JP3525612B2 - シリコンウェハーの加工方法及びそのシリコンウェハーを用いた電子機器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコンウェハー
の微細加工方法、更にはその加工方法により得られたシ
リコンウェハーを有する例えば半導体圧力センサー等の
電子機器に関する。

【０００２】

【従来の技術】シリコンウェハーを用いて、フォトリソ
グラフィ・薄膜形成技術・エッチング技術などの半導体
製造方法を応用し、ミクロな精密機械部品・マイクロセ
ンサー等を製造するマイクロマシニングが最近注目を浴
びている。

【０００３】その理由として、それらの原料となるシリ
コンウェハーは、機械的強度が高く、半導体製造プロセ
スを応用することにより、ミクロンオーダーの精度の機
械部品を大量に製造できるからである。

【０００４】マイクロマシニングを応用した半導体圧力
センサーは、江刺正喜らの著書”マイクロマシーニング
とマイクロメカトロニクス”（培風館、１９９２年６月
２０日発行）によると、プロセスはフォトリソ技術と異
方性エッチングによるウェハーの加工から成っている。
エッチングについては、乾式異方性エッチング及び湿式
異方性エッチングがある。特に、湿式異方性エッチング
では、（１１１）結晶面のエッチング速度が他の結晶面
のエッチング速度に比べ極端に遅いことを利用して、数
百ミクロンの深い溝やダイヤフラムを形成できるため、
半導体圧力センサーや、特開平２−２９７４４５号公報
に見られるように、シリコンを用いたインクジェットプ
リンター用記録ヘッドを湿式異方性エッチングにより製
造している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
シリコンウェハーの湿式異方性エッチングにより加工出
来る形状には制約があった。例えば、Ｓｉ（１００）面
方位のＳｉウェハーでは、必ず結晶方位を調べ、Ｓｉ＜
１１０＞方向に沿って直線でのみマスクパターンを形成
していた。そして、異方性エッチングにより、エッチン
グ速度の極端に遅いＳｉ（１１１）面を出現させ、アン
ダーカットが少なく、しかもエッチング面の凹凸の少な
いエッチング形状を形成していた。

【０００６】しかし、このＳｉ（１００）面方位のウェ
ハーを用いて方位Ｓｉ＜１１０＞方向によって正方形の
マスクパターンを形成し湿式異方性エッチングを行う
と、シリコンパターンの角の部分がアンダーカットによ
り削られていく現象があり、湿式異方性エッチングによ
って角を形成するために、このアンダーカットを考慮し
た特公平２−３４９７３号公報で開示された補正マスク
パターンの開発が必要であった。

【０００７】また、Ｓｉ＜１１０＞方向以外の方向に直
線でパターンを形成したり、あるいは曲線を用いてマス
クパターンの形成を行い、Ｓｉの異方性エッチングを行
うと、アンダーカットが激しくなり、所定エッチング形
状が得られないばかりか、エッチング形状の変形や、ひ
どいときにはアンダーカットによってエッチングパター
ンが消失することさえある。

【０００８】また、形成されたエッチングパターンの壁
部２０の形状も、図４に示すように、凹凸が激しく、イ
ンクジェットヘッドとして使用するにはインクの流れを
阻害したり、気泡が排出されず問題があった。

【０００９】そこで、アンダーカットを抑制し、エッチ
ングパターンの壁部形状の凹凸を滑らかにするために無
機アルカリ水溶液にイソプロピルアルコールやエチルア
ルコール、メチルアルコール等のアルコール類を添加し
たエッチング液も開発されているが、アルコールが揮発
しやすく、また強アルカリ水溶液中ではアルコールが酸
化されて変質して行くため、エッチング特性が不安定で
必要な所望形状が得られ難い問題をかかえている。さら
に、エッチング面にマイクロピラミッドと呼ばれる鋭い
突起が数多く発生するために、平滑なエッチング底面が
得られないという問題もある。

【００１０】また、アルコールは引火性が強いため、エ
ッチングの作業には常に火災や爆発などの危険性がつき
まとうため、大量生産には向いていない。従って、現在
ではあまり使用されていないのが現状である。

【００１１】このように、圧力センサーやインクジェッ
トプリンター用記録ヘッドをシリコンウェハーを用いて
作製するためには、まずＳｉの結晶方向を考慮したフォ
トマスクパターンの設計が必要であり、そのためにかな
りの設計上の制約を受け、フォトマスクの枚数が多く必
要であった。

