JP2023167472A - 単結晶シリコン基板、液体吐出ヘッド及び単結晶シリコン基板の製造方法 - Google Patents

単結晶シリコン基板、液体吐出ヘッド及び単結晶シリコン基板の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】シリコン基板に形成された貫通孔における液体の流れを向上する。【解決手段】少なくとも一部が液体の流路５１を構成する単結晶シリコン基板４０であって、流路５１の一部を構成するとともに単結晶シリコン基板４０を単結晶シリコン基板４０の基板面と交差する方向に貫通する貫通孔Ｎを備え、貫通孔Ｎは、金属アシスト化学エッチングで形成されるとともに、液体の流れる方向に沿う凹部及び凸部の少なくとも一方が延設されるスジ状部Ｌを有する。【選択図】図３

Description

本発明は、単結晶シリコン基板、液体吐出ヘッド及び単結晶シリコン基板の製造方法に関する。
従来から様々なシリコン基板が使用されている。このようなシリコン基板は、液体としてのインクを吐出するインクジェットヘッドなど、様々な液体吐出ヘッドに好ましく使用されている。このようなシリコン基板のうち、液体を流す貫通孔が形成されるものがある。例えば、非特許文献１には、シリコン基板にＳｉ－Ｄｅｅｐ－ＲＩＥを用いて液体を流す貫通孔を形成する方法が開示されている。
ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ＭＥＭＳ００ 予稿集
非特許文献１のＳｉ－Ｄｅｅｐ－ＲＩＥは、１μｍ程度ごとに側壁保護膜形成とエッチングとを繰り返すエッチング方法であるため、形成される貫通孔の側壁にスキャロップと呼ばれる凹凸が該貫通孔の深さ方向と交差する方向に形成される。該凹凸は、液体の流れる方向である深さ方向と交差する方向に沿って形成されるため、該貫通孔に液体が流れると乱流が発生して液体の流れを乱すことがあるとともに、気泡や異物などが該凹凸に滞留して取り除きづらく液体の流れに影響を与えることがある。
そこで、上記課題を解決するための本発明に係る単結晶シリコン基板は、少なくとも一部が液体の流路を構成する単結晶シリコン基板であって、前記流路の一部を構成するとともに前記単結晶シリコン基板を前記単結晶シリコン基板の基板面と交差する方向に貫通する貫通孔を備え、前記貫通孔は、金属アシスト化学エッチングで形成されるとともに、前記液体の流れる方向に沿う凹部及び凸部の少なくとも一方が延設されるスジ状部を有することを特徴とする。
また、上記課題を解決するための本発明に係る単結晶シリコン基板の製造方法は、単結晶シリコン基板の基板面のうちの触媒膜形成面のエッチング対象領域に触媒膜を形成する工程と、前記触媒膜が形成された状態の前記単結晶シリコン基板をエッチング液と接触させて前記エッチング対象領域をエッチングして、前記単結晶シリコン基板を前記基板面と交差する方向に貫通する貫通孔を形成する工程と、を有し、前記貫通孔を形成する工程では、前記貫通孔の貫通方向に沿う凹部及び凸部の少なくとも一方が延設されるスジ状部を形成することを特徴とする。
本発明の一実施例の液体吐出ヘッドの底面図及びその一部領域Ｘの拡大図。 図１の液体吐出ヘッドの側面断面図。 図１の液体吐出ヘッドの流路基板の底面側からの斜視図。 図１の液体吐出ヘッドの流路基板の製造過程を表す図。 図１の液体吐出ヘッドの流路基板及び封止板の製造方法を表すフローチャート。 触媒膜のエッジ部に形成される凹凸の写真。 図１の液体吐出ヘッドの流路基板のノズル内部の写真。 図１の液体吐出ヘッドの封止板の斜視図。 図１の液体吐出ヘッドの封止板の製造過程を表す図。 図１の液体吐出ヘッド全体の製造方法を表すフローチャート。
最初に、本発明について概略的に説明する。
上記課題を解決するための本発明の第１の態様の単結晶シリコン基板は、少なくとも一部が液体の流路を構成する単結晶シリコン基板であって、前記流路の一部を構成するとともに前記単結晶シリコン基板を前記単結晶シリコン基板の基板面と交差する方向に貫通する貫通孔を備え、前記貫通孔は、金属アシスト化学エッチングで形成されるとともに、前記液体の流れる方向に沿う凹部及び凸部の少なくとも一方が延設されるスジ状部を有することを特徴とする。
本態様によれば、貫通孔は、金属アシスト化学エッチングで形成されるとともに、液体の流れる方向に沿う凹部及び凸部の少なくとも一方が延設されるスジ状部を有する。このため、金属アシスト化学エッチングにより狭い形成ピッチで、液体の流れる方向に沿うスジ状部を形成でき、狭い形成ピッチの液体の流れる方向に沿うスジ状部により貫通孔における液体の流れを向上することができる。
本発明に係る第２の態様の単結晶シリコン基板は、第１の態様において、前記貫通孔には、前記貫通孔の貫通方向から見て前記凹部及び前記凸部の少なくとも一方が複数並んで設けられ、隣り合う前記凹部同士または隣り合う前記凸部同士の形成ピッチは、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることを特徴とする。
