TWI390779B - 形成壓電致動器的方法 - Google Patents

Description

形成壓電致動器的方法

本發明係有關於形成微機電元件之壓電致動器。

壓電材料在受到機械應力會形成電力或電磁。或者，施加電壓通過壓電材料時會形成反壓電性(converse piezoelectricity)，亦即，當施加電壓時，壓電材料會出現機械變形，且反壓電性會致使壓電材料中有相當高的彎曲力。此兩種形成電力及反壓電性的特性常用於電子及機械元件中，例如致動器及感應器等轉換器。複合轉換器(multiple transducers)，即包括制動器及感應器的結合物，便可相互結合於微機電系統(MEMS)中。

MEMS通常具有利用習知半導體製程技術形成於半導體基材中的機械結構。MEMS可包括單一結構或多個結構。MEMS具有電子元件，其中每一電子訊號都是藉由啟動MEMS中各結構而致動或形成。

其中一種MEMS包括一本體，其具有數個形成在該本體內的腔室，以及一形成在該本體外表面上的壓電致動器。該壓電致動器具有一層壓電材料，例如陶瓷，以及用於傳送電壓的元件，例如電極。壓電致動器的電極可將電壓施加於壓電材料、或傳送在壓電材料變形時所產生的電壓。

一種具壓電致動器之MEMS類型為微流噴射元件。致 動器可包括能藉數個電極致動、致使壓電材料朝向元件腔室變形的壓電材料。此種變形致動器可加壓該腔室，移出腔室中的流體(例如藉由噴嘴的方式)。各結構元件(包括致動器、腔室及噴嘴)皆可影響該射出多少流體。在具有多個結構的MEMS中，對各通過MEMS的結構而言，形成均勻尺寸的元件可改善MEMS的均勻度表現，例如射出流體量的均勻性。然而在嘗試加工各結構以使MEMS中其他結構尺寸落於幾微米內時，形成均勻結構便將面臨挑戰。

本發明大致係描述微機電元件，該元件具有一本體及數個壓電島(piezoelectric islands)，其具有第一表面、面對該第一表面的第二表面，以及連接該第一及第二表面的第三平面。該等壓電島具有實質包括壓電材料顆粒的表面，且其相對而言不含鬆散的壓電材料顆粒。導電材料位於第一表面上，而該等壓電島的第二表面上亦有導電材料。該等壓電島之至少一者係大致位在接近數個腔室之一對應腔室處。該等壓電島之至少一者在第三表面上具有導電材料，第三表面上的導電材料係電性接觸第一及第二表面上的導電材料。

於另一態樣中，本發明大致係描述微機電元件，該元件具有數個腔室。該元件也具有轉換層(transducer layer)，該轉換層有數個轉換器，各轉換器大至位於鄰近數個腔室之一對應腔室處，各轉換器包括一由該本體支撐 的壓電島。該壓電島係由第一表面及面對該第一表面的第二表面所界定，該第一及第二表面大致平坦，且第一表面大致平行於第二表面。該轉換層及該本體間設有一連接層。該連接層係延伸於該轉換層中的至少兩轉換器之間。

於另一態樣中，係描述形成具有壓電轉換器之元件的方法。壓電材料本體的第一表面係連接至半導體材料。壓電材料本體的第二表面則形成有數個凹口，該等凹口均具有壁面。在形成凹口後，壓電材料本體的第二表面會接附至元件本體。在將壓電材料本體接附至元件本體後，半導體材料會由壓電材料本體之第一表面移除。

本發明之潛在優點可包括一或多個(或不包含)下列所述。在形成導電層之前形成切入壓電材料的接地便可形成繞組電極(wrap-around electrodes)。此等繞組電極可形成壓電材料相對側(相對於有電極形成之側)上的電極接觸區。繞組電極可電性接觸電極及電極連接區。軟性電路可藉由將其僅接觸壓電材料一側的方式接附至元件及接地電極兩者。

因為腔室本體的靈敏度對形成致動器之製程沒有影響，故由接附至腔室本體之前先予處理的壓電材料形成壓電致動器的方式會增加製程步驟(可用於形成壓電材料)的變化。在將壓電材料連接至腔室本體前先予分割，可降低或排除腔室本體中形成的切口量，藉以減少腔室本體中的裂縫。將壓電材料塊切的較壓電致動器中最後壓電層的深度為厚、並將壓電材料碾至最後壓電層的所欲厚度，便可 形成一群均勻厚度的壓電致動器。當初始壓電材料塊的切口較最後壓電層的厚度為深時，鋸條片(saw blade)的磨損及半徑對壓電致動器的均勻度的影響就不會太大。均勻厚度的致動器可提供均勻壓電反應予所施加的驅動電壓。均勻的壓電反應可使得MEMS中結構間有類似表現。當類似電量施加至各結構致動器時，在流體射出MEMS中均勻的壓電反應便可使得各結構射出均勻流體量。因此，維持均勻厚度的壓電致動器便可維持自MEMS中該等結構射至另一MEMS結構的流體量。於形成一致動器中，在連接材料至腔室前先切口壓電材料可排除該等致動器間壓電材料的凸點(tabs)，藉以降低該等結構間的干擾。

