JP4256485B2 - インクジェットチャネルウエハ及びインクジェットプリントヘッド - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はサーマルインクジェットプリントヘッドに関する。より詳細には、この発明は配向依存エッチング（ＯＤＥ）を用いたサーマルインクジェットプリントヘッド製造プロセスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
サーマルインクジェット印刷はドロップオンディマンドインクジェットシステム型であり、電気パルスを熱エネルギー発生装置、通常抵抗器に選択的に適用することにより、インクジェットプリントヘッドが必要に応じてインクの微粒を放出する。熱発生装置はそれぞれ毛管現象により充填された平行なインクチャネル内にチャンネルノズルあるいはオリフィスから所定の距離だけ上方の位置に配置されている。ノズルに対向するチャンネル端は小さなインク溜めとつながっており、その小さなインク溜めにはより大きな外部インク供給源とつながっている。
【０００３】
サーマルインクジェットプリントヘッドは２つの基板から作製される。一方の基板は加熱素子を含み、他方はインク溜めとチャネルを含む。これらの２つの基板が位置合わせされて共に接着されると、インク溜めとチャネルはインク通路として機能する。複数のプリントヘッド構成要素が別々の基板上に形成され、そのため、２つの基板の位置合わせ、結合が可能でかつ多くの個々のプリントヘッドに分割することができる。複数組のインク溜めとチャネルに対する基板はシリコンであり、構成要素は異方性エッチング処理により形成される。異方性あるいは配向依存エッチング（ＯＤＥ）は精度の高い小型チャネル板用の生産性の高い製造プロセスであることが示されている。そのようなプリントヘッドは通常幅が約１／４インチ（〃）から１インチ（〃）であり、紙などの固定された記録媒体を横方向に移動される間に小さな情報の列を印刷する。それから紙は１列分の距離だけ移動され、印刷プロセスは紙の全ページが印刷されるまで続けられる。これは速度の遅いプロセスである。
【０００４】
サーマルインクジェットプリントヘッドには加熱素子ウエハ上に蒸着された厚膜絶縁層内にヒーターピット及びバイパスピットを形成する必要がある。バイパスピットは厚膜絶縁層内に形成されるので、インクをインク溜めから各チャネルに送ることができる。
【０００５】
インクジェットプリントヘッド内のインクの流路の幾何学的パラメータ及び／または構造的配置は微粒放出頻度、ひいては印刷速度を決定する因子である。配向依存エッチングは細かな次元制御が必要とされる長方形にエッチング形状を制限する。典型的なＯＤＥエッチング液を用いると、凸状の角がエッチングされてより制御不能な形状とされる。重要な幾何学的パラメータの例としてはチャネルの断面積に対するノズルの大きさ、及びノズルに対するバイパスピットにおけるインクの流れる面積の大きさが挙げられ、これらの大きさがインクの供給源からプリントヘッドインク溜めへの毛管現象による補充時間に影響する。ノズルの断面積は待ち時間に大きな影響を与える。ノズルの端から流体が蒸発するので粘度が増加し、最終的にチャネルをふさいでしまう。この待ち時間はふさぎが生じる前の時間の長さである。
【０００６】
チャネルはインク溜めから隔離されているので、インクジェットプリントヘッドにはインク溜めからチャネルまでインクが通じるようにバイパスピットが中に形成されている厚い絶縁膜が必要である。そのため、インクジェットプリントヘッドにおけるシリコンチャネル構造の設計及び製造にはより柔軟性が必要とされる。
【０００７】
バイパスピット及びヒータピットが存在すると、インクチャネル内にトラップされた気泡により引き起こされるドロップアウトとして知られる問題も一般に増加する。これらの気泡はピットの中にトラップされるとインクの流れを妨害する。
【０００８】
そのため、ドロップアウト問題が生じるのを制限するインクジェットプリントヘッドに対する技術が必要とされる。
【０００９】
更に、ヒータ素子ウエハ上に形成される厚い絶縁膜はインク設計の自由度（例えば、ｐＨ、加水分解、粘度、など）を著しく限定する。それはまた、プリントヘッドの前面に第２の材料（すなわち絶縁膜材料）を導入することにより前面の濡れ性の問題を複雑にする。このため、前面の濡れ性の問題を制限する一方インク設計の自由度をより柔軟にすることのできるインクジェットプリントヘッドが必要とされる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、チャネルはインク溜めから隔離されているので、インクジェットプリントヘッドにはインク溜めからチャネルまでインクが通じるようにバイパスピットが中に形成されている厚い絶縁膜が必要であり、インクジェットプリントヘッドにおけるシリコンチャネル構造の設計及び製造にはより柔軟性が必要とされる。
【００１１】
また、ドロップアウト問題を制限するインクジェットプリントヘッドに対する技術が必要とされる。
【００１２】
更に、前面の濡れ性の問題を制限する一方インク設計の自由度をより柔軟にすることのできるインクジェットプリントヘッドが必要とされる。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明は、異方性を有するようにエッチングされた複数のインクチャネルと異方性を有するようにエッチングされたインク溜めが互いに直接接続するようにされた第１の面を有するインクジェットプリンター用のインクジェットチャネルウエハに関する。インクジェットチャネルウエハはまた、インクジェットチャネルウエハの第１の面内の異方性を有するようにエッチングされたヒータピットも備えている。
【００１４】
この発明はまた、インクジェットチャネルウエハの第１の面上に異方性を有するようにエッチングされた複数のインクチャネルを備えた上部インクジェットチャネルウエハを有するインクジェットプリンター用インクジェットプリントヘッドに関する。前記複数のインクチャネルは前記上部インクジェットチャネルウエハの第１の面上に異方性を有するようにエッチングされたインク溜めに直接接続されている。更に、本発明では凸状角を有する構成要素を製造することができる。インクジェットプリントヘッドはまた、ヒータ素子エレクトロニクスを含む下部ヒータウエハを備える。上部インクジェットチャネルウエハと下部ヒータウエハの間にはヒータ素子エレクトロニクスを防御する保護膜が存在する。
【００１５】
この発明はまた、インクジェットプリンター用インクジェットチャネルウエハの製造プロセスに関する。このプロセスは一連のマスクをインクジェットチャネルウエハの第１の面上に形成する工程と、次くインクジェットチャネルウエハの第１の面を異方性を有するようにエッチングしてインクマニホルド穴に直接接続される複数のインクジェットチャネルを形成する工程と、を備える。重大なあるいは細かなエッチング工程は水と、少なくとも１つのアルカリ金属酸化物と少なくとも１つのアルコール化合物の混合物を含む水溶性エッチング液を用いて行われる。
【００１６】
