(57)【要約】【課題】シリコンの異方性エッチングによってインク供給口等を高精度に加工する。【解決手段】エッチング槽１に結晶方位（１００）の単結晶シリコン基板である被加工物Ｗ1 を浸漬し、インク供給口等の開口部を形成するに当り、温度計３、濃度計５によってエッチング液の温度や濃度を計測するとともに、電位差計１０によってエッチング加工中のエッチング液に浸された一対の電極の電位差を計測し、前記電位差が一定になるようにエッチング液供給ライン８から新液等を供給することでエッチングレートを調整する。エッチング工程が進むにつれてエッチングレートが速くなるのを防ぐことで、エッチングによる開口寸法のバラつきを抑えて、加工精度を向上させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン材料からなる被加工物を温度調整されたエッチング液に浸漬して異方性エッチングするウエットエッチング装置であって、前記エッチング液に浸漬された一対の電極間の電位差を計測するための電位差計測手段と、前記電位差計測手段の出力に基づいてエッチング加工中のエッチングレートを所定の値に制御するエッチングレート制御手段とを有することを特徴とするウエットエッチング装置。
【請求項２】
シリコン材料からなる被加工物を温度調整されたエッチング液に浸漬して異方性エッチングするウエットエッチング方法であって、
エッチング加工中のエッチング液に浸漬された一対の電極間の電位差を計測する工程と、
計測された電位差に基づいて新たなエッチング液または純水を調合することでエッチングレートを所定の値に制御する工程と、を有することを特徴とするウエットエッチング方法。
【請求項３】
液体供給口を有するシリコン基板と、前記液体供給口から供給された液体を被記録媒体に向って吐出する吐出手段とを備えた液体吐出ヘッドの製造方法であって、
温度調整されたエッチング液に前記シリコン基板を浸漬して異方性エッチングによって前記液体供給口を形成するエッチング工程を有し、
エッチング工程中の前記エッチング液に浸漬された一対の電極間の電位差を計測し、その計測値に基づいて新たなエッチング液または純水を調合することで、前記液体供給口が所定の開口寸法になるようにエッチングレートを制御することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体吐出ヘッドの素子基板や各種デバイスに用いられるシリコン単結晶、多結晶シリコン等のシリコン材料のウエットエッチングを行うためのウエットエッチング装置、ウエットエッチング方法及び液体吐出ヘッドの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、シリコン単結晶、多結晶シリコン等のシリコン材料は、その電気的特性からＬＳＩなどに代表される半導体集積回路に欠くことができない材料として重視されている。更に、近年はシリコン材料の機械的特性が注目され、理想的な弾性材料としてデバイスに応用されている。尚、この応用例としてはバルブ、ノズル、プリンタ用の液体吐出ヘッド、流量、圧力及び加速度等の各センサーが挙げられる。
【０００３】
半導体集積回路に使用する場合、あるいは上述した各応用例において、シリコン材料を所望の形状に加工するには一般にエッチング処理が多用されている。このエッチング処理はウエットエッチングとドライエッチングとに大別することができる。
【０００４】
ウエットエッチングとはエッチング液を充填したエッチング槽にシリコン材料を投入し、化学反応を利用してシリコン材料の不要部分を溶解させて行う加工方法である。インクジェットプリンタ等の液体供給口（インク供給口）は、この種のシリコンのウエットエッチングを用いて形成される。
【０００５】
