JP2004074603A

JP2004074603A - Liquid jet head and liquid jet device

Info

Publication number: JP2004074603A
Application number: JP2002238728A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Miyamoto; 宮本　孝章; Osamu Tateishi; 立石　修; Shogo Ono; 小野　章吾; Minoru Kono; 河野　稔
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-08-20
Filing date: 2002-08-20
Publication date: 2004-03-11

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To effectively avoid deterioration of the reliability by preventing damage of a protecting layer through application of a liquid jet head, a liquid jet device and a manufacturing method for a liquid jet head to, for example, a printer by an ink jet system. <P>SOLUTION: A stress relaxing layer for relaxing a film stress of a cavitation resistant layer is formed between the protecting layer and the cavitation resistant layer. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体吐出ヘッド及び液体吐出装置に関し、例えばインクジェット方式によるプリンタに適用することができる。本発明は、保護層と耐キャビテーション層との間に、耐キャビテーション層の膜応力を緩和する応力緩和層を形成することにより、保護層の損傷を防止して、信頼性の劣化を有効に回避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、ハードコピーのカラー化に対するニーズが高まってきている。このニーズに対して、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、電子写真方式及び熱現像銀塩方式等のカラー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、液体吐出ヘッドであるプリンタヘッドに設けられたノズルから記録液（インク）の液滴を飛翔させ、記録対象に付着してドットを形成するものであり、簡易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、ノズルからインク液滴を飛翔させる方法の相違により、静電引力方式、連続振動発生方式（ピエゾ方式）及びサーマル方式に分類される。
【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、この気泡によりインクをノズルから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ようになされている。
【０００５】
このようなサーマル方式によるプリンタヘッドは、インクを加熱する発熱素子が発熱素子を駆動するロジック集積回路による駆動回路等と共に一体に半導体基板上に搭載される。これによりこの種のプリンタヘッドにおいては、発熱素子を高密度に配置して確実に駆動できるようになされている。
【０００６】
すなわちこのサーマル方式のプリンタにおいて、高画質の印刷結果を得るためには、発熱素子を高密度で配置する必要がある。具体的に、例えば６００〔ＤＰＩ〕相当の印刷結果を得るためには、発熱素子を４２．３３３〔μｍ〕間隔で配置することが必要になるが、このように高密度で配置した発熱素子に個別の駆動素子を配置することは極めて困難である。これによりプリンタヘッドでは、半導体基板上にスイッチングトランジスタ等を作成して集積回路技術により対応する発熱素子を接続し、さらには同様に半導体基板上に作成した駆動回路により各スイッチングトランジスタを駆動することにより、簡易かつ確実に各発熱素子を駆動できるようになされている。
【０００７】
またサーマル方式によるプリンタにおいては、発熱素子による加熱によりインクに気泡が発生し、ノズルからインクが飛び出すと、この気泡が消滅する。これにより発砲、消砲を繰り返す毎にキャビテーションによる機械的な衝撃を受ける。さらにプリンタは、発熱素子の発熱による温度上昇と温度下降とが、短時間〔数μ秒〕で繰り返され、これにより温度による大きなストレスを受ける。
【０００８】
このためプリンタヘッドは、タンタル、窒化タンタル、タンタルアルミ等により発熱素子が形成され、この発熱素子上に窒化シリコン、炭化シリコン等による第１の保護層が形成され、この保護層により耐熱性、絶縁性が向上され、また発熱素子とインクとの直接の接触を防止するようになされている。さらにこの保護層の上層に、タンタル等により第２の保護層として機能する耐キャビティーション層が形成され、この耐キャビテーション層によりキャビテーションによる機械的な衝撃を緩和するようになされている。
【０００９】
すなわち図８は、この種のプリンタヘッドにおける発熱素子近傍の構成を示す断面図である。プリンタヘッド１は、半導体素子が作成されてなる半導体基板２上に絶縁層（ＳｉＯ_２　）等が積層された後、タンタル等により発熱素子３が形成される。さらに窒化シリコン（Ｓｉ_３　Ｎ_４　）による保護層４が積層された後、アルミニューム等により配線パターン（ＡＩ配線）５が形成される。プリンタヘッド１は、この配線パターン５により半導体基板２上に形成されてなる半導体等に発熱素子３が接続され、さらに窒化シリコン（Ｓｉ_３　Ｎ_４　）による保護層６が積層され、この上層に、タンタルによる耐キャビテーション層７が形成される。プリンタヘッド１は、続いて所定部材を配置することにより、インク液室、インク流路及びノズルが作成される。
【００１０】
プリンタヘッド１は、このようにして作成されたインク流路によりインク液室にインクが導かれた後、半導体素子の駆動により発熱素子３が発熱し、インク液室のインクを局所的に加熱する。プリンタヘッド１は、この加熱により、このインク液室に気泡を発生してインク液室の圧力を増大させ、ノズルよりインクを押し出して印刷対象に飛翔させるようになされている。
【００１１】
従来、プリンタヘッド１においては、このような耐キャビテーション層７にβ−タンタルが適用される。すなわちβ−タンタルにおいては、結晶構造が正方晶（：ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ　）により形成され、発熱素子３の発熱時において、インク中の含有物との間で化学反応を起こし難く、これにより酸化され難いことが知られている（ＩＳ＆Ｔ　９ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　ｃｏｎｇｒｅｓｓ　ｏｎ　ａｄｖａｎｃｅ　ｉｎ　ｎｏｎ−ｉｍｐａｃｔ　ｐｒｉｎｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｏｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｏｃｔｏｂｅｒ４−８，１９９３　Ｙｏｋｏｈａｍａ）。これによりプリンタヘッド１においては、耐キャビテーション層７の酸化による熱伝導率の低下を防止し、発熱素子３からインクへの熱伝導率が使用により変化しないようになされている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところでこのプリンタヘッド１においては、β−タンタルによる耐キャビテーション層７が１．０×１０^１０〜２．０×１０^１０〔ｄｙｎｓ／ｃｍ^２　〕の高い圧縮応力を有することにより、耐キャビテーション層７の下層である保護層６に強い圧縮応力が加わり、著しい場合には保護層６を損傷する問題がある。
【００１３】
すなわちプリンタヘッド１においては、図８において矢印Ａにより部分的に拡大して示すように、保護層６に強い圧縮応力が加わるとクラックＢが発生する場合があり、この場合クラックＢよりインクが浸入して発熱素子３をインクより完全に隔離することが困難になる。その結果、配線パターン５、発熱素子３がインクにより腐食し、ついにはインクを介して配線パターン５が短絡し、また発熱素子３が断線して信頼性が低下する。
【００１４】
このような構成に係るプリンタヘッド１においては、このような保護層６の損傷を防止する１つの方法として、保護層６の厚みを厚くする方法が考えられるが、保護層６の厚みを厚くすると、その分、インク液室への熱伝導率が低下することにより、インクを吐出するために必要な熱エネルギーが増大し、これにより消費電力が増大する欠点がある。因みに、従来のプリンタヘッド１においては、少ない消費電力により発熱素子３を駆動してインク液滴を安定に飛び出させるように保護層６が厚さ０．２〜０．６〔μｍ〕により作成され、また耐キャビテーション層７が厚さ０．２〔μｍ〕程度に作成されるようになされている。
【００１５】
またこの問題を解決する１つの方法として耐キャビテーション層７の圧縮応力を低減することが考えられ、特開平０６−２９７７１３号公報においては、耐キャビテーション層が厚さ０．７〜２．０〔μｍ〕のとき、圧縮応力を１．０×１０^８　〜１．０×１０^１０〔ｄｙｎｓ／ｃｍ^２　〕に設定することにより、この種の問題を解決する方法が提案されている。しかしながら、スパッタリング法により耐キャビテーション層を形成する場合、スパッタリングパワー、圧力、キャリアガスの流量等の条件を可変しても耐キャビテーション層の応力は、ほとんど変化せず、これによりこれら耐キャビテーション層の作成条件の設定によっては耐キャビテーション層の圧縮応力を小さくすることが困難な欠点がある。
【００１６】
