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JPH0529638B2 - - Google Patents
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JPH0529638B2 - - Google Patents

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JPH0529638B2
JPH0529638B2 JP1207767A JP20776789A JPH0529638B2 JP H0529638 B2 JPH0529638 B2 JP H0529638B2 JP 1207767 A JP1207767 A JP 1207767A JP 20776789 A JP20776789 A JP 20776789A JP H0529638 B2 JPH0529638 B2 JP H0529638B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、シリコンウエーハから３次元構造を
製造するための片面複数工程方向依存性エツチン
グ処理、より詳細には、このようなエツチング処
理を用いてインクジエツト印字ヘツドをバツチ生
産する方法に関するものである。
従来の技術 シリコンにおける方向依存性エツチングの重要
な物理的制約は、｛111｝結晶面のエツチングが非
常に遅いのに対し、他のすべての結晶面のエツチ
ングが速いことである。このために、（100）シリ
コン材料すなわちウエーハに高い精度で形成する
ことができるのは、長方形と正方形だけである。
たとえ長方形や正方形であつても、エツチングし
た凹部又は孔の寸法的精度を得るために、長方形
又は正方形の輪郭を定めるマスクの縁を、｛111｝
結晶面と｛100｝結晶面の交差線にぴつたり合わ
せる必要がある。半導体産業においては、比較的
浅い凹部と一緒に大きな凹部又は開孔（両者は互
いに通じていることもあるし、通じていないこと
もある。）を形成することが望ましい場合が多い。
例えば、インクジエツト印字ヘツドはシリコンチ
ヤンネル板と発熱体板で作ることができるが、各
チヤンネル板には、比較的大きなインクマニホル
ド／リザーバ凹部又は貫通孔と、一端がリザーバ
に通じ、他端が開いている１組の細長い平行な浅
いチヤンネル凹部が設けられる。以下検討する
Hawkins等の再発行米国特許第Re.32572号に詳
しく記載されているように、チヤンネル板を発熱
体板に合わせて接着すると、チヤンネル板の深い
凹部がインクリザーバになり、浅い凹部がインク
チヤンネルになる。
このような印字ヘツドにおいて、同じシリコン
基板に、厚さ15〜20ミルのウエーハを貫通させて
エツチングした大きなリザーバと、深さ１〜２ミ
ルの垂直方向に通じた小さいチヤンネルを設ける
ことが望ましい場合が多い。このような構造を製
造する際の主な困難は、チヤンネルとリザーバを
別々にエツチングした後、いろいろな方法、例え
ばリザーバとチヤンネル間のシリコン材料を等方
性エツチング又はダイシングで除去するか、ある
いは発熱体板上の厚膜層を使用してパターニング
し、エツチングしてインク通路を作るかして、両
者を連通させなければならないことである。一般
に、このような構造は、最初に、（100）シリコン
ウエーハに複数のチヤンネルをエツチングし、次
に、第２のリソグラフイ処理によりチヤンネルを
リザーバの縁に正確に合せてエツチングマスクを
作り、次に第２の短時間の方向依存性エツチング
処理により複数組のチヤンネルの深さまでウエー
ハをエツチングして作られる。この方法の利点
は、チヤンネルの輪郭を定めるマスクのアンダー
カツトが、チヤンネルとリザーバを同時にパター
ニングした場合の約1/10でなるので、チヤンネル
寸法を非常に精密に制御できることである。この
理由は｛111｝結晶面のエツチング速度が制限さ
れることと、上記２つのケースについてチヤンネ
ルのエツチング時間に約10倍の差があるためであ
る。実際には、短時間に20ミルのシリコンを腐食
貫通させるために、腐食を最適化して高速エツチ
ングし、また腐食の異方性の作用も受ける。もし
浅いエツチングを単独工程で行つたならば、所望
する正確さに応じて、異方性は、１：100から
