JP4587417B2 - 液体吐出ヘッド用基板、液体吐出ヘッド、及び前記液体吐出ヘッドの駆動方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱エネルギーを液体に作用させることで起こる気泡の発生によって、所望の液体を吐出する液体吐出ヘッド、それに用いられる液体吐出ヘッド用基板、及び液体吐出ヘッドの駆動方法に関する。特に、本発明は、強誘電体材料から構成される機能素子を備えた液体吐出ヘッド、それに用いられる液体吐出ヘッド用基板、及び液体吐出ヘッドの駆動方法に関する。
【０００２】
また、本発明は、紙、糸、繊維、布、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミック等の被記録媒体に対して記録を行う、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等の装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わされた産業用の液体吐出装置に適用することができるものである。
【０００３】
なお、本発明における「記録」とは、文字や図形等のように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、パターン等のように意味を持たない画像を付与することをも意味するものである。
【０００４】
【従来の技術】
熱等のエネルギーをインクに与えることで、インクに急峻な体積変化（気泡の発生）を伴う状態変化を生じさせ、この状態変化に基づく作用力によって吐出口からインクを吐出し、これを被記録媒体上に付着させて画像形成を行うインクジェット記録方法が従来知られている。この記録方法を用いる記録装置には、米国特許第４,７２３,１２９号明細書等の公報に開示されているように、インクを吐出するための吐出口と、この吐出口に連通するインク流路と、インク流路内に配されたインクを吐出するためのエネルギー発生手段としての電気熱変換体が一般的に配された液体吐出ヘッドが用いられている。この種の記録装置は、品位の高い画像を高速、低騒音で記録することができるとともに、小型かつ高解像度の記録装置を提供することができるという多くの優れた点を有していることから、近年、プリンタ、複写機、ファクシミリ等の多くのオフィス機器に利用されており、さらに、捺染装置等の産業用システムにまで利用されるようになってきている。
【０００５】
上述した従来の液体吐出ヘッドの一構成例を図２８に示す。
【０００６】
図２８に示される通り、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２８では１つのみ示す）の発熱体１００２が並列に設けられた素子基板１００１と、この素子基板１００１上に接合された天板１００３と、素子基板１００１および天板１００３の前端面に接合されたオリフィスプレート１００４とを有する。天板１００３には、各発熱体１００２に対応する位置にそれぞれ溝が形成されており、素子基板１００１と天板１００３とが接合されることで、各発熱体１００２にそれぞれ対応する液流路１００７が形成される。
【０００７】
素子基板１００１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１００２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１００２が発熱する。そして、この配線と電極抵抗層の上には、それらをインクから保護する保護膜が形成されており、さらにその保護膜の上にはインク消泡によるキャビテーションから保護する耐キャビテーション膜が形成されている。
【０００８】
天板１００３は、各発熱体１００２に対応した複数の液流路１００７および各液流路１００７に液体を供給するための共通液室１００８を構成するためのもので、天井部分から各発熱体１００２の間に延びる流路側壁１００９が一体的に設けられている。天板１００３はシリコン系の材料で構成され、液流路１００７および共通液室１００８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１００９となる材料を堆積した後、液流路１００７の部分をエッチングして形成することができる。
【０００９】
オリフィスプレート１００４には、各液流路１００７に対応しそれぞれ液流路１００７を介して共通液室１００８に連通する複数の吐出口１００５が形成されている。オリフィスプレート１００４もシリコン系の材料からなるものであり、例えば、吐出口１００５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１００４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１００４を設ける代わりに、天板１００３に液流路１００７を形成する際に天板１００３の先端面にオリフィスプレート１００４の厚さ相当の壁を残し、この部分に吐出口１００５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。
【００１０】
上記構成に基づき、発熱体１００２を発熱させると、液流路１００７内の発熱体１００２と対面する領域である気泡発生領域１０１０の液体に熱が作用し、これにより発熱体１００２上に膜沸騰現象に基づく気泡が発生し、成長する。この気泡の発生に基づく圧力の伝搬や気泡自身の成長が吐出口１００５側に導かれ、吐出口１００５から液体が吐出する。
【００１１】
一方、気泡が消泡過程に入ると、気泡発生領域１０１０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１００８側から液体が流れ込み、液流路１００７への液体の充填（リフィル）が行われる。
【００１２】
また、本形態の液体吐出ヘッドは、発熱体１００２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１００１または天板１００３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１００１および天板１００３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。
【００１３】
このような液体吐出ヘッドを使用した記録装置では、図２９に示すように、液体吐出ヘッドを搭載するヘッドキャリッジ２００１とプリンター本体２００２とはケーブル２００３を介して接続され、ヘッドキャリッジ２００１が被記録媒体の記録面上を副走査方向に移動することで記録が行われる。このような構造の場合、必然的に、液体吐出ヘッドの電気熱変換体（ヒーター）に電流を供給するための配線が長くなる。そのため、上述のようにヒーターに急峻な電流を流して駆動するタイプのインクジェット記録を採用する液体吐出ヘッドでは、配線インダクタンスの相互作用により電流ノイズが発生しやすいという課題が生じる。また、液体吐出ヘッドの全ノズルが駆動された場合、ヘッドと本体の間、すなわちケーブル２００３には瞬間的に数アンペアの電流が流れることとなり、ケーブル２００３にはロジック信号が平行して走っていることから、該信号線に誘導結合により電流ノイズがのってしまうという課題も生じる。このような電流ノイズ問題に対して、従来は、キャリッジや中継基板に電流ノイズ対策用コンデンサを搭載して対応していた。
【００１４】
一方、近年の高密度記録が進む中、１回で吐出されるインクの量はますます少なくなっており、液体吐出を安定かつ高精度に行うために種々の機構が検討されている。
【００１５】
一例として、液体吐出ヘッド基板に温度センサを設けて、該センサの検出結果に応じてヘッド温度を所定の範囲に維持するようにしたものがある。
【００１６】
また、液体吐出ヘッドに不揮発性メモリを搭載し、該メモリに液体吐出特性やヘッド状態等のヘッド情報を記憶し、その情報に応じてヘッドの駆動を制御するようにしたものも提案されている。この場合、ヘッド情報を記憶するメモリとしては、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリなどが用いられている。
【００１７】
ところで、インクを吐出するためのエネルギーを発生させるための電気熱変換体は、半導体製造プロセスを用いて作製することができる。そのため、上述した電気熱変換素子を使用してインクを吐出するタイプの記録ヘッドは、シリコン基板からなる素子基板上に電気熱変換体を形成し、その上に、インク流路を形成するための溝を形成した、ポリサルフォン等の樹脂やガラス等からなる天板を接合した構成となっている。
【００１８】
また、素子基板がシリコン基板からなることを利用し、電気熱変換体を素子基板上に構成するだけでなく、電気熱変換体を駆動するためのドライバや、電気熱変換体をヘッドの温度に応じて制御する際に用いられる温度センサおよびその駆動制御部等を素子基板上に構成したものもある（特開平７−５２３８７号公報等）。このようにドライバや温度センサおよびその駆動制御部等を素子基板上に構成したヘッドは実用に供されており、記録ヘッドの信頼性の向上及び装置の小型化に寄与している。
【００１９】
一方、上述したようなヘッドの構成とは別の構成を有した液体吐出ヘッドを図３０に示す。図３０は、液体吐出ヘッドの構成を液流路方向に沿った断面図で示したものである。この液体吐出ヘッド（以下、「液体吐出ヘッド」あるいは「記録ヘッド」と標記する。）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吐出エネルギー発生素子としての、複数個（図３０では、１つのみ示す）の発熱体３００２が並列に設けられた素子基板３００１と、この素子基板３００１上に接合された天板３００３と、素子基板３００１および天板３００３の前端面に接合されたオリフィスプレート３００４とを有することに加え、可動部材を備えたものである。
【００２０】
なお、素子基板３００１、天板３００３、オリフィスプレート３００４等の基本構成は図２８の液体吐出ヘッドと同様の構成であるため、ここでの説明は省略する。
【００２１】
図３０に示される液体吐出ヘッドには、上述の通り、液流路３００７を吐出口３００５に連通した第１の液流路３００７ａと、発熱体３００２を有する第２の液流路３００７ｂとに分けるように、発熱体３００２に対面して配置された片持梁状の可動部材３００６が設けられている。可動部材３００６は、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た薄膜である。
【００２２】
この可動部材３００６は、液体の吐出動作によって共通液室３００８から可動部材３００６を経て吐出口３００５側へ流れる大きな流れの上流側に支点３００６ａを持ち、この支点３００６ａに対して下流側に自由端３００６ｂを持つように、発熱体３００２に面した位置に発熱体３００２を覆うような状態で発熱体３００２から所定の距離を隔てて配されている。この発熱体３００２と可動部材３００６との間が気泡発生領域３０１０となる。
【００２３】
上記の構成に基づき、発熱体３００２を発熱させると、可動部材３００６と発熱体３００２との間の気泡発生領域３０１０の液体に熱が作用し、これにより発熱体３００２上に膜沸騰現象に基づく気泡が発生して成長する。この気泡の成長に伴う圧力は可動部材３００６に優先的に作用し、可動部材６は図３０に破線で示されるように、支点３００６ａを中心に吐出口３００５側に大きく開くように変位する。可動部材３００６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播や気泡自身の成長が吐出口３００５側に導かれ、吐出口３００５から液体が吐出する。
【００２４】
つまり、気泡発生領域３０１０上に、液流路３００７内の液体の流れの上流側（共通液室３００８側）に支点３００６ａを持ち下流側（吐出口３００５側）に自由端３００６ｂを持つ可動部材３００６を設けることによって、気泡の圧力伝播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播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、気泡の圧力伝播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などの根本的な吐出特性を向上させることができる。
【００２５】
一方、気泡が消泡過程に入ると、可動部材３００６の弾性力との相乗効果で気泡は急速に消泡し、可動部材３００６も最終的には図３０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３０１０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３００８側から液体が流れ込み、液流路３００７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３００６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。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
コンデンサによる電流ノイズ除去効果は、電流エネルギーを消費する部分（ヒーター）に近いほど高い。しかしながら、従来は、電流ノイズ対策用コンデンサは大容量である必要性から大型コンデンサを必要とした。そのため、通常では、その配置スペースが必要なため、電流ノイズ対策用コンデンサはキャリッジや中継基板に設けられているのが実情であった。
【００２７】
電流ノイズを効果的に除去するためには、コンデンサを液体吐出ヘッド用基板上等、ヒーターにより近い部分に配置する必要がある。特に、最近では、液体吐出ヘッドの高速化、高密度記録に伴って、ヘッド基板に瞬間的に流れる電流（ヒータ駆動電流）の量がますます増加しており、このような状況から、電流ノイズ対策のためには、コンデンサはより容量の大きなものとし、よりヒーターに近い部分に配置する必要があったが、具体的な解決方法はなかった。
【００２８】
他方、近年の液体吐出装置の低価格化に伴って液体吐出ヘッドにおいてもコスト削減が図られているが、前述したようなＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリなどの不揮発性メモリはヘッド基板上に別部品として構成するようになっているため、低コスト化を図ることが困難であった。
【００２９】
また、最近では、各種センサをヘッド内に配置してその検出結果をリアルタイムにフィードバックしながら液体吐出用ヒーターの駆動条件を制御するような試みもなされており、この場合、メモリに対する情報の書き込みおよび読み出しを頻繁に行う必要があることから、上記のような不揮発性メモリでは、近年のヘッドの高速化に対応することが困難であった。
【００３０】
さらにまた、前述した素子基板に設けられた温度センサは主に素子基板の温度を測定することが目的であったが、近年の液体吐出ヘッドの高密度化に伴って、基板の温度よりもインク自身の温度や濃度等の状態あるいは種類が記録に与える影響が大きくなってきた。そのためのセンサ機能が高精度である必要性も生じている。
【００３１】
また、図３０を参照して説明した構成の液体吐出ヘッドでは、可動部材は気泡の成長および消泡に伴って変位するものの、可動部材を能動的に変位させることはできなかった。したがって、可動部材の変位速度は気泡の成長速度および消泡速度に依存し、可動部材をそれらの速度以上の速度で変位させることができなかった。そのため、可動部材の応答性の向上を図ることができず、ひいては液体吐出ヘッドによる記録速度の高速化を図ることができなかった。
【００３２】
本発明は以上に鑑みてなされたものであり、その目的は、電流ノイズを十分に除去することができるとともに低コスト化を図ることができる液体吐出ヘッド、それに用いられる液体吐出ヘッド用基板、及び液体吐出ヘッドの駆動方法を提供することにある。
【００３３】
本発明のさらなる目的は、ヘッドの高速化および低コスト化に対応することのできるメモリ構造を持つ液体吐出ヘッド、それに用いられる液体吐出ヘッド用基板、及び液体吐出ヘッドの駆動方法を提供することにある。
【００３４】
本発明のさらなる目的は、吐出する液体の状態を精度よく検出することによって、安定した吐出を可能とする液体吐出ヘッド、それに用いられる液体吐出ヘッド用基板、及び液体吐出ヘッドの駆動方法を提供することにある。
【００３５】
本発明のさらに別の目的は、記録ヘッド内に配された可動部材の応答性の向上を図ることができ、さらに記録速度の高速化を図ることができる液体吐出ヘッド、及び液体吐出ヘッドの駆動方法を提供することにある。
【００３６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッド用基板は、液体に吐出エネルギーを与えることにより液体を吐出させる液体吐出ヘッドに用いられ、電気エネルギーを前記吐出エネルギーに変換するためのエネルギー変換素子が形成された半導体基板を有する液体吐出ヘッド用基板において、上記半導体基板に強誘電体材料よりなる機能素子が形成されていることを特徴とする。
【００３７】
また、本発明の液体吐出ヘッドは、互いに接合されることで、液体を吐出するための複数の吐出口とそれぞれ連通する複数の液流路を構成する第１および第２の基板を有し、該第１および第２の基板の一方または両方に強誘電体材料よりなる機能素子が形成されていることを特徴とする。
【００３８】
上記の液体吐出ヘッド用基板および液体吐出ヘッドにおいて、上記機能素子は、上記半導体基板上に少なくとも第１のバリア層、強誘電体材料膜、第２のバリア層が積層されたものであることは好ましい構成である。
【００３９】
すなわち、強誘電体材料膜は還元環境に置かれた場合、還元されやすく寿命などの観点で耐性が十分でなくなり、長期にわたって信頼性高くその機能を得ることができなくなってしまう可能性がある。例えば、液体吐出ヘッドを製造する場合に用いられる成膜法のＣＶＤにおいて、液体吐出ヘッドの保護膜（例えばＳｉＮ等）を形成する際に発生する水素イオン等の雰囲気による還元環境や、反応性のある膜、例えば通常使用されるＰｔ電極によって強誘電体材料膜を挟んだ場合、電極と強誘電体材料膜との接触界面が還元環境となり、強誘電体材料膜が還元されやすい。このような還元環境を回避する目的で上述のようにバリア層によって挟持する構成とすることはこのましい。
【００４０】
この場合、第１および第２のバリア層が、上記液体吐出ヘッドを構成する発熱抵抗層やキャビテーション膜を含む酸化膜、窒化膜で構成されていることは好ましい。
【００４１】
特に液体吐出に寄与する駆動素子としてヒーターを利用するヘッド構成においては、発熱抵抗層をＴａＳｉＮ、ＴａＮなどのヒーター材料をスパッタリング成膜によって形成する工程を備えている。スパッタリング成膜工程は、ＣＶＤ成膜工程などで発生した水素イオンなどの発生がなく還元環境にならず強誘電体材料膜を還元雰囲気に曝すことなく、発熱抵抗層や耐キャビテーション膜形成時に強誘電体材料膜のバリア層を形成することができる。また、発熱抵抗層や耐キャビテーション膜は記録ヘッドの特性として十分な耐久性を備えたものであり、このような膜を強誘電体材料膜のバリア層に利用することは組成が安定しており耐久性の観点で好ましい。
【００４２】
また、発熱抵抗層や耐キャビテーション膜の成膜と同時に強誘電体材料膜のバリア層を形成すれば、個々の膜を別に成膜するより製造工程の工程数の削減を図ることもでき、また製造装置も同じものを用いることができるため装置の共有化による製造装置コストの低減効果も得られる。すなわち、発熱抵抗層や耐キャビテーション膜の形成と同一の手法によって強誘電体材料膜のバリア層を形成することができ、発熱抵抗層や耐キャビテーション膜材料をそのままバリア層として活用できる。
【００４３】
なお、製造装置の共有化の観点に着目してみると、例えば、発熱抵抗体としてＴａＳｉＮをスパッタリング成膜で形成する場合は、スパッタリング装置におけるヒーター層形成時にはＴａＳｉターゲットをＮ雰囲気中でスパッタリングするが、同じ装置を利用してターゲットをＳｉとしＮ雰囲気中でスパッタリングすることで非常に安定なＳｉＮ膜（ＣＶＤでは成形することができない成膜工程に起因する水素を含まない膜）を強誘電体材料膜のバリア層とすることができる。
また、ヒーター層形成スパッタリング装置を用い、ターゲットをＴｉなどの金属としＮ雰囲気中でスパッタリングしＴｉＮ膜を強誘電体材料膜のバリア層とすることもできる。各種の金属と窒素、酸素とを反応させ安定した膜を形成することが可能である。このようにインクジェットヘッドの成膜装置を流用し、ターゲットのみ交換することでも有効なバリア層を形成することが可能であり、水素イオンなどの還元環境に曝すことなく、安定な膜を形成できる。
【００４４】
ヒーター層の形成だけでなく、例えば耐キャビテーション膜として用いられているＴａなどの材料をそのまま利用して耐キャビテーション膜の成膜装置を利用してＮ雰囲気中でスパッタリングを行うことでバリア層を形成することも可能である。成膜方法はスパッタリングでありＣＶＤのように水素イオンの発生がなく強誘電体材料膜が還元される環境に曝されることがなく、安定した耐キャビテーション膜と同一の材料と窒素、酸素を反応させてバリア層を構成するので安定したバリア層を構成でき、スパッタリング装置のターゲットは耐キャビテーション層と同一であり、同一装置を用いて同一工程でバリア層を構成できるため量産性に優れ、製造工程の簡略化を図れる効果を有する。
【００４５】
さらに、ヒーター層下部に配置される配線層の上部層などに用いられるＴｉＷ、ＴａＮなどアルミ等の配線層に生じる熱によるヒロック防止膜をスパッタリングする、あるいは窒素、酸素雰囲気中でスパッタリングすることで強誘電体材料膜のバリア層とすることも可能である。成膜方法はスパッタリングでありＣＶＤのように水素イオンの発生がなく強誘電体材料膜が還元される環境に曝されることがなく、安定したヒロック防止膜と同一の材料、あるいは窒素、酸素を反応させてバリア層を構成するので安定したバリア層を構成でき、スパッタリング装置のターゲットはヒロック防止層と同一であり、同一装置を用いて同一工程でバリア層を構成できるため量産性に優れ、製造工程の簡略化を図れる。
【００４６】
なお、記録ヘッドのヒーター層がＨｆＢ2など、ヒーター層とその保護層であるＳｉＮ、ＳｉＯなどの層との密着性が比較的良くない場合に設けられるＴｉなどの金属膜を密着層として介した構成の記録ヘッドでは、密着層を構成する金属を窒素、酸素雰囲気中で強誘電体材料膜に対してスパッタリングして成膜することでバリア層とすることも可能である。成膜方法はスパッタリングでありＣＶＤのように水素イオンの発生がなく強誘電体材料膜が還元される環境に曝されることがなく、安定した密着層と同一の材料と窒素、酸素を反応させてバリア層を構成するので安定したバリア層を構成でき、スパッタリング装置のターゲットは密着層と同一であり、同一装置を用いて同一工程でバリア層を構成できるため量産性に優れ、製造工程の簡略化を図れる。
【００４７】
なお、第１および第２のバリア層は、発熱抵抗層や耐キャビテーション膜を含む酸化膜、窒化膜の膜厚方向で強誘電体材料膜に近い部分の酸素、窒素の割合を高くすることは好ましい。また、これらの酸素、窒素の割合は、バリア層の膜厚方向で連続的に変化させても良いし、断続的に変化させても良い。
【００４８】
また、上記機能素子は、コンデンサ、不揮発性メモリ、圧電素子、可動部材のいずれかの形態をとるように構成してもよい。
【００４９】
特に、前記可動部材が、強誘電体材料からなる薄膜と、該薄膜の両面に設けられた電極とを有し、該両電極間に電圧が印加されると自由端が前記素子基板側あるいは前記素子基板に対して反対の方向へ変位するように構成されていることは好ましい。
【００５０】
可動部材を強誘電体材料によって構成された本発明の液体吐出ヘッドによれば、可動部材を気泡の圧力による変位とは独立して能動的に変位させることが可能となる。そのため、気泡が発生する前や消泡する前に可動部材を予め所定の方向に変位させることにより、可動部材の応答性が向上するため、液体吐出ヘッドによる記録速度の高速化を図ることが可能となる。
【００５１】
また、前記薄膜は、Ｐｂ-Ｚｒｘ-Ｔｉ1-ｘＯ3、（Ｐｂ，Ｌａ）-（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3、Ｓｒ-Ｂｉ2-Ｔa 2Ｏ5、ＳｒＴｉＯ3、ＢａＴｉＯ3、あるいは（Ｂａ-Ｓｒ）ＴｉＯ3からなる構成とすることが好ましい。
【００５２】
さらに、前記両電極のいずれか一方の表面に、電界中に置かれても歪みを生じない材料で形成された変位補助層が設けられている構成とすることにより、可動部材の変位量をより増加させることが可能となる。
【００５３】
上記機能素子を構成する強誘電体材料は比誘電率が大きいことから、容量の大きなコンデンサを形成することができ、基板に造り込む場合の配置スペースも少なくて済む。本発明によれば、その機能素子が電流ノイズ対策用のコンデンサとしてヘッドを構成する基板に直接形成されるので、ヒーターにより近い部分で電流ノイズ対策を行うことが可能となり、しかも、その配置スペースも少なくて済む。加えて、容量も大きいことから、前述の課題で述べたような電流増加に伴う電流ノイズの問題にも対応することが可能である。
【００５４】
また、強誘電体材料を用いて構成される不揮発性メモリは、従来用いられていたＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリに代表される不揮発性メモリと比較し、高速性、低消費電力、高集積性などに優れていることが知られている。本発明によれば、その特徴を有する強誘電体材料を用いて構成される不揮発性メモリが用いられているので、ヘッドの駆動制御、例えば各種センサをヘッド内に配置してその検出結果をリアルタイムにフィードバックしながら液体吐出用ヒーターの駆動条件を制御する際の処理が高速になり、前述の課題で述べたような近年のヘッドの高速化に対応することが可能となる。
【００５５】
また、強誘電体材料は圧電性を有することから圧電素子として利用することができる。本発明によれば、その強誘電体材料よりなる機能素子を圧電素子として用いて、液体中を伝わる圧力の変化を検出するように構成されているので、その検出結果を用いることにより、より細かいヘッドの駆動制御が可能になる。
【００５６】
一方、強誘電体材料に電圧を印加することで、変位を起こすことを利用することもできる。具体的にはその変位を利用して、インクを吐出させたり、オリフィスのメニスカスの制御等に利用できる。変位しやすくするために、可動部材を設けてその部分に強誘電体材料を設けることもできる。これはインクの圧力を検知して印字制御を行う構成とほとんど同じでできるため、組み合わせて構成してもよい。また、変位を大きくするために積層構造としてもよい。
【００５７】
上述した機能素子は、ヘッドを構成する基板（素子基板、天板）を製造する過程において同時に造り込むことができるので、機能素子を形成するために特別な成膜装置を用いる必要はない。
【００５８】
上述の発明のうち、機能素子を構成する第１および第２のバリア層が耐キャビテーション膜や発熱抵抗層を含む酸化物、窒化物で構成されるものにおいては、ヘッドを構成する基板（素子基板、天板）を製造する過程において膜の兼用が可能であるので、製造工程数およびコストを低く抑えることが可能である。
【００６２】
また、本発明の液体吐出ヘッドの駆動方法は、液滴を吐出するための吐出口と、該吐出口に液体を供給するために前記吐出口に連通された液流路と、該液流路に充填された前記液体に気泡を発生させるための気泡発生素子が備えられた基板と、前記基板の前記気泡発生素子に対面する位置に、前記基板との間に間隙を有し、前記吐出口側を自由端として前記基板に支持固定された可動部材とを有し、前記可動部材が、強誘電体材料からなる薄膜と、該薄膜の両面に設けられた電極とを有し、該両電極間に電圧が印加されると自由端が前記素子基板側あるいは前記素子基板に対して反対の方向へ変位するように構成されており、前記気泡を発生させることにより生じる圧力によって、前記可動部材の自由端を前記基板とは反対の方向に変位させて、前記圧力を前記吐出口側に導くことにより前記吐出口から前記液体の液滴を吐出させる液体吐出ヘッドの駆動方法であって、前記発熱体の駆動と前記可動部材の駆動とを互いに独立して行うことを特徴とする。
【００６３】
上記のように前記発熱体の駆動と前記可動部材の駆動とを互いに独立して行うことにより、気泡が発生する前や消泡する前に、可動部材を独立して能動的に駆動して所定の方向に変位させることにより、可動部材の応答性が向上し、液体吐出ヘッドによる記録速度の高速化を図ることが可能となる。
【００６８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００６９】
図１は、本発明の液体吐出ヘッド用基板に形成される、強誘電体材料よりなる機能素子の概略断面構造図である。この機能素子は、Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3[ＰＺＴ：チタン酸ジルコン酸鉛]等からなる強誘電体材料膜３２の上下面に保護膜としてのバリア層３３が形成され、さらにその上下面に電極（不図示）が配されてコンデンサ、ＦｅＲＡＭ、圧電素子、可動部材などを構成するものである。
【００７０】
上記機能素子をノイズ対策用コンデンサとして用いた場合、強誘電材料は比誘電率が大きいため、ヒータ駆動電流ノイズ対策に特に有効である。この場合、容量が数μＦのコンデンサを形成することができる。また、上記機能素子をＦｅＲＡＭとして用いた場合は、その記録速度は従来用いられていたＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリに代表される不揮発性メモリと比較して非常に速いことから、前述の課題で述べたような液体吐出ヘッドの高速化に対応するメモリを構成することができる。さらにまた、上記機能素子を圧電素子として用いた場合は、液体中を伝わる圧力の変化を検出することができ、より安定した吐出制御が可能になる。加えて、機能素子を可動部材として用いた場合は、インクの吐出動作に対する可動部材の応答性を向上でき、記録速度の高速化を図ることが可能になる。
【００７１】
以下、上述の液体吐出ヘッド用基板を備える液体吐出ヘッドの具体的な構成について説明する。
【００７２】
はじめに、本発明に適用可能な液体吐出ヘッドの構造として、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。
【００７３】
本発明に適用可能な液体吐出ヘッドの一形態の基本構成は、図２８に示した通りであり、図２８に関する説明は前述した通りであるので、ここでの説明は省略する。
【００７４】
以下に、液体吐出ヘッドの素子基板が半導体ウェハプロセス技術を用いて形成される点について説明する。
【００７５】
