專利名稱：壓電材料的加工的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電材料的加工。
背景技術(shù)：
壓電材料當(dāng)經(jīng)受機(jī)械應(yīng)力時可以產(chǎn)生電或者電壓差?；蛘?，在壓電材 料兩端施加電壓可以引起逆壓電效應(yīng)，即，當(dāng)施加電壓時壓電材料發(fā)生機(jī) 械變形。逆壓電效應(yīng)可以在壓電材料中引起極高的彎曲力。利用產(chǎn)生電和 逆壓電效應(yīng)的這兩種性質(zhì)用于電和機(jī)械器件，例如換能器如致動器和傳感
器。在微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)中，可以將多個包含致動器和傳感器的組合的換 能器組合在一起。
MEMS通常具有使用常規(guī)半導(dǎo)體加工技術(shù)在半導(dǎo)體基底中形成的機(jī)械 結(jié)構(gòu)。MEMS可以包括單一結(jié)構(gòu)或者多重結(jié)構(gòu)。MEMS具有電部件，在該 電部件中電信號觸發(fā)MEMS中的各結(jié)構(gòu)或者電信號通過MEMS中各結(jié)構(gòu)的 觸發(fā)而產(chǎn)生。
MEMS的一種實(shí)施包括主體，其具有形成于該主體中的腔室；以及 壓電致動器，其形成在該主體的外表面上。該壓電致動器具有壓電材料(如 陶瓷)層以及用于傳輸電壓的元件如電極。該壓電致動器的各電極可以在壓 電材料的兩端施加電壓或者傳輸在使壓電材料變形時產(chǎn)生的電壓。

發(fā)明內(nèi)容
在一種實(shí)施中，描述一種形成MEMS的方法。將壓電材料層的第一表 面結(jié)合到轉(zhuǎn)移基底(transfersubstrate)上。將該壓電材料的暴露表面拋光，該 暴露的表面與該第一表面相反以形成經(jīng)拋光的表面。將該經(jīng)拋光的表面結(jié) 合到MEMS主體上。
在另一實(shí)施中，描述一種形成MEMS的方法。將壓電材料塊拋光以形 成平坦表面。將導(dǎo)電層施力。(apply)在該平坦表面上。將該導(dǎo)電層結(jié)合在轉(zhuǎn)移 基底上，讓與該平坦表面相反的表面暴露。在將該導(dǎo)電層結(jié)合到該轉(zhuǎn)移基
4底上后，使壓電材料塊變薄。將與該平坦表面相反的表面拋光。在將與該 平坦表面相反的表面拋光后，將該壓電材料結(jié)合到其中形成有腔室的主體 上。除去該轉(zhuǎn)移基底。
各實(shí)施方式的實(shí)施可包括下列特征的一種或者多種。將壓電材料層的 第一表面結(jié)合到轉(zhuǎn)移基底上可以包括用樹脂將該第一表面粘附到該轉(zhuǎn)移基
底上。將該經(jīng)拋光的表面結(jié)合到MEMS主體上可以包括用樹脂將該經(jīng)拋光 的表面粘附到MEMS主體上。所述拋光可以為化學(xué)機(jī)械拋光。該轉(zhuǎn)移基底 可以具有約l-10埃的表面粗糙度。該經(jīng)拋光的表面可以具有約10-20埃的 表面粗糙度。可以在該經(jīng)拋光的表面上形成導(dǎo)電層?？梢栽趯⒃摻?jīng)拋光的 表面結(jié)合到該MEMS主體上之前切割該壓電材料。該壓電材料的一部分可 以在拋光之前磨掉?？梢阅サ艉?或拋光掉該轉(zhuǎn)移基底。可以對該壓電材料 的與該經(jīng)拋光的表面相反的表面進(jìn)行拋光。導(dǎo)電層可以形成在該壓電材料 的與該經(jīng)拋光的表面相反的表面上。拋光該暴露的表面可以包括從該壓電 材料拋光掉至少約4微米或者約4-10微米以除去損傷。
