(57)【要約】【課題】  離間して設けられたテーパー形状を有する配線膜の離間部および上面に発熱抵抗膜を積層した構成において、発熱抵抗膜のステップカバレージを良好にし、かつ、一様なテーパー角に比べて配線膜の離間部を狭小化する配線膜のテーパー形状と、工程数が少ないながらも大面積にわたって均一に前記テーパー形状を有する配線膜を具備した微細な発熱部を形成する方法を提供する。【解決手段】  配線膜の離間部および上面の一部に発熱抵抗膜を積層した発熱部を複数有するインクジェット記録ヘッドにおいて、発熱抵抗膜の積層される該配線膜の端部がテーパー形状を有し、該配線膜の下部に比べて上部のテーパー角が段階的もしくは連続的に緩やかになる形状であり、該配線膜最下部から発熱抵抗膜の膜厚までのテーパー角が基板に対して７０度〜８０度の範囲にあり、最上部のテーパー角が基板に対して５０度以上の範囲にある。【選択図】  図４
2008126493.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線膜の離間部および上面の一部に発熱抵抗膜を積層した発熱部を複数有するインクジェット記録ヘッドにおいて、発熱抵抗膜の積層される該配線膜の端部がテーパー形状を有し、該配線膜の下部に比べて上部のテーパー角が段階的もしくは連続的に緩やかになる形状であり、該配線膜最下部から発熱抵抗膜の膜厚までのテーパー角が基板に対して70°以上80°以下の範囲にあり、最上部のテーパー角が基板に対して50°以上の範囲にある事を特徴とするインクジェット記録ヘッド発熱部。
【請求項２】
前記配線膜下部のエッチングレートが上部のエッチングレートより大きくなるように、厚さ方向に渡って段階的もしくは連続的に不純物濃度を変調した配線膜を有することを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録ヘッド発熱部。
【請求項３】
配線膜の離間部および上面の一部に発熱抵抗膜を積層した発熱部を複数有するインクジェット記録ヘッドの製造において、該配線膜下部のエッチングレートが上部のエッチングレートより大きくなるように、厚さ方向に渡って段階的もしくは連続的に不純物濃度を変調した配線膜であり、温度、圧力、投入電力、反応性ガス種、ガスの混合比、ガス流量よりなる群から単数または複数選択したドライエッチングパラメーターを段階的または連続的に変化させて該配線膜の下部に比べて上部の該テーパー角が緩やかな形状にエッチングする事を特徴とするインクジェット記録ヘッド発熱部の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱エネルギーによって所望の液滴を吐出するインクジェット記録ヘッドの発熱部とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット記録ヘッドの作用を述べる。インクジェット記録ヘッドを構成する発熱部に具備された発熱抵抗体にパルス通電する事によって熱エネルギーを発生させ、この熱エネルギーにより液滴を加熱する。加熱された液滴は発泡し、この発泡に際しての力学的エネルギーによりインクジェット記録ヘッド先端のインク吐出口と称するオリフィスから吐出される。吐出された液滴は紙、ＯＨＰシート、布等の被記録媒体に定着し、情報の記録がなされる。
【０００３】
前記インクジェット記録ヘッド発熱部は発熱抵抗体と、これに通電するための電極と、支持基板への熱の流失を防ぐ蓄熱層と、インクから電極および発熱抵抗体を保護する保護層と、インク発泡時のキャビテーションによる損傷を防ぐための耐キャビテーション層とを具備している。
【０００４】
特開2002-11886に「[0028] (略)基板上に前記発熱抵抗層及び導体層を順次積層する工程と、前記発熱抵抗層及び導体層をパターニングする工程と、前記電極を形成するために前記発熱抵抗層上の導体層のみをパターニングする工程と、前記電極及び前記発熱抵抗層を覆うように絶縁保護層を形成する工程とを有し、前記発熱抵抗層上の導体層のみをパターニングする工程において前記導体層上にレジストのパターンを形成し、該レジストを後退させながら前記導体層をドライエッチングで途中までエッチングした後、ウエットエッチングを行うことで前記電極を形成することを特徴とする。」と述べられている。これにより「[0030] (略)発熱抵抗層上に形成された電極のエッジ部が、発熱抵抗層の表面に略垂直な垂直面と、この垂直面から電極上面に連続する傾斜部とで形成されている。すなわち、発熱抵抗層と電極による段差の角部が削り落ちた形状になっているので、保護層のステップカバレージが良くなる。」と述べられている。