図７は一従来例によるウエットエッチング装置を示すもので、アルカリエッチング液を溜めておくエッチング槽１０１は、オーバーフロー槽内に被加工物Ｗ0 を保持するホルダ１０２、温度計１０３、ヒーター１０４、濃度計１０５、循環ポンプ１０６、純水供給口１０７、エッチング液供給口１０８、ゴミ取りフィルター１０９等を備えている。そして、エッチング液の温度を規定の範囲内に管理するため、温度計１０３から信号を受けて、適宜液温を上昇させるヒーター１０４を駆動させることが可能であり、また、循環ポンプ１０６を使ってエッチング液全体の液温を均一化することが可能であり、エッチング液の濃度を規定の範囲内に管理するため、濃度計１０５からの信号を受けて、適宜純水供給口１０７とエッチング液供給口１０８からそれぞれ純水とエッチング液が供給される。
【０００６】
さらに、循環ポンプ１０６の流路に設置してあるゴミ取りフィルター１０９を、循環するエッチング液が通過することによって、エッチング液に含まれるゴミ等の異物を取り除くことが可能である。
【特許文献１】特開平５−２４３２０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このエッチング方法ではエッチング液として、一般的にＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）等のアルカリ水溶液が使用されるが、ＴＭＡＨ水溶液はシリコンの溶解量の増加に伴い、シリコンの結晶方位（１００）および面方位（１１１）のエッチングレートが増加するという傾向を有している。一例として、シリコン（１００）のエッチングレートの変化を図９に示す。シリコンが全く溶解していないエッチング新液であるＴＭＡＨ水溶液でのシリコン（１００）のエッチングレートは、３４μｍ／ｈｒである。それに対して、シリコンを１ｍｏｌ／ｌ溶解したエッチング液の場合は、３７μｍ／ｈｒである。この両者を比較した場合、エッチングレートが３μｍ／ｈｒも上昇する。例えば、前述の装置を用いて、６２５μｍ厚のシリコン基板にインクジェットプリンタ等に搭載される液体吐出ヘッドの液体供給口（インク供給口）を形成する場合を以下に説明する。図８に示すように、被加工物であるシリコン基板１２０の、結晶方位（１００）である裏面から異方性エッチングを行うことによって、この裏面に対して傾斜角θ＝５４．７°を有する液体供給口１２１の壁面１２１ａとして面方位（１１１）の傾斜面が形成される。従って、シリコン基板１２０の裏面のＳｉＯ2 膜１２０ａに開口するエッチング開始部である開口１２０ｂの開口幅（Ｘ２）を所定の幅にすることによって、吐出エネルギー発生素子１２２を有する基板表面での開口幅（Ｘ１）を所望の幅にすることが出来る。すなわち、シリコン基板１２０の厚みをｔとした時、以下の関係が成立する。
Ｘ１＝Ｘ２−２ｔ／ｔａｎ５４．７°
【０００８】
しかしながら、シリコンの溶解量によりエッチングレートが変化するため、実際には図８に示すように、エッチング開始部である開口部１２０ｂよりも側方に向かって、矢印Ｒで示す方向にサイドエッチが生じ、開口幅にバラツキが生じる。すなわち、液体供給口１２１の、シリコン基板１２０の表面側の開口幅はこのサイドエッチによって両側で一定量（Ｘ３）だけ広くなり、実際の表面側の開口幅は（Ｘ１＋２Ｘ３）となる。つまり、インクジェットヘッド（液体吐出ヘッド）の液体供給口（インク供給口）を形成した場合、前述のようにサイドエッチが進むためインク供給口の開口幅に２０μｍもの差が生じて、インクジェットヘッドの吐出特性に大きな影響を与えてしまう。
【０００９】
このように、従来のエッチング方法では、シリコンの溶解量による影響で、エッチングレートが１時間当り３μｍも上昇するため、シリコン材料を同一エッチング時間で処理すると、加工形状にばらつきが生じてしまう。
【００１０】
本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、シリコンの溶解量によるエッチングレートの変動を抑えて、エッチングの加工精度を高めることのできるウエットエッチング装置、ウエットエッチング方法及び液体吐出ヘッドの製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するため、本発明のウエットエッチング装置は、シリコン材料からなる被加工物を温度調整されたエッチング液に浸漬して異方性エッチングするウエットエッチング装置であって、前記エッチング液に浸漬された一対の電極間の電位差を計測するための電位差計測手段と、前記電位差計測手段の出力に基づいてエッチング加工中のエッチングレートを所定の値に制御するエッチングレート制御手段とを有することを特徴とする。
