在基板中形成凹部的方法

专利名称：在基板中形成凹部的方法
技术领域：
本发明涉及MEMS器件的制造。
背景技术：
各种MEMS器件包括在施加的电压下偏转的压电致动器。这种器件的示例包括响应于连接至流体路径的压电致动器的动作而喷射流体的流体喷射系统。喷墨打印机中的打
印头模块是流体喷射系统的一个示例。打印头模块通常具有喷嘴的线列或阵列，这些喷嘴带有相应的喷墨路径和相关联致动器的阵列，并且从每个喷嘴喷射的墨点可被一个或多个控制器单独控制。打印头模块可以包括半导体打印头管芯，其被蚀刻为定义包括增压室(pumpingchamber)的流体流动路径。压电致动器可以形成在增压室的一侧，工作时，压电致动器能够响应于驱动电压信号发生挠曲，从而沿喷墨路径驱动流体。压电致动器包括压电材料层，该材料层响应于通过一对相反电极施加在压电层两端的驱动电压来改变几何形状(即，致动)。相比具有同等横向尺寸的平面压电元件，弯曲的压电元件(例如圆顶形或者凹形压电膜片)能够在给定的驱动电压下产生较大的位移。由于压电位移的幅度会影响用来喷射所需体积的流体液滴的驱动电压，并因此影响打印头模块的功率效率，因此已经提出了具有曲面压电膜片的压电致动器。已经提出了制造弯曲的或具有曲面特征的压电膜片的各种制造方法。

发明内容
本说明书描述了涉及制造具有曲面特征的基板表面和膜片的MEMS制造工艺的技术。在将材料的薄层均匀沉积在轮廓传递基板表面上时，该材料层取得与轮廓传递基板表面一致的轮廓。为了形成具有曲面特征的膜片(例如其中形成有凹陷或凹部阵列的压电膜片)，首先制备具有曲面特征(例如凹陷或凹部的阵列)的轮廓传递基板表面。在各向同性蚀刻处理中使用其中形成有通孔的阴影掩模以在基板表面中蚀刻凹陷。阴影掩模中的通孔各自包括处于加宽的底部开口上方的收缩部分。该收缩部分部分地阻挡了每个通孔的底部开口所包围的基板区域的外围部分上的等离子冲击，从而能够在通孔的底部开口所包围的区域的中央部分形成带有凹形轮廓的凹陷。—般来说，在一个方面，在基板中形成凹部的处理包括将阴影掩模的底表面附接至基板的顶表面的动作，该阴影掩模包括多个通孔，每个通孔从阴影掩模的顶表面贯穿至阴影掩模的底表面，并且具有与底表面相邻的相应下部以及相比相应下部更靠近阴影掩模顶表面的相应上部，所述通孔的相应下部在阴影掩模的底表面中具有相应底部开口，并且该通孔的相应上部在阴影掩模底表面上的垂直投影完全落在通孔的相应底部开口内；通过阴影掩模的通孔将基板的顶表面暴露于各向同性等离子蚀刻中；以及在基板的顶表面上形成预定尺寸的凹部之后移除阴影掩模。在某些实施方式中，每个通孔的相应上部和下部是共轴圆柱形孔。在某些实施方式中，每个通孔的相应上部与阴影掩模的顶表面相邻。在某些实施方式中，将阴影掩模的底表面附接至基板的顶表面的步骤还包括对阴影掩模的底表面和基板的顶表面施加RCA I清洗溶液；在施加之后，将阴影掩模的底表面压至基板的顶表面，以形成暂时接合。在某些实施方式中，该方法还包括重用该阴影掩模，以在第二基板中形成凹部。在某些实施方式中，阴影掩模具有50-700微米之间的总厚度。在某些实施方式中，垂直投影具有10-300微米之间的宽度。 在某些实施方式中，对于每个通孔，垂直投影的宽度与通孔深度之比处在I : 30到I 50之间。在某些实施方式中，对于每个通孔，通孔的相应底部开口的宽度比该通孔的相应上部的垂直投影的宽度大三倍。在某些实施方式中，使用CF4、CHF3和He的混合物来对基板进行等离子蚀刻。在某些实施方式中，使用SF6和Ar或He的混合物来对基板进行等离子蚀刻。在某些实施方式中，该方法还包括对基板中与各向同性等离子蚀刻相关联的蚀刻速率(etch rate)进行估计；在基于该蚀刻速率确定的时间段之后停止各向同性等离子蚀刻。在某些实施方式中，该方法还包括在移除阴影掩模之后，抛光基板的顶表面。在某些实施方式中，该方法还包括在附接步骤之前，在阴影掩模的暴露表面上形成保护层，以保护阴影掩模在各向同性等离子蚀刻期间不被改变。在某些实施方式中，在阴影掩模的暴露表面上形成保护层的步骤还包括对阴影掩模的暴露表面进行氧化以形成氧化层。在某些实施方式中，阴影掩模由硅、玻璃、铝或石墨制成。在某些实施方式中，将阴影掩模的底表面附接至基板的顶表面的步骤还包括将多个通孔相对基板顶表面上的预定位置对准；以及将阴影掩模的底表面压至基板的顶表面，以形成暂时接合。在某些实施方式中，在形成预定尺寸的凹部之后移除阴影掩模的步骤还包括在不损坏阴影掩模或基板的情况下使阴影掩模与基板分离。