JP2004017567A

JP2004017567A - Liquid jet head, liquid jet device, and method of manufacturing the liquid jet head

Info

Publication number: JP2004017567A
Application number: JP2002178343A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Miyamoto; 宮本　孝章; Shogo Ono; 小野　章吾; Minoru Kono; 河野　稔; Osamu Tateishi; 立石　修
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-06-19
Filing date: 2002-06-19
Publication date: 2004-01-22

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently avoid a deterioration in reliability by preventing damage of a protection layer in a liquid jet head, a liquid jet device and a method of manufacturing the liquid jet head, particularly in an inkjet type printer. <P>SOLUTION: A cavitation resistance layer is formed in a grain boundary of tantalum by using an alloy of tantalum including aluminum and aluminum. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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、特にインクジェット方式によるプリンタに適用することができる。本発明は、タンタルの結晶粒界にアルミニュームを有するタンタルとアルミニュームとの合金により耐キャビテーション層を形成することにより、保護層の損傷を防止して、信頼性の劣化を有効に回避することができるようにする。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
すなわちこのサーマル方式によるプリンタは、いわゆるプリンタヘッドを用いて構成され、このプリンタヘッドは、インクを加熱する発熱素子、発熱素子を駆動するロジック集積回路による駆動回路等が半導体基板上に搭載される。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。
【０００６】
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を接続し、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。
【０００７】
またサーマル方式によるプリンタにおいては、発熱素子による加熱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。これにより発砲、消砲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。
【０００８】
このためプリンタヘッドは、タンタル、窒化タンタル、タンタルアルミ等により発熱素子が形成され、この発熱素子上に窒化シリコン、炭化シリコン等による保護層が形成され、この保護層により耐熱性、絶縁性が向上され、また発熱素子とインクとの直接の接触を防止するようになされている。またこの保護層の上層に、キャビテーションによる機械的な衝撃を緩和する耐キャビティーション層が形成される。ここで耐キャビティーション層は、インクによる腐食に対する耐久性に優れ、かつ耐熱性にも優れているタンタル等により形成されるようになされている。
【０００９】
すなわち図９は、この種のプリンタヘッドにおける発熱素子近傍の構成を示す断面図である。プリンタヘッド１は、半導体素子が作成されてなる半導体基板２上に絶縁層（ＳｉＯ_２　）等が積層された後、タンタル等により発熱素子３が形成される。さらに窒化シリコン（Ｓｉ_３　Ｎ_４　）による保護層４が積層された後、アルミニューム等により配線パターン（ＡＩ配線）５が形成される。プリンタヘッド１は、この配線パターンにより半導体基板２上に形成されてなる半導体等に発熱素子３が接続され、さらに窒化シリコン（Ｓｉ_３　Ｎ_４　）による保護層６が積層され、この上層に、タンタルによる耐キャビテーション層７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作成される。
【００１０】
プリンタヘッド１は、このようにして作成されたインク流路によりインク液室にインクが導かれた後、半導体素子の駆動により発熱素子３が発熱し、インク液室のインクを局所的に加熱する。プリンタヘッド１は、この加熱により、このインク液室に気泡を発生してインク液室の圧力を増大させ、ノズルよりインクを押し出して印刷対象に飛翔させるようになされている。
【００１１】
このような構成に係るプリンタヘッド１においては、保護層６と耐キャビテーション層７の厚さを厚くすると、インクを吐出するための熱エネルギーが増大し、これにより消費電力が増大する。このため、プリンタヘッド１においては、少ない消費電力により発熱素子を駆動してインク液滴を安定に飛び出させる厚さに保護層６と耐キャビテーション層７の厚さが設定されるようになされている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところでこのプリンタヘッド１においては、タンタルによる耐キャビテーション層７が１．３×１０^１０〜２．０×１０^１０〔ｄｙｎｓ／ｃｍ^２　〕の高い圧縮応力を有することにより、発熱素子３を駆動する毎に耐キャビテーション層７の下層である保護層６に強い圧縮応力が加わり、ついには保護層６を損傷する問題がある。
【００１３】
すなわちプリンタヘッド１においては、図９において矢印Ａにより部分的に拡大して示すように、繰り返しの駆動により保護層６に強い圧縮応力が加わってクラックＢが発生し、このクラックＢよりインクが浸入して発熱素子３をインクより完全に隔離することが困難になる。その結果、配線パターン５、発熱素子３がインクにより腐食し、ついにはインクを介して配線パターン５が短絡し、また発熱素子３が断線して信頼性が低下する。
【００１４】
この問題を解決する１つの方法として、耐キャビテーション層の圧縮応力を低減することが考えられ、特開平０６−２９７７１３号公報においては、耐キャビテーション層が厚さ０．７〜２．０〔μｍ〕のとき、圧縮応力を１．０×１０^８　〜１．０×１０^１０〔ｄｙｎｓ／ｃｍ^２　〕に設定することにより、この種の問題を解決する方法が提案されている。しかしながら、スパッタリング法により耐キャビテーション層を形成する場合、スパッタリングパワー、圧力、キャリアガスの流量等の条件を可変しても耐キャビテーション層の応力は、ほとんど変化せず、これによりこれらの条件の設定によっては耐キャビテーション層の圧縮応力を小さくすることが困難な欠点がある。
【００１５】
因みにこの耐キャビテーション層の成膜温度を４００度以上に設定すると、体心立方晶（ｂｃｃ：ｂｏｄｙ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ−ｃｕｂｉｃ　）によるβ−タンタルに代えて、正方晶（ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ）によるα−タンタルにより耐キャビテーション層が形成される。このα−タンタルによる耐キャビテーション層においては、膜応力が４．３×１０^９　〔ｄｙｎｓ／ｃｍ^２　〕の引っ張り応力を有し、これにより耐キャビテーション層の圧縮応力を従来に比して１桁以上低減することができる。
【００１６】
しかしながら、成膜温度を４００度以上に設定して耐キャビテーション層を形成する場合、配線パターン５の材料であるアルミニュームが融解しやすくなり、また図１０において矢印Ｃにより示すように、配線パターン５と、その下層の配線パターン５と発熱素子３との接触抵抗を低減するチタン膜８とが熱により反応して反応物が生成され、これにより配線パターン５と発熱素子３との接触抵抗が上昇する等の欠点がある。
【００１７】
これに対して特開２００１−１０５５９６号公報においては、耐キャビテーション層をＴａ−Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金層により形成する方法が開示され、さらに特開２００２−４６２７８号公報では、耐キャビテーション層をＴａ−Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金層とタンタル膜若しくはタンタルアルミ膜とにより形成する方法が開示されている。
【００１８】
しかしながらこれらの方法においては、圧縮応力を低減することができるものの、耐キャビテーション層の主成分材料が鉄（Ｆｅ）であり、この鉄成分がゲート酸化膜中に混入するとゲート酸化膜の耐圧が著しく劣化する等の問題が発生し、実用上、半導体製造工程によりプリンタヘッドを作成する場合には適用できない欠点がある。
【００１９】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、保護層の損傷を防止して信頼性の劣化を有効に回避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。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため請求項１の発明においては、発熱素子の駆動により、液室に保持した液体を加熱して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、発熱素子の液室側であって、液体に接する層を、タンタルの結晶粒界にアルミニュームを有するタンタルとアルミニュームとの合金により形成する。
【００２１】
