JP7328787B2 - 素子基板、液体吐出ヘッド、及び記録装置 - Google Patents

Description

本発明は素子基板、液体吐出ヘッド、及び記録装置に関し、特に、例えば、インクによる溶解を抑制した素子基板を組み込んだ液体吐出ヘッドをインクジェット方式に従って記録を行うために記録ヘッドとして適用した記録装置に関する。

インクジェット記録装置に代表される液体吐出装置は、更なる高画質化、高速化が求められている。一般的に、サーマル方式を採用したインクジェット記録方式はノズルからインク等の液体を局所的に加熱させることによりノズル内に気泡を発生させ、その気泡によりインクをノズルから吐出して飛翔させ、印刷対象に着弾させる方式である。この方式に従う記録ヘッドでは、インクを加熱する発熱抵抗素子が、発熱抵抗素子を駆動するための論理回路とともに一体的に半導体基板上に集積形成される。これにより、記録ヘッドは前述の高画質化、高速化の要求に応え、発熱抵抗素子を高密度に配置し、高速駆動を実現している。

特許文献１は、サーマル方式に従う記録ヘッドにおいて、高画質の記録性能と発熱抵抗素子（ヒータ）保護膜の性能を確保しつつ、保護膜の膜厚を低減することを目的とした素子基板を提供する方法を記載している。その素子基板は、発熱素子と、絶縁膜内に設けられ発熱素子に電流を供給するための電気配線層、及び、電気配線層と発熱抵抗素子とを接続する、プラグなどの接続部材を有している。その際、発熱素子は第１の方向（Ｘ）に電流が流れるように形成され、発熱抵抗素子は少なくとも一つの接続部材が接続される接続領域を有し、接続領域は第１の方向（Ｘ）と交差する第２の方向（Ｙ）に沿って延びている。

このような構成をとる素子基板は、発熱抵抗素子と接続する電極形成の寸法精度を高精度にするとともに、保護膜下の段差を抑制するにより保護膜の膜厚を低減させることができる。しかしながら、保護膜の膜厚が低減することにより、保護膜に予期せぬピンホールが発生した場合に、インクなどの液体がその部分から保護膜の素子領域に浸入する恐れが生じる。これにより発熱抵抗素子や電気接続部材、電気配線などが液体に接触する可能性が高まる。このように保護膜の膜厚低減に伴ってデバイス信頼性が低下する恐れがある。

特開２０１６－１３７７０５号公報 特開２００７－２９０３６１号公報

上記従来例では、素子基板を被覆する保護膜に万が一ピンホールなどが生じた場合、インクが保護層下に浸入し、発熱抵抗素子や電気接続部材であるプラグ、電気配線などの導電膜、及び絶縁膜がインクに溶出、腐食が進行するという問題が生じる可能性がある。加えて、ある発熱抵抗素子に始まる配線腐食が大きく進行し、周辺の発熱抵抗素子に接続される配線部まで腐食が達すると、腐食の発端となった発熱抵抗素子だけでなく、その周辺の発熱抵抗素子まで駆動が不安定になり、正常駆動ができなくなる可能性がある。

また、発熱抵抗素子を駆動するために接続される電極対や配線は、駆動回路の方式によっては、高電位が印加される場合がある。高電位の電極や電気配線は、インク接触界面でのアノード反応が進む、いわゆる電蝕作用によって配線材料である金属膜の腐食進行速度が速くなるため、特に高電位の配線に対しては腐食進行を抑制あるいは防止する対策を講じることが望まれる。

本発明は上記従来例に鑑みてなされたもので、ヒータに接続される配線の電蝕が広がることを抑えることが可能な素子基板、液体吐出ヘッド、及び記録装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の素子基板は次のような構成からなる。

即ち、液体を吐出するための複数のヒータが形成されるヒータ層と、該複数のヒータに外部から電圧を供給する共通配線が形成される第１の配線層とを含む多層構造の素子基板であって、積層方向における前記ヒータ層と前記第１の配線層との間に形成され、前記第１の配線層よりも吐出される液体への耐腐食性の高い材料で形成された第２の配線層と、前記第２の配線層の前記ヒータ層の側の面に接し、前記ヒータ層の側へ向かって延在する第１のスルーホールの内部を満たす第１の金属プラグと、前記素子基板を平面視した際に、前記第１のスルーホールが形成される場所とは異なる場所に、前記第２の配線層の前記第１の配線層の側の面に接し、前記第１の配線層の側へ向かって延在する第２のスルーホールを満たす第２の金属プラグとを有し、前記複数のヒータそれぞれは前記第１の金属プラグを介して前記第２の配線層に接続され、さらに、前記第２の配線層は前記第２の金属プラグを介して共通配線に接続され、前記素子基板は、前記積層方向における断面において前記第２の配線層とは同じレベルに形成される、前記複数のヒータそれぞれに対応した温度検知素子をさらに有することを特徴とする。

また本発明を別の側面から見れば、上記構成の素子基板を用いた液体吐出ヘッドであって、液体を吐出する複数の吐出口を有することを特徴とする液体吐出ヘッドである。

さらに本発明を別の側面から見れば、前記液体をインクとし、該インクを吐出する記録ヘッドとして用い、記録媒体に記録を行う記録装置であって、前記複数のヒータは前記インクに接し、前記複数のヒータを駆動することで、吐出口よりインクを吐出することを特徴とする記録装置である。

