JP2000343707A - 微小電気機械装置および液体吐出ヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

微小電気機械装置および液体吐出ヘッドおよびその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構成で大型化することなく、配線の電
気的損失を低減する。 【解決手段】 基板301に蓄熱層302と層間膜30
3が積層され、抵抗層304と配線305とがパターニ
ングされている。層間膜303と抵抗層303との間隙
には配線210が形成されている。層間膜303にはス
ルーホール211が、保護膜306にはスルーホール2
01が形成されている。さらに、間隙を形成するための
金属層71aを介して、片持ち梁状の可動部材6が設け
られている。配線305は、スルーホール211および
抵抗層304を介して配線210と接続され、この配線
210はスルーホール201および抵抗層304を介し
て間隙を形成するための金属層71aと接続されてい
る。そして、間隙を形成するための金属層71aから、
外部回路や天板との電気的接続がとられている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明が属する技術分野】本発明は、微小電気機械装
置、特に液体吐出ヘッドに関する。
【0002】
【従来の技術】従来インクジェットプリンター等に用い
られる、微小電気機械装置の一例である液体吐出ヘッド
は、発熱体により流路内の液体を加熱して発泡させ、発
泡時の圧力により液体を吐出口から吐出させるものであ
る。発熱体は素子基板上に配設されており、駆動電圧は
素子基板上の配線を介して発熱体に供給される。
【0003】この液体吐出ヘッドにおいて、発泡時の気
泡の大部分を吐出口側に導いて、吐出効率を向上させる
ために、流路内に一端支持の片持ち梁状の可動部材を配
設した構成がある。この可動部材は、素子基板上に一端
(支持固定部)が固定され、他端(可動部)が流路内に
延びることにより、素子基板上にある間隔をおいて保持
され、かつ流路内で発泡圧力等により変位可能に構成さ
れている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】前記従来例では、素子
基板上に配線が形成されているが、その配線はごく薄く
抵抗値が大きいものである。この素子基板から外部の駆
動回路等に接続されているが、配線の抵抗値が大きいた
め電気的な損失が大きい。また、抵抗値を少しでも小さ
くするために、配線を平面的に幅広の形状とすることが
好ましく、それに伴って、液体吐出ヘッドの大型化を招
いている。
【0005】そこで本発明の目的は、構成を複雑にした
り装置を大型化することなく、配線の電気的損失を低減
可能な微小電気機械装置および液体吐出ヘッドおよびそ
の製造方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、支持固
定部と可動部とを有する可動部材と、可動部材を有する
基板とを備え、可動部材が基板から所定の間隔を隔てた
状態に支持されている微小電気機械装置であって、可動
部の所定の間隔を設けるための金属層が、可動部材の支
持固定部で被覆され残っており配線層として用いられて
いることを特徴とする。
【0007】なお、配線層は、基板上に設けられた複数
の配線と電気的に接続されている。また、本発明の他の
特徴は、素子基板と、素子基板に積層される天板と、素
子基板と流路との間に形成される流路と、支持固定部と
可動部とを有し可動部が流路内に位置する可動部材とを
備え、可動部が素子基板から所定の間隔を隔てた状態に
支持されている液体吐出ヘッドであって、可動部材の所
定の間隔を設けるための金属層が、可動部材の支持固定
部で被覆され残っており配線層として用いられていると
ころにある。
【0008】素子基板上に流路に対応して液体吐出用の
発熱体が設けられており、配線層が、配線を介して発熱
体と電気的に接続されていてもよい。
【0009】このような構成によると、十分に厚い間隙
を形成するための金属層の少なくとも一部が配線として
利用されるため、電気的抵抗値を小さくすることができ
る。また、本発明の他の特徴は、素子基板と、素子基板
に積層される天板と、素子基板と流路との間に形成され
る流路とを有する液体吐出ヘッドの製造方法において、
素子基板上に間隙形成するための金属層を形成する工程
と、金属層上に可動部材となる薄膜層を形成する工程
と、金属層のうち、可動部材の支持固定部の下方に当た
る位置は残留させつつ、可動部材の可動部の下方に当た
る位置を除去する工程とを含み、金属層の残留部分のう
ちの少なくとも一部を、素子基板上の配線と電気的に接
続される配線層とするところにある。
【0010】薄膜層がSiNからなり、金属層がAlま
たはAl合金からなってもよい。
【0011】なお、本発明の説明で用いる「上流」「下
流」とは、液体の供給源から気泡発生領域(または可動
部材)を経て、吐出口へ向かう液体の流れ方向に関し
て、またはこの構成上の方向に関しての表現として用い
られる。
【0012】
【発明の実施の形態】次に、本発明に適用可能な一実施
形態として、液体を吐出する複数の吐出口と、互いに接
合されることでそれぞれ吐出口と連通する複数の液流路
を構成するための第1の基板および第2の基板と、電気
エネルギーを液流路内の液体の吐出エネルギーに変換す
るために各液流路内に配された複数のエネルギー変換素
子と、エネルギー変換素子の駆動条件を制御するため
の、機能が異なる複数の素子あるいは電気回路とを有
し、上記素子あるいは電気回路がその機能に応じて第1
の基板と第2の基板とに振り分けられている液体吐出ヘ
ッドの説明を行う。
【0013】図1は、本発明の一実施形態である液体吐
出ヘッドの液流路方向に沿った先端部を概略的に示す断
面図である。
【0014】図1に示すように、この液体吐出ヘッド
は、液体に気泡を発生させるための熱エネルギーを与え
