JP5455461B2 - シリコン基板の加工方法及び液体吐出ヘッド用基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリコン基板に貫通孔を形成するためのシリコン基板の加工方法、及び記録用紙等の被記録材にインク等の液体を吐出する液体吐出ヘッド用の基板の製造方法に関する。

液体であるインクを吐出するインクジェットヘッドとしては、吐出エネルギを発生させるヒータの上方に向けてインクを吐出するタイプのインクジェットヘッド（以下、サイドシュータ型ヘッドと称する）が知られている。このサイドシュータ型ヘッドでは、ヒータが形成されたシリコン基板に貫通孔であるインク供給口が設けられ、ヒータが形成された表面の裏面側から、インク供給口を介してインクを供給する方式が採られている。

このサイドシュータ型ヘッドの製造方法は、例えば特許文献１に開示されている。この特許文献１には、貫通孔であるインク供給口の開口径のばらつきを防ぐため、基板材料に対して選択的にエッチングが可能な犠牲層を用いてインク供給口を所定寸法に形成可能な方法が記載されている。

特許文献２には、シリコン基板の裏面に設けられたエッチングマスク層を利用してドライエッチングを行った後に、同一のエッチングマスクを用いて結晶軸異方性エッチングでエッチングを行うことで、インクジェット記録ヘッドを製造する方法が開示されている。この製造方法によって、中間部が横方向に拡がった形状の加工断面が形成される。この製造方法では、エッチングマスク層を、ドライエッチングとウエットエッチングとで共有している。このため、シリコン基板の裏面に形成されたエッチングマスク層の開口幅（マスク幅）と、ドライエッチングの掘り込み量とによって、シリコン基板の裏面におけるインク供給口の開口幅（長尺状のインク供給口の短辺方向の開口幅）が決まってしまう。また、特許文献２に記載の方法では、シリコンの異方性エッチングを利用することにより、エッチングレートが比較的低い５４．７°の角度で形成される（１１１）面を形成し、開口させている。そのため、インク供給口の開口幅をある程度広くするためには、ドライエッチングでの掘り込み量を多くする必要がある場合がある。しかしながら、ドライエッチングでの掘り込み量が多くなるのに伴って、ドライエッチングに要する時間が長くなり、生産効率が低下する場合があるという問題がある。

特許文献３には、シリコンをレーザでトレンチ加工を行った後にエッチングを行うことで、インクジェット記録ヘッドを製造する方法が開示されている。この方法では、レーザ加工でトレンチの掘り込み量を多くする必要がある。しかしながら、レーザ加工での掘り込み量が多くなるのに伴って、レーザ加工に要する時間が長くなり、生産効率が低下する場合があるという問題がある。

特許文献４には、液体吐出ヘッド用基板の製造方法において、基板にレーザ光で非貫通孔を形成してから異方性エッチングを行う方法が記載されている。この製造方法によって、中間部が横方向に拡がった形状の加工断面が形成される。しかし、この方法でもインク供給口の断面が拡がる形状となり、液体吐出ヘッドの幅寸法を小さくするのに限界がある。

特開平１０−１８１０３２号公報 米国特許第６８０５４３２号明細書 特開２００４−１４８８２４号公報 特開２００７−２３７５１５号公報

上述したように、インク供給口を形成する工程では、インクジェットヘッドの幅寸法を小さくするために、シリコン基板のインク供給口の開口幅を狭くすることと、さらにインク供給口を効率良く形成することが求められている。

また、一般に、シリコン基板の裏面にマスクを形成し裏面から異方性エッチングを行うことによりインク供給口が形成されている（図４参照）。しかしながら、このような工程では、インク供給口を形成するためのエッチング時間が長く、シリコン基板の裏面の開口幅が横方向に広がってしまうため、インクジェットヘッドの小型化を行うことが困難を伴う。

また、エッチング時間の短縮を図るためには、特許文献４に記載のように、シリコン基板の一部を除去して異方性エッチング時間を短くする方法が有効である。シリコン基板の一部を深く除去するほど、異方性エッチング量を少なくすることができ、インク供給口の横方向の広がりを抑えられ、インクジェットヘッドの小型化及びエッチング時間の短縮をより有効に図ることができる。しかし、異方性エッチングの各面方位のエッチングレートを制御しないと、異方性エッチングの時間によってインク供給口の幅が広がってしまうため、シリコンの除去量が多くなってしまい、生産効率が低下するという問題がある。

