JP2001230241A

JP2001230241A - インクジェットプリンタヘッドの製造方法

Info

Publication number: JP2001230241A
Application number: JP2000392487A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Kamisuke; 真一紙透; Nobuo Shimizu; 信雄清水
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1990-10-12
Filing date: 2000-12-25
Publication date: 2001-08-24

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、アルカリ液を用いた異方性エッチ
ングによりシリコン基板を加工する際の加工形状精度を
向上させることを目的とする。【構成】本発明は、アルカリ液を用いた異方性エッチ
ングにより、シリコン基板に溝、貫通穴、ダイアフラム
等を形成する加工工程において、エッチングマスクとし
て厚みが異なる部分を有するＳｉＯ₂ 膜を用い、シリコ
ン基板のエッチングの最中に該ＳｉＯ₂ 膜の厚みがより
薄い部分を順次エッチングにより消失させ、消失したＳ
ｉＯ₂ 膜に下地のシリコン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
ることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アルカリ液を用いたエ
ッチングによるシリコン基板の加工方法に関し、特にシ
リコン基板上に溝、貫通穴、ダイアフラム等を形成し、
マイクロポンプやインクジェットプリンタヘッド等の流
体制御素子や圧力センサ等を作製する際のエッチング方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】アルカリ液によるシリコン基板のエッチ
ングでは、結晶面方位によりエッチング速度が異なる、
いわゆる異方性エッチングが可能となり、たとえば（１
００）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、その
ため、この特徴を生かした各種の素子が考案されてい
る。そして、これらの素子により高い機能を与えるため
に、より複雑な形状に加工することが求められている。
従来の加工例として、インクジェットプリンタヘッドに
ついて図６にその加工工程図を示す。シリコン基板６１
に熱酸化膜６２を形成し（図６（ａ））、前記熱酸化膜
６２をフォトリソグラフィ及びフッ酸エッチングにより
インク流路６５に相当する形状にパターン加工し（図６
（ｂ））、アルカリ液によりシリコン基板６１を所定深
さにエッチングしてインク流路６５を形成し（図６
（ｃ））、熱酸化により全面に熱酸化膜６３を形成し
（図６（ｄ））、前記熱酸化膜６３を同様にインク吐出
口６４に相当する形状にパターン加工し（図６
（ｅ））、アルカリ液により吐出口６４が貫通して形成
されるまでエッチングを行う（図６（ｆ））ものであ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし前述の従来技術
では、以下に述べるような課題があった。図６の工程
（ｅ）において、シリコン基板６１には既にインク流路
６５が形成されており、その深さは１００から２００ミ
クロン程度であるが、このように深い段差を有するシリ
コン基板に、フォトレジストを均一に塗布するのは非常
に困難であり、特に凸部６６ではフォトレジスト膜の厚
みが極端に薄くなるために、下地の熱酸化膜がフッ酸エ
ッチング時に若干エッチングされ、続くシリコンエッチ
ング時にインク流路６５の上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。又、凹部６７で
は逆にフォトレジスト膜の厚みが極端に厚くなると共
に、パターン露光が１００から２００ミクロン程度もの
距離を隔てて行われるため、パターン精度は非常に悪
く、結果として得られる吐出口６４の形状精度も非常に
悪かった。このような問題はここに述べた例だけでな
く、シリコンをアルカリ異方性エッチングにより数１０
０ミクロンの深さにエッチングして、圧力センサ等の素
子を作製する場合には全て生じる問題である。そこで、
本発明はこのような課題を解決するもので、その目的と
するところはアルカリエッチング液を用いた異方性エッ
チングによりシリコン基板を加工する際の形状精度を向
上させるところにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明のシリコン基板の
加工方法は、アルカリエッチング液を用いた異方性エッ
チングにより、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ＳｉＯ₂
膜を用い、シリコン基板のエッチングの最中に、該Ｓｉ
Ｏ₂ 膜の厚みがより薄い部分を順次エッチングにより消
失させ、消失したＳｉＯ₂ 膜の下地のシリコンを続いて
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を特徴とする。又、前記厚
みが異なる部分を有するＳｉＯ₂膜の形成方法として
は、シリコン基板の熱酸化及び該熱酸化膜のパターン加
工を複数回繰り返し行うか、又は、シリコン基板上にＳ
ｉＯ₂ 膜を形成し、該ＳｉＯ ₂ 膜に１回、又は複数回の
ハーフエッチングを含むパターン加工を施すか、又は、
ＳｉＯ₂ 膜上にポジ型フォトレジストを塗布し、該ポジ
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、各々の該パターン形成毎に、該ＳｉＯ₂ 膜
にハーフエッチングを含む選択エッチングを行うことを
特徴とする。

