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KR101173329B1 - 챔버들 및 압전 섬들을 갖춘 미세전자기계 장치 및 압전변환기를 갖춘 장치를 형성하는 방법 - Google Patents

챔버들 및 압전 섬들을 갖춘 미세전자기계 장치 및 압전변환기를 갖춘 장치를 형성하는 방법 Download PDF

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KR101173329B1
KR101173329B1 KR1020077009262A KR20077009262A KR101173329B1 KR 101173329 B1 KR101173329 B1 KR 101173329B1 KR 1020077009262 A KR1020077009262 A KR 1020077009262A KR 20077009262 A KR20077009262 A KR 20077009262A KR 101173329 B1 KR101173329 B1 KR 101173329B1
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존 에이. 히긴손
크리스토프 멘첼
파울 에이. 회싱톤
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후지필름 디마틱스, 인크.
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Abstract

압전 액추에이터(104)를 갖춘 구조물을 포함하는 마이크로전자기계 시스템이 개시된다. 다수의 압전 섬들은 다수의 챔버들(205)을 가진 바디(200)에 의해 지지된다. 부분적으로 압전은, 핸들 기판에 일시적으로 결합되는 압전 물질의 두꺼운 층속에 컷(145)을 형성하는 단계, 에칭된 피쳐를 가지는 바디(200)에 컷 압전층(107)을 부착하는 단계 및 컷(140)의 깊이 보다 작은 두께로 압전 층을 그라인딩하는 단계에 의해 형성될 수 있다. 전도성 물질(158, 210)은 전극(106 112)을 형성하기 위해 압전층 상에 형성될 수 있다.

Description

챔버들 및 압전 섬들을 갖춘 미세전자기계 장치 및 압전 변환기를 갖춘 장치를 형성하는 방법{MICROELECTROMECHANICAL DEVICE WITH CHAMBERS AND PIEZOELECTRIC ISLANDS AND A METHOD OF FORMING A DEVICE WITH A PIEZOELECTRIC TRANSDUCER}
본 발명은 미세전자기계 장치를 위한 압전(piezoelectric) 액추에이터 형성에 관한 것이다.
압전 물질은 기계적 응력이 가해질 때 전기 또는 전기 극성을 생성할 수 있다. 선택적으로, 압전 물질에 대한 전압 인가는 역압전(converse piezoelectric)을 야기할 수 있다, 즉, 압전 물질은 전압이 인가될 때 기계적으로 변형된다. 역압전은 압전 물질에 매운 높은 굽힘 힘(bending force)을 야기할 수 있다. 전기 및 압전기 생성과 같은 이러한 특성들은 예를 들어, 변환기와 같은 전기 및 기계적 장치, 예를 들어 액추에이터 및 센서에서의 활용을 위해 이용된다. 액추에이터 및 센서의 조합을 포함하는 다수의 변환기가 미세전자기계 시스템(MEMS)에서 서로 조합될 수 있다.
통상적으로, MEMS는 종래의 반도체 프로세싱 기술들을 이용하여 반도체 기판에 형성된 기계적 구조물을 포함한다. MEMS는 단일 구조물 또는 다수의 구조물을 포함할 수 있다. MEMS는 전기 부품을 포함하며, 전기적 신호는 각각 활성화되거나 또는 MEMS의 각각의 구조물의 활성화에 의해 생성된다.
MEMS의 일 구현예는 내부에 챔버들이 형성된 바디 및 바디의 외부 표면상에 형성된 압전 액추에이터를 포함한다. 압전 액추에이터는 세라믹과 같은 압전 물질의 층, 및 전극과 같이 전압 전달 부재들을 포함한다. 압전 액추에이터의 전극들은 압전 물질 양단에 전압을 인가하거나 또는 압전 물질이 변형될 때 생성되는 전압을 전달할 수 있다.
압전 액추에이터를 갖춘 한가지 형태의 MEMS로는 마이크로-유동(micro-fluidic) 배출 장치가 있다. 액추에이터는 압전 물질을 포함할 수 있고, 압전 물질은 전극에 의해 활성화되어 상기 장치의 챔버를 향해 압전 물질의 변형이 야기된다. 상기 변형된 액추에이터는 챔버에 압력을 가해, 챔버내 유체가 예를 들어 노즐을 통해 배출되게 한다. 액추에이터, 챔버 및 노즐을 포함하는 각각의 구조물 컴포넌트는 얼마나 많은 유체가 배출되는지에 영향을 미칠 수 있다. 다수의 구조물을 갖춘 MEMS에서, MEMS에 대한 각각의 구조물을 위해 일정한 크기의 콤포넌트를 형성하는 것은 배출되는 유체의 균일한 양과 같이, MEMS의 성능 균일성을 개선할 수 있다. 균일한 구조물 형성은 각각의 구조물이 MEMS의 다른 구조물의 수 미크론 이내에 있는 측정치를 갖도록 처리되도록 시도될 때 중요시된다.
일반적으로, 미세전자기계 장치에 대해 개시된다. 상기 장치는 바디 및 다수의 압전 섬을 포함한다. 바디는 다수의 챔버를 포함한다. 다수의 압전 섬은 바디에 의해 지지되며, 압전 섬들 각각은 제 1 표면, 제 1 표면을 마주하는 제 2 표면 및 제 1 표면과 제 2 표면을 상호접속하는 제 3 평면형 표면을 포함한다. 압전 섬들은 실질적으로 압전 물질의 그레인들(grains)을 가지는 표면을 포함하며 상대적으로 압전 물질의 느슨한 그레인(loose grain)이 없다. 전도성 물질이 제 1 표면상에 놓이고 전도성 물질이 압전 섬의 제 2 표면상에 놓이게 된다. 다수의 압전 섬 중 적어도 하나는 다수의 챔버 중 해당 챔버에 실질적으로 인접하게 위치된다. 압전 섬들 중 적어도 하나는 제 3 표면상에 전도성 물질을 가지며, 제 3 표면상의 전도성 물질은 제 1 및 제 2 표면상의 전도성 물질을 전기적으로 접촉시킨다.
일반적으로, 또 다른 면에서, 미세전자기계 장치가 개시된다. 상기 장치는 다수의 챔버를 포함한다. 또한, 상기 장치는 변환기층(transducer layer)을 포함한다. 변환기층은 다수의 변환기를 포함하며, 각각의 변환기는 다수의 챔버의 해당 챔버에 실질적으로 인접하게 위치되며, 각각의 변환기는 바디에 의해 지지되는 압전 섬을 포함한다. 압전 섬은 제 1 표면 및 제 1 표면과 마주하는 제 2 표면에 의해 한정되며, 제 1 표면 및 제 2 표면은 실질적으로 평면형이며 제 1 표면은 실질적으로 제 2 표면과 평행하다. 변환기층과 바디 사이에는 결합층(bonding layer)이 제공된다. 결합층은 변환기층에 있는 적어도 2개의 변환기들 사이에서 상향 연장된다.
또 다른 면에서, 압전 변환기를 갖춘 장치를 형성하는 방법이 개시된다. 압전 물질의 바디의 제 1 표면은 반도체 물질과 결합된다. 압전 물질의 바디의 제 2 표면에 리세스들이 형성되며, 상기 리세스들은 벽들을 갖는다. 리세스를 형성한 후에, 압전 물질의 바디의 제 2 표면은 장치 바디에 부착된다. 장치 바디에 압전 물질의 바디를 부착한 후에, 압전 물질의 바디의 제 1 표면으로부터 반도체 물질이 제거된다.
본 발명은 하기의 하나 이상의 장점들을 포함할 수 있다. 전도성층을 형성하기 이전에 압전 물질에 그라운드 컷들(ground cuts)을 형성함으로써 랩-어라운드(wrap-around) 전극들의 형성이 허용될 수 있다. 이러한 랩-어라운드 전극은 전극이 형성되는 한쪽 측면으로부터 압전 물질의 대향 측면 상에 전극 콘택 영역의 형성을 가능케 한다. 랩-어라운드 전극은 전극 및 전극 접속 영역을 전기적으로 접속할 수 있다. 플렉서블 회로는 압전 물질의 한쪽 측면에만 플렉시블 회로를 접촉시킴으로써 드라이브 및 그라운드 전극 모두에 부착될 수 있다.
