JP6590510B2 - シリコンウエハの加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリコンウエハの加工方法に関し、主に液体吐出ヘッドに用いるシリコンウエハ（基板）の加工方法に関する。

一般的なＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）加工や、一部の半導体デバイス加工において、シリコン基板を貫通する、あるいはそれに準ずる深さの構造体を加工する例が多く存在する。そして、現在、半導体デバイスの微細加工技術を応用して、液体吐出ヘッドに用いるシリコン基板の加工が実施されている。液体吐出プリント方式に用いられる一般的な液体吐出ヘッドは、シリコン基板の上に流路形成部材が形成される。

流路形成部材は、液滴を吐出するための吐出口と、該吐出口に連結する液体流路と、を構成する。一般に、液体流路は複数個列状に配置される。また、シリコン基板上であって液体流路の一部に吐出エネルギー発生素子が設けられ、この吐出エネルギー発生素子により発生するエネルギーにより液滴が吐出口から吐出される。また、シリコン基板には、各液体流路と連結する複数の供給路と、これらの供給路に連通する共通液室が形成されている。

このような構成においては、例えば、吐出ヒータ等の吐出エネルギー発生素子からの熱エネルギーを利用して液体を加熱し発泡させることにより液滴を吐出口から吐出する。その際、供給路から液体流路に液体が供給され、供給路には共通液室から液体が供給される。

このような液体吐出ヘッドに用いるシリコン基板の加工方法として、密度向上等の観点からドライエッチングによる垂直加工を用いることがあり、特にボッシュプロセスはシリコンを高速で加工する方法として好適に用いられる。ボッシュプロセスを用いたドライエッチングは、図１で示すように、以下の３つの工程を順番に連続的に繰り返すサイクルで構成される技術である。
（１）フッ素系ラジカル４により、マスク２を介してシリコン基板１のエッチングによるエッチングパターン３の形成（図１（ａ））
（２）フルオロカーボン系のパッシベーション層５の形成（図１（ｂ））
（３）イオン６によるパターン底部３Ｂのパッシベーション層５の除去（図１（ｃ））
（１）の工程で形成されたエッチングパターン３の側壁を、（２）の工程で形成されるパッシベーション層５で保護し続けることにより、図１（ｄ）に示すような垂直なエッチング形状を達成することができる。処理ガスとしては、（２）の工程はＣ_４Ｆ_８を、（１）と（３）の工程はＳＦ_６を通常用いる。

一般的なドライエッチングでは、プロセスの面内均一性を向上するために、プラズマ密度がウエハ表面で極力均一になるように装置を設計している。しかし、ボッシュプロセスに代表される、フッ素系のラジカルを用いたシリコンウエハの垂直加工においては、たとえプラズマ密度を均一に制御できたとしても、ウエハ周辺のパターンのエッチングレートがウエハ中心部よりも速くなってしまう、ローディング効果と呼ばれる現象が発生する。

一般的なドライエッチングにおいてエッチングに寄与するのは、電荷を有するイオンと、電気的に中性なラジカルである。しかし、フッ素系のガスを用いたシリコン高速エッチングでは、イオン衝撃がなくてもラジカルのみで反応が自発的に進む。すなわち、この系においてシリコンのエッチングレートを決定するのは、ラジカルの振舞いであると考えて良い。ここで、イオンとラジカルそれぞれの反応の特性からローディング効果のメカニズムを説明する。

イオン６は、バイアスによって加速され指向性を持っているため、マスク２の開口に到達するイオン６の数は単純に開口面積に比例する。例えば、あるパターンのエッチングに寄与するイオンは、そのマスク２の開口から垂直に延ばされた領域に存在するイオンがほとんどである（図２（ａ）参照）。よって、マスク開口内に入射するイオンの数は、プラズマ密度に比例すると考えて良いため、理想的にはプラズマ密度さえ均一にすれば、イオン主体のエッチングであれば結果は均一になる。

一方、ラジカル４には指向性がないため、パターン開口から垂直に延ばされた領域のみならず、パターン開口周囲に存在するラジカルもエッチングに寄与する。その際、孤立したマスク開口であれば、マスク開口周囲のラジカル４はそのマスク開口内のみで消費されるが（図２（ｂ）参照）、周りに他のマスク開口があると、周囲のラジカル４を他のマスク開口と取り合うことになる（図２（ｃ）参照）。すなわち、プラズマ密度が同じで同じ開口形状のパターン形成でも、周囲に存在する開口パターンの密度が異なればエッチングレートは大きく変化する。例えば、図３に示すように、ウエハ上に同じ開口パターンが規則的に並んでいた場合、ウエハ周辺領域ではウエハの外側の領域に存在するラジカルもエッチングに寄与してしまう。これは、パターン密度が低下した場合と同じ状況になる。このような現象が、ウエハ周辺領域でエッチングレートが上がってしまうメカニズムである。この現象は、特にパターンの開口率が大きい場合に顕著になる。例えば、開口率５％以下の場合は大きな影響はないが、開口率１０％以上の場合は大きな問題となる。

エッチングレートが均一でないと、同じパターンを面内で深さの均一性良く作製することは困難である。そこで、シリコンとエッチング選択比の取れる材料をストッパー膜４１として形成し高さを揃える方法が一般的に行われている。その際、エッチングレートの速い箇所では、ウエハ全面のエッチングが終了するまでの間、開口底部にはエッチングするシリコンのない状態で長時間プラズマにさらされることになる。その結果、余剰のラジカルにより壁面の保護膜がダメージを受け、シリコンの壁面を浸食してしまう場合がある（図４の４２参照）。また、ストッパー膜４１が絶縁膜であった場合、底部にチャージが溜まってイオンが反発力を受け、シリコンの壁に向かって飛跡が曲げられ底部の開口幅が広がる、ノッチングという現象がある（図４の４３参照）。エッチングレートの速い箇所ではオーバーエッチングの時間が長くなり、このノッチングが起こり易くなる。

