JP2022078882A - 液体吐出ヘッド用基板、及び液体吐出ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】電気的絶縁性、低応力といった層間絶縁膜として求められる性能を満たしつつ、層間絶縁膜の溶解による液体吐出ヘッドの信頼性の低下を抑制し、より長寿命な液体吐出ヘッド基板を提供する。【解決手段】基材１１３と、液体を吐出するための熱エネルギーを発生する発熱抵抗体層を含む発熱素子１０１と、該発熱素子に電力を供給する配線層１０３と、前記発熱抵抗体層及び前記配線層を絶縁する層間絶縁膜１０４を有する液体吐出ヘッド用基板１００において、前記発熱抵抗体層と前記配線層のうち該発熱抵抗体と隣接する第１の配線層を絶縁する第１の層間絶縁膜１０４ｄ、及び、該第１の配線層と隣接する第２の配線層を絶縁する第２の層間絶縁膜１０４ｃの一部に、ＳｉｗＯｘＣｙＮｚ（ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００（ａｔ％），３７≦ｗ≦６０（ａｔ．％），３０≦ｘ≦５３（ａｔ．％），６≦ｙ≦２９（ａｔ．％），４≦ｚ≦９（ａｔ．％））で表わされる材料層１０４ｘを含むことを特徴とする液体吐出ヘッド用基板。【選択図】 図１

Description

本発明は、液体を吐出する液体吐出ヘッド用基板、及び液体吐出ヘッドに関する。

液体吐出ヘッドとして代表的なインクジェットヘッドを用いた記録方式の一つに、発熱素子によってインクを加熱して発泡させ、この気泡を利用してインクを吐出する方式がある。

特許文献１には、複数の電気配線層や、電気配線層と発熱抵抗素子との間を電気的に絶縁する層間絶縁膜として、ＳｉＯなどの絶縁体を使用することが記載されている。

特開２０１６－１３７７０５号公報

特許文献１に開示されるＳｉＯを層間絶縁膜に適用したインクジェットヘッドにおいては、偶発的な断線等によりインクが液体吐出ヘッド用基板の内部に侵入した状態で長期間使用すると、インクによって層間絶縁膜が溶解することがある。層間絶縁膜の溶解により複数の素子に共通する電気配線層にまでインクが到達すると、隣接する素子もインクの吐出ができなくなってしまう。

このように、層間絶縁膜の溶解によってインクジェットヘッドの信頼性を低下させてしまうことが課題となる。
なお、液体吐出ヘッド用基板の層間絶縁膜としては、インクに対する耐溶解性に加え、電気的絶縁性、低応力といった性能を満たすことが要求される。

そこで、本発明は、電気的絶縁性、低応力といった層間絶縁膜として求められる性能を満たしつつ、層間絶縁膜の溶解による液体吐出ヘッドの信頼性の低下を抑制し、より長寿命な液体吐出ヘッド基板を提供することを目的とする。

基材と、液体を吐出するための熱エネルギーを発生する発熱抵抗体層を含む発熱素子と、該発熱素子に電力を供給する配線層と、前記発熱抵抗体層及び配線層を絶縁する層間絶縁膜を有する液体吐出ヘッド用基板において、前記発熱抵抗体層と前記配線層のうち該発熱抵抗体層と隣接する第１の配線層を絶縁する第１の層間絶縁膜、及び、該第１の配線層と隣接する第２の配線層を絶縁する第２の層間絶縁膜の一部に、Ｓｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ（ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００（ａｔ％），３７≦ｗ≦６０（ａｔ．％），３０≦ｘ≦５３（ａｔ．％），６≦ｙ≦２９（ａｔ．％），４≦ｚ≦９（ａｔ．％））で表わされる材料層を含むことを特徴とする液体吐出ヘッド用基板。

本発明によると、電気的絶縁性、低応力といった層間絶縁膜として求められる性能を満たしつつ、インク等の液体に起因する層間絶縁膜の溶解による液体吐出ヘッドの信頼性の低下を抑制し、より長寿命な液体吐出ヘッド用基板を提供することができる。

本発明の実施形態に係る発熱素子近傍の平面図と断面図である。 液体吐出ヘッド用基板の平面図である。 Ｓｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜の成膜装置を模式的に示す断面図である。 一実施形態に係る層間絶縁膜近傍の断面図である。 一実施形態に係る層間絶縁膜近傍の断面図である。 図５に係る層間絶縁膜の作製工程のフローチャートである。 一実施形態に係る層間絶縁膜近傍の断面図である。

液体吐出ヘッドは、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサなどの装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わせた産業記録装置に搭載可能である。そして、この液体吐出ヘッドを用いることによって、紙、糸、繊維、布帛、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックスなどの種々の被記録媒体に記録を行うことができる。

本明細書内で用いられる「記録」とは、文字や図形などの意味を持つ画像を被記録媒体に対して付与することだけでなく、パターンなどの意味を持たない画像を付与することも意味することにする。

