JP2005067164A - 液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び液体吐出ヘッドの製造方法に関し、例えばサーマル方式によるインクジェットプリンタに適用して、配線パターンに係る金属配線層の膜厚を十分に確保してこの金属配線層による寄生抵抗を低減することができるようにする。
【解決手段】 本発明は、ドライエッチングを用いたパターニングにより配線パターン４４を形成し、該配線パターン４４を絶縁保護層４０に設けられた開口によるコンタクト部４１を介して発熱素子３９に接続する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び液体吐出ヘッドの製造方法に関し、例えばサーマル方式によるインクジェットプリンタに適用することができる。本発明は、ドライエッチングを用いたパターニングにより配線パターンを形成し、該配線パターンを絶縁保護層に設けられた開口によるコンタクト部を介して発熱素子に接続することにより、配線パターンに係る金属配線層の膜厚を十分に確保してこの金属配線層による寄生抵抗を低減することができるようにする。

近年、画像処理等の分野において、ハードコピーのカラー化に対するニーズが高まってきている。このニーズに対して、従来、昇華型熱転写方式、溶融熱転写方式、インクジェット方式、電子写真方式及び熱現像銀塩方式等のカラーコピー方式が提案されている。

これらの方式のうちインクジェット方式は、液体吐出ヘッドであるプリンタヘッドに設けられたノズルから記録液（インク）の液滴を飛翔させ、記録対象に付着してドットを形成するものであり、簡易な構成により高画質の画像を出力することができる。このインクジェット方式は、ノズルからインク液滴を飛翔させる方法の相違により、静電引力方式、連続振動発生方式（ピエゾ方式）及びサーマル方式に分類される。

これらの方式のうちサーマル方式は、インクの局所的な加熱により気泡を発生し、この気泡によりインクをノズルから押し出して印刷対象に飛翔させる方式であり、簡易な構成によりカラー画像を印刷することができるようになされている。

このようなサーマル方式によるプリンタヘッドは、インクを加熱する発熱素子が発熱素子を駆動するロジック集積回路による駆動回路と共に一体に半導体基板上に形成される。これによりこの種のプリンタヘッドにおいては、発熱素子を高密度に配置して確実に駆動できるようになされている。

すなわちこのサーマル方式のプリンタにおいて、高画質の印刷結果を得るためには、発熱素子を高密度で配置する必要がある。具体的に、例えば６００〔ＤＰＩ〕相当の印刷結果を得るためには、発熱素子を４２．３３３〔μｍ〕間隔で配置することが必要になるが、このように高密度で配置した発熱素子に個別の駆動素子を配置することは極めて困難である。これによりプリンタヘッドでは、半導体基板上にスイッチングトランジスタ等を作成して集積回路技術により対応する発熱素子と接続し、さらには同様に半導体基板上に作成した駆動回路により各スイッチングトランジスタを駆動することにより、簡易かつ確実に各発熱素子を駆動できるようになされている。

またサーマル方式によるプリンタにおいては、発熱素子への所定電力の印加によりインクに気泡が発生し、ノズルからインクが飛び出すと、この気泡が消滅する。これにより発泡、消泡を繰り返す毎にキャビテーションによる機械的な衝撃を受ける。さらにプリンタは、発熱素子の発熱による温度上昇と温度下降とが、短時間〔数μ秒〕で繰り返され、これにより温度による大きなストレスを受ける。

このためプリンタヘッドは、半導体基板上に発熱素子が形成され、この発熱素子上に絶縁保護層が形成され、この絶縁保護層により発熱素子がインクより保護される。さらにこの絶縁保護層の上層に金属保護層が形成され、この金属保護層によりキャビテーションによる機械的な衝撃が緩和され、さらには発熱素子からの熱をインクに伝搬する際にインク成分による化学反応が抑制される。これらによりプリンタヘッドは、これら絶縁保護層、金属保護層により発熱素子を保護して信頼性を確保するようになされている。

プリンタヘッドは、このような絶縁保護層、金属保護層の膜厚を厚くすると、信頼性を向上することができるものの、発熱素子の熱を効率良くインクに伝搬し得なくなる。このためプリンタヘッドにおいては、発熱素子の抵抗値、形状に応じてこれら絶縁保護層、金属保護層の構成材料及びこの構成材料の膜厚を設定するようになされ、またこれらの設定により構成されるプリンタヘッドについて、種々の条件により発熱素子を駆動してインクを安定に吐出することができる条件等が求められ、この条件の範囲で、発熱素子の駆動条件が設定されるようになされている。

具体的に例えば特開２００１−８００７７号公報においては、シリコン窒化膜とシリコン炭化膜とによる絶縁保護層を膜厚３５５〜４３５〔ｎｍ〕の範囲に設定し、矩形波状の駆動信号により１．０〜１．４〔μＪ〕で発熱素子を駆動する方法が提案されるようになされている。また特開２００１−１３０００３号、特開２００１−１３０００５号公報においては、シリコン窒化膜による絶縁保護層を膜厚２６０〜３４０〔ｎｍ〕の範囲に設定し、かつこの絶縁保護層と金属保護層とによる全体の膜厚を６３０〔ｎｍ〕以下に設定し、１．２〔μｓ〕幅以下の駆動信号で発熱素子を駆動する方法が提案されるようになされている。

このような構成に係るプリンタヘッドにおいては、気泡の圧力により発熱素子上に設けてなるノズルからインク液滴を押し出すいわゆるフェイスシュータタイプのものであり、従来、発熱素子に半導体素子を接続する金属配線層である配線パターンが、積層した配線パターン材料をドライエッチング工程とウエットエッチング工程とによりパターニングして形成される。

すなわちこの種のプリンタヘッド１は、図１２（Ａ）に示すように、半導体素子が作成されてなる半導体基板２上に絶縁層（ＳｉＯ₂ ）等が積層された後、発熱素子３が形成される。続いて図１２（Ｂ）に示すように、アルミニューム等による配線パターン材料層４が堆積され、ドライエッチング工程により配線パターン材料層４が加工され、配線パターン５が形成される。

