JP2007326188A - マイクロデバイス及びマイクロデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 表基板を薄加工する工程にスピンエッチング法を用いる場合において、スピンエッチング加工に特有の液流痕の発生を抑えることで、密着性の高い保護膜形成や高精度なパターン形成を可能にすることを目的とするものである。
【解決手段】 基板を薄加工する工程にスピンエッチング法を用いるマイクロデバイス製造方法において、スピンエッチング工程を複数回に分割し、それぞれの回転方向を交互に逆転する、もしくは、スピンエッチング工程を複数段階に分割し、それぞれの回転数を変化させることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロセンサ、インクジェットプリントヘッド等のマイクロデバイス製造方法に関する。

近年、様々な要素を凝縮し小型で高機能な微小機械（マイクロマシン）が幅広い分野で検討されている。これらのマイクロデバイスは、半導体フォトリソグラフィープロセスを用い単結晶シリコン基板上にマイクロ構造体を形成するマイクロマシーニングと呼ばれる手法によって作成されるため、基板上に複数のマイクロ構造体を再現性よく作製することが可能であり、低コスト化が比較的容易である。また、このようなマイクロデバイスは、小型であるため周波数応答性がよく、機械的・熱的特性にも優れている。さらに、シリコン基板上にデバイス駆動用の集積回路などを作り込むことも比較的容易にでき、高度な機能を持ったデバイスを高密度に作成することが可能である。

このようなマイクロマシーニングの中でもシリコン結晶異方性エッチングを用いるバルクマイクロマシーニングは、様々なマイクロデバイスの作製に幅広く用いられている。結晶異方性エッチングは、単結晶シリコンの（111）面とそれ以外の結晶面のエッチング速度に差が生じることを利用するもので、基板を深く掘り下げ、貫通口、ダイヤフラム構造、梁構造など様々なマイクロデバイスに不可欠な構造体を高精度に作製することができる。

一般的には、シリコンの結晶異方性エッチングでは（100）面方位の基板が用いられることが多い。この場合、基板面に対して54.7°の角度をもった（111）面が出現するため、角錐型もしくは、角錐台型の穴を開けることができる。ところが、この異方性エッチングでは、穴は角錐型でなくてはならないために、マイクロ構造体の設計上、非常に大きな制約を受ける。例えば、極微少な貫通口を開けたい場合でも、穴の形状が角錐型に限られるためにエッチング開始側に、非常に広い面積が必要となってしまう。

これに対し、（110）面方位のシリコン基板も用いられる。（110）基板の場合、基板面に対し垂直な（111）面をもっているため、垂直な穴を開けることができるが、この際の穴の形状は、平行四辺形に限られてしまうため、この場合もまた、大きな設計上の制約が生じる。

これらの問題に対し、基板の厚みを変えることで解決が可能である。先に述べたように(100)基板においては、穴の形状が角錐型になるため、エッチング開始面側のパターン幅は、エッチング深さ、すなわち基板厚みに依存する。このため、基板厚みを所望のパターン幅に対応した厚さまで薄くすることで、マイクロ構造体の設計上の制約をクリアすることが出来る。また、これにより、マイクロ構造体の設計が自由に行えるだけでなく、貫通口やダイヤフラム構造のエッチング深さが少なくてすむために、エッチング時間の短縮にもなる。このメリットは、先に述べた結晶異方性エッチングを用いる場合のみならず、反応性ガスや、反応性プラズマを用いたドライエッチングによって深い溝や、貫通口を形成すると言った場合においても有効である。

ICカードやメモリーカード用チップなど既に薄基板を用いたプロセスが行われているデバイスにおいては、基板上に素子の形成が終了した後に、研削、研磨等の薄加工を行うのが一般的である。はじめから薄い基板を用意し、その基板にマイクロ素子、構造体を形成してもよいが、極端に薄い基板を用いると、強度が低いために基板を破損してしまう危険性がある。

