(57)【要約】【課題】  マスク材として用いるシリコン酸化膜の膜厚が薄くて済むシリコン材のエッチング方法を提案すること。【解決手段】  インクジェットヘッドのキャビティプレートなどにインク圧力室用凹部、インクリザーバ用凹部などを形成するためのエッチング工程において用いるエッチング液として、ＫＯＨなどのアルカリ溶液にカルシウムを例えば５００ｐｐｂ以上含むものを用いる。カルシウム濃度が増加すると、エッチング液によるシリコン酸化膜３２のエッチングレートが低減される。シリコン材のエッチング時においてマスク材であるシリコン酸化膜の膜減り量が少ないので、その膜厚を薄くできる。よって、シリコン酸化膜を形成するための熱酸化処理時間を短縮でき、処理コストも削減できる。薄いシリコン酸化膜には精度良くマスクパターンを形成できるので、シリコン材を精度良くエッチングできる。【選択図】  図１
2005256030.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン酸化膜をマスク材として用いるシリコン材のエッチング方法であって、
エッチング液として、アルカリ土類金属が添加されたアルカリ溶液を用いるシリコン材のエッチング方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記アルカリ土類金属はカルシウムであるシリコン材のエッチング方法。
【請求項３】
請求項２において、
前記アルカリ溶液に添加されているカルシウムの濃度は１００ｐｐｂ以上であるシリコン材のエッチング方法。
【請求項４】
請求項２において、
前記アルカリ溶液に添加されているカルシウムの濃度は５００ｐｐｂ以上であるシリコン材のエッチング方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のうちのいずれかの項に記載のシリコン材のエッチング方法に用いる前記アルカリ溶液。
【請求項６】
インクノズルと、このインクノズルからインク液滴を吐出させるための圧力を発生させるインク圧力室とを有するインクジェットヘッドの製造方法であって、
請求項１ないし４のうちのいずれかの項に記載のエッチング方法を用いて、シリコン単結晶基板をエッチングして、前記インクノズルおよび／または前記インク圧力室を形成するインクジェットヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェットヘッドなどのシリコンマイクロ構造体の製作に用いられるシリコン材のエッチング方法に関し、さらに詳しくは、シリコン酸化膜をマスク材として用いてシリコン材の表面に異方性エッチングを施すシリコン材のエッチング方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シリコン単結晶は、その結晶面方位によりエッチング速度が大きく異なる異方性エッチングが可能である。シリコン異方性エッチングは、様々なシリコンマイクロ構造体を精度良く製作するために利用されている。例えば、インクジェットヘッドの製作やシリコン製の圧力センサ用ダイヤフラムの製作に利用されている。特許文献１には、シリコン異方性エッチングによりインクジェットヘッドを精度良く製作する方法が開示されている。
【０００３】
シリコン異方性エッチングにおいては、シリコン材の表面における非エッチング部分を保護するための耐エッチングマスク材として一般にシリコン酸化膜が用いられている。シリコン酸化膜は、一般に、酸素および水蒸気が供給される雰囲気中でシリコン基板の表面に熱酸化処理を施すことにより形成される。また、シリコン材のエッチング液としては一般にＫＯＨなどを含むアルカリ溶液が用いられている。
【０００４】
マスク材として用いるシリコン酸化膜も、アルカリ溶液によるシリコン基板のエッチング時には僅かではあるがエッチ除去されて膜厚が薄くなる。したがって、エッチングが終了するまで確実にシリコン基板をマスキングできるように、シリコン酸化膜の膜厚も所定以上にしておく必要がある。