このときプリンタヘッド１においては、発熱素子３上の配線パターン材料層４を取り残すようにして配線パターン５が作成される。プリンタヘッド１は、続いて図１２（Ｃ）に示すように、この発熱素子３上に取り残された部位をエッチング可能にフォトレジスト層６が形成され、燐酸、硝酸を主成分とする薬液を用いたウエットエッチング工程により発熱素子３上に取り残された配線パターン材料層４が除去される。これによりプリンタヘッド１は、図１２（Ｄ）に示すように、発熱素子３の端部で配線パターン５と発熱素子３とが重なり合って配線パターン５に発熱素子３が接続され、さらにこの配線パターン５を介して発熱素子３を駆動する半導体素子等に発熱素子３が接続される。

このときプリンタヘッド１においては、発熱素子３と配線パターン５とが重なり合うことにより表面に段差が生じるものの、この段差の壁面となる配線パターン５の端部にあってはテーパー形状にエッチングされ、これによりこのような壁面の部分においてその後上層に順次形成される絶縁保護層７、金属保護層８の被覆性（ステップカバレッジ）が向上されるようになされている。

プリンタヘッド１は、続いて図１２（Ｅ）に示すように、窒化シリコン（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）による絶縁保護層７、又は窒化シリコンと炭化シリコンとによる絶縁保護層７が積層され、さらにこの上層に、正方晶構造であるβ−タンタルにより金属保護層８が形成される。プリンタヘッド１は、続いて所定部材を配置することにより、インク液室、インク流路及びノズルが形成されて作成されるようになされている。

しかしてドライエッチング工程とウエットエッチング工程とによる配線パターンの作成においては、配線パターン５の膜厚が厚いと、図１２において符号Ａにより囲んだ部分を図１３に拡大して示すように、発熱素子３を露出させる際のウエットエッチング工程において配線パターン５が局所的に凹凸形状により形成される。なお図１３に示す例では、配線パターン５を膜厚０．５〔μｍ〕程度により作成した場合である。

すなわち薬液によるウエットエッチングは、下層の発熱素子３の表面へのダメージを防止して配線パターン材料層４のみ選択的にパターニングすることができるものの、加工対象である配線パターン５の膜厚が厚いと、段差を形成する壁面の部分を不均一にエッチングし、これによりプリンタヘッド１では、このような壁面の部分における配線パターン５が凹凸形状により形成される。プリンタヘッド１では、このようにして配線パターン５が凹凸形状により形成されると、この上層に絶縁保護層７、金属保護層８が配線パターン５の凹凸形状に沿って一様に順次形成され、また矢印Ｂにより示すように、絶縁保護層７と配線パターン５との界面にボイドが発生し、信頼性が劣化する問題がある。

これに対して例えば特開２００１−１３０００３号公報においては、配線パターンを膜厚０．１８〜０．２４〔μｍ〕の範囲に設定してこのような壁面の部分を精度良く作成する方法が提案されるようになされている。プリンタヘッド１においては、この手法を適用して配線パターンの膜厚を薄くすれば、図１３との対比により図１４に示すように、このような壁面の部分を精度良く作成し得るものの、配線パターン５自体の脆弱化が顕著になると共に、配線パターン５の抵抗値が上昇する。具体的に例えば特開２００２−３５５９７１号公報においては、配線パターン５を膜厚０．２〔μｍ〕により作成した場合に、配線パターン５の抵抗値及び配線パターン５の抵抗値にトランジスタのオン抵抗をも含めた全体の寄生抵抗値をそれぞれ測定したところ、配線パターン５の抵抗値は、８〔Ω〕、寄生抵抗値は、２５〔Ω〕であったことが記載されている。これによりこの場合、発熱素子３の抵抗値５３〔Ω〕を加えた発熱素子３の駆動に供する全体の抵抗値に対して寄生抵抗値が約１／３を占めることになる。これによりこれら特開２００１−１３０００３号公報、特開２００２−３５５９７１号公報に開示の手法の適用にあっては、発熱素子３の駆動に供する電力の損失が配線抵抗により増大し、これによりインクの吐出に係る発熱素子３の駆動電力が増大する問題がある。

また従来の配線パターン作成工程においては、エッチングガスによるドライエッチング工程と薬液によるウエットエッチング工程とを併用しなければならず、その分プリンタヘッドの製造に時間を要する問題もある。因みにこの問題は、特開２００２−７９６７９号公報においても指摘されている。

この問題を解決する一つの方法として例えば特開２０００−１０８３５５号公報においては、ドライエッチング工程のみにより配線パターンをエッチング処理して作成する方法が提案されるようになされている。しかしながらこの手法により作成されるプリンタヘッドは、気泡の圧力による圧力波を伝搬させて、発熱素子の真上以外の箇所に形成されたノズルよりインク液滴を押し出すいわゆるエッジシュータタイプのものであり、また発熱素子が多結晶シリコンにより作成されることにより、この発熱素子上に絶縁保護層、金属保護層による２〜３〔μｍ〕程度の段差が生じていても何ら問題ないものである。これに対してフェイスシュータタイプのプリンタヘッドにおいては、この手法により作成し、このような激しい段差が生じると、発熱素子の熱を効率良くインクに伝搬し得なくなり、これにより特開２０００−１０８３５５号公報に開示の手法の適用にあっては、実用上未だ不十分な欠点がある。
特開２００１−８００７７号公報 特開２００１−１３０００３号公報 特開２００１−１３０００５号公報 特開２００２−３５５９７１号公報 特開２００２−７６９７９号公報 特開２０００−１０８３５５号公報

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、配線パターンに係る金属配線層の膜厚を十分に確保してこの金属配線層による寄生抵抗を低減することができる液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び液体吐出ヘッドの製造方法を提案しようとするものである。

かかる課題を解決するため請求項１の発明においては、液室に保持した液体を加熱する発熱素子と、発熱素子を駆動する半導体素子とが所定の基板上に一体に保持されて、発熱素子の駆動により所定のノズルより液体の液滴を飛び出させる液体吐出ヘッドに適用して、発熱素子の液室側に、発熱素子を液体より保護する絶縁保護層、発熱素子に半導体素子を接続する金属配線層が順次配置され、金属配線層は、絶縁保護層に設けられた開口によるコンタクト部を介して発熱素子に接続され、エッチングガスによるドライエッチングによりパターニングして形成されてなるようにする。

