DE69730667T2

DE69730667T2 - Verfahren zur Herstellung eines Durchgangslochs, Gebrauch dieses Verfahrens zur Herstellung eines Slikonsubstrates mit einem solchen Durchgangsloch oder eine Vorrichtung mit diesem Substrat, Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahl-Druckkopfes und Gebrauch dieses Verfahrens zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes

Info

Publication number: DE69730667T2
Application number: DE69730667T
Authority: DE
Inventors: Takayuki Ohta-ku Yagi; Junichi Ohta-ku Kobayashi; Yasushi Ohta-ku Kawasumi; Genzo Ohta-ku Momma; Kenji Ohta-ku Makino; Kei Ohta-ku Fujita; Yasushi Ohta-ku Matsuno; Yukihiro Ohta-ku Hayakawa; Masahiro Ohta-ku Takizawa
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-11-11
Filing date: 1997-11-10
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2017-11-11
Also published as: DE69730667D1; EP0841167A3; DK0841167T3; EP0841167B1; EP0841167A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches in einem Siliciumwafer, die Anwendung des erwähnten Verfahrens zur Herstellung eines Substrats, das angewendet wird, um ein Durchgangsloch herzustellen, oder einer Vorrichtung bzw. eines Bauelements, bei dem so ein Substrat verwendet wird, ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes und die Anwendung des erwähnten Verfahrens zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes.
In den letzten Jahren sind auf dem Fachgebiet der Mikromechanik Forschungs- und Entwicklungsarbeiten mit dem Ziel der Verwirklichung einer Mikromaschine mit einem ultrakleinen beweglichen Mechanismus durchgeführt worden. Besonders das Verfahren der Bildung einer Mikrostruktur auf einem Einkristall-Siliciumsubstrat unter Anwendung der integrierten Ηalbleiterschaltkreistechnik (Halbleiter-Photolithographieverfahren) ist in der Hinsicht vielversprechend, dass auf dem Substrat mit hoher Reproduzierbarkeit eine Vielzahl von ultrakleinen mechanischen Bauelementen hergestellt werden kann. Dieses Verfahren erlaubt die Herstellung einer Vielzahl solcher ultrakleinen mechanischen Bauelemente in Form einer regelmäßigen Anordnung oder Matrix mit verminderten Kosten. Ferner kann eine Verminderung der Größe von Bauelementen im Vergleich zu der herkömmlichen mechanischen Struktur zu einer hohen Ansprechgeschwindigkeit führen. Auf dem Fachgebiet der Mikromechanik, die auf dem Halbleiter-Photolithographieverfahren basiert, ist die Volumenmikrabearbeitung ein Verfahren von entscheidender Bedeutung zur Herstellung eines hochgenauen Durchgangsloches, das angewendet wird, um einen Dünnschicht-Cantilever bzw. -Federbalken oder eine Düse zu verwirklichen. Das Volumenmikrobearbeitungsverfahren basiert auf dem Verfahren des Ätzens eines Siliciumsubstrats durch einen von der Kristallorientierung abhängigen anisotropen Ätzvorgang, bei dem (111)-Kristalloberflächen mit einer anderen Geschwindigkeit geätzt werden als andere Kristalloberflächen. Das Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches durch Ätzen eines Siliciumsubstrats von seiner Rückseite her durch einen von der Kristallorientierung abhängigen anisotropen Ätzvorgang ist brauchbar, um auf der Oberfläche des Substrats verschiedene Vor richtungen bzw. Bauelemente wie z. B. einen Cantilever und ein Mikroventil herzustellen, weshalb eingehende Forschungs- und Entwicklungsarbeiten mit dem Ziel der Verwirklichung verschiedener Vorrichtungen bzw. Bauelemente unter Anwendung dieses Verfahrens durchgeführt werden.
Eine bekannte Vorrichtung, bei der ein Cantilever bzw. Federbalken angewendet wird, ist eine Cantilever- bzw. Federbalkensonde, die in einem Rastersondenmikroskop (nachstehend auch als RSM bezeichnet) angewendet wird. Das Aufkommnen von Rastertunnelmikroskopen, mit denen Elektronenstrukturen von Atomen an der Oberfläche eines Leiters direkt betrachtet werden können [G. Binnig u. a., Phys. Rev. Lett., 49, 57 (1983)], hat es möglich gemacht, ein hoch aufgelöstes, mikroskopisches räumliches Bild eines Objekts zu erhalten, und zwar unabhängig davon, ab das Objekt in Form eines Einkristalls oder in einer amorphen Form vorhanden ist. Infolgedessen wird das RSM nun weithin angewendet, um die Mikrostrukturen von Proben zu beurteilen. Zur Verbesserung der Betriebseigenschaften und der Funktion des RSM sind Dünnschicht-Cantilever bzw. -Federbalken mit verschiedenen Fähigkeiten, die in integrierter Weise verwirklicht sind, vorgeschlagen worden. Es ist beispielsweise vorgeschlagen worden, dass bei dem Atomkraftmikroskop (Rasterkraftmikroskop), mit dem durch Ermittlung der AbstoBungs- und der Anziehungskraft an der Oberfläche einer Substanz die mikroskopische Struktur der Oberfläche einer Probe gemessen werden kann, anstelle eines herkömmlichen Cantilevers, bei dem zur Ermittlung der Ablenkung ein optischer Hebel angewendet wird, von einem piezoresistiven Cantilever Gebrauch gemacht wird, der einen auf einem Cantilever integrierten Piezowiderstand hat (M. Tortonese u. a., "Atomic Force Microscopy using a Piezoresistive Cantilever", The 6th International Conference on Solid-State Sensors und Actuators, Transducers '91, 1991, S. 448–451). Unter Anwendung so eines piezoresistiven Cantilevers ist es möglich, sogar im Vakuum oder bei einer niedrigen Temperatur eine mikroskopische Oberflächenstruktur zu ermitteln, ohne dass äußere Messvorrichtungen wie z. B. ein Laser, ein optisches Bauteil und ein Photodetektor erforderlich sind.
Ein Verfahren zur Herstellung so eines piezoresistiven Cantilevers durch von der Orientierung eines Siliciumkristalls abhängiges anisotropes Ätzen wird nachstehend unter Bezugnahme auf 20 beschrieben.
Zuerst wird ein als Substrat dienender SOI-Wafer 500 hergestellt, indem auf einem p-Siliciumsubstrat 501 eine Siliciumdioxidschicht 502 und eine n-Siliciumschicht 503 gebildet werden (siehe 20A). Dann wird auf der Hauptoberfläche und auch auf der Rückseite des SOI-Wafers eine Siliciumdioxidschicht 504 gebildet. Die Siliciumdioxidschicht 504, die sich auf der. Hauptoberfläche befindet, wird entfernt, und in die n-Siliciumschicht 503 wird Bor (B) implantiert und eindiffundiert, wodurch in der n-Siliciumschicht eine Widerstandsstruktur 505 in Form eines Cantilevers (Federbalkens) gebildet wird. Ferner wird auf dem Cantilever eine dünne Siliciumdioxidschicht 507, die als Passivierungsschicht dient, gebildet, und dann wird darin eine Kontaktöffnung gebildet. Anschließend wird darauf eine Aluminiummetallelektrode 508 gebildet. In der Siliciumdioxidschicht 504 an der Rückseite des SOI-Wafers wird eine Öffnung 506 für die Anwendung als Ätzfenster gebildet (20B). Das p-Siliciumsubstrat wird dann über die Öffnung 506 mit EDP (Ethylendiamin/Brenzcatechin), das als von der Kristallorientierung abhängiges anisotropes Ätzmittel für Silicium dient, geätzt, wodurch eine Öffnung gebildet wird, die von (111)-Oberflächen des Siliciumsubstrats und der Membran der Siliciumdioxidschicht 502 umgeben ist. Die Siliciumdioxidschicht 502 wird unter Verwendung von Flusssäure teilweise entfernt, wodurch ein Durchgangsloch gebildet wird, und auf diese Weise wird ein piezoresistiver Cantilever gebildet (20C).
Bei dem vorstehend erwähnten Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches durch Ätzen eines Siliciumsubstrats von seiner Rückseite her unter Verwendung eines von der Kristallorientierung abhängigen anisotropen Ätzmittels wird die in 21 gezeigte Öffnungslänge d an der Hauptoberfläche des Substrats durch die Öffnungslänge D an der Rückseite des Substrats, die Substratdicke t und das verwendete von der Kristallorientierung abhängige anisotrope Ätzmittel festgelegt. Wenn ein (100)-Siliciumsubstrat angewendet wird, ist die Öffnungslänge d annähernd gegeben durch: d ≈ [D – 2t/tan(54,7°) + 2Rt/sin(54,7°)] (1)worin R das Verhältnis der Ätzgeschwindigkeit für die (111)-Oberfläche zu der Ätzgeschwindigkeit für die (100)-Oberfläche bezeichnet. Es ist somit möglich, einen Cantilever mit einer gewünschten Länge zu erhalten, indem einfach die Öffnungslänge D auf einen geeigneten Wert eingestellt wird, der von dem Material des Cantilevers und von der Dicke des Substrats abhängt. Es ist infolgedessen möglich, einen Cantilever herzustellen, der eine gewünschte Resonanzfrequenz und eine gewünschte Federkonstante hat. In einer ähnlichen Weise ist es auch möglich, eine Düse mit einem gewünschten Öffnungsdurchmesser herzustellen. Wie vorstehend beschrieben wurde, können verschiedene Vorrichtungen bzw. Bauelemente, die auf der Oberfläche eines Substrats einen Cantilever (Federbalken) oder eine Düse haben, hergestellt werden, indem ein Siliciumsubstrat von seiner Rückseite her unter Verwendung eines von der Kristallorientierung abhängigen anisotropen Ätzmittels geätzt wird, wodurch ein Durchgangsloch gebildet wird. In beiden Beispielen, die vorstehend beschrieben wurden, werden die Länge des Cantilevers und der Durchmesser der Öffnung durch die Öffnungslänge festgelegt.
Bei Siliciumwafers schwanken jedoch wegen Schwankungen der Herstellungsbedingungen die Dicke und die Orientierungsfläche, die die kristallographische Achse anzeigt, von Wafer zu Wafer und von Los zu Los. Siliciumwafers mit einem Durchmesser von 4 inch zeigen beispielsweise von Wafer zu Wafer und von Los zu Los eine Dicke, die von 500 μm bis 525 μm variiert, (Dickenschwankung Δt = 25 μm) und eine Schwankung der kristallographischen Achse von ±0,4°. Somit tritt im Fall der Verwendung eines (100)-Wafers mit einem Durchmesser von 4 inch wegen der Dickenschwankung Δt von Wafer zu Wafer oder von Los zu Los eine etwa 35 μm betragende Schwankung Δd der an der Oberfläche des Substrats gemessenen Öffnungslänge des Durchgangsloches auf.
Da die Rückseitenöffnung in Bezug auf die Orientierungsfläche strukturiert wird, führt die Schwankung des Orientierungsflächenwinkels zu einer Schwankung des Winkels der Rückseitenöffnung. Infolgedessen kann in dem Fall, dass eine Schwankung des Orientierungsflächenwinkels in der vorstehend beschriebenen Größenordnung vorhanden ist, bei der Herstellung eines Durchgangsloches, das eine an der Ober fläche gemessene Öffnungslänge von 1000 μm hat, von Wafer zu Wafer oder von Los zu Los eine Schwankung der Öffnungslänge von etwa 12 μm auftreten.
Wie vorstehend beschrieben wurde, tritt im Fall der Bildung des Durchgangsloches durch Ätzen des Siliciumsubstrats von seiner Rückseite her wegen der Schwankungen von Herstellungsparametern wie z. B. Substratdicke und Orientierungsflächenwinkel eine Schwankung Δd der Öffnungslänge auf. Dies hat zur Folge, dass die Schwankung Δd der Öffnungslänge im Fall der Herstellung eines Cantilevers eine Schwankung der Länge des Cantilevers in der Größenordnung von einigen zehn μm verursacht. Infolgedessen schwanken die mechanischen Eigenschaften wie z. B. Resonanzfrequenz und Federkonstante des hergestellten Cantilevers von Substrat zu Substrat. Dadurch wird es schwierig, einen Cantilever herzustellen, ohne dass man von Wafer zu Wafer auf Schwankungen der mechanischen Eigenschaften stößt.
KOH und EDP, die als von der Kristallorientierung abhängiges anisotropes Ätzmittel verwendet werden, sind sehr giftig und schwer zu handhaben. Um das Problem der Giftigkeit zu vermeiden, ist mittlerweile seit kurzem TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid) anstelle von KOH oder EDP verwendet worden. TMAH ist nur schwach giftig und enthält keine Metallionen, so dass es ein ausgezeichnetes Ätzmittel ist, das eine gute Verträglichkeit mit LSI-Prozessen zeigt. TMAH hat die Eigenschaft, dass das Verhältnis R der Ätzgeschwindigkeit für eine (100)-Oberfläche von Silicium zu der Ätzgeschwindigkeit für eine (111)-Oberfläche mit der Konzentration von TMAH schwankt (U. Schnakenberg u. a., "TMAHW Etchants for Silicon Micromachining", The 6th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Transducers 91, 1991, S. 815–818). Beispielsweise beträgt das Ätzgeschwindigkeitsverhältnis R 0,03, wenn die Konzentration von TMAH 22 Masse% beträgt, während das Ätzgeschwindigkeitsverhältnis R 0,05 beträgt, wenn die Konzentration von TMAH 10 Masse% beträgt. Wenn in Gleichung (1) solch eine Schwankung des Ätzgeschwindigkeitsverhältnisses R berücksichtigt wird, ist ersichtlich, dass wegen der Schwankung der TMAH-Konzentration eine Schwankung Δd der Öffnungslänge von 27 μm auftritt, wenn die Substratdicke bei 525 μm gehalten wird. Dies bedeutet, dass im Fall der Herstellung eines Durchgangs loches unter Verwendung von TMAH die Schwankung der Öffnungslänge d nicht nur durch die Schwankungen der Substratdicke und des Orientierungsflächenwinkels, sondern auch durch die Schwankung der Konzentration des Ätzmittels beeinflusst wird, so dass die Schwankung der Öffnungslänge größer wird.
Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung einer Düse mit einer gewünschten Öffnungslänge auf einem Siliciumsubstrat ist die Bildung einer stark dotierten p-Diffusionsschicht auf dem Siliciumsubstrat (E. Bassous, "Fabrication of Novel Three-Dimensional Microstructures by the Anisotropic Etching of (100) and (110) Silicon", IEEE Trans. on Electron Devices, Bd. ED-25, Nr. 10, 1978, S. 1178-). Bei diesem Verfahren wird die Eigenschaft ausgenutzt, dass eine p-Diffusionsschicht mit einer Störstellenkonzentration von mehr als 7 × 10¹⁹ cm^–3 durch ein von der Kristallorientierung abhängiges anisotropes Ätzmittel nicht geätzt wird. Bei diesem Verfahren wird folgendermaßen eine Öffnung gebildet. Zuerst wird auf einem Siliciumsubstrat eine Siliciumdioxidschicht gebildet. Die Siliciumdioxidschicht wird dann in Form einer Öffnung strukturiert. In das Substrat wird bis zur Erzielung eines hohen Störstellenpegels Bor (B) eindiffundiert, wodurch eine p-Diffusionsschicht gebildet wird. Dann wird darauf eine andere Siliciumdioxidschicht gebildet, und in der Siliciumdioxidschicht an der Rückseite des Substrats wird eine Öffnung gebildet. Anschließend wird das Siliciumsubstrat durch ein von der Kristallorientierung abhängiges anisotropes Ätzmittel geätzt, wodurch eine Düse gebildet wird, die von (111)-Oberflächen des Siliciumsubstrats und einer Membran der p-Diffusionsschicht, die eine Öffnung hat, umgeben ist. Obwohl mit diesem Verfahren eine hochgenaue Öffnung hergestellt werden kann, gibt es bei diesem Verfahren das Problem, dass die Dicke der Membran so gering wie 3 μm ist. Zur Erhöhung der Dicke der Membran ist eine Ionenimplantation mit hoher Konzentration notwendig, so dass zur Durchführung der Ioninimplantation eine lange Zeit erforderlich ist. Ferner ist eine lange Diffusionzeit erforderlich, um eine dickere Diffusionsschicht zu erzielen. Um beispielsweise eine Diffusionsschicht mit einer Dicke von 15 bis 20 μm zu erhalten, sollten Fremdionen bis zur Erzielung eines Pegels, der so hoch wie 1 × 10¹⁶ Atome/cm² oder höher ist, implantiert werden. Es ist ferner auch erforderlich, dass die Diffusion bei 1175°C für eine so lange Zeit wie 15 bis 20 Stunden durchgeführt wird. Dies führt zu einer Verminderung der Produktivität. Wenn ein Siliciumsubstrat lange einer Behandlung bei hoher Temperatur unterzogen wird, können im Volumeninneren des Siliciumkristalls Kristallbaufehler auftreten oder nimmt die Defektdichte zu. Die Kristallbaufehler können während des von der Kristallorientierung abhängigen anisotropen Ätzvorgangs ein anomales Ätzen der (111)-Oberflächen verursachen, so dass eine Verformung der Gestalt des Öffnungsendes im Vergleich zu der idealerweise linearen Gestalt verursacht wird. Dies hat zur Folge, dass eine Schwankung der an der Oberfläche des Substrats gemessenen Öffnungslänge d auftritt.