本態様によれば、スジ状部の形成ピッチは、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。スジ状部の形成ピッチが大きすぎると凹部または凸部で乱流が発生する虞や気泡や異物などが滞留する虞があり、スジ状部の形成ピッチが小さすぎるとスジ状部の形成効果が不十分となる虞があるが、スジ状部の形成ピッチを１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることで、貫通孔における液体の流れを好適に向上することができる。
本発明の第３の態様の液体吐出ヘッドは、前記第１または第２の単結晶シリコン基板と、圧電素子と前記圧電素子に導通する導通部とが形成される導通部形成面と、少なくとも一部が前記流路を構成するとともに前記導通部形成面とは反対側の流路形成面と、を有するキャビティー基板と、を備え、前記基板面に前記導通部形成面または前記流路形成面が接合されることで前記流路形成面の前記流路が前記貫通孔と連通することを特徴とする。
本態様によれば、上記単結晶シリコン基板とキャビティー基板とにより、基板面に導通部形成面が接合されることで流路形成面の流路が貫通孔と連通する構成とすることで、貫通孔における液体の流れが向上した液体吐出ヘッドを製造することができる。
本発明に係る第４の態様の単結晶シリコン基板の製造方法は、単結晶シリコン基板の基板面のうちの触媒膜形成面のエッチング対象領域に触媒膜を形成する工程と、前記触媒膜が形成された状態の前記単結晶シリコン基板をエッチング液と接触させて前記エッチング対象領域をエッチングして、前記単結晶シリコン基板を前記基板面と交差する方向に貫通する貫通孔を形成する工程と、を有し、前記貫通孔を形成する工程では、前記貫通孔の貫通方向に沿う凹部及び凸部の少なくとも一方が延設されるスジ状部を形成することを特徴とする。
本態様によれば、触媒膜形成面のエッチング対象領域に触媒膜を形成し、触媒膜が形成された状態の単結晶シリコン基板のエッチング対象領域をエッチングして貫通孔を形成し、貫通孔の形成に伴って貫通方向に沿うスジ状部を形成する。このため、狭い形成ピッチの貫通方向に沿う緻密なスジ状部を貫通孔に形成することができる。したがって、貫通孔における液体の流れを向上することができる。
本発明に係る第５の態様の単結晶シリコン基板の製造方法は、第４の態様において、前記貫通孔を形成する工程では、前記貫通孔が金属アシスト化学エッチングで形成されることを特徴とする。
本態様によれば、貫通孔が金属アシスト化学エッチングで形成される。このため、狭い形成ピッチの貫通方向に沿う緻密なスジ状部を好適に貫通孔に形成することができる。したがって、貫通孔における液体の流れを向上することができる。
本発明に係る第６の態様の単結晶シリコン基板の製造方法は、第５の態様において、前記触媒膜を形成する工程では、前記触媒膜は無電解めっき法または蒸着法により形成されることを特徴とする。
本態様によれば、触媒膜は無電解めっき法または蒸着法により形成される。このように単結晶シリコン基板を製造することで、特に簡単かつ高精度に単結晶シリコン基板を製造することができる。
本発明に係る第７の態様の単結晶シリコン基板の製造方法は、第４から第６のいずれか１つの態様において、前記触媒膜を形成する工程の前に実行する工程であって、レジストでパターン形成する工程と、前記触媒膜を形成する工程の後に実行する工程であって、前記レジストを除去する工程と、を有することを特徴とする。
本態様によれば、触媒膜を形成する前にレジストでパターン形成し、触媒膜の形成後にレジストを除去する。このような方法を採用することにより単結晶シリコン基板を容易に製造することができる。
本発明に係る第８の態様の単結晶シリコン基板の製造方法は、第４から第６のいずれか１つの態様において、前記貫通孔は、前記基板面に対して９０°プラスマイナス２°以下の垂直側壁で側壁が構成されることを特徴とする。
本態様によれば、貫通孔は基板面に対して９０°プラスマイナス２°以下の垂直側壁で側壁が構成される。このため、基板面が広がることを抑制でき、単結晶シリコン基板を小型化することができる。
本発明に係る第９の態様の単結晶シリコン基板の製造方法は、第４から第６のいずれか１つの態様において、前記貫通孔を形成する工程では、前記単結晶シリコン基板が貫通する前に前記触媒膜を除去し、前記単結晶シリコン基板が貫通する位置まで前記基板面のうちの前記触媒膜形成面とは反対側の面側の一部を除去することで前記貫通孔を形成することを特徴とする。
本態様によれば、単結晶シリコン基板が貫通する前に触媒膜を除去し、単結晶シリコン基板が貫通する位置まで基板面のうちの触媒膜形成面とは反対側の面側の一部を除去する。このような方法を採用することにより単結晶シリコン基板を容易に製造することができる。
本発明に係る第１０の態様の単結晶シリコン基板の製造方法は、第４から第６のいずれか１つの態様において、前記基板面の結晶異方性エッチング対象領域を結晶異方性エッチングすることにより、前記基板面に対して前記貫通孔の側壁よりも傾斜した傾斜側壁を有する傾斜貫通孔を形成する工程を有することを特徴とする。
