JP2008282967A - 微細構造の加工方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】形状及び寸法の精度が高い微細構造の加工方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の微細構造の加工方法は、基板10に微細な凹部30を形成する微細構造の加工方法である。エッチングマスク20を設けた基板10の露出部をドライエッチングして、第1の深さの凹部30を形成する工程と、第1の深さの凹部が形成された基板のエッチングマスク上に、液滴吐出法でレジスト液体物を配する工程と、基板のエッチングマスク上に配されたレジスト液体物を硬化させて、エッチングマスクを補強する補強膜70を形成する工程と、補強膜70が形成された基板の凹部30をドライエッチングして深くし、凹部30を第1の深さよりも深い第2の深さに形成する工程と、を有することを特徴とする。
【選択図】図2

Description

本発明は、微細構造の加工方法に関する。
近年、半導体技術を応用したMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスが注目を集めている。MEMSデバイスは、機械要素部品や、アクチュエータ、センサー、電子回路等を同じチップ上に集積させたものであり、インクジェットプリンタのヘッドや、圧力センサー、ジャイロスコープ、プロジェクタ等に用いられるDMD(Digital Mirror Device)等が実用化されて製品化されている。
MEMSデバイスを製造するためには、例えば径が数〜数十μm程度、深さが数十〜数百μm程度の開口部(凹部)等の微細構造を形成することが必要とされているが、MEMSデバイスを正常に機能させるために、微細構造の形状及び寸法には高い精度が要求されている。そのため、半導体技術をMEMSデバイスの微細構造の加工にそのまま適用できない場合もあり、例えば前記のような深い凹部をその側壁が基板に対して垂直となるように形成することは困難とされている。垂直な側壁を有する凹部の加工方法としては、特許文献1に開示されている方法等がある。
特許文献1の方法は、SFガスプラズマによるエッチング工程を基板に複数回数行うことによって所定の深さの切欠(凹部)を形成する方法であり、エッチング工程の間にCHFガスプラズマによるポリマー析出工程を行うことで、側壁(凹部側壁)を保護するポリマーを堆積させて、側壁のサイドエッチを防止している。
特表2001−505001号公報
特許文献1の方法によれば、垂直性に優れた凹部(切欠)を形成することが可能であると考えられるが、さらに深い凹部を形成する場合には、凹部と対応したエッチングマスクの開口端部が後退してしまい、凹部の形状及び寸法の精度が損なわれてしまうおそれがある。詳しくは、垂直性に優れた凹部を形成するためには、側壁に保護膜(ポリマー)を形成(堆積)することが有効であるが、ポリマーを側壁のみに選択的に析出させることは困難である。そこで、ポリマー析出工程では基板の全面、すなわちエッチングマスク表面と、凹部の側壁及び底面と、にポリマーを堆積させた後、エッチング工程の物理的プロセス、すなわち加速イオンFの衝撃力による異方性エッチングによって、凹部底面のポリマーを除去している。
このような物理的なプロセスにおいては、凹部底面のポリマー以外に、加速イオンFが入射する部分のポリマー、例えばエッチングマスク表面を被覆しているポリマーも除去される。そして、露出したエッチングマスクは、加速イオンFの衝撃力によってエッチングされてしまう。特に、エッチングマスクの開口端部は、顕著にエッチングされて損傷してしまい、エッチングマスクの機能が損なわれてしまう。このようにして、アンダーエッチ等の不具合が生じた微細構造は、形状及び寸法の精度が損なわれてしまい、これを備えたデバイス等を正常に機能させることができないことがあった。
本発明は、前記の従来技術の課題に鑑み成されたものであって、エッチングマスクの開口端部が後退することを防止し、凹部の形状及び寸法の精度が高い微細構造の加工方法を提供することを目的とする。
