JP2019014164A - シリコン基板の加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 シリコン基板の内部に変質層を精度良く安定して連続形成可能であり、シリコン基板をデチャックしやすいシリコン基板の加工方法を提供すること。【解決手段】 シリコン基板の裏面側にエッチングマスク層を形成する工程と、シリコン基板の裏面側から赤外波長を用いた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レーザ光を照射してシリコン基板の裏面から複数の未貫通穴を変質層に達するように形成する工程と、シリコン基板に異方性エッチングを行いシリコン基板の裏面から表面まで貫通する貫通穴を形成する工程と、を有し、シリコン基板の裏面の光沢度が２８０％以上３６０％以下であることを特徴とするシリコン基板の加工方法。【選択図】 図３

Description

本発明は、シリコン基板の加工方法に関する。

液体吐出ヘッドは吐出口から液体を吐出し、記録媒体に着弾させることで、記録媒体に画像の記録を行う。液体吐出ヘッドとしては、インクを紙等の記録媒体に吐出して記録を行うインクジェット記録ヘッドが挙げられる。インクジェット記録ヘッドは一般的に、インクが吐出される複数の吐出口と、各吐出口に連通するインク流路と、流路にインクを供給するための供給口と、流路内のインクに吐出エネルギーを付与する吐出エネルギー発生素子とを少なくとも備えた基板を有する。一般的に、基板としてはシリコンで形成されたシリコン基板が用いられ、インク流路と連通する液体供給口が基板を貫通するように設けられている。

シリコン基板に液体供給口を形成する工程では、異方性エッチングが行われることがあり、異方性エッチングの加工時間の短縮を図るため、シリコン基板の一部を除去することがある。シリコン基板の一部の除去方法として、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方法がある。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、レーザ光による比較的深い未貫通穴の深さが安定しにくい。そこで、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手法がある。この変質層に達するようにシリコン基板の裏面から未貫通穴を形成することで、未貫通穴の深さを安定化させる。特許文献１には、シリコン基板に対して、焦点位置を移動させてレーザ光をパルス照射し、シリコンを部分的に多結晶化して、シリコン基板の内部に連続した変質層を形成し、変質層をエッチングすることが記載されている。

特開２０１２−９９５１６号公報

特許文献１に記載の変質層は、シリコン基板に対して焦点を絞ってレーザ光をパルス照射するため、基板の表面に影響を与えず、シリコン基板の内部の小さな領域にレーザ光のパルスエネルギーを集中させ、多結晶化させたものである。変質層の形成工程では、レーザ光をパルス照射する時の焦点位置を、適当なピッチ（間隔）で移動させることによって、各焦点位置で１パルスのレーザ光によって形成される、多結晶化した小さな領域（パルス多結晶化領域）が連結するようにする。これにより連続した変質層を形成する。特許文献１には、レーザ光を、波長１０００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下、平均パルスエネルギー６．２５μＪ以上１２．５μＪ以下として照射することで、シリコン基板の内部の変質層の幅と基板面に垂直方向の高さの制御を行うことが記載されている。

本発明者らは、シリコン基板の内部に変質層を形成する場合、安定して連続した変質層を形成する上で、レーザ光が入射する側であるシリコン基板の面の光沢度が重要であることを見出した。レーザ光が入射する側であるシリコン基板の面の光沢度が低いと、シリコン基板の内部にレーザ光を集光性が低下し、変質層が形成しにくくなる。逆にレーザ光が入射する側であるシリコン基板の面の光沢度が高すぎると、ドライエッチング装置などの半導体装置で静電チャックを使用している装置において、静電チャックからシリコン基板を取り出す場合にデチャックできないことがある。

本発明は上記の課題を鑑みてなされたものであり、シリコン基板の内部に変質層を精度良く安定して連続形成可能であり、シリコン基板をデチャックしやすいシリコン基板の加工方法を提供することを目的とする。

