JP2016037625A - エッチング方法及び液体吐出ヘッド用基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】イリジウムで形成された部材をエッチングする際に生じる当該部材の粗れを低減する技術を提供する。
【解決手段】イリジウムを含む第１の部材をエッチングするエッチング方法において、第１の部材の上に第２の部材を形成する工程と、第２の部材の上に第１のマスクパターンを形成する工程と、第１のマスクパターンを用いて第２の部材のエッチングを行うことによって、第２のマスクパターンを形成する工程と、第１のマスクパターンと第２のマスクパターンとを用いて第１の部材のエッチングを行うイリジウムのエッチング工程と、を有し、イリジウムのエッチング工程において、該エッチングは、第１のマスクパターンが縮小し、第２のマスクパターンの上面の一部が露出する条件で行われることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明はエッチング方法及び液体吐出ヘッド用基板の製造方法に関する。

液体吐出ヘッド基板は、液体を吐出するため液体にエネルギーを与える機構と、該機構を液体の発泡の際に生じるキャビテーションの衝撃から保護するための保護層と、を有する。特許文献１において、この保護層にイリジウムを含む積層構造を用いることが記載されている。この結果、保護層の耐キャビテーション性が向上する。また特許文献２には、レジストマスクを用いたドライエッチングでイリジウムをパターニングする際、塩素ガスに酸素を添加した処理ガスを使用し、レジストマスクの側壁を後退させる方法が記載されている。この結果、パターンの側壁に付着する反応生成物が除去され、高精度で微細なイリジウムのパターンが形成される。

特開２０１２−１８３６８１号公報 特開２０００−１３３７８３号公報

特許文献２の方法によってイリジウムをエッチングする際に、イリジウムの上のレジストマスクの側面が後退するので、イリジウムの上面の端部が露出する。発明者は、この露出した部分がエッチングの際にプラズマに曝されると、大きく粗れる場合があることを見出した。このような場合、レジストマスクを除去した後に、イリジウムの上面は大きく粗れた部分を局所的に有する。特許文献１の構造を形成するために特許文献２の方法を用いると、このような上面を有するイリジウムの上に別の膜を堆積することになるので、例えばこの膜とイリジウムとの密着性が低下し、膜剥がれが生じる場合がある。本発明は、イリジウムを含む部材をエッチングする際に生じる当該部材の粗れを低減する技術を提供する。

上記課題に鑑みて、本発明の実施形態に係るエッチング方法は、イリジウムを含む第１の部材をエッチングするエッチング方法であって、第１の部材の上に第２の部材を形成する工程と、第２の部材の上に第１のマスクパターンを形成する工程と、第１のマスクパターンを用いて第２の部材のエッチングを行うことによって、第２のマスクパターンを形成する工程と、第１のマスクパターンと第２のマスクパターンとを用いて第１の部材のエッチングを行うイリジウムのエッチング工程と、を有し、イリジウムのエッチング工程において、イリジウムのエッチングは、第１のマスクパターンが縮小し、第２のマスクパターンの上面の一部が露出する条件で行われることを特徴とする。また、本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッド用基板の製造方法は、半導体素子が配された基板の上に、液体を吐出させるためのエネルギーを発生する素子を形成する工程と、素子の上に保護層としてイリジウムを含む第１の部材を形成する工程と、第１の部材の上に第２の部材を形成する工程と、第２の部材の上に第１のマスクパターンを形成する工程と、第１のマスクパターンを用いて第２の部材のエッチングを行うことによって、第２のマスクパターンを形成する工程と、第１のマスクパターンと第２のマスクパターンとを用いて第１の部材のエッチングを行うイリジウムのエッチング工程と、を有し、イリジウムのエッチング工程において、イリジウムのエッチングは、第１のマスクパターンが縮小し、第２のマスクパターンの上面の一部が露出する条件で行われることを特徴とする。

上記手段により、イリジウムを含む部材をエッチングする際に生じる当該部材の粗れを低減する技術が提供される。

本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッド用基板の一部破断斜視図。 図１の液体吐出ヘッド用基板の断面図。 図１の液体吐出ヘッド用基板の製造方法を示す工程図。 本発明の第２の実施形態に係る液体吐出ヘッド用基板の断面図。 本発明の第３の実施形態に係る液体吐出ヘッド用基板の断面図。

