JP3592136B2 - 液体吐出ヘッドおよびその製造方法と微小電気機械装置の製造方法 - Google Patents

液体吐出ヘッドおよびその製造方法と微小電気機械装置の製造方法 Download PDF

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Description

【0001】
【発明が属する技術分野】
本発明は、微小電気機械装置、特に液体吐出ヘッドに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来インクジェットプリンター等に用いられる、微小電気機械装置の一例である液体吐出ヘッドは、発熱体により流路内の液体を加熱して発泡させ、発泡時の圧力により液体を吐出口から吐出させるものである。発熱体は素子基板上に配設されており、駆動電圧は素子基板上の配線を介して発熱体に供給される。
【0003】
この液体吐出ヘッドにおいて、発泡時の気泡の大部分を吐出口側に導いて、吐出効率を向上させるために、流路内に一端支持の片持ち梁状の可動部材を配設した構成がある。この可動部材は、素子基板上に一端(支持固定部)が固定され、他端(可動部)が流路内に延びることにより、素子基板上にある間隔をおいて保持され、かつ流路内で発泡圧力等により変位可能に構成されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来例では、素子基板上に配線が形成されているが、その配線はごく薄く抵抗値が大きいものである。この素子基板から外部の駆動回路等に接続されているが、配線の抵抗値が大きいため電気的な損失が大きい。また、抵抗値を少しでも小さくするために、配線を平面的に幅広の形状とすることが好ましく、それに伴って、液体吐出ヘッドの大型化を招いている。
【0005】
そこで本発明の目的は、構成を複雑にしたり装置を大型化することなく、配線の電気的損失を低減可能な液体吐出ヘッドと、そのような液体吐出ヘッドおよび微小電気機械装置の製造方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴は、素子基板と、素子基板に積層されて該素子基板との間に液路を形成する天板と、支持固定部と可動部とを有し可動部が液流路内に位置する可動部材とを備え、可動部材が素子基板から所定の間隔を隔てた状態に支持されている液体吐出ヘッドであって、可動部の所定の間隔を設けるための金属層が、可動部材の支持固定部で被覆され残っており配線層として用いられているところにある。
【0008】
素子基板上に流路に対応して液体吐出用の発熱体が設けられており、配線層が、配線を介して発熱体と電気的に接続されていてもよい。
【0009】
このような構成によると、十分に厚い間隙を形成するための金属層の少なくとも一部が配線として利用されるため、電気的抵抗値を小さくすることができる。
また、本発明の他の特徴は、素子基板と、素子基板に積層される天板と、素子基板と天板との間に形成される流路とを有する液体吐出ヘッドの製造方法において、素子基板上に間隙形成するための金属層を形成する工程と、金属層上に可動部材となる薄膜層を形成する工程と、金属層のうち、可動部材の支持固定部の下方に当たる位置は残留させつつ、可動部材の可動部の下方に当たる位置を除去する工程とを含み、金属層の残留部分のうちの少なくとも一部を、素子基板上の配線と電気的に接続される配線層とするところにある。
また、本発明の他の特徴は、可動部材が基板から所定の間隔を隔てた状態に支持されている微小電気機械装置の製造方法において、基板上に間隙を形成するための金属層を形成する工程と、金属層上に可動部材となる薄膜層を形成する工程と、金属層のうち、可動部材の支持固定部の下方に当たる位置は残留させつつ、可動部材の可動部の下方に当たる位置を除去する工程とを含み、金属層の残留部分のうちの少なくとも一部を、基板上の配線パターンと電気的に接続される配線層とするところにある。
【0010】
薄膜層がSiNからなり、金属層がAlまたはAl合金からなってもよい。
【0011】
なお、本発明の説明で用いる「上流」「下流」とは、液体の供給源から気泡発生領域(または可動部材)を経て、吐出口へ向かう液体の流れ方向に関して、またはこの構成上の方向に関しての表現として用いられる。
【0012】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に適用可能な一実施形態として、液体を吐出する複数の吐出口と、互いに接合されることでそれぞれ吐出口と連通する複数の液流路を構成するための第1の基板および第2の基板と、電気エネルギーを液流路内の液体の吐出エネルギーに変換するために各液流路内に配された複数のエネルギー変換素子と、エネルギー変換素子の駆動条件を制御するための、機能が異なる複数の素子あるいは電気回路とを有し、上記素子あるいは電気回路がその機能に応じて第1の基板と第2の基板とに振り分けられている液体吐出ヘッドの説明を行う。
【0013】
図1は、本発明の一実施形態である液体吐出ヘッドの液流路方向に沿った先端部を概略的に示す断面図である。
【0014】
図1に示すように、この液体吐出ヘッドは、液体に気泡を発生させるための熱エネルギーを与える複数個(図1では1つのみ示す)の発熱体2が並列に設けられた素子基板1と、この素子基板1上に接合された天板3と、素子基板1および天板3の前端面に接合されたオリフィスプレート4と、素子基板1と天板3とで構成される液流路7内に設置された可動部材6とを有する。
【0015】