図２は、本形態の液体吐出ヘッドに用いられる素子基板の要部の断面図である。図２に示すように、本形態の液体吐出ヘッドに用いられる素子基板１では、シリコン基板３０１の表面に、蓄熱層としての熱酸化膜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、ＳｉＯ2膜またはＳｉ3Ｎ4膜が用いられている。層間膜３０３の表面に部分的に抵抗層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、Ａｌまたは、Ａｌ-Ｓｉ，Ａｌ-ＣｕなどのＡｌ合金配線が用いられている。この配線３０５、抵抗層３０４および層間膜３０３の表面に、ＳｉＯ2膜またはＳｉ3Ｎ4膜から成る保護膜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３０８である。
【００７６】
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。
【００７７】
図３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。
【００７８】
図３に示すように、Ｐ型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。
【００７９】
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。
【００８０】
本形態では、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。
【００８１】
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。
【００８２】
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の配線層となる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ＳｉＯ2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の配線層としての、Ａｌの配線３０５が形成されている。
【００８３】
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Ｓｉ3Ｎ4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、Ｔａをターゲットとするスパッタリング法で形成される厚さ約２５００ÅのＴａなどの膜から成るものである。
【００８４】
次に、素子基板および天板への回路や素子の振り分け構成について説明する。
【００８５】
図４は、本形態の液体吐出ヘッドの回路構成を説明するための図であり、同図（ａ）は素子基板の平面図、同図（ｂ）は天板の平面図である。なお、図４（ａ）および（ｂ）は、互いの対向面を表わしている。
【００８６】
図４（ａ）に示すように、素子基板１には、並列に配列された複数の発熱体２と、画像データに応じてこれら発熱体２を駆動するドライバ１１と、入力された画像データをドライバ１１に出力する画像データ転送部１２と、発熱体２の駆動条件を制御するために必要な、液体の状態または特性を検出するセンサ１３とが設けられている。本形態のヘッドでは、センサ１３は、液流路７ごとの液体の状態または特性を検出するために、各発熱体２に対応して液流路７ごとに設けられている。
【００８７】
画像データ転送部１２は、シリアルに入力される画像データを各ドライバ１１にパラレルに出力するシフトレジスタ、およびシフトレジスタから出力されるデータを一時記憶するラッチ回路で構成される。なお、画像データ転送部１２は、各発熱体２に個別に対応して画像データを出力するものでもよいし、発熱体２の並びを複数のブロックに分け、ブロック単位に対応して画像データを出力するものでもよい。特に、１つのヘッドについて複数のシフトレジスタを備え、記録装置からのデータの転送を複数のシフトレジスタに振り分けて入力するようにすることで、印字速度の高速化に容易に対応することもできる。
【００８８】
一方、図４（ｂ）に示すように、天板３には、前述したように液流路および共通液室を構成する溝３ａ，３ｂが形成される他に、素子基板１に設けられたセンサ１３を駆動するセンサ駆動部１７と、センサ駆動部１７により駆動されたセンサからの出力結果に基づいて発熱体２の駆動条件を制御する発熱体制御部１６とが設けられている。なお、天板３には、外部から共通液室に液体を供給するために、共通液室に連通した供給口３ｃが開口している。
【００８９】
さらに、素子基板１および天板３の接合面の、互いの対向する部位にはそれぞれ、素子基板１に形成された回路等と天板３に形成された回路等とを電気的に接続するための接続用コンタクトパッド１４，１８が設けられている。また、素子基板１には、外部からの電気信号の入力端子となる外部コンタクトパッド１５が設けられている。素子基板１の大きさは天板３の大きさよりも大きく、外部コンタクトパッド１５は、素子基板１と天板３とを接合したときに天板３から露出する位置に設けられている。
【００９０】
上記のように構成された素子基板１と天板３とを位置合わせして接合すると、各液流路に対応して発熱体２が配置されるとともに、それぞれの接続用パッド１４，１８を介して素子基板１および天板３に形成された回路等が電気的に接続される。この電気的接続は例えば、接続用パッド１４，１８に金バンプ等を載せて行う方法があるが、それ以外の方法でもよい。このように、素子基板１と天板３との電気的接続を接続用コンタクトパッド１４，１８によって行うことで、素子基板１と天板３との接合と同時に、上述した回路同士の電気的接続を行うことができる。素子基板１と天板３との接合後に、液流路７の先端にオリフィスプレート４を接合し、これにより液体吐出ヘッドが完成する。
【００９１】
次に、本発明の特徴である、電流ノイズ対策用コンデンサ、不揮発性メモリ、圧電素子、可動部材を上述のＰＺＴ等の強誘電体材料により構成した実施形態をそれぞれ説明する。
【００９２】
＜強誘電体材料を用いてコンデンサを構成した例＞
図５は、本発明の一実施形態の液体吐出ヘッドの素子基板に形成される回路素子の構成を示す図で、（ａ）は素子基板を上面から見た場合の各回路素子のレイアウトを示す図、（ｂ）は電源層とグランド層がオーバーラップした部分の断面構造を示す図である。
【００９３】
図５（ａ）に示すように、素子基板１には、発熱体２（不図示）が複数配列されたヒーター列２’およびこれらを駆動するためのドライバ１１が形成されるとともに、これら回路素子と接続される電源層３０およびグランド（ＧＮＤ）層３１が積層されている。
【００９４】
電源層３０とＧＮＤ層３１とがオーバーラップした部分（オーバーラップ部３４）では、図５（ｂ）に示すように、電源層３０とＧＮＤ層３１との間に強誘電体材料膜３２が形成されており、これによりコンデンサを構成している。強誘電体材料膜３２の電源層３０およびＧＮＤ層３１との界面には、それぞれバリア層３３が形成されている。このバリア層３３を設ける理由は以下のとおりである。
【００９５】
強誘電体材料は、水素との反応により還元されて、強誘電性が著しく劣化してしまう。この還元性雰囲気は、強誘電体材料膜を形成後に層間絶縁膜や、保護膜を成膜する際に発生し易い。液体吐出ヘッド用基板の形成においては、量産性やインクに対する保護性能の観点で、層間絶縁膜や、保護膜としてプラズマＣＶＤを用いたＳｉＮ膜が使用されており、これはＳｉＨ4（シラン），ＮＨ3（アンモニア）などの還元性雰囲気中で行われる。その際には、水素プラズマが発生すると同時に、膜中に水素を含有し易くなり、それらが強誘電体特性の劣化に影響を与える。そこで、これを防止するため、バリア層３３が形成されている。
【００９６】
上述のように構成される素子基板１の等価回路の略図を図６に示す。この図６から分かるように、上述のオーバーラップ部３４に形成されたコンデンサ３４’はヒータ電源ラインとＧＮＤラインの間に挿入された構成となっている。このコンデンサ３４’は、強誘電材料膜を用いたことにより、限られたスペースに容量の大きなコンデンサを構成することができる。この構成によれば、コンデンサ３４’をヒーターにより近い部分に形成することができ、ヒーター駆動電流ノイズはコンデンサ３４’で十分に除去されることになる。
【００９７】
先に述べた通り、基板素子１は図２および図３に示した構造を有し、半導体プロセスを利用して各回路素子が形成される。この製造過程において、コンデンサ３４’を素子基板１上に同時に造り込むことができ、これによりコストが大幅に削減される。また、この場合、コンデンサ３４’を構成する強誘電体材料膜３２の保護膜であるバリア層３３を、図３に示した抵抗層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を守るために設けられた耐キャビテーション膜３０７や抵抗層３０４を含む酸化膜、窒化膜で形成することで、さらにコスト削減を図ることができる。つまり、強誘電体特性の劣化を防止するために、液体吐出ヘッド用基板の製造プロセスを活用することにより、工程の増加を防止し、コスト削減を図ることができる。
【００９８】
以上の点について、図７を参照してさらに説明する。図７は熱作用部及びコンデンサ部の層構成を示すものである。
【００９９】
図７に示される通り、熱作用部は基板上に下から順に下部配線層６０１、配線層のヒロックを防止するヒロック防止層６０２、層間膜６０３、発熱抵抗層６０４、上部配線層６０５と積層されて構成されている。一方、コンデンサ部は基板上に下から順に下部配線層６０１が形成され、その上に熱作用部において配線層のヒロックを防止するヒロック防止層６０２として形成された層を上層に形成される強誘電体層の配線層に対する保護を目的としたバリア層６０２ａとして配置され、そしてその上層に強誘電体層６０６が配置され、その上部に熱作用部において発熱抵抗層６０４として形成された層を下部の強誘電体層６０６の保護を目的としたバリア層６０４ａとして配置され、その上に上部配線層６０５が積層されて構成されている。実際には、この上に更に保護膜や耐キャビテーション膜等が形成されるが、図７では熱作用部とコンデンサ部を同一の工程で同時に形成することを説明するものであり、それらの層は省略されている。
【０１００】
熱作用部とコンデンサ部における各対応する層は、同一の工程で同時に形成されるものである。すなわち、基板上に熱作用部を構成する目的で下部配線層６０１を形成する。そして、配線層におけるヒロックを防止する目的のヒロック防止層６０２をその上に積層する。そして、層間膜６０３を形成し、コンデンサ部を形成する部分に対しては強誘電体材料層６０６を形成する。その後発熱抵抗層６０４を形成し、上部配線層６０５を形成する。このとき、強誘電体材料層６０６に対しては熱作用部を構成するヒロック防止層６０２が強誘電体材料層６０６の下部のバリア層、発熱抵抗層６０４が強誘電体材料層６０６の上部のバリア層として機能することになり、記録ヘッドの熱作用部を構成する層、特にヒロック防止層６０２、発熱抵抗層６０４がそのままコンデンサ部の強誘電体層の配線層に対するバリア層として利用することができる。このように熱作用部の製造工程をそのまま利用してコンデンサ部のバリア層を形成することができる。
【０１０１】
なお、強誘電体層６０６の形成は高温で行われ処理される必要があるため、配線層に用いられる材料としてはＣｕ、Ｃｕ−Ｓｉ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ａｕなどの金属やＩｒＯ2、ＲｕＯ2などの酸化物からなる高融点材料が使用されることが好ましい。特に、半導体素子を形成した後の工程で熱作用部を構成する膜と同時に成膜する場合には高温による配線層の損傷を防止する目的から高融点材料が使用されることが好ましい。加えて、強誘電体層６０６が配線層と直接接触することで還元されて劣化されてしまうことを防止する目的で構成されるバリア層の存在が一層有効となり、熱作用部の製造と同時に形成されるような本発明の構成とすることはより好ましい。
【０１０２】
なお、液体吐出に寄与する駆動素子としてヒーターを利用するヘッド構成においては、発熱抵抗層６０４を、ＴａＳｉＮ、ＴａＮなどのヒーター材料をスパッタリング成膜によって形成する工程を備えている。スパッタリング成膜工程は、ＣＶＤ成膜工程などで発生した水素イオンなどの発生がなく還元環境にならず強誘電体材料膜を還元雰囲気に曝すことなく、発熱抵抗層６０４や耐キャビテーション膜形成時に強誘電体材料膜６０６のバリア層を形成することができる。また、発熱抵抗層６０４や耐キャビテーション膜は液体吐出ヘッドの特性として十分な耐久性を備えたものであり、このような膜を強誘電体材料層６０６のバリア層に利用することは組成が安定しており耐久性の観点で好ましい。
【０１０３】
また、発熱抵抗層６０４や耐キャビテーション膜の成膜と同時に強誘電体材料膜６０６のバリア層を形成すれば、個々の膜を別に成膜するより製造工程の工程数の削減を図ることもでき、また製造装置も同じものを用いることができるため装置の共有化による製造装置コストの低減効果も得られる。すなわち、発熱抵抗層６０４や耐キャビテーション膜の形成と同一の手法によって強誘電体材料膜６０６のバリア層を形成することができ、発熱抵抗層６０４や耐キャビテーション膜材料をそのままバリア層として活用できる。
【０１０４】
なお、製造装置の共有化の観点に着目してみると、例えば、発熱抵抗体としてＴａＳｉＮをスパッタリング成膜で形成する場合は、スパッタリング装置におけるヒーター層形成時にはＴａＳｉターゲットをＮ雰囲気中でスパッタリングするが、同じ装置を利用してターゲットをＳｉとしＮ雰囲気中でスパッタリングすることで非常に安定なＳｉＮ膜（ＣＶＤでは成形することができない成膜工程に起因する水素を含まない膜）を強誘電体材料膜６０６のバリア層とすることができる。また、ヒーター層形成スパッタリング装置を用い、ターゲットをＴｉなどの金属としＮ雰囲気中でスパッタリングしＴｉＮ膜を強誘電体材料膜６０６のバリア層とすることもできる。各種の金属と窒素、酸素とを反応させ安定した膜を形成することが可能である。このようにインクジェット記録ヘッドの成膜装置を流用し、ターゲットのみ交換することでも有効なバリア層を形成することが可能であり、水素イオンなどの還元環境に曝すことなく、安定な膜を形成できる。
【０１０５】
ヒーター層の形成だけでなく、例えば耐キャビテーション膜として用いられているＴａなどの材料をそのまま利用して耐キャビテーション膜の成膜装置を利用してＮ雰囲気中でスパッタリングを行うことでバリア層を形成することも可能である。成膜方法はスパッタリングでありＣＶＤのように水素イオンの発生がなく強誘電体材料膜６０６が還元される環境に曝されることがなく、安定した耐キャビテーション膜と同一の材料と窒素、酸素を反応させてバリア層を構成するので安定したバリア層を構成でき、スパッタリング装置のターゲットは耐キャビテーション層と同一であり、同一装置を用いて同一工程でバリア層を構成できるため量産性に優れ、製造工程の簡略化を図れる効果を有する。
【０１０６】
さらに、ヒーター層下部に配置される配線層の上部層などに用いられるＴｉＷ、ＴａＮなどアルミ等の配線層に生じる熱によるヒロック防止膜６０２をスパッタリングする、あるいは窒素、酸素雰囲気中でスパッタリングすることで強誘電体材料膜６０６のバリア層とすることも可能である。成膜方法はスパッタリングでありＣＶＤのように水素イオンの発生がなく強誘電体材料膜６０６が還元される環境に曝されることがなく、安定したヒロック防止膜６０２と同一の材料、あるいは窒素、酸素を反応させてバリア層を構成するので安定したバリア層を構成でき、スパッタリング装置のターゲットはヒロック防止層６０２と同一であり、同一装置を用いて同一工程でバリア層を構成できるため量産性に優れ、製造工程の簡略化を図れる。
【０１０７】
なお、液体吐出ヘッドのヒーター層がＨｆＢ2など、ヒーター層とその保護層であるＳｉＮ、ＳｉＯなどの層との密着性が十分で良くない場合に設けられるＴｉなどの金属膜を密着層として介した構成の液体吐出ヘッドでは、密着層を構成する金属を窒素、酸素雰囲気中で強誘電体材料膜に対してスパッタリングして成膜することでバリア層とすることも可能である。成膜方法はスパッタリングであり、ＣＶＤのように水素イオンの発生がなく強誘電体材料膜が還元される環境に曝されることがなく、安定した密着層と同一の材料と窒素、酸素を反応させてバリア層を構成するので安定したバリア層を構成でき、スパッタリング装置のターゲットは密着層と同一であり、同一装置を用いて同一工程でバリア層を構成できるため量産性に優れ、製造工程の簡略化を図れる。
【０１０８】
なお、第１および第２のバリア層は、発熱抵抗層６０４や耐キャビテーション膜を含む酸化膜、窒化膜の膜厚方向で強誘電体材料膜６０６に近い部分の酸素、窒素の割合を高くすることは好ましい。また、これらの酸素、窒素の割合は、バリア層の膜厚方向で連続的に変化させても良いし、断続的に変化させても良い。
【０１０９】
なお、ヒータが接続される電源層とロジック回路が接続される電源層が別々に形成される場合は、コンデンサ３４’と同様の構成のコンデンサを、ロジック回路の電源ラインとＧＮＤラインとの間にも設けることが望ましい。
【０１１０】
本形態では、コンデンサ３４’は素子基板１に直接形成されているが、コンデンサ３４’を配置スペースに余裕のある天板３側に形成するようにすれば、設計上の自由度が向上する。この場合は、コンタクトパッドを介した接続構造により、天板３に形成されたコンデンサが素子基板１側に形成されたヒータまたはロジック回路の電源ラインとＧＮＤラインとの間に接続されるようにする必要がある。
【０１１１】
＜強誘電材料を用いて不揮発性メモリを構成した例＞
図８は、本発明の一実施形態の液体吐出ヘッドの素子基板に形成される回路素子の構成を示す図である。
【０１１２】
素子基板１には、発熱体２が配列されたヒーター列２’と、発熱体２を駆動するドライバ１１と、発熱体２の駆動条件を制御するために必要な、液体の状態または特性を検出するセンサ１３と、センサ１３の出力をそれぞれモニタしその検出結果に応じて発熱体２への印加エネルギーを制御する駆動制御回路３６と、センサ１３の検出結果に応じてランク分けされたコード値、予め測定されている各発熱体２による液体吐出量特性（一定温度で、所定のパルス印加における液体吐出量）をヘッド情報として記憶し駆動制御回路３６に出力するＦｅＲＡＭ３５と、センサ１３を駆動するとともにその出力である検出結果をＦｅＲＡＭ３５へ記憶させるセンサ処理部３７とが設けられている。
【０１１３】
駆動制御回路３６は、パルスジェネレータ、バッファ等から構成される。センサ１３としては、液体の状態または特性として、液体の温度の変化、液体の圧力、液体中に含まれる成分、または液体の水素イオン濃度指数（ＰＨ）等を検出するセンサが用いられる。
【０１１４】
ＦｅＲＡＭ３５は、前述の図１に示した構成の機能素子より構成される強誘電体メモリである。強誘電体メモリの一例として、『「Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3膜による強誘電体メモリの開発」、中村孝、応用物理、第６７巻、第１１号（１９９８）』に開示されている強誘電体メモリのセル構造を図９に示す。
【０１１５】
この強誘電体メモリのセル構造は、図９（ａ）に示すように、プレートライン（下部電極）３５２、強誘電体３５０、上部電極３５１を順次積層してなる強誘電体キャパシタがビットライン３５３およびワードライン３５４とともに半導体基板上に形成された構成となっている。このセル構造を用いて、図９（ｂ）に示すような１Ｔ１Ｃ型セル、図９（ｃ）に示すような２Ｔ２Ｃ型セルを構成することができる。
【０１１６】
上記のように構成された素子基板１と天板は、その接合面において、互いの基板に形成された回路等が接続用コンタクトパッドを介して接続される。このようにして素子基板１と天板とを位置合わせして接合することで、液体吐出ヘッドが構成される。
【０１１７】
以上の構成の液体吐出ヘッドでは、まず、液体の状態がセンサ１３により各液流路ごとに検出され、その結果がＦｅＲＡＭ３５に記憶される。駆動制御回路３６は、そのＦｅＲＡＭ３５に記憶されたデータに応じて各発熱体２のプレヒートパルス幅を決定するとともに、入力画像データ信号に応じて各発熱体２の駆動パルスを決定する。この駆動制御回路３６で決定されたプレヒートパルス、及び予め決められたヒートパルスが発熱体２に与えられると、発熱体３２では、プレヒートされた後、液体を発泡させるためのエネルギーが与えられる。このようにして、センサでの検出結果に応じてプレヒート幅を制御することで、液体状態にかかわらず液体の吐出量を各吐出口で一定にすることができる。
【０１１８】
ＦｅＲＡＭ３５に記憶されるヘッド情報としては、上述した液体状態の他に、吐出する液体の種類（液体がインクの場合には、インクの色等）も含めることもできる。液体の種類によってはその物性が異なり、吐出特性が異なるからである。また、センサ１３が複数設けられる場合（例えば各ノズル単位に設けられる場合）には、各センサの特性の固体差を補正するために、各センサの特性をヘッド情報としてＦｅＲＡＭ３５に予め記憶しておき、駆動時にその情報を利用して駆動条件を制御するようにしてもよい。これらのヘッド情報のＦｅＲＡＭ３５への記憶は、この液体吐出ヘッドの組立後に不揮発的に行ってもよいし、この液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出装置の立ち上げ後に装置側から転送されることで行ってもよい。
【０１１９】
本形態では、ＦｅＲＡＭ３５は素子基板１に形成されているが、スペースに余裕のある天板側に形成するようにしてもよい。一例として、ＦｅＲＡＭが天板側に形成された液体吐出ヘッドの構成を図１０に示す。
【０１２０】
図１０に示す例では、発熱体１３２に発泡エネルギーを与える前に発熱体１３２をプレヒート（液体を発泡させない程度の予備的な加熱）するもので、液体の温度を検出するセンサ（図１０では不図示）での検出結果に応じて、発熱体１３２のプレヒートパルス幅を制御する。
【０１２１】
図１０（ａ）に示すように、素子基板１３１には、一列に配列された発熱体１３２と、ドライバとして機能するパワートランジスタ１４１と、パワートランジスタ１４１の駆動を制御するためのＡＮＤ回路１３９と、パワートランジスタ１４１の駆動タイミングを制御するための駆動タイミング制御ロジック回路１３８と、シフトレジスタおよびラッチ回路で構成される画像データ転送回路１４２と、液体の温度を検出するセンサとが、半導体プロセスを用いて形成されている。
センサは、各液流路ごと、すなわち発熱体１３２ごとに設けられている。
【０１２２】
駆動タイミング制御ロジック回路１３８は、装置の電源容量を少なくする目的で、全ての発熱体１３２を同時に通電するのではなく発熱体１３２を分割駆動して時間をずらして通電するためのものであり、この駆動タイミング制御ロジック回路１３８を駆動するイネーブル信号は、外部コンタクトパッドであるイネーブル信号入力端子１４５ｋ〜１４５ｎから入力される。
【０１２３】
また、素子基板１３１に設けられる外部コンタクトパッドとしては、イネーブル信号入力端子１４５ｋ〜１４５ｎの他に、発熱体１３２の駆動電源の入力端子１４５ａ、パワートランジスタ１４１の接地端子１４５ｂ、発熱体１３２を駆動するエネルギーを制御するために必要な信号用の入力端子１４５ｃ〜１４５ｅ、ロジック回路の駆動電源端子１４５ｆ、接地端子１４５ｇ、画像データ転送回路１４２のシフトレジスタに入力されるシリアルデータの入力端子１４５ｉおよびこれに同期するシリアルクロック信号の入力端子１４５ｈ、ラッチ回路に入力されるラッチクロック信号の入力端子１４５ｊがある。
【０１２４】
一方、図１０（ｂ）に示すように、天板１３３には、発熱体１３２の駆動タイミングを決定するとともにセンサ１４３からの出力をモニタしその結果に応じて画発熱体１３２のプレヒート幅を決定する駆動信号制御回路１４６と、各発熱体に対応するプレヒート幅を選択するための選択データをヘッド情報として記憶し駆動信号制御回路１４６に出力するＦｅＲＡＭ１４９とが形成されている。このＦｅＲＡＭ１４９は上述の図８のＦｅＲＡＭと同様の構造のものである。
【０１２５】
また、接続用コンタクトパッドとして、素子基板１３１および天板１３２には、外部から上記発熱体１３２を駆動するエネルギーを制御するために必要な信号用の入力端子１４５ｃ〜１４５ｅと駆動信号制御回路１４６とを接続する端子１４４ｂ〜１４４ｄ，１４８ｂ〜１４８ｄ、駆動信号制御回路１４６の出力をＡＮＤ回路１３９の一方の入力端子に入力させるための端子１４８ａ等が設けられている。
【０１２６】
以上の構成において、まず、液体の温度がセンサにより各液流路ごとに検出され、その結果がＦｅＲＡＭ１４９に記憶される。駆動信号制御回路１４６では、ＦｅＲＡＭ１４９に記憶された温度データおよび選択データに応じて、各発熱体１３２のプレヒートパルス幅を決定し、端子１４８ａ，１４４ａを介してＡＮＤ回路１３９に出力する。一方、シリアルで入力された画像データ信号は、画像データ転送回路１４２のシフトレジスタに記憶され、ラッチ信号によりラッチ回路にラッチされて、駆動タイミング制御回路１３８を介してＡＮＤ回路１３９に出力される。
【０１２７】
画像データ信号がＡＮＤ回路１３９に出力されることで、駆動信号制御回路１４６で決定されたプレヒートパルス、及び予め決められたヒートパルスが発熱体１３２に与えられる。これにより発熱体１３２は、プレヒートされた後、液体を発泡させるためのエネルギーが与えられる。このようにして、センサでの検出結果に応じてプレヒート幅を制御することで、温度状態にかかわらず液体の吐出量を各吐出口で一定にすることができる。
【０１２８】
なお、図１０で説明した液体吐出ヘッドでは、さらに、抵抗値センサとして発熱体１３２と同様にして素子基板１３１に形成されたランクヒータ１４３と、天板１３３に形成された、ランクヒータ１４３を駆動するためのセンサ駆動回路１４７とを有する。そして、センサ駆動回路１４７とランクヒータ１４３とを接続する端子１４４ｇ，１４４ｈ，１４８ｇ，１４８ｈが、素子基板１３１及び天板１３３に形成されている。これは、ランクヒータ１４３で検出された抵抗値に基づいて発熱体１３２に印加するパルスのパルス幅を決定するためのものであり、駆動信号制御回路１４６は、ランクヒータ１４３からの出力をモニタし、その結果に応じて発熱体１３２への印加エネルギーを制御する。また、ＦｅＲＡＭ１４９は、ランクヒータ１４３で検出された抵抗値データあるいは抵抗値からランク分けされたコード値、および予め測定されている各発熱体１３２による液体吐出量特性（一定温度で、所定のパルスを印加したときの液体吐出量）をヘッド情報として記憶し、駆動信号制御回路１４６に出力する。
【０１２９】
ランクヒータ１４３を利用した発熱体１３２への印加エネルギーの制御について説明する。まず、ランクヒータ１４３の抵抗値が検出され、その結果がＦｅＲＡＭ１４９に記憶される。ランクヒータ１４３は発熱体１３２と同様にして形成されたものであるので、その抵抗値は実質的には発熱体１３２と同じであり、ランクヒータ１４３の抵抗値を発熱体１３２の抵抗値とみなす。駆動信号制御回路で１４６では、ＦｅＲＡＭ１４９に記憶された抵抗値データ及び液体吐出量特性に応じて発熱体１３２の駆動パルスの立ち上がりデータ及び立ち下がりデータを決定し、端子１４８ａ，１４４ａを介してＡＮＤ回路１３９に出力する。これによりヒートパルスのパルス幅が決定され、画像データが、画像データ転送回路１４２から駆動タイミング制御回路１３８を介してＡＮＤ回路１３９に出力されることで、駆動信号制御回路１４６で決定したパルス幅で発熱体１３２への通電が行われる。その結果、発熱体１３２には、ほぼ一定のエネルギーが印加される。
【０１３０】
＜強誘電材料を用いて圧力センサを構成した例＞
本出願人は、図３０で示したように、液流路内に、気泡の圧力伝搬方向を下流側へ導く可動部材を設けた液体吐出ヘッドを提案している。ここでは、可動部材に強誘電材料より構成された圧力センサを設けた液体吐出ヘッドの例を説明する。
【０１３１】
図１１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断面図である。
【０１３２】
本形態の液体吐出ヘッドは、前述の図２８に示した構成の液体吐出ヘッドに、発熱体２によって生成される気泡の圧力伝搬方向を下流側へ導く可動部材６を設けた構成となっている。図３０におけるものと同等な基本構成を有する可動部材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。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点６ａを持ち、この支点６ａに対して下流側に自由端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。
【０１３３】
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１１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。
【０１３４】
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）に自由端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。
【０１３５】
一方、気泡が消泡工程に入ると、可動部材６の弾性力との相乗効果で気泡は急速に消泡し、可動部材６も最終的には図１１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。
【０１３６】
上記可動部材６には、可動部材６の変位により液体を発泡させた際の気泡の圧力を検出する圧力センサ素子２００が設けられている。圧力センサ素子２００は、前述の図１に示した構成と同様の、強誘電材料よりなる圧力センサである。この圧力センサ素子２００では、可動部材６のひずみに応じて分極電荷が変化し、該変化量が液体に作用する圧力の変化として検出される。この圧力センサ素子２００の検出結果を、前述の図４に示した発熱体制御部および図１０に示した駆動制御回路にフィードバックして発熱体を制御することにより、吐出制御を安定して行うことができる。
【０１３７】
次に、気泡発生領域１０に面して設けられた、圧力センサを有する可動部材６について、図１２および図１３を参照して説明する。
【０１３８】
図１２（ａ）は圧力センサを有する可動部材６を備えたノズルを素子基板１に垂直に流路方向に沿って切断した断面図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）において発熱体２で液体に発生した気泡に伴って変位する可動部材６の様子を示している。また、図１３は各液流路に配設された可動部材６の圧力センサに対する電気配線を示すために素子基板１に平行な方向に沿って切断した断面図である。
【０１３９】