在某些实施方式中，将阴影掩模的底表面附接至基板的顶表面的步骤还包括对所述暂时接合进行退火以形成阴影掩模的底表面与基板的顶表面之间的永久接合。在某些实施方式中，在形成预定尺寸的凹部之后移除阴影掩模的步骤还包括逐步移除阴影掩模的材料，以使得基板的顶表面重新暴露。可以实现本说明书所描述主题的特定实施方式，以取得如下的一个或多个优点。可以通过一系列MEMS制造工艺来形成具有曲面特征的轮廓传递基板表面。形成在轮廓传递基板表面中的曲面特征的尺寸、形状和位置是均匀并且可控的。另外，轮廓传递基板表面中的曲面特征的密度可以高于通过注塑成型或者机械手段所能够获得的密度。通过使用根据本说明书公开的方法而制造的轮廓传递基板表面，可以在轮廓传递基板表面上形成各种材料的膜片，其中每个膜片都具有与轮廓传递基板表面中存在的曲面特征一致的曲面特征，并且膜片中的曲面特征同样具有受到良好控制的尺寸、形状、位置和高密度。另外，与通过注塑成型或者机械手段所能够获得的相比，通过在轮廓传递基板表面上沉积材料而形成的膜片(例如通过溅射沉积的压电膜片)的颗粒结构可以在尺寸、形状和分布上更均匀，并且对准更一致。更均匀且对准的颗粒结构有助于延长重复致动期间的膜片寿命。另外，在靠近掩模通孔的底边缘附近可能存在微缺陷(例如先前已有的微缺陷以及蚀刻期间产生的微缺陷)。这些微缺陷会导致基板表面在靠近通孔的底边缘处出现不规贝1J的情况。与使用始终具有固定宽度的通孔的规则掩模(regular mask)的情况相比,通过使用阴影掩模在基板表面中产生凹部，微缺陷的负面影响可被降低。使用阴影掩模形成的曲面特征可以具有相比使用规则掩模形成的曲面特征更平滑的边缘，并且能够有效避免在通孔的低边缘下方出现掏蚀(undercutting)。因此,随后形成在轮廓传递基板表面上的膜 片的质量和机械特性可以得到改善。本说明书中描述的处理可以用于形成耐用、高效、紧凑并且以高分辨率集成的包括曲面压电元件的压电致动器组件或者压电变送器阵列。本说明书所描述主题的一种或多种实施方式的细节将在附图和下面的说明中给出。本发明的其它特征、方面、和优点将通过说明书、附图和权利要求清楚示出。


图IA-图IB例示了阴影掩模的两个示例设计。图2A-图2E例示了用于使用阴影掩模形成具有曲面特征的轮廓传递基板表面、以及使用该轮廓传递基板表面形成具有曲面特征的膜片的示例处理。图3是具有凹陷压电致动器的示例流体喷射模块中的打印头管芯的示意剖视图。对多处层和特征进行了夸大显示，以更好地示出处理步骤和结果。各个附图中相同的参考标号和标识表示相同的元件。
具体实施例方式可以利用包括使用MEMS工艺技术制造的管芯的打印头模块来实现流体微滴喷射。打印头管芯包括其中形成有多个微制造的流体流路的基板，基板上的多个致动器使得流体选择性地从连接至流路的喷嘴喷射。每个流路及其相关联的致动器都提供单独可控的MEMS流体喷射器单元，多个致动器形成致动器组件。可以使用具有曲面特征(例如平面基板表面上的凹陷或凹部)的轮廓传递基板表面来形成具有曲面压电膜片的MEMS致动器。因此，可以使用具有曲面特征的阵列(例如平面基板表面上的凹陷或凹部阵列)的轮廓传递基板来形成具有致动器阵列的致动器组件。在将轮廓传递基板表面从至少压电膜片的曲面部分下方(例如至少部分地)移除之前，将用于压电致动器的压电材料沉积(例如溅射)在至少轮廓传递基板表面的曲面部分上(例如沉积在轮廓传递基板表面上的导电电极层的顶部)。无需受限于任何特定理论，所得的曲面压电膜片可以包括柱状的并且与任何曲面部分和该曲面部分周围的任何平面部分对准的颗粒结构，并且这些柱状颗粒的全部或者基本上全部地局部垂直于压电膜片的表面。曲面压电膜片的对准的颗粒结构更耐用，并且能够更好地承受致动期间产生的内部应力，从而使得通过曲面压电膜片制造的MEMS器件的寿命更长。可以使用不同工艺在轮廓传递基板表面上形成曲面特征。如本说明书所述，在各向同性干蚀刻工艺(例如各向同性等离子蚀刻)中使用阴影掩模以在平面基板表面中产生曲面特征(例如凹陷或凹部)。然后可以将包括曲面特征的基板表面用作轮廓传递基板表面，以产生具有与轮廓传递基板表面的曲面特征一致的曲面特征的膜片。阴影掩模是其中形成有一个或多个通孔的平面基板。每个通孔包括与阴影掩模的底表面相邻的下部、和相比下部与阴影掩模的顶表面更靠近的上部。每个通孔的上部包括通孔最窄的部分，并且每个通孔的上部比通孔的下部更窄。通孔的上部(特别是通孔的最窄部分)在阴影掩模底表面上的垂直投影完全处在下部的底部开口(即通孔的底部开口)内(例如占据了中央部分)。