JP2009148941A - Inkjet recording head and method for production of the same - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to an inkjet recording head that discharges a desired liquid by applying energy to the liquid from the outside, and a method for manufacturing the inkjet recording head.
インクジェット記録ヘッドに関しては、特開昭54−51837号公報に記載されているインクジェット記録ヘッドは、熱エネルギーを液体に印加し、この熱エネルギーを受けた液体が加熱されて気泡を発生し、この気泡発生に基づく作用力によって、記録ヘッド部先端のオリフィスから液滴が吐出され、この液滴が被記録部材に付着して情報の記録が行われるということを特徴としている。 Regarding the ink jet recording head, the ink jet recording head described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 54-51837 applies thermal energy to a liquid, and the liquid receiving the thermal energy is heated to generate bubbles, and the bubbles A droplet is ejected from the orifice at the tip of the recording head by an acting force based on the generation, and the droplet adheres to a recording member to record information.
この記録法に適用される記録ヘッドは、一般に液体を吐出するために設けられたオリフィスと、このオリフィスに連通して液滴を吐出するための熱エネルギーが液体に作用する部分である熱作用部を構成の一部とする液流路とを有する液吐出部及び熱エネルギーを発生する手段である熱変換体としての発熱抵抗層とそれをインクから保護するヒータ保護層及び、キャビテーションから保護する耐キャビテーション層と蓄熱するための蓄熱層(下部層)を具備している。 A recording head applied to this recording method generally includes an orifice provided for discharging a liquid, and a heat acting portion that is a portion where heat energy for discharging a droplet communicated with the orifice acts on the liquid. A liquid discharge section having a liquid flow path as a part of the structure, a heat generation resistance layer as a heat conversion body that is a means for generating thermal energy, a heater protection layer that protects it from ink, and a resistance to protection from cavitation It has a cavitation layer and a heat storage layer (lower layer) for storing heat.
また、特開平9−11479号公報にインク供給口を異方性エッチングで形成する方法が提案されている。さらに、インク供給口を異方性エッチングで精度良く形成する方法が特開平10−181032号公報に提案されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-11479 proposes a method of forming an ink supply port by anisotropic etching. Further, a method for forming an ink supply port with high precision by anisotropic etching has been proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-181032.
プロセスを簡単に記すと、
1)シリコン基板を熱酸化により基板表面に二酸化シリコン膜を形成する、
2)次に、二酸化シリコン膜上に発熱抵抗体を形成し、
3)所定の場所の二酸化シリコン膜を除去し、
4)二酸化シリコンを除去した部分にpoly−Si膜を成膜、形成し犠牲層とした、
5)更に、発熱抵抗体と埋め込み犠牲層上に窒化シリコン膜からなるパッシベーション層を形成、
6)この後、後工程により流路形成層、ノズル形成層を形成し、
7)裏面よりTMAHにてシリコンの異方性エッチングを行い、
8)二酸化シリコン膜を除去し、更に、TMAHにて犠牲層を除去し、
9)インク供給口のパッシベーション膜をRIEにて除去してインクジェット記録ヘッドを作成している。
1) A silicon dioxide film is formed on the surface of a silicon substrate by thermal oxidation.
2) Next, a heating resistor is formed on the silicon dioxide film,
3) Remove the silicon dioxide film in place,
4) A poly-Si film was formed and formed on the portion from which the silicon dioxide was removed to form a sacrificial layer.
5) Further, a passivation layer made of a silicon nitride film is formed on the heating resistor and the buried sacrificial layer.
6) Thereafter, the flow path forming layer and the nozzle forming layer are formed by a post process,
7) Perform anisotropic etching of silicon from the back surface with TMAH,
8) The silicon dioxide film is removed, and the sacrificial layer is removed with TMAH.
9) The ink jet recording head is formed by removing the passivation film at the ink supply port by RIE.
従来、特開平10−181032号公報でインクジェット記録ヘッドを形成する方法において、TMAHにて犠牲層をエッチングして除去し窒化シリコン膜からなるパッシベイション層の一部からなるメンブレンを形成している。パッシベイション層とメンブレンは、同一工程で成膜・形成されている為、膜厚は同じ厚さである。 Conventionally, in the method of forming an ink jet recording head in Japanese Patent Laid-Open No. 10-181032, a sacrificial layer is etched away by TMAH to form a membrane made of a part of a passivation layer made of a silicon nitride film. . Since the passivation layer and the membrane are formed and formed in the same process, the film thickness is the same.
ところが、発熱抵抗体上に形成される保護膜の膜厚は、インク吐出効率の関係より膜厚は信頼性を確保できる膜厚があればよく、必要以上厚くならない方が望ましい。信頼性を確保する為ならば、少なくとも250nm以上あれば良い。 However, the film thickness of the protective film formed on the heating resistor is not limited to a thickness that is more than necessary, as long as the film thickness is sufficient to ensure reliability from the relationship of ink ejection efficiency. In order to ensure reliability, at least 250 nm is sufficient.
一方、異方性エッチングによりインク供給口を形成する工程で、メンブレンとなるパッシベイション層の膜厚は、工程内でのメンブレン割れ不良を低減するためには、500nm以上の膜厚が必要であり、望ましくは1000nm以上の膜厚を確保する必要がある。 On the other hand, in the process of forming the ink supply port by anisotropic etching, the thickness of the passivation layer to be a membrane needs to be 500 nm or more in order to reduce membrane cracking defects in the process. It is necessary to secure a film thickness of 1000 nm or more.
インク吐出効率を向上させる事を優先すると、メンブレン(パッシベイション層)の膜厚は薄くなり、異方性エッチング時にメンブレンが割れて、歩留まりが良くなくなるという問題があり、一方、異方性エッチング時のメンブレンが割れを防止するために、パッシベイション層の膜厚を厚くすることにより、発熱抵抗体での消費電力に比しインクの吐出効率が劣化するとともに、駆動の高速化の障害となる問題があった。 If priority is given to improving ink ejection efficiency, the membrane (passivation layer) will be thin, and the membrane will crack during anisotropic etching, resulting in poor yields. In order to prevent the membrane from cracking, increasing the thickness of the passivation layer will degrade the ink ejection efficiency compared to the power consumption of the heating resistor, and hinder the speeding up of the drive. There was a problem.
なお、図9は、従来例によるインクジェット記録ヘッドの製造工程フローを示す図である。 FIG. 9 is a diagram showing a manufacturing process flow of an ink jet recording head according to a conventional example.
上記問題点を解決するために、本発明では、インクを吐出する複数の発熱抵抗体を保護するヒータ保護膜が形成されており、さらに耐キャビテーション膜が形成された発熱抵抗体を備え、エッチングによりインク供給口を形成するインクジェット記録ヘッド用基板において、ヒータ保護膜とエッチングストップ層が同一材料であり、ヒータ保護膜の膜厚がエッチングストップ層の膜厚より薄くすることを特徴とする事によって、ヒータ保護膜として最適な膜厚と、エッチングストップ層としての最適な膜厚をおのおの設定できる為、
エッチングストップ層の膜厚が薄く異方性エッチング時にメンブレンが割れて、歩留まりが良くなくなるという問題と、発熱抵抗体上に形成される保護膜の膜厚が厚くなり、インク吐出効率が良くなくなるという問題が解決できる。
In order to solve the above problems, in the present invention, a heater protective film for protecting a plurality of heat generating resistors for discharging ink is formed, and further, a heat generating resistor having a cavitation-resistant film is provided, and etching is performed. In the inkjet recording head substrate forming the ink supply port, the heater protective film and the etching stop layer are made of the same material, and the thickness of the heater protective film is made thinner than the thickness of the etching stop layer, Since it is possible to set the optimum film thickness as the heater protection film and the optimum film thickness as the etching stop layer,
The problem is that the etching stop layer is thin and the membrane is cracked during anisotropic etching, resulting in poor yield, and the protective film formed on the heating resistor is thick, resulting in poor ink ejection efficiency. The problem can be solved.
