JP2016117174A - シリコン基板の加工方法、及び液体吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン基板の表面側から第一の窪みを加工し、次いで基板裏面側から第二の窪みを加工して第一の窪みと連通させた構造体について、第一の窪みの深さ精度が良好なシリコン基板の加工方法を提供する。【解決手段】シリコン基板１０１の第一の面に第一の窪み１１１を加工し、第一の窪み１１１の側壁に側壁保護膜１１２Ｓを形成する。次いで、第一の窪み１１１の底部をエッチングした後、基板面に平行な方向の断面積に関して第一の窪み１１１よりも大きい空洞１１３を形成し、空洞１１３内壁にエッチングストップ膜１１４を形成する。次いで、シリコン基板１０１の第二面から第二の窪み１１７を加工し、エッチングストップ膜１１４の少なくとも一部を露出させる。最後に、エッチングストップ膜１１４を除去して、第一の窪み１１１と第二の窪み１１７とを連通させることにより貫通孔を形成する。【選択図】図４

Description

本発明は、シリコン基板に貫通孔を形成するためのシリコン基板の加工方法及び該方法を用いた液体吐出ヘッドの構造に関する。

シリコン基板を加工することによって多くのＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスが作製されている。ＭＥＭＳデバイスの一例として、液体を吐出する液体吐出ヘッドが挙げられる。

液体吐出ヘッドの例としては、インクを吐出して画像を形成する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では、液体を吐出するためのエネルギーを発生させる、エネルギー発生素子が表面側に設けられたシリコン基板が用いられる。さらにシリコン基板に貫通孔として加工されたインク供給路が設けられ、シリコン基板上にはインク流路を覆う吐出口形成部材が設けられる。吐出口形成部材上には液体が吐出される吐出口が形成されている。

画像をより高精細に描画するためには吐出口を高密度化することが必要となる。そのためには、インク供給路の基板表側の開口部の面積を減らして、配線や回路を高密度に配置することが必要である。

インク供給路の開口部の面積を減らす手段として、特許文献１に示すようなインクジェット記録ヘッドが挙げられる。図１にその断面図を示す。図１に示すインクジェット記録ヘッドは、シリコン基板１０１のエネルギー発生素子１０７が形成された表面側に対向する裏面から加工されたトレンチ形状の第二のインク供給路１０６の底面に加工された複数の微小なホールで構成される第一のインク供給路１０５のような２段の貫通孔構造を持つインク供給路を有している。

このような２段に形成された貫通孔を加工する方法として、特許文献１に開示されたような、シリコン基板の裏面側からのみエッチング加工していく方法がある。シリコン基板裏面から第二のインク供給路１０６となるトレンチを結晶異方性ウエットエッチングにより加工する。次に、トレンチの底面にエッチングマスクを形成し、第一のインク供給路１０５となる複数の微小なホールをドライエッチングにより加工する。

この方法では、シリコン基板１０１を裏面側から非常に深く加工するため、加工していく最中に貫通孔の断面形状が変わってしまい、シリコン基板表面側に形成される第一のインク供給路の開口部の形状精度が低くなる。第一のインク供給路の開口部の形状精度が低いと公差を大きく見こまねばならないため、吐出口を高密度化しづらくなる。

そこで、開口部の形状精度を高める方法として、先に基板表面側からインク供給路の一部を加工し、その後に、基板裏面側から残りのインク供給路を加工して連通させる製法がある。そのような加工方法の例として、特許文献２に開示される製法が挙げられる。まず、エネルギー発生素子１０７が形成されているシリコン基板１０１の表面側より、第一のインク供給路１０５をドライエッチング加工する。最後に第二のインク供給路１０６をシリコン基板裏面側よりドライエッチング加工し、第一のインク供給路１０５と連通させることにより、シリコン基板１０１を貫通したインク供給路が形成される。図２にその時のインクジェット記録ヘッドの断面図を示す。シリコン基板表面側の第一のインク供給路の開口部形状は、シリコン基板表面に形成されるエッチングマスクによって規定されるため、開口部の形状精度を高めることができる。

ところが、シリコン基板を表面側と裏面側の２方向から加工する方法では、図１に示すようなインク供給路を加工しようとすると、図３に図示されるように、第二のインク供給路１０６の深さによって第一のインク供給路１０５の深さｄが決まることになる。特にシリコンドライエッチングを用いて第二のインク供給路１０６を加工する場合はそのエッチングレート分布が大きいことや、加工深さが深いことにより、一般的には第二のインク供給路１０６の深さは大きく分布する。そのため、第一のインク供給路１０５の深さ分布も大きくなってしまう。

第一のインク供給路１０５の深さｄの分布が大きいと、インク供給路の流抵抗の分布が大きくなり、吐出口へのインク供給速度がばらついて印字特性を低下させる。また、第二のインク供給路１０６の深さ分布が大きくなりすぎると、一部でシリコン基板を貫通してしまう恐れがある。そのようにして貫通してしまうと、第一のインク供給路１０５が消失してしまい、インク供給路周辺に形成されている回路や配線がエッチングされて壊れてしまうことがある。

特開２００９−０９６０３６号公報 特開２００４−２３７７３４号公報

本発明は上述した課題を鑑み、最初にシリコン基板の表面側から、複数の第一の孔部を加工し、次いで基板裏面側から、第二の孔部を加工して連通させた構造体について、第一の孔部の深さを精度よく形成できるシリコン基板の加工方法を提供する。
さらに前記第二の孔部の深さも精度よく形成できるシリコン基板の加工方法を提供する。