本発明のマイクロデバイスでも同様に、素子や、マイクロ構造体がある程度まで完成した状態で、基板を薄加工するのが望ましい。しかし、先にも述べたように多くのマイクロデバイスでは、結晶異方性エッチングやドライエッチングを用いて、深い溝や貫通口を形成するプロセスがある。基板薄加工のメリット引き出すためには、これらのエッチング加工以前に薄加工を行う必要がある。一般的には、基板裏面からエッチング加工を行うため、薄加工後に加工面にマスク材の形成やパターン形成を行わなければならない。しかし、一般的に薄加工に用いられている研削や研磨によって、基板の薄加工面に研削・研磨くず等による汚染が発生してしまい、マスク材の密着性に不具合が生じたり、高精度のパターン形成が難しかったりといった問題が生じる。

これに対し、筆者は、基板の薄加工にウェットエッチングを用いる方法を提案した。とりわけ、基板表側の素子やマイクロ構造体保護の観点から、基板を回転しながらエッチング液を滴下するスピンエッチング方が有効であることは、先の提案において述べた。

従来例としては、例えば特許文献１をあげることが出来る。
特開平９−１１４７９号公報

ところが、スピンエッチングでは、エッチング液の基板上での流れに沿ってうっすらとした渦巻き状の痕がつくことがある。通常、この液流痕は、保護膜密着性やパターン形成に問題ないレベルのものであるが、エッチングの加工しろが増えると液流痕の凹凸は無視できないレベルになる場合があり、エッチング液の組成や、基板の回転数などの条件変更によっても解消できない場合、保護膜の密着性や微細なパターン形成に影響が出る可能性がある

本発明は、上記の問題点を鑑みなされたものであり、表基板を薄加工する工程にスピンエッチング法を用いる場合において、スピンエッチング加工に特有の液流痕の発生を抑えることで、密着性の高い保護膜形成や高精度なパターン形成を可能にすることを目的とするものである。

すなわち、本発明では、基板を薄加工する工程にスピンエッチング法を用いるマイクロデバイス製造方法において、スピンエッチング工程を複数回に分割し、それぞれの回転方向を交互に逆転する、もしくは、スピンエッチング工程を複数段階に分割し、それぞれの回転数を変化させることを特徴とするものである。

エッチング工程の分割は、多数回に分割するほど各段階での液流痕発生レベルが少ないため、効果的であるが、望ましくは、１回のエッチング加工厚が250ミクロン以下となることが望ましい。回転数を変化させる場合も、同様に多段階に分割するほど効果的である。また、段階を明確に分けずに回転数を連続的に変化させても全く問題ない。たとえば、設定した回転数に対して、ある幅を持って連続的に回転数を変化させるような制御を行ってもよい。ただし、液流痕を互いに打ち消す液流を発生させるため、なるべく回転数の変化幅を多くとった方が望ましい。

以上説明したように、本発明によれば、インクジェットプリントヘッド等のマイクロデバイスの製造において、基板を薄加工する工程にスピンエッチング法を用いる場合に、スピンエッチング特有の液流痕の発生を防ぎ、エッチング面に密着性の高い保護膜を形成することや、高精度なパターン形成が可能になるものである。

本発明の実施の形態として代表的な例として、図１に示したインクジェットプリントヘッドの場合について、以下に図を用いて実施例を説明する。

本実施例では、スピンエッチング工程を2回に分割し、互いに逆回転とする場合の実施例を示す。

図２に示すように、まずシリコン基板1（結晶方位〈100〉、厚さ625μm）表面にインク吐出圧力発生素子として電気熱変換素子2を配置し、さらに保護層として窒化シリコン層4、Ta層5を形成した。なお、電気熱変換素子2には、各素子を駆動するためのトランジスタ回路および配線が接続されている。（図示せず）
次いで、図３に示すように基板1上に東京応化工業（株）社製ポジレジストODURからなるインク流路パターン6を形成し、さらに感光性エポキシ樹脂層7及び感光性撥水層8を基板上に形成し、パターニングにより吐出口9を形成した。

