(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層構造を持つ膜(50)を製造するための方法であって、
基板(20)の上部表面上の絶縁層(30)と、該絶縁層(30)上の導電層(40)と、該導電層(40)上の第１の犠牲層(206-1)と、第２の導電層(202)と、を持つ基板(20)を提供し、
開放腐食液（release etchant）が第２の犠牲層(206-2)にアクセスできるように、上記第２の導電層(202)に一連の穴(205)をパターン形成し、
上記一連の穴(205)を上記第２の犠牲層(206-2)で満たすように該第２の犠牲層(206-2)を上記第２の導電層(202)の上に蒸着し、
上記第２の犠牲層(206-2)に放射状で且つ同心円状のグリッド（格子）パターンの穴をパターン形成し、
上記グリッドパターンの穴が第３の導電層(201)で満たされ且つ該第３の導電層(201)が上記第２の導電層(202)と接触状態となるように、且つ、該第３の導電層(201)が上記膜(50)の頂面部分を形成し支持構造となるように、該第３の導電層(201)を上記第２の犠牲層(206-2)上に蒸着し、
デバイスを開放腐食液に浸すことによって、上記第１及び第２の犠牲層(206-1、206-2)を除去することを含む、
多層構造を持つ膜(50)を製造するための方法。
【請求項２】
マイクロ電子機械的液体イジェクタを製造するための方法であって、
基板(20)の上部表面上の絶縁層(30)と該絶縁層（30）上の導電層(40)と該導電層(40)上の第１の犠牲層(206-1)と第２の導電層(202)とを持つ、基板(20)を提供し、
開放腐食液（release etchant）が第２の犠牲層(206-2)にアクセスできるように、上記第２の導電層(202)に一連の穴(205)をパターン形成し、
上記一連の穴(205)を上記第２の犠牲層(206)で満たすように、該第２の犠牲層(206-2)を上記第２の導電層(202)の上に蒸着し、
上記第２の犠牲層(206-2)に放射状で且つ同心円状のグリッド（格子）パターンの穴をパターン形成し、
上記グリッドパターンの穴が第３の導電層(201)で満たされ且つ該第３の導電層(201)が上記第２の導電層(202)と接触状態となるように、且つ、該第３の導電層(201)が頂面部分を形成し支持構造となるように、該第３の導電層(201)を上記第２の犠牲層(206-2)上に蒸着し、
デバイスを開放腐食液に浸すことによって、上記第１及び第２の犠牲層(206-1、206-2)を除去することを含む、
マイクロ電子機械的液体イジェクタを製造するための方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電的にアクチュエートされるデバイスに関連し、より詳細には、増強された堅牢性のための、波形の多層シリコン膜構造を持つシリコンベースのアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェット印刷では、インクの飛沫(droplet)は、プリントヘッドの複数のドロップ(drop)イジェクタから選択的に排出される。イジェクタは、プリントヘッドを通過する印刷メディア上に望ましい画像を生成するために、デジタル指令に従ってアクチュエートされる。プリントヘッドは、シートに対して、タイプライター流に、行ったり来たりし得る。あるいは、リニアアレーにおいては、プリントヘッドは、一回の通過で画像を作るために、シートの幅全体に広がる寸法であり得る。
【０００３】
イジェクタは一般的には、ノズルあるいはドロップ排出開口部と、一つあるいはそれ以上の共通インク供給マニホルドとの双方に接続されたアクチュエータを含む。インクは、アクチュエータによる適切な信号への応答があるまで、各チャンネル内に保持される。イジェクタの一つの実施例では、インク飛沫は、静電的あるいは静磁的にアクチュエートさせられた変形可能な膜の体積変位による過渡的な圧力によって排出される。この変形可能な膜は、一般的には、柔軟な電極，固定逆電極を持つキャパシタ構造であり、２つの電極間の電圧バイアスによってアクチュエートされる。
