JP2014030923A - 貫通口を有する基板、液体吐出ヘッド用基板及び液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

貫通口を有する基板、液体吐出ヘッド用基板及び液体吐出ヘッドの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、基板にほぼ垂直な形状を有する貫通口を有する貫通口含有基板の製造方法であって、ノッチングによる開口部の広がりを抑える事が可能な貫通口含有基板の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、基板の第一の面と反対側の第二の面側から前記第一の面までドライエッチングを行うことにより貫通口を形成する貫通口含有基板の製造方法であって、（ａ）前記基板の前記第一の面における前記貫通口を形成する領域の周囲に溝を形成する工程と、（ｂ）前記基板の前記第一の面における前記貫通口を形成する領域及び前記溝内にエッチングストップ層を形成する工程と、（ｃ）前記第二の面側から前記ドライエッチングを行うことにより、前記貫通口を形成する工程と、をこの順で有することを特徴とする貫通口含有基板の製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、貫通口を有する基板の製造方法に関する、また、本発明は、好ましくは液体吐出ヘッド用基板の製造方法に関する。さらに、本発明は、好ましくは液体吐出ヘッドの製造方法に関する。
液体吐出ヘッドの素子基板に液体供給口を形成する手段として、ドリル、レーザー、サンドブラストなどの手法や結晶異方性エッチング等が提案されている。
また、エッチングガスを用いるドライエッチングにより液体供給口を形成する方法では、ほぼ垂直な形状の液体供給口が形成される。その結果、結晶異方性エッチングによって液体供給口を形成する場合よりも、チップサイズを小さくする事が可能となる。
ドライエッチングにより液体供給口を形成する方法では、素子基板の表面にエッチングストップ層が形成される。そして、素子基板の裏面からエッチングストップ層へ到達するまでドライエッチングを実施して貫通口を形成する。その後、エッチングストップ層を除去する。
ここで、エッチング面がエッチングストップ層に到達すると、帯電の影響により供給口形成方向と垂直な方向（以下、横方向又は面方向とも称す）へエッチングが進むノッチングと呼ばれる現象が発生する事が知られている。ノッチングが発生すると、基板表面における液体供給口の開口部が広がり、場合によっては、発熱素子やその配線まで開口部が広がり、信頼性が低下する場合がある。
そこで、特許文献１には、基板の表面に第１のトレンチを形成し、第１のトレンチの底部に基板の裏面から第２のトレンチを形成する方法が提案されている。この方法では、液体供給口端部が第１のトレンチで規定されるため、第２のトレンチを形成する際のノッチングの影響を受けないとされている。
特許第４１１９３７９号明細書
特許文献１に示される方法では、ノッチングの広がりをある程度想定し、第１のトレンチの開口面積を設定する必要がある。しかしながら、ノッチングの広がりは、ドライエッチングによるエッチング面がエッチングストップ層に到達してからのエッチング時間（以後、オーバーエッチング時間とも称す）により変化する。そのため、エッチングレートのバラツキやエッチングする素子基板の厚みバラツキを考慮すると、第１のトレンチの開口面積が大きくなり、チップ面積の増加につながり、生産性が低下する場合がある。
また、特許文献１に示される構成では、液体流路や吐出口を形成する樹脂層を積層するモノリシック方式の製法に対して、表面に形成された第１のトレンチによる段差の影響を受け、印字性能が低下する可能性がある。
そこで、本発明は、基板にほぼ垂直な形状を有する貫通口を有する貫通口含有基板の製造方法であって、ノッチングによる開口部の広がりを抑える事が可能な貫通口含有基板の製造方法を提供することを目的とする。好ましくは、本発明は、ほぼ垂直な形状を有する液体供給口を有する液体吐出ヘッド用基板又は液体吐出ヘッドの製造方法であって、ノッチングによる液体供給口の広がりを抑える事が可能な製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一は、
基板の第一の面と反対側の第二の面側から前記第一の面までドライエッチングを行うことにより貫通口を形成する貫通口含有基板の製造方法であって、