また請求項３の発明においては、液体吐出ヘッドに設けられた発熱素子の駆動により液滴を飛び出させる液体吐出装置に適用して、液体吐出ヘッドが、液室に保持した液体を加熱する発熱素子と、発熱素子を駆動する半導体素子とが所定の基板上に一体に保持され、発熱素子の液室側に、発熱素子を液体より保護する絶縁保護層、発熱素子に半導体素子を接続する金属配線層が順次配置され、金属配線層は、絶縁保護層に設けられた開口によるコンタクト部を介して発熱素子に接続され、エッチングガスによるドライエッチングによりパターニングして形成されてなるようにする。

また請求項４の発明においては、液室に保持した液体を加熱する発熱素子と、発熱素子を駆動する半導体素子とが所定の基板上に一体に保持されて、発熱素子の駆動により所定のノズルより液体の液滴を飛び出させる液体吐出ヘッドの製造方法に適用して、発熱素子の液室側に、発熱素子を液体より保護する絶縁保護層、発熱素子に半導体素子を接続する金属配線層を順次配置し、金属配線層を、絶縁保護層に設けた開口によるコンタクト部を介して発熱素子に接続し、エッチングガスによるドライエッチングによりパターニングして形成する。

請求項１の構成により、液室に保持した液体を加熱する発熱素子と、発熱素子を駆動する半導体素子とが所定の基板上に一体に保持されて、発熱素子の駆動により所定のノズルより液体の液滴を飛び出させる液体吐出ヘッドに適用して、発熱素子の液室側に、発熱素子を液体より保護する絶縁保護層、発熱素子に半導体素子を接続する金属配線層が順次配置され、金属配線層は、絶縁保護層に設けられた開口によるコンタクト部を介して発熱素子に接続され、エッチングガスによるドライエッチングによりパターニングして形成されてなることにより、エッチングガスによる発熱素子へのダメージが防止され、金属配線層による段差の壁面が精度良く作成される。これにより配線パターンに係る金属配線層の膜厚を十分に確保してこの金属配線層による寄生抵抗を低減することができる。

これにより請求項３及び請求項４の構成によれば、配線パターンに係る金属配線層の膜厚を十分に確保してこの金属配線層による寄生抵抗を低減することができる液体吐出装置及び液体吐出ヘッドの製造方法を提供することができる。

本発明によれば、配線パターンに係る金属配線層の膜厚を十分に確保してこの金属配線層による寄生抵抗を低減することができる。

以下、適宜図面を参照しながら本発明の実施例を詳述する。

（１）実施例の構成
図２は、本発明の実施例１に係るプリンタを示す斜視図である。このラインプリンタ１１は、全体が長方形形状の筐体１２に収納されて形成され、印刷対象である用紙１３を収納した用紙トレイ１４をこの筐体１２の正面に形成されたトレイ出入口より装着することにより、用紙１３を給紙できるようになされている。

用紙トレイ１４は、このようにトレイ出入口よりラインプリンタ１１に装着されると、所定の機構により用紙１３が給紙ローラ１５に押し当てられ、この給紙ローラ１５の回転により、矢印Ａにより示すように、用紙１３が用紙トレイ１４よりラインプリンタ１１の背面側に向かって送り出される。ラインプリンタ１１は、この用紙送りの側に反転ローラ１６が配置され、この反転ローラ１６の回転等により、矢印Ｂにより示すように、正面方向に用紙１３の送り方向が切り換えられる。

ラインプリンタ１１は、このようにして用紙送り方向が矢印Ｂで示す方向に切り換えられてなる用紙１３が用紙トレイ１４上を横切るように拍車ローラ１７等により搬送され、矢印Ｃにより示すように、ラインプリンタ１１の正面側に配置された排出口より排出される。ラインプリンタ１１は、この拍車ローラ１７から排出口までの間に、矢印Ｄにより示すように、ヘッドカートリッジ１８が交換可能に配置される。

ヘッドカートリッジ１８は、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックのラインヘッドをそれぞれ配置してなるプリンタヘッド１９が所定形状のホルダー２０の下面側に配置され、このホルダー２０に順次イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｂ）のインクカートリッジが交換可能に配置されて形成されるようになされている。これによりラインプリンタ１１は、これら各色のインクに対応するラインヘッドより用紙１３にインクを付着させて画像を印刷できるようになされている。

ここで図３は、図２の用紙１３側より見たプリンタヘッドの配列構成の一部を拡大した平面図である。プリンタヘッド１９は、図３に示すように、各色のインクのインク流路２１の両側に、交互（千鳥状に）に同一構成によるヘッドチップ２２をノズルプレート上に配置して構成される。また、各へッドチップ２２においては、それぞれ発熱素子がインク流路２１側となるように配置されており、つまりインク流路２１側を介して両側のヘッドチップ２２は向きが１８０度回転させた関係となるように配置されている。これによりプリンタヘッド１９は、それぞれ各色において１系統のインク流路２１で各ヘッドチップ２２にインクを供給できるようになされ、その分、簡易な構成により印刷精度を高解像度化することができるようになされている。

また、ヘッドチップ２２は、このようにして１８０度回転して配置した場合でも、微小なインク吐出口であるノズル２３の並ぶ方向には接続用パッド２４の位置が変化しないように、これらノズル２３の並ぶ方向（印刷幅方向）のほぼ中央に接続用パッド２４が配置され、これによりプリンタヘッド１９では、隣り合うヘッドチップ２２の接続用パッド２４に接続するフレキシブル配線基板が近接することを防止する、つまりフレキシブル配線基板の一部への集中を防止するようになされている。

なお、このようにしてノズル２３をシフトさせた場合、インク流路２１の上方及び下方に配置されるヘッドチップ２２においては、駆動信号に対して発熱素子の駆動順序が逆転することになる。各ヘッドチップ２２は、このような駆動順序に対応するように、駆動回路における駆動順序を切り換えることができるように構成されている。

図１は、このラインプリンタに適用されるプリンタヘッドを示す断面図である。プリンタヘッド１９は、シリコン基板によるウエハ上に複数ヘッド分の駆動回路、発熱素子等が作成された後、各ヘッドチップ２２にスクライビング処理され、各ヘッドチップ２２にインク液室等を作成して形成される。