１：400以上に増すことであろう。このような２
工程プロセスに付随する問題点は、大きな段差や
（又は）エツチングした貫通孔のせいで、方向依
存性エツチングを施したウエーハに第２のリソグ
ラフイー処理を行うことが困難か又は不可能なこ
とである。レジストマスクは極めて不均一であ
り、また多くの理由により露出させることができ
ない。
前記米国特許第Re.32572号は、サーマルイン
クジエツト印字ヘツドとその製造方法を開示して
いる。この製造方法は、１個のシリコンウエーハ
又は他の基板の上に複数組の発熱体とそれらを個
別にアドレツシングする電極を形成し、別のシリ
コンウエーハにインクチヤンネルの役目をする複
数組の対応する溝と１個の共通リザーバをエツチ
ングし、次に、各インクチヤンネルがそれぞれ１
個の発熱体を有するように、２個のウエーハを互
いにぴつたり合わせて接着し、次にチヤンネルウ
エーハの不要なシリコン材料をフライス削り加工
で除去して発熱体ウエーハ上のアドレツシング電
極の端子を露出させた後、発熱体ウエーハをダイ
シング加工により個々の印字ヘツドに切り離し
て、複数個の印字ヘツドを同時に製造することが
できる。
発明が解決しようとする課題 本発明の主目的は、その後の方向依存性エツチ
ングごとに中間リソグラフイ工程を追加して、エ
ツチングマスクをパターニングする必要がなく、
シリコンウエーハの片面に２以上の方向依存性エ
ツチング工程を連続して施すことができるように
することである。
本発明の第２の目的は、最初のエツチング工程
の前にすべてのリソグラフイを実施した後、
（100）シリコンウエーハに方向依存性エツチング
を２回連続して施すことにより、精度の低い大き
な凹部と精度の高い小さい凹部を含む三次元構造
を製作する方法を提供することである。
課題を解決するための手段 本発明の実施例では、ウエーハの同じ面に、ウ
エーハを貫通する深いエツチングと、関連する浅
いエツチングを順次実施する。サーマルインクジ
エツト印字ヘツドのチヤンネル板を方向依存性エ
ツチングで製作するには、通常、深いエツチング
と浅いエツチングが必要である。チヤンネル板の
実施においては、（100）シリコンウエーハの上
に、厚さ5000Åの熱酸化物SiO2を成長させる。
次にリソグラフイ処理により、チヤンネル列、そ
れらに通じたリザーバ、及び整合マークを片面に
パターニングする。次にウエーハを洗浄し、頑丈
さを保証する十分な厚さのシリコン窒化物Si3N4
層を蒸着する。次にシリコン窒化物の縁と、熱酸
化物層のリソグラフイ処理で露出したシリコンと
が完全に接するように、第２のリソグラフイ処理
によつて、シリコン窒化物にリザーバ開孔のみを
パターニングする。続いてウエーハが貫通するま
でウエーハを方向依存性エツチングして、リザー
バと、インク入口として使用できる開いた底部を
形成する。次に、幾つかある周知の方法のどれか
を用いてシリコン窒化物を選択的に剥離した後、
チヤンネルを形成するのに必要な深さまでウエー
ハを再び方向依存性エツチングをする。熱酸化物
層は、残しておいてもよいし、ウエツトエツチン
グにより選択して除去してもよい。
シリコンウエーハに整合孔や他の深いエツチン
グ孔が所望の場合も、同じプロセスを使用するこ
とができよう。例えば、SiO2／Si3N4の二重層を
使用し、整合孔上のSiO2のみを除去し、約２ミ
ルだけ方向依存性エツチングを施し、SiO2層の
残りを除去し、その後、残部を方向依存性エツチ
ングしてウエーハを貫通させる。
代替実施例においては、上記の片面複数工程方
向依存性エツチング処理より台形凹部が生じるよ
うに、シリコンウエーハの表面は、（110）結晶面
方向に正確な度数ずれた（100）結晶面に対し意
図的に向きを違えてある。
以上及びその他の本発明の特徴は、添付図面を
参照して以下の説明を読まれれば、明らかになる
であろう。諸図面を通じて、同じ部品は同じ参照
番号で表示してある。
実施例 先行特許から、インクチヤンネル板を発熱体板
に合わせ接着することによつて、サーマルインク
ジエツト印字ヘツドを製造する方法は知られてい
る。第１図は、典型的な従来のシリコンチヤンネ
ル板１０を、製作途中の状態で示した拡大平面図
である。複数の平行な細長い浅い凹部１２と、１
個の比較的大きな深い凹部１４は、異方性エツチ
ングすなわち方向依存性エツチンクで形成された