一方で、ウエハの外周域でプラズマ密度が下がるように装置を設計する方法もある。例えば図５（ａ）に示すように、プラズマ源５１を極力点源５２に近付け、発生したプラズマ５３が周辺に向かって拡散するようにする。或いは、図５（ｂ）に示すようにアパーチャー５４等を用いて、プラズマ５３の有効径を絞るという方法もある。しかし、これらの方法はエッチングレートを均一にするものの、イオンの密度は周辺に向かって減少する分布となる。その結果、イオンは濃度の高い方から低い方へ拡散する飛跡を描くことになる。即ち、ボッシュプロセスの（３）の、「イオンによるパターン底部のパッシベーション層の除去」の工程で、引きこまれるイオンの方向がウエハ外側に向かって傾斜した状態になり、その繰り返しにより、形成されるパターン自体も傾斜してしまう（図５参照）。

また、プロセス条件によってエッチングレート分布を改善する方法もある。例えば、プロセスガスであるＳＦ_６の流量を増加させ、同時に圧力を下げるという方法である。この方法には、低圧化によりラジカル密度を下げ、できるだけ余剰ラジカルを発生させないことと、排出速度の向上により反応生成物の分圧を下げることの２つの効果がある。これら２つの効果により、ラジカル密度分布の影響を受けにくくするという発想である。この方法により若干の改善効果は得られるものの、低圧化によってラジカル密度が下がることにより全体のエッチングレートが下がって、生産効率が著しく低下するという弊害も生じる。

本発明は、上記のようなシリコンの高速エッチング加工において、エッチングレートの均一性と形状の均一性を両立できる方法を提供することを目的とする。

本発明の一形態は、
フッ素系のラジカルを用いたドライエッチングによってシリコンウエハの表面に複数の凹パターンを形成するシリコンウエハの加工方法であって、
前記シリコンウエハを第１番目から第Ｎ番目の領域の順番に前記シリコンウエハの中心から外周へ向けて同心円状にＮ分割（但し、Ｎは２以上の自然数）し、第１番目の領域から第Ｎ番目の領域まで順次前記ドライエッチングを行うドライエッチング工程を有し、
前記ドライエッチング工程において、第Ｋ番目（但し、Ｋは２以上Ｎ以下の自然数）の領域にエッチングを行う際には、第１番目から第Ｋ番目の領域にエッチングを行うことを特徴とするシリコンウエハの加工方法に関する。

本発明によれば、フッ素系のラジカルを用いたシリコン高速エッチングにおいて生じるローディング効果、即ちエッチングレートの不均一な面内分布を大幅に改善し、パターン形状の面内均一性を損なうことなく、パターンの深さの面内均一性を向上させることができる。

ボッシュプロセスによるシリコンエッチングの概念を説明するための模式図である。 イオン、ラジカルによるエッチングの特性を説明するための模式図である。 シリコンエッチングの面内均一性、ローディング効果の概念を説明するための模式図である。 ストッパーを用いたシリコンエッチングで発生する壁面の浸食発生の概念を説明するための模式図である。 プラズマ源の変更によりローディング効果を抑制する概念を説明するための模式図である。 ボッシュプロセスによるシリコンエッチングの面内分布の一例を示すための図である。 本発明の概念を説明するための断面工程図、及び平面図である。 本発明の概念を説明するためのシミュレーション結果を示した図表である。 本発明の実施形態を説明するための平面図である。 本発明の実施形態の領域分割を説明するための平面図である。 本発明の実施形態を説明するための工程断面図である。 本発明の実施形態を説明するための工程断面図である。 本発明の実施形態を説明するための工程断面図である。 本発明の実施形態を説明するための工程断面図である。 本発明の実施形態を説明するための工程断面図である。 本発明により液体吐出ヘッドを作製した実施例１を説明するための工程断面図である。 本発明により液体吐出ヘッドを作製した実施例２を説明するための工程断面図である。 本発明により液体吐出ヘッドを作製した実施例３を説明するための工程断面図である。

ボッシュプロセス等のフッ素系のラジカルを用いるエッチングにおいて、エッチングレートの面内分布が発生する概要は図３に示した通りである。その際の、エッチングレート分布の一例を図６に示す。エッチングレート、及び面内位置は、いずれもウエハ端で１となるように規格化してある。この事例では、開口率が３０％のパターンにおいて、面内均一性は±１７．６％となるプロセス条件である。また、ここでいう面内均一性とは、
（最大エッチングレート−最小エッチングレート）／（最大エッチングレート＋最小エッチングレート）×１００（％）
で定義している。

本発明に係るシリコンウエハのドライエッチング法は、（１）フッ素系のラジカルによるシリコンへのパターンの形成と、（２）前記パターンの内壁へのフルオロカーボン系のパッシベーション層の形成と、（３）イオンによる前記パターンの底部のパッシベーション層の除去と、を繰り返す方法を含むボッシュプロセスであることが好ましい。特に、ウエハ面内でのパターン開口率が１０％以上である場合に好適である。

本発明では、フッ素系のラジカルを用いたドライエッチングによってシリコンウエハの表面に複数の凹パターンを形成するシリコンウエハの加工方法において、相対的なエッチングレートの面内均一性を高める、即ち上記値を小さくするため、ウエハにおけるエッチング領域を複数に分割している。エッチングレートが低い部分のエッチング機会を多くすることで、エッチングレートの低下分を補い、シリコンウエハに形成する凹パターンのパターン形状の面内均一性を損なうことなく、パターンの深さの面内均一性を向上させることができる。
具体的には、シリコンウエハをＮ分割（但し、Ｎは２以上の自然数）し、第１番目の領域から第Ｎ番目の領域まで順次前記ドライエッチングを行うドライエッチング工程を有し、前記ドライエッチング工程において、第Ｋ番目（但し、Ｋは２以上Ｎ以下の自然数）の領域にエッチングを行う際には、第１番目から第Ｋ番目の領域にエッチングを行う。
このように、Ｎ分割された領域は、第１番目から第Ｎ番目の領域の順番にシリコンウエハの中心から外周に向けて同心円状に配置されていることが好ましい。これは、図６に示すように、シリコンウエハの中心部が最もエッチングレートが低いためである。ここでの「同心円状」とは、分割されたエッチング領域が同心円上に配置されていればよく、各領域の境界は、同心円に限定されない。特に、１枚のシリコンウエハからチップを多数個取りする場合には、１つのチップは同じエッチング領域に属していることが好ましい。
エッチング領域の分割は、シリコンウエハ上に形成するエッチングマスクの形状を工夫することで対応できる。本発明の一実施形態では、凹パターン形状に対応した開口パターンを有する第一のマスクと、分割された後順番の領域の第一のマスクの開口パターンを閉塞（保護）する第二のマスクとを組み合わせて実施される。以下、本発明の第一の実施形態について説明する。

