JP2009061667A - シリコン基板の加工方法、及び液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】未貫通穴の深さに生じるバラツキの影響を抑え、シリコン基板の裏面における貫通穴の開口を小さく形成すると共に、貫通穴を効率良く形成する。
【解決手段】開口部５を有するエッチングマスク層４をシリコン基板１の裏面に形成する工程と、シリコン基板１の裏面からエッチングマスク層４の開口部５にレーザ光を照射してシリコン基板１の内部に変質層６を形成する工程と、シリコン基板１の裏面からエッチングマスク層４の開口部５にレーザ光を照射してシリコン基板１の裏面からシリコン基板１の表面まで貫通しない複数の先導孔７を、変質層６におけるシリコン基板１の表面に平行な領域に複数列で配置し、先導孔７の先端が変質層６に達するように形成する工程と、先導孔７及び変質層６が形成されたシリコン基板１に異方性エッチングを施してシリコン基板１の表面まで貫通する貫通穴であるインク供給口８を形成する工程と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、シリコン基板に貫通穴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、図４に示すように、ヒータ１０３が形成されたシリコン基板１０１に貫通穴であるインク供給口１０６が設けられ、ヒータ１０３が形成された表面の裏面側から、インク供給口１０６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が、特許文献１に開示されている。この特許文献１には、貫通穴であるインク供給口１０６の開口径のばらつきを防ぐため、以下の工程を有する製造方法が開示されている。

この製造方法は、
（ａ）シリコン基板の表面のインク供給口形成部位に、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形成する工程と、
（ｂ）シリコン基板上に犠牲層を被覆するように耐エッチング性を有するパッシベイション層を形成する工程と、
（ｃ）犠牲層に対応した開口部を有するエッチングマスク層をシリコン基板の裏面に形成する工程と、
（ｄ）エッチングマスク層の開口部から犠牲層が露出するまでシリコン基板を結晶軸異方性エッチングでエッチングする工程と、
（ｅ）シリコン基板のエッチング工程によって露出させた部分から犠牲層をエッチングして除去する工程と、
（ｆ）パッシベイション層の一部を除去してインク供給口を形成する工程と、を有している。

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、断面「く」の字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。シリコンの異方性エッチングを利用し、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）面を発現させ、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。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という問題がある。

特許文献３には、シリコンの除去を機械加工で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。また、特許文献４には、ガラス基板に微細加工を行う加工方法として、ガラス基板の所望の位置に光を照射することによって、光照射領域と非照射領域とにエッチング速度の差を生じさせ、光照射領域をエッチング処理によって除去する加工方法が開示されている。
特開平１０−１８１０３２号公報 米国特許第６８０５４３２号明細書 特開２００４−１４８８２５号公報 特開平９−３０９７４４号公報

上述したように、シリコン基板を貫通する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、シリコン基板の裏面における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。

そして、シリコン基板の表面に、被覆感光性樹脂によって形成されたインク流路形成部材が設けられているインクジェットヘッド用基板に対してインク供給口を形成する場合には、シリコン基板の裏面側からインク供給口を形成する必要がある。

一般に、シリコン基板にインク供給口を形成する工程では、異方性エッチングが行われている。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である。

また、エッチング時間の短縮を図るためには、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、エッチング時間を短縮する効果を更に高めることができる。

シリコン基板の一部の除去方法として、ドライエッチングやレーザアブレーション加工が挙げられる。ドライエッチングを行う場合、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が、ドライエッチングにおけるエッチング時間を要するので、生産効率が低いという問題がある。

一方、レーザアブレーション加工を行う場合、シリコンを比較的迅速に除去することができる利点がある。しかしながら、シリコン基板の表面にインク流路形成部材が設けられている場合、生じる熱の影響によって被覆感光性樹脂からなるインク流路形成部材に変形等を及ぼす悪影響があり、比較的深い孔を形成することが困難である。また、レーザアブレーション加工によって、シリコン基板の裏面から表面まで貫通しない未貫通穴を形成する場合、加工時に未貫通穴の内部に発生するデブリ（破片）の影響によって、レーザ光によって比較的深い未貫通穴を安定して形成することが困難である。すなわち、シリコン基板に形成される未貫通穴の深さにバラツキが生じ易い問題がある。

