JP2018512289A - エッチングされた孔を充填するためのプロセス - Google Patents

Abstract

ウェーハ基板の前面に画定された１またはそれ以上のエッチングされた孔を充填するためのプロセス。そのプロセスは、（ｉ）前面上および各孔の中に熱可塑性の第１ポリマの層を堆積するステップと；（ｉｉ）第１ポリマをリフローするステップと；（ｉｉｉ）ウェーハ基板を制御された酸化プラズマに曝露するステップと；（ｉｖ）選択的にステップ（ｉ）から（ｉｉｉ）を繰り返すステップと；（ｖ）フォトイメージャブルな第２ポリマの層を堆積するステップと；（ｖｉ）露光および現像を使用して孔の周囲の外側の領域から第２ポリマを任意選択的に取り除くステップと；（ｖｉｉ）前面を平坦化し互いに異なる第１および第２ポリマを具えるプラグで満たされた孔を提供するステップであって、各プラグの上面が前記ウェーハ基板の前面と同一平面状にある、ステップとを具える。【選択図】図７

Description

本発明は、エッチングされた孔を充填するためのプロセスに関する。それは、主に、この後に続くＭＥＭＳ製造工程を容易にするため、充填された孔の平面性を改善するために開発されている。

本出願人は、Ｍｅｍｊｅｔ（登録商標）インクジェットプリンタを開発してきた。例えばそれは、参照によって本書に組み込まれる、国際公開第２０１１／１４３７００号、国際公開第２０１１／１４３６９９号、および国際公開第２００９／０８９５６７号に記載されている。Ｍｅｍｊｅｔ（登録商標）プリンタは、プリントヘッドを１回通過させて印刷媒体を供給する供給機構と組み合わせて、固定されたページ幅プリントヘッドを使用する。したがって、Ｍｅｍｊｅｔ（登録商標）プリンタは、従来のスキャン方式インクジェットプリンタよりも非常に高い印刷速度を実現する。

シリコン量を最小化、したがって、ページ幅プリントヘッドのコストを最小化するため、各Ｍｅｍｊｅｔ（登録商標）プリントヘッドＩＣは、高いノズル充填密度を提供するために、一体型ＣＭＯＳ／ＭＥＭＳプロセスによって製造されている。一般的なＭｅｍｊｅｔ（登録商標）プリントヘッドＩＣは、６４００個のノズルデバイスを具え、それは、１１個のＭｅｍｊｅｔ（登録商標）プリントヘッドＩＣを具えるＡ４プリントヘッドにおける７０４００個のノズルデバイスに変換される。

参照によって本書に組み込まれる、米国特許第７２４６８８６号に記載されているように、Ｍｅｍｊｅｔ（登録商標）プリントヘッドＩＣのための一般的なプリントヘッド製造プロセスは、ＤＲＩＥ（深堀り反応性イオンエッチング）を介して、ＣＭＯＳウェーハの前側に孔をエッチングするステップと、孔を犠牲材料（例えば、フォトレジスト）で充填して平坦な前面を提供するステップと、それに続いて、ウェーハの前面にＭＥＭＳノズルデバイスを構築するステップとを必要とする。すべての前側ＭＥＭＳ製造プロセスの完了後、ウェーハは裏面から薄くされ、充填した前側の孔と接するよう裏面からトレンチがエッチングされる。最後に、酸化アッシングにより、すべての犠牲材料が、前側の孔およびＭＥＭＳノズルチャンバから取り除かれる。結果として生じるプリントヘッドＩＣにおいて、前側の孔が、ノズルチャンバ用の個々の入口チャネルを画定する。

製造における重要な段階は、犠牲材料を用いて前側の孔を塞いで、ウェーハの前面を平坦にすることである。前面が完全に平坦でない場合、その平坦性の欠如は、その後に続くＭＥＭＳ製造プロセスにも持ち越され、最終的に欠陥デバイスまたは実装寿命の短い脆弱なＭＥＭＳ構造につながる可能性がある。

米国特許第７９２３３７９号には、ＤＲＩＥによって形成された孔を塞ぐための１つのプロセスが記載されている。この従来技術のプロセスでは、フォトレジストの連続層上でスピニング加工することにより、孔が多段階で充填される。これら各段階の後、ウェーハの前面上のフォトレジストが選択的に露光および現像されて、孔を部分的に充填するフォトレジストのみが残される。孔の中に残ったフォトレジストはハードベークされ、孔が完全にフォトレジストで満たされるまで、このプロセスが繰り返される。その目的は、プロセスの終わりにフォトレジストで塞がれた孔を提供して、フォトレジストプラグの上面がウェーハ前面と同一平面上となるようにすることにある。これは、ウェーハの前面の次のＭＥＭＳ製造工程のための理想的な基礎となる。

しかしながら、米国特許第７９２３３７９号に記載されたプロセスは、多くの欠点を有している。まず第１に、このプロセスの最後に完全な平坦を達成することができない。なぜなら、孔は通常、最終的な露光および現像ステップの後に、少し過剰に充填されるか、または充填不足となるためである。第２に、フォトレジストは、高い粘性を持ち、それが、溶媒の泡または気泡が出ていくのを妨げる。気泡は、比較的薄い最終的なフォトレジスト層からは出ていけるが、孔の底のフォトレジスト層からは容易には出ていくことができない。熱硬化の間、これら閉じ込められた溶媒の泡は、結合し、膨張して、比較的大きなボイドを形成し、結果的にプラグが不安定となる。第３に、一般的にフォトレジストは、熱硬化（「ハードベーキング」）中に収縮してしまう。ハードベーキング中のフォトレジストの縮小は、プラグの安定性にも影響する。したがって、平坦な上面が達成できたとしても、このフォトレジストプラグは、その後のＭＥＭＳの製造プロセス中に「ディシング」の影響をうけやすく、このフォトレジストプラグの安定性の欠如は、例えば、ノズルプレートクラッキングのような、その後作製されるＭＥＭＳ構造に問題を引き起こす。

