JP2009248517A - 記録ヘッド、液体吐出装置、及び記録ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気熱エネルギー変換体の温度を検知する際の精度を向上する。
【解決手段】記録ヘッドは、液体に熱エネルギーを作用させることにより、前記液体を吐出口から吐出させる記録ヘッドであって、半導体基板と、前記半導体基板の上に配された第１の絶縁層と、電気エネルギーを受けて、前記液体に作用させるための熱エネルギーを加熱領域に発生させる電気熱エネルギー変換体と、前記第１の絶縁層と前記電気熱エネルギー変換体との間に配された第２の絶縁層と、前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層との間に配され、前記電気熱エネルギー変換体の温度を検知する薄膜温度検知素子と、前記電気熱エネルギー変換体に電流を供給するためのスイッチ素子と、前記スイッチ素子に接続された配線層とを備え、前記配線層に含まれる配線の膜厚よりも、前記薄膜温度検知素子の膜厚は薄い。
【選択図】図１

Description

本発明は、記録ヘッド、液体吐出装置、及び記録ヘッドの製造方法に関する。

特許文献１に示された技術では、発熱抵抗体におけるインクを加熱する領域（以下、加熱領域とする）と酸化膜を介して半導体基板中の対向する位置に選択的に不純物を注入することにより、半導体基板中に半導体拡散抵抗体を形成している。この半導体拡散抵抗体は、発熱抵抗体がインクを加熱した際にその抵抗値が変化する。これにより、特許文献１によれば、発熱抵抗体付近の温度を正確に検知することができるとされている。

また特許文献２には、複数のヒータが基板上に設けられ、ヒータの各々の直下には、層間絶縁膜を介して温度検知素子が形成された構成が開示されている。
特開２００１−１２９９９５号公報 特開２００７-２９０３６１号公報

しかし、特許文献１に示された技術では、半導体拡散抵抗体が半導体基板中に形成されており、半導体拡散抵抗体の熱伝導率と半導体基板の熱伝導率とは略等しい。これにより、発熱抵抗体がインクを加熱した際に酸化膜を介して半導体拡散抵抗体に伝達された熱は、半導体拡散抵抗体から半導体基板へ拡散する可能性がある。この結果、半導体拡散抵抗体が発熱抵抗体付近の温度を検知する際の精度が低下することがある。

また特許文献２においては、温度検知素子を設けたことによる、電気熱エネルギー変換体下における絶縁層の平坦性に関しては検討が充分ではなかった。

本発明の目的は、電気熱エネルギー変換体の温度を検知する際の精度を向上と、電気熱エネルギー変換体下における絶縁性表面の平坦性の向上とを両立することにある。

本発明の第１側面に係る記録ヘッドは、液体に熱エネルギーを作用させることにより、前記液体を吐出口から吐出させる記録ヘッドであって、半導体基板と、前記半導体基板の上に配された第１の絶縁層と、電気エネルギーを受けて、前記液体に作用させるための熱エネルギーを加熱領域に発生させる電気熱エネルギー変換体と、前記第１の絶縁層と前記電気熱エネルギー変換体との間に配された第２の絶縁層と、前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層との間に配され、前記電気熱エネルギー変換体の温度を検知する薄膜温度検知素子と、前記電気熱エネルギー変換体に電流を供給するためのスイッチ素子と、前記スイッチ素子に接続された配線層とを備え、前記配線層に含まれる配線の膜厚よりも、前記薄膜温度検知素子の膜厚は薄いことを特徴とする。

本発明の第２側面に係る液体吐出装置は、上記の記録ヘッドと、前記記録ヘッドの前記電気熱エネルギー変換体に電気エネルギーを供給する供給部とを備えたことを特徴とする。

本発明の第３側面に係る記録ヘッドの製造方法は、液体に熱エネルギーを作用させることにより、前記液体を吐出口から吐出させる記録ヘッドの製造方法であって、半導体基板の上に第１の絶縁層を形成する第１の工程と、前記第１の絶縁層の上に、温度検知素子となるべき薄膜抵抗体を形成する第２の工程と、前記第１の絶縁層及び前記薄膜抵抗体の上に第２の絶縁層を形成する第３の工程と、前記第２の絶縁層の上に、電気エネルギーを受けて前記液体に作用させるための熱エネルギーを加熱領域に発生させる電気熱エネルギー変換体を形成する第４の工程とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、電気熱エネルギー変換体の温度を検知する際の精度を向上することができ、且つ、電気熱エネルギー変換体下における絶縁性表面の平坦性を向上させることができる。