【０００５】

【実施例】（実施例１）以下に本発明の第一の実施例に
基づき詳細に説明する。図１に本発明のシリコン基板の
加工工程図を示す。本実施例は、インクジェットプリン
タヘッドの加工例であるが、シリコン基板１１上にイン
ク流路１５及びインク吐出口１４を形成するものであ
る。結晶面方位が（１００）である厚み２００ミクロン
のシリコン基板１１を、水蒸気を含む酸素雰囲気下で５
０分間、摂氏１０００度に加熱し、０．４ミクロンの熱
酸化膜１２を形成した（図１（ａ））。熱酸化膜１２を
インク流路１５に相当する形状にフォトリソグラフィ及
びフッ酸エッチングによりパターン加工する（図１
（ｂ））。続いて、シリコン基板１１を再び水蒸気を含
む酸素雰囲気下で加熱し熱酸化を行うが、処理条件は摂
氏９００度、５０分間とし、インク流路１５に相当する
部分には０．２ミクロンの熱酸化膜１３が形成される。
この際、処理前には厚みが０．４ミクロンであった部分
も、同時に厚みが増し、０．５ミクロンとなる（図１
（ｃ））。次に、熱酸化膜１３をインク吐出口１４に相
当する形状にフォトリソグラフィ及びフッ酸エッチング
によりパターン加工する（図１（ｄ））。次に、アルカ
リ液によるシリコンのエッチングを行う。本実施例で
は、アルカリ液として、ＫＯＨ水溶液（ＫＯＨ濃度２５
重量％、摂氏８０度）を用いた。前述の条件では、シリ
コンのエッチングレートは１．０ミクロン／分であり、
又、熱酸化膜のエッチングレートは０．００２ミクロン
／分である。前記ＫＯＨ水溶液によるシリコン基板１１
のエッチングを２００分行った。２００分のエッチング
により、厚み２００ミクロンのシリコン基板１１に吐出
口１４が貫通するが、エッチング開始後１００分たった
ところでインク流路１５に相当する部分の厚み０．２ミ
クロンの熱酸化膜１３がエッチングにより消失し、その
下のシリコン基板が露出する（図１（ｅ））が、この部
分はその後に続く１００分のエッチングで１００ミクロ
ンだけエッチングされる（図１（ｆ））。即ち、図１
（ｅ）及び図１（ｆ）の工程において、インクジェット
プリンタヘッドの吐出口１４とインク流路１５が一括し
て形成される。この工程は、従来のような深い段差上で
のフォトリソグラフィを含まないため、エッチングマス
クである熱酸化膜のパターン加工精度は非常に良く、従
って、シリコン基板のエッチング形状も所望通りとな
る。

【０００６】（実施例２）以下に本発明の第二の実施例
について説明する。図２は、本発明のシリコン基板の加
工工程図である。本実施例も又、インクジェットプリン
タヘッドの加工例である。結晶面方位が（１００）であ
る厚み２００ミクロンのシリコン基板２１を、水蒸気を
含む酸素雰囲気下で７０分間、摂氏１０００度に加熱
し、０．５ミクロンの熱酸化膜２２を形成した（図２
（ａ））。次に、熱酸化膜２２上にフォトリソグラフィ
によりインク流路２５に相当する形状のフォトレジスト
パターンを形成し、フッ酸系エッチング液を用いて、熱
酸化膜２２をハーフエッチングにより０．３ミクロンだ
けエッチングする（図２（ｂ））。次に、熱酸化膜２３
上にフォトリソグラフィにより吐出口２４に相当する形
状のフォトレジストパターンを形成し、フッ酸系エッチ
ング液を用いて、熱酸化膜２３をエッチングする（図２
（ｃ））。続くアルカリによるシリコンのエッチング工
程は第一の実施例と同様に行い、吐出口２４とインク流
路２５を形成する。本実施例においても、第一の実施例
の場合と同様に、従来のような深い段差上でのフォトリ
ソグラフィを行わないため、シリコン基板のエッチング
形状は欠陥がなく所望のものが得られる。

