專利名稱：從蝕刻溝槽中移除聚合物涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)蝕刻在半導(dǎo)體晶片內(nèi)的溝槽側(cè)壁的方法。其主要被開發(fā)用來引入到打印頭集成電路的制造過程中，以提供具有改進(jìn)的表面性能和/或改進(jìn)的表面輪廓的墨通道。然而，其同樣可以引入到任意蝕刻過程中。
相關(guān)申請的交叉參考涉及本發(fā)明的各種方法、系統(tǒng)和設(shè)備公開在由本發(fā)明的申請人或受讓人提交的以下美國專利/專利申請中09/517539 656685809/112762 63319466246970644252509/51738409/505951 637435409/517608 09/505147 10/203564 67578326334190674533109/517541 10/203559 10/203560 10/636263 10/636283 10/86660810/902889 10/902833 10/940653 10/942858 10/727181 10/727162 10/72716310/727245 10/727204 10/727233 10/727280 10/727157 10/727178 10/72721010/727257 10/727238 10/727251 10/727159 10/727180 10/727179 10/72719210/727274 10/727164 10/727161 10/727198 10/727158 10/754536 10/75493810/727227 10/727160 10/934720 11/212,702 10/296522 679521510/29653509/575109 10/296525 09/575110 09/607985 639833263945736622923674776010/189459 10/884881 10/943941 10/949294 11/039866 11/12301111/123010 11/144769 11/148237 10/922846 10/922845 10/854521 10/85452210/854488 10/854487 10/854503 10/854504 10/854509 10/854510 10/85449610/854497 10/854495 10/854498 10/854511 10/854512 10/854525 10/85452610/854516 10/854508 10/854507 10/854515 10/854506 10/854505 10/85449310/854494 10/854489 10/854490 10/854492 10/854491 10/854528 10/85452310/854527 10/854524 10/854520 10/854514 10/854519 10/854513 10/85449910/854501 10/854500 10/854502 10/854518 10/854517 10/934628 PLT046US10/728804 10/728952 10/728806 10/728834 10/729790 10/728884 10/72897010/728784 10/728783 10/728925 10/728842 10/728803 10/728780 10/72877910/773189 10/773204 10/773198 10/773199 10/773190 10/773201 10/77319110/773183 10/773195 10/773196 10/773186 10/773200 10/773185 10/77319210/773197 10/773203 10/773187 10/773202 10/773188 10/773194 10/773193
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背景技術(shù)：
近年來，MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))裝置對微電子工業(yè)的影響已經(jīng)極為顯著。事實上，MEMS是發(fā)展最快的微電子領(lǐng)域之一。MEMS的發(fā)展已經(jīng)在很大程度上是通過硅基光刻法擴(kuò)展到微尺寸的機(jī)械裝置和結(jié)構(gòu)的制造而實現(xiàn)的。當(dāng)然，光刻技術(shù)依賴于可靠的蝕刻技術(shù)，所述蝕刻技術(shù)允許精確蝕刻暴露在掩模下方的硅襯底。
MEMS裝置已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在廣泛領(lǐng)域中的應(yīng)用，例如在物理、化學(xué)和生物傳感器方面。MEMS裝置的一個重要應(yīng)用是噴墨打印頭，其中可以利用MEMS技術(shù)制造用于噴墨噴嘴的微尺寸致動器。本申請人已經(jīng)開發(fā)了引入MEMS噴墨裝置的打印頭，它們是以上交叉參考部分列舉的大量專利和專利申請的主題，并且所有這些主題并入本文以作為參考。
