JP2020062808A - 液体吐出ヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の小型化を実現しながら貫通電極の配線抵抗の低減と液体供給路の流抵抗の低減を両立する。【解決手段】液体吐出ヘッド３０は、基板１と吐出口形成部材３と配線層５とを備え、基板１には、吐出口７に液体を供給するための液体供給路を構成する第１の貫通孔８と、配線層５に電気的に接続された貫通電極１４が内面に形成された第２の貫通孔１１とが形成されている。第１の貫通孔８は、第１の開口部１１ａを有する第１の孔部９と、第２の開口部８ｂを有する第２の孔部１０とを有し、第２の貫通孔１１は、第３の開口部１１ａを有する第３の孔部１２と、第４の開口部１１ｂを有する第４の孔部１３とを有している。第１の開口部８ａの最小幅をＤ１、第２の開口部８ｂの最小幅をＤ２、第３の開口部１１ａの最小幅をＤ３、第４の開口部１１ｂの最小幅をＤ４としたとき、Ｄ１＞Ｄ２、Ｄ３＞Ｄ４、Ｄ１＞Ｄ３、および、Ｄ４＞Ｄ２の関係を満たしている。【選択図】図１

Description

本発明は、液体吐出ヘッドおよびその製造方法に関するものである。

吐出口からインクなどの液体を吐出して記録媒体に画像を記録する液体吐出ヘッドが知られている。近年、液体吐出ヘッドには画像の高画質化が強く求められており、そのためには、液滴を記録媒体上の本来着弾すべき位置に高精度に着弾させることが重要になる。液滴の着弾精度を向上させるためには、液体吐出ヘッドの吐出口が開口する吐出口面と記録媒体との距離をできるだけ短くすることが好ましい。しかしながら、熱エネルギーを利用して液体を吐出するサーマル方式の液体吐出ヘッドでは、エネルギー発生素子に電気信号や電力を供給するための配線としてボンディングワイヤが用いられているため、吐出口面と記録媒体との距離を短くするには限界がある。すなわち、ボンディングワイヤとそれをインクから保護するための封止材が吐出口面から記録媒体側に突出しているため、この部分が記録媒体に干渉しないだけの距離を吐出口面と記録媒体との間に確保する必要がある。
そこで、エネルギー発生素子に電気信号や電力を供給する構成として、液体吐出ヘッドにおいても、３次元実装技術で採用されている貫通電極（基板を貫通する電極）を用いることが考えられる。このような貫通電極により、基板の表面（液体吐出ヘッドの吐出口に対向する面）側に設けられた配線層を基板の裏面側に引き回すことができ、吐出口面と記録媒体との距離を短くすることの妨げとなるボンディングワイヤを表面側に設けずに済む。

特許文献１には、液体吐出ヘッド用の基板に貫通電極を形成する方法が記載されている。この方法では、基板の表面側に金属スパッタリングにより下部配線を形成した後、基板の裏面側からエッチングを行い、貫通電極用の貫通孔と液体供給路用の貫通孔を形成する。そして、金属めっきにより、基板の裏面と貫通電極用の貫通孔の内面にそれぞれ上部電極と貫通電極を形成し、貫通電極を介して上部配線と下部配線を導通させる。

特開２０１２−５１１１０号公報

基板の小型化（チップシュリンク）に伴い、基板には回路や配線が密に形成されているが、貫通電極用の貫通孔は、それらに干渉しないようにできるだけ小さい径で形成されることが好ましい。ただし、貫通孔の径が小さくなると、その内面に形成される貫通電極の配線抵抗が大きくなり、エネルギー効率が低下してしまう。したがって、貫通電極用の貫通孔としては、配線抵抗の低減とチップシュリンクとのバランスを考慮して形成されることが好ましい。一方、液体供給路用の貫通孔としては、吐出口の高密度配置のためには、基板の表面側ではできるだけ小さく開口させることが好ましいが、基板の裏面側では、流抵抗を小さくして液体を迅速に供給するために、表面側よりも大きく開口させることが好ましい。
このように、貫通電極用の貫通孔と液体供給路用の貫通孔には、それぞれの機能に適した形状・寸法がある。しかしながら、特許文献１に記載の方法では、基板の裏面側から同じ深さの貫通孔を２つ形成するため、それぞれの貫通孔の開口幅は、表面側で同じになり、裏面側でも同じになる。すなわち、特許文献１に記載の方法では、それぞれの貫通孔に最適な形状・寸法を同時に実現することは困難である。
そこで、本発明の目的は、基板の小型化を実現しながら貫通電極の配線抵抗の低減と液体供給路の流抵抗の低減を両立する液体吐出ヘッドおよびその製造方法を提供することである。

上述した目的を達成するために、本発明の液体吐出ヘッドは、第１の面および第１の面と反対側の第２の面を有する基板と、基板の第２の面の側に設けられ、液体を吐出する吐出口が形成された吐出口形成部材と、基板と吐出口形成部材との間に設けられた配線層とを備え、基板に、基板を貫通する第１の貫通孔および第２の貫通孔が形成され、第１の貫通孔が、吐出口に連通して吐出口に液体を供給するための液体供給路を構成し、第２の貫通孔の内面に、配線層に電気的に接続された貫通電極が形成されている、液体吐出ヘッドであって、第１の貫通孔が、第１の面に第１の開口部を有する第１の孔部と、第２の面に第２の開口部を有し、第１の孔部に連通する第２の孔部とを有し、第２の貫通孔が、第１の面に第３の開口部を有する第３の孔部と、第２の面に第４の開口部を有し、第３の孔部に連通する第４の孔部とを有し、第１の開口部の重心を通り第１の面に平行な直線に沿った第１の開口部の最小幅をＤ１、第２の開口部の重心を通り第２の面に平行な直線に沿った第２の開口部の最小幅をＤ２、第３の開口部の重心を通り第１の面に平行な直線に沿った第３の開口部の最小幅をＤ３、第４の開口部の重心を通り第２の面に平行な直線に沿った第４の開口部の最小幅をＤ４としたとき、Ｄ１＞Ｄ２、Ｄ３＞Ｄ４、Ｄ１＞Ｄ３、および、Ｄ４＞Ｄ２の関係を満たしている。
また、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法は、上記に記載の液体吐出ヘッドの製造方法であって、第１の面の側から基板に第１の孔部と第３の孔部を形成する工程と、第１の孔部と第３の孔部を形成した後、第２の面の側から基板に第２の孔部と第４の孔部を形成する工程とを含んでいる。
このような液体吐出ヘッドおよびその製造方法では、第１の貫通孔において、第１の孔部の開口幅（最小幅）をできるだけ大きくしながら、第２の孔部の開口幅（最小幅）をできるだけ小さくすることができる。一方、第２の貫通孔において、第３の孔部の開口幅（最小幅）をできるだけ小さくしながら、第４の孔部の開口幅（最小幅）をできるだけ大きくすることができる。

