JP2006116840A - 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、塗布型の絶縁膜により段差の発生を防止して、かつ発熱素子の劣化を防止することができるようにする。
【解決手段】 本発明は、発熱素子の下層を塗布型の絶縁膜５５により平坦化し、この絶縁膜５５の表面を無機化する。
【選択図】 図５

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、発熱素子の下層を塗布型の絶縁膜により平坦化し、この絶縁膜の表面を無機化することにより、この塗布型の絶縁膜により段差の発生を十分に防止して、かつ発熱素子の劣化を防止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する。

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することができる。

すなわち図１２は、この種のプリンタヘッドにおけるスイッチングトランジスタ、発熱素子近傍の構成を示す断面図である。このプリンタヘッド１は、シリコン基板２上にＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor ）型電界効果型トランジスタを絶縁分離する素子分離領域が形成された後、この素子分離領域間にＭＯＳトランジスタ３等が形成され、これにより発熱素子の駆動に供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半導体製造工程によるＭＯＳトランジスタ３により構成される。

続いてＭＯＳトランジスタ３を絶縁する層間絶縁膜等が積層された後、この層間絶縁膜に開口（コンタクトホール）が形成され、１層目の配線パターン４、１層目の配線パターン４と続く２層目の配線パターンを絶縁する層間絶縁膜５、発熱素子６が順次形成される。ここで発熱素子６は、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ_X ）、タンタルアルミ（ＴａＡｌ）により作成される。プリンタヘッド１は、層間絶縁膜５に開口（ビアホール）を形成して２層目の配線パターン７が形成され、これら２層構造による配線パターン４、７によりＭＯＳトランジスタ３に発熱素子６が接続される。さらに続いて発熱素子６上に窒化シリコン（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）による絶縁保護層８、β−タンタルによる耐キャビテーション層９が順次形成される。

続いてプリンタヘッド１は、このようにして発熱素子６等が形成された基板２上の全面に感光性の樹脂材料が塗布され、露光現像工程により塗布した感光性樹脂の余剰な部位が除去されて樹脂層１０が形成される。さらにこの上層にニッケルとコバルトとの合金（Ｎｉ−Ｃｏ）によるノズルシート１１が貼り付けられ、これらによりインク液室、このインク液室にインクを導く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、ＭＯＳトランジスタ３によりパルス状の電圧を発熱素子６に印加して発熱素子６を駆動し、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。

このように構成されるプリンタヘッド１においては、単に構成部材を積層しただけでは、絶縁保護層８の表面に配線パターン４等による段差の発生を避け得ず、これにより絶縁保護層８の上層に形成される樹脂層１０の表面にも段差が現れ、この樹脂層１０に貼り付けられるノズルシートと樹脂層表面との間に隙間が発生する。プリンタヘッド１は、このような隙間が発生すると、樹脂層１０とノズルシート１１の密着性が劣化する恐れがある。

これにより従来のプリンタヘッド１では、例えば米国特許第６４５０６２２号明細書に開示の手法を適用してＳＯＧ（Spin On Glass ）膜１２により層間絶縁膜５を形成してこの種の段差を無くすように平坦化し、十分に強固にノズルシート１１を保持するようになされている。ここでＳＯＧ膜１２は、アルコール成分を溶媒にしてシラノール（Ｓｉ−ＯＨ）結合を含んだ塗布型の絶縁材料がスピンコート法により十分な厚みで基板表面に塗布され、これにより段差に係る部位を埋めるようにシリコン基板２の全面に成膜された後、エッチバック法により所定膜厚にエッチバックされて形成される。

しかしながら単にＳＯＧ膜１２により段差を無くすようにすると、プリンタヘッド１にあっては、発熱素子６の駆動により発熱素子６が劣化する問題がある。具体的にインク液室にインクを保持しない状態で発熱素子６を駆動したところ（いわゆる空うちである）、プリンタヘッド１では、発熱素子６の抵抗値が著しく上昇し、また耐キャビテーション層９の表面が黒く変色することが確認された。

この点を詳細に検討したところ、発熱素子６の駆動による熱が直下のＳＯＧ膜１２に伝搬し、この熱によりＳＯＧ膜成分自体が分解されることにより、またＳＯＧ膜中に残存している溶媒成分が脱離することにより、発熱素子が酸化して、又は発熱素子が炭化して抵抗値が著しく上昇することが判った。より具体的にＳＯＧ膜に供する塗布型絶縁材料に有機ＳＯＧを用いる場合、このような抵抗値の上昇が特に著しいことが確認された。なおここで有機ＳＯＧ膜は、Ｒ_n Ｓｉ（ＯＨ）_4-n （Ｒはアルキル基 ＣＨ₃ 、Ｃ₂ Ｈ₅ 、アルコシキ基 Ｃ₃ Ｈ₇ 等の有機基、ｎは１〜４の自然数）により表されるように、有機基を分子内に含むシリコン化合物であり、段差の緩和に係る平坦性に優れ、厚い膜厚により塗布してもクラックが入り難い特徴がある。