ものである。大きな凹部１４は、エツチングによ
りチヤンネル板を貫通させることも選択できるで
あろう。図示した形態では、凹部１４に対するイ
ンク入口はまだ設けられていない。インク入口
は、周知の手段のどれか、たとえば前に引用した
米国特許に開示されているエツチング技術を用い
て形成することができる。浅い凹部１２と深い凹
部１４は、それぞれ、シリコンチヤンネル板の
｛111｝面に沿つた壁１３，１５を有する。
第２図は、第１図の線２−２に沿つた製作途中
のチヤンネル板の断面図である。点線でチヤンネ
ル板に合わせた発熱体板１６を示してある。浅い
凹部１２と深い凹部１４を連絡するため、前記米
国特許に記載されているように、両者の間のシリ
コン材料１７をダイシング加工又は等方性エツチ
ングにより除去することができる。点線は、典型
的なエツチングによるインク入口１１を示す。こ
れにより、従来の印字ヘツドは容易に見分けられ
る。最後に、点線で示した発熱体１８から所定の
距離に引いた点線２０に沿つてさいの目に切断す
れば、従来の印字ヘツドの製作は完了する。
第３図は、順次形成された２コのマスク開孔２
３，２４を有する本発明のシリコンウエーハの表
面２２の部分平面図である。浅い凹部と深い凹部
を有するシリコンウエーハの精密な３次元構造
は、方向依存性エツチング処理を順次施して形成
することができる。これは、シリコンウエーハの
片面に順次に蒸着し、パターニングした２以上の
マスクを使用することによつて可能である。上方
のマスク開孔は、深い異方性エツチング用であ
る。最初のエツチングの後、外側のマスクを剥離
し、次の異方性エツチング工程を行う。逐次エツ
チングは、最初に最も深い又は最も精度の低いエ
ツチングを行い、最も精度の低いエツチング凹部
から最も精度の高いエツチング凹部へ順次進める
やり方で実施する。各エツチング後、そのエツチ
ングマスクを剥離して、次のマスクを露出させ、
続いて別の異方性エツチングを行う。従つてエツ
チング工程の中間に、リソグラフイ法でパターニ
ングしてマスク開孔を生成させる必要はない。低
い精度のマスクによつて、厳しい交差の精密な凹
部が良好に保存され、保護される。
以下説明する好ましい実施例は、サーマルイン
クジエツト印字ヘツドの構成部品すなわちチヤン
ネル板２１（第６図参照）に関するものである。
しかし、本発明の応用は非常に広く、突き合わせ
て組み立てページ幅印字ヘツド又は読取りスキヤ
ナアレーを作るのに適した、寸法的に厳しいチヤ
ンネル板サブユニツトのような三次元シリコン構
造（図示せず）の製作にも利用できる。
第３図〜第５図は、両面に厚さ約5000Åの熱成
長酸化物SiO2層２６を有する（100）シリコンウ
エーハ１９の一部分を示す。点線で示したマスク
開孔２３は、熱酸化物層２６をリソグラフイ法で
パターニングして形成する。この開孔２３によ
り、インクチヤンネルと、それらに通じたリザー
バを形成することができる。開孔２３は、将来イ
ンクチヤンネルとなる３個の平行延長部２５のみ
を示すが、実際の印字ヘツドでは、そのような延
長部が１インチ当たり300〜600個存在する。図示
した延長部が少ないのはわかり易くするためであ
るが、同じ原理が実際の印字ヘツドに当てはまる
ことを理解されたい。続いて、パターニングした
SiO2層と露出したシリコンウエーハ表面２２の
上に、シリコン窒化物Si3N4層２８を蒸着する。
Si3N4層２８は、それ以後の処理工程において取
扱い中の損傷を防止する十分な頑丈さが得られる
程度の厚さを有する。次にSi3N4層２８をリソグ
ラフイ法でパターニングして開孔２４を形成す
る。開孔２４により、ウエーハ１９の裸のシリコ
ン表面２２が露出する。保護のためと、次の方向
依存性エツチング処理のときアンダーカツトを制
限するため、SiO2層の開孔２３の内側に、Si3N4
層（第５図参照）の縁２９が約１ミル残されてい
ることに留意されたい。ウエーハ１９を異方性エ
ツチングすると、開孔２４によつて露出した場所
が腐食され、リザーバ凹部３０が生じる。
第４図は、最初の異方性エツチング後の第３図
の線４−４に沿つた断面図で、リザーバ凹部３０
と延長部２５の長手方向に沿つた開孔２３を示
す。
第５図は、リザーバ凹部３０を形成する最初の
異方性エツチング後の第３図の線５−５に沿つた
断面図である。異方性エツチングで形成したリザ
