JP2015201590A - Method of manufacturing substrate for liquid discharge head - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は液体吐出ヘッド用基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a substrate for a liquid discharge head.
被記録媒体に対してインクを吐出するインクジェット記録ヘッド(以下「記録ヘッド」と示す場合もある。)の一つとして、「サイドシュータ型ヘッド」と呼ばれるタイプの記録ヘッドが挙げられる。サイドシュータ型ヘッドでは、インクの吐出に利用されるエネルギーを発生させるエネルギー発生素子としてのヒータの上方に向けて、インクが吐出される。このサイドシュータ型ヘッドを構成する記録ヘッド用基板の基本構造を図10(A)、(B)に示す。図10(A)、(B)に示される記録ヘッド用基板では、表面にエネルギー発生素子103が形成されたシリコン基板101に供給口109が設けられている。供給口109はシリコン基板101を貫通する穴であり、インクは供給口109を介してシリコン基板101の裏面側から表面側に向けて供給される。
One type of ink jet recording head that discharges ink onto a recording medium (hereinafter also referred to as “recording head”) is a type of recording head called a “side shooter type head”. In the side shooter type head, ink is discharged toward the upper side of a heater as an energy generating element that generates energy used for ink discharge. FIGS. 10A and 10B show the basic structure of the recording head substrate constituting the side shooter type head. In the recording head substrate shown in FIGS. 10A and 10B, a
上記構造を有する記録ヘッド用基板の製造方法が特許文献1に開示されている。特許文献1には、貫通穴である供給口の開口径のばらつきを防ぐため、以下の工程を有する製造方法が開示されている。
(a)シリコン基板の表面の供給口形成部位に、基板材料に対して選択的にエッチングが可能な犠牲層を形成する工程、
(b)シリコン基板上に犠牲層を被覆するように耐エッチング性を有するパッシベイション層を形成する工程、
(c)犠牲層に対応した開口部を有するエッチングマスク層をシリコン基板の裏面に形成する工程、
(d)エッチングマスク層の開口部から犠牲層が露出するまでシリコン基板を結晶異方性エッチングでエッチングする工程、
(e)シリコン基板のエッチング工程によって露出させた部分から犠牲層をエッチングして除去する工程、
(f)パッシベイション層の一部を除去して供給口を形成する工程。
A manufacturing method of a recording head substrate having the above-described structure is disclosed in
(A) forming a sacrificial layer capable of being selectively etched with respect to the substrate material at a supply port forming site on the surface of the silicon substrate;
(B) forming a passivation layer having etching resistance so as to cover the sacrificial layer on the silicon substrate;
(C) forming an etching mask layer having an opening corresponding to the sacrificial layer on the back surface of the silicon substrate;
(D) etching the silicon substrate by crystal anisotropic etching until the sacrificial layer is exposed from the opening of the etching mask layer;
(E) etching and removing the sacrificial layer from the exposed portion of the silicon substrate etching process;
(F) A step of removing a portion of the passivation layer to form a supply port.
上記工程(d)で採用されている結晶異方性エッチングは、供給口を精度良く形成することができる技術として知られている。 Crystal anisotropic etching employed in the step (d) is known as a technique capable of forming a supply port with high accuracy.
特許文献2には、シリコン基板の裏面に設けられたエッチングマスク層を利用してドライエッチングを行った後に、同一のエッチングマスク層を用いて結晶異方性エッチングでエッチングを行う製造方法が開示されている。この製造方法によれば、供給口内の基板厚み方向中央部の幅が狭まった断面を有する供給口が形成される。また、この製造方法では、エッチングマスク層がドライエッチングとウエットエッチングとで共用される。このため、シリコン基板の裏面に形成されたエッチングマスク層の開口幅(マスク幅)と、ドライエッチングの掘り込み量とによって、シリコン基板の裏面における供給口の開口幅が決定される。なお、供給口の「開口幅」とは、供給口の短辺方向の幅を意味する。また、供給口の「開口長」とは、供給口の長辺方向の幅を意味する。 Patent Document 2 discloses a manufacturing method in which dry etching is performed using an etching mask layer provided on the back surface of a silicon substrate, and then etching is performed by crystal anisotropic etching using the same etching mask layer. ing. According to this manufacturing method, the supply port having a cross section in which the width of the central portion in the substrate thickness direction in the supply port is narrowed is formed. In this manufacturing method, the etching mask layer is shared by dry etching and wet etching. Therefore, the opening width of the supply port on the back surface of the silicon substrate is determined by the opening width (mask width) of the etching mask layer formed on the back surface of the silicon substrate and the amount of dry etching. The “opening width” of the supply port means the width of the supply port in the short side direction. The “opening length” of the supply port means the width of the supply port in the long side direction.
高精細画像の高速記録を実現するためには、吐出口を高密度に配置するとともに吐出口列を長くしてより多くの吐出口を配置することが求められる。しかし、吐出口列を長くすると、供給口の開口長を拡大する必要があり、記録ヘッド用基板の機械的強度が低下する。記録ヘッド用基板の機械的強度が低下すると、記録ヘッドの製造工程において基板が変形または破損する場合がある。特に、基板の変形により、供給口の隅部に応力が集中して図11に示されるようなクラック(亀裂)117が入り、破損の原因になる。本発明では、機械的強度の高い液体吐出ヘッド用基板を提供することを目的とする。 In order to realize high-speed recording of a high-definition image, it is required to dispose the ejection ports at a high density and to dispose more ejection ports by extending the ejection port array. However, if the discharge port array is lengthened, it is necessary to increase the opening length of the supply port, and the mechanical strength of the recording head substrate decreases. When the mechanical strength of the recording head substrate decreases, the substrate may be deformed or damaged in the manufacturing process of the recording head. In particular, due to the deformation of the substrate, stress concentrates on the corner of the supply port, and cracks 117 as shown in FIG. 11 enter and cause damage. An object of the present invention is to provide a liquid discharge head substrate having high mechanical strength.
