JP4235420B2 - 基板加工方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板に対して貫通孔を歩留り良く形成するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、シリコンウェーハなどの半導体基板に対し、等方性または異方性エッチングにより貫通孔を形成し、液体吐出ヘッドなどのデバイスに応用する研究が盛んになされている。
【０００３】
例えば、本件出願人は、特開平６−３４７８３０号公報にて貫通孔形成の際のエッチングストップ層として低圧気相合成法による窒化シリコン膜（LP-ＳiＮ）が有効であることを示し、また、特開平９−１１４７９号公報にてシリコン基板に貫通孔を形成し、これをインクジェットヘッドのインク供給孔として利用する技術を提案し、さらに、特開平１０−１８１０３２号公報にてシリコン基板上に犠牲層を形成し、貫通孔の大きさおよび位置精度を向上させる方法を提案している。
【０００４】
このようなシリコン基板に対する貫通孔の加工手順を図２１〜図２７に示す。すなわち、単結晶シリコン基板１０１の表面にエッチングストップ層１０２を形成すると共にこの単結晶シリコン基板１０１の裏面にエッチングマスク層１０３を形成し（図２１参照）、単結晶シリコン基板１０１の裏面からエッチングを開始する（図２２参照）。図示例は、単結晶シリコン基板１０１の＜１００＞面に対して異方性エッチングした場合を示しており、このエッチングがエッチングストップ層１０２により停止して単結晶シリコン基板１０１を貫通する貫通孔１０４が形成される（図２３参照）。しかる後、この貫通孔１０４に臨むエッチングストップ層１０２の部分を除去して貫通孔１０４を完成させる（図２４参照）。
【０００５】
また、シリコン基板に犠牲層を形成し、貫通孔の大きさおよび位置精度を向上させる方法においては、単結晶シリコン基板１０１の貫通孔形成位置に多結晶シリコン（以下、poly-Ｓiと記述する）による犠牲層１０５を形成し、その上にエッチングストップ層１０２を形成する（図２５参照）。この場合、単結晶シリコン基板１０１の裏面のエッチングマスク層１０３によりエッチングされる貫通孔１０４は、これが犠牲層１０５に到達した場合に、この犠牲層１０５の内側にも形成されるように設計される。この貫通孔１０４が犠牲層１０５に到達した時点で（図２６参照）、犠牲層１０５はエッチング液により直ちに溶解し、この犠牲層１０５のエッジ部分から単結晶シリコン基板１０１の表面側の異方性エッチングが開始され、最終的に途中が細くくびれた貫通孔１０４が形成される（図２７参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
シリコン基板に対して等方性または異方性エッチングを用いて貫通孔を形成する場合、一般に、シリコン基板の厚さには、ある程度のばらつきがあり、これに貫通孔を形成する場合におけるエッチングの速度も常に一定とはならないため、エッチング処理を過不足なく停止させることは困難であり、通常はオーバーエッチングする必要がある。
【０００７】
このようなオーバーエッチング処理を行うと、図２３中の矢視XXVIII部を抽出拡大した図２８に示すように、貫通孔１０４の周縁部に位置するエッチングストップ層１０２の部分にクラック１０６が発生する場合がある。単結晶シリコン基板１０１に対して用いられるエッチング液は、通常、エッチング時間短縮のために８０℃またはそれ以上の温度のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（以下、これをＴＭＡＨと記述する）水溶液や水酸化カリウム水溶液などの強アルカリ性溶液が用いられるため、このクラック１０６を介してエッチング液が単結晶シリコン基板１０１の表面側に回り込むと、単結晶シリコン基板１０１に深刻なダメージを与えてしまう結果、貫通孔１０４を形成した単結晶シリコン基板１０１の製造歩留り低下の一因となっている。
【０００８】
なお、このようなクラック１０６は、オーバーエッチング処理の如何に拘らず、貫通孔１０４がエッチングストップ層１０２に到達した時点でも生ずる場合があり、同様の問題が生ずる。
【０００９】
また、エッチングストップ層１０２にクラック１０６が形成され、このクラック１０６にエッチング液が滲み込んでいない場合でも、エッチングストップ層１０２を除去する際は、通常、ウェットまたはドライエッチングにて行われるため、このエッチングストップ層１０２の除去の工程でクラック１０６を起点に単結晶シリコン基板１０１にダメージが生ずることがある。
【００１０】
さらに、シリコン基板の＜１００＞面に異方性エッチングする場合、原理的にはエッチングが＜１１１＞面で停止するため、単結晶シリコン基板１０１の表面に対して５４．７°の角度のテーパ状をなす貫通孔１０４が形成され、その大きさおよび位置もエッチングマスク層１０３によって一義的に決まるはずであるが、現実的には、単結晶シリコン基板１０１における結晶欠陥によって貫通孔１０４の大きさや位置がばらついてしまう場合が多い。特に、単結晶シリコン基板１０１上にあらかじめヒータなどの半導体素子を作り込んでから貫通孔１０４を形成する場合、この半導体素子を形成する際の熱工程履歴によって、前述した結晶欠陥が増加し、貫通孔１０４の大きさや位置のばらつきがさらに大きくなる場合があった。
【００１１】