【００１２】
本発明のウエットエッチング方法は、シリコン材料からなる被加工物を温度調整されたエッチング液に浸漬して異方性エッチングするウエットエッチング方法であって、エッチング加工中のエッチング液に浸漬された一対の電極間の電位差を計測する工程と、計測された電位差に基づいて新たなエッチング液または純水を調合することでエッチングレートを所定の値に制御する工程と、を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明の液体吐出ヘッドの製造方法は、液体供給口を有するシリコン基板と、前記液体供給口から供給された液体を被記録媒体に向って吐出する吐出手段とを備えた液体吐出ヘッドの製造方法であって、温度調整されたエッチング液に前記シリコン基板を浸漬して異方性エッチングによって前記液体供給口を形成するエッチング工程を有し、エッチング工程中の前記エッチング液に浸漬された一対の電極間の電位差を計測し、その計測値に基づいて新たなエッチング液または純水を調合することで、前記液体供給口が所定の開口寸法になるようにエッチングレートを制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明者らは、シリコンのエッチング反応を検討した結果、エッチング槽の水酸化物イオン濃度とエッングレートに相関関係があることを突き止めた。そこで、水酸化物イオン濃度を測定する手段として、ｐＨ測定を試みたが、一般的に使用されるエッチング液は高アルカリ溶液であるため、ｐＨ値の微小変化を読み取ることが出来なかった。次に、エッチング液に浸漬された一対の電極間の電位差に着目し、検討を行った結果、前記電位差とエッチングレートに相関関係が見られた。このことから、前記電位差の計測値に基づいて新液や純水を供給し、エッチング液を調合することにより、シリコンのエッチングレートの安定化を図るシステムを開発した。このシステムを用いることで、エッチング加工中のエッチングレートを所定の値に保ち、液体吐出ヘッドの液体供給口等の加工精度を大幅に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１に示すように、アルカリエッチング液を溜めておくエッチング槽１は、オーバーフロー槽内にシリコン基板である被加工物Ｗ1 を保持するホルダ２、温度計３、ヒーター４、濃度計５、循環ポンプ６、純水供給ライン７、エッチング液供給ライン８、ゴミ取りフィルター９等を備えており、エッチング液の温度を規定の範囲内に管理するため、温度計３から信号を受けて、適宜液温を上昇させるヒーター４を駆動させることが可能である。また、循環ポンプ６を使ってエッチング液全体の液温を均一化することが可能であり、エッチング液の濃度を規定の範囲内に管理するため、濃度計５からの信号を受けて、適宜純水供給ライン７とエッチング液供給ライン８からそれぞれ純水とエッチング液が供給される。
【００１６】
さらに、循環ポンプ６の流路に設置してあるゴミ取りフィルター９を、循環するエッチング液が通過することによって、エッチング液に含まれるゴミ等の異物を取り除くことが可能である。
【００１７】
このように、アルカリ水溶液よりなるエッチング液を用いて被加工物Ｗ1 をエッチングするためのウエットエッチング装置において、エッチング液に浸された一対の電極間の電位差を測定するための電位差計測手段である電位差計１０を配備し、その計測値に基づいてコンピューター１１によってエッチングレート制御手段である廃液バルブ１２、純水供給ライン７、エッチング液供給ライン８を制御することで、新たなエッチング液または純水の調合を行い、前記電位差を一定に保つことによってエッチングレートの安定化を図る。