本発明に係る液体吐出ヘッド用基板の製造方法は、
(a)シリコン基板の一方の面にエッチングマスク層を形成する工程と、
(b)前記シリコン基板に対して前記エッチングマスク層を介して結晶異方性エッチングを行い、該シリコン基板の他方の面に到達するかまたは到達する直前まで液体の供給口を形成する工程と、
(c)前記エッチングマスク層を介して等方性エッチングを行い、前記供給口をさらに拡張させて、該供給口の隅部を曲形にする工程と、
を含む。
A method for manufacturing a substrate for a liquid discharge head according to the present invention includes:
(A) forming an etching mask layer on one surface of the silicon substrate;
(B) performing crystal anisotropic etching on the silicon substrate through the etching mask layer, and forming a liquid supply port until reaching or just before reaching the other surface of the silicon substrate;
(C) performing isotropic etching through the etching mask layer, further expanding the supply port, and bending the corner of the supply port;
including.
また、本発明に係る液体吐出ヘッド用基板の製造方法は、
(a)シリコン基板の一方の面に犠牲層を形成する工程と、
(b)耐エッチング性を有するパッシベイション層を、前記犠牲層を被覆するように形成する工程と、
(c)前記シリコン基板の他方の面に、前記犠牲層に対応した開口部を有するエッチングマスク層を形成する工程と、
(d)前記シリコン基板に対して前記エッチングマスク層を介して結晶異方性エッチングを行い、液体の供給口を形成する工程と、
(e)前記犠牲層を除去する工程と、
(f)前記エッチングマスク層を介して等方性エッチングを行い、前記供給口をさらに拡張させて、該供給口の隅部を曲形にする工程と、
(g)前記パッシベイション層の一部を除去して、前記シリコン基板の一方の面側において前記供給口を開口させる工程と、
を含む。
In addition, a method for manufacturing a liquid discharge head substrate according to the present invention includes:
(A) forming a sacrificial layer on one surface of the silicon substrate;
(B) forming a passivation layer having etching resistance so as to cover the sacrificial layer;
(C) forming an etching mask layer having an opening corresponding to the sacrificial layer on the other surface of the silicon substrate;
(D) performing crystal anisotropic etching on the silicon substrate via the etching mask layer to form a liquid supply port;
(E) removing the sacrificial layer;
(F) performing isotropic etching through the etching mask layer, further expanding the supply port, and bending the corner of the supply port;
(G) removing a part of the passivation layer and opening the supply port on one side of the silicon substrate;
including.
本発明によれば、機械的強度の高い液体吐出ヘッド用基板を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a liquid discharge head substrate having high mechanical strength.
本発明に係る液体吐出ヘッド用基板の製造方法は、(a)シリコン基板の一方の面にエッチングマスク層を形成する工程と、(b)前記シリコン基板に対して前記エッチングマスク層を介して結晶異方性エッチングを行い、該シリコン基板の他方の面に到達するかまたは到達する直前まで液体の供給口を形成する工程と、(c)前記エッチングマスク層を介して等方性エッチングを行い、前記供給口をさらに拡張させて、該供給口の隅部を曲形にする工程と、を含む。 The method for manufacturing a substrate for a liquid discharge head according to the present invention includes: (a) a step of forming an etching mask layer on one surface of a silicon substrate; and (b) a crystal formed on the silicon substrate via the etching mask layer. Performing anisotropic etching, forming a liquid supply port until reaching or just before reaching the other surface of the silicon substrate, and (c) performing isotropic etching through the etching mask layer, Further expanding the supply port to form a corner of the supply port.
本発明に係る方法では、結晶異方性エッチングにより供給口を形成した後に、さらに等方性エッチングを行う。これにより、供給口をさらに拡張させつつ、供給口の隅部の角をとり、曲形にすることができる。ここで、供給口の隅部とは、供給口の開口部の隅部や供給口内のシリコン基板の厚み方向中央部付近の隅部等、角形状を有する部分を示す。例えば図8に示されるように、供給口の開口部の隅部116が曲形であることにより、供給口の開口長を長くした場合にも機械的強度が高く、液体吐出ヘッド製造時において、供給口の開口部の隅部に応力が集中してシリコン基板に亀裂が入ることを防ぐことができる。また、例えば図4(f)や図5(f)に示されるように、供給口内のシリコン基板の厚み方向中央部付近の隅部24が曲形であることにより、気泡の残留を防ぎ、供給口内におけるインク等の液体の流通性が向上するため、液体吐出ヘッドにおける吐出口からの液体の吐出性能が向上する。本発明に係る方法により得られる液体吐出ヘッド用基板は、例えばインクジェット記録ヘッド用基板として好ましく用いられる。
In the method according to the present invention, after forming the supply port by crystal anisotropic etching, isotropic etching is further performed. Thereby, the corner | angular part of a supply port can be taken and it can be made into a curved shape, further expanding a supply port. Here, the corner portion of the supply port refers to a portion having a square shape, such as a corner portion of the opening portion of the supply port or a corner portion in the vicinity of the central portion in the thickness direction of the silicon substrate in the supply port. For example, as shown in FIG. 8, the
なお、結晶異方性エッチングにより供給口を形成した後の等方性エッチングにより、基板の厚さ方向(供給口が延びる方向)に直交する供給口の断面形状としての矩形(長方形)の4つの角部すなわち隅部が、円弧状、すなわち曲形に加工される。この円弧状の形状は、それを含む円の中心が供給口の内側に位置し、供給口の該断面の外側方向へ湾曲した形状となる。この隅部の加工は、供給口内の基板の裏面(下面)近傍から表面(上面)まで行われ、図7及び図8には、供給口の外側方向に湾曲した円弧状の隅部が基板101の表面に形成された供給口の開口の隅部116にも形成されている状態が示されている。
In addition, four isotropic (rectangular) four cross-sectional shapes of the supply port orthogonal to the thickness direction of the substrate (the direction in which the supply port extends) by isotropic etching after forming the supply port by crystal anisotropic etching Corners or corners are machined into arcs, ie curved. This arc-shaped shape is a shape in which the center of a circle including the circular arc is located inside the supply port and is curved toward the outside of the cross section of the supply port. This corner processing is performed from the vicinity of the back surface (lower surface) to the front surface (upper surface) of the substrate in the supply port. In FIGS. 7 and 8, the arc-shaped corner portion curved in the outward direction of the supply port is the
また、本発明に係る液体吐出ヘッド用基板の製造方法は、(a)シリコン基板の一方の面に犠牲層を形成する工程と、(b)耐エッチング性を有するパッシベイション層を、前記犠牲層を被覆するように形成する工程と、(c)前記シリコン基板の他方の面に、前記犠牲層に対応した開口部を有するエッチングマスク層を形成する工程と、(d)前記シリコン基板に対して前記エッチングマスク層を介して結晶異方性エッチングを行い、液体の供給口を形成する工程と、(e)前記犠牲層を除去する工程と、(f)前記エッチングマスク層を介して等方性エッチングを行い、前記供給口をさらに拡張させて、該供給口の隅部を曲形にする工程と、(g)前記パッシベイション層の一部を除去して、前記シリコン基板の一方の面側において前記供給口を開口させる工程と、を含む。 The method for manufacturing a substrate for a liquid discharge head according to the present invention includes (a) a step of forming a sacrificial layer on one surface of a silicon substrate, and (b) a sacrificial layer having etching resistance. Forming a layer so as to cover the layer; (c) forming an etching mask layer having an opening corresponding to the sacrificial layer on the other surface of the silicon substrate; and (d) with respect to the silicon substrate. Performing crystal anisotropic etching through the etching mask layer to form a liquid supply port; (e) removing the sacrificial layer; and (f) isotropic through the etching mask layer. Performing a characteristic etching to further expand the supply port to form a curved corner portion of the supply port; and (g) removing a portion of the passivation layer to form one of the silicon substrates. On the surface side Comprising a step of opening the supply opening, the.
