JP4638499B2 - インクジェットプリンタヘッド集積回路を製造する方法 - Google Patents

インクジェットプリンタヘッド集積回路を製造する方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体ウェーハ内にエッチングされたトレンチの側壁を修正するためのプロセスに関する。このプロセスは、主として、改良された表面特性および／または改良された表面形状を有するインク流路を形成するために、プリンタヘッド集積回路の製造プロセスに組み込むために開発されてきた。しかし、このプロセスは、任意のエッチングプロセスに等しく組み込まれることができる。
［関連出願の相互参照］
本発明に関連した様々な方法、システムおよび装置が、本発明の出願人または譲受人により出願された以下の米国特許／米国特許出願に開示されている。
Figure 0004638499
Figure 0004638499
これらの出願および特許の開示は、参照により本明細書に組み込まれる。
ＭＥＭＳ（微小電子機械システム）デバイスのマイクロエレクトロニクス産業への影響力は近年きわめて著しくなってきた。確かにＭＥＭＳは、マイクロエレクトロニクスに関する最も急速に成長している分野の１つである。ＭＥＭＳの成長は、シリコンベースのフォトリソグラフィ技術をマイクロスケールの機械的デバイスおよび構造体の製造に拡張させることによって大幅に可能になった。当然のことであるが、フォトリソグラフィ技術は、マスクの下に現れたシリコン基板を正確にエッチングすることを可能にする信頼性の高いエッチング技術に依存している。
ＭＥＭＳデバイスは、物理的、化学的および生物学的センシングデバイスの中などの広い様々な分野の中に用途を見出してきた。ＭＥＭＳデバイスの１つの重要な用途は、インクジェットプリンタヘッドに関するものであり、ここでは、インクジェットノズル用のマイクロスケールアクチュエータがＭＥＭＳ技術を使用して製造されることが可能である。本出願人はＭＥＭＳインク吐出デバイスを組み込んだプリンタヘッドを開発してきており、これらのことが、上記の相互参照の項で列挙され、それらのすべてが参照により本明細書に組み込まれる多数の特許および特許出願の主題である。
通常、ＭＥＭＳインクジェットプリンタヘッド（「ＭＥＭＪＥＴプリンタヘッド」）は、それぞれが数千個のノズルを有する複数の集積回路からなる。各ノズルはインクを吐出するためのアクチュエータを備え、これは、例えば熱的に湾曲するアクチュエータ（例えば米国特許第６，３２２，１９５号）またはバブル形成用ヒーター素子アクチュエータ（例えば米国特許第６，６７２，７０９号）であってよい。集積回路はＭＥＭＳ技術を使用して製造され、これは、高いノズル密度、およびしたがって高分解能のプリンタヘッドが相対的に安い費用で大量に生産されることが可能であることを意味する。
ＭＥＭＳプリンタヘッド集積回路の製造において、ディープエッチングまたはウルトラディープのエッチングを行うことがしばしば必要とされる。約３μｍから１０μｍのエッチング深さが「ディープエッチング」と呼ばれ、約１０μｍ以上のエッチング深さは「ウルトラディープエッチング」と呼ばれることができよう。
ＭＥＭＳプリンタヘッド集積回路は、通常、直径約２０μｍを有する個々のインク供給流路を通じて各ノズルにインクが供給されることを必要とする。通常、これらのインク流路は、厚さ約２００μｍを有するウェーハを貫いてエッチングされ、それゆえ、使用されるエッチング方法にかなりの要求を提起する。各インク流路がウェーハ表面に垂直であること、およびインクの流れを妨げかねないねじれ、側壁の突起（例えばグラッシング（ｇｒａｓｓｉｎｇ））、または角張った接合部を含まないことが特に重要である。
参照によりその両者が本明細書に組み込まれる、本出願人の米国特許出願番号１０／７２８，７８４（出願人参照記号：ＭＴＢ０８）および１０／７２８，９７０（出願人参照記号：ＭＴＢ０７）において、液滴吐出面およびインク供給面を有するウェーハ５からインクジェットプリンタヘッドを製造する方法が記載されている。図１を参照すると、バブル形成用ヒーター素子アクチュエータアセンブリ２を備えた代表的なＭＥＭＳノズル構成１が示される。アクチュエータアセンブリ２は、シリコンウェーハ５のパッシベーション層４の上のノズルチャンバ３内に形成される。ウェーハは、通常、厚さ「Ｂ」の約２００μｍを有するが、一方このノズルチャンバは通常、厚さ「Ａ」の約２０μｍを占める。ノズルチャンバ３は、シリコンウェーハ５内でインク供給流路（図１に示されない）に結合する入口８を有する。
図２を参照すると、インク供給流路６は、最初に、ＴＥＯＳ相互接続７からなるＣＭＯＳメタライゼーション層を貫通しウェーハのインク吐出面２０からウェーハ５を部分的に貫くトレンチをエッチングすることによって、ウェーハ５内に形成される。形成後、トレンチはフォトレジスト１０でふさがれ、一方、ノズル構造体がウェーハのインク吐出面２０の上に形成される。ノズル構成１が形成された後で、ウルトラディープエッチングによってウェーハのインク供給面３０からフォトレジストプラグ１０に向けておよびこれを過ぎてインク供給流路６が形成される。
図３を参照すると、フォトレジストプラグ１０は入口８を形成するために最終的に取り去られる。この入口８はインク供給流路６とノズルチャンバ３との間の流体接続を可能にする。また、図２および図３は、ウェーハ５と相互接続７との間に形成されたＣＭＯＳ駆動回路９も示す。
インク供給流路の「背面エッチング」は、２００μｍ長さのインク供給流路全体をレジストで充填することおよび除去することを回避し、一方、ウェーハ内のノズル構造体はリソグラフィ的に形成される。しかしながら、このような方法によるインク供給流路の背面エッチングに関連していくつかの問題が存在する。第１に、インク供給面上のマスクは、エッチングされた流路がフォトレジストでふさがれたトレンチに合流し、駆動回路９を損傷しないように注意深く位置合わせされる必要がある。第２に、このエッチングは約２００μｍの深さまで垂直で、異方性である必要がある。
