CN107249892A - 用于填充蚀刻孔的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于填充限定在晶片衬底的前侧表面中的一个或多个蚀刻孔的方法。所述方法包括以下步骤：(i)将热塑性第一聚合物层沉积到所述前侧表面上和每个孔中；(ii)回流所述第一聚合物；(iii)将所述晶片衬底暴露于受控的氧化等离子体；(iv)任选地重复步骤(i)至(iii)；(v)沉积可光成像的第二聚合物层；(vi)使用曝光和显影从这些孔的外周外侧的区域选择性地去除所述第二聚合物；以及(vii)平坦化所述前侧表面以提供用包含彼此不同的所述第一和第二聚合物的堵塞物填充的孔。每个堵塞物具有与所述前侧表面共面的相应上表面。

Description

用于填充蚀刻孔的方法
技术领域
本发明涉及一种用于填充蚀刻孔的方法。它主要被开发以改善填充孔的平坦性，以便促进随后的MEMS制造步骤。
背景技术
本申请人已经开发了如在例如WO 2011/143700、WO O2011/143699和WO 2009/089567中描述的一系列喷墨印刷机，其内容通过引用结合在此。印刷机采用与馈送机构组合的固定页面宽度印刷头，所述馈送机构在单程中将印刷介质馈送经过印刷头。因此，印刷机提供比常规扫描喷墨印刷机高得多的印刷速度。
为了最小化硅的量，并且因此最小化页面宽度印刷头的成本，每个印刷头IC通过集成的CMOS/MEMS方法制造以提供高喷嘴堆积密度。典型的印刷头IC含有6,400个喷嘴装置，这些喷嘴装置在含有11个印刷头IC的A4印刷头中转变为70,400个喷嘴装置。
如US 7246886中所描述的(其内容通过引用结合在此)，用于印刷头IC的典型印刷头制造方法需要通过DRIE(深反应性离子蚀刻)在CMOS晶片的前侧蚀刻孔、用牺牲材料(例如光致抗蚀剂)填充这些孔以提供平坦的前侧表面、并且随后在所述晶片的前侧构建MEMS喷嘴装置。在所有前侧MEMS制造步骤完成之后，从背侧将所述晶片薄化，并且从背侧蚀刻沟槽以与这些填充的前侧孔相遇。最后，通过氧化灰化将所有的牺牲材料从前侧孔和MEMS喷嘴室中去除。在所得到的印刷头IC中，这些前侧孔限定了用于喷嘴室的单独入口通道。
关键的制造阶段是用牺牲材料堵塞这些前侧孔，并且平坦化所述晶片的前侧表面。如果所述前侧表面不是完全平坦的，那么任何平坦性缺乏在整个随后的MEMS制造步骤中进行，并且最终可能导致具有较短安装寿命的有缺陷的装置或弱化的MEMS结构。
在US 7923379中描述了一种用于堵塞通过DRIE形成的孔的方法。在此现有技术的方法中，在多个阶段中通过在连续的光致抗蚀剂层上旋转涂覆来填充孔。在这些阶段中的每一个之后，所述晶片前表面上的光致抗蚀剂被选择性地曝光和显影，仅留下部分填充所述孔的光致抗蚀剂。硬烘烤所述孔内剩余的光致抗蚀剂并且重复所述方法直到所述孔被光致抗蚀剂完全填充。目的是在所述方法结束时提供用光致抗蚀剂堵塞的孔，由此所述光致抗蚀剂堵塞物的上表面与晶片的前侧表面共面。这是在所述晶片的前侧表面上随后进行MEMS制造步骤的理想基础。
然而，在US 7923379中描述的方法具有数个缺点。第一，通常不会在所述方法结束时实现真正的平坦性，因为在最终的曝光和显影步骤之后所述孔通常是稍微过度填充的或未填满的。第二，光致抗蚀剂是高粘性的，这抑制了溶剂或空气气泡的逸出。气泡可以从相对薄的最终光致抗蚀剂层逸出，但是不能容易地从所述孔的底部的光致抗蚀剂层逸出。在热固化过程中，这些被捕获的溶剂气泡可以组合并且膨胀以形成相对大的空隙，结果是所述堵塞物的不稳定性。第三，光致抗蚀剂典型地在热固化(“硬烘烤”)过程中收缩。在所述硬烘烤过程中所述光致抗蚀剂的收缩也会影响所述堵塞物的稳定性。因此，即使可以实现平坦的上表面，所述光致抗蚀剂堵塞物可能在随后的MEMS制造步骤过程中易于“凹陷”；并且在所述光致抗蚀剂堵塞物中任何稳定性缺乏可能导致在随后构造的MEMS结构中出现问题(例如喷嘴板开裂)。