챔버 바디에 부착되기 이전에 처리되는 압전 물질로부터 압전 액추에이터를 형성함으로써, 압전 물질을 형성하는데 이용될 수 있는 프로세싱 단계들의 다양성을 증가시킬 수 있고, 이는 액추에이터를 형성하는데 이용되는 프로세스에 대한 챔버 바디의 반응도를 고려할 필요가 없기 때문이다. 챔버 바디 상에 결합하기 이전에 압전 물질을 다이싱(dicing)함으로써 챔버 바디에 형성되는 컷들이 감소 또는 소거될 수 있어, 챔버 바디의 누설(leak)이 감소된다. 압전 물질의 블록 속으로 압전 액추에이터의 최종 압전층의 두께보다 깊은 컷팅 및 최종 압전층의 원하는 두께로 압전 물질의 그라인딩(grinding)은 균일하게 두꺼운 압전 액추에이터의 그룹의 형성을 가능케 한다. 톱날(saw blade)의 내구성(wear) 및 반경은 압전 물질의 개시 블록 속으로 최종 압전층의 두께보다 깊은 컷팅이 이루어질 때, 압전 액추에이터의 균일성에 영향을 덜 미칠 수 있다. 균일하게 두꺼운 액추에이터는 인가되는 구동 전압에 균일한 압전 응답을 제공할 수 있다. 균일한 압전 응답은 MEMS의 구조물들 간에 유사한 반응을 야기할 수 있다. 액체 배출 MEMS에서 균일한 압전 응답은 유사한 양의 전력이 구조물의 액추에이터 각각에 인가될 때 구조물들 각각으로부터 균일한 양의 유체를 방출하게 할 수 있다. 부가적으로, 균일하게 두꺼운 압전 액추에이터를 유지함으로써 또 다른 MEMS의 구조물들 중 하나의 MEMS에 있는 구조물로부터 배출되는 유체의 양을 유지할 수 있다. 액추에이터 형성시, 챔버 바디에 물질을 결합시키기 이전에 압전 물질의 절단은 액추에이터들 간의 압전 물질의 탭들(tabs)을 소거시킬 수 있어, 구조물들 간의 혼선(cross-talk)을 감소시킬 수 있다.
압전 물질은 프로세싱 이전에 핸들층(handle layer)에 결합될 수 있다. 핸들 물질은 가열에 응답하여 압전 물질의 팽창을 제어할 수 있다. 납 지르코네이트 티타네이트(lead zirconate titanate)와 같은 특정한 압전 물질이 가열될 때, 물질은 가변 속도로 팽창된다. 물질이 다시 실온이 되더라도, 물질은 예비가열된 치수로 즉시 복귀되지 않을 수 있다. 챔버 바디 및 핸들층 모두가 실리콘으로 형성되는 경우, 핸들층은 가열 결합 프로세스 동안 야기되는 압전 물질의 팽창을 제어할 수 있어, 압전 물질은 챔버 바디가 팽창할 때 거의 동일한 속도로 팽창되며, 상기 실리콘은 온도가 증가함에 따라 예상된 일정한 속도로 팽창한다. 결과적으로, 가열 동안 야기되는 오정렬이 감소될 수 있다. 또한, 압전 물질이 처리될 때 핸들층은 기계적 핸들링 장치에 의해 고정될 수 있다. 이는 핸드링 장치에 의해 야기되는 프로세싱 동안 압전 물질에 대한 잠재적 손상을 감소시킨다. 기계적 핸들링 장치가 직접적으로 압전 물질을 보유하며 압전 물질이 동시적으로 고정 및 처리되어 너무 얇아질 경우 불가능한 추가의 프로세싱이 핸들층으로 가능할 수 있다. 핸들층은 MEMS 바디에 있는 챔버들에 대해 압전 물질의 액추에이터 전구체의 정확한 정렬을 용이하게 하는 정렬 피쳐(alignment feature)들을 포함할 수 있다. 핸들층은 압전층 보다 넓을 수 있다. 정렬 피쳐는 압전층의 외부 영역에 위치될 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시예의 상세한 설명은 하기 첨부되는 도면 및 상세한 설명을 통해 개시된다. 본 발명의 다른 특징, 목적 및 장점들은 상세한 설명 및 도면, 및 특허청구범위를 통해 명확해질 것이다.
도 1A는 압전 액추에이터를 갖춘 MEMS의 부분 단면도이다.
도 1B는 압전 액추에이터를 갖춘 2개의 유체 배출 MEMS를 가지는 다이 일부의 개략적 측단면도이다.
도 1C는 압전 액추에이터를 가지는 MEMS 장치의 상부도이다.
도 2는 압전 물질을 나타내는 도면이다.
도 3은 압전 물질 및 실리콘 웨이퍼를 나타내는 도면이다.
도 4는 실리콘 웨이퍼에 결합된 압전 물질의 어셈블리를 나타내는 도면이다.
도 5는 압전 물질의 씨닝(thining) 후 어셈블리를 나타내는 도면이다.
도 5A는 그라운드 압전 물질의 표면의 확대도이다.
도 5B는 그라운드 압전 물질의 산 세척 부분(acid clean piece)을 나타내는 도면이다.
도 6은 물질의 하부에 형성되는 그라운드 컷들을 갖춘 어셈블리를 나타내는 도면이다.
도 7은 다이싱된 압전 물질의 일 구현예의 하부도이다.
도 8은 전도성층을 형성한 후 X-축을 따르는 압전 물질의 단면도이다.
도 9는 분리 컷(separation cut)들이 구성된 후 Y-축을 따르는 압전 물질의 단면도이다.
도 10은 분리 컷들, 절연 컷들(isolation cut) 및 그라운드 컷들(ground cut)에 따른 압전 물질의 일 구현예의 하부도이다.
도 11은 그라운드 컷들 및 정렬 컷들에 따라 X-축을 따르는 압전 물질의 단면도이다.
도 12는 실리콘층에 정렬 슬롯이 형성된 후 어셈블리의 단면도이다.
도 13은 정렬 홀들을 가지는 실리콘 웨이퍼의 상부도이다.
도 14는 챔버 바디의 단면도이다.
도 15는 비완성 액추에이터 어셈블리와 정렬된 챔버 바디를 나타내는 도면이다.
도 16은 서로 결합된 챔버 바디와 압전 물질을 나타내는 도면이다.
도 17은 부분적으로 형성된 액추에이터를 갖춘 챔버 바디를 나타내는 도면이다.
도 18은 상부 전도성층이 형성된 후 압전 섬들을 나타내는 도면이다.
도 19는 포토레지스트를 인가한 후 압전 섬들을 나타내는 도면이다.
도 20은 패터닝 후 포토레지스트를 나타내는 도면이다.
도 21은 각각의 챔버가 개별 액추에이터를 가지는 다양한 구조물들의 세로(end-wise) 단면도이다.
도 22는 완성된 압전 액추에이터를 가지는 구조물의 측단면도이다.
도 23은 액추에이터에 플렉서블 회로가 부착된 단일 구조물을 나타내는 도면이다.
도 24는 액추에이터의 일 실시예의 평면도이다.
도 25는 압전 액추에이터를 가지는 구조물을 갖춘 MEMS를 형성하는 단계들의 흐름도이다.
다양한 도면들에서 유사한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다. 도면들의 사항은 비례축적된 것이 아니다. 일부 사항은 도시를 목적으로 확대되었다.
각각 압전 액추에이터를 가지는 구조물을 갖춘 MEMS를 형성하는 방법이 개시된다. 도 1A, 도 1B 및 도 1C에 도시된 것처럼, MEMS 장치(100)는 압전 액추에이터(104)를 지지하는 바디(200)를 가지며, 상기 바디(200)는 다수의 변환기 구조물(110)을 갖는다. 바디(200)는 물질층에 형성된 챔버들(205)을 포함한다. 챔버들(205)은 압력 변환기에서와 같이 외부 환경으로부터 폐쇄되거나 또는 배출 유체와 같이 외부 환경으로 개방될 수 있다. 바디(200)는 단일 물질의 단일층일 수 있다. 선택적으로, 바디(200)는 단일 물질 또는 다수의 물질들과 서로 결합된 다수의 층들로 구성될 수 있다.