【０００４】
シリコンベースのアクチュエータもまた、ポンピング及びスイッチングで使用され得る微小電子機械デバイスにおいて採用可能である。そして、ここで例えば、シリコンベースのアクチュエータはそれぞれ、微小液体ポンピング及び光スイッチング用に用いられる。液体は、静電的あるいは静磁的に変形可能な膜（これは柔軟な電極，固定逆電極を持つキャパシタ構造であり、２つのシリコン電極間の電圧バイアスによってアクチュエートされる。）の体積変位によってポンプされる。光スイッチングは、他のチップ上の構成要素あるいは静磁デバイスパッケージとの、静電的あるいは静磁的な相互作用によるアクチュエートの結果として、光構成要素の変位によって起こる。例えば、光スイッチングでは、変位を起こすための静電的アクチュエータを用いた光構成要素として、鏡が採用され得る。
【０００５】
これらのシリコンベースのアクチュエータのための、変形可能な膜を組み入れるこのキャパシタ構造は、標準ポリシリコン表面マイクロマシン技術プロセスで製造され得る。それは、現存するシリコン鋳物製造網力を用いて低コストで、大量生産され得る。表面マイクロマシン技術プロセスは、集積微小エレクトロニクスとコンパティブルであることが証明されており、関連するアドレシングエレクトロニクスを用いて、アクチュエータのモノリシック集積を許容する。
【０００６】
インクジェット印刷で、アクチュエータとしてそのようなデバイス用いることに伴う問題は、プリントヘッドからインクドロップをイジェクトするために必要な圧力を生成するためには、膜は十分に堅牢でなければならないことである。標準表面マイクロマシン技術プロセスでは許容されないかもしれない、膜厚を増やすこと、あるいはより硬い材料を用いること以外で、一つの解決法は、膜を小さくすることである。しかし、膜が縮むと、変位体積も縮み、よって排出される飛沫の寸法も小さくなる。それゆえ、イジェクタ寸法を減少させずに、あるいは、膜厚を増加ささえずに、実用的な寸法のインク飛沫を排出する、インクジェット飛沫のイジェクタ能力を増加させることが望ましい。
【０００７】
【発明の概要】
基板の上部表面上の絶縁層と、当該絶縁層上の導電層と、当該導電層上の犠牲層及び、第２の導電層を持つ当該基板を提供し、開放腐食液（release etchant）が第２の犠牲層にアクセスできるように、上記第２の導電層に一連の穴をパターン化し、上記一連の穴が上記第２の犠牲層で満たされるように、上記第２の犠牲層を上記第２の導電層の上に蒸着し、第３の導電層が蒸着されたときに、当該第３の導電層が支持構造及び上記波形構造の頂面部分を形成するように、上記第２の犠牲層を放射状の及び／又は同心円状のグリッドパターンでパターン化し、
上記グリッドパターンが上記第２の導電層で満たされ、上記第２の導電層と接触状態となるように、上記第３の導電層を蒸着し、デバイスを開放腐食液に浸すことによって、上記第１及び第２の犠牲層を除去するステップを含む、波形の多層構造を持つ膜を製造するための方法。
【０００８】
本発明のこれら及び他の面が、添付図面とともに、本発明の好ましい実施例の説明に用いられる以下の記述から明白となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は以下にインクジェットプリントヘッドを参照して説明されるが、本発明の属する技術分野の当業者は、本発明の原理は、上述の他の応用にも適用可能であることを理解するであろう。
【００１０】
図１１を参照する。本発明のプリントヘッド111とアクチュエータ・ドロップ・イジェクタ150、インクジェットプリンタ110を組み込んで、インクの飛沫は、プリントヘッド111内のいくつかのドロップイジェクタ150からシート112にイジェクトされる。イジェクタは、プリントヘッド111を横切って動く印刷メディア上に必要な画像を生成するために、デジタル命令に従って動作させられる。プリントヘッド111は、印刷画像を帯（swath）毎に生成するために、走査動作で、シートに対して前後に動き得る。その代わりに、プリントヘッドが固定されて、メディアがプリントヘッドに対して動き、一回の通過で、プリントヘッドの広さ分の画像を生成し得る。