一方、犠牲層１０５を用いて貫通孔１０４を形成する方法においては、貫通孔１０４の開口形状や位置を犠牲層１０５の位置に応じて設定することが可能なため、より精度の高い加工が可能となる。しかしながら、エッチングストップ層１０２が犠牲層１０５の上に形成されるため、図２７中の矢視XXIX部を抽出拡大した図２９に示すように、エッチングストップ層１０２のコーナ部１０７のカバレジが不利な方向にあるため、このコーナ部１０７でクラックがより発生しやすく、貫通孔１０４を形成した単結晶シリコン基板１０１の製造歩留りが低下してしまうおそれがあった。
【００１２】
【発明の目的】
本発明の目的は、半導体基板に貫通孔を形成する場合、エッチングストップ層にクラックが発生しても半導体基板表面側へのエッチング液の滲み込みを防止することにより、その製造歩留りを向上させることが可能な方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の形態は、半導体基板に貫通孔を形成することを含む基板加工方法であって、前記半導体基板の表面に当該半導体基板の表面側の前記貫通孔の開口形状に対応した犠牲層を形成する工程と、前記半導体基板の表面に前記犠牲層を覆うエッチングストップ層を形成する工程と、前記エッチングストップ層の上に当該エッチングストップ層を介して前記犠牲層の周縁部を覆う環状の保護層を形成する工程と、前記半導体基板の裏面に開口部を持ったエッチングマスク層を形成する工程と、前記エッチングマスク層の前記開口部から前記エッチングストップ層に至る前記半導体基板および前記犠牲層をエッチングする工程と、エッチングされた部分に臨む前記エッチングストップ層の部分を除去して貫通孔を形成する工程とを具えたことを特徴とするものである。
【００１５】
本発明の概念を表す図１〜３に示すように、＜１００＞の結晶方位を有するシリコン基板１１の表面に犠牲層１２を配置し、この犠牲層１２を覆うようにエッチングストップ層１３を形成し、さらにその上に保護層１４を形成する。また、単結晶シリコン基板１１の裏面には、開口部１５を持ったエッチングマスク層１６が形成される（図１参照）。エッチング終了時には、犠牲層１２が除去された状態で貫通孔１７が形成される（図２参照）が、図２中の矢視III 部を抽出拡大した図３に示すように、エッチングストップ層１３のコーナ部１８にクラック１９が発生しても、これが保護層１４によって覆われており、エッチング液がクラック１９に滲み込んでも単結晶シリコン基板１１の表面側には回り込まない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の形態による基板加工方法において、エッチングストップ層の上に保護層を形成する工程は、エッチングストップ層の上に保護層となる材料を成膜する工程と、保護層となる部分を除いて成膜された材料を除去することにより、保護層を形成する工程とを含むことができる。さらに、半導体基板がシリコン基板であってもよい。
【００１８】
エッチングストップ層として、特開平６３−４７８３０号公報に記載の如き引っ張り応力に対して高い耐性を持った材料、具体的にはLP-ＳiＮ層を使用することが好ましい。また、保護層として、エッチング液に対して十分な耐性を示し、かつエッチングストップ層にクラックの誘発などのダメージを与えない有機高分子材料、具体的にはポリエーテルアミド樹脂，環化ゴムなどを採用することが好ましく、保護層自身の応力によってエッチングストップ層にダメージを与えないように熱可塑性であることが好ましい。
【００１９】
本発明による保護層の配置パターンの例を図４，図５に示すが、図１〜図３に示した部材と同一機能の部材にはこれと同一符号を記してある。すなわち、シリコン基板の平面形状を表す図４およびそのＶ−Ｖ矢視断面構造を表す図５に示すように、保護層１４は犠牲層１２の周縁部全体を囲むような構成を有する。この場合、犠牲層１２を全面的に覆うように保護層１４を形成した後、エッチングストップ層１３の除去後に不要な保護層１４を除去することも可能であり、製造されるデバイスに応じて適宜選択すればよい。
【００２１】
【実施例】
本発明による基板加工方法を単結晶シリコン基板に対して応用した実施例について、図６〜図２１を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこのような実施例に限らず、これらをさらに組み合わせたり、この明細書の特許請求の範囲に記載された本発明の概念に包含されるべき他の技術にも応用することができる。
【００２２】
第１の実施例における製造工程を図６〜図１０に示す。すなわち、表面が＜１００＞面となる厚さが６２５μmの単結晶シリコン基板１１の表面に３０００Åの厚さのpoly-Ｓiによる犠牲層１２をパターニングによってそれぞれ一辺が１００μmの正方形となるように所定間隔で３００個形成し、さらにその上に２５００Åの厚さのLP-ＳiＮをエッチングストップ層１３として形成した。
【００２３】
一方、この単結晶シリコン基板１１の裏面には、４０００Åの厚さのＳiＯ2によるエッチングマスク層１６を異方性エッチングにより形成するが、このエッチングマスク層１６には、犠牲層１２とそれぞれ対向する開口部１５が所定間隔で３００個形成されている（図６参照）。
【００２４】