Wenn auf einem Siliciumsubstrat ein elektronischer Schaltkreis integriert wird, ist es erforderlich, eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur und für eine Zeit, die den vorstehend beschriebenen ähnlich sind, durchzuführen, damit eine n-MOS-Senke und eine isolierende Diffusionsschicht gebildet werden. Die Dichte von Kristallbaufehlern, die während der Wärmebehandlung erzeugt werden, schwankt über einen Wafer und schwankt von Los zu Los. Solch eine Schwankung der Defektdichte kann eine Schwankung der Öffnungslänge d von Öffnung zu Öffnung verursachen. Wenn eine mikromechanische Vorrichtung bzw. ein mikromechanisches Bauelement und eine elektronische Vorrichtung bzw. ein elektronisches Bauelement miteinander integriert werden, können Kristallbaufehler eine Verformung der Gestalt des Öffnungsendes an der Oberfläche des Substrats im Vergleich zu der idealerweise linearen Gestalt verursachen. Ein andres Problem dieses Verfahrens besteht darin, dass es unmöglich ist, eine Diffusionsschicht unterhalb einer im Voraus gebildeten Vorrichtung bzw. eines im Voraus gebildeten Bauelements wie z. B. eines piezoresistiven Cantilevers auf einem SOI-Substrat zu bilden.
In US-A 5 308 442 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches in einem Siliciumsubstrat unter Anwendung von dielektrischen Schichten auf Siliciumbasis wie z. B. Siliciumdioxid- und Siliciumnitridschichten als Platzhalterschichten beschrieben. Ferner wird in US-A 5 444 244 die Anwendung einer Isolationschicht beschrieben, die vorzugsweise aus einer Oxidschicht hergestellt ist.
In US-A 4 784 721 wird ein Verfahren zur Herstellung von Massenluftstrom-Mikrosensorvorrichtungen bzw. -bauelementen durch Ausstattung eines Substrats mit einem Durchgangsloch beschrieben. Das Verfahren gemäß diesem Dokument umfasst einen ersten anisotropen Ätzschritt, das Ätzen einer Opferschicht, die auf der Vorderfläche eines Siliciumwafers abgeschieden worden ist, und einen zweiten anisotropen Ätzschritt. Die Opferschicht, die als Platzhalterschicht dient, ist eine dünne, selektiv ätzbare Schicht wie z. B. eine Schicht aus durch Zerstäubung abgeschiedenem Ti:W, Cr oder NiFe.
Der vorliegenden Erfindung liegt im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Probleme bei den herkömmlichen Verfahren die Aufgabe zugrunde, ein neues und einfacheres Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches, ein Substrat, das angewendet wird, um ein Durchgangsloch herzustellen, ein Substrat mit einem Durchgangsloch und eine Vorrichtung bzw. ein Bauelement, bei dem so ein Durchgangsloch oder ein Substrat mit so einem Durchgangsloch angewendet wird, bereitzustellen, wobei diese dadurch gekennzeichnet sind, dass

(1) ein Durchgangsloch hergestellt werden kann, indem ein Siliciumsubstrat lediglich von seiner Rückseite her geätzt wird;
(2) die Öffnungslänge d unabhängig von der Schwankung der Dicke des Siliciumwafers von Wafer zu Wafer oder von Los zu Los genau auf einen gewünschten Wert eingestellt werden kann;
(3) die Öffnungslänge d unabhängig von der Schwankung des Orientierungsflächenwinkels von Wafer zu Wafer oder von Los zu Los genau auf einen gewünschten Wert eingestellt werden kann;
(4) die Öffnungslänge d unabhängig von der Art eines verwendeten von der Orientierung des Siliciumkristalls abhängigen anisotropen Ätzmittels genau auf einen gewünschten Wert eingestellt werden kann;
(5) eine hohe Produktivität, eine hohe Reproduzierbarkeit der Herstellung und eine einfache Herstellung erzielt werden können;
(6) sogar in dem Fall, dass eine Temperaturbehandlung für eine lange Zeit bei einer hohen Temperatur durchgeführt wird, eine hohe Freiheit bezüglich der Form des Öffnungsendes erzielt werden kann und
(7) ein hochgenaues Durchgangsloch unabhängig von der Form einer Vorrichtung bzw. eines Bauelements, das auf der Oberfläche eines Substrats gebildet wird, hergestellt werden kann.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird zur Lösung der vorstehend erwähnten Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches in einem Siliciumsubstrat bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) Bildung einer aus einer polykristallinen Siliciumschicht hergestellten Platzhalterschicht auf der Hauptoberfläche des Substrats an einer Stelle, wo das Durchgangsloch zu bilden ist, wobei die Platzhalterschicht selektiv geätzt werden kann, ohne dass das Material des Substrats geätzt wird; (b) Bildung einer Passivierungsschicht, die gegen einen Ätzvorgang beständig ist, auf dem Substrat derart, dass die Platzhalterschicht mit der Passivierungsschicht bedeckt ist; (c) Bildung einer Ätzmaskenschicht auf der Rückseite des Substrats, wobei die Ätzmaskenschicht eine Öffnung hat, die der Platzhalterschicht entspricht; (d) Ätzen des Substrats durch einen von der Kristallorientierung abhängigen, anisotropen Ätzvorgang über die Öffnung, bis die Platzhalterschicht freigelegt ist; (e) Entfernen der Platzhalterschicht durch isotropes Ätzen der Platzhalterschicht von dem Teil her, der in dem Schritt des Ätzens des Substrats freigelegt worden ist; und (f) teilweises Entfernen der Passivierungsschicht, so dass ein Durchgangsloch gebildet wird.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches in einem Siliciumsubstrat bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) Bildung einer epitaxiales Aufwachsen verhindernden Schicht zur Verhinderung von epitaxialem Aufwachsen auf einem Teil des Substrats und dann Bildung einer Epitaxialschicht auf dem Substrat, wodurch eine Platzhalterschicht gebildet wird, die selektiv geätzt werden kann, ohne dass das Material des Substrats geätzt wird, wobei die Platzhalterschicht auf der epitaxiales Aufwachsen verhindernden Schicht an einer Stelle gebildet wird, wo das Durchgangsloch zu bilden ist; (b) Bildung einer Passivierungsschicht, die gegen einen Ätzvorgang beständig ist, auf dem Substrat derart, dass die Platzhalterschicht mit der Passivierungsschicht bedeckt ist; (c) Bildung einer Ätzmaskenschicht auf der Rückseite des Substrats, wobei die Ätzmaskenschicht eine Öffnung hat, die der Platzhalterschicht entspricht; (d) Ätzen des Substrats durch einen von der Kristallorientierung abhängigen, anisotropen Ätzvorgang über die Öffnung, bis die epitaxiales Aufwachsen verhindernde Schicht freigelegt ist; (e) Entfernen des Teils der epitaxiales Aufwachsen verhindernden Schicht, der in dem Schritt des Ätzens des Substrats freigelegt worden ist; (f) Entfernen der Platzhalterschicht, indem sie über den entfernten Teil der Aufwachsen verhindernden Schicht geätzt wird; und (g) teilweises Entfernen der Passivierungsschicht, so dass ein Durchgangsloch gebildet wird.
Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Öffnungsgröße eines hergestellten Durchgangsloches durch eine auf der Oberfläche eines Substrats gebildete Platzhalterschicht festgelegt. Infolgedessen kann durch Ätzen eines Substrats von seiner Rückseite her unabhängig von den Schwankungen der Substratdicke, des Orientierungsflächenwinkels und der Konzentration eines Ätzmittels ein hochgenaues Durchgangsloch hergestellt werden, ohne dass eine Schwankung der Öffnungsgröße verursacht wird und ohne dass eine Verminderung der Linearität der Form des Öffnungsendes herbeigeführt wird. Wenn die Platzhalterschicht in dem Substrat in einer eingebetteten Weise gebildet wird, kann auf der Oberfläche des Substrats eine Planarstruktur erzielt werden. Die Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches gemäß der vorliegenden Erfindung liefern somit eine hohe Produktivität, eine einfache Herstellung und eine hohe Reproduzierbarkeit der Herstellung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittzeichnung, die die Bearbeitungsschritte zur Herstellung eines Durchgangsloches gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
2 ist eine Schnittzeichnung, die die Struktur und die Anordnung einer eingebetteten Platzhalterschicht gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
3 ist eine perspektivische Zeichnung, die ein gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung hergestelltes Durchgangsloch veranschaulicht;
4 ist eine Schnittzeichnung, die die Bearbeitungsschritte zur Herstellung eines Durchgangsloches gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
5 ist eine Schnittzeichnung, die die Struktur und die Anordnung einer Platzhalterschicht gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
6 ist eine perspektivische Zeichnung, die ein gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung hergestelltes Durchgangsloch veranschaulicht;
7 ist eine Schnittzeichnung, die die Struktur und die Anordnung einer eingebetteten Platzhalterschicht gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
8 ist eine Schnittzeichnung, die die Struktur und die Anordnung einer Platzhalterschicht gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
9 ist eine Schnittzeichnung, die die Bearbeitungsschritte zur Herstellung eines Dünnschicht-Auslegers, -Federbalkens bzw. -Cantilevers (nachstehend als "Dünnschicht-Federbalken" bezeichnet) unter Anwendung des Verfahrens zur Herstellung eines Durchgangsloches gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
10 ist eine perspektivische Zeichnung, die einen gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung hergestellten Dünnschicht-Federbalken veranschaulicht;
11 ist eine Schnittzeichnung, die die Bearbeitungsschritte zur Herstellung eines Dünnschicht-Federbalkens unter Anwendung des Verfahrens zur Herstellung eines Durchgangsloches gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
12 ist eine perspektivische Zeichnung, die einen gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung hergestellten Dünnschicht-Federbalken veranschaulicht;
13 ist eine Schnittzeichnung, die die Bearbeitungsschritte zur Herstellung eines piezoresistiven Federbalkens gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
14 ist eine Schnittzeichnung, die die Bearbeitungsschritte zur Herstellung eines piezoresistiven Federbalkens gemäß der achten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
15 ist eine Schnittzeichnung, die die Bearbeitungsschritte zur Herstellung eines piezoresistiven Federbalkens gemäß einer neunten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
16 ist eine Schnittzeichnung, die die Bearbeitungsschritte zur Herstellung eines piezoresistiven Federbalkens gemäß der neunten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
17 ist eine schematische Zeichnung, die ein Beispiel für einen Tintenstrahldruckkopf, auf den die vorliegende Erfindung angewendet werden kann, veranschaulicht;
18 ist eine Schnittzeichnung, die die Bearbeitungsschritte zur Herstellung eines gemäß einer zehnten Ausführungsform der Erfindung herzustellenden Tintenstrahldruckkopfes veranschaulicht;
19 ist eine Schnittzeichnung, die die Bearbeitungsschritte zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes gemäß einer elften Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
20 ist eine Schnittzeichnung, die die Hauptbearbeitungsschritte zur Herstellung eines piezoresistiven Federbalkens gemäß einem herkömmlichen Verfahren veranschaulicht;
21 ist eine Schnittzeichnung, die die Probleme bei der Herstellung eines Durchgangsloches gemäß dem herkömmlichen Verfahren veranschaulicht;
22 ist eine Schnittzeichnung, die die Bearbeitungsschritte zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes gemäß einer zwölften Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht; und
23 ist eine Schnittzeichnung, die die Bearbeitungsschritte zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes gemäß der zwölften Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Das Verfahren zur Bildung eines Durchgangsloches gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen ausführlicher beschrieben.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auf der Oberfläche eines Siliciumsubstrats zuerst eine Platzhalterschicht gebildet, bevor ein anisotroper Ätzvorgang durchgeführt wird. Auf der Hauptoberfläche des Substrats, auf der die Platzhalterschicht gebildet worden ist, wird eine Passivierungsschicht gebildet, und das Substrat wird von seiner Rückseite her geätzt. Bei dem vorstehend erwähnten Ätzvorgang ist die Rückseite des Substrats mit einer Ätzmaskenschicht, die gegen ein Ätzmittel beständig ist und eine Öffnung hat, bedeckt, so dass das Siliciumsubstrat durch die Öffnung hindurch geätzt wird, wodurch in dem Siliciumsubstrat ein Loch gebildet wird. Das Ätzen des Siliciumsubstrats wird unter Verwendung eines von der Kristallorientierung abhängigen anisotropen Ätzmittels wie z. B. KOH, EDP, TMAH oder Hydrazin, dessen Ätzgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Kristalloberfläche verschieden ist, durchgeführt. Wenn der Ätzvorgang fortschreitet, erreicht das Loch schließlich die Platzhalterschicht. Dann wird die Platzhalterschicht entfernt. Zur schnellen Entfernung der Platzhalterschicht, die sich zwischen dem Siliciumsubstrat und der Passivierungsschicht befindet, wird die Platzhalterschicht unter Verwendung eines isotropen Ätzmittels geätzt. Es ist erforderlich, dass das vorstehend erwähnte isotrope Ätzmittel eine Ätzmittelart ist, die das Siliciumsubstrat nicht angreift, nachdem die Platzhalterschicht geätzt worden ist, um zu verhindern, dass das Siliciumsubstrat isotrop geätzt wird, wodurch es unmöglich gemacht würde, die Öffnungslänge zu steuern bzw. einzustellen. Nach dem vorstehend erwähnten Ätzvorgang bleibt die auf dem Siliciumsubstrat gebildete Passivierungsschicht in Form einer Membran zurück. Der Teil der Passivierungsschicht, der am Ende des Loches zurückgeblieben ist, wird dann geätzt, so dass ein Durchgangsloch gebildet wird.
Das Material, das zur Bildung der Platzhalterschicht verwendet wird, ist polykristallines Silicium. Die polykristalline Siliciumschicht zeigt eine ausgezeichnete Verträglichkeit mit dem LSI-Prozess und auch eine ausgezeichnete Prozessreproduzierbarkeit und ist somit für eine Anwendung als Platzhalterschicht geeigent. Wenn die polykristalline Siliciumschicht als Platzhalterschicht angewendet wird, kann das isotrope Ätzmittel, das zum Ätzen der Platzhalterschicht verwendet wird, auch als von der Kristallorientierung abhängiges Ätzmittel zum Ätzen des Siliciumsubstrats verwendet werden. Dies bedeutet, dass die Platzhalterschicht durch dasselbe Ätzmittel entfernt werden kann, nachdem das Siliciumsubstrat von seiner Rückseite her über die Öffnung geätzt worden ist. Dies erlaubt eine Vereinfachung des Ätzvorgangs. Die Dicke der Platzhalterschicht kann auf jeden Wert eingestellt werden, der in dem Bereich liegt, der in Form einer Dünnschicht verwirklicht werden kann. Wenn die Platzhalterschicht dünn ist, ist ein Eindringen des isotropen Ätzmittels zwischen dem Substrat und der Passivierungsschicht schwierig. Die Öffnungslänge kann jedoch unter Anwendung der Platzhalterschicht zweckmäßig eingestellt werden, indem das Ätzen der Platzhalterschicht und das Ätzen des Substrats abwechselnd oder gleichzeitig durchgeführt werden. Das isotrope Ätzen der Platzhalterschicht und das anisotrope Ätzen des Substrats können beispielsweise gleichzeitig durchgeführt werden, wenn als Platzhalterschicht polykristallines Silicium mit einer Dicke von einigen hundert bis einigen tausend Å verwendet wird.