以下、本発明に係るエッチング方法及び半導体装置の製造方法の具体的な実施形態を説明する。以下の実施形態では、半導体装置の一例として液体吐出ヘッド用基板を扱うが、本発明はこれに限定されるものではない。

第１の実施形態
図１及び２を参照して、本発明の一部の実施形態による液体吐出ヘッド用基板の構造を説明する。図１は、本発明の第１の実施形態における液体吐出ヘッド用基板１００の構成例を模式的に示す一部破断斜視図である。本実施形態における液体吐出ヘッド用基板１００は、長溝状の貫通口を含むインクなどの液体を供給するための液体供給口１１３が開口する基板１０１の上に、複数の発熱抵抗体１０２が設けられている。この上に、液体が流れる流路（不図示）を形成する流路部材と、発熱抵抗体１０２の各々に対応する吐出口１０９が設けられたプレート１１４とが形成されて、液体吐出ヘッド用基板１００を構成している。液体供給口１１３から流路に液体が供給されると、流路にそれぞれ設けられた発熱抵抗体１０２によって、熱エネルギーが液体に付与され、液体に発生した気泡によって吐出口１０９から液体が吐出される。

図２は、本実施形態の液体吐出ヘッド用基板１００の１つの発熱抵抗体の周辺の構成例を模式的に示す断面図である。基板１０１上に、通電することによって発熱する発熱抵抗体１０２が設けられている。この発熱抵抗体１０２の上には発熱抵抗体１０２に電力を供給するための配線層２０３が設けられている。更に基板１０１の上には発熱抵抗体１０２及び配線層２０３を覆うように絶縁層２０４が設けられている。絶縁層２０４の上には、発熱抵抗体１０２と対向する領域に、液体の発泡の際に生じるキャビテーションの衝撃から発熱抵抗体１０２を保護するための保護層２０２が設けられている。保護層２０２は、耐キャビテーション層と呼ばれることもある。保護層２０２は、本実施形態では第１の保護層である下部保護層２０５、第１の部材であるイリジウムで形成されたイリジウム層２０６及び第２の保護層である上部保護層２０７の３層で構成される。この上に第２の部材であるハードマスク層２０８が備えられ、これらの構造の上に吐出口１０９が設けられたプレート１１４が間隔を置いて設けられる。

次に、図３を用いて上述した本実施形態における液体吐出ヘッド用基板１００の製造方法について述べる。発熱抵抗体１０２を選択的に駆動するためのスイッチングトランジスタなどの半導体素子を含む駆動回路（不図示）が形成された基板１０１の上に、スパッタ法などを用いてＴａＳｉＮなどの材料を、例えば２０ｎｍの厚さで成膜する。次いでスパッタ法などを用いてＡｌ−Ｃｕ系合金などの材料を、例えば６００ｎｍの厚さで成膜する。その後、フォトリソグラフィ工程とＣｌ_２ガスなどの処理ガスを用いたドライエッチングとを行いＡｌ−Ｃｕ系合金の膜をエッチングすることによって、配線層２０３が形成される。その後、フォトリソグラフィ工程と混酸を用いたウェットエッチングとを行いＴａＳｉＮの膜をエッチングすることによって、発熱抵抗体１０２が形成される。

その後、発熱抵抗体１０２と配線層２０３とを覆うように、基板１０１の上にＣＶＤ法などを用いて絶縁層２０４を形成する。本実施形態において絶縁層２０４は、ＳｉＮを材料として形成され、例えば３００ｎｍの厚さとする。ここで絶縁層２０４は、発熱抵抗体１０２及び配線層２０３と液体とを絶縁することができればよく、例えばＳｉＯ、ＳｉＣやＳｉＣＮなどの絶縁材料を用いてもよい。この工程終了後の断面を図３（ａ）に示す。