さらに「液体」とは広く解釈されるべきものであり、記録動作に用いるインクのみならず、被記録媒体上に付与されることによって、画像、模様、パターン等の形成、被記録媒体の加工、或いはインクまたは被記録媒体の処理に供される液体を言うものとする。ここで、インクまたは被記録媒体の処理とは、例えば、被記録媒体に付与されるインクの中の色材の凝固または不溶化による定着性の向上や、記録品位ないし発色性の向上、画像耐久性の向上するための処理のことを言う。さらに、本発明の液体吐出装置に用いられるような「液体」は、一般的に電解質を多く含むものであり、導電性を有している。
また、本明細書において、「第１」、「第２」などの部材に付与される表示は、順序を形式的に示すものであって、部材そのものを特定するものではない。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお以下の説明では、同一の機能を有する構成には図面中同一の番号を付与する。

液体吐出ヘッド基板１００（図１）は、素子基板１１４と吐出口形成部材１０８とを有している。素子基板１１４は、Ｓｉにより形成される基材１１３と、基材１１３上に形成される層間絶縁膜１０４と、を含んでいる。また、素子基板１１４は、基材１１３の上側に設けられた液体を吐出するための熱エネルギーを発生する発熱素子１０１を構成する発熱抵抗体層１０１Ａ、保護膜１０５、耐キャビテーション膜１０６、及び密着向上層１０７を含んでいる。また、発熱素子で発生する熱を検知する温度検知素子１１６を設けてもよく、この温度検知素子１１６は発熱抵抗体層１０１Ａの下に配置される。層間絶縁膜１０４は、発熱抵抗体層１０１Ａと温度検知素子１１６との間に位置する第１の層間絶縁膜１０４ｆと、温度検知素子１１６とグランド配線である第１の電気配線層１０３ｄとの間に位置する第２の層間絶縁膜１０４ｅと、を含む。また、層間絶縁膜１０４は、第１の電気配線層１０３ｄと電源配線である第２の電気配線層１０３ｃとの間に位置する第３の層間絶縁膜１０４ｄを含む。また、層間絶縁膜１０４は、第２の電気配線層１０３ｃとロジック電源配線である第３の電気配線層１０３ｂとの間に位置する第４の層間絶縁膜１０４ｃを含む。また、層間絶縁膜１０４は、第３の電気配線層１０３ｂと信号配線である第４の電気配線層１０３ａとの間に位置する第５の層間絶縁膜１０４ｂと、第５の電気配線層１０３ａの下部に位置する第６の層間絶縁膜１０４ａと、を含む。
ここで、第１の層間絶縁膜１０４ｆ，第２の層間絶縁膜１０４ｅ，第３の層間絶縁膜１０４ｄのうち、少なくとも一つの膜は以下のＳｉＯＣＮ膜（シリコン酸炭窒化膜）を含む絶縁体で形成される。すなわち、少なくとも一つの膜はＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ（ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００（ａｔ％），３７≦ｗ≦６０（ａｔ．％），３０≦ｘ≦５３（ａｔ．％），６≦ｙ≦２９（ａｔ．％），４≦ｚ≦９（ａｔ．％））で表わされる材料層を含む絶縁体で形成される。第１の層間絶縁膜１０４ｆ、第２の層間絶縁膜１０４ｅ、第３の層間絶縁膜１０４ｄは、配線層への付き周り性を向上するためには、Ｓｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜だけでなく、一部に高密度プラズマＣＶＤで成膜したＳｉＯなどの絶縁膜を含んでも良い。なお、これらの層間絶縁膜の一部または全てをＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜にすることで、インクに対する耐溶解性を向上することができる。更に、第１の層間絶縁膜１０４ｆや、第２の層間絶縁膜１０４ｄなどの発熱抵抗体層１０１Ａに近い領域の層間絶縁膜の一部または全てをＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜とすることが好ましい。これは、Ｓｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜はＳｉＯ膜に比べて熱伝導率が低いため、発熱素子１０１の駆動に必要なエネルギーを低減することができるためである。なお、温度検知素子１１６は任意のため、温度検知素子１１６がない場合は、第１の層間絶縁膜１０４ｆと第２の層間絶縁膜１０４ｅとが一つの第１の層間絶縁膜となり、以下、同等の構成となる。

ここで、各層間絶縁膜は、各配線層を敷設する上面が平坦化されていれば良い。すなわち、層間絶縁膜を複数の膜を積層して構成する場合は、配線層が設けられる膜の上面を平坦化すればよい。例えば、図４では、配線層（ここでは発熱素子に近いグランド配線である第１の電気配線層１０３ｄ）の上側に設けられる層間絶縁膜（第２の層間絶縁膜１０４ｅ）を３つの膜１０４ｘ、１０４ｙ、１０４ｚで構成している。第１の電気配線層１０３ｄの上には、第２ＳｉＯ膜１０４ｚが配線層の凹凸に合わせて凹凸形状に形成され、Ｓｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜１０４ｘが第２ＳｉＯ膜１０４ｚの凹凸にコンフォーマルに形成されている。更に、その上に第１ＳｉＯ膜１０４ｙが形成されており、第１ＳｉＯ膜１０４ｙの上面は平坦化されている。

又、図５、図７は、配線層１０３（第１の電気配線層１０３ｄ）の上側の層間絶縁膜（第２の層間絶縁膜１０４ｅ）の別の形態を示している。図５に示す形態では、配線層１０３ｄの上に上面が平坦化された第２ＳｉＯ膜１０４ｚを配置し、その上にＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜１０４ｘを配置し、更にその上に上面が平坦化された第１ＳｉＯ膜１０４ｙを積層している。図７に示す形態では、配線層１０３ｄの上にＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜１０４ｘを形成し、その上に上面が平坦化された第１ＳｉＯ膜１０４ｙを形成している。