また請求項３の発明においては、液体吐出ヘッドより飛び出す液滴を印刷対象に付着させる液体吐出装置に適用して、液体吐出ヘッドは、発熱素子の駆動により、液室に保持した液体を加熱して所定のノズルより液滴を飛び出させ、発熱素子の液室側であって、液体に接する層を、タンタルの結晶粒界にアルミニュームを有するタンタルとアルミニュームとの合金により形成する。
【００２２】
また請求項４の発明においては、発熱素子の駆動により、液室に保持した液体を加熱して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、発熱素子の液室側であって、液体に接する層を、タンタルの結晶粒界にアルミニュームを有するタンタルとアルミニュームとの合金により形成する。
【００２３】
請求項１の構成によれば、発熱素子の駆動により、液室に保持した液体を加熱して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することにより、例えばこの液滴がインク液滴、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、この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、この液滴がエッチングより部材を保護する薬剤であるパターン描画装置等に適用することができる。請求項１の構成によれば、液体に接する層を、タンタルの結晶粒界にアルミニュームを有するタンタルとアルミニュームとの合金により形成することにより、塑性に富むアルミニュームによりタンタルの結晶粒による圧縮応力を緩和し、これによりタンタルのみで保護層を作成する場合に比して、圧縮応力を低減することができる。これにより発熱素子の駆動により保護層に加わる圧縮応力を低減して、保護層の損傷を防止し、信頼性の劣化を有効に回避することができる。
【００２４】
これらにより請求項３、請求項４の構成によれば、保護層の損傷を防止して、信頼性の劣化を有効に回避することができる液体吐出装置、液体吐出ヘッドの製造方法を提供することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、適宜図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳述する。
【００２６】
（１）実施の形態の構成
図１は、本発明の実施の形態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。プリンタヘッド１１は、発熱素子１２の上層にシリコン窒化膜による保護層１３、１４が形成された後、タンタルとアルミニュームとによる合金層による耐キャビテーション層１５が形成される。
【００２７】
すなわち図２（Ａ）に示すように、プリンタヘッド１は、ウエハによるＰ型シリコン基板１６が洗浄された後、シリコン窒化膜（Ｓｉ_３　Ｎ_４　）が堆積される。続いてプリンタヘッド１１は、リソグラフィー工程、リアクティブエッチング工程によりシリコン基板１６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１１には、シリコン基板１６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。
【００２８】
続いてプリンタヘッド１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）１７が膜厚５００〔ｎｍ〕により形成される。なおこの素子分離領域１７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１１は、シリコン基板１６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、酸化工程によりシリコン基板１６が処理され、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　）型によるトランジスタ１８、１９等が作成される。なおここでスイッチングトランジスタ１８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１９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。なおこの実施の形態においては、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解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１８が形成されるようになされている。
【００２９】
このようにしてシリコン基板１６上に、半導体素子であるトランジスタ１８、１９が作成されると、プリンタヘッド１１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２０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。
【００３０】
続いてフォトリソグラフィー工程の後、Ｃ_４　Ｆ_８　／ＣＯ／Ｏ_２　／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２１が作成される。
【００３１】
さらにプリンタヘッド１１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〕による窒化チタンバリアメタル、膜厚３０〔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５００〔ｎｍ〕により順次堆積される。続いてプリンタヘッド１１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１１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、１層目の配線パターン２２が作成される。プリンタヘッド１１は、このようにして作成された１層目の配線パターン２２により、駆動回路を構成するＭＯＳ型トランジスタ１９を接続してロジック集積回路が形成される。
【００３２】
続いてプリンタヘッド１１は、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン：Ｓｉ（ＯＣ_２　Ｈ_５　）_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１３が堆積される。続いてプリンタヘッド１１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１３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２２と続く２層目の配線パターンとの層間絶縁膜２３が膜厚４４０〔ｎｍ〕のシリコン酸化膜により形成される。
【００３３】
続いて図２（Ｂ）に示すように、プリンタヘッド１１は、スパッタリング法によりタンタル膜が堆積され、これによりシリコン基板１６上に抵抗体膜が形成される。さらに続いてフォトリゾグラフィー工程、ＢＣｌ_３　／Ｃｌ_２　ガスを用いたドライエッチング工程により、余剰なタンタル膜が除去され、発熱素子１２が作成される。なおこの実施の形態においては、膜厚８３〔ｎｍ〕によるタンタル膜が堆積され、また折り返し形状により発熱素子１２が形成され、これにより発熱素子１２の抵抗値が１００〔Ω〕となるようになされている。なお発熱素子１２においては、正方形形状により形成することも可能であり、この場合は、膜厚５０〔ｎｍ〕によるタンタル膜を堆積して形成することにより抵抗値は４０〔Ω〕となる。
【００３４】
続いて図３（Ｃ）に示すように、プリンタヘッド１１は、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１２の保護層１３が形成される。続いて図３（Ｄ）に示すように、フォトリゾグラフィー工程、ＣＨＦ_３　／ＣＦ_４　／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が除去され、これにより発熱素子１２を配線パターンに接続する部位が露出される。さらにＣＨＦ_３　／ＣＦ_４　／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１３に開口を形成してビアホール２４が作成される。
【００３５】
さらに図４（Ｅ）に示すように、プリンタヘッド１１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１１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１１は、配線パターン材料２５が成膜される。
【００３６】
続いて図４（Ｆ）に示すように、フォトリソグラフィー工程、ＢＣｌ_３　／Ｃｌ_２　ガスを用いたドライエッチング工程により、成膜した配線パターン材料２５が選択的に除去され、２層目の配線パターン２６が作成される。プリンタヘッド１１は、この２層目の配線パターン２６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、またドライバートランジスタ１８を発熱素子１２に接続する配線パターンが作成される。なお発熱素子１２の上層に取り残されたシリコン窒化膜１３にあっては、この配線パターン作成の際のエッチング工程において、発熱素子１２の保護層として機能する。
【００３７】
続いて図５（Ｇ）に示すように、プリンタヘッド１１は、ＣＶＤ法によりインク保護層、絶縁層として機能するシリコン窒化膜１４が膜厚４００〔ｎｍ〕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１１は、トランジスタ１８、１９の動作が安定化され、さらに１層目の配線パターン２２と２層目の配線パターン２６との接続が安定化されてコンタクト抵抗が低減される。
【００３８】
続いてプリンタヘッド１１は、直流マグネトロンスパッタリング装置のスパッタ成膜チェンバーに搭載された後、アルゴンガス雰囲気中で所定のターゲットにより直流スパッタリング処理され、これにより耐キャビテーション層の材料膜が膜厚２００〔ｎｍ〕により堆積される。続いてプリンタヘッド１１は、フォトレジスト処理、ＢＣｌ_３　／Ｃｌ_２　ガスを用いたドライエッチング処理により、この材料膜が所定形状によりエッチング処理され、これにより図６（Ｈ）に示すように、耐キャビテーション層１５が形成される。
【００３９】
この実施の形態では、この耐キャビテーション層１５の作成工程におけるスパッタリング処理において、タンタルとアルミニュームとによる合金がこのターゲットに適用され、これによりタンタルとアルミニュームとによる合金層による耐キャビテーション層１５の材料膜が形成されるようになされている。
