DE60310358T2

DE60310358T2 - Wärmeerzeugendes Schichtwiderstandselement, dieses verwendendes Tintenstrahldruckkopf-Substrat, Tintenstrahldruckkopf und Tintenstrahlgerät

Info

Publication number: DE60310358T2
Application number: DE60310358T
Authority: DE
Inventors: Techn. Eng. Hiroyuki Suzuki; Yukihiro Hayakawa; Yoshinori Kawasaki; Ichiro Saito; Sakai Yokoyama; Toshiyasu Sakai
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2003-12-29
Publication date: 2007-10-31
Also published as: US20040179084A1; EP1433608B1; CN100357105C; US7055937B2; CN1513672A; KR20040060814A; EP1433608A1; DE60310358D1; JP2004216889A; DE60310358T8

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärme erzeugendes Schichtwiderstandselement zur Bildung eines elektrothermischen Wandlerelements, das geeignet ist als Energieerzeugungseinrichtung zur Abgabe thermischer Energie für eine Tintenstrahlvorrichtung einen sogenannten Tintenstrahldrucker zum Austragen oder Ausstoßen von Tinte nach einem Tintenstrahlverfahren zwecks Aufzeichnung oder Druckens eines Zeichens, Symbols oder Bildes auf ein als Papier, Papierbogen, Stoff oder als anderer Gegenstand vorliegendes Druckmedium, und betrifft ferner ein Tintenstrahlkopfsubstrat und einen ein elektrothermisches Wandlerelement verwendenden Tintenstrahlvorrichtung, der ein solches Wärme erzeugendes Schichtwiderstandselement verwendet, sowie ein Herstellverfahren hierfür.
Stand der Technik
Ein Tintenstrahldrucker hat einen Aufbau, geeignet für den Austrag einer funktionellen der Aufzeichnung dienenden Flüssigkeit (nachstehend stellvertretend auch einfach "Tinte" genannt) aus einer Austrag- oder Ausstoßöffnung auf ein Aufzeichnungsmedium, um so die Aufzeichnung oder den Druck eines Zeichens, Symbols, Bildes usw. durchzuführen oder eine Zufuhr einer in der Tinte enthaltenen Komponente auf verschiedenen Oberflächen zu bewerkstelligen. Für eine solchen Tintenstrahldrucker ist es typisch, ein Hochgeschwindigkeitsaufzeichnen eines hochdefinierten Bilds durch Ausstoßen der Tinte als kleine Flüssigkeitströpfchen mit hoher Geschwindigkeit aus der Austragöffnung zu ermöglichen. Insbesondere hat eine Tintenstrahlvorrichtung des Typs, bei dem ein elektrothermisches Wandlerelement als Energie liefernde Einrichtung zum Erzeugen von zum Tintenaustrag zu nutzender Energie verwendet und der Tintenaustrag durch Blasenerzeugung mit Hilfe eines solchen elektrothermischen Wandlerglieds ausgeführt wird, jüngst Aufmerksamkeit erregt, da er zum Erzielen einer höheren Definition in dem Bild, einer höheren Geschwindigkeit beim Drucken, eines kompakteren Aufbaus eines Druckkopfs und eines Druckers auch zum farbigen Drucken (zum Beispiel US-Patent Nr. 4,723,129 und US-Patent Nr. 4,740,796) geeignet ist.
Ein allgemeiner Aufbau eines Hauptteils eines Wärmesubstrats zur Verwendung für den Bau eines Tintenstrahldruckers ist in 1 gezeigt. 2 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Substrats 2000 für einen Tintenstrahldruckkopf entlang einer Linie 2-2 in einem Teil der einem in 1 gezeigten Tintenflusspfad entspricht.
Der in 1 gezeigte Tintenstrahldruckkopf ist mit mehreren Ausstoßöffnungen 1001 versehen und ein elektrothermisches Wandlerelement 1002 zum Erzeugen thermischer Energie zum Verwenden zum Ausstoßen von Tinte aus jeder Ausstoßöffnung ist für jeden Tintenflusspfad 1003 auf einem Substrat 1004 vorgesehen. Das elektrothermische Wandlerglied 1002 ist wenigstens zusammengesetzt aus einem Wärme erzeugenden Schichtwiderstandselement 1005 und einem damit verbundenen Elektrodenpaar 1006 zur elektrischen Stromversorgung, wobei in dem in 1 gezeigten Drucker eine Isolierschicht 1007 als eine Schutzschicht zum Bedecken wenigstens eines, eine Wärmewirkfläche für die Tinte bildenden Abschnitts in dem oberen Teil des Wärme erzeugenden Schichtwiderstandselements 1005 angeordnet ist.
Ebenso wird jeder Tintenflusspfad 1003 durch Anfügen einer Deckplatte, die mehrere Fließpfadwände 1008 in einer relativen Ausrichtung mit den elektrothermischen Wandlerelementen usw. integriert trägt, auf das Substrat 1004, z. B. durch Bildbearbeitung, gebildet.
