CN100565815C - 从蚀刻沟槽中移除聚合物涂层的方法 - Google Patents

从蚀刻沟槽中移除聚合物涂层的方法 Download PDF

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Abstract

提供一种从限定在硅晶片[5]中的蚀刻沟槽的侧壁上移除聚合物涂层的方法。该方法包括在偏压等离子体蚀刻室中利用O2等离子体蚀刻晶片。室温度在90～180℃范围内。

Description

从蚀刻沟槽中移除聚合物涂层的方法
技术领域
本发明涉及一种改进蚀刻在半导体晶片内的沟槽侧壁的方法。其主要被开发用来引入到打印头集成电路的制造过程中，以提供具有改进的表面性能和/或改进的表面轮廓的墨通道。然而，其同样可以引入到任意蚀刻过程中。
相关申请的交叉参考
涉及本发明的各种方法、系统和设备公开在由本发明的申请人或受让人提交的以下美国专利/专利申请中：
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这些申请和专利的公开内容并入本文作为参考。
背景技术
近年来，MEMS(微机电系统)装置对微电子工业的影响已经极为显著。事实上，MEMS是发展最快的微电子领域之一。MEMS的发展已经在很大程度上是通过硅基光刻法扩展到微尺寸的机械装置和结构的制造而实现的。当然，光刻技术依赖于可靠的蚀刻技术，所述蚀刻技术允许精确蚀刻暴露在掩模下方的硅衬底。
MEMS装置已经发现在广泛领域中的应用，例如在物理、化学和生物传感器方面。MEMS装置的一个重要应用是喷墨打印头，其中可以利用MEMS技术制造用于喷墨喷嘴的微尺寸致动器。本申请人已经开发了引入MEMS喷墨装置的打印头，它们是以上交叉参考部分列举的大量专利和专利申请的主题，并且所有这些主题并入本文以作为参考。
通常，MEMS喷墨打印头(“MEMJET”打印头)由多个集成电路组成，每个集成电路具有几千个喷嘴。每个喷嘴包含用于喷射墨的致动器，其可以是例如热弯曲致动器(例如US 6,322,195)或气泡形成加热器元件致动器(例如US 6,672,709)。该集成电路利用MEMS技术制造，这意味着可以以相对低的成本大规模生产高喷嘴密度的和由此得到的高分辨率的打印头。
在MEMS打印头集成电路的制造中，经常需要执行深或超深蚀刻。蚀刻深度为约3μm至10μm可以称为“深蚀刻”，而蚀刻深度大于约10μm可以称为“超深蚀刻”。
MEMS打印头集成电路通常需要通过直径约20μm的单独的墨供应通道将墨递送到各喷嘴。这些墨通道通常被蚀刻穿过厚度约200μm的晶片，因此对所采用的蚀刻方法有相当的要求。特别重要的是各个墨通道垂直于晶片表面并且不含有扭结(kink)、侧壁突出(例如“长草”(grassing))或角形接合处，它们会干扰墨的流动。
在本申请人的US专利申请No.10/728,784(申请人编号：MTB08)和10/728,970(申请人编号：MTB07)中，描述了一种由具有液滴喷射面和墨供应面的晶片5制造喷墨打印头的方法，二者均并入本文作为参考。参考图1，示出一种典型的MEMS喷嘴排列1，其包含气泡形成加热器元件致动器组件2。致动器组件2形成在硅晶片5的钝化层4上的喷嘴腔3中。晶片通常具有约200μm的厚度“B”，而喷嘴腔通常具有约20μm的厚度“A”。喷嘴腔3具有入口8，其连接硅晶片5中的墨供应通道(未显示在图1中)。
参考图2，通过首先将沟槽从晶片的墨喷射面20蚀刻穿过TEOS互联7的CMOS金属化层并部分穿过晶片5而在晶片5中形成墨供应通道6。一旦形成，用光刻胶10堵塞该沟槽，同时在晶片的墨喷射面20上形成喷嘴结构。在形成喷嘴排列1之后，通过从晶片的墨供应面30到达并进入光刻胶栓塞10的超深蚀刻而形成墨供应通道6。
参考图3，最后剥离光刻胶栓塞10形成入口8。入口8提供墨供应通道6与喷嘴腔3之间的流体连通。图2和3还示出CMOS驱动电路9，它提供在晶片5和互联7之间。
墨供应通道的“背面蚀刻”避免用光刻胶来填充或移除整个200μm长的墨供应通道，同时晶片的喷嘴结构被光刻形成。然而，以此方式背面蚀刻墨供应通道存在相关的大量问题。首先，墨供应面的掩模需要仔细对准以使被蚀刻的通道与用光刻胶堵塞的沟槽相配合，并且不损伤驱动电路9。其次，蚀刻需要垂直和各向异性地达到约200μm的深度。