압전 액추에이터(104)는 상부 전극(106), 압전층(109) 및 하부 전극(112)을 포함할 수 있다. 압전 액추에이터(104)는 챔버들(205) 위로 형성되는 막(membrane)(118)을 포함할 수 있다. 막(118)은 압전층(109)으로부터 챔버들(205)을 분리시킬 수 있다. 일 구현예에서, 하부 전극(112)은 전도성 랩-어라운드(280)에 의해 하부 전극 콘택 영역(211)과 전기적으로 접속된다. 일 구현예에서, 하부 전극(112)은 다른 하부 전극(112)과 통신할 수 있다. 전도성 랩-어라운드(280)는 하기 상세히 개시되는 것처럼, 그라운드 컷들(140)에 형성된다. 산화물층과 같은 절연층(미도시)이 하부 전극(112)과 바디(200) 사이에 위치될 수 있다. 일 구현예에서, 바디(200)는 하부 전극으로서의 역할을 한다. 바디가 하부 전극에 형성될 경우, 압전 액추에이터를 형성하기 위해 상부 전극(106) 및 압전층(109) 만이 요구된다. 나란한 배열의 전극과 같은 다른 구성의 전극이 선택될 수 있다. 접착제와 같은 결합 물질층이 압전층(109)과 바디(200) 사이에 선택적으로 위치될 수 있다.
회로(미도시)는 하부 전극 콘택 영역(211)에서 하부 전극(112)에, 그리고 상부 전극(106)에 전기적으로 접속될 수 있다. 회로는 전극에 전압을 인가할 수 있다. 인가된 전압은 압전 물질이 수축(contract)되도록, 압전층(109)을 작동시킬 수 있다. 압전 물질이 수축될 때, 상기 수축은 부착된 막(118)이 챔버를 향해 편향되게 하여, 챔버들(205)에 압력이 가해진다. 일 구현예에서, 챔버 가압(pressurizing)은 유체가 챔버들(205)로부터 노즐(101) 밖으로 배출되게 한다. 또 다른 구현예에서, 챔버들(205)은 액추에이터에 의해 가압되는 것이 아니라, 환경적 요인(environmental event)에 의해 가압(또는 감압)된다. 챔버들(205)에서의 압력 변화는 압전층(109)의 수축을 야기시켜, 전극(112, 106)에 의해 전달되고 회로에 의해 감지되는 전압을 생성한다.
도 1B에 도시된 것처럼, 일 구현예에서 MEMS는 유체 배출 구조물의 2개의 로우(row)로 구성될 수 있어, 2개 로우의 구조물들은 장치의 중심부를 면하며 노즐들은 실질적으로 일직선으로 정렬된다. 각각의 구조물들은 챔버들(205)의 길이방향으로 연장되는 세로방향 중심부를 갖는다. 한 개의 로우에서 구조물의 중심부는 다른 로우에서의 구조물의 중심부와 정렬될 수 있다. 구조물의 단면도는 제 1 로우에서의 하나의 구조물의 중심부 및 제 2 로우에서 가상 구조물을 나타낸다(제 2 구조물의 챔버는 가상으로 도시됨). 서로 면하고 있는 배출 구조물이 전기적으로 물리적으로 서로 절연된 액추에이터들을 갖도록, 절연 컷들(168)이 노즐(101) 위에 형성될 수 있다.
다수의 압전 액추에이터는 압전 물질의 단일층으로 형성될 수 있으며, 각각의 압전 액추에이터는 다수의 구조물을 가지는 MEMS의 하나의 구조물의 일부이다. 이로 인해 다수의 액추에이터를 한번에 병렬로 처리할 수 있다. 간략화를 위해, 단일 구조물에 대한 압전 액추에이터를 형성하는 방법을 대부분의 도면을 참조로 하기에 설명할 것이다. 압전층(109) 및 바디(200)는 각각의 MEMS가 다른 MEMS와 분리될 수 있도록 컷팅 또는 에칭될 수 있다. 일 구현예에서, 스트리트들(103)이 에칭되고 소우 컷(saw cut)(102)이 바디(200)에 형성된다. MEMS는 스트리트들(103) 및 소우 컷들(102)을 따라 수동으로 깨질 수 있다. 도 25에 도시된 것처럼, 바디(200) 및 압전층(109)은 개별적으로 처리되며 프로세싱의 추후 단계에서 서로 결합된다.
도 2 내지 도 25에 도시된 것처럼, 압전 액추에이터의 형성은, 다른 압전 물질이 사용될 수도 있지만, 납 지르코네이트 티타네이트(압전층(107))와 같은 압전 물질의 개시층을 제공함으로써(단계 305) 시작된다. 일 구현예에서, PZT는 약 7.5g/cm3 이상, 예를 들어, 약 8g/cm3의 밀도를 갖는다. d31 계수는 약 200 이상일 수 있다. HIPS-처리 압전 물질은 일본, 수미토모 피에조일렉트릭 머터리얼스로부터 H5C 및 H5D로 이용가능하다. H5C 물질은 약 210의 d31 및 약 8.05 g/cm3의 겉보기 밀도(apparent density)를 나타낸다. H5D 물질은 약 300의 d31 및 약 8.15 g/cm3의 겉보기 밀도를 나타낸다. 기판 두께는 통상적으로 약 1cm이며 원하는 작업 두께로 톱질될 수 있다. 압전 물질은 프레싱(pressing), 독터 블레이딩, 그린 시트, 졸 겔 또는 증착을 포함하는 기술들에 의해 형성될 수 있다. 압전 물질 제조는 아카데믹 프레스 리미티드 피에조 세라믹(B, Jaffe, 1971)에 개시되며, 이에 대한 전체 설명은 본 명세서에서 참조된다. 핫 프레싱을 포함하는 형성 방법은 258-259페이지에 개시된다. 필라델피아(PA) TRS 세라믹스로부터 이용가능한 납-마그네슘-니오베이트(PMN)와 같은 단결정 압전 물질이 사용될 수도 있다. 벌크 PZT 물질은 스퍼터링, 스크린 프린트 또는 졸 겔로 형성된 PZT 물질들 보다 높은 d 계수, 유전 상수, 커플링 계수, 강도 및 밀도를 가질 수 있다.
바디에 부착하기 이전에 물질의 파이어링(firing)을 수반하는 기술을 사용함으로써 이러한 특성이 압전 물질에 설정될 수 있다. 예를 들어, (지지체 상부에서 대향 됨에 따라) 자체적으로 몰딩되고 파이어링되는 압전 물질은 몰드(가열되거나 가열되지 않음) 속으로 물질을 패킹하는 데 있어 높은 압력이 사용될 수 있다는 장점을 갖는다. 또한, 통상적으로 흐름제(flow agent) 및 결합제와 같이 보다 적은(fewer) 부착제가 요구된다. 예를 들어 1200~1300℃의 높은 온도가 파이어링 프로세스에 이용될 수 있어, 보다 나은 제조 및 그레인 성장이 이루어진다. 졸 겔 또는 스퍼터링 기술에 의해 형성된 압전층과는 달리, 벌크 압전 물질의 그레인들은 약 2 내지 4 미크론 사이의 폭을 가질 수 있다. 파이어링 분위기(예를 들어, 납이 풍부한 분위기)는 세라믹으로부터 PbO의 손실을 감소시키는데 이용될 수 있다. PbO 손실 또는 다른 손상을 가질 수 있는 몰딩된 부분의 외부 표면은 절단되어 폐기될 수 있다. 또한, 세라믹이 높은 압력에서 처리되는 동안, 열간 등압 성형(hot isostatic pressing; HIP)에 의해 물질이 처리될 수도 있다. 히핑(hipping) 프로세스는 파이어링 동안 또는 압전 물질의 블록이 파이어링된 이후에 수행될 수 있으며, 밀도를 증가시키고, 보이드를 감소시키고 압전 상수를 증가시키는데 이용된다. 히핑 프로세스는 산소 또는 산소/아르곤 분위기에서 수행될 수 있다.
압전 물질의 개시층의 두께는 약 250 내지 약 300 미크론과 같이, 약 100 내지 약 400 미크론 사이일 수 있다. 압전 물질은 하부 표면(113) 및 상부 표면(115)을 가지며, 하부 표면(113)은 실질적으로 챔버 바디에 가장 가까운 표면일 수 있다.
도 3에 도시된 것처럼, 실리콘과 같은 물질의 핸들층(135)은 압전층(107)의 상부 표면(115) 위에 위치된다. 핸들층(135)은 바디(200)를 형성하는데 이용되는 물질과 동일한 물질로 형성될 수 있다. 프로세스 동안 압전층(107)이 손상되지 않 도록 핸들층(135)은 압전층(107)을 보유하고 전달하는 층을 제공한다. 또한, 핸들층(135)은 하기 개시되는 것처럼 순차적인 가열 및 결합 단계 동안 압전층(107)의 팽창을 제어할 수 있다. 핸들층(135) 두께는 400 내지 1000 미크론 사이일 수 있지만, 정확한 두께는 비교적 중요하지 않다. 일 구현예에서, 핸들층(135)은 압전층(107) 보다 넓다.