本発明によれば、基板の小型化を実現しながら貫通電極の配線抵抗の低減と液体供給路の流抵抗の低減を両立することができる。

第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドを示す概略図である。 第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの基板を示す概略断面図である。 第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの第２の貫通孔を示す概略図である。 第１の実施形態の貫通電極の配線抵抗を説明するための概略断面図である。 第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法を示す概略断面図である。 第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドを示す概略断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの概略平面図であり、基板の裏面側から見た図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ―Ａ線に沿った概略断面図である。

液体吐出ヘッド３０は、シリコンからなる基板１と、流路形成部材２と、吐出口形成部材３と、エネルギー発生素子４と、配線層５と、絶縁保護膜６とを有している。
基板１は、裏面（以下、「基板裏面」ともいう）１ａと表面（以下、「基板表面」ともいう）１ｂを有し、基板表面１ｂに、絶縁保護膜６を介して流路形成部材２と吐出口形成部材３がこの順に設けられている。吐出口形成部材３には、液体を吐出する複数の吐出口７が形成され、記録媒体に対向する面（基板１に対向する面と反対側の面）には、吐出性能を向上させるために撥液層（図示せず）が形成されている。流路形成部材２には、複数の吐出口７に連通する複数の流路２０が形成されている。エネルギー発生素子４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ものであり、各流路２０内の吐出口７に対向する位置に設けられている。エネルギー発生素子４としては、電気熱変換素子（ヒータ）やピエゾ素子などが挙げられる。配線層５は、基板１と流路形成部材２との間に設けられ、エネルギー発生素子４に電気信号や電力を供給するためにエネルギー発生素子４に電気的に接続されている。エネルギー発生素子４が発生する熱エネルギーにより、流路２０内の液体を発泡させて吐出口７から吐出することができる。絶縁保護膜６は、基板１と配線層５とを絶縁するために設けられている。絶縁保護膜６と流路形成部材２との間には、それらの密着を強固にするための密着層（図示せず）が設けられている。

基板１には、基板１を貫通する２種類の貫通孔が形成されている。第１の貫通孔８は、吐出口７に連通して吐出口７に液体を供給するための液体供給路を構成し、第２の貫通孔１１は、配線層５に電気的に接続された貫通電極１４をその内周面（内面）に形成するために設けられている。
第１の貫通孔８は、第１の孔部９と、第１の孔部９に連通する複数の第２の孔部１０とから構成されている。第２の孔部１０は、流路２０を介して吐出口７に連通して吐出口７に液体を供給するための個別供給路を構成し、第１の孔部９は、複数の個別供給路（第２の孔部）１０に液体を供給するための共通供給路を構成する。こうして、共通供給路（第１の孔部）９を流れる液体を、個別供給路（第２の孔部）１０を介して各流路２０に供給することができる。第１の孔部９は、共通供給路として複数の吐出口７に液体を供給するために、基板裏面１ａにおいて、吐出口７の配列方向（図１（ａ）の上下方向）に沿った細長い溝状に形成されていることが好ましい。第１の孔部９は、吐出口７の配列方向に垂直な方向（図１（ａ）の左右方向）に並列に複数設けられ、それぞれの第１の孔部９の底面に、複数の第２の孔部１０が吐出口７の配列方向に沿って２列に配置されている。第２の孔部１０は、１つの流路２０に対して２つずつ設けられている。
第２の貫通孔１１は、第３の孔部１２と、第３の孔部１２に連通する第４の孔部１３とから構成されている。第２の貫通孔１１の内周面には、絶縁層１５を介して貫通電極１４が設けられている。貫通電極１４は、配線層５と基板裏面１ａに設けられた電極パッド（図示せず）にそれぞれ電気的に接続されている。電極パッドは駆動電源（図示せず）に電気的に接続され、これにより、貫通電極１４を通じて駆動電源からエネルギー発生素子４に電気信号や電力を供給することができる。第２の貫通孔１１は、吐出口７の配列方向に沿って複数設けられている。

ここで、図２（ａ）を参照して、本実施形態の基板の構成、特に２つの貫通孔の構成について詳細に説明する。図２（ａ）は、図１（ｂ）に示す液体吐出ヘッドの基板の概略断面図である。