次いで保護層１４を形成するため、まずエッチングマスク層１６の上からポリエーテルアミド（日立化成工業(株)製：ＨＩＭＡＬ１２００）をスピンコートにより塗布して２５０℃で１時間加熱することにより、これを１.０μmの厚さに成膜した。ポリエーテルアミドは感光性を有しないため、このポリエーテルアミドに対してフォトレジスト（東京応化工業(株)製：ＯＦＰＲ８００）によりパターニングを行い、これをエッチングマスクとして酸素プラズマ法により不要な部分のポリエーテルアミドを除去することにより、エッチングストップ層１３を介して犠牲層１２の周縁部を覆う幅が１０μmの保護層１４を形成した（図７およびその平面形状を表す図８参照）。
【００２５】
このようにして保護層１４を形成した単結晶シリコン基板１１を８３℃の温度のＴＭＡＨ水溶液（濃度２２％）中に９８０分間浸漬し、開口部１５から犠牲層１２に至る単結晶シリコン基板１１の異方性エッチングを施し、貫通孔１７を形成した（図９参照）。この場合、単結晶シリコン基板１１の表面側にＴＭＡＨ水溶液が回り込まないように、治具を用いて単結晶シリコン基板１１の表面側を保護した。
【００２６】
次いで、単結晶シリコン基板１１の裏面側からＣＦ４ガスを用いて反応性イオンエッチング（以下、ＲＩＥと記述する）により、貫通孔１７に臨むエッチングストップ層１３の部分を除去した。この場合、単結晶シリコン基板１１の表面側がＣＦ４ガスによるダメージを受けないように、上述のフォトレジスト（ＯＦＰＲ８００）を保護膜として単結晶シリコン基板１１の表面側に塗布しておき、ＲＩＥの終了後にこのフォトレジストを単結晶シリコン基板１１の表面から除去することにより、貫通孔１７を完成させた（図１０参照）。
【００２７】
このようにして貫通孔１７が形成された単結晶シリコン基板１１に対し、顕微鏡によってエッチングストップ層１３（特に、そのコーナ部１８）に発生するクラックに起因するダメージを検査した所、格別な不良は発見されなかった。
【００２８】
これに対し、上述した保護層１４を形成しない以外、全く同じ条件および構成の貫通孔１７が形成された単結晶シリコン基板１１を製造し、同様な検査を行った所、エッチングストップ層１３のクラックに起因するダメージが３００箇所中、中、１１箇所の貫通孔１７で確認され、本発明による保護層１４がエッチングストップ層１３のクラックに起因するダメージに対して有効であることを確認することができた。
【００２９】
次に、本発明をインクジェットヘッドのインク供給孔が形成されるシリコン基板に応用した第２の実施例について説明する。
【００３０】
第２の実施例における製造工程を図１１〜図２０に示すが、先の実施例と同一機能の部材にはこれと同一符号を記すに止め、重複する説明は省略するものとする。すなわち、表面が＜１００＞面となる厚さが６２５μmの単結晶シリコン基板１１の表面に吐出エネルギー発生部としてＴaＮによる電気熱変換素子２０およびその制御信号配線（図示せず）を形成すると共に３０００Åの厚さのPoly-Ｓiによる犠牲層１２を形成し、さらにこれらの上に２５００Åの厚さのLP-ＳiＮによるエッチングストップ層１３を形成した。上記制御信号配線には、電気熱変換素子２０を動作させるための図示しない駆動回路が接続される。犠牲層１２は、１５０×１１５００（μm）の細長い矩形に形成され、電気熱変換素子２０は、この犠牲層１２の長手方向に沿って３００dpiの間隔で片側１２８個（両側で２５６個）形成した。また、単結晶シリコン基板１１の裏面には、４０００Åの厚さのＳi０2を異方性エッチングすることにより、開口部１５を有するエッチングマスク層１６が形成される（図１１およびそのXII−XII矢視断面構造を表す図１２参照）。図１２に示す構成を１チップとして、合計２００チップをこの単結晶シリコン基板１１に形成した。
【００３１】
次に、第１の実施例と同様にして、エッチングストップ層１３を介して犠牲層１２の周縁部を覆う幅が１０μmのポリエーテルアミドからなる保護層１４を形成した（図１３およびそのX・−X・矢視断面構造を表す図１４参照）。そして、共通液室２１および液路２２（図１９およびそのXX−XX矢視断面構造を表す図２０参照）の型となるポジ型レジスト（東京応化工業(株)製：ＯＤＵＲ）２３を単結晶シリコン基板１１の表面側にパターニングより形成し（図１５参照）、さらに表１に記載の成分を有するネガ型レジストを本発明の吐出口形成部材２４としてポジ型レジスト２３を覆うように形成し、そのパターニングによって吐出口形成部材２４に吐出口２５を電気熱変換素子２０とそれぞれ対向するように形成した（図１６参照）。
【００３２】
【表１】
【００３３】
しかる後、吐出口２５が形成された単結晶シリコン基板１１を８３℃に保たれたＴＭＡＨ水溶液（濃度２２％）中に９８０分間浸漬して異方性エッチングを施し、開口部１５から犠牲層１２に至る貫通孔１７を単結晶シリコン基板１１に形成した（図１７参照）。この場合、先の実施例と同様に、単結晶シリコン基板１１の表面側にＴＭＡＨ水溶液が回り込まないように、治具によってこれを保護した。この時点で、全チップに対してエッチングストップ層１３のクラックの発生および異常を顕微鏡検査により行ったが、格別な不良は発見されなかった。
【００３４】
さらに、単結晶シリコン基板１１の表面側を保護した状態で、この単結晶シリコン基板１１の裏面側からＣＦ４ガスを用いてＲｌＥにより貫通孔１７に臨むエッチングストップ層１３の部分を除去した（図１８参照）後、図１９および図２０に示すように、ポジ型レジスト２３を除去することにより、２００チップのインクジェットヘッドを完成させた。また、この時点で再び全チップに対して、エッチングストップ層１３のクラックおよび異常の有無を顕微鏡検査にて行ったが、不良は発生していなかった。
【００３５】
