JP2008238734A - 電子デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェットエッチングにより微細なパターンを形成可能とした電子デバイス及びその製造方法を提供する。
【解決手段】通電されることにより発熱する抵抗発熱体と、前記抵抗発熱体に接続された電極と、前記電極の少なくとも一部を覆う保護膜と、前記保護膜の略全面を被覆するＴｉＮ膜と、を備えたことを特徴とする電子デバイスが提供される。また、第１の層を形成し、前記第１の層の上にＴｉＮ膜を形成し、前記ＴｉＮ膜をマスクとして、ウェットエッチングにより前記第１の層の一部をエッチングすることを特徴とする電子デバイスの製造方法が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子デバイス及びその製造方法に関し、より詳細には、発熱抵抗体と保護膜とを有するサーマルプリンタヘッドなどの電子デバイス及びその製造方法に関する。

サーマルプリンタヘッドなどの電子デバイスにおいては、セラミックス等からなる絶縁基板上に、抵抗発熱体が電極と共に一組の回路をなすように形成され、それが複数個、略直線状に配置されている。また、少なくともその抵抗発熱体列を覆うように、絶縁材料からなる保護膜が形成されている。そして、保護膜の上面にインクリボンを介してプリント用紙を圧着させた状態で、または、保護膜の上面に感熱紙を圧着させた状態で、抵抗発熱体にパルス電流を流して発熱させて、印刷を行う。

保護膜は、プリント用紙やインクリボンに直接接触するため、厚く成膜されている。そのため、成膜に長時間を要するだけでなく、保護膜のコンタクトホールを形成するのにも長時間を要している。このコンタクトホール形成には、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法などドライエッチング技術が用いられているが、保護膜の厚さが５乃至７ミクロンと厚く、例えば、９０分という時間を要している。そのため、設備コストの観点からも、低コスト化が可能なウェットエッチングへの移行が望まれている。

また、ＲＩＥによるエッチングのマスクにはフィルムレジストが用いられるが、その厚みも厚いため、解像度に限界がある。具体的には、２００ミクロン×５０ミクロン程度よりも小さなコンタクトホールの形成には不向きである。

一方、絶縁物保護膜をウェットエッチングするには、エッチャントとしてＨＦ（フッ酸）系エッチャントが用いられるが、一般的なマスクではエッチング中にマスクの剥離が生じ、厚い保護膜の長時間エッチングを行うことができない。
さらに、エッチャントとしてＨＦ系エッチャントを用いる場合、下地Ａｌ（アルミニウム）電極との選択比がとれず、オーバーエッチングとなってしまう問題がある。
加えて、絶縁物保護膜には、印刷時のプリント用紙との摩擦により帯電が生じ、この帯電が静電破壊の原因となるという問題がある。他に、耐摩耗性等の機械的強度が不十分であるという問題もある。

従って、保護膜の加工では、ウェットエッチングに適し、且つ微細化が可能なマスクを使用すること、ウェットエッチングにおいては下地Ａｌ電極層との選択比が十分取れること等が望まれる。また、絶縁物保護膜の帯電を抑制すること、耐摩耗性を向上すること等の改善が望まれている。

絶縁物保護膜材料としては、ガラス膜、ＳｉＯＮ、ＳｉＡｌＯＮ、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４等が特許文献１などに開示されている。また、耐摩耗性向上を目的として、保護膜上に酸化クロムと高融点金属の窒化物の混合体あるいは酸化クロムと高融点金属の炭化物の混合体を形成する事例が特許文献２に開示されているが、微細加工が困難である。

一方、保護膜にかかる電界のため、プリント用紙等から不純物イオンが保護膜に侵入して、保護膜が腐食されるのを防止する目的で、保護膜上に導電膜を被覆する技術が特許文献３に開示されている。
特開２０００−２４６９２９号公報 特開平７−６８８１６号公報 特開２００４−２３０５８３号公報