第１の貫通孔８において、第１の孔部９は、基板裏面（第１の面）１ａに第１の開口部８ａを有し、第２の孔部１０は、基板表面（第２の面）１ｂに第２の開口部８ｂを有している。また、第２の貫通孔１１において、第３の孔部１２は、基板裏面１ａに第３の開口部１１ａを有し、第４の孔部１３は、基板表面１ｂに第４の開口部１１ｂを有している。第１および第２の貫通孔８，１１は、これら第１から第４の開口部８ａ，８ｂ，１１ａ，１１ｂが
Ｄ１＞Ｄ２、Ｄ３＞Ｄ４、Ｄ１＞Ｄ３、および、Ｄ４＞Ｄ２
の関係を満たすように、基板１に形成されている。
ここで、Ｄ１は、第１の開口部８ａの最小幅であり、第１の開口部８ａの重心を通り基板裏面１ａに平行な直線に沿って測定した第１の開口部８ａの幅のうち最小の幅を意味する。Ｄ２は、第２の開口部８ｂの最小幅であり、第２の開口部８ｂの重心を通り基板表面１ｂに平行な直線に沿って測定した第２の開口部８ｂの幅のうち最小の幅を意味する。Ｄ３は、第３の開口部１１ａの最小幅であり、第３の開口部１１ａの重心を通り基板裏面１ａに平行な直線に沿って測定した第３の開口部１１ａの幅のうち最小の幅を意味する。Ｄ４は、第４の開口部１１ｂの最小幅であり、第４の開口部１１ｂの重心を通り基板表面１ｂに平行な直線に沿って測定した第４の開口部１１ｂの幅のうち最小の幅を意味する。なお、本実施形態では、最小幅Ｄ１は、矩形である第１の開口部８ａの短辺の長さに相当し、最小幅Ｄ２は、正方形である第２の開口部８ｂの一辺の長さに相当する。また、最小幅Ｄ３，Ｄ４はそれぞれ、円形である第３の開口部１１ａおよび第４の開口部１１ｂの直径に相当する。ただし、第１から第４の開口部８ａ，８ｂ，１１ａ，１１ｂの形状は、後述するように、これらの形状に限定されるものではない。

以上を要約すると、第１の貫通孔８は、基板裏面１ａと基板表面１ｂで異なる開口幅（最小幅）Ｄ１，Ｄ２を有し、第２の貫通孔１１も、基板裏面１ａと基板表面１ｂで異なる開口幅（最小幅）Ｄ３，Ｄ４を有している。また、第１の貫通孔８と第２の貫通孔１１は、基板裏面１ａにおいて、異なる開口幅（最小幅）Ｄ１，Ｄ３を有し、基板表面１ｂにおいても、異なる開口幅（最小幅）Ｄ２，Ｄ４を有している。したがって、第１の貫通孔８では、第１の孔部（共通供給路）９の開口幅（最小幅）Ｄ１をできるだけ大きくしながら、第２の孔部（個別供給路）１０の開口幅（最小幅）Ｄ２をできるだけ小さくすることができる。一方、第２の貫通孔１１では、第３の孔部１２の開口幅（最小幅）Ｄ３をできるだけ小さくしながら、第４の孔部１３の開口幅（最小幅）Ｄ４をできるだけ大きくすることができる。
このため、第１の貫通孔８では、液体の流抵抗の低減を実現しながら、吐出口７の高密度化ひいては基板１の小型化を実現することができ、第２の貫通孔１１では、貫通電極１４の配線抵抗の低減を実現しながら、基板１の小型化を実現することができる。その結果、基板１の小型化を実現しながら、貫通電極１４の配線抵抗の低減と液体供給路９，１０の流抵抗の低減を両立することができる。さらに、詳細は後述するが、上述した構成により、第１および第２の貫通孔８，１１を形成するためのコストや工数を削減することも可能になる。

さらに、第１の孔部９の内面と基板裏面１ａとのなす第１の角度φ１、および第２の孔部１０の内面と基板表面１ｂとのなす第２の角度φ２は、それぞれ直角である。すなわち、第１の貫通孔８は、第１および第２の角度φ１，φ２が直角であることで、第１の開口部８ａの径方向外側にはみ出していない。また、第３の孔部１２の内面と基板裏面１ａとのなす第３の角度φ３、および第４の孔部１３の内面と基板表面１ｂとのなす第４の角度φ４も、それぞれ直角である。すなわち、第２の貫通孔１１は、第３および第４の角度φ３，φ４が直角であることで、第３の開口部１１ａの径方向外側にはみ出していない。これにより、第１の貫通孔８および第２の貫通孔１１をより高密度に配置することが可能になり、基板１をさらに小型化することが可能になる。
なお、基板１の小型化という観点では、第１の貫通孔８および第２の貫通孔１１は、それぞれ第１の開口部８ａおよび第３の開口部１１ａの径方向外側にはみ出していなければよく、第１から第４の角度φ１〜φ４の少なくとも１つは鈍角であってもよい。例えば、図２（ｂ）に示すように、第１の角度φ１が鈍角であってもよく、その場合、第１の孔部９は、深さが深くなるにつれて開口径が小さくなるテーパ状となる。また、図２（ｃ）に示すように、第３および第４の角度φ３，φ４が共に鈍角であってもよい。その場合、第２の貫通孔１１は、第３の孔部１２の深さが深くなるにつれて開口径が小さくなり、かつ第４の孔部１３の深さが深くなるにつれて開口径が小さくなるテーパ状となる。

ただし、第１の開口部８ａの最小幅Ｄ１が同じであるとすると、第１の角度φ１が鈍角の場合に比べて、第１の角度φ１が直角の場合には、基板１の厚み方向における第１の孔部９の断面積を増加させることができる。また、第２の開口部８ｂの最小幅Ｄ２が同じであるとすると、第２の角度φ２が鈍角の場合に比べて、第２の角度φ２が直角の場合には、基板１の厚み方向における第２の孔部１０の断面積を増加させることができる。その結果、第１の貫通孔８を液体供給路として用いる際に生じる液体の流抵抗を低減することができ、その機能を向上させることができる。同様に、第３の開口部１１ａの最小幅Ｄ３が同じであるとすると、第３の角度φ３が鈍角の場合に比べて、第３の角度φ３が直角の場合には、基板１の厚み方向における第３の孔部１２の断面積を増加させることができる。また、第４の開口部１１ｂの最小幅Ｄ４が同じであるとすると、第４の角度φ４が鈍角の場合に比べて、第４の角度φ４が直角の場合には、基板１の厚み方向における第４の孔部１３の断面積を増加させることができる。その結果、後述するように、第２の貫通孔１１の内面に形成される貫通電極１４の配線抵抗を低減することができ、その機能を向上させることができる。
このような理由から、第１および第４の角度φ１〜φ４はいずれも直角であることが好ましい。なお、ここで「直角」とは、厳密に９０°の他、加工精度の範囲内で直角からわずかにずれた角度も含む。

