(57)【要約】研磨された圧電材料を備えるアクチュエータを有するデバイスについて記載する。研磨された圧電材料を形成する方法は、焼成された圧電材料のブロックを基板上に結合することと、焼成された圧電材料のブロックを化学機械的に研磨することとを含む。その後、焼成された圧電材料のブロックの研磨された表面をデバイス層に結合してアクチュエータを形成することができる。上記結合することは、樹脂を、上記焼成された圧電材料のブロックまたは上記基板の１つに塗布することと、該焼成された圧電材料のブロックと該基板とを、これらの間に該樹脂を用いて互いに結合させることとを含み得る。
2009536465.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アセンブリを形成する方法であって、
焼成された圧電材料のブロックを基板上に結合することと、
該焼成された圧電材料のブロックを化学機械的に研磨することと
を含む、方法。
【請求項２】
前記結合することは、樹脂を、前記焼成された圧電材料のブロックまたは前記基板の１つに塗布することと、該焼成された圧電材料のブロックと該基板とを、これらの間に該樹脂を用いて互いに結合させることとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ブロックを化学機械的に研磨することの前に、該ブロックの厚さの一部を研削することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ブロックを化学機械的に研磨することは、約１０〜２０Åの範囲の表面粗さを有する表面を生成する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記焼成された圧電材料のブロックを化学機械的に研磨することは研磨された表面を形成し、前記方法は、
酸化物層を、該研磨された表面上に形成することと、
該酸化物層を活性化して、活性化された酸化物層を形成することと、
シリコンまたはシリコン酸化物層の表面を活性化して、活性化されたデバイス表面を形成することと、
該活性化された酸化物層を、該活性化されたデバイス表面と接触させることと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記酸化物層を活性化することの前に、該酸化物層を研磨することをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記活性化された酸化物層を、前記活性化されたデバイス表面と接触させることの後に、該活性化された酸化物層と、該活性化されたデバイス表面とを加熱することをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記加熱することは、約２００℃に加熱することを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記焼成された圧電材料のブロックを化学機械的に研磨することは研磨された表面を形成し、前記方法は、
電極層を該研磨された表面に塗布することと、
該電極層をデバイス表面に結合することと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記電極層をデバイス表面に結合することは樹脂結合材を用いることを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記焼成された圧電材料から前記基板を除去して、露出された圧電材料を形成することと、
該露出された圧電材料を化学機械的に研磨することと
をさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
焼成された圧電材料のブロックを基板上に結合することは、該焼成された圧電材料のブロックをデバイス基板上に結合することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記デバイス基板は、前記焼成された圧電材料のブロックに隣接するが、該焼成された圧電材料のブロックに対して開かれていないチャンバを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記焼成された圧電材料のブロックを化学機械的に研磨することは、圧電材料の少なくとも４ミクロンを研磨して除去することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記焼成された圧電材料のブロックを化学機械的に研磨することは、圧電材料の約４〜１０ミクロンの範囲を研磨して除去することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