本発明は、電気熱エネルギー変換体の熱エネルギーを記録用インクに作用させて吐出口から吐出させるタイプの記録ヘッドに関する。また、本発明は、該記録ヘッドにより記録用インク液滴を紙等の被記録材に吐出して付着させることにより各種情報の記録を行う液体吐出装置に関する。特に、フルライン型記録ヘッド及び該記録ヘッドを用いた液体吐出装置に好適な吐出不良を検出して画像の補正や回復作業に反映させ、なおかつ吐出量制御のできる記録ヘッドおよび液体吐出装置に関するものである。
本発明の実施形態に係る記録ヘッド１を、図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る記録ヘッド１の断面図（図１のａで示す）及び平面図（図１のｂで示す）である。図１では、吐出ノズル（吐出口、図示せず）の図示が省略されている。

記録ヘッド１は、インク（液体）に熱エネルギーを作用させることにより、インクを吐出ノズルから吐出させる。記録ヘッド１は、図１のａに示すように、シリコン基板（半導体基板）１１、蓄熱層（第１の絶縁層）１２、電気熱エネルギー変換体１６、層間絶縁膜（第２の絶縁層）１５、温度検知素子１４、及び配線３１、３２（図１のｂ参照）を備える。記録ヘッド１は、第１のメタル配線層１３、第２のメタル配線層１７、パッシベーション膜１８、及び耐キャビテーション膜１９を備える。更に、不図示の電気熱エネルギー変換体に電流を供給するためのスイッチ素子を有している。第１のメタル配線層１３、第２のメタル配線層１７の一部は、前記スイッチ素子に接続され、スイッチ素子の駆動もしくは電気エネルギーの供給を行なう。

シリコン基板１１は、シリコンで形成された基板であり、Ｐ型の不純物を含む。

蓄熱層１２は、シリコン基板１１の上に配されている。蓄熱層１２は、例えば、熱酸化膜としてのＳｉＯ_２で形成される。

電気熱エネルギー変換体１６は、電気エネルギーを受けて、インクに作用させるための熱エネルギーを加熱領域Ａｈに発生させる。電気熱エネルギー変換体１６は、例えば、ＴａＳｉＮで形成される。

層間絶縁膜１５は、蓄熱層１２と電気熱エネルギー変換体１６との間に配されている。層間絶縁膜１５の上面は、電気熱エネルギー変換体１６に接している。層間絶縁膜１５の上面における電気熱エネルギー変換体１６に接する部分１５ａが平坦である。

温度検知素子１４は、蓄熱層１２と層間絶縁膜１５との間に配されている。温度検知素子１４は、電気熱エネルギー変換体１６の温度を検知する。温度検知素子１４は、電気熱エネルギー変換体１６の加熱領域Ａｈの中心を通る法線ＮＬ１が蓄熱層１２の上面と交差する位置に配されている。すなわち、温度検知素子１４は、電気熱エネルギー変換体１６の各々の加熱領域Ａｈの直下に分離独立して配置される（図１のｂ参照）。温度検知素子１４は、薄膜抵抗体である。温度検知素子１４は、例えば、Ａｌ、ＡｌＣｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＳｉ、Ｔａ、ＴａＮ、ＴａＳｉＮ、ＴａＣｒ、Ｃｒ、ＣｒＳｉＮ、Ｗで形成される。温度検知素子１４は、配線層と同一の材料で形成するのが好ましい。更に、温度検知素子１４は、配線材料を成膜する工程は同一工程で形成するのが好ましい。温度検知素子１４は、薄膜抵抗体で形成されているため、薄膜温度検知素子とよぶこともできる。

また、温度検知素子１４は、上面視における形状が矩形状である（図１のｂ参照）。これにより、温度検知素子１４の上面を平坦にすることが容易である。また、温度検知素子の膜厚を配線の膜厚よりも薄くしている。これにより、層間絶縁膜１５の上面における電気熱エネルギー変換体１６に接する部分１５ａを平坦にすることが容易である。このため、後述のように、吐出の安定性をより容易に確保できる。