次いで、図４及び図５に示すように基板を回転しながらエッチング液を滴下する方法、すなわちスピンエッチングによる基板の薄加工を行った。本実施例では、エッチング液にフッ酸(ＨＦ)、硝酸(HNO3)、硫酸(H2SO4)、リン酸(H3PO4)の混合液を用いた。シリコンのエッチングに寄与するのは、おもにフッ酸、硝酸であり、硫酸は、エッチング面の洗浄作用、リン酸は、エッチング液に緩衝作用を持たせることで、エッチング特性を長時間にわたって一定に保つ作用をするものである。このエッチング液を用い、基板を回転させながらエッチング液を滴下することによりエッチングを行った。エッチング工程は、2回に分割し1回目に時計回り方向の回転処理、2回目に反時計回り方向の回転処理を行った。加工しろは、1回目が約225μｍ、2回目が、約200μｍ、合計で約425μmとし、出来上がりが200μm厚となるようにした。

この際、エッチング回ごとに加工面を観察したところ、１回目が終了した時点では、うっすらと放射状に渦巻き模様が見られたが、２回目が終了した時点では、どちら方向の渦巻き模様もほとんど見られなかった。

図には示していないが、基板表面に既に形成されている各素子やインク流路を保護するために、基板表面にのみ環化ゴム系レジストを塗布した。これは、後に容易に除去可能であり、インク流路形成部材を侵さない材料であれば何でもかまわない。例えば他には、一般的な基板保護テープと称して市販されているものも利用可能である。

次いで、図６に示すように基板裏面に結晶異方性エッチングのマスクを形成する。結晶異方性エッチングは、KOH(水酸化カリウム)，TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)といった強アルカリの水溶液を用いるため、それに耐えうるエッチングマスクを形成する必要がある。例えば、酸化シリコン，窒化シリコンといった無機膜がよく用いられるが、高温(例えば300℃以上)で製膜しなければならないため、基板表面に形成した流路部材にダメージを与えてしまう。従って本実施例では、耐アルカリ性の有機膜として、ポリエーテルアミド樹脂を用いた。日立化成工業(株)社製HIMAL(登録商標)-1200CHをスピンコートし、150℃で乾燥した。流路形成部材に温度によるダメージはなかった。次いで、形成したポリエーテルアミド樹脂膜をフォトリソグラフィー技術を用いてマスクパターンを形成した。エッチングマスクパターンは、基板の厚みが変わったため、結晶異方性エッチングによるテーパー形状の幅を考慮の上設計しなくてはならない。今回、基板表側開口部の幅を100μmとし、通常の625μm厚の基板では、裏面エッチングマスクパターン幅は、約975μmに対し、200μm厚の基板では、エッチングマスクパターン幅は、約380μmとなった。

次いで、図７に示すようにポリエーテルアミド樹脂膜をマスクに結晶異方性エッチングを行い、インク供給口を形成する。本実施例では、水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液(TMAH)を用い、濃度22％、液温83℃の条件で5時間30分浸漬することで、貫通口を得た。貫通部の形状は、波打ったり崩れたりしてはおらず、薄加工処理面の影響はなかった。また、保護膜のポリエーテルアミドのパターンの密着性にも全く問題はなかった。

次いで、図８に示すようにインク供給口上の窒化シリコン層及びODURからなるインク流路パターン19を除去し、さらにノズル構成部材であるエポキシ樹脂を完全に硬化させるため、200℃／60分のベークを行いインクジェットプリントヘッド基板を得た。

第二の実施例として、スピンエッチング工程を5段階に分割し、それぞれの回転数を変化させた場合の実施例を示す。

図9に示すように、まずシリコン基板1（結晶方位〈100〉、厚さ625μm）表面にインク吐出圧力発生素子として電気熱変換素子2を配置し、さらに保護層として窒化シリコン層4、Ta層5を形成した。なお、電気熱変換素子2には、各素子を駆動するためのトランジスタ回路および配線が接続されている。（図示せず）
次いで、図１０に示すように基板1上に東京応化工業（株）社製ポジレジストODURからなるインク流路パターン6を形成し、さらに感光性エポキシ樹脂層7及び感光性撥水層8を基板上に形成し、パターニングにより吐出口9を形成した。