本態様によれば、基板面の結晶異方性エッチング対象領域を結晶異方性エッチングすることにより、基板面に対して貫通孔の側壁よりも傾斜した傾斜側壁を有する傾斜貫通孔を形成する。このため、例えば、構成部材を貫通孔に配置する場合などにおいて、末広がりとなる傾斜貫通孔を形成することで、該傾斜貫通孔に好適に該構成部材を配置することができる。
本発明に係る第１１の態様の単結晶シリコン基板の製造方法は、第１０の態様において、前記傾斜貫通孔を形成する工程では、エッチング液としてアルカリ性水溶液を使用することを特徴とする。
本態様によれば、傾斜貫通孔を形成する際にエッチング液としてアルカリ性水溶液を使用する。このため、簡単に傾斜貫通孔を形成することができる。
次に、本発明の一実施例の液体吐出ヘッド１について図１から図１０を参照して詳細に説明する。なお、以下の図においては、液体吐出ヘッド１の構造をわかりやすくするため、一部の部材の簡略化、一部の部材の省略化、一部の部材の縦横比の変更などがなされている。
図１で表される本実施例の液体吐出ヘッド１は、移動方向Ａに媒体を搬送して、または、停止した媒体に対して移動方向Ａに液体吐出ヘッド１自体が移動して、媒体に対して液体としてのインクをノズルＮから吐出して画像を形成することが可能なインクジェットヘッドの底面図である。本実施例の液体吐出ヘッド１は、移動方向Ａと交差する幅方向Ｂにおける媒体全体に対応してノズルＮが設けられる所謂ラインヘッドである。
ラインヘッドの底面であるノズル形成面１１に複数のノズルＮを配置する場合、幅方向ＢにノズルＮを並べると最もシンプルにノズルＮを配置することができる。ただし、そのようにノズルＮを配置すると、幅方向Ｂにおける隣接するノズルＮ同士のピッチが広くなってしまう。隣接するノズルＮ同士のピッチが広くなると解像度が低下する。そこで、本実施例の液体吐出ヘッド１は、ノズルＮが一直線に並ぶ複数のノズル列１２を移動方向Ａに対して斜めになるように配置している。
図１の領域Ｘの拡大図で表されるように、本実施例の液体吐出ヘッド１においては、各々のノズル列１２の幅方向ＢにおけるノズルＮの間隔はピッチＰ１となっている。さらに、隣接するノズル列１２で同じインクを吐出する構成とし、幅方向Ｂにおいて隣接するノズル列１２同士でノズルＮの位置がノズル列１２毎にピッチＰ１の半分ずれて配置される構成としていることで、液体吐出ヘッド１の幅方向ＢにおけるノズルＮの間隔はピッチＰ１の半分であるピッチＰ０となっている。本実施例の液体吐出ヘッド１は、このようなノズル列１２の配置とすることでピッチＰ０をとして１２００ｄｐｉ（ドット パー インチ）という解像度となるように高解像度化している。
なお、このように移動方向Ａに対して斜めになるようにノズル列１２の配置とすることに加えて、隣接するノズルＮ同士の間隔を狭めることでさらに高解像度化することができる。本実施例の液体吐出ヘッド１は、図２で表される構成とすることで、隣接するノズルＮ同士の間隔を狭めている。図２は、概ね移動方向Ａに沿う方向において切断した断面図である。本実施例の液体吐出ヘッド１は、不図示のインクカートリッジからノズル列１２のうちのノズル列１２Ａ及びノズル列１２Ｂの両方に同じインクが供給され、ノズル列１２ＡのノズルＮとノズル列１２ＢのノズルＮとで同じインクを吐出可能である。液体吐出ヘッド１の内部でインクは流れ方向Ｆに流れる。詳細には、ノズル列１２Ａ及びノズル列１２Ｂの両方において、インクカートリッジから流れ方向Ｆに流れてきたインクは、いずれも流路５１の一部を形成する、後述する封止板２０の第２貫通孔２２に対応する流路５１Ａ、後述するキャビティー基板３０の貫通孔に対応する流路５１Ｂ、を介して、ノズルＮを備える圧力室４１に供給される。そして圧力室４１に圧力が加えられることでノズルＮからインクが吐出方向Ｄに吐出される。
以下に、図２を参照してさらに本実施例の液体吐出ヘッド１の詳細な構成について説明する。図２で表されるように、本実施例の液体吐出ヘッド１は、封止板２０と、キャビティー基板３０と、流路基板４０と、を備えている。
封止板２０は、少なくとも一部が液体の流路５１を構成する単結晶シリコン基板である。また、封止板２０は、基板面として第１面２０ａ及び該第１面２０ａとは反対側の面である第２面２０ｂを有し、第１面２０ａ及び第２面２０ｂに対して傾斜した傾斜側壁２１ａを有する第１貫通孔２１を備えている。また、封止板２０は、流路５１を構成するとともに、第１面２０ａ及び第２面２０ｂに対して傾斜側壁２１ａよりも垂直に近い垂直側壁２２ａで側壁が構成される第２貫通孔２２を備えている。そして、第２貫通孔２２は、流路５１の一部であってインクリザーバーの役割をしている。このように、垂直に近い垂直側壁２２ａで側壁が構成される第２貫通孔２２をインクリザーバーの役割とすることで、基板面の広がる面方向に封止板２０が大きくなることを抑制でき、液体吐出ヘッド１の小型化が可能になっている。
