KR101263276B1 - 식각용 희생 기판 - Google Patents

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제프리 브리크메이어
스테판 알. 데밍
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후지필름 디마틱스, 인크.
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Abstract

실리콘 기판을 식각하는 방법이 기재되어 있다. 이러한 방법은 제 1 실리콘 기판(200)을 희생 실리콘 기판(240, 241)에 접합하는 단계를 포함한다. 제 1 실리콘 기판(200)이 식각된다. 상기 제 1 실리콘 기판(200) 및 희생 실리콘 기판(240, 241)의 경계면에 압력이 인가되어 제 1 실리콘 기판(200)을 희생 실리콘 기판(240, 241)으로부터 분리시킨다. 금속 블레이드(620)를 갖는 장치는 기판을 분리시키는데 이용될 수 있다.

Description

식각용 희생 기판 {SACRIFICIAL SUBSTRATE FOR ETCHING}
관련 특허출원과의 상호 인용
본 출원은 2004년 10월 21일 출원된 미국 가출원 제 60/621,507호를 우선권으로 주장한다. 선원의 기재내용이 일부분 고려되며, 선원의 기재내용을 참조한다.
본 발명은 실리콘 기판 프로세싱에 관한 것이다.
마이크로전자기계식 시스템(MEMS)은 통상적으로, 종래 반도체 프로세싱 기술을 이용하여 반도체 기판 내에 형성되는 기계식 구조물을 갖는다. MEMS는 단일 구조물 또는 다중 구조물을 포함할 수 있다. MEMS는 전기적 부품을 가지며, 여기서 전기적 신호가 각각의 구조물을 활성화시키거나, MEMS 내의 각각의 구조물의 가동에 의해 전기적 신호가 생성된다.
다양한 프로세싱 기술이 이용되어 MEMS를 형성한다. 이러한 프로세싱 기술은 부착 및 접합과 같은 층 형성, 및 레이저 제거(laser ablation), 펀칭(punching) 및 절단(cutting)과 같은 층 개량을 포함할 수 있다. 이용되는 기술들은 바디의 재료와 함께 바디 내에 형성될 원하는 경로, 리세스 및 홀 기하학 형상을 기초로 하여 선택된다.
일 실행의 MEMS는 내부에 챔버가 형성된 바디 및 상기 바디의 외부면 상에 형성된 압전 액츄에이터를 포함한다. 압전 액츄에이터는 세라믹과 같은 압전 재료의 층, 및 전극과 같은 전압 전달용 부재를 포함한다. 압전 액츄에이터의 전극은 압전 재료에 걸쳐 전압을 인가하거나 압전 재료가 변형될 때 생성되는 전압을 전달한다.
압전 액츄에이터를 갖는 MEMS의 한 형태는 마이크로-유체 분사 장치이다. 액츄에이터는 전극에 의해 작동할 수 있는 압전 재료를 포함할 수 있어서 압전 재료가 장치의 챔버를 향해 변형되게 한다. 이러한 변형된 액츄에이터는 챔버를 가압하여 챔버 내의 유체가 예를 들어, 노즐을 통해 배출되게 한다. 액츄에이터, 챔버 및 노즐을 포함하는 구조 부품은 얼마나 많은 양의 유체가 배출되는지에 영향을 미친다. 다중 구조물을 갖는 MEMS에서, MEMS 전반에 걸쳐 각각의 구조물에 대해 균일한 크기로 부품을 형성하는 것은 MEMS 성능의 균일성, 예를 들어, 배출되는 유체 량의 균일성을 개선한다. 균일한 구조물들을 형성하는 것은, MEMS 내의 다른 구조물과의 치수 차이가 몇 미크론 범위 내가 되도록 각각의 구조물을 프로세싱하고자 하는 경우에 문제가 될 수 있을 것이다.
일반적으로, 일 양상에서 본 발명은 실리콘 기판을 식각하는 방법을 기재하고 있다. 본 발명의 방법은 제 1 실리콘 기판을 희생 실리콘 기판에 접합하는 단계를 포함한다. 제 1 실리콘 기판이 식각된다. 제 1 실리콘 기판 및 희생 실리콘 기판의 경계면에 압력이 인가되어 제 1 실리콘 기판을 희생 실리콘 기판으로부터 분리시킨다.
방법의 실행은 하기의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 접합 단계는 제 1 실리콘 기판과 희생 실리콘 기판 사이에 반데르 발스 결합을 생성시키는 단계를 포함할 수 있으며 상온(room temperature)에서 발생할 수 있다. 식각은 심도 반응성 이온 식각(deep reactive ion etch)일 수 있으며, 희생 기판으로 식각될(etch into) 수 있다. 제 1 실리콘 기판과 희생 실리콘 기판의 경계면에 압력을 인가하는 단계는, 제 1 실리콘 기판이 희생 기판으로부터 완전히 분리될 때까지, 예리한 엣지를 구비한 부재를 경계면에 가압하는 단계를 포함할 수 있다. 제 1 실리콘 기판 및 희생 실리콘 기판은 각각, 대향 평탄 표면 및 얇은 엣지를 포함할 수 있으며, 경계면에 압력을 인가하는 단계는 평탄 표면에 평행한 압력을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 양상에서, 본 발명은 두 개의 접합된 기판을 분리시키기 위한 장치를 기재하고 있다. 본 장치는 기판 유지 부재 및 하나 이상의 분리 부재를 포함한다. 메커니즘은 하나 이상의 분리 부재에 연결되며, 여기서 메커니즘은 분리 분재를 기판 유지 부재에 의해 유지되는 기판의 중심을 향한 방향으로 이송한다.
장치의 실행은 하기의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 분리 부재는 금속 블레이드와 같은, 얇은 엣지 부분을 포함할 수 있다. 기판 유지 메커니즘은 상향 및 하향으로 가동될 수 있다. 메커니즘은 모터를 포함할 수 있다. 장치는 하나 이상의 분리 부재에 의해 인가되는 압력을 감지하기 위한 센서를 포함할 수 있다. 장치는 센서로부터 수신되는 신호에 따라서 하나 이상의 분리 부재를 이동시키도록 구성된 제어기를 포함할 수 있다. 장치는 압력이 한계치를 초과할 때 분리 부재의 내측 이동을 정지시키도록 구성된 제어기를 포함할 수 있다. 장치는 2, 4, 6, 8 개 또는 그 이상의 분리 부재를 가질 수 있다. 분리 부재는 유지 부재 둘레에 동일한 각도 간격으로 이격될 수 있다. 메커니즘은 분리 부재가 미리 결정된 위치를 넘어 이송되는 것을 방지할 수 있다.
용융 접합 기판은 프로세싱 중에 모듈 기판용 지지부를 제공할 수 있다. 실리콘 기판이 어닐링되지 않는 경우에, 용융 접합은 안정성은 있지만, 영구적이지 못한 접합을 제공할 수 있다. 희생 기판은 기판의 대향 표면에 언더컷(undercut) 형성하지 않은 채 일 표면으로부터 기판을 관통하여 식각하는 것을 가능하게 한다. 희생 기판은 화학물질이 기판 내에 형성된 개구를 관통하는 것을 방지할 수 있으며, 예를 들어, 기판은 기판의 일 측면으로부터 냉각제가 식각챔버 내측으로 유출되는 것을 방지할 수 있다. 식각의 일부분이 완성되고, 식각의 나머지 부분이 완성될 때, 희생 기판은 식각이 완성된 영역에서 과식각이 발생하는 것을 방지한다. 희생 기판은 불필요한 잔류물이 핸들링 중에 식각된 기판의 홀 또는 리세스로 유입되는 것을 방지할 수도 있다.
기계식 분리 장치는 사람이 지루한 공정을 수행할 필요 없이 용융 접합된 기판을 분리할 수 있다. 이러한 장치를 갖는 센서를 포함함으로써, 분리 중에 기판 손상의 위험 없이 적합한 레벨의 압력이 기판에 인가될 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시예가 첨부 도면 및 다음 기재 내용에 상세하게 설명되어 있다. 본 발명의 다른 특징, 목적, 및 이점은 상세한 설명과 도면, 및 청구범위로부터 명백해질 것이다.
도 1은 액적 분사 MEMS 장치의 단면도이며,
도 2는 액적 분사 MEMS 장치로부터의 세 개의 전극의 평면도이며,
도 3은 실리콘 기판을 도시하는 도면이며,
도 4는 부분적으로 식각된 실리콘 기판의 단면도이며,
도 5는 희생 기판에 접합되며 부분적으로 식각된 실리콘 기판의 단면도이며,
도 6은 패턴화된 포토레지스트 및 산화물 층을 갖는 부분적으로 식각된 실리콘 기판의 단면도이며,
도 7은 패턴화된 포토레지스트 및 산화물 층을 갖는 부분적으로 식각된 실리콘 기판의 단면도이며,
도 8은 관통 홀이 완성된 후의 실리콘 기판의 단면도이며,
도 9는 펌핑 챔버가 형성된 후의 실리콘 기판의 단면도이며,
도 10은 희생 기판이 제거된 식각된 기판을 도시한 도면이며,
도 11은 접합된 기판을 분리시키기 위한 기계식 장치의 개략도이며,
도 12는 접합된 기판을 분리시키기 위한 기계식 장치의 단면도이며,
도 13은 제 2 희생 기판에 접합되는 식각된 기판을 도시하는 도면이며,
도 14는 노즐 층을 형성하기 위한 장치 층을 갖는 실리콘 온 절연체(silicon on insulator) 기판을 도시하는 도면이며,
도 15는 이방성 식각 후에 실리콘 온 절연체 기판을 도시하는 도면이며,
도 16은 이방성 식각 후의 실리콘 온 절연체 기판의 평면도이며,
도 17은 두 개의 실리콘 온 절연체 기판에 접합되는 식각된 기판의 단면도이며,
도 18은 노출된 멤브레인 층 및 노출된 노즐 층을 갖는 식각된 기판의 단면도이며,
도 19는 식각된 피쳐를 갖는 모놀리식 실리콘 기판을 도시하는 도면이며,
도 20은 노즐 개구를 갖는 노즐 층의 단면도이며,
도 21은 핸들 층에 접합된 압전 층을 도시하는 도면이며,
도 22는 티닝(thinning) 후의 압전 층을 도시하는 도면이며,
도 23은 그라운드 절단부(ground cuts) 및 전도성 층을 형성한 후의 압전 층을 도시하는 도면이며,
도 24는 부가적인 절단부를 형성한 후의 압전 층의 저면도이며,
도 25는 내부에 형성된 정렬 절단부를 갖는 압전 층의 단면도이며,
도 26은 내부에 형성된 정렬 슬롯을 갖는 핸들 층의 단면도이며,
도 27은 정렬 절단부 및 슬롯을 형성한 후의 핸들 층의 평면도이며,
도 28은 접합 층이 상부에 형성된 후의 압전 층의 단면도이며,
도 29는 서로 접합된 압전 층 및 모듈 기판을 도시하는 도면이며,
도 30은 핸들 층을 제거한 후의 조립체를 도시한 도면이며,
도 31은 상부 전도성 층을 형성한 후의 조립체를 도시한 도면이며,
도 32는 압전 아일랜드(piezoelectric islands) 상에 형성된 세 개의 전극의 평면도이며,
도 33a, 33b, 33c 및 33d는 기판 상의 다이 위치 및 기판으로부터 다이를 분리시키기 위한 다이 둘레의 다이싱 절단부, 및 스트리트(street)의 개략도이며,
도 34는 모듈 기판을 형성하기 위한 흐름도이며,
도 35는 압전 아일랜드를 형성하고 MEMS를 완성하는 공정을 나타내는 흐름도이며,
도 36a, 36b 및 36c는 하나 이상의 구조물을 갖는 다이를 도시하는 도면이며,
도 37은 노즐 개구의 저면도이며,
도 38은 다이의 일 예의 사시도이다.