すなわち図４（Ａ）に示すように、プリンタヘッド１９は、ウエハによるシリコン基板３１が洗浄された後、シリコン窒化膜（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）が堆積される。続いてプリンタヘッド１９は、フォトリソグラフィー工程、リアクティブイオンエッチング工程によりシリコン基板３１が処理され、これによりトランジスタを形成する所定領域以外の領域よりシリコン窒化膜が取り除かれる。これらによりプリンタヘッド１９は、シリコン基板３１上のトランジスタを形成する領域にシリコン窒化膜が形成される。

続いてプリンタヘッド１９は、熱酸化工程によりシリコン窒化膜が除去されている領域に熱シリコン酸化膜が膜厚５００〔ｎｍ〕により形成され、この熱シリコン酸化膜によりトランジスタを分離するための素子分離領域（LOCOS: Local Oxidation Of Silicon ）３２が形成される。なおこの素子分離領域３２は、その後の処理により最終的に膜厚２６０〔ｎｍ〕に形成される。さらに続いてプリンタヘッド１９は、シリコン基板３１が洗浄された後、トランジスタ形成領域にタングステンシリサイド／ポリシリコン／熱酸化膜構造のゲートが作成される。さらにソース・ドレイン領域を形成するためのイオン注入工程、熱処理工程によりシリコン基板３１が処理され、ＭＯＳ（Metal-Oxide-Semiconductor ）型によるトランジスタ３３、３４等が作成される。なおここでスイッチングトランジスタ３３は、２５〔Ｖ〕程度の耐圧を有するＭＯＳ型ドライバートランジスタであり、発熱素子の駆動に供するものである。これに対してスイッチングトランジスタ３４は、このドライバートランジスタを制御する集積回路を構成するトランジスタであり、５〔Ｖ〕の電圧により動作するものである。なおこの実施例においては、ゲート／ドレイン間に低濃度の拡散層が形成され、その部分で加速される電子の電界を緩和することで耐圧を確保してドライバートランジスタ３３が形成されるようになされている。

このようにしてシリコン基板３１上に、半導体素子であるトランジスタ３３、３４が作成されると、プリンタヘッド１９は、続いてＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法によりリンが添加されたシリコン酸化膜であるＰＳＧ（Phosphorus Silicate Glass ）膜、ボロンとリンが添加されたシリコン酸化膜であるＢＰＳＧ（Boron Phosphorus Silicate Glass）膜３５が順次膜厚１００〔ｎｍ〕、５００〔ｎｍ〕により作成され、これにより全体として膜厚が６００〔ｎｍ〕による１層目の層間絶縁膜が作成される。

続いてフォトリソグラフィー工程の後、Ｃ₄ Ｆ₈ ／ＣＯ／Ｏ₂ ／Ａｒ系ガスを用いたリアクティブイオンエッチング法によりシリコン半導体拡散層（ソース・ドレイン）上にコンタクトホール３６が作成される。

さらにプリンタヘッド１９は、希フッ酸により洗浄された後、スパッタリング法により、膜厚３０〔ｎｍ〕によるチタン、膜厚７０〔ｎｍ〕による窒化酸化チタンバリアメタル、膜厚３０〔ｎｍ〕によるチタン、シリコンが１〔ａｔ％〕添加されたアルミニューム、または銅が０．５〔ａｔ％〕添加されたアルミニュームが膜厚５００〔ｎｍ〕により順次堆積される。続いてプリンタヘッド１９は、反射防止膜である窒化酸化チタンが膜厚２５〔ｎｍ〕により堆積され、これらにより配線パターン材料が成膜される。さらに続いてプリンタヘッド１９は、フォトリソグラフィー工程、ドライエッチング工程により、成膜された配線パターン材料が選択的に除去され、これによりシリコン又は銅を添加したアルミニュームによる金属配線層により１層目の配線パターン３７が作成される。プリンタヘッド１９は、このようにして作成された１層目の配線パターン３７により、駆動回路を構成するＭＯＳ型トランジスタ３４を接続してロジック集積回路が形成される。

続いてプリンタヘッド１９は、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン：Ｓｉ（ＯＣ₂ Ｈ₅ ）₄ ）を原料ガスとしたＣＶＤ法により層間絶縁膜であるシリコン酸化膜が堆積される。続いてプリンタヘッド１９は、ＳＯＧ（Spin On Glass ）を含む塗布型シリコン酸化膜の塗布とエッチバックとにより、シリコン酸化膜が平坦化され、これらの工程が２回繰り返されて１層目の配線パターン３７と続く２層目の配線パターンとを絶縁する膜厚４４０〔ｎｍ〕のシリコン酸化膜による２層目の層間絶縁膜（Ｐ−ＳｉＯ）３８が形成される。

プリンタヘッド１９は、続いて図４（Ｂ）に示すように、スパッタリング装置内のスパッタ成膜チェンバーに搭載された後、スパッタリング法により膜厚５０〜１００〔ｎｍ〕によるβ−タンタル膜が堆積され、これによりシリコン基板３１上に抵抗体膜が成膜される。なおこの場合、基板温度は、２００〜４００度、直流パワーは、２〜４〔ｋＷ〕であり、アルゴンガス流量は、２５〜４０〔ｓｃｃｍ〕に設定した。

続いてプリンタヘッド１９は、フォトリソグラフィー工程、ＢＣｌ₃ ／Ｃｌ₂ ガスを用いたドライエッチング工程により、正方形形状により、又は一端を配線パターンにより接続する折り返し形状により抵抗体膜が選択的に除去され、これにより４０〜１００〔Ω〕の抵抗値を有する発熱素子３９が作成される。なおこの実施例においては、膜厚８３〔ｎｍ〕による抵抗体膜が堆積され、また折り返し形状により発熱素子３９が形成され、これにより発熱素子３９の抵抗値が１００〔Ω〕となるようになされている。

このようにして発熱素子３９が形成されると、プリンタヘッド１９は、図５（Ｃ）に示すように、ＣＶＤ法により膜厚３００〔ｎｍ〕によるシリコン窒化膜が堆積され、発熱素子３９の絶縁保護層４０が形成される。