これに対して特開２００１−１０５５９６号公報においては、耐キャビテーション層をＴａ−Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金層により形成する方法が提案されている。しかしながらこの方法においては、圧縮応力を低減することができるものの、耐キャビテーション層の主成分材料が鉄（Ｆｅ）であり、半導体においては、この鉄成分がゲート酸化膜中に混入するとゲート酸化膜の耐圧が著しく劣化する等の問題が発生し、実用上、半導体製造工程によりプリンタヘッドを作成することが困難である。
【００１７】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、保護層の損傷を防止して、信頼性の劣化を有効に回避することができる液体吐出ヘッド及び液体吐出装置を提案しようとするものである。
【００１８】
【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の発明においては、発熱素子の駆動により、液室に保持した液体を加熱して所定のノズルより液体の液滴を飛び出させる液体吐出ヘッドに適用して、発熱素子の液室側であって、液体より発熱素子を絶縁する第１の保護層と、第１の保護層の液室側であって、液体に接して発熱素子への機械的な衝撃を緩和する第２の保護層とを備え、第１の保護層と第２の保護層との間に、第２の保護層の膜応力を緩和する応力緩和層が形成されてなるようにする。
【００１９】
また請求項３の発明においては、請求項１の構成において、応力緩和層は、タンタルの結晶粒界にアルミニュームを有するタンタルとアルミニュームとによる合金、又はα−タンタルにより形成され、第２の保護層は、β−タンタルにより形成されてなるようにする。
【００２０】
また請求項４の発明においては、液体吐出ヘッドより飛び出す液滴を対象物に付着させる液体吐出装置に適用して、液体吐出ヘッドは、発熱素子の駆動により、液室に保持した液体を加熱して所定のノズルより液滴を飛び出させ、発熱素子の液室側であって、液体より発熱素子を絶縁する第１の保護層と、第１の保護層の液室側であって、液体に接して発熱素子への機械的な衝撃を緩和する第２の保護層とを備え、第１の保護層と第２の保護層との間に、第２の保護層の膜応力を緩和する応力緩和層が形成されてなるようにする。
【００２１】
請求項１の構成によれば、発熱素子の駆動により、液室に保持した液体を加熱して所定のノズルより液体の液滴を飛び出させる液体吐出ヘッドに適用することにより、例えばこの液滴がインク液滴、各種染料の液滴、保護層形成用の液滴等である液体吐出ヘッド、この液滴が試薬等であるマイクロディスペンサー、各種測定装置、各種試験装置、この液滴がエッチングより部材を保護する薬剤であるパターン描画装置等に適用することができる。請求項１の構成によれば、発熱素子の液室側であって、液体より発熱素子を絶縁する第１の保護層と、第１の保護層の液室側であって、液体に接して発熱素子への機械的な衝撃を緩和する第２の保護層とを備え、第１の保護層と第２の保護層との間に、第２の保護層の膜応力を緩和する応力緩和層が形成されてなることにより、第２の保護層における膜応力を応力緩和層により緩和し、これにより第２の保護層のみを作成する場合に比して、第１の保護層に加わる圧縮応力を低減することができる。これにより第１の保護層の損傷を防止して、信頼性の劣化を有効に回避することができる。
【００２２】
また請求項３の構成によれば、β−タンタルによる第２の保護層の膜応力に対して、α−タンタルによる応力緩和層においては、正対する方向である引っ張り応力を有し、タンタルの結晶粒界にアルミニュームを有するタンタルとアルミニュームとによる合金による応力緩和層においては、同一方向の１桁低い圧縮応力を有することにより、第２の保護層から第１の保護層に加わる圧縮応力を打ち消して緩和し、又は吸収して緩和することができる。これにより保護層の損傷を防止して、信頼性の劣化を有効に回避することができる。
【００２３】
これにより請求項４の構成によれば、保護層の損傷を防止して、信頼性の劣化を有効に回避することができる液体吐出装置を提供することができる。
【００２４】
【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。
【００２５】
（１）第１の実施の形態
（１−１）実施の形態の構成
図１は、本発明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。プリンタヘッド１１は、発熱素子１２の上層にシリコン窒化膜による保護層１３、１４が形成された後、耐キャビテーション層１５の膜応力を緩和する応力緩和層１６が形成され、この応力緩和層１６の上層にβ−タンタルによる耐キャビテーション層１５が形成される。
【００２６】
すなわち図２（Ａ）に示すように、プリンタヘッド１１は、ウエハによるＰ型シリコン基板１７が洗浄された後、シリコン窒化膜（Ｓｉ_３　Ｎ_４　）が堆積される。続いてプリンタヘッド１１は、リソグラフィー工程、リアクティブエッチング工程によりシリコン基板１７が処理され、これによりトランジスタを形成する所定領域以外の領域よりシリコン窒化膜が取り除かれる。これらによりプリンタヘッド１１には、シリコン基板１７上のトランジスタを形成する領域にシリコン窒化膜が形成される。
【００２７】
続いてプリンタヘッド１１は、熱酸化工程によりシリコン窒化膜が除去されている領域に熱シリコン酸化膜が形成され、この熱シリコン酸化膜によりトランジスタを分離するための素子分離領域（ＬＯＣＯＳ：　Ｌｏｃａｌ　Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　Ｏｆ　Ｓｉｌｉｃｏｎ　）１８が膜厚５００〔ｎｍ〕により形成される。なおこの素子分離領域１８は、その後の処理により最終的に膜厚２６０〔ｎｍ〕に形成される。さらに続いてプリンタヘッド１１は、シリコン基板１７が洗浄された後、トランジスタ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る。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、酸化工程によりシリコン基板１７が処理され、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　）型によるトランジスタ１９、２０等が作成される。なおここでスイッチングトランジスタ１９は、２５〔Ｖ〕程度の耐圧を有するＭＯＳ型ドライバートランジスタであり、発熱素子の駆動に供するものである。これに対してスイッチングトランジスタ２０は、このドライバートランジスタを制御する集積回路を構成するトランジスタであり、５〔Ｖ〕の電圧により動作するものである。なおこの実施の形態においては、ゲート／ドレイン間に低濃度の拡散層が形成され、その部分で加速される電子の電解を緩和することで耐圧を確保してドライバートランジスタ１９が形成されるようになされている。
【００２８】
このようにしてシリコン基板１７上に、半導体素子であるトランジスタ１９、２０が作成されると、プリンタヘッド１１は、続いてＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　）法によりリンが添加されたシリコン酸化膜であるＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ　Ｓｉｌｉｃａｔｅ　Ｇｌａｓｓ　）膜、ボロンとリンが添加されたシリコン酸化膜であるＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ　Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ　Ｓｉｌｉｃａｔｅ　Ｇｌａｓｓ）膜２１が順次膜厚１００〔ｎｍ〕、５００〔ｎｍ〕により作成され、これにより全体として膜厚が６００〔ｎｍ〕による１層目の層間絶縁膜が作成される。
【００２９】
続いてフォトリソグラフィー工程の後、Ｃ_４　Ｆ_８　／ＣＯ／Ｏ_２　／Ａｒ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）上にコンタクトホール２２が作成される。
【００３０】
さらにプリンタヘッド１１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３０〔ｎｍ〕によるチタン、膜厚７０〔ｎｍ〕による窒化チタンバリアメタル、膜厚３０〔ｎｍ〕によるチタン、シリコンを１〔ａｔ％〕添加したアルミニューム、または銅を０．５〔ａｔ％〕添加したアルミニュームが膜厚５００〔ｎｍ〕により順次堆積される。続いてプリンタヘッド１１は、反射防止膜である窒化チタンが膜厚２５〔ｎｍ〕により堆積され、これらにより配線パターン材料が成膜される。さらに続いてプリンタヘッド１１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、成膜された配線パターン材料が選択的に除去され、１層目の配線パターン２３が作成される。プリンタヘッド１１は、このようにして作成された１層目の配線パターン２３により、駆動回路を構成するＭＯＳ型トランジスタ２０を接続してロジック集積回路が形成される。
【００３１】
続いてプリンタヘッド１１は、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン：Ｓｉ（ＯＣ_２　Ｈ_５　）_４　）を原料ガスとしたＣＶＤ法により層間絶縁膜であるシリコン酸化膜が堆積される。続いてプリンタヘッド１１は、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ　Ｏｎ　Ｇｌａｓｓ　）を含む塗布型シリコン酸化膜の塗布とエッチバックとにより、シリコン酸化膜が平坦化され、これらの工程が２回繰り返されて１層目の配線パターン２３と続く２層目の配線パターンとの層間絶縁膜２４が膜厚４４０〔ｎｍ〕のシリコン酸化膜により形成される。
【００３２】
続いて図２（Ｂ）に示すように、プリンタヘッド１１は、スパッタリング法によりタンタル膜が堆積され、これによりシリコン基板１７上に抵抗体膜が形成される。さらに続いてフォトリゾグラフィー工程、ＢＣｌ_３　／Ｃｌ_２　ガスを用いたドライエッチング工程により、余剰なタンタル膜が除去され、発熱素子１２が作成される。なおこの実施の形態においては、膜厚８３〔ｎｍ〕によるタンタル膜が堆積され、また折り返し形状により発熱素子１２が形成され、これにより発熱素子１２の抵抗値が１００〔Ω〕となるようになされている。なお発熱素子１２においては、正方形形状により形成することも可能であり、この場合は、膜厚５０〔ｎｍ〕によるタンタル膜を堆積して同一の大きさにより形成することにより抵抗値は４０〔Ω〕となる。