次いで、図１１に示すように基板を回転しながらエッチング液を滴下する方法、すなわちスピンエッチングによる基板の薄加工を行った。本実施例においても、フッ酸(ＨＦ)、硝酸(HNO3)、硫酸(H2SO4)、リン酸(H3PO4)の混合液を用いた。このエッチング液を用い、基板を回転させながらエッチング液を滴下することによりエッチングを行った。エッチング工程は、5段階に分割し各段階の回転数を1000rpm、700rpm、1000rpm、1400rpm、1000rpmとなるように回転処理を行った。加工しろは、合計で約425μmとし、出来上がりが200μm厚となるようにした。
エッチング処理後に加工面を観察したところ、渦巻き模様は、ほとんど見られなかった。

図には示していないが、基板表面に既に形成されている各素子やインク流路を保護するために、基板表面にのみ環化ゴム系レジストを塗布した。これは、後に容易に除去可能であり、インク流路形成部材を侵さない材料であれば何でもかまわない。例えば他には、一般的な基板保護テープと称して市販されているものも利用可能である。

次いで、図１２に示すように基板裏面に結晶異方性エッチングのマスクを形成する。結晶異方性エッチングは、KOH(水酸化カリウム)，TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)といった強アルカリの水溶液を用いるため、それに耐えうるエッチングマスクを形成する必要がある。例えば、酸化シリコン，窒化シリコンといった無機膜がよく用いられるが、高温(例えば300℃以上)で製膜しなければならないため、基板表面に形成した流路部材にダメージを与えてしまう。従って本実施例では、耐アルカリ性の有機膜として、ポリエーテルアミド樹脂を用いた。日立化成工業(株)社製HIMAL(登録商標)-1200CHをスピンコートし、150℃で乾燥した。流路形成部材に温度によるダメージはなかった。次いで、形成したポリエーテルアミド樹脂膜をフォトリソグラフィー技術を用いてマスクパターンを形成した。エッチングマスクパターンは、基板の厚みが変わったため、結晶異方性エッチングによるテーパー形状の幅を考慮の上設計しなくてはならない。実施例1の場合と同様、200μm厚の基板では、約380μmとなる。

次いで、図１３に示すようにポリエーテルアミド樹脂膜をマスクに結晶異方性エッチングを行い、インク供給口を形成する。本実施例では、水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液(TMAH)を用い、濃度22％、液温83℃の条件で5時間30分浸漬することで、貫通口を得た。貫通部の形状は、波打ったり崩れたりしてはおらず、薄加工処理面の影響はなかった。また、保護膜のポリエーテルアミドのパターンの密着性にも全く問題はなかった。

次いで、図１４に示すようにインク供給口上の窒化シリコン層及びODURからなるインク流路パターン19を除去し、さらにノズル構成部材であるエポキシ樹脂を完全に硬化させるため、200℃／60分のベークを行いインクジェットプリントヘッド基板を得た。

本発明の基本概念を示すチップの断面図である 実施例１に示した本発明のインクジェットプリントヘッドの製造方法を示す説明図である。 実施例１に示した本発明のインクジェットプリントヘッドの製造方法を示す説明図である。 実施例１に示した本発明のインクジェットプリントヘッドの製造方法を示す説明図である。 実施例１に示した本発明のインクジェットプリントヘッドの製造方法を示す説明図である。 実施例１に示した本発明のインクジェットプリントヘッドの製造方法を示す説明図である。 実施例１に示した本発明のインクジェットプリントヘッドの製造方法を示す説明図である。 実施例１に示した本発明のインクジェットプリントヘッドの製造方法を示す説明図である。 実施例２に示した本発明のインクジェットプリントヘッドの製造方法を示す説明図である。 実施例２に示した本発明のインクジェットプリントヘッドの製造方法を示す説明図である。 実施例２に示した本発明のインクジェットプリントヘッドの製造方法を示す説明図である。 実施例２に示した本発明のインクジェットプリントヘッドの製造方法を示す説明図である。 実施例２に示した本発明のインクジェットプリントヘッドの製造方法を示す説明図である。 実施例２に示した本発明のインクジェットプリントヘッドの製造方法を示す説明図である。

