JP2016112812A - 液体吐出ヘッド用基板、液体吐出ヘッド、および液体吐出ヘッド用基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＥＳＤ事象の発生を低減し得ると共に、ＥＳＤ事象が発生した場合にも基板の破損を軽減することが可能な液体吐出へッド用基板、液体吐出ヘッド、および液体吐出ヘッド用基板の製造方法の提供を目的とする。【解決手段】液体吐出ヘッド用基板１０１のシリコン基板１の表面には、液体を吐出するための吐出エネルギーを発生可能な吐出エネルギー発生部２ａ１を含む通電層２が形成されている。通電層２の表面は絶縁保護層１２によって覆われ、さらに絶縁保護層１２の表面の少なくとも一部は電荷蓄積部１４によって覆われている。電荷蓄積部１４は、通電層２より大きな平面積を有している。【選択図】図１
Description
本発明は、液体を吐出するための液体吐出ヘッドに用いられる液体吐出ヘッド用基板、液体吐出ヘッド、および液体吐出用ヘッド用基板の製造方法に関するものである。
現在、インクジェット記録ヘッドには、多層構造をなす基板（以下、ヘッド用基板という）が用いられている。例えば、シリコン基板上に、インクの吐出エネルギーを発する吐出エネルギー発生素子を含む抵抗素子層とこれに接続される電極とからなる通電層と、これを保護する絶縁保護層と、インク流路や吐出口を形成する流路形成部材とを順次積層したヘッド用基板がある。このようなヘッド用基板の製造工程では、静電気放電（ＥＳＤ（electro-static discharge））事象の発生によって絶縁保護層が破壊され、ヘッド用基板の寿命や記録品位に著しい低下をもたらすという問題が生じている。このような問題を解消する技術として、特許文献１には、絶縁保護層上に形成した複数の導電体領域を連結させることでＥＳＤ事象に対する感度を抑制しようとする技術が開示されている。
しかしながら、特許文献１に開示の技術では、絶縁保護層が通電層を外力などから保護すると共に、通電層と導電体領域との間に介在してキャパシタを形成し、そのキャパシタによってＥＳＤ事象による影響を抑える構成をとっている。このため、ＥＳＤ事象によって絶縁保護層が破壊された場合、このヘッド用基板を備えた記録ヘッドでは、導電体パターンと導電体領域とがショートしたり、通電層がキャビテーションなどの外力を直接受けたりすることがある。この場合、液体吐出ヘッドの吐出性能は低下し、記録画像の品質も低下するという問題が生じる。
また、特許文献１におけるキャパシタの容量は、通電層の面積に依存し、通電層のパターン面積は必要とする吐出性能に従って決定される。このため、通電層の設計上の自由度は低く、ＥＳＤ事象の対策のために、十分なキャパシタ面積を得ることができないことがあり、その場合にはＥＳＤ事象による影響を十分に抑えることができないという問題が生じる。
上記問題に鑑み、本発明は、ＥＳＤ事象の発生を低減し得ると共に、ＥＳＤ事象が発生した場合にも基板の機能低下を軽減することが可能な液体吐出ヘッド用基板、液体吐出ヘッド、および液体吐出ヘッド用基板の製造方法の提供を目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は以下の構成を有する。
本発明は、液体を吐出するための吐出エネルギーを発生可能な吐出エネルギー発生部を含む通電層を表面に備えた基板と、前記通電層の表面を覆う絶縁保護層と、前記絶縁保護層の表面の少なくとも一部を覆う電荷蓄積部と、を備え、前記電荷蓄積部は、前記通電層より大きな平面積を有することを特徴とする液体吐出ヘッド用基板である。
本発明は、液体を吐出するための吐出エネルギーを発生可能な吐出エネルギー発生部を含む通電層を表面に備えた基板と、前記通電層の表面を覆う絶縁保護層と、前記絶縁保護層の表面の少なくとも一部を覆う電荷蓄積部と、を備え、前記電荷蓄積部は、前記通電層より大きな平面積を有することを特徴とする液体吐出ヘッド用基板である。
また、本発明は、液体を吐出するための吐出エネルギーを発生可能な吐出エネルギー発生部を含む通電層を表面に備えた液体吐出ヘッド用基板と、前記液体吐出ヘッド用基板と共に液体流路を形成する流路形成部材とを備え、前記液体流路に供給された液体を前記吐出エネルギーによって前記流路形成部材に形成された吐出口から吐出する液体吐出ヘッドであって、前記液体吐出ヘッド用基板は、前記通電層の表面を覆う絶縁保護層と、前記絶縁保護層の表面の少なくとも一部を覆う電荷蓄積部と、を備え、前記電荷蓄積部は、前記通電層より大きな平面積を有することを特徴とする。
また、本発明は、基板の表面に、液体を吐出するための吐出エネルギーを発生可能な吐出エネルギー発生部を含む通電層を形成する工程と、前記通電層の表面を覆う絶縁保護層を形成する工程と、前記絶縁保護層の表面において前記通電層より大きな平面積を有する領域に電荷蓄積部を形成する工程と、を備えることを特徴とする液体吐出ヘッド用基板の製造方法である。