この発明はまた、インクジェットプリンター用インクジェットチャネルウエハの製造方法に関する。この方法は、インクジェットチャネルウエハの第１の面上に１つのマスクを形成する工程と、少なくとも１つのアルカリ金属水酸化物と少なくとも１つのアルコール化合物の水溶性混合物を用いてインクジェットチャネルウエハの第１の面を異方性を有するようにエッチングし複数のインクチャネルとインク溜めを形成する工程と、を備える。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、微粒放出ノズル２７の配列を示す従来のプリントヘッド１０の斜視図である。すなわち、プリントヘッド１０の前面２９の拡大図を図１に示す。図２は、図１のプリントヘッド１０を２‐２線で切断した断面図である。下部電気絶縁基板あるいは加熱素子板２８は加熱素子３４とその表面３０にパターニングされたアドレス電極３３を有し、一方チャネル板３１の上部基板は一方向に延在すると共に面の縁２９から上部基板を通って貫通している平行なチャネル２０を有する。チャネル２０の他端は傾斜させた壁２１で終わっている。毛管現象により充填されたインクチャネル用のインク溜めはインク入口として使用するための開口２５を有する。チャネル２０を備えたチャネル板の表面は位置合わせされて、ヒータプレート２８に結合されるため、複数の加熱素子３４のそれぞれ１つが各チャネル２０及び下部基板あるいはヒータプレート２８内に配置される。インクは毛管作用によりインク入口２５を通って凹部２４及び下部基板２８により形成されるインク溜めに入り、厚膜絶縁層１８に形成されたバイパスピット３８を通って流れることによりチャネル２０を満たす。各ノズル２７でのインクはメニスカスを形成し、その表面張力によりインクがそこから垂れないようになっている。下部基板あるいはヒータ板２８上のアドレス電極３３は端子３２で終わっている。上部基板あるいはチャネル板３１は下部基板２８よりも小さく、電極端子３２及び３７が露出されドータボード１９上の電極とワイヤ結合するのに使用できる。そのドータボードにはプリントヘッド１０が常時載置されている。層１８は上部及び下部基板間に挟まれた厚膜保護層である。この層は加熱素子が露出されるようにパターニングされており、そのためそれらの素子はピット２６内に配置されている。また、この層はバイパスピット３８を形成してインクがインク溜め２４とインクチャネル２０の間に流れるようにパターニングされている。更に、厚膜絶縁層１８は電極端子３２が露出されるようにパターニングされている。
【００１８】
図１のプリントヘッド１０を１つのチャネルを通る２‐２線で切断した断面図を図２に示す。図２には典型的なインクジェットプリントヘッドの矢印２３により描かれているようにインクがどのようにインク溜め２４からチャネル２０の端２１を回って流れていくかが示されている。トルペイ（Ｔｏｒｐｅｙ）らの合衆国特許第４，６３８，３３７号に開示されているように、複数組の気泡発生加熱素子３４及びそのアドレス電極３３が両面磨き（１００）シリコンウエハの磨き面上にパターニングされている。複数組のプリントヘッド電極３３、加熱素子として機能する抵抗材料、及び共同帰線３５がパターニングされる前に、ウエハの磨き面が厚さ約２μｍの二酸化硫黄などの下地層３９で被覆される。抵抗材料は化学蒸着（ＣＶＤ）により蒸着することのできるドープ多結晶シリコンあるいは２ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ2）などの他の周知の抵抗材料としてもよい。共同帰線及びアドレス電極は典型的には下地層上でかつ加熱素子３４の縁上方に蒸着されたアルミニウムリード線である。共同帰線は図１のボンディングパッド３７上で終わり、アドレス電極端子３２は所定の位置に配置されるので、チャネル板３１を接着させてプリントヘッドを作製した後に、ドータボード１９の電極４０へワイヤ結合させる隙間ができる。共同帰線３５及びアドレス電極３３は０．５から３μｍの厚さまで蒸着される。好ましい厚さは０．７５から１．０μｍである。
【００１９】
次に、例えば、Ｒｉｓｔｏｎ、Ｖａｒｃｅｌ、Ｐｒｏｍｂｉｍｅｒ５２あるいはポリイミドなどの厚膜型絶縁層１８をヒータ基板２８上に１０から１００μｍ、好ましくは２５から５０μｍの範囲の厚さまで形成する。絶縁層１８はフォトリソグラフィーにより処理されるので、各加熱素子（凹部２６を形成）及びインク溜め２４からインクチャネル２０へのインクの通り道となるバイパスピット３８の上の絶縁層１８の部分が除去できる。各電極端子３２及び３７上の絶縁層材料もまた除去される。
【００２０】
図３（ａ）は、インクチャネルをインク溜めに直接接続させようとした際の従来技術の制御不能な配向依存エッチング（ＯＤＥ）を示すインクジェットチャネルウエハの一部の拡大底面図である。
【００２１】
図３（ｂ）は図３（ｃ）のチャネルウエハの拡大底面図であり、バイパスピットの形成が必要なインクチャネルの一端のエッチングされていない部分を図示している。
【００２２】
印刷プロセス中に、各ノズル２７を通してインクジェットプリントヘッドにより小さな気泡４１が吸い込まれる。各チャネル２０の端の傾斜壁２１が気泡をトラップし、蓄積させて非常に大きな気泡４２あるいは空気ポケットを形成させる。気泡４２がかなり大きくなると、インクジェットプリントヘッドの性能に悪影響を及ぼす。例えば、気泡４２はチャネル２０のサイズを圧縮しチャネル２０を通るインクの流れを妨げる。この結果、ドロップアウトの問題が生じ、この問題はとりわけ、十分なインクが基質に到達するのを妨害し、基質上に異常なインク形成を生じさせることとなる。
【００２３】
本発明の１つの実施の形態はバイパスピットの必要性を除去するチャネルウエハを含む。すなわち、構造がＯＤＥにより形成され、そのため、インクチャネルはチャネルウエハ上のインク溜めに直接接続される。これにより、補充速度及び印刷頻度が増加すると共にドロップアウトの問題が克服できる。
【００２４】
構造の再現性の高い製造は、エッチング液の添加剤としてアルコール化合物を導入することにより達成されるアルカリ金属水酸化物水溶液によるエッチングの凸状角の挙動の劇的な改良により可能となる。改良された凸状角の挙動により厚いヒータウエハポリイミド保護層内だけでなくチャネルウエハ内のヒータピットの再現性の高いＯＤＥも可能となる。この場合、ポリイミド保護層の唯一残った機能はヒータウエハエレクトロニクスの保護／防御である。この機能は現在使用されているポリイミド層よりも１オーダー薄い層を用いて達成することができる。これによりインクの融和性及び前面の濡れの問題が軽減される。より薄い高分子層を十分高い温度で硬化させその耐腐食性を向上させても良い。
【００２５】
標準ＫＯＨエッチングの凸状角のアンダーカット挙動を図４に示す。正方形の〈１１０〉アライメントマスクを使用して８０℃、７Ｍ ＫＯＨにおける１７０ミクロンの高さのシリコンメサをエッチングする。メサの角は大きくアンダーカットされ、多くの不明確な結晶面により形成され、角アライメント誤差に高感度となる。横方向アンダーカット長“Ｌ”（図４）をエッチ深さ“Ｄ”で割ったものとして規定されるアンダーカット比は標準条件では１．３２であり、すなわち凸状角は深さ方向よりも横方向に３０％速くエッチングする。更に、角は典型的には非常にぼろぼろになっており（図５）、角アライメント公差に対する感度が高いためアンダーカット比はそれほど再現性が高くない。
【００２６】
しかしながら、凸状角の挙動はイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）飽和ＫＯＨ水溶液など、アルカリ金属水酸化物水溶液エッチングをアルコール化合物で飽和すると非常に異なったものとなる（図６）。角はもはやぼろぼろではなく、図７に示すように滑らかで｛２２１｝に近い２つの結晶面で明確に規定される。アンダーカット比は１．３２から０．４に減少し（３あるいは４倍横方向のアンダーカットが減少）、アンダーカットの再現性は他のエッチパラメータの悪影響を受けずに大きく改善される。ＫＯＨ水溶液及びＫＯＨ／ＩＰＡでエッチングされた凸状角のクローズアップ図をそれぞれ図８及び図９に示す。
【００２７】
