JP2015023092A - 基板の加工方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 反応性イオンエッチングによって形成する貫通穴の開口寸法を微細化した場合でも、開口の広がりを抑制できる基板の加工方法を提供すること。【解決手段】 反応性イオンエッチングによって基板に貫通穴を形成する基板の加工方法であって、第一の層と前記第一の層を覆う第二の層とを第一の面側に有する基板を用意する工程と、用意した基板に、前記第一の面の反対側の面である第二の面から反応性イオンエッチングを行い、前記基板に第一の面から第二の面までを貫通する貫通穴を形成し、前記反応性イオンエッチングを前記第一の層に到達させる工程と、を有し、前記第二の層は前記第一の層よりも前記反応性イオンエッチングに対するエッチングレートが低い層であることを特徴とする基板の加工方法。【選択図】 図１

Description

本発明は、基板の加工方法に関するものである。
基板に貫通穴を開ける加工方法として、ドライエッチングの一種である反応性イオンエッチングを用いた方法がある。反応性イオンエッチングを用いた基板の加工は、エッチングガスを用いて基板に貫通穴を開ける方法であり、貫通穴を垂直な形状とすることに適している。特に、インクジェットヘッドに代表される液体吐出ヘッドの基板に、貫通穴である液体供給口を形成する場合には、反応性イオンエッチングを用いることが好ましい。反応性イオンエッチングによれば、垂直な形状の穴を開けやすいので、貫通穴が横に広がらない分だけ、基板のサイズを小さくすることができる。
反応性イオンエッチングによって基板に貫通穴を形成する場合には、基板の第一の面側に絶縁体からなる層（エッチングストップ層）を形成し、第一の面の裏面側である第二の面側からエッチングストップ層に到達するまで、反応性イオンエッチングを行う。エッチングが第一の面及びエッチングストップ層に到達してエッチングが終了すると、エッチングストップ層を除去し、基板に貫通穴が形成される。
このような基板の加工において、反応性イオンエッチングによるエッチングがエッチングストップ層に到達すると、貫通穴が帯電の影響により穴の形成方向に対して垂直な方向に広がる「ノッチング」という現象が発生することがある。このノッチングによる課題を、液体吐出ヘッドの基板に、貫通穴として液体供給口を形成する例で説明する。基板の第二の面側から進んだエッチングが第一の面側のエッチングストップ層に到達すると、エッチングがエッチングストップ層に沿って進むことになる。即ち、供給口の形成方向と垂直な方向にエッチングが進むことになる。ノッチングが発生すると、貫通穴の基板の第一の面側の開口は、エッチングによって所望の形状よりも広がってしまう。この様子を、図７を用いてさらに具体的に説明する。図７では、基板１に液体供給口６を形成する様子を示している。
まず、図７（ａ）に示すように、基板１を用意する。基板１は、第二の面３側にエッチングマスク９を有し、第一の面２側に絶縁体からなる層１１を有する。層１１は、エッチングストップ層である。
次に、図７（ｂ）に示すように、エッチングマスクの開口から反応性イオンエッチングによるエッチングを行い、基板に貫通穴である液体供給口６を形成する。
エッチングは、基板を貫通するとエッチングストップ層に到達する。エッチングがエッチングストップ層に到達した後もさらにエッチングを継続すると、図７（ｃ）に示すように、エッチングストップ層への帯電の影響から、基板の第一の面２側にノッチング１４が発生し、エッチングが横方向へ広がる。ノッチングは、場合によってはエネルギー発生素子やその配線が形成された領域まで広がり、液体吐出ヘッドとしての信頼性が低下することがある。
ここで、特許文献１には、保護膜形成と反応性イオンエッチングを繰り返して基板をエッチングする方法が記載されている。この方法では、穴の底部及び側面に保護膜を厚く形成し、底部の保護膜のみをエッチングにより除去する。そして側面を保護膜で保護したまま底部をエッチングすることで、側面に発生するノッチングを低減することができる。