【００３３】
続いて図３（Ｃ）に示すように、プリンタヘッド１１は、ＣＶＤ法により膜厚３００〔ｎｍ〕によるシリコン窒化膜が堆積され、発熱素子１２の保護層１３が形成される。続いて図３（Ｄ）に示すように、フォトリゾグラフィー工程、ＣＨＦ_３　／ＣＦ_４　／Ａｒガスを用いたドライエッチング工程により、所定箇所のシリコン窒化膜が除去され、これにより発熱素子１２を配線パターンに接続する部位が露出される。さらにＣＨＦ_３　／ＣＦ_４　／Ａｒガスを用いたドライエッチング工程により、層間絶縁膜２４に開口を形成してビアホール２５が作成される。
【００３４】
さらに図４（Ｅ）に示すように、プリンタヘッド１１は、スパッタリング法により、膜厚２００〔ｎｍ〕によるチタン、シリコンを１〔ａｔ％〕添加したアルミニューム、または銅を０．５〔ａｔ％〕添加したアルミニュームが膜厚６００〔ｎｍ〕により順次堆積される。続いてプリンタヘッド１１は、膜厚２５〔ｎｍ〕による窒化酸化チタンが堆積され、これにより反射防止膜が形成される。これらによりプリンタヘッド１１は、配線パターン材料２６が成膜される。
【００３５】
続いて図４（Ｆ）に示すように、フォトリソグラフィー工程、ＢＣｌ_３　／Ｃｌ_２　ガスを用いたドライエッチング工程により、成膜した配線パターン材料２６が選択的に除去され、２層目の配線パターン２７が作成される。プリンタヘッド１１は、この２層目の配線パターン２７により、電源用の配線パターン、アース用の配線パターンが作成され、またドライバートランジスタ１９を発熱素子１２に接続する配線パターンが作成される。なお発熱素子１２の上層に取り残されたシリコン窒化膜１３にあっては、この配線パターン作成の際のエッチング工程において、発熱素子１２の保護層として機能する。
【００３６】
続いて図５（Ｇ）に示すように、プリンタヘッド１１は、ＣＶＤ法によりインク保護層、絶縁層として機能するシリコン窒化膜１４が膜厚４００〔ｎｍ〕により堆積される。さらに熱処理炉において、４％の水素を添加した窒素ガスの雰囲気中で、又は１００％の窒素ガス雰囲気中で、４００度、６０分間の熱処理が実施される。これによりプリンタヘッド１１は、トランジスタ１９、２０の動作が安定化され、さらに１層目の配線パターン２３と２層目の配線パターン２７との接続が安定化されてコンタクト抵抗が低減される。
【００３７】
続いてプリンタヘッド１１は、直流マグネトロンスパッタリング装置のスパッタ成膜チェンバーに搭載された後、アルゴンガス雰囲気中、又はアルゴン及び窒素による混合ガス雰囲気中で所定のターゲットにより直流スパッタリング処理され、これにより応力緩和層１６の材料膜が膜厚６６．６〔ｎｍ〕により堆積される。
【００３８】
この実施の形態では、このスパッタリング処理において、ターゲットにタンタルが適用され、所定の条件によりスパッタリング処理され、これにより体心立方晶（ｂｃｃ：　ｂｏｄｙ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ−ｃｕｂｉｃ）によるα−タンタル膜が応力緩和層１６の材料膜として形成されるようになされている。
【００３９】
具体的にこの実施の形態においては、膜厚５〜２０〔ｎｍ〕によるチタンを堆積した後、β−タンタルを成膜する条件である成膜温度２００〔℃〕、スパッタリングパワー１〜４〔ｋＷ〕、流量２５〔ｓｃｃｍ〕によるアルゴンガス雰囲気中でスパッタリング処理し、これによりチタン膜の上層にα−タンタルによる応力緩和層１６の材料膜を作成した。このようにして順次成膜した場合、チタン膜においては、六方晶により形成され、主に（０００１）方向に配向する。この（０００１）配向におけるチタン膜の格子定数は、２．８９０〔Å〕であり、（１１０）配向におけるα−タンタル膜の格子定数２．８７６〔Å〕と非常に近い値である。これによりこの上層にβ−タンタルを成膜する条件でタンタル膜を成膜しても、下層のチタン膜により（１１０）方向に配向するようにタンタルが導かれて成膜し、α−タンタル膜が形成されるようになされている。なおこのようにしてチタン膜を１０〔ｎｍ〕、タンタル膜を１００〔ｎｍ〕により作成したプリンタヘッドをＸ線回折法により解析したところ、図７に示すように、α−タンタルの結晶粒（α−Ｔａ（１１０）、α−Ｔａ（２２０））の回折ピークを観察することができ、これによりα−タンタル膜の成膜を確認することができた。ここでＳｉ（００４）、Ｓｉ（λ／２）は、シリコン基板１７の材料であるシリコンの回折ピークである。
【００４０】
このようにして発熱素子１２の上層に保護層１３、１４、応力緩和層１６の材料膜が順次作成されると、プリンタヘッド１１は、続いて同一のスパッタリング装置において、又は異なるスパッタリング装置のスパッタ成膜チェンバーに搭載されて、タンタルをターゲットに使用して、β−タンタルを成膜する条件である成膜温度２００〔℃〕、スパッタリングパワー１〜４〔ｋＷ〕、流量２５〔ｓｃｃｍ〕によるアルゴンガス雰囲気中でスパッタリング処理され、これによりβ−タンタルによる耐キャビテーション層１５の材料膜が膜厚１３３．４〔ｎｍ〕により堆積される。
【００４１】
この実施の形態では、このスパッタリング処理において、β−タンタルによる耐キャビテーション層１５の材料膜が少なくとも膜厚１００〔ｎｍ〕堆積されるようになされ、これによりインク中の含有物との間で起こる化学反応を防止して酸化による熱伝導率の低下を防止するようになされている。
【００４２】
続いてプリンタヘッド１１は、フォトレジスト処理、ＢＣｌ_３　／Ｃｌ_２　ガスを用いたドライエッチング処理により、これらの材料膜が所定形状によりエッチング処理され、これにより図６（Ｈ）に示すように、応力緩和層１６及び耐キャビテーション層１５が形成される。
【００４３】
これによりこの実施の形態では、キャビテーションによる機械的な衝撃を緩和する保護層として、α−タンタルによる応力緩和層１６とβ−タンタルによる耐キャビテーション層１５とが１：２の膜厚の比率で全体として膜厚２００〔ｎｍ〕により形成される。ここでこのようにして形成された応力緩和層１６及び耐キャビテーション層１５の膜応力を測定したところ、５．２９×１０^８　〔ｄｙｎｓ／ｃｍ^２　〕の圧縮応力であった。これに対して通常のβ−タンタルにより形成された膜厚２００〔ｎｍ〕による耐キャビテーション層の膜応力を測定したところ、１．３４×１０^１０〔ｄｙｎｓ／ｃｍ^２　〕の圧縮応力であり、またα−タンタルを膜厚２００〔ｎｍ〕により成膜して膜応力を測定したところ、４．２５×１０^９　〔ｄｙｎｓ／ｃｍ^２　〕の引っ張り応力であった。ここで引っ張り応力は、応力の作用する方向が圧縮応力と正対する方向に作用する応力である。
【００４４】
すなわちこの実施の形態では、耐キャビテーション層１５と保護層１３、１４との間にα−タンタルによる応力緩和層１６が形成され、耐キャビテーション層１５における膜応力が応力緩和層１６における膜応力により打ち消され、これにより保護層１３、１４に加わる圧縮応力が緩和される。これによりプリンタヘッド１１では、応力緩和層１６を介して耐キャビテーション層１５から保護層１３、１４に加わる圧縮応力を通常の耐キャビテーション層１５のみを作成する場合に比して２桁低減するようになされている。
【００４５】
このようにして応力緩和層１６及び耐キャビテーション層１５が形成されると、プリンタヘッド１１は、図１に示すように、続いてドライフィルム３１、オリフィスプレート３２が順次積層される。ここで例えばドライフィルム３１は、有機系樹脂により構成され、圧着により配置された後、インク液室、インク流路に対応する部位が取り除かれ、その後硬化される。これに対してオリフィスプレート３２は、発熱素子１２の上に微小なインク吐出口であるノズル３４を形成するように所定形状に加工された板状部材であり、接着によりドライフィルム３１上に保持される。これによりプリンタヘッド１１は、ノズル３４、インク液室３５、このインク液室３５にインクを導くインク流路等が形成されて作成される。
【００４６】
プリンタヘッド１１は、このようなインク液室３５が紙面の奥行き方向に連続するように形成され、これによりラインヘッドを構成するようになされている。
【００４７】
（１−２）実施の形態の動作
以上の構成において、プリンタヘッド１１は、半導体基板であるＰ型シリコン基板１７に素子分離領域１８が作成されて半導体素子であるトランジスタ１９、２０が作成され、絶縁層２１により絶縁されて１層目の配線パターン２３が作成される。また続いて絶縁層２４、発熱素子１２が作成された後、保護層１３、２層目の配線パターン２７が作成される。さらに保護層１４が作成された後、熱処理により配線パターン間、配線パターンと発熱素子等との間の接続が安定化され、応力緩和層１６、耐キャビティーション層１５、インク液室３５、ノズル３４が順次形成されて作成される（図１〜図６）。
【００４８】
このプリンタは、このようにして作成されたプリンタヘッド１１のインク液室３５にインクが導かれ、トランジスタ１９、２０による発熱素子１２の駆動により、インク液室３５に保持したインクが加熱されて気泡が発生し、この気泡によりインク液室３５内の圧力が急激に増大する。プリンタでは、この圧力の増大によりインク液室３５のインクがノズル３４からインク液滴として飛び出し、このインク液滴が対象物である用紙等に付着する。
【００４９】
プリンタでは、このような発熱素子の駆動が間欠的に繰り返され、これにより所望の画像等が対象物に印刷される。またプリンタヘッド１１においては、この発熱素子１２の間欠的な駆動により、インク液室３５内において、気泡の発生、気泡の消滅が繰り返され、これにより機械的な衝撃であるキャビテーションが発生する。プリンタヘッド１１では、このキャビテーションによる機械的な衝撃が耐キャビテーション層１５及び応力緩和層１６により緩和され、これにより耐キャビテーション層１５及び応力緩和層１６により発熱素子１２が保護される。また保護層１３、１４により発熱素子１２へのインクの直接の接触が防止され、これによっても発熱素子１２が保護される。
【００５０】
しかして発熱素子１２においては、このように間欠的な駆動により発熱して、この発熱による熱が保護層１３、１４、応力緩和層１６、耐キャビテーション層１５を介してインク液室３５のインクに伝搬し、インクの温度上昇によりインク液室３５内に気泡が発生する。この実施の形態に係るプリンタヘッド１１においては、このような発熱素子１２の熱の熱伝導経路である保護層１３、１４と耐キャビテーション層１５との間にα−タンタルによる応力緩和層１６が形成されており、α−タンタルにおいては、圧縮応力と正対する方向である引っ張り応力を有することにより、この応力緩和層１６がβ−タンタルによる耐キャビテーション層１５の膜応力を緩和して下層の保護層１３、１４に加わる圧縮応力を低減することができる。
