JPH071737A - 大型および小型の構造体を製作するための低温、片面、複数ステップによるエッチング工程 - Google Patents
大型および小型の構造体を製作するための低温、片面、複数ステップによるエッチング工程Info
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- JPH071737A JPH071737A JP3127290A JP12729091A JPH071737A JP H071737 A JPH071737 A JP H071737A JP 3127290 A JP3127290 A JP 3127290A JP 12729091 A JP12729091 A JP 12729091A JP H071737 A JPH071737 A JP H071737A
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Abstract
の表面に微細構造体を形成する工程を改良する。 【構成】 サーマル・インク・ジェット・プリンタ用チ
ャンネル板のようなウェーハから作る部品を製作する工
程には、第1および第2マスク層に最終エッチング剤の
パターンを形成するステップが含まれる。この第2マス
ク層は保護層であり、後続の第3マスク層を除去する場
合に第1層も除去されるのを防止する。この第2マスク
層は低い温度条件で設けられた酸化物である。第1およ
び第2マスク層によって形成した最終エッチング剤パタ
ーン上に第3マスク層を形成する。この第3マスク層を
パターン化し、最終エッチング剤パターン内に含まれる
大型構造体の前駆構造体を形成する。この後、第3マス
ク層を除去し、このウェーハを最終的にエッチングし構
造体を形成する。
Description
3次元構造体を製作するための低温、片面、複数ステッ
プによる配向依存性エッチング工程に関し、さらに詳し
くは、インク・ジェット印刷ヘッドの大量生産に本工程
を使用することに関する。
い凹部と関連する大きい凹部、すなわち穴を作ることが
しばしば望ましく、これは相互に接続する場合もある
し、または接続しなくい場合もある。例えば、インク・
ジェット印刷ヘッドは、シリコン・チャンネル板と加熱
板で作ることができる。各チャンネル板は、比較的大き
いインクのマニホールド/貯槽用凹部すなわち開口部と
1組の平行で浅く長いチャンネル凹部を有し、このチャ
ンネル凹部は一端が貯蔵に接続され、他端は開放されて
いる。加熱板と整合されボンディングされた場合、チャ
ンネル板内の凹部はインク貯槽とインク・チャンネルと
なり、これはホーキンス(Hawkins )他に対する米国特
許第4,601,777号により詳細に説明され、この
開示は参考としてここに含まれる。
すなわち深い貯槽と小さいすなわち浅いチャンネルを形
成することがしばしば望ましく、前者は厚さ10ないし
30ミルの<1−0−0>ウェーハをしばしば完全にエ
ッチングして形成し、後者は深さが1ないし5ミルであ
る。この種のチャンネル板を形成する1つの方法は、1
つのステップによる方法であり、この場合、貯槽および
チャンネルを1つのプラズマ窒化シリコン・マスク層内
にパターン化する。この方法の欠点は、これらのチャン
ネルが、これより大きい貯槽と同じ長さの時間エッチン
グされ、このエッチングによって穴が塞がれることであ
る。このことによって、寸法制御が低下するが、何故な
らば、このチャンネルがウェーハ結晶内の欠陥を取り込
む確率が増加するからである。また、エッチング時間が
長いと、もしこのパターンがウェーハの<1−1−0>
面と正確に整合しないなら、チャンネル幅が成長する、
すなわち、増加する可能性がある。この1つのステップ
による工程の他の重大な欠点は、このウェーハを<1−
0−0>軸を外してスライスする場合に生じるチャンネ
ル間の幅の変動に対する潜在的可能性である。もしこの
ウェーハの面に軸を外れた状態が存在するなら、長時間
のエッチングによって、一端が他端より広いチャンネル
