JP6128972B2 - 液体吐出ヘッド用基板の製造方法 - Google Patents

液体吐出ヘッド用基板の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は液体吐出ヘッド用基板の製造方法に関する。
液体吐出ヘッド用基板に液体供給口を形成する方法としては、ドリル、レーザー、サンドブラスト等を用いる方法、異方性エッチングにより液体供給口を形成する方法、ドライエッチングにより液体供給口を形成する方法等が提案されている。この中でも、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は、ほぼ垂直な形状の液体供給口を形成することができるため、異方性エッチングにより液体供給口を形成する方法より、チップサイズを小さくすることができる。ドライエッチングを用いた液体供給口の形成方法については、特許文献1に、基板裏面側から共通液体供給口を形成した後に、その底部にドライエッチングにより独立液体供給口を形成する方法が開示されている。
特開2009−137155号公報
しかしながら、特許文献1に開示された方法では、共通液体供給口の底部にドライエッチングにより独立液体供給口を形成するが、共通液体供給口の立体形状に依存して独立液体供給口が斜めに形成される、チルトと呼ばれる現象が生じる。チルトが顕著に発生すると、基板表面の独立液体供給口の開口位置が所望の位置より大きくずれるため、信頼性が低下し、チップサイズが増加する可能性がある。そこで、本発明は、生産性を低下させることなくチルトの発生を抑制できる液体吐出ヘッド用基板の製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る液体吐出ヘッド用基板の製造方法は、シリコン基板を貫通する液体供給口をドライエッチングにより形成する工程を含む液体吐出ヘッド用基板の製造方法であって、前記工程は、(1)シリコン基板上にエッチング保護膜を形成する工程と、(2)前記エッチング保護膜のうち、底部のエッチング保護膜を除去する工程と、(3)シリコン基板をエッチングする工程と、を順次繰り返す工程であり、前記工程(2)において形成されるシースは、前記工程(3)において形成されるシースよりも厚い。
また、本発明に係る液体吐出ヘッド用基板の製造方法は、シリコン基板に液体供給口を形成する工程を含む液体吐出ヘッド用基板の製造方法であって、前記工程は、(a)シリコン基板に共通液体供給口を形成する工程と、(b)前記共通液体供給口の底部に、前記シリコン基板を貫通する独立液体供給口をドライエッチングにより形成する工程と、を含み、前記工程(b)は、(1)シリコン基板上にエッチング保護膜を形成する工程と、(2)前記エッチング保護膜のうち、底部のエッチング保護膜を除去する工程と、(3)シリコン基板をエッチングする工程と、を順次繰り返す工程であり、前記工程(2)において形成されるシースは、前記工程(3)において形成されるシースよりも厚い。
また、本発明に係る液体吐出ヘッド用基板の製造方法は、シリコン基板に液体供給口を形成する工程を含む液体吐出ヘッド用基板の製造方法であって、前記工程は、(a)シリコン基板に共通液体供給口を形成する工程と、(b)前記共通液体供給口の底部に、前記シリコン基板を貫通する独立液体供給口をドライエッチングにより形成する工程と、を含み、前記工程(b)は、(1)シリコン基板上にエッチング保護膜を形成する工程と、(2)前記エッチング保護膜のうち、底部のエッチング保護膜を除去する工程と、(3)シリコン基板をエッチングする工程と、を順次繰り返す工程であり、前記工程(2)のソースパワーは、前記工程(3)のソースパワーよりも小さい。
本発明によれば、液体吐出ヘッド用基板の製造において、生産性を低下させることなくチルトの発生を抑制できる。
本発明に係る液体吐出ヘッド用基板の製造方法の一例を示す断面図である。 実施例1におけるソースパワー及びバイアスパワーの制御状態を示すタイミングチャートである。 比較例1におけるソースパワー及びバイアスパワーの制御状態を示すタイミングチャートである。 本発明に係る方法により製造される液体吐出ヘッド用基板の一例を示す模式的断面図である。 共通液体供給口に対するシースを模式的に示した断面図である。 ボッシュプロセスにおける各工程を模式的に示した断面図である。 ボッシュプロセスにおけるチルトの発生現象を模式的に示した断面図である。 ドライエッチング装置の一例の概略構成を示した断面図である。
