KR930009109B1 - Silicon nozzle structure - Google Patents
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Abstract
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Description
제 1 도는 본 발명에 따른 노즐 구성에 대한 투시도.1 is a perspective view of a nozzle configuration according to the present invention.
제 2 도는 제 1 도의 라인 2-2를 따라 취해진 노즐 구성의 단면도.2 is a cross sectional view of the nozzle configuration taken along line 2-2 of FIG.
제 3 도 내지 제 8 도의 본 발명에 따라 처리된 실리콘 웨이퍼의 순차적인 단면도.Sequential cross-sectional view of a silicon wafer processed according to the invention of FIGS. 3-8.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
10 : 기판 11, 13 : 구멍10: substrate 11, 13: hole
14, 15 : 면 16, 17 : n형층14, 15:
종래기술, 특히 미합중국 특허 제 3,921,916 호에 있어서, 단결정이며 결정학적으로 방향성을 갖는 실리콘 웨이퍼가 웨이퍼 몸체내에 한 개 이상의 특정 형태인 재생가능한 채널(channels)을 형성하도록 선택적으로 에칭될 수 있는 것이 제안되어 있다. 상기 특허에서 언급된 특정 형태의 채널은 직사각형의 입구 단면과, 연속해서 상기 입구 단면보다 작아지는 중간의 직사각형 단면과, 직각 형태는 아닌 출구 단면을 갖는다. 이와같은 특정 형태의 채널은 두 개의 공지된 처리과정중 임의의 한 처리과정에 의해 형성되는데, 상기 처리방법 모두는 충분히 도핑된 P+층(한 처리과정에 있어서는 패턴화되고 다른 처리과정에 있어서 패턴화되지 않음)을 에천트 장벽(etchant barrier)으로 이용한다. 상기 두 개의 처리과정에 있어서, 실리콘 웨이퍼는 하나의 주 표면으로부터 포화 상태나 또는 포화 상태에 근접하게 되도록 충분히 도핑되어 P+에천트 장벽을 형성한다. 이후에, 반대쪽의 주 표면으로부터 패턴화된 이방성 에칭(anisotropic etching)이 P+장벽에 도달될 때까지 진행된다. 이방성 에칭은 직사각형의 입구 단면과 이 입구 단면보다 작은 크기의 막(membrane)을 규정하는 직사각형의 중간 단면을 형성한다.In the prior art, in particular US Pat. No. 3,921,916, it is proposed that monocrystalline and crystallographically oriented silicon wafers can be selectively etched to form one or more specific shaped renewable channels in the wafer body. have. The particular type of channel referred to in this patent has a rectangular inlet cross section, an intermediate rectangular cross section that is subsequently smaller than the inlet cross section, and an outlet cross section that is not perpendicular. This particular type of channel is formed by any one of two known processes, all of which are sufficiently doped P + layers (patterned in one process and patterned in another process). Unized) is used as an etchant barrier. In both processes, the silicon wafer is sufficiently doped from one major surface to be saturated or close to forming a P + etchant barrier. Thereafter, anisotropic etching patterned from the opposite major surface proceeds until it reaches the P + barrier. Anisotropic etching forms a rectangular inlet cross section and a rectangular middle cross section defining a membrane of a size smaller than this inlet cross section.
한 처리 응용에 있어서, 구멍(opening)이 막(membrane)을 통해 이루어질때까지 입구측으로부터 에칭처리가 계속된다. 다른 처리는 노즐의 반대측(출구측)으로부터의 패턴화된 등방성 에칭(isotropic etching)을 이용하여 막을 통해 중간 단면으로의 통로를 완성한다.In one processing application, the etching process continues from the inlet side until openings are made through the membrane. Another process uses patterned isotropic etching from the opposite side of the nozzle (outlet side) to complete the passage through the membrane to the intermediate cross section.