本発明の一形態は、
シリコン基板の第一の面から対向する第二の面に連通する孔部を形成するシリコン基板の加工方法であって、
（Ａ）シリコン基板の第一の面に第一の窪みを加工するステップと、
（Ｂ）前記第一の窪みの側壁に、側壁保護膜を形成するステップと、
（Ｃ）前記第一の窪みの底部をエッチングして、基板面に平行な方向に関して、前記第一の窪みよりも大きい空間断面積部分を有する空洞を形成するステップと、
（Ｄ）少なくとも基板面に平行な方向の前記空洞の内壁にエッチングストップ膜を延設するステップと、
（Ｅ）前記シリコン基板の第二の面から第二の窪みを加工するステップと、
（Ｆ）前記エッチングストップ膜を、前記第二の窪み内の少なくとも一部に露出させるステップと、
（Ｇ）前記露出したエッチングストップ膜の少なくとも一部を除去して、前記第一の窪みと前記第二の窪みとを連通させるステップと
を備えたシリコン基板の加工方法である。
また、本発明の別の形態は、上記シリコン基板の加工方法を含む方法で形成されたことを特徴とする液体吐出ヘッドである。
加えて、本発明のさらに別の形態は、シリコン基板の第一の面に面する複数の第一の液体供給路と、
前記複数の第一の液体供給路の下のシリコン基板の内部に形成され、基板面に平行な方向に関して前記第一の液体供給路よりも大きい空間断面積部分を有する中空管と、
前記中空管の下に設けられ、且つ、基板面に平行な方向に関して前記中空管よりも小さい空間断面積部分を有し、且つ、前記シリコン基板の第二の面に面する第二の液体供給路とを有し、
前記第一の液体供給路と前記中空管とが連通し、
前記中空管と前記第二の液体供給路とが連通していることを特徴とする液体吐出ヘッドである。

本発明の一形態によれば、シリコン基板の空洞内部に形成されたエッチングストップ膜によって、前記第一の窪みから構成される第一の孔部を、前記第二の窪みから構成される第二の孔部を加工する際のエッチングから守ることができるため、第一の孔部の深さの精度を高めることができる。
さらに、第二の孔部のエッチングをエッチングストップ膜で停止させることで、第二の孔部の深さの精度も高めることができる。

従来技術により作製された液体吐出ヘッドの断面図である。 別の従来技術により作製された液体吐出ヘッドの断面図である。 公知技術によって作製された液体吐出ヘッドの第一のインク供給口の深さ分布を示した図である。 本発明の実施の形態１の液体吐出ヘッドの製造方法を示した工程断面図である。 実施の形態１を説明するための液体吐出ヘッドの製造方法を示した断面図であって、（Ａ）本発明の他の例の図、（Ｂ）本発明ではない比較例を示した図である。 本発明の実施の形態２の液体吐出ヘッドの製造方法を示した工程断面図である。 本発明の実施の形態３の液体吐出ヘッドの製造方法を示した工程断面図である。 本発明の実施の形態３で作製した液体吐出ヘッドの（Ａ）平面図、（Ｂ）Ａ−Ａ’断面図、（Ｃ）Ｂ−Ｂ’断面図である。 本発明の実施の形態３で作製した液体吐出ヘッドの他の例の（Ａ）平面図、（Ｂ）Ａ−Ａ’断面図、（Ｃ）Ｂ−Ｂ’断面図である。 本発明の実施の形態３で作製した液体吐出ヘッドにおいて、第二の孔部の他の製造方法を示した工程断面図である。 本発明の実施の形態４の液体吐出ヘッドの製造方法を示した工程断面図である。

本発明に係るシリコン基板の加工方法は、液体吐出ヘッド用基板の製造方法の他、加速度センサー等のマイクロマシーンの製造に応用可能である。
以下、本発明の実施形態を液体吐出ヘッド用基板の製造方法について説明しつつ、本発明を詳細に説明する。

（実施の形態１）
図４に、本発明に係るシリコン基板の加工方法により液体吐出ヘッド用の基板を製造する方法を示す。
まず、図４（Ａ）に示すように、液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生素子１０７を有するシリコン基板１０１を用意する。シリコン基板１０１の表面（第１の面）には、配線や層間絶縁膜などから構成される表面メンブレン層１０３が形成されている。

シリコン基板１０１の上にフォトレジストなどを用いて表面エッチングマスク１１０を形成し、表面メンブレン層１０３を加工し、さらにシリコン基板１０１をエッチングすることで第一の窪み１１１を加工する（図４（Ｂ））。表面エッチングマスク１１０はエネルギー発生素子１０７や回路領域など保護すべき部分覆っている。ここで第一の窪み１１１は垂直方向へ加工することが望ましいため、シリコン基板１０１のエッチングとしてはドライエッチングによる異方性エッチングが好適である。ＳＦ_６、Ｃｌ_２、Ｃ_４Ｆ_８、ＣＦ_４，ＣＢｒＦ_３などのガスをプラズマ放電させることでシリコンを基板垂直方向へ加工する。またＳＦ_６などのフッ素系ガスを用いてエッチングし、Ｃ_４Ｆ_８などのガスを用いて側壁にフルオロカーボン膜を堆積することを繰り返す”ボッシュプロセス”によるエッチングも、基板垂直方向への加工を容易に実現できるため好適である。第一の窪み１１１の平面形状は特に限定されず、真円形や楕円形等の円形状、矩形や六角形等の多角形状などのいずれでもよい。第一の窪み１１１はエネルギー発生素子１０７の両側に対称的に形成されることで、吐出口からの液体吐出の安定性が向上する。

次いで、第一の窪み１１１の側壁に側壁保護膜１１２Ｓを形成する。まず側壁保護膜１１２Ｓとなる保護膜１１２を基板表面全体に成膜する（図４（Ｃ））。その厚さは後述する空洞のエッチングに十分耐え得る膜厚が好適である。

保護膜１１２の成膜方法の一例として、エッチング装置内で成膜する方法が挙げられる。例えばＣ_４Ｆ_８などのフルオロカーボン系のガスをプラズマで分解堆積させることで、ウエハ全面にフルオロカーボン膜を成膜する。