本领域已知几种在硅中蚀刻超深沟槽的方法。所有这些方法涉及利用气体等离子体的深反应性离子蚀刻(DRIE)。将其上放置合适掩模的半导体衬底置于等离子体反应器的下电极上，并且暴露在由气体混合物形成的电离气体等离子体下。电离等离子体气体(通常带正电)通过施加在电极上的偏压而被朝向衬底加速。等离子体气体通过物理轰击、化学反应或二者组合来蚀刻衬底。硅蚀刻通常通过形成挥发性的卤化硅例如SiF4而最终实现，该卤化硅通过轻的惰性载气例如氦气而被从蚀刻前端带走。
通常在沟槽刚形成时，通过将惰性层沉积在沟槽的底部和侧壁上以及使用气体等离子体选择性蚀刻沟槽底部来实现各向异性蚀刻。
完成超深各向异性蚀刻的最广泛应用的方法是“Bosch法”，其描述在US 5,501,893和US 6,284,148中。该方法涉及交替的聚合物沉积和蚀刻步骤。在形成浅沟槽后，第一聚合物沉积步骤将聚合物沉积至沟槽的底部和侧壁上。聚合物在惰性气体存在或不存在下，通过由氟碳气体(例如CHF3、C4F8或C2F4)形成的气体等离子体沉积。在后续蚀刻步骤中，气体等离子体混合物变为SF6/Ar。沉积在沟槽底部上的聚合物通过蚀刻步骤中的离子辅助而被快速破坏，同时侧壁依然被保护。因此，可以实现各向异性蚀刻。
然而，Bosch法的主要缺点是聚合物沉积和蚀刻步骤需要交替进行，这意味着连续交替变换等离子体的气体组成，因而减慢蚀刻速率。反过来，这种交替导致不平坦的沟槽侧壁，特征是形成带圆齿的表面。
Bosch法的另一缺点是其在沟槽侧壁上留下疏水的氟碳聚合物涂层(“Bosch聚合物”)。在用于喷墨打印头的墨通道中，希望提供亲水侧壁以使墨通过毛细作用被拉入墨供应通道中。
迄今，这种聚合物涂层是通过O2灰化或“湿”清洗移除的。移除“Bosch聚合物”残余物的标准工业方法是使用EKCTM湿清洗，接着进行DI漂洗和旋转干燥。然而，O2灰化和EKCTM清洗二者在硅晶片的MEMS加工过程中存在严重问题。通常，在MEMS铸造中被加工的硅晶片使用离型带例如RevalphaTM热离型带附着至操作晶片，例如玻璃操作晶片。操作晶片是必需的，以便能够在背面加工步骤期间处理硅晶片，而不损伤已在晶片正面制造好的任意敏感结构(例如喷墨喷嘴)。如上所述，通常，在喷墨打印头的MEMS制造过程中，喷嘴首先形成在晶片正面，随后从晶片背面蚀刻墨供应通道。在进行背面加工步骤期间(例如晶片研磨、蚀刻)，具有保护性光刻胶涂层的晶片正面通常使用热离型带附着至操作晶片。热离型带包含在一侧上具有热离型胶粘剂的薄膜。热离型胶粘剂方便地允许通过在背面加工步骤完成后控制加热而使硅晶片从操作晶片上脱离。
然而，标准O2灰化炉在约220～240℃下运行，这完全超出了标准热离型带的离型温度(约160～180℃)。结果，硅晶片在标准灰化炉中的O2灰化期间与操作晶片脱层。降低灰化炉温度导致不可接受的低灰化速率并且不能保证完全移除蚀刻轮廓侧壁上的所有聚合物残余物。
而且，标准EKCTM清洗趋于化学攻击热离型带，同样导致高度不希望的脱层。
关于超深各向异性蚀刻的另外的问题是当蚀刻前端遇到光刻胶栓塞10时，倾向于损失各向异性。图2和3示出一种理想化的制造过程，其中当蚀刻前端遭遇光刻胶时，蚀刻前端继续各向异性蚀刻并且与光刻胶栓塞10齐平。然而实际上，参考图4，当蚀刻前端遭遇光刻胶栓塞10时，蚀刻向外辐射状展开，留下围绕光刻胶栓塞的尖钉形周缘(circumferential rim)13。蚀刻前端遭遇光刻胶栓塞处的辐射展开据信是由于累积在光刻胶上的电荷与等离子体中的带电离子之间的电荷互斥的缘故。辐射状展开的蚀刻终点12和对应的尖钉形周缘13示于图4中。
在移除光刻胶时(图5)，不希望在最终的打印头集成电路中存在辐射状展开的蚀刻终点12。辐射状展开的蚀刻终点12的作用如同口袋，其能够截留缓慢移动的墨或气泡。这会导致从墨供应通道6至入口8和喷嘴下游的墨流动的中断。
此外，面对前进墨流的尖钉形周缘13受到本体晶片5的支撑较弱并且可能容易破裂成一个或多个碎片。在墨流中产生碎片是极其不希望的，并且通常将导致喷嘴下游失效。