도 4에 도시된 것처럼, 핸들층(135)은 압전층(107)과 결합된다(도 25의 단계(313)). 상기 결합은 압전층(107) 또는 핸들층(135)에 중합된 벤조시클로부틴(benzocyclobutene)과 같은 접착제를 인가하고 2개 층을 서로 눌러 붙임으로써 달성된다. 다음 어셈블리를 가열함으로써 접착제가 경화될 수 있다.
도 5를 참조로, 압전층(107)이 씨닝처리되어, 압전 물질의 개시층 보다는 얇지만(도 25의 단계(318)), 액추에이터의 압전 부분(도 1의 109)의 최종 원하는 두께 보다는 두껍게 된다. 일 구현예에서, 압전층(107)은 200 미크론 미만, 또는 약 50 미크론으로 씨닝된다(thinned).
압전층(107)의 씨닝을 위해, 수평 그라인딩과 같은 정밀 그라인딩 기술이 사용되어 평탄하고, 낮은 보이드 표면 모폴로지(morphology)를 가지는 보다 균일하고 얇은 층을 생성할 수 있다. 수평 그라인딩에서, 높은 평탄도 톨러런스로 가공되는 기준 표면을 가지는 회전하는 척 상에 제품이 장착된다. 제품의 노출된 표면은 높은 톨러런스에서의 정렬시 수평 그라인딩 휠과 접촉된다. 그라인딩은 예를 들어, 약 0.25 미크론 이하, 예를 들어 약 0.1 미크론 이하의 평탄도 및 평행도, 및 기판 위에 5mm Ra 이하의 표면 처리(surface finish)를 갖는다. 또한, 그라인 딩은 균일한 잔류 응력(residual stress)을 산출한다.
적절한 정밀 그라인딩 장치로는 AZ, 챈들러, 시바 테크놀로지로부터 입수가능한 도시바 모델 UHG-130G가 있다. 기판은 미세 휠(fine wheel)을 수반하는 거친 휠(rough wheel)로 그라운딩될 수 있다. 적적한 거친 휠 및 미세 휠은 각각 1500 grit 및 2000 grit 합성 다이아몬드 레지노이드(resinoid) 매트릭스를 갖는다. 적절한 그라인딩 휠은 일본의 아도마 또는 아사이 다이아몬드 인더스티리얼스사에서 입수가능하다.
그라인딩 프로세스의 일 구현예는 하기의 파라미터들을 이용한다. 제품 스핀들은 500rpm에서 동작하며 그라인딩 휠 스핀들은 1500rpm에서 동작한다. x-축 공급 속도는 거친 휠을 사용하여 최초 50-300 미크론에 대해 10 미크론/분이며 미세 휠을 사용하여 최종 50-100 미크론에 대해 1 미크론/분이다. 냉각제는 18-메그옴(megohms)-cm 탈이온수이다.
도 5A에 도시된 것처럼, 그라인딩 후에, 본질적으로 압전층은 압전 물질의 느슨한 그레인들 및 안전하게 부착된 그레인들을 갖는 평탄 표면 뿐 아니라 압전 물질 및 그라인딩 유체의 입자들로 구성되는 페이스트(119)를 갖는다. 그라인딩 프로세스는 압전 물질을 다수의 그레인으로 쪼갤 뿐 아니라, 일부 그레인들을 느슨하게 한다(loosened). 도 5B에 도시된 것처럼, 그라인딩에 이어, 압전 물질은 그라인딩에 의해 야기되는 표면 손상을 제거하기 위해 1% 플루오르화 붕소산(fluoroboric acid)(BHF4) 용액에서 세정될 수 있다. 그라인딩 프로세스에 의해 느슨해지는 압전 물질의 그레인들은 작은 리세스(121)를 남기고 실질적으로 제거되는 반면, 안전하게 부착된 그레인(120)은 남아있게 된다. 또한, 상기 세정으로 페이스트(119)와 같이, 압전 물질 표면상에 남아 있을 수 있는 임의의 추가적 물질이 제거될 수 있다. 표면 모폴로지는 CT, 미들필드, 지고 코포레이션으로부터 입수가능한, 메트로뷰 소프트웨어를 갖춘 지고 모델 뉴뷰 5000 간섭계로 측정될 수 있다.
도 6에 도시된 것처럼, 압전층(107)의 제 2 표면(113)으로 그라운드 컷들(140)이 만들어진다(도 25의 단계(324)). 압전층(107)은 그라운드 컷들(140)을 생성하도록 톱질되거나 다이싱된다. 구조물이 완성될 때 깊게 또는 액추에이터의 압전 부분(도 1의 109)의 최종 두께보다 깊게 연장되도록 그라운드 컷들(140)이 형성된다. 일 구현예에서, 그라운드 컷들(140)의 깊이는 약 40 미크론이며 완성된 액추에이터에서 압전 물질층 두께는 약 15 내지 35 미크론 사이이다. 그라운드 컷들(140)은 컷의 베이스에서 라운딩되는 단면을 가질 수 있다.
도 7을 참조로, 압전층(107)의 일 구현예의 하부도가 도시된다. 다수의 컷들은 다수의 액추에이터가 형성되는 것을 나타내기 위해 압전 물질의 전체 표면에 대해 도시된다. 그라운드 컷들(140)은 각각의 압전 액추에이터가 그라운드 컷들(140)을 갖도록, 압전층(107)의 하부 폭을 따라 충분히 연장된다. 제조를 단순화시키기 위해, 그라운드 컷들(140)은 압전층(107)의 전체 폭을 연장시킬 수 있다. 도시된 구현예에서, 압전층(107)의 하부는 가상으로 위치가 도시된 18개의 다이(150)를 가지는 바디와 정렬된다. 한 쌍의 그라운드 컷들이 각각의 다이를 관통할 수 있으며, 이는 각각의 다이(150)는 구조물의 2개 로우를 포함하며, 2개 로우는 그라운드 전극에 대한 개별 접속을 각각 필요로 하기 때문이다.
도 8에 도시된 것처럼, 전도성층(158)은 압전층(107)의 하부 표면상에 형성된다(도 25, 단계(327)). 전도성층(158)은 결국 하부 전극 및 상기 하부 전극에서 압전층(107)의 상부 표면에 전기적으로 콘택될 수 있는 전도성 랩-어라운드(280)가 된다. 전도성 랩-어라운드(280) 부분은 그라운드 컷들(140)의 벽들 상에 위치된다. 코팅은 예를 들어 스퍼터링과 같은 진공 증착에 의해 형성될 수 있다. 증착물에 대한 도체로는 구리, 금, 텅스텐, 주석, 인듐-주석-산화물(ITO), 티타늄, 백금, 금속의 조합물, 또는 전극으로 이용하기에 적합한 다른 물질들을 포함한다. 일 구현예에서, 전도성층은 티타늄-텅스텐, 금-주석 및 금이 적층된 층들을 포함한다.
도 9를 참조로, 전도성층(158)을 통해 압전층(107)으로 절연 컷들이 형성될 수 있다(도 25, 단계(333)). 절연 컷들은 하나의 압전 액추에이터의 압전 물질과 이웃하는 압전 액추에이터의 압전 물질을 분리시켜, 이웃하는 액추에이터들 간의 누설을 감소시키며 소정의 경우에는 이를 없앨 수 있다. 절연 컷들은 압전층의 최종 두께보다 깊다. 일 구현예에서, 컷들은 컷들이 이루어지는 압전층(107)의 전체 두께만큼 깊지 않다. 일 구현예에서, 절연 컷들(165)의 깊이는 적어도 15 미크론이다. 그라운드 컷들(140)이 압전층(107)의 X-축을 따라 놓이는 경우, 그라운드 컷들(140)이 절연 컷들(165)과 수직이되도록, 절연 컷들(165)은 압전층(107)의 Y-축을 따라 형성될 수 있다. 그라운드 컷들(140)과는 달리, 컷들이 이들의 수직 벽들을 따르는 전도성 물질을 갖지 않도록 전도성층을 형성하는 단계 이후 절연 컷들(165)이 형성된다.
도 10에 도시된 것처럼, 추가의 X-축 절연 컷들(168)은 그라운드 컷들(140)에 평행하게 형성될 수 있다. 이러한 X-축 절연 컷들(168)은, 도 1의 구조물(130, 131)과 같이, 서로 면하고 있는 인접한 구조물들의 압전 액추에이터를 분리시키기 위해 구조물의 2개 로우를 가지는 MEMS 장치에서 사용될 수 있다. 압전층(107)의 하부도는 선택적 X-축 절연 컷들(168)을 따르는 그라운드 컷들(140) 및 Y-축을 따르는 절연 컷들(165)을 나타낸다(개별 다이들의 해당 위치는 가상으로 도시됨). 절연 컷들(165)은 프린트헤드 다이 위치(152)에 해당하는 영역에 형성된다.