Die Platzhalterschicht kann auf dem Siliciumsubstrat gebildet werden, indem eine polykristalline Siliciumschicht, die sich auf dem Siliciumsubstrat befindet, unter Anwendung eines Photolithographieverfahrens und eines Ätzvorgangs zu einer gewünschten Form strukturiert wird. Die Platzhalterschicht kann alternativ gebildet werden, indem die Kristallinität oder die Materialeigenschaften des Siliciumsubstrats teilweise derart verändert werden, dass es porös gemacht wird, wodurch in dem Siliciumsubstrat eine eingebettete Platzhalterschicht gebildet wird. Nachstehend wird ein besonderes Verfahren zur Bildung so einer eingebetteten Platzhalterschicht beschrieben. Poröses Silicium kann gebildet werden, indem das Siliciumsubstrat folgendermaßen teilweise anodisch behandelt wird. Eine Platinelektrode und ein Siliciumsubstrat, das mit einer Schicht wie z. B. einer Siliciumnitrid- oder Resistschicht, die gegen Flusssäure beständig ist, beschichtet ist, werden in einen Behälter eingetaucht, der 5 bis 50 Vol.-% Flusssäure enthält. Die Schicht, die gegen Flusssäure beständig ist, wird im Voraus derart entfernt, dass ein gewünschter Bereich des Siliciumsubstrats, der in poröses Silicium umzuwandeln ist, freigelegt wird. Die Platinelektrode wird mit der positiven Elektrode einer Stromquelle verbunden, und das Siliciumsubstrat wird mit ihrer negativen Elektrode verbunden, und man lässt einen Strom mit einer Stromdichte von 5 mA/cm² bis einigen hundert mA/cm² fließen, so dass der freigelegte Bereich des Siliciumsubstrats mit einer Geschwindigkeit von 0,5 bis 10 μm/min in poröses Silicium umgewandelt wird. Das Siliciumsubstrat kann alternativ derart in einen Behälter mit zwei Zonen eingebracht werden, dass die beiden Oberflächen des Siliciumsubstrats in verschiedenen Zonen, die voneinander isoliert sind, mit Flusssäure in Kontakt gebracht werden, wobei man zwischen Elektroden, die sich in den jeweiligen Zonen befinden, einen Strom fließen lassen kann. Es ist in diesem Fall nicht erforderlich, dass eine Elektrode direkt an dem Siliciumsubstrat angebracht wird. Auf diese Weise wird der freigelegte Bereich des Siliciumsubstrats über das Fenster der Schicht, die gegen Flusssäure beständig ist, in poröses Silicium umgewandelt. Materialien, die verwendet werden können, um die Schicht, die gegen Flusssäure beständig ist, zu bilden, schließen in Abhängigkeit von den Reaktionsbedingungen Cr, Cu, Ag, Pd, Au, Pt, Siliciumnitrid und amorphes Silicium ein. Auf dem Substrat kann eine Störstellendiffusionsschicht mit einer Polarität, die der Polarität des Substrats entgegengesetzt ist, gebildet werden, so dass die Störstellendiffusionsschicht während der anodischen Behandlung, bei der an das Substrat eine Spannung angelegt wird, als korrosionsfeste Schicht dient (K. Imai, Solid-State Electronics, Bd. 24, S. 159–164).
Die poröse Schicht, die in der vorstehend beschriebenen Weise gebildet worden ist, kann durch ein geeignetes Ätzmittel wie z. B. wässriges Natriumhydroxid oder Flusssäure, das für poröses Silicium eine andere Ätzgeschwindigkeit hat als für das Siliciumsubstrat, selektiv schnell geätzt werden, so dass nur die poröse Schicht entfernt wird, ohne dass der andere Teil des Siliciumsubstrats geätzt wird. Die auf Flusssäure basierenden Ätzmittel, die zum Ätzen des porösen Siliciums verwendet werden können, schließen im Einzelnen Flusssäure + Wasserstoffperoxid (H₂O₂), Flusssäure + H₂O₂ + Alkohol, gepufferte Flusssäure (Mischung von HF und NH₃F), gepufferte Flusssäure + H₂O₂ und gepufferte Flusssäure + H₂O₂ + Alkohol ein. Alternativ kann ein von der Kristallorientierung abhängiges Ätzmittel, das zum Ätzen von Silicium verwendet wird, auch als Ätzmittel zum isotropen Ätzen von porösem Silicium verwendet werden. Wenn so ein Ätzmittel verwendet wird, ist es möglich, die eingebettete Platzhalterschicht nach dem Ätzen des Siliciumsubstrats mit demselben Ätzmittel isotrop zu ätzen.
Als eingebettete Schicht kann zusätzlich zu dem vorstehend beschriebenen Material auch eine Siliciumdioxidschicht verwendet werden, die durch thermische Oxidation von porösem Silicium, das auf dem Siliciumsubstrat gebildet worden ist, erhalten wird. Die Oxidationsgeschwindigkeit für poröses Silicium ist mindestens 100-mal höher als für Einkristall-Silicium (H. Takai und T. Itoh, "Porous silicon layers und its oxide for the silicon-on-insulator structure", J. Appl. Phys., Bd. 60, S. 222–225, 1986), und es ist deshalb möglich, eine Platzhalterschicht aus Siliciumdioxid zu bilden, indem poröses Silicium, das in eingebetteter Weise in einem Siliciumsubstrat gebildet worden ist, oxidiert wird. Auch in diesem Fall kann an der Oberfläche des Substrats eine Öffnung mit einer gewünschten Größe gebildet werden, indem das Siliciumsubstrat über eine Ätzmaskenschicht anisotrop geätzt wird, bis das durch Ätzen gebildete Loch die eingebettete Platzhalterschicht aus Siliciumdioxid erreicht hat, und die eingebettete Platzhalterschicht dann unter Verwendung eines auf Flusssäure basierenden Ätzmittels geätzt wird.
Alternativ kann als Platzhalterschicht polykristallines Silicium verwendet werden, das eine andere Kristallinität als das Siliciumsubstrat hat und in einem Teil des Siliciumsubstrat eingebettet ist. Das polykristalline Silicium kann folgendermaßen gebildet werden. Zuerst wird auf einem Teil eines Siliciumsubstrats eine epitaxiales Aufwachsen verhindernde Schicht gebildet, die zur Verhinderung des Aufwachsens einer Epitaxialschicht dient. Wenn dann auf dem Substrat ein epitaxiales Aufwachsen von Silicium durchgeführt wird, wird auf der epitaxiales Aufwachsen verhindernden Schicht eine polykristalline Siliciumschicht, die als Platzhalterschicht dient, gebildet, während auf dem anderen Teil des Substrats eine Silicium-Epitaxialschicht gebildet wird. Polykristallines Silicium kann unter Verwendung eines Ätzmittels, das als von der Kristallorientierung abhängiges anisotropes Ätzmittel für Silicium dient, isotrop geätzt werden. Als epitaxiales Aufwachsen verhindernde Schicht kann jede polykristalline oder amorphe Schicht verwendet werden, solange sie fähig ist, das Aufwachsen einer Epitaxialschicht zu verhindern, und gegen die hohe Aufwachstemperatur beständig ist. Materialien, die eine gute Verträglichkeit mit Siliciumhalbleiterprozessen zeigen und für den vorstehend erwähnten Zweck geeignet sind, schließen im Einzelnen Siliciumdioxid, Siliciumnitrid und polykristallines Silicium ein. Insbesondere zeigen Siliciumdioxid- und Siliciumnitridschichten eine hohe Ätzbeständigkeit gegen anisotrope Ätzmittel. Wenn das Substrat über die Öffnung geätzt wird, dient die Siliciumdioxid- oder Siliciumnitridschicht deshalb auch als Ätzstoppschicht, bei der das Ätzen gestoppt wird. Ferner dient die Siliciumdioxid- oder Siliciumnitridschicht auch zur Verhinderung des Ätzens von Silicium, das sich unter der Platzhalterschicht befindet, wenn die eingebettete Platzhalterschicht durch das Ätzmittel, das gegenüber Silicium als anisotropes Ätzmittel wirkt, isotrop geätzt wird.
Wenn das verwendete Siliciumsubstrat Kristallbaufehler enthält, die während einer Behandlung bei hoher Temperatur erzeugt worden sind, werden die (111)-Oberflächen während des anisotropen Ätzvorgangs wegen der Kristallbaufehler in anomaler Weise geätzt. Wenn die eingebettete Platzhalterschicht angewendet wird, ist es jedoch möglich, ein Durchgangsloch mit einer genau eingehaltenen Öffnungslänge d zu erhalten, wobei im wesentlichen keine Schwankung der Öffnungslänge auftritt.
Die Größen der Öffnung und der Platzhalterschicht werden derart gewählt, dass, wenn das Substrat von seiner Rückseite her über die Öffnung geätzt wird, die bei der Oberfläche des Substrats gemessene Öffnungsgröße des erhaltenen Loches kleiner ist als die Größe der Platzhalterschicht. Diese Einstellung der Größen ermöglicht eine genaue Einhaltung der Öffnungslänge mittels der Platzhalterschicht. Wenn ein (100)-Siliciumsubstrat angewendet wird, sollte die Länge d1 der Platzhalterschicht (siehe 2) relativ zu dem Wert d in Gleichung (1) in einem bestimmten Bereich liegen, wie er nachstehend beschrieben wird: d1 > d (2)
In dem Fall, dass die Kristallorientierung des Siliciumsubstrats um einen Winkel von α (°) gegen die (100)-Orientierung versetzt ist, sollte die Länge d1 der porösen Siliciumschicht in dem nachstehend beschriebenen Bereich liegen. d1 > [D – t/tan(54,7° + α) – t/tan(54,7° – α) + Rt/sin(54,7° + α) + Rt/sin(54,7° – α)] (3)
In Gleichung (3) wird der Winkel α in den trigonometrischen Funktionen eindeutig aus dem Versetzungswinkel der Orientierung der Substratoberfläche relativ zu (111) ermittelt. Die vorliegende Erfindung ist auch wirksam, wenn ein Siliciumsubstrat mit einer anderen Kristallorientierung angewendet wird.
Bei dem Durchgangsloch, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, erfüllt der Öffnungsdurchmesser d' an der Hauptoberfläche des Substrats (auf der ein Funktionselement wie z. B. ein Federbalken oder eine Tintendüse gebildet ist) die folgende Beziehung zu anderen Parametern: d' > [D' – 2t/tan(54,7°)] (4) worin D' der an der Rückseite des Siliciumsubstrats gemessene Öffnungsdurchmesser des durch das anisotrape Ätzen gebildeten Durchgangsloches ist und t die Dicke des Siliciumsubstrats ist. Wie aus der Ungleichung (4) ersichtlich ist, kann an der Hauptoberfläche des Substrats unter Anwendung einer Rückseitenöffnung, die nicht besonders groß ist, ein gewünschter Öffnungsdurchmesser erzielt werden. Dies erlaubt eine Verminderung der Größe des Substrats und eine Verbesserung der mechanischen Festigkeit des Substrats.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird in dass Fall, dass auf einer Platzhalterschicht eine Passivierungsschicht gebildet wird, eine Membran der Passivierungsschicht gebildet, wenn die Platzhalterschicht geätzt wird. Die Passivierungsschicht wird aus einem Material hergestellt, das gegen das von der Kristallorientierung abhängige anisotrope Ätzmittel und auch gegen das isotrope Ätzmittel, das zum Ätzen der Platzhalterschicht verwendet wird, beständig ist. Dies erlaubt die Bildung verschiedener Arten von Vorrichtungen bzw. Bauelementen auf der Oberfläche des Substrats. Die Passivierungsschicht kann unter Anwendung eines bekannten Verfahrens wie z. B. Vakuumaufdampfung, Zerstäubung bzw. Sputtern, chemischer Aufdmpfung (CVD), Plattieren bzw. Beschichten oder Dünnschichtauftragverfahren gebildet werden.
Unter Anwendung eines Substrats mit einem Durchgangsloch, das gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gebildet worden ist, kann eine Düse für die Zuführung von Gas oder Flüssigkeit verwirklicht werden. Wenn auf der Oberfläche des Substrats ferner ein Heizwiderstand, ein Tintenströmungsweg und eine Düse gebildet werden, kann ein Tintenstrahldruckkopf mit einem Durchgangsloch, das als Tintenausstoßöffnung dient, verwirklicht werden.
Ferner kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Federbalken für die Anwendung bei einem Rastersondenmikroskop hergestellt werden, indem auf einer Platzhalterschicht, die sich an der Oberfläche eines Substrats befindet, über eine Passivierungsschicht ein Dünnschicht-Federbalken gebildet wird und dann ein Durchgangsloch gebildet wird, indem das Substrat von seiner Rückseite her geätzt wird.
Besondere Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf besondere Ausführungsformen, die ein Durchgangsloch, ein Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches und eine Vorrichtung bzw. ein Bauelement, das unter Anwendung so eines Durchgangsloches hergestellt wird, betreffen, in Verbindung mit 1 bis 23 ausführlicher beschrieben.
Erste Ausführungsform
1 ist eine Schnittzeichnung, die die Bearbeitungsschritte zur Herstellung eines Durchgangsloches gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. 2 zeigt eine Draufsicht und eine Schnittzeichnung eines Substrats, auf dem sich eine poröse Siliciumschicht befindet, die als eingebettete Platzhalterschicht 11 dient und durch die das Durchgangsloch hergestellt wird. 3A ist eine perspektivische Zeichnung, die ein Beispiel für die charakteristische Struktur eines Durchgangsloches veranschaulicht, wie sie von seinem Querschnitt her gesehen wird. Wie in 3A und 3B gezeigt ist, ist das Durchgangsloch gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass seine Querschnittsform im Unterschied zu dem in 20 gezeigten herkömmlichen Durchgangsloch, dessen Querschnitt trapezförmig ist, (scharfe) Biegungen oder Knicke hat. Mit dem Verfahren gemäß der Erfindung ist es durch geeignete Veränderung der Ätzzeit möglich, die Querschnittsform des Durchgangsloches derart einzustellen, wie es in 3A und 3B gezeigt ist. Dadurch wird es möglich gemacht, die Fluidleitfähigkeit (Fluidkonduktanz) einer Düse, die von den (111)-Kristalloberflächen umgeben ist, auf einen gewünschten Wert einzustellen.
Das Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Auf einem p-(100)-Siliciumsubstrat 10 mit einer Dicke von 525 μm und einem spezifischen Widerstand von 0,02 Ω·cm wurde unter Anwendung eines LP-CVD-Verfahrens (LP-CVD = chemische Aufdampfung bei niedrigem Druck bzw. Niederdruck-CVD) eine 100 nm dicke Siliciumnitridschicht 9, die als flusssäurebeständige Schicht diente, gebildet. Die Siliciumnitridschicht 9 wurde durch eine strukturierte Photoresistmaske hindurch, die unter Anwendung eines Photolithographieverfahrens gebildet worden war, einem reaktiven Ionenätzen unter Verwendung von CF₄-Gas unterzogen. Dann wurde der Photoresist entfernt, so dass das Silicium freigelegt wurde, wie in 1A gezeigt ist. Eine Schicht 11, die zur Bildung einer porösen Siliciumschicht angewendet wurde, wurde folgendermaßen gebildet. Zuerst wurde das Siliciumsubstrat 10, auf dem die Siliciumnitridschicht 9 gebildet worden war, in einer Lösung von Flusssäure (49%ig) : Wasser : Ethanol = 1 : 1 : 1 anodisch behandelt. Die anodische Behandlung wurde durchgeführt, indem man zwischen dem Siliciumsubstrat und der Gegenelektrode einen Strom von 30 mA/cm² fließen ließ. Bei der vorstehend erwähnten anodischen Behandlung wurde poröses Silicium mit einer Geschwindigkeit von 2 μm/min gebildet, bis eine poröse Siliciumschicht mit einer Dicke von 10 μm, die als eingebettete Platzhalterschicht diente, gebildet worden war. Anschließend wurde die Siliciumnitridschicht 9 entfernt (1B). Bei dieser Ausführungsform wurde die Struktur der eingebetteten Platzhalterschicht derart gewählt, dass sie die Form eines Quadrats hatte, dessen Seitenlängen jeweils d1 betrugen.