本発明は、シリコン基板の加工方法であって、前記シリコン基板の裏面側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、前記シリコン基板の裏面側から前記エッチングマスク層の開口部に赤外波長を用いた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、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行い、前記シリコン基板の裏面から表面まで貫通する貫通穴を形成する工程と、を有し、前記シリコン基板の裏面の光沢度が２８０％以上、３６０％以下であることを特徴とするシリコン基板の加工方法である。

本発明によれば、シリコン基板の内部に変質層を精度良く安定して連続形成可能であり、かつシリコン基板をデチャックしやすいシリコン基板の加工方法を提供することができる。

シリコン基板の加工を示す断面図である。 シリコン基板に変質層を形成する工程とレーザ光の集光を模式的に示した断面図。 シリコン基板の内部の変質層の様子を示す断面画像。 シリコン基板の裏面の光沢度と内部の変質層の関係を示す図。

以下に、本発明の好適な実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、同一の機能を有する構成には図面中同一の番号を付与し、その説明を省略する場合がある。

図１（ａ）に、加工を行うシリコン基板の一例として、液体吐出ヘッドに用いる基板を示す。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、特に液体吐出ヘッド等のデバイスの製造工程において、液体吐出ヘッドのインク供給口（貫通穴）をシリコン基板に形成する際に好適である。液体吐出ヘッドを製造する上で、シリコン基板は、基板の表面および裏面の結晶方位が（１００）面もしくは（１００）面と結晶方位的に同等な面であること、基板の厚みは５８０μｍ以上、７５０μｍ以下であることが好ましい。

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させる電気熱変換素子７が、所定のピッチで２列に並んで形成されている。さらに、シリコン基板１の表面上には、電気熱変換素子７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８が形成されている。尚、電気熱変換素子７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の裏面には、酸化膜９と保護膜１０が積層され、開口部２を有するエッチングマスク層が形成されており、この開口部２内がエッチング部分となる。

次に、図１（ｂ）に示すように、シリコン基板１のエッチング処理に先立って、シリコン基板１の裏面の開口部２からレーザ光５を照射する。これによって、シリコン基板１の内部に、アモルファス化させた変質層３と、未貫通穴１１としての先導穴と、をそれぞれ形成する。複数の未貫通穴１１を、変質層３におけるシリコン基板１の表面と平行な領域に複数列で配置し、未貫通穴１１の先端が変質層３に達するようする。

その後、図１（ｃ）に示すように、シリコン基板１に異方性エッチングを行い、シリコン基板１の表面まで貫通するインク供給口（貫通穴）１２を形成する。

以下の実施形態では、インクジェット用基板の一部をなすシリコン基板１の単体を用いて説明するが、実際にはウエハー単位で同様の加工を行うものとする。

＜実施形態＞
図１（ａ）に示すように、結晶方位が（１００）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の開口部２内にレーザ光５を照射して、シリコン基板１の内部に変質層３を形成する。変質層３とは、シリコン基板１がアモルファス化された部分である。

図２は、シリコン基板１にレーザを照射して変質層３を形成する様子を示す図である。レーザ光５は集光ユニット６で集光され、シリコン基板１上のエッチングマスクの開口部２から、シリコン基板に照射される。シリコン基板１の内部に変質層３を形成する前に、シリコン基板１の裏面の光沢度を２８０％以上、３６０％以下とする。表面粗さＲａで表すと、０．０８４μｍ以上、０．１１２μｍ以下とすることが好ましい。シリコン基板１の裏面の光沢度が２８０％未満と低い場合、シリコン基板１の内部に変質層３を良好に形成することができない。逆にシリコン基板１の裏面の光沢度が３６０％を超えるほど高い場合、ドライエッチング装置などの半導体装置で静電チャックを使用している装置において、デチャックできないことがある。