この問題を解決する１つの方法として図１２との対比により図１３に示すように、ＳＯＧ膜の塗布、エッチバックを複数回繰り返すことにより、配線パターンによる段差をＳＯＧ膜１２により平坦化しながら発熱素子６の作成領域についてはＳＯＧ膜１２を除去することが考えられる。

しかしながらこの種のプリンタヘッドは、近年、さらなる高密度化が求められており、このためＭＯＳトランジスタ３が微細化され、配線パターンが、多層化、狭ピッチ化する傾向にある。このように配線パターンを狭ピッチ化して、ＳＯＧ膜の塗布、エッチバックを繰り返して発熱素子６の下層からＳＯＧ膜１２を除去すると、配線パターンによる段差を十分に平坦化し得なくなる。これによりＳＯＧ膜により段差の発生を十分に防止し、かつ発熱素子の劣化を防止することが望まれる。
米国特許第６４５０６２２号明細書

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、塗布型の絶縁膜により段差の発生を十分に防止して、かつ発熱素子の劣化を防止することができる液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び液体吐出ヘッドの製造方法を提案しようとするものである。

かかる課題を解決するため請求項１の発明においては、液室に保持した液体を加熱する発熱素子と、発熱素子を駆動する半導体素子とを基板上に一体に形成し、半導体素子による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、発熱素子の基板側に、基板の全面を覆う塗布型の絶縁膜が配置されて、発熱素子の駆動に供する配線パターンによる段差が平坦化され、塗布型の絶縁膜の表面には、塗布型の絶縁膜を無機化したシリコン酸化膜が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、液体吐出ヘッドから飛び出す液滴を対象物に供給す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を基板上に一体に形成し、半導体素子による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、発熱素子の基板側に、基板の全面を覆う塗布型の絶縁膜が配置されて、発熱素子の駆動に供する配線パターンによる段差が平坦化され、塗布型の絶縁膜の表面には、塗布型の絶縁膜を無機化したシリコン酸化膜が形成されてなるようにする。

また請求項３の発明においては、液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を基板上に一体に形成し、半導体素子による発熱素子の駆動により所定のノズルより液体の液滴を飛び出させる液体吐出ヘッドの製造方法に適用して、基板の全面を覆う塗布型の絶縁膜を配置して、下層の配線パターンによる段差を平坦化する平坦化処理と、塗布型の絶縁膜の表面を無機化してシリコン酸化膜を形成する無機化処理と、塗布型の絶縁膜の上層に発熱素子を作成する発熱素子の作成処理とを有する。

請求項１の構成により、液体吐出ヘッドに適用して、発熱素子の基板側に、基板全面を覆う塗布型の絶縁膜が配置されて、発熱素子の駆動に供する配線パターンによる段差が平坦化されるようにすれば、塗布型の絶縁膜により段差の発生を防止し得、樹脂層とノズルシートの密着性を増大させることができる。また請求項１の構成により、塗布型の絶縁膜の表面には、塗布型の絶縁膜を無機化したシリコン酸化膜が形成されてなるようにすれば、発熱素子の駆動時には、無機化したシリコン酸化膜により塗布型の絶縁膜中の有機成分、溶媒成分の脱離が抑制される。これによりＳＯＧ膜により段差の発生を十分に防止して、かつ発熱素子の劣化を防止することができる。

これにより請求項２、請求項３の構成によれば、ＳＯＧ膜により段差の発生を防止して、かつ発熱素子の劣化を防止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。

本発明によれば、ＳＯＧ膜により段差の発生を十分に防止して、かつ発熱素子の劣化を防止することができる。

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１の構成
図１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２１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２２が形成される。ラインプリンタ２１は、印刷対象である用紙２３を収納した用紙トレイ２４をこのプリンタ本体２２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２３を給紙できるようになされている。

ラインプリンタ２１は、このようにトレイ出入口よりプリンタ本体２２に用紙トレイ２４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２２に設けられた給紙ローラの回転によりプリンタ本体２２の背面側に向かって用紙トレイ２４から用紙２３が送り出され、プリンタ本体２２の背面側に設けられた反転ローラによりこの用紙２３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２１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２３が用紙トレイ２４上を横切るように搬送され、ラインプリンタ２１の正面側に配置された排出口よりトレイ２５に排出される。

ラインプリンタ２１は、上側端面に上蓋２６が設けられ、この上蓋２６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２８が交換可能に配置される。