図１２に示すように可動部材６内に、各電極２０１にリード配線２０２と繋がった電極２０１が両端に形成された圧力センサ素子２００が作り込まれている。本例では、センサ素子が効率的に屈曲するように、圧力センサ素子２００の上部の可動部材を図１２のように一部除去してある。また図１３に示すように、各液流路における可動部材６の圧力センサ素子２００の両端の電極２０１のうち、一方の電極はこれと同じ他の圧力センサ素子の一方の電極と共に共通配線２０２ａに繋がっており、もう一方の電極は各可動部材に個別に設けられたセグメント配線２０２ｂに繋がっている。
【０１４０】
次に、フォトリソグラフィプロセスを利用した、圧力センサを有する可動部材６の製造方法について説明する。
【０１４１】
図１４及び図１５は、図１２及び図１３に示した可動部材の液体吐出ヘッドへの製造方法の一例を説明するための図であり、図１４及び図１５では、図１１及び図１２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１４及び図１５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１１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、その天板には流路側壁が作り込まれる。
【０１４２】
まず、図１４（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。
【０１４３】
次に、図１４（ｂ）では、ＴｉＷ膜７６の表面に、間隙形成部材７１ａを形成するためのＡｌ膜をスパッタリング法によって厚さ約４μｍ形成する。間隙形成部材７１ａは、後述する図１５（ｃ）の工程において、ＳｉＮ膜７２ａがエッチングされる領域までに延在されている。
【０１４４】
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することで、そのＡｌ膜の、可動部材６の支持固定部に対応する部分のみを除去し、ＴｉＷ膜７６の表面に間隙形成部材７１ａを形成する。従って、ＴｉＷ膜７６表面の、可動部材６の支持固定部に対応する部分が露出することになる。この間隙形成部材７１ａ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膜からなるものである。間隙形成部材７１ａは、図１１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、可動部材６の支持固定部に対応する部分を除く部分全てに形成されている。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形成部材７１ａが形成されている。
【０１４５】
この間隙形成部材７１ａ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、このような間隙形成部材７１ａ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形成部材７１ａによって防止される。
【０１４６】
次に、図１４（ｃ）では、間隙形成部材７１ａ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２．５μｍのＳｉＮ膜７２ａを、間隙形成部材７１ａを被覆するように形成する。
【０１４７】
次に、ＳｉＮ膜７２ａ上の圧力センサ素子２００が形成される部分に、周知の半導体プロセスを用いて、Ｔａ、Ｔｉ等からなる第１および第２のバリア層をスパッタリング法によって形成し、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3からなる誘電体材料膜をスパッタリング法あるいはＣＶＤ法によって形成し、前述の図１に示したように積層された圧電素子膜２００ａを形成する。
【０１４８】
次に、図１５（ａ）に示すように、圧電素子膜２００ａの両端部に対してそれぞれ、ＡｌもしくはＣｕ/Ｗでリード配線２０２ａ、２０２ｂをパターニングする。続いて、図１５（ｂ）では、ＳｉＮ膜７２ａの表面全体に、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２．０μｍのＳｉＮ膜７２ｂを、ポリシリコン膜２００ａ及びリード配線２０２ａ，２０２ｂを被覆するように形成する。
【０１４９】
次に、ＳｉＮ膜７２ｂ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７２ｂ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。但し、後述のドライエッチングの際に圧電素子膜２００ａの一部が露出されるように、圧電素子膜２００ａ上のＳｉＮ膜７２ｂの表面の一部には前記第２の保護層としてのＡｌ膜（不図示）は残さない。この第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及び７２ｂに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。
【０１５０】
そして、図１５（ｃ）では、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及び７２ｂをパターニングすることで、そのＳｉＮ膜７２ａ及び７２ｂ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ＣＦ4とＯ2との混合ガスを用いており、ＳｉＮ膜７２ａ及び７２ｂをパターニングする工程では、図１１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。
【０１５１】
次に、図１５（ｄ）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の保護層や、Ａｌ膜からなる間隙形成部材７１ａを溶出して除去し、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。
【０１５２】
以上のようにして、圧力センサ素子を有する可動部材６が設けられた素子基板１が製造される。ここでは、図１１に示したように可動部材６の支持固定部が素子基板１に直接固定されているものを製造する場合で説明したが、この製造方法を適用して、可動部材が台座部を介して素子基板に固定された液体吐出ヘッドを製造することもできる。この場合、図１４（ｂ）に示した間隙形成部材７１ａを形成する工程の前に、可動部材の、自由端と反対側の端部を素子基板に固定するための台座部を素子基板の発熱体側の面上に形成する。この場合でも、台座部と素子基板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。
【０１５３】
その後、他方の素子基板３である天板側においては、電気的な接続用パッドが形成された表面上に、金バンプ等を形成し、凸電極部を形成する。そして、図示しないが、天板側の凸電極と、素子基板１側の凹電極間で、金属の共晶を利用した接合を行った。この際、両側の金属種は、同種金属を採用した方が接合時の温度・圧力を低減でき、かつ、接合強度を高めることができる。
【０１５４】
最後に、エキシマレーザを用いて、フェイス全面に設置したコンタクトマスクを介して、オリフィス５を形成することで液体吐出ヘッドが完成する。
【０１５５】
上述した製法例では、流路側壁９を天板３側に形成しておく場合を説明したが、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側に形成してもよい。
【０１５６】
上記圧力センサ素子からの出力をモニターするための回路の一例を図１６に示す。図１６に示す回路では、記録液発泡時の圧力による圧電素子膜２００ａの変位に伴う起電力を電圧計２０６によって測定することにより、可動部材６の変位量及び発泡の圧力が計測可能となる。この回路において、Ｖout端子の電圧は圧電素子膜２００ａの起電力である。よって、このＶout出力を前述の素子基板１に形成されたＦｅＲＡＭにフィードバックする。この場合も、駆動信号制御回路で、このフィードバックされた信号をもとに駆動パルスの切り替えや選択を行うことで常に安定した発泡圧力を得ることができる。
【０１５７】
上述のように、良好な画像品位を得るために発熱体２の駆動を制御しても、共通液室内に気泡が発生し、これが液体のリフィルとともに液流路内に移動してくると、共通液室内には液体が存在するにもかかわらず、液体が吐出されないという不具合が発生する場合がある。
【０１５８】
そこで、これに対処するために、各液流路内の可動部材６に設けた圧力センサで発泡状態の異常が検出されたらその結果を後述の吸引回復操作を制御する回路に出力させる処理回路を素子基板１又は天板３に設けてもよい。そして、この処理回路からの出力に基づき、後述の液体吐出記録装置側のインク吸引手段で、液体吐出ヘッド内の液体を吐出口から強制的に吸引するようにすれば、液流路内の気泡を除去することができる。
【０１５９】
なお、本形態では、圧力センサ素子２００は可動部材に造り込まれているが、発熱体２の膜沸騰に伴って発生する気泡によって液体に作用する圧力の変化、インクの流れの淀み等、検出対象に応じて天板または素子基板の最適な場所に設けることが望ましい。例えば、図１７に示すように、液流路７内に、強誘電材料より構成される圧力センサ素子２００’を設けてもよい。この場合、圧力センサ素子２００’は、液体の流れを妨げないような構造とすることが望ましい。
【０１６０】
上述した本形態の液体吐出ヘッドによれば、近年の液体吐出ヘッドの高密度化に伴って生じていた以下のような従来の問題も解決される。
【０１６１】
液体吐出ヘッドの高密度化により液体の吐出量が少なくなっており、これに伴って、従来では大きな問題とはならなかったようなインクの状態等に起因する吐出量の差が、吐出量のばらつきとして目立つようになってきていた。このため、従来の液体吐出ヘッドの温度センサの配置では、より正確なインクの状態等を検出することが困難であった。その理由は、従来の液体吐出ヘッドの温度センサは、電気熱変換体、駆動制御部とともに、半導体ウェハプロセス技術を用いて素子基板の表面に平面的に形成されていたものであるが、素子基板の表面近傍は、インクの流れが淀み易く、また、電気熱変換体からの熱の影響により大きな温度勾配をもつためであると考えられる。本形態によれば、そのようなインクの流れの淀み、電気熱変換体からの熱の影響等を受けるとなく、より細かな液体吐出制御を行うことができる。
【０１６２】
圧力センサーについて説明したが、圧電素子である強誘電材料に電圧を印加することで、変位を起こすことを利用することもできる。具体的にはその変位を利用して、インクを吐出させたり、オリフィスのメニスカスの制御等に利用できる。変位しやすくするために、弁構造を設けてその部分に強誘電材料を設けることもできる。これはインクの圧力を検知して印字制御を行う構成とほとんど同じでできるため、組み合わせて構成してもよい。また、変位を大きくするために積層構造としてもよい。
＜強誘電材料を用いて可動部材を構成した例＞
次に、強誘電材料を用いて可動壁を構成した実施形態について図面を参照して説明する。
【０１６３】
図２は、本発明の液体吐出ヘッドにおける素子基板のインク路に相当する部分の断面図を示すものである。図２において、符号３０１はシリコン基板、符号３０２は蓄熱層であるところの熱酸化膜を示す。符号３０３は蓄熱層を兼ねる層間膜であるところのＳｉＯ2膜またはＳｉ3Ｎ4膜、符号３０４は抵抗層、符号３０５はＡｌまたはＡｌ-Ｓｉ、Ａｌ-Ｃｕ等のＡｌ合金配線、符号３０６は保護膜であるところのＳｉＯ2膜またはＳｉ3Ｎ4膜を示す。符号３０７は抵抗層３０４の発熱に伴う化学的・物理的衝撃から保護膜３０６を守るための耐キャビテーション膜を示す。また、符号３０８は、電極配線３０５が形成されていない領域の抵抗層３０４の熱作用部を示す。
【０１６４】
これらの駆動素子は、半導体技術によりＳｉ基板に形成され、熱作用部が同一基板に更に形成される。
【０１６５】
図３に、液体吐出ヘッドにおける素子基板の主要素子を縦断するように切断したときの模式的断面図を示す。
【０１６６】
Ｐ導電体のＳｉ基板３０１に、一般的なＭＯＳプロセスを用いイオンプラテーション等の不純物導入および拡散によりＮ型ウェル領域４２２にＰ-ＭＯＳ４２０、ｐ型ウェル領域４２３にＮ-ＭＯＳ４２１が構成される。Ｐ-ＭＯＳ４２０およびＮ-ＭＯＳ４２１は、それぞれ厚さ数百Åのゲート絶縁膜４２８を介して４０００Å以上５０００Å以下の厚さにＣＶＤ法で堆積したｐｏｌｙ-Ｓｉによるゲート配線４３５およびＮ型あるいはＰ型の不純物導入をしたソース領域４２５、ドレイン領域４２６等で構成され、それらＰ-ＭＯＳとＮ-ＭＯＳによりＣ-ＭＯＳロジックが構成される。
【０１６７】
また、素子駆動用Ｎ-ＭＯＳトランジスタは、やはり不純物導入および拡散等の工程によりＰ-ウェル基板中にドレイン領域４３１、ソース領域４３２およびゲート配線４３３等で構成される。
【０１６８】
なお、本形態では、Ｎ-ＭＯＳトランジスタを使った構成で説明しているが、複数の発熱体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構造を達成できる機能を持つトランジスタであれば、これに限らない。
【０１６９】
また、各素子間は、５００Å以上１００００Å以下の厚さのフィールド酸化により、酸化膜分離領域４２３を形成し、素子分離されている。このフィールド酸化膜は、熱作用部３０８下においては一層目の蓄熱層４３４として作用する。
【０１７０】
各素子が形成された後、層間絶縁膜４３６が約７０００Åの厚さにＣＶＤ法によるＰＳＧ(Phospho Silicate Glass)、ＢＰＳＧ(Boron-doped Phospho Silicate Glass)膜等で堆積され、熱処理により平坦化処理等をされてからコンタクトホールを介し、第１の配線層となるＡｌ電極４３７により配線が行われている。その後、プラズマＣＶＤ法によるＳｉＯ2膜等の層間絶縁膜４３８を１００００Å以上１５０００以下の厚さに堆積し、更にスルーホールを介して、抵抗層３０４として約１０００Åの厚さのＴａＮ0.8,hex膜をＤＣスパッタ法により形成した。その後、各発熱体への配線となる第２の配線層Ａｌ電極を形成した。
【０１７１】
次に、保護膜３０６は、プラズマＣＶＤによるＳｉ3Ｎ4膜が、約１００００Åの厚さに成膜される。最上層には、耐キャビテーション膜１０７がアモルファスタンタルによって約２５００Åの厚さに堆積される。耐キャビテーション膜３０７の材料としては、金属膜よりも導電性の弱いアモルファス金属を選択した。また、耐キャビテーション膜３０７の材料として、更に導電性が弱く、比誘電率が比較的高い絶稼材料である窒化物（ＢＮ，ＴｉＮ）や炭化物（ＷＣ，ＴｉＣ，ＢＣ）等を用いてもよい。
【０１７２】
図１８は本発明の液体吐出ヘッドの一実施形態の基本的な構造を説明するための、液流路方向に沿った断面図、図１９は図１８に示した液体吐出ヘッドの一部を破断して示す斜視図である。
【０１７３】
本実施形態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気泡発生素子である複数個（図１８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を有する。
【０１７４】
素子基板１は、シリコン等の基体上に絶縁および蓄熱を目的とした酸化シリコン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電極をパターニングしたものである。この配線電極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。
【０１７５】
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８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、酸化シリコン等の流路側壁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。
【０１７６】
天板３の先端面には壁部が設けられており、この壁部には、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。
【０１７７】
さらに、この記録ヘッドには、液流路７を第１の液流路７ａと第２の液流路７ｂとに分けるように配置された片持梁状の可動部材６が設けられている。可動部材６は、強誘電体薄膜６ａと、その両面に設けられた電極６ｂと、上側の電極６ｂの表面に設けられた変位補助層としての上部膜６ｃとを有している。上部膜６ｃは、電界中に置かれても歪みを生じない材料であるＳｉＮやＳｉＯ2等によって形成されている。なお、この変位補助層は下側の電極６ｂの表面に設けられていてもよい。
【０１７８】
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の上方を経て吐出口５側へ流れる大きな流れの上流側であって、可動部材６の素子基板１との支持固定部の付近に支点６ｄを有し、さらに、この支点６ｄに対して下流側に自由端６ｅを持つように、素子基板１上に配置されている。なお、発熱体２の上方が気泡発生領域１０となる。
【０１７９】
なお、ここで、「上流」および「下流」とは、液体の供給源から気泡発生領域１０（あるいは可動部材６）の上方を経て、吐出口５へ向かう液体の流れ方向に関して、又はこの構成上の方向に関しての表現として表されている。
【０１８０】
次に、素子基板１および天板３への回路や素子の振り分け構成について説明する。
【０１８１】
図４は、図１８に示した液体吐出ヘッドの回路構成を説明するための図であり、同図（ａ）は素子基板の平面図、同図（ｂ）は天板の平面図である。なお、図４（ａ）および（ｂ）は、互いの対向面を表わしている。
【０１８２】
図４（ａ）に示すように、素子基板１には、並列に配列された複数の発熱体２と、画像データに応じてこれら発熱体２を駆動するドライバ１１と、入力された画像データをドライバ１１に出力する画像データ転送部１２と、発熱体２の駆動条件を制御するために必要なパラメータを測定するセンサ１３とが設けられている。
【０１８３】
画像データ転送部１２は、シリアルに入力される画像データを各ドライバ１１にパラレルに出力するシフトレジスタ、およびシフトレジスタから出力されるデータを一時記憶するラッチ回路で構成される。なお、画像データ転送部１２は、各発熱体２に個別に対応して画像データを出力するものでもよいし、発熱体２の並びを複数のブロックに分け、ブロック単位に対応して画像データを出力するものでもよい。特に、１つのヘッドについて複数のシフトレジスタを備え、記録装置からのデータの転送を複数のシフトレジスタに振り分けて入力するようにすることで、印字速度の高速化に容易に対応することもできる。
【０１８４】
センサ１３としては、発熱体２の近傍の温度を測定する温度センサや、発熱体２の抵抗値をモニタするための抵抗センサ等が用いられる。
【０１８５】
噴射される液滴の吐出量を考えた場合、その吐出量は主に液体の発泡体積に関係する。液体の発泡体積は、発熱体２およびその周辺の温度によって変化する。そこで、温度センサによって発熱体２および周辺の温度を測定し、その結果に応じて液体吐出のためのヒートパルスを印加する前に、液体を吐出しない程度の小さいエネルギーのパルス（プレヒートパルス）を加え、そのプレヒートパルスのパルス幅や、その出力タイミングを変更することにより発熱体２および周辺の温度を調整して、一定の液滴を吐出するようにして画像品位を維持することが行われる。
【０１８６】
また、発熱体２における、液体を発泡させるのに必要なエネルギーを考えた場合、放熱条件が一定であれば、そのエネルギーは発熱体２の必要な単位面積当たりの投入エネルギーと発熱体２の面積の積で表わされる。これにより、発熱体２の両端にかかる電圧、発熱体２を流れる電流およびパルス幅を、その必要なエネルギーが得られる値に設定すればよい。ここで発熱体２に印加される電圧については、液体吐出装置本体の電源により電圧を供給することにより、ほぼ一定に保持することができる。一方、発熱体２を流れる電流については、発熱体２の抵抗値が、素子基板１の製造過程における発熱体２の膜厚のばらつき等により、ロットにより、あるいは素子基板１によって抵抗値が異なってくる。従って、印加されるパルス幅が一定で、発熱体２の抵抗値が設定よりも大きい場合はその流れる電流値が小さくなり、発熱体２に投入されるエネルギー量が不足してしまい、液体を適正に発泡させることができなくなる。逆に、発熱体２の抵抗値が小さくなると、同じ電圧を印加しても電流値が設定値よりも大きくなる。この場合には、発熱体２により過剰なエネルギーが発生され、発熱体２の損傷や短寿命につながるおそれがある。そこで、抵抗センサによって発熱体２の抵抗値を常にモニタし、その値により電源電圧やヒートパルス幅を変化させ、発熱体２にほぼ一定のエネルギーが印加されるようにする方法もある。
【０１８７】
一方、図４（ｂ）に示すように、天板３には、前述したように液流路および共通液室を構成する溝３ａ，３ｂが形成される他に、素子基板１に設けられたセンサ１３を駆動するセンサ駆動部１７と、センサ駆動部１７により駆動されたセンサからの出力結果に基づいて発熱体２の駆動条件を制御する発熱体制御部１６とが設けられている。なお、天板３には、外部から共通液室に液体を供給するために、共通液室に連通した供給口３ｃが開口している。
【０１８８】
さらに、素子基板１および天板３の接合面の、互いの対向する部位にはそれぞれ、素子基板１に形成された回路等と天板３に形成された回路等とを電気的に接続するための接続用コンタクトパッド１４，１８が設けられている。また、素子基板１には、外部からの電気信号の入力端子となる外部コンタクトパッド１５が設けられている。素子基板１の大きさは天板３の大きさよりも大きく、外部コンタクトパッド１５は、素子基板１と天板３とを接合したときに天板３から露出する位置に設けられている。
【０１８９】
ここで、素子基板１および天板３への回路等の形成手順の一例について説明する。
【０１９０】
素子基板１については、まず、シリコン基板上に、上記ドライバ１１、画像データ転送部１２およびセンサ１３を構成する回路を半導体ウェハプロセス技術を用いて形成する。次いで、前述したようにして発熱体２を形成し、最後に、接続用コンタクトパッド１４および外部コンタクトパッド１５を形成する。
【０１９１】
天板３については、まず、シリコン基板上に、上記発熱体制御部１６およびセンサ駆動部１７を構成する回路を半導体ウェハプロセス技術を用いて形成する。次いで、上述したように、成膜技術およびエッチングによって、液流路や共通液室を構成する溝３ａ，３ｂおよび供給口３ｃを形成し、最後に、接続用コンタクトパッド１８を形成する。
【０１９２】
上記のように構成された素子基板１と天板３とを位置合わせして接合すると、各液流路に対応して発熱体２が配置されるとともに、それぞれの接続用パッド１４，１８を介して素子基板１および天板３に形成された回路等が電気的に接続される。この電気的接続は例えば、接続用パッド１４，１８に金バンプ等を載せて行う方法があるが、それ以外の方法でもよい。このように、素子基板１と天板３との電気的接続を接続用コンタクトパッド１４，１８によって行うことで、素子基板１と天板３との接合と同時に、上述した回路同士の電気的接続を行うことができる。素子基板１と天板３との接合後に、液流路７の先端にオリフィスプレート４を接合し、これにより液体吐出ヘッドが完成する。
【０１９３】
なお、図１８に示したように本実施形態の液体吐出ヘッドは可動部材６を有しているが、この可動部材６についても、上述のようにして素子基板に回路等を形成した後、フォトリソグラフィプロセスを用いて素子基板１上に形成される。可動部材６の形成工程については以下に説明する。
【０１９４】
このようにして得られた液体吐出ヘッドをヘッドカートリッジや液体吐出装置に搭載する場合には、図２０に示すように、プリント配線基板２３が搭載されたベース基板２２上に固定し、液体吐出ヘッドユニット２０とされる。図２０において、プリント配線基板２３には、液体吐出装置のヘッド制御部と電気的に接続される複数の配線パターン２４が設けられ、これら配線パターン２４は、ボンディングワイヤー２５を介して外部コンタクトパッド１５と電気的に接続される。外部コンタクトパッド１５は素子基板１のみに設けられているので、液体吐出ヘッド２１と外部との電気的接続は、従来の液体吐出ヘッドと同様にして行うことができる。ここでは、外部コンタクトパッド１５を素子基板１に設けた例について説明したが、素子基板１ではなく天板３のみに設けてもよい。
【０１９５】
以上説明したように、発熱体２の駆動や制御のための各種回路等を素子基板１と天板３とに両者の電気的接合を考慮した上で振り分けることで、これらの回路等が１つの基板に集中しなくなるので、液体吐出ヘッドの小型化が可能になる。また、素子基板１に設けられた回路等と天板３に設けられた回路等との電気的接続を接続用コンタクトパッド１４，１８によって行うことで、ヘッド外部への電気的接続部の数が減り、信頼性の向上、部品点数の削減、ヘッドのより一層の小型化を実現することができる。
【０１９６】
また、上述した回路等を素子基板１と天板３とに分散させることで、素子基板１の歩留まりを向上させることができ、その結果、液体吐出ヘッドの製造コストを下げることができる。さらに、素子基板１および天板３を、シリコンという同一材料をベースとした材料で構成しているため、素子基板１と天板３との熱膨張係数が等しくなる。その結果、発熱体２の駆動により素子基板１および天板３が熱膨張しても両者にずれは生じなくなり、発熱体２と液流路７との位置精度が良好に維持される。
【０１９７】
本実施形態では上述の各回路等をその機能に応じて振り分けているが、この振り分けの基準となる考え方について以下に述べる。
【０１９８】
各発熱体２に個別またはブロック単位に電気配線接続で対応する回路は、素子基板１に形成する。図４に示した例では、ドライバ１１および画像データ転送部１２がこれに相当する。各発熱体２には駆動信号がパラレルに与えられるので、その信号分だけ配線の引き回しが必要となる。従って、このような回路を天板３に形成すると、素子基板１と天板３との接続数が多くなり接続不良が発生する可能性が高くなるが、素子基板１に形成することで、発熱体２と上記回路との接続不良が防止される。
【０１９９】
制御回路などアナログ的な部分は、熱の影響を受け易いことから、発熱体２が設けられていない基板すなわち天板３に設ける。図４に示した例では、発熱体制御部１６がこれに相当する。
【０２００】
センサ１３は、必要に応じて素子基板１に設けてもよいし、天板３に設けてもよい。例えば抵抗センサである場合には、抵抗センサは素子基板１上に設けないと意味がなかったり測定精度が低下したりするため素子基板１に設ける。また、温度センサの場合には、ヒータ駆動回路の異常による温度上昇などを検知する場合には素子基板１上に設けることが好ましいが、後述するインクを介しての温度上昇によりインクの状態を判断したい場合には、天板３、或いは素子基板１と天板３との双方に設けることが好ましい。
【０２０１】
その他、各発熱体２に個別にもブロック単位にも電気配線接続で対応していない回路、必ずしも素子基板１に設けなくてもよい回路、天板３に設けても測定精度には影響しないセンサ等は、素子基板１および天板３のいずれか一方に集中しないように必要に応じて素子基板１または天板３に形成する。図４に示した例では、センサ駆動部１７がこれに相当する。
【０２０２】
上記の考え方に基づいて各回路やセンサ等を素子基板１と天板３とに設けることで、素子基板１と天板３との電気的接続数をできるだけ少なくしつつも、各回路やセンサ等をバランスよく振り分けることができる。
【０２０３】
次に、本実施形態の液体吐出ヘッドの可動部材の製造方法について、図２１を参照して説明する。図２１は、図１８に示した液体吐出ヘッドにおける可動部材の製造工程を示す、液流路方向に沿った断面図である。
【０２０４】
まず、図２１（ａ）に示すように、素子基板１の耐キャビテーション層５０１の上に、可動部材６を変位させる駆動信号を与えるための一方の電極配線となる、Ｃｕ-Ｓｉからなる膜厚が３０００Åの配線層５０２を形成する。そして、所望の電極配線が形成するために、配線層５０２パターニングおよびエッチングを行う。次に、この配線層５０２の上に、ＳｉＮ膜からなる膜厚が５０００Åの中間層５０３を形成する。
【０２０５】
次に、同図（ｂ）に示すように、素子基板１の上面全体に、ＣＶＤ法によって温度３５０℃の条件でＰＳＧ膜５０４を形成する。ＰＳＧ膜５０４の膜厚は１〜２０μｍであり、この膜厚は図１８に示した素子基板１と可動部材６とのギャップに相当する。ＰＳＧ膜５０４の膜厚をこのような範囲とすることにより、記録ヘッドにおける液流路全体のバランス上、可動部材６による液体吐出効率向上の効果が顕著に現れる。
【０２０６】
次に、ＰＳＧ膜５０４をパターニングするために、ＰＳＧ膜５０４の表面にスピンコート等によりレジストを塗布した後、露光および現像を行い、そのレジストのうちの可動部材６が固定される部分に相当する部分を除去する。続いて、ＰＳＧ膜５０４のうちのレジストで覆われていない部分を、バッファードフッ酸によるウェットエッチングによって除去する。その後、ＰＳＧ膜５０４の表面に残っているレジストを、酸素プラズマによるアッシングによって、あるいは素子基板１をレジスト除去剤に浸すことによって除去する。これにより、ＰＳＧ膜５０４の一部が素子基板１の表面に残され、後の工程で可動部材６と素子基板１との空間に相当する型部材が作り込まれる。
【０２０７】
次に、同図（ｃ）に示すように、ＳｉＮからなる膜厚が５０００Åの保護層５０５を形成し、上述した中間層５０３および保護層５０５のパターニングおよびエッチングを行う。
【０２０８】
次いで、同図（ｄ）に示すように、可動部材６の駆動信号を与えるためのＣｕ-Ｓｉからなる膜厚が３０００Åの電極層５０６をスパッタリング法により形成し、同様にパターニングおよびエッチングを行う。これにより、電極層５０６が配線層５０２に接続され、下側の電極６ｂ（図１８参照）が形成される。
【０２０９】
次に、次に形成する強誘電体層５０７を電極層５０６から保護するためのバリア層５１０をスパッタリングによって形成した後、同図（ｅ）に示すように、ＲＦスパッタリング法により、Ｐｂ（Ｚｒ0.5Ｔｉ0.5）Ｏ3からなる膜厚が１μｍの強誘電体層５０７を形成する。次いで、成膜された強誘電体層５０７のパターニングおよびエッチングを行うことにより、強誘電体層５０７を可動部材６に相当する形状に形成する。
【０２１０】
続いて、強誘電体層５０７上に電極層５０８に対する保護層としてのバリア層５１１をスパッタリングによって形成した後、同図（ｆ）に示すように、可動部材６の駆動信号を与えるもう一方の上側の電極６ｂを成す電極層５０８を、Ｃｕ-Ｓｉによって膜厚が３０００Åとなるように形成する。次に、電極層５０８を保護するために、ＳｉＮからなる膜厚が３０００Åの保護層５０９を形成する。次に、可動部材６の変位をより大きくするために、ＳｉＮからなる膜厚が６０００Åの上部膜５１０を形成する。