【００４０】
具体的にこの実施の形態においては、タンタルとアルミニュームとを６：４の比率で調整焼結して作製したタンタルアルミ合金ターゲットを適用し、これによりアルミニュームを１５〔ａｔ％〕含むタンタルの結晶粒を有する耐キャビテーション層１５を作成した。ここでこのようにして作成したプリンタヘッド１１をＸ線回折法により解析したところ、図７に示すように、体心立方晶によるタンタルの結晶粒（β−Ｔａ（００２））の回折ピークを観察することができた。さらにこの耐キャビテーション層１５を詳細に測定したところ、膜応力が３．５×１０^９　〔ｄｙｎｓ／ｃｍ^２　〕の圧縮応力であり、抵抗率が１８０〔μｍ−ｃｍ〕であった。なおここでＳｉ（００４）は、シリコン基板１６の材料であるシリコンの回折ピークである。
【００４１】
またスパッタリングの条件を可変して耐キャビテーション層１５におけるタンタルとアルミニュームの組成比を種々に設定してプリンタヘッドを作成し、これらのプリンタヘッドにおける耐キャビテーション層１５の結晶構造をＸ線回折法により解析したところ、アルミニュームの組成比が３０〔ａｔ％〕以下の範囲では、β−タンタルの回折ピークが観察され、またタンタルの粒界も観察された。これによりこの組成においては、図８に示すように、タンタルの結晶粒界をアルミニューム、タンタルが埋めている状態と判断することができる。またアルミニュームの組成比が３０〜８０〔ａｔ％〕の範囲では、β−タンタルの回折ピークが検出されず、アルミニュームの組成比が増大するにつれて、アモルファス状態からタンタルとアルミニュームとの微結晶粒による状態に変化することが確認された。さらにアルミニュームの組成比が８０〔ａｔ％〕以上の範囲では、アルミニュームの回折ピークが観察され、さらにアルミニュームの結晶粒も観察された。
【００４２】
なおこのようなタンタルとアルミニュームとの合金をターゲットに設定した耐キャビテーション層１５の作成に代えて、タンタルによるターゲットとアルミニュームによるターゲットとを使用したコスパッタリング法により、これら合金による耐キャビテーション層１５を作成することも可能であり、この場合には、アルミニュームのスパッタリング量を可変することで、耐キャビテーション層中のアルミニューム含有量を可変することができる。
【００４３】
これによりこの実施の形態では、耐キャビテーション層１５において、β−タンタルによる結晶粒が形成され、結晶粒界にアルミニュームを有するようにターゲットの組成比を選定し、またコスパッタリング法においては、スパッタリングの条件を設定した。これによりプリンタヘッド１１では、従来に比して耐キャビテーション層１５における圧縮応力を１桁低減して保護層１３、１４に加わる圧縮応力を低減するようになされている。
【００４４】
このようにして耐キャビテーション層１５が形成されると、プリンタヘッド１１は、図１に示すように、続いてドライフィルム３１、オリフィスプレート３２が順次積層される。ここで例えばドライフィルム３１は、有機系樹脂により構成され、圧着により配置された後、インク液室、インク流路に対応する部位が取り除かれ、その後硬化される。これに対してオリフィスプレート３２は、発熱素子１２の上に微小なインク吐出口であるノズル３４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、接着によりドライフィルム３１上に保持される。これによりプリンタヘッド１１は、ノズル３４、インク液室３５、このインク液室にインクを導くインク流路等が形成されて作成される。
【００４５】
プリンタヘッド１１は、このようなインク液室３５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。
【００４６】
（２）実施の形態の動作
以上の構成において、プリンタヘッド１１は、半導体基板であるＰ型シリコン基板１６に素子分離領域１７が作成されて半導体素子であるトランジスタ１８、１９が作成され、絶縁層２０により絶縁されて１層目の配線パターン２２が作成される。また続いて絶縁層２３、発熱素子１２が作成された後、保護層１３、２層目の配線パターン２６が作成される。さらに保護層１４が作成された後、熱処理により配線パターン間、配線パターンと発熱素子等の間の接続が安定化された後、耐キャビティーション層１５、インク液室３５、ノズル３４が順次形成されて作成される（図１〜図６）。
【００４７】
このプリンタは、このようにして作成されたプリンタヘッド１１のインク液室３５にインクが導かれ、トランジスタ１８、１９による発熱素子１２の駆動により、インク液室３５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３５内の圧力が急激に増大する。プリンタでは、この圧力の増大によりインク液室３５のインクがノズル３４からインク液滴として飛び出し、このインク液滴が印刷対象である用紙等に付着する。
【００４８】
プリンタでは、このような発熱素子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印刷対象に印刷される。またプリンタヘッド１１においては、この発熱素子の間欠的な駆動により、インク液室３５内において、気泡の発生、気泡の消泡が繰り返され、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１１では、このキャビテーションによる機械的な衝撃が耐キャビテーション層１５により緩和され、これにより保護層である耐キャビテーション層１５により発熱素子１２が保護される。またこの耐キャビテーション層１５と保護層１３、１４とにより発熱素子１２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１２が保護される。
【００４９】
しかして発熱素子１２においては、このように間欠的な駆動により発熱して、この発熱による熱が保護層１３、１４、耐キャビテーション層１５を介してインク液室３５のインクに伝搬し、インクの温度上昇によりインク液室３５内に気泡が発生する。この実施の形態に係るプリンタヘッド１１においては、このような発熱素子１２の熱の熱伝導経路である耐キャビテーション層１５がタンタルの結晶粒界にアルミニュームが存在するように作成されており、アルミニュームにおいては、塑性に富むことにより、発熱素子１２の熱により発生するタンタルの結晶粒による圧縮応力を粒界中のアルミニュームにより緩和することができ、これにより下層の保護層１３、１４に加わる圧縮応力を低減することができる。これによりプリンタヘッド１１は、タンタルの結晶粒界にアルミニュームを有するタンタルとアルミニュームとの合金により耐キャビテーション層１５を作成して、保護層１３、１４の損傷を防止し、信頼性の劣化を有効に回避することができるようになされている。
【００５０】
またこのようなタンタルとアルミニュームとの合金においては、鉄等の半導体製造工程に有害な物質を含んでいないことにより、半導体製造工程によりプリンタヘッドを作成する場合でも、種々の障害の発生を有効に回避することができる。
【００５１】
またタンタルとアルミニュームとの合金においては、タンタル、アルミニュームが半導体製造プロセスで十分に使用実績のある材料であり、その分、製造プロセスにおいて、十分な信頼性を確保することができる。また塩素系（ＢＣｌ_３　／Ｃｌ_２　）ガスを用いてＲＩＥ加工することができ、これにより簡易に保護層である耐キャビテーション層１５を作成することができる。
【００５２】
ところでこのプリンタヘッド１１は、耐キャビテーション層１５がアルカリ性溶液に可溶なアルミニュームを含むことにより、インクに含まれるアルカリ金属により浸食される心配がある。
【００５３】
しかしながら、このプリンタヘッド１１を適用したプリンタを用いて印加電力０．８〔Ｗ〕により実験したところ、アルカリ金属であるナトリウムを３０００〔ｐｐｍ〕含むインクを安定に３億発吐出し、またナトリウムに比して原子半径が小さいアルカリ金属であるリチウムを２０００〔ｐｐｍ〕含むインクを安定に１．４億発吐出することができた。さらに従来のプリンタヘッドを用いて同一の実験を行い、実験後の耐キャビテーション層表面を比較したところ、表面の凹凸が従来に比して軽減されていることがわかった。因みにアルミニュームの組成比を３０〔ａｔ％〕以上に設定して作成したプリンタヘッドにより同一の実験を行ったところ、インクに含まれるアルカリ金属によりアルミニュームが溶解され、これにより耐キャビテーション層が浸食されていることが確認された。
【００５４】
（３）実施の形態の効果
以上の構成によれば、タンタルの結晶粒界にアルミニュームを有するタンタルとアルミニュームとの合金により耐キャビテーション層を形成することにより、保護層の損傷を防止して、信頼性の劣化を有効に回避することができる。
【００５５】
（４）他の実施の形態
なお上述の実施の形態においては、アルミニュームを１５〔ａｔ％〕含むタンタルの結晶粒界を有する耐キャビテーション層を作成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、アルミニュームの組成比が３０〔ａｔ％〕以下の範囲で、タンタルの結晶粒界にアルミニュームを有するように耐キャビテーション層を作成して、上述の実施の形態と同一の効果を得ることができる。
【００５６】
また上述の実施の形態においては、タンタルにより発熱素子を作成する場合等について述べたが、本発明はこれに限らず、各種積層材料については、必要に応じて種々の材料を適用することができる。なおタンタルとアルミニュームとの合金により発熱素子を作成する場合、アルミニュームの組成比を４０〜６０〔ａｔ％〕の範囲で種々に設定して、所望の抵抗値を確保することができる。
【００５７】
また上述の実施の形態においては、インク液滴を飛び出させるプリンタヘッドに本発明を適用する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、インクの定着液、インクの希釈液、印刷物の表面保護膜形成用の液体等、各種の液体を液滴として飛び出させるプリンタヘッドに広く適用することができる。
【００５８】
また上述の実施の形態においては、本発明をプリンタヘッド及びプリンタに適用してインク液滴を飛び出され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各種染料の液滴、保護層形成用の液滴等であるプリンタヘッド、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。