素子基板1は、シリコン等の基板上に絶縁および蓄熱を目的としたシリコン酸化膜または窒化シリコン膜を成膜し、その上に、発熱体2を構成する電気抵抗層および配線をパターニングしたものである。この配線から電気抵抗層に電圧を印加し、電気抵抗層に電流を流すことで発熱体2が発熱する。
【0016】
天板3は、各発熱体2に対応した複数の液流路7および各液流路7に液体を供給するための共通液室8を構成するためのもので、天井部分から各発熱体2の間に延びる流路側壁9が一体的に設けられている。天板3はシリコン系の材料で構成され、液流路7および共通液室9のパターンをエッチングで形成したり、シリコン基板上にCVD等の公知の成膜方法により窒化シリコン、酸化シリコンなど、流路側壁9となる材料を堆積した後、液流路7の部分をエッチングして形成することができる。
【0017】
オリフィスプレート4には、各液流路7に対応しそれぞれ液流路7を介して共通液室8に連通する複数の吐出口5が形成されている。オリフィスプレート4もシリコン系の材料からなるものであり、例えば、吐出口5を形成したシリコン基板を10〜150μm程度の厚さに削ることにより形成される。なお、オリフィスプレート4は本発明には必ずしも必要な構成ではなく、オリフィスプレート4を設ける代わりに、天板3に液流路7を形成する際に天板3の先端面にオリフィスプレート4の厚さ相当の壁を残し、この部分に吐出口5を形成することで、吐出口付きの天板とすることもできる。
【0018】
可動部材6は、液流路7を吐出口5に連通した第1の液流路7aと、発熱体2を有する第2の液流路7bとに分けるように、発熱体2に対面して配置された片持梁状の薄膜であり、窒化シリコンや酸化シリコンなどのシリコン系の材料で形成される。
【0019】
この可動部材6は、液体の吐出動作によって共通液室8から可動部材6を経て吐出口5側へ流れる大きな流れの上流側に支持固定部6cを持ち、この支持固定部6cに対して下流側に可動部6bを持つように、発熱体2に面した位置に発熱体2を覆うような状態で発熱体2から所定の距離を隔てて配されている。この発熱体2と可動部材6との間が気泡発生領域10となる。
【0020】
上記構成に基づき、発熱体2を発熱させると、可動部材6と発熱体2との間の気泡発生領域10の液体に熱が作用し、これにより発熱体2上に膜沸騰現象に基づく気泡が発生し、成長する。この気泡の成長に伴う圧力は可動部材6に優先的に作用し、可動部材6は図1に破線で示されるように、支点6aを中心に吐出口5側に大きく開くように変位する。可動部材6の変位もしくは変位した状態によって、気泡の発生に基づく圧力の伝搬や気泡自身の成長が吐出口5側に導かれ、吐出口5から液体が吐出する。
【0021】
つまり、気泡発生領域10上に、液流路7内の液体の流れの上流側(共通液室8側)に支点6aを持ち下流側(吐出口5側)に可動部6bを持つ可動部材6を設けることによって、気泡の圧力伝搬方向が下流側へ導かれ、気泡の圧力が直接的に効率よく吐出に寄与することになる。そして、気泡の成長方向自体も圧力伝搬方向と同様に下流方向に導かれ、上流より下流で大きく成長する。このように、気泡の成長方向自体を可動部材によって制御し、気泡の圧力伝搬方向を制御することで、吐出効率や吐出力または吐出速度等の根本的な吐出特性を向上させることができる。
【0022】
一方、気泡が消泡工程に入ると、気泡は急速に消泡し、可動部材6も最終的には図1に実線で示した初期位置に復帰する。このとき、気泡発生領域10での気泡の収縮体積を補うため、また、吐出された液体の体積分を補うために、上流側すなわち共通液室8側から液体が流れ込み、液流路7への液体の充填(リフィル)が行われるが、この液体のリフィルは、可動部材6の復帰作用に伴って効率よく合理的かつ安定して行われる。
【0023】
また、本実施形態の液体吐出ヘッドは、発熱体2を駆動したりその駆動を制御するための回路や素子を有する。これら回路や素子は、その機能に応じて素子基板1または天板3に分担して配置されている。また、これら回路や素子は、素子基板1および天板3がシリコン材料で構成されていることから、半導体ウェハプロセス技術を用いて容易かつ微細に形成することができる。
【0024】
以下に、半導体ウェハプロセス技術を用いて形成された素子基板1の構造について説明する。
【0025】
図2は、図1に示す液体吐出ヘッドに用いられる素子基板の発熱体周辺の断面図である。図2に示すように、本実施形態の液体吐出ヘッドに用いられる素子基板1では、シリコン(またはセラミック)からなる基板301の表面に、蓄熱層としての熱酸化膜(例えば0.5〜5μm程度の厚さのSiO層)302および、蓄熱層を兼ねる層間膜303がこの順番で積層されている。層間膜303としては、SiO膜またはSi膜が用いられている。層間膜303の表面に部分的に抵抗層(例えば1000Å程度の厚さのTaN層)304が形成され、抵抗層304の表面に部分的に配線305が形成されている。配線305としては、5000Å程度の厚さのAlまたは、Al−Si,Al−CuなどのAl合金配線が用いられている。配線305はフォトリソグラフィ法とウェットエッチング法により、抵抗層304はフォトリソグラフィ法とドライエッチング法により、それぞれパターニングされている。この配線305、抵抗層304および層間膜303の表面に、SiO膜またはSi膜から成る1μm程度の厚さの保護膜306が形成されている。保護膜306の表面の、抵抗層304に対応する部分およびその周囲には、抵抗層304の発熱に伴う化学的および物理的な衝撃から保護膜306を守るための耐キャビテーション膜(例えば2000Å程度の厚さのSiN層)307が形成されている。抵抗層304表面の、配線305が形成されていない領域は、抵抗層304の熱が作用する部分となる熱作用部(発熱体)308である。