キャビティー基板３０は、基板面として第３面３０ａ及び該第３面３０ａとは反対側の面である第４面３０ｂを有し、第３面３０ａが第２面２０ｂに接合されることで封止板２０に接合されている。本実施例のキャビティー基板３０も、封止板２０と同様、単結晶シリコン基板であるが、単結晶シリコン基板であることに限定されない。また、第３面３０ａには電極部３１として圧電素子３２と圧電素子３２に導通する導通部としての電極膜３３及び３４とが形成され、第４面３０ｂは少なくともその一部が流路５１を構成している。また、封止板２０には制御ＩＣ２８が設けられ、電極膜３３は制御ＩＣ（インテグレーティッド サーキット）２８にＦＰＣ（フレキシブル フラット ケーブル）２９を介して接続されている。なお、電極部３１の形成位置に対応する封止板２０の領域には、圧電素子収容室２３が設けられている。電極膜３３は圧電素子収容室２３から第１貫通孔２１まで進出している。別の観点から説明すると、第１貫通孔２１においてＴＣＰ（テープ キャリア― パッケージ）がＣＯＦ（チップ オン フレックス）実装される。ＣＯＦ実装ではＴＣＰを加熱圧着するために専用のツールを用いるが、ＣＯＦ実装の際に第１面２０ａ側を広く第２面２０ｂ側を狭くすることで、面方向に封止板２０やキャビティー基板３０が大きくなることを抑制でき、液体吐出ヘッド１の小型化が可能になっている。
流路基板４０は、基板面として第５面４０ａ及び該第５面４０ａとは反対側の面である第６面４０ｂを有し、第５面４０ａが第４面３０ｂに接合されることでキャビティー基板３０に接合されている。本実施例の流路基板４０も、封止板２０及びキャビティー基板３０と同様、単結晶シリコン基板である。また、流路基板４０は、キャビティー基板３０を介して電極部３１に対向する位置に圧力室４１が設けられ、上記のように圧力室４１にはインクを吐出方向Ｄに吐出するノズルＮが設けられている。電極部３１が通電されると、圧電素子３２が変形し、キャビティー基板３０が振動することで圧力室４１に圧力が加わり、圧力室４１内のインクがノズルＮから吐出方向Ｄに吐出する。
以下に、流路基板４０について、図３を参照してさらに詳細に説明する。上記のように、本実施例の流路基板４０は、インクの流路５１を構成するノズルＮが少なくとも一部分に設けられる単結晶シリコン基板である。そして、ノズルＮは、流路５１の一部を構成するとともに、図３で表されるように、基板面としての第５面４０ａ及び第６面４０ｂと交差する方向に流路基板４０を貫通する貫通孔である。ここで、貫通孔としてのノズルＮは、金属アシスト化学エッチング（ＭＡＣＥ）で形成されるとともに、図３で表されるように、インクの流れ方向Ｆに沿う凹部及び凸部が延設されるスジ状部Ｌを有している。このように、本実施例の流路基板４０は、ＭＡＣＥによって狭い形成ピッチでインクの流れ方向Ｆに沿うスジ状部Ｌを形成し、インクの流れ方向Ｆに沿う狭い形成ピッチのスジ状部ＬによりノズルＮにおける液体の流れを向上することができている。なお、本実施例のスジ状部Ｌは後述する図６の凹凸Ｒに対応して凹部及び凸部の両方で構成されているが、スジ状部Ｌはインクの流れ方向Ｆに沿う凹部及び凸部の少なくとも一方で構成されていればよい。
ここで、各ノズルＮにはノズルＮの貫通方向に対応する吐出方向Ｄから見て凹部及び凸部の少なくとも一方が複数並んで設けられるスジ状部Ｌが設けられているが、隣り合う凹部同士または隣り合う凸部同士の形成ピッチは、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましい。スジ状部Ｌの形成ピッチが大きすぎると凹部または凸部で乱流が発生する虞や気泡や異物などが滞留する虞があり、スジ状部Ｌの形成ピッチが小さすぎるとスジ状部Ｌの形成効果が不十分となる虞があるためである。スジ状部Ｌの形成ピッチを１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることで、ノズルＮにおけるインクの流れを好適に向上することができる。なお、スジ状部Ｌの形成ピッチを１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることは、別の表現をすると、図６の凹凸Ｒが１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の凹凸であることを意味し、Ａｕ膜２０４の粒子サイズに対応している。
次に、本実施例の流路基板４０の製造方法について、図４から図７を参照して説明する。図５で表されるように、本実施例の封止板２０の製造方法においては、最初にステップＳ１０のエッチング準備工程を実行する。ステップＳ１０のエッチング準備工程では、最初に図４の一番上の図で表される単結晶シリコン基板２０１に対し、図４の上から２番目の図で表されるようにフォトリソによりレジスト２０３によりパターン化する。そして、図４の上から３番目の図で表されるようにＭＡＣＥの触媒膜となる金による膜であるＡｕ膜２０４を形成し、図４の上から４番目の図で表されるようにリフトオフ形成する。なお、本実施例ではＡｕ膜２０４の形成は図中の下面全体にＡｕを蒸着させることにより行ったが、Ａｕ膜２０４の形成はこのような方法に限定されない。ここで、Ａｕ膜２０４の形成に際して、使用する真空装置の到達真空度、成膜速度などの成膜条件を調整することや加熱処理などを行うことなどによって、図６で表されるように、Ａｕ膜２０４のエッジ部２０４ｅに１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の所望の大きさの凹凸Ｒが形成されるように処理を行う。なお、更に大きな凹凸Ｒを形成する場合、フォトリソによるレジスト２０３のパターン側に凹凸を形成すれば、そのパターン形状に沿って凹凸は形成できるので、特に凹凸の上限は無い。ここまでがＳ１０のエッチング準備工程に対応する。