【００５９】
【発明の効果】
上述のように本発明によれば、タンタルの結晶粒界にアルミニュームを有するタンタルとアルミニュームとの合金により耐キャビテーション層を形成することにより、保護層の損傷を防止して、信頼性の劣化を有効に回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態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。
【図２】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３】図２の続きを示す断面図である。
【図４】図３の続きを示す断面図である。
【図５】図４の続きを示す断面図である。
【図６】図５の続きを示す断面図である。
【図７】図１のプリンタヘッドのＸ線回折法により解析した結果を示す特性曲線図である。
【図８】耐キャビテーション層の結晶粒界の説明に供する図表である。
【図９】従来のプリンタヘッドを示す断面図である。
【図１０】従来手法によるクラックの発生防止方法の説明に供する断面図である。
【符号の説明】
１、１１……プリンタヘッド、２、１６……シリコン基板、３、１２……発熱素子、４、６、１３、１４……保護層、７、１５……耐キャビティーション層、１８、１９……トランジスタ、２２、２６……配線パターン[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a liquid ejection head, a liquid ejection apparatus, and a method for manufacturing a liquid ejection head, and is particularly applicable to a printer using an inkjet method. The present invention forms a cavitation-resistant layer with an alloy of tantalum and aluminum having aluminum at the crystal grain boundary of tantalum, thereby preventing damage to the protective layer and effectively avoiding deterioration of reliability. To be able to
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, in the field of image processing and the like, there has been a growing need for hard copy colorization. To meet this need, conventionally, a color copy system such as a sublimation type thermal transfer system, a fusion thermal transfer system, an ink jet system, an electrophotographic system, and a thermally developed silver salt system has been proposed.
[0003]
Among these methods, the ink jet method is a method in which droplets of a recording liquid (ink) fly from nozzles provided in a printer head, which is a liquid ejection head, and adhere to a recording target to form dots. With this configuration, a high-quality image can be output. The ink jet system is classified into an electrostatic attraction system, a continuous vibration generation system (piezo system), and a thermal system according to the method of flying ink droplets from nozzles.
[0004]
Among these methods, the thermal method is a method in which bubbles are generated by local heating of ink, and the bubbles are used to push out ink from nozzles and fly to a print target, and it is possible to print a color image with a simple configuration. It has been made possible.
[0005]
That is, the printer of the thermal system is configured using a so-called printer head, and the printer head has a heating element for heating ink, a driving circuit of a logic integrated circuit for driving the heating element, and the like mounted on a semiconductor substrate. Thus, in this type of printer head, the heating elements are arranged at a high density and can be reliably driven.
[0006]
That is, in this thermal printer, it is necessary to arrange the heating elements at a high density in order to obtain a high quality printing result. Specifically, for example, in order to obtain a printing result equivalent to 600 [DPI], it is necessary to arrange the heating elements at intervals of 42.333 [μm]. It is extremely difficult to arrange individual drive elements. This allows the printer head to create switching transistors on the semiconductor substrate, connect the corresponding heating elements by integrated circuit technology, and drive each switching transistor by a drive circuit similarly created on the semiconductor substrate. Each of the heating elements can be driven simply and reliably.
[0007]
In a thermal printer, bubbles are generated in the ink by heating by the heating elements, and the bubbles disappear when the ink jumps out of the nozzles. As a result, every time a shot is fired and fired repeatedly, a mechanical shock due to cavitation is received. Further, in the printer, the temperature rise and the temperature fall due to the heat generated by the heat generating element are repeated in a short time [several microseconds], thereby receiving a large stress due to the temperature.
[0008]
For this reason, in the printer head, a heating element is formed of tantalum, tantalum nitride, tantalum aluminum, etc., and a protection layer of silicon nitride, silicon carbide, etc. is formed on the heating element, and the heat resistance and insulation are improved by the protection layer. In addition, direct contact between the heating element and the ink is prevented. In addition, a cavitation-resistant layer for reducing mechanical impact due to cavitation is formed on the protective layer. Here, the anti-cavitation layer is formed of tantalum or the like, which has excellent durability against corrosion by ink and excellent heat resistance.