第１の貫通孔８が基板１を貫通して液体供給路用の貫通孔として機能すれば、第１および第２の開口部８ａ，８ｂの形状に特に制限はない。例えば、第２の開口部８ｂは、矩形であってもよく、あるいは円形であってもよい。同様に、第２の貫通孔１１が基板１を貫通して貫通電極用の貫通孔として機能すれば、第３および第４の開口部１１ａ，１１ｂの形状に特に制限はない。本実施形態では、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、第３の孔部１２が円筒状に形成され、第４の孔部１３が、第３の孔部１２と同軸の円筒状に形成されている。そのため、第３の開口部１１ａは、最小幅Ｄ３を直径とする円形であり、第４の開口部１１ｂは、最小幅Ｄ４を直径とする円形であるが、他の幾何学的形状であってもよい。この点について、貫通孔の内面に形成された配線（貫通電極）の配線抵抗Ｒは、配線の抵抗率ρ、長さをｌ、断面積をＳとすると、Ｒ＝ρ（ｌ／Ｓ）で表される。したがって、配線の厚みと長さがそれぞれ同じである場合、断面積を大きくすることで配線抵抗を小さくすることができる。このため、第３の開口部１１ａは、最小幅Ｄ３を直径とする円周以上の周長を有する形状であることが好ましく、第４の開口部１１ｂは、最小幅Ｄ４を直径とする円周以上の周長を有する形状であることが好ましい。そのような形状としては、図３（ｃ）に示すように、最小幅Ｄ３，Ｄ４をそれぞれ一辺の長さとする正方形が挙げられ、あるいは、最小幅Ｄ３，Ｄ４をそれぞれ短辺の長さとする矩形が挙げられる。

本実施形態の第２の貫通孔１１では、テーパ状の内周面を有する従来の貫通孔の場合に比べて、その内周面に形成される貫通電極１４の配線抵抗を低減することができる。以下、図４を参照して、このことについて説明する。図４（ａ）は、本実施形態の第２の貫通孔の概略断面図であり、図４（ｂ）は、テーパ状の内周面を有する従来の貫通孔の概略断面図であり、いずれも貫通孔の中心軸を含む断面を示している。

図４（ａ）に示す本実施形態では、第２の貫通孔１１の内周面に形成された貫通電極１４の配線抵抗Ｒ_１は、第２の貫通孔１１の半径をｒ、第３の孔部１２の深さをＬ３、第４の孔部１３の深さをＬ４としたとき、以下のように表すことができる。

一方、図４（ｂ）に示す従来の貫通孔１１１は、第３の開口部１１ａと同じ直径Ｄ３の円形の裏面開口部１１１ａと、第４の開口部１１ｂと同じ直径Ｄ４の円形の表面開口部１１１ｂとを有するテーパ状の貫通孔であるとする。このような貫通孔１１１の内周面に形成された貫通電極１１４の配線抵抗Ｒ_０は、以下のように表すことができる。

ここで、２θは、裏面開口部１１１ａを底面とし表面開口部１１１ｂを頂面とする円錐台の側面を表面開口部１１１ｂの側に延長した仮想円錐の頂角である。また、Ｈ１およびＨ２はそれぞれ、当該仮想円錐の頂点Ｏから表面開口部１１１ｂおよび裏面開口部１１１ａまでの距離であり、Ｈは、頂点Ｏから裏面開口部１１１ａに下ろした垂線に沿った頂点Ｏからの距離である。
したがって、図４（ａ）に示す本実施形態の第２の貫通孔１１では、以下の関係を満たすように第３の孔部１２の深さＬ３を調整することで、従来と比べて、その内周面に形成される貫通電極１４の配線抵抗を低減することができる。

本実施形態では、流路２０に供給される液体は、１つの第１の孔部（共通供給路）９から２つの第２の孔部（個別供給路）１０を通って１つの流路２０に流入するようになっているが、流路２０への液体の供給方法はこれに限定されるものではない。例えば、第１の孔部９を吐出口７の配列方向に垂直な方向（図１（ａ）の左右方向）に２つに分割し、一方の孔部を、一方の第２の孔部１０を介して流路２０に連通させ、他方の孔部を、他方の第２の孔部１０を介して流路に連通させてもよい。これにより、一方の第２の孔部１０から流路２０に液体を供給し、他方の第２の孔部１０から流路２０内の液体を回収することで、流路２０内に液体の強制的な流れ（循環流）が生じさせることもできる。すなわち、流路２０の内部の液体を流路２０と外部との間で循環させることもできる。このことは、吐出口７の近傍での水分蒸発による液体の増粘が抑制され、吐出速度が低下したり色材濃度が変化したりする可能性が低減されることで、記録画像の品質低下を抑制することができる点で有利である。

次に、図５を参照して、本実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法について説明する。図５は、本実施形態の製造方法の各工程における液体吐出ヘッドの概略断面図であり、図１（ｂ）に対応する図である。

まず、図５（ａ）に示すように、エネルギー発生素子４と配線層５と絶縁保護膜６と密着層（図示せず）を表面１ｂに有し、シリコンからなる基板１を用意する。エネルギー発生素子４は、後述する工程において吐出口７が形成される位置に対向する領域に配置され、配線層５や密着層は、後述する工程において第１の貫通孔８および第２の貫通孔１１が形成されない領域に配置されている。