次に、図５のステップＳ２０の貫通孔形成工程を実行する。具体的には、フッ化水素と過酸化水素水を混合した溶液であるフッ化水素水溶液を用いてＭＡＣＥによって、図４の上から５番目の図で表されるように、ノズルＮに対応する貫通孔を形成する。そして、Ａｕ膜２０４をエッチングすると、図４の上から６番目の図で表される状態となり、これを図４の上から７番目の図で表されるように図中の下面側をグラインドや研磨などで除去することにより薄板化することで、図４の一番下の図で表されるように本実施例の流路基板４０が完成する。なお、図７は、図４の上から５番目の図に対応する写真である。図６で表されるようにＡｕ膜２０４のエッジ部２０４ｅに凹凸Ｒを形成することで、ＭＡＣＥが行われた際に、ノズルＮにインクの流れ方向Ｆに沿うスジ状部Ｌが形成される。
上記のように、本実施例の単結晶シリコン基板である流路基板４０の製造方法は、ステップＳ１０のエッチング準備工程において、流路基板４０の基板面のうちの触媒膜形成面としての第５面４０ａのエッチング対象領域に触媒膜であるＡｕ膜２０４を形成する。そして、ステップＳ２０の貫通孔形成工程において、Ａｕ膜２０４が形成された状態の流路基板４０をエッチング液としてのフッ化水素水溶液と接触させてエッチング対象領域をエッチングして、流路基板４０を基板面と交差する方向に貫通する貫通孔としてのノズルＮを形成する。ここで、上記のように、ステップＳ２０の貫通孔形成工程では、インクの流れ方向Ｆに対応するノズルＮの貫通方向に沿う凹部及び凸部の少なくとも一方が延設されるスジ状部Ｌを形成する。このような流路基板４０の製造方法を実行することで、狭い形成ピッチの貫通方向に沿う緻密なスジ状部ＬをノズルＮに形成することができる。したがって、本実施例の流路基板４０の製造方法を実行することで、ノズルＮにおけるインクの流れを向上することができる。
また、上記のように、本実施例の流路基板４０の製造方法では、ステップＳ２０の貫通孔形成工程では、ノズルＮがＭＡＣＥで形成される。このため、狭い形成ピッチの貫通方向に沿う緻密なスジ状部Ｌを好適にノズルＮに形成することができる。したがって、ノズルＮにおけるインクの流れを向上することができる。
ここで、ステップＳ１０のエッチング準備工程のうちのＡｕ膜２０４を形成する工程では、特にその方法に限定は無いが、Ａｕ膜２０４は無電解めっき法または蒸着法により形成されることが好ましい。Ａｕ膜２０４が無電解めっき法または蒸着法により形成されることで、特に簡単かつ高精度に流路基板４０を製造することができるためである。
また、本実施例の流路基板４０の製造方法では、ステップＳ１０のエッチング準備工程において、図４の上から３番目の図で表されるＡｕ膜２０４を形成する工程の前に、図４の上から２番目の図で表されるレジストでパターン形成する工程を有し、さらに、図４の上から３番目の図で表されるＡｕ膜２０４を形成する工程の後に、図４の上から４番目の図で表されるレジストを除去する工程を有する。このような方法を採用することにより、流路基板４０を容易に製造することができる。
また、本実施例の流路基板４０の製造方法では、ステップＳ２０の貫通孔形成工程において、図４の上から６番目の図で表されるように単結晶シリコン基板２０１が貫通する前にＡｕ膜２０４を除去し、図４の上から７番目の図で表されるように単結晶シリコン基板２０１が貫通する位置まで基板面のうちの触媒膜形成面（第５面４０ａ）とは反対側の第６面４０ｂ側の一部を除去することでノズルＮを形成する。このような方法を採用することにより流路基板４０を容易に製造することができる。
また、本実施例の流路基板４０の製造方法におけるステップＳ２０の貫通孔形成工程では、ノズルＮは、流路基板４０の基板面に対して９０°プラスマイナス２°以下の垂直側壁２２ａで側壁が構成されることが好ましい。このような構成とすることで、基板面が広がることを抑制でき、流路基板４０を小型化することができるためである。
次に、封止板２０について、図８を参照してさらに詳細に説明する。上記のように、本実施例の封止板２０は、インクの流路５１を構成する第２貫通孔２２が少なくとも一部分に設けられる単結晶シリコン基板である。そして、第２貫通孔２２は、流路５１の一部を構成するとともに、図８で表されるように、基板面としての第１面２０ａ及び第２面２０ｂと交差する方向に封止板２０を貫通する貫通孔である。ここで、貫通孔としての第２貫通孔２２は、ＭＡＣＥで形成されるとともに、図８で表されるように、インクの流れ方向Ｆに沿う凹部及び凸部が延設されるスジ状部Ｌを有している。そして、第２貫通孔２２のスジ状部Ｌの形成ピッチは、ノズルＮのスジ状部Ｌの形成ピッチと同様である。すなわち、上記流路基板４０の貫通孔であるノズルＮに関する説明は、ノズルＮを第２貫通孔２２と読み替えて、封止板２０に対応させることができる。
