(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一基板の第一表面を第一薄膜層の第一表面に真空中で接合する工程であって、第一基板は第一表面内に形成された複数の穴を有し、第一薄膜層は第二基板の露出層であり、第一薄膜層の第二表面は第二基板のハンドル層に付着し、第一薄膜層の第一表面は真空中での接合の完了時に前記複数の穴を密封して複数の真空空洞を形成する、工程と、
第一薄膜層の第二表面が露出するように、第二基板の前記ハンドル層を除去する工程と、
第一薄膜層が前記複数の穴の上の領域で撓んで前記複数の穴のそれぞれの底面に複数の接触位置のそれぞれで接触するように、第一薄膜層の第二表面を流体圧力に曝す工程と、
第一薄膜層と第一基板との間に前記複数の接触位置のそれぞれで永続的な接合が形成されるように、第一薄膜層及び第一基板をアニール処理する工程と、
を含む、湾曲形状部分を有する薄膜を製造する方法。
【請求項２】
第二薄膜層を第一薄膜層の第二表面上に、第二薄膜層が第一薄膜層の第二表面に整合して前記複数の穴の上の領域で複数の湾曲部分を含むように、堆積させる工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第二薄膜層は複数の副層を含み、
第二薄膜層を堆積させる工程は、前記複数の副層のそれぞれを第一薄膜層の第二表面上に順次堆積させる工程を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記複数の副層は、基準電極層と、スパッタリングにより形成された圧電層と、駆動電極層と、を少なくとも含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
第二薄膜層を堆積させる工程は、第一薄膜層及び第一基板をアニール処理する工程の後に行われる、請求項２乃至４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
第二薄膜層を堆積させる工程の後に、前記複数の真空空洞が開かれて前記複数の穴のそれぞれの側壁の内側の領域で第一薄膜層の第一表面が露出するように、前記複数の穴の底面を除去する工程を更に含む、請求項２乃至５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記複数の穴の底面を除去する工程は、前記複数の真空空洞が開かれて前記複数の穴のそれぞれの側壁の内側の領域で第一薄膜層の第一表面が露出するように、第一基板の第二表面を少なくとも前記複数の穴のそれぞれの側壁の内側の領域においてエッチングする工程を含み、第一薄膜層の露出された第一表面が前記エッチングのエッチストップとして機能する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
第二薄膜層の前記複数の湾曲部分が露出するように第一薄膜層を前記複数の穴のそれぞれの側壁の内側の領域において除去する工程であって、第二薄膜層の前記複数の湾曲部分は第一薄膜層の除去の間及び後において湾曲したままである、工程を更に含む、請求項６又は７に記載の方法。
【請求項９】
第一薄膜層を前記複数の穴のそれぞれの側壁の内側の領域において除去する工程は、第二薄膜層の前記複数の湾曲部分が露出するように第一薄膜層を前記複数の穴のそれぞれの側壁の内側の領域においてエッチングする工程を含み、第二薄膜層の露出された前記複数の湾曲部分が前記エッチングのエッチストップとして機能し、第一基板が前記エッチングのマスクとして機能する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記複数の穴が形成されるように、前記複数の穴のそれぞれの平面寸法及び位置を画定するようにパターン化されたフォトレジスト層を介して第一基板の第一表面を選択的にエッチングする工程と、
前記複数の穴が所定の深さに達した後に、第一基板の第一表面から前記パターン化されたフォトレジスト層を除去する工程と、
を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記選択的エッチングは乾式エッチングである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記複数の穴のそれぞれの底面は、別の基板との接合を可能にする程度に十分に平滑である、請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
第一基板の第一表面を第一薄膜層の第一表面に真空中で接合する工程は、
シリコン基板上に酸化物層又は窒化物層を形成する工程と、
真空環境において前記酸化物層又は窒化物層の露出面を第一基板の第一表面に接合する工程と、
を含む、請求項１乃至１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
第一基板の第一表面内に前記複数の穴を形成する工程を更に含む、請求項１乃至１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
第一薄膜層の第二表面を流体圧力に曝す工程は、第一薄膜層の第二表面を大気圧に曝す工程を含む、請求項１乃至１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