特開２００３−５３９７９号公報
しかしながら、本発明者らの検討によれば、特許文献１に記載されたような保護膜形成と反応性イオンエッチングを繰り返して基板をエッチングする方法であっても、貫通穴の開口寸法が微細化するにつれて、ノッチングが発生し、貫通穴の開口が所望の形状よりも広がってしまうことが分かった。
従って、本発明は、反応性イオンエッチングによって形成する貫通穴の開口寸法を微細化した場合でも、開口の広がりを抑制できる基板の加工方法を提供することを目的とする。
上記課題は、以下の本発明によって解決される。即ち本発明は、反応性イオンエッチングによって基板に貫通穴を形成する基板の加工方法であって、第一の層と前記第一の層を覆う第二の層とを第一の面側に有する基板を用意する工程と、用意した基板に、前記第一の面の反対側の面である第二の面から反応性イオンエッチングを行い、前記基板に第一の面から第二の面までを貫通する貫通穴を形成し、前記反応性イオンエッチングを前記第一の層に到達させる工程と、を有し、前記第二の層は前記第一の層よりも前記反応性イオンエッチングに対するエッチングレートが低い層であることを特徴とする基板の加工方法である。
本発明によれば、反応性イオンエッチングによって形成する貫通穴の開口寸法を微細化した場合でも、開口の広がりを抑制できる基板の加工方法を提供することができる。
本発明の基板の加工方法の一例を示す図である。 本発明によって加工する基板の一例を示す図である。 本発明の基板の加工方法の一例を示す図である。 本発明の基板の加工方法の一例を示す図である。 本発明の基板の加工方法の一例を示す図である。 本発明によって加工した基板を有する液体吐出ヘッドの一例を示す図である。 従来の基板の加工方法を示す図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
本発明によって加工する基板は、様々な用途で用いることができる。その一例として液体吐出ヘッド用の基板が挙げられる。図６は、本発明によって加工した基板を有する液体吐出ヘッドの一例を示す図である。
図６に示すように、液体吐出ヘッドが有する基板１の第一の面２側には、液体吐出口８を形成する部材４が形成されている。また、基板の第一の面側には、吐出エネルギー発生素子５が設けられている。吐出エネルギー発生素子５としては、発熱抵抗体や圧電素子が挙げられる。吐出エネルギー発生素子は、基板の第一の面に埋め込まれていてもよいし、第一の面に接触して設けられていてもよいし、第一の面と部材や空間を介して設けられていてもよい。
基板１には、液体供給口６が形成されている。液体供給口６は、基板１の第一の面２と、第一の面２の裏面である第二の面３とを貫通する貫通穴である。
部材４は、液体を吐出する液体吐出口８と、液体が流れる液体流路７とを形成している。液体供給口６を通って液体流路７に供給された液体は、吐出エネルギー発生素子５からエネルギーを与えられ、液体吐出口８から吐出される。
基板１は、例えばシリコンで形成される。また、第一の面及び第二の面の結晶方位が（１００）であるシリコン基板であることが好ましい。
部材４は、例えば樹脂で形成される。樹脂は感光性樹脂であることが好ましく、ネガ型感光性樹脂であることがより好ましい。
次に、本発明の基板の加工方法を、図１を用いて説明する。
まず、図１（ａ）に示すような基板１を用意する。基板１は例えばシリコンで形成されており、第一の面２と、その反対側の面である第二の面３とを有する。基板の第二の面側には、エッチングマスク９が設けられている。エッチングマスク９は例えばＳｉＯやポジ型感光性樹脂で形成されており、開口が形成されている。
