JP4819894B2 - 基板に親水性トレンチをエッチングするのに適した方法 - Google Patents
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Description
［発明の分野］
本発明は、基板をエッチングする方法に関し、親水性の側壁を有するディープ又は超ディープトレンチの形成に適している。本発明は、主として、複雑なエッチング手順又はエッチング後処理の使用を回避しながらも、シリコン基板に親水性トレンチ又はチャネルを提供するために開発された。
本発明は、基板をエッチングする方法に関し、親水性の側壁を有するディープ又は超ディープトレンチの形成に適している。本発明は、主として、複雑なエッチング手順又はエッチング後処理の使用を回避しながらも、シリコン基板に親水性トレンチ又はチャネルを提供するために開発された。
［発明の背景］
ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）デバイスのマイクロエレクトロニクス産業に対する影響は、近年極めて大きくなってきている。実際に、ＭＥＭＳはマイクロエレクトロニクスの中で最も急成長している分野の１つである。ＭＥＭＳの成長は、シリコンをベースとするフォトリソグラフィがマイクロスケールの機械デバイス及び構造の製造にまで拡張されたことによって、かなりの程度まで可能になってきている。フォトリソグラフィ技術では、もちろん、マスクの下に見られるシリコン基板の正確なエッチングを可能にする信頼性のあるエッチング技法を利用する。
ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）デバイスのマイクロエレクトロニクス産業に対する影響は、近年極めて大きくなってきている。実際に、ＭＥＭＳはマイクロエレクトロニクスの中で最も急成長している分野の１つである。ＭＥＭＳの成長は、シリコンをベースとするフォトリソグラフィがマイクロスケールの機械デバイス及び構造の製造にまで拡張されたことによって、かなりの程度まで可能になってきている。フォトリソグラフィ技術では、もちろん、マスクの下に見られるシリコン基板の正確なエッチングを可能にする信頼性のあるエッチング技法を利用する。
ＭＥＭＳデバイスは、物理的、化学的及び生物学的センシング装置で等、幅広い分野で応用されている。ＭＥＭＳデバイスの１つの重要な用途は、インクジェットプリントヘッドにおいてであり、インクジェットノズル用のマイクロスケールのアクチュエータはＭＥＭＳ技術を用いて製造することができる。本出願人は、ＭＥＭＳインク噴出デバイスを組み込んだプリントヘッドを開発してきており、これらのプリントヘッドは、それらすべてが参照により本明細書中に組み込まれる以下の特許及び特許出願に記載されている。
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通常、ＭＥＭＳインクジェットプリントヘッド（「ＭＥＭＪＥＴプリントヘッド」）は、複数のプリントヘッド集積回路で構成され、各集積回路は数千個のノズルを有する。各ノズルは、インクを噴出するためのアクチュエータを備えており、このアクチュエータは、たとえば、サーマル屈曲アクチュエータ（たとえば、米国特許第６３２２１９５号明細書）又は気泡形成加熱要素（ｂｕｂｂｌｅ−ｆｏｒｍｉｎｇ ｈｅａｔｅｒ ｅｌｅｍｅｎｔ）アクチュエータ（たとえば、米国特許第６６７２７０９号明細書）である。これらの集積回路はＭＥＭＳ技術を用いて製造され、このことは、高ノズル密度で、したがって高解像度のプリントヘッドを比較的低コストで大量生産することができることを意味する。
ＭＥＭＳプリントヘッド集積回路の製造において、１０ミクロンを超える深さまでディープ又は超ディープエッチングを行うことが多くの場合必要となる。ディープエッチング、特に超ディープエッチングの問題は、エッチング時に異方性を維持すること、すなわち、トレンチを水平方向ではなく、確実に垂直方向にエッチングすることである。理想的には、トレンチの側壁は、基板の表面に対して実質的に垂直となるべきである。
シリコンウエハ中を通るインク供給チャネルをエッチングする場合には、超ディープトレンチ内に垂直側壁を備えることが特に重要である。ＭＥＭＳプリントヘッド集積回路では、個々の又は共通のインク供給チャネルを介した各ノズルへのインクの分配が必要となる。これらのインクチャネルは通常、約２００ミクロンの厚さを有するウエハを貫通してエッチングされるため、採用される超ディープエッチング法に相当の要求を突きつける。各インクチャネルがウエハ表面に対して実質的に垂直で、インクの流れを妨げることがある屈曲（ｋｉｎｋ）又は側壁の突起（たとえば、グラシング（ｇｒａｓｓｉｎｇ））を含まないことが特に重要である。