そこで、本発明は、未貫通穴の深さのばらつきの影響を抑え、シリコン基板の裏面における貫通穴の開口を小さく形成すると共に、貫通穴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、液体吐出ヘッドの製造方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係るシリコン基板の加工方法は、開口部を有するエッチングマスク層をシリコン基板の裏面に形成する工程と、シリコン基板の裏面からエッチングマスク層の開口部にレーザ光を照射してシリコン基板の内部に変質層を形成する工程と、シリコン基板の裏面からエッチングマスク層の開口部にレーザ光を照射してシリコン基板の裏面からシリコン基板の表面まで貫通しない複数の未貫通穴を、変質層におけるシリコン基板の表面に平行な領域に複数列で配置し、これら未貫通穴の先端が変質層に達するように形成する工程と、未貫通穴及び変質層が形成されたシリコン基板に異方性エッチングを施してシリコン基板の表面まで貫通する貫通穴を形成する工程と、を有する。

本発明によれば、未貫通穴の深さのばらつきが変質層によって均一化されることで、未貫通穴の深さのばらつきによる影響が抑えられ、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。また、本発明によれば、シリコン基板の裏面における貫通穴の開口を小さく形成すると共に、貫通穴を効率良く形成することができる。したがって、本発明によれば、貫通穴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。

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。

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デバイスの製造工程において、インクジェットヘッドのインク供給口（液体供給口）のような貫通穴をシリコン基板に形成する際に用いられて好適である。本発明では、シリコン基板のエッチング処理に先立って、インク供給口を形成するシリコン基板に対してレーザ光を照射することによって、シリコン基板の内部にアモルファス化させた変質層と、未貫通穴としての先導孔と、をそれぞれ形成する。そして、本発明は、複数の先導孔を、変質層におけるシリコン基板の表面に平行な領域に複数列で配置し、先導孔の先端が変質層に達するように形成する点を特徴とする。

本実施形態のシリコン基板の加工方法は、開口部を有するエッチングマスク層をシリコン基板の裏面に形成する工程と、レーザ光を照射してシリコン基板の内部に変質層を形成する工程と、レーザ光を照射して未貫通穴としての複数の先導孔を形成する工程とを有している。また、この加工方法は、先導孔及び変質層が形成されたシリコン基板に異方性エッチングを施してシリコン基板の表面まで貫通する貫通穴を形成する工程を有している。

図１に示すように、結晶軸（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を発生する吐出エネルギ発生素子としてのヒータをなす電熱変換素子（ＴａＮ）３が配置されている。さらに、シリコン基板１の表面上には、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パッシベイション層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６２５μｍ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。

図１に示すように、シリコン基板１の裏面には、シリコン基板１のＳｉＯ₂層１ａにポリアミド樹脂が積層されて、開口部５を有するエッチングマスク層４が形成されており、この開口部５内がエッチング部分となる。

図１に示すように、（１００）面のシリコン基板１の裏面側から表面側に向けて、エッチングマスク層４の開口部５内にレーザ光を照射して、シリコン基板１の内部に、アモルファス化させた変質層６を形成する。このとき、シリコン基板１の表面から深さ１０％の位置を焦点としてレーザ光を集光させ、多光子吸収を利用したレーザ加工によって変質層６を、シリコン基板（インクジェットヘッド用基板）１の長辺方向に沿って列状に配列して形成する。すなわち、シリコン基板１に長尺状に形成される貫通穴としてのインク供給口の長辺方向に平行な列状に配列して形成する。変質層６は、アモルファス化されることでエッチングレートが比較的速くされる。

また、本実施形態では、変質層６を、シリコン基板１の表面（裏面）に平行な面において、シリコン基板１の長辺方向に沿って４列で形成している。また、変質層６は、シリコン基板１の短辺方向に対するピッチ距離を３３μｍで形成した。この変質層６は、ＹＡＧレーザの基本波（波長１０６０ｎｍ）のレーザ光を用いて形成され、そのレーザ光の出力及び周波数を適切な値に設定した。