本発明によれば、電荷蓄積部のキャパシタ面積を、ヒータの面積に拘りなく十分に確保することができる。このため、ＥＳＤ事象の発生を抑制することが可能になる。また、保護部と電荷蓄積部とは独立した構造をなしているため、電荷蓄積部がＥＳＤ事象の影響を受けた場合にも基板の機能低下を軽減することができ、記録品質への直接的な影響を抑えることができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態では液体吐出ヘッドおよび液体吐出ヘッド用基板として、記録媒体にインクを吐出して記録を行うインクジェット記録装置に搭載されるインクジェット記録ヘッドおよびインクジェット記録ヘッド用基板を例にとり説明する。また、各図中、同一もしくは相当部分には同一符号を付す。
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態におけるインクジェット記録ヘッド（以下、単に記録ヘッドともいう）１００の積層構造を説明するための斜視図、図２は図１に示す積層構造を図１に示す断面と直交する方向から見た側断面図である。なお、図１および図２は液体吐出ヘッド１００の吐出口４を上向きにした状態を示している。ここに示す液体吐出ヘッドとしてのインクジェット記録ヘッド１００は、液体吐出用基板としてのインクジェット記録ヘッド用基板１０１（以下、単にヘッド用基板ともいう）と、ヘッド用基板１０１と共に液体流路を形成する流路形成部材３とを備える。なお、この流路形成部材３には液体を吐出するための複数の吐出口４が所定の密度で形成されている。
図１は本発明の第１の実施形態におけるインクジェット記録ヘッド（以下、単に記録ヘッドともいう）１００の積層構造を説明するための斜視図、図２は図１に示す積層構造を図１に示す断面と直交する方向から見た側断面図である。なお、図１および図２は液体吐出ヘッド１００の吐出口４を上向きにした状態を示している。ここに示す液体吐出ヘッドとしてのインクジェット記録ヘッド１００は、液体吐出用基板としてのインクジェット記録ヘッド用基板１０１（以下、単にヘッド用基板ともいう）と、ヘッド用基板１０１と共に液体流路を形成する流路形成部材３とを備える。なお、この流路形成部材３には液体を吐出するための複数の吐出口４が所定の密度で形成されている。
ヘッド用基板１０１には、シリコン基板１に形成した供給口５を経て、吐出口４から吐出すべき液体としてのインクが供給される。供給口５から供給されたインクは、シリコン基板１の表面（図中、上面）１ａと、この表面１ａに設けられた流路形成部材３と、により形成された液体流路としてのインク流路（以下、単に流路という）２５に流入する。流路２５に流入したインクは、シリコン基板１の表面（図中、上面）１ａに設けられた吐出エネルギー発生素子としての電気熱変換素子（以下、ヒータという）２ａから発生された熱エネルギーにより加熱され、発泡する。この発泡時の圧力変化により、流路２５に供給されたインクは吐出口４から吐出され、記録媒体に着弾し、画像が形成される。
ここで、本実施形態における記録ヘッド１００の層構造を、その製造方法と共に説明する。図３（ａ）〜（ｋ）は記録ヘッド１００の各製造工程を示す図である。
図３（ａ）に示す工程では、一般的な半導体デバイスの製造工程と同様にシリコン基板１の表面１ａに所定の半導体素子を形成すると共に、ヒータ２ａおよびヒータ電極２ｂを含む通電層２を、フォトリソグラフィを用いた多層配線技術によって形成する。このヒータ２ａおよびヒータ電極２ｂは、図４に示すような平面形状を有している。図４に示すように、ヒータ電極２ｂが切欠部２ｂ１によって上流側と下流側とに分断されており、図３（ａ）に示す段階では、その切欠部２ｂ１からヒータ電極２ａの一部（接続部）２ａ１が露出した状態となる。また、電気的には、ヒータ電極２ｂの上流側と下流側とが吐出エネルギー発生部２ａ１によって接続され、接続部２ａ１に流れる電流によって、インクを吐出口４から吐出させるための吐出エネルギーとしてのジュール熱が接続２ａ１から発生される。従って、このヒータ電極２ｂの接続部２ａ１は吐出エネルギーを発生可能な吐出エネルギー発生部として機能することとなる。
図３（ａ）に示す工程では、一般的な半導体デバイスの製造工程と同様にシリコン基板１の表面１ａに所定の半導体素子を形成すると共に、ヒータ２ａおよびヒータ電極２ｂを含む通電層２を、フォトリソグラフィを用いた多層配線技術によって形成する。このヒータ２ａおよびヒータ電極２ｂは、図４に示すような平面形状を有している。図４に示すように、ヒータ電極２ｂが切欠部２ｂ１によって上流側と下流側とに分断されており、図３（ａ）に示す段階では、その切欠部２ｂ１からヒータ電極２ａの一部（接続部）２ａ１が露出した状態となる。また、電気的には、ヒータ電極２ｂの上流側と下流側とが吐出エネルギー発生部２ａ１によって接続され、接続部２ａ１に流れる電流によって、インクを吐出口４から吐出させるための吐出エネルギーとしてのジュール熱が接続２ａ１から発生される。従って、このヒータ電極２ｂの接続部２ａ１は吐出エネルギーを発生可能な吐出エネルギー発生部として機能することとなる。
