KR20090018096A - 압전 물질을 폴리싱하는 방법 - Google Patents

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후지필름 디마틱스, 인크.
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Abstract

본 발명에서 폴리싱된 압전 물질을 가진 액츄에이터를 갖는 소자가 설명된다. 폴리싱된 압전 물질을 형성하는 방법은 기판 위에 소성된 압전 물질의 블록을 접합시키는 단계 및 상기 소성된 압전 물질의 블록을 화학 기계적으로 폴리싱하는 단계를 포함한다. 이후 소성된 압전 물질의 블록의 폴리싱된 표면은 액츄에이터를 형성하도록 소자층에 접합될 수 있다.

Description

압전 물질을 폴리싱하는 방법 {POLISHING PIEZOELECTRIC MATERIAL}
본 발명은 압전층을 갖는 장치를 형성하는 방법에 관한 것이다.
압전 물질은 기계적 응력을 받을 때 전기 또는 전압을 생성할 수 있다. 대안적으로, 압전 물질에 걸쳐 전압을 가하는 것은 역 압전 현상을 야기할 수 있는데, 즉 전압이 가해질 때 압전 물질은 기계적으로 변형된다. 역 압전 현상은 매우 높은 압전 물질에서 굽힘력(bending force)을 일으킬 수 있다. 전기 및 역 압전 현상을 생성하는 이러한 성질 모두는 예를 들어 액츄에이터 및 센서와 같은 변환기와 같은 전기적 및 기계적 소자용으로 이용된다. 액츄에이터 및 센서의 조합을 포함하는 다수의 변환기는 마이크로전자기계 시스템(MEMS)에서 함께 조합될 수 있다.
MEMS는 일반적으로 종래의 반도체 처리 기술을 이용하여 반도체 기판에서 형성된 기계적 구조를 갖는다. MEMS는 단일 구조 또는 다중 구조를 포함할 수 있다. MEMS는 전기 부품을 가지고, 전기적 신호가 각각 활성화시키거나 또는 MEMS에서 각각의 구조의 구동에 의해 만들어진다.
MEMS의 일 구현은 바디에 형성된 챔버를 갖는 바디 및 바디의 외부면 상에 형성된 압전 액츄에이터를 포함한다. 압전 액츄에이터는 전극과 같은 전압을 전송하기 위한 부재 및 세라믹과 같은 압전 물질층을 갖는다. 압전 액츄에이터의 전극은 압전 물질에 걸쳐 전압을 가할 수 있거나 또는 압전 물질이 변형될 때 만들어지는 전압을 전송할 수 있다.
일 구현에서, 어셈블리를 형성하기 위한 방법이 설명되고, 이 방법은 기판 위에 소성된 압전 물질을 접합시키는 단계; 및 상기 소성된 압전 물질을 화학 기계적으로 폴리싱하는 단계를 포함한다. 이 압전 물질은 납 지르코네이트 티타네이트일 수 있다.
다른 구현에서, 어셈블리를 형성하기 위한 방법이 설명된다. 산화물층은 압전 물질 상에 형성된다. 산화물층은 폴리싱된다. 산화물층을 폴리싱한 이후, 산화물층은 플라즈마 활성화된다. 플라즈마 활성화 단계 이후, 산화물층은 바디와 접촉하게 되고, 바디는 실리콘 또는 실리콘 산화물을 포함한다.
또 다른 구현에서, 유체 방출 장치가 설명되고, 이 장치는 내부에 챔버를 갖는 실리콘으로 형성된 바디를 갖는다. 이 바디 상의 액츄에이터는 챔버와 정렬되고, 이 액츄에이터는 압전 물질을 가지며, 압전 물질은 20Å 미만의 표면 조도를 가지고, 액츄에이터는 수지로 바디에 접합된다.
일 구현에서, 유체 방출 장치가 설명되고, 이 장치는 실리콘으로 형성되고 내부에 챔버를 가지며 실리콘 또는 실리콘 산화물로 된 상부층을 갖고, 상기 바디 상에 상기 챔버와 정렬된 액츄에이터를 가지며, 상기 액츄에이터는 압전 물질을 포함하고, 이 압전 물질은 20Å 미만의 표면 조도를 가지며, 산화물층은 압전 물질 상에 있고 상기 산화물층이 상기 바디의 상부층에 융합 접합된다.
