表面116的结构。
在一些实现中，可以通过使用氧化物(例如，SiO2)或氮化物(例如，SiN2)沉积处理涂覆硅衬底来形成衬底108。可替换地，可以通过将硅衬底暴露至氧气或氮气环境来生长氧化物或氮化物层。根据任意处理得到的氧化物或氮化物层可以用作薄膜层110，并且氧化物或氮化物层下方的其余衬底可以用作处理层112。
薄膜层110的厚度被选择为足够薄，以在流体压力(例如，大气压力、液体压力、或气体压力)下弯曲并且与空穴104的底表面接触而不会断裂。在一些实现中，对于空穴开口为100-300微米(例如，170微米)宽和5-15微米(例如，10微米)深的空穴，薄膜层110约为1-2微米(例如，1微米或2微米)厚。处理层112的厚度可以为几百微米，例如200微米至600微米。
图1D示出了例如在从真空环境中移除了具有真空接合薄膜110的衬底102之后当薄膜层110的顶表面116暴露至流体压力(例如，大气压力)时弯曲进多个空穴的薄膜层110。在一些实现中，如果薄膜层110的弯曲量不足以使薄膜层110的底表面114与空穴104的底表面接触并且形成足够大的接触面积，则可以稍微增大外部流体压力以进一步将薄膜110压入空穴。
薄膜层110可以被推进空穴104中的程度还取决于空穴开口的大小和形状以及空穴104的深度。薄膜层110的材料属性(例如，易弯曲性和柔性)以及薄膜层110的厚度也影响薄膜层110可以被推进空穴104中的程度以及薄膜层110可以与空穴104的底表面接触的程度。
当薄膜层110通过外部流体压力而推压至空穴104的底表面时，在空穴104位置处形成在薄膜层110中的每个弯曲特征118(例如，凹陷)在中间处具有平坦部分，并且该平坦部分小于弯曲特征118的整个横向大小。换句话说，每个弯曲特征118包括从宽开口朝向较小平底逐渐会聚的侧表面，如图1D中所示。
在一些实现中，图1D中所示的结构可以用作轮廓传递衬底来形成随后的具有与薄膜层110的顶表面116一致的弯曲特征(例如，凹陷)的材料层。但是，在薄膜层110的底表面114与空穴104的底表面之间的两个表面的接触位置处形成永久接合之前，如果随后的工艺步骤将要在真空中执行，则薄膜层110将恢复为其原始的平面形状。
因此，在一些实现中，在高温下对图1D中所示的结构进行退火处理，同时将薄膜层110的顶表面116暴露至流体压力(例如，大气压力)，并且同时在薄膜层110的底表面114与空穴104的底表面之间的各个接触位置处使薄膜层110的底表面114挤压空穴104的底表面。当薄膜层110的底表面114与空穴104的底表面之间的接合通过退火处理而变得永久时，形成在薄膜层110中的弯曲特征118将保持，即使随后的工艺步骤在低压或真空环境中执行。然后，薄膜层110的顶表面116可以用作轮廓传递衬底表面，随后其上可以均匀沉积一个或多个材料层，并且随后的材料层将包括与形成在轮廓传递衬底表面中的弯曲特征一致的弯曲特征(例如，凹陷)。
如图1E中所示，在薄膜层110的暴露的顶表面116上沉积导电材料层120(例如，几千埃的Au、Au/W、Ir、或Pt等)。导电材料层120具有均匀的厚度，并且可以用作压电致动器组件的底电极层。导电材料层120包括与薄膜110的顶表面116所提供的轮廓传递衬底表面一致的弯曲部分122。导电材料层120可选地还包括围绕弯曲部分122的平面部分。
可以在第一材料层120上沉积其他材料层(图1E中没有示出)，例如压电层和顶电极层。可以使用各种适当方法来沉积一个或多个材料层。例如，底电极层、压电层、和顶电极层均可以通过溅镀、等离子体增强气相沉积、化学气相沉积、或物理气相沉积等来沉积。在不同材料层上沉积下一材料层之前，可以对这些不同材料层进行图案化。不同层可以形成流体喷射模块的压电致动器组件或者其他MEMS器件，诸如超声变换器。
在一些实现中，在至少已将第一材料层(例如，第一材料层120)沉积在薄膜层110的顶表面116上之后，薄膜层110或其至少一部分可以从空穴104侧壁内的后方移除。在一些实现中，在移除薄膜层110之前，在空腔104内沉积更多层。如图1F中所示，首先，例如通过磨削、抛光、或蚀刻从衬底102的后方移除材料，直到移除空穴104的底表面并且空穴104从底部打开为止。此时，薄膜层110的底表面114暴露在空穴104的侧壁内区域中。