ここで、本実施例の封止板２０においては、第１貫通孔２１は結晶異方性エッチングで形成され、第２貫通孔２２はＭＡＣＥで形成されている。ＭＡＣＥで貫通孔を形成することにより結晶異方性エッチングで貫通孔を形成する場合よりも垂直に近い側壁の貫通孔とすることができる。このため、基板面である第１面２０ａ及び第２面２０ｂに対して略垂直な垂直側壁２２ａで第２貫通孔２２の側壁を構成することができている。封止板２０をこのような構成とすることで、緻密な構造の単結晶シリコン基板を製造することができ、小型で高解像度の液体吐出ヘッド１を製造することができる。また、第１貫通孔２１を結晶異方性エッチングで形成し、第２貫通孔２２を金属アシスト化学エッチングで形成することで、温室効果ガスを多く用いるドライエッチングを使用せず、オールウェットの状態でエッチングをすることができる。このため、封止板２０をこのような構成とすることで、生産性を向上することができるとともに、製造に伴う電力量や温室効果ガスの使用を削減することができる。
ここで、基板面に対する垂直側壁２２ａのなす角度は、上記のとおり、９０°プラスマイナス２°以下であることが好ましい。封止板２０に表面である基板面のミラー指数（面指数）が（１００）の単結晶シリコンのウエハを使い、エッチング液組成を工夫することで、垂直なＭＡＣＥによるエッチングを、例えば封止板２０の厚みを４００μｍ程度の範囲で管理し、垂直度を確保することができるためである。
また、基板面に対する傾斜側壁２１ａのなす角度は、４５．０°以上５４．７°以下であることが好ましい。５４．７°は、ミラー指数（面指数）が（１００）の封止板２０の第１面２０ａの表面部分とエッチングの進行が最も遅いミラー指数（面指数）が（１１１）の結晶面とのなす角であり、計算ではＣＯＳ－１（１／３１／２）の値である。また、４５°は、次に安定するミラー指数（面指数）が（１１０）の結晶面とのなす角となるＣＯＳ－１（１／２１／２）の値である。なお、該角度を４５°とした場合に比べ、該角度を５４．７°とした場合の方がエッチング面として安定していて、封止板２０の全体のサイズも小さくできる。
次に、本実施例の封止板２０の製造方法について、図５及び図９を参照して説明する。すなわち、本実施例の封止板２０の製造方法のフローチャートは、図５で表される上記本実施例の流路基板４０の製造方法のフローチャートと同様である。本実施例の封止板２０の製造方法においては、最初に図９の一番上の図で表される単結晶シリコン基板２０１に対し、図９の上から２番目の図で表されるようにＳｉＯ２で表される酸化膜２０２を形成する。そして、図９の上から３番目の図で表されるようにフォトリソによりレジストを用いてパターン化する。ここでは、第１貫通孔２１に対応する単結晶シリコン基板２０１の図中の上面の領域は酸化膜２０２が無く、圧電素子収容室２３に対応する単結晶シリコン基板２０１の図中の下面の領域は酸化膜２０２が薄く存在するようにパターン化する。そして、図９の上から４番目の図で表されるように水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用いたウェットエッチングである結晶異方性エッチングによって第１貫通孔２１に対応する貫通孔を形成する。
次に、図９の上から５番目の図で表されるように圧電素子収容室２３に対応する単結晶シリコン基板２０１の図中の下面の領域の酸化膜２０２をエッチングし、図９の上から５番目の図で表されるようにＫＯＨを用いた結晶異方性エッチングによって圧電素子収容室２３に対応する凹部を形成する。そして、図９の上から７番目の図で表されるように酸化膜２０２の全体をエッチングして除去し、図９の上から８番目の図で表されるようにフォトリソによりレジスト２０３を用いてパターン化する。ここでは、第２貫通孔２２に対応する単結晶シリコン基板２０１の図中の上面の領域にレジスト２０３が無いようにパターン化する。そして、図９の上から９番目の図で表されるように、第２貫通孔２２に対応する単結晶シリコン基板２０１の図中の上面の領域にＭＡＣＥの触媒膜となる金による膜であるＡｕ膜２０４を形成する。本実施例の封止板２０の製造方法におけるＡｕ膜２０４に関しては、上記流路基板４０の製造方法におけるＡｕ膜２０４と同様、Ａｕ膜２０４のエッジ部２０４ｅに凹凸Ｒが形成されるように処理が行われる。ここまでがステップＳ１０のエッチング準備工程に対応する。
次に、図５のステップＳ２０の貫通孔形成工程を実行する。具体的には、フッ化水素水溶液を用いてＭＡＣＥによって、図９の上から１０番目の図で表されるように、第２貫通孔２２に対応する貫通孔を形成する。そして、Ａｕ膜２０４をエッチングするとともにレジスト２０３を除去すると、図９の一番下の図で表されるように、本実施例の封止板２０が完成する。