超深さのトレンチをシリコンの中にエッチングするためのいくつかの方法が当技術分野で知られている。すべてのこれらの方法は、ガスプラズマを使用したディープ反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を含む。適切なマスクをその上に配置した半導体基板がプラズマリアクター内の下側電極の上に置かれ、混合ガスから形成されたイオン化したガスプラズマに曝される。イオン化したプラズマガス（通常、正に帯電した）は、電極に印加されたバイアス電圧によって基板に向けて加速される。このプラズマガスは、物理的衝突、化学反応、またはその両方の組合せのいずれかにより基板をエッチングする。通常、シリコンのエッチングは、ＳｉＦ４などの揮発性のシリコンハライドの形成によって最終的に達成され、この揮発性のシリコンハライドは、ヘリウムなどの軽い不活性キャリアガスによってエッチングの先端から運び去られる。
通常、異方性エッチングは、トレンチが形成されるのに並行してトレンチの底面および側壁の上にパッシベーション層を堆積することにより、およびガスプラズマを使用してこのトレンチの底面を選択的にエッチングすることにより達成される。
ウルトラディープ異方性エッチングを達成するために最も広く使用される方法は、米国特許第５，５０１，８９３号および米国特許第６，２８４，１４８号に記載されている「ボッシュプロセス」である。この方法は、ポリマーの堆積とエッチングのステップを交互に行うことを含む。浅いトレンチを形成した後で、第１のポリマー堆積ステップがトレンチの底面および側壁の上にポリマーを堆積させる。このポリマーは、不活性ガスの存在下でまたはそれがない状態で、フルオロカーボンガス（例えばＣＨＦ３、Ｃ４Ｆ８またはＣ２Ｆ４）から形成されたガスプラズマによって堆積される。後に続くエッチングのステップで、このプラズマガス混合物はＳＦ６／Ａｒに変更される。トレンチの底面に堆積されたポリマーがエッチングのステップでイオンのアシストによって急速に分解される一方、側壁は保護されたままに残る。このようにして異方性エッチングが達成されることができる。
しかしながら、ボッシュプロセスの主たる不利は、ポリマーの堆積およびエッチングのステップが交互に行われる必要があることであり、これはプラズマのガス組成を連続的に交替させ、それによってエッチング速度を遅延させることを意味する。この交替は、結果として、ホタテガイの形をした表面形成によって特徴付けられる不均一なトレンチの側壁をもたらす。
ボッシュプロセスのさらなる不利は、それがトレンチの側壁上に疎水性のフルオロカーボンポリマーのコーティング（「ボッシュポリマー」）を残すことである。インクジェットプリンタヘッド用のインク流路においては、インクが毛管作用によってインク供給流路内に引き込まれるように親水性の側壁を形成することが望ましい。
今までは、このようなポリマーのコーティングは、Ｏ２アッシングまたは「湿式」洗浄のいずれかによって除去されていた。「ボッシュポリマー」残渣を除去するための標準の工業的方法は、ＥＫＣ（商標）湿式洗浄を使用し、その後でＤＩすすぎ洗浄およびスピン乾燥を行うことである。しかし、Ｏ２アッシングおよびＥＫＣ（商標）洗浄は共に、シリコンウェーハのＭＥＭＳプロセス中に深刻な問題を招く。通常、ＭＥＭＳ工場で処理されるシリコンウェーハは、Ｒｅｖａｌｐｈａ（商標）熱リリーステープなどのリリーステープを使用してガラスハンドルウェーハなどのハンドルウェーハに接合される。このハンドルウェーハは、ウェーハの前面にすでに製作された任意の傷つきやすい構造体（例えばインクジェットノズル）を傷めることなく、該シリコンウェーハが背面処理ステップ中に扱われ得るために必要である。上に説明したように、通常、インクジェットプリンタヘッドのＭＥＭＳ製造においては、最初にノズルがウェーハの前面の上に形成され、次いでインク供給流路がウェーハの背面からエッチングされる。通常、背面処理ステップ（例えばウェーハ研削およびエッチング）を実行する前に、保護用フォトレジストコーティングを有するウェーハの前面は熱リリーステープを使用してハンドルウェーハに接合される。熱リリーステープは、一方の面上に熱リリース接着剤を有する膜を備える。熱リリース接着剤は、背面処理ステップが完了した後で、制御された加熱によりシリコンウェーハをハンドルウェーハから都合よく取り外せるようにする。
しかしながら、標準のＯ２アッシング炉は、標準の熱リリーステープのリリース温度（約１６０〜１８０℃）よりもはるかに高い約２２０〜２４０℃で作動される。この結果、シリコンウェーハは、標準のアッシング炉内のＯ２アッシング中にハンドルウェーハから層間剥離する。アッシング炉の温度を下げることは、容認できないほどアッシング速度を遅らせ、エッチングされた形状部を備えた側壁上にコーティングされた任意のポリマー残渣の完全な除去を保証しない。
さらに、標準のＥＫＣ（商標）洗浄は、熱リリーステープを化学的に傷める傾向があり、また非常に望ましくない層間剥離を引き起こす傾向がある。
ウルトラディープ異方性エッチングに伴う付加的な問題は、エッチングの先端がフォトレジストプラグ１０に出会ったときに異方性が失われる傾向にあることである。図２および図３は、エッチングの先端が異方性を持ってエッチングを続け、エッチングの先端がフォトレジストに出会ったときにはフォトレジストプラグ１０と同一平面になるという理想化された製造プロセスを示す。実際にはしかし、図４を参照すると、エッチングの先端がフォトレジストプラグ１０に出会ったときに、エッチングは放射状に外側に向かって張り出し、フォトレジストプラグの周りにスパイク状の周縁１３を残す。エッチングの先端がフォトレジストプラグに出会った場所での放射状の張出しは、フォトレジストの上に築かれた電荷とプラズマ中の荷電イオンとの間の相互の電荷の反発作用によるものと考えられている。この放射状に張り出したエッチングの末端１２およびこれに対応したスパイク状の周縁１３は、図４に示される。
