JP2012240208A - インクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 製造歩留まりが高く印字速度が速いインクジェットヘッドを提供する。
【解決手段】 エッチングストップ層の上に保護層を形成し、吐出口形成部材と柱の下に配置する密着層を、保護層から離して形成する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、インクジェットヘッドに関するものである。

近年、シリコンウェーハなどの半導体基板に対し、等方性または異方性エッチングにより貫通孔を形成し、液体吐出ヘッドなどのデバイスに応用する研究が盛んになされている。

例えば、特許文献１にて、貫通孔の大きさおよび位置精度を向上させる方法として、シリコン基板上に犠牲層を形成する方法がある。このような犠牲層を形成したシリコン基板に対する貫通孔の加工手順は特許文献１の図１〜図２に示されている。単結晶シリコン基板１１の貫通孔形成位置に多結晶シリコン（以下、ｐｏｌｙ−Ｓｉと記述する）による犠牲層１２を形成し、その上にエッチングストップ層１３を形成する（特許文献１の図１参照）。この場合、単結晶シリコン基板１１の裏面のエッチングマスク層１６によりエッチングされる貫通孔１７は、これが犠牲層１２に到達した場合に、この犠牲層１２の内側に形成されるように設計される。この貫通孔１７が犠牲層１２に到達した時点で、犠牲層１２はエッチング液により直ちに溶解する。この犠牲層１２のエッジ部分から単結晶シリコン基板１１の表面側の異方性エッチングが開始され、最終的に途中が細くくびれた貫通孔１７が形成される（特許文献１の図２参照）。

特開２００４−０９０５７３号公報

犠牲層１２を用いて貫通孔１７を形成する方法においては、貫通孔１７の開口形状や位置を犠牲層１２の位置に応じて設定することが可能なため、より精度の高い加工が可能となる。しかしながら、エッチングストップ層１３が犠牲層１２の上に形成されるため、特許文献１の図３に示すように、エッチングストップ層１３のコーナ部１８のカバレッジが不利な方向であり、このコーナ部１８でクラック１９がより発生しやすい。単結晶シリコン基板１１に対して用いられるエッチング液は、通常、エッチング時間短縮のために８０℃またはそれ以上の温度のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（以下、これをＴＭＡＨと記述する）水溶液や水酸化カリウム水溶液などの強アルカリ性溶液が用いられる。そのため、このクラック１９を介してエッチング液が単結晶シリコン基板１１の表面側に回り込むと、単結晶シリコン基板１１に深刻なダメージを与えてしまう結果、貫通孔１７を形成した単結晶シリコン基板１１の製造歩留り低下の一因となっている。

本発明の目的は、半導体基板に貫通孔を形成する場合、エッチングストップ層にクラックが発生しても半導体基板表面側へのエッチング液の滲み込みを防止することにより、その製造歩留りを向上させることが可能な方法を利用したインクジェットヘッドを提供することにある。また、この方法で製造されたインクジェットヘッドにおいて、ヘッド駆動周波数を抑制することなく、印字速度が速いインクジェットヘッドを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明のインクジェットヘッドは、吐出口からインクを吐出させるためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子が形成された基板と、エネルギー発生素子を覆うエッチングストップ層と、基板上に接合されエネルギー発生素子上を通って吐出口に連通する流路を形成する流路構成部材と、流路に連通するように基板に形成されたインク供給口と、を有するインクジェットヘッドであって、前記基板と前記流路構成部材との間に形成された第１の保護層と、前記エッチングストップ層の上に前記インク供給口を囲うように形成された第２の保護層が、前記流路の入り口付近で、部分的に離れている。

本発明によると、エッチングストップ層の上に保護層を形成するようにしたので、エッチングストップ層のクラックに起因するダメージを保護層によって防止することが可能となり、エッチングにより半導体基板に貫通孔を形成する際の製造歩留りを向上させることができる。また、この保護層と、吐出口形成部材と柱の下に配置する密着層を、離して形成することにより、ヘッド駆動周波数が抑制されることがないので、製造歩留まりが高く印字速度が速いインクジェットヘッドを提供することができる。

本発明の一例である貫通孔の形成する工程を示す平面図である。 本発明の一例である保護層の配置を示す平面図である。 本発明の一例である保護層の配置を示す平面図である。 本発明の一例である貫通孔の形成する工程を示す平面図である。

本発明による貫通孔形成方法をインクジェットヘッドのインク供給孔が形成される単結晶シリコン基板に対して応用した実施例について、図を参照しながら詳細に説明する。本発明はこのような実施例に限らず、この明細書の特許請求の範囲に記載された本発明の概念に包含されるべき他の技術にも応用することができる。