【００１２】本発明の目的は、シリコンウェハーの異方
性エッチングにおいて、アンダーカットによる形状の変
形を抑制し、なおかつ、形成されたエッチングパターン
の壁部形状が滑らかで加工寸法精度の高いパターン形状
を得られるシリコンの加工方法を実現することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明のシリコンウェハ
ーの加工方法は、湿式結晶異方性エッチング工程におい
て、水酸化カリウムに、エチレンジアミン，テトラメチ
ル水酸化アンモニウム，アンモニアのいずれかを混合さ
せたエッチング液を用いてエッチングを行なうことを特
徴とする。

【００１４】更には、上記加工方法により得られたシリ
コンウェハーを有する電子機器せあることを特徴とす
る。また、その電子機器はインクジェットプリンターヘ
ッドであることを特徴とする。さらに、その電子機器
は、半導体圧力センサーであることを特徴とする。

【００１５】

【作用】本発明の加工方法は、２種類以上の性質の異な
るアルカリ水溶液を混合したエッチング液を使用するこ
とを特徴としているが、以下に具体例を示しながら原理
を説明する。

【００１６】例として、図４の様に＜１１０＞方向と異
なる方向に沿ってシリコン酸化膜パターニング１３を行
い、水酸化カリウム水溶液等単一成分のアルカリ水溶液
で湿式結晶異方性エッチングを行うと凹凸のあるエッチ
ング壁面部２０が出現する。

【００１７】この凹凸のエッチング壁面２０は、最もエ
ッチング速度が速い面と最も遅い（１１１）結晶面で構
成されている。

【００１８】２種類の性質の異なるアルカリの具体的な
例は、水酸化カリウムとテトラメチル水酸化アンモニウ
ムの水溶液である。

【００１９】水酸化カリウム水溶液とテトラメチル水酸
化アンモニウム水溶液ではそれぞれのエッチング特性が
異なる。例えば、水酸化カリウムだけでのＳｉエッチン
グでは、（１１１）結晶面と（１００）結晶面及びエッ
チングにより出現する最もエッチング速度が速い面の
（Ｘ１１）結晶面が平滑なエッチング面として出現す
る。ただし、ＸはＫＯＨ濃度により３から５まで変化す
る。

【００２０】一方、テトラメチル水酸化アンモニウム水
溶液では、（１１１）結晶面と（１００）結晶面及びエ
ッチングにより出現する最もエッチング速度が速い面の
（２１１）結晶面が平滑なエッチング面として出現す
る。

【００２１】ここで大切なことは、エッチングにより出
現する最もエッチング速度が速い面が、水酸化カリウム
とテトラメチル水酸化アンモニウムでは異なることであ
る。

【００２２】われわれは、最もエッチング速度が速い面
が異なる２つ以上のエッチング液を混合すると、非常に
滑らかなエッチング壁面になることを発見した。つま
り、２つのエッチング液を混合すると、エッチングによ
り出現する最もエッチング速度の高い面が異なるため、
互いに打ち消しあい非常に滑らかなエッチング壁面にな
るのである 。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な例を詳細に
説明する。

【００２４】本実施例では、インクジェットプリンター
ヘッドの製造例をもちいて説明するが、Ｓｉ結晶異方性
エッチングを応用して作製できるものなら何でも良く、
インクジェットプリンターヘッドに限定されるものでは
ない。特に、滑らかなエッチング形状を要するインクジ
ェットプリンターヘッド及び微小流体制御装置・圧力セ
ンサ等に効果がある。

【００２５】図１は、Ｓｉを用いて作製したインクジェ
ットプリンターヘッドの工程図である。

【００２６】まず、図１（ａ）に示す様に、両面を鏡面
研磨した４インチのＳｉウェハー１０に１μｍのシリコ
ン酸化膜１１を付与する。このＳｉウェハー１０の面方
位は（１００）面であり、厚みは０．３ｍｍである。

【００２７】次に、Ｓｉウェハー１０の両面にレジスト
２３を塗布し、インクジェットプリンターヘッドのフォ
トマスクを用いてレジストパターン１２をパターニング
する（図１（ｂ））。Ｓｉウェハー１０を緩衝ふっ酸溶
液に浸漬し、所定部分のみシリコン酸化膜１１を除去
後、硫酸と過酸化水素水を１０：１の比率で混合させた
剥離液を摂氏８５度に加熱し、３０分間浸漬して、レジ
スト２３を除去する（図１（ｃ））。