そこで、本発明は、シリコン基板における貫通孔の幅を小さく形成でき、貫通孔を効率良く形成することができるシリコン基板の加工方法、液体吐出ヘッド用基板の製造方法を提供することを目的とする。

そこで、本発明は、
結晶面（１００）のシリコン基板に貫通孔を形成するシリコン基板の加工方法であって、
（１）前記シリコン基板の裏面に開口部を有するエッチングマスク層を形成する工程と、
（２）前記開口部を通じて前記シリコン基板に未貫通孔を形成する工程と、
（３）前記未貫通孔が形成された前記シリコン基板の裏面から、６〜１４ｗｔ％のＴＭＡＨ溶液を用いて結晶異方性エッチングを行い、前記貫通孔を形成する工程と、
を有するシリコン基板の加工方法である。

本発明によれば、横（面方向）の幅の広がりを抑えて液体供給口を形成することができる。また、シリコン基板の異方性エッチングのエッチング時間を短縮することができる。

さらに、本発明によれば、シリコン基板の液体供給口の開口を小さく形成すると共に、液体供給口を効率良く形成することができる。また、シリコン内部に形成される供給口の幅の広がりを抑えられる。

したがって、本発明によれば、液体供給口の加工速度を向上し、製造コストの低減を図ることができる。

ＴＭＡＨ濃度によるエッチングレート変化を示す図である （ａ）シリコン基板にエッチングマスク層を形成する工程を模式的に示す概略断面図である。（ｂ）シリコン基板に複数の先導孔を形成する工程を模式的に示す概略断面図である。（ｃ）先導孔が形成されたシリコン基板に所定のエッチング液（例えばＴＭＡＨ１０％濃度）により異方性エッチングを施す工程を示す概略断面図である。（ｄ）所定のエッチング液（例えばＴＭＡＨ１０％濃度）を用いた異方性エッチングによりインク供給口を形成する工程を模式的に示す概略断面図である。 従来のエッチング液（例えばＴＭＡＨ２２％濃度）でインク供給口を形成する工程を模式的に示す概略断面図である。 従来の異方性エッチングにより形成したインク供給口を模式的に示す概略断面図である。

本発明では、シリコン基板の裏面に開口部を有するエッチングマスク層を形成する。そして前記開口部を通じてシリコン基板の裏面に未貫通孔（先導孔とも称す）を形成する。この未貫通孔は、例えばレーザ光を照射することにより形成することができる。

そして、複数の先導孔を形成した後、シリコン基板の裏面から、（１００）面のエッチングレートが（１１０）面のエッチングレートよりも速いエッチング液を用いて異方性エッチングを行う。

エッチング液としては、水酸化カリウム，テトラメチルハイドロキシド等のシリコン異方性エッチング液を用いることができる。また上記エッチング液において、添加剤を添加した液を使用することができる。添加剤として、アルコール系、ノニオン系界面活性剤、還元剤等の添加剤したエッチング液を使用することができる。

図１にＴＭＡＨ濃度によるエッチングレートを示している。この図より、ＴＭＡＨ濃度が１５ｗｔ％以下になることでエッチングレートが（１１０）面より（１００）面の方が速くなることがわかる。

エッチング液が裏面側に形成された複数の先導孔内部に入り、先導孔同士をつなげる。先導孔同士がつながった後、基板表面側にエッチングが進行していく。エッチングが表面に到達しエッチングが終了する。

本発明において、異方性エッチングに用いるエッチング液としては、例えば５〜１５ｗｔ％のＴＭＡＨ溶液を用いることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

なお、本発明に係るシリコン基板の加工方法は、シリコン基板を含んで構成される構造体、特にインクジェットヘッド等の液体吐出ヘッドの製造工程において、インク供給口（液体供給口）のような貫通孔をシリコン基板に形成するのに好適である。以下の説明では、本発明の適用例として、インクジェット記録ヘッド用基板を例に挙げて説明を行うが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。また、インクジェットヘッド用基板の他、バイオッチップ作製や電子回路印刷用途の液体吐出ヘッド用基板の製造方法にも適用できる。液体吐出ヘッドとしては、インクジェット記録ヘッドの他にも、例えばカラーフィルター製造用ヘッド等も挙げられる。