本発明は、ウェットエッチングにより微細なパターンを形成可能とした電子デバイス及びその製造方法を提供する。

本発明の一態様によれば、通電されることにより発熱する抵抗発熱体と、前記抵抗発熱体に接続された電極と、前記電極の少なくとも一部を覆う保護膜と、前記保護膜の略全面を被覆するＴｉＮ膜と、を備えたことを特徴とする電子デバイスが提供される。

本発明の他の一態様によれば、第１の層を形成し、前記第１の層の上にＴｉＮ膜を形成し、前記ＴｉＮ膜をマスクとして、ウェットエッチングにより前記第１の層の一部をエッチングすることを特徴とする電子デバイスの製造方法が提供される。

本発明のさらに他の一態様によれば、電極を形成し、前記電極の少なくとも一部を覆うように第１の層を形成し、前記第１の層をＴｉＮ膜で被覆し、前記ＴｉＮ膜をマスクとして、ウェットエッチングにより前記第１の層の一部をエッチングして前記電極を露出させることを特徴とする電子デバイスの製造方法が提供される。

本発明によれば、ウェットエッチングにより微細なパターンを形成可能とする電子デバイス及びその製造方法が提供される。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る電子デバイス、より詳細にはサーマルプリンタヘッドの素子構造を例示する部分断面図である。
また、図２は、サーマルプリンタヘッドの部分斜視図である。

本実施形態のサーマルプリンタヘッド１においては、絶縁基板２が設けられている。絶縁基板２の材料としては、例えば、アルミナからなるアルミナセラミック基板が用いられる。絶縁基板２の上面には、例えば、水ガラスからなる水ガラス層３が設けられている。水ガラス層３の上面の一部には、一方向に延びる蒲鉾状の凸部３ａが形成されている。

また、水ガラス層３上には、例えば、Ｔａ−ＳｉＯ_２からなる複数の抵抗発熱体４が全領域にわたり形成されている。さらに、抵抗発熱体４を覆うように、例えば、Ａｌを主成分とする材料からなる電極５ａ及び５ｂが形成されている。電極５ａ及び５ｂと抵抗発熱体４が一組の回路となり、それが略直線状に複数個並ぶように設けられている。

さらに、水ガラス層３、抵抗発熱体４並びに電極５ａ及び５ｂを覆うように、保護膜７が設けられている。保護膜７の形状は、水ガラス層３の形状を反映しており、水ガラス層３の凸部３ａに対応する領域には、凸部７ａが形成されている。保護膜７は、例えば、ＳｉＯＮにより形成されている。

加えて、保護膜７は、保護膜７をエッチング加工するためのマスクであるＴｉＮ膜８で覆われている。つまり、保護膜７の略全面は、ＴｉＮ膜８により覆われている。つまり、ＴｉＮ膜８に覆われずに保護膜７が露出している部分は、実質的にない。ＴｉＮ膜の形状は、保護膜７の形状を反映し、保護膜７の凸部７ａに対応する領域は、湾曲し凸状部８ａを形成している。電極５ａにおける電極５ｂから遠い側の端部には、ＴｉＮ膜８をマスクとして保護膜７をエッチング加工して形成されたコンタクトホール１０が形成されている。高硬度を有するＴｉＮ膜８を設けることにより、保護膜の耐摩耗性を向上させることができる。また、ＴｉＮ膜８は導電性を有するので、これをグラウンドなどに接続すれば、チャージアップを防止するための除電膜として作用させることができる。またさらに、ＴｉＮ膜８をマスクとして用いることにより、ＨＦ系のエッチャントに対して高い選択性が得られ、厚い保護膜７をウエットエッチングにより確実に加工することが可能となる。さらにまた、ＴｉＮ膜８は、過酸化水素系のエッチャントにより容易にパターニングできるので、微細加工を確実かつ容易に実施できる。

以下、本実施形態のサーマルプリントヘッドのドライバＩＣ１５とサーマルヘッド基板との接続などの詳細について、図２を参照しつつ説明する。
絶縁基板２上には、ドライバＩＣ（回路素子）１５が実装されており、このドライバＩＣ１５の端子には、電極５ａにおける抵抗発熱体４に接続されていない側の端部が接続されている。例えば、４本の電極５ａが１個のドライバＩＣ１５に接続されている。さらに、絶縁基板２におけるドライバＩＣ１５側の側方には、樹脂基板３１が設けられており、絶縁基板２の上面及び下面とそれぞれ同一平面上にある。樹脂基板３１上には、複数本の配線層３２が形成されており、この配線層３２がドライバＩＣ１５における電極５ａが接続されていない端子に接続されている。