一般的に、ほとんどのフォトレジストよりも低い粘性を有し、加熱されたときにリフロー処理可能な熱可塑性ポリマが、上記のように、トラップされた溶媒の泡とフォトレジストの収縮とに関連する少なくともいくつかの問題に対する潜在的な解決法を提供する。しかし、熱可塑性ポリマは、通常フォトイメージャブルではなく、化学機械研磨（ＣＭＰ）プロセスを介しての平坦化が必要である。ＣＭＰプロセスは、熱可塑性ポリマに対して技術的には可能ではあるが、ＤＲＩＥにより形成された比較的深い孔を充填するために必要とされる厚いポリマの層は、実際に実現可能ではない。これは、（１）厚いポリマの層を平坦化するときの前面上の停止選択性が悪いこと、（２）ＣＭＰの速度が大規模製造においては許容できないほど遅いこと、（３）ＣＭＰ研磨パッドがすぐに「ゴム状化」し、結果的に定期的に取り替える必要があること、によるものである。

上記の少なくともいくつかの問題を改善する、フォトレジストの孔を充填するための代替的なプロセスを提供することが望ましい。

第１態様において、ウェーハ基板の前面を画定する１またはそれ以上のエッチングされた孔を充填するためのプロセスを提供する。このプロセスは、
（ｉ）前記前面上およびエッチングされた孔の中に熱可塑性の第１ポリマ層を堆積させるステップと；
（ｉｉ）第１ポリマをリフローさせるステップと；
（ｉｉｉ）前記ウェーハ基板を制御された酸化プラズマに曝露して、前記前面を露出させるステップと；
（ｉｖ）任意選択的に、ステップ（ｉ）から（ｉｉｉ）を繰り返すステップと；
（ｖ）各孔を前記第２ポリマで過充填するために、フォトイメージャブルな第２ポリマの層を堆積させるステップと；
（ｖｉ）前記孔の周囲の外側の領域から第２ポリマを選択的に除去して、過充填された孔を提供するステップであって、選択的な除去が、前記第２ポリマの露光および現像を含む、ステップと；
（ｖｉｉ）前記前面を平坦化して、前記第１および第２ポリマを具えるプラグで充填された１またはそれ以上の孔を提供するステップであって、各プラグの上面が、前記ウェーハ基板の前面と同一平面上にある、ステップとを具え、
前記第１ポリマと第２ポリマが異なることを特徴とするプロセス。

第１態様によるプロセスは、ＤＲＩＥにより形成された高アスペクト比の孔をプラグするための確固としたプロセスを提供する。特に、このプロセスは、堆積およびリフロー中に、気泡が容易に抜け出ることが可能な熱可塑性リフロー特性を有する、比較的低い粘性の第１ポリマを用いることにより、気泡のほとんどないプラグを実現する。さらに、このプロセスは、表側の孔を均一に満たす、リフロー可能な熱可塑性の第１ポリマを使用し、続くＭＥＭＳ工程のための安定した基礎を実現する。このプロセスは、また、平坦化のステップ（特に化学機械平坦化）により、前面と同一平面上にある上面を有する表側プラグをも実現する。平坦化（例えばＣＭＰ）を促進するため、従来の露光および現像によって各孔の周囲の外側の領域からは除去される、最終的な充填工程のためのフォトイメージャブルな第２ポリマを用いる。したがって、平坦化によって取り除かれるのは最小量の第２ポリマである必要があり、それにより、高いスループット、良い停止選択性、およびＣＭＰ研磨パッドによるゴム状化を最小にすること（すなわち、低い消費コスト）を可能とする。以下の第１実施形態の詳細な説明から、当業者にとっては、これらの有利な点や別の有利な点は明らかであろう。

第１ポリマは、第２ポリマよりも粘性が少ないほうが好ましい。上記で予示したように、比較的低い粘性の第１ポリマは、トラップされた溶媒の泡や気泡が抜けだすのを容易にし、結果的により強いプラグとなる。

各孔の深さは、少なくとも５ミクロンまたは１０ミクロンであることが好ましい。特に、それぞれの孔は、５から１００ミクロン、または１０から５０ミクロンの範囲内の深さを有している。

各孔は、１：１よりも大きいアスペクト比を有するのが好ましい。特に、そのアスペクト比は、１．５−５：１の範囲である。

一実施形態では、ステップ（ｉ）から（ｉｉｉ）は、１またはそれ以上繰り返されたほうがよい。別の実施例においては、ステップ（ｉ）から（ｉｉｉ）は、一回だけ実施される。代替的な実施形態においては、ステップ（ｉ）および（ｉｉ）が、１またはそれ以上繰り返され、ステップ（ｉｉｉ）は、１回だけ実施される。

