JP2005035234A - 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、絶縁保護層の損傷を有効に回避して従来に比して信頼性を向上することができるようにする。
【解決手段】 本発明は、基板３１の表面と平行な部位における膜厚に対して、基板３１の表面から立ち上がっている壁面での膜厚を２０〔％〕未満となるように耐キャビテーション層４６を形成する。
【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、基板の表面と平行な部位における膜厚に対して、基板の表面から立ち上がっている壁面での膜厚を２０〔％〕未満となるように耐キャビテーション層を形成することにより、絶縁保護層の損傷を有効に回避して従来に比して信頼性を向上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、この発熱素子上に窒化シリコン等による絶縁保護層が形成され、この絶縁保護層により絶縁性が確保され、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。さらにこの絶縁保護層の上層に、正方晶構造であるβ−タンタルにより耐キャビテーション層が形成され、この耐キャビテーション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るようになされている。

ここで耐キャビテーション層に適用されるβ−タンタル膜においては、体心立方晶であるα−タンタル膜に比してインク中の含有物との間で化学反応を起こし難く、これにより酸化され難いことが知られている（ＩＳ＆Ｔ 9th International congress on advance in non-impact printing techonologies,October4-8,1993 Yokohama ）。これによりプリンタヘッドにおいては、耐キャビテーション層を保護層として使用して信頼性を確保するようになされている。

図１２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（ＳｉＯ₂ ）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（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）による絶縁保護層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（Ａｌ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５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（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）による絶縁保護層６が積層され、この上層に、β−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。

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。

このような構成に係るプリンタヘッド１は、絶縁保護層６、耐キャビテーション層７の膜厚を厚くすると、プリンタヘッドとしての信頼性を向上することができるものの、その分、発熱素子の熱を効率良くインクに伝導し得なくなる。このためプリンタヘッド１は、通常、このような絶縁保護層６が厚さ０．２〜０．６〔μｍ〕により作成され、耐キャビテーション層７が厚さ０．２〜０．３〔μｍ〕程度により作成されるようになされている。

ところでこのようなプリンタヘッド１においては、β−タンタルによる耐キャビテーション層７が１．０×１０¹⁰〜２．０×１０¹⁰〔ｄｙｎｅｓ／ｃｍ² 〕の高い圧縮応力を有することにより、耐キャビテーション層７の下層である絶縁保護層６に強い圧縮応力が加わる。

これによりプリンタヘッド１においては、図１２において矢印Ａにより部分的に拡大して示すように、絶縁保護層６にクラック（亀裂）Ｂが発生する場合があり、この場合クラックＢよりインクが浸入し、このインクにより配線パターン５、発熱素子３が腐食し、ついにはインクを介して配線パターン５がショートし、また発熱素子３が断線してインク液滴を吐出できなくなる問題があった。

プリンタヘッド１においては、このような保護層６の損傷を防止する１つの方法として、耐キャビテーション層７の圧縮応力を低減することが考えられ、例えば特開平６−２９７７１３号公報においては、β−タンタルによる耐キャビテーション層を膜厚０．７〜２．０〔μｍ〕により作成する場合に、耐キャビテーション層の圧縮応力（Compressive stress）を１．０×１０⁸ 〜１．０×１０¹⁰〔ｄｙｎｅｓ／ｃｍ² 〕に設定してこのようなクラックの発生を防止する方法が提案されるようになされている。しかしながらスパッタリングによる成膜においては、スパッタリングパワー、圧力、キャリアガスの流量等の成膜条件を種々に設定しても、応力はほとんど変化せず、これにより特開平６−２９７７１３号公報に提案されている手法の適用にあっては、実用上未だ不十分な欠点がある。

