JP4979793B2 - 液体吐出ヘッド用基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、液体吐出ヘッドに用いる基板の製造方法に関するものである。

インクジェット記録方式（液体噴射記録方式）に適用されるインクジェット記録ヘッドの製造方法として、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いてシリコン基板を貫通するインクの供給口を形成する方法が、特許文献１に開示されている。

また、特許文献２には、反応性イオンエッチングでシリコン基板に供給口を形成する際に、エッチングストップ層として金属であるアルミの層を利用するとともに、当該アルミの層で開口形状を規定する方法が開示されている。

しかし、ストップ層に用いるアルミニウムなどの金属がシリコン基板内へ拡散すると、ストップ層にボイドが発生し、耐エッチング性が低下してしまうことが考えられる。また、シリコン基板中に拡散したアルミニウムにより、供給口を形成するＲＩＥが円滑に進まないことが懸念される。この理由としては、例えばシリコンを反応性イオンエッチングする際には、ＳＦ₆などのフッ素系ガスを用いるのが一般的であるが、アルミニウムはフッ素系ガスではエッチングされず、フッ化アルミニウムとして留まるためと推察される。アルミニウムはシリコンの結晶異方性ウェットエッチングの液には溶解するため、ウェットエッチングを使用していた場合には想定し得なかった課題である。

米国特許第６５５５４８０号明細書 米国特許出願公開第２００９／００６５４７２号明細書

そこで本発明は、ドライエッチングでシリコン基板に液体の供給口を、高精度に歩留まり良く形成することが可能な液体吐出ヘッド用の基板の製造方法を提供することを目的とする。

そこで、本発明は、
液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生素子を第１の面側に備えたシリコン基板の、前記第１の面から前記第１の面と反対側の第２の面まで貫通して設けられ、前記エネルギー発生素子に前記液体を供給するための供給口を有する液体吐出ヘッド用基板の製造方法であって、
（１）前記シリコン基板の前記第１の面の前記供給口に対応した部分に金属の窒化物を含む第１の層を設ける工程と、
（２）アルミニウム、銅および金のいずれか１つ、またはそれらのうちの複数の合金からなる第２の層を前記第１の層の上に設ける工程と、
（３）前記第２の面から前記第１の面に向かって、反応性イオンエッチングで前記シリコン基板をエッチングし、被エッチング領域を前記第１の層に到達させる工程と、
（４）前記第１の層及び前記第２の層を除去して前記供給口を形成する工程と、
を含む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。

本発明によれば、ドライエッチングでシリコン基板に液体の供給口を、高精度に歩留まり良く形成することが可能な液体吐出ヘッド用の基板の製造方法を提供することができる。

本発明の第１の実施形態を説明するための模式的断面図である。 本発明の第１の実施形態を説明するための模式的断面図である。 本発明の第１の実施形態にインクジェット記録ヘッドを示す模式的斜視図である。 本発明の第２の実施形態を説明するための模式的断面図である。 実施例における製造工程を説明するための模式的断面図である。

以下、本発明の実施形態を示し、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。また、以下の説明では、本発明の適用例としてインクジェット記録ヘッドを例に挙げて説明するが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、バイオッチップ作製や電子回路印刷用途の液体吐出ヘッド等にも適用できる。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。

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図３は実施形態のインクジェット記録ヘッドの一例を示す斜視図である。インクジェット記録ヘッド４はインクジェット記録ヘッド用基板３とその上に設けられた吐出口３１を有するノズル材３０を備えている。

図１は本発明の第１の実施形態を模式的に示す断面工程図であり、図３のＡ−Ａ’に沿って基板に垂直にインクジェット記録ヘッドを切断した位置で、各工程での切断面を見た場合の切断面図である。

本形態では、ストップ層を成膜する前にバリア層１２を形成しておくことで、シリコン基板に拡散しやすいアルミニウムなどの金属を用いてもストップ層を形成することができる。

まず、図１（ａ）に示すように、絶縁膜２３を備えたシリコン基板１の第１の面（表面とも称す）上に、第１の層であるバリア層１２を形成するための材料層９を設ける。材料層９は、自身が温度に対しても安定で拡散を生じず、また化学的にも安定で、比抵抗があまり高くないようなものであり、金属窒化物が好ましく用いられ、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＴａＳｉＮ、ＷＳｉＮなどの金属窒化物がより好ましく用いられる。

次いで図１（ｂ）に示すように、材料層９をエッチングしてバリア層（第１の層）１２と液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生素子の一部となる発熱抵抗層２２とを形成する。図１（ｂ）においては、シリコン基板の第１の面の供給口に対応した部分に金属の窒化物を含む第１の層を設けている。