次に、基板１に、貫通穴である液体供給口を形成する。本発明者らは、基板に形成する貫通穴の開口寸法を微細化した場合に、開口が広がってしまう理由を、以下のように推測している。まず、貫通穴の開口寸法が微細化するのに伴い、開口寸法と貫通穴の深さのアスペクト比が高くなる。正イオンは異方性が高く、加工面に対して垂直入射するのに対し、電子は等方的な入射分布を持っている。形成する穴のアスペクト比が高くなると、エッチングを行う穴の底面に、正イオンは良好に入射されるが、電子は入射しにくくなる。そして、エッチングがエッチングストップ層まで到達すると、エッチングストップ層の表面に正イオンが蓄積され、次に入射しようとする正イオンが側壁方向に曲げられる。この結果、ノッチングが発生し、貫通穴の側面に保護膜を形成する場合でも、貫通穴の開口が広がってしまう。
そこで、本発明では、基板の第一の面側に、第一の層１０を設け、さらに第一の層１０を覆うように第二の層１１を設ける構成とする。後述するが、このような構成をとることによって、貫通穴の開口の広がりを抑制できる。第二の層１１は、第一の層１０よりも反応性イオンエッチングに対するエッチングレートが低い層である。即ち、第二の層１１は、反応性イオンエッチングのエッチングストップ層である。第二の層１１は、第一の層１０の側面を覆う側壁と、第一の層１０の上面を覆う天井とを形成している。
第一の層１０は、反応性イオンエッチングによってエッチングが可能な層であればよい。例えば基板にシリコンを用いた場合、同じシリコンで形成することもできる。好ましくは、基板よりも反応性イオンエッチングに対するエッチングレートが高い材料で形成することが好ましい。このような材料としては、基板にシリコンを用いた場合、例えば、ポジ型感光性樹脂、ネガ型感光性樹脂、シリコンを含有した樹脂、その他一般的な樹脂、ｐｏｌｙ−Ｓｉ（多結晶シリコン）、Ｐ−ＳｉＮ等が挙げられる。除去性の点からは、ポジ型感光性樹脂が好ましい。また、第一の層１０は、基板よりも反応性イオンエッチングに対するエッチングレートが低いものである場合、ノッチング抑制の点から導電性の材料で形成することが好ましい。
第二の層１１は、基板よりも反応性イオンエッチングによってエッチングされにくいものであることが好ましく、Ｐ−ＳｉＯ（プラズマ気相成長による酸化シリコン）、ＳｉＮ等が挙げられる。
第二の層からみて基板と反対側には、液体流路の型となる型材１２が設けられており、型材１２を覆うように部材１３が設けられている。即ち、第一の層１０がない部分では、基板側から順に、基板、第二の層、型材、部材の順に設けられている。第一の層１０がある部分では、基板側から順に、基板、第一の層、第二の層、型材、部材の順に設けられている。
型材１２は、除去することでその部分が液体流路となるものであり、例えば樹脂で形成する。樹脂としては感光性樹脂が好ましく、除去性の点からポジ型感光性樹脂であることがより好ましい。部材１３は、流路や液体吐出口を形成する。部材１３は、例えば樹脂で形成することができる。樹脂としては感光性樹脂が好ましく、ネガ型感光性樹脂であることがより好ましい。
次に、図１（ｂ）に示すように、基板に対して反応性イオンエッチングを行うことで、基板に貫通穴である液体供給口６を形成する。反応性イオンエッチングは、基板の第二の面側のエッチングマスク９の開口内から行う。第二の面から行った反応性イオンエッチングによって、基板に穴が形成されていき、最終的に基板を第一の面から第二の面までを貫通する貫通穴となる。そして、反応性イオンエッチングは第一の層１０に到達する。エッチングは、第一の層１０に到達後もそのまま続けることが好ましい。第一の層１０は反応性イオンエッチングによってエッチングされ、エッチングが第一の層１０内で進行していき、その後反応性イオンエッチングは第二の層に到達する。
反応性イオンエッチングは、エッチングガスをプラズマ化し、エッチング対象物がある陰極に高周波電圧を付加し、イオン種やラジカル種をエッチング対象物に衝突させるエッチング方法である。本発明においては、反応性イオンエッチングの中でも、ＳＦ６を用いたエッチングとＣ４Ｆ８を用いたデポジションのプロセスを交互に繰り返す、いわゆるボッシュプロセスを用いることが好ましい。
