JP6164908B2 - 液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、基板の加工方法に関する。
基板に穴等を形成する加工を行う技術として、ドライエッチングの一種である反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）がある。反応性イオンエッチングとは、反応ガスを処理室内に導入してプラズマ化し、プラズマ化された反応ガスを用いて基板の処理面をエッチングすることで所定の形状を形成する手法である。より具体的には、処理室内の下部電極に、例えば静電チャックにより基板を固定し、下部電極との間に高周波電源が接続された上部電極の微小孔から反応ガスを供給する。これにより、供給された反応ガスは上部電極と下部電極の間でプラズマ化し、基板をエッチングして所定の形状を形成する。
特許文献１には、基板に対して反応性イオンエッチングを行い、基板に穴を形成することが記載されている。
反応性イオンエッチングでは、プラズマが基板等と接する際に、その界面にシースと呼ばれる空間電荷層が形成される。プラズマ中の正イオンは、形成されたシースに対してほぼ垂直に加速して基板に入射する。
基板の加工面が平坦な場合、シースは基板の加工面に沿ってほぼ平坦に形成されるが、基板の加工面に凹部が形成されている場合、凹部の影響でシースは歪んで形成される。このため、正イオンが基板に対して垂直ではなく曲がって入射する。即ち、エッチングの方向が加工面に対して曲がってしまう。この現象は「チルト」と呼ばれるものである。
配列方向に所定の間隔で配列した凹部が形成された基板に対して、特許文献１に記載されているような反応性イオンエッチングを凹部の底部に行い、凹部の底部に穴を形成することがある。例えば、基板が液体吐出ヘッドの基板であり、基板に液体の流路である共通流路と個別流路とを形成する場合である。基板に形成する凹部が共通流路となり、凹部の底部に形成する穴が個別流路となる。この際、基板の加工面には凹部が形成されているので、上述したようにチルトが発生し、凹部の底部に形成する個別流路（穴）が底部に対して曲がってしまうことがあった。
特に、本発明者らの検討によれば、両隣に所定の間隔で凹部が形成されていない凹部に対して、その凹部の底部に反応性イオンエッチングを行うと、凹部の底部に形成する穴が歪みやすいことが分かった。例えば、配列方向の片隣には凹部が形成されているが、もう一方の片隣（逆の片隣）には凹部が形成されていない場合、凹部が形成されていない側に向かって穴が傾斜しやすい傾向があることを見出した。
従って、本発明は、配列方向に所定の間隔で配列した凹部が形成された基板に対して凹部の底部に穴を形成する際に、形成する穴を歪みにくくすることを目的とする。
上記課題は、以下の本発明によって解決される。即ち本発明は、配列方向に所定の間隔で配列した凹部が形成された基板に対して、前記凹部の底部に反応性イオンエッチングを行い、前記凹部の底部に穴を形成する工程を有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、前記凹部の底部に穴を形成する工程は、前記底部に穴を形成する凹部の配列方向における両隣に前記所定の間隔で凹部が形成されるように、前記底部に穴を形成する凹部の配列方向における少なくとも片隣にダミーとなるダミー凹部を設けた基板を用意し、用意した基板の前記凹部の底部に対して反応性イオンエッチングを行う工程であり、前記凹部の底部に穴を形成する工程で形成した前記底部に穴を形成した凹部と前記ダミー凹部との間で基板を切断する工程を有し、前記ダミー凹部を有する基板を液体吐出ヘッドの基板として用いず、前記底部に穴を形成する凹部を有する基板を液体吐出ヘッドの基板として用い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、配列方向に所定の間隔で配列した凹部が形成された基板に対して凹部の底部に穴を形成する際に、形成する穴を歪みにくくすることができる。
以下、本発明を実施するための形態を説明する。ここでは、液体吐出ヘッドの基板を加工する場合を例にとって説明を行う。
図１（ａ）は、液体吐出ヘッドの斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ’破線部における液体吐出ヘッドの断面図である。
液体吐出ヘッドが有する基板１には凹部２が形成されている。基板１は液体吐出ヘッドの基板であり、凹部２は共通流路となる。基板１は、シリコンで形成されたシリコン基板であることが好ましい。