バリア層１２は、自身が温度に対しても安定で拡散を生じず、また化学的にも安定で、比抵抗があまり高くないようなものであり、金属窒化物が好ましく用いられ、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＴａＳｉＮ、ＷＳｉＮなどの金属窒化物がより好ましく用いられる。また、バリア層は１００ｎｍ〜５００ｎｍでかつアルミニウム等のストップ層が上に重ねられており、面積としてもある程度の広さを持っているため電気抵抗としては小さく、ノッチングの原因となる電荷のチャージは起こらない。

次いで、図１（ｃ）のように、第２の層であるストップ層１０を形成するための導電性の導電材料層８をバリア層１２と抵抗層２２とを被覆するように設ける。

次いで、図１（ｄ）に示すように、導電材料層８をエッチングして導電材料層８からストップ層１０と配線層２１とを形成する。抵抗層２２の配線層２１同士の間隙部に相当する部分２０が熱エネルギーを発生する部分となる。

本発明におけるストップ層は、後工程で行われる反応性イオンエッチングに対して耐エッチング性を有し、導電性材料からなる。ストップ層を導電性材料で形成しておくことにより、後工程の反応性イオンエッチングの際、ストップ層とシリコン基板とが電気的に導通するため電荷のチャージが少なくなり、ノッチングを抑えることができる。

ストップ層を構成する導電性材料は、導電性及び耐エッチング性を有するものであれば特に制限なく用いることができるが、例えば、アルミニウム、銅、金等が挙げられる。これらのうちでも、後に除去が容易であるという観点から、アルミニウムがより好ましい。

これらの導電性材料を例えばスパッタ法、真空蒸着法などにより、ストップ層を形成することができる。

また、ストップ層は、後工程の反応性イオンエッチングによりシリコン基板表面に形成される開口よりも大きく形成される。つまり、後工程の反応性イオンエッチングにより形成されるシリコン基板表面の開口の上側かつその開口を覆うように広い面積で形成される。そして、本発明におけるストップ層は、上述のＣＨ距離（図２（ｅ）参照）を制御する効果も有する。ただしＣＨ距離は供給口３３の流路７側端部２とエネルギー発生部２０の中心との距離である。

本発明におけるストップ層は、上述のように、主にアルミニウムを含んで構成されることが好ましい。しかし、ストップ層中のアルミニウムなどの金属がシリコン基板内へ拡散すると、ストップ層にボイドが発生し、耐エッチング性が失われてしまう場合がある。また、シリコン基板中に拡散したアルミニウムにより、供給口を形成するＲＩＥの際にエッチング不良を生じることもある。この理由としては、例えばシリコンを反応性イオンエッチングする際には、ＳＦ₆などのフッ素系ガスを用いるのが一般的であるが、アルミニウムはフッ素系ガスではエッチングされず、フッ化アルミニウムとして留まるためと推察される。アルミニウムはアルカリに溶解してしまうため、このような問題点はアルカリ溶液等を用いる従来のウェットエッチングでは顕在化していなかった課題である。また、アルミニウムなどの金属の拡散を防ぐ他の方法としては、ストップ層をＡｌ−Ｓｉ膜などの合金にすることも考えられる。しかし、Ｓｉの濃度を増やしすぎると、ストップ層を除去する際に粒子状のシリコンが残留又は析出してしまい、ヘッドの品質に支障をきたすことがあるため、限界があった。本形態ではバリア層を形成することにより以上のような問題を解決することができる。

さらに本形態では、シリコン基板の表側の面にバリア層が残ることになる。例えば吐出するインクないし液体がアルカリ性などでシリコンに対して腐食性を持っていた場合、このバリア層が基板を保護することになる。特に供給口が開口した角部分は複数の方向からインクに晒されるために、急速に侵食されてしまう傾向にあるが、この形態であれば、側面からの一方向のみに晒されるため、急速な侵食ではなくなる。本形態では以上のような効果も得ることができる。

次いで、図２（ａ）に示すように、ストップ層１０を覆うように保護層１１を形成する。また、本発明における保護層は、絶縁性を有し、ストップ層の除去において耐性を有するものである。保護層は、配線層同士を絶縁するための絶縁層、あるいは配線、トランジスタを水分等から保護するパッシベイション層等を単層、あるいはそれらを複数重ねた物で代用しても構わない。

次に、図２（ｂ）に示すように、インク流路（液流路）の型となる流路型材３２をパターニングし、その上にインク流路を構成するノズル材３０を形成する。そして、ノズル材３０に吐出口を形成する。その後、基板の第１の面と反対側の面（第２の面又は裏面とも称す）からバリア層１２に到達するように反応性イオンエッチングを行い、インク供給口（液体供給口）３３を形成する。