여러 도면의 동일한 도면 부호는 동일한 부품을 나타낸다.
모노리식(monolithic) 구조물을 갖는 MEMS 및 정밀하게 형성된 피쳐(features)는 다양한 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 피쳐의 정밀도는 MEMS 내에 포함되는 각각의 구조물의 균일한 특성을 야기할 수 있다. 여러 가지의 MEMS가 동일하거나 유사한 기술을 이용하여 형성될 수 있다. MEMS의 한 형태, 즉, 인쇄 장치기 후술된다. 그러나, 인쇄 장치를 형성하는데 이용되는 기술은 유체 분사기, 센서, 마이크로폰, 광 모듈레이터 및 다른 이러한 장치와 같은 다수의 다른 MEMS 구조물을 형성하는데 적용될 수 있다.
다중 분사 구조물이 단일 프린트헤드 다이 내에 형성될 수 있다. 제조 중에 다중 다이가 단일 웨이퍼 상에 동시에 형성될 수 있다. 첨부된 여러 도면에, 하나 의 분사 구조물이 간략하게 도시되어 있다.
도 1과 관련하여, 이는 모듈(100) 내의 단일 분사 구조물의 유동 경로를 통한 단면도이며, 잉크는 공급 경로(112)를 통해 모듈(100)에 유입되어, 아센더(ascender; 108)를 통해 임피던스 피쳐(114) 및 펌핑 챔버(116)로 지향된다. 잉크는 액츄에이터(122)에 의해 펌핑 챔버(116) 내에서 가압되며 디센더(decender; 118)를 통해 액적이 배출되는 노늘 개구(120)로 지향된다.
유동 경로 피쳐는 모듈 바디(124) 내에서 형성된다. 모듈 바디(124)는 베이스부, 노즐부 및 멤브레인을 포함한다. 베이스부는 실리콘의 베이스 층(베이스 실리콘 층; 136)을 포함한다. 베이스부는 공급 경로(112), 아센더(108), 임피던스 피쳐(114), 펌핑 챔버 및 디센더(118)의 피쳐를 형성한다. 노즐부는 실리콘 층(노즐 실리콘 층; 132)으로 형성된다. 노즐 실리콘 층(132)은 베이스부의 베이스 실리콘 층(136)에 용융 접합(파선 라인) 되며, 잉크를 디센더(118)로부터 노즐 개구(120)로 지향시키는 테이퍼링된 벽(134)을 형성한다. 멤브레인은 베이스 실리콘 층(136)에 용융 접합되는 멤브레인 실리콘 층(142)을 노즐 실리콘 층(132)에 대향하는 측면 상에 포함한다.
액츄에이터(122)는 압전 층(140)을 포함한다. 압전 층(140) 아래의 전도성 층은 접지 전극(152)과 같은 제 1 전극을 형성할 수 있다. 압전 층(140) 상의 상부 전도성 층은 구동 전극(156)과 같은 제 2 전극을 형성할 수 있다. 랩-어라운드 연결부(wrap-around connection; 150)는 접지 전극(152)을 압전 층(140)의 상부면 상의 접지 컨택(154)에 연결할 수 있다. 전극 브레이크(160)는 접지 전극(152)을 구동 전극(156)으로부터 전기적으로 분리시킨다. 금속화(metallized) 압전 층(140)은 부착 층(146)에 의해 실리콘 멤브레인(142)에 접합될 수 있다. 부착 층은 수지, 예를 들어, 폴리머화 벤조시클로부텐(BCB)과 같은 부착제를 포함할 수 있다.
금속화 압전 층(140)은 펌핑 챔버에 걸쳐서, 활성 압전 영역, 또는 아일랜드를 형성하도록 구획화될 수 있다. 금속화 압전 층(140)은 고립 영역(148)을 제공하도록 구획화될 수 있다. 이러한 고립 영역(148)에서, 압전 재료는 디센더(118)에 걸친 영역으로부터 제거될 수 있다. 이러한 고립 영역(148)은 노즐 어레이의 어느 일 측면 상의 액츄에이터의 어레이를 분리시킬 수 있다.
가요 회로(도시되지 않음)는 잉크 분사를 제어하는 구동 신호를 전달하기 위해 액츄에이터의 후면에 고정될 수 있다.
모듈(100)은 대체로 직사각형 고형체이다. 일 실행에서, 모듈(100)은 약 30 내지 70 mm 길이, 4 내지 12 mm 폭 및 400 내지 1000 미크론 두께를 갖는다. 모듈의 치수는 예를 들어, 유동 경로가 식각되는 반도체 기판 내에서 변할 수 있으며, 이는 이후에 기재될 것이다. 예를 들어, 모듈의 폭 및 길이는 10 ㎝ 이상일 수 있다.
인쇄 장치 내의 다중 모듈의 모노리식 바디들의 두께 균일성 및 모노리식 바디의 두께 균일성이 높을 수 있다. 예를 들어, 모노리식 바디의 두께 균일성은 예를 들어, 6 인치 연마된 실리콘 기판에 걸쳐 형성된 모노리식 바디에 대해서 약 ± 1 미크론 이하일 수 있다. 결과적으로, 기판으로 식각된 유동 경로 피쳐의 치수 균일성은 바디의 두께 변형에 의해 실질적으로 저하되지 않는다.
도 2와 관련하여, 이는 유동 경로에 인접하여 대응하는 일련의 상부 전극(156)의 평면도이다. 각각의 유동 경로는 협소한 전극부(170)를 통해 구동 전극 컨택(162)에 연결되는 상부 전극(156)을 가질 수 있으며, 상기 구동 전극 컨택에 전기적 연결부가 구동 펄스를 전달하기 위해 형성된다. 협소한 전극부(170)는 임피던스 피쳐(114)에 결처서 위치될 수 있으며, 가동될 필요가 없는 액츄에이터(122)의 일부분에 걸친 전류 손실을 감소시킬 수 있다.
모듈 제조
모듈 바디(124)는 베이스부 및 노즐부 내의 유동 경로 피쳐를 식각함으로써 제조된다. 멤브레인 층, 베이스부 및 노즐부는 모듈 바디를 형성하도록 서로 접합된다. 그 후, 액츄에이터가 모듈 바디에 부착된다.
도 3과 관련하여, 베이스 실리콘 층(136) 내의 유동 경로 피쳐는 실리콘 기판(200) 내에 형성된다. 실리콘 기판(200)은 전방 측면(210) 및 후방 측면(215)을 구비하여 제공된다(단계 805, 도 34).
실리콘 기판(200)은 약 600 미크론의 전체 두께를 가질 수 있다. 기판은 각각 약 1 미크론 두께의 열 산화물 층(203, 208)을 전방 측면(210) 및 후방 측면(215) 상에 개별적으로 가질 수 있다. 기판(200)은 황산/과산화수소의 욕 내에서 피라냐(piranha) 세정될 수 있어서 기판(200)으로부터 유기물을 제거한다. 실리콘 층은 전방 측면 및 후방 측면(210, 215)에 평행한 평면(100)을 갖는 단일-결정 실리콘일 수 있다.
도 4와 관련하여, 기판(200)은 마스크를 형성하도록 패턴화된 포토레지스트 를 통해 식각함으로써 공급 경로(112) 및 디센더(118)에 대응하는 부분을 형성하도록 프로세싱될 수 있다(단계 810, 도 34). 포토레지스트를 위한 기판(200)을 준비하기 위해서, 기판은 포토레지스트를 위한 산화물을 프라이밍(prime)시키도록 헥사메틸디실라제인(HMDS) 퓸(fumes) 내에 위치될 수 있다. 포지티브 포토레지스트(225)는 기판(200)의 전방 측면(210)상에서 스피닝된다. 포토레지스트는 소프트 베이킹(soft baked)될 수 있으며, 칼 서스 마스크 얼라이너(Karl Suss mask aligner)를 이용하여 크롬 마스크를 통해 노출될 수 있다. 포토레지스트는 디센더(118) 및 공급 경로(112)의 위치를 규정하는 마스크를 형성하도록 개발될 수 있다.
그 다음, 기판(200)이 식각된다. 산화물 층(203)은 유도 결합식 플라즈마 반응성 이온 식각(ICP RIE)에 의해 제거될 수 있다. 그 후, 실리콘 층이 식각된다. 식각 공정의 예는 심도 반응성 이온 식각에 의한 등방성 건식 식각이며, 이는 플라즈마를 이용하여 실리콘을 선택적으로 식각하여 실질적으로 수직인 측벽을 갖는 피쳐를 형성한다. 보쉬 공정(Bosch process)으로 공지된 반응성 이온 식각 기술은 본원에 전체가 참조되는, 라에모르 등에 의한 U.S. 5,501,893 호에 개시되어 있다. 심도 실리콘 반응성 이온 식각 장비는 캘리포니아주, 레드우드 시티에 소재하는 설페이스 테크놀로지 시스템(Surface Technology Systems), 텍사스(Texas)주 플라노(Plano)에 소재하는 알카텔(Alcatel) 또는 스위스에 소재하는 언엑시스(Unaxis)로부터 이용될 수 있으며, 반응성 이온 식각은 캘리포니아, 산타 바바라(Santa Barbara)에 소재하는 이노베이티브 마이크로 테크놀로지(Innovative Micro Technology)를 포함하는 식각 벤더(etching vendors)에 의해 수행될 수 있다. 심 도 반응성 이온 식각은 실질적으로 일정한 직경의 피쳐를 깊게 절단하는 성능으로 인해 이용된다. 식각은 SF6 및 C4F8과 같은 가스 및 플라즈마를 이용하여 진공 챔버 내에서 수행된다. 일 실행에서, 기판의 후면이 냉각된다. 기판 내의 결점은 식각 공정 중에 생성되는 열에 의해 야기될 수 있다. 헬륨과 같은 냉각제가 기판을 냉각시키는데 이용될 수 있다. 실리콘 기판과 냉각제 사이의 금속 층은 식각 공정에 의해 발생되는 열을 냉각제로 효율적으로 전도할 수 있을 뿐만 아니라, 냉각제가 진공 챔버 내측으로 유출되어 진공을 훼손하는 것도 방지할 수 있다.
실리콘 기판(200)은 디센더(118) 및 공급 경로(112)의 전방 측면 절반을 형성하도록 보쉬 공정의 심도 반응성 이온 식각(DRIE)을 이용하여 식각될 수 있다. 실리콘은 약 300 미크론의 깊이로 식각될 수 있다. 레지스트는 기판(200)으로부터 분리될 수 있으며, 기판(200)은 피라냐 세정 및 RCA 세정될 수 있다.
