(57)【要約】【課題】本発明の目的は、凹凸のある面を有する基板でも容易に加工可能であり、基板の反りの発生を低減して局所的に基板を薄型化できる液体吐出ヘッド用基板の製造方法を提供することである。【解決手段】本発明は、第一の面に素子形成領域を有するシリコン基板の前記第一の面と反対側の面である第二の面に外周側の領域を残して凹部を形成する液体吐出ヘッド用基板の製造方法であって、前記シリコン基板の前記第二の面を覆うエッチングマスク層を形成する工程と、前記エッチングマスク層と前記シリコン基板にレーザーアブレーション加工を施し、前記シリコン基板を未貫通のパターン開口を形成する工程と、前記パターン開口が形成された前記シリコン基板に前記第二の面側からウェットエッチング処理を施し、前記凹部を形成する工程と、を有し、前記凹部は、前記素子形成領域に対応する位置を含む中央側の領域に亘って形成される液体吐出ヘッド用基板の製造方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の面に素子形成領域を有するシリコン基板の前記第一の面と反対側の面である第二の面に外周側の領域を残して凹部を形成する液体吐出ヘッド用基板の製造方法であって、
（１）前記シリコン基板の前記第二の面を覆うエッチングマスク層を形成する工程と、
（２）前記エッチングマスク層と前記シリコン基板にレーザーアブレーション加工を施し、前記シリコン基板を未貫通のパターン開口を形成する工程と、
（３）前記パターン開口が形成された前記シリコン基板に前記第二の面側からウェットエッチング処理を施し、前記凹部を形成する工程と、
を有し、
前記凹部は、前記素子形成領域に対応する位置を含む中央側の領域に亘って形成されることを特徴とする液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
【請求項２】
前記工程（２）において、前記レーザーアブレーション加工により、前記エッチングマスク層が前記シリコン基板の外周に沿って配置されたエッチングマスク残し部を有するように加工され、
前記エッチングマスク残し部は前記工程（３）における前記ウェットエッチング処理にて除去されない請求項１に記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
【請求項３】
前記シリコン基板の面方位が、＜１００＞面である請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
【請求項４】
前記エッチングマスク層が、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣ及びＳｉＣＮからなる群から選択される少なくとも１種の材料で形成される請求項１乃至３のいずれかに記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
【請求項５】
前記レーザーアブレーション加工に用いられるレーザー波長が、０．５３２μｍから０．１９３μｍの範囲である請求項１乃至４のいずれかに記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
【請求項６】
前記ウェットエッチング処理で用いられるエッチング液が、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化セシウム及び水酸化リチウムからなる群から選択される少なくとも１種の材料を含む水溶液である請求項１乃至５のいずれかに記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
【請求項７】
シリコン基板の面に外周側の領域を残して凹部を形成するシリコン基板の加工方法であって、
（１）前記面を覆うエッチングマスク層を形成する工程と、
（２）前記エッチングマスク層と前記シリコン基板にレーザーアブレーション加工を施し、前記シリコン基板を未貫通のパターン開口を形成する工程と、
（３）前記パターン開口が形成された前記シリコン基板に前記面側からウェットエッチング処理を施し、前記凹部を形成する工程と、
を有し、
前記凹部が中央側の領域に亘って形成されることを特徴とするシリコン基板の加工方法。
【請求項８】