실시예들은 이하의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 접합 단계(bonding)는 소성된 압전 물질의 블록 또는 기판 중 하나에 수지를 도포하는 단계 및 그 사이의 수지로 기판과 소성된 압전 물질의 블록을 결합시키는(bring together) 단계를 포함할 수 있다. 이 블록을 화학 기계적으로 폴리싱하는 단계 이전에, 이 블록의 두께의 일부가 그라인딩되어 버릴 수 있다. 이 블록을 화학 기계적으로 폴리싱하는 단계는 약 10 내지 20 Å의 표면 조도를 갖는 표면을 만들 수 있다. 소성된 압전 물질의 블록을 화학 기계적으로 폴리싱하는 단계는 폴리싱된 표면을 형성할 수 있고, 이 방법은 폴리싱된 표면 상에 산화물층을 형성하는 단계; 활성화된 산화물층을 형성하기 위해 산화물층을 활성화시키는 단계; 활성화된 소자 표면을 형성하기 위해 실리콘 또는 실리콘 산화물층의 표면을 활성화시키는 단계; 및 활성화된 소자 표면과 활성화된 산화물층을 접촉시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 이 산화물층은 산화물층을 활성화시키는 단계에 앞서 폴리싱될 수 있다. 활성화된 산화물층을 활성화된 소자 표면과 접촉시킨 이후, 활성화된 산화물층 및 활성화된 소자 표면이 가열될 수 있다. 상기 가열은 약 200℃로 될 수 있다. 소성된 압전 물질의 블록을 화학 기계적으로 폴리싱하는 단계는 폴리싱된 표면을 형성할 수 있고, 이 방법은 상기 폴리싱된 표면에 전극층을 가하는 단계; 및 상기 전극층을 소자 표면에 접합시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 전극층은 수지 접합 물질을 이용하여 소자 표면에 접합될 수 있다. 기판은 소성된 압전 물질로부터 제거될 수 있고 이에 의해 노출된 압전 물질을 형성하며; 이 노출된 압전 물질은 화학 기계적으로 폴리싱될 수 있다. 소성된 압전 물질의 블록을 기판 위에 접합시키는 단계는 소자 기판 위에 소성된 압전 물질의 블록을 접합시키는 단계를 포함할 수 있다. 이 소자 기판은 소성된 압전 물질의 블록에 개방되어있지는 않으나 인접한 챔버를 포함할 수 있다. 소성된 압전 물질의 블록을 화학 기계적으로 폴리싱하는 단계는 적어도 4미크론을 폴리싱 또는 약 4 내지 10 미크론의 압전 물질을 폴리싱해버리는 단계를 포함할 수 있다. 산화물층 및 바디는 가열될 수 있다. 챔버 바디는 노즐과 유체 소통할 수 있다. 액츄에이터는 약 20미크론 미만의 두께를 가질 수 있다. 액츄에이터는 5미크론을 넘는 두께를 가질 수 있다. 압전 물질은 단일 부품일 수 있고 다중충을 포함하지 않는다. 압전 물질은 7.5g/cm3 또는 그 초과의 밀도를 가질 수 있다. 압전 물질은 약 8g/cm3의 밀도를 가질 수 있다. 압전 물질은 약 200 또는 그 초과일 수 있는 d31 계수를 가질 수 있다.
여기서 설명된 방법 및 장치는 이하의 장점 중 하나 이상을 제공할 수 있다. 그라인딩과 같은 일정한 프로세스는 압전 물질의 표면에 손상을 입힐 수 있다. 폴리싱은 압전 물질로부터 표면 손상을 제거할 수 있다. 20, 10 또는 5 미크론 미만의 두께의 물질과 같은 압전 물질의 얇은 층의 표면으로부터 손상을 제거하는 것은 압전 물질로부터 크랙을 제거할 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시예에 대한 상세한 설명들은 첨부된 도면 및 이하의 실시예에서 설명된다. 본 발명의 다른 특징, 목적 및 장점들은 실시예 및 도면, 그리고 청구항으로부터 분명하게 나타날 것이다.
도 1은 평탄화된 압전 물질 및 기판의 어셈블리를 도시한다.
도 2-8은 반도체층 상의 평탄화된 압전층을 형성하는 프로세스로부터의 개략도이다.
도 9는 반도체층 상의 평탄화된 압전층을 형성하는 단계를 포함하는 단계들의 흐름도이다.
도 10은 MEMS 바디에 압전 물질을 접합시키는 저온의 흐름도이다.
도 11은 분사 구조의 단면도이다.
다양한 도면에서 같은 도면 부호는 같은 요소를 나타낸다.
도 1을 참고하면, 반도체 프로세싱에서 종래에 이용된 물질로 형성된 지지층(110) 및 압전 물질층(105)을 포함하는 어셈블리가 도시된다. 압전 물질은 압전 현상을 나타내는 결정을 갖는 물질일 수 있고, 이는 페롭스카이트 또는 텅스텐-브론즈 구조를 가진 세라믹, 또는 납 지르코네이트 티타네이트(PZT) 또는 납 마그네슘 니오베이트(PMN)와 같은 물질이다. 지지층(110)의 물질은 예를 들어 단일 결정 실리콘과 같은 실리콘 중 하나일 수 있다. 대안적으로, 압전 물질은 이용자에 의 해 요구되는 다른 기판에 부착될 수 있다.