また、変質層６は、シリコン基板１の表面からシリコン基板１の厚みの２０％以内の深さの位置に形成するのが好ましい。シリコン基板１の表面からシリコン基板の厚みの２０％を超えた位置に変質層を形成した場合には、異方性エッチングに要する時間が長くなるので、好ましくない。

なお、本実施形態では、ＹＡＧレーザの基本波（波長１０６０ｎｍ）のレーザ光を用いて変質層を形成した。しかし、シリコン基板を形成する材料であるシリコンに対して多光子吸収を利用できるものであればよく、加工で用いることができるレーザ光としてはこのレーザ光に限定されない。例えば、フェムト秒レーザも同様にシリコンに対する多光子吸収加工が可能とされており、このようなレーザ光を用いて変質層を形成してもよい。

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の裏面から表面まで貫通しない複数の未貫通穴としての複数の先導孔７を形成する。先導孔７を形成する工程では、ＹＡＧレーザの３倍波（ＴＨＧ：波長３５５ｎｍ）のレーザ光を用いて形成し先導孔７を形成し、そのレーザ光の出力及び周波数を適切な値に設定した。本実施形態では、先導孔７の直径をφ４０μｍ程度に形成した。先導孔７の直径としては、φ５μｍ〜１００μｍ程度であることが望ましい。先導孔の直径が小さすぎる場合には、この後の工程で行われる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難くなるので好ましくない。また、先導孔の直径が大きすぎる場合には、所望の深さの先導孔を形成するのに比較的長い時間を要するので好ましくない。先導孔の深さとして、シリコン基板１の裏面から５００μｍ〜５７５μｍの深さで形成した。

また、先導孔７は、変質層６におけるシリコン基板１の表面に平行な領域に、シリコン基板１の長辺方向に沿って平行に５列で配置し、各先導孔７の先端が変質層６に達するように形成される。複数の先導孔７は、シリコン基板１の短辺方向に対してピッチ距離が３３μｍで5列をなして形成され、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３３μｍで複数列をなして形成された。また、先導孔７は、変質層６の領域の中心線に対して対称に１列以上をなすように形成される。

また、先導孔７を形成する工程では、シリコン基板１の表面からシリコン基板１の厚みの５％以上２０％以下の範囲の深さで先導孔７を形成することが好ましい。シリコン基板１の表面からシリコン基板１の厚みの５％未満の深さで先導孔を形成した場合には、深さばらつきにより、被覆感光性樹脂からなるインク流路形成部材に変形等を及ぼさないように慎重な制御が求められる。また、シリコン基板１の表面からシリコン基板１の厚みの２０％を超える深さで先導孔を形成した場合には、インク供給口を形成するためのエッチング時間が長くなり、シリコン基板の裏面の開口幅が短辺方向に広がってしまう場合がある。

なお、本実施形態ではＹＡＧレーザの３倍波（ＴＨＧ：波長３５５ｎｍ）のレーザ光を用いて先導孔７の加工を行った。しかし、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穴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。また、上述した先導孔の形成工程と、変質層の形成工程は、順序が入れ替わっても良い。

次に、図３に示すように、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４の開口部５内のＳｉＯ₂層１ａを除去して、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、貫通穴であるインク供給口８を形成する。具体的には、まず、シリコン基板１の裏面に形成されたポリエーテルアミド樹脂からなるエッチングマスク層４として、開口部５内におけるシリコン基板１の裏面のＳｉＯ₂層１ａを除去する。

次に、例えばＴＭＡＨやＫＯＨ等の強アルカリ溶液中にシリコン基板１を浸漬し、結晶異方性エッチングを行う。このエッチング処理では、複数の先導孔７の内部の壁面の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（００１）面及び（０１１）面に沿ってエッチングが進行する。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。シリコン基板１の表面の内部に形成されたエッチングレートが比較的速い変質層６がエッチングによって除去される。そして、シリコン基板１の表面まで貫通するインク供給口が形成されるまでウエットエッチングを行った。さらに、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パッシベイション層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の表面側に開口するインク供給口８を得た。

