JP6562963B2

JP6562963B2 - 液体吐出ヘッドの製造方法

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Publication number: JP6562963B2
Application number: JP2017091879A
Authority: JP
Inventors: 智伊部; 謙児藤井; 雄介橋本; 修平大宅; 洋久藤田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2017-05-02
Filing date: 2017-05-02
Publication date: 2019-08-21
Anticipated expiration: 2037-05-02
Also published as: US20180319165A1; JP2018187836A; US10442201B2

Description

本発明は、液体吐出ヘッドの製造方法に関するものである。

インクジェット記録装置等に用いられる液体吐出ヘッドとして、液体を供給する供給口が貫通する基板を有する液体吐出ヘッドが知られている。このような供給口は、基板の表面にエッチングストップ層を形成しておき、反対側の裏面から基板をエッチング液やエッチングガスでエッチングすることで形成される。ここで、エッチングを行う際、エッチングストップ層にクラックが発生すると、エッチング液やエッチングガスが基板の表面に回り込み、表面側のエネルギー発生素子等に影響を与えることがある。

特許文献１には、エッチングストップ層の上に保護層を形成することで、エッチングストップ層に発生するクラックに起因する、基板表面側への影響を抑制する方法が記載されている。

特開２０１２−２４０２０８号公報

特許文献１に記載の方法によっても、エッチングストップ層の膜応力が高い場合や、エッチング時間が長くなる場合などにおいては、エッチング液やエッチングガスが基板表面側に回り込んでしまうことがある。また、エネルギー発生素子を覆う層を、供給口を形成する領域まで延伸させた場合に、供給口を形成する領域付近で発生したクラックがエネルギー発生素子付近まで到達し、エネルギー発生素子にエッチング液等の影響が発生する場合がある。

従って本発明は、エッチング液またはエッチングガスによって基板に供給口を形成する際に、エッチング液またはエッチングガスが基板の表面側に回り込み、基板の表面側に影響を与えることをより良好に抑制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、液体を供給する供給口が貫通した基板と、前記基板の第一の面の上に、液体を吐出するエネルギーを発生するエネルギー発生素子と、前記エネルギー発生素子を覆う第一の層と、前記液体を吐出する吐出口を形成する吐出口部材と、を有する液体吐出ヘッドを製造する、液体吐出ヘッドの製造方法であって、前記第一の面の上に、前記エネルギー発生素子と前記第一の層とを有する基板を用意する工程と、前記第一の面と反対側の面である第二の面から、前記基板をエッチング液またはエッチングガスでエッチングし、前記エッチング液またはエッチングガスを前記第一の層に到達させることで前記供給口を形成する工程と、を有し、前記第一の層の、前記エネルギー発生素子を覆う部分と前記エッチング液またはエッチングガスが到達する部分との間に、前記第一の層が分断されている領域があり、前記領域には第二の層が埋め込まれており、前記供給口を形成する際、前記基板の第一の面の上には前記基板よりもエッチング速度が速い犠牲層が設けられており、前記第一の層は前記犠牲層の上に設けられており、前記第二の層は前記犠牲層の上の前記第一の層よりも低い位置にあ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、エッチング液またはエッチングガスによって基板に供給口を形成する際に、エッチング液またはエッチングガスが基板の表面側に回り込み、基板の表面側に影響を与えることを良好に抑制することができる。

液体吐出ヘッドの斜視図。液体吐出ヘッドの製造方法を示す図。液体吐出ヘッドの基板を示す上面図。液体吐出ヘッドの断面図。液体吐出ヘッドの断面図。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。尚、以下の説明では、同一の機能を有する構成には図面中同一の番号を付与し、その説明を省略する場合がある。

図１に、液体吐出ヘッドの斜視図を示す。液体吐出ヘッドは、液体を供給する供給口１７が貫通した基板１１と、液体を吐出する吐出口２５が形成された吐出口部材２４とを有する。吐出口部材２４は、基板１１の第一の面１１ａ上に形成されている。さらに第一の面１１ａ上には、液体を吐出するエネルギーを発生するエネルギー発生素子２０が形成されている。供給口１７は、基板１１を貫通し、基板１１の第一の面１１ａと、その反対側の面である第二の面１１ｂとを連通させている。液体は、供給口１７を通って第二の面１１ｂ側から第一の面１１ａ側に供給され、エネルギー発生素子２０にエネルギーを与えられて吐出口２５から吐出される。このように、画像や文字の記録等が行われる。