도 2 및 9를 참고하면, 압전 물질의 블록(150)이 얻어진다(단계 300). 블록(150)은 예비 소성된(pre-fired) 시트 물질이고 이는 추가적인 경화를 필요로 하지 않는다. 블록은 약 1cm의 최초 작업 두께를 가질 수 있다. 일 구현에서, 압전 물질은 PZT이고 PZT는 예를 들어 약 8g/cm3과 같은 약 7.5g/cm3 또는 그 초과의 밀도를 갖는다. d31 계수는 약 200 또는 그 초과일 수 있다. HIPS 처리된 압전 물질로 된 기판은 일본의 오사카에 위치한 수미토모 전기 산업으로부터의 H5C 및 H5D로서 이용 가능하다. H5C 물질은 약 8.05g/cm3 의 겉보기 밀도 및 약 210의 d31을 나타낸다. H5D 물질은 약 8.15g/cm3 의 겉보기 밀도 및 약 300의 d31을 나타낸다. 기판은 일반적으로 약 1cm의 두께이고 원하는 작업 두께를 갖는 블록은 기판으로부터 톱질될 수 있다. 압전 물질은 프레싱, 닥터 블레이딩(doctor blading), 그린 시트, 졸 젤 또는 증착을 포함하는 기술에 의해 형성될 수 있다. 압전 물질 제조는 여기서 참조로 인용된 1971년 아카데믹 프레스 리미티드 B. Jaffe의 압전 세라믹스에서 논의된다. 핫 프레싱을 포함한 성형 방법이 페이지 258-9에 개시되어 있다. 미국 필라델피아, PA의 TRS 세라믹스사로부터 구입 가능한 PMN과 같은 단일 결정 압전 물질이 이용될 수도 있다. 벌크 PZT 물질은 스퍼터된, 스크린 프린트된 또는 졸-젤 성형된 PZT 물질보다 높은 d 계수, 유전 상수, 커플링 계수, 강성도 및 밀도를 가질 수 있다.
이러한 성질들은 바디로의 부착 이전에 물질을 소성하는 단계를 포함하는 기 술을 이용함에 의해 압전 물질에서 확립될 수 있다. 예를 들면, 주조 성형되고 그 자체로 소성된 압전 물질(지지대 상에 대향됨)은 높은 압력이 몰드(가열 되거나 가열되지 않음) 안으로 물질을 채워 넣는데 이용될 수 있다는 장점을 갖는다. 또한, 유동제 및 바인더와 같은 소수의 첨가제가 일반적으로 필요하다. 예를 들어 1200-1300℃의 높은 온도가 소성 프로세스에서 이용될 수 있고, 이에 의해 뛰어난 성숙(maturing) 및 입자 성장을 가능하게 된다. 졸 젤 또는 스퍼터링 기술에 의해 형성된 압전층과 다르게, 벌크 압전 물질의 입자들은 약 2 내지 4 미크론의 폭을 가질 수 있다. 소성 대기(예를 들어 납이 풍부한 대기)는 세라믹으로부터 PbO의 손실(고온에 의함)을 감소시키는데 이용될 수 있다. PbO 손실 또는 다른 감손을 가질 수 있는 주조 성형된 부품의 외부 표면은 잘라지고 버려질 수 있다. 또한, 이 물질은 열간 정수압 성형(hot isostatic pressing, HIPs)에 의해 처리될 수 있고, 열간 정수압 성형 동안 세라믹은 높은 압력을 받는다. 히핑(Hipping) 프로세스는 소성 동안 도는 압전 물질 블록이 소성된 이후에 수행될 수 있고 밀도를 높이며 공극(void)을 감소시키고 압전 상수를 증가시키는데 이용된다. 히핑 프로세스는 산소 또는 산소/아르곤 대기에서 실행될 수 있다.
도 3 및 9를 참고하면, 압전 물질로 된 블록(150)은 희생 기판(sacrificial substrate; 160)에 접합된다(단계 310). 희생 기판은 이후의 프로세싱 단계들의 적어도 일정한 단계 동안 압전 물질의 파괴를 방지하고 지지하기에 충분한 강성의 물질일 수 있다. 일정한 실시예에서, 희생 기판(160)은 이후의 선택적인 프로세싱 단계의 프로세싱 조건을 견디기에 충분한 내구성을 갖는다. 일정한 실시예에서, 희생 기판(160)은 실리콘 기판이다. 접합 물질(170)은 블록(150)을 희생 기판(160)에 접합시킨다. 접합 물질(170)은 충분히 약한 접합을 만들거나 또는 부분적으로 경화 가능한 물질일 수 있고 이에 의해 블록(150)은 블록을 손상시키거나 또는 파괴하지 아니한 채 제거될 수 있다. 대안적으로, 접합 물질(170)은 완전히 경화되고 이후에 기계적으로 또는 화학적으로 제거될 수 있다. 접합 물질(170)은 예를 들어 폴리머화된 벤조시클로부텐(BCB)과 같은 수지일 수 있고, 이는 압전 물질의 블록(150)을 희생 기판(160)에 접합시킨다.
