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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Schlitzsubstrate, die bei
mikrofluidischen Vorrichtungen, wie z. B. Fluidausstoßvorrichtungen,
verwendet werden.
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Hintergrund
der Erfindung
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Im
Allgemeinen verwenden thermisch betätigte Druckköpfe Widerstands-
oder Heizelemente, um Fluid- oder Tintenausstoß zu erreichen. Ein repräsentativer
thermischer Tintenstrahldruckkopf weist eine Mehrzahl von Dünnfilmwiderständen auf, die
auf einem Halbleitersubstrat vorgesehen sind. Eine obere Schicht
definiert Abfeuerungskammern um jeden der Widerstände. Die
Ausbreitung eines Stroms oder eines „Abfeuerungssignals" durch den Widerstand
bewirkt, dass Tinte in einer entsprechenden Abfeuerungskammer erwärmt wird
und durch eine entsprechende Düse
ausgestoßen
wird.
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Bei
einigen Druckköpfen
wird Fluid durch einen Schlitz in dem Substrat zu der Abfeuerungskammer
geleitet. Bei einigen Ausführungsbeispielen
wird der Schlitz gebildet, während
das Substrat Teil eines Waferchips ist. Häufig werden Schlitze in dem
Waferchip durch nasschemisches Ätzen
des Substrats gebildet, beispielsweise mit Tetramethylammoniumhydroxid
(TMAH) oder Kaliumhydroxid (KOH). Die Ätzrate für alkalische Chemikalien unterscheidet
sich für
unterschiedliche kristalline Ebenen und daher wird die Ätzgeometrie
durch die Ausrichtung der kristallinen Ebenen definiert. Beispielsweise
führen
auf (100) Substraten TMAH-Ätztechniken
zu Ätzwinkeln, die
eine sehr breite Rückseitenschlitzöffnung bewirken.
Die breite Rückseitenöffnung begrenzt,
wie nahe zueinander die Schlitze auf dem Chip platziert werden können.
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Während der
Verarbeitung wird das Substrat häufig
mit Maskierungsfilmen oder Schichten beschichtet, die durch die Ätzmittel
im Wesentlichen nicht beeinträchtigt
werden. Diese Filme oder Schichten werden typischerweise als eine
Folge der erweiterten Ätzzeit
unterätzt.
Aufgrund dessen wird die Ätzzeit
häufig
sehr sorgfältig überwacht.
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Es
wird gewünscht,
Schlitze in einen Chip innerhalb bestimmter Abmessungstoleranzen
effizient zu ätzen,
während
die Anzahl von Schlitzen in dem Chip maximiert wird.
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Zusammenfassung
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Bei
einem Aspekt umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Schlitzsubstrats
das Bilden einer Maskierungsschicht über einer ersten Oberfläche eines
Substrats, und das Strukturieren und Ätzen der Maskierungsschicht,
um ein Loch durch dieselbe zu bilden. Die erste Schicht wird über der
Maskierungsschicht und in dem Loch aufgebracht. Die erste Schicht
wird strukturiert und geätzt,
um einen Stöpsel in
dem Loch zu bilden. Eine zweite Oberfläche des Substrats, die der
ersten Oberfläche
gegenüberliegt, wird
fortlaufend geätzt,
bis eine Unteroberfläche
des Stöpsels
im Wesentlichen freigelegt ist und ein Schlitz in dem Substrat im
Wesentlichen gebildet ist.
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Viele
der zugehörigen
Merkmale dieser Erfindung werden leichter offensichtlich, wenn dieselbe durch
Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung besser verständlich wird,
und in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet wird,
bei denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 stellt
eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Druckkassette
der vorliegenden Erfindung dar;
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2A stellt
eine Teilunteransicht eines Ausführungsbeispiels
des Druckkopfs von 1 dar, die durch den Abschnitt
2A-2A gezeigt ist;
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2B stellt
eine Querschnittsansicht des Druckkopfs von dem Abschnitt 2B-2B
von 2A dar;
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3 stellt
ein alternatives Ausführungsbeispiel
der Querschnittsansicht von 2B dar;
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4 stellt
ein Prozessflussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des Herstellungsprozesses
für ein
Schlitzsubstrat gemäß der vorliegenden
Erfindung dar;
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5 stellt
eine Querschnittsansicht des Substrats dar, nachdem einer der Schritte
in 4 abgeschlossen ist;
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6 und 7 stellen
eine Draufsicht und eine Querschnittsan- sicht des Substrats bei dem Schritt
dar, der dem in 5 dargestellten Schritt folgt;
und
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8 bis 11 stellen
Schritte nach dem in 7 dargestellten Schritt dar.
