JP2008247031A - 高密度プリントヘッドのためのリリースフリー薄膜製造法を用いた高度集積ウェハ結合ｍｅｍｓデバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】インクジェットプリントヘッドにおいてウェハを一緒に接合する前に、静電薄膜および駆動電極が別個のウェハ上に製造されるＭＥＭＳ静電型インクジェットプリントヘッドを提供する。
【解決手段】ドライバコンポーネント１１０と、ドライバコンポーネント１１０とは別個に製造され、開口のない流体薄膜を含んだＭＥＭＳコンポーネント１１２と、ドライバコンポーネント１１０およびＭＥＭＳコンポーネント１１２を作動的に接合する結合フィーチャ３３２と、ＭＥＭＳコンポーネント１１２に取り付けられたノズルプレート１１４を備えるＭＥＭＳ型インクジェットプリントヘッドである。
【選択図】図１Ａ
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【選択図】図１Ａ
Description
本発明は一般に、ドライバ基板およびマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）薄膜の集積化に関し、さらに具体的には、これらのコンポーネントをＭＥＭＳ型インクジェット印刷ヘッドに集積化することに関する。
従来、ＭＥＭＳインクジェットプリントヘッドの製造は、まさにコンポーネントが接合されるという点で問題を呈した。特に、ＭＥＭＳインクジェットプリントヘッドはＭＥＭＳ薄膜デバイスおよびドライバ基板を組み込み、これら各々は互いに対して有害になり得るプロセスを用いて形成される。
従来のＭＥＭＳ薄膜デバイスは、薄膜表面マイクロマシニング技術を用いて製造可能である。例えば、シリコンガラス犠牲層の上にポリシリコン層を堆積させ、犠牲層に多数のエッチング孔を溶解して薄膜の下にエッチング剤を流れさせる。このエッチング工程はマイクロ電子部品の必要なパッシベーションに影響を及ぼすことがあり、場合によっては、デバイスの動作不良を防止するために、エッチング剤を放出した後で必要な孔を気密封止する必要がある。この強力な化学的エッチングは一般にフッ化水素酸（ＨＦ）を用いて行われ、これは設計者の材料選択を制限する。さらに、化学的エッチングを用いることにより、ＭＥＭＳデバイスと従来のマイクロ電子部品、例えばＭＥＭＳインクジェットプリンタヘッドに用いられる基板ドライバとの集積化が複雑になる。また、リリースされるデバイスを従来のマイクロ電子技術を用いて加工することが難しくなることがあり、歩留りが低下したり、設計の選択肢が制限されたりすることになる。
ＣＭＯＳデバイスとして設計される従来の回路ドライバ基板は一般に、トランスデューサを駆動するためおよび入力／出力ラインを低減するために採用される。これらは酸化シリコンでパッシベーションされた複雑な薄膜アセンブリになることがある。このタイプのデバイスをＨＦなどの強力なエッチング剤に曝露させると、もはや機能しなくなる恐れがある。これらのパッシベーション層を保護するために諸ステップを講じることができるが、他のＭＥＭＳプロセス、特に、ポリシリコンの堆積およびアニーリングなどの高温プロセスはトランジスタ回路の動作に悪影響を及ぼすことがある。この悪影響はまた、マイクロ電子層を追加することの相乗効果によってさらに増大される。したがって、ＣＭＯＳおよびＭＥＭＳの集積化には問題がある。
図４Ａおよび４Ｂは公知のＭＥＭＳ型インクジェットプリントヘッドのいくつかの基本的なフィーチャを示しており、公知のヘッドと例示的な実施形態のヘッドとの違いを説明するために提供されている。
ＭＥＭＳインクジェットプリントヘッドの公知のポリシリコン薄膜設計では、より大型でより複雑な構造体４１０が隣接する薄膜４２０間に用いられる。これらの構造体は、薄膜中のフッ化水素酸エッチング放出用孔４３０を密封するためおよび薄膜間の許容差調節のために用いられる。本明細書に記載の例示的な実施形態では、より薄くあまり複雑ではない流体壁を形成可能であり、薄膜構造体に孔は存在しない。