本文中所描述的方法和器件可以提供下列優(yōu)點(diǎn)的一種或者多種。 一些 方法例如研磨可以損傷壓電材料的表面。拋光可以從壓電材料除去表面損 傷。從薄的壓電材料層例如小于20、 IO或者5微米厚的材料的表面除去損 傷可以從該壓電材料除去裂紋。對可以從大塊壓電材料產(chǎn)生的壓電材料的 厚度沒有限制。通過研磨，可以將材料的厚度限制為不被損傷或者不受損 傷影響的厚度例如小于IO微米。拋光還可以提供具有更加均勻的壓電特性 的表面。因此，經(jīng)拋光的壓電致動器可以沿著其長度和/或?qū)挾缺憩F(xiàn)出均勻 性。在拋光期間把持壓電材料的轉(zhuǎn)移基底可以是非常平坦的并且可以使從 基底的一端到另一端的總厚度變化保持得非常低，這使壓電材料具有厚度 和響應(yīng)的均勻性。如果壓電材料在被圖案化之前拋光，則可以從工件的邊 緣排除來自拋光工藝的任何塌邊(rolloff)。因此，在單獨(dú)的壓電部件或者島 狀物的頂部上沒有塌邊。


圖1為MEMS的橫截面視圖。
圖2-12為形成MEMS的致動器的過程的橫截面視圖。 圖13為圖2-12中所示步驟的流程圖。不同附圖中的相同標(biāo)記符號表示相同的元件。
具體實(shí)施例方式
參照圖1， MEMS 100具有腔室120被膜130覆蓋的主體110。致動器 140與腔室120中的至少一些關(guān)聯(lián)，即致動器140與腔室120對齊，使得當(dāng) 致動器變形時，致動器140對其相應(yīng)的腔室120加壓。致動器140各自包 括由壓電材料150形成的部分和一個或者多個電極160。膜130足夠柔韌， 使得當(dāng)觸發(fā)致動器140時或者當(dāng)腔室120內(nèi)部的壓力變化時，膜130彎曲。
參照圖2和13,通過從壓電材料塊(block)200開始來制造用于MEMS 100的致動器(步驟410)。壓電材料可以為具有呈現(xiàn)出壓電效應(yīng)的晶體的材 料，例如具有鈣鈦礦或者鎢-青銅結(jié)構(gòu)的陶瓷，或者例如鋯鈦酸鉛(PZT)或者 鈮酸鉛鎂(PMN)的材料。
塊200是預(yù)燒結(jié)的(pre-fired)材料片，其不需要進(jìn)一步的固化(curing)。 該塊可以具有約300-800微米的初始加工厚度。在一個實(shí)施中，壓電材料為 PZT并且所述PZT具有約7.5g/cm3或者更高，例如約8g/cm3的密度。d31 系數(shù)可以為約200或者更大。經(jīng)HIPS處理的壓電材料基底可作為來自 Sumitomo Electric Industries,Osaka,Japan的H5C和H5D得到。該H5C材料 呈現(xiàn)出約8.05 g/cn^的表觀密度和約210的d31。該H5D材料呈現(xiàn)出約8.15 g/cm3的表觀密度和約300的d31。預(yù)燒結(jié)材料的楊氏模量可以為約70GPa， 而溶膠凝膠壓電材料的楊氏模量通常為約10-40GPa。
基底通常為約lcm厚，并且可以從基底鋸出具有所需加工厚度的塊。 壓電材料可以通過包括壓制、刮涂、生片(green sheet)、溶膠凝膠或者沉積 的4支術(shù)而開j成。在Piezoelectric Ceramics, B.Jaffe, Academic Press Limited, 1971中討論了壓電材料制造，將該文獻(xiàn)的全部內(nèi)容引入本文作為參考。在 第258-259頁處描述了形成方法，包括熱壓。還可以使用可得自TRS Ceramics, Philadelphia, PA的單晶壓電材料例如PMN。與賊射、絲網(wǎng)印刷或 者溶膠凝膠形成的PZT材料相比，大塊(bulk)PZT材料可以具有更高的d系 數(shù)、介電常數(shù)、耦合系數(shù)、剛度和密度。