本発明によれば、ヒータに接続される配線の電蝕が広がることを抑えることができる。これにより、配線腐食の進行による周辺のヒータへの影響を抑止し、素子基板の動作信頼性を維持することが可能となる。

本発明の代表的な実施例である記録ヘッドを備えた記録装置の構成概略を示す斜視図である。 図１に示した記録装置の制御構成を示すブロック図である。 記録ヘッドに実装される素子基板（ヘッド基板）のレイアウト構成を示す図である。 １つのヒータを駆動する駆動回路の等価回路を示す図である。 比較例としての素子基板の多層構造を示す断面図である。 素子基板の電気配線の腐食が進行した場合の様子を示す断面図である。 素子基板におけるヒータ１０１近傍の概略構成を示す上面図である。 実施例１に従う素子基板の多層構造を示す断面図である。 実施例２に従う素子基板の多層構造を示す断面図である。 実施例３に従う素子基板の多層構造を示す断面図である。 実施例４に従う素子基板の多層構造を示す断面図である。 図１１に示した素子基板に実装される２つのヒータの配線の様子を示す上面図である。

以下添付図面を参照して本発明の好適な実施例について、さらに具体的かつ詳細に説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には、複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられても良い。さらに添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

なお、この明細書において、「記録」（「プリント」という場合もある）とは、文字、図形等有意の情報を形成する場合のみならず、有意無意を問わない。また人間が視覚で知覚し得るように顕在化したものであるか否かを問わず、広く記録媒体上に画像、模様、パターン等を形成する、または媒体の加工を行う場合も表すものとする。

また、「記録媒体」とは、一般的な記録装置で用いられる紙のみならず、広く、布、プラスチック・フィルム、金属板、ガラス、セラミックス、木材、皮革等、インクを受容可能なものも表すものとする。

さらに、「インク」（「液体」と言う場合もある）とは、上記「記録（プリント）」の定義と同様広く解釈されるべきものである。従って、記録媒体上に付与されることによって、画像、模様、パターン等の形成または記録媒体の加工、或いはインクの処理（例えば記録媒体に付与されるインク中の色剤の凝固または不溶化）に供され得る液体を表すものとする。

またさらに、「ノズル」とは、特にことわらない限り吐出口ないしこれに連通する液路およびインク吐出に利用されるエネルギーを発生する素子を総括して言うものとする。

以下に用いる記録ヘッド用の素子基板（ヘッド基板）とは、シリコン半導体からなる単なる基体を指し示すものではなく、各素子や配線等が設けられた構成を差し示すものである。

さらに、基板上とは、単に素子基板の上を指し示すだけでなく、素子基板の表面、表面近傍の素子基板内部側をも示すものである。また、本発明でいう「作り込み（built-in）」とは、別体の各素子を単に基体表面上に別体として配置することを指し示している言葉ではなく、各素子を半導体回路の製造工程等によって素子板上に一体的に形成、製造することを示すものである。

＜記録装置の概要説明（図１～図２）＞
図１は本発明の代表的な実施例であるインクジェット記録ヘッド（以下、記録ヘッド）を用いて記録を行なう記録装置の構成の概要を示す外観斜視図である。

図１に示すように、インクジェット記録装置（以下、記録装置）１はインクジェット方式に従ってインクを吐出して記録を行なうインクジェット記録ヘッド（以下、記録ヘッド）３をキャリッジ２に搭載している。そして、キャリッジ２を矢印Ａ方向に往復移動させて記録を行う。記録紙などの記録媒体Ｐを、給紙機構５を介して給紙し、記録位置まで搬送し、その記録位置において記録ヘッド３から記録媒体Ｐにインクを吐出することで記録を行なう。

記録装置１のキャリッジ２には記録ヘッド３を搭載するのみならず、記録ヘッド３に供給するインクを貯留するインクタンク６を装着する。インクタンク６はキャリッジ２に対して着脱自在になっている。

図１に示した記録装置１はカラー記録が可能であり、そのためにキャリッジ２にはマゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、イエロ（Ｙ）、ブラック（Ｋ）のインクを夫々、収容した４つのインクカートリッジを搭載している。これら４つのインクカートリッジは夫々独立に着脱可能である。

この実施例の記録ヘッド３は、熱エネルギーを利用してインクを吐出するインクジェット方式を採用している。このため、電気熱変換素子（ヒータ）を備えている。この電気熱変換素子は各吐出口のそれぞれに対応して設けられ、記録信号に応じて対応する電気熱変換素子にパルス電圧を印加することによって対応する吐出口からインクを吐出する。なお、記録装置は、上述したシリアルタイプの記録装置に限定するものではなく、記録媒体の幅方向に吐出口を配列した記録ヘッド（ラインヘッド）を記録媒体の搬送方向に配置するいわゆるフルラインタイプの記録装置にも適用できる。

