JP2006116832A - 液体吐出ヘッド及び液体吐出装置 - 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、例えば発熱素子と発熱素子を駆動するトランジスタとを一体に基板上に形成した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、金属配線層のエレクトロマイグレーション耐性を向上させても、配線抵抗の増大を低減することができるようにする。
【解決手段】 本発明は、絶縁保護層４６に設けられたコンタクト部４７を介して発熱素子２７に金属配線層５６を接続するようにし、該金属配線層５６をアルミニューム膜５２とこのアルミニューム膜５２の発熱素子２７側に設けられたチタンナイトライド膜５０との積層構造により形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体吐出ヘッド及び液体吐出装置に関し、例えば発熱素子と発熱素子を駆動するトランジスタとを一体に基板上に形成した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、絶縁保護層に設けられたコンタクト部を介して発熱素子に金属配線層を接続するようにし、該金属配線層をアルミニューム膜とこのアルミニューム膜の発熱素子側に設けられたチタンナイトライド膜との積層構造により形成することにより、金属配線層のエレクトロマイグレーション耐性を向上させても、配線抵抗の増大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、このように高密度に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、半導体基板上に駆動素子である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。

プリンタヘッドにおいては、このように高密度に発熱素子を配置して、各発熱素子を駆動するスイッチングトランジスタ、このスイッチングトランジスタを駆動する駆動回路がＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor ）型電界効果型トランジスタにより作成される。またこのスイッチングトランジスタにより発熱素子を０．８〜１．４〔μＪ〕により発熱させ、これによりインク液滴を飛び出させるようになされている。またこのように発熱素子の発熱に係る電力は、（電圧）・（電流）＝（発熱素子の電流）² ・発熱素子の抵抗値の関係で表されることにより、スイッチングトランジスタにより８０〜２００〔ｍＡ〕の電流を発熱素子に通電するようになされている。

このためこのようなプリンタヘッドにおいて、スイッチングトランジスタを発熱素子に接続する金属配線層は、発熱素子を駆動する際に電流密度が１×１０⁶〜３×１０⁶ 〔Ａ／ｃｍ² 〕と高くなり、これによりエレクトロマイグレーション現象が発生する恐れがある。なお一般に、電線の電流密度は１０³ 〔Ａ／ｃｍ² 〕程度であり、集積回路に用いる金属配線層の電流密度は１０⁴ 〜１０⁵ 〔Ａ／ｃｍ² 〕である。

具体的にこの種のプリンタヘッドに適用される金属配線層は、図８に示すように、アルミニューム（Ａｌ）の多結晶構造（単結晶粒の集合体）により形成され、これによりこの金属配線層に過大な電流が流れると、矢印Ａにより示すように、電子とアルミニューム原子との衝突によりアルミニューム原子が格子位置から離れるエレクトロマイグレーション現象が起き易い。因みに金属配線層では、このようなエレクトロマイグレーション現象により徐々にボイドが発生し、これによりプリンタヘッドにおいては、特開２００３−５３９７５号公報に記載されているように、このボイドにより金属配線層の抵抗値が増大し、ついには金属配線層が断線することになる。

このため従来のプリンタヘッドにおいては、例えばＨＰJournal 94年2月号 P.41〜45に記載されているように、アモルファス構造によるタンタルアルミ（ＴａＡｌ）等により発熱素子が形成され、この発熱素子上にアルミニュームの結晶粒界にシリコン又は銅を添加したアルミニューム化合物（Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ）等により金属配線層が形成される。ここでこのようにして作成される金属配線層は、シリコン、銅等によりアルミニュームの結晶粒界が補強され、これによりプリンタヘッドにおいては、アルミニューム原子の移動を抑制するようにして金属配線層のエレクトロマイグレーション耐性を向上するようになされている。

またこのような構成に係るプリンタヘッドにおいては、例えば特許第３５０３６１１号に開示されているように、アルミニューム膜とチタン膜とによる積層構造により金属配線層を形成することにより、金属配線層のエレクトロマイグレーション耐性を向上するようになされている。すなわち図９に示すように、このプリンタヘッド１は、発熱素子２上にこの発熱素子２を金属配線層形成時のドライエッチングより保護する絶縁保護層３が形成され、続いて金属配線層の材料であるチタン膜、シリコンを１〔ａｔ％〕添加したアルミニューム膜が順次堆積される。このときチタン膜上に形成されるアルミニューム膜においては、チタン膜の主たる配向面である（００２）面の原子間隔２．９５〔Å〕に対してアルミニューム膜の主配向である（１１１）面の原子間隔が２．８６〔Å〕と近く、これにより下層のチタン膜によりアルミニューム結晶粒の成長が促進される。これによりアルミニューム膜では、アルミニュームの結晶粒自体が大きくなり、その分、単位長さ当たりの結晶粒界の数を少なくしてエレクトロマイグレーション耐性を向上することができる。