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Detaillierte
Beschreibung
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer Tintenstrahlkassette 10 mit
einem Druckkopf 14 eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung. 2A stellt eine Teilunteransicht
des Druckkopfs durch den Abschnitt 2A-2A von 1 dar. 2B stellt
eine Querschnittsansicht des Druckkopfs dar, wo ein Dünnfilmstapel über ein
Substrat 102 aufgebracht ist. Eine Schlitzregion 126,
die geneigte Grabenwände 128 aufweist,
ist in dem Substrat 102 definiert. Bei einem Ausführungsbeispiel
wird der Schlitz 126 unter Verwendung der vorliegenden Erfindung
mit einer Abmessungssteuerung innerhalb eines Mikrometers geätzt. Bei
einem alternativen Ausführungsbeispiel
ermöglicht
es die Verwendung dieses Ausführungsbeispiels,
dass eine höhere
Dichte von Schlitzen in einem bestimmten Chip geätzt wird.
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Wie
es bei dem Ausführungsbeispiel
von 2A und 2B gezeigt
ist, sind zumindest die folgenden Schichten auf dem Substrat 102 gebildet oder
aufgebracht: eine Abdeckungsschicht 104, eine Widerstandsschicht 107,
eine leitfähige
Schicht 108, eine Passivierungsschicht 110, eine
Kavitationsbarriereschicht 111 und eine Barriereschicht 112.
Der Dünnfilmstapel
wird strukturiert und geätzt,
um Widerstände
der Widerstandsschicht, leitfähige
Spuren der leitfähigen
Schicht und eine Abfeuerungskammer 130 in der Barriereschicht
zu bilden. Bei einem Ausführungsbeispiel
definiert die Barriereschicht 112 die Abfeuerungskammer 130 und
eine Düsenöffnung 132,
die der Abfeuerungskammer zugeordnet ist, durch die das Fluid ausgestoßen wird.
Die Ausbreitung eines Stroms oder eines „Abfeuerungssignals" durch einen Widerstand
bewirkt, dass das Fluid in der Abfeuerungskammer 130 erwärmt wird
und durch die Düsenöffnung 132 ausgestoßen wird.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist eine Öffnungsschicht (nicht
gezeigt) mit den Öffnungen 132 über der
Barriereschicht 112 aufgebracht.
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Wie
es in 2A und 2B gezeigt
ist, sind die geneigten Grabenwände 128 des
Schlitzes 126 unter den Reihen von Abfeuerungskammern und ihren
entsprechenden Widerständen
und Öffnungen des
Druckkopfs gebildet. Die Abdeckungsschicht 104 koppelt
die Grabenwände 128 an
einem schmaleren Schlitzabschnitt, wie es in 2A gezeigt
ist.
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Ein
Kanal 129 ist als ein Loch oder Fluidzuführschlitz
durch die Abdeckungsschicht 104 und den Rest des Dünnfilmstapels
gebildet. Der Kanal 129 koppelt die Abfeuerungskammer 130 und
den Schlitz 126 fluidisch, so dass Fluid über den
Kanal 129 durch den Schlitz 126 und in die Abfeuerungskammer 130 fließt. Bei
einem Ausführungsbeispiel
sind Eingänge in
die Kanäle 129 im
Wesentlichen rechteckig und im Wesentlichen parallel zueinander
entlang der Abdeckungsschicht 104, wie es in 2A gezeigt
ist. Bei einem Ausführungsbeispiel
führt jeder
Kanal 129 von dem Schlitzsubstrat zu der entsprechenden
Abfeuerungskammer 130 durch den Dünnfilmstapel.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel,
wie es in 2A gezeigt ist, koppeln zumindest
zwei der Kanäle 129 das
Schlitzsubstrat fluidisch mit einer einzigen Abfeuerungskammer 130.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
werden die Kanäle 129 als
ein Filter verwendet, so dass, falls ein Teilchen in einem der Kanäle 129 gefangen
wird, die Abfeuerungskammer 130 mit Fluid arbeitet, das
durch einen anderen der Kanäle 129 geliefert
wird, der fluidisch mit dieser Abfeuerungskammer gekoppelt ist.
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Bei
einem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel
wird der Schlitz 126 gebildet, nachdem der Dünnfilmstapel
auf der Vorderseite des Substrats aufgebracht ist. Nachdem die Dünnfilmschichten 104, 107, 108, 110, 111 gebildet
sind, wird eine Vorderseitenschutz- (oder Stöpsel-) Schicht 106 in
dem Kanal 129 aufgebracht. Die Schicht 112 wird
dann darüber
gebildet. Dann wird der Schlitz 126 geätzt, wie es in 3 gezeigt
ist. Nachdem der Schlitz gebildet ist, wird die Schicht 106 von
dem Kanal 129 entfernt, mit einem BOE (gepuffertem Oxid-Ätzen), wie
es nachfolgend näher
beschrieben ist. Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel wird kein zusätzliches Ätzen des
Schlitzes durchgeführt,
nachdem der Stöpsel
entfernt ist.