図１に戻って、第４の層間絶縁膜１０４ｃ，第５の層間絶縁膜１０４ｂ，第６の層間絶縁膜１０４ａは、ＳｉＯ膜などの絶縁体で形成される。なお、これらの層間絶縁膜をＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜で形成してもよい。また、層間絶縁膜のうち、図４～６に示したように、Ｓｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜１０４ｘの上に第１ＳｉＯ膜１０４ｙを形成する構成にすると、上面の平坦化を行う膜が第１ＳｉＯ膜１０４ｙのみとなり、工程の複雑化を避けることができる。Ｓｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜１０４ｘは耐液性（耐薬品性）が高く、ＣＭＰなどの化学研磨で平坦化することが難しいため、ＳｉＯ膜のみを平坦化することが好ましい。

図２に示すように、液体吐出ヘッド基板１００の中央部には長手方向（本実施形態ではＹ方向に一致する）に延びるインク供給口２０２が設けられ、インク供給口２０２の両側に複数の発熱素子１０１がそれぞれ列状に配列されている。発熱素子１０１における発熱抵抗体層１０１ＡはＴａＳｉＮなどのＴａ化合物から形成されている。図１に示す発熱抵抗体層１０１Ａの膜厚（Ｚ方向寸法）は０．０１～０．０５μｍ程度であり、後述する配線層１０３の膜厚と比べてはるかに小さい。基板１１４の発熱素子１０１が形成された面１１４ａに吐出口形成部材１０８が設けられている。吐出口形成部材１０８は各発熱素子１０１に対応した吐出口１０９を有し、基板１１４とともに吐出口１０９毎の圧力室１１５を形成している。圧力室１１５はインク供給口２０２と連通しており、インク供給口２０２から供給されるインクが圧力室１１５に導入される。また、発熱素子１０１の下部に、層間絶縁膜を挟んでＡｌ，Ｐｔ，Ｔｉ，Ｔａ等の薄膜抵抗体で形成される温度検知素子１１６を設けてもよい。

図２に示すように、液体吐出ヘッド基板１００のインク供給口２０２を挟んだ両側には発熱素子１０１を駆動するための駆動回路２０３が設けられている。駆動回路２０３は基板１１４の長手方向Ｙにおける両端に設けられた電極パッド２０１に接続され、電極パッド２０１を介して液体吐出ヘッドの外部から供給される記録信号に応じて発熱素子１０１の駆動電流を生成する。素子基板１１４上に設けられた層間絶縁膜１０４内には、発熱素子１０１の発熱抵抗体層１０１Ａに電流を供給するための配線層１０３が延びている。配線層１０３は層間絶縁膜１０４に埋め込まれるように設けられている。配線層１０３は後述の接続部材１０２を介して、駆動回路２０３と発熱抵抗体層１０１Ａとを電気的に接続している。配線層１０３は例えばアルミニウムからなり、膜厚（Ｚ方向寸法）は０．６～１．２μｍ程度である。供給された電流によって発熱素子１０１が発熱し、高温となった発熱素子１０１は圧力室１１５内のインクを加熱して気泡を発生させる。この気泡によって吐出口１０９の近傍のインクが吐出口１０９から吐出し、記録が行われる。この際の温度変化を温度検知素子１１６で読み取ることで、正常に吐出されているかどうかを判定することができる。

発熱抵抗体層１０１Ａは保護膜１０５で覆われている。保護膜１０５は例えばＳｉＮで形成され、膜厚は０．１５～０．３μｍ程度である。保護膜１０５はＳｉＯまたはＳｉＣで形成してもよい。保護膜１０５は耐キャビテーション膜１０６で覆われている。耐キャビテーション膜１０６はＴａ等で形成され、膜厚は０．２～０．３μｍ程度である。耐キャビテーション膜１０６はＩｒや、ＴａおよびＩｒを積層して設けてもよい。

層間絶縁膜１０４内には、配線層１０３と発熱抵抗体層１０１Ａとを接続するための複数の接続部材１０２が設けられている。膜厚方向（Ｚ方向）に延在する複数の接続部材１０２は、第２の方向Ｙに沿って互いに間隔をおいて位置している。接続部材１０２は発熱素子１０１が設けられる面に直交する方向からみて、発熱抵抗体層１０１Ａに覆われている。接続部材１０２は、発熱素子１０１のＸ方向における両側端部の近傍で、配線層１０３と発熱抵抗体層１０１Ａとを接続している。従って、電流は発熱抵抗体層１０１Ａを第１の方向Ｘに沿って流れる。発熱素子１０１のＸ方向における両側端部の近傍にはそれぞれ複数の接続部材１０２が設けられている。発熱抵抗体層１０１Ａはその一端側と他端側との夫々に、複数の接続部材１０２が接続される接続領域１１０を有している。接続部材１０２は配線層１０３の端部付近からＺ方向に延びるプラグである。接続部材１０２は本実施形態では概ね正方形の断面を有しているが、角部が丸められていてもよく、正方形に限らず長方形、円形、楕円形など他の形状をとることもできる。接続部材１０２は金属プラグであり、代表的にはタングステンで形成されているが、チタン、白金、コバルト、ニッケル、モリブデン、タンタル、ケイ素（ポリシリコン）のいずれか、またはこれらの化合物で形成することができる。接続部材１０２は配線層１０３と一体形成されてもよい。すなわち、配線層１０３の一部を厚さ方向に切り欠くことで配線層１０３と一体化された接続部材１０２を形成してもよい。