プリントヘッドデバイスを形成するためには、孔のない薄膜は非常に小さくて、非常に高密度なものでなければならない。１インチ（２．５４ｃｍ）当たり６００個のノズルにするためには、プリントヘッドは４２．４５μｍの間隔を有さなければならない。この間隔では各射出ノズルの間の層の密封および整列のための余地は残らないことになる。
このため、先行技術のこれらの問題および他の問題を克服するとともに、インクジェットプリントヘッドにおいてウェハを一緒に接合する前に、静電薄膜および駆動電極が別個のウェハ上に製造されるＭＥＭＳ静電型インクジェットプリントヘッドのための方法および装置を提供する必要がある。
本教示によれば、ＭＥＭＳインクジェット型プリントヘッドを製造する方法が提供される。
この例示的な方法には、ドライバコンポーネントを提供するステップと、犠牲層を除去する酸性エッチング剤を用いずに形成された作動可能薄膜コンポーネントを別個に提供するステップと、ドライバコンポーネントに別個に提供された作動可能薄膜コンポーネントを結合するステップと、結合後に作動可能薄膜コンポーネントにノズルプレートを取り付けるステップとを含み得る。
本教示によれば、ＭＥＭＳ型インクジェットプリントヘッドが提供される。この例示的なデバイスはドライバコンポーネントと、犠牲層を除去する酸性エッチング剤を用いずに形成された、ドライバコンポーネントとは別個に製造されたＭＥＭＳコンポーネントを含み得る。ドライバコンポーネントとＭＥＭＳコンポーネントとを作動的に接合するために、結合フィーチャが提供され、ノズルプレートがＭＥＭＳコンポーネントに取り付けられる。
主張されるように、上記概要および以下の詳細な説明は共に単に例示的、説明的なものであって、本発明を制限するものではないことを理解されたい。
組み入れられ、本明細書の一部を成す添付図面は、本発明のいくつかの実施形態を説明するためのものであり、その記載と共に、本発明の原理を説明する役割をする。
実施形態は全般的にＭＥＭＳインクジェットプリントヘッドに関する。ＭＥＭＳインクジェットプリントヘッドは、インク印刷を利用する高速、高密度フォローオン技術である。さらに具体的には、静電マイクロエレクトロメカニカルシステム（「ＭＥＭＳ」）インクジェットプリントヘッドは、正確かつ制御された様式でインク液滴を破壊するように構成することが可能である。
静電ＭＥＭＳ薄膜および駆動回路はシリコンウェハ製造技術を用いて製造することが可能であり、プリントヘッドに集積化する前に別個に製造可能である。この例示的な構造および方法は、ＣＭＯＳドライバなどの従来のマイクロ電子部品とＭＥＭＳコンポーネントを集積化することを含む。
図１Ａは１実施形態に係るＭＥＭＳインクジェットプリントヘッド１００の例示的な展開図を示す。図１Ｂは図１ＡのＭＥＭＳインクジェットプリントヘッドの組立て後の図を示す。当業者であれば、図１Ａおよび１Ｂに示すＭＥＭＳインクジェットプリントヘッド１００は一般化された概略図を表し、他のコンポーネントが追加されてもよいし、既存のコンポーネントが省略または改変されてもよいことは容易に明らかとなろう。
図１Ａおよび１Ｂに示したＭＥＭＳインクジェットプリントヘッド１００は、ドライバコンポーネント１１０、流体薄膜コンポーネント１１２、およびノズルプレート１１４を含む。これらのコンポーネントの各々は、以下に記載するようなさらなるサブコンポーネントを含んでもよい。
本質的には、例示的な実施形態のＭＥＭＳインクジェットプリントヘッド１００は、別個に製造されたドライバコンポーネント１１０および薄膜コンポーネント１１２によって画定することができる。これらのコンポーネントは別個に製造された後で連結される。完成されたＭＥＭＳインクジェットプリントヘッドはノズルプレート１１４を含み、このノズルを通してインク等の液体が吐出される。
図１Ａおよび１Ｂに示すように、ドライバコンポーネント１１０は、ウェハ基板１１６、この基板上のＣＭＯＳ層１１８、このＣＭＯＳ表面上１１８に形成されたパッシベーション誘電体１２０、薄膜電極１２２、接地電位電極１２３、およびパッシベーション誘電体上に形成された結合フィーチャ１２４を含む。