共に参照により本明細書中に組み込まれる、出願人の米国特許出願第１０／７２８７８４号明細書（出願人の参照：ＭＴＢ０８）及び米国特許出願第１０／７２８９７０号明細書（出願人の参照：ＭＴＢ０７）には、滴噴出側とインク供給側とを有するウエハからインクジェットプリントヘッドを作製する方法が記載されている。図１を参照すると、気泡形成加熱要素アクチュエータ組立体２を備える典型的なＭＥＭＳノズル配置１が示してある。このアクチュエータ組立体２は、シリコンウエハ５のパッシベーション層４上のノズル室３内に形成される。ウエハは通常約２００ミクロンの厚さ「Ｂ」を有し、一方ノズル室は通常約２０ミクロンの厚さ「Ａ」を占有する。
図２を参照すると、インク供給チャネル６が、ウエハ５を貫通して相互接続部７のＣＭＯＳメタライゼーション層までエッチングされている。入り口８は、インク供給チャネル６とノズル室（図２では明確にするために取り除かれている）との間に流体接続を提供する。ＣＭＯＳ駆動回路９は、ウエハ５と相互接続部７との間に設けられている。アクチュエータ組立体２、関連する駆動回路９及びインク供給チャネル６は、参照により本明細書中に組み込まれる米国特許出願第１０／３０２２７４号明細書に記載されているように、リソグラフィによりマスクで覆うエッチング技法によって、ウエハ３上に、またはウエア３を貫通して形成することができる。
図３を参照すると、まずウエハの滴噴出側（すなわち、ノズル側）からウエハ５を部分的に貫通するトレンチをエッチングすることによって、インク供給チャネル６をウエハ５内に形成する。（このトレンチが図２に示す入り口８となる）。形成したら、図３に示すようにトレンチにフォトレジスト１０を詰め、ウエハ５のインク供給側からフォトレジスト栓１０までの超ディープエッチングによってインク供給チャネル６を形成する。最後に、フォトレジスト１０をトレンチから剥離して、インク供給チャネル６とノズル室３との間に流体接続を提供する入り口８を形成する。
或いは、各インク供給チャネルを、すべてが同じ色付きインクを噴出する複数のノズルにインクを供給するように構成することができる。この配置は図４に示してあり、その内容が参照により本明細書中に組み込まれる、出願人の同時係属米国特許出願第１０／７６０２５４号明細書（出願人の参照：ＲＲＣ０２２）に詳細に記載されている。
これらのインク供給チャネル構成のいずれにおいても、「バックエッチング」技法により、レジストをインク供給チャネル全体に充填及び除去することが回避されるが、ウエハ内のノズル構造はリソグラフィによって形成されている。最大２００ミクロンの深さまでの異方性エッチングの問題にもかかわらず、インク供給チャネルをエッチングする場合には、親水性のチャネル側壁を提供することも望ましい。インクジェットプリントヘッドの最適な印刷条件は通常、疎水性のノズル面及び親水性のインク供給チャネルを有することによって実現される。親水性のインク供給チャネルにより、水性インクジェットインクが確実にバルクインク溜めからインク供給チャネルに吸い込まれる。疎水性のノズル面により、インクが各ノズルから噴出されたときに確実に離散インク液滴が形成され、さらに印刷時の表面フラッディング（ｓｕｒｆａｃｅ ｆｌｏｏｄｉｎｇ）が最小限に抑えられる。
シリコンに超ディープトレンチをエッチングするためのいくつかの方法が、当技術分野で公知である。これらの方法はすべて、ガスプラズマを用いるディープ反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）に関係する。適切なマスクがその上に配置された半導体基板が、プラズマ反応器内の下部電極上に配置され、ガスの混合物から形成されるイオン化ガスプラズマにさらされる。このイオン化プラズマガス（通常正に帯電）が、電極にバイアス電圧が印加されることによって基板に向かって加速される。これらのプラズマガスにより、物理的衝撃、化学反応又は両者の組合せによって基板がエッチングされる。シリコンのエッチングは通常、最終的にはＳｉＦ４等の揮発性ハロゲン化珪素の形成によって実現され、これらの揮発性ハロゲン化ケイ素は、ヘリウム等軽い不活性キャリアガスによってエッチングフロントから運び去られる。
異方性エッチングは一般に、形成しているトレンチの底面及び側壁上にパッシベーション層を堆積させ、ガスプラズマを用いてトレンチの底面を選択的にエッチングすることによって実現される。