【０２１１】
最後に、素子基板１と可動部材６との間の気泡発生領域１０（図１８参照）に相当する部分を形成するために、型部材として残っているＰＳＧ膜５０４をバッファードフッ酸によるウェットエッチングによって除去する。これにより、同図（ｇ）に示すように、素子基板１と可動部材６との間にギャップが形成される。
【０２１２】
以上の工程により、本実施形態の可動部材６が作成される。
【０２１３】
ここで、本実施形態の液体吐出ヘッドの可動部材の他の製造方法について、図２２を参照して説明する。図２２は、本製造方法に用いられるＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を示す概略図である。
【０２１４】
本製造方法では、可動部材６の強誘電体薄膜６ａを（Ｂａ-Ｓｒ）ＴｉＯ3で構成し、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法を用いて形成する。これ以外は、図２１を参照して説明した製造方法と同様に行う。
【０２１５】
ＥＣＲプラズマＣＶＤによって形成される強誘電体薄膜６ａの材料には、Ｂａ（ＤＰＭ）2[bis-dipivaloylmethanate barium]、Ｓｒ（ＤＰＭ）2、Ｔｉ（Ｏ-ｉ-Ｃ3Ｈ7）4およびＯ2が用いられる。Ｂａ（ＤＰＭ）2およびＳｒ（ＤＰＭ）2は、それぞれ融点に近い高温で、図２２に示すようにＡｒガスをキャリアとして装置のチャンバー内に供給される。また、Ｔｉ（Ｏ-ｉ-Ｃ3Ｈ7）4は、キャリアガスであるＡｒガスによってハブリングすることにより、装置のチャンバー内に供給される。一方、Ｏ2ガスも装置のチャンバー内に供給される。
【０２１６】
次に、チャンバー内に２．５４ＧＨｚのマイクロ波を導入して、これらの材料をプラズマ化させる。これにより、これらの材料はチャンバー内に配置された基板の表面に到達し、強誘電体材料から成る強誘電体薄膜６ａが形成される。
【０２１７】
なお、上記では、可動部材６の強誘電体薄膜６ａをスパッタリング法あるいはＥＣＲプラズマＣＶＤ法を用いて形成する方法について説明した。しかし、強誘電体薄膜６ａの形成はこれらの製法に限られず、これらの他にもプラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ(Molecular Organic CVD)法等を用いて形成することが可能である。
【０２１８】
また、強誘電体薄膜６ａの材料には、上記に示したものの他に、ＰＺＴ：Ｐｂ-Ｚｒｘ-Ｔｉ１-ｘＯ3、ＳＢＴ：Ｓｒ-Ｂｉ2-Ｔａ2Ｏ5、ＳｒＴｉＯ3、ＢａＴｉＯ3、ＰＬＺＴ：（Ｐｂ，Ｌａ）-（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3等を用いることができる。強誘電体薄膜６ａの組成は、膜厚方向に関して、連続的に変化させてもよいし、断続的に変化させてもよい。
【０２１９】
［本形態の液体吐出ヘッドの液体吐出の基本原理］
次に、本発明のような液体吐出ヘッドによる液体吐出の基本槻念について、図２３を参照して具体的に説明する。
【０２２０】
図２３は、本発明の液体吐出ヘッドによる吐出方法を説明するための、流路方向の断面図である。
【０２２１】
図２３に示すように、吐出口５は液流路７の端部域に配置され、可動部材６は吐出口５の上流側に配置されている。吐出口５に直接連通している液流路７内には、共通液室８から供給される液体が満たされている。可動部材６は、可動部材６に設けられた上下の電極６ｂ間に電圧を印加することにより、強誘電体薄膜６ａに発生する歪み力によって変位可能である。特に本実施形態では、液体の流れ方向に関して、上下の電極６ｂ間に電圧を印加すると強誘電体薄膜６ａの長さが伸縮するのに対し、上部膜６ｃの長さは電極６ｂ間への電圧の印加にかかわらず一定であるため、薄膜６ａと上部膜６ｃとの間に生じる長さの差によって可動部材６に歪み力が発生し、これによって可動部材６を大きく変位させることができるようになっている。
【０２２２】
可動部材６は、電極６ｂ間に電圧を印加すると薄膜６ａが収縮して素子基板１側へ変位し、また、両電極６ｂ間に上記の場合とは正負が逆の電圧を印加すると薄膜６ａが伸長して天板３側へ変位する。また、可動部材６は、気泡発生領域１０に発生した気泡の成長および収縮に伴っても、天板３側あるいは素子基板１側へ変位可能である。
【０２２３】
まず最初に、図２３（ａ）に示す初期状態では、液体自身が有している表面張力により、液体が吐出口５から少し突出した状態になっている。
【０２２４】
次に、両電極間６ｂに電圧を印加することにより強誘電体薄膜６ａが収縮し、同図（ｂ）に示すように、可動部材６が素子基板１側へ変位する。それに伴って、吐出口５から突出していた液体の液面が液流路７内に一定距離後退した状態になる。これにより、各液体吐出動作毎の液体吐出量を安定させることが可能となる。
【０２２５】
同図（ｃ）では、発熱体２に熱発生エネルギーが与えられ、気泡発生領域１０に気泡５０が生じる直前に、可動部材６の両電極６ｂ間に同図（ｂ）の場合とは逆の電位をかけることにより、強誘電体薄膜６ａを逆方向に歪ませることで、可動部材６を天板３側に変位させておく。その後、成長した気泡５０は、直前に変位し後方（上流側）の障壁となっている可動部材６の所で止まっており、発生した圧力波によって流れを持った液体は、可動部材６よりも後方へは流れないようになっている。
【０２２６】
つまり、液体の加熱発泡に先立って、両電極６ｂ間に上記とは正負が逆の電圧を印加し、可動部材６を予め天板３側に変位させておくことが好ましい。これにより、上流側への液体の流れが遮断され、液体を下流側の吐出口５へ効率的に送ることができ、吐出口５からの液体吐出効率を向上させることができる。
【０２２７】
発熱体２の表面全体に発生した気泡が急速に成長していくと膜状となり、その後、発生初期のきわめて高い圧力による気泡の膨張を続けていくと、同図（ｃ）に示す気泡５０のように最大発泡径まで成長する。
【０２２８】
次に、飛翔液体（液滴）が吐出口５における液体表面から離別する瞬間に、両電極６ｂ間に当初と正負が同じ電圧を印加することにより、同図（ｄ）に示すように可動部材６を素子基板１側に変位させる。この作用により、吐出口５側から液流路７内に各吐出動作毎に同一の量の液体が引き戻される。これにより、吐出口５付近の液体が飛翔液体（液滴）に追随するようにして尾引き形状となる現象や、主液滴の後にサテライト液滴である小液滴が飛翔する現象を無くすことができる。さらに、上流側からの液体のリフィルがより高速に行われる。
【０２２９】
また、同図（ｃ）と（ｄ）とに示す状態の間において、両電極６ｂ間に当初と正負が同じ電圧を印加することにより、同図（ｃ）に示す状態から同図（ｄ）に示す状態へ至る時間、すなわち可動部材６が天板３側へ最大に変位した状態から可動部材６が素子基板１側に変位するまでの時間を短くすることができ、液体吐出周波数を向上させることが可能となる。
【０２３０】
最後に、可動部材６が自身の弾性力で元の位置に戻ると、液体吐出ヘッドは再び初期状態となる。
【０２３１】
図２４は、図２３で示した本発明の吐出原理を実施するために、発熱体２や可動部材６内に設けられた電極６ｂ等に入力する信号のタイミングチャートを示している。
【０２３２】
本実施形態では、まず最初に、ＶＡＬＶＥ信号をハイレベル（以下、「Ｈレベル」という。）にして、弁である可動部材６をＧＮＤレベルにする。そして、プレヒート信号を印加すると、弁がヒータである発熱体２側に変位し、吐出口におけるメニスカスを後退させる。その後、プレヒート信号の印加を終了させた後に、ＶＡＬＶＥ信号をローレベル（以下、「Ｌレベル」という。）にして弁の誘電体膜６ａの電荷をディスチャージさせ、弁をＧＮＤレベルに設定することにより、弁を元の位置に戻す。
【０２３３】
次に、メインヒート信号を印加させることで吐出口５から液滴を吐出させる。
このとき、弁は気泡の後方成長を止める働きをする。
【０２３４】
次に、ＶＡＬＶＥ信号をＨレベルにして、弁をＧＮＤレベルにする。そして、プレヒート信号を印加すると、弁がヒータ側に変位し、液流路への液体のリフィル速度を促進させる。その後、ＶＡＬＶＥ信号をＬレベルにして、弁を元の位置に戻す。
【０２３５】
以上、本発明の基本的な構成についての実施形態を説明したが、以下に、上述した回路等の具体的な例について説明する。
【０２３６】
〈発熱体への印加エネルギーを制御する例〉
図２５は、センサ出力に応じて発熱体への印加エネルギーを制御する例の素子基板および天板の回路構成を示す図である。
【０２３７】
図２５（ａ）に示すように、素子基板１３１には、一列に配列された発熱体１３２と、ドライバとして機能するパワートランジスタ１４１と、パワートランジスタ１４１の駆動を制御するためのＡＮＤ回路１３９と、パワートランジスタ１４１の駆動タイミングを制御するための駆動タイミング制御ロジック回路１３８と、シフトレジスタおよびラッチ回路で構成される画像データ転送回路１４２と、発熱体１３２の抵抗値を検出するセンサとしての吐出ヒータ用ランクヒータ１４３とが形成されている。
【０２３８】
駆動タイミング制御ロジック回路１３８は、装置の電源容量を少なくする目的で、全ての発熱体１３２を同時に通電するのではなく発熱体１３２を分割駆動して時間をずらして通電するためのものであり、この駆動タイミング制御ロジック回路１３８を駆動するイネーブル信号は、外部コンタクトパッドであるイネーブル信号入力端子１４５ｋ〜１４５ｎから入力される。
【０２３９】
また、素子基板１３１に設けられる外部コンタクトパッドとしては、イネーブル信号入力端子１４５ｋ〜１４５ｎの他に、発熱体１３２の駆動電源の入力端子１４５ａ、パワートランジスタ１４１の接地端子１４５ｂ、発熱体１３２を駆動するエネルギーを制御するために必要な信号用の入力端子１４５ｃ〜１４５ｅ、ロジック回路の駆動電源端子１４５ｆ、接地端子１４５ｇ、画像データ転送回路１４２のシフトレジスタに入力されるシリアルデータの入力端子１４５ｉおよびこれに同期するシリアルクロック信号の入力端子１４５ｈ、ラッチ回路に入力されるラッチクロック信号の入力端子１４５ｊがある。
【０２４０】
一方、図２５（ｂ）に示すように、天板１３３には、吐出ヒータ用ランクヒータ１４３を駆動するためのセンサ駆動回路１４７と、吐出ヒータ用ランクヒータ１４３からの出力をモニタしその結果に応じて発熱体１３２への印加エネルギーを制御するための駆動信号制御回路１４６と、吐出ヒータ用ランクヒータ１４３で検出された抵抗値データあるいは抵抗値からランク分けされたコード値、および予め測定されている各発熱体１３２による液体吐出量特性（一定温度で、所定のパルス印加における液体吐出量）をヘッド情報として記憶し駆動信号制御回路１４６に出力するメモリ１４９とが形成されている。
【０２４１】
また、接続用コンタクトパッドとして、素子基板１３１および天板１３２には、吐出ヒータ用ランクヒータ１４３とセンサ駆動回路１４７とを接続する端子１４４ｇ，１４４ｈ，１４８ｇ，１４８ｈ、外部から上記発熱体１３２を駆動するエネルギーを制御するために必要な信号用の入力端子１４５ｃ〜１４５ｅと駆動信号制御回路１４６とを接続する端子1４４ｂ〜１４４ｄ，１４８ｂ〜１４８ｄ、駆動信号制御回路１４６の出力をＡＮＤ回路１３９の一方の入力端子に入力させるための端子１４８ａ等が設けられている。
【０２４２】
以上の構成において、まず、発熱体１３２の抵抗値が吐出ヒータ用ランクヒータ１４３で検出され、その結果がメモリ１４９に記憶される。駆動信号制御回路１４６では、メモリ１４９に記憶された抵抗値データおよび液体吐出量特性に応じて発熱体１３２の駆動パルスの立ち上がりデータおよび立ち下がりデータを決定し、端子１４８ａ，１４４ａを介してＡＮＤ回路１３９に出力する。一方、シリアルで入力された画像データは、画像データ転送回路１４２のシフトレジスタに記憶され、ラッチ信号によりラッチ回路にラッチされて、駆動タイミング制御回路１３８を介してＡＮＤ回路１３９に出力される。これにより、立ち上がりデータおよび立ち下がりデータに応じてヒートパルスのパルス幅が決定され、このパルス幅で発熱体１３２への通電が行われる。その結果、発熱体１３２にはほぼ一定のエネルギーが印加される。
【０２４３】
上述の説明では、吐出ヒータ用ランクヒータ１４３を抵抗センサとして説明したが、例えば、素子基板１３１の温度あるいは発熱体１３２の蓄熱の程度を検知するための温度センサとし、この温度センサでの検出結果に応じてプレヒートパルス幅を制御することもできる。
【０２４４】
この場合には、液体吐出装置の電源が投入された後、予め測定されている液体吐出量特性と、吐出ヒータ用ランクヒータ１４３で検出された温度データに応じて、駆動信号制御回路１４６は各発熱体１３２のプレヒート幅を決定する。メモリ１４９には、各発熱体１３２に対応するプレヒート幅を選択するための選択データが記憶されており、実際にプレヒートを行う際に、メモリ１４９に記憶されている選択データに従ってプレヒート信号が選択され、これに応じて発熱体１３２がプレヒートされる。このようにして、温度状態にかかわらず液体の吐出量が各吐出口で一定になるようにプレヒートパルスを設定して印加することができる。なお、プレヒート幅を決定する選択データの保存は、例えば液体吐出装置の起動時等に一度だけ行えばよい。
【０２４５】
図２５に示した例では、１つの吐出ヒータ用ランクヒータ１４３を設けた例を説明したが、センサとして、抵抗センサおよび温度センサの２つのセンサを設け、それぞれの出力に応じてヒートパルスおよびプレヒートパルスの双方を制御することで、画像品位をより向上させることもできる。
【０２４６】
さらに、メモリ１４９に記憶されるヘッド情報としては、上述した発熱体の抵抗値データ等の他に、吐出する液体の種類（液体がインクの場合には、インクの色等）も含めることもできる。液体の種類によってはその物性が異なり、吐出特性が異なるからである。これらのヘッド情報のメモリ１４９への記憶は、この液体吐出ヘッドの組立後に不揮発的に行ってもよいし、この液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出装置の立ち上げ後に装置側から転送されることで行ってもよい。
【０２４７】
また、図２５に示した例では、吐出ヒータ用ランクヒータ１４３を素子基板１３１に設けているが、吐出ヒータ用ランクヒータ１４３が温度センサである場合には、天板１３３に設けてもよい。メモリ１４９についても、素子基板１３１側のスペースが許せは、天板１３３ではなく素子基板１３１に設けてもよい。
【０２４８】
上述のように、良好な画像品位を得るために発熱体１３２の駆動を制御しても、共通液室内に気泡が発生し、これが液体のリフィルとともに液流路内に移動してくると、共通液室内には液体が存在するにもかかわらず、液体が吐出されないという不具合が発生する場合がある。
【０２４９】
そこで、これに対処するために、詳細は後述するが、各液流路内（特に発熱体３２の近傍）での液体の有無を検出するセンサを設け、さらに、このセンサで液体がないことが検出されたらその結果を外部に出力させる処理回路を天板１３３に設けてもよい。そして、この処理回路からの出力に基づき、液体吐出装置側で、液体吐出ヘッド内の液体を吐出口から強制的に吸引するようにすれば、液流路内の気泡を除去することができる。上記の液体の有無を検出するセンサとしては、液体を介しての抵抗値の変化により検出するものや、液体が存在しない場合の発熱体の異常昇温を検出するものを用いることができる。
【０２５０】
次に、上記に説明した液体吐出ヘッドが搭載された液体吐出ヘッドカートリッジを、図２６を参照して概略説明する。図２６は、前述した液体吐出ヘッドが搭載された液体吐出ヘッドカートリッジを示す斜視図である。
【０２５１】
本実施形態の液体吐出ヘッドカートリッジ５７１は、前述した液体吐出ヘッド５７２と、液体吐出ヘッド５７２に供給されるインク等の液体を収容する液体容器５７３とを有している。液体容器５７３に収容された液体は、不図示の液体供給路を通って液体吐出ヘッド５７２の共通液室（図１１等参照）に供給される。
【０２５２】
なお、この液体容器５７３は、液体の消費後に液体を再充填して使用してもよい。このためには、液体容器５７３に液体注入口を設けておくことが望ましい。また、液体吐出ヘッド５７２と液体容器５７３とは一体であってもよく、あるいは分離可能としてもよい。
【０２５３】
以上、説明した各実施形態の構成が適用される液体吐出ヘッドの構造は、図示された構造に限られるものではなく、熱エネルギーを利用する種々の液体吐出ヘッドに適用可能である。例えば、記録素子として、液体を吐出するための熱エネルギーを発する発熱素子、又は記録紙を発色或いはインク保持体からインクを転写或いは昇華させるための熱エネルギーを発生する発熱素子を備える記録ヘッドにも適用することができる。
【０２５４】
また、上述の説明では、強誘電体材料よりなる機能素子を用いたコンデンサ、ＦｅＲＡＭ、圧電素子、可動部材をそれぞれ別々に設けた実施形態を説明したが、これら実施形態の構成を組み合わせて液体吐出ヘッドを構成するようにしてもよい。
【０２５５】
強誘電体材料よりなる機能素子は天板、素子基板のいずれに設けてもよいが、強誘電体材料は温度によりその誘電率に影響がでることを考慮すると、比較的温度の影響が小さい天板側に配置することが望ましい。
【０２５６】
次に、上記説明した液体吐出ヘッドが搭載された液体吐出装置を、図２７を参照して説明する。図２７は、前述の液体吐出ヘッドが搭載された液体吐出装置の概略構成を示す斜視図である。
【０２５７】
本実施形態の液体吐出装置５８１は、図２６を参照して説明した液体吐出ヘッドカートリッジ５７１が、駆動モータ５８２の正逆回転に連動して駆動力伝達ギア５８３，５８４を介して回転するリードスクリュー５８５の螺旋溝５８６に対して係合されたキャリッジ５８７上に搭載されている。液体吐出ヘッドカートリッジ５７１は、駆動モータ５８２の動力によってキャリッジ５８７とともにガイド５８８に沿って矢印ａおよびｂ方向に往復移動される。図示しない記録媒体供給装置によってプラテン５８９上を搬送される被記録媒体Ｐを押さえる紙押さえ板５９０は、キャリッジ５８７の全移動領域に渡って被記録媒体Ｐをプラテン５８９に対して押圧する。
【０２５８】
リードスクリュー５８５の一端の近傍には、フォトカプラ５９１，５９２が配設されている。これらはキャリッジ５８７のレバー５８７ａのこの域での存在を確認して駆動モータ５８２の回転方向切り換え等を行うためのホームポジション検知手段である。図２７において、符号５９３は、液体吐出ヘッドカートリッジ５７１の液体吐出ヘッドのうち、吐出口が設けられている前面を覆うキャップ部材５９４を支持する支持部材である。また、符号５９５は、液体吐出ヘッドから空吐出等されてキャップ部材５９４の内部に溜まったインクを吸引するインク吸引手段である。このインク吸引手段５９５により、キャップ内の開口部（不図示）を介して液体吐出ヘッドの吸引回復が行われる。
【０２５９】
符号５９６はクリーニングブレードであり、符号５９７はクリーニングブレード５９６を前後方向（上記キャリッジ５８７の移動方向に直交する方向）に移動可能にする移動部材であり、クリーニングブレード５９６および移動部材５９７は本体支持体５９８に支持されている。上記のクリーニングブレード５９６はこの形態に限らず、他の周知のクリーニングブレードであってもよい。符号５９９は吸引回復操作にあたって吸引を開始するためのレバーであり、キャリッジ５８７と係合するカム６００の移動に伴って移動し、駆動モータ５８２からの駆動力がクラッチ切り換え等の公知の伝達手段で移動制御される。液体吐出装置５８１には、液体吐出ヘッドに設けられた発熱体（図１１等参照）に液体を吐出させるための駆動信号を付与したり、前述した各機構の駆動制御を司ったりする記録信号供給手段としての記録制御部（不図示）が、装置本体内に設けられている。
【０２６０】
液体吐出装置５８１では、図示しない被記録媒体搬送装置によりプラテン５８９上を搬送される被記録媒体Ｐに対し、液体吐出ヘッドは被記録媒体Ｐの全幅にわたって往復移動しながら液体を吐出し、被記録媒体Ｐにその吐出された液体を付着させることで被記録媒体Ｐに記録を行う。
【０２６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ヒーター（エネルギー変換素子）により近い部分で電流ノイズ対策を行うことができるので、電流ノイズを十分に除去することができる。よって、ヘッド基板上に形成された回路または素子への電流ノイズの影響をより効果的に防止することができ、液体吐出制御をより安定、かつ、高精度に行うことができる。さらに加えて、大容量のコンデンサを限られたスペースに形成することができるので、大電流ノイズに対応することができるとともに、ヘッドの小型化を図ることができる。
【０２６２】
また、本発明によれば、強誘電体材料を用いたことにより、大容量で、高速性に優れた不揮発性メモリを形成することができるので、従来のヘッドに比べて、より高速に記録を行うことができる。また、各種センサをヘッド内に配置してその検出結果をリアルタイムにフィードバックしながら液体吐出用ヒーターの駆動条件を制御する処理についても高速に行うことができるので、上記高速記録に加えて、より安定した液体吐出制御を行うことができる。
【０２６３】
また、本発明によれば、強誘電体材料よりなる圧電素子によって、液流路での液体の状態が、液体の流れの影響やエネルギー発生素子が発する熱の影響が少ない状態で検出される。このように液体の状態を精度よく検出することができるので、液体を安定して吐出させることができ、ヘッドの駆動制御をより細かくを行うことができる。
【０２６４】
また、本発明は、可動部材が、強誘電体体材料からなる薄膜と、薄膜の両面に設けられた電極とを有し、両電極間に電圧が印加されると自由端が素子基板側あるいは素子基板に対して反対側へ変位するように構成されているので、可動部材を気泡の圧力による変位とは独立して能動的に変位させることができるため、可動部材の応答性が向上し、記録速度の高速化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液体吐出ヘッド用基板に形成される、強誘電体材料よりなる機能素子の概略断面構造図である。
【図２】液体吐出ヘッドに用いられる素子基板の要部の断面図である。
【図３】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４】液体吐出ヘッドの回路構成を説明するための図であり、（ａ）は素子基板の平面図、（ｂ）は天板の平面図である。
【図５】本発明の一実施形態の液体吐出ヘッドの素子基板に形成される回路素子の構成を示す図で、同図（ａ）は素子基板を上面から見た場合の各回路素子のレイアウト図、同図（ｂ）は電源層とグランド層がオーバーラップした部分の断面構造図である。
【図６】図５に示す素子基板の等価回路の概略を示す図である。
【図７】本発明の液体吐出ヘッドの熱作用部とコンデンサ部の層構成を示す概略断面図である。
【図８】本発明の他の実施形態の液体吐出ヘッドの素子基板に形成される回路素子の構成を示す図である。
【図９】強誘電体メモリのセル構造を示す図である。
【図１０】ＦｅＲＡＭが天板側に形成された液体吐出ヘッドの一構成例を示す図である。
【図１１】本発明のさらに他の実施形態である液体吐出ヘッドの液流路方向に沿った断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態に係る、圧力センサを有する可動部材を備えたノズルを最もよく表した断面図で、同図（ａ）は可動部材の変位前の状態を示す図、同図（ｂ）は可動部材が気泡に伴って変位する状態を示す図である。
【図１３】各液流路に配設された可動部材の圧力センサに対する電気配線を示すために素子基板に平行な方向に沿って切断した断面図である。
【図１４】同図（ａ）〜（ｄ）は素子基板上に、圧力センサ素子を有する可動部材を形成する方法を説明するための工程図である。
【図１５】同図（ａ）〜（ｄ）は素子基板上に、圧力センサ素子を有する可動部材を形成する方法を説明するための工程図である。
【図１６】圧力センサ素子からの出力をモニターするための回路の一例を示す図である。
【図１７】液流路内における立体構造部の配置の他の例を説明する斜視図である。
【図１８】本発明の液体吐出ヘッドのさらに別の実施形態の基本的な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１９】図１８に示した液体吐出ヘッドの一部を破断して示す斜視図である。
【図２０】図１８に示した液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出ヘッドユニットの平面図である。
【図２１】図１８に示した液体吐出ヘッドにおける可動部材の製造工程を示す、液流路方向に沿った断面図である。
【図２２】本発明の液体吐出ヘッドの可動部材の他の製造方法に用いられるＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を示す概略図である。
【図２３】本発明の液体吐出ヘッドによる吐出方法を説明するための、流路方向の断面図である。
【図２４】図２３に示した本発明の吐出原理を実施するために、発熱体や可動部材内に設けられた電極部等に入力する信号のタイミングチャートである。
【図２５】センサ出力に応じて発熱体への印加エネルギーを制御する例の素子基板及び天板の回路構成を示す図である。
【図２６】本発明の液体吐出ヘッドが搭載された液体吐出ヘッドカートリッジを示す斜視図である。
【図２７】本発明の液体吐出ヘッドが搭載された液体吐出装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２８】従来の液体吐出ヘッドの一形態を示す断面図である。
【図２９】従来のバブルジェット記録装置の概略構成図である。
【図３０】従来の液体吐出ヘッドの他の形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 素子基板
２ 発熱体
２’ 発熱体列
３ 天板
３ａ，３ｂ 溝
３ｃ 供給口
４ オリフィスプレート
５ 吐出口
６ 可動部材
６ａ 支点
６ｂ 自由端
６ｃ 強誘電体薄膜
６ｄ 電極
６ｅ 上部膜
７ 液流路
７ａ 第１の液流路
７ｂ 第２の液流路
８ 共通液室
９ 流路側壁
１０ 気泡発生領域
１１ ドライバ
１２ 画像データ転送部
１３ センサ
１４，１８ 接続用コンタクトパッド
１５ 外部コンタクトパッド
１６ 発熱体制御部
１７ センサ駆動部
２０ 液体吐出ヘッドユニット
２１ 液体吐出ヘッド
２２ ベース基板
２３ プリント配線基板
２４ 配線パターン
２５ ボンディングワイヤー
３０ 電源層
３１ ＧＮＤ層
３２ 強誘電材料膜
３３ バリア層
３４ オーバーラップ部（コンデンサ部）
３４’ コンデンサ（オーバーラップ部）
３５ ＦｅＲＡＭ
３６ 駆動制御回路
３７ センサ処理回路
５０ 気泡
７１ａ 間隙形成部材
７２ａ，７２ｂ ＳｉＮ膜
７６ ＴｉＷ膜
１３１ 素子基板
１３２ 発熱体
１３３ 天板
１３８ 駆動タイミング制御ロジック回路
１３９ ＡＮＤ回路
１４１ パワートランジスタ
１４２ 画像データ転送回路
１４６ 駆動信号制御回路
１４７ センサ駆動回路
１４９ ＦｅＲＡＭ（メモリ）
２００，２００’ 圧力センサ素子
２００ａ 圧電素子膜
２０１ 電極
２０２ リード配線
２０２ａ 共通配線
２０２ｂ セグメント配線
２０６ 電圧計
３０１ シリコン基板
３０２ 熱酸化膜
３０３ 層間膜
３０４ 抵抗層
３０５ 配線
３０６ 保護膜
３０７ 耐キャビテーション膜
３０８ 熱作用部
３５０ 強誘電体
３５１ 上部電極
３５２ プレートライン（下部電極）
３５３ ピットライン
３５４ ワードライン（ゲート電極）
４２０ Ｐ-Ｍｏｓ
４２１ Ｎ-Ｍｏｓ
４２２ Ｎ型ウェル領域
４２３ Ｐ型ウェル領域
４２４ 酸化膜分離領域
４２５，４３２ ソース領域
４２６，４３１ ドレイン領域
４２８ ゲート絶縁膜
４３０ Ｎ-Ｍｏｓトランジスタ
４３３，４３５ ゲート配線
４３７ Ａｌ電極
４３６，４３８ 層間絶縁膜
５０１ 耐キャビテーション膜
５０２ 配線層
５０３ 中間層
５０４ ＰＳＧ膜
５０５，５０９ 保護層
５０６，５０８ 電極層
５０７ 強誘電体層
５１０ 上部膜
５７１ 液体吐出ヘッドカートリッジ
５７２ 液体吐出ヘッド
５７３ 液体容器
５８１ 液体吐出装置
５８２ 駆動モータ
５８３，５８４ 駆動伝達ギア
５８５ リードスクリュー
５８６ 螺旋溝
５８７ キャリッジ
５８７ａ，５９９ レバー
５８８ ガイド
５８９ プラテン
５９０ 紙押さえ板
５９１，５９２ フォトカプラ
５９３ 支持部材
５９４ キャップ部材
５９５ インク吸引手段
５９６ クリーニングブレード
５９７ 移動部材
５９８ 本体支持体
６００ カム
６０１ 下部配線層
６０２ ヒロック防止層
６０３ 層間膜
６０４ 発熱抵抗層
６０５ 上部配線層
６０６ 強誘電体層
Ｐ 被記録媒体
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱エネルギーを液体に作用させることで起こる気泡の発生によって、所望の液体を吐出する液体吐出ヘッド、それに用いられる液体吐出ヘッド用基板、及び液体吐出ヘッドの駆動方法に関する。特に、本発明は、強誘電体材料から構成される機能素子を備えた液体吐出ヘッド、それに用いられる液体吐出ヘッド用基板、及び液体吐出ヘッドの駆動方法に関する。
【０００２】
また、本発明は、紙、糸、繊維、布、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミック等の被記録媒体に対して記録を行う、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等の装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わされた産業用の液体吐出装置に適用することができるものである。
【０００３】
なお、本発明における「記録」とは、文字や図形等のように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、パターン等のように意味を持たない画像を付与することをも意味するものである。
【０００４】
【従来の技術】
熱等のエネルギーをインクに与えることで、インクに急峻な体積変化（気泡の発生）を伴う状態変化を生じさせ、この状態変化に基づく作用力によって吐出口からインクを吐出し、これを被記録媒体上に付着させて画像形成を行うインクジェット記録方法が従来知られている。この記録方法を用いる記録装置には、米国特許第４,７２３,１２９号明細書等の公報に開示されているように、インクを吐出するための吐出口と、この吐出口に連通するインク流路と、インク流路内に配されたインクを吐出するためのエネルギー発生手段としての電気熱変換体が一般的に配された液体吐出ヘッドが用いられている。この種の記録装置は、品位の高い画像を高速、低騒音で記録することができるとともに、小型かつ高解像度の記録装置を提供することができるという多くの優れた点を有していることから、近年、プリンタ、複写機、ファクシミリ等の多くのオフィス機器に利用されており、さらに、捺染装置等の産業用システムにまで利用されるようになってきている。