【0026】
この素子基板1上の膜は半導体の製造技術によりシリコン基板301の表面に順に形成され、シリコン基板301に熱作用部308が備えられている。
【0027】
図3はこの素子基板の可動部材の支持固定部周辺を特に詳細に示した断面図、図4はその概略平面図である。前記した通り、基板301に、蓄熱層302、層間膜303が積層され、抵抗層304と配線305とがそれぞれパターニングされている。また、層間膜303と抵抗層303との間隙には部分的に配線210が形成されている。さらに、保護膜306、耐キャビテーション膜307が積層されている。そして、層間膜303の一部にはスルーホール211が形成され、保護膜306にも、ドライエッチングなどによって、スルーホール201が形成されている。
【0028】
次に、スパッタリング法によって、間隙を形成するための金属層(例えば5μm程度の厚さのAl層)71と、電極パッド部の保護層(例えば3000Å程度の厚さのTiW層)202とが形成されている。間隙を形成するための金属層71の厚さは、後述する可動部材6と下地の抵抗層304との間のギャップ寸法となる。
【0029】
このような構成により、本実施例では、配線305が、スルーホール211および抵抗層304を介して配線210に電気的に接続され、さらに、間隙を形成するための金属層71が、スルーホール201および抵抗層304を介して、配線305に電気的に接続されている。
【0030】
続いて、可動部材6となるSiNの薄膜層72が、CVD法によって5μmの厚さに積層形成されている。さらに、その後、フォトリソグラフィ法とドライエッチング法によって、SiNの薄膜層72をパターニングし、可動部6bと支持固定部6cとを有する可動部材6が形成されている。同時に、本発明では前述したように間隙を形成するための金属層71を配線として使用するため、その保護膜としても、薄膜層72の一部を残している。
【0031】
次に、ウェットエッチングによって、間隙を形成するための金属層71の、可動部材6(薄膜層72の残留部分)の可動部6bの下方に位置する部分やその他の不要部を除去している。そして、間隙を形成するための金属層71の、可動部材6b(薄膜層72の残留部分)の支持固定部6cの下方に位置する部分を残留させている。この部分を間隙を形成するための金属層71aとする。こうして、支持固定部が間隙を形成するための金属層71aに固定された一端支持の片持ち梁状の可動部材6が形成される。最後に、TiWからなる保護層202が、H全面エッチングによって除去され、フォトリソグラフィ法によって電極パッド部分のパターニングが行われて、素子基板が完成する。
【0032】
このようにして形成した間隙を形成するための金属層71aを配線層として利用すると、従来の配線の約5〜10倍の厚さであるので、配線のトータルの抵抗値が約1/2〜1/5倍に低減される。
【0033】
図5は、図2に示す素子基板1の主要素子を縦断するように素子基板1を切断した模式的断面図である。
【0034】
図5に示すように、P導電体であるシリコン基板301の表層にはN型ウェル領域422およびP型ウェル領域423が部分的に備えられている。そして、一般的なMosプロセスを用いてイオンプラテーションなどの不純物導入および拡散によって、N型ウェル領域422にP−Mos420が、P型ウェル領域423にN−Mos421が備えられている。P−Mos420は、N型ウェル領域422の表層に部分的にN型あるいはP型の不純物を導入してなるソース領域425およびドレイン領域426や、N型ウェル領域422の、ソース領域425およびドレイン領域426を除く部分の表面に厚さ数百Åのゲート絶縁膜428を介して堆積されたゲート配線435などから構成されている。また、N−Mos421は、P型ウェル領域423の表層に部分的にN型あるいはP型の不純物を導入してなるソース領域425およびドレイン領域426や、P型ウェル領域423の、ソース領域425およびドレイン領域426を除く部分の表面に厚さ数百Åのゲート絶縁膜428を介して堆積されたゲート配線435などから構成されている。ゲート配線435は、CVD法により堆積した厚さ4000Å〜5000Åのポリシリコンから成るものである。これらのP−Mos420およびN−Mos421からC−Mosロジックが構成されている。
【0035】
P型ウェル領域423の、N−Mos421と異なる部分には、電気熱変換素子駆動用のN−Mosトランジスタ430が備えられている。N−Mosトランジスタ430も、不純物導入および拡散などの工程によりP型ウェル領域423の表層に部分的に備えられたソース領域432およびドレイン領域431や、P型ウェル領域423の、ソース領域432およびドレイン領域431を除く部分の表面にゲート絶縁膜428を介して堆積されたゲート配線433などから構成されている。
【0036】
本実施形態では、電気熱変換素子駆動用のトランジスタとしてN−Mosトランジスタ430を用いたが、複数の電気熱変換素子を個別に駆動できる能力を持ち、かつ、上述したような微細な構造を得ることができるトランジスタであれば、このトランジスタに限られない。
【0037】
P−Mos420とN−Mos421との間や、N−Mos421とN−Mosトランジスタ430との間などの各素子間には、5000Å〜10000Åの厚さのフィールド酸化により酸化膜分離領域424が形成されており、その酸化膜分離領域424によって各素子が分離されている。酸化膜分離領域424の、熱作用部308に対応する部分は、シリコン基板301の表面側から見て一層目の蓄熱層434としての役割を果たす。
【0038】