該方法では、犠牲層およびパッシベイション層を用いて供給口を形成するため、精度よく供給口を形成することができる。また、等方性エッチングにより供給口の開口部の隅部や供給口内のシリコン基板の厚み方向中央部付近の隅部の角をとり、曲形にすることができるため、前記と同様の効果が得られる。 In this method, since the supply port is formed using the sacrificial layer and the passivation layer, the supply port can be formed with high accuracy. In addition, since the corner of the opening of the supply port and the corner near the center of the thickness direction of the silicon substrate in the supply port can be formed by isotropic etching, the same effect as described above can be obtained. can get.
図1に、本発明に係る液体吐出ヘッドをプリントヘッドとして備えるプリントカートリッジの一例の概略斜視図を示す。図1に示されるプリントカートリッジ10は、カートリッジ本体11、プリントヘッド13および電気的コンタクト15を備える。カートリッジ本体11は、内部にプリントヘッド13に供給されるインクを備える。なお、図1に示されるプリントカートリッジ10はインクカートリッジ一体型のデイスポーザブルタイプであるが、これに限られず、プリントキャリッジ上に配置された別構成の独立型インクカートリッジからインクの供給を受けるタイプであってもよい。また、チューブを介してプリントカートリッジに接続されている外部インク供給機構からインクを受け取るタイプであってもよい。選択された吐出口17からインク滴を吐出する時には、個々にインク滴発生部に吐出エネルギーを与えるためにコンタクト15に電気信号が印加される。
FIG. 1 is a schematic perspective view of an example of a print cartridge including a liquid discharge head according to the present invention as a print head. The
図2および図3に、本発明に係る液体吐出ヘッドの一例を示す。図2は、該液体吐出ヘッドの断面図、図3は該液体吐出ヘッドの側面図である。図2および図3に示される液体吐出ヘッドは、シリコン基板21と、シリコン基板の表面21aに形成されている液滴発生構造23とを備える。液滴発生構造23は、液体にエネルギーを与えて発泡させる発泡室と、液体を吐出する吐出口とを備える熱液滴発生器等の液滴発生器(不図示)を有する。図3に示されるように、液体吐出ヘッドは長手方向の基準軸線Lに沿って縦の拡がりを備える。吐出口は基準軸線Lに合わせて縦長に配列されている。液滴発生構造23は、薄膜積層25と吐出口形成層27とを備える。薄膜積層25は、液体を加熱するヒータ抵抗器、並びに駆動回路およびアドレス指定回路等の関連する電気回路構成を実装する。薄膜積層25は、例えば集積回路薄膜技術により形成することができる。吐出口形成層27は、発泡室、流路、および吐出口を備える。シリコン基板21には、液滴発生構造23に液体を供給する供給口29が形成されている。液体は、供給口29を通じて、例えばカートリッジ本体11の貯蔵部から液滴発生構造23へ供給される。供給口29は基準軸線Lに沿って伸びている。液滴発生器は細長い供給口29の一方の側または両側に配置されている。
2 and 3 show an example of the liquid discharge head according to the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view of the liquid discharge head, and FIG. 3 is a side view of the liquid discharge head. The liquid discharge head shown in FIGS. 2 and 3 includes a
以下、本発明に係る液体吐出ヘッド用基板の製造方法、および該液体吐出ヘッド用基板を備えるプリントカートリッジの製造方法の実施形態を示すが、本発明はこれらに限定されない。 Hereinafter, although the embodiment of the manufacturing method of the substrate for liquid discharge heads concerning the present invention and the manufacturing method of the print cartridge provided with the substrate for liquid discharge heads is shown, the present invention is not limited to these.
(第一の実施形態)
本実施形態では、図4に示される方法により液体吐出ヘッド用基板を作製する。
(First embodiment)
In the present embodiment, a liquid discharge head substrate is manufactured by the method shown in FIG.
まず、図4(a)に示されるように、厚みSTHを有するシリコン基板21の<100>面である表面上に、薄膜積層25および吐出口形成層27からなる液滴発生構造23を形成する。液滴発生構造23は、例えば、薄膜集積回路プロセスおよびフォトプロセスのエッチング技術によって形成できる。
First, as shown in FIG. 4A, a
次に、図4(b)に示されるように、シリコン基板21の裏面に、後にエッチングを受けるシリコン基板21の裏側部分を露出させるために、開口幅W2のエッチングマスク層41を形成する。
Next, as shown in FIG. 4B, an
次に、図4(c)に示されるように、エッチングマスク層41を介してシリコン基板21の裏面に対し垂直ドライエッチングを行い、開口幅W2、深さDDの穴28を形成する。垂直ドライエッチングにより穴28を形成することで、結晶異方性エッチングのみよって供給口を形成する場合よりも、より早く供給口を形成することができる。垂直ドライエッチングの方法としては、反応性イオンエッチング等が挙げられる。DDはSTHの10〜90%であることが、後の結晶異方性エッチングを効率よく行うことができる観点から好ましい。
Next, as shown in FIG. 4C, vertical dry etching is performed on the back surface of the
次に、図4(d)に示されるように、シリコン基板21に対し、エッチングマスク層41を介して結晶異方性エッチングを行い、穴28を拡張させて供給口を形成する。図4(d)に示されるように、供給口内には角度が54.7度の<111>面26が形成される。結晶異方性エッチングの方法としては、湿式のエッチング液を用いてエッチングを行う方法が挙げられる。湿式のエッチング液としては、例えばTMAH(テトラメチル水酸化アンモニウム)溶液、KOH(水酸化カリウム)溶液等が挙げられる。開口幅W2は、シリコン基板21の厚みSTH、穴28の深さDD、およびシリコン基板21の表面における供給口の開口幅W1との関係で、下記式を満たす。
Next, as shown in FIG. 4D, crystal anisotropic etching is performed on the
W2 ≒ tan(54.7°)×(STH−DD)+W1
54.7°は<100>面と<111>面との間の角度である。W2およびDDは、所望のW1を達成できるように適宜選択されることができる。
W2≈tan (54.7 °) × (STH−DD) + W1
54.7 ° is an angle between the <100> plane and the <111> plane. W2 and DD can be appropriately selected so as to achieve a desired W1.