【０００５】
上述した従来の液体吐出ヘッドの一構成例を図２８に示す。
【０００６】
図２８に示される通り、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２８では１つのみ示す）の発熱体１００２が並列に設けられた素子基板１００１と、この素子基板１００１上に接合された天板１００３と、素子基板１００１および天板１００３の前端面に接合されたオリフィスプレート１００４とを有する。天板１００３には、各発熱体１００２に対応する位置にそれぞれ溝が形成されており、素子基板１００１と天板１００３とが接合されることで、各発熱体１００２にそれぞれ対応する液流路１００７が形成される。
【０００７】
素子基板１００１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１００２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１００２が発熱する。そして、この配線と電極抵抗層の上には、それらをインクから保護する保護膜が形成されており、さらにその保護膜の上にはインク消泡によるキャビテーションから保護する耐キャビテーション膜が形成されている。
【０００８】
天板１００３は、各発熱体１００２に対応した複数の液流路１００７および各液流路１００７に液体を供給するための共通液室１００８を構成するためのもので、天井部分から各発熱体１００２の間に延びる流路側壁１００９が一体的に設けられている。天板１００３はシリコン系の材料で構成され、液流路１００７および共通液室１００８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１００９となる材料を堆積した後、液流路１００７の部分をエッチングして形成することができる。
【０００９】
オリフィスプレート１００４には、各液流路１００７に対応しそれぞれ液流路１００７を介して共通液室１００８に連通する複数の吐出口１００５が形成されている。オリフィスプレート１００４もシリコン系の材料からなるものであり、例えば、吐出口１００５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１００４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１００４を設ける代わりに、天板１００３に液流路１００７を形成する際に天板１００３の先端面にオリフィスプレート１００４の厚さ相当の壁を残し、この部分に吐出口１００５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。
【００１０】
上記構成に基づき、発熱体１００２を発熱させると、液流路１００７内の発熱体１００２と対面する領域である気泡発生領域１０１０の液体に熱が作用し、これにより発熱体１００２上に膜沸騰現象に基づく気泡が発生し、成長する。この気泡の発生に基づく圧力の伝搬や気泡自身の成長が吐出口１００５側に導かれ、吐出口１００５から液体が吐出する。
【００１１】
一方、気泡が消泡過程に入ると、気泡発生領域１０１０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１００８側から液体が流れ込み、液流路１００７への液体の充填（リフィル）が行われる。
【００１２】
また、本形態の液体吐出ヘッドは、発熱体１００２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１００１または天板１００３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１００１および天板１００３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。
【００１３】
このような液体吐出ヘッドを使用した記録装置では、図２９に示すように、液体吐出ヘッドを搭載するヘッドキャリッジ２００１とプリンター本体２００２とはケーブル２００３を介して接続され、ヘッドキャリッジ２００１が被記録媒体の記録面上を副走査方向に移動することで記録が行われる。このような構造の場合、必然的に、液体吐出ヘッドの電気熱変換体（ヒーター）に電流を供給するための配線が長くなる。そのため、上述のようにヒーターに急峻な電流を流して駆動するタイプのインクジェット記録を採用する液体吐出ヘッドでは、配線インダクタンスの相互作用により電流ノイズが発生しやすいという課題が生じる。また、液体吐出ヘッドの全ノズルが駆動された場合、ヘッドと本体の間、すなわちケーブル２００３には瞬間的に数アンペアの電流が流れることとなり、ケーブル２００３にはロジック信号が平行して走っていることから、該信号線に誘導結合により電流ノイズがのってしまうという課題も生じる。このような電流ノイズ問題に対して、従来は、キャリッジや中継基板に電流ノイズ対策用コンデンサを搭載して対応していた。
【００１４】
一方、近年の高密度記録が進む中、１回で吐出されるインクの量はますます少なくなっており、液体吐出を安定かつ高精度に行うために種々の機構が検討されている。
【００１５】
一例として、液体吐出ヘッド基板に温度センサを設けて、該センサの検出結果に応じてヘッド温度を所定の範囲に維持するようにしたものがある。
【００１６】
また、液体吐出ヘッドに不揮発性メモリを搭載し、該メモリに液体吐出特性やヘッド状態等のヘッド情報を記憶し、その情報に応じてヘッドの駆動を制御するようにしたものも提案されている。この場合、ヘッド情報を記憶するメモリとしては、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリなどが用いられている。
【００１７】
ところで、インクを吐出するためのエネルギーを発生させるための電気熱変換体は、半導体製造プロセスを用いて作製することができる。そのため、上述した電気熱変換素子を使用してインクを吐出するタイプの記録ヘッドは、シリコン基板からなる素子基板上に電気熱変換体を形成し、その上に、インク流路を形成するための溝を形成した、ポリサルフォン等の樹脂やガラス等からなる天板を接合した構成となっている。
【００１８】
また、素子基板がシリコン基板からなることを利用し、電気熱変換体を素子基板上に構成するだけでなく、電気熱変換体を駆動するためのドライバや、電気熱変換体をヘッドの温度に応じて制御する際に用いられる温度センサおよびその駆動制御部等を素子基板上に構成したものもある（特開平７−５２３８７号公報等）。このようにドライバや温度センサおよびその駆動制御部等を素子基板上に構成したヘッドは実用に供されており、記録ヘッドの信頼性の向上及び装置の小型化に寄与している。
【００１９】
一方、上述したようなヘッドの構成とは別の構成を有した液体吐出ヘッドを図３０に示す。図３０は、液体吐出ヘッドの構成を液流路方向に沿った断面図で示したものである。この液体吐出ヘッド（以下、「液体吐出ヘッド」あるいは「記録ヘッド」と標記する。）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吐出エネルギー発生素子としての、複数個（図３０では、１つのみ示す）の発熱体３００２が並列に設けられた素子基板３００１と、この素子基板３００１上に接合された天板３００３と、素子基板３００１および天板３００３の前端面に接合されたオリフィスプレート３００４とを有することに加え、可動部材を備えたものである。
【００２０】
なお、素子基板３００１、天板３００３、オリフィスプレート３００４等の基本構成は図２８の液体吐出ヘッドと同様の構成であるため、ここでの説明は省略する。
【００２１】
図３０に示される液体吐出ヘッドには、上述の通り、液流路３００７を吐出口３００５に連通した第１の液流路３００７ａと、発熱体３００２を有する第２の液流路３００７ｂとに分けるように、発熱体３００２に対面して配置された片持梁状の可動部材３００６が設けられている。可動部材３００６は、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た薄膜である。
【００２２】
この可動部材３００６は、液体の吐出動作によって共通液室３００８から可動部材３００６を経て吐出口３００５側へ流れる大きな流れの上流側に支点３００６ａを持ち、この支点３００６ａに対して下流側に自由端３００６ｂを持つように、発熱体３００２に面した位置に発熱体３００２を覆うような状態で発熱体３００２から所定の距離を隔てて配されている。この発熱体３００２と可動部材３００６との間が気泡発生領域３０１０となる。
【００２３】
上記の構成に基づき、発熱体３００２を発熱させると、可動部材３００６と発熱体３００２との間の気泡発生領域３０１０の液体に熱が作用し、これにより発熱体３００２上に膜沸騰現象に基づく気泡が発生して成長する。この気泡の成長に伴う圧力は可動部材３００６に優先的に作用し、可動部材６は図３０に破線で示されるように、支点３００６ａを中心に吐出口３００５側に大きく開くように変位する。可動部材３００６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播や気泡自身の成長が吐出口３００５側に導かれ、吐出口３００５から液体が吐出する。
【００２４】
つまり、気泡発生領域３０１０上に、液流路３００７内の液体の流れの上流側（共通液室３００８側）に支点３００６ａを持ち下流側（吐出口３００５側）に自由端３００６ｂを持つ可動部材３００６を設けることによって、気泡の圧力伝播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播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、気泡の圧力伝播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などの根本的な吐出特性を向上させることができる。
【００２５】
一方、気泡が消泡過程に入ると、可動部材３００６の弾性力との相乗効果で気泡は急速に消泡し、可動部材３００６も最終的には図３０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３０１０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３００８側から液体が流れ込み、液流路３００７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３００６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。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
コンデンサによる電流ノイズ除去効果は、電流エネルギーを消費する部分（ヒーター）に近いほど高い。しかしながら、従来は、電流ノイズ対策用コンデンサは大容量である必要性から大型コンデンサを必要とした。そのため、通常では、その配置スペースが必要なため、電流ノイズ対策用コンデンサはキャリッジや中継基板に設けられているのが実情であった。
【００２７】
電流ノイズを効果的に除去するためには、コンデンサを液体吐出ヘッド用基板上等、ヒーターにより近い部分に配置する必要がある。特に、最近では、液体吐出ヘッドの高速化、高密度記録に伴って、ヘッド基板に瞬間的に流れる電流（ヒータ駆動電流）の量がますます増加しており、このような状況から、電流ノイズ対策のためには、コンデンサはより容量の大きなものとし、よりヒーターに近い部分に配置する必要があったが、具体的な解決方法はなかった。
【００２８】
他方、近年の液体吐出装置の低価格化に伴って液体吐出ヘッドにおいてもコスト削減が図られているが、前述したようなＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリなどの不揮発性メモリはヘッド基板上に別部品として構成するようになっているため、低コスト化を図ることが困難であった。
【００２９】
また、最近では、各種センサをヘッド内に配置してその検出結果をリアルタイムにフィードバックしながら液体吐出用ヒーターの駆動条件を制御するような試みもなされており、この場合、メモリに対する情報の書き込みおよび読み出しを頻繁に行う必要があることから、上記のような不揮発性メモリでは、近年のヘッドの高速化に対応することが困難であった。
【００３０】
さらにまた、前述した素子基板に設けられた温度センサは主に素子基板の温度を測定することが目的であったが、近年の液体吐出ヘッドの高密度化に伴って、基板の温度よりもインク自身の温度や濃度等の状態あるいは種類が記録に与える影響が大きくなってきた。そのためのセンサ機能が高精度である必要性も生じている。
【００３１】
また、図３０を参照して説明した構成の液体吐出ヘッドでは、可動部材は気泡の成長および消泡に伴って変位するものの、可動部材を能動的に変位させることはできなかった。したがって、可動部材の変位速度は気泡の成長速度および消泡速度に依存し、可動部材をそれらの速度以上の速度で変位させることができなかった。そのため、可動部材の応答性の向上を図ることができず、ひいては液体吐出ヘッドによる記録速度の高速化を図ることができなかった。
【００３２】
本発明は以上に鑑みてなされたものであり、その目的は、電流ノイズを十分に除去することができるとともに低コスト化を図ることができる液体吐出ヘッド、それに用いられる液体吐出ヘッド用基板、及び液体吐出ヘッドの駆動方法を提供することにある。
【００３３】
本発明のさらなる目的は、ヘッドの高速化および低コスト化に対応することのできるメモリ構造を持つ液体吐出ヘッド、それに用いられる液体吐出ヘッド用基板、及び液体吐出ヘッドの駆動方法を提供することにある。
【００３４】
本発明のさらなる目的は、吐出する液体の状態を精度よく検出することによって、安定した吐出を可能とする液体吐出ヘッド、それに用いられる液体吐出ヘッド用基板、及び液体吐出ヘッドの駆動方法を提供することにある。
【００３５】
本発明のさらに別の目的は、記録ヘッド内に配された可動部材の応答性の向上を図ることができ、さらに記録速度の高速化を図ることができる液体吐出ヘッド、及び液体吐出ヘッドの駆動方法を提供することにある。
【００３６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッド用基板は、液体に吐出エネルギーを与えることにより液体を吐出させる液体吐出ヘッドに用いられ、電気エネルギーを前記吐出エネルギーに変換するためのエネルギー変換素子が形成された半導体基板を有する液体吐出ヘッド用基板において、上記半導体基板に強誘電体材料よりなる機能素子が形成されていることを特徴とする。
【００３７】
また、本発明の液体吐出ヘッドは、互いに接合されることで、液体を吐出するための複数の吐出口とそれぞれ連通する複数の液流路を構成する第１および第２の基板を有し、該第１および第２の基板の一方または両方に強誘電体材料よりなる機能素子が形成されていることを特徴とする。
【００３８】
上記の液体吐出ヘッド用基板および液体吐出ヘッドにおいて、上記機能素子は、上記半導体基板上に少なくとも第１のバリア層、強誘電体材料膜、第２のバリア層が積層されたものであることは好ましい構成である。
【００３９】
すなわち、強誘電体材料膜は還元環境に置かれた場合、還元されやすく寿命などの観点で耐性が十分でなくなり、長期にわたって信頼性高くその機能を得ることができなくなってしまう可能性がある。例えば、液体吐出ヘッドを製造する場合に用いられる成膜法のＣＶＤにおいて、液体吐出ヘッドの保護膜（例えばＳｉＮ等）を形成する際に発生する水素イオン等の雰囲気による還元環境や、反応性のある膜、例えば通常使用されるＰｔ電極によって強誘電体材料膜を挟んだ場合、電極と強誘電体材料膜との接触界面が還元環境となり、強誘電体材料膜が還元されやすい。このような還元環境を回避する目的で上述のようにバリア層によって挟持する構成とすることはこのましい。
【００４０】
この場合、第１および第２のバリア層が、上記液体吐出ヘッドを構成する発熱抵抗層やキャビテーション膜を含む酸化膜、窒化膜で構成されていることは好ましい。
【００４１】
特に液体吐出に寄与する駆動素子としてヒーターを利用するヘッド構成においては、発熱抵抗層をＴａＳｉＮ、ＴａＮなどのヒーター材料をスパッタリング成膜によって形成する工程を備えている。スパッタリング成膜工程は、ＣＶＤ成膜工程などで発生した水素イオンなどの発生がなく還元環境にならず強誘電体材料膜を還元雰囲気に曝すことなく、発熱抵抗層や耐キャビテーション膜形成時に強誘電体材料膜のバリア層を形成することができる。また、発熱抵抗層や耐キャビテーション膜は記録ヘッドの特性として十分な耐久性を備えたものであり、このような膜を強誘電体材料膜のバリア層に利用することは組成が安定しており耐久性の観点で好ましい。
【００４２】
また、発熱抵抗層や耐キャビテーション膜の成膜と同時に強誘電体材料膜のバリア層を形成すれば、個々の膜を別に成膜するより製造工程の工程数の削減を図ることもでき、また製造装置も同じものを用いることができるため装置の共有化による製造装置コストの低減効果も得られる。すなわち、発熱抵抗層や耐キャビテーション膜の形成と同一の手法によって強誘電体材料膜のバリア層を形成することができ、発熱抵抗層や耐キャビテーション膜材料をそのままバリア層として活用できる。
【００４３】
なお、製造装置の共有化の観点に着目してみると、例えば、発熱抵抗体としてＴａＳｉＮをスパッタリング成膜で形成する場合は、スパッタリング装置におけるヒーター層形成時にはＴａＳｉターゲットをＮ雰囲気中でスパッタリングするが、同じ装置を利用してターゲットをＳｉとしＮ雰囲気中でスパッタリングすることで非常に安定なＳｉＮ膜（ＣＶＤでは成形することができない成膜工程に起因する水素を含まない膜）を強誘電体材料膜のバリア層とすることができる。
また、ヒーター層形成スパッタリング装置を用い、ターゲットをＴｉなどの金属としＮ雰囲気中でスパッタリングしＴｉＮ膜を強誘電体材料膜のバリア層とすることもできる。各種の金属と窒素、酸素とを反応させ安定した膜を形成することが可能である。このようにインクジェットヘッドの成膜装置を流用し、ターゲットのみ交換することでも有効なバリア層を形成することが可能であり、水素イオンなどの還元環境に曝すことなく、安定な膜を形成できる。
【００４４】
ヒーター層の形成だけでなく、例えば耐キャビテーション膜として用いられているＴａなどの材料をそのまま利用して耐キャビテーション膜の成膜装置を利用してＮ雰囲気中でスパッタリングを行うことでバリア層を形成することも可能である。成膜方法はスパッタリングでありＣＶＤのように水素イオンの発生がなく強誘電体材料膜が還元される環境に曝されることがなく、安定した耐キャビテーション膜と同一の材料と窒素、酸素を反応させてバリア層を構成するので安定したバリア層を構成でき、スパッタリング装置のターゲットは耐キャビテーション層と同一であり、同一装置を用いて同一工程でバリア層を構成できるため量産性に優れ、製造工程の簡略化を図れる効果を有する。
【００４５】
さらに、ヒーター層下部に配置される配線層の上部層などに用いられるＴｉＷ、ＴａＮなどアルミ等の配線層に生じる熱によるヒロック防止膜をスパッタリングする、あるいは窒素、酸素雰囲気中でスパッタリングすることで強誘電体材料膜のバリア層とすることも可能である。成膜方法はスパッタリングでありＣＶＤのように水素イオンの発生がなく強誘電体材料膜が還元される環境に曝されることがなく、安定したヒロック防止膜と同一の材料、あるいは窒素、酸素を反応させてバリア層を構成するので安定したバリア層を構成でき、スパッタリング装置のターゲットはヒロック防止層と同一であり、同一装置を用いて同一工程でバリア層を構成できるため量産性に優れ、製造工程の簡略化を図れる。
【００４６】
なお、記録ヘッドのヒーター層がＨｆＢ2など、ヒーター層とその保護層であるＳｉＮ、ＳｉＯなどの層との密着性が比較的良くない場合に設けられるＴｉなどの金属膜を密着層として介した構成の記録ヘッドでは、密着層を構成する金属を窒素、酸素雰囲気中で強誘電体材料膜に対してスパッタリングして成膜することでバリア層とすることも可能である。成膜方法はスパッタリングでありＣＶＤのように水素イオンの発生がなく強誘電体材料膜が還元される環境に曝されることがなく、安定した密着層と同一の材料と窒素、酸素を反応させてバリア層を構成するので安定したバリア層を構成でき、スパッタリング装置のターゲットは密着層と同一であり、同一装置を用いて同一工程でバリア層を構成できるため量産性に優れ、製造工程の簡略化を図れる。
【００４７】
なお、第１および第２のバリア層は、発熱抵抗層や耐キャビテーション膜を含む酸化膜、窒化膜の膜厚方向で強誘電体材料膜に近い部分の酸素、窒素の割合を高くすることは好ましい。また、これらの酸素、窒素の割合は、バリア層の膜厚方向で連続的に変化させても良いし、断続的に変化させても良い。
【００４８】
また、上記機能素子は、コンデンサ、不揮発性メモリ、圧電素子、可動部材のいずれかの形態をとるように構成してもよい。
【００４９】
特に、前記可動部材が、強誘電体材料からなる薄膜と、該薄膜の両面に設けられた電極とを有し、該両電極間に電圧が印加されると自由端が前記素子基板側あるいは前記素子基板に対して反対の方向へ変位するように構成されていることは好ましい。
【００５０】
可動部材を強誘電体材料によって構成された本発明の液体吐出ヘッドによれば、可動部材を気泡の圧力による変位とは独立して能動的に変位させることが可能となる。そのため、気泡が発生する前や消泡する前に可動部材を予め所定の方向に変位させることにより、可動部材の応答性が向上するため、液体吐出ヘッドによる記録速度の高速化を図ることが可能となる。
【００５１】
また、前記薄膜は、Ｐｂ-Ｚｒｘ-Ｔｉ1-ｘＯ3、（Ｐｂ，Ｌａ）-（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3、Ｓｒ-Ｂｉ2-Ｔa 2Ｏ5、ＳｒＴｉＯ3、ＢａＴｉＯ3、あるいは（Ｂａ-Ｓｒ）ＴｉＯ3からなる構成とすることが好ましい。
【００５２】
さらに、前記両電極のいずれか一方の表面に、電界中に置かれても歪みを生じない材料で形成された変位補助層が設けられている構成とすることにより、可動部材の変位量をより増加させることが可能となる。
【００５３】
上記機能素子を構成する強誘電体材料は比誘電率が大きいことから、容量の大きなコンデンサを形成することができ、基板に造り込む場合の配置スペースも少なくて済む。本発明によれば、その機能素子が電流ノイズ対策用のコンデンサとしてヘッドを構成する基板に直接形成されるので、ヒーターにより近い部分で電流ノイズ対策を行うことが可能となり、しかも、その配置スペースも少なくて済む。加えて、容量も大きいことから、前述の課題で述べたような電流増加に伴う電流ノイズの問題にも対応することが可能である。
【００５４】
また、強誘電体材料を用いて構成される不揮発性メモリは、従来用いられていたＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリに代表される不揮発性メモリと比較し、高速性、低消費電力、高集積性などに優れていることが知られている。本発明によれば、その特徴を有する強誘電体材料を用いて構成される不揮発性メモリが用いられているので、ヘッドの駆動制御、例えば各種センサをヘッド内に配置してその検出結果をリアルタイムにフィードバックしながら液体吐出用ヒーターの駆動条件を制御する際の処理が高速になり、前述の課題で述べたような近年のヘッドの高速化に対応することが可能となる。
【００５５】
また、強誘電体材料は圧電性を有することから圧電素子として利用することができる。本発明によれば、その強誘電体材料よりなる機能素子を圧電素子として用いて、液体中を伝わる圧力の変化を検出するように構成されているので、その検出結果を用いることにより、より細かいヘッドの駆動制御が可能になる。
【００５６】
一方、強誘電体材料に電圧を印加することで、変位を起こすことを利用することもできる。具体的にはその変位を利用して、インクを吐出させたり、オリフィスのメニスカスの制御等に利用できる。変位しやすくするために、可動部材を設けてその部分に強誘電体材料を設けることもできる。これはインクの圧力を検知して印字制御を行う構成とほとんど同じでできるため、組み合わせて構成してもよい。また、変位を大きくするために積層構造としてもよい。
【００５７】
上述した機能素子は、ヘッドを構成する基板（素子基板、天板）を製造する過程において同時に造り込むことができるので、機能素子を形成するために特別な成膜装置を用いる必要はない。
【００５８】
上述の発明のうち、機能素子を構成する第１および第２のバリア層が耐キャビテーション膜や発熱抵抗層を含む酸化物、窒化物で構成されるものにおいては、ヘッドを構成する基板（素子基板、天板）を製造する過程において膜の兼用が可能であるので、製造工程数およびコストを低く抑えることが可能である。
【００６２】
また、本発明の液体吐出ヘッドの駆動方法は、液滴を吐出するための吐出口と、該吐出口に液体を供給するために前記吐出口に連通された液流路と、該液流路に充填された前記液体に気泡を発生させるための気泡発生素子が備えられた基板と、前記基板の前記気泡発生素子に対面する位置に、前記基板との間に間隙を有し、前記吐出口側を自由端として前記基板に支持固定された可動部材とを有し、前記可動部材が、強誘電体材料からなる薄膜と、該薄膜の両面に設けられた電極とを有し、該両電極間に電圧が印加されると自由端が前記素子基板側あるいは前記素子基板に対して反対の方向へ変位するように構成されており、前記気泡を発生させることにより生じる圧力によって、前記可動部材の自由端を前記基板とは反対の方向に変位させて、前記圧力を前記吐出口側に導くことにより前記吐出口から前記液体の液滴を吐出させる液体吐出ヘッドの駆動方法であって、前記発熱体の駆動と前記可動部材の駆動とを互いに独立して行うことを特徴とする。
【００６３】
上記のように前記発熱体の駆動と前記可動部材の駆動とを互いに独立して行うことにより、気泡が発生する前や消泡する前に、可動部材を独立して能動的に駆動して所定の方向に変位させることにより、可動部材の応答性が向上し、液体吐出ヘッドによる記録速度の高速化を図ることが可能となる。
【００６８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００６９】
図１は、本発明の液体吐出ヘッド用基板に形成される、強誘電体材料よりなる機能素子の概略断面構造図である。この機能素子は、Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3[ＰＺＴ：チタン酸ジルコン酸鉛]等からなる強誘電体材料膜３２の上下面に保護膜としてのバリア層３３が形成され、さらにその上下面に電極（不図示）が配されてコンデンサ、ＦｅＲＡＭ、圧電素子、可動部材などを構成するものである。
【００７０】
上記機能素子をノイズ対策用コンデンサとして用いた場合、強誘電材料は比誘電率が大きいため、ヒータ駆動電流ノイズ対策に特に有効である。この場合、容量が数μＦのコンデンサを形成することができる。また、上記機能素子をＦｅＲＡＭとして用いた場合は、その記録速度は従来用いられていたＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリに代表される不揮発性メモリと比較して非常に速いことから、前述の課題で述べたような液体吐出ヘッドの高速化に対応するメモリを構成することができる。さらにまた、上記機能素子を圧電素子として用いた場合は、液体中を伝わる圧力の変化を検出することができ、より安定した吐出制御が可能になる。加えて、機能素子を可動部材として用いた場合は、インクの吐出動作に対する可動部材の応答性を向上でき、記録速度の高速化を図ることが可能になる。
【００７１】
以下、上述の液体吐出ヘッド用基板を備える液体吐出ヘッドの具体的な構成について説明する。
【００７２】
はじめに、本発明に適用可能な液体吐出ヘッドの構造として、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。
【００７３】
本発明に適用可能な液体吐出ヘッドの一形態の基本構成は、図２８に示した通りであり、図２８に関する説明は前述した通りであるので、ここでの説明は省略する。
【００７４】
以下に、液体吐出ヘッドの素子基板が半導体ウェハプロセス技術を用いて形成される点について説明する。
【００７５】
図２は、本形態の液体吐出ヘッドに用いられる素子基板の要部の断面図である。図２に示すように、本形態の液体吐出ヘッドに用いられる素子基板１では、シリコン基板３０１の表面に、蓄熱層としての熱酸化膜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、ＳｉＯ2膜またはＳｉ3Ｎ4膜が用いられている。層間膜３０３の表面に部分的に抵抗層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、Ａｌまたは、Ａｌ-Ｓｉ，Ａｌ-ＣｕなどのＡｌ合金配線が用いられている。この配線３０５、抵抗層３０４および層間膜３０３の表面に、ＳｉＯ2膜またはＳｉ3Ｎ4膜から成る保護膜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３０８である。
【００７６】
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。
【００７７】
図３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。
【００７８】
図３に示すように、Ｐ型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。
【００７９】
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。
【００８０】
本形態では、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。
【００８１】
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。
【００８２】
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の配線層となる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ＳｉＯ2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の配線層としての、Ａｌの配線３０５が形成されている。