不限于任何特定原理，即使在薄膜层110与空穴的底表面之间的永久接合不再存在之后，薄膜层110的弯曲部分和沉积在薄膜层110上的层的弯曲部分也保留。薄膜层110以及沉积在薄膜层110上的其他层中的弯曲特征将保留，而与随后的工艺发生在真空还是非真空环境中无关。
在空穴104从底部打开并且薄膜层110的底表面114暴露在空穴104的侧壁内区域中之后，可以从薄膜层110的底表面114移除材料以暴露沉积在薄膜层110的顶表面116上的第一材料层120的底表面。在一些实现中，可以使用衬底102和空穴104的底部开口作为掩模，通过各向异性蚀刻来移除薄膜层110的材料。
图1G示出了已经完全蚀刻掉空穴104侧壁内的薄膜层110以及第一材料层120的底表面已经暴露在空穴104侧壁内所得到的结构。薄膜层110的平面部分保留在空穴104侧壁外的区域中，位于衬底102上方并且位于沉积在薄膜层110的第一材料层120的平面部分下方。在一些实现中，一薄层薄膜层110可以保留，并且用作随后的工艺步骤中沉积在薄膜层110上的第一材料层120的保护层。在一些实现中，整个薄膜层110可以保留在沉积在薄膜层110上的第一材料层120的下方。
图2是可以至少部分使用图1A至图1G中所示工艺来形成的示例流体喷射系统200的示意图。如图2中所示，保留的薄膜层110连同其中形成有空穴104的衬底102可以用作流体喷射系统200的增压室层202，并且空穴104可以用作流体喷射系统200的增压室空穴204。增压室空穴204连接到已经在不同工艺中形成在增压室层202中的流道。喷嘴206形成在喷嘴层208中，并且连接到增压室空穴204。沉积在薄膜层110上的多个层可以形成增压室层202上的压电致动器组件210。如图2中所示，这些层包括底电极层212、压电层214、和顶电极层216。可以对这三个层中的每一个进行图案化，以限定每个增压室空穴204正上方的包括顶电极、底电极、和压电元件的各致动器单元。如图2中所示，薄膜层110已经从增压室空穴204的侧壁内移除，但是仍然存在于增压室空穴204外部的增压室层202的平面部分中。
尽管上述示例关于制造流体喷射系统的压电致动器组件的工艺而描述，但是该工艺可以用于制造包括具有弯曲特征或弯曲特征阵列的薄膜的其他MEMS器件。
说明书和权利要求中对术语“前”、“后”、“顶”、“底”、“上”、“上方”、“下方”等的使用是为了示出系统各组件的相对位置或方位。这些术语的使用不表示结构的特定方位。类似地，用来描述元件的任意水平或竖直术语的使用与所描述的实现方式有关。在其他实现中，相同或类似的元件可以定位为除了水平或竖直之外的任意可能的情况。

Claims (23)

1.一种用于制造具有弯曲特征的薄膜的方法，包括：
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，以及第一薄膜层的第一表面对多个空穴进行密封，以在真空接合完成时形成多个真空腔；
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方的区域中弯曲，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。
2.如权利要求1所述的方法，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的区域中包括的多个弯曲部分。
3.如权利要求2所述的方法，其中：
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。
4.如权利要求3所述的方法，其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。
5.如权利要求2所述的方法，其中沉积在退火处理之后执行。
6.如权利要求2所述的方法，还包括：
在沉积了第二薄膜层之后，移除多个空穴的底表面，以打开多个真空腔，并且暴露多个空穴的各侧壁内区域中的第一薄膜层的第一表面。
7.如权利要求6所述的方法，其中移除多个空穴的底表面还包括：
至少蚀刻多个空穴的各侧壁内区域中的第一衬底的第二表面，以使得多个真空腔被打开，并且使得第一薄膜层的第一表面暴露在多个空穴的各侧壁内的区域中，其中第一薄膜层的暴露的第一表面用作蚀刻的蚀刻停止层。
8.如权利要求6所述的方法，还包括：