図２には、レーザ光５の集光を模式的に示す。レーザ光入射面（ここではシリコン基板１の裏面）が平坦であると、レーザ光５がシリコン基板１の内部で集光しやすく、変質層３を形成しやすい。一方、レーザ光入射面が荒いと、レーザ光５がシリコン基板１の内部で集光しにくく、変質層３も形成しにくくなる。図３（ａ）に、シリコン基板１の内部に変質層３が良好に形成できている様子を示す。また、図３（ｂ）に、シリコン基板１の内部に変質層３が形成できていない部分４が存在する様子を示す。このように、本発明ではレーザ光入射面であるシリコン基板１の裏面の光沢度が重要な要素となる。

シリコン基板１の裏面の一部には酸化膜９と保護膜１０が形成されている。酸化膜９としては、例えばＳｉＯ_２が挙げられる。保護膜１０としては、例えばポリエーテルアミド樹脂が挙げられる。酸化膜９と保護膜１０が形成されていない開口部２は、後述の異方性エッチングによってインク供給口（貫通穴）１２が形成される領域である。開口部２の寸法は、作製する液体吐出ヘッドのノズル構成および所望とするインク供給口（貫通穴）１２寸法による。そのため、開口部２の寸法は特に限定されないが、短手方向の寸法は２００μｍ以上、１５００μｍ以下、長手方向の寸法は５０００μｍ以上、４００００μｍ以下であることが好ましい。また、酸化膜９上には保護膜１０が形成されている。保護膜１０としては、例えばポリエーテルアミド樹脂を用いることができる。本実施形態においては、保護膜１０を形成した構成を考える。変質層３の形成は、シリコン基板１の表面から深さ１０％の位置の位置を焦点としてレーザ光５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３を、シリコン基板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インク供給口（貫通穴）１２の長辺方向に平行な列状に配列して形成する。変質層３は、アモルファス化させることでエッチングレートが速くなる。

また、シリコン基板１の表面上には、犠牲層（不図示）が形成されていてもよい。犠牲層は異方性エッチングによってシリコン基板１よりもエッチングされやすいことが特徴である。犠牲層を形成することで、インク供給口（貫通穴）１２の開口幅をより良好に制御することができる。犠牲層は、例えばＡｌ−Ｓｉ合金、Ａｌ−Ｃｕ、Ｃｕ等で形成することができる。犠牲層はエッチング耐性を有するパッシベイション層８（エッチングストップ層）で覆われている。パッシベイション層８としては、例えばＳｉＯ_２やＳｉＮが挙げられる。

変質層３は、シリコン基板１の表面からシリコン基板１の厚み２０％以内の深さの位置に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２０％を超えた位置に変質層３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。シリコン基板１の裏面の開口部２から、シリコン基板１の表面（裏面）に平行な面において変質層３の形成方法としては、ＹＡＧレーザを用いたレーザ光５の照射による加工方法が挙げられる。

レーザ光５としては、赤外波長を用い、波長範囲は９００ｎｍ以上、１３００ｎｍ以下であることが好ましい。レーザ光５の波長が９００ｎｍより小さい場合では、透過率が低すぎてシリコン基板１の表面でのエネルギー吸収が大きくなり、シリコン基板１の内部までレーザ光５のエネルギーを到達させることが困難になる。逆にレーザ光５の波長が１３００ｎｍよりも大きい場合では、透過率が高すぎてレーザ光５のエネルギー吸収が小さく、シリコン基板１の内部でのパルスエネルギーの集中が困難となる。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多光子吸収を利用できるものであればよく、加工に用いることができるレーザ光５としては、このレーザ光に限定されない。

レーザ光５の周波数は、２０ＫＨｚ以上、８０ＫＨｚ以下であることが好ましい。レーザ光５の周波数が低いと処理タクトが延び、高いと処理タクトが縮まる。

レーザ光５のパルスは、２．５μＪ以上、１５μＪ以下、パルス幅は１０ｎｓ以上、２００ｎｓ以下であることが好ましい。パルスとパルス幅はシリコン基板１の内部に形成する変質層３の大きさに影響し、レーザ光５のパルスが２．５μＪ未満、パルス幅が１０ｎｓ未満の場合では、シリコン基板１の内部を多結晶化することが不十分となる。逆にレーザ光５のパルスが１５μＪを超える、またはパルス幅が２００ｎｓを超える場合では、シリコン基板１の内部を多結晶化領域の大きさにほとんど変化が見られない。