なお単にアルミニュームによる金属配線層を発熱素子上に作成する場合のように、アモルファス構造のタンタルアルミによる発熱素子上にアルミニュームを成膜する場合にあっては、このタンタルアルミ膜の影響を受けずにアルミニューム膜が成膜され、これによりアルミニューム膜についてはエレクトロマイグレーション耐性を向上し得ない。また特許第３１５５４２３号、特開平８−３２５７２１号公報等に開示されているように、六方晶系（hexagonal）構造の窒化タンタル（ＴａＮ_0.8 ）による発熱素子上にアルミニュームを成膜する場合、この窒化タンタルにおいては、主配向である（１００）面の原子間隔が２．５４〔Å〕であり、これによりこの上層に形成されるアルミニューム膜の（１１１）面への配向が阻害され、その分、エレクトロマイグレーション耐性を劣化させることになる。

またこのようなアルミニュームの成膜時においては、成膜温度を高くすれば、アルミニューム結晶粒を大きくすることができるものの、実際に成膜したアルミニューム膜においては表面の凹凸が激しく、これにより金属配線層形成時のドライエッチングにおいて著しく精度が劣化する欠点がある。

プリンタヘッド１では、このようにして金属配線層の材料が堆積されると、続いてドライエッチングによりこれら金属配線層の材料が選択的に除去され、これによりチタン膜４、アルミニューム膜５による積層構造により金属配線層が作成されると共に絶縁保護層３によりこのドライエッチングから発熱素子２が保護される。これによりプリンタヘッド１では、金属配線層のエレクトロマイグレーション耐性を向上させても、精度良く作成して信頼性を確保することができるようになされている。

因みにこのようなチタンとアルミニュームとによる積層構造の金属配線層を発熱素子上に直接チタン膜を堆積させて作成する場合、図１０に示すように、この金属配線層形成時のエッチングにより、下層の発熱素子をエッチングすることなく選択的にチタン膜を除去困難になる。

これらにより従来のプリンタヘッドにおいては、チタン膜とアルミニューム膜との積層構造により金属配線層を形成することにより、アルミニューム結晶粒の結晶粒界をシリコン、銅等により補強して、またこの結晶粒界の数を少なくしてエレクトロマイグレーション耐性を向上す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においては、発熱素子を駆動する際に、スイッチングトランジスタのオン抵抗値、金属配線層の抵抗値によっても、電力が消費される。すなわち発熱素子の発熱に係る効率は、（発熱素子の抵抗値）／（発熱素子の抵抗値＋スイッチングトランジスタのオン抵抗値＋配線抵抗の値）により表され、これにより発熱素子の抵抗値に対してこれらスイッチングトランジスタのオン抵抗、配線抵抗の値を十分に小さくしなければ、効率良く発熱素子を駆動できなくなる。

しかしながら上述したチタン膜とアルミニューム膜とによる金属配線層においては（図９）、チタン膜４とアルミニューム膜５との境界面でチタンとアルミニュームとの化学反応により合金層６が形成される。この合金層６においては、アルミニューム膜５に比して抵抗値が高く、これによりプリンタヘッドでは、このようなチタン膜４とアルミニューム膜５により金属配線層を作成すると、単にアルミニュームにより金属配線層を作成する場合に比して配線抵抗の値が増大する問題がある。
特開２００３−５３９７５号公報 特許第３５０３６１１号 特許第３１５５４２３号 特開平８−３２５７２１号公報 ＨＰJournal 94年2月号 P.41〜45

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、金属配線層のエレクトロマイグレーション耐性を向上させても、配線抵抗の増大を低減することができる液体吐出ヘッド及び液体吐出装置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、アルミニューム膜と、アルミニューム膜の発熱素子側に設けられたチタンナイトライド膜との積層構造により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、液体吐出ヘッド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、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、アルミニューム膜と、アルミニューム膜の発熱素子側に設けられたチタンナイトライド膜との積層構造により形成されてなるようにする。

