JP4654494B2 - プリンタ、プリンタヘッド及びプリンタヘッドの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリンタ、プリンタヘッド及びプリンタヘッドの製造方法に関し、例えばサーマル方式によるインクジェットプリンタに適用することができる。本発明は、少なくともIVＡ属の金属層又はＶＡ属の金属層を堆積した後、抵抗体材料を堆積して発熱素子を形成することにより、従来に比して発熱素子の信頼性を向上することができるようにする。
【０００２】
【従来の技術】
近年、画像処理等の分野においては、ハードコピーのカラー化に対するニーズが高まっている。このようなニーズに対して、従来、昇華型熱転写方式、溶融熱転写方式、インクジェット方式、電子写真方式、熱現像銀塩方式等のカラーハードコピー方式が提案されている。
【０００３】
これらの方式のうちインクジェット方式は、記録ヘッドに設けられたノズルから記録液（インク）の小滴を飛翔させ、記録対象に付着してドットを形成するものであり、簡単な構成により高画質の画像を出力することができる。このインクジェット方式は、インクを飛翔させる方式の相違により、静電引力方式、連続振動発生方式（ピエゾ方式）、サーマル方式等に分類される。
【０００４】
これらの方式のうちサーマル方式は、インクの局所的な加熱により気泡を発生し、この気泡により吐出口であるノズルよりインクを押し出して印刷対象に飛翔させる方式であり、簡易な構成によりカラー画像を印刷することができる。
【０００５】
このサーマル方式によるプリンタは、いわゆるプリンタヘッドを用いて構成され、このプリンタヘッドには、インクを加熱する発熱素子と、発熱素子を駆動するトランジスタ等が搭載されるようになされている。
【０００６】
すなわち発熱素子は、半導体形成プロセスで広く使用されているスパッタリング法によりタンタル、タンタルアルミ、窒化チタン等の抵抗材料を所定の基板上に堆積し、その上層にＡｌ電極を形成した後、シリコン窒化膜等の保護層を作成して形成される。プリンタヘッドは、この保護層の上層にタンタル膜による耐キャビテーション層、インク液室、ノズルが形成され、これにより発熱素子の発熱によりインク液室のインクを加熱できるように形成される。さらにプリンタヘッドは、ＭＯＳ（Metal Oxide Semicondutor）型、パイポーラ型のトランジスタにより発熱素子に電力を供給できるように構成され、さらに所定の駆動回路によりこのトランジスタの動作を制御できるように構成され、これらにより駆動回路により駆動してインク液滴を用紙に付着できるようになされている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで発熱素子においては、印刷時、繰り返しパルス状に電圧が印加されて通電が繰り返される。従来のプリンタヘッドにおいては、この通電の繰り返しにより、抵抗値が変化し、ついには抵抗素子が断線する場合があり、これにより信頼性が未だ不十分な問題があった。
【０００８】
すなわち作成直後の発熱素子と、通電により抵抗値が変化した発熱素子とのＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）観察写真をそれぞれ図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、作成直後の素子においては、窒化チタン膜が下層から浮き上がって形成されたと考えられるドーム形状による微小な凸部が多数観察され、抵抗値が変化したものでは、窒化チタン膜に局所的なクラックが観察された。なおこの発熱素子は、シリコン窒化膜上に窒化チタンを膜厚１００〔ｎｍ〕により堆積させたものである。
【０００９】
これにより従来のプリンタヘッドにおいては、このようなドーム形状による浮き上がりが発生した状態で、発熱素子自体の発熱による熱ストレスが繰り返されることにより、シリコン窒化膜にクラックが発生したものと考えられ、このクラックの結果、抵抗値が変動するものと考えられる。またこのようなクラックが拡大して発熱素子が断線に至るものと考えられる。なおこのような浮き上がりの部分では、他の部分に比して放熱が悪く、これにより局所的な温度上昇によりクラックの発生が加速することが考えられる。因みに、図７に示すように、発熱素子の下層である窒化シリコンに対して、窒化チタンは線膨張係数が大きく異なり、これにより発熱の繰り返しにより大きな熱ストレスが繰り返されるものと考えられる。