【００１１】
図1から図４を参照する。ドロップイジェクタは、アクチュエータとして、変形可能な膜50を利用する。膜は、標準ポリシリコン表面マイクロマシン技術を用いて形成され得る。ここで、開放されるポリシリコン構造は、最終的には除去される犠牲層上に配置される。変形可能な膜50と逆電極40間の静電力が膜を変形する。一つの実施例では、膜は、電圧ドライブモードを用いてアクチュエートされる。この電圧ドライブモードで、膜50を形成する平行プレート導電部と、逆電極40の間の電位差が制御される。このことは、一定のドロップ寸法をイジェクトするドロップ生成デバイスのために有用である。他の動作モードでは、膜は、荷電ドライブモードを用いてアクチュエートされる。電荷ドライブモードでは、平行プレート導電部間の電荷が制御され、それによって、可変のドロップ寸法デバイスを可能とする。電圧ドライブと電荷ドライブの２つの異なった動作モードは、異なった動作力につながるが、同じの、あるいは異なった電源のいずれかを使用する。
【００１２】
アクチュエータチャンバ54は、他の圧力で密閉されるか、あるいは、アクチュエータチャンバ内の空気が逃げられる（穴は図示せず）ことを許容するために雰囲気（atmosphere）に開放され得る。電荷ドライブモードを用いるグレースケール印刷のためには、膜は、中間位置に引き降ろされ得る。アクチュエータチャンバ内の体積減少は、後に、アッパーチャンバとノズルプレートが付加されたときに、置換された液体の体積を決定する。ノズルプレート（図示せず）は、静電的にアクチュエートされた膜50の上に位置し、ノズルプレートと膜の間に液体圧力チャンバを形成する。ノズルプレートは、そこに形成されたノズルを持つ。液体が、液体貯槽（図示せず）からこのチャンバーに供給される。液体圧力チャンバは、液体貯槽から液体圧力チャンバへの液体流を制限するために、チェックバルブによって液体貯槽から分離され得る。膜は当初は、膜と逆電極間の印加電圧によって発生された静電力によって引き降ろされる。膜のたわみによって作られた、液体圧力チャンバ内の置換された体積が、液体によって満たされ、印加電圧を除去することによって膜が開放されたときに、液体はノズルを通してイジェクトされる。
【００１３】
基板20は一般的にはシリコンウェハである。しかし、基板20は、薄い絶縁フィルムを持つガラスや金属のような、いかなる平坦な基板でもあり得る。絶縁部は、一般的に、窒化シリコンの薄いフィルムである。導電部40は、逆電極として振舞い、一般的に金属、あるいはポリシリコンのような、ドープされた半導体フィルムである。膜50は、ポリシリコンのような構造材料から作られ、一般的に表面マイクロマシン技術プロセスで製造される。それはまた、薄い金属フィルムのような、他の導電材料であり得る。インナーストラクチャ56は、膜50の一部分に付着され、孤立パッド43とともに、膜が、電圧が印加されたエリアの導電部に触れるのを防ぐように振舞う。膜50と基板20の間のアクチュエータチャンバ54は、表面マイクロマシン技術で用いられるような、一般的な技術を用いて生成され得る。化学蒸気蒸着（ＣＶＤ）によって蒸着される、酸化シリコンのような犠牲層は、その後、膜を形成する構造材料によって更に被覆される。膜の端部に空けられたままにされる開口部（図示せず）は、ポストプロセスエッチにおいて、犠牲層が、膜と逆電極の間で除去されるのを許容する。酸化物のための一般的な腐食液は濃縮フッ化水素酸である。このプロセスステップで、インナーストラクチャ56は、乾燥中に、液体腐食液毛管力が引き下げるときに、膜が下の表面に付着しないように振舞う。
【００１４】