本発明に係る方法によって製造される液体吐出ヘッド用基板の一例の構造を、図4を用いて説明する。図4に示される液体吐出ヘッド用基板は、シリコン基板403、シリコン基板403上に積層された吐出口形成部材406、及び吐出エネルギー発生素子405を備える。シリコン基板403の第一の面410側には、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、シリコン基板403の第二の面411側には、共通液体供給口414が形成されている。共通液体供給口414の内部には、独立液体供給口402がシリコン基板403の第一の面410に到達するように形成されている。液体は、共通液体供給口414及び独立液体供給口402を通じて液体流路408へ供給される。また、吐出口形成部材406は、複数の樹脂層が順次シリコン基板403上に積層されることで形成されている。また、吐出口形成部材406には、液体を吐出するための液体吐出口401が液体流路408と連通するように形成されている。なお、図4に示されるシリコン基板403には共通液体供給口414が形成されているが、共通液体供給口414は形成されていなくてもよい。
次に、本発明に係る液体吐出ヘッド用基板の製造方法について説明する。本発明に係る液体吐出ヘッド用基板の製造方法は、シリコン基板を貫通する液体供給口をドライエッチングにより形成する工程を含む液体吐出ヘッド用基板の製造方法であって、前記工程は、(1)シリコン基板上にエッチング保護膜を形成する工程と、(2)前記エッチング保護膜のうち、底部のエッチング保護膜を除去する工程と、(3)シリコン基板をエッチングする工程と、を順次繰り返す工程であり、前記工程(2)において形成されるシースは、前記工程(3)において形成されるシースよりも厚い。
また、本発明に係る液体吐出ヘッド用基板の製造方法は、シリコン基板に液体供給口を形成する工程を含む液体吐出ヘッド用基板の製造方法であって、前記工程は、(a)シリコン基板に共通液体供給口を形成する工程と、(b)前記共通液体供給口の底部に、前記シリコン基板を貫通する独立液体供給口をドライエッチングにより形成する工程と、を含み、前記工程(b)は、(1)シリコン基板上にエッチング保護膜を形成する工程と、(2)前記エッチング保護膜のうち、底部のエッチング保護膜を除去する工程と、(3)シリコン基板をエッチングする工程と、を順次繰り返す工程であり、前記工程(2)において形成されるシースは、前記工程(3)において形成されるシースよりも厚い。
本発明に係る方法によれば、生産性を低下させることなく、基板に対して垂直な液体供給口を形成することができ、チルトによるチップサイズの増加、信頼性の低下を抑制することができる。特に、本発明に係る方法では、以下に説明するボッシュプロセスにより液体供給口を形成するが、エッチング保護膜を形成する工程で形成されるシースを、シリコン基板をエッチングする工程で形成されるシースよりも厚くする。これにより、シースのゆがみが抑制され、シリコン基板に対しイオンが垂直に入射するため、チルトの発生を抑制することができる。なお、シースの厚みは例えば各工程のソースパワーを小さくすると厚くなる。このため、前記工程(2)のソースパワーを前記工程(3)のソースパワーよりも小さくすることで、前記工程(2)において形成されるシースを前記工程(3)において形成されるシースよりも厚くすることができる。以下、本発明に係る方法の詳細を説明する。
本発明に係る方法では、シリコン基板に深い穴や溝を形成する手法として、いわゆるボッシュプロセスと呼ばれるドライエッチング方法(反応性イオンエッチング方法)を用いる。ボッシュプロセスの各工程の模式的断面図を図6に示す。まず、シリコン基板601に所望のエッチングマスク602を形成する。次に、エッチング保護膜603を形成する(工程(1)、保護膜形成工程とも示す、図6(a))。エッチング保護膜603は、例えば、CF系ガスを主に用いたプラズマにて穴や溝の側壁等に形成される。次に、エッチング保護膜603のうち、底部のエッチング保護膜を除去する(工程(2)、保護膜除去工程とも示す、図6(b))。例えば、SF6ガスを主に用いたプラズマにて穴底のエッチング保護膜603を除去する。次に、シリコン基板601をエッチングする(工程(3)、Siエッチ工程とも示す、図6(c))。例えば、SF6ガスを主に用いたプラズマにてシリコン基板601をエッチングする。これら3つの工程を順次繰り返すことにより、見かけ上、垂直な穴を形成することができる。