P−Mos420、N−Mos421およびN−Mosトランジスタ430の各素子の表面には、厚さ約7000ÅのPSG膜またはBPSG膜などから成る層間絶縁膜436がCVD法により形成されている。熱処理により層間絶縁膜436を平坦化した後に、層間絶縁膜436およびゲート絶縁膜428を貫通するコンタクトホールを介して第1の配線となるAl電極437により配線が行われている。層間絶縁膜436およびAl電極437の表面には、厚さ10000Å〜15000ÅのSiO膜から成る層間絶縁膜438がプラズマCVD法により形成されている。層間絶縁膜438の表面の、熱作用部308およびN−Mosトランジスタ430に対応する部分には、厚さ約1000ÅのTaN0.8,hex膜から成る抵抗層304がDCスパッタ法により形成されている。抵抗層304は、層間絶縁膜438に形成されたスルーホールを介してドレイン領域431の近傍のAl電極437と電気的に接続されている。抵抗層304の表面には、各電気熱変換素子への配線となる第2の配線としての、Alの配線305が形成されている。なお、前記した配線210がAl電極437と同じものであってもよい。 配線305、抵抗層304および層間絶縁膜438の表面の保護膜306は、プラズマCVD法により形成された厚さ10000ÅのSi膜から成るものである。保護膜306の表面に形成された耐キャビテーション膜307は、厚さ約2500ÅのTaなどの膜から成るものである。
【0039】
次に、フォトリソグラフィプロセスを利用した、素子基板への可動部材の製造方法について説明する。
【0040】
図6は、図1に基づいて説明した液体吐出ヘッドへの可動部材6の製造方法の一例を説明するための図であり、図6では、図1に示した液流路7の流路方向に沿った断面が示されている。図6に基づいて説明する製造方法では、素子基板1上に可動部材6を形成してなるものと、天板に流路側壁を形成してなるものとを接合することで、図1に示した構成の液体吐出ヘッドを製造する。従って、この製造方法では、可動部材6が作り込まれた素子基板1に天板を接合する前に、天板に流路側壁が作り込まれる。
【0041】
まず、図6(a)では、素子基板1の発熱体2側の面全体に、発熱体2との電気的な接続を行うための接続用パッド部分を保護するための第1の保護層としてのTiW膜76をスパッタリング法によって厚さ約5000Å形成する。
【0042】
次に、図6(b)では、TiW膜76の表面に、間隙を形成するための金属層71aを形成するための間隙を形成するための金属層(Al膜)71をスパッタリング法によって厚さ約4μm形成する。間隙を形成するための金属層71は、後述する図6(d)の工程において、薄膜層(SiN膜)72aがエッチングされる領域までに延在されている。
【0043】
間隙を形成するための金属層71は、素子基板1と可動部材6との間の間隙を形成するための、Al膜である。間隙を形成するための金属層71は、図1に示した発熱体2と可動部材6との間の気泡発生領域10に対応する位置を含む、TiW膜76の表面の全面に形成されている。従って、この製造方法では、TiW膜76の表面の、流路側壁に対応する部分にまで間隙を形成するための金属層71が形成されている。
【0044】
この間隙を形成するための金属層71は、後述するようにドライエッチングにより可動部材6を形成する際のエッチングストップ層として機能する。これは、TiW膜76や、素子基板1における耐キャビテーション膜としてのTa膜、および抵抗体上の保護層としてのSiN膜が、液流路7を形成するために使用するエッチングガスによりエッチングされてしまうからであり、それらの層や膜のエッチングを防止するために、このような間隙を形成するための金属層71を素子基板1上に形成する。これにより、可動部材6を形成するためにSiN膜のドライエッチングを行う際にTiW膜76の表面が露出することがなく、そのドライエッチングによるTiW膜76および、素子基板1内の機能素子の損傷が間隙を形成するための金属層71によって防止される。
【0045】
次に、図6(c)では、間隙を形成するための金属層71の表面全体および、TiW膜76の、露出した面全体に、プラズマCVD法を用いて、可動部材6を形成するための材料膜である厚さ約4.5μmのSiN膜(薄膜層)72aを、間隙を形成するための金属層71を被覆するように形成する。ここで、プラズマCVD装置を用いてSiN膜72aを形成する際には、図7を参照して次に説明するように、素子基板1を構成するシリコン基板などを介して、素子基板1に備えられたTaからなる耐キャビテーション膜を接地する。これにより、プラズマCVD装置の反応室内でのプラズマ放電により分解されたイオン種およびラジカルの電荷に対して素子基板1内の発熱体2やラッチ回路などの機能素子を保護することができる。
【0046】
図7に示すように、SiN膜72aを形成するためのプラズマCVD装置の反応室83a内には、所定の距離をおいて互いに対向するRF電極82aおよびステージ85aが備えられている。RF電極82aには、反応室83aの外部のRF電源81aによって電圧が印加される。一方、ステージ85aのRF電極82a側の面上には素子基板1が取り付けられており、素子基板1の発熱体2側の面がRF電極82aと対向している。ここで、素子基板1が有する、発熱体2の面上に形成されたTaからなる耐キャビテーション膜は、素子基板1のシリコン基板と電気的に接続されており、間隙を形成するための金属層71は、素子基板1のシリコン基板、およびステージ85aを介して接地されている。
【0047】