【００１８】
エッチング液としては、ＫＯＨ水溶液、ＴＭＡＨ水溶液等を挙げることができる。また、このエッチング方法は、単結晶のシリコン基板の、例えば（１００）、（１１１）等のエッチングに適用することができる。
【００１９】
エッチング槽の形状、大きさなどは限定されない。例えば、その形状は角型槽、丸型槽などでもよい。また、エッチング槽の材質としては、石英ガラス、ポリプロピレン、ＰＴＦＥ、ＰＦＡなど、通常半導体用として用いられる素材が使用できる。
【００２０】
図２は、エッチングレートを安定化させるための電位差制御のソフトフローを示すもので、このソフトは、以下のように機能する。
【００２１】
ステップ１でシリコンのエッチング開始前のエッチング槽１内の一対の電極間の電位差を電位差計１０によって測定し、この値を基準値Ｖ0 と定める。
【００２２】
ステップ２で基準値Ｖ0 をコンピューター１１の装置シーケンスに記録し、エッチング加工を開始する。
【００２３】
ステップ３でエッチング加工中にリアルタイムで前記電位差を測定する。このとき電位差が基準値Ｖ0 より大きい場合には、ステップ４で廃液バルブ１２を開き、エッチング液を一定量だけ廃液する。
【００２４】
廃液後、ステップ５でエッチング液供給ライン８、純水供給ライン７からそれぞれエッチング新液（シリコンをエッチングする前のエッチング液）あるいは純水を供給する。
【００２５】
ステップ３に戻り、再度電位差を測定し、基準値Ｖ0 と同値になるまでこのエッチング液を調合する作業を繰り返す。
【００２６】
以上の作業を行うことにより、エッチング工程中にシリコンの溶解が進んでも、上記電位差を一定値に保つことができる。すなわち、エッチング工程中、シリコンの各面方位のエッチングレートがそれぞれ安定するため、極めて寸法精度の高い加工を行うことができる。
【００２７】
このようにしてシリコンの溶解量によるエッチングレートの変動を抑えて、エッチング加工の所要時間を一定にすれば、図３に示す液体吐出ヘッドの製造工程におけるエッチングによる液体供給口２１の開口寸法のバラつきを抑えることができる。
【００２８】
図３の液体吐出ヘッドは、シリコン基板２０とその上に積層された液体流路形成層３０を有し、シリコン基板２０は、裏面側の（１００）面のウエットエッチングによって形成された液体供給口２１と、表面側の吐出エネルギー発生素子２２を有し、吐出エネルギー発生素子２２は、所定のピッチで２列並んで形成され、吐出手段である液体流路形成層３０の吐出口３１に対応している。
【００２９】
液体供給口２１は、シリコン基板２０の裏面側の、シリコン熱酸化膜であるＳｉＯ2 膜２０ａをマスクとしてシリコンの異方性エッチングにより形成され、吐出エネルギー発生素子２２の２つの列の間に開口している（図６参照）。シリコン基板２０上の液体流路形成層３０は、オリフィスプレート材によって形成され、各吐出エネルギー発生素子２２に対応して開口する吐出口３１と、液体供給口２１から吐出口３１に連通する液体流路が形成されている。
【００３０】
液体供給口２１を介して、液体流路形成層３０の液体流路に充填されたインク等液体に、吐出エネルギー発生素子２２を用いて吐出口３１からインク等の液滴を吐出させるのに必要なエネルギーを加え、液滴を被記録媒体に付着させることによって記録を行う。
【００３１】
この液体吐出ヘッドは、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサなどの装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わせた産業記録装置に搭載可能である。そして、この液体吐出ヘッドを用いることによって、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックスなど種々の被記録媒体に記録を行うことができる。なお、本発明において、『記録』とは、文字や図形などの意味を持つ画像を被記録媒体に対して付与することだけでなく、パターンなどの意味を持たない画像を付与することも意味する。