通常，MEMS噴墨打印頭(“MEMJET”打印頭)由多個集成電路組成，每個集成電路具有幾千個噴嘴。每個噴嘴包含用于噴射墨的致動器，其可以是例如熱彎曲致動器(例如US 6,322,195)或氣泡形成加熱器元件致動器(例如US 6,672,709)。該集成電路利用MEMS技術(shù)制造，這意味著可以以相對低的成本大規(guī)模生產(chǎn)高噴嘴密度的和由此得到的高分辨率的打印頭。
在MEMS打印頭集成電路的制造中，經(jīng)常需要執(zhí)行深或超深蝕刻。蝕刻深度為約3μm至10μm可以稱為“深蝕刻”，而蝕刻深度大于約10μm可以稱為“超深蝕刻”。
MEMS打印頭集成電路通常需要通過直徑約20μm的單獨的墨供應(yīng)通道將墨遞送到各噴嘴。這些墨通道通常被蝕刻穿過厚度約200μm的晶片，因此對所采用的蝕刻方法有相當(dāng)?shù)囊?。特別重要的是各個墨通道垂直于晶片表面并且不含有扭結(jié)(kink)、側(cè)壁突出(例如“長草”(grassing))或角形接合處，它們會干擾墨的流動。
在本申請人的US專利申請No.10/728,784(申請人編號MTB08)和10/728,970(申請人編號MTB07)中，描述了一種由具有液滴噴射面和墨供應(yīng)面的晶片5制造噴墨打印頭的方法，二者均并入本文作為參考。參考圖1，示出一種典型的MEMS噴嘴排列1，其包含氣泡形成加熱器元件致動器組件2。致動器組件2形成在硅晶片5的鈍化層4上的噴嘴腔3中。晶片通常具有約200μm的厚度“B”，而噴嘴腔通常具有約20μm的厚度“A”。噴嘴腔3具有入口8，其連接硅晶片5中的墨供應(yīng)通道(未顯示在圖1中)。
參考圖2，通過首先將溝槽從晶片的墨噴射面20蝕刻穿過TEOS互聯(lián)7的CMOS金屬化層并部分穿過晶片5而在晶片5中形成墨供應(yīng)通道6。一旦形成，用光刻膠10堵塞該溝槽，同時在晶片的墨噴射面20上形成噴嘴結(jié)構(gòu)。在形成噴嘴排列1之后，通過從晶片的墨供應(yīng)面30到達(dá)并進(jìn)入光刻膠栓塞10的超深蝕刻而形成墨供應(yīng)通道6。
參考圖3，最后剝離光刻膠栓塞10形成入口8。入口8提供墨供應(yīng)通道6與噴嘴腔3之間的流體連通。圖2和3還示出CMOS驅(qū)動電路9，它提供在晶片5和互聯(lián)7之間。
墨供應(yīng)通道的“背面蝕刻”避免用光刻膠來填充或移除整個200μm長的墨供應(yīng)通道，同時晶片的噴嘴結(jié)構(gòu)被光刻形成。然而，以此方式背面蝕刻墨供應(yīng)通道存在相關(guān)的大量問題。首先，墨供應(yīng)面的掩模需要仔細(xì)對準(zhǔn)以使被蝕刻的通道與用光刻膠堵塞的溝槽相配合，并且不損傷驅(qū)動電路9。其次，蝕刻需要垂直和各向異性地達(dá)到約200μm的深度。
本領(lǐng)域已知幾種在硅中蝕刻超深溝槽的方法。所有這些方法涉及利用氣體等離子體的深反應(yīng)性離子蝕刻(DRIE)。將其上放置合適掩模的半導(dǎo)體襯底置于等離子體反應(yīng)器的下電極上，并且暴露在由氣體混合物形成的電離氣體等離子體下。電離等離子體氣體(通常帶正電)通過施加在電極上的偏壓而被朝向襯底加速。等離子體氣體通過物理轟擊、化學(xué)反應(yīng)或二者組合來蝕刻襯底。硅蝕刻通常通過形成揮發(fā)性的鹵化硅例如SiF4而最終實現(xiàn)，該鹵化硅通過輕的惰性載氣例如氦氣而被從蝕刻前端帶走。
通常在溝槽剛形成時，通過將惰性層沉積在溝槽的底部和側(cè)壁上以及使用氣體等離子體選擇性蝕刻溝槽底部來實現(xiàn)各向異性蝕刻。
完成超深各向異性蝕刻的最廣泛應(yīng)用的方法是“Bosch法”，其描述在US 5,501,893和US 6,284,148中。該方法涉及交替的聚合物沉積和蝕刻步驟。在形成淺溝槽后，第一聚合物沉積步驟將聚合物沉積至溝槽的底部和側(cè)壁上。聚合物在惰性氣體存在或不存在下，通過由氟碳?xì)怏w(例如CHF3、C4F8或C2F4)形成的氣體等離子體沉積。在后續(xù)蝕刻步驟中，氣體等離子體混合物變?yōu)镾F6/Ar。沉積在溝槽底部上的聚合物通過蝕刻步驟中的離子輔助而被快速破壞，同時側(cè)壁依然被保護(hù)。因此，可以實現(xiàn)各向異性蝕刻。
然而，Bosch法的主要缺點是聚合物沉積和蝕刻步驟需要交替進(jìn)行，這意味著連續(xù)交替變換等離子體的氣體組成，因而減慢蝕刻速率。反過來，這種交替導(dǎo)致不平坦的溝槽側(cè)壁，特征是形成帶圓齒的表面。
Bosch法的另一缺點是其在溝槽側(cè)壁上留下疏水的氟碳聚合物涂層(“Bosch聚合物”)。在用于噴墨打印頭的墨通道中，希望提供親水側(cè)壁以使墨通過毛細(xì)作用被拉入墨供應(yīng)通道中。
迄今，這種聚合物涂層是通過O2灰化或“濕”清洗移除的。移除“Bosch聚合物”殘余物的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)方法是使用EKCTM濕清洗，接著進(jìn)行DI漂洗和旋轉(zhuǎn)干燥。然而，O2灰化和EKCTM清洗二者在硅晶片的MEMS加工過程中存在嚴(yán)重問題。通常，在MEMS鑄造中被加工的硅晶片使用離型帶例如RevalphaTM熱離型帶附著至操作晶片，例如玻璃操作晶片。操作晶片是必需的，以便能夠在背面加工步驟期間處理硅晶片，而不損傷已在晶片正面制造好的任意敏感結(jié)構(gòu)(例如噴墨噴嘴)。如上所述，通常，在噴墨打印頭的MEMS制造過程中，噴嘴首先形成在晶片正面，隨后從晶片背面蝕刻墨供應(yīng)通道。在進(jìn)行背面加工步驟期間(例如晶片研磨、蝕刻)，具有保護(hù)性光刻膠涂層的晶片正面通常使用熱離型帶附著至操作晶片。熱離型帶包含在一側(cè)上具有熱離型膠粘劑的薄膜。熱離型膠粘劑方便地允許通過在背面加工步驟完成后控制加熱而使硅晶片從操作晶片上脫離。