本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法においては、ヒータ上に形成された耐キャビテーション膜であるTaの上層部に成膜された第二のエッチングストップ層をドライエッチングにより除去する工程で、耐キャビテーション膜をドライエッチングストップ層とすることにより、選択的に第二のエッチングストップ層が除去できる。 In the method of manufacturing an ink jet recording head of the present invention, the second etching stop layer formed on the upper layer portion of Ta, which is a cavitation resistant film formed on the heater, is removed by dry etching. By using as a dry etching stop layer, the second etching stop layer can be selectively removed.
この工程により、ヒータ保護膜として最適な膜厚と、エッチングストップ層としての最適な膜厚をおのおの設定が可能となる。
『実験』
[実験1]
エッチングストップ層としてのプラズマCVDによる窒化シリコン膜(p-SiNx)の成膜条件依存性と応力、耐アルカリ性、耐BHF性の関係
プラズマCVDによる窒化シリコン膜(p-SiNx)の成膜条件依存性と応力、耐アルカリ性、耐BHF性の関係について調べた。
By this step, it is possible to set an optimum film thickness as a heater protective film and an optimum film thickness as an etching stop layer.
"Experiment"
[Experiment 1]
Dependence of deposition conditions on silicon nitride film (p-SiNx) by plasma CVD as an etching stop layer and stress, alkali resistance, and BHF resistance Dependence on deposition conditions of silicon nitride film (p-SiNx) by plasma CVD And the relationship between stress, alkali resistance, and BHF resistance were investigated.
膜応力の測定は、5インチΦ、厚さ625μmの基板面方位(100)のシリコンウエハに、膜厚5000Åで組成をそれぞれ変化させ、ZYGOの干渉変位計を用いて膜変形を測り、応力を算出した。 The film stress was measured by changing the composition to a silicon wafer having a substrate surface orientation (100) of 5 inches Φ and a thickness of 625 μm with a film thickness of 5000 mm, measuring the film deformation using a ZYGO interference displacement meter, and measuring the stress. Calculated.
また、耐アルカリ性は、シリコンウエハに、膜厚5000Åで組成をそれぞれ変化させた膜を形成し、20%のTMAH水溶液(エッチャント温度は83℃)に浸漬し、エッチングレートを測定した。 In addition, the alkali resistance was determined by forming a film having a thickness of 5000 mm on a silicon wafer and changing the composition, immersing the film in a 20% aqueous TMAH solution (an etchant temperature of 83 ° C.), and measuring the etching rate.
基板方位100のSiのエッチングレートは30から50μm/hrであった。 The etching rate of Si with a substrate orientation of 100 was 30 to 50 μm / hr.
また、耐BHF性は、上記耐アルカリ性検討試料と同様な試料を作成し、BHFに浸漬しエッチングレートを測定した。BHFは、ダイキン工業製 BHF63Uを用いた。HF:6mass%、NH4F30.1mass%、残りH2Oである。 For the BHF resistance, a sample similar to the alkali resistance test sample was prepared and immersed in BHF to measure the etching rate. BHF used was Daikin Industries BHF63U. HF: 6 mass%, NH 4 F 30.1 mass%, and the remaining H 2 O.
本実験で使用したBHFでの熱酸化SiO2膜のエッチングレートは900から1000Å/minであった。 The etching rate of the thermally oxidized SiO 2 film with BHF used in this experiment was 900 to 1000 Å / min.
尚、プロセス上、TMAHのエッチングレートは500Å/hr以下、BHFのエッチングレートは200Å/min以下が必要である。 In the process, it is necessary that the etching rate of TMAH is 500 以下 / hr or less and the etching rate of BHF is 200 Å / min or less.
プラズマCVDによる窒化シリコン膜は、原料ガスとして、SiH4/NH3/N2を用い、SiH4は200sccm、N2は2000sccm、基板温度は300℃、圧力は1500mTorr、固定とし、NH3ガス流量とRFパワーをパラメータとしてp-SiNxの膜応力を変化させた。 The silicon nitride film formed by plasma CVD uses SiH 4 / NH 3 / N 2 as a source gas, SiH 4 is 200 sccm, N 2 is 2000 sccm, the substrate temperature is 300 ° C., the pressure is 1500 mTorr, and the NH 3 gas flow rate is fixed. The film stress of p-SiNx was changed using RF power as a parameter.
(表1-1はRFパワー1500Wにおける、NH3ガス流量と応力、エッチングレートの関係を示したものである。)
(表1-2、表1-3、表1-4は、RFパワー1000W、750W,500Wにおける、NH3ガス流量と応力、エッチングレートの関係を示したものである。)
1)RFパワー1500Wで堆積させたp―SiNx膜の膜応力はNH3流量が増加するに従って、圧縮から引っ張りに変化するが、TMAH、BHFのエッチングレートも急増する。TMAHのエッチングレートが500Å/hr以下、且つBHFエッチングレートが200Å/min以下であるp−SiNxの膜応力は圧縮の−5×109dyne/cm2以上である。
(Table 1-1 shows the relationship between NH 3 gas flow rate, stress, and etching rate at RF power of 1500 W.)
(Tables 1-2, 1-3, and 1-4 show the relationship between NH 3 gas flow rate, stress, and etching rate at RF powers of 1000 W, 750 W, and 500 W.)
1) Although the film stress of the p-SiNx film deposited with RF power of 1500 W changes from compression to tension as the NH 3 flow rate increases, the etching rates of TMAH and BHF also increase rapidly. The film stress of p-SiNx having a TMAH etching rate of 500 Å / hr or less and a BHF etching rate of 200 Å / min or less is −5 × 10 9 dyne / cm 2 or more of compression.
2)表1−2、表1−3、表1−4にRFパワーを変えて、同様な実験を行った結果を示す。 2) Tables 1-2, 1-3, and 1-4 show the results of similar experiments with different RF powers.
低RFパワー、低NH3流量領域で膜応力、TMAH、BHFエッチングレートの要求スペックを満足するプラズマCVDによる窒化シリコン膜を得る事ができた。(表1−2のNo2、表1−3のNo1、2、表1−4のNo1)
従って、プラズマCVDの成膜パラメータを制御することにより低膜応力で、TMAH、BHFエッチングレートの要求スペックを満足する窒化シリコン膜(p-SiNx)が得られることが分かった。
It was possible to obtain a silicon nitride film by plasma CVD satisfying the required specifications of film stress, TMAH, and BHF etching rate in the low RF power and low NH3 flow rate region. (No. 2 in Table 1-2, No. 1 and No. 2 in Table 1-3, No. 1 in Table 1-4)
Therefore, it was found that a silicon nitride film (p-SiNx) satisfying the required specifications of the TMAH and BHF etching rates can be obtained with low film stress by controlling the film formation parameters of plasma CVD.