【００１０】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、従来に比して発熱素子の信頼性を向上することができるプリンタ、プリンタヘッド及びプリンタヘッドの製造方法を提案しようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため請求項１、請求項２又は請求項３の発明においては、プリンタ、プリンタヘッド又はプリンタヘッドの製造方法に適用して、少なくともIVＡ属の金属層又はＶＡ属の金属層を堆積した後、この金属層の上に抵抗体材料を堆積して前記発熱素子を形成する。
【００１２】
この種の発熱素子は、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜等の上に作成され、これらの膜上に直接発熱素子を配置した場合、十分な強度により発熱素子が密着していないことが判った。これにより従来構成による場合には、両者の熱膨張係数が大きく異なることにより、通電の繰り返しによる熱サイクルの繰り返しによって発熱素子を構成する膜構造にクラックが発生し、ついには発熱素子が断線すると考えられる。請求項１〜３の構成によれば、IVＡ属の金属層又はＶＡ属の金属層がこれらの間に介在し、これらIVＡ属の金属層又はＶＡ属の金属層が下層のシリコン窒化膜、シリコン酸化膜等との界面で化合物を構成して十分な強度により密着するのに対し、上層の発熱素子を構成するＴｉＮ等の間では、同種の金属材料であることにより、十分な強度により密着させることができる。これらにより熱ストレスが繰り返された場合でも、発熱素子の剥離を防止でき、従来に比して発熱素子の信頼性を向上することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、適宜図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳述する。
【００１４】
（１）第１の実施の形態
（１−１）第１の実施の形態の構成
図１は、プリンタヘッドを示す断面図である。この第１の実施の形態に係るプリンタにおいては、このプリンタヘッド２１を用いて構成される。
【００１５】
このプリンタヘッド２１は、始めに洗浄したＰ型シリコン基板２２にトランジスターを分離する素子分離領域（ＬＯＣＯＳ：Local oxidation of silicon）２３が形成される。ここでこの素子分離領域２３は、Ｐ型シリコン基板２２上にシリコン窒化膜を堆積した後、リソグラフィー工程、リアクティブイオンエッチング工程によりシリコン窒化膜を部分的に取り除いてパターニングし、このパターンニングによるパターンを用いて熱酸化処理することにより作成される。
【００１６】
続いてプリンタヘッド２１は、洗浄工程を経た後、素子分離領域２３間に残されたトランジスターの形成領域にタングステンシリサイド／ポリシリコン／熱酸化膜構造のゲートが作成され、さらにソース・ドレイン領域を形成するためのイオン注入工程、熱処理工程が施されてＭＯＳ型のトランジスタが形成される。
【００１７】
プリンタヘッド２１は、このＭＯＳ型トランジスタにより、発熱素子を介して電圧３０〔Ｖ〕の電源に接続されて発熱素子を駆動するスイッチングトランジスタ２４Ａ、電源電圧５〔Ｖ〕により動作してこのスイッチングトランジスタ２４Ａを駆動するロジック集積回路のトランジスタ２４Ｂが作成される。
【００１８】
続いてプリンタヘッド２１は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法によりＢＰＳＧ（BoroPhosepho Silicate Glass ）膜２５が堆積され、フォトリソグラフィー工程、ＣＦｘ系ガスを用いたリアクティブイオンエッチング法によりシリコン半導体拡散層（ソース・ドレイン）上に接続孔（コンタクトホール）が作成される。
【００１９】
続いてプリンタヘッド２１は、希フッ酸により洗浄された後、スパッタリング法により膜厚２０〔ｎｍ〕のチタン膜、膜厚６０〔ｎｍ〕の窒化チタンバリアメタルを順次堆積し、銅を０．６〔ａｔ％〕添加したアルミニウムを膜厚６００〔ｎｍ〕により堆積する。さらにプリンタヘッド２１は、続いてフォトリソグラフィー工程、ドライエッチング工程を経、これにより１層目の配線パターン２８が作成される。プリンタヘッド２１は、この１層目の配線パターン２８により、駆動回路を構成するＭＯＳ型トランジスタが相互に接続され、ロジック集積回路による駆動回路が形成され、この駆動回路によるスイッチングトランジスタ２４Ａの駆動により発熱素子を駆動する。
