JP2013233795A - 液体吐出ヘッド及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明の目的は、独立供給口の表面側の開口の寸法を精度よく制御することができる液体吐出ヘッドの製造方法を提供することである。
【解決手段】本発明は、(1)基板の第一の面上における独立供給口を形成する領域に相当する部分にエッチングストップ層を形成する工程と、(2)前記基板の第二の面側からドライエッチング処理を前記エッチングストップ層に達するまで行う工程と、(3)前記ドライエッチング処理を実施した後、等方性エッチングにより、前記エッチングストップ層を除去し、前記独立供給口を形成する工程と、を含み、前記等方性エッチングに対するエッチング耐性を有するサイドエッチングストッパー部を前記エッチングストップ層の側面周囲に形成した状態で前記等方性エッチングを行うことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法である。
【選択図】図4

Description

本発明は、液体吐出ヘッド及びその製造方法に関する。
インクジェットプリント方式におけるインクジェット記録ヘッドは、一般に、溶液を吐出するための吐出口と、該吐出口に連通する液体流路と、該液体流路内に設けられる吐出エネルギー発生素子と、を備えている。そして、このインクジェット記録ヘッドは、吐出エネルギー発生素子と吐出口との位置関係の点で、大きく2つの形態に分けることができる。この2つの形態とは、気泡の成長方向と吐出方向とが異なる(ほぼ垂直である)、エッジシューター型インクジェットヘッドと、気泡の成長方向と吐出方向とがほぼ同じである、サイドシューター型インクジェットヘッドである。
サイドシューター型インクジェットヘッドは、例えば、以下の工程(1)〜(4)によって製造することができる。(1)吐出エネルギー発生素子が形成された基板(基体)上に、溶解可能な樹脂を用いてインク流路の型パターンを形成する工程。(2)エポキシ樹脂を含む被覆樹脂を型パターン上にソルベントコートすることによって、インク流路壁を構成する流路形成部材を形成する工程。(3)吐出エネルギー発生素子の上方の被覆樹脂層に、インク吐出口を形成する工程。(4)溶解可能な樹脂からなる型パターンを溶出する工程。
以下、図1(a)〜(e)に従って、上記の製法について詳細に説明する。
まず、図1(a)に示すように、吐出エネルギー発生素子22が第一の面(表面とも称す)に形成された基板21上に、溶解可能な樹脂を用いてインク流路の型パターン23を形成する。
ここで、基板21上には、電気熱変換素子あるいは圧電素子等の吐出エネルギー発生素子22が、所望の個数、配置されている。吐出エネルギー発生素子22によって、記録液としてのインク小滴を吐出するためのエネルギーがインクに与えられる。
吐出エネルギー発生素子22として電気熱変換素子が用いられる場合、電気熱変換素子が近傍の記録液を加熱することにより、記録液に状態変化を生起させ吐出エネルギーを発生させる。また、吐出エネルギー発生素子22として圧電素子が用いられる場合、圧電素子の機械的振動によって、吐出エネルギーが発生される。
次いで、図1(b)のように、インク流路の型となる型パターン23上に、さらに感光性を有する被覆樹脂層24をスピンコート法、ロールコート法等で形成する。
次いで、図1(c)に示すように、被覆樹脂層24に対して、マスクを介してパターン露光を行い、現像することにより、吐出口25を形成する。
感光性の被覆樹脂層24としては、例えば、ネガ型レジストを用いることができる。被覆樹脂層24がネガ型レジストからなる場合、吐出口を形成する部分及び電気的な接続を行う部分(不図示)をマスクで遮蔽する。
パターン露光は、使用する光カチオン重合開始剤の感光領域に合わせて紫外線、Deep−UV光、電子線、X線等から適宜選択することができる。
次いで、図1(d)に示すように、インクをインク流路に供給するためのインク供給口27を形成する。この際、ノズル部材となる被覆樹脂層24がダメージを受けないように、環化ゴムなどの保護材26を用いてシリコン基板のノズルを形成した側の面を保護してもよい。また、インク供給口27を形成した後、保護層を除去しても良い。
また、インク供給口は、基板21に貫通穴を形成できる手段であれば、いずれの方法も使用できる。例えば、ドリル等の機械的手段にて形成してもよく、レーザ等の光エネルギーを使用してもよい。また、基板21にレジストパターンを形成して化学的にエッチングすることにより貫通穴を形成してもよい。
次いで、図1(e)に示すように、溶剤によって溶解可能な樹脂からなる型パターン23を溶出し、インク流路を形成する。
型パターン23の溶出は、基板を溶剤に浸漬したり、溶剤をスプレーにて拭きつけたりすることによって、容易に行われる。また、超音波等を併用すれば、さらに溶出時間を短縮できる。
このようにしてインク流路及びインク吐出口が形成された基板21に対して、インク供給のための部材の取り付けや、吐出エネルギー発生素子22を駆動するための電気的接合(図示せず)を行って、インクジェット記録ヘッドが作製される。
特許文献2には、熱エネルギー供給手段に対向するオリフィスを備え、熱エネルギー発生手段の近傍において熱エネルギー発生手段からみて互いに異なる2つの方向にノズル壁を配置した構造を有する液体吐出ヘッドが開示されている。
また、特許文献3には、以下の工程により液体吐出ヘッドを形成する方法が記載されている。(1)ヒータ層の上下に無機系の絶縁膜を配置して、最初にヒータ近傍に独立した独立供給口(Ink Feed)をインクジェット記録ヘッド用基板の表面から形成する。(2)該記録ヘッド用基板の裏面から強アルカリ性のエッチング液を用いた異方性エッチングにより、第1の共通インク供給口を形成する。(3)スプレーコーターなどでレジスト膜を塗布してパターニングを行い、その後、第2の共通インク供給口を形成して、上記独立供給口と連通させる。特許文献3では、独立供給口をインクジェット記録ヘッド用基板の表面から形成するために、該基板の裏面から独立供給口を介して、ヒータ層の上下に配置した無機系の絶縁膜を除去する工程が不要である。しかし、表面に深い独立供給口を形成した後に、前記インクジェット記録ヘッド用基板上に、高精度にノズルを積層するのが難しい。また、前記独立供給口を一時的に、埋め込む材料も必要になり、この埋め込み材料を平坦に埋め込むプロセスも複雑になる。さらに、最後には、ノズルを形成するために、前記埋め込み材料を安定的に除去する必要がある。
また、特許文献4には、以下のインクジェット記録ヘッドの製造方法が開示されている。つまり、特許文献1に開示されたインクジェット記録ヘッドにおいて、共通インク供給口が形成される領域にて、P−SiO膜とP−SiN膜との間に、ヒータ膜であるTaSiN膜を配し、異方性エッチングを行う。そして、P−SiO膜をBHFなどの酸性を有する溶液で除去する際に、P−SiN膜を介して、前記溶解可能な樹脂材料層23や、前記感光性被覆樹脂層24などへのダメージを解消する。
また、特許文献5及び6では、独立供給口を有するヘッドにおいて、独立供給口を介して、該独立供給口にノズルにインクが充填される対称ノズル構成を実現する該記録ヘッドのノズル配置構成や、独立供給口の配置構成を規定した構造が開示されている。
特開平6―286149号公報 特開平5−116317号公報 USP6534247号 特開2006−150744公報 特開2009−039914公報 特開2009−196244公報
本発明の目的は、独立供給口の表面側の開口の寸法を精度よく制御することができる液体吐出ヘッドの製造方法を提供することである。
本発明の一形態は、
液体を吐出するためのエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子を第一の面上に有し、かつ前記第一の面と反対側の面である第二の面側から第一の面に達する独立供給口を有する基板を備える液体吐出ヘッドの製造方法であって、
(1)前記第一の面上における前記独立供給口を形成する領域に相当する部分にエッチングストップ層を形成する工程と、
(2)前記基板の第二の面側からドライエッチング処理を前記エッチングストップ層に達するまで行う工程と、
(3)前記ドライエッチング処理を実施した後、等方性エッチングにより、前記エッチングストップ層を除去し、前記独立供給口を形成する工程と、
を含み、
前記等方性エッチングに対するエッチング耐性を有するサイドエッチングストッパー部を前記エッチングストップ層の側面周囲に形成した状態で前記等方性エッチングを行うことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法である。