前記工程（２）において、前記レーザーアブレーション加工により、前記エッチングマスク層が前記シリコン基板の外周に沿って配置されたエッチングマスク残し部を有するように加工され、
前記エッチングマスク残し部は前記工程（３）における前記ウェットエッチング処理にて除去されない請求項７に記載のシリコン基板の加工方法。
【請求項９】
前記シリコン基板の面方位が、＜１００＞面である請求項７又は８に記載のシリコン基板の加工方法。
【請求項１０】
前記エッチングマスク層が、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣ及びＳｉＣＮからなる群から選択される少なくとも１種の材料で形成される請求項７乃至９のいずれかに記載のシリコン基板の加工方法。
【請求項１１】
前記レーザーアブレーション加工に用いられるレーザー波長が、０．５３２μｍから０．１９３μｍの範囲である請求項７乃至１０のいずれかに記載のシリコン基板の加工方法。
【請求項１２】
前記ウェットエッチング処理で用いられるエッチング液が、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化セシウム及び水酸化リチウムからなる群から選択される少なくとも１種の材料を含む水溶液である請求項７乃至１１のいずれかに記載のシリコン基板の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体吐出ヘッド用基板の製造方法に関する。また、本発明は、シリコン基板の加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に基板を局所的に薄型化する方法が開示されている。この方法では、基板材質に対して透過性のあるレーザーを基板内部に集光して変質部を形成している。シリコン基板に対しては赤外線レーザーが使用できることが示されており、レーザーで変質された領域は、変質されない領域よりもエッチング速度が大きくなる。そして、ウェットエッチングで変質部を除去することで凹部を形成することにより、基板を局所的に薄型化することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−８３７８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の加工方法では、レーザー光を散乱させる凹凸のある面を加工することが難しい場合があり、加工の自由度が高い加工方法が求められている。また、基板材料と熱膨張率が異なる材料を薄型化する面の反対側の面に形成する際に、基板に応力がかかり、基板に反りが発生するなどの問題が現れる可能性がある。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、凹凸のある面を有する基板でも容易に加工可能であり、基板の反りの発生を低減して局所的に基板を薄型化できる液体吐出ヘッド用基板の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一は、
第一の面に素子形成領域を有するシリコン基板の前記第一の面と反対側の面である第二の面に外周側の領域を残して凹部を形成する液体吐出ヘッド用基板の製造方法であって、
（１）前記シリコン基板の前記第二の面を覆うエッチングマスク層を形成する工程と、
（２）前記エッチングマスク層と前記シリコン基板にレーザーアブレーション加工を施し、前記シリコン基板を未貫通のパターン開口を形成する工程と、
（３）前記パターン開口が形成された前記シリコン基板に前記第二の面側からウェットエッチング処理を施し、前記凹部を形成する工程と、
を有し、
前記凹部は、前記素子形成領域に対応する位置を含む中央側の領域に亘って形成されることを特徴とする液体吐出ヘッド用基板の製造方法である。
【０００７】
また、本発明の一は、
シリコン基板の面に外周側の領域を残して凹部を形成するシリコン基板の加工方法であって、
（１）前記面を覆うエッチングマスク層を形成する工程と、
（２）前記エッチングマスク層と前記シリコン基板にレーザーアブレーション加工を施し、前記シリコン基板を未貫通のパターン開口を形成する工程と、
（３）前記パターン開口が形成された前記シリコン基板に前記面側からウェットエッチング処理を施し、前記凹部を形成する工程と、
を有し、