[0009]
That is, FIG. 9 is a cross-sectional view showing a configuration near a heating element in this type of printer head. The printer head 1 includes an insulating layer (SiO 2) on a semiconductor substrate 2 on which semiconductor elements are formed. ₂ ) And the like, the heating element 3 is formed by tantalum or the like. In addition, silicon nitride (Si ₃ N ₄ After the protective layer 4 is laminated according to (1), a wiring pattern (AI wiring) 5 is formed of aluminum or the like. In the printer head 1, a heating element 3 is connected to a semiconductor or the like formed on a semiconductor substrate 2 by this wiring pattern, and further, silicon nitride (Si) ₃ N ₄ ) Is laminated, and an anti-cavitation layer 7 of tantalum is formed on the protective layer 6. In the printer head 1, an ink liquid chamber, an ink flow path, and a nozzle are created by subsequently arranging predetermined members.
[0010]
In the printer head 1, after the ink is guided to the ink liquid chamber by the ink flow path created in this way, the heating element 3 generates heat by driving the semiconductor element, and locally heats the ink in the ink liquid chamber. . The printer head 1 generates bubbles in the ink liquid chamber by this heating to increase the pressure of the ink liquid chamber, and extrudes the ink from the nozzles to fly to the printing target.
[0011]
In the printer head 1 having such a configuration, when the thicknesses of the protective layer 6 and the anti-cavitation layer 7 are increased, thermal energy for discharging ink increases, and power consumption increases. For this reason, in the printer head 1, the thicknesses of the protective layer 6 and the anti-cavitation layer 7 are set to a thickness at which the heating elements are driven with low power consumption and the ink droplets are ejected stably. .
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the printer head 1, the anti-cavitation layer 7 made of tantalum is 1.3 × 10 ¹⁰ ~ 2.0 × 10 ¹⁰ [Dyns / cm ² ], There is a problem that a strong compressive stress is applied to the protective layer 6 below the cavitation resistant layer 7 every time the heating element 3 is driven, and eventually the protective layer 6 is damaged.
[0013]
That is, in the printer head 1, as shown in a partially enlarged manner by an arrow A in FIG. 9, a strong compressive stress is applied to the protective layer 6 by repeated driving to generate a crack B, and ink enters from the crack B. Therefore, it becomes difficult to completely isolate the heating element 3 from the ink. As a result, the wiring pattern 5 and the heating element 3 are corroded by the ink, and eventually the wiring pattern 5 is short-circuited via the ink, and the heating element 3 is disconnected to lower the reliability.
[0014]
One way to solve this problem is to reduce the compressive stress of the cavitation-resistant layer. In Japanese Patent Application Laid-Open No. 06-297713, the cavitation-resistant layer has a thickness of 0.7 to 2.0 [μm]. , The compressive stress is 1.0 × 10 ⁸ ~ 1.0 × 10 ¹⁰ [Dyns / cm ² ] Has been proposed to solve this kind of problem. However, when the anti-cavitation layer is formed by the sputtering method, even if the conditions such as the sputtering power, the pressure, and the flow rate of the carrier gas are changed, the stress of the anti-cavitation layer hardly changes. Has a drawback that it is difficult to reduce the compressive stress of the anti-cavitation layer.
[0015]
By the way, when the film formation temperature of the anti-cavitation layer is set to 400 ° C. or more, the anti-cavitation is performed by α-tantalum by tetragonal instead of β-tantalum by body-centered cubic (bcc: body-centered-cubic). A layer is formed. In the anti-cavitation layer made of α-tantalum, the film stress is 4.3 × 10 ⁹ [Dyns / cm ² ], Whereby the compressive stress of the anti-cavitation layer can be reduced by one digit or more compared to the conventional case.
[0016]
However, when the anti-cavitation layer is formed by setting the film formation temperature to 400 ° C. or higher, aluminum as the material of the wiring pattern 5 is easily melted, and as shown by the arrow C in FIG. And the lower layer wiring pattern 5 and the titanium film 8 for reducing the contact resistance between the heating element 3 react with heat to generate a reactant, thereby increasing the contact resistance between the wiring pattern 5 and the heating element 3. There are drawbacks such as doing.
[0017]
In contrast, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-105596 discloses a method of forming a cavitation-resistant layer by using a Ta-Fe-Ni-Cr alloy layer. A method is disclosed in which a layer is formed using an Fe-Ni-Cr alloy layer and a tantalum film or a tantalum aluminum film.
[0018]
However, in these methods, although the compressive stress can be reduced, iron (Fe) is a main component material of the anti-cavitation layer, and when this iron component is mixed in the gate oxide film, the withstand voltage of the gate oxide film is remarkably increased. There is a problem such as deterioration, which is not practically applicable when a printer head is manufactured by a semiconductor manufacturing process.
[0019]
The present invention has been made in view of the above points, and provides a liquid discharge head, a liquid discharge apparatus, and a method of manufacturing a liquid discharge head that can prevent damage to a protective layer and effectively avoid deterioration in reliability. It is something to propose.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve this problem, the invention according to claim 1 is applied to a liquid discharge head that drives a heating element to heat a liquid held in a liquid chamber and ejects a liquid droplet from a predetermined nozzle. A layer on the liquid chamber side of the element and in contact with the liquid is formed of an alloy of tantalum and aluminum having aluminum at the crystal grain boundary of tantalum.
[0021]
According to the third aspect of the present invention, the liquid ejecting head is applied to a liquid ejecting apparatus for attaching droplets ejected from the liquid ejecting head to a printing target, and the liquid ejecting head heats the liquid held in the liquid chamber by driving the heating element. The droplets are ejected from a predetermined nozzle to form a layer in contact with the liquid on the liquid chamber side of the heating element, using an alloy of tantalum and aluminum having aluminum at a crystal grain boundary of tantalum.
[0022]
Further, in the invention of claim 4, the present invention is applied to a method of manufacturing a liquid ejection head in which a liquid held in a liquid chamber is heated by driving a heating element to eject a liquid droplet from a predetermined nozzle. The layer on the liquid chamber side, which is in contact with the liquid, is formed of an alloy of tantalum and aluminum having aluminum at the crystal grain boundary of tantalum.
[0023]
According to the configuration of the first aspect, by applying the liquid ejection head that drives the heating element to heat the liquid held in the liquid chamber and ejects the liquid droplet from a predetermined nozzle, for example, the droplet is ejected. A liquid ejection head that is an ink droplet, a droplet of various dyes, a droplet for forming a protective layer, a microdispenser in which the droplet is a reagent, various measuring devices, various test devices, and a member in which the droplet is etched. Can be applied to a pattern drawing device or the like which is an agent for protecting the device. According to the structure of the first aspect, the layer in contact with the liquid is formed of an alloy of tantalum and aluminum having aluminum at the crystal grain boundary of tantalum, so that the compression by the tantalum crystal grains by the aluminum which is rich in plasticity. The stress is relieved, so that the compressive stress can be reduced as compared with the case where the protective layer is formed only with tantalum. This reduces the compressive stress applied to the protective layer by driving the heating element, prevents damage to the protective layer, and effectively avoids deterioration in reliability.