る複数個(図1では1つのみ示す)の発熱体2が並列に
設けられた素子基板1と、この素子基板1上に接合され
た天板3と、素子基板1および天板3の前端面に接合さ
れたオリフィスプレート4と、素子基板1と天板3とで
構成される液流路7内に設置された可動部材6とを有す
る。
【0015】素子基板1は、シリコン等の基板上に絶縁
および蓄熱を目的としたシリコン酸化膜または窒化シリ
コン膜を成膜し、その上に、発熱体2を構成する電気抵
抗層および配線をパターニングしたものである。この配
線から電気抵抗層に電圧を印加し、電気抵抗層に電流を
流すことで発熱体2が発熱する。
【0016】天板3は、各発熱体2に対応した複数の液
流路7および各液流路7に液体を供給するための共通液
室8を構成するためのもので、天井部分から各発熱体2
の間に延びる流路側壁9が一体的に設けられている。天
板3はシリコン系の材料で構成され、液流路7および共
通液室9のパターンをエッチングで形成したり、シリコ
ン基板上にCVD等の公知の成膜方法により窒化シリコ
ン、酸化シリコンなど、流路側壁9となる材料を堆積し
た後、液流路7の部分をエッチングして形成することが
できる。
【0017】オリフィスプレート4には、各液流路7に
対応しそれぞれ液流路7を介して共通液室8に連通する
複数の吐出口5が形成されている。オリフィスプレート
4もシリコン系の材料からなるものであり、例えば、吐
出口5を形成したシリコン基板を10〜150μm程度
の厚さに削ることにより形成される。なお、オリフィス
プレート4は本発明には必ずしも必要な構成ではなく、
オリフィスプレート4を設ける代わりに、天板3に液流
路7を形成する際に天板3の先端面にオリフィスプレー
ト4の厚さ相当の壁を残し、この部分に吐出口5を形成
することで、吐出口付きの天板とすることもできる。
【0018】可動部材6は、液流路7を吐出口5に連通
した第1の液流路7aと、発熱体2を有する第2の液流
路7bとに分けるように、発熱体2に対面して配置され
た片持梁状の薄膜であり、窒化シリコンや酸化シリコン
などのシリコン系の材料で形成される。
【0019】この可動部材6は、液体の吐出動作によっ
て共通液室8から可動部材6を経て吐出口5側へ流れる
大きな流れの上流側に支持固定部6cを持ち、この支持
固定部6cに対して下流側に可動部6bを持つように、
発熱体2に面した位置に発熱体2を覆うような状態で発
熱体2から所定の距離を隔てて配されている。この発熱
体2と可動部材6との間が気泡発生領域10となる。
【0020】上記構成に基づき、発熱体2を発熱させる
と、可動部材6と発熱体2との間の気泡発生領域10の
液体に熱が作用し、これにより発熱体2上に膜沸騰現象
に基づく気泡が発生し、成長する。この気泡の成長に伴
う圧力は可動部材6に優先的に作用し、可動部材6は図
1に破線で示されるように、支点6aを中心に吐出口5
側に大きく開くように変位する。可動部材6の変位もし
くは変位した状態によって、気泡の発生に基づく圧力の
伝搬や気泡自身の成長が吐出口5側に導かれ、吐出口5
から液体が吐出する。
【0021】つまり、気泡発生領域10上に、液流路7
内の液体の流れの上流側(共通液室8側)に支点6aを
持ち下流側(吐出口5側)に可動部6bを持つ可動部材
6を設けることによって、気泡の圧力伝搬方向が下流側
へ導かれ、気泡の圧力が直接的に効率よく吐出に寄与す
ることになる。そして、気泡の成長方向自体も圧力伝搬
方向と同様に下流方向に導かれ、上流より下流で大きく
成長する。このように、気泡の成長方向自体を可動部材
によって制御し、気泡の圧力伝搬方向を制御すること
で、吐出効率や吐出力または吐出速度等の根本的な吐出
特性を向上させることができる。
【0022】一方、気泡が消泡工程に入ると、気泡は急
速に消泡し、可動部材6も最終的には図1に実線で示し
た初期位置に復帰する。このとき、気泡発生領域10で
の気泡の収縮体積を補うため、また、吐出された液体の
体積分を補うために、上流側すなわち共通液室8側から
液体が流れ込み、液流路7への液体の充填(リフィル)
が行われるが、この液体のリフィルは、可動部材6の復
帰作用に伴って効率よく合理的かつ安定して行われる。
【0023】また、本実施形態の液体吐出ヘッドは、発
熱体2を駆動したりその駆動を制御するための回路や素
子を有する。これら回路や素子は、その機能に応じて素
子基板1または天板3に分担して配置されている。ま
た、これら回路や素子は、素子基板1および天板3がシ
リコン材料で構成されていることから、半導体ウェハプ
ロセス技術を用いて容易かつ微細に形成することができ
る。
【0024】以下に、半導体ウェハプロセス技術を用い
て形成された素子基板1の構造について説明する。
【0025】図2は、図1に示す液体吐出ヘッドに用い
られる素子基板の発熱体周辺の断面図である。図2に示
すように、本実施形態の液体吐出ヘッドに用いられる素
子基板1では、シリコン(またはセラミック)からなる
基板301の表面に、蓄熱層としての熱酸化膜(例えば
0.5〜5μm程度の厚さのSiO2層)302および、
蓄熱層を兼ねる層間膜303がこの順番で積層されてい
る。層間膜303としては、SiO2膜またはSi34
膜が用いられている。層間膜303の表面に部分的に抵
抗層(例えば1000Å程度の厚さのTaN層)304
が形成され、抵抗層304の表面に部分的に配線305
が形成されている。配線305としては、5000Å程
度の厚さのAlまたは、Al−Si,Al−Cuなどの
Al合金配線が用いられている。配線305はフォトリ
ソグラフィ法とウェットエッチング法により、抵抗層3
04はフォトリソグラフィ法とドライエッチング法によ
り、それぞれパターニングされている。この配線30
5、抵抗層304および層間膜303の表面に、SiO
2膜またはSi34膜から成る1μm程度の厚さの保護膜
306が形成されている。保護膜306の表面の、抵抗
層304に対応する部分およびその周囲には、抵抗層3
04の発熱に伴う化学的および物理的な衝撃から保護膜