次に、通電層２を覆うように絶縁保護膜（絶縁保護層）１０を成膜形成する（図３（ｂ）参照）。この絶縁保護膜１０は、インク内に形成された気泡が消滅する際に発生することがあるキャビテーションなどから通電層２を保護したり、電気的な短絡（ショート）を防止したりすることを目的として設けられるものである。
この後、図３（ｃ）に示すように、絶縁保護膜１０の表面（図３中、上面）１０ａを覆うようにキャパシタ下部電極膜（第１の電極層）１１を成膜形成する。さらに図３（ｄ）に示すように、キャパシタ下部電極膜１１の表面（図３中、上面）１１ａを覆うようにキャパシタ誘電膜（誘電層）１２を成膜形成する。次いで、図３（ｅ）に示すように、キャパシタ誘電膜１２の表面（図３中、上面）１２ａに、タンタル膜であるキャパシタ上部電極膜（第２の電極層）１３を成膜形成する。なお、以上の成膜形成において、膜１０、１１，１２，１３には、ヒータ電極２ｂの切欠部２ｂ１との対向位置に凹部が形成され、これがヒータ２ａからの熱を液体（インク）に伝えて加熱する加熱部１４ａとなっている。
次に、キャパシタ下部電極膜１１、キャパシタ誘電膜１２、キャパシタ上部電極膜（タンタル膜）１３をエッチングし、図１および図３（ｆ）に示すようなキャパシタ部（電荷蓄積部）１４を形成する。このキャパシタ部１４は、エッチングによって形成された同一の寸法形状をなす下部電極部１１ａ，誘電部１２ａ，上部電極部１３ａによって構成され、以上により、本実施形態におけるインクジェット記録ヘッド用基板（ヘッド用基板）１０１が完成する。
次に、図３（ｇ）〜図３（ｋ）に示す工程でヘッド用基板１０１の表面（図３中、上面）に流路形成部材３を形成することにより、インクジェット記録ヘッド１００を形成する。まず、図３（ｇ）に示す工程では、ヘッド用基板１０１において、加熱部１４ａを含むキャパシタ部１４の一部と絶縁保護膜１０の一部とを覆うように流路形成用の型材２４を形成する。この型材２４は最終的には除去されて空洞の流路２５を形成するためのものであるため、除去を前提とした製造方法を選択する。例えば、感光性レジストを用いて、形成すべき流路２５と同一の厚さを有する犠牲層を形成し、その後、形成した犠牲層に対して塗布、露光、現像を行うことにより形成すべき流路２５と同一形状の型材２４を形成することができる。
次に、型材２４、キャパシタ部１４、および絶縁保護膜１０を覆うように流路形成部材３を形成する。本実施形態では、この流路形成部材３にも感光性レジストを用いており、形成に際しては、まず図３（ｈ）に示すように流路形成部材３として感光性レジストを塗布し、その後、露光、現像を行うことにより図３（ｉ）に示すようにインク吐出口４を形成する。
次に、シリコン基板１の裏面（図３中、下面）１ｂから異方性エッチングによって、図３（ｊ）に示すインク供給口５となる貫通穴を形成する。このとき貫通穴は型材２４まで到達せず、シリコン基板１の表面膜を残して一旦止まる。この表面膜は基板裏面から反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって除去し、これによって貫通穴が完成する。この後、図３（ｋ）に示すように、除去することを前提に予め形成した型材２４を除去し、空洞の流路２５を形成する。以上によって基板内にインク供給口５からインク吐出口４に抜けるインクの流通路が形成され、インクジェット記録ヘッド１００が完成する。
上述のインクジェット記録ヘッド１００の製造方法では、一般的に「注型法」といわれる製造方法に従って流路形成部材３を形成している。しかし、本発明における流路形成部材の製造方法は「注型法」に限定されるものではなく、「注型法」以外の製造方法を用いて流路形成部材３を形成してもよい。
次に、本実施形態において形成されるキャパシタ構造部１４について、さらに詳細に説明する。キャパシタ部（電荷蓄積部）の容量はキャパシタ誘電膜１２によって決定される。すなわち、キャパシタ誘電膜１２の誘電率（比誘電率）が高いほどキャパシタ容量が大きく、ＥＳＤ電荷を受け止める膜の能力が高くなる。本実施形態の場合、発熱抵抗素子であるヒータ２ａの上にキャパシタ構造部１４が形成されていることから、キャパシタ誘電膜として用いられる膜には、高い融点が求められる。本実施形態ではＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２０３、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｌａ２Ｏ３、ＴｉＯ２の膜などが候補として挙げられる。
キャパシタ構造部１４の一部を構成するキャパシタ下部電極膜１１は、ヒータ２ａの上に存在することから、融点が高いことが求められると共に、電気抵抗が低いことが必要になる。また、キャパシタ下部電極膜１１は、絶縁保護膜１０であるＳｉＮ膜とキャパシタ誘電膜１２との間にあって、繰り返される抵抗素子の熱ストレスを受けても、絶縁保護膜１０から剥がれないようにするための適正な熱膨張率と強い密着力が必要である。本実施形態では、キャパシタ下部電極膜１１の素材として、タンタル、タングステン、オスミウム、イリジウム、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、クロムなどが採用可能であり、その中でもタンタルが最も適している。
