等离子增强粘合方法和由等离子增强粘合形成的粘合结构

摘要

本发明涉及一种电子器件，所述器件包括包含第一表面和第二表面的衬底(110)、包含第一表面和第二表面的衬底载体(105)以及粘合所述衬底(110)第二表面和所述衬底载体(105)第二表面的无机材料(120)。

说明书

                     背景

市场对于各种电子器件持续不断地要求能以更低的成本获取更高的性能。为了满足这些需求，包含各种电子器件的零部件必须做得更为高效并且更接近容限。

在某些电子器件中，将硅衬底粘合或偶合于另一个衬底或衬底载体上以形成完整的器件。在这种情况中，所述电子器件往往暴露于各种苛刻的条件及腐蚀性的材料下。在已知的器件中，通过采用有机(通常是聚合物基的)粘合剂或胶粘体将衬底粘合至衬底载体上。然而随着时间的推移，由于各种环境条件(如存在所述粘合剂暴露于其中的溶剂)可能导致粘合体部分损坏或完全毁坏。其结果可能使灵敏的电子零部件暴露于环境中。随后这些零部件将被损坏，而所述器件可能变成功能丧失。

衬底粘合于载体上的一个应用是流体喷射器件，例如喷墨打印头。在这些器件中，含有多流体喷射元件的衬底通常被粘合于衬底载体上。

                附图简述

图1图解一个实施方案中的电子器件的剖视图。

图2图解一个实施方案中的与衬底载体粘合的打印头的剖视图。

图3A-E图解各方法步骤的剖面表示，展示根据一个实施方案示例性的衬底和衬底载体粘合的情况。

图4A-H图解根据一个实施方案形成流体喷射器件各部分的方法步骤的剖面表示。

图5A图解根据一个实施方案的形成电子器件的方法。

图5B图解根据一个实施方案的形成微型机电器件的方法。

图5C图解根据一个实施方案的形成流体喷射器件的方法。

图6图解一个实施方案中的MEMS器件的剖视图。

图7图解打印机实施方案的透视图。

                   附图详述

此处叙述了具体部件的尺寸、形状及装配的实例。但采用此处所述的本发明方法和装置可以制造出任何类型的部件大小及几何形状。

参见图1，该图图示了一个实施方案中电子器件的剖视图。电子器件100包括衬底105和粘合于其上的几个其它衬底110及115。在衬底105的表面上形成无机材料层120，然后对衬底105与无机材料的组合体进行等离子处理，对衬底110和115亦然。等离子处理后将衬底110和115粘合于无机物层120上，籍此用无机材料120在衬底110与衬底105之间形成共价键，以及用无机材料120在每一个衬底115与衬底105之间形成共价键。

在一个实施方案中，可在粘合于衬底105的衬底110和115的一个或多个表面上形成保护材料130。

在某些实施方案中，通过利用等离子增强粘合使各衬底以原子水平用牢固的共价硅氧烷键直接结合。在这种实施方案中，利用无机材料120可以形成这种键，而与衬底105所用的材料无关。应注意的是无机材料无需施用于衬底105的整个表面。无机材料120可做成任何几何形状图案，例如可以做成沿着衬底105周边的形状以便提供足够的粘合强度而在器件可成型位置上的区域则不含无机材料120。

在无机材料120中形成或提供接触点125以便在衬底105与衬底110和115的接触点之间提供导电通道(图中未示出)。一般在衬底105和无机材料120进行等离子处理之前形成接触点125。或者衬底105与衬底110和115的区域电偶合的区域可以不含电子材料。

无机材料120可以是任何在进行等离子处理后能够使化学界面物质的密度增加以便利于衬底105与衬底110及115之间粘合的无机材料。在某些实施方案中，无机材料120可为原硅酸四乙酯(TEOS)、氧化铝、无定形硅、氮化硅、碳化硅、氧氮化物、蓝宝石、磷化铟或玻璃釉料材料。

形成衬底105的材料可取决于各种因素，包括例如所制作的电子器件的类型以及所述电子器件将在其中工作的环境。衬底105可以是无机非金属材料、玻璃、半导体、金属、金属镀层结构、聚合物及其组合等。金属和金属镀层可包括例如铝、铬、铜、金、铅、镍、铂、焊剂、不锈钢、锡、钛，其合金及其组合等。无机非金属材料可包括例如氮化铝、氧化铝、碳化硅、氧化硅、氮氧化硅及其组合等；或者氮化铝、氧化铝、碳化硅、氮氧化硅及其组合。