前記ドライエッチングを実施するための装置の一例の概略構成を図8に示す。図8に示される装置は、被エッチング物を収納するエッチングチャンバ801、及びエッチングチャンバ801内の下部に設置され、被エッチング物が配置される基板ステージ802を備える。また、該装置は、エッチングチャンバ801内に所望の流量のエッチングガス及び保護膜形成ガスを供給するガス供給手段807、並びにエッチングチャンバ801内を減圧する手段806を備える。更に該装置は、エッチングチャンバ801の外周に設置されコイルに高周波電力を印加してプラズマを発生させるプラズマ生成手段805(ソースパワー)及び基板ステージ802に高周波電力を印加する基板バイアス発生手段804(バイアスパワー)を備える。
ここで、チルトが発生する原因について説明する。ドライエッチング中のシリコン基板表面には、シースと呼ばれる空間電荷層が形成される。エッチング種となるイオンは、このシースに対して垂直な方向に入射する。この時、図5に示すように、シース504にゆがみが生じていると、シリコン基板501に対してイオンが斜めに入射する。このため、ドライエッチングにより独立液体供給口503はシリコン基板501に対して斜めに形成され、チルトと呼ばれる現象が生じる。シースがゆがむ原因としては、プラズマ分布等のプロセスの影響や、シリコン基板の立体形状による影響等が挙げられる。図5に示すシリコン基板501では、共通液体供給口502の立体形状に沿ってシース504が形成されるため、シース504にゆがみが生じる。
生じるチルトを小さくするためには、シースを厚くしてシースのゆがみを抑制することが有効である。ここで、シースの厚みは、いわゆるチャイルドラングミュアの法則(Child−Langmuir Law)にて計算できる。この法則によれば、ドライエッチング中のプラズマ密度を小さくすれば、シースを厚くすることができる。しかしながら、プラズマ密度を小さくするとエッチングレートが低下するため、生産性が低下する。
ここで、ボッシュプロセスにおいてチルトが発生する現象を、図7を用いて詳細に説明する。ボッシュプロセスでは、前述したように複数の工程を繰り返すことによりエッチングを進行させる。保護膜除去工程においては、バイアスパワーを大きくすることによりイオンを基板に入射させ、底部のエッチング保護膜を効率的に除去する。この時、図7(b)に示すようにシースのゆがみによりイオンが斜めに入射すると、エッチング保護膜が偏って除去されるため、図7(c)に示すようにSiエッチ工程において穴が斜めに形成されると推測される。すなわち、保護膜除去工程においてイオンを垂直に入射させることが重要であり、この工程におけるシースを厚くすることで、チルトを抑制することができる。また、次のSiエッチ工程では、プラズマ密度を高く、バイアスパワーを小さくして、等方性エッチングの傾向を強くすることにより、エッチングレートの低下を抑制しながらチルトを小さくすることができる。
保護膜除去工程において形成されるシースの厚みを、Siエッチ工程において形成されるシースの厚みよりも厚くする方法としては特に限定されない。例えば、保護膜除去工程のソースパワーをSiエッチ工程のソースパワーよりも小さくする方法、保護膜除去工程のバイアスパワーを大きくする方法等が挙げられる。バイアスパワーの増加は、装置構成的に限界があるため、装置仕様上の観点から、保護膜除去工程のソースパワーをSiエッチ工程のソースパワーよりも小さくする方法がより簡易的に効果を得ることができる。保護膜除去工程のソースパワーをSiエッチ工程のソースパワーよりも小さくする場合、Siエッチ工程のソースパワーに対する保護膜除去工程のソースパワーの減少率は、10%以上、50%以下が好ましい。ソースパワーの減少率が10%以上であることにより、保護膜除去工程において形成されるシースを十分に厚くすることができる。また、ソースパワーの減少率が50%以下であることにより、安定したプラズマの生成が可能となる。なお、ソースパワーの減少率は以下の式で表される値である。