以上のように本実施形態に係るインクジェット記録ヘッド１００には、ヒータ２ａ、ヒータ電極２ｂなどを含む通電層２と絶縁保護膜１０とからなるヘッド基板の層構造とは独立に、ＥＳＤ事象によって生じた電荷を蓄積するキャパシタ部１４が形成されている。しかも、本実施形態では、キャパシタ部１４のキャパシタ面積を、ヒータ２ａとヒータ電極２ｂとを含む通電層２の平面積以上の十分な大きさに設定している。このため、通電層２の平面積に制限されることなく、必要十分な容量を確保することができ、ＥＳＤ事象の発生を低減することが可能になると共に、キャパシタ部１４の設計上の自由度も高まる。
また、キャパシタ部１４がＥＳＤ事象の影響を受けた場合にも、その影響が絶縁保護膜１０に及ぶのを軽減することができる。従って、本実施形態によれば、吐出性能や記録品質に対して直接的に影響を及ぼすショートなどの発生を低減することができる。さらに、製造時のＥＳＤ事象によるヒータへの影響、および記録ヘッド使用時に発生するキャビテーションなど機械的な力による影響もキャパシタ部１４の存在によって軽減することが可能となる。このため本実施形態によれば、記録ヘッド１００の歩留まりは大幅に向上し、製造コストを低減することが可能になると共に、良好な吐出性能および耐久性を有得ることが可能になる。
（第２の実施形態）
次に本発明の第２の実施形態を図５に基づいて説明する。なお、上記第１の実施形態と同一もしくは相当部分には同一符号を付し、その説明の詳細は省く。
この第２の実施形態における記録ヘッド２００は、第１の実施形態におけるヘッド用基板１０１のキャパシタ上部電極膜（第２の電極層）１３にエッチングにより切欠部１３ｃを形成したヘッド用基板２０１を有している。このキャパシタ上部電極膜１３の切欠部１３ｃは、絶縁保護膜１０の切欠部２ｂ１に対向する位置、つまり、図５に示すヒータ２ａの接続部２ａ１と対向する位置に形成されている。その他の構成は、上記第１の実施形態と同様である。
次に本発明の第２の実施形態を図５に基づいて説明する。なお、上記第１の実施形態と同一もしくは相当部分には同一符号を付し、その説明の詳細は省く。
この第２の実施形態における記録ヘッド２００は、第１の実施形態におけるヘッド用基板１０１のキャパシタ上部電極膜（第２の電極層）１３にエッチングにより切欠部１３ｃを形成したヘッド用基板２０１を有している。このキャパシタ上部電極膜１３の切欠部１３ｃは、絶縁保護膜１０の切欠部２ｂ１に対向する位置、つまり、図５に示すヒータ２ａの接続部２ａ１と対向する位置に形成されている。その他の構成は、上記第１の実施形態と同様である。
このように、第２の実施形態においてはキャパシタ上部電極膜１３に切欠部１３ｃを形成したため、キャパシタ上部電極膜１３の厚さ分だけヒータ２の接続部２ａ１と対向する部分（加熱部）１４ａの積層膜厚の合計が薄化している。このため、切欠部１３ｃが形成されていない第１の実施形態に比べて、ヒータ２から液体への熱の伝播効率は向上し、効率的にインクを吐出することが可能になる。なお、この第２の実施形態では、切欠部１３ｃの面積分だけキャパシタ面積が減少することになるが、これは、キャパシタ部１４の他の部分の面積を増大させることによって補うことが可能であり、必要とされる容量は十分に確保することができる。
（他の実施形態）
上記のように、第１、第２の実施形態では、ヒータ２ａとヒータ電極２ｂとを含む通電層２の形成領域全体を包含する領域に、キャパシタ部１４を形成した。しかし、キャパシタ部１４を通電層２が形成されている領域とは無関係な位置に形成することも可能である。例えば、通電層２を完全には覆わない位置、すなわち、通電層２の一部のみを覆う位置、あるいは通電層２を全く対向しない位置に設けることも可能である。但し、いずれの場合にも、キャパシタ部１４の面積は通電層２の形成領域の面積よりも大きくする必要がある。このように、通電層２を完全には覆わない位置にキャパシタ部１４を設けたとしても、キャパシタ面積を通電層２の面積よりも大きく設定すれば、ＥＳＤ事象の発生を低減することが可能になる。また、ＥＳＤ事象が発生した場合にも、従来の記録ヘッドに比べ、絶縁保護膜１０などへの損傷をキャパシタ部１４によって軽減することが可能になる。このため、ＥＳＤ事象に起因する液体吐出ヘッドの吐出性能への悪影響を抑えることが可能になると共に、液体吐出吐出ヘッドの長寿命化を図ることができる。
上記のように、第１、第２の実施形態では、ヒータ２ａとヒータ電極２ｂとを含む通電層２の形成領域全体を包含する領域に、キャパシタ部１４を形成した。しかし、キャパシタ部１４を通電層２が形成されている領域とは無関係な位置に形成することも可能である。例えば、通電層２を完全には覆わない位置、すなわち、通電層２の一部のみを覆う位置、あるいは通電層２を全く対向しない位置に設けることも可能である。但し、いずれの場合にも、キャパシタ部１４の面積は通電層２の形成領域の面積よりも大きくする必要がある。このように、通電層２を完全には覆わない位置にキャパシタ部１４を設けたとしても、キャパシタ面積を通電層２の面積よりも大きく設定すれば、ＥＳＤ事象の発生を低減することが可能になる。また、ＥＳＤ事象が発生した場合にも、従来の記録ヘッドに比べ、絶縁保護膜１０などへの損傷をキャパシタ部１４によって軽減することが可能になる。このため、ＥＳＤ事象に起因する液体吐出ヘッドの吐出性能への悪影響を抑えることが可能になると共に、液体吐出吐出ヘッドの長寿命化を図ることができる。