电子器件100可以是任何电子器件组件，其中半导体器件或类似的器件(如集成电路)附着于衬底(如晶片载体)上。电子器件100可以是单晶片模块、多晶片模块、叠层晶片模块或另一个器件的部分。所述电子器件可用于光电子、光子、流体喷射、微型电子机械或标准集成电路应用中。

参见图2，该图图示了一个实施方案中与衬底载体粘合的打印头的剖视图。流体喷射器件200包括衬底载体205和打印头220。衬底载体205包括第一表面210和第二表面215。衬底载体205内形成的众多油墨进料通道245与打印头220内和/或上所形成的油墨进料槽240呈流体连接。

衬底载体205的第二表面215包括位于其上的无机材料250。等离子处理后无机材料250联接到打印头220的第二表面225(与第一表面230相对)。

在图2中，薄膜层(或激活层、薄膜叠层、导电层或具有微电子的层)235在打印头220的正面或第一面(或表面)230上形成(如沉积或生长)。打印头220的第一面230与打印头220的第二面(或表面)225相对。薄膜层235包括至少一个在打印头220上形成的层，并且在一个具体的实施方案中，该层掩盖了打印头220的第一面230的至少一部分。或者或除此之外，一个或多个薄膜层235使打印头220的第一面230的至少一部分电绝缘。

衬底载体205可以是无机非金属材料、金属、金属镀层结构、聚合物及其组合等。金属和金属镀层可包括例如铝、铬、铜、金、铅、镍、铂、焊剂、不锈钢、锡、钛，其合金及其组合等。无机非金属材料可包括例如氮化铝、氧化铝、碳化硅、氧化硅、氮氧化硅，及其组合等；或者氮化铝、氧化铝、碳化硅、氮氧化硅及其组合。

在一个实施方案中，打印头220为硅。在各种实施方案中，打印头可以是以下的一种：单晶硅、多晶硅、砷化镓、玻璃、二氧化硅、无机非金属材料或半导体材料。所列举的可作为衬底材料的各种材料不需要是可互换的，并且其选择取决于它们待使用的用途。

在某些实施方案中，无机材料250无需存在，并且衬底载体205的第二表面215可以与打印头220的第二表面225直接联接。在这种实施方案中，衬底载体205和打印头220均可包含半导体材料。

参见图3A-3E，这些图示意了形成一个实施方案的流体喷射器件的方法步骤的剖面表示。衬底载体或其它衬底结构300包括第一表面305和实质上与第一表面305相对的第二表面310(图3A)。

将无机材料315施用于第二表面310(图3B)。在某些实施方案中，可通过物理蒸气沉积法(PVD)、化学气相沉积法(CVD)(例如等离子增强的CVD、低温CVD、低压CVD)或电子束沉积法来施用所述无机材料315。

沉积后将无机材料315平面化，并在其中形成一个或多个接触点320和325以便与衬底结构300的第一表面305上或内所形成的电接触点接触(图3C)。可通过例如已知的化学机械抛光的方法进行平面化。在某些实施方案中，化学机械抛光可得到无机材料315的表面330，其在表面330四平方微米的面积上的粗糙度不超过两纳米变分均方根。

平面化后，利用等离子处理方法处理位于衬底300上的无机材料315。在一个实施方案中，所述等离子处理方法包括采用感应等离子室，在其中以大约120瓦特对衬底结构施用偏压，而通过约500瓦特功率的感应上流线圈产生高密度的等离子体。在其它实施方案中，可采用各种形式的等离子处理方法，包括但不限于电晕放电处理、介电隔离放电处理以及辉光放电处理。可采用选自低压辉光放电或大气压辉光放电的等离子进行辉光放电处理。在某些实施方案中，可在大气压下采用适宜的大气等离子装置以连续的方式进行等离子处理。也可以采用其它的等离子处理方法。

等离子处理的精确条件可以变化，这取决于各种因素，包括材料的选择、等离子处理与粘合之间的储存时间、所用的等离子处理类型及方法、所用的等离子室的设计等。然而在某些实施方案中，等离子处理可在高至约大气压的压力下进行。

在一个实施方案中，等离子处理持续约100秒。在其它实施方案中，等离子处理的持续时间取决于各种因素，包括即将被处理的材料、所选择的接触条件、等离子处理的模式(如间歇式与连续式)和等离子装置的设计。等离子处理进行的时间应足以为被处理材料的表面提供足够的活性以形成高密度的共价键。