本実施例における製造工程を図４（ａ）〜（ｆ）に示す。すなわち、表面が＜１００＞面となる厚さが６２５μｍ の単結晶シリコン基板１１の表面に吐出エネルギー発生部としてＴａＮによる電気熱変換素子２０およびその制御信号配線（図示せず）を形成する。それと共に３００ｎｍの厚さのＰｏｌｙ−Ｓｉによる犠牲層１２を形成する。さらにこれらの上に２５０ｎｍの厚さのＬＰ−ＳｉＮによるエッチングストップ層１３を形成した。上記制御信号配線には、電気熱変換素子２０を動作させるための図示しない駆動回路が接続される。犠牲層１２は、１５０×８０００（μｍ）の細長い矩形に形成され、電気熱変換素子２０は、この犠牲層１２の長手方向に沿って６００ｄｐｉ の間隔で片側１９２個（両側で３８４個）形成した。また、単結晶シリコン基板１１の裏面には、４００ｎｍの厚さのＳｉ０２を異方性エッチングすることにより、犠牲層１２と対向する開口部１５を有するエッチングマスク層１６が形成される（図１およびそのＩ−Ｉ矢視断面構造を表す図４（ａ）参照）。図１に示す構成を１チップとして、合計２００チップをこの単結晶シリコン基板１１に形成した。

次いで保護層１４を形成するため、まずエッチングストップ層１３の上からポリエーテルアミド（日立化成工業（株）製：ＨＩＭＡＬ１２００）をスピンコートにより塗布して２５０℃で１時間加熱することにより、これを２μｍの厚さに成膜した。ポリエーテルアミドは感光性を有しないため、このポリエーテルアミドに対してフォトレジスト（東京応化工業（株）製：ＯＦＰＲ８００）によりパターニングを行う。これをエッチングマスクとして酸素プラズマ法により不要な部分のポリエーテルアミドを除去することにより、エッチングストップ層１３を介して犠牲層１２の周縁部を覆う幅が２０μｍの保護層１４を形成した。また、この保護膜１４は、後述する吐出口形成部材２４とエッチングストップ層１３との密着層としての機能も果たす。そのため、吐出口形成部材２４および同じ材料で形成された柱２６と、エッチストップ層１３との間にも保護膜１４が配置されるように、パターニングを行った（図４（ｂ）参照）。

次に、共通液室２１および流路２２（図２参照）の型となるポジ型レジスト（東京応化工業（株）製：ＯＤＵＲ）２３を単結晶シリコン基板１１の表面側にパターニングより形成した（図４（ｃ）参照）。さらに表１に記載の成分を有するネガ型レジストを本発明の吐出口形成部材２４としてポジ型レジスト２３を覆うように形成した。そのパターニングによって吐出口形成部材２４に吐出口２５を電気熱変換素子２０とそれぞれ対向するように形成した（図４（ｄ）参照）。

しかる後、吐出口２５が形成された単結晶シリコン基板１１を８３℃の温度のＴＭＡＨ水溶液（濃度２２％）中に９８０分間浸漬して異方性エッチングを施し、開口部１５から犠牲層１２に至る貫通孔１７を単結晶シリコン基板１１に形成した。この場合、単結晶シリコン基板１１の表面側にＴＭＡＨ水溶液が回り込まないように、治具を用いて単結晶シリコン基板１１の表面側を保護した。さらに、単結晶シリコン基板１１の表面側を保護した状態で、この単結晶シリコン基板１１の裏面側からＣＦ４ ガスを用いて反応性イオンエッチングにより貫通孔１７に臨むエッチングストップ層１３の部分を除去した（図４（ｅ）参照）。

その後、図４（ｆ）に示すように、ポジ型レジスト２３を除去することにより、２００チップのインクジェットヘッドを完成させた。また、この時点で再び全チップに対して、エッチングストップ層１３のクラックおよび異常を顕微鏡検査したが、不良は発生していなかった。

このようにして得られたインクジェットヘッドに電気的な接続を施し、インクを用いてプリント試験を行ったところ、良好なプリント結果が得られた。

これに対し、保護層１２を形成しない以外は上記実施例と同じ構成で、同様な顕微鏡検査を行った所、エッチングストップ層１３のクラックに起因するダメージが２００チップ中、２８個のチップにて確認された。つまり、本発明による保護層１２が、エッチングストップ層１３のクラックに起因するダメージに対して有効であることが確認できた。