前記複数の穴は５μｍ〜１５μｍの深さを有する、請求項１乃至１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
前記複数の穴のそれぞれは１５０μｍ〜２００μｍの平面寸法を有する、請求項１乃至１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
第一薄膜層は１μｍ〜２μｍの厚さを有する、請求項１乃至１７のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
第一基板の第一表面を第一薄膜層の第一表面に真空中で接合する工程であって、第一基板は第一表面内に形成された穴を有し、第一薄膜層は第二基板の露出層であり、第一薄膜層の第二表面は第二基板のハンドル層に付着し、第一薄膜層の第一表面は真空中での接合の完了時に前記穴を密封して真空空洞を形成する、工程と、
第一薄膜層の第二表面が露出するように、第二基板の前記ハンドル層を除去する工程と、
第一薄膜層が前記穴の上の領域で撓んで前記穴の底面に接触位置で接触するように、第一薄膜層の第二表面を流体圧力に曝す工程と、
第一薄膜層と第一基板との間に前記接触位置で永続的な接合が形成されるように、第一薄膜層及び第一基板をアニール処理する工程と、
第二薄膜層を第一薄膜層の第二表面上に、第二薄膜層が第一薄膜層の第二表面に整合して前記穴の上の領域で湾曲部分を含むように、堆積させる工程と、
第二薄膜層を堆積させる工程の後に、前記真空空洞が開かれて前記穴の側壁の内側の領域で第一薄膜層の第一表面が露出するように、前記穴の底面を除去する工程と、
を含む、湾曲形状部分を有する薄膜を製造する方法。
【請求項２０】
第一基板の第一表面を第一薄膜層の第一表面に真空中で接合する工程であって、第一基板は第一表面内に形成された穴を有し、第一薄膜層は第二基板の露出層であり、第一薄膜層の第二表面は第二基板のハンドル層に付着し、第一薄膜層の第一表面は真空中での接合の完了時に前記穴を密封して真空空洞を形成する、工程と、
第一薄膜層の第二表面が露出するように、第二基板の前記ハンドル層を除去する工程と、
第一薄膜層が前記穴の上の領域で撓むように、第一薄膜層の第二表面を流体圧力に曝す工程と、
第一薄膜層の第二表面を前記流体圧力に曝しながら、第二薄膜層を第一薄膜層の第二表面上に、第二薄膜層が第一薄膜層の第二表面に整合して前記穴の上の領域で湾曲部分を含むように、堆積させる工程と、
第二薄膜層を堆積させる工程の後に、前記真空空洞が開かれて前記穴の側壁の内側の領域で第一薄膜層の第一表面が露出するように、前記穴の底面を除去する工程と、
を含む、湾曲形状部分を有する薄膜を製造する方法。
【請求項２１】
前記穴の底面を除去する工程は、前記真空空洞が開かれて前記穴の側壁の内側の領域で第一薄膜層の第一表面が露出するように、第一基板の第二表面を少なくとも前記穴の側壁の内側の領域においてエッチングする工程を含み、第一薄膜層の露出された第一表面が前記エッチングのエッチストップとして機能する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
第二薄膜層の前記湾曲部分が露出するように第一薄膜層を前記穴の側壁の内側の領域において除去する工程であって、第二薄膜層の前記湾曲部分は第一薄膜層の除去の間及び後において湾曲したままである、工程を更に含む、請求項２０又は２１に記載の方法。
【請求項２３】
第一薄膜層を前記穴の側壁の内側の領域において除去する工程は、第二薄膜層の前記湾曲部分が露出するように第一薄膜層を前記穴のそれぞれの側壁の内側の領域においてエッチングする工程を含み、第二薄膜層の露出された前記湾曲部分が前記エッチングのエッチストップとして機能し、第一基板が前記エッチングのマスクとして機能する、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置の製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くのＭＥＭＳ装置は、電圧が印加されると撓む圧電アクチュエータを含む。そのような装置の例として、流体路に接続された圧電アクチュエータの動作に応じて流体を吐出する流体吐出システムがある。インクジェットプリンタのプリントヘッドモジュールは、流体吐出システムの一例である。通常、プリントヘッドモジュールは、一列に並べられた複数のノズル又は二次元的に配列された複数のノズル並びにそれに対応するインク流路配列及び付随するアクチュエータを有し、各ノズルからの液滴の吐出を一つ又は複数のコントローラによって独立して制御することができる。
【０００３】
プリントヘッドモジュールは、ポンプ室を含む流体路がエッチングにより画成された半導体プリントヘッドダイを含むことができる。圧電アクチュエータは、ポンプ室の片側に形成することができ、動作時、駆動電圧信号に応答して撓んで、流体をインク流路に沿って移動させることができる。圧電アクチュエータは、両側にある一対の電極によって圧電層の両側間に印加される駆動電圧に応答して形状が変化する（即ち、作動する）圧電材料の層を含む。
【０００４】