【００８３】
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Ｓｉ3Ｎ4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、Ｔａをターゲットとするスパッタリング法で形成される厚さ約２５００ÅのＴａなどの膜から成るものである。
【００８４】
次に、素子基板および天板への回路や素子の振り分け構成について説明する。
【００８５】
図４は、本形態の液体吐出ヘッドの回路構成を説明するための図であり、同図（ａ）は素子基板の平面図、同図（ｂ）は天板の平面図である。なお、図４（ａ）および（ｂ）は、互いの対向面を表わしている。
【００８６】
図４（ａ）に示すように、素子基板１には、並列に配列された複数の発熱体２と、画像データに応じてこれら発熱体２を駆動するドライバ１１と、入力された画像データをドライバ１１に出力する画像データ転送部１２と、発熱体２の駆動条件を制御するために必要な、液体の状態または特性を検出するセンサ１３とが設けられている。本形態のヘッドでは、センサ１３は、液流路７ごとの液体の状態または特性を検出するために、各発熱体２に対応して液流路７ごとに設けられている。
【００８７】
画像データ転送部１２は、シリアルに入力される画像データを各ドライバ１１にパラレルに出力するシフトレジスタ、およびシフトレジスタから出力されるデータを一時記憶するラッチ回路で構成される。なお、画像データ転送部１２は、各発熱体２に個別に対応して画像データを出力するものでもよいし、発熱体２の並びを複数のブロックに分け、ブロック単位に対応して画像データを出力するものでもよい。特に、１つのヘッドについて複数のシフトレジスタを備え、記録装置からのデータの転送を複数のシフトレジスタに振り分けて入力するようにすることで、印字速度の高速化に容易に対応することもできる。
【００８８】
一方、図４（ｂ）に示すように、天板３には、前述したように液流路および共通液室を構成する溝３ａ，３ｂが形成される他に、素子基板１に設けられたセンサ１３を駆動するセンサ駆動部１７と、センサ駆動部１７により駆動されたセンサからの出力結果に基づいて発熱体２の駆動条件を制御する発熱体制御部１６とが設けられている。なお、天板３には、外部から共通液室に液体を供給するために、共通液室に連通した供給口３ｃが開口している。
【００８９】
さらに、素子基板１および天板３の接合面の、互いの対向する部位にはそれぞれ、素子基板１に形成された回路等と天板３に形成された回路等とを電気的に接続するための接続用コンタクトパッド１４，１８が設けられている。また、素子基板１には、外部からの電気信号の入力端子となる外部コンタクトパッド１５が設けられている。素子基板１の大きさは天板３の大きさよりも大きく、外部コンタクトパッド１５は、素子基板１と天板３とを接合したときに天板３から露出する位置に設けられている。
【００９０】
上記のように構成された素子基板１と天板３とを位置合わせして接合すると、各液流路に対応して発熱体２が配置されるとともに、それぞれの接続用パッド１４，１８を介して素子基板１および天板３に形成された回路等が電気的に接続される。この電気的接続は例えば、接続用パッド１４，１８に金バンプ等を載せて行う方法があるが、それ以外の方法でもよい。このように、素子基板１と天板３との電気的接続を接続用コンタクトパッド１４，１８によって行うことで、素子基板１と天板３との接合と同時に、上述した回路同士の電気的接続を行うことができる。素子基板１と天板３との接合後に、液流路７の先端にオリフィスプレート４を接合し、これにより液体吐出ヘッドが完成する。
【００９１】
次に、本発明の特徴である、電流ノイズ対策用コンデンサ、不揮発性メモリ、圧電素子、可動部材を上述のＰＺＴ等の強誘電体材料により構成した実施形態をそれぞれ説明する。
【００９２】
＜強誘電体材料を用いてコンデンサを構成した例＞
図５は、本発明の一実施形態の液体吐出ヘッドの素子基板に形成される回路素子の構成を示す図で、（ａ）は素子基板を上面から見た場合の各回路素子のレイアウトを示す図、（ｂ）は電源層とグランド層がオーバーラップした部分の断面構造を示す図である。
【００９３】
図５（ａ）に示すように、素子基板１には、発熱体２（不図示）が複数配列されたヒーター列２’およびこれらを駆動するためのドライバ１１が形成されるとともに、これら回路素子と接続される電源層３０およびグランド（ＧＮＤ）層３１が積層されている。
【００９４】
電源層３０とＧＮＤ層３１とがオーバーラップした部分（オーバーラップ部３４）では、図５（ｂ）に示すように、電源層３０とＧＮＤ層３１との間に強誘電体材料膜３２が形成されており、これによりコンデンサを構成している。強誘電体材料膜３２の電源層３０およびＧＮＤ層３１との界面には、それぞれバリア層３３が形成されている。このバリア層３３を設ける理由は以下のとおりである。
【００９５】
強誘電体材料は、水素との反応により還元されて、強誘電性が著しく劣化してしまう。この還元性雰囲気は、強誘電体材料膜を形成後に層間絶縁膜や、保護膜を成膜する際に発生し易い。液体吐出ヘッド用基板の形成においては、量産性やインクに対する保護性能の観点で、層間絶縁膜や、保護膜としてプラズマＣＶＤを用いたＳｉＮ膜が使用されており、これはＳｉＨ4（シラン），ＮＨ3（アンモニア）などの還元性雰囲気中で行われる。その際には、水素プラズマが発生すると同時に、膜中に水素を含有し易くなり、それらが強誘電体特性の劣化に影響を与える。そこで、これを防止するため、バリア層３３が形成されている。
【００９６】
上述のように構成される素子基板１の等価回路の略図を図６に示す。この図６から分かるように、上述のオーバーラップ部３４に形成されたコンデンサ３４’はヒータ電源ラインとＧＮＤラインの間に挿入された構成となっている。このコンデンサ３４’は、強誘電材料膜を用いたことにより、限られたスペースに容量の大きなコンデンサを構成することができる。この構成によれば、コンデンサ３４’をヒーターにより近い部分に形成することができ、ヒーター駆動電流ノイズはコンデンサ３４’で十分に除去されることになる。
【００９７】
先に述べた通り、基板素子１は図２および図３に示した構造を有し、半導体プロセスを利用して各回路素子が形成される。この製造過程において、コンデンサ３４’を素子基板１上に同時に造り込むことができ、これによりコストが大幅に削減される。また、この場合、コンデンサ３４’を構成する強誘電体材料膜３２の保護膜であるバリア層３３を、図３に示した抵抗層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を守るために設けられた耐キャビテーション膜３０７や抵抗層３０４を含む酸化膜、窒化膜で形成することで、さらにコスト削減を図ることができる。つまり、強誘電体特性の劣化を防止するために、液体吐出ヘッド用基板の製造プロセスを活用することにより、工程の増加を防止し、コスト削減を図ることができる。
【００９８】
以上の点について、図７を参照してさらに説明する。図７は熱作用部及びコンデンサ部の層構成を示すものである。
【００９９】
図７に示される通り、熱作用部は基板上に下から順に下部配線層６０１、配線層のヒロックを防止するヒロック防止層６０２、層間膜６０３、発熱抵抗層６０４、上部配線層６０５と積層されて構成されている。一方、コンデンサ部は基板上に下から順に下部配線層６０１が形成され、その上に熱作用部において配線層のヒロックを防止するヒロック防止層６０２として形成された層を上層に形成される強誘電体層の配線層に対する保護を目的としたバリア層６０２ａとして配置され、そしてその上層に強誘電体層６０６が配置され、その上部に熱作用部において発熱抵抗層６０４として形成された層を下部の強誘電体層６０６の保護を目的としたバリア層６０４ａとして配置され、その上に上部配線層６０５が積層されて構成されている。実際には、この上に更に保護膜や耐キャビテーション膜等が形成されるが、図７では熱作用部とコンデンサ部を同一の工程で同時に形成することを説明するものであり、それらの層は省略されている。
【０１００】
熱作用部とコンデンサ部における各対応する層は、同一の工程で同時に形成されるものである。すなわち、基板上に熱作用部を構成する目的で下部配線層６０１を形成する。そして、配線層におけるヒロックを防止する目的のヒロック防止層６０２をその上に積層する。そして、層間膜６０３を形成し、コンデンサ部を形成する部分に対しては強誘電体材料層６０６を形成する。その後発熱抵抗層６０４を形成し、上部配線層６０５を形成する。このとき、強誘電体材料層６０６に対しては熱作用部を構成するヒロック防止層６０２が強誘電体材料層６０６の下部のバリア層、発熱抵抗層６０４が強誘電体材料層６０６の上部のバリア層として機能することになり、記録ヘッドの熱作用部を構成する層、特にヒロック防止層６０２、発熱抵抗層６０４がそのままコンデンサ部の強誘電体層の配線層に対するバリア層として利用することができる。このように熱作用部の製造工程をそのまま利用してコンデンサ部のバリア層を形成することができる。
【０１０１】
なお、強誘電体層６０６の形成は高温で行われ処理される必要があるため、配線層に用いられる材料としてはＣｕ、Ｃｕ−Ｓｉ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ａｕなどの金属やＩｒＯ2、ＲｕＯ2などの酸化物からなる高融点材料が使用されることが好ましい。特に、半導体素子を形成した後の工程で熱作用部を構成する膜と同時に成膜する場合には高温による配線層の損傷を防止する目的から高融点材料が使用されることが好ましい。加えて、強誘電体層６０６が配線層と直接接触することで還元されて劣化されてしまうことを防止する目的で構成されるバリア層の存在が一層有効となり、熱作用部の製造と同時に形成されるような本発明の構成とすることはより好ましい。
【０１０２】
なお、液体吐出に寄与する駆動素子としてヒーターを利用するヘッド構成においては、発熱抵抗層６０４を、ＴａＳｉＮ、ＴａＮなどのヒーター材料をスパッタリング成膜によって形成する工程を備えている。スパッタリング成膜工程は、ＣＶＤ成膜工程などで発生した水素イオンなどの発生がなく還元環境にならず強誘電体材料膜を還元雰囲気に曝すことなく、発熱抵抗層６０４や耐キャビテーション膜形成時に強誘電体材料膜６０６のバリア層を形成することができる。また、発熱抵抗層６０４や耐キャビテーション膜は液体吐出ヘッドの特性として十分な耐久性を備えたものであり、このような膜を強誘電体材料層６０６のバリア層に利用することは組成が安定しており耐久性の観点で好ましい。
【０１０３】
また、発熱抵抗層６０４や耐キャビテーション膜の成膜と同時に強誘電体材料膜６０６のバリア層を形成すれば、個々の膜を別に成膜するより製造工程の工程数の削減を図ることもでき、また製造装置も同じものを用いることができるため装置の共有化による製造装置コストの低減効果も得られる。すなわち、発熱抵抗層６０４や耐キャビテーション膜の形成と同一の手法によって強誘電体材料膜６０６のバリア層を形成することができ、発熱抵抗層６０４や耐キャビテーション膜材料をそのままバリア層として活用できる。
【０１０４】
なお、製造装置の共有化の観点に着目してみると、例えば、発熱抵抗体としてＴａＳｉＮをスパッタリング成膜で形成する場合は、スパッタリング装置におけるヒーター層形成時にはＴａＳｉターゲットをＮ雰囲気中でスパッタリングするが、同じ装置を利用してターゲットをＳｉとしＮ雰囲気中でスパッタリングすることで非常に安定なＳｉＮ膜（ＣＶＤでは成形することができない成膜工程に起因する水素を含まない膜）を強誘電体材料膜６０６のバリア層とすることができる。また、ヒーター層形成スパッタリング装置を用い、ターゲットをＴｉなどの金属としＮ雰囲気中でスパッタリングしＴｉＮ膜を強誘電体材料膜６０６のバリア層とすることもできる。各種の金属と窒素、酸素とを反応させ安定した膜を形成することが可能である。このようにインクジェット記録ヘッドの成膜装置を流用し、ターゲットのみ交換することでも有効なバリア層を形成することが可能であり、水素イオンなどの還元環境に曝すことなく、安定な膜を形成できる。
【０１０５】
ヒーター層の形成だけでなく、例えば耐キャビテーション膜として用いられているＴａなどの材料をそのまま利用して耐キャビテーション膜の成膜装置を利用してＮ雰囲気中でスパッタリングを行うことでバリア層を形成することも可能である。成膜方法はスパッタリングでありＣＶＤのように水素イオンの発生がなく強誘電体材料膜６０６が還元される環境に曝されることがなく、安定した耐キャビテーション膜と同一の材料と窒素、酸素を反応させてバリア層を構成するので安定したバリア層を構成でき、スパッタリング装置のターゲットは耐キャビテーション層と同一であり、同一装置を用いて同一工程でバリア層を構成できるため量産性に優れ、製造工程の簡略化を図れる効果を有する。
【０１０６】
さらに、ヒーター層下部に配置される配線層の上部層などに用いられるＴｉＷ、ＴａＮなどアルミ等の配線層に生じる熱によるヒロック防止膜６０２をスパッタリングする、あるいは窒素、酸素雰囲気中でスパッタリングすることで強誘電体材料膜６０６のバリア層とすることも可能である。成膜方法はスパッタリングでありＣＶＤのように水素イオンの発生がなく強誘電体材料膜６０６が還元される環境に曝されることがなく、安定したヒロック防止膜６０２と同一の材料、あるいは窒素、酸素を反応させてバリア層を構成するので安定したバリア層を構成でき、スパッタリング装置のターゲットはヒロック防止層６０２と同一であり、同一装置を用いて同一工程でバリア層を構成できるため量産性に優れ、製造工程の簡略化を図れる。
【０１０７】
なお、液体吐出ヘッドのヒーター層がＨｆＢ2など、ヒーター層とその保護層であるＳｉＮ、ＳｉＯなどの層との密着性が十分で良くない場合に設けられるＴｉなどの金属膜を密着層として介した構成の液体吐出ヘッドでは、密着層を構成する金属を窒素、酸素雰囲気中で強誘電体材料膜に対してスパッタリングして成膜することでバリア層とすることも可能である。成膜方法はスパッタリングであり、ＣＶＤのように水素イオンの発生がなく強誘電体材料膜が還元される環境に曝されることがなく、安定した密着層と同一の材料と窒素、酸素を反応させてバリア層を構成するので安定したバリア層を構成でき、スパッタリング装置のターゲットは密着層と同一であり、同一装置を用いて同一工程でバリア層を構成できるため量産性に優れ、製造工程の簡略化を図れる。
【０１０８】
なお、第１および第２のバリア層は、発熱抵抗層６０４や耐キャビテーション膜を含む酸化膜、窒化膜の膜厚方向で強誘電体材料膜６０６に近い部分の酸素、窒素の割合を高くすることは好ましい。また、これらの酸素、窒素の割合は、バリア層の膜厚方向で連続的に変化させても良いし、断続的に変化させても良い。
【０１０９】
なお、ヒータが接続される電源層とロジック回路が接続される電源層が別々に形成される場合は、コンデンサ３４’と同様の構成のコンデンサを、ロジック回路の電源ラインとＧＮＤラインとの間にも設けることが望ましい。
【０１１０】
本形態では、コンデンサ３４’は素子基板１に直接形成されているが、コンデンサ３４’を配置スペースに余裕のある天板３側に形成するようにすれば、設計上の自由度が向上する。この場合は、コンタクトパッドを介した接続構造により、天板３に形成されたコンデンサが素子基板１側に形成されたヒータまたはロジック回路の電源ラインとＧＮＤラインとの間に接続されるようにする必要がある。
【０１１１】
＜強誘電材料を用いて不揮発性メモリを構成した例＞
図８は、本発明の一実施形態の液体吐出ヘッドの素子基板に形成される回路素子の構成を示す図である。
【０１１２】
素子基板１には、発熱体２が配列されたヒーター列２’と、発熱体２を駆動するドライバ１１と、発熱体２の駆動条件を制御するために必要な、液体の状態または特性を検出するセンサ１３と、センサ１３の出力をそれぞれモニタしその検出結果に応じて発熱体２への印加エネルギーを制御する駆動制御回路３６と、センサ１３の検出結果に応じてランク分けされたコード値、予め測定されている各発熱体２による液体吐出量特性（一定温度で、所定のパルス印加における液体吐出量）をヘッド情報として記憶し駆動制御回路３６に出力するＦｅＲＡＭ３５と、センサ１３を駆動するとともにその出力である検出結果をＦｅＲＡＭ３５へ記憶させるセンサ処理部３７とが設けられている。
【０１１３】
駆動制御回路３６は、パルスジェネレータ、バッファ等から構成される。センサ１３としては、液体の状態または特性として、液体の温度の変化、液体の圧力、液体中に含まれる成分、または液体の水素イオン濃度指数（ＰＨ）等を検出するセンサが用いられる。
【０１１４】
ＦｅＲＡＭ３５は、前述の図１に示した構成の機能素子より構成される強誘電体メモリである。強誘電体メモリの一例として、『「Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3膜による強誘電体メモリの開発」、中村孝、応用物理、第６７巻、第１１号（１９９８）』に開示されている強誘電体メモリのセル構造を図９に示す。
【０１１５】
この強誘電体メモリのセル構造は、図９（ａ）に示すように、プレートライン（下部電極）３５２、強誘電体３５０、上部電極３５１を順次積層してなる強誘電体キャパシタがビットライン３５３およびワードライン３５４とともに半導体基板上に形成された構成となっている。このセル構造を用いて、図９（ｂ）に示すような１Ｔ１Ｃ型セル、図９（ｃ）に示すような２Ｔ２Ｃ型セルを構成することができる。
【０１１６】
上記のように構成された素子基板１と天板は、その接合面において、互いの基板に形成された回路等が接続用コンタクトパッドを介して接続される。このようにして素子基板１と天板とを位置合わせして接合することで、液体吐出ヘッドが構成される。
【０１１７】
以上の構成の液体吐出ヘッドでは、まず、液体の状態がセンサ１３により各液流路ごとに検出され、その結果がＦｅＲＡＭ３５に記憶される。駆動制御回路３６は、そのＦｅＲＡＭ３５に記憶されたデータに応じて各発熱体２のプレヒートパルス幅を決定するとともに、入力画像データ信号に応じて各発熱体２の駆動パルスを決定する。この駆動制御回路３６で決定されたプレヒートパルス、及び予め決められたヒートパルスが発熱体２に与えられると、発熱体３２では、プレヒートされた後、液体を発泡させるためのエネルギーが与えられる。このようにして、センサでの検出結果に応じてプレヒート幅を制御することで、液体状態にかかわらず液体の吐出量を各吐出口で一定にすることができる。
【０１１８】
ＦｅＲＡＭ３５に記憶されるヘッド情報としては、上述した液体状態の他に、吐出する液体の種類（液体がインクの場合には、インクの色等）も含めることもできる。液体の種類によってはその物性が異なり、吐出特性が異なるからである。また、センサ１３が複数設けられる場合（例えば各ノズル単位に設けられる場合）には、各センサの特性の固体差を補正するために、各センサの特性をヘッド情報としてＦｅＲＡＭ３５に予め記憶しておき、駆動時にその情報を利用して駆動条件を制御するようにしてもよい。これらのヘッド情報のＦｅＲＡＭ３５への記憶は、この液体吐出ヘッドの組立後に不揮発的に行ってもよいし、この液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出装置の立ち上げ後に装置側から転送されることで行ってもよい。
【０１１９】
本形態では、ＦｅＲＡＭ３５は素子基板１に形成されているが、スペースに余裕のある天板側に形成するようにしてもよい。一例として、ＦｅＲＡＭが天板側に形成された液体吐出ヘッドの構成を図１０に示す。
【０１２０】
図１０に示す例では、発熱体１３２に発泡エネルギーを与える前に発熱体１３２をプレヒート（液体を発泡させない程度の予備的な加熱）するもので、液体の温度を検出するセンサ（図１０では不図示）での検出結果に応じて、発熱体１３２のプレヒートパルス幅を制御する。
【０１２１】
図１０（ａ）に示すように、素子基板１３１には、一列に配列された発熱体１３２と、ドライバとして機能するパワートランジスタ１４１と、パワートランジスタ１４１の駆動を制御するためのＡＮＤ回路１３９と、パワートランジスタ１４１の駆動タイミングを制御するための駆動タイミング制御ロジック回路１３８と、シフトレジスタおよびラッチ回路で構成される画像データ転送回路１４２と、液体の温度を検出するセンサとが、半導体プロセスを用いて形成されている。
センサは、各液流路ごと、すなわち発熱体１３２ごとに設けられている。
【０１２２】
駆動タイミング制御ロジック回路１３８は、装置の電源容量を少なくする目的で、全ての発熱体１３２を同時に通電するのではなく発熱体１３２を分割駆動して時間をずらして通電するためのものであり、この駆動タイミング制御ロジック回路１３８を駆動するイネーブル信号は、外部コンタクトパッドであるイネーブル信号入力端子１４５ｋ〜１４５ｎから入力される。
【０１２３】
また、素子基板１３１に設けられる外部コンタクトパッドとしては、イネーブル信号入力端子１４５ｋ〜１４５ｎの他に、発熱体１３２の駆動電源の入力端子１４５ａ、パワートランジスタ１４１の接地端子１４５ｂ、発熱体１３２を駆動するエネルギーを制御するために必要な信号用の入力端子１４５ｃ〜１４５ｅ、ロジック回路の駆動電源端子１４５ｆ、接地端子１４５ｇ、画像データ転送回路１４２のシフトレジスタに入力されるシリアルデータの入力端子１４５ｉおよびこれに同期するシリアルクロック信号の入力端子１４５ｈ、ラッチ回路に入力されるラッチクロック信号の入力端子１４５ｊがある。
【０１２４】
一方、図１０（ｂ）に示すように、天板１３３には、発熱体１３２の駆動タイミングを決定するとともにセンサ１４３からの出力をモニタしその結果に応じて画発熱体１３２のプレヒート幅を決定する駆動信号制御回路１４６と、各発熱体に対応するプレヒート幅を選択するための選択データをヘッド情報として記憶し駆動信号制御回路１４６に出力するＦｅＲＡＭ１４９とが形成されている。このＦｅＲＡＭ１４９は上述の図８のＦｅＲＡＭと同様の構造のものである。
【０１２５】
また、接続用コンタクトパッドとして、素子基板１３１および天板１３２には、外部から上記発熱体１３２を駆動するエネルギーを制御するために必要な信号用の入力端子１４５ｃ〜１４５ｅと駆動信号制御回路１４６とを接続する端子１４４ｂ〜１４４ｄ，１４８ｂ〜１４８ｄ、駆動信号制御回路１４６の出力をＡＮＤ回路１３９の一方の入力端子に入力させるための端子１４８ａ等が設けられている。
【０１２６】
以上の構成において、まず、液体の温度がセンサにより各液流路ごとに検出され、その結果がＦｅＲＡＭ１４９に記憶される。駆動信号制御回路１４６では、ＦｅＲＡＭ１４９に記憶された温度データおよび選択データに応じて、各発熱体１３２のプレヒートパルス幅を決定し、端子１４８ａ，１４４ａを介してＡＮＤ回路１３９に出力する。一方、シリアルで入力された画像データ信号は、画像データ転送回路１４２のシフトレジスタに記憶され、ラッチ信号によりラッチ回路にラッチされて、駆動タイミング制御回路１３８を介してＡＮＤ回路１３９に出力される。
【０１２７】
画像データ信号がＡＮＤ回路１３９に出力されることで、駆動信号制御回路１４６で決定されたプレヒートパルス、及び予め決められたヒートパルスが発熱体１３２に与えられる。これにより発熱体１３２は、プレヒートされた後、液体を発泡させるためのエネルギーが与えられる。このようにして、センサでの検出結果に応じてプレヒート幅を制御することで、温度状態にかかわらず液体の吐出量を各吐出口で一定にすることができる。
【０１２８】
なお、図１０で説明した液体吐出ヘッドでは、さらに、抵抗値センサとして発熱体１３２と同様にして素子基板１３１に形成されたランクヒータ１４３と、天板１３３に形成された、ランクヒータ１４３を駆動するためのセンサ駆動回路１４７とを有する。そして、センサ駆動回路１４７とランクヒータ１４３とを接続する端子１４４ｇ，１４４ｈ，１４８ｇ，１４８ｈが、素子基板１３１及び天板１３３に形成されている。これは、ランクヒータ１４３で検出された抵抗値に基づいて発熱体１３２に印加するパルスのパルス幅を決定するためのものであり、駆動信号制御回路１４６は、ランクヒータ１４３からの出力をモニタし、その結果に応じて発熱体１３２への印加エネルギーを制御する。また、ＦｅＲＡＭ１４９は、ランクヒータ１４３で検出された抵抗値データあるいは抵抗値からランク分けされたコード値、および予め測定されている各発熱体１３２による液体吐出量特性（一定温度で、所定のパルスを印加したときの液体吐出量）をヘッド情報として記憶し、駆動信号制御回路１４６に出力する。
【０１２９】
ランクヒータ１４３を利用した発熱体１３２への印加エネルギーの制御について説明する。まず、ランクヒータ１４３の抵抗値が検出され、その結果がＦｅＲＡＭ１４９に記憶される。ランクヒータ１４３は発熱体１３２と同様にして形成されたものであるので、その抵抗値は実質的には発熱体１３２と同じであり、ランクヒータ１４３の抵抗値を発熱体１３２の抵抗値とみなす。駆動信号制御回路で１４６では、ＦｅＲＡＭ１４９に記憶された抵抗値データ及び液体吐出量特性に応じて発熱体１３２の駆動パルスの立ち上がりデータ及び立ち下がりデータを決定し、端子１４８ａ，１４４ａを介してＡＮＤ回路１３９に出力する。これによりヒートパルスのパルス幅が決定され、画像データが、画像データ転送回路１４２から駆動タイミング制御回路１３８を介してＡＮＤ回路１３９に出力されることで、駆動信号制御回路１４６で決定したパルス幅で発熱体１３２への通電が行われる。その結果、発熱体１３２には、ほぼ一定のエネルギーが印加される。
【０１３０】
＜強誘電材料を用いて圧力センサを構成した例＞
本出願人は、図３０で示したように、液流路内に、気泡の圧力伝搬方向を下流側へ導く可動部材を設けた液体吐出ヘッドを提案している。ここでは、可動部材に強誘電材料より構成された圧力センサを設けた液体吐出ヘッドの例を説明する。
【０１３１】
図１１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断面図である。
【０１３２】
本形態の液体吐出ヘッドは、前述の図２８に示した構成の液体吐出ヘッドに、発熱体２によって生成される気泡の圧力伝搬方向を下流側へ導く可動部材６を設けた構成となっている。図３０におけるものと同等な基本構成を有する可動部材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。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点６ａを持ち、この支点６ａに対して下流側に自由端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。
【０１３３】
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１１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。
【０１３４】
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）に自由端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。
【０１３５】
一方、気泡が消泡工程に入ると、可動部材６の弾性力との相乗効果で気泡は急速に消泡し、可動部材６も最終的には図１１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。
【０１３６】
上記可動部材６には、可動部材６の変位により液体を発泡させた際の気泡の圧力を検出する圧力センサ素子２００が設けられている。圧力センサ素子２００は、前述の図１に示した構成と同様の、強誘電材料よりなる圧力センサである。この圧力センサ素子２００では、可動部材６のひずみに応じて分極電荷が変化し、該変化量が液体に作用する圧力の変化として検出される。この圧力センサ素子２００の検出結果を、前述の図４に示した発熱体制御部および図１０に示した駆動制御回路にフィードバックして発熱体を制御することにより、吐出制御を安定して行うことができる。
【０１３７】
次に、気泡発生領域１０に面して設けられた、圧力センサを有する可動部材６について、図１２および図１３を参照して説明する。
【０１３８】
図１２（ａ）は圧力センサを有する可動部材６を備えたノズルを素子基板１に垂直に流路方向に沿って切断した断面図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）において発熱体２で液体に発生した気泡に伴って変位する可動部材６の様子を示している。また、図１３は各液流路に配設された可動部材６の圧力センサに対する電気配線を示すために素子基板１に平行な方向に沿って切断した断面図である。
【０１３９】
図１２に示すように可動部材６内に、各電極２０１にリード配線２０２と繋がった電極２０１が両端に形成された圧力センサ素子２００が作り込まれている。本例では、センサ素子が効率的に屈曲するように、圧力センサ素子２００の上部の可動部材を図１２のように一部除去してある。また図１３に示すように、各液流路における可動部材６の圧力センサ素子２００の両端の電極２０１のうち、一方の電極はこれと同じ他の圧力センサ素子の一方の電極と共に共通配線２０２ａに繋がっており、もう一方の電極は各可動部材に個別に設けられたセグメント配線２０２ｂに繋がっている。
【０１４０】
次に、フォトリソグラフィプロセスを利用した、圧力センサを有する可動部材６の製造方法について説明する。
【０１４１】
図１４及び図１５は、図１２及び図１３に示した可動部材の液体吐出ヘッドへの製造方法の一例を説明するための図であり、図１４及び図１５では、図１１及び図１２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１４及び図１５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１１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、その天板には流路側壁が作り込まれる。
【０１４２】
まず、図１４（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。
【０１４３】
次に、図１４（ｂ）では、ＴｉＷ膜７６の表面に、間隙形成部材７１ａを形成するためのＡｌ膜をスパッタリング法によって厚さ約４μｍ形成する。間隙形成部材７１ａは、後述する図１５（ｃ）の工程において、ＳｉＮ膜７２ａがエッチングされる領域までに延在されている。
【０１４４】