薄膜コンポーネント１１２は、例えば、シリコンウェハ基板１２６を有するＳＯＩウェハ、基板１２６の表面上に形成された酸化物層１２８、および酸化物層１２８上に形成されたデバイス（薄膜）層１３０を含む。さらに、ドライバコンポーネント１１０の対応する結合フィーチャ１２４に結合するために、デバイス層１３０上に結合フィーチャ１３２、１３４をパターン化することが可能である。図示のように、薄膜コンポーネントの結合フィーチャ１３２、１３４は、ドライバコンポーネント１１０の結合フィーチャ１２４と対向しているデバイス層１３０の表面上に形成可能である。
ドライバコンポーネント１１０による薄膜コンポーネント１１２の起動に応じて流体の液滴を吐出するために、当該分野で公知のようにノズルプレート１１４を構成することができることが理解されよう。特に、プリントヘッド１００から流体を吐出するために、ノズルプレート１１４には、そこに複数の開口部１１５を形成することができる。
ここで、完成されたプリントヘッド１００のノズルプレート１１４からの流体の吐出を参照すると、インクなどの流体（図示せず）はノズルプレート１１４の開口部１１５から吐出され得る。マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）薄膜１３０にある駆動信号が印加されると、このＭＥＭＳは薄膜電極１２２の方に移動して、インク溜まりの圧力を低下させ、インク溜まり内にインクを引き込む。駆動信号がオフにされるか、低減されると、ＭＥＭＳ薄膜１３０はその元の位置に戻り、インク溜まりの圧力を増大させ、ノズルプレート１１４の開口部１１５を介してインクを吐出させる。
ドライバコンポーネント１１０は一例として図２Ａ〜２Ｅに示すように製造される。一連の製造ステップが記載されるが、製造パラメータに従って、種々のステップを追加してもよいし、省いてもよいことを理解されたい。また、特にＣＭＯＳデバイスドライバウェハに関連してドライバコンポーネント１１０を記載するが、例示的な実施形態を制限しようとするものではない。したがって、ドライバコンポーネント１１０は平坦なベアシリコンまたはガラス基板上に形成されてもよい。
図２Ａに示すように、ドライバコンポーネント１１０の出発材料としてシリコン基板ウェハ２１６が設けられる。図２Ｂでは、シリコン基板ウェハ２１６の表面上にＣＭＯＳ層２１８が形成される。ＣＭＯＳ層２１８を堆積させるステップは、当該分野では周知のように多数のマスクおよび層を含み得る。図２Ｃでは、パッシベーション誘電体層２２０がＣＭＯＳ層２１８上に形成される。典型的には、パッシベーション誘電体層２２０は二酸化シリコンから形成することができるが、これは製造要件に従って変えることができる。パッシベーション層２２０に使用可能な他の材料には、窒化シリコン、少量の窒素を含有する二酸化シリコン、およびハフニウムをベースにした高ｋの誘電体を含むことができる。
図２Ｄに示すように、パッシベーション誘電体２２０の上に電極２２２が形成され得る。電極２２２は、薄膜コンポーネント１１２の容量性薄膜（図１Ａおよび１Ｂの１３０）のカウンター電極を形成し、電極２２２の中間に形成された結合フィーチャ２２４よりも下に凹状になり得る。用語「１つの」薄膜電極とは、ある１つの電極のパターンを指し得ることを理解されたい。例えば、以下で説明されるように、薄膜コンポーネント１１２の特性に対応し、又は、整合させるために、接地電位電極２２３は電極２２２の中間に位置決めされてよい。電極２２２はドープされたポリシリコンでもよいし、他のどのような導電体であってもよいことを理解されたい。例えば、電極２２２はアルミニウム、銅、ＩＴＯ等であってもよく、ベースウェハ加工と適合する。従来は、実質的にすべての反応性金属はフッ化水素酸に溶解されるので、これらのタイプの電極を使用できるとは考えられていなかった。しかし、例示の実施形態はフッ化水素酸エッチング剤を使用しなくて済み、上記金属を組み入れることができるので、ＣＭＯＳドライバアレイなどのマイクロ電子回路の上面に金属電極２２２を直接付けることができると想定される。当業者であれば、適したマルチレベルなポリプロセスおよび金属プロセスが例示の実施形態に適用可能であることが理解されよう。
図２Ｅを参照すると、結合フィーチャ２２４がパッシベーション誘電体の表面上に形成され得る。電極２２２は下に凹状になった結合フィーチャ２２４であり得、これによりドライバコンポーネント１１０のパッシベーション誘電体２２０と薄膜コンポーネント１１２との間にギャップ高さが画定される。