【０００５】
特開平5-338184に「[請求項1] (略)電極層上のフォトレジストを幅方向にエッチングしながら電極層をもエッチングしてテーパーがついた端部を持った電極を得る(略)」にあたり、「[請求項3](略)不純物を含む材料もしくは均質な材料からなる電極層を、膜厚方向に不均一なエッチング速度であって、下部におけるよりも大きい上部エッチング速度をもって湿式エッチングを行う(略)」方法が述べられている。
【０００６】
特開平9-11468に「[0023] (略)配線電極はテーパ状の切欠部を有し、さらに該切欠部に上記発熱抵抗層が積層してなる発熱部が設けられたことを特徴とする。[0024]好ましくは、上記配線電極の上面に、上記発熱抵抗層が積層されている。」という構成が述べられている。また、上記配線電極のテーパ形状を作製する方法について「[0073] (略)従来のウェットエッチングとは異なり、フォトレジストを後退させながらエッチングを行う方法において、傾いた側面を有する配線形状が得えられた。[0074]エッチング液としては、従来レジストをパターニングするために用いる現像液つまりTMAH(テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド)を含有する水溶液(略)」を用いると述べられている。
【特許文献１】特開2002-11886号公報
【特許文献２】特開平5-338184号公報
【特許文献３】特開平9-11468号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特開2002-11886ではレジストを後退させながらドライエッチングで途中までエッチングした後、ウェットエッチングを行い、発熱抵抗層上に形成された電極のエッジ部が、発熱抵抗層の表面に略垂直な垂直面と、この垂直面から電極上面に連続する傾斜部とで形成された形状を作製している。本従来例において電極垂直面の高さ300nm(電極膜厚600nm)に対して電極と発熱抵抗層とを覆う絶縁保護層の膜厚は300nmである。このような電極垂直面の高さと絶縁保護層の膜厚である場合、前記垂直面のステップカバレージは良好である。しかし、特開平9-11468で述べられているような配線電極形成後に発熱抵抗膜を形成する構成の場合、積層される発熱抵抗膜(100nm)は配線膜(500nm)に対して非常に薄いため、配線膜下端を垂直面とすると良好なステップカバレージが得られない。これに加えて本従来例の方法では工程数が多いことも問題となる。
【０００８】
特開平5-338184および特開平9-11468で述べられている方法はレジストを後退させながらウェットエッチングを行うことで配線膜のテーパー形状を得ている。しかし、ウェットエッチングでは一般に寸法精度の制御が困難であり、微細な形状を大きな面積の基板に均一に形成するのには適さない。
【０００９】
これら従来技術の問題点を鑑みて本発明の目的は、離間して設けられたテーパー形状を有する配線膜の離間部および上面に発熱抵抗膜を積層した構成において、発熱抵抗膜のステップカバレージを良好にし、かつ、一様なテーパー角に比べて配線膜の離間部を狭小化する配線膜のテーパー形状と、工程数が少ないながらも大面積にわたって均一に前記テーパー形状を有する配線膜を具備した微細な発熱部を形成する方法を提供する事である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前述の目的を達成するため本発明は、配線膜の離間部および上面の一部に発熱抵抗膜を積層した発熱部を複数有するインクジェット記録ヘッドにおいて、発熱抵抗膜の積層される該配線膜の端部がテーパー形状を有し、該配線膜の下部に比べて上部のテーパー角が段階的もしくは連続的に緩やかになる形状であり、該配線膜最下部から発熱抵抗膜の膜厚までのテーパー角が基板に対して70°〜80°の範囲にあり、最上部のテーパー角が基板に対して50°以上の範囲にある事を特徴とする。
【００１１】
また、前記配線膜は該配線膜下部のエッチングレートが上部のエッチングレートより大きくなるように、厚さ方向に渡って段階的もしくは連続的に不純物濃度を変調した膜であることを特徴とする。
【００１２】
前記配線膜の端部において、該配線膜の下部に比べて上部のテーパー角が緩やかな形状にドライエッチングのみで加工することを特徴とする。
