JP5448581B2 - 液体吐出ヘッド用基板の製造方法及び基板の加工方法 - Google Patents

Description

本発明の一つは、液体吐出ヘッド用基板の製造方法に関し、具体的にはインクジェット記録ヘッドに用いられる記録ヘッド用基板の製造方法に関するものである。本発明の他の一つは、基板の加工方法に関するものである。

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」と呼ぶ場合もある。）の一つに、「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ある。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手段としてのヒーター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基板の基本構造を図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示す。図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示されている記録ヘッド基板では、表面にヒーター１１が形成されたシリコン基板１２にインク供給口１３が設けられている。インク供給口１３はシリコン基板１２を貫通する貫通孔であり、インクはインク供給口１３を介してシリコン基板１２の裏面側から表面側に向けて供給される。

上記構造を有する記録ヘッド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、貫通孔であるインク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インク供給口形成部位に、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軸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インク供給口を形成する工程。

上記工程（ｄ）で採用されているシリコン結晶異方性エッチングは、インク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。

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を用いて結晶軸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、「く」の字形状の加工断面が形成される。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ェ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インク供給口の開口幅が決定される。ここで、インク供給口の「開口幅」とは、インク供給口の短辺方向の幅を意味する。また、インク供給口の「開口長」とは、インク供給口の長辺方向の幅を意味する。

特開平１０−１８１０３２号公報 米国特許第６８０５４３２号明細書

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、インク供給口の開口長を拡大する必要があり、基板の機械的強度が低下することが懸念される。機械的強度の低下は、記録ヘッドの製造工程における基板の変形または破損の原因になる。特に、基板の変形によるオリフィスプレートの剥がれ、およびチップマウント時の破損の原因になることがわかっている。

本発明の目的は、上記課題を解決することである。

本発明の一例は、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が一方の面に設けられた基板と、該基板の前記一方の面と該一方の面の裏面とを貫通して設けられる液体の供給口とを含む液体吐出ヘッド用基板の製造方法であり、開口を有し金属で形成されたマスクが前記裏面に設けられた前記基板を提供し、前記開口の内部を通じて前記基板の前記裏面に対して液体を線状に吐出し、前記線状に吐出した液体に沿って液体内を通過したレーザー光を、前記裏面に平行な方向に関して照射位置が少なくとも一部重複するように、前記開口の内部を通じて前記裏面に複数回照射することにより、前記裏面側から前記一方の面側に向かって前記一方の面に平行な断面積が大きくなる部分と、前記裏面側から前記一方の面側に向かって前記断面積が減少する部分とを含む形状を有する、前記供給口の少なくとも一部となる凹部を設けることを特徴とする。

本発明の一例によれば、基板の機械的強度の低下を回避しつつ、十分な供給特性を有する液体の供給口を形成することができる。

本発明の一例の記録ヘッド用基板の製造方法を示す模式的断面図である。 記録ヘッド基板の一例の構造を示す模式図であって、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は断面図である。 本発明に関連する記録ヘッドの一例を示す模式的斜視図である。 本発明の一例の記録ヘッド用基板の製造方法を示す模式的断面図である。

以下、本発明の液体吐出ヘッド用基板の製造方法の実施形態の一例について図面を参照しながら詳細に説明する。

液体吐出口ヘッド基板の一例としての記録ヘッド基板について以下に説明する。

図３は本実施形態に係る記録ヘッド基板が用いられた記録ヘッドである。記録ヘッド用基板１００は、記録に用いられるインク等の液体を吐出するために利用されるヒーターなどのエネルギー発生手段としての素子１０１が一方の面に設けられた基板１を有している。基板１にはさらに液体をエネルギー発生素子１０１に供給するための貫通孔である供給口６が前記一方の面と該一方の面の裏面とを貫通して設けられている。また外部との電気接続用の端子１０４も基板１に設けられている。さらに記録ヘッド基板１００上に、液体を吐出するための吐出口１０２が設けられた吐出口部材１０３が設けられることで、記録ヘッドが構成される。

本実施形態に係る記録ヘッド基板の製造方法は、インクジェット記録ヘッドに用いられる記録ヘッド基板の製造方法であって、インク供給口となる貫通孔をシリコン基板に形成する工程に特徴を有する。具体的には、シリコン基板の裏面側に表面にまでは達しない未貫通孔を形成する際に、高圧の液体を柱状にしてシリコン基板に向けて噴射すると共に、柱状または線状の液体内を、液体に沿って通過したレーザー光をシリコン基板に照射することを特徴とする。より具体的には、提供されたシリコン基板裏面にマスク層を形成する工程と、マスク層に開口部を形成する工程と、シリコン基板に複数の未貫通孔を形成する工程と、未貫通孔をシリコン基板表面まで貫通させ、かつ隣接する未貫通孔同士を連通させる工程とを有する。以下、図１（Ａ）〜図１（Ｄ）を参照しながら各工程について詳細に説明する。なお図１は図３におけるＡ−Ａ’の断面図に相当する断面図である。

