JP2008103428A

JP2008103428A - プラズマエッチング加工方法及び液体噴射ヘッドの製造方法

Info

Publication number: JP2008103428A
Application number: JP2006283059A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Tanaka; 真一田中
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-10-17
Filing date: 2006-10-17
Publication date: 2008-05-01

Abstract

【課題】プラズマエッチング装置を用いて基板をドライエッチングすることにより、基板を常に高精度に加工することができるプラズマエッチング加工方法及びそれを用いた液体噴射ヘッドの製造方法を提供する。
【解決手段】基板上に所定寸法の開口を有する保護膜２０１を形成する工程と、保護膜２０１をマスクとしてプラズマエッチング装置により基板をドライエッチングしてエッチング工程とを有し、エッチング工程を実施中にプラズマエッチング装置の電極のＶｐｐ値を測定し、各エッチング工程で設定する設定Ｖｐｐ値を前回のエッチング工程時に測定された測定Ｖｐｐ値に基づいて調整する。
【選択図】図４

Description

本発明は、プラズマエッチング装置を用いて、保護膜をマスクとして基板をドライエッチングすることにより基板に所定の加工を施すプラズマエッチング加工方法に関し、特に、液体噴射ヘッドを構成するノズルプレートにノズルを形成するのに好適な加工方法である。

一般的に、プリンタ、ファクシミリ、複写装置等に用いられるインクジェット式記録ヘッド等の液体噴射ヘッドでは、液滴を吐出させるためのメカニズムに応じて各種方式のものが知られている。例えば、発熱素子等によって液体を沸騰させ、そのときに生じる気泡圧で液滴を吐出させるものや、液滴が充填された圧力発生室の容積を、圧電素子の変位によって膨張又は収縮させることでノズルから液滴を吐出させるものがある。また、例えば、静電気力を利用して圧力発生室の容積を変化させることで、ノズルから液滴を吐出させるようにしたものがある。

このような各種液体噴射ヘッドでは、一般的に、インク滴が吐出される複数のノズルが穿設されたノズルプレートを有する。このようなノズルプレートとしては、例えば、シリコン基板等の基板に、プラズマエッチング装置によるドライエッチングにより複数のノズルを形成することによって製造されるものがある（例えば、特許文献１参照）。このようにプラズマエッチング装置を用いてノズルプレートにノズルを形成することで、直径が数十μｍ程度のノズルであっても比較的高精度に形成することができる。

特開２００６−２１３００２号公報

しかしながら、プラズマエッチング装置に印加する電圧等の加工条件を一定にしていても、複数枚の基板を連続的にエッチングしているうちにエッチングレート等が変化してサイドエッチング量が増減してしまうという問題がある。すなわち、ノズルを常に所望の直径で形成することができず、若干のバラツキが生じてしまう場合がある。また、このようなノズルの形状のバラツキは、例えば、基板をエッチングする際に用いるマスクの寸法誤差等によっても生じる場合がある。勿論、このような問題は、ノズルプレートを製造する場合だけでなく、プラズマエッチング装置を用いて基板をドライエッチングする際には、同様に生じる虞がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、プラズマエッチング装置を用いて基板をドライエッチングすることにより、基板を常に高精度に加工することができるプラズマエッチング加工方法及びそれを用いた液体噴射ヘッドの製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明は、基板上に所定寸法の開口を有する保護膜を形成する工程と、該保護膜をマスクとしてプラズマエッチング装置により基板をドライエッチングするエッチング工程とを有し、前記エッチング工程を実施中に前記プラズマエッチング装置の電極のＶｐｐ値を測定し、各エッチング工程で設定する設定Ｖｐｐ値を前回のエッチング工程時に測定された測定Ｖｐｐ値に基づいて調整することを特徴とするプラズマエッチング加工方法にある。かかる本発明では、常に所定のエッチングレートで基板がエッチングされるため、基板を常に所望の形状に加工することができ、加工品質が大幅に向上する。