サイドエッチングストッパー部は、プラズマを用いて形成したシリコン酸化膜などのエッチングストップ層を除去する際のサイドエッチングを抑制する機能を有する。
本発明の一形態は、
液体を吐出するためのエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子を第一の面上に有し、かつ前記第一の面と反対側の面である第二の面側から第一の面に達する独立供給口を有する基板と、
前記液体を吐出する吐出口と、該吐出口及び前記独立供給口に連通する液体流路と、を構成し、前記基板の第一の面上に設けられる樹脂基板と、
を備える液体吐出ヘッドであって、
前記独立供給口の内壁のうち前記第一の面側の上端部分が金属保護膜で構成されていることを特徴とする液体吐出ヘッドである。
本発明の液体吐出ヘッドの製造方法によれば、独立供給口の第一の面側の開口寸法を精度良く制御することができる。
従来のインクジェット記録ヘッドの製造工程を説明するための断面工程図である。 本実施形態に係るインクジェット記録ヘッドの斜視図である。 本実施形態に係るインクジェット記録ヘッド用基板のヒータ、及び、独立供給口を含む領域の模式的上面図である。 本実施形態に係るインクジェット記録ヘッド用基板の構成例を説明するための模式的断面図である。 実施例1に記載した図2Bで示したインクジェット記録ヘッド用基板の点線AA’による断面における模式図である。 実施例1に記載したインクジェット記録ヘッドの製造工程を説明するための模式的工程断面図である。 実施例2に記載したインクジェット記録ヘッド用基板の模式的断面図である。 実施例3に記載したインクジェット記録ヘッド用基板の模式的断面図である。 実施例1に記載した図2Aで示したインクジェット記録ヘッドの点線BB’による断面における模式図である。 実施例1に記載した図2Aで示したインクジェット記録ヘッドの点線CC’による断面における模式図である。 比較例1に記載したインクジェット記録ヘッド用基板の模式的断面図である。 比較例1に記載したインクジェット記録ヘッドの製造工程を説明するための模式的工程断面図である。 インクジェット記録ヘッドを実装したインクジェットヘッドユニットの構成を示す模式図である。 実施例4に記載したインクジェット記録ヘッド用基板の模式的断面図である。 実施例5に記載したインクジェット記録ヘッド用基板の模式的断面図である。 実施例1〜4及び比較例1で作製したインクジェット記録ヘッドを実装したインクジェットヘッドユニットを用いた吐出耐久試験結果を示す図である。
本実施形態は、液体を吐出するためのエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子を第一の面(表面)上に有し、かつ前記第一の面と反対側の面である第二の面(裏面)側から第一の面に達する独立供給口を有する基板を備える液体吐出ヘッドの製造方法に関する。また、本実施形態は、前記第一の面上における前記独立供給口を形成する領域に相当する部分にエッチングストップ層を形成する工程(1)を有する。また、前記基板の第二の面側からドライエッチング処理を前記エッチングストップ層に達するまで行う工程(2)を有する。また、前記ドライエッチング処理を実施した後、等方性エッチングにより、前記エッチングストップ層を除去し、前記独立供給口を形成する工程(3)を有する。そして、本実施形態は、前記等方性エッチングに対するエッチング耐性を有するサイドエッチングストッパー部を前記エッチングストップ層の側面周囲に形成した状態で前記等方性エッチングを行う。
本発明によれば、独立供給口の第一の面側の開口寸法を精度よく制御することができる。したがって、吐出エネルギー発生素子から独立供給口までの距離や形状、または吐出口から独立供給口までの距離や形状などを、高精度に形成することができる。
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図2Aは、本実施形態によるインクジェット記録ヘッドの模式的斜視図を示している。図2Aにおいて、半導体基板200上に樹脂基板220が積層されている。半導体基板200の第一の面(表面)上には、吐出エネルギー発生素子としてのヒータ201が配されている。また、半導体基板200には、第一の面と反対側の面である第二の面(裏面)から第一の面まで半導体基板を貫通するように、独立供給口202が形成されている。また、独立供給口の第一の面側の開口に沿ってサイドエッチングストッパー部210が設けられている。
樹脂基板220は、インク吐出口213及び該インク吐出口213に連通するインク流路を構成し、独立供給口202からインク流路に供給されたインクはインク吐出口213から吐出される。樹脂基板220は、ヒータ201で発生した気泡と、隣のヒータで発生する気泡との干渉を抑制するノズル壁214を有する。また、ヒータ201で発生した気泡によって、インク吐出口213からインク滴を飛翔させる。また、樹脂基板220内には、独立供給口202からヒータ201へのインクの流れを制御し、また樹脂基板の凹みを抑制する支柱215が、複数の独立供給口202間に形成されている。
図2Bは、本実施形態におけるインクジェット記録ヘッド用基板の模式的平面図を示している。
図2Bは、インクジェット記録ヘッド用基板上に形成されるインク流路へインクを供給するために形成される独立供給口202を配置した半導体基板(インクジェット記録ヘッド用基板とも称す)を上面から見た図である。図2Bにおいて、201は気泡を発生するヒータであり、205はヒータ201に電気的に接続する第一の電気配線層であり、203は第二の電気配線層であり、204は第一の電気配線層205と第二の電気配線層203を接続するスルーホール部である。ヒータ201、第一の電気配線層205、第二の電気配線層203、スルーホール部は、全て800℃以上の高温プロセス(LOCOS工程)で形成される熱酸化膜(Field−Ox膜とも称す)上に形成されている。
第一の電気配線層205と第二の電気配線層203との間の層間絶縁層をなすシリコン酸化膜(P−SiO膜)はプラズマCVD法によって形成されている。なお、シリコン酸化膜(P−SiO膜)は、スルーホール部204において除去されている。
後述するが、層間絶縁層をなすシリコン酸化膜(P−SiO膜)は、独立供給口202を、半導体基板200の裏面からシリコンドライエッチングで形成する際のエッチングストップ層としての機能も有する。また、独立供給口202の第一の面側の開口周囲には、シリコン酸化膜(P−SiO膜)を除去する際のサイドエッチングを抑制し、独立供給口202の開口径を規定するサイドエッチングストッパー部210が配置されている。
図2Aに示す本実施形態のインクジェット記録ヘッドは、図2Bで示したインクジェット記録ヘッド用基板上に、樹脂基板220が積層された形態を有する。樹脂基板220内には、ヒータ201で発生した気泡を隣のヒータで発生した気泡との干渉を抑制し、吐出口213からある一定量のインク滴を安定的に飛翔させるためのノズル壁(流路壁とも称す)214が形成されている。複数のヒータ201列間に複数のインク吐出口213が配置されている。また、複数の独立供給口202の間には、独立供給口202からインク吐出口213に安定的にインクが充填されるための支柱215が配されている。支柱215は、樹脂基板220に形成されているオリフィスプレートの支えにもなっている。そして、独立供給口202の内周部には、独立供給口202の開口径を高精度に規定するサイドエッチングストッパー部210が配されており、ヒータ201に安定的に、且つ、高速にインクを充填する事ができる。
次に、図2Bで示したインクジェット記録ヘッド用基板を含む記録ヘッド用基体の作用について説明する。
ヒータ201は、共通電気配線(不図示)から第二の電気配線層203から駆動電圧を供給されている。また、第二の電気配線層203は、スルーホール部204を介して、第一の電気配線層205に接続され、ヒータ201を個別に駆動させる機能素子(不図示)に接続されている。機能素子を含むインクジェット記録ヘッド用基板の構成、及び、製造方法については、図3に開示している。
図3(a)は、インクジェット記録ヘッド用基板の主要素子を縦断するように切断したときの模式的断面図である。
図3(a)に示すように、まず、P型シリコン基板1(不純物濃度1×1012〜1×1016cm-3程度)の表面に、8000Å程度のシリコン酸化膜を形成した後、各セルのN型コレクタ埋込領域2を形成する部分のシリコン酸化膜をフォトリソグラフィ工程で除去する。シリコン酸化膜を形成した後、N型の不純物(たとえば、P,Asなど)をイオン注入し、熱拡散により不純物濃度1×1018cm-3以上のN型コレクタ埋込領域2を厚さ2〜6μmほどで形成し、シート抵抗が80Ω/□以下の低抵抗となるようにする。続いて、P型アイソレーション埋込領域3を形成する領域のシリコン酸化膜を除去し、1000Å程度のシリコン酸化膜を形成する。その後、P型不純物(たとえば、Bなど)をイオン注入し、熱拡散により不純物濃度1×1015〜1×1017cm-3以上のP型アイソレーション埋込領域3を形成する。