このようにして得られたインクジェットヘッドに電気的な接続を施し、液体として表２に記載のインクを用いてプリント試験を行ったところ、良好なプリント結果が得られた。
【００３６】
【表２】
【００３８】
これに対し、保護層１２を形成しない以外は第２および第３の実施例と全く同じ構成で、同様な顕微鏡検査を行った所、エッチングストップ層１３のクラックに起因するダメージが２００チップ中、２８個のチップにて確認され、本発明による保護層１２がエッチングストップ層１３のクラックに起因するダメージに対して有効であることを確認できた。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によると、エッチングストップ層の上にこのエッチングストップ層を介して犠牲層の周縁部を覆う環状の保護層を形成するようにしたので、エッチングストップ層のクラックに起因するダメージを保護層によって防止することが可能となり、エッチングにより半導体基板に貫通孔を形成する際の製造歩留りを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図２と共に本発明の概念を断面状態で表す工程図である。
【図２】 図１と共に本発明の概念を断面状態で表す工程図である。
【図３】 図２中の矢視III部の抽出拡大断面図である。
【図４】 本発明による保護層の配置例を表す平面図である。
【図５】 図４中のＶ−Ｖ矢視断面図である。
【図６】 本発明による一実施例の貫通孔の形成手順を図７〜図１０と共に表す工程図である。
【図７】 本発明による一実施例の貫通孔の形成手順を図６，図８〜図１０と共に表す工程図である。
【図８】 図７に対する平面図である。
【図９】 本発明による一実施例の貫通孔の形成手順を図６〜図８および図１０と共に表す工程図である。
【図１０】 本発明による一実施例の貫通孔の形成手順を図６〜図９と共に表す工程図である。
【図１１】 本発明をインクジェットヘッドに応用した一実施例の製造手順を図１２〜図２０と共に表す工程図である。
【図１２】 図１１中のXII−XII矢視断面図である。
【図１３】 本発明による液体吐出ヘッドをインクジェットヘッドに応用した一実施例の製造手順を図１１，図１２および図１４〜図２０と共に表す工程図である。
【図１４】 図１３中のXIV−XIV矢視断面図である。
【図１５】 本発明をインクジェットヘッドに応用した一実施例の製造手順を図１１〜図１４および図１６〜図２０と共に表す工程図である。
【図１６】 本発明をインクジェットヘッドに応用した一実施例の製造手順を図１１〜図１５および図１７〜図２０と共に表す工程図である。
【図１７】 本発明をインクジェットヘッドに応用した一実施例の製造手順を図１１〜図１６および図１８〜図２０と共に表す工程図である。
【図１８】 本発明をインクジェットヘッドに応用した一実施例の製造手順を図１１〜図１６，図１９および図２０と共に表す工程図である。
【図１９】 本発明をインクジェットヘッドに応用した一実施例の製造手順を図１１〜図１８および図２０と共に表す工程図である。
【図２０】 本発明をインクジェットヘッドに応用した一実施例の製造手順を図１１〜図１９と共に表す工程図であり、図１９中のXX−XX矢視図断面を示す。
【図２１】 シリコン基板に貫通孔を形成する場合の従来方法の一例を断面状態で図２２〜図２４と共に表す工程図である。
【図２２】 シリコン基板に貫通孔を形成する場合の従来方法の一例を断面状態で図２１，図２３および図２４と共に表す工程図である。
【図２３】 シリコン基板に貫通孔を形成する場合の従来方法の一例を断面状態で図２１，図２２および図２４と共に表す工程図である。
【図２４】 シリコン基板に貫通孔を形成する場合の従来方法の一例を断面状態で図２１〜図２３と共に表す工程図である。
【図２５】 シリコン基板に貫通孔を形成する場合の従来方法の他の例を断面状態で図２６および図２７と共に表す工程図である。
【図２６】 シリコン基板に貫通孔を形成する場合の従来方法の他の例を断面状態で図２５および図２７と共に表す工程図である。
【図２７】 シリコン基板に貫通孔を形成する場合の従来方法の一例を断面状態で図２５および図２６と共に表す工程図である。
【図２８】 図２３中の矢視XXVIII部の抽出拡大図である。
【図２９】 図２７中の矢視XXIX部の抽出拡大図である。
【符号の説明】
１１ シリコン基板
１２ 犠牲層
１３ エッチングストップ層
１４ 保護層
１５ 開口部
１６ エッチングマスク層
１７ 貫通孔
１８ コーナ部
１９ クラック
２０ 電気熱変換素子
２１ 共通液室
２２ 液路
２３ ポジ型レジスト
２４ 吐出口形成部材
２５ 吐出口
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板に対して貫通孔を歩留り良く形成するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、シリコンウェーハなどの半導体基板に対し、等方性または異方性エッチングにより貫通孔を形成し、液体吐出ヘッドなどのデバイスに応用する研究が盛んになされている。
【０００３】
例えば、本件出願人は、特開平６−３４７８３０号公報にて貫通孔形成の際のエッチングストップ層として低圧気相合成法による窒化シリコン膜（LP-ＳiＮ）が有効であることを示し、また、特開平９−１１４７９号公報にてシリコン基板に貫通孔を形成し、これをインクジェットヘッドのインク供給孔として利用する技術を提案し、さらに、特開平１０−１８１０３２号公報にてシリコン基板上に犠牲層を形成し、貫通孔の大きさおよび位置精度を向上させる方法を提案している。