ステップ（ｖｉ）直前における孔を溢れるほど満たす工程において、その程度は、約１２ミクロンまたは約１０ミクロンよりも小さい。次の平坦化を容易にするため、過充填は最小であることが好ましい。

特に、追加のＭＥＭＳ製造工程は、ウェーハ基板の平坦化された前面上にて実施される。追加のＭＥＭＳ製造工程における好ましい実施形態において、ウェーハ基板の平坦化された前面上にインクジェットノズルデバイスを構築する。各ノズルデバイスは、少なくとも１つの孔と流体連通するノズルチャンバを具え、各ノズルチャンバのそれぞれの入口は、その１つの孔により画定される。

追加のＭＥＭＳ製造工程おいては、インク供給流路におけるウェーハの薄型化および裏面エッチングの少なくとも１つを含むことが好ましい。各インク供給流路は、好ましくは、１またはそれ以上の充填された孔と接しており、ウェーハの裏側および表側の間の流体接続を実現する。通常、各インクの供給流路は、孔よりも比較的広い。

ＭＥＭＳ製造の最終段階では、酸化除去（「アッシング」）を用いて孔から第１および第２ポリマを除去するのが好ましい。酸化除去では、特に、当業者に知られている酸素ベースのプラズマを用いる。

第２態様においては、ウェーハ基板の前面に画定された１つまたはそれ以上のエッチングの孔を充填するためのプロセスを提供する。このプロセスは、
（ｉ）前面とエッチングの孔にフォトイメージャブルな熱可塑性の第３ポリマの層を堆積させるステップと；
（ｉｉ）第３ポリマをリフローさせるステップと；
（ｉｉｉ）第３ポリマの露光および現像により、各孔の周囲の外側の領域から第３ポリマを任意選択的に除去するステップと；
（ｉｖ）各孔が第３ポリマで過充填されるまで、ステップ（ｉ）から（ｉｉｉ）を任意選択的に繰り返すステップと；
（ｖ）前面を平坦化して、第３ポリマのプラグで充填された１またはそれ以上の孔を提供するステップであって、各プラグの上面が、前記ウェーハ基板の前面と同一平面上にある、ステップとを具える。

第２態様によれば、このプロセスでは、スペシャルクラスのフォトイメージャブルな熱可塑性ポリマを用いることができる。所望の熱可塑性により、第３ポリマがリフローされ、上記の第１ポリマに関連するのと同じ有利な点を享受できる。さらに、所望のフォトイメージャビリティに関連する特性により、第３ポリマが、従来のフォトリソグラフィによる露光および現像によって、孔の周囲の外側の領域から除去される。それにより、第２態様によるプロセスは、（上記の第１態様に関連するような）第１ポリマの酸化除去なしでも、非常に強いプラグ；平坦化後のプラグの同一平面性；平坦化前におけるフォトリソグラフィによる第３ポリマの大部分の除去による効率的な平坦化；という利益を享受する。

第２態様によるプロセスにおいて、ステップ（ｉ）から（ｉｉｉ）のシーケンスは、一回だけであることが好ましい。各孔は、ステップ（ｉｉｉ）後、第３ポリマによって過充填される。

別の好ましい実施形態において、上記第１態様関連の記載は、第２態様にも当然適合できる。

第３態様においては、ウェーハ基板の前面を画定する、１またはそれ以上のエッチングの孔を充填するためのプロセスを提供する。このプロセスは、
（ｉ）熱可塑性第１ポリマの層を前面およびエッチングの孔の層に堆積させるステップと；
（ｉｉ）第１ポリマをリフローさせるステップと；
（ｉｉｉ）孔が第１ポリマで過充填されるまでステップ（ｉ）とステップ（ｉｉ）を選択的に繰り返すステップと；
（ｉｖ）フォトイメージャブルな第２ポリマの層を堆積させるステップと；
（ｖｉ）第２ポリマを露光および現像することで、孔の周囲の外側の領域から第２ポリマを任意選択的に除去するステップと；
（ｖｉｉ）前記ウェーハ基板を制御された酸化プラズマに曝露して、前記前面を露出させるステップと；
（ｖｉｉｉ）前記前面を平坦化して、前記第１のみを具えるプラグで充填された１またはそれ以上の孔を提供するステップであって、各プラグの上面が、前記ウェーハ基板の前面と同一平面上にある、ステップとを具え、
前記第１ポリマと第２ポリマが異なることを特徴とするプロセス。

第３態様におけるプロセスは、第１態様におけるプロセスと多くの点で類似する。しかし、第３態様における第２ポリマは、各孔に比較的厚いポリマ層を提供するためだけに用いられ、各孔は、まず第１ポリマで過充填される。したがって、酸化除去ステップは、ポリマ材料のキャップが、平坦化前に各孔をおおって残ることを保証する。この有利な点は、第１および第２ポリマ間のインターフェースに存在する可能性のある、何らかの第２ポリマ内の溶媒の泡または気泡が、平坦化ステップの間に除去されることである。したがって、孔を満たすプラグの材料は、熱可塑性第１ポリマのみであり、後に続くＭＥＭＳ製造工程における非常にしっかりとした基礎を提供する。