希望提供一种方法，该方法暴露出蚀刻沟槽中的角形或尖钉形表面轮廓，由此促进对该轮廓的改进。还希望提供一种制造打印头集成电路的方法，使得通过该方法形成的墨通道具有改进的表面轮廓。
还希望提供一种移除蚀刻过程中沉积在沟槽侧壁上的疏水聚合物层的可选方法。还希望提供一种移除该聚合物的方法，该方法与工业标准热离型带相容并且不导致脱层。还希望提供一种制造打印头集成电路的方法，使得通过该方法形成的墨通道具有改进的表面性能。
发明内容
第一方面，提供一种从限定在硅晶片中的蚀刻沟槽的侧壁上移除聚合物涂层的方法，所述方法包括在偏压等离子体蚀刻室中使用O2等离子体蚀刻所述晶片，其中所述室的温度为90～180℃。
第二方面，提供一种在硅晶片中蚀刻沟槽的方法，所述方法包括如下步骤：
(a)将所述硅晶片的正面附着至操作晶片；
(b)利用各向异性DRIE方法蚀刻晶片背面以形成沟槽，所述DRIE方法包括交替蚀刻和钝化步骤，所述钝化步骤在所述沟槽侧壁上沉积聚合物涂层；
(c)通过在偏压蚀刻室中使用O2等离子体蚀刻所述晶片来移除所述聚合物涂层，
其中所述室的温度为100～180℃。
第三方面，本发明提供一种促进蚀刻沟槽的改进的方法，该方法包括：
(a)提供包含至少一个蚀刻沟槽的晶片，所述至少一个蚀刻沟槽在其底部具有光刻胶栓塞；和
(b)通过使晶片经历偏压氧等离子体蚀刻而移除部分光刻胶。
第四方面，本发明提供一种制造喷墨打印头集成电路的方法，所述喷墨打印头集成电路包含喷嘴、喷射致动器、相关驱动电路和墨供应通道，该方法包括：
(i)提供具有液滴喷射正面和墨供应背面的晶片；
(ii)部分蚀刻多个沟槽至晶片的液滴喷射面内；
(iii)用光刻胶栓塞填充各个沟槽；
(iv)利用光刻掩模蚀刻技术，在晶片的液滴喷射面上形成多个对应的喷嘴、喷射致动器和相关驱动电路；
(v)背面蚀刻多个对应的墨供应通道，使其从晶片的墨供应面到达并进入光刻胶栓塞；
(vi)通过使晶片经历偏压氧等离子体蚀刻而移除各光刻胶栓塞的一部分，由此暴露出墨供应通道中的角形侧壁轮廓；
(vii)改进暴露的角形侧壁轮廓；和
(viii)从沟槽中剥除光刻胶栓塞以形成喷嘴入口，由此提供在墨供应面和喷嘴之间的流体连通。
第五方面，本发明提供通过上述方法制造的喷墨打印头集成电路。
根据本申请第一和第二方面的方法有利地允许从沟槽中移除疏水聚合物侧壁残余物(例如“Bosch”聚合物)，而不过度加热硅晶片。过度加热硅晶片会导致已经形成在晶片上的敏感MEMS结构被例如由光刻胶膨胀所施加的应力所损伤。此外，过热通常引起晶片与硅晶片通常所附着的操作晶片脱层。因此，本发明的优点是可以不使用潜在损伤的EKCTM清洗和O2等离子体灰化来移除聚合物残余物。聚合物涂层通常被更亲水的氧化硅层所替代。
利用在等离子体蚀刻室中被偏压的O2等离子体源，该O2等离子体具有足够的能量在低于标准热离型带的离型温度的温度下移除深(例如，超过100微米深)沟槽中的聚合物残余物。
参考本申请的第三、第四和第五方面，迄今，在由MEMS技术制造的打印头中的墨供应通道的表面轮廓的重要性还没有被完全理解。同时，近年来，已经可以使用几种超深蚀刻技术，但是没有一种技术解决了当朝向(和越过)光刻胶栓塞背面蚀刻时的上述问题。尤其是，还没有解决形成于侧壁的尖锐的、潜在易碎的周缘。如上所讨论的，该周缘在背面蚀刻期间由于蚀刻前端围绕光刻胶栓塞辐射状展开而形成(参见图4和5)。
在某种程度上，蚀刻前端围绕光刻胶栓塞辐射状展开的问题可通过特殊的蚀刻技术来解决。这种特殊蚀刻技术的一个例子描述在US6,187,685(转让给Surface Technology Systems)。然而，虽然描述在US 6,187,685中的技术可以减小相对于垂直面的倾角，但是它依然没有完全避免形成围绕光刻胶栓塞的周缘。事实上，由于通过减小倾角使得所得周缘更薄，因此可能实际上增加了周缘的易碎性，由此增加了碎片破碎脱离侧壁并堵塞喷嘴的可能性。
除了试图避免形成该周缘之外，本发明提供一种在蚀刻后步骤中促进其移除的方法。在本发明的方法中，移除部分光刻胶栓塞以暴露出在深或超深蚀刻过程中围绕栓塞形成的周缘。一旦暴露，周缘就可以通过离子研磨而被平滑或圆化。因此，通过本发明方法制造的打印头一般表现出改进的通过其墨供应通道的墨流动和最小化由于晶片碎片堵塞或喷嘴损伤导致的喷嘴故障的风险。