（ａ）前記基板の前記第一の面における前記貫通口を形成する領域の周囲に溝を形成する工程と、
（ｂ）前記基板の前記第一の面における前記貫通口を形成する領域及び前記溝内にエッチングストップ層を形成する工程と、
（ｃ）前記第二の面側から前記ドライエッチングを行うことにより、前記貫通口を形成する工程と、
をこの順で有することを特徴とする貫通口含有基板の製造方法である。
また、本発明の一は、
前記貫通口含有基板の製造方法を用いて液体供給口を形成することを特徴とする液体吐出ヘッド用基板の製造方法である。
また、本発明の一は、
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に有する基板と、該基板の前記第一の面側に、前記液体を吐出する液体吐出口及び該液体吐出口に連通する液体流路を構成する流路形成部材と、を備え、前記基板は前記液体流路に前記液体を供給する液体供給口を有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
（ａ）前記基板の前記第一の面における前記液体供給口を形成する領域の周囲に溝を形成する工程と、
（ｂ）前記基板の前記第一の面における前記液体供給口を形成する領域及び前記溝内にエッチングストップ層を形成する工程と、
（ｃ）前記第一の面と反対側の第二の面側からドライエッチングを行うことにより、前記液体供給口を形成する工程と、
をこの順で有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法である。
本発明によれば、基板にほぼ垂直な形状を有する貫通口を有する貫通口含有基板の製造方法であって、ノッチングによる開口部の広がりを抑える事が可能な貫通口含有基板の製造方法を提供することができる。また、好ましくは、本発明によれば、ほぼ垂直な形状を有する液体供給口を有する液体吐出ヘッド用基板又は液体吐出ヘッドの製造方法であって、ノッチングによる液体供給口の広がりを抑える事が可能な製造方法を提供することができる。それにより、ノッチングによるチップサイズの増加、信頼性の低下を抑制する事が可能となる。
本実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法を示す工程断面図である。 本実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法を示す工程断面図である。 本実施形態の製造方法の特徴を示した液体吐出ヘッド用基板の模式的断面図である。 本実施形態で得られる液体吐出ヘッドの構成例を示す模式的断面斜視図である。 本実施形態における基板の液体供給口周辺の配置を示す平面模式図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態に係る製造方法によって製造される液体吐出ヘッド用基板の構造について、予め説明する。図４は、本実施形態の製造方法によって製造される液体吐出ヘッド用基板の構成例を説明するための模式的斜視図である。
図４において、液体吐出ヘッド用基板は、第一の面４１０及び該第一の面と反対側の面である第二の面４１１を有するシリコン基板４０３と、基板上に積層されたノズルプレート（流路形成部材とも称す）４０６と、吐出エネルギー発生素子４０５と、を備える。
基板の第一の面側にはノズルプレート４０６が配置され、ノズルプレート４０６内に吐出される液体が充填される液体流路４０８が形成されている。さらに、基板の第二の面から第一の面まで貫通するように、液体流路へ液体を供給する液体供給口４０２が形成されている。
また、ノズルプレート４０６は、複数の樹脂層が順次基板上に積層することで形成されてもよい。また、ノズルプレート４０６には、液体を吐出するためのノズル（吐出口とも称す）４０１が液体流路と連通するように形成されている。例えば、ノズルプレート４０６は、液体流路４０８の側面を構成する流路側壁部材とノズル４０１を構成する吐出口部材とから形成されることができる。
なお、図４において、後述の溝は不図示である。
次に、本実施形態について図３を用いて詳細に説明する。
ドライエッチングにより液体供給口３０２を形成する場合、基板の表面にエッチングストップ層３１２が設けられる。そして、基板の表面に形成されたエッチングストップ層３１２へ向かって基板の裏面側からドライエッチングを実施し、貫通口としての液体供給口３０２を形成する。