热塑性聚合物(其典型地具有比大多数光致抗蚀剂更低的粘度并且可以在加热时回流)提供了针对如上描述的与被捕获的溶剂气泡和光致抗蚀剂的收缩相关的问题中的至少一些的可能解决方案。然而，热塑性聚合物通常不是可光成像的，并且需要通过化学机械平坦化(CMP)方法进行平坦化。尽管CMP方法对于热塑性聚合物在技术上是可能的，但是对于厚聚合物层(需要填充通过DRIE形成的相对深的孔)不是实际可行的。这是因为：(1)当平坦化厚聚合物层时在前侧表面上差的停止选择性；(2)对于大规模制造，CMP的速率是不可接受地低；(3)CMP抛光垫的快速“涂胶”，因此CMP抛光垫需要定期更换。
希望提供用于填充光致抗蚀剂孔的替代方法，所述方法改善以上描述的问题中的至少一些。
发明内容
在第一方面，提供了一种用于填充限定在晶片衬底的前侧表面中的一个或多个蚀刻孔的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)将热塑性第一聚合物层沉积到所述前侧表面上和每个孔中；
(ii)回流所述第一聚合物；
(iii)将所述晶片衬底暴露于受控的氧化等离子体以便露出所述前侧表面；
(iv)任选地重复步骤(i)至(iii)；
(v)沉积可光成像的第二聚合物层以便用所述第二聚合物过度填充每个孔；
(vi)从这些孔的外周外侧的区域选择性地去除所述第二聚合物以提供过度填充的孔，所述选择性去除包括所述第二聚合物的曝光和显影；以及
(vii)平坦化所述前侧表面以提供用包含所述第一和第二聚合物的堵塞物填充的一个或多个孔，每个堵塞物具有与所述前侧表面共面的相应上表面，
其中所述第一聚合物与所述第二聚合物不同。
根据所述第一方面的方法有利地提供了用于堵塞由DRIE形成的高纵横比的孔的稳健方法。具体地，所述方法借助于使用具有热塑性回流特性的相对低粘度的第一聚合物提供了基本上不含气泡的堵塞物，这允许气泡在沉积和回流过程中容易逸出。进一步，所述方法提供了借助于采用可回流热塑性第一聚合物为随后的MEMS方法提供了稳定的基础，所述可回流热塑性第一聚合物均匀填充所述前侧孔。还进一步，所述方法借助于平坦化步骤(典型地是化学机械平坦化)提供了具有与所述前侧表面共面的上表面的前侧堵塞物。通过使用可光成像的第二聚合物进行最终填充步骤促进了平坦化(例如通过CMP)，通过常规曝光和显影将所述可光成像的第二聚合物从每个孔的外周外侧的区域去除。因此，需要通过平坦化去除最少量的第二聚合物，这使得能够实现高通量、良好的停止选择性和CMP抛光垫的最低涂胶(即较低的消耗成本)。从下面的第一实施例的详细描述，这些和其他优点对于本领域技术人员是显而易见的。
优选地，所述第一聚合物的粘度小于所述第二聚合物。如以上预示的，相对低粘度的第一聚合物促进了被捕获的溶剂和空气气泡的逸出，导致更稳健的堵塞物。
优选地，每个孔具有至少5微米或至少10微米的深度。典型地，每个孔具有在5微米至100微米或10微米至50微米范围内的深度。
优选地，每个孔具有>1:1的纵横比。典型地，所述纵横比在1.5-5:1的范围内。
在一个实施例中，步骤(i)至(iii)可以重复一次或多次。在其他实施例中，步骤(i)至(iii)可以仅执行一次。在替代实施例中，步骤(i)和(ii)可以重复一次或多次，并且步骤(iii)可以仅执行一次。
优选地，在即将进行步骤(vi)之前孔的过度填充程度小于约12微米或小于约10微米。希望最小的过度填充来促进随后的平坦化。
典型地，在所述晶片衬底的平坦化的前侧表面上执行附加的MEMS制造步骤。在优选实施例中，这些附加的MEMS制造步骤在所述晶片衬底的平坦化的前侧表面上构建多个喷墨喷嘴装置。每个喷嘴装置可以包含与至少一个孔流体联通的喷嘴室，并且每个喷嘴室的相应入口可以由所述孔之一限定。