水溶性ＫＯＨ／ＩＰＡエッチング液が好ましいが、本発明では１以上のアルコールと結合させた多くの水溶液アルカリ金属を使用してもよい。更に、上記複雑な角の外形はたった１つであった（例えば、図７の｛２２１｝に近い結晶面）が、様々なエッチングパラメータ（例えば、エッチング液濃度、エッチングされる材料、結晶配向など）に応じて他の複雑な外形も使用することができる。
【００２８】
本発明のＫＯＨ／ＩＰＡ ＯＤＥエッチングの優れた凸状角特性により得られるサーマルインクジェット構造をそれぞれ図１０及び図１１に示す。それらの図はチャネルウエハの底面図及びインク溜めに直接接続されたインクチャネルを備えるインクジェットプリントヘッドの断面図である。インク入口領域は２つの結晶面｛２２１｝、断面中にあるどちらも側面により規定される（図１２）。バイパスピット及びそれに関連した制限はこの構造ではもはや必要ない。
【００２９】
図１１に示した本発明のインクジェットプリントヘッドは図２に示した従来のインクジェットプリントヘッドと同様である。しかしながら、チャネル２０とインク溜め２４とを直接接続させたため、矢印４３に示されるようにインク溜めからチャネルまでインクを直接流すことができる。バイパスピットが無いので、絶縁層１８はインク溜めとインクチャネル間の領域でエッチングされない。２つの結晶面｛２２１｝で規定され図１１では４５で示されるチャネルとインク溜め２４の間の凸状角により、ノズル２７を通って吸い込まれた気泡４４は全て自由にチャネル２０からインク溜め２４まで流れインク入口２５から出ていくことができる。これにより、従来のインクジェットプリントヘッドにおいて通常生じていたチャネル２０とインク溜め２４の間でトラップされた気泡により引き起こされるドロップアウトの問題を除去することができる。従って、本発明のインクジェットプリントヘッドは所望の光学濃度を有する再現性のある像を提供する。
【００３０】
本発明のエッチング液組成の更なる利点はコンパクトなダイの製造の可能性である。標準のアルカリ金属水酸化物槽では、ダイのサイズは後方チャネルの過剰なエッチングを補正するために数ミル分増加させなければならない。エッチング槽にアルコール化合物を添加すると、ダイを大きくする必要が無くなり、より多くのダイをウエハ上に形成できる。所定の後方チャネルの長さ（すなわちヒータの後ろのチャネルの長さ）を達成するためには、アルコールを含まないエッチング液では開始チャネルの長さをより大きくする必要があり、エッチレート比がより高くなり、これによりアルコールを含むエッチング液と同じエッチ深さが達成できる。例えば、１５０μｍの深さのチャネルをエッチングするには後方のチャネル長さが最終的に所望の大きさよりも５０μｍ長いことが必要であり、一方、ＩＰＡ／ＫＯＨを用いた場合、チャネルの長さは約５０μｍでよく、このためよりダイのコンパクト化が可能である。
【００３１】
ＫＯＨ、ＴＭＡＨ、ＣｓＯＨなどのアルカリあるいはエチレンジアミンピロカテコール（ＥＤＰ）及びヒドラジンのエッチング挙動は他の塩基性エッチング挙動とは全く異なる。これらのエッチングは拡散制限というよりむしろ反応速度制限を受け、単結晶シリコンへの効果を説明するキーワードは異方性と撹拌低感度性である。シリコンマイクロマシン加工を開始させたのはアルカリ性エッチング液の異方性エッチング挙動の発見である。ＥＤＰを用いた初期の実験及びテトラメチルアンモニウムヒドロキシドを用いた後の実験により、これらのエッチング液がアルカリ金属水酸化物エッチング液よりも異方性比、表面の粗さ及び／またはアンダーエッチングの観点から性能が低いことが示された。更に、ＥＤＰは有害である。マスキング材料としてＬＰＣＶＤ窒化珪素が使用される環境においてはアルカリ金属水酸化物エッチング液が望ましい。最適条件下でこれらのエッチング液を用いたＳｉ／ＳｉＯ2選択率は酸化物マスキングには十分ではない。
【００３２】
全エッチングメカニズムには下記式に示すような可溶性シリケートの２段階形成が含まれる。
【００３３】
【化１】
第１段階では、水の攻撃によりＳｉ格子が加水分解され、Ｓｉ‐Ｓｉ結合により格子に結合している部分的なシリケートが形成される。第２段階では、部分的なシリケートにイオン化されたアルカリの水酸基が攻撃して、可溶性シリケートが形成される。この反応において、速度制限因子はシリケートの溶解よりもむしろシリケート形成である。そのため、アルカリ水溶液中でのシリコンエッチングは酸エッチングのような拡散制限プロセスよりむしろ反応速度制限プロセスである。そのためアルカリエッチングは本質的に流体の撹拌に対する感度がずっと低く、このためより予測性及び再現性が高い。更に、水は希釈剤ではなく、シリケート形成反応においてより積極的な役割を果たす。そのため、エッチレートは水の添加に伴い上記式における第２段階の点まで増加する。溶液から水酸基が減少するからである。アルカリ基の機能は水酸基を提供することであり、一方相補イオン（Ｋ+、Ｃｓ+、など）は１次の役割は果たさない。そのため、ＫＯＨ、ＣｓＯＨ及び他のアルカリの水溶液によるＳｉエッチング挙動は本質的には類似していると予測される。アルカリ水溶液中でのシリコンエッチング後、水素ガスの放出と続く。これらの水素泡により視覚的に終点が検出されるが、気泡はまた高いアスペクト比構造における表面にトラップされあるいは付着しこのためエッチングの均一性に悪影響を与える。
【００３４】
本発明のエッチングは本質的には撹拌に依存しないので、プロセスは２つの制御パラメータ（組成及び温度）によってのみ特徴づけられる。これらのパラメータはどちらも明確である。そのため本発明のアルカリエッチングでは良好な再現性及び均一性が得られる。撹拌は二次効果にすぎず、その主な機能は温度分布を均一に維持すること、及び水素泡がエッチングされるシリコン表面に付着しないようにすることである。
【００３５】
典型的な作動温度は約６０から１００℃であり約８０℃が好ましい。エッチング時間は所望のエッチ深さ及びエッチング槽温度に依存する。
【００３６】
しかしながら、単結晶構造のシリコン上に作用する本発明のアルカリ水溶液エッチング液の特有のかつ興味深い特性はエッチレートの強い異方性あるいは配向依存性である。シリケート形成反応速度は結晶配向に強く依存する。｛１１１｝結晶面はダイヤモンド型構造をとりシリコンにおいて最も充填密度が高く、他の配向の結晶面よりも２のオーダーの大きさ以上遅く攻撃される。このため、微細加工設計者に厳格な配置法則を課すことになるかもしれないが、利点は化学加工技術により数百ミクロンの深さのエッチングが、実際マスクを用いたアンダーエッチング無しで、完全に規定される側壁面を備えるように、とりわけ良好な均一性及び再現性で行えることである。
【００３７】
アルコールを添加することにより、アルカリ金属水酸化物水溶液中での異方性比及び凸状角のアンダーカッティングが減少する。例えば、図４及び図７はそれぞれイソプロパノール無し、及びイソプロパノールで飽和した、８０℃、７ＭのＫＯＨ中でエッチングされた正方形｛１００｝シリコンメサを図示したものである。どちらの場合もエッチ深さは１７０μｍである。しかしながら、凸状角のアンダーカットは標準エッチングに対しては２２５μｍであり、ＩＰＡ飽和溶液に対しては７０μｍにすぎない。これは、標準エッチングをイソプロパノールで飽和するとアンダーカットの距離Ｌ及びエッチ深さＤで規定されるアンダーカット比（Ｌ／Ｄ）が、１．３２から０．４１まで減少することを意味する。これは係数３以上の改善である。また、アンダーカット前面は、図１２に示されるように、全エッチング時間に対し単一型の結晶面｛２２１｝によりずっと良好に規定される。そのためイソプロパノールの添加によりアンダーカッティング比が減少するだけでなく、アンダーカットの予測も可能となる。これにより更にアンダーカットを減少させるために適用することができるマスク補正技術の効率が改善される。