ドーム形状又は窪んだ形状の圧電膜等の湾曲した圧電素子は、同様の平面寸法の平面状圧電素子と比較して、所与の駆動電圧が印加された場合に、より大きな変位を生ずることができる。圧電変位の大きさは、所望の滴量の流体滴を吐出するのに必要とされる駆動電圧に影響を及ぼし、更にはプリントヘッドモジュールの出力効率に影響を及ぼすので、湾曲した圧電膜を有する圧電アクチュエータが提案されている。様々な製造方法が、湾曲した圧電膜又は湾曲形状部分を有する圧電膜を生成するために提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／００２０５７３号明細書
【特許文献２】米国特許第７，７４９，８６８号明細書
【特許文献３】米国特許第７，２０４，５８６号明細書
【特許文献４】米国特許第６，９３７，７３６号明細書
【特許文献５】米国特許第４，３２２，８７７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、湾曲形状部分を有する薄膜を生成するためのＭＥＭＳ製造プロセスに関連する技術に係る。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
材料の薄層をプロファイル転写基板表面上に均一に堆積させると、材料層はプロファイル転写基板表面のプロファイルに整合する表面形状部分を持つ。湾曲形状部分を有する薄膜（例えば、複数の窪みの配列が形成された圧電膜）を形成するために、複数の湾曲形状部分（例えば、複数の窪みの配列）を有するプロファイル転写基板表面をまず用意する。プロファイル転写基板表面を用意するために、最初に複数の穴（例えば、底が平らな凹部）を半導体基板の平面表面内に湾曲形状部分が要求される位置に形成する。そして、薄膜を基板の表面に真空中で接合して、薄膜によって穴を真空密封する。そして、薄膜の表面を流体圧力（例えば、大気圧）に曝して、薄膜を穴の位置で変形させて（例えば、撓ませて）薄膜の下面を各穴の底面全体よりも小さい接触面積で各穴の底面に接触させる（例えば、押し当てる）。このとき、薄膜の露出面はプロファイル転写基板表面として機能することができ、薄膜の露出面に堆積した均一な材料層は、薄膜が穴の中に向かって撓んだ位置において湾曲形状部分を含むことになる。
【０００８】
いくつかの実施態様では、次の加工工程が真空中で行われる場合、変形した薄膜に形成された湾曲形状部分を、薄膜の下面と基板内の穴の底面との間の接触領域をアニール処理することにより固定することができる。穴の側壁の内側における変形した薄膜と基板との間の接合が永続的なものになると、流体圧力（例えば、大気圧）がなくなったり低くなったりしても（例えば、薄膜の湾曲形状部分上に材料の別の層を堆積させる次の加工工程が真空又は低圧環境で行われても）変形した薄膜の湾曲形状部分はそのまま残る。
【０００９】
いくつかの実施態様では、少なくとも一つの材料層（例えば、圧電アクチュエータアセンブリの下部電極層）を薄膜の上面上に均一に堆積させた後に、エッチングにより基板の底部側から穴を開くことができ、薄膜を下側から除去して（例えば、エッチングして）薄膜の上面上に堆積した材料層の下面を露出させることができる。薄膜の除去の前又は後に、更なる材料層（例えば、圧電アクチュエータアセンブリの圧電層及び上部電極層）を前述の少なくとも一つの材料層上に順次堆積させることができる。順次堆積した層のそれぞれも、穴の位置において基板に向かって湾曲する。
【００１０】
概して、一態様では、湾曲形状部分を有する薄膜を製造する方法は、第一基板の第一表面を第一薄膜層の第一表面に真空中で接合する工程であって、第一基板は第一表面内に形成された複数の穴を有し、第一薄膜層は第二基板の露出層であり、第一薄膜層の第二表面は第二基板のハンドル層に付着し、第一薄膜層の第一表面は真空中での接合の完了時に複数の穴を密封して複数の真空空洞を形成する、工程と、第一薄膜層の第二表面が露出するように、第二基板のハンドル層を除去する工程と、第一薄膜層が複数の穴の上の領域で撓んで複数の穴のそれぞれの底面に複数の接触位置のそれぞれで接触するように、第一薄膜層の第二表面を流体圧力に曝す工程と、第一薄膜層と第一基板との間に複数の接触位置のそれぞれで永続的な接合が形成されるように、第一薄膜層及び第一基板をアニール処理する工程と、を含む。
【００１１】
いくつかの実施態様では、本方法は、第二薄膜層を第一薄膜層の第二表面上に、第二薄膜層が第一薄膜層の第二表面に整合して複数の穴の上の領域で複数の湾曲部分を含むように、堆積させる工程を更に含む。
【００１２】
いくつかの実施態様では、第二薄膜層は複数の副層を含み、第二薄膜層を堆積させる工程は、複数の副層のそれぞれを第一薄膜層の第二表面上に順次堆積させる工程を含む。
【００１３】
いくつかの実施態様では、複数の副層は、基準電極層と、スパッタリングにより形成された圧電層と、駆動電極層と、を少なくとも含む。
【００１４】
いくつかの実施態様では、第二薄膜層を堆積させる工程は、第一薄膜層及び第一基板をアニール処理する工程の後に行われる。
【００１５】
いくつかの実施態様では、本方法は、第二薄膜層を堆積させる工程の後に、複数の真空空洞が開かれて複数の穴のそれぞれの側壁の内側の領域で第一薄膜層の第一表面が露出するように、複数の穴の底面を除去する工程を更に含む。
【００１６】
いくつかの実施態様では、複数の穴の底面を除去する工程は、複数の真空空洞が開かれて複数の穴のそれぞれの側壁の内側の領域で第一薄膜層の第一表面が露出するように、第一基板の第二表面を少なくとも複数の穴のそれぞれの側壁の内側の領域においてエッチングする工程を含み、第一薄膜層の露出された第一表面がエッチングのエッチストップとして機能する。