도 4 및 9를 참고하면, 압전 물질의 블록(150)은 얇아진다(단계 320). 희생 기판(160)은 블록(150)이 원하는 두께로 얇아지게 하고 압전 물질층(180)을 형성하는 것을 가능하게 하고, 특히 이때 그 두께는 압전 물질이 핸들링(handling)으로부터 손상을 입기 쉬운 두께이다. 예를 들면, PZT의 블록이 200미크론을 넘는 두께라면, 블록은 200미크론 미만인 블록보다 덜 깨지기 쉽고 단계(310)에서 희생 기판을 이용하는 것은 선택적이다. 블록은 그라인딩에 의해 얇아질 수 있다. 수평 그라인딩에서, 워크 피스(work piece)는 높은 평평함 허용도로 기계가공된 참조 표면을 갖는 회전 처크 상에 장착된다. 워크 피스의 노출 표면은 수평 그라인딩 휠과 접촉하고 또한 높은 허용도로 정렬된다. 그라인딩은 예를 들어 약 0.3미크론 또는 그 미만, 약 0.5미크론 또는 그 미만의 평평함 및 평행도를 만들 수 있다. 또한, 그라인딩은 균일한 잔류 응력을 만든다. 층(180)은 어셈블리가 완료된 이후 압전 물질의 최종 두께보다 더 두꺼울 수 있다. 예를 들면, 층(180)은 층(105)의 최종 두께보다 더 두꺼운 약 2 내지 100미크론, 또는 약 4 내지 50미크론, 약 4 내지 20 미크론 또는 약 4 내지 10미크론일 수 있다. 그라인딩 프로세스는 약 5미크론 깊이의 표면 손상을 만들 수 있다. 최초 두께는 표면 손상의 깊이의 하나 내지 두 타이만큼(by one to two ties) 최종 두께보다 더 클 수 있다. 압전 물질이 압전 물질층의 최종 원하는 두께와 대략 동일한 두께라면 블록(150)을 얇게하는 단계는 선택적이다.
도 5 및 9를 참고하면, 압전 물질층(180)이 원하는 두께가 된다면, 노출 표면(190)은 평탄화되어 평평한 표면을 얻는다(단계 330). 평탄화는 화학적 기계적 폴리싱(CMP) 장치로 수행된다. CMP는 물질과의 화학적으로 반응함에 의해 그리고 물질을 물리적으로 폴리싱 함에 의해 물질을 제거하도록 작동한다. CMP 장치는 폴리싱 표면에 대해서 폴리싱되는 물질을 지지하는 회전 처크를 이용한다. 또한, 슬러리는 폴리싱 표면 및 폴리싱되는 물질 사이로 유입된다. 슬러리는 연마제 입자를 가진 액체이다. 종종, CMP에서의 화학적 반응은 선택된 슬러리에 따른다. 압전 물질층(180)이 PZT로 형성된다면, 폴리싱 표면은 단단한 폴리우레탄 패드일 수 있다. 슬러리는 실리카 입자 및 11의 pH와 같은 염기성 pH를 가질 수 있다. 일 구현에서, 슬러리는 일본의 키요슈에 위치한 후지미사의 P4217이다. 다른 압전 물질에 대해, 다른 폴리싱 패드 또는 폴리싱 액체가 폴리싱에 대해 최적일 수 있다. 노출 표면(190)의 대략 4-10미크론이 폴리싱되어 버릴 수 있다. 적어도 4미크론을 폴리싱하는 것은 그라인딩에 의해 야기되는 손상과 같은 표면 손상을 제거한다. 약 10 내지 20Å과 같이 약 5 내지 50Å의 표면 조도(surface roughness)가 폴리싱에 의해 이루어질 수 있다. CMP 폴리싱에서, 롤 오프(roll off)는 폴리싱되는 층 의 에지에서 일어날 수 있다. 즉, 에지는 물질의 중심부와 상이한 속도로 폴리싱될 수 있다. 압전 물질층에 걸친 최종 허용도(final tolerance)에 롤 오프가 영향을 미치는 것을 막기 위해, 층의 에지부는 이후의 단계에서 제거될 수 있다. 일정한 구현에서, 압전 물질은 예를 들어 길이 및 폭 방향으로 압전 물질의 최종 이용 가능한 구역보다 적어도 1cm 큰 구역을 갖는다.
선택적으로, 폴리싱된 표면(190)은 노출 표면(190)을 다이싱, 커팅, 코팅 그렇지 아니하면 변경함에 의해 처리될 수 있다. 이러한 프로세싱은 여기서 참조로서 인용된 2004년 10월 15일 출원된 미국 특허출원 제 10/967,073호에서 설명된다.