次に、図５（ｂ）に示すように、基板裏面１ａに、第１の孔部９と第３の孔部１２を形成するための第１のエッチングマスク１６を形成する。第１のエッチングマスク１６は、例えば、基板裏面１ａにエッチング耐性に優れたレジストを塗布し、露光・現像することで形成される。レジストとしては、例えば、ノボラック樹脂誘導体やナフトキノンジアジド誘導体を用いることができる。また、レジストの塗布方法としては、例えばスピンコート法、ディップコート法、スプレーコート法などを用いることができるが、平坦な基板１に対する均一性を考慮すると、スピンコート法を用いることが好ましい。レジストが塗布された基板１へのパターンの露光には、例えば、プロキシミティー露光、プロジェクション露光またはステッパ露光等を用いることができる。パターンを現像する際には、例えばディッピング方式やパドル方式、スプレー方式などを用いて現像液に浸漬させることができる。

次に、図５（ｃ）に示すように、第１のエッチングマスク１６を用いて、基板裏面１ａをエッチングし、第１の孔部９と第３の孔部１２を形成する。基板１のエッチング方法としては、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、レーザ加工、結晶異方性エッチングなどを用いることができるが、加工異方性と加工精度を考慮すると、ＲＩＥを用いることが好ましい。その中でも、高アスペクト比の孔部の形成には、ＳＦ６ガスによるエッチングとＣ４Ｆ８ガスによる側壁保護膜堆積を交互に行うＢｏｓｃｈプロセスが適している。
次に、第１のエッチングマスク１６を形成したときと同様に、絶縁保護膜６をエッチングして配線層５を露出するためのエッチングマスクを形成し、ドライエッチングを行うことで絶縁保護膜６を除去し、配線層５を露出させる。

次に、図５（ｄ）に示すように、第１の貫通孔８と第２の貫通孔１１を形成する。具体的には、まず、第２の孔部１０と第４の孔部１３を形成するための第２のエッチングマスク１７を形成する。そして、この第２のエッチングマスク１７を用いて、基板表面１ｂから基板１を加工し、第２の孔部１０と第４の孔部１３を形成してそれぞれ第１の孔部９と第３の孔部１２と連通させ、第１の貫通孔８と第２の貫通孔１１を形成する。このとき、第２のエッチングマスク１７の形成と表面１ｂからの基板１の加工は、第１のエッチングマスク１６の形成と裏面１ａからの基板１の加工と同様に行うことができる。
なお、基板裏面１ａに２つの孔部９，１２を形成する際には、同時にエッチングを開始し、一度のエッチングでそれらを形成することが好ましい。また、基板表面１ｂに２つの孔部１０，１３を形成する際には、同時にエッチングを開始し、一度のエッチングでそれらを形成することが好ましい。基板裏面１ａからのエッチングと基板表面１ｂからのエッチングをそれぞれ一度で実施できると、工程を削減でき、エッチングマスクやエッチング自体のコストも低減することができる。また、基板表面１ｂと基板裏面１ａからそれぞれエッチングを行うことは、加工する孔部のアスペクト比を小さくすることができ、エッチング時間短縮と形状制御が容易になる点で好ましい。一般に、開口幅が広いほどエッチングレートが速い。そのため、第１から第４の開口部８ａ，８ｂ，１１ａ，１１ｂの開口幅（最小幅）をＤ１＞Ｄ３、およびＤ４＞Ｄ２の関係を満たすよう設定することで、第１および第２の貫通孔８，１１をそれぞれ同時に連通させることができる。なお、このとき、第１から第４の孔部９，１０，１２，１３の深さＬ１〜Ｌ４は、Ｌ１／Ｌ２≧Ｌ３／Ｌ４の関係を満たしている。また、ここで「同時」とは、厳密に同時である場合の他、ローディング効果などの面内分布によりタイミングがずれる場合も含む。このようにして、機能の異なる２つの貫通孔８，１１を同時に精度良く形成することができる。

次に、図５（ｅ）に示すように、第１および第２のエッチングマスク１６，１７を除去する。なお、ＲＩＥなど、上述した基板１の加工方法によっては、基板１の側壁に反応生成物が付着する場合があるため、この前後で、必要に応じてそれらを除去してもよい。

次に、図５（ｆ）に示すように、第１の貫通孔８の内面と第２の貫通孔１１の内面と第３および第４の開口部１１ａ，１１ｂの近傍を除いて絶縁層マスク１８を形成し、絶縁層マスク１８から露出した部分に絶縁層１５を成膜する。絶縁層マスク１８としては、ドライフィルム化したレジストを用いることができる。レジストは、ドライフィルム化可能なレジストであれば特に制限はないが、第１の貫通孔８を封止できるテンティング性の高いドライフィルムレジストが好ましい。絶縁層１５としては、貫通電極１４と基板１との間を絶縁可能なものが選択され、ＳｉＯやＳｉＮなどのケイ素化合物やＴｉＯ、ＡｌＯなどの酸化物を用いることができる。絶縁層１５の成膜方法としては、例えば化学気相成長（ＣＶＤ）法や原子層堆積（ＡＬＤ）法、スパッタリング法などを用いることができる。その中でも、絶縁層マスク１８から露出した部分への成膜均一性を考慮すると、ＡＬＤ法を用いることが好ましい。第１の貫通孔８の内面に成膜した絶縁層１５は、インクなどのアルカリ性液体の接液による第１の貫通孔８の内面（シリコン）の溶解を低減させる保護膜として機能する。
次に、絶縁層マスク１８をウェット処理により除去する。絶縁層マスク１８上に成膜された絶縁層１５は、絶縁層マスク１８が除去される際にリフトオフされて同時に除去される。