結合フィーチャ２２４は、電極層２２２の前または後に付けられたパターン化されたガラスフィーチャであり得る。プロセスの制約およびデバイス設計に従って製造プロセスは変わってもよいことを理解されたい。
ドライバコンポーネント１１０は、平坦な酸化物、または平坦で一様な基板表面を提供するように機械的に研磨された表面を含んでもよい。機械的研磨は、例えば、当該分野では公知の化学的機械的研磨（ＣＭＰ）であってよい。一般に、ドライバコンポーネント１１０がその上に酸化物を含むときに平坦な酸化物の表面が形成され得る。ドライバコンポーネント１１０は薄膜コンポーネント１１２とは別個に製造することができるので、酸化物の堆積を厳しく制御することができ、正確な厚さを達成し、維持することが可能である。
ここで図３Ａ〜３Ｄを参照すると、薄膜コンポーネント１１２の例示的な製造法が示されている。ＳＯＩウェハが図３Ａに示されており、当該分野では公知のように組み立てられた、シリコン基板３２６、酸化物層３２８、およびデバイス層３３０を含む。デバイス層３３０は約２μｍの厚さのシリコンデバイスであり得る。結合用酸化物層３２８をパターン化して、ドライバコンポーネント１１０の結合フィーチャ２２４と対向するデバイス層３２８の表面の上に、ウェハ結合用の受取用酸化物フィルム３３２を形成することができる。この結合用酸化物層を用いて、従来の堆積方法では形成することのできなかった酸化物の凹みを薄膜３２８上に形成することもできる。あるいは、この凹みは図２Ｄ、２Ｅの電極２２２上に直接形成されてもよい。
デバイス層３３０は、例えば、ＳＯＩウェハの活性層であってもよい。この厚さは実施形態を理解する上で重要ではないが、典型的には約２μｍの厚さの活性層が使用され得る。
記載の構造体はＳＯＩウェハ材料に限定されるものではなく、ポリシリコン薄膜技術にもさらに適合することを理解されたい。ポリシリコン薄膜技術に関しては、ブランクシリコンウェハがベースとして用いられる。適した酸化物が堆積され、次いで、２μｍ（または所望の厚さ）のポリシリコンが付けられる。パターン化および他の堆積法がＳＯＩに関連して説明したものと一致する。
一旦デバイス層３３０が結合のために作製されると、この層は露出されたままになるので場合によってはパターン化することができる。これは従来は実現できなかった利点である。実際、ドライバコンポーネント１１０および薄膜コンポーネント１１２の各々を別個に製造し、フッ化水素酸などの有害物質を用いるエッチングをなくすことによって、多数の製造ステップの順番を並べ替えて、特定の設計およびファンドリープロセスに合わせることができる。
図３Ｃに示すように、薄膜コンポーネント１１２の厚さは、シリコン処理層３２６を所望の厚さまでバックグラインドおよび／または研磨することによって画定され得る。グラインドおよび／または研磨は、交互に、または連続的に１つ以上の工程において行われてもよい。例を挙げると、シリコン処理層３２６は約８０μｍの厚さまでグラインドおよび／または研磨されてもよい。
図３Ｄに示すように、シリコン処理層３２６および埋め込み酸化物層３２８にディープエッチングを行って薄膜層３３０を露出することができる。ディープエッチングを行えば、流体チャンバ３３６と、この流体チャンバ３３６を囲繞する流体壁３３８とが形成される。
この流体チャンバ層を深くするために、グラインド、研磨、およびチャンバのエッチングをウェハ結合の前に行ってよい。流体チャンバ層を非常に薄くするため、またはこの構造体がそのサイズに起因して壊れ易くなり得る場合、ドライバコンポーネント１１０および薄膜コンポーネント１１２を結合させてから、グラインド、研磨、およびエッチングを行うことができる。製造の順番は重要ではなく、それよりも、ドライバコンポーネント１１０および薄膜コンポーネント１１２の各々を別個に製造するので柔軟性があることを理解されたい。