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Bei
dem mit Bezug auf 4 und 5 bis 11 gezeigten
Ausführungsbeispiel
ist zumindest eine Schicht auf dem Substrat 102 gebildet,
wenn das Substrat geätzt
wird und der Schlitz 126 gebildet wird. Der Einfachheit
halber ist die zumindest eine Schicht, die auf dem Substrat gebildet
ist, als die Abdeckungsschicht 104 gezeigt. Die Schicht 104 maskiert
das Substrat 102, um unbeabsichtigtes Ätzen des Substrats zu verhindern.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die eine Schicht 104 begrenzt.
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung umfassen das Aufweisen jeder Anzahl und
Art von Schicht, die über
dem Substrat aufgebracht ist, abhängig von der Anwendung, für die das
Schlitzsubstrat zu verwenden ist. Beispiele solcher zusätzlichen Schichten
sind hierin beschrieben. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel werden zusätzliche
Schichten über
dem Substrat aufgebracht, nachdem der Schlitz gebildet ist (und
der Vorderseitenschutz 106 entfernt ist).
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Bei
dem in dem Flussdiagramm von 4 beschriebenen
Ausführungsbeispiel
ist das Schlitzsubstrat gebildet, wie es in 5 bis 11 dargestellt
ist. Bei einem Ausführungsbeispiel,
wie es bei Schritt 200 gezeigt ist, ist eine erste Abdeckungsschicht 104 über einer
oberen Oberfläche
des Substrats 102 aufgebracht oder aufgewachsen. Bei diesem
Ausführungsbeispiel
ist die Abdeckungsschicht 104 ein FOX (Feldoxid) und das
Substrat 102 ist ein Siliziumwafer. Bei einem Schritt 210 wird
die FOX-Schicht strukturiert und geätzt, um ein Loch durch die
FOX-Schicht 104 und teilweise in das Substrat 102 zu
bilden. Das Loch definiert eine Region 122 (siehe 5).
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel
ist die Region 122 das Loch der Abdeckungsschicht 104 und
erstreckt sich nicht über
die Abdeckungsschicht 104 in das Substrat.
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Wie
es in 5 gezeigt ist und bei Schritt 220 von 4 beschrieben
ist, ist die Vorderseitenschutz- (FSP-) Schicht 106 über der
Abdeckungsschicht 104 und in der Region 122 aufgebracht.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die FSP-Schicht 106 TEOS (Tetraethylorthosilikat).
Bei einem Ausführungsbeispiel
ist das Verfahren für
die Aufbringung von TEOS CVD. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist die FSP-Schicht 106 zumindest entweder Siliziumdioxid,
Silan-basiertes Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Feldoxid, Siliziumkarbid
und Siliziumoxidnitrid. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Aufbringungsverfahren
PECVD. Bei einem Ausführungsbeispiel
neigt sich in dem Bereich der Region 122 eine obere Oberfläche der FSP-Schicht 106 nach
unten hin zu dem Substrat 102.
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Wie
es in 6 und 7 gezeigt ist und bei Schritt 230 von 4 beschrieben
ist, ist die FSP-Schicht 106 strukturiert und geätzt, um
einen Stöpsel
in der Region 122 zu bilden. Bei einem Ausführungsbeispiel
ist der Stöpsel
länglich
und erstreckt sich über
die Schicht 104, die im Wesentlichen der Region 122 folgt.
Bei den gezeigten Ausführungsbeispiel
erstrecken sich Ränder
des Stöpsels über die Abdeckungsschicht 104. 6 zeigt
eine Draufsicht eines Teils des beschichteten Substrats mit den
Stöpseln
der FSP-Schicht 106 (wo die Fluidzuführkanäle 29 zu bilden sind,
während 2A die
Fluidzuführkanäle 29 von
unten darstellt). Bei einem Ausführungsbeispiel
sind die Stöpsel
im Wesentlichen in zumindest entweder Zeilen oder Spalten ausgerichtet.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel
sind die Stöpsel im
Wesentlichen nicht mit anderen Stöpseln in dem Substrat ausgerichtet.
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Wie
es in 8 gezeigt ist und bei Schritt 240 von 4 beschrieben
ist, ist eine zweite Abdeckungsschicht 104 auf einer Unteroberfläche (oder Rückseite)
des Substrats gegenüber
der oberen Oberfläche
strukturiert und geätzt.