换句话说，在被底部开口包围的区域的外围部分或者在被底部开口包围的基板表面上的上部的垂直投影周围，围绕通孔上部的阴影掩模材料部分地将位 于阴影掩模下方的基板表面屏蔽于等离子或来自上方的其它类型辐射的撞击。如本说明书中所使用的，平面表面上的开口(或通孔部分)的垂直投影定义为在垂直于平面表面的方向上的开口(或通孔部分)正下方的平面表面上的区域，并且该区域不受开口边缘(或通孔部分的侧壁)外部的材料的阻隔。为了从平面基板形成轮廓传递基板，将基板的平面表面通过阴影掩模的通孔暴露于各向同性等离子蚀刻。由于每个通孔上部周围的掩模材料部分地屏蔽了通孔底部开口的外围部分，因此相比底部开口中央部分下方的基板表面，底部开口的外围部分下方的基板表面暴露于等离子冲击的程度较小。另外，底部开口的外围部分的蚀刻速率随着与底部开口中央部分距离的增大而降低。通过冲击以及而后漫射的等离子，能够在阴影掩模中每个通孔的位置处在平面基板表面中形成曲面特征(即凹陷或凹部)。所形成的曲面特征的深度和尺寸取决于例如每个通孔的上部的尺寸和形状、上部的宽度与阴影掩模的厚度之比、上部的宽度与下部的宽度之比、以及蚀刻时间和蚀刻速率。在达到凹部的期望尺寸和深度后，可以停止蚀刻。从而形成了具有曲面特征(例如凹部)的轮廓传递基板表面。可以在从轮廓传递基板表面移除阴影掩模之后将额外的材料层沉积在轮廓传递基板表面上。每个额外的材料层都将具有与轮廓传递基板表面的轮廓一致的曲面特征。在已经将至少一个额外材料层沉积在轮廓传递基板表面上之后，可以部分地移除(例如移除额外层的曲面特征下方的)或完全移除轮廓传递基板表面。图IA-图IB例示了可以用来在平面基板(例如半导体基板)中产生曲面特征的阴影掩模100的两种示例设计。图IA示出了具有根据两种示例设计制造的通孔102的示例阴影掩模100的顶视图。图IB示出了在示例阴影掩模100中对半分开一对通孔102的示例阴影掩模100的垂直剖视图。尽管示例阴影掩模100示出了根据两种不同设计的多个通孔102，但实际使用的阴影掩模还可以包括相同设计的多个通孔，例如每个通孔均使用相同的设计。在示例阴影掩模100中，每个通孔102包括下部104和上部108，下部104靠近阴影掩模100的底表面106，上部108比下部104更靠近阴影掩模100的顶表面110。每个通孔102的上部108均包括通孔102的最窄部分，并且每个通孔102的上部比通孔102的下部104窄。上部108在阴影掩模100的底表面106上的垂直投影完全落在下部104的底部开口 112所包围的区域(例如其中央部分)内。下部104的底部开口 112也是通孔102的底部开口。上部108在底表面106上的垂直投影在尺寸和形状上与通孔102的最窄部分相同。通孔102的上部108周围的掩模材料(特别是通孔102的最窄部分周围的掩模材料)部分地屏蔽了(例如当从上方用光或等离子照射掩模时)由通孔102的底部开口 112所包围的区域的外围部分，即上部108的垂直投影周围。在图IA-图IB中，示出了通孔102的最窄部分和通孔102的底部开口 112的两个示例横向形状(例如圆形和方形)。不过也可以使用具有其它横向形状(如椭圆或矩形)的通孔。另外，尽管并不必须使通孔102的最窄部分处在通孔102的顶部或者上部108处在通孔102的最上方，但是为了图示方便，在图IA-图IB所示的示例设计中，将通孔102的上部108示为通孔102的最上部，并使上部108的顶部开口代表通孔102的最窄部分。在各种实施方式中，上部108的顶部开口可以是其它等同的上部108最窄部分(例如上部中 的正圆柱或正棱柱形状)中的一种。如图IA所示，通孔102的最窄部分(例如由通孔102的顶部开口 114代表)和通孔102的底部开口 112在几何形状上相似。通孔102的最窄部分比通孔102的底部开口112小，并且在位置和朝向上与通孔102的底部开口 112在垂直方向上(即与阴影掩模100的顶表面和底表面垂直的方向)对准。因此，通孔102的最窄部分在阴影掩模100的底表面106上的垂直投影位于底部开口 112的中央部分，并且其形状与底部开口 112的形状具有相同的朝向。在第一示例设计中，通孔(例如102a)包括形状均为圆形的顶部开口(例如114a)和底部开口(例如112a)。通孔102a的最窄部分(例如由顶部开口 114a代表)与底部开口(例如112a)在垂直方向上(即与阴影掩模100的底表面106的平面垂直的方向)对准。