【００１３】
配線膜下部のエッチングレートが上部のエッチングレートより大きくなるように、厚さ方向に渡って段階的もしくは連続的に不純物濃度を変調した配線膜であり、温度、圧力、投入電力、反応性ガス種、ガスの混合比、ガス流量よりなる群から単数または複数選択したドライエッチングパラメーターを段階的または連続的に変化させてエッチングする事を特徴とする。
【００１４】
図１(a)および(b)は本発明に基づく配線膜離間部の形状を示す断面図である。配線膜102は例えば、膜の上部に比べて下部のCu濃度が低くなるように厚さ方向に渡って段階的もしくは連続的に組成を変調したAl-Cu合金膜である。図１(a)はドライエッチングパラメーターを段階的に変化させてエッチングした場合、(b)はドライエッチングパラメーターを連続的に変化させてエッチングした場合に形成される前記配線膜端部のテーパー形状を模式的にそれぞれ示した図である。
【００１５】
図２は配線電極形成後に発熱抵抗膜103を形成し、ストレス試験を行った時の発熱部断線ビット数のテーパー角度依存性を示すグラフである。図２(a)に示すようにテーパー角が一様な場合、テーパー角度が70°を超えると急激に発熱部の断線ビット数が増加する。一方、配線膜最上部のテーパー角を基板に対して50°として、配線膜最下部から発熱抵抗膜の膜厚までの基板に対するテーパー角を変えた時の発熱部の断線ビット数は(図２(b))、テーパー角が80°を超えると急激に増加する。従って、前記配線膜の最下部から発熱抵抗膜の膜厚までのテーパー角は耐久性を損なわない目的から80°以下とすることが望ましく、配線膜離間部を狭小化する目的から70°以上とすることが望ましい。
【００１６】
レジストを後退させながらドライエッチングを行って得られるテーパー形状のテーパー角度θは、レジストと被エッチング物のエッチング速度の比である選択比Sに依存し、Stanθ＝tanθrで表される。ここにθrはレジストのテーパー角度である。ここでは配線膜が組成の一様なAl-Cu合金膜である場合を例に説明する。図３はレジストテーパー角度がそれぞれ30°、50°、70°の時の、配線膜テーパー角度のレジスト/Al-Cu選択比依存性を示すグラフである。ここに示すようにレジスト/Al-Cu選択比が高いとテーパー角度は緩やかに、レジスト/Al-Cu選択比が低いとテーパー角度は急峻になる。従って、離間した前記配線膜の端部を厚さ方向上面に向かって傾斜が緩やかになるようなテーパー形状とするためには、ドライエッチング初期にレジスト/Al-Cu選択比が低く、ドライエッチング終盤にレジスト/Al-Cu選択比が高くなるようにするとよい。例えば、レジストのテーパー角度が50°の場合、Al-Cu配線膜のテーパー角度を80°〜50°まで変えるにはレジスト/Al-Cu選択比を0.2〜1まで変えればよい。
【００１７】
図５はレジスト/Al-Cu選択比とAl-Cu配線膜テーパー角のCu濃度依存性を示すグラフである。Cu濃度を増加させるとAl-Cuのエッチング速度は遅くなるのでレジスト/Al-Cu選択比は増大し、Al-Cu配線膜テーパー角は小さくなる。従って、ここに示すように前記Al-Cu配線膜上部から下部にかけて徐々にCu濃度が低くなるようにすると、配線膜上層よりも下層のエッチングレートが大きくなるので、配線膜端部を厚さ方向上面に向かって傾斜が緩やかになるようなテーパー形状を実現できる。しかし、配線膜のCu濃度を厚さ方向に変えただけでは50°〜80°と広範囲にテーパー形状を制御することはできない。そこで、種々のドライエッチングパラメーターを段階的または連続的に変化させてこの組成変調膜をエッチングすることで、前述の範囲にテーパー形状を制御する事が可能となる。
【００１８】
前記配線膜のCu濃度は5wt.％を上限とし、Cu濃度の異なる少なくとも2つのAl-Cu合金ターゲットを同時または個別にスパッタして成膜する。
【００１９】
ここでは配線膜がAl-Cu合金膜である場合について述べたが、配線膜の材料はAl-Cuに限るものではない。配線膜下部のエッチングレートを上部のエッチングレートより大きくすれば、材料を例えばAl-Si、Al-Si-Cu、Al-Ndなどとしても同様の効果が得られる。例えば配線膜がAl-Si合金膜の場合、配線膜上部のSi濃度を下部よりも低くすればよい。
【００２０】