【実施例１】
【００３２】
図１の装置を用いて図３に示す液体吐出ヘッドのシリコン基板２０に液体供給口２１を加工する。このウエットエッチング装置は、アルカリエッチング液を溜めておくＰＴＦＥ等のエッチング槽１、温度計３、ヒーター４、濃度計５、循環ポンプ６、純水供給ライン７、エッチング液供給ライン８、ゴミ取りフィルター９、エッチング液に浸されたｐＨ電極による電位差を測定するための電位差計１０を有する。
【００３３】
エッチング液の上記電位差を電位差計１０により測定し、測定値をコンピューター１１に取り込む。次に、コンピューター１１から廃液バルブ１２に電位差を調整するための信号を送り、ある一定量のエッチング液を廃液する。その後、電位差計１０からの信号を受けた純水供給ライン７とエッチング液供給ライン８からそれぞれ純水やエッチング液を適宜供給してエッチング液の調合を行う。
【００３４】
装置条件は以下の通りである。このエッチング槽にエッチング液として使用するＴＭＡＨ水溶液を溜め、８０℃の高温に維持する。また、ＴＭＡＨの液温度を８０±０．３℃とし、濃度に関しても１５ｗｔ％から２５ｗｔ％の範囲で例えば２２±０．３％に管理し、循環ポンプ流量も２０ｌ／ｍｉｎと固定した。そして、上記電位差を測定し、図２に示すようにエッチング加工中の電位差制御することでエッチングレートを一定にして異方性エッチングを行った。
【００３５】
図４は、本実施例のエッチングを行う前のシリコン基板２０の製造プロセスを示すもので、同図の（ａ）に示すように、結晶面方位（１００）、厚さ６２５μｍのＰ型シリコン基板２０を用意し、熱酸化により、０．０１μｍから０．０５μｍのＳｉＯ2 膜をシリコン基板２０の両面に形成した。さらに、その上に減圧ＣＶＤにより堆積させたＳｉＮ（ＬＰ−ＳｉＮ膜）２０ｂを０．１μｍから０．３μｍの厚みで形成した。
【００３６】
次に、図４の（ｂ）に示すように、上記ＬＰ−ＳｉＮ膜２０ｂを犠牲層形成部近傍のみに残るようにパターニングする。この時、パターニングの際のエッチングによりシリコン基板の裏面についたＬＰ−ＳｉＮ膜２０ｂはすべて除去される。
【００３７】
図４の（ｃ）に示すように、シリコン基板２０を熱酸化することにより、基板裏面及び表面に０．６μｍから１．１μｍのＳｉＯ2 膜２０ａ、２０ｃを形成する。この時パターニングされたＬＰ−ＳｉＮ膜２０ｂの下の基板は酸化されずにその両端のＳｉＯ2 膜２０ｃのみが選択的に酸化が進み、ＳｉＯ2 膜２０ｃの厚みがＬＰ−ＳｉＮ膜２０ｂの設けられた部分よりも厚くなる。その後、ＬＰ−ＳｉＮ膜２０ｂをエッチングにて除去する。
【００３８】
次に、図４の（ｄ）に示すように、拡散法やイオンインプランテーション法によってシリコン基板２０にｎ領域やｐ領域を形成し、さらにゲート酸化を行い、ゲート電極としてポリシリコンを成膜し、パターニングすることにより、駆動素子を形成したのち、常圧ＣＶＤ法により、ＢＰＳＧ（boron phosphorous silicate glass）膜２０ｄを堆積し、これを所望のパターンに加工した。ＢＰＳＧ膜２０ｄのエッチングによって下部のＳｉＯ2 膜２０ｃを同時に除去し、吐出エネルギー発生素子２２となる発熱抵抗部となるシリコン表面を露出させることができる。
【００３９】
図４の（ｅ）に示すように、駆動素子の配線電極となるＡｌ−Ｓｉ膜２０ｅをＳｉ基板上に堆積し、所望のパターンを形成した。この段階で、インク等液体を吐出するために駆動される駆動素子の配線が完成し、同図の（ｆ）に示すように、プラズマＣＶＤ法により１．０μｍから１．８μｍの膜厚のプラズマＳｉＯ2 膜(Ｐ−ＳｉＯ)２０ｆを堆積させた。
【００４０】
次に、図４の（ｇ）に示すように、前記発熱抵抗体の保護膜となるプラズマＳｉＮ2 膜(Ｐ−ＳｉＮ)２０ｇをプラズマＣＶＤ法で堆積した。このようにして、吐出エネルギー発生素子２２および駆動素子が作りこまれたシリコン基板２０が完成する。
【００４１】