請求項１の構成により、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、アルミニューム膜と、アルミニューム膜の発熱素子側に設けられたチタンナイトライド膜との積層構造により形成されてなるようにすれば、アルミニューム膜堆積時における結晶粒の成長がチタンナイトライド膜により促進される。またチタンナイトライド膜とアルミニューム膜との間での化学反応においては、従来のチタン膜とアルミニューム膜との積層構造により金属配線層を作成する場合に比して起こり難く、このチタンナイトライド膜の比抵抗においては、チタンとアルミニュームとによる合金層の比抵抗に対して十分に低い。これらにより金属配線層のエレクトロマイグレーション耐性を向上させても、配線抵抗の増大を低減することができる。

これにより請求項４の構成によれば、金属配線層のエレクトロマイグレーション耐性を向上させても、配線抵抗の増大を低減することができる液体吐出装置を提供することができる。

本発明によれば、金属配線層のエレクトロマイグレーション耐性を向上させても、配線抵抗の増大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、本発明に係るラインプリンタを示す斜視図である。このラインプリンタ１１は、フルラインタイプのラインプリンタであり、略長方形形状によりプリンタ本体１２が形成される。このラインプリンタ１１は、印刷対象である用紙１３を収納した用紙トレイ１４をこのプリンタ本体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。

ラインプリンタ１１は、このようにトレイ出入口よりプリンタ本体１２に用紙トレイ１４が装着されて、ユーザーにより印刷が指示されると、このプリンタ本体１２に設けられた給紙ローラの回転によりプリンタ本体１２の背面側に向かって用紙トレイ１４から用紙１３が送り出され、プリンタ本体１２の背面側に設けられた反転ローラによりこの用紙１３の送り方向が正面方向に切り換えられる。ラインプリンタ１１は、このようにして用紙送り方向が正面方向に切り換えられてなる用紙１３が用紙トレイ１４上を横切るように搬送され、ラインプリンタ１１の正面側に配置された排出口よりトレイ１５に排出される。

ラインプリンタ１１は、上側端面に上蓋１６が設けられ、この上蓋１６の内側、正面方向への用紙搬送途中に、矢印Ａ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。

ここで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４色によるフルラインタイプのプリンタヘッドであり、上側に各色のインクタンク１９Ｙ、１９Ｍ、１９Ｃ、１９Ｋが設けられるようになされている。ヘッドカートリッジ１８は、これらインクタンク１９Ｙ、１９Ｍ、１９Ｃ、１９Ｋに係るプリンタヘッドのアッセンブリーであるヘッドアッセンブリー２０と、このヘッドアッセンブリー２０の用紙１３側に設けられて、不使用時、ヘッドアッセンブリー２０に設けられたノズル列を塞いでインクの乾燥を防止するヘッドキャップ２１とにより構成される。これによりラインプリンタ１１においては、このヘッドカートリッジ１８に設けられたヘッドアッセンブリー２０の駆動により、各色のインク液滴を用紙１３に付着させて所望の画像等をカラーにより印刷することができるようになされている。

図３は、このヘッドアッセンブリー２０を用紙１３側より見てインク液滴Ｌの吐出に係る部分を拡大し、一部断面を取って示す斜視図である。ヘッドアッセンブリー２０は、液室２２の隔壁２３等を作成したヘッドチップ２４を順次ノズルシート２５に貼り付けた後、ボンディング端子２６を介してヘッドチップ２４を配線して形成される。

ここでヘッドチップ２４は、複数の発熱素子２７、この複数の発熱素子２７を駆動する駆動回路、この駆動回路の駆動に供する電源等を入力するパッド２８等が形成されたものであり、ノズルシート２５側から見て全体が長方形形状により形成され、この長方形形状の長辺の一辺に沿って複数の発熱素子２７が所定ピッチにより配置される。

ヘッドチップ２４は、この一辺側が開いてなるように、櫛の歯形状により液室２２、インク流路の隔壁２３が形成され、これによりこの一辺側にインク流路を形成して、このインク流路からそれぞれ対応するインクタンク１９Ｙ、１９Ｍ、１９Ｃ、１９Ｋのインクを各液室２２に導き得るようになされ、またこのようにして液室２２に導かれたインクを発熱素子２７の駆動により加熱できるようになされている。