しかしてこのようなクラックＢの発生箇所を詳細に観察したところ、クラックＢは、矢印Ｃにより示すように、段差を形成する壁面の根元の部位、矢印Ｄにより示すように、このような壁面の上端側の部位で発生していることが確認された。このような箇所においては、耐キャビテーション層７による圧縮応力が絶縁保護層６に集中して加わり易く、この圧縮応力の集中によりクラックＢが発生するものと考えられる。なおここでプリンタヘッド１は、膜厚０．２〜０．８〔μｍ〕により配線パターン５が作成され、この配線パターン５と発熱素子３との端部で発熱素子３上に配線パターン５が重なり合うことにより段差が生じ、絶縁保護層６、耐キャビテーション層７は、この段差に沿ってほぼ一様（Conformal ）な膜厚により順次作成される。

これによりこのような圧縮応力の集中を低減することができれば、絶縁保護層６の損傷を有効に回避して従来に比して信頼性を向上することができると考えられる。
特開平６−２９７７１３号公報

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、絶縁保護層の損傷を有効に回避して従来に比して信頼性を向上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、基板上に形成した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から液体の液滴を飛び出させる液体吐出ヘッドに適用して、液室の発熱素子側の面に設けられて発熱素子を保護する保護層が、基板の表面と平行な部位における膜厚に対して、基板の表面から立ち上がっている壁面での膜厚が２０〔％〕未満となるように形成されてなるようにする。

また請求項２の発明においては、液体吐出ヘッドより飛び出す液滴を対象物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、基板上に形成した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から液滴を飛び出させ、液室の発熱素子側の面に設けられて発熱素子を保護する保護層が、基板の表面と平行な部位における膜厚に対して、基板の表面から立ち上がっている壁面での膜厚が２０〔％〕未満となるように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、基板上に形成した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から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、液室の発熱素子側の面に設けられて発熱素子を保護する保護層を、基板の表面と平行な部位における膜厚に対して、基板の表面から立ち上がっている壁面での膜厚を２０〔％〕未満となるように形成する。

請求項１の構成により、基板上に形成した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から液体の液滴を飛び出させる液体吐出ヘッドに適用して、液室の発熱素子側の面に設けられて発熱素子を保護する保護層が、基板の表面と平行な部位における膜厚に対して、基板の表面から立ち上がっている壁面での膜厚が２０〔％〕未満となるように形成されることにより、壁面の部位において圧縮応力が局所的に低減される。これによりこの部位における絶縁保護層への応力集中が防止され、絶縁保護層の損傷を有効に回避して従来に比して信頼性を向上することができる。

これにより請求項２及び請求項３の構成によれば、絶縁保護層の損傷を有効に回避して従来に比して信頼性を向上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、絶縁保護層の損傷を防止して従来に比して信頼性を向上することができる。

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）実施の形態の構成
図２は、本発明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、それぞれイエロー、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２２の両側に、交互（千鳥状に）に同一構成によるヘッドチップ２１が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２１においては、それぞれ発熱素子がインク流路２２側となるように配置されており、つまりインク流路２２側を介して両側のヘッドチップ２１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２２で各ヘッドチップ２１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２１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２１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２２の上方及び下方に配置されるヘッドチップ２１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２１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２１にスクライビング処理され、各ヘッドチップ２１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、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には、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、１８〜２５〔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（ＴｉＯＮ）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、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、スパッタリング法により膜厚８３〔ｎｍ〕によるタンタル膜が堆積され、これによりシリコン基板３１上に抵抗体膜が形成される。さらに続いてフォトリゾグラフィー工程、ＢＣｌ₃ ／Ｃｌ₂ ガスを用いたドライエッチング工程により、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成膜した抵抗体膜をパターニングし、１００〔Ω〕の抵抗値を有する発熱素子３９が作成される。なお発熱素子３９においては、このような折り返し形状に代えて、正方形形状により作成してもよく、この場合、膜厚５０〔ｎｍ〕によるタンタル膜を堆積し、また正方形形状により成膜した抵抗体膜をパターニングし、これにより抵抗値が４０〔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４１が形成される。続いて図５（Ｄ）に示すように、フォトリゾグラフィー工程、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が除去され、これにより発熱素子３９を配線パターンに接続する部位が露出される。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。