接続領域１１０は、全ての接続部材１０２を含みかつその四辺がいずれかの接続部材１０２に外接する最小の長方形の領域である。接続領域１１０は第１の方向Ｘと直交する第２の方向Ｙに沿って延びているが、第２の方向は第１の方向Ｘと直交していなくてもよい。すなわち、接続領域１１０は第１の方向Ｘと斜め方向に交差する第２の方向に沿って延びていてよい。発熱素子１０１において実際にインクの発泡に寄与する領域、すなわちインクが発泡する領域を発泡領域１１１と呼ぶ。発泡領域１１１は発熱素子１０１の外周よりも内側にあり、発泡領域１１１と発熱素子１０１の外周との間の領域はインクの発泡に寄与しない領域（以下、額縁領域１１２という）となっている。額縁領域１１２においても通電により発熱はするが周囲への放熱量が多く、インクが発泡しない。発泡領域１１１のＸ方向及びＹ方向の寸法は発熱抵抗体層１０１Ａの周囲の構造や発熱抵抗体層１０１Ａの熱伝導率等によって決まる。接続領域１１０は額縁領域１１２を挟んで、第１の方向Ｘに発泡領域１１１と隣接しており、第２の方向Ｙにおいて発泡領域１１１の全長を含む範囲を延びている。すなわち、第１の方向Ｘに見たときに、接続領域１１０のＹ方向に関する両側端部１１０ａ，１１０ｂは、発泡領域１１１のＹ方向に関する両側周縁部１１１ａ，１１１ｂよりも発熱抵抗体層１０１ＡのＹ方向に関する両側周縁部１０１ａ，１０１ｂに近接している。このため、発泡領域１１１の全域において電流密度が均一化される。

各層の配線層１０３および発熱抵抗体層１０１Ａの下地部は化学機械研磨法（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）等の処理により平坦化されている。それにより図１に示すように、接続部材１０２の発熱抵抗体層１０１Ａとの当接面と、層間絶縁膜１０４の発熱抵抗体層１０１Ａとの当接面とは同一平面に設けられる。本実施形態においては図１に示すようにＳｉにより形成される基材１１３の層間絶縁膜１０４との界面領域に駆動回路２０３およびフィールド酸化膜１３２が形成されている。

図１では配線層１０３は発熱抵抗体層１０１Ａからの距離が互いに異なる４層の構成になっている。下層側の配線層１０３ａ、１０３ｂを、発熱素子１０１を駆動するための信号配線層やロジック電源配線層（第４の電気配線層１０３ａ、第３の電気配線層１０３ｂ）に割り当てている。また、上層側（保護膜１０５側）の配線層１０３ｃ、１０３ｄを、発熱素子１０１に電流を供給するための配線層に割り当てている。本実施形態においては、配線層１０３ｄをグランド（ＧＮＤＨ）配線層（第１の電気配線層１０３ｄ）、配線層１０３ｃを電源（ＶＨ）配線層（第２の電気配線層１０３ｃ）とし、配線層１０３ｃ、１０３ｄともに所謂ベタ配線としている。

本実施形態では、層間絶縁膜１０４中に４層の配線層１０３を備えている。具体的には、発熱素子１０１に電流を流す為の第１及び第２の電気配線層１０３ｄ、１０３ｃと、発熱素子を駆動するための信号配線やロジック電源配線のための第３及び第４の電気配線層１０３ｂ、１０３ａを備えている。第１及び第２の電気配線層１０３ｄ、１０３ｃは第３及び第４の電気配線層１０３ｂ、１０３ａに対して発熱素子１０１に近い側に配されており、第１及び第２の電気配線層１０３ｄ、１０３ｃの膜厚は効率を考慮すると相対的に厚い方が好ましい。逆に第３及び第４の電気配線層１０３ｂ、１０３ａは、第１及び第２の電気配線層１０３ｄ、１０３ｃに対して駆動回路２０３に近い側に配されており、それらの膜厚は相対的に薄い方が好ましい。

図１に示すように発熱素子１０１は、各々が接続領域１１０を含む２つの電極領域１２１と、２つの電極領域１２１の間に位置する中央領域１２２とに、第１の方向Ｘに区画されている。２つの電極領域１２１と中央領域１２２は第２の方向Ｙに関し同一の寸法を有している。すなわち、発熱素子１０１は、図１（ａ）に示すようにＸ－Ｙ面内で長方形の平面形状を有している。本実施形態では、接続部材１０２の幅ａ、間隔ｂ、発熱素子１０１のオーバーラップ幅ｃはこのような発熱素子１０１の形状を前提に最適化される。ここで、接続部材１０２の幅ａは接続部材１０２のＹ方向幅、接続部材１０２の間隔ｂは隣接する接続部材１０２の第２の方向Ｙにおける間隔、オーバーラップ幅ｃは両端の接続部材１０２と発熱素子１０１の周縁部１０１ａ，１０１ｂとの間の距離である。

