TW201640575A - 填充蝕刻洞的製程 - Google Patents
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Abstract
一種用於填充定義在晶圓基板之前側表面之一或多個蝕刻洞的製程。製程包括步驟:(i)沉積熱塑性第一聚合物層在該前側表面上及進入每個洞;(ii)回焊該第一聚合物;(iii)以受控氧化電漿(oxidative plasma)曝光該晶圓基板;(iv)選擇地重複步驟(i)至(iii);(v)沉積可光成像第二聚合物層;(vi)使用曝光和顯影從該些洞周邊外側的區域選擇性地去除該第二聚合物;以及(vii)平坦化該前側表面以提供填充有包含彼此不同的該第一和第二聚合物之堵塞物的洞。每個堵塞物具有與該前側表面共平面的相應的上表面。
Description
本發明係有關於填充蝕刻洞製程。它主要被開發以改善填充洞的平坦度,為了便於後續的MEMS製造步驟。
申請人已開發一套Memjet®噴墨印表機,例如於WO2011/143700、WO2011/143699及WO2009/089567中所敘述者,其內容係以引用的方式併入本文中。Memjet®印表機採用固定不動之頁寬列印頭,並與在單程中饋送列印媒體透過列印頭的饋送機件組合。因此,Memjet®印表機提供比傳統掃描噴墨印表機較高的列印速率。
為了減少矽的數量以及從而減少頁寬列印頭之成本,每一Memjet®列印頭IC透過積體CMOS/MEMS製程來提供高噴嘴堆積密度(packig density)。典型地Memjet®列印頭IC含有6400噴嘴裝置,這相當於在含有11Memjet®列印頭IC之A4列印頭中70400噴嘴裝置。
如在US7246886所敘述(其內容藉此參照被併入本文中),用於Memjet®列印頭IC之典型的列印頭製程需要透過DRIE(深反應離子蝕刻)蝕刻在CMOS晶圓前側的洞、以犧牲材料(例如,光阻劑(photoresist))填充洞以提供平坦的前側表面以及接著後續建立MEMS噴嘴裝置在晶圓之前側上。在完成所有前側MEMS製造步驟之後,晶圓從背側減薄且凹溝從背側被蝕刻與填充的前側洞會合。最後,所有犧牲材料藉由氧化灰化(oxidative ashing)從前側洞及MEMS噴嘴腔體(chamber)去除。在所得的列印頭IC中,前側洞定義用於噴嘴腔體之單獨入口通道。
製造的關鍵階段為以犧牲材料堵塞前側洞以及平坦化晶圓之前側表面。如果前側表面沒有完全地平坦,然後任何缺乏平坦性在整個後續MEMS製程步驟中進行,並最終可能導致有缺陷的裝置或就有較短安裝壽命的弱化MEMS結構。
一種用於堵塞由DRIE形成的洞的製程在US7923379中敘述。在這先前技術製程中,洞藉由多個階段之旋轉塗佈光阻劑連續層被填充。在這些階段的每一者之後,在晶圓之前表面的光阻劑被選擇地曝光且僅留下部分地填充洞的光阻劑。在洞內部之留下的光阻劑被硬烤(hardbake)且該製程被重覆直到洞完全地填充有光阻劑。其目的係在製程結束時提供堵塞有光阻劑的洞,藉此光阻劑堵塞物之上表面與晶圓的前側表面共平面。這是用
於後續MEMS製程步驟之晶圓之前側表面上理想的基礎。
然而,US7923379敘述的製程有數個缺點。首先,其不可能在製程結束時達到真正的平坦,因為洞通常在最後曝光及顯影步驟後稍微過填充或未填滿。其次,光阻劑為高黏性,其抑制了溶劑或氣泡逸出。泡泡可以從相對薄的光阻劑層逸出,但無法容易地從在洞底部的光阻劑層逸出。在熱固化期間,這些受困溶劑泡泡可以結合和擴展以形成後續不穩定之相對大的空隙在堵塞物中。第三,光阻劑一般在熱固化(「硬烤」)期間縮小。光阻劑在硬烤期間之縮小也影響堵塞物之穩定度。因此,即使可以達到平坦的上表面,光阻劑堵塞物可能在後續MEMS製程步驟期間受到碟型凹陷(dishing);且任何在光阻劑堵塞物中的不穩定可能導致在後續構建的MEMS結構中的問題,例如噴嘴板裂開。