【００５１】
ここでこのプリンタヘッド１１を配線パターン２３、２７を浸食する溶解液（酢酸−燐酸−硝酸混合液）に浸漬して観察したところ、保護層１３、１４にクラックが発生している場合においては、この溶解液が保護層１３、１４に浸入し、配線パターン２３、２７が溶解されて消失するものの、この実施の形態に係るプリンタヘッド１１においては、この溶解液に長時間浸漬しても配線パターン２３、２７の消失が確認されず、配線パターン２３、２７までこの溶解液が浸入していないことがわかった。
【００５２】
これによりプリンタヘッド１１は、保護層１３、１４とβ−タンタルによる耐キャビテーション層１５との間にα−タンタルによる応力緩和層１６を形成することにより、保護層１３、１４の損傷を防止し、信頼性の劣化を有効に回避することができるようになされている。
【００５３】
なおプリンタヘッド１１は、直接インクと接する耐キャビテーション層がβ−タンタルにより形成されることにより、インクの含有物との間で起こる化学反応を防止して酸化による熱伝導率の低下を防止することができる。
【００５４】
（１−３）実施の形態の効果
以上の構成によれば、第１の保護層である保護層１３、１４と第２の保護層である耐キャビテーション層１５との間に、耐キャビテーション層１５の膜応力を緩和する応力緩和層１６を形成することにより、耐キャビテーション層１５の膜応力を打ち消して緩和することができる。その結果、保護層に加わる圧縮応力を低減して保護層の損傷を防止し、信頼性の劣化を有効に回避することができる。
【００５５】
また圧縮応力を有するβ−タンタルにより耐キャビテーション層を形成し、これとは逆に、引っ張り応力を有するα−タンタルにより応力緩和層を形成することにより、耐キャビテーション層における膜応力を応力緩和層における膜応力により打ち消して保護層に加わる圧縮応力を緩和することができ、これにより保護層の損傷を防止することができる。
【００５６】
（２）第２の実施の形態
この実施の形態においては、α−タンタルによる応力緩和層１６の作成に代えて、タンタルの結晶粒界にアルミニュームを有するタンタルとアルミニュ−ムとによる合金により応力緩和層１６を作成する。なおこの実施の形態においては、応力緩和層１６の材料が異なる点を除いて、第１の実施の形態に係るプリンタヘッド１１と同様に構成される。
【００５７】
具体的にタンタルとアルミニュームとを重量比６：４の比率で調整焼結して作製したタンタルアルミ合金ターゲットを適用して、スパッタリングパワー２〔ｋＷ〕、流量２５〔ｓｃｃｍ〕によるアルゴンガス雰囲気中で直流スパッタリング処理し、これによりタンタルとアルミニュ−ムとによる合金により応力緩和層１６の材料膜を作成した。ここでタンタルとアルミニュ−ムとによる合金膜は、膜応力がβ−タンタル膜に比して１桁低い３．５×１０^９　〔ｄｙｎｓ／ｃｍ^２　〕の圧縮応力である。なおこの応力緩和層１６を測定したところ、タンタルの結晶粒界にアルミニュームを１５〔ａｔ％〕有し、抵抗率が１８０〔μｍ−ｃｍ〕であった。
【００５８】
因みにβ−タンタルによる耐キャビテーション層１５に代えて、このタンタルの結晶粒界にアルミニュームを有するタンタルとアルミニュームとによる合金により耐キャビテーション層１５を膜厚２００〔ｎｍ〕により作成してインクの吐出を繰り返したところ、インクを安定して吐出することができ、これにより発熱素子１２へのキャビテーションによる機械的な衝撃を緩和できることがわかった。さらに分解して耐キャビテーション層１５を観察したところ、インク中の含有物との間で起こる化学反応は確認されず、これによりβ−タンタルと同様に酸化され難いことがわかった。
【００５９】
この実施の形態のように、タンタルの結晶粒界にアルミニュームを有するタンタルとアルミニュ−ムとによる合金により応力緩和層１６を作成するようにしても、耐キャビテーション層１５の膜応力を応力緩和層１６の膜応力により吸収して保護層１３、１４に加わる圧縮応力を緩和することができる。これにより通常の耐キャビテーション層１５のみを作成する場合に比して保護層１３、１４に加わる圧縮応力を１桁低減することができ、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００６０】
（４）他の実施の形態
なお上述の実施の形態においては、応力緩和層と耐キャビテーション層との膜厚を１：２の比率により作成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、インクと接する耐キャビテーション層において、少なくとも膜厚を１００〔ｎｍ〕確保することができれば、必要に応じて種々の比率を広く適用することができる。
【００６１】
また上述の第１の実施の形態においては、チタン膜を堆積させた後、α−タンタルによる応力緩和層の材料膜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、スパッタリングの条件により、保護層の上層に直接α−タンタルによる応力緩和層の材料膜を作成することも可能である。因みにこのようなスパッタリングの条件は、成膜温度２００〔℃〕、スパッタリングパワー２〔ｋＷ〕、流量３〔ｓｃｃｍ〕による窒素ガス及び流量２５〔ｓｃｃｍ〕によるアルゴンガス雰囲気中でスパッタリング処理する場合、成膜温度４００〜４４０〔℃〕、スパッタリングパワー１〔ｋＷ〕、流量２５〔ｓｃｃｍ〕によるアルゴンガス雰囲気中でスパッタリング処理する場合等である。
【００６２】
また上述の第１の実施の形態においては、α−タンタルにより応力緩和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、耐キャビテーション層の膜応力を打ち消す膜応力を有する材料であれば、種々の材料を応力緩和層の材料に広く適用することができる。
【００６３】
また上述の第２の実施の形態においては、タンタルとアルミニュームとによる合金により応力緩和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、タンタルに代えて、タングステン、窒化チタンにより応力緩和層を作成する場合等広く適用することができる。なおタンタルとこれらの材料による合金により応力緩和層の材料膜を作成する場合においては、ターゲットを個々に使用したコスパッタリング法により作成することも可能である。
【００６４】
また上述の実施の形態においては、インク液滴を飛び出させる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、インクの定着液、インクの希釈液、印刷物の表面保護膜形成用の液体等、各種の液体を液滴として飛び出させるプリンタヘッドに広く適用することができる。
【００６５】
また上述の実施の形態においては、本発明をプリンタヘッド及びプリンタに適用してインク液滴を飛び出される場合について述べたが、本発明はこれに限らず、インク液滴に代えて各種染料の液滴、保護層形成用の液滴等であるプリンタヘッド、さらには液滴が試薬等であるマイクロディスペンサー、各種測定装置、各種試験装置、液滴がエッチングより部材を保護する薬剤である各種のパターン描画装置等に広く適用することができる。
【００６６】
【発明の効果】
上述のように本発明によれば、保護層と耐キャビテーション層との間に、耐キャビテーション層の膜応力を緩和する応力緩和層を形成することにより、保護層の損傷を防止して、信頼性の劣化を有効に回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明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作成工程の説明に供する断面図である。
【図３】図２の続きを示す断面図である。
【図４】図３の続きを示す断面図である。
【図５】図４の続きを示す断面図である。
【図６】図５の続きを示す断面図である。
【図７】プリンタヘッドをＸ線回折法により解析した結果を示す特性曲線図である。
【図８】従来のプリンタヘッドを示す断面図である。
【符号の説明】
１、１１……プリンタヘッド、２、１７……シリコン基板、３、１２……発熱素子、４、６、１３、１４……保護層、７、１５……耐キャビティーション層、１６……応力緩和層、１９、２０……トランジスタ、２３、２７……配線パターン[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a liquid discharge head and a liquid discharge device, and can be applied to, for example, an inkjet printer. The present invention forms a stress relaxation layer between the protective layer and the anti-cavitation layer, which relieves the film stress of the anti-cavitation layer, thereby preventing damage to the protective layer and effectively avoiding deterioration in reliability. To be able to.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, in the field of image processing and the like, there has been a growing need for hard copy colorization. To meet this need, conventionally, a color copy system such as a sublimation type thermal transfer system, a fusion thermal transfer system, an ink jet system, an electrophotographic system, and a thermally developed silver salt system has been proposed.