ここでヘッドカートリッジ２８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２９Ｙ、２９Ｍ、２９Ｃ、２９Ｋが設けられる。ヘッドカートリッジ２８は、これらインクタンク２９Ｙ、２９Ｍ、２９Ｃ、２９Ｋ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３０と、このヘッドアッセンブリー３０の用紙２３側に設けられて、不使用時、ヘッドアッセンブリー３０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３１とにより構成される。これによりラインプリンタ２１においては、このヘッドカートリッジ２８に設けられたヘッドアッセンブリー３０の駆動により、各色のインク液滴を用紙２３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。

図２は、このヘッドアッセンブリー３０を用紙２３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３０は、液室の隔壁３３等を作成したヘッドチップ３４を順次ノズルシート３５に貼り付けた後、ボンディング端子３６を介してヘッドチップ３４を配線して形成される。

ここでヘッドチップ３４は、複数の発熱素子３７、この複数の発熱素子３７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ボンディング端子３６等が形成されたものであり、発熱素子３７側より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所定ピッチにより発熱素子３７が複数個設けられる。

ヘッドチップ３４は、この一辺側が開いてなるように、櫛の歯形状によりインク液室の隔壁３３、インク流路の隔壁が形成され、この一辺側に沿って流路が設けられる。ヘッドチップ３４は、この流路を間に挟んで千鳥にノズルシート３５に順次配置され、これによりヘッドアッセンブリー３０では、この隔壁３３、ヘッドチップ３４等により流路を形成して、この流路からそれぞれ対応するインクタンク２９Ｙ、２９Ｍ、２９Ｃ、２９Ｋのインクを各インク液室に導き得るようになされ、またこのようにして液室に導かれたインクを発熱素子３７の駆動により加熱できるようになされている。

これに対してノズルシート３５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３８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３５は、各ノズル３８の列を間に挟んで千鳥に、各ヘッドチップ３４をそれぞれボンディング端子３９にワイヤボンディングする際の作業用の開口４０が形成される。

図３は、このヘッドアッセンブリーに配置されるヘッドチップのノズルを含む近傍の構成を示す断面図である。ヘッドチップ３４は、半導体製造工程により、複数チップ分がシリコン基板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。ヘッドチップ３４は、半導体ウエハの段階で発熱素子３７側の面に隔壁３３が形成され、この隔壁３３の表面が平坦に形成されて隔壁３３とノズルシート３５の間の密着性が増大される。

すなわち図４（Ａ）に示すように、ヘッドチップ３４は、シリコン基板４１が洗浄された後、シリコン窒化膜が成膜される。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４１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。これらによりヘッドチップ３４は、シリコン基板４１上のトランジスタを作成する領域にシリコン窒化膜が形成される。

続いてヘッドチップ３４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）４２が形成される。なおこの素子分離領域４２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３４は、続いてシリコン基板４１が洗浄された後、トランジスタ形成領域にゲート用の熱酸化膜が形成される。また続いてシリコン基板４１が洗浄され、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法により膜厚７０〔ｎｍ〕によるポリシリコン、膜厚７０〔ｎｍ〕によるタングステンシリサイドが順次堆積される。なおタングステンシリサイドにおいてはスパッタリング法により形成することも可能である。ヘッドチップ３４は、さらにリソグラフィー工程によりゲート領域が露光処理された後、ドライエッチング法により、余剰な熱酸化膜、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４３、ポリシリコン膜４４、タングステンシリサイド膜４５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４１が処理され、これにより低濃度の拡散層４６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４１が処理され、これらによりＭＯＳ型トランジスタ４７、４８等が作成される。なおここで低濃度の拡散層４６は、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してソース・ドレイン間の耐圧を確保する電界緩和層である。またこれによりドライバートランジスタ４７は、１８〔Ｖ〕程度までの耐圧を有するＭＯＳ型トランジスタであり、発熱素子３７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４８は、ドライバートランジスタ４７を制御する駆動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。

このようにしてトランジスタ４７、４８が作成されると、ヘッドチップ３４は、続いてＣＶＤ法によりシリコン酸化膜であるＮＳＧ（Non-doped 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〕、９００〔ｎｍ〕により作成され、これにより全体として膜厚が１０００〔ｎｍ〕による１層目の層間絶縁膜４９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が作成される。

ヘッドチップ３４は、続いて希フッ酸を用いた洗浄により、コンタクトホールにより露出したシリコン半導体拡散層の表面から自然酸化膜が除去される。さらにスパッタリング法により、膜厚５０〔ｎｍ〕によるチタン、膜厚１００〔ｎｍ〕による窒化チタンバリアメタルが順次堆積された後、ＣＶＤ法により膜厚５００〔ｎｍ〕によるタングステンが堆積され、これらによりコンタクトホールが完全に埋め込まれる。さらに続いてヘッドチップ３４は、エッチバック法により、コンタクトホール以外の部位からタングステン膜、窒化チタン膜、チタン膜が除去され、これによりトランジスタ４７、４８と１層目の配線パターンとを接続するプラグ５０が作成される。