然而，標(biāo)準(zhǔn)O2灰化爐在約220～240℃下運行，這完全超出了標(biāo)準(zhǔn)熱離型帶的離型溫度(約160～180℃)。結(jié)果，硅晶片在標(biāo)準(zhǔn)灰化爐中的O2灰化期間與操作晶片脫層。降低灰化爐溫度導(dǎo)致不可接受的低灰化速率并且不能保證完全移除蝕刻輪廓側(cè)壁上的所有聚合物殘余物。
而且，標(biāo)準(zhǔn)EKCTM清洗趨于化學(xué)攻擊熱離型帶，同樣導(dǎo)致高度不希望的脫層。
關(guān)于超深各向異性蝕刻的另外的問題是當(dāng)蝕刻前端遇到光刻膠栓塞10時，傾向于損失各向異性。圖2和3示出一種理想化的制造過程，其中當(dāng)蝕刻前端遭遇光刻膠時，蝕刻前端繼續(xù)各向異性蝕刻并且與光刻膠栓塞10齊平。然而實際上，參考圖4，當(dāng)蝕刻前端遭遇光刻膠栓塞10時，蝕刻向外輻射狀展開，留下圍繞光刻膠栓塞的尖釘形周緣(circumferential rim)13。蝕刻前端遭遇光刻膠栓塞處的輻射展開據(jù)信是由于累積在光刻膠上的電荷與等離子體中的帶電離子之間的電荷互斥的緣故。輻射狀展開的蝕刻終點12和對應(yīng)的尖釘形周緣13示于圖4中。
在移除光刻膠時(圖5)，不希望在最終的打印頭集成電路中存在輻射狀展開的蝕刻終點12。輻射狀展開的蝕刻終點12的作用如同口袋，其能夠截留緩慢移動的墨或氣泡。這會導(dǎo)致從墨供應(yīng)通道6至入口8和噴嘴下游的墨流動的中斷。
此外，面對前進(jìn)墨流的尖釘形周緣13受到本體晶片5的支撐較弱并且可能容易破裂成一個或多個碎片。在墨流中產(chǎn)生碎片是極其不希望的，并且通常將導(dǎo)致噴嘴下游失效。
希望提供一種方法，該方法暴露出蝕刻溝槽中的角形或尖釘形表面輪廓，由此促進(jìn)對該輪廓的改進(jìn)。還希望提供一種制造打印頭集成電路的方法，使得通過該方法形成的墨通道具有改進(jìn)的表面輪廓。
還希望提供一種移除蝕刻過程中沉積在溝槽側(cè)壁上的疏水聚合物層的可選方法。還希望提供一種移除該聚合物的方法，該方法與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)熱離型帶相容并且不導(dǎo)致脫層。還希望提供一種制造打印頭集成電路的方法，使得通過該方法形成的墨通道具有改進(jìn)的表面性能。

發(fā)明內(nèi)容
第一方面，提供一種從限定在硅晶片中的蝕刻溝槽的側(cè)壁上移除聚合物涂層的方法，所述方法包括在偏壓等離子體蝕刻室中使用O2等離子體蝕刻所述晶片，其中所述室的溫度為90～180℃。
第二方面，提供一種在硅晶片中蝕刻溝槽的方法，所述方法包括如下步驟(a)將所述硅晶片的正面附著至操作晶片；(b)利用各向異性DRIE方法蝕刻晶片背面以形成溝槽，所述DRIE方法包括交替蝕刻和鈍化步驟，所述鈍化步驟在所述溝槽側(cè)壁上沉積聚合物涂層；
(c)通過在偏壓蝕刻室中使用O2等離子體蝕刻所述晶片來移除所述聚合物涂層，其中所述室的溫度為100～180℃。
第三方面，本發(fā)明提供一種促進(jìn)蝕刻溝槽的改進(jìn)的方法，該方法包括(a)提供包含至少一個蝕刻溝槽的晶片，所述至少一個蝕刻溝槽在其底部具有光刻膠栓塞；和(b)通過使晶片經(jīng)歷偏壓氧等離子體蝕刻而移除部分光刻膠。
第四方面，本發(fā)明提供一種制造噴墨打印頭集成電路的方法，所述噴墨打印頭集成電路包含噴嘴、噴射致動器、相關(guān)驅(qū)動電路和墨供應(yīng)通道，該方法包括(i)提供具有液滴噴射正面和墨供應(yīng)背面的晶片；(ii)部分蝕刻多個溝槽至晶片的液滴噴射面內(nèi)；(iii)用光刻膠栓塞填充各個溝槽；(iv)利用光刻掩模蝕刻技術(shù)，在晶片的液滴噴射面上形成多個對應(yīng)的噴嘴、噴射致動器和相關(guān)驅(qū)動電路；(v)背面蝕刻多個對應(yīng)的墨供應(yīng)通道，使其從晶片的墨供應(yīng)面到達(dá)并進(jìn)入光刻膠栓塞；(vi)通過使晶片經(jīng)歷偏壓氧等離子體蝕刻而移除各光刻膠栓塞的一部分，由此暴露出墨供應(yīng)通道中的角形側(cè)壁輪廓；(vii)改進(jìn)暴露的角形側(cè)壁輪廓；和(viii)從溝槽中剝除光刻膠栓塞以形成噴嘴入口，由此提供在墨供應(yīng)面和噴嘴之間的流體連通。
第五方面，本發(fā)明提供通過上述方法制造的噴墨打印頭集成電路。
根據(jù)本申請第一和第二方面的方法有利地允許從溝槽中移除疏水聚合物側(cè)壁殘余物(例如“Bosch”聚合物)，而不過度加熱硅晶片。過度加熱硅晶片會導(dǎo)致已經(jīng)形成在晶片上的敏感MEMS結(jié)構(gòu)被例如由光刻膠膨脹所施加的應(yīng)力所損傷。此外，過熱通常引起晶片與硅晶片通常所附著的操作晶片脫層。因此，本發(fā)明的優(yōu)點是可以不使用潛在損傷的EKCTM清洗和O2等離子體灰化來移除聚合物殘余物。聚合物涂層通常被更親水的氧化硅層所替代。