ーバ凹部３０の壁３１はウエーハ１９の｛111｝
結晶面にある。Si3N4層の縁２９は、リザーバ凹
部３０の低い精度のエツチング中に、厳しい公差
のエツチングマスクすなわち開孔２３のアンダー
カツトを防止する。
第６図に示すように、Si3N4層２８を剥離し、
ウエーハ１９を洗浄した後、SiO2層２６をマス
クとして使用して再び異方性エツチング処理を行
つて、チヤンネル凹部３２を形成する。チヤンネ
ルのエツチングと同時に縁２９も腐食されて、リ
ザーバは若干拡大するが、その｛111｝結晶面壁
３１はそのままである。
第６図はチヤンネル凹部３２がエツチングさ
れ、そしてリザーバが拡大した後のウエーハ１９
を示す、第５図に類似した断面図である。第２図
の従来のチヤンネル板と比較し易いように、点線
で発熱体板１６を加えてある。チヤンネル凹部３
２は既にリザーバ凹部３０と通じていることに留
意されたい。第７図は、第２のエツチング処理後
の、第５図に類似した断面図である。
チヤンネル板ウエーハ１９と発熱体板ウエーハ
１６を合わせて接着し、切り分ける前に、第６図
と第７図に点線で示したように、SiO2層２６を
全部もしくはリザーバ凹部３０の底３４からだけ
SiO2層２６を除去して、リザーバにインクが流
入できるようにする。
本発明の主目的は、（100）シリコンウエーハに
２工程エツチング処理を施して、同じ基板の上
に、精密な寸法制御によつて長方形又は正方形の
小さい凹部と、ウエーハの厚さの大部分をエツチ
ングした、又は完全に貫通させた大きな凹部を形
成することである。本発明のもう１つの特徴は、
第９図に示すように、シリコンウエーハ３５に台
形凹部３６を形成できることである。もし第８図
に角度Θで示すように（110）面方向に正確な度
数ずれた（100）面に対しシリコンウエーハ３５
の表面３７を意図的に向きを違えれば、同じ２工
程エツチング処理によつて台形凹部３６を形成す
ることが可能である。第８図は、向きを意図的に
違えた場合のシリコンウエーハを示し、第９図は
エツチングの結果得られた形状を示す。
発明の効果 本発明は、片面複数工程方向依存性エツチング
処理法によつて３次元シリコン構造をバツチ生産
する方法に関するものである。すべてのマスク
は、エツチングの前に他のマスクの上に重ねて形
成し、最初に最も低い精度のマスクを使用し、最
後に最も公差の厳しい、すなわち最も高い精度の
マスクを使用する。低い精度の異方性エツチング
が終了した後、低い精度のマスクを除去して、高
い精度の異方性エツチングを施す。異方性を調整
して腐食速度を速く又は遅くできるので、大きな
深い凹部又は大きな貫通孔と、厳しい公差の浅い
凹部の両方を持つ構造を非常に迅速に製造するこ
とができ、またマスクのアンダーカツトを大幅に
減らすことができる。２工程以上のエツチングを
プロセスに追加することは、本概念を拡張したも
のであることは明らかである。
３次元シリコン構造の良い実例は、米国特許第
Re.35572号に記載されている形式のサーマルイ
ンクジエツト印字ヘツドのインクチヤンネル板で
ある。米国特許第Re.35572号によつて製造され
た印字ヘツドと本発明との相違は、チヤンネル板
が、上に述べた片面複数工程方向依存性エツチン
グ処理によつて製造されることである。
以上、好ましい実施例として、サーマルインク
ジエツト印字ヘツドのチヤンネル板について説明
したが、他の変更態様や他の３次元シリコン構造
も可能である。この分野の専門家が容易に思い浮
かべるようなすべての変更態様や他の構造は、特
許請求の範囲に記載した本発明の範囲に含まれる
ものとする。
【図面の簡単な説明】
第１図は、深いリザーバ凹部と関連する細長い
浅いチヤンネル凹部を示す、従来の方向依存性エ
ツチングによるチヤンネル板の拡大部分平面図、
第２図は、第１図の線２−２に沿つた断面図、第
３図は、下に位置するSiO2のマスクを点線で示
した、本発明のシリコンウエーハの部分略平面
図、第４図は、線４−４に沿つた第３図のウエー
ハの拡大断面図、第５図は、線５−５に沿つた第
３図のウエーハの拡大断面図、第６図は、発熱体
板を点線で追加して示した、第２のエツチング処
理後の、第４図に類似する拡大断面図、第７図
は、第２のエツチング処理後の、第５図に類似す
る拡大断面図、第８図は、（100）ウエーハの意図