优选地，这些附加的MEMS制造步骤包括晶片薄化和油墨供应通道的背侧蚀刻中的至少一项。每个油墨供应通道优选地与一个或多个填充的孔相遇以在所述晶片的背侧与前侧之间提供流体连接。每个油墨供应通道通常比前侧孔相对更宽。
MEMS制造的最后阶段优选地采用了从这些孔中将所述第一聚合物和第二聚合物氧化去除(“灰化”)。氧化去除典型地采用了如本领域已知的基于氧的等离子体。
在第二方面，提供了一种用于填充限定在晶片衬底的前侧表面中的一个或多个蚀刻孔的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)将可光成像的热塑性第三聚合物层沉积到所述前侧表面上和每个孔中；
(ii)回流所述第三聚合物；
(iii)从每个孔的外周外侧的区域选择性地去除所述第三聚合物，所述选择性去除包括所述第三聚合物的曝光和显影；
(iv)任选地重复步骤(i)至(iii)直到每个孔被所述第三聚合物过度填充；以及
(v)平坦化所述前侧表面以提供用所述第三聚合物的堵塞物填充的一个或多个孔，每个堵塞物具有与所述前侧表面共面的相应上表面。
根据所述第二方面的方法使用一类特殊的热塑性可光成像的聚合物。所需的热塑性特性使得所述第三聚合物能够回流，从而享有与以上结合所述第一聚合物描述的那些相同的优点。此外，所需的可光成像性特性使得能够通过常规的光刻曝光和显影将所述第三聚合物从这些孔的外周外侧的区域去除。因此，根据所述第二方面的方法消除了所述第一聚合物的氧化去除(如以上结合所述第一方面描述的)，同时仍然享有以下优点：高度稳健的堵塞物；平坦化后所述堵塞物与前侧表面的共面性；以及在平坦化之前借助于大部分的所述第三聚合物的光刻去除高效平坦化。
优选地，根据所述第二方面的方法仅包括步骤(i)至(iii)的单一序列，其中在步骤(iii)之后用所述第三聚合物过度填充每个孔。
以上结合所述第一方面描述的其他优选实施例(在相关的情况下)当然可适用于所述第二方面。
在第三方面，提供了一种用于填充限定在晶片衬底的前侧表面中的一个或多个蚀刻孔的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)将热塑性第一聚合物层沉积到所述前侧表面上和每个孔中；
(ii)回流所述第一聚合物；
(iii)任选地重复步骤(i)和(ii)直到这些孔被所述第一聚合物过度填充；
(iv)沉积可光成像的第二聚合物层；
(vi)从这些孔的外周外侧的区域选择性地去除所述第二聚合物，所述选择性去除包括所述第二聚合物的曝光和显影；(vii)将所述晶片衬底暴露于受控的氧化等离子体以便露出所述晶片衬底的前侧表面；以及
(viii)平坦化所述前侧表面以提供用仅包含所述第一聚合物的堵塞物填充的一个或多个孔，每个堵塞物具有与所述前侧表面共面的相应上表面，
其中所述第一聚合物与所述第二聚合物不同。
根据所述第三方面的方法在许多方面与根据所述第一方面的方法类似。然而，在所述第三方面，所述第二聚合物仅用来在每个孔上提供相对较厚的聚合物层，每个孔最初被所述第一聚合物过度填充。因此，所述氧化去除步骤确保在平坦化之前，聚合物材料的帽保留在每个孔上。这是有利的，因为可能在第一聚合物与第二聚合物之间的界面处存在的所述第二聚合物中的任何溶剂或气泡在平坦化步骤过程中被去除。因此，填充孔的材料堵塞物仅为所述热塑性第一聚合物，这为随后的MEMS制造步骤提供了非常稳健的基础。
在一些实施例中，所述方法可以包括以下附加步骤：将所述晶片衬底暴露于受控的氧化等离子体，以便在步骤(ii)之后露出所述晶片衬底的前侧表面。
以上结合所述第一方面描述的其他优选实施例(在相关的情况下)当然可适用于所述第三方面。