[0003]
Among these methods, the ink jet method is a method in which droplets of a recording liquid (ink) fly from nozzles provided in a printer head, which is a liquid ejection head, and adhere to a recording target to form dots. With this configuration, a high-quality image can be output. The ink jet system is classified into an electrostatic attraction system, a continuous vibration generation system (piezo system), and a thermal system according to the method of flying ink droplets from nozzles.
[0004]
Among these methods, the thermal method is a method in which bubbles are generated by local heating of ink, and the bubbles are used to push out ink from nozzles and fly to a print target, and it is possible to print a color image with a simple configuration. It has been made possible.
[0005]
In such a thermal print head, a heating element for heating ink is mounted on a semiconductor substrate together with a driving circuit such as a logic integrated circuit for driving the heating element. Thus, in this type of printer head, the heating elements are arranged at a high density and can be reliably driven.
[0006]
That is, in this thermal printer, it is necessary to arrange the heating elements at a high density in order to obtain a high quality printing result. Specifically, for example, in order to obtain a printing result equivalent to 600 [DPI], it is necessary to arrange the heating elements at intervals of 42.333 [μm]. It is extremely difficult to arrange individual drive elements. This allows the printer head to create switching transistors on the semiconductor substrate, connect the corresponding heating elements by integrated circuit technology, and drive each switching transistor by a drive circuit similarly created on the semiconductor substrate. Each of the heating elements can be driven simply and reliably.
[0007]
In a thermal printer, bubbles are generated in the ink by heating by the heating elements, and the bubbles disappear when the ink jumps out of the nozzles. As a result, every time a shot is fired and fired repeatedly, a mechanical shock due to cavitation is received. Further, in the printer, the temperature rise and the temperature fall due to the heat generated by the heat generating element are repeated in a short time [several microseconds], thereby receiving a large stress due to the temperature.
[0008]
For this reason, in the printer head, a heating element is formed of tantalum, tantalum nitride, tantalum aluminum, or the like, and a first protective layer of silicon nitride, silicon carbide, or the like is formed on the heating element. The heat resistance is improved and direct contact between the heating element and the ink is prevented. Further, a cavitation-resistant layer functioning as a second protective layer is formed on the protective layer by tantalum or the like, and the cavitation-resistant layer reduces the mechanical impact due to cavitation.
[0009]
That is, FIG. 8 is a cross-sectional view showing a configuration near a heating element in this type of printer head. The printer head 1 includes an insulating layer (SiO 2) on a semiconductor substrate 2 on which semiconductor elements are formed. ₂ ) And the like, the heating element 3 is formed by tantalum or the like. In addition, silicon nitride (Si ₃ N ₄ After the protective layer 4 is laminated according to (1), a wiring pattern (AI wiring) 5 is formed of aluminum or the like. In the printer head 1, the heating element 3 is connected to a semiconductor or the like formed on the semiconductor substrate 2 by the wiring pattern 5, and further, silicon nitride (Si) ₃ N ₄ ) Is laminated, and an anti-cavitation layer 7 of tantalum is formed on the protective layer 6. In the printer head 1, an ink liquid chamber, an ink flow path, and a nozzle are created by subsequently arranging predetermined members.
[0010]
In the printer head 1, after the ink is guided to the ink liquid chamber by the ink flow path created in this way, the heating element 3 generates heat by driving the semiconductor element, and locally heats the ink in the ink liquid chamber. . The printer head 1 generates bubbles in the ink liquid chamber by this heating to increase the pressure of the ink liquid chamber, and extrudes the ink from the nozzles to fly to the printing target.
[0011]
Conventionally, in the printer head 1, β-tantalum is applied to such an anti-cavitation layer 7. That is, in the case of β-tantalum, the crystal structure is formed by tetragonal (: tetragonal), and when the heating element 3 generates heat, it is unlikely to cause a chemical reaction with the components in the ink, thereby being hardly oxidized. It is known (IS & T 9th International congress on advance in non-impact printing technologies, October 4-8, 1993 Yokohama). This prevents the thermal conductivity of the printer head 1 from lowering due to oxidation of the anti-cavitation layer 7 and prevents the thermal conductivity from the heating element 3 to the ink from being changed by use.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the printer head 1, the anti-cavitation layer 7 of β-tantalum is 1.0 × 10 ¹⁰ ~ 2.0 × 10 ¹⁰ [Dyns / cm ² ], A strong compressive stress is applied to the protective layer 6 below the anti-cavitation layer 7, and there is a problem that the protective layer 6 may be damaged in a remarkable case.
[0013]
That is, in the printer head 1, as shown partially enlarged by an arrow A in FIG. 8, when a strong compressive stress is applied to the protective layer 6, a crack B may be generated. Therefore, it becomes difficult to completely isolate the heating element 3 from the ink. As a result, the wiring pattern 5 and the heating element 3 are corroded by the ink, and eventually the wiring pattern 5 is short-circuited via the ink, and the heating element 3 is disconnected to lower the reliability.
[0014]
In the printer head 1 having such a configuration, as one method for preventing such damage of the protective layer 6, a method of increasing the thickness of the protective layer 6 is considered. However, the thermal conductivity to the ink liquid chamber is reduced by that amount, so that the thermal energy required for ejecting the ink increases, and thus the power consumption increases. Incidentally, in the conventional printer head 1, the protective layer 6 is formed with a thickness of 0.2 to 0.6 [μm] so that the heating element 3 is driven with low power consumption and the ink droplets are ejected stably. The anti-cavitation layer 7 is formed to have a thickness of about 0.2 [μm].
[0015]
In order to solve this problem, it is conceivable to reduce the compressive stress of the cavitation-resistant layer 7. In Japanese Patent Application Laid-Open No. 06-297713, the cavitation-resistant layer has a thickness of 0.7 to 2.0 μm. ], The compressive stress is 1.0 × 10 ⁸ ~ 1.0 × 10 ¹⁰ [Dyns / cm ² ] Has been proposed to solve this kind of problem. However, when the anti-cavitation layer is formed by the sputtering method, the stress of the anti-cavitation layer hardly changes even if the conditions such as the sputtering power, the pressure, and the flow rate of the carrier gas are changed. There is a disadvantage that it is difficult to reduce the compressive stress of the anti-cavitation layer depending on the setting of the conditions.
[0016]
On the other hand, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-105596 proposes a method of forming a cavitation-resistant layer from a Ta-Fe-Ni-Cr alloy layer. However, in this method, although the compressive stress can be reduced, iron (Fe) is a main component material of the anti-cavitation layer, and in a semiconductor, when this iron component is mixed into the gate oxide film, the gate oxide film has a large thickness. Problems such as a remarkable deterioration of the withstand voltage occur, and it is practically difficult to produce a printer head by a semiconductor manufacturing process.
[0017]
The present invention has been made in view of the above points, and is intended to propose a liquid discharge head and a liquid discharge apparatus that can prevent damage to a protective layer and effectively avoid deterioration in reliability. is there.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve this problem, the invention according to claim 1 is applied to a liquid discharge head that drives a heating element to heat a liquid held in a liquid chamber and ejects a liquid droplet from a predetermined nozzle. A first protective layer on the liquid chamber side of the element that insulates the heating element from the liquid, and a mechanical shock on the heating element on the liquid chamber side of the first protective layer in contact with the liquid And a stress relieving layer for relieving film stress of the second protective layer is formed between the first protective layer and the second protective layer.
[0019]
According to a third aspect of the present invention, in the configuration of the first aspect, the stress relieving layer is formed of an alloy of tantalum and aluminum having aluminum at a crystal grain boundary of tantalum or α-tantalum. The protective layer is formed of β-tantalum.