なお、本実施形態では供給口はシリコン基板21の表面まで到達しているが、到達する直前まで供給口が形成されていてもよい。この場合、後述する等方性エッチングにより供給口がシリコン基板21の表面に到達するようにすることができる。例えば、供給口はシリコン基板21の表面から、STHの1%以上、10%以下の位置まで形成することができる。
In the present embodiment, the supply port reaches the surface of the
次に、図4(e)に示されるように、シリコン基板21に対してエッチングマスク層41を介して等方性エッチングを行い、供給口を拡張させる。この時、結晶異方性エッチングにより形成された供給口の隅部の角形状がとれて、曲形、すなわち丸い形となる。曲形は、R形状であることが好ましい。ここで、供給口の隅部とは、供給口内の角形状が形成されている部分を示し、例えば供給口の開口部の角部分、図4(d)に示されるような供給口内のシリコン基板の厚み方向中央部の窪んだ角部分等が挙げられる。等方性エッチングの方法としては、ウエットエッチングまたはドライエッチングが挙げられる。ウエットエッチングとしては、フッ硝酸液などの等方性エッチングが可能なエッチング液を用いて、短時間に壁全体を等方性エッチングする方法が挙げられる。また、ドライエッチングとしては、O2(酸素)やCl4(四塩化炭素)の混合比を調節したアシストガスを用いてケミカルドライエッチングを長時間行う方法が挙げられる。このとき、シリコン基板21の表面側の供給口の開口幅W1は、数10μm程度広がりW0となる。この供給口の開口幅の目標値であるW0を実現するために、W2およびDDを適宜設定することができる。
Next, as shown in FIG. 4E, isotropic etching is performed on the
供給口の開口部の隅部にR形状が形成される場合、該R形状の曲率半径は5μm以上、20μm以下が好ましく、7μm以上、15μm以下がより好ましい。該曲率半径で5μm以上であることにより、集中する応力を十分に分散することができる。また、該曲率半径が20μm以下であることにより、エッチング液の処方や工程の制御などの、等方性エッチングによる供給口の形状の精度管理を行いやすい。なお、曲率半径は顕微鏡等で得られた画像を画像処理すること等により測定した値である。 When the R shape is formed at the corner of the opening of the supply port, the radius of curvature of the R shape is preferably 5 μm or more and 20 μm or less, and more preferably 7 μm or more and 15 μm or less. When the radius of curvature is 5 μm or more, the concentrated stress can be sufficiently dispersed. Further, when the radius of curvature is 20 μm or less, it is easy to manage the accuracy of the shape of the supply port by isotropic etching, such as the prescription of the etching solution and the control of the process. The radius of curvature is a value measured by performing image processing on an image obtained with a microscope or the like.
次に、図4(f)に示されるように、エッチングマスク層41を除去する。
Next, as shown in FIG. 4F, the
以上の工程により、本実施形態に係る液体吐出ヘッド用基板が得られる。 Through the above-described steps, the liquid discharge head substrate according to the present embodiment is obtained.
(第二の実施形態)
本実施形態では、図5に示される方法により液体吐出ヘッド用基板を作製する。
(Second embodiment)
In the present embodiment, a liquid discharge head substrate is manufactured by the method shown in FIG.
まず、図5(a)に示されるように、シリコン基板50の裏面にエッチングマスク層53を形成する。例えば、シリコン基板50の表面と裏面に窒化シリコン膜をそれぞれLPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法にて形成する。シリコン基板50の裏面の該窒化シリコン膜上に、フォトリソグラフィプロセスによりフォトレジストのマスクを形成し、該マスクを介して反応性イオンエッチングを行い、シリコン基板50を露出させる。その後、フォトレジストのマスクを剥離することにより、開口部54を有するエッチングマスク層53を形成する。さらに、シリコン基板50の表面の窒化シリコン膜を反応性イオンエッチングにて除去する。
First, as shown in FIG. 5A, an
次に、犠牲層51を形成する。例えば、真空蒸着法にてCu薄膜を形成し、該Cu薄膜上にフォトリソグラフィプロセスによりフォトレジストのマスクを形成する。該マスクを介してCu薄膜をエッチングした後、フォトレジストのマスクを剥離し、犠牲層51を形成する。図6にシリコン基板50の上面から見た犠牲層51のパターンを示す。犠牲層51は、本実施形態では一辺がd1の正方形の形状を有する。ここで、開口部54の開口長Dは、点線で示されるように結晶異方性エッチングによりシリコン基板50を貫通した際に、図6の断面図に示されるδが犠牲層51の幅d1に比べて小さくなるようにすることが、結晶異方性エッチングにおいて犠牲層51の範囲内でエッチングが行われる観点から好ましい。また、犠牲層51を銅で形成する場合、犠牲層51をアルミニウムで形成する場合よりも犠牲層51を20〜40μm内側に形成し、後述する等方性エッチングの後に目標とする供給口の幅とすることが好ましい。また、犠牲層51はシリコン基板50よりもエッチング速度が速い材質で形成されることが好ましい。
Next, the
次に、図5(b)に示されるように、犠牲層51を被覆するように、耐エッチング性を有するパッシベイション層52を形成する。パッシベイション層52としては、例えば窒化シリコン膜を用いることができる。
Next, as shown in FIG. 5B, a
次に、図5(c)に示されるように、結晶異方性エッチングにより<111>面26で囲まれた台形形状の溝を形成する。結晶異方性エッチングは、例えば水酸化カリウム(KOH)水溶液を用いて行うことができる。
Next, as shown in FIG. 5C, a trapezoidal groove surrounded by the <111>
次に、図5(d)に示されるように、犠牲層51を除去した後、犠牲層51下部のシリコン基板50を結晶異方性エッチングし、パッシベイション層52のメンブレン57を形成する。これにより、シリコン基板50の厚み方向中央部に向けて幅が狭い形状を有し、内面が<111>面26である供給口が得られる。犠牲層51の除去は、等方性エッチングにより行うことができる。等方性エッチングは、例えば塩化第2鉄水溶液により行うことができる。結晶異方性エッチングは、前記と同様に水酸化カリウム(KOH)水溶液を用いて行うことができる。本実施形態では結晶異方性エッチングで用いるエッチング液とは異なるエッチング液を用いて犠牲層51の除去を行っているが、操作性の観点から結晶異方性エッチングで用いるエッチング液と同じエッチング液を用いて犠牲層51の除去を行ってもよい。なお、この場合、犠牲層51はエッチングにより除去されるが、シリコン基板のように結晶異方性エッチングはされない。
