JPH03182358A - 記録ヘッド及び記録ヘッド用素子基板 - Google Patents

記録ヘッド及び記録ヘッド用素子基板

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JPH03182358A
JPH03182358A JP1322314A JP32231489A JPH03182358A JP H03182358 A JPH03182358 A JP H03182358A JP 1322314 A JP1322314 A JP 1322314A JP 32231489 A JP32231489 A JP 32231489A JP H03182358 A JPH03182358 A JP H03182358A
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繁幸 松本
Asao Saito
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野〕 本発明は複写機、ファクシミリ、ワードプロセッサ、ホ
ストコンピュータの出力用プリンタ、ビデオ出力プリン
タ等に用いられる記録装置に関し、特に当該記録装置に
採用される電気熱変換素子と記録用機能素子を同一基板
上に形成した記録ヘッドに関する。
【背景技術の説明〕
従来、記録ヘッドの構成は電気熱変換素子アレイを単結
晶シリコン基板上に形成し、この電気熱変換素子の駆動
回路としてシリコン基板外部にトランジスタアレイ等の
電気熱変換素子駆動用機能素子を配置し、電気熱変換素
子とトランジスタアレイ間の接続をフレキシブルケーブ
ルやワイヤーボンディング等によって行う構成としてい
た。
上述したヘッド構成に対して考慮される構造の簡易化、
あるいは製造工程で生ずる不良の低減化さらには各素子
の特性の均一化および再現性の向上を目的として、特開
昭５７−７２８６７号公報において提案されているよう
な電気熱変換素子と機能素子とを同一基板上に設けた記
録ヘッドを有するインクジェット記録装置が知られてい
る。
第５図は上述した構成による記録ヘッドの一部分を示す
模式的な断面図である。９０１は単結晶シリコンからな
る半導体基板である。９０２はＮ型半導体のコレクタ領
域、９０３は高不純物濃度のＮ型半導体のオーミックコ
ンタクト領域、９０４はＰ型半導体のベース領域、９０
５は高不純物濃度Ｎ型半導体のエミッタ領域であり、こ
れらでバイポーラトランジスタ９２０を形成している。
９０６は蓄熱層および絶縁層としての酸化シリコン層、
９０７は発熱抵抗体層、９０８はアルミニウム（Ａ１）
電極、９０９と保護層としての酸化シリコン層であり、
以上で記録ヘッド用の基体９３０を形成している。ここ
では９４０が発熱部となる。天板９１０は基体９３０と
協働してｔＭ路９５０を画成している。
ところで、上述した様な構造が優れているとはいえ、近
年記録装置に対して強く要求される高速駆動化、省エネ
ルギー化、高集積化、低コスト化、高信頼性を満足する
為には未だ改善の余地がある。
まず第１に、商業的な成功を収める為には高性能な記録
ヘッドを低価格で提供しなければならない。その為には
、機能素子を高密度に集積し、記録ヘッドの基板となる
チップの面積を小さくし、低コスト化された記録ヘッド
を構成する必要がある。
そこで、本発明者は機能素子としてのトランジスタのエ
ミッタ領域を上述した従来構成のものより浅く形成する
ことにより設計マージンを小さくし、高集積化を図るこ
とを試みた。
このような構成の記録ヘッド用基板においては、拡散層
であるエミッタ領域９０５を浅く形成することにより、
拡散層の横方向への拡がりを抑制し、耐圧を劣化させる