次に、基板垂直方向への直進性が高いイオン（例えばフッ素系イオンなど）を用いてエッチングすることで側壁以外にある膜のみを選択的に除去できる。その結果、図４（Ｄ）に示すように第一の窪み１１１の側壁に側壁保護膜１１２Ｓを形成することができる。

他の例として、エッチング装置内において酸化性ガスを放電させることで第一の窪み１１１内壁にシリコン酸化膜を形成し、その後、垂直性の強いドライエッチングを用いて第一の窪み１１１側壁以外のシリコン酸化膜をエッチングしてもよい。同様に窒化性ガス中で放電させることでシリコン窒化膜を側壁保護膜１１２Ｓとして形成してもよい。

保護膜１１２の形成方法としては、スパッタ法、化学蒸着法（ＣＶＤ：Chemical vapor deposition）、原子層蒸着法（ＡＬＤ：Atomic layer deposition）などの方法が挙げられる。成膜する材料は、シリコンに対してエッチング選択比が高いものが好ましく、フルオロカーボン膜、Ｔａ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｗ、Ｚｒから選択される金属膜、前記金属の窒化膜、前記金属の酸化膜、シリコン又はアルミニウムの窒化膜又は酸化膜などが挙げられる。これらの材料を成膜した後は、同様に、プラズマエッチングによって、側壁以外の膜を除去できる。

側壁保護膜１１２Ｓを形成した後、第一の窪み１１１の底部に露出したシリコンをエッチングする。エッチングとしてドライエッチングやウエットエッチングの両方が可能である。本実施形態ではドライエッチングを用いた場合について説明する。

ドライエッチングによりシリコン基板１０１の基板面に対して垂直方向（基板垂直方向という）と平行方向（基板平行方向という）とにエッチングを進める。その際に第一の窪み１１１の側壁は側壁保護膜１１２Ｓによってエッチングから保護されるが、第一の窪み１１１の底部に新たに空洞１１３が形成される（図４（Ｅ））。基板平行方向に関して、空洞１１３は第一の窪み１１１よりも大きい空間断面積部分を有する。空洞１１３のエッチングは、本実施形態では隣接する空洞同士が連通しない程度まで実施する。

空洞１１３を形成するエッチングに関して、イオンが少なく、ラジカルが多いプラズマガスによって等方的にシリコンを削るようなプラズマエッチングが好ましい。ＳＦ_６、Ｃｌ_２、Ｃ_４Ｆ_８、ＣＦ_４，ＣＢｒＦ_３などのプラズマガスを用いて、基板バイアス電圧を調整することなどによってイオンを基板に引き込まないように制御できる。

また空洞１１３のエッチングは、ＸｅＦ_２によるドライエッチングによって実施してもよい。その場合はプラズマを使用しないため、プラズマによる影響（ローディング効果やダメージなど）を低減できるメリットがある。

空洞１１３を形成後、空洞１１３内壁にエッチングストップ膜１１４を形成する（図４（Ｆ））。エッチングストップ膜１１４として、シリコンに対してのエッチング選択比が高い材料が好ましい。エッチングストップ膜１１４は、後述するシリコン基板裏面（第一の面に対向する第二の面）から第二の窪みを加工する際にそのエッチングを止める機能を有する。したがって、エッチングストップ膜１１４は、第二の窪みのエッチングを十分に停止できるだけの膜厚に形成する。

エッチングストップ膜１１４を形成する方法として、前記のようにエッチングチャンバー内でフルオロカーボン膜を堆積させてもよい。同様にエッチングチャンバー内で酸素プラズマや窒素プラズマなどにより空洞１１３内壁を酸化または窒化することによって、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜を形成してもよい。さらに保護膜１１２と同様の膜堆積法でエッチングストップ膜１１４を形成してもよい。特に、ＡＬＤ法は空洞１１３内壁全てを被覆できるため好適である。また材料として、保護膜１１２と同様の材料が挙げられる。

また、エッチングストップ膜１１４の他の例として、樹脂膜が好適に使用できる。樹脂膜は、シリコンのエッチングガスに対して一般にエッチング選択比が高い。樹脂膜としては、例えば、アクリル系樹脂、ポリイミド系樹脂、シリコン系樹脂、フッ素系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリエーテルアミド系樹脂などが挙げられる。これらを成膜する手段として、スピンコートやスリットコート、スプレーコートなどが挙げられる。

エッチングストップ膜１１４は必ずしも空洞１１３内壁全てを覆う必要はない。基板平行方向の空洞１１３内壁面に延設されていれば良く、その形成範囲に関しては、後述するシリコン基板裏面から第二の窪みを加工する際に、第一の窪み１１１の側壁が削られないようなマスクとなりうる範囲に成膜されていればよい。例えば、図５（Ａ）に示すように、第一の窪み１１１の側壁から空洞１１３の内壁側面にかけてはエッチングストップ膜１１４が形成されておらず、底面にエッチングストップ膜１１４ｂが成膜されていてもよい。

エッチングストップ膜１１４を基板平行方向の空洞１１３の内壁面に十分に延設するためには、空洞１１３の基板平行方向のエッチングをある程度以上実施する必要がある。空洞１１３の基板平行方向のエッチング量として５μｍ以上であることが好ましい。しかしながら、空洞１１３のエッチングはほぼ等方的に行われるため、空洞１１３の基板平行方向のエッチング量を増やしすぎると、基板垂直方向へもエッチングが進行し、第一の窪み１１１間のシリコン層の減少や基板裏面まで貫通することがある。したがって、例えば、厚み７５０μｍのシリコン基板では第一の窪みの深さを合わせて５００μｍ以下の深さまでが好適である。つまり、基板厚みの１／３以上残るように空洞１１３を形成することが好ましい。空洞１１３を形成後に、裏面から研削して基板厚みを削減する場合にも、エッチングストップ膜１１４が露出せずにシリコン層が残るように空洞１１３を形成することが好ましい。