通常、図７に示すような方法で基板を加工した場合、反応性イオンエッチングによって発生するノッチングの大きさ（ノッチングによって削られた領域の大きさ）は、基板の第一の面と平行な方向（横方向）に０．７μｍ程度、基板の第一の面と垂直な方向（縦方向）に０．２μｍ程度となる。これを考慮し、第一の層は、ノッチングの大きさと同等以上とすることが好ましい。即ち、基板を第一の面に対向する方向からみたときに、第一の層は形成する貫通穴（液体供給口）を覆う大きさであることが好ましい。また、第一の層は、形成する貫通穴である液体供給口よりも、横方向に片側で０．７μｍ以上であることが好ましい。上限は特にないが、製造や配置上の理由から、２０．０μｍ以下とすることが好ましい。さらに、第一の層は、縦方向の長さを０．５μｍ以上とすることが好ましい。上限は特にないが、製造や配置上の理由から、２０．０μｍ以下とすることが好ましい。
本発明では、このような第一の層１０を覆うように第二の層１１を形成する。エッチングは、第二の層１１のうち、第一の層の上面を覆う天井に到達する。図１（ｃ）に示すように、反応性イオンエッチングが天井に到達した後もエッチングを続けると、第二の層１１への帯電の影響から、第一の層１０の内部にノッチング１４が生じる。
しかし、本発明では、第一の層１０と第二の層１１とで、ノッチングによる貫通穴の開口の広がりを抑制できる。第一の層１０が存在していることで、基板１のエッチングよりも、第一の層１０のエッチングが進行し、第一の層１０にノッチングが発生する。即ち、基板１へのノッチングの発生を抑制できる。
第一の層１０を形成せず、第二の層１１を基板の第一の面と平行な方向に沿って形成した場合は、図７に示す通り、基板にノッチングが発生する傾向にある。また、第一の層１０を形成せず、第二の層１１を図１に示すように形成した場合、即ち第一の層１０が設けられている部分を空洞とした場合は、エッチングが基板の第二の面に到達した後、すぐにエッチングガスが基板の第二の面側からエッチングを開始し、結果的にノッチングのような開口の横広がりが発生する。一方、本発明では第一の層１０が存在していることで、エッチングガスが第一の層をエッチングするので、エッチングのコントロールが良好となり、ノッチングといった開口の横広がりを抑制できる。
ノッチングの程度はエッチングの時間により異なるが、本発明によれば、エッチングの時間を長くした場合にも、ノッチングが広がること、特に少なくともノッチングが第一の層１０より広がることを抑制できる。
反応性イオンエッチングは、第二の層のうち、第一の層の上面を覆う天井に到達する。天井に到達した時点でエッチングを停止してもよい。但し、本発明では、さらに、反応性イオンエッチングを継続し、第二の層１１に覆われた第一の層１０の側壁までノッチング１４を広げることが好ましい。即ち、エッチングが第一の層の側壁となる第二の層に到達するまで行うことが好ましい。図１（ｃ）、（ｄ）では、ノッチング１４が第一の層１０の側壁となる第二の層まで広がった状態を示している。このようにすることで、第一の層の除去をより容易なものとすることができる。
次に、必要に応じて等方性のドライエッチング（ＣＤＥ）を行うことで、図１（ｅ）に示すように残りの第一の層を除去する。
図２に、液体供給口を形成する前の基板を第一の面２側から見た図を示す。図２に示す実施形態では、吐出エネルギー発生素子５の両側に液体供給口６を形成し、吐出エネルギー発生素子５に双方向から液体を供給する構成となっている。
図２に示すように、最終的に液体供給口６が形成される領域を覆うように、第一の層１０が形成されている。そして、第一の層１０を覆うように、第二の層（不図示）が形成されている。本発明では、第二の層と第一の層とで、開口の広がりを抑制している。
液体吐出ヘッドの信頼性を向上させるためには、特に液体供給口６から吐出エネルギー発生素子５の方向へノッチングを抑制する必要がある。また、図２に示す梁１５上に吐出エネルギー発生素子へ電力を供給する配線（不図示）が配置されている場合、梁１５の方向へノッチングが広がることも抑制することが求められる。その為、図２に示すように、基板を第一の面に対向する方向からみたときに、貫通穴（液体供給口）６を覆うように第一の層１０を形成することが好ましい。