Auf der Hauptoberfläche und auf der Rückseite des Substrats wurden durch LP-CVD eine Passivierungsschicht 12 bzw. eine Siliciumnitridschicht, die beide eine Dicke von 500 nm hatten, gebildet, wobei die Siliciumnitridschicht in dem anschließenden Bearbeitungsschritt als Ätzmaskenschicht 13 diente, durch die hindurch das Siliciumsubstrat 10 mit einem von der Kristallorientierung abhängigen Ätzmittel geätzt wird. Die Ätzmaskenschicht 13 an der Rückseite des Substrats wurde durch einen Photoresist hindurch, der unter Anwendung eines Photolithographieverfahrens gebildet worden war, durch reaktives Ionenätzen unter Verwendung von CF₄-Gas teilweise entfernt, wodurch in der Ätzmaskenschicht 13 eine Öffnung 14 gebildet wurde, wie in 1C gezeigt ist, so dass die Oberfläche des Siliciums durch die Öffnung 14 der Ätzmaskenschicht 13 hindurch freigelegt wurde. Dann wurde der Photoresist entfernt. 2 veranschaulicht die von der oberen Seite des Substrats her gesehene Struktur der Öffnung 14. Wie in 2 gezeigt ist, hat die Öffnung bei dieser Ausführungsform die Form eines Quadrats, dessen Seitenlängen jeweils D betragen. Die Öffnungslänge D wurde derart festgelegt, dass die Länge δ jeder Seite eines Quadrats, das in der Draufsicht von 2 durch eine gestrichelte Linie wiedergegeben wird und das man an der Hauptoberfläche des Siliciumsubstrats erhalten würde, wenn man das Siliciumsubstrat durch die Öffnung hindurch völlig mit einem von der Kristallorientierung abhängigen anisotropen Ätzmittel ätzen würde, kleiner war als die Länge d1 der als Platzhalterschicht dienenden porösen Siliciumschicht.
Nach Entfernung des Photoresists wurde das Siliciumsubstrat einem von der Kristallorientierung abhängigen anisotropen Ätzen unter Verwendung einer 27%igen wässrigen Lösung von Kaliumhydroxid (KOH) mit einer Lösungstemperatur von 90°C unterzogen, so dass ein pyramidenförmiges Loch gebildet wurde, das von (111)-Kristalloberflächen umgeben war (1D). Das Ätzen wurde weiter fortgesetzt, bis das poröse Silicium, das als eingebettete Platzhalterschicht 11 diente, durch die wässrige KOH-Lösung isotrop geätzt und entfernt wurde und eine Membran der Passivierungsschicht 17 gebildet wurde (1E). Anschließend wurde die Membran der Passivierungsschicht entfernt, indem von der Rückseite des Substrats her ein reaktives Ionenätzen durchgeführt wurde, wodurch ein Durchgangsloch 19 gebildet wurde (1F).
Um den Einfluss der Dicke des Substrats zu untersuchen, wurde auch unter Anwendung eines (100)-Siliciumsubstrats mit einer Dicke von 500 μm ein Durchgangsloch gebildet, indem eine ähnliche poröse Siliciumschicht und eine ähnliche Öffnung gebildet wurden. Das Ergebnis hat gezeigt, dass die Öffnung unabhängig von der Dicke des Siliciumsubstrats eine ähnliche an der Hauptoberfläche des Substrats gemessene Größe hat. Wie vorstehend beschrieben wurde, wird die Länge d der Öffnung (3A, θ = 54,7°) bei diesem Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches gemäß der Erfindung durch die Länge d1 der eingebetteten Platzhalterschicht festgelegt, und die Schwankung der Substratdicke verursacht keine Schwankung der Länge der Öffnung bei der Hauptoberfläche des Substrats.
In dem Fall, dass das von der Kristallorientierung abhängige anisotrope Ätzen weiter fortgesetzt wurde, ohne gestoppt zu werden, wurde der nach außen vorspringende Anteil des Substrats in 1E ge ätzt, nachdem die eingebettete Platzhalterschicht entfernt worden war, und das resultierende Durchgangsloch hatte eine von (111)-Kristalloberflächen umgebene Form, wie in 3B gezeigt ist. Auch bei dem Durchgangsloch mit so einer Querschnittsform wurde die Öffnungslänge d durch die Schwankung der Substratdicke nicht beeinflusst.
Ferner verursacht die Schwankung der Öffnungslänge D bei diesem Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches gemäß der Erfindung keine Schwankung der Öffnungslänge d, solange die Schwankung der Öffnungslänge D in einem bestimmten Bereich liegt. Der zulässige Bereich von D ist ein Bereich, der die folgende Beziehung erfüllt: (d1 – δ) > 0 (5)
Zweite Ausführungsform
4 ist eine Schnittzeichnung, die die Bearbeitungsschritte zur Herstellung eines Durchgangsloches gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. 5 zeigt eine Draufsicht und eine Schnittzeichnung eines Substrats, auf dem sich eine poröse Siliciumschicht befindet, die als Platzhalterschicht 11 dient und durch die das Durchgangsloch hergestellt wird. 6A ist eine perspektivische Zeichnung, die ein Beispiel für die charakteristische Struktur eines Durchgangsloches veranschaulicht, wie sie von seinem Querschnitt her gesehen wird. Wie in 6A bis 6C gezeigt ist, ist das Durchgangsloch, das gemäß einem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass seine Querschnittsform im Unterschied zu dem in 20 gezeigten herkömmlichen Durchgangsloch, dessen Querschnitt trapezförmig ist, (scharfe) Biegungen oder Knicke hat. Bei dem Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung ist es möglich, das Durchgangsloch mit einer gewünschten Querschnittsform zu bilden, indem die Ätzzeit derart eingestellt wird, dass der Querschnitt entweder eine nach außen geknickte Form oder eine nach innen geknickte Form hat, wie in 6A bis 6C gezeigt ist. Dadurch wird es möglich gemacht, die Fluidleitfähigkeit (Fluidkonduktanz) einer Düse, die von den (111)-Kristalloberflächen umgeben ist, auf einen gewünschten Wert einzustellen, was durch das herkömmliche Verfahren nicht erreicht werden konnte.
Das Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend unter Bezug nahme auf 4 beschrieben. Auf der Hauptoberfläche und auf der Rückseite eines (100)-Siliciumsubstrats 10 mit einer Dicke von 525 μm wurde durch LP-CVD (chemische Aufdampfung bei niedrigem Druck bzw. Niederdruck-CVD) eine Siliciumnitridschicht mit einer Dicke von 500 nm gebildet, wobei die Siliciumnitridschicht auf der Rückseite in dem anschließenden Bearbeitungsschritt als Ätzmaskenschicht 13 diente, durch die hindurch das Siliciumsubstrat 10 von seiner Rückseite her mit einem von der Kristallorientierung abhängigen Ätzmittel geätzt wird. Die Ätzmaskenschicht 13 an der Rückseite des Substrats wurde durch einen Photoresist hindurch, der unter Anwendung eines Photolithographieverfahrens gebildet worden war, durch reaktives Ionenätzen unter Verwendung von CF₄-Gas teilweise entfernt, wodurch in der Ätzmaskenschicht 13 eine Öffnung 14 gebildet wurde, so dass die Oberfläche des Siliciums durch die Öffnung 14 der Ätzmaskenschicht 13 hindurch freigelegt wurde. Der Photoresist wurde dann entfernt. Nach der Entfernung der Siliciumnitridschicht von der Oberfläche des Substrats durch reaktives Ionenätzen unter Verwendung von CF₄-Gas wurde eine als Platzhalterschicht 11 dienende dünne Cu-Schicht in einer Dicke von 3 μm abgeschieden. Die dünne Cu-Schicht wurde dann durch einen Photoresist hindurch, der unter Anwendung eines Photolithographieverfahrens gebildet worden war, mit wässrigem Eisen(III)-chlorid (20%ig) geätzt. Nach Beendigung des Ätzens wurde der Photoresist entfernt. Auf diese Weise wurde die Platzhalterschicht 11 gebildet, wie in 4A gezeigt ist. 5 veranschaulicht die von der oberen Seite des Substrats her gesehene Struktur der Platzhalterschicht. Wie in 5 gezeigt ist, hat die Struktur der Platzhalterschicht bei dieser Ausführungsform die Form eines Quadrats, dessen Seitenlängen jeweils d1 betragen. Die Länge D der Öffnung 14 wurde derart festgelegt, dass die Länge δ jeder Seite eines Quadrats, das in der Draufsicht von 5 durch eine gestrichelte Linie wiedergegeben wird und das man an der Hauptoberfläche des Siliciumsubstrats erhalten würde, wenn man das Siliciumsubstrat durch die Öffnung hindurch völlig mit einem von der Kristallorientierung abhängigen anisotrapen Ätzmittel ätzen würde, kleiner war als die Länge d1 der als Platzhalterschicht dienenden porösen Siliciumschicht.
Dann wurde eine als Passivierungsschicht 12 dienende 500 nm dicke amorphe Siliciumnitridschicht (a-SiN-Schicht) gebildet (4B).
Nach Entfernung des Photoresists wurde das Siliciumsubstrat einem von der Kristallorientierung abhängigen anisotropen Ätzen unter Verwendung einer 27%igen wässrigen Lösung von Kaliumhydroxid (KOH) mit einer Lösungstemperatur von 90°C unterzogen, so dass ein pyramidenförmiges Loch gebildet wurde, das von (111)-Kristalloberflächen umgeben war (4C). Die Cu-Platzhalterschicht, die über das pyramidenförmige Loch freigelegt worden war, wurde durch isotropes Ätzen unter Verwendung von wässrigem Eisen(III)-chlorid (20%ig) entfernt (4D). Anschließend wurde der Teil des Siliciums, der durch die Platzhalterschicht bedeckt gewesen war, durch einen von der Kristallorientierung abhängigen anisotropen Ätzvorgang unter Verwendung einer wässrigen Lösung von KOH geätzt, wodurch eine Membran der Passivierungsschicht gebildet wurde (4E). Die Membran der Passivierungsschicht wurde dann entfernt, indem von der Rückseite des Substrats her ein Ionenätzen unter Verwendung von CF₄-Gas durchgeführt wurde, wodurch ein Durchgangsloch gebildet wurde (4F).
In dem Fall, dass das von der Kristallorientierung abhängige anisotrope Ätzen weiter fortgesetzt wurde, wurde der nach außen vorspringende Anteil im Querschnitt des Substrats in 4E geätzt, so dass das resultierende Durchgangsloch unterhalb der Platzhalterschicht eine senkrechte Seitenwand hatte, wie in 6B gezeigt ist. Wenn das Ätzen noch weiter fortgesetzt wurde, hatte das resultierende Durchgangsloch eine von (111)-Kristalloberflächen umgebene Form, wie in 6C gezeigt ist. Auch bei dem Durchgangsloch mit so einer Querschnittsform wurde die Öffnungslänge d durch die Schwankung der Substratdicke nicht beeinflusst.
Dritte Ausführungsform
7 zeigt eine Draufsicht und eine Schnittzeichnung eines Substrats, auf dem gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine eingebettete Platzhalterschicht gebildet worden ist. Wie in 7 gezeigt ist, hat bei dieser Ausführungsform die von der oberen Seite des Substrats her gesehene Struktur der eingebet teten Platzhalterschicht die Form eines Quadrats, dessen Seitenlängen jeweils d2 betragen. Ein Durchgangsloch wurde unter Anwendung eines Verfahrens hergestellt, das dem bei der ersten Ausführungsform angewandten Verfahren ähnlich war, außer dass eine Rückseitenöffnung derart gebildet wurde, dass sie gegen die (110)-Orientierung um einen Winkel von α versetzt war. Bei dieser besonderen Ausführungsform wurde α auf 1° eingestellt. d2 und δ, die durch die Größe der Rückseitenöffnung festgelegt werden, haben eine Beziehung, die erhalten wird, indem d1 in Ungleichung (3) bzw. (5) durch d2 ersetzt wird.
Der Öffnungsteil des hergestellten Durchgangsloches hatte an der Hauptoberfläche des Substrats die Form eines Quadrats, dessen Seitenlängen d jeweils im wesentlichen d2 betrugen. Das heißt, die Länge d wurde durch die Form der eingebetteten Platzhalterschicht festgelegt, ohne durch den Winkel α beeinflusst zu werden. Wie vorstehend beschrieben wurde, ist es gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches der vorliegenden Ausführungsform möglich, unabhängig von der Schwankung des Orientierungsflächenwinkels von Wafer zu Wafer oder von Los zu Los ein Durchgangsloch zu erhalten, dessen Öffnungslänge genau auf einen gewünschten Wert d eingestellt ist.
Vierte Ausführungsform
8 zeigt eine Draufsicht und eine Schnittzeichnung eines Substrats, auf dem eine im Rahmen der vorliegenden Erfindung angewendete Platzhalterschicht gebildet worden ist. Bei dieser Ausführungsform war die Platzhalterschicht derart gebildet, dass ihre von der oberen Seite des Substrats her gesehene Struktur die Form eines Kreises mit einem Durchmesser d1 hatte, und ein Durchgangsloch wurde unter Anwendung eines Verfahrens hergestellt, das dem bei der zweiten Ausführungsform angewandten Verfahren ähnlich war, außer dass in der Ätzmaskenschicht an der Rückseite des Substrats eine Öffnung derart gebildet wurde, dass die Orientierung der Öffnung gegen die (110)-Kristallorientierung um einen Winkel von α versetzt war. Bei dieser besonderen Ausführungsform wurde α auf 1° eingestellt.
Das Öffnungsende des hergestellten Durchgangsloches hatte an der Hauptoberfläche des Substrats die Form eines in 8 durch eine Punkt-Punkt-Strich-Linie wiedergegebenen Quadrats, dessen Seitenlängen jeweils d betrugen, so dass die Länge d durch den Durchmesser der eingebetteten Platzhalterschicht festgelegt wurde, ohne durch den Winkel α beeinflusst zu werden. Wie vorstehend beschrieben wurde, ist es gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches der vorliegenden Ausführungsform möglich, unabhängig von der Schwankung des Orientierungsflächenwinkels von Wafer zu Wafer oder von Los zu Los ein Durchgangsloch zu erhalten, dessen Öffnungslänge genau auf einen gewünschten Wert d eingestellt ist.
Fünfte Ausführungsform
Nachstehend wird die fünfte Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Durchgangsloches gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Bei dieser fünften Ausführungsform wurde ein Durchgangsloch in einer der in 4 gezeigten ähnlichen Weise hergestellt, außer dass die Platzhalterschicht durch LP-CVD (chemische Aufdampfung bei niedrigem Druck bzw. Niederdruck-CVD) aus polykristallinem Silicium hergestellt wurde und die Passivierungsschicht und die Ätzmaskenschicht durch LP-CVD aus Siliciumnitrid hergestellt wurden. Das Siliciumsubstrat wurde unter Verwendung einer wässrigen Lösung von KOH anisotrop geätzt, so dass die Platzhalterschicht freigelegt wurde. Das Ätzen wurde weiter fortgesetzt, so dass die Platzhalterschicht durch die wässrige Lösung von KOH isotrop geätzt wurde, und das unter der Platzhalterschicht befindliche Silicium wurde durch einen von der Kristallorientierung abhängigen anisotropen Ätzvorgang geätzt, wodurch eine der in 4E gezeigten ähnliche Membran der Passivierungsschicht gebildet wurde. Anschließend wurde von der Rückseite des Substrats her ein reaktives Ätzen unter Verwendung von CF₄-Gas durchgeführt, so dass die Passivierungsschicht entfernt wurde, wodurch ein Durchgangsloch gebildet wurde, das dem in 4F gezeigten ähnlich war. Die Öffnungslänge des hergestellten Durchgangsloches war der bei der zweiten Ausführungsform erhaltenen ähnlich, und die Öffnungslänge d des Durchgangsloches konnte unabhängig von den Materialien der Platzhalterschichten und der Passivierungsschichten genau eingestellt werden.