ヘッドチップ３４は、続いてスパッタリング法により、膜厚２０〔ｎｍ〕によるチタン、膜厚２０〔ｎｍ〕による窒化チタンバリアメタル、膜厚５〔ｎｍ〕によるチタン、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。また続いてスパッタリング法により、膜厚５〔ｎｍ〕によるチタン、膜厚１００〔ｎｍ〕による窒化チタンバリアメタル、膜厚５〔ｎｍ〕によるチタンが順次堆積され、これらにより配線パターン材料層が成膜される。さらに続いて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、１層目の配線パターン５１が作成される。なおコンタクトホールにおいては、プラグ５０の作成を省略してこの配線パターン５１により直接埋め込むことも可能である。

ヘッドチップ３４は、続いて図４（Ｂ）に示すように、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン：Ｓｉ（ＯＣ₂ Ｈ₅ ）₄ ）を原料ガスとしたＣＶＤ法によりシリコン酸化膜（以下、Ｐ−ＴＥＯＳ膜と呼ぶ）５２が膜厚２００〔ｎｍ〕により成膜され、さらにＴＥＯＳとＯ₃ を原料ガスとした常圧プラズマＣＶＤ法により、Ｏ₃ により酸化されたＴＥＯＳ膜（以下、Ｏ₃ −ＴＥＯＳ膜と呼ぶ）５３が膜厚５００〔ｎｍ〕により成膜される。続いてヘッドチップ３４は、基板４１上の全面にレジストが塗布された後、ＣＨＦ₃ 、ＣＦ₄ を原料ガスとしたエッチバック法によりシリコン基板４１が処理され、これにより配線パターン５１により生じる段差に係る部分がＯ₃ −ＴＥＯＳ膜５３によりほぼ埋め込まれる。

続いてヘッドチップ３４は、ＣＶＤ法によりＰ−ＴＥＯＳ膜５４が膜厚２００〔ｎｍ〕により成膜された後、基板全面への塗布型絶縁材料の塗布により膜厚７００〔ｎｍ〕によるＳＯＧ膜５５が形成される。さらに続いてＣＨＦ₃ 、ＣＦ₄ を原料ガスとしたエッチバック法によりＳＯＧ膜５５が膜厚１００〔ｎｍ〕に減少するまでエッチングされ、これによりシリコン基板４１の全面を覆うＳＯＧ膜５５が形成される。ヘッドチップ３４は、このようにして形成されるＳＯＧ膜５５によりＯ₃ −ＴＥＯＳ膜５３によっても残る局所的な段差が平坦化される。

なおこの実施例において、塗布型の絶縁材料には、シリカガラスを主成分とする有機ＳＯＧ、アルキルシロキサンポリマーを主成分とする有機ＳＯＧ、アルキルシルセスキオキサンポリマーを主成分とする有機ＳＯＧ又は水素化シルセスキオキサンポリマーを主成分とする有機ＳＯＧを適用し、エッチバックには、ＣＨＦ₃ ／ＣＦ₄ ／Ａｒガスを適用する。

かくするにつきこの実施例では、Ｐ−ＴＥＯＳ膜を成膜した後に、Ｏ₃−ＴＥＯＳ膜を成膜、エッチバックする処理と、ＳＯＧ膜を成膜、エッチバックする処理とを設けることにより、配線パターンを狭ピッチ化する場合でも、さらには配線パターンにより生じる段差が大きい場合でも、ＳＯＧ膜５５の表面においては段差の発生を確実に防止することができる。またこのようなＳＯＧ膜５５においては、下層の配線パターンによる段差に比して十分に厚い膜厚により形成した後、エッチバックして作成されることにより、ＳＯＧ膜５５の表面を十分に平坦化することができる。

このようにしてＳＯＧ膜５５が作成されると、ヘッドチップ３４は、続いて図５（Ａ）に示すように、ＳＯＧ膜５５の表面を無機化する処理が実施され、この実施例では、酸素を原料ガスに用いた酸素プラズマがシリコン基板４１上に照射される。具体的にＳＯＧ膜５５の表面においては、シリコン基板４１上への酸素プラズマの照射により、塗布型絶縁材料の有機基がアルキル基によるものの場合、4 （ＣＨ₃ -Ｓｉ（ＯＨ））＋7 Ｏ₂ →4 Ｓｉ（ＯＨ）＋4 ＣＯ₂ ＋6 Ｈ₂ Ｏで表される化学反応が進行し、塗布型絶縁材料の有機基がＣ₂ Ｈ₅によるものの場合、4（Ｃ₂ Ｈ₅ -Ｓｉ（ＯＨ））＋13Ｏ₂ →4 Ｓｉ（ＯＨ）＋8 ＣＯ₂ ＋10Ｈ₂ Ｏで表される化学反応が進行して有機基が脱離する。このとき図５（Ｂ）に示すように、ＳＯＧ膜表面のシリコン原子が酸素と結合し、これによりＳＯＧ膜５５の表面にはシリコン酸化膜５６が生成される。ヘッドチップ３４は、発熱素子３７の駆動時、このようにＳＯＧ膜５５を無機化して形成されるシリコン酸化膜５６によりＳＯＧ膜５５中に余剰な有機成分、溶媒成分を封じ込めるようにして、これら成分の脱離による発熱素子３７の劣化が抑制される。これによりヘッドチップ３４では、ＳＯＧ膜５５により段差の発生を十分に防止して、かつ発熱素子３７の劣化を防止することができる。