本发明的任选特征
氧等离子体蚀刻通常在等离子体蚀刻反应器例如感应耦合等离子体(ICP)蚀刻反应器中进行。术语“等离子体蚀刻反应器”和“等离子体蚀刻室”是本领域完全等同的术语。
等离子体蚀刻反应器为本领域所公知的并且可以从各种来源(例如，Surface Technology System，PLC)商业获得。通常，蚀刻反应器包含由铝、玻璃或石英形成的室，该室含有成对的平行电极板。然而，也可以获得其它设计的反应器并且本发明适合使用任意类型的等离子体蚀刻反应器。
使用射频(RF)能量源来电离引入室的气体混合物。得到的电离气体等离子体通过偏压朝向位于下电极(也称为静电夹盘或台板)上的衬底加速。因此，等离子体蚀刻室可以用来偏压蚀刻，其中气体等离子体的方向是朝向衬底的。提供各种控制装置来控制ICP功率、偏压功率、RF电离能、衬底温度、室压力、室温度等。
在本发明中，可以最优化等离子体蚀刻室的参数，以便实现从沟槽侧壁彻底移除聚合物涂层。任选地，偏压功率为10～100W(优选30～70W)，ICP功率任选为1000～3000W(或2000～3000W)，室温度任选为90～180℃(或90～150℃，或120～150℃)，O2流量任选为20～200sccm(优选60～100sccm)，以及室压力任选为5～200mTorr(任选20～140mTorr，或任选60～100mTorr)。蚀刻时间通常在20～200分钟、30～200分钟或40～80分钟内。
任选地，该方法从光刻胶栓塞暴露的背面移除约1～15μm或任选约2～7μm的深度。移除部分可以是总栓塞体积的至多10％、至多20％、或至多50％。通常，通过本发明方法移除的光刻胶量将足以通过现有蚀刻方法暴露出形成在至少部分原始接触栓塞周围的周缘的内表面。
任选地，本发明的方法包括进一步离子研磨暴露的角形轮廓例如上述周缘的步骤。通常，角形表面轮廓通过离子研磨被形成锥形、平滑和/或圆化。因而，通过这些轮廓的墨流动接近曲面而不是有棱角的表面，这意味着墨能够平滑地流过，而不产生过多的湍流和/或气泡。此外，所得圆化、平滑和/或形成锥形的轮廓的易碎性减小，因而由于碎片破裂并进入喷嘴腔而导致喷嘴故障的可能性更低。
离子研磨通常在等离子体蚀刻反应器例如上述感应耦合等离子体蚀刻反应器中实施。
任选地，使用选自氩气、氪气或氙气的重惰性气体来实施离子研磨。优选惰性气体是氩气，这是因为氩气可以以相对低的成本广泛得到，并且由于其相对高的质量而具有出色的溅射性能。通常，在等离子体蚀刻反应器中产生氩离子等离子体，并且使氩离子朝向其上具有墨供应通道的硅晶片垂直加速。
可以变化等离子体反应器参数以实现晶片的最优离子研磨。任选地，偏压功率为100～500W(优选200～400W)，ICP功率为1000～3000W(优选约2500W)，室温度为90～150℃(优选约120℃)，并且Ar流量为20～200sccm(优选80～120sccm)。研磨时间通常在5～100分钟、10～60分钟或10～30分钟范围内。
离子研磨可以在任意适合的压力下实施。通常，压力在2～2000mTorr范围内。也就是说，离子研磨可以在低压(约2～250mTorr)或高压(约250～2000mTorr)下实施。
低压离子研磨的优点是大多数商业可获得的等离子体蚀刻反应器是为低压蚀刻设计的。因此，低压离子研磨不需要任何特殊设备。
然而，离子研磨也可以在高压下实施。高压离子研磨的优点是通常可获得更陡的锥度。使用高压离子研磨产生大锥度的原理可以理解如下。一般，在相对低压(例如，约2～250mTorr)下实施溅射蚀刻以获得高的溅射蚀刻效率。此种低压对于从表面溅射的硅原子产生几乎无碰撞的路径，由此最优化蚀刻效率。
通过在高压而非低压下溅射蚀刻，溅射硅原子的平均自由路径下降，这是因为溅射(反射)的硅原子有更大的几率与入射的等离子体气体中的氩离子碰撞。结果，在衬底表面上方形成气态云，其使反射的硅原子重新沉积回到硅晶片上。反射的硅原子在更大深度处具有逐渐增加的净沉积，这导致侧壁中的角形表面轮廓的锥度变得更大。