在第四方面，提供了一种用于填充限定在晶片衬底的前侧表面中的一个或多个蚀刻孔的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)将可光成像的第四聚合物层沉积到所述前侧表面上和每个孔中；
(ii)从每个孔的外周外侧的区域选择性地去除所述第四聚合物，所述选择性去除包括所述第四聚合物的曝光和显影；
(v)任选地重复步骤(i)和(ii)直到每个孔被所述第四聚合物过度填充；以及
(vi)平坦化所述前侧表面以提供用所述第四聚合物的堵塞物填充的一个或多个孔，每个堵塞物具有与所述前侧表面共面的相应上表面。
根据所述第四方面的方法最适合于填充相对较浅(即小于10微米)或低纵横比(即小于1:1)的孔。所述第四聚合物典型地是常规光致抗蚀剂，所述光致抗蚀剂不是热塑性的并且因此不能被回流。然而，仍然可以实现高效平坦化，因为有待通过CMP去除的第四聚合物的量被最小化。
以上结合所述第一方面描述的其他优选实施例(在相关的情况下)当然可适用于所述第三方面。
如本文所用，术语“孔”通常是指在晶片衬底中限定的任何空腔、通孔或沟槽。根据定义，每个孔都具有底板和从所述底板向上延伸与所述晶片衬底的表面相遇的侧壁。每个孔的横截面可以具有任何形状，例如圆形、长方形、圆角长方形、正方形、圆角正方形、卵形、椭圆形等。同样，所述孔可以是细长沟槽的形式。在本文中，细长沟槽可以用作“切割道(dicingstreet)”用于将硅晶片切割成独立的芯片。
附图说明
现在将参考附图仅通过举例来描述本发明的实施例，在附图中：
图1是具有在前侧表面蚀刻的高纵横比孔的硅衬底的示意性侧视图；
图2示出了在沉积热塑性第一聚合物之后图1所示的衬底；
图3示出了在回流和固化所述第一聚合物之后图2所示的衬底；
图4示出了在从所述前侧表面氧化去除所述第一聚合物之后图3所示的衬底；
图5示出了在沉积可光成像的第二聚合物之后的图4所示的衬底；
图6示出了在曝光和显影所述第二聚合物之后图5所示的衬底；
图7示出了化学机械平坦化后图6所示的衬底；
图8示出了在沉积热塑性可光成像的第三聚合物之后图1所示的衬底；
图9示出了在回流和固化所述第三聚合物之后图8所示的衬底；
图10示出了在曝光和显影所述第三聚合物之后图9所示的衬底；
图11示出了化学机械平坦化后图10所示的衬底；
图12示出了在反复沉积并且回流烘烤所述热塑性第一聚合物之后图1所示的衬底；
图13示出了在沉积所述可光成像的第二聚合物之后图12所示的衬底；
图14示出了在曝光和显影所述第二聚合物之后图13所示的衬底；
图15示出了在从所述前侧表面氧化去除所述第一聚合物之后图14所示的衬底；
图16示出了化学机械平坦化后图15所示的衬底；
图17是具有在前侧表面蚀刻的低纵横比孔的硅衬底的示意性侧视图；
图18示出了在沉积常规可光成像的聚合物之后图17所示的衬底；
图19示出了在曝光和显影后图18所示的衬底；
图20示出了化学机械平坦化后图10所示的衬底；
图21是多个喷墨喷嘴装置的透视图，每个喷嘴装置具有限定在硅衬底的前侧表面中的室入口；以及
图22是图21所示的喷墨喷嘴装置的截面侧视图。
具体实施方式
第一实施例
参考图1，示出了具有限定在其前侧表面3中的高纵横比孔2的衬底1。所述衬底是具有设置在块状硅衬底4上的上CMOS层5的CMOS硅晶片。CMOS层4典型地包含插入在层间电介质(ILD)层之间的一个或多个金属层。孔2可以通过任何合适的各向异性DRIE方法(例如，如US 5501893中描述的‘Bosch蚀刻’)来限定。孔2的横截面可以具有任何希望的形状，所述形状是在所述蚀刻方法的过程中由光致抗蚀剂掩模限定的。
图2示出了在将可回流热塑性聚合物7旋涂到前侧表面3上接着进行软烘烤之后的衬底1。热塑性聚合物7是非可光成像的并且可以是本领域技术人员已知的任何合适类型。例如，热塑性聚合物7可以是粘合剂，如聚酰亚胺粘合剂。合适的热塑性聚合物7的具体实例是从HDMicroSystemsTM可获得的HD-3007粘合剂。