Bei Schritt 240 eines Ausführungsbeispiels entspricht
der geätzte
Bereich der zweiten Abdeckungsschicht der Region 122 an
der Vorderseite des Substrats und ist mit derselben ausgerichtet.
Der geätzte
Bereich der zweiten Abdeckungsschicht entspricht auch einem Unterbereich
des Schlitzes 126, der bei dem einen Ausführungsbeispiel
durch das Sub strat zu ätzen
ist, und definiert denselben, wie es nachfolgend näher beschrieben
ist. Bei einem Ausführungsbeispiel
ist die zweite Abdeckungsschicht 104 strukturiert und geätzt, um
die Rückseite
des Substrats, die der Region 122 gegenüber liegt, freizulegen. Bei
einem Ausführungsbeispiel,
wo der zu bildende Schlitz im Wesentlichen sich verjüngende Wände aufweist,
hat die freigelegte Rückseite
des Substrats eine sehr viel größere Querschnittsfläche als
die Region 122.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
wird die zweite Abdeckungs- (oder Maskierungs-) Schicht 104 auf
der Rückseite
des Substrats gebildet, strukturiert und geätzt, mit dem Bilden, Strukturieren
und Ätzen
der Abdeckungsschicht 104 auf der Vorderseite des Substrats
bei den Schritten 200 und 210. Bei einem Ausführungsbeispiel
ist die zweite Abdeckungsschicht vom gleichen Material wie die erste Abdeckungsschicht.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen
sind die erste und zweite Abdeckungsschicht unterschiedliche Materialien
und die zweite Abdeckungsschicht ist ein Material, das nachfolgend als
ein alternatives Abdeckungsschichtmaterial erörtert wird.
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Wie
es bei Schritt 250 von 4 beschrieben
wird, und in 8 bis 10 gezeigt
ist, wird der Schlitz oder Graben 126 von der Rückseite
des Substrats geätzt,
beginnend an dem freigelegten Bereich (der Bereich, der durch die
zweite Abdeckungsschicht 104 nicht maskiert ist). Bei einem
Ausführungsbeispiel
wird das Substrat mit TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid) geätzt. Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
wird das Substrat mit Kaliumhydroxid (KOH) oder einem anderen alkalinen Ätzmittel geätzt. Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist das Substrat ein Siliziumwafer mit <100> Ausrichtung,
so dass der Wafer bei einem Winkel von etwa 54,7 Grad mit der Vorder-
und Rückseite
(obere und untere Oberfläche)
des Substrats geätzt
wird. Der Schlitz 126 beginnt an dem freigelegten Bereich
und erweitert sich als eine im Wesentlichen pyramidenförmige Form (mit
Wänden
bei einem Winkel von etwa 54,7 Grad), bis eine Spitze der Pyramidenform
den Stöpsel
der FSP-Schicht 106 erreicht, wie es in 8 gezeigt
ist. Allgemein dehnt sich der Schlitz 126 mit zunehmender Ätzzeit in
der Querschnittsfläche
in dem Substrat aus.
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Wie
es in 9 gezeigt ist, ist der Wafer mit einem weiteren
Schritt von 8 geätzt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
beginnt der Schlitz auf das Erreichen des Stöpsels in 8 hin,
sich entlang der FSP-Schicht auszudehnen, zu einer im Wesentlichen
abgeschnittenen Pyramidenform. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Ätzrate entlang
der FSP/Substrat-Grenzfläche
größer als
die Ätzrate
des Substrats allein und viel größer als
die FSP-Schicht allein.
Bei einem Ausführungsbeispiel
ist die FSP/Substrat-Grenzflächen-Ätzrate größer als
etwa zwei Mal die Ätzrate
des Substrats vor dem Durchbruch. Bei einem Ausführungsbeispiel wird dieses schnellere Ätzen entlang
dieser FSP/Substrat-Grenzfläche
als „Rückätzen" bezeichnet. Aufgrund
dieses „Rückätzens" wird das Substrat
entlang der Grenzfläche
geätzt,
um Schlitzwände
zu bilden, die nicht wesentlich abgewinkelt sind (insbesondere im
Vergleich zu dem Winkel a) in einem oberen Abschnitt des Substrats,
wie es bei dem Prozessschritt von 9 gezeigt
ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel
dehnen sich die geneigten Wände
in dem Unterabschnitt des Substrats in einer Querschnittsfläche während dem Ätzen weiter
aus, bleiben aber bei einem Winkel a von etwa 54,7 Grad, während sich
dieselben ausdehnen. In der Tat richten sich die nassgeätzten Gräben bei
diesem Ausführungsbeispiel schnell
mit Rändern
der Vorderseitenschutzstrukturen aus. Bei einem Ausführungsbeispiel ätzen die Wände in dem
Unterabschnitt des Substrats bei einer schnelleren Rate als die
Wände in
dem oberen Abschnitt. Außerdem
wird bei einem Ausführungsbeispiel
die FSP-Schicht 106 ebenfalls geätzt, aber ebenfalls bei einer
langsameren Rate als das Substrat geätzt wird.