その後、表面エッチングマスク１１０を溶剤や超音波洗浄などにより除去する。この際に、エッチングマスクの表面に成膜されていたエッチングストップ膜１１４及び側壁保護膜１１２Ｓも一緒にリフトオフされる（図４（Ｇ））。次に保護部材１１５を貼り合わせることによってシリコン基板１０１表面を保護する。保護部材１１５としてＵＶ剥離テープや熱剥離テープなどのフィルム、或いは、接着層を塗布したガラス基板などが挙げられる。

その後、シリコン基板１０１裏面（第二の面）側に第二の窪み１１７を加工するための裏面エッチングマスク１１６を形成する（図４（Ｈ））。裏面エッチングマスク１１６としてポジ型のフォトレジストなどが好適である。裏面エッチングマスク１１６を形成後、シリコン基板１０１裏面側をエッチングして第二の窪み１１７を加工する。第二の窪み１１７の加工は、第一の窪み１１１と同じくドライエッチングによる異方性エッチングが好適である。この時、第二の窪み１１７の底面の断面積は、第一の窪み１１１底面の断面積よりも大きく設定される。

第二の窪み１１７のエッチングが空洞１１３まで到達すると、空洞１１３内壁に成膜されたエッチングストップ膜１１４が露出する（図４（Ｉ））。この時、第一の窪み１１１周辺部がエッチングストップ膜１１４によってプラズマから遮蔽されるため、第一の窪み１１１周辺部を保護することができる。

またこの時、本発明の他の効果として、エッチング装置でのエッチングの終了のタイミングをモニタリングする終点検知を実施しやすくなることが挙げられる。終点検知では、シリコンがエッチングされる時に発生するシリコン化合物からの発光を測定する。シリコンの加工が終了して削るべきシリコンが減少したら、シリコン化合物からの発光も減少するため、エッチング終点を知ることができる。

従来のシリコン加工法では、シリコン基板の途中でエッチングを止める必要がある為、エッチングを停止すべきタイミングにおいて発生しているシリコン化合物の量は変わらない。したがって、このような終点検知手段を使用することができなかった。しかし、本発明のように図４（Ｉ）のタイミングにおいて、シリコンエッチングの少なくとも一部がエッチングストップ膜１１４で止まることにより、エッチング装置内でのシリコンエッチング量が減少する。その結果、シリコン化合物からの発光強度が減少するため、終点検知の測定装置によってそのタイミングを知ることができる。これは加工制御性の観点で大きなメリットとなる。

基板内の全ての部分について、第二の窪み１１７のエッチングがエッチングストップ膜１１４まで到達したらエッチングを停止する。最後にウエットエッチング、ドライエッチング、剥離液、ドライアッシングなどにより、エッチングストップ膜１１４の少なくとも一部を除去することにより第一の窪み１１１と第二の窪み１１７とは連通する。さらに裏面エッチングマスク１１６や側壁保護膜１１２Ｓについても、同様な手段により除去してもよい。

その後、裏面エッチングマスク１１６が残存していれば、レジスト剥離液や酸素アッシングなどにより除去し、保護部材１１５を基板から分離する。第一の窪み１１１は第一の孔部（第一のインク供給路）１３１となり、第二の窪み１１７と空洞１１３とは第二の孔部（第二のインク供給路）１３２となり、基板の第一の面から第二の面への貫通孔（第一の面から第二の面に連通したインク供給路）が完成する（図４（Ｊ））。

第二の窪み１１７をエッチングして第一の窪み１１１と連通させる工程において、エッチングストップ膜１１４を空洞１１３内壁に形成していなかった場合の例を図５（Ｂ）に示す。この場合、空洞内壁にエッチングストップ膜が存在しないため、空洞１１３と第一の窪み１１１周辺のシリコンはエッチングされてしまう。その結果、図５（Ｂ）のように第一の窪み１１１の深さがばらつき、第一のインク供給路１３１の深さを均一に保てなくなる。

また、第二の窪み１１７のエッチングとしてドライエッチングを例に挙げたが、ドライエッチングに限定されずウエットエッチングでも本発明の効果は有効である。ウエットエッチングの好適な例として、基板垂直方向へのエッチングを実施し易い結晶異方性ウエットエッチングが挙げられる。図４（Ｉ）において、エッチング液としてＴＭＡＨ（Trimethylanilinium hydroxide：水酸化トリメチルアニリニウム）やＫＯＨ（水酸化カリウム）などの強アルカリ液を用いて、シリコン基板１０１をエッチング液中に浸漬させることでエッチングを行う。その際、裏面エッチングマスク１１６やエッチングストップ膜１１４について、上記エッチング液に対して耐性のある材料が選ばれる。材料として、有機樹脂である日立化成製の「ＨＩＭＡＬ」（商品名）シリーズや、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜などが好適である。成膜方法として、スピンコート法、スリットコート法、ＣＶＤ法，ＡＬＤ法などの公知の成膜方法が挙げられる。

その後、貫通孔（インク供給路）が形成されたシリコン基板１０１上に吐出口形成部材１０２を形成する。本実施の形態では、フィルム状の感光性樹脂をシリコン基板１０１に貼り合わせることで液体吐出ヘッドを形成する例を説明する。

まず吐出口形成部材の壁部１１８を形成する。フィルム基材上に感光性樹脂が塗布されたドライフィルムレジストをシリコン基板１０１上に貼り合わせる。その後、露光・現像することによって吐出口形成部材の壁部１１８にパターニングする。パターニング除去された部分は流路１０８となる。次に吐出口形成部材の天板１１９を同様な方法で形成する。ドライフィルムレジストを貼り合わせ、露光現像することによってパターニングすることで、天板１１９に吐出口１０４を形成し、液体吐出ヘッドが完成する。この時第一の液体供給路１３１の深さｄは均一に保たれている（図４（Ｋ））。