利用在等離子體蝕刻室中被偏壓的O2等離子體源，該O2等離子體具有足夠的能量在低于標(biāo)準(zhǔn)熱離型帶的離型溫度的溫度下移除深(例如，超過100微米深)溝槽中的聚合物殘余物。
參考本申請的第三、第四和第五方面，迄今，在由MEMS技術(shù)制造的打印頭中的墨供應(yīng)通道的表面輪廓的重要性還沒有被完全理解。同時，近年來，已經(jīng)可以使用幾種超深蝕刻技術(shù)，但是沒有一種技術(shù)解決了當(dāng)朝向(和越過)光刻膠栓塞背面蝕刻時的上述問題。尤其是，還沒有解決形成于側(cè)壁的尖銳的、潛在易碎的周緣。如上所討論的，該周緣在背面蝕刻期間由于蝕刻前端圍繞光刻膠栓塞輻射狀展開而形成(參見圖4和5)。
在某種程度上，蝕刻前端圍繞光刻膠栓塞輻射狀展開的問題可通過特殊的蝕刻技術(shù)來解決。這種特殊蝕刻技術(shù)的一個例子描述在US6,187,685(轉(zhuǎn)讓給Surface Technology Systems)。然而，雖然描述在US 6,187,685中的技術(shù)可以減小相對于垂直面的傾角，但是它依然沒有完全避免形成圍繞光刻膠栓塞的周緣。事實上，由于通過減小傾角使得所得周緣更薄，因此可能實際上增加了周緣的易碎性，由此增加了碎片破碎脫離側(cè)壁并堵塞噴嘴的可能性。
除了試圖避免形成該周緣之外，本發(fā)明提供一種在蝕刻后步驟中促進(jìn)其移除的方法。在本發(fā)明的方法中，移除部分光刻膠栓塞以暴露出在深或超深蝕刻過程中圍繞栓塞形成的周緣。一旦暴露，周緣就可以通過離子研磨而被平滑或圓化。因此，通過本發(fā)明方法制造的打印頭一般表現(xiàn)出改進(jìn)的通過其墨供應(yīng)通道的墨流動和最小化由于晶片碎片堵塞或噴嘴損傷導(dǎo)致的噴嘴故障的風(fēng)險。
本發(fā)明的任選特征氧等離子體蝕刻通常在等離子體蝕刻反應(yīng)器例如感應(yīng)耦合等離子體(ICP)蝕刻反應(yīng)器中進(jìn)行。術(shù)語“等離子體蝕刻反應(yīng)器”和“等離子體蝕刻室”是本領(lǐng)域完全等同的術(shù)語。
等離子體蝕刻反應(yīng)器為本領(lǐng)域所公知的并且可以從各種來源(例如，Surface Technology System，PLC)商業(yè)獲得。通常，蝕刻反應(yīng)器包含由鋁、玻璃或石英形成的室，該室含有成對的平行電極板。然而，也可以獲得其它設(shè)計的反應(yīng)器并且本發(fā)明適合使用任意類型的等離子體蝕刻反應(yīng)器。
使用射頻(RF)能量源來電離引入室的氣體混合物。得到的電離氣體等離子體通過偏壓朝向位于下電極(也稱為靜電夾盤或臺板)上的襯底加速。因此，等離子體蝕刻室可以用來偏壓蝕刻，其中氣體等離子體的方向是朝向襯底的。提供各種控制裝置來控制ICP功率、偏壓功率、RF電離能、襯底溫度、室壓力、室溫度等。
在本發(fā)明中，可以最優(yōu)化等離子體蝕刻室的參數(shù)，以便實現(xiàn)從溝槽側(cè)壁徹底移除聚合物涂層。任選地，偏壓功率為10～100W(優(yōu)選30～70W)，ICP功率任選為1000～3000W(或2000～3000W)，室溫度任選為90～180℃(或90～150℃，或120～150℃)，O2流量任選為20～200sccm(優(yōu)選60～100sccm)，以及室壓力任選為5～200mTorr(任選20～140mTorr，或任選60～100mTorr)。蝕刻時間通常在20～200分鐘、30～200分鐘或40～80分鐘內(nèi)。
任選地，該方法從光刻膠栓塞暴露的背面移除約1～15μm或任選約2～7μm的深度。移除部分可以是總栓塞體積的至多10％、至多20％、或至多50％。通常，通過本發(fā)明方法移除的光刻膠量將足以通過現(xiàn)有蝕刻方法暴露出形成在至少部分原始接觸栓塞周圍的周緣的內(nèi)表面。
任選地，本發(fā)明的方法包括進(jìn)一步離子研磨暴露的角形輪廓例如上述周緣的步驟。通常，角形表面輪廓通過離子研磨被形成錐形、平滑和/或圓化。因而，通過這些輪廓的墨流動接近曲面而不是有棱角的表面，這意味著墨能夠平滑地流過，而不產(chǎn)生過多的湍流和/或氣泡。此外，所得圓化、平滑和/或形成錐形的輪廓的易碎性減小，因而由于碎片破裂并進(jìn)入噴嘴腔而導(dǎo)致噴嘴故障的可能性更低。
離子研磨通常在等離子體蝕刻反應(yīng)器例如上述感應(yīng)耦合等離子體蝕刻反應(yīng)器中實施。
任選地，使用選自氬氣、氪氣或氙氣的重惰性氣體來實施離子研磨。優(yōu)選惰性氣體是氬氣，這是因為氬氣可以以相對低的成本廣泛得到，并且由于其相對高的質(zhì)量而具有出色的濺射性能。通常，在等離子體蝕刻反應(yīng)器中產(chǎn)生氬離子等離子體，并且使氬離子朝向其上具有墨供應(yīng)通道的硅晶片垂直加速。
可以變化等離子體反應(yīng)器參數(shù)以實現(xiàn)晶片的最優(yōu)離子研磨。任選地，偏壓功率為100～500W(優(yōu)選200～400W)，ICP功率為1000～3000W(優(yōu)選約2500W)，室溫度為90～150℃(優(yōu)選約120℃)，并且Ar流量為20～200sccm(優(yōu)選80～120sccm)。研磨時間通常在5～100分鐘、10～60分鐘或10～30分鐘范圍內(nèi)。