次に、全面のシリコン酸化膜を除去した後、N型エピタキシャル領域4(不純物濃度1×1013〜1×1015cm-3程度)を厚さ5〜20μm程度にエピタキシャル成長させる。
次に、N型エピタキシャル領域4の表面に1000Å程度のシリコン酸化膜を形成し、レジストを塗布し、パターニングを行い、低濃度P型ベース領域5を形成する部分にのみP型不純物をイオン注入する。レジスト除去後、熱拡散によって低濃度P型ベース領域5(不純物濃度1×1014〜1×1017cm-3程度)を厚さ5〜10μmほどで形成する。
P型ベース領域5は、P型アイソレーション埋込領域3を形成後に、酸化膜を除去する。その後、5×1014〜5×1017程度の低濃度P型エピタキシャル層を3〜10μm程度ほど成長させることでも形成できる。
その後、再びシリコン酸化膜を全面除去し、さらに8000Å程度のシリコン酸化膜を形成する。その後、P型アイソレーション領域6を形成すべき領域のシリコン酸化膜を除去し、BSG膜を全面にCVD法を用いて堆積する。さらに、熱拡散によって、P型アイソレーション埋込領域3に届くように、P型アイソレーション領域6(不純物濃度1×1018〜1×1020cm-3程度)を厚さ10μm程度に形成する。ここでは、BBr3を拡散源として用いてP型アイソレーション領域6を形成することも可能である。
また、前述した如く、P型エピタキシャル層を用いると、上記P型アイソレーション埋込領域3及びP型アイソレーション領域6が不要な構造も可能である。この場合、P型アイソレーション埋込領域3、P型アイソレーション領域6、低濃度ベース領域5を形成するためのフォトリソ工程及び高温の不純物拡散工程を削除することもできる。
次に、BSG膜を除去した後、8000Å程度のシリコン酸化膜を形成し、さらに、N型コレクタ領域7を形成する部分のみシリコン酸化膜を除去する。その後、N型の固相拡散およびリンイオンを注入しあるいは熱拡散によって、コレクタ埋込領域5に届きかつシート抵抗が10Ω/□以下の低抵抗となるようにN型コレクタ領域7(不純物濃度1×1018〜1×1020cm-3程度)を形成する。このとき、N型コレクタ領域7の厚さは約10μmとした。続いて、12500Å程度のシリコン酸化膜を形成し、蓄熱層101を形成した後、セル領域のシリコン酸化膜を選択的に除去する。
蓄熱層101は、N型コレクタ領域7を形成した後、1000〜3000Åのシリコン熱酸化膜を形成することにより形成できる。また、蓄熱層101として、CVD法、PCVD法、スパッタリング法等でBPSG(ボロンとリンを含んだシリケートガラス)、PSG(リンを含んだシリケートガラス)、SiO2,SiON,SiN等の膜を形成しても良い。その後、2000Å程度のシリコン酸化膜を形成する。
次に、レジストパターニングを行い、高濃度ベース領域8および高濃度アイソレーション領域9を形成する部分にのみP型不純物の注入を行う。レジストを除去した後、N型エミッタ領域10および高濃度N型コレクタ領域11を形成すべき領域のシリコン酸化膜を除去し、熱酸化膜を全面に形成する。その後、N型不純物を注入した後、熱拡散によってN型エミッタ領域10および高濃度N型コレクタ領域11を同時に形成する。なお、N型エミッタ領域10および高濃度N型コレクタ領域11の厚さは、例えば、それぞれ1.0μm以下、不純物濃度は1×1018〜1×1020cm-3程度である。
さらに、一部電極の接続箇所のシリコン酸化膜を除去した後、AL1層を全面堆積し、一部電極領域以外のAL1膜を除去する。
そして、250℃の温度で、プラズマCVD法により蓄熱層としての機能も有する層間絶縁膜102となるシリコン酸化膜(P−SiO膜)を全面に0.6〜1.0μm程度で形成する。
この層間絶縁膜102は常圧CVD法によるものであってもよい。またSiO膜に限らずSiOxy膜,SiOx膜またはSiNx膜であってもよい。但し、下部層に形成した素子へのダメージを考慮すると、300℃以上の高温で成膜することは望ましくない。また、100℃以下の低温では、電気配線層間の絶縁を維持できる緻密な膜を形成する事ができない場合がある。以上の理由から、成膜温度は、100℃〜300℃である事が好ましく、200℃〜250℃であることがより好ましい。
次に、電気的接続をとるために、エミッタ領域およびベース・コレクタ領域の上部にあたる層間膜102の一部をフォトリソグラフィ法で開口し、スルーホールTHを形成する。
層間絶縁膜102、保護層105等の絶縁膜をエッチングする際、NH4F+CH3COOH+HF等の混酸エッチング液を用いることができる。また、この混酸エッチング液を用い、レジスト(マスク用フォトレジスト)と絶縁膜の界面にエッチング液を侵み込ませることで、エッチング断面形状として、テーパー(法線に対して30度以上75度以下が好ましい)をつけたものとすることができる。これは、層間膜上に形成する各膜のステップカバレージ性に優れ、製造プロセスの安定化、歩留り向上に役立つ。
次に、発熱抵抗層103としてTaSiNを層間膜102上と、電気的接続をとるためにエミッタ領域およびベース・コレクタ領域の上部にあたる電極13および電極12上とに、スルーホールTHを通して200〜1000Åほど堆積する。
次に、発熱抵抗層103の上に、電気熱変換素子の一対の配線電極104としてのAL2層を約5000Å堆積させる。そして、AL2層およびTaSiN層(発熱抵抗層103)をパターニングし、電気熱変換素子とその他配線とを同時に形成する(図3Aに示した模式的断面図に平行な方向のみ)。
次に、図3(b)に示したように、発熱部110(以下、ヒータと呼ぶ)を形成するために、膜厚:1.00±0.2μmのフォトレジストを塗布し、パターニング後に、ヒータ層上のAL2膜のみをウェットエッチングで除去する。AL2膜の除去部分は、テーパー形状とすることができる。使用したエッチング液は、硝酸、フッ酸、酢酸の混合液を用いて、上述のように、レジストとAL2膜との界面にエッチング液を浸み込ませることで、エッチング断面形状として、テーパーを付ける事ができる。
その後、PCVD法等により、電気熱変換素子の金属保護層106およびAl配線間の絶縁層としてのSiN膜105を約3000Å堆積させる。また、保護膜105は、SiN膜以外にも、SiO,SiN,SiON、SiC等の膜や、該無機絶縁膜の積層膜でもよい。
その後、耐キャビテーションのための金属保護層106としてTaを電気熱変換体の発熱部上部に2000〜3000Åほど堆積させる。
以上のようにして形成されたTa膜106およびSiN膜105を部分的に除去し、ボンディング用のパッド(不図示)を形成する。
また、図3(c)には、インクジェット記録ヘッド用基板のヒータ部を縦断するように切断したときの模式的断面図を示している。
図3(c)において、機能素子を含めた主要素子部は、図3(a)と同様に形成されている。しかし、層間膜であるP−SiO膜304上に、第二の電気配線層(AL2膜)305をスパッタリング法で形成した後、図3(c)の模式的断面図と平行な方向(一部垂直な方向を含む)にドライエッチング法で、垂直にパターニングした後に、ヒータ部310部分のみを再度、ドライエッチング法でテーパー形状にパターニングする。その際は、マスクレジストを1.0±0.2μmの厚さで塗布した後、ソフトベークして、マスクレジスト層下のAL2膜305との密着性を弱くしておく。その後、等方性のドライエッチング技術で、エッチングガスが前記マスクレジストとAL2膜との界面近傍に入りやすく、且つ、該エッチングガスによるマスクレジスト端面の後退を促進させながら、約60°のテーパー形状を実現する。なお、マスクレジストの膜厚が、1.3μm以上になると、該レジストのパターニング後の形状にもテーパーが付いてしまって、エッチングガスでマスクレジストが後退する際に、途中で、端面が破られ、AL2膜のテーパー形状が歪んでしまう場合がある。そのため、AL2膜305上に、ヒータ材層306をスパッタリング法で成膜し、ドライエッチング法でパターニングすることができる。
その後、PCVD法で、保護膜であるP−SiN膜307を成膜し、続けて、耐キャビテーション膜であるTa膜308をスパッタリング法で成膜する。
以上のようにして形成されたTa膜308およびP−SiN膜307を部分的に除去し、ボンディング用のパッド(不図示)を形成する。
(実施例1)