本発明の微細構造の加工方法は、基板に微細な凹部を形成する微細構造の加工方法であって、
エッチングマスクを設けた基板の露出部をドライエッチングして、第1の深さの凹部を形成する工程と、
第1の深さの凹部が形成された基板のエッチングマスク上に、液滴吐出法でレジスト液体物を配する工程と、
前記基板のエッチングマスク上に配されたレジスト液体物を硬化させて、エッチングマスクを補強する補強膜を形成する工程と、
前記補強膜が形成された基板の前記凹部をドライエッチングして深くし、凹部を第1の深さよりも深い第2の深さに形成する工程と、を有することを特徴とする。
このようにすれば、第2の深さの凹部を形成する際のドライエッチングの前に、エッチングマスクを補強する補強膜を形成しているので、前記ドライエッチングによってエッチングマスクがエッチングされることが防止され、前記凹部に対応したエッチングマスクの開口端部等が損傷することが防止される。したがって、開口端部が後退することが防止され、エッチングマスクを正常に機能させることができる。よって、アンダーエッチ等の不具合が防止され、形状及び寸法の精度が高い凹部を形成することができる。このようにして形成された凹部を有する微細構造は、その凹部が高精度の形状及び寸法に形成されているので、これを備えたデバイスを正常に機能させることができる。
また、前記液滴吐出法でレジスト液体物を配する工程は、レジスト液体物の液滴を前記凹部の深さ方向に対して斜めになるように入射させることが好ましい。
このようにすれば、斜めになるように入射した液滴は、基板に対して水平方向の速度を有しており、凹部内に入射した場合にも凹部底面よりも先に凹部側壁に到達するので、凹部底面に配されることが格段に軽減される。特に、前記凹部の径と深さの比(アスペクト比)が大きい場合には、液滴が凹部底面に到達する所要時間が大きくなるので、液滴が凹部底面に配されることが防止される。また、例えばノズルを基板上に対して移動(走査)させながらレジスト液体物を噴霧するようにして、レジスト液体物の液滴を前記凹部の深さ方向に対して斜め方向から基板に入射させるようにすれば、液滴の水平方向の速度を増加させることができるので、凹部底面にレジスト液体物が配されることをより確実に防止することができる。
以上のように、凹部底面にレジスト液体物が配されることを防止しているので、凹部底面に配されたレジスト液体物が硬化されて凹部底面を保護してしまうことが防止され、凹部底面のエッチングが抑制されることを回避することができる。
また、前記液滴吐出法でレジスト液体物を配する工程は、液滴吐出法としてスプレーコート法を用いることが好ましい。
このようにすれば、レジスト液体物の液滴は、ノズルから放射状に噴霧(吐出)されるので、これをエッチングマスクの広範囲に配することができ、効率的にレジスト液体物を配することができる。また、放射状に噴霧されたレジスト液体物の液滴は、凹部の深さ方向に対して斜めになるように入射するので、前記したようにレジスト液体物の液滴が凹部底面に配されることが低減される。
また、前記基板は、シリコン基板であることが好ましい。
このようにすれば、例えばシリコン基板を用いたMEMSデバイス等の微細構造を、高精度の形状及び寸法に形成することができ、MEMSデバイスを正確に機能させることができる。
また、前記ドライエッチングは、プラズマエッチングを用いて凹部を所定の深さだけエッチングするエッチングプロセスを複数回数有しており、前記エッチングプロセス間には前記凹部の側壁に、該側壁のエッチングを抑制する保護膜を形成する堆積プロセスを有することが好ましい。
このようにすれば、側壁のエッチングを抑制する保護膜を形成しているので、前記エッチングプロセスでは、主として前記凹部の底面がエッチングされる。したがって、基板に対して垂直な側壁を有する凹部を形成することができる。
前記補強膜を形成する工程は、基板を加熱することにより、基板上のレジスト液体物を硬化させることが好ましい。
このようにすれば、基板上のエッチングマスク及び凹部の側壁に配されたレジスト液体物を短時間で硬化させることができるので、レジスト液体物が凹部の側壁を伝って流れ、底面に溜まることが防止される。したがって、前記凹部の底面に補強膜が形成される不都合が回避される。