フォトレジストが除去された時に、最終的なプリンタヘッド集積回路の中に放射状に張り出したエッチング末端１２があることは望ましくない（図５）。この張り出したエッチング末端１２はポケットとして作用し、これがゆっくり移動するインクまたはガスのバブルを閉じ込める場合がある。これは、インク流路６から入口８へのインクの流れおよびノズルのダウンストリームの途絶を引き起こす可能性がある。
さらに、近づいてくるインクの流れに向き合うスパイク状の縁１３は、バルクウェーハ５によって相対的に弱く支持され、１つまたは複数の小片に容易に折れるおそれがある。インク流れの中に小片が生成されることはきわめて望ましくなく、通常、ノズルダウンストリームの故障という結果になろう。
エッチングされたトレンチの角張ったまたはスパイク状の表面形状部を露出させ、それによってその形状部の修正を容易にするプロセスを提供することが望ましいであろう。そのプロセスで形成されたインク流路が改良された表面形状を有する、プリンタヘッド集積回路を製造するためのプロセスを提供することはさらに望ましいであろう。同様に、トレンチの側壁にエッチング中に堆積した疎水性のポリマー層を除去するための代替のプロセスを提供することもまた望ましいであろう。業界標準の熱リリーステープと両立でき、層間剥離を引き起こすことのないポリマーを除去するためのプロセスを提供することはさらに望ましいであろう。そのプロセスで形成されたインク流路が改良された表面特性を有する、プリンタヘッド集積回路を製造するためのプロセスを提供することはさらに望ましいであろう。
第１の態様において、シリコンウェーハ内に画成されたエッチングされたトレンチの側壁からポリマーのコーティングを除去する方法が提供され、上述の方法は、Ｏ２プラズマを使用してバイアスプラズマエッチングチャンバ内で上述のウェーハをエッチングするステップを含み、上述のチャンバの温度は９０から１８０℃の範囲にある。
第２の態様において、シリコンウェーハ内のトレンチをエッチングする方法が提供され、上述の方法は、
（ａ）上述のシリコンウェーハの前面をハンドルウェーハに接合するステップと、
（ｂ）トレンチを形成するために異方性ＤＲＩＥプロセスを使用してウェーハの背面をエッチングするステップであって、上述のＤＲＩＥプロセスはエッチングステップおよびパッシベーションステップを交互に行うことを含み、上述のパッシベーションステップは上述のトレンチの側壁上にポリマーのコーティングを堆積させることを含む、ステップと、
（ｃ）Ｏ２プラズマを使用してバイアスプラズマエッチングチャンバ内で上述のウェーハをエッチングすることにより上述のポリマーのコーティングを除去するステップと、
を含み、上述のチャンバの温度は１００から１８０℃の範囲にある。
第３の態様において、本発明はエッチングされたトレンチの修正を容易にするプロセスを提供し、このプロセスは、
（ａ）その底面にフォトレジストプラグを有する少なくとも１つのエッチングされたトレンチを備えたウェーハを用意するステップと、
（ｂ）このウェーハをバイアス酸素プラズマエッチングにかけることによってフォトレジストの一部を除去するステップと、
を含む。
第４の態様において、本発明は、複数のノズルと、吐出アクチュエータと、関連する駆動回路と、インク供給流路とを備えたインクジェットプリンタヘッド集積回路を製造する方法を提供し、この方法は、
（ｉ）前面液滴吐出面および背面インク供給面を有するウェーハを用意するステップと、
（ｉｉ）ウェーハの液滴吐出面の中に複数のトレンチを部分的にエッチングするステップと、
（ｉｉｉ）トレンチのそれぞれをフォトレジストプラグで充填するステップと、
（ｉｖ）リソグラフィで形成したマスクを用いるエッチング技術を使用して、複数の対応するノズルと、吐出アクチュエータと、関連する駆動回路とをウェーハの液滴吐出面の上に形成するステップと、
（ｖ）複数の対応するインク供給流路を、ウェーハのインク供給面からフォトレジストプラグに向けておよびこれを過ぎて、背面エッチングするステップと、
（ｖｉ）ウェーハをバイアス酸素プラズマエッチングにかけることによって各フォトレジストプラグの一部を除去し、それによりインク供給流路内の角張った側壁の形状部を露出させるステップと、
（ｖｉｉ）露出された角張った側壁の形状部を修正するステップと、
（ｖｉｉｉ）ノズル入口を形成するためにフォトレジストプラグをトレンチから取り去り、それによりインク供給面とノズルとの間の流体接続を可能にするステップと、
を含む。
第５の態様において、本発明は、上に説明した方法によって製造されるインクジェットプリンタヘッド集積回路を提供する。
本出願の第１および第２の態様による方法は、有利には、シリコンウェーハを過熱することなく、疎水性のポリマーの側壁の残渣（例えば、「ボッシュポリマー」）がトレンチから除去されることを可能にする。シリコンウェーハの過熱は、例えばフォトレジストの膨張により加えられた応力によって、ウェーハ上にすでに形成された傷つきやすいＭＥＭＳ構造体の損傷を引き起こすことがある。さらに、過熱は、一般に、シリコンウェーハが通常接合されているハンドルウェーハからこのウェーハを層間剥離させる原因となる。したがって、潜在的損傷の危険のあるＥＫＣ（商標）洗浄またはＯ２プラズマアッシングを使用しないでポリマーの残渣が除去されることが可能であることは本発明の利点である。このポリマーのコーティングは、より親水性のある酸化シリコン層によって一般に置き換えられる。
プラズマエッチングチャンバ内でバイアスをかけられるＯ２プラズマ源を使用することにより、このＯ２プラズマは、深いトレンチ（例えば深さ１００ミクロン超）内にあるポリマー残渣を標準の熱リリーステープのリリース温度未満の温度で除去するのに十分なエネルギーを有する。