さらにまた、絶縁基板２及び樹脂基板３１上には、ドライバＩＣ１５、並びに電極５ａ及び配線層３２におけるドライバＩＣ１５との接続部分を覆うように、樹脂からなるエンキャップ３３が設けられており、このエンキャップ３３を覆うように、例えば、樹脂板が折り曲げられて成型されたＩＣカバー３４が設けられている。一方、絶縁基板２及び樹脂基板３１の下面には、ヒートシンク３５及びコネクタ３６が連結されている。コネクタ３６の端子は、配線層３２に接続されている。

以上の如く構成された本具体例に係るサーマルプリンタヘッド１の動作について説明する。
ＴｉＮ膜の凸状部８ａの上方にローラ１１が配置され、このローラ１１とＴｉＮ膜８の凸状部８ａとの間にインクリボン１２及びプリント用紙１３が挟み込まれる。インクリボン１２はプリント用紙１３を介してローラ１１により凸状部８ａに対して押圧される。ここで、ローラ１１が回転すると、インクリボン１２及びプリント用紙１３はサーマルプリンタヘッド１に対して移動し、インクリボン１２は凸状部８ａに対して摺動する。

この状態で、ドライバＩＣ１５が、コネクタ３６を介して入力された信号に基づいて、選択的にパルス電流を、電極５ａ、抵抗発熱体４及び電極５ｂからなる経路に流すと、このパルス電流は、凸状部８ａ直下の抵抗発熱体４内を流れ、抵抗発熱体４が発熱する。この熱が、保護膜７及びＴｉＮ膜８内を伝導してインクリボン１２における凸状部８ａに対する接触部分に伝わり、インクリボン１２中のインク成分がプリント用紙１３に転写される。これにより、プリント用紙１３にインク層１４が形成され、印刷される。

本具体例によれば、前述したように、保護膜７上にＴｉＮ膜８を設けて、ＴｉＮマスクを形成し、保護膜７の加工を行うことにより、微細化及び加工時間の短縮等が可能となる。さらに、ＴｉＮ膜８が保護膜７を覆う状態で印刷することができるため、耐摩耗性の向上をはかることが可能である。また、ＴｉＮは導電性を有するため、摺動によって発生する帯電を除去することも可能である。

以下に、本具体例に係るサーマルプリンタヘッド１の製造方法について説明する。
図３は、本具体例に係るサーマルプリンタヘッド１の製造方法を示すフローチャート図である。
初めに、図３のステップＳ１に示すように、絶縁基板２上に、例えば、水ガラスを塗布し焼成して、水ガラス層３を形成する。水ガラス層３には、一方向に延びる蒲鉾状の凸部３ａを形成する。

次に、ステップＳ２に示すように、水ガラス層３上に、例えば、スパッタリング法によりＴａ−ＳｉＯ_２からなる抵抗発熱体層を形成する。
次に、ステップＳ３に示すように、抵抗発熱体層上に、例えば、Ａｌからなる電極層を形成し、パターンニングを行って、水ガラス層３の凸部３ａ上に、抵抗発熱体４、電極５ａ及び５ｂを形成する。抵抗発熱体４と電極５ａ及び５ｂは一組の回路を構成し、それが略直線状に複数個並ぶように設ける。

次に、ステップＳ４乃至Ｓ９に示すように、保護膜７の成膜と加工を行う。
図４は、保護膜７をエッチング加工する各工程における積層された膜の断面図である。 図４ａは、保護膜７が形成された段階における膜の断面図を示す。抵抗発熱体４と電極５ａ及び５ｂを覆うように、保護膜７を形成する。例えば、ＲＦスパッタ法によりＳｉＯＮを５乃至７ミクロンの厚さに形成する。絶縁基板２の上に、水ガラス層３、Ｔａ−ＳｉＯ_２からなる抵抗発熱体４、Ａｌからなる電極５ａ及び５ｂ、ＳｉＯＮからなる保護膜７が順次積層される。