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明するが、本発明の技術範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。また、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
図1(a)〜(d)、及び図2(a)〜(d)は、本発明に係る微細構造の加工方法の一実施形態を説明する断面模式図である。本実施形態では、開口形状が円形の凹部を複数有する微細構造を、シリコン基板(基板)に形成する方法を例として説明を行う。前記凹部は複数回数のエッチング工程を経て形成されるものであり、その最終的な寸法としては、例えば内径が7μmであり、深さが百〜数百μm程度のものである。
まず、図1(a)に示すように、シリコン基板10上の所定位置にエッチングマスク20を配置する。エッチングマスク20は、例えばフォトレジストを材料として、フォトリソグラフィ法等でパターニングされたものである。その厚さとしては、最終的な凹部の深さや、エッチングマスク20のエッチング比、後述する補強膜の形成回数等に応じた値とすることができ、例えば数〜数十μm程度である。
次に、図1(b)に示すように、シリコン基板10のエッチングマスク20配置面にドライエッチングを行い、エッチングマスク20の間、すなわちシリコン基板10の露出面のシリコンを除去して、凹部30を形成するエッチングプロセスを行う。本実施形態では、ドライエッチングとしてSFガスプラズマを用いたプラズマエッチングを用いる。
SFガスプラズマでは、Fイオン(加速イオン)40aやFラジカル40b等が生成されており、Fイオン40aは主に物理的プロセスによる異方性エッチングを進行させ、Fラジカル40bは主に化学的プロセスによる等方性エッチングを進行させる。詳しくは、前記のFイオン40aは、大きな運動エネルギーを持っており、凹部30の底面32に対して略垂直に入射する。凹部30の底面32のシリコンは、Fイオン40a入射時の大きな衝撃力によってシリコン粒子として飛散(スパッタ)されて物理的に除去される。また、前記のFラジカル40bは、凹部30内に浮遊しており、シリコンと容易に化学反応を生じてSiF(気体)を生成する。凹部30の側壁31及び底面32のシリコンは、化学反応を経てSiFガスとなり、このガスが凹部30内から排気されることにより除去される。
ここで、前記のFイオン40aによる物理的プロセスは、Fイオン40aが被処理面に入射した際の衝撃力に基づいているので、凹部30の底面32以外のFイオン40a入射部、すなわちエッチングマスク20表面にも同様の作用を生じさせ、ここをエッチングしてしまう。特に、エッチングマスク20の開口端部は、基板に対して僅かに斜め方向から入射するFイオン40aによって側面側がエッチングされ、基板に対して略垂直方向から入射するFイオン40aによって上面側がエッチングされて、エッチングによる損傷が顕著に生じる。ただし、図1(b)に示したように、損傷が軽度であり、エッチングマスク20がシリコン基板10の所定位置を覆っている段階では、エッチングマスク20がその機能を損なうことはない。
次に、凹部30の側壁31のエッチングを抑制する保護膜を形成する堆積プロセスを行う。本実施形態では、シリコン基板10のエッチングマスク20配置面をCプラズマに曝露して、Cプラズマで生成されたCxFyラジカル50aを、エッチングマスク20表面と凹部30内部とに堆積させて、フルオロカーボン重合膜(保護膜)50を形成する。フルオロカーボン重合膜50は、化学的に安定であり、前記のFラジカル40bによる化学的プロセス(等方性エッチング)で除去されにくいため、凹部30の側壁31のエッチングを抑制することができる。