図２は図１に示した記録装置の制御構成を示すブロック図である。

図２に示すように、コントローラ６００は、ＭＰＵ６０１、ＲＯＭ６０２、特殊用途集積回路（ＡＳＩＣ）６０３、ＲＡＭ６０４、システムバス６０５、Ａ／Ｄ変換器６０６などで構成される。ここで、ＲＯＭ６０２は後述する制御シーケンスに対応したプログラム、所要のテーブル、その他の固定データを格納する。ＡＳＩＣ６０３は、キャリッジモータＭ１の制御、搬送モータＭ２の制御、及び、記録ヘッド３の制御のための制御信号を生成する。ＲＡＭ６０４は、画像データの展開領域やプログラム実行のための作業用領域等として用いられる。システムバス６０５は、ＭＰＵ６０１、ＡＳＩＣ６０３、ＲＡＭ６０４を相互に接続してデータの授受を行う。Ａ／Ｄ変換器６０６は以下に説明するセンサ群からのアナログ信号を入力してＡ／Ｄ変換し、デジタル信号をＭＰＵ６０１に供給する。

また、図２において、６１０は画像データの供給源となる図１に示したホストやＭＦＰに対応するホスト装置である。ホスト装置６１０と記録装置１との間ではインタフェース（Ｉ／Ｆ）６１１を介して画像データ、コマンド、ステータス等をパケット通信により送受信する。このパケット通信については後で説明する。なお、インタフェース６１１としてＵＳＢインタフェースをネットワークインタフェースとは別にさらに備え、ホストからシリアル転送されるビットデータやラスタデータを受信できるようにしても良い。

さらに、６２０はスイッチ群であり、電源スイッチ６２１、プリントスイッチ６２２、回復スイッチ６２３などから構成される。

６３０は装置状態を検出するためのセンサ群であり、位置センサ６３１、温度センサ６３２等から構成される。この実施例では、この他にもインク残量を検出するフォトセンサが設けられる。このフォトセンサの詳細について後述する。

さらに、６４０はキャリッジ２を矢印Ａ方向に往復走査させるためのキャリッジモータＭ１を駆動させるキャリッジモータドライバ、６４２は記録媒体Ｐを搬送するための搬送モータＭ２を駆動させる搬送モータドライバである。

ＡＳＩＣ６０３は、記録ヘッド３による記録走査の際に、ＲＡＭ６０４の記憶領域に直接アクセスしながら記録ヘッドに対して電気熱変換素子（インク吐出用のヒータ）を駆動するためのデータを転送する。加えて、この記録装置には、ユーザインタフェースとしてＬＣＤやＬＥＤで構成される表示部が備えられている。

図３は記録ヘッド３に実装される素子基板７００のレイアウト構成を示した平面図である。

図３（ａ）に示す素子基板７００の平面は矩形形状をしており、素子基板７００の矩形平面の長辺に沿って複数のパッド２０１が備えられ、それらのパッドを介して外部（記録装置の本体部）からデータや駆動電圧が供給される。そして、素子基板７００の長辺方向に複数のヒータ１０１、複数の吐出口１０９、複数のインク供給口２０３、複数のスイッチング素子３００が配列される。

図３（ａ）に示す例では、４列のヒータ列、４列の吐出口列、８列のインク供給口列、４つのスイッチング素子列が設けられている。また、４列のヒータ列の両側にインク供給口列が形成され、これら４列のインク供給口列には、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、イエロ（Ｙ）、ブラック（Ｋ）のインクがそれぞれ供給される。

図３（ｂ）は図３（ａ）に示したＡ部の拡大図である。

図３（ｂ）に示されているように、各ヒータ１０１に対応してインク液滴が吐出される吐出口１０９が設けられており、各吐出口の両側には各ヒータを駆動するスイッチング素子３００が設けられている。図３（ａ）～図３（ｂ）から分かるように、ヒータの配列ピッチはスイッチング素子の配列ピッチの１／２である。従って、例えば、図３（ｂ）において、あるヒータは上側の列のスイッチング素子から駆動され、その隣のヒータは下側の列のスイッチング素子から駆動される構成となる。

図４は１つのヒータを駆動する駆動回路の等価回路を示す図である。

図４に示すように、ヒータ（発熱抵抗体）１０１の片側の接続部３４１は電圧を供給するためのＶＨ共通配線１３１と電気的に接続される。さらに、ヒータ１０１のもう一方の接続部３４２はヒータ１０１の駆動オンオフを切り替えるためのスイッチング素子３００（ドライバ）を介してＧＮＤ共通配線１４１に電気的に接続されている。スイッチング素子３００は、この実施例ではＭＯＳＦＥＴであり、そのＭＯＳＦＥＴのゲートに外部からの駆動電圧を印加してオンオフを切り替え、ヒータ１０１を駆動する。

次に、以上の構成の記録装置の記録ヘッドに実装される素子基板の実施例について説明する。

ここでは、まず比較例としての従来の構成の素子基板について説明した後、この実施例に従う素子基板の特徴について説明する。

＜比較例とその課題＞
図５は比較例としての素子基板の多層構造を示す断面図である。図５において、（ａ）は図３（ｂ）に示したＡ－Ａ’断面図であり、（ｂ）は図３（ｂ）に示したＢ－Ｂ’断面図となっている。