離子研磨可以在任意適合的壓力下實施。通常，壓力在2～2000mTorr范圍內(nèi)。也就是說，離子研磨可以在低壓(約2～250mTorr)或高壓(約250～2000mTorr)下實施。
低壓離子研磨的優(yōu)點是大多數(shù)商業(yè)可獲得的等離子體蝕刻反應(yīng)器是為低壓蝕刻設(shè)計的。因此，低壓離子研磨不需要任何特殊設(shè)備。
然而，離子研磨也可以在高壓下實施。高壓離子研磨的優(yōu)點是通?？色@得更陡的錐度。使用高壓離子研磨產(chǎn)生大錐度的原理可以理解如下。一般，在相對低壓(例如，約2～250mTorr)下實施濺射蝕刻以獲得高的濺射蝕刻效率。此種低壓對于從表面濺射的硅原子產(chǎn)生幾乎無碰撞的路徑，由此最優(yōu)化蝕刻效率。
通過在高壓而非低壓下濺射蝕刻，濺射硅原子的平均自由路徑下降，這是因為濺射(反射)的硅原子有更大的幾率與入射的等離子體氣體中的氬離子碰撞。結(jié)果，在襯底表面上方形成氣態(tài)云，其使反射的硅原子重新沉積回到硅晶片上。反射的硅原子在更大深度處具有逐漸增加的凈沉積，這導(dǎo)致側(cè)壁中的角形表面輪廓的錐度變得更大。
并入本文作為參考的US 5,888,901描述了一種使用氬氣作為濺射氣體的SiO2介電表面的高壓離子研磨。雖然US 5,888,901描述的方法被用于使SiO2介電表面層形成錐形，而不是用于使蝕刻在硅中的超深通道側(cè)壁上的角形表面輪廓形成錐形，但是該方法可以很容易被改進(jìn)并且應(yīng)用于本發(fā)明方法中。
本發(fā)明中一般優(yōu)選低壓離子研磨(例如，5～50mTorr)，因為通常只需要圓化角形側(cè)壁輪廓以實現(xiàn)改進(jìn)的墨流動，而不是使整個側(cè)壁輪廓形成錐形。此外，低壓離子研磨不需要任何特殊設(shè)備并且因此能夠易于被引入典型的打印頭制造工藝中。
任選地，各個墨供應(yīng)通道具有100～300μm范圍的深度，任選150～250μm或任選約200μm。墨供應(yīng)通道的寬度/長度尺寸可以顯著變化。任選地，各個墨供應(yīng)通道基本為圓筒形，其直徑為5～30μm、任選14～28μm、或任選17～25μm。利用這種設(shè)計，當(dāng)蝕刻前端遭遇前側(cè)光刻膠栓塞時，蝕刻擴(kuò)展通常顯著?？蛇x擇地，各個墨供應(yīng)通道具有40～120μm(或60～100μm)的寬度和200μm以上或500μm以上的長度。對于這些更寬的通道設(shè)計，由于電荷從蝕刻前端分散的緣故，蝕刻擴(kuò)展一般不明顯。盡管這樣避免蝕刻擴(kuò)展，但是本發(fā)明仍然通過偏壓氧等離子體蝕刻用來從溝槽側(cè)壁移除聚合物涂層。
任選地，每個噴嘴入口具有5～40μm、任選10～30μm或任選15～25μm的深度。任選地，每個噴嘴入口基本為圓柱形，具有3～28μm、任選8～24μm或任選12～20μm的直徑。作為替代方案，每個噴嘴入口基本為立方體，具有5～40μm范圍的寬度/長度尺寸。
通常，每個墨供應(yīng)通道具有比其對應(yīng)的噴嘴入口更大的直徑，并且本發(fā)明方法可以被用于使入口和墨供應(yīng)通道的連接所限定的肩部形成錐形、平滑和/或圓化。
另一方面，本發(fā)明提供一種促進(jìn)蝕刻溝槽的改進(jìn)的方法，該方法包括(a)提供包含至少一個蝕刻溝槽的晶片，所述至少一個溝槽在其底部具有光刻膠栓塞；和(b)通過使晶片經(jīng)歷偏壓氧等離子體蝕刻來移除部分光刻膠。
任選晶片包含多個蝕刻溝槽。
任選偏壓氧等離子體蝕刻從光刻膠栓塞的暴露表面移除1～15μm的深度。
任選地，移除部分光刻膠暴露出溝槽側(cè)壁中的角形輪廓。
任選地，該方法還包括以下步驟(c)離子研磨暴露的角形輪廓。
任選地，溝槽側(cè)壁通過偏壓氧等離子體蝕刻而被附帶親水化。
任選地，附帶親水化包括從溝槽側(cè)壁移除聚合物層。
任選地，在等離子體蝕刻反應(yīng)器中進(jìn)行偏壓氧等離子體蝕刻。
任選地，等離子體蝕刻反應(yīng)器具有10～100W的偏壓功率。
任選地，等離子體蝕刻反應(yīng)器具有20～140mTorr的室壓力。
任選地，形成打印頭制造過程的一部分。
任選地，蝕刻溝槽是用于打印頭的墨供應(yīng)通道。
任選地，墨供應(yīng)通道具有100～300μm的深度。
另一方面，本發(fā)明提供一種制造噴墨打印頭集成電路的方法，該噴墨打印頭集成電路包含多個噴嘴、噴射致動器、相關(guān)驅(qū)動電路和墨供應(yīng)通道，該方法包括下列步驟(i)提供具有液滴噴射正面和墨供應(yīng)背面的晶片；(ii)部分蝕刻多個溝槽至晶片的液滴噴射面內(nèi)；(iii)用光刻膠栓塞填充各個溝槽；(iv)利用光刻掩模蝕刻技術(shù)，在晶片的液滴噴射面上形成多個對應(yīng)的噴嘴、噴射致動器和相關(guān)驅(qū)動電路；(v)背面蝕刻多個對應(yīng)的墨供應(yīng)通道，使其從晶片的墨供應(yīng)面到達(dá)并且進(jìn)入光刻膠栓塞；(vi)通過使晶片經(jīng)歷偏壓氧等離子體蝕刻來移除各個光刻膠栓塞的一部分，由此暴露出墨供應(yīng)通道中的角形側(cè)壁輪廓；
(vii)改進(jìn)暴露的角形側(cè)壁輪廓；和(viii)從溝槽中剝除光刻膠栓塞以形成噴嘴入口，由此提供墨供應(yīng)面與噴嘴之間的流體連通。
