CN101920598A - 用于制造液体排出头的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于制造液体排出头的方法，包括：将含有金属氮化物的第一层设置于硅基板的一个面的与供给口对应的至少一部分；将第二层设置于第一层上，第二层由铝、铜和金中的任何一种及其的合金构成；通过反应离子蚀刻沿从相反面朝向该一个面的方向蚀刻硅基板的与供给口对应的部分，使得蚀刻区域到达第一层；以及去除第一层的与供给口对应的部分，然后去除第二层的与供给口对应的部分，由此形成供给口。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造液体排出头的方法。
背景技术
作为用于制造喷墨记录头的方法，其中该喷墨记录头作为液体排出头的代表例并且适用于喷墨记录方法(液体喷射记录方法)，美国专利第6555480号公报公开了通过反应离子蚀刻(RIE)形成贯通硅基板的供墨口的方法。
此外，美国专利第2009/0065472号公报公开了一种在通过反应离子蚀刻在硅基板上形成供给口时使用金属铝层作为蚀刻停止层(etch-stop layer)以及限定铝层中的开口形状的方法。根据该方法，认为能够在通过反应离子蚀刻蚀刻硅时抑制槽口(notching)的出现。
但是，当被用作停止层的例如铝等金属扩散到硅基板中时，在停止层中会产生空隙(void)，从而，耐蚀刻性将会丧失。此外，需要关注的是，用于形成供给口的RIE归因于扩散到硅基板中的铝而不能顺利进行。这种现象的原因应该是因为，尽管例如通常使用例如SF6等含氟气体(fluorine gas)进行硅的反应离子蚀刻，但是铝不会被含氟气体蚀刻，而将以氟化铝的形式残留。因为铝溶解于用于硅的晶体各向异性湿法蚀刻的蚀刻溶液，所以当采用湿法蚀刻时不用考虑这样的问题。
发明内容
本发明提供一种用于制造液体排出头的方法，该方法能够通过干法蚀刻以高的精度和高的产量(yield)在硅基板上形成液体供给口。
根据本发明的一个方面，提供一种用于制造液体排出头的方法，该液体排出头包括：硅基板，其具有一个面；能量产生元件，其用于产生排出液体用的能量并被设置在所述一个面侧；以及供给口，其被设置成贯通所述硅基板的所述一个面以及所述一个面的相反面，用于将液体供给到所述能量产生元件，所述方法包括：将含有金属氮化物的第一层设置于所述硅基板的所述一个面上的至少与所述供给口对应的部分；将第二层设置于所述第一层上，所述第二层由铝、铜和金中的任何一种或者由它们中的多个的合金构成；通过反应离子蚀刻沿从所述相反面朝向所述一个面的方向蚀刻所述硅基板的与所述供给口对应的部分，使得蚀刻区域到达所述第一层；以及去除所述第一层的与所述供给口对应的部分，然后去除所述第二层的与所述供给口对应的部分，由此形成所述供给口。
根据本发明的上述方面，可以提供一种用于制造液体排出头的方法，该方法能够通过干法蚀刻以高的精度和高的产量在硅基板上形成液体供给口。
根据下面参考附图对示例性实施方式的说明，本发明的其它特性将变得清楚。
附图说明
图1A、图1B、图1C和图1D是示出本发明的第一实施方式的示意性截面图。
图2A、图2B、图2C、图2D和图2E是示出本发明的第一实施方式的示意性截面图。
图3是示出根据本发明的第一实施方式的喷墨记录头的示意性立体图。
图4是示出本发明的第二实施方式的示意性截面图。
图5A和图5B是示出喷墨记录头的制造过程的与图1A至图1D中示出的截面相同的截面的截面图。
具体实施方式
现在将参考附图详细说明本发明的优选实施方式。
下文中，将说明本发明的典型实施方式，并将说明根据本发明的用于制造液体排出头的方法。在下面的说明中，尽管以喷墨记录头作为本发明的应用示例来说明，但本发明的应用范围并不局限于此，本发明能够应用于印刷电子电路和制造生物芯片用的液体排出头等。作为液体排出头的示例，除了喷墨记录头外，还将提及滤色器制造头(color filter manufacturinghead)。
(实施方式1)
现在将根据附图详细说明本发明的优选实施方式。
图3是示出根据本实施方式的喷墨记录头的示例的立体图。喷墨记录头4包括喷墨记录头基板3和具有排出口31的喷嘴构件30，喷嘴构件30设置在喷墨记录头基板3上。