アセンブリを形成する方法であって、
酸化物層を圧電材料上に形成することと、
該酸化物層を研磨することと、
該酸化物層を研磨することの後に該酸化物層をプラズマで活性化することと、
該プラズマで活性化することの後に該酸化物層を本体に接触させることと
を含み、該本体はシリコンまたはシリコン酸化物を含む、方法。
【請求項１７】
前記酸化物層および前記本体を加熱することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
チャンバを内部に有する本体であって、シリコンから形成された本体と、
該本体上に位置し、該チャンバと整合されたアクチュエータと
を備える、流体排出デバイスであって、該アクチュエータは圧電材料を備え、該圧電材料は２０Å未満の表面粗さを有し、該アクチュエータは、樹脂を用いて該本体に結合されている、流体排出デバイス。
【請求項１９】
前記本体内のチャンバはノズルと流体連通する、請求項１８に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記アクチュエータは約２０ミクロン未満の厚さを有する、請求項１８に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記アクチュエータは５ミクロンよりも大きい厚さを有する、請求項１８に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記圧電材料は複数の層を含まない、請求項１８に記載のデバイス。
【請求項２３】
前記圧電材料は７．５ｇ／ｃｍ３以上の密度を有する、請求項１８に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記圧電材料は約８ｇ／ｃｍ３の密度を有する、請求項１８に記載のデバイス。
【請求項２５】
前記圧電材料は、約２００以上であり得るｄ３１係数を有する、請求項１８に記載のデバイス。
【請求項２６】
チャンバを内部に有する本体であって、該本体はシリコンから形成され、シリコンまたはシリコン酸化物の上層を有する本体と、
該本体上に位置し、該チャンバと整合されたアクチュエータと
を備える、流体排出デバイスであって、該アクチュエータは圧電材料を備え、該圧電材料は２０Å未満の表面粗さを有し、酸化物の層は該圧電材料上に存在し、該酸化物の層は該本体の上層に融着されている、流体排出デバイス。
【請求項２７】
前記本体内のチャンバはノズルと流体連通する、請求項２６に記載のデバイス。
【請求項２８】
前記アクチュエータは約２０ミクロン未満の厚さを有する、請求項２６に記載のデバイス。
【請求項２９】
前記アクチュエータは５ミクロンよりも大きい厚さを有する、請求項２６に記載のデバイス。
【請求項３０】
前記圧電材料は複数の層を含まない、請求項２６に記載のデバイス。
【請求項３１】
前記圧電材料は７．５ｇ／ｃｍ３以上の密度を有する、請求項２６に記載のデバイス。
【請求項３２】
前記圧電材料は約８ｇ／ｃｍ３の密度を有する、請求項２６に記載のデバイス。
【請求項３３】
前記圧電材料は、約２００以上であり得るｄ３１係数を有する、請求項２６に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電層を有するデバイスを形成することに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電材料は機械的応力を受けると、電気または電圧を生成することができる。あるいはまた、圧電材料にわたって電圧を印加することにより、逆の圧電性を生じさせることができ、すなわち、電圧が印加されると、圧電材料は機械的に変形する。逆の圧電性は、極めて高い曲げ力を圧電材料に生じさせることができる。これらの特性の両方、すなわち電気および逆の圧電性の生成は、例えばアクチュエータおよびセンサなどのトランスデューサのような電気および機械デバイスで用いるのに利用されている。アクチュエータおよびセンサの組み合わせを含む複数のトランスデューサを微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）内に互いに結合することができる。