Jeder Tintenflusspfad 1003 kommuniziert an dessen der Ausstoßöffnung 1001 gegenüberliegenden Ende mit einer gemeinsamen Flüssigkeitskammer 1009, welche von einem Tintentank (nicht gezeigt) zugeführte Tinte speichert.
Die der gemeinsamen Flüssigkeitskammer 1009 zugeführte Tinte wird von hier aus jedem Tintenflusspfad 1003 zugeführt und wird durch Formen eines Meniskus in Nähe der Ausstoßöffnung 1001 darin zurückgehalten. In diesem Zustand wird das elektrothermische Wandlerelement 1001 selektiv angesteuert, um durch die darin erzeugte Wärmeenergie ein schnelles Erwärmen und Verdampfen der Tinte auf der Wärmewirkfläche zu bewirken und dadurch die Tinte durch eine einwirkende Kraft auszustoßen.
Wie in 2 gezeigt ist, ist ein Substratabschnitt im Tintenstrahldruckkopf auf einem Siliciumsubstrat 2001 angeordnet, mit einem Aufbau aus einer Wärmespeicherschicht 2002, gebildet aus einer thermischen Oxidationsschicht auf der Oberfläche des Siliciumsubstrats, einer aus einer SiO-Schicht oder einer SiN-Schicht gebildeten Zwischenschicht 2003, die auch eine Wärmespeicherfunktion hat, einem Wärme erzeugenden Widerstandsschichtelement 2004, einer aus einer Elektrodenschicht aus einem Metall oder einer Legierung wie Al, Al-Si, Al-Cu usw. gebildeten Metallverdrahtung 2005, einer aus einer SiO-Schicht, einer SiN-Schicht usw. gebildeten Schutzschicht 2006, und einer Antikavitationsschicht 2007, welche in dieser Reihenfolge geschichtet sind. Die Antikavitationsschicht 2007 ist zum Schützen der Schutzschicht 2006 vor chemischen und physikalischen Einflüssen, die sich aus der Wärmeerzeugung des Wärme erzeugenden Schichtwiderstandselements 2004 ergeben, vorgesehen und bildet einen Wärmewirkabschnitt 2008 in einem die Tinte kontaktierenden Teil. Das in 1 gezeigte Wärme erzeugende Widerstandselement 1005 wird durch Exponieren eines vorbestimmten Abschnitts des Wärme erzeugenden Schichtwiderstandselements 2004 zwischen den Elektrodenschichten 2005 gebildet.
Das in dem Druckkopf des Tintenstrahldruckers mit der vorgenannten Struktur zu verwendende Wärme erzeugende Widerstandselement ist im Allgemeinen von dem in einem thermischen Druckkopf verwendeten Wärme erzeugenden Widerstandselement verschieden.
Dies ist so, weil in einem thermischen Druckkopf eine elektrische Leistung von ca. 1 W innerhalb eines Zeitraum von 1 ms dem Wärme erzeugenden Widerstandselement zugeführt wird, während in einem Tintenstrahldruckkopf eine elektrische Leistung von 3 bis 4 W innerhalb eines Zeitraums von beispielsweise 7 μs dem Wärme erzeugende Widerstandselement zugeführt wird, um die Tinte innerhalb einer kurzen Zeit zu verdampfen. Da eine solche elektrische Leistung mehrfach größer als die einem thermischen Druckkopf zugeführte elektrische Leistung ist, ist das Wärme erzeugende Widerstandselement des Tintenstrahldruckkopfs im Vergleich zu jenem des thermischen Druckkopfs innerhalb einer kürzeren Zeit einem thermischen Stress ausgesetzt.
Deshalb ist unter Berücksichtigung des für den Tintenstrahldruckkopf spezifischen Ausstoß- und Steuerverfahrens, die verschieden sind vom Betrieb eines thermischen Druckkopfs ein passendes Design (Filmdicke, Heizergröße, Form usw.) für das Wärme erzeugende Widerstandselement erforderlich, und es ist bekannt, dass das in einem thermischen Druckkopf verwendete Wärme erzeugende Widerstandselement auf den Tintenstrahldruckkopf nicht unmittelbar anwendbar ist.
Beim Tintenstrahldrucker wird in jüngster Zeit zunehmend eine höhere Funktionalität, wie eine bessere Bildqualität und eine höhere Aufzeichnungsgeschwindigkeit nachgefragt, wie im Vorhergehenden erklärt ist. Unter diesen Anforderungen kann eine höhere Bildqualität durch ein Verfahren zum Vermindern der Größe des Heizers (Wärme erzeugendes Widerstandselement) erreicht werden, wodurch eine Ausstoßmenge pro Punkt vermindert und somit die Punktgröße vermindert wird.