図７は、例えば、ウエハの径方向にエッチング領域を２分割したものを示す。シリコン基板１上に第一のマスク２１が形成されており、第１番目の領域Ｒ１、即ちウエハの内側の領域は、第一のマスク２１が露出している一方で、第２番目の領域Ｒ２、即ちウエハの外側の領域は第二のマスク２２に覆われている（図７（ａ１）、（ａ２）参照）。この状態で第一のエッチング工程にて第１番目の領域Ｒ１のエッチングを行って凹パターン２３ａ、２３ｂを形成する（図７（ｂ）参照）。この時、ウエハの内側の凹パターン２３ａと外側の凹パターン２３ｂとではエッチングレートが異なり、外側ほど深くエッチングされる。第二のマスク２２を除去し（図７（ｃ１）、（ｃ２）参照）、ウエハ全面で第一のマスク２１が露出した状態で第二のエッチング工程を行い、第２番目の領域Ｒ２に凹パターン２４を形成する（図７（ｄ）参照）。この時、領域Ｒ１の凹パターン２３ａ、２３ｂもエッチングされるが、ウエハの内側より外側の方がエッチングレートが速くなるため、第二のエッチング工程では凹パターン２４のエッチング量が最大となる。凹パターン２３ｂは、第一のエッチング工程で深くエッチングされているため、合計のエッチング量は凹パターン２４の第二のエッチング工程のエッチング量よりも多くなり、最も深くなっている。

これは、第一のエッチング工程において、エッチングレート分布は図６の内側の領域を切り取ったものにはならない。何故なら、第２番目の領域Ｒ２を隠して第１番目の領域Ｒ１をエッチングする場合、第１番目の領域Ｒ１の最外周が新たな最外周であるため、第２番目の領域Ｒ２が露出していた場合、即ち図６の分布から、第１番目の領域Ｒ１に該当する部分のみを切り取ったものにはならないからである。ここでは、図６の規格化された分布を、そのまま径方向に軸を縮めた分布を取ると仮定する。

上記前提で２分割エッチングを考えた場合、例えば、第１番目の領域Ｒ１を径方向に内側から７０％とし、第一のエッチング工程を全体の１６％実施した場合に、面内均一性±９．３９％という値を取ることが分かった（図８参照）。
同様な方法を用いて、３分割では±６．４７％、１０分割では±１．２％を実現出来る。この時の面内分布比較を図８（ａ）に、分割領域の取り方の例を図８（ｂ）に、各エッチング工程の時間配分例を図８（ｃ）に示す。結果として、分割エッチングによる面内均一性は、２分割で約２倍、３分割で約３倍、１０分割で約１０倍程度まで改善することが分かった。

図８のシミュレーションでは、径方向を対象に境界を形成するようモデル化したが、実際のパターンは必ずしも同心円で境界が引けるようには配置されていない。よって、エッチングレートがほぼ一定となる領域をチップ単位で等高線として結ぶことにより適宜領域を設定することができる（図９参照）。図９では、図８（ｂ）に示した３分割する場合を例として、図９（ａ）ではウエハサイズの５０％の円Ｃ１、８０％の円Ｃ２、１００％の円Ｃ３（ウエハ最外周）の３つの同心円を想定し、実際のパターンでは、図９（ｂ）に示すように同心円の内側となるように３つの領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３に分けている。

また本発明は、開口幅の異なるパターンが混在する場合、更に細分化することによりパターン依存性を併せて改善するという応用も可能である。一般的に、シリコン高速エッチングでは、同じ開口率のパターンであれば、エッチングレートは開口幅が大きい方が高くなる。例えば隣接ウエハの内側の領域３１と外側の領域３２の各領域に開口幅の狭い開口パターン３３と広い開口パターン３４が存在する場合を想定する（図１０（ａ）参照）。領域３１の開口パターン３３が含まれる領域を第１番目の領域Ｒ１とし、第一のエッチング工程を行う（図１０（ｂ）参照）。次に、領域３１の開口パターン３４と、領域３２の開口パターン３３が含まれる領域を第２番目の領域Ｒ２とし、領域Ｒ１とＲ２に対して第二のエッチング工程を行う（図１０（ｃ）参照）。最後に領域３７の開口パターン３４が含まれる領域を第３番目の領域Ｒ３とし、領域Ｒ１〜Ｒ３に第三のエッチング工程を行う（図１０（ｄ）参照）。これにより、異種開口幅のパターンが混在する場合でも、エッチング深さを揃えることが可能となる。

本実施形態の効果として、シリコン高速エッチングの深さのウエハ面内での均一性を高められることはもちろんであるが、元となるエッチング条件でのエッチングレート分布が大きくなっても、面内分布の不均一性を吸収できるという利点もある。シリコン高速エッチングでは、一般的にエッチング雰囲気の圧力が高くなるほどエッチングレートが速くなる傾向がある。一方で、エッチング雰囲気の圧力を高くするとラジカルの量が増えることと、反応生成物の排出が遅くなることにより、面内分布の不均一性をより拡大する傾向がある。そのため、従来の方法では、エッチング時間の短縮とエッチング深さの面内均一性はトレードオフの関係にあった。本実施形態の構成を用いることにより、元となるエッチング条件をエッチングレートが高く均一性の低下する方向に振ったとしても、面内均一性を良化することが可能となり、エッチング時間の短縮との両立が可能となる。

