TW200906634A - Highly integrated wafer bonded MEMS devices with release-free membrane manufacture for high density print heads - Google Patents

Description

200906634 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明一般係有關於驅動器基板與微電機系統（MEM S， “Micro-eletromechanical System”）薄膜之整合，並且特別是 關於這些元件在MEMS類型噴墨列表頭內之整合。 【先前技術】 迄今，MEMS噴墨列表頭的製造因所加入元件之故而 出現困難。尤其，MEMS噴墨列表頭倂入MEMS薄膜裝置 及驅動器基板，其等各藉由會對彼此造成損害的製程所構 成。 可使用薄膜表面微加工技術來製造傳統的MEMS薄膜 裝置。例如，多晶矽層沉積於犧牲矽玻璃層上，並且透過 多個蝕刻孔洞而讓蝕刻劑在此等薄膜的下方流動以消解此 等犧牲疊層。此蝕刻製程可能會對微電子元件所需鈍化性 造成影響，並且在一些情況下，於蝕刻解除之後，須將此 等必要孔洞予以密接嵌封，藉此防止裝置故障。該侵犯性 化學蝕刻通常是藉由氫氟酸（HF)進行，此者對於設計者而 言會限制材料的選擇。此外，使用化學蝕刻會如用於MEMS 噴墨列表頭之基板驅動器，令MEMS裝置與傳統微電子元 件的整合作業複雜化。此外，解除之裝置難以使用傳統的 微電子技術進行處理，因而造成產量損失或受侷限的設計 選項。 被設計成C Μ Ο S裝置之傳統電路驅動器基板常用以驅 動傳導器，並減少輸入/輸出線路。這些可爲經氧化矽所鈍 化之薄膜的複雜組裝。若此類型之裝置暴露於像是HF的強 200906634 蝕刻劑，則可能會無法運作。雖可採取多項步騾以保護這 些鈍化層，然其他MEMS製程，尤其是多晶矽沉積及退火 處理的高溫製程可能不利地影響到電晶體電路的運作。此 問題又會因額外的微電子層複合產能效用而加劇。因此， CMOS及MEMS在整合上面臨挑戰。 第4A及4B圖顯示已知MEMS噴墨列表頭的一些基本 特徵’並提供來說明在已知列表頭與示範性實施例者之間 的差異。 (') 在Μ E M S噴墨列表頭的已知多晶矽薄膜設計中中，使 用一較龐大、較複雜的結構4 1 0於鄰近薄膜4 2 0之間使用。 這些結構用以嵌封在該薄膜內的氫氟酸蝕刻劑解除孔洞 43 0 ’並且用於薄膜之間的公差調整。在本文所述之示範性 實施例中’可形成較薄型、較簡化的液體邊壁，同時在該 薄膜結構中並無孔洞。 爲形成列表頭裝置，解除薄膜必須非常微小，並且密 度極高。對於每英吋6 0 0個噴嘴而言，該列表頭必須具備 42·25μπι的間距。這無法爲各個噴注噴嘴間之疊層的嵌封 處理和校準作業留有很大空間。 從而’需要克服先前技藝的此等及其他問題，並且提 供一種用於MEMS靜電噴墨列表頭的方法及設備，其中是 在將此等晶圓黏合於噴墨列表頭之前，於個別晶圓上製出 靜電薄膜及驅動電極中此等。 【發明内容】 根據本教示，茲提供一種製造MEM S噴墨類型之列表 頭的方法。 -6- 200906634 該示範性方法可包含：提供驅動器元件；個別地設置 可致動薄膜元件’該可致動薄膜元件係在缺少犧牲層移除 用酸性蝕刻劑的情況下形成；將經個別地設置之可致動薄 膜元件黏合於驅動器元件；以及在黏合處理後，將噴嘴平 板接附於可致動薄膜元件。 根據本教示，提供一種Μ E M S類型之噴墨列表頭。該 示範性裝置可包含：驅動器元件；以及Μ E M S元件，由驅 動器元件個別製成，該MEMS元件是在缺少犧牲層移除用 酸性蝕刻劑情況下形成。提供黏合特徵以將驅動器元件與 MEMS元件運作接合，並且將一噴嘴平板接附於MEMS元 件。 應瞭解前揭一般敘述與後載詳細說明兩者皆僅具示範 及解釋性質，而非爲限制如所請求專利之本發明。 【實施方式】 此等實施例一般屬於M E M S噴墨列表頭。Μ E M S噴墨 列表頭係運用墨水列印的高速度、高密度隨生技術 (follow-on technology)。尤其，靜電微電子機械系統 (「MEM S」）噴墨列表頭可構成以精確及受控方式打散墨滴。 可使用矽晶圓製造技術來製造靜電MEM S薄膜及驅動 電路，並且是在整合成該列表頭之前先個別地製造。此等 示範性結構及方法包含將M E M S元件整合於像是c M 0 s驅 動器的傳統微電子元件。