プリンタヘッド１９は、続いて図５（Ｄ）に示すように、フォトレジスト工程、ＣＨＦ₃ ／ＣＦ₄ ／Ａｒガスを用いたドライエッチング工程により、所定箇所のシリコン窒化膜４０が除去され、これにより絶縁保護層４０に開口を形成してコンタクト部４１が作成される。さらにＣＨＦ₃ ／ＣＦ₄ ／Ａｒガスを用いたドライエッチング工程により、層間絶縁膜３８に開口を形成してビアホール４２が作成される。ここでコンタクト部４１は、２層目の配線パターンを下層の発熱素子３９に接続するために２層目の配線パターンの前工程において設けられた接続部であり、ビアホール４２は、２層目の配線パターンを下層の１層目の配線パターン３７に接続するために２層目の配線パターンの前工程において設けられた接続部である。

プリンタヘッド１９は、このようにしてコンタクト部４１、ビアホール４２が作成されると、続いて図６（Ｅ）に示すように、シリコン又は銅を添加したアルミニュームによる金属配線層等により配線パターン材料層４３が形成され、さらに図６（Ｆ）に示すように、余剰な部位の配線パターン材料層４３が除去され、これにより２層目の配線パターン４４がパターニングされる。

ここでこの実施例においては、配線パターン材料層４３のうちの、金属配線層の膜厚が４００〔ｎｍ〕以上に設定される。このため配線パターン４４のパターニングにおいては、塩素原子成分を含むエッチングガスにより発熱素子３９上を除く部位の配線パターン材料層４３をドライエッチングする際に、同時に発熱素子３９上の配線パターン材料層４３を除去する。

すなわちこの塩素原子成分を含むエッチングガスを用いたドライエッチングは、塩素系ガスを励起して塩素ラジカル種を含むプラズマ流を生成し、このプラズマ流を加工対象に照射することにより、プラズマ中の塩素ラジカル種により加工対象を還元して除去するものであり、基板に対してほぼ垂直方向に加工対象をエッチングする異方性エッチングである。

これによりこのドライエッチングによれば、発熱素子３９上においてプラズマ中の塩素ラジカル種により配線パターン材料層４３が除去され、これによりプリンタヘッド１９は、配線パターン４４により生じる段差を構成する壁面が精度良く作成され、その後この上層に形成される絶縁保護層との界面でのボイドの発生が防止される。

またプリンタヘッド１９は、このようにして発熱素子３９上の配線パターン材料層４３が除去され、コンタクト部４１の作成に係る絶縁保護層４０が露出される。これによりプリンタヘッド１９は、塩素ラジカル種を含むプラズマ流に絶縁保護層４０が曝され、プラズマ中の塩素ラジカル種によりエッチングされるものの、この絶縁保護層４０が発熱素子３９のマスクとして機能し、塩素ラジカル種を含むプラズマ流に発熱素子３９が直接曝されずに、発熱素子３９の表面に対するエッチングが防止される。これによりプリンタヘッド１９では、コンタクト部４１の作成に供する、事前に形成された絶縁保護層４０により、ドライエッチングによる発熱素子３９へのダメージを防止するようになされている。

具体的にプリンタヘッド１９は、スパッタリング法により、膜厚２００〔ｎｍ〕によるチタン、シリコンを１〔ａｔ％〕添加したアルミニューム、または銅を０．５〔ａｔ％〕添加したアルミニュームが膜厚６００〔ｎｍ〕により順次堆積される。続いてプリンタヘッド１９は、膜厚２５〔ｎｍ〕による窒化酸化チタンが堆積され、これにより反射防止膜が形成される。これらによりプリンタヘッド１９は、シリコン又は銅を添加したアルミニュームによる金属配線層により配線パターン材料層４３が形成される。

続いてプリンタヘッド１９は、フォトリソグラフィー工程、ＢＣｌ₃ ／Ｃｌ₂ ガスを用いたドライエッチング工程により配線パターン材料層４３が選択的に除去され、２層目の配線パターン４４が作成される。なおこの実施例においては、このドライエッチング工程において、オーバーエッチングするように、配線パターン材料層４３の膜厚に対するエッチング時間に対して１．２倍程度の時間をエッチング時間に設定するようになされ、余剰な配線パターン材料層４３を確実に除去し、このような配線パターン材料層４３が取り残されてなることによる配線パターン間のショートを十分に防止するようになされている。またこのドライエッチングの結果、発熱素子３９の上層に事前に形成された膜厚３００〔ｎｍ〕によるシリコン窒化膜４０にあっては、膜厚２００〔ｎｍ〕の分だけエッチングされて膜厚１００〔ｎｍ〕になった。

しかしてプリンタヘッド１９は、配線パターン４４に係る金属配線層の膜厚が６００〔ｎｍ〕により形成され、これにより金属配線層自体の脆弱化が防止され、金属配線層における抵抗値の上昇が防止される。

具体的にこの金属配線層の抵抗値及びトランジスタ３４のオン抵抗をも含めた寄生抵抗値をそれぞれ測定したところ、金属配線層の抵抗値は、１．５〔Ω〕であり、トランジスタ３４のオン抵抗をも含めた寄生抵抗値は、１２〔Ω〕であった。これによりプリンタヘッド１９では、発熱素子３９の抵抗値１００〔Ω〕を加えた全体の抵抗値に対する寄生抵抗値が約１／９となり、従来に比して寄生抵抗値を低減し得、より具体的に図１４について説明したプリンタヘッドに比して、全体抵抗値に対する寄生抵抗値の比率を２／３程度低減することができるようになされている。

またこのような配線パターン４４のドライエッチングにおいては、エッチングガスを用いたドライエッチング工程により発熱素子３９上の配線パターン材料層４３が同時に除去され、これにより従来に比して工程数を削減してプリンタヘッド１９の製造に要する時間が短縮されるようになされている。

しかしてプリンタヘッド１９は、このようにして形成された２層目の配線パターン４４により、電源用の配線パターン、アース用の配線パターンが作成され、またコンタクト部４１及びビアホール４２を介してドライバートランジスタ３４を発熱素子３９に接続する配線パターンが作成される。