도 11을 참조로, 압전층(107)의 하부 표면(113)에 정렬 컷들(171)이 형성된다(도 25, 단계(336)). 컷들(171)은 하기 개시되는 바와 같이 차후 정렬 단계에 이용된다. 정렬 컷들(171)은 오로지 압전층(107)을 통해 연장되며 부분적으로 핸들층(135)으로 연장될 수 있다. 이 구현예에서, 정렬 컷 깊이는 약 80 미크론이다. 정렬 컷들(171)은 압전층(107)의 X-축을 따라 즉, 그라운드 컷들과 평행하게 또는 Y-축을 따라 형성될 수 있다. 정렬 컷들(171)은 프린트헤드 다이 위치(152)와 압전층(107)의 에지 사이와 같이, 프린트헤드 다이 위치(152)에 해당하는 압전층(107) 영역의 외측과 같은, 압전층(107)의 주변부에 형성된다. 정렬 컷들(171)은 차후 개별 액추에이터를 형성할 압전층(107)의 부분과 중첩되지 않는다. 선택적으로, 핸들층(135)이 압전층(107) 보다 넓은 경우, 정렬 컷들(171)은 압전층(107)일 수 있는 외측에 있는 영역에 핸들층(135)을 형성할 수 있다.
도 12에 도시된 것처럼, 압전층(107)에 정렬 슬롯(182)이 형성된다(도 25, 단계(340)). 정렬 슬롯(182)은 핸들층(135)의 상부 표면으로 소우(saw)를 플런징(plunging)함으로써 형성될 수 있다. 이로 인해 반원형 프로파일 컷이 형성된다. 어셈블리(압전층(107) 및 핸들층(135))의 깨짐 또는 약해짐의 문제를 감소시키기 위해, 정렬 슬롯(182)은 정렬 컷들(171)에 직교하게 형성되며 단지 정렬 슬롯의 결합만이 이루어진다. 정렬 슬롯(182)은 정렬 컷들(171)이 교차하기에 충분한 깊이만을 요구한다. 도 13에 도시된 것처럼, 핸들층(135)의 상부도는 컷과 슬롯의 교차부를 나타낸다. 바디와 압전층(107)을 정렬하는데 관통-홀들(185)이 이용될 수 있다.
도 14를 참조로, 챔버들(205)을 갖춘 바디(200)가 압전층(107)에 부착되도록 제공된다. 챔버들(205)은 압전층(107)이 바디(200)와 결합될 때, 챔버들(205)이 각각의 절연 컷들(165) 사이에 있는 전도성층(158)과 정렬되도록 이격된다. 챔버들(205)은 각각의 절연 컷들(165) 사이의 압전층(107)와 같은 넓이로 또는 그보다 넓도록, 폭이 좁아질 수 있다.
바디(200)는 다수의 층들 또는 단일 층으로 형성될 수 있다. 바디가 다수의 층들로 형성되는 경우, 층들은 적층 구조물을 형성하도록 서로 결합된다. 층들이 각각 실리콘과 같은 동일한 물질로 결합된 경우, 층들은 2003년 10월 10일자로 "Print Head with Thin Membrane"이란 명칭으로 출원된 미국 가출원 번호 60/510,459호(본 문헌은 본 명세서에서 참조됨)에 개시된 바와 같이, 실질적으로 미세한 시임들(seams)을 갖춘 모놀리틱 바디를 형성할 수 있다. 챔버들은 플렉서블한 막(membrane)으로 커버될 수 있으며 압전층(107)의 이동을 챔버로 전달할 수 있다.
일 구현예에서, 바디(200)는 잉크와 같은 유체 스트림 또는 방울을 배출하도록 구성된 유체 배출 장치이다. 챔버들(205) 이외에, 바디는 잉크가 저장되는 저장기와 챔버들(205)을 유체적으로 접속하는 잉크 전달 경로를 가질 수 있다. 또한, 챔버들(205)은 이동하는 잉크 찌꺼기가 챔버들(205)로 흐르는 것을 방지하기 위해 필터 구조물(미도시)을 포함할 수도 있다. 챔버들(205)은 하행 경로(descender path)에 의해 노즐과 같은 출구와 접속될 수 있다.
결합 물질의 층 상에서의 스피닝에 의해 바디(200)에 결합층(bonding layer)(193)이 형성될 수 있다. 결합층(193)은 BCB와 같은 접착제를 포함할 수 있다. 선택적으로, 결합층(193)은 전도성층(158) 상에 형성될 수 있다. 결합층(193)은 약 0.1 내지 0.3 미크론과 같이 매우 얇을 수 있다.
도 15를 참조로, 압전층(107)은 바디(200)와 정렬되게 위치된다(도 25, 단계(344)). 특히, 압전층(107)과 바디(200)는 Y-축을 따라 정렬되어 분리 컷들(165)이 바디(200)에 있는 챔버들(205) 사이의 벽들(208)과 정렬된다. 일 구현예에서, 압전층(107)은 X-축을 따라 정렬되어 그라운드 컷들(140)이 챔버들(205) 위에 놓이지 않게 된다.
바디(200)가 실리콘으로 형성되는 경우, 적외선 카메라가 벽들(208)의 위치를 표시하기 위해 이용될 수 있다. 평탄한 실리콘 표면은 실질적으로 적외선 광을 투과시켜, 카메라가 실리콘 바디(200)에 형성된 피쳐들을 검출하게 한다. 실리콘 바디(200)의 주변 부분에 정렬 마크가 형성될 수 있다. 바디(200)와 압전층(107)을 정렬하기 위해 관통-홀(through-hole)들(185)이 정렬 마크와 정렬되고, 절연 컷들(165)과 벽들(208)이 정렬될 수 있다.
도 16에 도시된 것처럼, 정렬 이후, 접착제가 제공되는 표면에 따라, 전도성층(158) 또는 바디(200)가 결합층(193)과 콘택된다(도 25, 단계(349)). BCB가 접착제로서 사용되는 경우, 바디(200) 및 압전층(107)은 서로 보유되고(held) 가열된다. 일 구현예에서, 어셈블리는 BCB를 중합시키기 위해 약 40 시간 동안 약 200℃로 가열된다. 바디(200)의 표면 또는 전도성층(158)이 약간 거친 경우, 압전층(107)과 바디(200) 간의 슬라이딩이 방지될 수 있다. 일 구현예에서, 바디(200)와 압전층(107)이 서로 결합될 때, BCB가 분리 컷(165) 및/또는 절연 컷들(165)의 적어도 일부를 채우도록, 상당량의 BCB가 전도성층(158) 또는 바디(200)에 제공된다. 일 구현예에서, 금속 공융(eutectic) 결합으로 바디(200)와 압전층(107)이 서로 부착된다.
도 17에 도시된 것처럼, 핸들층(135) 및 압전층(107)의 일부가 어셈블리로부터 제거된다(도 25, 단계(352)). 핸들층(135) 및 압전층(107)은 핸들층(135)을 완전히 제거하고 그라운드 컷들(140)의 베이스(base)에서의 전도성 물질이 제거되는 최소 범위로 압전층(107)을 씨닝할 수 있다. 일 구현예에서, 압전층(107)은 약 20 미크로론과 같이, 10 내지 35 미크론 사이로 씨닝 처리된다. 이러한 씨닝 단계는 최종 두께로 압전층(107)을 씨닝처리하여 압전 물질의 개별 섬을 형성한다. 간략화를 위해 하기 도면에는 결합층(193)이 도시되지 않는다.
도 18을 참조로, 상부 전도성층(210)은 씨닝된 압전층(107)의 섬들 위에 형성된다(도 25, 단계(359)). 상부 전도성층(210)은 앞서 개시된 바와 같이, 진공 증착 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 상부 전도성층(210)은 상부 전극(106)을 형성하는데 이용된다.
도 19에 도시된 것처럼, 포토레지스트층(214)이 스핀-코팅에 의해 상부 전도성층(210) 상에 증착된다. 다음 도 20에 도시된 것처럼, 상부 전극의 위치를 한정하도록 포토레지스트가 노출되고 현상된다.