壓電材料可在加工前先連接至操控層。操控材料可控制壓電材料受熱時的膨脹。當加熱特定壓電材料(例如鋯鈦酸鉛)時，材料會以不同速率膨脹。當材料再回到室溫時，材料可能無法立即回復其預熱尺寸。由於溫度增加時，矽的膨脹是以可預測且是以固定速率膨脹，因此若腔室本體及操控層兩者都由矽所形成，操控層便可控制壓電材料在加熱結合製程期間的膨脹，使壓電材料以與腔室本體膨脹速率大致相同的速率作膨脹。因此，發生在加熱期間的偏差便可減少。此外，在壓電材料加工期間，操控層可藉由機械結合元件予以固定，並藉結合元件降低加工期間對壓電材料的潛在傷害。當機械操控元件直接固定壓電材料且壓電材料因太薄而無法同時固定並加工時，便可對原先不太可能處理的操控層進行額外的製程。操控層也可包括校 正特徵，以助壓電材料中致動器先驅物正確對齊MEMS本體中的該等腔室。該操控層可較壓電層為寬。校正特徵可位於壓電層的外側區域中。

本發明一或多個實施例的細節均載於附加圖示其下文說明中。然本發明的其他特徵、元件及優點將可在參照說明、圖示及申請專利範圍後輕易領會。

本發明係提供一種用於形成具有數個結構之MEMS的方法，其中該等結構各含有壓電致動器。如第1A、1B及1C圖所示，MEMS元件100具有一支撐壓電致動器104之本體200，該本體200具有複合轉換器結構110。本體200具有數個形成在一材料層中的腔室205。該等腔室205可閉絕於外界氛圍(例如位於一壓力轉換器中)、或開放於外界氛圍(例如至射出流體)。本體200可為單一材料層，或者，該本體200可建構為多層結合在一起，或單層材料或多層材料。

壓電致動器104可包括一上電極106、一壓電層109以及一底電極112。壓電致動器104可包括一形成在腔室205上的膜狀部118。該膜狀部118可將腔室205與壓電層109隔絕。於一實施例中，底電極112係藉由導電繞組280電性連接至底電極接觸區211。於一實施例中，該底電極112可與其他底電極112連接。該導電繞組280係形成在接地切口140中，下文將再予詳述。絕緣層(未示出)例 如氧化層可位於底電極112及本體200之間。於一實施例中，本體200可作為底電極。若本體形成底電極，僅有上電極106及壓電層109需要形成壓電致動器。也可選擇其他電極配置，例如電極採並行(side-by-side)配置。結合材料層(例如黏著層)可選擇性設在壓電層109及本體200之間。

電路(未示出)可於底電極接觸區211處電性連接該底電極112，並接至頂電極106。電路可施加電壓至電極。所施加的電壓可啟動壓電層109，致使壓電材料進行接觸。當壓電材料接觸時，接觸會使所連接的膜狀部118偏向腔室205，並加壓腔室205。於一實施例中，加壓腔室205會使流體由腔室205射出並噴向噴嘴101。於另一實施例中，腔室205未以致動器加壓，而是藉由環境方式加壓(或洩壓)。腔室205中壓力的改變會使壓電層109進行接觸，藉以產生可由電極112、106傳遞、並由電路感應的電壓。

如第1B圖所示，於一實施例中MEMS可由兩列流體噴射結構桿建構而成，以使兩列面向元件中心及噴嘴的結構以大致直線的方式排列。該等結構各具有一沿著腔室205長度的縱向中心，其中一列結構的中心可對齊另一列結構中心。結構截面係圖示出第一列結構中心及第二列結構之虛影(第二結構的腔室係以虛影表示)。絕緣切口168可形成在噴嘴101上，以讓彼此面對的流體噴射結構可具有能電性及物理性彼此隔絕的致動器。

複合壓電致動器中，各壓電致動器為MEMS(具有多個結構)之一結構的一部份，且可由單層壓電材料形成。此方式可讓複合致動器同時進行平行處理。為簡明起見，形成用於單結構壓電致動器的方法將參照大多數圖示予以描述。壓電層109及本體200可作切口或蝕刻以使各MEMS能與其他MEMS分隔。於一實施例中，係蝕刻切割道103並於本體200中形成鋸口(saw cuts)102。MEMS可沿著切割道103及鋸口102作人工分離。如第25圖所示，本體200及壓電層109可個別處理，並於後段製程中相結合。

如第2及25圖所示，形成壓電致動器係由提供一起始壓電材料層開始(步驟305)，例如鋯鈦酸鉛(壓電層107)，然而也可使用其他壓電材料。於一實施例中，PZT密度約7.5g/cm³或更高，例如約8 g/cm³。壓電常數d31可約為200或更高。經HIPS處理的壓電材料則為日本Sumitomo Piezoelectric Materials上市的H5C及H5D。H5C材料表觀密度約8.05g/cm³而d31約210。H5D材料表觀密度約8.15g/cm³而d31約300。基材一般約1cm厚，且可視為所欲工作厚度。壓電材料可由加壓、刮板(doctor blading)、胚片(green sheet)、凝膠或沈積法等技術形成。壓電材料的製造已於Piezoelectric Ceramics(Academic Press Limited,1971)中由B.Jaffe做過討論，其全文係合併於此以供參考。包括熱壓等的形成方法，已描述在第258-9頁中。然也可使用單晶壓電材料，例如鎂鈮酸鉛(PMN， 由賓州TRSCeramics公司所上市)。塊狀PZT材料的壓電係數(d)、介電常數、耦合係數、韌度及密度較由濺鍍、網版印刷或凝膠形成的PZT材料為高。

此等特性可藉由在接附至本體前先焙燒材料的技術建立於壓電材料中。例如，採模造及自體焙燒(朝與支撐件相反方向)的壓電材料具有可利用高壓將材料裝入模子(加熱或不加熱)的優點。此外，通常需要少許的添加物例如流動劑或結合劑。焙燒製程時可使用高溫(如1200-1300℃)，以作較佳的燒成或晶粒成長。與利用凝膠或濺鍍技術形成的壓電層不同的是，塊狀壓電材料中的晶粒寬度約二到四微米。焙燒溫度(例如富含鉛的環境下)可用以減少陶瓷氧化鉛因高溫的損失。模造部外表面可能會有氧化鉛損失或其他劣化者可切除並丟棄。材料也可以熱均壓(Hot Isostatic Pressing,HIPs)處理，於熱均壓處理期間陶瓷也會受到高溫。於焙燒或在一塊壓電材料焙燒後可進行熱壓連接製程(Hipping process)，且其可用以增加密度、降低空孔及增加壓電常數。熱壓連接製程可於氧氣或氧氣/氬氣環境下進行。