次に、図５（ｇ）に示すように、配線層５と基板裏面１ａとを電気的に接続する貫通電極１４を形成する。具体的には、第２の貫通孔１１の内面と第３および第４の開口部１１ａ，１１ｂを除いて電極マスク１９を形成し、電極マスク１９から露出した部分に貫通電極１４となる電極材料を成膜する。電極マスク１９は、上述した絶縁層マスク１８と同様の方法で形成することができる。電極材料としては、電気的特性や機械的特性に優れ、ワイヤボンディング可能な金属を選択する。貫通電極１４の成膜方法としては、ＣＶＤ法、真空スパッタリング法、真空蒸着、めっきなどが挙げられる。
なお、めっきで貫通電極１４を成膜する場合、第２の貫通孔１１の内面と第３および第４の開口部１１ａ，１１ｂの近傍にシード層を成膜する必要がある。シード層の成膜方法としては、スパッタリング法やＣＶＤ法を用いることができる。シード層は、電極マスク１９を形成する前に形成することもできる。また、電極マスク１９としては、めっき液耐性のあるレジストをドライフィルム化したものを用いることができる。

次に、図５（ｈ）に示すように、基板表面１ｂの側に流路形成部材２と吐出口形成部材３を形成する。具体的には、まず、電極マスク１９を除去した後、基板表面１ｂの側に、ドライフィルムレジストを転写する。流路形成部材２として用いられるこのドライフィルムレジストは、ネガ型感光性樹脂であることが好ましい。ネガ型感光性樹脂としては、例えば、ビスアジド化合物を含有する環化ポリイソプレンやアジドピレンを含有するクレゾールノボラック樹脂、あるいはジアゾニウム塩やオニウム塩を含有するエポキシ樹脂などが挙げられる。次に、フォトマスクを介して、ドライフィルムレジストを選択的に露光し、露光後の熱処理（ＰＥＢ）を行うことにより、硬化部と未硬化部を決定する。この硬化部が、流路形成部材２の流路壁に相当する。次に、吐出口形成部材３を形成する。吐出口形成部材３の形成方法に特に制限はないが、流路形成部材２と吐出口形成部材３の感度を調整する観点から、流路形成部材２の場合と同様に、ドライフィルムレジストの転写とフォトリソグラフィによる方法を用いることが好ましい。その後、流路形成部材２と吐出口形成部材３の未露光部（未硬化部）を溶解可能な液体を用いて、各未露光部を溶解除去し、現像する。こうして、未露光部が除去されることで、流路２０および吐出口７が形成される。

以上、本実施形態の製造方法によれば、基板１の裏面１ａと表面１ｂから、異なる開口幅（最小幅）Ｄ１，Ｄ２で２つの孔部９，１０を形成し、それらを連通させて第１の貫通孔８を形成する。同様に、基板１の裏面１ａと表面１ｂから、異なる開口幅（最小幅）Ｄ３，Ｄ４の２つの孔部１２，１３を形成し、それらを連通させて第２の貫通孔１１を形成する。このとき、裏面１ａに開口する２つの孔部９，１２では、開口幅（最小幅）Ｄ１，Ｄ３も異ならせ、表面１ｂに開口する２つの孔部１０，１３でも、開口幅（最小幅）Ｄ２，Ｄ４を異ならせる。こうして、開口径の異なる高アスペクト比の貫通孔８，１１を複数形成することができる。このような製造方法により、同じ厚みの基板に貫通孔を形成する場合でも、それぞれに要求される機能に適した形状・寸法の貫通孔を同時に形成することができる。このため、本実施形態の製造方法は、基板の厚みが４００μｍ以上と厚い場合に特に好適である。

（第２の実施形態）
図６（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造に用いられる基板の概略断面図であり、図６（ｂ）は、本実施形態の液体吐出ヘッドの概略断面図である。なお、第１の実施形態の液体吐出ヘッドと同様の構成については説明を省略する。
本実施形態では、図６（ａ）に示すように、シリコンからなる第１の基板２１と、シリコンからなる第２の基板２２と、第１の基板２１と第２の基板２２との間に設けられた中間層２３とからなる基板１が用いられる。中間層２３は、第１の基板２１における第１の孔部９と第３の孔部１２のエッチングを止めるとともに、第２の基板２２における第２の孔部１０と第４の孔部１３のエッチングを止めるために設けられている。中間層２３の材料としては、感光性樹脂材料などの樹脂材料、シリコン酸化物、シリコン窒化物、炭化シリコン、シリコン以外の金属、またはその金属酸化物あるいは金属窒化物などが挙げられる。その中でも、中間層２３としては、形成が容易であることから、感光性樹脂層やシリコン酸化膜を用いることが好ましい。
開口幅の異なるパターンを同時にエッチングして孔部を形成する場合、エッチングレートが異なるため、同じ時間だけエッチングを行っても、孔部の深さが異なる。さらに、同じパターンでも、ウエハ面内での疎密やローディング効果により、孔部の深さに面内で分布が生じる。孔部の深さに分布が生じると、液体の吐出特性や貫通電極の成膜バラツキなどによる電気特性が異なってしまう現象が起こる可能性がある。このような懸念を解消するために、上述の中間層２３としては、ドライエッチングのストップ層として有効であるシリコン酸化膜を用いることがより好ましい。したがって、本実施形態の基板１としては、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いることが好ましい。

基板１としてＳＯＩ基板を用いて２つの貫通孔８，１１を形成する場合、まず、第１の基板２１に第１の孔部９と第３の孔部１２を形成する。このとき、マイクロローディング効果により、エッチングレートが速い箇所（第１の孔部９）は先に中間層２３に到達するが、その中間層２３でエッチングは停止される。そのため、後から中間層２３に到達するエッチングレートが遅い箇所（第２の孔部１２）と深さを揃えることができる。その後、第２の基板２２を第２の孔部１０と第４の孔部１３のパターンでエッチングし、同様に中間層２３でエッチングをストップさせる。そして、第１の孔部９と第２の孔部１０との間、および第３の孔部１２と第４の孔部１３との間にある中間層２３を除去して貫通させることで、第１の貫通孔８と第２の貫通孔１１が形成される。こうして、孔部の深さ分布を抑制することができ、安定的に形状制御できる液体吐出ヘッド３０の作製が可能になる。
ＳＯＩ基板以外の基板としては、第１の基板２１に第１の孔部９と第３の孔部１２を形成し、第２の基板２２に第２の孔部１０と第４の孔部１３を形成した後、接着剤を介してそれらを接合したものを用いることもできる。