【０００３】
ＭＥＭＳは、従来の半導体処理技術を用いて半導体基板に形成された機械構造を有する。ＭＥＭＳは単一構造または複数構造を含むことができる。ＭＥＭＳは、電気信号が各々を作動するか、またはＭＥＭＳ内の各構造の作動により生成される電気部品を有する。
【０００４】
ＭＥＭＳの一実装は、チャンバが内部に形成された本体と、本体の外面上に形成された圧電アクチュエータとを含む。圧電アクチュエータは、セラミックのような圧電材料の層と、電極のような、電圧を送信する要素とを有する。圧電アクチュエータの電極は圧電材料にわたって電圧を印加することができ、または、圧電材料が変形された時に生成された電圧を送信することができる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実装では、アセンブリを形成する方法であって、予め焼成された圧電材料を基板上に結合することと、予め焼成された圧電材料を化学機械的に研磨することとを含む方法が記載されている。圧電材料をチタン酸ジルコン酸鉛であり得る。
【０００６】
別の実装では、アセンブリを形成する方法が記載されている。酸化物層を圧電材料上に形成する。酸化物層を研磨する。酸化物層を研磨した後、酸化物層をプラズマで活性化する。プラズマで活性化することの後、酸化物層を本体に接触させる。本体はシリコンまたはシリコン酸化物を含む。
【０００７】
さらなる別の実装では、チャンバを内部に有する本体であって、シリコンから形成された本体を備える流体排出デバイスが記載されている。本体上のアクチュエータはチャンバと整合され、アクチュエータは圧電材料を備え、圧電材料は２０Å未満の表面粗さを有し、アクチュエータは、樹脂を用いて本体に結合されている。
【０００８】
一実装では、チャンバを内部に有する本体であって、この本体はシリコンから形成され、シリコンまたはシリコン酸化物から成る上層を有する本体と、本体上に位置し、チャンバと整合されたアクチュエータとを備える流体排出デバイスであって、アクチュエータは圧電材料を備え、圧電材料は２０Å未満の表面粗さを有し、酸化物の層は圧電材料上に存在し、酸化物の層は本体の上層に融着されている流体排出デバイスが記載されている。
【０００９】
実施形態は以下の特徴の１つ以上を含むことができる。結合することは、樹脂を、焼成された圧電材料のブロックまたは基板の１つに塗布し、焼成された圧電材料のブロックと基板とを、これらの間に樹脂を用いて互いに結合させることを含むことができる。ブロックを化学機械的に研磨することの前にブロックの厚さの一部を研削することができる。ブロックを化学機械的に研磨することは、約１０〜２０Åの範囲の表面粗さを有する表面を生成することができる。焼成された圧電材料のブロックを化学機械的に研磨することは、研磨された表面を形成することができ、方法は、酸化物層を、研磨された表面上に形成することと、酸化物層を活性化して、活性化された酸化物層を形成することと、シリコンまたはシリコン酸化物層の表面を活性化して、活性化されたデバイス表面を形成することと、活性化された酸化物層を、活性化されたデバイス表面と接触させることとをさらに含むことができる。酸化物層を活性化することの前に酸化物層を研磨することができる。活性化された酸化物層を、活性化されたデバイス表面と接触させることの後に、活性化された酸化物層と、活性化されたデバイス表面とを加熱することができる。加熱を約２００℃とすることができる。焼成された圧電材料のブロックを化学機械的に研磨することは、研磨された表面を形成することができ、方法は、電極層を、研磨された表面に塗布することと、電極層をデバイス表面に結合することとをさらに含むことができる。樹脂結合材を用いて電極層をデバイス表面に結合することができる。基板を、焼成された圧電材料から除去して、露出された圧電材料を形成することができ、露出された圧電材料を化学機械的に研磨することができる。焼成された圧電材料のブロックを基板上に結合することは、焼成された圧電材料のブロックをデバイス基板上に結合することを含むことができる。