本発明に係るＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｄ膜はプラズマＣＶＤ法を用いて成膜することができる。図３は本発明においてＳｉｗＯｘＣｙＮｚ膜の成膜に使用したプラズマＣＶＤ装置の成膜室を模式的に示す断面図である。図３を用いて、ＳｉｗＯｘＣｙＮｚ膜の成膜方法の概略を以下に説明する。

まず、プラズマ放電の際の上部電極として機能するシャワーヘッド３０３と、下部電極として機能するサンプルステージ３０２の間の距離（ＧＡＰ）を、サンプルステージ３０２の高さを調整することで決定する。また、サンプルステージ３０２の温度をヒータ３０４によって加熱することで調整する。

次に、シャワーヘッド３０３を介して使用する各種ガスを成膜室３１０に流入する。その際、各種ガスは各々に対応する配管３００にそれぞれ取り付けられたマスフローコントローラー３０１によって流量を制御される。その後、使用するガスの導入バルブ３０７ａを開放することでガスは配管内で混合され、シャワーヘッド３０３に向けて供給される。続いて、真空ポンプ（不図示）に繋がる排気口３０５に取り付けられた排気バルブ３０７ｂを調整し、排気量を制御することで成膜室３１０内の圧力を一定に保つ。その後、２周波のＲＦ電源３０８ａおよび３０８ｂによってシャワーヘッド３０３とサンプルステージ３０２との間にプラズマを放電する。そのプラズマ中で解離した原子がウエハ３０６上に堆積されていくことで成膜が行われる。
プロセスガスとしては、シリコンを供給するＳｉソースガス、窒素を供給するＮソースガス、炭素を供給するＣソースガス、酸素を供給するＯソースガス、さらに必要に応じてこれらのガスを搬送するキャリアガスが用いられる。Ｓｉソースガスとしては、シランガス（ＳｉＨ_４）やジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）などを用いることができる。ＮソースガスはアンモニアガスやＯソースガスを兼ねる亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）などを用いることができる。Ｃソースガスとしては低級アルカン（メタン（ＣＨ_４）やエタン（Ｃ_２Ｈ_６））などを用いることができる。Ｏソースガスとしては、酸素（Ｏ_２）、オゾン（Ｏ_３）、一酸化窒素（ＮＯ）、一酸化炭素（ＣＯ）、水（Ｈ_２Ｏ）などを用いることができる。キャリアガスとしては不活性な希ガスや窒素ガス、水素ガスを用いることができる。

以下、実施例を参照して、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

本発明に係るＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜の成膜条件は、以下の中から適宜選択する。
ＳｉＨ_４ガス流量：０．０２～０．３ｓｌｍ
Ｎ_２Ｏガス流量：０．１～３ｓｌｍ
ＣＨ_４ガス流量：０．１～５ｓｌｍ
ＨＲＦ電力：１００～９００Ｗ
ＬＲＦ電力：８～５００Ｗ
圧力：１００～７００Ｐａ
温度：３００℃～４５０℃

これらの条件を調整し、ＳｉＨ_４，Ｎ_２Ｏ，ＣＨ_４の各プロセスガスの流量比を変更することで、組成比の異なるＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜を得ることができる。その結果、表１のＡ～Ｋに示す水準Ｓｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜を得ることができた。なお、本明細書ではＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜の各元素の含有割合を原子百分率（ａｔ．％）で示している。また、本発明において成膜されるＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜においては、上述したＣＶＤ法の原料ガス由来の水素が含有されるが、水素含有量は考慮していない。ただし、上述のプロセスガスを用いて成膜された膜には、一般的に１５～３０（ａｔ．％）程度の水素が含まれており、その範囲を大きく逸脱するものでなければ水素が含まれても差し支えない。なお、ＳｉＨ_４、Ｎ_２Ｏ、ＣＨ_４の各プロセスガス流量比を変化させても、ｗ≦３６のＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜および、ｚ≧１０のＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜を作成することはできなかった。

以下に、表１に示したＡからＫまでのＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜の性能を判断するための実験例を示す。また、以下の実験例では、ＳｉＯ膜を水準Ｌとして併せて同様の実験を行った。

（実験例１）
各Ｓｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜のインクに対する耐浸食性を確認するために以下の実験を行った。まず、シリコン基板上に各Ｓｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜を成膜した。その後、Ｓｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜が成膜された基板を２０ｍｍ×２０ｍｍの大きさとなるように割断した。その個片を、６０℃に加熱した３０ｍｌのｐＨ９程度の顔料インクの中に浸漬し、７２時間放置した際の溶解量を調べた。その際、基板の端面及び裏面に露出しているＳｉが溶解することによる影響を無くすために、基板の裏面及び側面をインクに不溶な樹脂で保護した。なお、本実験例による膜厚の測定は分光エリプソメータを用いて行った。
この実験における、膜厚の変動を調べることでＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜のインクに対する耐浸食性を確認した。結果を表２に示す。この実験における判断基準として、溶解量が１ｎｍ未満の場合をＡ、１ｎｍ以上１０ｎｍ未満の場合をＢ、１０ｎｍ以上３０ｎｍ未満の場合をＣ、３０ｎｍ以上の場合をＤとして判定を行った。
この際の判断結果として用いた、Ａは非常に効果が得られるもの、Ｂは効果が得られるもの、Ｃは効果が少ないもの、Ｄはほとんど効果のないものとした。この判断は以下の実験例の結果も同様である。