一般的に、柔軟な膜50は薄い。電圧が印加されると、膜50は、膜50と固定逆電極40の間の静電力によってアクチュエートされる（引き下げられる）。膜50の下側上のインナーストラクチャ56は、逆電極上の電気的に孤立された中央部（着地パッド）43の上にある。アウターストラクチャ58と絶縁着地パッド42は、インナーストラクチャ56と孤立した着地パッド43に類似する。アウターストラクチャ58と絶縁着地パッド42は、シリコン表面マイクロマシン技術プロセスで製造され、逆電極40内でパターン化された、対応する着地パッドを伴った、膜50の下側上の突起からなる。アウターストラクチャ58と絶縁着地パッド42は、接触が起こりやすいエリア53での最小電極40間隔を規定する役目を果たし、その結果、アーク発生とアクチュエータ10の故障を防ぐ。アウターストラクチャ58は、影響されやすい領域53において、膜50の過剰な曲げを最小にするようなインナーストラクチャ56からの距離において、インナーストラクチャ56から外側の位置において、インナーストラクチャ56より外側に位置する。最小電極40間隔を、アクチュエータ10中心における間隔と類似あるいは一致するように規定することによって、接触とそれによるアーク発生が除去され、アクチュエータ10の寿命が大きく延びる。
【００１５】
本発明の更なる詳細を見てみると、本発明は、膜の堅牢さを増すための、波形の多層のシリコン膜構造（structure）を持つアクチュエータに係る。
【００１６】
図３と図４は、波形の多層構造を示す。この構造は、トップのポリシリコン層とボトムのポリシリコン層の間の酸化層上で、同心円状の円形及び／又は放射状の穴をパターン化することによって作られる。図３の同心円状及び放射状の区分は、ポリシリコンの最上部201が、底部ポリシリコン層202との接触のために落ち込む場所に対応する。層と層の間の空間は、元々、二酸化シリコンで満たされているが、底部ポリシリコン層のエッチホールは、酸化物が開放プロセスにおいて溶解するのを許容する。一方、酸化物はその場所に残され得、その場合には、エッチホールは必要無い。酸化物の除去によって、全体的応力及び、応力によるデバイスの曲げが減少しやすい。
【００１７】
本発明は、多くの利点を持つ。本発明によって、膜の寸法を減少すること無く、増強された堅牢さを持った膜が可能となる。インクジェット印刷でのドロップを生成するために、より小さな膜によれば、より小さな置換された体積を作り出すことになり、それによってより小さなドロップを作り出すことになる。更に、本発明によって、標準ポリシリコン表面マイクロマシン技術プロセスにおける、構成要素層の標準の厚みを用いつつ、より硬いアクチュエータ膜が可能となる。より厚い層は、実際、印刷のために使用することが可能であるが、非常に、非標準の、そして非最適のプロセス状態を表し、製造プロセスからの、受け入れ難く低いデバイスの歩留まりにつながりやすい。
【００１８】
単に、ポリシリコン層及び酸化物の層を、表面マイクロマシンプロセス内で重ねることによって、増強された堅牢さを持つ、より厚い膜を製造することは可能である。しかし、これによって、酸化層がポリシリコン層の間に挟まれた大きな領域をもたらし、これらの複層構造での大きな内部応力量のために、ラッピング（wrapping）に際して問題をもたらす。本発明は、囲まれた酸化物の領域を小さくして、製造中にこれらの酸化物の開放を許容することによって、これらの問題を回避する。
【００１９】
更に堅牢なポリシリコン膜が、ポリシリコン層のみを積み上げ、２番目のポリシリコン層の蒸着前に、中間の酸化層を除去することによって製造され得る。しかし、このアプローチは、厚さを２倍にするだけであるのに対し、本発明は、もっと厚いポリシリコン膜の、堅牢さを持つ波形の構造を可能とする。
【００２０】
