(57)【要約】【課題】段差が形成された下地膜上に感光性材料を形成することなく、かつ写真製版工程数を増加させることなく、アルカリエッチング液を用いた結晶面異方性エッチングによりシリコン基板に深さの異なる溝を形成する。【解決手段】実質的に段差が形成されていないシリコン基板１上にエッチングマスク層３を形成し（ａ）、エッチングマスク層３上に感光性材料５を形成した後（ｂ）、透過度調整マスクを用いた露光によりエッチングマスク層３上に三次元構造をもつ感光性材料５を形成し（ｃ）、ドライエッチング技術により感光性材料５の三次元形状をエッチングマスク層７に転写し（ｄ）、アルカリエッチング液を用いた結晶面異方性エッチングにより、エッチングマスク層７をマスクにしてシリコン基板１に深さの異なる溝を形成する（（ｅ）及び（ｆ））。【選択図】図１
2005183419.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリエッチング液を用いた結晶面異方性エッチングによりシリコン基板に深さの異なる溝を形成するシリコン基板の加工方法において、以下の工程（Ａ）から（Ｄ）を含むことを特徴とするシリコン基板の加工方法。
（Ａ）実質的に段差が形成されていないシリコン基板上にエッチングマスク層を形成する工程、
（Ｂ）前記エッチングマスク層上に感光性材料を形成した後、透過度調整マスクを用いた露光により前記エッチングマスク層上に三次元構造をもつ感光性材料を形成する工程、
（Ｃ）ドライエッチング技術により感光性材料の三次元形状を前記エッチングマスク層に転写する工程、
（Ｄ）アルカリエッチング液を用いた結晶面異方性エッチングにより、前記エッチングマスク層をマスクにして前記シリコン基板に深さの異なる溝を形成する工程。
【請求項２】
前記エッチングマスク層はアルカリエッチング液に対して前記シリコン基板よりも小さいエッチングレートをもつ請求項１に記載のシリコン基板の加工方法。
【請求項３】
前記エッチングマスク層は酸化膜である請求項１又は２に記載のシリコン基板の加工方法。
【請求項４】
前記工程（Ｃ）において、前記感光性材料と前記エッチングマスク層のエッチングレートが同じになる条件で異方性エッチングを行なう請求項１、２又は３に記載のシリコン基板の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルカリエッチング液を用いた結晶面異方性エッチングによりシリコン基板に深さの異なる溝を形成するシリコン基板の加工方法に関するものである。本願特許請求の範囲及び本明細書において、シリコン基板に形成される溝には貫通孔も含まれる。このようなシリコン基板の加工方法は、例えば半導体圧力センサ、半導体加速度センサ、半導体角速度センサなどの半導体センサや、シリコンを用いたインクジェットプリンター用記録印字ヘッド等のシリコン基板の微細加工に用いられる。
【背景技術】
【０００２】
シリコン基板のエッチング方法としてアルカリエッチング液を用いた結晶面異方性エッチングがある。単結晶シリコンはアルカリエッチング液に対して結晶面方位によりエッチング速度が異なり、例えば（１００）シリコン基板では（１００）面に対し（１１１）面のエッチング速度が著しく低いため、エッチングにより（１００）及び（１１１）の平滑な面が得られる。このような特性を利用して例えば半導体センサやインクジェットプリンター用記録印字ヘッド等の三次元構造体がシリコン基板に加工される。
【０００３】
図２は従来のシリコン基板の加工方法を説明するための工程断面図である。この従来例はインクジェットプリンタヘッドの加工方法を示す。
（１）シリコン基板２１に熱酸化膜２３を形成する（（ａ）参照）。
（２）写真製版技術及びフッ酸エッチングにより、熱酸化膜２３をインク流路に対応する形状にパターニングする（（ｂ）参照）。
（３）アルカリエッチング液によりシリコン基板２１を所定の深さにエッチングしてインク流路２５を形成する（（ｃ）参照）。
（４）熱酸化によりインク流路２５の表面に熱酸化膜２７を形成する（（ｄ）参照）。
（５）写真製版技術及びフッ酸エッチングにより、熱酸化膜２７のインク吐出口に対応する位置に開口部を形成する（（ｅ）参照）。
（６）アルカリエッチング液により吐出口２９が貫通して形成されるまでエッチングを行なう。これにより、シリコン基板２１に互いに深さの異なるインク流路２５と吐出口２９が形成される（（ｆ）参照）。
【０００４】