【００１７】
いくつかの実施態様では、本方法は、第二薄膜層の複数の湾曲部分が露出するように第一薄膜層を複数の穴のそれぞれの側壁の内側の領域において除去する工程であって、第二薄膜層の複数の湾曲部分は第一薄膜層の除去の間及び後において湾曲したままである、工程を更に含む。
【００１８】
いくつかの実施態様では、第一薄膜層を複数の穴のそれぞれの側壁の内側の領域において除去する工程は、第二薄膜層の複数の湾曲部分が露出するように第一薄膜層を複数の穴のそれぞれの側壁の内側の領域においてエッチングする工程を含み、第二薄膜層の露出された複数の湾曲部分がエッチングのエッチストップとして機能し、第一基板がエッチングのマスクとして機能する。
【００１９】
いくつかの実施態様では、本方法は、複数の穴が形成されるように、複数の穴のそれぞれの平面寸法及び位置を画定するようにパターン化されたフォトレジスト層を介して第一基板の第一表面を選択的にエッチングする工程と、複数の穴が所定の深さに達した後に、第一基板の第一表面からパターン化されたフォトレジスト層を除去する工程と、を更に含む。
【００２０】
いくつかの実施態様では、選択的エッチングは乾式エッチングである。
【００２１】
いくつかの実施態様では、複数の穴のそれぞれの底面は、別の基板との接合を可能にする程度に十分に平滑である。
【００２２】
いくつかの実施態様では、第一基板の第一表面を第一薄膜層の第一表面に真空中で接合する工程は、シリコン基板上に酸化物層又は窒化物層を形成する工程と、真空環境において酸化物層又は窒化物層の露出面を第一基板の第一表面に接合する工程と、を含む。
【００２３】
いくつかの実施態様では、本方法は、第一基板の第一表面内に複数の穴を形成する工程を更に含む。
【００２４】
いくつかの実施態様では、第一薄膜層の第二表面を流体圧力に曝す工程は、第一薄膜層の第二表面を大気圧に曝す工程を含む。
【００２５】
いくつかの実施態様では、複数の穴は５μｍ〜１５μｍの深さを有する。
【００２６】
いくつかの実施態様では、複数の穴のそれぞれは１５０μｍ〜２００μｍの平面寸法を有する。
【００２７】
いくつかの実施態様では、第一薄膜層は１μｍ〜２μｍの厚さを有する。
【００２８】
概して、別の態様では、湾曲形状部分を有する薄膜を製造する方法は、第一基板の第一表面を第一薄膜層の第一表面に真空中で接合する工程であって、第一基板は第一表面内に形成された穴を有し、第一薄膜層は第二基板の露出層であり、第一薄膜層の第二表面は第二基板のハンドル層に付着し、第一薄膜層の第一表面は真空中での接合の完了時に穴を密封して真空空洞を形成する、工程と、第一薄膜層の第二表面が露出するように、第二基板のハンドル層を除去する工程と、第一薄膜層が穴の上の領域で撓んで穴の底面に接触位置で接触するように、第一薄膜層の第二表面を流体圧力に曝す工程と、第一薄膜層と第一基板との間に接触位置で永続的な接合が形成されるように、第一薄膜層及び第一基板をアニール処理する工程と、第二薄膜層を第一薄膜層の第二表面上に、第二薄膜層が第一薄膜層の第二表面に整合して穴の上の領域で湾曲部分を含むように、堆積させる工程と、第二薄膜層を堆積させる工程の後に、真空空洞が開かれて穴の側壁の内側の領域で第一薄膜層の第一表面が露出するように、穴の底面を除去する工程と、を含む。
【００２９】
概して、別の態様では、湾曲形状部分を有する薄膜を製造する方法は、第一基板の第一表面を第一薄膜層の第一表面に真空中で接合する工程であって、第一基板は第一表面内に形成された穴を有し、第一薄膜層は第二基板の露出層であり、第一薄膜層の第二表面は第二基板のハンドル層に付着し、第一薄膜層の第一表面は真空中での接合の完了時に穴を密封して真空空洞を形成する、工程と、第一薄膜層の第二表面が露出するように、第二基板のハンドル層を除去する工程と、第一薄膜層が穴の上の領域で撓むように、第一薄膜層の第二表面を流体圧力に曝す工程と、第一薄膜層の第二表面を流体圧力に曝しながら、第二薄膜層を第一薄膜層の第二表面上に、第二薄膜層が第一薄膜層の第二表面に整合して穴の上の領域で湾曲部分を含むように、堆積させる工程と、第二薄膜層を堆積させる工程の後に、真空空洞が開かれて穴の側壁の内側の領域で第一薄膜層の第一表面が露出するように、穴の底面を除去する工程と、を含む。
【００３０】
いくつかの実施態様では、穴の底面を除去する工程は、真空空洞が開かれて穴の側壁の内側の領域で第一薄膜層の第一表面が露出するように、第一基板の第二表面を少なくとも穴の側壁の内側の領域においてエッチングする工程を含み、第一薄膜層の露出された第一表面がエッチングのエッチストップとして機能する。
【００３１】
いくつかの実施態様では、本方法は、第二薄膜層の湾曲部分が露出するように第一薄膜層を穴の側壁の内側の領域において除去する工程であって、第二薄膜層の湾曲部分は第一薄膜層の除去の間及び後において湾曲したままである、工程を更に含む。
【００３２】
いくつかの実施態様では、第一薄膜層を穴の側壁の内側の領域において除去する工程は、第二薄膜層の湾曲部分が露出するように第一薄膜層を穴のそれぞれの側壁の内側の領域においてエッチングする工程を含み、第二薄膜層の露出された湾曲部分がエッチングのエッチストップとして機能し、第一基板がエッチングのマスクとして機能する。