도 6 및 9를 참고하면, 압전 물질층(180)의 이전에 노출된 표면(190)이 기판(200)에 접합된다(단계 340). 기판(200)은 실리콘과 같은 반도체 기판일 수 있다. 접착제가 압전 물질층(180)을 기판(200)에 접합시키는데 이용될 수 있다. 대안적으로, 기판(200)의 표면이 충분히 매끄럽다면, 도 10의 흐름도에서 설명된 것처럼 압전 물질층(180)이 저온 접합을 이용하여 기판(200)에 접합될 수 있다. 일정한 실시예에서, 표면은 약 20Å 미만의 조도를 갖는다. 압전 물질층(180) 및 기판(200)을 함께 융합 접합시키기 위해, 개별적인 표면은 세정되고 이에 의해 오염물질을 제거한다. 실리콘 산화물 층과 같은 산화물층이 PECVD를 이용한 층을 증착시킴(단계 400)에 의해 압전 물질 상에 형성된다. 이후 산화물은 폴리싱되고 이에 의해 약 20Å 미만의 조도를 갖는 표면을 얻는다(단계 410). 이후 폴리싱된 산화물 표면은 플라즈마 활성화된다(단계 420). 압전 물질이 실리콘 또는 실리콘 산화물 MEMS 바디에 부착된다면, 이후 MEMS 바디는 플라즈마 활성화된다. 이후, 활성 화된 표면은 서로 직접 접촉하게 되고, 이는 표면 사이에서 접합을 만든다(단계 430). 선택적으로, 이 접합은 이후에 200℃에서 접합된 물질을 가열함에 의해서와 같이 강화된다(단계 440).
도 7 및 9를 참고하면, 희생 기판(160)이 제거된다(단계 350). 희생 기판(160)은 접합 물질(170)이 희생 기판(160)을 떼어놓게 함에 의해 제거될 수 있다. 대안적으로, 희생 기판은 희생 기판(160)을 그라인딩함에 의해 제거될 수 있다. 선택적으로, 압전 물질층(180)은 그라인드되고 이에 의해 접합 물질(170)이 노출된 표면 상에 남아 있지 않는 것을 보장한다.
도 8 및 9를 참고하면, 압전 물질층(280)의 새롭게 노출된 표면(210)이 폴리싱된다(단계 360). 약 4 내지 10미크론이 노출 표면(210)으로부터 제거된다. 이 폴리싱된 압전층(180)을 금속화하는 단계와 같은 다른 필요한 프로세싱 단계가 이후에 수행된다. 어셈블리는 다이스되고(diced), 에칭되며 톱질되거나(sawed) 또는 그 크기가 감소될 수 있고 이에 의해 폴리싱 단계에 의해 야기된 롤 오프의 구역은 최종 어셈블리로부터 제거된다. 상기에서 언급된 것처럼, 폴리싱 이후의 표면 조도는 약 10 내지 20Å일 수 있다. 압전 물질의 6인치 웨이퍼에 걸쳐, 균일성은 약 1미크론일 수 있다.
여기서 설명된 기술은 둘 이상의 이하의 특징의 조합이 요구되는 응용에서 이용될 수 있다: 압전 물질의 얇은 층, 매우 매끄러운 표면을 가진 압전 물질층, 또는 거의 표면 손상이 없는 압전 물질. 그라인딩은 종종 표면 손상을 만들 수 있다. 화학적 기계적 폴리싱은 압전 물질 표면으로부터 표면 손상을 제거한다. 반 대로, 산성 용액에서 압전 물질을 세정하는 것과 같은 표면 손상을 제거하는 다른 방법은 실제적으로 압전 물질의 그레인을 제거하거나 또는 느슨하게 할 수 있고 이에 의해 압전 물질의 나머지와 상이한 전자기계적 성질을 갖는 홀 또는 구역을 남긴다. 따라서 이러한 방법들은 표면 손상의 다른 형태를 만들 수 있다. 압전 물질층이 20미크론 또는 그 미만의 두께로 얇을 때, 이 물질의 어느 측부 상의 5미크론인 표면 손상은 물질에서 크랙을 본질적으로 형성할 수 있다. 손상된 구역 또는 크랙은 전기 에너지와 같은 에너지를 전혀 전달하지 못하거나 손상되지 않은 물질을 전달하지 못할 것이다. 일정한 실시예에서, 이 층은 적어도 5미크론의 두께, 적어도 10미크론의 두께 또는 약 10 내지 25 미크론의 두께이다.
전극이 물질 상에 형성된다면, 압전 물질은 변환기를 형성하도록 이용될 수 있다. 폴리싱된 표면들은 압전 물질의 불완전한 그레인들을 포함할 수 있다. 그러나, 불완전한 그레인들은 평평한 표면을 제공하고 그 위에 전극이 형성될 수 있다. 압전 표면에서의 크랙 또는 손상은 전극이 불균일한 전기적 성질의 구역을 갖게 할 수 있다. 크랙이 충분히 깊거나 또는 충분히 크다면, 크랙은 전극에서 불연속을 일으킬 수 있고 이에 의해 전극을 통한 전기적 전송을 끊는다.