上記のようなシリコン基板の加工方法では、図２（ｅ）を参照して説明した上記工程（５）においてシリコン基板２１には既にインク流路２５が形成されている。インク流路２５の深さは１００μｍ（マイクロメートル）から２００μｍ程度であるが、このような深い段差を有するシリコン基板２１に、熱酸化膜２７の所定の領域に開口部を形成するためのフォトレジスト（感光性材料の代表例）を均一に塗布するのは非常に困難である。特にシリコン基板２１の段差部ではフォトレジストの厚みが極端に薄くなるため、フッ酸エッチング時に熱酸化膜２７の段差部に対応する部分が若干エッチングされ、続くシリコンエッチング時にシリコン基板２１の段差部がエッチングされ、所望形状が得られないという問題があった。
【０００５】
さらに、インク流路２５の底面では逆にフォトレジストの厚みが厚くなると共に、パターン露光が１００μｍから２００μｍ程度もの距離を隔てて行なわれるため、パターン精度は悪く、結果として得られる吐出口２９の形状精度も悪くなるという問題があった。
このような問題はインクジェットプリンタヘッドの作製だけでなく、例えば半導体センサ等の素子をシリコン基板に作製する場合など、シリコン基板を結晶面異方性エッチングにより数１００μｍの深さにエッチングする場合に上記と同じ問題が生じる。
また、従来のシリコン加工方法においては、既に溝が形成されて強度が低下したシリコン基板に対してパターニング工程が行なわれるため、そのパターニング工程においてシリコン基板が破損する虞れがあった。
【０００６】
このような問題に対して、アルカリエッチング液を用いた結晶面異方性エッチングによってシリコン基板に溝、貫通穴、ダイアフラム等を形成するシリコン基板の加工工程において、エッチングマスクとして厚みが異なる部分を有する酸化膜を用い、シリコン基板のエッチングの最中に、該酸化膜の厚みが薄い部分を順次エッチングにより消失させ、消失した酸化膜の下地のシリコン基板を続いてエッチングすることにより、シリコン基板に複数の深さを有する構造を形成する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
特許文献１では、シリコン基板上に厚みが異なる部分を有する酸化膜を形成する方法として、（１）シリコン基板の熱酸化及び熱酸化膜のパターン加工を複数回繰り返し行なう方法、（２）シリコン基板上に酸化膜を形成し、その酸化膜に１回又は複数回のハーフエッチング処理を含んでパターン加工を施す方法、（３）酸化膜上にポジ型フォトレジストを塗布し、そのポジ型フォトレジストに複数回の、それぞれ異なるパターン形成を行い、各々のパターン形成毎に、該酸化膜にハーフエッチングを含む選択エッチングを行なう方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−２３０２４１号公報
【特許文献２】特開平９−８０７４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１に開示された方法においても、上記方法（１）及び（２）では写真製版工程にてフォトレジストを形成する際に下地膜となる酸化膜に０.２〜０.３μｍ程度の段差が生じており、図２を参照して説明した従来技術と同様の不具合を招く虞れがあった。
さらに、厚みが異なる部分を有する酸化膜を形成する際に、目的とする形状に加工するにはマスクパターンである熱酸化膜形成の工程を増やすか、又はマスクパターンに対して少なくとも２回以上の写真製版工程が必要であり、このような工程の増加に起因して製造工程が増加してプロセス時間の増大を招き、製造工程が複雑化するという問題があった。
【０００９】
そこで本発明は、アルカリエッチング液を用いた結晶面異方性エッチングによりシリコン基板に深さの異なる溝を形成するシリコン基板の加工方法において、段差が形成された下地膜上に感光性材料を形成することなく、かつ写真製版工程数を増加させることなくシリコン基板に深さの異なる溝を形成することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明はアルカリエッチング液を用いた結晶面異方性エッチングによりシリコン基板に深さの異なる溝を形成するシリコン基板の加工方法であって、以下の工程（Ａ）から（Ｄ）を含む。
（Ａ）実質的に段差が形成されていないシリコン基板上にエッチングマスク層を形成する工程、
（Ｂ）上記エッチングマスク層上に感光性材料を形成した後、透過度調整マスクを用いた露光により上記エッチングマスク層上に三次元構造をもつ感光性材料を形成する工程、
（Ｃ）ドライエッチング技術により感光性材料の三次元形状を上記エッチングマスク層に転写する工程、
（Ｄ）アルカリエッチング液を用いた結晶面異方性エッチングにより、上記エッチングマスク層をマスクにして上記シリコン基板に深さの異なる溝を形成する工程。
【００１１】
ここで実質的に段差が形成されていないシリコン基板とは、シリコン基板上に形成するエッチングマスク層表面に段差が形成されない程度の段差がシリコン基板に形成されていてもよいことを意味する。また、ここでのシリコン基板は深さの異なる溝を形成する領域とは異なる領域に段差が形成されているものであってもよい。