[0024]
According to the third and fourth aspects of the present invention, it is possible to provide a liquid ejecting apparatus and a liquid ejecting head manufacturing method capable of preventing damage to a protective layer and effectively avoiding deterioration of reliability. Can be.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
[0026]
(1) Configuration of the embodiment
FIG. 1 is a sectional view showing a printer head applied to the printer according to the embodiment of the present invention. In the printer head 11, after protective layers 13 and 14 made of a silicon nitride film are formed on the heating element 12, a cavitation resistant layer 15 made of an alloy layer made of tantalum and aluminum is formed.
[0027]
That is, as shown in FIG. 2A, after the P-type silicon substrate 16 is cleaned by the wafer, the printer head 1 forms a silicon nitride film (Si). ₃ N ₄ ) Is deposited. Subsequently, in the printer head 11, the silicon substrate 16 is processed by a lithography process and a reactive etching process, whereby the silicon nitride film is removed from a region other than a predetermined region for forming a transistor. As a result, a silicon nitride film is formed in the printer head 11 in the region where the transistor is formed on the silicon substrate 16.
[0028]
Subsequently, in the printer head 1, a thermal silicon oxide film is formed in a region where the silicon nitride film has been removed by the thermal oxidation process, and an element isolation region (LOCOS: Local Oxidation Of) for isolating a transistor by the thermal silicon oxide film. Silicon 17 is formed with a film thickness of 500 [nm]. The element isolation region 17 is finally formed to a thickness of 260 [nm] by the subsequent processing. Subsequently, in the printer head 11, after the silicon substrate 16 is cleaned, a gate having a tungsten silicide / polysilicon / thermal oxide film structure is formed in the transistor formation region. Further, the silicon substrate 16 is processed by an ion implantation process and an oxidation process for forming source / drain regions, and MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) type transistors 18 and 19 are formed. Here, the switching transistor 18 is a MOS type driver transistor having a withstand voltage of about 25 [V], and is used for driving a heating element. On the other hand, the switching transistor 19 is a transistor constituting an integrated circuit for controlling the driver transistor, and operates at a voltage of 5 [V]. In this embodiment, a low-concentration diffusion layer is formed between the gate and the drain so that the electrolysis of electrons accelerated at that portion is relaxed to ensure a withstand voltage so that the driver transistor 18 is formed. Has been done.
[0029]
When the transistors 18 and 19, which are semiconductor elements, are formed on the silicon substrate 16 in this manner, the printer head 11 subsequently moves the PSG, which is a silicon oxide film to which phosphorus is added by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. (Phosphorus Silicate Glass) film and a BPSG (Boron Phosphorus Silicate Glass) film 20 which is a silicon oxide film to which boron and phosphorus are added are sequentially formed with a film thickness of 100 [nm] and 500 [nm]. A first interlayer insulating film having a thickness of 600 [nm] is formed.
[0030]
Then, after the photolithography process, C ₄ F ₈ / CO / O ₂ A contact hole 21 is formed on the silicon semiconductor diffusion layer (source / drain) by a reactive ion etching method using a / Ar-based gas.
[0031]
Further, the printer head 11 is washed with diluted hydrofluoric acid, and then, by sputtering, titanium with a thickness of 30 [nm], titanium nitride barrier metal with a thickness of 70 [nm], titanium and silicon with a thickness of 30 [nm]. Is added at 1 [at%], or aluminum added at 0.5 [at%] to copper is sequentially deposited to a film thickness of 500 [nm]. Subsequently, in the printer head 11, titanium nitride oxide, which is an antireflection film, is deposited with a thickness of 25 [nm], and a wiring pattern material is formed by these. Subsequently, in the printer head 11, the formed wiring pattern material is selectively removed by a photolithography step and a dry etching step, and a first-layer wiring pattern 22 is formed. In the printer head 11, the logic type integrated circuit is formed by connecting the MOS transistors 19 constituting the driving circuit by the first-layer wiring pattern 22 created in this way.
[0032]
Subsequently, the printer head 11 is driven by TEOS (tetraethoxysilane: Si (OC ₂ H ₅ ) ₄ The silicon oxide film 13 which is an interlayer insulating film is deposited by the CVD method using () as a source gas. Subsequently, in the printer head 11, the silicon oxide film 13 is flattened by application of a coating type silicon oxide film including SOG (Spin On Glass) and etch back, and these steps are repeated twice to form the first layer. The interlayer insulating film 23 between the wiring pattern 22 and the subsequent second-layer wiring pattern is formed of a silicon oxide film having a thickness of 440 [nm].
[0033]
Subsequently, as shown in FIG. 2B, in the printer head 11, a tantalum film is deposited by a sputtering method, whereby a resistor film is formed on the silicon substrate 16. A photolithography step followed by BCl ₃ / Cl ₂ Excess tantalum film is removed by a dry etching process using gas, and the heating element 12 is formed. In this embodiment, a tantalum film having a thickness of 83 [nm] is deposited, and the heating element 12 is formed in a folded shape so that the resistance value of the heating element 12 becomes 100 [Ω]. ing. The heating element 12 can also be formed in a square shape. In this case, the resistance value becomes 40 [Ω] by depositing and forming a tantalum film having a thickness of 50 [nm].
[0034]
Subsequently, as shown in FIG. 3C, in the printer head 11, a silicon nitride film having a thickness of 300 [nm] is deposited by the CVD method, and the protective layer 13 of the heating element 12 is formed. Subsequently, as shown in FIG. 3D, a photolithography step, CHF ₃ / CF ₄ By the dry etching process using the / Ar gas, the silicon nitride film at a predetermined position is removed, thereby exposing a portion connecting the heating element 12 to the wiring pattern. More CHF ₃ / CF ₄ A via hole 24 is formed by forming an opening in the interlayer insulating film 13 by a dry etching process using / Ar gas.
[0035]
Further, as shown in FIG. 4 (E), the printer head 11 is formed by sputtering with aluminum having a thickness of 200 [nm], aluminum added with 1 [at%], or copper with 0.5 [at%]. ] The added aluminum is sequentially deposited to a thickness of 600 [nm]. Subsequently, in the printer head 11, titanium nitride oxide having a film thickness of 25 [nm] is deposited, thereby forming an anti-reflection film. As a result, the wiring pattern material 25 is deposited on the printer head 11.