ここで、温度検知素子１４とシリコン基板１１との間に配される蓄熱層１２の熱伝導率は、シリコン基板１１の熱伝導率より低い。これにより、電気熱エネルギー変換体１６がインクを加熱した際に層間絶縁膜１５を介して温度検知素子１４に伝達された熱は、温度検知素子１４からシリコン基板１１へ拡散しにくい。この結果、温度検知素子１４が電気熱エネルギー変換体１６の温度を検知する際の精度を向上できる。

配線３１、３２（図１のｂ参照）は、各温度検知素子１４を検出回路（図示せず）へ接続する。これにより、検出回路は、温度検知素子１４の温度に応じて変化する物理量（例えば、抵抗値）を検出することにより、温度検知素子１４を介して電気熱エネルギー変換体１６の温度を検知する。配線３１、３２は、例えば、Ａｌで形成される。

第１のメタル配線層１３は、電気熱エネルギー変換体１６を外部の制御回路（供給部、図示せず）へ接続する。これにより、制御回路は、第１のメタル配線層１３を介して電気熱エネルギー変換体に電気エネルギーを供給する。なお、記録ヘッド１と制御回路とは、液体吐出装置を構成する。第１のメタル配線層１３は、例えば、Ａｌで形成される。

第２のメタル配線層１７は、電気熱エネルギー変換体１６を第１のメタル配線層１３へ接続する。第２のメタル配線層１７は、電気熱エネルギー変換体１６とパッシベーション膜１８との間であって電気熱エネルギー変換体１６の図面上の左右端の位置に配される。これにより、第２のメタル配線層１７は、電気熱エネルギー変換体１６における加熱領域Ａｈを規定している。第２のメタル配線層１７は、例えば、Ａｌで形成される。

パッシベーション膜１８は、電気熱エネルギー変換体１６及び第２のメタル配線層１７を保護する。パッシベーション膜１８は、例えば、ＳｉＮで形成される。

耐キャビテーション膜１９は、電気熱エネルギー変換体１６上の耐キャビテーション性を高める為に設けられている。耐キャビテーション膜１９は、例えば、半導体プロセスによりＴａが高密度に積層されて形成される。耐キャビテーション膜１９における加熱領域Ａｈに対応する部分の上面ＳＦは、層間絶縁膜１５の上面における電気熱エネルギー変換体１６に接する部分１５ａが平坦であることに対応して、平坦になっている。すなわち、インクが吐出される面ＳＦが平坦になっているので、インクの吐出性能の劣化を抑制できる。

保護膜２１は、第１のメタル配線層１３を保護する。保護膜２１は、例えば、Ａｌ、ＡｌＣｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＳｉ、Ｔａ、ＴａＮ、ＴａＳｉＮ、ＴａＣｒ、Ｃｒ、ＣｒＳｉＮ、Ｗで形成される。

次に、本発明の実施形態に係る記録ヘッド１の製造方法を、図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施形態に係る記録ヘッド１の製造方法を示す工程断面図である。

図２のＡに示す工程（第１の工程）では、シリコン基板１１に、上述の検出回路や制御回路を構成するトランジスタを形成する。具体的には、イオン注入法により、シリコン基板１１におけるトランジスタのソース・ドレインとなるべき領域にＮ型の不純物を注入する。その後、注入された不純物を熱処理する（熱拡散させる）。そして、トランジスタのゲート酸化膜となるべき酸化膜をシリコン基板１１の上に形成した後、ゲート及びゲート酸化膜をパターニングして形成する。

次に、シリコン基板１１の表面を熱酸化することにより、蓄熱層１２を数μｍ程度の厚さで形成する。蓄熱層１２は、熱酸化膜としてのＳｉＯ_２で形成される。そして、スパッタリング法などにより、蓄熱層１２の上に第１のメタル配線層１３となるべき膜１３ｉを４００ｎｍ程度の厚さで成膜する。