【特許文献１】特開平６−８４４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、耐エッチングマスク材として用いるシリコン酸化膜の膜厚を薄くすることができれば、当該酸化膜を形成するための熱酸化処理に必要とされる酸化時間（リードタイム）を短縮でき、処理コストも低減できる。また、シリコン酸化膜を薄くできれば、そこに形成されるマスクパターンの精度を上げることができ、その結果、シリコン基板のエッチング加工精度を向上させることができる。
【０００６】
本発明の課題は、このような点に鑑みて、従来に比べてマスク材として用いるシリコン酸化膜の膜厚が薄くて済むシリコン材のエッチング方法を提案することにある。
【０００７】
また、本発明の課題は、かかる新しいエッチング方法に用いるエッチング液を提案することにある。
【０００８】
さらに、本発明の課題は、新しいエッチング方法を用いたインクジェットヘッドの製造方法を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明は、シリコン酸化膜をマスク材として用いるシリコン材のエッチング方法において、エッチング液として、アルカリ土類金属が添加されたアルカリ溶液を用いることを特徴としている。
【００１０】
ここで、前記アルカリ土類金属としてカルシウムを用いることが望ましい。また、カルシウムの濃度は１００ｐｐｂ以上であることが望ましく、特に、５００ｐｐｂ以上であることが望ましい。
【００１１】
次に、本発明はシリコン酸化膜をマスク材として用いてシリコン材をエッチングする場合に用いるエッチング液に関するものであり、エッチング液がアルカリ土類金属、好ましくはカルシウムを含むアルカリ溶液であることを特徴としている。カルシウムの濃度としては、１００ｐｐｂ以上、特に、５００ｐｐｂ以上であることが望ましい。
【００１２】
一方、本発明は、インクノズルと、このインクノズルからインク液滴を吐出させるための圧力を発生させるインク圧力室とを有するインクジェットヘッドの製造方法であって、上記のエッチング方法を用いて、シリコン単結晶基板をエッチングして、前記インクノズルおよび／または前記インク圧力室を形成することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、エッチング液としてアルカリ土類金属を含むアルカリ溶液を用いている。アルカリ土類金属、特にカルシウムを含むアルカリ溶液を用いると、その添加量を増加させるとシリコン酸化膜のエッチングレートを低減できることが確認された。特に、カルシウムを１００ｐｐｂ以上、好ましくは５００ｐｐｂ以上含むアルカリ溶液を用いてエッチングを行うと、シリコン酸化膜のエッチングレートを大幅に低減できるので、シリコン酸化膜の膜厚が薄くて済む。
【００１４】
したがって、シリコン材の表面に熱酸化処理を施してシリコン酸化膜を形成するための処理工程のリードタイムを大幅に低減でき、この結果、処理工程で必要とされる供給酸素量や供給電力が少なくて済むのでコストも大幅に削減できる。また、マスク材としてのシリコン酸化膜が薄くて済むのでサイドエッチング量が抑えられ、マスクパターンのパターン精度を高めることができ、その結果、シリコン材のエッチング精度を向上させることができる。
【００１５】
さらに、シリコン酸化膜を形成するための熱処理時間を短縮できるので、熱処理工程においてシリコン材に対する熱負荷が軽減される。よって、シリコン材の熱歪みが軽減されるので、これによっても、精度良くシリコン材にエッチングを施すことができる。換言すると、従来と同様な熱処理時間を確保する場合には、従来に比べて低温で熱処理を行ってシリコン酸化膜を形成できるので、シリコン材の熱歪みを軽減できる。
【００１６】
また、カルシウム濃度を増減することにより、マスク材であるシリコン酸化膜のエッチングレートをエッチング処理時間などに応じて適切なレートに調節することもできるという利点が得られる。
【００１７】