ことなく高集積化を図ることができる。そして、エミッ
タ領域９０５とベース領域９０４との間の拡散容量を逓
減することができる。
しかしながら、こうしてベース領域が浅く形成された基
板に対して電気熱変換素子を設けたものを基板として採
用したヘッドを用いてインクジェット法による記録を行
うと、吐出不良が生じることがあった。その原因を探っ
てみるとエミッタ電極として用いられるＡβ配線９０８
のＡ℃が基板９０１の主成分であるシリコンと共晶反応
をおこし、スパイクと呼ばれる合金がエミッタ領域９０
５とエミッタ電極の界面で生じこれが浅く形成されたエ
ミッタ領域９０５を突き抜はベース領域９０４に達して
エミッタ・ベース内を短絡させていることが判明した。
このような、技術的課題に加えて、以下のようなことも
考慮されねばならない。
つまり、前述した記録ヘッドを用いろインクジェット記
録法、例えば発明者遠藤等に付与された米国特許４，７
２３，１２９に記載されているような方法を採用する記
録ヘッド用基板にはインクに状態変化を生起させ吐出口
よりインクを吐出させるだけの熱エネルギーを発生し得
る電気熱変換素子を形成しなければならない。それに対
してダイオードやトランジスタといった半導体機能素子
はその特性に温度依存性があり、できる限り安定した好
適な温度条件のもとで作動させなければならない。
換言すれば、相反する特性ともいえる固有の特性をもつ
素子同士を同一基板上（ここでは機能素子が半導体基板
に作り込まれている場合も基板上と定義する）に設け、
尚且つ前述したスパイクの発生を防ぐとともに夫々の素
子に良好な動作を行わせる為には全く新しい発想のもと
に記録ヘッド及び該ヘッド用基板の構成を見い出さねば
ならない。加えて、これを低コストで提供することも要
求されている。
〔目的Ｊ 本発明の目的は上述した技術的課題を解決し、高速記録
、高解像度記録可能な記録ヘッド及び記録用ヘッド用基
板を提供することにある。
本発明の別の目的は、高集積化され信頼性の高い記録ヘ
ッド及び記録ヘッド用基板を低価格で提供することにあ
る。
本発明の他の目的は、消費電力が少なくてすむ省エネル
ギーな記録ヘッド及び記録ヘッド及び記録ヘッド用基板
を提供することにある。
本発明の目的は、インクを吐出する為の吐出口を有する
液吐出部と、該液吐出部に供給されたインクを吐出する
為に利用される熱エネルギーを発生する為の電気熱変換
素子と該電気熱変換素子に電気的に接続された機能素子
とが設けられた基体と、を具備する記録ヘッドにおいて
、前記電気熱変換素子と前記機能素子とを電気的に接続
する電極と、前記機能素子との間に前記電気熱変換素子
を構成する発熱抵抗層と同じ材料からなる層が介在して
いることを特徴とする記録ヘッド。及び熱エネルギーを
発生する為の電気熱変換素子と、該電気熱変換素子に電
気的に接続された機能素子と、が同一基板に設けられた
記録ヘッド用基板において、前記電気熱変換素子と前記
機能素子とを電気的に接続する電極と、前記機能素子と
、の間に前記電気熱変換体を構成する発熱抵抗層と同じ
材料からなる層が介在していることを特徴とする記録ヘ
ッド用基板により達成され得る。
〔実施例］ 以下、図面を参照しながら本発明について詳細に説明す
るが、本発明は以下の実施例に限定されることはなく、
本発明の目的が達成され得るものであればよい。
第１図は、本発明による記録ヘッド用基板の模式的断面
図である。図において、ｌはＰ型シリコン基板、２は機
能素子を構成する為のＮ型コレクタ埋込み領域、３は機
能素子分離の為のＰ型アイソレーション埋込領域、４は
Ｎ型エピタキシャル領域、５は機能素子を構成する為の
Ｐ型ベース領域、６は素子分離の為のＰ型アイソレーシ