도 21에 도시된 것처럼, 상부 전도성층(210)은 개별 전극을 형성하도록 에칭된다(도 25, 단계(364)). 상부 전극들은 이들이 위치되는 압전 섬들과 폭이 동일하거나 또는 폭이 더 좁을 수 있다. 일 구현예에서, 상부 전극은 펌핑 챔버보다 폭이 좁다. 상부 전극과 펌핑 챔버의 폭 간의 비율은 약 0.65 내지 약 0.9와 같이, 약 0.5 내지 약 1.2일 수 있다. 부가적으로, 압전 섬들의 폭을 동일하거나, 이들이 위치되는 챔버들 보다 폭이 넓거나 또는 폭이 더 좁을 수 있다. 압전 섬들이 약 10 내지 20 미크론과 같이, 펌핑 챔버 보다 폭이 넓은 경우, 펌핑 챔버들 간의 벽들은 PZT 섬들을 지지할 수 있다. 챔버들보다 넓은 폭의 압전 섬을 형성함으로써 압력이 제공되는 막을 압전 부분을 펀칭하는 위험을 감소시키면서, 결합 과정 동안 MEMS 바디와 압전층 어셈블리에 보다 큰 압력이 제공되게 할 수 있다. 하부 전극이 접지 전극인 경우, 각각의 압전 액추에이터의 그라운드 전극은 서로 접속되거나 또는 각각의 구조물의 그라운드가 절연될 수 있다.
도 22에 도시된 것처럼, 상부 전도성층(210)의 패터닝시, 압전층(107)의 상부 표면상의 하부 전도성층(158)을 위해 하부 전극 콘택 영역(211)이 형성된다. 그라운드 컷들(140)은 압전층(107)의 최종 깊이 보다 깊게 형성되기 때문에, 압전층(107)이 최종 두께로 그라운딩된 후, 전도성 물질이 압전층(107)의 상부와 수평이 되도록 전도성 랩-어라운드(280)가 연장된다. 상부 전도성층, 및 하부 전극 콘택 영역(211)은 전도성 랩-어라운드(280)와 전기적으로 콘택되어, 하부 전도성층(158) 또는 하부 전극과 전기적으로 접속된다. (그라운드 컷들(140)이 형성된 후, 전도성 랩-어라운드(280)가 전도성층을 형성하는 단계(도 25, 단계(327))에 의해 형성된다) 패터닝 프로세스는 상부 전극(106) 전도성 물질과 하부 전극을 전기적으로 분리시키기 위해 전극 브레이크(break) 영역(220)에서 전도성 물질을 제거한다.
각각 다수의 구조물을 가지는 다수의 다이가 압전 물질의 단일 층 및 단일 실리콘 기판과 같이 공통 층으로부터 형성된다. 바디(200)를 처리하는 동안, 스트리트들(103)이 바디의 하부 표면에 형성되어 다이들 간의 그레인이 한정될 수 있다. 스트리트들(103)은 바디의 두께를 횡단하지 않는 리세스들이다. 추가의 소우 컷들(102)이 스트리트에 해당하는 위치에 있는 압전층(107)의 상부에 형성될 수 있다. 소우 컷들(102)이 스트리트들(103)로 전체 연장될 필요는 없다. 또한, 개별 다이들은 스트리트들(103)을 따라 어셈블리를 수동을 브레이킹함으로써(breaking) 서로 분리될 수 있다(단계(367)). 스트리트들(103)이 형성되고 다이들은 그라운드 컷들(140)을 따라 정렬되는 영역에서 쪼개질 수 있다.
도 23을 참조로, 전도성 접착제 또는 솔더(solder)와 같이, 전기적으로 전도성인 물질(215, 225)이 액추에이터 상에 배치될 수 있다(도 25, 단계(371)). 플렉서블 회로 및 액추에이터가 접촉된다. 플렉서블 회로(229)는 전극 콘택 영역(221)에 의해 그라운드, 또는 하부 전극과 접촉된다. 전극에 구동 전압이 인가되어, 압전층(107)이 구동될 수 있다.
도 24를 참조로, 일 구현예에서, 구조물은 챔버들(205)을 작동시키지 않는 압전층(107)의 부분들로의 입력 전력이 최소화되도록 구성될 수 있다. 콘택 패드(224)는 플렉서블 회로(229)와 결합되도록 충분한 크기로 설정될 수 있다. 압전 섬의 전체 길이가 펌핑 챔버 작동에 수반되지 않는다면, 작동될 필요가 없는 압전 섬의 부분들에 대한 전력 손실을 감소시키기 위해 좁은 전극 부분(230)이 형성될 수 있다.
압전 액추에이터를 형성하는 종래의 방법에 따른 문제점들은 본 명세서에 개시된 방법에 의해 해결될 수 있다. 압전 물질의 예비-파이어링(pre-fired) 시트로부터 형성된 압전 층들은 바디 손상 없이 바디가 견딜 수 없는 기술로 압전 물질의 처리를 가능케 한다. 예를 들어, 압전 액추에이터는 바디가 바디와 개별적으로 형성되는 경우, 압전 물질은 보다 나은 완성 및 그레인 성장을 생성하는 온도로 파이어링될 수 있다. MEMS의 다른 부품들에 의해 동일하게 높은 온도가 허용되지 않을 수 있다. 부가적으로, 벌크 압전 물질은 스퍼터링된 또는 졸-겔 압전 물질들보다 높은 d 계수, 유전 상수, 커플링 계수, 상도 및 밀도를 가질 수 있다. 바디에 졸-겔 인가와 같이, 다른 방식으로 형성된 압전 물질들이 압전 전구체에 부가되는 것이 요구될 수 있다. 첨가제는 종종 버닝되어, 벌크 압전 물질이 바디와 별개로 형성될 때 형성될 수 있는 것보다 덜 조밀한 압전 물질을 생성한다. 바디와 별개로 벌크 압전 물질을 형성함으로써, 물질은 첨가제를 덜 포함하거나 또는 첨가제를 포함하지 않는다. 또한, 벌크 물질은 압력 하에서 파이어링될 수 있다. 고온 및 고압은 물질을 보다 조밀하게 만들어, 물질 특성을 강화시키고 특히 물질내 보이드들의 수를 감소시킨다. 보이드들은 전기적 단락을 생성하여 장치를 파괴시킬 수 있다.
그러나 압전 액추에이터를 형성하기 위한 압전 물질의 예비-파이어링 시트 처리는 위험을 유도할 수 있다. 예를 들어, 압전 물질이 바디에 결합된 후, 개별 액추에이터를 분리하도록 압전층이 절단되는 경우, 챔버 바디로의 컷팅 위험이 있을 수 있고 이는 잠재적으로 누설을 야기할 수 있다. 반대로, 압전 물질 속으로 충분히 깊게 컷팅되지 않아, 이웃하는 구조물들 사이에 탭들(tabs)이 남아있을 수 있다. 컷이 균일하지 않을 경우, 구조물들은 각각 동일한 전력 입력에 응답하여 가변하는 압전 등급(degree of piezoelectric)을 가질 수 있고, 구조물들 간에 혼선이 발생할 수 있다. 톱날들이 압전층을 기준으로 톱날의 위치설정시 변화 또는 사용에 따라 마모되기 때문에 불균일한 컷 깊이가 발생할 수 있다.
챔버 바디에 물질을 결합시키기 이전에 압전 물질을 그라인딩 및 다이싱함으로써 압전 액추에이터를 형성함으로써 균일한 두께의 압전 액추에이터를 형성할 수 있다. 압전 부분은 단일 액추에이터에 대해 균일한 두께를 가질 수 있다. 또한, 액추에이터는 액추에이터의 그룹에 대해 매우 균일한 두께를 가질 수 있다. 다이의 구조물들에 대해 달성될 수 있는 치수적 균일성의 예로써, 각각의 구조물은 폭이 약 25 내지 200 미크론 사이, 또는 약 150 미크론 폭인 압전 액추에이터를 가질 수 있고, 다이는 하나의 로우에 100 내지 200개의 구조물을 가질 수 있고, 다이의 압전 액추에이터에 대한 두께 차는 2 미크론 정도로 작을 수 있다. 압전 물질 아 래로의 그라인딩을 수반하는 개별 섬들의 컷팅은 서로 평행한 상부 및 하부 표면을 갖는 섬을 형성할 수 있다. 이러한 구조는 스크린 프린팅 방법 또는 세라믹 물질의 그린 시트 증착, 세라믹 물질의 패터닝 및 세라믹 물질의 파이어링에 의해 달성될 수 없다. 그린 시트 파이어링, 스크린 프린팅 및 졸-겔 분야와 같은 방법들은 직사각형 단면을 갖지 않는 압전 액추에이터를 형성할 수 있다. 예를 들어, 이들 방법은 평면형 하부 및 굽은 상부 또는 잘린 직사각형의 상부 모서리를 갖도록 표현된 단면을 갖는 액추에이터를 형성할 수 있다. 벌크 압전 물질로부터 섬들을 컷팅함으로써, 액추에이터의 폭 및 길이에 대한 액추에이터의 두께는 매우 균일할 수 있다. 높은 치수 균일성을 가지는 압전 액추에이터는 매우 균일한 압전 특성을 나타낼 수 있다.
