用于基板结合的方法和装置的制作方法

专利名称：用于基板结合的方法和装置的制作方法
用于基板结合的方法和装置技术领域
下列描述涉及结合基板。
技术背景
流体喷出系统如喷墨打印机典型地包括从墨供应器到墨喷嘴组合件的墨道(ink path)，所述墨喷嘴组合件包括墨滴从其中喷出的喷嘴。墨仅是可以从喷射打印机中喷出的 流体的一个实例。墨滴喷出可以通过用致动器对在墨道中的墨加压而被控制，所述致动器 如压电偏转器、热气泡喷射发生器或静电偏转元件。典型的打印头模件具有一行或一个阵 列的喷嘴，这些喷嘴具有相应的墨道阵列和相关的致动器，并且液滴从每个喷嘴的喷出可 以被独立地控制。在所谓的“按需滴落(drop-on-demand)”打印头模件中，激发每个致动 器，以选择性地将液滴喷出在介质上的具体位置。在打印操作期间，打印头模件和介质可以 相对于彼此移动。
在一个实例中，打印头模件可以包括半导体打印头主体和压电致动器。所述打印 头主体可以由硅制成，所述的硅被蚀刻以限定泵送室。喷嘴可以由附着到打印头主体上的 单独基板(即，喷嘴层)限定。压电致动器可以具有响应施加的电压而改变几何形状或挠 曲的压电材料层。压电层的挠曲引起膜挠曲，其中所述膜形成泵送室的壁。膜挠曲由此对 沿着墨道设置的泵送室内的墨加压。将压电致动器结合到膜上。
发明_既述
本发明涉及结合基板。大体上，在一个方面，本发明特征在于一种用于将第一基板 结合到第二基板上的方法。用粘合剂层涂布第一基板的表面。将粘合剂层固化到乙阶段。 将第一基板的所述表面定位以与第二基板接触。将第一基板的边缘按压到第二基板的边缘 上，以引起范德华键合。通过范德华键合允许第一和第二基板聚在一起。对结合的第一和 第二基板进行足够时间的充分加热，以完全固化所述粘合剂层
本发明的实施可以包括下列特征中的一个或多个。所述第一基板可以是包括压电 层的致动器层，并且所述第二基板可以是硅膜。所述方法可以进一步包括在用所述粘合剂 层涂布所述第一基板的所述表面之前，氧等离子体处理所述表面。在将所述第一基板和所 述第二基板定位接触之前，可以对所述第二基板进行RCA-I清洁。
所述粘合剂层可以是被旋涂(spim-on)在所述第一基板的所述表面上的苯并环 丁烯。将所述第一基板的边缘按压到所述第二基板的边缘上可以包括施加在约5至20psi 的范围内的力。在用粘合剂层涂布所述第一基板的所述表面之前，可以将所述表面进行化 学-机械抛光。所述粘合剂层可以是苯并环丁烯；并且可以将结合的第一和第二基板加热 至约200°C，历时约40小时，以完全固化苯并环丁烯。所述粘合剂层的总厚度变化率可以为 约1. 5%以下。
本发明的实施可以实现下列优点中的一个或多个。首先用范德华键将两块基板 结合在一起，然后加热结合的基板以完全固化它们之间的粘合剂层，这避免了对所述基板 施加显著的压力，例如使用夹盘施加显著的压力。常规的需要施加压力的结合技术可能对于从完全平坦表面的最轻微偏离敏感。例如，在夹盘上略微突起的区域可能影响在与该夹 盘的突起区域接触的基板附近的粘合剂层的厚度。粘合剂层厚度变化可能具有显著的不 利效果。例如，将压电致动器结合到与泵送室接触定位的膜需要均勻的结合层(bonding layer)。结合层中的厚度变化可能不利地影响泵送室的喷射特性，例如使一些喷射器比其 它的喷射器更快地发射。本文中描述的结合技术避免施加压力以实现所述结合，因此对结 合表面或在结合期间基板所接触的表面中的不平坦性较不敏感。在基板之间包括最初处于 乙阶段而后完全固化的粘合剂层在所述基板之间产生了与最初的范德华键相比相对强的 键。
