JP2008302586A

JP2008302586A - インクジェット記録ヘッドの製造方法

Info

Publication number: JP2008302586A
Application number: JP2007151760A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Murata; 辰雄村田; Hiroyuki Tokunaga; 博之徳永
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2007-06-07
Filing date: 2007-06-07
Publication date: 2008-12-18

Abstract

【課題】インク供給口を設計値通りに形成し、スムーズなインク供給を可能にすることにより印字品位に優れたインクジェットヘッドを提供する。
【解決手段】ＣＲ製法のインクジェットヘッドに於いて、インク供給口形成の為の犠牲層にＡｌＣｕを用いる。（Ｃｕの含有率を０．０５％を超え５％以下に限定。）
【選択図】図１

Description

本発明は、液体に外部からエネルギーを加えることによって、所望の液体を吐出するインクジェット記録ヘッド、およびインクジェット記録ヘッドの製造方法に関する。

熱等のエネルギーをインクに与えることで、気泡の発生を促し、この体積変化を利用して吐出口からインクを吐出し、これを記録媒体上に付着させて画像形成を行うインクジェット記録方法が知られている。インクジェット方式の中で、基板に対し垂直にインクを吐出するサイドシューター型（特開平９−０１１４７９）が提案されている。

これは、シリコン基板上に酸化シリコン膜あるいは窒化シリコン膜を形成し、前記酸化シリコン膜あるいは窒化シリコン膜上にインク吐出圧発生素子を形成し、前記シリコン基板表面にエッチング液に侵されやすい材料で薄膜を堆積しインク吐出口の形状にパターン（エッチング犠牲層）を形成し、さらに前記吐出口の形状のパターン上にエッチングストップ層を形成し、前記シリコン基板表面にインク吐出口部を形成し、前記酸化シリコン膜あるいは窒化シリコン膜形成面の裏面に開口部を設け、異方性エッチングによりインク供給口となる部分のシリコンを除去し、インク供給口部に残ったメンブレンの酸化シリコン膜あるいは窒化シリコン膜を除去する工程によって形成されていた。

エッチング犠牲層の材料としてはポリシリコンやＡｌなどの材料が、特開平１０−１８１０３２に開示されている。
特開平９−０１１４７９号公報特開平１０−１８１０３２号公報

従来のサイドシューター型のインクジェット記録ヘッドでは、エッチング犠牲層にポリシリコンやＡｌなどを用いていた。ポリシリコンの犠牲層を用いた場合、ＴＭＡＨに対するエッチング速度が相対的に遅いため、犠牲層のエッチング残りが問題になることがあった。

図２〜１５は、Ｓｉ（１１０）基板に、ポリシリコンの犠牲層を用いてインクジェット記録ヘッドのベース基板を作製するプロセスを示したものである。図３（平面図１６）の様な形状で、ポリシリコンの犠牲層を用いて、異方性エッチで供給口を形成しようとすると、平行四辺形の狭角から斜めに発生する（１１１）面残りで、図１８のように犠牲層が残ってしまうため、表面の開口部が設計値より狭くなってしまっている。

いっぽう、Ａｌを犠牲層に用いた場合には上記のような問題は起こらないかわりに、耐食性が低いためにプロセス途中で、剥離液や洗浄の際に、犠牲層パターンが腐食されて所望の性能が得られないという問題が起こることもあった。

上記のような問題点は、シリコン基板上に畜熱層として酸化シリコン膜あるいは窒化シリコン膜などの絶縁膜を形成する工程、前記膜上にインク吐出圧発生素子を形成する工程、前記シリコン基板表面にエッチング液に侵されやすい材料で薄膜を堆積しインク吐出口の形状にパターンを形成する工程、前記吐出口の形状のパターン上にエッチングストップ層を形成する工程、前記酸化シリコン膜あるいは窒化シリコン膜が形成された裏面に開口部を設け、異方性エッチングによりインク供給口となる部分のシリコンを除去する工程、インク供給口部に残ったメンブレンの酸化シリコン膜あるいは窒化シリコン膜を除去する工程を少なくとも含むインクジェット記録ヘッドの製造方法であって、前記基板表面の吐出口の形状の薄膜パターンの材質がＡｌとＣｕを含む合金であることを特徴とするインクジェット記録ヘッドの製造方法によって解決される。