以下、本発明を、実施例を用いて説明する。
＜実施例１＞
まず、図３（ａ）に示すような基板１を用意した。基板１としては、厚さ２００μｍで、第一の面２と、その反対側の面である第二の面３とを有し、第一の面及び第二の面の結晶方位は（１００）のシリコン基板を用いた。
第一の面側には、ＴａＳｉＮで形成された吐出エネルギー発生素子５が設けられている。また、第一の面側において、貫通穴である液体供給口が開口する位置に、第一の層１０を形成した。第一の層１０は、基板１の第一の面２側にポジ型感光性樹脂（東京応化製、商品名：ＯＤＵＲ）を塗布、露光した後、ＣＤＥ法でドライエッチングすることにより形成した。形成した第一の層は、横方向に３０．０μｍ四方、縦方向に０．５μｍの大きさとした。尚、後で形成する液体供給口の大きさは、横方向に２７．０μｍ四方であるので、第一の層は液体供給口よりも横方向に片側で１．５μｍ大きい。
さらに、第二の層１１を形成した。第二の層１１は、プラズマＣＶＤにより、厚さ０．７μｍのＰ−ＳｉＯを、第一の層１０を覆うように形成した。
次に、図３（ｂ）に示すように、基板の第一の面側に型材１２を形成した。型材１２は、基板の第一の面側にポジ型感光性樹脂（東京応化製、商品名：ＯＤＵＲ）を塗布し、露光及び現像することでパターニングして形成した。型材の厚さは８．０μｍとした。続いてこの型材を覆うようにネガ型感光性樹脂（ダイセル化学製、商品名：ＥＨＰＥ−３１５０）をスピンコートで塗布し、露光及び現像することで液体吐出口８を有する部材４を形成した。部材４の厚さ（型材上の厚さ）は１０．０μｍとした。
次に、図３（ｃ）に示すように、液体供給口を形成する際の保護膜となる保護レジスト１６を形成した。保護レジスト１６としては、環化ゴム（東京応化製、商品名：ＯＢＣ）を用いた。
次に、図３（ｄ）に示すように、基板の第二の面側にエッチングマスク９を形成した。ポジ型感光性樹脂（東京応化製、商品名：ＯＦＰＲ）を用い、これを露光、現像することで開口を有するエッチングマスクとした。
次に、図３（ｅ）に示すように、エッチングマスクの開口から反応性イオンエッチングを行い、基板に貫通穴である液体供給口６を形成した。反応性イオンエッチングは、ＩＣＰエッチング装置（アルカテル製、型式番号：８Ｅ）を用い、ボッシュプロセスとした。反応性イオンエッチングの途中までは、図３（ｅ）に示すように第二の面に実質的に垂直な液体供給口が形成され、エッチングを第一の層１０へと到達させた。
さらにエッチングを継続させ、エッチングを、第二の層１１のうち第一の層１０の天井を形成している部分に到達させた。その後、図３（ｆ）に示すように、エッチングが横方向へ広がり、エッチングは、第二の層１１のうち第一の層１０の側壁を形成している部分に到達した。
次に、図３（ｇ）に示すように、等方性のドライエッチング（ＣＤＥ）を行うことで、残りの第一の層１０を除去した。
次に、図３（ｈ）に示すように、エッチングマスク９及び保護レジスト１６を除去し、図３（ｉ）に示すように、第二の層１１をＢＨＦにより除去した。
次に、図３（ｊ）に示すように、型材１２をエッチング液で除去することにより、液体流路７を形成した。この結果、貫通穴である液体供給口の開口は、第一の面側と第二の面側とで同程度となり、第一の面側の開口の広がりを抑制できた。
＜実施例２＞
実施例１で、第一の層を横方向に３０．０μｍ四方、縦方向に０．５μｍの大きさで形成したのに対し、実施例２では、第一の層を横方向に３０．０μｍ四方、縦方向に０．１μｍの大きさで形成した。これに伴い、第一の層を覆う第二の層の大きさも変更した。これ以外の条件は実施例１と同様とし、基板の加工を行った。この工程は、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す通りである。
この結果、図４（ｃ）に示すように、ノッチングの発生を抑制することができたが、実施例１と比較すると、形成された液体供給口の開口は第一の面側でやや横方向に広がるものであった。