図５（ａ）と図５（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板１１３上にＰｏｌｙ－Ｓｉ層１００、配線層１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、ヒータ１０１、耐キャビテーション層１０６が成膜される。Ｐｏｌｙ－Ｓｉ層と各配線層とヒータとの間は下層から上層へ順に絶縁層１００ａ、１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄで絶縁されている。また、各配線層に形成される配線を電気的に接続するために絶縁層を貫通するスルーホールが下層から上層に形成されている。なお、複数のヒータが形成される場所をヒータ層という。このように、電気配線はヒータ（発熱抵抗素子）１０１からの距離が互いに異なる４層の構成になっている。なお、ヒータ１０１の上には、ヒータをインクに直接接することを防止するための保護膜１０５が形成される。保護膜１０５は、ヒータ１０１と耐キャビテーション層１０６との間を絶縁するための絶縁層でもある。また、吐出口１０９は素子基板７００を覆う天板１０８の孔により形成される。

下層側の電気配線層から、第１の配線層１０３ａ、第２の配線層１０３ｂ、第３の配線層１０３ｃ、第４の配線層１０３ｄとする。下層のＳｉ基板１１３に近い側の第１の配線層１０３ａと第２の電気配線層１０３ｂを、ヒータ１０１を駆動するための信号配線層やロジック電源配線層に割り当てている。また、上層側の第３の配線層１０３ｃと第４の配線層１０３ｄをヒータ１０１に電流を供給するための配線層に割り当てている。これらの配線層１０３ａ～１０３ｄは、例えば、アルミニウム、またはアルミニウムを含む合金（ＡｌＳｉやＡｌＣｕなど）で形成される。

また、第４の配線層１０３ｄにＧＮＤ配線を、第３の配線層１０３ｃにＶＨ電源配線を形成し、ＶＨ電源配線とＧＮＤ配線は共に、複数のヒータに対して共通配線としているので、以降、ＶＨ電源共通配線、ＧＮＤ共通配線ということもある。ＶＨ電源は、記録ヘッドの外部（記録装置の本体部）から供給される。

さらに、絶縁層１００ａ、１０４ａ～１０４ｄを貫通する夫々形成されたスルーホールに形成された金属プラグ（接続部材）１００ｂ、１０２ａ～１０２ｄによって上層と下層の配線層は接続されている。窒化チタン（ＴｉＮ）膜などから成るバリアメタルがスルーホールの下面および側面に形成されており、これらの金属プラグの下面側および側面側はこのバリアメタルで囲われる構成となっている。なお、４つの配線層１０３ａ～１０３ｄはまとめて配線層１０３と総称し、４つの金属プラグ１０２ａ～１０２ｄはまとめて接続部材１０２と総称する。

以上のような多層配線構成とすることにより素子基板の大型化を抑制しつつ、配線抵抗を小さくすることができる。

図６は素子基板の電気配線の腐食が進行した場合の図３（ｂ）に示したＢ－Ｂ’断面図である。なお、図６において、既に図５を参照して説明したのと同じ構成要素には同じ参照番号を付し、その説明は省略する。

図６に示す例では、金属プラグ１０２ｄ、１０２ｃ及び配線層１０３ｃの配線の腐食がＶＨ電源共通配線まで進行した場合の様子を模式的に示しており、第３の配線層１０３ｃに形成されるＶＨ電源共通配線は隣接するヒータにも給電する構成となっている。このため、配線腐食が更に広範囲に進行すると、周辺のヒータも給電できなくなり、インクの吐出不良が発生する恐れがある。

電気配線や接続部材１０２の腐食につながる例としては、前述のように保護膜１０５にピンホールなどが形成され、それを起点にインク（液体）が侵入し腐食する場合がある。

図７は素子基板におけるヒータ１０１近傍の概略構成を示す上面図である。

図７（ａ）に示すように、ヒータ１０１の一端はスルーホールを満たす金属プラグ１０２ｄを経て配線層１０３ｃに形成されるＶＨ電源共通配線に接続される。また、ヒータ１０１の他端はスルーホールを満たす金属プラグ１０２ｄを経て最下層に形成されるスイッチング素子３００に接続される。そして、スイッチング素子３００は配線層１０３ｄに形成されるＧＮＤ共通配線に接続される。

ヒータ１０１から腐食が進行した場合、図７（ｂ）に示すように、ＶＨ電源共通配線が形成される配線層１０３ｃまで腐食が進行し、隣接のヒータ１０１に給電する配線領域まで腐食が及ぶと給電ができなくなり、インク吐出不良が発生する恐れがある。なお、図７（ｂ）にはＶＨ電源配線側が腐食した例を示したが、ＧＮＤ配線側が腐食した場合についても同様、配線腐食の進行し、上述と同様の課題が生じる恐れがある。

ここで、金属膜の耐腐食性に関する一般論について説明する。一般的に、金属が持つ耐腐食性の特徴として、大きく３種類に分類される。

〇金属の耐腐食性に関する一般論
１つ目は、金属そのものが腐食しない、もしくは腐食しにくい安定性を備えている金属である。金属腐食の多くは、表面の電位差によって発生する電気化学反応であり、金属表面にアノード反応が起こり、金属が金属イオンとなって溶け出すことで進行する。この溶け易さ、イオンになり易さはイオン化傾向で示され、イオン化傾向が小さい金属ほど腐食しにくく、即ち、貴金属ほど耐腐食性が高いと言える。例として、金、白金、イリジウム、パラジウム、銀などの貴金属がこれに該当する。