【０００４】
このようなシリコン基板に対する貫通孔の加工手順を図２１〜図２７に示す。すなわち、単結晶シリコン基板１０１の表面にエッチングストップ層１０２を形成すると共にこの単結晶シリコン基板１０１の裏面にエッチングマスク層１０３を形成し（図２１参照）、単結晶シリコン基板１０１の裏面からエッチングを開始する（図２２参照）。図示例は、単結晶シリコン基板１０１の＜１００＞面に対して異方性エッチングした場合を示しており、このエッチングがエッチングストップ層１０２により停止して単結晶シリコン基板１０１を貫通する貫通孔１０４が形成される（図２３参照）。しかる後、この貫通孔１０４に臨むエッチングストップ層１０２の部分を除去して貫通孔１０４を完成させる（図２４参照）。
【０００５】
また、シリコン基板に犠牲層を形成し、貫通孔の大きさおよび位置精度を向上させる方法においては、単結晶シリコン基板１０１の貫通孔形成位置に多結晶シリコン（以下、poly-Ｓiと記述する）による犠牲層１０５を形成し、その上にエッチングストップ層１０２を形成する（図２５参照）。この場合、単結晶シリコン基板１０１の裏面のエッチングマスク層１０３によりエッチングされる貫通孔１０４は、これが犠牲層１０５に到達した場合に、この犠牲層１０５の内側にも形成されるように設計される。この貫通孔１０４が犠牲層１０５に到達した時点で（図２６参照）、犠牲層１０５はエッチング液により直ちに溶解し、この犠牲層１０５のエッジ部分から単結晶シリコン基板１０１の表面側の異方性エッチングが開始され、最終的に途中が細くくびれた貫通孔１０４が形成される（図２７参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
シリコン基板に対して等方性または異方性エッチングを用いて貫通孔を形成する場合、一般に、シリコン基板の厚さには、ある程度のばらつきがあり、これに貫通孔を形成する場合におけるエッチングの速度も常に一定とはならないため、エッチング処理を過不足なく停止させることは困難であり、通常はオーバーエッチングする必要がある。
【０００７】
このようなオーバーエッチング処理を行うと、図２３中の矢視XXVIII部を抽出拡大した図２８に示すように、貫通孔１０４の周縁部に位置するエッチングストップ層１０２の部分にクラック１０６が発生する場合がある。単結晶シリコン基板１０１に対して用いられるエッチング液は、通常、エッチング時間短縮のために８０℃またはそれ以上の温度のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（以下、これをＴＭＡＨと記述する）水溶液や水酸化カリウム水溶液などの強アルカリ性溶液が用いられるため、このクラック１０６を介してエッチング液が単結晶シリコン基板１０１の表面側に回り込むと、単結晶シリコン基板１０１に深刻なダメージを与えてしまう結果、貫通孔１０４を形成した単結晶シリコン基板１０１の製造歩留り低下の一因となっている。
【０００８】
なお、このようなクラック１０６は、オーバーエッチング処理の如何に拘らず、貫通孔１０４がエッチングストップ層１０２に到達した時点でも生ずる場合があり、同様の問題が生ずる。
【０００９】
また、エッチングストップ層１０２にクラック１０６が形成され、このクラック１０６にエッチング液が滲み込んでいない場合でも、エッチングストップ層１０２を除去する際は、通常、ウェットまたはドライエッチングにて行われるため、このエッチングストップ層１０２の除去の工程でクラック１０６を起点に単結晶シリコン基板１０１にダメージが生ずることがある。
【００１０】
さらに、シリコン基板の＜１００＞面に異方性エッチングする場合、原理的にはエッチングが＜１１１＞面で停止するため、単結晶シリコン基板１０１の表面に対して５４．７°の角度のテーパ状をなす貫通孔１０４が形成され、その大きさおよび位置もエッチングマスク層１０３によって一義的に決まるはずであるが、現実的には、単結晶シリコン基板１０１における結晶欠陥によって貫通孔１０４の大きさや位置がばらついてしまう場合が多い。特に、単結晶シリコン基板１０１上にあらかじめヒータなどの半導体素子を作り込んでから貫通孔１０４を形成する場合、この半導体素子を形成する際の熱工程履歴によって、前述した結晶欠陥が増加し、貫通孔１０４の大きさや位置のばらつきがさらに大きくなる場合があった。
【００１１】
一方、犠牲層１０５を用いて貫通孔１０４を形成する方法においては、貫通孔１０４の開口形状や位置を犠牲層１０５の位置に応じて設定することが可能なため、より精度の高い加工が可能となる。しかしながら、エッチングストップ層１０２が犠牲層１０５の上に形成されるため、図２７中の矢視XXIX部を抽出拡大した図２９に示すように、エッチングストップ層１０２のコーナ部１０７のカバレジが不利な方向にあるため、このコーナ部１０７でクラックがより発生しやすく、貫通孔１０４を形成した単結晶シリコン基板１０１の製造歩留りが低下してしまうおそれがあった。
【００１２】
【発明の目的】