なおこの実施例においては、プラズマ中でのイオンの衝突によりシリコン基板４１が過剰にダメージを受けないように、ウエハ処理室の上方にプラズマ生成室を有するダウンフロー型のアッシング装置により酸素プラズマを照射した。

ヘッドチップ３４は、続いて図６に示すように、膜厚２００〔ｎｍ〕によるＰ−ＴＥＯＳ膜５７がＣＶＤ法により成膜され、これらにより１層目の配線パターン５１と続く２層目の配線パターンとを絶縁する２層目の層間絶縁膜が積層構造により形成される。すなわち発熱素子３７の作成領域については、シリコン基板４１側からＰ−ＴＥＯＳ膜５２、Ｏ₃ −ＴＥＯＳ膜５３、Ｐ−ＴＥＯＳ膜５４、ＳＯＧ膜５５、シリコン酸化膜５６及びＰ−ＴＥＯＳ膜５７により２層目の層間絶縁膜が形成され、この２層目の層間絶縁膜の表面が平坦に形成される。

ヘッドチップ３４は、続いて図７に示すように、フォトレジスト工程、ＣＨＦ₃ ／ＣＦ₄ ／Ａｒガスを用いたドライエッチング工程により、２層目の層間絶縁膜に開口を形成してビアホールが作成される。

続いてヘッドチップ３４は、アルゴン（Ａｒ）プラズマ処理により、ビアホールにより露出した１層目の配線パターン５１の表面から自然酸化膜が除去される。続いてスパッタリング法により、膜厚１００〔ｎｍ〕による窒化チタンバリアメタルが堆積された後、ＣＶＤ法により膜厚５００〔ｎｍ〕によるタングステンが堆積され、これらによりビアホールが完全に埋め込まれる。さらにヘッドチップ３４は、エッチバック法により、コンタクトホールを除く部位からタングステン膜、窒化チタン膜が除去され、これにより１層目及び２層目の配線パターンを接続するプラグ５８が作成される。

続いてヘッドチップ３４は、１層目の配線パターン５１と同様にして２層目の配線パターン材料層が成膜され、選択的に除去され、２層目の配線パターン５９が作成される。なおビアホールにおいては、プラグ５８の作成を省略して配線パターン５９により直接埋め込むことも可能である。

さらに続いてヘッドチップ３４は、２層目の配線パターン５９と続く３層目の配線パターンとを絶縁する３層目の層間絶縁膜が形成される。すなわち２層目の層間絶縁膜について説明したと同様に、Ｐ−ＴＥＯＳ膜６０の成膜、Ｏ₃ −ＴＥＯＳ膜６１の成膜及びエッチバック、Ｐ−ＴＥＯＳ膜６２の成膜、ＳＯＧ膜６３の成膜及びエッチバック、このＳＯＧ膜６３の表面の無機化によるシリコン酸化膜６４の形成、Ｐ−ＴＥＯＳ膜６５の成膜が順次実施され、これらにより表面が平坦化された３層目の層間絶縁膜が形成される。

ヘッドチップ３４は、続いて図３に示すように、スパッタリングにより、膜厚５０〜１００〔ｎｍ〕によりβ−タンタルが堆積され、これによりシリコン基板４１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２５〜４０〔ｓｃｃｍ〕に設定した。さらに続いてヘッドチップ３４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３７が形成される。

ヘッドチップ３４は、続いてＣＶＤ法により膜厚３００〔ｎｍ〕によるシリコン窒化膜６６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、これにより発熱素子３７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、３層目の層間絶縁膜に開口を形成してビアホールが作成される。

ヘッドチップ３４は、続いてアルゴンプラズマ処理により、ビアホールにより露出した２層目の配線パターン５９の表面から自然酸化膜が除去される。続いてスパッタリング法により、膜厚１００〔ｎｍ〕による窒化チタンバリアメタルが堆積された後、ＣＶＤ法により膜厚５００〔ｎｍ〕によるタングステンが堆積され、これらによりビアホールが完全に埋め込まれる。さらにヘッドチップ３４は、エッチバック法により、ビアホールを除く部位のタングステン膜、窒化チタン膜が除去され、これにより２層目及び３層目の配線パターンを接続するプラグ６７が作成される。