【００２０】
続いてプリンタヘッド２１は、１層目のアルミ配線パターン２８上にＣＶＤ法によりシリコン酸化膜（いわゆるＴＥＯＳである）２９を堆積し、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing ）工程又はレジストエッチバック法により、シリコン酸化膜２９が平坦化される。
【００２１】
続いてフォトリソグラフィー工程、ドライエッチング工程により、１層目のアルミ配線に続く接続孔（ビアホール）が作成される。続いてスパッタリング法により１層目と同様にしてアルミ配線層が作成され、フォトリソグラフィー工程、ドライエッチング工程により２層目のアルミ配線パターン３０が作成される。プリンタヘッド２１は、この２層目の配線パターン３０により、電源用の配線パターン３１、アース用の配線パターン３２が作成される。プリンタヘッド２１は、続いてＣＶＤ法によりシリコン窒化膜が堆積されて絶縁層３４が形成され、レジストエッチバック工程等により平坦化される。
【００２２】
続いてプリンタヘッド２１は、フォトリソグラフィー工程、ドライエッチング工程により、２層目のアルミ配線に続く接続孔（ビアホール）が形成される。
【００２３】
さらにスパッタリング法により下層側よりIVＡ属金属であるチタンを膜厚１０〔ｎｍ〕により堆積してバッファ層３５Ａを形成した後、膜厚１００〔ｎｍ〕により窒化チタン膜３５Ｂが堆積され、フォトリソグラフィー工程、ドライエッチング工程により発熱素子３５が作成される。これによりプリンタヘッド２１は、発熱素子３５の抵抗体材料に窒化チタンが適用されて、この窒化チタンと同種の金属であり、かつIVＡ属金属であるチタン膜３５Ａを介してシリコン窒化膜３４上にこの抵抗体材料を堆積して発熱素子３５が形成されるようになされている。
【００２４】
プリンタヘッド２１は、続いてインク保護層として機能するシリコン窒化膜３６がほぼ膜厚３００〔ｎｍ〕により形成され、スパッタ法により耐キャビテーション層としてのタンタル膜３７が膜厚２００〜３００〔ｎｍ〕により作成される。プリンタヘッド２１は、次工程にてインク液室４４、流路等が形成されて完成する（図１）。
【００２５】
プリンタヘッド２１は、続いて例えば炭素系樹脂によるドライフィルム４０、オリフィスプレート４２が順次積層される。これらプリンタヘッド２１は、ドライフィルム４０、オリフィスプレート４２により発熱素子３５の上に、インク液室４４が形成され、さらにこのインク液室４４に続く微小なインク吐出口であるオリフィス４３が形成され、さらにはインク液室４４にインクを導く流路等が作成される。
【００２６】
（１−２）第１の実施の形態の動作
以上の構成において、プリンタヘッド２１は、Ｐ型シリコン基板２２にスイッチングトランジスタ２４Ａ等が作成されて配線パターン２８等により接続され後、シリコン窒化膜３４による絶縁層が作成される。さらにIVＡ属金属であるチタンによるバッファ層３５Ａ、窒化チタンによる抵抗体膜３５Ｂが堆積されて発熱素子３５が作成され、その後、絶縁層３６、耐キャビテーション層３７、インク液室４４、流路等が作成される。
【００２７】
プリンタヘッド２１は、このインク液室４４にインクが導かれ、駆動回路の制御によるスイッチングトランジスタ２４Ａのスイッチング動作により発熱素子３５が発熱し、インク液室４４のインクを局所的に加熱する。プリンタヘッド２１は、この加熱により、このインク液室４４の発熱素子３５側面に核気泡が発生し、核気泡が合体して膜気泡となって成長する。プリンタヘッド２１は、この気泡による圧力の増大により、オリフィス４３よりインクを押し出して印刷対象に飛翔させる。これによりプリンタヘッド２１によるプリンタにおいては、発熱素子３５の間欠的な加熱により、順次インクを印刷対象に付着して所望の画像を作成することができる。
【００２８】
従来のプリンタヘッドにおいては、このようなスイッチングトランジスタ２４Ａの駆動により発熱を繰り返す発熱素子３５が、線膨張係数の大きく異なるシリコン窒化膜３４の上に直接作成されるのに対し、この実施の形態に係るプリンタヘッド２１においては、IVＡ属金属であるチタンによるバッファ層３５Ａを介して配置される。
【００２９】