デバイス基板は、焼成された圧電材料のブロックに隣接するが、焼成された圧電材料のブロックに対して開かれていないチャンバを含むことができる。焼成された圧電材料のブロックを化学機械的に研磨することは、圧電材料の少なくとも４ミクロンまたは約４〜１０ミクロンの範囲を研磨することができる。酸化物層および本体を加熱することができる。本体のチャンバはノズルと流体連通することができる。アクチュエータは約２０ミクロン未満の厚さを有することができる。アクチュエータは５ミクロンよりも大きい厚さを有することができる。圧電材料を単一圧電材料とすることができ、または、圧電材料は複数の層を含まない。圧電材料は７．５ｇ／ｃｍ３以上の密度を有することができる。圧電材料は約８ｇ／ｃｍ３の密度を有することができる。圧電材料は、約２００以上とすることができるｄ３１係数を有することができる。
【００１０】
本明細書に記載された方法およびデバイスは以下の利点の１つ以上を提供することができる。研削のようないくつかの処理は圧電材料の表面を損傷することがある。研磨は圧電材料から表面損傷を除去することができる。厚さが２０、１０または５ミクロンを満たない材料のような圧電材料の薄肉層の表面から損傷を除去すると、圧電材料からクラックを除去することができる。
【００１１】
本発明の１つ以上の実施形態の詳細は添付図面および以下の詳細な説明に記述されている。本発明の他の特徴、目的および利点は詳細な説明および図面からかつ特許請求の範囲から明らかとなる。
【００１２】
様々な図面において同一の符号は同様な要素を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１に関して、半導体処理に従来用いられる材料から形成された圧電材料の層１０５および支持層１１０を含むアセンブリが示されている。圧電材料を、灰チタン石あるいはタングステンブロンズ構造を有するセラミックのような、圧電性を呈する結晶を有する材料とすることができ、または、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）あるいはマグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）のような材料であり得る。支持層１１０の材料をシリコン、例えば単結晶シリコンから形成することができる。あるいはまた、圧電材料を、ユーザの要求に応じて別の基板に取り付けることができる。
【００１４】
図２および図９を参照して圧電材料のブロック１５０を取得する（ステップ３００）。ブロック１５０は、さらなる硬化を必要としない予め焼成された材料シートである。ブロックは約１ｃｍの初期の加工厚さを有することができる。一実装では、圧電材料はＰＺＴであり、ＰＺＴは約７．５ｇ／ｃｍ３以上、例えば約８ｇ／ｃｍ３の密度を有する。ｄ３１の係数を約２００以上とすることができる。ＨＩＰ処理した圧電材料の基板はＨ５ＣおよびＨ５ＤとしてＳｕｍｉｔｏｍｏ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｏｓａｋａ，Ｊａｐａｎから入手することができる。Ｈ５Ｃ材料は約８．０５ｇ／ｃｍ３の見かけ密度と約２１０のｄ３１とを有する。Ｈ５Ｄ材料は約８．１５ｇ／ｃｍ３の見かけ密度と約３００のｄ３１とを有する。一般的に基板は厚さ約１ｃｍであり、所望の加工厚さを有するブロックを基板から切断することができる。加圧、ドクターブレーディング、グリーンシート、ゾルゲルまたは蒸着を含む技術により圧電材料を形成することができる。圧電材料の製造についてはＢ．Ｊａｆｆｅ著，「Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ」，Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ  Ｌｉｍｉｔｅｄ，１９７１年に論じられている。この全内容は、参照することにより本明細書に組み込まれる。加熱加圧を含む形成方法についてはｐ．２５８−９に記載されている。ペンシルベニア州フィラデルフィアのＴＲＳ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ社から入手可能であるＰＭＮのような単結晶圧電材料も用いることができる。バルクＰＺＴ材料は、スパッタされ、スクリーン印刷され、または、ゾルゲル法により形成されたＰＺＴ材料よりも高いｄ係数、誘電率、結合係数、剛性および密度を有することができる。
