JP6335436B2 - 液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、液体吐出ヘッドの製造方法に関する。
熱エネルギーの作用によりインクを吐出する液体吐出ヘッドを用いて記録を行うサーマル方式のインクジェット記録装置が知られている。特許文献１に記載された方法で製造される液体吐出ヘッドは、インクに熱エネルギーを作用させるための発熱素子と、発熱素子に接続された配線パターンと、発熱素子を覆う保護層と、保護層の上に配された耐キャビテーション層とを備える。特許文献１は、保護層を形成した後であって、耐キャビテーション層を形成する前に、水素アロイ処理を行うことを提案する。
特許文献１の方法では、発熱素子の上に保護層を形成した後に水素アロイ処理を行う。そのため、保護層と発熱素子との間の、水素アロイ処理に対する熱膨張性の差に起因する課題が生じうる。例えば、保護層と発熱素子との熱膨張性の差によって、保護層や、保護層と発熱素子との間に配された層などにクラックが発生する可能性がある。そこで、本発明は、熱処理によって液体吐出ヘッドが破損することを抑制することを目的とする。
上記課題に鑑みて、本発明の１つの側面は、液体吐出ヘッドの製造方法であって、半導体素子が配された基板の上に、発熱抵抗体を形成する工程と、前記基板の上に、第１層間絶縁層を形成する工程と、前記第１層間絶縁層の上に、前記半導体素子に接続された第１配線パターンを形成する工程と、前記第１配線パターンの上に、第２層間絶縁層を形成する工程と、前記第２層間絶縁層及び前記発熱抵抗体の上に、第２配線パターンを形成する工程であって、前記発熱抵抗体のうち前記第２配線パターンに覆われていない部分が発熱素子となる、工程と、前記発熱素子及び前記第２配線パターンの上に、少なくともシリコン及び炭素を含む保護層を形成し、パターニングする工程と、を有し、前記保護層を形成する工程の前に、水素を含む雰囲気において熱処理を行い、前記発熱素子は、前記第２層間絶縁層の上に形成され、かつ、前記第１配線パターンに接続され、前記熱処理は、前記第２配線パターンを形成する工程の前に行われることを特徴とする製造方法法を提供する。本発明の別の側面は、液体吐出ヘッドの製造方法であって、半導体素子が配された基板の上に、発熱抵抗体を形成する工程と、前記基板の上に、第１層間絶縁層を形成する工程と、前記第１層間絶縁層の上に、前記半導体素子に接続された第１配線パターンを形成する工程と、前記第１配線パターンの上に、第２層間絶縁層を形成する工程と、前記第２層間絶縁層及び前記発熱抵抗体の上に、第２配線パターンを形成する工程であって、前記発熱抵抗体のうち前記第２配線パターンに覆われていない部分が発熱素子となる、工程と、前記発熱素子及び前記第２配線パターンの上に、少なくともシリコン及び炭素を含む保護層を形成し、パターニングする工程と、を有し、前記保護層を形成する工程の前に、水素を含む雰囲気において熱処理を行い、前記発熱素子は、前記第２層間絶縁層の上に形成され、かつ、前記第１配線パターンに接続され、前記熱処理は、前記第１配線パターンを形成する工程の後であって前記第２配線パターンを形成する工程の前に行われ、前記半導体素子はＭＯＳトランジスタを含み、前記第１配線パターンを形成する工程において、前記ＭＯＳトランジスタのゲート電極が、前記第１配線パターンを介して前記基板に電気的に接続されることを特徴とする製造方法を提供する。
上記手段により、熱処理によって液体吐出ヘッドが破損することが抑制される。
添付の図面を参照しつつ本発明の様々な実施形態について以下に説明する。様々な実施形態を通じて同様の要素には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する。また、各実施形態は適宜変更、組み合わせが可能である。