次に、ステップＳ５に示すように、保護膜７上に保護膜７をウェットエッチングするためのマスクとなるＴｉＮ膜８を、例えば、スパッタリング法により成膜する。厚さは、例えば、２００ｎｍ程度となるよう成膜する。図４ｂにこの段階での積層膜の断面図を示す。

次に、ステップＳ６乃至Ｓ８に示すように、ＴｉＮ膜８上にレジスト９を塗布現像し（Ｓ６）、レジスト９をマスクとして、ＴｉＮ膜８をＨ_２Ｏ_２エッチャントによりエッチングして、ＴｉＮ膜８を所定の形状に加工する（Ｓ７）。図４ｃは、ＴｉＮ膜８が所定の形状に加工された積層膜の断面図を示す。ＴｉＮはＨＦ系溶液に不溶で、溶液中での絶縁膜との密着性が高い。そのため、後の工程で厚い保護膜７のエッチングを行うが、その工程で剥がれることがなく、また、ＴｉＮの加工は一般的なレジストマスクとＨ_２Ｏ_２を用いて行えばよく、容易に微細加工が可能である。図４ｄは、レジスト９を除去し、ＴｉＮマスクが形成された段階の積層膜の断面図を示す（Ｓ８）。

次に、ステップＳ９に示すように、加工したＴｉＮ膜８をマスクとして保護膜７のウェットエッチングを行う。エッチャントとして、ＨＦにＫＦを混合したＨＦ＋ＫＦ系エッチャントを用いる。保護膜７のエッチングにおいては、保護膜７の構成材料であるＳｉＯＮはエッチングされるが、電極５ａ及び５ｂの構成材料であるＡｌはエッチングされないことが望ましい。すなわち、エッチングの選択性が高いことが望まれる。ＨＦ＋ＫＦ系エッチャントを用いることにより、Ａｌのエッチング速度を小さく抑えて、保護膜７を構成するＳｉＯＮのエッチングを行うことが可能である。図４ｅは、保護膜７がエッチング加工された状態を示す。

次に、ステップＳ１０に示すように、ドライバＩＣ１５の接続を行う。この接続は、コンタクトホール１０を介して行う。絶縁基板２上にドライバＩＣ１５を実装し、このドライバＩＣ１５の端子に、電極５ａにおける電極５ｂから遠い側の端部を接続する。また、樹脂基板３１上に配線層３２を形成し、この樹脂基板３１を絶縁基板２の側部に連結し、配線層３２をドライバＩＣ１５の他の端子に接続する。さらに、絶縁基板２及び樹脂基板３１の上面上に、ドライバＩＣ１５と、電極５ａ及び配線層３２におけるドライバＩＣ１５への接続部分とを覆うように、樹脂からなるエンキャップ３３を形成し、このエンキャップ３３を覆うように、ＩＣカバー３４を取り付ける。また、絶縁基板２及び樹脂基板３１の下面上にヒートシンク３５及びコネクタ３６を取り付ける。以上により、サーマルプリンタヘッド１が製造される。

上記ステップＳ９における保護膜７のエッチング後、ＴｉＮ膜をアースに接続して帯電の除去膜としての機能を持たせることが可能であり、また、ＴｉＮの硬い特性を利用して耐摩耗膜として利用することも可能である。除電膜及び耐摩耗膜の両方として利用しても良い。