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Bei 10 ist
der Wafer mit einem weiteren Schritt von 9 geätzt. Wie
es in 10 gezeigt ist, sind bei dem
oberen Abschnitt des Schlitzes die Wände mit einem Winkel a geneigt
und in dem unteren Abschnitt des Schlitzes sind die Wände ebenfalls in
einem Winkel a geneigt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwischen
den geneigten Wänden
des oberen und unteren Abschnitts Mittelwände, die die im Wesentlichen
abgeschnittenen pyramidenartigen Formen koppeln. Bei einem Ausführungsbeispiel
sind diese koppelnden Mittelwände
im Wesentlichen gerade. In der Tat hielt bei diesem Ausführungsbeispiel
die zweite Abdeckungs- (oder Maskierungs-) Schicht 104 die
koppelnden Mittelwände
sowie die Wände
in dem unteren Abschnitt wesentlich davon ab, sich zu der im Wesentlichen
pyramidenartigen Form zu erweitern, wie es nachfolgend näher beschrieben
ist.
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Beim
Bilden des in 10 gezeigten Schlitzes in dem
oberen Abschnitt beginnt das Substrat damit, bei dem Winkel a in
der abgeschnittenen Pyramidenform zu ätzen, auf das Freilegen der
Abdeckungsschicht an einer Abdeckungs/Substratgrenzfläche hin.
Da sich die Querschnittsfläche
des Schlitzes am oberen Abschnitt erhöht, dehnen sich die Schlitzwände 128 entlang
dem unteren Abschnitt des Substrats ebenfalls aus und neigen dazu,
die im Wesentlichen pyramidenartige Form durch den gesamten Schlitz
zu bilden. Bei diesem Ausführungsbeispiel
sind die Wände
entlang dem Unterabschnitt des Substrats jedoch im Wesentlichen
nicht in der Lage, sich weit über
die Ränder
der zweiten Abdeckungs- (oder Maskierungs-) Schicht 104 hinaus
auszudehnen. Bei einem Ausführungsbeispiel
hindern die langsame Ätzrate
der Maskierungsschicht und eine Tendenz, den Winkel a der Wände an dem
unteren Abschnitt beizubehalten, den Schlitz 126 im Wesentlichen
daran, sich über
die Maskierungsschichtgrenzen hinaus auszudehnen.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
werden die zweite Abdeckungsschicht 104, die FSP-Schicht 106,
und die erste Abdeckungsschicht 104 alle bei einer sehr
viel langsameren Rate geätzt
als das Substrat. Bei einem Ausführungsbeispiel
ist die Ätzrate entlang
der Abdeckungs/Substratgrenzfläche
größer als
die Ätzrate
des Substrats allein und viel größer als die
Abdeckungsschicht allein. Bei einem Ausführungsbeispiel wird das Ätzen angehalten,
wenn die Form des Schlitzes den erreicht, wie es in 10 gezeigt
ist. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel wird
das Substrat für
eine ausreichend lange Periode geätzt, und/oder die zweite Abdeckungs-
(oder Maskierungs-) Schicht 104 wird maskiert, so dass
der pyramidenförmige
Schlitz gebildet wird. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Maskierungsschicht
(oder zweite Abdeckungsschicht) strukturiert, um zu verhindern,
dass die erste Abdeckungsschicht 104 in unerwünschten
Bereichen unterätzt
wird.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist der Kanaleingang 129 für das Fluid nicht in der Mitte
des Schlitzes 126 (siehe beispielsweise 2A, 2B und 6).
Das Schlitzsubstrat ist im Wesentlichen gleich gebildet, unabhängig davon,
ob der Eingang 129 zentral angeordnet ist oder von der
Mitte versetzt ist, aufgrund des „Rückätzens", das mit Bezug auf 9 beschrieben
ist. Insbesondere in dem Fall, in dem die Rückseitenmaskierungsschicht 104 nicht genau
gegenüber
dem Stöpsel
ausgerichtet ist, und selbst wenn der Winkel des geätzten (100)
Substrats berücksichtigt
wird, ist das Schlitzsubstrat nach wie vor im Wesentlichen so gebildet,
wie es in 4 bis 11 gezeigt
ist und oben beschrieben ist. In der Tat wird der Stöpsel verwendet,
um den Graben mit dem Loch auszurichten, das in der Region 122 der Maskierungsschicht 104 auf
der Vorderseite des Substrats gebildet ist. Als eine Folge dieses
automatischen Ausrichtens des Grabens mit dem Loch an der Vorderseite
entsprechen Abmessungen des Lochs (oder der Öffnung des Kanals 129)
im Wesentlichen den Abmessungen des Stöpsels.
