JP7174752B2 - Ｍｅｍｓ装置の製造方法 - Google Patents
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Description
本開示は一般に、デバイス内の流体チャンバおよび／または流体経路を画定するために接合された構成要素を備える微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）駆動流体デバイスの製造方法、ならびにその方法に従って製造されるＭＥＭＳデバイスに関する。
本開示は、限定はしないが特に、液滴堆積ヘッド、例えばインクジェットプリントヘッド用の、１つ以上の液滴生成ユニットの製造に関し、このような液滴生成ユニットを備える、液滴堆積ヘッドおよび液滴堆積デバイスの製造に関する。
一般的に、インクジェットプリンタ用のインクジェットプリントヘッドは、基板内に設けられたアレイにおいて互いに隣接して配置された複数の液滴生成ユニットを備える。アレイ内の各液滴生成ユニットは、流体チャンバと、ノズルと、流体チャンバからノズルを通じて印刷媒体上へと流体の液滴が排出されることを制御するように配置されたアクチュエータとを含む流体経路を備える。
通常、アレイ内の各液滴生成ユニットのノズルは、エポキシ系接着剤を用いて基板に接合されたノズルプレートに設けられる。
このような印刷プリントヘッドは、ＭＥＭＳデバイスの製造プロセスの適用によって製造することができ、これは一般的に、構成要素の小型化、およびそれに伴って製造コストの削減につながっている。また、印刷品質の向上に、例えば他のプロセスで製造されるインクジェットプリントヘッドと比べて、より高い密度の液滴生成ユニットをアレイ内で使用することによって、つながっている。
したがって、インクジェットプリントヘッドの一般的な製造プロセスは、基板（例えば、シリコンウェーハ）内に設けられたデバイス層を漸進的にパターニングすることと、続いてノズルプレートを基板に接合させて、液滴生成ユニットの複数のアレイに分割する（またはダイシングする）こととを含みうる。しかし、接合プロセスは通常、例えば、エポキシ系接着剤を使用するブレードコーティング技術などの接着剤転写プロセスを含む。
このようなプロセスでは、エポキシ系接着剤は、例えば、ブレードコーティング、スピンコーティングまたはフレキソ印刷などによって中間基板上に層として堆積され、パターニングされた基板が接着剤層と接触して接着剤層と接触し、パターニングされた基板が取り外されると、接着剤がパターニングされた基板の接合される表面に部分的に転写される。接着剤の付着したパターニングされた基板は、その後、ノズルプレートと接触し、例えば接着剤に圧力下で熱硬化を適用することによって接合された接触面と接触する。
接合プロセスは、１つ以上の液滴生成ユニットにキャップ層を設けるためにも使用されうることに留意されたい。基板上のデバイス層を保護するキャップ層は、ノズルプレートに設けられる表面とは反対側にある、パターニングされた基板の１つ以上の表面上に設けられてもよい。
この接合プロセスに関する１つの問題は、接合される表面積の変化による局所的な圧力差から生じる。印加圧力が慎重に制御されている場合でも、局所的に異なった接合の厚さが見られ、接着剤層全体に均一な厚さを得ることが困難である。さらに、特に流体チャンバが形成される場合、接触面全体にわたって適切な（例えば、水密の）接合を確保するのに十分な印加圧力が、一般的に接着剤層の局所的な変形をもたらし、次いで接触面間、および接触面から突き出る接着剤の突出部間に特定の厚さをもたらす。
これらの接着剤の突出部、すなわち「接着剤フィレット」は、流体チャンバの接合面の端に沿って延伸する場合があり、フィレットおよび／またはフィレットの一部が、接合中に重なること、および／またはそれに続いて表面から剥がれることにより、流体経路を部分的にまたは完全に遮断する可能性がある。
この問題に対する１つのアプローチには、接合圧力の均一な印加を確実にするために、互いに接合される表面が類似した形状およびサイズのものであることが必要である。別のアプローチとして、接触面からの突出を最小化するように、接触面が接着剤変形に適応することができる溝または空洞などの特徴を含むことを必須とすることが挙げられる。
本開示は、接着剤の転写接合プロセスに依存しないため、この問題を実質的に回避する方法を提供する。
本方法は、従来の手段によってパターニングされうる従来のエポキシベースの接合剤以外の接合材料の使用に基づくが、従来のエポキシベース接合剤を接合する通常の印加圧力下において顕著な変形がなく、パターニング後に接合する能力を維持する。
本開示は、第１の態様では、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）駆動流体デバイスの製造方法であって、デバイスが、デバイス内の流体チャンバーおよび／または流体経路を共に画定する接合した構成要素を備え、この方法が、第１の構成要素の表面上に接合材層を形成することと、接合材層および任意選択で第１の構成要素をパターニングすることと、第２の構成要素をパターニングされた接合材層および第１の構成要素に接合することを含み、
接合材層を形成することが、不活性雰囲気中で第１の温度まで加熱することによって、第１の構成要素の表面上の硬化性材料を部分的に硬化することを含み、第２の構成要素をパターニングされた接着材層および第１の構成要素に接合することが、構成要素を第１の温度とは異なり第１の温度より高い第２の温度まで加熱することによって、部分的に硬化した材料を完全に硬化することを含む方法を提供する。