＜実施例３＞
実施例１で、第一の層を横方向に３０．０μｍ四方、縦方向に０．５μｍの大きさで形成したのに対し、実施例３では、第一の層を横方向に２７．６μｍ四方、縦方向に０．５μｍの大きさで形成した。これに伴い、第一の層を覆う第二の層の大きさも変更した。これ以外の条件は実施例１と同様とし、基板の加工を行った。この工程は、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す通りである。
この結果、図５（ｃ）に示すように、ノッチングの発生を抑制することができたが、実施例１と比較すると、形成された液体供給口の開口は第一の面側でやや横方向に広がるものであった。
＜比較例１＞
実施例１で、第一の層を設けたのに対し、比較例１では第一の層を設けなかった。これ以外の条件は実施例１と同様とし、基板の加工を行った。
この結果、実施例１と比較すると、形成された液体供給口の開口は第一の面側で横方向に広がるものであった。
＜比較例２＞
比較例１で形成した第二の層を、基板の第一の面に沿うように、第一の面上に形成した。即ち、第二の層と基板の第一の面とを平行に形成した。
この結果、実施例１と比較すると、形成された液体供給口の開口は第一の面側で横方向に広がるものであった。

Claims (13)

  1. 反応性イオンエッチングによって基板に貫通穴を形成する基板の加工方法であって、
    第一の層と前記第一の層を覆う第二の層とを第一の面側に有する基板を用意する工程と、
    用意した基板に、前記第一の面の反対側の面である第二の面から反応性イオンエッチングを行い、前記基板に第一の面から第二の面までを貫通する貫通穴を形成し、前記反応性イオンエッチングを前記第一の層に到達させる工程と、を有し、
    前記第二の層は前記第一の層よりも前記反応性イオンエッチングに対するエッチングレートが低い層であることを特徴とする基板の加工方法。
  2. 前記反応性イオンエッチングを前記第二の層に到達させる請求項１に記載の基板の加工方法。
  3. 前記第一の層は、樹脂、ｐｏｌｙ−Ｓｉ、Ｐ−ＳｉＮのいずれかで形成されている請求項１または２に記載の基板の加工方法。
  4. 前記第二の層は、前記基板よりも前記反応性イオンエッチングに対するエッチングレートが低い請求項１乃至３のいずれかに記載の基板の加工方法。
  5. 前記第二の層は、Ｐ−ＳｉＯまたはＳｉＮで形成されている請求項１乃至４のいずれかに記載の基板の加工方法。
  6. 前記反応性イオンエッチングは、ボッシュプロセスである請求項１乃至５のいずれかに記載の基板の加工方法。
  7. 前記基板を前記第一の面に対向する方向からみたときに、前記第一の層は形成する貫通穴を覆う大きさである請求項１乃至６のいずれかに記載の基板の加工方法。
  8. 前記基板の前記第一の面と垂直な方向を縦方向としたときに、前記第一の層の縦方向の長さが０．５μｍ以上である請求項１乃至７のいずれかに記載の基板の加工方法。
  9. 前記基板の第一の面と平行な方向を横方向としたときに、前記第一の層は形成する液体供給口よりも横方向に片側で０．７μｍ以上の大きさである請求項１乃至８のいずれかに記載の基板の加工方法。
  10. 前記基板はシリコンで形成されたものである請求項１乃至９のいずれかに記載の基板の加工方法。
  11. 前記第二の層は、前記第一の層の側面を覆う側壁と、前記第一の層の上面を覆う天井とを形成し、前記反応性イオンエッチングを前記第二の層の天井に到達させる請求項１乃至１０のいずれかに記載の基板の加工方法。
  12. 前記反応性イオンエッチングを前記天井に到達させた後、前記反応性イオンエッチングを前記側壁に到達させる請求項１１に記載の基板の加工方法。
  13. 前記第一の層は、前記基板よりも前記反応性イオンエッチングに対するエッチングレートが低く、かつ導電性の材料で形成されている請求項１または２に記載の基板の加工方法。
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