壓電材料起始層厚度可約100至約400微米間，例如介約200至約300微米厚。壓電材料具有一底面113及一頂面115，其中底面113最後會是最接近腔室本體的面。

如第3圖所示，操控材料層135(例如矽)係社於壓電層107的上表面115上。操控層135材料可與用於形成本體200的材料相同。操控層135可提供一層以固定及傳 送壓電層107，以讓壓電層107於製程期間不受影響。如下文將再予詳述者，受熱及連結期間，操控層135也可控制壓電層107的膨脹。操控層135厚度可介於400至1000微米，然而實際厚度並不特別重要。於一實施例中，操控層135叫壓電層107為寬。

如第4圖所示，操控層135可結合至壓電層107(步驟313，見第25圖)。結合可藉由將一黏結物(例如聚合的苯並環丁烯)施加於壓電層107或操控層135，並接著將兩層彼此按壓而為之。黏結物可接著利用加熱組件的方式固化。

參照第5圖，壓電層107可接著薄化以使之較致動器(第1圖元件109)壓電部最後所欲厚度為厚，但較壓電材料起使層為薄(第25圖，步驟318)。於一實施例中，壓電層107係經薄化以使厚度小於約200微米或約50微米。

為薄化壓電層107，可使用準確的碾壓技術(例如水平碾壓)以形成具有平滑、低空孔表面型態的高均勻性薄層。於水平碾壓中，工件係安置於旋轉吸盤上，該吸盤具有一加工至高平坦公差的參考面。工件暴露的表面與水平碾壓輪接觸，並於高公差處對齊。碾壓可形成平坦及平行表面，如約0.25微米或更小(如約0.1微米或更小)並於基材上形成5nm Ra或更小的表面粗細度。碾壓也會形成均勻殘餘應力。

適合的精確碾壓設備為亞利桑納州Chandler市Cieba Technologies公司所上市的Toshiba Model UHG-130C。基材可以粗糙輪碾壓後再以平滑輪碾壓。適當的粗糙及平滑輪係分別具有150粒量(grit)及2000粒量的人造鑽石樹脂材料。適當的碾壓輪則由日本Adoma或Ashai Diamond Industrial公司所上市。

碾壓處理的一實施例係使用下列參數。工件轉軸以500rpm操作，而碾壓輪轉軸則以1500rpm操作。對利用粗糙輪的前50-300微米而言，X軸推進速為10微米/分；而對利用平滑輪的後50-100微米而言，X軸推進速為1微米/分。冷卻劑為18megohms-cm去離子水。

如第5A圖所示，在碾壓後，壓電層實質上平坦表面會有穩固附著的晶粒及鬆散壓電材料顆粒，以及由壓電材料及碾壓流體微粒製成的糊狀物119。碾壓處理可劈裂大多數壓電材料顆粒，以及一些鬆散顆粒。如第5B圖所示，在碾壓之後，壓電材料可於1%的氟硼酸(HBF4)溶液中清洗，以移除碾壓所導致的表面傷害。由碾壓處理而鬆散的壓電材料顆粒大致移除後，會留下小凹口121，同時留下穩固附著的晶粒120。潔淨處理也可移除任何留在壓電材料表面上的多餘材料，例如糊狀物119。表面型態可以利用具有Metroview軟體的Zygo model Newview 5000干涉儀作測量，其係由Zygo公司(Middlefield,CT)所上市。

如第6圖所示，接地切口140係設於壓電層107的第二表面113(步驟324，第25圖)。壓電層107係經鋸切或切除以形成接地切口140。當繼而結構完成時(第1圖元 件109)，接地切口140的製作可使其延伸如致動器壓電部最後厚度般深或更深。於一實施例中，接地切口140約四十微米深，而完成的致動器中壓電材料層厚度則介約十五至三十五微米。接地切口140的切口底部截面係呈圓形。

參照第7圖，其係圖示一壓電層107實施例的底面圖。圖示多個切口遍及壓電材料整個表面，以表示形成的複合致動器。接地切口140沿壓電層107底部寬度延伸夠深，可使各壓電致動器都具有接地切口140。為簡化製造，接地切口140可延伸壓電層107整個寬度。於所示實施例中，壓電層107底部會與具有十八個晶粒150的本體對齊，其等位置則以虛影表示。一對接地切口可通過各晶粒，因為各晶粒150包括兩列結構，且兩列各將需要各自連接至接地電極。

如第8圖所示，導電層158係形成在壓電層107底表面113上(步驟327，第25圖)。導電層158最後會形成底電極，以及可自底電極電性接觸壓電層107上表面的導電繞組280。導電繞組280部位在接地切口140的壁面上。塗層可藉由真空沈積(例如濺鍍)方式形成。用於沈積的導體可包括銅、金、鎢、錫、氧化銦錫(ITO)、鈦、鉑、金屬結合物或其他適於作為電極的材料。於一實施例中，導電層包括鈦-鎢、金-錫的堆疊層。