その後の液体供給口２１を形成するための異方性エッチング前の工程は、異方性エッチングのマスクとなる樹脂を基板の裏面に塗布し、フォトリソ技術によって所望のパターンに形成する。異方性エッチング液には、前述のようにＴＭＡＨ水溶液を用いて基板裏面からエッチングし、液体供給口２１を形成した。
【００４２】
シリコン基板２０上には、図３に示すように、オリフィスプレート材を用いて液体流路形成層３０を形成する。異方性エッチングによる液体供給口２１の形成はこの液体流路形成層３０を形成する前でも後でも良い。
【００４３】
確認のために、図１の装置を用いてシリコン（１００）のサンプル４個の異方性エッチングを行い、加工中のエッチングレートの測定を行った。エッチングレートの測定方法としては各シリコンのサンプルを順次エッチング液に５時間浸積させ、結晶方位（１００）のシリコン削れ量を膜厚測定器で測定し、１時間当たりのシリコン削れ量を算出した。図５に示すように、電位差を一定に保つことで、エッチングレートが一定になることが分かった。
【００４４】
このようにして液体吐出ヘッドの液体供給口２１を形成することで、図６に示すように、液体供給口２１の開口幅（Ｘ１）が一定となり、液体吐出ヘッドの吐出特性が安定する。
【００４５】
上述のように、電位差制御を行うことにより、エッチングレートが安定し、シリコンの高精度加工が可能となるが、エッチング槽の材質がエッチング液に溶解するものを使用すると、電位差を制御することが難しくなるため、本実施例のようにエッチング槽の材質を、エッチング液に溶解しないＰＴＦＥ等にすることが望ましい。
【００４６】
本実施例によれば、簡単な電位差制御をすることによりシリコンのエッチングレートを一定にして、同じエッチング処理時間で、均一かつ高精度な加工ができる。そしてこの方法を用いて液体吐出ヘッドの液体供給口を形成することで、液体供給口の開口幅を安定して所望の寸法にすることができ、吐出特性のバラつきのない液体吐出ヘッドを安定製造できる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は液体吐出ヘッドのみならず、化学センサ、アクチュエータなどマイクロマシン・ＭＥＭＳの分野においても適用が可能であり、これらの大量生産に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】一実施の形態によるウエットエッチング装置を示す模式図である。
【図２】ウエットエッチング装置における電位差制御のソフトフローを示すフローチャートである。
【図３】液体吐出ヘッドを示す模式的斜視図である。
【図４】シリコン基板の製造工程を示す工程図である。
【図５】ウエットエッチング装置における電位差とエッチングレートの関係を示すグラフである。
【図６】図１の装置によるシリコン（１００）基板の異方性エッチングを説明する図である。
【図７】一従来例によるウエットエッチング装置を示す模式図である。
【図８】従来例によるウエットエッチング装置を用いたときの液体吐出ヘッドのシリコン（１００）基板の異方性エッチングを説明する図である。
【図９】従来例によるウエットエッチング装置を用いたときのＳｉ溶解濃度によるエッチングレートの変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４９】
１    エッチング槽
２    ホルダ
３    温度計
４    ヒーター
５    濃度計
６    循環ポンプ
７    純水供給ライン
８    エッチング液供給ライン
９    ゴミ取りフィルター
１０    電位差計
１１    コンピューター
１２    廃液バルブ
２０    シリコン基板
２１    液体供給口
２２    吐出エネルギー発生素子
３０    液体流路形成層
３１    吐出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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