接合材層を形成することが、不活性雰囲気中で第１の温度まで加熱することによって、第１の構成要素の表面上の硬化性材料を部分的に硬化することを含み、第２の構成要素をパターニングされた接着材層および第１の構成要素に接合することが、構成要素を第１の温度とは異なり第１の温度より高い第２の温度まで加熱することによって、部分的に硬化した材料を完全に硬化することを含む方法を提供する。
構成要素への言及は、ＭＥＭＳデバイスの個別構造部品への言及であることに留意されたい。少なくとも１つの構成要素がそのような基板である限り、内部にデバイス層が設けられるケイ素または他の基板（「ウェーハ」として知られる）を含む場合も含まない場合もある。形状、特徴、または材料によって限定されず、例えば、ステンレス鋼またはガラス板などを含みうる。
流体チャンバまたは流体経路への言及は、構成要素が互いに接合されたときに空隙である、少なくとも１つの基板内の一部分への言及であることを留意されたい。特に、流体経路は、デバイスと併用される流体を供給する流体チャンバ（または圧力チャンバ）を含んでもよい。
一実装形態では、方法は、接合材層および第１の構成要素をパターニングすることを含む。別の実装形態では、第２の構成要素が予め形成された空洞を含み、方法は接合材層のみをパターニングすることを含む。
パターニングは、接合材層上にマスクを提供するマスク層を形成することと、接合材層の一部分および任意選択で第１の構成要素をマスクを通して除去することと、マスク層を除去することを含みうる。マスクを通して接合材層および任意選択で第１の構成要素をパターニングすることは、接合材層の端が第１の構成要素の接合表面の端と実質的に一致することをもたらす。
一実装形態では、第１の構成要素のパターニングは、結果として得られる流体チャンバおよび／または流体経路の壁が、テーパー状である、台形の断面を有する、またはパターニングされた第１の構成要素の接合表面と直角をなさない表面を有するように、異方性エッチングとして実行されてもよい。
部分的に硬化した材料は、従来の手段によって堆積された前駆体層を、マスク層を支持する第１の構成要素上の形状を維持する程度まで加熱または光照射することによって、または第２の構成要素に強く接合する能力を保持しながら従来の手段によってパターニングすることによって、得られうる。部分的な硬化の程度は、５０～９０％、好ましくは７０～９０％、７５～８５％、約８０％であることが好ましい。
接着剤の転写接合に従来用いられるエポキシ系接着剤は、部分的に硬化することはできず、かつ硬化していない限りマスク層を支持しないことに留意されたい。接着剤は完全に硬化されたときにパターニングすることができるが、その結果、粘着性はなく、後続の接合に使用することはできない。
これらの実装形態では、第２の構成要素をパターニングされた接合材層へ接合することは、部分的に硬化した材料層を圧力下で加熱することによって完全に（９５％～１００％）硬化させることを含みうる。完全な硬化は、圧力および熱を同時に掛けている間に達成されうる。他の実施形態では、低温で圧力を印加しながら接合が形成され、次いで、完全に硬化させる温度まで上げて設定されたオーブンまたはホットプレートを使用して、接合材料が完全に硬化される。
一実装形態では、接合材層は、環ひずみを示す重合性アルケン、例えばシクロブテンなどをベースとする。環状アルケンは特に、ベンゾシクロブテンまたはビスベンゾシクロブテン、例えばシクロテン（３０００または４０００シリーズ、Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社製）の商標の下で入手可能なものなどを含むことができる。
別の実装形態では、接合材層は、部分的に硬化可能な重合性エポキシドをベースとする。好適である部分的に硬化可能なエポキシドとしては、ノボラックエポキシド、例えばＳＵ８ネガティブフォトレジストとして知られるものなどが挙げられる。
さらに別の実装形態では、接合材層は、部分的に硬化したポリイミド、例えば、部分的に硬化した脂肪族ポリイミドまたは芳香族ポリイミドを含む。好適なポリイミドには、ＨＤ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ（例えば、ＰＩ－５８７８Ｇ）の商標で利用可能なものが挙げられる。
接合材層上にマスクを提供するマスク層の形成は、接合材層上にフォトレジストの層を形成することと、マスク層の一部分を光照射することおよび現像することによってフォトレジストをパターニングすることとを含みうる。
フォトレジストは、その光照射および現像に使用される条件が接合材層の保持と互換性があれば、ネガティブフォトレジストおよびポジティブフォトレジストのいずれであってもよい。
フォトレジストはポジティブフォトレジストであることが好ましい。ただし、マスク層の光照射、現像および除去に好適なフォトレジスト材料および条件は従来のものであり、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（メチルグルタルイミド）、ジアゾナフトキノン／フェノール、ＳＵ８、およびＯＳＴＥのポリマーをベースとする好適なものを含む。
接合材層の一部分および第１の構成要素の一部分をマスクを通して除去することは、単独の工程または２つ以上の別個の工程で実施されてもよい。
一実装形態では、これらの部分、両方の除去は、エッチング、例えば、ドライエッチング、特に反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって実施される。別の実装形態では、接合材層の一部分の除去は、反応イオンエッチング（ＲＩＥ）によって実施され、第１の構成要素の一部分の除去は深部反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）によって実施される。