本出願の第３、第４および第５の態様に関連して、今までは、ＭＥＭＳ技術により製造されたプリンタヘッドのインク供給流路の表面形状の重要性が十分に理解されていなかった。近年、いくつかのウルトラディープエッチング技術が使用できるようになったが、これらのいずれもが、フォトレジストプラグに向かって（およびそれを過ぎて）背面エッチングする場合の上に指摘した問題に取り組んでいない。特に、側壁内に形成された鋭く、潜在的に壊れやすい周縁の問題が取り組まれてこなかった。上に考察したように、この縁は、背面エッチング中にエッチングの先端がフォトレジストプラグの周りに放射状に張り出すのに並行して形成される（図４および図５を参照）。
エッチングの先端がフォトレジストプラグの周りに放射状に張り出す問題は、特殊なエッチング技術によってある程度処理することができる。このような特殊なエッチング技術の１つの例が、米国特許第６，１８７，６８５号（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｙｓｔｅｍｓに譲渡された）に記載されている。しかしながら、この米国特許第６，１８７，６８５号に記載された技術は、張出しの角度を垂直に対して相対的に減少させられるものの、フォトレジストプラグの周りの周縁の形成を未だ完全に解消してはいない。実際は、張出しの角度を減少させることによって結果として生じる縁がより薄くされるために、縁の壊れやすさが実際には高まる可能性があり、それにより、側壁から小片が折れてノズルを塞ぐ可能性を高める。
本発明は、この周縁の形成をなくすことを試みるのではなく、エッチングの後のステップで周縁の除去を容易にするための方法を提供する。本発明の方法において、ディープまたはウルトラディープエッチング中にプラグの周囲に形成された周縁を露出するようにフォトレジストプラグの一部が除去される。露出されると、この周縁は、イオンミリングにより滑らかにされまたは丸みを付けられることができる。したがって、本発明のプロセスにより製作されたプリンタヘッドは、一般に、そのインク供給流路を通る改良されたインク流れを示し、ウェーハの小片がノズルを塞いだりまたは損傷させたりすることにより引き起こされるノズル故障のリスクを最小化する。
［本発明の任意で与えられる特徴］
酸素プラズマエッチングは通常、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチングリアクターなどのプラズマエッチングリアクター内で行われる。「プラズマエッチングリアクター」および「プラズマエッチングチャンバ」という用語は、完全に同義の技術用語である。
プラズマエッチングリアクターは当技術分野でよく知られており、様々な供給元（例えば、Ｓｕｒｆａｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ、ＰＬＣ）から市販されている。通常、このエッチングリアクターはアルミニウム、ガラスまたは石英から形成されたチャンバを備え、一対の平行な電極板を含む。しかし、リアクターの他の設計も使用でき、本発明は任意のタイプのプラズマエッチングリアクターの使用に適している。
チャンバに導入されたガス混合物をイオン化するために高周波（ＲＦ）エネルギー源が使用される。結果として生じるイオン化されたガスプラズマは、下側電極（静電式チャックまたはプラテンとも呼ばれる）上に配置された基板に向けてバイアス電圧によって加速される。したがって、このプラズマエッチングチャンバは、ガスプラズマが基板方向に向けられるバイアスエッチングのために使用されることができる。様々な制御手段が、ＩＣＰ電力、バイアス電力、ＲＦイオン化エネルギー、基板温度、チャンバ圧力、チャンバ温度などを制御するために提供されている。
本発明において、これらのプラズマエッチングチャンバのパラメータは、トレンチの側壁からのポリマーのコーティングの完全な除去を達成するために最適化されることができる。場合によってバイアス電力は１０から１００Ｗ（好ましくは３０から７０Ｗ）の範囲にあり、ＩＣＰ電力は場合により１０００から３０００Ｗ（または２０００から３０００Ｗ）の範囲にあり、チャンバ温度は場合により９０から１８０℃（または９０から１５０℃、または１２０から１５０℃）の範囲にあり、Ｏ２流量は場合により２０から２００ｓｃｃｍ（好ましくは６０から１００ｓｃｃｍ）の範囲にあり、およびチャンバ圧力は場合により５から２００ｍＴｏｒｒ（場合により２０から１４０ｍＴｏｒｒ、または場合により６０から１００ｍＴｏｒｒ）の範囲にある。エッチング時間は通常は２０から２００分、３０から２００分または４０から８０分の範囲にある。
場合により、本プロセスはフォトレジストプラグの露出された背面から約１から１５μｍの深さを除去し、または場合によっては約２から７μｍの深さを除去する。この除去された部分は全体のプラグ容積の１０％まで、２０％まで、または５０％までであってよい。通常、本発明のプロセスにより除去されるフォトレジストの総量は、オリジナルの無傷のプラグの少なくとも一部の周りに以前のエッチングプロセスによって形成された周縁の内側の面を露出させるのに十分であろう。
場合により本発明のプロセスは、上に説明した周縁などの露出された角張った形状部をイオンミリングするさらなるステップを含む。通常、角張った表面形状部はイオンミリングにより先細にされ、滑らかにされ、および／または丸みを付けられる。したがって、これらの形状部のそばを通って流れるインクは、角張った面よりも曲面に接近し、これはインクが過剰な乱流および／または気泡を発生させずに滑らかに流れることができることを意味する。さらに、結果として生じる丸みを付けられ、滑らかにされ、および／または先細にされた形状部は壊れ難くなり、したがって小片が折れてノズルチャンバに入ることによるノズルの故障を起こす可能性がより少なくなる。