表２に示した結果から、インクに対する耐浸食性を満足するＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜の組成範囲は、６≦ｙ（ａｔ．％）を満足する組成領域であることがわかる。特に、顔料インクを用いるときにこの組成領域の範囲内のＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜を用いることが有効である。また、ｐＨ５～１１程度の顔料インク及び染料インクであっても上述の結果と同等の結果が得られた。

（実験例２）
上記各Ｓｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜の電気絶縁性を確認するために以下の実験を行った。まず、膜厚１μｍのシリコン熱酸化膜が形成されたシリコン基板上に、第一の電極として用いるために、アルミニウムを主材料とする金属層を２００ｎｍの厚さで形成し、２．５ｍｍ×２．５ｍｍの大きさとなるように加工した。第一の電極の上にＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜を３００ｎｍの厚さで成膜し、さらにその上層に第二の電極として用いるためにアルミニウムを主材料とする２ｍｍ×２ｍｍの矩形の金属層を、第一の電極の直上からはみ出ないように２００ｎｍの厚さで形成する。その後第一の電極との電気的な接触を取るためのスルーホールをＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜に開口した。このようなサンプルを用いて、第一の電極と第二の電極との間に３２Ｖの電圧を加えた際の電流量を測定した。

この実験における、電流量を測定することでＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜の電気絶縁性を確認した。結果を表３に示す。この実験における判断基準として電流量が、０．１ｎＡ未満のものに関してはＡ、０．１ｎＡ以上１０ｎＡ未満のものに関してはＢ、１０ｎＡ以上１００ｎＡ未満のものに関してはＣ、１００ｎＡ以上のものに関してはＤとした。

表３に示した結果から、実用的な電気絶縁性を満足するＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜の組成範囲は、３０≦ｘ（ａｔ．％）を満足する組成領域であることがわかる。

（実験例３）
本発明におけるＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜の応力を測定するために以下の実験を行った。シリコン基板上にＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜を成膜し、応力測定器で応力を測定した。結果を表４に示す。なお、応力の値は０以上であれば引張応力、０未満であれば圧縮応力を表す。この実験における判断基準は以下の通りである。応力の絶対値が１５０ＭＰａ未満のものに関してはＡ、１５０ＭＰａ以上４００ＭＰａ未満のものに関してはＢ、４００ＭＰａ以上５００ＭＰａ未満のものに関してはＣ、５００ＭＰａ以上のものに関してはＤとした。

表４に示した結果から、低応力を満足するＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜の組成範囲は、４≦ｚ（ａｔ．％）を満足する組成領域であることがわかる。

以上の実施例１から実施例３の実験結果を表５にまとめる。総合的な判断は、各実験の結果の中で最も評価が低いものの判断を用いた。総合的な判断がＢまたはＣとなる水準は、Ｂ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊの各水準である。

液体吐出ヘッドの素子基板１１４の層間絶縁膜１０４としては、以上の実施例１から３に挙げた性能を備えることが求められる。それぞれの実験結果と、ｗ≦３６のＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜および、ｚ≧１０のＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜を作成することはできなかったことから、各性能を満足するようなＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜の組成は以下の通りである。まず、ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００（ａｔ％），３７≦ｗ（ａｔ．％），３０≦ｘ（ａｔ．％），６≦ｙ（ａｔ．％），４≦ｚ≦９（ａｔ．％）となる。ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００（ａｔ％）であることから、ｗ，ｘ，ｙの上限はそれぞれｗ≦６０（ａｔ．％），ｘ≦５３（ａｔ％），ｙ≦２９（ａｔ％）となる。したがって、求められる性能を発揮可能なＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜の組成は、ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００（ａｔ％），３７≦ｗ≦６０（ａｔ．％），３０≦ｘ≦５３（ａｔ．％），６≦ｙ≦２９（ａｔ．％），４≦ｚ≦９（ａｔ．％）となる。

また、総合的な判断がＢとなる水準はＤ、Ｆ、Ｇ、Ｈの各水準であったことから、Ｓｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜おいて、３７≦ｗ≦３９（ａｔ．％），３３≦ｘ≦４１（ａｔ．％），１２≦ｙ≦２２（ａｔ．％），７≦ｚ≦８（ａｔ．％）であることがより好ましい。

（実施例１）
本実施形態において作製した各種液体吐出ヘッドにおいて実際に液体の吐出を行った。本実施例では、層間絶縁膜１０４ｄ，１０４ｅ，１０５ｆにＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜を使用した。その結果、表５に示したＢ，Ｄ～Ｊの水準を層間絶縁膜に用いた液体吐出ヘッドについては偶発的に断線が生じても隣接する素子に影響を与えず、基板の反りも小さく、電気的な不良も発生しない液体吐出ヘッドを得ることができた。

一方、層間絶縁膜１０４ｄ，１０４ｅ，１０５ｆにＫの水準を用いた液体吐出ヘッドは配線層間にリーク電流が生じたために、吐出性能が著しく悪化した。Ｃの水準を層間絶縁膜に用いた液体吐出ヘッドは、不良は生じなかったが、基板の反りが大きく、ヘッドの作製工程の一部で搬送エラーや吸着エラーが生じた。