超ディープ異方性エッチングを実現するための１つの方法は、米国特許第５５０１８９３号明細書及び米国特許第６２８４１４８号明細書に記載されている「ボッシュ法」である。これは、民間のＭＥＭＳ製造会社において選択される現在の方法であり、ポリマー堆積及びエッチングステップを交互に含む。シャロートレンチの形成後、第１のポリマー堆積ステップによりトレンチの底面及び側壁上にポリマーが堆積される。このポリマーは、不活性ガスの有無にかかわらず、フッ素化ガス（たとえば、ＣＨＦ３、Ｃ４Ｆ８又はＣ２Ｆ４）から形成されるガスプラズマによって堆積される。その後のエッチングステップでは、プラズマガス混合物がＳＦ６／Ａｒに変更される。トレンチの底面上に堆積されたポリマーは、このエッチングステップにおいてイオン支援によって急速に砕かれるが、側壁は保護されたままである。したがって、異方性エッチングを実現することができる。しかしながら、ボッシュ法の大きな欠点は、ポリマー堆積及びエッチングステップを交互に行う必要があることであり、このことは、プラズマのガス組成を連続して交互に入れ替えることを意味する。このように交互にすると、今度は、エッチング速度が遅くなり、トレンチ側壁が平坦でなくなってしまい、このことは、波を打った（ｓｃａｌｌｏｐｅｄ）表面が形成されることで特徴付けられる。また、ガスの化学的性質が切り替わったときにプラズマが不安定であると、平坦でない側壁の形成は悪化する傾向にもある。
さらに、このボッシュのエッチングにより、トレンチ側壁上に疎水性のポリマーコーティングが残される。上述のとおり、疎水性の側壁は、インクジェットプリントヘッド用のインク供給チャネル等の流体光学（ｆｒｕｉｄｉｃｓ）用途では望ましくない。したがって、インクジェットプリントヘッド用途では、通常ボッシュのエッチングの後に、ＥＫＣ湿式洗浄、乾式Ｏ２プラズマアッシング、これらの組合せ等、エッチング後洗浄プロセスが行われる。このエッチング後洗浄プロセスは、疎水性ポリマーを取り除き、ＳｉＯ２でコーティングされたチャネル側壁を残すよう意図されている。しかしながら、エッチング後洗浄プロセスは、望ましくないことに作製ステップの数を増大させ、またＥＫＣ洗浄中のウエハ亀裂等、それらプロセス自体に特有の問題を招くこともある。
この周期的なボッシュ法の変更形態が、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．に譲渡された米国特許第６１２７２７８号明細書に記載されている。Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓのプロセスでは、ＨＢｒ／Ｏ２プラズマを用いる最初のパッシベーションエッチングが行われ、その後ＳＦ６／ＨＢｒ／Ｏ２を用いる主要エッチングが行われ、これらが交互に連続して行われる。このＨＢｒにより、おそらくパッシベーション層中に比較的不揮発性の臭化ケイ素が形成されることによってパッシベーションが高まる。しかしながら、疎水的にコーティングされた側壁の問題が、このＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓのプロセスには依然として残る。
プラズマガスを連続して交互に入れ替える必要がある面倒なボッシュ法を避けるために、同時側壁パッシベーションを使用する異方性エッチング技法が開発された。このようなエッチング法では、プラズマ混合物がパッシベーション成分及びエッチング成分から形成される。典型的なプラズマ混合物は、イオン分散を高めるために高く推奨されているキャリアガスとしてのＨｅを加えたＯ２／ＳＦ６から形成される。このプラズマ混合物により、パッシベーションとエッチングが同時に行われ、このことはボッシュ法の欠点を回避する。それでもなお、ガスを混合すると異方性エッチングの効果が弱くなるというのが一般的な見解であり、というのは、これら２つのプロセスは自ら相殺する（ｓｅｌｆ−ｃａｎｃｅｌｉｎｇ）傾向にあるためである。したがって、同時側壁パッシベーションエッチングは、大抵は比較的浅いトレンチのエッチングに限られていた。超ディープ異方性エッチングには、交互のパッシベーション／エッチングが断然好ましい技法である。
プラズマガス混合物の交互の入れ替えを必要としない、超ディープトレンチをエッチングするための１つの成功プロセスは、米国特許第６１９１０４３号明細書に記載されている「Ｌａｍプロセス」である。このＬａｍプロセスでは、パッシベーション／エッチングプラズマがＯ２、ＳＦ６、Ｈｅ及びＡｒの混合物から形成され、Ｏ２はパッシベーションガス、ＳＦ６はエッチングガス、Ｈｅはキャリアガス、Ａｒは衝撃増強ガスである。受け入れ可能なエッチング速度のＬａｍプロセスを用いることにより、最大６０ミクロンのトレンチ深さが報告されている。しかしながら、このプロセスは幅広くは使用されておらず、６０ミクロンを超えるエッチング深さは報告されていない。