本発明の目的は、半導体基板に貫通孔を形成する場合、エッチングストップ層にクラックが発生しても半導体基板表面側へのエッチング液の滲み込みを防止することにより、その製造歩留りを向上させることが可能な方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の形態は、半導体基板に貫通孔を形成することを含む基板加工方法であって、前記半導体基板の表面に当該半導体基板の表面側の前記貫通孔の開口形状に対応した犠牲層を形成する工程と、前記半導体基板の表面に前記犠牲層を覆うエッチングストップ層を形成する工程と、前記エッチングストップ層の上に当該エッチングストップ層を介して前記犠牲層の周縁部を覆う環状の保護層を形成する工程と、前記半導体基板の裏面に開口部を持ったエッチングマスク層を形成する工程と、前記エッチングマスク層の前記開口部から前記エッチングストップ層に至る前記半導体基板および前記犠牲層をエッチングする工程と、エッチングされた部分に臨む前記エッチングストップ層の部分を除去して貫通孔を形成する工程とを具えたことを特徴とするものである。
【００１５】
本発明の概念を表す図１〜３に示すように、＜１００＞の結晶方位を有するシリコン基板１１の表面に犠牲層１２を配置し、この犠牲層１２を覆うようにエッチングストップ層１３を形成し、さらにその上に保護層１４を形成する。また、単結晶シリコン基板１１の裏面には、開口部１５を持ったエッチングマスク層１６が形成される（図１参照）。エッチング終了時には、犠牲層１２が除去された状態で貫通孔１７が形成される（図２参照）が、図２中の矢視III 部を抽出拡大した図３に示すように、エッチングストップ層１３のコーナ部１８にクラック１９が発生しても、これが保護層１４によって覆われており、エッチング液がクラック１９に滲み込んでも単結晶シリコン基板１１の表面側には回り込まない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の形態による基板加工方法において、エッチングストップ層の上に保護層を形成する工程は、エッチングストップ層の上に保護層となる材料を成膜する工程と、保護層となる部分を除いて成膜された材料を除去することにより、保護層を形成する工程とを含むことができる。さらに、半導体基板がシリコン基板であってもよい。
【００１８】
エッチングストップ層として、特開平６３−４７８３０号公報に記載の如き引っ張り応力に対して高い耐性を持った材料、具体的にはLP-ＳiＮ層を使用することが好ましい。また、保護層として、エッチング液に対して十分な耐性を示し、かつエッチングストップ層にクラックの誘発などのダメージを与えない有機高分子材料、具体的にはポリエーテルアミド樹脂，環化ゴムなどを採用することが好ましく、保護層自身の応力によってエッチングストップ層にダメージを与えないように熱可塑性であることが好ましい。
【００１９】
本発明による保護層の配置パターンの例を図４，図５に示すが、図１〜図３に示した部材と同一機能の部材にはこれと同一符号を記してある。すなわち、シリコン基板の平面形状を表す図４およびそのＶ−Ｖ矢視断面構造を表す図５に示すように、保護層１４は犠牲層１２の周縁部全体を囲むような構成を有する。この場合、犠牲層１２を全面的に覆うように保護層１４を形成した後、エッチングストップ層１３の除去後に不要な保護層１４を除去することも可能であり、製造されるデバイスに応じて適宜選択すればよい。
【００２１】
【実施例】
本発明による基板加工方法を単結晶シリコン基板に対して応用した実施例について、図６〜図２１を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこのような実施例に限らず、これらをさらに組み合わせたり、この明細書の特許請求の範囲に記載された本発明の概念に包含されるべき他の技術にも応用することができる。
【００２２】
第１の実施例における製造工程を図６〜図１０に示す。すなわち、表面が＜１００＞面となる厚さが６２５μmの単結晶シリコン基板１１の表面に３０００Åの厚さのpoly-Ｓiによる犠牲層１２をパターニングによってそれぞれ一辺が１００μmの正方形となるように所定間隔で３００個形成し、さらにその上に２５００Åの厚さのLP-ＳiＮをエッチングストップ層１３として形成した。
【００２３】
一方、この単結晶シリコン基板１１の裏面には、４０００Åの厚さのＳiＯ2によるエッチングマスク層１６を異方性エッチングにより形成するが、このエッチングマスク層１６には、犠牲層１２とそれぞれ対向する開口部１５が所定間隔で３００個形成されている（図６参照）。
【００２４】
次いで保護層１４を形成するため、まずエッチングマスク層１６の上からポリエーテルアミド（日立化成工業(株)製：ＨＩＭＡＬ１２００）をスピンコートにより塗布して２５０℃で１時間加熱することにより、これを１.０μmの厚さに成膜した。ポリエーテルアミドは感光性を有しないため、このポリエーテルアミドに対してフォトレジスト（東京応化工業(株)製：ＯＦＰＲ８００）によりパターニングを行い、これをエッチングマスクとして酸素プラズマ法により不要な部分のポリエーテルアミドを除去することにより、エッチングストップ層１３を介して犠牲層１２の周縁部を覆う幅が１０μmの保護層１４を形成した（図７およびその平面形状を表す図８参照）。
【００２５】
このようにして保護層１４を形成した単結晶シリコン基板１１を８３℃の温度のＴＭＡＨ水溶液（濃度２２％）中に９８０分間浸漬し、開口部１５から犠牲層１２に至る単結晶シリコン基板１１の異方性エッチングを施し、貫通孔１７を形成した（図９参照）。この場合、単結晶シリコン基板１１の表面側にＴＭＡＨ水溶液が回り込まないように、治具を用いて単結晶シリコン基板１１の表面側を保護した。
【００２６】