本実施形態を実施するための適例として、図１１〜１３に示す３種のマスク構造を挙げる。エッチング開始に時差を設けるためには、マスク設計が重要となるが、大きく分けて３つの方式がある。
（ａ）都度更新方式 （図１１参照）
（ｂ）積層方式 （図１２参照）
（ｃ）時間差方式 （図１３参照）

まず、（ａ）の都度更新方式は、第一のマスク２１以外の第二のマスク２２は都度形成し、それぞれの回のエッチング後に除去し、次の回で第二のマスクを更新するという工程を繰り返すプロセスである。例えば、３分割エッチングの場合を考える。シリコン基板１上に第一のマスク２１を形成し、次に第２番目の領域Ｒ２と第３番目の領域Ｒ３を覆うように、第二のマスク２２ａを形成する（図１１（ａ）参照）。次に、第一のエッチング工程で、第１番目の領域Ｒ１のパターンのみをエッチングする（図１１（ｂ）参照）。次に、一旦、第二のマスク２２ａを除去した後、第３番目の領域Ｒ３を覆うように第二のマスク２２ｂを形成する。第二のマスク２２ｂは、第二のマスク２２ａを部分的に除去して形成してもよい。次に、第１番目の領域Ｒ１と第２番目の領域Ｒ２に第二のエッチング工程を行う（図１１（ｃ）参照）。最後に、第二のマスク２２ｂを除去した後、第三のエッチング工程を、ウエハ全面に対して行う（図１１（ｄ）参照）。４分割以上であれば、上記工程を繰り返す。これは、最もシンプルで、多段分割への拡張性が高い。一方で、エッチングパターンが深くまた微細化されると、第二のマスクの更新の難度が高くなるという側面もある。

第一のマスクとしては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、炭化シリコン等のシリコン系の化合物や、クロム、アルミニウム等の、フッ素系ラジカルによるエッチングに対して耐性の高い金属材料等が好適である。第二のマスクとしては、レジスト、有機膜の他、第一のマスクの材料候補に上がった材料同士で、相互に選択的に除去可能な材料の組み合わせを第二のマスクの材料に適用することもできる。例えばクロムとアルミニウムは、ウェットエッチング、ドライエッチングそれぞれで相互に選択除去が可能であり、またシリコン系の化合物とも選択除去が可能である。

（ｂ）の積層方式は、必要となる全ての第二のマスクを積層構造としておくプロセスである。例えば、３分割エッチングの場合を考える。シリコン基板１上に第一のマスク２１を形成し、第３番目の領域Ｒ３を覆うように下層マスク２２ｃを形成する。更に第２番目の領域Ｒ２と第３番目の領域Ｒ３を覆うように、上層マスク２２ｄを形成する（図１２（ａ）参照）。つまり、第二のマスク２２は下層マスク２２ｃと上層マスク２２ｄの積層構造となる。この状態から、第一のエッチング工程を行った後、上層マスク２２ｄを除去する（図１２（ｂ）参照）。次に、領域Ｒ１、Ｒ２に第二のエッチング工程を行った後、下層マスク２２ｃを除去する（図１２（ｃ）参照）。最後に、領域Ｒ１〜Ｒ３に第三のエッチング工程を行う（図１２（ｄ）参照）。４分割以上であれば、上記工程を繰り返す。

第一のマスクとしては、（ａ）の都度更新方式と同様の材料選択肢がある。一方、第二のマスクの積層構造では、少なくとも除去する上のマスクとその下のマスク間で選択除去可能な組み合わせで選ぶ必要がある。例えば、上層マスク２２ｄをポジ型レジスト、下層マスク２２ｃをネガ型レジストで形成し、上層マスク２２ｄは上層マスク２２ｄを溶解し下層マスク２２ｃは溶解しない剥離液にて除去する。下層マスク２２ｃは、アッシング、或いは下層マスク２２ｃを溶解可能な剥離液で除去するといった方法を取ることができる。もちろん、この組み合わせの中に、第一のマスクの材料候補で、第一のマスクに使用しなかった材料を挿入することも可能である。例えば、第一のマスクにシリコン酸化膜、第二のマスクにレジストとクロムの積層構造などの組み合わせが挙げられる。このように、第二のマスクは、複数の層から構成されており、エッチングの進行とともに第Ｋ番目の領域の第二のマスクが第Ｎ番目まで順次に消失していくように構成されている。

上記都度更新方式（ａ）と積層方式（ｂ）は共に、エッチングの開始前に、シリコンウエハ上に、複数の凹パターンに対応した開口パターンを有する第一のマスクと、第２番目以降の領域の第一のマスクの開口パターンを閉塞する第二のマスクを形成する工程を備え、第Ｋ−１回目のエッチング後に、第Ｋ番目の領域の第二のマスクが除去され、第Ｋ番目の領域の第一のマスクの開口パターンが露出される。一方、（ｃ）の時間差方式は、エッチング開始前に、シリコンウエハ上に、複数の凹パターンに対応した開口パターンを備えたマスクであって、開口パターンは第１番目の領域のシリコンウエハ表面が開口パターン底に露出しており第２番目以降の領域のシリコンウエハ上に残膜を有するマスクを用いる。このマスクも便宜上第一のマスクと呼ぶ。第Ｋ−１回目のエッチングを行う工程においては、開口パターンの残膜をエッチングして第Ｋ番目の領域にシリコンウエハ表面を露出させており、第Ｋ＋１番目以降の領域がある場合には、第Ｋ＋１回目のエッチングを行う工程において、第Ｋ＋１番目以降の領域の開口パターンは依然として残膜を有している。