本発明の液体吐出ヘッドの製造方法を、図２を用いて説明する。図２は、図１に示す液体吐出ヘッドのＡ−Ａ´断面において、液体吐出ヘッドが製造される過程を順に示す図である。

まず、図２（ａ）に示すような基板を用意する。基板１１は、第一の面１１ａ上に、エネルギー発生素子２０と、犠牲層１２と、犠牲層１２及びエネルギー発生素子２０を覆う第一の層１３とを有する。エネルギー発生素子２０には、不図示の配線が接続されている。また、第一の層１３は、図１においては省略している。第一の面１１ａの反対側の面である第二の面１１ｂ上には、開口１５を有するマスク層１６が設けられている。マスク層１６も、図１では省略している。

犠牲層１２は、供給口の第一の面１１ａ側の開口幅を画定する層であり、基板１１よりもエッチング速度が速い層である。基板１１は例えばシリコンの単結晶で形成されており、犠牲層１２はＰｏｌｙ−ＳｉやＡｌ、Ａｌ−Ｓｉ等で形成されている。犠牲層１２は必ず設ける必要はないが、犠牲層１２が設けられていた方が、供給口の開口幅を犠牲層の幅で制御することができ、供給口の開口幅が安定する。

第一の層１３は、エネルギー発生素子２０と、犠牲層１２とを覆っている。エネルギー発生素子２０は、例えばＴａＳｉＮで形成されている。このエネルギー発生素子２０を第一の層１３で覆うことで、エネルギー発生素子２０をインク等から保護することができる。第一の層１３としては、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ等が挙げられる。第一の層１３は、絶縁層として用いてもよい。また、上述のように、第一の層１３は、犠牲層１２も覆う層である。犠牲層１２は、供給口が形成される領域に形成される。従って、第一の層１３は供給口が形成される領域上に存在することになる。そして、第一の層１３は供給口形成の際のエッチング液またはエッチングガスのエッチングストップ層として機能する。

第一の層１３には、エネルギー発生素子２０上の部分と供給口が形成される領域上の部分との間で、一部分断されている領域２７がある。領域２７は第一の層１３が存在しない領域（空間）であり、図２（ａ）の段階では溝となっている。

次に、図２（ｂ）に示すように、領域２７を埋めるように第二の層１４を形成する。ここでは、第二の層１４は、後で形成する吐出口部材と基板との密着力を高める役割も果たしている。従って、第二の層１４は、領域２７を埋める部分と、この他に必要な部分に残るようにパターニングする。図２（ｂ）は、第二の層１４をパターニングした後の状態を示している。第二の層は、例えばポリエーテルアミドで形成し、ドライエッチングによってパターニングする。

次に、図２（ｃ）に示すように、第一の面上に流路の型材１８を形成する。型材１８は、例えばアルミニウムや感光性樹脂で形成する。特に感光性樹脂としてポジ型感光性樹脂を用いることが好ましい。例えば、ポジ型感光性樹脂を含む組成物を第一の面上に塗布し、フォトリソグラフィーによって露光、現像して流路の形にパターニングし、型材１８を形成する。

次に、図２（ｄ）に示すように、吐出口部材２４を形成する。例えば、型材１８を覆うようにネガ型感光性樹脂を含む組成物を塗布する。塗布した組成物をフォトリソグラフィーでパターニングし、吐出口２５を形成する。このようにして、ネガ型感光性樹脂を含む組成物から吐出口部材２４を形成する。

次に、図２（ｅ）に示すように、基板１１に供給口１７を形成する。ここでは、基板１１がシリコンの単結晶基板であり、これをエッチング液で異方性エッチングする例を示す。まず、基板１１の第二の面側に設けられたマスク層１６の開口１５から、エッチング液を基板１１内に侵入させる。エッチング液としては、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）やＫＯＨ（水酸化カリウム）が挙げられる。エッチング液が基板をエッチングしていき、第１の面に到達すると、次は犠牲層１２がエッチングされる。犠牲層１２はすぐにエッチングされ、エッチング液は第一の層１３に到達する。その後、適当なタイミングでエッチング液の供給を止める。最後に、犠牲層１２があった部分の上方の第一の層１３を除去する。この第一の層１３の除去は、例えばドライエッチングで行う。図２（ｅ）は、犠牲層１２があった部分の上方の第一の層１３を除去した状態を示した図である。