接合材層および／または第１の構成要素に好適なエッチング液は、当業者には周知であろう。上述のシクロテンをエッチングするための方法および材料については、例えば、Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社の文献から入手可能である。
特に反応性イオンエッチングには、Ｏ２：ＣＨ４プラズマ（例えば、４：１）を、深部反応イオンエッチングには（Ｃ４Ｆ８パッシベーションと共に）ＳＦ６プラズマを使用してもよい。しかし、代替として、反応性イオンエッチングには Ｏ２：ＳＦ６ プラズマ（例えば、５：１）を、深部反応性イオンエッチングには（Ｃ４Ｆ８パッシベーションと共に）ＳＦ６プラズマを使用してもよい。
第１の構成要素の表面上に前駆体層およびマスキング層を堆積するための好適な方法には、ディップコーティング、スピンコーティング、スプレーコーティング、フレキソ印刷、塗装などが挙げられる。マスク層および前駆体層の材料は、スピンコーティングに適したものであることが好ましい。前駆体層をスピンコーティングすることは、例えば、第１の構成要素の表面上およびデバイス内の接合材層の厚さを非常に正確に制御することを可能にする。
部分的に硬化した接合材層は、特に、０．５～２．２μｍの厚さを有していてもよく、マスク層は５～１０μｍの厚さを有していてもよい。スピンコーティングおよび部分的な硬化処理の適切なプロトコルは、利用可能な文献から容易に決定または計算される。
したがって、一実装形態では、第１の構成要素上に接合材層を形成することは、２１０℃以下の温度で２０～５０分間加熱することによってシクロテン（例えば、３０２２～３０３５）を部分的に硬化することを含む（Ｏ２が１００ｐｐｍ未満の不活性雰囲気であることが好ましい）。
第２の構成要素をパターニングされた接合材層に接合することは、特に、構成要素を１５０℃～３００℃の温度で最大２時間加熱することを含みうる。
加熱することは、少なくとも部分的に、構成要素に５～２０ｋＮの接合力を印加することを伴う場合がある（例えば、接合領域が総ウェーハ領域の約８１％である標準の６インチウェーハ領域の全体にわたって、１０ｋＮまたは１５ｋＮを印加する）。
１つの構成要素内の例えば圧力チャンバを画定する任意の空洞が、一例としてはノズルプレートの構成要素との総接触面積を減少させ、その結果印加圧力を増加させるように、構成要素に印加される力は接着面間の接触面積に対する圧力に変換されることが理解されよう。例として、ノズルプレートの構成要素と圧力チャンバの構成要素との間の接触面積は、パターニングされていない場合、ウェーハ領域全体の約８０％でよい。
シクロテン（例えば、シクロテン３０２２～３０３５）の場合、第２の構成要素をパターニングされた接合材層へ接合することは、特に、１２ｋＮの接合力下で構成要素を１３０℃で５分間加熱することと、その後加圧されることなく２５０℃で１時間加熱することとを含みうる。
好ましくは、特定の接合材層の加熱プロトコルおよび接合圧力の選択は、完全に硬化した接合材料がデバイス内の接触面全体で比較的均一な厚さを有し、接合中にチャンバ内への流れの程度が１．５μｍを超えないように、特に１．０μｍを超えないようにする。完全に硬化した接合材層は、特に、０．５～２．２μｍ、例えば約１．１μｍの厚さを有してもよい。
方法は、液滴堆積ヘッド、例えばインクジェットプリントヘッド用の、１つ以上の液滴生成ユニットの製造を提供しうる。
一実装形態では、電子信号を受信すると膜を変形させるように、第１の構成要素が膜の上に配置された薄膜アクチュエータ素子を備えることも可能で、そして第２の構成要素がノズルプレートを備えることも可能。第１の構成要素および第２の構成要素が共に、流体チャンバおよび流体のための経路を画定する。特に薄膜アクチュエータ素子は、圧電薄膜素子を含んでもよい。
別の実装形態では、電子信号を受信すると膜を変形させるように、第１の構成要素が膜の上に配置された薄膜アクチュエータ素子を備えることも可能で、そして第２の構成要素がノズルプレートを備えることも可能。第１の構成要素および第２の構成要素が共に、流体チャンバおよび流体のための経路を画定する。特に薄膜アクチュエータ素子は、圧電薄膜素子を含んでもよい。
当然方法は、第１の構成要素（または第２の構成要素）の別の表面上に接合材層を形成することと、接合材層および任意選択で第１の構成要素（または第２の構成要素）をパターニングすることと、第３の構成要素を接合材層および第１の構成要素（または第２の構成要素）に接合することをさらに含みうる。
また方法は、接合材層を第３の構成要素の表面上に形成することと、接合材層および任意選択で第３の構成要素をパターニングすることと、第１の構成要素を接合材層および第３の構成要素に接合することとをさらに含みうる。
方法は、第２の構成要素および第３の構成要素が接合される順序によって限定されないことに留意されたい。接合材層の形成、パターニングおよび／または接合は、第１の構成要素および第２の構成要素について記述されたものと同様に実行されうることにさらに留意されたい。部分的な硬化には第１の温度を使用してもよく、完全な硬化には第２の温度（すなわち、第１の温度とは異なり第１の温度より高い第２の温度）を使用してもよい。これらの温度は、第１の構成要素および第２の構成要素に使用される温度と同じであっても異なっていてもよいことに留意されたい。しかし、接合材層の形成は、代替として、接合材層をパターニングする必要がないように、マスクを使用して構成要素上に硬化性材料を堆積させることを含みうる。
一実装形態では、第１の構成要素が上述の薄膜アクチュエータ素子を備えてもよく、また第２の構成要素が上述のノズルプレートを備えてもよく、第３の構成要素が上述のキャップ層を備えてもよい。その場合、キャップ層は、アクチュエータの構成要素上の、ノズルプレートが接合しているまたは接合される表面とは反対側の表面に接合されてもよい。