（ｃ）の時間差方式は、マスクのパターン内にエッチング時間差を設けてエッチングの進行とともに徐々にパターンが開口し、エッチング開始時期を領域毎に分ける方法である（図１３参照）。エッチング時間差を設ける方法としては、マスクパターン内の深さを変える（段差を設ける）方法が挙げられる。例えば、３分割エッチングの場合を考える。図１３（ａ）に示すように、シリコン基板１上にシリコン表面が露出した状態の第一のマスク２１に第１パターン６１を第１番目の領域Ｒ１に、第２番目の領域Ｒ２にシリコン表面が露出していない第２パターン６２、第３番目の領域Ｒ３にさらにパターン深さの浅い第３パターン６３という具合に形成する。１回目のエッチングでは、第１パターン６１で開口している領域Ｒ１のシリコン基板１はエッチングされるが、第２パターン６２及び第３パターン６３が残膜している領域Ｒ２及びＲ３ではエッチングされない。エッチングが進行すると第２パターン６２が開口し、領域Ｒ２のシリコンが露出する（図１３（ｂ））。そのままエッチングを続けると、領域Ｒ３のシリコン基板はエッチングされないが、領域Ｒ１とＲ２のシリコン基板がエッチングされる。エッチングの進行に伴って第３パターン６３が開口し、領域Ｒ３のシリコンが露出する（図１３（ｃ））。その後は全面エッチングされ、図１３（ｄ）のように第一のマスクに対応したパターンが形成される。なお、エッチングはシームレスに実施されるため、１回目、２回目、３回目のエッチングがそれぞれ別に行われるわけではないが、本発明では第２パターン６２が開口するまでを１回目のエッチング、第３パターン６３が開口するまでを２回目のエッチング、全面エッチングを３回目のエッチングのように定義する。

図１３（ａ）に示すような多段マスクは、同種材料を用いて形成してもよく、領域毎に異種材料を用いて形成してもよい。多段マスクを同種材料で形成するプロセスとしては、例えば図１４のように実施される。シリコン基板１に、マスク材料２１ｓを形成し、まず第１番目の領域Ｒ１のマスク材料２１ｓをエッチングするためのマスク７１を形成する。このマスク７１を用いて、マスク材料２１ｓをシリコンの表面が露出するまでエッチングして、第一パターン６１を作製する（図１４（ａ）参照）。次に、第２番目の領域Ｒ２に、マスク材料２１ｓをエッチングするためのマスク７２を形成する。このマスク７２を用いて、マスク材料２１ｓをシリコンの表面が露出しない所望の残膜までエッチングし、第２パターン６２を作製する（図１４（ｂ）参照）。同様の方法で、さらに浅い第３パターン６３をマスク７３を用いて作製する（図１４（ｃ）参照）。例えば、マスク材料２１ｓがシリコン酸化膜で、それをエッチングするためのマスク７１〜７３がフォトレジストや有機膜という組み合わせが挙げられる。

或いは、マスク材料２１ｓのエッチングを、最初全面で実施し、パターンが所望の深さになったところから隠して行くという方法もある（図１５参照）。例えば、３分割エッチングの場合を考える。まず、マスク材料２１ｓにマスク８１を形成し、ウエハ全面で第３パターン６３となる所望の深さまでエッチングを行う（図１５（ａ）参照）。次に、第３番目の領域Ｒ３をマスク８２で覆い、第１番目の領域Ｒ１及び第２番目の領域Ｒ２を更に第２パターン６２となる所望の深さまでエッチングする（図１５（ｂ）参照）。最後に第３番目の領域Ｒ３、第２番目の領域Ｒ２をマスク８３で覆い、シリコンの表面が露出するまで第１番目の領域Ｒ１のエッチングを行い、第１パターン６１を形成する。この時、マスク８１は残しておいてもよいし（図１５（ｃ）参照）、マスク８１を除去して新たにマスク８３を形成しても良い。マスク８１とマスク８２、８３の材料の組み合わせとしては、例えばマスク８２、８３がフォトレジストで、マスク８１が、クロムやアルミニウム等の金属材料、或いはマスク８２、８３の剥離液では除去されない有機膜が挙げられる。

以上のようなマスク構成を用いることにより、シリコン高速エッチングを多段分割した加工が可能となる。

以下、本発明を実施例を参照して説明する。ここでは、液体吐出ヘッドの製造方法において、シリコン基板を貫通する液体供給路の一部である共通液室の形成方法として、本発明のウエハ加工方法を適用した例を説明するが、本発明は液体吐出ヘッドの製造方法のみに限定されるものではない。

（実施例１）
実施例１として、実施形態にて説明したマスク構成（ｂ）の積層方式を用いて、液体吐出ヘッドを製造した。その製造方法を図１６に示す。表面に（１００）面を持ち、液体吐出エネルギー発生素子１０１が形成されているヘッド用基板（シリコンウエハ）１００を用意する。シリコンウエハの厚みは７２５μｍとし、液体吐出エネルギー発生素子１０１の対向面（裏面）に図９に示すように領域を３分割した。

次いで、ヘッド用基板１００の裏面に第一のマスク１０２の材料として厚み１．５μｍのシリコン酸化膜をＣＶＤ法によって形成した。シリコン酸化膜上に感光性ポジ型レジスト（東京応化製「ＯＦＰＲ−８００」（商品名））を全面に塗布した。塗布したポジ型レジストに対してウシオ電機製Ｄｅｅｐ−ＵＶ露光装置「ＵＸ−３０００」（商品名）を用いてスリット状のパターンを有するマスク１０３を形成した。次に、シリコン酸化膜をＣ_４Ｆ_８とＣＦ_４とＡｒの混合ガスを用いたドライエッチングにより第一のマスク１０２に加工した（図１６（ａ）参照）。このマスクの開口率は３０％であった。その後、マスク１０３は除去した。