熱塑性聚合物(其通常具有比大部分光阻劑較低的黏性且當加熱時回焊)提供了一個至少一些上述有關受困溶劑泡泡和光阻劑縮小之問題可能的解決方案。然而,熱塑性聚合物通常不是可光成像(photoimageable)且需要經由化學機械平坦化(chemical-mechanical planarization,CMP)製程來平坦化。雖然CMP製程對於熱塑性聚合物在技術上是可行的,對於聚合物厚層它不是切實可行的,其被要求以填充由DRIE形成之相對低的洞。這是由於:(1)平坦化聚合物厚層時,前表面上停
止選擇性差;(2)對於大規模製造,CMP速率太慢;(3)CMP研磨墊之快速「膠(gumming)」在後續需要定期更換。
需要提供一種用於填充光阻劑洞的替代製程,其能夠改善至少一些上述問題。
在第一方面,提供了一種用於填充定義在晶圓基板之前側表面中的一或多個蝕刻洞的製程,所述製程包含步驟:(i)沉積熱塑性第一聚合物層在該前側表面上及進入每個洞;(ii)回焊該第一聚合物;(iii)以受控氧化電漿(oxidative plasma)曝光該晶圓基板從而露出該前側表面;(iv)選擇地重複步驟(i)至(iii);(v)沉積可光成像第二聚合物層從而以該第二聚合物過填充每個洞;(vi)從該些洞周邊外側的區域選擇性地去除該第二聚合物以提供過填充的洞,該選擇地去除包含該第二聚合物的曝光和顯影;以及(vii)平坦化該前側表面以提供填充有包含該第一和第二聚合物之堵塞物的一或多個洞,每個堵塞物具有與該前側表面共平面的相應的上表面,
其中該第一和第二聚合物是不同的。
根據該第一方面的製程有利地提供了用於堵塞藉由DRIE形成較高的深寬比(aspect ratio)的洞的堅固製程。特別是,該製程藉助具有熱塑性回焊特性之相對低黏性第一聚合物提供一種實質上沒有泡泡的堵塞物,這使得泡泡在沉積和回焊期間容易逃脫。另外,該製程藉助採用可回焊熱塑性第一聚合物提供用於後續的MEMS製程的穩定基礎,可回焊熱塑性第一聚合物均勻填充前側洞。又一另外,該製程藉助平坦化步驟(一般為化學機械平坦化)提供具有與前側表面共平面之前側堵塞物。平坦化(例如,藉由CMP)係利用可光成像的第二聚合物進行最終填充步驟,其係藉由傳統的曝光和顯影從每個洞的周邊外側去除。因此,最小量的第二聚合物需要藉由平坦化去除,從而提高產能、良好停止選擇性和最少CMP研磨墊的膠(即,降低消耗成本)。從下面第一實施例的詳細敘述,對於本領域具通常知識者而言這些和其它優點將是顯而易見的。
較佳地,該第一聚合物的黏性比該第二聚合物更低。如以上預示的,相對低黏性第一聚合物有助於捕捉的溶劑和氣泡的逃脫,導致更堅固的堵塞物。
較佳地,每個洞具有至少5微米(microns)或至少10微米的深度。一般地,每個洞具有5-100微米或10-50微米範圍的深度。
較佳地,每個洞具有大於1:1的深寬比。一
般地,該深寬比在1.5-5:1的範圍。
在一實施例中,步驟(i)至步驟(iii)可被重覆1或多次。在另一實施例,步驟(i)至步驟(iii)僅可被執行1次。在一替代實施例中,步驟(i)至步驟(ii)可被重覆1或多次,且步驟(iii)僅可被執行1次。
較佳地,在步驟(vi)當下之前該洞過填充的程度小於約12微米或小於約10微米。最小的過填充能夠方便後續的平坦化。
一般地,額外的MEMS製程步驟被執行在該晶圓基板之該平坦的前側表面。在一較佳的實施例中,額外的MEMS製程步驟建構噴墨噴嘴裝置在該晶圓基板之該平坦的前側表面上。每個噴嘴裝置可包含與至少一洞流體連通之噴嘴腔體,以及每個噴嘴腔體之相應的入口可以由該些洞中的一個來定義。