基板１の表面側には、吐出口形成部材６が設けられている。基板１の表面側の反対側である裏面側には、凹部２が開口している。凹部２は、凹部の底の部分となる底部３を有する。底部３には、底部３から基板１の表面側に延びる個別流路である穴８が形成されている。穴８は、底部３から基板１の表面側まで、基板１を貫通している。
基板１の表面側には、エネルギー発生素子５が形成されている。エネルギー発生素子５としては、発熱抵抗体や圧電素子が挙げられる。エネルギー発生素子５は、基板１の表面と接触していてもよいし、基板１の表面に対して一部中空状に形成されていてもよい。
吐出口形成部材６は、吐出口７を形成している。図１に示す液体吐出ヘッドでは、吐出口形成部材６は流路形成部材を兼ねている。よって、吐出口形成部材６は、液体の流路４を形成している。吐出口形成部材と流路形成部材とは別部材であってもよく、例えば基板上に流路形成部材を形成し、流路形成部材上に吐出口形成部材を形成してもよい。
基板１に形成された共通流路である凹部２から供給される液体は、個別流路である穴８を通り、基板１の表面側の流路４に到達する。そして、流路４内でエネルギー発生素子５によってエネルギーを与えられ、吐出口７から吐出され、紙等の記録媒体に着弾する。このようにして画像の記録等が行われる。
図１に示すような液体吐出ヘッドの基板は、ウェハと呼ばれる大きな基板から分離することで形成される。ウェハの一例を図２（ａ）に示す。図２（ａ）は、分離前の基板１を裏面側から見た図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ’破線部における基板の断面図である。
基板１には、配列方向に所定の間隔で配列した凹部２が形成されている。配列方向とは、凹部２が配列している方向であり、例えば図２（ａ）においては矢印９で示す方向である。所定の間隔とは、好ましくは実質的に一定の間隔であるが、必ずしも一定の間隔である必要はない。図２（ｂ）では、Ｂ−Ｂ’破線部における基板の断面において、１つの共通液室である凹部２に対し、個別流路である穴８が１つ形成されている。但し、Ｂ−Ｂ’破線部における基板の断面において、１つの凹部２に対して穴８が複数形成されていてもよい。
図２（ｃ）は、図２（ｂ）の凹部２の拡大図である。図２（ｃ）の中心にある凹部２に対して、配列方向における両隣に凹部（ここでは凹部２´と示す）が配置されている。ある凹部とその凹部と隣接する凹部との間隔は、記号１０で示す部分である。即ち、基板の裏面側における凹部の開口間の最短距離であり、この記号１０の間隔が「所定の間隔」である。また、凹部２の幅は、記号１１で示す部分であり、凹部２の基板裏面側の開口幅のことである。凹部２の深さは、記号１２で示す部分であり、基板の裏面に対して垂直な方向の凹部の長さのことである。
次に、凹部２の底部に反応性イオンエッチングを行い、凹部２の底部に穴を形成する工程を、図３を用いて説明する。図３（ａ）は、図２（ｂ）や（ｃ）と同様の部分における基板の断面図であって、凹部の底部に穴８を形成する前の状態を示す。基板１には、配列方向に所定の間隔で配列した凹部が形成されている。凹部の配列方向における両隣には所定の間隔で凹部が形成されている。この両隣に所定の間隔で凹部が形成されている凹部を、記号１３で示す。一方で、凹部の中には、配列方向における両隣に所定の間隔で凹部が形成されていない凹部がある。これらを凹部１４、凹部１５、凹部１６と示す。凹部１４に関しては、凹部１４に対して図２における左側には所定の間隔で凹部が形成されている。しかし、右側に形成された凹部（凹部１５）は所定の間隔よりも離れた間隔で形成されている。凹部１５に関しては、左側の凹部（凹部１４）は所定の間隔よりも離れた間隔で形成されており、右側には凹部は形成されていない。凹部１６に関しては、左側には所定の間隔で凹部が形成されているが、右側には凹部は形成されていない。
これら凹部を有する基板に対し、凹部の底部に反応性イオンエッチングを行い、凹部の底部に穴を形成した状態を図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）では、反応性イオンエッチングを行う際のプラズマ１７及びシース幅１８をモデル化して示している。図３（ｂ）に示すように、シース幅１８は、凹部の形状に沿うように歪んで形成される。このとき、両隣に所定の間隔で凹部が形成されている凹部においては、図３（ｂ）の左側に示すようにシース幅は均一に歪む。一方で、両隣の少なくとも一方に所定の間隔で凹部が形成されていない凹部においては、図３（ｂ）の右側に示すようにシース幅は不均一に歪む。例えば、配列方向の両端部の凹部は、その外側に凹部がないので、このようにシース幅が不均一に歪んだ状態となる。プラズマ１７中の正イオン１９は、シースに直交するように進む。その為、図３（ｂ）の右側に示すようにシース幅が不均一に歪んでいると、正イオン１９が曲がり、結果として形成される穴が曲がってしまう。