可以通過使用包括在將壓電材料附著到主體上之前燒結(jié)(fire)該材料的 技術(shù)在該壓電材料中形成這些性質(zhì)。例如，模制并且單獨(dú)燒結(jié)的壓電材料(與 在支撐體上相反)具有如下優(yōu)點(diǎn)可以使用高的壓力以將該材料裝填到模具(經(jīng)加熱或者未加熱)中。此外，通常需要較少的添加劑，例如流平劑和粘合
劑。在燒結(jié)過程中可以使用較高的溫度，例如1200-1300°C,從而容許更好 的燒成和晶粒生長。與通過溶膠凝膠或者濺射技術(shù)形成的壓電層不同，大 塊壓電材料中的晶?？梢跃哂屑s2-4微米的寬度。可以使用燒結(jié)氣氛(例如 富鉛氣氛)以減少陶瓷中PbO的損失(由于高溫引起)。將模制部件的可能具 有PbO損失或者其它降解的外表面切除并丟棄。該材料也可以通過高溫等 靜壓燒結(jié)(HIPs)加工，在HIPs期間，使陶瓷經(jīng)受高的壓力。Hipping過程可 以在燒結(jié)期間或者在燒結(jié)壓電材料塊之后進(jìn)行，并且用于提高密度、減少 空隙和增加壓電常數(shù)。Hipping過程可以在氧氣或者氧氣/氬氣氣氛中進(jìn)行。 參照圖3和13，使塊120平坦化以獲得平坦表面210(步驟420)。用化 學(xué)機(jī)械拋光(CMP)設(shè)備進(jìn)行平坦化或者拋光。CMP通過與材料進(jìn)行化學(xué)反 應(yīng)以及通過物理拋光掉材料而起到除去材料的作用。CMP設(shè)備使用把持待 拋光材料使之抵靠著拋光表面的旋轉(zhuǎn)卡盤(rotatingchuck)。此外，將漿料引 入到該拋光表面和待拋光材料之間。該漿料為具有研磨顆粒的液體。通常， CMP拋光中的化學(xué)反應(yīng)取決于所選的漿料。如果壓電材料塊200由PZT形 成，則該拋光表面可以為硬聚氨酯墊。該漿料可以具有硅石顆粒和堿性pH, 例如pH為11 。在一些實(shí)施中，該漿料為來自位于日本的Kiyosu的Fujimi，Co. 的P4217。對于其它壓電材料，其它拋光墊或者拋光液對于拋光可為最佳的。 可以拋光掉暴露表面210的約4-10微米。將至少4微米拋光掉以除去表面 損傷，例如由研磨引起的損傷。通過拋光可以獲得約10-20埃的表面粗糙度。 在CMP拋光中，在正被拋光的層的邊緣處可以出現(xiàn)塌邊。即，邊緣可以以 不同于材料中心的速度拋光。為防止塌邊影響從壓電材料層的一端到另一 端的最終公差，在后續(xù)步驟中可以除去該材料的邊緣部分。在一些實(shí)施中， 壓電材料塊具有例如在長度和寬度方向上比該壓電材料的最終可用區(qū)域大 至少lcm的區(qū)i或。
參照圖4和13,將經(jīng)拋光的平坦表面210金屬化以形成電極層220(步 驟430)。所述電極層包含導(dǎo)電材料例如一種或者多種金屬的層。在一些實(shí) 施中，將鈦鴒層施加到平坦表面210上。然后將金層施加在鈦鎢上。鈦鎢 使得金層能夠附著到塊200上。其它導(dǎo)電材料可以代替鈦鴒和金使用。形 成電極層220的步驟是任選的，這取決于要形成的致動器的類型。
參照圖5和13,將電極層220結(jié)合到轉(zhuǎn)移基底230上(步驟440)。轉(zhuǎn)移基底230具有非常平坦的表面，例如具有小于1微米的平面度的材料。此 外，轉(zhuǎn)移基底可具有小于約50埃、小于約40埃、小于約30埃、或者小于 約20埃、例如約10-20埃的粗糙度。在一些實(shí)施方式中，轉(zhuǎn)移基底為半導(dǎo) 體，例如硅如單晶硅。結(jié)合材料240，例如樹脂如環(huán)氧樹脂或者聚合的苯并 環(huán)丁烯(BCB)可以用于將電極層220結(jié)合到轉(zhuǎn)移基底230上。壓電材料可以 結(jié)合到常規(guī)用于半導(dǎo)體加工中的材料例如硅或者氧化硅上。或者，壓電材 料可以附著到另一個能夠具有上述平坦表面的基底上。