較佳地,該額外的MEMS製程步驟包括晶圓薄化(thinning)及墨水供應通道之背側蝕刻。每個墨水供應通道較佳的與一或多個填充洞會合以提供晶圓之背側和前側之間的流體連接。每個墨水供應通道通常比前側洞相對的寬。
MEMS製程之最終階段較佳地從該些洞採用該第一及該第二聚合物之氧化去除(「灰化(ashing)」)。氧化去除一般地採用氧基電漿,如本領域所知。
在第二方面,提供了一種用於填充定義在晶
圓基板之前側表面中的一或多個蝕刻洞的製程,所述製程包含步驟:(i)沉積可光成像熱塑性第三聚合物層在該前側表面上及進入每個洞;(ii)回焊該第三聚合物;(iii)從每個洞周邊外側的區域選擇性地去除該第三聚合物,該選擇地去除包含該第三聚合物的曝光和顯影;(iv)選擇地重複步驟(i)至(iii)直到每個洞過填充有該第三聚合物;以及(v)平坦化該前側表面以提供填充有包含該第三聚合物之堵塞物的一或多個洞,每個堵塞物具有與該前側表面共平面的相應的上表面。
根據第二方面的製程使用一類特殊的熱塑性可光成像的聚合物。所需的熱塑性特性使得該第三聚合物被回焊,以享有如上所述有關該第一聚合物相同的優點。此外,所需的可光成像特性使得該第三聚合物藉由傳統的光刻(photolithographic)曝光及顯影從該些洞周邊外側的區域去除。因此,根據該第二方面之製程避免該第一聚合物的氧化去除(如上有關該第一方面的敘述),同時還享有優點:非常堅固的堵塞物;平坦化之後該堵塞物和前側表面共平面;以及在平坦化之前憑藉大部分的該第三聚合物之光刻去除有效的平坦化。
較佳地,根據該第二方面之該製程包含僅單一步驟(i)至(iii)序列,其中每個洞在步驟(iii)之
後過填充有該第三聚合物。
其它較佳的實施例中,在相關情況下,上面有關該第一方面敘述當然也適用於第二方面。
在第三方面,提供了一種用於填充定義在晶圓基板之前側表面中的一或多個蝕刻洞的製程,所述製程包含步驟:(i)沉積熱塑性第一聚合物層在該前側表面上及進入每個洞;(ii)回焊該第一聚合物;(iii)選擇地重複步驟(i)至(ii)直到該些洞過填充有該第一聚合物;(iv)沉積可光成像第二聚合物層;(v)從該些洞周邊外側的區域選擇性地去除該第二聚合物該選擇地去除包含該第二聚合物的曝光和顯影;(vi)曝露該晶圓於受控氧化電漿中,從而露出該晶圓基板之該前側表面;以及(vii)平坦化該前側表面以提供填充有包含該第一聚合物之堵塞物的一或多個洞,每個堵塞物具有與該前側表面共平面的相應的上表面,其中該第一和第二聚合物是不同的。
根據該第三方面之製程在許多方面與根據該第一方面之製程類似。然而,在該第三方面中,該第二聚合物僅被使用來在每個洞上提供相對厚的聚合物層,每個洞一開始以該第一聚合物過填充。因此,氧化去除步驟確
保聚合物材料之帽在平坦化前保持在每個洞上。這有利於在該第二聚合物中任何溶劑或氣泡(其可能出現在該第一和第二聚合物之間的介面)在平坦化步驟期間被去除。因此,填充洞之堵塞物之材料僅為該熱塑性第一聚合物,其提供用於後續MEMS製程步驟非常堅固的基礎。
在一些實施例中,該製程可包含該額外的步驟:曝露該晶圓基板於受控氧化電漿中,從而在步驟(ii)之後露出該晶圓基板之該前側表面。
其它較佳的實施例,在相關情況下,上面有關該第一方面敘述當然也適用於第三方面。
在第四方面,提供了一種用於填充定義在晶圓基板之前側表面中的一或多個蝕刻洞的製程,所述製程包含步驟:(i)沉積可光成像第四聚合物層在該前側表面上及進入每個洞;(ii)從每個洞周邊外側的區域選擇性地去除該第四聚合物,該選擇地去除包含該第四聚合物的曝光和顯影;(iii)選擇地重複步驟(i)至(ii)直到該些洞過填充有該第一聚合物;以及(iv)平坦化該前側表面以提供填充有包含該第四聚合物之堵塞物的一或多個洞,每個堵塞物具有與該前側表面共平面的相應的上表面。