[0036]
Subsequently, as shown in FIG. 4F, a photolithography process ₃ / Cl ₂ By a dry etching process using gas, the formed wiring pattern material 25 is selectively removed, and a second-layer wiring pattern 26 is formed. In the printer head 11, a wiring pattern for power supply and a wiring pattern for ground are formed by the wiring pattern 26 of the second layer, and a wiring pattern for connecting the driver transistor 18 to the heating element 12 is formed. The silicon nitride film 13 left as an upper layer of the heating element 12 functions as a protective layer of the heating element 12 in the etching step when forming the wiring pattern.
[0037]
Subsequently, as shown in FIG. 5G, in the printer head 11, a silicon nitride film 14 functioning as an ink protective layer and an insulating layer is deposited to a thickness of 400 [nm] by the CVD method. Further, in a heat treatment furnace, heat treatment is performed at 400 ° C. for 60 minutes in a nitrogen gas atmosphere to which 4% hydrogen has been added or in a 100% nitrogen gas atmosphere. Accordingly, in the printer head 11, the operations of the transistors 18 and 19 are stabilized, and the connection between the first-layer wiring pattern 22 and the second-layer wiring pattern 26 is stabilized, so that the contact resistance is reduced.
[0038]
Subsequently, the printer head 11 is mounted on a sputtering film forming chamber of a DC magnetron sputtering apparatus, and is then subjected to DC sputtering by a predetermined target in an argon gas atmosphere, so that the material film of the anti-cavitation layer has a thickness of 200 nm. ]. Subsequently, the printer head 11 performs a photoresist process, ₃ / Cl ₂ This material film is etched in a predetermined shape by dry etching using a gas, whereby the cavitation-resistant layer 15 is formed as shown in FIG.
[0039]
In this embodiment, an alloy of tantalum and aluminum is applied to the target in the sputtering process in the step of forming the anti-cavitation layer 15, whereby the material of the anti-cavitation layer 15 of the alloy layer of tantalum and aluminum is applied. A film is formed.
[0040]
Specifically, in this embodiment, a tantalum aluminum alloy target produced by adjusting and sintering tantalum and aluminum at a ratio of 6: 4 is applied, and thereby a tantalum containing 15 [at%] aluminum is used. An anti-cavitation layer 15 having crystal grains was formed. Here, when the printer head 11 thus manufactured was analyzed by the X-ray diffraction method, as shown in FIG. 7, a diffraction peak of tantalum crystal grains (β-Ta (002)) by body-centered cubic was observed. We were able to. Further, when the anti-cavitation layer 15 was measured in detail, the film stress was found to be 3.5 × 10 ⁹ [Dyns / cm ² And the resistivity was 180 [μm-cm]. Here, Si (004) is a diffraction peak of silicon which is a material of the silicon substrate 16.
[0041]
Further, by changing the sputtering conditions, the composition ratio of tantalum and aluminum in the anti-cavitation layer 15 was variously set to prepare a printer head, and the crystal structure of the anti-cavitation layer 15 in these printer heads was determined by the X-ray diffraction method. As a result of analysis, when the composition ratio of aluminum was 30 [at%] or less, a diffraction peak of β-tantalum was observed, and a grain boundary of tantalum was also observed. Accordingly, in this composition, as shown in FIG. 8, it can be determined that the crystal grain boundaries of tantalum are filled with aluminum and tantalum. When the composition ratio of aluminum is in the range of 30 to 80 [at%], no diffraction peak of β-tantalum is detected, and as the composition ratio of aluminum increases, microcrystals of tantalum and aluminum change from an amorphous state. It was confirmed that the state changed to grains. Further, when the composition ratio of aluminum was 80 [at%] or more, a diffraction peak of aluminum was observed, and crystal grains of aluminum were also observed.
[0042]
Instead of forming the anti-cavitation layer 15 using an alloy of tantalum and aluminum as a target, the anti-cavitation layer 15 of these alloys is formed by a co-sputtering method using a target made of tantalum and a target made of aluminum. In this case, the aluminum content in the cavitation-resistant layer can be varied by varying the amount of aluminum sputtering.
[0043]
Thus, in this embodiment, the composition ratio of the target is selected such that crystal grains of β-tantalum are formed in the anti-cavitation layer 15 and aluminum is present at the crystal grain boundaries. Was set. Thus, in the printer head 11, the compressive stress in the anti-cavitation layer 15 is reduced by one digit as compared with the related art, so that the compressive stress applied to the protective layers 13 and 14 is reduced.
[0044]
When the anti-cavitation layer 15 is formed in this manner, the dry film 31 and the orifice plate 32 are sequentially laminated on the printer head 11 as shown in FIG. Here, for example, the dry film 31 is made of an organic resin, and after being disposed by pressure bonding, a portion corresponding to the ink liquid chamber and the ink flow path is removed, and then cured. On the other hand, the orifice plate 32 is a plate-like member processed into a predetermined shape so as to form a nozzle 34 which is a minute ink discharge port on the heating element 12, and is held on the dry film 31 by bonding. You. Thus, the printer head 11 is formed by forming the nozzles 34, the ink liquid chambers 35, the ink flow paths for leading the ink to the ink liquid chambers, and the like.
[0045]
In the printer head 11, such an ink liquid chamber 35 is formed so as to be continuous in the depth direction of the paper surface, thereby forming a line head.
[0046]
(2) Operation of the embodiment
In the above configuration, in the printer head 11, the element isolation region 17 is formed in the P-type silicon substrate 16 as the semiconductor substrate, the transistors 18 and 19 as the semiconductor elements are formed, and the first layer is insulated by the insulating layer 20. Is formed. Subsequently, after the insulating layer 23 and the heating element 12 are formed, the protective layer 13 and the second-layer wiring pattern 26 are formed. Further, after the protective layer 14 is formed, the heat treatment stabilizes the connection between the wiring patterns and between the wiring pattern and the heating element and the like, and then the anti-cavitation layer 15, the ink liquid chamber 35, and the nozzle 34 are sequentially formed. (FIGS. 1 to 6).
[0047]
In this printer, the ink is guided to the ink liquid chamber 35 of the printer head 11 created as described above, and the ink held in the ink liquid chamber 35 is heated by the driving of the heating element 12 by the transistors 18 and 19 to generate bubbles. Is generated, and the pressure in the ink liquid chamber 35 rapidly increases due to the bubbles. In the printer, the ink in the ink liquid chamber 35 jumps out of the nozzles 34 as ink droplets due to the increase in the pressure, and the ink droplets adhere to paper or the like to be printed.
[0048]
In the printer, such driving of the heating element is intermittently repeated, whereby a desired image or the like is printed on a printing target. In the printer head 11, the intermittent driving of the heating element repeatedly generates and defoams bubbles in the ink liquid chamber 35, thereby generating cavitation as a mechanical impact. In the printer head 11, the mechanical shock due to the cavitation is reduced by the anti-cavitation layer 15, and the heating element 12 is protected by the anti-cavitation layer 15 which is a protective layer. Further, the anti-cavitation layer 15 and the protective layers 13 and 14 prevent direct contact of the ink with the heating element 12, thereby also protecting the heating element 12.