任選地，角形側(cè)壁輪廓包括圍繞至少部分光刻膠栓塞的周緣，所述周緣通過移除各個栓塞的一部分而被暴露。
任選地，暴露的角形側(cè)壁輪廓通過氬離子研磨而得到改進(jìn)。
任選地，氬離子研磨平滑和/或圓化所暴露的角形側(cè)壁輪廓。
任選地，氬離子研磨在等離子體反應(yīng)器中進(jìn)行。
任選地，墨供應(yīng)通道側(cè)壁通過偏壓氧等離子體蝕刻而被附帶親水化。
另一方面，本發(fā)明提供一種通過上述方法制造的打印頭集成電路。
另一方面，本發(fā)明提供一種從限定于硅晶片的蝕刻溝槽的側(cè)壁上移除聚合物涂層的方法，所述方法包括在偏壓等離子體蝕刻室中使用O2等離子體蝕刻所述晶片，其中室溫度為90～180℃。
任選地，所述蝕刻室是感應(yīng)耦合等離子體(ICP)蝕刻室。
任選地，ICP功率為2000～3000W。
任選地，所述晶片附著在臺板上，并且偏壓臺板功率為10～100W。
任選地，所述室的溫度為120～150℃。
任選地，室壓力為30～120mTorr。
任選地，室壓力為60～100mTorr。
任選地，所述臺板的溫度為5～20℃。
任選地，所述臺板使用背面氦冷卻來冷卻。
任選地，氧流入所述室的流量為20～200sccm。
任選地，蝕刻時間在40～80分鐘范圍內(nèi)。
任選地，所述聚合物涂層是疏水的氟聚合物。
任選地，所述溝槽是用于噴墨打印頭的墨供應(yīng)通道。
任選地，所述墨供應(yīng)通道具有20～120微米范圍的寬度。
任選地，所述墨供應(yīng)通道具有至少100微米的深度。
任選地，所述硅晶片的正面利用膠粘帶附著至操作晶片，所述蝕刻溝槽被限定在所述晶片的背面。
任選地，所述膠粘帶是熱離型帶。
任選地，所述膠粘帶不受所述氧等離子體蝕刻的影響。
任選地，所述氧等離子體蝕刻不導(dǎo)致所述操作晶片與所述硅晶片脫層。
另一方面，提供一種在硅晶片中蝕刻溝槽的方法，所述方法包括下列步驟(a)將所述晶片的正面附著至操作晶片；(b)利用各向異性DRIE方法蝕刻所述晶片的背面以形成溝槽，所述DRIE方法包括交替蝕刻和鈍化的步驟，所述鈍化步驟在所述溝槽的側(cè)壁上沉積聚合物涂層；(c)通過在偏壓等離子體蝕刻室中利用O2等離子體蝕刻所述晶片來移除所述聚合物涂層，其中所述室溫度為90～180℃。


附圖1是用于打印頭的打印頭噴嘴裝置的透視圖；附圖2是移除致動器組件并暴露出墨供應(yīng)通道的、理想的、部分制造的打印頭噴嘴裝置的剖面透視圖；附圖3是附圖2所示打印頭噴嘴裝置在剝除光刻膠栓塞之后的剖面透視圖；附圖4是移除致動器組件并暴露出墨供應(yīng)通道的、部分制造的現(xiàn)有技術(shù)打印頭噴嘴裝置的剖面透視圖；附圖5是附圖4所示現(xiàn)有技術(shù)打印頭噴嘴裝置在剝除光刻膠栓塞之后的剖面透視圖；附圖6是移除致動器組件并暴露出墨供應(yīng)通道的、部分制造的根據(jù)本發(fā)明的打印頭噴嘴裝置的剖面透視圖；
附圖7是附圖6所示部分制造的打印頭噴嘴裝置在離子研磨周緣之后的剖面透視圖；附圖8是附圖6所示部分制造的打印頭噴嘴裝置在剝除光刻膠栓塞之后的剖面透視圖；附圖9是具有背面蝕刻至對應(yīng)正面栓塞內(nèi)5μm的12個溝槽的硅晶片的SEM顯微圖；附圖10是示出背面蝕刻進(jìn)入正面栓塞5μm的硅晶片的放大SEM顯微圖；附圖11是根據(jù)本發(fā)明偏壓氧等離子體蝕刻之后的溝槽的SEM顯微圖；附圖12是附圖11的放大圖；附圖13是氬離子研磨之后的溝槽的SEM顯微圖；和附圖14是附著在玻璃操作晶片上的硅晶片的側(cè)視圖。
具體實施例方式
參考附圖14，在晶片5的正面上制造MEMS噴嘴結(jié)構(gòu)50之后，該正面被光刻膠保護(hù)層51所涂覆并被附著至玻璃操作晶片52上。玻璃操作晶片52使用具有粘接玻璃操作晶片52的持久膠粘層54的熱離型帶53來附著，并且熱離型膠粘層55粘接到保護(hù)性光刻膠50。玻璃操作晶片52的最外層表面被金屬化，以便在等離子體蝕刻室中附著至靜電臺板。
隨著晶片5與玻璃操作晶片52固定，在等離子體蝕刻室中背面蝕刻晶片5以限定背面的墨供應(yīng)通道。任何標(biāo)準(zhǔn)的各向異性DIRE方法(例如，Bosch方法)均可被用于背面蝕刻。
參考附圖4，顯示在從晶片5的墨供應(yīng)面30(背面)背面蝕刻到達(dá)光刻膠栓塞10并進(jìn)入光刻膠栓塞10之后的部分制造的打印頭集成電路。當(dāng)在背面蝕刻期間蝕刻前端遭遇栓塞10時，蝕刻輻射狀向外擴(kuò)展，得到輻射狀擴(kuò)展的蝕刻末端12和對應(yīng)的圍繞部分栓塞的周緣13。
參考附圖6，附圖4中所示的背面蝕刻晶片經(jīng)歷偏壓氧等離子體蝕刻。在等離子體蝕刻室中利用適當(dāng)控制的氣流、偏壓功率、ICP功率、室壓力和蝕刻時間來進(jìn)行偏壓氧等離子體蝕刻。偏壓氧等離子體蝕刻移除部分光刻膠栓塞10。移除的部分足以暴露出尖釘形的周緣13。
此外，偏壓氧等離子體蝕刻從墨供應(yīng)通道的側(cè)壁上移除所有疏水性氟碳聚合物，并以親水性SiO2層取而代之。墨供應(yīng)通道6側(cè)壁上的氟碳聚合物涂層通常在各向異性DIRE過程中形成。通過用親水性SiO2層替代氟碳層，墨供應(yīng)通道6的表面性能通常得到改善，而不影響將晶片5固定至操作晶片52的熱離型帶。具體地，通過避免傳統(tǒng)的化學(xué)濕清洗過程和/或高溫灰化而避免脫層。