Sechste Ausführungsform
Bei dieser Ausführungsform wurde unter Anwendung einer auf dem Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches gemäß der Erfindung basierenden Technik ein Dünnschicht-Federbalken hergestellt. Der hergestellte Dünnschicht-Federbalken kann als Sonde bei einem RSM angewendet werden. 10 ist eine perspektivische Zeichnung des hergestellten Dünnschicht-Federbalkens. Im Unterschied zu dem herkömmlichen Dünnschicht-Federbalken, der durch einen Siliciumblock getragen wird, dessen Querschnittsform ein geradliniges Profil hat, wie es durch die gestrichelte Linie in 10 wiedergegeben wird, hat der Siliciumblock 28 zum Tragen des Dünnschicht-Federbalkens 26 bei dieser Ausführungsform einen Querschnitt mit einem geknickten bzw. (scharf) gebogenen Profil. Es ist erforderlich, dass der Siliciumblock eine ausreichende Größe hat, damit er bei dem Vorgang des Anbringens des Federbalkens an einem Rasterkraftmikroskop gehandhabt werden kann. Mit dem hierin unter Bezugnahme auf 10 offenbarten Verfahren zur Herstellung eines Dünnschicht-Federbalkens gemäß der Erfindung ist es möglich, unter Anwendung einer Öffnung, die im Vergleich zu der Öffnung, die bei dem herkömmlichen Verfahren angewendet wird, ziemlich klein ist, einen Federbalken zu erhalten, der eine gewünschte Länge hat, so dass es möglich ist, die Chipgröße des Siliciumblockes zu vermindern. Dadurch wird es möglich gemacht, aus einem Siliciumwafer eine größere Zahl von Federbalken herzustellen, wodurch die Herstellungskosten je Sonde gesenkt werden können. Das Verfahren zur Herstellung des Federbalkens, das bei dieser Ausführungsform der Erfindung angewendet wird, wird nachstehend unter Bezugnahme auf 9 beschrieben. Auf einem n<100>-Siliciumsubstrat 20 mit einer Dicke von 525 μm und einem spezifischen Widerstand von 0,02 Ω·cm wurde in einer Weise, die der bei der ersten Ausführungsform angewandten ähnlich war, poröses Silicium 27 gebildet (9A). Das Siliciumsubstrat 20, auf dem das poröse Silicium 27 gebildet worden war, wurde dann unter Anwendung von oxidierendem Gas thermisch oxidiert, so dass eine eingebettete Platzhalterschicht 21 aus Siliciumdioxid gebildet wurde. Als die eingebettete Platzhalterschicht gebildet wurde, wurde auch in dem anderen Bereich auf dem Siliciumsubstrat eine Siliciumdioxidschicht gebildet (9B). Bei dieser Ausführungsform wurde diese Siliciumdioxidschicht als Passivierungsschicht 22 angewendet.
Anschließend wurden Siliciumnitridschichten, die als Strukturschicht 25 und als Ätzmaskenschicht 23, die in einem späteren Schritt angewendet wird, um das Siliciumsubstrat 20 von seiner Rückseite her durch einen von der Kristallorientierung abhängigen anisotrapen Ätzvorgang zu ätzen, dienten, durch LP-CVD in einer Dicke von 500 nm gebildet (9C). Die Ätzmaskenschicht 23 an der Rückseite des Substrats wurde einem reaktiven Ionenätzen unter Verwendung von CF₄-Gas über eine durch ein Photolithographieverfahren gebildete Photoresistmaske unterzogen, und dann wurde der Photoresist entfernt, wodurch in der Ätzmaskenschicht 23 eine Öffnung 24 gebildet wurde, so dass das Siliciumsubstrat über die Öffnung 24 freigelegt wurde. Die Strukturschicht 25 wurde unter Anwendung eines Vorganges, der dem ähnlich war, der zur Bildung der Öffnung 24 angewendet wurde, in der Form eines Dünnschicht-Federbalkens 26 strukturiert (9D).
Das Siliciumsubstrat 20 wurde durch eine 22%ige wässrige Lösung von TMAH, die als von der Kristallorientierung abhängiges anisotropes Ätzmittel diente, bei einer Lösungstemperatur von 80°C geätzt, wodurch ein trapezförmiges Loch gebildet wurde, das von (111)-Kristalloberflächen umgeben war (9E). Die eingebettete Platzhalterschicht 21 wurde durch Ätzen mit gepufferter Flusssäure entfernt, so dass ein Durchgangsloch 29 gebildet wurde (9F). Das Siliciumsubstrat wurde schließlich in Siliciumblöcke 28 zerlegt, wodurch Dünnschicht-Federbalken mit der in 10 gezeigten Struktur erhalten wurden.
Um die Wirkungen der Konzentration der wässrigen Lösung von TMAH, die als Ätzmittel verwendet wurde, zu untersuchen, wurde ein Siliciumsubstrat, das dieselbe Struktur wie das in 9E gezeigte hatte, auch durch einen von der Kristallorientierung abhängigen anisotropen Ätzvorgang unter Verwendung einer 10%igen wässrigen Lösung von TMAH bei einer Lösungstemperatur von 80°C geätzt und dann bei der anschließenden Behandlung in Form eines Dünnschicht-Federbalkens gebildet, wie in 9F gezeigt ist. Das Ergebnis zeigte, dass unabhängig von der Konzentration des von der Kristallorientierung ab hängigen anisotropen Ätzmittels ein Durchgangsloch mit einer ähnlichen Größe erhalten werden konnte. Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung, das bei dieser Ausführungsform offenbart ist, ist es somit möglich, die Öffnungslänge des Durchgangsloches genau einzustellen, wodurch ein Dünnschicht-Federbalken erhalten wird, dessen Länge genau auf einen gewünschten Wert eingestellt ist.
Siebte Ausführungsform
Bei dieser Ausführungsform wurde unter Anwendung einer auf dem Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches gemäß der Erfindung basierenden Technik ein Dünnschicht-Federbalken hergestellt. Der hergestellte Dünnschicht-Federbalken kann als Sonde bei einem RSM angewendet werden. 12 ist eine perspektivische Zeichnung des hergestellten Dünnschicht-Federbalkens. Im Unterschied zu dem herkömmlichen Dünnschicht-Federbalken, der durch einen Siliciumblock getragen wird, dessen Querschnittsform ein geradliniges Profil hat, wie es durch die gestrichelte Linie in 12 wiedergegeben wird, hat der Siliciumblock 28 zum Tragen des Dünnschicht-Federbalkens 26 bei dieser Ausführungsform einen Querschnitt mit einem geknickten bzw. (scharf) gebogenen Profil. Es ist erforderlich, dass der Siliciumblock eine ausreichende Größe hat, damit er bei dem Vorgang des Anbringens des Federbalkens an einem Rasterkraftmikroskop gehandhabt werden kann. Mit dem hierin unter Bezugnahme auf 12 offenbarten Verfahren zur Herstellung eines Dünnschicht-Federbalkens gemäß der Erfindung ist es möglich, unter Anwendung einer Öffnung, die im Vergleich zu der Öffnung, die bei dem herkömmlichen Verfahren angewendet wird, ziemlich klein ist, einen Federbalken zu erhalten, der eine gewünschte Länge hat, so dass es möglich ist, die Chipgröße des Siliciumblockes zu vermindern. Dadurch wird es möglich gemacht, aus einem Siliciumwafer eine größere Zahl von Federbalken herzustellen, wodurch die Herstellungskosten je Sonde gesenkt werden können.
Das Verfahren zur Herstellung des Federbalkens, das bei dieser Ausführungsform der Erfindung angewendet wird, wird nachstehend unter Bezugnahme auf 11 beschrieben. Eine als Platzhalterschicht 21 dienende polykristalline Siliciumschicht mit einer Dicke von 500 nm wurde durch LP-CVD (chemische Aufdampfung bei niedrigem Druck bzw. Niederdruck-CVD) auf der Hauptoberfläche eines <100>-Siliciumsubstrats 20 mit einer Dicke von 525 μm gebildet. Die polykristalline Siliciumschicht wurde über eine Photoresistmaske, die durch ein Photolithographieverfahren gebildet worden war, einem reaktiven Ionenätzen unter Verwendung von CF₄-Gas unterzogen. Nach Beendigung des reaktiven Ionenätzens wurde der Photoresist entfernt. Auf diese Weise wurde die Platzhalterschicht 21 erhalten.
Das Siliciumsubstrat 20 wurde dann in oxidierendem Gas thermisch oxidiert, um auf der Oberfläche des Substrats und auch auf der Oberfläche der Platzhalterschicht eine Passivierungsschicht 22 mit einer Dicke von 300 nm zu bilden (11B). Anschließend wurden Siliciumnitridschichten, die als Strukturschicht 25 bzw. als Ätzmaskenschicht 23, die in einem späteren Schritt angewendet wird, um das Siliciumsubstrat 20 von seiner Rückseite her durch einen von der Kristallorientierung abhängigen anisotropen Ätzvorgang zu ätzen, dienten, durch LP-CVD in einer Dicke von 500 nm gebildet (11C). Die an der Rückseite des Substrats befindliche Ätzmaskenschicht 23 wurde über eine Photoresistmaske, die durch ein Photolithographieverfahren gebildet worden war, einem reaktiven Ionenätzen unter Verwendung von CF₄-Gas unterzogen, und dann wurde der Photoresist entfernt, wodurch in der Ätzmaskenschicht 23 eine Öffnung 24 gebildet wurde, so dass das Siliciumsubstrat über die Öffnung 24 freigelegt wurde. Die Strukturschicht wurde unter Anwendung eines Vorgangs, der dem zur Bildung der Öffnung 24 angewandten ähnlich war, in Form eines Dünnschicht-Federbalkens 26 strukturiert (11D).
Das Siliciumsubstrat 20 wurde durch eine 22%ige wässrige Lösung von TMAH, die als von der Kristallorientierung abhängiges anisotropes Ätzmittel diente, bei einer Lösungstemperatur von 80°C geätzt, wodurch ein trapezförmiges Loch gebildet wurde, das von (111)-Kristalloberflächen umgeben war. Das Ätzen wurde weiter fortgesetzt, so dass die Platzhalterschicht 21 durch die wässrige Lösung von TMAH isotrop geätzt wurde, und das unter der Platzhalterschicht befindliche Silicium wurde in einer von der Kristallorientierung abhängigen anisotropen Weise geätzt (11E), wodurch nach vollständiger Entfernung der Platzhalterschicht eine Membran der Passivierungs schicht gebildet wurde (11F). Anschließend wurde die Passivierungsschicht 22 unter Verwendung einer wässrigen Lösung von HF geätzt, um die Membran 27 zu entfernen, wodurch ein Durchgangsloch gebildet wurde (11G). Das Siliciumsubstrat wurde schließlich in Siliciumblöcke 28 zerlegt, wodurch Dünnschicht-Federbalken erhalten wurden (siehe 12).
Um die Wirkungen der Konzentration der wässrigen Lösung von TMAH, die als Ätzmittel verwendet wurde, zu untersuchen, wurde ein Siliciumsubstrat, das dieselbe Struktur wie das in 11D gezeigte hatte, auch in einer von der Kristallorientierung abhängigen anisotropen Weise unter Verwendung einer 10%igen wässrigen Lösung von TMAH bei einer Lösungstemperatur von 80°C geätzt und dann bei den anschließenden Bearbeitungsschritten, die in 11E und 11F gezeigt sind, in Form eines Dünnschicht-Federbalkens gebildet. Das Ergebnis zeigte, dass unabhängig von der Konzentration des von der Kristallorientierung abhängigen anisotropen Ätzmittels ein Durchgangsloch mit einer ähnlichen Größe erhalten werden konnte. Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung, das bei dieser Ausführungsform offenbart ist, ist es somit möglich, die Öffnungslänge des Durchgangsloches genau einzustellen, wodurch ein Dünnschicht-Federbalken erhalten wird, dessen Länge genau auf einen gewünschten Wert eingestellt ist.
Achte Ausführungsform
Bei dieser Ausführungsform wurde auf einem SOI-Substrat mit der in 20 gezeigten Struktur unter Anwendung des Verfahrens zur Herstellung eines Durchgangsloches gemäß der vorliegenden Erfindung ein piezoresistiver Federbalken gebildet. 13 und 14 veranschaulichen die Bearbeitungsschritte zur Herstellung des piezoresistiven Federbalkens, wobei diese Figuren Draufsichten und Schnittzeichnungen entlang Linien, die in den Draufsichten wiedergegeben sind, umfassen.
Bei dieser Ausführungsform wurde ein SOI-Wafer 50 angewendet, der dem in 20 gezeigten ähnlich war. Der SOI-Wafer 50 umfasste ein p-Siliciumsubstrat 51 und eine Siliciumdioxidschicht 52 und eine n-Siliciumschicht 53, die auf dem Substrat 51 gebildet waren (13A). Wie in 13B gezeigt ist, wurde die n-Siliciumschicht 53 durch reaktives Ionenätzen unter Verwendung von CF₄-Gas in Verbindung mit einem Photolithographieverfahren teilweise entfernt, so dass die Siliciumdioxidschicht 52 teilweise freigelegt wurde. Der freigelegte Bereich der Siliciumdioxidschicht 52 wurde dann unter Verwendung von gepufferter Flusssäure geätzt. Unter Anwendung der n-Siliciumschicht 53 als gegen Flusssäure beständige Ätzmaske (in 13B durch eine ausgezogene Linie wiedergegeben) wurde eine anodische Behandlung unter Anwendung des p-Siliciumsubstrats 51 als Elektrode durchgeführt, wodurch eine poröse Siliciumschicht 59 (in 13B durch die schraffierte Fläche wiedergegeben) bis zu einer Tiefe von 30 μm gebildet wurde. Die anodische Behandlung wurde für eine ausreichend lange Zeit durchgeführt, so dass sich der poröse Siliciumbereich in einer seitlichen Richtung erstreckte und somit auch die Bereiche des p-Siliciumsubstrats unterhalb des Anteils der n-Siliciumschicht, aus dem der Federbalken entstehen wird, in poröses Silicium umgewandelt wurden. Anschließend wurde in die n-Siliciumschicht Bor (B) implantiert und diffundiert, um einen Widerstand 55 zu bilden (13C). Die n-Siliciumschicht 53 und die Siliciumdioxidschicht 52 wurden dann durch Ätzen in Verbindung mit einem Photolithographieverfahren in Form eines Federbalkens strukturiert. Dann wurde die poröse Siliciumschicht 59 in oxidierendem Gas thermisch oxidiert, um eine Siliciumdioxidschicht zu bilden, die als eingebettete Platzhalterschicht 61 diente. Als die eingebettete Platzhalterschicht gebildet wurde, wurden auch die Oberfläche des Widerstandes 55 und die Rückseite des Siliciumsubstrats oxidiert, so dass auch eine dünne Siliciumdioxidschicht 57 und eine Siliciumdioxidschicht 54 gebildet wurden. In der Siliciumdioxidschicht 54 an der Rückseite des Siliciumsubstrats wurde eine Öffnung 56 für die Anwendung bei einem anisotropen Ätzvorgang gebildet (13D). Dann wurde in der dünnen Siliciumdioxidschicht 57 eine Kontaktöffnung gebildet, und es wurde eine Al-Metallelektrode 58 gebildet (14E). Das p-Siliciumsubstrat wurde über die Öffnung 56 von seiner Rückseite her unter Verwendung von EDP, das als von der Kristallorientierung abhängiges anisotropes Ätzmittel diente, anisotrop geätzt, bis die eingebettete Platzhalterschicht 61 über ein von (111)-Kristall oberflächen umgebenes Loch freigelegt worden war (14F). Anschließend wurde der Membranteil der eingebetteten Platzhalterschicht 61 durch Ätzen unter Verwendung von gepufferter Flusssäure entfernt, wodurch ein Durchgangsloch gebildet wurde, so dass ein piezoresistiver Federbalken erhalten wurde (14G).
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die bei der Oberfläche des Substrats gemessene Öffnungslänge d des Durchgangsloches durch die Breite d1 der eingebetteten Platzhalterschicht festgelegt, ohne durch die Schwankungen der Substratdicke und des Orientierungsflächenwinkels beeinflusst zu werden. Es ist infolgedessen möglich, einen Federbalken, der eine gewünschte Länge hat, mit hoher Reproduzierbarkeit herzustellen, so dass ein piezoresistiver Federbalken mit geringen Schwankungen mechanischer Eigenschaften wie z. B. der Resonanzfrequenz und der Federkonstante hergestellt werden kann.