（実施形態１）

図２（ａ）において、結晶面（１００）のシリコン基板１の表面上には、インクを吐出するエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子として、ヒータをなす電熱変換素子３が配置されている。電熱変換素子３は例えばＴａＮを用いて形成することができる。また、シリコン基板１の表面上には犠牲層６が形成されている。さらに、シリコン基板１の表面及び犠牲層６上には、電熱変換素子３の保護層として、耐エッチング性を有するエッチングストップ層（パッシベイション層とも称す）２が形成されている。

なお、電気熱変換素子３には、この素子を駆動させるための制御信号入力電極（不図示）が電気的に接続されている。また、シリコン基板１の厚みとしては７２５μｍ程度に形成されている。また、本実施形態では、インクジェットヘッド用基板の一部をなすシリコン基板１単体について説明するが、実際にはウエハ単位で同様の加工を行うものとする。また、シリコン基板上にインク流路を構成する被覆樹脂層等が形成されていても構わない。

犠牲層６はインク供給口の形成領域を精度よく画定したい場合に効果的であるが、本発明に必須ではない。また、エッチングストップ層２は、異方性エッチングに用いられる材料に耐性があるもので形成される。エッチングストップ層２は、シリコン基板表面に素子や構造物（インク流路を形成する部材等）が形成されている際に隔壁等の機能を果たす。犠牲層６と、エッチングストップ層２とは、それぞれを単独または併用で用いる場合において、異方性エッチングを行う前の段階で、シリコン基板に形成されていればよい。異方性エッチング前の段階において形成する時期や順序は任意であり、公知の方法により形成できる。

図２（ａ）に示すように、シリコン基板１の裏面には、ＳｉＯ₂層４の上に開口部を有するエッチングマスク層５が形成されており、この開口部が異方性エッチングの開始領域となる。エッチングマスクは例えばポリアミド樹脂を用いて形成することができる。

次に、シリコン基板１の裏面からレーザ光を照射することによって、図２（ｂ）に示すように、シリコン基板１の裏面から表面に向かって、シリコン基板１の表面まで貫通しない複数の未貫通孔（先導孔）７を形成する。先導孔７を形成する方法としては、例えばＹＡＧレーザの３倍波（ＴＨＧ：波長３５５ｎｍ）のレーザ光を用いることができる。また、レーザ光の出力及び周波数を適切な値に設定する。

先導孔７の直径としては、φ５〜１００μｍの範囲内であることが望ましい。先導孔の直径をφ５μｍ以上とすることで、後工程の異方性エッチングの際にエッチング液が先導孔内に進入しやすくなる。また、先導孔の直径をφ１００μｍ以下とすることで、先導孔を比較的長い時間で形成することができる。

また、先導孔は、レーザ光のアブレーションにより、レーザ加工を行う面と反対側の面から１５μｍ以上１２５μｍ以内の深さまで形成することが好ましい。

シリコン基板１として７２５μｍの厚さのものを用いた場合、先導孔７の深さは、６００〜７１０μｍとすることが好ましい。６００μｍ以上とすることで、異方性エッチングの時間を短縮することができ、また、インク供給口の幅をより小さくすることができる。また、７１０μｍ以下とすることで、基板表面に形成された流路形成部材にレーザ等の熱が伝わり難くなり、変形等の問題を抑制することができる。

先導孔７を形成する工程では、インク供給口を形成する予定領域の短手方向の表面の開口寸法をＭ、前記基板の厚さをＴ、短手方向の隣り合う未貫通孔同士の中心までの距離をＬ、前記未貫通孔の深さをＤ、短手方向の未貫通孔の列数をＢとしたときに下記式の関係を満たす範囲で形成することが好ましい。