続いてヘッドチップ３４は、１層目の配線パターン５１と同様にして、３層目の配線パターン材料層が成膜され、選択的に除去され、３層目の配線パターン６８が作成される。またこのとき発熱素子３７上に取り残されたシリコン窒化膜６６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、エッチングに供する塩素ラジカルから発熱素子３７を保護する保護層として機能する。またこのシリコン窒化膜６６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。なおビアホールにおいては、プラグ６７の作成を省略して配線パターン６８により直接埋め込むことも可能である。

ヘッドチップ３４は、続いてインク保護層、絶縁層として機能するシリコン窒化膜６９がプラズマＣＶＤ法により膜厚２００〜４００〔ｎｍ〕により成膜される。さらに続いて耐キャビテーション材料層が膜厚１００〜３００〔ｎｍ〕により成膜された後、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７０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７０が形成される。なおここで耐キャビテーション層７０は、発熱素子３７の駆動によりインク液室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３７を保護し、また発熱素子３７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３７を保護する保護層である。

続いてヘッドチップ３４は、有機系樹脂による露光硬化型のドライフィルムが圧着により配置された後、フォトリソプロセスによってインク液室、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、これによりインク液室７１の隔壁３３、インク流路の隔壁等が作成される。ヘッドチップ３４は、このようにしてシリコン基板４１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１の動作
以上の構成において、このラインプリンタ２１においては（図１）、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２８の駆動により、記録対象である用紙２３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２８に設けられたヘッドアッセンブリー３０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２３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２８のヘッドアッセンブリー３０においては（図１、図２）、インクタンク２９Ｙ、２９Ｍ、２９Ｃ、２９Ｋのインクがインク流路を介してインク液室７１に導かれ、発熱素子３７の駆動によるインク液室７１に保持したインクの圧力増大により、ノズルシート３５に設けられたノズル３８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２１においては、所望の画像等を印刷することができる。

このヘッドアッセンブリー３０においては（図３）、発熱素子３７、この発熱素子３７を駆動するドライバートランジスタ４７等を基板上に一体に形成してなるヘッドチップ３４と、インク液滴を吐出するノズル３８によるノズル列、開口４０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３５とを配置して形成される。またこのようなノズル列の長さが記録対象の用紙幅以上に設定され、これによりヘッドアッセンブリー３０では、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。

このようなヘッドアッセンブリー３０においては（図３〜図７）、発熱素子３７の基板４１側に設けられる２層目及び３層目の層間絶縁膜の一部であって、配線パターン５１、５９による段差に係る部分にＯ₃ −ＴＥＯＳ膜５３、６１が形成される。またＯ₃ −ＴＥＯＳ膜５３、６１の上にシリコン基板全面を覆うＳＯＧ膜５５、６３が配置され、これらＳＯＧ膜５５、６３により局所的な段差が平坦化される。これによりヘッドアッセンブリー３０では、隔壁３３の表面が平坦に形成され、配線パターンを多層化、狭ピッチ化する場合でも隔壁３３とノズルシート３５の密着性が増大する。

ヘッドアッセンブリー３０は、このようなＳＯＧ膜５５、６３を単に配置しただけでは熱によりＳＯＧ膜５５、６３から有機成分、溶媒成分が脱離し、これらの成分による発熱素子３７の酸化又は炭化が心配される。すなわちラインプリンタ２１においては、いわゆる空うちによっても発熱素子３７が酸化して、又は発熱素子３７が炭化して抵抗値が上昇し、インク液滴Ｌを安定に吐出できなくなる。

このためこの実施例において、塗布型の絶縁膜の表面には、ＳＯＧ膜５５、６３を無機化したシリコン酸化膜５６、６４が形成される。具体的に無機化の処理では、ＳＯＧ膜５５、６３の表面に酸素プラズマが照射され、この酸素プラズマとＳＯＧ膜表面との間での化学反応によりＳＯＧ膜５５、６３の表面から有機成分が脱離する。このときＳＯＧ膜５５、６３の表面には、酸素プラズマ中の酸素原子等とシリコン原子との結合によりシリコン酸化膜５６、６４が形成される。これによりヘッドアッセンブリー３０では、発熱素子３７の駆動時、このようにして無機化したシリコン酸化膜５６、６４がＳＯＧ膜５５、６３中の余剰な有機成分、溶媒成分を封じ込めるブロック層として機能する。これらによりヘッドアッセンブリー３０では、ＳＯＧ膜５５、６３からの有機成分、溶媒成分の脱離による発熱素子３７の劣化を抑制するようにして、ＳＯＧ膜により段差の発生を十分に防止して、かつ発熱素子３７の劣化を防止することができるようになされている。

またこのようなＳＯＧ膜５５、６３においては、下層の配線パターンによる段差に比して十分に厚い膜厚により形成した後、エッチバックして作成されることにより、ＳＯＧ膜５５、６３の表面を十分に平坦化することができる。