このように構成されたプラズマCVD装置においては、前記耐キャビテーション膜が接地された状態で供給管84aを通して反応室83a内にガスを供給し、素子基板1とRF電極82aとの間にプラズマ46を発生させる。反応室83a内でのプラズマ放電により分解されたイオン種やラジカルが素子基板1上に堆積することで、SiN膜72aが素子基板1上に形成される。その際、イオン種やラジカルにより素子基板1上に電荷が発生するが、上述したように耐キャビテーション膜が接地されていることにより、素子基板1内の発熱体2やラッチ回路などの機能素子がイオン種やラジカルの電荷によって損傷することが防止される。次に、図6(d)では、SiN膜72aの表面に、スパッタリング法によりAl膜を厚さ約6100Å形成した後、形成されたAl膜を、周知のフォトリソグラフィプロセスを用いてパターニングし、SiN膜72a表面の、可動部材6に対応する部分に第2の保護層としてのAl膜(不図示)を残す。その第2の保護層としてのAl膜は、可動部材6を形成するためにSiN膜72aのドライエッチングを行う際の保護層(エッチングストップ層)すなわちマスクとなる。
【0048】
そして、誘電結合プラズマを使ったエッチング装置を用い、前記第2の保護層をマスクにしてSiN膜72aをパターニングすることで、そのSiN膜72aの残った部分で構成される可動部材6を形成する。そのエッチング装置ではCFとOの混合ガスを用いており、SiN膜72aをパターニングする工程では、図1に示したように可動部材6の支持固定部が素子基板1に直接固定されるようにSiN膜72aの不要な部分を除去する。可動部材6の支持固定部と素子基板1との密着部の構成材料には、パッド保護層の構成材料であるTiW、および素子基板1の耐キャビテーション膜の構成材料であるTaが含まれる。
【0049】
ここで、ドライエッチング装置を用いてSiN膜72aをエッチングする際には、図8を参照して次に説明するように素子基板1などを介して間隙を形成するための金属層71を接地する。これにより、ドライエッチングの際にCFガスの分解により生じるイオン種およびラジカルの電荷が間隙を形成するための金属層71に留まることを防止して、素子基板1の発熱体2やラッチ回路などの機能素子を保護することができる。また、このエッチングの工程において、SiN膜72aの不要な部分を除去することで露出する部分、すなわちエッチングされる領域には、上述したように間隙を形成するための金属層71が形成されているため、TiW膜76の表面が露出することがなく、間隙を形成するための金属層71によって素子基板1が確実に保護される。
【0050】
図8に示すように、SiN膜72aをエッチングするためのドライエッチング装置の反応室83b内には、所定の距離をおいて互いに対向するRF電極82bおよびステージ85bが備えられている。RF電極82bには、反応室83bの外部のRF電源81bによって電圧が印加される。一方、ステージ85bのRF電極82b側の面上には素子基板1が取り付けられており、素子基板1の発熱体2側の面がRF電極82bと対向している。ここで、Al膜からなる間隙を形成するための金属層71は、素子基板1に備えれたTaからなる耐キャビテーション膜と電気的に接続されており、かつ、その耐キャビテーション膜は、前述したように素子基板1のシリコン基板と電気的に接続されており、間隙を形成するための金属層71は、素子基板1の耐キャビテーション膜やシリコン基板、およびステージ85bを介して接地されている。
【0051】
このように構成されたドライエッチング装置において、間隙を形成するための金属層71が接地された状態で供給管84bを通して反応室83b内にCFとOの混合ガスを供給し、SiN膜72aのエッチングを行う。その際、CFガスの分解により生じるイオン種やラジカルによって素子基板1上に電荷が発生するが、上述したように間隙を形成するための金属層71が接地されていることにより、素子基板1内の発熱体2やラッチ回路などの機能素子がイオン種やラジカルの電荷によって損傷することが防止される。
【0052】
本実施形態では、反応室83bの内部に供給するガスとして、CFとOの混合ガスを用いたが、Oが混合されていないCFガスまたはCガス、あるいはCとOの混合ガスなどを用いてもよい。
【0053】
次に、図6(e)では、酢酸、りん酸および硝酸の混酸を用いて、可動部材6に形成したAl膜からなる前記第2の保護層を溶出して除去するとともに、Al膜からなる間隙を形成するための金属層71を部分的に溶出して除去し、その残留部分からなる間隙を形成するための金属層71aを形成する。こうして、間隙を形成するための金属層71aに支持された素子基板1上に可動部材6を作り込む。その後、過酸化水素を用いて、素子基板1に形成したTiW膜76の、気泡発生領域10およびパッドに対応する部分を除去する。
【0054】
上述した例では、流路側壁9を天板3に形成した場合について説明したが、フォトリソグラフィプロセスを用いて、素子基板1への可動部材6の形成と同時に、流路側壁9を素子基板1に形成することもできる。
【0055】
以下に、素子基板1に可動部材6及び流路側壁9を設けた場合の、可動部材6及び流路側壁の形成工程の一例について、図9及び図10を参照して説明する。なお、図9及び図10は、可動部材及び流路側壁が形成される素子基板の液流路方向と直交する方向に沿った断面を示している。
【0056】
まず、図9(a)では、素子基板1の発熱体2側の面全体に、発熱体2との電気的な接続を行うための接続用パッド部分を保護するための第1の保護層として、不図示のTiW膜をスパッタリング法によって厚さ約5000Å形成する。この素子基板1の発熱体2側の面に、間隙を形成するための金属層(Al膜)71をスパッタリング法によって厚さ約4μm形成する。形成されたAl膜を、周知のフォトリソグラフィプロセスを用いてパターニングし、図1に示した発熱体2と可動部材6との間に対応する位置に、素子基板1と可動部材6との間の間隙を形成するための、Al膜からなる間隙を形成するための金属層71を複数形成する。それぞれの間隙を形成するための金属層71は、後述する図10(b)の工程において、可動部材6を形成するための材料膜であるSiN膜72がエッチングされる領域まで延在されている。