表1―1 (RFパワー 1500W)
SiH4(200sccm)、N2(2000sccm)、Press_1.5Torr、RFpower_1500w
No NH3 膜応力 TMAHエッチングレート BHFエッチングレート
Sccm dyne/cm2 Å/hr Å/min
1 0 −9×109 95 80
2 100 −8×109 110 160
3 300 −5×109 140 530
4 500 −2×109 150 650
5 700 −2×109 220 1000
6 1000 −0.5×109 300 1500
7 1200 +2×109 650 3000
8 1500 +5×109 1000 5000
表1―2 (RFパワー 1000W)
SiH4(200sccm)、N2(2000sccm)、Press_1.5Torr、RFpower_1000w
No NH3 膜応力 TMAHエッチングレート BHFエッチングレート
Sccm dyne/cm2 Å/hr Å/min
1 0 −5×109 120 80
2 50 −3×109 120 100
3 100 −2×109 130 190
4 300 +3×109 190 1400
5 500 +4×109 230 3100
表1―3 (RFパワー 750W)
SiH4(200sccm)、N2(2000sccm)、Press_1.5Torr、RFpower_500w
No NH3 膜応力 TMAHエッチングレート BHFエッチングレート
Sccm dyne/cm2 Å/hr Å/min
1 0 −1×109 125 105
2 50 +3×109 130 190
3 100 +4×109 250 220
4 300 +7×109 720 5200
表1―4 (RFパワー 500W)
SiH4(200sccm)、N2(2000sccm)、Press_1.5Torr、RFpower_500w
No NH3 膜応力 TMAHエッチングレート BHFエッチングレート
Sccm dyne/cm2 Å/hr Å/min
1 0 +1×109 150 100
2 50 +3×109 200 300
3 100 +5×109 450 920
4 300 +7×109 720 7200
[実験2]
エッチングストップ層の破れが発生しない膜応力範囲
図1−bは、本発明によるインクジェット記録ヘッドの製造工程の途中の部分の素子断面略図である。図1−cは、さらにSi基板に異方性エッチで基板下部から穴加工を施したものである。エッチングは犠牲層103までを除去する。異方性エッチのエッチャントはエッチングストップ層106で阻止され、上部の樹脂でできたノズル部や流路形成材はエッチャントから保護されている。このエッチングストップ層に要求されるのは、耐エッチャント性とメンブレンとしての強度である。そこで、エッチングストップ層としてp−SiNxを6000Å積層してサンプルを作製し、Si基板の異方性エッチング後に、上部の樹脂層などがエッチャントの浸入によってダメージを受けていないかどうか、顕微鏡によって観察した。
Table 1-1 (RF power 1500W)
SiH 4 (200sccm), N 2 (2000sccm), Press_1.5Torr, RFpower_1500w
No NH 3 film stress TMAH etching rate BHF etching rate
Sccm dyne / cm 2 Å / hr Å / min
1 0 -9 × 10 9 95 80
2 100 -8 × 10 9 110 160
3 300 -5 × 10 9 140 530
4 500 -2 × 10 9 150 650
5 700 -2 × 10 9 220 1000
6 1000 -0.5 × 10 9 300 1500
7 1200 + 2 × 10 9 650 3000
8 1500 + 5 × 10 9 1000 5000
Table 1-2 (RF power 1000W)
SiH 4 (200sccm), N 2 (2000sccm), Press_1.5Torr, RFpower_1000w
No NH 3 film stress TMAH etching rate BHF etching rate
Sccm dyne / cm 2 Å / hr Å / min
1 0 -5 × 10 9 120 80
2 50 -3 × 10 9 120 100
3 100 -2 × 10 9 130 190
4 300 + 3 × 10 9 190 1400
5 500 + 4 × 10 9 230 3100
Table 1-3 (RF power 750W)
SiH 4 (200sccm), N 2 (2000sccm), Press_1.5Torr, RFpower_500w
No NH 3 film stress TMAH etching rate BHF etching rate
Sccm dyne / cm 2 Å / hr Å / min
1 0 -1 × 10 9 125 105
2 50 + 3 × 10 9 130 190
3 100 + 4 × 10 9 250 220
4 300 + 7 × 10 9 720 5200
Table 1-4 (RF power 500W)
SiH 4 (200sccm), N 2 (2000sccm), Press_1.5Torr, RFpower_500w
No NH 3 film stress TMAH etching rate BHF etching rate
Sccm dyne / cm 2 Å / hr Å / min
1 0 + 1 × 10 9 150 100
2 50 + 3 × 10 9 200 300
3 100 + 5 × 10 9 450 920
4 300 + 7 × 10 9 720 7200
[Experiment 2]
FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of an element in the middle of the manufacturing process of the ink jet recording head according to the present invention. FIG. 1C shows a case where a hole is drilled from the lower part of the Si substrate by anisotropic etching. Etching removes up to the
その結果を表2に示す。膜応力が、-3×10-9dyne/cm2以上の圧縮応力、3×10-9dyne/cm2以上の引っ張り応力時、エッチングストップ層に破れが生じる場合があることが判った。 The results are shown in Table 2. It was found that when the film stress is a compressive stress of −3 × 10 −9 dyne / cm 2 or more and a tensile stress of 3 × 10 −9 dyne / cm 2 or more, the etching stop layer may be broken.
即ち、膜応力が-3×10-9dyne/cm2から3×10-9dyne/cm2の範囲内でエッチングストップ層の割れが発生しないことが分かった。
表2
No 積層膜の膜応力 破れの発生状況
1 -5 ×109dyne/cm2 100% 破れ発生
2 -4 ×109dyne/cm2 50% 破れ発生
3 -3 ×109dyne/cm2 0% 破れ発生
4 -0.5×109dyne/cm2 0% 破れ発生
5 +3 ×109dyne/cm2 0% 破れ発生
6 +4 ×109dyne/cm2 30% 破れ発生
7 +5 ×109dyne/cm2 100% 破れ発生
[実験3]
上記の実験2の破れの発生していない#3〜5のp−SiNx膜を使って、膜厚を1000Åから2μmまで変化させて、実験2と同様の評価を行った。その結果、膜厚が2000Åで一部割れが発生し、5000Å以上でエッチング層の膜破れが発生しないことが判った。
表3
膜厚 割れの発生状況
1000Å 100%
2000Å 20%
3000Å 10%
5000Å 0%
6000Å 0%
8000Å 0%
10000Å 0%
20000Å 0%
30000Å 0%
[実験4]
積層窒化シリコン膜の応力
第1層目の窒化シリコン膜として実験1の表1−2のNo3(NH3 100sccm、RFパワー1000W、膜応力−2×109dyne/cm2)膜を用い、2層目の窒化シリコン膜として膜応力+3×109dyne/cm2の窒化シリコンを積層し、積層膜としての膜応力を測定した。
No 1層目膜応力/膜厚 2層目膜応力/膜厚 積層膜の応力/膜厚
1 -2E9dyne/cm2、3000Å +3E9dyne/cm2、3000Å +0.6E9dyne/cm2、6000Å
2 -2E9dyne/cm2、3000Å +3E9dyne/cm2、5000Å +1E9dyne/cm2、8000Å
3 -2E9dyne/cm2、2000Å +3E9dyne/cm2、4000Å +1.5E9dyne/cm2、6000Å
第1層目の窒化シリコン膜として実験1の表1−2のNo1(NH3 0sccm、RFパワー1000W、膜応力−5×109dyne/cm2)膜を用い、2層目の窒化シリコン膜として膜応力+3×109dyne/cm2、+5×109dyne/cm2の窒化シリコンを積層し、積層膜としての膜応力を測定した。
That is, it was found that the etching stop layer was not cracked when the film stress was in the range of −3 × 10 −9 dyne / cm 2 to 3 × 10 −9 dyne / cm 2 .
Table 2
No Film stress of laminated film Breakage 1-5 x 10 9 dyne / cm 2 100% Break 2-4 x 10 9 dyne / cm 2 50% Break 3-3 x 10 9 dyne / cm 2 0% Breaking 4 -0.5 × 10 9 dyne / cm 2 0
Using the # 3-5 p-SiNx film in which the tear in
Table 3
Film thickness Crack occurrence
1000% 100%
2000% 20%
3000% 10%
5000kg 0%
6000Å 0%
8000Å 0%
10000Å 0%
20,000Å 0%
30000cm 0%
[Experiment 4]
Stress of Laminated Silicon Nitride Film A No. 3 (NH 3 100 sccm, RF power 1000 W, film stress −2 × 10 9 dyne / cm 2 ) film shown in Table 1-2 of
No 1-layer film stress / thickness 2-layer film stress / thickness laminate film of the stress / thickness 1 -2E9dyne / cm 2, 3000Å + 3E9dyne /
2 -2E9dyne / cm 2, 3000Å + 3E9dyne /
3 -2E9dyne / cm 2, 2000Å + 3E9dyne /
As the first silicon nitride film, the No. 1 (NH 3 0 sccm, RF power 1000 W, film stress -5 × 10 9 dyne / cm 2 ) film in Table 1-2 of
積層構成の場合、第一の窒化シリコン膜の応力が大きくても、第二の窒化シリコン膜で応力制御を行い、積層膜として膜応力を圧縮の−3×109dyne/cm2から引っ張りの+3×109dyne/cm2に制御している。
No 1層目膜応力/膜厚 2層目膜応力/膜厚 積層膜の応力/膜厚
1 -5E9dyne/cm2、3000Å +3E9dyne/cm2、7000Å +0.6E9dyne/cm2、10000Å
2 -5E9dyne/cm2、3000Å +3E9dyne/cm2、9000Å +1E9dyne/cm2、 12000Å
3 -5E9dyne/cm2、3000Å +5E9dyne/cm2、5000Å +1.25E9dyne/cm2、8000Å
従って、積層膜として膜応力制御が可能であることが分かった。
[実験5]
プラズマCVDによる窒化シリコン膜の膜応力、耐BHF性の基板温度依存性について調べた。
In the case of the laminated structure, even if the stress of the first silicon nitride film is large, the stress is controlled by the second silicon nitride film, and the film stress is reduced from the compressed film of −3 × 10 9 dyne / cm 2 as the laminated film. It is controlled to + 3 × 10 9 dyne / cm 2 .