（３）実施例１の効果
以上の構成によれば、発熱素子の下層をＳＯＧ膜により平坦化し、このＳＯＧ膜の表面を無機化することにより、ＳＯＧ膜により段差の発生を十分に防止して、かつ発熱素子の劣化を防止することができる。

具体的にこの無機化の処理においては、酸素プラズマをＳＯＧ膜の表面に照射することにより、塗布型の絶縁膜により段差の発生を十分に防止して、かつ発熱素子の劣化を防止することができる。

図８は、本発明の実施例に係るプリンタのヘッドアッセンブリーに配置されるヘッドチップのノズルを含む近傍の構成を示す断面図である。このヘッドチップにおいては、ＳＯＧ膜表面の無機化に加えて、事前の処理によりＳＯＧ膜中の有機成分、溶媒成分についても脱離し難くする。なおこの実施例においては、事前の処理に関連する構成を除いて実施例１と同一に構成されることにより、対応する符号を付して示し、重複した説明は省略する。

すなわち図９（Ａ）に示すように、ヘッドチップ７４は、シリコン基板４１上にトランジスタ４７及び４８、１層目の層間絶縁膜４９、１層目の配線パターン５１、２層目の層間絶縁膜が順次形成される。ヘッドチップ７４では、この２層目の層間絶縁膜中にＳＯＧ膜５５が配置されて層間絶縁膜の表面が平坦化され、またＳＯＧ膜５５の表面にはこのＳＯＧ膜５５を無機化したシリコン酸化膜５６が形成される。

続いてヘッドチップ７４は、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、２層目の層間絶縁膜に開口を形成してビアホールが作成される。ここでこの実施例においては、プラグ５８用のビアホール７５に加えて、ＳＯＧ膜中の有機成分、溶媒成分の除去に供する脱ガス用のビアホール７６が複数個作成され、これらによりシリコン酸化膜５６を突き抜けてＳＯＧ膜５５を露出する凹部が形成される。なおこの実施例において、複数個のビアホール７６は、発熱素子３７の作成領域におけるＳＯＧ膜中から有機成分、溶媒成分を除去し易いように、発熱素子３７の作成領域の周囲に配置される。

ヘッドチップ７４は、続いて発熱素子３７の駆動時と同等の温度による熱処理が実施され、これによりビアホール７５、７６を介して層間絶縁膜から揮発成分が除去される。このときＳＯＧ膜５５では、凹部よりＳＯＧ膜５５中の水分、有機成分が放出され、これによりヘッドチップ７４では、発熱素子３７の劣化に係る水分、有機成分をヘッドチップ７４の作成段階でＳＯＧ膜５５中から脱離する。なおこの実施例では、熱処理装置により不活性ガス雰囲気中で、又は窒素ガス雰囲気中で、若しくは真空中で３００〜４００度、１０分〜６０分間の熱処理を実施した。

続いて図９（Ｂ）に示すように、ＳｉＨ₄ ガス、ＮＨ₃ ガス、Ｎ₂ Ｏガスを用いたプラズマＣＶＤ法によりシリコン窒化膜が成膜され、さらに続いてＣＨＦ₃ 、ＣＦ₄ を主成分とした混合プラズマによるドライエッチング法により、ビアホール７５、７６の底面に下層の配線パターン表面が露出されるまでエッチングされ、これによりビアホール７５、７６による２層目の層間絶縁膜の側壁面にのみシリコン窒化膜７７が形成される。ヘッドチップ７４は、ＳＯＧ膜５５の凹部についてもシリコン窒化膜７７が表面に形成され、発熱素子３７の駆動時には、このシリコン窒化膜７７がシリコン酸化膜５６と共にＳＯＧ膜５５中に残留する有機成分、溶媒成分を封じ込めるブロック層として機能する。これによりヘッドチップ７４では、ビアホール７５、７６を介した有機成分、溶媒成分の脱離による発熱素子３７の劣化を抑制する。またこのようなシリコン窒化膜７７を何ら作成しない場合には、続く工程への搬送時等にＳＯＧ膜５５が直接大気に曝されて大気中から水分を吸収するのに対し、ヘッドチップ７４では、シリコン窒化膜７７によりＳＯＧ膜５５と大気の接触が防止され、これにより脱ガス処理された状態でＳＯＧ膜５５が保持される。

なおこのように２層目の層間絶縁膜の側壁に形成されるブロック層においては、シリコン窒化膜７７に代えて、シリコン酸化窒化膜、シリコン酸化膜を用いるようにしてもよく、さらにはタンタル膜等の微結晶粒構造による金属膜を用いることも可能である。

このようにしてシリコン窒化膜７７が作成されると、続いてヘッドチップ７４は、図１０に示すように、プラグ５８が形成されると共に、このプラグ５８と同一材料が脱ガス用のビアホール７６に埋め込まれてダミープラグ７８が形成される。