ヘッドチップ２４は、半導体ウエハの段階で、露光硬化型のドライフィルムレジストを発熱素子２７側面に積層した後、フォトリソプロセスによってこのドライフィルムレジストから液室の部位等を取り除くことにより、隔壁２３が形成されるようになされている。

これに対してノズルシート２５は、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックのインクにそれぞれ対応する用紙幅によるノズル２９の列が並設されたシート状部材であり、電鋳技術によりコバルトを含むニッケル材により形成される。ノズルシート２５は、各ノズル２９の列を間に挟んで千鳥に、各ヘッドチップ２４をそれぞれボンディング端子２６にワイヤボンディングする際の作業用の開口３０が形成されるようになされている。

図４は、このヘッドアッセンブリー２０に配置されるヘッドチップ２４のノズル２９を含む近傍の構成を示す断面図である。ヘッドチップ２４は、半導体製造工程により、複数チップ分がシリコン基板３１による半導体ウエハ上にまとめて形成された後、各チップにスクライビングされて形成される。

この実施例においては、発熱素子２７の駆動に供するスイッチングトランジスタ３２がＮＭＯＳトランジスタにより作成され、またこのスイッチングトランジスタ３２を駆動する駆動回路を構成するドライバートランジスタ３３等がＮＭＯＳ及びＰＭＯＳトランジスタにより作成される。この実施例では、これらのトランジスタ３２及び３３等がほぼ同一のゲート入力電圧５〔Ｖ〕以下により動作するように作成されるのに対し、スイッチングトランジスタ３２においては、ドレインのゲート側とゲートとの間に低濃度の不純物層による拡散層（オフセット領域）を作成し、この拡散層によりゲート下のチャネル形成領域とドレインとの間の電界を緩和することにより、ゲート・ドレイン間の耐圧を発熱素子２７の駆動に係る電圧以上、少なくとも２５〔Ｖ〕程度まで増大させる構成が適用されるようになされている。これによりヘッドチップ２４では、ドライバートランジスタ３３によりスイッチングトランジスタ３２を直接駆動するようになされている。

すなわちヘッドチップ２４は、図５（Ａ）に示すように、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３２、３３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。これらによりヘッドチップ２４は、シリコン基板３１上のトランジスタを作成する領域にシリコン窒化膜が堆積される。

続いてヘッドチップ２４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）３５が形成される。なおこの素子分離領域３５は、その後の処理により最終的に膜厚２６０〔ｎｍ〕に形成される。

ヘッドチップ２４は、続いてフォトリソグラフィー工程、イオン注入工程、熱拡散工程によりシリコン基板３１が処理され、これによりシリコン基板３１中にＮウェル領域及びＰウェル領域が形成される。

続いて図５（Ｂ）に示すように、シリコン基板３１が洗浄された後、熱処理炉において、水素と酸素とによる混合ガス（Ｈ₂ ／Ｏ₂ ）の雰囲気中で、８５０度により熱処理され、これにより膜厚８〜２５〔ｎｍ〕による熱酸化膜３６が形成される。この実施例においては、この熱酸化膜３６がゲート電極の形状によりパターニングされてゲート酸化膜が形成される。なおこのゲート酸化膜の膜厚は、ソース・ドレイン間の耐圧、ゲート長、ゲート入力電圧等に基づいて、これら８〜２５〔ｎｍ〕の範囲で所望の値に設定される。

続いて図６（Ｃ）に示すように、シリコン基板３１が洗浄された後、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）法によりポリシリコン膜が膜厚１００〔ｎｍ〕により堆積される。さらに続いてイオン注入工程によりポリシリコン膜中にボロンが注入され、活性化アニール工程によりこのポリシリコン膜中のボロン、ソース及びドレイン作成領域の不純物が活性化される。

続いてヘッドチップ２４は、タングステンシリサイド膜が膜厚１００〔ｎｍ〕により堆積された後、リソグラフィー工程によりトランジスタのゲート領域が露光処理され、さらに続いてＳＦ₆ ＋ＨＢｒ系のガスを用いたドライエッチング工程により、余剰な熱酸化膜３６、ポリシリコン膜、タングステンシリサイド膜が除去され、これによりゲート酸化膜３７、ポリシリコン膜３８、タングステンシリサイド膜３９によるポリサイド構造によりゲート電極が形成され、この実施例では、ゲート長が２〔μｍ〕以下により形成される。