Ｔ−（Ｌ×（Ｂ−１）−Ｍ／２）×ｔａｎ５４．７°≧Ｄ≧Ｔ−Ｌ×（Ｂ−１）×ｔａｎ５４．７°

また、先導孔７は、例えば、シリコン基板１の短手及び長手方向に対してピッチ距離を６０μｍで形成することができる。また、先導孔は、シリコン基板１の短手方向に対してピッチ距離が２５μｍ以上１１５μｍ以内で、３列以上で形成することが望ましい。同様にシリコン基板１の長手方向に対してもピッチ距離が２５〜１１５μｍで複数列をなして形成することが望ましい。ピッチ距離を上記の範囲にすることで、インク供給口同士がつながり難くできる。また、先導孔の狙い加工深さを所望の深さとし易く、インク供給口が広がって形成することを防ぐことができる。

また、先導孔７は、貫通孔を形成する領域の長手方向の中心線に対して対称に３列以上をなすように形成することが好ましい。なお、列の数が奇数の場合は中央の列が前記中心線上に配置されるように形成されればよい。

レーザ光としては、シリコン基板１を形成する材料であるシリコンに対して孔加工が可能な波長であればよく、先導孔７の加工に用いるレーザ光をこのレーザ光に限定するものではない。例えば、ＹＡＧレーザの２倍波（ＳＨＧ：波長５３２ｎｍ）であっても、ＴＨＧと同様にシリコンに対して比較的高い吸収率を有しており、このようなレーザ光を用いて先導孔を形成してもよい。また、先導孔は、レーザ光のアブレーション、いわゆるレーザアブレーション法によって形成されてもよい。

なお、先導孔は、シリコン基板１の裏面に形成されたエッチングマスク層５の開口部からＳｉＯ₂層を除去し、シリコン基板１における異方性エッチングの開始面となるＳｉ面を露出させた後、形成することができる。

次に、図２（ｃ）に示すように、（１００）面のエッチングレートが（１１０）面のエッチングレートよりも速いエッチング液を用いて、シリコン基板裏面から結晶異方性エッチングを行う。このエッチング液としては、例えば、５〜１５ｗｔ％のＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）溶液を用いることができる。図２（ｄ）に１５ｗｔ％より高い場合、異方性エッチングにおいて（１００）面より（１１０）面のエッチングレートが速くなり、インク供給口の幅（水平方向における最大幅）が大きくなってしまう。また、５ｗｔ％より低い場合、エッチング液の寿命が短くなり、生産性が悪くなってしまう。また、６〜１４ｗｔ％のＴＭＡＨ溶液がより好ましい。

図２（ｃ）に示すように、この異方性エッチングでは、複数の先導孔７の内部の壁面すべてからエッチングが始まる。そして、あるところではエッチングレートが遅い（１１１）面を形成しながら、またあるところでは、エッチングレートが速い（１００）面及び（１１０）面に沿ってエッチングが進行する。

次に、図２（ｄ）に示すように、シリコン基板１の表面まで貫通するインク供給口（貫通孔）８が形成されるまで異方性エッチングを行う。

また、図示しないが、シリコン基板１の表面におけるインク供給口８の開口部位に形成されているエッチングストップ層２の一部をドライエッチングで除去して、シリコン基板１の表面側にインク供給口８を開通させることができる。

（実施例１）
図２（ａ）に示すように、シリコン基板１の裏面のＳｉＯ₂層４の上にポリエーテルアミド樹脂を積層し、開口部を有するエッチングマスク層５を形成した。シリコン基板として７２５μｍの厚さのものを使用した。また、開口部におけるＳｉＯ₂層４を除去した。

次に、図２（ｂ）に示すように、エッチングマスク層５の開口部において、レーザ加工により先導孔７を形成した。レーザ加工深さは６５０μｍとし、ピッチ距離は長手及び短手方向において６０μｍとし、短手方向に３列で先導孔を形成した。

次に、図２（ｃ）に示すように、ＴＭＡＨ１０ｗｔ％を用いてシリコン基板裏面から結晶異方性エッチングを行った。

ＴＭＡＨ１０ｗｔ％の場合、（１００）面のエッチングレートは１．１２４μｍ／ｍｉｎである。それに対して、（１１０）面のエッチングレートは０．７８９μｍ／ｍｉｎとなり、エッチングレートは（１００）面の方が速くなる。