또한, 여기서 설명된 기술은 압전 물질층을 형성하기 위한 다른 기술보다 뒤어난 기계적 또는 전기적 성질을 가진 압전 물질의 단일층을 제공할 수 있다. 소자 바디 상의 졸-젤 또는 세라믹 그린 시트 이용과 같은 기술들은 낮은 d 계수, 낮은 유전 상수, 낮은 커플링 계수, 낮은 강성도 또는 덜 균일한 압전 성질을 가진 물질을 초래할 수 있다. 또한, 여기서 이용된 압전 물질은 접합된 기판으로부터 분리된 압력 하에서 소성되고 압전 물질이 접합된 기판은 원하는 밀도(또는 다른 원하는 성질)를 가진 압전 물질을 형성하는데 필요할 수 있는 혹독한 프로세싱 조건을 겪을 필요가 없다. 압전층이 졸 젤의 다중층을 가함에 의해 형성되는 소자에서, 액츄에이터는 다중층 구조이고, 이는 층들 사이의 갭을 갖거나 또는 더욱 다공성일 수 있다. 또한, 압력 하에서 또는 개별적으로 압전 물질을 소성하는 것은 약 70 기가파스칼의 영률(Young's modulus)을 갖는 강한 압전 물질을 형성할 수 있고, 이 경우 졸 젤 압전 물질은 10 내지 40 기가파스칼의 영률을 가질 수 있다. 또한, 5미크론을 넘는 두게를 갖는 졸 젤 액츄에이터를 만드는 것은 바람직하지 않을 수 있는데 왜냐하면 층들을 가하는 반복적인 프로세스는 시간 소비적일 수 있기 때문이다. 액츄에이터의 세라믹 그린 시트 형성과 함께, 더 두꺼운 액츄에이터가 형성될 수 있지만, 표면 조도는 폴리싱 단계 없이 커지는 경향이 있고, 밀도 및 유전 상수와 같은 상기에서 설명된 특징들은 바디에 물질을 접합시키기 이전에 소성된 압전 물질의 블록보다 열등한 경향이 있다. 따라서, 여기서 설명된 기술을 이용하여 압전 물징리 가해지는 기판은, 일반적으로 높은 열 또는 높은 압력 환경을 견디지 못하는 더욱 섬세한 피쳐(features)를 포함할 수 있다.
도 11을 참고하면, 여기서 설명된 기술들은 하나 이상의 분사 구조를 가진 다이 상에 액츄에이터를 형성하는데 이용될 수 있다. 모듈(300)에서 단일의 예시적 분사 구조의 유동 경로를 통한 단면은 공급 경로(312)를 포함하고, 이 공급 경로를 통해 잉크가 들어가며 이 경로는 오름부(ascender; 308)를 통해 임피던스 피쳐(314) 및 펌핑 챔버(316)로 향한다. 잉크는 액츄에이터(322)에 의해 펌핑 챔 버(316)에서 가압되고 내림부(descender; 318)를 통해 노즐 개구(320)로 향하며 이 노즐 개구로부터 드롭이 방출된다. 일 실시예에서, 모든 전극층(220)이 벗겨지고 새로운 전극층이 가해진다.
유동 경로 피쳐는 모듈 바디(324)에서 형성된다. 모듈 바디(324)는 베이스부, 노즐부 및 멤브레인을 포함할 수 있다. 베이스부는 실리콘으로 된 베이스층(336)을 포함하고, 이 층 위에 선택적인 산화물층이 형성된다. 베이스부는 공급 경로(312), 오름부(308), 임피던스 피쳐(314), 펌핑 챔버(316) 및 내림부(318)의 특징들을 형성한다. 노즐부는 실리콘층(332)으로 형성된다. 노즐 실리콘층(332)은 베이스부의 베이스 실리콘층(336)에 융합 접합될 수 있고(fusion bonded)(점선으로 표시됨) 내림부(318)로부터 노즐 개구(320)로 잉크가 향하도록 뾰족한 벽(334)을 형성할 수 있다. 멤브레인은 노즐 실리콘층(332)에 대향한 측부 상에 베이스 실리콘층(336)에 융합 접합된 멤브레인 실리콘층(342)을 포함한다.
액츄에이터(322)는 폴리싱된 압전층(334)을 포함한다. 압전층(340) 아래의 전도층은 그라운드 전극(352)과 같은 제 1 전극을 형성할 수 있다. 폴리싱된 표면을 멤브레인에 부착시키기 이전에 제 1 전극은 폴리싱된 압전 물질에 가해질 수 있다. 압전층(340) 상의 상부 전도층은 드라이브 전극(356)과 같은 제 2 전극을 형성할 수 있다. 선택적으로, 둘러싸는 연결부(350)는 압전층(340)의 상부면 상에서 그라운드 접촉(354)으로 그라운드 전극을 연결시킬 수 있다. 전극 브레이크(360)는 드라이브 전극(356)으로부터 그라운드 전극(352)을 전기적으로 절연시킨다. 금속화된 압전층(340)은 접착제층(346)에 의해 실리콘 멤브레인(342)에 접합될 수 있 다. 접합층은 예를 들어 BCB인 수지와 같은 접착제를 포함한다.