（実施例）
以下、具体的な実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明する。
本実施例では、図５に示す製造方法により基板１に貫通電極１４を形成し、その配線抵抗を測定した。

まず、図５（ａ）に示す工程では、シリコンからなる基板１の表面１ｂに、エネルギー発生素子４と配線層５を形成し、その上に、プラズマＣＶＤ法によってＳｉＯおよびＳｉＮを成膜して絶縁保護膜６を形成した。その後、絶縁保護膜６上に、ポリエーテルアミド樹脂からなる密着層（図示せず）を形成した。形成された密着層の厚みは２μｍであった。
次に、図５（ｂ）に示す工程では、基板裏面１ａにフォトレジスト（商品名「ｉＰ５７００（東京応化工業社製）をスピンコートで７μｍ塗布した。そして、投影露光装置（商品名「ＵＸ−４２５８」、ウシオ電機社製）を用いて、露光量４００ｍＪ／ｃｍ^２で開口形状が２００μｍ×２０ｍｍの矩形の第１の孔部９と直径１１５μｍの円形の第３の孔部１２のパターンに露光した。その後、２．３８％のテトラメチルハイドロオキサイド水溶液（商品名「ＮＭＤ−３」、東京応化工業社製）を用いて現像を行い、第１のエッチングマスク１６を形成した。

次に、図５（ｃ）に示す工程では、シリコンドライエッチング装置（商品名「Ｐｅｇａｓｕｓ、ＳＰＰテクノロジーズ社製）を用いたＢｏｓｃｈプロセスにより、基板裏面１ａの異方性エッチングを６０分間行い、第１の孔部９と第３の孔部１２を形成した。第１の孔部９の深さの中心値は４７５μｍ、第３の孔部１２の深さの中心値は３９５μｍであった。

次に、図５（ｄ）に示す工程では、第１のエッチングマスク１６と同様の形成方法で、基板表面１ｂ側に、直径４０μｍの円形の第２の孔部１０と直径８０μｍの円形の第４の孔部１３のパターンの第２のエッチングマスク１７を形成した。その後、ドライエッチング装置（商品名「ＡＰＳ」、ＳＰＰテクノロジーズ社製）を用いて、露出した絶縁保護膜６のＳｉＯおよびＳｉＮのエッチングを行い、配線層５を露出させた。さらに、基板裏面１ａ側のエッチングと同様に、シリコンドライエッチング装置を用いて、異方性エッチングを６０分間行い、第２の孔部１０と第４の孔部１３を形成し、第１の孔部９と第３の孔部１２にそれぞれ連通させた。第１の孔部９の深さの中心値は１５０μｍ、第４の孔部１３の深さの中心値は２３５μｍであった。
次に、図５（ｅ）に示す工程では、エッチングマスク１６，１７と貫通孔８，１１の内面に堆積したＢｏｓｃｈプロセスの反応生成物を、剥離液（商品名「ＥＫＣ２２５５」、ＥＫＣテクノロジー社製）に６０℃で３０分間浸漬させることで除去した。

次に、図５（ｆ）に示す工程では、基板１の表裏両面１ａ，１ｂにテンティングしたドライフィルムレジスト（商品名「ＰＭＥＲ ＣＹ−１０００」、東京応化工業社製）をパターニングし、第１の貫通孔８と第２の貫通孔１１の内面に絶縁層１５を成膜した。レジストは転写装置（商品名「ＶＴＭ−２００」、タカトリ社製）で基板１に転写し、第３および第４の開口部１１ａ，１１ｂの開口径（開口幅）よりそれぞれ６０μｍ大きい開口径を有するパターンに露光・現像し、厚み３０μｍの絶縁層マスク１８を形成した。そして、前駆体としてトリメチルアルミニウムを用い、ＡＬＤ装置（Ｐｉｃｏｓｕｎ社製）により、基板１に厚み３００ｎｍのＡｌＯ膜を成膜した。さらに、剥離液（商品名「ＥＫＣ２２５５」、ＥＫＣテクノロジー社製）を用いたディップ処理により、レジストとレジスト上に成膜したＡｌＯ膜を除去した。こうして、第１の貫通孔８の内面と第２の貫通孔１１の内面と第３および第４の開口部１１ａ，１１ｂの近傍のみに絶縁層１５を形成した。

次に、図５（ｇ）に示す工程では、絶縁層マスク１８と同様の形成方法で、第３および第４の開口部１１ａ，１１ｂの開口径（開口幅）よりもそれぞれ１００μｍ大きい開口径を有するめっきマスクを形成した。その後、スパッタ装置（商品名「ＳＤＨ１０３１１」、神港精機社製）を用いて、基板１の表裏両面１ａ，１ｂから、それぞれ表面の膜厚が４００ｎｍと５００ｎｍとなるようにチタンと銅を成膜してシード層を形成した。そして、無電解銅めっき液（商品名「エピタスＰＨＰ」、上村工業社製）にて６０℃で無電解銅めっきを２０分間行い、第２の貫通孔１１の内面に厚みが約１．７μｍの銅めっき層を形成した。マスクを剥離液（商品名「ＭＩＣＲＯＰＯＳＩＴ ＲＥＭＯＶＥＲ １１１２Ａ」、ロームアンドハース電子材料社製）にて除去した後、シード層の銅を混酸（商品名「Ｃｕ−３０」、関東化学社製）によるエッチングで除去した。そして、シード層のチタンをバッファードフッ酸（商品名「１１０Ｕ」、ダイキン工業社製）によるエッチングで除去し、配線層５に電気的に接続する貫通電極１４が形成された。
このときの貫通電極１４の配線抵抗は０．０４０８Ωであった。一方で、第２の貫通孔の孔径が深さ方向で一定（８５μｍ）であること以外、上述したのと同様の手順で貫通電極を形成したところ、その配線抵抗は０．０４７８Ωであった。したがって、本実施例では、貫通電極の配線抵抗を１５％程度低減することが可能であることが確認された。