No 1-layer film stress / thickness 2-layer film stress / thickness laminate film of the stress / thickness 1 -5E9dyne / cm 2, 3000Å + 3E9dyne /
2 -5E9dyne / cm 2, 3000Å + 3E9dyne /
3 -5E9dyne / cm 2, 3000Å + 5E9dyne /
Therefore, it was found that the film stress can be controlled as a laminated film.
[Experiment 5]
The film stress of the silicon nitride film by plasma CVD and the substrate temperature dependence of BHF resistance were investigated.
プラズマ窒化シリコン堆積条件1)
原料ガスとして、SiH4/NH3/N2を用い、各流量はSiH4/200sccm、NH3/500sccm、N2/2000sccm、圧力 1500mTorr、RFパワー 1500Wとし、基板温度を200℃から500℃まで変えてp-SiNxを堆積させて、膜応力、BHFエッチングレートを測定した。
表5―1 基板温度と膜応力、BHFエッチングレート1
SiH4(200sccm)、NH3(500sccm)、N2(2000sccm)、Press_1.5Torr、RFpower_1500w
No 基板温度 膜応力 BHFエッチングレート
℃ dyne/cm2 Å/min
1 200 −1×109 8000
2 300 −2×109 650
3 400 −3×109 250
4 500 −4×109 100
プラズマ窒化シリコン堆積条件2)
原料ガスとして、SiH4/N2を用い、各流量はSiH4/200sccm、N2/2000sccm、圧力1500mTorr、RFパワー1000Wとし、基板温度を200℃から500℃まで変えてp-SiNxを堆積させて、膜応力、BHFエッチングレートを測定した。
表5―2 基板温度と膜応力、BHFエッチングレート1
SiH4(200sccm)、N2(2000sccm)、Press_1.5Torr、RFpower_1000w
No 基板温度 膜応力 BHFエッチングレート
℃ dyne/cm2 Å/min
1 200 −3×109 190
2 300 −5×109 80
3 400 −6×109 60
4 500 −7×109 50
以上のように、プラズマ窒化シリコンの堆積条件を、変える事により基板温度が200℃から500℃において、膜応力、耐BHF性が要求スペックを満足するp-SiNxを得る事が出来た。
Plasma silicon nitride deposition conditions 1)
As the raw material gas, a SiH 4 / NH 3 / N 2 , the flow rate was SiH 4 / 200sccm, NH 3 / 500sccm, N2 / 2000sccm, pressure 1500 mTorr, and RF power 1500 W, varying the substrate temperature from 200 ° C. to 500 ° C. Then, p-SiNx was deposited, and the film stress and the BHF etching rate were measured.
Table 5-1 Substrate temperature and film stress,
SiH 4 (200sccm), NH 3 (500sccm), N 2 (2000sccm), Press_1.5Torr, RFpower_1500w
No Substrate temperature Film stress BHF etching rate ℃ dyne / cm 2 Å / min
1 200 -1 × 10 9 8000
2 300 -2 × 10 9 650
3 400 -3 × 10 9 250
4 500 -4 × 10 9 100
Plasma silicon nitride deposition conditions 2)
As the raw material gas, a SiH 4 / N 2, the flow rate of SiH 4 / 200sccm, N 2 / 2000sccm, pressure 1500 mTorr, and RF power 1000W, depositing a p-SiNx by changing the substrate temperature from 200 ° C. to 500 ° C. The film stress and BHF etching rate were measured.
Table 5-2 Substrate temperature and film stress,
SiH 4 (200sccm), N 2 (2000sccm), Press_1.5Torr, RFpower_1000w
No Substrate temperature Film stress BHF etching rate
℃ dyne / cm 2 Å / min
1 200 -3 × 10 9 190
2 300 -5 × 10 9 80
3 400 -6 × 10 9 60
4 500 -7 x 10 9 50
As described above, by changing the deposition conditions of plasma silicon nitride, p-SiNx having film stress and BHF resistance satisfying required specifications could be obtained at a substrate temperature of 200 ° C. to 500 ° C.
特に、低NH3流量領域(0sccmを含む)で基板温度を低下させても、BHFのエッチングレートを早めることなく膜応力の制御が可能となった。
[実験6]
プラズマCVDによる窒化シリコン膜を、ヒータ保護膜として用いた場合の膜厚とヒータに印加する投入エネルギーとインク吐出の効率について検討を行った。
In particular, even if the substrate temperature is lowered in a low NH 3 flow rate region (including 0 sccm), the film stress can be controlled without increasing the BHF etching rate.
[Experiment 6]
When the silicon nitride film formed by plasma CVD was used as a heater protective film, the film thickness, the energy applied to the heater, and the efficiency of ink discharge were examined.
表6にヒータ保護膜の膜厚と吐出開始エネルギーの関係を示す。 Table 6 shows the relationship between the heater protective film thickness and the discharge start energy.
ヒータ保護膜の膜厚と吐出の成否の関連は明らかであり、p−SiNx膜厚が5000Å以上ではインク吐出が不安定であったり、また、ヒータへの投入エネルギーが大きく、この状態でヒータへの通電するとヒータが断線が発生する。 The relationship between the film thickness of the heater protective film and the success or failure of the discharge is clear. When the p-SiNx film thickness is 5000 mm or more, the ink discharge is unstable, and the energy input to the heater is large. When the current is turned on, the heater breaks.
従って、ヒータ保護膜としての膜厚は、4000Å以下である必要がある。
表6 ヒータ保護膜の膜厚と吐出開始エネルギーの関係
No p−SiNx膜厚 インク吐出
1 1000 OK
2 2000 OK
3 3000 OK
4 4000 OK
5 5000 NG
6 7000 NG
7 10000 NG
[実験7]
プラズマ窒化シリコン膜(p-SiNx)と耐キャビテーション膜であるTaのSF6、O2ガスを用いたRIEでのエッチングレートの検討を行った。
Therefore, the film thickness as the heater protective film needs to be 4000 mm or less.
Table 6 Relationship between heater protective film thickness and discharge start energy No p-SiNx film
2 2000 OK
3 3000 OK
4 4000 OK
5 5000 NG
6 7000 NG
7 10000 NG
[Experiment 7]
The etching rate was examined by RIE using a plasma silicon nitride film (p-SiNx) and a cavitation-resistant Ta SF 6 or O 2 gas.
表7にO2添加濃度とp-SiNxとTaのそれぞれのエッチングレートを示した。 Table 7 shows the O 2 concentration and the etching rates of p-SiNx and Ta.
Taのエッチングレートは、O2を添加することにより急激に減少し、p-SiNxのエッチングレートの比、即ち選択比は格段に向上する。10%以上添加することにより選択比は20以上となり、Taをエッチングストップ層としてp-SiNxのエッチングが可能となる。
表7
No O2添加濃度 p-SiNx Ta 選択比
1 0% 1200Å 1100Å 1.1
2 5% 1100Å 200Å 5.5
3 10% 1000Å 50Å 20
4 20% 900Å 10Å 90
5 30% 800Å 10Å 80
6 50% 600Å 10Å 60
The etching rate of Ta is drastically decreased by adding O 2, and the ratio of the etching rate of p-SiNx, that is, the selectivity is remarkably improved. By adding 10% or more, the selection ratio becomes 20 or more, and p-SiNx can be etched using Ta as an etching stop layer.