［作用］
エッチング犠牲層にＡｌとＣｕを含む合金を用いることによって、ＴＭＡＨに対して十分なエッチング性能と、プロセス中の耐食性を両立させることが可能になる。

以上述べたように本発明によれば、エッチング犠牲層にAlCuを用いることにより、インク供給口を設計通りに作ることが可能となった。よって、インク供給がスムーズに行われ、連続吐出が著しく安定し、高品位なインクジェットヘッドを得ることができた。

［実験１］
以下に、本発明に関わる実験について述べる。図２０は実験に用いたサンプルの断面構造を示したものである。５インチΦ、厚さ６２５μｍのＳｉ（１１０）ウエハの表面にＡｌＣｕ膜を３０００Å堆積し図１６のようにパターニングして犠牲層（211）とした。

ＡｌとＣｕの組成は、Ａｌ／Ｃｕ＝９９．９／０．１〜８０／２０まで変化させた。

犠牲層の形状は狭角が７０．５度の平行四辺形で、幅１５０μｍ、長さ２ｍｍとした。その上にプラズマＣＶＤによるＳｉＮ膜を６０００Å堆積してエッチングストップ層（204）とした。また基板の裏面には、熱酸化膜を図２０（ａ）のように、犠牲層と鏡像の関係にパターニングしたエッチングパターンが形成してある。裏面の供給口パターンの平行四辺形の狭角から３０μｍ離れたところに、深さ約５００μｍのレーザー先導孔を空けた。

このサンプルを、テトラ・アンモニウム・メチル・ハイドライド（ＴＭＡＨ）に浸せきして、裏面よりシリコンを異方性エッチングした。エッチング条件はTMAH21%,83℃、エッチング時間は８時間であった。すると、シリコンに開いた穴は最後には犠牲層に到達し、犠牲層をエッチングしてエッチングストップ層で止まる。表面の犠牲層は、犠牲層の材質によっては図２０（ｃ）のように、エッチング残りが発生する。

図２３は、犠牲層のＡｌ／Ｃｕの組成と犠牲層の残り量Ｘの値の関係を示したものである。

Ｃｕの組成が0.1〜5.0 ％の時、この条件下で表面の犠牲層はすべてエッチングされることが判った。
［実験２］
Ｓｉウエハ上に、組成を変えたＡｌＣｕを３０００Å堆積し、配線パターンを形成した。この工程において、アルカリ系のレジストの剥離剤によって、Ｃｕの含有量が0.05％以下の時にはパターンの膜減りや消失が起こった。（図２１参照）
［実施態様例］
図１は本発明による実施態様例を示すインクジェット記録ヘッドの製造工程途中のヒーターボード基板の模式図である。基板としては（１００）または（１１０）のＳｉウエハが用いられる。ウエハの表面にＡｌＣｕ膜を３０００Å堆積し平面図（図１６）のようにパターニングして犠牲層（211）とした。犠牲層の平面形状は、Ｓｉ（１００）基板の場合は図１９のように長方形で、Ｓｉ（１１０）基板の場合は図16のように、狭角が７０．５度の平行四辺形とする。

また、犠牲層のＣｕ組成は、最適範囲の0.5〜5.0％である。

その上にスパッター、蒸着やプラズマＣＶＤによって薄膜を堆積してエッチングストップ層（204）とした。

犠牲層に隣接して、ヒーター（106）や配線（203）等が配置されている。

また基板の裏面には、耐アルカリ性の膜を平面図（図17）及び図１４のようにパターニングしたエッチングパターンが形成してあり、ここから異方性エッチングにより、表面の犠牲層へ向かって貫通口を開けインク供給口を形成する。