上記エッチングプロセスのいずれを使用しても、親水性の側壁を残しながら１００ミクロンを超える深さまで典型的なウエハを貫通するトレンチをエッチングすることはできない。エッチングプロセス（又はエッチング後の処理）によりＳｉＯ２でコーティングされた側壁が残される場合であっても、これらＳｉＯ２でコーティングされた側壁はさほど親水性ではなく、約６０°の接触角を有する。真に親水性の表面は、５０°未満、好ましくは４０°未満、又は好ましくは３０°未満の接触角を有する。
１００ミクロンを超える超ディープトレンチを異方性エッチングすることができる新しい反応性イオンエッチングプロセスを提供することが望ましいはずである。任意のエッチング後親水化処理の必要なく、エッチングの後親水性の側壁を残すプロセスであることが特に望ましいはずである。
［発明の概要］
第１の態様では、本発明は基板にトレンチをディープ反応性イオンエッチングする方法を提供し、前記方法は、エッチングガスプラズマを用いるエッチングプロセスと、パッシベーションガスプラズマを用いるパッシベーションプロセスとを含み、前記パッシベーションガスプラズマが親水化ドーパント（ｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｚｉｎｇ ｄｏｐａｎｔ）を含む。
第１の態様では、本発明は基板にトレンチをディープ反応性イオンエッチングする方法を提供し、前記方法は、エッチングガスプラズマを用いるエッチングプロセスと、パッシベーションガスプラズマを用いるパッシベーションプロセスとを含み、前記パッシベーションガスプラズマが親水化ドーパント（ｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｚｉｎｇ ｄｏｐａｎｔ）を含む。
第２の態様では、インクジェットプリントヘッドを作製する方法が提供され、この方法は、
（ｉ）滴噴出側とインク供給側とを有するウエハを準備するステップと、
（ｉｉ）前記ウエハの前記滴噴出側を部分的に貫通する複数のトレンチをエッチングするステップと、
（ｉｉｉ）前記トレンチをフォトレジストで充填するステップと、
（ｉｖ）リソグラフィによりマスクで覆うエッチング技法を用いて、前記ウエハの前記滴噴出側に、複数の対応するノズル、噴出アクチュエータ及び関連する駆動回路を形成するステップと、
（ｖ）前記ウエハの前記インク供給側から前記フォトレジストまで複数の対応するインク供給チャネルをエッチングするステップと、
（ｖｉ）前記トレンチから前記フォトレジストを剥離してノズル入り口を形成し、それにより前記インク供給側と前記ノズルとの間に流体接続が提供されるステップとを含み、
前記インク供給チャネルが、上述のエッチング方法を用いてエッチングされる。
（ｉ）滴噴出側とインク供給側とを有するウエハを準備するステップと、
（ｉｉ）前記ウエハの前記滴噴出側を部分的に貫通する複数のトレンチをエッチングするステップと、
（ｉｉｉ）前記トレンチをフォトレジストで充填するステップと、
（ｉｖ）リソグラフィによりマスクで覆うエッチング技法を用いて、前記ウエハの前記滴噴出側に、複数の対応するノズル、噴出アクチュエータ及び関連する駆動回路を形成するステップと、
（ｖ）前記ウエハの前記インク供給側から前記フォトレジストまで複数の対応するインク供給チャネルをエッチングするステップと、
（ｖｉ）前記トレンチから前記フォトレジストを剥離してノズル入り口を形成し、それにより前記インク供給側と前記ノズルとの間に流体接続が提供されるステップとを含み、
前記インク供給チャネルが、上述のエッチング方法を用いてエッチングされる。
第３の態様では、基板表面にエッチングされた少なくとも１つの特徴部（ｆｅａｔｕｒｅ）を備える基板が提供され、前記特徴部は、
（ａ）１００ミクロンを超える深さ、
（ｂ）前記表面に対して実質的に垂直な側壁、及び
（ｃ）５０°未満の接触角を有する側壁の特徴を有する。
（ａ）１００ミクロンを超える深さ、
（ｂ）前記表面に対して実質的に垂直な側壁、及び
（ｃ）５０°未満の接触角を有する側壁の特徴を有する。
第４の態様では、インクジェットプリントヘッドが提供され、このインクジェットプリントヘッドは、
滴噴出側とインク供給側とを有する基板と、
前記基板の前記滴噴出側に形成された複数のノズル組立体であって、各々がインク入り口を有するノズル組立体と、
前記インク供給側に画定された複数のインク供給チャネルであって、各々が少なくとも１つのインク入り口と流体連通するインク供給チャネルと、を備え、