第２の態様では、本開示はＭＥＭＳデバイスであって、共にデバイスの流体チャンバおよび／または流体経路を画定する第１の構成要素と第２の構成要素とを備え、第１の構成要素および第２の構成要素が部分的に硬化された場合にパターニング可能な接合材料を含むパターニングされた接合材層によって接合されるデバイスを提供する。
接合材料は、例えば、化学リソグラフィーおよびフォトリソグラフィーなどの従来のパターニング方法によってパターニング可能であってよい。
第３の態様では、本開示は、ＭＥＭＳデバイスであって、共にデバイスの流体チャンバおよび／または流体経路を画定する第１の構成要素と第２の構成要素とを備え、第１の構成要素および第２の構成要素が間にある接合材層によって接合され、流体チャンバおよび／または流体経路には実質的に接合材料フィレットがないデバイスを提供する。
接合材料フィレットが実質的にない流体チャンバおよび／または流体経路への言及は、第１の構成要素および第２構成要素から流体チャンバおよび／または流体経路への接合材層の突出が１．５μｍ以下、特に１．０μｍ以下である、流体チャンバおよび／または流体経路への言及を含むことに留意されたい。
本開示の第２の態様および第３の態様の実装形態は、第１の態様に関連する前述の説明から明らかであろう。
ＭＥＭＳデバイスは、例えば、液滴堆積ヘッド、例えばインクジェットプリントヘッド用の、１つ以上の液滴生成ユニットを備えうる。上述のように、電子信号を受信すると膜を変形させるように、第１の構成要素が膜の上に配置されたアクチュエータ素子を備えてもよく、第２の構成要素がノズルプレートを備えてもよい。アクチュエータ素子により膜が変形することによって、流体チャンバの容積が変わるように、第１の構成要素および第２の構成要素が共に、流体チャンバおよび流体のための経路を画定する。
第４の態様では、本開示は、共にデバイス内の流体チャンバおよび／または流体経路を画定するデバイスの構成要素を接合するために部分的に硬化された場合にパターニング可能である部分的に硬化性の接合材料によるＭＥＭＳデバイス（例えば、液滴生成ユニット）の製造における使用を提供する。
第５の態様では、本開示は、インクジェットプリントヘッドなどの液滴堆積ヘッドの製造における１つ以上の液滴生成ユニットを作製するための方法を提供する。
第６の態様では、本開示は、第２の態様または第３の態様の１つ以上のＭＥＭＳデバイスを備えるインクジェットプリントヘッドを提供する。
第７の態様では、本開示は、第６の態様のインクジェットプリントヘッドを備えるインクジェットプリンタを提供する。
本開示の第４～第７の態様の実装形態は、第１の態様に関連する前述の説明からも明らかであろう。
第１の態様の方法がノズルプレートを複数のアクチュエータ素子を備える第１の構成要素に接合すること、および／またはキャップ層を上述の複数の空洞を備える第１の構成要素に接合することを含むこと、ならびに第５の態様が、ノズルプレートとキャップ層とを接合することによって形成される複数の液滴生成ユニットから、液滴生成ユニットのアレイを切断またはダイシングすることをさらに含んでもよいことを留意されたい。
次に、本開示の一部の実装形態について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
ここで図１を参照すると、本開示の方法の一実装形態によるＭＥＭＳデバイスの製造は、ベアシリコンウェーハ１００および１１４を備える構成要素を参照することによって概略的に図示される（（ａ）および（ｉ）参照）。
接合材層１０２′は、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ、シクロテン３０００、Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社の商標）の溶液から前駆体をスピンコーティングすることによって、および前駆体層１０２を部分的に硬化させ、ウェーハを２１０℃の温度で４０分間加熱して部分的に硬化したＢＣＢ層１０２′を形成することによって、シリコンウェーハ１００の表面上に形成される（図１の（ａ）および（ｂ）参照）。
室温まで冷却した後に、ポジティブフォトレジストをスピンコーティングし、例えば９０～１２０°Ｃでソフトベーキングして、溶媒を蒸発させることにより、部分的に硬化したＢＣＢ層１０２′上にポジ型レジスト層１０４（（ｃ）参照）が形成される。
室温まで冷却した後、ポジ型レジスト層１０４はＵＶ光で光照射され、照射された領域は適切な溶媒（例えば、ＴＭＡＨ、すなわちテトラメチルアンモニウムヒドロキシド）を用いて現像されて、フォトレジスト層内の開口部（（ｄ）参照）を画定するマスク層１０６を残す。
部分的に硬化したＢＣＢ層１０２′は、マスク１０６内の開口部を通してＯ２／ＣＦ４プラズマに曝露されることによりドライエッチングされて、マスク１０６内の開口部に対応する開口部１０８を備える、パターニングされたＢＣＢ層１１２′を形成する（（ｅ）参照）。
次いで、シリコンウェーハ１００は、マスク１０６（およびパターニングされたＢＣＢ層１１２′）を通し、続いてＤＲＩＥプラズマへ曝露されることによりドライエッチングされ、パターニングされたＢＣＢ層１１２′の凹部または空洞に対応する凹部または空洞１１０を備える、パターニングされたシリコンウェーハ１００′を形成する（（ｆ）参照）。
マスク１０６は、適切な溶媒（例えば、アセトンＮ３９６）への曝露によって除去され、パターニングされたＢＣＢ層１１２′およびパターニングされたシリコンウェーハ１００′を残す（（ｇ）参照）。
部分的に硬化したＢＣＢ層１０２′およびシリコンウェーハ１００をマスク１０６を通してエッチングすることは、パターニングされたＢＣＢ層１１２′が、パターニングされたシリコンウェーハ１００′上の接合表面と実質的に一致することを意味することに留意されたい。