Ebenso zum Erreichen einer höheren Aufzeichnungsgeschwindigkeit kann ein Steuerverfahren mit einem kürzeren Impuls als bei der früheren Ansteuerung verwendet werden, wodurch die Steuerfrequenz erhöht wird.
Um jedoch den Heizer in einer Konfiguration mit reduzierter Heizergröße zum Erhalt einer höheren Bildqualität mit hoher Frequenz zu steuern, ist es erforderlich, den Flächenwiderstand zu erhöhen.
Es wird nun Bezug auf die 3A und 3B genommen, um das Verhältnis zwischen den verschiedenen Steuerbedingungen als eine Funktion der Heizergröße schematisch zu erklären. 3A zeigt eine Änderung im Flächenwiderstand und Strom in dem Wärme erzeugenden Widerstandselement als eine Funktion einer Steuerimpulsbreite, wenn die Heizergröße bei konstanter Steuerspannung von groß (A) zu klein (B) geändert wird. Ebenso zeigt 3B den Flächenwiderstand und Strom in dem Wärme erzeugenden Widerstandselement als Funktion der Steuerspannung, wenn die Heizergröße bei konstanter Steuerimpulsbreite geändert wird.
Wie sich aus der Beziehung zwischen den Steuerbedingungen und der Größe des Wärme erzeugenden Widerstandselements in den 3A und 3B ergibt, ist es erforderlich, den Flächenwiderstand zu erhöhen, um die gleichen Steuerbedingungen wie zuvor mit einer kleineren Heizergröße zu verwenden. Auch unter Berücksichtigung der Energie vermindert ein Steuerverfahren mit einem erhöhten Flächenwiderstand und einer höheren Steuerspannung den verbrauchten Strom, wodurch der Energieverbrauch in von dem Heizer verschiedenen Widerständen vermindert wird, wodurch eine Energieersparnis erzielt wird. Ein solcher Effekt wird in einer Multi-Düsen-Konfiguration mit einer Mehrzahl Wärme erzeugender Widerstandselemente besonders deutlich.
Somit offenbart die offengelegte, japanische Patentanmeldung Nr. H10-114071 eine Konfiguration zum Bilden eines Wärme erzeugenden Widerstandselements des Tintenstrahldruckkopfs mit einer dünnen Schicht aus Ta_xSi_yN_z mit x = 20–80 Atom-%, y = 3–25 Atom-% und z = 10–60 Atom-%, wodurch ein für einen kleinen Punkt und zu Energieeinsparung geeigneter hoher Widerstand für die Wärmeerzeugung in der Anwendung auf einen Tintenstrahldruckkopf ermöglicht wird.
Unter den Eigenschaften, die für das in dem Tintenstrahldruckkopf zu verwendende Wärme erzeugende Widerstandselement erforderlich sind, ist zusätzlich zu einem hohen Widerstand auch die Haltbarkeit eine wichtige Eigenschaft, die gleichzeitig erfüllt sein muss.
Das Widerstandselement in dem Tintenstrahldruckkopf wiederholt die Wärmeerzeugung durch hochfrequente elektrische Leistung mit kurzen Impulsen, wobei jeweils eine Blase in der Tinte entsprechend den Wärmeerzeugungszyklen erzeugt und dadurch Tinte ausgestoßen wird. In einem solchen Zustand erreicht das Wärme erzeugende Widerstandselement eine Temperatur von 600 bis 700°C, und eine mögliche Änderung im Widerstand des Widerstandselements bei solchen Wiederholungen zwischen Raumtemperatur und der hohen Temperatur stellt ein ernsthaftes Problem beim Tintenausstoß dar.
Spezieller gesagt: Da der Tintenstrahldruckkopf generell von einer konstanten Steuerspannung gesteuert wird, entstehen Probleme, wenn der Widerstand eine große Änderung während der Steuerung erfährt.
Zum Beispiel vermindert eine Abnahme des Widerstands die Lebenszeit des Widerstandselements signifikant durch einen übermäßigen Strom, während eine Zunahme des Widerstands den Strom vermindert und schließlich der Tintenausstoß versagt.
Es ist deshalb für die Haltbarkeitskennlinie des Widerstandselements notwendig, dass das Widerstandselement, auch nach der vom Widerstandselement tatsächlich erfahrenen Temperaturhysterese, eine minimale Änderung im Widerstand zeigt. Eine solche Haltbarkeit kann in einem bestimmten Umfang durch eine Bewertung des Temperaturkoeffizienten des Widerstands (TCR) des Materials vorhergesagt werden.
Es ist bekannt, dass die Haltbarkeit im Allgemeinen besser ist, wenn der TCR des Widerstandselements sehr klein ist (idealer Weise Null). Bei der Entwicklung eines Materials für das Widerstandselement ist es wichtig, gleichzeitig einen hohen Widerstand und die Haltbarkeit zu realisieren. Die vorgenannten Patentreferenzen beschreiben, dass ein vorzuziehender TCR durch Auswählen eines spezifischen Widerstands bei 2500 μΩ·cm oder weniger erreicht werden kann.