ここで、第一の層１３には、クラック１９が発生している。このクラック１９は、エッチングストップ層である第一の層１３の膜応力など、様々な要因で発生する。第一の層１３にクラック１９が発生すると、クラック１９を通じてエッチング液が基板の第二の面側（裏面側）から第一の面側（表面側）に回り込む。第一の層１３はエネルギー発生素子２０上にも設けられており、エネルギー発生素子２０にエッチング液の影響（例えば形状や性質の変化）が発生し得る。

これに対し、本発明では、第一の層１３のエネルギー発生素子２０を覆う部分と、エッチング液が到達する部分との間に、第一の層１３が分断されている領域２７が存在する。図２（ｅ）では、この領域２７に第二の層１４が埋め込まれている。この為、第一の層１３のエッチング液が到達する部分にクラック１９が発生したとしても、クラック１９がエネルギー発生素子２０上まで伸びていくことを抑制できる。領域２７に第二の層１４が埋め込まれている場合には、第二の層１４がクラック１９からのエッチング液の回り込みを抑制する。この為、領域２７は第二の層１４で埋め込まれていることが好ましいが、第二の層１４が埋め込まれていなくても、領域２７でクラック１９は一旦止まる。即ち、クラック１９の拡大を抑制できる。即ち、領域２７に第二の層１４が埋め込まれておらず、領域２７が空間である場合にも、領域２７が存在していない場合よりはエッチング液の回り込みを抑制できる。

供給口１７を形成した後は、型材１８を除去し、図２（ｆ）に示すように、流路２１を形成する。最後に必要に応じて熱による吐出口部材２４の硬化や、エネルギー発生素子２０の電気的な接続等を行い、液体吐出ヘッドが製造される。

図２（ｄ）において、型材１８や吐出口部材２４を省略し、基板１１を上方から見た様子を図３に示す。図３（ａ）では、犠牲層１２、即ち供給口が開口する部分（以下、開口部分）を囲むように、領域２７ａが設けられている。開口部分は、基板を貫通したエッチング液またはエッチングガスが到達する部分とも言える。領域２７ａが開口部分を囲むことで、どのような方向にクラックが発生したとしても、エッチング液の第一の面側への回り込みを抑制できる。領域２７ａの外側にはさらに領域２７ｂが設けられており、二重構造となっている。このように、領域が多重で開口部分を囲むことで、エッチング液の回り込みをより抑制できる。

図３（ｂ）では、領域２７ｅが開口部分を囲んでおり、領域２７ｅとエネルギー発生素子２０との間に領域２７ｃと領域２７ｄが伸びている。このような配置でも、エッチング液の回り込みを抑制できる。領域２７ｅが設けられず、領域２７ｃや領域２７ｄのみを設けてもよい。

図２においては、第２の層１４を犠牲層１２上の第一の層１３の上にも設けている。但し、このような形態に限られず、図４（ａ）に示すように、第２の層１４は犠牲層１２上の第一の層１３の上に設けなくてもよい。図４（ａ）以外の、第２の層１４の他のパターンを、図４（ｂ）〜（ｆ）に示す。図４（ｂ）では、第２の層１４は第１の層１３に埋め込まれている部分よりも上方で、横幅が広くなっている。この場合、第２の層１４が第１の層１３と密着する面積が広く、第１の層１３から剥がれにくくなる。
図４（ｃ）では、第２の層１４が基板を一部貫通して供給口１７まで突出している。図４（ｄ）は、図４（ｂ）の形状の第２の層１４を供給口１７に突出させた状態である。図４（ｅ）では第２の層１４を多重構造としており、図４（ｆ）はこれを供給口１７に突出させている。図４（ｃ）、（ｄ）、（ｆ）に示すように、第２の層１４を供給口１７に突出させる場合、まず第２の層を形成する穴を基板に形成する。この穴は最終的に貫通させることから、穴を形成する際、例えばエッチングレートが多少安定しなくても、穴の深さの管理がしやすい。また、図４（ｅ）、（ｆ）のように第２の層を多重構造とすることで、エッチング液やエッチングガスの侵入経路を複雑にし、上述したようにエッチング液の回り込みをより抑制できる。

図４で説明した例では、第２の層１４は流路２１内に突出している。この為、エネルギー発生素子２０へと供給される液体の流れが、突出した第２の層１４によって遅くなる可能性がある。これに対し、図５（ａ）では、第２の層１４をなるべく突出させないようにしている。具体的には、犠牲層１２上の第一の層１３よりも低い位置に第２の層１４を形成している。このような形態においても、図５（ｂ）〜（ｄ）に示すように、多重構造としたり、供給口１７に突出させたりすることができる。