【００１５】
圧電材料においてこれら特性を、本体への取り付け前に材料を焼成することを含む技術を用いることにより確立することができる。例えば、（支持体上ではなく）単独で成型され焼成された圧電材料は、高圧を用いて材料を（加熱または非加熱の）型に詰め込むことができるという利点を有する。さらに、流動化剤および結合剤のような添加剤が一般的に必要とされることがほとんどない。高温、例えば１２００〜１３００℃を焼成処理に用いることができ、これにより良好な熟成および結晶粒成長を可能にする。ゾルゲルまたはスパッタリング技術により形成された圧電層とは異なり、バルク圧電材料の結晶粒は、約２〜４ミクロンの範囲内にある幅を有することができる。焼成雰囲気（例えば、鉛が濃縮された雰囲気）を用いて（高温による）セラミックからのＰｂＯの損失を軽減することができる。ＰｂＯを損失したか、または、その他に劣化したおそれがある成型部分の外面を切断し廃棄することができる。材料を熱間静水圧加圧（ＨＩＰ）によっても処理することができ、ＨＩＰ中、セラミックは高圧を受ける。焼成中、または、圧電材料のブロックを焼成した後、ＨＩＰ処理を実施することができ、ＨＩＰ処理は、密度を高め、ボイドを減少させ、圧電定数を増大させるのに用いられる。ＨＩＰ処理を酸素または酸素／アルゴン雰囲気中において実施することができる。
【００１６】
図３および図９を参照すると、圧電材料のブロック１５０が犠牲基板１６０に結合される（ステップ３１０）。犠牲基板を、支持するのに充分な剛性を有する材料から構成することができ、犠牲基板は後の処理ことの少なくともいくつかの処理することの間の圧電材料の破壊を防ぐことができる。いくつかの実施形態では、犠牲基板１６０は後の任意選択的な処理することの処理条件に耐えるのに充分な耐久性を有する。いくつかの実施形態では、犠牲基板１６０はシリコン基板である。結合材１７０はブロック１５０を犠牲基板１６０に結合する。ブロック１５０を損傷または破壊することなしにブロック１５０を除去することができるように、結合材１７０を、部分的に硬化できる材料、または、充分に弱い結合状態を形成する材料とすることができる。あるいはまた、結合材１７０を完全に硬化し、その後、機械的または化学的に除去することができる。結合材１７０を、圧電材料のブロック１５０を犠牲基板１６０に結合する樹脂、例えば重合ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）とすることができる。
【００１７】
図４および図９に関して、圧電材料のブロック１５０を薄肉にする（ステップ３２０）。特に、圧電材料が取り扱いによって損傷を受けやすくなる厚さであるような場合に、犠牲基板１６０によりブロック１５０を所望の厚さまで薄肉にすることができ、ブロック１５０が圧電材料層１８０を形成することができる。例えば、ＰＺＴのブロックの厚さが２００ミクロンよりも大きい場合、このブロックは、厚さが２００ミクロンに満たないブロックよりも壊れにくく、こと３１０における犠牲基板１６０の使用は任意である。ブロックを研削により薄肉にすることができる。水平研削中、加工片は、高い平面度公差に機械加工された基準面を有する回転チャック上に装着される。加工片の露出面は水平砥石車と接触され、しかも、高い公差で整列される。研削は例えば約０．５ミクロン以下、例えば約０．３ミクロン以下の平面度および平行度を生成することができる。研削は均一な残留応力をも生じさせる。組立てが完成した後、層１８０を圧電材料の最終的な厚さよりも厚くすることができる。例えば、層１８０を、層１０５の最終的な厚さよりも厚い約２〜１００ミクロンの範囲とすることができ、または、約４〜５０ミクロンの範囲、約４〜２０ミクロンの範囲あるいは約４〜１０ミクロンの範囲とすることができる。研削処理は深さ約５ミクロンの表面損傷を生じさせることがある。初期の厚さを、表面損傷の１〜２つ分の深さだけ最終的な厚さよりも大きくすることができる。圧電材料が圧電材料の層の最終的な所望の厚さとほぼ同じ厚さである場合、ブロック１５０を薄肉にすることは任意である。
【００１８】