すなわち中心線に対して非対称なチャンネルを形成する
可能性がある。
服する1つの方法には、チャンネルと貯槽とを別々のエ
ッチング・ステップで形成し、次に続いて種々の方法、
すなわち等方性エッチングのような方法でこれらを結合
すること、この貯槽とチャンネルとの間のシリコン材料
を機械仕上げすること、または加熱板上の厚い膜層を使
用してパターン化しエッチングを行ってインク流のバイ
パスを形成することが含まれる。一般的に、この種の構
造体は、最初にエッチングによって複数の貯槽を<1−
0−0>シリコン・ウェーハ内に形成し、次に第2リソ
グラフィ・ステップでこれらのチャンネルをこの貯槽の
端部と正確に整合し、これに続いて複数の関連するチャ
ンネルの深さにエッチングするのに十分なエッチング用
マスクの描画および短時間の第2配向依存性エッチング
(ODE)ステップを行う。この種の工程の利点は、チ
ャンネルの寸法を決めるための制御が強化されることで
あるが、その理由は、チャンネルを形成するマスクは下
が約十分の一削られ、これはチャンネルと貯槽を同時に
描画した場合の状況と同程度だからである。このような
2つのステップによる工程の問題は、ODEでエッチン
グしたウェーハに第2リソグラフィ・ステップを行うこ
とが困難であることであり、その理由は、大きな段差お
よび(または)エッチングされたスルー・ホールが第1
エッチング・ステップから生じるからである。結果とし
て生じるレジスト・マスクは不均一であり、これによっ
て、インク・ジェット・チャンネルのような微細構造体
に不均一を生じる。
内に貯槽とチャンネルを形成するための2つのステップ
による工程が他にもある。この工程は、ホーキンスに対
する米国特許第4,863,560号に開示され、この
開示はここに参考として含まれる。この工程では、この
ウェーハが比較的長時間のエッチング工程を受けるの
で、貯槽と全ての必要なスルーホールは、粗い窒化シリ
コン・マスクによって形成される。次に、この窒化物マ
スクを剥がして以前にパターン化した恒温酸化シリコン
用マスク層を露出し、このマスク層は後続の短時間のチ
ャンネル・エッチング・ステップで使用する。このチャ
ンネルは非常に短時間のエッチング持続ステップによっ
て形成されるので、この工程は、前述の1つのステップ
による工程と関連するチャンネル幅の変動の問題を防止
する。エッチング時間が短いことによって、マスクの整
合不良に起因する回転の問題すなわちテーパを生じる問
題が発生しにくいことが保証される。しかし、チャンネ
ル・エッチング用の酸化物マスク層は高温の熱的酸化工
程で形成され、これは通常は約1100℃の温度で実行
され、これによって、ウェーハ内に高濃度の酸素凝結欠
陥を生じ、また結晶格子の破壊を生じる可能性がある。
この種の欠陥は特にチャンネルの寸法制御の低下を招
き、使用不能なチャンネル板を生じる可能性がある。ま
た、酸化物層は、幾つかの異方性エッチング中に重大な
浸食を受け、例えば、水酸化カリウムの浸食を受ける。
ODEによる分離用のマスク材料として、低温酸化物を
使用することがビーン(Bean)等に対する米国特許第
4,063,271号に開示されているが、この種の材
料を使用してシリコン・ウェーハ内に大型および小型の
構造体を形成することが開示されていない。通常は高温
酸化物層と組み合わせて低温酸化物層を使用し、半導体
の素子を金属導体片から絶縁することをが米国特許第
4,507,853号に開示されている。しかし、この
特許はこのような技術によって大型で微細な構造体をシ
リコン・ウェーハ内に形成することは開示していない。
シリコン層を堆積し、続いて低温酸化物層を堆積するこ
とによって製作するシリコン半導体のゲートを示す。こ
れらの酸化物層と窒化物層をエッチングして開口部を形
成する。次に、酸化物層を部分的に取り除いて窒化物層
を露出させ、続いてこれを取り除く。しかし、シリコン
・ウェーハ内に微細で大型の構造物を形成することは開
示されていない。
酸化物を堆積させ、エピタキシャル・アイランド間を浅