前記凹部が中央側の領域に亘って形成されることを特徴とするシリコン基板の加工方法である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の構成によれば、凹凸のある面を有する基板でも容易に加工可能であり、基板の反りの発生を低減して局所的に基板を薄型化できる液体吐出ヘッド用基板の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態の製造方法で製造される液体吐出ヘッド用基板の構成を示す模式的な平面図である。
【図２】本実施形態の液体吐出ヘッド用基板の製造方法の工程を説明するための模式的な断面工程図である。
【図３】本実施形態におけるレーザーアブレーション加工によるパターン開口の形成方法を説明するための模式的な平面図である。
【図４】本実施形態における基板の外周側の領域に配置するエッチングマスク残し部を説明するための模式的な平面図である。
【図５】本実施形態の液体吐出ヘッド用基板の製造方法の工程を説明するための模式的な断面工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態は、第一の面に素子形成領域を有するシリコン基板の前記第一の面と反対側の面である第二の面に外周側の領域を残して凹部を形成する液体吐出ヘッド用基板の製造方法に関する。
【００１１】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本実施形態の製造方法で製造された液体吐出ヘッド用基板の構成例を示す模式的平面図である。図１において、シリコン基板１０の裏面（第二の面）側に凹部４０が形成されている。該凹部４０は、前記素子形成領域（図１において不図示）に対応する位置を含む中央側の領域に亘って形成される。凹部４０を中央側の領域に亘って形成することにより、シリコン基板を実質的に薄型化することができる。
【００１３】
図２（Ａ）〜（Ｄ）は本発明の実施形態の液体吐出ヘッド用基板の製造方法を説明するための工程断面図であり、図１のＡ−Ａ’線における断面を工程毎に示したものである。
【００１４】
まず、図２（Ａ）のように、第一の面１１と該第一の面と反対側の面である第二の面１２とを有するシリコン基板１０を用意する。シリコン基板の第一の面１１は、素子形成領域を有する（不図示）。
【００１５】
素子形成領域は、液体を吐出するためのエネルギーを発生するための複数の吐出エネルギー発生素子や該吐出エネルギー発生素子を駆動するための配線や端子等が形成される領域である。
【００１６】
シリコン基板は、例えばシリコンウエハであり、本実施形態の製造方法で得られる液体吐出ヘッド用基板を用いて複数の吐出素子基板が形成される。前記素子形成領域には、複数の吐出素子基板が形成できるように、複数の吐出エネルギー発生素子やその配線等が形成されることになる。
【００１７】
シリコン基板の厚さは、例えば、１００〜３０００μｍであり、ハンドリングのしやすさや生産数量が多く供給安定性が高いことを考慮して５００〜１０００μｍであることが好ましい。
【００１８】
次に、図２（Ｂ）に示すように、後工程のウェットエッチング処理のエッチング液に対して耐エッチング性を有するエッチングマスク層２０を第二の面１２の上に形成する。
【００１９】
エッチングマスク層は１層又は２層以上で形成することができる。
【００２０】
エッチングマスク層の厚さは、例えば、０．１〜１０μｍであり、マスク形成にかかる時間とエッチング耐性を考慮した上で成膜や塗布により形成が容易である０．５〜５μｍであることが好ましい。
【００２１】
シリコン基板に吐出エネルギー発生素子が既に形成されている場合は、該素子を形成する工程で形成される層をエッチングマスク層２０として使用しても良い。これにより、工程数を削減する効果がある。また、エッチングマスク層２０の上に耐エッチング性が低い材料が形成されていても良い。なお、エッチングマスク層２０は第二の面１２だけでなく、第一の面１１やサイド面１３にも形成されても良い。
【００２２】
次に、図２（Ｃ）に示すように、エッチングマスク層２０とシリコン基板１０にレーザーアブレーション加工を施し、シリコン基板を未貫通のパターン開口３０を形成する。
【００２３】
パターン開口３０は、エッチングマスク層２０を貫通し、シリコン基板１０を未貫通となるように形成される。レーザーは、基板にアブレーション加工を行うことができるレーザーであれば良い。