通孔102a的最窄部分在阴影掩模100的底表面106上的垂直投影与通孔102a的底部开口112a同心，并且比后者小。在另一种示例设计中，通孔(例如102b)包括形状均为方形的顶部开口(例如114b)和底部开口(例如112b)。通孔102b的最窄部分(由例如顶部开口 114b代表)与通孔102b的底部开口(例如112b)在垂直方向上对准。通孔102b的最窄部分在阴影掩模100的底表面106上的垂直投影具有与底部开口 112b重叠的几何中心，并且比后者小。在各种实施方式中，通孔102的最窄部分和通孔102的底部开口 112可以具有其它形状，如椭圆形、矩形、多边形等。例如，通孔(未示出)可以具有六边形的底部开口以及较小的六边形顶部开口，顶部开口沿着垂直方向在位置和朝向上与底部开口对准。图IA所示的阴影掩模100的顶视图还表示了每个通孔102的上部和下部的相对宽度、以及上部和下部之间在其交界处的相应过渡(例如平滑或突变)。例如，图IA所示的示例通孔102a和102b对应于这样一种通孔设计，其中通孔的上部和下部在宽度上一致，并且上部和下部之间的过渡为突变的(即上部和下部是通过水平表面连接)。在某些实施方式中，上部和/或下部可以为锥形(例如朝向阴影掩模的底表面具有逐渐增大的宽度)。在某些实施方式中，如果两个部分均为锥形，则上部和下部的锥形可以具有相同或不同的斜率。在某些实施方式中，上部和下部之间的过渡可以是连续的(例如上部的下部开口和下部的上部开口具有相同的形状和尺寸)。
可以基于要形成在轮廓传递基板表面中的曲面特征的期望的横向形状来选择通孔102的最窄部分和通孔102的底部开口 112的几何形状。例如，可以使用具有较小的圆形顶部开口(例如代表通孔的最窄部分)和较大的圆形底部开口的阴影掩模通孔，来生成具有圆形开口的凹部。类似地，可以使用具有较小的方形顶部开口(例如代表通孔的最窄部分)和较大的方形底部开口的阴影掩模通孔，来生成具有方形开口的凹部。通孔102的最窄部分的横向尺寸(即宽度或直径)应当略小于期望出现在轮廓传递基板表面中的曲面特征的横向尺寸。可以根据要形成在轮廓传递基板表面中的曲面特征的期望深度来对通孔102的最窄部分的横向尺寸进行调节，因为曲面特征的横向尺寸将会随着深度的增加而增加。因此，曲面特 征的较大深度可能需要减小通孔最窄部分的宽度。通常，通孔102的底部开口 112的尺寸对于曲面特征尺寸的影响比通孔102的最窄部分的影响小。在某些实施方式中，通孔102的底部开口 112的宽度可以是通孔102最窄部分宽度的数倍(例如3倍)。可以基于要形成在轮廓传递基板表面中的曲面特征(例如凹部)的期望位置和整体布局来选择阴影掩模100中的通孔102的各个位置和整体布局。例如，如果需要具有矩形曲面特征阵列的轮廓传递基板表面，则需要在阴影掩模100中形成通孔102的矩形阵列。如果在矩形阵列的每行曲面特征之间需要具有一定的偏移，则在阴影掩模100的每行通孔102之间也应当存在这样的偏移。图IB示出了根据图IA所示通孔102的两种示例设计的阴影掩模100的垂直剖视图。每个垂直剖面都位于将阴影掩模100中的通孔102分成相等两半的平面中。对分平面中每个通孔102的剖面形状均各自具有垂直于阴影掩模100的底表面106的对称轴116。通孔102的对称轴116还垂直于包含通孔102的最窄部分的平面(如阴影掩模100的顶表面 110)。在第一示例设计中，通孔102的顶部和底部开口为圆形(例如在通孔102a的情况下)，并且上部108a和下部104a为共享公共对称轴116a的正圆柱体孔。在第二示例设计中，通孔102的顶部和底部开口为方形(例如在通孔102b的情况下)，并且上部108b和下部104b为具有方形底部的正棱柱孔，并且这些正棱柱孔共享公共对称轴116b。在通孔的顶部和底部开口为其它多边形(例如六边形)的其它示例设计(未示出)中，上部和下部可以是具有多边形底部(例如六边形底部)的正棱柱孔，并且这些正棱柱孔共享公共对称轴。如图IB所不,通孔102a和102b各自的侧壁均垂直于阴影掩模100的顶表面110和底表面106，并且上部108a和108b以及下部104a和104b各自延垂直方向具有一致的宽度。由于在每个通孔102a和102b中通孔上部都比通孔下部窄，因此在通孔的上部和下部之间形成了阶梯或悬垂(例如118a和118b)。阶梯或悬垂118a和118b各自具有与阴影掩模100的顶表面110和底表面106平行的下表面(例如分别为120a和120b)。如图IB的通孔设计所示，通孔102的上部108和下部104之间的过渡为突变的。