在附图和下面的描述中阐述了本发明的一个或多个实施方案的详细内容。本发明 的其它特征、目的和优点从所述描述和附图并且从权利要求书中变得明显。


图1是包括结合到膜的致动器的示例性打印头模件的部分的横截面视图。
图2A是显示位于多行泵送室上方的多行致动器的示例性打印头模件的一部分的 平面图。
图2B是图1的打印头模件一部分的放大横截面视图。
图3是用于将致动器层结合到膜上的一个示例性方法的流程图。
图4A-C显示致动器层被结合至膜上的横截面视图。
在各种图中类似的附图标记是指类似的部件。
发明详述
当将两块平坦的基板结合在一起时，可能重要的是具有均勻的结合层。描述的是， 用于用在第一基板与第二基板之间的粘合剂层将第一基板结合到第二基板上的方法、装置 和系统。在粘合剂处于部分固化状态的情况下，利用范德华键合形成初始结合，接着完全固 化所述粘合剂。
在一个示例性实例中，第一基板是致动器(或其至少一部分，如下面进一步论述 的)，并且第二基板是在包括泵送室的打印头模件中使用的膜。致动所述致动器使膜挠曲， 由此将泵送室加压，以喷出打印流体的小滴。将压电致动器结合到硅膜上的常规技术可以 包括将粘合剂涂覆到一个或两个基板上，施加力(例如，5000N)以将两块基板按压在一起 一定的时间(例如，3-4小时)，然后加热所述两块基板至粘合剂层的固化温度，以完成所述 结合。但是，许多因素可能不利地影响粘合剂层的均勻性，如被结合的表面的平坦度，施加 力的表面的平坦度和施加的力的均勻性。当将压电致动器结合到位于泵送室上方的膜上 时，粘合剂层的厚度变化可能不利地影响泵送室的喷射特性。例如，一些喷射器可以比相邻 的喷射器更快地发射。
更均勻的粘合剂层可以通过如下实现首先使用范德华力将两个表面结合在一 起，其中至少一个表面涂布有粘合剂。然后可以固化粘合剂以进一步加强两个表面之间的 结合。出于示例的目的，该结合技术是在将致动器(或其部分)结合到膜上的上下文中描 述的，并且可以被用于具有变化构造的打印头模件中。但是，应当理解所述的结合技术可以 被用来结合用于相同或不同应用的其它类型的基板。由打印头模件沉积的一种示例性流体 是墨。但是，应当理解可以使用其它流体，例如，在发光显示器的制造中使用的电致发光材料，在电路板制造中使用的液态金属，或生物流体。
参考图1，仅出于示例的目的并且在不被限制到所示的特定打印头模件100的情 况下，将在将致动器102结合到膜104上的上下文中描述所述技术。显示的是打印头模件 100 一部分的横截面视图。打印头模件100包括基板108，在基板108中形成许多流体流道 (仅显示一个流道)。打印头模件100还包括许多使流体从所述流道选择性喷出的致动器。 因此，每个流道与其相关的致动器提供可单独控制的MEMS流体喷射器。
在打印头模件的此实施中，进口 106将流体供应器(未示出)流体地连接到基板 108上。进口 106通过沟道(未示出)被流体地连接到进口通道110上。进口通道110被 流体地连接到泵送室112上，例如通过提升器114流体地连接。泵送室112被流体地连接 到终止于喷嘴118中的下降器116上。喷嘴118可以由附着到基板108上的喷嘴层120限 定。喷嘴118包括由所述喷嘴层120的外表面限定的出口 122。在一些实施中，可以设置再 循环通道124，以将下降器116流体地连接到再循环沟道1 上。
膜104形成在基板108的紧邻泵送室112的顶部上，例如膜104的下表面可以限 定泵送室112的上边界。将致动器102安置在膜104的顶部，并且粘合剂103在致动器102 和膜104之间。