［実施例］
次に、上記各実施形態に基づいて製造された記録ヘッドの実施例を、実施例１−１〜実施例１−６、および実施例２−１，２−２に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施例１−１〜実施例１−６は第１の実施形態に対応し、実施例２−１，実施例２−２は第２の実施形態に対応している。また、実施例１−１〜実施例１−６には、互いに共通する部分が多く存在するため、共通部分については共通項目として説明を行い、異なる部分については個別項目として説明を行う。同様に、実施例２−１〜２−２についても、共通項目と、個別項目とがあり、それぞれの項目について説明を行う。
次に、上記各実施形態に基づいて製造された記録ヘッドの実施例を、実施例１−１〜実施例１−６、および実施例２−１，２−２に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施例１−１〜実施例１−６は第１の実施形態に対応し、実施例２−１，実施例２−２は第２の実施形態に対応している。また、実施例１−１〜実施例１−６には、互いに共通する部分が多く存在するため、共通部分については共通項目として説明を行い、異なる部分については個別項目として説明を行う。同様に、実施例２−１〜２−２についても、共通項目と、個別項目とがあり、それぞれの項目について説明を行う。
（実施例１−１〜実施例１−６）
Ａ１．共通項目
まず、実施例１−１〜実施例１−６の共通項目について図２および図３を参照しつつ説明を行う。
本実施例１−１〜実施例１−６では、シリコン基板１として厚さ６２５μｍのシリコン基板を用い、このシリコン基板１上に、ヒータ２ａおよびヒータ電極２ｂとして厚さ０．５μｍのアルミニウム膜を形成した。
次に、ヒータ２ａおよびヒータ電極２ｂ上に、プラズマＣＶＤによって膜厚３００ｎｍのＳｉＮ膜（比誘電率７．５）を絶縁保護膜１０として成膜した。
その後、スパッタ法により、膜厚１００ｎｍのタンタル膜をキャパシタ下部電極膜１１として形成した。
次に、キャパシタ下部電極膜１１上に、スパッタ法によって膜厚１００ｎｍのキャパシタ誘電膜１２を形成した。さらに、キャパシタ上部電極膜１３としてスパッタ法により膜厚２００ｎｍのタンタル膜を成膜し、最後に、各膜１１、１２、１３に関してパターニングを行い、所望形状のキャパシタ部１４を形成した。
Ａ１．共通項目
まず、実施例１−１〜実施例１−６の共通項目について図２および図３を参照しつつ説明を行う。
本実施例１−１〜実施例１−６では、シリコン基板１として厚さ６２５μｍのシリコン基板を用い、このシリコン基板１上に、ヒータ２ａおよびヒータ電極２ｂとして厚さ０．５μｍのアルミニウム膜を形成した。
次に、ヒータ２ａおよびヒータ電極２ｂ上に、プラズマＣＶＤによって膜厚３００ｎｍのＳｉＮ膜（比誘電率７．５）を絶縁保護膜１０として成膜した。
その後、スパッタ法により、膜厚１００ｎｍのタンタル膜をキャパシタ下部電極膜１１として形成した。
次に、キャパシタ下部電極膜１１上に、スパッタ法によって膜厚１００ｎｍのキャパシタ誘電膜１２を形成した。さらに、キャパシタ上部電極膜１３としてスパッタ法により膜厚２００ｎｍのタンタル膜を成膜し、最後に、各膜１１、１２、１３に関してパターニングを行い、所望形状のキャパシタ部１４を形成した。
Ｂ１．個別項目
次に、実施例１−１〜実施例１−６の個別項目を説明する。
・実施例１−１では、キャパシタ下部電極膜１１として膜厚２００ｎｍのタンタル膜を用い、キャパシタ誘電膜１２として膜厚１００ｎｍのＳｉＯ２膜（比誘電率３．９）を用いた。
・実施例１−２では、キャパシタ下部電極膜１１として膜厚２００ｎｍのタンタル膜を用い、キャパシタ誘電膜１２として膜厚１００ｎｍのＳｉＮ膜（比誘電率７．５）を用いた。
・実施例１−３では、キャパシタ下部電極膜１１として膜厚２００ｎｍのタンタル膜を用い、キャパシタ誘電膜１２として膜厚１００ｎｍのＡｌ２Ｏ３膜（比誘電率９）を用いた。
・実施例１−４では、キャパシタ下部電極膜１１として膜厚２００ｎｍのタンタル膜を用い、キャパシタ誘電膜１２として膜厚１００ｎｍのＹ２Ｏ３膜（比誘電率１５）を用いた。
・実施例１−５では、キャパシタ下部電極膜１１として膜厚２００ｎｍのタングステン膜を用い、キャパシタ誘電膜１２として膜厚１００ｎｍのＨｆＯ２膜（比誘電率２５）を用いた。
・実施例１−６では、キャパシタ下部電極膜１１として膜厚２００ｎｍのタンタル膜を用い、キャパシタ誘電膜１２として膜厚１００ｎｍのＴａ２Ｏ５膜（比誘電率２６）を用いた。
次に、実施例１−１〜実施例１−６の個別項目を説明する。