イオンミリングは通常、上で説明した誘導結合プラズマエッチングリアクターなどのプラズマエッチングリアクターの中で行われる。
場合によりイオンミリングは、アルゴン、クリプトンまたはキセノンから選ばれた重い不活性ガスを使用して行われる。好ましくはこの不活性ガスはアルゴンであり、それはアルゴンが相対的に安い費用で広く入手可能であり、およびその相対的に高い質量により優れたスパッタリング特性を有するからである。通常、アルゴンイオンプラズマはプラズマエッチングリアクターの中で生成され、このアルゴンイオンは、その内部にエッチングされたインク供給流路を有するシリコンウェーハに向かって垂直に加速される。
プラズマリアクターのパラメータは、ウェーハの最適なイオンミリングを達成するために変更されることが可能である。場合により、バイアス電力は１００から５００Ｗ（好ましくは２００から４００Ｗ）の範囲にあり、ＩＣＰ電力は１０００から３０００Ｗ（好ましくは約２５００Ｗ）の範囲にあり、チャンバ温度は９０から１５０℃（好ましくは約１２０℃）の範囲にあり、Ａｒの流量は２０から２００ｓｃｃｍ（好ましくは８０から１２０ｓｃｃｍ）の範囲にある。ミリング時間は通常５から１００分、１０から６０分、または１０から３０分の範囲にある。
イオンミリングは任意の適切な圧力で行われてよい。通常、この圧力は２から２０００ｍＴｏｒｒの範囲にある。言い換えると、イオンミリングは低い圧力（約２から２５０ｍＴｏｒｒ）で行われてもよいし、または高い圧力（約２５０から２０００ｍＴｏｒｒ）で行われてもよい。
低圧イオンミリングは、大部分の市販のプラズマエッチングリアクターが低圧エッチング用に構成されているという利点を有する。したがって、低圧イオンミリングは任意の特殊な装置を必要としない。
しかし、また、イオンミリングは高い圧力で行われてもよい。高圧イオンミリングは、より急勾配な先細りを通常得ることができるという利点を有する。急な勾配角度を形成するために高圧イオンミリングを使用する原理は次のように理解されよう。一般に、スパッタエッチングは、高いスパッタエッチング効率を達成するために相対的に低い圧力（例えば約５から２５０ｍＴｏｒｒ）で行われる。このような低い圧力はその表面からスパッタされたシリコン原子に対してほとんど衝突のない経路をもたらし、それによりエッチング効率を最適化する。
低い圧力でなく高い圧力でスパッタエッチングを行うことにより、スパッタされた（反射された）シリコン原子は近寄ってくるアルゴンイオンとプラズマガスの中でより高い確率で衝突するから、スパッタされたシリコン原子の平均自由行程は減少する。この結果、ガス状の雲が基板表面上に形成され、これが反射されたシリコン原子をシリコン基板の表面上に戻して再堆積させる。反射されたシリコン原子の正味の堆積の増加がより深い場所で起こり、このことにより側壁の角張った表面形状部がしだいにより先細になるという結果になる。
参照により本明細書に組み込まれる米国特許第５，８８８，９０１号は、スパッタリングガスとしてアルゴンを使用してＳｉＯ２の誘電性の表面の高圧イオンミリングについて記載している。米国特許第５，８８８，９０１号に記載されたこの方法は、シリコン内部にエッチングされたウルトラディープ流路の側壁上の角張った表面形状部を先細にするというよりは、ＳｉＯ２の誘電性の表面層に勾配を付けるために使用されているけれども、この方法は、本発明のプロセスに容易に変更され適用されることができる。
一般に、本発明においては低圧イオンミリング（例えば、５から５０ｍＴｏｒｒ）が好ましいが、その理由は、本発明のイオンミリングが全体の側壁の形状部を先細にするのではなく、改良されたインク流れを達成するために角張った側壁の形状部に丸みを付けることが通常必要なだけであるからである。さらに、低圧イオンミリングは何ら特殊な装置を必要とせず、したがって、代表的なプリンタヘッド製造工程に容易に組み込まれることができる。
場合により、各インク供給流路は１００から３００μｍの範囲の深さ、場合により１５０から２５０μｍの範囲の深さ、または場合により約２００μｍの深さを有する。インク供給流路の幅／長さの寸法はかなり変化してよい。場合により、各インク供給流路は５から３０μｍ、場合により１４から２８μｍ、または場合により１７から２５μｍの範囲の直径を有する実質的に円筒である。これらの設計では、通常、エッチングの先端が側壁の前面フォトレジストプラグにぶつかるときに、エッチングの張出しはかなり大きい。別法として、各インク供給流路は４０から１２０μｍ（または６０から１００μｍ）の幅を有し、および２００μｍ超または５００μｍ超の長さを有する。このようなより広い流路設計では、通常、エッチング先端からの電荷の拡散によってエッチングの張出しは小さい。エッチングの張出しのこの回避にもかかわらず、本発明は、バイアス酸素プラズマエッチングによってトレンチの側壁からポリマーのコーティングを除去するためになお使用される。
場合により各ノズル入口は、５から４０μｍ、場合により１０から３０μｍ、または場合により１５から２５μｍの範囲の深さを有する。場合により各ノズル入口は、３から２８μｍ、場合により８から２４μｍ、または場合により１２から２０μｍの範囲の直径を有する実質的に円筒形である。別法として、各ノズル入口は５から４０μｍの範囲の幅／長さの寸法を有する実質的に立方体である。
通常、各インク供給流路はその対応するノズル入口よりも大きい直径を有し、本発明のプロセスは、この入口とインク供給流路との接合部によって画成される肩を先細にし、滑らかにし、および／または丸みを付けるために使用されてよい。
さらなる態様において、本発明はエッチングされたトレンチの修正を容易にするプロセスを提供し、このプロセスは、
（ａ）その底面にフォトレジストプラグを有する少なくとも１つのエッチングされたトレンチを備えたウェーハを用意するステップと、
（ｂ）このウェーハをバイアス酸素プラズマエッチングにかけることによりフォトレジストの一部分を除去するステップと、