Jedoch wird im neueren Trend zu besserer Bildqualität die Beseitigung der Granularität betont, und zu diesem Zweck ist eine 1 pl nicht übersteigende Ausstoßmenge des Flüssigkeitströpfchens erwünscht.
Um einen Tintenausstoß mit einer hohen Steuerfrequenz und mit mehreren Düsen bei einer Ausstoßmenge von 1 pl oder weniger, was weiter unten gefordert wird, zu erzielen, wird ein Flächenwiderstand von 700 Ω/☐ oder höher als notwendig angesehen, zum Beispiel, für eine Steuerspannung von 24V, eine Impulsbreite von 1 μs und eine Heizergröße von 17 × 17 μm, um eine Temperaturerhöhung im Druckkopf zu hemmen und den Ausstoß ohne eine Verminderung der Steuerspannung zu stabilisieren.
Für TaSiN offenbaren die vorgenannten Patentreferenzen jedoch die Wahl eines spezifischen Widerstands von 2500 μΩ·cm oder weniger, um einen besseren TCR zu erzielen. Anders ausgedrückt, falls das vorgenannte TaSiN verwendet wird, um den jüngst geforderten Flächenwiderstand von 700 Ω/☐ oder mehr zu erreichen (entsprechend einem spezifischen Widerstand von 3000 μΩ·cm oder höher), ergeben sich ein schlechterer TCR und eine ungenügende Haltbarkeit.
Falls der Widerstand auf diese Weise erhöht wird, ergeben sich auch Schwierigkeiten in der Produktivität, zum Beispiel eine Fluktuation des spezifischen Widerstands.
Aus diesem Grund ist es notwendig geworden, ein neues Material zu finden, das einen höheren Widerstand und Haltbarkeit gewährleisten kann. Das neue Material soll auch in der Lage sein, ausreichenden Produktivitätsspielraum zu bieten.
Als ein Material, welches den vorgenannten Flächenwiderstand hat, offenbaren die japanische Patentveröffentlichung Nr. H2-18651, US-Patent Nr. 4,392,992, US-Patent Nr. 4,510,178, US-Patent Nr. 4591,821, US-Patent Nr. 5,503,878, US-Patent Nr. 6,287,993 Zusammensetzungen einer CrSiN-Schicht. Jedoch lehren oder offenbaren diese Referenzen überhaupt nichts darüber, welche atomare Zusammensetzungen die CrSiN-Schicht als Wärme erzeugendes Widerstandselement für das elektrothermische Wandlerelement des Tintenstrahldruckkopfs brauchbar machen; und eine Zusammensetzung, die auch der Haltbarkeit genügt, ist daraus überhaupt nicht vorbekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine grundsätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Lösung der vorgenannten Nachteile herkömmlicher Materialien für das Wärme erzeugende Widerstandselement eines Tintenstrahldruckkopfs und die Bereitstellung eines Wärme erzeugenden Schichtwiderstandselements, das zur Verwendung als ein Wärme erzeugendes Widerstandselement geeignet ist und es erlaubt, ein gedrucktes Bild hoher Qualität über einen längeren Zeitraum zu erhalten, sowie eines Herstellungsverfahrens hierfür. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Tintenstrahldruckers mit einem Wärme erzeugenden Schichtwiderstandselement als ein Wärme erzeugendes Widerstandselement eines elektrothermischen Wandlerelements, das einen stabilen Tintenausstoß auch im Falle eines kleineren Punktausstoßes zum Realisieren eines gedruckten Bilds mit höherer Definition oder einer Hochgeschwindigkeitssteuerung zum Realisieren eines Hochgeschwindigkeitsdrucks ermöglicht, eines bei einer solchen Konfiguration zu verwendenden Tintenstrahldruckkopfsubstrats und eines Herstellungsverfahrens hierfür.
Diese Aufgaben werden durch den Tintenstrahldruckkopf gemäß Anspruch 1 und den Tintenstrahldrucker gemäß Anspruch 4 gelöst. Die anderen Ansprüche betreffen Weiterentwicklungen.
Für ein solches Wärme erzeugendes Schichtwiderstandselement, das bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist eine durch reaktives Sputtern erzeugte Schicht bevorzugt, wobei eine CrSi-Legierung als Target in einer Mischgasatmosphäre mit Stickstoffgas und Argongas verwendet wird.