在一个实施方案中，等离子处理期间所用的气体可以是氮气、氧气、氩气或其组合。在其它实施方案中，等离子处理中所用的气体可以是空气、氨气、二氧化碳、一氧化碳、氦气、氢气、一氧化二氮、臭氧、水蒸气及其组合等。此外，所用的气体可选自空气、二氧化碳、一氧化碳、氦气、氮气、一氧化二氮、臭氧、水蒸气及其组合。或者，所述气体可选自空气、氩气、二氧化碳、氦气、氮气、臭氧及其组合。或者可以使用其它更具反应性的有机气体或蒸气(其在方法操作压力下为正常的气体状态或采用适宜的设备将其从液态中蒸发)，例如六甲基二硅氧烷、环聚二甲基硅氧烷、环聚氢甲基硅氧烷、环氢甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物(cyclopolyhydrogenmethyl-co-dimethylsilo-xanes)、活性硅烷及其组合等。

等离子处理后，对进行过等离子处理的(各个)表面进行湿处理以便清洗衬底及粘合的亲水处理。在某些实施方案中，所述湿处理可以利用包含去离子水的液体。在其它实施方案中，所用的液体可包含可具有结构(25H₂O:2H₂O₂:1NH₄OH)的SC1。将所述表面置于SC1流体40秒，用去离子水漂洗，然后在空气或氮气中干燥。使用SC1时，所述SC1为表面赋予亲水性并产生封端的-OH基团。利用湿处理具有许多优点，使得当两个亲水性的表面在室温下接触时，各衬底可以自发性地形成氢键。

提供了一个或多个衬底335和340(图3D)。所述衬底335和340可包括一个或多个分别形成于第一表面350和365上的结构355和370。这些结构355和370可包括按需要执行不同功能的传感器、光学、电气或机电结构或电路。然后分别使衬底335和340的第二表面345和360进行类似于无机材料315和衬底结构300所用的等离子处理。

然后使衬底335和340与衬底300上的无机材料315联接。联接可利用已知的摘嵌(pick and place)工具以安置衬底335和340以及衬底结构300来得到合适的对齐。例如，使衬底335和340内的接触点或流体通道适当地与无机材料315和衬底结构300中的相应结构对齐。

在某些实施方案中，衬底335和340与无机材料315和衬底结构300之间的联接可以在无机材料315和衬底结构300的湿处理后马上进行。在其它实施方案中，联接可以在流体应用大约24小时内进行。

联接后使联接结构退火。退火可在大于约110℃的温度下进行。在其它实施方案中，退火温度可为约200℃。在某些实施方案中我们相信，退火可能导致水分子开始离开无机材料315与衬底335和340的第二表面345和360之间的界面，通过粘合界面扩散出晶圆或通过原氧化物扩散出来与硅衬底反应。在这种实施方案中，当水分子移除时，开始形成更强的硅氧烷键，例如Si-OH HO-Si＝＝＝＞Si-O-Si+(H2O)_n。

在某些实施方案(如在MEMS应用)中，为了防止组件内在应力的发展或籍此可避免CMOS装置的降解，可能要求将退火温度保持在约400℃以下。

虽然根据图3A-3E的阐述讨论了等离子处理后所进行的湿处理，但不需要采用这种操作。在其它实施方案中，也可以无需进行湿处理而等离子处理并粘合衬底335和340及衬底结构300，并马上将其联接。在一个备选的实施方案中，等离子处理期间或其后通过使表面暴露于水分源也可使表面得以水合。对某些类型的MEMS组件而言该方法是有益的，因为它不会将任何水分引入至组件内。

我们相信根据图3A-E所述的方法允许直接以原子水平用牢固的共价硅氧烷键连接两个衬底的键。

参见图4A-4H，这些图示意了形成一个实施方案的流体喷射器件部分的方法步骤的剖面表示。衬底400包括形成于第一表面410上的薄膜层415。在薄膜层415内形成了大量的室430。所述室430包括一定体积的根据提供给薄膜层415的信号而喷射的流体。为了在衬底400加工期间保护薄膜层415，在薄膜层415上形成了保护层420。

为了保护未进行加工的后部表面425的部分，在衬底400的第二表面425上也提供了保护层435。在某些实施方案中，施用保护层435之前例如通过化学机械抛光方法平面化第二表面425。在其它实施方案中，加工前衬底400包含双面抛光的晶圆。在一些实施方案中，保护层435可包括已知的氮化物、碳化物或氧化物层。

在图4B中，流体通道440和445经通过第二表面425的工艺方法形成。在一些实施方案中，所述方法例如激光烧蚀、湿法蚀刻、干法蚀刻，以及机械除去的方法，例如磨蚀喷射加工和锯法，或其组合。