ここで、前記エッチング工程の前に、前記保護膜の開口寸法を測定する測定工程を有し、各エッチング工程での設定Ｖｐｐ値を、前回のエッチング工程で測定された測定Ｖｐｐ値と、前記保護膜の開口の寸法誤差とに基づいて設定することが好ましい。この構成では、保護膜の開口の寸法誤差によるエッチング誤差が、設定Ｖｐｐ値を変化させることで調整される。これにより、基板をより確実に所望の形状に形成することができる。

また、前記基板としては、シリコン基板が挙げられる。シリコン基板であれば、プラズマエッチング装置を用いてより確実に所望の形状に加工することができる。

さらに、前記プラズマエッチング装置としては、誘導結合型プラズマエッチング装置が挙げられる。誘導結合型プラズマエッチング装置を用いる場合であっても、設定Ｖｐｐ値を調整することで、加工品質を向上することができる。

また、本発明は、圧力発生手段によって圧力発生室内の液体に圧力を付与してノズルから液滴を吐出する液体噴射ヘッドの製造方法であって、上記のようなプラズマエッチング加工方法によって、前記基板であるノズルプレートに複数の前記ノズルを形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。かかる本発明の液体噴射ヘッドの製造方法では、微小孔である複数のノズルを極めて高精度で且つ常に均一な形状に形成することができる。したがって、液滴の吐出特性が極めて安定するため、常に高品質な液体噴射ヘッドを提供することができるようになる。

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
まずは、本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドについて説明する。なお、図１は、インクジェット式記録ヘッドの概略斜視図であり、図２は、その断面図である。

液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドは、いわゆる静電駆動方式のヘッドであり、図示するように、キャビティ基板１０と、このキャビティ基板１０の両面にそれぞれ接合されるノズルプレート２０及び電極基板３０とで構成されている。

キャビティ基板１０は、例えば、面方位（１００）又は（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方面側に開口する圧力発生室（キャビティ）１１がその幅方向に複数並設されている。また、本実施形態では、キャビティ基板１０には、複数の圧力発生室１１が並設された列が２列形成されている。さらに、キャビティ基板１０には、各列の圧力発生室１１に共通するインク室となる共通インク室１２が形成されており、この共通インク室１２は、後述するインク供給路を介して各圧力発生室１１に連通されている。また、共通インク室１２の底壁には、共通インク室１２にインクを供給するためのインク供給孔１３が形成されている。また、キャビティ基板１０には、共通インク室１２の外側に、後述する個別電極３３に接続される個別端子部３４を露出させるための貫通孔１４が形成されている。

なお、各圧力発生室１１の底壁は、圧力発生室１１内に圧力変化を生じさせるための振動板１５として機能し、且つこの振動板１５を変位させる静電気力を発生させるための共通電極としての役割を兼ねている。そして、キャビティ基板１０の貫通孔１４近傍には、後述するノズルプレート２０の露出孔内に露出されて図示しない駆動配線が接続される共通端子部１６が形成されている。

ノズルプレート２０は、キャビティ基板１０と同様に、面方位（１００）又は（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、各圧力発生室１１に連通する複数のノズル２１が形成されている。このノズルプレート２０は、キャビティ基板１０の開口面側に接合され、圧力発生室１１及び共通インク室１２の一方の面を構成している。また、ノズルプレート２０のキャビティ基板１０とは反対側の面には、ノズル２１に対応する領域に亘って厚さ方向の一部を除去したノズル段差部２２が形成されている。

ここで、各ノズル２１は、インク滴が吐出される側に設けられてノズル段差部２２内に開口する略円形の小径部２１ａと、小径部２１ａよりも大きい径を有し小径部２１ａと圧力発生室１１とを連通する大径部２１ｂとからなる。全てのノズル２１は、このノズル段差部２２内に開口しており、本実施形態では、このノズル段差部２２内のノズルプレート２０表面がノズル面となる。なお、このノズル２１は、詳しくは後述するが、プラズマエッチング装置を用いてシリコン単結晶基板からなるノズルプレート２０をドライエッチングすることによって形成されている。