複数の先導孔７における外周側に位置する先導孔７の先端から（１１１）面が形成される。その際、エッチングレートが（１１０）面より（１００）面のレートが速いエッチング液を使用することにより、先導孔同士がつながる時間が短縮される。先導孔同士がつながった後、深さ方向にエッチングが進行する（図２（ｃ））。

次に図２（ｄ）に示すように、シリコン基板１の表面まで貫通するインク供給口８が形成されるまで異方性エッチングを行った。インク供給口の開口幅は０．４５ｍｍで形成された。

（比較例１）
本比較例では、先導孔を形成するまでの工程は実施例１と同様に行い、ＴＭＡＨ２２ｗｔ％を用いて異方性エッチングを行った。従来使用されているＴＭＡＨ２２ｗｔ％の場合、形成されるインク供給口は図３に示すような中間部が横方向に拡がった断面形状になる。これは、（１００）面のエッチングレートとして、０．６３１μｍ／ｍｉｎである。それに対して、（１１０）面のエッチングレートは、０．９７５μｍ／ｍｉｎとなり、エッチングレートは（１１０）面の方が速くなる。そのため、エッチングでの横広がりが大きくなってしまう。インク供給口の幅（内部最大幅）は０．６３ｍｍで形成された。

（まとめ）
上述の実施例により、従来の方法による比較例では４時間かかる結晶異方性エッチングのエッチング時間を３．５時間に短縮することができた。また、従来の濃度による比較例ではインク供給口の開口幅が０．６３ｍｍとなったが、本発明による実施例ではインク供給口の開口幅を０．４５ｍｍで形成することができ、インクジェットヘッドの小型化が可能であることが示唆された。

したがって、本発明により、貫通孔を形成する際に、シリコン基板１の異方性エッチングのエッチング時間を短縮することができる。また、本発明によれば、シリコン基板１のインク供給口８の開口を小さく形成すると共に、インク供給口８を効率良く形成することができる。したがって、本実施形態によれば、シリコン基板に貫通孔を形成する加工速度を向上でき、例えばインクジェットヘッド用基板等の製造コストの低減を図ることができる。

なお、上述した本実施形態では、シリコン基板１のみにインク供給口を形成する加工例について説明した。しかしながら、インクジェットヘッドを製造する際は、本実施形態で行われるインク供給口の形成工程前に、シリコン基板１の表面にインク流路形成部材を形成する工程が行われることが好ましい。この構成の場合には、シリコン基板１の表面に、液体であるインクを吐出する吐出口と、吐出口に連通する液体流路としてのインク流路とを有するインク流路形成部材が形成される。

１ シリコン基板
２ エッチングストップ層（パッシベイション層）
３ 吐出エネルギー発生素子（例えば電気熱変換素子）
４ ＳｉＯ₂層
５ エッチングマスク層
６ 犠牲層
７ 先導孔
８ インク供給口（貫通孔）

Claims (5)

1. 結晶面（１００）のシリコン基板に貫通孔を形成するシリコン基板の加工方法であって、
   （１）前記シリコン基板の裏面に開口部を有するエッチングマスク層を形成する工程と、
   （２）前記開口部を通じて前記シリコン基板に未貫通孔を形成する工程と、
   （３）前記未貫通孔が形成された前記シリコン基板の裏面から、６〜１４ｗｔ％のＴＭＡＨ溶液を用いて結晶異方性エッチングを行い、前記貫通孔を形成する工程と、
   を有するシリコン基板の加工方法。
2. 前記工程（２）において、前記貫通孔を形成する領域の長手方向の中心線に対して対称に３列以上をなすように前記未貫通孔を形成する、請求項１に記載のシリコン基板の加工方法。
3. 前記工程（２）において、前記未貫通孔はレーザ光のアブレーションによって形成される、請求項１又は２に記載のシリコン基板の加工方法。
4. 前記工程（２）において、前記レーザ光のアブレーションにより、レーザ加工を行う面と反対側の面から１５μｍ以上１２５μｍ以内の深さまで前記未貫通孔を形成する、請求項３に記載のシリコン基板の加工方法。
5. 前記工程（２）において、前記未貫通孔のピッチ距離を、２５μｍ以上１１５μｍ以内の距離として形成する、請求項１乃至４のいずれかに記載のシリコン基板の加工方法。