在某些实施方式中，可以在通孔102的上部108和下部104之间存在中间部分(未示出)来作为上部108和下部104之间的过渡部分。该中间部分可以提供例如从上部108的底部边缘向下部104的顶部边缘倾斜的表面。如图IB所示，由于上部108和下部104之间宽度上的差异所产生的悬垂118会部分地屏蔽底部开口 112内所包围区域的外围部分。当使平面基板的表面与阴影掩模100的底表面106接触并且通过阴影掩模100的底部开口 112暴露于垂直冲击的等离子蚀刻时，与等离子或其它干蚀刻剂不受阻隔地直接冲击的底部开口 112中央部分下方的区域相比，基板表面上部分屏蔽的区域仅暴露于少量的蚀刻(例如以非零入射角度穿过上部108的等离子蚀刻剂所导致的蚀刻，或者穿过通孔102的散射或漫射所导致的蚀刻)。不限于任何特定理论，通过阴影掩模进行各向同性等离子蚀刻能够制造相比使用规则掩模(即垂直通孔延垂直方向的形状或尺寸不变化的掩模)产生的曲面特征相比具有更平滑边缘的曲面特征。微缺陷(例如在掩模制备期间产生的瑕疵或者等离子蚀刻期间造成的损坏)通常出现在掩模中通孔的边缘周围。这些微缺陷会使其周围的基板表面出现不规则的蚀刻速率，并且导致形成在基板表面中的曲面特征周围出现不规则或锯齿状边缘。通过使用阴影掩模，通孔底部开口中所包围区域的外围部分附近的蚀刻速率将低于该区域的中心部分，因此可以显著降低通孔的底部开口边缘周围的微缺陷的影响。此外，掩模中通孔的侧壁会将蚀刻剂或碎片散射至通孔底部开口的边缘附近的基板表面，从而在形成于基板表面中的曲面特征的边缘附近产生缺陷(例如沟槽或其它不规 则)。通过使用阴影掩模，也能够减少这种由于通孔的侧壁(特别是通孔的下部侧壁)导致的不期望的散射。另外，可能出现在规则掩模的通孔边缘下方的基板掏蚀也能够在使用阴影掩模时得以有效避免。具有锯齿或不规则边缘的曲面特征会导致后续沉积在轮廓传递基板表面上的材料层中出现缺陷，这些缺陷会导致材料层之间的脱离，并且降低了由这些层形成的器件的耐用性。类似地，具有掏蚀轮廓(例如具有扩展的中部截面的凹形)的曲面特征会在靠近其开口边缘处具有较高的内部应力，于是在应力或致动下易于破裂。于是，使用阴影掩模在轮廓传递基板表面上形成曲面特征有助于解决或减轻上述问题。如前文所述，可以根据要形成在轮廓传递基板表面中的曲面特征的期望尺寸和深度来选择通孔102 (例如最窄部分的宽度)的横向尺寸。随着通过通孔102持续进行蚀刻，曲面特征的宽度和深度逐渐扩展。当达到了预定的曲面特征的宽度和深度时，可以停止蚀亥IJ，并可以移除阴影掩模100。可以通过选择通孔102的最窄部分的宽度来调节曲面特征的宽度和深度的纵横比，并且调节等离子蚀刻剂的蚀刻强度或蚀刻速率。可以通过使用第一图案化光致抗蚀剂掩模和各向异性蚀刻制造从平面基板的顶表面开始的通孔的上部(例如108a或108b),来形成图IB所示的示例阴影掩模100。然后将平面基板翻转，使用第二图案化光致抗蚀剂掩模和各向异性蚀刻来从平面基板的底表面开始制造通孔的下部(例如104a和104b)，直到上部和下部接合。两个各向异性蚀刻处理均在平面基板中产生侧壁垂直的凹陷。可以根据通孔的预定尺寸(例如通孔每个部分的宽度和深度)来选择平面基板的厚度和通孔每个部分的蚀刻深度。其它用于产生具有侧壁垂直的上部和下部的通孔的阴影掩模的工艺也是可行的。在各种实施方式中，阴影掩模可以由例如硅、玻璃、铝或石墨制成。阴影掩模100的厚度介于数百微米(例如100或300微米)至数千微米(例如1000或4000微米)之间。可以基于阴影掩模的材料和通孔的设计(例如构造和尺寸)来选择产生阴影掩模的制造方法。在某些实施方式中，在将阴影掩模用于等离子蚀刻之前，对阴影掩模涂敷保护涂层(例如氧化物层或氮化物层)以避免阴影掩模在等离子蚀刻期间受到损坏。或者可以在阴影掩模的表面上生长保护层(例如氧化物层或氮化物层)。这样的阴影掩模可以在处理多个基板的过程中重复使用。通孔102的上述示例设计仅为示例性，而非排它性的。在图IA-图IB中，每个示例通孔102的上部108和下部104示为彼此相邻。不过在某些实施方式中，通孔102的上部108不必紧邻通孔102的下部104，可以在上部108和下部104之间存在一个或多个比上部108宽但比下部104窄的中间部分。另外，在图1A-1B中，上部108视为通孔102的最顶部分。不过在某些实施方式中，通孔102的上部108不必与阴影掩模100的顶表面110相邻，通孔102可以包括处在上部108上方的比上部108宽(或者至少比上部108的最窄部分宽)的一个或多个其它部分(未不出)。