ョン領域、７は機能素子を構成する為のＮ型コレクタ領
域、８は素子を構成する為の高濃度Ｐ型ベース領域、９
は素子分離の為の高濃度Ｐ型アイソレーション領域、１
０は素子を構成する為のＮ型エミッタ領域、１１は素子
を構成する為の高濃度Ｎ型コレクタ領域、１２はコレク
タ・ベース共通電極、１４はアイソレーション電極であ
る。ここに、ＮＰＮトランジスタが形成されており、２
，４，７１１のコレクタ領域がエミッタ領域１０とベー
ス領域５，８とを完全に包囲するように形成している。
また、素子分離領域として、Ｐ型アイソレーション埋込
領域、Ｐ型アイソレーション領域７、高濃度Ｐ型アイソ
レーション領域により各セルが包囲され電気的に分離さ
れている。
本実施例の記録ヘッド１００には、上述した駆動部を有
する基板上に熱酸化による５ｉｎｓ膜１０１、ＰＣＶＤ
法やスパッタリング法による酸化Ｓｉ膜等から成る蓄熱
層１０２上にスパッタリング法によるＨ　ｆ　Ｂ　ｚ等
の発熱抵抗層１０３と蒸着法によるＡＪ２等の電極１０
４で構成された電気熱変換素子が設けられている。Ｈｆ
Ｂ、等の発熱抵抗層１０３は浅化を行うＮ型エミッタ領
域１０とＡβ等の配線１０４″の間にも設置される。
本発明者は、ＨｆＢ、が、特にＡＩ電極とダイオードと
半導体領域とのコンタクトに優れた材料であることを多
くの実験の結果見出している。
発熱抵抗層を構成する材料としては、ほかにもＴａ、　
ＺｒＢ、、　Ｔｉ−Ｗ、　Ｎｉ−Ｃｒ、　Ｔａ−Ａｌ、
　Ｔａ−５ｉ、　Ｔａ−Ｍｏ。
Ｔａ−Ｗ、　Ｔａ−Ｃｕ、　Ｔａ−Ｎｉ、　Ｔａ−Ｎｉ
−Ａｌ、　Ｔａ−Ｍｏ−Ｎｉ。
Ｔａ−Ｗ−Ｎｉ、　Ｔａ−５Ｌ−ＡＩ、　Ｔａ−Ｗ−Ａ
ｌ−Ｎｉ等がある。
更には電気熱変換素子の発熱部１１０上にはＣＶＤ法に
よるＳｉｎｇ等の保護膜１０５、Ｔａ等の保護膜１０６
が設けられている。
ここで蓄熱層１０２を形成する５ｉｎ２膜は駆動部の最
下層配線１２．１４と中間配線としての１０４や１０４
″との間の層間絶縁膜と一体的に設けられている。
又、保護層１０５についても同様に配線２０１と２０２
との間の層間絶縁膜と一体化されている。
更に駆動部における最上部の配線１１１の上には耐記録
液性に優れた絶縁膜として感光性ポリイミド等の有機材
料からなる保護層１０７が設けられている。
次に、上述した構成による駆動部の基本動作について説
明する。第２図は第１図で示した記録ヘッドの駆動方法
を説明する為の模式図である。
本実施例では、第１図、第２図に示されるように、コレ
クタ・ベース共通電極１２がダイオードのアノード電極
に対応し、エミッタ電極１３（１０４″に対応）がダイ
オードのカソード電極に対応している。すなわち、コレ
クタ・ベース共通電極１２に正電位のバイアス（ＶＨＩ
）を印加することにより、セル内のＮＰＮトランジスタ
がターンオンし、バイアス電流がコレクタ電流およびベ
ース電流として、エミッタ電極１３より流出する。本発
明の第１図、第２図に示したようなベースとコレクタと
を短絡した構成にした結果、電気熱変換素子の熱の立上
がり、立ち下がり特性が良好となり膜沸騰現象の生起、
それに伴う気泡の成長収縮の制御性がよくなり安定した
インクの吐出を行なうことが出来た。これは、熱エネル
ギーを利用するインクジェット記録ヘッドではトランジ
スタの特性と膜沸騰の特性との結び付きが深く、トラン
ジスタのにおける少数キャリアの蓄積が少ないためスイ
ッチング特性が速く立上がり特性が良くなることが予想
に大きく影響しているものと考えられる。また、比較的
寄生効果が少なく、素子間のバラツキがなく、安定した
駆動電流が得られるものでもある。
本実施例については、更に、アイソレーション電極１４
を接地することにより、隣接する他のセルへの電荷の流