【００３３】
本明細書で説明される対象の特定の実施形態を実施して、以下の利点の一つ又は複数を得ることができる。
【００３４】
湾曲形状部分を有するプロファイル転写基板表面を、一連のＭＥＭＳ製造プロセスによって形成することができる。プロファイル転写基板表面に形成される湾曲形状部分の大きさ、形状及び位置は、均一であり調整可能である。更に、プロファイル転写基板表面の湾曲形状部分の密度は、射出成形や機械的手段によって得られるものに比べて高くすることができる。本明細書に開示された方法に従って生成されたプロファイル転写基板表面を使用することで、各種の材料から成る薄膜をプロファイル転写基板表面上に形成することができ、各薄膜はプロファイル転写基板表面内にある湾曲形状部分に整合する湾曲形状部分を持ち、薄膜内の湾曲形状部分も良好に調整された大きさ、形状及び位置並びに高密度を有する。
【００３５】
更に、プロファイル転写基板表面を提供する薄膜を次に除去することができ、その除去は、除去前に薄膜上に堆積した材料層内に既に形成されている湾曲形状部分に影響を及ぼすことはない。プロファイル転写基板表面上への材料の堆積によって形成された薄膜（例えば、スパッタリングにより堆積した圧電膜等）の結晶粒組織は、射出成形や機械的手段によって得られるものに比べて、大きさ、形状及び分布がより均一であると共に、より均一に整列することができる。結晶粒組織をより均一に整列させることは、繰り返し駆動が行われる際の薄膜の寿命を向上させることに寄与することができる。
【００３６】
本明細書で説明する方法を用いて、湾曲した圧電素子を含む、高耐久性、高効率、小型及び高分解能の一体型圧電アクチュエータアセンブリや圧電変換器配列を形成することができる。
【００３７】
本明細書で説明される対象物の一つ又は複数の実施形態の詳細が、添付図面及び下記の説明で示される。対象の他の特徴、態様及び利点が、説明、図面及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１Ａ】湾曲形状部分を有する薄膜を形成する例示的なプロセスを示す。
【図１Ｂ】湾曲形状部分を有する薄膜を形成する例示的なプロセスを示す。
【図１Ｃ】湾曲形状部分を有する薄膜を形成する例示的なプロセスを示す。
【図１Ｄ】湾曲形状部分を有する薄膜を形成する例示的なプロセスを示す。
【図１Ｅ】湾曲形状部分を有する薄膜を形成する例示的なプロセスを示す。
【図１Ｆ】湾曲形状部分を有する薄膜を形成する例示的なプロセスを示す。
【図１Ｇ】湾曲形状部分を有する薄膜を形成する例示的なプロセスを示す。
【図２】凹形圧電アクチュエータを有する例示的な流体吐出モジュールのプリントヘッドダイの概略断面図である。
【００３９】
図面において、層及び形状部分の多くは加工工程及びその結果をより明瞭に示すために誇張されて描かれている。それぞれの図面における同様の参照符号は同様の要素を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
ＭＥＭＳ加工技術を用いて製造されたダイを含むプリントヘッドモジュールを使用して、流体滴の吐出を行うことができる。プリントヘッドダイは、微細加工された複数の流体流路が形成された基板と、流体流路に接続されたノズルから流体を選択的に吐出させる基板上の複数のアクチュエータと、を含む。各流体流路及びそれに付随するアクチュエータは、個別に制御可能なＭＥＭＳ流体吐出ユニットを形成し、複数のアクチュエータは、アクチュエータアセンブリを形成する。
【００４１】
湾曲した圧電膜を有するＭＥＭＳアクチュエータは、湾曲した表面形状部分（例えば、平面基板表面内の凹型のへこみ又は窪み）を有するプロファイル転写基板を用いて形成することができる。したがって、二次元的に配列された複数の湾曲した表面形状部分（例えば、平面基板表面内の複数の凹型のへこみ又は窪みの配列）を有するプロファイル転写基板を用いて、二次元的に配列された複数のアクチュエータを有するアクチュエータアセンブリを形成することができる。湾曲した圧電膜の下からプロファイル転写基板を除去する前に、圧電アクチュエータに用いられる圧電材料を少なくともプロファイル転写基板表面の湾曲部分上に（例えば、スパッタリングによって）堆積させる。どのような特定の理論にも限定されるものではないが、得られた湾曲圧電膜は、湾曲部分及び湾曲部分を囲む平面部分の両方において、整列した柱状の結晶粒組織を有することができ、柱状結晶粒の全て又は実質的に全ては、圧電膜の表面に対して局所的に垂直である。
【００４２】
様々なプロセスを用いて、プロファイル転写基板表面上に複数の湾曲形状部分を形成することができる。本明細書で説明するように、薄膜を用いて、湾曲形状部分を複数有するプロファイル転写基板表面を用意する。材料の薄層がプロファイル転写基板表面上に均一に堆積するとき、材料の薄層はプロファイル転写基板表面のプロファイルに整合する表面形状部分を有するようになる。これにより、材料の薄層は、プロファイル転写基板表面の複数の湾曲形状部分に整合する湾曲形状部分を有する新たな薄膜を形成する。
【００４３】