図4は、図2Bで示したインクジェット記録ヘッド用基板の点線AA’による断面における模式的断面図である。
図4に示すインクジェット記録ヘッド用基板は以下のように作製した。
まず、シリコン基板401上に、1000℃の温度で熱拡散工程(LOCOS:Local oxidation of silicon工程)により熱酸化膜402(Field−Ox膜、以下FOx膜とも呼ぶ)を1.0μm厚で形成した。
次に、該熱酸化膜402上にPCVD法を用いてBPSG膜(ボロンとリンを含んだシリケートガラス膜)403を0.6μm厚で形成した。
次に、BPSG膜403、熱酸化膜402及びシリコン基板401上に、Al膜からなる第一の電気配線層404を0.4μm厚で形成した。
次に、第一の電気配線層404及び熱酸化膜402上に、P−SiOを用いて層間絶縁膜405を、200℃の温度で、1.0μmの膜厚で、プラズマCVD法によって形成した。
次に、層間絶縁膜405を介して、第一の電気配線層404と第二の電気配線層407(後述)との電気的接続を行うためのスルーホール部(不図示)を形成するために、層間絶縁膜405のパターニングをおこなった。その際に、サイドエッチングストッパー部411を配置するための凹部(以下、サイドエッチングストッパー配置部と称す)を層間絶縁膜405に形成した。
サイドエッチングストッパー配置部は、層間絶縁膜のうち独立供給口を形成する領域に相当する部分を囲むように凹部を形成することにより設けた。サイドエッチングストッパー部で囲まれる部分の層間絶縁膜は、独立供給口を形成する際のドライエッチングに対するストップ層として機能するため、以後、エッチングストップ層(412)と称す。
次に、層間絶縁膜405上にヒータ材層(発熱抵抗体層とも称す)406(厚さ0.05μm)とAl膜からなる第二の電気配線層407を(厚さ0.6μm)を形成した。ヒータ材層406と第二の電気配線層407の形成は、まず、スパッタリング法を用いてそれぞれの材料を連続して成膜し、ドライエッチング法でパターニングした。その後、ヒータ領域を形成するために、マスクレジスト(厚さ1.2μm)を塗布してパターニングした。その後、硝酸、フッ酸、酢酸の混合液を用いて、Al膜をテーパーエッチングした。
また、第二の電気配線層となるAl膜を基板上に配置する際、サイドエッチングストッパー配置部にもヒータ材層の材料(窒化タンタル膜)と第二の電気配線層の材料(Al膜)を配置した。そして、Al膜を除去して、サイドエッチングストッパー配置部内に窒化タンタル膜を残した。
ヒータ材層の材料としては、Taを主成分とする金属を用いることができる。Taを主成分とする金属としては、特に限定するものではないが、例えば、TaN,TaAl,TaSi,TaSiN等が挙げられる。この他にも、WSiN等を用いてもよい。
次に、第二の電気配線層407、層間絶縁膜405の上に、保護膜408としてP−SiN膜を0.3μm厚でPCVD法を用いて形成した。その後、保護膜408上に、耐キャビテーション膜409としてTa膜を0.25μm厚で、スパッタリング法を用いて形成した。その後、耐キャビテーション膜409および保護膜408を部分的に除去し、ボンディング用のパッド(不図示)を形成した。
図4に示した本実施形態のインクジェット記録ヘッド用基板では、サイドエッチングストッパー部411がエッチングストップ層412の側面周囲に設けられている。そのため、エッチングストップ層412を等方性エッチングにより除去する際、サイドエッチングストッパー部411がサイドエッチングを抑制することができる。また、本実施形態では、サイドエッチングストッパー部として、ヒータ材層の材料及び耐キャビテーション膜と同じ材料を配置している。ヒータ材層又は耐キャビテーション膜と同じ材料を用いてサイドエッチングストッパー部を構成することにより、ヒータ材層又は耐キャビテーション膜を形成する際に同時にサイドエッチングストッパー部を設けることができる。したがって、本実施形態では、サイドエッチングストッパー部は、ヒータ材層及び耐キャビテーション膜のうち少なくとも一方を凹部からなるサイドエッチングストッパー配置部に配置することにより、形成されることが好ましい。
図5は、図2B及び図4で示したインクジェット記録ヘッド用基板を用いたインクジェット記録ヘッドの製造工程を示している。
図5(a)は、図4で示したインクジェット記録ヘッド用基板である。
図5(b)は、前記インクジェット記録ヘッド用基板上の表面に、該基板と後述の感光性の被覆樹脂層513との密着性を向上させる密着向上層511として、HIMAL(日立化成社製)が、フォトリソグラフィプロセスで形成されている。
次いで、図5(c)に示すように、インク流路の型となる型パターン512としてPMIPKを含むポジ型レジスト層を形成する。
PMIPKを主成分とした塗布型レジストは、例えば、(株)東京応化工業から製品名:ODUR―1010として、市販されている。この被膜は汎用的なスピンコート法にて形成でき、レジスト膜を230〜350nmの露光波長を有する露光機で、露光・現像することで、パターンが形成される。
次に、型パターン512を覆うように液流路構造体材料を塗布し、被覆樹脂層513を形成する。
液流路構造体材料は、例えば、特許第3143307号公報に記載されるエポキシ樹脂を主たる構成材料とする感光性材料である。この感光性材料は好ましくはキシレン等の芳香族系溶剤に溶解して塗布すれば、PMIPKとの相溶を防止できる。さらに、液流路構造体材料は露光・現像処理されて被覆樹脂層513を構成する。液流路構造体材料としてはネガ型レジストを用いることが好ましい。この場合、吐出口となる部分に光を照射させないフォトマスク(不図示)を適用する。また、被覆樹脂層513の上に撥水性被膜を形成する場合は、例えば、特開2000−326515号公報に記載されるように、感光性撥水材層を形成し、液流路構造体材料と一括にて露光、現像することにより撥水性被膜を設けることが可能である。この時、感光性撥水層の形成はラミネートにより実施することが可能である。その後、液流路構造体材料と感光性撥水層を同時に露光する。一般的には液流路構造体材料としてはネガ型特性のものを使用するため、吐出孔となる部分に光を照射させないフォトマスク(不図示)を使用する。現像にはキシレン等の芳香族系溶剤を用いことが好ましい。
次いで、ノズル部材となる感光性の被覆樹脂層513がダメージを受けないように、環化ゴムなどの保護材(不図示)を被覆樹脂層513の上に形成した。そして、半導体基板501の第二の面(裏面)側から結晶異方性エッチングを行い、共通供給口(不図示)を形成した。共通供給口は、インクジェット記録ヘッド用基板を構成するシリコンウェハの厚みの70〜90%までの深さを有するように、TMAHなどの強アルカリ性エッチング液を用いて形成した。具体的には、シリコン基板厚:625μmのうち、500μmの深さまで、TMAH液を用いて、該シリコン基板に共通供給口を形成した。
次いで、シリコン基板501の裏面に形成された共通供給口の壁面に、スプレーコーターなどを使用して、厚さ:2〜12μmのポジ型フォトレジストを塗布した。その後、裏面露光機:UX−4258SC(ウシオ電機製)を用いて不図示のマスクを介してポジ型フォトレジストを露光し、続いて現像処理することにより、独立供給口を形成するためのパターニングマスクを共通供給口の底部に形成した。
次いで、図5(d)に示すように、パターニングマスクを用いて、シリコンドライエッチング装置:Pegasus(住友精密工業社製)を用いて、深さ:125μm、開口径:□40×80μmの第一の開口514を形成した。第一の開口514を形成するためのドライエッチング処理はエッチングストップ層412に達するまで行った。また、ドライエッチング処理としては、ボッシュプロセスを用いたリアクティブイオンエッチングを用いた。
このドライエッチングの際、独立供給口を形成する領域上に配されたP−SiO膜からなる層間絶縁膜が、エッチングストップ層として機能する。また、ボッシュプロセスによりシリコンをドライエッチングする際には、SF6系のガスとCF系(C48)のガスを交互に使用して、垂直な形状の第一の開口514を形成した。