さらに図６（Ｅ）に示すように、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等による配線パターン材料層４３が成膜される。

続いて図６（Ｆ）に示すように、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成膜した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。プリンタヘッド１９は、この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。なお発熱素子３９の上層に取り残されたシリコン窒化膜４１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３９の保護層として機能する。

続いて図７（Ｇ）に示すように、プリンタヘッド１９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４５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４５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、耐キャビテーション材料層が堆積された後、この耐キャビテーション材料層のパターニングにより耐キャビテーション層４６が形成される。この実施例においては、図９に示すように、タンタルをターゲットに用いたイオン化スパッタリング法により、β−タンタルによる耐キャビテーション材料層が作成される。なお図９は、イオン化スパッタリング装置内のイオン化スパッタ成膜チェンバーの構成を示す概略断面図であり、イオン化スパッタ成膜チェンバーは、上部側に設けられてなるＤＣマグネトロン方式のカソードにタンタルを用いたターゲット４７が配置され、またカソードと平行となる下部側に試料台が設けられ、この試料台上にシリコン基板３１が搭載されるようになされている。またこの試料台とカソードとの間に誘導結合型コイル４８が配置され、これらのカソード、試料台及び誘導結合型コイル４８がイオン化スパッタリング装置内の電源及び高周波電源（ＲＦ電源）に接続されて構成される。

このイオン化スパッタリングによる成膜においては、高周波電源による駆動によりＲＦコイル４８を放電させて高密度のアルゴンプラズマを形成し、ターゲット４７から飛び出した成膜種をこのアルゴンプラズマの荷電粒子、活性種との衝突によりイオン化し、基板に印加したバイアス電源による電界によりこのイオン化した成膜種の基板への堆積を加速させるものである。これによりこのイオン化スパッタリングによる成膜においては、基板に対してほぼ垂直方向より成膜種が堆積し、いわゆる垂直指向性を有するようになる。

すなわちこの成膜によれば、成膜種の到来方向に垂直な、シリコン基板３１の表面と平行な面においては、多くの成膜種が堆積するのに対し、このような成膜種の到来方向と平行な、シリコン基板３１の表面から立ち上がっている壁面においては、成膜種の堆積が少なくなる。

これにより図１０に示すように、この成膜によれば、配線パターン４４により生じる段差の部分において、この段差を形成する壁面においては、密度の低い疎な膜構造による薄い膜厚で耐キャビテーション層が形成されるのに対し、段差の底面、上端側平坦面においては、密度の高い密な膜構造による厚い膜厚により耐キャビテーション層が形成される。

しかして耐キャビテーション層の表面を詳細に検討したところ、図１１において符号ａにより示すように、耐キャビテーション層４６においては、発熱素子３９を構成する抵抗体膜４９、５０の中央部分、直上の一定範囲において、すなわちこのような段差の底面のほぼ中央部分でのみ、インクとの熱反応が確認され、これにより少なくとも図１０について説明した段差の底面の部分を十分な膜厚により作成すれば、発熱素子３９に対する保護層としての機能は、十分に確保できることが判った。なお図１１は、インクとの熱反応により浸食された耐キャビテーション層４６の表面をインク液室側より見た平面図であり、この耐キャビテーション層４６の下層においては、所定の間隔を隔てて長方形形状の抵抗体膜４９、５０を併設し、これらの抵抗体膜４９、５０の一端が配線パターン４４ａにより接続されると共に、これら抵抗体膜４９、５０の他端にそれぞれ配線パターン４４ｂ、４４ｃが接続され、これによりこれら抵抗体膜４９、５０の直列接続により発熱素子３９が形成された場合である。

これに対してこのように段差の壁面側の耐キャビテーション層４６を、密度の低い疎な膜構造による薄い膜厚により形成し、段差の底面側の耐キャビテーション層４６を、密度の高い密な膜構造による厚い膜厚により形成すれば、耐キャビテーション層４６の膜応力を、壁面の部分で局所的に低減することができ、これによりこのような壁面の根元部分及び上端側の部位における応力集中を防止し得、これら根元部分等におけるクラックの発生を防止することができるようになされている。