さらにヘッドチップ７４は、２層目の配線パターン５９、３層目の層間絶縁膜が順次形成され、この３層目の層間絶縁膜においてもＳＯＧ膜６３により平坦化され、このＳＯＧ膜６３を無機化したシリコン酸化膜６４が形成される。またこの３層目の層間絶縁膜によりビアホール７６を塞ぐダミープラグ７８が２層目の層間絶縁膜との間に挟まれて絶縁分離される。

ヘッドチップ７４は、続いて図１１に示すように、発熱素子３７、シリコン窒化膜６６が順次形成された後、プラグ用のビアホール７９、ＳＯＧ膜６３に係る脱ガス用のビアホール８０の作成及び熱処理が実施され、さらに続いてこれらビアホール７９、８０による層間絶縁膜の側壁にシリコン窒化膜８１が形成される。なお発熱素子３７を覆うシリコン窒化膜６６においては、ＳＯＧ膜６３に係る熱処理工程においてＳＯＧ膜６３からの脱ガスより発熱素子３７を保護する保護層として機能する。

続いて図８に示すように、ヘッドチップ７４は、プラグ６７の作成時に併せてダミープラグ８２が形成された後、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、基板表面から所定箇所のシリコン窒化膜６６が除去され、これにより発熱素子３７を配線パターンに接続する部位が露出される。さらに続いて３層目の配線パターン６８、絶縁保護層６９、耐キャビテーション層７０、隔壁３３が順次形成される。ヘッドチップ７４は、このようにしてシリコン基板４１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。

この図８に示す構成によれば、平坦化処理及び無機化処理に加えて、この無機化処理によるシリコン酸化膜を突き抜けて塗布型の絶縁膜の一部を露出する凹部を形成する処理と、この凹部より塗布型の絶縁膜の揮発成分を除去する熱処理とを設けることにより、ＳＯＧ膜により段差の発生を十分に防止して、さらに一段と発熱素子の劣化を防止することができる。

またこの凹部における絶縁膜の表面にシリコン酸化膜を形成することにより、この凹部の側壁を介した有機成分、溶媒成分の脱離を抑制するようにして、さらに一段と発熱素子の劣化を防止することができる。

なお上述の実施例においては、酸素を原料ガスとしたプラズマの照射により塗布型絶縁膜を無機化する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、原料ガスに酸素を含む混合ガスを用い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、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することができる。

本発明の実施例１に係るラインプリンタを示す斜視図である。 図１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１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３の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。 本発明の実施例２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のインク液滴の吐出に係る部分を示す断面図である。 図８の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９の続きを示す断面図である。 図１０の続きを示す断面図である。 従来のプリンタヘッドにおけるヘッドチップの構成を示す断面図である。 図１２とは異なるヘッドチップの構成を示す断面図である。

符号の説明

１……プリンタヘッド、２、４１……基板、３、４７、４８……トランジスタ、４、７、５１、５９、６８……配線パターン、５……層間絶縁膜、６、３７……発熱素子、１２、５５、６３……ＳＯＧ膜、２１……ラインプリンタ、３０……ヘッドアッセンブリー、３４、７４……ヘッドチップ、５６、６４……シリコン酸化膜

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を基板上に一体に形成し、前記半導体素子による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基板側に、前記基板の全面を覆う塗布型の絶縁膜が配置されて、前記発熱素子の駆動に供する配線パターンによる段差が平坦化され、
   前記塗布型の絶縁膜の表面には、
   前記塗布型の絶縁膜を無機化したシリコン酸化膜が形成された
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 液体吐出ヘッドから飛び出す液滴を対象物に供給す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を基板上に一体に形成し、前記半導体素子による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基板側に、前記基板の全面を覆う塗布型の絶縁膜が配置されて、前記発熱素子及び半導体素子を接続する配線パターンによる段差が平坦化され、
   前記塗布型の絶縁膜の表面には、
   前記塗布型の絶縁膜を無機化したシリコン酸化膜が形成された
   ことを特徴とする液体吐出装置。
3. 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を基板上に一体に形成し、前記半導体素子による前記発熱素子の駆動により所定のノズルより前記液体の液滴を飛び出させる液体吐出ヘッドの製造方法において、
   前記基板の全面を覆う塗布型の絶縁膜を配置して、下層の配線パターンによる段差を平坦化する平坦化処理と、
   前記塗布型の絶縁膜の表面を無機化してシリコン酸化膜を形成する無機化処理と、
   前記塗布型の絶縁膜の上層に前記発熱素子を作成する発熱素子の作成処理とを有する
   ことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
4. 前記無機化処理は、
   酸素又は酸素を含む混合ガスによるプラズマを前記塗布型の絶縁膜の表面に照射する
   ことを特徴とする請求項３に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
   

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