また、ドライエッチングで形成した第一の開口514の側壁は、エッチングガスに含まれるフッ素系化合物の分解によって、撥水性のデポ膜が付着している。そこで、シリコン基板501を、粘度が1.2〜5.0cps、且つ表面張力が20〜30dyne/cmの界面活性剤を含む水溶液に浸漬することで、該第一の開口の側壁を改質することができる。界面活性剤を含む水溶液としては、例えば、非イオン性界面活性剤であるVersaTL−125(日本NSC社製)を300ppmで含む水溶液を挙げることができる。また、界面活性剤としては、炭化水素系アニオン類、炭化水素系ノニオン類、フッ素系アニオン類、フッ素系ノニオン類の界面活性剤が適している。具体的には、炭化水素系アニオン類としては、ポリティA−530(ライオン社製)、VersaTL−125(日本NSC社製)、パイオニンA−40(竹本油脂社製)、パイオニンA−40−S(竹本油脂社製)などが適している。また、炭化水素系ノニオン類としては、ニューポールPE−61(三洋化成社製)、アデカプルロニックL−64(旭電化社製)などが適している。また、フッ素系アニオン類としては、サーフロンS−141(セイミケミカル社製)、FT100C(ネオス社製)などが適している。また、フッ素系ノニオン類としては、FT251(ネオス社製)、エフトップEF−351(ジェムコ社製)などが適している。前記水溶液に、前記インクジェット記録ヘッド用基板を浸漬する際には、200MHz以上の超音波を印加しながら行うと、第一の開口514の側壁に該水溶液が浸透しやすくなり、側壁の改質を行う事ができる。
次に、図5(e)に示すように、第一の開口514に露出するエッチングストップ層412を等方性エッチングにより除去することにより、独立供給口515を形成した。等方性エッチングとしてはウェットエッチング処理を用い、本実施例では該ウェットエッチング処理に酸化膜エッチング液を用いた。
具体的には、シリコン基板501を、常温で、界面活性剤を含む酸化膜エッチング液に4〜10分間浸漬させて、エッチングストップ層を除去した。酸化膜エッチング液としては、BHF溶液(LAL800:ステラケミファ社製)を用いた。該BHF溶液は、HF:1.0〜10.0質量%と、NH4F:10〜30質量%と、水と、を含む酸化膜エッチング液である。また、酸化膜エッチング液に含ませる界面活性剤としては、非イオン性界面活性剤であるVersaTL−125を300ppmの濃度で使用した。
ここで、酸化膜のエッチング溶液としては、粘度が1.2〜2.5cpsであり、表面張力が30.0〜40.0dyne/cmであり、フッ酸(HF)の濃度が1.0〜10.0質量%であり、フッ化アンモニウム(NH4F)の濃度が10.0〜30.0質量%である酸性水溶液を用いることが好ましい。また、エッチング溶液には界面活性剤を含ませて粘度や表面張力を調整することができる。酸化膜エッチング液に含ませることができる界面活性剤としては、炭化水素系アニオン類、炭化水素系ノニオン類、フッ素系アニオン類、フッ素系ノニオン類の界面活性剤が適している。具体的には、炭化水素系アニオン類としては、ポリティA−530(ライオン社製)、VersaTL−125(日本NSC社製)、パイオニンA−40(竹本油脂社製)、パイオニンA−40−S(竹本油脂社製)などが適している。又、炭化水素系ノニオン類としては、ニューポールPE−61(三洋化成社製)、アデカプルロニックL−64(旭電化社製)などが適している。また、フッ素系アニオン類としては、サーフロンS−141(セイミケミカル社製)、FT100C(ネオス社製)などが適している。また、フッ素系ノニオン類としては、FT251(ネオス社製)、エフトップEF−351(ジェムコ社製)などが適している。粘度や表面張力が高くなると、シリコン基板501の裏面から独立供給口515を介して、P−SiO膜からなるエッチングストップ層412にエッチング液が浸透し難くなる場合がある。また、NH4Fのエッチング液中の含有量を30質量%以上に増やすと、熱酸化膜(FOx膜)402とP−SiO膜からなるエッチングストップ層412との選択比(エッチングレート比)が小さくなり、エッチングストップ層412を除去する際に、熱酸化膜402の一部を除去してしまう場合がある。また、NH4Fのエッチング液中の含有量を30質量%以上に増やすと、BHF溶液の粘度が、3.0cps以上になり、微細な独立供給口515内部に浸透し難くなる場合がある。そこで、本実施例では、HF:4.0質量%、NH4F:20質量%、界面活性剤:0.01質量%、水:75.99質量%のLAL800(ステラケミファ社製、商品名)を用いて、P−SiO膜からなるエッチングストップ層412を除去した。その際、P−SiO膜からなるエッチングストップ層412及び熱酸化膜402に対するLAL800のベタ膜でのエッチングレートは、それぞれ0.2μm/min及び0.08μm/minであった。つまり、ベタ膜でのエッチングレート比は、1:2.5(エッチングストップ層:熱酸化膜)である。
なお、微細な独立供給口の先端部では、エッチング液であるLAL800が直接接触する膜(例えば、P−SiO膜からなるエッチングストップ層412や熱酸化膜(FOx膜)402)の面積比も考慮に入れる必要がある。具体的には、P−SiO膜がLAL800に接触する面積は、前記独立供給口の開口面積=40μm×80μm=3200μm2である。一方、熱酸化膜(FOx膜)402がLAL800に接触する面積は、厚さ1.0μm×内周長さ(40×2+80×2)μm=240μm2である。つまり、P−SiO膜からなる層間絶縁膜405と熱酸化膜(FOx膜)402とのLAL800による実質のエッチングレート比は、1:40以上である。この結果から、実質的には、形状効果も加算されて、図5(e)で示されるような微細な独立供給口の先端部では、多少のエッチング時間が伸びても、熱酸化膜(FOx膜)402が0.025μm(25nm)以上除去(サイドエッチング)されることはなかった。また、本実施例でサイドエッチングストッパー部411を構成しているヒータ材層(発熱抵抗体層)とTaからなる耐キャビテーション膜は、LAL800によるP−SiO膜からなる層間絶縁膜405に対するエッチングレート比が1:100(又はそれ以上、ベタ膜比)である。したがって、サイドエッチングストッパー部411が0.01μm(10nm)以上除去(サイドエッチング)されることはなかった。さらに、シリコン基板501を形成している結晶シリコン(結晶方位<100>も、LAL800によるP−SiO膜からなる層間絶縁膜405に対するエッチングレート比が、1:100程度(又はそれ以下、ベタ膜比)であるので、0.01μm(10nm)以上の変化が起きなかった。
次に、図5(f)に示すように、シリコン基板501の裏面から独立供給口515を介して、CF系(CF4)のガス及び酸素系ガスを用いて、等方性のドライエッチングプロセスにより、独立供給口515に露出する耐キャビテーション膜409を除去した。その際、サイドエッチングストッパー部を構成しているヒータ材とTaの一部も除去された。
本実施例のように、サイドエッチングストッパー部が露出させることにより、サイドエッチングストッパーが独立供給口515の第一の面(表面)側の開口の寸法を高精度に規定することができる。
次に、図5(g)に示すように、被覆樹脂層513を介して、DeepUV光を型パターン512に照射して分解させ、溶剤によって型パターンを溶出し、インク流路516を形成した。
溶出は、基板を溶剤に浸漬したり、溶剤をスプレーにて拭きつけたりすることによって、容易に行うことができる。また、超音波等を併用すれば、さらに溶出時間を短縮できる。その後、被覆樹脂層513をさらに硬化させるために、200℃で、1時間の加熱を行った。
図5(g)は、図2(a)で示されているインクジェット記録ヘッドの斜視図における点線DD’による断面に相当する模式的断面図である。
図8は、図5で示したインクジェット記録ヘッドの製造工程で作製された図2(a)で示されている点線BB’による断面に相当する模式的断面図である。図8において、図3(c)で示したインクジェット記録ヘッド用基板のヒータ部を縦断するように切断したときの模式的断面図上に、図5で開示したインクジェット記録ヘッドに配された樹脂基板が配置されている。樹脂基板はインク流路812、吐出口811を構成している。図8に示すインクジェット記録ヘッドおいて、ヒータ部810で発生した気泡により、吐出口811を介して、インク滴を飛翔させる事ができる。インク滴が吐出口811から飛翔した後に、ヒータ部810上を含むインク流路812へのインクの再充填は両側から行われる。また、ヒータ部810を中心に、インク流路812が対称に配置されていることで、ヒータ部810上へのインクの再充填が高速に行われるため、ヒータ部810で発生する気泡の周期を高速にでき、高速なインク滴の飛翔を可能できる。さらに、ヒータ部810で発生した気泡も対称に広がるので、吐出口811から飛翔するインク滴もヒータ部810に対して垂直方向に吐出されることとなり、インク滴を被記録媒体へ精度よく着弾させる事ができる。
また、図9には、図5で示したインクジェット記録ヘッドの製造工程で作製された図2(a)で開示している点線CC’による断面における模式的断面図である。図9において、図3(c)で示したインクジェット記録ヘッド用基板のヒータ部を縦断するように切断したときの模式的断面図上に、図5で開示したインクジェット記録ヘッドに配された樹脂基板が形成されている。樹脂基板は吐出口911とインク流路912を構成し、ヒータ部910で発生する気泡と隣のヒータで発生する気泡との干渉を抑制するノズル壁913を有する。