１ 基板
２ 吐出口形成部材
５ 配線層
８ 第１の貫通孔
１１ 第２の貫通孔

Claims (16)

1. 第１の面および該第１の面と反対側の第２の面を有する基板と、前記基板の前記第２の面の側に設けられ、液体を吐出する吐出口が形成された吐出口形成部材と、前記基板と前記吐出口形成部材との間に設けられた配線層とを備え、前記基板に、該基板を貫通する第１の貫通孔および第２の貫通孔が形成され、前記第１の貫通孔が、前記吐出口に連通して該吐出口に液体を供給するための供給路を構成し、前記第２の貫通孔の内面に、前記配線層に電気的に接続された貫通電極が形成されている、液体吐出ヘッドであって、
   前記第１の貫通孔が、前記第１の面に第１の開口部を有する第１の孔部と、前記第２の面に第２の開口部を有し、前記第１の孔部に連通する第２の孔部とを有し、
   前記第２の貫通孔が、前記第１の面に第３の開口部を有する第３の孔部と、前記第２の面に第４の開口部を有し、前記第３の孔部に連通する第４の孔部とを有し、
   前記第１の開口部の重心を通り前記第１の面に平行な直線に沿った前記第１の開口部の最小幅をＤ１、前記第２の開口部の重心を通り前記第２の面に平行な直線に沿った前記第２の開口部の最小幅をＤ２、前記第３の開口部の重心を通り前記第１の面に平行な直線に沿った前記第３の開口部の最小幅をＤ３、前記第４の開口部の重心を通り前記第２の面に平行な直線に沿った前記第４の開口部の最小幅をＤ４としたとき、
   Ｄ１＞Ｄ２、Ｄ３＞Ｄ４、Ｄ１＞Ｄ３、および、Ｄ４＞Ｄ２
   の関係を満たす、液体吐出ヘッド。
2. 前記第１の孔部の内面と前記第１の面とのなす第１の角度、前記第２の孔部の内面と前記第２の面とのなす第２の角度、前記第３の孔部の内面と前記第１の面とのなす第３の角度、および、前記第４の孔部の内面と前記第２の面とのなす第４の角度が、それぞれ直角または鈍角である、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記第３の角度と前記第４の角度がそれぞれ直角である、請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記第３の開口部が、前記最小幅Ｄ３を直径とする円周以上の周長を有し、前記第４の開口部が、前記最小幅Ｄ４を直径とする円周以上の周長を有する、請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記第３の開口部が、前記最小幅Ｄ３を一辺の長さとする正方形であり、前記第４の開口部が、前記最小幅Ｄ４を一辺の長さとする正方形である、請求項４に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記第３の孔部が円筒状に形成され、前記第４の孔部が、前記第３の孔部と同軸の円筒状に形成されている、請求項４に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記第３の孔部の深さをＬ３、前記第４の孔部の深さをＬ４、前記貫通電極の抵抗率をρ、前記貫通電極の厚みをｔ、前記第２の貫通孔の半径をｒとし、
   前記最小幅Ｄ３を直径とする円を底面とし前記最小幅Ｄ４を直径とする円を頂面とする円錐台の側面を前記頂面の側に延長した仮想円錐の頂角を２θ、前記仮想円錐の頂点から前記頂面までの距離をＨ１、前記頂点から前記底面までの距離をＨ２、前記頂点から前記底面に下ろした垂線に沿った前記頂点からの距離をＨとしたとき、
   

   

   の関係を満たす、請求項６に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記第１の角度と前記第２の角度がそれぞれ直角である、請求項２から７のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
9. 前記第１の孔部の深さをＬ１、前記第２の孔部の深さをＬ２、前記第３の孔部の深さをＬ３、前記第４の孔部の深さをＬ４としたとき、
   Ｌ１／Ｌ２≧Ｌ３／Ｌ４
   の関係を満たす、請求項１から８のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
10. 前記基板が、第１の基板と、第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられた中間層とを有し、
    前記第１の基板に、前記第１の孔部と前記第３の孔部が形成され、前記第２の基板と前記中間層に、前記第２の孔部と前記第４の孔部が形成されている、請求項１から９のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
11. 前記第１の孔部が、前記第１の面に溝状に形成され、前記第１の孔部の底面に、複数の前記第２の孔部が形成されている、請求項１から１０のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
12. 前記基板の厚みが４００μｍ以上である、請求項１から１１のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
13. 前記吐出口と前記供給路とを連通する流路を有し、前記流路の内部の液体が前記流路と外部との間で循環される、請求項１から１２のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
14. 請求項１から１３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法であって、
    前記第１の面の側から前記基板に前記第１の孔部と前記第３の孔部を形成する工程と、
    前記第１の孔部と前記第３の孔部を形成した後、前記第２の面の側から前記基板に前記第２の孔部と前記第４の孔部を形成する工程とを含む、液体吐出ヘッドの製造方法。
15. 前記第１の孔部と前記第３の孔部が同時に形成され、前記第２の孔部と前記第４の孔部が同時に形成される、請求項１４に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
16. 前記第１の孔部と前記第３の孔部が反応性イオンエッチングにより形成され、前記第２の孔部と前記第４の孔部が反応性イオンエッチングにより形成される、請求項１４または１５に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。

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