エッチングに使用する反応性ガスはCl2、BCl3、SiCl4、CCl4、CHCl3、など塩素を含むガスやBr2、HBr、BBr3など臭素を含むガスやCF4、SF6などフッ素を含むガスを単独、または混合して用いる。また、これらの反応性ガスに酸素や窒素を混合して用いることも可能である。
【００２１】
また、塩化銅や臭化銅の蒸気圧は低いのでエッチング後に残渣を発生しやすい。このため基板を加熱したり、圧力を10Pa以下にしたりしてエッチングする。
【００２２】
本発明では配線膜上部のテーパー角を下部に比べて緩やかにする。これにより、配線膜の離間部および上面の一部に積層する発熱抵抗膜のステップカバレージを良好にして発熱抵抗膜の断線を防止する。
【００２３】
さらに、本発明では発熱抵抗膜が積層される配線膜の離間部を配線膜端部のテーパー角が一様な場合に比べて狭小化することができる。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように本発明によると、離間したAl-Cu配線膜の端部において上部のテーパー角を下部に比べて緩やかにできるので、配線膜上面に積層する発熱抵抗膜のステップカバレージを良好にして発熱抵抗膜の断線を防止することができる。これによってインクジェット記録ヘッドの信頼性が向上した。
【００２５】
さらに、配線膜の離間部をテーパー角が一様な場合に比べて狭くする事ができるので発熱抵抗膜用の配線膜離間部をAl-Cu配線膜のテーパー角が一様な場合に比べて微細化することができる。これによって吐出する液滴を微小化し、インクジェット記録の高精細化を達成した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明におけるインクジェット記録ヘッド発熱部の構造を工程とともに、図４を用いて説明する。
【００２７】
（ａ）Si基板201の表面を熱酸化により酸化膜を成膜して蓄熱層202とする。
【００２８】
（ｂ）次に配線膜203をAl-Cu合金で膜の上部から下部へCu濃度が徐々に低くなるように成膜(膜厚200nm)する。具体的にはCu濃度の異なる複数のAl-Cu合金ターゲットをターゲットごとに投入電力を時間経過とともに変えて同時にスパッタ成膜するか、スパッタするAl-Cu合金ターゲットをCu濃度の高いターゲットから開始してCu濃度の低いターゲットへ順次変えることで成膜する。こうして形成した配線膜をフォトリソ技術によりパターニングし、ドライエッチングする。発熱抵抗膜の積層される該配線膜の端部はテーパー形状を有し、該配線膜の下部に比べて上部のテーパー角が緩やかな形状となるよう、レジストを後退させながらドライエッチングを行う方法で形成する。
【００２９】
（ｃ）続いて発熱抵抗膜204をTaSiNとして成膜(膜厚50nm)、フォトリソ技術によりパターニングし、ドライエッチングする。
【００３０】
（ｄ）この上に応力制御されたヒーター保護膜205を成膜し、フォトリソ技術によりパターニングし、ドライエッチングする。
【００３１】
（ｅ）ここに耐キャビテーション膜206であるTaを成膜、フォトリソ技術によりパターニングし、ドライエッチングを行いインクジェット記録ヘッドの発熱部が得られた。
【００３２】
以下の実施例に前記配線膜離間部のテーパー形状を作製する方法について具体的に説明する。
【実施例１】
【００３３】
本例ではインクジェット記録ヘッドの発熱部における離間した配線膜を以下のように作製した。
【００３４】
まず、配線膜を上部から下部へCu濃度が徐々に低くなるように200nmの膜厚に成膜する。
【００３５】
Al-0.1wt.%Cuターゲット、Al-1.1wt.%Cuターゲットそれぞれに接続された電源を用い、スパッタ初期はAl-0.1wt.%Cuターゲットにのみ電圧を印加する。ついで、Al-0.1wt.%Cuターゲットに印加する電圧を降下させつつAl-1.1wt.%Cuターゲットに印加する電圧を増加させ、成膜終了時にはAl-1.1wt.%Cuターゲットにのみ電圧が印加されているよう、該印加電圧を段階的にそれぞれ増減させる。該印加電圧は0〜1.2kVの範囲で0.1kVづつ段階的に変化させた。こうして配線膜の上部から下部へCu濃度が段階的に低くなる13層からなる組成変調膜を得た。
【００３６】
上述の方法で得る配線膜のCu濃度は通電時のマイグレーションを防止する目的から0.3wt.%以上であるのが望ましく、また、後述する配線膜のパターニングに用いるドライエッチングにおいて残渣を発生させないためには5wt.%以下である事が望ましい。
【００３７】
