JP2007190736A - マイクロデバイスの製造方法、および液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安価で精密な液体吐出ヘッドの吐出素子チップを製造する。
【解決手段】シリコン基板からなる基板材料１１上に電気熱変換素子２、流路形成部材６等を形成し、基板材料１１の裏面側をウエットエッチングによって薄加工し、厚みの小さい基板１を形成する。次いで、基板１の裏面にマスクを形成し、マスクのパターン開口から基板１１に異方性エッチングを施して供給口となる部分のシリコンを除去し、流路形成部材６内の流路パターンＲを除去することで、流路を形成する。基板材料１１の薄加工にウエットエッチングを用いることで、基板面の汚染や変形を防ぐ。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロセンサや、インクジェットプリンタ等に搭載される液体吐出ヘッドの吐出素子チップ等のマイクロデバイスの製造方法、および液体吐出ヘッドの製造方法に関する。

近年、様々な要素を凝縮し小型で高機能な微小機械（マイクロマシン）が幅広い分野で検討されている。これらのマイクロデバイスは、半導体フォトリソグラフィープロセスを用いて単結晶シリコン基板上にマイクロ構造体を形成するマイクロマシーニングと呼ばれる手法によって作成される。従って、基板上に複数のマイクロ構造体を再現性よく作製することが可能であり、低コスト化が比較的容易である。また、このようなマイクロデバイスは、小型であるため周波数応答性がよく、機械的・熱的特性にも優れている。さらに、シリコン基板上にデバイス駆動用の集積回路などを作り込むことも比較的容易であるから、高度な機能を持ったデバイスを高密度に作成することが可能である。

このようなマイクロマシーニングの中でもシリコン結晶異方性エッチングを用いるバルクマイクロマシーニングは、様々なマイクロデバイスの作製に幅広く用いられている。結晶異方性エッチングは、特許文献１に開示されたように、単結晶シリコンの（１１１）面とそれ以外の結晶面のエッチング速度に差が生じることを利用するものである。これによって基板を深く掘り下げ、貫通口、ダイヤフラム構造、梁構造など様々なマイクロデバイスに不可欠なマイクロ構造体やデバイスパターンを高精度に作製することができる。
特開平９−１１４７９号公報

一般的には、シリコンの結晶異方性エッチングでは（１００）面方位の基板が用いられることが多い。この場合、基板面に対して５４．７°の角度をもった（１１１）面が出現するため、角錐型もしくは、角錐台型の穴を開けることができる。ところが、この異方性エッチングでは、穴は角錐型でなくてはならないために、マイクロ構造体の設計上、非常に大きな制約を受ける。例えば、極微小な貫通口を開けたい場合でも、穴の形状が角錐型に限られるためにエッチング開始側に、非常に広い面積が必要となってしまう。

これに対し、（１１０）面方位のシリコン基板も用いられる。（１１０）基板の場合、基板面に対し垂直な（１１１）面をもっているため、垂直な穴を開けることができるが、この際の穴の形状は、平行四辺形に限られてしまうため、この場合もまた、大きな設計上の制約が生じる。

これらの問題に対し、基板の厚みを変えることで解決が可能である。先に述べたように(１００)基板においては、穴の形状が角錐型になるため、エッチング開始面側のパターン幅は、エッチング深さ、すなわち基板厚みに依存する。このため、基板厚みを所望のパターン幅に対応した厚さまで薄くすることで、マイクロ構造体の設計上の制約をクリアすることができる。また、これにより、マイクロ構造体の設計が自由に行えるだけでなく、貫通口やダイヤフラム構造のエッチング深さが少なくてすむために、エッチング時間の短縮にもなる。このメリットは、先に述べた結晶異方性エッチングを用いる場合のみならず、反応性ガスや、反応性プラズマを用いたドライエッチングによって深溝や貫通口等のデバイスパターンを形成すると言った場合においても有効である。

ＩＣカードやメモリーカード用チップなど既に薄基板を用いたプロセスが行われているデバイスにおいては、基板上に素子の形成が終了した後に、研削、研磨等の薄加工を行うのが一般的である。はじめから薄い基板を用意し、その基板にマイクロ素子やマイクロ構造体を形成してもよいが、極端に薄い基板を用いると、強度が低いために基板を破損してしまう危険性がある。

マイクロデバイスでも同様に、マイクロ素子やマイクロ構造体がある程度まで完成した状態で、基板を薄加工するのが望ましい。すなわち、はじめから薄い基板を用いてもよいが、極端に薄い基板を用いた場合、強度が不足し、基板自体を破損してしまう危険性がある。