图1A至图1D是示意性地示出本发明的第一实施方式的截面过程图(sectional process views)，并且是沿图3中的线A-A’截取的截面图，其中该线垂直于基板切割喷墨记录头。
在本实施方式中，通过在形成停止层之前形成阻挡层(barrier layer)12，从而可以使用易扩散到硅基板中的例如铝等金属来形成停止层。
首先，如图1A所示，用于形成作为第一层的阻挡层12的材料层9设置于具有绝缘膜23的硅基板1上。材料层9由具有热稳定性而不会扩散的、具有化学稳定性的和具有低比电阻(lowspecific resistance)的材料形成。对于这种材料，优选地使用金属氮化物，更为优选地，使用例如TaN、TiN、TaSiN或WSiN等的金属氮化物。
接着，如图1B所示，材料层9被蚀刻以形成阻挡层(第一层)12和发热电阻层22，该发热电阻层22构成能量产生元件的一部分，其中能量产生元件用于产生排出液体用的能量。包含金属氮化物的第一层被设置于硅基板的一个面上的至少与供给口对应的部分。
阻挡层12由具有热稳定性而不会扩散的、具有化学稳定性的和具有低比电阻的材料形成。对于这种材料，优选地使用金属氮化物，更为优选地，使用例如TaN、TiN、TaSiN或WSiN等的金属氮化物。此外，阻挡层具有100nm到500nm的厚度并且其上重叠有铝制停止层，由此具有一定宽度的表面面积。从而，阻挡层具有低电阻，因此，导致槽口出现的电荷累积(thecharging of electric charges)不会发生。
接着，如图1C所示，用于形成作为第二层的停止层10的导电材料层8被设置成覆盖阻挡层12和电阻层22。
接着，如图1D所示，导电材料层8被蚀刻，从而由导电材料层8形成停止层10和配线层21。电阻层22的与配线层21和配线层21相互之间的间隙对应的部分20用作产生热能的部分。
本发明中的停止层具有抵抗在后续过程中进行的反应离子蚀刻的耐蚀刻性并且由导电材料构成。通过由导电材料形成停止层，在后续的反应离子蚀刻过程中能够电连接停止层和硅基板。由此，能够减少电荷的累积，并能够抑制槽口的出现。
构成停止层的导电材料没有特别的限制，而只要具有导电性和耐蚀刻性即可，这样的材料的示例包括铝、铜和金。在这些材料中，从易于后续去除的角度考虑，铝是更为优选的。
可通过例如溅射或真空沉积这些导电材料而形成停止层。
此外，停止层被形成为比通过后续的反应离子蚀刻过程而形成于硅基板表面的开口大。也就是说，停止层形成有大表面面积，停止层位于通过后续的反应离子蚀刻过程而形成于硅基板表面的开口上侧并覆盖该开口。此外，本发明的停止层具有控制CH距离(参见图2E)的效果，该CH距离是供给口33的靠近通道7的边缘2与能量产生部20的中央部之间的距离。
如上所述，本发明的停止层优选被构造成主要包含铝。然而，当停止层中的例如铝等金属扩散到硅基板中时，担心的是，在停止层中产生空隙，因此耐蚀刻性丧失。此外，扩散到硅基板中的铝会在用于形成供给口的RIE期间导致蚀刻缺陷。这种现象的原因应该是因为，尽管例如通常使用例如SF6等含氟气体进行硅的反应离子蚀刻，但是铝将不会被含氟气体蚀刻，而将以氟化铝的形式残留。由于铝溶解于碱性溶液，所以在使用碱性溶液的传统湿法蚀刻中不会出现这种问题。作为防止例如铝等金属扩散的另一种方法，停止层可以由例如Al-Si膜等合金形成。但是，局限在于，如果过多地增大Si的浓度，当去除停止层时，Si会以粒状形式残留或沉淀，由此导致排出头的质量出现问题。本实施方式能够解决这样的问题。
此外，根据本实施方式，阻挡层残留于硅基板表面。例如，当正在排出的墨或者液体具有碱性并且由此对硅具有侵蚀性时，阻挡层保护基板。特别地，形成供给口的开口的角部(cornerportions)从多个方向向墨暴露，并由此很可能被快速侵蚀，但是，根据本实施方式，由于角部从其一侧面沿一个方向暴露，所以角部将不会被快速侵蚀。根据本实施方式，能够实现上述效果。
接着，如图2A所示，形成保护层11以覆盖停止层10。另外，本发明的保护层具有绝缘性并且具有抵抗停止层去除的耐性(resistance property)。保护层可以由用于使配线层绝缘的绝缘层或者用于保护配线或晶体管不受潮的单层或多层钝化层来代替。
接着，如图2B所示，图案化用作墨通道(液体通道)的模具(mold)的通道模具32，并且在该通道模具32上形成构成墨通道的喷嘴构件30。然后，在喷嘴构件30中形成排出口。之后，从基板的背面进行反应离子蚀刻，以到达阻挡层12，从而形成供墨口(液体供给口)33。