図１を参照して、本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッド１００の構造例を説明する。図１は、液体吐出ヘッド１００の一部分に着目した断面図である。液体吐出ヘッド１００はインクジェット記録方式に用いる記録液の小滴を吐出しうる。シリコン基板１０１の一方の主面（表面）側に、拡散領域１０２ａ及びゲート電極１０２ｂを有するＭＯＳトランジスタ１０２などの半導体素子が配される。ゲート電極１０２ｂとシリコン基板１０１との間にゲート絶縁膜（不図示）が配される。半導体素子は、例えば液体吐出ヘッド１００の駆動回路を構成する。シリコン基板１０１に形成された半導体素子は、シリコン基板１０１の表面のフィールド酸化膜１０３によって電気的に分離（すなわち絶縁）される。半導体素子及びフィールド酸化膜１０３の上に、第１層間絶縁層が配される。本実施形態では、第１層間絶縁層としてＢＰＳＧ（Boron Phosphorus Silicon Glass）膜１０４が配される。ＢＰＳＧ膜１０４の上には第１配線パターン１０５が配される。第１配線パターン１０５は、ＢＰＳＧ膜１０４を貫通するコンタクト１０６を通じて、ＭＯＳトランジスタ１０２などの半導体素子に接続される。
第１配線パターン１０５の上に第２層間絶縁層が配される。本実施形態では、第２層間絶縁層としてシリコン酸化膜１０７が配される。シリコン酸化膜１０７の上に、発熱抵抗体１０８と第２配線パターン１０９とが配される。発熱抵抗体１０８は例えばタンタルを含む材料で構成される。第１配線パターン１０５と発熱抵抗体１０８とはシリコン酸化膜１０７に形成されたスルーホールを通じて接続される。また、第２配線パターン１０９と発熱抵抗体１０８とは直接に接続されている。発熱抵抗体１０８のうち、第２配線パターン１０９で覆われていない部分が発熱素子１０８ａとして機能する。
発熱抵抗体１０８及び第２配線パターン１０９を覆うように、保護層１１０が配される。保護層１１０は、発熱抵抗体１０８と第２配線パターン１０９とのそれぞれに直接に接している。保護層１１０は発熱素子１０８ａをインクから保護する材料で形成されればよい。例えば、保護層１１０はＳｉ（シリコン）とＣ（炭素）とを含む材料で形成されうる。また、保護層１１０は、ＳｉとＣとに加えてＮ（窒素）を更に含む材料で形成されてもよい。また、他の実施形態では、保護層１１０はＳｉとＮとを含む材料で形成されうる。保護層１１０は発熱素子１０８ａのみを覆ってもよいし、発熱抵抗体１０８及び第２配線パターン１０９の全体を覆ってもよい。保護層１１０は、発熱素子１０８ａの耐熱性、絶縁性を向上させることができる。また、保護層１１０は、インク液室１１１に格納されたインクから発熱素子を保護することができる。また、保護層１１０により、インクがシリコン基板１０１に浸透することが抑制され、配線パターンの腐食を抑制することができる。
発熱素子１０８ａの上に、保護層１１０を挟んでインク液室１１１が配される。インク液室１１１内の液体（インク）は、発熱素子１０８ａが発熱することによって、プレート１１２の吐出口１１３から吐出される。インク液室１１１と保護層１１０との間に、例えばタンタルで形成された耐キャビテーション層１１４が配されてもよい。耐キャビテーション層１１４は、インク液室１１１で発生するキャビテーションによる保護層１１０への機械的な衝撃を緩和する。液体吐出ヘッド１００はさらに、インク流路やインク供給口（いずれも不図示）を有しうる。
続いて、図２及び図３を参照しつつ、液体吐出ヘッド１００の製造方法例を説明する。図２は製造方法のフローチャートを示す。図３は製造方法の途中の段階における液体吐出ヘッド１００の断面図を示し、図１の断面図に対応する。
図２のＳ２０１で、シリコン基板１０１の一方の主面（表面）側の一部に、例えば厚さ９００ｎｍ程度のフィールド酸化膜１０３を熱酸化により選択的に形成する。シリコン基板１０１のうち、フィールド酸化膜１０３が形成されていない領域がアクティブ領域となる。次に、既存の方法を用いて、シリコン基板１０１のアクティブ領域に、拡散領域１０２ａ及びゲート電極１０２ｂを有するＭＯＳトランジスタ１０２などの半導体素子を形成する。
続いて、Ｓ２０２で、シリコン基板１０１の全面に常圧ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって例えば厚さ５００ｎｍのＢＰＳＧ膜１０４を形成する。その後、例えば８５０℃、１時間の熱処理を行いＢＰＳＧ膜１０４のリフローを行う。ＢＰＳＧ膜１０４のリフローは省略してもよい。以上の工程で、図３（ａ）に示す構造体が形成される。