306を守るための耐キャビテーション膜(例えば20
00Å程度の厚さのSiN層)307が形成されてい
る。抵抗層304表面の、配線305が形成されていな
い領域は、抵抗層304の熱が作用する部分となる熱作
用部(発熱体)308である。
【0026】この素子基板1上の膜は半導体の製造技術
によりシリコン基板301の表面に順に形成され、シリ
コン基板301に熱作用部308が備えられている。
【0027】図3はこの素子基板の可動部材の支持固定
部周辺を特に詳細に示した断面図、図4はその概略平面
図である。前記した通り、基板301に、蓄熱層30
2、層間膜303が積層され、抵抗層304と配線30
5とがそれぞれパターニングされている。また、層間膜
303と抵抗層303との間隙には部分的に配線210
が形成されている。さらに、保護膜306、耐キャビテ
ーション膜307が積層されている。そして、層間膜3
03の一部にはスルーホール211が形成され、保護膜
306にも、ドライエッチングなどによって、スルーホ
ール201が形成されている。
【0028】次に、スパッタリング法によって、間隙を
形成するための金属層(例えば5μm程度の厚さのAl
層)71と、電極パッド部の保護層(例えば3000Å
程度の厚さのTiW層)202とが形成されている。間
隙を形成するための金属層71の厚さは、後述する可動
部材6と下地の抵抗層304との間のギャップ寸法とな
る。
【0029】このような構成により、本実施例では、配
線305が、スルーホール211および抵抗層304を
介して配線210に電気的に接続され、さらに、間隙を
形成するための金属層71が、スルーホール201およ
び抵抗層304を介して、配線305に電気的に接続さ
れている。
【0030】続いて、可動部材6となるSiNの薄膜層
72が、CVD法によって5μmの厚さに積層形成され
ている。さらに、その後、フォトリソグラフィ法とドラ
イエッチング法によって、SiNの薄膜層72をパター
ニングし、可動部6bと支持固定部6cとを有する可動
部材6が形成されている。同時に、本発明では前述した
ように間隙を形成するための金属層71を配線として使
用するため、その保護膜としても、薄膜層72の一部を
残している。
【0031】次に、ウェットエッチングによって、間隙
を形成するための金属層71の、可動部材6(薄膜層7
2の残留部分)の可動部6bの下方に位置する部分やそ
の他の不要部を除去している。そして、間隙を形成する
ための金属層71の、可動部材6b(薄膜層72の残留
部分)の支持固定部6cの下方に位置する部分を残留さ
せている。この部分を間隙を形成するための金属層71
aとする。こうして、支持固定部が間隙を形成するため
の金属層71aに固定された一端支持の片持ち梁状の可
動部材6が形成される。最後に、TiWからなる保護層
202が、H22全面エッチングによって除去され、フ
ォトリソグラフィ法によって電極パッド部分のパターニ
ングが行われて、素子基板が完成する。
【0032】このようにして形成した間隙を形成するた
めの金属層71aを配線層として利用すると、従来の配
線の約5〜10倍の厚さであるので、配線のトータルの
抵抗値が約1/2〜1/5倍に低減される。
【0033】図5は、図2に示す素子基板1の主要素子
を縦断するように素子基板1を切断した模式的断面図で
ある。
【0034】図5に示すように、P導電体であるシリコ
ン基板301の表層にはN型ウェル領域422およびP
型ウェル領域423が部分的に備えられている。そし
て、一般的なMosプロセスを用いてイオンプラテーシ
ョンなどの不純物導入および拡散によって、N型ウェル
領域422にP−Mos420が、P型ウェル領域42
3にN−Mos421が備えられている。P−Mos4
20は、N型ウェル領域422の表層に部分的にN型あ
るいはP型の不純物を導入してなるソース領域425お
よびドレイン領域426や、N型ウェル領域422の、
ソース領域425およびドレイン領域426を除く部分
の表面に厚さ数百Åのゲート絶縁膜428を介して堆積
されたゲート配線435などから構成されている。ま
た、N−Mos421は、P型ウェル領域423の表層
に部分的にN型あるいはP型の不純物を導入してなるソ
ース領域425およびドレイン領域426や、P型ウェ
ル領域423の、ソース領域425およびドレイン領域
426を除く部分の表面に厚さ数百Åのゲート絶縁膜4
28を介して堆積されたゲート配線435などから構成
されている。ゲート配線435は、CVD法により堆積
した厚さ4000Å〜5000Åのポリシリコンから成
るものである。これらのP−Mos420およびN−M
os421からC−Mosロジックが構成されている。
【0035】P型ウェル領域423の、N−Mos42
1と異なる部分には、電気熱変換素子駆動用のN−Mo
sトランジスタ430が備えられている。N−Mosト
ランジスタ430も、不純物導入および拡散などの工程
によりP型ウェル領域423の表層に部分的に備えられ
たソース領域432およびドレイン領域431や、P型
ウェル領域423の、ソース領域432およびドレイン
領域431を除く部分の表面にゲート絶縁膜428を介
して堆積されたゲート配線433などから構成されてい
る。
【0036】本実施形態では、電気熱変換素子駆動用の
トランジスタとしてN−Mosトランジスタ430を用
いたが、複数の電気熱変換素子を個別に駆動できる能力
を持ち、かつ、上述したような微細な構造を得ることが
できるトランジスタであれば、このトランジスタに限ら
れない。
【0037】P−Mos420とN−Mos421との
間や、N−Mos421とN−Mosトランジスタ43
0との間などの各素子間には、5000Å〜10000
Åの厚さのフィールド酸化により酸化膜分離領域424
が形成されており、その酸化膜分離領域424によって
各素子が分離されている。酸化膜分離領域424の、熱
作用部308に対応する部分は、シリコン基板301の
表面側から見て一層目の蓄熱層434としての役割を果
