JP5171377B2 - 回路基板及び液体吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、発熱素子が複数設けられた回路基板及び液体吐出装置に関する。特に、電気エネルギーを発熱素子により熱エネルギーに変換し、その熱エネルギーを利用して液体を吐出する液体吐出装置用の回路基板に関する。

以下、インクジェットヘッドを例にあげて、従来の回路基板を説明する。

インクジェット記録装置では、インクを微小な液滴として吐出口から被記録部材に吐出することにより画像を記録できる。その原理を説明すると、電気エネルギーを発熱素子により熱エネルギーに変換し、その熱エネルギーでインク中に気泡を発生させる。その気泡の作用により液体吐出ヘッドの先端部にある吐出口から液滴が吐出され、被記録部材に付着して画像が記録される。したがって、このような液体吐出ヘッドは、電気エネルギーを熱エネルギーに変換する発熱素子が複数設けられた回路基板を有している。具体的には、図５に示すように、Ｓｉ（シリコン）基板３０にソース領域、ドレイン領域となる拡散層３０１が形成され、絶縁膜を介してゲート電極３０２が配置されて、パワートランジスタとなるトランジスタ部３１が形成される。第一の配線層３２は、絶縁層を介してSi基板３０上に形成され、第一の配線層３２は、ソース領域、ドレイン領域となる拡散層３０１と接続される。第三の配線層３６は抵抗体３５と接続される一対の電極を構成し、一対の電極の一方の電極は、第二の配線層３４を介して、ソース領域又はドレイン領域と接続される第一の配線層３２に接続される。一対の電極間の抵抗体３５は発熱部を構成する。一対の電極と抵抗体３５の発熱部とで発熱素子を構成する。第二の配線層３４は第一の配線層３２と第三の配線層３６との間に設けられ、第一の配線層３２と第三の配線層３６とを電気的に接続する。
３７は第三の配線層、抵抗体３５をインクから保護するための保護層（パッシバーション）３７と、発熱に伴う化学的或いは物理的なダメージから保護層を保護するための耐キャビテーション膜３８が形成される。３３は層間膜である。

液体吐出装置用の回路基板は、上述したような発熱素子を高密度で複数有し、画像の記録を可能としている。そして、各発熱素子は、発熱素子を流れる電流をオンオフ制御するパワートランジスタ（図５のトランジスタ部３１）とそれぞれ直列に接続されている。また、回路基板の上には吐出口を形成が形成され、液体吐出装置となる。近年、上述した各発熱素子について、各発熱素子間のピッチを狭め、小液滴で、高密度印刷をすることが求められてきている。このため、発熱素子及びパワートランジスタを含めた駆動回路の微細化が要求されてきており、素子上部に形成させる配線総数を増やす、発熱素子の下部に配線層を設ける等の必要が出てきている。

たとえば、高密度印刷を実現するという意味で各素子間を1200dpi化した場合には、配線総数として３層とすることが行われている。第一の配線層はSiと接続するため、例えばAlSiが用いられる。第二、第三の配線層は発熱素子の駆動用電源配線となる、電源配線には大電流が流れるため、信頼性の高い、例えばAlCuが用いられる。第三の配線層は発熱素子の一対の電極を構成する。関連する構成が特許文献１に記載されている。
特開２００２−３１３９４２号公報

しかしながら、上記構造の場合には発熱素子からの発熱により、第一の配線層AlSi中のSiが、第二の配線層のAlCu中へ固溶拡散する現象がおきる。このため、Si基板のSiを侵食してしまい、拡散層を突き破り（図５に突き抜け部を示す）、基板へのリークが発生する問題が起こる。また、第二の配線層にSiが拡散するため、Siの偏析とヒロックが発生し、図５に示すようなクラックが生じ、発熱素子のインク耐久性の劣化という問題が起きる。

本発明は、発熱素子が複数設けられた回路基板において、発熱素子間の幅を狭め、高密度に液滴を吐出させることと、その発熱素子の信頼性を向上させることを目的としている。

本発明の一つの側面は回路基板にかかり、前記回路基板は、半導体基板の上に複数の発熱素子を有する回路基板であって、Siを含む金属材料で構成され、その一部が前記半導体基板に直接接触するように配された第一の配線層と、前記第一の配線層の上に配された第二の配線層と、TaSiNを含む材料で構成され、前記第一の配線層と前記第二の配線層との間に、前記第一の配線層から前記第二の配線層へのSi拡散を防止するように配された金属膜と、前記第二の配線層の上に配され、開口部を有する絶縁層と、前記絶縁層の上に形成され、通電されることによって発熱し、前記発熱素子として機能する抵抗層と、Alを含む金属材料で構成され、前記抵抗層の上に配された第三の配線層と、を備え、前記抵抗層は、前記開口部において前記第二の配線層に接続している、ことを特徴とする。