２つ目は、不動態被膜が表面に形成されることで、腐食しにくくなる金属である。この種の金属は、表面に不動態皮膜と呼ばれる極薄の膜が生成され、これにより腐食の進行が防止される。この不動態皮膜は、破壊されるとすぐ酸素等と反応して自己修復する性質を持つが、不動態皮膜の強さや何に対して破壊され易いかも金属によって異なる。チタン、タンタル、ジルコニウム、ニオブなどがこの種の金属に該当する。

３つ目は、腐食生成物が表面に形成され、これが保護膜として機能する金属である。金属の腐食生成物は、対象の金属をボロボロに腐食させていくものと、その表面に形成されるとある程度腐食進行を食い止め、保護膜のように機能するものとがある。このため、金属の種類によっては腐食生成物がそのまま保護皮膜として作用する場合がある。銅、亜鉛、鉛などがこれに該当する。

また別の指標として、電解液中における金属の腐食進行の有無に関しては、一般的に電位－ｐｈ図も用いて記述される。

電位－ｐｈ図とは、ある一定温度において、金属、金属イオンならびに金属の化合物が安定に存在できる電位、ｐｈの領域を示した状態図である。具体的には、水中における化学種（特に金属）の存在領域を、溶液の酸化力に相当する電極電位を縦軸に、ｐｈを横軸にとって２次元座標上に化学種の安定存在範囲を図示したものである。そして、ある金属の特定の電位およびｐｈにおいて、特定の酸化物または錯イオンを生成する、或いは反応しないかどうかが電位－ｐｈ図から読み取ることが出来る。チタンの窒化物である窒化チタンは、一般的にバリアメタルや反射防止膜として広く使用されている材料であるとともに、非常に硬いセラミック材料であり、且つ耐腐食性をも備えていることから刃物等の切削道具へのコーティングにも用いられている材料である。ｐｈが酸性の液中かつ負電位の環境では、イオンとなり溶解するが、一般的な記録インクである中性からアルカリ性にかけてのｐｈ環境中においては、チタンの電位によらず酸化領域をとるため、溶解しないことが読み取られる。このような特性を備えるチタンにおいては、その窒化物である窒化チタンも耐腐食性を備えていると考えられる。

以上、一般的な金属の耐腐食性に関して記述したが、具体的な材料は一例であるとともに、腐食の進行速度は、温度環境や対象の金属が持つ電位、また晒されている電解質などによっても異なり、各種金属の耐腐食性は周辺環境の影響により左右される。

〇耐腐食性導電膜について
耐腐食性配線層として使用可能な導電性材料としては、例えば、窒化チタン（ＴｉＮ）や窒化タンタル（ＴａＮ）などの金属窒化物は一般的にバリアメタルとして半導体製造工程で使用されている材料である。このため、素子基板の製造プロセスに組み込みやすく、且つ、耐腐食性が高い導電膜であるため特に適用しやすい。またこの他、窒化ジルコニウム、窒化ニオブ、窒化バナジウム、窒化タングステン、或いはＴａＳｉＮやＴｉＳｉＮ、ＷＳｉＮなど合金からなる窒化膜も用いることができる。これら金属窒化膜は、このほか、金属単体でも、チタン、タンタル、ジルコニウム、ニオブ表面酸化膜が耐腐食性を有するチタン、タンタルなども適用できる。

前述のように、金属プラグを囲うように形成されたバリアメタル層は、窒化チタン（ＴｉＮ）などの金属窒化膜から構成される。窒化チタンは、拡散防止膜や密着膜として半導体素子基板に多用されている材料ではあるとともに、耐腐食性が高い。このため、素子基板の内部にインクが侵入し、配線材料であるアルミ合金や金属プラグであるタングステン（Ｗ）がインク溶解、腐食してしまった場合でも、窒化チタン膜は腐食せずに残存する。

このように、バリアメタル層として金属プラグを囲うように形成した窒化チタン膜であるが、一般的にスパッタ成膜法により窒化チタンを成膜する際、絶縁層を貫通して形成したスルーホールの底部では、窒化チタン膜が必ずしも均一に成膜されない。このため、金属プラグの被覆性が不十分な箇所が生じることがある。特に、スルーホールのアスペクト比（スルーホール高さ／スルーホール径）が大きいほど、スルーホールの底部に成膜原料が届きにくくなり、被覆性が得られにくくなる。

このため、図面上では均一に形成されているように記載しているが、実際には金属プラグの底部に形成したバリアメタル層は被覆性が十分得られない箇所が生じることがある。このため、金属プラグのタングステンの腐食がスルーホール底部まで進行した際、バリアメタル層の被覆性が不十分な箇所からインクが侵入し、素子基板の下層のアルミ配線層が腐食する。