第1A圖顯示根據一實施例之MEMS噴墨列表頭100 的示範性爆出視圖。第1 B圖顯示第1 A圖之MEMS噴墨列 表頭的組裝視圖。熟於本技藝人士應容易暸解第1 A及1 B 200906634 圖中所示之MEMS噴墨列表頭1 00代表廣義性的示意圖 示，並且可增置其他元件或者可移除或修改現有元件。 第1A及1B圖中所顯示的MEMS噴墨列表頭100包含 驅動器元件Π 0、液體薄膜元件11 2及噴嘴平板1 1 4。此等 元件各者可含有進一步的子元件，如本文所將說明者。 基本上，此等示範性實施例的MEMS噴墨列表頭1 〇〇 可爲個別製造的驅動器元件Π 0及薄膜元件1 1 2所界定， 其中此等元件係在其個別製造作業之後接合。完成的 MEMS噴墨列表頭含有噴嘴平板114，透過該噴嘴平板114 以噴散像是墨水等的液體。 如第1 A及1 B圖所示，驅動器元件Π 0含有晶圓基板 116'位於基板上的CMOS層118、形成形成於CMOS表面 118上的鈍化介電120、薄膜電極122、接地電位電極123 以及形成形成於鈍化介電上的黏合特徵1 2 4。 薄膜元件1 1 2包含例如一 S ΟI晶圓，此者具有一矽晶 圓基板126、一形成於基板126之表面上的氧化物層128, 以及一形成於氧化物層1 2 8之上的裝置（薄膜）層1 3 0。此 外’可在裝置層1 3 0上將此等黏合特徵1 3 2、1 3 4圖案化， 藉以黏合於驅動器元件1 1 0的相對應黏合特徵1 24。如所 述’薄膜元件的黏合特徵132、134可爲構成於裝置層130 中一面朝驅動器元件1 1 0之黏合特徵1 2 4的表面上。 須知噴嘴平板1 1 4可如業界已知者所構成，藉以回應 驅動器元件1 1 0對薄膜元件1 1 2的啓動而噴散液滴。特別 是’噴嘴平板114可具有複數個孔徑115，此等孔徑115 形成於其內以自該噴墨列表頭1 00噴散液體。 200906634 現g寸論自所完成列表頭1 0 0內之噴嘴平板1 1 4的液體 噴散，可自等孔徑1 1 5，將像是墨水（未圖示）的液體此等注 入到噴嘴平板1 1 4內。當將驅動信號施加於微電機系統 (MEMS)薄膜130時，其會朝向薄膜電極122移動，減少墨 水腔室內上方處的壓力’並且將墨水拉引至腔室內。當驅 動信號關閉或降低時，MEMS薄膜13〇回返至其原始位 置’增加該腔室內上方處的壓力，並經由噴嘴平板114內 的孔徑1 1 5注出墨水。 f) 該驅動器元件110如第2A圖至第2E圖例示方式製 造。雖已說明一系列製造步驟’然須知可根據製造參數， 增入或移除各個步驟。此外，雖特別就有關CMOS裝置驅 動器晶圓者說明驅動器元件11 〇，然其並非意圖限制此等 示範性實施例。從而，亦可在普通裸光矽或玻璃基板上構 成驅動器元件1 1 〇。 如第2 A圖所示，提供矽基板晶圓2 i 6作爲對於驅動器 元件1 10的起始材料。在第2B圖中，CMOS層218形成 ^； 於砂基板晶圓216的表面上。如此技藝所周知，CMOS層 2 1 8之沉積可包含多項掩模及疊層如。在第2c圖中，鈍化 介電層220形成於CMOS層218上。一般說來，鈍化層22〇 可由二氧化矽所構成；然而’這可根據製造要件而改變。 其他可作爲鈍化層2 2 0的材料包含氮化砂、具微量氮的二 氧化砂以及給基筒k値介電質。 如第2D圖所示，電極222可形成於鈍化層220上。