前記インク供給チャネルが、
（ａ）１００ミクロンを超える深さ、
（ｂ）基板のインク供給側によって画定される表面に対して実質的に垂直な側壁、及び
（ｃ）５０°未満の接触角を有する側壁の特徴を有する。
滴噴出側とインク供給側とを有する基板と、
前記基板の前記滴噴出側に形成された複数のノズル組立体であって、各々がインク入り口を有するノズル組立体と、
前記インク供給側に画定された複数のインク供給チャネルであって、各々が少なくとも１つのインク入り口と流体連通するインク供給チャネルと、を備え、
前記インク供給チャネルが、
（ａ）１００ミクロンを超える深さ、
（ｂ）基板のインク供給側によって画定される表面に対して実質的に垂直な側壁、及び
（ｃ）５０°未満の接触角を有する側壁の特徴を有する。
本発明のエッチング方法は、それによって基板にトレンチ又はチャネルを形成することができる手段を提供する。これらのトレンチ又はチャネルは、エッチングプラズマガスの化学的性質に存在する親水化ドーパントのおかげで親水性側壁を有利に有する。したがって、この方法は、インクジェットプリントヘッドにおけるインク供給チャネル等、水性流体の用途において使用されるトレンチ又はチャネルの形成に非常に適している。
このエッチング方法は、受け入れ可能なエッチング速度で少なくとも１００ミクロンの深さを有する、超ディープトレンチをシリコンにエッチングするために使用することができる。さらに、この方法を用いると、最小限のＲＩＥラグしか観測されない。また、この方法により非常に異方性の高いエッチングが提供され、それにより形成されたトレンチは基板表面に対して実質的に垂直な側壁を有する。「実質的に垂直」とは、側壁のテーパー（ｔａｐｅｒ）角が８５°と９５°の間、好ましくは８７°と９３°の間、より好ましくは８８°と９２°の間であることを意味する。
本発明の追加の実用上の利点には、ＥＫＣ湿式洗浄やＯ２プラズマ乾式アッシング等の任意のエッチング後清浄ステップの潜在的回避が含まれる。
［任意選択の特徴の詳細な説明］
エッチングプラズマは通常、誘導結合プラズマエッチング反応器等のプラズマエッチング反応器内で生成される。プラズマエッチング反応器は当技術分野で公知であり、様々な供給源（たとえば、Ｓｕｒｆａｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ，ＰＬＣ）から市販されている。通常、エッチング反応器は、アルミニウム、ガラス又は石英から形成されているチャンバを備え、このチャンバは一対の平行電極板を含む。しかしながら、他のデザインの反応器も入手可能であり、本発明は任意のタイプのプラズマエッチング反応器での使用に適している。
エッチングプラズマは通常、誘導結合プラズマエッチング反応器等のプラズマエッチング反応器内で生成される。プラズマエッチング反応器は当技術分野で公知であり、様々な供給源（たとえば、Ｓｕｒｆａｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ，ＰＬＣ）から市販されている。通常、エッチング反応器は、アルミニウム、ガラス又は石英から形成されているチャンバを備え、このチャンバは一対の平行電極板を含む。しかしながら、他のデザインの反応器も入手可能であり、本発明は任意のタイプのプラズマエッチング反応器での使用に適している。
無線周波数（ＲＦ）エネルギー源を使用して、チャンバに導入されたプラズマガスをイオン化する。このイオン化ガスを、バイアス電圧によって（静電チャック）下部電極上に配置された基板に向けて加速させる。したがって、エッチングは、物理的衝撃と化学反応との組合せによって実現される。プラズマガスの相対比率、バイアス電圧、ＲＦイオン化エネルギー、基板温度、チャンバ圧力等を制御するための様々な制御手段を設ける。エッチング条件を最適化するためにプラズマ反応器のパラメータを変更することは、もちろん当業者の一般常識の範囲内にあろう。たとえば、チャンバ圧力は通常５〜１００ｍＴｏｒｒの範囲内にあり、この範囲は、ディープ反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）に典型的なものである。
任意選択で、親水化ドーパントの総量は、親水化ドーパントがパッシベーションガスプラズマの１０ｖｏｌ％未満、８ｖｏｌ％未満、又は５ｖｏｌ％未満となるようにする。このドーパントは、液体又は気体としてプラズマチャンバに導入することができる。一部の親水化ドーパント（たとえば、Ｂ２Ｈ６）の毒性又は爆発性は、液体が気体よりも好ましい場合もあることを意味する。もちろん液体は、プラズマチャンバ内で急速に気化することになる。