參照圖6和13,進(jìn)行使壓電材料塊200變薄的任選步驟以形成壓電材 料層250(步驟450)。所述塊200可以通過研磨變薄。在水平研磨中，將工 件安置在具有機(jī)械加工至高的平面度公差的基準(zhǔn)面的旋轉(zhuǎn)卡盤上。將工件 的暴露表面與水平砂輪接觸，并且以高的公差對齊。研磨可以在基底上產(chǎn) 生例如約0.5微米或者更小(例如約0.3微米或者更小)的平面度和平行度。 研磨還產(chǎn)生均勻的殘余應(yīng)力。在該組件完成后，所述層可以比該壓電材料 的最終厚度厚，例如，比所述最終厚度厚約2-100微米，或者約4-50微米 或者約8-20微米。研磨過程可以產(chǎn)生約5微米深的表面損傷。所述層可以 為比壓電層的最終所需厚度大出表面損傷的厚度。
參照圖7和13,將壓電材料層250的暴露表面260拋光(步驟460)。該 拋光步驟可以類似于以上結(jié)合圖3描述的先前的拋光步驟。
參照圖8和13，根據(jù)需要加工壓電材料層250以形成致動器(步驟470)。 在一些實(shí)施方式中，在層250中形成切口 270以將鄰近的致動器140彼此 分開。切口 270延伸到轉(zhuǎn)移基底230中。這些切口使得實(shí)現(xiàn)待形成用于完 成的MEMS的壓電材料島狀物。導(dǎo)電層280形成在層250的暴露表面上。 導(dǎo)電層280包含導(dǎo)電材料，例如一種或者多種金屬如鈦鴒和金。在2004年 10月15日提交的美國專利申請No.10/967,073中描述了這樣的加工，將該 文獻(xiàn)引入本文作為參考用于所有目的。
參照圖9和13,在步驟470中的任何所需加工后，將層250結(jié)合到主 體110上(步驟480)。主體110為MEMS的主體并且具有腔室U0。切口 270 與主體中在各腔室120之間的位置對齊。根據(jù)是否有導(dǎo)電層280而將壓電 材料層250或者導(dǎo)電層280結(jié)合到主體110上?？梢杂脢A層即結(jié)合材料例 如BCB進(jìn)行結(jié)合，或者不用夾層，例如用低共熔結(jié)合或者直接結(jié)合進(jìn)行結(jié) 合，這樣的方法描述于2007年5月3日提交的相關(guān)美國專利申請No.l 1/744,105中，將該文獻(xiàn)引入本文作為參考用于所有目的。
參照圖10和13,至少部分地除去轉(zhuǎn)移基底230(步驟490)。轉(zhuǎn)移基底 230可以通過研磨除去。在壓電材料層250上留下薄的轉(zhuǎn)移基底層。
參照圖11和13,轉(zhuǎn)移基底通過拋光完全地除去(步驟500)。拋光工藝 可以是高度選擇性的，即，對轉(zhuǎn)移基底的拋光速率可以比對電極層220的 拋光速率高得多。因此，除去轉(zhuǎn)移基底230的拋光對金屬不是有效的。因 此，電極層220起到用于拋光過程的金屬停止物的作用。如果轉(zhuǎn)移基底230 由硅形成，則拋光工藝可以類似于上述工藝。然而，不同的漿料(例如來自 Fujimi的具有硅石顆粒和pH為7的5FA)可以改善拋光結(jié)果。主體110、導(dǎo) 電層220、 280和壓電材料層250的所得組件可以形成部分完成的或者完成 的MEMS。