たす。
【0038】P−Mos420、N−Mos421およ
びN−Mosトランジスタ430の各素子の表面には、
厚さ約7000ÅのPSG膜またはBPSG膜などから
成る層間絶縁膜436がCVD法により形成されてい
る。熱処理により層間絶縁膜436を平坦化した後に、
層間絶縁膜436およびゲート絶縁膜428を貫通する
コンタクトホールを介して第1の配線となるAl電極4
37により配線が行われている。層間絶縁膜436およ
びAl電極437の表面には、厚さ10000Å〜15
000ÅのSiO2膜から成る層間絶縁膜438がプラ
ズマCVD法により形成されている。層間絶縁膜438
の表面の、熱作用部308およびN−Mosトランジス
タ430に対応する部分には、厚さ約1000ÅのTa
0.8,hex膜から成る抵抗層304がDCスパッタ法に
より形成されている。抵抗層304は、層間絶縁膜43
8に形成されたスルーホールを介してドレイン領域43
1の近傍のAl電極437と電気的に接続されている。
抵抗層304の表面には、各電気熱変換素子への配線と
なる第2の配線としての、Alの配線305が形成され
ている。なお、前記した配線210がAl電極437と
同じものであってもよい。 配線305、抵抗層304
および層間絶縁膜438の表面の保護膜306は、プラ
ズマCVD法により形成された厚さ10000ÅのSi
34膜から成るものである。保護膜306の表面に形成
された耐キャビテーション膜307は、厚さ約2500
ÅのTaなどの膜から成るものである。
【0039】次に、フォトリソグラフィプロセスを利用
した、素子基板への可動部材の製造方法について説明す
る。
【0040】図6は、図1に基づいて説明した液体吐出
ヘッドへの可動部材6の製造方法の一例を説明するため
の図であり、図6では、図1に示した液流路7の流路方
向に沿った断面が示されている。図6に基づいて説明す
る製造方法では、素子基板1上に可動部材6を形成して
なるものと、天板に流路側壁を形成してなるものとを接
合することで、図1に示した構成の液体吐出ヘッドを製
造する。従って、この製造方法では、可動部材6が作り
込まれた素子基板1に天板を接合する前に、天板に流路
側壁が作り込まれる。
【0041】まず、図6(a)では、素子基板1の発熱
体2側の面全体に、発熱体2との電気的な接続を行うた
めの接続用パッド部分を保護するための第1の保護層と
してのTiW膜76をスパッタリング法によって厚さ約
5000Å形成する。
【0042】次に、図6(b)では、TiW膜76の表
面に、間隙を形成するための金属層71aを形成するた
めの間隙を形成するための金属層(Al膜)71をスパ
ッタリング法によって厚さ約4μm形成する。間隙を形
成するための金属層71は、後述する図6(d)の工程
において、薄膜層(SiN膜)72aがエッチングされ
る領域までに延在されている。
【0043】間隙を形成するための金属層71は、素子
基板1と可動部材6との間の間隙を形成するための、A
l膜である。間隙を形成するための金属層71は、図1
に示した発熱体2と可動部材6との間の気泡発生領域1
0に対応する位置を含む、TiW膜76の表面の全面に
形成されている。従って、この製造方法では、TiW膜
76の表面の、流路側壁に対応する部分にまで間隙を形
成するための金属層71が形成されている。
【0044】この間隙を形成するための金属層71は、
後述するようにドライエッチングにより可動部材6を形
成する際のエッチングストップ層として機能する。これ
は、TiW膜76や、素子基板1における耐キャビテー
ション膜としてのTa膜、および抵抗体上の保護層とし
てのSiN膜が、液流路7を形成するために使用するエ
ッチングガスによりエッチングされてしまうからであ
り、それらの層や膜のエッチングを防止するために、こ
のような間隙を形成するための金属層71を素子基板1
上に形成する。これにより、可動部材6を形成するため
にSiN膜のドライエッチングを行う際にTiW膜76
の表面が露出することがなく、そのドライエッチングに
よるTiW膜76および、素子基板1内の機能素子の損
傷が間隙を形成するための金属層71によって防止され
る。
【0045】次に、図6(c)では、間隙を形成するた
めの金属層71の表面全体および、TiW膜76の、露
出した面全体に、プラズマCVD法を用いて、可動部材
6を形成するための材料膜である厚さ約4.5μmのS
iN膜(薄膜層)72aを、間隙を形成するための金属
層71を被覆するように形成する。ここで、プラズマC
VD装置を用いてSiN膜72aを形成する際には、図
7を参照して次に説明するように、素子基板1を構成す
るシリコン基板などを介して、素子基板1に備えられた
Taからなる耐キャビテーション膜を接地する。これに
より、プラズマCVD装置の反応室内でのプラズマ放電
により分解されたイオン種およびラジカルの電荷に対し
て素子基板1内の発熱体2やラッチ回路などの機能素子
を保護することができる。
【0046】図7に示すように、SiN膜72aを形成
するためのプラズマCVD装置の反応室83a内には、
所定の距離をおいて互いに対向するRF電極82aおよ
びステージ85aが備えられている。RF電極82aに
は、反応室83aの外部のRF電源81aによって電圧
が印加される。一方、ステージ85aのRF電極82a
側の面上には素子基板1が取り付けられており、素子基
板1の発熱体2側の面がRF電極82aと対向してい
る。ここで、素子基板1が有する、発熱体2の面上に形
成されたTaからなる耐キャビテーション膜は、素子基
板1のシリコン基板と電気的に接続されており、間隙を
形成するための金属層71は、素子基板1のシリコン基
板、およびステージ85aを介して接地されている。
【0047】このように構成されたプラズマCVD装置
においては、前記耐キャビテーション膜が接地された状
態で供給管84aを通して反応室83a内にガスを供給
し、素子基板1とRF電極82aとの間にプラズマ46
を発生させる。反応室83a内でのプラズマ放電により