【００２８】こうして、シリコン酸化膜パターニング１
３が施されたＳｉウェハー１０を、表１に示す各種のエ
ッチング液に浸漬し、２００ミクロンエッチングしてそ
のエッチング形状を調べた。

【００２９】

【表１】

【００３０】表１では無機水酸化物水溶液として水酸化
カリウム水溶液、アンモニア水溶液及びヒドラジン水溶
液を実施例に掲げた。

【００３１】また、有機水酸化物水溶液としてテトラメ
チル水酸化アンモニウム水溶液、エチレンジアミン水溶
液を実施例に掲げた。

【００３２】表１において、試料１から試料３は２０重
量％ＫＯＨ水溶液にテトラメチル水酸化アンモニウム
を、それぞれ５％，１０％，１５％添加したエッチング
液を用いてエッチングしたときの、エッチング面外観と
エッチング壁面について示している。

【００３３】また、他の添加剤としてＫＯＨ水溶液にエ
チレンジアミン−ピロカテコールージアジンを添加した
場合を試料４に、ヒドラジンを添加した場合を試料５に
示した。

【００３４】さらに、アンモニア水を添加した場合を試
料６に示している。

【００３５】そして、３つのアルカリ水溶液ＫＯＨ、テ
トラメチル水酸化アンモニウムとヒドラジンを同時に混
合した場合の例を試料７に示している。

【００３６】尚、２０重量％ＫＯＨ水溶液にテトラメチ
ル水酸化アンモニウムをいれない場合について比較例１
に示した。

【００３７】また、現在エッチング壁面を滑らかにする
ために良く使用される添加剤イソプロパノールの添加し
た例を比較例２に示した。

【００３８】試料１から７では、図２に示すようにイン
クジェットプリンターヘッドのエッチング壁面２０は非
常に滑らかになっている。また、エッチング底面３０に
ついても非常に平滑であった。

【００３９】一方、比較例１では、図５に示す様に、エ
ッチング底面３０は平滑であるものの、エッチング壁面
２０の凹凸は非常に大きくなっている。

【００４０】また、比較例２では、図６に示す様に、エ
ッチング壁面２０は滑らかであるが、エッチング底面３
０に無数のマイクロピラミッド３１と呼ばれる突起が形
成され、その高さも２０から５０ミクロンに達してい
た。

【００４１】このようにして作製されたインクジェット
プリンターヘッドのパタ−ン断面図を図３（ａ）に示
す。このＳｉウェハーを緩衝ふっ酸溶液に浸漬し、シリ
コン酸化膜１１を除去した後、図には表記されていない
が、再び０．１μｍのシリコン酸化膜１４を熱酸化工程
により付与し図３の（ｂ）の形態をとる。

【００４２】このシリコン酸化膜１４は、インクとＳｉ
が直接触れることにより溶解することを防ぐ保護膜とし
て使用される。

【００４３】次に、振動板となるホウケイ酸ガラス１５
を、図３の（ｃ）の様に陽極接合する。

【００４４】このホウケイ酸ガラス１５には、インクパ
イプ穴１６があらかじめ明けられており、リザーバー部
２２に連通するようにアライメントされて接合される。

【００４５】さらに、図３の（ｄ）に示されるように、
ノズル１７を外へ露出させるために所定部をダイシング
し、バリを研磨することにより除去した。

【００４６】最後に圧電素子１８を接着し、図では表記
されていないが、その配線を行なった。その後、ホウケ
イ酸ガラス１５に明けられた穴１６にインクパイプ１９
を接続する（図３（ｅ））。これを印字検査装置に取付
けインクパイプ１９のもう一端をインクタンクに接続し
て印字検査を行った。

【００４７】その結果を表２に示す。

【００４８】

【表２】

【００４９】評価方法は印字した文字を構成するインク
ドットが足りないドット抜けの有無及び文字のかすれに
ついて調べた。

【００５０】印字文字はＡＮＫ文字である。

【００５１】その結果、試料１から７については１００
万文字印字した結果で評価すると、ドット抜けも無く、
文字のかすれも全く認められない程良好であった。

【００５２】その一方、比較例１は印字開始後１００文
字程でドット抜けが発生し、２００文字程度印字する
と、印字文字の判読が出来ない程ドット抜けが激しくな
った。

【００５３】ヘッドを印字検査装置からはずしてヘッド
を顕微鏡で調べてみると、エッチング壁面部の凹凸に無
数の小さな気泡が付着しており、圧電素子を駆動させる
と、この振動エネルギーが全て気泡の圧縮に使われてお
り、インク吐出に使用されていないことが解った。従っ
て、全くインク吐出が行えない状態になっていたのが解
る。