【０００７】（実施例３）以下に本発明の第三の実施例
に基づき詳細に説明する。図３に本発明のシリコン基板
の加工工程図を示す。本実施例はマイクロポンプの加工
例であり、図４に本実施例において作製されたマイクロ
ポンプの上面図及び断面図を示す。図４において、マイ
クロポンプの構造は本発明のシリコン基板の加工方法に
より加工されたシリコン基板４１を２枚のガラス板４２
及び４３でサンドイッチした構造になっており、吸入側
パイプ４１１より流体を吸入し、吐出側パイプ４１２へ
流体を吐出するものである。その動作原理は、シリコン
基板４１の中央部に形成されたダイアフラム４５に貼り
付けられた圧電素子４４に電圧を印加し、たわませるこ
とにより圧力室４１０内の圧力を変化せしめ、該圧力室
４１０と空間的に連続している吸入側弁膜４６及び吐出
側弁膜４８を変位させることにより、吸入弁４７及び吐
出弁４９を開閉し、吸入側パイプ４１１から吐出側パイ
プ４１２に流体を圧送するものである。図４（ｂ）にお
いて、圧力室４１０と吸入側弁膜４６の上側の空間及び
吐出側弁膜４８の下側の空間とは連続している。次に、
図３に示したシリコン基板の加工工程図について説明す
る。（１００）シリコンウェハの両面をポリッシュし、
厚さ２８０ミクロンのシリコン基板３１を形成した後
に、該シリコン基板３１に水蒸気を含む酸素雰囲気下で
摂氏１１００度、４時間の加熱処理を行い、シリコン基
板３１の両面に厚さ１ミクロンのＳｉＯ₂ 膜３４及び３
５を形成する（図３（ａ））。次に、シリコン基板３１
の一方の面３２上に形成されたＳｉＯ₂ 膜３４上には、
吸入側弁膜３１３、ダイアフラム３１７、吐出側弁膜３
１５等に相当するパターンからなるレジストパターン３
６を形成し、シリコン基板３１の他方の面３３上に形成
されたＳｉＯ₂ 膜３５上には、吸入側弁膜３１３、吸入
弁３１４、ダイアフラム３１７、吐出側弁膜３１５、吐
出弁３１６等に相当するパターンからなるレジストパタ
ーン３７を形成し、緩衝フッ酸液によりＳｉＯ₂ 膜３４
及び３５のハーフエッチングを行う。エッチング量は
０．９２ミクロンとし、０．０８ミクロンのＳｉＯ₂ 膜
３８及び３９を残すようにエッチングした。（図３
（ｃ））。次に、他方の面３３上のＳｉＯ₂ 膜３９上
に、吸入弁３１４中に形成する貫通穴３１８及び圧力室
３１９と吸入側弁膜３１３の上側の空間とをつなぐ貫通
穴（図示していない）に相当するパターンからなるレジ
ストパターン３１０を形成し、一方の面３２の側には全
面にレジストを塗布し（図３（ｄ））、同様に緩衝フッ
酸液によりＳｉＯ₂ 膜３９のエッチングを行う（図３
（ｅ））。

【０００８】次に、アルカリ液によるシリコンのエッチ
ングを行う。第一及び第二の実施例と同様、濃度２５重
量％、温度摂氏８０度のＫＯＨ水溶液を用いてエッチン
グを行った。エッチング開始から４０分後、深さ４０ミ
クロンの、貫通穴３１８となるべき凹部３１２が形成さ
れた時点で、ＳｉＯ₂ 膜３８及び３９のうち、アルカリ
エッチングを行う前は、厚み０．０８ミクロンであった
部分はエッチングにより消失し、該ＳｉＯ₂ 膜３８及び
３９の下地のシリコンが露出し（図３（ｆ））、該下地
のシリコンは連続してエッチングされるが、総計１６０
分のエッチングを行うと凹部３１２は貫通穴３１８とな
り、又、吸入側弁膜３１３、吸入弁３１４、ダイアフラ
ム３１７、吐出側弁膜３１５、吐出弁３１６等が形成さ
れる（図３（ｇ））。

【０００９】本実施例においても、第一及び第二の実施
例の場合と同様に従来のような深い段差上でのフォトリ
ソグラフィを行わないため、吸入弁や吐出弁等をエッチ
ングにより形成する際の耐エッチング材のマスクパター
ンが正確に形成できるので、マイクロポンプの性能上、
特に形状精度が要求される吸入弁や吐出弁等の形状が正
確に形成され、性能のよいマイクロポンプが得られる。