ＨＦ＋ＫＦ系エッチャントを用いた場合、保護膜７に用いたＳｉＯＮと電極５ａのＡｌとの間で高選択性が得られる機構を説明する。
図５は、ＡｌのＰｏｕｒｂａｉｘ（プールベイ）線図で、水中におけるＡｌの存在領域を電極電位とｐＨの二次元座標上に表したものである。ｐＨ値の低い酸性領域ではＡｌは溶解するが、ｐＨ値の増加に従い、不動態領域に入って安定化する。ＨＦにＫＦを添加すると、ＫＦ＝Ｋ^＋＋Ｆ⁻により生じたＦ⁻イオンによりＨＦ＝Ｈ^＋＋Ｆ⁻の平衡が左に移動する。この平衡移動で水素イオン濃度が減少し、ｐＨ値が５．２以上では、ＡｌのＰｏｕｒｂａｉｘ線図が示すようにＡｌの不動態領域に入るため、Ａｌのエッチングは進行しない。そのため、ＫＦの添加量を適切に選ぶことにより、ＳｉＯＮとＡｌの間で極めて高いエッチング速度の選択性を得ることが可能である。

図６は、１００ｍｌのＨＦ溶液に対してＫＦ量を４０ｇ添加した時の、室温におけるＨＦ濃度に対するＳｉＯＮ及びＡｌのエッチング速度を示す。ＨＦ濃度が３４．３％以下のＨＦ溶液では、ＨＦ１００ｍｌに対してＫＦを４０ｇ添加するとＡｌは不動態膜を形成し、エッチング速度は著しく低下する。Ａｌ不動態領域ではＡｌのエッチング速度の測定は困難であるため、図６ではＨＦ濃度３４．３％以下に対し、エッチング速度は１ｎｍ／ｍｉｎ以下であるとして表記している。ＨＦ濃度３４．３％以下では、ＳｉＯＮのエッチング速度はほぼ５０乃至８０ｎｍ／ｍｉｎにあるので、２桁以上の選択比を得ることは容易であると考えられる。

図７は、ＨＦ＋ＫＦ系エッチャントによるＳｉＯＮに対するエッチング速度の温度依存性を示す。ＨＦ濃度が２９％と３４％の場合について示す。高温ではＳｉＯＮに対し高いエッチング速度が得られ、スループット上の問題は解決すると考えられる。例えば、２９％ＨＦ濃度のＨＦ溶液１００ｍｌに４０ｇのＫＦを添加し、４５℃に加熱した時のＳｉＯＮに対するエッチング速度は、２００ｎｍ／ｍｉｎとなり、５ミクロンの厚さのＳｉＯＮを約２５分でエッチングすることができる。これは、厚い保護膜を短時間で加工したいとする、製造上の要請を十分満たすものであると言うことができる。比較例として、図示していないが、ＫＦを添加しない室温の４９％ＨＦ濃度のエッチャントの場合、エッチング速度は１４５ｎｍ／ｍｉｎとなり、ＳｉＯＮ／Ａｌ選択比は３．５であった。

本具体例では、絶縁物保護膜のウェットエッチングに対するマスクとしてＴｉＮを選択している。ウェットエッチング時に剥がれないマスクとして、有機系材料を種々検討したが、いずれも不適で、金属マスク材料としてＴｉＮが有効であった。金属マスクとしてＴｉＮ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｎｉを比較した。
図８は、２９％ＨＦ濃度のＨＦ溶液１００ｍｌにＫＦを４０ｇ添加して、ＫＦ＋ＨＦエッチャントとし、４５℃で３７分、３０秒エッチングした場合の、ＴｉＮ、Ｃｕ、Ｍｏ及びＮｉの表面形態である。ＴｉＮ表面はエッチング前後で変化が無く、安定であるが、Ｃｕ、Ｍｏ及びＮｉでは剥離または孔食が発生し、エッチングマスクとしては使用できなかった。

以上の結果から、保護膜７の加工のために、ＴｉＮ膜８をマスクとして用い、ＨＦ＋ＫＦ系エッチャントによりウェットエッチングを行うことにより、微細化パターンを有するサーマルプリンタヘッド１を低コストで製造することが可能となった。微細なコンタクトホール１０を形成するためには、ＴｉＮ膜８を保護膜７の全面を覆うように被覆して、ＴｉＮマスクを作製し、保護膜７をエッチング加工することが必要であり、特許文献６の図２に示された導電膜の被覆領域と本発明におけるＴｉＮ膜８の被覆領域とは異なる。また、導電膜形成の目的も異なる。