上記のように、本実施例の単結晶シリコン基板である封止板２０の製造方法は、ステップＳ１０のエッチング準備工程において、封止板２０の基板面のうちの触媒膜形成面としての第１面２０ａのエッチング対象領域に触媒膜であるＡｕ膜２０４を形成する。そして、ステップＳ２０の貫通孔形成工程において、Ａｕ膜２０４が形成された状態の封止板２０をエッチング液と接触させてエッチング対象領域をエッチングして、封止板２０を基板面と交差する方向に貫通する貫通孔としての第２貫通孔２２を形成する。ここで、上記のように、ステップＳ２０の貫通孔形成工程では、第２貫通孔２２の貫通方向に沿う凹部及び凸部の少なくとも一方が延設されるスジ状部Ｌを形成する。このような封止板２０の製造方法を実行することで、狭い形成ピッチの貫通方向に沿う緻密なスジ状部Ｌを第２貫通孔２２に形成することができる。したがって、本実施例の封止板２０の製造方法を実行することで、第２貫通孔２２におけるインクの流れを向上することができる。すなわち、上記流路基板４０の製造方法の貫通孔であるノズルＮの形成方法に関する説明は、ノズルＮを第２貫通孔２２と読み替えて、封止板２０の製造方法に対応させることができる。
また、本実施例の封止板２０の製造方法では、図９で表されるように、基板面の結晶異方性エッチング対象領域を結晶異方性エッチングすることにより、基板面に対して第２貫通孔２２の垂直側壁２２ａよりも傾斜した傾斜側壁２１ａを有する傾斜貫通孔である第１貫通孔２１を形成する工程を有する。このため、例えば、構成部材を第１貫通孔２１に配置する場合などにおいて、該第１貫通孔２１を本実施例のような末広がりとなる傾斜貫通孔とすることで、該傾斜貫通孔に好適に該構成部材を配置することができる。
ここで、傾斜貫通孔としての第１貫通孔２１を形成する工程では、エッチング液としてアルカリ性水溶液を使用することができる。エッチング液としてアルカリ性水溶液を使用することで、簡単に傾斜貫通孔を形成することができる。なお、エッチング液としてのアルカリ性水溶液としては、例えば、本実施例で用いた水酸化カリウム水溶液のほかに、テトラメチル水酸化アンモニウム（ＴＨＡＭ）水溶液、などを好ましく使用できるが、特に限定は無い。水酸化カリウム水溶液は安価なため、例えば、半導体を伴わないシリコン基板加工に用いることができる。一方でＴＨＡＭ水溶液はＮａやＫ等の可動イオンを含まないため、例えば、半導体を伴うシリコン基板加工への結晶異方性エッチング加工に用いることができる。
次に、上記のようにして形成された封止板２０及び流路基板４０を使用して液体吐出ヘッド１の全体を製造する方法について図６のフローチャートを参照して説明する。最初にステップＳ１１０で、封止板２０を形成する。封止板２０の形成は上記のとおりである。次に、ステップＳ１２０でキャビティー基板３０を従来の製造方法などを用いて形成し、ステップＳ１３０で封止板２０とキャビティー基板３０とを接合する。なお、ステップＳ１１０とステップＳ１２０の順番は、逆でもよいし、同時でもよい。
その後、ステップＳ１４０で、酸化チタン（ＴｉＯｘ）や酸化ハフニウム（ＨｆＯｘ）等のインク保護膜をＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などにより成膜してインク保護膜を形成する。また、ステップＳ１５０で流路基板４０を形成する。流路基板４０の形成は上記のとおりである。ここで、ステップＳ１５０はステップＳ１４０以前に行ってもよい。そして、ステップＳ１６０で、流路基板４０を封止板２０とキャビティー基板３０とが接合された基板に接合する。そして、ステップＳ１７０でこれをレーザースクライプなどにより割断することでチップ化し、ステップＳ１８０で導通部を構成するＴＣＰをＣＯＦ実装する。最後に、ステップＳ１９０で、ケース部品を装着して液体吐出ヘッド１の製造を完了する。このような方法では、ウエハ状態で液体吐出ヘッド１のチップを組み立てることができるので、品質を安定化させることができるとともに、大量生産が容易になる。
このように、本実施例の液体吐出ヘッド１は、上記単結晶シリコン基板としての封止板２０及び流路基板４０の少なくとも一方を備えている。また、圧電素子３２と圧電素子３２に導通する導通部である電極膜３３及び３４とが形成される導通部形成面である第３面３０ａと、少なくとも一部が流路５１を構成するとともに第３面３０ａとは反対側の流路形成面である第４面３０ｂと、を有するキャビティー基板を備えている。そして、封止板２０及び流路基板４０の少なくとも一方の基板面に、第３面３０ａまたは第４面３０ｂが接合されることで、第４面３０ｂの流路５１が貫通孔である第２貫通孔２２またはノズルＮと連通している。このように、単結晶シリコン基板としての封止板２０及び流路基板４０の少なくとも一方とキャビティー基板とにより、基板面に導通部形成面が接合されることで流路形成面の流路５１が貫通孔と連通する構成とすることで、貫通孔におけるインクの流れが向上した液体吐出ヘッド１を製造することができる。
本発明は、上述の実施例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、上記の封止板２０のような単結晶シリコン基板をマイクロポンプなど、液体吐出ヘッド以外に使用することもできる。また、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