このような理由から、金属プラグのバリアメタル層よりも耐腐食性の高い層を設けて、腐食進行を抑制する構成が望まれる。

＜実施例１の概要説明＞
上記した課題に対し、金属プラグや配線の腐食進行を抑制するため、この実施例では、一般的にバリアメタルとして用いられている、耐腐食性の高い窒化チタン膜を配線層として用いる。そして、多層構造の素子基板において、上層と下層の配線層を接続する金属プラグは多層構造の配線層の配置方向とは直交する方向に距離Ｌを置いて重ならないよう配置し、絶縁膜の内部の平坦部分に形成された配線領域を経由することを特徴とする。このため、耐腐食性を備える材料からなる配線層が、例えば、ＣＭＰ研磨された絶縁膜の上面や金属プラグの上面などの平坦部に配置され、電流の経路となることが望ましい。

図８は実施例１に従う素子基板の多層構造を示す断面図である。なお、図８において、既に図５や図６を参照して説明したのと同じ構成要素には同じ参照番号を付して、その説明は省略する。ここでは、実施例１に特徴的な構成とその効果について説明する。この断面図は、図５（ｂ）と同様に図３（ｂ）に示したＢ－Ｂ’断面図となっている。

図８に示されるように、絶縁層１０４ｄの内部には耐腐食配線層１０３ｅが形成される。耐腐食配線層１０３ｅは、素子基板における層の積層方向に関して、ヒータ１０１と配線層１０３ｄとの間に形成される。耐腐食配線層１０３ｅは、金属プラグ１０２ｅおよび金属プラグ１０２ｄと接続されている。金属プラグ１０２ｅは耐腐食配線層１０３ｅのヒータ１０１側の面に接し、ヒータ１０１の側へ向かって延在している。また、金属は耐腐食配線層１０３ｅの配線層１０３ｄの側の面に接し、配線層１０３ｄの側へ向かって延在している。耐腐食配線層１０３ｅに対して上層のヒータ１０１に接続される金属プラグ１０２ｅと下層の配線層１０３ｄに接続される金属プラグ１０２ｄは、平面的に距離Ｌだけずらして配置される。即ち、金属プラグ１０２ｅと金属プラグ１０２ｄとは、素子基板を平面視した際に異なる場所に形成されている。このような構成により、平坦部の耐腐食配線層１０３ｅは上層のヒータ１０１と下層の配線層１０３ｄとの間の電気経路になる。ここで、耐腐食配線層１０３ｅは、吐出するインクに対する耐腐食性が例えば配線層１０３ｄよりも高い材料で形成されており、好ましくは後述するような耐腐食性を有する材料で形成されている。

なお、絶縁層１０４の平坦部とは、配線層１０３ｄ上に成膜された絶縁膜の上面がＣＭＰ研磨等により平坦化された領域や絶縁膜にスルーホールが形成されていない領域を含む。或いは、配線パターンなどが下層に形成されておらず絶縁膜が成膜された時点でパターン段差が無い領域、あるいは絶縁膜上に成膜される配線等の膜材料の膜厚に対して、絶縁膜表面の段差が十分に小さいと見なせるレベルの凹凸を含むこととする。

比較例として示した従来の構成では、ＶＨ電源共通配線及びＧＮＤ共通配線共に第４の配線層１０３ｄから金属プラグ１０２ｄを介してヒータ１０１に接続している。

これに対して、この実施例では図８に示すように、ＶＨ電源共通配線及びＧＮＤ共通配線の両方に第４の配線層１０３ｄからヒータ１０１までの間に、個別配線層として耐腐食配線層１０３ｅを経由させる。その際、耐腐食配線層１０３ｅは２つの金属プラグ１０２ｄ、１０２ｅの間に配線長Ｌを有している。これは、耐腐食配線層１０３ｅに対して上層と下層への接続に用いられる金属プラグの平面的なずれ量、及びそのプラグサイズから決まる値である。

本発明の目的である、配線腐食進行防止の観点から、耐腐食性配線の配線長Ｌは１μｍ以上であることが望ましく、また、該当の配線は比抵抗が比較的高いため配線抵抗増大の観点から２０μｍ以下であることが望ましい。その際、ＶＨ電源共通配線側とＧＮＤ共通配線側とで異なる配線長Ｌを用いても良く、例えば、より配線腐食進行が懸念されるＶＨ電源共通配線側のＬをより大きく設定することもできる。また、配線膜厚を厚めに設定することにより配線抵抗を抑制することもできる。

以上説明した実施例の構成によれば、ヒータの両端は耐腐食配線層を経由して下層の配線層に接続される。これにより、ヒータ両端に接続される配線が仮に断線し、インクによりタングステンで形成された金属プラグが溶解しても、被覆性の良好なバリアメタル層で覆われた別の金属プラグにより溶解の進行を抑制することができる。

なお、耐腐食配線層は複数のヒータに共通に電気接続される共通配線層を構成していてもよいが、素子基板内における腐食の拡大を抑えるためには、本実施例のように耐腐食配線層が複数のヒータそれぞれを個別に接続する個別配線を形成することが好ましい。

実施例１ではＶＨ電源共通配線とＧＮＤ共通配線の両方に耐腐食性配線を適用したが、ここでは、高電位が印加されるＶＨ電源共通配線に耐腐食性の配線材料を適用した例について説明する。

図９は実施例２に従う素子基板の多層構造を示す断面図である。なお、図９において、既に図５、図６、及び図８を参照して説明したのと同じ構成要素には同じ参照番号を付して、その説明は省略する。ここでは、実施例２に特徴的な構成について説明する。