分解されたイオン種やラジカルが素子基板1上に堆積す
ることで、SiN膜72aが素子基板1上に形成され
る。その際、イオン種やラジカルにより素子基板1上に
電荷が発生するが、上述したように耐キャビテーション
膜が接地されていることにより、素子基板1内の発熱体
2やラッチ回路などの機能素子がイオン種やラジカルの
電荷によって損傷することが防止される。次に、図6
(d)では、SiN膜72aの表面に、スパッタリング
法によりAl膜を厚さ約6100Å形成した後、形成さ
れたAl膜を、周知のフォトリソグラフィプロセスを用
いてパターニングし、SiN膜72a表面の、可動部材
6に対応する部分に第2の保護層としてのAl膜(不図
示)を残す。その第2の保護層としてのAl膜は、可動
部材6を形成するためにSiN膜72aのドライエッチ
ングを行う際の保護層(エッチングストップ層)すなわ
ちマスクとなる。
【0048】そして、誘電結合プラズマを使ったエッチ
ング装置を用い、前記第2の保護層をマスクにしてSi
N膜72aをパターニングすることで、そのSiN膜7
2aの残った部分で構成される可動部材6を形成する。
そのエッチング装置ではCF 4とO2の混合ガスを用いて
おり、SiN膜72aをパターニングする工程では、図
1に示したように可動部材6の支持固定部が素子基板1
に直接固定されるようにSiN膜72aの不要な部分を
除去する。可動部材6の支持固定部と素子基板1との密
着部の構成材料には、パッド保護層の構成材料であるT
iW、および素子基板1の耐キャビテーション膜の構成
材料であるTaが含まれる。
【0049】ここで、ドライエッチング装置を用いてS
iN膜72aをエッチングする際には、図8を参照して
次に説明するように素子基板1などを介して間隙を形成
するための金属層71を接地する。これにより、ドライ
エッチングの際にCF4ガスの分解により生じるイオン
種およびラジカルの電荷が間隙を形成するための金属層
71に留まることを防止して、素子基板1の発熱体2や
ラッチ回路などの機能素子を保護することができる。ま
た、このエッチングの工程において、SiN膜72aの
不要な部分を除去することで露出する部分、すなわちエ
ッチングされる領域には、上述したように間隙を形成す
るための金属層71が形成されているため、TiW膜7
6の表面が露出することがなく、間隙を形成するための
金属層71によって素子基板1が確実に保護される。
【0050】図8に示すように、SiN膜72aをエッ
チングするためのドライエッチング装置の反応室83b
内には、所定の距離をおいて互いに対向するRF電極8
2bおよびステージ85bが備えられている。RF電極
82bには、反応室83bの外部のRF電源81bによ
って電圧が印加される。一方、ステージ85bのRF電
極82b側の面上には素子基板1が取り付けられてお
り、素子基板1の発熱体2側の面がRF電極82bと対
向している。ここで、Al膜からなる間隙を形成するた
めの金属層71は、素子基板1に備えれたTaからなる
耐キャビテーション膜と電気的に接続されており、か
つ、その耐キャビテーション膜は、前述したように素子
基板1のシリコン基板と電気的に接続されており、間隙
を形成するための金属層71は、素子基板1の耐キャビ
テーション膜やシリコン基板、およびステージ85bを
介して接地されている。
【0051】このように構成されたドライエッチング装
置において、間隙を形成するための金属層71が接地さ
れた状態で供給管84bを通して反応室83b内にCF
4とO2の混合ガスを供給し、SiN膜72aのエッチン
グを行う。その際、CF4ガスの分解により生じるイオ
ン種やラジカルによって素子基板1上に電荷が発生する
が、上述したように間隙を形成するための金属層71が
接地されていることにより、素子基板1内の発熱体2や
ラッチ回路などの機能素子がイオン種やラジカルの電荷
によって損傷することが防止される。
【0052】本実施形態では、反応室83bの内部に供
給するガスとして、CF4とO2の混合ガスを用いたが、
2が混合されていないCF4ガスまたはC26ガス、あ
るいはC26とO2の混合ガスなどを用いてもよい。
【0053】次に、図6(e)では、酢酸、りん酸およ
び硝酸の混酸を用いて、可動部材6に形成したAl膜か
らなる前記第2の保護層を溶出して除去するとともに、
Al膜からなる間隙を形成するための金属層71を部分
的に溶出して除去し、その残留部分からなる間隙を形成
するための金属層71aを形成する。こうして、間隙を
形成するための金属層71aに支持された素子基板1上
に可動部材6を作り込む。その後、過酸化水素を用い
て、素子基板1に形成したTiW膜76の、気泡発生領
域10およびパッドに対応する部分を除去する。
【0054】上述した例では、流路側壁9を天板3に形
成した場合について説明したが、フォトリソグラフィプ
ロセスを用いて、素子基板1への可動部材6の形成と同
時に、流路側壁9を素子基板1に形成することもでき
る。
【0055】以下に、素子基板1に可動部材6及び流路
側壁9を設けた場合の、可動部材6及び流路側壁の形成
工程の一例について、図9及び図10を参照して説明す
る。なお、図9及び図10は、可動部材及び流路側壁が
形成される素子基板の液流路方向と直交する方向に沿っ
た断面を示している。
【0056】まず、図9(a)では、素子基板1の発熱
体2側の面全体に、発熱体2との電気的な接続を行うた
めの接続用パッド部分を保護するための第1の保護層と
して、不図示のTiW膜をスパッタリング法によって厚
さ約5000Å形成する。この素子基板1の発熱体2側
の面に、間隙を形成するための金属層(Al膜)71を
スパッタリング法によって厚さ約4μm形成する。形成
されたAl膜を、周知のフォトリソグラフィプロセスを
用いてパターニングし、図1に示した発熱体2と可動部
材6との間に対応する位置に、素子基板1と可動部材6
との間の間隙を形成するための、Al膜からなる間隙を
形成するための金属層71を複数形成する。それぞれの