いくつかの実施形態においては、ステップ（ｉｉ）の後に、制御された酸化プラズマにウェーハ基板を曝露して、ウェーハ基板の前面を露出する追加のステップを具えてもよい。

別の好ましい実施形態において、上記第１態様関連の記載は、第３態様にも当然適合できる。

第４態様においては、ウェーハ基板の前面を画定する、１またはそれ以上のエッチングされた孔を充填するためのプロセスを提供する。このプロセスは、
（ｉ）前面とエッチングされた孔にフォトイメージャブルな第４ポリマの層を堆積させるステップと；
（ｉｉ）各孔の周囲の外側の領域から第４ポリマを任意選択的に除去するステップであって、選択的な除去が、第４ポリマの露光および現像を含む、ステップと；
（ｉｉｉ）各孔が第４ポリマで過充填されるまで、ステップ（ｉ）と（ｉｉ）を任意選択的に繰り返すステップと；
（ｖｉ）前面を平坦化して、第４ポリマのプラグで充填された１またはそれ以上の孔を提供するステップであって、各プラグの上面が、前記ウェーハ基板の前面と同一平面上にある、ステップとを具え、前記第１ポリマと第２ポリマが異なることを特徴とするプロセス。

第４態様におけるプロセスは、比較的狭い（すなわち、１０ミクロンより小さい）または低いアスペクト比（すなわち１：１よりも小さい）の孔を充填するのに最も適している。第４ポリマは、通常、熱可塑性ではなく、リフローできない普通のフォトレジストである。しかしそうであっても、ＣＭＰにより取り除かれる第４ポリマの量は最小化されるため、効率的な平坦化は可能となっている。

別の好ましい実施形態において、上記第１態様関連の記載は、第４態様にも当然適合できる。

本明細書において用いられる用語「孔」は、一般的にウェーハ基板を画定する何らかの空洞、ビアまたは溝を意味する。定義上、各孔は、底面および側壁を有し、上側に延在し、ウェーハ基板の表面と接する。各孔の断面は、円、長方形、丸型長方形、四角形、丸型四角形、長円形、楕円などであることができる。同様に、孔の形状は、細長い溝であってもよい。本書の文脈における細長い溝は、シリコンウェーハを個々のチップに分けるための「ダイシングストリート」として用いられることができる。

以下、一例として本発明の実施形態を添付の図面を参照して説明する。
図１は、高アスペクト比の孔が前面にエッチングされたシリコン基板の概略側面図である。 図２は、熱可塑性の第１ポリマを堆積した後の図１の基板を示している。 図３は、第１ポリマをリフローして、硬化した後の図２の基板を示している。 図４は、前面から第１ポリマを酸化除去した後の図３の基板を示している。 図５は、フォトイメージャブルな第２ポリマを堆積した後の図４の基板を示している。 図６は、第２ポリマを露光および現像した後の図５の基板を示している。 図７は、化学機械平坦化後の図６の基板を示している。 図８は、熱可塑性のフォトイメージャブルな第３ポリマを堆積した後の図１の基板を示している。 図９は、第３ポリマをリフローおよび硬化した後の図８の基板を示している。 図１０は、第３ポリマを露光および現像した後の図９の基板を示している。 図１１は、化学機械平坦化後の図１０の基板を示している。 図１２は、熱可塑性の第１ポリマの堆積およびリフローベーキングを繰り返した後の図１の基板を示している。 図１３は、フォトイメージャブルな第２ポリマを堆積した後の図１２の基板を示している。 図１４は、第２ポリマを露光および現像した後の図１３の基板を示している。 図１５は、前面から第１ポリマを酸化除去した後の図１４の基板を示している。 図１６は、化学機械平坦化をした後の図１５の基板を示している。 図１７は、低アスペクト比の孔が前面にエッチングされたシリコン基板の概略側面図である。 図１８は、従来のフォトイメージャブルなポリマを堆積した後の図１７の基板を示している。 図１９は、露光および現像した後の図１８の基板を示している。 図２０は、化学機械平坦化をした後の図１０の基板を示している。 図２１は、シリコン基板の前面に画定されたチャンバ入口をそれぞれ有するインクジェットノズルデバイスの斜視図である。 図２２は、図２１のインクジェットノズルデバイスの側面断面図である。

〔第１実施形態〕
図１には、前面３を画定する高いアスペクト比の孔２を有する基板１が示されている。この基板は、バルクシリコン基板４に配置された上側ＣＭＯＳ層５を有するＣＭＯＳシリコン基板である。ＣＭＯＳ層４は、典型的には、層間絶縁膜（ＩＬＤ）層の間に挿入された１またはそれ以上の金属層を具える。孔２は、適当な異方性のＤＲＩＥプロセス（例えば、米国特許第５５０１８９３号に記載されるような「Ｂｏｓｃｈ ｅｔｃｈ」）によって画定できる。孔２は、所望の断面形状を有することができ、その形状は、エッチングプロセス中のフォトレジストマスクにより画定される。

図２は、前面３上にリフロー可能な熱可塑性ポリマ７をスピン・コーティングした後にソフトベーキングを行った後の基板１を示している。熱可塑性ポリマ７は、非フォトイメージャブルであり、当業者に既知の適当な種類のものとすることができる。例えば、熱可塑性ポリマ７は、ポリイミド接着剤のような接着剤であってもよい。適当な熱可塑性ポリマ７の具体例は、ＨＤ ＭｉｃｒｏＳｙｓｔｅｍｓ（商標）のＨＤ−３００７接着剤である。