（実施の形態２）
実施の形態１では、シリコン基板表面に大きな段差が形成されているため、その上の吐出口形成部材の製法として段差があっても形成可能なフィルム貼り合わせを用いた。本実施の形態では、吐出口形成部材の製法について、フィルム貼り合わせ以外が選択可能な製法を示す。

図６に本実施形態に係る液体吐出ヘッド用の基板を製造する方法を示す。空洞１１３を形成するまでの製法は実施の形態１と同じである（図６（Ａ）〜（Ｅ））。
次に表面エッチングマスク１１０をレジスト剥離液などにより除去した後、側壁保護膜１１２Ｓをウエットエッチング、ドライエッチング、剥離液、アッシングなどにより除去する（図６（Ｆ））。その後、シリコン基板１０１表面の段差にエッチングストップ膜１１４を埋めこむ（図６（Ｇ））。シリコン基板１０１の段差にエッチングストップ膜１１４を良好に埋め込む方法の例として、樹脂材料のスピンコートやスリットコートなどが好適である。材料としては、流動性さえあれば一般的な樹脂材料は全て使用可能である。例えば、アクリル系樹脂、ポリイミド系樹脂、シリコン系樹脂、フッ素系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリエーテルアミド系樹脂などが挙げられる。

さらにエッチングストップ膜１１４として除去性の高い材料が好適である。なぜなら、シリコン基板１０１裏面から第二の窪み１１７を加工した後、第一の窪み１１１及び空洞１１３内を充填して閉塞しているエッチングストップ膜１１４を除去する必要性からである。

除去性が高い材料として、特に感光性を有する樹脂を用いることが好適である。なぜなら光照射によって除去性が向上し、且つ、除去選択性も向上する為である。感光性樹脂の例として、アクリル材料であるＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）樹脂や、エポキシ系樹脂として、例えば、化薬マイクロケム製の「ＳＵ−８」（商品名）、ポリメチルイソプロペニルケトン樹脂として、東京応化工業製の「ＯＤＵＲ」（商品名）などが挙げられる。

エッチングストップ膜１１４を埋め込んだ後は、必要があれば、基板上にある段差をＣＭＰ（Chemical mechanical polishing）などの手段により平坦化してもよい。この際に、平坦化と同時に基板上の余分なエッチングストップ膜１１４も除去できる（図６（Ｈ））。

シリコン基板１０１表面の段差に対してエッチングストップ膜１１４を埋め込んで平坦化することにより、吐出口形成部材の製法の選択性が広がるメリットがある。具体的にはスパッタ、ＣＶＤ、蒸着などの気相成長成膜手法や、スピンコーター、スリットコーターなどの液体塗布手法などを用いて吐出口形成部材を形成していくことができる。

平坦化されたシリコン基板１０１の上に、最終的に液体流路となる流路型材１２０を成膜し流路パターンにパターニングする。続いて、吐出口形成部材１０２を成膜し、吐出口１０４をパターニングする（図６（Ｉ））。これらの成膜方法として、スパッタ、ＣＶＤ、蒸着などの気相成長法や、スピンコーター、スリットコーターなどの液体塗布手法などを用いることができる。材料として、無機材料や有機樹脂が好適である。

流路型材１２０及び吐出口形成部材１０２のパターニング方法として、エッチングマスクを形成した後にドライエッチングを用いて加工してもよい。あるいは流路型材１２０及び吐出口形成部材１０２に感光性樹脂を用いて、それらを露光／現像することによって加工してもよい。例えば、流路型材１２０にポジ型の感光性樹脂を用い、吐出口形成部材１０２にネガ型の感光性樹脂を用いることができる。

吐出口形成部材１０２の上に、保護部材１１５を貼り合わせた後、裏面側の処理を行う。まず、シリコン基板１０１裏面側に裏面エッチングマスク１１６を形成し、第二の窪み１１７をエッチングし、エッチングストップ膜１１４が露出した時に加工を停止する（図６（Ｊ））。

次に、裏面エッチングマスク１１６を除去し、保護部材１１５を分離する（図６（Ｋ））。最後に、流路型材１２０とエッチングストップ膜１１４を除去して液体吐出ヘッドが完成する（図６（Ｌ））。除去方法として、剥離液などの薬液に浸漬させる方法が好適である。例えば、流路型材１２０とエッチングストップ膜１１４がポジ型の感光性樹脂材料の場合、シリコン基板１０１表面側から紫外線を照射する。もし表面側の吐出口形成部材１０２が紫外線を通さない場合は、シリコン基板１０１裏面側より紫外線を照射する。紫外線を照射することで樹脂を感光させて、剥離液に対する溶解性を高める。次に剥離液としてアルカリの現像液に、超音波を加えながら浸漬させることで、流路型材１２０とエッチングストップ膜１１４を溶解させて除去する。エッチングストップ膜１１４のその他の除去方法としてドライエッチングやドライアッシングなどの方法が挙げられる。流路型材１２０とエッチングストップ膜１１４はそれぞれ別の方法で除去してもよい。

（実施の形態３）
実施の形態３として、第一の窪みのみでなく、第二の窪みの深さ精度を向上できる製法を説明する。図７に本実施形態に係る液体吐出ヘッド用の基板を製造する方法を示す。空洞１１３を加工する直前までの工程は実施の形態１と同じである（図７（Ａ）〜（Ｄ））。

空洞１１３をエッチング加工する際に、隣接する空洞同士が連通するまでエッチングを実施する。エッチング完了後は、図７（Ｅ）に示すように、所定の第一の窪み１１１全てに連通した中空管１２１がシリコン基板１０１内部に形成される。