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することで、そのＡｌ膜の、可動部材６の支持固定部に対応する部分のみを除去し、ＴｉＷ膜７６の表面に間隙形成部材７１ａを形成する。従って、ＴｉＷ膜７６表面の、可動部材６の支持固定部に対応する部分が露出することになる。この間隙形成部材７１ａ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膜からなるものである。間隙形成部材７１ａは、図１１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、可動部材６の支持固定部に対応する部分を除く部分全てに形成されている。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形成部材７１ａが形成されている。
【０１４５】
この間隙形成部材７１ａ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、このような間隙形成部材７１ａ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形成部材７１ａによって防止される。
【０１４６】
次に、図１４（ｃ）では、間隙形成部材７１ａ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２．５μｍのＳｉＮ膜７２ａを、間隙形成部材７１ａを被覆するように形成する。
【０１４７】
次に、ＳｉＮ膜７２ａ上の圧力センサ素子２００が形成される部分に、周知の半導体プロセスを用いて、Ｔａ、Ｔｉ等からなる第１および第２のバリア層をスパッタリング法によって形成し、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3からなる誘電体材料膜をスパッタリング法あるいはＣＶＤ法によって形成し、前述の図１に示したように積層された圧電素子膜２００ａを形成する。
【０１４８】
次に、図１５（ａ）に示すように、圧電素子膜２００ａの両端部に対してそれぞれ、ＡｌもしくはＣｕ/Ｗでリード配線２０２ａ、２０２ｂをパターニングする。続いて、図１５（ｂ）では、ＳｉＮ膜７２ａの表面全体に、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２．０μｍのＳｉＮ膜７２ｂを、ポリシリコン膜２００ａ及びリード配線２０２ａ，２０２ｂを被覆するように形成する。
【０１４９】
次に、ＳｉＮ膜７２ｂ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７２ｂ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。但し、後述のドライエッチングの際に圧電素子膜２００ａの一部が露出されるように、圧電素子膜２００ａ上のＳｉＮ膜７２ｂの表面の一部には前記第２の保護層としてのＡｌ膜（不図示）は残さない。この第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及び７２ｂに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。
【０１５０】
そして、図１５（ｃ）では、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及び７２ｂをパターニングすることで、そのＳｉＮ膜７２ａ及び７２ｂ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ＣＦ4とＯ2との混合ガスを用いており、ＳｉＮ膜７２ａ及び７２ｂをパターニングする工程では、図１１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。
【０１５１】
次に、図１５（ｄ）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の保護層や、Ａｌ膜からなる間隙形成部材７１ａを溶出して除去し、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。
【０１５２】
以上のようにして、圧力センサ素子を有する可動部材６が設けられた素子基板１が製造される。ここでは、図１１に示したように可動部材６の支持固定部が素子基板１に直接固定されているものを製造する場合で説明したが、この製造方法を適用して、可動部材が台座部を介して素子基板に固定された液体吐出ヘッドを製造することもできる。この場合、図１４（ｂ）に示した間隙形成部材７１ａを形成する工程の前に、可動部材の、自由端と反対側の端部を素子基板に固定するための台座部を素子基板の発熱体側の面上に形成する。この場合でも、台座部と素子基板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。
【０１５３】
その後、他方の素子基板３である天板側においては、電気的な接続用パッドが形成された表面上に、金バンプ等を形成し、凸電極部を形成する。そして、図示しないが、天板側の凸電極と、素子基板１側の凹電極間で、金属の共晶を利用した接合を行った。この際、両側の金属種は、同種金属を採用した方が接合時の温度・圧力を低減でき、かつ、接合強度を高めることができる。
【０１５４】
最後に、エキシマレーザを用いて、フェイス全面に設置したコンタクトマスクを介して、オリフィス５を形成することで液体吐出ヘッドが完成する。
【０１５５】
上述した製法例では、流路側壁９を天板３側に形成しておく場合を説明したが、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側に形成してもよい。
【０１５６】
上記圧力センサ素子からの出力をモニターするための回路の一例を図１６に示す。図１６に示す回路では、記録液発泡時の圧力による圧電素子膜２００ａの変位に伴う起電力を電圧計２０６によって測定することにより、可動部材６の変位量及び発泡の圧力が計測可能となる。この回路において、Ｖout端子の電圧は圧電素子膜２００ａの起電力である。よって、このＶout出力を前述の素子基板１に形成されたＦｅＲＡＭにフィードバックする。この場合も、駆動信号制御回路で、このフィードバックされた信号をもとに駆動パルスの切り替えや選択を行うことで常に安定した発泡圧力を得ることができる。
【０１５７】
上述のように、良好な画像品位を得るために発熱体２の駆動を制御しても、共通液室内に気泡が発生し、これが液体のリフィルとともに液流路内に移動してくると、共通液室内には液体が存在するにもかかわらず、液体が吐出されないという不具合が発生する場合がある。
【０１５８】
そこで、これに対処するために、各液流路内の可動部材６に設けた圧力センサで発泡状態の異常が検出されたらその結果を後述の吸引回復操作を制御する回路に出力させる処理回路を素子基板１又は天板３に設けてもよい。そして、この処理回路からの出力に基づき、後述の液体吐出記録装置側のインク吸引手段で、液体吐出ヘッド内の液体を吐出口から強制的に吸引するようにすれば、液流路内の気泡を除去することができる。
【０１５９】
なお、本形態では、圧力センサ素子２００は可動部材に造り込まれているが、発熱体２の膜沸騰に伴って発生する気泡によって液体に作用する圧力の変化、インクの流れの淀み等、検出対象に応じて天板または素子基板の最適な場所に設けることが望ましい。例えば、図１７に示すように、液流路７内に、強誘電材料より構成される圧力センサ素子２００’を設けてもよい。この場合、圧力センサ素子２００’は、液体の流れを妨げないような構造とすることが望ましい。
【０１６０】
上述した本形態の液体吐出ヘッドによれば、近年の液体吐出ヘッドの高密度化に伴って生じていた以下のような従来の問題も解決される。
【０１６１】
液体吐出ヘッドの高密度化により液体の吐出量が少なくなっており、これに伴って、従来では大きな問題とはならなかったようなインクの状態等に起因する吐出量の差が、吐出量のばらつきとして目立つようになってきていた。このため、従来の液体吐出ヘッドの温度センサの配置では、より正確なインクの状態等を検出することが困難であった。その理由は、従来の液体吐出ヘッドの温度センサは、電気熱変換体、駆動制御部とともに、半導体ウェハプロセス技術を用いて素子基板の表面に平面的に形成されていたものであるが、素子基板の表面近傍は、インクの流れが淀み易く、また、電気熱変換体からの熱の影響により大きな温度勾配をもつためであると考えられる。本形態によれば、そのようなインクの流れの淀み、電気熱変換体からの熱の影響等を受けるとなく、より細かな液体吐出制御を行うことができる。
【０１６２】
圧力センサーについて説明したが、圧電素子である強誘電材料に電圧を印加することで、変位を起こすことを利用することもできる。具体的にはその変位を利用して、インクを吐出させたり、オリフィスのメニスカスの制御等に利用できる。変位しやすくするために、弁構造を設けてその部分に強誘電材料を設けることもできる。これはインクの圧力を検知して印字制御を行う構成とほとんど同じでできるため、組み合わせて構成してもよい。また、変位を大きくするために積層構造としてもよい。
＜強誘電材料を用いて可動部材を構成した例＞
次に、強誘電材料を用いて可動壁を構成した実施形態について図面を参照して説明する。
【０１６３】
図２は、本発明の液体吐出ヘッドにおける素子基板のインク路に相当する部分の断面図を示すものである。図２において、符号３０１はシリコン基板、符号３０２は蓄熱層であるところの熱酸化膜を示す。符号３０３は蓄熱層を兼ねる層間膜であるところのＳｉＯ2膜またはＳｉ3Ｎ4膜、符号３０４は抵抗層、符号３０５はＡｌまたはＡｌ-Ｓｉ、Ａｌ-Ｃｕ等のＡｌ合金配線、符号３０６は保護膜であるところのＳｉＯ2膜またはＳｉ3Ｎ4膜を示す。符号３０７は抵抗層３０４の発熱に伴う化学的・物理的衝撃から保護膜３０６を守るための耐キャビテーション膜を示す。また、符号３０８は、電極配線３０５が形成されていない領域の抵抗層３０４の熱作用部を示す。
【０１６４】
これらの駆動素子は、半導体技術によりＳｉ基板に形成され、熱作用部が同一基板に更に形成される。
【０１６５】
図３に、液体吐出ヘッドにおける素子基板の主要素子を縦断するように切断したときの模式的断面図を示す。
【０１６６】
Ｐ導電体のＳｉ基板３０１に、一般的なＭＯＳプロセスを用いイオンプラテーション等の不純物導入および拡散によりＮ型ウェル領域４２２にＰ-ＭＯＳ４２０、ｐ型ウェル領域４２３にＮ-ＭＯＳ４２１が構成される。Ｐ-ＭＯＳ４２０およびＮ-ＭＯＳ４２１は、それぞれ厚さ数百Åのゲート絶縁膜４２８を介して４０００Å以上５０００Å以下の厚さにＣＶＤ法で堆積したｐｏｌｙ-Ｓｉによるゲート配線４３５およびＮ型あるいはＰ型の不純物導入をしたソース領域４２５、ドレイン領域４２６等で構成され、それらＰ-ＭＯＳとＮ-ＭＯＳによりＣ-ＭＯＳロジックが構成される。
【０１６７】
また、素子駆動用Ｎ-ＭＯＳトランジスタは、やはり不純物導入および拡散等の工程によりＰ-ウェル基板中にドレイン領域４３１、ソース領域４３２およびゲート配線４３３等で構成される。
【０１６８】
なお、本形態では、Ｎ-ＭＯＳトランジスタを使った構成で説明しているが、複数の発熱体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構造を達成できる機能を持つトランジスタであれば、これに限らない。
【０１６９】
また、各素子間は、５００Å以上１００００Å以下の厚さのフィールド酸化により、酸化膜分離領域４２３を形成し、素子分離されている。このフィールド酸化膜は、熱作用部３０８下においては一層目の蓄熱層４３４として作用する。
【０１７０】
各素子が形成された後、層間絶縁膜４３６が約７０００Åの厚さにＣＶＤ法によるＰＳＧ(Phospho Silicate Glass)、ＢＰＳＧ(Boron-doped Phospho Silicate Glass)膜等で堆積され、熱処理により平坦化処理等をされてからコンタクトホールを介し、第１の配線層となるＡｌ電極４３７により配線が行われている。その後、プラズマＣＶＤ法によるＳｉＯ2膜等の層間絶縁膜４３８を１００００Å以上１５０００以下の厚さに堆積し、更にスルーホールを介して、抵抗層３０４として約１０００Åの厚さのＴａＮ0.8,hex膜をＤＣスパッタ法により形成した。その後、各発熱体への配線となる第２の配線層Ａｌ電極を形成した。
【０１７１】
次に、保護膜３０６は、プラズマＣＶＤによるＳｉ3Ｎ4膜が、約１００００Åの厚さに成膜される。最上層には、耐キャビテーション膜１０７がアモルファスタンタルによって約２５００Åの厚さに堆積される。耐キャビテーション膜３０７の材料としては、金属膜よりも導電性の弱いアモルファス金属を選択した。また、耐キャビテーション膜３０７の材料として、更に導電性が弱く、比誘電率が比較的高い絶稼材料である窒化物（ＢＮ，ＴｉＮ）や炭化物（ＷＣ，ＴｉＣ，ＢＣ）等を用いてもよい。
【０１７２】
図１８は本発明の液体吐出ヘッドの一実施形態の基本的な構造を説明するための、液流路方向に沿った断面図、図１９は図１８に示した液体吐出ヘッドの一部を破断して示す斜視図である。
【０１７３】
本実施形態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気泡発生素子である複数個（図１８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を有する。
【０１７４】
素子基板１は、シリコン等の基体上に絶縁および蓄熱を目的とした酸化シリコン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電極をパターニングしたものである。この配線電極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。
【０１７５】
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８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、酸化シリコン等の流路側壁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。
【０１７６】
天板３の先端面には壁部が設けられており、この壁部には、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。
【０１７７】
さらに、この記録ヘッドには、液流路７を第１の液流路７ａと第２の液流路７ｂとに分けるように配置された片持梁状の可動部材６が設けられている。可動部材６は、強誘電体薄膜６ａと、その両面に設けられた電極６ｂと、上側の電極６ｂの表面に設けられた変位補助層としての上部膜６ｃとを有している。上部膜６ｃは、電界中に置かれても歪みを生じない材料であるＳｉＮやＳｉＯ2等によって形成されている。なお、この変位補助層は下側の電極６ｂの表面に設けられていてもよい。
【０１７８】
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の上方を経て吐出口５側へ流れる大きな流れの上流側であって、可動部材６の素子基板１との支持固定部の付近に支点６ｄを有し、さらに、この支点６ｄに対して下流側に自由端６ｅを持つように、素子基板１上に配置されている。なお、発熱体２の上方が気泡発生領域１０となる。
【０１７９】
なお、ここで、「上流」および「下流」とは、液体の供給源から気泡発生領域１０（あるいは可動部材６）の上方を経て、吐出口５へ向かう液体の流れ方向に関して、又はこの構成上の方向に関しての表現として表されている。
【０１８０】
次に、素子基板１および天板３への回路や素子の振り分け構成について説明する。
【０１８１】
図４は、図１８に示した液体吐出ヘッドの回路構成を説明するための図であり、同図（ａ）は素子基板の平面図、同図（ｂ）は天板の平面図である。なお、図４（ａ）および（ｂ）は、互いの対向面を表わしている。
【０１８２】
図４（ａ）に示すように、素子基板１には、並列に配列された複数の発熱体２と、画像データに応じてこれら発熱体２を駆動するドライバ１１と、入力された画像データをドライバ１１に出力する画像データ転送部１２と、発熱体２の駆動条件を制御するために必要なパラメータを測定するセンサ１３とが設けられている。
【０１８３】
画像データ転送部１２は、シリアルに入力される画像データを各ドライバ１１にパラレルに出力するシフトレジスタ、およびシフトレジスタから出力されるデータを一時記憶するラッチ回路で構成される。なお、画像データ転送部１２は、各発熱体２に個別に対応して画像データを出力するものでもよいし、発熱体２の並びを複数のブロックに分け、ブロック単位に対応して画像データを出力するものでもよい。特に、１つのヘッドについて複数のシフトレジスタを備え、記録装置からのデータの転送を複数のシフトレジスタに振り分けて入力するようにすることで、印字速度の高速化に容易に対応することもできる。
【０１８４】
センサ１３としては、発熱体２の近傍の温度を測定する温度センサや、発熱体２の抵抗値をモニタするための抵抗センサ等が用いられる。
【０１８５】
噴射される液滴の吐出量を考えた場合、その吐出量は主に液体の発泡体積に関係する。液体の発泡体積は、発熱体２およびその周辺の温度によって変化する。そこで、温度センサによって発熱体２および周辺の温度を測定し、その結果に応じて液体吐出のためのヒートパルスを印加する前に、液体を吐出しない程度の小さいエネルギーのパルス（プレヒートパルス）を加え、そのプレヒートパルスのパルス幅や、その出力タイミングを変更することにより発熱体２および周辺の温度を調整して、一定の液滴を吐出するようにして画像品位を維持することが行われる。
【０１８６】
また、発熱体２における、液体を発泡させるのに必要なエネルギーを考えた場合、放熱条件が一定であれば、そのエネルギーは発熱体２の必要な単位面積当たりの投入エネルギーと発熱体２の面積の積で表わされる。これにより、発熱体２の両端にかかる電圧、発熱体２を流れる電流およびパルス幅を、その必要なエネルギーが得られる値に設定すればよい。ここで発熱体２に印加される電圧については、液体吐出装置本体の電源により電圧を供給することにより、ほぼ一定に保持することができる。一方、発熱体２を流れる電流については、発熱体２の抵抗値が、素子基板１の製造過程における発熱体２の膜厚のばらつき等により、ロットにより、あるいは素子基板１によって抵抗値が異なってくる。従って、印加されるパルス幅が一定で、発熱体２の抵抗値が設定よりも大きい場合はその流れる電流値が小さくなり、発熱体２に投入されるエネルギー量が不足してしまい、液体を適正に発泡させることができなくなる。逆に、発熱体２の抵抗値が小さくなると、同じ電圧を印加しても電流値が設定値よりも大きくなる。この場合には、発熱体２により過剰なエネルギーが発生され、発熱体２の損傷や短寿命につながるおそれがある。そこで、抵抗センサによって発熱体２の抵抗値を常にモニタし、その値により電源電圧やヒートパルス幅を変化させ、発熱体２にほぼ一定のエネルギーが印加されるようにする方法もある。
【０１８７】
一方、図４（ｂ）に示すように、天板３には、前述したように液流路および共通液室を構成する溝３ａ，３ｂが形成される他に、素子基板１に設けられたセンサ１３を駆動するセンサ駆動部１７と、センサ駆動部１７により駆動されたセンサからの出力結果に基づいて発熱体２の駆動条件を制御する発熱体制御部１６とが設けられている。なお、天板３には、外部から共通液室に液体を供給するために、共通液室に連通した供給口３ｃが開口している。
【０１８８】
さらに、素子基板１および天板３の接合面の、互いの対向する部位にはそれぞれ、素子基板１に形成された回路等と天板３に形成された回路等とを電気的に接続するための接続用コンタクトパッド１４，１８が設けられている。また、素子基板１には、外部からの電気信号の入力端子となる外部コンタクトパッド１５が設けられている。素子基板１の大きさは天板３の大きさよりも大きく、外部コンタクトパッド１５は、素子基板１と天板３とを接合したときに天板３から露出する位置に設けられている。
【０１８９】
ここで、素子基板１および天板３への回路等の形成手順の一例について説明する。
【０１９０】
素子基板１については、まず、シリコン基板上に、上記ドライバ１１、画像データ転送部１２およびセンサ１３を構成する回路を半導体ウェハプロセス技術を用いて形成する。次いで、前述したようにして発熱体２を形成し、最後に、接続用コンタクトパッド１４および外部コンタクトパッド１５を形成する。
【０１９１】
天板３については、まず、シリコン基板上に、上記発熱体制御部１６およびセンサ駆動部１７を構成する回路を半導体ウェハプロセス技術を用いて形成する。次いで、上述したように、成膜技術およびエッチングによって、液流路や共通液室を構成する溝３ａ，３ｂおよび供給口３ｃを形成し、最後に、接続用コンタクトパッド１８を形成する。
【０１９２】
上記のように構成された素子基板１と天板３とを位置合わせして接合すると、各液流路に対応して発熱体２が配置されるとともに、それぞれの接続用パッド１４，１８を介して素子基板１および天板３に形成された回路等が電気的に接続される。この電気的接続は例えば、接続用パッド１４，１８に金バンプ等を載せて行う方法があるが、それ以外の方法でもよい。このように、素子基板１と天板３との電気的接続を接続用コンタクトパッド１４，１８によって行うことで、素子基板１と天板３との接合と同時に、上述した回路同士の電気的接続を行うことができる。素子基板１と天板３との接合後に、液流路７の先端にオリフィスプレート４を接合し、これにより液体吐出ヘッドが完成する。
【０１９３】
なお、図１８に示したように本実施形態の液体吐出ヘッドは可動部材６を有しているが、この可動部材６についても、上述のようにして素子基板に回路等を形成した後、フォトリソグラフィプロセスを用いて素子基板１上に形成される。可動部材６の形成工程については以下に説明する。
【０１９４】
このようにして得られた液体吐出ヘッドをヘッドカートリッジや液体吐出装置に搭載する場合には、図２０に示すように、プリント配線基板２３が搭載されたベース基板２２上に固定し、液体吐出ヘッドユニット２０とされる。図２０において、プリント配線基板２３には、液体吐出装置のヘッド制御部と電気的に接続される複数の配線パターン２４が設けられ、これら配線パターン２４は、ボンディングワイヤー２５を介して外部コンタクトパッド１５と電気的に接続される。外部コンタクトパッド１５は素子基板１のみに設けられているので、液体吐出ヘッド２１と外部との電気的接続は、従来の液体吐出ヘッドと同様にして行うことができる。ここでは、外部コンタクトパッド１５を素子基板１に設けた例について説明したが、素子基板１ではなく天板３のみに設けてもよい。
【０１９５】
以上説明したように、発熱体２の駆動や制御のための各種回路等を素子基板１と天板３とに両者の電気的接合を考慮した上で振り分けることで、これらの回路等が１つの基板に集中しなくなるので、液体吐出ヘッドの小型化が可能になる。また、素子基板１に設けられた回路等と天板３に設けられた回路等との電気的接続を接続用コンタクトパッド１４，１８によって行うことで、ヘッド外部への電気的接続部の数が減り、信頼性の向上、部品点数の削減、ヘッドのより一層の小型化を実現することができる。
【０１９６】
また、上述した回路等を素子基板１と天板３とに分散させることで、素子基板１の歩留まりを向上させることができ、その結果、液体吐出ヘッドの製造コストを下げることができる。さらに、素子基板１および天板３を、シリコンという同一材料をベースとした材料で構成しているため、素子基板１と天板３との熱膨張係数が等しくなる。その結果、発熱体２の駆動により素子基板１および天板３が熱膨張しても両者にずれは生じなくなり、発熱体２と液流路７との位置精度が良好に維持される。
【０１９７】
本実施形態では上述の各回路等をその機能に応じて振り分けているが、この振り分けの基準となる考え方について以下に述べる。
【０１９８】
各発熱体２に個別またはブロック単位に電気配線接続で対応する回路は、素子基板１に形成する。図４に示した例では、ドライバ１１および画像データ転送部１２がこれに相当する。各発熱体２には駆動信号がパラレルに与えられるので、その信号分だけ配線の引き回しが必要となる。従って、このような回路を天板３に形成すると、素子基板１と天板３との接続数が多くなり接続不良が発生する可能性が高くなるが、素子基板１に形成することで、発熱体２と上記回路との接続不良が防止される。
【０１９９】
制御回路などアナログ的な部分は、熱の影響を受け易いことから、発熱体２が設けられていない基板すなわち天板３に設ける。図４に示した例では、発熱体制御部１６がこれに相当する。
【０２００】
センサ１３は、必要に応じて素子基板１に設けてもよいし、天板３に設けてもよい。例えば抵抗センサである場合には、抵抗センサは素子基板１上に設けないと意味がなかったり測定精度が低下したりするため素子基板１に設ける。また、温度センサの場合には、ヒータ駆動回路の異常による温度上昇などを検知する場合には素子基板１上に設けることが好ましいが、後述するインクを介しての温度上昇によりインクの状態を判断したい場合には、天板３、或いは素子基板１と天板３との双方に設けることが好ましい。
【０２０１】
その他、各発熱体２に個別にもブロック単位にも電気配線接続で対応していない回路、必ずしも素子基板１に設けなくてもよい回路、天板３に設けても測定精度には影響しないセンサ等は、素子基板１および天板３のいずれか一方に集中しないように必要に応じて素子基板１または天板３に形成する。図４に示した例では、センサ駆動部１７がこれに相当する。
【０２０２】
上記の考え方に基づいて各回路やセンサ等を素子基板１と天板３とに設けることで、素子基板１と天板３との電気的接続数をできるだけ少なくしつつも、各回路やセンサ等をバランスよく振り分けることができる。
【０２０３】
次に、本実施形態の液体吐出ヘッドの可動部材の製造方法について、図２１を参照して説明する。図２１は、図１８に示した液体吐出ヘッドにおける可動部材の製造工程を示す、液流路方向に沿った断面図である。
【０２０４】
まず、図２１（ａ）に示すように、素子基板１の耐キャビテーション層５０１の上に、可動部材６を変位させる駆動信号を与えるための一方の電極配線となる、Ｃｕ-Ｓｉからなる膜厚が３０００Åの配線層５０２を形成する。そして、所望の電極配線が形成するために、配線層５０２パターニングおよびエッチングを行う。次に、この配線層５０２の上に、ＳｉＮ膜からなる膜厚が５０００Åの中間層５０３を形成する。
【０２０５】
次に、同図（ｂ）に示すように、素子基板１の上面全体に、ＣＶＤ法によって温度３５０℃の条件でＰＳＧ膜５０４を形成する。ＰＳＧ膜５０４の膜厚は１〜２０μｍであり、この膜厚は図１８に示した素子基板１と可動部材６とのギャップに相当する。ＰＳＧ膜５０４の膜厚をこのような範囲とすることにより、記録ヘッドにおける液流路全体のバランス上、可動部材６による液体吐出効率向上の効果が顕著に現れる。
【０２０６】
次に、ＰＳＧ膜５０４をパターニングするために、ＰＳＧ膜５０４の表面にスピンコート等によりレジストを塗布した後、露光および現像を行い、そのレジストのうちの可動部材６が固定される部分に相当する部分を除去する。続いて、ＰＳＧ膜５０４のうちのレジストで覆われていない部分を、バッファードフッ酸によるウェットエッチングによって除去する。その後、ＰＳＧ膜５０４の表面に残っているレジストを、酸素プラズマによるアッシングによって、あるいは素子基板１をレジスト除去剤に浸すことによって除去する。これにより、ＰＳＧ膜５０４の一部が素子基板１の表面に残され、後の工程で可動部材６と素子基板１との空間に相当する型部材が作り込まれる。
【０２０７】
次に、同図（ｃ）に示すように、ＳｉＮからなる膜厚が５０００Åの保護層５０５を形成し、上述した中間層５０３および保護層５０５のパターニングおよびエッチングを行う。
【０２０８】
次いで、同図（ｄ）に示すように、可動部材６の駆動信号を与えるためのＣｕ-Ｓｉからなる膜厚が３０００Åの電極層５０６をスパッタリング法により形成し、同様にパターニングおよびエッチングを行う。これにより、電極層５０６が配線層５０２に接続され、下側の電極６ｂ（図１８参照）が形成される。
【０２０９】
次に、次に形成する強誘電体層５０７を電極層５０６から保護するためのバリア層５１０をスパッタリングによって形成した後、同図（ｅ）に示すように、ＲＦスパッタリング法により、Ｐｂ（Ｚｒ0.5Ｔｉ0.5）Ｏ3からなる膜厚が１μｍの強誘電体層５０７を形成する。次いで、成膜された強誘電体層５０７のパターニングおよびエッチングを行うことにより、強誘電体層５０７を可動部材６に相当する形状に形成する。
【０２１０】
続いて、強誘電体層５０７上に電極層５０８に対する保護層としてのバリア層５１１をスパッタリングによって形成した後、同図（ｆ）に示すように、可動部材６の駆動信号を与えるもう一方の上側の電極６ｂを成す電極層５０８を、Ｃｕ-Ｓｉによって膜厚が３０００Åとなるように形成する。次に、電極層５０８を保護するために、ＳｉＮからなる膜厚が３０００Åの保護層５０９を形成する。次に、可動部材６の変位をより大きくするために、ＳｉＮからなる膜厚が６０００Åの上部膜５１０を形成する。
【０２１１】
最後に、素子基板１と可動部材６との間の気泡発生領域１０（図１８参照）に相当する部分を形成するために、型部材として残っているＰＳＧ膜５０４をバッファードフッ酸によるウェットエッチングによって除去する。これにより、同図（ｇ）に示すように、素子基板１と可動部材６との間にギャップが形成される。
【０２１２】
以上の工程により、本実施形態の可動部材６が作成される。
【０２１３】
ここで、本実施形態の液体吐出ヘッドの可動部材の他の製造方法について、図２２を参照して説明する。図２２は、本製造方法に用いられるＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を示す概略図である。
【０２１４】
本製造方法では、可動部材６の強誘電体薄膜６ａを（Ｂａ-Ｓｒ）ＴｉＯ3で構成し、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法を用いて形成する。これ以外は、図２１を参照して説明した製造方法と同様に行う。
【０２１５】
ＥＣＲプラズマＣＶＤによって形成される強誘電体薄膜６ａの材料には、Ｂａ（ＤＰＭ）2[bis-dipivaloylmethanate barium]、Ｓｒ（ＤＰＭ）2、Ｔｉ（Ｏ-ｉ-Ｃ3Ｈ7）4およびＯ2が用いられる。Ｂａ（ＤＰＭ）2およびＳｒ（ＤＰＭ）2は、それぞれ融点に近い高温で、図２２に示すようにＡｒガスをキャリアとして装置のチャンバー内に供給される。また、Ｔｉ（Ｏ-ｉ-Ｃ3Ｈ7）4は、キャリアガスであるＡｒガスによってハブリングすることにより、装置のチャンバー内に供給される。一方、Ｏ2ガスも装置のチャンバー内に供給される。
【０２１６】