更に、従来はシリコン酸化膜に欠陥やキズによってシリコン酸化膜の膜厚が薄くなっている個所があると、エッチングが終了するまでシリコン基板をマスキングしておくことができずに、シリコン基板にシリコン酸化膜の欠陥やキズが転写してしまう不具合が生じていたが、本発明ではシリコン酸化膜のエッチングレートを低減できるため、シリコン酸化膜の欠陥やキズの程度にもよるがシリコン基板への転写を軽減できる。
【００１８】
一方、本発明のインクジェットヘッドの製造方法によれば、インクノズルやインク圧力室を形成するためのエッチング工程において必要とされるマスク材としてのシリコン酸化膜の膜厚が薄くて済むので、エッチング工程のリードタイムおよびコストを低減できる。また、精度良くインクノズルやインク圧力室を形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、図面を参照して、本発明を適用したエッチング液およびインクジェットヘッドの製造方法の一例を説明する。
【００２０】
（エッチング液）
本発明者は、シリコン単結晶基板をエッチングするために用いるエッチング液として、ＫＯＨやＴＭＡＨなどのアルカリ溶液にカルシウムなどのアルカリ土類金属を添加したものを用いてシリコン酸化膜のエッチングレートを測定した。この結果、アルカリ土類金属の添加量を増やすと、シリコン酸化膜のエッチングレートが徐々に低下することが確認された。
【００２１】
一例として、エッチング液として、ＫＯＨ濃度が２５重量％のアルカリ溶液にカルシウムを添加したものを用いて、カルシウム濃度（Ｃａ濃度）とシリコン酸化膜のエッチングレート（ＳｉＯ２Ｅ／Ｒ）との関係を調べた。図１はこれらの関係を示すグラフである。
【００２２】
この図から分かるように、カルシウム濃度が約１００ｐｐｂから約５００ｐｐｂまでの範囲においては、カルシウム濃度の増加に伴ってシリコン酸化膜のエッチングレートの減少率が大きい。カルシウム濃度が約５００ｐｐｂを越えるとエッチングレートの減少率が小さくなり、約１０００ｐｐｂを超えるとエッチングレートが殆ど変動しなくなる。
【００２３】
したがって、カルシウム濃度を約１００ｐｐｂ以上にすれば、従来のアルカリ溶液を用いる場合に比べて、シリコン酸化膜のエッチングレートを低減できる。よって、シリコン材のエッチング時にマスク材として用いるシリコン酸化膜の膜厚を薄くできる。また、カルシウム濃度を１００ｐｐｂから５００ｐｐｂの範囲内で増減させると、エッチング処理条件に適したエッチングレートでシリコン酸化膜がエッチングされるエッチング液を容易に調整できる。さらに、カルシウム濃度が約１０００ｐｐｂを超えるとエッチングレートが殆ど低減されないので、カルシウム濃度が約５００ｐｐｂ〜約１０００ｐｐｂの範囲内のアルカリ溶液を用いることが経済的である。
【００２４】
（インクジェットヘッド）
次に、上記のエッチング液を用いたエッチング方法によりインクノズルなどを形成可能なインクジェットヘッドの一例を説明する。
【００２５】
図２はインクジェットヘッドの分解斜視図であり、図３は組み立てられたインクジェットヘッドの断面構成図である。これらの図に示すように、インクジェットヘッド１は、基板の上面に形成したインクノズルからインク液滴を吐出するフェイスインクジェットタイプのものである。このインクジェットヘッド１は、キャビティプレート３を挟み、上側にノズルプレート２、下側にガラスプレート４がそれぞれ積層された３層構造となっている。
【００２６】
キャビティプレート３はシリコン単結晶基板からなり、その表面には底面部分が振動板５として機能するインク室６を構成することになる凹部７と、凹部７の後方に設けられたインク供給口８を形成することになる細溝９と、各々のインク室６にインクを供給するためのインクリザーバ１０を構成することになる凹部１１とが異方性ウエットエッチングによって形成されている。
【００２７】
キャビティプレート３の上側に接合されるノズルプレート２は、キャビティプレート３と同様にシリコン単結晶基板から形成されている。ノズルプレート２において、インク室６の上面を規定している部分には各インク室６に連通する複数のインクノズル２１が形成されている。