そして、プロファイル転写基板表面を備えた薄膜を、垂れ下がって自由に撓むことができる新たな薄膜の複数の湾曲形状部分を残して、少なくとも新たな薄膜の複数の湾曲部分の範囲内で新たな薄膜の下から除去することができる。プロファイル転写基板表面上に堆積した材料の第一の薄層は、圧電アクチュエータアセンブリの下部電極層となることができる。続いて、更なる材料の各層（例えば、圧電層及び上部電極層）を材料の第一の薄層上に堆積させることができ、更なる層のそれぞれは、その直下の層の複数の湾曲形状部分に整合する複数の湾曲表面形状部分を有するようになる。
【００４４】
図１Ａ〜１Ｇは、第一の薄膜を用いて湾曲プロファイル転写基板表面を用意し、その湾曲プロファイル転写基板表面に基づいて湾曲形状部分を複数有する第二の薄膜を形成する、例示的なプロセスを示している。
【００４５】
最初に、湾曲表面形状部分を複数有するプロファイル転写基板表面を、第一の薄膜を用いて形成する。図１Ａに示すように、複数の穴１０４を有する基板１０２を用意する。基板１０２は、平面状の上面１０６を有するシリコン基板などの半導体基板であってもよい。複数の穴１０４を、例えばエッチングによって、基板１０２の平面状の上面１０６内に形成する。例えば異方性エッチング（例えば、プラズマ乾式エッチング）を使用して、垂直な側壁を有し底面が平らな凹部を形成することができる。
【００４６】
穴のそれぞれの位置、大きさ及び形状は、プロファイル転写基板表面に要求され、最終的には次にプロファイル転写基板表面上に堆積させられる一つ又は複数の材料層に要求される、複数の湾曲形状部分（例えば、窪み）のそれぞれの位置、大きさ及び形状に基づいて、予め決められる。
【００４７】
例えば、長方形状に配列された複数の湾曲形状部分が形成された圧電層が要求される場合は、長方形状に配列された複数の湾曲形状部分を有するプロファイル転写基板表面が必要とされるので、長方形状に配列された複数の穴が基板１０２の上面１０６内に形成されなければならない。同様に、平行四辺形状に配列された複数の湾曲形状部分が形成された圧電層が要求される場合は、平行四辺形状に配列された複数の穴が基板１０２の上面１０６内に形成されなければならない。複数の湾曲形状部分の配列の全体形状として、様々な他の形状が可能である。個々の穴の配列内での位置は、個々の湾曲形状部分の配列内での位置に基づいて同様の態様で決められる。
【００４８】
穴の配列の全体形状及び個々の位置に加えて、基板１０２の上面１０６内の穴の開口部の形状が、個々の湾曲形状部分に要求される平面形状に基づいて決められる。したがって、円形の窪みが圧電膜において要求される場合は、穴の開口部も円形でなければならない。同様に、湾曲した側壁を有する正方形の窪みが圧電膜において要求される場合は、穴の開口部は正方形でなければならず、以下同様である。穴の開口部の平面寸法（例えば、円筒状穴の半径）は、プロファイル転写基板表面上に堆積する層において要求される湾曲形状部分の平面寸法（例えば、円形状窪みの半径）にほぼ等しくなければならない。穴の開口部の平面寸法は、穴の開口部上に形成される様々な層の厚みに起因する変化に合わせて調整することができる。
【００４９】
各穴のアスペクト比（例えば、穴の平面寸法と穴の深さとの間の比率）は、薄膜（例えば、プロファイル転写基板表面に堆積した導電性薄膜）に形成される湾曲形状部分（例えば、窪み）に要求される深さ及び平面寸法に従って決められなければならない。穴のアスペクト比及び深さについての詳細は、図１Ｄを参照して後述される。
【００５０】
基板１０２の上面１０６内に穴１０４を形成する例示的なプロセスにおいて、上面１０６上にフォトレジスト層を堆積させてもよい。フォトレジスト層を、穴の開口部の位置並びに平面形状及び大きさを画定するようにパターン化する。そして、上面１０６を乾式エッチング又は湿式エッチングプロセスにおいてエッチャントに曝すことにより、パターン化されたフォトレジストを介して穴１０４を基板表面１０６内に形成する。いくつかの実施態様では、エッチングは異方性プロセスであり、その場合、基板１０２の上面１０６内に形成される穴は、図１Ａに示すように、垂直な側壁及び平らな底面を有する。この例では、垂直な壁を有する凹部が形成されている。しかし、いくつかの実施態様では、得られる穴は、平らな底面に集束するテーパの付いた側壁を有することができる。穴１０４が基板１０２の奥に向かって所定の深さに達した後、エッチングを止めることができる。又は、基板１０２は埋め込まれたエッチストップ層を含むことができ、エッチストップ層が露出するまでエッチングを行ってもよい。フォトレジストを取り除いて基板１０２の上面１０６を再度露出させることができ、この時点で上面１０６内に複数の穴１０４が形成されている。
【００５１】
いくつかの実施態様では、基板１０２の上面１０６を、別の基板表面と次に接合するために十分に平滑なように、更に加工する。穴の形成後に得られた面が十分に平滑な場合は、その面を更に平滑にする追加加工は不要である。
【００５２】
基板１０２の第一の表面１０６内に複数の穴１０４を形成した後、第一の薄膜を基板１０２の上面１０６に真空中で接合して、第一の薄膜の下面によって基板１０２の上面１０６内の穴１０４を密封して複数の真空空洞を形成する。第一の薄膜の上面は、第一の薄膜に複数の湾曲表面形状部分が形成された後、それらの湾曲表面形状部分をプロファイル転写基板表面に提供する働きをする。
【００５３】