Next, as shown in FIG. 5D, after the
次に、図5(e)に示されるように、第一の実施形態と同様にシリコン基板50に対してエッチングマスク層53を介して等方性エッチングを行い、供給口を拡張させる。この時、図7に示されるように、結晶異方性エッチングにより形成された供給口の隅部、すなわち供給口の開口部の角部分、および供給口内のシリコン基板50の厚み方向中央部の突出した角部分、の角形状がとれて、曲形となる。
Next, as shown in FIG. 5E, isotropic etching is performed on the
なお、供給口内のシリコン基板50の厚み方向中央部の突出した角部分の頂点によって、供給口のシリコン基板50の厚さ方向(供給口が延びる方向)に直交する断面における開口面積が最も小さい部分が形成されている。すなわち、供給口のシリコン基板50の厚さ方向(供給口が延びる方向)に直交する断面における開口面積は、この角部分からシリコン基板50の表面及び裏面に向かってそれぞれ連続的に大きくなる。
A portion having the smallest opening area in a cross section perpendicular to the thickness direction of the
次に、図5(f)に示されるように、パッシベイション層52のメンブレン57を除去する。パッシベイション層52のメンブレン57は、例えば、シリコン基板50の裏面からCF4ガスを用いて反応性イオンエッチングを行うことで除去することができる。
Next, as shown in FIG. 5F, the
以上の工程により、本実施形態に係る液体吐出ヘッド用基板が得られる。本実施形態に係る製造方法では、犠牲層およびパッシベイション層を用いて供給口を形成するため、精度よく供給口を形成することができる。 Through the above-described steps, the liquid discharge head substrate according to the present embodiment is obtained. In the manufacturing method according to the present embodiment, since the supply port is formed using the sacrificial layer and the passivation layer, the supply port can be formed with high accuracy.
(第三の実施形態)
本実施形態では、図9に示される方法によりプリントカートリッジを作製する。図9(a)〜(k)は、図8のA−A’線における断面図である。
(Third embodiment)
In the present embodiment, a print cartridge is manufactured by the method shown in FIG. 9A to 9K are cross-sectional views taken along line AA ′ in FIG.
まず、図9(a)に示されるように、シリコン基板101を準備する。シリコン基板101の表面には、発熱抵抗体等のエネルギー発生素子103が複数配置されている。なお、エネルギー発生素子103の配線やエネルギー発生素子103を駆動させるための半導体素子は不図示である。また、シリコン基板101の裏面にはSiO2膜106が形成されている。シリコン基板101の表面には供給口の開口部105を精度よく形成するために犠牲層102が形成されている。犠牲層102は、アルカリ溶液等のシリコン基板101のエッチング液でエッチングが可能である。犠牲層102は、例えば、ポリSi、エッチング速度の速いアルミニウム、アルミニウムSi、アルミニウム銅、アルミニウムSi銅などで形成できる。
First, as shown in FIG. 9A, a
また、犠牲層102を被覆するようにパッシベイション層104が形成されている。パッシベイション層104としては、後工程における結晶異方性エッチングにおいて犠牲層102がエッチングされた後、エッチング液によりエッチングが進行せず、耐エッチング性を有する材料を用いることができる。パッシベイション層104の材料としては、例えば、酸化珪素や窒化珪素等を用いることができる。パッシベイション層104をエネルギー発生素子103の裏面側に配置させて、蓄熱層として用いることもできる。また、パッシベイション層104をエネルギー発生素子103の上層に配置させて、保護膜として用いることもできる。
In addition, a
次に、図9(b)に示されるように、シリコン基板101の裏面にエッチングマスク層108を形成する。エッチングマスク層108は、例えば以下の方法により形成することができる。ポリエーテルアミド樹脂を塗布してベーク処理し、エッチングマスク層108となる層を形成する。該層をパターニングするために、該層上にポジ型レジストをスピンコートにより塗布し、露光、現像し、該層をドライエッチング等によりパターニングし、前記ポジ型レジストを剥離する。これにより犠牲層102に対応した開口部を有するエッチングマスク層108を形成する。この開口部は後の結晶異方性エッチングおよび等方性エッチングにおけるエッチング開始面となる。
Next, as shown in FIG. 9B, an
その後、中間層107を形成する。中間層107は、例えば以下の方法により形成することができる。パッシベイション層104の表面に、例えばポリエーテルアミド樹脂を塗布して硬化する。そして、ポジ型レジストをスピンコート等により塗布して露光し、現像する。該ポリエーテルアミド樹脂をドライエッチング等によりパターニングし、該ポジ型レジストを剥離することにより、中間層107を形成できる。
Thereafter, the
次に、図9(c)に示されるように、シリコン基板101の表面側にポジ型レジストを塗布しパターニングして、液体の流路の型となる型材110を形成する。
Next, as shown in FIG. 9C, a positive resist is applied to the surface side of the
次に、図9(d)に示されるように、型材110上に流路形成部材112をスピンコート等により形成する。さらにその上に、撥水膜113をドライフィルムのラミネート等により形成する。液体の吐出口114は、紫外線やDeep UV光による露光、現像により形成することができる。
Next, as shown in FIG. 9D, the flow
次に、図9(e)に示されるように、流路形成部材112等が形成されたシリコン基板101の表面及び側面をスピンコート等により保護材115で覆う。
Next, as shown in FIG. 9E, the surface and side surfaces of the
次に、図9(f)に示されるように、エッチングマスク層108の開口部にシリコン基板101の裏面側からレーザー光を照射して、凹部である先導孔220を形成する。このように先導孔220を形成することにより、結晶異方性エッチングのみよって供給口を形成する場合よりも、より早く供給口を形成することができるため好ましい。先導孔220の深さとしては、シリコン基板101の厚みに対して10〜90%であることが好ましい。先導孔220の数は特に限定されない。