符号の説明

1 シリコン基板
2 インク吐出圧力発生素子
3 窒化シリコン膜
4 Ta膜
5 インク流路パターン
6 インク流路形成部材
7 撥水性樹脂
8 インク吐出口
9 エッチングマスク
10 インク供給口
11 薄加工面

Claims (9)

1. 表面に素子が形成された基板を裏面から薄加工する工程と、基板の薄加工した面にパターンを形成する工程を持ち、上記基板を薄加工する工程に基板を回転しながらエッチング液を基板上に滴下もしくは、噴霧することにより行うスピンエッチング法を用いることを特徴とするマイクロデバイス製造方法において、前記スピンエッチング工程を複数回に分割し、それぞれの回転方向を交互に逆転することを特徴とするマイクロデバイス製造方法。
2. 表面に素子が形成された基板を裏面から薄加工する工程と、基板の薄加工した面にパターンを形成する工程を持ち、上記基板を薄加工する工程に基板を回転しながらエッチング液を基板上に滴下もしくは、噴霧することにより行うスピンエッチング法を用いることを特徴とするマイクロデバイス製造方法において、前記スピンエッチング工程を複数段階に分割し、それぞれの回転数を変化させることを特徴とするマイクロデバイス製造方法。
3. 前記薄加工した面にパターンを形成し、形成したパターンをマスクに基板にエッチング加工を行うことを特徴とする請求項1、２記載のマイクロデバイス製造方法。
4. 前記エッチング加工が結晶異方性ウエットエッチング法であることを特徴とする請求項3記載のマイクロデバイス製造方法。
5. 前記エッチング加工が、反応性ガスもしくは、反応性プラズマを用いたドライエッチング法であることを特徴とする請求項3記載のマイクロデバイス製造方法。
6. 発熱抵抗体を備えた基板上にインク流路及びインク吐出口が設けられ、発熱抵抗体の発熱によるインクの発泡を利用してインクを吐出するインクジェット記録ヘッドで、発熱抵抗体を備えた基板上にノズル流路を形成するための型材の樹脂を塗布しパターニングする工程、インク流路及びインク吐出口を形成する樹脂を塗布しパターニングする工程、基板を薄加工するための工程として基板を回転しながらエッチング液を基板上に滴下もしくは、噴霧することによりエッチングするスピンエッチング工程、薄加工した面にインク供給口を形成するためのマスクパターンを形成する工程、インク供給口を形成するために基板をエッチングする工程、前記型材を除去する工程、を少なくとも有するインクジェットプリントヘッドにおいて、
   前記スピンエッチング工程を複数回に分割し、それぞれの回転方向を交互に逆転することを特徴とするマイクロデバイス製造方法。
7. 発熱抵抗体を備えた基板上にインク流路及びインク吐出口が設けられ、発熱抵抗体の発熱によるインクの発泡を利用してインクを吐出するインクジェット記録ヘッドで、発熱抵抗体を備えた基板上にノズル流路を形成するための型材の樹脂を塗布しパターニングする工程、インク流路及びインク吐出口を形成する樹脂を塗布しパターニングする工程、基板を薄加工するための工程として基板を回転しながらエッチング液を基板上に滴下もしくは、噴霧することによりエッチングするスピンエッチング工程、薄加工した面にインク供給口を形成するためのマスクパターンを形成する工程、インク供給口を形成するために基板をエッチングする工程、前記型材を除去する工程、を少なくとも有するインクジェットプリントヘッドにおいて、
   前記スピンエッチング工程を複数段階に分割し、それぞれの回転数を変化させることを特徴とするマイクロデバイス製造方法。
8. 上記エッチング加工が結晶異方性ウエットエッチング法であることを特徴とする請求項6、7記載のマイクロデバイス製造方法。
9. 上記エッチング加工が、反応性ガスもしくは、反応性プラズマを用いたドライエッチング法であることを特徴とする請求項6、7記載のマイクロデバイス製造方法。

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