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Nachdem
der Schlitz durch das Substrat bricht und Grenzflächen mit
der FSP und/oder Abdeckungsschichten gebildet werden, ätzt das
Substrat bei einem Ausführungsbeispiel zuerst
schnell entlang der FSP/Substratgrenzfläche, dann entlang der Abdeckungs-/Substratgrenzfläche. Jede
der benachbarten (und im Wesentlichen parallelen) FSP/Substratgrenzflächen (siehe 2A und 6) ätzen, um die
im Wesentlichen abgeschnittenen pyramidenförmigen Schlitzwände zu bilden.
Schließlich,
nach dem Ätzen
für eine
gewisse Zeit, überlappen
die pyramidenförmigen
Schlitze von jeder der FSP/Substratgrenzflächen. Nachdem dieselben überlappen,
vereinigen sich die Schlitze schnell und dehnen sich zu ihren neuen
Grenzen aus, und werden schließlich
zu einem großen
abgeschnittenen pyramidenförmigen Schlitz 126 (siehe 2A).
Bei einem Ausführungsbeispiel,
während
sich die Schlitze überlappen
und ausdehnen, werden auch die Abdeckungs/Substratgrenzflächen zwischen
den FSP/Substratgrenzflächen
schnell geätzt.
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Bei
einer bestimmten Einzelheit dieses Ausführungsbeispiels sind die Schlitzwände 128,
während
sich die Schlitze verbinden, und der eine große Schlitz 126 gebildet
wird, noch nicht ausgerichtet, aufgrund einer Staffelung der Regionen 122 (siehe 6).
Jede der Wände 128 des
einen großen Schlitzes
hat jedoch die Neigung, sich schließlich mit den anderen in dem
Substrat auszurichten und dadurch einen Gleichgewichtszustand der
abgeschnittenen Pyramidenform zu erreichen. Folglich ätzen die
Abdeckungs/Substratgrenzflächen,
die die Regionen 122 (oder FSP/Substratgrenzflächen von 2A)
umgeben, zurück,
um die Schlitzwände 128 miteinander
auszurichten. Bei diesem Ausführungsbeispiel
richten sich die Wände 128 im
Wesentlichen miteinander aus, weil die Ätzrate der Abdeckungs/Substratgrenzfläche größer ist
als die für
das Substrat, insbesondere wenn der Schlitz danach strebt, den Gleichgewichtszustand
zu erreichen.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist der Schlitz durch den Wafer für einen Wafer mit einer Dicke
von etwa 625 Mikrometer im Wesentlichen innerhalb von 12 Stunden
gebildet, und der TMAH-Prozess im Wesentlichen abgeschlossen. Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
wird der Schlitz durch den 625-Mikrometer-Wafer im Wesentlichen
in 11 1/2 Stunden gebildet. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird
der Schlitz zwischen etwa 10 1/2 und 12 Stunden gebildet, abhängig von
der Größe des Wafers und
der Größe des gewünschten
Schlitzes. Die Zeit für „Rückätzen" Siliziumwafer mit
niedriger BDD (Roh-Defekt-Dichte) liegt zwischen etwa 1/2 und 1 Stunde.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
hat die Region 122 eine Breite, die von etwa 40 Mikrometer
bis etwa 120 Mikrometer reicht, abhängig von dem verwendeten Substrat
und den verwendeten Prozessen. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Breite
der Region 122 etwa 80 bis 110 Mikrometer. Wie es bei Schritt 260 von 4 beschrieben
ist, und bei 11 dargestellt ist, wird die
FSP-Schicht 106 oder der Stöpsel von der Region 122 entfernt.
Bei einem Ausführungsbeispiel
wird TEOS mit gepuffertem Oxidätzmittel
(BOE) entfernt. Das BOE ist eine Mischung aus Fluorwasserstoffsäure und
Ammoniumfluorid. Das Ätzmittel
ist wässrig
und kann jede Mischungsstärke der
beiden Hauptbestandteile haben. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist die fluorwasserstoffsaure Lösung
verdünnt.
Bei einem Ausführungsbeispiel
ist der BOE-Prozess im Wesentlichen in etwa 10 Minuten abgeschlossen.
Der BOE-Prozess kann jedoch auch in lediglich 5 Minuten abgeschlossen sein.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist das Substrat 102 ein monokristalliner Siliziumwafer.