Neunte Ausführungsform
Bei dieser Ausführungsform wurde auf einem SOI-Substrat mit der in 20 gezeigten Struktur unter Anwendung des Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches gemäß der vorliegenden Erfindung ein piezoresistiver Federbalken gebildet. 15 und 16 veranschaulichen die Bearbeitungsschritte zur Herstellung des piezoresistiven Federbalkens, wobei diese Figuren Draufsichten und Schnittzeichnungen entlang Linien, die in den Draufsichten wiedergegeben sind, umfassen.
Bei dieser Ausführungsform wurde ein SOI-Wafer 50 angewendet, der dem in 20 gezeigten ähnlich war. Der SOI-Wafer 50 umfasste ein p-Siliciumsubstrat 51 und eine Siliciumdioxidschicht 52 und eine n-Siliciumschicht 53, die auf dem Substrat 51 gebildet waren (15A). Nach Bildung einer Siliciumdioxidschicht 54 durch thermische Oxidation wurde die Siliciumdioxidschicht auf der Hauptoberfläche des SOI-Wafers unter Verwendung einer wässrige Lösung von HF entfernt, und in die n-Siliciumschicht wurde Bor (B) implantiert und diffundiert, um einen Widerstand 55 zu bilden (15B). Die n-Siliciumschicht wurde durch Ätzen in Verbindung mit einem Photolithographieverfahren in Form eines Federbalkens strukturiert, und in der Siliciumdioxidschicht 54 an der Rückseite des SOI-Wafers wurde eine Öffnung 56 gebildet. Dann wurde auf der Federbalkenstruktur eine dünne Siliciumdioxidschicht 57 gebildet. Die dünne Siliciumdioxidschicht 57 wurde durch Ätzen unter Verwendung einer wässrigen Lösung von HF teilweise entfernt, und in dem Bereich auf dem über die dünne Siliciumdioxidschicht 57 freigelegten Siliciumsubstrat wurde eine Platzhalterschicht 61 gebildet (15C). Die Platzhalterschicht 61 wurde durch Abscheidung einer polykristallinen Siliciumschicht mittels LP-CVD verwirklicht. Dann wurde über die gesamte Oberfläche des Substrats durch Zerstäubung (Sputtern) eine dünne Siliciumdioxidschicht gebildet, die als Passivierungsschicht 62 diente. In der Passivierungsschicht 62 wurde eine Kontaktöffnung gebildet, und es wurde eine Al-Metallelektrode 58 gebildet (16D). Das p-Siliciumsubstrat wurde über die Öffnung 56 unter Verwendung von EDP, das als von der Kristallorientierung abhängiges anisotropes Ätzmittel diente, geätzt, wodurch ein von (111)-Kristalloberflächen umgebenes Loch gebildet wurde. Anschließend wurde die Platzhalterschicht 61 unter Verwendung von EDP isotrop geätzt. Während dieses Ätzvorganges wurde auch der unter der Platzhalterschicht befindliche Teil des Siliciumsubstrats geätzt. Die Platzhalterschicht wurde somit vollständig entfernt, und der unter dem Federbalken befindliche Teil des Siliciumsubstrats wurde entfernt (16E). Ferner wurde die Passivierungsschicht 62 durch Ätzen unter Verwendung einer wässrigen Lösung von HF teilweise entfernt, um ein Durchgangsloch zu bilden, wodurch ein piezoresistiver Federbalken gebildet wurde (16F).
Die bei der Oberfläche des Substrats gemessene Öffnungslänge d des Durchgangsloches wird durch die Breite b1 der in 15 gezeigten Platzhalterschicht festgelegt, ohne durch die Schwankungen der Substratdicke und des Orientierungsflächenwinkels beeinflusst zu werden. Es ist infolgedessen möglich, einen Federbalken, der eine gewünschte Länge hat, mit hoher Reproduzierbarkeit herzustellen, so dass ein piezoresistiver Federbalken mit geringen Schwankungen mechanischer Eigenschaften wie z. B. der Resonanzfrequenz und der Federkonstante hergestellt werden kann.
Zehnte Ausführungsform
Bei dieser Ausführungsform wurde unter Anwendung des Verfahrens zur Herstellung eines Durchgangsloches gemäß der vorliegenden Erfindung ein Tintenstrahldruckkopf hergestellt. Zuerst wird der allgemeine Aufbau eines Tintenstrahldruckkopfes, auf den die vorliegende Erfindung angewendet werden kann, beschrieben.
17 ist eine teilweise als Schnittansicht gezeigte schematische Zeichnung, die ein Beispiel für einen Tintenstrahldruckkopf veranschaulicht, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann, wobei elektrische Verbindungsleitungen für die Ansteuerung elektrothermischer Wandlerelemente in der Figur zur Vereinfachung nicht gezeigt sind.
In 17 bezeichnet Bezugszahl 304 ein Siliciumsubstrat, das Ausstoßenergieerzeuger 301 und ein Tintenzuführungsloch 303 hat. Elektrothermische Wandlerelemente, die als Ausstoßenergieerzeuger 301 dienen, sind in einer Reihe an den beiden längeren Seiten des länglichen, rechteckförmigen Öffnungsendes des Tintenzuführungsloches 303 derart angeordnet, dass die elektrothermischen Wandlerelemente gegeneinander versetzt sind und die Wandlerelemente in jeder Reihe einen Abstand voneinander haben, der 300 dpi (Punkten pro inch) entspricht. Auf dem Substrat 304 befindet sich eine Deckharzschicht 306, die als Wand eines Tintenströmungsweges für die Bildung eines Tintenströmungsweges dient. Auf der Deckharzschicht 306 befindet sich eine Ausstoßlochplatte 305 mit Ausstoßlöchern 302. Obwohl die Deckharzschicht 306 und die Ausstoßlochplatte 305 bei diesem bestimmten Beispiel, das in 17 gezeigt ist, in Form von getrennten Bauelementen aufgebaut sind, können sie auch in integrierter Weise aufgebaut werden, indem die Deckharzschicht 306 durch Schleuderauftrag o. dgl. auf dem Substrat 304 gebildet wird.
Bei dieser Ausführungsform wird das Tintenzuführungsloch unter Anwendung des Verfahrens zur Herstellung eines Durchgangsloches gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt.
Wenn das Tintenzuführungsloch des Tintenstrahldruckkopfes, der den vorstehend erwähnten Aufbau hat, durch anisotropes Ätzen hergestellt wird, kann der Durchmesser des Durchgangsloches (Tintenzuführungsloches) von Kopf zu Kopf schwanken, was auf die Schwankungen der Substratdicke, des Orientierungsflächenwinkels und der Konzentration des Ätzmittels zurückzuführen ist, wie früher beschrieben wurde. Die Schwankung des Durchmessers des Tintenzuführungsloches verursacht eine Schwankung des Abstandes zwischen den Ausstoßenergieerzeugern und dem Tintenzuführungsloch, die ihrerseits Schwankungen des Tintenzuführungsverhaltens unter den Ausstoßenergieerzeugern verursacht. Dies hat zur Folge, dass die Betriebsfrequenzeigenschaften des Tintenstrahldruckkopfes stark beeinflusst werden. Bei dem Tintenstrahldruckkopf mit dem vorstehend erwähnten Aufbau ist es aus dem vorstehend erwähnten Grund wichtig, dass der Abstand zwischen den Ausstoßenergieerzeugern und dem Tintenzuführungsloch genau beherrscht bzw. eingestellt wird. Diese Bedingung kann erfüllt werden, indem zur Herstellung des Tintenzuführungsloches das Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet wird. Das heißt, durch die vorliegende Erfindung kann ein Tintenstrahldruckkopf von hoher Qualität bereitgestellt werden.
Die Bearbeitungsschritte, die bei dieser Ausführungsform angewendet werden, werden nachstehend unter Bezugnahme auf 18 beschrieben. Jede Schnittzeichnung in 18 ist eine Schnittzeichnung entlang der Linie A-A' von 17. In 18 ist der rechtsseitige Teil des Substrats nicht gezeigt, so dass die tatsächliche Lage des Tintenzuführungsloches in der Nähe der Mitte des Substrats ist.
Bei dieser Ausführungsform wurde als Substrat ein (100)-Siliciumwafer mit einer Dicke von 625 μm angewendet. Um zu verhindern, dass das Substrat während der später durchgeführten Wärmebehandlung Risse bildet, wurde das Substrat zuerst in oxidierendem Gas thermisch oxidiert, wodurch auf der Oberfläche des Substrats eine Siliciumdioxidschicht gebildet wurde. Eine n-MOS-Senke und eine isolierende Diffusionschicht wurden gebildet, indem eine Wärmebehandlung unter Bedingungen durchgeführt wurde, die denen ähnlich waren, die zur Bildung einer p-Senke bei dem CMOS-Prozess angewendet werden. Im Einzelnen wurde das Substrat 8 Stunden lang einer Wärmebehandlung in einer Sauerstoffumgebung bei 1200°C unterzogen. Die auf dem Substrat befindliche Siliciumdioxidschicht wurde unter Verwendung von gepufferter Flusssäure entfernt, so dass eine freiliegende reine Oberfläche des Substrats erhalten wurde. Das Siliciumsubstrat 100 wurde dann einer Hochtemperaturbehandlung in einer oxidierenden Gasumgebung unterzogen, so dass durch thermische Oxidation wieder eine Siliciumdioxidschicht gebildet wurde. Durch Ätzen unter Verwendung von gepufferter Flusssäure in Verbindung mit einem Photolithographieverfahren wurde die Siliciumdioxidschicht mit Ausnahme des Bereiches an einer Stelle, wo ein Durchgangsloch zu bilden war, entfernt, wodurch eine epitaxiales Aufwachsen verhindernde Schicht 98 gebildet wurde. Dann ließ man auf die Oberfläche des Substrats unter Verwendung von Monosilangas durch eine Vorrichtung zum epitaxialen Aufwachsen mit Induktionsheizung eine Epitaxialschicht 99 aufwachsen. Während dieses Vorganges wurde in dem Bereich, wo die epitaxiales Aufwachsen verhindernde Schicht 98 gebildet worden war, eher polykristallines Silicium als epitaxiales Silicium gebildet. Bei dieser Ausführungsform wurde dieses polykristalline Silicium als Platzhalterschicht 111 angewendet. Das Substrat wurde ferner einer thermischen Oxidation unter Verwendung von oxidierendem Gas unterzogen, so dass auf der Hauptoberfläche und auf der Rückseite des Substrats eine Siliciumdioxidschicht 101 bzw. 102 gebildet wurde. Die auf der Rückseite des Substrats befindliche Siliciumdioxidschicht 102 wurde durch Ätzen unter Verwendung von gepufferter Flusssäure in Verbindung mit einem Photolithographieverfahren teilweise entfernt, um in der Siliciumdioxidschicht 102 eine Öffnung 116 zu bilden, so dass das Siliciumsubstrat über die Öffnung 116 freigelegt wurde (18A).
Anschließend wurde die auf der Hauptoberfläche des Substrats befindliche Siliciumdioxidschicht 101 durch Ätzen unter Verwendung einer wässrigen Lösung von HF in Verbindung mit einem Photolithographieverfahren teilweise entfernt, so dass das Siliciumsubstrat freigelegt wurde. Auf der Siliciumdioxidschicht 101 wurde ein Bubblejet-Heizwiderstand 103 gebildet, der dazu dient, Tinte zu erhitzen und dadurch zum Sieden zu bringen und auf diese Weise einen Druck zu erzeugen. Ferner wurde auf dem Heizwiderstand 103 eine Passivierungsschicht 97 aus Siliciumnitrid gebildet (18B). Wie in dem in 2 gezeigten Fall wurden die Größe der Öffnung 116 und die Größe der Platzhalterschicht 111 derart festgelegt, dass bei der Bildung eines Durchgangsloches in dem Siliciumsubstrat durch Ätzen des Substrats von seiner Rückseite her die an der Hauptoberfläche des Siliciumsubstrats gemessene Öffnungsgröße des Durchgangsloches kleiner wurde als die Größe der Platzhalterschicht. Dann wurde eine Tintenströmungsweg-Bildungsschicht 104 gebildet, wobei die Tintenströmungsweg-Bildungsschicht 104 in einem späteren Bearbeitungsschritt durch Ätzen zu entfernen war, um einen Tintenströmungsweg 107 zu bilden. Ferner wurde auf der Tintenströmungsweg-Bildungsschicht 104 eine Düsenbildungsschicht 105 mit einem Ausstoßloch 106 gebildet (18C).
Das Siliciumsubstrat wurde dann über die Öffnung 116 unter Verwendung von TMAH geätzt, so dass ein Loch gebildet wurde, das von (111)-Kristalloberflächen umgeben war. Bei diesem anisotropen Ätzvorgang wurde das Ätzen des Siliciumsubstrats durch die epitaxiales Aufwachsen verhindernde Schicht 98 aus Siliciumdioxid gestoppt (18D). Das heißt, die epitaxiales Aufwachsen verhindernde Schicht 98 dient auch als Ätzstoppschicht, so dass es möglich ist, den anisotropen Ätzvorgang für die Bildung einer Vielzahl von Löchern in einem Wafer oder von Wafer zu Wafer unabhängig von dem anschließenden Vorgang des Ätzens der Platzhalterschicht zu steuern bzw. zu beherrschen. Die epitaxiales Aufwachsen verhindernde Schicht 98 wurde unter Verwendung von gepufferter Flusssäure geätzt, und die Platzhalterschicht 111 wurde durch isotropes Ätzen unter Vewendung von TMAH entfernt, wodurch eine Membran erhalten wurde, die aus einem Teil der Passivierungsschicht aus Siliciumnitrid gebildet war. Anschließend wurde der Teil der Passivierungsschicht 97 an der Stelle, wo vorher die Platzhalterschicht 111 vorhanden war, durch RIE (reaktives Ionenätzen) unter Verwendung von CF₄ entfernt, wodurch ein Durchgangsloch gebildet wurde, das als Tintenzuführungsloch 109 diente. Dann wurde die Tintenströmungsweg-Bildungsschicht 104 entfernt. Auf diese Weise wurde ein fertiger Tintenstrahldruckkopf erhalten (18E).
Wenn ein Tintenzuführungsloch unter Anwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens der Erfindung hergestellt wird, ist es unab hängig von den Schwankungen der Öffnungslänge des Durchgangsloches, der Dicke des Siliciumsubstrats und des Orientierungsflächenwinkels und auch unabhängig von einer Verformung des Öffnungsendes gegenüber der Form einer Geraden während der Hochtemperaturbehandlung möglich, eine Schwankung des Abstandes L zwischen dem Ende des Tintenzuführungsloches und der Mitte des Heizwiderstandes zu verhindern. Es ist somit möglich, eine gute Gleichmäßigkeit bei dem Tintenzuführungsverhalten der Ausstoßlöcher zu erzielen. Es ist infolgedessen möglich, einen Tintenstrahldruckkopf bereitzustellen, der Tintenzuführungslöcher hat, die zu einer stabilen bzw. beständigen und genauen Zuführung von Tinte fähig sind.
Obwohl bei dieser Ausführungsform Siliciumdioxid verwendet wurde, um die epitaxiales Aufwachsen verhindernde Schicht zu bilden, kann auch jedes geeignete amorphe oder polykristalline Material aus Metall, Halbleiter oder Isolator, das beliebige elektrische Eigenschaften hat, verwendet werden, solange es gegen eine hohe Temperatur, bei der das epitaxiale Aufwachsen durchgeführt wird, beständig ist und fähig ist, zu verhindern, dass eine Epitaxialschicht darauf aufwächst. Wenn die epitaxiales Aufwachsen verhindernde Schicht auch als Ätzstoppschicht angewendet wird, ist es erforderlich, dass das Material der epitaxiales Aufwachsen verhindernden Schicht auch gegen das von der Kristallorientierung abhängige anisotrope Ätzmittel beständig ist.