ここで、本発明における反応性イオンエッチングは、特に制限されるものではなく、異方性のドライエッチングとして一般に用いられる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）全般について適用可能である。ＲＩＥとしては、例えば、ＣＣＰ−ＲＩＥ、ＩＣＰ−ＲＩＥ、ＮＬＤ−ＲＩＥなどが挙げられる。これらの中でも、ＩＣＰが好ましい。特にＩＣＰの場合、高密度プラズマであることからプロセスガスを効率よく分解でき、高いレートを得やすいという効果を得ることができる。またエッチングガス（例えばＳＦ₆）とデポガス（例えばＣ₄Ｆ₈）を交互に導入し、側壁にデポガスによる保護膜を形成しながらエッチングを行うボッシュプロセスを適用しても良い。

インク供給口３３は、例えば基板裏面にマスクを施してから、反応性イオンエッチングを行うことにより形成することができる。

また、上述したように、本発明において、ストップ層１０を導電性の膜としておくと、基板と電気的に導通するため電荷のチャージが少なく、ノッチングを抑えることができる。すなわち、ＲＩＥにおいてはプラズマで生成された正の電位を持つイオンをエッチング対象に入射させ、そのエネルギーを利用してエッチングを行っている。このときエッチング対象であるシリコンがなくなった先のストップ層が絶縁性の場合、イオンの正の電荷がそこに留まりチャージされていく。この状態でさらに次のイオンが入射されると正電荷同士で反発し、側方へイオンが進み、側面をエッチングすることになる。これがノッチングであり、ストップ層を導電性とすることで正電荷のチャージを抑制することができる。

図２（ｂ）に図示されるように、被エッチング領域がバリア層１２に到達し、そのままＲＩＥを継続して、バリア層１２を一部除去してストップ層１０を露出させることができる。またバリア層１２はＲＩＥでの被エッチングレートがシリコンより小さく、ストップ層より大きい。バリア層１２の厚さによっては、ＲＩＥを中断した時点でストップ層１０が露出していない可能性がある。その場合にはバリア層１２をケミカルドライエッチング等で除去すればいい。

次に、図２（ｃ）に示すように、インク供給口３３に露出したストップ層１０を除去する。

ストップ層１０の除去方法は、特に限定されるものではないが、例えばストップ層がアルミニウムの場合、リン酸と硝酸の混合水溶液に浸漬することにより行うことができる。その際超音波を付与したり、４０℃から６０℃程度まで加熱しても良い。またストップ層が銅の場合、過酸化水素と硫酸の混合液、金の場合はヨウ素とヨウ化アルカリの混合液をそれぞれ用いることができる。

次に、図２（ｄ）に示すように、インク供給口３３及びストップ層１０が存在していた空間（ストップ層が除去された空間）を介して、保護層１１を貫通するまでエッチングする。この工程により、ストップ層１０の上側部分の保護層が除去され開口する。したがって、形成するストップ層１０の大きさを調整することにより、最終的に形成されるインク供給口の上部開口の大きさを調整することができ、ＣＨ距離も制御することができる。

エッチングは、特に限定されるものではないが、例えばより具体的には、前記インク供給口３３及びストップ層が存在していた空間を介してエッチングガスあるいはエッチング液を回しこみ、その上部の保護層部分をエッチング除去する。

保護層をエッチングするエッチングガスとしては、例えば保護層がタンタルなどの金属や窒化シリコンの場合、ＣＦ₄とＯ₂の混合ガスをプラズマで分解、励起して供給するなどが挙げることができる。また、エッチング液としては、例えば保護膜が酸化シリコンの場合、バッファードフッ酸などを挙げることができる。

最後に、図２（ｅ）に示すように、流路型材３２を除去して流路７を形成し、必要に応じてノズル材３０をキュアし、インクジェット記録ヘッドを作製する。

（実施形態２）
図４は本発明の第２の実施形態を模式的に示す断面工程図である。

本形態では、実施形態１の図２（ａ）で説明した工程において、図４に示すようにストップ層１０を成膜する前にバリア層１２を形成し、かつストップ層１０及びバリア層１２のパターン端部６がシリコン基板１上にこないようにする。このような構成とすることで、シリコン基板へのストップ層中のアルミニウム等の金属の拡散と、ストップ層、バリア層をパターニングの際にシリコンに凹が生じにくいので、保護層を効率よく設けることができる。以降の工程は実施形態１と同様にすればよい。

（実施例１）
次に、実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。新たに図５も参照する。図５は図１と同様の断面でインクジェット記録ヘッドの製造工程を見た断面図である。

まず、単結晶のシリコンウエハの表面の上に、熱酸化法によって、ＭＯＳ（金属酸化物半導体（不図示））の素子分離として機能する酸化シリコン層を形成した。さらにその上にＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ Ｐｈｏｓｐｈｏｒ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）を成膜、パターニングした。また、さらにその上にプラズマＣＶＤ法により酸化シリコンの膜を重ねてパターニングすることで絶縁層２３を形成した。その上にＴａＳｉＮからなる材料層９を設けた（図１（ａ））。