ソースパワーの減少率(%)=((Siエッチ工程のソースパワー)−(保護膜除去工程のソースパワー))/(Siエッチ工程のソースパワー)×100
以下、本発明に係る方法の実施形態の一例を、図1を用いて示す。なお、本発明は以下に示す方法に限定されない。まず、図1(A)に示すように、吐出エネルギー発生素子105の配置されたシリコン基板103の表面に、エッチングストップ層104を形成する。また、吐出エネルギー発生素子105及びエッチングストップ層104を覆うように、絶縁膜(不図示)を形成する。エッチングストップ層104の材料には、アルミニウム等を用いることができる。絶縁膜には、シリコンの酸化膜を用いることができる。次に、シリコン基板103の裏面に、熱酸化膜111を形成する。次に、シリコン基板103の表面に、密着層(不図示)、液体流路となる型材料であるポジ型レジスト107、並びに流路壁及び液体吐出口101を形成する吐出口形成部材106を形成する。密着層の材料には、ポリエーテルアミド等を用いることができる。次に、シリコン基板103の裏面に、後に共通液体供給口114を形成するために、エッチングマスク112を形成する。エッチングマスク112の材料には、ポリエーテルアミド等を用いることができる。
次に、図1(B)に示すように、シリコン基板103及び吐出口形成部材106の表面に、アルカリ溶液から保護するための保護レジスト113を形成する。保護レジスト113の材料としては、例えばOBC(商品名、東京応化工業(株)製)を用いることができる。次に、図1(C)に示すように、シリコン基板103をアルカリ溶液に浸漬し、共通液体供給口114を形成する。アルカリ溶液としては、例えばTMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)溶液等を用いることができる。共通液体供給口114の深さは特に限定されないが、例えば300μm以上、650μm以下とすることができる。次に、図1(D)に示すように、エッチングマスク112及び熱酸化膜111を除去する。次に、図1(E)に示すように、独立液体供給口形成マスク115を形成する。独立液体供給口形成マスク115の形成方法は特に限定されないが、例えば感光性材料を、スプレー装置等を用いて均一に塗布した後、裏面露光機を用いて独立液体供給口に対応する位置に開口部を形成することで形成することができる。
次に、図1(F)に示すように、独立液体供給口形成マスク115をマスクにして、前述したボッシュプロセスを用いたドライエッチングによりシリコン基板103に独立液体供給口116を形成する。本発明に係る方法では、保護膜除去工程において形成されるシースの厚みを、Siエッチ工程において形成されるシースの厚みよりも厚くすることで、チルトの発生を抑制する。独立液体供給口116の深さは特に限定されないが、例えば50μm以上、400μm以下とすることができる。次に、図1(G)に示すように、独立液体供給口形成マスク115、エッチングストップ層104及び絶縁膜を除去する。次に、図1(H)に示すように、保護レジスト113を除去し、その後ポジ型レジスト107を除去することにより、液体流路108を形成する。以上により、液体吐出ヘッド用基板が完成する。
[実施例1]
本実施例における液体吐出ヘッド用基板の製造方法を、図1を用いて説明する。まず、図1(A)に示す700μmの厚みのシリコン基板103を準備した。シリコン基板103の表面には、吐出エネルギー発生素子105、エッチングストップ層104、並びに吐出エネルギー発生素子105及びエッチングストップ層104上に形成された絶縁層(不図示)が配置されている。エッチングストップ層104は、500nmの厚さのアルミニウム膜をスパッタリングにより形成することで形成した。絶縁層は、700nmの厚さの酸化膜をプラズマCVDにより形成することで形成した。更に、シリコン基板103の表面側には、後に液体流路壁及び液体吐出口を形成するために、密着層(不図示)、ポジ型レジスト107及び吐出口形成部材106が形成されている。密着層はポリエーテルアミドからなる。ポジ型レジスト107は液体流路となり、型材料である。吐出口形成部材106は流路壁及び液体吐出口101を形成する。また、シリコン基板103の裏面には、600nmの厚さの熱酸化膜111が形成されている。さらに、後に共通液体供給口を形成するために、ポリエーテルアミドからなるエッチングマスク112が形成されている。