도 5와 관련하여, 실리콘 기판(200)은 예를 들어, 진공 본더(vacuum bonder)를 이용하여 희생 기판(240)에 접합된다(단계 815, 도 34). 실리콘 기판(200)의 전방 측면(210)은 희생 기판(240)에 접합될 수 있다. 희생 기판(240)은 실리콘 기판일 수 있다. 선택적으로, 임의의 산화물 층은 접합 전에 기판으로부터 분리될 수 있다. 실리콘 기판(200) 및 희생 기판(240)은 용융 접합될 수 있거나, 서로 실리콘-대-실리콘 접합될수 있다. 접합은 거의 상온에서 수행되어 기판(200,240)이 서로 영구적으로 접합되는 것을 방지할 수 있다.
두 개의 실리콘 표면 사이에 반데르 발스 결합을 생성하는 용융 접합은 두 개의 평평하고, 고도로 연마된, 세정 실리콘 표면이 두 개의 실리콘 층 사이에 어떠한 중간 층도 갖지 않고 서로 접합하는 경우에 발생할 수 있다. 용융 접합은 실리콘 산화물과 실리콘 사이에서 발생할 수도 있다. 용융 접합을 위해 두 개의 부재를 준비하기 위해서, 실리콘 기판(200) 및 희생 기판(240)은 예를 들어, 역(reverse) RCA 세정에 의해서 둘 다 세정된다. 일 실행에서, RCA 세정은 역 RCA 세정, 즉 DI 수, 암모늄 수산화물 및 과산화 수소의 욕 내에서 RCA1 세정에 이어 수반되는 DI 수, 하이드로클로릭 산 및 과산화 수소의 혼합물로 구성되는 RCA2 세정이다. 실리콘 기판(200) 및 희생 기판(240)상의 임의의 산화물은 버퍼링된 불산 식각(buffered hydrofluoric acid etch; BOE)을 이용하여 제거될 수 있다. 그 후, 실리콘 기판(200) 및 희생 기판(240)이 서로 접합된다. 두 개의 기판은 서로 접합되며, 이 후에 더 기재되는 바와 같이, 기판은 분리될 수 있다. 임시 접합이 바람직한 경우에, 어떠한 어닐링도 수행되지 않는다.
도 6과 관련하여, 포지티브 포토레지스트와 같은 포토레지스트(234)는 전술된 방법을 이용하여 후방 측면 산화물 층(203) 상에서 스피닝될 수 있다. 포토레지스트(234)는 펌핑 챔버(116) 및 펌핑 챔버 내의 임피던스 피쳐(114)의 위치를 규정하도록 패턴화될 수 있다. 기판은 산화물 층(203)의 노출된 부분을 제거하기 위해서 플라즈마 식각을 이용하여 식각될 수 있지만, 실리콘 기판(200)은 식각되지 않는다.
도 7과 관련하여, 포토레지스트(234)는 분리되어, 새로운 포토레지스트 층(238)이 기판의 후방 측면 상에서 스피닝된다. 새로운 포토레지스트 층(238)은 디 센더(118) 및 아센더(108)의 위치를 규정하기 위해서 패턴화된다. 아래의 도면에 도시된 바와 같이, 다중 층의 패턴화 포토레지스트 및 식각이 이용되어 다층식 피쳐를 생성시키는데 이용될 수 있다.
도 8과 관련하여, 실리콘 기판(200)의 후방 측면(215)이 예를 들어, DRIE에 의해서 식각되어 디센더(118)의 후방 측면부 및 아센더(108)의 후방 측면부를 형성한다(단계 820, 도 34). 희생 기판(240)은 실리콘 기판(200)의 후방 측면(215)이 식각되는 경우에 향하여 식각될(etched into) 수 있는 층으로서의 역할을 한다. 게다가, 희생 기판은 식각되는 두 개의 서로 상이한 재료의 접합점(junction)에서 발생할 수 있는 언더컷의 형성을 방지할 수 있다. 희생 실리콘 기판(240)은 DRIE 장치의 냉각제가 아센더 및 디센더 및 DRIE 공정 챔버를 관통하는 것을 방지하도록 실리콘 기판(200)을 밀폐시키기도 한다. 포토레지스트(238)는 디센더(118) 및 아센더(108)의 후방 측부가 식각된 후에 분리된다.
도 9와 관련하여, 이전에 패턴화된 실리콘 이산화물(203)을 마스크로서 이용하며, 실리콘 기판(200)이 펌핑 챔버(116) 및 임피던스 피쳐(114)를 형성하도록 식각된다. 기준선(Fiducoals)(도시되지 않음)이 기판(200)의 둘레에서 식각될 수 있다.
도 10과 관련하여, 희생 기판(240)은 실리콘 기판(200)으로부터 제거된다(단계 825, 도 34). 서로 용융 접합되지만 어닐링되지 않는 실리콘 기판들이 두 개의 기판들 사이에 분리 부재를 부드럽게(gently) 밀어넣음으로써 분리될 수 있다. 반데르 발스 결합은 특히, 분리가 충분히 천천히 수행된다면, 기판을 파손시키지 않 고 분리될 수 있을 정도로 충분히 약하다.
도 11 및 도 12와 관련하여, 기계식 장치(600)는 희생 기판(240)을 실리콘 기판(200)으로부터 분리시킬 수 있다. 장치(600)는 상하로 가동될 수 있는 기판 지지부(610)를 포함할 수 있다. 4, 6, 8 개 또는 심지어 보다 더 많은 분리기 유닛과 같은 하나 이상의 분리기 유닛(630)은 기판을 분리시키는데 이용될 수 있다. 장치가 두 개 이상의 분리기 유닛(630)을 포함한다면, 유닛은 기판 지지부(610) 둘레에서 동일한 각도 간격으로 이격될 수 있다. 분리기 유닛(630)은 분리 부재(620), 예를 들어, 블레이드 형상 돌출부를 포함할 수 있다. 분리 부재(620)는 충분히 얇은 엣지를 가질 수 있어서, 분리 부재(620)가 두 개의 기판들 사이의 경계면에 압력을 인가하는 경우에, 분리 부재(620)는 두 개의 기판을 떨어뜨리는 힘을 가하여 두 개의 기판 사이에 들어갈 수 있다. 분리 부재(620)는 두 개의 기판을 분리시키기에 충분한 압력이 가해지는 경우에 파손되지 않는 충분히 강한 재료로 형성된다. 분리 부재(620)는 실질적으로 균일한 두께를 가질 수 있으며, 또는 보다 얇은 엣지로 테이퍼링될 수 있다. 일 실행에서, 분리 부재(620)는 예리한 리딩 엣지, 예를 들어, 레이저 블레이드(razor blade)를 갖는 얇은 금속 블레이드로 형성된다.
각각의 분리기 유닛(630)은 유지 부재, 예를 들어, 분리 부재(620)를 고정시키기 위한 클램프를 포함할 수 있다. 분리기 유닛(630)은 기판 지지부(610)의 표면에 수직인 중심 축과 관련하여, 내측 및 외측 방향으로 독립적으로 방사상 가동될 수 있다. 각각의 분리기 유닛(630)은 지지 레일(640)을 따라 분리기 유닛을 구 동시키는 모터(650)에 의해 가동될 수 있다. 각각의 분리기 유닛(630)은 분리 부재(620)에 의해 가해지는 압력을 측정하기 위한 센서를 수용할 수도 있다. 각각의 모터(650) 및 센서는 제어기(660), 예를 들어, 프로그램화된 컴퓨터에 연결될 수 있다.
두 개의 기판을 분리시키기 위해서, 제어기(660)는 모터(650)를 분리기 유닛 내측으로 이동시킨다. 기판 조립체는 주요 면(680) 및 얇은 슬라이드(670)를 갖는다. 분리기 유닛(630)은 접합된 기판의 얇은 슬라이드(670)에 수직이며, 주요 면(680)에 평행한 방향으로 이동한다. 분리기 유닛(630)은 센서가 가해진 압력이 한계 압력을 초과하는지를 감지할 때까지 이동된다. 센서가 한계 압력을 감지할 때, 센서는 분리기 유닛(630)의 내측 이동을 정지시키도록 모터(650)에 명령할 수 있다. 두 개의 기판(200, 240)이 서로 멀어지기 시작하면서, 분리기에 의해 가해지는 압력은 떨어질 것이다. 센서가 압력이 한계 압력 아래로 떨어지는 것을 감지할 때, 제어기(660)는 분리기 유닛(630)이 내측으로 이동하도록 모터(650)에 명령할 수 있으며, 다시 한계 압력이 다시 감지될 때까지 또는 분리기 유닛(630)이 최대 범위까지 내측으로 이동할 때까지 모터에 명령할 수 있다. 다중 분리기 유닛(630)을 갖는 장치에 있어서, 분리기 유닛(630)은 연속하여(in series) 또는 서로 동시에 이동할 수 있다.
작동 중에, 두 개의 접합된 기판은 기판 지지부(610) 상에 위치된다. 기판 지지부(610)는 상승 위치에 있을 수 있다. 분리기 유닛(630)은 기판을 향해 이동한다. 분리기 유닛(630)은 상향 또는 하향으로 가동될 수 있으며, 또는 기판 지지 부(610)는 분리 부재가 두 개의 기판 사이의 경계면과 정렬될 때까지 상향 또는 하향으로 가동될 수 있다. 분리기 유닛(630)은 한계 압력이 감지될 때까지 내측으로 이동된다. 감지된 압력이 한계 압력과 동일하거나 한계 압력을 초과한다면, 분리기 유닛(630)의 내측 이동은 중단된다. 기판이 분리되기 시작하여 압력이 한계 값 아래로 떨어질 때, 분리 부재(620)는 압력이 한계 압력에 도달할 때까지 내측으로 재압박된다. 기판 지지부(610)가 분리기 유닛(630)의 내측 진행을 방해한다면, 기판 지지부(610)는 하강할 수 있다. 공정은 기판이 서로 완전히 분리될 때까지 계속된다.
분리기 유닛(630)의 계속되는 내측 이동이 감지되는 압력의 증가를 생성하지 못할 때 분리기는 두 개의 기판이 분리되는 것을 감지할 수 있다. 몇몇 실행에서, 분리기 유닛(630)은 미리 결정된 위치를 넘어 내측으로 이동하는 것을 방지한다. 일 실행에서, 기판(200, 240)은 분리 중에 기판 지지부(610)와 접촉하지 않는다. 하부 기판(200)이 상부 기판(240)으로부터 분리되고 기판 지지부(610)상으로 떨어지는 경우에, 탐지기는 기판 (200, 240)이 완전히 분리되는지를 감지할 수 있다. 일 실행에서, 기판 지지부(610)는 진공 척 및 압력 센서를 포함할 수 있어서 기판(200)이 기판 지지부(610)와 접촉하는지 아닌지를 감지한다. 일 실행에서, 기판 지지부(610)는 개구를 가질 수 있으며, 상기 개구는 기판(200)이 개구를 덮는 경우에 밀폐된다. 압력 변화는 기판이 개구를 덮고 있는지를 나타낼 수 있다. 이와 달리, 레버, 또는 카메라와 같은 장치가 기판의 분리를 탐지할 수 있다. 일 실행에서, 분리기 유닛은 미리 결정된 지점을 넘어 내측으로 이동하는 것을 제한할 수 있다.