이러한 종래 기술의 처리과정은 만족할만한 잉크 분사 노즐 구조(ink jet nozzle structures)를 제공하긴 하지만 상술된 처리과정 및 결과적인 구조 모두가 고유한 문제를 갖는다. 실례로, 고유의 웨이퍼 두께 변동 및 등방성 에칭의 불균일성에 따라서, 이들 처리과정은 결과적인 노즐 구조의 크기 제어를 개선하기 위해 웨이퍼의 주 표면 모두에 기계적/화학적 정밀연마 가공 처리를 요하게 되는데, 이는 값비싼 처리 단계가 된다. 부가적으로, 이들 처리에 의해 생성된 노즐 구조는 출구 구멍(exit openings) 주변으로 충분히 포화된 P+영역을 갖는데, 이들 영역은 깨지려는 (brittle)경향이 있으므로 높은 유체 압력에 노출되거나 또는 잉크 분사 프린팅 시스템내에 압력 과도현상이 존재할 때 파괴될 수 있다.While this prior art process provides satisfactory ink jet nozzle structures, both the above described process and the resulting structure present unique problems. For example, depending on the inherent wafer thickness variation and the nonuniformity of the isotropic etching, these processes require mechanical / chemical precision polishing on both major surfaces of the wafer to improve the size control of the resulting nozzle structure. This is an expensive processing step. In addition, the nozzle structures produced by these processes have a sufficiently saturated P + region around exit openings, which are prone to brittle and are exposed to high fluid pressure or ink jet It can be destroyed when pressure transients are present in the printing system.
본 발명에 따라, 결정학적으로 방향성인(crystallogr-aphically oriented)단결정 P형 실리콘의 상업적으로 유용한 반도체 웨이퍼가 이용되어 웨이퍼의 두 개의 주 표면상에 기계적 또는 화학적 정밀 연마 가공을 하지 않고서 단일의 유체 노즐 또는 일직선 배열의 노즐들을 생성할 수 있게 되며, 여기에서, 낮은 포화 n표면층이 웨이퍼의 최소 한 개의 주 표면상에 형성된다. 이후에 이용되는 이방성 에천트(anisotropic etchant)에 대한 저항성 재료가 웨이차퍼의 양 표면상에 증착된다. 그후, 노즐의 입구 및 출구 영역을 규정하는 구멍 마스크(aperture masks)가 이들 주 표면상에 형성되며, 출구 영역은 에칭 용액에 대한 저항성을 가지고 n층에 전기적 접속을 제공하는 재료로 피복된다. 공동(cavity)은 부식성 에칭용액(caustic etching solution) 내에 웨이퍼를 침전시킴으로써 웨이퍼의 입구 영역으로부터 출구측에서의 n층으로 이방성으로 에칭된다. 웨이퍼의 출구측에서의 p/n 접합 양단에 인가된 전위는 막이 n층과 동일한 두께를 가지도록 하는 에칭 작용을 전기화학적으로 중단한다. 그후 통로가 출구측으로부터 막을 통해 입아성으로 에칭되어 노즐구성이 완성된다.According to the present invention, a commercially available semiconductor wafer of crystallogr-aphically oriented single crystal P-type silicon is used to provide a single fluid nozzle without mechanical or chemical precision polishing on two major surfaces of the wafer. Or a straight array of nozzles, where a low saturated n surface layer is formed on at least one major surface of the wafer. Resistant materials for the anisotropic etchant used later are deposited on both surfaces of the waychafer. Then, aperture masks defining the inlet and outlet regions of the nozzle are formed on these major surfaces, and the outlet regions are covered with a material that provides electrical connection to the n layer with resistance to the etching solution. The cavity is anisotropically etched from the inlet region of the wafer to the n layer on the outlet side by precipitating the wafer in a caustic etching solution. The potential applied across the p / n junction at the exit side of the wafer electrochemically interrupts the etching action that causes the film to have the same thickness as the n layer. The passage is then etched granularly through the membrane from the outlet side to complete the nozzle configuration.
반도체 재료로 만들어지는 노즐을 이용하는 다수-노즐 잉크 분사 시스템(multi-nozzle ink jet printing systems)에 있어서, 노즐에 요구되는 중요한 특성은 각 노즐 크기의 균일성, 배열에 있어서의 노즐의 공간분포, 시스템내에서 발생되는 유체 압력하에서의 균열(craking)에 대한 저항성, 유체 공급과 출구 구멍간의 효율적인 기계적 임피던스 정합의 제공, 노즐 구조를 통한 높은 속도의 유체 흐름에 야기되는 마모에 대한 저항성등이다.In multi-nozzle ink jet printing systems using nozzles made of semiconductor materials, the important characteristics required for the nozzles are the uniformity of each nozzle size, the spatial distribution of the nozzles in the arrangement, and the system. Resistance to cracking under fluid pressure occurring within, providing efficient mechanical impedance matching between fluid supply and outlet holes, and resistance to wear caused by high velocity fluid flow through the nozzle structure.