シリコン基板のドライエッチングにおけるエッチングストップ層としては、酸化膜等の絶縁膜が一般的に用いられる。また、ドライエッチングにおいて、ＳＦ６を用いたエッチングとＣ４Ｆ８を用いたデポジションのプロセスを交互に繰り返す、いわゆるボッシュプロセスを用いる場合、レジストもエッチングストップ層として用いる事ができる。
液体供給口を形成する際、エッチングストップ層３１２にエッチング面が到達した後に、さらにドライエッチングを継続すると、エッチングストップ層における帯電の影響から、ノッチングと呼ばれる横方向への広がりが生じる。
本実施形態では、基板表面における液体供給口が形成される領域の周囲に溝３１３を形成し、さらに溝３１３内にエッチングストップ層が埋め込まれる。この構成とする事により、ノッチングにより液体供給口の表面側の開口部が広がった場合も、溝３１３内に埋め込まれたエッチングストップ層３１２で液体供給口３０２の広がりを防止する事ができる。
また、ノッチングはオーバーエッチング時間により程度が異なるが、前述の様に、製造上オーバーエッチング時間を常に一定にする事は困難である。本実施形態の構成によれば、たとえ過剰にオーバーエッチングが発生した場合も、溝よりも開口部が広がる事を抑えることができる。また、溝内に形成されたエッチングストップ層でエッチングが止まるため、液体供給口の表面側開口部の形状を溝で規定することもできる。
溝の深さは、ノッチングの大きさと液体流路の凹みへの影響を鑑みて設定することが望ましいが、１〜３０μｍの範囲であることが好ましく、３〜１０μｍの範囲であることがより好ましい。
図５に、液体供給口を形成する前の基板の構成例を説明するための模式的平面図を示す。図５において、吐出エネルギー発生素子５０５の両側に液体供給口５０２が形成されており、吐出エネルギー発生素子に双方向から液体を供給する構成となっている。なお、図５において、エッチングストップ層は図示されていない。
本実施形態では、図５に示すように、液体供給口が形成される領域５０２を囲むようにその周囲に溝５１３が形成され、該溝５１３内を含んでエッチングストップ層が形成される。エッチングストップ層は、少なくとも液体供給口が形成される領域の上部分から溝内に亘って配置される。換言すると、エッチングストップ層は、溝で囲まれる基板表面領域と溝内とに少なくとも配置される。このような構成とする事により、ノッチングが大きく広がった際に溝に埋め込まれたエッチングストップ層で広がりを抑える事ができる。なお、溝内には、少なくとも溝の内側側面（液体供給口側の側面）にエッチングストップ層が配置されれば本願発明の効果を十分に奏することができる。換言すると、エッチングストップ層は、少なくとも基板表面の液体供給口が形成される領域から溝の内側側面に亘って配置されれば本願発明の効果を十分に奏することができる。
信頼性を向上させるためには、液体供給口から吐出エネルギー発生素子５０５の方向へノッチングを防止することが望ましい。また、本実施形態では、隣接する液体供給口間の基板領域である梁５１４の上に吐出エネルギー発生素子へ電力を供給する配線（不図示）が配置されるため、該梁５１４の方向へノッチングが広がる事も防止することが望ましい。したがって、本実施形態では、図５に示すように、液体供給口の開口位置、つまりエッチング面が到達する位置を囲むように周囲に溝５１３を形成する。
（実施例１）
次に、図１を参照して、本実施形態の液体吐出ヘッド用基板の製造方法について実施例によって説明する。
まず、図１（ａ）に示すような基板を用意した。
具体的には、まず、吐出エネルギー発生素子１０５を有する表面側に有するシリコン基板１０３を用意した。シリコン基板１０３の厚さは２００μｍとした。
シリコン基板１０３の第一の面（表面）１１０には、後にエッチングストップ層が形成される溝１１３が形成されている。溝１１３は、シリコン基板１０３の第一の面１１０にフォトレジストを塗布し、露光、現像した後、ドライエッチングする事により形成した。この時、溝１１３の幅は２μｍ、深さは３μｍとした。溝１１３は、液体供給口が形成される領域の周囲に形成した。
その後、絶縁層１０４として、７００ｎｍの酸化膜をプラズマＣＶＤにより形成した。絶縁層１０４はエッチングストップ層として機能し、溝１１３の内部にも形成された（図１（ａ））。絶縁層１０４は、基板上であって、吐出エネルギー発生素子１０５の上、液体供給口を形成する領域の上、及び溝１１３内に形成された。