Next, as shown in FIG. 9F, the opening of the
次に、図9(g)に示されるように、エッチングマスク層108を介して、TMAH溶液等のエッチング液を用いて、シリコン基板の裏面から結晶異方性エッチングを行う。このエッチングにおいては、まず、先導孔220の先端からエッチングが進行し、シリコン基板の裏面に対して54.7°で<111>面による孔が形成される。さらにエッチングが進行すると、図9(h)に示されるように、先導孔220の先端にある<100>面107からエッチングが進行し、シリコン基板の裏面に対して54.7°で形成される<111>面26が犠牲層102に至る。犠牲層102はエッチング液によって等方性エッチングされ、供給口の上端は犠牲層102の形状に対応し、<111>面により断面形状が樽型に形成される。
Next, as shown in FIG. 9G, crystal anisotropic etching is performed from the back surface of the silicon substrate using an etching solution such as a TMAH solution through the
次に、図9(i)に示されるように、エッチング液をフッ硝酸液等の等方性エッチングが可能なエッチング液に交換して、等方性エッチングを短時間行い、供給口109を拡張させる。これにより、供給口109の開口部の隅部および供給口内のシリコン基板101の厚み方向中央部付近の隅部の角形状がとれて、曲形となる。
Next, as shown in FIG. 9 (i), the etching solution is replaced with an etching solution capable of isotropic etching such as a hydrofluoric acid solution, isotropic etching is performed for a short time, and the
次に、図9(j)に示されるように、パッシベイション層104の一部をドライエッチング等により除去する。
Next, as shown in FIG. 9J, a part of the
次に、図9(k)に示されるように、エッチングマスク層108及び保護材115を除去する。更に、型材110を、吐出口114及び供給口109から溶出させることにより、流路を形成する。
Next, as shown in FIG. 9K, the
次に、シリコン基板101をダイシングソー等により切断して分離し、チップ化し、エネルギー発生素子103を駆動させるための電気的接合を行う。その後、チップ化されたシリコン基板101を液体供給のためのカートリッジ本体11に組み込み、プリントカートリッジが得られる。
Next, the
本実施形態では、供給口109の開口部の隅部が曲形であるため、製造工程において、シリコン基板101の変形により供給口109の開口部の隅部における応力の集中を分散させることができ、亀裂の発生による基板の破損を防ぐことができる。また、供給口内のシリコン基板101の厚み方向中央部の幅の大きい部分の隅部も曲形であるため、流路への液体の充填時に該隅部で空気が引っかかり、泡残りが発生することを抑制でき、液体の流れが良好となる。これにより、吐出口から正常に液体を吐出させることができる。
In this embodiment, since the corner of the opening of the
以下、本発明の実施例を示すが、本発明はこれらに限定されない。 Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these.
(実施例1)
本実施例では、図4に示される方法により液体吐出ヘッド用基板を作製した。
(Example 1)
In this example, a liquid discharge head substrate was fabricated by the method shown in FIG.
まず、図4(a)に示されるように、厚みSTHを有するシリコン基板21の<100>面である表面上に液滴発生構造23を形成した。液滴発生構造23は、液体を加熱するヒータ抵抗器、並びに駆動回路およびアドレス指定回路等の関連する電気回路構成を実装する薄膜積層25と、発泡室、流路および吐出口17を構成する吐出口形成層27とからなる。液滴発生構造23は、薄膜集積回路プロセスおよびフォトプロセスにより形成した。
First, as shown in FIG. 4A, the
次に、図4(b)に示されるように、シリコン基板21の裏面に開口幅W2のエッチングマスク層41を形成した。
Next, as shown in FIG. 4B, an
次に、図4(c)に示されるように、シリコン基板21に対してエッチングマスク層41を介して垂直ドライエッチング(反応性イオンエッチング)を行い、深さDDの穴を形成した。なお、DDはSTHの30%であった。
Next, as shown in FIG. 4C, vertical dry etching (reactive ion etching) was performed on the
次に、図4(d)に示されるように、シリコン基板21に対して、エッチングマスク層41を介してTMAH溶液を用いて結晶異方性エッチングを行い、前記穴を拡張させ、供給口を形成した。この時、図4(d)に示されるように、供給口内には角度が54.7度の<111>面が形成された。
Next, as shown in FIG. 4D, the
次に、図4(e)に示されるように、シリコン基板21に対して、エッチングマスク層41を介してフッ硝酸液を用いて等方性エッチングを行い、前記供給口を拡張させた。この時、供給口の開口部の隅部および供給口内のシリコン基板21の厚み方向中央部付近の隅部の角形状がとれて、曲形となった。該供給口の開口部の隅部の曲率半径は10μmであった。
Next, as shown in FIG. 4E, isotropic etching was performed on the
次に、図4(f)に示されるように、エッチングマスク層41を除去した。
Next, as shown in FIG. 4F, the
以上の工程により、液体吐出ヘッド用基板を完成させた。該液体吐出ヘッド用基板は供給口の開口部の隅部が曲形であるため、高い機械的強度を示した。また、該液体吐出ヘッド用基板は供給口内のシリコン基板21の厚み方向中央部付近の隅部が曲形であるため、液体吐出ヘッドを作製した際に、供給口内での液体の流れが良好であり、吐出口から液体を良好に吐出させることができた。
Through the above steps, a liquid discharge head substrate was completed. Since the corner of the opening of the supply port is curved, the liquid discharge head substrate showed high mechanical strength. Further, since the liquid discharge head substrate has a curved corner near the center in the thickness direction of the
(実施例2)
本実施例では、図5に示される方法により液体吐出ヘッド用基板を作製した。
(Example 2)
In this example, a liquid discharge head substrate was fabricated by the method shown in FIG.