在图4C中，流体通道440和445进一步做成具有符合所需流体流动的所需形状。流体通道440和445的成型可通过例如湿法蚀刻方法来进行。另外，流体通道440和445的造型可在流体通道440和445通过在第一表面410和第二表面425之间的通道形成后进行。此外，在流体通道440和445通过第二表面425形成之前也可以在第一表面410的部分中形成沟槽，通过其形成流体通道440和445。再者，流体通道可以具有不同于图4A-4H中所示的外形和几何形状。

在图4D中，衬底载体450包括流体路径470和475，在其间将流体提供给衬底400的流体通道440和445。流体路径470和475提供衬底载体450的第一表面455与第二表面465之间的流体流动路径。在第二表面465处，流体路径470和475与用于从形成于衬底400上的室430中提供喷射流体的流体供应流体连接。

衬底载体450可包括例如无机非金属材料、金属或其它材料。为便利于晶圆400与衬底载体450的粘合，将无机材料460施用于第一表面455。在某些实施方案中，无机材料460可包括TEOS、氧化铝、无定形硅、氮化硅、碳化硅、氧氮化物、磷化铟、蓝宝石以及玻璃釉料物质。

然后平面化无机材料460(图4E)，并且除去此前已提供的任何堵塞流体路径470和475的材料。在某些实施方案中，为了加固衬底400与衬底载体450之间的粘合进行了平面化。在一些实施方案中，平面化后无机材料460在4平方微米的面积上的粗糙度不超过2纳米均方根变分。

在图4F和4G中，对衬底载体450的第一表面455及衬底400的第二表面435上的无机材料460进行等离子处理。所述等离子处理方法与图3A-3E中所述及讨论的那些相似。此外，衬底载体450的第一表面455及衬底400的第二表面425上的无机材料460的等离子处理可同时进行，也可不同时间进行。

应注意的是，在第二表面425进行等离子处理前应先除去保护性材料435。

等离子处理后，对无机材料460进行以清洗为目的的湿处理和以粘合为目的的亲水性处理。在某些实施方案中，所述湿处理可利用包含去离子水的液体。在其它实施方案中，所述液体可包含具有结构(25H₂O:2H₂O₂:1NH₄OH)的SC1。

无机材料进行湿处理后，使第二表面425与第一表面455上的无机材料460联接(图4H)。联接可通过例如摘嵌工具进行。然后退火联接后的结构。退火可在大于约110℃的温度下进行。在其它实施方案中，退火温度可为约200℃。

参见图5A，该图示意了形成一个实施方案的电子器件的方法。将无机材料施用于衬底粘合于其上的衬底载体或固定物的表面(方框500)。然后平面化所述无机材料(方框505)。在一个实施方案中，进行平面化使得无机材料的高度变分在4平方微米的面积上不超过2纳米均方根。在其它实施方案中可利用其它的高度变分(采用相同或不同测量)。

使平面化后的无机材料进行等离子处理(方框510)。对衬底或粘合于衬底载体或固定物上的衬底也进行等离子处理(方框515)。衬底及衬底载体的等离子处理可采用相同或不同的方法，并且可同时或不同时间进行。等离子处理后对无机材料施行针对衬底清洗的湿处理及亲水性处理(方框520)。在某些实施方案中这种湿处理也可应用于衬底。

等离子处理后将其上具有无机材料的衬底载体表面与衬底联接在一起(方框525)。然后对联接后的衬底载体和衬底进行退火以便促进无机材料与衬底之间的共价键合(方框530)。

参见图5B，该图示意了形成微型机电器件的方法。制备MEMS器件(方框550)。可利用任何已知的方法或已知方法的任意组合制备MEMS器件。然后将无机材料施用于MEMS器件的一个或多个将粘合于载体或承载结构的表面上(方框555)。将相同或不同的无机材料也施用于将与MEMS器件粘合的结构的一个或多个表面上(方框560)。可分别进行平面化(方框565和575)以便得到高度变分在4平方微米的面积上大约不超过2纳米均方根的无机材料。在其它实施方案中，可利用在结构中小面积(如4微米的面积)上能够提供所需高度变分的原子层或其它沉积以利于MEMS器件与载体或承载结构粘合。

对具有所需高度变分的MEMS器件的无机材料进行等离子处理(方框585)。对在小面积上具有所需高度变分的载体或承载结构的无机材料也进行等离子处理(方框580)。承载结构和MEMS器件的等离子处理可使用相同或不同的方法，并且可同时进行，也可不同时间进行。对等离子处理过的无机材料进行湿处理(方框585)。在某些实施方案中，这种湿处理也可应用于衬底。