図５および図９に関して、圧電材料の層１８０が所望の厚さとなった後、露出された表面１９０を平坦化して平坦な表面を獲得する（ステップ３３０）。平坦化は、化学機械研磨（ＣＭＰ）デバイスを用いて実行される。ＣＭＰは、材料と化学反応を起こし、かつ、材料を物理的に研磨することにより材料を除去するように動作する。ＣＭＰデバイスは、研磨面に対して研磨されるように材料を保持する回転チャックを用いる。さらに、スラリーは、研磨面と、研磨される材料との間に導入される。スラリーは、研磨粒子を含有する液体である。ＣＭＰ研磨における化学反応は、選択されたスラリーに依存することが多い。圧電材料の層１８０がＰＺＴから形成された場合、研磨面を硬質ポリウレタンパッドとすることができる。スラリーはシリカ粒子とｐＨ１１のような塩基性のｐＨとを含有することができる。いくつかの実装では、スラリーは、Ｆｕｊｉｍｉ，Ｃｏ．（Ｋｉｙｏｓｕ，Ｊａｐａｎ）から入手できるＰ４２１７である。その他の圧電材料の場合、その他の研磨パッドまたは研磨液を研磨向けに最適化することができる。露出された表面１９０の約４〜１０ミクロンを研磨することができる。少なくとも４ミクロンを研磨すると、研削により生じた損傷のような表面損傷が除去される。約５〜５０Åの範囲、例えば約１０〜２０Åの範囲の表面粗さを研磨により獲得することができる。ＣＭＰ研磨中、ロールオフが、研磨される層のエッジで発生することがある。すなわち、材料の中央とは異なるレートでエッジを研磨することがある。ロールオフが圧電材料の層にわたって最終公差に影響を及ぼさないようにするため、層のエッジ部を後のことにおいて除去することができる。いくつかの実装では、圧電材料は、例えば長さおよび幅方向に、圧電材料の最終的な使用可能領域よりも少なくとも１ｃｍ大きい領域を有する。
【００１９】
任意選択的に、例えば、露出された表面１９０をダイシングし、切断し、コーティングし、別の方法で変更することにより、研磨された表面１９０を処理することができる。このような処理については２００４年１０月１５日に出願の米国特許出願第１０／９６７０７３号に記載されている。この米国特許出願明細書は、あらゆる目的に対して参照することにより本明細書に援用される。
【００２０】
図６および図９に関して、圧電材料の層１８０の以前露出された表面１９０を基板２００に結合する（ステップ３４０）。基板２００をシリコンのような半導体基板とすることができる。接着剤を用いて圧電材料の層１８０を基板２００に結合することができる。あるいはまた、基板２００の表面が充分に平滑である場合、図１０の流れ図に記載されるように低温接合を用いて圧電材料の層１８０を基板２００に結合することができる。いくつかの実装では、表面は約２０Å未満の粗さを有する。圧電材料の層１８０および基板２００を互いに融着させるため、各表面を洗浄して汚染物質を除去する。酸化ケイ素の層のような酸化物層を、例えば、ＰＥＣＶＤを用いて層を蒸着することにより圧電材料上に形成する（ステップ４００）。その後、酸化物を研磨して、約２０Å未満の粗さを有する表面を獲得する（ステップ４１０）。その後、研磨された酸化物表面をプラズマで活性化する（ステップ４２０）。圧電材料をシリコンまたは酸化ケイ素ＭＥＭＳ本体に接着すべきである場合、ＭＥＭＳ本体もプラズマで活性化する。その後、活性化された表面を互いに直接接触させ、これにより、表面間に結合を生じさせる（ステップ４３０）。その後、任意選択的に、例えば、結合された材料を２００℃で加熱することにより結合を強固にする（ステップ４４０）。
【００２１】
図７および図９に関して、犠牲基板１６０を除去する（ステップ３５０）。結合材１７０に犠牲基板１６０を剥離させることにより犠牲基板１６０を除去することができる。あるいはまた、犠牲基板１６０を研削することにより犠牲基板を除去することができる。任意選択的に、圧電材料の層１８０を研削して、結合材１７０が、露出された表面上に残存しないようにする。
【００２２】
図８および図９に関して、圧電材料の層１８０の新たに露出された表面２１０を研磨する（ステップ３６０）。露出された表面２１０から約４〜１０ミクロンの範囲内で除去する。その後、研磨された圧電層１８０を金属化するような、その他に要求される処理することを実行する。研磨することにより生じたロールオフの領域を最終的なアセンブリから除去するように、アセンブリをダイシングし、エッチングし、切断し、または別の方法で寸法を縮小することができる。前述したように、研磨後の表面粗さを約１０〜２０Åの範囲とすることができる。圧電材料の６インチウェハにわたって、均一性を約１ミクロンとすることができる。