熱剥離型接合層１１６によって支持体１１８に付着された第２のシリコンウェーハ１１４は、１３０℃まで加熱される間にパターニングされたＢＣＢ層１１２′と接触する。温度は１３０℃で５分間維持され、その間に１２ｋＮの接合力が印加される。５５℃まで冷却した後、接合力の印加を停止する。スタンドアローン型のオーブンで、２５０℃の温度まで１時間加熱を継続して、ＢＣＢ層１１２′が確実に完全に硬化（９５～１００％）し、第２のシリコンウェーハ１１４の接合表面がしっかりと接着するようにする（（ｈ）参照）。
１３０℃で５分間加熱を行う一実施形態では、加熱は、第２のシリコンウェーハ１１４から支持体１１８を熱剥離するのに必要な温度未満の温度で実行される。代替的な実施形態では、熱剥離テープが除去され、その後に基板が２５０℃まで６０分間加熱される。
第２のシリコンウェーハ１１４の接合表面がパターニングされたＢＣＢ層１１２′にしっかりと接着されると、熱剥離型接合層１１６の熱剥離が可能となる温度まで加熱を継続し、支持体１１８が第２のシリコンウェーハ１１４から除去される（（ｉ）参照）。
第２のシリコンウェーハ１１４は、特にコーティングまたはその後に層を設ける場合は、熱剥離型接合層１１６から残留物を除去するように洗浄されてもよいことに留意されたい。
第２のシリコンウェーハ１１４を第１のシリコンウェーハ１００′へ接合することは、共に複数のチャンバ１２０を画定する２つの構成要素を内部に有し、実質的にパターニングされたＢＣＢ層１１２′がチャンバ１２０内に突出しない、多層シリコンウェーハにつながることにさらに留意されたい。
別の実装形態では、接合材層１０２が、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ、シクロテン４０００、Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社の商標）の溶液から前駆体をスピンコーティングし、この前駆体層をＵＶ光で光照射して部分的に硬化し、適切な溶媒、例えばＤｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社から入手可能なＤＳ２１００現像溶媒で現像することによって、シリコンウェーハ１００の表面上に形成されてもよい。この実装形態では、後続の工程は、図１に関連して説明したものと一般的に同一である。
図２は、従来のエポキシベース接着剤を使用した接着剤の転写接合と比較して、ＢＣＢ層１１２′の突出の程度を明らかにしたＳＥＭ画像を示す。図示されるように、従来のエポキシベース接着剤１２２の突出の程度は相当である（図２（ａ）参照）が、類似の加熱温度および圧力におけるＢＣＢ層１１２′の突出の程度（図２（ｂ）参照）はほぼ無視できる。
方法は、シリコンウェーハ１００内に設けられた１つ以上のチャネルが重複する領域において、マスク１０６を通してシリコンウェーハ１００をエッチングすることを含んでもよい。その場合、エッチングは、第１の構成要素および第２の構成要素の間に形成された流体チャンバ、例えば圧力チャンバなどに流体を出し入れするためのチャネルを提供しうる。
したがって、方法は、液滴堆積ヘッド、例えばインクジェットプリントヘッド用の液滴生成ユニットの製造を提供する。
ここで図３を参照すると、インクジェットプリントヘッド５０用の液滴生成ユニット６は、流体チャンバ基板２およびその底面１７上に設けられたノズルプレート４によって形成される。流体チャンバ基板２およびノズルプレート４は共に、流体供給チャネル１２および流体入口ポート１３と流体連通する圧力チャンバ１０を画定する。流体入口ポート１３は、流体チャンバ基板２の長さに沿って圧力チャンバ１０の一方の端部に向かって、流体チャンバ基板２の上面に設けられる。
液滴生成ユニット６は、流体が流れる経路を間に設けるように配置される流体供給チャネル１２および圧力チャンバ１０と流体連通する流体チャネル１４をさらに備える。液滴生成ユニット６はまた、流体入口ポート１３が設けられた側の端部とは反対側の、圧力チャンバ１０の端部の側の流体チャンバ基板２の上面に設けられた流体チャンバ１０と流体連通する流体出口ポート１６を備え、それにより流体が、圧力チャンバ１０から流体チャネル１４および流体戻りチャネル１５を経由して流体出口ポート１６へ流れてもよい。
流体チャンバ基板２は、ケイ素を含んでいてもよく、特にシリコンウェーハを含んでいてもよい。ノズルプレート４はケイ素を含んでいてもよいが、任意の好適な材料、例えば、金属（例えば、電気めっきニッケル）、合金（例えば、ステンレス鋼）、ガラス（例えば、二酸化ケイ素）、または樹脂もしくはポリマー材料（例えば、ポリイミドまたはＳＵ８）なども含みうる。
液滴生成ユニット６は、圧力チャンバ１０と流体連通するノズル１８をさらに備え、それにより、ノズル１８が、任意の好適なプロセス（例えば化学エッチング、ＤＲＩＥ、またはレーザーアブレーション）を使用してノズルプレート４内に形成される。ノズル１８は、ノズル入口およびノズル出口を備え、任意の好適な形態および形状であってよい。
液滴生成ユニット６は、流体チャンバ基板の上面１９に設けられ、圧力チャンバ１０を覆うように配置されている、膜２０をさらに備える。膜２０は、流体チャンバ１０内の体積を変化させるために、圧力チャンバ１０内に圧力変動を生じるように変形可能であり、その結果、流体が圧力チャンバ１０からノズル１８を介して液滴として吐出されうる。
膜２０は、任意の好適な材料、例えば、金属、合金、誘電材料、および／または半導体材料を含みうる。好適な材料には、窒化ケイ素、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、ケイ素、炭化ケイ素などが挙げられる。膜２０は、このような材料の複数の層を含みうる。膜２０は、任意の好適な技術、例えば原子層堆積、スパッタリング、電気化学プロセス、および／または化学蒸着を使用して形成されうる。膜の形成中に、適切なパターニング／マスキング技法を使用して、流体ポート１３、１６に対応する開口部２１が膜２０に設けられてもよい。