図９に示すような構成を採る理由として、金属窒化膜に代表される耐腐食性を備える導電材料は、一般的に配線材料として用いられるアルミ合金や銅などと比較して比抵抗が高く、配線抵抗の観点から全ての配線引き回しに使用することは困難である。このため、ヒータ１０１近傍で耐腐食性が望まれる最小限の領域にのみ耐腐食性の材料を使用することにより、配線抵抗の抑制と、予期せぬヒータ断線時の配線腐食、電蝕の進行防止を両立する。

ヒータ１０１に給電するための電極対は、一方にはＶＨ電圧を印加するため高電位となり、もう他方はＧＮＤになるので低電位となるが、これらの電極やそれに接続される配線は、高電位側のほうが電蝕による腐食進行が進みやすい。このため、配線抵抗を極力小さく抑えて効果を得ようとした場合、高電位側のヒータ１０１に近い部分であるＶＨ電源共通配線に接続される側のみを耐腐食配線層１０３ｅを経由して配線層１０３ｄに接続する。その他の領域、例えば、低電位側のヒータ１０１に接続する部分には従来のアルミ合金や銅などの低抵抗の配線材料を使用する。

以上説明した実施例によれば、実施例１とは異なり、高電圧が印加されるＶＨ電源共通配線側のみを耐腐食配線層を経て接続する。このような構成でも、ヒータとＶＨ電源共通配線との間の配線が仮に断線し、インクによりタングステンで形成された金属プラグが溶解しても、被覆性の良好なバリアメタル層で覆われた別の金属プラグにより溶解の進行を抑制することができる。

実施例１と実施例２ではヒータ１０１のすぐ下層の配線層１０３ｄへ耐腐食配線層を経て接続する構成について説明したが、ここではさらに下層のＳｉ基板１１３に近い側の配線層の接続を耐腐食配線層を経て行う構成について説明する。

図１０は実施例３に従う素子基板の多層構造を示す断面図である。なお、図１０において、既に図５、図６、図８、及び図９を参照して説明したのと同じ構成要素には同じ参照番号を付して、その説明は省略する。ここでは、実施例３に特徴的な構成について説明する。

図１０に示されるように、この実施例に従う素子基板では実施例１、２よりもＳｉ基板１１３側に近い下層である絶縁層１０４ｃの内部に形成される耐腐食配線層１０３ｅに個別配線を形成する。そして、耐腐食配線層１０３ｅより上層の配線層１０３ｄには金属プラグ１０２ｅを介して接続し、下層の配線層１０３ｃには金属プラグ１０２ｃを介して接続する。

腐食の起点となるのはヒータ１０１や保護膜１０５のピンホールなどであるが、インクが素子基板内部に侵入し、配線間ショートなどにより瞬間的に過電流が流れた領域周辺が大きく破壊された場合は、実施例１では耐腐食配線部も破壊される可能性もある。しかしながら、この実施例では、より下層の部分に耐腐食性材料を配線として適用しているので、実施例１では防止できない破壊による耐腐食配線の損傷を回避することができる。

図１１は実施例４に従う素子基板の多層構造を示す断面図である。なお、図１１において、既に図５、図６、図８、図９、及び図１０を参照して説明したのと同じ構成要素には同じ参照番号を付して、その説明は省略する。ここでは、実施例４に特徴的な構成について説明する。

図１２は素子基板におけるヒータ１０１近傍の概略構成を示す上面図である。

図１１と図８とを比較すると分かるように、この実施例では実施例１の構成に加えてヒータ１０１の直下である絶縁層１０４ｄの内部の耐腐食配線層１０３ｅと同じレベルに、同じ材料を用いて薄膜抵抗素子である温度検知素子１１９を形成する。

温度検知素子１１９はヒータ１０１の温度を検知することにより、ヒータが正常に動作しインクが吐出しているかを検知する。この温度検知素子の概要については特許文献２に開示されているので、ここでの詳細な説明は省略する。特許文献２は、インクを吐出させるための熱エネルギーを発生する複数のヒータがシリコン基板上に形成され、ヒータ直下には、層間絶縁膜を介して薄膜の温度検知素子が形成される素子基板を開示している。

特許文献２によれば、温度検出回路が各温度検知素子から温度情報を検出し、インク吐出不良時のヒータの温度変化と、インク正常吐出時のヒータの温度変化との違いにより、インク吐出が正常であるか、或いは、吐出不良であるのかを判断する。温度検知は温度に応じて温度検知素子の電気抵抗の値の変化を監視することで行われる。

以上説明した実施例に従えば、半導体製造工程を用いた素子基板の製造時に温度検知素子と耐腐食配線層を同時に作り込むことにより製造工程を削減することができる。

なお、以上説明した実施例では、インクを吐出する記録ヘッドとその記録装置を例として説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサなどの装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わせた産業記録装置に適用可能である。また本発明は、例えば、バイオチップ作製や電子回路印刷やカラーフィルタ製造などの用途としても用いることができる。

以上の実施例で説明した記録ヘッドは、一般的には、液体吐出ヘッドということもできる。また、そのヘッドから吐出するのはインクに限定されるものではなく、一般的に、液体ということもできる。