这里，并不特别地限制本发明的反应离子蚀刻，通常地用作各向异性干法蚀刻的全部反应离子蚀刻(RIE)都可以使用。作为RIE的示例，可提及的有CCP-RIE、ICP-RIE和NLD-RIE。在这些反应离子蚀刻中，ICP-RIE是优选的。特别地，由于ICP-RIE使用高密度等离子体，从而能够有效地分解处理气体，所以能够获得高蚀刻速率的优势。此外，可以使用Bosch处理(Bosch process)，其中，一边交替地引入蚀刻气体(例如，SF6)和沉积气体(例如，C4F8)以通过沉积气体在侧壁上形成保护膜，一边进行蚀刻。
可通过例如对基板的背面进行掩膜然后进行反应离子蚀刻来形成供墨口33。
此外，如上所述，在本发明中，当由导电膜形成停止层10时，由于停止层被电连接到基板，所以能够减少电荷的累积，并能够抑制槽口的出现。也就是说，在RIE中，由等离子体产生的带正电的离子被照射到蚀刻靶(etching target)，并且利用该离子的能量进行蚀刻。此时，若停止层具有绝缘性，其中作为蚀刻靶的硅被从该停止层移除，离子的正电荷将会残留并被累积。当在此状态下进一步照射随后的离子时，正电荷将相互排斥，因此，离子将向侧方移动，由此蚀刻侧面。这样就形成了槽口，而通过使停止层导电，能够抑制正电荷的累积。
如图2B所示，蚀刻区域到达阻挡层12，并且在该状态下继续进行RIE，由此去除部分阻挡层12以使停止层10露出。此外，阻挡层12在RIE期间具有比硅的蚀刻速率小而比停止层的蚀刻速率大的蚀刻速率。根据阻挡层12的厚度，存在在RIE停止的时刻点停止层10不露出的可能性。在该情况下，可以通过化学干法蚀刻而去除阻挡层12。
接着，如图2C所示，暴露于供墨口33的停止层10被去除。
尽管并不特别地限制去除停止层10的方法，但当停止层由铝制成时，可通过将停止层浸在磷酸和硝酸的混合水溶液中而去除停止层。此时，可以用超声波来照射停止层，或可以将停止层加热到大约40℃至60℃的温度。此外，当停止层由铜制成时，可以使用过氧化氢和硫酸的混合溶液，并且当停止层由金制成时，可以使用碘和碘化碱(alkali iodide)的混合溶液。
接着，如图2D所示，经由供墨口33和停止层10曾经所在的空间(去除了停止层的空间)而进行蚀刻直到贯通保护层11。通过该过程，在停止层10的上部的保护层被去除并开口。因此，通过调节形成的停止层10的尺寸，可以调节最终形成的供墨口的上部开口的尺寸，并且能够控制CH距离。
并不特别地限制蚀刻，但更具体地，经由供墨口33和停止层曾经所在的空间而引入蚀刻气体或蚀刻溶液，从而蚀刻和去除布置于该空间上方的保护层部分。
作为用于蚀刻保护层的蚀刻气体，当保护层是例如钽等金属或氮化硅时，例如可以使用CF4和O2的混合气体，该混合气体可在被等离子体分解和激发的状态下而供给。此外，作为蚀刻溶液，当保护膜是氧化硅时，例如可以使用缓冲氟酸(buffered fluorine acid)。
最后，如图2E所示，去除通道模具32以形成通道7，并且如果需要，对喷嘴构件30进行硬化(hardened)，由此制造出喷墨记录头。
(实施方式2)
图4是示意性地示出本发明的第二实施方式的截面过程图。
在本实施方式中，如图4所示，在第一实施方式的图2A所述的过程中，在形成停止层10之前，形成阻挡层12，使得停止层10和阻挡层12的图案的端部6不被布置在硅基板1上。利用该构造，由于停止层中的例如铝等金属不易扩散入硅基板，并且在图案化阻挡层时难以在硅中形成凹陷，从而能够有效地设置保护层。该处理之后的处理可以与第一实施方式中的处理相类似地进行。
(实施例1)
接着，将说明实施例，并且将更为详细地说明本发明。将参考图5A和图5B。图5A和图5B是示出喷墨记录头的制造过程的与图1A至图1D中示出的截面相同的截面的截面图。
首先，用作MOS(金属氧化物半导体(未示出))器件的器件分离层的氧化硅层形成于单晶硅晶圆(single-crystallinesilicon wafer)的表面上。此外，在氧化硅层上形成BPSG(硼磷硅酸盐玻璃，Boron Phosphor Silicate Glass)并将BPSG图案化。此外，通过等离子体CVD法在BPSG上叠加氧化硅膜并将氧化硅膜图案化，由此形成绝缘层23。由TaSiN构成的材料层9被设置于绝缘层23上(图1A)。