熱可塑性ポリマ７の堆積後のソフトベーキングは、溶媒を取り除き、それにより、不粘着性フィルムを実現する。熱可塑性ポリマ７は、比較的粘性が低い（例えば、１５００Ｃｐｓよりも低い）ため、ポリマ中に存在する任意の空気または溶媒の泡が、ソフトベーキング中に容易に抜け出ることができる。さらに図２を参照すると、熱可塑性ポリマ７は、比較的粘性が低いため、スピン・コーティング中に、高アスペクト比の孔２の中に容易に堆積することが分かる。

図３を参照すると、ソフトベーキングよりも比較的高い温度でリフローベーキングをした後の基板１が示されている。このリフローベーキングステップは、熱可塑性ポリマ７をそのガラス転移温度よりも高い温度に上昇させ、それにより、ポリマがリフローして孔２をより完全に満たすことを可能にする。例えば、リフローベーキングは、およそ３００度で行われ、ソフトベーキングは、およそ９０度で行われる。

熱可塑性ポリマ７として用いられたポリマの種類だけでなく、孔２の深さおよびアスペクト比に応じて、図２および３に関連して記載したステップは、図３に示すように、孔が前面の直下のレベルに充填されるまで、１またはそれ以上の回数繰り返される。すべてのスピン・コーティングおよびリフローのステップ完了後、この孔２は、＞６０％、＞７０％、＞８０％、または＞９０％、充填された状態とすることができる。

所望のレベルにまで孔２を部分的に充填した後、熱可塑性ポリマ７を架橋および硬化させるために、リフローベーキング温度よりも相対的に高い温度で硬化させる。結果として、図３における熱可塑性ポリマ７のプラグは、実質的に気泡または溶媒の泡を含まない。さらに、リフローステップは、熱可塑性ポリマ７が孔２の側壁と一様に接触して、その後のＭＥＭＳプロセスのための安定した基礎を提供することを保証する。

ここで図４を参照すると、制御された酸化除去プロセス（「アッシング」）により、予め設定された厚みだけ熱可塑性ポリマ７を取り除いた後の基板１を示している。典型的には、この制御された酸化除去プロセスは、従来のアッシング炉における酸素ベースのプラズマへの時間を定めた曝露を具える。アッシングプロセスにより取り除かれるポリマの平面の厚みは、アッシングの時間に比例する。図４に示すように、アッシングプロセスは、熱可塑性ポリマ７の厚みを除去し、それにより、孔２周囲の外側の領域における前面３からの除去が完了する。しかしながら、孔の中のポリマの追加的厚みにより、孔２は、熱可塑性ポリマ７で部分的に充填されたままとなる。

次に、図５に示すように、スピン・コーティングしてソフトベーキングすることにより、従来のフォトイメージャブル（非熱可塑性）ポリマ９を、基板１の前面３に堆積させる。フォトイメージャブル・ポリマ９は、孔２を過充填するように、約８ミクロンの厚さでスピン・コーティングされる。このフォトイメージャブル・ポリマ９は、当業者に知られている任意の適当な種類のものであってもよい。例えば、フォトイメージャブル・ポリマ９は、ポリイミドまたは従来のフォトレジストであってもよい。適当なフォトイメージャブル・ポリマ９の具体例としては、ＨＤ ＭｉｃｒｏＳｙｓｔｅｍｓ（商標）から入手可能なＨＤ−８８２０ Ａｑｕｅｏｕｓ Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅである。

図６を参照すると、フォトイメージャブル・ポリマ９は、その後、当業者にとって既知の従来の方法により露光および現像され、それにより実質的にすべてのポリマ９が孔２の周囲の外側の領域から除かれる。得られた基板１は、フォトイメージャブル・ポリマ９の８ミクロンの「キャップ」を有する過充填された孔２を具える。

フォトイメージャブル・ポリマ９の最終的な硬化に続いて、基板１の前面３を化学機械平坦化（ＣＭＰ）にかけて、フォトイメージャブルなポリマ９のキャップを取り除き、図７に示すように、平坦な前面を実現する。ＣＭＰにより取り除かれる必要のあるフォトイメージャブルなポリマ９の量は、有利なことに、図６に関連して記載した以前の露光および現像のステップにより、比較的少なくなる。したがって、ＣＭＰプロセスは、許容可能なプロセス時間（例えば、５分以下）と、好ましい停止選択性とを有し、かつ、ＣＭＰパッドのゴム状化を最小にし、消耗品のコストを下げる。

図７に示される結果として得られた基板１において、孔２は、熱可塑性プラグ７とフォトイメージャブル・ポリマ９でプラグされる。このポリマープラグは、強固であり、溶媒の泡または気泡を実質的に含まない。さらに、プラグの上面１１は、最終の平坦化プロセスにより前面３と同一平面上にある。したがって、プラグされた孔は、インクジェットノズル構造の製造のような、後に続く前側ＭＥＭＳプロセス工程のための理想的な基礎を提供する。

〔第２実施形態〕
本発明の第２実施形態について、図８から図１１を参照して説明する。図８をまず参照すると、孔２が、熱可塑性およびフォトイメージャブルな特性の両方を有するポリマ１３で充填される。例えば、熱可塑性のフォトイメージャブルなポリマ１３は、Ｌｅｖｅｌ（登録商標）Ｍ１０コーティングであり、Ｂｒｅｗｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ社から入手可能である。熱可塑性のフォトイメージャブルなポリマ１３は、上記の熱可塑性ポリマ７に匹敵する相対的に低い粘性を有する。したがって、ポリマ１３は、一回のスピン・コーティングで、孔２を充填することができ、その後、ソフトベーキングにより溶媒が除去される。ポリマ１３の低い粘性および熱可塑性のリフロー特性により、溶媒の泡または気泡が、ソフトベーキングおよびリフローベーキング中に抜けだすことができる。