参考图2A，示出了打印头模件100—部分的平面图。在一些实施中，每个泵送室 112具有相应的电隔离的致动器102，所述致动器102可以被独立地致动。在此实施中，示 出了两行致动器102。所述两行致动器102对应于两行泵送室112，所述两行泵送室112可 以对应于在泵送室112下面的两行喷嘴118。
参考图2B，在此实施中，致动器102包括在电极130和132之间的压电层131，以 允许致动器102由电路(未示出)致动。例如，电极130可以是驱动电极并且电极132可 以是接地电极，其中施加给驱动电极130的电压产生跨过压电层131的电压差，从而使压电 材料变形。此变形可以使膜104偏转入泵送室112中，从而迫使流体从泵送室112出来。
由于压电层131典型地被形成为非常薄的层，例如，小于20微米，其在不损坏所述 层的情况下可能难以处理，因此致动器102可以以至少下面的两种方式形成，但是其它形 成技术是可能的。在一种技术中，将底电极即电极132形成在相对厚的压电层的底部上。在 此实施中，其上形成有电极132的厚压电层在本文中被称作"致动器层"，因为其实际上 不是致动器，而是在致动器形成过程中的一个阶段包括其一些部件。然后可以使用本文中 的结合方法将致动器层结合到已经结合到基板108上的膜104上。然后可以平面化厚压电 层，以将厚度降低至需要的厚度，即，形成压电层131。然后可以将顶电极即电极130形成在 压电层131的顶部上。
在另一种技术中，将相对厚的压电层形成在支撑晶片上。然后平面化压电层，以将 厚度降低至需要的厚度，即，形成压电层131。支撑晶体提供用于形成压电材料的这样薄层 所需要的刚性。然后将压电层131的暴露表面金属化，以形成底电极，即电极132。在此实 施中，附着到支撑晶体上并且其上形成有电极132的压电层131是"致动器层"。使用本 文中所述的结合方法，将致动器层结合到膜104上。然后将支撑晶片从压电层131上除去。 然后，可以将压电层131的新暴露表面金属化，以形成顶电极，即电极130。
膜104可以由硅(例如，单晶硅)，其它半导体材料，氧化物，玻璃，氮化铝，碳化硅， 其它陶瓷或金属，绝缘体上的硅或任何深度可轮廓化的(cbpth-profilable)基板形成。例如，膜104可以由惰性材料构成并且具有顺从性，使得致动器102的致动造成的膜104的 挠曲足以对泵送室112中的流体加压。在一些实施中，膜104的厚度可以在约1微米和约 150微米之间。更具体而言，在一些实施中，厚度范围在约8至20微米之间。由Bibl等 于2004年10月日提交的且于2005年5月12日公布的名称为〃 Print Head with Thin Membrane"的美国专利公开2005/0099467，描述了打印头模件的实例及制造技术，所述美 国专利公开2005/0099467的全部内容通过引用结合在此。
图3是用于将致动器层结合到膜上的示例性方法300的流程图。出于示例性目的， 致动器层可以是在形成图1-2B中所示的致动器102的方法中的一个阶段的部件，如上面参 考图2B所论述的。膜可以是膜104。但是，应当理解在相同或不同构造的打印头模件中使 用的致动器102和膜104的其它构造的情况下也可以使用方法300。
致动器层通过至少清洁将要结合到膜104上的表面而制备(步骤302)。在一些实 施中，使用A等离子体清洁方法。将所述表面用A等离子体处理，以化学活化所述表面，这 可以改善粘合剂至所述表面的结合。