금속화된 압전층(340)은 펌핑 챔버 위에서 활성 압전 영역 또는 고립부(island)를 형성하도록 구분될 수 있다. 금속화된 압전층(340)은 절연 구역(348)을 제고하도록 구분될 수 있다. 절연 구역(348)에서, 압전 물질은 내림부(318) 위의 여역으로부터 제거될 수 있다. 이 절연 구역(348)은 노즐 배열의 어떠한 측부 상에서 액츄에이터의 배열을 분리시킬 수 있다.
가요성 회로(미도시)는 잉크 분사를 제어하는 드라이브 신호들을 전달하기 위해 액츄에이터(322)의 뒷면에 고정될 수 있다.
일 실시예에서, 실리콘 멤브레인(342)으로 금속화된 압전층(340)을 접착적으로 접합시키는 것 대신, 산화물층이 금속화된 압전층(340)의 금속에 가해진다. 산화물은 실리콘 멤브레인(342) 상에서 성장한다. 실리콘 멤브레인(342) 상의 산화물 및 금속 상의 산화물은 플라즈마 활성화되고 서로 접합된다. 일 실시예에서, 산화물은 실리콘 멤브레인(342) 상에서 성장하지 아니하고 금속 상의 활성화된 산화물은 실리콘 멤브레인에 직접 접합된다.
상기에서 설명된 것처럼, 압전 물질이 MEMS 바디에 접합될 때 고온 접합은 필요하지 아니하다. 즉 오직 저온 접합만이 수행되고 이는 플라즈마 활성 단계에 의해 부분적으로 가능하게 된다. 저온 접합은 다양한 물질이 압전 물질 또는 MEMS 바디의 일부가 되게 한다. 200℃를 넘는 온도에 의해 악영향을 받을 수 있는 물질은 어셈블리에서 이용되는 것이 배제될 필요는 없다.
본 발명의 다양한 실시예들이 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 다양한 개조 가 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 아니한 채 만들어질 수 있다. 따라서, 다른 실시예들은 이하의 청구항들의 범위 내에 있다.

Claims (33)

  1. 어셈블리를 형성하기 위한 방법으로서,
    기판 위에 소성된 압전 물질의 블록을 접합시키는 단계; 및
    상기 소성된 압전 물질의 블록을 화학 기계적으로 폴리싱하는 단계를 포함하는,
    어셈블리를 형성하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 접합시키는 단계가 상기 소성된 압전 물질의 블록 또는 상기 기판 중 하나로 수지(resin)를 도포하는 단계와 상기 기판과 상기 소성된 압전 물질의 블록을 그 사이의 상기 수지와 함께 결합시키는 단계를 포함하는,
    어셈블리를 형성하기 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 블록을 화학 기계적으로 폴리싱하는 단계 이전에 상기 블록의 두께의 일부를 그라인딩하는(grinding) 단계를 추가로 포함하는,
    어셈블리를 형성하기 위한 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 블록을 화학 기계적으로 폴리싱하는 단계가 약 10 내지 20Å의 표면 조도를 가진 표면을 만드는,
    어셈블리를 형성하기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 소성된 압전 물질의 블록을 화학 기계적으로 폴리싱하는 단계가 폴리싱된 표면을 형성하고,
    상기 폴리싱된 표면 상에 산화물층을 형성하는 단계;
    활성화된 산화물층을 형성하도록 상기 산화물층을 활성화시키는 단계;
    활성화된 소자 표면을 형성하기 위해 실리콘 또는 실리콘 산화물층의 표면을 활성화시키는 단계; 및
    상기 활성화된 소자 표면과 상기 활성화된 산화물층을 접촉시키는 단계를 추가로 포함하는,
    어셈블리를 형성하기 위한 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 산화물층을 활성화시키기 이전에 상기 산화물층을 폴리싱하는 단계를 추가로 포함하는,
    어셈블리를 형성하기 위한 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 활성화된 산화물층과 상기 활성화된 소자 표면을 접촉시킨 이후 상기 활성화된 산화물층 및 상기 활성화된 소자 표면을 가열하는 단계를 추가로 포함하는,
    어셈블리를 형성하기 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가열하는 단계가 약 200℃로 가열하는 단계를 포함하는,
    어셈블리를 형성하기 위한 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 소성된 압전 물질의 블록을 화학 기계적으로 폴리싱하는 단계가 폴리싱된 표면을 형성하고,
    상기 폴리싱된 표면에 전극층을 가하는 단계; 및
    상기 전극층을 소자 표면에 접합시키는 단계를 추가로 포함하는,
    어셈블리를 형성하기 위한 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전극층을 소자 표면에 접합시키는 단계가 수지 접합 물질을 이용하는 단계를 포함하는,
    어셈블리를 형성하기 위한 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 소성된 압전 물질로부터 기판을 제거하여 노출된 압전 물질을 형성하는 단계; 및
    상기 노출된 압전 물질을 화학 기계적으로 폴리싱하는 단계를 추가로 포함하는,
    어셈블리를 형성하기 위한 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    소성된 압전 물질의 블록을 기판 위에 접합시키는 단계가 상기 소성된 압전 물질의 블록을 소자 기판 위에 접합시키는 단계를 포함하는,
    어셈블리를 형성하기 위한 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 소자 기판이 상기 소성된 압전 물질의 블록에 개방되지는 않지만 인접한 챔버를 포함하는,
    어셈블리를 형성하기 위한 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 소성된 압전 물질의 블록을 화학 기계적으로 폴리싱하는 단계가 압전 물질의 4미크론 이상을 폴리싱하는 단계를 포함하는,
    어셈블리를 형성하기 위한 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 소성된 압전 물질의 블록을 화학 기계적으로 폴리싱하는 단계가 약 4 내지 10 미크론의 압전 물질을 폴리싱하는 단계를 포함하는,
    어셈블리를 형성하기 위한 방법.