【００３８】
しかしながら、アルカリ金属水酸化物水溶液に対する添加物としてアルコール化合物を使用すると、エッチングされたシリコン表面に任意に分布する角錐あるいは円錐形状の小山が生じることがある。この小山は幅あるいは高さ数十ミクロンとなることがあり、そのためどのように適用するにしても通常不都合である。角錐体形成メカニズムはエッチング溶液中に存在するわずかな汚染物質に支配される。そのメカニズムについてはほとんど知られておらず、角錐体形成は使用される脱イオン水の抵抗率と強い相関関係があり、より程度は低いがアルカリ金属水酸化物の純度とも相関関係があることがわかった。
【００３９】
そのため、角錐体形成問題を解決するために、更に水の純化システムを設置し、期間中窒素を用いて環流エッチング系を排出してその純度を維持する。分析グレードのＫＯＨを使用すると重大な水質しきい値を幾分低くすることができることが見いだされているが、上記準備がなされていれば本質的ではない。乾燥Ｎ2下でアルカリ金属水酸化物を保存するのが望ましい。
【００４０】
［この発明の好適な実施の形態］
本発明のエッチング液について、ＫＯＨ／ＩＰＡ水溶性エッチング液に関し、更に詳細に下記に説明する。しかしながら、他のアルカリ金属水酸化物及び水酸基含有化合物を使用しても良い。更に、単結晶シリコンをエッチング材料として説明するが、ヒ化ガリウム、ゲルマニウムなどの他の材料を使用しても良い。
【００４１】
８０℃、ＩＰＡ飽和７Ｍ ＫＯＨ水溶液により、（１）｛１１０｝エッチレートが幾分減少し、（２）｛１００｝／｛１１１｝異方性比が減少し、（３）｛１００｝エッチレートの均一性及び表面粗さは（無作為な角錐体形成を避けるために適当な準備がなされていれば）影響されない。例えば、｛１００｝エッチレートは９％減少して、１．０８から０．９９μｍ／分となり、予測性は±０．０５μｍ／分である。エッチレートの不均一性は±０．５％のオーダーで残る。表面粗さは１００ｎｍ以上のオーダーである。｛１００｝／｛１１１｝異方性はまたＶ‐溝拡幅実験で測定すると２８９±５であることがわかり、これは３％の減少を示す。
【００４２】
化学量論組成を有するＬＰＣＶＤ窒化珪素膜をこの発明の実質的に全てのアルカリ金属水酸化物エッチングに対するマスキング材料として使用した。例えば、Ｓｉ／Ｓｉ3Ｎ4エッチング選択性は８０℃、７Ｍ ＫＯＨ水溶液中における１０4より良好であることがわかった。１２０ｎｍＳｉ3Ｎ4膜は２４時間エッチング液に露出された後に視覚的には色の変化は見られないので、窒化物エッチレートは０．１ｎｍ／分未満であると結論づけられる。そのため、ＩＰＡを含むあるいは含まないＫＯＨでは本質的には非エッチングであると考えることができ、このため、所望の厚さは膜のピンホール密度により決定される。１２０ｎｍの膜厚は化学量論ＬＰＣＶＤ窒化物に対し十分であることがわかった。他方、化学量論ＰＥＣＶＤ窒化物は膜の密度が低くピンホールが多いため、５００ｎｍ以上の膜厚でさえも不十分であることがわかっている。 ＰＥＣＶＤ膜の熱アニーリングによりピンホール密度が減少するが、ＬＰＣＶＤ膜に対抗させることはできない。
【００４３】
湿式熱二酸化珪素もまた８０℃、７Ｍ ＫＯＨに対するマスクとして使用することができるが、ＳｉＯ2エッチレートは有為であるためより浅いエッチングに対してしか使用できない。１０００℃で熱的に湿式成長させた５００ｎｍのＳｉＯ2膜は２時間１５分±１５分で消費されてしまう。そのため、酸化物エッチレートは上記条件下では３．７±０．１ｎｍ／分である。Ｓｉ／ＳｉＯ2選択比は-２．４０である。標準３”３６０μｍの厚さのウエハによるエッチングには１．３μｍ以上の厚さの酸化物膜が必要である。ＫＯＨのピンホール感度が非常に高いため、欠陥密度を許容レベルに維持するには実際には少なくとも１．６μｍは必要である。そのため熱酸化物は８０℃、７Ｍ ＫＯＨにおける深い（２５０μｍ以上）エッチングをマスクするにはあまり適していない。ＬＰＣＶＤ窒化物が手に入らない場合、エッチング温度を低くすれば熱酸化物は３”ウエハに対しては使用することができる。Ｓｉ／ＳｉＯ2選択比は温度を下げることによりかなり増加する。温度を下げるとＳｉ／ＳｉＯ2選択比が増加することは見いだされていた。しかしながら、ピンホールが存在するため、１．２μｍ酸化物が依然として必要である。更に、Ｓｉエッチレートは温度降下のため更に減少し、一方一定のエッチ深さに対する表面粗さは増加する。
【００４４】
そのため、化学量論ＬＰＣＶＤ窒化珪素がアルカリ／アルコール水溶液エッチングをマスクするには好ましいと結論すべきである。酸化物膜は通常、主に窒化物膜のパターニングのためのプラズマエッチングプロセスにおけるエッチング停止あるいは緩衝層として機能させるために使用される。異方性エッチングの後、窒化物の蒸着が短い熱酸化により実行されていれば窒化物はプラズマエッチングによりエッチングされたウエハに影響を与えずに除去できる。
【００４５】
以上この発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明の他の実施の形態におけるエッチング配合を以下に開示する。
【００４６】
凸状角アンダーカッティングを最小とするエッチレート、エッチレートの均一性、及び｛１００｝シリコンに対する表面粗さを提供する好ましいエッチング配合は、Ｈ２Ｏ中の７Ｍ ＫＯＨ＋３００ｍｌ／ｌ（過飽和）２‐プロパノール、８０±１℃であって、主なエッチング仕様は以下の通りである。
【００４７】
｛１００｝エッチレート：０．９９±０．０５μｍ
｛１００｝エッチレートの均一性：±０．２５％
｛１１１｝エッチレート：３．４±０．２ｎｍ／分
｛１００｝／｛１１１｝異方性比：２８９±５
｛１１１｝傾斜：５４．７±０．５°
凸状アンダーカットレート：０．４±１μｍ／分
アンダーカッティング比：０．４１±０．０５
サブ限界アンダーカット比：欠陥成長の傾向
３５０μｍエッチ深さ及び１０ｎｍの最初の表面粗さに対する表面粗さ（Ｒａ）：１００ｎｍ（角錐体成長が妨害された場合）
ＬＰＣＶＤＳｉ３Ｎ４エッチレート：＜０．１ｎｍ／分
｛１００｝／ＬＰＣＶＤＳｉ３Ｎ４選択比：＞１０4
上記エッチング仕様は下記の条件下で得られる。
【００４８】
エッチング液を磁気撹拌器を用いて撹拌し、温度勾配及び水素泡及び／または汚染物質分子の表面付着を避ける。
【００４９】
環流冷却器を用いて最初のエッチング液濃度を期間中維持する。
【００５０】
温度を±１℃以内になるように制御する。大量のエッチング液及び加熱水を使用するのが好ましい。
【００５１】
水素泡のトラップを避ける様にウエハを配置する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 典型的なインクジェットプリントヘッドの拡大断面図である。
【図２】 図１の典型的なインクジェットプリントヘッドの線２−２についての拡大断面図である。
【図３】 従来のチャネルウエハの拡大底面図である。
【図４】 正方形〈１１０〉アライメントマスクを用いてシリコンメサを標準水酸化カリウム（ＫＯＨ）エッチングしたときの状態を示す顕微鏡写真である。
【図５】 図５は図４のシリコンメサの角の拡大図である。
【図６】 本発明による正方形〈１１０〉アライメントマスクを用いてシリコンメサのＫＯＨ／イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）エッチングをしたものを示す顕微鏡写真である。
【図７】 図６のメサの角を示した図である。
【図８】 メサの角の顕微鏡写真である。
【図９】 メサの角の顕微鏡写真である。
【図１０】 本発明にかかるチャネルウエハの一部の拡大底面図である。