また、ノズルプレート２０のキャビティ基板１０との接合面には、圧力発生室１１と共通インク室１２との境界に対応する領域に、これら各圧力発生室１１と共通インク室１２とを連通するインク供給路２３が形成されている。また、ノズルプレート２０には、共通インク室１２の外側に対応する位置に、キャビティ基板１０の貫通孔１４に連通し、個別端子部３４と共に共通端子部１６を露出させる露出孔２４が形成されている。

このノズルプレート２０の表面、本実施形態では、ノズル段差部２２内には、例えば、フッ素含有シランカップリング化合物等からなる撥水撥油性材料からなる撥水撥油膜２５が形成されている。これにより、ノズルプレート２０の表面（ノズル面）へのインク滴の付着を抑えている。

一方、電極基板３０は、シリコン単結晶基板に近い熱膨張率を有する、例えば、ホウ珪酸ガラス等のガラス基板からなり、キャビティ基板１０の振動板１５側の面に接合されている。この電極基板３０の振動板１５に対向する領域には、各圧力発生室１１に対応して電極基板凹部３１が形成されている。また、電極基板３０には、キャビティ基板１０のインク供給孔１３に対応する位置に、このインク供給孔１３に連通するインク導入孔３２が形成されている。そして、図示しないインクタンクからこのインク導入孔３２及びインク供給孔１３を介して共通インク室１２にインクが充填されるようになっている。

また、各電極基板凹部３１には、振動板１５を変位させる静電気力を発生させるための個別電極３３が、振動板１５との間に所定の間隔を確保した状態でそれぞれ配置されている。また、電極基板凹部３１内には、キャビティ基板１０の貫通孔１４に対向する領域に、図示しない駆動配線が接続される個別端子部３４が形成されており、この個別端子部３４と各個別電極３３とはリード電極３５によって接続されている。なお、図示しないが、これら各個別電極３３及びリード電極３５は絶縁膜によって封止され、また個別端子部３４と共通端子部１６との間には、接続配線を介して駆動電圧パルスを印加するための発振回路が接続されている。

そして、このようなインクジェット式記録ヘッドでは、発振回路によって個別電極３３と振動板１５（キャビティ基板１０）との間に駆動電圧を印加すると、これら個別電極３３と振動板１５との隙間に発生する静電気力によって振動板１５が個別電極３３側に撓み変形して、圧力発生室１１の容積が拡大し、駆動電圧の印加を解除すると、振動板１５が元の状態に復帰し、圧力発生室１１の容積が収縮する。そして、このとき発生する圧力発生室１１内の圧力変化によって、圧力発生室１１内のインクの一部が、ノズル２１からインク滴として吐出される。

以下、本実施形態に係る液体噴射ヘッドの製造方法、具体的には、ノズルプレートの製造工程について、図３〜５を参照して説明する。なお、図３〜５は、ノズルの列とは直交する方向の断面図である。

まず、図３（ａ）に示すように、ノズルプレート用ウェハ２００を熱酸化することにより、その表面に二酸化シリコンからなる保護膜２０１を形成する。なお、ノズルプレート用ウェハ２００は、例えば、厚さが１８０μｍのシリコンウェハであり、複数のノズルプレートが一体的に形成される。

次いで、図３（ｂ）に示すように、ノズルプレート用ウェハ２００の一方面側の保護膜２０１を、例えば、フォトリソグラフィ法によりフッ化アンモニウム等によってエッチングすることにより、所定寸法の開口部を形成する。すなわち、小径部２１ａが形成される領域に、小径部２１ａと略同一径の開口部２０２を形成する。また、個別端子部を露出させるための露出孔２４が形成される領域にも、所定形状の開口部２０３を形成する。なお、本実施形態では、開口部２０３は、露出孔２４が形成される領域の周縁部のみに形成している。次いで、図３（ｃ）に示すように、保護膜２０１をさらにハーフエッチングすることにより、大径部２１ｂが形成される領域に、大径部２１ｂと略同一径で所定深さの大径部用凹部２０４を形成する。また、インク供給路２３が形成される領域に、インク供給路２３と略同一開口形状を有する所定深さのインク供給路用凹部２０５を形成する。