次に、ポリエーテルアミド樹脂（日立化成製「ＨＩＭＡＬ」（商品名））からなる膜を形成し、感光性ポジ型レジスト（東京応化製「ＯＦＰＲ−８００」（商品名））を全面に塗布した。塗布したポジ型レジストに対して上記のＤｅｅｐ−ＵＶ露光装置を用いて第１番目の領域Ｒ１、第２番目の領域Ｒ２を露光し、露光部を溶出することで第３番目の領域Ｒ３のみが隠れたマスク１０４を形成した。このマスク１０４を用いてポリエーテルアミド樹脂膜をエッチングして第二のマスクの下層１０５を形成した（図１６（ｂ）参照）。一旦マスク１０４を剥離した後、再度感光性ポジ型レジスト（東京応化製「ＯＦＰＲ−８００」（商品名））を全面に塗布した。塗布したポジ型レジストに対して上記のＤｅｅｐ−ＵＶ露光装置を用いて第１番目の領域Ｒ１を露光し、露光部を溶出することで第二のマスクの下層１０５上に第３番目の領域Ｒ３と第２番目の領域Ｒ２を隠す第二のマスクの上層１０６を形成した（図１６（ｃ）参照）。ここで、第１番目の領域Ｒ１、第２番目の領域Ｒ２、第３番目の領域Ｒ３は、領域Ｒ１がウエハの径方向に５０％の同心円、領域Ｒ２は５０％の同心円と８０％の同心円で囲まれた領域、領域Ｒ３は８０％の同心円より外側の領域とした。ただし、境界がチップ内を通る場合は、該当チップがより大きな面積が入っている方の領域に属するものとした。

続いて、深さのターゲット５７５μｍの共通液室を形成するシリコン高速エッチングを、ボッシュプロセス対応のＳＰＰテクノロジーズ社製シリコン深掘り装置「ＡＳＥ−Ｐｅｇａｓｕｓ」（商品名）を用いて行った。この装置では上述のボッシュプロセスにおける（１）及び（３）の処理ガスとしてＳＦ_６を含み、（２）の処理ガスとしてＣ_４Ｆ_８を含む。またこの装置でのエッチングレートは、ウエハ周辺が１５μｍ／ｍｉｎ、中心が９．７２μｍ／ｍｉｎで、面内均一性が±１７．６％となる条件である。

まず、第１番目の領域Ｒ１に対して、全体の１１％、ウエハ中心に対して深さ６１．８μｍ相当のエッチングを行った（図１６（ｄ）参照）。この時に要する時間は、６分２２秒である。
次に、感光性ポジ型レジストである第二のマスク上層１０６を、剥離液を用いて除去し、第２番目の領域Ｒ２の第一のマスク１０３を露出させた。この際、第二のマスク下層１０５は、剥離液では除去されない。続いて、第１番目の領域Ｒ１と第２番目の領域Ｒ２を、全体の１２％、ウエハ中心に対して深さ６７．９μｍ追加相当のエッチングを行った（図１６（ｅ）参照）。この時に要する時間は、６分５９秒である。
次に、ポリエーテルアミド樹脂である第二のマスク下層１０５を、酸素を含むガス系によるアッシングで除去し、第３番目の領域Ｒ３の第一のマスク１０３を露出させた。続いて、領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、即ちウエハ全面で残りの７７％、ウエハ中心に対して深さ４２９．３μｍ追加相当のエッチングを行った（図１６（ｆ）参照）。この時に要する時間は、４４分１０秒である。これらの処理により、平均深さ５７５μｍ、最大深さ６１２μｍ、最小深さ５３８μｍ、面内均一性±６．４７％の共通液室１０７が形成された。この時の深さの最大ばらつきは７４μｍである。

本発明を適用せずに、第一のマスク１０３のみを利用する補正前は面内均一性±１７．６％であるので、平均深さ５７５μｍ、最大深さ６７６μｍ、最小深さ４７４μｍとなり、深さの最大ばらつきは２０２μｍである。本発明のウエハ加工方法を適用することにより、深さの分布は大幅に改善された。

次に、ヘッド用基板１００の表面から個別供給路１０８を形成した。まず、エネルギー発生素子１０１を作製時に形成された基板１００の表面の絶縁膜を、個別供給路１０８のパターン形状に除去した。面内で共通液室１０７が最も浅い点にて深さ相当１９２μｍまで、シリコンの高速エッチングを用いて形成した（図１６（ｇ）参照）。このパターンの開口率は５％以下であり、本発明で課題とするエッチング深さの面内均一性向上の補正を必要としない領域である。エッチング装置は、同じＳＰＰテクノロジーズ社製のシリコン深掘り装置を用いた。この地点において５μｍのオーバーエッチングを行っている計算となり、ウエハ全面において表裏面のパターンを連通した液体供給路を形成することができた。

次に、ヘッド用基板１００の表面側に流路型構造（不図示）、液体流路壁１０９を用いて形成された吐出口１１０と撥液層（不図示）を形成し、最後に流路型構造を除去して、図１６（ｈ）の構造を得た。その後は、チップ毎に分割し、液体吐出ヘッドが完成する。

（実施例２）
本実施例は、実施形態にて説明したマスク構成（ｃ）の時間差方式を用いて、実施例１と同じ液体吐出ヘッドを製造した。その製造方法を図１７に示す。ヘッド用基板１００は実施例１と同じものであり、厚みは７２５μｍとした。

まず、ヘッド用基板１００の裏面に第一のマスク１０２の材料として厚み１．５μｍのシリコン酸化膜をＣＶＤ法によって形成した。次に、シリコン酸化膜上に感光性ポジ型レジスト（東京応化製「ＯＦＰＲ−８００」（商品名））を全面に塗布した。塗布したポジ型レジストに対してウシオ電機製Ｄｅｅｐ−ＵＶ露光装置「ＵＸ−３０００」（商品名）を用いて、第１番目の領域Ｒ１にシリコン酸化膜をエッチングするためのスリット状の共通液室パターンであるマスク１１１を形成する。このマスク１１１を用いて、シリコン酸化膜をＣ_４Ｆ_８とＣＦ_４とＡｒの混合ガスで、シリコンの表面が露出するまでドライエッチングして、第１パターン１１２を作製する（図１７（ａ）参照）。次に、第２番目の領域Ｒ２に、シリコン酸化膜をエッチングするためのマスク１１３を同様にポジ型レジストで形成する。このマスク１１３を用いて、シリコン酸化膜の残膜量が０．１５μｍとなるようにドライエッチングし、第２パターン１１４を作製する（図１７（ｂ）参照）。同様の方法で、第３番目の領域Ｒ３にシリコン酸化膜をエッチングするためのマスク１１５を形成し、このマスク１１５を用いて、シリコン酸化膜の残膜量が０．３１μｍとなるようにドライエッチングし、第３パターン１１６を作製する（図１７（ｃ）参照）。このようにして、第１〜第３パターンを有する第一のマスク１０２が形成される。領域の区切り方、マスクの開口率は、実施例１と同様である。