【００２３】
以下の特徴すなわち、圧電材料の薄肉層、著しく平滑な表面を有する圧電材料の層、または、表面損傷がほとんどない圧電材料層の２つ以上の組み合わせが要求される分野において、本明細書に記載された技術を用いることができる。研削は表面損傷をしばしば発生することがある。化学機械研磨は圧電材料の表面から表面損傷を除去する。これとは逆に、圧電材料を酸性溶液で洗浄するような、表面損傷を除去するその他の方法は、実際には圧電材料の結晶粒を除去または分断して、圧電材料の残りと異なる電気機械特性を有する孔または領域を残すことがある。従って、これらの方法はその他の種類の表面損傷を生じさせることがある。圧電材料の層が厚さ２０ミクロン以下のような薄肉である場合、材料の両側に存在する５ミクロンの表面損傷はクラックを材料内に本質的に形成することがある。損傷された領域またはクラックは、損傷されていない材料も同様に電気エネルギーのようなエネルギーを全く伝達しない。いくつかの実施形態では、層は少なくとも厚さ５ミクロン、例えば少なくとも厚さ１０ミクロンまたは厚さ約１０〜２５ミクロンの範囲にある。
【００２４】
電極が材料上に形成される場合、圧電材料を用いてトランスデューサを形成することができる。研磨された表面は不完全な結晶粒の圧電材料を含むことがある。しかし、不完全な結晶粒は、電極を形成できる平坦な表面を生成する。圧電面のクラックまたは損傷により、電極は、電気特性が不均一な領域を有することがある。クラックが充分に深く、または、充分に大きい場合、クラックは、電極による電気伝送を中断する不連続性を電極に生じさせることがある。
【００２５】
さらに、本明細書に記載された技術は、圧電材料の層を形成するその他の技術よりも良好な機械的または電気的特性を有する圧電材料の単一層を提供することができる。ゾルゲルまたはセラミックグリーンシートをデバイス本体上に塗布するような技術は、低いｄ係数、低い誘電率、低い結合係数、低い剛性、または、低い均一性の圧電特性を有する材料になることがある。また、本明細書に用いられる圧電材料は、圧電材料が結合された基板から離れた圧力の下で焼成されるので、圧電材料が結合された基板は、所望の密度（またはその他の所望の特性）を有する圧電材料を形成するのに必要とされることがある厳しい処理条件を受ける必要がない。圧電層が、複数のゾルゲル層を塗布することにより形成されたデバイスでは、アクチュエータは、より多くの孔を形成し、または、層間に空隙を有することのある多層構造体である。また、圧電材料を別にまたは圧力下で焼成すると、約７０ギガパスカルのヤング率を有する高強度の圧電材料を形成することができる。ゾルゲル圧電材料はたった１０〜４０ギガパスカルの範囲内のヤング率を有することがある。さらに、層を塗布する反復処理は、著しく多大な時間を要することがあるので、５ミクロンよりも大きい厚さを有するゾルゲルアクチュエータを製造することは望ましくない。アクチュエータをセラミックグリーンシートで形成する場合、厚いアクチュエータを形成することがあるが、表面粗さは、研磨することを実行することなく、優れた傾向を示し、密度および誘電率のような前述の特性は、材料を本体に結合する前に焼成された圧電材料のブロックよりも劣る傾向がある。従って、本明細書に記載された技術を用いて、圧電材料が塗布された基板は、高温または高圧環境に通常耐えられないさらなる繊細な機構を含むことができる。
【００２６】
図１１に関して、本明細書に記載された技術を用いて、１つ以上の噴流構造を有するダイ上にアクチュエータを形成することができる。モジュール３００内の単一の例示的な噴流構造の流路の断面は、インクが入る供給経路３１２を含み、供給経路３１２は、上昇部３０８を通ってインピーダンス機構３１４およびポンプ室３１６に向けられている。インクはアクチュエータ３２２によりポンプ室３１６内で加圧され、下降部３１８を通ってノズル開口部３２０に向けられ、ノズル開口部３２０から液滴が排出される。
【００２７】