Ein Tintenstrahldruckkopfsubstrat der vorliegenden Erfindung, gebildet aus einem Substrat, das ein elektrothermisches Wandlerelement mit einem Wärme erzeugenden Widerstandselement zum Erzeugen von zum Tintenausstoß zu verwendender Wärmeenergie durch Stromzufuhr trägt, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Wärme erzeugende Widerstandselement ein Wärme erzeugendes Schichtwiderstandselement ist, gebildet aus Cr, Si und N mit der folgenden Zusammensetzung:
Cr: 17 bis 20 Atom-%
Si: 42 bis 55 Atom-% und
N: 28 bis 40 Atom-%,
die sich zu 100 Atom-% oder im Wesentlichen zu 100 Atom-% addieren.
In einem solchen Substrat hat das Wärme erzeugende Schichtwiderstandselement vorzugsweise eine Dicke innerhalb eines Bereichs von 300 bis 800 Å. Das vorgenannte elektrothermische Wandlerelement kann eine Konfiguration mit einem Paar Elektroden zur Stromzufuhr zu dem Wärme erzeugenden Widerstandselement haben. Das Substrat umfasst auch eine Wärmewirkfläche um zu bewerkstelligen, dass die Wärmeenergie auf die Tinte einwirkt. Eine solche Wärmewirkfläche ist vorzugsweise aus einer das Wärme erzeugende Widerstandselement bedeckenden Schutzschicht gebildet. Es kann auch eine Konfiguration mit einer Mehrzahl Wärme erzeugender Widerstandselemente vorgesehen werden. Ferner wird in dem Substrat das Wärme erzeugende Schichtwiderstandselement vorzugsweise durch reaktives Sputtern gebildet, wobei eine CrSi-Legierung als Target in einer gemischten Gasatmosphäre mit Stickstoffgas und Argongas verwendet wird.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft einen Tintenstrahldruckkopf mit einer Tintenausstoßöffnung zum Ausstoßen von Tinte, einen Tintenflusspfad, der mit der Tintenausstoßöffnung kommuniziert, einer Wärmewirkfläche zum Abgeben von thermischen Energie zur Verwendung zum Tintenausstoß aus der Tintenausstoßöffnung und zur Einwirkung auf die Tinte, und ein elektrothermisches Wandlerelement mit einem Wärme erzeugenden Widerstandselement zum Erzeugen der Wärmeenergie durch Stromzufuhr, wobei diese Ausführungsform dadurch gekennzeichnet ist, dass das Wärme erzeugende Widerstandselement ein Wärme erzeugendes Schichtwiderstandselement ist, gebildet aus Cr, Si und N in der folgenden Zusammensetzung:
Cr: 17 bis 20 Atom-%,
Si: 42 bis 55 Atom-% und
N: 28 bis 40 Atom-%,
welche sich zu 100 Atom-% oder im Wesentlichen zu 100 Atom-% addieren.
Ein Tintenstrahldrucker der vorliegenden Erfindung, einschließlich eines Tintenstrahldruckkopfs zum Ausstoßen von Tinte, und Mittel, die den Tintenstrahldruckkopf mit einem Drucksignal versorgen, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Tintenstrahldruckkopf die vorgenannte Konfiguration hat.
Ein solcher Drucker kann ausgebildet sein in einer Konfiguration, bei der ein Schlitten zur Halterung des vorgenannten Tintenstrahldruckkopfs vorgesehen ist, und kann ein Wärme erzeugendes Schichtwiderstandselement verwenden, das durch reaktives Sputtern unter Verwendung einer CrSi-Legierung als Target in einer Mischgasatmosphäre mit Stickstoffgas und Argongas hergestellt wird.
Ein Herstellverfahren für das Wärme erzeugende Schichtwiderstandselement der vorgenannten Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet durch Bilden des Wärme erzeugenden Schichtwiderstandselements durch reaktives Sputtern unter Verwendung einer CrSi-Legierung als Target in einer Mischgasatmosphäre mit Stickstoffgas und Argongas auf einer vorbestimmten Oberfläche des Substrats. Das Verfahren kann nach dem Schichtbildungsschritt weiterhin einen Schritt zur Wärmebehandlung der Schicht umfassen.
Ein Herstellverfahren für das Tintenstrahldruckkopfsubstrat der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen des Tintenstrahldruckkopfsubstrats mit dem vorgenannten Aufbau und dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schritt zum Bilden des Wärme erzeugenden Schichtwiderstandselements durch reaktives Sputtern unter Verwendung einer CrSi-Legierung als Target in einer Mischgasatmosphäre mit Stickstoffgas und Argongas enthält. Das Verfahren kann nach dem Schichtbildungsschritt ferner einen Schritt zur Wärmebehandlung der Schicht enthalten.
Ein Herstellverfahren für den Tintenstrahldrucker der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Tintenstrahldruckers mit dem vorgenannten Aufbau, und ist dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schritt zum Bilden des Wärme erzeugenden Schichtwiderstandselements durch reaktives Sputtern unter Verwendung einer CrSi-Legierung als Target in einer Mischgasatmosphäre mit Stickstoffgas und Argongas enthält. Das Verfahren kann nach dem Schichtbildungsschritt ferner einen Schritt zur Wärmebehandlung der Schicht enthalten.