図９には、ソフトベーキングよりも比較的高い温度でリフローベーキングした後のポリマ１３が示されている。このリフローベーキングのステップは、ポリマ１３をそのガラス転移温度よりも高い温度に上昇させ、それにより、ポリマがリフローして孔２が確実に過充填されることとなる。

図１０を参照すると、熱可塑性のフォトイメージャブルなポリマ１３は、その後、当業者にとって既知の従来の方法により露光および現像され、それにより実質的にすべてのポリマ１３が孔２の周囲の外側の領域から取り除かれる。得られた基板１は、ポリマ１３の「キャップ」を有する過充填された孔２を具える。

熱可塑性のフォトイメージャブルなポリマ１３の最終的な硬化（例えば、ＵＶ硬化）に続いて、基板１の前面３を化学機械平坦化（ＣＭＰ）にかけて、ポリマ１３のキャップを取り除き、図１１に示すように、平坦な前面を実現する。ＣＭＰにより取り除かれる必要のあるポリマ１３の量は、有利なことに、図１０に関連して記載した以前の露光および現像のステップにより、比較的に少ない。したがって、ＣＭＰプロセスは、許容可能なプロセス時間（例えば、５分以下）と、好ましい停止選択性とを有し、かつ、ＣＭＰパッドのゴム状化を最小にし、消耗品のコストを下げる。

図１１に示される結果として得られた基板１において、孔２は、熱可塑性のフォトイメージャブルなポリマ１３でプラグされる。このポリマープラグは、強固であり、溶媒の泡または気泡を実質的に含まない。さらに、プラグの上面１５は、最終の平坦化プロセスにより前面３と同一平面上にある。したがって、プラグされた孔は、インクジェットノズル構造の製造のような、後に続く前側ＭＥＭＳプロセス工程のための理想的な基礎を提供する。

〔第３実施形態〕
図１２から図１６には、上記第１実施形態に関連する、第１ポリマ７および第２ポリマ９を用いる本発明の第３実施形態が示されている。図１２には、熱可塑性の第１ポリマ７をスピン・コーティングしてリフローベーキングした後の基板１が示されている。第１実施形態とは対照的に、典型的には２またはそれ以上のサイクルのスピン・コーティングおよびリフローベーキングにより、孔２にはポリマ７が過充填されている。リフローベーキング後、基板１は、酸化プラズマに曝露されて、前面３からポリマ７が取り除かれるようにしてもよい。しかしながら、このステップは任意であり、図１２には、スピン・コーティングとリフローベーキングの各サイクル後に、アッシングのステップのない代替的なプロセスが示されている。

図１３を参照すると、その後、フォトイメージャブルな第２ポリマ９が、熱可塑ポリマ７を覆うように基板１上にスピン・コーティングされている。後に続く第２ポリマ９のマスクによる露光および現像により、孔２の周囲の外側の領域から第２ポリマが取り除かれる。その結果、図１４に示されているように、第１ポリマおよび第２ポリマ９からなる相対的に厚いポリマ層が孔２の上に配置され、第１ポリマ７からなる相対的に薄い層が、孔２の周囲の外側の領域の前面３における残りの部分の上に配置される。

図１５を参照すると、基板１は、その後、制御された酸化プラズマ（「アッシング」）に曝露され、予め設定された厚さのポリマ材料が取り除かれる。第１ポリマ７は、孔２の周囲の外側の領域から完全に取り除かれ、前面３が露出する。しかしながら、相対的に厚いポリマ層は、アッシング前に孔２の上に配置されているため、図１５に示すように、ポリマのキャップ１７が、アッシングのステップ後も孔の上に残る。

最終的に、図１６に示されているように、前面が化学機械平坦化（ＣＭＰ）され、前面３上までポリマのキャップ１７が取り除かれる。第３実施形態によるプロセスは、有利なことに、孔２を充填する第１ポリマ７のプラグを提供する。さらに、第１ポリマ７のプラグの上面１９は、前面３と同一平面上にある。

第１実施形態と比較して、第３実施形態によるこのプロセスの潜在的に有利な点は、最終的に第２ポリマ９が孔にプラグされるのを避けることができる点にある。したがって、第１ポリマと第２ポリマの間の界面で成長する可能性がある、第２ポリマ９に存在する溶媒の泡または気泡が、最終的にプラグされた孔の中に入るのを避けることができる。

〔第４実施形態〕
本明細書における第４実施形態は、比較的浅いおよび／または低いアスペクト比の孔（例えば、１：１よりも小さいアスペクト比を有する孔および／または１０ミクロン未満または５ミクロン未満の深さを有する孔）を充填するのに適している。図１７は、基板の前面３に規定される低アスペクト比の孔２１を有するシリコン基板１を示している。

図１８は、従来のフォトイメージャブルなポリマ２３を前面３上にスピン・コーティングした後の基板１を示しており、その後ソフトベーキングされる。フォトイメージャブルなポリマ２３は、ポリイミドまたはフォトレジストのような、当業者に知られた適当な種類のものであればよい。