これまで供給口１７をエッチング液で形成した時の、エッチング液の回り込みを中心として説明をした。しかし、供給口１７は反応性イオンエッチングのようなドライエッチングで形成することもできる。この場合、エッチングガスがエッチング液と同様に基板の表面（第１の面）側に回り込むことが課題となるが、領域２７の存在によってこれまで説明したのと同様にして、エッチングガスの回り込みを抑制することができる。

以下、本発明を実施例にてより具体的に説明する。

＜実施例１＞
まず、図２（ａ）に示すような基板を用意した。基板１１はシリコンの単結晶基板であり、厚さは７２５μｍである。第一の面１１ａ上に、ＴａＳｉＮからなるエネルギー発生素子２０と、Ａｌ―Ｓｉからなる厚さ４００ｎｍの犠牲層１２が設けられている。エネルギー発生素子は、犠牲層１２の長手方向に沿って６００ｄｐｉの間隔で片側１６０個（両側で３２０個）設けられている。犠牲層１２の第１の面１１ａに平行な面における縦横の幅は、１５０×８０００（μｍ）である。

犠牲層１２及びエネルギー発生素子２０は、ＳｉＮからなる厚さ２６０ｎｍの第一の層１３で覆われている。第一の層１３には、エネルギー発生素子２０上の部分と供給口が形成される領域上の部分との間に、一部分断されている領域２７が設けられている。エネルギー発生素子２０には、不図示の配線が接続されている。第一の面１１ａの反対側の面である第二の面１１ｂ上には、開口１５を有する厚さ６５０ｎｍのＳｉＯ_２からなるマスク層１６が設けられている。

次に、第一の層１３の上からポリエーテルアミド（日立化成工業製：ＨＩＭＡＬ１２００）をスピンコートにより塗布して２５０℃で１時間加熱することにより、ポリエーテルアミドを２μｍの厚さで成膜した。このポリエーテルアミドに対してフォトレジスト（東京応化工業製：ＴＨＭＲ−ｉＰ５７００ＨＰ）を用いて酸素プラズマでパターニングを行った。このようにして、図２（ｂ）に示すように、ポリエーテルアミドからなる第二の層１４を形成した。第二の層１４は、第一の層１３に設けられた領域２７を埋めている。

次に、図２（ｃ）に示すように、第一の面上にポジ型レジスト（東京応化工業製：ＯＤＵＲ）２３を塗布し、フォトリソグラフィーによってパターニングを行い、流路の型材１８を形成した。

次に、図２（ｄ）に示すように、吐出口部材２４を形成した。まず、型材１８を覆うように、下記に示す組成のネガ型感光性樹脂を含む組成物を塗布した。
・エポキシ樹脂（ダイセル化学工業製：ＥＨＰＥ）１００質量部
・添加樹脂（セントラル硝子製：１，４−ＨＦＡ８）２０質量部
・シランカップリング剤（日本ユニカー製：Ａ−１８７）５質量部
・光カチオン重合触媒（旭電化工業製：ＳＰ１７０）２質量部
・メチルイソブチルケトン５０質量部
・ジエチレングルコールジメチルエーテル５０質量部
その後、塗布した組成物を露光、現像し、吐出口２５を形成し、ネガ型感光性樹脂を含む組成物から吐出口部材２４を形成した。

次に、図２（ｅ）に示すように、基板１１に供給口１７を形成した。まず、吐出口部材２４を樹脂レジスト（東京応化工業製：ＯＢＣ）で覆った。次に、基板１１の第二の面側に設けられたマスク層１６の開口１５から、エッチング液として８３℃のＴＭＡＨ水溶液（濃度２２質量％）を用いて基板１１のエッチングを開始した。エッチング液が基板をエッチングしていき、第１の面に到達すると、次は犠牲層１２がエッチングされ、エッチング液は第一の層１３に到達した。その後、エッチング液の供給を止め、樹脂レジストを除去し、さらに犠牲層１２があった部分の上方の第一の層１３をドライエッチングで除去した。