液滴生成ユニット６は、膜２０上に提供され膜２０を変形させるように配置された電気機械エネルギー源としてのアクチュエータ２２をさらに備える。アクチュエータは、２つの電極の間に位置する圧電薄膜を備える圧電素子２４として示される。下部電極２６は膜２０に接触し、上部電極２８は膜２０上に設けられた配線層に接触する。
配線層は、上部電極２８および／または下部電極２６をコントローラ（図示せず）に接続して電気信号をアクチュエータ２２に提供する２つ以上の電気的トラック３２ａ、３２ｂを備えうる電気接続を備える。電気トラック３２ａおよび上部電極２８は、電気接点（例えば、駆動接点）の形態の第１の電気接続３５と電気通信し、一方、電気トラック３２ｂおよび下部電極２６は、電気接点３７（例えば、接地接点）の形態の第２の電気接続と電気通信する。次いで、電気接点３５、３７は、コントローラと電気通信する。配線層は、電気トラック３２ａ、３２ｂを環境からおよび流体に接触することから保護するために、パッシベーション材料３３を備えてもよい。その場合、電気的トラック３２ａ、３２ｂは、それぞれの電気的バイア３９を介して電気接点３５、３７と電気通信する。
液滴生成ユニット６、ならびに特に、圧力チャンバ１０、流体チャネル１４、流体供給チャネル１２、流体戻りチャネル１５、流体入口ポート１３、および流体出口ポート１６は、本開示の方法に従って形成されてもよい。方法がプリントヘッド５０用の複数の液滴生成ユニット６を提供する場合、流体チャンバ基板２の液滴生成ユニット６は、隣接する液滴生成ユニット６の間にその長さ方向に沿って設けられるチャンバ壁３１を備える。
ここで図４を参照すると、図３に示すものと類似した液滴堆積ヘッドの製造方法は、圧電アクチュエータ２０４が設けられたシリコンウェーハを備える流体チャンバ基板２０２から開始してもよい。シリコンウェーハは、キャップ層２０６に接合される。キャップ層２０６は、熱剥離型接合層２１４によって支持体２１２に接合される。
厚さ約１．０～２．２μｍの接合材料前駆体層２１６が、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ、シクロテン３０２２～３０３５、Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社の商標）の溶液をスピンコーティングすることによって、流体チャンバ基板２０２の表面上に形成される。支持体２１２を除去した後（図５）、ＢＣＢ層が、基板２０２を２１０℃で４０分間加熱することによって部分的に硬化され、したがって、部分的に硬化したＢＣＢ層２１６′が形成される。
ＢＣＢ接着促進剤（例えば、ＡＰ３０００、Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社）を、流体チャンバ基板２０２の表面をプライム処理するために使用することが好ましいことに留意されたい。接着促進剤は、スピンコーティングによって塗布され、従来の方法でスピンドライされうる。
ここで図６を参照すると、室温まで冷却し、支持部２１２を再付着した後、５～１０μｍの厚さのポジ型レジスト層２１８が、溶液からポジティブフォトレジストをスピンコーティングし、例えば９０～１２０°Ｃでソフトベーキングして、溶媒を蒸発させることによって、部分的に硬化したＢＣＢ層２１６′上に形成される。
ここで図7を参照すると、室温まで冷却し、支持部２１２を再付着した後、５～１０μｍの厚さのポジ型レジスト層２１８が、溶液からポジティブフォトレジストをスピンコーティングし、例えば９０～１２０°Ｃでソフトベーキングして、溶媒を蒸発させることによって、部分的に硬化したＢＣＢ層２１６′上に形成される。そして、照射領域は、フォトレジスト層２１８に層２２０を残すために、例えばＴＭＡＨ、水酸化テトラメチルアンモニウムなどの適切な溶媒で形成される。マスクは開口部２０５を含む。
ここで図８を参照すると、部分的に硬化したＢＣＢ層２１６′および流体チャンバ基板２０２がマスク２２０を通してエッチングされることで、接合材層２１６′および流体チャンバ基板２０２のそれぞれの一部分が取り除かれる。エッチングは、２工程で実施され、最初にプラズマ（例えば、４：１のＯ２：ＣＦ４プラズマ、または５：１のＯ２：ＳＦ６プラズマ）を使用して、部分的に硬化したＢＣＢ層２１６′の一部分を除去し、次にＤＲＩＥを使用して、流体チャンバ基板２０２の一部分を除去する。
ここで図９を参照すると、支持体２１２の除去後、マスク２２０が、例えばアセトンへの３０分の暴露などのウェット剥離によって除去されて、パターニングされたＢＣＢ層２１６′′および流体チャンバ基板２０２′を残す。
ＢＣＢ層２１６および流体チャンバ基板２０２をマスクを通してエッチングするということは、パターニングされたＢＣＢ層２１６′′がパターニングされた流体チャンバ基板２０２’の接合表面と実質的に一致することを意味することに留意されたい。代替的な一実施形態では、ＢＣＢ層２１６および流体チャンバ基板２０２をマスクを通してエッチングすることが異方性エッチングとして実行されてもよく、それにより、結果として得られるチャンバ壁が、テーパー状であるか、台形の断面を有する、またはパターニングされた流体チャンバ基板２０２′の接合表面と直角をなさないチャンバ壁表面を備える。