また、Ａの水準，Ｌの水準（ＳｉＯ膜）を層間絶縁膜に用いた液体吐出ヘッドは、通常時には不良が生じなかったが、偶発的な断線が発生後も吐出を続けると、断線した素子の周囲に隣接した素子も不吐となった。吐出を続けるほど不吐となった素子が広範囲に広がった。その後もさらに吐出を続けると、電気的な不良が発生しヘッドの駆動ができなくなった。吐出耐久試験後、液体吐出ヘッドを分解し、集束イオンビーム装置と走査型電子顕微鏡を用いて液体吐出ヘッド用基板の断面を観察した。広範囲で不吐となった領域において、内部にインクが浸入した形跡があり、層間絶縁膜１０４ｆ、層間絶縁膜１０４ｅが溶解し、電気配線層１０３ｄの溶解も確認された。一部の領域では層間絶縁膜１０４ｄの溶解や電気配線層１０３ｃの溶解も確認された。

（実施例２）
本実施例では、水準Ｂ，Ｄ～Ｊについて、層間絶縁膜１０４ｄにＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜を用い、他の層間絶縁膜はＳｉＯ膜を用いて液体吐出ヘッドを作製した。通常時には不良が生じなかったが、偶発的な断線が発生後も吐出を続けると、配線層１０３ｄをベタ配線にする場合は断線した素子の周囲に隣接した素子も不吐となり、吐出を続けるほど不吐となった素子が広範囲に広がった。その後もさらに吐出を続けたが、電気的な不良の発生によりヘッドの駆動ができなくなることはなかった。配線層１０３ｄを個別配線とした場合はヘッドに偶発的な断線が生じた後も断線が広範囲に広がることはなかった。

吐出耐久試験後、液体吐出ヘッドを分解し、集束イオンビーム装置と走査型電子顕微鏡を用いて液体吐出ヘッド用基板の断面を観察した。広範囲で不吐となった領域において、内部にインクが浸入した形跡があり、層間絶縁膜１０４ｆ、層間絶縁膜１０４ｅが溶解し、電気配線層１０３ｄの溶解も確認された。しかし、層間絶縁膜１０４ｄ（Ｓｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜）の溶解は確認されなかった。

（実施例３）
本実施例では、水準Ｂ，Ｄ～Ｊについて、層間絶縁膜１０４ｅにＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜を用い、他の層間絶縁膜はＳｉＯ膜を用いて液体吐出ヘッドを作製した。ヘッドに偶発的な断線が生じた後も断線が広範囲に広がることはなかった。
また、水準Ｂ，Ｄ～Ｊは、ＳｉＯ膜を用いた場合に比べて、発熱素子の駆動に必要なエネルギーが減少した。熱伝導率を測定すると、ＳｉＯ膜に比べてＳｉｗＯｘＣｙＮｚ膜の熱伝導率が低く、蓄熱性が高いことに起因すると考えられる。

（実施例４）
本実施例では、水準Ｂ，Ｄ～Ｊについて、層間絶縁膜１０４ｆのみにＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜を用い、他の層間絶縁膜はＳｉＯ膜を用いて液体吐出ヘッドを作製した。ヘッドに偶発的な断線が生じた後も断線が広範囲に広がることはなかった。
本実施例においてもＳｉＯ膜のみを用いた場合に比べて、発熱素子の駆動に必要なエネルギーが減少した。本実施例は実施例３よりも発熱抵抗素子に近い領域のため、実施例３よりも更に小さなエネルギーで駆動することができた。

（実施例５）
本実施例では、実施例３のうち、層間絶縁膜１０４ｅを図４に示すように、第２ＳｉＯ膜１０４ｚ、Ｓｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜１０４ｘ、第１ＳｉＯ膜１０４ｙを形成したものとした。第１及び第２ＳｉＯ膜、およびＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜１０４ｘの膜厚を変化させたとき、Ｓｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜１０４ｘの膜厚が１５０ｎｍ以上あれば、ヘッドに偶発的な断線が生じた後も、断線が広範囲に広がることはなかった。
また、本実施例ではヘッド作製工程において、平坦化を行うのが第１ＳｉＯ膜１０４ｙのみとなるため、工程の複雑化を避けることができた。

（実施例６）
本実施例では、実施例５のうち、層間絶縁膜１０４ｅを、図５に示すような平坦化した第２ＳｉＯ膜１０４ｚの面の上にＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜１０４ｘを形成した。成膜のフローチャートを図６に示す。まず、グランド配線１０３ｄの形成された基板上に第２ＳｉＯ膜１０４ｚを成膜した（Ｓ１）。次に第２ＳｉＯ膜１０４ｚをＣＭＰにより平坦化し（Ｓ２）、その上にＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜１０４ｘを形成した（Ｓ３）。続いて、Ｓｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜１０４ｘ上に、第１ＳｉＯ膜１０４ｙを成膜し（Ｓ４），平坦化した（Ｓ５）。ＳｉｗＯｘＣｙＮｚ膜１０４ｘの膜厚を変化させたとき、ＳｉｗＯｘＣｙＮｚ膜１０４ｘの膜厚が１００ｎｍ以上あれば、ヘッドに偶発的な断線が生じた後も、断線が広範囲に広がることはなかった。第２ＳｉＯ膜１０４ｚの平坦化を行ったことにより、実施例５に比べてＳｉｗＯｘＣｙＮｚ膜１０４ｘの膜厚が薄い場合でも効果が見られた。