압전 물질을 결합하기 이전에 컷을 형성함으로써 랩-어라운드 전극 구조물이 형성될 수 있다. 랩-어라운드 전극 구조물은 압전층의 상부에 있는 하부 전극에 대한 콘택 영역을 형성한다. 랩-어라운드 전극 구조물은 집적회로와 액추에이터를 간단히 접속할 수 있다.
펌핑 챔버의 폭보다 좁은 액추에이터를 형성함으로써 막의 가장 플렉서블한 부분 위로 액추에이터의 배치를 집중시킬 수 있다. 액추에이터의 폭을 좁게 형성함으로써, 압전 물질을 작동시키는데 보자 작은 전압이 요구된다. 상부 전극은 압전 층의 중심 부분에 전압이 집중되도록 압전층 보다 폭이 좁게 형성될 수 있다. 이는 압전층에 대해 경쟁력있는 압전력을 감소시킬 수 있다. 압전층 보다 폭이 좁은 상부 전극을 형성함으로써 액추에이터가 입력 전압에 보다 양호하게 응답하게 된다. 보다 양호한 액추에이터 응답은 낮은 구동 전압이 액추에이터에 인가되어 원하는 액추에이터 반응을 달성할 수 있게 한다. 펌핑 챔버 보다 폭이 넓은 액추에이터의 형성에 따른 장점은 펌핑 챔버를 둘러싸는 벽들이 액추에이터를 지지할 수 있다는 것이다. 벽들이 펌핑 챔버를 지지하는 경우, 막을 통한 액추에이터의 브레이킹 위험은 감소된다. 특히, 결합 프로세스 동안, 액추에이터에 압력이 인가되는 경우, 장치 손상과 같은 위험이 감소된다.
층을 핸들층에 결합한 후에 비교적 두꺼운 압전층을 씨닝함으로써 액추에이터를 형성하는 프로세스 단계들이 용이해질 수 있다. 챔버 바디 상에 결합되기 이전에 압전층이 적절한 작업 두께로 씨닝되지 않는 경우, 결합 이후 보다 긴 씨닝 프로세스가 요구될 수 있다. 또한, 핸들 물질은 압전층 보다 단단한 것이 바람직하다. 단단한 핸들층은 어셈블리가 가열될 때 어셈블리가 핸들 물질의 열팽창과 근접하게 팽창되게 한다. 그러나 핸들층에 부착하기에 앞서 최종 두께로의 압전층 씨닝은 압전층을 손상시키지 않고 원하는 두께를 달성하는 것을 불가능하게 한다. 핸들층은 씨닝 동안 압전 물질을 고정하는 베이스를 제공한다. 압전 물질의 씨닝 장치가 씨닝 동안 압전층을 고정하기 보다는 핸들층을 고정할 경우, 고정되는 피쳐가 씨닝 프로세스와 상호작용할 가능성은 작다. 일 구현예에서, 핸들은 씨닝 장치에 클램프되며 그라인딩 휠은 원하는 두께로 압전 층을 그라인딩한다. 클램프 만이 핸들층과 접촉될 것을 요구하기 때문에, 클램프는 그라인딩 휠과 간섭될 필요가 없다.
그라인딩은 압전 물질로부터 일부 노출된 그레인들이 느슨해지게 한다. 또한, 페이스트형 물질이 그라인딩에 의해 형성되며, 페이스트형 물질은 깨진 압전 물질 조각을 포함한다. 페이스트형 물질은 그라인딩 동안 압전층 상에 증착될 수 있다. 페이스트형 물질 및 느슨해진 그레인은 압전층과 전도성층 간의 결합시 갭을 생성할 수 있다. 이러한 갭들의 정도는 스팟-대-스팟(spot-to-spot)으로부터 변형될 수 있으며 성능에 변화를 야기할 수 있다.
그라인딩 이후 압전 물질의 세정으로 압전 물질의 느슨해진 그레인들 및 페이스트가 제거되며 압전 물질의 표면이 주로 압전 물질의 완전히 고정된 그레인들로 구성될 수 있다. 상기 세정은 보다 거친 표면을 생성하지만, 물질의 느슨해진 압전 그레인으로 평탄 표면을 갖는 압전 물질에 대해 압전 물질의 압전 특성의 효율성 및 균일성을 강화시킨다. 그라인딩 이후 압전 물질 세정은 전도성 물질을 인가하기 위한 표면을 개선시킨다. 표면이 페이스트 및 느슨해진 물질의 그레인이 없다면, 전도성 물질과 압전 물질의 접착력 있는 블록 사이의 갭 존재 가능성은 감소된다.
압전 물질의 열팽창은 압전 물질과 바디를 결합하기 이전에 압전 물질을 핸들층에 결합함으로써 제어될 수 있다. 압전 물질 및 챔버 바디가 2개의 구조물 사이에 결합을 형성하도록 가열될 때, 압전 물질(또는 다른 적절한 압전 물질) 및 바디 형성에 이용되는 물질은, 특히 바디가 실리콘과 같이 압전 물질 이외의 물질로 형성될 경우, 상이한 비율로 팽창될 수 있다. 또한, 열적 변화로 인한 압전 물질의 팽창 및 수축은 변할 수 있다. 즉, 가열되고 다시 원래 온도로 냉각되는 압전 물질은 원래 크기로 즉각적으로 복귀되지 않을 수 있다. 열팽창 및 수축 비율은, 물질이 얼마나 오랫동안 폴링(poled)되었는지 그리고 얼마나 많은 열 주기에 물질들이 미리 처리되었는지와 같은 다양한 요인에 따라 변할 수 있다. 챔버 바디의 크기 및 가열에 의해 야기되는 압전 물질의 변화는 분리 컷에 대한 챔버 벽의 정렬을 변화시킬 수 있다.
핸들층이 바디와 동일한 물질로 형성된 경우, 핸들 물질은 압전 물질 및 바디의 팽창 속도가 실질적으로 동일하도록 압전 물질의 팽창 속도를 제어할 수 있다. 특히 핸들층이 압전 물질 보다 훨씬 두꺼울 때, 핸들층은 핸들층과 팽창 및 수축되도록 압전 물질을 가압할 수 있다. 일 구현예에서, 압전 물질은 PZT이며 핸들층은 PZT층 보다 10배의 두께를 가지는 실리콘이다. 실리콘은 PZT 보다 대략 3배 더 단단하다. 두께 및 강도의 차에서 실리콘은 PZT의 30배의 스프링 비율(spring rate)을 갖는 것으로 나타났다. 보다 명백한 스프링 비율을 갖는 물질은 실리콘과 동일한 속도로 PZT가 팽창되도록 다른 물질의 팽창 및 수축은 무시한다.
앞서 개시된 압전 액추에이터는 센서, 변환기, 또는 압전 액추에이터를 갖춘 잉크 젯 프린트헤드와 같은 다수의 마이크로기계 장치 형태로 이용될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예가 개시되었다. 그럼에도, 본 발명의 범주 및 개념을 이탈하지 않는 다양한 변형이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 액추에이터들은 서로 평행하게, 그러나 압전 층에 대해서는 각지게 형성될 수 있다. 액추에이터는 표면과 수직이 아니게, 각지게 압전 물질의 바디에 리세스를 형성함으로써 제조될 수 있다. 선택적으로, 리세스는 바디의 표면과 수직이나 측벽들은 바디 표면에 대 해 90°이외의 각으로 각진 중심축을 가질 수 있다. 예를 들어, 측벽들은 사다리꼴 형상의 섬들을 형성할 수 있고, 사다리꼴의 넓은 부분은 좁은 부분 보다 펌핑 챔버로부터 더 먼 곳에 있게 된다. PZT 이외의 압전 물질이 액추에이터를 형성하는데 이용될 수 있다. 펌핑 챔버 위에 장착된 섬 상에 구동 및 그라운드 접속부를 모두 갖기보다는, 구동 전극 접속부는 펌핑 챔버 위의 섬 상에 있을 수 있고 그라운드 전극 접속부는 다이, 예를 들어 콘택 섬의 주변부 상에 압전 물질의 섬 상에 있을 수 있다. 선택적으로, 압전 섬은 랩-어라운드 전극을 가질 필요가 없다. 하부 전극은 압전 섬 너머로 연장될 수 있고 상부 전극과 전기적으로 분리될 수 있다. 일 구현예에서, 전극들은 압전 물질의 한 표면 상에만 형성된다. 일 구현예에서, 그라인딩은 컷 또는 리세스가 노출되기 이전에 중단된다. 이는 액추에이터 사이에 압전 물질의 브리지를 남길 수 있다. 브리지는 장치들 간의 혼선을 최소화시킬 수 있도록 충분히 작을 수 있다. 압전 물질과 부착되는 바디는 내부에 챔버가 형성될 필요가 없다. 챔버들, 또는 다른 피쳐들이 바디에 형성될 경우, 압전 물질이 바디에 부착된 이후 챔버가 형성될 수 있다. 따라서, 다른 실시예들이 하기 특허청구범위의 범주내에서 제공된다.