これに対し、本発明を適用して凹部２の底部に穴を形成する工程を、図４を用いて説明する。図４（ａ）は、分離前の基板１を裏面側から見た図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＣ−Ｃ’破線部における基板の断面図である。
図４（ａ）に示すように、本発明ではダミーとなる凹部２０（ダミー凹部と称する）を形成することを特徴とする。ダミー凹部２０は、底部に穴を形成する凹部２の配列方向（矢印９）における両隣に所定の間隔で凹部が形成されるように、底部に穴を形成する凹部２の配列方向における少なくとも片隣に形成する。ダミー凹部２０と、これに隣接する底部に穴を形成する凹部２との間の距離である所定の間隔は、凹部やダミー凹部の形状、配置による。但し、隣接する２つの凹部２間の距離に対して、１０％以上１９０％以下であることが好ましく、５０％以上１５０％以下であることがより好ましく、９０％以上１１０％以下であることがさらに好ましい。さらには、底部に穴を形成する凹部２とダミー凹部２０との間の距離である所定の間隔は、隣接する２つの凹部２間の距離と実質的に同じであることが好ましい。
これら凹部を有する基板を用意し、用意した基板の凹部の底部に対して反応性イオンエッチングを行い、凹部の底部に穴を形成した状態を図４（ｃ）に示す。図４（ｃ）では、反応性イオンエッチングを行う際のプラズマ１７及びシース幅１８をモデル化して示している。図４（ｃ）に示すように、両隣に所定の間隔で凹部が形成されている凹部においては、シース幅は均一に歪む。本発明では、ダミー凹部２０によって、底部に穴を形成する凹部の配列方向における両隣に所定の間隔で凹部を形成している。これにより、シース幅の歪みをなるべく均一なものとし、底部に形成する穴８が曲がってしまうことを抑制することができる。
配列方向に配列した凹部のうち端部の凹部の外側には、それ以上凹部が形成されていない。従って、配列方向に配列した底部に穴を形成する凹部２のうち、端部の凹部の外側に、ダミー凹部２０を形成することが好ましい。また、図４（ａ）に示すように、配列方向に配列した、底部に穴を形成する凹部２を囲むように、ダミー凹部２０を形成することが好ましい。
凹部と、かかる凹部と隣接するダミー凹部との間隔（所定の間隔）は、３ｍｍ以下とすることが好ましく、１ｍｍ以下とすることがより好ましい。このようにすることで、穴の歪みを良好に抑制することができる。ダミー凹部２０の幅は、シースの歪みが隣接する凹部２と同程度に歪む幅であることが好ましい。例えば、ダミー凹部２０の幅は、凹部２の幅の１０％以上であることが好ましく、５０％以上であることがより好ましく、９０％以上であることがさらに好ましい。また、１２０％以下であることが好ましく、１００％以下であることがより好ましい。ダミー凹部２０の深さは、凹部２の深さの１０％以上であることが好ましく、５０％以上であることがより好ましく、９０％以上であることがさらに好ましい。また、１２０％以下であることが好ましく、１００％以下であることがより好ましい。
次に、凹部の配列方向における両隣に所定の間隔で凹部が形成されるように、凹部の配列方向における少なくとも片隣にダミー凹部を形成する例に関して、図５に示す例を説明する。この例では、図５（ａ）に示す基板に対して、ダミー凹部を形成する。図５（ａ）に示す基板では、基板（ウェハ）の外周部分以外にも、凹部が形成されていない領域がある。この領域は、例えばテストパターン等を入れる領域として活用されるものである。この凹部が形成されていない領域に隣接する凹部では、配列方向における両隣に所定の間隔で凹部が形成されていないこととなる。従って、この例では、図５（ｂ）に示すように、ダミー凹部２０を、外周部分及び上述の凹部が形成されていない領域に形成する。図５（ｃ）は、図５（ｂ）のＤ−Ｄ’破線部における基板の断面図である。このようにダミー凹部２０を形成することで、各凹部２におけるシース幅の歪みをなるべく均一なものとし、凹部２の底部に形成する穴８が曲がってしまうことを抑制することができる。
凹部の配列方向における両隣に所定の間隔で凹部が形成されるように、凹部の配列方向における少なくとも片隣にダミー凹部を形成する例に関して、図６に示す例を説明する。図６（ａ）はダミー凹部を形成する前の基板、図６（ｂ）はダミー凹部を形成した後の基板である。図６（ｂ）に示すように、この例では、凹部２の配列方向の斜め４５度の位置に、ダミー凹部３１を形成する。この例では、ダミー凹部３１は、ダミー凹部２０の配列方向の延長線上に形成されている。このようにダミー凹部３１を形成しておくと、凹部２の底部に形成する穴の歪みをより良好に抑制することができる。