[0020]
Further, in the invention according to claim 4, the liquid ejection head is applied to a liquid ejection apparatus for attaching a droplet ejected from the liquid ejection head to an object, and the liquid ejection head heats the liquid held in the liquid chamber by driving the heating element. A first protective layer that insulates the heating element from the liquid on the liquid chamber side of the heating element, and a liquid chamber side of the first protection layer on the liquid chamber side of the heating element. A second protective layer that is in contact with and reduces mechanical shock to the heating element; and a stress that reduces the film stress of the second protective layer between the first protective layer and the second protective layer. The relaxation layer is formed.
[0021]
According to the configuration of the first aspect, by applying the liquid ejection head that drives the heating element to heat the liquid held in the liquid chamber and ejects the liquid droplet from a predetermined nozzle, for example, the droplet is ejected. A liquid ejection head that is an ink droplet, a droplet of various dyes, a droplet for forming a protective layer, a microdispenser in which the droplet is a reagent, various measuring devices, various test devices, and a member in which the droplet is etched. Can be applied to a pattern drawing device or the like which is an agent for protecting the device. According to the configuration of the first aspect, the first protection layer that insulates the heating element from the liquid on the liquid chamber side of the heating element and the liquid chamber side of the first protection layer that is in contact with the liquid. A second protective layer for mitigating mechanical shock to the heating element, and a stress relaxation layer between the first protective layer and the second protective layer for relaxing a film stress of the second protective layer. Is formed, the film stress in the second protective layer is relieved by the stress relieving layer, whereby the compressive stress applied to the first protective layer is reduced as compared with the case where only the second protective layer is formed. Can be reduced. Thereby, damage to the first protective layer can be prevented, and deterioration of reliability can be effectively avoided.
[0022]
According to the third aspect of the present invention, the stress relaxation layer of α-tantalum has a tensile stress in the opposite direction to the film stress of the second protective layer of β-tantalum, and the crystal of tantalum has The stress relaxation layer made of an alloy of tantalum and aluminum having aluminum at the grain boundaries has an order of magnitude lower compressive stress in the same direction, thereby reducing the compressive stress applied from the second protective layer to the first protective layer. It can be counteracted and relaxed, or absorbed and relaxed. Thereby, damage to the protective layer can be prevented, and deterioration of reliability can be effectively avoided.
[0023]
Thus, according to the configuration of the fourth aspect, it is possible to provide a liquid ejecting apparatus that can prevent damage to the protective layer and effectively avoid deterioration in reliability.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
[0025]
(1) First embodiment
(1-1) Configuration of the embodiment
FIG. 1 is a sectional view showing a printer head applied to the printer according to the embodiment of the present invention. In the printer head 11, after the protective layers 13 and 14 made of a silicon nitride film are formed on the heating element 12, a stress relaxation layer 16 for relaxing the film stress of the anti-cavitation layer 15 is formed. An anti-cavitation layer 15 of β-tantalum is formed as an upper layer.
[0026]
That is, as shown in FIG. 2A, after the P-type silicon substrate 17 is cleaned by a wafer, the printer head 11 forms a silicon nitride film (Si). ₃ N ₄ ) Is deposited. Subsequently, in the printer head 11, the silicon substrate 17 is processed by a lithography process and a reactive etching process, whereby the silicon nitride film is removed from a region other than a predetermined region for forming a transistor. As a result, a silicon nitride film is formed on the printer head 11 in a region on the silicon substrate 17 where a transistor is to be formed.
[0027]
Subsequently, in the printer head 11, a thermal silicon oxide film is formed in a region where the silicon nitride film has been removed by the thermal oxidation process, and an element isolation region (LOCOS: Local Oxidation Of) for isolating a transistor by the thermal silicon oxide film. Silicon 18 is formed with a film thickness of 500 [nm]. The element isolation region 18 is finally formed to a thickness of 260 [nm] by the subsequent processing. Subsequently, in the printer head 11, after the silicon substrate 17 is cleaned, a gate having a tungsten silicide / polysilicon / thermal oxide film structure is formed in the transistor formation region. Further, the silicon substrate 17 is processed by an ion implantation process and an oxidation process for forming source / drain regions, and MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) type transistors 19 and 20 are formed. Here, the switching transistor 19 is a MOS driver transistor having a withstand voltage of about 25 [V], and is used for driving the heating element. On the other hand, the switching transistor 20 is a transistor constituting an integrated circuit for controlling the driver transistor, and operates at a voltage of 5 [V]. In this embodiment, a low-concentration diffusion layer is formed between the gate and the drain, and the driver transistor 19 is formed such that the electrolysis of electrons accelerated at that portion is relaxed to secure a withstand voltage. Has been done.
[0028]
When the transistors 19 and 20 which are semiconductor elements are formed on the silicon substrate 17 in this manner, the printer head 11 subsequently proceeds to a PSG which is a silicon oxide film to which phosphorus is added by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. (Phosphorus Silicate Glass) film and a BPSG (Boron Phosphorus Silicate Glass) film 21 which is a silicon oxide film to which boron and phosphorus are added are sequentially formed with a film thickness of 100 [nm] and 500 [nm]. A first interlayer insulating film having a thickness of 600 [nm] is formed.
[0029]
Then, after the photolithography process, C ₄ F ₈ / CO / O ₂ A contact hole 22 is formed on the silicon semiconductor diffusion layer (source / drain) by a reactive ion etching method using a / Ar-based gas.
[0030]
Further, the printer head 11 is washed with diluted hydrofluoric acid, and then, by sputtering, titanium with a thickness of 30 [nm], titanium nitride barrier metal with a thickness of 70 [nm], titanium and silicon with a thickness of 30 [nm]. Is added at 1 [at%], or aluminum added at 0.5 [at%] to copper is sequentially deposited to a film thickness of 500 [nm]. Subsequently, in the printer head 11, titanium nitride, which is an antireflection film, is deposited to a thickness of 25 [nm], and a wiring pattern material is formed by these. Subsequently, in the printer head 11, the formed wiring pattern material is selectively removed by a photolithography process and a dry etching process, and a first-layer wiring pattern 23 is formed. In the printer head 11, a logic integrated circuit is formed by connecting the MOS transistors 20 constituting the drive circuit by the first-layer wiring pattern 23 thus created.
[0031]
Subsequently, the printer head 11 is driven by TEOS (tetraethoxysilane: Si (OC ₂ H ₅ ) ₄ A silicon oxide film as an interlayer insulating film is deposited by the CVD method using () as a source gas. Subsequently, in the printer head 11, the silicon oxide film is flattened by applying a coating type silicon oxide film including SOG (Spin On Glass) and etching back, and these steps are repeated twice to form a first layer wiring. The interlayer insulating film 24 between the pattern 23 and the subsequent second-layer wiring pattern is formed of a silicon oxide film having a thickness of 440 [nm].
[0032]
Subsequently, as shown in FIG. 2B, in the printer head 11, a tantalum film is deposited by a sputtering method, whereby a resistor film is formed on the silicon substrate 17. A photolithography step followed by BCl ₃ / Cl ₂ Excess tantalum film is removed by a dry etching process using gas, and the heating element 12 is formed. In this embodiment, a tantalum film having a thickness of 83 [nm] is deposited, and the heating element 12 is formed in a folded shape so that the resistance value of the heating element 12 becomes 100 [Ω]. ing. The heating element 12 can be formed in a square shape. In this case, a resistance value of 40 [Ω] is obtained by depositing a tantalum film having a thickness of 50 [nm] and forming the same size. ].
[0033]
Subsequently, as shown in FIG. 3C, in the printer head 11, a silicon nitride film having a thickness of 300 [nm] is deposited by the CVD method, and the protective layer 13 of the heating element 12 is formed. Subsequently, as shown in FIG. 3D, a photolithography step, CHF ₃ / CF ₄ By the dry etching process using the / Ar gas, the silicon nitride film at a predetermined position is removed, thereby exposing a portion connecting the heating element 12 to the wiring pattern. More CHF ₃ / CF ₄ A via hole 25 is formed by forming an opening in the interlayer insulating film 24 by a dry etching process using / Ar gas.
[0034]
Further, as shown in FIG. 4 (E), the printer head 11 is formed by sputtering with aluminum having a thickness of 200 [nm], aluminum added with 1 [at%], or copper with 0.5 [at%]. ] The added aluminum is sequentially deposited to a thickness of 600 [nm]. Subsequently, in the printer head 11, titanium nitride oxide having a film thickness of 25 [nm] is deposited, thereby forming an anti-reflection film. As a result, the wiring pattern material 26 is deposited on the printer head 11.
[0035]
Subsequently, as shown in FIG. 4F, a photolithography process ₃ / Cl ₂ By a dry etching process using a gas, the formed wiring pattern material 26 is selectively removed, and a second-layer wiring pattern 27 is formed. In the printer head 11, a wiring pattern for power supply and a wiring pattern for ground are created by the wiring pattern 27 of the second layer, and a wiring pattern for connecting the driver transistor 19 to the heating element 12 is created. The silicon nitride film 13 left as an upper layer of the heating element 12 functions as a protective layer of the heating element 12 in the etching step when forming the wiring pattern.