Bei einem Ausführungsbeispiel
hat der Substratwafer eine niedrige BDD (geringe Anzahl von Störstellen
in dem Siliziumkristallgitter). Der Wafer hat etwa 525 Mikrometer
Dicke für
einen Vier-Zoll-Durchmesser
oder etwa 625 Mikrometer Dicke für
einen Sechs-Zoll-Durchmesser.
Bei einem Ausführungsbeispiel
ist das Siliziumsubstrat p-Typ, leicht dotiert auf etwa 0,55 Ohm/cm.
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Bei
einem alternativen Ausführungsbeispiel kann
das Anfangssubstrat Glas, ein Halbleitermaterial, eine Metallmatrixzusammensetzung
(MMC), eine Keramikmatrixzusammensetzung (CMC), eine Polymermatrixzusammensetzung
(PMC) oder ein Sandwich-Si/xMc sein, wobei das x-Füllmaterial
nach der Vakuumverarbeitung aus der zusammengesetzten Matrix geätzt wird.
Die Abmessungen des Anfangssubstrats können variieren, wie es durch
einen Fachmann auf diesem Gebiet bestimmt wird.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
bedeckt die Schicht 104 das Substrat und dichtet dasselbe
ab und liefert dadurch eine Barriereschicht. Alternativ oder zusätzlich isoliert
die Abdeckungsschicht 104 das Substrat 102 elektrisch.
Die Abdeckungsschicht 104 kann aus einer Vielzahl unterschiedlicher
Materialien gebildet sein, wie z. B. Siliziumdioxid, Aluminiumoxid,
Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Glas (PSG) und/oder einem elektrisch
isolierenden Dielektrikmaterial. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Abdeckungsschicht 104 eine
thermische Barriereschicht. Die Abdeckungsschicht kann unter Verwendung
einer Vielzahl von Verfahren gebildet werden, die Fachleuten auf
diesem Gebiet bekannt sind, wie z. B. thermisches Aufwachsen der
Schicht, Sputtern, Aufdampfen und plasmaunterstützte chemische Aufdampfung
(PECVD). Die Dicke der Abdeckungsschicht kann jede gewünschte Dicke
sein, die ausreichend ist, um das Substrat abzudecken und abzudichten.
Allgemein hat die Abdeckungsschicht eine Dicke von bis zu etwa 1
bis 2 Mikrometer.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist die Schicht 104 ein phosphordotiertes (n+) Siliziumdioxid-Zwischendielektrik-Isolations-Glasschicht
(PSG), die durch PECVD-Techniken aufgebracht ist. Allgemein hat
die PSG-Schicht eine Dicke von bis zu etwa 1 bis 2 Mikrometer. Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist diese Schicht etwa 0,5 Mikrometer dick und bildet den Rest der
Oxid-Unterschicht des thermischen Tintenstrahlheizelementwiderstands.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist der Dickebereich etwa 0,7 bis 0,9 Mikrometer.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist die Abdeckungsschicht 104 Feldoxid (FOX), das thermisch
auf dem freigelegten Substrat 102 aufgewachsen wird. Bei
einem Ausführungsbeispiel wächst der
Prozess das FOX in das Siliziumsubstrat und bringt dasselbe darauf
auf, um eine Gesamttiefe von etwa 1,3 Mikrometer zu bilden. Weil
die FOX-Schicht das Silizium von dem Substrat zieht, wird zwischen
der FOX-Schicht
und dem Substrat eine starke chemische Verbindung hergestellt.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
wird die Widerstandsschicht 107 gebildet durch Aufbringen
von Widerstandsmaterial über
der Schicht 104. Bei einem Ausführungsbeispiel werden Sputter-Aufbringungstechniken
verwendet, um eine Widerstandsmaterialschicht aus einer Tantal-Aluminiumzusammensetzung
aufzubringen. Die Zusammensetzung hat einen Widerstandswert von
etwa 30 Ohm/Quadrat. Typischerweise hat die Schicht, die den Widerstand
bildet, eine Dicke in dem Bereich von etwa 500 Angström bis 2.000
Angström.
Widerstandsschichten mit Dicken außerhalb dieses Bereichs liegen
jedoch ebenfalls innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung.