【００２８】
ノズルプレート２をキャビティプレート３に接合することにより、上記の凹部７、１１および細溝９が塞がれて、インク室６、インク供給口８、インクリザーバ１０がそれぞれ区画形成される。インクリザーバ１０の底面を規定する部分にはインクリザーバ１０にインクを供給するための孔１２ａが設けられており、基板接合後、後述するガラスプレート４に設けられた孔１２ｂと共にインク供給孔１２を形成する。インク供給孔１２には、不図示の接続チューブを介して不図示のインクタンクが接続される。インク供給孔１２から供給されたインクは、各インク供給口８を経由して独立した各インク室６に供給される。
【００２９】
ここで、一時的に各インク室内の圧力を上昇させて、対応するインクノズルからインク滴を吐出させるための静電アクチュエータが、各インク室６にそれぞれ設けられている。各静電アクチュエータは微小なギャップをもって対向配置された個別電極および共通電極を有している。本例では、個別電極はガラスプレート４の凹部１６に形成された後述のＩＴＯ膜であり、共通電極はインク室６の底に形成された変形可能な振動板５である。
【００３０】
次に、キャビティプレート３の下側に接合されるガラスプレート４は、シリコンと熱膨張率が近いホウ珪酸ガラスプレートである。このガラスプレート４において、それぞれの振動板５に対向する部位にはギャップ１５を構成することになる凹部１６が形成されている。この凹部１６の底面には、振動板５に対向する個別電極１７が形成されている。個別電極１７は、ＩＴＯからなるセグメント電極部１８と端子部１９を有している。
【００３１】
ガラスプレート４をキャビティプレート３に接合することにより、各インク室６の底面を規定している振動板５と個別電極１７のセグメント電極部１８は、非常に狭いギャップを隔てて対峙する。これらの間の空間（隙間部分）１５の外部連通口１５ａは、キャビティプレート３とガラスプレート４の間に配置した低融点ガラスからなる封止材２０によって気密封止される。
【００３２】
振動板５と個別電極１７の間には電圧印加装置２５が接続されている。電圧印加装置２５の一方の出力は各個別電極１７の端子部１９に接続され、他方の出力はキャビティプレート３に形成された共通電極端子２６に接続されている。キャビティプレート３自体は導電性を持つので、この共通電極端子２６から振動板（共通電極）５に電圧を供給することができる。
【００３３】
この構成のインクジェットヘッド１においては、電圧印加装置２５からの駆動電圧が対向電極間に印加されると、対向電極間に充電された電荷によるクーロン力が発生し、振動板５はセグメント電極部１８の側に撓み、インク室５の容積が拡大する。次に、電圧印加装置２５からの駆動電圧を解除して対向電極間の電荷を放電すると、振動板５はその弾性復帰力によって復帰し、インク室６の容積が急激に縮小する。この時発生する内圧変動により、インク室６に貯留されたインクの一部が、インク室６に連通しているインクノズル２１から記録紙に向かって吐出する。
【００３４】
図４は上記構成のインクジェットヘッド１のキャビティプレート３の製造工程を示す説明図である。まず、（１００）面方位のシリコン単結晶基板３Ａを用意し（図４（ａ））、この表面に耐エッチング材としてのシリコン酸化膜３１を形成し、このシリコン酸化膜３１にインク供給孔１２ａ用のパターニングを施し（図４（ｂ））、ＩＣＰなどのドライエッチングによりインク供給孔１２ａに対応する凹部１２Ａを形成する（図４（ｃ））。
【００３５】
次に、シリコン酸化膜３１を除去した後に、再度、酸素および水蒸気が供給される雰囲気中において、例えば１１００℃で３時間の熱酸化処理を施し、シリコン基板３Ａの表面に、耐エッチングマスク材として機能する例えば４００ｎｍのシリコン酸化膜３２を形成する。シリコン酸化膜３２の上に、圧力室用凹部７、インク供給口用凹部９およびインクリザーバ用凹部１１に対応するフォトレジストパターン（図示せず）を形成し、フッ酸系エッチング液を用いてシリコン酸化膜３２の露出部分をエッチ除去して、当該シリコン酸化膜３２にパターニングを施し、フォトレジストパターンを除去する（図４（ｄ））。