ここで図１０を参照すると、熱剥離型接合層２３４によって支持体２３２に付着されたノズルプレート２３０が、ノズル２４０と共に、加熱し接合力を印加する間にパターニングされたＢＣＢ層２１６′′と接触する。温度は１３０℃で５分間維持され、その間に１２ｋＮの接合力が加えられる。５５℃まで冷却した後、接合力の印加が停止され、ウェーハが接着チャンバから取り出され、熱テープおよび支持ハンドルが取り除かれる。この後、２５０℃まで１時間加熱を継続して、確実にパターニングされたＢＣＢ層２１６′′が完全に硬化（９５～１００％）し、ノズルプレート２３０がしっかりと接着されているようにする。
ＢＣＢ接着促進剤（例えば、上述のＡＰ３０００）も、ノズルプレート２３０の表面をプライム処理するために使用できることに留意されたい。加熱は、ノズルプレート２３０から支持体２３２を熱剥離するのに必要な温度未満の温度で実行されることにさらに留意されたい。
ここで図１１を参照すると、ノズルプレート２３０の接触面がパターニングされた接合材層２１６”にしっかりと接着されると、熱剥離型接合層２３４が動作可能となる温度で加熱を継続し、支持体２３２がノズルプレート２３０から除去される。
ノズルプレート２３０およびキャップ層２０６が熱剥離型接合層から残留物を除去するように洗浄され、また確実にＢＣＢ層が完全に硬化され、ノズルプレートの接合表面がパターニングされたＢＣＢ層にしっかりと接着されるように接合後硬化が実行される。
ＢＣＢ層２１６”の最終厚さを走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって求めてもよく、また約１μｍの標的厚さを選択してもよい。
流体チャンバ基板２０２およびノズルプレート２３０は共に、図３（の１０）に示すものと類似した流体チャンバ２２６を画定する。
ただし、方法は代替として、ＢＣＢ層を用いてキャップ層２０６を流体チャンバ基板２０２へ接合することから開始して、上述のように継続されてもよいことに留意されたい。
その場合、キャップ層の接合が、流体チャンバ基板２０２をパターニングがないこと以外は、ノズルプレート２３０の接合と同様に実行される。
図１２は、図１１の液滴生成ユニットの別の断面図を示す。この断面は、図１１に示す断面と直角をなす。キャップウェーハ２０６は、流体ポート２６０を備える。流体チャンバウェーハ２０２′は、流体チャンバ２２６の向かい合う端部に形成される流体ポート２５０を備え、単一のパターニング工程において流体チャンバ２２６と共に形成されることが好ましい。３つのウェーハが共に接合され、流体ポート２６０が流体ポート２５０と整列すると、流体経路が形成される。
本開示は、構成要素を接合するために従来のエポキシベース接着剤に依存しないので、接着剤の流体チャンバへの突出を実質的に回避する、構成要素の接合方法を提供する。
さらに、方法は、構成要素が類似のサイズおよび形状を有すること、または、接着剤の突出を制御するために、追加的な特徴、例えば溝、空洞、またはスペーサーを含むことを必要としない。
接合材料前駆体をスピンコーティングすることにより、第１の構成要素の表面上の接合材層の厚さを非常に正確に制御することが可能になる。このようなスピンコーティングは、通常、ＭＥＭＳデバイスの製造プロセスがスピンコーティング工程を含むので、接着剤の転写接合と比較して追加的な工具を必要としない。
接合材層およびシリコンウェーハをマスクを通してエッチングすることは、パターニングされた接合材層がパターニングされたシリコンウェーハ上の接合表面と実質的に一致することを意味する。これは、スピンコーティングによって得られる均一な塗布と共に、従来のエポキシベース接合剤を用いた接合剤転写プロセスと比較して、チャンバ内に強制的に押し込まれる可能性が低い接合材層をもたらす。
ＢＣＢ接合材層の使用は、通常の接合圧力下では部分的に硬化したＢＣＢ層がほとんどまたは全く流れないので、特に有利である。さらに、完全に硬化したＢＣＢ層は、熱的に安定しており、化学的に堅牢で、幅広い流体（溶媒ベースのインクおよび水性ベースのインクなど）に適合する。
加えて、重合反応を通じて起こるＢＣＢの硬化処理プロセスは、相当量の揮発性副産物の形成につながらないため、最終の接合材層が実質的に空隙を含まず、４０ｋｇから１００ｋｇ以上の剪断力に耐えることのできる従来のエポキシベース樹脂を用いた、接合剤転写プロセスにより得られる接合強さに匹敵する接合強さを有する。
したがって、方法は、ノズルプレートが従来のエポキシベース接着剤を使用した接着剤転写プロセスによって接合される液滴生成デバイスと比較して、信頼性が高く、容量が大きく、寿命が長い、改善された液滴生成デバイスを提供しうる。
本開示は、必然的に、限られた数の実施形態を詳細に言及し、本明細書で詳細に説明されていない他の実施形態も可能であることに留意されたい。例えば、接合材層は、本開示で具体的に述べられないがパターニングおよび接合に適していると容易に決定される、通常の印加圧力下で著しい変形がない、部分的に硬化した接合材料から形成されてもよい。
特定の範囲の値への言及は、開始値および終了値を含むことにも留意されたい。
本開示における発明および求められる保護の範囲を特に示すのは、添付の特許請求の範囲であることにさらに留意されたい。
Claims (17)
- 微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）駆動流体デバイスの製造方法であって、前記デバイスが、前記デバイス内の流体チャンバ（２２６）および／または流体経路（２５０，２６０）を共に画定する接合した構成要素を備え、前記方法が、第１の構成要素（２０２）の表面上に接合材層の前駆体（２１６）を形成することと、前記接合材層（２１６′）および任意選択で前記第１の構成要素（２０２）をパターニングすることと、第２の構成要素（２３０）をパターニングされた前記接合材層（２１６′′）および前記第１の構成要素（２０２）に接合することと、を含み、前記接合材層（２１６′）を形成することが、前記第１の構成要素（２０２）の表面上の硬化性材料を不活性雰囲気中で第１の温度まで加熱することによって部分的に硬化させることを含み、前記第２の構成要素（２３０）を前記パターニングされた接合材層（２１６′′）および前記第１の構成要素（２０２）に接合することが、前記構成要素を前記第１の温度とは異なり前記第１の温度より高い第２の温度まで加熱することによって、部分的に硬化した前記材料を完全に硬化することを含む、方法。