続いて、深さのターゲット５７５μｍの共通液室を形成するシリコン高速エッチングを、実施例１と同じ条件で実施した。その際、第一のマスク１０２であるシリコン酸化膜のエッチングレートは０．０２μｍ／ｍｉｎであった。まず、エッチング時間６分２２秒、即ちウエハ中心に対して深さ６１．８μｍ相当のエッチングを実施した時点で、第２パターン１１４の残膜が無くなり、シリコン表面が露出する（図１７（ｄ）参照）。そこから、第２番目の領域Ｒ２のエッチングが開始される。更に６分５９秒のエッチングを追加、即ちウエハ中心に対して深さ６７．９μｍ追加相当のエッチングを実施した時点で、第３パターン１１６の残膜が無くなり、シリコン表面が露出する（図１７（ｅ）参照）。即ち、ウエハ全面でパターン部のシリコン表面が露出した状態になる。ここから更に４４分１０秒、即ちウエハ中心に対して深さ４２９．３μｍ追加相当のエッチングを行った（図１７（ｆ）参照）。これにより、共通液室の深さの面内分布は、実施例１と同じ状態になり、平均深さ５７５μｍ、最大深さ６１２μｍ、最小深さ５３８μｍ、面内均一性±６．４７％の共通液室１０７が形成できた。

その後のプロセスは実施例１と同様に行い、図１７（ｇ）の構造を得た。その後は、チップ毎に分割し、液体吐出ヘッドが完成する。

（実施例３）
本実施例は、共通液室１０７を、エッチングストッパーを用いて構成する方式で液体吐出ヘッドを製造した。その製造方法を図１８に示す。

まず、実施例１と同様に液体吐出エネルギー発生素子１０１が形成された厚みは７２５μｍのヘッド用基板１００の表面と反対側の面からバックグラインドにて厚み１５０μｍに薄化した後、ＣＭＰにて研磨を行い、表面粗さ１ｎｍ以下の鏡面を有する第一基板１２１を得た。

次に、厚み５００μｍ、両面に熱酸化により２．０μｍのシリコン酸化膜が形成されたシリコンウエハからなる第二基板１２３を用意した。その片側の表面に感光性ポジ型レジスト（東京応化製、「ＯＦＰＲ−ＰＲ８−ＰＭ」（商品名））を塗布した。そして、ウシオ電機製Ｄｅｅｐ−ＵＶ露光装置「ＵＸ−４２５８」（商品名）を用いて露光し、続いて現像することにより、塗布したポジ型レジストをインク個別供給路１０８のパターン形状に加工した。そして、バッファードフッ酸「１１０Ｕ」（ダイキン工業社製、商品名）によりシリコン酸化膜のウェットエッチングを行い、個別供給路１０８を形成する際のマスクパターン１２４を形成した（図１８（ａ））。残ったポジ型レジストは除去した。このマスクパターン１２４が、共通液室１０７をエッチングする際のストッパーとなり、またインク個別供給路１０８をエッチングするためのマスクとなる。

次に、第一基板１２１の研磨面と第二基板１２３のマスクパターン１２４を形成した側の面をＥＶＧ製のプラズマ活性化装置（商品名：「ＥＶＧ８１０ＬＴ」）を用いて、Ｎ_２プラズマによって活性化した。その後、ＥＶＧ製のアライナー（商品名：「ＥＶＧ６２００ＢＡ」）で位置合わせを行った。そして、マスクパターン１２４を有するシリコン酸化膜を介して、ＥＶＧ製の接合装置（商品名：「ＥＶＧ５２０ＩＳ」）にてフュージョン接合により第一基板１２１と第二基板１２３との接合基板１２５を形成した（図１８（ｂ））。

次に、第一基板１２１の、接合面とは反対の表面に、流路型構造１２６、液体流路壁１２７を用いて形成された吐出口１２８と撥液層（不図示）を形成して、液体吐出用ノズルを構成する流路形成層を形成した。撥液層上に、表面保護層１２９として「ＯＢＣ」（商品名、東京応化工業製）を全面に塗布した（図１８（ｃ））。

次に、第二基板１２３の接合面とは反対の面に、エッチング工程を３分割するためのマスクを作製した（図１８（ｄ））。マスクの作製方法は、実施例１に準ずる。続いて、第二基板１２３を貫通させて、共通液室１０７を形成するシリコン高速エッチングを、実施例１で使用したＳＰＰテクノロジーズ社製シリコン深掘り装置を用いて行った。ターゲット深さは、最も浅くなる点において第二基板１２３の基板厚の５００μｍになるように設定するものとする。エッチングレート、分布は実施例１と同様、ウエハ周辺が１５μｍ／ｍｉｎ、中心が９．７２μｍ／ｍｉｎで、面内均一性が±１７．６％となる条件である。

シリコン高速エッチング工程のフロー、即ち各エッチング工程とマスクの除去のフローに関しては、実施例１に準ずる。エッチングの時間としては、第一のエッチング工程は全体の１１％、５分５５秒であり、ウエハ中心に対して深さ５７．５μｍ相当である。第二のエッチング工程は全体の１２％、６分３０秒であり、ウエハ中心に対して深さ６３．２μｍ追加相当である。第三のエッチング工程は残りの７７％、４１分３秒であり、ウエハ中心に対して深さ３９９．０μｍ追加相当である。これらの処理により、最小深さ５００μｍ、最大深さ５６９μｍ、面内均一性±６．４７％の共通液室１０７が形成された（図１８（ｅ）参照）。この時の深さの最大ばらつきは７１．４μｍである。