次に、図４（ａ）に示すように、このような保護膜２０１をマスクとしてノズルプレート用ウェハ２００をプラズマエッチング装置によりエッチングすることによって、所定深さの凹部２０６（小径部２１ａ）及び溝部２０７を形成する。本実施形態では、ノズルプレート用ウェハ２００を異方性ドライエッチングすることで、凹部２０６（小径部２１ａ）及び溝部２０７をノズル２１の小径部２１ａと略同一深さとなるように形成する。具体的には、誘導結合型プラズマエッチング装置を用い、ＳＦ₆ガスを用いてドライエッチングするエッチング工程と、このエッチングした領域の側壁にＣ₂Ｆ₆ガスを用いてフッ素化合物のポリマーを形成する工程とを繰り返すことにより、ノズルプレート用ウェハ２００を異方性ドライエッチングする。

次に、図４（ｂ）に示すように、ノズルプレート用ウェハ２００の表面の保護膜２０１をフッ化水素水溶液でエッチングし、その厚さ方向の一部を除去して、大径部用凹部２０４，インク供給路用凹部２０５に対応する部分に開口部２０８，２０９を形成する。すなわち、大径部用凹部２０４，インク供給路用凹部２０５内の保護膜２０１が完全に除去されるまで保護膜２０１全体を均一な厚さで除去する。

そして、図４（ｃ）に示すように、この保護膜２０１をマスクとして、ノズルプレート用ウェハ２００を、プラズマエッチング装置を用いてさらにドライエッチングする。ノズルプレート用ウェハ２００を大径部２１ｂと同一の深さだけエッチングすることにより、開口部２０８に対応する部分に、小径部２１ａ及び大径部２１ｂからなるノズル２１が形成されると共に、開口部２０９に対応する領域にインク供給路２３が形成される。また同時に、溝部２０７がさらに深く形成される。

このようなノズルプレート用ウェハ２００のエッチング工程は、複数枚のノズルプレート用ウェハ２００に対して順次実施される。そして、本発明では、各ノズルプレート用ウェハ２００のエッチング工程においてプラズマエッチング装置の電極のＶｐｐ値を測定しておき、各エッチング工程でエッチング開始時に設定される「設定Ｖｐｐ値」を、前回のエッチング工程で測定された「測定Ｖｐｐ値」に基づいて調整するようにしている。

ここで、本実施形態に係るノズルプレートの製造に用いられる誘導結合型プラズマエッチング装置について説明する。図６は、誘導結合型プラズマエッチング装置の概略図である。図６に示すように、誘導結合型プラズマエッチング装置（以下、ＩＣＰ装置という）３００は、例えば、枚様式の装置であり、エッチング室３０１の中央下部にノズルプレート用ウェハ２００が載置されるステージ３０２が設けられている。エッチング室３０１の上部には、エッチング室３０１に円筒状に巻かれた誘導結合コイル３０４が設けられている。この誘導結合コイル３０４には、所定の高周波電圧（ＲＦ電圧）を印加するためのＲＦ電源３０５が接続されており、一方、ステージ３０２には、ＲＦバイアス電圧を印加するためのＲＦバイアス電源３０６が接続されている。またＩＣＰ装置３００には、エッチング工程中に、ステージ３０２に印加されるＲＦバイアス電圧の電圧差であるＶｐｐ値を測定する測定手段３０７が設けられている。

また、エッチング室３０１の上部には、例えば、電気ヒータ３０８及び冷却水が供給される冷却パイプ３０９を有する冷却手段３１０が配されており、これら電気ヒータ３０８及び冷却手段３１０によってエッチング室３０１内の温度が調整されるようになっている。さらに、エッチング室３０１には、例えば、Ｃ₄Ｆ₈、ＳＦ₆、Ｏ₂等の反応ガスを供給するためのガス供給管３１１が接続され、各反応ガスの流量はマスフローコントローラ（ＭＦＣ）３１２によって適宜調整されるようになっている。