[0036]
Subsequently, as shown in FIG. 5G, in the printer head 11, a silicon nitride film 14 functioning as an ink protective layer and an insulating layer is deposited to a thickness of 400 [nm] by the CVD method. Further, in a heat treatment furnace, heat treatment is performed at 400 ° C. for 60 minutes in a nitrogen gas atmosphere to which 4% hydrogen has been added or in a 100% nitrogen gas atmosphere. As a result, in the printer head 11, the operations of the transistors 19 and 20 are stabilized, and the connection between the first-layer wiring pattern 23 and the second-layer wiring pattern 27 is stabilized, so that the contact resistance is reduced.
[0037]
Subsequently, after the printer head 11 is mounted on the sputter deposition chamber of the DC magnetron sputtering apparatus, the printer head 11 is subjected to DC sputtering by a predetermined target in an argon gas atmosphere or a mixed gas atmosphere of argon and nitrogen, thereby relaxing the stress. A material film of the layer 16 is deposited to a thickness of 66.6 [nm].
[0038]
In this embodiment, in this sputtering process, tantalum is applied to the target and the sputtering process is performed under predetermined conditions, whereby the α-tantalum film of body-centered cubic (bcc: body-centered-cubic) becomes a stress relaxation layer. It is designed to be formed as 16 material films.
[0039]
Specifically, in this embodiment, after depositing titanium with a film thickness of 5 to 20 [nm], a film forming temperature of 200 [° C.], which is a condition for forming a film of β-tantalum, and a sputtering power of 1 to 4 [kW] And a sputtering process in an argon gas atmosphere at a flow rate of 25 [sccm], thereby forming a material film of the stress relaxation layer 16 of α-tantalum on the titanium film. When sequentially formed as described above, the titanium film is formed of hexagonal crystal and mainly oriented in the (0001) direction. The lattice constant of the titanium film in the (0001) orientation is 2.890 [Å], which is very close to the lattice constant of the α-tantalum film in the (110) orientation of 2.876 [Å]. Thus, even if a tantalum film is formed on the upper layer under the condition of forming a β-tantalum film, the tantalum is guided by the lower titanium film so as to be oriented in the (110) direction, and the α-tantalum film is formed. Is formed. When a printer head having a titanium film of 10 [nm] and a tantalum film of 100 [nm] was analyzed by an X-ray diffraction method, as shown in FIG. 7, α-tantalum crystal grains (α -Ta (110), α-Ta (220)) diffraction peaks could be observed, whereby the formation of the α-tantalum film could be confirmed. Here, Si (004) and Si (λ / 2) are diffraction peaks of silicon which is the material of the silicon substrate 17.
[0040]
When the material films of the protective layers 13 and 14 and the stress relieving layer 16 are sequentially formed on the heating element 12 in this manner, the printer head 11 can be subsequently sputtered in the same sputtering device or in a different sputtering device. Argon gas with a film formation temperature of 200 ° C., a sputtering power of 1 to 4 kW, and a flow rate of 25 sccm, which are conditions for forming β-tantalum using a tantalum as a target, mounted on a film chamber. A sputtering process is performed in an atmosphere, whereby a material film of the anti-cavitation layer 15 of β-tantalum is deposited to a thickness of 133.4 [nm].
[0041]
In this embodiment, in this sputtering process, the material film of the anti-cavitation layer 15 of β-tantalum is deposited so as to have a thickness of at least 100 [nm]. The reaction is prevented to prevent a decrease in thermal conductivity due to oxidation.
[0042]
Subsequently, the printer head 11 performs a photoresist process, ₃ / Cl ₂ By dry etching using gas, these material films are etched in a predetermined shape, thereby forming a stress relaxation layer 16 and an anti-cavitation layer 15 as shown in FIG.
[0043]
Thus, in this embodiment, the stress relaxation layer 16 made of α-tantalum and the anti-cavitation layer 15 made of β-tantalum are used as protective layers for alleviating mechanical impact due to cavitation at a thickness ratio of 1: 2. Is formed with a film thickness of 200 [nm]. Here, the film stress of the thus formed stress relaxation layer 16 and anti-cavitation layer 15 was measured and found to be 5.29 × 10 5 ⁸ [Dyns / cm ² ]. On the other hand, when the film stress of the cavitation-resistant layer having a film thickness of 200 [nm] formed by ordinary β-tantalum was measured, it was 1.34 × 10 4 ¹⁰ [Dyns / cm ² [Alpha] -tantalum was formed to a film thickness of 200 [nm], and the film stress was measured. ⁹ [Dyns / cm ² ] Tensile stress. Here, the tensile stress is a stress that acts in a direction in which the stress acts in a direction directly opposite to the compressive stress.
[0044]
That is, in this embodiment, the stress relaxation layer 16 made of α-tantalum is formed between the anti-cavitation layer 15 and the protective layers 13 and 14, and the film stress in the anti-cavitation layer 15 is canceled by the film stress in the stress relaxation layer 16. Thereby, the compressive stress applied to the protective layers 13 and 14 is reduced. Thereby, in the printer head 11, the compressive stress applied to the protective layers 13 and 14 from the anti-cavitation layer 15 via the stress relaxation layer 16 is reduced by two digits as compared with a case where only the normal anti-cavitation layer 15 is formed. Has been done.
[0045]
When the stress relieving layer 16 and the anti-cavitation layer 15 are formed in this manner, the printer head 11 has a dry film 31 and an orifice plate 32 sequentially laminated as shown in FIG. Here, for example, the dry film 31 is made of an organic resin, and after being disposed by pressure bonding, a portion corresponding to the ink liquid chamber and the ink flow path is removed, and then cured. On the other hand, the orifice plate 32 is a plate-like member processed into a predetermined shape so as to form a nozzle 34 which is a minute ink discharge port on the heating element 12, and is held on the dry film 31 by bonding. You. As a result, the printer head 11 is formed by forming the nozzles 34, the ink liquid chamber 35, the ink flow path for leading the ink to the ink liquid chamber 35, and the like.
[0046]
In the printer head 11, such an ink liquid chamber 35 is formed so as to be continuous in the depth direction of the paper surface, thereby forming a line head.
[0047]
(1-2) Operation of Embodiment
In the above configuration, in the printer head 11, the element isolation region 18 is formed in the P-type silicon substrate 17 which is a semiconductor substrate, the transistors 19 and 20 which are semiconductor elements are formed, and the first layer is insulated by the insulating layer 21. Is formed. Subsequently, after the insulating layer 24 and the heating element 12 are formed, the protective layer 13 and the second-layer wiring pattern 27 are formed. After the protective layer 14 is further formed, the heat treatment stabilizes the connection between the wiring patterns and the connection between the wiring pattern and the heating element, etc., and the stress relaxation layer 16, the cavitation-resistant layer 15, the ink liquid chamber 35, the nozzle 34 are sequentially formed and created (FIGS. 1 to 6).
[0048]
In this printer, the ink is guided to the ink liquid chamber 35 of the printer head 11 created in this manner, and the ink held in the ink liquid chamber 35 is heated by the driving of the heating element 12 by the transistors 19 and 20 to generate bubbles. Is generated, and the pressure in the ink liquid chamber 35 rapidly increases due to the bubbles. In the printer, the ink in the ink liquid chamber 35 jumps out of the nozzles 34 as ink droplets due to the increase in the pressure, and the ink droplets adhere to a target object such as paper.
[0049]
In a printer, such driving of the heating element is intermittently repeated, whereby a desired image or the like is printed on an object. In the printer head 11, the intermittent driving of the heating element 12 causes the generation and disappearance of bubbles in the ink liquid chamber 35, thereby causing cavitation as a mechanical impact. In the printer head 11, the mechanical shock due to the cavitation is reduced by the anti-cavitation layer 15 and the stress relaxation layer 16, whereby the heating element 12 is protected by the anti-cavitation layer 15 and the stress relaxation layer 16. In addition, the protective layers 13 and 14 prevent direct contact of the ink with the heating element 12, thereby also protecting the heating element 12.
[0050]
Thus, the heating element 12 generates heat by the intermittent driving as described above, and the heat generated by the heat is applied to the ink in the ink liquid chamber 35 via the protective layers 13 and 14, the stress relaxation layer 16, and the anti-cavitation layer 15. Propagation occurs, and bubbles are generated in the ink liquid chamber 35 due to the temperature rise of the ink. In the printer head 11 according to this embodiment, a stress relaxation layer 16 made of α-tantalum is formed between the protective layers 13 and 14 and the anti-cavitation layer 15 which are the heat conduction paths of the heat of the heating element 12. Since α-tantalum has a tensile stress in a direction directly opposite to the compressive stress, the stress relaxation layer 16 relieves the film stress of the anti-cavitation layer 15 due to β-tantalum, thereby lowering the protective layer. Compressive stress applied to 13 and 14 can be reduced.