次いで、材料層９上に、導電材料層８を設けた。具体的には、Ａｌ−Ｃｕ膜を成膜した（図５（ａ））。

次いで、材料層９と導電材料層８とを一括パターニングし、バリア層１２もストップ層１０を形成した。このパターニングはＲＩＥで塩素ガスを用いることにより行った。さらに抵抗層２２、配線層２１も一括で形成した。

これら一連の工程の中で、汎用の半導体プロセスによりＭＯＳを形成し、エネルギー発生素子を駆動するための駆動回路を形成した（図５（ｂ））。

さらに、配線層２１を部分的に除去して間隙を形成しエネルギー発生部２０を形成した（図１（ｄ））。

次に、ストップ層１０及び配線層２１の上に、プラズマＣＶＤ法により窒化シリコンを成膜し、保護層１１を形成した（図２（ａ））。

次に、保護層１１の上に、インク流路の型材となる流路型材３２を形成した。流路型材３２の材料としては、ポリメチルイソプロペニルケトンを主材料とする樹脂を用いた。該樹脂を保護層１１の上にソルベントコートし、フォトリソ技術によりパターニングして流路型材３２を形成した。次に、流路型材３２の上に、ノズル材を形成した。ノズル材の材料にはカチオン重合型のエポキシ系フォトレジストを用いた。該レジストを流路型材３２の上に塗布し、フォトリソ技術により吐出口３１を形成し、外部電極（不図示）を露出させるようにパターニングした。次に、シリコン基板１の裏面に汎用のポジレジストを塗布し、表側（ノズル面側）のアライメントマークで位置合わせをして、裏面の供給口位置を露光、現像し、シリコンを露出させた後にＲＩＥによりストップ層まで反応性イオンエッチングを行った。このとき、ＳＦ₆とＣ₄Ｆ₈のガスを交互に導入し、エッチングとデポジットのステップを繰り返すボッシュプロセスを用いて行った（図２（ｂ））。

次に、供給口内に露出したストップ層１０を硝酸と酢酸の混酸に浸漬することにより除去した（図２（ｃ））。

次に、供給口内に露出した窒化シリコン膜からなる保護層１１をケミカルドライエッチング（ＣＤＥ）にてＣＦ₄、Ｏ₂の混合ガスにより除去した。このように保護層を部分的に除去して供給口を貫通させた（図２（ｄ））。

次に、流路型材３２を乳酸メチルで除去し、インクジェット記録ヘッドを作製した（図２（ｅ））。

インクジェット記録ヘッドは、ダイサーでウエハからチップを切り出し、タンクにチップを貼り付け、外部電極にプリンタ本体と接続することができる。

１ シリコン基板
２ 流路側端部
３ インクジェット記録ヘッド用基板
４ インクジェット記録ヘッド
６ バリア層のパターン端部
７ 流路
８ 導電材料層
９ 材料層
１０ ストップ層
１１ 保護層
１２ バリア層
２０ エネルギー発生部
２１ 配線層
２２ 発熱抵抗層
２３ 絶縁膜
３０ ノズル材
３１ 吐出口
３２ 流路型材
３３ 供給口

Claims (7)

1. 液体を吐出するために利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生素子を第１の面側に備えたシリコン基板の、前記第１の面から前記第１の面と反対側の第２の面まで貫通して設けられ、前記エネルギー発生素子に前記液体を供給するための供給口を有する液体吐出ヘッド用基板の製造方法であって、
   （１）前記シリコン基板の前記第１の面の前記供給口に対応した部分に金属の窒化物を含む第１の層を設ける工程と、
   （２）アルミニウム、銅および金のいずれか１つ、またはそれらのうちの複数の合金からなる第２の層を前記第１の層の上に設ける工程と、
   （３）前記第２の面から前記第１の面に向かって、反応性イオンエッチングで前記シリコン基板をエッチングし、被エッチング領域を前記第１の層に到達させる工程と、
   （４）前記第１の層及び前記第２の層を除去して前記供給口を形成する工程と、を含むことを特徴とする液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
2. 前記工程（１）は、前記金属の窒化物を含む材料からなる材料層を前記第１の面の上に形成し、前記材料層を用いて前記第１の層と前記エネルギー発生素子の発熱抵抗層とを形成する工程である請求項１に記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
3. 前記金属の窒化物はＴａＳｉＮである請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
4. 前記金属の窒化物はＷＳｉＮである請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
5. 前記第２の層はアルミニウムと銅との合金からなる請求項１乃至４のいずれかに記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
6. 前記第１の層の端部は前記シリコン基板と接触していない請求項１乃至５のいずれかに記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
7. 前記第１の層の厚みは１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である請求項１乃至６のいずれかに記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。

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