続いて、Ｓ２０３で、エッチングにより、半導体素子の一部を露出するビアホールをＢＰＳＧ膜１０４に形成する。エッチングには、例えばプラズマを用いた反応性イオンエッチングを用いてもよい。次に、例えば１５０℃の条件下におけるスパッタリング法でＡｌ／Ｓｉからなる導電膜をシリコン基板１０１の全面に形成する。この工程で形成した導電膜のうち、ＢＰＳＧ膜１０４のビアホールに入り込んだものがコンタクト１０６となる。次に、この導電膜に対してフォトリソグラフィー及びドライエッチングを行って導電膜をパターニングして、第１配線パターン１０５を形成する。このドライエッチングにはプラズマを用いてもよい。第１配線パターン１０５は、この時点で形成されているゲート電極１０２ｂのすべてをシリコン基板１０１と電気的に接続するように形成されてもよい。例えば、ゲート電極１０２ｂと第１配線パターン１０５とがコンタクトによって接続されるとともに、シリコン基板１０１と第１配線パターン１０５とが別のコンタクトによって接続されてもよい。このように接続することによって、以降の工程で生じるゲート電極１０２ｂへのチャージアップを低減できる。
続いて、Ｓ２０４で、４００℃の条件下におけるプラズマＣＶＤ法によって例えば厚さ１μｍのシリコン酸化膜１０７を形成する。以上の工程で、図３（ｂ）に示す構造体が形成される。
続いて、Ｓ２０５で、熱処理炉において、図３（ｂ）に示す構造体に対して水素を含む雰囲気で４００℃の条件下において３０分の熱処理を行う。この熱処理は、４００℃以上の条件下で３０分以上行われてもよい。水素を含む雰囲気での熱処理は水素アロイ処理とも呼ばれうる。この熱処理により、前の工程によって発生したシリコン基板１０１へのダメージを回復できる。例えば、Ｓ２０３やＳ２０４でプラズマを用いたことによるシリコン基板１０１へのチャージアップを緩和できる。また、この熱処理により、第１配線パターン１０５（具体的にはコンタクト１０６）と半導体素子（例えば、その電極）との間の接続が安定化される。ただし、コンタクト１０６の断面積が大きい場合には、コンタクト１０６と半導体素子との間のコンタクト抵抗が低く、十分に安定な接続が確保されうるので、上述の熱処理は接続の安定化のためのものでなくてもよい。さらに、この熱処理により、ダングリングボンドを終端でき、その結果として回路の信頼性が向上する。ただし、液体吐出ヘッド１００のようなパワーデバイスにおいて、高い信頼性が必要とされない場合に、上述の熱処理はダングリングボンドの終端のためのものでなくてもよい。
続いて、Ｓ２０６で、例えば反応性イオンエッチングを行って、第１配線パターン１０５の一部を露出するスルーホールをシリコン酸化膜１０７に形成する。続いて、Ｓ２０７で、１５０〜２００℃の条件下でのスパッタリング法により、Ｔａ／Ｓｉ／Ｎからなる発熱抵抗体１０８を形成し、その上にＡｌ／Ｃｕからなる導電膜を形成する。次に、Ａｌ／Ｃｕからなる導電膜にフォトリソグラフィー及びドライエッチングを行ってパターニングすることによって、第２配線パターン１０９を形成する。続いて、Ｓ２０８で、第２配線パターン１０９にフォトリソグラフィー及びウェットエッチングを行って、第２配線パターン１０９の一部を除去し、発熱抵抗体１０８の上面の一部を露出させ、発熱素子１０８ａを形成する。以上の工程で、図３（ｃ）に示す構造体が形成される。
続いて、Ｓ２０９で、図３（ｃ）に示す構造体の上に、４００℃の条件下における数十秒程度のプラズマＣＶＤ法により、厚さ３００〜４００ｎｍ程度の保護層１１０を形成する。保護層１１０は、例えばＳｉｘＣｙＮｚ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００，３０≦ｘ≦６０，ｙ≧５，ｚ≧１５）を満たすＳｉ／Ｃ／Ｎを材料として形成されうる。また、保護層１１０はＳｉとＣとを材料として形成されてもよい。以上の工程で、図３（ｄ）に示す構造体が形成される。
本実施形態では、発熱素子１０８ａが露出してから、他の層を発熱素子１０８ａの上面に堆積するプロセスを行わずに、保護層１１０を発熱素子１０８ａの上面に接するように形成している。すなわち、発熱素子１０８ａを露出する工程と、保護層１１０を形成する工程とが連続して行われる。しかし、発熱抵抗体１０８の形成から保護層１１０の形成までの間の工程において、発熱素子１０８ａの表面に被膜が形成されてもよい。このような被膜は、発熱素子１０８ａの一部でありうる。例えば、ウェットエッチング後にマスクとなっていたレジストをアッシングする際にプラズマが用いられる。プラズマの作用により、発熱素子１０８ａの表面に酸化物の被膜が形成されうる。