[0051]
Here, when the printer head 11 was immersed in a solution (acetic acid-phosphoric acid-nitric acid mixed solution) that erodes the wiring patterns 23 and 27 and observed, when the protective layers 13 and 14 were cracked, Although this solution penetrates into the protective layers 13 and 14 and dissolves and disappears the wiring patterns 23 and 27, in the printer head 11 according to this embodiment, even if the wiring pattern No disappearance of 23 and 27 was confirmed, and it was found that this solution did not enter the wiring patterns 23 and 27.
[0052]
Thus, the printer head 11 prevents the protection layers 13 and 14 from being damaged by forming the stress relaxation layer 16 made of α-tantalum between the protection layers 13 and 14 and the anti-cavitation layer 15 made of β-tantalum. Degradation of reliability can be effectively avoided.
[0053]
The printer head 11 has a cavitation-resistant layer formed of β-tantalum which is in direct contact with the ink, thereby preventing a chemical reaction between the ink and the ink and preventing a decrease in thermal conductivity due to oxidation. Can be.
[0054]
(1-3) Effects of the embodiment
According to the above configuration, between the protective layers 13 and 14 as the first protective layer and the anti-cavitation layer 15 as the second protective layer, the stress relaxation layer 16 for relaxing the film stress of the anti-cavitation layer 15 is provided. Is formed, the film stress of the anti-cavitation layer 15 can be canceled and reduced. As a result, it is possible to reduce the compressive stress applied to the protective layer, prevent the protective layer from being damaged, and effectively avoid deterioration in reliability.
[0055]
Also, the anti-cavitation layer is formed by β-tantalum having compressive stress, and conversely, by forming the stress relaxation layer by α-tantalum having tensile stress, the film stress in the anti-cavitation layer is reduced by the stress relaxation layer. The compressive stress applied to the protective layer by being canceled by the film stress can be reduced, thereby preventing the protective layer from being damaged.
[0056]
(2) Second embodiment
In this embodiment, instead of forming the stress relaxation layer 16 by α-tantalum, the stress relaxation layer 16 is formed by an alloy of tantalum having aluminum at the crystal grain boundary of tantalum and aluminum. In this embodiment, the structure is the same as that of the printer head 11 according to the first embodiment, except that the material of the stress relaxation layer 16 is different.
[0057]
Specifically, a tantalum aluminum alloy target produced by adjusting and sintering tantalum and aluminum at a weight ratio of 6: 4 is applied, and the sputtering power is 2 [kW] and the flow rate is 25 [sccm] in an argon gas atmosphere. To form a material film for the stress relaxation layer 16 by an alloy of tantalum and aluminum. Here, the alloy film of tantalum and aluminum has a film stress of 3.5 × 10 which is one digit lower than that of the β-tantalum film. ⁹ [Dyns / cm ² ] Is the compressive stress. When this stress relaxation layer 16 was measured, it was found that aluminum was present at the crystal grain boundary of tantalum at 15 at% and the resistivity was 180 μm-cm.
[0058]
By the way, instead of the anti-cavitation layer 15 of β-tantalum, the anti-cavitation layer 15 is formed with a thickness of 200 [nm] using an alloy of tantalum and aluminum having aluminum at the crystal grain boundary of tantalum to discharge ink. Was repeated, it was found that the ink could be stably ejected, thereby reducing the mechanical impact due to cavitation on the heating element 12. When the anti-cavitation layer 15 was further decomposed and observed, no chemical reaction occurred between the anti-cavitation layer and the substance contained in the ink, and it was found that it was hardly oxidized like β-tantalum.
[0059]
Even if the stress relaxation layer 16 is made of an alloy of aluminum and tantalum having aluminum at the crystal grain boundary of tantalum as in this embodiment, the film stress of the anti-cavitation layer 15 is reduced by the stress relaxation layer. The compressive stress applied to the protective layers 13 and 14 absorbed by the film stress of No. 16 can be reduced. Thereby, the compressive stress applied to the protective layers 13 and 14 can be reduced by one digit as compared with the case where only the normal anti-cavitation layer 15 is formed, and the same effect as in the first embodiment can be obtained. .
[0060]
(4) Other embodiments
In the above embodiment, the case where the thickness of the stress relaxation layer and the thickness of the anti-cavitation layer are formed at a ratio of 1: 2 has been described. However, the present invention is not limited to this, and the thickness of the anti-cavitation layer in contact with the ink is not limited to this. If the film thickness can be at least 100 [nm], various ratios can be widely applied as needed.
[0061]
In the above-described first embodiment, the case where the material film of the stress relaxation layer is formed of α-tantalum after depositing the titanium film has been described. However, the present invention is not limited to this, and the sputtering conditions are not limited thereto. Accordingly, a material film of a stress relaxation layer of α-tantalum can be directly formed on the protective layer. Incidentally, such sputtering conditions are as follows: when the sputtering process is performed in a nitrogen gas atmosphere with a film formation temperature of 200 [° C.], a sputtering power of 2 [kW], a flow rate of 3 [sccm], and an argon gas with a flow rate of 25 [sccm], This is a case where sputtering is performed in an argon gas atmosphere at a film temperature of 400 to 440 ° C., a sputtering power of 1 kW, and a flow rate of 25 sccm.
[0062]
In the first embodiment, the case where the stress relaxation layer is formed from α-tantalum has been described. However, the present invention is not limited to this, and a material having a film stress that cancels the film stress of the anti-cavitation layer is used. If so, various materials can be widely applied to the material of the stress relaxation layer.
[0063]
In the above-described second embodiment, the case where the stress relaxation layer is formed by an alloy of tantalum and aluminum has been described. However, the present invention is not limited to this, and instead of tantalum, tungsten and titanium nitride are used. It can be widely applied to the case where a stress relaxation layer is formed. When a material film of the stress relaxation layer is formed from tantalum and an alloy of these materials, it is also possible to form the material film by a co-sputtering method using individual targets.
[0064]
Further, in the above-described embodiment, the case where the present invention is applied to the printer head that ejects ink droplets has been described. However, the present invention is not limited to this, and the present invention is not limited to this. The present invention can be widely applied to a printer head that ejects various liquids such as a liquid for forming a protective film as droplets.
[0065]
Further, in the above-described embodiment, a case has been described in which the present invention is applied to a printer head and a printer to eject ink droplets. However, the present invention is not limited to this, and various types of dyes may be used instead of ink droplets. Printer heads that are droplets, droplets for forming a protective layer, etc., as well as microdispensers in which the droplets are reagents, various measuring devices, various test devices, and various types in which the droplets are agents that protect members from etching. It can be widely applied to pattern drawing apparatuses and the like.
[0066]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, by forming a stress relaxation layer between the protective layer and the anti-cavitation layer to relieve the film stress of the anti-cavitation layer, damage to the protective layer is prevented, and reliability is improved. Can be effectively avoided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a printer head applied to a printer according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining a process of producing the printer head of FIG. 1;
FIG. 3 is a sectional view showing a continuation of FIG. 2;
FIG. 4 is a sectional view showing a continuation of FIG. 3;
FIG. 5 is a sectional view showing a continuation of FIG. 4;
FIG. 6 is a sectional view showing a continuation of FIG. 5;
FIG. 7 is a characteristic curve diagram showing a result of analyzing a printer head by an X-ray diffraction method.
FIG. 8 is a sectional view showing a conventional printer head.
[Explanation of symbols]
1, 11, printer head, 2, 17, silicon substrate, 3, 12, heating element, 4, 6, 13, 14, protection layer, 7, 15, anti-cavitation layer, 16, Stress relaxation layer, 19, 20 ... transistor, 23, 27 ... wiring pattern

Claims

By driving the heating element, a liquid ejection head that heats the liquid held in the liquid chamber and ejects the liquid droplets from a predetermined nozzle,
A first protective layer that is on the liquid chamber side of the heating element and insulates the heating element from the liquid;
A second protective layer on the liquid chamber side of the first protective layer, which is in contact with the liquid to reduce a mechanical impact on the heating element;
A liquid discharge head, wherein a stress relieving layer for relieving film stress of the second protective layer is formed between the first protective layer and the second protective layer.

The heating element is
2. The liquid discharge head according to claim 1, wherein the liquid discharge head is formed on a predetermined substrate integrally with a semiconductor for driving the heating element.

The stress relaxation layer,
An alloy of tantalum and aluminum having aluminum at the crystal grain boundary of tantalum, or α-tantalum,
The second protective layer,
The liquid discharge head according to claim 1, wherein the liquid discharge head is formed of β-tantalum.

In a liquid ejecting apparatus for attaching a droplet ejected from a liquid ejecting head to an object,
The liquid ejection head includes:
By driving the heating element, the liquid held in the liquid chamber is heated to eject the droplet from a predetermined nozzle,
A first protective layer that is on the liquid chamber side of the heating element and insulates the heating element from the liquid;
A second protective layer on the liquid chamber side of the first protective layer, which is in contact with the liquid to reduce a mechanical impact on the heating element;
A liquid discharging apparatus, wherein a stress relaxation layer for relaxing a film stress of the second protection layer is formed between the first protection layer and the second protection layer.