流路機構はモジュール本体３２４内で規定されている。モジュール本体３２４は基礎部、ノズル部および薄膜を含むことができる。基礎部は、任意選択的な酸化物層が形成された基礎シリコン層３３６を含む。基礎部は供給経路３１２、上昇部３０８、インピーダンス機構３１４、ポンプ室３１６および下降部３１８の機構を規定する。ノズル部はシリコン層３３２から形成されている。ノズル部のシリコン層３３２を基礎部の基礎シリコン層３３６に融着する（点線）ことができ、ノズル部のシリコン層３３２は、下降部３１８からインクをノズル開口部３２０に向ける先細りの壁３３４を規定することができる。薄膜は、基礎シリコン層３３６に融着された薄膜シリコン層３４２を、ノズル部のシリコン層３３２に対向する側に含む。
【００２８】
アクチュエータ３２２は、研磨された圧電層３４０を含む。圧電層３４０の下の導電層は接地電極３５２のような第１電極を形成することができる。研磨された表面を薄膜に接着する前に、第１電極を、研磨された圧電材料に塗布することができる。圧電層３４０上の上部導電層は駆動電極３５６のような第２電極を形成することができる。任意選択的に、包接部３５０は接地電極３５２を圧電層３４０の上面上の接地接点３５４に接続することができる。電極切断部３６０は接地電極３５２を駆動電極３５６から電気的に分離する。金属化された圧電層３４０を接着剤層３４６によりシリコン薄膜３４２に結合することができる。接着剤層は樹脂例えばＢＣＢのような接着剤を含むことができる。
【００２９】
ポンプ室上に活性化圧電領域または島状構造を規定するように、金属化された圧電層３４０を区分することができる。分離領域３４８を構成するように、金属化された圧電層３４０を区分することができる。分離領域３４８では、圧電材料を下降部３１８上の領域から除去することができる。この分離領域３４８はアクチュエータのアレイをノズルアレイの両側に分離することができる。
【００３０】
インク排出を制御する駆動信号を送信するため、フレックス回路（図示せず）をアクチュエータ３２２の背面に固定することができる。
【００３１】
いくつかの実施形態では、金属化された圧電層３４０をシリコン薄膜３４２に接着結合する代わりに、酸化物の層は、金属化された圧電層３４０の金属に塗布されている。酸化物はシリコン薄膜３４２上で成長される。シリコン薄膜３４２上の酸化物と金属上の酸化物とは一緒にプラズマで活性化され、互いに結合されている。いくつかの実施形態では、酸化物はシリコン薄膜３４２上で成長されず、金属上の活性酸化物はシリコン薄膜に直接的に結合されている。
【００３２】
前述したように、圧電材料がＭＥＭＳ本体に結合される時、高温結合は要求されない。すなわち、プラズマで活性化することによって部分的に可能にされる低温結合しか実行しない。低温結合により様々な材料をＭＥＭＳ本体または圧電材料の一部分とすることができる。２００℃を超える温度により悪影響を受ける可能性がある材料をアセンブリの使用から除外する必要がない。
【００３３】
本発明の多くの実施形態を説明したが、当然のことながら、本発明の意図および範囲から逸脱することなしに様々な変形を行うことができる。従って、他の実施形態は特許請求の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、平坦化された圧電材料と、基板とのアセンブリを示す図である。
【図２】図２は、平坦化された圧電層を半導体層上に形成する処理を示す概略図である。
【図３】図３は、平坦化された圧電層を半導体層上に形成する処理を示す概略図である。
【図４】図４は、平坦化された圧電層を半導体層上に形成する処理を示す概略図である。
【図５】図５は、平坦化された圧電層を半導体層上に形成する処理を示す概略図である。
【図６】図６は、平坦化された圧電層を半導体層上に形成する処理を示す概略図である。
【図７】図７は、平坦化された圧電層を半導体層上に形成する処理を示す概略図である。
【図８】図８は、平坦化された圧電層を半導体層上に形成する処理を示す概略図である。
【図９】図９は、平坦化された圧電層を半導体層上に形成する処理に関連することを示す流れ図である。
【図１０】図１０は、圧電材料をＭＥＭＳ本体に低温で結合する処理の流れ図である。
【図１１】図１１は、噴流構造の断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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