기판(200, 240)이 분리될 때, 공정은 적외선 카메라를 이용하여 모니터링될 수 있다. 적외선 카메라는 기판(200, 240)의 접합 영역의 엣지를 보이게 한다. 각각의 분리기 유닛의 분리가 일정 비율로 발생하지 않는다면, 분리기 유닛(630)의 하나 이상의 비율이 조정될 수 있다.
실리콘 기판(200)은 세정될 수 있으며, 후방 측면 산화물(203)은 분리될 수 있다. 실리콘 기판(200)은 다시 세정될 수 있다.
도 13과 관련하여, 후방 측면 희생 기판(241)은 실리콘 기판(200)의 후방 측면(215)에 접합될 수 있다(단계 830, 도 34). 기판(20)의 전방 측면(210)은 노즐 실리콘 층(132)의 형성 및 접합을 허용하도록 노출된다.
도 14와 관련하여, 노즐 층은 실리콘-온-절연체(silicon-on-insulator; SOI) 기판(300)으로 준비될 수 있다(단계 835, 도 34). 절연체 층(302)은 산화물 또는 질화물일 수 있다. 이와 달리, 노즐은 100 개의 평면 DSP 웨이퍼로 형성될 수 있다. 노즐 층(132)은 원하는 두께로 얇아질 수 있다. 벌크 연마 단계(bulk grinding step)와 같은, 하나 이상의 연마 및/또는 식각 단계는 원하는 노즐 층 두께를 달성하도록 이용될 수 있다. 일 실행에서, 노즐 층(132)은 원하는 두께를 달성하도록 가능한 많이 연마되며, 이는 연마가 두께를 정확히 제어할 수 있기 때문이다. 두께는 약 20 내지 80 미크론, 예를 들어 약 30 내지 70 미크론과 같은, 약 1 내지 100 미크론 범위일 수 있다. 선택적으로, 노즐 층(132)의 노출된 표면의 최종 폴리싱이 표면 거칠기를 감소시키는데 이용될 수 있다. 표면 거칠기는 전술된 바와 같이 실리콘 대 실리콘 접합을 달성하는 요인이다. 폴리싱 단계는 두께의 불확실성을 도입시킬 수 있으며, 통상적으로 원하는 두께를 달성하기 위해 이용되지 않는다.
도 15 및 도 16과 관련하여, 산화물 층은 후방 측면 산화물(330)을 형성하기 위해서 실리콘 노즐 층(132)상에 성장할 수 있다. 절연체 층(302) 및 핸들 층(310)은 후방 측면 산화물(330)로부터 노즐 층(132)의 대향 측면 상에 있다. 포토레지스트는 예를 들어, 레지스트 상에서 스피닝함으로써, 후방 측면 산화물(330) 상에 형성될 수 있다. 포토레지스트는 노즐의 위치를 규정하기 위해서 패턴화될 수 있다. 노즐의 위치는 후방 측면 산화물(330) 내에 개구를 생성시킴으로써 규정될 수 있다.
노즐 층(132)은 침윤 식각 기술과 같은 이방성 식각을 이용하여 식각될 수 있다(단계 840, 도 34). 식각은 실리콘 노즐 층(132) 내에 리세스(366)를 형성한다. 리세스는 역 피라미드 형태를 가질 수 있거나, 베이스부를 갖는 중공의 피라미드 절두체(hollow pyramidal frustum) 형태일 수 있으며, 리세스형 표면(357)은 베이스부 및 경사지거나 테이퍼링된 벽(134)에 평행하다. 테이퍼링된 벽(134)은 길이(360)를 갖는 엣지에서 리세스형 표면(357)과 접한다. 리세스(366)는 절연체 층(302)을 통하여 식각될 수 있다. 이와 달리, 리세스(366)는 노즐 층(132)을 통해 부분적으로만 연장할 수 있다. 리세스(366)가 절연체 층(302)을 통해 식각되지 않는다면, 실질적으로 일정한 리세스 깊이는 식각 시간 및 비율을 제어함으로써 달성될 수 있다. 포타슘 수산화물(KOH)을 이용하는 침윤 식각은 온도에 따라 달라지는 식각 비율을 갖는다. 리세스(366)는 약 3 내지 50 미크론과 같은 약 1 내지 약 100 미크론 깊이일 수 있다. 리세스(366)의 깊이는 실리콘 노즐 층(132)의 두께에 따라서 적어도 일부분 달라질 수 있다.
도 17과 관련하여, SOI (300), 실리콘 기판(200) 및 SOI (400)은 서로 접합된다(단계 845, 도 34). 희생 실리콘 기판(241)은 실리콘 기판(200)으로부터 제거된다(단계 850, 도 34). 희생 실리콘 기판(241)은 SOI (300)이 실리콘 기판(200)에 접합되기 전 또는 후에 제거될 수 있다. 접합 전에, SOI (300) 및 실리콘 기판(200)은 디센더(118)가 테이퍼링된 벽(134)을 갖는 리세스(366)에 유체 연결되도록 정렬된다.
실리콘-온-절연체 기판(400)(SOI 400)은 실리콘 기판(200)의 후방 측면에 접합된다(단계 855, 도 34). SOI (400)은 멤브레인 실리콘 층(142), 매장된 산화물 층(402) 및 핸들 층(405)을 포함한다. 멤브레인 실리콘 층(142)은 원하는 두께를 달성하기 위해서 접합 단계 전에, 예를 들어, 연마 또는 폴리싱함으로써 얇아질 수 있다. 실리콘 멤브레인 층(142)은 약 10 내지 25 미크론 두께와 같은, 약 1 내지 50 미크론 두께일 수 있다. SOI (300), 실리콘 기판 200 및 SOI (400)의 노출된 표면 상의 임의의 산화물은 산화물 식각, 예를 들어, BOE를 이용하여 제거될 수 있다. SOI (400)은 실리콘 기판(200)의 후방 측면과 접촉하게 된다. 용융 접합이 달성된다. 세 개의 기판이 영구적인 용융 접합을 형성하기 위해서 어닐링함으로써 서로 접합된다.
어닐링은 약 1050℃ 내지 1100℃에서 수행될 수 있다. 용융 접합의 이점은 실리콘 기판(200)과 SOI 기판(300, 400) 사이에 어떠한 부가적인 층도 형성되지 않 는다는 점이다. 융융 접합 후에, 두 개의 실리콘 기판은 접합이 완성되는 경우에, 하나의 단일 층이 되어, 두 개의 층 사이에 실질적으로 어떠한 경계(delineation)도 없다는 점이다. 따라서, 접합된 조립체는 조립체 내부에 실질적으로 산화물 층이 없을 수 있다. 조립체는 실질적으로, 실리콘으로 형성될 수 있다. 소수성 기판 처리와 같은 다른 방법이 실리콘 대 실리콘 접합을 위해 기판을 준비하는데 이용될 수 있다.
도 18과 관련하여, 용융 접합 후에, 핸들 층(306, 406)은 두께의 일부분을 제거하기 위해서 연마된다(단계 860, 도 34). 식각은 핸들 층(306)의 완전한 제거를 위해서 이용될 수 있다. 산화물 층(302, 402)은 예를 들어, 식각에 의해서 제거될 수 있다.
도 19와 관련하여, 리세스(366)가 노즐 층을 통해 전체적으로 연장되지 않는다면, 노즐 실리콘 층(132)의 전방 측면이 노즐을 완성하기 위해서 식각될 수 있다. 포토레지스트는 노즐 실리콘 층(132)의 전방 측면에 도포될 수 있으며 노즐 개구(120)의 위치를 규정하기 위해서 패턴화될 수 있다. 개구는 원형 또는 직사각형일 수 있다. 다른 개구 기하학 형상도 적합할 수 있으며, 예를 들어, 5 개 이상의 측면을 갖는 다각형이 있다. 노즐 실리콘 층(132)은 리세스(366)에 대응하는 위치로 식각되어, 노즐은 실질적으로 직선형 벽 출구에 이르는 테이퍼링된 입구를 갖는다(단계 865, 도 34). 노즐 실리콘 층(132)은 노즐 개구(130)를 형성하도록 DRIE 식각될 수 있다. 노즐 개구(120)는 약 25 미크론 직경과 같은 약 5 내지 40 미크론 직경일 수 있다. (아래에 더 기재되는)스트리트(streets)는 노즐 실리콘 층(132) 내측으로 동시에 식각될 수 있다(단계 870, 도 34). 노즐 개구(120)의 직경(377)은 리세스(366)의 테이퍼링된 벽(134)을 교차할 수 있을 정도로 충분히 클 수 있다. 노즐 리세스(366)는 노즐 입구를 형성한다.
도 20과 관련하여, 일 실행에서, 노즐의 측단면도는 노즐 개구(120)의 수직 벽과 교차하는 테이퍼링된 벽(134)을 도시하고 있다. 노즐 개구(120)의 직경은 충분히 커서 테이퍼링된 벽(134)이 노즐 실리콘 층(132)의 전방 측면 표면 범위 내에서 연장하지 않는다.
실리콘 기판(200)은 현재 모듈 바디(124)이다. 임의의 포토레지스트는 분리될 수 있어서 모듈 바디(124)를 완성시킨다. 모듈 바디(124)는 임의의 폴리머 또는 유기물을 제거하기 위해서, 약 4시간 동안 약 1100℃에서 베이킹될 수 있다.
액츄에이터 제조
도 21 및 도 35와 관련하여, 압전 층(500)이 제공되며, 이는 예열된(pre-fired) 압전 재료의 블록이다. 압전 재료는 리드 지르코네이트 티타네이트(PZT)일 수 있지만, 다른 압전 재료가 이용될 수 있다. 일 실행에서, PZT는 약 7.5 g/㎤ 이상, 예를 들어, 8 g/㎤의 밀도를 갖는다. d31 계수는 약 200 이상일 수 있다. HIPS-처리된 압전 재료는 일본, 수미토모 압전 재료(Sumitomo Piezoelectric Materials)로부터 H5C 및 H5D로 이용할 수 있다. H5C 재료는 약 8.05 g/㎤ 의 겉보기 밀도 및 약 210의 d31을 나타낼 수 있다. H5D 재료는 약 8.15 g/㎤ 의 겉보기 밀도 및 약 300의 d31을 나타낼 수 있다. 기판은 통상적으로 약 1㎝ 두께이며, 원하는 작업 두께로 절단될 수 있다. 압전 재료는 압착, 닥터 블레이딩(doctor blading), 그린 시트(green sheet), 졸 겔 또는 도포를 포함하는 기술에 의해 형성될 수 있다. 압전 재료 제조는 본원에 전체가 참조되며, 1971년 아카데미 프레스 리미티드(Academic Press Limited), B. 자페(Jaffe)에 의해 압전 세라믹(Piezoelectric Ceramics)에 설명되어 있다. 열간 압착을 포함하는 형성 방법이 258~9 페이지에 기재되어 있다. PA, 필라델피아에 소재하는 TRS 세라믹(Ceramics)으로부터 이용가능한, 리드-마그네슘-니오베이트(PMN)와 같은 단결정 압전 재료가 이용될 수도 있다. 벌크 PZT 재료는 스퍼터링되고, 스크린 인쇄되거나 졸 겔 형성된 PZT 재료 보다 높은 d 계수, 유전체 상수, 결합 계수, 강도 및 밀도를 가질 수 있다.