【００２４】
パターン開口は、凹部を形成する中央側の領域に配置され、第二の面の外周側の領域には配置されない。パターン開口の形状は、凹部が、第二の面の外周側の領域を残して、素子形成領域に対応する位置を含む中央側の領域に亘って形成されるように形成されれば特に限定されるものではない。図２（ｃ）において、符号２２は、エッチングマスク残し部を示し、該エッチングマスク残し部２２は、第二の面の外周側の領域に配置されるマスク部分であり、後工程のウェットエッチング処理で除去されずに残る部分である。また、符号２１は、エッチングマスク除去部を示し、該エッチングマスク除去部２１は、第二の面の中央側の領域に配置されるマスク部分であり、後工程のウェットエッチング処理で除去される部分である。
【００２５】
パターン開口の深さは、例えば、１〜６５０μｍであり、レーザー加工の時間短縮やレーザー深さバラツキによる不良を考慮して１０〜５００μｍであることが好ましい。
【００２６】
次に、図２（Ｄ）に示すように、パターン開口が形成されたシリコン基板１０に第二の面側からウェットエッチング処理を施し、凹部４０を形成する。
【００２７】
凹部は、第二の面のうち、外周側の領域を残して、前記素子形成領域に対応する位置を含む中央側の領域に亘って形成される。
【００２８】
これにより、素子形成領域に対応する位置を含む中央側の領域はエッチングされて薄型化され、外周側の領域はエッチングされずにそのままの厚さで残る。したがって、外周側の領域がそのままの厚さで残るため、基板の剛性を維持することができ、基板の反りの発生を抑制することができる。
【００２９】
図２（Ｄ）において、ウェットエッチング処理で、基板中央側のエッチングマスク除去部２１はリフトオフで除去され、基板外周側のエッチングマスク残し部２２は残る。ここで、エッチングマスク残し部２２を、後述の図５（Ｃ）に示すように、素子形成領域に対応する位置を含まないように第二の面の外周に沿って配置させることで、外周側の基板部分の厚さをそのまま残すことができる。その結果、基板剛性を維持することが可能となり、基板の反りを均一化することができる。
【００３０】
ウェットエッチング処理の時間は、薄型後の基板厚さを考慮して、適宜選択することができる。ウェットエッチング処理では、エッチング終端面１５でエッチングを止めて、凹部４０を形成する。エッチング液は、エッチングマスクと基板のエッチング選択比をとれる液であれば良い。ウェットエッチング処理としては、シリコンの結晶異方性エッチングであることが好ましい。
【００３１】
凹部の深さは、例えば、ウェハ厚みが８００μｍであると想定した場合に、３０〜７００μｍであり、基板薄型化の効果が得られかつ基板凹部の剛性が比較的高く、薄型加工より後の工程のプロセス条件に制約が小さい２００〜６００μｍであることが好ましい。つまり、ウェハ厚みと凹部の深さの差である、凹部に残る厚みが１００μｍ〜６００μｍであることが好ましい。
【００３２】
前述の実施の形態で示した手順で基板を加工する。
【００３３】
シリコン基板を未貫通のパターン開口の形状は、上述のように、凹部が、第二の面の外周側の領域を残して、素子形成領域に対応する位置を含む中央側の領域に亘って形成されるように形成されれば特に限定されるものではない。パターン開口は、図３に示すように、例えば、開口が円形状や楕円形状の未貫通孔３００から構成することができる。また、パターン開口は、未貫通孔３００がつながった溝形状３０１、枠形状３０２、格子形状３０３又はこれらを組み合わせたパターンを用いて形成することができる。また、パターン開口は、開口が曲線や多角形のものを組み合わせて形成することもできる。また、パターン開口は、上述のエッチングマスク除去部がない、全面加工により形成される単一の開口パターン３０４から構成されても良い。格子形状のピッチは細かいほどリフトオフされやすいが、加工にかかる時間が増加するため、格子を形成する長方形の短辺の長さとしては、２００μｍ以上１０００μｍ以下の範囲が好ましく、４００μｍ以上８００μｍ以下の範囲がより好ましい。
【００３４】