シリコン基板１の内部に変質層３を形成する場合、シリコン基板１の裏面の光沢度のほかに、レーザ光５の波長、発振周波数、パルス、パルス幅、走査速度も適切な範囲とすることが好ましい。

次に、シリコン基板１の裏面からレーザ光５を照射することで、図１（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の裏面から表面まで貫通しない、複数の未貫通穴１１を形成する。複数の未貫通穴１１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５を用い、レーザ光５の出力及び周波数を適切な値に設定する。但し、レーザの波長はこれに限定されるものでなく、シリコン基板を形成する材料であるシリコンに対して加工が可能な波長であればよい。また、未貫通穴１１は、レーザ光５のアブレーションによって形成しても良い。未貫通穴１１の直径としてはφ５μｍ以上、φ１００μｍ以下であることが好ましい。未貫通穴１１の直径が小さすぎる場合では、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未貫通穴１１内に侵入し難くなる。逆に未貫通穴１１の直径が大きすぎる場合では、所望の深さに未貫通穴１１を形成するのに比較的長い時間を要する。

未貫通穴１１は、変質層３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複数列配置し、未貫通穴１１の先端が変質層３に達するように形成する。未貫通穴１１の配置は、変質層３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する。

また、未貫通穴１１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％未満の深さで未貫通穴１１を形成した場合、未貫通穴１１の深さバラツキにより、シリコン基板１表面の感光性樹脂からなるインク流路形成部材（不図示）に変形等が生じる。そのため、未貫通穴１１の深さにはインク流路形成部材（不図示）に影響を及ぼさないような高精度な制御が求められる。逆に、シリコン基板１の表面からシリコン基板１の厚みの２０％以上の深さで未貫通穴１１を形成した場合では、インク供給口（貫通穴）１２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１の裏面の開口部２の幅が広がってしまうことがある。

次に、図１（ｃ）に示すように、シリコン基板１裏面から異方性エッチングを行い、インク供給口（貫通穴）１２を形成する。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ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）やＫＯＨ（水酸化カリウム）等の強アルカリ溶液が挙げられる。このエッチング処理では、複数の未貫通穴１１の内部の壁面すべてからエッチングが始まり、シリコン基板１の表面に向かって（１１１）面が形成されるとともに、基板の深さ方向に垂直な方向にもエッチングが進行する。一方、シリコン基板１の裏面の開口部２からもシリコン基板１の表面に向かって広がるように（１１１）面が形成される。さらにシリコン基板１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３がエッチングにて除去される。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（貫通穴）１２が形成される。

尚、本発明は該実施形態に制限されるものではなく、本発明の思想及び範囲から逸脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。

以下、本発明を実施例にてより具体的に説明する。

＜実施例１＞
図１（ａ）に示すように、シリコン基板１を用意した。シリコン基板は結晶軸（１００）で、厚みは７２５μｍのものを用いた。シリコン基板１の裏面の光沢度は３３６％とした。

シリコン基板１の裏面に、エッチングマスク層を形成した。エッチングマスク層は、酸化膜はＳｉＯ_２、保護膜はポリエーテルアミド樹脂を用いて形成した。開口部２の寸法は、短手方向の寸法を５００μｍ、長手方向の寸法を２５０００μｍとした。変質層３は、シリコン基板１の裏面からＹＡＧレーザの基本波（波長１０６０ｎｍ）のレーザ光５を用いて、発振周波数２０ＫＨｚ、パルス１０μＪ、パルス幅２００ｎｓ、走査速度４０ｍｍ／ｓで形成した。開口部２はシリコン基板１を静電チャックした状態でドライエッチングすることで形成した。変質層３はシリコン基板１の長手方向に沿って４列で配置し、短手方向に対するピッチ距離を３３μｍとした。