いくつかの実施態様では、図１Ｂに示すように、薄膜層１１０と薄膜層１１０に付着したハンドル層１１２とを有する基板１０８を、基板１０２の上面１０６に真空中で接合することができる。例えば、薄膜層１１０の下面１１４を基板１０２の上面１０６に、真空環境において接着剤による接合を行うことにより、接合することができる。又は、真空環境において薄膜層１１０の下面１１４を基板１０２の上面１０６に押し付けることにより、仮接合を形成することができる。次に、構造体全体をアニール処理して、薄膜層１１０の下面１１４と基板１０２の上面１０６との間の永続的な接合を、二つの面が接触している領域内において形成する。真空中での接合の後、穴１０４は薄膜層１１０の下面１１４によって真空密封されている。
【００５４】
薄膜層１１０の下面１１４を基板１０２の上面１０６に真空中で接合した後、基板１０８のハンドル層１１２を除去して薄膜層１１０の上面１１６を露出させることができる。研削、研磨及びエッチングなどの様々な方法を用いて、ハンドル層１１２を除去することができる。図１Ｃは、基板１０８のハンドル層１１２が除去されて薄膜層１１０の上面１１６が露出した構造体を示している。
【００５５】
いくつかの実施態様では、基板１０８は、シリコン基板を酸化物（例えば、ＳｉＯ２）又は窒化物（例えば、ＳｉＮ２）堆積加工によりコーティングすることによって形成することができる。又は、シリコン基板を酸素環境又は窒素環境に曝すことによって、酸化物層又は窒化物層を成長させることができる。酸化物層又は窒化物層はどちらの加工により得られたものであっても薄膜層１１０として機能することができ、基板の酸化物層又は窒化物層の下の残部はハンドル層１１２として機能することができる。
【００５６】
薄膜層１１０の厚さは、薄膜層１１０が流体圧力（例えば、大気圧、液圧、又はガス圧）下で破断することなく撓んで穴１０４の底面に接触するために十分に薄いように選択される。いくつかの実施態様では、幅１００μｍ〜３００μｍ（例えば、１７０μｍ）及び深さ５μｍ〜１５μｍ（例えば、１０μｍ）の開口部を有する穴に対して、薄膜層１１０の厚さは約１μｍ〜約２μｍ（例えば、１μｍ又は２μｍ）である。ハンドル層１１２の厚さは、数百μｍ、例えば２００μｍ〜６００μｍとすることができる。
【００５７】
図１Ｄは、真空中で接合された薄膜１１０が付いた基板１０２を真空環境から取り出した後、薄膜層１１０の上面１１６が例えば流体圧力（例えば、大気圧）に曝されたときに、複数の穴の内側に撓んだ薄膜層１１０を示している。いくつかの実施態様では、薄膜層１１０の下面１１４が穴１０４の底面に接触して十分な大きさの接触領域を形成するためには薄膜層１１０の呈する撓み量が十分でない場合は、薄膜１１０を穴の内側に更に押し込むために外部流体圧力を若干上げることができる。
【００５８】
薄膜層１１０を穴１０４の内側に押し込むことができる程度は、穴の開口部の大きさ及び形状並びに穴１０４の深さに依存する。薄膜層１１０の材料特性（例えば、可撓性及びコンプライアンス）及び薄膜層１１０の厚さも、薄膜層１１０を穴１０４に押し込んで穴１０４の底面に押し付けることがどの程度できるかということに影響を及ぼす。
【００５９】
薄膜層１１０が外部流体圧力によって複数の穴１０４の底面に押し付けられたとき、穴１０４のそれぞれの位置で薄膜層１１０に形成される各湾曲形状部分１１８（例えば、窪み）は中央に平面部分を有し、その平面部分は湾曲形状部分１１８全体の平面的大きさよりも小さい。言い換えると、各湾曲形状部分１１８は、図１Ｄに示すように、広い開口部から狭い平らな底部に向かって次第に集束する側面を有する。
【００６０】
いくつかの実施態様では、図１Ｄに示す構造体をプロファイル転写基板として用いて、薄膜層１１０の上面１１６に整合する湾曲形状部分（例えば、窪み）を有する複数の材料層を次々に形成することができる。しかし、薄膜層１１０の下面１１４と穴１０４の底面との間に二つの面の接触位置において永続的な接合を形成する前に次の加工工程を真空中で行うと、薄膜層１１０が元の平らな形状に戻ってしまう。
【００６１】
したがって、いくつかの実施態様では、薄膜層１１０の上面１１６が流体圧力（例えば、大気圧）に曝されて薄膜層１１０の下面１１４が穴１０４の底面にそれぞれの接触位置において押し付けられている状態で、図１Ｄに示す構造体を高温でアニール処理する。アニール処理によって薄膜層１１０の下面１１４と穴１０４の底面との間の接合が永続的になれば、次の加工工程を低圧環境又は真空環境で行っても、薄膜層１１０に形成された湾曲形状部分１１８がそのまま残る。そして、薄膜層１１０の上面１１６が、その上に次の一つ又は複数の材料層を均一に堆積させることができるプロファイル転写基板表面として機能することができ、次の材料層は、プロファイル転写基板表面に形成された湾曲形状部分に整合する湾曲形状部分（例えば、窪み）を含むことになる。
【００６２】
図１Ｅに示すように、導電性材料層１２０（例えば、数百μｍのＡｕ、Ａｕ／Ｗ、Ｉｒ、又はＰｔなど）を、薄膜層１１０の露出した上面１１６上に堆積させる。導電性材料層１２０は、厚さが均一であり、圧電アクチュエータアセンブリの下部電極層として機能することができる。導電性材料層１２０は、薄膜１１０の上面１１６によって用意されたプロファイル転写基板表面に整合する湾曲部分１２２を含む。また、導電性材料層１２０は、湾曲部分１２２を囲む平面部分を付随的に含む。
【００６３】