い溝すなわち堀を埋めることを開示している。これらの
溝は薄い、熱的に成長させた絶縁酸化物層と一列に並
ぶ。しかし、この特許は低温酸化物を使用して微細で大
型の構造物を形成することは開示していない。
程によってシリコン・ウェーハの表面に微細構造体を形
成する工程を改良することである。本発明の他の目的
は、エッチングによってシリコン・ウェーハ上に大型の
構造体と微細な構造体の両方を作ることである。
ット・チャンネル板内に形成したチャンネルの均一性を
改良し、高温マスク形成で生じる潜在的欠陥を防止する
ことである。これらおよび他の目的は、片面、2ステッ
プの工程を使用することによって達成され、上述の欠点
は克服されるが、ここで、以前このウェーハ上に堆積し
た第1微細マスク層および第2保護マスク層の各層か
ら、微細構造体(単数または複数)と大型構造体(単数
または複数)を内蔵する第1パターンを取り除く。次に
粗いマスク層を堆積させ、第1パターンの境界内の第2
パターンをそこから取り除く。これらの第1、第2およ
び第3マスク層は、酸素凝結物をウェーハ内に形成する
温度範囲より低い温度で形成する。このウェーハは、第
2パターンによってエッチングを行い、大型構造体に対
する前駆体を形成する。この粗いマスク層、およびオプ
ションとしての保護マスク層を最終エッチングに先立っ
て剥離し、この間に微細構造体をウェーハ内に形成し、
大型構造体を完全にエッチングする。この保護マスク層
は、最終エッチング・ステップに先立って第3マスク層
を取り除く場合に第1マスク層が取り除かれるのを防止
する。
るが、ここで同一の部品は同一の参照番号を示す。図1
は、本発明の教示を使用するインク・ジェット・プリン
タ用チャンネル板を製作する工程のステップを理想的な
状態で表す。図1は、例えば、シリコンで作った平坦な
ウェーハの部分10を示す。以下でより詳細に説明する
ように、このシリコン・ウェーハには、第1および第2
マスク層が形成され、これらの層は周知の工程で処理さ
れて描画を行うと共に、そこから幾つかの部分を除去し
て第1マスク・パターン12を形成し、この第1パター
ン12は貯槽部14と複数のチャンネル16を有する。
これらの部分14と16は、最終的に希望する形で構造
体のマスク・パターンすなわちエッチング・パターンを
ウェーハ内に形成することができる。このパターンは、
ここで以下に説明する目的のため、貯槽とチャンネルと
の間のアイランド28による分離帯を有することが好ま
しい。この第1パターンは、第2パターンを有する第3
マスク層によって覆われるので、仮想図で示される。こ
の第2パターンは、以下に説明するように第3マスク層
内に形成される。第2パターン18は、第1マスク・パ
ターン12の境界内に含まれる。第2マスク・パターン
18を形成した後、このウェーハはODEのようなエッ
チング工程で処理され前駆構造体20を形成する。図1
は、このウェーハを比較的長時間のエッチング工程で処
理した後に形成されたこの種の前駆構造体を示す。この
前駆構造体は、このウェーハ内に形成されるまたはこの
ウェーハを介して形成される大型の構造体、すなわち比
較的深い構造体と一致する。図示の実施例では、この構
造体の大部分は、貯槽部14であり、これはこのウェー
ハを介して十分延び、このウェーハ内にスルーホール2
2を形成することが有利である。
貯槽部14のような大型構造体とチャンネル16のよう
な微細構造体を示し、これによって第1パターン12内
の構造体の形成が完了する。図1および図2は、ウェー
ハ部10内の構造体の形成過程の状態および完了した状
態を理想的に示す。市販の製作のための構成では、この
貯槽は、ウェーハ部10を横切る方向に伸び、多くのチ
ャンネル16を含む。さらに、位置決め穴のような補助
構造体をまたこのウェーハ部10に形成する。米国特許
番号第4,601,777号を参照のこと。2ステップ
のエッチング工程を使用した場合、第2エッチング・ス
テップの結果として、この貯槽内に段差すなわち***部
21が形成されるのが普通である。