Ein CrSi-basiertes Material ist bereits als ein Material zum Bilden des Wärme erzeugenden Widerstandselements für den thermischen Druckkopf bekannt, aber es ist noch kein Wissen darüber erlangt worden, welche elementare Konfiguration und Atomzahlzusammensetzung eines solchen Materials ein für das elektrothermische Wandlerelement des Tintenstrahldruckkopfs geeignetes Wärme erzeugendes Widerstandselement ergibt, das in der Lage ist, die Aufgaben der vorliegenden Erfindung zu erfüllen. Die Erfinder habe neues Wissen darüber erlangt, dass die vorgenannten Aufgaben der vorliegenden Erfindung durch Zugeben von N als eine elementare Komponente zu Cr und Si und Annehmen der vorgenannten spezifischen Atomzahlzusammensetzung erreicht werden kann, wobei sie die vorliegende Erfindung gemacht haben.
Erfindungsgemäß kann ein Wärme erzeugendes Schichtwiderstandselement als Material für das Wärme erzeugende Widerstandselement bereit gestellt werden, das ein ausgezeichnetes thermisches Ansprechverhalten bei einer Steuerung mit einem relativ kurzen Impuls hat, einen hohen Flächenwiderstand zu liefern vermag und für eine weitere Miniaturisierung der Heizergröße geeignet ist. Ebenso ist es durch Verwenden eines solchen Wärme erzeugenden Schichtwiderstandselements in einem Wärme erzeugenden Widerstandselement des elektrothermischen Wandlerelements möglich, einen Tintenstrahldrucker, einen darin zu verwendenden Tintenstrahldruckkopf und ein Substrat zum Bilden eines solchen Tintenstrahldruckkopfs, wobei ein stabiler Tintenausstoß sogar im Fall eines kleineren Punkts für eine höhere Definition des gedruckten Bilds oder eine Hochgeschwindigkeitssteuerung für Hochgeschwindigkeitsdrucken ermöglicht ist, bereit zu stellen und hierdurch den Verbrauch an elektrischer Energie zu vermindern und Energie zu sparen.
Wie im Vorhergehenden erklärt, ist ein Wärme erzeugendes Schichtwiderstandselement der vorliegenden Erfindung, und sind insbesondere eine Mehrzahl Wärme erzeugender Widerstandselemente, zum Erzeugen von Wärmeenergie für den Tintenausstoß, aus einer Schicht aus einem Material, nämlich CrSiN mit der Zusammensetzung Cr: 17 bis 20 Atom-%, Si: 42 bis 55 Atom-% und N: 28 bis 40 Atom-%, gebildet.
Das Wärme erzeugende Widerstandselement des Tintenstrahldruckkopfs der vorliegenden Erfindung kann die gewünschte Haltbarkeit auch bei Steuerung mit kurzem Impuls erreichen und hierdurch über einen längeren Zeitraum ein Druckbild mit einer hohen Qualität liefern. Positive und sehr kleine TCR-Kennlinien werden als wesentlicher Beitrag für eine solche Leistung angesehen.
Der Tintenstrahldruckkopf der vorliegenden Erfindung ermöglicht einen hohen Wärme erzeugenden Widerstand, der für einen kleineren Punkt geeignet ist und ermöglicht eine hohe Energieeffizienz, wodurch die Wärmeerzeugung gehemmt und Energie sparen ermöglicht wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht eines Substrats für einen Tintenstrahldruckkopf;
2 ist eine vertikale Schnittansicht des Substrats entlang der strichpunktierten Linie 2-2 in 1;
3A und 3B sind Diagramme, die verschiedene Steuerbedingungen in verschiedenen Heizergrößen zeigen;
4 ist eine Ansicht einer Schicht bildenden Vorrichtung zum Erzeugen von Schichten des Substrats für einen Tintenstrahldruckkopf der vorliegenden Erfindung;
5 ist ein Diagramm, das Ergebnisse eines CST-Tests in einem Beispiel der vorliegenden Erfindung und einem Vergleichsbeispiel zeigt;
6 ist ein Diagramm des spezifischen Widerstandes als Funktion des Stickstoffpartialdrucks in einer ein Wärme erzeugendes CrSiN-Schichtwiderstandselement bildenden Widerstandsschicht;
7A und 7B sind Ansichten einer weiteren Ausführungsform des Tintenstrahldruckkopfs; und
8 ist eine Ansicht eines Beispiels eines Tintenstrahldruckers.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ein Wärme erzeugendes Schichtwiderstandselement der vorliegenden Erfindung ist gebildet aus Cr, Si und N mit der folgenden Zusammensetzung:
Cr: 17 bis 20 Atom-%,
Si: 42 bis 55 Atom-% und
N: 28 bis 40 Atom-%,
welche sich zu 100 Atom-% addieren.