參照第9圖，絕緣切口也穿設該導電層158並進入壓電層107(步驟333，第25圖)。絕緣切口可將壓電致動器的壓電材料與鄰近壓電致動器的壓電材料分隔開，以降低 並有時消除鄰近致動器間的干擾。絕緣切口設的較壓電層最後厚度為深。於一實施例中，切口並未如設有切口的壓電層107總厚度般深。於一實施例中，絕緣切口165至少為15微米深。若接地切口140沿設於壓電層107的X軸，絕緣切口165便可沿壓電層107的Y軸設置，以使接地切口140垂直於絕緣切口165。絕緣切口165係在形成導電層步驟後設置，以使未含有導電材料的切口可沿著其垂直壁，而與接地切口140不同。

如第10圖所示，額外的軸絕緣切口168可平行於接地切口140形成。此等軸絕緣切口168可用於具有兩列結構的MEMS元件中，以將相面對鄰近結構的壓電致動器分隔開，例如第1C圖中結構130及131。壓電層107底面圖係顯示接地切口140，以及可選擇性設置的X軸絕緣切口168及沿著Y軸的絕緣切口165，各個晶粒的對應位置以虛影表示。此絕緣切口165係設於該對應於印刷晶粒位置152的區域中。

參照第11圖，校準切口171係形成在壓電層107的底表面113中(步驟336，第25圖)。切口171可用於連續校準步驟中，下文將再予詳述。校準切口171整個延伸至壓電層107並部分延伸至操控層135。於一實施例中，校準切口深度約80微米。校準切口171可沿著壓電層107的X軸(亦即，平行於接地切口)或沿著Y軸。校準切口171可設於壓電層107的外圍部，例如與印刷晶粒位置152相對應之壓電層107的外側區域，例如印刷晶粒位置152 及壓電層107邊緣之間。校準切口171並未與其後形成各個致動器的壓電層107部分重疊。或者，若操控層135較壓電層107為寬，則校準切口171可設於壓電層107外側之區域中的操控層135中。

如第12圖所示，校準狹口182係設於壓電層107中(步驟340，第25圖)。校準狹口182可藉由插入一鋸條(saw)至操控層135上表面中的方式形成，此可形成一半導體輪廓切口。為降低破壞或弱化組件(壓電層107及操控層135)的風險，校準狹口182係垂直於校準切口171，並僅設一對校準狹口。校準狹口182深度僅需夠與校準切口171相交。如第13圖所示，通過操控層135的俯視圖便顯現出切口與狹口的相交。通孔185可用於對齊壓電層107及本體。

參照第14圖，係揭示具有數個腔室205的本體200以用於連接壓電層107。該等腔室205彼此相間隔以使其在壓電層107與本體200接觸時，腔體205會與導電層158(位於絕緣切口165之各者間)對齊。腔體205可更窄，寬度與各絕緣切口165間之壓電層107相同或更寬。

本體200可由多層或單一層形成。當本體由多層形成時，該等層可彼此結合以形成層壓結構。若該等層各為相同材料(例如矽)時，將該等層彼此連接便可形成具有幾乎無法察覺接縫的塊狀本體，如描述於2003年10月10日申請之美國臨時申請案第60/510,459號，標題為「Print Head with Thin Membrane」乙文中，其全文係合併於此以供參考。腔體可由一可彎曲且可傳遞壓電層107之移動至 腔體的膜狀物覆蓋。

於一實施例中，本體200為一流體噴射元件，經建構用於噴射微滴或流體束，例如墨水。除腔體205外，本體可具有一墨水傳遞路徑，用以流體連接該腔體205至一儲存墨水的儲槽。腔體205也可包括一濾器結構(未示出)，以避免碎屑隨墨水流過腔體205。腔體205可藉由下降路徑連接至出口，例如噴嘴。

連接層193可形成在本體200上，例如藉由旋佈一層黏結材料於其上。連接層193可包括一黏著物(例如BCB)。或者，連接層193可形成在導電層158上。連接層193可非常薄，例如約0.1至0.3微米。

參照第15圖，壓電層107係經定位並對齊本體200(步驟344，第25圖)。更明確而言，壓電層107及本體200係對齊Y軸，以使分隔切口165對齊本體200中該等腔體205間的壁面208。於一實施例中，壓電層107係對齊X軸，以使接地切口140不位在腔體205上。

若本體200係由矽形成，便可用紅外線相機看出壁面208位置。紅外線光可大致穿透平滑的矽表面，以讓相機檢測到矽本體200中形成的特徵。校準標記(alignment mark)可形成在矽本體200的周圍部。通孔185可與校準標記對齊，以將壓電層107對齊本體200，藉以使絕緣切口165對齊壁面208。

如第16圖所示，在校準後，導電層158或本體200(取決於何者表面施有黏著物)會與連接層193接觸(步驟 349，第25圖)。若使用BCB作為黏著物，本體200及壓電層107會彼此固定在一起並被加熱。於一實施例中，組件係被加熱至約200℃大約40個小時以聚合BCB。若本體200表面或導電層158略微粗糙，便可避免壓電層107及本體200間的滑動。於一實施例中，係將一定量的BCB施加至導電層158或本體200，以使其在本體200及壓電層107彼此接觸時BCB可填充分隔切口165及/或絕緣切口165的至少一部份。於一實施例中，金屬共晶會接(eutectic bond)係將本體200及壓電層107黏附在一起。

如第17圖所示，操控層135及一部份壓電層107係由組件移除(步驟352，第25圖)。操控層135及壓電層107可接地以完全移除操控層135並將壓電層107薄化至接地切口140底部之導電材料被移除的程度。於一實施例中，壓電層107係薄化至10及35微米間，例如約20微米。此薄化步驟可將壓電層107薄化至其最後厚度，並形成個別的壓電材料島。為簡明起見，連接層193並未示於此圖及接下來的圖示中。