在沉积热塑性聚合物7之后的软烘烤去除溶剂以提供无粘性膜。由于热塑性聚合物7具有相对低的粘度(例如<1500Cps)，所述聚合物中存在的任何空气或溶剂气泡都可以在软烘烤过程中容易逸出。仍然参考图2，可以看出，由于其相对低的粘度，热塑性聚合物7在旋转涂过程中容易沉积在高纵横比孔2内。
现在参考图3，示出了在比软烘烤相对更高的温度下回流烘烤之后的衬底1。此回流烘烤步骤将热塑性聚合物7提高到高于其玻璃化转变温度的温度，允许所述聚合物更完全地回流并且填充孔2。例如，可以在约300℃下进行回流烘烤，而软烘烤可以在约90℃下进行。
根据孔2的深度和纵横比以及所采用的热塑性聚合物7的类型，结合图2和图3描述的步骤可以重复一次或多次直到所述孔被填充到正好低于所述前侧表面的水平，如图3所示。在所有的旋涂和回流步骤完成之后，孔2可以是>60％填充的、>70％填充的、>80％填充的或>90％填充的。
在孔2已经被部分填充到希望的水平之后，热塑性聚合物7然后在比回流烘烤温度相对更高的温度下固化，以便使所述聚合物交联并且硬化。图3所示热塑性聚合物7的所得堵塞物基本上不含任何空气或溶剂气泡。此外，所述一个或多个回流步骤确保热塑性聚合物7均匀地接触孔2的侧壁，以为随后的MEMS加工提供了稳健的基础。
现在转到图4，显示了在通过受控的氧化去除方法(“灰化”)去除热塑性聚合物7的预定厚度之后的衬底1。典型地，所述受控的氧化去除方法包括在常规灰化炉中定时暴露于基于氧的等离子体。通过所述灰化方法去除的聚合物的平面厚度与灰化时间成正比。如图4所示，所述灰化方法去除了一定厚度的热塑性聚合物7，使得完成从在孔2的外周外侧的区域中的前侧表面3上的去除。然而，借助于所述孔内的聚合物的附加厚度，孔2保留部分地填充有热塑性聚合物7。
接下来，如图5所示，通过旋涂将常规的可光成像的(非热塑性)聚合物9沉积在衬底1的前侧表面3上，接着进行软烘烤。将可光成像的聚合物9旋涂至约8微米的厚度，从而过度填充孔2。可光成像的聚合物9可以是本领域技术人员已知的任何合适类型。例如，可光成像的聚合物9可以是聚酰亚胺或常规光致抗蚀剂。合适的可光成像的聚合物9的具体实例是从HD MicroSystemsTM可获得的HD-8820水性正聚酰亚胺。
参考图6，然后通过本领域技术人员已知的常规方法将可光成像的聚合物9曝光并且显影，以便从孔2的外周外侧的区域去除基本上所有的聚合物9。所得到的衬底1具有过度填充的孔2，所述过度填充的孔具有8微米的可光成像的聚合物9的“帽”。
在可光成像的聚合物9的最终固化之后，然后使衬底1的前侧表面3经受化学机械平坦化(CMP)，从而去除可光成像的聚合物9的帽并且提供平坦的前侧表面，如图7所示。有利地，由于结合图6描述的先前曝光和显影步骤，需要通过CMP去除的可光成像的聚合物9的量是相对小的。因此，所述CMP方法具有可接受的处理时间(例如，5分钟或更少)、良好的停止选择性和最低的CMP垫涂胶，这降低了消耗品的成本。
在图7所示的所得衬底1中，孔2被热塑性聚合物7和可光成像的聚合物9堵塞。此聚合物堵塞物是稳健的并且基本上不含任何溶剂或空气气泡。此外，借助于最终的平坦化方法，所述堵塞物的上表面11与前侧表面3共面。因此，所述堵塞的孔为随后的前侧MEMS加工步骤(如喷墨喷嘴结构的制造)提供了理想的基础。
第二实施例
现在将参考图8至图11描述本发明的第二实施例。首先参考图8，孔2填充有具有热塑性和可光成像特性的聚合物13。热塑性可光成像的聚合物13的一个实例是从布鲁尔科技公司(Brewer Science)可获得的M10涂料。热塑性可光成像的聚合物13具有与上文描述的热塑性聚合物7相比相对低的粘度。因此，聚合物13能够以单一旋涂填充孔2，接着进行软化烘烤以去除溶剂。聚合物13的低粘度和热塑性回流特性使得任何溶剂或空气气泡能够在软烘烤和回流烘烤的过程中逸出。