プリンタヘッド１９は、続いて図７（Ｇ）に示すように、絶縁保護層として機能する膜厚２００〜４００〔ｎｍ〕によるシリコン窒化膜４５がプラズマＣＶＤ法により堆積される。さらに熱処理炉において、４〔％〕の水素を添加した窒素ガスの雰囲気中で、又は１００〔％〕の窒素ガス雰囲気中で、４００度、６０分間の熱処理が実施される。これによりプリンタヘッド１９は、トランジスタ３３、３４の動作が安定化され、さらに１層目の配線パターン３７と２層目の配線パターン４４との接続が安定化されてコンタクト抵抗が低減される。

プリンタヘッド１９は、続いて図８（Ｈ）に示すように、ＤＣマグネトロン・スパッタリング装置内のスパッタ成膜チェンバーに搭載された後、スパッタリング法によりβ−タンタルによる金属保護層材料膜が膜厚１００〜３００〔ｎｍ〕により堆積される。続いてプリンタヘッド１９は、フォトレジスト工程により金属保護層材料膜が所望の形状にマスクされ、さらにＢＣｌ₃ ／Ｃｌ₂ ガスを用いたドライエッチング工程によりこのマスクによってエッチング処理され、金属保護層４６が形成される。なお金属保護層４６においては、アルミニュームの含有量を１５〔ａｔ％〕程度に設定したタンタルアルミ（ＴａＡｌ）を適用するようにしても良い。因みにこのようにアルミニュームの含有量を１５〔ａｔ％〕程度に設定したタンタルアルミにおいては、β−タンタルの結晶粒界にアルミニュームが存在する構造であり、β−タンタルにより金属保護層を形成する場合に比して、膜応力を小さくすることができる。

プリンタヘッド１９は、このようにして配線パターン４４のドライエッチングにより薄膜化したシリコン窒化膜４０の上層にシリコン窒化膜４５が堆積され、これらシリコン窒化膜４０、４５により絶縁保護層が形成され、さらにこの上層に金属保護層４６が形成される。プリンタヘッド１９は、これら絶縁保護層４０、４５及び金属保護層４６により発熱素子３９が保護されて信頼性が確保され、この実施例では、これら絶縁保護層４０、４５及び金属保護層４６が全体として膜厚７００〔ｎｍ〕以下に設定される。

すなわち図９に示す測定結果は、絶縁保護層及び金属保護層が全体として膜厚７００〔ｎｍ〕以下となるように、金属保護層の膜厚を２００〔ｎｍ〕で作成し、かつ絶縁保護層の膜厚を異ならせて作成したプリンタヘッドにおいて、種々の駆動電力により発熱素子を駆動し、ノズルより飛び出すインク液滴の吐出速度を示すものである。なおこの図９において、黒く塗り潰した丸は、膜厚５００〔ｎｍ〕により絶縁保護層が作成されてなるプリンタヘッドを、黒く塗り潰した四角は、膜厚４００〔ｎｍ〕による絶縁保護層のプリンタヘッドを、黒く塗り潰した三角は、膜厚３５０〔ｎｍ〕による絶縁保護層のプリンタヘッドを、黒く塗り潰した菱形は、膜厚３００〔ｎｍ〕による絶縁保護層のプリンタヘッドを示す。

この測定結果から絶縁保護層の膜厚を薄くすると、インクの吐出を開始する駆動電力が低下することが確認され、また破線により示すように、定格による駆動電力０．８〔Ｗ〕により発熱素子を駆動する場合、何れのプリンタヘッドにおいても十分な余裕を持ってインクを安定に吐出することが確認できた。なおこの実施例では、絶縁保護層４０、４５及び金属保護層４６の膜厚がそれぞれ５００〔ｎｍ〕及び２００〔ｎｍ〕により形成され、発熱素子３９の熱をインクに効率良く伝搬するようになされている。

プリンタヘッド１９は、続いて図１に示すように、有機系樹脂によるドライフィルム５１が圧着により配置された後、インク液室５２、インク流路に対応する部位が取り除かれ、その後硬化され、これによりインク液室５２の隔壁、インク流路の隔壁等が作成される。

また続いて各ヘッドチップ２２にスクライビングされた後、ノズルプレート５３が積層される。ここでノズルプレート５３は、発熱素子３９の上にノズル２３を形成するように所定形状に加工された板状部材であり、ドライフィルム５１上に接着により保持される。これによりプリンタヘッド１９は、ノズル２３、インク液室５２、このインク液室５２にインクを導くインク流路２１等が形成されて作成される。

プリンタヘッド１９は、このようなインク液室５２が紙面の奥行き方向に連続するように形成され、これによりラインヘッドを構成するようになされている。

（２）実施例の動作
以上の構成において、プリンタヘッド１９は、半導体基板であるシリコン基板３１に素子分離領域３２が作成されて半導体素子であるトランジスタ３３、３４が作成され、絶縁層３５により絶縁されて１層目の配線パターン３７が作成される。また続いて発熱素子３９が作成された後、絶縁保護層４０、２層目の配線パターン４４が作成され、この２層目の配線パターン４４により発熱素子３９がトランジスタに接続され、また電源、アースライン等の配線パターン４４が形成される。プリンタヘッド１９は、さらに絶縁保護層４５、金属保護層４６、インク液室５２、ノズル２３が順次形成されて作成される（図１、図４〜図８）。

このラインプリンタ１１は、このようにして作成されたプリンタヘッド１９のインク液室５２にヘッドカートリッジ１８に保持されてなるインクがインク流路２１により導かれ（図３）、発熱素子３９の駆動によりインク液室５２に保持したインクが加熱されて気泡が発生し、この気泡によりインク液室５２内の圧力が急激に増大する。ラインプリンタ１１では、この圧力の増大により発熱素子３９上に設けてなるノズル２３からインク液室５２のインクがインク液滴として飛び出し、ローラ１５、１６、１７等により用紙トレイ１４から搬送された印刷対象である用紙１３にこのインク液滴が付着する。

ラインプリンタ１１では、このような発熱素子３９の駆動が間欠的に繰り返され、これにより所望の画像等が用紙１３に印刷されて排出口より排出される（図２）。しかしてプリンタヘッド１９においては、この発熱素子３９の間欠的な駆動により、インク液室５２内において、気泡の発生、気泡の消滅が繰り返され、これにより機械的な衝撃であるキャビテーションが発生する。プリンタヘッド１９では、このキャビテーションによる機械的な衝撃が金属保護層４６により緩和され、発熱素子３９がこの衝撃から保護される。またこの金属保護層４６と絶縁保護層４０、４５とにより発熱素子３９へのインクの直接の接触が防止され、これによっても発熱素子３９が保護される。