電 極2 22形成薄膜元件丨12之電容性薄膜（第1 a圖及第1B圖 的1 30)的相對電極，並且可凹入而低於黏合特徵224，此 200906634 等特徵224透過此等電極222形成。須須暸解該詞彙「一」 薄膜電極可指一電極圖案。例如，接地電位電極2 2 3可透 過此等電極222定位，藉以對應或校準薄膜元件112的特 徵，如將說明。須知此等電極222可爲摻質多晶矽或任何 其他導體。例如，此等電極2 22可爲鋁、銅、ITO等等， 並且須與基底晶圓處理相容。以前，公認使用這些類型的 電極不可能，原因在於差不多所有的反應金屬都會在氫氟 酸中溶解。然而，由於此等示範性實施例可免於使用氫氟 酸蝕刻處理並可倂入所述金屬，因此可預期能夠將金屬電 極222直接施用在像是CMOS驅動器陣列之微電子電路的 上表面。熟諳本技藝人士須知，適當多層式聚合物及金屬 製程可運用於此等示範性實施例。 參照第2E圖，黏合特徵224可形成於鈍化介電的表面 上。此等電極2 2 2可凹入而低於特徵2 2 4，藉以在該驅動 器元件110的鈍化介電220與該薄膜元件Π2之間界界定 一間隙高度。 黏合特徵224可爲在該電極層222之前或之後所施加 的圖案化玻璃特徵。須知，可根據製程限制及裝置設計以 改變製程。 驅動器元件11 0亦可含有經機械拋光的平面氧化物或 表面’藉以提供一平坦、均句的基板表面。該機械拋光可 如業界所周知’例如爲一化學機械拋光（c Μ P)。通常，可在 當驅動器元件1 1 0於其上含有氧化物時形成平面氧化物表 面。由於驅動器元件1 1 0可由薄膜元件1 1 2個別製成，因 此可嚴密控制氧化物沉積，並可獲致且維持精確厚度。 200906634 現參照第3A圖至第3D圖，其顯示薄膜元件112之示 範性製造。第3 A圖顯示S ΟI晶圓，並且其包含有矽基板 326、氧化物層328及裝置層330，同時根據業界周知之方 式組裝。該裝置層3 3 0可爲厚約2 μηι的矽裝置。該匹配氧 化物層3 2 8可圖案化以形成一用於晶圓的納入氧化物膜 332，藉以晶圓黏合於裝置層328之一表面上，該表面面朝 驅動器元件1 1 0之黏合特徵2 2 4。亦可使用此匹配氧化物 層以在該薄膜3 2 8上形成氧化物凹窩，其可另外不藉由傳 統沉積方法形成。作爲替代方式，該凹窩可直接地形成於 第2D、2Ε圖中的電極222上。 該裝置層3 3 0可例如爲S Ο I晶圓的作用層。雖然厚度 對暸解本發明實施例而言並非關鍵，然通常使用厚約2 μηι 的作用層。 須知所述結構並不限於S 0 I晶圓材料，並且進一步可 與多晶矽薄膜技術相容。對於多晶矽薄膜技術來說，使用 空白矽晶圓以作爲基底。沉積適當的氧化物，然後塗佈2 μηι (或所欲厚度）的多晶矽。可將圖案化處理及其他沉積作業 合用於相關於S Ο I所述者。 一旦備製裝置層以供黏合’即可視需要進行圖案化， 此乃因爲其仍維持露出。此爲先前無法實現的優點。事實 上’藉由個別製造驅動器元件1 1 〇及薄膜元件；!丨2之每一 者’並且藉由像是氫氟酸之危險材料來消除蝕刻處理，可 將許多製造步驟重新排組，俾適合特定設計或晶圓代工製 程。 如於第3 C圖中所示，可藉由對該矽處理層3 2 6進行後 -11- 200906634 硏磨及/或拋光處理而達所欲厚度以界定薄膜元件112的厚 度。可在一或更多的步驟中交替地或循序地進行硏磨及/或 拋光處理。藉由範例，可將一矽處理層3 2 6硏磨及/或拋光 至一約80μηι的厚度。 如第3D圖中所示’可對該矽處理層326及該覆蓋氧化 物層3 2 8進行一深度蝕刻以供露出該薄膜層3 3 〇。該深度 鈾刻造成可形成液體腔室3 3 6，以及環繞此等液體腔室3 3 6 的液體邊壁3 3 8。 對於較深處的液體腔室層，可在晶圓黏合之前先進行 硏磨、拋光及腔室蝕刻處理。對於極薄的液體腔室層，或 是結構會因其大小而變得脆弱的情況，可在硏磨、拋光及 蝕刻處理之後黏合該驅動器元件1 1 0及該薄膜元件1 1 2。 須知，由於驅動器元件1 1 〇及薄膜元件11 2之每一者個別 製造，因此製造次序並無決定性，可具有彈性。 