また、本発明においては、吐出口形成部材２４および柱２６の下に配置される保護層（密着層）１４と、犠牲層１２の周縁部を覆う保護層１４が、図１中の矢視Ａ部を抽出拡大した図２で示すように、パターニングされた構成をとっている。密着層１４と保護層１４が連続してパターニングされている構成でもエッチングストップ層１３のクラックに起因するダメージに対しては有効である。しかし、このようにした場合、流路２２の高さが１４μｍに対して、保護層１４の膜厚２μｍを占めるため、インクに対する流抵抗が高くなる。流路２２からインクが吐出した後、新しいインクが充填される時間が長くなり、ヘッド駆動周波数が比較的遅くなってしまう。特に、流路２２の幅が狭くなっている絞り部や柱２６の領域に保護層１４が配置してある場合では、流抵抗がより高くなるため、ヘッド駆動周波数が制限されてしまう。

そのため、図２に示すように、吐出口形成部材２４および柱２６の下に配置される保護膜（密着層）１４と、犠牲層１２の周縁部を覆う保護層１４が離れるようにパターニングする構成の方が好ましい。流路２２の絞り部には膜厚２μｍの保護層１４が存在しないため、流抵抗が高くなることを抑制し、ヘッド駆動周波数を比較的速くすることができる。犠牲層１２の周縁部を覆う保護層１４は、エッチングストップ層１３のクラックに起因するダメージに対して有効であるように、２０μｍの幅で形成した。この位置に保護層１４を形成しても、流路２２の絞り部に配置した場合に比べて、流抵抗への影響は少ないため、ヘッド駆動周波数を抑制することなく、エッチングストップ層１３のクラックに起因するダメージの保護も可能となる。なお、図中の端の２ノズル分は、印字時には使用しない（ヘッド駆動周波数が遅くても良い）ダミーノズルのため、その領域の保護層１４は連続したパターンにしてある。これは、犠牲層１２の隅部はエッチングストップ層１３のカバレッジが不利な方向にあるため、クラックがより発生し易く、そのクラックを効果的に抑制するためである。また、本実施例では、ダミーノズルを２ノズル分としたが、本発明の目的を達成するのであれば、これに限らない。

以上、本実施例の形態を説明してきたが、図３に示すように保護層１４が犠牲層１２の隅部のみを覆うような構成を採用することも可能である。犠牲層１２の隅部以外は、保護膜１２を８μｍの幅で形成し、インク供給口まで保護膜１２がかからないようにする。このようにしても、エッチングストップ層にクラックが発生しても半導体基板表面側へのエッチング液の滲み込みを防止できるため、本発明の目的を達成できる。

１１ シリコン基板
１２ 犠牲層
１３ エッチングストップ層
１４ 保護層、密着層
１５ 開口部
１６ エッチングマスク層
１７ 貫通孔
１８ コーナ部
１９ クラック
２０ 電気熱変換素子
２１ 共通液室
２２ 流路
２３ レジスト
２４ 吐出口形成部材
２５ 吐出口
２６ 柱

Claims (6)

1. 吐出口からインクを吐出させるためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子が形成された基板と、
   エネルギー発生素子を覆うエッチングストップ層と、
   基板上に接合されエネルギー発生素子上を通って吐出口に連通する流路を形成する流路構成部材と、
   流路に連通するように基板に形成されたインク供給口と、
   を有するインクジェットヘッドであって、
   前記基板と前記流路構成部材との間に形成された第１の保護層と、
   前記エッチングストップ層の上に前記インク供給口を囲うように形成された第２の保護層が、
   前記流路の入り口付近で、部分的に離れていることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 前記流路の入り口付近で、かつ前記流路を区画する流路壁が形成された平面領域から離れた平面領域内に、前記流路構成部材からなる柱が形成され、
   前記基板と前記柱との間に形成された第３の保護層が、前記第２の保護層と離れていることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
3. 前記第１の保護層と、前記第２の保護層が同じ材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
4. 前記第１の保護層と、前記第２の保護層と、前記第３の保護層が同じ材料で構成されていることを特徴とする請求項２に記載のインクジェットヘッド。
5. 前記第１の保護層と、前記第２の保護層の厚みが１．５μｍ以上であることを特徴とする請求項３に記載のインクジェットヘッド。
6. 前記第１の保護層と、前記第２の保護層と、前記第３の保護層の厚みが１．５μｍ以上であることを特徴とする請求項４に記載のインクジェットヘッド。