この実施例では、上述したイオン化スパッタリング装置によりβ−タンタルによる耐キャビテーション材料層を成膜し、またこのとき発熱素子３９直上の段差の底面部分を膜厚０．１〜０．３〔μｍ〕により成膜した。なおこの場合、直流パワーは、２〜４〔ｋＷ〕、基板温度は、２００〜４００度、アルゴンガス流量は、５〜２５〔ｓｃｃｍ〕、高周波電力は、１〜３〔ｋＷ〕、基板バイアス電力は０〜０．５〔ｋＷ〕であり、成膜された耐キャビテーション材料層においては、段差の底面部分の膜厚Ｔに対して段差の壁面部分の膜厚Ｔ１が１０〔％〕程度であった（図１０）。また成膜条件を可変して段差の壁面部分の膜厚Ｔ１を種々に設定して作成したところ、段差の底面部分の膜厚Ｔに対してこの段差の壁面部分の膜厚Ｔ１が２０〔％〕以下の範囲では膜応力が局所的に低減され、クラックの発生を防止できることが確認された。

このようにして耐キャビテーション材料層が作成されると、続いてプリンタヘッド１９は、フォトレジスト工程、ＢＣｌ₃ ／Ｃｌ₂ ガスを用いたドライエッチング工程により、耐キャビテーション材料層が所定形状によりパターニングされ、これにより耐キャビテーション層４６が形成される。

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２１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２２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）実施の形態の動作
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、２層目の配線パターン４４が作成される。また続いて絶縁保護層４５が作成された後、熱処理により配線パターン３７及び４４間、配線パターン４４と発熱素子３９等との間の接続が安定化され、耐キャビテーション層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２２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インク液室５２のインクがノズル２３から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、インク液室５２の発熱素子３９側に設けられた保護層である耐キャビテーション層４６によりこのキャビテーションによる機械的な衝撃が緩和され、発熱素子３９がこの衝撃から保護される。また耐キャビテーション層４６、絶縁保護層４５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、このように発熱素子３９を保護する耐キャビテーション層４６が高い圧縮応力を有するβ−タンタルにより作成され、この耐キャビテーション層４６により下層の絶縁保護層４５に強い圧縮応力が加わる。これにより従来のプリンタヘッドにあっては、段差を形成する壁面の根元部分及びこのような壁面の上端側の部分に圧縮応力が集中することになり、ついには耐キャビテーション層の下層に形成された絶縁保護層にクラックが発生して損傷する。

しかしながらこの実施例のように、基板の表面と平行な部位における膜厚に対して、基板の表面から立ち上がっている壁面での膜厚を２０〔％〕未満となるように形成された場合にあっては、いわゆる垂直指向性を有する成膜であり、シリコン基板３１の表面と平行な、段差の底面及び上端側平坦面の部分が、密度の高い密な膜構造による厚い膜厚により形成され、シリコン基板３１の表面から立ち上がっている、段差の壁面部分が、密度の低い疎な膜構造による薄い膜厚により形成される（図１０）。これによりプリンタヘッド１９では、段差の壁面部分において膜応力が局所的に低減されることにより絶縁保護層４５への応力集中が防止され、これにより絶縁保護層４５の損傷を有効に回避して従来に比して信頼性を向上することができるようになされている。

またこのようにして形成される耐キャビテーション層４６においては、発熱素子３９の保護層として機能する十分な膜厚により段差の底面部分が形成されることにより、保護層として使用して信頼性を確保することができる。

なおこのようにして形成される耐キャビテーション層４６においては、既存の製造プロセスを利用するものであり、これにより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。
（３）実施の形態の効果
以上の構成によれば、基板の表面と平行な部位における膜厚に対して、基板の表面から立ち上がっている壁面での膜厚を２０〔％〕未満となるように耐キャビテーション層を形成することにより、絶縁保護層の損傷を有効に回避して従来に比して信頼性を向上することができる。