そして、このようなＩＣＰ装置３００においてシリコン基板を加工した場合、例えば、図７のグラフに示すように、サイドエッチング量はＶｐｐ値の増加に伴って増加することが分かっている。すなわち、エッチングレートとＶｐｐ値とは正比例の関係を示すことが分かっている。なお、図７に示すデータは、ＩＣＰ装置３００によってシリコン基板に直径２０μｍ、深さ１００μｍ程度の微小凹部を形成したときのデータである。

このようにサイドエッチング量とＶｐｐ値とは正比例の関係を示すため、プラズマエッチング装置のＶｐｐ値を変化させることで、形成される凹部の形状（直径等）も変化する。また、誘導結合コイル３０４に印加するＲＦ電圧及びステージ３０２に印加するＲＦバイアス電圧を常に一定にしていても、実際のＶｐｐ値には若干のバラツキが生じてしまう。すなわち、設定Ｖｐｐ値と測定Ｖｐｐ値とが一致しない場合がある。

このため、本発明では、前回のエッチング工程での測定Ｖｐｐ値に基づいて、各エッチング工程での設定Ｖｐｐ値を調整するようにしている。すなわち、エッチング工程中に測定手段３０７によって測定される測定Ｖｐｐ値が所望のＶｐｐ値となるように、設定Ｖｐｐ値を調整するようにした。具体的には、ステージ３０２に印加するＲＦバイアス電圧を変化させることで設定Ｖｐｐ値を調整している。

このように前回のエッチング工程での測定Ｖｐｐ値に基づいて各エッチング工程の設定Ｖｐｐ値を調整することで、エッチンレートが安定し、常に所望の形状のノズル２１を形成することができる。例えば、各エッチング工程での測定Ｖｐｐ値が一定となるように設定Ｖｐｐ値を調整することで、各ノズルプレートのノズルを均一な形状に形成することができる。ただし、保護膜２０１の開口部２０２，２０８の形状に寸法誤差が生じている場合、各エッチング工程での測定Ｖｐｐ値が一定となるようにしてしまうと、ノズル２１の形状（直径）にバラツキが生じてしまうと考えられる。

このため、本実施形態では、前回のエッチング工程における測定Ｖｐｐ値と共に、保護膜２０１の開口部２０２，２０８の寸法誤差に基づいて、設定Ｖｐｐ値を調整するようにしている。具体的には、ノズルプレート用ウェハ２００をエッチングする前に、保護膜２０１の開口部２０２，２０８の寸法を測定し、例えば、開口部２０２，２０８が設計寸法よりも大きく形成されている場合には、設定Ｖｐｐ値を若干低めに調整し、設計寸法よりも小さく形成されている場合には、設定Ｖｐｐ値を若干高めに調整する。これにより、保護膜２０１の開口部２０２，２０８にある程度の寸法誤差がある場合でも、各ノズル２１を常に均一な形状に形成することができる。

以上のようにＩＣＰ装置３００を用いたドライエッチングによりノズルプレート用ウェハ２００にノズル２１を形成した後は、図５（ａ）に示すように、ノズルプレート用ウェハ２００表面の保護膜２０１をフッ酸水溶液によって、一旦全て剥離させる。次に、図５（ｂ）に示すように、ノズルプレート用ウェハ２００を熱酸化し、ノズル２１内等を含む全表面に、再び酸化膜２１１を形成する。

次に、図５（ｃ）に示すように、ノズルプレート用ウェハ２００のインク供給路２３とは反対側の面、すなわち、ノズル面側の酸化膜２１１を、例えば、フッ化アンモニウム等によってエッチングすることにより、ノズル段差部２２及び露出孔２４が形成される領域に開口部２１２，２１３を形成する。そして、図５（ｄ）に示すように、この酸化膜２１１をマスクとしてノズルプレート用ウェハ２００を、例えば、水酸化カリウム溶液（ＫＯＨ）等によって異方性ウェットエッチングすることにより、ノズル段差部２２を形成すると共に、露出孔２４を実質的に貫通させる。なお、本実施形態では、ノズル段差部２２をウェットエッチングにより形成するようにしたが、これに限定されず、例えば、ドライエッチングによって、あるいはウェットエッチングとドライエッチングとを併用して形成するようにしてもよい。