例えば、図４（Ａ）に示すように、格子状のパターン開口３０を形成することができる。つまり、エッチングマスク残し部２２を基板の外周に沿って配置し、格子状のパターン開口が中央側に配置されるようにエッチングマスク層を加工する。格子状のパターン開口を形成した場合、エッチングマスク除去部２２は複数の矩形状から構成される。そして、ウェットエッチング処理を行うことで、基板中央側に配置されたエッチングマスク除去部２１はエッチングでリフトオフされ、基板外周側に配置されたエッチングマスク残し部２２は除去されずに残される。そして、図４（Ｂ）に示すように、基板の外周側の領域はエッチングされずに残り、中央側の領域に凹部４０が形成される。
【００３５】
（実施例）
以下、図２（Ａ）〜（Ｄ）を参照して、本実施形態の製造方法をより具体的に説明する。
【００３６】
まず、図２（Ａ）に示すように、面方位＜１００＞のシリコン基板１０を用意する。シリコン基板１０としては、厚さが７２５μｍのシリコンウエハを用いた。
【００３７】
シリコン基板１０の面方位は＜１００＞面や＜１１０＞面や＜１１１＞面などを用いても良いが、半導体素子特性が良好な＜１００＞面が好ましい。サンドブラスト処理や熱処理などによって、第二の面１２における欠陥制御を行ってもよい。
【００３８】
次に、図２（Ｂ）に示すように、第二の面１２にエッチングマスク層２０として熱酸化膜（ＳｉＯ2）を１μｍの厚さで形成する。
【００３９】
これは、第一の面１１に吐出エネルギー発生素子を形成する工程内で、吐出エネルギー発生素子の形成と同時に行うことができる（不図示）。
【００４０】
エッチングマスク層２０の材料は、例えば、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣ若しくはＳｉＣＮなどのＳｉを含む無機材料、Ｍｏ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｔａ若しくはＷなどの金属材料、又は、ポリイミド、ポリアミド若しくは環化ゴムなどの有機材料等を挙げることができる。これらの中でも、シリコン基板１０との密着性の観点から、Ｓｉを含む無機材料が好ましく、エッチングマスク層が、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣ及びＳｉＣＮからなる群から選択される少なくとも１種の材料で形成されることがより好ましい。エッチングマスク層２０は、例えば、スパッタやＣＶＤやスピンコートなどの公知の手法で形成することができる。
【００４１】
本実施形態において、第一の面側に形成される吐出エネルギー発生素子の上に、液体吐出素子を形成する工程を含んでもよい。図５（Ａ）は、エッチングマスク層２０が形成された第二の面側から見た基板の模式的平面図である。図５（Ａ）における点線１３０は、第一の面側の素子形成領域に対応する位置を表す。そして、レーザーアブレーション加工により、図５（Ｂ）のように素子形成領域１３０に対応した位置にパターン開口３０を配置することで、最終的に基板外周部の残し量を増やすことができ、剛性を調整することができる。これによって、反りを均一化したり、反りを低減したりする効果が得られる。また、基板外周部の残し量が多いため、ハンドリングが容易になるという効果もある。基板外周部の残し部にアライメントパターンなどを形成しておいても良く、凹部形成後のプロセスでの位置合わせが容易になる効果もある。
【００４２】
次に、図２（Ｃ）と図５（Ｂ）に示すように、Ｎｄ：ＹＶＯ4パルスレーザーの３倍波（波長：０．３５５μｍ）を用いて、素子形成領域１３０に対応して、パターン開口３０を形成する。
【００４３】
パターン開口は、未貫通孔を繋げるようにして形成することができるが、この場合、それぞれの未貫通孔の深さがある程度のバラツキをもっているため、未貫通孔の深さ最小値が１０μｍ以上になるように加工することが好ましい。レーザーアブレーションは、レーザーを基板内部に集光して変質層を形成する場合と異なり、凹凸面のようなレーザー光を散乱するものや、金属膜などのレーザー光を反射するものが第二の面にあっても開口を形成可能である。また、レーザーアブレーションは、基板部材へ吸収されやすい波長のレーザーも使用可能であり、レーザー選択自由度が高い。また、レーザー集光位置を基板内部で移動する必要も無い。パターン開口の形状と深さは、レーザーパワーやレーザー加工時間、エッチング時間、エッチング厚み等を考慮して適宜設計することができる。パターン開口の深さに少なくとも１つ以上の狙い値を持たせることで、エッチング時間を短縮することができる。また、エッチング時に基板を貫通させる箇所（貫通部分）はレーザーで深く加工し、貫通させない箇所（未貫通部分）には浅く行うことで、エッチング後の貫通と未貫通を制御して形成することができる。よって、未貫通部分で形成する薄化と同時に貫通部分である供給口を形成することができるため、工程数削減の効果がある。エッチングで基板を貫通させる箇所に行うレーザー加工は基板を貫通していても良い。