Table 7
No O 2 addition concentration p-SiNx Ta selectivity 10% 1200% 1100% 1.1
2 5% 1100 Å 200 5 5.5
3 10% 1000 Å 50 20 20
4 20% 900 Å 10 90 90
5 30% 800 Å 10 80 80
6 50% 600 Å 10 60 60
本発明のインクジェット記録ヘッドは、以上説明した構成をとることにより、以下の効果をもたらす。
1)高信頼性、高歩留まりが達成された。
2)ヒータ保護膜の薄膜化が可能となる為、インク吐出に関する電力利用効率が向上することにより、電力消費が低減化され、インクジェット記録ヘッドの寿命が延長される。
3)方性エッチング時のストップ層がヒータ保護膜の膜厚に関係なく充分厚く形成できるため、異方性エッチング時の歩留まりが向上し、高歩留まりのインクジェット記録ヘッドの製造が可能となった。
The ink jet recording head of the present invention has the following effects by taking the configuration described above.
1) High reliability and high yield were achieved.
2) Since the heater protective film can be made thinner, the power use efficiency with respect to ink ejection is improved, so that power consumption is reduced and the life of the ink jet recording head is extended.
3) Since the stop layer at the time of the anisotropic etching can be formed sufficiently thick regardless of the thickness of the heater protective film, the yield at the time of anisotropic etching is improved, and a high-yield inkjet recording head can be manufactured.
次に、本発明の詳細を実施例の記述に従って説明する。 Next, details of the present invention will be described in accordance with the description of the embodiments.
以下に、本発明によるインクジェット記録ヘッドの他の製造方法について、順を追って説明する。 Hereinafter, another method for manufacturing the ink jet recording head according to the present invention will be described in order.
図1−a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ベース基板の模式図である。基板としては基板面方位が(100)または(110)のシリコンウエハが用いられる。基板の中心部にインクを裏面から供給するための貫通穴115があけられている。
FIG. 1A is a schematic view of a base substrate of an ink jet recording head showing an embodiment according to the present invention. As the substrate, a silicon wafer having a substrate surface orientation of (100) or (110) is used. A through-
図1−bは本発明によるインクジェット記録ヘッドの製造方法で、ベース基板上にインク加熱用のヒーター104と配線電極103を形成し、エッチングストップ層(110)としてプラズマCVDにより窒化シリコン(p−SiN)を堆積させたものの断面の模式図である。図1−cはさらに、ベース基板上に樹脂等でインクジェット記録ノズルを形成し、Si基板にノズルと逆側から異方性エッチングでエッチングストップ層までインク流路115を形成したものの断面図である。
FIG. 1B shows a method of manufacturing an ink jet recording head according to the present invention, in which a
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5を使って説明する。 Next, the process of the ink jet recording nozzle according to the present invention will be described with reference to FIGS.
厚さ625μmで5インチΦの基板面方位(110)または(100)のシリコン(Si)基板101(この断面図では基板方位(100)基板を使って説明する)に、絶縁膜として熱酸化により熱酸化膜(SiO2)102を20000Å形成し(図2−a)、フォトリソ技術を使って供給口開口部(エッチングストップ層を形成する部分)の熱酸化膜を除去した。(図2−b)
尚、本実施例では、5インチΦのシリコン基板を使って説明するが、ウエハ形状や大きさが限定されるもので無く、角型、長方形形状のシリコン基板でも良く大きさも限定されない。
A silicon (Si)
In this embodiment, a description will be given using a 5-inch Φ silicon substrate, but the wafer shape and size are not limited, and a square or rectangular silicon substrate may be used, and the size is not limited.
前記絶縁膜は、熱酸化膜(SiO2)の他に窒化シリコン(SiN)などを用いても良い。また、製法は、熱酸化法に限定されるもので無く、LPCVD法や常圧CVD法などでも良い。 As the insulating film, silicon nitride (SiN) or the like may be used in addition to the thermal oxide film (SiO 2 ). Further, the production method is not limited to the thermal oxidation method, but may be an LPCVD method or an atmospheric pressure CVD method.
スパッタ-でAlCu膜を2000Å堆積し、ファトリソ技術によって図2−cのようにパターニングして犠牲層103を形成した。犠牲層の幅は120μm、長辺方向は15mmとした。
A
この犠牲層は、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シリコン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。 When the etching progresses from the back surface and the etchant reaches the sacrificial layer, the sacrificial layer is etched in a short time because the etching rate is much faster than that of the silicon wafer, and an opening corresponding to the sacrificial layer pattern can be opened. is there.
本実施例では、犠牲層として、AlCuを用いて説明したが、AlとCuとSiの合金、プラズマCVDによるアモルファスシリコン、多結晶シリコン、陽極酸化による多孔質シリコン、多孔質シリコンを酸化した二酸化シリコン等を用いても良い。 In this embodiment, AlCu is used as the sacrificial layer. However, an alloy of Al, Cu, and Si, amorphous silicon by plasma CVD, polycrystalline silicon, porous silicon by anodization, and silicon dioxide obtained by oxidizing porous silicon. Etc. may be used.
次にスパッタ−により、TaSiNを500Å、AlCuを2500Å連続成膜し、次にパターニングを行い、インク吐出圧力発生素子としてヒーター部104と電極105を形成した(図2−d)。
Next, by sputtering, a film of TaSiN of 500 mm and AlCu of 2500 mm was continuously formed, followed by patterning to form a
ヒーター材料としては、TaSiN以外にTa、TaN、HfB2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てもよい。さらに電力供給用の電極105としてAlCu以外にMo、Ni等の金属膜を同様にして形成しても良い。
As the heater material, in addition to TaSiN, a metal film such as Ta, TaN, HfB 2 or the like may be deposited by sputtering, vacuum evaporation, or the like. Further, a metal film such as Mo or Ni may be formed in the same manner as the
また、ヒータ及び電極とシリコンウエハの間には、熱酸化膜102が20000Åあり蓄熱層としての機能をはたしいている。
Further, the
次に、ヒーターの耐久性の向上を目的として、プラズマCVDにて窒化シリコン膜を3000Å堆積し、ヒータ保護膜106を形成した(図3−a)。この窒化シリコン膜はヒータ保護膜だけでなくインク供給口形成時の一層目のエッチングストップ層106Aとしての機能も果たす。
Next, for the purpose of improving the durability of the heater, 3000 nm of silicon nitride film was deposited by plasma CVD to form the heater protective film 106 (FIG. 3-a). This silicon nitride film functions not only as a heater protective film but also as a first
犠牲層を覆うように形成される窒化シリコン膜は、後述するようにシリコン基板をTMAH等により異方性エッチングを行う場合のストップ層として機能する為、エッチングストップ層と記述する。 Since the silicon nitride film formed so as to cover the sacrificial layer functions as a stop layer when the silicon substrate is anisotropically etched by TMAH or the like as described later, it is described as an etching stop layer.
ヒータ保護層の膜厚は、1500Åから4000Åであり、より好ましくは2500Åから3500Åである。 The thickness of the heater protective layer is 1500 to 4000 mm, more preferably 2500 to 3500 mm.
また、ヒータ保護層および第一のエッチングストップ層としてのプラズマCVD窒化シリコン膜の膜応力は、圧縮応力−5×109dyne/cm2から引っ張り応力+3×109dyne/cm2で、より好ましくは、圧縮応力−5×109dyne/cm2から引っ張り応力+1×109dyne/cm2で、最適には、圧縮応力−3×109dyne/cm2から圧縮応力−1×109dyne/cm2である。 Further, the film stress of the plasma CVD silicon nitride film as the heater protective layer and the first etching stop layer is more preferably from compressive stress −5 × 10 9 dyne / cm 2 to tensile stress + 3 × 10 9 dyne / cm 2. Is from a compressive stress of -5 × 10 9 dyne / cm 2 to a tensile stress of + 1 × 10 9 dyne / cm 2 , and optimally from a compressive stress of −3 × 10 9 dyne / cm 2 to a compressive stress of −1 × 10 9 dyne. / Cm 2 .