続いて、Ｓ２１０で、保護層１１０をパターニングして電極を取り出す。その後、発熱抵抗体１０８の発熱素子１０８ａとして機能する部分を保護層１１０の上から覆う耐キャビテーション層１１４を形成する。さらに、インク液室１１１、プレート１１２、吐出口１１３、インク流路、インク供給口などを形成する。以上の工程で、図１に示す液体吐出ヘッド１００が形成される。Ｓ２０９の保護層１１０の形成工程以降の工程では、Ｓ２０５の熱処理よりも熱負荷が高い処理は行われない。例えば、Ｓ２１０の耐キャビテーション層１１４の形成は、Ｓ２０５の熱処理よりも熱負荷の低い処理で形成される。ここで、熱負荷の比較は公知の方法で行いうる。例えば、プロセス温度の時間積分に基づいて熱負荷を比較しうる。上述の実施形態では耐キャビテーション層１１４を形成したが、他の実施形態では耐キャビテーション層１１４を形成しなくてもよい。
上述の実施形態では、Ｓ２０５の熱処理を、Ｓ２０９の保護層１１０の形成の前に行う。そのため、保護層１１０に対して、Ｓ２０５における熱処理（例えば、４００℃の条件下で３０分間の熱処理）のような熱負担をかけることなく、水素アロイ処理を行うことができる。その結果として、保護層１１０と発熱素子１０８ａ及び第２配線パターン１０９との間の熱膨張性の差に起因する熱応力によって保護層１１０にクラックが発生することを抑制できる。
他の実施形態では、発熱素子１０８ａと保護層１１０との間にシリコン酸化膜などの層間膜が配される。この場合でも、保護層１１０に熱負荷がかかると、保護層１１０と発熱素子１０８ａ及び第２配線パターン１０９との間の熱膨張性の差に起因する熱応力によって保護層１１０や層間膜にクラックが生じる可能性がある。そのため、保護層１１０に対して、熱負担をかけることなく水素アロイ処理を行うことで、クラックが発生することを抑制できる。
また、保護層１１０を形成した後に水素アロイ処理を行うと、保護層１１０に含まれる炭素の水素吸蔵効果に起因して、保護層１１０の下にある構造体まで水素が十分に到達できず、水素アロイ処理の効果が得られない場合がある。本実施形態では、保護層１１０を形成する前に水素アロイ処理を行うので、保護層１１０が炭素を含む場合であっても、水素アロイ処理の効果が十分に得られる。以上のように、本実施形態によれば、液体吐出ヘッド１００の耐久性・品質が向上する。
上述の実施形態では、Ｓ２０５の熱処理を、Ｓ２０４のシリコン酸化膜１０７の形成の後に行う。これにより、シリコン酸化膜１０７に対して発生したプラズマによるダメージを、熱処理によって軽減（回復）できる。他の実施形態では、Ｓ２０５の熱処理を、Ｓ２０４のシリコン酸化膜１０７の形成の前に行ってもよい。
また、上述の実施形態では、Ｓ２０５の熱処理を、Ｓ２０７の第２配線パターン１０９の形成の前に行う。これにより、第２配線パターン１０９にヒロックが発生する可能性を低減できる。第２配線パターン１０９を形成した後に水素アロイ処理を行わない場合に、第１配線パターン１０５と発熱抵抗体１０８との間の接続の、水素アロイ処理による安定化が行われない。この場合に、例えばシリコン酸化膜１０７のビアホールの口径を４μｍ以上とすることによって、十分な安定性を確保できる。
また、第１配線パターン１０５を形成した後の工程、例えば第２配線パターン１０９の形成時に、第１配線パターン１０５にチャージアップが生じ、第１配線パターンに接続されているゲート電極１０２ｂにもチャージが蓄積される場合がある。その結果として、ゲート電極１０２ｂの直下のゲート酸化膜に高電圧が印加されてＭＯＳトランジスタ１０２の閾値特性が不安定になる。そこで、本実施形態では、第１配線パターン１０５を通じてゲート電極１０２ｂをシリコン基板１０１に電気的に接続し、ゲート電極１０２ｂとシリコン基板１０１とを同電位にしている。これによって、チャージアップ時にゲート酸化膜に電圧が印加されることを回避できる。つまり、熱処理を第２配線パターン１０９の形成より前に行う場合に、半導体素子が破壊される可能性を低減することができる。他の実施形態では、Ｓ２０７の第２配線パターン１０９の形成の後にＳ２０５の熱処理を行ってもよい。
上述の実施形態で説明した熱処理のタイミングはあくまでも例である。熱処理は、半導体素子が基板に配された後であって、保護層を形成する前であれば、いつ行われてもよい。