次に、チャンバー内に２．５４ＧＨｚのマイクロ波を導入して、これらの材料をプラズマ化させる。これにより、これらの材料はチャンバー内に配置された基板の表面に到達し、強誘電体材料から成る強誘電体薄膜６ａが形成される。
【０２１７】
なお、上記では、可動部材６の強誘電体薄膜６ａをスパッタリング法あるいはＥＣＲプラズマＣＶＤ法を用いて形成する方法について説明した。しかし、強誘電体薄膜６ａの形成はこれらの製法に限られず、これらの他にもプラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ(Molecular Organic CVD)法等を用いて形成することが可能である。
【０２１８】
また、強誘電体薄膜６ａの材料には、上記に示したものの他に、ＰＺＴ：Ｐｂ-Ｚｒｘ-Ｔｉ１-ｘＯ3、ＳＢＴ：Ｓｒ-Ｂｉ2-Ｔａ2Ｏ5、ＳｒＴｉＯ3、ＢａＴｉＯ3、ＰＬＺＴ：（Ｐｂ，Ｌａ）-（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3等を用いることができる。強誘電体薄膜６ａの組成は、膜厚方向に関して、連続的に変化させてもよいし、断続的に変化させてもよい。
【０２１９】
［本形態の液体吐出ヘッドの液体吐出の基本原理］
次に、本発明のような液体吐出ヘッドによる液体吐出の基本槻念について、図２３を参照して具体的に説明する。
【０２２０】
図２３は、本発明の液体吐出ヘッドによる吐出方法を説明するための、流路方向の断面図である。
【０２２１】
図２３に示すように、吐出口５は液流路７の端部域に配置され、可動部材６は吐出口５の上流側に配置されている。吐出口５に直接連通している液流路７内には、共通液室８から供給される液体が満たされている。可動部材６は、可動部材６に設けられた上下の電極６ｂ間に電圧を印加することにより、強誘電体薄膜６ａに発生する歪み力によって変位可能である。特に本実施形態では、液体の流れ方向に関して、上下の電極６ｂ間に電圧を印加すると強誘電体薄膜６ａの長さが伸縮するのに対し、上部膜６ｃの長さは電極６ｂ間への電圧の印加にかかわらず一定であるため、薄膜６ａと上部膜６ｃとの間に生じる長さの差によって可動部材６に歪み力が発生し、これによって可動部材６を大きく変位させることができるようになっている。
【０２２２】
可動部材６は、電極６ｂ間に電圧を印加すると薄膜６ａが収縮して素子基板１側へ変位し、また、両電極６ｂ間に上記の場合とは正負が逆の電圧を印加すると薄膜６ａが伸長して天板３側へ変位する。また、可動部材６は、気泡発生領域１０に発生した気泡の成長および収縮に伴っても、天板３側あるいは素子基板１側へ変位可能である。
【０２２３】
まず最初に、図２３（ａ）に示す初期状態では、液体自身が有している表面張力により、液体が吐出口５から少し突出した状態になっている。
【０２２４】
次に、両電極間６ｂに電圧を印加することにより強誘電体薄膜６ａが収縮し、同図（ｂ）に示すように、可動部材６が素子基板１側へ変位する。それに伴って、吐出口５から突出していた液体の液面が液流路７内に一定距離後退した状態になる。これにより、各液体吐出動作毎の液体吐出量を安定させることが可能となる。
【０２２５】
同図（ｃ）では、発熱体２に熱発生エネルギーが与えられ、気泡発生領域１０に気泡５０が生じる直前に、可動部材６の両電極６ｂ間に同図（ｂ）の場合とは逆の電位をかけることにより、強誘電体薄膜６ａを逆方向に歪ませることで、可動部材６を天板３側に変位させておく。その後、成長した気泡５０は、直前に変位し後方（上流側）の障壁となっている可動部材６の所で止まっており、発生した圧力波によって流れを持った液体は、可動部材６よりも後方へは流れないようになっている。
【０２２６】
つまり、液体の加熱発泡に先立って、両電極６ｂ間に上記とは正負が逆の電圧を印加し、可動部材６を予め天板３側に変位させておくことが好ましい。これにより、上流側への液体の流れが遮断され、液体を下流側の吐出口５へ効率的に送ることができ、吐出口５からの液体吐出効率を向上させることができる。
【０２２７】
発熱体２の表面全体に発生した気泡が急速に成長していくと膜状となり、その後、発生初期のきわめて高い圧力による気泡の膨張を続けていくと、同図（ｃ）に示す気泡５０のように最大発泡径まで成長する。
【０２２８】
次に、飛翔液体（液滴）が吐出口５における液体表面から離別する瞬間に、両電極６ｂ間に当初と正負が同じ電圧を印加することにより、同図（ｄ）に示すように可動部材６を素子基板１側に変位させる。この作用により、吐出口５側から液流路７内に各吐出動作毎に同一の量の液体が引き戻される。これにより、吐出口５付近の液体が飛翔液体（液滴）に追随するようにして尾引き形状となる現象や、主液滴の後にサテライト液滴である小液滴が飛翔する現象を無くすことができる。さらに、上流側からの液体のリフィルがより高速に行われる。
【０２２９】
また、同図（ｃ）と（ｄ）とに示す状態の間において、両電極６ｂ間に当初と正負が同じ電圧を印加することにより、同図（ｃ）に示す状態から同図（ｄ）に示す状態へ至る時間、すなわち可動部材６が天板３側へ最大に変位した状態から可動部材６が素子基板１側に変位するまでの時間を短くすることができ、液体吐出周波数を向上させることが可能となる。
【０２３０】
最後に、可動部材６が自身の弾性力で元の位置に戻ると、液体吐出ヘッドは再び初期状態となる。
【０２３１】
図２４は、図２３で示した本発明の吐出原理を実施するために、発熱体２や可動部材６内に設けられた電極６ｂ等に入力する信号のタイミングチャートを示している。
【０２３２】
本実施形態では、まず最初に、ＶＡＬＶＥ信号をハイレベル（以下、「Ｈレベル」という。）にして、弁である可動部材６をＧＮＤレベルにする。そして、プレヒート信号を印加すると、弁がヒータである発熱体２側に変位し、吐出口におけるメニスカスを後退させる。その後、プレヒート信号の印加を終了させた後に、ＶＡＬＶＥ信号をローレベル（以下、「Ｌレベル」という。）にして弁の誘電体膜６ａの電荷をディスチャージさせ、弁をＧＮＤレベルに設定することにより、弁を元の位置に戻す。
【０２３３】
次に、メインヒート信号を印加させることで吐出口５から液滴を吐出させる。
このとき、弁は気泡の後方成長を止める働きをする。
【０２３４】
次に、ＶＡＬＶＥ信号をＨレベルにして、弁をＧＮＤレベルにする。そして、プレヒート信号を印加すると、弁がヒータ側に変位し、液流路への液体のリフィル速度を促進させる。その後、ＶＡＬＶＥ信号をＬレベルにして、弁を元の位置に戻す。
【０２３５】
以上、本発明の基本的な構成についての実施形態を説明したが、以下に、上述した回路等の具体的な例について説明する。
【０２３６】
〈発熱体への印加エネルギーを制御する例〉
図２５は、センサ出力に応じて発熱体への印加エネルギーを制御する例の素子基板および天板の回路構成を示す図である。
【０２３７】
図２５（ａ）に示すように、素子基板１３１には、一列に配列された発熱体１３２と、ドライバとして機能するパワートランジスタ１４１と、パワートランジスタ１４１の駆動を制御するためのＡＮＤ回路１３９と、パワートランジスタ１４１の駆動タイミングを制御するための駆動タイミング制御ロジック回路１３８と、シフトレジスタおよびラッチ回路で構成される画像データ転送回路１４２と、発熱体１３２の抵抗値を検出するセンサとしての吐出ヒータ用ランクヒータ１４３とが形成されている。
【０２３８】
駆動タイミング制御ロジック回路１３８は、装置の電源容量を少なくする目的で、全ての発熱体１３２を同時に通電するのではなく発熱体１３２を分割駆動して時間をずらして通電するためのものであり、この駆動タイミング制御ロジック回路１３８を駆動するイネーブル信号は、外部コンタクトパッドであるイネーブル信号入力端子１４５ｋ〜１４５ｎから入力される。
【０２３９】
また、素子基板１３１に設けられる外部コンタクトパッドとしては、イネーブル信号入力端子１４５ｋ〜１４５ｎの他に、発熱体１３２の駆動電源の入力端子１４５ａ、パワートランジスタ１４１の接地端子１４５ｂ、発熱体１３２を駆動するエネルギーを制御するために必要な信号用の入力端子１４５ｃ〜１４５ｅ、ロジック回路の駆動電源端子１４５ｆ、接地端子１４５ｇ、画像データ転送回路１４２のシフトレジスタに入力されるシリアルデータの入力端子１４５ｉおよびこれに同期するシリアルクロック信号の入力端子１４５ｈ、ラッチ回路に入力されるラッチクロック信号の入力端子１４５ｊがある。
【０２４０】
一方、図２５（ｂ）に示すように、天板１３３には、吐出ヒータ用ランクヒータ１４３を駆動するためのセンサ駆動回路１４７と、吐出ヒータ用ランクヒータ１４３からの出力をモニタしその結果に応じて発熱体１３２への印加エネルギーを制御するための駆動信号制御回路１４６と、吐出ヒータ用ランクヒータ１４３で検出された抵抗値データあるいは抵抗値からランク分けされたコード値、および予め測定されている各発熱体１３２による液体吐出量特性（一定温度で、所定のパルス印加における液体吐出量）をヘッド情報として記憶し駆動信号制御回路１４６に出力するメモリ１４９とが形成されている。
【０２４１】
また、接続用コンタクトパッドとして、素子基板１３１および天板１３２には、吐出ヒータ用ランクヒータ１４３とセンサ駆動回路１４７とを接続する端子１４４ｇ，１４４ｈ，１４８ｇ，１４８ｈ、外部から上記発熱体１３２を駆動するエネルギーを制御するために必要な信号用の入力端子１４５ｃ〜１４５ｅと駆動信号制御回路１４６とを接続する端子1４４ｂ〜１４４ｄ，１４８ｂ〜１４８ｄ、駆動信号制御回路１４６の出力をＡＮＤ回路１３９の一方の入力端子に入力させるための端子１４８ａ等が設けられている。
【０２４２】
以上の構成において、まず、発熱体１３２の抵抗値が吐出ヒータ用ランクヒータ１４３で検出され、その結果がメモリ１４９に記憶される。駆動信号制御回路１４６では、メモリ１４９に記憶された抵抗値データおよび液体吐出量特性に応じて発熱体１３２の駆動パルスの立ち上がりデータおよび立ち下がりデータを決定し、端子１４８ａ，１４４ａを介してＡＮＤ回路１３９に出力する。一方、シリアルで入力された画像データは、画像データ転送回路１４２のシフトレジスタに記憶され、ラッチ信号によりラッチ回路にラッチされて、駆動タイミング制御回路１３８を介してＡＮＤ回路１３９に出力される。これにより、立ち上がりデータおよび立ち下がりデータに応じてヒートパルスのパルス幅が決定され、このパルス幅で発熱体１３２への通電が行われる。その結果、発熱体１３２にはほぼ一定のエネルギーが印加される。
【０２４３】
上述の説明では、吐出ヒータ用ランクヒータ１４３を抵抗センサとして説明したが、例えば、素子基板１３１の温度あるいは発熱体１３２の蓄熱の程度を検知するための温度センサとし、この温度センサでの検出結果に応じてプレヒートパルス幅を制御することもできる。
【０２４４】
この場合には、液体吐出装置の電源が投入された後、予め測定されている液体吐出量特性と、吐出ヒータ用ランクヒータ１４３で検出された温度データに応じて、駆動信号制御回路１４６は各発熱体１３２のプレヒート幅を決定する。メモリ１４９には、各発熱体１３２に対応するプレヒート幅を選択するための選択データが記憶されており、実際にプレヒートを行う際に、メモリ１４９に記憶されている選択データに従ってプレヒート信号が選択され、これに応じて発熱体１３２がプレヒートされる。このようにして、温度状態にかかわらず液体の吐出量が各吐出口で一定になるようにプレヒートパルスを設定して印加することができる。なお、プレヒート幅を決定する選択データの保存は、例えば液体吐出装置の起動時等に一度だけ行えばよい。
【０２４５】
図２５に示した例では、１つの吐出ヒータ用ランクヒータ１４３を設けた例を説明したが、センサとして、抵抗センサおよび温度センサの２つのセンサを設け、それぞれの出力に応じてヒートパルスおよびプレヒートパルスの双方を制御することで、画像品位をより向上させることもできる。
【０２４６】
さらに、メモリ１４９に記憶されるヘッド情報としては、上述した発熱体の抵抗値データ等の他に、吐出する液体の種類（液体がインクの場合には、インクの色等）も含めることもできる。液体の種類によってはその物性が異なり、吐出特性が異なるからである。これらのヘッド情報のメモリ１４９への記憶は、この液体吐出ヘッドの組立後に不揮発的に行ってもよいし、この液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出装置の立ち上げ後に装置側から転送されることで行ってもよい。
【０２４７】
また、図２５に示した例では、吐出ヒータ用ランクヒータ１４３を素子基板１３１に設けているが、吐出ヒータ用ランクヒータ１４３が温度センサである場合には、天板１３３に設けてもよい。メモリ１４９についても、素子基板１３１側のスペースが許せは、天板１３３ではなく素子基板１３１に設けてもよい。
【０２４８】
上述のように、良好な画像品位を得るために発熱体１３２の駆動を制御しても、共通液室内に気泡が発生し、これが液体のリフィルとともに液流路内に移動してくると、共通液室内には液体が存在するにもかかわらず、液体が吐出されないという不具合が発生する場合がある。
【０２４９】
そこで、これに対処するために、詳細は後述するが、各液流路内（特に発熱体３２の近傍）での液体の有無を検出するセンサを設け、さらに、このセンサで液体がないことが検出されたらその結果を外部に出力させる処理回路を天板１３３に設けてもよい。そして、この処理回路からの出力に基づき、液体吐出装置側で、液体吐出ヘッド内の液体を吐出口から強制的に吸引するようにすれば、液流路内の気泡を除去することができる。上記の液体の有無を検出するセンサとしては、液体を介しての抵抗値の変化により検出するものや、液体が存在しない場合の発熱体の異常昇温を検出するものを用いることができる。
【０２５０】
次に、上記に説明した液体吐出ヘッドが搭載された液体吐出ヘッドカートリッジを、図２６を参照して概略説明する。図２６は、前述した液体吐出ヘッドが搭載された液体吐出ヘッドカートリッジを示す斜視図である。
【０２５１】
本実施形態の液体吐出ヘッドカートリッジ５７１は、前述した液体吐出ヘッド５７２と、液体吐出ヘッド５７２に供給されるインク等の液体を収容する液体容器５７３とを有している。液体容器５７３に収容された液体は、不図示の液体供給路を通って液体吐出ヘッド５７２の共通液室（図１１等参照）に供給される。
【０２５２】
なお、この液体容器５７３は、液体の消費後に液体を再充填して使用してもよい。このためには、液体容器５７３に液体注入口を設けておくことが望ましい。また、液体吐出ヘッド５７２と液体容器５７３とは一体であってもよく、あるいは分離可能としてもよい。
【０２５３】
以上、説明した各実施形態の構成が適用される液体吐出ヘッドの構造は、図示された構造に限られるものではなく、熱エネルギーを利用する種々の液体吐出ヘッドに適用可能である。例えば、記録素子として、液体を吐出するための熱エネルギーを発する発熱素子、又は記録紙を発色或いはインク保持体からインクを転写或いは昇華させるための熱エネルギーを発生する発熱素子を備える記録ヘッドにも適用することができる。
【０２５４】
また、上述の説明では、強誘電体材料よりなる機能素子を用いたコンデンサ、ＦｅＲＡＭ、圧電素子、可動部材をそれぞれ別々に設けた実施形態を説明したが、これら実施形態の構成を組み合わせて液体吐出ヘッドを構成するようにしてもよい。
【０２５５】
強誘電体材料よりなる機能素子は天板、素子基板のいずれに設けてもよいが、強誘電体材料は温度によりその誘電率に影響がでることを考慮すると、比較的温度の影響が小さい天板側に配置することが望ましい。
【０２５６】
次に、上記説明した液体吐出ヘッドが搭載された液体吐出装置を、図２７を参照して説明する。図２７は、前述の液体吐出ヘッドが搭載された液体吐出装置の概略構成を示す斜視図である。
【０２５７】
本実施形態の液体吐出装置５８１は、図２６を参照して説明した液体吐出ヘッドカートリッジ５７１が、駆動モータ５８２の正逆回転に連動して駆動力伝達ギア５８３，５８４を介して回転するリードスクリュー５８５の螺旋溝５８６に対して係合されたキャリッジ５８７上に搭載されている。液体吐出ヘッドカートリッジ５７１は、駆動モータ５８２の動力によってキャリッジ５８７とともにガイド５８８に沿って矢印ａおよびｂ方向に往復移動される。図示しない記録媒体供給装置によってプラテン５８９上を搬送される被記録媒体Ｐを押さえる紙押さえ板５９０は、キャリッジ５８７の全移動領域に渡って被記録媒体Ｐをプラテン５８９に対して押圧する。
【０２５８】
リードスクリュー５８５の一端の近傍には、フォトカプラ５９１，５９２が配設されている。これらはキャリッジ５８７のレバー５８７ａのこの域での存在を確認して駆動モータ５８２の回転方向切り換え等を行うためのホームポジション検知手段である。図２７において、符号５９３は、液体吐出ヘッドカートリッジ５７１の液体吐出ヘッドのうち、吐出口が設けられている前面を覆うキャップ部材５９４を支持する支持部材である。また、符号５９５は、液体吐出ヘッドから空吐出等されてキャップ部材５９４の内部に溜まったインクを吸引するインク吸引手段である。このインク吸引手段５９５により、キャップ内の開口部（不図示）を介して液体吐出ヘッドの吸引回復が行われる。
【０２５９】
符号５９６はクリーニングブレードであり、符号５９７はクリーニングブレード５９６を前後方向（上記キャリッジ５８７の移動方向に直交する方向）に移動可能にする移動部材であり、クリーニングブレード５９６および移動部材５９７は本体支持体５９８に支持されている。上記のクリーニングブレード５９６はこの形態に限らず、他の周知のクリーニングブレードであってもよい。符号５９９は吸引回復操作にあたって吸引を開始するためのレバーであり、キャリッジ５８７と係合するカム６００の移動に伴って移動し、駆動モータ５８２からの駆動力がクラッチ切り換え等の公知の伝達手段で移動制御される。液体吐出装置５８１には、液体吐出ヘッドに設けられた発熱体（図１１等参照）に液体を吐出させるための駆動信号を付与したり、前述した各機構の駆動制御を司ったりする記録信号供給手段としての記録制御部（不図示）が、装置本体内に設けられている。
【０２６０】
液体吐出装置５８１では、図示しない被記録媒体搬送装置によりプラテン５８９上を搬送される被記録媒体Ｐに対し、液体吐出ヘッドは被記録媒体Ｐの全幅にわたって往復移動しながら液体を吐出し、被記録媒体Ｐにその吐出された液体を付着させることで被記録媒体Ｐに記録を行う。
【０２６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ヒーター（エネルギー変換素子）により近い部分で電流ノイズ対策を行うことができるので、電流ノイズを十分に除去することができる。よって、ヘッド基板上に形成された回路または素子への電流ノイズの影響をより効果的に防止することができ、液体吐出制御をより安定、かつ、高精度に行うことができる。さらに加えて、大容量のコンデンサを限られたスペースに形成することができるので、大電流ノイズに対応することができるとともに、ヘッドの小型化を図ることができる。
【０２６２】
また、本発明によれば、強誘電体材料を用いたことにより、大容量で、高速性に優れた不揮発性メモリを形成することができるので、従来のヘッドに比べて、より高速に記録を行うことができる。また、各種センサをヘッド内に配置してその検出結果をリアルタイムにフィードバックしながら液体吐出用ヒーターの駆動条件を制御する処理についても高速に行うことができるので、上記高速記録に加えて、より安定した液体吐出制御を行うことができる。
【０２６３】
また、本発明によれば、強誘電体材料よりなる圧電素子によって、液流路での液体の状態が、液体の流れの影響やエネルギー発生素子が発する熱の影響が少ない状態で検出される。このように液体の状態を精度よく検出することができるので、液体を安定して吐出させることができ、ヘッドの駆動制御をより細かくを行うことができる。
【０２６４】
また、本発明は、可動部材が、強誘電体体材料からなる薄膜と、薄膜の両面に設けられた電極とを有し、両電極間に電圧が印加されると自由端が素子基板側あるいは素子基板に対して反対側へ変位するように構成されているので、可動部材を気泡の圧力による変位とは独立して能動的に変位させることができるため、可動部材の応答性が向上し、記録速度の高速化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液体吐出ヘッド用基板に形成される、強誘電体材料よりなる機能素子の概略断面構造図である。
【図２】液体吐出ヘッドに用いられる素子基板の要部の断面図である。
【図３】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４】液体吐出ヘッドの回路構成を説明するための図であり、（ａ）は素子基板の平面図、（ｂ）は天板の平面図である。
【図５】本発明の一実施形態の液体吐出ヘッドの素子基板に形成される回路素子の構成を示す図で、同図（ａ）は素子基板を上面から見た場合の各回路素子のレイアウト図、同図（ｂ）は電源層とグランド層がオーバーラップした部分の断面構造図である。
【図６】図５に示す素子基板の等価回路の概略を示す図である。
【図７】本発明の液体吐出ヘッドの熱作用部とコンデンサ部の層構成を示す概略断面図である。
【図８】本発明の他の実施形態の液体吐出ヘッドの素子基板に形成される回路素子の構成を示す図である。
【図９】強誘電体メモリのセル構造を示す図である。
【図１０】ＦｅＲＡＭが天板側に形成された液体吐出ヘッドの一構成例を示す図である。
【図１１】本発明のさらに他の実施形態である液体吐出ヘッドの液流路方向に沿った断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態に係る、圧力センサを有する可動部材を備えたノズルを最もよく表した断面図で、同図（ａ）は可動部材の変位前の状態を示す図、同図（ｂ）は可動部材が気泡に伴って変位する状態を示す図である。
【図１３】各液流路に配設された可動部材の圧力センサに対する電気配線を示すために素子基板に平行な方向に沿って切断した断面図である。
【図１４】同図（ａ）〜（ｄ）は素子基板上に、圧力センサ素子を有する可動部材を形成する方法を説明するための工程図である。
【図１５】同図（ａ）〜（ｄ）は素子基板上に、圧力センサ素子を有する可動部材を形成する方法を説明するための工程図である。
【図１６】圧力センサ素子からの出力をモニターするための回路の一例を示す図である。
【図１７】液流路内における立体構造部の配置の他の例を説明する斜視図である。
【図１８】本発明の液体吐出ヘッドのさらに別の実施形態の基本的な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１９】図１８に示した液体吐出ヘッドの一部を破断して示す斜視図である。
【図２０】図１８に示した液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出ヘッドユニットの平面図である。
【図２１】図１８に示した液体吐出ヘッドにおける可動部材の製造工程を示す、液流路方向に沿った断面図である。
【図２２】本発明の液体吐出ヘッドの可動部材の他の製造方法に用いられるＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を示す概略図である。
【図２３】本発明の液体吐出ヘッドによる吐出方法を説明するための、流路方向の断面図である。
【図２４】図２３に示した本発明の吐出原理を実施するために、発熱体や可動部材内に設けられた電極部等に入力する信号のタイミングチャートである。
【図２５】センサ出力に応じて発熱体への印加エネルギーを制御する例の素子基板及び天板の回路構成を示す図である。
【図２６】本発明の液体吐出ヘッドが搭載された液体吐出ヘッドカートリッジを示す斜視図である。
【図２７】本発明の液体吐出ヘッドが搭載された液体吐出装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２８】従来の液体吐出ヘッドの一形態を示す断面図である。
【図２９】従来のバブルジェット記録装置の概略構成図である。
【図３０】従来の液体吐出ヘッドの他の形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 素子基板
２ 発熱体
２’ 発熱体列
３ 天板
３ａ，３ｂ 溝
３ｃ 供給口
４ オリフィスプレート
５ 吐出口
６ 可動部材
６ａ 支点
６ｂ 自由端
６ｃ 強誘電体薄膜
６ｄ 電極
６ｅ 上部膜
７ 液流路
７ａ 第１の液流路
７ｂ 第２の液流路
８ 共通液室
９ 流路側壁
１０ 気泡発生領域
１１ ドライバ
１２ 画像データ転送部
１３ センサ
１４，１８ 接続用コンタクトパッド
１５ 外部コンタクトパッド
１６ 発熱体制御部
１７ センサ駆動部
２０ 液体吐出ヘッドユニット
２１ 液体吐出ヘッド
２２ ベース基板
２３ プリント配線基板
２４ 配線パターン
２５ ボンディングワイヤー
３０ 電源層
３１ ＧＮＤ層
３２ 強誘電材料膜
３３ バリア層
３４ オーバーラップ部（コンデンサ部）
３４’ コンデンサ（オーバーラップ部）
３５ ＦｅＲＡＭ
３６ 駆動制御回路
３７ センサ処理回路
５０ 気泡
７１ａ 間隙形成部材
７２ａ，７２ｂ ＳｉＮ膜
７６ ＴｉＷ膜
１３１ 素子基板
１３２ 発熱体
１３３ 天板
１３８ 駆動タイミング制御ロジック回路
１３９ ＡＮＤ回路
１４１ パワートランジスタ
１４２ 画像データ転送回路
１４６ 駆動信号制御回路
１４７ センサ駆動回路
１４９ ＦｅＲＡＭ（メモリ）
２００，２００’ 圧力センサ素子
２００ａ 圧電素子膜
２０１ 電極
２０２ リード配線
２０２ａ 共通配線
２０２ｂ セグメント配線
２０６ 電圧計
３０１ シリコン基板
３０２ 熱酸化膜
３０３ 層間膜
３０４ 抵抗層
３０５ 配線
３０６ 保護膜
３０７ 耐キャビテーション膜
３０８ 熱作用部
３５０ 強誘電体
３５１ 上部電極
３５２ プレートライン（下部電極）
３５３ ピットライン
３５４ ワードライン（ゲート電極）
４２０ Ｐ-Ｍｏｓ
４２１ Ｎ-Ｍｏｓ
４２２ Ｎ型ウェル領域
４２３ Ｐ型ウェル領域
４２４ 酸化膜分離領域
４２５，４３２ ソース領域
４２６，４３１ ドレイン領域
４２８ ゲート絶縁膜
４３０ Ｎ-Ｍｏｓトランジスタ
４３３，４３５ ゲート配線
４３７ Ａｌ電極
４３６，４３８ 層間絶縁膜
５０１ 耐キャビテーション膜
５０２ 配線層
５０３ 中間層
５０４ ＰＳＧ膜
５０５，５０９ 保護層
５０６，５０８ 電極層
５０７ 強誘電体層
５１０ 上部膜
５７１ 液体吐出ヘッドカートリッジ
５７２ 液体吐出ヘッド
５７３ 液体容器
５８１ 液体吐出装置
５８２ 駆動モータ
５８３，５８４ 駆動伝達ギア
５８５ リードスクリュー
５８６ 螺旋溝
５８７ キャリッジ
５８７ａ，５９９ レバー
５８８ ガイド
５８９ プラテン
５９０ 紙押さえ板
５９１，５９２ フォトカプラ
５９３ 支持部材
５９４ キャップ部材
５９５ インク吸引手段
５９６ クリーニングブレード
５９７ 移動部材
５９８ 本体支持体
６００ カム
６０１ 下部配線層
６０２ ヒロック防止層
６０３ 層間膜
６０４ 発熱抵抗層
６０５ 上部配線層
６０６ 強誘電体層
Ｐ 被記録媒体
Claims (11)
- 液体に吐出エネルギーを与えることにより液体を吐出させる液体吐出ヘッドに用いられ、電気エネルギーを前記吐出エネルギーに変換するためのエネルギー変換素子が形成された半導体基板を有する液体吐出ヘッド用基板において、
前記半導体基板に強誘電体材料よりなる機能素子が形成され、
前記機能素子は、前記半導体基板上に積層された第１のバリア層、強誘電体材料膜、第２のバリア層を少なくとも有し、
前記第１バリア層または前記第２のバリア層が、熱による作用によって液体に気泡を形成して液体を吐出させる形式の液体吐出ヘッドにおける熱作用部保護のための保護膜の密着性を向上させる密着層材料を含む膜で構成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド用基板。 - 液体に吐出エネルギーを与えることにより液体を吐出させる液体吐出ヘッドに用いられ、電気エネルギーを前記吐出エネルギーに変換するためのエネルギー変換素子が形成された半導体基板を有する液体吐出ヘッド用基板において、
前記半導体基板に強誘電体材料よりなる機能素子が形成され、
前記機能素子が、前記半導体基板上に形成される電源ラインとグランドラインとの間を接続するように形成されたコンデンサであり、
前記電源ラインを形成する電源層と前記グランドラインを形成するグランド層とが積層されており、これらの層が重なる部分において前記コンデンサが形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド用基板。 - 液体に吐出エネルギーを与えることにより液体を吐出させる液体吐出ヘッドに用いられ、電気エネルギーを前記吐出エネルギーに変換するためのエネルギー変換素子が形成された半導体基板を有する液体吐出ヘッド用基板において、
前記半導体基板に強誘電体材料よりなる機能素子が形成され、
前記機能素子が、前記液体吐出ヘッド内の液体に作用する圧力を検出するように構成された圧電素子であることを特徴とする液体吐出ヘッド用基板。 - 液体に吐出エネルギーを与えることにより液体を吐出させる液体吐出ヘッドに用いられ、電気エネルギーを前記吐出エネルギーに変換するためのエネルギー変換素子が形成された半導体基板を有する液体吐出ヘッド用基板において、
前記半導体基板に強誘電体材料よりなる機能素子が形成され、
前記エネルギー発生素子に対面する位置に、前記基板との間に間隙をおいて、前記吐出口側を自由端として前記基板に支持固定された可動部材が配されており、前記可動部材が、強誘電体材料からなる薄膜と、該薄膜の両面に設けられた電極とを有し、該両電極間に電圧が印加されると自由端が前記素子基板側あるいは前記素子基板に対して反対の方向へ変位するように構成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド用基板。 - 前記機能素子が、コンデンサである請求項１に記載の液体吐出ヘッド用基板。
- 前記コンデンサは、前記半導体基板上に形成される電源ラインとグランドラインとの間を接続するように形成されている請求項５に記載の液体吐出ヘッド用基板。
- 前記電源ラインが、前記エネルギー変換素子の電源ラインである請求項６に記載の液体吐出ヘッド用基板。
- 記電源ラインが、前記半導体基板上に形成されたエネルギー変換素子を駆動制御するロジック回路の電源ラインである請求項６に記載の液体吐出ヘッド用基板。
- 前記機能素子が、不揮発性メモリである請求項１に記載の液体吐出ヘッド用基板。
- 前記不揮発性メモリがＦｅＲＡＭである請求項９に記載の液体吐出ヘッド用基板。
- 前記不揮発性メモリに、前記エネルギー変換素子の駆動条件を制御するためのヘッド情報が記憶される請求項１０に記載の液体吐出ヘッド用基板。
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