【００１０】（実施例４）以下に本発明の第四の実施例
に基づき詳細に説明する。本実施例は本発明の第三の実
施例と同様、マイクロポンプの加工例であるが、特に、
エッチングマスクとなる厚みが異なるＳｉＯ₂ 膜の形成
方法に特徴を有する。図５に本発明のシリコン基板の加
工工程図を示す。第三の実施例と同様、両面をポリッシ
ュした厚み２８０ミクロンのシリコン基板５１上に、厚
さ１ミクロンのＳｉＯ₂ 膜５４及び５５を形成し、該Ｓ
ｉＯ₂ 膜５４及び５５上にポジ型フォトレジスト５６及
び５７を塗布する（図５（ａ））。レジスト膜の塗布条
件の詳細は次のとおりである。まずＳｉＯ₂ 膜５４上
に、粘度５０ｃｐのレジスト液を滴下、２５００ｒｐｍ
にてスピンコートし、摂氏１００度にてプレベークを１
０分間行い、レジスト膜５６を形成する。次にＳｉＯ₂
膜５５上に同様にレジストをスピンコートし、摂氏１０
０度にてプレベークを３０分間行い、レジスト膜５７を
形成するが、この際レジスト膜５６は総計で４０分間の
プレベークを施されたことになる。

【００１１】次に、レジスト膜５７に貫通穴５２０及び
圧力室５２１と吸入側弁膜５１５の上側の空間とをつな
ぐ貫通穴（図示していない）に相当するパターン露光及
び現像を行い、レジストパターン５８を形成する（図５
（ｂ））が、ポストベークは行わない。その理由は、レ
ジスト膜５６及び５７には、後に別のパターン形成（露
光、現像）を行うからである。次いで、フッ酸系エッチ
ング液により、ＳｉＯ ₂ 膜５５の選択エッチングを行
う。後に行う２回目のフッ酸エッチングにおいて０．９
２ミクロンのエッチングをするので、ここでのエッチン
グ量は０．０８ミクロン以上であればよく、本実施例で
は、０．１ミクロンとし、０．９ミクロンのＳｉＯ₂ 膜
５９を残した（図５（ｃ））。フッ酸エッチングのエッ
チングマスクとして用いたレジスト膜５６及び５７は高
温による焼成（ポストベーク）を受けていないため、残
膜部は、感光性を維持しているので、剥離せず、次工程
でさらにパターン露光及び現像によるパターン加工を行
う。レジスト膜５６には吸入側弁膜５１５、ダイアフラ
ム５１９、吐出側弁膜５１７に相当するパターン露光を
行い、レジスト膜５７には吸入側弁膜５１５、吸入弁５
１６、ダイアフラム５１９、吐出側弁膜５１７、吐出弁
５１８等に相当するパターン露光を行い、次いで、レジ
スト膜５６及び５７の現像を同時に行い、レジストパタ
ーン５１０及び５１１を形成する（図５（ｄ））。

【００１２】次にフッ酸系エッチング液による、２回目
のＳｉＯ₂ 膜の選択エッチングを行うが、エッチング量
としては、前述のとおり、０．９２ミクロンとした。こ
のときＳｉＯ₂ 膜５５の貫通穴５２０及び圧力室５２１
と吸入側弁膜５１５の上側の空間とをつなぐ貫通穴（図
示していない）に相当する部分は、完全にエッチングさ
れ、又、それ以外のエッチング部分は、ＳｉＯ₂ 膜の残
り厚さは０．０８ミクロンとなる（図５（ｅ））。図５
（ｅ）の段階で、ＳｉＯ₂ 膜５１２及び５１３は、それ
ぞれ本発明の第三の実施例における、図３（ｅ）のＳｉ
Ｏ₂ 膜３８及び３９の形状と同一となる。続いて、アル
カリ液によるシリコンのエッチングを行うが、これ以降
の工程は、第三の実施例の場合と全く同様であるので、
説明は省略する。本発明の特徴は、シリコン基板の表裏
面においてレジスト膜の塗布を各１回ずつしかせずに、
ＳｉＯ₂ 膜の複数回のパターン加工を行うことにある。
本実施例では、加工すべき対象であるマイクロポンプの
構造により、該レジスト膜のパターン加工は、一方の面
（図５の５２）で１回、他方の面（図５の５３）で２回
行っているが、前述したようにポストベークを施してい
ないポジ型レジスト膜は、感光性を維持するので、本実
施例でのパターン加工回数に限られず、複数回の加工が
可能であり、本実施例のマイクロポンプ以外の複雑な形
状を有する素子を加工、作製する際にも本発明が応用で
きる。