また、膜応力が上記の範囲内でしかも、TMAH(22%、83℃)のエッチングレートが500Å/hr以下で、BHFのエッチングレートが200Å/min以下である窒化シリコン膜をプラズマCVDにより成膜した。 In addition, a silicon nitride film having a film stress within the above range, an etching rate of TMAH (22%, 83 ° C.) of 500 Å / hr or less, and an etching rate of BHF of 200 Å / min or less is formed by plasma CVD. did.
本実施例での、プラズマCVDによる窒化シリコン膜の成膜条件を、記述する。 The conditions for forming a silicon nitride film by plasma CVD in this embodiment will be described.
原料ガスとしてSiH4、NH3、N2を用い、流量はそれぞれ200、100、2000sccm、放電圧力1.5Torr、RFパワー1000W、堆積温度は300℃で行った。 SiH 4 , NH 3 , and N 2 were used as source gases, the flow rates were 200, 100, and 2000 sccm, the discharge pressure was 1.5 Torr, the RF power was 1000 W, and the deposition temperature was 300 ° C.
窒化シリコンの膜応力は、圧縮の−2×109dyne/cm2、TMAH(22%、83℃)のエッチングレートが130Å/hrで、BHFのエッチングレートが190Å/minであった。 The film stress of silicon nitride was compression −2 × 10 9 dyne / cm 2 , the etching rate of TMAH (22%, 83 ° C.) was 130) / hr, and the etching rate of BHF was 190 Å / min.
本実施例では、プラズマCVDによる窒化シリコンの成膜条件の一例を示したが、膜応力とTMAH(22%、83℃)のエッチングレート、BHFのエッチングレートが該記述の条件を満たすものであれば良い。尚、エッチングストップ層の他の具体的な成膜条件の例を、前記した実験の項目で記述した。 In this embodiment, an example of the film formation condition of silicon nitride by plasma CVD is shown. However, if the film stress, the etching rate of TMAH (22%, 83 ° C.), and the etching rate of BHF satisfy the conditions described above. It ’s fine. Examples of other specific film forming conditions for the etching stop layer are described in the above-mentioned experimental items.
更に、堆積温度は好ましくは250〜450℃、最適には300〜350℃である。また、プラズマCVDによる窒化シリコン膜の原料ガスは、本実施例で説明したSiH4、NH3、N2の組み合わせに限定されるもので無く、SiH4、NH3、N2、H2の組み合わせ(SiH4/NH3/N2/H2、SiH4/NH3/N2、SiH4/NH3/H2、SiH4/N2、SiH4/H2/N2、SiH4/NH3)を用いてもかまわない。 Furthermore, the deposition temperature is preferably 250-450 ° C, optimally 300-350 ° C. Further, the source gas of the silicon nitride film by plasma CVD is not limited to the combination of SiH 4 , NH 3 , and N 2 described in this embodiment, but a combination of SiH 4 , NH 3 , N 2 , and H 2 . (SiH 4 / NH 3 / N 2 / H 2 , SiH 4 / NH 3 / N 2 , SiH 4 / NH 3 / H 2 , SiH 4 / N 2 , SiH 4 / H 2 / N 2 , SiH 4 / NH 3 ) may be used.
次に、Taをスパッタリングにより成膜し、耐キャビテーション膜107を形成した。続いて、フォトリソグラフィ技術により図3−bに示すようにヒーター部とその近傍に残すようにパターニングした。
Next, Ta was formed into a film by sputtering, and the
次に、プラズマCVDにて窒化シリコン膜108を10000Å堆積し、2層目のエッチングストップ層を形成した。(図3−c)
2層目のエッチングストップ層の膜厚は、2000Åから30000Åであり、より好ましくは5000Åから17000Åである。
Next, 10,000 nm of
The film thickness of the second etching stop layer is from 2000 to 30000 mm, more preferably from 5000 to 17000 mm.
エッチングストップ層の膜厚は、第一のエッチングストップ層と第二のエッチングストップ層との積層膜厚となり、13000Åとなる。 The film thickness of the etching stop layer is a laminated film thickness of the first etching stop layer and the second etching stop layer, which is 13000 mm.
2層目のエッチングストップ層の膜応力は、圧縮応力−3×109dyne/cm2から引っ張り応力+5×109dyne/cm2で、より好ましくは、圧縮応力−2×109dyne/cm2から引っ張り応力+2×109dyne/cm2で、最適には、圧縮応力−1×109dyne/cm2から引っ張り応力+1×109dyne/cm2である。
The film stress of the second etching stop layer is from compressive stress −3 × 10 9 dyne / cm 2 to tensile stress + 5 × 10 9 dyne / cm 2 , more preferably compressive stress −2 × 10 9 dyne /
エッチングストップ層の膜応力は、2層の合計値として、圧縮応力−3×109dyne/cm2から引っ張り応力+3×109dyne/cm2である。従って、1層めのエッチングストップが強い圧縮膜である場合には、2層めのエッチングストップ層を引っ張り応力膜として2層の膜応力の合計値が上記の範囲内であればよい。 The film stress of the etching stop layer is a compressive stress of −3 × 10 9 dyne / cm 2 to a tensile stress + 3 × 10 9 dyne / cm 2 as a total value of the two layers. Therefore, when the first layer is a compressive film with a strong etching stop, the total value of the film stresses of the two layers may be within the above range with the second etching stop layer as a tensile stress film.
続いて、フォトリソグラフィー技術、ドライエッチング技術によりヒータ部上の2層目のエッチングストップ層を除去するようにパターニングを行い、2層目のエッチングストップ層をエッチングにより除去109する。(図3−d)
例えば、RIE(Reactive Ion Etching)装置を用い、エッチングガスとしてはSF6 200 sccm、O2 40sccmを導入し、ガス圧力 30mTorr RF電力 800Wでエッチングを行うとTa(タンタル)のエッチングレートにたいするp−SiNxのエッチングレートの比、いわゆる選択比を90にすることができ、耐キャビテーション層107のTaをRIE時のRIE・エッチングストップ層として、2層目のp−SiNxを除去することができる。
Subsequently, patterning is performed so as to remove the second etching stop layer on the heater portion by photolithography technique and dry etching technique, and the second etching stop layer is removed 109 by etching. (Fig. 3-d)
For example, when an RIE (Reactive Ion Etching) apparatus is used, SF6 200 sccm and O 2 40 sccm are introduced as etching gases, and etching is performed at a gas pressure of 30 mTorr RF power of 800 W, p-SiNx corresponding to the etching rate of Ta (tantalum) is obtained. The etching rate ratio, so-called selection ratio, can be set to 90, and Ta of the
尚、本実施例では、エッチングガスとしてSF6/O2を用いたが、CHF3/O2ガスを用いてもかまわない。 In this embodiment, SF 6 / O 2 is used as an etching gas, but CHF 3 / O 2 gas may be used.