本発明によれば、より高密度、高解像度で、高耐久かつ低コストの回路基板を実現できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

(第一の実施形態)
本発明に係わる第一の実施形態として、配線層数が三層配線の場合について述べる。

図１は本発明に係わる回路基板の第一の実施形態における、３層配線構造の概略を示す断面図である。

Ｓｉ（シリコン）基板１０にはソース領域、ドレイン領域となる拡散層１０１が形成され、絶縁膜を介してゲート電極１０２が配置されて、パワートランジスタとなるトランジスタ部１１が形成される。第一の配線層１２は、絶縁層を介してSi基板１０上に形成され、第一の配線層１２は、ソース領域、ドレイン領域となる拡散層１０１と接続される。第三の配線層１７は抵抗体（抵抗層）１６と接続される一対の電極を構成し、一対の電極の一方の電極は、第二の配線層１５を介して、ソース領域又はドレイン領域と接続される第一の配線層１２に接続される。なお、一対の電極は、第三の配線層とは別に設けられてもよい。一対の電極は所定の間隔をおいて対向し、一対の電極間の抵抗体（抵抗層）１６は発熱部を構成する。一対の電極と抵抗体１６の発熱部とで発熱素子を構成する。第二の配線層１５は第一の配線層１２と第三の配線層１７との間に設けられ、第一の配線層１２と第三の配線層１７とを電気的に接続する。第一、第二及び第三の配線層により、発熱素子の有する一対の電極間の抵抗体１６に通電が行われる。第三の配線層１７は第二の配線層１５と層間膜１３の開口部を介して電気的に接続される。

第一の配線層１２は拡散層１０１と接続されているため、エロージョンやスパイク防止のためにSiを1at%含むAlが用いられる。第二の配線層１５と第三の配線層１７とは発熱素子の駆動用電源配線となるため、電源配線には大電流が流れる。このため、エレクトロマイグレーションを防止するために、Cuを0.5at%含むAlが用いられる。また、第三の配線層１７の下部に、発熱素子用のシート抵抗が200ΩのTaSiNからなる抵抗体１６が積層されている。第二の配線層１５にもTaSiN（Ｓｉ拡散を防止する金属膜となる）１４が形成される。

AlCuの第三の配線層１７の一部が除去されて一対の電極を構成し、一対の電極間に露出した抵抗体TaSiN部分が発熱部となる。第二の配線層１５の厚さは300nm、第三の配線層１７の厚さは600nmである。

また各配線層間には層間膜（絶縁層となる）１３が形成させており、第三の配線層１７上部にはパッシベーション層１８としてプラズマCVDによる窒化膜が形成されている。なお、発熱部上には、窒化膜上にＴａからなる耐キャビテーション膜１９が250nm形成されている。

本構造において、第一の配線層１２と第二の配線層１５間にはＴａＳｉＮの膜（Ｓｉ拡散を防止する金属膜となる）１４があるが、この膜により、第一の配線層１２中のＳｉが第二の配線層１５に固溶拡散することを防いでいる。

第一の配線層１２は、Siを1at%含むAlが用いられているので、拡散層１０１のＳｉに侵食することが防止される。また、ＴａＳｉＮの膜１４を設けたことで、第二の配線層においてはＳｉの偏析やＳｉの固溶によるヒロックの発生が抑制される。そして、発熱体下部の第二の配線層について、ヒロックによる凹凸がなくなるため、発熱部が変形することによるクラックの発生や、抵抗変動による発熱部の信頼性の低下を防止できる。

なお、本実施形態においてはＳｉ拡散を防止する金属膜としてＴａＳｉＮを用いたが、この材料に限定するものでなく、Ｓｉ固溶拡散を防止する性能があれば他の材料を用いることができる。たとえば、TaSi、TiN、Ta、TaN、CrN、CrSiN、CrSiがあげられる。これらの材料の少なくとも１つをＳｉ拡散を防止する金属膜として用いることができる。