間隙を形成するための金属層71は、後述する図10
(b)の工程において、可動部材6を形成するための材
料膜であるSiN膜72がエッチングされる領域まで延
在されている。
【0057】間隙を形成するための金属層71は、後述
するようにドライエッチングにより液流路7および可動
部材6を形成する際のエッチングストップ層として機能
する。これは、素子基板1におけるパッド保護層として
のTiW層や、耐キャビテーション膜としてのTa膜、
および抵抗体上の保護層としてのSiN膜が、液流路7
を形成するために使用するエッチングガスによりエッチ
ングされてしまうからであり、これらの層や膜のエッチ
ングが間隙を形成するための金属層71により防止され
る。そのため、ドライエッチングにより液流路7を形成
する際に素子基板1の発熱体2側の面や、素子基板1上
のTiW層が露出しないように、それぞれの間隙を形成
するための金属層71における液流路7の流路方向と直
交する方向の幅は、後述する図10(b)の工程で形成
される液流路7の幅よりも広くなっている。
【0058】さらに、ドライエッチング時には、CF4
ガスの分解によりイオン種およびラジカルが発生し、素
子基板1の発熱体2や機能素子にダメージを与えること
があるが、Alからなる間隙を形成するための金属層7
1は、これらイオン種やラジカルを受け止めて素子基板
1の発熱体2や機能素子を保護するものとなっている。
次に、図9(b)では、間隙を形成するための金属層
71の表面、および素子基板1の間隙を形成するための
金属層71側の面上に、プラズマCVD法を用いて、可
動部材6を形成するための材料膜である厚さ約4.5μ
mのSiN膜(薄膜層)72を、間隙を形成するための
金属層71を被覆するように形成する。ここで、プラズ
マCVD装置を用いてSiN膜72を形成する際には、
図7を参照して説明したように、素子基板1を構成する
シリコン基板などを介して、素子基板1に備えられたT
aからなる耐キャビテーション膜を接地する。これによ
り、プラズマCVD装置の反応室内でのプラズマ放電に
より分解されたイオン種およびラジカルの電荷に対して
素子基板1内の発熱体2やラッチ回路などの機能素子を
保護することができる。
【0059】次に、図9(c)では、SiN膜72の表
面に、スパッタリング法によりAl膜を厚さ約6100
Å形成した後、形成されたAl膜を、周知のフォトリソ
グラフィプロセスを用いてパターニングし、SiN膜7
2表面の、可動部材6に対応する部分、すなわちSiN
膜72表面の可動部材形成領域に第2の保護層としての
Al膜73を残す。Al膜73は、ドライエッチングに
より液流路7を形成する際の保護層(エッチングストッ
プ層)となる。
【0060】次に、図10(a)では、SiN膜72お
よびAl膜73の表面に、流路側壁9を形成するための
SiN膜74を、マイクロ波CVD法を用いて厚さ約5
0μm形成する。ここで、マイクロ波CVD法によるS
iN膜74の成膜に使用するガスとしては、モノシラン
(SiH4)、窒素(N2)およびアルゴン(Ar)を用
いた。そのガスの組み合わせとしては、上記以外にも、
ジシラン(Si26)やアンモニア(NH3)などとの
組み合わせや、混合ガスを用いてもよい。また、周波数
が2.45[GHz]のマイクロ波のパワーを1.5[k
W]とし、ガス流量としてはモノシランを100[scc
m]、窒素を100[sccm]、アルゴンを40[sccm]
でそれぞれのガスを供給して、圧力が5[mTorr]の高
真空下でSiN膜74を形成した。また、ガスのそれ以
外の成分比でのマイクロ波プラズマCVD法や、RF電
源を使用したCVD法などでSiN膜74を形成しても
よい。
【0061】CVD法によりSiN膜74を形成する際
には、図7に基づいて前述したようなSiN膜72を形
成する方法と同様に、発熱体2の面上に形成されている
Taからなる耐キャビテーション膜を素子基板1のシリ
コン基板を介して接地する。これにより、CVD装置の
反応室内でのプラズマ放電により分解されたイオン種お
よびラジカルの電荷に対して素子基板1内の発熱体2や
ラッチ回路などの機能素子を保護することができる。
【0062】そして、SiN膜74の表面全体にAl膜
を形成した後に、形成されたAl膜を、フォトリソグラ
フィなどの周知の方法を用いてパターニングして、Si
N膜74の表面の、液流路7に対応する部分を除く部分
にAl膜75を形成する。前述したように、それぞれの
間隙を形成するための金属層71における液流路7の流
路方向と直行する方向の幅は、次の図10(b)の工程
で形成される液流路7の幅よりも広くなっているので、
Al膜75の側部が間隙を形成するための金属層71の
側部の上方に配置されている。
【0063】次に、図10(b)では、誘電結合プラズ
マを使ったエッチング装置を用いてSiN膜74および
SiN膜72をパターニングして流路側壁9および可動
部材6を同時に形成する。そのエッチング装置では、C
4とO2の混合ガスを用いて、Al膜73,25および
間隙を形成するための金属層71をエッチングストップ
層すなわちマスクとして、SiN膜74がトレンチ構造
となるようにSiN膜74およびSiN膜72のエッチ
ングを行う。このSiN膜72をパターニングする工程
では、図1に示したように可動部材6の支持固定部のみ
が間隙を形成するための金属層71に固定されるように
SiN膜72の不要な部分を除去する。
【0064】ここで、ドライエッチング装置を用いてS
iN膜72および24をエッチングする際には、図8を
参照して説明したように素子基板1などを介して間隙を
形成するための金属層71を接地する。これにより、ド
ライエッチングの際にCF4ガスの分解により生じるイ
オン種およびラジカルの電荷が間隙を形成するための金
属層71に留まることを防止して、素子基板1の発熱体
2やラッチ回路などの機能素子を保護することができ
る。また、このエッチングの工程で形成される液流路7
の幅よりも間隙を形成するための金属層71の幅の方が