図２にIVＡ属金属（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）、ＶＡ属金属（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ）の生成熱をシリコン酸化物との比較により示すように、これらの金属は、シリコンに比して酸化物の生成熱が小さい特徴がある。これによりシリコン酸化物上に堆積した場合、界面で酸化物が生成され、これら金属材料はシリコン酸化物に強固に密着する。プリンタヘッド２１においては、発熱素子３５の下層がシリコン窒化物であるが、シリコン窒化物に対しても、これらの金属については、同様の関係が成り立つ。
【００３０】
これによりバッファ層３５Ａにあっては、下地である窒化シリコンに強固に密着することになる。これに対してこれらの金属材料と、発熱素子３５を構成する窒化タンタル等にあっては、同種の金属材料であることにより、バッファ層３５Ａと抵抗体層３５Ｂとの間も強固に密着させることができる。
【００３１】
これらによりこのプリンタヘッド２１においては、下層である窒化シリコンと抵抗材料である窒化タンタルとの間の線膨張係数が大きく異なる条件の元で、インクの加熱により繰り返し熱ストレスが加わった場合でも、下層からの抵抗材料の剥離を防止することができ、その結果として発熱素子３５の抵抗値変化、破壊等を防止することができ、発熱素子３５の信頼性を従来に比して格段的に向上することができる。
【００３２】
かくするにつき図３は、図６との対比により発熱素子３５の表面の状態を示すＳＥＭ観察写真であり、何ら表面に凹凸が形成されていないことから、抵抗材料が下層に十分に密着していることが判る。また図４は、従来の発熱素子との比較によりパルス状の通過を繰り返した実験結果を示すものであり、この実験結果からも信頼性の向上を確認することができる。なおこの実験は、実際の使用時に比して格段的に大きな電力を印加したものであり、符号Ｌ１がこの実施の形態に係るプリンタヘッド２１のものであり、符号Ｌ２が従来構成に係る下層の上に直接窒化チタンを配置したものである。なおこのような実験の後で同様にＳＥＭにより表面の状態を観察したところ、この実施の形態に係るプリンタヘッドにおいては、何ら変化を認ることができなかった。
【００３３】
（１−３）第１の実施の形態の効果
以上の構成によれば、IVＡ属の金属層であるチタン層を堆積した後、抵抗体材料を堆積して発熱素子を形成することにより、従来に比して発熱素子を格段的に信頼性を向上することができる。
【００３４】
（２）第２の実施の形態
図５は、図１との対比により本発明の第２の実施の形態に係るプリンタに適用されるプリンタヘッドを示す断面図である。図５に示す構成において、図１について上述したプリンタヘッドと同一の構成は、対応する符号を付して示し、重複した説明は省略する。
【００３５】
このプリンタヘッド５１においては、スイッチングトランジスタ２４Ａを駆動する駆動回路が、ＮＭＯＳ型及びＰＭＯＳ型トランジスタ２４Ｂを１層の配線パターン２８により接続して形成される。またこの１層目の配線パターン２８により駆動回路とスイッチングトランジスタ２４Ａとが接続される。その後、シリコン窒化膜３４が堆積された後、発熱素子３５が形成され、２層目の配線パターン３０により発熱素子３５の一端とスイッチングトランジスタ２４Ａが接続され、また発熱素子３５の他端が電源ラインに接続される。これによりプリンタヘッド５１は、２層目の配線パターン３０、発熱素子３５の作成順序が上述した第１の実施の形態とは逆の順序により作成されるようになされている。
【００３６】
プリンタヘッド５１は、このようにして作成される発熱素子３５が、下層であるシリコン窒化膜３４の上に、チタンによるバッファ層３５Ａを堆積した後、タンタルによる抵抗体材料３５Ｂを堆積して形成される。これによりプリンタヘッド５１においても、IVＡ属の金属層であるチタン層を堆積した後、抵抗体材料を堆積して発熱素子を形成するようになされ、この抵抗体材料にタンタルが適用されるようになされている。
【００３７】
以上の構成によれば、抵抗体材料にタンタルを適用して発熱素子を形成する場合でも、IVＡ属の金属層であるチタン層を堆積した後、抵抗体材料を堆積して発熱素子を形成することにより、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００３８】
（３）他の実施の形態
なお上述の実施の形態においては、IVＡ属金属材料のうちのチタンによりバッファ層を作成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、他のIVＡ属金属であるジルコニウム、ハフニウムによりバッファ層を作成しても上述の実施の形態と同様の効果を得ることができ、またIVＡ属金属材料に代えてＶＡ属金属材料によりバッファ層を作成しても上述の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００３９】