제 1 도와 관련하여, 제 1 도는 본 발명에 따라 만들어진 노즐 구조의 일부가 도시되어 있다. 특히, 웨이퍼(10)는 균일하게 배열된 구멍(opening ; 11)을 가지고 있다. 각 구멍(11)은 처음에 정사각형 영역으로 시작되어 테이퍼(taper)되고, 처음의 정사각형 영역보다 작은 막(12)을 규정하는 정사각형 영역으로 종료한다. 제 2 도에 도시된 바와같이, 각각의 막(12)은 정사각형 영역보다 작은 정사각형 영역으로 시작하여 이 시작점의 정사각형 영역보다는 큰 정사각형 영역으로 종료하는 구멍(opening ; 13)을 가지고 있다. 막(12)의 구멍(13)의 수평축 모두는 웨이퍼(10) 결정학(crystallography)에 의해 웨이퍼(10)의 본체내의 대응하는 각 구멍(11)의 수평축과 일직선으로 배열된다.In connection with the first diagram, the first figure shows a part of a nozzle structure made in accordance with the present invention. In particular, the
제 3 도 내지 제 8 도는 하나의 유체 노즐 또는 배열된 노즐들을 형성하기 위해 단결정 실리콘 웨이퍼(10)내에 구멍을 형성하는 일련의 고정 단계를 도시한다. 다음에 설명되는 공정 단계는 물론 다른 순서로도 이용될 수 있으며, 하기에 설명되는 동일한 기능을 수행하기 위해 다른 박막 재료(film materials)가 이용될 수 있으며, 또한, 박막형성, 크기, 두께 및 그와 유사한 것 등이 변화될 수 있다. 웨이퍼(10)는 전면(14)과 후면(15)을 갖는 약 19.5 내지 20.5밀(mils) 두께와, 0.5 내지 10ohm-cm의 전기 저항을 가진 단결정(100) 방향성 P형 실리콘이다. (100)평면은 표면(14) 및 (15)와 평행이다. 제 3 도에 도시된 바와같이, 실리콘 웨이퍼(10)의 전면 및 후면(15)으로 약 미크론의 길치까지 인이 확산되어 n형의 층(16) 및 (17)을 형성하게 된다. 이후에에 명백하게 될 바와같이, 단지 하나의 확산층(출구 측)만이 처리과정에 의해 노즐구조를 형성하는데 요구된다. 확산은 0.75%의 pH3, 1%의 O2, Ar과 N2의 합성물을 포함하는 가스 혼합물을 950℃로 유지되는 실리콘 웨이퍼(10)를 지나치도록 30분 동안 흐르게하는 공지된 방법으로 실행된다. 이후에 두꺼운 층(약 5미크론)을 형성하기 위해 긴 재확산(drive-in) 기간(22시간동안 1050℃)이 있게 된다. n층(16 및 17)내에서의 인의 최종 농도가 매우 낮기 때문에, 이와같은 확산 단계는 실리콘 웨이퍼(10)내에 응력을 거의 가하지 않게 되며, 결과적으로 실리콘 구조는 그의 강도를 유지하게 된다.3-8 illustrate a series of fixing steps for forming holes in the single
제 4 도에 도시된 바와같이, 웨이퍼(10)의 전면(14) 및 후면(15) 모두는 부식성(KDH) 용액내에서 긴 에칭 기간에 견딜 수 있는 층(18 및 19)을 형성하는 LPCVD 실리콘 질화물과 같은 저항 재료로 피복된다. 이를 수행하기 위한 방법중의 하나는 약 800℃에서 증착된 실리콘 질화물의 저압력 화학적 증착을 이용하는 것이다. 0.5미크론 두께보다 작은 산화층(도시되지 않음)이 층(18, 19)의 양측상에 성장되어 질화물과 실리콘간의 응력 효과를 감소시키며, 질화물에 대한 포토레지스트의 고착을 개선한다. 포토 형성(photoshaping)을 용이하게 하기 위해 웨이퍼(10)가 마련될 때 부식성 용액보다 더 산성인 용액내에서 에칭된 후면(15)을 갖도록 선택된다.As shown in FIG. 4, both the front side 14 and the
그후, 노즐의 소정 입구 영역(20) 및 출구(21)영역에 대응하는 마스크가 준비된다. 원형의 마스크에 의해 규정된 실리콘 웨이퍼(10)내의 구멍이(100) 평면에 평행한 정사각형으로부터 에칭되기 때문에 입구 영역(20) 및 출구 영역(21)용 마스크의 형태는 원형으로 이루어지며, 각 정사각형은 그 각각의 원에 외접한다. 원형 마스크의 사용은 시각형태의 마스크가 사용될 때 발생하던 세타 오배열(theta misalinment)에 따라 발생하게 되던 에러를 제거한다. 실리콘 질화층(18, 19)은 양측의 포토스피너(photospinner)(도시되지 않음) 및 양측의 배열기(aligner)(도시되지 않음)을 이용하여 양측상에 동시에 포토형성(photoshaped)된다. 입구영역(20) 및 출구 영역(21)을 규정하는 층(18, 19)의 부분을 에칭한 후의 결과적인 구성이 제 5 도에 도시되어 있다.After that, a mask corresponding to the predetermined inlet region 20 and