次いで絶縁層２０４の上に液体吐出の際に発生した泡が消泡する際に発生するキャビテーションから発熱抵抗体１０２を保護するための保護層２０２が形成される。本実施形態では保護層２０２は３層で構成され、スパッタ法などを用いて下部保護層２０５としてタンタルを２０ｎｍ、イリジウム層２０６を４０ｎｍ及び上部保護層２０７としてタンタルを１００ｎｍ、それぞれ形成する。本実施形態では、下部保護層２０５とイリジウム層２０６との膜厚の和は、上部保護層２０７の膜厚より薄い。ここで下部保護層２０５は、絶縁層２０４とイリジウム層２０６との密着性が確保できる膜厚を有していればよい。下部保護層２０５は、例えば５ｎｍ〜１００ｎｍの厚さとなるように形成されればよい。またイリジウム層２０６は、液体吐出ヘッドに要求される吐出回数、発生するキャビテーションの衝撃に耐えうる厚さで形成されればよい。イリジウム層２０６は、例えば１０ｎｍ〜１００ｎｍの厚さとなるように形成されればよい。更に上部保護層２０７はイリジウム層２０６を十分に覆うことのできる厚さであればよい。上部保護層２０７は、例えば３０ｎｍ〜２００ｎｍの厚さとなるように形成すればよい。なお、上部保護層２０７はイリジウム層２０６の表面にコゲが物理吸着することを防止する機能を有している。コゲとは、インクに含まれる色材及び添加物が高温加熱により分子レベルで分解されてできる難溶出性の物質のことを指し、膜面に付着すると液滴の吐出が不安定となる可能性がある。

さらに図３（ｂ）に示すように、上部保護層２０７の上に、ＣＶＤ法などを用いて第２の部材であるハードマスク層２０８を形成する。ハードマスク層２０８には、例えば金属以外の無機材料が用いられる。本実施形態ではＳｉＯ_２を用い１００ｎｍの厚さ形成する。ここでハードマスク層２０８の膜厚が厚い場合、次の工程においてエッチングを行い第２のマスクパターンとする際、パターンの形成が困難となる。また膜厚が薄い場合、ハードマスクとして機能しない。

その後、図３（ｃ）に示すように、ハードマスク層２０８の上に第１のマスクパターン２０９を形成する。マスクパターン２０９は、発熱抵抗体１０２のうちキャビテーションから保護すべき部分を少なくとも覆い、他の部分に開口を有する。本実施形態では第１のマスクパターンの材料として有機材料のフォトレジストを用いる。フォトレジストをハードマスク層２０８に覆われた基板１０１の上に塗布し、露光機にて所望のパター二ングを行い第１のマスクパターン２０９を形成する。このときフォトレジスト膜の膜厚は例えば２．５μｍ程度である。このフォトレジストの膜厚はハードマスク層２０８をエッチングする際にマスクとして十分な耐性を有していればよい。

続いてハードマスク層２０８をエッチングし第２のマスクパターンを形成し、更に３層の保護層２０２をエッチングする。具体的に、まず第１のマスクパターン２０９によって、ハードマスク層２０８及び上部保護層２０７のうち第１のマスクパターン２０９の開口部の下にある部分を、ドライエッチング法などを用いてエッチングする。本実施形態では、エッチングを行う反応室内にＣｌ_２ガスやＢＣｌ_３ガスなどの処理ガスを導入し、反応室内の圧力は１．３３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）〜２．６７Ｐａ（２０ｍＴｏｒｒ）に制御する。反応室内が安定した後、１３．５６ＭＨｚの高周波電力を反応室の電極の上部、下部に印加しプラズマを発生させエッチングを行う。このとき第１のマスクパターン２０９はわずかにエッチングされるが、ハードマスク層２０８及び上部保護層２０７膜は第１のマスクパターン２０９と比較してエッチング速度が速い。このため、ハードマスク層２０８及び上部保護層２０７膜と第１のマスクパターン２０９との側壁に段差は発生しない。この工程終了後の断面を図３（ｄ）に示す。