根據第四方面之製程係最適合用於填充相對淺(即,小於10微米)或低深寬比(即,小於1:1)的
洞。第四聚合物是一般傳統的光阻劑,其沒有熱塑性且因此無法回焊。然而,有效的平坦化仍然可達成因為由CMP去除的第四聚合物的量被最小化。
其它較佳的實施例,在相關情況下,上面有關該第一方面敘述當然也適用於第三方面。
如本文所使用的,用語「洞」一般指的是定義在晶圓基板內空腔(cavity)、通孔(via)或凹溝(trench)。根據定義,每個洞具有一個地板和向上延伸的側壁由此與晶圓基板的表面會合。每個洞在剖面可具有任何形狀,例如圓形、長方形(oblong)、圓角長方形(rounded oblong)、方形、圓角方形、卵形(oval)、橢圓形(elliptical)等。同樣地,洞可以是以細長凹溝的形式。在本發明上下文中,細長凹溝可被用作用於切割矽晶圓成獨立的晶片的「切割道」。
1‧‧‧基板
2、21‧‧‧洞
3‧‧‧前側表面
4‧‧‧塊矽基板
5‧‧‧上CMOS層
7、9、13、23‧‧‧聚合物
10‧‧‧噴墨噴嘴裝置
11、15、19、25‧‧‧上表面
12‧‧‧主腔體
14‧‧‧頂板
16‧‧‧底板
17‧‧‧聚合帽
18‧‧‧壁面
18a、18b‧‧‧端壁
20‧‧‧CMOS層
22‧‧‧發射腔體
24‧‧‧前腔體
26‧‧‧噴嘴孔
28‧‧‧加熱器元件
30‧‧‧頂板入口
32‧‧‧擋板
24‧‧‧前腔體
36‧‧‧電極
37‧‧‧通孔
40‧‧‧材料
100‧‧‧列印頭
102‧‧‧矽基板
104‧‧‧墨水供給通道
本發明實施例現在將透過範例的方式僅參考圖式敘述,其中:第1圖為具有在前側表面蝕刻之較高深寬比的洞之矽基板的示意側視圖;第2圖示出在熱塑性第一聚合物沉積後的第1圖所示之結構;第3圖示出在第一聚合物回焊及固化後的第2圖所示之結構;
第4圖示出在第一聚合物從前側表面氧化去除後的第3圖所示之結構;第5圖示出在可光成像第二聚合物之沉積後的第4圖所示之結構;第6圖示出在第二聚合物之曝光及顯影後的第5圖所示之結構;第7圖示出在化學機械平坦化後的第6圖所示之結構;第8圖示出在熱塑性可光成像第三聚合物的沉積後的第1圖所示之結構;第9圖示出在第三聚合物回焊及固化後的第8圖所示之結構;第10圖示出在第三聚合物之曝光及顯影後的第9圖所示之結構;第11圖示出在化學機械平坦化後的第10圖所示之結構;第12圖示出在熱塑性第一聚合物的重覆沉積和回焊烘乾後的第1圖所示之結構;第13圖示出在可光成像第二聚合物的沉積後的第12圖所示之結構;第14圖示出在第二聚合物之曝光及顯影後的第13圖所示之結構;第15圖示出在第一聚合物從前側表面氧化去除後的第14圖所示之結構;
第16圖示出在化學機械平坦化後的第15圖所示之結構;第17圖為具有在前側表面蝕刻之較高深寬比的洞之矽基板的示意側視圖;第18圖示出在傳統可光成像聚合物沉積後的第17圖所示之結構;第19圖示出在曝光及顯影後的第18圖所示之結構;第20圖示出在化學機械平坦化後的第10圖所示之結構;第21圖為具有定義在矽基板前側表面中的腔體入口之噴墨噴嘴裝置的透視圖;以及第22圖為第21圖所示之噴墨噴嘴裝置之剖面側視圖。
參照第1圖,其示出具有定義在前側表面3之較高深寬比的洞2之基板1。基板為具有設置在塊矽基板4上的上CMOS層5之CMOS矽晶圓。CMOS層4一般包含插入在層間介電質(interlayer dielectric,ILD)層之間的一個多金屬層。洞2可藉由任何合適的各向異性(anisotropic)DRIE製程定義(例如,在US5501893敘述之「Bosch蝕刻」)。洞2在剖面可具有任何所需的形