【００１２】
また、透過度調整マスク（ＴＣＭ：Transmittance Controlled Mask）とは１枚の露光マスク内に透過度（光の透過率）の差を設けて被露光体に露光量の差をつけるようにしたものである。透過度調整マスクは例えば特許文献２に開示されている。
【００１３】
本発明において、上記エッチングマスク層の例としてアルカリエッチング液に対して上記シリコン基板よりも小さいエッチングレートをもつもの、例えば酸化膜を挙げることができる。
さらに、上記工程（Ｃ）において、上記感光性材料と上記エッチングマスク層のエッチングレートが同じになる条件で異方性エッチングを行なうようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のシリコン基板の加工方法では、実質的に段差が形成されていないシリコン基板上にエッチングマスク層を形成するので（工程（Ａ））、エッチングマスク層表面に段差が形成されることはない。さらに、エッチングマスク層上に感光性材料を形成した後、透過度調整マスクを用いた露光によりエッチングマスク層上に三次元構造をもつ感光性材料を形成するので（工程（Ｂ））、１回の写真製版工程で三次元構造をもつ感光性材料を形成することができ、その感光性材料の三次元形状をエッチングマスク層に転写することによって（工程（Ｃ））、シリコン基板に形成する溝形状に対応した三次元構造をもつエッチングマスク層を形成することができる。そして、エッチングマスク層をマスクにしてシリコン基板に対してアルカリエッチング液を用いた結晶面異方性エッチングを実施することにより、エッチングマスク層の厚みが薄い部分を順次エッチングにより消失させ、消失したエッチングマスク層の下地のシリコン基板を続いてエッチングすることにより、シリコン基板に複数の深さを有する構造を形成することができる。
このように、本発明のシリコン基板の加工方法によれば、段差が形成された下地膜上に感光性材料を形成することをなく、かつ写真製版工程数を増加させることなくシリコン基板に深さの異なる溝を形成することができ、製造工程を複雑化することなくシリコン基板に形成する三次元構造体の加工形状精度を向上させることができる。
【００１５】
本発明において、エッチングマスク層としてアルカリエッチング液に対してシリコン基板よりも小さいエッチングレートをもつもの、例えば酸化膜を用いるようにすれば、シリコン基板に形成する溝の深さに対してエッチング層の膜厚を薄くすることができるので、シリコン基板上に形成するエッチングマスク層全体の膜厚を薄くすることができる。
【００１６】
さらに、工程（Ｃ）において、感光性材料とエッチングマスク層のエッチングレートが同じになる条件で異方性エッチングを行なうようにすれば、感光性材料に形成した三次元形状をそのままエッチングマスク層に転写することができるので、設計が容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は一実施例を説明するための工程断面図である。この実施例はインクジェットプリンタヘッドの加工例であり、シリコン基板上にインク流路及びインク吐出口を形成するものである。図１を参照してこの実施例を説明する。
【００１８】
（１）結晶面方位が（１００）である厚み２００μｍのシリコン基板１の表面に膜厚が０.５μｍの熱酸化膜（エッチングマスク層）３を形成する。ここで、シリコン基板１の表面には段差は形成されていないので、熱酸化膜３の表面にも段差は形成されていない（（ａ）参照）。
【００１９】
（２）スピンコート法により、熱酸化膜３上にポジ型のフォトレジスト（感光性材料）５を０.５μｍの膜厚に塗布した後、フォトレジスト５のプリベークを行なう。ここで、熱酸化膜３の表面には段差は形成されていないので、プリベーク後のフォトレジスト５の表面にも段差は形成されていない（（ｂ）参照）。
【００２０】
（３）透過度調節マスク（図示は省略）の透過率を、インク吐出口に対応する領域７は１００％、インク流路に対応する領域９は６０％、他の領域は０％の透過率である未露光領域として、現像処理時にフォトレジスト５が１００％の露光量で０.５μｍだけ溶解する光量で一度に露光し、その後、現像処理を行なってフォトレジスト５のパターニングを行なう。これにより、フォトレジスト５の残膜は、インク吐出口に対応する領域７では０μｍ、インク流路に対応する領域９では０.２μｍ、他の領域では０.５μｍとなり、フォトレジスト５は深さの異なる溝をもつ三次元構造になる。その後、フォトレジスト５のポストベークを行なう（（ｃ）参照）。
【００２１】