次に、図１（ｂ）に示すように、シリコン基板１の裏面からレーザ光５を照射することによって、未貫通穴１１を形成した。未貫通穴１１はＹＡＧレーザの３倍波（ＴＨＧ：波長３５５ｎ）のレーザ光５を用いて、発振周波数１００ＫＨｚ、パルス１０μＪ、パルス幅３０ｎｓで形成した。未貫通穴１１はシリコン基板１の長手方向に沿って平行に５列で配置し、ピッチ距離は長手方向、短手方向ともに３３μｍで形成した。このときの未貫通穴１１の直径はφ４０μｍ程度とし、シリコン基板１の裏面から５００μｍ以上５７５μｍ以下の深さで形成した。

次に、図１（ｃ）に示すようにシリコン基板１に対して異方性エッチングを行い、インク供給口（貫通穴）１２を形成した。異方性エッチングはエッチング液として濃度２２ｗｔ％、液温８０℃のＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）を用い、エッチング時間は３時間とした。

以上のようにして、１００個のシリコン基板にインク供給口（貫通穴）１２を形成し、シリコン基板の加工を終えた。加工したシリコン基板のインク供給口の形状を電子顕微鏡で観察したところ、１００個のシリコン基板間でインク供給口１２の形状の差異はほぼ見られず、形状が安定していた。また、シリコン基板は良好にデチャックすることができた。

＜実施例２〜６＞
シリコン基板１の裏面の研磨状態を変え、裏面の光沢度を、２８０％（実施例２）、３００％（実施例３）、３２０％（実施例４）、３４０％（実施例５）、３６０％（実施例６）とした。これ以外は実施例１と同様にして、シリコン基板の加工を行った。

図４に、実施例２〜６におけるシリコン基板の裏面の状態と、シリコン基板内部の変質層の状態を示す。光沢度が上がるにつれ、シリコン基板裏面の黒い部分が減り、変質層がはっきりと形成されていく様子が示されている。

実施例２〜６で加工したシリコン基板は、１００個のシリコン基板間でインク供給口１２の形状の差異はほぼ見られず、形状が安定していた。また、シリコン基板は良好にデチャックすることができた。

＜比較例１＞
シリコン基板１の裏面の研磨状態を変え、裏面の光沢度を、２７０％とした。これ以外は実施例１と同様にして、シリコン基板の加工を行った。

比較例１のシリコン基板１では、内部に形成した変質層が一部途切れていた（図３（ｂ）の状態）。この結果、良好な形状のインク供給口が形成できず、シリコン基板間でインク供給口の形状にばらつきが生じていた。

＜比較例２＞
シリコン基板１の裏面の研磨状態を変え、裏面の光沢度を、３９０％とした。これ以外は実施例１と同様にして、シリコン基板の加工を行った。

比較例２では、また、シリコン基板を良好にデチャックすることができず、搬送エラーとなった。

Claims (7)

1. シリコン基板の加工方法であって、
   前記シリコン基板の裏面側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、
   前記シリコン基板の裏面側から前記エッチングマスク層の開口部に赤外波長を用いた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、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行い、前記シリコン基板の裏面から表面まで貫通する貫通穴を形成する工程と、を有し、
   前記シリコン基板の裏面の光沢度が２８０％以上、３６０％以下であることを特徴とするシリコン基板の加工方法。
2. 前記シリコン基板の裏面の表面粗さＲａが０．０８４μｍ以上、０．１１２μｍ以下である請求項１に記載のシリコン基板の加工方法。
3. 前記シリコン基板の裏面に静電チャックを行う請求項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レーザ光の波長が９００ｎｍ以上、１３００ｎｍ以下である請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシリコン基板の加工方法。
5. 前記変質層を形成するレーザ光の周波数が２０ＫＨｚ以上、８０ＫＨｚ以下である請求項１乃至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レーザ光のパルスが２．５μＪ以上、１５μＪ以下である請求項１乃至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レーザ光のパルス幅が１０ｎｓ以上、２００ｎｓ以下である請求項１乃至６のいずれか１項に記載のシリコン基板の加工方法。