任選地，可以進(jìn)一步加工電極層220以改善電極質(zhì)量。在一些實(shí)施方 式中，蝕刻電極層220以從其中不需要電極的部位除去導(dǎo)電材料。完成的 致動器的上層電極可能未覆蓋壓電島狀物的整個頂部表面。在一些實(shí)施方 式中，例如通過賊射金屬層向電極層220添加新的導(dǎo)電材料層，以填充任 何擦傷?？梢酝ㄟ^掩模來施加導(dǎo)電材料或者可以蝕刻導(dǎo)電材料以界定電極 的位置。或者，可以在施加導(dǎo)電材料之前將光刻膠層涂布到電極層220上。 然后在施加導(dǎo)電材料之后除去光刻膠，這將除去(liftoff)不想要的導(dǎo)電材料。 在 一 些實(shí)施方式中，將所有的電極層220剝?nèi)ゲ⑶沂┘有碌碾姌O層。
在一些實(shí)施方式中，壓電材料層250的外圍區(qū)域310在除去轉(zhuǎn)移基底 230后保留下來。參照圖12和13,壓電材料的外圍區(qū)域310可以例如通過 切割、切成小方塊(dicing)或者蝕刻而從組件除去(步驟510)。由于拋光工藝， 外圍區(qū)域310可以呈現(xiàn)一些塌邊量。即，在壓電材料層250的邊緣處，拋 光可較快或者較慢。拋光表面的柔順性(compliancy)也可對塌邊有貢獻(xiàn)。為 提高致動器之間的一致性，將壓電材料的靠近比中心部分薄或者厚的邊緣 的部分除去。在單一組件上形成多個MEMS時，MEMS可以從組件拆散成 單獨(dú)的基片(chip)。還可在該步驟中除去外圍部分310。
上述步驟的一個或者多個可以從該方法中排除，同時容許所述方法提 供相同的優(yōu)點(diǎn)。而且，所述各步驟可以以不同的順序進(jìn)行。拋光壓電材料 層或塊防止在各個單獨(dú)的致動器上出現(xiàn)塌邊。所述塌邊可出現(xiàn)在壓電材料 的未使用區(qū)域，但是這部分可以在完成MEMS器件之前除去。經(jīng)拋光的壓電材料的厚度均勻性、或者總厚度變化(TTV)取決于拋光工藝和在拋光期間
把持壓電材料的轉(zhuǎn)移基底的平面度。當(dāng)壓電材料被具有非常小的(tight)TTV 的轉(zhuǎn)移基底把持時，可以將壓電材料拋光成具有小的TTV?？梢詫⒐杌?拋光成具有約1-10埃的表面粗糙度(Ra)(例如在6英寸、8英寸或者12英寸 基底上)。被拋光至1-10埃的Ra的基底把持的壓電層在拋光后可以具有 10-20埃的Ra值。如果壓電材料是在施加到MEMS的主體上之后拋光的， 并且所述主體由經(jīng)拋光基底的多個層形成，則來自各基底的TTV會累積而 引起經(jīng)拋光的壓電材料具有較差的TTV,例如約1-2微米。
MEMS主體的膜是足夠順從的以將致動器的彎曲傳遞到相應(yīng)的腔室， 反之亦然。這種順從性可以是由于膜是柔韌的或者薄的而引起的。如果壓 電材料先附著到MEMS主體上然后研磨，則研磨力對于膜而言太大而不能 承受并且可以損傷膜。如果將壓電材料研磨至小于約IO微米，則研磨力可 以損傷膜。在研磨期間使用轉(zhuǎn)移基底作為壓電材料的支座(holder)，防止引 起對膜的損傷。而且，轉(zhuǎn)移基底提供了操縱壓電材料的把手(handle)。而且， 如果在拋光期間將壓電材料附著到MEMS上，則任何可能從MEMS主體脫 落的碎屑或者顆粒可以擦傷該壓電材料。 一些壓電材料，例如PZT,特別 軟并且容易擦傷。與經(jīng)加工的MEMS主體相比，固體轉(zhuǎn)移基底不太可能脫 落顆粒。
已描述了本發(fā)明的許多實(shí)施方式。然而，應(yīng)理解，可進(jìn)行各種修改而 不脫離本發(fā)明的精神和范圍。因此，其它實(shí)施方式在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