次に、図1(B)に示すように、シリコン基板103及び吐出口形成部材106の表面に、アルカリ溶液から保護するための保護レジスト113を形成した。保護レジスト113にはOBC(商品名、東京応化工業(株)製)を用いた。次に、図1(C)に示すように、シリコン基板103を22質量%TMAH溶液に、83℃で12時間浸漬し、共通液体供給口114を形成した。共通液体供給口114の深さは、シリコン基板103の裏面から600μmであった。次に、図1(D)に示すように、エッチングマスク112及び熱酸化膜111を除去した。次に、図1(E)に示すように、独立液体供給口形成マスク115を形成した。独立液体供給口形成マスク115は、感光性材料(商品名:AZP4620、AZエレクトロニックマテリアルズ社製)を、スプレー装置を用いて均一に塗布した後、裏面露光機を用いて独立液体供給口に対応する位置に開口部を形成することで形成した。
次に、図1(F)に示すように、独立液体供給口形成マスク115をマスクにして、前述したボッシュプロセスを用いたドライエッチングによりシリコン基板103に独立液体供給口116を形成した。ボッシュプロセスの各工程における条件を表1に示す。また、各工程のソースパワー及びバイアスパワーの変化を図2に示す。保護膜除去工程のシースを厚くしてチルトを抑制するために、保護膜形成工程及びSiエッチ工程のソースパワーに対して、保護膜除去工程のソースパワーを小さく設定した。Siエッチ工程のソースパワーに対する保護膜除去工程のソースパワーの減少率は27%であった。ソースパワーの関係から、チャイルドラングミュアの法則を用いてシースの厚みの関係を判断したところ、保護膜除去工程において形成されるシースは、Siエッチ工程において形成されるシースよりも厚かった。
次に、図1(G)に示すように、独立液体供給口形成マスク115、エッチングストップ層104及び絶縁膜を除去した。次に、図1(H)に示すように、保護レジスト113を除去し、その後ポジ型レジスト107を除去することにより、液体流路108を形成した。これにより、液体吐出ヘッド用基板を完成させた。得られた液体吐出ヘッド用基板の独立液体供給口のチルトを測定したところ、約2μmであった。なお、チルトの測定は、両面顕微鏡により、独立供給口の基板における表裏の開口位置を測定することにより行った。
[実施例2]
ボッシュプロセスの各工程における条件を表2に示す条件に変更した以外は、実施例1と同様に液体吐出ヘッド用基板を作製した。Siエッチ工程のソースパワーに対する保護膜除去工程のソースパワーの減少率は45%であった。ソースパワーの関係から、チャイルドラングミュアの法則を用いてシースの厚みの関係を判断したところ、保護膜除去工程において形成されるシースは、Siエッチ工程において形成されるシースよりも厚かった。得られた液体吐出ヘッド用基板の独立液体供給口のチルトを測定したところ、約1.5μmであった。
[比較例1]
ボッシュプロセスの各工程における条件を表3に示す条件に変更した以外は、実施例1と同様に液体吐出ヘッド用基板を作製した。ボッシュプロセスの各工程のソースパワー及びバイアスパワーの変化を図3に示す。Siエッチ工程のソースパワーに対する保護膜除去工程のソースパワーの減少率は0%であった。ソースパワーの関係から、チャイルドラングミュアの法則を用いてシースの厚みの関係を判断したところ、保護膜除去工程において形成されるシースは、Siエッチ工程において形成されるシースよりも厚くなかった。得られた液体吐出ヘッド用基板の独立液体供給口のチルトを測定したところ、約3μmであった。
なお、本実施例では、シリコン基板に形成された共通液体供給口を立体障害として、これに起因するチルトに対する効果を示したが、本発明は他の立体障害に起因するチルトに対しても有効である。例えば、シリコン基板の最外周では、シリコン基板の端部自体が立体障害となり得るが、これに起因するチルトに対しても有効である。
101、401 液体吐出口
103、403、501、601 シリコン基板
104 エッチングストップ層
105、405 吐出エネルギー発生素子
106、406 吐出口形成部材
107 ポジ型レジスト
108、408 液体流路