并入本文作为参考的US 5,888,901描述了一种使用氩气作为溅射气体的SiO2介电表面的高压离子研磨。虽然US 5,888,901描述的方法被用于使SiO2介电表面层形成锥形，而不是用于使蚀刻在硅中的超深通道侧壁上的角形表面轮廓形成锥形，但是该方法可以很容易被改进并且应用于本发明方法中。
本发明中一般优选低压离子研磨(例如，5～50mTorr)，因为通常只需要圆化角形侧壁轮廓以实现改进的墨流动，而不是使整个侧壁轮廓形成锥形。此外，低压离子研磨不需要任何特殊设备并且因此能够易于被引入典型的打印头制造工艺中。
任选地，各个墨供应通道具有100～300μm范围的深度，任选150～250μm或任选约200μm。墨供应通道的宽度/长度尺寸可以显著变化。任选地，各个墨供应通道基本为圆筒形，其直径为5～30μm、任选14～28μm、或任选17～25μm。利用这种设计，当蚀刻前端遭遇前侧光刻胶栓塞时，蚀刻扩展通常显著。可选择地，各个墨供应通道具有40～120μm(或60～100μm)的宽度和200μm以上或500μm以上的长度。对于这些更宽的通道设计，由于电荷从蚀刻前端分散的缘故，蚀刻扩展一般不明显。尽管这样避免蚀刻扩展，但是本发明仍然通过偏压氧等离子体蚀刻用来从沟槽侧壁移除聚合物涂层。
任选地，每个喷嘴入口具有5～40μm、任选10～30μm或任选15～25μm的深度。任选地，每个喷嘴入口基本为圆柱形，具有3～28μm、任选8～24μm或任选12～20μm的直径。作为替代方案，每个喷嘴入口基本为立方体，具有5～40μm范围的宽度/长度尺寸。
通常，每个墨供应通道具有比其对应的喷嘴入口更大的直径，并且本发明方法可以被用于使入口和墨供应通道的连接所限定的肩部形成锥形、平滑和/或圆化。
另一方面，本发明提供一种促进蚀刻沟槽的改进的方法，该方法包括：
(a)提供包含至少一个蚀刻沟槽的晶片，所述至少一个沟槽在其底部具有光刻胶栓塞；和
(b)通过使晶片经历偏压氧等离子体蚀刻来移除部分光刻胶。
任选晶片包含多个蚀刻沟槽。
任选偏压氧等离子体蚀刻从光刻胶栓塞的暴露表面移除1～15μm的深度。
任选地，移除部分光刻胶暴露出沟槽侧壁中的角形轮廓。
任选地，该方法还包括以下步骤：
(c)离子研磨暴露的角形轮廓。
任选地，沟槽侧壁通过偏压氧等离子体蚀刻而被附带亲水化。
任选地，附带亲水化包括从沟槽侧壁移除聚合物层。
任选地，在等离子体蚀刻反应器中进行偏压氧等离子体蚀刻。
任选地，等离子体蚀刻反应器具有10～100W的偏压功率。
任选地，等离子体蚀刻反应器具有20～140mTorr的室压力。
任选地，形成打印头制造过程的一部分。
任选地，蚀刻沟槽是用于打印头的墨供应通道。
任选地，墨供应通道具有100～300μm的深度。
另一方面，本发明提供一种制造喷墨打印头集成电路的方法，该喷墨打印头集成电路包含多个喷嘴、喷射致动器、相关驱动电路和墨供应通道，该方法包括下列步骤：
(i)提供具有液滴喷射正面和墨供应背面的晶片；
(ii)部分蚀刻多个沟槽至晶片的液滴喷射面内；
(iii)用光刻胶栓塞填充各个沟槽；
(iv)利用光刻掩模蚀刻技术，在晶片的液滴喷射面上形成多个对应的喷嘴、喷射致动器和相关驱动电路；
(v)背面蚀刻多个对应的墨供应通道，使其从晶片的墨供应面到达并且进入光刻胶栓塞；
(vi)通过使晶片经历偏压氧等离子体蚀刻来移除各个光刻胶栓塞的一部分，由此暴露出墨供应通道中的角形侧壁轮廓；
(vii)改进暴露的角形侧壁轮廓；和
(viii)从沟槽中剥除光刻胶栓塞以形成喷嘴入口，由此提供墨供应面与喷嘴之间的流体连通。
任选地，角形侧壁轮廓包括围绕至少部分光刻胶栓塞的周缘，所述周缘通过移除各个栓塞的一部分而被暴露。
任选地，暴露的角形侧壁轮廓通过氩离子研磨而得到改进。
任选地，氩离子研磨平滑和/或圆化所暴露的角形侧壁轮廓。
任选地，氩离子研磨在等离子体反应器中进行。
任选地，墨供应通道侧壁通过偏压氧等离子体蚀刻而被附带亲水化。
另一方面，本发明提供一种通过上述方法制造的打印头集成电路。
另一方面，本发明提供一种从限定于硅晶片的蚀刻沟槽的侧壁上移除聚合物涂层的方法，所述方法包括在偏压等离子体蚀刻室中使用O2等离子体蚀刻所述晶片，其中室温度为90～180℃。
任选地，所述蚀刻室是感应耦合等离子体(ICP)蚀刻室。
任选地，ICP功率为2000～3000W。