參照第18圖，上導電層210係形成在經薄化的壓電層107島上(步驟359，第25圖)。上方導電層210可利用真空沈積技術形成，如前文所述者。上方導電層210將用於形成上電極106。

如第19圖所示，光阻層214係沈積在上導電層210上，例如以旋佈塗覆的方式。光阻會接著被暴露並顯影以界定上電極的位置，如第20圖所示。

如第21圖所示，上導電層210接著被蝕刻以形成各個電極(步驟364，第25圖)。上電極寬度可與下方的壓電島相同或更窄。於一實施例中，上電極寬度窄於泵腔(pumping chamber)。上電極寬度及泵腔間的比例可約為0.5至1.2，例如約0.65至約0.9。或者，壓電島可較其下方的腔室為寬、窄或相同寬度。若壓電島較泵腔為寬，例如介約10至20微米寬，泵腔間的壁面將可支撐PZT島。形成較腔室為寬的壓電島可使MEMS本體及壓電層組件於結合期間承受較大的壓力，同時降低壓電部份受壓時穿通膜狀部的風險。若較少電極為接地電極，各壓電致動器的接地電極便可彼此連接、或各結構的接地便可絕緣。

如第22圖所示，於圖案化上導電層210中，係形成下電極接觸區211以用於壓電層107上表面上的下導電層157。因為接地切口140係設的較壓電層107最後深度為深，在壓電層107接地至其最後厚度時，導電繞組280會延伸以使導電材料與壓電層107上方同高。上導電層級下電極接觸區211係電性接觸下導電層158或底電極。(導電繞組280係藉由形成接地切口140後形成導電層之步驟(步驟327，第25圖)形成的)。圖案化製程可移除電極缺口區220的導電材料，以電性隔絕下電極與上電極106導電材料。

各具有多個結構的多晶粒可由數層共同層形成，例如單一矽基材及單層壓電材料。於本體200製程期間，切割道103可形成在本體底表面中以界定該等晶粒間的晶界。 該等切割道103為未橫斷本體厚度的凹口121。額外的鋸口102可設於壓電層107頂部與切割道相對應的位置處。該等鋸口102不需整個延伸至切割道103。反之，各個晶粒可以人工分離組件的方式沿著切割道103彼此分隔(步驟367)。切割道103可(且晶粒可分離)於一與接地切口140對齊的區域中形成。

參照第23圖，電性導電材料215,225(例如導電黏著物或銲錫)可設於致動器上(步驟371，第25圖)。軟性電路及致動器係相接觸。軟性電路229也藉由電極接觸區221與接地或底電極接觸。驅動電極可施加至該等電極，以驅動壓電層107。

參照第24圖，於一實施例中，結構可經建構以最小化至壓電層107部分的輸入電源而不啟動腔室205。接觸墊224可做充分的尺寸設計以連接至軟性電路229。若壓電島的整個長度無法驅動泵腔室，可形成窄電極部230以降低不需啟動之壓電島部分的電源損失。

習知形成壓電致動器方法的困難處可藉由此處揭示的方法予以克服。由預熱(pre-fired)壓電材料之切割道形成的壓電層可藉由可能會傷害本體的技術來處理壓電材料。例如，若壓電致動器係與本體分隔下而形成，壓電材料便可加熱至形成較佳燒成及晶粒成長的溫度。然而MEMS的其他元件可能無法忍受同樣的高溫。此外，塊狀壓電材料的壓電係數(d)、介電常數、耦合係數、韌度及密度較由濺鍍或凝膠形成的壓電材料為高。而由其他方法(例如應用於 本體的凝膠)形成的壓電材料，便需要在壓電前體(pre-cursor)中加入添加物。添加物通常可燃燒移除，而形成密度較低、且在塊狀壓電材料與本體個別形成時可形成的壓電材料。以與本體分隔的方式形成的塊狀壓電材料可讓材料有較少或無添加物。此外，塊狀材料可在壓力下加熱。較高的溫度及壓力可使材料緻密，而大致改善了材料特性，且特別是，減少材料中的空孔數量。空孔會形成短路並劣化元件。

然而，處理預熱的壓電材料片以形成壓電致動器也會有些風險。例如，若壓電層在結合壓電材料至本體後作切割以分隔各個致動器時，便會有切到腔室本體而造成潛在洩漏的風險。相反的，若壓電材料切的不夠深，也會有在鄰近結構間留下凸點的風險。若切口不均勻，各結構對相同的電源輸入便會有不同程度的壓電反應，且會在結構間形成干擾。切口深度不均勻的發生是因為鋸條的使用磨損或鋸條相對於壓電層的位置差異所致。

在將材料結合至腔室本體前以碾壓及切除方式形成壓電致動器，將可得到均勻厚度的壓電致動器。整個單一致動器便會有均勻厚度的壓電部份，即便是一群致動器也可在各處具有非常均勻的厚度。在一可達到晶粒中整個結構尺寸均勻的範例中，各結構具有寬度介約25至200微米、或約150微米的壓電致動器，該晶粒一列有100至200個結構，且一晶粒的整個壓電致動器厚度差異可小到2微米。切割各個島後向下碾壓該壓電材料，便可形成具有頂 及底表面、且彼此平行的島。此幾何結構可利用網板印刷方法或沈積陶瓷材料胚片、圖案化陶瓷材料並加熱陶瓷材料的方式達成。利用加熱胚片、網板印刷及凝膠應用等方法將可形成不具有矩形截面的壓電致動器。例如，此等方法可形成具有一平面，以及一看似矩形被移除之上彎角的曲狀頂部或截面部。藉由將島體切離塊狀壓電材料的方式，致動器寬度及長度上的整個厚度便可非常均勻。具有高尺寸均勻度的壓電致動器可展現相當均勻的壓電特性。