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權(quán)利要求
1. 一種形成MEMS的方法，包括將壓電材料層的第一表面結(jié)合到轉(zhuǎn)移基底上；將所述壓電材料的暴露表面拋光以形成經(jīng)拋光的表面，所述暴露表面在所述壓電材料層的與所述第一表面相反的一側(cè)上；和將所述經(jīng)拋光的表面結(jié)合到MEMS主體上。
2. 權(quán)利要求l的方法，其中將壓電材料層的第一表面結(jié)合到轉(zhuǎn)移基底 上包括用樹脂將所述第 一表面粘附到所述轉(zhuǎn)移基底上。
3. 權(quán)利要求1的方法，其中將所述經(jīng)拋光的表面結(jié)合到MEMS主體上 包括用樹脂將所述經(jīng)拋光的表面粘附到所述MEMS主體上。
4. 權(quán)利要求l的方法，其中所述拋光是化學(xué)機(jī)械拋光。
5. 權(quán)利要求1的方法，其中所述轉(zhuǎn)移基底具有約l-10埃的表面粗糙度。
6. 權(quán)利要求l的方法，其中所述經(jīng)拋光的表面具有約10-20埃的表面 粗糙度。
7. 權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括在所述經(jīng)拋光的表面上形成導(dǎo)電層。
8. 權(quán)利要求l的方法，進(jìn)一步包括在將所述經(jīng)拋光的表面結(jié)合到所述 MEMS主體上之前切割所述壓電材料。
9. 權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括在拋光之前磨掉部分所述壓電材料。
10. 權(quán)利要求l的方法，進(jìn)一步包括磨掉所述轉(zhuǎn)移基底。
11. 權(quán)利要求10的方法，進(jìn)一步包括拋光掉所述轉(zhuǎn)移基底。
12. 權(quán)利要求10的方法，進(jìn)一步包括將所述壓電材料的與所述經(jīng)拋光 的表面相反的表面拋光。
13. 權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括在所述壓電材料的與所述經(jīng)拋光 的表面相反的表面上形成導(dǎo)電層。
14. 權(quán)利要求1的方法，其中拋光所述暴露的表面包括從所述壓電材 料拋光掉至少約4微米以除去損傷。
15. 權(quán)利要求1的方法，其中拋光所述暴露的表面包括從所述壓電材 料拋光掉約4-10微米以除去損傷。
16. —種形成MEMS的方法，包括 拋光壓電材料塊以形成平坦表面；將導(dǎo)電層施加到所述平坦表面上；將所述導(dǎo)電層結(jié)合到轉(zhuǎn)移基底上，讓與所述平坦表面相反的表面暴露; 在將所述導(dǎo)電層結(jié)合到所述轉(zhuǎn)移基底上之后，使所述壓電材料塊變薄; 將與所述平坦表面相反的表面拋光；在將與所述平坦表面相反的表面拋光后，將所述壓電材料結(jié)合到其中 形成有腔室的主體上；和 除去所述轉(zhuǎn)移基底。
全文摘要
本發(fā)明描述了形成具有壓電材料的致動器的技術(shù)。將壓電材料塊結(jié)合到轉(zhuǎn)移基底上。然后拋光所述塊。將經(jīng)拋光的表面結(jié)合到MEMS主體上。
文檔編號H01L41/22GK101484398SQ200780025457
公開日2009年7月15日 申請日期2007年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月5日
發(fā)明者杰弗里·伯克邁耶, 陳振方 申請人:富士膠卷迪馬蒂克斯股份有限公司