を含む。
場合により、このウェーハは複数のエッチングされたトレンチを備える。
場合により、バイアス酸素プラズマエッチングはフォトレジストプラグの露出された表面から１から１５μｍの深さを除去する。
場合により、フォトレジストの一部の除去がトレンチの側壁内の角張った形状部を露出させる。
場合により、このプロセスは、
（ｃ）露出された角張った形状部をイオンミリングするステップ、
をさらに含む。
場合により、トレンチの側壁はバイアス酸素プラズマエッチングにより付随的に（ｃｏｎｃｏｍｉｔａｎｔｌｙ）親水化される。
場合により、付随的な親水化はトレンチの側壁からポリマー層を除去することを含む。
場合により、バイアス酸素プラズマエッチングはプラズマエッチングリアクター内で行われる。
場合により、プラズマエッチングリアクターは１０から１００Ｗの範囲のバイアス電力を有する。
場合により、プラズマエッチングリアクターは２０から１４０ｍＴｏｒｒの範囲のチャンバ圧力を有する。
場合により、このプロセスはプリンタヘッド製造プロセスの一部を形成する。
場合により、エッチングされたトレンチはプリンタヘッド用のインク供給流路である。
場合により、インク供給流路は１００から３００μｍの範囲の深さを有する。
さらなる態様において、本発明は、複数のノズルと、吐出アクチュエータと、関連する駆動回路と、インク供給流路とを備えたインクジェットプリンタヘッド集積回路を製造する方法を提供し、この方法は、
（ｉ）前面液滴吐出面および背面インク供給面を有するウェーハを用意するステップと、
（ｉｉ）ウェーハの液滴吐出面の中に複数のトレンチを部分的にエッチングするステップと、
（ｉｉｉ）トレンチのそれぞれをフォトレジストプラグで充填するステップと、
（ｉｖ）リソグラフィで形成したマスクを用いるエッチング技術を使用して、複数の対応するノズルと、吐出アクチュエータと、関連する駆動回路とをウェーハの液滴吐出面上に形成するステップと、
（ｖ）複数の対応するインク供給流路を、ウェーハのインク供給面からフォトレジストプラグに向けておよびこれを過ぎて背面エッチングするステップと、
（ｖｉ）ウェーハをバイアス酸素プラズマエッチングにかけることによって各フォトレジストプラグの一部を除去し、それによりインク供給流路内の角張った側壁の形状部を露出させるステップと、
（ｖｉｉ）露出された角張った側壁の形状部を修正するステップと、
（ｖｉｉｉ）ノズル入口を形成するためにフォトレジストプラグをトレンチから取り去り、それによりインク供給面とノズルとの間の流体接続を可能にするステップと、
を含む。
場合により、角張った側壁の形状部は、フォトレジストプラグの少なくとも一部の周りの周縁を含み、この周縁は各プラグの一部を除去することにより露出される。
場合により、露出された角張った側壁の形状部はアルゴンイオンミリングによって修正される。
場合により、アルゴンイオンミリングは、露出された角張った側壁の形状部を滑らかにし、および／または丸みを付ける。
場合により、アルゴンイオンミリングはプラズマエッチングリアクターの中で行われる。
場合により、インク供給流路の側壁はバイアス酸素プラズマエッチングにより付随的に親水化される。
さらなる態様において、上記の方法によって製造されたインクジェットプリンタヘッド集積回路が提供される。
さらなる態様において、シリコンウェーハ内に画成されたエッチングされたトレンチの側壁からポリマーのコーティングを除去する方法が提供され、上述の方法は、Ｏ２プラズマを使用してバイアスプラズマエッチングチャンバ内で上述のウェーハをエッチングするステップを含み、そのチャンバ温度は９０から１８０℃の範囲にある。
場合により、上述のエッチングチャンバは誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチングチャンバである。
場合により、ＩＣＰ電力は２０００から３０００Ｗの範囲にある。
場合により、上述のウェーハはプラテンに接合され、バイアスプラテン電力は１０から１００Ｗの範囲にある。
場合により、上述のチャンバ温度は１２０から１５０℃の範囲にある。
場合により、チャンバ圧力は３０から１２０ｍＴｏｒｒの範囲にある。
場合により、チャンバ圧力は６０から１００ｍＴｏｒｒの範囲にある。
場合により、上述のプラテンは５から２０℃の範囲の温度を有する。
場合により、上述のプラテンは背面ヘリウム冷却を使用して冷却される。
場合により、上述のチャンバへの酸素の流量は２０から２００ｓｃｃｍの範囲にある。
場合により、エッチング時間は４０から８０分の範囲にある。
場合により、上述のポリマーのコーティングは疎水性のフルオロポリマーである。
場合により、上述のトレンチはインクジェットプリンタヘッド用のインク供給流路である。
場合により、上述のインク供給流路は２０から１２０ミクロンの範囲の幅を有する。
場合により、上述のインク供給流路は少なくとも１００ミクロンの深さを有する。
場合により、上述のシリコンウェーハの前面は接着テープを使用してハンドルウェーハに接合され、上述のエッチングされたトレンチは上述のウェーハの背面に画成される。
場合により、上述の接着テープは熱リリーステープである。
場合により、上述の接着テープは上述の酸素プラズマエッチングにより影響を受けない。
場合により、上述の酸素プラズマエッチングは、上述のシリコンウェーハからの上述のハンドルウェーハの層間剥離を引き起こさない。
さらなる態様において、シリコンウェーハ内にトレンチをエッチングする方法が提供され、この方法は、
（ａ）上述のシリコンウェーハの前面をハンドルウェーハに接合するステップと、
（ｂ）トレンチを形成するために異方性ＤＲＩＥプロセスを使用して上述のウェーハの背面をエッチングするステップであって、上述のＤＲＩＥプロセスはエッチングステップおよびパッシベーションステップを交互に行うことを含み、上述のパッシベーションステップは上述のトレンチの側壁上にポリマーのコーティングを堆積させることを含む、ステップと、