【００３６】
次に、イソプロピルアルコールを含むＫＯＨ２５重量％濃度のアルカリ溶液にカルシウムを約８００ｐｐｂ添加したものをエッチング溶液として用いて、シリコン単結晶基板３Ａに異方性エッチングを施し、圧力室用凹部７、インク供給口用凹部９およびインクリザーバ用凹部１１形成する（図４（ｅ））。
【００３７】
この後は、耐エッチングマスク材であるシリコン酸化膜３２をフッ酸系エッチング液により完全に除去し、シリコン単結晶基板３Ａの表面に耐熱性を付与するための熱処理などを施してキャビティプレート３が完成する（図４（ｆ））。
【００３８】
ここで、図５には、同一のエッチング条件の場合に、シリコン酸化膜３２のエッチングレートが変化することによる当該シリコン酸化膜３２の必要膜厚の変化を示す図表である。本例の場合には、エッチング液としてカルシウム濃度が約８００ｐｐｂのものを用いており、シリコン酸化膜３２のエッチングレート（Ｅ／Ｒ）が約1ｎｍ／分であり。必要膜厚が４００ｎｍであり、そのための必要熱酸化時間が約３時間となっている。また、カルシウム濃度が約２５０ｐｐｂのエッチング液を用いた場合においてもエッチングレートが２ｎｍ／分となり、必要膜厚が約６００ｎｍで、必要酸化時間が約６時間となる。これに対して、カルシウムを含んでいない従来のエッチング液を用いる場合には、そのエッチングレートが本例の３倍の約３ｎｍ／分であるので、必要膜厚が１２００ｎｍとなり、そのための必要酸化時間は約９時間にもなる。
【００３９】
このように、エッチングレートを低減することにより、マスク材として使用するシリコン酸化膜の膜厚を低減でき、その結果、シリコン酸化膜を形成するための熱酸化処理時間を大幅に短縮できることが分かる。本例では、シリコン基板のエッチング液として、シリコン酸化膜のエッチングレートが低いカルシウムを含むアルカリ溶液を用いている。したがって、従来に比べて、熱酸化処理時間を短縮できるので、熱酸化処理において必要とされる供給酸素量、供給電力を低減でき、処理コストを削減できることが分かる。
【００４０】
なお、上記の説明では、マスク材としてのシリコン酸化膜を水蒸気雰囲気中で形成したウエット酸化膜として説明したが、ドライ酸化膜であっても同様な効果を得ることができる。また、このような熱酸化膜のみでなく、ＣＶＤプロセスにより形成したシリコン酸化膜についても同様な効果を得ることできる。
【００４１】
一方、上記の例は本発明のエッチング方法をインクジェットヘッドのキャビティプレートの製作に適用した例であるが、インクジェットヘッド以外のシリコンマイクロ構造体、例えばシリコン製の圧力センサ用ダイヤフラムなどの製作にも本発明を同様に適用可能なことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】カルシウム濃度とシリコン酸化膜のエッチングレートとの関係を示すグラフである。
【図２】本発明の方法を適用可能なインクジェットヘッドの分解斜視図である。
【図３】図２のインクジェットヘッドの概略断面図である。
【図４】図２のインクジェットヘッドのキャビティプレートの製作工程を示す説明図である。
【図５】シリコン酸化膜のエッチングレートと、必要酸化膜厚等との関係を示す表である。
【符号の説明】
【００４３】
１  インクジェットヘッド、２  ノズルプレート、３  キャビティプレート、３Ａ  シリコン単結晶基板、４  ガラス基板、５  振動板、６  インク圧力室、７  インク圧力室用凹部、８  インク供給口、９  インク供給口用凹部、１０  インクリザーバ、１１  インクリザーバ用凹部、１２、１２ａ、１２ｂ  インク供給孔、３１、３２  シリコン酸化膜
【図１】
2005256030.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2005256030.tif 000006
【図５】
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