在結合壓電材料之前先形成切口可讓繞組電極結構得以形成。繞組電極結構可形成底部電極(位於壓電層上方之上)的接觸區域。繞組電極結構可簡化積體電路至致動器的連接。

形成較泵腔室寬度為窄的致動器可將致動器的替換集中在膜狀部絕大多數可彎曲部之上。藉由將致動器作的較窄的方式，只需以較少電壓啟動壓電材料。上電極可作的較壓電層為窄，以將電壓集中在壓電層中心部處，此方式可減少通過壓電層的競合(competing)壓電力。形成較壓電層為窄的電極可使致動器較佳反應輸入電壓。較佳致動器反應可使需施加過致動器以達所欲致動器反應的驅動電極較小。使致動器較泵腔室為寬的優點在於環繞泵腔室的壁面可支撐致動器。若壁面可支撐泵腔室，致動器穿破膜狀部的風險便可降低。更明確而言，若施加壓力至致動器(例如在連結製程期間)，便可降低傷害元件的可能性。

在將壓電層層連結至操控層後薄化該相當厚的壓電層 將有助於形成致動器的製程步驟。若壓電層在結合至腔室本體前未薄至一適當工作厚度，在結合後可能會需要較長的薄化製程。同樣的，吾人也希望操控層較壓電層為強韌。強韌的操控層可使得組件在被加熱時可隨操控材料的熱膨脹而膨脹。然而，在將壓電層連接至操控層之前先薄化至其最後厚度，可能無法達所欲厚度而不傷害壓電層。薄化期間，操控層可成為固定壓電材料的基底。在薄化期間，若薄化壓電材料的設備是固定操控層而非壓電層時，固定特徵便不太可能干擾薄化製程。於一實施例中，操控層係夾鉗至薄化設備，且碾壓輪會將壓電材料碾壓至所欲厚度。因為夾鉗僅需接觸操控層，故夾鉗不會干擾碾壓輪。

碾壓可使所暴露的晶粒的某部分較壓電材料為鬆軟。此外，糊狀物質係由碾壓而形成，糊狀(paste-like)物質包括壓電材料的破碎片段。糊狀物質在碾壓期間可沈積在壓電層上。糊狀物質及鬆散顆粒可於壓電層及導電層間的結合形成間隙。此等間隙的程度可隨著點至點而改變並使表現有差異。

在碾壓移除鬆散壓電材料顆粒及糊狀物後便清潔該壓電材料，以及使壓電材料表面大致形成完全固定的壓電材料顆粒。清潔可形成粗糙表面，但可改善壓電材料(整個平坦表面有鬆散壓電材料顆粒)之壓電特性的效率及均勻性。在碾壓後清潔壓電材料也可改善表面，以便應用導電材料。若表面未有糊狀物及鬆散材料顆粒，導電材料及具有黏著性的壓電材料塊間的間隙可能性便會降低。

壓電材料的熱膨脹可藉由在將壓電材料結合至本體之前先將壓電材料結合至操控層的方式予以控制。當壓電材料及腔室本體被加熱以形成兩結構間的結合時，壓電材料(或其他合適壓電材料)及用於形成本體的材料便可以不同速率膨脹，特別是在本體是由除壓電材料以外的材料製成的時候。此外，由於熱變化而造成壓電材料的膨脹及收縮也可能不同。亦即，被加熱並冷卻回其原始溫度的壓電材料可能無法立即返回其初始尺寸。熱膨脹及收縮的速率會隨著不同因素而改變，例如材料多久前被支撐(poled)以及材料已歷經過多少次熱循環。由於熱所導致的腔室本體及壓電材料之尺寸變異會改變腔室壁相對於分隔切口的校準。

若操控層是由與本體相同材料製成，則操控材料便可控制壓電材料的膨脹速率，以使壓電材料及本體的膨脹速率大致相同。特別是在操控層較壓電材料為厚時，操控層會迫使壓電材料膨脹並與操控層接觸。於一實施例中，壓電材料為PZT，而操控層為厚度大於PZT層十倍的矽。矽為PZT的三倍強韌。在厚度及韌性的差異間，矽具有PZT的三十倍彈性速率。具有較高彈性速率的材料會驅使其他材料的膨脹及收縮，藉以使PZT以與矽相同的速率膨脹。

前述壓電致動器可用於形成數個微機電元件，例如感應器、轉換器或具有壓電致動器的噴墨印刷頭。

本發明之該等實施例已描述如上。然而，應瞭解的是各種潤飾仍可在不悖離發明精神及範圍下進行。例如，可 形成彼此平行、但相對於壓電層呈一角度的致動器。該等致動器可於未垂直於表面、但呈一角度的壓電材料本體中形成數個凹口。或者，該等凹口之中心軸可垂直於本體表面，但側壁則與本體表面呈除90度角外的角度。例如，該等側壁可形成梯形島，且其梯形較寬部距離泵腔室比較窄部更遠。驅動電極連接可位在壓電材料上方之一島上，且接地電極連接可位於靠近晶粒邊緣(如接觸島)之壓電材料之一島上，而非在泵腔室上方的島上皆具有驅動及接地連接。或者，壓電島不需繞組電極。底電極可延伸超過壓電島，並與上電極電性分隔。於一實施例中，該等電極僅形成在壓電材料之一表面上。於一實施例中，碾壓係在暴露切口或凹口前停止。此方式將可在該等致動器之間留下壓電材料橋。該橋可相當小，以使元件間的干擾最小化。壓電材料接附的本體也可不需有腔室形成其中。若本體中欲形成該等腔室或其他特徵，該等腔室可在壓電材料接附於本體後形成。因此，本發明其他實施例將落於下文申請專利範圍中。