图9示出了在比软烘烤相对更高的温度下回流烘烤之后的聚合物13。此回流烘烤步骤将聚合物13提高到高于其玻璃化转变温度的温度，允许所述聚合物回流并且确保孔2被过度填充。
参考图10，然后通过本领域技术人员已知的常规方法将热塑性可光成像的聚合物13曝光并且显影，从而从孔2的外周外侧的区域去除基本上所有的聚合物13。所得到的衬底1具有过度填充的孔2，所述孔具有聚合物13的“帽”。
在热塑性可光成像的聚合物13的最终固化(例如，UV固化)之后，然后使衬底1的前侧表面3经受化学机械平坦化(CMP)，从而去除聚合物13的帽并且提供平坦的前侧表面，如图11所示。有利地，由于结合图10描述的先前曝光和显影步骤，需要通过CMP去除的聚合物13的量是相对小的。因此，所述CMP方法具有可接受的处理时间(例如，5分钟或更少)、良好的停止选择性和最低的CMP垫涂胶，这降低了消耗品的成本。
在图11所示的所得衬底1中，孔2被热塑性可光成像的聚合物13堵塞。此聚合物堵塞物是稳健的并且基本上不含任何溶剂或空气气泡。此外，借助于最终的平坦化方法，所述堵塞物的上表面15与前侧表面3共面。因此，所述堵塞的孔为随后的前侧MEMS加工步骤(如喷墨喷嘴结构的制造)提供了理想的基础。
第三实施例
参考图12至图16，示出了采用如以上结合所述第一实施例描述的第一聚合物7和第二聚合物9的本发明的第三实施例。图12示出了在旋涂热塑性第一聚合物7和回流烘烤之后的衬底1。与所述第一实施例相比，孔2被所述聚合物7过度填充，典型地使用两个或更多个旋涂和回流烘烤循环。在回流烘烤之后，可以将衬底1暴露于氧化等离子体以从前侧表面3去除聚合物7。然而，此步骤是可选的，并且图12示出了替代方法，其中在每个旋涂和回流烘烤循环之后没有灰化步骤。
参考图13，然后将可光成像的第二聚合物9旋涂在衬底1上热塑性聚合物7上。第二聚合物9的随后掩蔽曝光和显影将所述第二聚合物从孔2的外周外侧的区域去除。因此，如图14所示，将由所述第一聚合物和第二聚合物9构成的相对厚的聚合物层设置在孔2上；并且将由第一聚合物7构成的相对薄的聚合物层设置在孔2的外周外侧的区域中的前侧表面3的剩余部分上。
参考图15，然后将衬底1暴露于受控的氧化等离子体(“灰化”)，从而去除聚合物材料的预定厚度。将第一聚合物7从孔2的外周外侧的区域完全去除，以露出前侧表面3。然而，由于在灰化之前相对厚的聚合物层被设置在孔2上，所以在所述灰化步骤之后，聚合物帽17保留在所述孔上，如图15所示。
最后，如图16所示，使所述前侧表面经受化学机械平坦化(CMP)以去除聚合物帽17，停止在前侧表面3上。根据所述第三实施例的方法有利地提供了填充孔2的第一聚合物7的堵塞物。此外，第一聚合物7的堵塞物的上表面19与前侧表面3共面。
通过避免在最终堵塞的孔中的任何第二聚合物9，根据所述第三实施例的方法与所述第一实施例相比是可能有利的。因此，在最终的堵塞的孔中避免了存在于第二聚合物9中任何溶剂或空气气泡，这些溶剂或空气气泡可能在所述第一聚合物与所述第二聚合物之间的界面处生长。
第四实施例
本文所描述的第四实施例适用于填充浅和/或低纵横比的孔(例如具有<1:1的纵横比的孔和/或具有小于10微米或小于5微米的深度的孔)。图17示出了具有限定在其前侧表面3中的低纵横比孔21的硅衬底1。
图18示出了在将常规可光成像的聚合物23旋涂到前侧表面3上接着进行软烘烤之后的衬底1。可光成像的聚合物23可以是本领域技术人员已知的任何合适类型，例如聚酰亚胺或光致抗蚀剂。
有意地用聚合物23过度填充孔17，并且然后通过常规的曝光和显影步骤随后将所述聚合物从所述孔的外周外侧的区域中去除。图19示出了在曝光和显影聚合物23之后的衬底1；孔17被所述聚合物堵塞并且具有从前侧表面3突出的聚合物材料的帽。