Claims (18)

  1. 마이크로전자기계 장치(microelectromechanical device)로서,
    다수의 챔버들을 갖춘 바디;
    상기 바디에 의해 지지되는 다수의 압전 섬들(piezoelectric islands) ? 상기 압전 섬들 각각은 제 1 표면, 상기 제 1 표면을 마주하는 제 2 표면 및 상기 제 1 표면과 제 2 표면을 상호접속하는 제 3 평면 표면을 포함하며, 상기 압전 섬들은, 압전 물질의 그레인들(grains)을 포함하고 그라인딩(grinding) 프로세스 이후에 상기 바디에 상대적으로 느슨하게 부착된(loosely attached) 압전 물질의 그레인들이 없는(free of) 표면을 가짐 ? ; 및
    상기 압전 섬들의 상기 제 1 표면상의 전도성 물질 및 상기 제 2 표면상의 전도성 물질
    을 포함하며, 상기 다수의 압전 섬들 중 적어도 하나는 상기 다수의 챔버들 중 해당 챔버와 인접하게 위치되며,
    상기 압전 섬들 중 적어도 하나는 상기 제 3 표면상에 전도성 물질을 가지며, 상기 제 3 표면상의 상기 전도성 물질은 상기 제 1 표면 및 제 2 표면상의 상기 전도성 물질들과 전기적으로 접촉되는, 마이크로전자기계 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    결합층을 더 포함하며, 상기 결합층은 상기 제 1 전도성층과 상기 바디 사이에 있으며, 상기 결합층의 적어도 일부는 상기 다수의 압전 섬들 중 적어도 2개의 압전 섬들 사이에 있는, 마이크로전자기계 장치.
  3. 마이크로전자기계 장치로서,
    다수의 챔버들을 갖춘 바디;
    다수의 변환기들을 제공하는 변환기층(transducer layer) ? 각각의 변환기는 상기 다수의 챔버들 중 해당 챔버와 인접하게 위치되고, 각각의 변환기는 상기 바디에 의해 지지되는 압전 섬을 포함하고, 상기 압전 섬은 제 1 표면 및 상기 제 1 표면과 마주하는 제 2 표면에 의해 한정되며, 상기 제 1 표면과 제 2 표면은 평면형이고, 상기 제 1 표면은 상기 제 2 표면과 실질적으로 평행함 ? ; 및
    상기 변환기층과 상기 바디 사이의 결합층 ? 상기 결합층은 상기 다수의 변환기들 중 적어도 2개의 변환기들 사이에 있음 ?
    을 포함하는, 마이크로전자기계 장치.
  4. 압전 변환기를 갖춘 장치를 형성하는 방법으로서,
    압전 물질의 바디의 제 1 표면을 반도체 물질에 결합시키는 단계;
    상기 압전 물질의 상기 바디의 제 2 표면에 벽들을 갖춘 리세스들을 형성하는 단계;
    상기 리세스들을 형성한 후, 상기 압전 물질의 상기 바디의 상기 제 2 표면을 반도체 물질로 형성된 장치 바디에 부착하는 단계; 및
    상기 압전 물질의 상기 바디를 상기 장치 바디에 부착한 후, 상기 압전 물질의 상기 바디의 상기 제 1 표면으로부터 상기 반도체 물질을 제거하는 단계
    를 포함하는, 압전 변환기를 갖춘 장치를 형성하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 방법은 적어도 상기 리세스들이 노출될 때까지 상기 압전 물질의 상기 제 1 표면으로부터 물질을 제거하는 단계를 더 포함하는, 압전 변환기를 갖춘 장치를 형성하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 결합시키는 단계는 상기 리세스들을 형성하는 단계 이전에 이루어지는, 압전 변환기를 갖춘 장치를 형성하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 압전 물질의 상기 제 1 표면으로부터 물질을 제거하는 단계는 반도체 물질의 바디를 씨닝(thinning)하는 단계를 포함하는, 압전 변환기를 갖춘 장치를 형성하는 방법.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 압전 물질의 바디를 상기 장치 바디에 부착하는 단계는 열적으로 경화되는 접착제로 상기 압전 물질의 바디를 상기 장치 바디에 결합하는 단계를 포함하는, 압전 변환기를 갖춘 장치를 형성하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 압전 물질의 바디를 상기 장치 바디에 부착하는 단계는 상기 압전 물질의 바디 및 상기 장치 바디를 가열하는 단계를 포함하는, 압전 변환기를 갖춘 장치를 형성하는 방법.
  10. 제 4 항에 있어서,
    그라인딩 프로세스 이후에 상기 압전 물질의 바디에 상대적으로 느슨하게 부착되는 압전 물질의 파편들을 상기 압전 물질의 바디로부터 방출시키도록 상기 압전 물질의 바디를 세정하는 단계를 더 포함하는, 압전 변환기를 갖춘 장치를 형성하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 압전 물질의 바디를 세정하는 단계는 플루오르화 붕소산(fluoroboric acid) 용액에서 상기 바디를 세정하는 단계를 포함하는, 압전 변환기를 갖춘 장치를 형성하는 방법.
  12. 압전 변환기를 갖춘 장치를 형성하는 방법으로서,
    압전 물질의 바디를 세정하는 단계;
    상기 압전 물질의 바디의 제 1 표면에 벽들을 갖춘 리세스들을 형성하는 단계;
    상기 리세스들을 형성한 후, 상기 압전 물질의 바디의 상기 제 1 표면을 장치 바디에 부착하는 단계; 및
    상기 압전 물질의 바디를 상기 장치 바디에 부착한 후, 상기 압전 물질의 바디의 제 2 표면의 적어도 일부를 제거하는 단계
    를 포함하는, 압전 변환기를 갖춘 장치를 형성하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 바디를 세정하는 단계는 플루오르화 붕소산 용액에서 상기 압전 물질의 바디를 세정하는 단계를 포함하는, 압전 변환기를 갖춘 장치를 형성하는 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 압전 물질의 바디를 세정하는 단계는 상기 압전 물질의 바디를 상기 장치 바디에 부착하기 이전에 수행되며, 상기 방법은 상기 압전 물질의 바디를 상기 장치 바디에 부착한 후 상기 압전 물질의 바디를 세정하는 단계를 더 포함하는, 압전 변환기를 갖춘 장치를 형성하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 바디를 부착한 후 상기 바디를 세정하는 단계는 플루오르화 붕소산 용액에서 상기 압전 물질의 바디를 세정하는 단계를 포함하는, 압전 변환기를 갖춘 장치를 형성하는 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 압전 물질의 바디 상에 제 1 전도성층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 압전 변환기를 갖춘 장치를 형성하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 압전 물질의 바디를 상기 장치 바디에 부착하기 이전에 제 1 전도성층을 형성하는 단계가 수행되는, 압전 변환기를 갖춘 장치를 형성하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 압전 물질의 바디의 제 2 표면의 적어도 일부를 제거한 후 제 2 전도성층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 압전 변환기를 갖춘 장치를 형성하는 방법.
KR1020077009262A 2004-10-15 2005-10-11 챔버들 및 압전 섬들을 갖춘 미세전자기계 장치 및 압전변환기를 갖춘 장치를 형성하는 방법 Expired - Fee Related KR101173329B1 (ko)

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PCT/US2005/036441 WO2006044329A1 (en) 2004-10-15 2005-10-11 Microelectromechanical device with chambers and piezoelectric islands and a method of forming a device with a piezoelectric transducer

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