次にフォトリソ技術を使ってシリコン基板裏面の熱酸化膜102を除去し、ウエハ面を露出させ、裏面のインク供給部分110を形成し、ヒーターボードが完成した。(図4−a)
次に、感光性樹脂としてポリメチルイソプロペニルケトン(東京応化ODUR−1010)を20μm塗布してパターニングして、インク流路型材111を形成した。更に、図4−bに示すように感光性樹脂層112を10μm塗布しパタ−ニングして、インク吐出口113を形成した。
Next, the
Next, 20 μm of polymethylisopropenyl ketone (Tokyo Ohka ODUR-1010) as a photosensitive resin was applied and patterned to form an ink
尚、感光性樹脂は
1)エポキシ樹脂(oクレゾール型エポキシ樹脂
油化シェル社エピコート180H65) 100部
2)光カチオン重合開始剤(44‘ジtブチルフェニールヨードニウム
ヘキサフルオロアンチモーネート) 1部
3)シランカップリング剤 日本ユニカーA187 10部
である。
The photosensitive resin is 1) Epoxy resin (o-cresol type epoxy resin)
Yuka Shell Epicoat 180H65) 100 parts 2) Photocationic polymerization initiator (44 'di-butylphenyl iodonium)
Hexafluoroantimonate) 1 part 3) Silane coupling agent 10 parts by Nippon Unicar A187
ノズル形成面側を保護するために、ゴム系レジスト(東京応化製 OBC)で保護膜114を形成した。(図4−b)
この基板を20%のTMAH水溶液に浸漬して異方性エッチングした。エッチャント温度は83℃、エッチング時間は12時間とした。これは基板の厚み625μmをジャストエッチする時間に対して10%のオーバーエッチ時間とした。
In order to protect the nozzle forming surface side, a
This substrate was immersed in 20% TMAH aqueous solution and anisotropically etched. The etchant temperature was 83 ° C. and the etching time was 12 hours. This was an overetching time of 10% with respect to the time for just etching the thickness of the substrate of 625 μm.
本実施例では、異方性エッチング液としてTMAHを使用したが、水酸化カリウム水溶液、EDP、ヒドラジン等のエッチング液を用いても良い。 In this embodiment, TMAH is used as the anisotropic etching solution, but an etching solution such as an aqueous potassium hydroxide solution, EDP, or hydrazine may be used.
エッチングは図4−cのように進み、第一のエッチングストップ層106Aの前で止まっている。この時、エッチングストップ層に亀裂はなく、流路形成樹脂層111やノズル部112へのエッチング液の浸入は見られなかった。
Etching proceeds as shown in FIG. 4C, and stops in front of the first
シリコン基板裏面の熱酸化膜のバリをBHFにてエッチング除去し(図5−a)、次に、エッチングストップ層106A,108であるp−SiNをRIEによって除去した。エッチング条件は、SF6/O2 200/40sccm RF800W、圧力20mTorrであった。次に、メチルイソブチルケトンに浸漬後、キシレン中で超音波を掛け保護膜114を除去した。
The burrs of the thermal oxide film on the back surface of the silicon substrate were removed by etching with BHF (FIG. 5-a), and then the p-SiN as the etching stop layers 106A and 108 were removed by RIE. The etching conditions were SF 6 / O 2 200/40 sccm RF 800 W, pressure 20 mTorr. Next, after being immersed in methyl isobutyl ketone, the
更に、乳酸メチル中で超音波を掛け樹脂111を除去して、インク流路115を形成し、インクジェット記録ヘッドができた。(図5−b)
本実施例の場合、異方性エッチングのストップ層を割れが発生しない様に充分厚く、また、ヒータ保護膜を必要以上厚くする必要がないため、高歩留まりのインクジェット記録ヘッドが製造が可能となった。また、ヒータへの投入電力が必要以上でなくなるためヒータの寿命が延び、信頼性が向上した。
Furthermore, the
In the case of this embodiment, the anisotropic etching stop layer is sufficiently thick so as not to cause cracks, and the heater protective film does not need to be thicker than necessary, so that a high-yield inkjet recording head can be manufactured. It was. In addition, since the electric power supplied to the heater is no longer necessary, the life of the heater is extended and the reliability is improved.
更に、このインクジェット記録ヘッドを使って、吐出周波数10KHzで印字テストを行ったが、15mm幅全域にわたって、印字のカスレ、濃度ムラ、インクの不吐出のない高品位な印字物が得られた。 Further, a printing test was performed using this ink jet recording head at an ejection frequency of 10 KHz. A high-quality printed matter free from printing blur, density unevenness, and non-ejection of ink was obtained over the entire 15 mm width.
以下に、本発明の他の実施例を説明する。 In the following, another embodiment of the present invention will be described.
厚さ625μmで5インチΦの基板方位(110)面のSiウエハ201の上を熱酸化して、SiO2層102を14000Å形成した。次に、SiO2をパターニングして供給口開口部を形成した。スパッターでAlCu合金膜を2000Å堆積した。フォトリソ技術によって図7−aのようにパターニングして犠牲層103を形成した。犠牲層の幅は120μm、長辺方向は15mmとした。
On the
犠牲層の平面形状は、シリコンウエハの面方位(100)基板を用いるときは、パターンは図6−aのように長方形に配置する。また、基板面方位(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6−b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。 As for the planar shape of the sacrificial layer, when a plane orientation (100) substrate of a silicon wafer is used, the pattern is arranged in a rectangle as shown in FIG. When using the substrate plane orientation (110) substrate, the pattern is a parallelogram with a narrow angle of 70.5 degrees as shown in FIG. The long side and the short side of the parallelogram are arranged so as to be parallel to a plane equivalent to (111).
次にスパッタ−により、TaSiNを500Å、AlCuを2000Å連続成膜し、次にパターニングを行い、インク吐出圧力発生素子としてヒーター部104と電極105を形成した。
Next, by sputtering, 500 nm of TaSiN and 2000 mm of AlCu were continuously formed, followed by patterning to form a
次に、ヒーターの耐久性の向上を目的として、プラズマCVDにて窒化シリコン膜を2500Å堆積し、ヒータ保護膜106と第一のエッチングストップ層106Aを形成した(図7−b)。この窒化シリコン膜はヒータ保護膜だけでなくインク供給口形成時の一層目のエッチングストップ層106Aとしての機能も果たす。
Next, for the purpose of improving the durability of the heater, 2500 nm of silicon nitride film was deposited by plasma CVD to form the heater
本実施例でヒータ保護膜106および第一のエッチングストップ層106Aとして形成したプラズマCVD窒化シリコンは、膜応力が−5×109dyne/cm2でTMAHのエッチングレートが120Å/hr、BHFのエッチングレートが80Å/minである膜を用いた。
The plasma CVD silicon nitride formed as the
プラズマCVDによる窒化シリコン膜の成膜条件は、原料ガスとしてSiH4、N2を用い、流量はそれぞれ200、2000sccm、放電圧力 1.5Torr、RFパワー1000W、堆積温度は300℃で行った。 The silicon nitride film was formed by plasma CVD using SiH 4 and N 2 as source gases, flow rates of 200 and 2000 sccm, discharge pressure of 1.5 Torr, RF power of 1000 W, and deposition temperature of 300 ° C., respectively.
ヒータ保護膜および第一のエッチングストップ層としての膜応力は、圧縮応力−5×109dyne/cm2から引っ張り応力+3×109dyne/cm2で、より好ましくは、圧縮応力−5×109dyne/cm2から引っ張り応力+2×109dyne/cm2で、最適には、圧縮応力−5×109dyne/cm2から−1×109dyne/cm2である。 The film stress as the heater protective film and the first etching stop layer is from compressive stress −5 × 10 9 dyne / cm 2 to tensile stress + 3 × 10 9 dyne / cm 2 , more preferably compressive stress −5 × 10 6. From 9 dyne / cm 2 to tensile stress + 2 × 10 9 dyne / cm 2 , optimally from compressive stress −5 × 10 9 dyne / cm 2 to −1 × 10 9 dyne / cm 2 .
次に、Taをスパッタリングにより成膜し、耐キャビテーション膜107を形成した。続いて、フォトリソグラフィ技術によりヒーター部104とその近傍に残すようにパターニングした。
Next, Ta was formed into a film by sputtering, and the
次に、プラズマCVDにて窒化シリコン膜 を17500Å堆積し、2層目のエッチングストップ層108を形成した。(図7−c)
本実施例で形成したプラズマ窒化シリコン膜は、引っ張り応力膜を用いた。膜応力は+3×109yne/cm2である膜を用いた。
Next, 17500 窒 化 of silicon nitride film was deposited by plasma CVD to form a second
A tensile stress film was used as the plasma silicon nitride film formed in this example. A film having a film stress of + 3 × 10 9 yne / cm 2 was used.