【0057】
間隙を形成するための金属層71は、後述するようにドライエッチングにより液流路7および可動部材6を形成する際のエッチングストップ層として機能する。これは、素子基板1におけるパッド保護層としてのTiW層や、耐キャビテーション膜としてのTa膜、および抵抗体上の保護層としてのSiN膜が、液流路7を形成するために使用するエッチングガスによりエッチングされてしまうからであり、これらの層や膜のエッチングが間隙を形成するための金属層71により防止される。そのため、ドライエッチングにより液流路7を形成する際に素子基板1の発熱体2側の面や、素子基板1上のTiW層が露出しないように、それぞれの間隙を形成するための金属層71における液流路7の流路方向と直交する方向の幅は、後述する図10(b)の工程で形成される液流路7の幅よりも広くなっている。
【0058】
さらに、ドライエッチング時には、CFガスの分解によりイオン種およびラジカルが発生し、素子基板1の発熱体2や機能素子にダメージを与えることがあるが、Alからなる間隙を形成するための金属層71は、これらイオン種やラジカルを受け止めて素子基板1の発熱体2や機能素子を保護するものとなっている。 次に、図9(b)では、間隙を形成するための金属層71の表面、および素子基板1の間隙を形成するための金属層71側の面上に、プラズマCVD法を用いて、可動部材6を形成するための材料膜である厚さ約4.5μmのSiN膜(薄膜層)72を、間隙を形成するための金属層71を被覆するように形成する。ここで、プラズマCVD装置を用いてSiN膜72を形成する際には、図7を参照して説明したように、素子基板1を構成するシリコン基板などを介して、素子基板1に備えられたTaからなる耐キャビテーション膜を接地する。これにより、プラズマCVD装置の反応室内でのプラズマ放電により分解されたイオン種およびラジカルの電荷に対して素子基板1内の発熱体2やラッチ回路などの機能素子を保護することができる。
【0059】
次に、図9(c)では、SiN膜72の表面に、スパッタリング法によりAl膜を厚さ約6100Å形成した後、形成されたAl膜を、周知のフォトリソグラフィプロセスを用いてパターニングし、SiN膜72表面の、可動部材6に対応する部分、すなわちSiN膜72表面の可動部材形成領域に第2の保護層としてのAl膜73を残す。Al膜73は、ドライエッチングにより液流路7を形成する際の保護層(エッチングストップ層)となる。
【0060】
次に、図10(a)では、SiN膜72およびAl膜73の表面に、流路側壁9を形成するためのSiN膜74を、マイクロ波CVD法を用いて厚さ約50μm形成する。ここで、マイクロ波CVD法によるSiN膜74の成膜に使用するガスとしては、モノシラン(SiH)、窒素(N)およびアルゴン(Ar)を用いた。そのガスの組み合わせとしては、上記以外にも、ジシラン(Si)やアンモニア(NH)などとの組み合わせや、混合ガスを用いてもよい。また、周波数が2.45[GHz]のマイクロ波のパワーを1.5[kW]とし、ガス流量としてはモノシランを100[sccm]、窒素を100[sccm]、アルゴンを40[sccm]でそれぞれのガスを供給して、圧力が5[mTorr]の高真空下でSiN膜74を形成した。また、ガスのそれ以外の成分比でのマイクロ波プラズマCVD法や、RF電源を使用したCVD法などでSiN膜74を形成してもよい。
【0061】
CVD法によりSiN膜74を形成する際には、図7に基づいて前述したようなSiN膜72を形成する方法と同様に、発熱体2の面上に形成されているTaからなる耐キャビテーション膜を素子基板1のシリコン基板を介して接地する。これにより、CVD装置の反応室内でのプラズマ放電により分解されたイオン種およびラジカルの電荷に対して素子基板1内の発熱体2やラッチ回路などの機能素子を保護することができる。
【0062】
そして、SiN膜74の表面全体にAl膜を形成した後に、形成されたAl膜を、フォトリソグラフィなどの周知の方法を用いてパターニングして、SiN膜74の表面の、液流路7に対応する部分を除く部分にAl膜75を形成する。前述したように、それぞれの間隙を形成するための金属層71における液流路7の流路方向と直行する方向の幅は、次の図10(b)の工程で形成される液流路7の幅よりも広くなっているので、Al膜75の側部が間隙を形成するための金属層71の側部の上方に配置されている。
【0063】
次に、図10(b)では、誘電結合プラズマを使ったエッチング装置を用いてSiN膜74およびSiN膜72をパターニングして流路側壁9および可動部材6を同時に形成する。そのエッチング装置では、CFとOの混合ガスを用いて、Al膜73,25および間隙を形成するための金属層71をエッチングストップ層すなわちマスクとして、SiN膜74がトレンチ構造となるようにSiN膜74およびSiN膜72のエッチングを行う。このSiN膜72をパターニングする工程では、図1に示したように可動部材6の支持固定部のみが間隙を形成するための金属層71に固定されるようにSiN膜72の不要な部分を除去する。
【0064】