출구 영역(21)은 제 6 도에 도시된 바와같이 금속층(22)을 그위에 피복시킴으로써, 또는 밀봉한 기계적인 정착물(도시되지 않음)을 사용함으로써 에칭 용액으로부터 보호된다. 그후에, 웨이퍼는 뜨거운(80 내지 85℃)KOH 용액내에 침전되며(도시되지 않음), 출구 영역(21)을 보호하는 금속층(22)에 전기적 전원(도시되지 않음)의 플러스측을 접속시킴으로써 후면(15)에서의 p/n 접합 양단에 전위가 있게 된다. 주기율표의 I-A 족의 금속 수산화물일 실례로 NaOH, NH4OH 등과 같은 다른 알칼리 에칭 용액이 이용될 수도 있다. 반도체에 전기화학적으로 제어되는 박막 처리를 사용하는 것을 공지된 기술이며, 본 출원의 출원인중의 한명에게 허여된 미합중국 특허원 제 3,689,389 호에도 상세히 기재되어 있다.The
단결정 실리콘 웨이퍼(10)내의 구멍(11)은 뒤쪽 확산층(17)에 도달될때까지 이방성으로 에칭되며, 도달된 경우에, 접합 양단에 인가된 전위에 의하여 p/n 접합에 형성되는 산화층(도시되지 않음)에 의해 에칭 동작이 정지된다. KOH 에칭 용액이 사용될때(111) 평면은 단결정 실리콘 재료의 늦은 에칭 평면(slow etch plane)이라는 것은 종래 기술에 공지되어 있다. 그러므로, 에칭 단계는 웨이퍼(10)내에 피라밋형 구멍을 형성하는데, 상기 구멍은 실리콘 및 확산층(17) 인터페이스(p/n 접합)에서 형성된 전기화학적 에칭 장벽을 만날때 막(12)으로 종결된다.The holes 11 in the single
그후에, 웨이퍼(10)는 에칭 용액으로부터 옮겨지고, 출구측상의 저항성 금속층(22) 및 관련된 전기접속이 제거되며, 입구측(20)이 공기산화에 의해 형성된 층(24)에 의해 에칭 용액으로부터 보호된다. 그후 웨이퍼(10)는 에칭 용액내로 재침전되고, 피라미드형 통로가 후면(15)으로부터 이방성으로 에칭되어 출구의 구멍(13)을 형성한다. 결과적인 구조가 제 7 도에 도시된다.Thereafter, the
만일 바란다면, 저항성 피복층(18, 19, 24)이 제 8 도에 도시된 바와같이 완전한 순수 실리콘 노즐 구조를 남긴채 제거될 수 있다. 통상적으로 입구(20)의 초기 구멍은 약 35밀(mils)의 폭을 가지며, 출구 구멍(13)의 가장 작은 부분은 약 1.5 내지 4밀의 폭을 갖는다.If desired, the resistive coating layers 18, 19, and 24 may be removed, leaving the complete pure silicon nozzle structure as shown in FIG. Typically the initial hole of the inlet 20 has a width of about 35 mils, and the smallest portion of the
(111)평면에 직각인 에칭율이 (100)평면에 수직인 에칭 속도에 비해 매우 낮기 때문에, 과에칭(overetch)도 출구 마스크에 의해 규정된 높은 정확도를 떨어뜨리지 못한다. 출구측상의 웨이퍼 표면에 잉크가 젖지 않도록 하기 위해, 웨이퍼(10)의 후면(15)은 테프론(Teflon)과 같은 낮은 표면 에너지를 갖는 재료로 피복될 수 있다.Since the etch rate perpendicular to the (111) plane is very low compared to the etch rate perpendicular to the (100) plane, overetch also does not degrade the high accuracy defined by the exit mask. In order to prevent the ink from wetting the wafer surface on the exit side, the
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