【００１３】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、アル
カリ異方性エッチングにより、シリコン基板に溝、貫通
穴、ダイアフラム等を形成する工程において、エッチン
グマスクとして厚みが異なる部分を有するＳｉＯ₂ 膜を
用いることによって、形状精度の高い各種の素子を形成
することができるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｆ）は、本発明におけるシリコン
基板の加工工程図。

【図２】（ａ）〜（ｄ）は、本発明におけるシリコン
基板の加工工程図。

【図３】（ａ）〜（ｇ）は、本発明におけるシリコン
基板の加工工程図。

【図４】（ａ）は、本発明におけるマイクロポンプの
上面図。（ｂ）は、本発明におけるマイクロポンプの断
面図。

【図５】（ａ）〜（ｇ）は、本発明におけるシリコン
基板の加工工程図。

【図６】（ａ）〜（ｆ）は、従来のシリコン基板の加
工工程図。

【符号の説明】

１１，２１，３１，４１，５１，６１シリコン基
板１２，１３，２２，２３，３４，３５熱酸化膜３８，３９，５４，５５，５９熱酸化膜５１２，５１３，６２，６３熱酸化膜１４，２４，６４インク吐出口１５，２５，６５インク流路３２，５２シリコン基板の一方の面３３，５３シリコン基板の他方の面５６，５７レジスト膜３６，３７，３１０，５８，５１０レジストパタ
ーン５１１レジストパターン３１２，５１４凹部３１３，４６，５１５吸入側弁膜３１４，４７，５１６吸入弁３１５，４８，５１７吐出側弁膜３１６，４９，５１８吐出弁３１７，４５，５１９ダイアフラム３１８，４１３，４１４，５２０貫通穴３１９，４１０，５２１圧力室４１１吸入側パイプ４１２吐出側パイプ４２，４３ガラス板４４圧電素子６６凸部６７凹部

【手続補正書】

【提出日】平成１３年１月２４日（２００１．１．２
４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】発明の名称

【補正方法】変更

【補正内容】

【発明の名称】インクジェットプリンタヘッドの製造
方法

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００４

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明のインクジェット
プリンタヘッドの製造方法は、シリコン基板の表面に酸
化膜を形成する第１の工程と、前記酸化膜に開口部を形
成する第２の工程と、前記シリコン基板の異方性エッチ
ングを行い、前記シリコン基板に深さの異なる複数の溝
を形成する第３の工程と、を有することを特徴とする。
また、前記第１の工程は、前記シリコン基板の熱酸化を
行いシリコン基板の表面にシリコン酸化膜を形成する副
工程と、このシリコン酸化膜を部分的にエッチングして
前記シリコン基板を部分的に露出させる副工程と、再度
前記シリコン基板の熱酸化を行う副工程と、を含むこと
を特徴とする。また、前記第１の工程は、前記シリコン
基板の熱酸化を行いシリコン基板の表面にシリコン酸化
膜を形成する副工程と、このシリコン酸化膜を部分的に
ハーフエッチングする副工程と、を含むことを特徴とす
る。また、シリコン基板の表面に開口部を有するマスク
を形成する第１の工程と、前記シリコン基板の異方性エ
ッチングを行い、前記シリコン基板に深さの異なる複数
の溝を形成する第２の工程と、を有することを特徴とす
る。

Claims

【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異方性エ
ッチングにより、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ＳｉＯ
₂ 膜を用い、シリコン基板のエッチングの最中に、該Ｓ
ｉＯ₂ 膜の厚みがより薄い部分を順次エッチングにより
消失させ、消失したＳｉＯ₂ 膜の下地のシリコンを続い
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を特徴とするシリコン基
板の加工方法。
【請求項２】シリコン基板の熱酸化及び該熱酸化膜の
パターン加工を複数回繰り返し行い、前記厚みが異なる
部分を有するＳｉＯ₂ 膜を形成することを特徴とする請
求項１記載のシリコン基板の加工方法。
【請求項３】シリコン基板上にＳｉＯ₂ 膜を形成し、
該ＳｉＯ₂ 膜に１回、又は、複数回のハーフエッチング
を含むパターン加工を施して、前記厚みが異なる部分を
有するＳｉＯ₂ 膜を形成することを特徴とする、請求項
１記載のシリコン基板の加工方法。
【請求項４】ＳｉＯ₂ 膜上にポジ型フォトレジストを
塗布し、該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、各々の該パターン形成毎
に、該ＳｉＯ₂ 膜にハーフエッチングを含む選択エッチ
ングを行なうことを特徴とする請求項３記載のシリコン
基板の加工方法。