（４）フォトレジスト５と熱酸化膜３のエッチングレートが１：１になる条件にてドライエッチングを行なう。これにより、フォトレジスト５の三次元形状が熱酸化膜３にそのまま転写され、熱酸化膜３の残膜は、インク吐出口に対応する領域７では０μｍ、インク流路に対応する領域９では０.２μｍ、他の領域では０.５μｍとなり、熱酸化膜３は深さの異なる溝をもつ三次元構造になる（（ｄ）参照）。
【００２２】
（５）アルカリエッチング液によるシリコン基板１の結晶面異方性エッチングを行なう。本実施例ではアルカリエッチング液として例えばＫＯＨ水溶液（ＫＯＨ濃度２５重量％、摂氏８０度）を用いた。この条件ではシリコン基板１のエッチングレートは１.０μｍ／分であり、熱酸化膜３のエッチングレートは０.００２μｍ／分である。本実施例ではＫＯＨ水溶液によるシリコン基板１のエッチングを２００分行なった。
エッチング開始後１００分たったところでインク流路に対応する領域９において熱酸化膜３がエッチングにより消失し、その下のシリコン基板１が露出する。また、インク流路に対応する領域９ではシリコン基板が１００μｍだけ選択的に除去される（（ｅ）参照）。
その後に続く１００分のエッチングにより、厚み２００μｍのシリコン基板１のインク吐出口に対応する領域７において吐出口１１が貫通する。また、インク流路に対応する領域９においてシリコン基板１が１００μｍだけ選択的に除去され、インク流路１３が完成する（（ｆ）参照）。
【００２３】
この実施例によれば、図１（ｅ）及び（ｆ）を参照して説明した上記工程（５）工程において、インクジェットプリンタヘッドの吐出口１１とインク流路１３を１回の結晶面異方性エッチング処理により連続して形成することができ、別々に溝を作成する場合のように、強度が低下したシリコン基板に対してパターニング工程が行なわれることは一切ないため、フォトレジストなどの成膜時に、溝に起因するシリコン基板の強度低下はなく、破損などの不具合を招く虞れはない。
【００２４】
さらに、従来技術のようには段差上での写真製版工程を一切含まず、熱酸化膜３上の平滑な表面に対して写真製版工程が行なわれるので、フォトレジスト５と、エッチングマスク層である熱酸化膜３のパターン加工精度は非常に良く、シリコン基板１の加工形状精度を向上させることができる。
さらに、上記工程（３）でのフォトレジスト５に対する露光工程において、領域ごとに露光量を任意に可変させることができる透過度調節マスクを用い、シリコン基板１に形成する吐出口１１及びインク流路１３に対応する、深さの異なる溝をもつ三次元構造のフォトレジスト５を１回の写真製版工程で形成することができ、製造工程の簡略化を図ることができる。
【００２５】
以上、本発明の実施例を説明したが、材料、寸法、形状及び配置などは一例であり、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。
【００２６】
例えば上記実施例では本発明をインクジェットプリンタヘッドの加工に適用しているが、本発明のシリコン基板の加工方法はこれに限定されるものではなく、ダイアフラムなどの可撓部をもつ半導体センサなど、シリコン基板に深さの異なる溝をもつ三次元構造体の加工に適用することができる。
【００２７】
また、上記の実施例ではシリコン基板１上にエッチングマスク層としての熱酸化膜３を形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、エッチングマスク層は例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成したＣＶＤ酸化膜など、他の膜であってもよい。
【００２８】
また、上記の実施例では感光性材料であるフォトレジスト５とエッチングマスク層である熱酸化膜３のエッチングレートが１：１になる条件にてドライエッチングを行なってフォトレジスト５の三次元形状を熱酸化膜３に転写しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、感光性材料とエッチングマスク層のエッチングレートが異なる条件でドライエッチングを行なって感光性材料の三次元形状をエッチングマスク層に転写するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】一実施例を説明するための工程断面図である。
【図２】従来のシリコン基板の加工方法を説明するための工程断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１    シリコン基板
３    熱酸化膜
５    フォトレジスト
７    インク吐出口に対応する領域
９    インク流路に対応する領域
１１    吐出口
１３    インク流路
【図１】
2005183419.tif 000003
【図２】
2005183419.tif 000004