ここで、ドライエッチング装置を用いてSiN膜72および24をエッチングする際には、図8を参照して説明したように素子基板1などを介して間隙を形成するための金属層71を接地する。これにより、ドライエッチングの際にCFガスの分解により生じるイオン種およびラジカルの電荷が間隙を形成するための金属層71に留まることを防止して、素子基板1の発熱体2やラッチ回路などの機能素子を保護することができる。また、このエッチングの工程で形成される液流路7の幅よりも間隙を形成するための金属層71の幅の方が広くなっているため、SiN膜74の不要な部分を除去した際に素子基板1の発熱体2側の面が露出することがなく、間隙を形成するための金属層71によって素子基板1が確実に保護される。
【0065】
次に、図10(c)では、酢酸、りん酸および硝酸の混酸を用いてAl膜73および25を加温エッチングすることで、Al膜73および75を溶出して除去するとともに、Al膜からなる間隙を形成するための金属層71を部分的に溶出して除去し、その残留部分からなる間隙を形成するための金属層71aを形成する。こうして、素子基板1上に可動部材6および流路側壁9を作り込む。その後、過酸化水素を用いて、素子基板1に形成したパッド保護層としてのTiW膜の、気泡発生領域10およびパッドに対応する部分を除去する。素子基板1と流路側壁9との密着部には、パッド保護層の構成材料であるTiW、および素子基板1の耐キャビテーション膜の構成材料であるTaが含まれている。
【0066】
以上のように、本発明によると、素子基板から天板または外部回路に接続するための配線の少なくとも一部として、間隙を形成するための金属層を利用しており、この間隙を形成するための金属層は、素子基板上に形成する配線パターンに比べてかなり厚いので、配線の電気的抵抗が小さい。特に素子基板1の発熱体2における共通電極としてこの部材を用いた場合には、電極降下の問題に対して有効となる。
【0067】
図11は、前記第1実施形態における基板の平面模式図である。なお、図11においては、間隙を形成するための金属層71aを被覆する保護層については図示していない。
【0068】
図11のように、間隙を形成するための金属層71aは発熱体の配列方向に沿って延在する構成を採っており、スルーホール223を介して下層の引き出し電極222に接続されている。そして、この引き出し電極222は電極パッド224に装置からの電気接続部が接続されることにより電圧の印加が可能となる。このような構成を採ることにより、間隙を形成するための金属層71aが液室内に設けられ、基板の天板接合面に極端な段差を生じさせることはない。
【0069】
本実施例において、厚い間隙を形成するための金属層71aを配線として利用することにより、全体の電気的抵抗が小さくなる。電気的抵抗は配線の厚さと面積の積に応じて決まるからである。従って、電気的抵抗を高くすることなく、配線パターンの平面的な幅を狭くし、このヘッドを構成するチップ全体の大きさを小さくすることができる。すなわち、従来の液体吐出ヘッドの場合、信号電圧供給用の配線領域、グランド配線領域のいずれも、ここの配線を幅広にして電気的抵抗を低減する必要があるため、比較的広いスペースが必要である。これに対し、本実施例では、間隙を形成するための金属層が厚いのでこの部分における電気的損失が小さく、その分、その他の配線部分の幅を狭くしても従来と同等の電気抵抗値に抑えることができる。従って、信号電圧供給用の配線領域、グランド配線領域のいずれも小面積として、その分のスペースに他部材を配設するなど有効に利用することができる。さらに、配線領域をコンパクトにまとめることによりコンタクトパッドの個数を減らすこともできる。または、液体吐出ヘッド全体を小型化することができる。この場合、液体吐出ヘッドの製造工程において、1枚のウェハから製造できるチップの個数を増やすことができ、製造コストの低減が可能である。
【0070】
すなわち、本発明によると、チップの大きさを保って電気的抵抗を小さくして電気的な効率向上を図ることもでき、また、電気的抵抗を保ってチップの大きさを小さくして装置の小型化および製造コストの低減を図ることもできる。
【0071】
次に、図12〜14を参照して、この液体吐出ヘッドの第2の実施例について説明する。第1の実施形態と同様の構成については、同一の符号を付与し説明は省略する。
【0072】
第1の実施形態においては、図3に示すように、配線210と配線305と間隙を形成するための金属層71aとを利用して、素子基板1と外部部材または天板3等との電気的接続を行っているが、本実施例では、図12に示すように、一方の配線210を省略し、配線305と間隙を形成するための金属層71aとが、スルーホール201の部分で直接接触している。また、この構成では、配線210が存在しないので、層間膜303も不要になる。なお、図3においては省略しているが、配線305はスルーホール230と抵抗層304を介して、素子基板1上に形成されている図示しない半導体部に接続されている。そして、この配線パターンから図示しないトランジスタ等の駆動素子に接続されている。
【0073】
この電気的接続について、図13,14を参照して説明する。図13に模式的に示されている第1の実施例の液体吐出ヘッドの場合、各発熱体240からトランジスタ等の駆動素子への個別の接続は配線305によって行われ、この各配線305をまとめるために配線210が用いられ、さらにこの図13には概略的にしか示されていないが、配線210から外部回路や天板等に接続するための配線として間隙を形成するための金属層71aが用いられている。これに対し、本実施例では、各発熱体240からトランジスタ等の駆動素子への個別の接続は配線305によって行われ、間隙を形成するための金属層71aによってこの各配線305をまとめるとともに外部回路や天板等に接続されている。すなわち、本実施例では、間隙を形成するための金属層71aが、第1の実施例の配線210の機能も兼ね備えている。