[0049]
Thus, the heat generating element 12 generates heat by such intermittent driving, and the heat generated by the heat propagates to the ink in the ink liquid chamber 35 via the protective layers 13 and 14 and the anti-cavitation layer 15, and Bubbles are generated in the ink liquid chamber 35 due to the temperature rise. In the printer head 11 according to this embodiment, the anti-cavitation layer 15 which is the heat conduction path of the heat of the heating element 12 is formed so that aluminum exists at the crystal grain boundary of tantalum. In the case of pneumatic material, due to the high plasticity, the compressive stress caused by the crystal grains of tantalum generated by the heat of the heating element 12 can be reduced by the aluminum in the grain boundaries, thereby applying to the lower protective layers 13 and 14. Compressive stress can be reduced. Thus, the printer head 11 forms the cavitation-resistant layer 15 by using an alloy of tantalum and aluminum having aluminum at the crystal grain boundary of tantalum to prevent the protection layers 13 and 14 from being damaged and to reduce the reliability. It has been made so that it can be effectively avoided.
[0050]
In addition, such an alloy of tantalum and aluminum does not contain a substance harmful to the semiconductor manufacturing process such as iron, so that various troubles can be effectively generated even when a printer head is manufactured in the semiconductor manufacturing process. Can be avoided.
[0051]
In addition, in the alloy of tantalum and aluminum, tantalum and aluminum are materials that have been sufficiently used in the semiconductor manufacturing process, and accordingly, sufficient reliability can be ensured in the manufacturing process. Chlorine (BCl ₃ / Cl ₂ ) The RIE process can be performed using a gas, whereby the anti-cavitation layer 15 which is a protective layer can be easily formed.
[0052]
By the way, in the printer head 11, since the cavitation-resistant layer 15 contains aluminum soluble in an alkaline solution, there is a concern that the cavitation-resistant layer 15 is eroded by an alkali metal contained in the ink.
[0053]
However, when an experiment was conducted using a printer to which the printer head 11 was applied at an applied power of 0.8 [W], 300 million ink containing 3000 [ppm] of sodium as an alkali metal was stably ejected, and sodium was discharged. It was possible to stably discharge 140 million inks containing 2,000 ppm of lithium, which is an alkali metal having a smaller atomic radius. Further, the same experiment was performed using a conventional printer head, and the surface of the anti-cavitation layer after the experiment was compared. As a result, it was found that the unevenness of the surface was reduced as compared with the conventional case. By the way, when the same experiment was performed using a printer head prepared by setting the composition ratio of aluminum to 30 [at%] or more, the aluminum was dissolved by the alkali metal contained in the ink, and thereby the cavitation resistant layer was eroded. It was confirmed that it was.
[0054]
(3) Effects of the embodiment
According to the above configuration, the anti-cavitation layer is formed by an alloy of tantalum and aluminum having aluminum at the crystal grain boundary of tantalum, thereby preventing damage to the protective layer and effectively deteriorating reliability. Can be avoided.
[0055]
(4) Other embodiments
In the above-described embodiment, a case has been described in which a cavitation-resistant layer having a crystal grain boundary of tantalum containing 15 [at%] of aluminum is formed, but the present invention is not limited to this, and the composition ratio of aluminum is not limited to this. Is within the range of 30 [at%] or less, the same effect as in the above embodiment can be obtained by forming a cavitation-resistant layer so that aluminum is present at the crystal grain boundary of tantalum.
[0056]
Further, in the above-described embodiment, a case where a heating element is formed from tantalum or the like has been described. However, the present invention is not limited to this, and various materials can be applied to various laminated materials as needed. . When the heating element is made of an alloy of tantalum and aluminum, a desired resistance value can be ensured by setting the composition ratio of aluminum variously in the range of 40 to 60 [at%].
[0057]
Further, in the above-described embodiment, the case where the present invention is applied to the printer head that ejects ink droplets has been described. However, the present invention is not limited to this, and the present invention is not limited to this. The present invention can be widely applied to a printer head that ejects various liquids such as a liquid for forming a protective film as droplets.
[0058]
Further, in the above-described embodiment, a case has been described in which the present invention is applied to a printer head and a printer to eject ink droplets. However, the present invention is not limited to this, and various types of dyes may be used instead of ink droplets. Printer heads that are droplets, droplets for forming a protective layer, etc., as well as microdispensers in which the droplets are reagents, various measuring devices, various test devices, and various types in which the droplets are agents that protect members from etching. It can be widely applied to pattern drawing apparatuses and the like.
[0059]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, by forming an anti-cavitation layer by an alloy of tantalum and aluminum having aluminum at the crystal grain boundary of tantalum, damage to the protective layer is prevented, and reliability is deteriorated. Can be effectively avoided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a printer head applied to a printer according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining a process of producing the printer head of FIG. 1;
FIG. 3 is a sectional view showing a continuation of FIG. 2;
FIG. 4 is a sectional view showing a continuation of FIG. 3;
FIG. 5 is a sectional view showing a continuation of FIG. 4;
FIG. 6 is a sectional view showing a continuation of FIG. 5;
FIG. 7 is a characteristic curve diagram showing a result of analyzing the printer head of FIG. 1 by an X-ray diffraction method.
FIG. 8 is a table for explaining crystal grain boundaries of an anti-cavitation layer.
FIG. 9 is a sectional view showing a conventional printer head.
FIG. 10 is a cross-sectional view for explaining a method for preventing occurrence of cracks by a conventional method.
[Explanation of symbols]
1, 11 printer head, 2, 16 silicon substrate, 3, 12 heating element, 4, 6, 13, 14, protection layer, 7, 15 anti-cavitation layer, 18, 19 ... Transistors, 22, 26 ... Wiring patterns

Claims

By driving the heating element, a liquid ejection head that heats the liquid held in the liquid chamber and ejects the liquid droplets from a predetermined nozzle,
A liquid ejection head, wherein a layer on the liquid chamber side of the heating element and in contact with the liquid is formed of an alloy of tantalum and aluminum having aluminum at a crystal grain boundary of tantalum.

The heating element is
2. The liquid discharge head according to claim 1, wherein the liquid ejection head is formed integrally with a semiconductor for driving the heating element on a predetermined substrate.

In a liquid ejection apparatus that attaches droplets ejected from a liquid ejection head to a printing target,
The liquid ejection head includes:
By driving the heating element, the liquid held in the liquid chamber is heated to eject the droplet from a predetermined nozzle,
A liquid ejecting apparatus, wherein a layer on the liquid chamber side of the heating element and in contact with the liquid is formed of an alloy of tantalum and aluminum having aluminum at a crystal grain boundary of tantalum.

A method of manufacturing a liquid ejection head that drives a heating element to heat a liquid held in a liquid chamber and eject droplets of the liquid from a predetermined nozzle.
A method for manufacturing a liquid discharge head, comprising: forming a layer on the liquid chamber side of the heating element, which is in contact with the liquid, with an alloy of tantalum and aluminum having aluminum at a crystal grain boundary of tantalum. .