次いで、単結晶シリコン基板１１の裏面側からＣＦ４ガスを用いて反応性イオンエッチング（以下、ＲＩＥと記述する）により、貫通孔１７に臨むエッチングストップ層１３の部分を除去した。この場合、単結晶シリコン基板１１の表面側がＣＦ４ガスによるダメージを受けないように、上述のフォトレジスト（ＯＦＰＲ８００）を保護膜として単結晶シリコン基板１１の表面側に塗布しておき、ＲＩＥの終了後にこのフォトレジストを単結晶シリコン基板１１の表面から除去することにより、貫通孔１７を完成させた（図１０参照）。
【００２７】
このようにして貫通孔１７が形成された単結晶シリコン基板１１に対し、顕微鏡によってエッチングストップ層１３（特に、そのコーナ部１８）に発生するクラックに起因するダメージを検査した所、格別な不良は発見されなかった。
【００２８】
これに対し、上述した保護層１４を形成しない以外、全く同じ条件および構成の貫通孔１７が形成された単結晶シリコン基板１１を製造し、同様な検査を行った所、エッチングストップ層１３のクラックに起因するダメージが３００箇所中、中、１１箇所の貫通孔１７で確認され、本発明による保護層１４がエッチングストップ層１３のクラックに起因するダメージに対して有効であることを確認することができた。
【００２９】
次に、本発明をインクジェットヘッドのインク供給孔が形成されるシリコン基板に応用した第２の実施例について説明する。
【００３０】
第２の実施例における製造工程を図１１〜図２０に示すが、先の実施例と同一機能の部材にはこれと同一符号を記すに止め、重複する説明は省略するものとする。すなわち、表面が＜１００＞面となる厚さが６２５μmの単結晶シリコン基板１１の表面に吐出エネルギー発生部としてＴaＮによる電気熱変換素子２０およびその制御信号配線（図示せず）を形成すると共に３０００Åの厚さのPoly-Ｓiによる犠牲層１２を形成し、さらにこれらの上に２５００Åの厚さのLP-ＳiＮによるエッチングストップ層１３を形成した。上記制御信号配線には、電気熱変換素子２０を動作させるための図示しない駆動回路が接続される。犠牲層１２は、１５０×１１５００（μm）の細長い矩形に形成され、電気熱変換素子２０は、この犠牲層１２の長手方向に沿って３００dpiの間隔で片側１２８個（両側で２５６個）形成した。また、単結晶シリコン基板１１の裏面には、４０００Åの厚さのＳi０2を異方性エッチングすることにより、開口部１５を有するエッチングマスク層１６が形成される（図１１およびそのXII−XII矢視断面構造を表す図１２参照）。図１２に示す構成を１チップとして、合計２００チップをこの単結晶シリコン基板１１に形成した。
【００３１】
次に、第１の実施例と同様にして、エッチングストップ層１３を介して犠牲層１２の周縁部を覆う幅が１０μmのポリエーテルアミドからなる保護層１４を形成した（図１３およびそのX・−X・矢視断面構造を表す図１４参照）。そして、共通液室２１および液路２２（図１９およびそのXX−XX矢視断面構造を表す図２０参照）の型となるポジ型レジスト（東京応化工業(株)製：ＯＤＵＲ）２３を単結晶シリコン基板１１の表面側にパターニングより形成し（図１５参照）、さらに表１に記載の成分を有するネガ型レジストを本発明の吐出口形成部材２４としてポジ型レジスト２３を覆うように形成し、そのパターニングによって吐出口形成部材２４に吐出口２５を電気熱変換素子２０とそれぞれ対向するように形成した（図１６参照）。
【００３２】
【表１】
しかる後、吐出口２５が形成された単結晶シリコン基板１１を８３℃に保たれたＴＭＡＨ水溶液（濃度２２％）中に９８０分間浸漬して異方性エッチングを施し、開口部１５から犠牲層１２に至る貫通孔１７を単結晶シリコン基板１１に形成した（図１７参照）。この場合、先の実施例と同様に、単結晶シリコン基板１１の表面側にＴＭＡＨ水溶液が回り込まないように、治具によってこれを保護した。この時点で、全チップに対してエッチングストップ層１３のクラックの発生および異常を顕微鏡検査により行ったが、格別な不良は発見されなかった。
【００３４】
さらに、単結晶シリコン基板１１の表面側を保護した状態で、この単結晶シリコン基板１１の裏面側からＣＦ４ガスを用いてＲｌＥにより貫通孔１７に臨むエッチングストップ層１３の部分を除去した（図１８参照）後、図１９および図２０に示すように、ポジ型レジスト２３を除去することにより、２００チップのインクジェットヘッドを完成させた。また、この時点で再び全チップに対して、エッチングストップ層１３のクラックおよび異常の有無を顕微鏡検査にて行ったが、不良は発生していなかった。
【００３５】
このようにして得られたインクジェットヘッドに電気的な接続を施し、液体として表２に記載のインクを用いてプリント試験を行ったところ、良好なプリント結果が得られた。
【００３６】
【表２】
これに対し、保護層１２を形成しない以外は第２および第３の実施例と全く同じ構成で、同様な顕微鏡検査を行った所、エッチングストップ層１３のクラックに起因するダメージが２００チップ中、２８個のチップにて確認され、本発明による保護層１２がエッチングストップ層１３のクラックに起因するダメージに対して有効であることを確認できた。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によると、エッチングストップ層の上にこのエッチングストップ層を介して犠牲層の周縁部を覆う環状の保護層を形成するようにしたので、エッチングストップ層のクラックに起因するダメージを保護層によって防止することが可能となり、エッチングにより半導体基板に貫通孔を形成する際の製造歩留りを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図２と共に本発明の概念を断面状態で表す工程図である。