続いてイオン注入工程、熱処理工程によりシリコン基板３１が処理され、低濃度の拡散層４０が形成され、さらにソース及び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、これらによりＭＯＳトランジスタ３２、３３等が作成される。

このようにしてトランジスタ３２、３３が作成されると、ヘッドチップ２４は、続いて図６（Ｄ）に示すように、ＣＶＤ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４２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４３が作成される。

さらにヘッドチップ２４は、希フッ酸によりシリコン基板３１が洗浄された後、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。さらに続いて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１層目の配線パターン材料層が成膜される。

続いてヘッドチップ２４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層が選択的に除去され、これにより１層目の配線パターン４４が作成される。ヘッドチップ２４は、このようにして作成された１層目の配線パターン４４により、ドライバートランジスタ３３を接続してロジック集積回路が形成されるようになされている。

ヘッドチップ２４は、続いて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。続いてヘッドチップ２４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４４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４５が形成される。

ヘッドチップ２４は、続いてスパッタリング装置により膜厚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。なおスパッタリングの条件は、ウエハ加熱温度２００〜４００度、直流印加電力２〜４〔ｋＷ〕、アルゴンガス流量２０〜４０〔ｓｃｃｍ〕に設定した。さらに続いてヘッドチップ２４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抵抗体膜が選択的に除去され、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、４０〜１００〔Ω〕の抵抗値を有する発熱素子２７が形成される。

このようにして発熱素子２７が形成されると、ヘッドチップ２４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２７の絶縁保護層４６が形成される。続いて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が除去され、これにより絶縁保護層４６に開口を形成してコンタクト部４７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４６に開口を形成してビアホール４８が作成される。ここでコンタクト部４７は、２層目の配線パターンを下層の発熱素子２７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４８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４４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。

このようにしてコンタクト部４７、ビアホール４８が作成されると、続いてヘッドチップ２４は、少なくともチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜、アルミニューム膜を含む積層構造により２層目の配線パターン材料層がスパッタリング法により堆積される。

ここでこのチタンナイトライドは、主配向である（１１１）面の原子間隔が３．０〔Å〕であり、アルミニュームとの間での化学反応がチタンに比して起こり難い。またこのチタンナイトライド膜は、比抵抗が１００×１０^-6〔Ω−ｃｍ〕であり、チタンとアルミニュームとの合金の比抵抗２００×１０^-6〔Ω−ｃｍ〕に対して十分に低い。

これによりこのチタンナイトライド膜の上層にアルミニューム膜を堆積すれば、このチタンナイトライド膜の原子間隔によりアルミニュームにおける（１１１）面への配向性が高くなり、これによりアルミニューム結晶粒の成長が促進されると共に、これらチタンナイトライド膜、アルミニューム膜との界面での合金の形成が防止される。

しかしてこの実施例においては、１つのスパッタリング装置により配線パターン材料層が連続して堆積され、これによりこの配線パターン材料層に供するスパッタリング装置内でのゴミの発生を防止するようになされている。具体的に図１に示すように、ヘッドチップ２４は、膜厚２０〔ｎｍ〕によるチタン、膜厚１００〔ｎｍ〕によるチタンナイトライド、膜厚５〔ｎｍ〕によるチタンが順次堆積された後、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〕により堆積される。さらに続いて膜厚５〔ｎｍ〕によるチタン、膜厚１００〔ｎｍ〕によるチタンナイトライド、膜厚５〔ｎｍ〕によるチタンが堆積され、これらにより２層目の配線パターン材料層が形成される。またこのようにして配線パターン材料層を形成するにつき、開口によるコンタクト部４７、ビアホール４８においては、チタン膜、チタンナイトライド膜の堆積により濡れ性がよくなり、これにより続くアルミニューム膜がスムーズに堆積される。

ここでこのような積層構造による配線パターン材料層において、最も下層のチタン膜は、この配線パターン材料層と絶縁保護層４６との間での密着性を増大させるものであり、アルミニューム膜下層のチタン膜は、チタンナイトライド膜の堆積に供する窒素ガスの残存によりアルミニューム膜堆積時にアルミニューム膜が窒化しないように、スパッタリング装置内に残る窒素ガスを排気する際に堆積されるものである。またアルミニューム膜上のチタン膜は、チタンナイトライド膜堆積時にアルミニューム膜表面の窒化を防止するものであるのに対し、最も上層のチタン膜は、スパッタリング装置内に残る窒素ガスを排気する際に堆積されるものである。