ここで、エッチングストップ層を兼ねる絶縁層の材料としては、特に制限するものではないが、例えば、ＳｉＯ、ＳｉＮ等が挙げられる。
次に、図１（ｂ）に示すように、基板上に、ポリエーテルアミド樹脂層からなる密着層（不図示）、液体流路１０８の流路型材１０７、吐出口１０１を含むノズルプレート１０６を形成した。ノズルプレートは感光性樹脂を用いて形成し、流路型材１０７はポジ型レジストを用いて形成した。
この時、流路型材１０７の材料であるポジ型レジストは厚み８μｍで、ノズルプレート１０６の材料である感光性樹脂は厚み１０μｍで、スピンコートにより基板上に塗布した。
次に、図１（ｃ）に示すように、表面を保護するための保護膜１１５をレジストを用いた形成した。本実施例においては、保護膜１１５の材料として、東京応化社製のＯＢＣ(商品名)を用いたが、その他一般に市販されているポジ型フォトレジストや他の材料も使用可能である。
次に、図１（ｄ）に示すように、シリコン基板１０３の第二の面（第一の面と反対側の面）１１１に、後工程におけるドライエッチングにより液体供給口１０２を形成する際に用いるマスクとしてのエッチングマスク１０９を形成した。本実施例においては、東京応化社製フォトレジストＯＦＰＲ（商品名）を塗布し、露光、現像を実施する事により、エッチングマスク１０９を形成した。
次に、第二の面側（裏面側）から第一の面（基板表面）までドライエッチングを実施することにより、シリコン基板１０３に貫通口としての液体供給口１０２を形成した。本実施例において、ドライエッチングにはアルカテル社製ＩＣＰエッチング装置：型式番号６０１Ｅを使用し、ボッシュプロセスによりエッチングを実施した。
ドライエッチングの途中までは、図１（ｅ）に示すように、ほぼ垂直に液体供給口が形成され、エッチングストップ層である絶縁層１０４へ到達する。
製造上のバラツキを考慮して、エッチング面がエッチングストップ層へ到達した後も、ドライエッチングを継続した（オーバーエッチングを行った）ところ、図１（ｆ）に示すように、ノッチングによって液体供給口１０２の表面側開口部が横方向へ広がり、溝１１３へ到達した。
次に、図１（ｇ）に示すように、シリコン基板１０３の第二の面１１１に形成したエッチングマスク１０９及び保護膜１１５を除去した。
次に、図１（ｈ）に示すように、エッチングストップ層である絶縁層１０４のうち、液体供給口の開口部に連通する部分をＢＨＦにより除去した。
次に、図１（ｇ）に示すように、流路型材１０７を除去する事により、液体流路１０８を形成した。
本実施例で示す方法によれば、ドライエッチングにより液体供給口を形成する際のノッチングによる広がりを許容するためにチップ面積を増加させる必要がなくなる。
また、本実施例で示す方法によれば、溝に埋め込まれたエッチングストップ層により、ヒーター直下までノッチングが広がる事を防げるため、信頼性を向上させる事が可能となる。
（実施例２）
以下に、図２を参照して、本実施形態の液体吐出ヘッド用基板の製造方法について実施例によって説明する。
まず、図２（ａ）に示すような用基板を用意した。
具体的には、シリコン基板２０３の表面には、吐出エネルギー発生素子２０５及び吐出エネルギー発生素子２０５上に形成された絶縁層２０４が配置されている。絶縁層２０４としては、７００ｎｍの酸化膜をプラズマＣＶＤにより形成した。シリコン基板２０３の厚さは２００μｍとした。
また、シリコン基板２０３の第一の面２１０には、後工程で液体吐出口が形成される領域の周囲に溝２１３が形成されている。溝２１３は、シリコン基板２０３の第一の面２１０にフォトレジストを塗布し、露光、現像した後、ドライエッチングする事により形成した。この時、溝２１３の幅は２μｍ、深さは３μｍとした。
次に、図２（ｂ）に示すように、基板上に、ポリエーテルアミド樹脂層からなる密着層（不図示）、液体流路２０８の型材である流路型材２０７、吐出口２０１を含むノズルプレート２０６を形成した。ノズルプレートは感光性樹脂を用いて形成し、流路型材２０７は溶解可能な樹脂層から構成されるが、溶解可能な樹脂としてポジ型レジストを用いた。
ここで、溶解可能な樹脂としては、特に制限するものではないが、例えば、ポジ型レジストが好ましく、具体的には東京応化工業社製の「ＯＤＵＲ」等が挙げられる。