任意選択で、この親水化ドーパントは、ホウ素含有化合物、リン含有化合物又はこれらの組合せを含む。任意選択で、この親水化ドーパントは、Ｂ２Ｈ６、ＰＨ３、ホウ酸トリメチル（ＴＭＢ）、リン酸トリメチル（ＴＭＰ）又はこれらの組合せから選択される化合物を含む。
ボロン及びリンドーパントは、シリコンガラスの形成において周知である。したがって、エッチングによりもたらされるトレンチ側壁は通常、リンケイ酸ガラス（ＰＳＧ）、ホウケイ酸ガラス（ＢＳＧ）、ホウリンケイ酸ガラス（ＢＰＳＧ）又はこれらの組合せを含む。このようなガラスは、二酸化シリコンよりも親水性であることが知られている。
任意選択で、エッチングによりもたらされるトレンチ側壁は５０°未満、４０°未満、又は３０°未満の接触角を有する。これらの角度は親水性の接触角であり、ボッシュのエッチングによりもたらされる極めて疎水性の側壁と対照的である。これらはまた、通常約６０°の接触角を有するＳｉＯ２側壁よりもはるかに親水性である。
上述のように、本発明の方法は一般に、かなり異方性のエッチングを提供し、それにより１００ミクロンを超える、２００ミクロン超える、又は３００ミクロンを超える深さまで実質的に垂直な側壁を有し、１．５：１を超える、２：１を超える、５：１を超える、１０：１を超える、又は２０：１を超えるアスペクト比を有するトレンチがもたらされる。このことは、プリントヘッド作製時にインク供給チャネルをエッチングするためには特に有利である。
任意選択で、この方法を使用して基板に複数のトレンチを同時にエッチングし、その場合、トレンチの位置を基板上のマスク層によって画定する。通常、このマスクは酸化物層（たとえば、熱で強化された酸化ケイ素（「ＴＥＯＳ」）又はフォトレジストである。
驚くべきことに、本発明の方法を用いることによって高い基板：マスク選択比が観測される。超ディープトレンチをエッチングする場合にはマスクがすり減らないことが必須であるため、選択比は重要である。一般に、軟質のフォトレジストマスクと比較して、硬質の酸化物マスクを用いるとより高い基板：マスク選択比が実現可能である。軟質のフォトレジストマスクを用いると、本発明により通常少なくとも３０：１、任意選択で少なくとも４０：１、又は任意選択で少なくとも５０：１の基板：マスク選択比がもたらされる。硬質の酸化物マスクを用いると、本発明により通常少なくとも８０：１、任意選択で少なくとも９０：１、又は任意選択で少なくとも１００：１の基板：マスク選択比がもたらされる。この方法がかなりの程度まで基板の物理的衝撃を利用することを考えると、このような高い選択比は驚くべきことである。
本発明の方法は一般に、まずまず高いエッチング速度を提供する。典型的なシリコンエッチングでは、少なくとも４ミクロン／分、任意選択で少なくとも５ミクロン／分、任意選択で少なくとも６ミクロン／分、又は任意選択で少なくとも７ミクロン／分のエッチング速度が通常実現可能である。したがって、この方法は、プリントヘッドにおけるインク供給チャネルとして使用することができる、超ディープトレンチ（たとえば、長さ２００ミクロンのトレンチ）のエッチングに適している。
一実施形態では、本発明はエッチング時に同時側壁パッシベーションを採用する。同時エッチング／側壁パッシベーションの場合、この方法は、エッチング及びパッシベーションガスプラズマを用いて基板にトレンチをエッチングするステップを含む。このエッチング及びパッシベーションガスプラズマは、任意選択で、（ａ）酸素を含むパッシベーションガスと、（ｂ）不活性スパッタリングガスと、（ｃ）フッ素化エッチングガスと、（ｄ）親水化ドーパント（上述のような）とを含む。
任意選択で、不活性スパッタリングガスはアルゴンである。任意選択で、不活性スパッタリングガスの流量は１００〜３００ｓｃｃｍ又は１５０〜２５０ｓｃｃｍの範囲内にある。任意選択で、ガスの化学的性質はヘリウム等他の不活性ガスを含むことができる。しかしながら、ガスの化学的性質の制御を簡略化するために、Ａｒのみを使用することが一般には好ましい。
フッ素化エッチングガスは、フッ素ラジカルを生成し、プラズマエッチング反応器内でシリコンをエッチングすることができる、任意のフッ素をベースとするガスでよい。フッ素化ガスは、たとえばＳＦ６、ＮＦ３又はこれらの混合物でよい。任意選択で、フッ素化ガスはＳＦ６である。任意選択で、フッ素化ガスの流量は、１０〜１００ｓｃｃｍ又は２０〜８０ｓｃｃｍの範囲内にある。任意選択で、フッ素化ガスに対する不活性スパッタリングガス（たとえば、アルゴン）の比率は、２〜２０対１、又は２〜１０対１の範囲内にある。