これによりこの実施例では、このようにアルミニューム膜の上層、下層にそれぞれチタン膜を設けることによりアルミニューム膜の窒化を有効に回避するようになされている。なおこのような配線パターン材料層においては、異なるスパッタリング装置により各種材料膜をそれぞれ堆積してもよく、この場合、チタンナイトライド膜上に直接アルミニューム膜を堆積する場合も可能である。またこのような配線パターン材料層における各種材料膜にあっては、実用上十分な特性を確保し得る範囲で種々の膜厚に設定することができる。

続いてヘッドチップ２４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この配線パターン材料層が選択的に除去され、これにより発熱素子２７側からチタン膜４９、チタンナイトライド膜５０、チタン膜５１、アルミニューム膜５２、チタン膜５３、チタンナイトライド膜５４、チタン膜５５による積層構造により２層目の配線パターン５６が作成される。

またこのとき発熱素子２７の上層に取り残された絶縁保護層４６にあっては、この配線パターン形成時のエッチング工程において、エッチングに供する塩素ラジカル種からβ−タンタルによる発熱素子２７を保護する保護層として機能する。これによりヘッドチップ２４では、コンタクト部４７の作成に供する、事前に形成された絶縁保護層４６により、ドライエッチングによる発熱素子２７へのダメージを防止するようになされている。なおこの絶縁保護層４６においては、このエッチング工程において、塩素ラジカルに曝される部位が膜厚３００〔ｎｍ〕から膜厚１００〔ｎｍ〕に減少する。

かくするにつきこの実施例においては、発熱素子２７を半導体素子に接続する金属配線層である配線パターンのうちの、発熱素子２７に接する２層目の配線パターン５６については、発熱素子２７側からチタン膜４９、チタンナイトライド膜５０、チタン膜５１と、このチタン膜５１の上にアルミニューム膜５２を有する積層構造により形成することにより、アルミニューム膜５２のエレクトロマイグレーション耐性を向上させても、配線抵抗の増大を低減するようになされている。

またこのような積層構造による配線パターン５６においては、アルミニューム膜５２の上側にもチタンナイトライド膜５４を有することにより、アルミニューム原子の移動が抑制され、またこれらチタンナイトライド膜５０、５４がそれぞれアルミニューム膜５２の反射防止膜として機能し、これらによりさらに一段とエレクトロマイグレーション耐性を向上するようになされている。

しかしてヘッドチップ２４は、この２層目の配線パターン５６により、スイッチングトランジスタ３２を発熱素子２７に接続する配線パターンが作成され、また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る。

続いて図７（Ｅ）に示すように、インク保護層、絶縁層として機能するシリコン窒化膜５７がプラズマＣＶＤ法により膜厚２００〜４００〔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。これによりヘッドチップ２４は、トランジスタ３２、３３の動作が安定化され、さらに１層目の配線パターン４４と２層目の配線パターン５６との接続が安定化されてコンタクト抵抗が低減される。

ヘッドチップ２４は、続いて耐キャビテーション材料層が膜厚１００〜３００〔ｎｍ〕により堆積された後、ＢＣｌ₃ ／Ｃｌ₂ ガスを用いたパターニングにより耐キャビテーション層５８が形成される。この実施例では、タンタルをターゲットに用いたＤＣマグネトロン・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層５８が形成される。またこのような耐キャビテーション層５８にあっては、β−タンタルに代えて、タンタルとアルミニュームとの合金を用いることも可能であり、この場合、β−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アルミニュームの含有量を１５〔ａｔ％〕程度にすれば、β−タンタル膜に比して下層の絶縁保護層５７への圧縮応力を低減することができる。

なおここで耐キャビテーション層５８は、発熱素子２７の駆動により液室２２に発生した気泡が消滅する際の物理的ダメージ（キャビテーション）を吸収して発熱素子２７を保護し、また発熱素子２７の駆動により高温となったインクの化学作用から発熱素子２７を保護する保護層である。