图2A-图2D例示了使用阴影掩模和各向同性干蚀刻(例如各向同性等离子蚀刻)来形成具有曲面特征的轮廓传递基板表面，然后形成具有基于该曲面轮廓传递基板表面的曲面特征的膜片的示例处理。可以使用具有一个或多个通孔或通孔阵列的阴影掩模 202(例如参照图IA-图IB描述的设计制成的阴影掩模)。在某些实施方式中，阴影掩模202包括多个相同设计的通孔或通孔阵列。首先，如图2A所示，阴影掩模202置于平面基板204上。平面基板204具有将要形成曲面特征(例如凹形的凹陷)的上表面206。如图2A所示，阴影掩模202具有形成在其中的从阴影掩模202的顶表面210贯穿至阴影掩模202的底表面212的多个通孔208。每个通孔208都具有上部214和下部216。上部214包括通孔208的最窄部分。每个通孔208的最窄部分都比通孔208的底部开口218 (即通孔208的下部216的底部开口 )窄(例如是底部开口宽度的1/3)。通孔208的最窄部分(例如顶部开口 220)在阴影掩模202的底表面212上具有完全处在通孔208的底部开口 218之内的垂直投影(例如处在底部开口 218所包围区域的中央部分)。由通孔208的底部开口 218上方的掩模材料形成的悬垂222部分地屏蔽底部开口 218所包围区域的外围部分，直接包围通孔208的最窄部分(例如顶部开口 220)的垂直投影。为了将阴影掩模202的底部表面212暂时接合至基板204的平面顶部表面206，可以通过例如对表面施加RCA I溶液来清洗阴影掩模202的底表面212和基板204 (例如硅基板)的顶表面206，以使接合表面活化。然后将阴影掩模202的底表面202和基板204的顶表面206彼此相对地挤压，以在两个表面之间形成暂时接合。在接合之前，可以将通孔208与基板204表面上的位置对准，例如根据基板204的顶表面206上的对准标记来对准。在将阴影掩模202的底表面212暂时接合至基板204的上表面206之后，基板204的上表面206可以通过阴影掩模202中的通孔208暴露于等离子蚀刻。在某些实施方式中，阴影掩模202和基板204可以在高温中退火，使得其表面之间的暂时接合在等离子蚀刻开始之前变成永久性的。如图2B所示，在完成阴影掩模202和基板204之间的接合(暂时或永久的)之后，将阴影掩模202的上表面210暴露于各向同性等离子蚀刻剂224(例如带电离子或中性粒子的稳流或脉冲)。所述各向同性等离子蚀刻剂从上方进入通孔208，并与基板204的暴露上表面(即基板的处于通孔208的底部开口 218内的表面)206发生反应，并逐渐在基板204的暴露上表面206中形成弯曲凹部226。反应的挥发性副产物可以在蚀刻处理期间从阴影掩模202的顶部开口 220中释放。由于等离子蚀刻剂的流或脉冲的方向是基本垂直于基板204的表面206的方向，因此处在通孔208的底部开口 218所包围区域内的中央区域的蚀刻速率最大，即基板206的处于通孔208的顶部开口 220正下方的区域的蚀刻速率最大。等离子蚀刻剂至少部分地被处于通孔208的底部开口 218的外围部分上方的阴影掩模202的悬垂部分222从上方阻隔，仅有以非零入射角穿过上部214或者通过散射或漫射穿过通孔208的等离子蚀刻剂能够到达这些外围部分。因此，被底部开口 218包围的区域的外围部分的蚀刻速率小于被底部开口 218包围的区域的中央部分的蚀刻速率。示例等离子蚀刻剂可以是CF4XHF3和He气体的混合物，或者是SF6和Ar或He气体的混合物。取决于基板材料和期望的蚀刻速率，也可以采用其它的混合物和化合物。
如图2B所示，在各向同性等离子蚀刻处理期间，等离子体逐渐在阴影掩模202的底部开口 218内的区域的中央区域中形成弯曲的凹形226。该弯曲凹形226的深度和宽度将随着蚀刻的进行而扩大。当达到了期望的弯曲凹形的深度和宽度时，等离子蚀刻可以停止。在某些实施方式中，可以按照蚀刻时间、蚀刻深度和宽度来标定蚀刻速率，从而能够进行定时蚀刻，并且在对应于弯曲凹形的期望深度和宽度的预定时间段之后停止蚀刻。可以通过调节蚀刻工艺中使用的等离子蚀刻剂来调节弯曲凹形226的精确轮廓。较强的蚀刻剂和较快的蚀刻时间可以产生具有较陡侧壁的较深凹陷。另外，通孔208的最窄部分的宽度和高度也可以用来调节弯曲凹形的尺寸和深度。例如，在其它条件相同时，宽度较小而高度较大的通孔208的最窄部分可以获得在横向尺寸上较窄而在垂直方向上具有较陡轮廓的弯曲凹形。