Claims (10)
- 液体吐出ヘッドの製造方法であって、
半導体素子が配された基板の上に、発熱抵抗体を形成する工程と、
前記基板の上に、第１層間絶縁層を形成する工程と、
前記第１層間絶縁層の上に、前記半導体素子に接続された第１配線パターンを形成する工程と、
前記第１配線パターンの上に、第２層間絶縁層を形成する工程と、
前記第２層間絶縁層及び前記発熱抵抗体の上に、第２配線パターンを形成する工程であって、前記発熱抵抗体のうち前記第２配線パターンに覆われていない部分が発熱素子となる、工程と、
前記発熱素子及び前記第２配線パターンの上に、少なくともシリコン及び炭素を含む保護層を形成し、パターニングする工程と、を有し、
前記保護層を形成する工程の前に、水素を含む雰囲気において熱処理を行い、
前記発熱素子は、前記第２層間絶縁層の上に形成され、かつ、前記第１配線パターンに接続され、
前記熱処理は、前記第２配線パターンを形成する工程の前に行われることを特徴とする製造方法。 - 前記熱処理は、前記第１配線パターンを形成する工程の後に行われることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
- 前記熱処理は、前記第２層間絶縁層を形成する工程の後に行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の製造方法。
- 前記半導体素子はＭＯＳトランジスタを含み、
前記第１配線パターンを形成する工程において、前記ＭＯＳトランジスタのゲート電極が、前記第１配線パターンを介して前記基板に電気的に接続されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の製造方法。 - 液体吐出ヘッドの製造方法であって、
半導体素子が配された基板の上に、発熱抵抗体を形成する工程と、
前記基板の上に、第１層間絶縁層を形成する工程と、
前記第１層間絶縁層の上に、前記半導体素子に接続された第１配線パターンを形成する工程と、
前記第１配線パターンの上に、第２層間絶縁層を形成する工程と、
前記第２層間絶縁層及び前記発熱抵抗体の上に、第２配線パターンを形成する工程であって、前記発熱抵抗体のうち前記第２配線パターンに覆われていない部分が発熱素子となる、工程と、
前記発熱素子及び前記第２配線パターンの上に、少なくともシリコン及び炭素を含む保護層を形成し、パターニングする工程と、を有し、
前記保護層を形成する工程の前に、水素を含む雰囲気において熱処理を行い、
前記発熱素子は、前記第２層間絶縁層の上に形成され、かつ、前記第１配線パターンに接続され、
前記熱処理は、前記第１配線パターンを形成する工程の後であって前記第２配線パターンを形成する工程の前に行われ、
前記半導体素子はＭＯＳトランジスタを含み、
前記第１配線パターンを形成する工程において、前記ＭＯＳトランジスタのゲート電極が、前記第１配線パターンを介して前記基板に電気的に接続されることを特徴とする製造方法。 - 前記熱処理の前に行われる前記工程の何れかにおいて、プラズマが用いられることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の製造方法。
- 前記熱処理は、４００℃以上の温度で３０分以上行われることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の製造方法。
- 前記保護層を形成する工程の後に行われる工程において、前記熱処理よりも熱負荷が高い処理が行われないことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の製造方法。
- 前記保護層を形成する工程の後に、前記保護層の上に耐キャビテーション層を形成する工程を更に有することを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の製造方法。
- 前記保護層は、窒素を含むことを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の製造方法。
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