図２のＢに示す工程では、フォトリソグラフィー法により、温度検知素子１４が形成されるべき領域及びその周辺領域が開口されたレジストマスクを形成する。そのレジストマスクを用いて、ドライエッチング法により、膜１３ｉにおける温度検知素子１４が形成されるべき領域及びその周辺領域を選択的にエッチングする。これにより、第１のメタル配線層１３を形成する。

図２のＣに示す工程（第２の工程）では、スパッタリング法などにより、温度検知素子１４となるべき膜１４ｉを約３０ｎｍ程度の厚さで堆積する。この膜１４ｉは、Ａｌ、ＡｌＣｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＳｉ、Ｔａ、ＴａＮ、ＴａＳｉＮ、ＴａＣｒ、Ｃｒ、ＣｒＳｉＮ、Ｗ等で形成される。

図２のＤに示す工程（第２の工程）では、フォトリソグラフィー法により、温度検知素子１４及び第１のメタル配線層１３を除く領域が開口されたレジストマスクを形成する。そのレジストマスクを用いて、ドライエッチング法により、膜１４ｉにおける温度検知素子１４及び第１のメタル配線層１３を除く領域を選択的にエッチングし、温度検知素子１４及び保護膜２１を形成する。

ここで、温度検知素子１４は電気熱エネルギー変換体１６の加熱領域Ａｈの直下に所望の形状で形成する。また、使用するドライエッチング条件は高選択比の条件を使用しているため、温度検知素子１４部の下地である蓄熱層１２を大きくエッチングしないようにしている。その為、蓄熱層１２の表面１２ａを平坦に保ちやすい。

図２のＥに示す工程（第３の工程）では、蓄熱層１２及び温度検知素子１４の上に絶縁膜を９００ｎｍ程度の厚さで成膜する（成膜工程）。この絶縁膜は、例えば、Ｐ−ＳｉＯで形成する。ＣＭＰ法などにより、成膜工程で成膜された絶縁膜の上面を平坦化し、層間絶縁層１５を形成する（平坦化工程）。

次に（第４の工程）、スパッタリング法などにより、層間絶縁層１５の上に、電気熱エネルギー変換体１６となるべき第１の膜を形成する。第１の膜は、ＴａＳｉＮで形成される。第１の膜の上に、第２のメタル配線層１７となるべき第２の膜を形成する。第２の膜は、Ａｌで形成される。

その後、フォトリソグラフィー法により、電気熱エネルギー変換体１６を除く領域が開口されたレジストマスクを形成する。そのレジストマスクを用いて、ウェットエッチング法により、第１の膜における電気熱エネルギー変換体１６を除く領域を選択的にエッチングして、電気熱エネルギー変換体１６を形成する。

そして、フォトリソグラフィー法により、第２のメタル配線層１７を除く領域が開口されたレジストマスクを形成する。そのレジストマスクを用いて、ウェットエッチング法により、第２の膜における第２のメタル配線層１７を除く領域を選択的にエッチングして、第２のメタル配線層１７を形成する。

次に、ＣＶＤ法により、電気熱エネルギー変換体１６及び第２のメタル配線層１７の上にパッシベーション膜１８を３００ｎｍ程度の厚さで成膜する。このパッシベーション膜１８は、Ｐ−ＳｉＮで形成される。

その後、スパッタリング法により、パッシベーション膜１８上に、耐キャビテーション膜１９となるべき第３の膜を２３０ｎｍ程度の厚さで形成する。第３の膜は、Ｔａで形成される。

そして、フォトリソグラフィー法により、耐キャビテーション膜１９を除く領域が開口されたレジストマスクを形成する。そのレジストマスクを用いて、ドライエッチング法により、第３の膜における耐キャビテーション膜１９を除く領域を選択的にエッチングして、耐キャビテーション膜１９を形成する。

さらに、耐キャビテーション膜１９の上方に、吐出ノズル（図示せず）を形成する。このようにして、記録ヘッドを製造することができる。具体的には、ノズル壁や天板等を回路基板上に設けて、吐出ノズル及びインク流路を備えた吐出部を作ればよい。