在可光成像的聚合物23的最终固化之后，然后使衬底1的前侧表面3经受化学机械平坦化(CMP)，从而去除聚合物23的帽并且提供平坦的前侧表面，如图20所示。有利地，由于结合图19描述的先前曝光和显影步骤，需要通过CMP去除的聚合物23的量是相对小的。因此，所述CMP方法具有可接受的处理时间(例如，5分钟或更少)、良好的停止选择性和最低的CMP垫涂胶，这降低了消耗品的成本。
此外，聚合物23的堵塞物具有均匀的上表面25，所述上表面与前侧表面3共面。因此，所述堵塞的孔为随后的前侧MEMS加工步骤提供了良好的基础。
虽然以上结合所述第四实施例描述的方法采用了单一的孔填充步骤，但是本领域技术人员将理解，所述孔可以在多个阶段中被填充，类似于US7,923,379中描述的方法。然而，与US 7,923,379中描述的方法相比，根据所述第三实施例的方法过度填充所述孔用于随后的平坦化(参见图18和图19)。
MEMS喷墨喷嘴装置
通过完整性的方式，现在将描述通过利用以上描述的孔填充方法制造的喷墨喷嘴装置。
参见图21和图22，示出了喷墨喷嘴装置10，所述喷墨喷嘴装置包含具有底板14、顶板16以及在底板与顶板之间延伸的周边壁18的主室12。图21示出了CMOS层20，其可以包含穿插有层间介电(ILD)层的多个金属层。
在图21中，顶板16作为透明层示出，以便露出每个喷嘴装置10的细节。典型地，顶板16由材料诸如二氧化硅或氮化硅构成。
喷嘴装置10的主室12包含燃烧室22和预燃室24。燃烧室22包含限定在顶板16中的喷嘴孔26和呈结合到底板14上的电阻加热器元件28形式的致动器。预燃室24包含限定在底板14中的主室入口30(“底板入口30”)。主室入口30与预燃室24的端壁18B相遇并且部分重叠。这种安排优化了预燃室24的毛细管现象，从而支持加注并且优化室再填充率。
挡板32隔开主室12以限定燃烧室22和预燃室24。挡板32在底板14与顶板16之间延伸。
预燃室24经由一对燃烧室入口34与燃烧室22在流体上连通，这些燃烧室入口位于挡板32的侧面在其任一侧上。每个燃烧室入口34由在挡板32的相应侧边缘与周边壁18之间延伸的间隙限定。
喷嘴孔26是细长的并且采取具有与所述加热器元件的中央纵轴对齐的长轴的椭圆形。
将加热器元件28在其每一端连接到通过一个或多个通孔37经过主室12的底板14暴露的相应电极36。典型地，电极36由CMOS层20的上金属层限定。加热器元件28可以由例如钛-铝合金、氮化钛铝等构成。在一个实施例中，加热器28可以涂覆有一个或多个如本领域已知的保护层。
这些通孔37可以用任何合适的导电材料(例如铜、钨等)填充，以便在加热器元件28与电极36之间提供电连接。在US 8,453,329中描述了一种用于从加热器元件28至电极36形成电极连接的合适方法，其内容通过引用结合在此。
每个电极36的一部分可以被分别直接定位在端壁18A和挡板32下方。这种安排有利地改进了装置10的整体对称性，并且使得加热器元件28从底板14剥离的风险最小化。
如在图21中最清楚地示出的，主室12被限定在沉积到底板14上的材料40的覆盖层(blanket layer)中并且通过合适的蚀刻过程(例如等离子体蚀刻、湿蚀刻等)蚀刻。通过所述蚀刻过程同时限定挡板32和周边壁18，这简化了整个MEMS制造过程。因此，挡板32和周边壁18由相同的材料构成，其可以是适合于在印刷头中使用的任何合适的可蚀刻陶瓷或聚合物材料。典型地，所述材料是二氧化硅或氮化硅。
印刷头100可以由多个喷墨喷嘴装置10构成。为了清楚起见，图21中的印刷头100的局部剖视图仅示出了两个喷墨喷嘴装置10。印刷头100由具有钝化CMOS层20的硅衬底102和含有喷墨喷嘴装置10的MEMS层限定。如图21中所示的，每个主室入口30与在印刷头100的背侧中限定的油墨供应通道104相遇。油墨供应通道104通常比主室入口30宽得多，并且提供大量的油墨供应用于水合与其流体连通的每个主室12。每个油墨供应通道104与布置在印刷头100的前侧的一行或多行喷嘴装置10平行地延伸。典型地，根据在US 7,441,865的图21B所示的安排，每个油墨供应通道104向一对喷嘴行(为清楚起见，在图21中示出仅一行)供应油墨。