(第二の実施形態)
本発明に係わる第二の実施形態として、配線層数が２層であり、発熱体に用いられる抵抗体が第二の配線層上に積層されている構造について述べる。

図２は本発明に係わる回路基板の第二の実施形態における構造の概略を示す断面図である。

Ｓｉ（シリコン）基板２０にはソース領域、ドレイン領域となる拡散層２０１が形成され、絶縁膜を介してゲート電極２０２が配置されて、パワートランジスタとなるトランジスタ部２１が形成される。第一の配線層２２は、絶縁層を介してSi基板２０上に形成され、第一の配線層２２は、ソース領域、ドレイン領域となる拡散層２０１と接続される。第二の配線層２５は抵抗体（抵抗層）２６と接続される一対の電極を構成し、一対の電極の一方の電極は、ソース領域又はドレイン領域と接続される第一の配線層２２に接続される。なお、一対の電極は、第二の配線層とは別に設けられてもよい。一対の電極は所定の間隔をおいて対向している。抵抗体２６は一対の電極上に形成され、一対の電極間の抵抗体２６は発熱部を構成する。一対の電極と抵抗体２６の発熱部とで発熱素子を構成する。第一及び第二の配線層により、発熱素子の有する一対の電極間の抵抗体２６に通電が行われる。

第一の配線層２２は拡散層２０１と接続されているため、エロージョンやスパイク防止のためにSiを1at%含むAlが用いられている。また第一の配線層２２上にはTiN２４が100nm積層されており、第一の配線層２２、第二の配線層２５はこのTiN２４を介して電気的に接続をしている。TiN２４はＳｉ拡散を防止する金属膜となる。第二の配線層２５は発熱素子の駆動用電源配線となる。電源配線となる第二の配線層２５には大電流が流れるため、エレクトロマイグレーション防止用に、Cuを0.5at%含むAlで形成され、厚さは1.5μmである。また、第二の配線層２５の上部に発熱素子用のシート抵抗が200Ωで、TaSiNからなる抵抗体２６が積層されている。第二の配線層２５のない抵抗体部分が発熱部となる。また各配線層間には層間膜（絶縁層となる）２３が形成されており、第二の配線層２５の上部にはパッシベーション膜２７としてプラズマCVDによる窒化膜が厚さ500nm形成されている。なお、発熱部上には、窒化膜上にＴａからなる耐キャビテーション膜が250nm形成されている。

本構造においては、抵抗体を第二の配線層上部に積層させるために、窒化膜のカバレッジを良好にすることができ、第二の配線層の厚みを厚くすることができ、電源として用いる配線総数を低減させることができる。

本構造において、第一の配線層と第二の配線層との間にはTiN膜２４があるため、第一の配線層中のＳｉが第二の配線層に固溶拡散することを防いでいる。

第一の配線層は、Siを1at%含むAlが用いられているので、拡散層２０１のＳｉに侵食することが防止される。また、ＴｉＮ膜２４を設けたことで、第二の配線層においてはＳｉの偏析やＳｉの固溶によるヒロックの発生がなくなる。そして、第二の配線層について、ヒロックによる凹凸がなくなるため、発熱部と配線部の境界部が変形することによるクラックの発生や、抵抗変動による発熱部の信頼性の低下を防止できる。なお、本実施形態においてはＳｉ拡散を防止する金属膜としてTiNを用いたが、この材料に限定するものでなく、Ｓｉ固溶拡散を防止する性能があればよい。たとえば、TaSi、Ta、TaSiN、TaN、CrN、CrSiN、CrSiがあげられる。これらの材料の少なくとも１つをＳｉ拡散を防止する金属膜として用いることができる。

以上説明した各実施形態では配線層の材料に代表的な金属材料としてAlを取り上げたがこれに限定されるものではない。

（液体吐出装置）
上述した実施形態による回路基板を用いた液体吐出ヘッドは、各実施形態による半導体装置の絶縁層上に発熱抵抗層とを有する発熱抵抗体を形成し、吐出口やそれに連通する液路を形成するために、成形樹脂やフィルムなどからなる天板などの吐出口形成部材を組合わせれば作製できる。そして、容器を接続して、プリンター本体に搭載し、本体の電源回路から電源電圧を、画像処理回路から画像データをヘッドに供給すれば、インクジェットプリンタとして動作することになる。

図３は、本発明に係わる液体吐出ヘッドの一実施形態を説明するための図であり、液体吐出ヘッドの一部分を示している。

本実施形態で示した回路が作製された素子基体（回路基板）１５２上には、電流が流れる電気信号を受けることで熱を発生し、その熱によって発生する気泡によって吐出口１５３からインクを吐出するための電気熱変換素子（発熱素子）１４１が複数列状に配されている。この電気熱変換素子のそれぞれには、各電気熱変換素子を駆動するための電気信号を供給する配線電極１５４が設けられており、配線電極の一端側は前述したトランジスタ部１１、２１に電気的に接続されている。