ところが、マイクロデバイスにおいて、基板の薄加工を行うには大きな問題がある。先にも述べたように多くのマイクロデバイスでは、結晶異方性エッチングやドライエッチングを用いて、深溝や貫通口を形成するプロセスがある。基板の薄加工のメリットを引き出すためには、これらのエッチング加工以前に薄加工を行う必要があり、一般的には、薄加工後の基板の薄加工面にマスク材を被着させてパターン形成を行わなければならない。しかし、一般的に薄加工に用いられている研削や研磨によって、基板の薄加工面に研削・研磨くず等による汚染が発生してしまい、マスク材の密着性に不具合が生じたり、高精度のパターン形成が難しかったりといった問題が生じる。

これに対し、基板の薄加工面を十分に洗浄できれば問題はないが、既に素子やマイクロ構造体が形成された基板に酸・アルカリあるいは有機溶剤といった強力洗浄液を用いて洗浄することは難しいうえに、工程数の増加により負荷が増すことにもなる。

本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、基板の薄加工によって高精度なパターン形成を可能とするマイクロデバイスの製造方法、および液体吐出ヘッドの製造方法を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明のマイクロデバイスの製造方法は、基板の表面側にマイクロ素子を形成する工程と、基板を裏面側から薄加工する薄加工工程と、を有し、前記薄加工工程において、基板の裏面をウエットエッチングすることで基板厚みを縮小することを特徴とする。

基板の裏面側から薄加工してデバイスパターンを形成する工程において、基板の裏面をウエットエッチング法を用いて薄加工することによって薄加工面の汚染を防止する。これによって、薄加工後に形成されるマスクの密着性を高めて高精度なパターン形成を可能にする。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１に示すように、基板１上に形成された液体吐出素子（マイクロ素子）である電気熱変換素子２、流路形成部材６、吐出口８等を有する液体吐出ヘッドの吐出素子チップ（マイクロデバイス）を製造する。まず、厚みの大きい基板材料１１の表面に電気熱変換素子２を作り込み、レジストの流路パターンＲを形成し、その上に流路形成部材６を形成し、吐出口８の加工を行う。次いで、基板材料１１を裏面側からウエットエッチングによって薄加工し、基板１の厚みまで縮小し、薄加工面１ａに供給口（デバイスパターン）を形成する。

シリコン基板等の基板材料の薄加工に用いるウエットエッチングは、少なくともフッ酸（ＨＦ）、硝酸（ＨＮＯ₃ ）を含んだ混合液を用いるものが一般的である。この加工法は、化学反応によるエッチングであるので、研削や研磨のように加工くずの発生や、切削・研削水による基板面の汚染の心配がない。このため、薄加工面に保護膜等を形成する場合、密着性が良好な成膜が可能である。また、薄加工面にマスクを介してパターン形成をする場合にも、基板面の汚染が少ないために高精度なパターニングが可能である。

また、研削の場合のように、単結晶シリコン基板の加工面に加工ひずみや、結晶ダメージの発生する心配がないことから、薄加工面から結晶異方性エッチングを行う場合にエッチング形状が崩れる心配がない。

薄加工に用いるウエットエッチングは、基板をエッチング液中に浸漬し、静置・揺動もしくは回転する方法や、基板を回転しながらエッチング液を基板上に滴下もしくは噴霧する方法を用いることができる。どの手法を用いてもかまわないが、素子が形成された面の保護やエッチング分布の点で、基板を回転しながらエッチング液を基板上に滴下もしくは噴霧する方法が効果的である。

図１に示す液体吐出ヘッドの吐出素子チップを以下の方法で製造した。

図２の（ａ）に示すように、まずシリコン基板（結晶方位〈１００〉、厚さ６２５μｍ）からなる基板材料１１の表面に電気熱変換素子２を配置し、さらに保護膜として窒化シリコン層３とＴａ層４を形成した。なお、電気熱変換素子２には、各素子を駆動するための図示しないトランジスタ回路および配線が接続されている。

次いで、図２の（ｂ）に示すように、基板材料１１上に、流路５（図３の（ｃ）参照）を形成するための、東京応化工業（株）社製ポジレジストＯＤＵＲからなる流路パターンＲを形成した。さらに感光性エポキシ樹脂層からなる流路形成部材６および感光性撥水層７を形成し、パターニングにより吐出口８を形成した。