可接續其個別製造，藉由周知的晶圓對晶圓黏合技術 將驅動器元件1 1 〇與薄膜元件1 1 2黏合。在此等示範性實 施例中，驅動器元件1 1 〇的黏合特徵2 2 4熔融黏合於薄膜 元件1 1 2的黏合特徵3 3 2。晶圓對晶圓黏合處理對於將晶 圓接合係非常正確的方法。玻璃熔融黏合極爲強力、密封 且正確。無需增入額外材料’亦無需在黏合區域中進行任 何擠壓。此類型的黏合特別地適用於示範性實施例，因爲 其可使用在晶圓上已發現的材料，並且自然地配合於製程 中。另外，目前在半導體業界係由現有的設備供應商支援 所使用的製程及材料。 可接受對於玻璃熔融黏合的多項替代方式並予運用於 200906634 此等示範性實施例，而這些包含金質熔融黏合、焊燒黏合、 黏劑黏合等。 完成的列表頭1 〇 〇含有噴嘴平板1 1 4，其放置於薄膜 元件112之露出表面上，如第1A圖及第1B圖所示。通常， 噴嘴平板1 1 4施用於組裝之驅動器基板元件1 1 0及液體薄 膜元件1 1 2，而其等可事先藉由前述玻璃熔融所黏合。作 爲一選項，可在其中，當將個別晶粒封裝至一列表頭陣列 內之處，施用噴嘴平板114。此選項架構性，並且不被本 文所述晶圓處理的選擇所限制。 熟於本技藝人士須知可將該侵犯性濕式氫氟酸鈾刻自 本文所述之示範性方法中消除，如此可提供若非如此將會 無法作出的疊層組合。例如，當運用濕式氫氟酸蝕刻時， 氮化物膜會需在氧化物之下受到保護，藉以防止負面移 除。在這些類型的薄膜裝置中，可在操作過程中產生高電 場。這些氮化物膜可累構電荷而改變電場與所獲力度，因 此比不上一理想材料。藉由消除濕式酸性蝕刻，製造商的 可獲用選項變得更爲多元。僅藉由範例，現可運用熱性氧 化物或其他高品質介電物，改善該Μ E M S類型之噴墨列表 頭的效能，而無在製造過程中對元件材料造成損壞的風險。 【圖式簡單說明】 倂入本說明書內，構成其一部分並顯示若干本發明實 施例之附圖，連同該說明一起用以解釋本發明原理。 第1 Α圖顯示根據本教示之實施例的列表頭組裝示範 性元件爆出視圖； 第1 B圖顯示根據本教示之實施例的經組裝列表頭； -13- 200906634 桌2 A圖至第2 E圖顯示抱域+袖一々杳_^说丨_ _糾班 很據本教不之貫施例的驅動器 元件組裝製程； 第3 Α圖至第3 D圖顯示根據本教示之實施例的液體薄 膜元件組裝製程；以及 第4 A圖係一已知列表頭結構的爆出視圖’並且第4 B 圖爲該結構的組裝視圖。 【主要元件符號說明】

C 100 MEMS噴墨列表頭 110 驅動器元件 112 液體薄膜元件 114 噴嘴平板 115 孔徑 116 晶圓基板 118 CMOS 層 120 鈍化介電 122 薄膜電極 123 接地電位電極 124 黏合特徵 126 矽晶圓基板 128 氧化物層 13 0 裝置（薄膜）層 132 黏合特徵 134 黏合特徵 2 16 矽基板晶圓 2 18 CMOS 層 220 鈍化介電層 222 電極 223 接地電位電極 224 黏合特徵 -14- 矽基板 矽處理層 氧化物層 裝置層 納入氧化物膜 黏合特徵 液體腔室 液體邊壁 結構 鄰近薄膜 氫氟酸蝕刻劑解除孔洞 -15-

Claims (1)

1. 200906634 十、申請專利範圍： 1 .一種MEMS類型之噴墨列表頭，包括： 驅動器元件； MEMS元件，其係由該驅動器元件個別製成，該 MEMS元件包含一孔徑解除液體薄膜； 黏合特徵，其將該驅動器元件運作接合於該MEMS 元件；以及 噴嘴平板，其接附於該MEMS元件。 f 2 .如申請專利範圍第1項之裝置，其中在缺少犧牲層移除 用酸性蝕刻劑下形成該MEMS元件。 3 .如申請專利範圍第1項之裝置，其中該孔徑解除液體薄 膜包括矽。 4 .如申請專利範圍第1項之裝置，其中該等黏合特徵包括 玻璃。 5 .如申請專利範圍第1項之裝置，其中該驅動器元件藉由 微電子方法製造。 -16-