さらに、保護膜７上にＴｉＮ膜８を被覆したことにより、耐摩耗性向上と帯電防止をはかることが可能となった。

なお、上述の具体例においては、サーマルプリンタヘッドをインクリボン方式のプリンタに適用する例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、インクリボンを用いない感熱式プリンタに適用してもよい。

また、保護膜７として、ＳｉＯＮを用いた例について述べたが、ＳｉＯ_２などのＳｉＯや、Ｓｉ_３Ｎ_４などのＳｉＮや、ＳｉＡｌＯＮや、あるいはガラスペースト焼成膜等の酸化物を用いてもよい。さらに、具体例を構成する各層の形成方法は、形成の簡便性や膜質等を考慮して、適宜選択することができる。
さらにまた、保護膜が酸化物系で、下地がＡｌであるような構造を有する電子デバイスであれば、本発明を適用することが可能であり、本発明の範囲に包含される。

本発明の実施形態に係る電子デバイスを例示する部分断面図である。 本発明の実施形態に係る電子デバイスを例示する部分斜視図である。 本発明の実施形態に係る電子デバイスの製造方法を例示するフローチャート図である。 保護膜エッチング加工工程の各段階における積層膜の断面図である。 ＡｌのＰｏｕｒｂａｉｘ線図である。 ＨＦ＋ＫＦ系エッチャントによるエッチング速度の濃度依存性である。 ＨＦ＋ＫＦ系エッチャントによるエッチング速度の温度依存性である。 ＨＦ＋ＫＦ系エッチャントによるエッチング後のマスク表面形態である。

符号の説明

１ サーマルプリンタヘッド、２ 絶縁基板、３ 水ガラス層、３ａ 凸部、 ４ 抵抗発熱体、５ａ、５ｂ 電極、７ 保護膜、７ａ 凸部、８ ＴｉＮ膜、 ８ａ 凸状部

Claims (11)

1. 通電されることにより発熱する抵抗発熱体と、
   前記抵抗発熱体に接続された電極と、
   前記電極の少なくとも一部を覆う保護膜と、
   前記保護膜の略全面を被覆するＴｉＮ膜と、
   を備えたことを特徴とする電子デバイス。
2. 前記電極は、アルミニウムを主成分とする材料からなることを特徴とする請求項１記載の電子デバイス。
3. 前記保護膜は、前記ＴｉＮ膜をマスクとしてエッチングされてなることを特徴とする請求項１記載の電子デバイス。
4. 前記ＴｉＮ膜及び前記保護膜を貫通して前記電極に至るコンタクトホールが設けられてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の電子デバイス。
5. 回路素子をさらに備え、
   前記回路素子と前記電極とが前記コンタクトホールを介して接続されてなることを特徴とする請求項４記載の電子デバイス。
6. 前記保護膜は、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＡｌＯＮ及びガラスペースト焼結体よりなる群から選択されたいずれかからなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の電子デバイス。
7. 第１の層を形成し、
   前記第１の層の上にＴｉＮ膜を形成し、
   前記ＴｉＮ膜をマスクとして、ウェットエッチングにより前記第１の層の一部をエッチングすることを特徴とする電子デバイスの製造方法。
8. 電極を形成し、
   前記電極の少なくとも一部を覆うように第１の層を形成し、
   前記第１の層をＴｉＮ膜で被覆し、
   前記ＴｉＮ膜をマスクとして、ウェットエッチングにより前記第１の層の一部をエッチングして前記電極を露出させることを特徴とする電子デバイスの製造方法。
9. 前記ウェットエッチングにおいてＨＦ系エッチャントを用いることを特徴とする請求項７または８に記載の電子デバイスの製造方法。
10. 前記電極は、アルミニウムを主成分とする材料からなり、
    前記ウェットエッチングにおいてＨＦ系エッチャントとＫＦ系エッチャントとの混合エッチャントを用いることを特徴とする請求項８記載の電子デバイスの製造方法。
11. 前記第１の層は、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＡｌＯＮ及びガラスペースト焼結体よりなる群から選択されたいずれかからなることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１つに記載の電子デバイスの製造方法。