その後、図５（ｅ）に示すように、ノズルプレート用ウェハ２００表面の酸化膜２１１を、フッ酸水溶液等によって完全に剥離させる。これによって、ノズル２１がノズル段差部２２内に開口すると共に、露出孔２４が完全に貫通される。なお、その後は、図示しないが、ノズルプレート用ウェハ２００を、再び熱酸化してノズル２１等の内面にインク保護膜となる酸化膜を形成して、ダイシング等により所定の大きさに切断することによってノズルプレート２０が形成される。

以上本発明の一実施形態について説明したが、勿論、本発明はこのような実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態では、比較的高い寸法精度が要求されるノズルを形成する際に設定Ｖｐｐ値を調整するようにしたが、勿論、ノズルプレートの他の部分を形成する際に調整するようにしてもよいことは言うまでもない。さらに、本実施形態では、ステージ３０２に印加するＲＦバイアス電圧を変化させることで、設定Ｖｐｐ値を調整するようにしたが、設定Ｖｐｐ値の具体的調整方法は特に限定されるものでない。例えば、電気ヒータ３０８、冷却手段３１０等によってエッチング室３０１内の温度を調整することによっても設定Ｖｐｐ値の若干の調整は可能である。

また、例えば、インク滴を吐出するインクジェット式記録ヘッドを一例として本発明を説明したが、本発明は、他のあらゆる液滴を吐出する液体噴射ヘッドの製造方法にも採用することができるものである。他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（電界放出ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。

さらに、本発明は、液体噴射ヘッドの製造方法だけでなく、プラズマエッチング装置を用いたドライエッチングによるあらゆる基板の加工に適用することができるものである。

インクジェット式記録ヘッドを示す概略斜視図である。インクジェット式記録ヘッドの断面図である。ノズルプレートの製造工程を示す断面図である。ノズルプレートの製造工程を示す断面図である。ノズルプレートの製造工程を示す断面図である。ＩＣＰ装置を示す概略図である。Ｖｐｐ値とサイドエッチング量との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０キャビティ基板、１１圧力発生室、１２共通インク室、１３インク供給孔、１５振動板、２０ノズルプレート、２１ノズル、２０１保護膜、３００プラズマエッチング装置、３０１エッチング室、３０２ステージ、３０４誘導結合コイル、３０５ＲＦ電源、３０６ＲＦバイアス電源、３０７測定手段、３０８電気ヒータ、３０９冷却パイプ、３１０冷却手段、３１１ガス供給管、３１２ＭＦＣ

Claims

基板上に所定寸法の開口を有する保護膜を形成する工程と、該保護膜をマスクとしてプラズマエッチング装置により基板をドライエッチングするエッチング工程とを有し、
前記エッチング工程を実施中に前記プラズマエッチング装置の電極のＶｐｐ値を測定し、各エッチング工程で設定する設定Ｖｐｐ値を前回のエッチング工程時に測定された測定Ｖｐｐ値に基づいて調整することを特徴とするプラズマエッチング加工方法。
前記エッチング工程の前に、前記保護膜の開口寸法を測定する測定工程を有し、各エッチング工程での設定Ｖｐｐ値を、前回のエッチング工程で測定された測定Ｖｐｐ値と、前記保護膜の開口の寸法誤差とに基づいて設定することを特徴とする請求項１に記載のプラズマエッチング加工方法。
前記基板がシリコン基板であることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマエッチング加工方法。
前記プラズマエッチング装置が誘導結合型プラズマエッチング装置であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のプラズマエッチング加工方法。
圧力発生手段によって圧力発生室内の液体に圧力を付与してノズルから液滴を吐出する液体噴射ヘッドの製造方法であって、
請求項１〜４の何れか一項に記載のプラズマエッチング加工方法によって、前記基板であるノズルプレートに複数の前記ノズルを形成することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。