【図１１】 本発明のインクジェットプリントヘッドの拡大断面図である。
【図１２】 配向依存エッチングにより形成したシリコン結晶面を示す本発明のインク入口チャネル角の拡大図である。
【符号の説明】
１８ 絶縁層、２０ インクチャネル、２４ インク溜め、２５ インク入口、２７ ノズル、４５ ２つの結晶面｛２２１｝で規定される凸状角。
【発明の属する技術分野】
この発明はサーマルインクジェットプリントヘッドに関する。より詳細には、この発明は配向依存エッチング（ＯＤＥ）を用いたサーマルインクジェットプリントヘッド製造プロセスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
サーマルインクジェット印刷はドロップオンディマンドインクジェットシステム型であり、電気パルスを熱エネルギー発生装置、通常抵抗器に選択的に適用することにより、インクジェットプリントヘッドが必要に応じてインクの微粒を放出する。熱発生装置はそれぞれ毛管現象により充填された平行なインクチャネル内にチャンネルノズルあるいはオリフィスから所定の距離だけ上方の位置に配置されている。ノズルに対向するチャンネル端は小さなインク溜めとつながっており、その小さなインク溜めにはより大きな外部インク供給源とつながっている。
【０００３】
サーマルインクジェットプリントヘッドは２つの基板から作製される。一方の基板は加熱素子を含み、他方はインク溜めとチャネルを含む。これらの２つの基板が位置合わせされて共に接着されると、インク溜めとチャネルはインク通路として機能する。複数のプリントヘッド構成要素が別々の基板上に形成され、そのため、２つの基板の位置合わせ、結合が可能でかつ多くの個々のプリントヘッドに分割することができる。複数組のインク溜めとチャネルに対する基板はシリコンであり、構成要素は異方性エッチング処理により形成される。異方性あるいは配向依存エッチング（ＯＤＥ）は精度の高い小型チャネル板用の生産性の高い製造プロセスであることが示されている。そのようなプリントヘッドは通常幅が約１／４インチ（〃）から１インチ（〃）であり、紙などの固定された記録媒体を横方向に移動される間に小さな情報の列を印刷する。それから紙は１列分の距離だけ移動され、印刷プロセスは紙の全ページが印刷されるまで続けられる。これは速度の遅いプロセスである。
【０００４】
サーマルインクジェットプリントヘッドには加熱素子ウエハ上に蒸着された厚膜絶縁層内にヒーターピット及びバイパスピットを形成する必要がある。バイパスピットは厚膜絶縁層内に形成されるので、インクをインク溜めから各チャネルに送ることができる。
【０００５】
インクジェットプリントヘッド内のインクの流路の幾何学的パラメータ及び／または構造的配置は微粒放出頻度、ひいては印刷速度を決定する因子である。配向依存エッチングは細かな次元制御が必要とされる長方形にエッチング形状を制限する。典型的なＯＤＥエッチング液を用いると、凸状の角がエッチングされてより制御不能な形状とされる。重要な幾何学的パラメータの例としてはチャネルの断面積に対するノズルの大きさ、及びノズルに対するバイパスピットにおけるインクの流れる面積の大きさが挙げられ、これらの大きさがインクの供給源からプリントヘッドインク溜めへの毛管現象による補充時間に影響する。ノズルの断面積は待ち時間に大きな影響を与える。ノズルの端から流体が蒸発するので粘度が増加し、最終的にチャネルをふさいでしまう。この待ち時間はふさぎが生じる前の時間の長さである。
【０００６】
チャネルはインク溜めから隔離されているので、インクジェットプリントヘッドにはインク溜めからチャネルまでインクが通じるようにバイパスピットが中に形成されている厚い絶縁膜が必要である。そのため、インクジェットプリントヘッドにおけるシリコンチャネル構造の設計及び製造にはより柔軟性が必要とされる。
【０００７】
バイパスピット及びヒータピットが存在すると、インクチャネル内にトラップされた気泡により引き起こされるドロップアウトとして知られる問題も一般に増加する。これらの気泡はピットの中にトラップされるとインクの流れを妨害する。
【０００８】
そのため、ドロップアウト問題が生じるのを制限するインクジェットプリントヘッドに対する技術が必要とされる。
【０００９】
更に、ヒータ素子ウエハ上に形成される厚い絶縁膜はインク設計の自由度（例えば、ｐＨ、加水分解、粘度、など）を著しく限定する。それはまた、プリントヘッドの前面に第２の材料（すなわち絶縁膜材料）を導入することにより前面の濡れ性の問題を複雑にする。このため、前面の濡れ性の問題を制限する一方インク設計の自由度をより柔軟にすることのできるインクジェットプリントヘッドが必要とされる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、チャネルはインク溜めから隔離されているので、インクジェットプリントヘッドにはインク溜めからチャネルまでインクが通じるようにバイパスピットが中に形成されている厚い絶縁膜が必要であり、インクジェットプリントヘッドにおけるシリコンチャネル構造の設計及び製造にはより柔軟性が必要とされる。
【００１１】
また、ドロップアウト問題を制限するインクジェットプリントヘッドに対する技術が必要とされる。
【００１２】
更に、前面の濡れ性の問題を制限する一方インク設計の自由度をより柔軟にすることのできるインクジェットプリントヘッドが必要とされる。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明は、異方性を有するようにエッチングされた複数のインクチャネルと異方性を有するようにエッチングされたインク溜めが互いに直接接続するようにされた第１の面を有するインクジェットプリンター用のインクジェットチャネルウエハに関する。インクジェットチャネルウエハはまた、インクジェットチャネルウエハの第１の面内の異方性を有するようにエッチングされたヒータピットも備えている。
【００１４】
この発明はまた、インクジェットチャネルウエハの第１の面上に異方性を有するようにエッチングされた複数のインクチャネルを備えた上部インクジェットチャネルウエハを有するインクジェットプリンター用インクジェットプリントヘッドに関する。前記複数のインクチャネルは前記上部インクジェットチャネルウエハの第１の面上に異方性を有するようにエッチングされたインク溜めに直接接続されている。更に、本発明では凸状角を有する構成要素を製造することができる。インクジェットプリントヘッドはまた、ヒータ素子エレクトロニクスを含む下部ヒータウエハを備える。上部インクジェットチャネルウエハと下部ヒータウエハの間にはヒータ素子エレクトロニクスを防御する保護膜が存在する。
【００１５】
この発明はまた、インクジェットプリンター用インクジェットチャネルウエハの製造プロセスに関する。このプロセスは一連のマスクをインクジェットチャネルウエハの第１の面上に形成する工程と、次くインクジェットチャネルウエハの第１の面を異方性を有するようにエッチングしてインクマニホルド穴に直接接続される複数のインクジェットチャネルを形成する工程と、を備える。重大なあるいは細かなエッチング工程は水と、少なくとも１つのアルカリ金属酸化物と少なくとも１つのアルコール化合物の混合物を含む水溶性エッチング液を用いて行われる。
【００１６】