次に第１のマスクパターン２０９及び第２のマスクパターンが形成されたハードマスク層２０８の開口部を通じてイリジウム層２０６を、ドライエッチング法などを用いてエッチングする。エッチングを行う反応室内にＣｌ_２ガス、Ｏ_２ガスやＡｒなどの処理ガスを導入し、反応室内の圧力は０．６６７Ｐａ（５ｍＴｏｒｒ）〜１．３３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）に制御する。反応室内が安定した後、１３．５６ＭＨｚの高周波電力を反応室の電極の上部、下部に印加しプラズマを発生させエッチングを行う。

ここで処理ガスにＯ_２ガスが添加されているため、有機材料で形成されている第１のマスクパターン２０９は、ハードマスク層２０８と比較してエッチングの反応が進行しやすい。このため第１のマスクパターン２０９のハードマスク層２０８を覆う面積が縮小する。具体的には、ハードマスク層２０８の側面に対して、第１のマスクパターン２０９の側面は１〜２μｍ程度後退し、ハードマスク層２０８の上面の一部が露出することになる。また第１のマスクパターン２０９の側面を切削しながらエッチングが進行するため、第１のマスクパターン２０９の側面にイリジウムの析出物が付着することが低減される。これによって、これらの析出物を剥離する剥離処理工程で発生する剥離不良を抑制し、製造の歩留まりを改善することができる。更に、処理ガスにＯ_２ガスが添加されているため、イリジウム層２０６の下にある下部保護層２０５の表面にはタンタルの酸化物が生成される。その結果、下部保護層２０５の表面のエッチングが進行し難く、下部保護層２０５とイリジウム層２０６との選択比が大きくなる効果もある。

次いで、下部保護層２０５をハードマスク層２０８で形成された第２のマスクパターンを用いてエッチングを行う。このときのエッチングの条件は、上部保護層２０７をエッチングする際と同じ条件でよい。また下部保護層２０５の下の絶縁層２０４がエッチングされないように例えば反応室内の圧力を高く制御してもよい。さらに処理ガスを変化させてもよい。この工程終了後の断面を図３（ｅ）に示す。これら保護層が形成された後、ノズル材料膜（不図示）を形成する。

ここで、本実施形態の効果を説明する。イリジウム層のエッチングにおいて特許文献２に示された製造方法を適用すると、エッチングの処理ガスにＯ_２ガスが添加されているため、有機材料で形成したフォトレジストのエッチングが進行し、形成したマスクパターンより後退する。これを特許文献１に示された液体吐出ヘッド用基板の構成に適用したとき、イリジウム層のエッチングの際に露出したイリジウム層の端部がエッチング処理のプラズマに曝される。このエッチング処理のプラズマに曝されたイリジウム層の上面は、局所的に大きく粗れる場合がある。このように局所的に粗れたイリジウム層の上に次以降の工程において膜を堆積させたとき、膜の密着性が低下し、結果として膜剥がれが生じる場合がある。

本実施形態において、ハードマスク層２０８はイリジウム層２０６のエッチング処理ではエッチングされ難い。このためハードマスク層２０８の上面には保護層の形成の後の工程で支障となる粗れは発生しない。またハードマスク層２０８の下の上部保護層２０７の上面及びイリジウム層２０６の上面の全体は、エッチングの終了時点で上にハードマスク層２０８が存在するため、エッチング処理のプラズマに曝されない。このため、保護層の形成の後の工程においてハードマスク層２０８の上に堆積された膜の密着性が低下することによる膜剥がれによる不具合が抑制される。結果として製品製造の歩留まりが向上する。

この後、吐出口１０９が設けられたプレート１１４などを形成するが、これらの構成は既存の手法を用いて形成できるため、その詳細な説明は、ここでは省略する。以上の工程によって、図１及び２に示される液体吐出ヘッド用基板１００が形成される。

第２の実施形態
図４を参照して本発明の第２の実施形態による液体吐出ヘッド用基板４００の構造を説明する。図４は、本発明の第２の実施形態における液体吐出ヘッド用基板４００の１つの発熱抵抗体の周辺の構成例を模式的に示す断面図である。図４において本実施形態における液体吐出ヘッド用基板４００は、第１の実施形態における液体吐出ヘッド用基板１００と比較して、保護層４０２に上部保護層２０７を備えていない点で異なり、他の点は同じであってよい。このため液体吐出ヘッド用基板１００と同様の構成要素は重複する説明を省略する。