作製したインクジェット記録ヘッドを図12に示す形態のインクジェットヘッドユニットに実装して吐出、記録評価を行った結果、良好な画像記録が可能であった。インクジェットヘッドユニットの形態としては、図12に示すように、例えば、インクタンク1313を着脱可能に保持した保持部材の外面に、記録装置本体と記録信号の授受を行うためのTABフィルム1314が設けられる。また、TABフィルム1314上にインクジェット記録ヘッド1312が電気接続用リード1315により電気配線と接続されている。
したがって、本実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法によれば、独立供給口の第一の面側の開口寸法を精度良く制御することができる。その結果、吐出エネルギー発生素子から独立供給口までの距離を高精度に形成することができる。したがって、吐出速度、着弾精度、インクのリフィル速度に優れた液体吐出ヘッドを製造できる。
また、本実施形態の製造方法で得られる液体吐出ヘッドは、以下の構成を有する。
すなわち、本実施形態の液体吐出ヘッドは、
液体を吐出するためのエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子を第一の面上に有し、かつ前記第一の面と反対側の面である第二の面側から第一の面に達する独立供給口を有する基板と、
前記液体を吐出する吐出口と、該吐出口及び前記独立供給口に連通する液体流路と、を構成し、前記基板の第一の面上に設けられる樹脂基板と、
を備える液体吐出ヘッドであって、
前記独立供給口の内壁のうち前記第一の面側の上端部分が金属保護膜で構成されていることを特徴とする。
すなわち、独立供給口のうち、液体流路との連通する部分の内周部分が金属保護膜で構成されている。
本実施形態の液体吐出ヘッドにおいては、独立供給口の第一の面側の開口付近からのインクによる電気配線の腐食を防止できるため、連続的に吐出する耐久性においても信頼性に優れている。
金属保護膜は、Taを主成分とする金属から構成されることが好ましい。もしくは、α−TaやIr等の金属膜を用いてもよい。また、金属保護膜は、吐出エネルギー発生素子を構成する発熱抵抗体、又は吐出エネルギー発生素子の上に形成される前記耐キャビテーション膜と同じ材料を用いて構成されていることが好ましい。この構成とすることにより、腐食防止の観点のみならず、製造工程の容易化も図ることができ、コストの観点からも好ましい。
また、さらに好ましい形態は、図7に示すように、金属保護膜とシリコン基板とが接している形態である。図7において、エッチングストップ層を除去した後、金属保護膜(サイドエッチングストッパー部)が露出するが、インクに接する部分がシリコン基板と金属保護膜で構成されるため、優れた耐久性を有することになる。
(実施例2)
図5の本実施形態のインクジェット記録ヘッドの製造工程で開示したように、シリコン基板の裏面に形成した凹部(共通供給口)内にパターニングマスクを形成した後、独立供給口をシリコンのドライエッチングで形成する。シリコン基板の裏面に形成した凹部内におけるパターニングマスクの形成精度や、該凹部の底面におけるシリコンドライエッチングの加工精度は、シリコン基板の表面における精度に比べて、若干劣る事が知られている。そこで、図6には、シリコン基板の裏面精度が、数μmずれる場合を想定した前記図2Bで示したインクジェット記録ヘッド用基板の点線AA’による断面における模式的断面図を示している。図6で示すように本実施例では、独立供給口形成予定領域610とサイドエッチングストッパーとの面方向の距離をとってそれぞれを配置している。これにより、独立供給口の第一の面側の開口位置が多少ずれても、エッチングストップ層にドライエッチング到達する。その他の工程については、図5と同様のインクジェット記録ヘッドの製造工程を経て、インクジェット記録ヘッドを作製した。
(実施例3)
実施例2と同様に、図7には、本発明を達成する手段として、シリコン基板の裏面精度が、数μmずれる場合を想定した前記図2Bで示したインクジェット記録ヘッド用基板の点線AA’による断面における模式的断面図を示している。図7において、サイドエッチングストッパー部711は、熱酸化膜702及びシリコン基板701の上に配置されており、サイドエッチングストッパー部711の一部がシリコン基板701に接している。つまり、熱酸化膜702とエッチングストップ層との間にサイドエッチングストッパー部711が配置されている構造となっている。また、エッチングストップ層とサイドエッチングストッパー部はシリコン基板710の第一の面上に配置され、エッチングストップ層の側面と、サイドエッチングストッパー部の側面は接している。このような構成とすることにより、エッチングストップ層を除去する際のサイドエッチングをより効果的に抑制することができる。その他の工程については、図5と同様のインクジェット記録ヘッドの製造工程を経て、インクジェット記録ヘッドを作製した。
(実施例4)
図13には、シリコン基板の裏面精度が、数μmずれる場合を想定した図2Bで示したインクジェット記録ヘッド用基板の点線AA’による断面における模式的断面図を示している。図13では、シリコン基板1401の裏面から独立供給口形成予定領域1410に独立供給口を形成する際に、シリコンドライエッチングのエッチングストップ層として、第一の電気配線層1404と層間絶縁膜1405を配置した。これにより、シリコンドライエッチングで独立供給口を加工する際に、終点検知を高精度で行う事ができる。また、これにより、シリコンウェハ内に複数配置された前記インクジェット記録ヘッド用基板の面内分布も向上し、歩留りも向上でき、インクジェット記録ヘッドを安価に形成できる。更に、シリコンドライエッチングの終点付近で発生する横広がりの現象(通常、「ノッチ」と呼ばれている)も抑制でき、更に高精度な独立供給口を形成する事ができる。
図13で開示したインクジェット記録ヘッド用基板を用いた本発明のインクジェット記録ヘッドの製造方法は、図5と同様のインクジェット記録ヘッドの製造工程を経て、インクジェット記録ヘッドを作製する事ができる。
なお、第一の電気配線層は、インクジェット記録ヘッド用基板1401を、50℃に加温したアルミエッチング液:NS−30(燐酸・硝酸混合水溶液:林純薬社製)に10〜30分間浸漬させることにより除去した。また、アルミエッチング液:NS−30は、シリコンやシリコンを含む無機系の絶縁膜を溶解することがないので、AL1膜以外の構成材料へのダメージはなかった。
その後の製造工程は、図5(d)〜(g)で開示したインクジェット記録ヘッドの製造方法で、インクジェット記録ヘッドを作製した。
(実施例5)
図14は、図2Bで示したインクジェット記録ヘッド用基板の点線AA’による断面における本実施例の模式的断面図である。
図14は、実施例1で示した図4に開示のインクジェット記録ヘッド用基板を作製する場合に、層間絶縁膜であるP−SiO膜からなる層間絶縁膜1505をドライエッチングして、サイドエッチングストッパー1511をより安定的に形成する実施形態を図14に示している。
実施例1と同様に、P−SiO膜からなる層間絶縁膜1505を除去する際のサイドエッチングストッパー部1511を有するインクジェット記録ヘッド用基板を作製している。
P−SiO膜からなる層間絶縁膜1505をドライエッチングして、サイドエッチングストッパー配置部を形成する際に、1000℃で形成した熱酸化膜(FOx膜)1502上にPCVD法で形成したBPSG(ボロンとリンを含んだシリケートガラス)膜1503を配置している。BPSG膜1503を配置しておくことで、安定して、FOx膜1502上に接したサイドエッチングストッパー部1505を形成する事ができる。さらに、BPSG膜を、独立供給口形成予定領域1510上にも配置しておく事ができる。したがって、シリケートガラス膜1503はシリコンドライエッチングで独立供給口を形成する際のエッチングストップ層をも兼ねる事ができる。
また、BPSG膜1503は、界面活性剤を添加したBHF液(LAL800、ステラケミファ社製)にも簡単に溶解しやすいので、除去工程も容易であった。
図14で開示したインクジェット記録ヘッド用基板を用いて、実施例1と同様の工程フローでインクジェット記録ヘッドを作製した。
(比較例1)
次に、比較例1として、図10に、図4とは異なり、独立供給口の開口周囲にサイドエッチングストッパー部を有していないインクジェット記録ヘッド用基板を示している。