410 第一の面
411 第二の面
111 熱酸化膜
112、602 エッチングマスク
113 保護レジスト
114、414、502 共通液体供給口
115 独立液体供給口形成マスク
116、402、503 独立液体供給口
504 シース
603 エッチング保護膜
801 エッチングチャンバ
802 基板ステージ
803 基板
804 基板バイアス発生手段
805 プラズマ生成手段
806 減圧手段
807 ガス供給部

Claims (8)

  1. シリコン基板を貫通する液体供給口をドライエッチングにより形成する工程を含む液体吐出ヘッド用基板の製造方法であって、
    前記工程は、
    (1)シリコン基板上にエッチング保護膜を形成する工程と、
    (2)前記エッチング保護膜のうち、底部のエッチング保護膜を除去する工程と、
    (3)シリコン基板をエッチングする工程と、を順次繰り返す工程であり、
    前記工程(2)において形成されるシースは、前記工程(3)において形成されるシースよりも厚い液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
  2. シリコン基板に液体供給口を形成する工程を含む液体吐出ヘッド用基板の製造方法であって、
    前記工程は、
    (a)シリコン基板に共通液体供給口を形成する工程と、
    (b)前記共通液体供給口の底部に、前記シリコン基板を貫通する独立液体供給口をドライエッチングにより形成する工程と、を含み、
    前記工程(b)は、
    (1)シリコン基板上にエッチング保護膜を形成する工程と、
    (2)前記エッチング保護膜のうち、底部のエッチング保護膜を除去する工程と、
    (3)シリコン基板をエッチングする工程と、を順次繰り返す工程であり、
    前記工程(2)において形成されるシースは、前記工程(3)において形成されるシースよりも厚い液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
  3. 前記工程(2)のソースパワーは、前記工程(3)のソースパワーよりも小さい請求項1または2に記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
  4. 前記工程(3)のソースパワーに対する前記工程(2)のソースパワーの減少率が、10%以上、50%以下である請求項3に記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
  5. 前記工程(1)が、CF系ガスを用いたプラズマによりエッチング保護膜を形成する工程である請求項1から4のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
  6. 前記工程(2)が、SF6ガスを用いたプラズマにより底部のエッチング保護膜を除去する工程である請求項1から5のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
  7. 前記工程(3)が、SF6ガスを用いたプラズマによりシリコン基板をエッチングする工程である請求項1から6のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
  8. シリコン基板に液体供給口を形成する工程を含む液体吐出ヘッド用基板の製造方法であって、
    前記工程は、
    (a)シリコン基板に共通液体供給口を形成する工程と、
    (b)前記共通液体供給口の底部に、前記シリコン基板を貫通する独立液体供給口をドライエッチングにより形成する工程と、を含み、
    前記工程(b)は、
    (1)シリコン基板上にエッチング保護膜を形成する工程と、
    (2)前記エッチング保護膜のうち、底部のエッチング保護膜を除去する工程と、
    (3)シリコン基板をエッチングする工程と、を順次繰り返す工程であり、
    前記工程(2)のソースパワーは、前記工程(3)のソースパワーよりも小さい液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
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