・実施例１−１では、キャパシタ下部電極膜１１として膜厚２００ｎｍのタンタル膜を用い、キャパシタ誘電膜１２として膜厚１００ｎｍのＳｉＯ２膜（比誘電率３．９）を用いた。
・実施例１−２では、キャパシタ下部電極膜１１として膜厚２００ｎｍのタンタル膜を用い、キャパシタ誘電膜１２として膜厚１００ｎｍのＳｉＮ膜（比誘電率７．５）を用いた。
・実施例１−３では、キャパシタ下部電極膜１１として膜厚２００ｎｍのタンタル膜を用い、キャパシタ誘電膜１２として膜厚１００ｎｍのＡｌ２Ｏ３膜（比誘電率９）を用いた。
・実施例１−４では、キャパシタ下部電極膜１１として膜厚２００ｎｍのタンタル膜を用い、キャパシタ誘電膜１２として膜厚１００ｎｍのＹ２Ｏ３膜（比誘電率１５）を用いた。
・実施例１−５では、キャパシタ下部電極膜１１として膜厚２００ｎｍのタングステン膜を用い、キャパシタ誘電膜１２として膜厚１００ｎｍのＨｆＯ２膜（比誘電率２５）を用いた。
・実施例１−６では、キャパシタ下部電極膜１１として膜厚２００ｎｍのタンタル膜を用い、キャパシタ誘電膜１２として膜厚１００ｎｍのＴａ２Ｏ５膜（比誘電率２６）を用いた。
（実施例２）
Ａ２．共通項目
次に、実施例２−１と実施例２−２の共通項目について説明する。
実施例２−１および実施例２−２は第２の実施形態に対応するものであり、いずれも上述の実施例１における共通項目の一部を変更したものとなっている。すなわち、実施例２−１および実施例２−２では、図３（ｆ）のキャパシタ上部電極膜１３をタンタル膜によって成膜した後、ヒータ２の直上に位置する部分をエッチングすることによって、図５に示すような切欠部１３ｃを形成する工程が追加されている。この工程を追加した点が、実施形態１−１〜実施形態１−６の共通項目と、本実施例２−１および実施例２−２の共通項目と異なっており、その他の工程は、上記実施形態１−１〜実施例１−６の共通項目と同一である。
Ａ２．共通項目
次に、実施例２−１と実施例２−２の共通項目について説明する。
実施例２−１および実施例２−２は第２の実施形態に対応するものであり、いずれも上述の実施例１における共通項目の一部を変更したものとなっている。すなわち、実施例２−１および実施例２−２では、図３（ｆ）のキャパシタ上部電極膜１３をタンタル膜によって成膜した後、ヒータ２の直上に位置する部分をエッチングすることによって、図５に示すような切欠部１３ｃを形成する工程が追加されている。この工程を追加した点が、実施形態１−１〜実施形態１−６の共通項目と、本実施例２−１および実施例２−２の共通項目と異なっており、その他の工程は、上記実施形態１−１〜実施例１−６の共通項目と同一である。
前述のように、切欠部１３ｃを形成した本実施例２−１および２−２では、ヒータ２ａの接続部２ａ１における積層膜が薄化され、ヒータで発生した熱を効率的に伝播させることが可能になる。但し、切欠部１３ｃの面積分だけキャパシタ面積が減少することになるため、キャパシタ部１４の他の部分の面積を増加させることによって容量を確保するようにした。具体的には、各ヒータ２の面積は１８×１８μｍ＝３２４μｍ２であり、その面積に対応する面積の切欠部１３ｃがキャパシタ上部電極膜１３から削除されることとなる。従って、実施例１−１〜実施例１−６と同様の範囲にキャパシタ部１４を形成した場合には、切欠部１３ｃの面積分だけキャパシタ面積が減少し、それに伴って容量も減少することとなる。
しかし、実施例２−１および実施例２−２では、キャパシタ部１４の形成範囲を、１７６４μｍ２にまで増加できるため、ヒータ２の面積に相当するキャパシタ面積の減少を十分に補うことが可能になる。
Ｂ２．個別項目
次に、実施例２−１と実施例２−２の個別項目を説明する。
・実施例２−１では、キャパシタ下部電極膜１１として膜厚２００ｎｍのタングステン膜を、キャパシタ誘電膜１２として膜厚１００ｎｍのＨｆＯ２膜（比誘電率２５）をそれぞれ用いた。
・実施例２−２では、キャパシタ下部電極膜１１として膜厚２００ｎｍのタンタル膜を、キャパシタ誘電膜１２として膜厚１００ｎｍのＴａ２Ｏ５膜（比誘電率２６）をそれぞれ用いた。
次に、実施例２−１と実施例２−２の個別項目を説明する。
・実施例２−１では、キャパシタ下部電極膜１１として膜厚２００ｎｍのタングステン膜を、キャパシタ誘電膜１２として膜厚１００ｎｍのＨｆＯ２膜（比誘電率２５）をそれぞれ用いた。
・実施例２−２では、キャパシタ下部電極膜１１として膜厚２００ｎｍのタンタル膜を、キャパシタ誘電膜１２として膜厚１００ｎｍのＴａ２Ｏ５膜（比誘電率２６）をそれぞれ用いた。
（比較例）
ここで、本発明の上記実施例に対する比較例として、従来用いられていたインクジェット記録へッドの具体的な構成を、その製造方法と共に説明する。
この比較例では、厚さ６２５μｍのシリコン基板１を用い、ヒータ２ａおよびヒータ電極２ｂを厚さ０．５μｍのアルミニウム膜で形成した。さらに、ヒータ２ａ、ヒータ電極２ｂおよびシリコン基板１を覆うように、プラズマＣＶＤにより膜厚３００ｎｍのＳｉＮ膜（比誘電率７．５）を絶縁保護膜１０として成膜形成した。この後、絶縁保護膜１０上に、スパッタ法により膜厚２００ｎｍのタンタル膜１１を成膜し、各膜に関してパターニングを行い、所定の形状に形成した。この積層状態の概略を図６に示す。