（ｃ）Ｏ２プラズマを使用してバイアスプラズマエッチングチャンバ内で上述のウェーハをエッチングすることにより上述のポリマーのコーティングを除去するステップと、
を含み、上述のチャンバの温度は９０から１８０℃の範囲にある。
図１４を参照すると、ＭＥＭＳノズル構造体５０がウェーハ５の前面の上に製造された後で、この前面はフォトレジスト５１からなる保護層によりコーティングされ、ガラスハンドルウェーハ５２に接合されている。ガラスハンドルウェーハ５２は、該ガラスハンドルウェーハ５２に接着される恒久的接着層５４、および保護用フォトレジスト５１に接着される熱リリース接着層５５を有する熱リリーステープ５３を使用して接合される。ガラスハンドルウェーハ５２の最も外側の面は、プラズマエッチングチャンバ内での静電式プラテンとの接合のためにメタライズされる。
ガラスハンドルウェーハ５２がウェーハ５に固定された状態で、このウェーハ５は、背面のインク供給流路を画成するためにプラズマエッチングチャンバ内で背面エッチングされる。任意の標準的な異方性ＤＩＲＥプロセス（例えばボッシュエッチング）が背面エッチングのために使用されることができる。
図４を参照して、ウェーハ５のインク供給面３０（背面）からフォトレジストプラグ１０に向けておよびそれを過ぎて背面エッチングされた後の、部分的に製造されたプリンタヘッド集積回路が示される。背面エッチング中にエッチングの先端がプラグ１０にぶつかったときに、このエッチングは放射状に外側に向かって張り出し、放射状に張り出したエッチング末端１２と、プラグの一部の周りに対応する周縁１３とを形成する。
図６を参照すると、図４に示された背面エッチングされたウェーハは、バイアス酸素プラズマエッチングにかけられる。このバイアス酸素プラズマエッチングは、適切に制御されたガス流量、バイアス電力、ＩＣＰ電力、チャンバ圧力およびエッチング時間を使用してプラズマエッチングチャンバ内で行われる。バイアス酸素プラズマエッチングは、フォトレジストプラグ１０の一部を除去する。この除去された部分はスパイク状の周縁１３を露出させるのに十分である。
加えて、バイアス酸素プラズマエッチングは、インク供給流路６の側壁から任意の疎水性のフルオロカーボンポリマーを除去し、それをＳｉＯ２からなる親水性の層に置き換える。通常、インク供給流路６の側壁上へのフルオロカーボンポリマーのコーティングは、異方性ＤＩＲＥプロセス中に形成される。フルオロカーボン層を親水性のＳｉＯ２層に置き換えることにより、ウェーハ５をハンドルウェーハ５２に固定する熱リリーステープに影響を与えることなく、インク供給流路６の表面特性が全般的に改良される。特に、通常の化学的湿式洗浄プロセスおよび／または高温アッシングを避けることによって、層間剥離が回避される。
図７を参照すると、図６に示されたウェーハ５は、プラズマエッチングリアクター内でアルゴンイオンミリングにかけられる。プラズマエッチングリアクターの最適な動作パラメータは当業者により容易に決定されよう。露出された周縁１３はアルゴンイオンミリング中に平滑化され、これはインク供給流路６の堅牢性および表面形状を向上させる。
周縁１３がどの程度に平滑化され、丸みをつけられおよび／または先細にされるかは、プラズマエッチングリアクター内の圧力、バイアス電力および／またはミリング時間に依存するであろう。この縁１３は、アルゴンイオンミリングによって丸みを付けられてもよいし（図７に示されたように）、または、完全に先細にされてもよい。いずれの場合も、このスパイク状の突起の除去は流路６を通過するインク流れを全般的に改善し、小片が折れてノズルのダウンストリームを塞ぐ可能性を最小化する。
最後に、および図８を参照すると、図７に示されたウェーハはアッシングされ、これがフォトレジストプラグ１０を完全に取り去り、入口８とインク供給流路６との間の流体接続を可能にする。
厚さ２００μｍのシリコンウェーハが次のようにして準備された。標準的な異方性ＤＲＩＥプロセスを使用して、直径１４μｍ、深さ２８μｍを有するトレンチがウェーハの前面にエッチングされた。前面プラグを形成するためにトレンチはフォトレジストで充填された。ウェーハの前面がガラスハンドルウェーハに接合され、次いで、前面プラグの背面の５μｍの範囲内までウェーハの背面がエッチングされた。この場合も、背面エッチングのために標準的な異方性ＤＲＩＥプロセスが使用される。背面エッチングされた主トレンチは、深さ約１７０μｍおよび直径約２１μｍを有していた。図９は、前面プラグの５μｍの範囲内まで背面エッチングされた後のシリコンウェーハの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
背面エッチングは、異方性エッチングの状態で前面プラグの背面に向けおよび前面プラグを約５μｍ過ぎたところまで継続された。図１０は、前面プラグを過ぎて背面エッチングした後のトレンチの一部分のＳＥＭ顕微鏡写真である。図１０に示されるように、スパイク状の周縁が前面プラグの周りに延在し、ここでは、背面エッチングは、前面プラグに対して完全に同一平面にエッチングしていなかった。
上に準備したシリコンウェーハは、次いで本発明の方法によりエッチングされた。
標準的な誘導結合プラズマＤＲＩＥリアクター（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｙｓｔｅｍｓにより供給される「ＨＲＭ Ｐｒｏ」ツール）が以下のように構成された：
ＩＣＰ最高電力： ２５００Ｗ
バイアス電力： ５０Ｗ
プラズマガス： Ｏ２
チャンバ温度： １２０℃
冷却： 背面ヘリウム冷却、9.5Torr、10℃
チャンバ圧力： ８０ｍＴｏｒｒ
Ｏ２流量： ８０ｓｃｃｍ