電気熱変換素子１４１に対向する位置に設けられた吐出口１５３へインクを供給するための流路１５５がそれぞれの吐出口１５３に対応して設けられている。これらの吐出口１５３および流路１５５を構成する壁が溝付き部材１５６に設けられており、これらの溝付き部材１５６を前述の素子基体１５２に接続することで流路１５５と複数の流路にインクを供給するための共通液室１５７が設けられている。

図４は上記素子基体１５２を組み込んだ液体吐出ヘッドの構造を示すもので、枠体１５８に素子基体１５２が組み込まれている。この素子基体上には前述のような吐出口１５３や流路１５５を構成する部材１５６が取り付けられている。そして、装置側からの電気信号を受け取るためのコンタクトパッド１５９が設けられており、フレキシブルプリント配線基板１６０を介して素子基体１５２に、装置本体の制御器から各種駆動信号となる電気信号が供給される。

本発明に係わる回路基板は、複数の発熱素子を配置する回路基板を用いる電気機器に広く用いられるが、電気エネルギーを発熱素子により熱エネルギーに変換し、その熱エネルギーを利用して液体を吐出する液体吐出装置用の回路基板に特に好適に用いられる。

本発明に係わる第一の実施形態について、３層配線構造の概略を示す断面図である。 本発明に係わる第二の実施形態について、構造の概略を示す断面図である。 本発明に係わる液体吐出ヘッドの一実施形態を説明するための概念図である。 本発明の回路基板を組み込んだ液体吐出ヘッドの構造を示す概念図である。 従来の液体吐出ヘッド用の回路基板の課題を説明する図である。

符号の説明

１０、２０ Ｓｉ（シリコン）基板
１１、２１ トランジスタ部
１２、２２ 第一の配線層
１３、２３ 層間膜
１４ ＴａＳｉＮ
２４ ＴｉＮ
１５、２５ 第二の配線層
１６、２６ 抵抗体
１７ 第三の配線層
１８、２７ パッシベーション膜
１９、２８ Ｔａ

Claims (5)

1. 半導体基板の上に複数の発熱素子を有する回路基板であって、
   Siを含む金属材料で構成され、その一部が前記半導体基板に直接接触するように配された第一の配線層と、
   前記第一の配線層の上に配された第二の配線層と、
   TaSiNを含む材料で構成され、前記第一の配線層と前記第二の配線層との間に、前記第一の配線層から前記第二の配線層へのSi拡散を防止するように配された金属膜と、
   前記第二の配線層の上に配され、開口部を有する絶縁層と、
   前記絶縁層の上に形成され、通電されることによって発熱し、前記発熱素子として機能する抵抗層と、を備え、
   前記抵抗層は、前記開口部において前記第二の配線層に接続している、
   ことを特徴とする回路基板。
2. 前記第一の配線層と前記第二の配線層との間に配され、第二の開口を有する第二の絶縁層をさらに備え、
   前記第二の配線層は、前記第二の開口において前記金属膜を介して前記第一の配線層に接続されるように、前記第二の開口の上において凹形状を有しており、
   前記抵抗層は、その両端において凹形状を有しており、
   前記抵抗層の一方の端の凹形状は、前記絶縁層の前記開口において前記抵抗層が前記第二の配線層に接触するように形成され、
   前記抵抗層の他方の端の凹形状は、前記第二の絶縁層の前記第二の開口の上における前記絶縁層の上に形成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
3. Alを含む金属材料で構成され、前記抵抗層の上に配された第三の配線層をさらに備え、
   前記第三の配線層は、前記抵抗層の前記凹形状のそれぞれを覆うように形成されている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の回路基板。
4. 前記第一の配線層は少なくともSiを有するAlを含み、
   前記第二の配線層はAlおよびCuを含み、
   前記Si拡散を防止する金属膜を構成する金属材料は、さらに、TaSi、TiN、Ta、TaN、CrN、CrSiN、およびCrSiからなるグループのうちの少なくとも１つを含む、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回路基板。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回路基板を備え、
   前記回路基板の発熱素子により発生した熱を利用して液体を吐出させる液体吐出装置であって、
   前記発熱素子に対応して配置された前記液体の吐出口と、
   前記発熱素子上に前記液体を供給する流路と、を備えた溝付き部材と、
   前記回路基板に電源電圧を供給するための電源回路と、
   を有することを特徴とする液体吐出装置。

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