ここで、本発明の上記実施例に対する比較例として、従来用いられていたインクジェット記録へッドの具体的な構成を、その製造方法と共に説明する。
この比較例では、厚さ６２５μｍのシリコン基板１を用い、ヒータ２ａおよびヒータ電極２ｂを厚さ０．５μｍのアルミニウム膜で形成した。さらに、ヒータ２ａ、ヒータ電極２ｂおよびシリコン基板１を覆うように、プラズマＣＶＤにより膜厚３００ｎｍのＳｉＮ膜（比誘電率７．５）を絶縁保護膜１０として成膜形成した。この後、絶縁保護膜１０上に、スパッタ法により膜厚２００ｎｍのタンタル膜１１を成膜し、各膜に関してパターニングを行い、所定の形状に形成した。この積層状態の概略を図６に示す。
図６に示す積層構造は、シリコン基板１の上に、ヒータ２ａおよびヒータ電極２ｂからなる通電層２、絶縁保護膜１０、およびタンタル膜１１によってキャパシタンスを形成しており、これによってＥＳＤ事象による影響の軽減を図るものとなっている。この層構造は前述の特許文献１に開示されたものと同様である。なお、特許文献１では、図６および図７に示すように、タンタル膜１１が、複数のヒータ２ａそれぞれに対応して島状に分割された領域１１Ａ，１１Ｂ，・・・１１Ｎと、これらをつなぐ細い線１１Ｌとにより構成されている。本比較例でも特許文献１と同様に、各ヒータに対して島状にタンタル膜を配置した構成を有するものとなっている。但し、本比較例では、本実施例との比較・検討を行う上で、ヒータおよびヒータ電極などの平面上の寸法形状については、以下に説明する本実施例と同様に設定している。
（実施例および比較例の平面形状）
ここで、比較例および上記実施例のインクジェット記録基板の平面形状に関して図４に基づき説明する。図４に示すように、ヒータ２ａは屈曲形状をなすヒータ電極２ｂに接続されており、各ヒータ２ａは共通のインク供給口の長手方向Ｘ（図１および図４参照）と平行する直線上に一定間隔を介して配列されている。
ここで、比較例および上記実施例のインクジェット記録基板の平面形状に関して図４に基づき説明する。図４に示すように、ヒータ２ａは屈曲形状をなすヒータ電極２ｂに接続されており、各ヒータ２ａは共通のインク供給口の長手方向Ｘ（図１および図４参照）と平行する直線上に一定間隔を介して配列されている。
本実施例および比較例において、ヒータ２ａの配列方向における密度は６００ＤＰＩであり、個々のヒータ２ａのサイズは１８×１８μｍとし、配線ルールはライン／スペース＝８／８μｍとしている。また、ヒータ電極２ｂの幅はヒータ２ａの幅と同一に設定している。このような平面形状を有するヒータ２ａおよびヒータ電極２ｂに対し、比較例では、ヒータ２ａ毎にタンタル膜を分離して島状に配置し、それらを図７に示すような細い線（図４には図示せず）でつないだ構成となっている。これに対して本実施例では、全てのヒータを覆うような帯状のタンタル膜によってキャパシタ上部電極膜１３を形成すると共に、キャパシタ上部電極膜１３と同一の平面形状をなすキャパシタ誘電膜１２およびキャパシタ上部電極膜１３を形成している。
上記設計に基づいてヒータ２ａを配置すると、比較例では、各ヒータ２ａおよびヒータ電極２ｂに対応する６００ＤＰＩの理論面積４２×４２μｍ＝１７６４μｍ２の中に含まれるキャパシタ面積は１１５６μｍ２となる。このキャパシタ面積は、ヒータ２ａとヒータ電極２ｂの配線部分との合計面積となっており、前記理論面積４２×４２μｍ＝１７６４μｍ２の約６５％の面積となっている。
これに対して、本発明では６００ＤＰＩの理論面積（１７６４μｍ２）当りのキャパシタ面積は１７６４μｍ２以上、すなわち１００％以上になる。これは本実施例では、キャパシタ上部電極膜１３と、キャパシタ誘電膜１２と、キャパシタ下部電極膜１１とからなるキャパシタ部１４が、ヒータ２ａおよびヒータ電極２ｂからなる通電層２とは独立に構成されるためである。つまり、本実施例では、通電層２より広い面積範囲に亘ってキャパシタ部１４を形成でき、そのキャパシタ部１４の面積全体がキャパシタ面積になるため、理論面積４２×４２μｍの１００％以上をキャパシタ面積とすることが可能になる。
（比較結果）
本発明の効果を確認するため、本発明の実施例及び従来技術の比較例のＥＳＤ事象による抵抗素子の不具合発生率を確認した。この不具合発生率は、記録ヘッドの製造における歩留まりレベルに対応する。つまり、不具合発生率が高い場合には、歩留まりレベルが下がり、逆に不具合発生率が低い場合には歩留まりレベルは高くなる。
本発明の効果を確認するため、本発明の実施例及び従来技術の比較例のＥＳＤ事象による抵抗素子の不具合発生率を確認した。この不具合発生率は、記録ヘッドの製造における歩留まりレベルに対応する。つまり、不具合発生率が高い場合には、歩留まりレベルが下がり、逆に不具合発生率が低い場合には歩留まりレベルは高くなる。