図10では、シリコン基板1001上に、1000℃の温度で熱拡散工程(LOCOS:Local oxidation of silicon工程)により熱酸化膜1002(Field−Ox膜、以下FOx膜と呼ぶ)を1.0μm厚で形成した。その後、熱酸化膜上にPCVD法でBPSG(ボロンとリンを含んだシリケートガラス)膜1003を0.6μm厚で形成した。BPSG膜1003、FOx膜1002、及びシリコン基板1001上に、第一の電気配線層(以下、AL1膜とも呼ぶ)1004を0.4μm厚で形成した。AL1層1004上に、P−SiO膜からなる層間絶縁膜1005を200℃の温度で、1.0μm厚で、プラズマCVD法を用いて形成した。次に、層間絶縁膜1005を介して、第一の電気配線層と第二の電気配線層との電気的接続を行うスルーホール部(不図示)を形成するために、層間絶縁膜1005のパターニングをおこなった。次に、層間絶縁膜1005上にヒータ材層である発熱抵抗体層1006を0.05μm厚と第二の電気配線層(AL2膜とも呼ぶ)1007を0.6μm厚で、スパッタリング法を用いて形成した。前述したように、まず、ヒータ材層の材料とAL2膜の材料(Al膜)をドライエッチング法でパターニングした。その後、ヒータ領域を形成するために、マスクレジストを1.2μm塗布、パターニングした。その後、硝酸、フッ酸、酢酸の混合液を用いて、AL2膜のみをテーパーエッチングした。その後、P−SiN膜を0.3μm厚でPCVD法で形成してパターニングすることにより、保護膜1008を形成した。その後、保護膜1008上に、耐キャビテーション膜1009を形成した。耐キャビテーション膜1009は、Ta膜を0.25μm厚でスパッタリング法で成膜して形成した。その後、耐キャビテーション膜1009および保護膜1008を部分的に除去し、ボンディング用のパッド(不図示)を形成した。
図11は、比較例1のインクジェット記録ヘッドの製造工程を示している。
図11(a)は、図10で示したインクジェット記録ヘッド用基板である。
図11(b)は、インクジェット記録ヘッド用基板上の表面に、該基板と後述の感光性被覆樹脂層1113との密着性を向上させる密着向上層1111が形成されている。
密着向上層1111としては、HIMAL(日立化成社製)を用いた。
次いで、図11(c)に示すように、PMIPKを含むポジ型レジストを用いて型パターン1112を形成した。
次に、ポジ型レジストからなる型パターン1112を覆うように液流路構造体材料を塗布して露光及び現像処理を行い、吐出口を有する被覆樹脂層1113を形成した。
次いで、被覆樹脂層1113がダメージを受けないように、環化ゴムなどの保護材(不図示)を用いてシリコン基板のノズルを形成した側の面を保護した。そして、シリコン基板の第二の面(裏面)から結晶異方性エッチングを行い、共通供給口を形成した。共通供給口は、インクジェット記録ヘッド用基板を構成するシリコンウェハの厚みの70〜90%まで、TMAHなどの強アルカリ性エッチング液を用いて形成した。具体的には、シリコン基板厚:625μmの内、500μ厚まで、前記TMAH液を用いて、該シリコン基板に共通供給口を形成した。
次いで、シリコン基板の裏面に形成された共通供給口(不図示)の壁面に、スプレーコーターなどを使用して、厚さ:2〜12μmのポジ型フォトレジストを塗布した。その後、裏面露光機:UX−4258SC(ウシオ電機製)を用いて露光パターンを形成し、続いて現像処理することにより、共通供給口の底面に独立供給口を形成するためのパターニングマスクを形成した。
次いで、前記フォトレジストをマスクにして、ボッシュプロセスを採用したシリコンドライエッチング装置:Pegasus(住友精密工業社製)を用いて、独立供給口形成予定領域1110に、厚さ:125μm、開口径:□40μm×80μmの独立供給口を形成した。前記シリコンドライエッチングの際に、前記独立供給口形成予定領域上に配された層間絶縁膜(P−SiO膜)405が、エッチングストップ層になる。更に、ボッシュプロセスにより、シリコンをドライエッチングする際には、SF6系のガスとCF系(C4F8)のガスを交互に使用して、垂直な形状の独立供給口を形成した。
次に、実施例1と同様に、独立供給口の側壁を改質した後、酸化膜エッチング液を用いた等方性エッチングによりエッチングストップ層を除去した。
エッチング液としては、実施例1と同じものを用いた。しかし、P−SiO膜からなるエッチングストップ層を除去する際に、除去残差を無くすために、エッチング時間を延ばすと、図11(e)に示すように、サイドエッチングが進行してしまった。また、場合によっては、層間絶縁膜1105だけでなく、第二の電気配線層(AL2膜)1007上のP−SiN膜からなる保護膜1008までも除去してしまう事があった。これは、サイドエッチングストッパー部が形成されていないため、エッチングストップ層を除去する際にサイドエッチングが進行してしまったためである。また、さらには、微細な独立供給口の内部に浸透しやすくするために、通常のBHF溶液に界面活性剤を添加し、表面張力を下げたことも要因として挙げられる。つまり、表面表力を下げた結果、FOx膜1002と層間絶縁膜1005との界面や、層間絶縁膜1005と耐キャビテーション膜1009との界面にも浸透しやすくなり、サイドエッチングが急速に進むことが要因であった。特に、粘度が低く、表面張力が低い界面活性剤を含むBHF溶液を除去液に使用すると、サイドエッチングが顕著であった。また、このサイドエッチングが進行すると、第二の電気配線層(AL2膜)1007までもが溶解されてしまう場合もある。
次に、図11(f)に示すように、シリコン基板1101の裏面から独立供給口を介して、CF系(CF4)のガス及び酸素系ガスを用いて、等方性のドライエッチングプロセスにより、独立供給口に露出する耐キャビテーション膜を除去した。なお、図11(e)で示した層間絶縁膜1005のサイドエッチングの進行による空洞は残ったままであった。
次に、図11(g)に示すように、被覆樹脂層1113を介して、DeepUV光を全面に照射した後に、型パターン1112を溶出した。その後、被覆樹脂層1113をさらに硬化するために、200℃で、1時間の加熱を行った。
その後、実施例1と同様に、図12に示す形態のインクジェットヘッドユニットに実装し、吐出、記録評価を行った。その結果、前述した層間絶縁膜のサイドエッチングの進行による空洞を介して、インクが進入し、電気的なショートを起こしてしまう場合があった。
図15は、実施例1〜5と、比較例1で作製したインクジェット記録ヘッドを図12に示す形態のインクジェット記録ヘッドユニットに実装し、下記の組成を有する4色(4種類)のインクを充填し、吐出耐久試験を行った結果を示している。
下記に、吐出耐久試験に用いた4色のインク組成を記している。合計は100質量部とした。
染料 X部
チオジグリコール 15質量部
トリエチレングリコール 15質量部
ブラックインク:染料C.I. フードブラック2 3.5質量部
イエローインク:染料C.I. ダイレクトイエロー86 2.0質量部
シアンインク:染料C.I. アシッドブルー9 2.5質量部
マゼンタインク:染料C.I. アシッドレッド289 3.0質量部
純水 残部
図15に示したように、本発明の実施例1〜4で作製したインクジェット記録ヘッドは、1×109[total pulse number]の駆動パルス数をヒータに印加して後でも、印字した画像劣化や電気的なショート等は発生しなかった。一方、比較例1で作製したインクジェット記録ヘッドでは、1×108[total pulse number]の駆動パルス数を印加する前に、電気的なショートや、吐出口の近傍に出来た大きな窪みに溜まったインクによって、印字した画像劣化が発生してしまった。
実施例1〜4で作製したインクジェット記録ヘッドの吐出耐久後を観察すると、前記独立供給口の内周部が、熱酸化膜とヒータ材膜と耐キャビテーション膜(Ta膜)で構成されているために、インクによる腐食が見られなかった。
1 P型シリコン基板
2 N型コレクタ埋込領域
3 P型アイソレーション埋込領域
4 N型エピタキシャル領域
5 P型ベース領域
6 P型アイソレーション領域
7 N型コレクタ領域
8 高濃度P型ベース領域
9 高濃度P型アイソレーション領域
10 高濃度N型エミッタ領域
11 高濃度N型コレクタ領域
12 コレクタ・ベース共通電極
13 エミッタ電極
14 アイソレーション電極
21 シリコン基板
22 インク吐出エネルギー発生素子
23 溶解可能な樹脂層
24 感光性の被覆樹脂層
25 インク吐出口
26 保護材
27 インク供給口
100 記録ヘッド
101 蓄熱層
102 層間膜
103 発熱抵抗層
104 配線電極