101‧‧‧MEMS元件

105‧‧‧壓電致動器

106‧‧‧上電極

109‧‧‧壓電層

110‧‧‧轉換結構

112‧‧‧底電極

118‧‧‧膜狀物

200‧‧‧本體

205‧‧‧腔室

第1A圖係具有壓電致動器之一部分MEMS的截面端視圖。

第1B圖係一具有兩個含壓電致動器之流體射出MEMS之晶粒的一部份截面側視圖。

第1C圖係具有壓電致動器之MEMS元件的俯視圖。

第2圖係圖示壓電材料。

第3圖係圖示壓電材料及一矽晶圓。

第4圖係圖示壓電材料結合至矽晶圓的組件。

第5圖係圖示在薄化壓電材料後的組件。

第5A圖係圖示接地壓電材料的表面放大圖。

第5B圖係圖示一酸清洗(acid clean)的接地壓電材料部份。

第6圖係圖示材料底部形成接地切口的組件。

第7圖係分割壓電材料之一實施例的底面圖。

第8圖係圖示在形成導電層後沿著X軸之壓電材料的截面圖。

第9圖係圖示在做分隔切口後沿著Y軸之壓電材料的截面圖。

第10圖係具有分隔切口、絕緣切口及接地切口之壓電材料之一實施例的底面圖。

第11圖係圖示沿X軸具有接地切口及校準切口之壓電材料的截面圖。

第12圖係在矽層中形成校準狹口後組件的截面圖。

第13圖係具有校準狹口之矽晶圓的俯視圖。

第14圖係圖示腔室本體的截面圖。

第15圖係圖示與不完整致動器組件對齊的腔室本體。

第16圖係圖示腔室本體及壓電材料相結合。

第17圖係圖示具有部分形成致動器之腔室本體。

第18圖係圖示在上方導電層形成後之壓電島。

第19圖係圖示在施行光阻後之壓電島。

第20圖係圖示在圖案化後之光阻。

第21圖係複合結構之端視截面圖，其中各腔室具有單獨的致動器。

第22圖係具有完整壓電致動器之結構的截面側視圖。

第23圖係圖示具有軟性電路接附至該致動器之單一結構。

第24圖係一致動器實施例的平面圖。

第25圖係形成具有壓電致動器之結構的MEMS之步驟流程圖。

應注意的是，不同圖示中相同參考號係指相同元件，且圖示中的元件並未按比例繪製。某些元件已放大以便說明。

100‧‧‧MEMS元件

104‧‧‧壓電致動器

106‧‧‧上電極

109‧‧‧壓電層

110‧‧‧轉換結構

112‧‧‧底電極

118‧‧‧膜狀物

200‧‧‧本體

205‧‧‧腔室

Claims (38)