本実施例においては、流路型材２０７がエッチングストップ層を兼ねるため、流路型材２０７は、液体供給口２０２が形成される領域の基板表面を被覆し、かつ溝２１３に埋め込まれる様に形成した。流路型材２０７は、基板上であって、液体流路２０７に相当する部分、液体供給口を形成する領域の上及び前記溝内に形成された。
この時、流路型材２０７の材料であるポジ型レジストは厚み８μｍで、ノズルプレート２０６の材料である感光性樹脂は厚み１０μｍでスピンコートにより基板上に塗布した。
次に、図２（ｃ）に示すように、表面を保護するための保護膜２１５をレジストを用いて形成した。本実施例においては、保護膜２１５の材料として、東京応化社製のＯＢＣ（商品名）を用いたが、その他一般に市販されているポジ型フォトレジストや他の材料も使用可能である。
次に、図２（ｄ）に示すように、シリコン基板２０３の第二の面２１１に、後工程におけるドライエッチングにより液体供給口２０２を形成する際に用いるマスクとしてのエッチングマスク２０９を形成した。本実施例においては、東京応化社製フォトレジストＯＦＰＲ（商品名）を塗布し、露光、現像を実施する事により、エッチングマスク２０９を形成した。
次に、第二の面側（裏面側）から第一の面（基板表面）までドライエッチングを実施することにより、シリコン基板２０３に貫通口としての液体供給口２０２を形成した。本実施例において、ドライエッチングにはアルカテル社製ＩＣＰエッチング装置：型式番号６０１Ｅを使用し、ボッシュプロセスによりエッチングを実施した。
ドライエッチングの途中までは、図２（ｅ）に示すように、ほぼ垂直に液体供給口が形成され、エッチングストップ層であるポジ型レジスト２０７へ到達する。
製造上のバラツキを考慮して、エッチング面がエッチングストップ層へ到達した後も、ドライエッチングを継続した（オーバーエッチングを行った）ところ、図２（ｆ）に示すように、ノッチングによって液体供給口２０２の表面側開口部が横方向へ広がり、溝２１３へ到達した。
次に、図２（ｇ）に示すように、シリコン基板２０３の第二の面２１１に形成したエッチングマスク２０９及び保護膜２１５を除去した。
次に、図２（ｈ）に示すように、エッチングストップ層を兼ねる流路型材２０７を溶解除去する事により、液体流路２０８を形成した。
本実施例では、ポジ型レジスト等の流路型材をエッチングストップ層として使用するため、インク供給口を形成した後のエッチングストップ層の除去工程を流路型材の除去工程と兼ねる事が可能となり、より少ない工程で液体吐出ヘッド用基板を製造する事ができる。
以上の説明では、主に、液体吐出ヘッドの形態について説明した。本発明の適用例として、例えば、インクジェット記録ヘッドを挙げることができるが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。例えば、インク記録以外にも、バイオッチップ作製や電子回路印刷に用いることができる。液体吐出ヘッドとしては、インクジェット記録ヘッドの他にも、例えばカラーフィルター製造用ヘッド等も挙げられる。
また、本発明は、液体吐出ヘッド用基板や液体吐出ヘッドの製造方法以外にも、貫通口を有する貫通口含有基板の製造方法として把握することもできる。
１０１、２０１、４０１ 液体吐出口
１０２、２０２、３０２、４０２ 液体供給口
５０２ 液体供給口が形成される領域
１０３、２０３、３０３、４０３ シリコン基板
１０４、２０４ 絶縁層
１０５、２０５、４０５、５０５ 吐出エネルギー発生素子
１０６、２０６、４０６ ノズルプレート
１０７、２０７ 流路型材
１０８、２０８、３０８ 液体流路
１０９、２０９ エッチングマスク
１１０、２１０、４１０ 第一の面
１１１、２１１、４１１ 第二の面
３１２ エッチングストップ層
１１３、２１３、３１３、５１３ 溝
５１４ 梁
１１５、２１５ 保護膜

Claims (15)

  1. 基板の第一の面と反対側の第二の面側から前記第一の面までドライエッチングを行うことにより貫通口を形成する貫通口含有基板の製造方法であって、
    （ａ）前記基板の前記第一の面における前記貫通口を形成する領域の周囲に溝を形成する工程と、
    （ｂ）前記基板の前記第一の面における前記貫通口を形成する領域及び前記溝内にエッチングストップ層を形成する工程と、
    （ｃ）前記第二の面側から前記ドライエッチングを行うことにより、前記貫通口を形成する工程と、
    をこの順で有することを特徴とする貫通口含有基板の製造方法。