その後、中空管１２１の少なくともシリコン基板裏面側となる底面に連続してエッチングストップ膜１１４を形成する（図７（Ｆ））。形成方法として、実施の形態１に示されるような方法が好適である。例えば、エッチングチャンバー内でフルオロカーボン膜を堆積させてもよい。また同様にエッチングチャンバー内で酸素プラズマや窒素プラズマなどにより中空管１２１内壁を酸化または窒化することによって、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜を形成してもよい。さらに他の成膜装置にてエッチングストップ膜１１４を形成してもよい。例として、スパッタ法やＣＶＤ法、ＡＬＤ法などによって成膜してもよい。また樹脂材料をスピンコート、スリットコート、スプレーコートしてもよい。特にＡＬＤ法は中空管１２１内壁全てを被覆できるため好適である。また、実施の形態２に示したように中空管１２１及び第一の窪み１１１内にエッチングストップ膜114を埋設してもよい。

その後、表面エッチングマスク１１０を除去し、シリコン基板１０１上に保護部材１１５を貼り合わせた後、シリコン基板１０１裏面側に第二の窪み１１７を加工するための裏面エッチングマスク１１６を形成する（図７（Ｇ））。ここで、中空管１２１内壁に形成されたエッチングストップ膜１１４によって、第二の窪み１１７のエッチングを全て停止させるため、第二の窪み１１７の最底面が中空管１２１内壁のエッチングストップ膜１１４に全て接触するように、それぞれの形状を設計する。

第二の窪み１１７のエッチングを実施してエッチングが中空管１２１に到達した時点で、そのエッチングがエッチングストップ膜１１４によって停止される（図７（Ｈ））。その結果、第二の窪み１１７（第二の孔部１３２）の深さと、第一の窪み１１１（第一の孔部１３１）の深さを精密に制御できる。

エッチングが完了した後にエッチングストップ膜１１４を除去することで、シリコン基板中への貫通孔の加工が完了する。その後、吐出口形成部材の壁部１１８と吐出口１０４を有する天板１１９をシリコン表面側に、実施の形態１と同様な方法で形成し、第二の孔部（第二の液体供給路）１３２、第一の孔部（第一の液体供給路）１３１、流路１０８、吐出口１０４が連通した液体吐出ヘッドが完成する（（図７（Ｉ）））。エッチングストップ膜１１４を実施の形態２と同様に形成し、吐出口形成部材１０２を形成してから、第二の窪み１１７を加工してもよい。

図８に本実施の形態で作製した液体吐出ヘッドの（Ａ）平面図、（Ｂ）Ａ−Ａ’断面図、（Ｃ）Ｂ−Ｂ’断面図をそれぞれ示す。図８（Ａ）に示されるように液体吐出ヘッド最表面は吐出口形成部材１０２があり、吐出口１０４が２列に配列している。図８（Ｂ）に示されるように吐出口１０４列間方向の貫通孔は独立しており、連通していない。図８（Ｃ）に示されるように吐出口１０４列方向の断面は、吐出口１０４下に設けられたエネルギー発生素子１０７と第一の液体供給路１３１が交互に配列している。第一の液体供給路１３１として複数の独立した微小孔が基板表面側に面しており、列方向に長いトレンチ状の第二の液体供給路１３２が基板裏面側から形成され、基板内に形成された中空管１２１を介して第一の液体供給路１３１と連通している。

第一の液体供給路１３１の列方向に中空管１２１は延伸されており、且つ中空管１２１の幅は、第一の液体供給路１３１及び第二の液体供給路１３２の幅より大きくなる。ここで第二の液体供給路１３２は、図８に示されたような単一のトレンチに限定されるものではなく複数に分割されていてもよい。例えば図９に示されたような液体吐出ヘッドのように、第二の液体供給路１３２を複数に分割して加工してもよい。

本実施の形態では、基板平行方向に関する第二の液体供給路１３２の空間断面積部分を、中空管１２１の基板平行方向の空間断面積部分よりも小さくするため、第二の液体供給路１３２の体積が狭くなり、貫通孔の設計自由度が小さくなってしまう。本実施の形態では、第二の窪みを二段以上の形状にして加工することで第二の液体供給路の体積を増加させることができる。

このような製法の例として、図１０に第二の窪みを二段形状に加工する液体吐出ヘッドの製造方法の工程断面図を示す。断面方向は図８（Ｂ）と同じ吐出口１０４の列間方向である。エッチングストップ膜１１４を形成するまでの工程は、図７（Ａ）〜（Ｆ）に示した製法と同一である。図１０（Ａ）はエッチングストップ膜１１４を形成した後の断面図である。次に、表面エッチングマスク１１０を剥離して、保護部材１１５で保護する。さらにシリコン基板１０１裏面に、最初に第一のエッチングマスク１２２、次に第二のエッチングマスク１２３を形成する（図１０（Ｂ））。最終的には二段のエッチングマスクがシリコン基板１０１裏面に形成されている。この二段のエッチングマスクは第二の窪みを加工するためのエッチンマスクである。エッチングマスクは、実施の形態１と同様な手法で作製できる。

次に第二の窪みを、エッチング装置を用いて加工する。最初に第二の窪み一段目１２４を第一のエッチングマスク１２２を用いて加工する。所定の深さまで加工し終えた所で第一のエッチングマスク１２２がなくなる（図１０（Ｃ））。次に残りのエッチングマスクをマスクとして、第二の窪み二段目１２５を加工する。

第二の窪み一段目１２４（最初に加工される窪み）の底面は、中空管１２１のエッチングストップ膜１１４に全て接触するように狭く設定し、第二の窪みの２段目（後から加工される窪み）を十分に広く設計する。

その結果、図１０（Ｄ）に示すように、二段形状に第二の窪みが加工され、最も深い一段目は確実にエッチングが停止するため、第一の液体供給路１３１と第二の液体供給路１３２の深さは維持される。第二の窪み一段目１２４のエッチングが停止した後、二段目１２５を必要な深さだけ加工すればよい。