이러한 특성은 바디에 부착하기 전에 재료를 연소하는(firing) 단계를 포함하는 기술을 이용함으로써 압전 재료에서 설정될 수 있다. 예를 들어, (지지부 상에 대향하여) 자체 연소되며 몰딩되는 압전 재료는 재료를 (가열되거나 가열되지 않는)몰드 내측으로 패킹시키는데 고압력이 이용될 수 있는 이점을 갖는다. 게다가, 유동제 및 결합제와 같은 첨가제가 통상적으로 거의 요구되지 않는다. 보다 높은 온도, 예를 들어 1200 내지 1300℃는 보다 양호한 완성 및 그레인 성장을 허용하는 연소 공정에 이용될 수 있다. 졸 겔 또는 스퍼터링 기술에 의해 형성되는 압전 재료와 달리, 벌크 압전 재료의 그레인은 약 2 내지 4 미크론 사이의 폭을 가질 수 있다. 연소 분위기(예를 들어, 납 농축 분위기)는 세라믹으로부터 (고온으로 인한)PbO의 손실을 감소시키는데 이용될 수 있다. PbO 손실 또는 다른 열화(劣化)를 가질 수 있는 몰딩되는 외측 표면은 절단되어 폐기될 수 있다. 이러한 재료 는 세라믹이 고 압력에서 처리되는 중에, 열간 정압 프레싱(HIPs)에 의해 처리될 수도 있다. 열간 정압 프레싱 공정(Hipping process)은 연소 중에 또는 압전 재료가 연소된 후에 수행될 수 있으며, 밀도를 증가시키고, 공극을 감소시키며, 그리고 압전 상수를 증가시키는데 이용된다. 열간 정압 프레싱 공정은 산소 또는 산소/아르곤 대기에서 수행될 수 있다.
압전 재료의 개시 층은 예를 들어, 약 250 내지 약 300 미크론 두께와 같은, 약 100 내지 약 400 미크론 사이일 수 있다. 압전 재료는 바닥 표면(504) 및 최상부 표면을 가지며, 여기서 바닥 표면(504)은 사실상 모듈 바디(124)에 밀접한 표면일 수 있다.
압전 층(500)은 핸들 층(502)에 접합된다(단계 910, 도 35). 핸들 층(502)은 바디(200)를 형성하는데 이용되는 동일한 재료로 형성될 수 있다. 핸들 층(502)은 실리콘을 포함할 수 있다. 핸들 층(502)은 압전 층(500)을 유지하고 이송하기 위한 층을 제공하여, 압전 층(500)은 처리 중에 손상되지 않는다. 핸들 층(502)은 아래에 기재되는 바와 같이, 후속적인 가열 및 접합 단계 중에 압전 층(500)의 팽창을 제어할 수도 있다. 핸들 층(502)은 400 내지 1000 미크론 두께일 수 있지만, 정확한 두께는 상대적으로 중요하지 않다. 일 실행에서, 핸들 층(502)은 압전 층(500) 보다 넓다. 핸들 층(502)과 압전 층(500) 사이의 접합 층은 압전 벤조시클로부텐(BCB) 층을 포함할 수 있다. 부착제는 조립체를 가열시키는 것과 같이 경화될 수 있다.
도 22와 관련하여, 압전 층(500)은 원하는 두께로 얇아질 수 있어서, 상기 층은 액츄에이터의 압전 부분의 최종 원하는 두께보다 두껍지만(도 1의 도면부호 140), 재료의 블록 보다는 얇다(단계 915, 도 35). 일 실행에서, 압전 층(500)은 약 200 미크론, 또는 약 500 미크론 미만으로 얇아진다.
압전 층(500)을 얇게 하기 위해서, 수평 연마와 같은, 정밀한 연마 기술이 평탄하고 낮은 공극 표면 형태를 갖는 고도로 균일한 얇은 층을 제조할 수 있다. 수평 연마에서, 피가공재는 높은 평탄도 공차로 기계가공되는 기준 표면을 구비하는 회전 척 상에 장착된다. 피가공재의 노출된 표면은 높은 공차의 정렬에서도, 수평 연마 휠과 접촉하게 된다. 연마는 예를 들어, 약 0.25 미크론 이하, 예를 들어, 약 0.1 미크론 이하의 평탄도 및 평행선을 생성할 수 있으며, 기판에 걸쳐서 5nm Ra 미만의 표면 처리를 생성할 수 있다. 연마는 균일한 잔여 응력을 생성하기도 한다.
적합한 정밀한 연마 장치는 아리조나주(AZ), 챈들러(Chandler)에 소재하는 시에바 테크놀로지(Cieba Technologies)로부터 이용가능한, 도시바 모델(Toshiba Model) UHG-130C이다. 기판은 거친 휠(rough wheel)을 이용한 연마에 뒤이어 정교한 휠로 연마될 수 있다. 적합할 수 있는 거친 휠 및 정교한 휠은 각각, 1500 그릿(grit) 및 2000 그릿 합성 다이아몬드 합성수지 메트릭스를 갖는다. 적합한 연마 휠은 일본, 아도마(Adoma) 또는 아사이 다이아몬드 인더스트리얼 코포레이션(Ashai Diamond Industrial Corp.)으로부터 이용할 수 있다.
연마 공정의 일 실행은 하기의 매개변수를 이용한다. 피가공재 스핀들은 500 rpm으로 작동되며, 연마 휠 스핀들은 1500 rpm으로 작동된다. x-축 공급률은 거친 휠을 이용하여 처음에 50~300 미크론에 대해서 10미크론/분이며, 정교한 휠을 이용하여 마지막에 50~100 미크론에 대해서 1미크론/분이다. 냉각제는 18 메그옴-㎝ 탈 이온수이다.
연마 후에, 압전 층(500)은 본질적으로, 고정 부착되는 그레인 및 압전 재료의 성긴 그레인 둘 모두를 갖는 평탄면뿐만 아니라, 압전 재료의 그레인 및 연마 유체로 형성되는 페이스트를 갖는다. 연마 공정은 압전 재료의 다수의 그레인을 분열시켜, 일부 그레인을 성기게(loosens) 하기도 한다. 연마에 이어, 압전 재료는 플루오로보릭 산(HBF4)의 1 % 용액에서 세정될 수 있어서 연마에 의해 야기되는 표면 손상을 제거할 수 있다(단계 920, 도 35). 연마 공정에 의해 성기게된 압전 재료의 그레인은 실질적으로 제거되어 작은 리세스를 남기지만, 고정 부착된 그레인은 유지된다. 세정은 페이스트와 같은, 압전 재료 표면 상에 남겨질 수 있는 임의의 추가적인 물질들을 또한 제거할 수 있다. 표면 형태학은 코네티컷 주(CT), 미들필드(Middlefield)의 지고 코포레이션으(Zygo Corp.)로부터 이용가능한 메트로뷰 소프트웨어(Metroview software)를 갖는 지고 모델 뉴뷰(Zygo model Newview) 5000 간섭계(interferometr)를 이용하여 측정될 수 있다.
도 23과 관련하여, 압전 층(500)은 다이싱되거나(diced) 절단된다(단계 925, 도 35). 우선, 압전 층(500)의 전방 측면(510)은 그라운드 절단부(ground cut; 544)을 형성하기 위해서 다이아몬드 휠을 이용하여 절단될 수 있다. 절단부(544)는 약 15 내지 50 미크론 깊이와 같은, 15 미크론 보다 큰 깊이를 가질 수 있다. 그라운드 절단부(544)는 절단부의 깊이 대부분에 있어서 수직인 단면을 가질 수 있 지만 절단부의 베이스에서 원형이다. 제조를 간단히 하기 위해서, 그라운드 절단부(544)는 압전 층(500)의 전체 폭을 연장할 수 있다.
전도성 층은 금속화, 예를 들어, 진공 도포, 예를 들어, 스퍼터링에 의해서와 같이, 압전 층(500)의 전방 측면 상에 형성된다(단계 930, 도 35). 도포를 위한 전도체는 구리, 금, 텅스텐, 주석, 인듐-주석-산화물(ITO), 티타늄, 플라티늄, 금속의 조합, 또는 전극으로서 이용하기에 바람직할 수 있는 다른 재료를 포함할 수 있다. 일 실행에서, 전도성 층은 티타늄-텅스텐, 금-주석 및 금의 적층된 층을 포함한다. 전도성 층(505)은 바닥 전극(152) 및, 일 실행에서 랩-어라운드 연결부(150)의 일부를 형성할 것이다.
도 24와 관련하여, 이는 평면도이며, 압전 층은 다중 액츄에이터 부분을 생성하도록 구획화될 수 있으며, 각각의 액츄에이터 부분은 별도의 펌핑 챔버에 대응한다(단계 935, 도 35). 구획화, 또는 웰 절단부(wells cut; 503)는 하나의 압전 액츄에이터의 압전 재료를 인접하는 압전 액츄에이터의 압전 재료로부터 분리시키며, 이는 인접하는 액츄에이터들 사이의 누화(cross-talk)를 감소시키며, 몇몇 경우에 제거할 수 있다. 웰 절단부는 압전 층(140)의 최종 두께보다 깊게 형성된다. 일 실행에서, 절단부는 절단부가 형성되는 압전 층(500)의 전체 두께만큼 깊지 않다. 일 실행에서, 웰 절단부는 15 미크론 이상의 깊이를 갖는다. 그라운드 절단부(544)는 그라운드 절단부(544)가 웰 절단부(503)에 수직이 되도록, 압전 층(107)의 X-축을 따라 놓이며, 웰 절단부(503)는 압전 층(500)의 Y-축을 따라서 형성된다. 웰 절단부(503)는 그라운드 절단부(544)와 달리, 절단부가 이들의 수직 벽을 따라 전도성 재료를 갖지 않도록 전도성 층을 형성한 후에 제조된다.
하나의 절단부는 디센더 영역(118) 위의 고립 영역(148)으로부터 압전 재료를 제거할 수 있다. 고립 영역(148)은 그라운드 절단부(544)에 평행하게 형성된다. 채널 절단부(503)는 그라운드 절단부(544)에 실질적으로 수직으로 형성되는 개별 유동 경로를 분리시킨다.
도 25와 관련하여, 정렬 절단부(571)는 압전 층(500)의 바닥 표면(504) 내에 형성될 수 있다(단계 945, 도 35). 정렬 절단부(571)는 아래에 상세히 기재되는 바와 같이, 후속적인 정렬 단계에서 이용될 수 있다. 정렬 절단부(571)는 압전 층(500)을 통해 전체 연장하며 핸들 층(502)을 통해 부분적으로 연장할 수 있다. 일 실행에서, 정렬 절단부(571)는 약 80 미크론 깊이를 갖는다. 정렬 절단부(571)는 즉, 그라운드 절단부에 평행한 압전 층(500)의 X-축을 따라서, 또는 Y 축을 따라서 형성될 수 있다. 정렬 절단부(571)는 아래에 상세히 기재되는 바와 같이, 압전 층(500)의 엣지와 프린트헤드 다이 위치 사이와 같은, 프린트헤드 다이 위치에 대응하는 압전 층의 주변 부분에 형성된다. 정렬 절단부(571)는 개별 액츄에이터를 후속적으로 형성하는 압전 층(500)의 일부분과 겹치지 않는다. 핸들 층(502)이 압전 층(500)보다 넓다면, 정렬 절단부(571)는 압전 층(500)의 외측 영역인 핸들 층(502) 내에 형성될 수 있다.