任选地，所述晶片附着在台板上，并且偏压台板功率为10～100W。
任选地，所述室的温度为120～150℃。
任选地，室压力为30～120mTorr。
任选地，室压力为60～100mTorr。
任选地，所述台板的温度为5～20℃。
任选地，所述台板使用背面氦冷却来冷却。
任选地，氧流入所述室的流量为20～200sccm。
任选地，蚀刻时间在40～80分钟范围内。
任选地，所述聚合物涂层是疏水的氟聚合物。
任选地，所述沟槽是用于喷墨打印头的墨供应通道。
任选地，所述墨供应通道具有20～120微米范围的宽度。
任选地，所述墨供应通道具有至少100微米的深度。
任选地，所述硅晶片的正面利用胶粘带附着至操作晶片，所述蚀刻沟槽被限定在所述晶片的背面。
任选地，所述胶粘带是热离型带。
任选地，所述胶粘带不受所述氧等离子体蚀刻的影响。
任选地，所述氧等离子体蚀刻不导致所述操作晶片与所述硅晶片脱层。
另一方面，提供一种在硅晶片中蚀刻沟槽的方法，所述方法包括下列步骤：
(a)将所述晶片的正面附着至操作晶片；
(b)利用各向异性DRIE方法蚀刻所述晶片的背面以形成沟槽，所述DRIE方法包括交替蚀刻和钝化的步骤，所述钝化步骤在所述沟槽的侧壁上沉积聚合物涂层；
(c)通过在偏压等离子体蚀刻室中利用O2等离子体蚀刻所述晶片来移除所述聚合物涂层，其中所述室温度为90～180℃。
附图说明
附图1是用于打印头的打印头喷嘴装置的透视图；
附图2是移除致动器组件并暴露出墨供应通道的、理想的、部分制造的打印头喷嘴装置的剖面透视图；
附图3是附图2所示打印头喷嘴装置在剥除光刻胶栓塞之后的剖面透视图；
附图4是移除致动器组件并暴露出墨供应通道的、部分制造的现有技术打印头喷嘴装置的剖面透视图；
附图5是附图4所示现有技术打印头喷嘴装置在剥除光刻胶栓塞之后的剖面透视图；
附图6是移除致动器组件并暴露出墨供应通道的、部分制造的根据本发明的打印头喷嘴装置的剖面透视图；
附图7是附图6所示部分制造的打印头喷嘴装置在离子研磨周缘之后的剖面透视图；
附图8是附图6所示部分制造的打印头喷嘴装置在剥除光刻胶栓塞之后的剖面透视图；
附图9是具有背面蚀刻至对应正面栓塞内5μm的12个沟槽的硅晶片的SEM显微图；
附图10是示出背面蚀刻进入正面栓塞5μm的硅晶片的放大SEM显微图；
附图11是根据本发明偏压氧等离子体蚀刻之后的沟槽的SEM显微图；
附图12是附图11的放大图；
附图13是氩离子研磨之后的沟槽的SEM显微图；和
附图14是附着在玻璃操作晶片上的硅晶片的侧视图。
具体实施方式
参考附图14，在晶片5的正面上制造MEMS喷嘴结构50之后，该正面被光刻胶保护层51所涂覆并被附着至玻璃操作晶片52上。玻璃操作晶片52使用具有粘接玻璃操作晶片52的持久胶粘层54的热离型带53来附着，并且热离型胶粘层55粘接到保护性光刻胶50。玻璃操作晶片52的最外层表面被金属化，以便在等离子体蚀刻室中附着至静电台板。
随着晶片5与玻璃操作晶片52固定，在等离子体蚀刻室中背面蚀刻晶片5以限定背面的墨供应通道。任何标准的各向异性DIRE方法(例如，Bosch方法)均可被用于背面蚀刻。
参考附图4，显示在从晶片5的墨供应面30(背面)背面蚀刻到达光刻胶栓塞10并进入光刻胶栓塞10之后的部分制造的打印头集成电路。当在背面蚀刻期间蚀刻前端遭遇栓塞10时，蚀刻辐射状向外扩展，得到辐射状扩展的蚀刻末端12和对应的围绕部分栓塞的周缘13。
参考附图6，附图4中所示的背面蚀刻晶片经历偏压氧等离子体蚀刻。在等离子体蚀刻室中利用适当控制的气流、偏压功率、ICP功率、室压力和蚀刻时间来进行偏压氧等离子体蚀刻。偏压氧等离子体蚀刻移除部分光刻胶栓塞10。移除的部分足以暴露出尖钉形的周缘13。
此外，偏压氧等离子体蚀刻从墨供应通道的侧壁上移除所有疏水性氟碳聚合物，并以亲水性SiO2层取而代之。墨供应通道6侧壁上的氟碳聚合物涂层通常在各向异性DIRE过程中形成。通过用亲水性SiO2层替代氟碳层，墨供应通道6的表面性能通常得到改善，而不影响将晶片5固定至操作晶片52的热离型带。具体地，通过避免传统的化学湿清洗过程和/或高温灰化而避免脱层。