配線膜を成膜した後、フォトリソ技術によりレジストをパターニングし、ドライエッチングで発熱抵抗膜を積層する配線膜の離間部を形成する。エッチングには反応ガスとしてBCl3とCl2およびCF4を用いた。このとき例えばRIE装置を用いて、圧力を5.5Paから1.5Paへ1Paづつ段階的に変化させるとともに、投入電力を1000Ｗから2000Ｗへ250Wづつ段階的に変化させてエッチングを行った。BCl3とCl2およびCF4の流量はそれぞれ75sccm、50sccm、20sccmとした。
【００３８】
これによって配線膜に対するレジストの選択比が段階的に向上し (図６(a)(b)) 、配線膜最上部のテーパー角を55°〜63°、最下部のテーパー角を72°〜80°と下部に比べて上部を緩やかにすることができた。また、配線膜離間部の寸法を設計値に対して±10％以内の精度にすることができた。なお、本例ではフッ素系のガスとしてCF4を用いたが、SF6に変えてもよい。また、本例では成膜時の印加電圧とエッチング時の圧力および投入電力を段階的に変化させた例を述べたが、連続的に変化させても同様の効果が得られる。
【００３９】
また、本例に基づくインクジェット記録ヘッドを作製したところ信頼性の高いヘッドができた。
【実施例２】
【００４０】
本例ではインクジェット記録ヘッドの発熱部における離間した配線膜を以下のように作製した。
【００４１】
Alターゲット、Al-2.9wt.%Cuターゲットそれぞれに接続された電源を用い、Alターゲットには1.0kVの定電圧を印加し、Al-2.9wt.%Cuターゲットに印加する電圧を変化させた。スパッタの初期にAl-2.9wt.%Cuターゲットに印加する電圧は100Vで、400Vまで30Vづつ段階的に増加させた。こうして配線膜の上部から下部へCu濃度が段階的に低くなる11層からなる組成変調膜を得た。
【００４２】
配線膜を成膜した後、フォトリソ技術によりレジストをパターニングし、ドライエッチングで発熱抵抗膜を積層する配線膜の離間部を形成する。エッチングには反応ガスとしてBCl3とCl2およびCF4を用いた。このとき例えばRIE装置を用いて、圧力を5.5Paから1.5Paへ1Paづつ段階的に変化させるとともに、投入電力を1000Ｗから2000Ｗへ250Wづつ段階的に変化させてエッチングを行った。BCl3とCl2およびCF4の流量はそれぞれ75sccm、50sccm、20sccmとした。
【００４３】
こうしてエッチングをする事で配線膜に対するレジストの選択比が段階的または連続的に向上し(図６(a)(b))、配線膜最上部のテーパー角を53°〜61°、最下部のテーパー角を70°〜78°と下部に比べて上部を緩やかにする事ができた。また、配線膜離間部の寸法を設計値に対して±10％以内の精度にすることができた。本例ではフッ素系のガスとしてCF4を用いたが、SF6に変えてもよい。また、本例では成膜時の印加電圧とエッチング時の圧力および投入電力を段階的に変化させた例を述べたが、連続的に変化させても同様の効果が得られる。
【００４４】
また、本例に基づくインクジェット記録ヘッドを作製したところ信頼性の高いヘッドができた。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に基づく配線膜離間部の形状を示す断面図である。
【図２】発熱部の断線ビット数の配線膜テーパー角度依存性を示すグラフである。
【図３】形成されるテーパー角度のレジスト/Al-Cu選択比依存性を示すグラフである。
【図４】インクジェット記録ヘッドの製造方法を説明するための断面図である。
【図５】レジスト/Al-Cu選択比とテーパー角度のCu濃度依存性を示すグラフである。
【図６】レジスト/Al-Cu選択比のドライエッチングパラメーター依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４６】
101  蓄熱層
102  配線膜
103  発熱抵抗膜
201  基板
202  蓄熱層
203  配線膜
204  発熱抵抗膜
205  ヒーター保護膜
206  耐キャビテーション膜
【図１】
2008126493.tif 000003
【図２】
2008126493.tif 000004
【図３】
2008126493.tif 000005
【図４】
2008126493.tif 000006
【図５】
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【図６】
2008126493.tif 000008