相反，宽度较大而高度较小的最窄部分可以获得较宽且具有较不陡轮廓的弯曲凹形。在一个示例实施方式中，取决于轮廓传递基板表面中曲面特征的期望尺寸(例如数微米至数百微米之间的任何值)，通孔的最窄部分的宽度可以为数微米宽至数百微米宽(例如10微米至300微米宽)。通孔最窄部分与阴影掩模的厚度的纵横比可以为I : 30至I : 50。阴影掩模的厚度可以为50微米至70微米。较厚的阴影掩模会具有较好的机械特性，并且可以从基板上移除并重新使用。选择阴影掩模上部厚度的另一项考虑是，形成在底部开口上方的悬垂不应由于其自重而下垂或变形。如图2C所示，在基板204的顶表面206中形成期望的表面特征(例如凹部230)之后，可以从基板204的顶表面206上移除阴影掩模202。如果阴影掩模202和基板表面206之间的接合是暂时的，则可以使用撬具228移除阴影掩模202而不对阴影掩模202造成损坏。可以在针对其它基板的蚀刻处理中重新使用阴影掩模202。如果阴影掩模202和基板204之间的粘合是永久的，则可以通过碾磨和抛光以暴露基板204的顶表面206，来移除阴影掩模202。在移除阴影掩模202之后，具有曲面特征230的基板204的顶表面206被暴露。在某些实施方式中，可以制备(例如清洗和抛光)暴露的顶表面206以在后续处理中用作轮廓传递基板表面。在某些实施方式中，可以在轮廓传递基板表面上生长一个薄保护层(例如氧化物或氮化物层)，并随后移除该保护层以使其更平滑。可选地，可以在轮廓传递基板表面的平滑表面上生长或沉积另一个保护层(例如氧化物或氮化物层)。然后基板204的顶表面206 (具有或不具有保护层)可以用于提供用来沉积其它材料层的轮廓传递基板表面。如图2D所示,将第一材料层232 (例如数千埃的Au、Au/W、Ir、Pt等)均匀地沉积在基板204的暴露顶表面206上。材料层232具有均匀的厚度，并可以用作压电致动器组件的底部电极层。第一材料层232包括弯曲部分234，其与基板204的顶表面206提供的轮
廓传递基板表面一致。其它的材料层(图2D未示出)可以顺序沉积在第一材料层232上，例如压电层和顶部电极层。每个其它层均将具有与紧靠其下的曲面特征一致的曲面特征。可以使用各种适当的沉积一个或多个材料层的方法。例如，可以各自通过溅射、等离子强化汽相沉积、化学汽相沉积、或物理汽相沉积等来沉积底部电极层、压电层、和顶部电极层。不同的材料层可以在下一材料层沉积于其上之前各自形成图案。这些不同的层可以形成流体喷射模块或 其它MEMS器件(如超声波变送器)的压电致动器组件。在基板204的顶表面206上沉积材料层之后，可以将处理(handle)层(未示出)附接至最顶层(例如层232或沉积在层232上的其它层)的顶表面。可以从底部侧238移除或蚀刻基板204。例如，如图2E所示，可以在处于第一材料层232的曲面部分234正下方的基板204的底部侧238中蚀刻出凹陷236，直到第一材料层232的底表面暴露于凹陷236侧壁内的区域中。于是沉积在轮廓传递基板表面上的不同材料层现在变得悬空，并可以在驱动电压信号的作用下发生挠曲。在某些实施方式中，在第一材料层232和基板204的轮廓传递基板表面206之间沉积或生长了保护层的情况下，该保护层可以用作在基板204的底部侧238上进行蚀刻期间的阻蚀层。图2E示出了在将第一材料层232的弯曲部分234正下方的区域中的基板204蚀刻掉并且使第一材料层232的底表面暴露在凹陷236的侧壁内之后所得到的结构。基板204的平面部分保留在凹陷236侧壁外侧的区域内，即处在第一材料层232的平面部分下方。尽管所示的示例处理使用具有圆柱体上部和下部的通孔的阴影掩模，但也可以使用具有不同形状和构造的上部和下部开口的其它阴影掩模。图3是通过至少部分使用图2A-2E所示的处理而形成的示例喷液系统300的示意图。如图3所示，其中形成有腔236的基板204可以用作喷液系统300的增压室层302，而腔236可以用作喷液系统300的增压室腔304。增压室腔304连接到已通过不同处理形成在增压室层302中的流体流路。喷嘴306形成在喷嘴层308中，并且连接至增压室腔304。沉积在轮廓传递基板表面上的多个层可以在增压室层302上形成压电致动器组件310。如图3所示，这些层包括底部电极层312、压电层314、和顶部电极层316。这三个层中的每一个均形成图案以定义各个致动器单元，这些致动器单元包括顶部电极、底部电极、和位于每个增压室腔304正下方的压电元件。尽管针对制造用于喷液系统的压电致动器组件的处理描述了各个示例，但这些处理可以用于制造其它包含具有曲面特征或曲面特征阵列的膜片的MEMS器件。说明书和权利要求书中所使用的术语“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“其上”、“上方”和“下方”是用于说明系统组件的相对方位或位置。这些术语的使用并不表明系统在使用时需要特定的方位。类似地，所使用的任何水平或垂直术语是用于针对所说明的实施方式来描述元件。在其它实施方式中，相同或类似的 元件视情况可能并非朝向水平或垂直。