上述した工程を行うことによって、従来では１６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時間に短縮することができた。結晶異方性エッチングのエッチング時間が短くなるので、従来のシリコン基板の裏面におけるインク供給口の開口幅が１ｍｍであったが、この開口幅を０．５ｍｍで形成することが可能となり、インクジェットヘッドの小型化を図ることができる。

なお、先導孔を形成する工程では、例えば、レーザ光を照射しながら照射位置をずらすようなスパイラル加工によって先導孔を形成してもよい。

上述したように、本実施形態によれば、レーザ光を照射して、複数の先導孔７を、変質層６におけるシリコン基板１の表面に平行な領域に複数列で配置し、先導孔７の先端が変質層６に達するように形成する工程を有している。これによって、先導孔７の深さのばらつきが変質層によって均一化し、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、本実施形態によれば、シリコン基板１の裏面におけるインク供給口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、インク供給口８の加工速度を向上し、インクジェットヘッド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のが好ましい。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。

シリコン基板に変質層を形成する工程を模式的に示す断面図である。 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断面図である。 変質層及び先導孔が形成されたシリコン基板にエッチングを施す工程を示す断面図である。 従来のシリコン基板を貫通するインク供給口を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１ シリコン基板
２ パッシベイション層
３ 電気熱変換素子
４ エッチングマスク層
５ 開口部
６ 変質層
７ 先導孔
８ インク供給口（貫通穴）

Claims (8)

1. 開口部を有するエッチングマスク層をシリコン基板の裏面に形成する工程と、
   前記シリコン基板の裏面から前記エッチングマスク層の開口部にレーザ光を照射して、前記シリコン基板の内部に変質層を形成する工程と、
   前記シリコン基板の裏面から前記エッチングマスク層の開口部にレーザ光を照射して、前記シリコン基板の裏面から前記シリコン基板の表面まで貫通しない複数の未貫通穴を、前記変質層における前記シリコン基板の表面に平行な領域に複数列で配置し、該未貫通穴の先端が前記変質層に達するように形成する工程と、
   前記未貫通穴及び前記変質層が形成された前記シリコン基板に異方性エッチングを施して前記シリコン基板の表面まで貫通する貫通穴を形成する工程と、
   を有するシリコン基板の加工方法。
2. 前記未貫通穴を形成する工程では、前記変質層の前記領域の中心線に対して対称に１列以上をなすように前記未貫通穴をそれぞれ形成する、請求項１に記載のシリコン基板の加工方法。
3. 前記未貫通穴を形成する工程では、レーザ光のアブレーションによって前記未貫通穴を形成する、請求項１または２に記載のシリコン基板の加工方法。
4. 前記変質層を形成する工程では、レーザ光による多光子吸収を利用して前記変質層を形成する、請求項１または２に記載のシリコン基板の加工方法。
5. 前記未貫通穴を形成する工程では、前記シリコン基板の表面から前記シリコン基板の厚みの５％以上２０％以下の範囲の深さで前記未貫通穴を形成する、請求項１ないし４のいずれか１項に記載のシリコン基板の加工方法。
6. 前記変質層を形成する工程では、前記シリコン基板の表面から前記シリコン基板の厚みの２０％以内の深さの位置に前記変質層を形成する、請求項１ないし５のいずれか１項に記載のシリコン基板の加工方法。
7. 前記変質層を形成する工程では、前記シリコン基板の表面に平行な面において前記変質層を複数の列状に配列して形成する、請求項１ないし６のいずれか１項に記載のシリコン基板の加工方法。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載のシリコン基板の加工方法を用いて、液体を吐出する吐出口と、該吐出口に連通する液体流路と、前記吐出口から液体を吐出するエネルギを発生する吐出エネルギ発生素子とが表面側にそれぞれ設けられたシリコン基板に、前記液体流路に液体を供給する液体供給口を形成する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
   前記シリコン基板の裏面から前記貫通穴を形成することで、前記液体流路に連通する前記液体供給口を形成する、液体吐出ヘッドの製造方法。

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