次に、本発明の基板の加工方法を用いて液体吐出ヘッドを製造する方法を、図７を用いて説明する。
液体吐出ヘッドの製造方法では、まず、図７（ａ）に示すように、基板１を用意する。基板１は、表面及び裏面の結晶方位が（１００）であるシリコン基板であることが好ましい。基板１の表面側にはエネルギー発生素子５とそれを駆動するための配線（不図示）が形成されている。また、基板１の表面側には、基板と吐出口形成部材との中間に位置し、両者の密着力を向上させる中間層２１が形成されている。中間層２１は、ポリエーテルアミド等によって形成し、フォトリソグラフィー等によってパターニングされている。基板１の裏面側には、エッチングマスク層２２が形成されている。エッチングマスク層２２は、例えば中間層２１と同様にポリエーテルアミド等で形成する。エッチングマスク層２２は、フォトリソグラフィー等によって開口を有するようにパターニングされている。この開口は、後の工程で形成する凹部２やダミー凹部２０の形状に対応した形状とし、開口間が所定の間隔となるように形成する。
次に、図７（ｂ）に示すように、基板１の表面側に液体の流路の型２３を形成する。型２３は、例えばアルミニウム等の金属や感光性樹脂等の樹脂で形成する。特には、ポジ型感光性樹脂で形成することが好ましい。型２３をポジ型感光性樹脂で形成する場合、ポジ型感光性樹脂を含有した塗工液をスピンコート等によって基板１の表面に塗工し、塗工後に露光機で露光し、最後に現像することで型２３とする。
次に、図７（ｃ）に示すように、型２３を覆うように流路形成部材２４を形成する。流路形成部材は樹脂等によって形成する。特には、ネガ型感光性樹脂で形成することが好ましい。続いて、フォトリソグラフィー等によって、流路形成部材２４に、吐出口７と、切断を行う部分２５とを形成する。ここでは、流路形成部材に吐出口を形成しているので、流路形成部材が吐出口形成部材を兼ねている。
次に、図７（ｄ）に示すように、吐出口形成部材（流路形成部材）を覆うように、保護膜２６を形成する。保護膜２６は、凹部を形成する際のエッチング液から吐出口形成部材を保護するものである。保護膜２６を形成した後、基板１の裏面側から凹部２及びダミー凹部２０を形成する。凹部２及びダミー凹部２０は、エッチングマスク層２２の開口を用い、例えばＴＭＡＨ等によるウェットエッチングを８０℃、１０時間程度行うことによって形成する。ウェットエッチングは異方性エッチングであることが好ましく、異方性エッチングによって、側面が（１１１）面、底部３の面が（１００）面である凹部２及びダミー凹部２０を良好に形成することができる。
次に、図７（ｅ）に示すように、凹部２及びダミー凹部２０内にエッチングマスク２７を形成する。エッチングマスク２７は、例えば凹部２及びダミー凹部２０にスプレー等によって樹脂材料等を塗布することで形成される。塗布した材料には、投影系露光機等によって露光を行い、現像を行う。このようにすることで、エッチングマスク２７に開口２８を形成する。開口２８は、この後で形成する穴を形成する際のマスクの開口部分となり、穴の形状と対応する形状である。従って、開口２８は凹部２の底部に形成する必要がある。一方、ダミー凹部２０の底部には、特に穴を形成する必要はない。従って、製造上の観点等から、ダミー凹部２０の底部には開口２８を形成しないことが好ましい。
次に、図７（ｆ）に示すように、凹部２の底部に個別流路である穴８を形成する工程を行う。穴８の形成は反応性イオンエッチングによって行う。反応性イオンエッチングは加速した正イオンによりエッチングを行うもので、その装置はイオンを生成するプラズマ源とエッチングする反応室とが分かれている。例えば、イオン源に高密度のイオンを出せるＩＣＰ（誘導結合プラズマ）ドライエッチング装置を用いた場合、コーティングとエッチングを交互に行うこと（すなわち堆積／エッチングプロセス）によって基板に垂直な穴８が形成される。堆積／エッチングプロセスでは、エッチングするガスとして例えばＳＦ６ガスを用いることができ、コーティングガスとして例えばＣ４Ｆ８ガスを用いることができる。ＩＣＰプラズマ装置を用いた反応性イオンエッチングにより穴８を形成することが好ましいが、他の方式のプラズマソースを有するドライエッチング装置を用いても構わない。例えば、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）イオン源を有する装置を用いることもできる。
反応性イオンエッチングの条件としては、ＳＦ６ガス流量を５０ｓｃｃｍ以上１０００ｓｃｃｍ以下、Ｃ４Ｆ８の流量を５０ｓｃｃｍ以上１０００ｓｃｃｍ以下、ガス圧力を０．１Ｐａ以上５０．０Ｐａ以下とすることが好ましい。この範囲に制御することで、より垂直性の高いエッチングが可能となる。ガス圧力は０．５Ｐａ以上とすることがより好ましい。また、５．０Ｐａ以下とすることがより好ましい。