次に、図1(d)に示すように、先述したエッチングプロセスと同様にエッチングプロセスを行う。ここで、前記フルオロカーボン膜50の凹部底面被覆部51は、ここに入射するFイオン40aの入射部に対応して、物理的に除去され、この下のシリコン面が露出する。その後、先述したようにFイオン40aによる物理的プロセス(異方性エッチング)と、Fラジカル40bによる化学的プロセス(等方性エッチング)と、によってエッチングを進行させて、先述のエッチングプロセス後よりも深い凹部30を形成する。ここで、エッチングマスク20上のフルオロカーボン重合膜50と前記凹部底面被覆部51とは同程度の厚さであり、かつ同様にFイオン40aが入射しているので、同程度の時間で除去される。したがって、凹部30を深くするためのエッチングプロセス中には、エッチングマスク20は露出しており、ここにFイオン40aが入射して、エッチングマスク20の損傷が進行する。
以上のようなエッチングプロセス及び堆積プロセスは、従来の方法と同様に行うことができ、これらのプロセスを交互に所定の回数行うことによって、第1の深さの凹部30を形成する。第1の深さとしては、例えば100μm程度とする。
なお、以下の説明は図2(a)〜(d)を用いて行うが、図2(a)〜(d)では、細部を見やすくするために、先述したエッチングプロセス及び堆積プロセスの繰り返しによって形成される周期的な部分を適宜省略して示している。
次に、図2(a)に示すように、第1の深さの凹部30が形成されたシリコン基板10上のエッチングマスク20上に、液滴吐出法でレジスト液体物を配する。液滴吐出法としては、スプレーコート法やインクジェット法を用いることができ、多数の凹部30を形成する場合や凹部30の穴径と深さとの比(アスペクト比)が大きい場合等にはスプレーコート法を好適に用いることができる。本実施形態では、スプレーコート法を用いて、レジストを溶媒または分散媒で10倍に希釈したレジスト液体物をエッチングマスク20上に配する。
具体的には、シリコン基板10の鉛直上方16mm程度の位置に設置したノズル60を水平方向に移動させてシリコン基板10を走査させ、このノズル60から前記レジスト液体物を放射状に噴霧(スプレー)し、エッチングマスク20の全面にレジスト液体物を配する。このようなスプレー処理を、例えば4回繰り返すことによって、エッチングマスク20上にムラなくレジスト液体物を配する。
このように、スプレーコート法を用いることにより、レジスト液体物の液滴70aがノズル60から放射状に噴霧されるので、エッチングマスク20上の広範囲にレジスト液体物を配することができ、効率的にレジスト液体物を配することができる。また、放射状に噴霧されたレジスト液体物の液滴70aは、凹部30の深さ方向に対して斜めになるように入射するので、シリコン基板10に対して水平方向の速度を有しており、凹部30の底面32には配されることなく、エッチングマスク20上と、開口端部付近の側壁31のみに選択的に配される。つまり、本実施形態のようにアスペクト比が大きい凹部30においては、液滴70aが側壁31に到達する所要時間は底面32に到達する所要時間よりも短いので、液滴70aは先に到達する側壁31に付着して、底面32に到達することはない、もしくは極めて稀である。
また、本実施形態のように、ノズル60を走査させながらスプレー処理すれば、液滴70aの水平方向の速度を制御することができるので、液滴70aが底面32に到達する(配される)ことをより確実に防止することができる。つまり、凹部のアスペクト比が比較的小さい(例えば10)場合には、ノズル60を水平方向に移動(走査)させる速度を速くすれば、液滴70aの水平方向の速度が増加するので、液滴70aが側壁31に到達する所要時間が短縮され、液滴70aが先に底面32に到達することが防止される。
また、スプレー処理を行う際に、本実施形態ではシリコン基板10を保持させるステージ(図示せず)を、例えば80℃にしておき、これによってシリコン基板10を所定温度に加熱する。このようにすれば、レジストの希釈溶液であるレジスト液体物の液滴70aは、エッチングマスク20等に付着すると、即座に溶媒(分散媒)が蒸発して硬化し、凹部30の側壁31を伝って流れ底面32に溜まることが防止される。このようにして、図2(b)に示すように、エッチングマスク20上にレジスト液体物からなる補強膜70を形成する。