【００５４】次に、比較例２では、ドット抜けは比較的
少なく良好なものの文字のかすれが目だっていて、５０
０文字以上印字すると文字の判読が出来ない程文字のか
すれが激しくなった。

【００５５】このヘッドを印字検査装置からはずしてヘ
ッドを顕微鏡で調べてみると、ノズル１７及び供給口２
１の付近に存在するマイクロピラミッドにインクの凝集
物質が付着しノズル１７及び供給口２１の流路抵抗を増
大させる結果となり、その結果インクの吐出量が減り文字
のかすれが発生したことが解った。

【００５６】以上のように、インクジェットプリンター
ヘッドの商品の品質上、エッチング壁面２０の凹凸は気
泡の付着が起こらない程小さく、なおかつ、エッチング
底面３０にはマイクロピラミッドの発生は在ってはなら
ないことがわかった。

【００５７】また、表１のエッチング液をそれぞれ２０
リットル用意し、１０日間連続して２０バッチ、５００
枚のＳｉウェハーのエッチングを行っても、エッチング
特性になんら変化が認められず、非常に安定していた。
一方比較例２では、バッチ数が増えるにつれて、マイク
ロピラミッドの発生頻度が高くなり、１００枚のＳｉウ
ェハーをエッチングするとエッチング底面３０全てがマ
イクロピラミッドで覆われていた。

【００５８】このように、試料１から６で示した様に、
少なくとも２種類のアルカリ水溶液を混合させたエッチ
ング液ではインクジェットプリンターヘッドを容易に製
造することが出来た。

【００５９】

【発明の効果】本発明によると、少なくとも２種類のア
ルカリ水溶液を混合させたエッチング液では、シリコン
パターン形状のエッチング壁面部の凹凸のほとんど無く
することができ、さらに、エッチング面外観について
も、鏡面が得られる。このようなエッチング形状が得ら
れることにより、例えばインクジェットプリンターヘッ
ド等の流体の微小量の制御素子を簡単に作製出来るよう
になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のインクジェットプリンター
ヘッドの製造工程図である。

【図２】本発明の一実施例のエッチング形状を説明する
斜視図である。

【図３】本発明の一実施例のインクジェットプリンター
ヘッドの製造工程図である。

【図４】従来の異方性エッチング液によるエッチング壁
面部を説明する斜視図である。

【図５】比較例１のエッチング形状を説明する斜視図で
ある。

【図６】比較例２のエッチング形状を説明する斜視図で
ある。

【符号の説明】

１０ Ｓｉウェハー １１ シリコン酸化膜 １２ レジストパターン １３ シリコン酸化膜パターニング １４ シリコン酸化膜 １５ ホウケイ酸ガラス １６ インクパイプ穴 １７ ノズル １８ 圧電素子 １９ インクパイプ ２０ エッチング壁面部 ２１ 供給口 ２２ リザーバー部 ２３ レジスト ３０ エッチング底面部 ３１ マイクロピラミッド

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコンウェハーを湿式結晶異方性エッ
   チングにより加工するシリコンウェハーの加工方法にお
   いて、水酸化カリウムに少なくともエチレンジアミンを
   混合させたエッチング液を用いてエッチングを行なうこ
   とを特徴とするシリコンウェハーの加工方法。
2. 【請求項２】 シリコンウェハーを湿式結晶異方性エッ
   チングにより加工するシリコンウェハーの加工方法にお
   いて、水酸化カリウムに少なくともテトラメチル水酸化
   アンモニウムを混合させたエッチング液を用いてエッチ
   ングを行なうことを特徴とするシリコンウェハーの加工
   方法。
3. 【請求項３】 シリコンウェハーを湿式結晶異方性エッ
   チングにより加工するシリコンウェハーの加工方法にお
   いて、水酸化カリウムに少なくともアンモニアを混合さ
   せたエッチング液を用いてエッチングを行なうことを特
   徴とするシリコンウェハーの加工方法。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれか１項記載の加
   工方法により得られたシリコンウェハーを有することを
   特徴とする電子機器。
5. 【請求項５】 請求項４記載の電子機器がインクジェッ
   トプリンターヘッドであることを特徴とする電子機器。
6. 【請求項６】 請求項４記載の電子機器が半導体圧力セ
   ンサーであることを特徴とする電子機器。