将其上具有无机材料的MEMS器件与承载结构联接在一起(方框590)。其后为了促进共价键合对联接后的结构进行退火(方框595)。

参见图5C，该图示意了形成一个实施方案的流体喷射器件的方法。流体喷射器件(如打印头)包括若干在衬底表面形成的流体喷射元件。对与其上形成流体喷射元件的表面相对的衬底表面进行等离子处理(方框600)。同时，对提供通向流体喷射元件的流体路径并与控制器件电连接的衬底载体进行等离子处理(方框605)。进行处理的可以是粘合于衬底表面的表面。

在某些实施方案中，无机材料不必施用于待粘合在一起的衬底或衬底载体的表面上。在这种实施方案中，所述衬底载体和衬底可包含半导体材料(如硅)。

然后对等离子处理过的衬底表面进行湿处理(方框610)。同时，对等离子处理过的衬底载体的表面进行湿处理(方框615)。湿处理的时间安排可以同时进行，也可以不同时间进行。将湿处理后的衬底表面与湿处理后的衬底载体表面联接在一起(方框620)。然后对联接后的结构进行退火(方框625)。

应注意的是，在某些实施方案中，待进行等离子处理的衬底表面和衬底载体表面之一或两者在进行等离子处理前可进行平面化。

参见图6，该图示意了一个实施方案中MEMS器件的剖视图。在图6的实施方案中，微型机电器件600可以是光电器件。在其它实施方案中，微型机电器件700可以是压力传感器、光子、流体喷射或其它包含彼此粘合在一起的多层衬底或粘合至载体结构的衬底的微型机电器件。

在图6中，光学器件705形成于衬底710上，包括用于从电部件中接收信号或将信号传送至电部件以及其它处理功能的电部件。光能透射无机材料膜715可环绕光学器件705以便保护光学器件705。将其上具有无机材料720的透射材料725粘合于无机材料715上。

在一个实施方案中，提供透射材料725以衰减光能和/或保护光学器件705不受外界环境影响。在某些实施方案中，透射材料725可以是玻璃或玻璃与一种或多种其他材料的混合物。可将减反射涂层730施用于透射材料725与外界环境相互作用的一个或多个表面上。

可利用微型机电器件700作为光开关、发光器的镜元或其它光学器件。此外，微型机电器件700可包含光子，包括可机械变形元件、信号传送元件或其组合的器件。

参见图7，该图示意了打印机一个实施方案的透视图。在该实施方案中，打印器件包括打印机800。此处所示的打印机以喷墨打印机的形式体现。打印机800能够进行黑白和/或彩色打印。术语“打印器件”指的是任何类型的采用开槽衬底以实现至少一部分其功能性的打印器件和/或成像器件。这种打印器件的例子可包括但不限于打印机、传真机和照相复印器。在该示例性的打印器件中，所述开槽衬底包括结合入打印盒内的打印头的一部分，其一个实例如下所述。

图7图示了具有一个实施方案的打印盒的打印机。一般而言，打印机800可以装有一个或多个打印盒810(一种流体喷射器件)。打印机800还可包括用于托住打印介质的托架805。当打印操作开始时，将打印介质(如纸)从托架805送入(优选采用供纸器，图中未示出)打印机800。然后纸张沿U形方向转向并沿相反的方向朝输出托架815行进。也可以采用其它的送纸路径，如直线送纸路径。纸张停顿在打印区820内，然后承载一个或多个打印盒810的扫描滑座825扫描横过纸张，在其上打印一行油墨。单次扫描或多次扫描后，采用例如步进电机和送纸轮使纸张增量移位至打印区820内的下一个位置。滑座825再次扫过纸张以打印下一行油墨。重复所述过程直至整个纸张打印完毕为止，此时纸张被推入至输出托架815。

可将打印盒810以可装卸或永久的方式安装在扫描滑座825。打印盒810也可以具有自备的油墨容器(如可将所述容器置于打印头组合体内，例如图1实施方案中的流体喷射器件5)。自备的油墨容器可以重新装填油墨以便再用打印盒810。或者，可通过软管830将每一个打印盒810与众多固定或可移动的起油墨供应源作用的一个油墨供应源835流体连接。作为另一个备选方案，油墨供应源835可以是一个或多个单独或可从打印头组件中分离的油墨容器。

虽然本发明的基本原理已根据具体的结构特征及方法步骤进行了描述，但应理解的是所附的各项权利要求并非局限于所述的具体特征或步骤。更准确地说，各具体特征及步骤是作为实现本发明基本原理的优选方式进行公开的。