ドライバコンポーネント１１０および薄膜コンポーネント１１２は、それらを別個に製造してから、公知のウェハ間結合技術を用いて一緒に結合することができる。例示の実施形態では、ドライバコンポーネント１１０の結合フィーチャ２２４は、薄膜コンポーネント１１２の結合フィーチャ３３２と溶融結合される。ウェハ間結合は、ウェハを共に接合するための非常に正確な方法である。ガラス溶融結合が非常に強力で、気密的で、精密である。追加の材料を加える必要がないし、結合領域に圧縮が生じることもない。このタイプの結合は、ウェハ上に既に存在し得る材料を用いることができるので例示の実施形態に特に適しており、プロセスに自然に適合する。加えて、使用されるプロセスおよび材料は、既存のデバイス供給業者によって半導体産業において現行では支持されている。
ガラス溶融結合に代わるものが例示の実施形態において使用可能であり、金拡散結合、はんだ結合、接着結合等が挙げられる。
完成されたプリントヘッド１００は、図１Ａおよび１Ｂに示すように薄膜コンポーネント１１２の露出表面上に設けられたノズルプレート１１４を含む。典型的には、ノズルプレート１１４は、上記のようなガラス溶融によって予め一緒に結合可能な、組み立てられたドライバ基板コンポーネント１１０および流体薄膜コンポーネント１１２に付けられる。選択肢として、ノズルプレート１１４は、個々のダイがプリントヘッドアレイ内にパッケージングされる地点に付けることができる。この選択は構造上のものであって、本明細書に記載のウェハ加工の選択によって限定されるものではない。
当業者であれば、フッ化水素酸による攻撃的な湿式エッチングは本明細書に記載の例示的方法からは排除され、これにより実現不可能であった層の組合せが可能となることが理解されよう。例えば、フッ化水素酸による湿式エッチングが用いられるときには、下側に存在する酸化物を不注意に除去してしまわないように窒化物フィルムが必要になることがある。これらのタイプの薄膜デバイスでは、動作中に高電界が発生する恐れがある。これらの窒化物フィルムは電荷を蓄積し、電界および結果的に生じる電気的な力を変化させてしまうので、理想的な材料とは言えない。酸性の湿式エッチングを排除することによって、製造業者が利用可能な選択肢はさらにいっそう多様になる。単なる例示であるが、ここでは熱酸化物またはその他の高品質な誘電体を利用して、加工中にコンポーネント材料に損傷を及ぼすようなリスクなしに、ＭＥＭＳ型インクジェットプリントヘッドの性能を改善することができる。
１００ ＭＥＭＳ型インクジェットプリントヘッド、１１０ ドライバコンポーネント、１１２ 流体薄膜コンポーネント、１１４ ノズルプレート、１１５ 開口部、１１６ ウェハ基板、１１８ ＣＭＯＳ層、１２０ パッシベーション誘電体、１２２ 薄膜電極、１２３ 接地電位電極、１２４ 結合フィーチャ、１２６シリコンウェハ基板、１２８ 酸化物層、１３０ デバイス（薄膜）層、１３２、１３４ 結合フィーチャ、２１６ シリコン基板ウェハ、２１８ ＣＭＯＳ層、２２０ パッシベーション誘電体層、２２２ 電極、２２３ 接地電位電極、２２４ 結合フィーチャ、３２６ シリコン基板、３２８ 結合用酸化物層、３３０ デバイス層、３３２ 受取用酸化物フィルム、３３６ 流体チャンバ、３３８ 流体壁、４１０ 構造体、４２０ 薄膜、４３０ フッ化水素酸放出用孔。
Claims (5)
- ドライバコンポーネントと、
該ドライバコンポーネントとは別個に製造され、開口のない流体薄膜を含んだＭＥＭＳコンポーネントと、
該ドライバコンポーネントおよび該ＭＥＭＳコンポーネントを作動的に接合する結合フィーチャと、
該ＭＥＭＳコンポーネントに取り付けられたノズルプレートを備えることを特徴とするＭＥＭＳ型インクジェットプリントヘッド。 - 請求項１に記載のデバイスであって、前記ＭＥＭＳコンポーネントが、犠牲層を除去する酸性エッチングを用いずに形成されることを特徴とするデバイス。
- 請求項１に記載のデバイスであって、前記開口のない流体薄膜がシリコンを含むことを特徴とするデバイス。
- 請求項１に記載のデバイスであって、前記結合フィーチャがガラスを含むことを特徴とするデバイス。
- 請求項１に記載のデバイスであって、前記ドライバコンポーネントがマイクロ電子的方法を用いて製造されることを特徴とするデバイス。
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