アクチュエータ構造及び、特に、本発明の波形の膜は、良く知られたポリシリコン表面マイクロマシン技術プロセスを用いて形成され得る。このタイプの波形構造も、また、シリコン以外の材料から、ここで議論されているものでは無い、他のマイクロ製造プロセスで製造され得る。ポリシリコン表面マイクロマシン技術のプロセス段階の基本的な順序は、図５から図１０に示される。ウェハープロセスの初期段階では、そこにはシリコン基板ウェハー20，低圧化学蒸気蒸着（ＬＰＣＶＤ）低応力窒化シリコンの電気的に絶縁された層30（約0.6μｍ厚，0.5μｍＬＰＣＶＤ低応力ポリシリコン層（ｐｏｌｙ0）202）、及び、フォトレジスト層（図示せず）が存在する。シリコン基板ウェハーは、一般的に厚さ525μｍ，ｎあるいはｐ型，0.5Ω−ｃｍの抵抗度を持つ。表面上の静電気デバイスからの、基板を通した電荷フィードを減少させるために、表面ウェハーは、標準拡散炉で、ドーパント源としてＰＯＣＬ３を用いて、燐（リン）によって重くドープされる。ｐｏｌｙ0層202をパターン化するために、フォトレジスト層（図示せず）が用いられる。
【００２１】
図６では、フォトレジストがパターン化され、このパターンは、リアクティブイオンエッチング（RIE）を用いて、ポリシリコン（あるいはｐｏｌｙ）層に転写される。2.0μｍのリン珪酸塩ガラス（Phospho-Silicate Glass:  PSG）犠牲層（酸化層１）が、その後ＬＰＣＶＤによって蒸着される。フォトレジスト層（図示せず）を用いて、ガラス層がパターン化され、約0.75μｍの深さの小さな穴205が生成される。
【００２２】
図８では、非所望の酸化１層が、ＲＩＥを用いて選択的に除去され、その後、フォトレジストが剥離され、図９に示されるように、付加的ポリシリコン層201（約2.0μｍ厚）が、蒸着される。２つの層202と201が、波形の膜アクチュエータ50を形成する。
【００２３】
図10では、エッチホール（図６の205として示される）を通した、湿式あるいは乾式エッチングを用いて、犠牲酸化１層がエッチされ、膜50が機械的にアクチュエートされるように、膜50を開放する。図示されない、リリースエッチホールを生成するための他の方法は、ウェハーの背面から来る穴を持つことである。これは、現状の熱インクジェットデバイスの液体貯槽を形成する際に用いられるエッチング技術に類似する、湿った異方性のエッチング技術を用いることによって可能となる。また、ディープリアクティブイオンエッチング（ＤＲＩＥ）のような乾式エッチング技術を用いることによって可能となる。エッチホールはまた、膜50の側を通して、継続的な酸化物経路を提供することによって、ウェハーの前面上に形成され得る。この経路は、厚いポリイミド内に形成された圧力チャンバ設計内の液体によって、再充填から保護され得る。現在、本発明の好ましい実施例として考えられるものが図示され、説明されてきたが、当業者にとって、膨大な変更及び修正が生じ得ることを理解して欲しい。付加された特許請求の範囲の請求項においては、本発明の精神と範囲内に入る、これらの全ての変更及び修正をカバーすることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】偏向されない状態での、静電的にアクチュエートされる膜の断面図。
【図２】偏向された状態での、静電的にアクチュエートされる膜の断面図。
【図３】放射状で同心円状の支持構造を持った、波形の静電的にアクチュエートされる膜の上面図。
【図４】図３の静電的にアクチュエートされる膜の断面図。
【図５】標準ポリシリコン表面マイクロマシン技術プロセスでの基本プロセスステップ。
【図６】標準ポリシリコン表面マイクロマシン技術プロセスでの基本プロセスステップ。
【図７】標準ポリシリコン表面マイクロマシン技術プロセスでの基本プロセスステップ。
【図８】標準ポリシリコン表面マイクロマシン技術プロセスでの基本プロセスステップ。
【図９】標準ポリシリコン表面マイクロマシン技術プロセスでの基本プロセスステップ。
【図１０】標準ポリシリコン表面マイクロマシン技術プロセスでの基本プロセスステップ。
【図１１】ドロップイジェクタプリントヘッドを持つインクジェットプリンタ。
【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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