JP2009061668A - 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】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７を有するエッチングマスク層６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６の開口部７にレーザ光を照射してシリコン基板１の内部に変質層８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６の開口部７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９を形成する工程と、先導孔９及び変質層８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としてのインク供給口１１を形成する工程と、を有する。
【選択図】図４

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す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、ヒータが形成されたシリコン基板に貫通穴が設けられ、ヒータが形成された表面の裏面側から、貫通穴である長尺状のインク供給口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において、シリコン基板を貫通するインク供給口の形成方法としては、例えば特許文献１に開示されている方法がある。特許文献１には、＜１００＞面の結晶面方位を有するシリコン基板に、強アルカリ溶液による異方性エッチングによってインク供給口を形成している。このシリコン基板の異方性エッチングでは、シリコン基板の結晶面方位をなす＜１００＞面及び＜１１１＞面の強アルカリ溶液に対する溶解度の差を利用して、インク供給口を形成している。

ところで、強アルカリ溶液を用いた異方性エッチングによってシリコン基板にインク供給口を形成する工程は、そのエッチング時間が比較的長く、インクジェットヘッドの生産効率を低下させる要因の１つとなっている。

また、図１０に示すように、異方性エッチングによって形成されたインク供給口１０６の断面形状は、＜１１１＞面がなす角度５４．７°に沿って、開口断面積が裏面側から表面側に向かって次第に小さくなるテーパー形状に形成されてしまう。すなわち、ヒータ１０３が形成されたシリコン基板１０１の表面側のインク供給口１０６の開口幅に対して、シリコン基板１０１の裏面側のインク供給口１０６の開口幅が広くなってしまう。その結果、ヒータと、インクを吐出するノズルとを有するインクジェットヘッドを構成する素子基板（インクジェットヘッド用基板）の横幅（長尺状のインク供給口の短辺方向の寸法）は、シリコン基板の裏面側のインク供給口の開口幅に依存している。すなわち、インクジェットチップの横幅が大きいことで、インクジェットヘッドの製造コストの増加を招いている。したがって、製造コストの低減を図るためには、インクジェットチップの裏面側のインク供給口の開口幅を小さくすることで、インクジェットチップの横幅を小さくする必要がある。

この対策としては、ドライエッチングを用いてシリコン基板の表裏面（主面）に垂直な壁面をもってインク供給口を形成する方法が提案されている。また、ドライエッチングと異方性エッチングとを組み合わせて行い、インク供給口の壁面を、シリコン基板の表裏面に垂直形状に形成する方法も開示されている（特許文献２参照）。
特開平９−０１１４７９号公報 特開２００４−１４８８２４号公報

しかしながら、上述のようにインク供給口の形成工程でドライエッチングを用いた場合には、そのエッチング処理に比較的長いエッチング時間を要しており、エッチング時間の短縮を図り、生産効率を向上することが求められている。

そこで、本発明は、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、液体吐出ヘッド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、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。本発明の特徴は、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点にある。

（第１の実施形態）
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、インクジェットヘッド用基板の一部の斜視図を示す。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）２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２の保護層としてＳｉＮ層４、Ｔａ層５が積層されて形成されている。

なお、電気熱変換素子２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２は、図１におけるＡ−Ａ断面を示している。図２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にポリエーテルアミド樹脂が積層されて、開口部７を有するエッチングマスク層６が形成されており、この開口部７内がエッチング部分となる。

まず、図３に示すように、シリコン基板１の裏面から表面に向けて、エッチングマスク層６の開口部７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８を形成する。このとき、シリコン基板１の裏面からおよそ５００μｍの深さ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８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８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８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６列で形成している。また、変質層８は、シリコン基板１の短辺方向に対するピッチ距離を３６μｍで形成し、またシリコン基板１の長辺方向に対して長さ８．６ｍｍ程度で形成した。この変質層８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。

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８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レーザ光による多光子吸収を利用できるものであれば、加工で用い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。

また、変質層８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１０％以上５０％以下の範囲の深さの位置に変質層８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１０％未満の深さの位置に変質層を形成した場合には、変質層形成時のレーザ加工深さのばらつきによって、シリコン基板の表面の伝熱変換素子等へのレーザ光による損傷を回避する制御が困難である。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５０％未満の深さの位置に変質層を形成した場合には、インク供給口を形成するためのウエットエッチングの加工時間が長くなり、形成されるシリコン基板の裏面側のインク供給口の短辺方向の幅が広くなる場合がある。

次に、図４に示すように、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、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９を形成する。先導孔９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先導孔９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９の直径をφ４０μｍ程度に形成した。先導孔９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９の深さとしては、シリコン基板１の裏面から、およそ５００μｍ〜５７５μｍ程度の深さに形成した。

また、複数の先導孔９は、シリコン基板１の内部に形成されている変質層８におけるシリコン基板１の表面に平行な領域の外周に沿って、変質層８を取り囲むような四角形の枠状をなすように配列して形成した。すなわち、複数の先導孔９は、シリコン基板１の長辺方向に対するピッチ距離が３３μｍで配列され、この長辺方向に平行な２列をなして形成された。2列で配列された先導孔９の長手方向の両端部には、シリコン基板１の短辺方向に対しても複数の先導孔９を同様のピッチで配列させ、短辺方向に対して幅１５０μｍをなすように形成した。図５に、先導孔９が形成されたシリコン基板１の裏面からの斜視図を示す。このシリコン基板は、インクジェットヘッドの一部を構成する。