次に、図2(c)に示すように、先述した堆積プロセスと同様に、シリコン基板10のエッチングマスク20配置面をCプラズマに曝露して、凹部30の側壁31のエッチングを抑制するフルオロカーボン重合膜50を形成する。そして、図2(d)に示すように、先述したエッチングプロセスと同様に、SFガスプラズマを用いたプラズマエッチングを行い、Fイオン40aによる物理的プロセスで凹部底面被覆部51を除去し、この下のシリコン露出面を物理的プロセス及び化学的プロセスでエッチングする。
ここで、前記補強膜70は凹部30の底面(図2(b)参照)に形成されないようにしているので、底面側のエッチングが抑制されることはなく、仮に極めて微量の補強膜材料が配されていても前記物理的プロセスによってフルオロカーボン重合膜50の凹部底面被覆部51とともに除去されるので、後の行程で不都合を生じることはない。また、エッチングマスク20上のフルオロカーボン重合膜50は、前記物理的プロセスの際にFイオン40aが入射するので、凹部底面被覆部51と同様に除去されるが、エッチングマスク20は、この上に補強膜70が形成されているのでFイオン40aによる物理的プロセスで損傷を受けることなく保持される。したがって、エッチングマスク20が損傷してその下のシリコン基板10がエッチングされ、アンダーエッチ等の不具合が生じることが防止される。
次に、先述した堆積プロセス及びエッチングプロセスを交互に所定の回数行うことによって第2の深さの凹部30を形成する。前記補強膜70は、エッチングプロセスを行うたびにFイオン40aによる物理的プロセスで削られて損傷し、所定の回数以上のエッチングプロセスを行うとエッチングマスク20上から除去されて機能しなくなる。そのため、前記第2の深さは、前記補強膜70が機能性を損なわない程度の回数のエッチングプロセスによってエッチング可能な深さ、例えば数十μm程度とする。
次に、先述した方法と同様にして、エッチングマスク20上に再び補強膜70を形成する。そして、堆積プロセス及びエッチングプロセスを交互に所定の回数行うことによって、凹部30の深さをさらに深くする。このように、補強膜70を形成する工程と、堆積プロセス及びエッチングプロセスからなる凹部30を深くする工程と、を交互に行うことによって、所定の深さの凹部30を形成する。そして、シリコン基板10上のエッチングマスク20や補強膜70、フルオロカーボン重合膜50等を例えばプラズマアッシング等で除去し、洗浄処理等を行うことによって所定の深さの凹部30を有する微細構造を形成する。
以上のような本実施形態の微細構造の加工方法によれば、エッチングマスク20上に補強膜70を形成しているので、エッチングマスク20が損傷してその機能が損なわれることが防止され、シリコン基板10にアンダーエッチ等の不具合を生じることなく凹部30を高精度の形状及び寸法で形成することができる。
また、エッチングマスク20の機能が損なわれることを防止しているので、エッチングマスク20によって、フルオロカーボン重合膜50に入射するFイオン40aの入射部を正確に規定することができ、Fイオン40aによる凹部底面被覆部51の除去範囲を正確に規定することができる。よって、凹部底面被覆部51が除去されて露出するシリコン面の露出部の範囲を正確に規定することができ、複数のエッチングプロセスの各々で、同じ範囲の露出部をエッチングすることができる。このようにして、シリコン基板10に対して垂直な側壁31を有する凹部30を、高精度の形状及び寸法に形成することができる。
本発明の微細構造の加工方法によれば、補強膜70を形成し、エッチングマスク20が損傷してその機能が損なわれることを防止しているので、高精度の形状及び寸法で凹部30を形成することができ、このような凹部30を有する微細構造は、これを備えたMEMSデバイス等のデバイスを正常に機能させることができる。例えば、本発明の加工方法をインクジェットヘッドのキャビティの加工に適用すれば、キャビティが正確な寸法に形成されるので、これを備えたインクジェットヘッドは、前記キャビティに正確な量のインクの量を貯留することができ、所定量のインクを吐出することができる。