図示は省略するが、表裏面の結晶面方位が（１００）のシリコン基板１の表面には、インクを吐出させるエネルギーを発生するエネルギー発生手段としてのヒーターを構成する電熱変換素子（ＴａＮ）が配置されている。さらに、図１（Ａ）に示すように、シリコン基板１の表面上には、上記電熱変換素子の保護層として、耐エッチング性を有するパッシベイション層２が形成されている。

なお、電気熱変換素子には、この素子を駆動させるための制御信号入力電極（不図示）が電気的に接続されている。また、シリコン基板１の厚みは６２５μｍ程度である。本実施形態では、シリコン基板１単体について説明するが、実際にはウエハ単位で同様の加工が行われる。

図１（Ａ）に示すように、シリコン基板１の裏面に金属層（マスク層）３を形成した後、マスク層３に複数の開口部４を形成する。マスク層３は、後の工程で使用するレーザー光を吸収しないか、吸収率が極めて低い金属、例えばＡｎ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕなどにより形成する。本実施形態では、後の工程でＹＡＧレーザーを使用するので、Ａｕによってマスク層３を形成した。

図１（Ｂ）に示すように、（１００）面のシリコン基板１の裏面側から表面側に向けて、水ジェット誘導式レーザー（レーザマイクロジェット）技術を用いた加工を行って複数の未貫通孔５を形成する。ここで、レーザマイクロジェット技術とは、通常のレーザー加工のように加工物に直接焦点を合わせるのではなく、１００μｍ径以下の柱状の水ジェットで誘導したレーザー光を加工物に当てることを特徴としている。

また、レーザマイクロジェット技術では、水ジェットの水流と空気との界面でレーザー光の全反射条件が成立するように光学系が組まれる。絶え間なく流れる水ジェットにより加工物は効率よく冷却され、熱の影響を回避することが可能である。

ここで、通常のレーザー加工によってもシリコン基板を比較的迅速に加工することができる。しかし、シリコン基板の表面にインク流路形成部材が設けられている場合、加工時に生じる熱の影響によって被覆感光性樹脂からなるインク流路形成部材に変形等を及ぼす虞があり、比較的深い孔を形成することは困難である場合がある。また、通常のレーザー加工によって、シリコン基板の裏面から表面まで貫通しない未貫通孔を形成する場合、加工時に未貫通孔の内部に発生するデブリ（破片）の影響によって、比較的深い未貫通孔を安定して形成することが困難となる。すなわち、シリコン基板に形成される未貫通孔の深さにバラツキが生じ易いという問題がある。この点、レーザマイクロジェット技術を用いた加工によれば上記のような問題を解決することが可能となる。

本実施形態の説明に戻る。図１（Ｂ）（Ｃ）に示すように、本実施形態では、ＹＡＧレーザーの二倍波（波長５３２ｎｍ）の波長を有するレーザー光を用いて、シリコン基板１の裏面側に、表面まで貫通しない複数の凹部としての未貫通孔５を形成した。もっとも、使用するＹＡＧレーザーの波長は二倍波（波長５３２ｎｍ）に限られず、基本波（波長１０６４ｎｍ）や三倍波（３５５ｎｍ）を用いることもできる。いずれにしても、レーザー光の出力および周波数は適切な値に設定されることは勿論である。なお、図１（Ｂ）は形成途中の未貫通孔５を示し、同図（Ｃ）は完成した未貫通孔５を示している。

本実施形態では、完成した未貫通孔５の直径をφ１００μｍ程度、深さを５００μｍ〜６００μｍ程度とした。未貫通孔５の深さとは、シリコン基板１の裏面から未貫通孔５の先端（末端）までの距離を意味する。

未貫通孔５の直径が小さすぎる場合には、この後の工程で行われる異方性エッチングの際にエッチング液が未貫通孔５内に進入し難くなるので好ましくない。また、未貫通孔５の直径が大きすぎる場合には、所望の深さの未貫通孔５を形成するのに比較的長い時間を要するので好ましくない。