また上述の実施の形態においては、IVＡ属金属材料の１層によりバッファ層を作成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、本発明の主旨が要は下層との密着性を向上して発熱素子の特性の変化を防止するものであることから、下層側にIVＡ属金属膜又はＶＡ属金属膜を配置した多層構造によりバッファ層を構成して、上述の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
また上述の実施の形態においては、抵抗体材料として窒化チタン、タンタルを使用する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、他の抵抗体材料を使用する場合に適用しても、同様の効果を得ることができる。
【００４１】
また発熱素子の下層の絶縁層としてシリコン窒化物を堆積する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、種々の絶縁材料により絶縁層を構成する場合に広く適用することができる。
【００４２】
また上述の実施の形態においては、インクを局所的に加熱して印刷する構成のプリンタヘッドに本発明を適用する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば感熱型のプリンタヘッド等、発熱素子の駆動により印刷する種々のプリンタ用ヘッド、さらにはこれらのプリンタ用ヘッドを使用したプリンタに広く適用することができる。
【００４３】
【発明の効果】
上述のように本発明によれば、少なくともIVＡ属の金属層又はＶＡ属の金属層を堆積した後、抵抗体材料を堆積して発熱素子を形成することにより、従来に比して発熱素子の信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るプリンタに適用されるプリンタヘッドを示す断面図である。
【図２】図１のプリンタヘッドの動作の説明に供する特性曲線図である。
【図３】図１のプリンタヘッドの発熱素子を示す写真である。
【図４】図１のプリンタヘッドの特性を示す特性曲線図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係るプリンタに適用されるプリンタヘッドを示す断面図である。
【図６】従来のプリンタヘッドの発熱素子を示す写真である。
【図７】各種材料の線膨張率を示す図表である。
【符号の説明】
２１、５１……プリンタヘッド、２２……シリコン基板、２４Ａ、２４Ｂ……トランジスタ、３４……絶縁層、３５……発熱素子、３５Ａ……バッファ層、３５Ｂ……抵抗体材料

Claims (3)

1. 半導体基板上に発熱素子と前記発熱素子を駆動するトランジスタとを形成し、前記発熱素子の発熱により所望の画像を印刷するプリンタにおいて、
   シリコン窒化膜上に、少なくともIVＡ属の金属層又はＶＡ属の金属層を堆積した後、IVＡ属の金属元素又はＶＡ属の金属元素を含む抵抗体材料層を前記金属層の上に堆積して前記発熱素子を形成し、前記金属層の膜厚は前記抵抗体材料層の膜厚と比して十分薄いことを特徴とするプリンタ。
2. 半導体基板上に発熱素子と前記発熱素子を駆動するトランジスタとを形成し、前記発熱素子の発熱により所望の画像を印刷するプリンタヘッドにおいて、
   シリコン窒化膜上に、少なくともIVＡ属の金属層又はＶＡ属の金属層を堆積した後、IVＡ属の金属元素又はＶＡ属の金属元素を含む抵抗体材料層を前記金属層の上に堆積して前記発熱素子を形成し、前記金属層の膜厚は前記抵抗体材料層の膜厚と比して十分薄いことを特徴とするプリンタヘッド。
3. 半導体基板上に発熱素子と前記発熱素子を駆動するトランジスタとを形成し、前記発熱素子の発熱により所望の画像を印刷するプリンタヘッドの製造方法において、
   シリコン窒化膜上に、少なくともIVＡ属の金属層又はＶＡ属の金属層を堆積した後、IVＡ属の金属元素又はＶＡ属の金属元素を含む抵抗体材料層を前記金属層の上に堆積して前記発熱素子を形成し、前記金属層の膜厚は前記抵抗体材料層の膜厚と比して十分薄いことを特徴とするプリンタヘッドの製造方法。

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