Das Wärme erzeugende Schichtwiderstandselement kann im Rahmen einer Menge, die die gewünschten Eigenschaften nicht beeinträchtigt, auch ein von den vorgenannten Elementen verschiedenes Spurenelement enthalten, und kann eine Schicht sein, in der eine Summe aus Cr, Si und N im Wesentlichen 100 Atom-% beträgt. Zum Beispiel beträgt der Anteil der summierten Zahl Atome (Cr + Si + N) in der das Material bildenden Gesamtzahl Atome vorzugsweise 99,5 Atom-% oder höher und stärker bevorzugt 99,9 Atom-% oder höher.
Insbesondere kann eine Oberfläche oder ein Inneres der Schicht oxidiert sein oder kann ein Gas in ein Reaktionsgebiet inkorporieren, während die Schicht der Luft ausgesetzt ist oder während der Herstellung zum Beispiel durch Sputtern, jedoch verschlechtert eine solche leichte Oxidation oder ein Einfangen von Gas wie Ar auf der Oberfläche oder im Innern nicht die Wirkung. Beispiele einer solchen Verunreinigung umfassen Ar und wenigstens ein Element, gewählt aus O, C, Si, B, Na und Cl.
Im Falle seiner Verwendung als Wärme erzeugendes Widerstandselement eines elektrothermischen Wandlerelements eines Tintenstrahldruckkopfs hat das Wärme erzeugende Schichtwiderstandselement bevorzugt eine Dicke von 200 bis 1000 Å, stärker bevorzugt 300 bis 800 Å.
Das Wärme erzeugende Schichtwiderstandselement mit der durch die vorgenannten Atomprozente definierten Zusammensetzung zeigt einen signifikant verbesserten Flächenwiderstand und kann eine zufrieden stellende Stabilität bei der Steuerung sicherstellen wenn es als Wärme erzeugendes Widerstandselement des elektrothermischen Wandlerelements des Tintenstrahldruckkopfs verwendet wird. Das Wärme erzeugende Schichtwiderstandselement mit der vorgenannten Zusammensetzung kann aufgrund eines hohen Flächenwiderstands zu einem zufrieden stellenden Steuerzustand bei gegebenem Stromverbrauch, insbesondere bei einem kleineren Strom, führen, und hat vorteilhafte Eigenschaften in Bezug auf Energieeinsparung und Anwendung auf ein einen kompakten Tintenstrahldrucker, der eine Batterie mit einem kleinen Strom verwendet. Ebenso ist das Ansprechverhalten auf ein Eingangssignal (Ausstoßbefehlssignal) an das elektrothermische Wandlerelement verbessert, wodurch ein für das Ausstoßen notwendiger stabiler Blasenerzeugungs-Zustand erhalten wird.
Das Wärme erzeugende Schichtwiderstandselement der vorgenannten Zusammensetzung kann zum Bauen eines Tintenstrahldruckkopfs und eines darin zu verwendenden Substrats verwendet werden, und kann weiterhin einen diese verwendenden Tintenstrahldrucker bereitstellen.
Ein Beispiel für den Aufbau eines solchen Tintenstrahldruckkopfs umfasst den oben anhand der 1 und 3 erläuterten Aufbau. Bei dem Tintenstrahldruckkopfsubstrat der vorliegenden Erfindung und den dieses verwendenden Tintenstrahldruckers wird das Wärme erzeugende Schichtwiderstandselement der vorgenannten Zusammensetzung in dem in 2 gezeigten Wärme erzeugenden Schichtwiderstandselement verwendet.
Das Tintenstrahldruckkopfsubstrat hat einen Grundaufbau mit einer Schutzschicht auf einem Wärme erzeugenden Widerstandselement. In einem solchen Fall kann, obgleich die Wärmeleitungseffizienz zur Tinte etwas verringert ist, durch eine elektrochemische Reaktion ein bezüglich Haltbarkeit des elektrothermischen Wandlerelements und Widerstandsänderung im Wärme erzeugenden Widerstandselement weiter verbesserter Tintenstrahldruckkopf erhalten werden. Unter einem solchen Gesichtspunkt hat die Schutzschicht vorzugsweise eine gesamte Dicke innerhalb eines Bereichs von 1000 Å bis 5 μm. Beispielsweise setzt sich die Schutzschicht bevorzugt zusammen aus einer Si-enthaltenden Isolierschicht wie SiO₂ oder SiN auf dem Wärme erzeugenden Widerstandselement, gefolgt von einer Ta-Schicht, um eine Wärmewirkfläche zu erhalten.