将粘合剂层涂覆到致动器层的将要结合到膜104的表面上(步骤304)。粘合剂沈 可以是有机材料如环氧化物(例如，聚酰亚胺或苯并环丁烯(BCB))，或其它适宜的材料。可 以将粘合剂通过旋涂加工涂覆至例如约0. 3至3微米的厚度。在一个特殊的实例中，粘合 剂的厚度为约1.2微米。粘合剂是热固性粘合剂，例如，包括热固性树脂的粘合剂，并且被 部分地固化至"乙阶段"(步骤306)。乙阶段是指一些热固性树脂的反应中的第二阶段， 其特征在于，树脂在加热时软化并且在存在某些液体时溶胀，但是没有完全融化或溶解。乙 阶段的特征还可以在于粘度的逐渐增加。
在粘合剂是BCB的一种实施中，可以将BCB在约100°C加热约20分钟以到达乙阶段。
准备膜104的将要结合到致动器层的表面(步骤308)。从所述表面除去可能妨碍 结合和/或喷射性能的粒子。在一种实施中，将膜104在氢氧化铵和过氧化氢溶液的RCA 浴中、在约70°C清洁10分钟，即标准的RCA-I清洁。
一旦致动器层和膜104都制备出，将致动器层与膜104接触放置(步骤310)。例 如，如图4A中所示，将致动器层放置在膜104的顶部上。典型地，致动器层和膜104各自可 以具有约30-50微米的弓形，所述的弓形出于示例的目的以夸张的形式示于图4A中，其中 致动器层由元件105表示。
参考图4B，迫使致动器层105和膜104沿着边缘直接接触，以引起范德华结合(步 骤310)。可以使用相对小的例如约5psi的力以引起结合。粘合剂涂布的致动器层105和 膜104逐渐聚在一起，并且通过范德华键保持在一起(参见图4C)。在致动器层105和膜 104聚在一起时，迫使在这两个部件之间的空气出来，从而留下平坦均勻的结合层。在一些 实施中，使用此技术，可以在约10分钟内将致动器层105和膜104结合在一起。在一些实 施中，可以将真空热压缩粘接机如可获自奥地利Florian/Inn的EV Group的EVG粘接 机用来施加这种相对小的力，以引起范德华结合。
然后可以将结合的致动器层105和膜104转移至烘箱中并且暴露于足够的加热足 够的时间，以完全固化粘合剂(步骤31幻。例如，如果使用BCB粘合剂，可以将结合的层在 200°C的烘箱中固化40小时。尽管可以将更高的温度更短的时间用来固化BCB粘合剂，但是可以有意地将温度保持较低，例如在200°C，以避免不利地影响致动器层105中包括的压 电层，例如使压电层脱芯(cbpoling)。
使用方法300的粘合剂厚度的总厚度变化率(TTV)可以为约σ = 10%以下(例 如5%以下，或1.5%以下)。相反，使用常规结合技术，变化率可能高达30%。S卩，可以在 几个点测量粘合剂的厚度，并且计算所述点的标准偏差，以确定跨过致动器/膜组合件的 粘合剂的厚度变化率。在一个实例中，可以使用膜(filmetric)光学测量装置测量厚度。
在其它实施中，可以将粘合剂涂覆于膜104和致动器层105两者上。
再参考在图1中所示的示例性打印头模件，在操作中，流体通过进口 106流入到基 板108中并且通过进口通道110。流体流上提升器114并且进入泵送室112。在泵送室112 上方的致动器102被致动时，致动器102使膜104偏转进入泵送室112中。所产生的泵送 室112的体积变化迫使流体从泵送室112中出来并且进入下降器116。然后流体通过喷嘴 118并且从出口 122中出来，条件是致动器102已经施加了足够的压力，以迫使流体的小滴 通过喷嘴118。然后流体小滴沉积在基板上。在一个实施中，在将膜结合到基板108余下部 分之后，将致动器102结合到膜104上。
再参考图2B中，在所示的实例中，压电致动器102包括接地电极132，压电层131 和驱动电极130。压电层131是压电材料的薄膜并且其厚度可以为约50微米以下，例如约 25微米至1微米。在一个特定的实例中，压电层的厚度在约8至18微米的范围内。