次に、本発明によるインクジェット記録ノズルのプロセスを図2〜図１９を使って順を追って説明する。

（１）基板面方位（１１０）または（１００）のシリコン基板（101）(この断面図では（１１０）基板を使って説明する）の片面に例えばプラズマＣＶＤで図3(211)のようにポリシリコン、アモルファスシリコンやアルミなどの薄膜を堆積してフォトリソ技術によってインク供給口として所望のパターンを形成する。この平面形状は、（１００）基板を用いるときは、パターンは図１９のように長方形に配置する。また、（１１０）基板を用いるときは、パターンは基板に対して垂直にエッチング穴があくように、図１６のように狭角が７０．５度をなす平行四辺形とし、平行四辺形の長辺および短辺は（１１１）と等価の面に平行になるように配置する。これはエッチング犠牲層と呼ばれ、裏面からエッチングが進行してエッチャントが犠牲層に到達するとＳｉウエハよりエッチングレートが格段に速いので短時間にエッチングされ、犠牲層パターンに対応した開口部を開けることができるものである。

犠牲層は、リアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）等によりパターニングした。

基板表面上にエッチングストップ層（204）として、プラズマＣＶＤ法等によって、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、ＳｉＯ₂膜を堆積する。

インク供給口に合わせて、インク吐出圧力発生素子としてヒーター部図６（106）形成する。ヒーター材料としては、Ｔａ、ＴａＮ、ＴａＮＳｉ等などの金属膜をスパッターや真空蒸着等によって堆積しパターニングする。さらに電力供給用の電極図６（203）としてＡｌ、Ｍｏ、Ｎｉ等の金属膜を同様にして形成する。

ヒーターには耐久性の向上を目的としてプラズマＣＶＤ等でＳｉＮ膜等図７（414）を堆積し保護膜とする。

この上に、耐キャビテーション膜図８(412)としてスパッター法等でＴａを堆積する。この膜の膜厚は、好ましくは１０００〜５０００Å、さらに好ましくは２０００〜４０００Å、最適には２５００〜３５００Åである。

また、配線とヒーターの形成の順番等に特に制限がないのは言うまでもない。

樹脂製のノズルの密着性を上げるためと、裏面をアルカリエッチャントから保護するために、耐食性の高い樹脂膜図９（413）を形成する。そして、ヒーター部とインク供給口部をパターニングする。

インク流路確保のために、強アルカリや有機溶剤等で溶解可能な樹脂でパターン（414）を形成する。このパターンは、印刷法や感光性樹脂によるパターニング等で形成する。

インク流路のパターンの上に、被覆樹脂層図１１（415）を形成する。この被覆樹脂層は微細パターンを形成するので感光性レジストが望ましく、さらに流路を形成した樹脂層を除去する際のアルカリや溶剤等によって変形変質しない性質が必要である。

次に流路の被覆樹脂層（415）をパターニングして、ヒーター部（106）に対応したインク吐出口（613）と電極の外部接続部を形成する。この後、被覆樹脂層を光や熱等によって硬化する。

この基板のノズル形成面側を保護するためレジストで保護膜図１２（417）を形成する。

裏面の耐アルカリ性のマスク材をフォトリソ技術を使って、裏面のインク供給口のパターン部分図１３（418）を除去しウエハ面を露出させる。このパターンの形状は、犠牲層とは鏡像関係（平面図17）になるように形成する。裏面のエッチングマスク膜の製法は、プラズマＣＶＤに限定されるものではなく、ＬＰＣＶＤ法や常圧ＣＶＤ、熱酸化法などでも良い。

次に裏面の平行四辺形の狭角の近傍部分（裏面の平面図17）に、エッチング先導孔図１４（419）をあける。一般的には、レーザー加工などが用いられるが、放電加工、ブラスト等でも良い。

この先導孔は、エッチングストップ層に限りなく近くまであける。先導孔の深さは、一般には基板厚さの６０％以上、好ましくは７０％以上、最適には８０％以上である。また、基板を貫通してはならない。この先導孔によって、平行四辺形の狭角から発生する斜めの（１１１）面が抑制される。

この基板をアルカリ系エッチャント（ＫＯＨ、ＴＭＡＨ、ヒドラジン等）に浸け、（１１１）面が出るように異方性エッチングすると、平面形状が平行四辺形（（１００）基板の場合長方形）の貫通穴が形成される。