参考附图7，附图6中所示的晶片5在等离子体蚀刻反应器中经历氩离子研磨。本领域技术人员可以很容易地确定等离子体蚀刻反应器的最优操作参数。在氩离子研磨期间，暴露的周缘被消除，这改善了墨供应通道6的坚固性(robustness)和表面轮廓。
周缘13被平滑、圆化和/或形成锥形的程度取决于等离子体蚀刻反应器中的压力、偏压功率和/或研磨时间。周缘13可以被氩离子研磨所圆化(如图7所示)或完全形成锥形。每一种情况下，这种尖锐突起的移除通常会改善通过通道6的墨流动和最小化碎片破裂和堵塞喷嘴下游的可能性。
最后，参考附图8，附图7所示的晶片被灰化，这彻底剥除光刻胶栓塞10并提供入口8与墨供应通道6之间的流体连通。
实施例
如下制备厚度为200μm的硅晶片。使用标准各向异性DRIE方法在晶片正面形成直径14μm和深度28μm的沟槽。用光刻胶填充该沟槽以形成正面栓塞。随着晶片正面被附着至玻璃操作晶片，随后背面蚀刻至正面栓塞背面的5μm内。再次使用标准各向异性DRIE过程来背面蚀刻。背面蚀刻的主沟槽具有约170μm的深度和约21μm的直径。附图9是背面蚀刻至正面栓塞内5μm的硅晶片的SEM显微图。
在各向异性蚀刻条件下，继续背面蚀刻到达正面栓塞的背表面并进入正面栓塞约5μm。附图10是背面蚀刻至正面栓塞内之后的部分沟槽的SEM显微图。如图10所示，尖钉形周缘围绕正面栓塞延伸，在此处背面蚀刻没有完全与正面栓塞蚀刻齐平。
随后根据本发明的方法蚀刻如上制备的硅晶片。
如下构造标准的感应耦合等离子体DRIE反应器(“HRM Pro”工具，由Surface Technology Systems提供)：
ICP最大功率：2500W
偏压功率：50W
等离子体气体：O2
室温度：120℃
冷却：背面氦冷却，9.5Torr，10℃
室压力：80mTorr
O2流量：80sccm
在这些条件下背向蚀刻晶片60分钟。蚀刻从正面栓塞的背面移除深度7μm的部分。在蚀刻过程中，沉积在主沟槽侧壁上的聚合物层也被移除。附图11和12是部分硅晶片的SEM显微图，详细显示被氧等离子体蚀刻移除的正面栓塞的7μm部分。附图12也示出朝向晶片背面延伸的厚度为1.7μm的尖钉状圆周形突出物(前述围绕正面栓塞的周缘)。
氧等离子体蚀刻之后，如下重新建构等离子体反应器：
ICP最大功率：2500W
偏压功率：300W
等离子体气体：Ar
室温度：120℃
冷却：背面氦冷却，9.5Torr，10℃
室压力：10mTorr
O2流量：100sccm
晶片在这些条件下被背面蚀刻15～20分钟。附图13是所得沟槽的SEM显微图，显示尖钉状圆周形突出物被圆化消除成为平滑表面。一旦光刻胶被剥除，则在正面蚀刻和背面蚀刻沟槽的连接处的尖钉形突出物的消失明显地改善了所得通道的表面轮廓。
当然，应该理解本发明仅仅通过实施例进行了说明，并且可以在所附权利要求限定的本发明范围内对本发明进行细节的修改。

Claims (43)

1.一种从限定在硅晶片中的蚀刻沟槽的侧壁上移除聚合物涂层的方法，所述方法包括在偏压等离子体蚀刻室中利用O2等离子体蚀刻所述晶片，和用亲水的SiO2层替代所述聚合物涂层，其中所述室内温度为90～180℃。
2.权利要求1的方法，其中所述蚀刻室是感应耦合等离子体(ICP)蚀刻室。
3.权利要求2的方法，其中ICP功率为2000～3000W。
4.权利要求1的方法，其中所述晶片附着至台板，并且偏压台板功率为10～100W。
5.权利要求1的方法，其中所述室的温度为120～150℃。
6.权利要求1的方法，其中室压力为30～120mTorr。
7.权利要求1的方法，其中室压力为60～100mTorr。
8.权利要求1的方法，其中所述台板的温度为5～20℃。
9.权利要求8的方法，其中利用背面氦冷却来冷却所述台板。
10.权利要求1的方法，其中流入所述室的氧流率为20～200sccm。
11.权利要求1的方法，其中蚀刻时间为40～80分钟。
12.权利要求1的方法，其中所述聚合物涂层是疏水性氟聚合物。
13.权利要求1的方法，其中所述沟槽是用于喷墨打印头的墨供应通道。
14.权利要求13的方法，其中所述墨供应通道的宽度为20～120微米。
15.权利要求13的方法，其中所述墨供应通道具有至少100微米的深度。