接着，导电材料层8被设置在材料层9上。具体地，形成Al-Cu膜(图5A)。
接着，材料层9和导电材料层8一起被图案化以形成阻挡层12和停止层10。通过RIE进行该图案化，并且使用氯气。此外，电阻层22和配线层21也一起形成。
在这一系列过程中，MOS器件通过一般的半导体处理而形成，并且形成用于驱动能量产生元件的驱动电路(图5B)。
此外，配线层21被局部地移除而形成间隙，从而形成能量产生部20(图1D)。
接着，通过等离子体CVD法在停止层10和配线层21上形成氮化硅膜，从而形成保护层11(图2A)。
接着，用作墨通道的模具的通道模具32形成在保护层11上。作为通道模具32的材料，使用主要由聚甲基异丙烯酮(polymethyl isopropenyl ketone)组成的树脂。该树脂被溶剂涂覆(solvent-coated)于保护层11上然后通过照相平版印刷技术(photolithographic technique)被图案化，由此形成通道模具32。接着，在通道模具32上形成喷嘴构件。作为喷嘴构件的材料，使用阳离子可聚合环氧类光致抗蚀剂(cation-polymerizable epoxy-based photoresist)。该抗蚀剂沉积于通道模具32上，并通过照相平版印刷技术形成排出口31，然后该抗蚀剂被图案化以使外部电极(未示出)露出。接着，一般的正性抗蚀剂沉积于硅基板1的背面上，并利用在顶面侧(top side)(喷嘴面侧)的对准标记实现定位。然后，使位于背面的供给口位置暴光并被显影(development)以使硅露出。之后，通过RIE进行反应离子蚀刻直至停止层。此时，使用Bosch处理，其中，交替地引入SF6气体和C4F8气体，并重复蚀刻步骤和沉积步骤(图2B)。
接着，暴露于供给口内部的停止层10通过将其浸在硝酸和醋酸的混合溶液中而被去除(图2C)。
接着，暴露于供给口内部的由氮化硅膜构成的保护层11通过化学干法蚀刻(CDE)由CF4和O2的混合气体去除。以这种方式，通过局部地去除保护层，供给口被贯通(图2D)。
接着，使用乳酸甲脂(methyllactate)去除通道模具32，从而制造出喷墨记录头(图2E)。
由切块机(dicer)从晶圆上将喷墨记录头切割成芯片(chips)，该芯片被贴到(bonded)储墨盒，并且外部电极能够被连接到打印机主体。
虽然已经参照典型实施方式说明了本发明，应当理解，本发明不限于所公开的典型实施方式。所附的权利要求书的范围符合最宽泛的解释，以包含所有这些变型、等同结构和功能。
Claims (5)
1.一种用于制造液体排出头的方法，该液体排出头包括：硅基板，其具有一个面；能量产生元件，其用于产生排出液体用的能量并被设置在所述一个面侧；以及供给口，其被设置成贯通所述硅基板的所述一个面以及所述一个面的相反面，用于将液体供给到所述能量产生元件，所述方法包括：
将含有金属氮化物的第一层设置于所述硅基板的所述一个面上的至少与所述供给口对应的部分；
将第二层设置于所述第一层上，所述第二层由铝、铜和金中的任何一种及其合金构成；
通过反应离子蚀刻沿从所述相反面朝向所述一个面的方向蚀刻所述硅基板的与所述供给口对应的部分，使得蚀刻区域到达所述第一层；以及
去除所述第一层的与所述供给口对应的部分，然后去除所述第二层的与所述供给口对应的部分，由此形成所述供给口。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述硅基板的所述一个面上形成材料层，从而由所述材料层形成所述第一层和用于产生作为所述能量的热能的发热层，其中所述材料层由包含用于形成所述第一层的所述金属氮化物的材料构成。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属氮化物是TaSiN。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属氮化物是WSiN。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二层由铝和铜的合金构成。
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