入を防ぐことができ、他の素子の誤動作という問題を防
ぐことができる構成となっている。
このような半導体装置においては、Ｎ型コレクタ埋込領
域２の濃度をＬ　ｘ　１０１９ｃｍ−”以上とすること
、ベース領域５の濃度を５Ｘ１０”〜５×１０’ｃｍ−
”とすること、さらには、高濃度ベース領域８と電極と
の接合面の面積をなるべく小さくすることがのぞましい
。このようにすれば、ＮＰＮ）−ランジスタからＰ型シ
リコン基板１およびアイソレーション領域を経てＧＮＤ
におちる漏れ電流の発生を防止することができる。
上記記録ヘッドの駆動方法についてさらに詳述する。第
１図、第２図には２つの半導体機能素子（セル）が示さ
れているだけであるが、実際にはこのような素子が例え
ば１２８個の電気熱変換素子に対応して同数等配置され
ブロック駆動可能なように電気的にマトリクス接続され
ている。
ここでは同一グループにおける２つのセグメントとして
の電気熱抵抗素子ＲＨＩ、ＲＨ２の駆動について説明す
る。
電気熱変換素子ＲＨＩを駆動する為には、まずスイッチ
Ｇ１によるグループの選択がなされると共にスイッチＳ
１により電気熱変換体ＲＨＩが選択される。するとトラ
ンジスタ構成のダイオードお＋１、ｃｕ１ｒ＋πノでノ
ママ七り冒需＾Ｓｉ壮込Δわτ雪見熱変換体ＲＨＩは発
熱する。この熱エネルギーが液体に状態変化を生起させ
て気泡を発生させ吐出口より液体を吐出する。
同様に電気熱変換体ＲＨ２を駆動する場合ち、スイッチ
Ｇ１．スイッチＳ２を選択的にオンしてダイオードセル
ＳＨ２を駆動し電機熱変換体に電流を供給する。
この時基板１はアイソレーション領域３，４゜６を介し
て接地されている。このように各半導体素子（セル）の
アイソレーション領域３，４．６が設置されることによ
り各素子間の電気的な干渉による誤動作を防止している
。
こうして、構成された記録ヘッドは第３図に示すように
、複数の吐出口５００、吐出口に連通ずる液路を形成す
る為の感光性樹脂等からなる液路壁部材５０１．天板５
０２、インク供給口５０３とを有する。
次に、本実施例に係る記録ヘッドの製造工程について説
明する。
■Ｉ　Ｘ　Ｉ　Ｏ”　〜１０”ｃｍ−”程度の不純物濃
度のＰ型シリコン基板ｌの表面に、５０００〜２０００
０人程度のシリコン酸化膜を形成した。
各セルのコレクタ埋込領域２を形成するべき部分のシリ
コン酸化膜をフォトリングラフイー工程で除去した。
シリコン酸化膜を形成した後、Ｎ型の不純物、例えば、
Ｐ、Ａｓなどをイオン注入し、熱拡散により不純物濃度
Ｉ　Ｘ　Ｉ　Ｏ”ｃｍ−”以上のＮ型コレクタ埋込領域
２を１０〜２０μｍ形成した。このときのシート抵抗は
３０Ω／口以下の低抵抗となるようにした。
続いて、Ｐ型アイソレーション埋込領域９を形成すべき
領域の酸化膜を除去し、１００〜３０００　Ａ程度の酸
化膜を形成した後、Ｐ型不純物、例えば、Ｂなどをイオ
ン注入し、熱拡散によって、不純物濃度１×１Ｏ１７〜
１０１ｇｃｍ−３のＰ型アイソーレーション埋込領域３
を形成した。（以上第４図（ａ）） ■全面の酸化膜を除去した後、Ｉ　Ｘ　１０　”〜１０
　”ｃ　ｍ−”程度の不純物濃度のＮ型エピタキシャル
領域４を５〜２０μｍ程度エピタキシャル成長させた。
（以上第４図（ｂ）） ■次に、Ｎ型エピタキシャル領域表面に１００〜３００
人程度のシリコン酸化膜を形成し、レジストを塗布し、
パターニングを行い、低濃度ベース領域５を形成すべき
領域にのみＰ型不純物をイオン注入した。レジスト除去
後、熱拡散によって、不純物濃度５　Ｘ　１０　”〜５
　Ｘ　Ｉ　Ｏ”ｃｍ−”の低濃度Ｐ型ベース領域５を５
〜ｌＯμｍ形成した。
再び酸化膜を全面除去し、さらに１０００〜１００００
人程度のシリコン酸化膜した後、Ｐ型アイソレーション