最後にエッチングストップ膜１１４を除去し、シリコン基板１０１表面に吐出口形成部材１０２を形成して液体吐出ヘッドが完成する（図１０（Ｅ））。

（実施の形態４）
実施の形態４として、実施の形態１〜３における空洞の基板平行方向のエッチング量を確実に制御可能な製法を説明する。図１１に本実施の形態の液体吐出ヘッド用のシリコン基板の製造方法の工程断面図を示す。シリコン基板１０１表面に表面エッチングマスク１１０を形成し、第一の窪み１１１を垂直に加工する（図１１（Ｂ））。次に保護膜１１２を成膜し（図１１（Ｃ））、側壁以外を除去して側壁保護膜１１２Ｓを形成する（図１１（Ｄ））。

その後、再度ドライエッチングを用いて、第一の窪み１１１を必要なだけ垂直に加工した後（図１１（Ｅ）、加工後の第一の窪みを１１１ａとする）、異方性ウエットエッチングを表面から実施する。シリコン基板１０１は、その表面に形成するトランジスタの性能を維持する必要性から、面方位が｛１００｝であるものが使用される。このようなシリコン基板を異方性ウエットエッチングにより加工すると、面方位が｛１１１｝であるシリコン面は、エッチングレートが非常に遅いためエッチングが殆ど進まなくなる。その結果、図１１（Ｆ）に示すような、空洞１１３表面に面方位が｛１１１｝であるシリコン面が露出した多角形状に加工され、エッチングが自動的に停止するため、空洞１１３の基板平行方向のエッチング量を精密に制御することができる。異方性ウエットエッチングのエッチング液として、ＴＭＡＨやＫＯＨなどの強アルカリ液が好適である。

また、図１１（Ｄ）で例示される側壁保護膜１１２Ｓと表面エッチングマスク１１０は、異方性ウエットエッチングに対しての耐性を有することが望ましく、材料として、樹脂材料（例えば、日立化成製商品名「ＨＩＭＡＬ」）、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜、などが好適である。成膜方法として、スピンコート法、スリットコート法、ＣＶＤ法，ＡＬＤ法などが挙げられる。

異方性ウエットエッチングで加工する空洞１１３の形状は、図１１（Ｅ）で例示される異方性エッチングで垂直に加工する第一の窪み１１１ａの深さと断面形状、側壁保護膜１１２Ｓで保護する深さによって制御する。空洞１１３の基板平行方向のエッチング量を増やす（基板平行方向に関する空洞１１３の空間断面積部分をより大きくする）には、図１１（Ｅ）の工程でドライエッチング加工をより深く実施し、側壁保護膜１１２Ｓで覆われていない第一の窪み１１１ａの側壁部分を増やす、或いは、第一の窪み１１１の開口面積を増やせばよい。

空洞１１３の加工が終了した後は、実施の形態１と同一の方法でシリコン基板の加工と吐出口形成部材の壁部１１８と天板１１９の加工を実施し、液体吐出ヘッドが完成する（図１１（Ｇ））。

以下、実施の形態１で説明した方法に基づき、液体吐出ヘッドの製造例を示すが、本発明はこれに限定されるものではない。
フォトリソグラフィ工程により、８インチシリコン基板１０１（厚さ：７３０μｍ）上にアルミ配線、酸化シリコン層間絶縁膜（表面メンブレン層１０３）、窒化タンタルのヒータ電極パターン１０７、外部の制御部と導通させるコンタクトパッドを形成した(図４（ａ）)。

その上に、第一の窪みを形成するためのポジ型レジストをスピンコート法により厚さが１０μｍになるように塗布し、プロジェクション型の紫外線露光機によって露光し、アルカリ溶液で現像することで、複数の微細な窪みを加工するためのホール形状の表面エッチングマスク１１０を形成した。ホール形状は４０×４０μｍ^２、ホール間の距離は２００μｍである。

ＣＦ_４ガスのプラズマを用いた酸化膜ドライエッチング装置によって、レジストマスクの開口部に存在する酸化シリコン層間絶縁膜を垂直に加工し、酸化膜下のシリコンが表面に露出したところでエッチングを終了した。

次にシリコンを加工するため、ＳＦ_６ガスによるエッチングとフルオロカーボンガスによる堆積膜形成を繰り返すボッシュプロセス用のシリコンドライエッチング装置を用いて、シリコンを垂直方向へ１００μｍ加工して第一の窪み１１１を形成した（図４（Ｂ））。

次に、ＡＬＤ法によってＡｌ_２Ｏ_３膜１１２を０．２μｍの厚さで基板表面全体に成膜した（図４（Ｃ））。その後、Ａｒイオンエッチングによって垂直方向に加工し、側壁以外のＡｌ_２Ｏ_３膜を除去して側壁保護膜１１２Ｓを形成した（図４（Ｄ））。

次に再びシリコンドライエッチング装置を用いて、第一の窪みの底面に露出したシリコンを、ＳＦ_６ガスにより等方的にエッチングすることで空洞１１３を加工した（図４（Ｅ））。シリコンの基板平行方向の加工量（サイドエッチング量）は２０μｍである。

次に空洞内壁に、ＡＬＤ装置によってエッチングストップ膜１１４としてＡｌ_２Ｏ_３膜を厚さ０．２μｍ成膜した（図４（Ｆ））。その後、レジスト剥離液中での超音波洗浄により、表面エッチングマスク１１０とその表面に成膜されたＡｌ_２Ｏ_３膜（１１２及び１１４）ごとリフトオフした（図４（Ｇ））。