パッシベーションガスは、酸素に加えて他のパッシベーション成分を含むことができる。たとえば、パッシベーションを支援するために、ＨＢｒが存在していてもよい。任意選択で、パッシベーションガスの流量は、１０〜８０ｓｃｃｍ又は１５〜６０ｓｃｃｍの範囲内にある。任意選択で、パッシベーションガスに対する不活性スパッタリングガスの比率は、２〜２０対１、より好ましくは３〜１５対１の範囲内にある。任意選択で、パッシベーションガスに対するフッ素化エッチングガスの比率は、３：１〜１：３、又は２：１〜１：２、又は３：２〜２：３の範囲内にある。
理論に束縛されることを望むわけではないが、同時エッチング／パッシベーション時の異方性の源は、以下のプロセスによって理解することができる。
まず酸素及びフッ素ラジカルが、反応式［１］及び［２］に従ってプラズマ内で生成される。
ＳＦ６＋ｅ− → ＳｘＦｙ ＋＋ＳｘＦｙ ・＋Ｆ・＋ｅ− ［１］
Ｏ２＋ｅ− → Ｏ＋＋Ｏ・＋ｅ− ［２］
ＳＦ６＋ｅ− → ＳｘＦｙ ＋＋ＳｘＦｙ ・＋Ｆ・＋ｅ− ［１］
Ｏ２＋ｅ− → Ｏ＋＋Ｏ・＋ｅ− ［２］
これらの酸素ラジカルは、まず表面上へ吸着し、次いで反応して酸化物膜を形成することによって、シリコン表面をパッシベーションする。
Ｏ・＋Ｓｉ（ｓ） → Ｓｉ（ｓ）−ｎＯ → ＳｉＯｎ（ｓｆ） ［３］
Ｏ・＋Ｓｉ（ｓ） → Ｓｉ（ｓ）−ｎＯ → ＳｉＯｎ（ｓｆ） ［３］
この酸化物パッシベーション層は、トレンチの側壁と底面とを共に覆う。しかしながら、トレンチの底面にある酸化物層は、以下のプロセスによって取り除くことができる。
ＳｉＯｎ（ｓｆ）＋Ｆ・ → ＳｉＯｎ（ｓｆ）−Ｆ ［４］
ＳｉＯｎ（ｓｆ）−ｎＦ → イオンエネルギー → ＳｉＦｘ（ａｄｓ）＋ＳｉＯｘＦｙ（ａｄｓ） ［５］
ＳｉＯｎ（ｓｆ）＋Ｆ・ → ＳｉＯｎ（ｓｆ）−Ｆ ［４］
ＳｉＯｎ（ｓｆ）−ｎＦ → イオンエネルギー → ＳｉＦｘ（ａｄｓ）＋ＳｉＯｘＦｙ（ａｄｓ） ［５］
吸着したフッ化ケイ素及び酸化フッ化ケイ素種は、それらの揮発性又は物理的なスパッタリングによって、シリコン表面から解離する。トレンチの底面にあるシリコンがさらされているため、プラズマ中のフッ素ラジカルがエッチングを進めることができる。このエッチングは、フッ化ケイ素種の揮発性によって促進される。
Ｓｉ（ｓ）＋Ｆ・ → Ｓｉ−ｎＦ ［６］
Ｓｉ−ｎＦ → イオンエネルギー → ＳｉＦｘ（ａｄｓ） ［７］
ＳｉＦｘ（ａｄｓ） → ＳｉＦｘ（ｇ） ［８］
Ｓｉ（ｓ）＋Ｆ・ → Ｓｉ−ｎＦ ［６］
Ｓｉ−ｎＦ → イオンエネルギー → ＳｉＦｘ（ａｄｓ） ［７］
ＳｉＦｘ（ａｄｓ） → ＳｉＦｘ（ｇ） ［８］
上記反応式［１］〜［８］において、（ｓ）は表面を表し、（ｓｆ）は表面膜を表し、（ａｄｓ）は吸着を表し、（ｇ）は気体を表し、ｘ、ｙ及びｎは、定義できない混合される可能性のある酸化状態の種を表す任意の整数である。
エッチング時に異方性を実現するという点では、反応式［５］が鍵となるステップを示す。トレンチの底面にあるパッシベーション層は、イオンエネルギーによって支援されるプロセスによって取り除かれる。エッチングプラズマは、プラズマ反応器内のシリコン基板に向かって垂直に加速されるため、トレンチの側壁は底面と同じイオンエネルギーを受けることはない。したがって、異方性エッチングを実現することができる。
一般に、プラズマ中のイオンエネルギーが大きくなればなるほど、実現することができる異方性の程度も大きくなる。高いイオンエネルギーを実現する１つの方法は、プラズマ反応器内のバイアス電力を増大させることである。しかしながら、高いイオンエネルギーを実現する代替の方法は、アルゴンイオン等、プラズマ中の重イオンを使用することである。
代替実施形態では、本発明は、準ボッシュ法におけるエッチング及び側壁パッシベーションステップを交互に採用する。交互のエッチング／パッシベーションの場合、この方法は、
（ｉ）エッチングガスプラズマを用いて基板にエッチングするステップであって、エッチングガスプラズマが、
（ａ）フッ素化エッチングガスと、
（ｂ）不活性スパッタリングガスと、を含むステップと、
（ｉｉ）パッシベーションガスプラズマを用いて基板の露出表面をパッシベーションするステップであって、パッシベーションガスプラズマが、
（ａ）シリコン含有堆積ガスと、
（ｂ）親水化ドーパントと、を含むステップと、
（ｉｉｉ）ステップ（ｉ）及び（ｉｉ）を交互に繰り返すステップと、を含む。
（ｉ）エッチングガスプラズマを用いて基板にエッチングするステップであって、エッチングガスプラズマが、
（ａ）フッ素化エッチングガスと、