孔１７は、意図的にポリマ２３で過剰に充填され、その後ポリマは、従来の露光および現像ステップにより、孔の周囲の外側の領域から取り除かれる。図１９は、ポリマ２３の露光および現像ステップ後の基板１を示し、孔１７はポリマでプラグされ、前面３から突出するポリマ材料のキャップを有する。

フォトイメージャブルなポリマ２３の最終的な硬化に続いて、基板１の前面３を化学機械平坦化（ＣＭＰ）にかけて、ポリマ２３のキャップを取り除き、図２０に示すように平坦な前面を実現する。ＣＭＰによって取り除かれる必要のあるポリマ２３の量は、有利なことに、図１９に関連して記載した以前の露光および現像のステップにより、比較的少ない。したがって、ＣＭＰプロセスは、許容可能なプロセス時間（例えば、５分以下）と、好ましい停止選択性とを有し、かつ、ＣＭＰパッドのゴム状化を最小にし、消耗品のコストを下げる。

さらに、ポリマ２３のプラグは、前面３と同一平面上にある、均一な上面２５を有する。したがって、プラグされた孔は、後に続く前側ＭＥＭＳプロセス工程における良い基礎を提供する。

第４実施形態に関連する上記のプロセスは、単一の孔充填ステップを使用しているが、当業者にとっては、米国特許第７９２３３７９号に記載されるプロセスと同様に、孔が複数の段階で充填できることは自明である。しかしながら、米国特許第７９２３３７９号に記載されたプロセスとは対照的に、第３実施形態によるプロセスでは、後の平坦化のために、孔を過充填する（図１８および１９を参照）。

〔ＭＥＭＳインクジェットノズルデバイス〕
完全にするため、上記の孔充填プロセスを利用して製造されるインクジェットノズルデバイスを記載する。

図２１および図２２を参照すると、床部１４、天井部１６、および床部と天井部との間に延在する外周壁１８を有するメインチャンバ１２を具えるインクジェットノズルデバイス１０が示されている。図２１は、層間絶縁膜（ＩＬＤ）の層が間に散在する複数の金属層を具えることのできるＣＭＯＳ層２０を示している。

図２１において、天井部１６は、各ノズルデバイス１０の詳細を明らかにするために、透明層として示されている。典型的には、天井部１６は、二酸化ケイ素または窒化ケイ素のような材料からなる。

ノズルデバイス１０のメインチャンバ１２は、発射チャンバ２２および副チャンバ２４を具える。発射チャンバ２２は、天井部１６に画定されたノズル開口部２６と、天井部１４に結合された抵抗加熱素子２８の形態のアクチュエータと、を具える。副チャンバ２４は、床部１４に画定されたメインチャンバ入口３０（「床部入口３０」）を具える。メインチャンバ入口３０は、副チャンバ２４の端部壁１８Ｂと接し、部分的に重なり合う。この配置は、副チャンバ２４の毛管現象を最適化し、それにより、プライミングを促進し、チャンバ再充填率を最適化する。

バッフルプレート３２が、メインチャンバ１２を区切り、発射チャンバ２２と副チャンバ２４を画定する。バッフルプレート３２は、床部１４と天井部１６との間に延在する。

副チャンバ２４は、バッフルプレート３２の両側面に位置する一対の発射チャンバ入口３４を介して発射チャンバ２２と流体連通する。各発射チャンバ入口３４は、バッフルプレート３２のそれぞれの側端部と外壁１８との間に延在する間隙により画定される。

ノズル開口部２６は細長く、加熱素子の中央縦軸に位置合わせされた長軸を有する楕円の形状をとる。

加熱素子２８は、その各端部で、１またはそれ以上のビア３７により、メインチャンバ１２の床部１４を通して露出するそれぞれの電極３６に接続される。典型的には、ＣＭＯＳ層２０の上側金属層が、電極３６を画定する。例えば、加熱素子２８は、チタンアルミ合金、窒化チタンアルミ等からなる。一実施形態においては、当業者には既知の、１またはそれ以上の保護層を加熱素子２８にコーティングすることができる。

ビア３７は、加熱素子２８と電極３６との間の電気的接続を提供するために、任意の適当な導電性材料（例えば、銅、タングステン等）により充填されるものであってもよい。加熱素子２８から電極３６への電極接続を形成するための適当なプロセスが、米国特許第８４５３３２９号に記載されており、参照により本明細書にその内容が組み込まれる。

端壁１８Ａとバッフルプレート３２のそれぞれの直下に各端部３６の一部を配置することができる。この配置の有利な点は、床部１４から加熱素子２８が剥がれるリスクを最小にするだけでなく、デバイス１０全体の対称性を改善する。

図２１に最も明瞭に示されているように、メインチャンバ１２は、床部１４上に堆積された材料４０のブランケット層内に画定され、適当なエッチングプロセス（例えば、プラズマエッチング、ウェットエッチング等）によりエッチングされる。バッフルプレート３２および外壁１８は、このエッチングプロセスにより同時に画定され、それにより、全体のＭＥＭＳ製造プロセスが簡略化される。したがって、バッフルプレート３２および外壁１８は、同じ材料からなり、その材料を、プリントヘッドに使用するのに適した任意の適当なエッチング可能なセラミックまたはポリマ材料とすることができる。一般的に、この材料は、二酸化ケイ素または窒化ケイ素である。