ク層30を設けた実質的に平坦なウェーハ部10から形
成する。のマスク層30用の好適な材料は、加熱堆積し
た窒化シリコンである。この種の層を形成する方法は当
業者に周知であり、さらにこれを説明する必要はない。
米国特許番号第4,601,777号に開示された例え
ば化学気相成長(CVD)のような窒化シリコン層を堆
積するための他の低温法を使用することもできる。加熱
堆積およびCVDは、約800℃の温度で実施する。こ
の温度は、かなりの量の酸素がこのウェーハ内に溶解し
て冷却時に再分布と集塊を生じる1000℃ないし11
00℃の範囲よりも低い。したがって、このステップで
は、このウェーハで酸素凝結物の濃度を高める可能性が
低い。
窒化シリコン層をマスクする層30上に形成する。層3
2用の好適な材料は、化学気相成長技術によって堆積さ
せた低温酸化シリコンである。この種の材料は、技術上
周知であり、LOTOXという名前で一般に市販されて
いる。層32は、低温酸化物の堆積またはプラズマによ
って強化した化学気相成長のいずれかによって形成され
る。これらの工程は約400ないし500℃の温度範囲
で実行され、したがって、この温度範囲はウェーハ内で
いずれかのかなりの酸素の再分布が行われる温度よりも
低い。マスク層32によって、以下で説明するように、
保護層が第1マスク層30上に形成されれる。
り、その結果窒化シリコン層30′と低温酸化物層3
2′をウェーハの底部に形成する。これらの層は、対応
するマスク層がウェーハの上面から取り除かれるので、
除去される。層32を設けた後、光造影層(photo-imag
able)(図示せず)を層32上に設け、フォトリソグラ
フィのような周知の技術によってパターン化してマスク
を作り、このマスクは貯槽14とチャンネル16の完成
した形態(図1)を形成するパターンを有する。第2マ
スク層32を、緩衝剤で処理した酸化物エッチング剤の
ような適当な湿式エッチング剤によってエッチングす
る。この第2マスク層をエッチングした後、第1マスク
層32を、例えばプラズマ・エッチングによってエッチ
ングする。または、この第2マスク層と第1マスク層
は、適当な混合気体を使用して連続してプラズマ・エッ
チングを行い、エッチング層を取り除く。図4に示すよ
うに、両方のエッチング・ステップが完了した後、貯槽
14およびチャンネル16用の完全なパターン開口部1
2がマスク層30と32内に存在する。このマスク層3
0と32のエッチングが完了した後、光造影材料を取り
除く。
のステップでは、第3マスク層38、好ましくはプラズ
マ堆積による窒化シリコンを、第1と第2マスク層の残
りの部分を上および開口部12によって形成したウェー
ハの露出面の上に形成する。層38′をウェーハの底部
にまた形成する。第2造影層(図示せず)をこの第3マ
スク層上に設け、再びフォトリソグラフのような周知の
技術でパターン化して第2パターン18を形成し、この
第2パターンを貯槽14の領域内に位置させる。図6を
参照して、この第2パターンによって開口部18がマス
ク内に設けられ、この開口部18は貯槽14の横方向の
仕上り寸法より小さい。第3マスク層をプラズマ・エッ
チング工程で処理した場合、開口部すなわちバイア18
を有する第2マスク・パターンがこのマスク層38内に
形成される。
クラッチ層をこのLOTOX層上および第3マスク層上
に設け、後続の工程中にマスクまたはウェーハ内のスク
ラッチを防止することができる。スクラッチがあると、
制御不能な方法でエッチング剤による浸蝕が発生する可
能性がある。光造影層を第2と第3マスク層に設ける前
に、多結晶シリコン層が設けられ、湿式エッチングまた
はプラズマ・エッチングによってこれをパターン化する
ことができ、これに続いて第2層と第3層がパターン化
される。多結晶シリコンは、KOH、イソプロピルアル
コール、および水溶液のようなODEエッチング剤を使
用することによって除去することができる。この種の耐
スクラッチ層を第2マスク層に設けた場合、これは第3
マスク層を設ける前に除去する。