도 26에 도시되는 바와 같이, 정렬 슬롯(582)은 압전 층(500) 내측으로 형성된다(단계 950, 도 35). 핸들 층(502)의 최상부면 내측으로 소우(saw)를 도입시킴으로써 정렬 슬롯(582)을 형성할 수 있다. 이는 반원 윤곽 절단부를 형성한다. 조립체(압전 층(500) 및 핸들 층(502))의 파손 또는 약화의 위험을 감소시키기 위해서, 정렬 슬롯(582)은 정렬 절단부(571)에 직각으로 형성되며 두 개의 정렬 슬롯만이 형성된다. 정렬 슬롯(582)은 정렬 절단부(571)와 교차하기위해서 충분히 깊을 필요가 있다.
도 27에 도시된 바와 같이, 핸들 층(502)을 통하는 평면도는 홀(585)을 통한 슬롯(582) 및 절단부(571)의 교차를 보이고 있다. 관통 홀(585)은 모듈 바디(124)를 갖는 압전 층(500)을 정렬하도록 이용될 수 있다.
도 28과 관련하여, BCB 512와 같은 접합 재료의 층은 압전 층(500)이나 모듈 바디(124) 상에서 스피닝된다(단계 955, 도 35).
도 29와 관련하여, 압전 층(500) 및 모듈 바디(124)는 고립 절단부(148)가 디센더(118) 위에 놓이며, 그라운드 절단부(544)가 아센더(108)와 다이의 엣지 사이에 놓이게 되도록 정렬되어 서로 접합된다. 모듈 바디(124) 내의 챔버(116)는 압전 층(500)이 모듈 바디(124)와 서로 접합되며, 챔버(116)가 각각의 웰 절단부(503) 사이에 있는 전도성 층(504)과 정렬되도록 이격된다. 챔버(116)는 점점 좁아질 수 있으며, 각각의 웰 절단부(503)들 사이의 압전 층(500)만큼 넓거나 보다 넓을 수 있다. 모듈 바디(124)는 잔류물이 노즐 개구(120)로부터 유입되는 것을 방지하기 위해서, 정렬 전에 노즐 실리콘 층(132) 상에 접합되는 노즐 플레이트 커버 기판(530)을 가질 수 있다. 압전 층(500)과 모듈 바디(124)는 서로 접합된다(단계 960; 도 35).
도 30과 관련하여, 노즐 플레이트 커버 기판(530)이 제거된다. 일 실행에 서, 조립체는 BCB를 폴리머라이징하기 위해 40 시간 동안 200℃에서 석영 오븐에 위치된다. UV 테이프와 같은 테이프(535)는 노즐에 도포될 수 있다. 실리콘 핸들 층(502) 및 압전 층(500)의 일부가 연마에 의해 제거된다(단계 965, 도 35). 테이프(535)는 제거될 수 있으며, 얇은 테이프가 도포될 수 있다. 압전 층(500)은 다시 연마되어 플루오로보릭 산으로 세정된다(단계 970, 도 35). 압전 층(500)은 압전 층(500) 내에 형성되는 모든 절단부(웰 절단부(503) 및 그라운드 절단부(544))가 노출되도록 충분히 얇다. 압전 층(500)은 20 미크론 미만, 예를 들어, 프로세싱이 완성될 때 약 15 미크론일 수 있다.
도 31과 관련하여, 상부 전도성 층은 예를 들어, 전도성 재료를 스퍼터링함으로써, 압전 층(140) 상에 배치된다(단계 970, 도 35). 전도성 재료는 제 1 전도성 층과 관련하여 전술된 바와 같은 재료일 수 있다. 상부 전도성 층은 포토리쏘그래피식으로 식각될 수 있어서 전극 브레이크(160)를 형성하며, 디센더(118) 위의 멤브레인(142)으로부터 금속을 제거한다. 이와 달리, 마스크 또는 리프트 오프(lift off) 기술은 상부 전도성 층을 패턴화하는데 이용될 수 있다. 상부 전도성 층의 일 부분은 그라운드 연결 갭(144) 내의 압전 층(500)의 측벽 상의 전도체에 의해 제 1 전도성 층(505)에 연결하여 랩-어라운드 연결부(150)를 형성한다.
도 32와 관련하여, 이는 평면도이며, 상부 전극(156)은 각각의 액츄에이터의 압전 층(140) 보다 좁아질 수 있다. 상부 전극은 이들이 위치되는 압전 아일랜드 보다 좁거나 동일한 폭을 가질 수 있다. 상부 전극은 보다 얇은 커넥터(170)에 의해 전극의 주요 영역에 연결되는 접촉 패드(162)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 서, 상부 전극은 펌핑 챔버보다 좁다. 상부 전극의 폭과 펌핑 챔버의 폭 사이의 비율은 약 0.65 내지 약 0.9와 같은 약 0.5 내지 약 1.2일 수 있다. 부가적으로, 압전 아일랜드는 이들이 위치되는 챔버와 동일한 폭을 갖으며, 보다 넓은 폭을 갖거나 좁은 폭을 가질 수 있다. 압전 아일랜드가 약 10 내지 20 미크론 폭과 같이, 펌핑 챔버의 폭보다 넓다면, 펌핑 챔버 사이의 벽은 압전 아일랜드를 지지할 수 있다. 챔버보다 넓은 압전 아일랜드를 형성하는 것은 접합 중에 보다 큰 압력이 MEMS 바디 및 압전 층에 가해지게 하지만, 압력이 가해질 때 멤브레인을 통하는 압전 부분 펀칭의 위험을 감소시킨다. 하부 전극이 접지 전극이면, 각각의 압전 액츄에이터의 접지 전극은 서로 연결될 수 있거나, 각각의 구조물의 접지가 고립될 수 있다.
각각의 액츄에이터의 압전 층(140)은 인접하는 액츄에이터로부터 완전히 분리된다. 실리콘 멤브레인 층(142)은 액츄에이터들 사이에 어떠한 절단부도 형성하지 않는다.
도 33a 및 도 33b와 관련하여, 절단부는 조립체(모듈 기판(124) 및 액츄에이터(122)로부터 다이를 분리시키기 위해 조립체 내측으로 형성될 수 있다. 절단부는 베이스 실리콘 층(136) 상의 기준선에 대해 마이닝(mine)되도록 압전 층(500)의 후방 측면의 주변 내측으로 형성될 수 있다. 기준선이 위치되면, 기준선은 소우를 이용하여 기판을 정렬하는데 이용될 수 있으며, 다이싱 절단부(dicing cut; 562)는 베이스 실리콘 층 내의 스트리트(561)와 정렬되는 모듈 바디(124) 내측으로 형성될 수 있다(단계 980, 도 35). 다이싱 절단부는 각각의 다이를 에워싼다.
도 33c와 관련하여, 다이싱 절단부(562)는 상기 절단부가 기판의 전방 측면 내에 형성되는 스트리트(561)와 교차하지 않도록 형성될 수 있다. 스트리트(561)는 각각의 다이의 경계선을 형성한다. 스트리트(561)는 피쳐가 위치되는 영역의 외측에 위치될 수 있다. 도 33d와 관련하여, 이는 두 개의 인접한 다이를 도시하는 조립체의 단면도이며, 스트리트(561)는 서로 교차하지 않는다. 다소, 스트리트(561)는 비-교차 세그먼트로서 형성되며, 실리콘(565)의 댐(dam) 또는 태브(tab)는 왼편에 있으며, 여기서 교차가 통상적으로 발생한다. 따라서, 브리치(breach)가 예를 들어, 처리 또는 실험 중에 하나의 다이 내에서 발생한다면, 기판 상의 모든 다이가 영향을 받기보다는, (충진 채널(fill channel; 113)의 대향 측면 상의)인접하는 다이만이 영향을 받는다. 스트리트(561) 및 다이싱 절단부(562)는 충진 채널(113)과 정렬되며 형성된다. 다이는 스트리트(561)를 따라 조립체를 수동으로 파손시킴으로써 서로 분리될 수 있다(단계 985, 도 35).
도 36a, 36b, 36c, 37 및 38과 관련하여, 각각의 다이는 하나 이상의 액적 분사기를 가질 수 있다. 1, 2 또는 10 개와 같이, 액적 분사기를 거의 갖지 않는 다이에 있어서, 액적 분사기는 평행한 유동 경로 및 액츄에이터의 단일 컬럼(column) 내에 배치될 수 있다. 다수의 액적 분사기가 단일 다이 내에 형성된다면, 액적 분사기는 교호 컬럼과 관련되는 노즐을 갖는 두 개의 평행한 컬럼 내에 배치될 수 있다. 노즐은 일렬로 위치될 수 있으며, 또는 이와 달리, 노즐은 서로 약간 오프셋(offset)될 수 있다.
모듈은 오프셋 인쇄 교체를 위해 프린터 내에 이용될 수 있다. 모듈은 광택성 클리어 코트(glossy clear coats)를 인쇄된 재료 또는 인쇄 기판에 선택적으로 도포하기 위해서 이용될 수 있다. 프린트헤드 및 모듈은 다양한 유체를 분배하거나 도포하는데 이용될 수 있으며, 상기 유체는 비-영상 형상 유체(non-image forming fluids)를 포함한다. 예를 들어, 3-차원 모델 페이스트는 모델을 설정하기 위해서 선택적으로 도포될 수 있다. 생물학적 샘플은 분석 배열 상에 배치될 수 있다.
이는 설명으로부터 명백해질 것이며, 임의의 기재된 기술은 상세한 설명의 목적을 달성하기 위해서 다른 기술과 조합될 수 있다. 예를 들어, 임의의 전술된 기술은 본원에 전체가 참조되며, 2002년 7월 3일 출원된, 프린트헤드 특허 출원 제 10/189,947 호에 기재된 기술 및 장치와 조합될 수 있다. 일 실시예에서, 압전 액츄에이터는 노즐 층이 모듈 기판에 접합되기 전에 모듈 기판에 고정된다. 전술된 방법이 15 미크론 미만의 고도로 균일한 멤브레인 층으로부터 재현될 수 있기 때문에 이러한 방법은 인쇄 장치보다는 미세전자기계 장치에 이용될 수 있다. 예를 들어, 고도로 균일한 얇은 멤브레인은 변환기와 함께 이용될 수 있다. 또 다른 실시예가 아래에 기재된다.