Elfte Ausführungsform
Hierin wird nachstehend unter Bezugnahme auf 19, die Bearbeitungsschritte veranschaulicht, ein anderes Beispiel für die Anwendung des Verfahrens zur Herstellung eines Durchgangsloches gemäß der Erfindung auf die Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes beschrieben. Als Substrat wurde ein (100)-Siliciumwafer mit einer Dicke von 625 μm angewendet. Um zu verhindern, dass das Substrat während der später durchgeführten Wärmebehandlung Risse bildet, wurde das Substrat zuerst in oxidierendem Gas thermisch oxidiert, wodurch auf der Oberfläche des Substrats eine Siliciumdioxidschicht gebildet wurde. Eine n-MOS-Senke und eine isolierende Diffusionschicht wurden gebildet, indem eine Wärmebehandlung unter Bedingungen durchgeführt wurde, die denen ähnlich waren, die zur Bildung einer p-Senke bei dem CMOS-Prozess angewendet werden. Im Einzelnen wurde das Substrat 8 Stunden lang einer Wärmebehandlung in einer Sauerstoffumgebung bei 1200°C unterzogen. Die auf dem Substrat befindliche Siliciumdioxidschicht wurde unter Verwendung von gepufferter Flusssäure entfernt, so dass eine freiliegende reine Oberfläche des Substrats erhalten wurde. Das Siliciumsubstrat wurde dann einer Hochtemperaturbehandlung in einer oxidierenden Gasumgebung unterzogen, so dass auf der Hauptoberfläche und auf der Rückseite des Substrats wieder durch thermische Oxidation eine Siliciumdioxidschicht 101 bzw. 102 gebildet wurde. Auf der Siliciumdioxidschicht 101 an der Oberfläche des Substrats wurde ein Bubblejet-Heizwiderstand 103 gebildet, der dazu dient, Tinte zu erhitzen und dadurch zum Sieden zu bringen und auf diese Weise einen Druck zu erzeugen. Die Siliciumdioxidschicht 102 an der Rückseite des Substrats wurde durch Ätzen unter Verwendung einer wässrigen Lösung von HF in Verbindung mit einem Photolithographieverfahren teilweise entfernt, um in der Siliciumdioxidschicht 102 eine Öffnung 116 zu bilden, so dass das Siliciumsubstrat über die Öffnung 116 freigelegt wurde (19A). Anschließend wurde die Siliciumdioxidschicht 101 durch Ätzen unter Verwendung einer wässrigen Lösung von HF in Verbindung mit einem Photolithographieverfahren teilweise entfernt, so dass das Siliciumsubstrat freigelegt wurde, und in dem freigelegten Bereich des Siliciumsubstrats wurde eine als Platzhalterschicht anzuwendende polykristalline Siliciumschicht abgeschieden. Die polykristalline Siliciumschicht wurde durch RIE unter Verwendung von CF₄ in Verbindung mit einem Photolithographieverfahren zu der Platzhalterschicht 111 strukturiert, und darauf wurde eine Passivierungsschicht 112 aus Siliciumnitrid gebildet (19B). Die Größe der Öffnung 116 und die Größe der Platzhalterschicht 111 wurden wie in dem in 5 gezeigten Fall festgelegt, so dass bei der Bildung eines Durchgangsloches in dem Siliciumsubstrat durch Ätzen des Substrats von seiner Rückseite her die an der Hauptoberfläche des Siliciumsubstrats gemessene Öffnungsgröße des Durchgangsloches kleiner wurde als die Größe der Platzhalterschicht. Dann wurde eine Tintenströmungsweg-Bildungsschicht 104 gebildet, wobei die Tintenströmungsweg-Bildungsschicht 104 in einem späteren Bearbeitungsschritt durch Ätzen zu entfernen war, um einen Tintenströmungsweg 107 zu bilden. Ferner wurde auf der Tintenströ mungsweg-Bildungsschicht 104 eine Düsenbildungsschicht 105 mit einem Ausstoßloch 106 gebildet (19C).
Das Siliciumsubstrat wurde dann über die Öffnung 116 unter Verwendung von TMAH geätzt, so dass ein Loch gebildet wurde, das von (111)-Kristalloberflächen umgeben war. Die Platzhalterschicht 111 wurde durch isotropes Ätzen unter Verwendung von TMAH entfernt, und das Ätzen wurde weiter fortgesetzt, so dass der Teil des Siliciumsubstrats an der Stelle, auf der die Platzhalterschicht vorher vorhanden war, geätzt wurde. Anschließend wurde der Teil der Passivierungsschicht 112 an der Stelle, unter der die Platzhalterschicht vorher vorhanden war, durch RIE unter Verwendung von CF₄ entfernt, wodurch ein Durchgangsloch gebildet wurde, das als Tintenzuführungsloch 109 diente. Schließlich wurde die Tintenströmungsweg-Bildungsschicht entfernt. Auf diese Weise wurde ein fertiger Tintenstrahldruckkopf erhalten (19D).
Wenn ein Tintenzuführungsloch unter Anwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens der Erfindung hergestellt wird, ist es unabhängig von den Schwankungen der Öffnungslänge des Durchgangsloches, der Dicke des Siliciumsubstrats und des Orientierungsflächenwinkels und auch unabhängig von einer Verformung des Öffnungsendes gegenüber der Form einer Geraden während der Hochtemperaturbehandlung möglich, eine Schwankung des Abstandes L zwischen dem Ende des Tintenzuführungsloches und der Mitte des Heizwiderstandes zu verhindern. Es ist somit möglich, eine gute Gleichmäßigkeit bei dem Tintenzuführungsverhalten der Ausstoßlöcher zu erzielen. Es ist infolgedessen möglich, einen Tintenstrahldruckkopf bereitzustellen, der Tintenzuführungslöcher hat, die zu einer stabilen bzw. beständigen und genauen Zuführung von Tinte fähig sind.
Zwölfte Ausführungsform
Ein ähnliches Verfahren zur Bildung eines Durchgangsloches bei der Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes ist beispielsweise auch in der Japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 9-11479 offenbart. Von den Erfindern der vorliegenden Erfindung durchgeführte Versuche haben gezeigt, dass bei der Herstellung eines Tintenstrahldruckkapfes unter Anwendung des in der vorstehend erwähnten Patent-Offenlegungsschrift offenbarten Verfahrens oder der Verfahren, die bei den vorstehend erwähnten Ausführungsformen angewendet werden, in dem Material einer Düse oder einer Membran während eines anisotropen Ätzvorganges Risse auftreten können, wenn das Ätzen mit einem Substrat durchgeführt wird, das eine auf einer Passivierungsschicht gebildete Harzschicht hat, die als Platzhalterstruktur eines Tintenströmungsweges dient. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben gefunden, dass die Risse in der Membran auf die (mechanische) Spannung in der Membran zurückzuführen sind. Nach einer eingehenden Untersuchung haben die Erfinder schließlich gefunden, dass in der Membran im wesentlichen keine Risse erzeugt werden, wenn die Membran der Passivierungsschicht derart gebildet wird, dass sie auf Zug beansprucht wird. Im Einzelnen kann eine Membran der Passivierungsschicht, die unter einer Zugspannung steht, verwirklicht werden, indem eine LP-SiN-Schicht (d. h. eine unter Anwendung eines LP-CVD-Geräts gebildete Siliciumnitridschicht) angewendet wird. Bei dieser Ausführungsform wurde die Membran unter Anwendung einer auf Zug beanspruchten LP-SiN-Schicht erfolgreich gebildet, ohne dass in der Membran nach dem anisotropen Ätzvorgang Risse erzeugt wurden. Es ist jedoch gefunden worden, dass ein anderes Problem, das nachstehend beschrieben wird, auftreten kann, wenn eine LP-SiN-Schicht über die gesamte Oberfläche eines Wafers zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes gebildet wird. Das heißt, wenn eine LP-SiN-Schicht über die gesamte Oberfläche eines Wafers zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes abgeschieden wird, wird ein aktives (Bau)element wie z. B. ein n-MOSFET, ein p-MOSFET oder eine pn-Diode für die Ansteuerung eines Heizwiderstandes durch die LP-SiN-Schicht bedeckt. Durch die LP-SiN-Schicht wird es jedoch unmöglich gemacht, dass das aktive (Bau)element fehlerfrei arbeitet. Das heißt, die LP-SiN-Schicht verursacht eine Anomalie der elektrischen Eigenschaften bzw. Kenndaten des aktiven (Bau)elements. Zur Vermeidung des vorstehend erwähnten Problems haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung hierin ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem eine LP-SiN-Struktur außerhalb des Bereiches gebildet wird, in dem Halbleitervorrichtungen bzw. -bauelemente gebildet werden. Obwohl die LP-SiN-Schicht bei dieser besonderen Ausführungsform zum Minimieren des Einflusses der LP-SiN-Schicht auf das aktive (Bau)element nur in dem Bereich gebildet wird, der der Membran entspricht, kann die LP-SiN-Schicht auch in anderen Bereichen gebildet werden, solange in dem Bereich, wo sich ein aktives (Bau)element befindet, kein LP-SiN vorhanden ist.
Das Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird nachstehend beschrieben.
22A bis 22G und 23 sind Schnittzeichnungen, die Bearbeitungsschritte zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes gemäß der vorliegenden Ausführungsform veranschaulichen. Zum besseren Verständnis wird in einem Halbleiterbauelement in 22A bis 22E nur ein Tintenzuführungsloch gezeigt, während in 22F to 22G und in 23 auch eine Einrichtung zur Erzeugung eines Tintenausstoßdruckes und eine Düse gezeigt werden.
Zuerst wurde ein Siliciumwafer 210 in Form eines p-(100)-Siliciumsubstrats mit einer Dicke von 625 μm bereitgestellt, und es wurde eine thermische Oxidation durchgeführt, um auf dem Siliciumsubstrat eine Siliciumoxidschicht 211 mit einer Dicke von 100 bis 500 Å zu bilden. Ferner wurde darauf durch Niederdruck-CVD eine Siliciumnitridschicht 212 in einer Dicke von 1000 bis 3000 Å abgeschieden (22A).
Die Siliciumnitridschicht 212 wurde dann derart strukturiert, dass sie nur in einem Bereich zurückblieb, in dem später eine Platzhalterschicht zu bilden war. Als die vorstehend erwähnte Strukturierung durchgeführt wurde, wurde die Siliciumnitridschicht an der Rückseite des Siliciumsubstrats vollständig entfernt (22B).
Das Siliciumsubstrat wurde dann einer thermischen Oxidation unterzogen, wodurch an der Oberfläche des Substrats eine Siliciumoxidschicht 213 mit einer Dicke von 6000 bis 12.000 Å gebildet wurde. Bei diesem thermischen Oxidationsvorgang wurde der Teil, der mit der Siliciumnitridschicht bedeckt war, nicht oxidiert, während die Bereiche an beiden Seiten der Siliciumnitridschicht 212 selektiv oxidiert wurden. Dies hatte zur Folge, dass diese Bereiche an beiden Seiten der Siliciumnitridschicht eine dickere Siliciumoxid schicht hatten. Anschließend wurde die Siliciumnitridschicht durch Ätzen entfernt (22C).
Die Siliciumoxidschicht 214, die unter der Siliciumnitridschicht 212 vorhanden gewesen war, wurde dann durch Ätzen strukturiert, so dass in der Siliciumoxidschicht 214 an einer Stelle, wo später das Öffnungsende eines Durchgangsloches zu bilden war, ein Fenster gebildet wurde und die Oberfläche des Siliciumsubstrats über das Fenster freigelegt wurde. Auf dem freigelegten Teil des Siliciumsubstrats wurde eine polykristalline Siliciumschicht 215 gebildet. Durch die Breite dieser polykristallinen Siliciumschicht 215 wird die Breite des Tintenzuführungsloches festgelegt, das in einem späteren Bearbeitungsschritt gebildet wird, wie später beschrieben wird (22D).
Anschließend wurde durch ein Niederdruck-CVD-Verfahren eine Siliciumnitridschicht (LP-SiN-Schicht) 216 mit einer Dicke von 500 bis 2000 Å gebildet. Die Siliciumnitridschicht (LP-SiN-Schicht) 216 wurde dann derart strukturiert, dass sie nur in dem Membranbereich (Platzhalterschichtbereich) zurückblieb. Dann wurde darauf durch Atmosphärendruck-CVD eine PSG-Schicht (PSG = Phosphorsilicatglas) 217 abgeschieden, und die abgeschiedene Schicht wurde in einer gewünschten Form strukturiert. Auf der PSG-Schicht 217 wurde eine Al-Cu-Schicht (nicht gezeigt) abgeschieden, und die abgeschiedene Schicht wurde in einer gewünschten Form strukturiert, um als Zwischenverbindungselektrode zu dienen. In dieser Stufe wurde ein aktives (Bau)element erhalten, das angesteuert wird, um einen Tintenausstoß durchzuführen (22E). [Zum besseren Verständnis des Aufbaus wird das aktive (Bau)element in den Figuren nicht gezeigt und wird in 22A bis 22E nur das Tintenzuführungsloch gezeigt.]
Durch Plasma-CVD wurde eine Plasma-Siliciumoxidschicht (p-SiO-Schicht) 218 mit einer Dicke von 1,0 bis 1,8 μm abgeschieden, und die abgeschiedene Schicht wurde in einer gewünschten Form strukturiert.
Auf der Plasma-Siliciumoxidschicht (p-SiO-Schicht) 218 wurde dann durch reaktive Zerstäubung eine TaN-Schicht mit einer Dicke von 200 bis 1000 Å abgeschieden, und die abgeschiedene TaN-Schicht wurde in einer gewünschten Form strukturiert, um als Heizwiderstand 219 zu dienen. Eine Plasma-Siliciumnitridschicht (p-SiN-Schicht) 220, die als Schutzschicht für den Heizwiderstand diente, wurde in einer Dicke von 6000 bis 12.000 Å abgeschieden.
Eine Ta-Schicht 221, die als Antikavitationsschicht diente, wurde durch Zerstäubung in einer Dicke von 200 bis 1000 Å abgeschieden, und die abgeschiedene Ta-Schicht wurde in einer gewünschten Form strukturiert. Des Weiteren wurde eine Strukturierung durchgeführt, um eine Anschlusselektrode zu bilden (22F).
Ein Photoresist 223 wurde auf das Substrat aufgetragen und in Form eines Platzhalters für den Tintenströmungsweg strukturiert. Eine Deckharzschicht 222, die angewendet wurde, um eine Wand des Tintenströmungsweges und eine Ausstoßplatte zu bilden, wurde derart gebildet, dass die strukturierte Photoresistschicht 223 mit der Deckharzschicht 222 bedeckt wurde, und in der Deckharzschicht 222 wurde ein Ausstoßloch 224 hergestellt.
Danach wurde das Siliciumsubstrat von seiner Rückseite her anisotrop geätzt, um ein Tintenzuführungsloch zu bilden, das angewendet wird, um Tinte zuzuführen. Bei der vorliegenden Ausführungsform wurden die Breiten der verwendeten Ätzmasken auf 145 μm bzw. auf 500 bis 700 μm eingestellt, um zu erreichen, dass die Platzhalterschicht 215 und das Tintenzuführungsloch 225 eine gewünschte Breite hatten. Man beachte, dass diese Breiten in Abhängigkeit von einer besonderen Anwendung und von verschiedenen Parametern wie z. B. der Dicke eines Siliciumsubstrats zweckmäßig festgelegt werden sollten. Das vorstehend beschriebene anisotrope Ätzen wurde bei einem Siliciumsubstrat mit einer Dicke von 625 μm unter Verwendung einer wässrigen Lösung von ΤΜΑΗ bei einer Lösungstemperatur von 80 bis 90°C für eine Ätzzeit von 15 bis 20 Stunden durchgeführt (22G).
Nach Beendigung des anisotropen Ätzens des Substrats wurden die aus der Siliciumnitridschicht (LP-SiN-Schicht) 216 bestehende Membran 226 und die Plasma-Siliciumnitridschicht (p-SiN-Schicht) 220, die in dem Tintenzuführungsloch vorhanden war, durch Trockenätzen unter Verwendung von Fluorgas und sauerstoffhaltigem Gas entfernt. Ferner wurde der Photoresist 223, der sich in dem Teil befand, aus dem der Tintenströmungsweg entstehen wird, entfernt. Auf diese Weise wurde ein fertiger Tintenstrahldruckkopf gemäß der vorliegenden Ausführungsform erhalten (23).
Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes gemäß der vorliegenden Ausführungsform wurden in der Membran während des anisotropen Ätzvorganges keine Risse erzeugt, so dass der resultierende Tintenstrahldruckkopf ein ausgezeichnetes Druckverhalten zeigte. Ferner wurde bei den Eigenschaften des aktiven (Bau)elements keine Anomalie beobachtet. Auch dies trägt zur Verwirklichung eines Tintenstrahldruckkopfes von hoher Qualität mit einer hohen Herstellungsausbeute bei.
Wie vorstehend beschrieben wurde, ist es mit dem Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, unabhängig von den Schwankungen der Siliciumsubstratdicke, des Orientierungsflächenwinkels und der Konzentration des von der Kristallorientierung abhängigen anisotropen Ätzmittels und auch unabhängig von einer Abnahme der Linearität der Form des Öffnungsendes des Durchgangsloches ein Durchgangsloch mit einer genau eingehaltenen bzw. eingestellten Öffnungslänge herzustellen. Es ist ferner möglich, ein Durchgangsloch durch Ätzen eines Substrats von seiner Rückseite her herzustellen, so dass das Durchgangsloch unabhängig davon, welches Bauelement auch immer auf der Hauptoberfläche des Substrats gebildet wird, leicht gebildet werden kann.
Das Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch angewendet werden, um einen Dünnschicht-Federbalken herzustellen, der eine genau eingehaltene bzw. eingestellte Länge hat, ohne dass es eine signifikante Schwankung der Länge von Wafer zu Wafer oder von Los zu Los gibt. Dieser Dünnschicht-Federbalken hat genau eingehaltene bzw. eingestellte mechanische Eigenschaften und eignet sich besonders für die Anwendung bei einem Rastersondenmikroskop. Das Substrat zur Herstellung eines Durchgangsloches, das gemäß einem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, kann auch angewendet werden, um so einen Dünnschicht-Federbalken herzustellen.
Das Substrat, das ein gemäß einem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestelltes Durchgangsloch hat, kann ferner angewendet werden, um eine Düse für die Zuführung von Gas oder Flüssigkeit zu verwirklichen. Wenn auf der Oberfläche des vorstehend beschriebenen Substrats ein Heizwiderstand, ein Tintenströmungsweg und eine Düse gebildet werden, ist es möglich, einen Tintenstrahldruckkopf zu erhalten, der ein als Tintenzuführungsloch dienendes Durchgangsloch hat.
Durch die Erfindung werden ein Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches und die Anwendung des erwähnten Verfahrens zur Herstellung eines Substrats, das ein Durchgangsloch hat, und einer Vorrichtung bzw. eines Bauelements, bei dem so ein Durchgangsloch oder ein Substrat, das so ein Durchgangsloch hat, angewendet wird, bereitgestellt, die dadurch gekennzeichnet sind, dass ein Durchgangsloch hergestellt werden kann, indem ein Siliciumsubstrat lediglich von seiner Rückseite her geätzt wird; die Öffnungslänge d unabhängig von den Schwankungen der Dicke des Siliciumwafers und des Orientierungsflächenwinkels und auch unabhängig von der Art eines verwendeten von der Orientierung des Siliciumkristalls abhängigen anisotropen Ätzmittels genau auf einen gewünschten Wert eingestellt werden kann; eine hohe Produktivität, eine hohe Reproduzierbarkeit der Herstellung und eine einfache Herstellung erzielt werden können; sogar in dem Fall, dass eine Temperaturbehandlung für eine lange Zeit bei einer hohen Temperatur durchgeführt wird, eine hohe Freiheit bezüglich der Form des Öffnungsendes erzielt werden kann und ein hochgenaues Durchgangsloch unabhängig von der Form einer Vorrichtung bzw. eines Bauelements, das auf der Oberfläche eines Substrats gebildet wird, hergestellt werden kann. Das Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches umfasst die folgenden Schritte: (a) Bildung einer aus einer polykristallinen Siliciumschicht hergestellten Platzhalterschicht auf der Hauptoberfläche des Substrats an einer Stelle, wo das Durchgangsloch zu bilden ist, wobei die Platzhalterschicht selektiv geätzt werden kann, ohne dass das Material des Substrats geätzt wird; (b) Bildung einer Passivierungsschicht, die gegen einen Ätzvorgang beständig ist, auf dem Substrat derart, dass die Platzhalterschicht mit der Passivierungsschicht bedeckt ist; (c) Bildung einer Ätzmaskenschicht auf der Rückseite des Sub strats, wobei die Ätzmaskenschicht eine Öffnung hat, die der Platzhalterschicht entspricht; (d) Ätzen des Substrats durch einen von der Kristallorientierung abhängigen, anisotropen Ätzvorgang über die Öffnung, bis die Platzhalterschicht freigelegt ist; (e) Entfernen der Platzhalterschicht durch isotropes Ätzen der Platzhalterschicht von dem Teil her, der in dem Schritt des Ätzens des Substrats freigelegt worden ist; und (f) teilweises Entfernen der Passivierungsschicht, so dass ein Durchgangsloch gebildet wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches (19; 109) in einem Siliciumsubstrat (10; 100), wobei das erwähnte Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) Bildung einer aus einer polykristallinen Siliciumschicht hergestellten Platzhalterschicht (11; 111) auf der Hauptoberfläche des erwähnten Substrats (10; 100) an einer Stelle, wo das Durchgangsloch (19; 109) zu bilden ist, wobei die erwähnte Platzhalterschicht (11; 111) selektiv geätzt werden kann, ohne dass das Material des erwähnten Substrats (10; 100) geätzt wird; (b) Bildung einer Passivierungsschicht (12; 112), die gegen einen Ätzvorgang beständig ist, auf dem erwähnten Substrat (10; 100) derart, dass die erwähnte Platzhalterschicht (11; 111) mit der erwähnten Passivierungsschicht (12; 112) bedeckt ist; (c) Bildung einer Ätzmaskenschicht (13; 102) auf der Rückseite des erwähnten Substrats (10; 100), wobei die erwähnte Ätzmaskenschicht (13; 102) eine Öffnung (14; 116) hat, die der erwähnten Platzhalterschicht (11; 111) entspricht; (d) Ätzen des Substrats (10; 100) durch einen von der Kristallorientierung abhängigen, anisotropen Ätzvorgang über die erwähnte Öffnung (14; 116), bis die erwähnte Platzhalterschicht (11; 111) freigelegt ist; (e) Entfernen der erwähnten Platzhalterschicht (11; 111) durch isotropes Ätzen der erwähnten Platzhalterschicht (11; 111) von dem Teil her, der in dem erwähnten Schritt des Ätzens des Substrats (10; 100) freigelegt worden ist; und (f) teilweises Entfernen der erwähnten Passivierungsschicht (17; 97), so dass ein Durchgangsloch (19; 109) gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches (19; 109) in einem Siliciumsubstrat (10; 100), wobei das erwähnte Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) Bildung einer epitaxiales Aufwachsen verhindernden Schicht (98) zur Verhinderung von epitaxialem Aufwachsen auf einem Teil des erwähnten Substrats (100) und dann Bildung einer Epitaxialschicht (99) auf dem erwähnten Substrat (100), wodurch eine Platzhalterschicht (111) gebildet wird, die selektiv geätzt werden kann, ohne dass das Material des erwähnten Substrats (10; 100) geätzt wird, wobei die erwähnte Platzhalterschicht (111) auf der erwähnten epitaxiales Aufwachsen verhindernden Schicht (98) an einer Stelle gebildet wird, wo das Durchgangsloch (109) zu bilden ist; (b) Bildung einer Passivierungsschicht (12; 112), die gegen einen Ätzvorgang beständig ist, auf dem erwähnten Substrat (10; 100) derart, dass die erwähnte Platzhalterschicht (11; 111) mit der erwähnten Passivierungsschicht (12; 112) bedeckt ist; (c) Bildung einer Ätzmaskenschicht (13; 102) auf der Rückseite des erwähnten Substrats (10; 100), wobei die erwähnte Ätzmaskenschicht (13; 102) eine Öffnung (14; 116) hat, die der erwähnten Platzhalterschicht (11; 111) entspricht; (d) Ätzen des Substrats (10; 100) durch einen von der Kristallorientierung abhängigen, anisotropen Ätzvorgang über die erwähnte Öffnung (14; 116), bis die erwähnte epitaxiales Aufwachsen verhindernde Schicht (98) freigelegt ist; (e) Entfernen des Teils der erwähnten epitaxiales Aufwachsen verhindernden Schicht (98), der in dem erwähnten Schritt des Ätzens des Substrats (10; 100) freigelegt worden ist; (f) Entfernen der erwähnten Platzhalterschicht (11; 111), indem sie über den entfernten Teil der erwähnten Aufwachsen verhindernden Schicht (98) geätzt wird; und (g) teilweises Entfernen der erwähnten Passivierungsschicht (17; 97), so dass ein Durchgangsloch (19; 109) gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches (19; 109) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem durch Ätzen der erwähnten Platzhalterschicht (11; 111) eine Membran der erwähnten Passivierungsschicht (12; 112) gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches (19; 109) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der erwähnte anisotrope Ätzvorgang unter Verwendung einer Lösung von TMAH durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches (19; 109) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Größe der Öffnung (14; 116) und die Größe der Platzhalterschicht (11; 111) derart festgelegt werden, dass im Fall der Bildung eines Durchgangsloches (19; 109) in dem Substrat (10; 100) durch Ätzen des Substrats (10; 100) über die Öffnung (14; 116) die bei der Hauptoberfläche des Substrats (10; 100) gemessene Größe des erhaltenen Durchgangsloches (19; 109) kleiner ist als die Größe der Platzhalterschicht (11; 111).
Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches (19; 109) nach Anspruch 5, bei dem das erwähnte Substrat (10; 100) eine (100)-Kristalloberfläche hat.
Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches (19; 109) nach Anspruch 6, bei dem die Größe d1 der Platzhalterschicht (11; 111) derart gewählt wird, dass sie die folgende Beziehung erfüllt: d1 > [D – 2t/tan(54,7°) + 2Rt/sin(54,7°)]worin D die Größe der Öffnung (14; 116) ist, t die Dicke des Substrats ist und R das Verhältnis der Ätzgeschwindigkeit für eine (100)-Oberfläche zu der Ätzgeschwindigkeit für eine (111)-Oberfläche des Substrats ist.
Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches (19; 109) nach Anspruch 6, bei dem das erwähnte Substrat (10; 100) eine Kristalloberfläche hat, die um einen Winkel von α (°) gegen eine (100)-Kristalloberfläche versetzt ist, und die Größe d1 der Platzhalter schicht (11; 111) derart gewählt wird, dass sie die folgende Beziehung erfüllt: d1 > [D – t/tan(54,7° + α) – t/tan(54,7° – α) + Rt/sin(54,7° + α) + Rt/sin(54,7° – α)]worin D die Größe der Öffnung (14; 116) ist, t die Dicke des Substrats ist und R das Verhältnis der Ätzgeschwindigkeit für eine (100)-Oberfläche zu der Ätzgeschwindigkeit für eine (111)-Oberfläche des Substrats (10; 100) ist.
Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches (19; 109) nach Anspruch 1, bei dem während des Schrittes des Ätzens der erwähnten Platzhalterschicht (11; 111) auch der Teil des erwähnten Substrats (10; 100), der die erwähnte Platzhalterschicht (11; 111) unmittelbar berührt, geätzt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches (19; 109) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die erwähnte Platzhalterschicht (11; 111) auf dem erwähnten Substrat (10; 100) in eingebetteter Weise gebildet wird, indem das erwähnte Substrat (10; 100) anodisch behandelt wird, wodurch es in ein poröses Material umgewandelt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches (19; 109) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die erwähnte Platzhalterschicht (11; 111) aus Siliciumdioxid besteht, das durch Oxidation von porösem Silicium gebildet wird, wobei das poröse Silicium auf dem erwähnten Substrat (10; 100) in eingebetteter Weise gebildet wird, indem das erwähnte Substrat (10; 100) anodisch behandelt wird, wodurch es in poröses Silicium umgewandelt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches (19; 109) nach Anspruch 3, bei dem die erwähnte Membran der Passivierungsschicht (12; 112) auf Zug beansprucht wird.
Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches (19; 109) nach Anspruch 12, bei dem die erwähnte Passivierungsschicht (12; 112) eine Siliciumnitridschicht ist, die durch ein Niederdruck-CVD-Verfahren (CVD = chemisches Aufdampfen) gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Durchgangsloches (19; 109) nach Anspruch 13, bei dem die erwähnte Passivierungsschicht (12; 112) derart strukturiert wird, dass sie nur in der Nähe des Durchgangsloches zurückbleibt.
Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes, der ein Ausstoßloch (106) zum Ausstoßen von Tinte, einen Tintenströmungsweg (Tintenströmungskanal) (107), der mit dem erwähnten Ausstoßloch (106) in Verbindung steht, und ein Substrat (100), das einen Ausstoßenergieerzeuger (103) zum Ausstoßen von Tinte und ein Durchgangsloch (109) hat, das als Tintenzuführungsloch für die Einführung von Tinte in den erwähnten Tintenströmungsweg (107) dient, umfasst, wobei das erwähnte Durchgangsloch (109), das als das erwähnte Tintenzuführungsloch dient, durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 erhalten wird.
Anwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Herstellung eines Siliciumsubstrats, das ein Funktionselement und ein durch das Verfahren erhältliches Durchgangsloch (19; 109) hat, wobei das erwähnte Siliciumsubstrat (10; 100) dadurch gekennzeichnet ist, dass der an der Oberfläche, auf der das erwähnte Funktionselement gebildet ist, gemessene Öffnungsdurchmesser d' des Durchgangsloches (19; 109) die folgende Beziehung erfüllt: d' > [D' – 2t/tan(54,7°)]worin D' der an der Rückseite des Siliciumsubstrats gemessene Öffnungsdurchmesser des Durchgangsloches ist und t die Dicke des Siliciumsubstrats (10; 100) ist.
Anwendung nach Anspruch 16 zur Herstellung eines Cantilevers (Auslegers) für die Anwendung bei einem Rastersondenmikroskop, wobei das erwähnte Funktionselement ein Dünnschicht-Cantilever (26) ist, dessen eines Ende an dem erwähnten Substrat (10; 100) befestigt ist.
Anwendung eines Verfahrens nach Anspruch 15 zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes, der ein Ausstoßloch (106) zum Ausstoßen von Tinte, einen Tintenströmungsweg (107), der mit dem erwähnten Ausstoßloch (106) in Verbindung steht, und ein Substrat (100), das einen Ausstoßenergieerzeuger (103) zum Ausstoßen von Tinte und ein Durchgangsloch (109) hat, das gebildet wird, indem das Substrat (100) von seiner Rückseite her, die der Oberfläche, auf der der erwähnte Ausstoßenergieerzeuger (103) gebildet ist, entgegengesetzt ist, geätzt wird, so dass das erwähnte Durchgangsloch (109) als Tintenzuführungsloch für die Einführung von Tinte in den erwähnten Tintenströmuungsweg (107) dient, umfasst, wobei das erwähnte Siliciumsubstrat (100) dadurch gekennzeichnet ist, dass der an der Oberfläche, auf der das erwähnte Funktionselement gebildet ist, gemessene Öffnungsdurchmesser d' des Durchgangsloches die folgende Beziehung erfüllt: d' > [D' – 2t/tan(54,7°)]worin D' der an der Rückseite des Siliciumsubstrats gemessene Öffnungsdurchmesser des Durchgangsloches ist und t die Dicke des Siliciumsubstrats ist.
Anwendung nach Anspruch 18, bei der das erwähnte Siliciumsubstrat (10; 100) ein aktives Element enthält, das auf der Oberfläche gebildet ist, auf der der erwähnte Ausstoßenergieerzeuger gebildet ist.
Anwendung nach Anspruch 18, bei der das erwähnte Siliciumsubstrat (10; 100) in dem Bereich des Tintenzuführungsloches eine SiN-Schichtmembran enthält.
Anwendung nach Anspruch 20, bei der die erwähnte SiN-Schicht derart auf dem Siliciumsubstrat gebildet ist, dass das erwähnte aktive Element nicht mit der erwähnten SiN-Schicht bedeckt ist.