エッチングストップ層（204）のＳｉＮ等の膜をフッ酸等の薬液または、ドライエッチ等で部分的に除去してインク供給口を開口する。最後にインク流路形成材（414）を除去し、インクの流路を確保する。

上記プロセスにおいて、基板の加工手順は特に限定されるものではなく、任意に選ぶことができる。

以下に、本発明によるインクジェット記録ヘッドの基板について説明する。

図１は本発明による実施態様例を示すインクジェット記録ヘッドの製造工程途中のヒーターボード基板の模式図である。基板として５インチΦＳｉ（１１０）ウエハを用いた。ウエハの表面にＡｌＣｕ膜(Al:95% , Cu:５%)を３０００Å堆積し平面図16のようにパターニングして犠牲層（211）とした。犠牲層の平面形状は、狭角が７０．５度の平行四辺形とした。犠牲層の幅は１６０μｍ、長さは８ｍｍとした。

その上にＳｉＮ膜を６０００Å堆積してエッチングストップ層（204）とした。またこの膜の応力は、１．２ｅｘｐ−９dyne/cmであった。

犠牲層に隣接して、ＴａＳｉＮのヒーター（106）とＡｌＣｕの配線（203）を配置した。

また基板の裏面には、酸化膜５０００Åの上に耐アルカリ性の膜（HIMAL（登録商標）日立化成製）を平面図（17）のようにパターニングしエッチングにより形成した。

そして、図１７に示すようにレーザーにて先導口を開けた。穴の深さは４５０ミクロンであった。そして、異方性エッチングにより、表面の犠牲層へ向かって貫通口を開けインク供給口を形成した。このようにして作られたインク供給口は、図２４に示したように犠牲層形状通りであった。また、基板裏面からのSiエッチングに於いては、垂直にエッチングされていることが確認された。

以下に、本発明によるインクジェット記録ヘッドの基板の他の実施例について説明する。

図２２は本発明による実施態様例を示すインクジェット記録ヘッドの製造工程途中のヒーターボード基板の模式図である。基板として５インチΦＳｉ（１００）ウエハを用いた。ウエハの表面にＡｌＣｕ膜(Al:99.5% , Cu:0.5%)を３０００Å堆積し平面図１９のようにパターニングして犠牲層（211）とした。犠牲層の平面形状は、長方形とした。犠牲層の幅は１６０μｍ、長さは１０ｍｍとした。

その上にＳｉＮ膜を６０００Å堆積してエッチングストップ層（204）とした。またこの膜の応力は、１．０ｅｘｐ−９dyne/cmであった。

犠牲層に隣接して、ＴａＮのヒーター（106）とＡｌＣｕの配線（203）を配置した。

また基板の裏面には、プラズマＳｉＮ膜６０００Åの上に耐アルカリ性の膜（HIMAL（登録商標）日立化成製）を平面図１９のようにパターニングしたエッチングパターンが形成した。このパターンは、異方性エッチングによってウエハ断面にテーパーが付くことを考慮して、幅460uｍ、長さ10.3ｍｍの長方形とした。

ここから異方性エッチングにより、表面の犠牲層へ向かって貫通口を開けインク供給口を形成した。このようにして得られたものは、犠牲層形状通りのインク供給口であった。また、基板裏面からのSiエッチングに於いてはテーパ状にエッチングされていることが確認された。（図２２）

(比較例１)
以下に、本発明の比較例を説明する。

実施例１と同様の構成で、AlCu膜の組成比のみが異なるものについて作成を試みた。AlCuの組成比を99.95%:0.05%とし、犠牲層兼配線膜として成膜した後、フォトリソ工程によりパターニングをしたところ、レジストの剥離工程でAlCuが浸食され、膜減り、及び一部に於いては膜が全く無くなってしまった。そのため、このフォトリソ工程では、犠牲層が形成されていても所望の形状に供給口が形成できないことが明らかになった。