次いで、図２の（ｃ）に示すように、ウエットエッチングによる基板材料１１の薄加工を行った。本実施例では、フッ酸（ＨＦ）、硝酸（ＨＮＯ₃ ）、酢酸（ＣＨ₃ ＣＯＯＨ）の混合液を用いた。シリコンのエッチングに寄与するのは、おもにフッ酸、硝酸であり、酢酸は、エッチング液を希釈することで、エッチング反応をコントロールするものである。このエッチング液を用いてエッチングを行った。加工しろは、約４２５μｍとし、出来上がりの基板厚みが２００μｍとなるようにした。また、図には示していないが、基板表面に既に形成されている電気熱変換素子２や流路形成部材６を保護するために、基板表面にのみ環化ゴム系レジストを塗布した。これは、直接エッチング液にふれるため、耐酸性が強いことと、後に容易に除去可能であり、流路形成部材６を侵さない材料であれば何でもかまわない。

次いで、図３の（ａ）に示すように、薄加工後の基板１の裏面である薄加工面１ａに結晶異方性エッチングのマスクＭを形成する。結晶異方性エッチングは、ＫＯＨ（水酸化カリウム）、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）といった強アルカリの水溶液を用いるため、それに耐えうるエッチングマスクを形成する必要がある。例えば、酸化シリコン、窒化シリコンといった無機膜がよく用いられるが、高温（例えば３００℃以上）で成膜しなければならないため、基板表面に形成した流路形成部材６にダメージを与えてしまう。

従って本実施例では、耐アルカリ性の有機膜として、ポリエーテルアミド樹脂を用いた。日立化成工業（株）社製ＨＩＭＡＬ−１２００ＣＨをスピンコートし、１５０℃で乾燥させた。流路形成部材６に温度によるダメージはなかった。次いで、形成したポリエーテルアミド樹脂膜のマスクＭにフォトリソグラフィー技術を用いてパターン開口を形成した。マスクＭのパターン開口は、基板厚みが変わったため、結晶異方性エッチングによるテーパー形状の幅を考慮の上設計しなくてはならない。例えば、基板表側開口部の幅を１００μｍとすると、通常の６２５μｍ厚の基板では、裏面エッチングのためのマスクパターン幅は、約９７５μｍ必要であるのに対して、２００μｍ厚の基板では、マスクパターン幅は約３８０μｍとなった。

次いで、図３の（ｂ）に示すように、ポリエーテルアミド樹脂膜のマスクＭを介して結晶異方性エッチングを行い、供給口９を形成した。本実施例では、水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液（ＴＭＡＨ）を用い、濃度２２％、液温８３℃の条件で５時間３０分浸漬することで、貫通口である供給口９を得た。ポリエーテルアミド膜は、十分に基板１と密着しておりエッチング形状の崩れは、ほとんどみられなかった。

次いで、図３の（ｃ）に示すように、供給口９上の窒化シリコン層およびＯＤＵＲからなる流路パターンＲを除去して流路５を形成した。さらに流路形成部材６を構成するエポキシ樹脂を完全に硬化させるため、２００℃／６０分のベークを行い、液体吐出ヘッドの吐出素子チップを得た。

エッチング液は、上記組成のものに限定されることなく、少なくともフッ酸と硝酸が含まれていればよい。例えば、上記以外の組成物として界面活性剤や微量な添加剤が含まれていてもかまわない。

薄加工のウエットエッチングをスピンエッチングによって行った以外は、実施例１と同様の工程で液体吐出ヘッドを製造した。

図２の（ａ）に示すように、まずシリコン基板（結晶方位〈１００〉、厚さ６２５μｍ）からなる基板材料１１の表面に電気熱変換素子２を配置し、さらに保護膜として窒化シリコン層３とＴａ層４を形成した。なお、電気熱変換素子２には、各素子を駆動するための図示しないトランジスタ回路および配線が接続されている。

次いで、図２の（ｂ）に示すように、基板材料１１上に、流路５を形成するための、東京応化工業（株）社製ポジレジストＯＤＵＲからなる流路パターンＲを形成した。さらに感光性エポキシ樹脂層からなる流路形成部材６および感光性撥水層７を形成し、パターニングにより吐出口８を形成した。

次いで、基板を回転しながらエッチング液を滴下する方法、すなわちスピンエッチングによる基板材料１１の薄加工を行った。本実施例では、フッ酸（ＨＦ）、硝酸（ＨＮＯ₃ ）、硫酸（Ｈ₂ ＳＯ₄ ）、リン酸（Ｈ₃ ＰＯ₄ ）の混合液を用いた。シリコンのエッチングに寄与するのは、おもにフッ酸、硝酸であり、硫酸は、エッチング面の洗浄作用、リン酸は、エッチング液に緩衝作用を持たせることで、エッチング特性を長時間にわたって一定に保つ作用をするものである。このエッチング液を用い、基板材料１１を回転させながらエッチング液を滴下することによりエッチングを行った。加工しろは、約４２５μｍとし、出来上がりの基板厚みが２００μｍとなるようにした。また、図には示していないが、基板表面に既に形成されている電気熱変換素子２や流路形成部材６を保護するために、基板表面にのみ環化ゴム系レジストを塗布した。これは、後に容易に除去可能であり、流路形成部材６を侵さない材料であれば何でもかまわない。例えば他には、一般的な基板保護テープと称して市販されているものも利用可能である。