広くなっているため、SiN膜74の不要な部分を除去
した際に素子基板1の発熱体2側の面が露出することが
なく、間隙を形成するための金属層71によって素子基
板1が確実に保護される。
【0065】次に、図10(c)では、酢酸、りん酸お
よび硝酸の混酸を用いてAl膜73および25を加温エ
ッチングすることで、Al膜73および75を溶出して
除去するとともに、Al膜からなる間隙を形成するため
の金属層71を部分的に溶出して除去し、その残留部分
からなる間隙を形成するための金属層71aを形成す
る。こうして、素子基板1上に可動部材6および流路側
壁9を作り込む。その後、過酸化水素を用いて、素子基
板1に形成したパッド保護層としてのTiW膜の、気泡
発生領域10およびパッドに対応する部分を除去する。
素子基板1と流路側壁9との密着部には、パッド保護層
の構成材料であるTiW、および素子基板1の耐キャビ
テーション膜の構成材料であるTaが含まれている。
【0066】以上のように、本発明によると、素子基板
から天板または外部回路に接続するための配線の少なく
とも一部として、間隙を形成するための金属層を利用し
ており、この間隙を形成するための金属層は、素子基板
上に形成する配線パターンに比べてかなり厚いので、配
線の電気的抵抗が小さい。特に素子基板1の発熱体2に
おける共通電極としてこの部材を用いた場合には、電極
降下の問題に対して有効となる。
【0067】図11は、前記第1実施形態における基板
の平面模式図である。なお、図11においては、間隙を
形成するための金属層71aを被覆する保護層について
は図示していない。
【0068】図11のように、間隙を形成するための金
属層71aは発熱体の配列方向に沿って延在する構成を
採っており、スルーホール223を介して下層の引き出
し電極222に接続されている。そして、この引き出し
電極222は電極パッド224に装置からの電気接続部
が接続されることにより電圧の印加が可能となる。この
ような構成を採ることにより、間隙を形成するための金
属層71aが液室内に設けられ、基板の天板接合面に極
端な段差を生じさせることはない。
【0069】本実施例において、厚い間隙を形成するた
めの金属層71aを配線として利用することにより、全
体の電気的抵抗が小さくなる。電気的抵抗は配線の厚さ
と面積の積に応じて決まるからである。従って、電気的
抵抗を高くすることなく、配線パターンの平面的な幅を
狭くし、このヘッドを構成するチップ全体の大きさを小
さくすることができる。すなわち、従来の液体吐出ヘッ
ドの場合、信号電圧供給用の配線領域、グランド配線領
域のいずれも、ここの配線を幅広にして電気的抵抗を低
減する必要があるため、比較的広いスペースが必要であ
る。これに対し、本実施例では、間隙を形成するための
金属層が厚いのでこの部分における電気的損失が小さ
く、その分、その他の配線部分の幅を狭くしても従来と
同等の電気抵抗値に抑えることができる。従って、信号
電圧供給用の配線領域、グランド配線領域のいずれも小
面積として、その分のスペースに他部材を配設するなど
有効に利用することができる。さらに、配線領域をコン
パクトにまとめることによりコンタクトパッドの個数を
減らすこともできる。または、液体吐出ヘッド全体を小
型化することができる。この場合、液体吐出ヘッドの製
造工程において、1枚のウェハから製造できるチップの
個数を増やすことができ、製造コストの低減が可能であ
る。
【0070】すなわち、本発明によると、チップの大き
さを保って電気的抵抗を小さくして電気的な効率向上を
図ることもでき、また、電気的抵抗を保ってチップの大
きさを小さくして装置の小型化および製造コストの低減
を図ることもできる。
【0071】次に、図12〜14を参照して、この液体
吐出ヘッドの第2の実施例について説明する。第1の実
施形態と同様の構成については、同一の符号を付与し説
明は省略する。
【0072】第1の実施形態においては、図3に示すよ
うに、配線210と配線305と間隙を形成するための
金属層71aとを利用して、素子基板1と外部部材また
は天板3等との電気的接続を行っているが、本実施例で
は、図12に示すように、一方の配線210を省略し、
配線305と間隙を形成するための金属層71aとが、
スルーホール201の部分で直接接触している。また、
この構成では、配線210が存在しないので、層間膜3
03も不要になる。なお、図3においては省略している
が、配線305はスルーホール230と抵抗層304を
介して、素子基板1上に形成されている図示しない半導
体部に接続されている。そして、この配線パターンから
図示しないトランジスタ等の駆動素子に接続されてい
る。
【0073】この電気的接続について、図13,25を
参照して説明する。図13に模式的に示されている第1
の実施例の液体吐出ヘッドの場合、各発熱体240から
トランジスタ等の駆動素子への個別の接続は配線305
によって行われ、この各配線305をまとめるために配
線210が用いられ、さらにこの図13には示されてい
ないが、配線210から外部回路や天板等に接続するた
めの配線として間隙を形成するための金属層71aが用
いられている。これに対し、本実施例では、各発熱体2
40からトランジスタ等の駆動素子への個別の接続は配
線305によって行われ、間隙を形成するための金属層
71aによってこの各配線305をまとめるとともに外
部回路や天板等に接続されている。すなわち、本実施例
では、間隙を形成するための金属層71aが、第1の実
施例の配線210の機能も兼ね備えている。
【0074】このように本実施例によると、構成が簡単
になり製造工程の簡略化および製造コストの低減が可能
である。また、配線(Al層)305の下層に抵抗層
(TaN層)が存在するため、半導体部と配線(Al
層)305の接触によるスパイクの発生が防止でき、A
lの拡散防止のためのバリア工程も削減することが出来
る。
【0075】
【発明の効果】本発明によると、基板上に形成する配線
パターンに比べて、十分に厚い間隙を形成するための金