（ｂ）不活性スパッタリングガスと、を含むステップと、
（ｉｉ）パッシベーションガスプラズマを用いて基板の露出表面をパッシベーションするステップであって、パッシベーションガスプラズマが、
（ａ）シリコン含有堆積ガスと、
（ｂ）親水化ドーパントと、を含むステップと、
（ｉｉｉ）ステップ（ｉ）及び（ｉｉ）を交互に繰り返すステップと、を含む。
フッ素化エッチングガス、不活性スパッタリングガス及び親水化ドーパントは、一般に先に説明したとおりである。
通常、シリコン含有堆積ガスはＳｉＨ４を含むが、任意のシリコン含有堆積ガス（たとえば、気化ＴＥＯＳ）を使用することもできる。任意選択でパッシベーションガスプラズマ中に存在することができる他のガスには、Ｎ２、Ｎ２Ｏ、ＮＨ３、Ｏ２又はこれらの組合せが含まれる。したがって、パッシベーションステップ（ｉｉ）は、基板上にリンケイ酸ガラス（ＰＳＧ）、ホウケイ酸ガラス（ＢＳＧ）又はホウリンケイ酸ガラス（ＢＰＳＧ）を堆積させるための典型的なプロセスに類似している。エッチングステップ（ｉ）は、ボッシュ法における典型的なエッチングステップに類似している。
［一般的な実験手順］
エッチングはすべて、標準的な誘導結合プラズマＤＲＩＥ反応器内で行う。この反応器は以下のように構成する。
ＩＣＰ：１．９〜２．２ＭＨｚ、最大２０００Ｗ
バイアス：１３．５６ＭＨｚ、最大１２５０Ｗ
下部電極：陽極酸化静電チャック（ＥＳＣ）、最大１０００Ｗ
チャンバ：陽極酸化、チャンバ容積１．４リットル
ポンプ：ターボ２リットル
冷却：裏面ヘリウム冷却
エッチングはすべて、標準的な誘導結合プラズマＤＲＩＥ反応器内で行う。この反応器は以下のように構成する。
ＩＣＰ：１．９〜２．２ＭＨｚ、最大２０００Ｗ
バイアス：１３．５６ＭＨｚ、最大１２５０Ｗ
下部電極：陽極酸化静電チャック（ＥＳＣ）、最大１０００Ｗ
チャンバ：陽極酸化、チャンバ容積１．４リットル
ポンプ：ターボ２リットル
冷却：裏面ヘリウム冷却
本発明を純粋に例を用いて説明してきたにすぎず、添付の特許請求の範囲によって定義される、本発明の範囲内で詳細の変更を加えることができることがもちろん理解されよう。
Claims (14)
- 基板にトレンチをエッチングして水性流体の供給チャネルを形成する方法であって、
エッチングガスプラズマを用いるエッチングプロセスと、酸素を含むパッシベーションガスプラズマを用いるパッシベーションプロセスとを含み、
前記基板がシリコン基板であり、
前記パッシベーションガスプラズマが親水化ドーパントを含み、
前記親水化ドーパントが、Ｂ２Ｈ６、ＰＨ３、ホウ酸トリメチル（ＴＭＢ）、リン酸トリメチル（ＴＭＰ）又はこれらの組合せからなる群から選択される化合物を含む方法。 - 前記エッチングガスプラズマがプラズマエッチング反応器内で生成され、前記基板が前記反応器内でエッチングされる、請求項１に記載の方法。
- 前記エッチングによりもたらされるトレンチ側壁が５０°未満の接触角を有する、請求項１に記載の方法。
- 前記エッチングによりもたらされるトレンチ側壁が、リンケイ酸ガラス（ＰＳＧ）、ホウケイ酸ガラス（ＢＳＧ）、ホウリンケイ酸ガラス（ＢＰＳＧ）又はこれらの組合せを含む、請求項１に記載の方法。
- 前記トレンチが１００ミクロンを超える深さを有する、請求項１に記載の方法。
- 複数のトレンチが前記基板に同時にエッチングされ、前記トレンチの位置が、前記基板上に配置されるマスク層によって画定される、請求項１に記載の方法。
- 前記マスク層が酸化物層又はフォトレジスト層である、請求項６に記載の方法。
- 基板：マスクの選択比が少なくとも３０：１である、請求項７に記載の方法。
- エッチング速度が少なくとも４ミクロン／分である、請求項１に記載の方法。
- 同時のエッチング及びパッシベーションプロセスを含み、単一のエッチング及びパッシベーションガスプラズマが前記エッチングガスプラズマ及び前記パッシベーションガスプラズマを含む、請求項１に記載の方法。
- 前記エッチング及びパッシベーションガスプラズマが、
（ａ）酸素を含むパッシベーションガスと、
（ｂ）不活性スパッタリングガスと、
（ｃ）フッ素化エッチングガスと、
（ｄ）親水化ドーパントと
を含む、請求項１０に記載の方法。 - 前記不活性スパッタリングガスがアルゴンである、請求項１１に記載の方法。
- 前記フッ素化エッチングガスが、ＳＦ６、ＮＦ３及びこれらの混合物からなる群から選択される、請求項１１に記載の方法。
- エッチング及びパッシベーションプロセスを交互に含む、請求項１に記載の方法。
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