プリントヘッド１００は、複数のインクジェットノズルデバイス１０を具えることができる。図２１のプリントヘッド１００の部分切断図は、明瞭にするために２つのインクジェットノズルデバイス１０のみを示している。プリントヘッド１００は、インクジェットノズルデバイス１０を含む不動態化されたＣＭＯＳ層２０およびＭＥＭＳ層を有するシリコン基板１０２によって画定される。図２１に示されているように、各メインチャンバ入口３０は、プリントヘッド１００の裏面に画定されるインク供給流路１０４と接する。一般的に、インク供給流路１０４は、メインチャンバ入口３０よりもずっと広く、流体連通する各メインチャンバ１２に水分補給するためにインクを大量に供給する。各インク供給流路１０４は、プリントヘッド１００の表側に配置された１またはそれ以上のノズルデバイス１０の列と平行に延在する。米国特許第７４４１８６５号の図２１Ｂに示された構成によれば、一般的に、各インク供給流路１０４は、１組のノズル列にインクを供給する（明瞭にするため図２１には１列のみ示す）。

図７に示すプラグされた孔を有するウェーハ基板上にインクジェットノズルデバイス１０を含むＭＥＭＳ層を作ることにより、プリントヘッド１００を製造する。基板における平坦化された前面３は、前側ＭＥＭＳ製造プロセスを容易にする。前側ＭＥＭＳ製造工程の完了後、ウェーハは裏面から薄くされ、インク供給流路１０４が裏面からエッチングされて、プラグされた前側の孔に接する。結果的に、ポリマプラグ（例えば、ポリマ７および９）が、酸化アッシングにより前側の孔２から取り除かれ、メインチャンバ入口３０を画定する。

当然のことながら、本発明は単なる例示として記載されており、添付の請求項で規定される本発明の範囲内で細部の変更が可能であることは理解されるだろう。

Claims (15)

1. ウェーハ基板の表面に画定された１またはそれ以上のエッチングされた孔を充填するためのプロセスおいて、前記プロセスが、
   （ｉ）前記表面上および各孔の中に熱可塑性の第１ポリマの層を堆積させるステップと；
   （ｉｉ）前記第１ポリマをリフローさせるステップと；
   （ｉｉｉ）前記ウェーハ基板を制御された酸化プラズマに曝露して、前記表面を露出させるステップと；
   （ｉｖ）任意選択的に、ステップ（ｉ）から（ｉｉｉ）を繰り返すステップと；
   （ｖ）各孔を前記第２ポリマで過充填するために、フォトイメージャブルな第２ポリマの層を堆積させるステップと；
   （ｖｉ）前記孔の周囲の外側の領域から前記第２ポリマを選択的に除去して、過充填された孔を提供するステップであって、選択的な除去が、前記第２ポリマの露光および現像を含む、ステップと；
   （ｖｉｉ）前記表面を平坦化して、前記第１および第２ポリマを具えるプラグで充填された１またはそれ以上の孔を提供するステップであって、各プラグの上面が、前記ウェーハ基板の表面と同一平面上にある、ステップとを具え、
   前記第１ポリマと第２ポリマが異なることを特徴とするプロセス。
2. 請求項１に記載のプロセスにおいて、各孔が、少なくとも１０ミクロンの深さを有することを特徴とするプロセス。
3. 請求項１または２に記載のプロセスにおいて、各孔が、１：１よりも大きいアスペクト比を有することを特徴とするプロセス。
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載のプロセスにおいて、前記第１ポリマが、前記第２ポリマよりも粘性が少ないことを特徴とするプロセス。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載のプロセスにおいて、ステップ（ｉｉｉ）において、前記制御された酸化プラズマへの曝露が、前記第１ポリマの予め設定された厚みを取り除くように時間調整されることを特徴とするプロセス。
6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載のプロセスにおいて、ステップ（ｖｉｉ）において、ウェーハが、化学機械平坦化（ＣＭＰ）プロセスにより平坦化されることを特徴とするプロセス。
7. 請求項１乃至６の何れか一項に記載のプロセスにおいて、ステップ（ｖｉｉ）の直前において孔を過充填する程度が、１２ミクロンよりも小さいことを特徴とするプロセス。
8. 請求項１乃至７の何れか一項に記載のプロセスが更に、追加のＭＥＭＳ製造工程を具えることを特徴とするプロセス。
9. 請求項８に記載のプロセスにおいて、前記追加のＭＥＭＳ製造工程が、前記ウェーハ基板の平坦化された表面上にインクジェットノズルデバイスを構築することを特徴とするプロセス。
10. 請求項９に記載のプロセスにおいて、各ノズルデバイスが、少なくとも１つの孔と流体連通するノズルチャンバを具えることを特徴とするプロセス。
11. 請求項１０に記載のプロセスにおいて、各ノズルチャンバのそれぞれの入口が、前記孔の１つにより画定されることを特徴とするプロセス。
12. 請求項１１に記載のプロセスが更に、ウェーハの薄型化およびインク供給流路の裏面エッチングうちの少なくとも一方を具えることを特徴とするプロセス。
13. 請求項１２に記載のプロセスにおいて、各インク供給流路が、１またはそれ以上の充填された孔と接することを特徴とするプロセス。
14. 請求項１３に記載のプロセスにおいて、各インク供給流路が、前記１またはそれ以上の孔よりも相対的に広いことを特徴とするプロセス。
15. 請求項１４に記載のプロセスが更に、前記孔から前記第１および第２ポリマを酸化除去するステップを具えることを特徴とするプロセス。

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