(比較例２)
以下に、本発明の比較例を説明する。

実施例１と同様の構成でAlCu膜の組成比のみが異なるものについて作成を試みた。AlCuの組成比を80%:20%とし、異方性エッチングを行った結果、犠牲層のエッチング速度がCuの含有量の少ないものに比べて著しく遅く、図１８に示したように犠牲層残りが生じてしまった。この犠牲層残りによって、インク供給口幅は所望の寸法より１２０um小さく仕上がってしまった。よって、インク供給がスムーズにおこなうことができないため、安定した吐出ができず、品位に劣るものとなった。

本発明によるインクジェット記録ヘッドの断面を示す概略図本発明によるインクジェット記録ヘッドの製造フローを示す図本発明によるインクジェット記録ヘッドの製造フローを示す図本発明によるインクジェット記録ヘッドの製造フローを示す図本発明によるインクジェット記録ヘッドの製造フローを示す図本発明によるインクジェット記録ヘッドの製造フローを示す図本発明によるインクジェット記録ヘッドの製造フローを示す図本発明によるインクジェット記録ヘッドの製造フローを示す図本発明によるインクジェット記録ヘッドの製造フローを示す図本発明によるインクジェット記録ヘッドの製造フローを示す図本発明によるインクジェット記録ヘッドの製造フローを示す図本発明によるインクジェット記録ヘッドの製造フローを示す図本発明によるインクジェット記録ヘッドの製造フローを示す図本発明によるインクジェット記録ヘッドの製造フローを示す図本発明によるインクジェット記録ヘッドの製造フローを示す図（１１０）面方位Si基板を用いたときのインク供給口の平面図（１１０）面方位Si基板を用いたときのインク供給口の裏面の平面図（１１０）面方位Si基板を用いたときのインク供給口の平面図（Cu含有量が多い場合）（１００）面方位Si基板を用いたときのインク供給口の平面図実験１を説明するためのヘッド断面図とインク供給口の平面図犠牲層が浸食されていることを説明する為のインクジェットヘッド基板の断面図（１００）面方位Si基板を用いたときのインクジェットヘッドの断面図 AlCuのCu含有量と犠牲層残りの関係を表したグラフ本発明によるインクジェット記録ヘッドの断面を示す概略図

符号の説明

１０１Ｓｉ基板
１０６ヒーター
２０３Ａｌ配線電極
２０４エッチングストップ層
２１１犠牲層
２１２犠牲層残り
２１３ＳｉＯ₂
４１２耐キャビテーション膜
４１３密着性向上樹脂膜
４１４保護膜
４１５ノズル形成材
４１７エッチング用保護膜
４１８裏面供給口
４１９レーザー加工エッチング供給口
５０６酸化膜
６１３吐出口

Claims

シリコン基板上に畜熱層として絶縁膜を形成する工程、前記膜上にインク吐出圧発生素子を形成する工程、前記シリコン基板表面にエッチング液に侵されやすい材料で薄膜を堆積しインク吐出口の形状にパターンを形成する工程、前記吐出口の形状のパターン上にエッチングストップ層を形成する工程、前記酸化シリコン膜あるいは窒化シリコン膜が形成された裏面に開口部を設け、異方性エッチングによりインク供給口となる部分のシリコンを除去する工程、インク供給口部に残ったエッチングストップ層の酸化シリコン膜あるいは窒化シリコン膜を除去する工程を少なくとも含むインクジェット記録ヘッドの製造方法であって、前記基板表面の吐出口の形状の薄膜パターンの材質がＡｌとＣｕを含む合金であることを特徴とするインクジェット記録ヘッドの製造方法。
前記ＡｌとＣｕを含む合金でできた基板表面の吐出口の形状の薄膜パターン材料が、Ｃｕの含有量が0.05%を超え5.0%以下であることを特徴とする請求項第１項記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。
前記ＡｌとＣｕを含む合金でできた基板表面の吐出口の形状の薄膜パターン材料が、Ａｌの含有量が95%以上99.5%未満であることを特徴とする請求項第１項記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。
前記異方性エッチングに用いるエッチング液はテトラ・メチル・アンモニウム・ハイドライド（ＴＭＡＨ）であることを特徴とする請求項第１項記載のインクジェット記録ヘッドの製造方法。