次いで、基板１の裏面である薄加工面１ａに結晶異方性エッチングのマスクＭを形成する。結晶異方性エッチングは、ＫＯＨ（水酸化カリウム）、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）といった強アルカリの水溶液を用いるため、それに耐えうるエッチングマスクを形成する必要がある。例えば、酸化シリコン、窒化シリコンといった無機膜がよく用いられるが、高温(例えば３００℃以上)で成膜しなければならないため、基板表面に形成した流路形成部材６にダメージを与えてしまう。

従って本実施例では、耐アルカリ性の有機膜として、ポリエーテルアミド樹脂を用いた。日立化成工業（株）社製ＨＩＭＡＬ−１２００ＣＨをスピンコートし、１５０℃で乾燥した。流路形成部材６に温度によるダメージはなかった。次いで、形成したポリエーテルアミド樹脂膜のマスクＭにフォトリソグラフィー技術を用いてパターン開口を形成した。マスクＭのパターン開口は、基板の厚みが変わったため、結晶異方性エッチングによるテーパー形状の幅を考慮の上設計しなくてはならない。実施例１の場合と同様、２００μｍ厚の基板では、マスクパターン幅は約３８０μｍとなる。

次いで、ポリエーテルアミド樹脂膜のマスクＭを介して結晶異方性エッチングを行い、供給口９を形成した。本実施例では、水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液（ＴＭＡＨ）を用い、濃度２２％、液温８３℃の条件で５時間３０分浸漬することで、貫通口である供給口９を得た。ポリエーテルアミド膜は、十分に基板１と密着しておりエッチング形状の崩れは、ほとんどみられなかった。

次いで、供給口９上の窒化シリコン層およびＯＤＵＲからなる流路パターンＲを除去し、さらに流路形成部材６を形成するエポキシ樹脂を完全に硬化させるため、２００℃／６０分のベークを行い、液体吐出ヘッドの吐出素子チップを得た。

エッチング液は、今回は、上記組成のものに限定されることなく、少なくともフッ酸と硝酸が含まれていればよい。例えば、上記以外の組成物として界面活性剤や微量な添加剤が含まれていてもかまわない。

本発明は、液体吐出ヘッドの吐出素子チップに限らず、マイクロセンサ等の他のマイクロデバイスに広く適用できる。

一実施の形態による液体吐出ヘッドの吐出素子チップを示す模式断面図である。 図１の吐出素子チップの製造工程の前半を説明する工程図である。 図１の吐出素子チップの製造工程の後半を説明する工程図である。

符号の説明

１ 基板
１ａ 薄加工面
２ 電気熱変換素子
５ 流路
６ 流路形成部材
７ 感光性撥水層
８ 吐出口
９ 供給口

Claims (8)

1. 基板の表面側にマイクロ素子を形成する工程と、
   基板を裏面側から薄加工する薄加工工程と、を有し、
   前記薄加工工程において、基板の裏面をウエットエッチングすることで基板厚みを縮小することを特徴とするマイクロデバイスの製造方法。
2. 基板の薄加工面に、マスクを介してデバイスパターンを形成する工程を有することを特徴とする請求項１記載のマイクロデバイスの製造方法。
3. 液体吐出素子を備えた基板上に流路を有する液体吐出ヘッドの製造方法において、
   基板の表面側に流路を有する流路形成部材を形成する工程と、
   流路形成部材を形成した基板を裏面側から薄加工する薄加工工程と、
   基板の薄加工面に、マスクを介して供給口を形成する工程と、を有し、
   前記薄加工工程において、基板の裏面をウエットエッチングすることによって基板厚みを縮小することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
4. 前記薄加工工程において、基板をエッチング液に浸漬することを特徴とする請求項３記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
5. 前記薄加工工程において、基板を回転させながらエッチング液に浸漬することを特徴とする請求項３記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
6. 前記薄加工工程において、基板を回転させながらエッチング液を基板上に滴下もしくは噴霧することを特徴とする請求項３記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
7. 供給口を、結晶異方性ウエットエッチングによって形成することを特徴とする請求項３ないし６いずれか１項記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
8. 供給口を、反応性ガスもしくは反応性プラズマを用いたドライエッチングによって形成することを特徴とする請求項３ないし６いずれか１項記載の液体吐出ヘッドの製造方法。

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