プリンタヘッド１９では、このような発熱素子３９の駆動に係るトランジスタ３４を発熱素子３９に接続する２層目の配線パターン４４が、絶縁保護層４０を間に挟んで発熱素子３９のインク液室５２側に配置され、この配線パターン４４に係る金属配線層の膜厚が、４００〔ｎｍ〕以上の、６００〔ｎｍ〕により形成される。これによりプリンタヘッド１９では、従来のドライエッチング工程とウエットエッチング工程とを用いて配線パターン４４をパターニングすると、配線パターン４４の壁面が凹凸形状により形成され、配線パターン４４と絶縁保護層４５との界面でボイドの発生が心配される。なお実験した結果によれば、膜厚４００〔ｎｍ〕による金属配線層等が堆積されてなる配線パターン材料層４３を従来の手法によりパターニングした場合では、このような壁面の部分が凹凸形状により形成されることが確認された。

しかしながらこの実施例においては、ドライエッチングを用いたパターニングにより配線パターン４４が形成され、この配線パターン４４が絶縁保護層４０に設けられた開口によるコンタクト部４１を介して発熱素子３９に接続される。

すなわち従来の配線パターンの作成手法を示す図１２との対比により図１０（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、プリンタヘッド１９では、発熱素子３９の上に窒化シリコンによる絶縁保護層４０が堆積された後、絶縁保護層４０に開口が形成されてコンタクト部４１が設けられ（図１０（Ａ））、この上層にシリコン又は銅を添加したアルミニューム等が堆積されて配線パターン材料層４３が形成される（図１０（Ｂ））。

プリンタヘッド１９では、続いて塩素原子成分を含むエッチングガスを用いたドライエッチングにより発熱素子３９上を除く部位の余剰な配線パターン材料層４３がエッチングされる。プリンタヘッド１９では、この処理において、同時に発熱素子３９上の部位においても配線パターン材料層４３がエッチングされて除去されるものの、コンタクト部４１の作成に供する、発熱素子３９上に事前に形成された絶縁保護層４０が、このドライエッチングから発熱素子３９を保護するマスクとして利用され、発熱素子３９へのダメージが防止される（図１０（Ｃ））。これによりプリンタヘッド１９では、エッチングガスによる発熱素子３９へのダメージを防止して配線パターン４４が精度良く作成され、その後この上層に形成される絶縁保護層４５との界面でのボイドの発生が有効に回避される。

プリンタヘッド１９では、このようにして作成された配線パターン４４がコンタクト部４１を介して発熱素子３９に接続され、さらに絶縁保護層４５、金属保護層４６が順次形成される（図１０（Ｄ））。

しかしてプリンタヘッド１９では、２層目の配線パターン４４に係る金属配線層の膜厚が６００〔ｎｍ〕により作成され、これにより金属配線層自体の脆弱化を防止し得、金属配線層等による寄生抵抗が図１４について上述した寄生抵抗に比して約２／３程度低減することができるようになされている。

またこのような配線パターン４４のドライエッチングにおいては、ドライエッチング工程により発熱素子３９上の配線パターン材料層４３を同時に除去することにより、従来に比して工程数を削減することができ、これによりプリンタヘッド１９の製造に要する時間を短縮することができる。

またこのような配線パターン４４のドライエッチングにおいては、配線パターン材料層４３の膜厚に対するエッチング時間に対して１．２倍程度の時間をエッチング時間に設定してオーバーエッチングし、これにより余剰な配線パターン材料層４３を確実に除去することができ、このような配線パターン材料層４３が取り残されてなることによる配線パターン間のショートを十分に防止することができ、その分信頼性を確保することができる。

なお発熱素子３９を保護する絶縁保護層４０、４５及び金属保護層４６においては、全体として膜厚７００〔ｎｍ〕以下で作成され、これによりプリンタヘッド１９では、定格による駆動電力で発熱素子３９を駆動する場合に、十分な余裕を持ってノズル２３よりインクを安定に吐出することができる。

（３）実施例の効果
以上の構成によれば、ドライエッチングを用いたパターニングにより配線パターンを形成し、該配線パターンを絶縁保護層に設けられた開口によるコンタクト部を介して発熱素子に接続することにより、配線パターンに係る金属配線層の膜厚を十分に確保してこの金属配線層による寄生抵抗を低減することができる。

具体的にこの配線パターンに係る金属配線層の膜厚が、４００〔ｎｍ〕以上により形成されることにより、金属配線層自体の脆弱化を防止することができ、金属配線層の抵抗値の上昇を防止することができる。

この実施例においては、発熱素子上にエッチング保護層を形成し、この上層に実施例１で上述したコンタクト部を形成する。なおこの実施例においては、エッチング保護層に関連する作成工程が異なる点を除いて、実施例１に係るプリンタヘッドと同一に構成されることにより、対応する符号を付して示し、重複した説明は省略する。

すなわち図１１（Ａ）に示すように、プリンタヘッド５９は、シリコン基板３１上に発熱素子３９が作成された後、膜厚１０〜５０〔ｎｍ〕によるエッチング保護層６０が成膜される。ここでエッチング保護層６０は、配線パターン４４のドライエッチングから発熱素子３９を保護する保護層であり、配線パターン４４のパターニングに供するエッチングガスによりエッチング困難な材料により形成される。具体的にこの場合、エッチング保護層６０には、窒化酸化チタン又はタングステンが適用される。

すなわちタングステンの塩化物においては、蒸気圧が高いことにより、塩素原子成分を含むエッチングガスを用いたドライエッチングは、タングステンについてはエッチングし難い。また窒化酸化チタンにおいても、塩素原子成分を含むエッチングガスによるエッチングレートが比較的遅いことにより、塩素原子成分を含むエッチングガスを用いたドライエッチングは、窒化酸化チタンについてはエッチングし難い。これによりプリンタヘッド５９では、コンタクト部４１の作成に供する絶縁保護層４０がエッチングされる場合でも、エッチング保護層６０が露出され、このエッチング保護層６０が発熱素子３９の保護層として機能し、配線パターン４４のドライエッチングから発熱素子３９を保護することができるようになされている。