狀,該形狀在蝕刻製程期間由光阻劑遮罩定義。
第2圖顯示接著軟烤(soft-baking)後在旋轉塗佈可回焊熱塑性聚合物7在前側表面3上的基板1。熱塑性聚合物7為非可光成像且可以為本領域具通常知識者已知的任何合適的類型。例如,熱塑性聚合物7可以為黏著劑(adhesive),例如聚酰亞胺黏著劑。合適的熱塑性聚合物7的具體範例為HD-3007黏著劑,由HD MicroSystemsTM提供。
在熱塑性聚合物7之沉積後的軟烤去除溶劑以提供無剝落(tack-free)膜。因為熱塑性聚合物7具有相對低黏性(例如,小於1500Cps),任何出現在聚合物中的氣體或溶劑泡泡可以在軟烤期間容易逃脫。仍參照第2圖,可以看出在熱塑性聚合物7在旋轉塗佈期間由於其相對低的黏性而容易沉積在較高深寬比的洞2中。
現在參照第3圖,其顯示在比軟烤相對高的溫度回焊烤之後的基板1。這個回焊烤的步驟提高熱塑性聚合物7的溫度至高於本身玻璃轉變溫度,允許聚合物回焊及更完整地填充該洞2。例如,回焊烤可被執行在約300℃而軟烤可執行在約90℃。
取決於該洞2之深度和深寬比以及熱塑性聚合物7採用的類型,在結合第2和3圖敘述的步驟可被重覆一或多次直到該洞填充到前側表面正下方的水平,如第3圖所示。該洞2在全部旋轉塗佈和回焊步驟已經完成之後為大於60%填充、大於70%填充、大於80%或大於
90%。
在該洞2以被部分地填充至所需水平之後,熱塑性聚合物7為了交叉耦合(cross-link)和硬化聚合物,接著在比回焊烤溫度相對高的溫度固化。顯示在第3圖中之熱塑性聚合物7之所得堵塞物實質上沒有任何氣體或溶劑泡泡。此外,回焊步驟確保熱塑性聚合物7均勻地接觸該洞2之側壁以提供後續MEMS處理堅固的基礎。
現在參照第4圖,顯示了在透過受控氧化去除製程(「灰化」)去除熱塑性聚合物7之預定厚度之後的基板1。一般地,受控氧化去除製程包含在傳統灰化爐中定時曝光於氧基電漿。由灰化製程去除的聚合物之平面厚度正比於灰化之期間。如第4圖所示,灰化製程去除熱塑性聚合物7之厚度,使得去除係從在洞2周邊外側區域的前側表面3完成。然而,洞2憑藉在洞中之聚合物的額外厚度保持部分填充有熱塑性聚合物7。
接著,如第5圖中所示,傳統可光成像(非熱塑性)聚合物9藉由旋轉塗佈及隨後軟烤被沉積基板1之前側表面3。可光成像聚合物9係旋轉塗佈約8微米之厚度從而過填充洞2。可光成像聚合物9可為任何本領域具通常知識者已知的任何合適的類型。例如,可光成像聚合物9可以為聚酰亞胺或傳統光阻劑。合適的可光成像聚合物9之具體範例為HD-8820水正聚酰亞胺(Aqueous Positive Polyimide),由HD MicroSystemsTM提供。
參照第6圖,可光成像聚合物9接著由本領
域具通常知識者已知的傳統方法曝光和顯影,從而從洞2周邊外側區域實質地去除所有的聚合物9。所得的基板1具有過填充的洞2,過填充的洞2具有8微米之可光成像聚合物9的「帽」。
可光成像聚合物9之最終固化之後,基板1之前側表面3然後進行化學機械平坦化(CMP)從而去除可光成像聚合物9之帽且提供平坦的前側表面,如第7圖所示。有利的是,由於前面結合第6圖所敘述的曝光及顯影步驟,可光成像聚合物9需要藉由CMP去除的量係相對的少。因此,CMP製程具有可接受的處理時間(例如,5分鐘或更少)、良好停止選擇性和最少CMP研磨墊的膠,其降低了消耗品的成本。
在第7圖中所示的所得基板1,該洞2被堵塞有熱塑性聚合物7及可光成像聚合物9。這個聚合物堵塞物係堅固的且實質上沒有任何溶劑或空氣泡泡。此外,堵塞物之上表面11藉助最終平坦化製程與前側表面3共平面。堵塞的洞因此提供了用於後續前側MEMS處理步驟之理想基礎,例如噴墨噴嘴結構之製造。