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Eine
Vielzahl von geeigneten Widerstandsmaterialien sind für Fachleute
auf diesem Gebiet bekannt, einschließlich Tantal-Aluminium, Nickel-Chrom,
Wolfram-Siliziumnitrid und Titannitrid, die optional mit geeigneten
Unreinheiten dotiert sein können,
wie z. B. Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff, um die Widerstandsfähigkeit
des Materials einzustellen. Das Widerstandsmaterial kann durch jedes geeignete
Verfahren aufgebracht werden, wie z. B. Sputtern und Aufdampfen.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist die leitfähige
Schicht 108 gebildet durch Aufbringen von leitfähigem Material über der
Widerstandsschicht 107. Das leitfähige Material ist aus zumindest
einem einer Vielzahl unterschiedlicher Materialien gebildet, einschließlich Aluminium,
Aluminium mit etwa 1/2 % Kupfer, Kupfer, Gold und Aluminium mit
1/2 % Silizium und kann durch jedes Verfahren, wie z. B. Sputtern
und Aufdampfung, aufgebracht werden. Allgemein hat die leitfähige Schicht
eine Dicke von bis zu etwa 1 bis 2 Mikrometer. Bei einem Ausführungsbeispiel
wird Sputteraufbringung verwendet, um eine Aluminiumschicht auf
eine Dicke von etwa 0,5 Mikrometer aufzubringen. Die leitfähige Schicht 108 und die
Widerstandschicht 107 werden strukturiert und geätzt, um
Widerstände
und leitfähige
Spuren zu bilden.
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Wie
es bei dem Ausführungsbeispiel
von 2 gezeigt ist, ist die isolierende
Passivierungsschicht 110 über den Widerständen und
Leiterbahnen gebildet, um elektrisches Laden des Fluids oder Korrosion
der Vorrichtung zu verhindern, in dem Fall, dass ein elektrisch
leitfähiges
Fluid verwendet wird. Die Passivierungsschicht 110 kann
aus jedem geeigneten Material gebildet werden, wie z. B. Siliziumdioxid,
Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid und Glas, und durch
jedes geeignete Verfahren, wie z. B. Sputtern, Aufdampfung und PECVD.
Allgemein hat die Passivierungsschicht eine Dicke von bis zu etwa 1
bis 2 Mikrometer.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
wird ein PECVD-Prozess verwendet, um eine zusammengesetzte Siliziumnitrid/Siliziumkarbidschicht 110 aufzubringen,
damit dieselbe als Komponentenpassivierung dient. Die Passivierungsschicht 110 hat
eine Dicke von etwa 0,75 Mikrometern. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel
ist die Dicke etwa 0,4 Mikrometer. Die Oberfläche der Struktur wird maskiert
und geätzt,
um Durchgangslöcher
für Metallzwischenverbindungen
zu erzeugen.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
wird die Kavitationsbarriereschicht 111 über der
Passivierungsschicht 110 hinzugefügt. Die Kavitationsbarriereschicht 111 trägt dazu
bei, die Kraft der zusammenfallenden Antriebsblase zu dissipieren,
die beim Auftreten jedes ausgestoßenen Fluidtropfens von der Abfeuerungskammer 130 übrig ist.
Allgemein hat die Kavitationsbarriereschicht eine Dicke von bis
zu etwa 1 bis 2 Mikrometer. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Kavitationsbarriereschicht
Tantal. Die Tantalschicht 111 ist etwa 0,6 Mikrometer dick
und dient als eine Passivierungs-, Antikavitations- und Haftschicht. Bei
einem Ausführungsbeispiel
absorbiert die Kavitationsbarriereschicht Energie weg von dem Substrat während der
Schlitzbildung. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist Tantal ein festes dehnbares Material, das in der Beta-Phase
aufgebracht wird. Die Kernstruktur des Materials ist derart, dass
die Schicht die Struktur auch unter Druckspannung setzt. Die Tantalschicht
wird schnell sputter-aufgebracht und hält dadurch die Moleküle in der
Schicht in Position. Falls die Tantalschicht jedoch gehärtet wird,
wird die Druckspannung beseitigt.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist die obere (oder Barriere-) Schicht 112 über der
Kavitationsbarriereschicht 111 aufgebracht. Bei einem Ausführungsbeispiel
hat die Barriereschicht eine Dicke von bis zu etwa 20 Mikrometer.
Bei einem Ausführungsbeispiel
besteht die Barriereschicht 112 aus einem schnellen Vernetzungspolymer,
wie z. B. photobelichtbarem Epoxid (wie z. B. SU8, entwickelt von IBM),
photobelichtbarem Polymer oder photoempfindlichem Silikondielektrika,
wie z. B. SINR-3010, hergestellt von ShinEtsuTM.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
besteht die Barriereschicht 112 aus einem organischen Polymerkunststoff,
der gegenüber
der korrosiven Wirkung von Tinte im Wesentlichen träge ist.
Kunststoffpolymere, die für
diesen Zweck geeignet sind, umfassen Produkte, die unter dem Warenzeichen VACREL
und RISTON von E.I. DuPont de Nemours und Co. aus Wilmington, Del.
verkauft werden. Die Barriereschicht 112 hat eine Dicke
von etwa 20 bis 30 Mikrometer. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist über der
Barriereschicht 112 eine Öffnungsplatte aufgebracht.