この発明はまた、インクジェットプリンター用インクジェットチャネルウエハの製造方法に関する。この方法は、インクジェットチャネルウエハの第１の面上に１つのマスクを形成する工程と、少なくとも１つのアルカリ金属水酸化物と少なくとも１つのアルコール化合物の水溶性混合物を用いてインクジェットチャネルウエハの第１の面を異方性を有するようにエッチングし複数のインクチャネルとインク溜めを形成する工程と、を備える。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、微粒放出ノズル２７の配列を示す従来のプリントヘッド１０の斜視図である。すなわち、プリントヘッド１０の前面２９の拡大図を図１に示す。図２は、図１のプリントヘッド１０を２‐２線で切断した断面図である。下部電気絶縁基板あるいは加熱素子板２８は加熱素子３４とその表面３０にパターニングされたアドレス電極３３を有し、一方チャネル板３１の上部基板は一方向に延在すると共に面の縁２９から上部基板を通って貫通している平行なチャネル２０を有する。チャネル２０の他端は傾斜させた壁２１で終わっている。毛管現象により充填されたインクチャネル用のインク溜めはインク入口として使用するための開口２５を有する。チャネル２０を備えたチャネル板の表面は位置合わせされて、ヒータプレート２８に結合されるため、複数の加熱素子３４のそれぞれ１つが各チャネル２０及び下部基板あるいはヒータプレート２８内に配置される。インクは毛管作用によりインク入口２５を通って凹部２４及び下部基板２８により形成されるインク溜めに入り、厚膜絶縁層１８に形成されたバイパスピット３８を通って流れることによりチャネル２０を満たす。各ノズル２７でのインクはメニスカスを形成し、その表面張力によりインクがそこから垂れないようになっている。下部基板あるいはヒータ板２８上のアドレス電極３３は端子３２で終わっている。上部基板あるいはチャネル板３１は下部基板２８よりも小さく、電極端子３２及び３７が露出されドータボード１９上の電極とワイヤ結合するのに使用できる。そのドータボードにはプリントヘッド１０が常時載置されている。層１８は上部及び下部基板間に挟まれた厚膜保護層である。この層は加熱素子が露出されるようにパターニングされており、そのためそれらの素子はピット２６内に配置されている。また、この層はバイパスピット３８を形成してインクがインク溜め２４とインクチャネル２０の間に流れるようにパターニングされている。更に、厚膜絶縁層１８は電極端子３２が露出されるようにパターニングされている。
【００１８】
図１のプリントヘッド１０を１つのチャネルを通る２‐２線で切断した断面図を図２に示す。図２には典型的なインクジェットプリントヘッドの矢印２３により描かれているようにインクがどのようにインク溜め２４からチャネル２０の端２１を回って流れていくかが示されている。トルペイ（Ｔｏｒｐｅｙ）らの合衆国特許第４，６３８，３３７号に開示されているように、複数組の気泡発生加熱素子３４及びそのアドレス電極３３が両面磨き（１００）シリコンウエハの磨き面上にパターニングされている。複数組のプリントヘッド電極３３、加熱素子として機能する抵抗材料、及び共同帰線３５がパターニングされる前に、ウエハの磨き面が厚さ約２μｍの二酸化硫黄などの下地層３９で被覆される。抵抗材料は化学蒸着（ＣＶＤ）により蒸着することのできるドープ多結晶シリコンあるいは２ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ2）などの他の周知の抵抗材料としてもよい。共同帰線及びアドレス電極は典型的には下地層上でかつ加熱素子３４の縁上方に蒸着されたアルミニウムリード線である。共同帰線は図１のボンディングパッド３７上で終わり、アドレス電極端子３２は所定の位置に配置されるので、チャネル板３１を接着させてプリントヘッドを作製した後に、ドータボード１９の電極４０へワイヤ結合させる隙間ができる。共同帰線３５及びアドレス電極３３は０．５から３μｍの厚さまで蒸着される。好ましい厚さは０．７５から１．０μｍである。
【００１９】
次に、例えば、Ｒｉｓｔｏｎ、Ｖａｒｃｅｌ、Ｐｒｏｍｂｉｍｅｒ５２あるいはポリイミドなどの厚膜型絶縁層１８をヒータ基板２８上に１０から１００μｍ、好ましくは２５から５０μｍの範囲の厚さまで形成する。絶縁層１８はフォトリソグラフィーにより処理されるので、各加熱素子（凹部２６を形成）及びインク溜め２４からインクチャネル２０へのインクの通り道となるバイパスピット３８の上の絶縁層１８の部分が除去できる。各電極端子３２及び３７上の絶縁層材料もまた除去される。
【００２０】
図３（ａ）は、インクチャネルをインク溜めに直接接続させようとした際の従来技術の制御不能な配向依存エッチング（ＯＤＥ）を示すインクジェットチャネルウエハの一部の拡大底面図である。
【００２１】
図３（ｂ）は図３（ｃ）のチャネルウエハの拡大底面図であり、バイパスピットの形成が必要なインクチャネルの一端のエッチングされていない部分を図示している。
【００２２】
印刷プロセス中に、各ノズル２７を通してインクジェットプリントヘッドにより小さな気泡４１が吸い込まれる。各チャネル２０の端の傾斜壁２１が気泡をトラップし、蓄積させて非常に大きな気泡４２あるいは空気ポケットを形成させる。気泡４２がかなり大きくなると、インクジェットプリントヘッドの性能に悪影響を及ぼす。例えば、気泡４２はチャネル２０のサイズを圧縮しチャネル２０を通るインクの流れを妨げる。この結果、ドロップアウトの問題が生じ、この問題はとりわけ、十分なインクが基質に到達するのを妨害し、基質上に異常なインク形成を生じさせることとなる。
【００２３】
本発明の１つの実施の形態はバイパスピットの必要性を除去するチャネルウエハを含む。すなわち、構造がＯＤＥにより形成され、そのため、インクチャネルはチャネルウエハ上のインク溜めに直接接続される。これにより、補充速度及び印刷頻度が増加すると共にドロップアウトの問題が克服できる。
【００２４】
構造の再現性の高い製造は、エッチング液の添加剤としてアルコール化合物を導入することにより達成されるアルカリ金属水酸化物水溶液によるエッチングの凸状角の挙動の劇的な改良により可能となる。改良された凸状角の挙動により厚いヒータウエハポリイミド保護層内だけでなくチャネルウエハ内のヒータピットの再現性の高いＯＤＥも可能となる。この場合、ポリイミド保護層の唯一残った機能はヒータウエハエレクトロニクスの保護／防御である。この機能は現在使用されているポリイミド層よりも１オーダー薄い層を用いて達成することができる。これによりインクの融和性及び前面の濡れの問題が軽減される。より薄い高分子層を十分高い温度で硬化させその耐腐食性を向上させても良い。
【００２５】
標準ＫＯＨエッチングの凸状角のアンダーカット挙動を図４に示す。正方形の〈１１０〉アライメントマスクを使用して８０℃、７Ｍ ＫＯＨにおける１７０ミクロンの高さのシリコンメサをエッチングする。メサの角は大きくアンダーカットされ、多くの不明確な結晶面により形成され、角アライメント誤差に高感度となる。横方向アンダーカット長“Ｌ”（図４）をエッチ深さ“Ｄ”で割ったものとして規定されるアンダーカット比は標準条件では１．３２であり、すなわち凸状角は深さ方向よりも横方向に３０％速くエッチングする。更に、角は典型的には非常にぼろぼろになっており（図５）、角アライメント公差に対する感度が高いためアンダーカット比はそれほど再現性が高くない。
【００２６】
しかしながら、凸状角の挙動はイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）飽和ＫＯＨ水溶液など、アルカリ金属水酸化物水溶液エッチングをアルコール化合物で飽和すると非常に異なったものとなる（図６）。角はもはやぼろぼろではなく、図７に示すように滑らかで｛２２１｝に近い２つの結晶面で明確に規定される。アンダーカット比は１．３２から０．４に減少し（３あるいは４倍横方向のアンダーカットが減少）、アンダーカットの再現性は他のエッチパラメータの悪影響を受けずに大きく改善される。ＫＯＨ水溶液及びＫＯＨ／ＩＰＡでエッチングされた凸状角のクローズアップ図をそれぞれ図８及び図９に示す。