比較・検討の結果、比較例の不具合発生率が“Ｃ”であったのに対して、実施例１−１、実施例１−２、実施例１−３では不具合発生率が“Ｂ”となった。さらに、比誘電率の高い誘電膜を備える実施例１−４、実施例１−５、実施例１−６では、不具合発生率は“Ａ”となり、本発明の有効性が確認された。従って、実施例１−１〜実施例１−６それぞれにおいて、誘電膜の比誘電率を３．９以上、５以上、７．５以上、９以上、１５以上、２５以上とすれば、各実施例の不具合発生率をさらに向上させることができる。
また第２の実施形態に対応する実施例２−１、実施例２−２についても、不具合発生率は“Ａ”となり、その効果については、第１の実施形態に対応する各実施例１−４、実施例１−５、実施例１−６と差異はなかった。なお、実施例２−１、実施例２−２のそれぞれにおいて、誘電膜の比誘電率を２５以上、２６以上とすれば、不具合発生率をさらに向上させることができる。
“Ａ”：製品製造上問題とならない不具合発生率
“Ｂ”：不具合発生率ほぼ０
“Ｃ”：製品製造上問題となる不具合発生率
“Ａ”：製品製造上問題とならない不具合発生率
“Ｂ”：不具合発生率ほぼ０
“Ｃ”：製品製造上問題となる不具合発生率
１ シリコン基板（基板）
２ 通電層
２ａ ヒータ
２ｂ ヒータ電極
３ 流路形成部材
１０ 絶縁保護層
１１ キャパシタ下部電極膜（第１の電極層）
１２ キャパシタ誘電膜（誘電層）
１３ キャパシタ上部電極膜（第２の電極層）
１３Ｃ 切欠部
１４ キャパシタ部（電荷蓄積部）
２４ 型材
２５ 流路
１００，２００ 液体吐出ヘッド
１０１，２０１ 液体吐出ヘッド用基板
２ 通電層
２ａ ヒータ
２ｂ ヒータ電極
３ 流路形成部材
１０ 絶縁保護層
１１ キャパシタ下部電極膜（第１の電極層）
１２ キャパシタ誘電膜（誘電層）
１３ キャパシタ上部電極膜（第２の電極層）
１３Ｃ 切欠部
１４ キャパシタ部（電荷蓄積部）
２４ 型材
２５ 流路
１００，２００ 液体吐出ヘッド
１０１，２０１ 液体吐出ヘッド用基板
Claims (11)
- 液体を吐出するための吐出エネルギーを発生可能な吐出エネルギー発生部を含む通電層を表面に備えた基板と、
前記通電層の表面を覆う絶縁保護層と、
前記絶縁保護層の表面の少なくとも一部を覆う電荷蓄積部と、を備え、
前記電荷蓄積部は、前記通電層より大きな平面積を有することを特徴とする液体吐出ヘッド用基板。 - 前記電荷蓄積部は、前記絶縁保護層の表面のうち、前記通電層と対向する領域を包含するように覆う、請求項１に記載の液体吐出ヘッド用基板。
- 前記電荷蓄積部は、
前記絶縁保護層の表面の少なくとも一部を覆う第１の電極層と、
前記第１の電極層の表面を覆う誘電層と、
通電層の表面を覆う第２の電極層と、
を備える、請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド用基板。 - 前記電荷蓄積部は、前記第１の電極層のうち、前記通電層の中の吐出エネルギー発生部と対向する領域に切欠部が形成されている、請求項２または３に記載の液体吐出ヘッド用基板。
- 前記第１の電極層は、タンタルによって形成され、
前記第２の電極層は、タンタル、タングステン、オスミウム、イリジウム、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、またはクロムによって形成される、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド用基板。 - 前記誘電層は、３．９以上の比誘電率を有する、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド用基板。
- 前記誘電層の比誘電率は７．５以上である請求項１に記載のインクジェット記録基板。
- 前記誘電層の比誘電率は１５以上である請求項１に記載のインクジェット記録基板。
- 液体を吐出するための吐出エネルギーを発生可能な吐出エネルギー発生部を含む通電層を表面に備えた液体吐出ヘッド用基板と、
前記液体吐出ヘッド用基板と共に液体流路を形成する流路形成部材とを備え、
前記液体流路に供給された液体を前記吐出エネルギーによって前記流路形成部材に形成された吐出口から吐出する液体吐出ヘッドであって、
前記液体吐出ヘッド用基板は、
前記通電層の表面を覆う絶縁保護層と、
前記絶縁保護層の表面の少なくとも一部を覆う電荷蓄積部と、を備え、
前記電荷蓄積部は、前記通電層より大きな平面積を有することを特徴とする液体吐出ヘッド用基板。 - 基板の表面に、液体を吐出するための吐出エネルギーを発生可能な吐出エネルギー発生部を含む通電層を形成する工程と、
前記通電層の表面を覆う絶縁保護層を形成する工程と、
前記絶縁保護層の表面において前記通電層より大きな平面積を有する領域に電荷蓄積部を形成する工程と、を備えることを特徴とする液体吐出ヘッド用基板の製造方法。 - 前記第１の電極層のうち、前記通電層の中のヒータと対向する領域に切欠部を形成する工程をさらに有する、請求項１０に記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
Priority Applications (1)
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