また、未貫通孔５の形成時には、レーザー光がシリコン基板１の同じ箇所に複数回照射されるので、水の返りの影響のよりシリコン基板１の内部でレーザーの乱反射が起こる。この結果、未貫通孔５は横方向に広がる。具体的には、図１（Ｃ）に示すように、未貫通孔５の内面には、未貫通孔５の開口寸法がシリコン基板１の裏面側から表面側に向けて次第に拡大するように傾斜した領域（第一の傾斜領域）と、第一の傾斜領域とは逆向きに傾斜した第二の傾斜領域とが形成される。本実施形態では、上記第一の傾斜領域のシリコン基板１の底面に対する傾斜角度は５４．７°以上である。換言すれば、各未貫通孔５の開口寸法（基板の表面または裏面に平行断面の断面積）は、シリコン基板１の裏面側から表面側に向けて次第に拡大し、その後、同方向に向けて次第に縮小している。さらに換言すれば、未貫通孔５の開口寸法は、シリコン基板１の表裏面の間であって、これら表裏面と平行な面において最大となっている。要するに、各未貫通孔５は、シリコン基板１の表裏面と垂直な断面が概ね菱形の形状を呈している。また裏面側の辺と表面側の辺が異なっている矢尻形が許容される。未貫通孔５の横方向（シリコン基板１の表裏面と平行な方向）への広がりは、水圧、レーザー出力、レーザー周波数によって決まる。例えば、水圧が６ＭＰａ、レーザー出力が２４．７Ｗ、発振周波数が９０ｋＨｚの場合、横方向への広がりは深さに対して約２割であることがわかっている。すなわち、加工された幅は、加工された深さ分の約２割である。

また、複数の未貫通孔５は、シリコン基板１の長手方向に沿ってピッチ距離２４０μｍで並んで列（未貫通孔）を成している。未貫通孔５の形成時に隣接する未貫通孔５同士が連通した場合、水ジェットの流れが不確定になり、所望の形状が得られなくなる。よって、隣接する未貫通孔５同士が連通しないようにピッチ距離を設定することが望ましい。

なお、使用するＹＡＧレーザーを吸収しないか、吸収率が極めて低い金属によってマスク層３を形成することにより、水の返りから反射されたレーザー光による開口部４の広がりが抑えられる。

より具体的には、図４を参照して述べる。図４は図１と同様の断面である。

図４（Ａ）に示されるようにＡｕで形成されたマスク層３が裏面に設けられた基板１の裏面に対して、柱状または線状の液体５０内を、液体５０に沿って通過したＹＡＧレーザー由来のレーザー光５１を照射する。これにより図４（Ｂ）のように小孔５aが複数設けられる。このとき各小孔５a内には水が存在しレーザー光が乱反射している。乱反射したレーザー光がマスク層３に照射された場合には、開口４が大きくなり水が外出する可能性が高まる。本形態では、Ａｕのマスク層３はＹＡＧレーザーを吸収しにくいため、開口４の径は維持される。結果として水は小孔５ａ内に留まり、乱反射は促進される。引き続き、小孔５ａ内にレーザマイクロジェットを照射することで、加工は促進され、効率よく小孔５ａを拡大し、図４（Ｃ）に示されるように凹部５が複数設けられる。上記をさらに繰り返し、加工を促進することにより凹部５を表面に達するように形成することも可能である。図４（Ｃ）に示されるように、凹部５は、基板１の裏面から表面にかけてこれらの面に平行な断面積が大きくなり、断面積が最大となった位置から表面に向かって断面積が減少する。

次に、アルカリ水溶液の中にシリコン基板１を浸してウェットエッチング（結晶異方性エッチング）を行う。具体的には、図１（Ｄ）に示すように、各未貫通孔５をシリコン基板１の表面まで貫通させると共に、隣接する未貫通孔５同士の間に位置する壁を構成する部分を除去して隣接する未貫通孔５同士を連通させて１つの貫通孔６を形成する。エッチング用のアルカリ水溶液には、例えばＴＭＡＨやＫＯＨ等などを用いる。このエッチング処理では、未貫通孔５の内壁面のすべてからエッチングが始まる。そして、あるところではエッチングレートが遅い（１１１）面を形成しながら、またあるところでは、エッチングレートが速い（００１）面及び（０１１）面に沿ってエッチングが進行する。なお、未貫通孔５の先端から（１１１）面が形成される。

その後、シリコン基板１の表面における貫通孔６の開口部位に形成されているパッシベイション層２の一部をドライエッチングで除去する。これにより、貫通孔６がシリコン基板１の表面側においても開口し、インク供給口となる。