本發明之第二實施例現在將參考第8-11圖敘述。首先參照第8圖,洞2被填充具有熱塑性及可光成像兩者特性之聚合物13。熱塑性可光成像聚合物13之範例為Level® M10塗層,由Brewer Science提供。熱塑性可
光成像聚合物13相比於本文上面所述之熱塑性聚合物7具有相對低黏性。聚合物13因此能夠在單一旋轉塗佈隨後軟烤以去除溶劑而填充洞2。聚合物13之低黏性及熱塑性回焊特性能夠使溶劑或空氣泡泡在軟烤和回焊烤期間逃脫。
第9圖顯示在以比軟烤相對高的溫度回焊烤之後的聚合物13。這個回焊烤步驟提高聚合物13的溫度至高於本身玻璃轉變溫度,允許聚合物回焊及確保該洞2為過填充。
參照第10圖,熱塑性可光成像聚合物13接著由本領域具通常知識者已知的傳統方法曝光和顯影,從而從洞2周邊外側區域實質地去除所有的聚合物13。所得的基板1具有過填充的洞2,過填充的洞2具有聚合物13的「帽」。
熱塑性可光成像聚合物13之最終固化(例如,UV固化)之後,基板1之前側表面3然後進行化學機械平坦化(CMP)從而去除聚合物13之帽且提供平坦的前側表面,如第11圖所示。有利的是,由於前面與結合第10圖所敘述的曝光及顯影步驟,聚合物13需要藉由CMP去除的量係相對的少。因此,CMP製程具有可接受的處理時間(例如,5分鐘或更少)、良好停止選擇性和最少CMP研磨墊的膠,其降低了消耗品的成本。
在第11圖中所示的所得基板1,該洞2被堵塞有熱塑性可光成像聚合物13。這個聚合物堵塞物係堅
固的且實質上沒有任何溶劑或空氣泡泡。此外,堵塞物之上表面15藉助最終平坦化製程與前側表面3共平面。堵塞的洞因此提供了用於後續前側MEMS處理步驟之理想基礎,例如噴墨噴嘴結構之製造。
參照第12至16圖,其示出本發明採用第一聚合物7及第二聚合物9的第三實施例,如上面結合第一實施例所描述。第12圖示出在熱塑性第一聚合物7之旋轉塗佈及回焊烤之後的基板1。與第一實施例相反,該洞2係以聚合物7過填充,一般使用兩或更多循環之旋轉塗佈及回焊烤。在回焊烤之後,基板1可曝光於氧化電漿以從前側表面3去除聚合物7。然而,這個步驟是可選擇的且第12圖顯示了其中在每一旋轉塗佈及回焊烤循環後沒有灰化的替代製程。
參照第13圖,可光成像第二聚合物9接著被旋轉塗佈在基板1上的熱塑性聚合物7之上。後續的第二聚合物9之遮罩的曝光及顯影從該洞2周圍外側之區域去除了第二聚合物。因此,如第14圖所示,包含第一聚合物和第二聚合物9之相對厚的聚合層設置在該洞2之上;以及包含第一聚合物7之相對薄的聚合層設置在該洞2周圍外側區域中前側表面3之剩餘部分之上。
參照第15圖,基板1接著曝光於受控氧化電漿(「灰化」)從而去除聚合材料之預定厚度。第一聚合
物7從該洞2周圍外側區域完全地去除以露出前側表面3。然而,因為相對厚的聚合層在灰化之前被設置在該洞2之上,在灰化步驟後聚合帽17保持在該洞之上,如第15圖所示。
最後,如第16圖中所示,前側表面進行化學機械平坦化(CMP)以去除聚合帽17,停止在前側表面3。根據第三實施例之製程有力地提供填充洞2之第一聚合物7之堵塞物。此外,第一聚合物7之堵塞物的上表面19與前側表面3共平面。
相比於第一實施例根據第三實施例之製程藉由避免任何第二聚合物9在最終堵塞的洞中是有利的。因此,任何出現在第二聚合物9中的溶劑或氣體泡泡(其可能成長在第一和第二聚合物之間的介面)避免在最終堵塞的洞。
本文敘述之第四實施例係最適合用於填充相對淺和/或低深寬比(例如,具有小於1:1之深寬比的洞和/或具有深度小於10微米或小於5微米的洞)。第17圖示出具有定義在其前側表面3中低深寬比洞21的矽基板1。
第18圖示出在旋轉塗佈傳統的可光成像聚合物23在前側表面3上隨後軟烤之後的基板1。可光成像聚合物23可以為本領域具通常知識者已知的任何合適的