參考附圖7，附圖6中所示的晶片5在等離子體蝕刻反應(yīng)器中經(jīng)歷氬離子研磨。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以很容易地確定等離子體蝕刻反應(yīng)器的最優(yōu)操作參數(shù)。在氬離子研磨期間，暴露的周緣被消除，這改善了墨供應(yīng)通道6的堅固性(robustness)和表面輪廓。
周緣13被平滑、圓化和/或形成錐形的程度取決于等離子體蝕刻反應(yīng)器中的壓力、偏壓功率和/或研磨時間。周緣13可以被氬離子研磨所圓化(如圖7所示)或完全形成錐形。每一種情況下，這種尖銳突起的移除通常會改善通過通道6的墨流動和最小化碎片破裂和堵塞噴嘴下游的可能性。
最后，參考附圖8，附圖7所示的晶片被灰化，這徹底剝除光刻膠栓塞10并提供入口8與墨供應(yīng)通道6之間的流體連通。
實施例如下制備厚度為200μm的硅晶片。使用標(biāo)準(zhǔn)各向異性DRIE方法在晶片正面形成直徑14μm和深度28μm的溝槽。用光刻膠填充該溝槽以形成正面栓塞。隨著晶片正面被附著至玻璃操作晶片，隨后背面蝕刻至正面栓塞背面的5μm內(nèi)。再次使用標(biāo)準(zhǔn)各向異性DRIE過程來背面蝕刻。背面蝕刻的主溝槽具有約170μm的深度和約21μm的直徑。附圖9是背面蝕刻至正面栓塞內(nèi)5μm的硅晶片的SEM顯微圖。
在各向異性蝕刻條件下，繼續(xù)背面蝕刻到達(dá)正面栓塞的背表面并進(jìn)入正面栓塞約5μm。附圖10是背面蝕刻至正面栓塞內(nèi)之后的部分溝槽的SEM顯微圖。如圖10所示，尖釘形周緣圍繞正面栓塞延伸，在此處背面蝕刻沒有完全與正面栓塞蝕刻齊平。
隨后根據(jù)本發(fā)明的方法蝕刻如上制備的硅晶片。
如下構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)的感應(yīng)耦合等離子體DRIE反應(yīng)器(“HRM Pro”工具，由Surface Technology Systems提供)ICP最大功率 2500W偏壓功率50W等離子體氣體O2室溫度 120℃冷卻背面氦冷卻，9.5Torr，10℃室壓力 80mTorrO2流量 80sccm在這些條件下背向蝕刻晶片60分鐘。蝕刻從正面栓塞的背面移除深度7μm的部分。在蝕刻過程中，沉積在主溝槽側(cè)壁上的聚合物層也被移除。附圖11和12是部分硅晶片的SEM顯微圖，詳細(xì)顯示被氧等離子體蝕刻移除的正面栓塞的7μm部分。附圖12也示出朝向晶片背面延伸的厚度為1.7μm的尖釘狀圓周形突出物(前述圍繞正面栓塞的周緣)。
氧等離子體蝕刻之后，如下重新建構(gòu)等離子體反應(yīng)器ICP最大功率 2500W偏壓功率 300W等離子體氣體 Ar室溫度120℃冷卻 背面氦冷卻，9.5Torr，10℃室壓力10mTorrO2流量 100sccm晶片在這些條件下被背面蝕刻15～20分鐘。附圖13是所得溝槽的SEM顯微圖，顯示尖釘狀圓周形突出物被圓化消除成為平滑表面。一旦光刻膠被剝除，則在正面蝕刻和背面蝕刻溝槽的連接處的尖釘形突出物的消失明顯地改善了所得通道的表面輪廓。
當(dāng)然，應(yīng)該理解本發(fā)明僅僅通過實施例進(jìn)行了說明，并且可以在所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明范圍內(nèi)對本發(fā)明進(jìn)行細(xì)節(jié)的修改。
權(quán)利要求
1.一種從限定在硅晶片中的蝕刻溝槽的側(cè)壁上移除聚合物涂層的方法，所述方法包括在偏壓等離子體蝕刻室中利用O2等離子體蝕刻所述晶片，其中所述室的溫度為90～180℃。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述蝕刻室是感應(yīng)耦合等離子體(ICP)蝕刻室。
3.權(quán)利要求2的方法，其中ICP功率為2000～3000W。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所述晶片附著至臺板，并且偏壓臺板功率為10～100W。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所述室的溫度為120～150℃。
6.權(quán)利要求1的方法，其中室壓力為30～120mTorr。
7.權(quán)利要求1的方法，其中室壓力為60～100mTorr。
8.權(quán)利要求1的方法，其中所述臺板的溫度為5～20℃。
9.權(quán)利要求8的方法，其中利用背面氦冷卻來冷卻所述臺板。
10.權(quán)利要求1的方法，其中流入所述室的氧流量為20～200sccm。
11.權(quán)利要求1的方法，其中蝕刻時間為40～80分鐘。
12.權(quán)利要求1的方法，其中所述聚合物涂層是疏水性氟聚合物。
13.權(quán)利要求1的方法，其中所述溝槽是用于噴墨打印頭的墨供應(yīng)通道。
14.權(quán)利要求13的方法，其中所述墨供應(yīng)通道的寬度為20～120微米。
15.權(quán)利要求13的方法，其中所述墨供應(yīng)通道具有至少100微米的深度。