この実施例においては、イオン化スパッタリング法による耐キャビテーション材料層の成膜に代えて、プラズマＣＶＤ法により耐キャビテーション材料層を成膜する。なおこの実施例においては、耐キャビテーション材料層の成膜方法が異なる点を除いて、実施例１に係るプリンタヘッド１９と同一に構成されることにより、重複した説明は省略する。

すなわちプラズマＣＶＤによる成膜においては、原料ガスと還元ガスとによる混合ガスを励起してプラズマを形成し、このプラズマ中の活性種により原料ガスを還元して成膜種を生成する。またこのときプラズマ中の荷電粒子、活性種により成膜種をイオン化し、基板に印加したバイアス電源による電界によりこのイオン化した成膜種の基板への堆積を加速させるものである。これによりプラズマＣＶＤによる成膜においては、イオン化スパッタリングによる成膜と同様に、基板に対してほぼ垂直方向より成膜種が堆積し、いわゆる垂直指向性を有するようになる。

なおこの実施例において、原料ガスには、塩化タンタル（ＴａＣｌ₅ ）ガス又は臭化タンタル（ＴａＢｒ₅ ）ガスを適用し、還元ガスには、水素（Ｈ₂ ）ガスを適用した。

この実施例のように、プラズマＣＶＤ法により耐キャビテーション材料層を成膜するようにしても、実施例１と同様の効果を得ることができる。

なお上述の実施例においては、β―タンタルによる耐キャビテーション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、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場合に広く適用することができる。なお種々に検討した結果、β−タンタルの結晶粒界の間に、アルミニュームが存在する構造の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れば、下層の絶縁保護層への圧縮応力が２．０×１０⁹ 〜６．０×１０⁹ 〔ｄｙｎｅｓ／ｃｍ² 〕になることが判った。これによりこのようにすれば、β−タンタルによる耐キャビテーション層を形成する場合に比して圧縮応力を１桁低減し得、その分、クラックの発生を一段と防止することができる。

また上述の実施例においては、イオン化スパッタリング法により、又はプラズマＣＶＤ法により、耐キャビテーション材料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、イオンプレーティング法を用いる等、基板に対して成膜種がほぼ垂直方向より堆積する成膜方法であれば、種々の成膜手法を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。 スパッタリング成膜チェンバーの構成を示す概略断面図である。 発熱素子近傍の構成を示す断面図である。 耐キャビテーション層における熱反応の説明に供する平面図である。 従来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。

符号の説明

１、１９……プリンタヘッド、２、３１……基板、３、３９……発熱素子、４、６、４１、４５絶縁保護層、５、３７、４４……配線パターン、７、４６……耐キャビテーション層、１１……プリンタ、３３、３４……トランジスタ

Claims (3)

1. 基板上に形成した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から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、
   前記液室の前記発熱素子側の面に設けられて前記発熱素子を保護する保護層が、
   前記基板の表面と平行な部位における膜厚に対して、前記基板の表面から立ち上がっている壁面での膜厚が２０〔％〕未満となるように形成された
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 液体吐出ヘッドより飛び出す液滴を対象物に付着させる液体吐出装置において、
   前記液体吐出ヘッドは、
   基板上に形成した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から前記液滴を飛び出させ、
   前記液室の前記発熱素子側の面に設けられて前記発熱素子を保護する保護層が、
   前記基板の表面と平行な部位における膜厚に対して、前記基板の表面から立ち上がっている壁面での膜厚が２０〔％〕未満となるように形成された
   ことを特徴とする液体吐出装置。
3. 基板上に形成した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から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、
   前記液室の前記発熱素子側の面に設けられて前記発熱素子を保護する保護層を、
   前記基板の表面と平行な部位における膜厚に対して、前記基板の表面から立ち上がっている壁面での膜厚を２０〔％〕未満となるように形成する
   ことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
   

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