압전 액츄에이터를 형성하는 통상적인 방법에 의해 취해지는 난점이 전술된 방법을 이용하여 극복될 수 있다. 압전 재료의 예열 시이트로부터 형성되는 압전 층은 바디에 손상 없이 바디가 견딜 수 없는 기술을 이용하여 압전 재료를 처리할 수 있다. 예를 들어, 압전 액츄에이터가 바디로부터 별도로 형성된다면, 압전 재 료는 보다 양호한 완성 및 그레인 성장을 생성할 수 있는 온도에서 예열될 수 있다. 동일한 고온에서 MEMS의 다른 부품에 의해 내성이 없을 수 있다. 부가적으로, 벌크 압전 재료는 스퍼터링된 또는 졸-겔 압전 재료보다 보다 높은 d 계수, 유전체 상수, 결합 계수, 강성도 및 밀도를 가질 수 있다. 다른 방법에 의해 예를 들어, 졸 겔 도포에 의해 형성되는 압전 재료는 압전 예비-커서(pre-cursor) 내에 부착제를 필요로 할 수 있다. 부착제는 종종 연소되어 벌크 압전 재료가 바디로부터 별도로 형성될 때 형성될 수 있는 것보다 보다 덜 조밀한(less dense) 압전 재료를 생성할 수 있다. 벌크 압전 재료를 바디로부터 별도로 형성하는 것은 재료가 부착제를 포함하지 않거나 거의 포함하지 않게 한다. 부가적으로, 벌크 재료는 압력 하에서 연소될 수 있다. 보다 높은 온도 및 압력은 재료를 보다 더 조밀하게하며, 이는 일반적으로 재료 특성을 개선하며, 특히 재료의 공극 수를 감소시킨다. 공극은 전기 부족을 생성시킬 수 있으며 장치를 파손시킬 수 있다.
그러나, 압전 액츄에이터를 형성하기 위해서 압전 재료의 예열된 시이트를 프로세싱하는 것은 위험을 야기할 수 있다. 예를 들어, 압전 층이 압전 재료를 바디에 접합한 후에 개별 액츄에이터를 분리시키도록 절단된다면, 챔버 바디 내측으로 절단될 위험이 있으며, 이는 잠재적으로 누출을 야기할 수 있다. 반대로, 압전 재료 내측으로 충분히 깊게 절단되는 위험은 없으며, 인접하는 구조물들 사이에 태브를 남긴다. 절단부가 균일하지 않다면, 구조물은 동일한 전력 입력에 응답하여 변하는 정도의 압전체를 가질 수 있으며, 구조물들 사이에 누화가 발생할 수 있다. 절단부 깊이 비-균일성은 이용하면서 닳게 되는 소우 블레이드로 인해서 발생할 수 있으며 또는 압전 층에 대한 소우의 위치설정의 변동으로 인해 발생할 수 있다.
챔버 바디 상에서 재료를 접합하기 전에 압전 재료를 연마 및 다이싱함으로써 압전 액츄에이터를 형성하는 것은 균일한 두께의 압전 액츄에이터를 생성할 수 있다. 압전 부분은 단일 액츄에이터에 걸쳐서 균일한 두께를 가질 수 있다. 액츄에이터는 액츄에이터 그룹 전체에 걸쳐서 매우 균일한 두께를 가질 수도 있다. 다이 내의 구조물에 걸쳐서 달성될 수 있는 치수 균일성의 예로서, 각각의 구조물은 약 25 내지 200 미크론, 또는 약 150 미크론의 폭을 갖는 압전 액츄에이터를 가질 수 있으며, 다이는 한줄에 100 내지 200 구조물을 구비하며, 그리고 다이의 압전 액츄에이터에 걸친 두께 차이는 2 미크론 이내일 수 있다. 압전 재료 하부로 연마함에 이어 수반되는 개별 아일랜드 절단은 서로 평행한 최상부 표면 및 바닥 표면을 갖는 아일랜드를 형성할 수 있다. 이러한 기하학 형상은 스크린 인쇄 방법, 또는 세라믹 재료의 그린 시트 도포, 세라믹 재료의 패턴화 및 세라믹 재료의 연소에 의해 달성될 수 없다. 그린 시트 연소(firing green sheets), 스크린 인쇄 및 졸 겔 도포와 같은 방법은 직사각형 단면을 가질 수 없는 압전 액츄에이터를 형성할 수 있다. 예를 들어, 이러한 방법은 평면 바닥 및 곡선형 최상부 또는 제거되는 직사각형의 상부 코너를 갖는 것처럼 보이는 단면를 갖는 액츄에이터를 형성할 수 있다. 벌크 압전 재료로부터 아일랜드를 절단함으로써, 액츄에이터의 폭 및 길이에 걸쳐 액츄에이터의 두께는 매우 균일할 수 있다. 높은 치수 균일성을 갖는 압전 액츄에이터는 매우 균일한 압전 특성을 나타낼 수 있다.
압전 재료를 접합하기 이전에 절단부를 형성하는 것은 랩-어라운드 전극 구 조물이 형성될 수 있게 한다. 랩-어라운드 전극 구조물은 압전 층의 최상부 상에 있는 바닥 전극에 대한 접촉 영역을 생성한다. 랩-어라운드 전극 구조물은 집적 회로를 액츄에이터에 간단하게 연결할 수 있다.
펌핑 챔버의 폭 보다 좁게 액츄에이터를 형성함으로써 멤브레인의 가장 가요성이 큰 부분 위에 걸쳐서 액츄에이터의 변위를 집중할 수 있다. 액츄에이터를 보다 좁게 형성함으로써, 압전 재료를 가동시키는데 보다 낮은 전압이 요구된다. 최상부 전극은 압전 층의 중심 부분에 전압을 집중시키기 위해서 압전 층 보다 좁게 형성될 수 있다. 이는 압전 층에 걸쳐 압전력을 감소시킬 수 있다. 상부 전극을 압전 층보다 좁게 형성하는 것은 액츄에이터가 보다 양호하게 응답하여 전압을 입력하게 한다. 보다 양호한 액츄에이터 응답은 원하는 액츄에이터 응답을 달성하기 위해서 액츄에이터에 걸쳐서 보다 낮은 구동 전압이 인가되게 한다. 액츄에이터를 펌핑 챔버보다 넓게 형성하는 이점은 펌핑 챔버를 에워싸는 벽이 액츄에이터를 지지할 수 있다는 점이다. 벽이 펌핑 챔버를 지지한다면, 멤브레인을 통한 액츄에이터 파손의 위험이 감소한다. 특히, 압력이 예를 들어, 접합 공정 중에 액츄에이터에 인가된다면, 장치의 손상이 감소될 가능성이 있다.
상대적으로 두꺼운 압전 층을 핸들 층에 접합하기 전에 티닝하는 것은 액츄에이터 형성을 위한 처리 공정을 용이하게 할 수 있다. 압전 층이 챔버 바디 상에서의 접합 전에 적합한 작업 두께로 얇아지지 않으면, 보다 긴 티닝 공정이 접합 후에 필요할 수 있다. 또한, 핸들 재료가 압전 층보다 강도가 있는 것이 바람직할 수 있다. 보다 강도가 있는 핸들 층은 조립체가 가열될 때 핸들 층의 열 팽창과 밀접하게 팽창시킨다. 그러나, 핸들 층에 부착하기 전에 최종 두께로 압전 층을 티닝하는 것은 압전 층을 손상시키지 않고 원하는 두께가 달성될 수 없게 할 수 있다. 핸들 층은 티닝 중에 압전 재료를 고정하기 위해서 베이스를 제공한다. 압전 재료를 티닝하기 위한 장치가 티닝 중에 압전 재료를 고정하기보다 핸들 층을 고정할 수 있다면, 고정 피쳐가 티닝 공정을 간섭할 가능성이 거의 없다. 일 실행에서, 핸들은 티닝 장치에 클램핑되며, 연마 휠은 압전 층을 원하는 두께로 연마한다. 클램프는 단지 핸들 층과 접촉할 필요가 있기 때문에, 클램프는 연마 휠과 간섭할 필요가 없다.
연마는 노출된 그레인의 일부를 압전 재료로부터 성기게 할 수 있다. 부가적으로, 연마는 페이스트형 물질을 형성하며, 페이스트형 물질은 압전 재료의 파손된 조각(broken bit)을 포함한다. 페이스트형 물질은 연마 중에 압전 층 상에 도포될 수 있다. 페이스트형 물질 및 성긴 그레인은 압전 층과 전도성 층 사이의 접합에서 갭을 생성시킬 수 있다. 이러한 갭의 정도는 스폿에서 스폿(spot-to-spot)으로 변할 수 있어서 성능의 변화를 야기한다.
연마 후에 압전 재료를 세정하는 것은 성긴 그레인의 압전 재료 및 페이스트를 제거하여, 압전 재료의 표면이 완전히 고정된 그레인의 압전 재료로 주로 구성되게 한다. 세정은 보다 거친 표면을 생성하지만, 압전 재료에 걸쳐서 효율적이며 균일한 압전 재료의 특성을 개선하며, 상기 압전 재료는 성긴 그레인의압전 재료를 갖는 평탄 표면을 갖는다. 연마 후에 압전 재료를 세정하는 것은 전도성 재료를 도포하기 위한 표면을 개선하기도 한다. 표면에 페이스트 및 성긴 그레인 재료가 없다면, 압전 재료의 접착성 블록과 전도성 재료 사이에 갭이 존재하는 가능성이 감소한다.
압전체 재료의 열 팽창은 압전 재료를 바디에 접합하기 전에 압전 재료를 핸들 층에 접합함으로써 제어될 수 있다. 압전 재료 및 챔버 바디가 두 개의 구조물 사이에 접합을 형성하는 경우에, 압전 재료(또는 다른 적합할 수 있는 압전 재료) 바디를 형성하는데 이용되는 재료는 서로 상이한 비율로 팽창할 수 있으며, 특히, 바디가 실리콘과 같은 압전 재료 이외의 다른 재료로 형성되는 경우에 그러하다. 게다가, 열 변화로 인한 압전 재료의 팽창 및 수축은 변할 수 있다. 즉, 가열되어 본래 온도로 역 냉각되는 압전 재료는 본래 크기로 즉시 회복될 수 없다. 열 팽창 및 수축의 비율은 재료가 얼마나 오래전에 극이 형성됐는지 그리고 재료가 이미 얼마나 많은 수의 열 주기를 겪었는지와 같은, 상이한 인자로 인해서 변할 수 있다. 가열에 의해 야기되는 챔버 바디 및 압전 재료의 크기 변화는 분리 절단부에 대한 챔버 벽의 정렬을 변화시킬 수 있다.
핸들 층이 바디와 동일한 재료로 형성된다면, 핸들 재료는 압전 재료 및 바디의 팽창률이 실질적으로 동일하도록 압전 재료의 팽창률을 제어할 수 있다. 특히, 핸들 층이 압전 재료보다 두꺼운 경우에, 핸들 층은 압전 재료에 팽창력을 가할 수 있어서 핸들 층을 이용하여 수축시킨다. 일 실행에서, 압전 재료는 PZT이며, 핸들 층은 PZT 보다 10배 두꺼운 두께를 가지는 실리콘이다. 실리콘은 약 PZT보다 3배의 강성도를 갖는다. 두께 및 강성도의 차이 사이에서, 실리콘은 PZT의 30배 스프링율(spring rate)을 갖는 것 같이 보인다. 보다 큰 겉보기 스프링율을 갖는 재료는 다른 재료의 팽창 및 수축보다 우위에 서서, PZT를 실리콘과 동일한 비율로 팽창시킨다.