第一のエッチングストップ層と第二のエッチングストップ層の積層膜としての膜応力は引っ張り応力で+2×109dyne/cm2であった。 The film stress as a laminated film of the first etching stop layer and the second etching stop layer was a tensile stress of + 2 × 10 9 dyne / cm 2 .
エッチングストップ層の膜応力は、2層の合計値として、圧縮応力−3×109dyne/cm2から引っ張り応力+3×109dyne/cm2であればよい。従って、1層目のエッチングストップが強い圧縮膜である場合には、2層目のエッチングストップ層を引っ張り応力膜として2層の膜応力の合計値が上記の範囲内であればよい。 The film stress of the etching stop layer may be a compressive stress of −3 × 10 9 dyne / cm 2 to a tensile stress + 3 × 10 9 dyne / cm 2 as a total value of the two layers. Accordingly, when the first layer etching stop is a strong compression film, the total value of the two layers of film stress may be within the above range with the second etching stop layer as a tensile stress film.
続いて、フォトリソグラフィー技術、ドライエッチング技術によりヒーター部上の2層目のエッチングストップ層108を除去するようにパターニングを行い、2層目のエッチングストップ層108をエッチングにより除去する。(図7−d)
例えば、エッチングガスとしてはSF6、O2ガスを用い、耐キャビテーション層310のTaをRIE時のRIE・エッチングストップ層として、2層目のp−SiNxを除去した。
Subsequently, patterning is performed so as to remove the second
For example, SF 6 or O 2 gas is used as an etching gas, and Ta of the anti-cavitation layer 310 is used as an RIE / etching stop layer during RIE to remove the second layer of p-SiNx.
次にフォトリソ技術を使ってシリコン基板裏面の熱酸化膜102を除去し、ウエハ面を露出させ、裏面のインク供給部分110を形成し、ヒーターボードが完成した。
Next, the
次に、実施例1と同様に、インク流路型材111を形成し、更に、感光性樹脂層を塗布、パタ−ニングして、インク吐出口113を形成した。
Next, in the same manner as in Example 1, an ink flow
ノズル形成面側を保護するために、ゴム系レジストで保護膜114を形成した。(図8−a)
次に裏面のインク供給口パターン部の平行四辺形の窓の狭角の部分に、図8−bのようにYAGレーザで非貫通のエッチング先導孔202を開けた。この時の孔の径は30〜35μm、深さは550〜600μmであった。
In order to protect the nozzle forming surface side, a
Next, a non-penetrating
この基板を20%のTMAH水溶液に浸漬して異方性エッチングした。エッチャント温度は83℃、エッチング時間は8時間とした。これは基板の厚み625μmをジャストエッチする時間に対して10%のオーバーエッチ時間とした。 This substrate was immersed in 20% TMAH aqueous solution and anisotropically etched. The etchant temperature was 83 ° C. and the etching time was 8 hours. This was an overetching time of 10% with respect to the time for just etching the thickness of the substrate of 625 μm.
エッチングは図8−cのように進み、エッチングストップ層106Aの前で止まっている。この時、エッチングストップ層に亀裂はなく、流路形成樹脂層111やノズル部112へのエッチング液の浸入は見られなかった
本実施例の場合、異方性エッチングのストップ層を割れが発生しない様に充分厚く、また、ヒータ保護膜を必要以上厚くする必要がないため、高歩留まりのインクジェット記録ヘッドが製造が可能となった。また、ヒータへの投入電力が必要以上でなくなるためヒータの寿命が延び、信頼性が向上した。
Etching proceeds as shown in FIG. 8C and stops in front of the
更に、このインクジェット記録ヘッドを使って、吐出周波数10KHzで印字テストを行ったが、15mm幅全域にわたって、印字のカスレ、濃度ムラ、インクの不吐出のない高品位な印字物が得られた。 Further, a printing test was performed using this ink jet recording head at an ejection frequency of 10 KHz. A high-quality printed matter free from printing blur, density unevenness, and non-ejection of ink was obtained over the entire 15 mm width.
101 シリコン基板
102 絶縁膜、熱酸化膜(SiO2)
103 犠牲層(AlCu)
104 ヒーター部(TaSiN)
105 電極(AlCu)
106 ヒータ保護膜、第一のエッチングストップ層(p−SiNx)
106A 第一のエッチングストップ層(p−SiNx)
107 耐キャビテーション膜(Ta)
108 第二のエッチングストップ層(p−SiNx)
109 除去されたエッチングストップ層部分
110 裏面のインク供給部分
111 インク流路型材
112 感光性樹脂層
113 インク吐出口
114 保護膜
115 インク流路
201 シリコン基板
202 先導孔
301 犠牲層形状
302 犠牲層形状
500 シリコン基板
501 二酸化シリコン
503 発熱抵抗体
504 流路形成層
505 ノズル形成層
506 吐出口
507 流路
509 インク供給口
511 犠牲層
516 開口部
101
103 Sacrificial layer (AlCu)
104 Heater (TaSiN)
105 Electrode (AlCu)
106 heater protective film, first etching stop layer (p-SiNx)
106A First etching stop layer (p-SiNx)
107 Anti-cavitation film (Ta)
108 Second etching stop layer (p-SiNx)
109 removed etching
Claims (15)
ヒータ保護膜とエッチングストップ層が同一材料であり、ヒータ保護膜の膜厚がエッチングストップ層の膜厚より薄い事を特徴とするインクジェット記録ヘッド。 A heater protective film for protecting a plurality of heat generating resistors for discharging ink is formed. The heater protective film includes a heat generating resistor formed with an anti-cavitation film on the heater protective film, and the size of the ink supply port is defined by etching. In an ink jet recording head comprising an ink jet recording head substrate in which a sacrificial layer is formed, an etching stop layer is further formed on the sacrificial layer, and an ink supply port is formed by etching.
An ink jet recording head, wherein the heater protective film and the etching stop layer are made of the same material, and the thickness of the heater protective film is smaller than that of the etching stop layer.
1)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する工程、
2)インク供給口を形成する部分の前記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、
3)前記酸化シリコン膜あるいは窒化シリコン膜を除去した部分に犠牲層を形成する工程、
4)前記シリコン基板上の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する工程、
5)前記インク吐出圧発生素子および前記犠牲層上にヒータ保護膜および第一のエッチングストップ層を形成する工程、
6)耐キャビテーション膜をその上に形成する工程、前記インク吐出圧発生素子の少なくとも発熱部領域上に前記耐キャビテーション膜を残すようにパターン形成する工程、
7)前記耐キャビテーション膜および前記第一のエッチングストップ層上に第二のエッチングストップ層を形成する工程、
8)耐キャビテーション膜をエッチングストップ層として少なくとも発熱部領域上の第二のエッチングストップ層をエッチングにより除去する工程を含む事を特徴とするインクジェット記録ヘッドの製造方法。 A heater protective film for protecting a plurality of heat generating resistors for discharging ink is formed. The heater protective film includes a heat generating resistor formed with an anti-cavitation film on the heater protective film, and the size of the ink supply port is defined by etching. In the manufacturing method of the ink jet recording head, the sacrificial layer is formed, the etching stop layer is further formed on the sacrificial layer, and the ink jet recording head substrate includes the ink supply port formed by etching.
1) forming a silicon oxide film or a silicon nitride film on a silicon substrate;
2) a step of removing the silicon oxide film or the silicon nitride film in a portion where the ink supply port is formed;
3) forming a sacrificial layer in a portion where the silicon oxide film or silicon nitride film is removed;
4) forming an ink discharge pressure generating element on the silicon oxide film or silicon nitride film on the silicon substrate;
5) forming a heater protective film and a first etching stop layer on the ink discharge pressure generating element and the sacrificial layer;
6) a step of forming an anti-cavitation film thereon, a step of forming a pattern so as to leave the anti-cavitation film on at least the heat generating region of the ink discharge pressure generating element,
7) forming a second etching stop layer on the anti-cavitation film and the first etching stop layer;
8) A method for manufacturing an ink jet recording head, comprising a step of removing at least a second etching stop layer on the heat generating portion region by etching using an anti-cavitation film as an etching stop layer.
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