【００４４】
レーザーアブレーション加工は、水中や反応性ガス中、真空中で行うことができる。レーザーとしては、固体レーザーであるＹＡＧレーザー、ＹＶＯ4レーザー、ＹＬＦレーザー、チタンサファイアレーザーなどや、気体レーザーであるエキシマーレーザーやＣＯ2レーザーなどを用いることができる。光吸収しやすく加工制御性が良いという観点から、レーザー波長は、基板材料であるＳｉの吸収端（波長：１．１μｍ）付近の波長よりも短い波長であることが好ましい。したがって、例えばＮｄ：ＹＶＯ4レーザーであれば、基本波（１．０６４μｍ）よりも、高調波である２倍波（０．５３２μｍ）、３倍波（０．３５５μｍ）、４倍波（０．２６６μｍ）やエキシマーレーザー（ＫｒＦ：０．２４８μｍ、ＡｒＦ：０．１９３μｍ）などが好ましい。
【００４５】
次に、図２（Ｄ）に示すように、液温度８０℃のＴＭＡＨ水溶液（２０質量％）に基板を４００分間浸漬させ、ウェットエッチング処理を行った。
【００４６】
シリコン基板の＜１００＞面のエッチングレートは０．５μｍ／ｍｉｎであった。エッチング液は循環させて、リフトオフされたエッチングマスク除去部はフィルターで除去した。
【００４７】
エッチング液としては、例えば塩基性水溶液酸性水溶液を用いることができ、塩基性水溶液としては、例えば、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化セシウム及び水酸化リチウムからなる群から選択させる少なくとも１種の材料を含む水溶液が挙げられる。酸性水溶液としては、例えばフッ酸と硝酸からなる混合液などが使用可能である。エッチング形状の制御性の観点から、塩基性水溶液を用いたＳｉの結晶異方性エッチングが好ましい。エッチング装置の仕様によって、基板の第一の面やサイド面にエッチング液が接液する場合は、接液を防止するための保護層（不図示）を形成しても良い。保護層はエッチング耐性がある膜であれば良い。
【００４８】
以上で、図２（Ｄ）や図５（Ｃ）に示すように、素子形成領域１３０に対応する位置を含む中央側の領域に亘って凹部４０が形成され、エッチングマスク残し部２２が残る。
【００４９】
本実施形態により製造された液体吐出ヘッド用基板を用いて、液体吐出ヘッドを形成することができる。その際は、公知の技術を用いることができる。有機樹脂などを用いてノズルを形成し、液体吐出素子を形成しても良い。液体吐出素子は、本実施形態の基板加工前に形成しても良く、基板加工後に形成しても良い。基板加工後に液体供給口を形成する場合は、供給口マスクを形成してドライエッチングで加工を行っても良い。
【００５０】
本明細書では、本発明の適用例として、主にインクジェット記録ヘッドが挙げられるが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、バイオッチップ作製や電子回路印刷用途の液体吐出ヘッド等にも適用できる。液体吐出ヘッドとしては、インクジェット記録ヘッドの他にも、例えばカラーフィルター製造用ヘッド等も挙げられる。
【符号の説明】
【００５１】
１０  シリコン基板
１１  第一の面（表面）
１２  第二の面（裏面）
１３  サイド面
１５  エッチング終端面（底面）
２０  エッチングマスク層
２１  エッチングマスク除去部
２２  エッチングマスク残し部
３０  パターン開口
４０  凹部
１３０  素子形成領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
2014144547.tif 000005
【図４】
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【図５】
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