属層を電気的接続用の配線層、特に共通電極として利用
するので、電気的抵抗を格段に小さくすることができ
る。これに伴って、電気的な効率を向上することができ
る。また、装置の小型化および製造コストの低減が図る
ことも可能である。間隙を形成するための金属層は、可
動部材を設ける装置においては従来より形成されている
部材であるので、製造工程や構成を格別複雑にするもの
ではない。また、間隙を形成するための金属層を配線と
して用いることによって、基板上に形成すべき配線パタ
ーンの数を削減し、構成を簡略化することも可能であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態である液体吐出ヘッド構造
を説明するための、液流路方向に沿った断面図である。
【図2】図1に示した液体吐出ヘッドに用いられる素子
基板の断面図である。
【図3】図1に示す液体吐出ヘッドの電気的接続を説明
するための、液流路方向に沿った断面図である。
【図4】図3に示す液体吐出ヘッドの、保護層等を省い
た概略平面図である。
【図5】図2に示した素子基板の主要素子を縦断するよ
うに素子基板を切断した模式的断面図である。
【図6】素子基板上に可動部材を形成する方法を説明す
るための図である。
【図7】プラズマCVD装置を用いて素子基板上にSi
N膜を形成する方法を説明するための図である。
【図8】ドライエッチング装置を用いてSiN膜を形成
する方法を説明するための図である。
【図9】素子基板上に可動部材及び流路側壁を形成する
方法を説明するための図である。
【図10】素子基板上に可動部材及び流路側壁を形成す
る方法を説明するための図である。
【図11】本発明の第1の実施例の液体吐出ヘッドの素
子基板上の配線領域を示す概略平面図である。
【図12】本発明の第3の実施例の液体吐出ヘッドの電
気的接続を説明するための、液流路方向に沿った断面図
である。
【図13】本発明の第1の実施例の液体吐出ヘッドの電
気的接続を説明するための概略回路図である。
【図14】本発明の第3の実施例の液体吐出ヘッドの電
気的接続を説明するための概略回路図である。
【符号の説明】
1 素子基板 2 発熱体 3 天板 5 吐出口 4 オリフィスプレート 6 可動部材 6a 支点 6b 可動部材 6c 支持固定部 7 液流路 8 共通液室 9 流路側壁 10 気泡発生領域 71 間隙を形成するための金属層(Al層) 71a 間隙を形成するための金属層 72 薄膜層(SiN層) 81a,81b RF電源 82a,82b RF電極 83a,83b 反応室 84a 供給管 85a,85b ステージ 201 スルーホール 210 配線 222 引き出し電極 223 電極パッド 230 スルーホール 240 発熱体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山中 昭弘 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 今仲 良行 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 Fターム(参考) 2C057 AF54 AF93 AG30 AG46 AG83 AG91 AK07 AP02 AP11 AP32 AP52 AP53 AQ02 AR14 BA05 BA13

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 支持固定部と可動部とを有する可動部材
    と、前記可動部材を有する基板とを備え、前記可動部材
    が前記基板から所定の間隔を隔てた状態に支持されてい
    る微小電気機械装置であって、 前記可動部の所定の間隔を設けるための金属層が、前記
    可動部材の前記支持固定部で被覆され残っており配線層
    として用いられていることを特徴とする微小電気機械装
    置。
  2. 【請求項2】 前記配線層が、前記基板上に設けられた
    複数の配線と電気的に接続されている請求項1に記載の
    微小電気機械装置。
  3. 【請求項3】 素子基板と、該素子基板に積層される天
    板と、前記素子基板と前記流路との間に形成される流路
    と、支持固定部と可動部とを有し該可動部が前記流路内
    に位置する可動部材とを備え、前記可動部材が前記素子
    基板から所定の間隔を隔てた状態に支持されている液体
    吐出ヘッドであって、 前記可動部の所定の間隔を設けるための金属層が、前記
    可動部材の前記支持固定部で被覆され残っており配線層
    として用いられていることを特徴とする液体吐出ヘッ
    ド。
  4. 【請求項4】 前記素子基板上に前記流路に対応して液
    体吐出用の発熱体が設けられており、前記配線層が、前
    記配線を介して前記発熱体と電気的に接続されている請
    求項3に記載の液体吐出ヘッド。
  5. 【請求項5】 素子基板と、該素子基板に積層される天
    板と、前記素子基板と前記流路との間に形成される流路
    とを有する液体吐出ヘッドの製造方法において、 前記素子基板上に間隙形成するための金属層を形成する
    工程と、前記金属層上に可動部材となる薄膜層を形成す
    る工程と、前記金属層のうち、前記可動部材の支持固定
    部の下方に当たる位置は残留させつつ、前記可動部材の
    可動部の下方に当たる位置を除去する工程とを含み、 前記金属層の残留部分のうちの少なくとも一部を、前記
    素子基板上の配線パターンと電気的に接続される配線層
    とすることを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
  6. 【請求項6】 前記薄膜層がSiNからなり、前記金属
    層がAlまたはAl合金からなる請求項5に記載の液体
    吐出ヘッド。
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