第1異方性エッチング・ステップによって処理され、ウ
ェーハの面内に貯槽前駆構造体、すなわち空洞20を形
成する。この種のエッチング工程は、技術上周知であ
り、米国特許第4,601,777号に開示されてい
る。したがって、この種の工程をさらに説明する必要は
ない。第1ウェーハ・エッチング・ステップは、完成し
た貯槽14の重要な部分を形成するため、例えば4時間
の比較的長時間のエッチングである。
グ・ステップが終了した後、第3マスク層38をプラズ
マ・エッチングまたは湿式エッチングのような適当な方
法でリン酸中で除去する。第3マスク層38を除去する
場合、第1と第2マスク層30、32がウェーハ上に残
る。低温酸化物32によって、第1マスク層が除去され
るのを防止し、この低温酸化物32は、基本的に、第3
マスク層38とまた窒化シリコンを除去する期間窒化シ
リコンの第1マスク層30を保護してきた。
去することも、またこれを所定の場所に残すこともでき
る。次に、このウェーハを第2異方性エッチングによっ
て処理するが、これは残されたマスク層30、32(ま
たは30単独で)を介する工程であり、これらの層は、
思い起こせるように、貯槽部14とチャンネル16の完
成したパターン内に存在する。第2エッチング工程の終
了時、この貯槽14とチャンネル16は完全に形成さ
れ、ランド28によってこのチャンネルは貯槽から分離
される。この第2エッチング剤にさらすステップは、チ
ャンネル16を形成するのに十分であれば、比較的短時
間のステップにすることができる。したがって、このチ
ャンネル16は、前述したように、チャンネルの均一性
に悪影響を及ぼす比較的長時間のエッチング工程によっ
て処理されることがない。または、この第2エッチング
・ステップは等方性エッチングでもよい。
このマクス層30とマスク層32(もし前に除去されて
いなければ)を除去する。ウェーハ部10は、ここで完
全に形成された貯槽14を有し、この貯槽14は貫通開
口部22とチャンネル16を有する。***部すなわちラ
ンド28が、貯槽14とチャンネル16との間のウェー
ハ内に形成されている。このアイランドをチャンネル板
上の所定の位置に保持し、以下で説明するように、関連
する加熱板内に形成したバイパスによって貯槽からチャ
ンネルへのインクの経路を設けるこことが好ましい。配
向異存性エッチング工程によって外角の形成が不十分で
あり、その結果チャンネルの長さに変動が生じるで、ア
イランド28を形成することが望ましい。もし希望があ
れば、溝(図示せず)を***部を介して機械加工し、チ
ャンネル16と貯槽部14との間を連絡する。この種の
溝を形成するのに適した機械加工技術は周知である。ま
たは、マスク・パターン12によって、第2ウェーハ・
エッチング・ステップでチャンネルと貯槽との間に連絡
を設けることができる。前述の説明は1つのチャンネル
・ダイに関するものであるが、1つのシリコン・ウェー
ハから複数のチャンネル・ダイを同時にこの工程で形成
できることも理解するべきである。
サーマル・インク・ジェット印刷ヘッドを形成した場合
の断面図を示す。チャンネル凹部16をエッチングし、
貯槽14は最終形状に拡大されている。加熱板34は、
米国特許第4,601,777号に開示するように周知
の技術によって、チャンネル板ウェーハ10上に整合さ
れてボンディングされる。加熱板34は、ポリイミド層
35を有する。加熱素子部品36をこのポリイミド層内
に形成したバブル・チャンバ37内に配設する。加熱素
子36は各々のチャンネル16と関連し、各加熱素子ヒ
ータは米国特許第4,601,777号に開示するよう
な電極構成によって独立してアドレス可能である。さら
に、加熱板34のポリイミド層35はインク用のバイパ
ス38を有し、これによって貯槽からアイランド28上
のチャンネルにインクを流す。各チャンネル16のの端
部にノズルを形成するため、結合されたチャンネル板1
0と加熱板34を、樹脂性のカッテイング刃を使用する
ダイシングによって線42に沿って切断することが望ま