【００２７】
水溶性ＫＯＨ／ＩＰＡエッチング液が好ましいが、本発明では１以上のアルコールと結合させた多くの水溶液アルカリ金属を使用してもよい。更に、上記複雑な角の外形はたった１つであった（例えば、図７の｛２２１｝に近い結晶面）が、様々なエッチングパラメータ（例えば、エッチング液濃度、エッチングされる材料、結晶配向など）に応じて他の複雑な外形も使用することができる。
【００２８】
本発明のＫＯＨ／ＩＰＡ ＯＤＥエッチングの優れた凸状角特性により得られるサーマルインクジェット構造をそれぞれ図１０及び図１１に示す。それらの図はチャネルウエハの底面図及びインク溜めに直接接続されたインクチャネルを備えるインクジェットプリントヘッドの断面図である。インク入口領域は２つの結晶面｛２２１｝、断面中にあるどちらも側面により規定される（図１２）。バイパスピット及びそれに関連した制限はこの構造ではもはや必要ない。
【００２９】
図１１に示した本発明のインクジェットプリントヘッドは図２に示した従来のインクジェットプリントヘッドと同様である。しかしながら、チャネル２０とインク溜め２４とを直接接続させたため、矢印４３に示されるようにインク溜めからチャネルまでインクを直接流すことができる。バイパスピットが無いので、絶縁層１８はインク溜めとインクチャネル間の領域でエッチングされない。２つの結晶面｛２２１｝で規定され図１１では４５で示されるチャネルとインク溜め２４の間の凸状角により、ノズル２７を通って吸い込まれた気泡４４は全て自由にチャネル２０からインク溜め２４まで流れインク入口２５から出ていくことができる。これにより、従来のインクジェットプリントヘッドにおいて通常生じていたチャネル２０とインク溜め２４の間でトラップされた気泡により引き起こされるドロップアウトの問題を除去することができる。従って、本発明のインクジェットプリントヘッドは所望の光学濃度を有する再現性のある像を提供する。
【００３０】
本発明のエッチング液組成の更なる利点はコンパクトなダイの製造の可能性である。標準のアルカリ金属水酸化物槽では、ダイのサイズは後方チャネルの過剰なエッチングを補正するために数ミル分増加させなければならない。エッチング槽にアルコール化合物を添加すると、ダイを大きくする必要が無くなり、より多くのダイをウエハ上に形成できる。所定の後方チャネルの長さ（すなわちヒータの後ろのチャネルの長さ）を達成するためには、アルコールを含まないエッチング液では開始チャネルの長さをより大きくする必要があり、エッチレート比がより高くなり、これによりアルコールを含むエッチング液と同じエッチ深さが達成できる。例えば、１５０μｍの深さのチャネルをエッチングするには後方のチャネル長さが最終的に所望の大きさよりも５０μｍ長いことが必要であり、一方、ＩＰＡ／ＫＯＨを用いた場合、チャネルの長さは約５０μｍでよく、このためよりダイのコンパクト化が可能である。
【００３１】
ＫＯＨ、ＴＭＡＨ、ＣｓＯＨなどのアルカリあるいはエチレンジアミンピロカテコール（ＥＤＰ）及びヒドラジンのエッチング挙動は他の塩基性エッチング挙動とは全く異なる。これらのエッチングは拡散制限というよりむしろ反応速度制限を受け、単結晶シリコンへの効果を説明するキーワードは異方性と撹拌低感度性である。シリコンマイクロマシン加工を開始させたのはアルカリ性エッチング液の異方性エッチング挙動の発見である。ＥＤＰを用いた初期の実験及びテトラメチルアンモニウムヒドロキシドを用いた後の実験により、これらのエッチング液がアルカリ金属水酸化物エッチング液よりも異方性比、表面の粗さ及び／またはアンダーエッチングの観点から性能が低いことが示された。更に、ＥＤＰは有害である。マスキング材料としてＬＰＣＶＤ窒化珪素が使用される環境においてはアルカリ金属水酸化物エッチング液が望ましい。最適条件下でこれらのエッチング液を用いたＳｉ／ＳｉＯ2選択率は酸化物マスキングには十分ではない。
【００３２】
全エッチングメカニズムには下記式に示すような可溶性シリケートの２段階形成が含まれる。
【００３３】
【化１】
【００３４】
本発明のエッチングは本質的には撹拌に依存しないので、プロセスは２つの制御パラメータ（組成及び温度）によってのみ特徴づけられる。これらのパラメータはどちらも明確である。そのため本発明のアルカリエッチングでは良好な再現性及び均一性が得られる。撹拌は二次効果にすぎず、その主な機能は温度分布を均一に維持すること、及び水素泡がエッチングされるシリコン表面に付着しないようにすることである。
【００３５】
典型的な作動温度は約６０から１００℃であり約８０℃が好ましい。エッチング時間は所望のエッチ深さ及びエッチング槽温度に依存する。
【００３６】
しかしながら、単結晶構造のシリコン上に作用する本発明のアルカリ水溶液エッチング液の特有のかつ興味深い特性はエッチレートの強い異方性あるいは配向依存性である。シリケート形成反応速度は結晶配向に強く依存する。｛１１１｝結晶面はダイヤモンド型構造をとりシリコンにおいて最も充填密度が高く、他の配向の結晶面よりも２のオーダーの大きさ以上遅く攻撃される。このため、微細加工設計者に厳格な配置法則を課すことになるかもしれないが、利点は化学加工技術により数百ミクロンの深さのエッチングが、実際マスクを用いたアンダーエッチング無しで、完全に規定される側壁面を備えるように、とりわけ良好な均一性及び再現性で行えることである。
【００３７】
アルコールを添加することにより、アルカリ金属水酸化物水溶液中での異方性比及び凸状角のアンダーカッティングが減少する。例えば、図４及び図７はそれぞれイソプロパノール無し、及びイソプロパノールで飽和した、８０℃、７ＭのＫＯＨ中でエッチングされた正方形｛１００｝シリコンメサを図示したものである。どちらの場合もエッチ深さは１７０μｍである。しかしながら、凸状角のアンダーカットは標準エッチングに対しては２２５μｍであり、ＩＰＡ飽和溶液に対しては７０μｍにすぎない。これは、標準エッチングをイソプロパノールで飽和するとアンダーカットの距離Ｌ及びエッチ深さＤで規定されるアンダーカット比（Ｌ／Ｄ）が、１．３２から０．４１まで減少することを意味する。これは係数３以上の改善である。また、アンダーカット前面は、図１２に示されるように、全エッチング時間に対し単一型の結晶面｛２２１｝によりずっと良好に規定される。そのためイソプロパノールの添加によりアンダーカッティング比が減少するだけでなく、アンダーカットの予測も可能となる。これにより更にアンダーカットを減少させるために適用することができるマスク補正技術の効率が改善される。
【００３８】
しかしながら、アルカリ金属水酸化物水溶液に対する添加物としてアルコール化合物を使用すると、エッチングされたシリコン表面に任意に分布する角錐あるいは円錐形状の小山が生じることがある。この小山は幅あるいは高さ数十ミクロンとなることがあり、そのためどのように適用するにしても通常不都合である。角錐体形成メカニズムはエッチング溶液中に存在するわずかな汚染物質に支配される。そのメカニズムについてはほとんど知られておらず、角錐体形成は使用される脱イオン水の抵抗率と強い相関関係があり、より程度は低いがアルカリ金属水酸化物の純度とも相関関係があることがわかった。
【００３９】
そのため、角錐体形成問題を解決するために、更に水の純化システムを設置し、期間中窒素を用いて環流エッチング系を排出してその純度を維持する。分析グレードのＫＯＨを使用すると重大な水質しきい値を幾分低くすることができることが見いだされているが、上記準備がなされていれば本質的ではない。乾燥Ｎ2下でアルカリ金属水酸化物を保存するのが望ましい。
【００４０】