在一些实施中，压电层可以由具有适宜性质如高密度、低空隙和高压电常数的压 电材料构成。通过使用包括在将压电材料结合到基板上之前将其烧制的技术，可以在压电 材料中建立这些性质。例如，本身模制并且烧制的压电材料(与在载体上相反)具有的优 点在于，可以将高压力用来将所述材料压紧在模具(加热或不加热的)中。此外，典型地需 要较少的添加剂如流动剂和粘接剂。在烧制过程中可以使用更高的温度如1200-1300°C， 从而允许更好的烧成和晶粒生长。可以使用降低I3KK由于高温)从陶瓷中损失的烧制气 氛(例如富铅气氛)。可以将模制部件的可能已经损失PbO或具有其它退化的外表面切除 并且弃掉。还可以将材料由热等静压压制(HIPs)加工，在加工期间，陶瓷承受高压，典型地 1000-2000atm。典型地在已经烧制压电材料块之后进行热等静压压制(Hipping)方法，并 且该方法用来提高密度、减少空隙和增大压电常数。
通过降低相对厚的晶片的厚度，可以形成预烧制的压电材料的薄层。精确研磨技 术如水平研磨和化学机械抛光(CMP)可以产生具有平滑、低空隙表面形态的高度均勻的薄 层。在水平研磨中，将工件安装在旋转夹盘上，并且使工件的暴露表面与水平研磨轮接触。
所述研磨和抛光可以产生例如1微米以下，例如约0. 5微米以下的平坦度和平行 度以及在晶体上表面抛光至5nm Ra以下(例如，Inm)。研磨还产生对称的表面抛光和均勻 的残余应力。需要时，可以形成微凹或凸的表面。在一些实施中，可以将压电晶片在研磨之 前结合到基板如模件基板上，使得薄层得到支撑并且降低碎裂和翘曲的可能性。
在一些实施中，压电材料的密度为约7. 5g/cm3以上，例如，约8g/cm3至10g/cm3。 d31系数可以约200以上。HIPS处理过的压电材料可作为H5C和H5D获自日本住友压电材 料株式会社(Sumitomo Piezoelectric Materials，Japan)。H5C材料显示出的表观密度为 约8. 05g/cm3和d31为约210。H5D材料显示出的表观密度为约8. 15g/cm3和d31为约300。 晶片典型地为约Icm厚并且可以被切方块成约0. 2mm。可以将切方块的晶体结合到模件基板上，然后研磨至需要的厚度。压电材料可以由包括压制、刮刀式涂布、生片、溶胶凝胶或沉 积技术的技术形成。优选高密度、高压电常数材料，但是研磨技术也可以在更低性能的材料 的情况下使用，以提供薄层和平滑均勻的表面形态。还可以使用单晶压电材料如铌酸镁铅 (PMN)，其可获自 TRS Ceramics，Philadelphia，PA。
电极130，132可以是金属如铜、金、钨，镍-铬(NiCr)，氧化锡铟(ITO)，钛或钼，或 金属的组合。可以将金属真空沉积到压电层131上。电极层的厚度可以为例如约2微米以 下，例如约0. 5微米。在特定的实施方案中，可以使用ITO以减少短路(shorting)。ITO材 料可以填充压电材料中的小空隙和通路，并且具有足够的电阻以减少短路。此材料对于以 相对高电压驱动的薄压电层是有利的。此外，在涂覆电极层之前，可以用电介质处理压电材 料表面，以填充表面空隙。空隙可以通过如下填充将介电层沉积到压电层表面上，然后研 磨或抛光介电层以暴露压电材料，使得在表面中的任何空隙保持被电介质填充。电介质降 低了击穿的可能性并且提高了操作均勻性。介电材料可以是例如，二氧化硅，氮化硅，氧化 铝或聚合物。可以通过溅射或真空沉积技术如PECVD沉积介电材料。