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９の加工を行った。しかし、シリコン基板１の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９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、先導孔９は、シリコン基板１の厚み方向に対する深さを、変質層８と同じ深さに先導孔の先端が位置するように形成するのが好ましい。つまり、先導孔９は、先導孔９の先端が変質層８に到達する深さまで加工することが望ましい。先導孔９の先端が変質層８に到達していない場合には、後の工程でウエットエッチングを行う際に迅速なエッチングが行われないおそれがあるので好ましくない。

次に、レーザ加工によって変質層８及び先導孔９が形成されたシリコン基板１に対して異方性エッチングを行った。この異方性エッチングとしては、例えばＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）等のアルカリ水溶液を用いたウエットエッチングを行った。ウエットエッチングであれば、数十枚のシリコン基板を一括で処理できるので、スループットの観点から好適である。

レーザ加工を施したシリコン基板１をウエットエッチングすることで、まず各先導孔９の内部にエッチング液が浸透し、図６に示すように、先導孔９の内部のエッチングが進行する。続いて、エッチング液が変質層８に到達したとき、変質層８は、多光子吸収加工されていることによって、その結晶構造が崩れているので、他の部分よりもエッチング速度が速くなる。したがって、図７に示すように、変質層８のエッチングが優先的に進行する。その結果、図８に示すように、変質層８と先導孔９とによって囲まれた領域が、片状のシリコン部位１０として除去される。したがって、シリコン基板１に貫通穴（インク供給口）を形成するためのウエットエッチングを比較的短時間で行うことが可能になる。

シリコン部位１０を除去した後に、シリコン基板１の表面まで貫通するインク供給口１１が形成されるまでウエットエッチングを行った。さらに、シリコン基板１の表面におけるインク供給口１１の開口部位に形成されているＳｉＮ層４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１１を得た（図９）。

上述した実施形態では、２５枚のシリコン基板１を一括でウエットエッチングしており、そのエッチング処理に要した時間は５時間であった。レーザ加工を含めたシリコン基板１枚当たりの処理時間はおよそ２０分程度であった。

従来、ドライエッチングでシリコン基板を加工した場合は、シリコン基板１枚当たり４０分〜６０分であり、ドライエッチングとウエットエッチングとを組み合わせた場合はシリコン基板１枚当たり３０分〜５０分の処理時間を要していた。したがって、本実施形態のシリコン基板の加工方法は、従来の加工方法に比較して、シリコン基板の裏面における開口幅が比較的狭いインク供給口を効率的に形成することができた。

上述したように、本実施形態のシリコン基板の加工方法は、シリコン基板１の内部に変質層８を形成する工程と、複数の先導孔９を形成する工程と、先導孔９及び変質層８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貫通穴であるインク供給口１１を形成する工程と、を有している。これによって、シリコン基板１の裏面におけるインク供給口１１の開口を小さく形成すると共に、インク供給口１１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１１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に対してインク供給口１１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１１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。図示しないが、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。

（第２の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態における変質層８を形成する工程の前に、先導孔９を形成する工程が行われる点以外は、第１の実施形態と同様に各工程を行うことで、シリコン基板にインク供給口を形成する。

本実施形態において、先導孔を形成する工程では、シリコン基板の表面に平行な面において複数の先導孔を上述したような枠状に配列させて形成する。続いて、変質層を形成する工程では、シリコン基板に形成された複数の先導孔がなす枠内に変質層を形成する。そして、先導孔及び前記変質層が形成されたシリコン基板にウエットエッチングを施してシリコン基板の表面まで貫通するインク供給口を形成する。

そして、本実施形態におけるウエットエッチングの処理時間は、第１の実施形態と同様に５時間であった。したがって、変質層８を形成する工程と、先導孔９を形成する工程の順序はどちらが先に行われる場合であっても、インク供給口を形成するために要する時間を短縮することができる。

インクジェットヘッドの一部を模式的に示す斜視図である。 シリコン基板を模式的に示す断面図である。 シリコン基板の内部に変質層を形成する工程を模式的に示す断面図である。 シリコン基板の裏面から先導孔を形成する工程を模式的に示す断面図である。 複数の先導孔が形成されたシリコン基板を模式的に示す斜視図である。 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模式的に示す断面図である。 シリコン基板のエッチングが進行した状態を模式的に示す断面図である。 シリコン基板のエッチングが進行した状態を模式的に示す断面図である。 シリコン基板を貫通するインク供給口が形成された状態を模式的に示す断面図である。 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 電気熱変換素子
６ エッチングマスク層
７ 開口部
８ 変質層
９ 先導孔
１０ シリコン部位
１１ インク供給口（貫通穴）

Claims (9)

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、前記シリコン基板の厚み方向に対する前記未貫通穴の深さを、前記シリコン基板に形成される前記変質層と同じ深さに前記未貫通穴の先端が位置するように形成する、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、前記シリコン基板に形成された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の外周に沿って枠状に前記複数の未貫通穴を配列させて形成する、請求項１又は２に記載のシリコン基板の加工方法。
4. 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に平行な面において前記複数の未貫通穴を枠状に配列させて形成し、
   前記変質層を形成する工程では、前記複数の未貫通穴がなす枠内に前記変質層を形成する、請求項１又は２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. 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１０％以上５０％以下の範囲の深さの位置に前記変質層を形成する、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。
9. 請求項１ないし８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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