続いて液体吐出ヘッド用基板４００の製造方法について説明する。本実施形態では、イリジウム層２０６を形成する工程までは液体吐出ヘッド用基板１００の製造方法と同様である。イリジウム層２０６を形成した後、ＣＶＤ法などを用いてハードマスク層２０８を形成する。その後、ハードマスク層２０８の上に第１のマスクパターン２０９を形成する。次いでハードマスク層２０８のうち第１のマスクパターン２０９の開口部の下にある部分を、ドライエッチング法などを用いてエッチングし、第２のマスクパターンを形成する。このとき第１のマスクパターン２０９はわずかにエッチングされるが、ハードマスク層２０８は第１のマスクパターン２０９と比較してエッチング速度が速い。このため、ハードマスク層２０８と第１のマスクパターン２０９との側壁に段差は発生しない。

次にイリジウム層２０６のうち第１のマスクパターン２０９及び第２のマスクパターンが形成されたハードマスク層２０８の開口部の下にある部分を、ドライエッチング法などを用いてエッチングする。次いで、下部保護層２０５をハードマスク層２０８で形成された第２のマスクパターンを用いてエッチングを行い保護層４０２が形成される。これら保護層４０２の形成の後、液体吐出ヘッド用基板１００の製造方法と同様の工程によって液体吐出ヘッド用基板４００が形成される。

本実施形態においても、このイリジウム層２０６及び下部保護層２０５をエッチングする工程でハードマスク層２０８の上面に粗れは発生しない。またイリジウム層２０６の上にエッチングの終了時点でハードマスク層２０８が存在するため、イリジウム層２０６の上面はエッチング処理のプラズマに曝されない。従って、本実施形態の液体吐出ヘッド用基板４００の製造方法においても、第１の実施形態で述べた液体吐出ヘッド用基板１００の製造方法と同様の効果が得られる。

第３の実施形態
図５を参照して本発明の第３の実施形態による液体吐出ヘッド用基板５００の構造を説明する。図５は、本発明の第３の実施形態における液体吐出ヘッド用基板５００の１つの発熱抵抗体の周辺の構成例を模式的に示す断面図である。図５において本実施形態における液体吐出ヘッド用基板５００は、第１及び２の実施形態における液体吐出ヘッド用基板１００、４００と比較して、保護層５０２にイリジウム層２０６のみを備える点で異なり、他の点は同じであってよい。このため液体吐出ヘッド用基板４００と同様の構成要素は重複する説明を省略する。

続いて液体吐出ヘッド用基板５００の製造方法について説明する。本実施形態では、絶縁層２０４を形成する工程までは液体吐出ヘッド用基板１００、４００の製造方法と同様である。絶縁層２０４を形成した後、スパッタ法などを用いてイリジウム層２０６を形成し、更にイリジウム層２０６の上にＣＶＤ法などを用いてハードマスク層２０８を形成する。その後、ハードマスク層２０８の上に第１のマスクパターン２０９を形成する。次いでハードマスク層２０８のうち第１のマスクパターン２０９の開口部の下にある部分を、ドライエッチング法などを用いてエッチングし、第２のマスクパターンを形成する。このとき第１のマスクパターン２０９はわずかにエッチングされるが、ハードマスク層２０８は第１のマスクパターン２０９と比較してエッチング速度が速い。このため、ハードマスク層２０８と第１のマスクパターン２０９との側壁に段差は発生しない。

次にイリジウム層２０６のうち第１のマスクパターン２０９及び第２のマスクパターンが形成されたハードマスク層２０８の開口部の下にある部分を、ドライエッチング法などを用いてエッチングを行い保護層が形成される。この保護層の形成の後、液体吐出ヘッド用基板１００、４００の製造方法と同様の工程によって液体吐出ヘッド用基板５００が形成される。