１…液体吐出ヘッド、１１…ノズル形成面、１２…ノズル列、１２Ａ…ノズル列、１２Ｂ…ノズル列、２０…封止板（単結晶シリコン基板）、２０ａ…第１面（基板面、触媒膜形成面）、２０ｂ…第２面（基板面）、２１…第１貫通孔（傾斜貫通孔）、２１ａ…傾斜側壁、２２…第２貫通孔、２２ａ…垂直側壁、２３…圧電素子収容室、２４…開口部、２４ａ…傾斜面、２８…制御ＩＣ、２９…ＦＰＣ、３０…キャビティー基板、３０ａ…第３面（基板面、導通部形成面）、３０ｂ…第４面（基板面、流路形成面）、３１…電極部、３２…圧電素子、３３…電極膜（導通部）、３４…電極膜（導通部）、４０…流路基板（単結晶シリコン基板）、４０ａ…第５面（基板面、触媒膜形成面）、４０ｂ…第６面（基板面）、４１…圧力室、５１…流路、５１Ａ…流路、５１Ｂ…流路、５１Ｃ…流路、５１Ｄ…循環流路、２０１…単結晶シリコン基板、２０２…酸化膜、２０３…レジスト、２０４…Ａｕ膜（触媒膜）、２０４ｅ…エッジ部、Ｌ…スジ状部、Ｎ…ノズル（貫通孔）、Ｐ０…ピッチ、Ｐ１…ピッチ、Ｒ…凹凸

Claims (11)

  1. 少なくとも一部が液体の流路を構成する単結晶シリコン基板であって、
    前記流路の一部を構成するとともに前記単結晶シリコン基板を前記単結晶シリコン基板の基板面と交差する方向に貫通する貫通孔を備え、
    前記貫通孔は、金属アシスト化学エッチングで形成されるとともに、前記液体の流れる方向に沿う凹部及び凸部の少なくとも一方が延設されるスジ状部を有することを特徴とする単結晶シリコン基板。
  2. 請求項１に記載の単結晶シリコン基板において、
    前記貫通孔には、前記貫通孔の貫通方向から見て前記凹部及び前記凸部の少なくとも一方が複数並んで設けられ、
    隣り合う前記凹部同士または隣り合う前記凸部同士の形成ピッチは、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることを特徴とする単結晶シリコン基板。
  3. 請求項１または２に記載の単結晶シリコン基板と、
    圧電素子と前記圧電素子に導通する導通部とが形成される導通部形成面と、少なくとも一部が前記流路を構成するとともに前記導通部形成面とは反対側の流路形成面と、を有するキャビティー基板と、
    を備え、
    前記基板面に前記導通部形成面または前記流路形成面が接合されることで前記流路形成面の前記流路が前記貫通孔と連通することを特徴とする液体吐出ヘッド。
  4. 単結晶シリコン基板の基板面のうちの触媒膜形成面のエッチング対象領域に触媒膜を形成する工程と、
    前記触媒膜が形成された状態の前記単結晶シリコン基板をエッチング液と接触させて前記エッチング対象領域をエッチングして、前記単結晶シリコン基板を前記基板面と交差する方向に貫通する貫通孔を形成する工程と、
    を有し、
    前記貫通孔を形成する工程では、前記貫通孔の貫通方向に沿う凹部及び凸部の少なくとも一方が延設されるスジ状部を形成することを特徴とする単結晶シリコン基板の製造方法。
  5. 請求項４に記載の単結晶シリコン基板の製造方法において、
    前記貫通孔を形成する工程では、前記貫通孔が金属アシスト化学エッチングで形成されることを特徴とする単結晶シリコン基板の製造方法。
  6. 請求項５に記載の単結晶シリコン基板の製造方法において、
    前記触媒膜を形成する工程では、前記触媒膜は無電解めっき法または蒸着法により形成されることを特徴とする単結晶シリコン基板の製造方法。
  7. 請求項４から６のいずれか１項に記載の単結晶シリコン基板の製造方法において、
    前記触媒膜を形成する工程の前に実行する工程であって、レジストでパターン形成する工程と、
    前記触媒膜を形成する工程の後に実行する工程であって、前記レジストを除去する工程と、
    を有することを特徴とする単結晶シリコン基板の製造方法。
  8. 請求項４から６のいずれか１項に記載の単結晶シリコン基板の製造方法において、
    前記貫通孔は、前記基板面に対して９０°プラスマイナス２°以下の垂直側壁で側壁が構成されることを特徴とする単結晶シリコン基板の製造方法。
  9. 請求項４から６のいずれか１項に記載の単結晶シリコン基板の製造方法において、
    前記貫通孔を形成する工程では、前記単結晶シリコン基板が貫通する前に前記触媒膜を除去し、前記単結晶シリコン基板が貫通する位置まで前記基板面のうちの前記触媒膜形成面とは反対側の面側の一部を除去することで前記貫通孔を形成することを特徴とする単結晶シリコン基板の製造方法。
  10. 請求項４から６のいずれか１項に記載の単結晶シリコン基板の製造方法において、
    前記基板面の結晶異方性エッチング対象領域を結晶異方性エッチングすることにより、前記基板面に対して前記貫通孔の側壁よりも傾斜した傾斜側壁を有する傾斜貫通孔を形成する工程を有することを特徴とする単結晶シリコン基板の製造方法。
  11. 請求項１０に記載の単結晶シリコン基板の製造方法において、
    前記傾斜貫通孔を形成する工程では、エッチング液としてアルカリ性水溶液を使用することを特徴とする単結晶シリコン基板の製造方法。
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