膜104典型地是惰性材料并且具有顺从性，使得压电层的致动引起膜104挠曲以 足以对泵送室中的墨加压。膜104的厚度均勻性提供跨过模件的精确而均勻的致动。膜材 料可以以厚板(例如厚度为约Imm以上)的形式提供，将其使用水平研磨而研磨至需要的 厚度。例如，可以将膜104研磨至约25微米以下，例如约12微米的厚度。在实施方案中， 膜104具有约60吉帕以上的模量。示例性材料包括玻璃或硅。一个特定的实例是硼硅酸 盐玻璃，其作为Boroflot EV 520可获自德国Schott Glass。
在上面所述的实施中，致动器层包括其上形成有电极的压电层，并且将电极面对 的表面结合到膜上。在其它实施中，电极可以改为形成在膜上，并且可以将粘合剂旋涂到压 电层上，以将压电层结合到膜上。在此实施中，粘合剂层形成在下电极(例如，电极132)和 压电层(例如，层131)之间。
在整个说明书和权利要求中，术语如"前"和"后"和"顶"和"底"的使用是 仅出于示例性目的，以在打印头模件的各种部件和本文描述的其它元件之间区分。“前" 和"后"和"顶"和"底"的使用不暗示打印头模件的具体取向。类似地，在整个说明书 中使用水平和垂直来描述元件是与所述的实施相关的。在其它实施中，相同或类似的元件 可以根据情况与水平或垂直取向不同地取向。
已经描述了本发明的大量实施方案。但是，应当理解，可以在不离开本发明的精神 和范围的情况下进行各种改变。例如，方法300中的步骤可以以不同于所示的顺序进行，并 且仍然实现需要的结果。因此，其它实施方案在后附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种用于将第一基板结合到第二基板上的方法，所述方法包括 用粘合剂层涂布所述第一基板的表面；将所述粘合剂层部分固化到乙阶段；将所述第一基板的所述表面定位以与所述第二基板接触；将所述第一基板的边缘按压到所述第二基板的边缘上以引起范德华键合；通过范德华键合允许所述第一和第二基板聚在一起；和对结合的第一和第二基板进行足够时间的充分加热以完全固化所述粘合剂层。
2.权利要求1所述的方法，其中所述第一基板包含致动器层，所述致动器层包括压电 层，并且所述第二基板包含硅膜，所述方法还包括在用所述粘合剂层涂布所述第一基板的所述表面之前，氧等离子体处理所述表面；和 在将所述第一基板和所述第二基板定位接触之前，RCA-I清洁所述第二基板。
3.权利要求2所述的方法，其中所述粘合剂层包含苯并环丁烯并且被旋涂到所述第一 基板的所述表面上。
4.权利要求1所述的方法，其中将所述第一基板的边缘按压到所述第二基板的边缘上 包括施加在约5至20psi的范围内的力。
5.权利要求1所述的方法，所述方法还包括在用粘合剂层涂布所述第一基板的所述表面之前，化学-机械抛光所述表面。
6.权利要求1所述的方法，其中 所述粘合剂层包含苯并环丁烯；并且对结合的第一和第二基板进行足够时间的充分加热以完全固化所述粘合剂层包括将 结合的第一和第二基板加热至约200°C，历时约40小时。
7.权利要求1所述的方法，其中所述粘合剂层的总厚度变化率为约1.5%以下。
全文摘要
描述的是用于将第一基板结合到第二基板上的方法。用粘合剂层涂布第一基板的表面。将粘合剂层固化到乙阶段。将第一基板的所述表面定位以与第二基板接触。将第一基板的边缘按压到第二基板的边缘上，以引起范德华键合。通过范德华键合允许第一和第二基板聚在一起。对结合的第一和第二基板进行足够时间的充分加热，以完全固化所述粘合剂层。
文档编号B29C65/00GK102036805SQ200980118602
公开日2011年4月27日 申请日期2009年5月8日 优先权日2008年5月23日
发明者安德烈亚斯·比布尔, 杰弗里·比克迈尔, 约翰·A·希金森, 陈振方 申请人:富士胶片株式会社