上記製造方法によれば、インク供給口６内の基板裏面側および表面側に梁７が形成されるので、基板の機械的強度の低下を防ぐことができ、基板の変形によるオリフィスプレートの剥がれやチップマウント時の破損を防ぐことができる。

また、シリコン基板１の裏面におけるインク供給口６の開口寸法を小さくできると共に、インク供給口６を効率良く形成することができる。したがって、インク供給口６の加工速度が向上し、記録ヘッド基板、引いては記録ヘッドの製造コストの低減を図ることができる。

なお、各未貫通孔５をシリコン基板１の表面まで貫通させると共に、隣接するする未貫通孔５同士を連通させて１つの貫通孔６を形成する工程には等方性エッチングを用いることもできる。例えば、炭素、塩素、硫黄、フッ素、酸素、水素、アルゴンのうちいずれかの原子、および、それから構成される分子よりなる反応性ガスを用いたドライエッチングを用いることができる。

また、以上で説明した本発明の実施形態は、液体吐出ヘッド用基板のほかに、半導体基板等の貫通孔形成にも応用可能である。

また、使用するレーザー光をパルスレーザー光とし、基板に対して複数回レーザー光を照射してもよい。

１ 基板、シリコン基板
３ 金属層、マスク層
５ 凹部
６ 供給口、インク供給口
５１ レーザー光

Claims (12)

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が一方の面に設けられた基板と、該基板の前記一方の面と該一方の面の裏面とを貫通して設けられる液体の供給口とを含む液体吐出ヘッド用基板の製造方法であって、
   開口を有し金属で形成されたマスクが前記裏面に設けられた前記基板を提供し、前記開口の内部を通じて前記基板の前記裏面に対して液体を線状に吐出し、前記線状に吐出した液体に沿って液体内を通過したレーザー光を、前記裏面に平行な方向に関して照射位置が少なくとも一部重複するように、前記開口の内部を通じて前記裏面に複数回照射することにより、前記裏面側から前記一方の面側に向かって前記一方の面に平行な断面積が大きくなる部分と、前記裏面側から前記一方の面側に向かって前記断面積が減少する部分とを含む形状を有する、前記供給口の少なくとも一部となる凹部を設けることを特徴とする液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
2. 前記凹部を前記裏面に複数設け、前記凹部が設けられた前記裏面から前記基板に対してエッチングを行うことにより、前記基板の、複数の前記凹部の間に位置する前記凹部の壁を構成する部分を除去する、請求項１に記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
3. 前記基板がシリコンで形成されたシリコン基板であり、前記エッチングがアルカリ水溶液による結晶異方性エッチングである、請求項２に記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
4. 前記マスクが金を含むマスクであり、前記レーザー光がＹＡＧレーザーの光である、請求項１から３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。
5. 前記開口は前記基板の長手方向に沿って複数形成されている、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. 前記基板の長手方向に関して、１つの前記開口の内部に１つの前記凹部が形成されている、請求項５に記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
7. 基板の加工方法であって、
   開口を有し金属で形成されたマスクが一方の面に設けられた前記基板を提供し、前記開口の内部を通じて前記基板の前記一方の面に対して液体を線状に吐出し、前記線状に吐出した液体に沿って液体内を通過したレーザー光を、前記一方の面に平行な方向に関して照射位置が少なくとも一部重複するように、前記開口の内部を通じて前記一方の面に複数回照射することにより、前記一方の面側から前記一方の面の裏面側に向かって前記一方の面に平行な断面積が大きくなる部分と、前記一方の面側から前記裏面側に向かって前記断面積が減少する部分とを含む形状を有する凹部を設けることを特徴とする基板の加工方法。
8. 前記凹部を前記一方の面に複数設け、前記凹部が設けられた前記一方の面から前記基板に対してエッチングを行うことにより、前記基板の、複数の前記凹部の間に位置する前記凹部の壁を構成する部分を除去する、請求項７に記載の基板の加工方法。
9. 前記基板がシリコンで形成されたシリコン基板であり、前記エッチングがアルカリ水溶液による結晶異方性エッチングである、請求項８に記載の基板の加工方法。
10. 前記マスクが金を含むマスクであり、前記レーザー光がＹＡＧレーザーの光である、請求項７から９のいずれか１項に記載の基板の加工方法。
11. 前記開口は前記基板の長手方向に沿って複数形成されている、請求項７から１０のいずれか１項に記載の基板の加工方法。
12. 前記基板の長手方向に関して、１つの前記開口の内部に１つの前記凹部が形成されている、請求項１１に記載の基板の加工方法。

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