【図２】 図１と共に本発明の概念を断面状態で表す工程図である。
【図３】 図２中の矢視III部の抽出拡大断面図である。
【図４】 本発明による保護層の配置例を表す平面図である。
【図５】 図４中のＶ−Ｖ矢視断面図である。
【図６】 本発明による一実施例の貫通孔の形成手順を図７〜図１０と共に表す工程図である。
【図７】 本発明による一実施例の貫通孔の形成手順を図６，図８〜図１０と共に表す工程図である。
【図８】 図７に対する平面図である。
【図９】 本発明による一実施例の貫通孔の形成手順を図６〜図８および図１０と共に表す工程図である。
【図１０】 本発明による一実施例の貫通孔の形成手順を図６〜図９と共に表す工程図である。
【図１１】 本発明をインクジェットヘッドに応用した一実施例の製造手順を図１２〜図２０と共に表す工程図である。
【図１２】 図１１中のXII−XII矢視断面図である。
【図１３】 本発明による液体吐出ヘッドをインクジェットヘッドに応用した一実施例の製造手順を図１１，図１２および図１４〜図２０と共に表す工程図である。
【図１４】 図１３中のXIV−XIV矢視断面図である。
【図１５】 本発明をインクジェットヘッドに応用した一実施例の製造手順を図１１〜図１４および図１６〜図２０と共に表す工程図である。
【図１６】 本発明をインクジェットヘッドに応用した一実施例の製造手順を図１１〜図１５および図１７〜図２０と共に表す工程図である。
【図１７】 本発明をインクジェットヘッドに応用した一実施例の製造手順を図１１〜図１６および図１８〜図２０と共に表す工程図である。
【図１８】 本発明をインクジェットヘッドに応用した一実施例の製造手順を図１１〜図１６，図１９および図２０と共に表す工程図である。
【図１９】 本発明をインクジェットヘッドに応用した一実施例の製造手順を図１１〜図１８および図２０と共に表す工程図である。
【図２０】 本発明をインクジェットヘッドに応用した一実施例の製造手順を図１１〜図１９と共に表す工程図であり、図１９中のXX−XX矢視図断面を示す。
【図２１】 シリコン基板に貫通孔を形成する場合の従来方法の一例を断面状態で図２２〜図２４と共に表す工程図である。
【図２２】 シリコン基板に貫通孔を形成する場合の従来方法の一例を断面状態で図２１，図２３および図２４と共に表す工程図である。
【図２３】 シリコン基板に貫通孔を形成する場合の従来方法の一例を断面状態で図２１，図２２および図２４と共に表す工程図である。
【図２４】 シリコン基板に貫通孔を形成する場合の従来方法の一例を断面状態で図２１〜図２３と共に表す工程図である。
【図２５】 シリコン基板に貫通孔を形成する場合の従来方法の他の例を断面状態で図２６および図２７と共に表す工程図である。
【図２６】 シリコン基板に貫通孔を形成する場合の従来方法の他の例を断面状態で図２５および図２７と共に表す工程図である。
【図２７】 シリコン基板に貫通孔を形成する場合の従来方法の一例を断面状態で図２５および図２６と共に表す工程図である。
【図２８】 図２３中の矢視XXVIII部の抽出拡大図である。
【図２９】 図２７中の矢視XXIX部の抽出拡大図である。
【符号の説明】
１１ シリコン基板
１２ 犠牲層
１３ エッチングストップ層
１４ 保護層
１５ 開口部
１６ エッチングマスク層
１７ 貫通孔
１８ コーナ部
１９ クラック
２０ 電気熱変換素子
２１ 共通液室
２２ 液路
２３ ポジ型レジスト
２４ 吐出口形成部材
２５ 吐出口
Claims (4)
- 半導体基板に貫通孔を形成することを含む基板加工方法であって、
前記半導体基板の表面に当該半導体基板の表面側の前記貫通孔の開口形状に対応した犠牲層を形成する工程と、
前記半導体基板の表面に前記犠牲層を覆うエッチングストップ層を形成する工程と、
前記エッチングストップ層の上に当該エッチングストップ層を介して前記犠牲層の周縁部を覆う環状の保護層を形成する工程と、
前記半導体基板の裏面に開口部を持ったエッチングマスク層を形成する工程と、
前記エッチングマスク層の前記開口部から前記エッチングストップ層に至る前記半導体基板および前記犠牲層をエッチングする工程と、
エッチングされた部分に臨む前記エッチングストップ層の部分を除去して貫通孔を形成する工程と
を具えたことを特徴とする基板加工方法。 - 前記エッチングストップ層の上に前記保護層を形成する工程は、前記エッチングストップ層の上に前記保護層となる材料を成膜する工程と、前記保護層となる部分を除いて成膜された前記材料を除去することにより、前記保護層を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項１に記載の基板加工方法。
- 前記半導体基板が単結晶シリコン基板であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の基板加工方法。
- 前記保護層を構成する材料がポリエーテルアミド樹脂であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の基板加工方法。
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