移除多个空穴的侧壁内区域中的第一薄膜层，以暴露第二薄膜层的弯曲部分，同时在移除第一薄膜层期间和移除第一薄膜层之后，第二薄膜层的弯曲部分保留弯曲。
9.如权利要求8所述的方法，其中移除多个空穴的各侧壁内区域中的第一薄膜层还包括：
蚀刻多个空穴的各侧壁内区域中的第一薄膜层，以暴露第二薄膜层的弯曲部分，其中第二薄膜层的暴露的弯曲部分用作蚀刻停止层，而第一衬底用作蚀刻掩模。
10.如权利要求1所述的方法，还包括：
通过图案化的光致抗蚀剂层来选择性地蚀刻第一衬底的第一表面以形成多个空穴，图案化的光致抗蚀剂层分别限定了多个空穴的横向尺寸和位置；以及
在多个空穴达到预定深度之后，从第一衬底的第一表面移除图案化的光致抗蚀剂层。
11.如权利要求10所述的方法，其中选择性蚀刻为干法蚀刻。
12.如权利要求10所述的方法，其中多个空穴的各个底表面足够光滑从而能够与另一衬底接合。
13.如权利要求1所述的方法，其中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还包括：
在硅衬底上形成氧化物或氮化物层；以及
在真空环境中将氧化物或氮化物层的暴露表面接合至第一衬底的第一表面。
14.如权利要求1所述的方法，还包括：
在第一衬底的第一表面中形成多个空穴。
15.如权利要求1所述的方法，其中将第一薄膜层的第二表面暴露至流体压力包括：
将第一薄膜层的第二表面暴露至大气压力。
16.如权利要求1所述的方法，其中多个空穴具有5-15微米的深度。
17.如权利要求1所述的方法，其中多个空穴分别具有150-200微米的横向尺寸。
18.如权利要求1所述的方法，其中第一薄膜层具有1-2微米的厚度。
19.一种用于制造具有弯曲特征的薄膜的方法，包括：
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一个空穴，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，以及第一薄膜层的第一表面对空穴进行密封，以在真空接合完成时形成真空腔；
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空穴上方的区域中弯曲，并且在接触位置处与空穴的底表面接触；
对第一薄膜层和第一衬底进行退火处理，以在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，并且包括空穴上方的区域中的弯曲部分；以及
在沉积了第二薄膜层之后，移除空穴的底表面，以打开真空腔，并且暴露空穴侧壁内区域中的第一薄膜层的第一表面。
20.一种用于制造具有弯曲特征的薄膜的方法，包括：
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一个空穴，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，以及第一薄膜层的第一表面对空穴进行密封，以在真空接合完成时形成真空腔；
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空穴上方的区域中弯曲；
在第一薄膜层的第二表面上沉积第二薄膜层，同时将第一薄膜层的第二表面暴露至流体压力，以使得第二薄膜层与第一薄膜层的第二表面一致，并且包括空穴上方的区域中的弯曲部分；以及
在沉积了第二薄膜层之后，移除空穴的底表面，以打开真空腔，并且暴露空穴侧壁内区域中的第一薄膜层的第一表面。
21.如权利要求20所述的方法，其中移除空穴的底表面还包括：
至少蚀刻空穴侧壁内区域中的第一衬底的第二表面，以使得真空腔被打开，并且第一薄膜层的第一表面暴露在空穴侧壁内的区域中，其中第一薄膜层的暴露的第一表面用作蚀刻的蚀刻停止层。
22.如权利要求20所述的方法，还包括：
移除空穴侧壁内区域中的第一薄膜层，以暴露第二薄膜层的弯曲部分，同时在移除第一薄膜层期间或移除第一薄膜层之后，第二薄膜层的弯曲部分保留弯曲。
23.如权利要求22所述的方法，其中移除空穴的侧壁内区域中的第一薄膜层还包括：
蚀刻空穴侧壁内区域中的第一薄膜层，以暴露第二薄膜层的弯曲部分，其中第二薄膜层的暴露的弯曲部分用作蚀刻停止层，而第一衬底用作蚀刻掩模。
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