圧電層及び上部電極層などの更なる材料層（図１Ｅには示していない）を、最初の材料層１２０上に堆積させることができる。一つ又は複数の材料層を堆積させるために、様々な適切な方法を用いることができる。例えば、スパッタリング、プラズマ促進蒸着、化学蒸着、又は物理蒸着などにより、下部電極層、圧電層及び上部電極層をそれぞれ堆積させることができる。様々な材料層を、その上に次の材料層を堆積させる前に、それぞれパターン化することができる。様々な層は、流体吐出モジュールの圧電アクチュエータアセンブリ、又は超音波変換器などの他のＭＥＭＳ装置を形成することができる。
【００６４】
いくつかの実施態様では、薄膜層１１０の上面１１６上に少なくとも最初の材料層（例えば、最初の材料層１２０）を堆積させた後、薄膜層１１０又はその少なくとも一部を穴１０４の側壁の内側にある裏面から除去することができる。いくつかの実施態様では、穴１０４の内側の薄膜層１１０を除去する前に、更なる複数の層を堆積させる。図１Ｆに示すように、最初に、穴１０４の底面が除去されて穴１０４が下側から開かれるまで、例えば研削、研磨又はエッチングによって基板１０２の裏側から材料を除去することができる。この時点で、薄膜層１１０の下面１１４は、穴１０４の側壁の内側の領域において露出する。
【００６５】
どのような特定の理論にも限定されるものではないが、薄膜層１１０の湾曲部分及び薄膜層１１０上に堆積した層の湾曲部分は、薄膜層１１０と穴の底面との間の永続的な接合が存在しなくなった後でも、湾曲したままである。薄膜層１１０の湾曲形状部分及び薄膜層１１０上に堆積した更なる層の湾曲形状部分は、次の加工が真空環境で行われるか又は非真空環境で行われるかに関わらず、そのまま残る。
【００６６】
穴１０４を下側から開いて薄膜層１１０の下面１１４を穴１０４の側壁の内側の領域において露出させた後、薄膜層１１０の下面１１４から材料を除去して、薄膜層１１０の上面１１６上に堆積した最初の材料層１２０の下面を露出させることができる。いくつかの実施態様では、薄膜層１１０の材料を、基板１０２及び穴１０４の下側開口部をマスクとして、異方性エッチングにより除去することができる。
【００６７】
図１Ｇは、薄膜層１１０を穴１０４の側壁の内側でエッチングにより完全に除去して最初の材料層１２０の下面を穴１０４の側壁の内側で露出させた後の、結果的に得られた構造体を示す。穴１０４の側壁の外側であって、基板１０２の上であり、薄膜層１１０上に堆積した最初の材料層１２０の平面部分の下の、領域に、薄膜層１１０の平面部分が残っている。いくつかの実施態様では、薄膜層１１０の薄層を残して、次の加工工程における薄膜層１１０上に堆積した最初の材料層１２０の保護層として機能させることができる。いくつかの実施態様では、薄膜層１１０の全体を、薄膜層１１０上に堆積した最初の材料層１２０の下に残すことができる。
【００６８】
図２は、図１Ａ〜１Ｇに示したプロセスを少なくとも部分的に用いて形成することができる例示的な流体吐出システム２００の概略図である。図２に示すように、残った薄膜１１０は、穴１０４が形成された基板１０２と共に、流体吐出システム２００のポンプ室層２０２として機能することができ、穴１０４は、流体吐出システム２００用のポンプ室空洞２０４として機能することができる。ポンプ室空洞２０４は、ポンプ室層２０２に別の加工によって形成された流体路に接続される。ノズル２０６が、ノズル層２０８に形成されて、ポンプ室空洞２０４に接続されている。薄膜層１１０上に堆積した複数の層は、ポンプ室層２０２の上で圧電アクチュエータアセンブリ２１０を形成することができる。図２に示すように、これら複数の層は、下部電極層２１２、圧電層２１４及び上部電極層２１６を含む。これら三つの層のそれぞれは、各ポンプ室空洞２０４の直上に上部電極、下部電極及び圧電素子を含む個々のアクチュエータユニットを画成するようにパターン化することができる。図２に示すように、薄膜層１１０は、ポンプ室空洞２０４の側壁の内側からは除去されているが、ポンプ室空洞２０４の外側のポンプ室層２０２の平面部分には存在したままである。
【００６９】
流体吐出システム用の圧電アクチュエータアセンブリを作製するプロセスの観点から各例を説明したが、このプロセスは、複数の湾曲形状部分又は二次元的に配列された複数の湾曲形状部分を有する複数の薄膜を含む他のＭＥＭＳ装置を作製するために使用することもできる。
【００７０】
明細書及び特許請求の範囲の記載の全体を通じて、「前部」「後部」「上部」「下部」「上に」「より上に」及び「下に」などの用語が用いられているのは、システムの様々な構成要素の相対的な位置や向きを示すためである。このような用語の使用は、構造体の特定の向きを意味するものではない。同様に、水平や垂直という用語が用いられているのは、説明した実施形態に関連して各要素を説明するためである。他の実施形態では、同じ又は同様の要素が、場合によっては水平又は垂直以外に向けられることができる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図１Ｆ】
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【図１Ｇ】
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【図２】
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