105 保護膜
106 保護膜
110 発熱部
201 ヒータ
202 独立供給口
203 第二の電気配線層(AL2膜)
204 スルーホール部
205 第一の電気配線層(AL1膜)
210 サイドエッチングストッパー部
211 熱酸化膜(FOx膜)
213 吐出口
214 ノズル壁
215 支柱
301 シリコン基板
302 熱酸化膜(FOx膜)
303 BPSG膜
304 P−SiO膜
305 第二の電気配線層(AL2膜)
306 ヒータ材層
307 P−SiN膜
308 耐キャビテーション膜(Ta膜)
310 ヒータ部
401 シリコン基板
402 熱酸化膜(Field−Ox膜)
403 BPSG膜
404 第一の電気配線層(AL1膜)
405 層間絶縁層(P−SiO膜)
406 ヒータ材層
407 第二の電気配線層(AL2膜)
408 保護膜(P−SiN膜)
409 耐キャビテーション膜(Ta膜)
410 独立供給口形成予定領域
411 サイドエッチングストッパー部
412 エッチングストップ層
501 シリコン基板
510 独立供給口形成予定領域
511 密着向上層
512 ポジ型レジスト層
513 被覆樹脂層
514 第一の開口
515 独立供給口
516 インク流路
601 シリコン基板
602 熱酸化膜(Field−Ox膜)
603 BPSG膜
604 第一の電気配線層(AL1膜)
605 層間絶縁層(P−SiO膜)
606 ヒータ材層
607 第二の電気配線層(AL2膜)
608 保護膜(P−SiN膜)
609 耐キャビテーション膜(Ta膜)
610 独立供給口形成予定領域
611 サイドエッチングストッパー部
701 シリコン基板
702 熱酸化膜(Field−Ox膜)
703 BPSG膜
704 第一の電気配線層(AL1膜)
705 層間絶縁層(P−SiO膜)
706 ヒータ材層
707 第二の電気配線層(AL2膜)
708 保護膜(P−SiN膜)
709 耐キャビテーション膜(Ta膜)
710 独立供給口形成予定領域
711 サイドエッチングストッパー部
801 シリコン基板
802 熱酸化膜(Field−Ox膜)
803 BPSG膜
804 層間絶縁層(P−SiO膜)
805 第二の電気配線層(AL2膜)
806 ヒータ材層
807 保護膜(P―SiN膜)
808 耐キャビテーション膜(Ta膜)
810 ヒータ部
811 吐出口
812 インク流路(ノズル)
901 シリコン基板
902 熱酸化膜(Field−Ox膜)
903 BPSG膜
904 層間絶縁層(P−SiO膜)
906 ヒータ材層
907 保護膜(P−SiN膜)
908 耐キャビテーション膜(Ta膜)
910 ヒータ部
911 吐出口
912 インク流路(ノズル)
913 インク流路壁(ノズル壁)
1001 シリコン基板
1002 熱酸化膜(Field−Ox膜)
1003 BPSG膜
1004 第一の電気配線層(AL1膜)
1005 層間絶縁層(P−SiO膜)
1006 ヒータ材層
1007 第二の電気配線層(AL2膜)
1008 保護膜(P−SiN膜)
1009 耐キャビテーション膜(Ta膜)
1010 独立供給口形成予定領域
1101 シリコン基板
1110 独立供給口形成予定領域
1111 密着向上層
1112 型パターン(ポジ型レジスト層)
1113 被覆樹脂層
1309 インク吐出孔
1312 インクジェット記録ヘッド
1313 インクタンク
1314 TABフィルム
1315 電気接続用リード
1401 シリコン基板
1402 熱酸化膜(Field−Ox膜)
1403 BPSG膜
1404 第一の電気配線層、エッチングストップ層
1405 層間絶縁層(P−SiO膜)
1406 ヒータ材層
1407 第二の電気配線層(AL2膜)
1408 保護膜(P−SiN膜)
1409 耐キャビテーション膜(Ta膜)
1410 独立供給口形成予定領域
1411 サイドエッチングストッパー部
1501 シリコン基板
1502 熱酸化膜(Field−Ox膜)
1503 BPSG膜
1504 第一の電気配線層(AL1膜)
1505 層間絶縁層(P−SiO膜)
1506 ヒータ材層
1507 第二の電気配線層(AL2膜)
1508 保護膜(P−SiN膜)
1509 耐キャビテーション膜(Ta膜)
1510 独立供給口形成予定領域
1511 サイドエッチングストッパー部

Claims (11)

  1. 液体を吐出するためのエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子を第一の面上に有し、かつ前記第一の面と反対側の面である第二の面側から第一の面に達する独立供給口を有する基板を備える液体吐出ヘッドの製造方法であって、
    (1)前記第一の面上における前記独立供給口を形成する領域に相当する部分にエッチングストップ層を形成する工程と、
    (2)前記基板の第二の面側からドライエッチング処理を前記エッチングストップ層に達するまで行う工程と、
    (3)前記ドライエッチング処理を実施した後、等方性エッチングにより、前記エッチングストップ層を除去し、前記独立供給口を形成する工程と、
    を含み、
    前記等方性エッチングに対するエッチング耐性を有するサイドエッチングストッパー部を前記エッチングストップ層の側面周囲に形成した状態で前記等方性エッチングを行うことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
  2. 前記等方性エッチングはウェットエッチング処理である請求項1に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
  3. 前記サイドエッチングストッパー部によって前記独立供給口の前記第一の面側の開口寸法を規定する請求項1又は2に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
  4. 前記サイドエッチングストッパー部はTaを主成分とする金属からなる請求項1乃至3のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
  5. 前記工程(2)は、前記第二の面からエッチングにより形成した共通供給口の底部に、前記ドライエッチング処理により複数の前記独立供給口を形成する工程である請求項1乃至4のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
  6. 前記ドライエッチング処理はリアクティブイオンエッチングである請求項1乃至5のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
  7. 前記エッチングストップ層は、前記基板の上にプラズマCVD法を用いてシリコン酸化膜を配置して該シリコン酸化膜をパターニングすることにより、形成される請求項1乃至6のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
  8. 前記ドライエッチング処理に用いるエッチングガスはフッ素系化合物を含み、
    前記等方性エッチングに用いるエッチング溶液として、粘度が1.2〜2.5cpsであり、表面張力が30.0〜40.0dyne/cmであり、フッ酸の濃度が1.0〜10.0質量%であり、フッ化アンモニウムの濃度が10.0〜30.0質量%である酸性水溶液を用いる請求項7に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
  9. 液体を吐出するためのエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子を第一の面上に有し、かつ前記第一の面と反対側の面である第二の面側から第一の面に達する独立供給口を有する基板と、
    前記液体を吐出する吐出口と、該吐出口及び前記独立供給口に連通する液体流路と、を構成し、前記基板の第一の面上に設けられる樹脂基板と、
    を備える液体吐出ヘッドであって、
    前記独立供給口の内壁のうち前記第一の面側の上端部分が金属保護膜で構成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
  10. 前記金属保護膜は、Taを主成分とする請求項9に記載の液体吐出ヘッド。
  11. 前記金属保護膜は、前記吐出エネルギー発生素子を構成する発熱抵抗体、又は前記吐出エネルギー発生素子の上に形成される耐キャビテーション膜と同じ材料を用いて構成されている請求項9又は10に記載の液体吐出ヘッド。
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