領域６を形成すべき領域の酸化膜を除去し、ＢＳＧ膜を
全面にＣＶＤ法を用いて堆積し、さらに熱拡散によって
、Ｐ型アイソレーション埋込領域３に届くように、不純
物濃度ｌＸｌ０１８〜１０２°ｃｍ−”のＰ型アイソレ
ーション領域６をｌＯμｍ程度形成した。（以上第４図
（Ｃ））ここでは、ＢＢｒｓを拡散源として用いて形成
することも可能である。
■ＢＳＧ膜を除去した後１０００〜１００００人程度の
シリコン酸化膜を形成し、さらに、Ｎ型コレクタ領域７
を形成すべき領域のみ酸化膜を除去した後、ＰＳＧを形
成することによってＰイオンを注入し熱拡散によってコ
レクタ埋込領域５に届くようにＮ型コレクタ領域７を形
成した。このときのシート抵抗は１０Ω／口以下の低抵
抗とした。また、領域の厚さは約ｌＯμｍとし、不純物
濃度は１×１０１８〜１０　”ｃ　ｍ−３とした。
続いて、セル領域の酸化膜を除去後、１００〜３００人
のシリコン酸化膜を形威し、レジストパターニングを行
い、高濃度ベース領域８および高濃度アイソレーション
領域９を形成すべき領域にのみＰ型不純物のイオン注入
を行った。レジスト除去後Ｎ型エミッタ領域１０および
高濃度Ｎ型コレクタ領域１１を形成すべき領域の酸化膜
を除去し、ＰＳＧ膜を全面に形成し、Ｐ゛を注入した後
、熱拡散によって、高濃度Ｐ型ベース領域８、高濃度Ｐ
型アイソレーション領域９、Ｎ型エミッタ領域１０、高
濃度Ｎ型コレクタ領域１１を同時に形成した。なお、そ
れぞれ、領域の厚さは１．０膜ｍ以下とし、不純物濃度
はＩ　Ｘ　Ｉ　Ｏ””　１０　”Ｃｍ　−”とした。（
以上第４図（ｄ）） ■さらに、一部電極の接続箇所のシリコン酸化膜を除去
後、Ａｎ等を全面に堆積し、一部電極領域１０７．１０
８以外のＡβ等を除去した。
（以上第４図（ｅ）） ■そして、スパッタリング法により蓄熱層及び層間絶縁
膜となる５ｉＯ−膜１０２を全面に、０．４〜１．０μ
ｍ程度形成した。このＳｉ　０２膜はＣＶＤ法によるも
のであってもよい。
次に、電気的接続をとる為にエミッタ領域及びベース・
コレクタ領域上部にあたる絶縁膜１０１゜１０２の一部
ＣＨをフォトリングラフィ法で開口した。（以上第４図
（ｆ）） ■次に、発熱抵抗層１０３としてのＨｆ　Ｂ　２をＳ　
ｉ　Ｏ２膜１０２上及び、電気的接続をとる為にエミッ
タ領域及びベース・コレクタ領域上部にあたる絶縁膜１
０１に１０００人程堆積させ、パターニングした。（以
上第４図（ｇ）） ■その上に電気熱変換素子の一対の電極１０４゜１０４
′及びダイオードのカソード電極配線１０４″　アノー
ド電極配線１０９としてのへβ材料からなる層を堆積さ
せ、パターニングし、電気熱変換素子とその細配線とを
同時に形成した。
（以上第４図（ｉ）） ■こうして発熱抵抗層１０３と同じ材料からなる層を半
導体領域とＡＩ２電極との間に介在させて電気的接続を
得た。
その後、スパッタリング法により電気熱変換素子の保護
層及び層ＡＪ２配線間の絶縁層としてのＳ　ｉ　Ｏｚ膜
１０５を堆積させた後、上部配線と電気的接触を得る為
のスルーホールＳＨを形成しＡｌを堆積させパターニン
グを行い配線ｉｌｌを形成した。（第４図（ｊ）） ［相］そして、電気熱変換体の発熱部上部には耐キャビ
テーションの為の保護層１０６として、Ｔａを２０００
人程堆積させそのほかの部分に保護層１０７として感光
性ポリイミドを形成した。（第４図（ｋ）） ０以上のようにして作成された電気熱変換素子、半導体
素子を有する基体に、インク吐出部を形成する為の液路
壁部材及び天板５０２を配設して、それらの内部にイン
ク液路を形成した記録ヘッドを製造した。（第４図（１
）） なお、ここでは、エミッタと、ベース・コレクタ共通電
極の一部分とのみにＨｆＢ、を介在させでいるが、浅く
形成されたエミッタ部分での短縮が特に問題となるので