（実施例７）
本実施例では、実施例３のうち、層間絶縁膜１０４ｅを、図７に示すように、グランド配線１０３ｄ上の膜をＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜１０４ｘとし、その上に第１ＳｉＯ膜１０４ｙを形成したものとした。第１ＳｉＯ膜１０４ｙ、およびＳｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜１０４ｘの膜厚を変化させたとき、Ｓｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜１０４ｘの膜厚が１５０ｎｍ以上あれば、ヘッドに偶発的な断線が生じた後も、断線が広範囲に広がることはなかった。
本実施例では、実施例５、６に比べて、成膜回数が少ないため、工程の複雑化を避けることができた。

１００ 液体吐出ヘッド用基板
１０１ 発熱素子
１０１Ａ 発熱抵抗体層
１０３ 配線層
１０３ｄ 第１の電気配線層
１０３ｃ 第２の電気配線層
１０４ 層間絶縁膜
１０４ｆ 第１の層間絶縁膜
１０４ｅ 第２の層間絶縁膜
１０４ｄ 第３の層間絶縁膜
１０４ｘ Ｓｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ膜
１１３ 基材

Claims (15)

1. 基材と、液体を吐出するための熱エネルギーを発生する発熱抵抗体層を含む発熱素子と、該発熱素子に電力を供給する配線層と、前記配線層を絶縁するための絶縁膜と、を有する液体吐出ヘッド用基板において、前記絶縁膜の少なくとも一部に、Ｓｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚ（ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００（ａｔ％），３７≦ｗ≦６０（ａｔ．％），３０≦ｘ≦５３（ａｔ．％），６≦ｙ≦２９（ａｔ．％），４≦ｚ≦９（ａｔ．％））で表わされる材料層を含むことを特徴とする液体吐出ヘッド用基板。
2. 前記Ｓｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚで表わされる材料層において、ｗ、ｘ、ｙ、ｚの各範囲が３７≦ｗ≦３９（ａｔ．％），３３≦ｘ≦４１（ａｔ．％），１２≦ｙ≦２２（ａｔ．％），７≦ｚ≦８（ａｔ．％）である請求項１に記載の液体吐出ヘッド用基板。
3. 前記絶縁膜は層間絶縁膜であり、前記層間絶縁膜は、前記発熱抵抗体層と前記配線層のうち該発熱抵抗体と隣接する第１の配線層を絶縁する第１の層間絶縁膜、及び、該第１の配線層と隣接する第２の配線層を絶縁する第２の層間絶縁膜を含み、前記第１の層間絶縁膜および前記第２の層間絶縁膜の少なくとも一部に、前記Ｓｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚで表わされる材料層を含む請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッド用基板。
4. 前記層間絶縁膜のうち、前記第１の層間絶縁膜の少なくとも一部に、前記Ｓｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚで表わされる材料層を含む請求項３に記載の液体吐出ヘッド用基板。
5. 前記層間絶縁膜のうち、前記第２の層間絶縁膜の少なくとも一部に、前記Ｓｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚで表わされる材料層を含む請求項３又は４に記載の液体吐出ヘッド用基板。
6. 前記発熱素子の温度を検知する温度検知素子を含む請求項３乃至５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド用基板。
7. 前記温度検知素子が前記発熱素子の発熱抵抗体層の下に配置されており、前記温度検知素子と前記発熱抵抗体層とを絶縁する層間絶縁膜の少なくとも一部に、前記Ｓｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚで表わされる材料層を含むことを特徴とする請求項６に記載の液体吐出ヘッド用基板。
8. 前記温度検知素子と前記配線層とを絶縁する層間絶縁膜の少なくとも一部に、前記Ｓｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚで表わされる材料層を含むことを特徴とする請求項７に記載の液体吐出ヘッド用基板。
9. 前記層間絶縁膜は、前記配線層を敷設する上面が平坦化された第１ＳｉＯ膜である請求項３乃至８のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド用基板。
10. 前記層間絶縁膜は、前記配線層の上に第２ＳｉＯ膜が配置され、該第２ＳｉＯ膜の上に前記Ｓｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚで表わされる材料層が配置される請求項３乃至９のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド用基板。
11. 前記第２ＳｉＯ膜が平坦化されている、請求項１０に記載の液体吐出ヘッド用基板。
12. 前記Ｓｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚで表わされる材料層の厚みが１００ｎｍ以上である請求項１０又は１１に記載の液体吐出ヘッド用基板。
13. 前記層間絶縁膜は、前記配線層の上に前記Ｓｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚで表わされる材料層が配置され、その上に前記第１ＳｉＯ膜が配置される請求項９に記載の液体吐出ヘッド用基板。
14. 前記Ｓｉ_ｗＯ_ｘＣ_ｙＮ_ｚで表わされる材料層の厚みが１５０ｎｍ以上である請求項１３に記載の液体吐出ヘッド用基板。
15. 請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド用基板を備える液体吐出ヘッド。

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