- 前記接合材層（２１６′）および任意選択で前記第１の構成要素（２０２）をパターニングすることが、前記接合材層（２１６′）上のマスク（２２０）を画定するマスク層（２１８）を形成することと、前記接合材層の一部分（２１６′）および任意選択で前記第１の構成要素の一部分（２０２）を前記マスクを通して除去することを含む、請求項１に記載の方法。
- 前記接合材層（２１６′）をパターニングすることと、前記第１の構成要素（２０２）をパターニングすることとを含み、前記接合材層（２１６′）および前記第１の構成要素（２０２）が２つの異なる工程でパターン化される、請求項１または請求項２に記載の方法。
- 前記接合材層（２１６′）および前記第１の構成要素（２０２）をパターニングすることがエッチングによって実施される、請求項１～３のいずれか１項に記載の方法。
- 前記エッチングが異方性エッチングとして実行される、請求項４に記載の方法。
- 前記異方性エッチングが、流体チャンバまたは流体経路の壁表面であって、テーパー状である、台形の断面を有する、または接合材層の接合表面と直角をなさない壁表面を、少なくとも１つ提供する、請求項５に記載の方法。
- 前記硬化性材料が、重合性の環状アルケン、を含む、請求項１～６のいずれか１項に記載の方法。
- 前記硬化性材料が、ベンゾシクロブテンまたは置換ベンゾシクロブテンを含む、請求項１～６のいずれか１項に記載の方法。
- 前記第１の構成要素（２０２）が、電子制御信号を受信すると膜を変形させるように前記膜上に配置されたアクチュエータ素子（２０４）を含み、前記第２の構成要素（２３０）がノズルプレートを備え、前記第１の構成要素および前記第２の構成要素（２０２，２３０）が共に、前記デバイス内の流体チャンバ（２２６）および流体経路（２５０）を画定する、請求項１～８のいずれか１項に記載の方法。
- 前記第１の構成要素（２０２）が、電子制御信号を受信すると膜を変形させるように前記膜上に配置されたアクチュエータ素子（２０４）を含み、前記第２の構成要素が予め形成された空洞を内部に有するキャップ層（２０６）を備え、前記第１の構成要素および前記第２の構成要素（２０２，２３０）が共に、前記デバイス内の流体経路（２６０）を画定する、請求項１～８のいずれか１項に記載の方法。
- 前記第１の構成要素（２０２）の別の表面上に接合材層（２１６′′）を形成することと、前記接合材層および任意選択で前記第１の構成要素（２０２）をパターニングすることと、第３の構成要素（２０６）を前記接合材層（２１６′′）および前記第１の構成要素（２０２）に接合することと、をさらに含み、前記接合材層（２１６′′）を前記第１の構成要素（２０２）の前記別の表面上に形成することが、前記表面上の硬化性材料を不活性雰囲気中で第１の温度まで加熱することによって部分的に硬化させることを含み、前記第３の構成要素（２０６）を前記接合材層（２１６′′）および前記第１の構成要素（２０２）に接合することが、前記構成要素を前記第２の温度まで加熱することによって、部分的に硬化した前記材料を完全に硬化することを含む、請求項１～８のいずれか１項に記載の方法。
- 第３の構成要素（２０６）の表面上に接合材層を形成することと、前記接合材層および任意選択で前記第３の構成要素（２０６）をパターニングすることと、前記第１の構成要素（２０２）を前記接合材層および前記第３の構成要素（２０６）に接合することとをさらに含み、前記第３の構成要素（２０６）の表面上に前記接合材層を形成することが、前記表面上の硬化性材料を不活性雰囲気中で前記第１の温度まで加熱することによって部分的に硬化することを含み、前記第３の構成要素（２０６）を前記接合材層および前記第１の構成要素（２０２）に接合することが、前記構成要素を前記第２の温度まで加熱することによって、部分的に硬化した前記材料を完全に硬化することを含む、請求項１～８のいずれか１項に記載の方法。
- 前記第１の構成要素（２０２）の前記別の表面上および任意選択で前記第１の構成要素（２０２）上で、または第３の構成要素（２０６）の表面上および任意選択で前記第３の構成要素（２０６）上での前記接合材層のパターニングが、請求項２～８のいずれか一項に記載のパターニングと同じ方法で実行される、請求項１１または請求項１２に記載の方法。
- 前記硬化性材料が、重合性の環状アルケンを含む、請求項１１～１３のいずれか１項に記載の方法。
- 前記硬化性材料が、ベンゾシクロブテンまたは置換ベンゾシクロブテンを含む、請求項１１～１３のいずれか１項に記載の方法。
- 前記第１の構成要素（２０２）が、電子制御信号を受信すると膜を変形させるように前記膜上に配置されたアクチュエータ素子（２０４）を含み、前記第２の構成要素（２３０）がノズルプレートを備え、前記第３の構成要素（２０６）が予め形成された空洞を有するキャップ層を備え、前記第１の構成要素および前記第２の構成要素（２０２，２３０）が共に、前記デバイス内の流体チャンバ（２２６）および流体経路（２５０）を画定し、前記第１の構成要素および前記第３の構成要素（２０２，２０６）が前記デバイス内の流体経路（２６０）を画定する、請求項１１～１５のいずれか１項に記載の方法。
- 前記デバイスが液滴堆積ヘッド（５０）用の液滴生成ユニット（６）を備える、請求項１～１６のいずれか１項に記載の方法。
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