補正前は面内均一性±１７．６％であるので、最大深さ７１４μｍ、最小深さ５００μｍとなり、深さの最大ばらつきは２１４μｍである。即ち、上記３分割エッチングと比較して、エッチングレートが最も速い点において１４２．６μｍも余分にオーバーエッチングが必要となってしまう。本実施例の構成を用いることにより、過剰なオーバーエッチングを抑制でき、図４に示したようなシリコンの壁面の浸食４２やノッチング４３を大幅に低減することが出来た。

続いて、マスクパターン１２４を用いて、個別供給路１０８をエッチングした（図１８（ｆ）参照）。このエッチングにおいて、第一基板１２１の液体吐出エネルギー発生素子１０１が形成された表面側のシリコン酸化膜１２２がエッチングストップ層となる。次いで、個別供給路１０８底のエッチングストップ層であるシリコン酸化膜１２２を、バッファードフッ酸「１１０Ｕ」（ダイキン工業社製、商品名）によりウェットエッチングし、除去した。続いて、表面保護層１２９を除去した後、最後に流路型構造１２６を除去して、図１８（ｇ）に示す構造を得た。その後は、チップ毎に分割し、液体吐出ヘッドが完成する。

１ シリコン基板（ウエハ）
２ エッチングマスク
２１ 第一のマスク
２２ 第二のマスク
２２ａ 第二のマスク（１回目エッチング）
２２ｂ 第二のマスク（２回目エッチング）
２２ｃ 下層マスク
２２ｄ 上層マスク
２３ａ、２３ｂ、２４ 凹パターン
６１、１１２ 第１パターン
６２、１１４ 第２パターン
６３、１１６ 第３パターン
７１〜７３、８１〜８３、１０３、１０４、１１１、１１３、１１５ マスク
１００ シリコンウエハ（ヘッド用基板）
１０１ 液体吐出エネルギー発生素子
１０２ 第一のマスク
１０５ 第二のマスク下層
１０６ 第二のマスク上層
１０７ 共通液室
１０８ 個別供給路
１０９ 液体流路壁
１１０ 吐出口
Ｒ１ 第１番目の領域
Ｒ２ 第２番目の領域
Ｒ３ 第３番目の領域
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ 同心円

Claims (10)

1. フッ素系のラジカルを用いたドライエッチングによってシリコンウエハの表面に複数の凹パターンを形成するシリコンウエハの加工方法であって、
   前記シリコンウエハを第１番目から第Ｎ番目の領域の順番に前記シリコンウエハの中心から外周へ向けて同心円状にＮ分割（但し、Ｎは２以上の自然数）し、第１番目の領域から第Ｎ番目の領域まで順次前記ドライエッチングを行うドライエッチング工程を有し、
   前記ドライエッチング工程において、第Ｋ番目（但し、Ｋは２以上Ｎ以下の自然数）の領域にエッチングを行う際には、第１番目から第Ｋ番目の領域にエッチングを行うことを特徴とするシリコンウエハの加工方法。
2. 前記第１番目の領域に対してエッチングを行う前に、前記シリコンウエハ上に、前記複数の凹パターンに対応した開口パターンを有する第一のマスクと、第２番目以降の領域の前記第一のマスクの開口パターンを閉塞する第二のマスクを形成する工程を備え、第Ｋ−１回目のエッチング後に、前記第Ｋ番目の領域の前記第二のマスクが除去され、前記第Ｋ番目の領域の前記第一のマスクの開口パターンが露出される請求項１に記載のシリコンウエハの加工方法。
3. 前記第一のマスクが、前記フッ素系のラジカルによるエッチングに対して前記シリコンウエハよりも耐性の高いシリコン系の化合物又は金属から選択される請求項２に記載のシリコンウエハの加工方法。
4. 前記第二のマスクが、前記第一のマスクに選んだ材料に対して選択除去が可能な材料から選択される請求項３に記載のシリコンウエハの加工方法。
5. 前記第二のマスクは、前記第Ｎ番目の領域から前記第２番目の領域に向かって、前記第一のマスクの各領域の開口パターンを閉塞する層が順次下層を上層で覆うように積層されて構成されており、エッチングの進行とともに第二のマスクの各層を上層から順次除去して、前記第Ｋ番目の領域のエッチングの際に前記第１番目から第Ｋ番目までの前記第一のマスクの開口パターンが露出されている請求項２乃至４のいずれか１項に記載のシリコンウエハの加工方法。
6. 前記第１番目の領域に対してエッチングを行う前に、前記シリコンウエハ上に、前記複数の凹パターンに対応した開口パターンを備えたマスクであって、前記開口パターンは第１番目の領域のシリコンウエハ表面が前記開口パターン底に露出しており第２番目以降の領域のシリコンウエハ上に残膜を有するマスクを用いて、前記第Ｋ−１回目のエッチングを行う工程において、前記開口パターンの残膜をエッチングして第Ｋ番目の領域に前記シリコンウエハ表面を露出させる請求項１に記載のシリコンウエハの加工方法。
7. 前記フッ素系のラジカルを用いたドライエッチングは、（１）フッ素系のラジカルによるシリコンへのパターンの形成と、（２）前記パターンの内壁へのフルオロカーボン系のパッシベーション層の形成と、（３）イオンによる前記パターンの底部のパッシベーション層の除去と、を繰り返す方法を含む請求項１乃至６のいずれか１項に記載のシリコンウエハの加工方法。
8. 前記（１）及び（３）の処理ガスがＳＦ_６を含み、前記（２）の処理ガスがＣ_４Ｆ_８を含む請求項７に記載のシリコンウエハの加工方法。
9. ウエハ面内でのパターン開口率が１０％以上である請求項１乃至８のいずれか１項に記載のシリコンウエハの加工方法。
10. シリコン基板を貫通する液体供給路を備えた液体吐出ヘッドの製造方法であって、前記液体供給路を、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のシリコンウエハの加工方法で形成することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。

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