少なくともこの部分に発熱抵抗層と同じ材料の層を介在
させた構成であればよい。
このような記録ヘッドについて、電気熱変換素子をブロ
ック駆動し、記録、動作試験を行った。
動作試験では、１つのセグメントに８個の半導体ダイオ
ードを接続し、それぞれ、３００ｍＡ　（計２．４Ａ）
の電流を流したが、他の半導体ダイオードは誤動作せず
良好な吐出を行うことができた。
また、本発明はＰＮＰ　Ｉ−ランジスタ構成にも適用で
きる。
［発明の効果〕 以上説明したように、本発明によれば、高耐圧で、かつ
素子毎の電気的分離性に優れた半導体素子を同一基板上
に複数個形成することができる。
また、本発明によればＮ型エミッタを浅化する上での問
題点が解決でき、且つ、工程数もふやさずに機能素子を
高密度に集積し、低コスト化が可能となった。
また、高速動作ら達成できスイッチング特性が速く、立
ち上がり特性が向上し、寄生効果も少ない為液体に好適
な熱エネルギを付与することができ吐出特性が向上した
液体噴射記録ヘッドが提供できた。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による記録ヘッド用基板を示す模式的断
面図、 第２図は本発明による記録ヘッド駆動方法を説明する為
の模式図、 第３図は本発明による記録ヘッドの外観を示す模式的斜
視図、 ドの製造方法を説明する為の模式的断面図、第５図は従
来の記録ヘッドを示す模式的断面図である。 １・・・Ｐ型シリコン基板、 ２・・・Ｎ型コレクタ埋込領域、 ３・・・Ｐ型アイソレーション埋込領域、４・・・Ｎ型
エピタキシャル領域、 ５・・・Ｐ型ベース領域、 ６・・・Ｐ型アイソレーション胡域、 ７・・・Ｎ型コレクタ領域、 ８・・・高濃度Ｐ型ベース領域、 ９・・・高濃度Ｐ型アイソレーション領域、１０・・・
Ｎ型エミッタ領域、 １１・・・高濃度Ｎ型コレクタ領域、 １２・・・コレクタ・ベース共通電極、１３・・・エミ
ッタ電極、 １４・・・アイソレーション電極。 １０３・・・発熱抵抗層、 １０４・・・電極 １八に　＋／’ｌ（：！　　１八７　、、、　／Ｗ描腸
Ｏ Ｏ・・・吐出口。 ＨＩ Ｈ２

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）インクを吐出する為の吐出口を有する液吐出部と
    、該液吐出部に供給されたインクを吐出する為に利用さ
    れる熱エネルギを発生する為の電気熱変換素子と該電気
    熱変換素子に電気的に接続された機能素子とが設けられ
    た基体と、を具備する記録ヘッドにおいて、 前記電気熱変換素子と前記機能素子とを電気的に接続す
    る電極と、前記機能素子と、の間に前記電気熱変換素子
    を構成する発熱抵抗層と同じ材料からなる層が介在して
    いることを特徴とする記録ヘッド。
  2. （２）前記発熱抵抗層を構成する材料が硼化ハフニウム
    であることを特徴とする請求項１に記載の記録ヘッド。
  3. （３）熱エネルギを発生する為の電気熱変換素子と、該
    電気熱変換素子に電気的に接続された機能素子と、が同
    一基板に設けられた記録ヘッド用基板において、 前記電気熱変換素子と前記機能素子とを電気的に接続す
    る電極と、前記機能素子と、の間に前記電気熱変換体を
    構成する発熱抵抗層と同じ材料からなる層が介在してい
    ることを特徴とする記録ヘッド用基板。
  4. （４）前記発熱抵抗層を構成する材料が硼化ハフニウム
    であることを特徴とする請求項１に記載の記録ヘッド用
    基板。
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