具体的にプリンタヘッド５９は、エッチング保護層６０の上層に絶縁保護層４０が堆積され、この絶縁保護層４０に開口を形成してコンタクト部４１が作成される。続いて図１１（Ｂ）に示すように、配線パターン材料層４３が成膜され、さらに図１１（Ｃ）に示すように、塩素原子成分を含むエッチングガスを用いたドライエッチングによりこの成膜した配線パターン材料層４３が選択的にエッチング処理され、これにより配線パターン４４がパターニングされる。

プリンタヘッド５９は、このドライエッチング工程において、同時に発熱素子３９上の配線パターン材料層４３が除去され、またコンタクト部４１の作成に供する絶縁保護層４０がエッチングされて除去され、これにより下層のエッチング保護層６０が露出される。これによりプリンタヘッド５９では、このエッチング保護層６０が発熱素子３９のマスクとして機能し、ドライエッチングによる発熱素子３９へのダメージを防止することができる。

プリンタヘッド５９は、続いて図１１（Ｄ）に示すように、絶縁保護層４５、金属保護層４６が順次形成され、さらに続いてノズル２３、インク液室５２、このインク液室５２にインクを導くインク流路２１等が順次形成されて作成される。

これによりこの実施例のように、エッチング保護層を発熱素子上に別途作成するようにしても、実施例１と同様の効果を得ることができる。すなわちこのエッチング保護層が、配線パターンのパターニングに供するエッチングガスによりエッチング困難な材料であることにより、コンタクト部の作成に供する絶縁保護層が配線パターンのドライエッチングにより除去される場合であっても、ドライエッチングから発熱素子を確実に保護することができる。

なお上述の実施例においては、窒化シリコンにより絶縁保護層を形成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、これに代えて酸化シリコンにより絶縁保護層を形成する場合等に広く適用することができる。また上述した構成に係るプリンタヘッドにあっては、コンタクト部の作成に供する絶縁保護層と配線パターンの作成後に形成する絶縁保護層とを異なる材料により形成するようにしても良い。

また上述の実施例においては、シリコン又は銅を添加したアルミニュームにより金属配線層を形成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、アルミニューム、銅及びタングステン等により金属配線層を形成する場合等に広く適用することができる。

また上述の実施例においては、本発明をプリンタヘッドに適用してインク液滴を飛び出させる場合について述べたが、本発明はこれに限らず、インク液滴に代えて液滴が各種染料の液滴、保護層形成用の液滴等である液体吐出ヘッド、さらには液滴が試薬等であるマイクロディスペンサー、各種測定装置、各種試験装置、液滴がエッチングより部材を保護する薬剤である各種のパターン描画装置等に広く適用することができる。

本発明は、液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び液体吐出ヘッドの製造方法に関し、例えばサーマル方式によるインクジェットプリンタに適用することができる。

本発明の実施例１に係るプリンタに適用されるプリンタヘッドを示す断面図である。 本発明の実施例１に係るプリンタを示す斜視図である。 図２のプリンタヘッドにおけるヘッドチップの配列構成を示す平面図である。 図１のプリンタヘッドの作成工程の説明に供する断面図である。 図４の続きを示す断面図である。 図５の続きを示す断面図である。 図６の続きを示す断面図である。 図７の続きを示す断面図である。 図１のプリンタヘッドにおけるインク吐出速度の説明に供する特性曲線図である。 配線パターンの作成の説明に供する断面図である。 本発明の実施例２に係るプリンタに適用されるプリンタヘッドの作成工程の説明に供する断面図である。 従来のプリンタヘッドの作成の説明に供する断面図である。 図１２のプリンタヘッドにおける配線パターンのパターニングの説明に供する断面図である。 配線パターンのパターニングによる他の例を示す断面図である。

符号の説明

１、１９、５９……プリンタヘッド、２、３１……基板、３、３９……発熱素子、５、３７、４４……配線パターン、７、４０、４５……絶縁保護層、８、４６……金属保護層、１１……プリンタ、４１……コンタクト部、６０……エッチング保護層

Claims (4)

1. 液室に保持した液体を加熱する発熱素子と、
   前記発熱素子を駆動する半導体素子とが所定の基板上に一体に保持されて、前記発熱素子の駆動により所定のノズルより前記液体の液滴を飛び出させる液体吐出ヘッドにおいて、
   前記発熱素子の前記液室側に、前記発熱素子を前記液体より保護する絶縁保護層、前記発熱素子に前記半導体素子を接続する金属配線層が順次配置され、
   前記金属配線層は、
   前記絶縁保護層に設けられた開口によるコンタクト部を介して前記発熱素子に接続され、
   エッチングガスによるドライエッチングによりパターニングして形成された
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記金属配線層の膜厚が、
   ４００〔ｎｍ〕以上に設定された
   ことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 液体吐出ヘッドに設けられた発熱素子の駆動により液滴を飛び出させる液体吐出装置において、
   前記液体吐出ヘッドが、
   液室に保持した液体を加熱する前記発熱素子と、
   前記発熱素子を駆動する半導体素子とが所定の基板上に一体に保持され、
   前記発熱素子の前記液室側に、前記発熱素子を前記液体より保護する絶縁保護層、前記発熱素子に前記半導体素子を接続する金属配線層が順次配置され、
   前記金属配線層は、
   前記絶縁保護層に設けられた開口によるコンタクト部を介して前記発熱素子に接続され、
   エッチングガスによるドライエッチングによりパターニングして形成された
   ことを特徴とする液体吐出装置。
4. 液室に保持した液体を加熱する発熱素子と、
   前記発熱素子を駆動する半導体素子とが所定の基板上に一体に保持されて、前記発熱素子の駆動により所定のノズルより前記液体の液滴を飛び出させる液体吐出ヘッドの製造方法において、
   前記発熱素子の前記液室側に、前記発熱素子を前記液体より保護する絶縁保護層、前記発熱素子に前記半導体素子を接続する金属配線層を順次配置し、
   前記金属配線層を、
   前記絶縁保護層に設けた開口によるコンタクト部を介して前記発熱素子に接続し、
   エッチングガスによるドライエッチングによりパターニングして形成する
   ことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
   

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