  16. 어셈블리를 형성하기 위한 방법으로서,
    압전 물질 상에 산화물층을 형성하는 단계;
    상기 산화물층을 폴리싱하는 단계;
    상기 산화물층을 폴리싱한 이후, 상기 산화물층을 플라즈마 활성화시키는 단계; 및
    상기 플라즈마 활성화 단계 이후, 상기 산화물층을 바디와 접촉시키는 단계를 포함하고,
    상기 바디가 실리콘 또는 실리콘 산화물을 포함하는,
    어셈블리를 형성하기 위한 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 산화물층 및 상기 바디를 가열하는 단계를 추가로 포함하는,
    어셈블리를 형성하기 위한 방법.
  18. 유체 방출 소자로서,
    내부에 챔버를 가지며 실리콘으로 형성된 바디; 및
    상기 챔버와 정렬된 상기 바디 상의 액츄에이터를 포함하고,
    상기 액츄에이터가 20Å 미만의 표면 조도를 가진 표면을 갖는 압전 물질을 포함하며, 상기 액츄에이터가 수지로 상기 바디에 접합되는,
    유체 방출 소자.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 바디 내의 챔버가 노즐과 유체 소통하는,
    유체 방출 소자.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 액츄에이터가 약 20미크론 미만의 두께를 갖는,
    유체 방출 소자.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 액츄에이터가 5미크론을 넘는 두께를 갖는,
    유체 방출 소자.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 압전 물질이 다중층을 포함하지 않는,
    유체 방출 소자.
  23. 제 18 항에 있어서,
    상기 압전 물질이 7.5g/cm3 또는 그 초과의 밀도를 갖는,
    유체 방출 소자.
  24. 제 18 항에 있어서,
    상기 압전 물질이 약 8g/cm3의 밀도를 갖는,
    유체 방출 소자.
  25. 제 18 항에 있어서,
    상기 압전 물질이 약 200 또는 그 초과일 수 있는 d31 계수를 갖는,
    유체 방출 소자.
  26. 유체 방출 소자로서,
    내부에 챔버를 가지며 실리콘 또는 실리콘 산화물로 된 상부층을 갖는, 실리콘으로 형성된 바디; 및
    상기 챔버와 정렬된 상기 바디 상의 액츄에이터를 포함하고,
    상기 액츄에이터가 20Å 미만의 표면 조도를 갖는 압전 물질을 포함하며,
    산화물층이 상기 압전 물질 상에 있고, 상기 산화물층이 상기 바디의 상부층에 융합 접합되는(fusion bonded),
    유체 방출 소자.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 바디 내의 챔버가 노즐과 유체 소통하는,
    유체 방출 소자.
  28. 제 26 항에 있어서,
    상기 액츄에이터가 약 20미크론 미만의 두께를 갖는,
    유체 방출 소자.
  29. 제 26 항에 있어서,
    상기 액츄에이터가 5미크론을 넘는 두께를 갖는,
    유체 방출 소자.
  30. 제 26 항에 있어서,
    상기 압전 물질이 다중층을 포함하지 않는,
    유체 방출 소자.
  31. 제 26 항에 있어서,
    상기 압전 물질이 7.5g/cm3 또는 그 초과의 밀도를 갖는,
    유체 방출 소자.
  32. 제 26 항에 있어서,
    상기 압전 물질이 약 8g/cm3의 밀도를 갖는,
    유체 방출 소자.
  33. 제 26 항에 있어서,
    상기 압전 물질이 약 200 또는 그 초과일 수 있는 d31 계수를 갖는,
    유체 방출 소자.
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