まず、図5(a)に示されるように、厚みが525μmであり、結晶面が<100>であるシリコン基板50の表面と裏面に、エッチングマスク層53となる厚みが500nmの窒化シリコン膜をそれぞれLPCVD法にて形成した。シリコン基板50の裏面の該窒化シリコン膜上に、フォトリソグラフィプロセスによりフォトレジストのマスクを形成し、該マスクを介してCF4ガスを用いた反応性イオンエッチングを行って、シリコン基板50を露出させた。その後、フォトレジストのマスクを剥離することにより、開口部54を有するエッチングマスク層53を形成した。さらに、シリコン基板50の表面の窒化シリコン膜を、CF4ガスを用いた反応性イオンエッチングにて除去した。
First, as shown in FIG. 5A, a silicon nitride film having a thickness of 500 nm serving as an
次に、真空蒸着法にて犠牲層51となる厚さ3μmのCu薄膜を形成した。該Cu薄膜上に、フォトリソグラフィプロセスによりフォトレジストのマスクを形成し、該マスクを介してCu薄膜を20質量%の塩化第2鉄水溶液にてエッチングした。その後、フォトレジストのマスクを剥離し、犠牲層51を形成した。なお、図6に示されるように、犠牲層51は一辺がd1の正方形であり、開口部54の開口幅Dは、図6(b)に示されるδがd1より小さくなるように設定した。
Next, a Cu thin film having a thickness of 3 μm to be the
次に、図5(b)に示されるように、犠牲層51を被覆するようにパッシベイション層52である厚さ500nmの窒化シリコン膜を形成した。
Next, as shown in FIG. 5B, a silicon nitride film having a thickness of 500 nm as the
次に、図5(c)に示されるように、シリコン基板50に対してエッチングマスク層53を介して水酸化カリウム(KOH)水溶液にて結晶異方性エッチングを行い、<111>の結晶面で囲まれた台形形状の溝を形成した。
Next, as shown in FIG. 5C, crystal anisotropic etching is performed on the
次に、図5(d)に示されるように、犠牲層51を露出させ、20質量%の塩化第2鉄水溶液にて犠牲層51を等方性エッチングすることにより除去した。その後、再度KOH水溶液により犠牲層51下部のシリコン基板50に対して結晶異方性エッチングを行い、<111>の結晶面を形成し、供給口を得た。また、パッシベイション層52のメンブレン57が形成された。
Next, as shown in FIG. 5D, the
次に、図5(e)に示されるように、シリコン基板50に対して、エッチングマスク層53を介してフッ硝酸液を用いて等方性エッチングを行い、前記供給口を拡張させた。この時、供給口の開口部の隅部および供給口内中央部付近の隅部の角形状がとれて、曲形となった。該供給口の開口部の隅部の曲率半径は10μmであった。
Next, as shown in FIG. 5E, isotropic etching was performed on the
次に、図5(f)に示されるように、シリコン基板50の裏面からエッチングマスク層53を介してCF4ガスを用いて反応性イオンエッチングを行い、パッシベイション層52のメンブレン57を除去した。
Next, as shown in FIG. 5 (f), reactive ion etching is performed from the back surface of the
以上の工程により、液体吐出ヘッド用基板を完成させた。本実施例に係る製造方法では、犠牲層およびパッシベイション層を用いて供給口を形成するため、精度よく供給口を形成することができた。該液体吐出ヘッド用基板は供給口の開口部の隅部が曲形であるため、高い機械的強度を示した。また、該液体吐出ヘッド用基板は供給口内のシリコン基板21の厚み方向中央部付近の隅部が曲形であるため、液体吐出ヘッドを作製した際に、供給口内での液体の流れが良好であり、吐出口から液体を良好に吐出させることができた。
Through the above steps, a liquid discharge head substrate was completed. In the manufacturing method according to this example, the supply port was formed using the sacrificial layer and the passivation layer, and thus the supply port could be formed with high accuracy. Since the corner of the opening of the supply port is curved, the liquid discharge head substrate showed high mechanical strength. Further, since the liquid discharge head substrate has a curved corner near the center in the thickness direction of the
(実施例3)
本実施例では、図9に示される方法によりプリントカートリッジを作製した。
(Example 3)
In this example, a print cartridge was produced by the method shown in FIG.