权利要求
1.一种用于在基板中形成凹部的方法，包括 将阴影掩模的底表面附接至基板的顶表面，所述阴影掩模包括多个通孔，每个通孔从阴影掩模的顶表面贯穿至阴影掩模的底表面，并且具有与底表面相邻的相应下部以及相比相应下部更靠近阴影掩模顶表面的相应上部，所述通孔的相应下部在阴影掩模的底表面中具有相应底部开口，并且所述通孔的相应上部在阴影掩模底表面上的垂直投影完全落在所述通孔的相应底部开口内； 通过阴影掩模的通孔将基板的顶表面暴露于各向同性等离子蚀刻；以及 在基板的顶表面中形成预定尺寸的凹部之后移除阴影掩模。
2.根据权利要求I的方法，其中 每个通孔的相应上部和下部是共轴圆柱形孔。
3.根据权利要求2的方法，其中 每个通孔的相应上部与阴影掩模的顶表面相邻。
4.根据权利要求I的方法，其中将阴影掩模的底表面附接至基板的顶表面的步骤还包括 对阴影掩模的底表面和基板的顶表面施加RCA I清洗溶液；和 在施加步骤之后，将阴影掩模的底表面压至基板的顶表面，以形成暂时接合。
5.根据权利要求I的方法，还包括 重用所述阴影掩模，以在第二基板中形成凹部。
6.根据权利要求I的方法，其中所述阴影掩模具有50-700微米之间的总厚度。
7.根据权利要求I的方法，其中所述垂直投影具有10-300微米之间的宽度。
8.根据权利要求I的方法，其中对于每个通孔，垂直投影的宽度与通孔深度之比介于I : 30 至Ijl : 50 之间。
9.根据权利要求I的方法，其中对于每个通孔，所述通孔的相应底部开口的宽度比通孔的相应上部的垂直投影的宽度大三倍。
10.根据权利要求I的方法，其中使用CF4XHF3和He的混合物来对基板进行等离子蚀刻。
11.根据权利要求I的方法，其中使用SFf^PAr或He的混合物来对基板进行等离子蚀刻。
12.根据权利要求I的方法，还包括 对基板中与各向同性等离子蚀刻相关联的蚀刻速率进行估计；和 在基于该蚀刻速率确定的时间段之后停止各向同性等离子蚀刻。
13.根据权利要求I的方法，还包括 在移除阴影掩模之后，抛光基板的顶表面。
14.根据权利要求I的方法，还包括 在附接步骤之前，在阴影掩模的暴露表面上形成保护层，以保护阴影掩模在各向同性等离子蚀刻期间不被改变。
15.根据权利要求14的方法，其中在阴影掩模的暴露表面上形成保护层的步骤还包括 对阴影掩模的暴露表面进行氧化以形成氧化层。
16.根据权利要求I的方法，其中阴影掩模由硅、玻璃、铝或石墨制成。
17.根据权利要求I的方法，其中将阴影掩模的底表面附接至基板的顶表面的步骤还包括 将多个通孔相对基板顶表面上的预定位置对准；和 将阴影掩模的底表面压至基板的顶表面，以形成暂时接合。
18.根据权利要求17的方法，其中在形成预定尺寸的凹部之后移除阴影掩模的步骤还包括 在不损坏阴影掩模或基板的情况下使阴影掩模与基板分离。
19.根据权利要求17的方法，其中将阴影掩模的底表面附接至基板的顶表面的步骤还包括 对所述暂时接合进行退火以形成阴影掩模的底表面与基板的顶表面之间的永久接合。
20.根据权利要求19的方法，其中在形成预定尺寸的凹部之后移除阴影掩模的步骤还包括 逐步移除阴影掩模的材料，以使得基板的顶表面重新暴露。
全文摘要
本发明公开了在基板中形成凹部的方法。通过阴影掩模进行各向同性等离子蚀刻来形成具有曲面特征的轮廓传递基板表面。该阴影掩模具有通孔，通孔的下部与阴影掩模的底表面相邻，通孔的上部位于上方并且比下部窄。通过阴影掩模进行各向同性等离子蚀刻能够在底部开口所包围的区域的中央部分中的平面基板中形成弯曲凹部。在移除阴影掩模后，均匀材料层可以在基板的暴露表面上沉积为在基板表面中的弯曲凹部位置处包含曲面特征。
文档编号B81C1/00GK102730627SQ20121010141
公开日2012年10月17日 申请日期2012年3月31日 优先权日2011年3月31日
发明者格雷戈里·德布拉班德尔, 马克·内波穆尼西 申请人:富士胶片株式会社