類型,例如聚酰亞胺或光阻劑。
洞17有易地過填充聚合物23且接著聚合物後續藉由傳統曝光及顯影步驟從該洞周圍外側的區域去除。第19圖示出在聚合物23之曝光及顯影之後的基板1;洞17堵塞有聚合物且具有聚合材料帽從前側表面3突出。
可光成像聚合物23之最終固化之後,基板1之前側表面3然後進行化學機械平坦化(CMP)從而去除聚合物23之帽且提供平坦的前側表面,如第20圖所示。有利的是,由於前面結合第19圖所敘述的曝光及顯影步驟,聚合物23需要藉由CMP去除的量係相對的少。因此,CMP製程具有可接受的處理時間(例如,5分鐘或更少)、良好停止選擇性和最少CMP研磨墊的膠,其降低了消耗品的成本。
因此,聚合物23之堵塞物具有均勻的上表面25,其與前側表面3共平面。堵塞的洞因此提供用於後續前側MEMS製程步驟良好的基礎。
雖然上面結合第四實施例敘述的製程採用單一洞填充步驟,可以理解的是本領域具通常知識者可藉由多個階段填充洞,相同於US 7,923,379中敘述的製程。然而,想反於US 7,923,379中敘述的製程,根據第三實施例之製程過填充用於後續平坦化的洞(見第18和19圖)。
藉由完整性的方式,現在將描述透過利用上述的洞填充製程製造的噴墨噴嘴裝置。
參照第21及22圖,其示出噴墨噴嘴裝置10,噴墨噴嘴裝置包含主腔體12,主腔體12具有頂板14、底板16、及延伸於底板與頂板之間的周邊壁面18。第21圖顯示CMOS層20,其可包含複數個穿插以層間介電(ILD)層的金屬層。
於第21圖中,底板16被顯示為一透明層,從而露出每一噴嘴裝置10之細節。一般地,底板16包含例如二氧化矽或氮化矽的材料。
噴嘴裝置10的主腔體12包括發射腔體22及前腔體24。發射腔體22包括被定義在底板16中之噴嘴孔26、及呈接合至頂板14的電阻式加熱器元件28之形式的致動器。前腔體24包括在頂板14中所界定之主腔體入口30(「頂板入口30」)。主腔體入口30與前腔體24的端壁18B會合及局部重疊。此配置最佳化前腔體24之毛細管作用,藉此促進啟動注給及最佳化腔體再填充率。
擋板32分隔主腔體12,以定義發射腔體22及前腔體24。擋板32延伸於頂板14及底板16之間。
前腔體24經由一對發射腔體入口34與發射腔體22流體地相通,對發射腔體入口在其任一側面上位於擋板32的側面。每一發射腔體入口34係藉由延伸於擋板32的個別側面邊緣及周邊壁面18之間的間隙所定義。
噴嘴孔26係修長的,且採取橢圓之形式,橢圓具有一與加熱器元件的中心縱軸對齊的主軸。
加熱器元件28係在其每一端部藉由一或多個通孔37被連接至經過主腔體12之頂板14暴露的個別電極36。一般地,電極36被CMOS層20的上金屬層所定義。加熱器元件28可為由例如如鈦鋁合金、鈦鋁氮化物等所構成。於一實施例中,加熱器28可被塗覆以本領域具通常知識者已知的一或多個保護層。
通孔37可被填充以任何合適之導電材料(例如銅、鋁、鎢等等)以提供加熱器元件28及電極36間之電連接。用於形成由加熱器元件28至電極36的電極連接之合適製程被敘述於US 8,453,329中,其內容係以引用的方式併入本文中。
每一電極36之部份分別直接地定位在端壁18A及擋板32下方。此配置有利地改善裝置10之整個對稱性,以及使加熱器元件28從該頂板14剝離之風險減至最小。
如第21圖中最清楚地顯示,該主腔體12被定義於材料40的支撐層中,該材料藉由合適之蝕刻製程(例如,電漿蝕刻、濕式蝕刻、光刻等等)沈積於頂板14上。擋板32及該周邊壁面18係藉由此蝕刻製程同時地定義,其簡化整個MEMS製程。因此,擋板32及周邊壁面18係包含相同材料,該材料可為適用於列印頭的任何合適之可蝕刻的陶瓷或聚合物材料。一般地,材料為二