さらに真空ラミネーターを用いて、シリコン基板表面に保護部材１１５としてＵＶ剥離テープをラミネートして保護した後、研削装置によってシリコン基板裏面を基板厚さが５００μｍになるまで研削した。
その後、研削した面にポジ型レジストを塗布／現像することで、第二の窪みを加工するための裏面エッチングマスク１１６を形成した（図４（Ｈ））。

次に、シリコンドライエッチング装置を用いて、裏面側より第二の窪み１１７を幅５００μｍ、深さ３００〜４００μｍ程度加工した。第二の窪み１１７の底部に、空洞内壁に成膜されたエッチングストップ膜１１４のＡｌ_２Ｏ_３膜が露出した時にシリコンエッチングを停止した（図４（Ｉ））。

次に、エッチングストップ膜１１４のＡｌ_２Ｏ_３膜をＡｒのイオンエッチングによって裏面側より除去し、レジスト剥離装置によって裏面エッチングマスク１１６を除去した。
最後に表面側のＵＶ剥離テープに紫外線を照射してテープを除去してシリコン基板への貫通孔の加工が完了した（図４（Ｊ））。

次に、厚さ２０μｍのネガ型のドライフィルムレジスト（東京応化工業製 商品名「ＴＭＭＦ」）をシリコン基板表面に貼り合わせた。次いで露光装置によって露光し、現像することで吐出口形成部材の壁部１１８をパターニングした。さらに吐出口形成部材の壁部１１８の上に前記ドライフィルムレジストをラミネートし露光・現像することで、吐出口が設けられた吐出口形成部材の天板１１９を形成した。
その後、２００℃１時間の条件でオーブンによってベークして、図４（Ｋ）に示した液体吐出ヘッドを作製した。
第一の液体供給路１３１の深さｄは、１００μｍでほぼ均一であることを確認した。

１０１ シリコン基板
１０２ 吐出口形成部材
１０３ 表面メンブレン層
１０４ 吐出口
１０５ 第一のインク供給路
１０６ 第二のインク供給路
１０７ エネルギー発生素子
１０８ 流路
１１０ 表面エッチングマスク
１１１ 第一の窪み
１１２ 保護膜
１１２Ｓ 側壁保護膜
１１３ 空洞
１１４ エッチングストップ膜
１１５ 保護部材
１１６ 裏面エッチングマスク
１１７ 第二の窪み
１１８ 吐出口形成部材の壁部
１１９ 吐出口形成部材の天板

１２０ 流路型材
１２１ 中空管
１２２ 第一のエッチングマスク
１２３ 第二のエッチングマスク
１２４ 第二の窪み一段目
１２５ 第二の窪み二段目

１３１ 第一の液体供給路
１３２ 第二の液体供給路

Claims (10)

1. シリコン基板の第一の面から対向する第二の面に連通する孔部を形成するシリコン基板の加工方法であって、
   （Ａ）シリコン基板の第一の面に第一の窪みを加工するステップと、
   （Ｂ）前記第一の窪みの側壁に、側壁保護膜を形成するステップと、
   （Ｃ）前記第一の窪みの底部をエッチングして、基板面に平行な方向に関して、前記第一の窪みよりも大きい空間断面積部分を有する空洞を形成するステップと、
   （Ｄ）少なくとも基板面に平行な方向の前記空洞の内壁にエッチングストップ膜を延設するステップと、
   （Ｅ）前記シリコン基板の第二の面から第二の窪みを加工するステップと、
   （Ｆ）前記エッチングストップ膜を、前記第二の窪み内の少なくとも一部に露出させるステップと、
   （Ｇ）前記露出したエッチングストップ膜の少なくとも一部を除去して、前記第一の窪みと前記第二の窪みとを連通させるステップと
   を備えたシリコン基板の加工方法。
2. 前記第一の窪みは複数の窪みから構成されており、
   前記ステップ（Ｃ）において、エッチングにより隣接する空洞同士が連通し、且つ、前記ステップ（Ｄ）において、前記エッチングストップ膜が前記連通する空洞に連続して形成され、前記ステップ（Ｅ）及び（Ｆ）において、前記第二の窪みを、少なくとも二つの隣接する前記空洞の内壁に形成されたエッチングストップ膜を露出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. 前記ステップ（Ｅ）において、前記第二の窪みは少なくとも二段に形成される請求項２に記載のシリコン基板の加工方法。
4. 前記ステップ（Ｃ）において、前記エッチングは、結晶異方性ウエットエッチングを含む請求項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. 前記ステップ（Ｄ）において、前記エッチングストップ膜は、原子層蒸着法により成膜される請求項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. 前記ステップ（Ｄ）において、前記エッチングストップ膜は、フルオロカーボン膜、Ｔａ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｗ、Ｚｒから選択される金属膜、前記金属の窒化膜、前記金属の酸化膜、シリコン又はアルミニウムの窒化膜又は酸化膜を含む請求項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。
7. 前記ステップ（Ｄ）において、前記エッチングストップ膜は、樹脂膜である請求項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。
8. 前記樹脂膜は、感光性樹脂の膜である請求項７に記載のシリコン基板の加工方法。
9. 前記ステップ（Ｅ）において、前記第二の窪みはドライエッチングにより加工される請求項１乃至８のいずれか１項に記載のシリコン基板の加工方法。
10. シリコン基板の第一の面に面する複数の第一の液体供給路と、
    前記複数の第一の液体供給路の下のシリコン基板の内部に形成され、基板面に平行な方向に関して前記第一の液体供給路よりも大きい空間断面積部分を有する中空管と、
    前記中空管の下に設けられ、且つ、基板面に平行な方向に関して前記中空管よりも小さい空間断面積部分を有し、且つ、前記シリコン基板の第二の面に面する第二の液体供給路とを有し、
    前記第一の液体供給路と前記中空管とが連通し、
    前記中空管と前記第二の液体供給路とが連通していることを特徴とする液体吐出ヘッド。

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