【0074】
このように本実施例によると、構成が簡単になり製造工程の簡略化および製造コストの低減が可能である。また、配線(Al層)305の下層に抵抗層(TaN層)が存在するため、半導体部と配線(Al層)305の接触によるスパイクの発生が防止でき、Alの拡散防止のためのバリア工程も削減することが出来る。
【0075】
【発明の効果】
本発明によると、基板上に形成する配線パターンに比べて、十分に厚い間隙を形成するための金属層を電気的接続用の配線層、特に共通電極として利用するので、電気的抵抗を格段に小さくすることができる。これに伴って、電気的な効率を向上することができる。また、装置の小型化および製造コストの低減図ることも可能である。間隙を形成するための金属層は、可動部材を設ける装置においては従来より形成されている部材であるので、製造工程や構成を格別複雑にするものではない。また、間隙を形成するための金属層を配線として用いることによって、基板上に形成すべき配線パターンの数を削減し、構成を簡略化することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態である液体吐出ヘッド構造を説明するための、液流路方向に沿った断面図である。
【図2】図1に示した液体吐出ヘッドに用いられる素子基板の断面図である。
【図3】図1に示す液体吐出ヘッドの電気的接続を説明するための、液流路方向に沿った断面図である。
【図4】図3に示す液体吐出ヘッドの、保護層等を省いた概略平面図である。
【図5】図2に示した素子基板の主要素子を縦断するように素子基板を切断した模式的断面図である。
【図6】素子基板上に可動部材を形成する方法を説明するための図である。
【図7】プラズマCVD装置を用いて素子基板上にSiN膜を形成する方法を説明するための図である。
【図8】ドライエッチング装置を用いてSiN膜を形成する方法を説明するための図である。
【図9】素子基板上に可動部材及び流路側壁を形成する方法を説明するための図である。
【図10】素子基板上に可動部材及び流路側壁を形成する方法を説明するための図である。
【図11】本発明の第1の実施例の液体吐出ヘッドの素子基板上の配線領域を示す概略平面図である。
【図12】本発明の第の実施例の液体吐出ヘッドの電気的接続を説明するための、液流路方向に沿った断面図である。
【図13】本発明の第1の実施例の液体吐出ヘッドの電気的接続を説明するための概略回路図である。
【図14】本発明の第の実施例の液体吐出ヘッドの電気的接続を説明するための概略回路図である。
【符号の説明】
1 素子基板
2 発熱体
3 天板
5 吐出口
4 オリフィスプレート
6 可動部材
6a 支点
6b 可動部材
6c 支持固定部
7 液流路
8 共通液室
9 流路側壁
10 気泡発生領域
71 間隙を形成するための金属層(Al層)
71a 間隙を形成するための金属層
72 薄膜層(SiN層)
81a,81b RF電源
82a,82b RF電極
83a,83b 反応室
84a 供給管
85a,85b ステージ
201 スルーホール
210 配線
222 引き出し電極
223 電極パッド
230 スルーホール
240 発熱体

Claims (5)

  1. 素子基板と、該素子基板に積層されて該素子基板との間に液流路を形成する天板と、支持固定部と可動部とを有し該可動部が前記流路内に位置する可動部材とを備え、前記可動部材が前記素子基板から所定の間隔を隔てた状態に支持されている液体吐出ヘッドであって、
    前記可動部の所定の間隔を設けるための金属層が、前記可動部材の前記支持固定部で被覆され残っており配線層として用いられていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
  2. 前記素子基板上に前記流路に対応して液体吐出用の発熱体が設けられており、前記配線層が、前記配線を介して前記発熱体と電気的に接続されている請求項に記載の液体吐出ヘッド。
  3. 素子基板と、該素子基板に積層される天板と、前記素子基板と前記天板との間に形成される流路とを有する液体吐出ヘッドの製造方法において、
    前記素子基板上に間隙形成するための金属層を形成する工程と、前記金属層上に可動部材となる薄膜層を形成する工程と、前記金属層のうち、前記可動部材の支持固定部の下方に当たる位置は残留させつつ、前記可動部材の可動部の下方に当たる位置を除去する工程とを含み、
    前記金属層の残留部分のうちの少なくとも一部を、前記素子基板上の配線パターンと電気的に接続される配線層とすることを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
  4. 前記薄膜層がSiNからなり、前記金属層がAlまたはAl合金からなる請求項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法
  5. 可動部材が基板から所定の間隔を隔てた状態に支持されている微小電気機械装置の製造方法において、
    前記基板上に間隙を形成するための金属層を形成する工程と、前記金属層上に可動部材となる薄膜層を形成する工程と、前記金属層のうち、前記可動部材の支持固定部の下方に当たる位置は残留させつつ、前記可動部材の可動部の下方に当たる位置を除去する工程とを含み、
    前記金属層の残留部分のうちの少なくとも一部を、前記基板上の配線パターンと電気的に接続される配線層とすることを特徴とする微小電気機械装置の製造方法。
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