以上のように、本実施形態によれば、温度検知素子がシリコン基板内でなくシリコン基板と電気熱エネルギー変換体１６との間に配されるので、温度検知素子と電気熱エネルギー変換体１６との距離を容易に近づけることができる。さらに、温度検知素子１４とシリコン基板１１との間に配される蓄熱層１２の熱伝導率は、シリコン基板１１の熱伝導率より低い。これにより、電気熱エネルギー変換体１６がインクを加熱した際に層間絶縁膜１５を介して温度検知素子１４に伝達された熱は、温度検知素子１４からシリコン基板１１へ拡散しにくい。この結果、温度検知素子１４が電気熱エネルギー変換体１６の温度を検知する際の精度を向上できる。

また、従来の記録ヘッド構造やその製造方法を大幅に変えることがなく、電気熱エネルギー変換体１６の直下、すなわち層間絶縁膜１５の上面における電気熱エネルギー変換体１６に接する部分１５ａは、大きな凹凸がなく平坦性を保てる状態になっている。これにより、耐キャビテーション膜１９におけるインクが吐出される面ＳＦも平坦にすることができるので、インクの吐出性能の劣化を抑制できる。

したがって、インクの吐出性能の劣化を抑制しながら、電気熱エネルギー変換体の温度を検知する際の精度を向上することができる。これにより、温度検知素子が十分に不吐出情報を検知することができ、工業生産的にも機能的にも大きな効果がもたらせることになる。

なお、温度検知素子１４は、上面視における形状が、矩形状以外の形状であっても良い。例えば、温度検知素子１４は、図１のｃに示すように、スネーク形状であってもよい。この場合、温度検知素子の抵抗値を大きく設定することが容易になるため、より微小の温度変化を精度良く検出できる。

本発明を説明する記録ヘッドの断面図と平面図。 本発明を説明する記録ヘッドの製造方法を示す図。

符号の説明

１ 記録ヘッド
１４ 温度検知素子

Claims (5)

1. 液体に熱エネルギーを作用させることにより、前記液体を吐出口から吐出させる記録ヘッドであって、
   半導体基板と、
   前記半導体基板の上に配された第１の絶縁層と、
   電気エネルギーを受けて、前記液体に作用させるための熱エネルギーを加熱領域に発生させる電気熱エネルギー変換体と、
   前記第１の絶縁層と前記電気熱エネルギー変換体との間に配された第２の絶縁層と、
   前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層との間に配され、前記電気熱エネルギー変換体の温度を検知する薄膜温度検知素子と、
   前記電気熱エネルギー変換体に電流を供給するためのスイッチ素子と、
   前記スイッチ素子に接続された配線層と、
   を備え、
   前記配線層に含まれる配線の膜厚よりも、前記薄膜温度検知素子の膜厚は薄い
   ことを特徴とする記録ヘッド。
2. 前記薄膜温度検知素子は、薄膜抵抗体であり、
   前記第２の絶縁層の上面は、前記電気熱エネルギー変換体に接しており、
   前記第２の絶縁層の上面における前記電気熱エネルギー変換体に接する部分は、平坦である
   ことを特徴とする請求項１に記載の記録ヘッド。
3. 請求項１又は２に記載の記録ヘッドと、
   前記記録ヘッドの前記電気熱エネルギー変換体に電気エネルギーを供給する供給部と、
   を備えたことを特徴とする液体吐出装置。
4. 液体に熱エネルギーを作用させることにより、前記液体を吐出口から吐出させる記録ヘッドの製造方法であって、
   半導体基板の上に第１の絶縁層を形成する第１の工程と、
   前記第１の絶縁層の上に、薄膜温度検知素子となるべき薄膜抵抗体を形成する第２の工程と、
   前記第１の絶縁層及び前記薄膜抵抗体の上に第２の絶縁層を形成する第３の工程と、
   前記第２の絶縁層の上に、電気エネルギーを受けて前記液体に作用させるための熱エネルギーを加熱領域に発生させる電気熱エネルギー変換体を形成する第４の工程と、
   を備えたことを特徴とする記録ヘッドの製造方法。
5. 前記第３の工程は、
   前記第１の絶縁層及び前記薄膜抵抗体の上に絶縁膜を成膜する成膜工程と、
   前記成膜工程で成膜された絶縁膜の上面を平坦化することにより、前記第２の絶縁層を形成する平坦化工程と、
   を含む
   ことを特徴とする請求項４に記載の記録ヘッドの製造方法。

Images