氧化矽或氮化矽。
列印頭100可包含複數個噴墨噴嘴裝置10。為了清楚表示,第21圖中之列印頭100的局部剖面圖僅只顯示二噴墨噴嘴裝置10。列印頭100被矽基板102定義,矽基板具有鈍化的CMOS層20及含有噴墨噴嘴裝置10之MEMS層。如第21圖所示,每一主腔體入口30與列印頭100的背側中所定義之墨水供給通道104會合。墨水供給通道104大致上比主腔體入口30更寬,且提供大量的墨水用於水合與其流體相通的每一主腔體12。每一墨水供給通道104與設置在列印頭100的前側之以一或多列噴嘴裝置10平行地延伸。一般地,按照US 7,441,865的第21B圖中所示之配置,每一墨水供給通道104將墨水供給至一對噴嘴列(為了清楚表示,僅一列被顯示在第21圖中)。
列印頭100可藉由建立含有噴墨噴嘴裝置10在具有第7圖所示的填滿的洞之晶圓基板上的MEMS層被製造。基板的平坦的前側表面3有利於前側MEMS製造製程。在前側MEMS製造步驟完成後,晶圓將從背側減薄且墨水供應通道104從背側蝕刻與堵塞的前側洞會合。最終,聚合物堵塞物(例如,聚合物7和9)從前側洞2藉由氧化灰化去除以定義主腔體入口30。
當然,其將被了解本發明已僅只當作範例被敘述,且詳細之修改可在本發明的範圍內被作成,其被界定在所附申請專利範圍中。
2‧‧‧洞
7、9‧‧‧聚合物
Claims (15)
- 一種用於填充定義在晶圓基板之表面的一或多個蝕刻洞的製程,該製程包含步驟:(i)沉積熱塑性第一聚合物層在該表面上及進入每個洞;(ii)回焊該第一聚合物;(iii)以受控氧化電漿曝光該晶圓基板從而露出該表面;(iv)選擇地重複步驟(i)至(iii);(v)沉積可光成像第二聚合物層從而以該第二聚合物過填充每個洞;(vi)從該些洞周邊外側的區域選擇性地去除該第二聚合物以提供過填充的洞,該選擇地去除包含該第二聚合物的曝光和顯影;以及(vii)平坦化該表面以提供填充有包含該第一和第二聚合物之堵塞物的一或多個洞,每個堵塞物具有與該晶圓基板之該表面共平面之相應的上表面,其中該第一和第二聚合物是不同的。
- 如申請專利範圍第1項所述之製程,其中每個洞具有至少10微米的深度。
- 如申請專利範圍第1項所述之製程,其中每一個洞具有深寬比大於1:1。
- 如申請專利範圍第1項所述之製程,其中該第一聚合物的黏性比該第二聚合物低。
- 如申請專利範圍第1項所述之製程,其中,在步驟(iii)中,該受控氧化電漿曝光係定時以去除該第一聚合物預定厚度。
- 如申請專利範圍第1項所述之製程,其中,在步驟(vii)中,該晶圓藉由化學機械平坦化(CMP)製程被平坦化。
- 如申請專利範圍第1項所述之製程,其中在步驟(vii)當下之前該洞過填充的程度小於約12微米。
- 如申請專利範圍第1項所述之製程,更包含額外的MEMS製程步驟。
- 如申請專利範圍第8項所述之製程,其中該額外的MEMS製程步驟建構噴墨噴嘴裝置在該晶圓基板之該平坦的表面上。
- 如申請專利範圍第9項所述之製程,其中每個噴嘴裝置包含與至少一洞流體連通之噴嘴腔體。
- 如申請專利範圍第10項所述之製程,其中每個噴嘴腔體之相應的入口由該些洞中的一個來定義。
- 如申請專利範圍第11項所述之製程,更包含晶圓薄化及墨水供應通道之背側蝕刻中的至少一者。
- 如申請專利範圍第12項所述之製程,其中每個墨水供應通道與一或多個洞會合。
- 如申請專利範圍第13項所述之製程,其中每個墨水供應通道比該一或多個洞相對地寬。
- 如申請專利範圍第14項所述之製程,更包含從 該些洞之該第一及第二聚合物的氧化去除。
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