次に、型材１８を除去し、図２（ｆ）に示すように、流路２１を形成した。その後、吐出口部材２４を加熱し、液体吐出ヘッド用チップを製造した。このチップは、１枚のシリコンウェハに７５０個製造した。チップをシリコンウェハから個別に分離し、エネルギー発生素子２０の電気的な接続等を行い、液体吐出ヘッドを製造した。

製造した液体吐出ヘッドの第１の層１３及びエネルギー発生素子２０の状態を電子顕微鏡で観察した。その結果、供給口１７付近において第１の層１３にクラックが発生しているチップが認められたが、エッチング液の回り込みによるエネルギー発生素子２０への影響は認められなかった。

＜実施例２＞
第２の層１４を設けなかった以外は実施例１と同様にして、液体吐出ヘッドを製造した。

製造した液体吐出ヘッドの第１の層１３及びエネルギー発生素子２０の状態を電子顕微鏡で観察した。その結果、供給口１７付近において第１の層１３にクラックが発生しているチップが認められたが、エッチング液の回り込みによるエネルギー発生素子２０への影響はほぼ認められなかった。

＜比較例１＞
領域２７を設けなかった以外は実施例１と同様にして、液体吐出ヘッドを製造した。
製造した液体吐出ヘッドの第１の層１３及びエネルギー発生素子２０の状態を電子顕微鏡で観察した。その結果、供給口１７付近及びエネルギー発生素子２０付近において第１の層１３にクラックが発生しているチップが認められた。エッチング液の回り込みによるものと思われるエネルギー発生素子２０の形状変化が認められた。

１１基板
１３第１の層
１４第２の層
１７供給口
２０エネルギー発生素子
２４吐出口部材
２７領域

Claims

液体を供給する供給口が貫通した基板と、前記基板の第一の面の上に、液体を吐出するエネルギーを発生するエネルギー発生素子と、前記エネルギー発生素子を覆う第一の層と、前記液体を吐出する吐出口を形成する吐出口部材と、を有する液体吐出ヘッドを製造する、液体吐出ヘッドの製造方法であって、
前記第一の面の上に、前記エネルギー発生素子と前記第一の層とを有する基板を用意する工程と、
前記第一の面と反対側の面である第二の面から、前記基板をエッチング液またはエッチングガスでエッチングし、前記エッチング液またはエッチングガスを前記第一の層に到達させることで前記供給口を形成する工程と、を有し、
前記第一の層の、前記エネルギー発生素子を覆う部分と前記エッチング液またはエッチングガスが到達する部分との間に、前記第一の層が分断されている領域があり、
前記領域には第二の層が埋め込まれており、
前記供給口を形成する際、前記基板の第一の面の上には前記基板よりもエッチング速度が速い犠牲層が設けられており、前記第一の層は前記犠牲層の上に設けられており、前記第二の層は前記犠牲層の上の前記第一の層よりも低い位置にあることを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
液体を供給する供給口が貫通した基板と、前記基板の第一の面の上に、液体を吐出するエネルギーを発生するエネルギー発生素子と、前記エネルギー発生素子を覆う第一の層と、前記液体を吐出する吐出口を形成する吐出口部材と、を有する液体吐出ヘッドを製造する、液体吐出ヘッドの製造方法であって、
前記第一の面の上に、前記エネルギー発生素子と前記第一の層とを有する基板を用意する工程と、
前記第一の面と反対側の面である第二の面から、前記基板をエッチング液またはエッチングガスでエッチングし、前記エッチング液またはエッチングガスを前記第一の層に到達させることで前記供給口を形成する工程と、を有し、
前記第一の層の、前記エネルギー発生素子を覆う部分と前記エッチング液またはエッチングガスが到達する部分との間に、前記第一の層が分断されている領域があり、
前記領域には第二の層が埋め込まれており、
前記第二の層は前記基板を貫通して前記供給口に突出していることを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
前記第一の層はＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＣＮの少なくともいずれかである請求項１または２に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
前記供給口を形成する際、前記基板の第一の面の上には基板よりもエッチング速度が速い犠牲層が設けられている請求項２に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
前記犠牲層はＰｏｌｙ−Ｓｉ、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉの少なくともいずれかである請求項４に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
前記第一の層は前記犠牲層の上に設けられている請求項４または５に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
前記第二の層はポリエーテルアミドで形成されている請求項１乃至６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
前記領域は前記エッチング液またはエッチングガスが到達する部分を囲んでいる請求項１乃至７のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
前記領域は前記エッチング液またはエッチングガスが到達する部分を多重に囲んでいる請求項８に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。