［この発明の好適な実施の形態］
本発明のエッチング液について、ＫＯＨ／ＩＰＡ水溶性エッチング液に関し、更に詳細に下記に説明する。しかしながら、他のアルカリ金属水酸化物及び水酸基含有化合物を使用しても良い。更に、単結晶シリコンをエッチング材料として説明するが、ヒ化ガリウム、ゲルマニウムなどの他の材料を使用しても良い。
【００４１】
８０℃、ＩＰＡ飽和７Ｍ ＫＯＨ水溶液により、（１）｛１１０｝エッチレートが幾分減少し、（２）｛１００｝／｛１１１｝異方性比が減少し、（３）｛１００｝エッチレートの均一性及び表面粗さは（無作為な角錐体形成を避けるために適当な準備がなされていれば）影響されない。例えば、｛１００｝エッチレートは９％減少して、１．０８から０．９９μｍ／分となり、予測性は±０．０５μｍ／分である。エッチレートの不均一性は±０．５％のオーダーで残る。表面粗さは１００ｎｍ以上のオーダーである。｛１００｝／｛１１１｝異方性はまたＶ‐溝拡幅実験で測定すると２８９±５であることがわかり、これは３％の減少を示す。
【００４２】
化学量論組成を有するＬＰＣＶＤ窒化珪素膜をこの発明の実質的に全てのアルカリ金属水酸化物エッチングに対するマスキング材料として使用した。例えば、Ｓｉ／Ｓｉ3Ｎ4エッチング選択性は８０℃、７Ｍ ＫＯＨ水溶液中における１０4より良好であることがわかった。１２０ｎｍＳｉ3Ｎ4膜は２４時間エッチング液に露出された後に視覚的には色の変化は見られないので、窒化物エッチレートは０．１ｎｍ／分未満であると結論づけられる。そのため、ＩＰＡを含むあるいは含まないＫＯＨでは本質的には非エッチングであると考えることができ、このため、所望の厚さは膜のピンホール密度により決定される。１２０ｎｍの膜厚は化学量論ＬＰＣＶＤ窒化物に対し十分であることがわかった。他方、化学量論ＰＥＣＶＤ窒化物は膜の密度が低くピンホールが多いため、５００ｎｍ以上の膜厚でさえも不十分であることがわかっている。 ＰＥＣＶＤ膜の熱アニーリングによりピンホール密度が減少するが、ＬＰＣＶＤ膜に対抗させることはできない。
【００４３】
湿式熱二酸化珪素もまた８０℃、７Ｍ ＫＯＨに対するマスクとして使用することができるが、ＳｉＯ2エッチレートは有為であるためより浅いエッチングに対してしか使用できない。１０００℃で熱的に湿式成長させた５００ｎｍのＳｉＯ2膜は２時間１５分±１５分で消費されてしまう。そのため、酸化物エッチレートは上記条件下では３．７±０．１ｎｍ／分である。Ｓｉ／ＳｉＯ2選択比は-２．４０である。標準３”３６０μｍの厚さのウエハによるエッチングには１．３μｍ以上の厚さの酸化物膜が必要である。ＫＯＨのピンホール感度が非常に高いため、欠陥密度を許容レベルに維持するには実際には少なくとも１．６μｍは必要である。そのため熱酸化物は８０℃、７Ｍ ＫＯＨにおける深い（２５０μｍ以上）エッチングをマスクするにはあまり適していない。ＬＰＣＶＤ窒化物が手に入らない場合、エッチング温度を低くすれば熱酸化物は３”ウエハに対しては使用することができる。Ｓｉ／ＳｉＯ2選択比は温度を下げることによりかなり増加する。温度を下げるとＳｉ／ＳｉＯ2選択比が増加することは見いだされていた。しかしながら、ピンホールが存在するため、１．２μｍ酸化物が依然として必要である。更に、Ｓｉエッチレートは温度降下のため更に減少し、一方一定のエッチ深さに対する表面粗さは増加する。
【００４４】
そのため、化学量論ＬＰＣＶＤ窒化珪素がアルカリ／アルコール水溶液エッチングをマスクするには好ましいと結論すべきである。酸化物膜は通常、主に窒化物膜のパターニングのためのプラズマエッチングプロセスにおけるエッチング停止あるいは緩衝層として機能させるために使用される。異方性エッチングの後、窒化物の蒸着が短い熱酸化により実行されていれば窒化物はプラズマエッチングによりエッチングされたウエハに影響を与えずに除去できる。
【００４５】
以上この発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明の他の実施の形態におけるエッチング配合を以下に開示する。
【００４６】
凸状角アンダーカッティングを最小とするエッチレート、エッチレートの均一性、及び｛１００｝シリコンに対する表面粗さを提供する好ましいエッチング配合は、Ｈ２Ｏ中の７Ｍ ＫＯＨ＋３００ｍｌ／ｌ（過飽和）２‐プロパノール、８０±１℃であって、主なエッチング仕様は以下の通りである。
【００４７】
｛１００｝エッチレート：０．９９±０．０５μｍ
｛１００｝エッチレートの均一性：±０．２５％
｛１１１｝エッチレート：３．４±０．２ｎｍ／分
｛１００｝／｛１１１｝異方性比：２８９±５
｛１１１｝傾斜：５４．７±０．５°
凸状アンダーカットレート：０．４±１μｍ／分
アンダーカッティング比：０．４１±０．０５
サブ限界アンダーカット比：欠陥成長の傾向
３５０μｍエッチ深さ及び１０ｎｍの最初の表面粗さに対する表面粗さ（Ｒａ）：１００ｎｍ（角錐体成長が妨害された場合）
ＬＰＣＶＤＳｉ３Ｎ４エッチレート：＜０．１ｎｍ／分
｛１００｝／ＬＰＣＶＤＳｉ３Ｎ４選択比：＞１０4
上記エッチング仕様は下記の条件下で得られる。
【００４８】
エッチング液を磁気撹拌器を用いて撹拌し、温度勾配及び水素泡及び／または汚染物質分子の表面付着を避ける。
【００４９】
環流冷却器を用いて最初のエッチング液濃度を期間中維持する。
【００５０】
温度を±１℃以内になるように制御する。大量のエッチング液及び加熱水を使用するのが好ましい。
【００５１】
水素泡のトラップを避ける様にウエハを配置する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 典型的なインクジェットプリントヘッドの拡大断面図である。
【図２】 図１の典型的なインクジェットプリントヘッドの線２−２についての拡大断面図である。
【図３】 従来のチャネルウエハの拡大底面図である。
【図４】 正方形〈１１０〉アライメントマスクを用いてシリコンメサを標準水酸化カリウム（ＫＯＨ）エッチングしたときの状態を示す顕微鏡写真である。
【図５】 図５は図４のシリコンメサの角の拡大図である。
【図６】 本発明による正方形〈１１０〉アライメントマスクを用いてシリコンメサのＫＯＨ／イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）エッチングをしたものを示す顕微鏡写真である。
【図７】 図６のメサの角を示した図である。
【図８】 メサの角の顕微鏡写真である。
【図９】 メサの角の顕微鏡写真である。
【図１０】 本発明にかかるチャネルウエハの一部の拡大底面図である。
【図１１】 本発明のインクジェットプリントヘッドの拡大断面図である。
【図１２】 配向依存エッチングにより形成したシリコン結晶面を示す本発明のインク入口チャネル角の拡大図である。
【符号の説明】
１８ 絶縁層、２０ インクチャネル、２４ インク溜め、２５ インク入口、２７ ノズル、４５ ２つの結晶面｛２２１｝で規定される凸状角。
Claims (2)
- インクジェットプリンタのためのインクジェットチャネルウエハであって、
複数の異方性エッチングされたインクチャネルと、
異方性エッチングされ、該インクチャネルに直接接続されるインク溜めと、
を表面に備え、
インクチャネルとインク溜めとの間の凸状角は２つの結晶面｛２２１｝で規定され、インクチャネルの壁面は結晶面｛１１１｝で規定されていることを特徴とするインクジェットチャネルウエハ。 - 請求項１に記載のインクジェットチャネルウエハを備えることを特徴とするインクジェットプリントヘッド。
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