しい。この方法でサブユニットが作られ、このサブユニ
ットは完全に形成された貯槽14と複数の整合されたチ
ャンネル16を有し、各チャンネルは一端にノズルを有
し、他端でインク貯槽14と連通している。このサブユ
ニットは、貯槽14にインクを供給する手段に登録する
ためのスルーホール22を有する。
プによるODE工程の技術を使用した3次元シリコン構
造体のバッチによる製作に関する。これらのマスクは、
片面に形成され、粗いマスクを最後に、許容誤差が最も
厳しいマスク、すなわち最も微細なマスクを最初に形成
する。粗いエッチングを最初に実行し、微細なエッチン
グを最後に実行する。保護マスク層を使用し、後続の粗
いマスクを除去する場合に最初に設けたマスクが一緒に
除去されないように保護する。粗い異方性エッチングが
終了した後、この粗いマスクを取り除き、第2異方性エ
ッチングを行うのが好ましい。最初に高速だが制御の困
難なエッチングを行い次に低速のより制御が容易なエッ
チングを行うことによって、深い凹部すなわち大きいス
ルーホールと浅くて許容誤差が厳しい凹部の両方を有す
る構造体を製作することができる。これらのマスクはウ
ェーハ内に実質的に酸素が再分布する温度範囲より低温
で形成されるので、酸素凝結物が形成される結果として
欠陥が作られる可能性を実質的に除去する。2つの連続
したマスク・エッチング工程に2層の窒化シリコン層を
使用することによって、KOHエッチング工程で二酸化
シリコン・マスク層を使用することに関するマスク層の
浸食の問題を防止する。
ト・プリンタのチャンネル板としての好適な実施例を示
すが、他の変形および他の3次元シリコン構造体も可能
である。この種の変化および他の構造体は、全て添付の
特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲に包含
されることを意図するものである。
チャンネル板の部分平面図である。
チャンネル板の部分平面図である。
層を設けたウェーハの部分断面図である。
構造体と大型構造体を有する第1パターンを形成する場
合を示す工程の後続ステップの部分断面図である。
他のステップの部分断面図である。
構造体の前駆構造体を形成する工程の他のステップの部
分断面図である。
チング・ステップで処理した後のウェーハの部分断面図
である。
断面図である。
るインク・ジェット印刷ヘッドのサブユニット・アセン
ブリの側部断面図である。
Claims (1)
- 【請求項1】 エッチングによって形成した微細かつ大
型の構造体をその中に有するシリコン部材を製作する方
法において、 第1層のマスク材料を部材の表面に設けるステップと、 第1層のマスク材料と異なる第2層の保護マスク材料を
第1マスク層上に設けるステップと、 微細構造体および大型構造体を有する上記の保護マスク
層上に第1パターンを形成し、上記の部材上に所望の完
成した構造体を形成するステップと、 第1パターン内の第1層および保護層の一部を除去し、
第1マスク形成ステップで上記の第1パターン内の部材
表面の一部を露出させるステップと、 第3層のマスク材料を第1および第2層のマスク材料上
および上記の第1マスク除去ステップで露出された部材
表面の部分上に設けるステップと、 第3層のマスク材料上に第2パターンを形成し、第1パ
ターンの境界内に形成した第2パターンを形成するステ
ップと、 上記の第2パターン内の第3層のマスク材料を除去し、
第2マスク形成ステップで上記の表面の一部を露出させ
るステップと、 部材の表面を第2パターンを介して上記の部材表面用エ
ッチング剤に対してさらし、第1エッチング・ステップ
で部材表面上に前駆構造体を形成するステップと、 第3層のマスク材料を除去するステップと、 上記の前駆構造体を有する上記の部材の表面を部材表面
用エッチング剤にさらし、第2エッチング・ステップで
第1パターンを介して構造体を形成するステップと、 を有することを特徴とする方法。
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