노즐 형성을 달성하기 위해서 전술된 공정이 변경될 수 있다. 일 실행에서, 모든 식각이 노즐 층의 후방 측면으로부터 수행된다. 다른 실행에서, 절연체 층은 노즐로부터 제거되지 않는다. 노즐을 완성하기 위해서, 절연체 층은 개구의 벽이 노즐 출구의 벽과 실질적으로 동일하게 되도록 식각될 수 있다. 이와 달리, 절연체 층 내의 개구의 벽은 노즐 출구의 벽과 다를 수 있다. 예를 들어, 노즐 입구는 테이퍼링된 벽을 가질 수 있으며, 상기 벽은 절연체 층 내에 형성되는 직선형 평행 벽으로 둘러싸인 부분으로 안내될 수 있다. 절연체 층 내에 개구를 형성하는 것은 유동 경로 모듈과 노즐 층을 부착하기 전 또는 후에 발생할 수 있다.
분리 기판 내에 노즐을 형성하는 하나의 잠재적인 단점은 노즐의 깊이가 예를 들어, 약 200 미크론 보다 큰 특정 두께 범위로 제한될 수 있다는 점이다. 약 200 미크론보다 얇게 기판을 프로세싱하는 것은 기판의 손상 및 파손의 증가된 가능성으로 인해 수율을 떨어뜨릴 수 있다. 기판은 일반적으로, 프로세싱 중에 기판 핸들링을 용이하게 하기에 충분히 두꺼울 수 있어야 한다. 노즐이 SOI 기판의 층 내에 형성된다면, 층은 형성 이전에 원하는 두께로 연마될 수 있지만, 여전히 핸들링에 있어서 상이한 두께를 제공한다. 핸들 층은 노즐 층의 프로세싱을 간섭하지 않고 프로세싱 중에 포착(grasped)될 수 있는 일부분을 제공하기도 한다.
원하는 두께의 층으로 노즐을 형성하는 것은 노즐 층이 유동 경로 모듈과 결합된 후에 노즐 층을 감소시키는 단계를 방지할 수 있다. 노즐 층이 유동 경로 모 듈과 결합된 후에 핸들 층을 연마하는 것은 유동 경로 피쳐가 연마 용액 또는 폐기물 연마 재료가 통하도록 개방된 상태가 되게 하지 않는다. 노즐 층이 유동 경로 모듈과 결합된 후에 절연체 층이 제거되는 경우에, 절연체 층은 하부 실리콘 층이 식각되지 않도록 선택적으로 제거될 수 있다.
두 가지 형태의 처리를 이용하는 노즐 형성 공정은 복잡한 기하학 형상을 갖는 노즐을 형성할 수 있다. 이방성 후방 식각 공정은 기판의 표면에 베이스, 경사지거나 테이퍼링된 벽 및 기판 내에 리세스 형성 표면을 구비한 피라미드의 절두체 형태 내에 리세스를 형성할 수 있다. 직경이 피라미드의 절두체의 리세스 형성 표면의 직경보다 크도록 구성되는 전방 측면 식각은 노즐 및 리세스로부터 피라미드의 절두체 형상의 리세스 형성 표면을 제거한다. 이러한 기술은 노즐로부터 잉크 유동의 지향에 직각인, 임의의 실질적으로 평탄 표면을 제거한다. 이는 노즐 내에 트랩핑되기 쉬운 공기를 감소시킬 수 있다. 즉, 이방성 식각에 의해 형성되는 테이퍼링된 벽은 잉크 유동 저항을 낮게 유지시킬 수 있지만, 공기 흡입 없이 충진 중에 대량의 메니스커스 풀-백(pull-back)을 수용한다. 노즐의 테이퍼링된 벽은 노즐 개구의 직선형 평행 벽으로 변해서 벽으로부터 유동을 분리시키는 경향을 감소시킨다. 노즐 개구의 직선형 평행 벽은 잉크의 스트림 또는 액적을 노즐 밖으로 지향시킬 수 있다.
이방성 식각의 깊이는 노즐 입구 및 노즐 출구 둘 모두의 깊이에 영향을 미치며, 노즐 개구가 피라미드의 절두체의 리세스 형성 표면의 직경보다 큰 직경으로 형성되지 않는 경우에 그러하다. 이방성 식각 깊이는 식각이 수행되는 온도에 따 른 식각 시간의 길이에 의해서 결정되며, 제어되기 어려울 수 있다. DRIE 식각의 기하학 형상은 이방성 식각의 깊이 보다 제어하기 용이할 수 있다. 노즐 입구의 테이퍼링된 벽과 노즐 출구의 벽을 교차시킴으로써, 이방성 식각 깊이의 변화는 최종 노즐 기하학 형상에 영향을 미치지 않는다. 따라서, 노즐 입구의 테이퍼링된 벽과 노즐 출구의 벽을 교차시키는 것은 다중 프린트헤드에 걸쳐서 그리고 단일 프린트헤드 내에서 보다 높은 균일성을 야기할 수 있다.
식각 공정 중에 기판을 서로 용융접합하는 것은 프로세싱 중에 모듈 기판용 지지부를 제공할 수 있다. 용융 접합은 안정성을 제공할 수 있지만, 영구적이지 못한 접합을 제공하며, 실리콘 기판이 어닐링되지 않는 경우에 그러하다. 희생 기판은 식각되는 두 개의 서로 다른 재료의 접합점에서 발생할 수 있는 언더컷을 형성하지 않고 식각할 수 있다. 희생 기판은 냉각제가 식각 챔버로부터 벗어나는 것을 억제할 수 있다. 식각의 일부분이 완성되고 다른 부분이 비완성될 때, 희생 기판은 과식각이 발생하는 것을 방지한다. 희생 기판은 불필요한 잔류물이 핸들링 중에 식각된 기판의 홀 또는 리세스로 유입되는 것을 방지할 수도 있다.
기계식 분리 장치는 용융접합된 기판을 사람이 장황한 공정을 수행할 필요 없이 분리시킬 수 있다. 장치를 갖는 센서를 포함함으로써, 적합한 레벨의 압력이 분리 중에 기판에 손상 위험 없이 기판에 가해질 수 있다.
본 발명의 여러 실시예가 기재되어 있다. 그러나 본 발명의 범위 및 사상을 벗어나지 않고 변경될 수 있다는 점을 이해해야 한다. 그에 따라서, 다른 실시예가 하기의 청구범위의 범위 내에서 기재된다.

Claims (30)

  1. 실리콘 기판 식각 방법으로서,
    제 1 실리콘 기판(200)을 희생 실리콘 기판(240, 241)에 접합하는 단계;
    상기 접합하는 단계 이후에, 상기 제 1 실리콘 기판(200)의 노출된 표면으로부터 상기 제 1 실리콘 기판(200)을 관통하여 그리고 상기 제 1 실리콘 기판(200)에 인접한 상기 희생 실리콘 기판(240, 241)의 평탄 표면으로 상기 제 1 실리콘 기판(200)을 식각하는 단계; 및
    상기 제 1 실리콘 기판(200)을 상기 희생 실리콘 기판(240, 241)으로부터 분리시키기 위해 상기 제 1 실리콘 기판(200) 및 상기 희생 실리콘 기판(240, 241)의 경계면에 압력을 인가하는 단계를 포함하고,
    상기 경계면에 압력을 인가하는 단계는 상기 제 1 실리콘 기판(200)이 상기 희생 실리콘 기판(240, 241)으로부터 완전히 분리될 때까지 계속되는,
    실리콘 기판 식각 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 실리콘 기판(200)을 상기 희생 실리콘 기판(240, 241)에 접합하는 단계가 상기 제 1 실리콘 기판(200)과 상기 희생 실리콘 기판(240, 241) 사이에 반데르 발스 결합을 생성시키는,
    실리콘 기판 식각 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 실리콘 기판(200)을 식각하는 단계는 심도 반응성 이온 식각을 포 함하는,
    실리콘 기판 식각 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 실리콘 기판 및 상기 희생 실리콘 기판의 경계면에 압력을 인가하는 단계는 예리한 엣지를 구비한 부재(620)를 상기 경계면에 가압하는 단계를 포함하는,
    실리콘 기판 식각 방법.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 실리콘 기판(200)을 희생 실리콘 기판(240, 241)에 접합하는 단계는 상온(room temperature)에서 발생하는,
    실리콘 기판 식각 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 실리콘 기판(200) 및 상기 희생 실리콘 기판(240, 241)은 대향 평탄 표면 및 얇은 엣지를 각각 포함하며, 경계면에 압력을 인가하는 단계는 상기 평탄 표면에 평행한 압력을 인가하는 단계를 포함하는,
    실리콘 기판 식각 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 제 7 항에 있어서,
    상기 경계면에 압력을 인가하는 단계는 얇은 엣지에 대해 예리한 엣지를 가압하는 것을 포함하는,
    실리콘 기판 식각 방법.
  20. 제 4 항에 있어서,
    상기 부재(620)는 예리한 엣지를 가진 금속 블레이드를 포함하는,
    실리콘 기판 식각 방법.
  21. 제 4 항에 있어서,
    상기 경계면에 압력을 인가하는 단계는 상기 제 1 실리콘 기판(200)과 상기 희생 실리콘 기판(240, 241) 사이에 상기 예리한 엣지를 부드럽게 밀어넣는(slide) 것을 포함하는,
    실리콘 기판 식각 방법.
  22. 제 4 항에 있어서,
    상기 경계면은 평면을 형성하고 상기 압력이 상기 평면에 평행하게 인가되는,
    실리콘 기판 식각 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 경계면에 압력을 인가하는 단계는 상기 경계면의 중심을 향해 상기 예리한 엣지를 가진 부재(620)를 이동시키는 것을 포함하는,
    실리콘 기판 식각 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 부재(620)에 의해 인가된 압력을 감지하는 것을 더 포함하는,
    실리콘 기판 식각 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    감지된 상기 압력이 한계치(threshold)를 초과하는 경우 상기 경계면의 중심을 향해 상기 부재(620)의 이동을 정지시키는 것을 더 포함하는,
    실리콘 기판 식각 방법.
  26. 제 23 항에 있어서,
    상기 예리한 엣지가 미리 결정된 위치를 넘어 이송되는 것을 방지하는 것을 더 포함하는,
    실리콘 기판 식각 방법.
  27. 제 1 항에 있어서,
    상기 경계면에 압력을 인가하는 단계는 복수의 분리 부재(620)의 복수의 예리한 엣지들을 내측으로 가압하는 것을 포함하는,
    실리콘 기판 식각 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 복수의 예리한 엣지들을 가압하는 것은 6개 또는 8개의 분리 부재들로 가압하는 것을 포함하는,
    실리콘 기판 식각 방법.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 복수의 분리 부재(620)가 상기 제 1 실리콘 기판(200) 및 상기 희생 실리콘 기판(240, 241) 둘레에서 동일한 각도 간격을 두고 이격되어 있는,
    실리콘 기판 식각 방법.
  30. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 실리콘 기판(200)을 상기 희생 실리콘 기판(240, 241)에 접합하기 전에 상기 제 1 실리콘 기판(200)을 식각하는 것을 더 포함하는,
    실리콘 기판 식각 방법.
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