ヘッドチップ２４は、続いて図４に示すように、感光性有機系樹脂が塗布された後、露光現像工程により液室２２及び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、これにより液室２２の隔壁２３、インク流路の隔壁２３等が作成される。ヘッドチップ２４は、このようにしてシリコン基板３１上に作成された複数ヘッドチップ分がスクライビングされて作成される。

（２）実施例の動作
以上の構成において、このラインプリンタ１１においては（図２）、印刷に供する画像データ、テキストデータ等によるヘッドカートリッジ１８の駆動により、処理対象である用紙１３を所定の用紙送り機構により搬送しながら、ヘッドカートリッジ１８に設けられたヘッドアッセンブリー２０からインク液滴が吐出され、このインク液滴が搬送中の用紙１３に付着して画像、テキスト等が印刷される。

これに対応してヘッドカートリッジ１８のヘッドアッセンブリー２０においては（図２、図３）、インクタンク１９Ｙ、１９Ｍ、１９Ｃ、１９Ｋのインクが各ヘッドチップ２４に形成された液室２２に導かれ、発熱素子２７の駆動によるこの液室２２のインクの加熱により、ノズルシート２５に設けられたノズル２９からインク液滴Ｌが吐出される。これらによりこのラインプリンタ１１においては、所望の画像等を印刷することができるようになされている。

しかしてこのヘッドアッセンブリー２０においては（図３、図４）、複数の発熱素子２７、この複数の発熱素子２７を駆動するスイッチングトランジスタ３２等を一体に形成してなるヘッドチップ２４と、インク液滴を吐出するノズル２９によるノズル列、開口３０を電鋳処理により作成してなるシート状の部材であるノズルシート２５とを配置して形成される。またこのようなノズル２９によるノズル列が、印刷対象の用紙幅により形成され、これによりフルラインタイプのラインヘッドが構成され、シリアルヘッドのプリンタヘッドによる場合に比して高速度に所望の画像等を印刷することができる。

この実施例に係るヘッドアッセンブリー２０においては（図４〜図７）、このような発熱素子２７の駆動に係るスイッチングトランジスタ３２を発熱素子２７に接続する金属配線層のうちの、発熱素子２７に接する部位である２層目の配線パターン５６が、絶縁保護層４６に設けられた開口によるコンタクト部４７を介して発熱素子２７に接続される。またこのコンタクト部４７の作成に供する絶縁保護層４６を有効に利用して配線パターン５６が形成され、この配線パターン５６を構成するアルミニューム膜が、シリコン又は銅により結晶粒界が補強され、また堆積時における下層材料の影響により結晶粒界の数が減らされる。

しかしてこのような配線パターン５６をチタン膜とアルミニューム膜との積層構造により作成した場合にあっては、これらチタン膜、アルミニューム膜の界面にチタンとアルミニュームとの合金層が形成され、この合金層により配線抵抗の値が増大し、これにより発熱素子２７を効率良く駆動できなくなる。

このためヘッドアッセンブリー２０においては（図１）、このような積層構造に代えて、アルミニューム膜とこのアルミニューム膜の発熱素子側に設けられたチタンナイトライド膜との積層構造により２層目の配線パターンが形成される。すなわちこの配線パターン５６が、発熱素子２７側からチタン膜４９、チタンナイトライド膜５０、チタン膜５１、アルミニューム膜５２による積層構造により形成され、このアルミニューム膜５２においては、堆積時、下層のチタン膜５１によりアルミニュームの（１１１）面への配向性が高くなり、これによりアルミニューム結晶粒の成長が促進される。またチタン膜５１、アルミニューム膜５２との界面において合金層が形成されるものの、この合金層に係るチタン膜５１の膜厚が従来に比して極端に薄く、これらによりヘッドアッセンブリー２０では、金属配線層のエレクトロマイグレーション耐性を向上させても、配線抵抗の増大を低減することができるようになされている。

具体的に、従来の積層構造により、発熱素子側より膜厚２００〔ｎｍ〕によるチタン、膜厚６００〔ｎｍ〕によるシリコンを１〔ａｔ％〕または銅を０．５〔ａｔ％〕添加したアルミニューム、さらに反射防止膜として機能する膜厚２５〔ｎｍ〕による窒化酸化チタンにより金属配線層を作成したプリンタヘッドについて配線抵抗の値を測定したところ、単にアルミニュームにより金属配線層を作成する場合に比して金属配線層全体として配線抵抗の値が１０〔％〕増大することが判った。これに対してヘッドアッセンブリー２０では、このような配線抵抗の増大が見られず、これによりチタンナイトライド膜５０、５４とアルミニューム膜５２との間にそれぞれ薄い膜厚によりチタン膜５１、５３を作成しても金属配線層全体での配線抵抗の増大を低減できることが確認された。