本実施形態においても、このエッチングの工程でハードマスク層２０８の上面に粗れは発生しない。またイリジウム層２０６の上にエッチングの終了時点でハードマスク層２０８が存在するため、イリジウム層２０６の上面はエッチング処理のプラズマに曝されない。従って、液体吐出ヘッド用基板５００の製造方法においても、第１及び２の実施形態で述べた液体吐出ヘッド用基板１００、４００の製造方法と同様の効果が得られる。

以上、本発明に係る実施形態を３形態示したが、本発明はそれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、圧電素子などにより機械的な力を液体に与えることで液体を吐出する液体吐出ヘッド用基板に用いてもよい。また本発明のエッチング方法は、他の半導体装置、例えば記憶装置や演算処理装置などの製造方法にも適用されうる。

２０６ イリジウム層、２０８ ハードマスク層、２０９ 第１のマスクパターン

Claims (13)

1. イリジウムを含む第１の部材をエッチングするエッチング方法であって、
   前記第１の部材の上に第２の部材を形成する工程と、
   前記第２の部材の上に第１のマスクパターンを形成する工程と、
   前記第１のマスクパターンを用いて前記第２の部材のエッチングを行うことによって、第２のマスクパターンを形成する工程と、
   前記第１のマスクパターンと前記第２のマスクパターンとを用いて前記第１の部材のエッチングを行うイリジウムのエッチング工程と、を有し、
   前記イリジウムのエッチング工程において、前記イリジウムのエッチングは、前記第１のマスクパターンが縮小し、前記第２のマスクパターンの上面の一部が露出する条件で行われることを特徴とするエッチング方法。
2. 前記イリジウムのエッチング工程の終了時点で、前記イリジウムのパターンの上面の全体が前記第２のマスクパターンに覆われていることを特徴とする請求項１に記載のエッチング方法。
3. 前記イリジウムのエッチング工程に用いる処理ガスにＯ_２ガスが含まれることを特徴とする請求項１又は２に記載のエッチング方法。
4. 前記第２の部材の材料が無機材料であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のエッチング方法。
5. 前記第２の部材の材料が金属以外の無機材料であることを特徴とする請求項４に記載のエッチング方法。
6. 前記第２の部材の材料がＳｉＯ_２であることを特徴とする請求項４に記載のエッチング方法。
7. 前記第１のマスクパターンの材料が有機材料であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のエッチング方法。
8. 液体吐出ヘッド用基板の製造方法であって、
   半導体素子が配された基板の上に、液体を吐出させるためのエネルギーを発生する素子を形成する工程と、
   前記素子の上にイリジウムを含む第１の部材を形成する工程と、
   前記第１の部材の上に第２の部材を形成する工程と、
   前記第２の部材の上に第１のマスクパターンを形成する工程と、
   前記第１のマスクパターンを用いて前記第２の部材のエッチングを行うことによって、第２のマスクパターンを形成する工程と、
   前記第１のマスクパターンと前記第２のマスクパターンとを用いて前記第１の部材のエッチングを行うイリジウムのエッチング工程と、を有し、
   前記イリジウムのエッチング工程において、前記第１のマスクパターンが縮小し、前記第２のマスクパターンの上面の一部が露出する条件で行われることを特徴とする製造方法。
9. 前記第１の部材を形成する前に、前記素子の上に第１の保護層を形成する工程を更に含み、
   前記第１のマスクパターンと前記第２のマスクパターンとを用いて、前記第１の保護層をエッチングする工程を有することを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
10. 前記第２の部材を形成する前に、前記第１の部材の上に第２の保護層を形成する工程を更に含み、
    前記第１のマスクパターンを用いて、前記第２の保護層をエッチングする工程を有することを特徴とする請求項８又は９に記載の製造方法。
11. 前記第１の保護層がタンタルであることを特徴とする請求項９に記載の製造方法。
12. 前記第２の保護層がタンタルであることを特徴とする請求項１０に記載の製造方法。
13. 前記第１の保護層の厚さと前記第１の部材の厚さとの和が、前記第２の保護層の厚さより薄いことを特徴とする請求項９に従属する請求項１０に記載の製造方法。