本発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。

１００ａ、１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄ 絶縁層、
１００ｂ、１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ 金属プラグ、
１０１ ヒータ、１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ 配線層、
１０５ 保護膜、１０６ 耐キャビテーション層、１１３ Ｓｉ基板、
３００ スイッチング素子、７００ 素子基板

Claims (13)

1. 液体を吐出するための複数のヒータが形成されるヒータ層と、該複数のヒータに外部から電圧を供給する共通配線が形成される第１の配線層とを含む多層構造の素子基板であって、
   積層方向における前記ヒータ層と前記第１の配線層との間に形成され、前記第１の配線層よりも吐出される液体への耐腐食性の高い材料で形成された第２の配線層と、
   前記第２の配線層の前記ヒータ層の側の面に接し、前記ヒータ層の側へ向かって延在する第１のスルーホールの内部を満たす第１の金属プラグと、
   前記素子基板を平面視した際に、前記第１のスルーホールが形成される場所とは異なる場所に、前記第２の配線層の前記第１の配線層の側の面に接し、前記第１の配線層の側へ向かって延在する第２のスルーホールを満たす第２の金属プラグとを有し、
   前記複数のヒータそれぞれは前記第１の金属プラグを介して前記第２の配線層に接続され、さらに、前記第２の配線層は前記第２の金属プラグを介して共通配線に接続され、
   前記素子基板は、前記積層方向における断面において前記第２の配線層とは同じレベルに形成される、前記複数のヒータそれぞれに対応した温度検知素子をさらに有することを特徴とする素子基板。
2. 前記第２の配線層は、複数のヒータそれぞれを個別に接続する個別配線を形成し、
   前記複数のヒータそれぞれは前記個別配線を介して前記共通配線に接続されることを特徴とする請求項１に記載の素子基板。
3. 前記複数のヒータそれぞれに対して、前記第２の配線層が２つ形成され、該２つの前記第２の配線層それぞれに対応して、前記第１のスルーホールと前記第２のスルーホールが形成され、前記第１のスルーホールの内部は前記第１の金属プラグで満たされ、前記第２のスルーホールの内部は前記第２の金属プラグで満たされ、
   前記複数のヒータそれぞれの一端は、前記２つの前記第２の配線層のうちの一方の配線層に形成される前記第１のスルーホールを満たす前記第１の金属プラグと前記第２のスルーホールを満たす前記第２の金属プラグとを介して前記第１の配線層に接続され、
   前記複数のヒータそれぞれの他端は、前記２つの前記第２の配線層のうちの他方の配線層に形成される前記第１のスルーホールを満たす前記第１の金属プラグと前記第２のスルーホールを満たす前記第２の金属プラグとを介して前記第１の配線層に接続されることを特徴とする請求項１又は２に記載の素子基板。
4. 前記複数のヒータそれぞれの一端が前記第１の金属プラグを介して前記第２の配線層に接続され、さらに、前記第２の配線層は前記第２の金属プラグを介して前記第１の配線層に接続されることを特徴とする請求項１又は２に記載の素子基板。
5. 前記第１の配線層と同じ材料で形成され、前記複数のヒータに電気接続される第３の配線層をさらに有し、
   前記第１の配線層は、積層方向において前記第３の配線層よりも前記ヒータ層の近くに形成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の素子基板。
6. 前記ヒータ層と前記第１の配線層との間に形成される第３の配線層と、
   前記第３の配線層と前記ヒータ層との間に設けられる絶縁層と、
   前記絶縁層を貫通する第３のスルーホールを満たす第３の金属プラグと、をさらに有し、
   前記複数のヒータそれぞれは、さらに前記第３の金属プラグを介して前記第３の配線層に接続され、前記第３の配線層から前記第１の金属プラグへと接続されることを特徴とする請求項１に記載の素子基板。
7. 前記第２の配線層は、耐腐食性を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の素子基板。
8. 前記耐腐食性の前記第２の配線層は、窒化チタン、窒化タンタル、窒化ジルコニウム、窒化バナジウム、窒化ニオブ、窒化タングステン或いはこれらの合金からなる金属窒化物で構成されることを特徴とする請求項７に記載の素子基板。
9. 前記素子基板を平面視した際に、前記第２の配線層において、前記第１のスルーホールの場所と第２のスルーホールの場所との間の距離は、１μｍから２０μｍであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の素子基板。
10. 前記第１のスルーホールの内部における前記第１の金属プラグに対する下面側および側面側と、前記第２のスルーホールの内部における前記第２の金属プラグに対する下面側および側面側にはそれぞれ、バリアメタル層で被覆されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の素子基板。
11. 前記第１の金属プラグと前記第２の金属プラグとは、タングステンで構成され、
    前記バリアメタル層は、チタンやチタンを含む材料で構成されることを特徴とする請求項１０に記載の素子基板。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の素子基板を用いた液体吐出ヘッドであって、
    液体を吐出する複数の吐出口を有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
13. 請求項１２に記載の液体吐出ヘッドを、前記液体をインクとし、該インクを吐出する記録ヘッドとして用い、記録媒体に記録を行う記録装置であって、
    前記複数のヒータは前記インクに接し、前記複数のヒータを駆動することで、吐出口よりインクを吐出することを特徴とする記録装置。
    

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