ウェーハはこれらの条件下で６０分間背面エッチングされた。エッチングは、前面プラグの背面から深さ７μｍを有する部分を除去した。エッチング中、主トレンチの側壁上に堆積されたポリマー層もまた除去された。図１１および図１２はこのシリコンウェーハの一部のＳＥＭ顕微鏡写真であり、酸素プラズマエッチングにより除去された前面プラグの７μｍの部分を詳細に示している。図１２はまた、厚さ１．７μｍで、ウェーハの背面に向かって延在するスパイク状の円周方向の突起（かつては前面プラグの周りの縁）を示す。
酸素プラズマエッチングの後で、プラズマリアクターが以下のように再構成された；
ＩＣＰ最高電力： ２５００Ｗ
バイアス電力： ３００Ｗ
プラズマガス： Ａｒ
チャンバ温度： １２０℃
冷却： 背面ヘリウム冷却、9.5Torr、10℃
チャンバ圧力： １０ｍＴｏｒｒ
Ｏ２ 流量： １００ｓｃｃｍ
ウェーハはこれらの条件で１５〜２０分間背面エッチング（「イオンミリング」）された。図１３は、結果として得られたトレンチのＳＥＭ顕微鏡写真であり、スパイク状の円周方向の突起が平滑な面に丸みを付けられたことを示す。フォトレジストが取り去られると、前面エッチングされたトレンチと背面エッチングされたトレンチとの接合部においてスパイク状の突起がなくなることは、結果として生じる流路の表面形状をかなり改善する。
本発明が純粋に実施例によって説明されたこと、および細部の変更が添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内で行うことができることは、当然、理解されるであろう。
プリンタヘッド用プリンタヘッドノズル構成の斜視図である。 アクチュエータアセンブリが取り外されインク供給流路が露出された状態の、理想化され部分的に製造されたプリンタヘッドノズル構成の切欠き斜視図である。 フォトレジストプラグを取り去った後の、図２に示されたプリンタヘッドノズル構成の切欠き斜視図である。 アクチュエータアセンブリが取り外されインク供給流路が露出された状態の、部分的に製造された従来技術のプリンタヘッドノズル構成の切欠き斜視図である。 フォトレジストプラグを取り去った後の、図４に示された従来技術のプリンタヘッドノズル構成の切欠き斜視図である。 アクチュエータアセンブリが取り外されインク供給流路が露出された状態の、本発明による部分的に製造されたプリンタヘッドノズル構成の切欠き斜視図である。 周縁をイオンミリングした後の、図６に示された部分的に製造されたプリンタヘッドノズル構成の切欠き斜視図である。 フォトレジストを取り去った後の、図６に示された部分的に製造されたプリンタヘッドノズル構成の切欠き斜視図である。 対応する前面プラグの５μｍの範囲内まで背面エッチングされた１２個のトレンチを有するシリコンウェーハのＳＥＭ顕微鏡写真である。 前面プラグを５μｍ過ぎた所まで背面エッチングされたトレンチを示すシリコンウェーハの拡大ＳＥＭ顕微鏡写真である。 本発明によるバイアス酸素プラズマエッチング後のトレンチのＳＥＭ顕微鏡写真である。 図１１の拡大図である。 アルゴンイオンミリング後のトレンチのＳＥＭ顕微鏡写真である。 ガラスハンドルウェーハに接合されたシリコンウェーハの側面図である。

Claims (6)

  1. 複数のノズルと、吐出アクチュエータと、関連する駆動回路と、インク供給流路とを備えたインクジェットプリンタヘッド集積回路を製造する方法であって、
    （ｉ）前面液滴吐出面および背面インク供給面を有するウェーハを用意するステップと、
    （ｉｉ）前記ウェーハの前記液滴吐出面の中に複数のトレンチを部分的にエッチングするステップと、
    （ｉｉｉ）前記トレンチのそれぞれをフォトレジストプラグで充填するステップと、
    （ｉｖ）リソグラフィで形成したマスクを用いるエッチング技術を使用して、複数の対応するノズルと、吐出アクチュエータと、関連する駆動回路とを、前記ウェーハの前記液滴吐出面の上に形成するステップと、
    （ｖ）複数の対応するインク供給流路を、前記ウェーハの前記インク供給面から前記フォトレジストプラグに向けておよびそれを過ぎて背面エッチングするステップと、
    （ｖｉ）前記ウェーハをバイアス酸素プラズマエッチングにかけることによって各フォトレジストプラグの一部を除去し、それにより前記インク供給流路内の角張った側壁の形状部を露出させるステップと、
    （ｖｉｉ）前記露出された角張った側壁の形状部をアルゴンイオンミリングによって修正するステップと、
    （ｖｉｉｉ）ノズル入口を形成するために前記フォトレジストプラグを前記トレンチから取り去り、それにより前記インク供給面と前記ノズルとの間の流体接続を可能にするステップと、
    を含み、
    前記アルゴンイオンミリングは、前記露出された角張った側壁の形状部を滑らかにする処理と、前記露出された角張った側壁の形状部に丸みを付ける処理、のうち一方または両方を含み、
    前記アルゴンイオンミリングはプラズマエッチングリアクターの中で行われ、
    前記プラズマエッチングリアクターは、２００〜４００Ｗの範囲のバイアス電力を有し、１０ｍＴｏｒｒの範囲のチャンバ圧力を有する、
    ことを特徴とする方法。
  2. 前記角張った側壁の形状部は、前記フォトレジストプラグの少なくとも一部の周りの周縁を含み、前記周縁は各プラグの一部を除去することにより露出される請求項１に記載の方法。
  3. 前記バイアス酸素プラズマは、各フォトレジストプラグの露出された背面から１〜１５μｍの深さを除去する請求項１に記載の方法。
  4. インク供給流路の側壁は、前記バイアス酸素プラズマエッチングにより付随的に親水化される請求項１に記載の方法。
  5. 前記トレンチは５〜４０μｍの範囲の深さを有する請求項１に記載の方法。
  6. 前記インク供給流路は１００〜３００μｍの範囲の深さを有する請求項１に記載の方法。
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