1. 一種微機電元件，其至少包含：一本體，具有數個腔室；數個由該本體支撐之壓電島，其中該等壓電島各具有一第一表面、一面對該第一表面之第二表面以及一相互連接該第一及第二表面之第三表面，以及一導電材料，位於該第一表面上，以及該些壓電島之第二表面上；其中該些壓電島之至少一者大致係鄰近於該等腔室之一對應腔室；其中該等壓電島之至少一者具有一導電材料於該第三表面上，第三表面上之該導電材料係電性接觸該第一及第二表面上之導電材料；其中該壓電島之第一表面係鄰近該本體，且該第一表面上之導電材料具有一第一電極；該壓電島之第二表面係支撐兩部分導電材料，其中一第一部份具有一第二電極，且一第二部分係藉由該第三表面上之導電材料電性連接至該第一電極；以及該第一部份並未與該第二部份電性接觸。
2. 如申請專利範圍第1項所述之元件，其中該等壓電島具有數個角度約九十度的彎角。
3. 如申請專利範圍第1項所述之元件，其中：該本體可支撐一膜狀部，該膜狀部覆蓋該些腔室；該等壓電島係由該膜狀部支撐；該本體具有數個壁面，位於該些腔室之各腔室之間；以及該膜狀物具有一面對該些腔室之表面，其幾乎未有與該些壁面大致對齊的刻痕(indentation)。
4. 如申請專利範圍第1項所述之元件，其中各壓電島具有至少一電極，該電極係與其他壓電島電性隔絕。
5. 如申請專利範圍第1項所述之元件，其中各壓電島係與其他壓電島物理性隔絕。
6. 如申請專利範圍第1項所述之元件，其中：該些腔室具尺寸大致一致的腔室，且該些腔室中的一腔室具有一第一寬度；以及該壓電島具有一第二寬度，其係大於該腔室之該第一寬度。
7. 如申請專利範圍第6項所述之元件，其中：該壓電島之該第二表面上的導電材料具有一第三寬度，該第三寬度小於該壓電島之第二寬度。
8. 如申請專利範圍第1項所述之元件，其中：該些腔室之各腔室係開放至一外界環境以射出流體。
9. 如申請專利範圍第1項所述之元件，更包括：至少100個壓電島，各壓電島具有一約25至200微米間的寬度；其中該等壓電島之厚度差異約相等或小於兩微米。
10. 如申請專利範圍第1項所述之元件，更包括一介於該導電材料及該本體間的黏著物。
11. 如申請專利範圍第1項所述之元件，其中該第三表面係垂直於該第一及第二表面。
12. 如申請專利範圍第1項所述之元件，其中該第一、第二及第三表面大致為平面。
13. 如申請專利範圍第1項所述之元件，其中該第一與第二部分係配置成與該壓電島之第二表面上的一軟性電路板接觸。
14. 一種微機電元件，其至少包含：一本體，具有數個腔室；一轉換層，提供數個轉換器，各轉換器係大致鄰近該等腔室之一對應腔室，各轉換器包括一壓電島、一第一電極、以及一由該本體支撐之第二電極，其中該壓電島係由一具有兩部分之第一表面、一面對該第一表面之第二表面以及一相互連接該第一與第二表面之第三表面所界定，該第一、第二與第三表面係大致平面且該第一表面大致平行於該第二表面；其中該第二表面較該第一表面靠近該本體，該第一電極接觸該第一表面的一第一部分，且該第二電極接觸該第二表面、該第三表面與該第一表面的第二部分；以及一結合層，位於該轉換層及該本體之間。
15. 如申請專利範圍第14項所述之元件，其中：該本體具有一平坦表面；以及該轉換層位於該本體之該平坦表面上。
16. 如申請專利範圍第15項所述之元件，其中：壓電材料之一第一島，並未直接接觸壓電材料之一第二島；以及各壓電島具有一大致平坦之第四表面，其中該第三及第四表面係垂直於該本體之該平面。
17. 如申請專利範圍第14項所述之元件，其中該第一與第二電極係配置成與該壓電島之第一表面上的一軟性電路板接觸。
18. 如申請專利範圍第14項所述之元件，其中該第一電極未與該第二電極電性接觸。
19. 一種形成具有一壓電轉換器之元件的方法，其至少包含下列步驟：於壓電材料之一本體的一第一表面中形成數個第一凹口，該些第一凹口具有一第一深度及數個壁面；在形成該些第一凹口後，將壓電材料之該本體的該第一表面接附至一元件本體；以及在將壓電材料之該本體接附至該元件本體後，自壓電材料之該本體的一第二表面移除材料，至少直至暴露出該些第一凹口。 在複數個第一切口之該等壁面上設置導電材料，以提供一導電連接器之一部分；以及於壓電材料之該本體的該第二表面上設置一導電材料；其中藉由在該第二表面上設置導電材料來形成一第一導電區域及一第二導電區域； 其中一鄰近壓電材料之該本體之第一表面的電極層並未與該第一導電區域電性接觸；以及該導電連接器係藉由該第二導電區域電性連接該鄰近該第一表面之電極層。
20. 如申請專利範圍第19項所述之方法，其中自壓電材料之該本體的該第二表面移除材料的步驟包括薄化壓電材料之該本體至一厚度。
21. 如申請專利範圍第20項所述之方法，其中薄化壓電材料之該本體至一厚度包括薄化壓電材料之該本體直至厚度小於該些第一凹口的第一深度。
22. 如申請專利範圍第19項所述之方法，更包括在將壓電材料之該本體的該第一表面接附至一元件本體之前，先將一第一導電材料設置在壓電材料之該第一表面上，以使該第一導電材料覆蓋壓電材料之該第一表面以及該些第一凹口之該等壁面。
23. 如申請專利範圍第19項所述之方法，更包括於該第一表面中形成數個第二凹口。
24. 如申請專利範圍第23項所述之方法，其中該些第一凹 口係大致垂直該些第二凹口。
25. 如申請專利範圍第23項所述之方法，其中：該元件本體具有數個腔體，該些腔體之各腔體間具有壁面；以及在接附步驟之前，該些第二凹口係大致對齊該元件本體之該等壁面。
26. 如申請專利範圍第23項所述之方法，其中該些第二凹口係在該第一表面上設置一導電材料後形成。
27. 如申請專利範圍第19項所述之方法，其中自壓電材料之該本體的第二表面移除材料的步驟包括碾壓(grinding)。
28. 如申請專利範圍第19項所述之方法，其中在壓電材料之一本體的一第一表面形成數個第一凹口的步驟包括形成數個凹口，該些凹口具有數個垂直該第一表面之壁面。
29. 如申請專利範圍第19項所述之方法，其中設置該導電材料的步驟包括光學微影蝕刻導電材料，以形成一在該第一及第二導電區域間之電極中斷區(electrode break area)。
30. 如申請專利範圍第19項所述之方法，更包括將一第一導電材料設置在壓電材料之該第一表面上，以使該第一導電材料覆蓋該壓電材料之第一表面。
31. 如申請專利範圍第19項所述之方法，更包含：將壓電材料之該本體結合至一基材；以及在壓電材料之該本體結合至該基材後，將壓電材料之該本體薄化至一約小於200微米之第一厚度；其中該些第一凹口具有一第一深度，其小於該第一厚度。
32. 一種微機電元件，其至少包含：一本體，具有一平坦表面；一或多個由該本體支撐的轉換器，其中各轉換器包括一壓電材料矩形塊體、一第一電極以及一第二電極，該塊體具有一具有兩部分之第一表面、一第二表面以及一第三表面，其中該塊體之該第三表面係平行及鄰近該本體之平坦表面；該塊體之該第二表面係大致垂直於該本體之該平坦表面； 該第三表面係平行於該第一表面；該一或多個轉換器並未彼此連接；該第一電極與該第一表面之第一部分接觸；以及該第二電極與該第二表面、該第三表面以及該第一表面之第二部分接觸。
33. 如申請專利範圍第32項所述之元件，其中該本體之平坦表面大致不含刻痕。
34. 如申請專利範圍第32項所述之元件，更包含一位於該一或多個轉換器及該本體之間的黏著物。
35. 如申請專利範圍第32項所述之元件，其中該元件包括矽。
36. 如申請專利範圍第32項所述之元件，其中該第三表面係一平坦表面，該平坦表面係接觸(meets)該第二表面以形成一直角。
37. 如申請專利範圍第32項所述之元件，其中該第一與第二電極係配置成與該塊體之第一表面上的一軟性電路板接觸。
38. 如申請專利範圍第32項所述之元件，其中該第一電極未與該第二電極電性接觸。