  2. 前記工程（ｃ）において、前記ドライエッチングが前記エッチングストップ層に到達した後にオーバーエッチングを行うことにより、前記貫通口の前記第一の面側の開口部を前記溝まで広げさせる請求項１に記載の貫通口含有基板の製造方法。
  3. 前記工程（ｃ）の後に、前記エッチングストップ層のうち少なくとも前記貫通口の前記第一の面側の開口部に相当する部分を除去する工程を有する請求項１又は２に記載の貫通口含有基板の製造方法。
  4. 前記ドライエッチングはボッシュプロセスを用いる請求項１乃至３のいずれかに記載の貫通口含有基板の製造方法。
  5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の貫通口含有基板の製造方法を用いて液体供給口を形成することを特徴とする液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
  6. 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に有する基板と、該基板の前記第一の面側に、前記液体を吐出する液体吐出口及び該液体吐出口に連通する液体流路を構成する流路形成部材と、を備え、前記基板は前記液体流路に前記液体を供給する液体供給口を有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
    （ａ）前記基板の前記第一の面における前記液体供給口を形成する領域の周囲に溝を形成する工程と、
    （ｂ）前記基板の前記第一の面における前記液体供給口を形成する領域及び前記溝内にエッチングストップ層を形成する工程と、
    （ｃ）前記第一の面と反対側の第二の面側からドライエッチングを行うことにより、前記液体供給口を形成する工程と、
    をこの順で有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
  7. 前記工程（ｃ）において、前記ドライエッチングが前記エッチングストップ層に到達した後にオーバーエッチングを行うことにより、前記液体供給口の前記第一の面側の開口部を前記溝まで広げさせる請求項６に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
  8. 前記エッチングストップ層は前記液体流路の流路型材も兼ねる請求項６又は７に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
  9. 前記工程（ｂ）において、前記液体流路に相当する部分、前記液体供給口を形成する領域及び前記溝内に、溶解可能な樹脂を用いて前記流路型材を形成することにより、前記エッチングストップ層を形成する請求項８に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
  10. 前記工程（ｃ）の後、前記流路型材を溶解除去する工程を有する請求項９に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
  11. 前記エッチングストップ層は前記吐出エネルギー発生素子を保護する絶縁層も兼ねる請求項６又は７に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
  12. 前記工程（ｂ）において、前記絶縁層を、前記基板上であって、前記吐出エネルギー発生素子の上、前記液体供給口を形成する領域の上及び前記溝内に形成することにより、前記エッチングストップ層を形成する請求項１１に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
  13. 前記工程（ｃ）の後、前記エッチングストップ層のうち少なくとも前記液体供給口の前記第一の面側の開口部に連通する部分を除去する工程を有する請求項１２に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
  14. 前記ドライエッチングはボッシュプロセスを用いる請求項６乃至１３のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
  15. 前記溝の深さは１〜３０μｍである請求項６乃至１４のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
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