的な向きの違いを示す、シリコンウエーハの斜視
図、第９図は、異方性エツチングしたとき、
（100）ウエーハの意図的な向きの違いによつて生
じた台形凹部を示す、シリコンウエーハの略平面
図である。 符号の説明、１０……従来のシリコンチヤンネ
ル板、１１……インク入口、１２……細長い浅い
凹部、１３……凹部１２の壁、１４……大きな深
い凹部、１５……凹部１４の壁、１６……発熱体
板、１７……凹部１２と凹部１４の中間のシリコ
ン材料、１８……発熱体、１９……ウエーハ、２
０……切断線、１２……チヤンネル板、２２……
シリコンウエーハの表面、２３，２４……腐食マ
スクの開孔、２５……将来インクチヤンネルにな
る平行な延長部、２６……SiO2層、２８……Si3
N4層、２９……縁、３０……リザーバ凹部、３
１……壁、３２……チヤンネル凹部、３４……
底、３５……シリコンウエーハ、３６……台形凹
部、３７……ウエーハ表面。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ （100）結晶面と（110）結晶面に対しウエー
    ハ表面が特定の向きにあるシリコンウエーハから
    ３次元構造を製造する方法であつて、 (a) ウエーハの両表面上に第１の耐エツチング材
    料層を形成すること、 (b) 後でウエーハの｛111｝結晶面に沿つている
    壁で取り囲まれた凹部を方向依存性エツチング
    するために、ウエーハの一方の表面上の前記第
    １の耐エツチング材料層をパターニングし、正
    確に位置する複数のエツチング用開孔を設ける
    こと、 (c) ウエーハの両表面及び前記開孔が設けられた
    前記第１の耐エツチング材料層の両方に、第２
    の耐エツチング材料層を蒸着すること、 (d) 方向依存性エツチングによつてウエーハに比
    較的深い凹部を形成するために、パターニング
    された前記第１の耐エツチング材料層と同じ側
    にある第２の耐エツチング材料層をパターニン
    グし、前記第１の耐エツチング材料層内の１開
    孔又は各開孔の境界線の内側に少なくとも１個
    のエツチング用開孔を設けること、 (e) ウエーハを異方性エツチング剤の中に置い
    て、前記第２の耐エツチング材料層の開孔を通
    じてウエーハに比較的深い低精度の凹部を形成
    すること、 (f) 前記第２の耐エツチング材料層を除去するこ
    と、及び (g) ウエーハの異方性エツチング剤の中に置い
    て、前記第１の耐エツチング材料層の開孔を通
    じてウエーハに比較的浅い高精度の凹部を形成
    すること、 の諸ステツプから成る製造方法。 ２ 前記ウエーハ表面が（100）面であることを
    特徴とする請求項１記載の方法。 ３ 前記ウエーハ表面が（110）面方向へ（100）
    面に対してある正確な角度を有している請求項１
    記載の方法。 ４ 前記低精度のパターニングされた耐エツチン
    グ材料層が形成されるステツプｅに先立ち１つ以
    上の付加的な耐エツチング材料層が付け加えら
    れ、且つパターニングされて多層逐次エツチング
    構造を形成する請求項１記載の方法。 ５ 第１の耐エツチング材料層が約5000Å厚を有
    する熱生長酸化物SiO2であり、第２の耐エツチ
    ング材料が前記ウエーハに対して所望の耐性を与
    える充分な厚さを有するシリコン窒化物層である
    請求項１記載の方法。 ６ 前記３次元構造が、複数のヒータプレートと
    組み合わされて多数のインクジエツトプリンタヘ
    ツドを作り出す複数のチヤンネルプレートであ
    り、前記シリコン窒化物内の前記開口が前記熱酸
    化物内の各開口内に位置しており、予じめ選定さ
    れた境界が前記シリコン窒化物内の開口の端部と
    前記熱酸化物内の開口の端部との間に存在する請
    求項５記載の方法。 ７ 分離工程を必要とすることなしに、関連する
    リザーバ凹部に直結するインクチヤンネル凹部の
    製造を可能とする所定数の平行な延長部分を、前
    記熱酸化物中の開口の各々が有する請求項６記載
    の方法。
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