16.權(quán)利要求1的方法，其中使用膠粘帶將所述硅晶片的正面附著至操作晶片，所述蝕刻溝槽被限定在所述晶片的背面。
17.權(quán)利要求16的方法，其中所述膠粘帶是熱離型帶。
18.權(quán)利要求16的方法，其中所述膠粘帶不受所述氧等離子體蝕刻的影響。
19.權(quán)利要求16的方法，其中所述氧等離子體蝕刻不導(dǎo)致所述操作晶片與所述硅晶片脫層。
20.一種在硅晶片中蝕刻溝槽的方法，所述方法包括以下步驟(a)將所述晶片的正面附著至操作晶片；(b)利用各向異性DRIE方法蝕刻所述晶片的背面以形成溝槽，所述DRIE方法包括交替蝕刻和鈍化的步驟，所述鈍化步驟在所述溝槽的側(cè)壁上沉積聚合物涂層；(c)通過在偏壓等離子體蝕刻室中利用O2等離子體蝕刻所述晶片來移除所述聚合物涂層，其中所述室溫度為100～180℃。
21.一種用于促進(jìn)蝕刻溝槽的改進(jìn)的方法，所述方法包括(a)提供包含至少一個蝕刻溝槽的晶片，所述至少一個溝槽在其底部具有光刻膠栓塞；和(b)通過使所述晶片經(jīng)歷偏壓氧等離子體蝕刻來移除部分光刻膠。
22.權(quán)利要求21的方法，其中所述晶片包含多個蝕刻溝槽。
23.權(quán)利要求21的方法，其中所述偏壓氧等離子體蝕刻從所述光刻膠栓塞的暴露表面上移除1～15μm的深度。
24.權(quán)利要求21的方法，其中部分光刻膠的移除暴露出所述溝槽側(cè)壁中的角形輪廓。
25.權(quán)利要求24的方法，還包括以下步驟(c)離子研磨暴露的角形輪廓。
26.權(quán)利要求21的方法，其中所述溝槽側(cè)壁通過偏壓氧等離子體蝕刻被附帶親水化。
27.權(quán)利要求26的方法，其中所述附帶親水化包括從溝槽側(cè)壁上移除聚合物層。
28.權(quán)利要求21的方法，其中所述偏壓氧等離子體蝕刻在等離子體蝕刻反應(yīng)器中進(jìn)行。
29.權(quán)利要求28的方法，其中所述等離子體蝕刻反應(yīng)器的偏壓功率為10～100W。
30.權(quán)利要求21的方法，其中所述等離子體蝕刻反應(yīng)器的室壓力為20～140mTorr。
31.權(quán)利要求21的方法，該方法形成打印頭制造過程的一部分。
32.權(quán)利要求31的方法，其中所述蝕刻溝槽是用于打印頭的墨供應(yīng)通道。
33.權(quán)利要求32的方法，其中所述墨供應(yīng)通道的深度為100～300μm。
34.一種制造噴墨打印頭集成電路的方法，該噴墨打印頭集成電路包含多個噴嘴、噴射致動器、相關(guān)驅(qū)動電路和墨供應(yīng)通道，該方法包括下列步驟(i)提供具有液滴噴射正面和墨供應(yīng)背面的晶片；(ii)部分蝕刻多個溝槽至晶片的液滴噴射面內(nèi)；(iii)用光刻膠栓塞填充各個溝槽；(iv)利用光刻掩模蝕刻技術(shù)，在晶片的液滴噴射面上形成多個對應(yīng)的噴嘴、噴射致動器和相關(guān)驅(qū)動電路；(v)背面蝕刻多個對應(yīng)的墨供應(yīng)通道，使其從晶片的墨供應(yīng)面到達(dá)并且進(jìn)入光刻膠栓塞；(vi)通過對晶片進(jìn)行偏壓氧等離子體蝕刻來移除各個光刻膠栓塞的一部分，由此暴露出墨供應(yīng)通道中的角形側(cè)壁輪廓；(vii)改進(jìn)暴露的角形側(cè)壁輪廓；和(viii)從溝槽中剝除光刻膠栓塞以形成噴嘴入口，由此提供墨供應(yīng)面與噴嘴之間的流體連通。
35.權(quán)利要求34的方法，其中所述角形側(cè)壁輪廓包括圍繞至少部分光刻膠栓塞的周緣，所述周緣通過移除各個栓塞的一部分而被暴露。
36.權(quán)利要求34的方法，其中暴露的角形側(cè)壁輪廓通過氬離子研磨而得到改進(jìn)。
37.權(quán)利要求36的方法，其中所述氬離子研磨平滑和/或圓化所暴露的角形側(cè)壁輪廓。
38.權(quán)利要求36的方法，其中所述氬離子研磨在等離子體蝕刻反應(yīng)器中進(jìn)行。
39.權(quán)利要求38的方法，其中所述等離子體蝕刻反應(yīng)器的偏壓功率為200～400W。
40.權(quán)利要求38的方法，其中所述等離子體蝕刻反應(yīng)器具有10mTorr的室壓力。
41.權(quán)利要求34的方法，其中所述偏壓氧等離子體從各個光刻膠栓塞的暴露背表面上移除1～15μm的深度。
42.權(quán)利要求34的方法，其中所述墨供應(yīng)通道側(cè)壁通過偏壓氧等離子體蝕刻而被附帶親水化。
43.權(quán)利要求34的方法，其中所述溝槽具有5～40μm的深度。
44.權(quán)利要求34的方法，其中所述墨供應(yīng)通道具有100～300μm的深度。
45.一種噴墨打印頭集成電路，其通過權(quán)利要求34的方法得到或可得到。
全文摘要
提供一種從限定在硅晶片[5]中的蝕刻溝槽的側(cè)壁上移除聚合物涂層的方法。該方法包括在偏壓等離子體蝕刻室中利用O
文檔編號H01L21/308GK101036218SQ200580033918
公開日2007年9月12日 申請日期2005年10月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月8日
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