またこのような積層構造による配線パターン５６においては、アルミニューム膜５２の上側にもチタンナイトライド膜５４を有することにより、アルミニューム原子の移動が抑制され、またこれらチタンナイトライド膜５０、５４がそれぞれアルミニューム膜５２の反射防止膜として機能し、これらにより従来に比してさらに一段と金属配線層のエレクトロマイグレーション耐性を向上することができる。

（３）実施例の効果
以上の構成によれば、絶縁保護層に設けられたコンタクト部を介して発熱素子に金属配線層を接続するようにし、該金属配線層をアルミニューム膜とこのアルミニューム膜の発熱素子側に設けられたチタンナイトライド膜との積層構造により形成することにより、金属配線層のエレクトロマイグレーション耐性を向上させても、配線抵抗の増大を低減することができる。

具体的にこのような金属配線層において、チタンナイトライド膜の発熱素子側及び発熱素子とは逆側にチタン膜を有することにより、金属配線層の材料を連続して堆積する場合にこの金属配線層のエレクトロマイグレーション耐性を向上させても、配線抵抗の増大を低減することができる。

またこのような金属配線層において、アルミニューム膜の発熱素子とは逆側にもチタンナイトライド膜を有することにより、従来に比してさらに一段と金属配線層のエレクトロマイグレーション耐性を向上することができる。

なお上述の実施例においては、アルミニューム膜の発熱素子側及び発熱素子とは逆側にチタンナイトライド膜を有する積層構造により金属配線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、アルミニューム膜の発熱素子とは逆側についてはチタンナイトライド膜の形成を省略するようにしてもよい。

また上述の実施例においては、カラー印刷用のフルラインタイプのプリンタヘッドに本発明を適用して４本のノズル列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、例えば白黒印刷用のフルラインタイプのプリンタヘッドに本発明を適用してノズル列を１本により作成する場合等、種々の本数によりノズル列を作成する場合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、フルラインタイプの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、例えばプリンタヘッドを特定方向に移動させるいわゆるシリアルタイプのプリンタヘッドに本発明を適用する場合にも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、液体吐出ヘッド及び液体吐出装置に関し、例えば発熱素子と発熱素子を駆動するトランジスタとを一体に基板上に形成した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ラインプリンタに適用されるヘッドアッセンブリーにおけるヘッドチップの金属配線層の説明に供する断面図である。 本発明の実施例に係るラインプリンタを示す斜視図である。 図２のヘッドアッセンブリーのインク液滴の吐出に係る部分を拡大して示す斜視図である。 図２のヘッドアッセンブリーのインク液滴の吐出に係る部分を示す断面図である。 図４のヘッドアッセンブリーにおけるヘッドチップの作成工程の説明に供する断面図である。 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。 エレクトロマイグレーション現象の説明に供する断面図である。 従来のプリンタヘッドにおける金属配線層の説明に供する断面図である。 図９とは異なるプリンタヘッドにおける金属配線層の説明に供する断面図である。

符号の説明

１……プリンタヘッド、２、２７……発熱素子、３、４６……絶縁保護層、４、４９、５１、５３、５５……チタン膜、５、５２……アルミニューム膜、６……合金層、１１……ラインプリンタ、２０……ヘッドアッセンブリー、２４……ヘッドチップ、５０、５４……チタンナイトライド膜

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、
   アルミニューム膜と、前記アルミニューム膜の前記発熱素子側に設けられたチタンナイトライド膜との積層構造により形成された
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記金属配線層は、
   前記チタンナイトライド膜の前記発熱素子側、前記発熱素子とは逆側にチタン膜を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記金属配線層は、
   前記アルミニューム膜の前記発熱素子とは逆側にチタンナイトライド膜を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
4. 液体吐出ヘッド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、
   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、
   アルミニューム膜と、前記アルミニューム膜の前記発熱素子側に設けられたチタンナイトライド膜との積層構造により形成された
   ことを特徴とする液体吐出装置。
   

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