16.权利要求1的方法，其中使用胶粘带将所述硅晶片的正面附着至操作晶片，所述蚀刻沟槽被限定在所述晶片的背面。
17.权利要求16的方法，其中所述胶粘带是热离型带。
18.权利要求16的方法，其中所述胶粘带不受所述氧等离子体蚀刻的影响。
19.权利要求16的方法，其中所述氧等离子体蚀刻不导致所述操作晶片与所述硅晶片脱层。
20.一种在硅晶片中蚀刻沟槽的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)将所述硅晶片的正面附着至操作晶片；
(b)利用各向异性DRIE方法蚀刻所述晶片的背面以形成沟槽，所述DRIE方法包括交替蚀刻和钝化的步骤，所述钝化步骤在所述沟槽的侧壁上沉积聚合物涂层；
(c)通过在偏压等离子体蚀刻室中利用O2等离子体蚀刻所述晶片来移除所述聚合物涂层；和
(d)用亲水的SiO2层替代所述聚合物涂层，
其中所述室温度为100～180℃。
21.一种用于促进蚀刻沟槽的改进的方法，所述方法包括：
(a)提供包含至少一个蚀刻沟槽的晶片，所述至少一个沟槽在其底部具有光刻胶栓塞；
(b)通过使所述晶片经历偏压氧等离子体蚀刻来移除部分光刻胶；和
(c)用亲水的SiO2层替代所述移除的光刻胶，其中步骤(c)同时从所述沟槽侧壁移除聚合物层。
22.权利要求21的方法，其中所述晶片包含多个蚀刻沟槽。
23.权利要求21的方法，其中所述偏压氧等离子体蚀刻从所述光刻胶栓塞的暴露表面上移除1～15μm的深度。
24.权利要求21的方法，其中部分光刻胶的移除暴露出所述沟槽侧壁中的角形轮廓。
25.权利要求24的方法，还包括以下步骤：
(c)离子研磨暴露的角形轮廓。
26.权利要求21的方法，其中所述偏压氧等离子体蚀刻在等离子体蚀刻反应器中进行。
27.权利要求26的方法，其中所述等离子体蚀刻反应器的偏压功率为10～100W。
28.权利要求21的方法，其中所述等离子体蚀刻反应器的室压力为20～140mTorr。
29.权利要求21的方法，该方法形成打印头制造过程的一部分。
30.权利要求29的方法，其中所述蚀刻沟槽是用于打印头的墨供应通道。
31.权利要求30的方法，其中所述墨供应通道的深度为100-300μm。
32.一种制造喷墨打印头集成电路的方法，该喷墨打印头集成电路包含多个喷嘴、喷射致动器、相关驱动电路和墨供应通道，该方法包括下列步骤：
(i)提供具有液滴喷射正面和墨供应背面的晶片；
(ii)部分蚀刻多个沟槽至晶片的液滴喷射面内；
(iii)用光刻胶栓塞填充各个沟槽；
(iv)利用光刻掩模蚀刻技术，在晶片的液滴喷射面上形成多个对应的喷嘴、喷射致动器和相关驱动电路；
(v)背面蚀刻多个对应的墨供应通道，使其从晶片的墨供应面到达并且进入光刻胶栓塞；
(vi)通过对晶片进行偏压氧等离子体蚀刻来移除各个光刻胶栓塞的一部分，由此暴露出墨供应通道中的角形侧壁轮廓；
(vii)改进暴露的角形侧壁轮廓；和
(viii)从沟槽中剥除光刻胶栓塞以形成喷嘴入口，由此提供墨供应面与喷嘴之间的流体连通。
33.权利要求32的方法，其中所述角形侧壁轮廓包括围绕至少部分光刻胶栓塞的周缘，所述周缘通过移除各个栓塞的一部分而被暴露。
34.权利要求32的方法，其中暴露的角形侧壁轮廓通过氩离子研磨而得到改进。
35.权利要求34的方法，其中所述氩离子研磨平滑和/或圆化所暴露的角形侧壁轮廓。
36.权利要求34的方法，其中所述氩离子研磨在等离子体蚀刻反应器中进行。
37.权利要求36的方法，其中所述等离子体蚀刻反应器的偏压功率为200～400W。
38.权利要求36的方法，其中所述等离子体蚀刻反应器具有10mTorr的室压力。
39.权利要求32的方法，其中所述偏压氧等离子体从各个光刻胶栓塞的暴露背表面上移除1～15μm的深度。
40.权利要求32的方法，其中所述墨供应通道侧壁通过偏压氧等离子体蚀刻而被附带亲水化。
41.权利要求32的方法，其中所述沟槽具有5～40μm的深度。
42.权利要求32的方法，其中所述墨供应通道具有100～300m的深度。
43.一种喷墨打印头集成电路，其通过权利要求32的方法得到。
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