基板１の表面側には、反応性イオンエッチングのエッチングストップ層２９を形成しておく。エッチングストップ層２９としては、シリコンの酸化膜（ＳｉＯ）や、Ａｌ等の金属膜、また無機膜である窒化膜（ＳｉＮ）等を用いることができる。エッチングストップ層２９はどの段階で形成してもよく、基板１を用意した時点で形成しておいてもよい。
次に、図７（ｇ）に示すように、エッチングマスク２７を剥離液等で除去する。剥離液としては、通常の樹脂用剥離液を用いればよい。例えばエッチングストップ層がＡｌ等の金属膜やＳｉＮ等の無機膜である場合、リン酸、硝酸、酢酸の混合液を用いればよい。続いて、図７（ｈ）に示すように、エッチングストップ層２９をバッファードフッ酸等で除去し、穴８を型２３に到達させる。
次に、図７（ｉ）に示すように、保護膜２６を除去し、図７（ｊ）に示すように型２３を除去する。このようにして、共通流路である凹部２と個別流路である穴８を有する基板１と、基板１の表面側に液体の流路４及び吐出口７を形成する吐出口形成部材６とを形成する。
最後に、図７（ｋ）に示すように、破線３０でダイシングブレード等により基板１の切断を行い、１つの液体吐出ヘッドを製造する。即ち、凹部の底部に穴を形成する工程で形成した、底部に穴を形成した凹部と、ダミー凹部との間で基板を切断する。そして、ダミー凹部を有する基板を液体吐出ヘッドの基板として用いず、底部に穴を形成する凹部を有する基板を液体吐出ヘッドの基板として用いる。
以上の例では、図７（ｃ）の工程において、切断を行う部分２５を形成したが、この切断を行う部分２５は形成しなくてもよい。即ち、図７（ｃ）に示す状態を、図８（ａ）に示す状態とする。また、基板１を、凹部２とダミー凹部２０とが切断後も同じ基板に存在するように、図８（ｂ）に示すようにして切断する。この結果、１つの液体吐出ヘッドの基板１が、凹部２とダミー凹部２０とを有することになる。チップ内に配線等の領域によりチップ端部に大きな領域が存在する場合、基板側にダミー凹部２０を配置することで、チルトの影響を良好に抑制できる。
Claims (7)
- 配列方向に所定の間隔で配列した凹部が形成された基板に対して、前記凹部の底部に反応性イオンエッチングを行い、前記凹部の底部に穴を形成する工程を有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
前記凹部の底部に穴を形成する工程は、前記底部に穴を形成する凹部の配列方向における両隣に前記所定の間隔で凹部が形成されるように、前記底部に穴を形成する凹部の配列方向における少なくとも片隣にダミーとなるダミー凹部を設けた基板を用意し、用意した基板の前記凹部の底部に対して反応性イオンエッチングを行う工程であり、
前記凹部の底部に穴を形成する工程で形成した前記底部に穴を形成した凹部と前記ダミー凹部との間で基板を切断する工程を有し、前記ダミー凹部を有する基板を液体吐出ヘッドの基板として用いず、前記底部に穴を形成する凹部を有する基板を液体吐出ヘッドの基板として用いることを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。 - 前記ダミー凹部は、前記配列方向に配列した底部に穴を形成する凹部のうち端部の凹部の外側に形成されている請求項１に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記ダミー凹部は、前記配列方向に配列した底部に穴を形成する凹部を囲むように形成されている請求項１または２に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記基板はシリコンで形成されたシリコン基板である請求項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。
- 前記凹部はウェットエッチングで形成されたものである請求項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。
- 前記穴は前記凹部の底部から前記基板を貫通する穴である請求項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。
- 前記ダミー凹部の底部には穴を形成しない請求項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。
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