印刷头100可以通过在图7所示的具有堵塞的孔的晶片衬底上构建含有喷墨喷嘴装置10的MEMS层来制造。所述衬底的平坦化的前侧表面3促进了前侧MEMS制造方法。在完成前侧MEMS制造步骤之后，从背侧薄化所述晶片，并且从背侧蚀刻这些油墨供应通道104以与这些堵塞的前侧孔相遇。最后，通过氧化灰化将所述聚合物堵塞物(例如聚合物7和9)从前侧孔2中去除以限定出主室入口30。
当然，将了解的是本发明已经仅仅通过举例进行了描述并且在本发明的范围内可以做出细节的修改，本发明的范围在所附的权利要求中限定。

Claims (15)

1.一种用于填充限定在晶片衬底的表面中的一个或多个蚀刻孔的方法，所述方法包括以下步骤：
(i)将热塑性第一聚合物层沉积到所述表面上和每个孔中；
(ii)回流所述第一聚合物；
(iii)将所述晶片衬底暴露于受控的氧化等离子体以便露出所述表面；
(iv)任选地重复步骤(i)至(iii)；
(v)沉积可光成像的第二聚合物层以便用所述第二聚合物过度填充每个孔；
(vi)从这些孔的外周外侧的区域选择性地去除所述第二聚合物以提供过度填充的孔，所述选择性去除包括所述第二聚合物的曝光和显影；以及
(vii)平坦化所述表面以提供用包含所述第一和第二聚合物的堵塞物填充的一个或多个孔，每个堵塞物具有与所述晶片衬底的表面共面的相应上表面，其中所述第一聚合物与第二聚合物不同。
2.如权利要求1所述的方法，其中每个孔具有至少10微米的深度。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中每个孔具有>1:1的纵横比。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一聚合物的粘度小于所述第二聚合物。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤(iii)中，所述受控的氧化等离子体的暴露是定时的，以便去除所述第一聚合物的预定厚度。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤(vii)中，通过化学机械平坦化(CMP)方法将所述晶片平坦化。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中在即将进行步骤(vii)之前，所述孔的过度填充程度小于12微米。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括附加的MEMS制造步骤。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述附加的MEMS制造步骤在所述晶片衬底的平坦化的表面上构造喷墨喷嘴装置。
10.如权利要求9所述的方法，其中每个喷嘴装置包含与至少一个孔流体联通的喷嘴室。
11.如权利要求10所述的方法，其中每个喷嘴室的相应入口由所述孔之一限定。
12.如权利要求11所述的方法，还包括油墨供应通道的晶片薄化和背侧蚀刻中的至少一项。
13.如权利要求12所述的方法，其中每个油墨供应通道与一个或多个填充的孔相遇。
14.如权利要求13所述的方法，其中每个油墨供应通道比所述一个或多个孔相对更宽。
15.如权利要求14所述的方法，还包括从所述孔中氧化去除所述第一和第二聚合物。
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