まず、図9(a)に示されるように、シリコン基板101を準備した。シリコン基板101の表面には、発熱抵抗体であるエネルギー発生素子103が複数配置されている。なお、エネルギー発生素子103の配線やエネルギー発生素子103を駆動させるための半導体素子は不図示である。また、シリコン基板101の裏面にはSiO2膜106が形成されている。シリコン基板101の表面にアルミニウムからなる犠牲層102を形成した。また、犠牲層102を被覆するようにパッシベイション層104を形成した。
First, as shown in FIG. 9A, a
次に、図9(b)に示されるように、シリコン基板101の裏面にエッチングマスク層108を形成した。具体的には、ポリエーテルアミド樹脂を塗布してベーク処理し、エッチングマスク層108となる層を形成した。該層上にポジ型レジストをスピンコートにより塗布し、露光、現像し、該層をドライエッチングによりパターニングし、前記ポジ型レジストを剥離した。これにより犠牲層102に対応した開口部を有するエッチングマスク層108を形成した。
Next, as shown in FIG. 9B, an
その後、パッシベイション層104の表面に、ポリエーテルアミド樹脂を塗布して硬化した。ポジ型レジストをスピンコートにより塗布して露光し、現像した。該ポリエーテルアミド樹脂をドライエッチングによりパターニングし、該ポジ型レジストを剥離した。これにより中間層107を形成した。
Thereafter, a polyetheramide resin was applied to the surface of the
次に、図9(c)に示されるように、シリコン基板101の表面側にポジ型レジストを塗布しパターニングして、液体の流路の型となる型材110を形成した。
Next, as shown in FIG. 9 (c), a positive resist was applied to the surface side of the
次に、図9(d)に示されるように、型材110上に流路形成部材112をスピンコートにより形成した。さらにその上に、撥水膜113をドライフィルムのラミネートにより形成した。液体の吐出口114は、Deep UV光による露光、現像により形成した。
Next, as shown in FIG. 9D, the flow
次に、図9(e)に示されるように、流路形成部材112等が形成されたシリコン基板101の表面及び側面をスピンコートにより保護材115で覆った。
Next, as shown in FIG. 9E, the surface and side surfaces of the
次に、図9(f)に示されるように、シリコン基板101の裏面側からレーザー加工により未貫通の凹部である先導孔220を形成した。先導孔220の深さは、シリコン基板101の厚みに対して70%であった。
Next, as shown in FIG. 9 (f), a leading
次に、図9(g)に示されるように、エッチングマスク層108を介して、TMAH溶液を用いて、シリコン基板の裏面から結晶異方性エッチングを行った。このエッチングにおいては、まず、先導孔220の先端からエッチングが進行した。さらにエッチングが進行すると、図9(h)に示されるように、先導孔220の先端にある<100>面107からエッチングが進行し、<111>面26が犠牲層102に至った。犠牲層102はエッチング液によって等方性エッチングされ、供給口の上端は犠牲層102の形状に対応し、<111>面26により断面形状が樽型に形成された。
Next, as shown in FIG. 9G, crystal anisotropic etching was performed from the back surface of the silicon substrate using the TMAH solution through the
次に、図9(i)に示されるように、フッ硝酸液により等方性エッチングを短時間行い、供給口109を拡張させた。この時、供給口109の開口部の隅部および供給口内のシリコン基板101の厚み方向中央部付近の隅部の角形状がとれて、曲形となった。供給口109の開口部の隅部の曲率半径は10μmであった。
Next, as shown in FIG. 9 (i), isotropic etching was performed for a short time with a fluorinated nitric acid solution to expand the
次に、図9(j)に示されるように、パッシベイション層104の一部をドライエッチングにより除去した。
Next, as shown in FIG. 9J, a part of the
次に、図9(k)に示されるように、エッチングマスク層108及び保護材115を除去した。更に、型材110を、吐出口114及び供給口109から溶出させることにより、流路を形成した。
Next, as shown in FIG. 9K, the
次に、シリコン基板101をダイシングソーにより切断して分離し、チップ化し、エネルギー発生素子103を駆動させるための電気的接合を行った。その後、チップ化されたシリコン基板101を液体供給のためのカートリッジ本体11に組み込み、プリントカートリッジを完成させた。
Next, the
本実施例における液体吐出ヘッド用基板は供給口の開口部の隅部が曲形であるため、高い機械的強度を示し、製造工程における基板の破損を防ぐことができた。また、該液体吐出ヘッド用基板は供給口内のシリコン基板の厚み方向中央部付近の隅部が曲形であるため、該プリントカートリッジは供給口内での液体の流れが良好であり、吐出口から液体を良好に吐出させることができた。 Since the liquid discharge head substrate in this example has a curved corner at the opening of the supply port, it showed high mechanical strength and could prevent the substrate from being damaged during the manufacturing process. Further, since the liquid discharge head substrate has a curved corner near the center in the thickness direction of the silicon substrate in the supply port, the print cartridge has a good flow of liquid in the supply port. Was successfully discharged.
10 プリントカートリッジ
11 カートリッジ本体
13 プリントヘッド
15 電気コンタクト
17 吐出口
21 シリコン基板
23 液滴発生構造
24 シリコン基板の厚み方向中央部付近の隅部
25 薄膜積層
26 <111>面
27 吐出口形成層
28 穴
29 供給口
41 エッチングマスク層
50 シリコン基板
51 犠牲層
52 パッシベイション層
53 エッチングマスク層
54 開口部
57 メンブレン
101 シリコン基板
102 犠牲層
103 エネルギー発生素子
104 パッシベイション層
105 供給口の開口部
106 SiO2膜
107 <100>面
108 エッチングマスク層
109 供給口
112 流路形成部材
113 撥水膜
114 吐出口
115 保護膜
116 供給口の開口部の隅部
117 クラック
220 先導孔
DESCRIPTION OF
Claims (9)
(b)前記シリコン基板に対して前記エッチングマスク層を介して結晶異方性エッチングを行い、該シリコン基板の他方の面に到達するかまたは到達する直前まで液体の供給口を形成する工程と、
(c)前記エッチングマスク層を介して等方性エッチングを行い、前記供給口をさらに拡張させて、該供給口の隅部を曲形にする工程と、
を含む液体吐出ヘッド用基板の製造方法。 (A) forming an etching mask layer on one surface of the silicon substrate;
(B) performing crystal anisotropic etching on the silicon substrate through the etching mask layer, and forming a liquid supply port until reaching or just before reaching the other surface of the silicon substrate;
(C) performing isotropic etching through the etching mask layer, further expanding the supply port, and bending the corner of the supply port;
Of manufacturing a substrate for a liquid discharge head, comprising:
(b)耐エッチング性を有するパッシベイション層を、前記犠牲層を被覆するように形成する工程と、
(c)前記シリコン基板の他方の面に、前記犠牲層に対応した開口部を有するエッチングマスク層を形成する工程と、
(d)前記シリコン基板に対して前記エッチングマスク層を介して結晶異方性エッチングを行い、液体の供給口を形成する工程と、
(e)前記犠牲層を除去する工程と、
(f)前記エッチングマスク層を介して等方性エッチングを行い、前記供給口をさらに拡張させて、該供給口の隅部を曲形にする工程と、
(g)前記パッシベイション層の一部を除去して、前記シリコン基板の一方の面側において前記供給口を開口させる工程と、
を含む液体吐出ヘッド用基板の製造方法。 (A) forming a sacrificial layer on one surface of the silicon substrate;
(B) forming a passivation layer having etching resistance so as to cover the sacrificial layer;
(C) forming an etching mask layer having an opening corresponding to the sacrificial layer on the other surface of the silicon substrate;
(D) performing crystal anisotropic etching on the silicon substrate via the etching mask layer to form a liquid supply port;
(E) removing the sacrificial layer;
(F) performing isotropic etching through the etching mask layer, further expanding the supply port, and bending the corner of the supply port;
(G) removing a part of the passivation layer and opening the supply port on one side of the silicon substrate;
Of manufacturing a substrate for a liquid discharge head, comprising:
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