なお、本実施形態では穴状の凹部30を形成したが、この他にも溝状の凹部や、これを複数並列させた平面視略櫛歯状の凹部、複数の溝状の凹部を縦横に配置した格子状凹部等、様々な微細構造を形成することができる。また、凹部30の開口部形状は、円形以外にも矩形等の微細構造の用途に応じた形状とすることができる。
また、アスペクト比が小さい凹部を形成する場合には、補強膜70を形成する際のスプレー処理において、ノズル60の移動速度を調整することによって対応可能であるが、アスペクト比が極めて小さい場合には、液滴吐出法としてインクジェット法を用いて、エッチングマスク20上にレジスト液体物を配するようにしてもよい。また、スプレー処理を繰り返す回数は、ノズル60の移動速度に応じて変更することができ、例えばノズルの移動速度を速くした場合にはスプレー処理の回数を増やすことで、ムラなくレジスト液体物を配することができる。
また、エッチングマスク20としては、本実施形態で用いたフォトレジスト材料からなるものの他にもSiO等からなるハードマスク、金属からなるメタルマスク等を用いることもできる。また、補強膜70を形成する回数は、補強膜70のエッチングプロセスに対する耐久性や最終的な凹部30の深さ等に応じて、適宜選択することができる。
また、エッチングプロセス及び堆積プロセスは、本実施形態のようにエッチングプロセスを先に行ってもよいし、堆積プロセスを先に行ってもよい。また、補強膜70を形成する工程は、エッチングプロセスの次に行ってもよいし、堆積プロセスの次に行ってもよい。
本発明の微細構造の加工方法を説明する断面模式図である。 本発明の微細構造の加工方法を説明する断面模式図である。
符号の説明
10・・・シリコン基板(基板)、20・・・エッチングマスク、30・・・凹部(微細構造)、31・・・側壁(凹部側壁)、32・・・底面(凹部底面)、40a・・・Fイオン(加速イオン)、40b・・・Fラジカル、50・・・フルオロカーボン重合膜(保護膜)、60・・・ノズル、70・・・補強膜、70a・・・液滴(レジスト液体物)

Claims (6)

  1. 基板に微細な凹部を形成する微細構造の加工方法であって、
    エッチングマスクを設けた基板の露出部をドライエッチングして、第1の深さの凹部を形成する工程と、
    第1の深さの凹部が形成された基板のエッチングマスク上に、液滴吐出法でレジスト液体物を配する工程と、
    前記基板のエッチングマスク上に配されたレジスト液体物を硬化させて、エッチングマスクを補強する補強膜を形成する工程と、
    前記補強膜が形成された基板の前記凹部をドライエッチングして深くし、凹部を第1の深さよりも深い第2の深さに形成する工程と、を有することを特徴とする微細構造の加工方法。
  2. 前記液滴吐出法でレジスト液体物を配する工程は、レジスト液体物の液滴を前記凹部の深さ方向に対して斜めになるように入射させることを特徴とする請求項1に記載の微細構造の加工方法。
  3. 前記液滴吐出法でレジスト液体物を配する工程は、液滴吐出法としてスプレーコート法を用いることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の微細構造の加工方法。
  4. 前記基板は、シリコン基板であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の微細構造の加工方法。
  5. 前記ドライエッチングは、プラズマエッチングを用いて凹部を所定の深さだけエッチングするエッチングプロセスを複数回数有しており、前記エッチングプロセス間には前記凹部の側壁に、該側壁のエッチングを抑制する保護膜を形成する堆積プロセスを有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の微細構造の加工方法。
  6. 前記補強膜を形成する工程は、基板を加熱することにより、基板上のレジスト液体物を硬化させることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の微細構造の加工方法。
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