Das Tintenstrahldruckkopfsubstrat der vorliegenden Erfindung umfasst wenigstens einen Aufbau, der, auf einem Substrat, versehen ist mit einem elektrothermischen Wandlerelement, das ein Wärme erzeugendes Widerstandselement zum Erzeugen von Wärmeenergie durch Stromzufuhr zur Verwendung zum Tintenausstoß aufweist und enthält weiterhin wenigstens eine Elektrode eines Elektrodenpaars, die mit dem Wärme erzeugenden Widerstandselement verbunden ist, und eine Schutzschicht, die wenigstens das Wärme erzeugende Widerstandselement bedeckt.
In dem in 2 gezeigten Aufbau ist die Elektrodenschicht 2005 auf das Wärme erzeugende Schichtwiderstandselement 2004 laminiert, und das elektrothermische Wandlerelement ist gebildet durch einen exponierten Abschnitt des Schichtwiderstandselements 2004 zwischen einem Paar gegenüber liegender Endabschnitte der Elektrodenschicht 2005; das Wärme erzeugende Schichtwiderstandselement mit seinem exponierten Abschnitt hat dann die Funktion als ein Widerstandselement. Die Lage-Beziehung von Wärme erzeugendem Schichtwiderstandselement und der Elektrodenschicht kann auch so sein, dass die Endabschnitte der Elektrodenschicht unter dem Wärme erzeugenden Schichtwiderstandselement positioniert sind.
Ein Tintenstrahldruckkopf kann durch Ausbilden wenigstens eines wie in 1 gezeigten Tintenflusspfads in einer Position entsprechend jeder Wärmewirkfläche des in 2 gezeigten Substrats erhalten werden. Der Tintenflusspfad kann mit Hilfe eines bereits bekannten Materials und Verfahrens erzeugt werden.
Bei dem in den 1 und 2 gezeigten Aufbau kann die Lage-Beziehung von Ausstoßöffnung und Tintenflusspfads so sein, dass die Tintenzuführrichtung im Tintenflusspfad und die Tintenausstoßrichtung aus der Ausstoßöffnung im Wesentlichen zusammenfallen, jedoch ist der Tintenstrahldruckkopf der vorliegenden Erfindung nicht auf einen solchen Aufbau eingeschränkt und es kann beispielsweise auch ein Aufbau, wie er in den 7A und 7B gezeigt ist, angenommen werden, wobei eine durch ein Stützglied 412 gestützte und einen Teil (Decken-Abschnitt) des Tintenflusspfads bildende Öffnungsplatte 410 mit mehreren Ausstoßöffnungen 108 versehen ist und der Ausstoß aus der Ausstoßöffnung gegenüber der Tintenzuführrichtung in den Tintenflusspfad abgewinkelt (in senkrechter Richtung im dargestellten Beispiel) ist.
Der Tintenstrahldruckkopf der vorliegenden Erfindung hat vorzugsweise einen Aufbau mit einer Tintenausstoßstruktureinheit einschließlich der Ausstoßöffnung, des Tintenfließpfads und des Wärme erzeugenden Widerstandselements, in mehreren Einheiten, wie in 1 gezeigt ist. Da das in dem Wärme erzeugenden Widerstandselement verwendete Wärme erzeugende Schichtwiderstandselement einen hohen Flächenwiderstand hat und zur Kompaktisierung geeignet ist, ist die vorliegende Erfindung im Falle einer Anordnung der Tintenausstoßeinheiten in hoher Dichte, z.B. 8 Einheiten/mm oder mehr oder 12 Einheiten/mm oder mehr, besonders effektiv. Ein Beispiel für die Konfiguration mit solchen in Mehrzahl vorhandener Tintenausstoßstruktureinheiten ist der so genannte Tintenstrahldruckkopf vom Vollzeilentyp, bei dem die Tintenausstoßstruktureinheiten über die gesamte Breite des Druckgebietes eines Aufzeichnungsmaterials angeordnet sind.
In einem solchen Tintenstrahldruckkopf vom Vollzeilentyp, bei dem die Ausstoßöffnungen über die Breite des Druckgebietes des Druckmaterials angeordnet sind, nämlich ein Tintenstrahldruckkopf mit 1000 oder mehr, insbesondere 2000 oder mehr Ausstoßöffnungen, beeinträchtigt eine Fluktuation im Widerstand in den Wärme erzeugenden Abschnitten innerhalb eines einzelnen Tintenstrahldruckkopfs die Einheitlichkeit im Volumen der von den Ausstoßöffnungen ausgestoßenen Tröpfchen und führt somit zu einer Ungleichmäßigkeit in der Bilddichte. Jedoch vermag das Wärme erzeugende Widerstandselement der vorliegenden Erfindung einen gewünschten spezifischen Widerstand bei zufrieden stellender Kontrolle und extrem kleiner Fluktuation des Widerstands innerhalb eines einzigen Tintenstrahldruckkopfs bereitzustellen, wodurch der vorgenannte Nachteil in einem signifikant verbesserten Zustand überführt wird.
Wie im Vorhergehenden erklärt, ist das Wärme erzeugende Widerstandselement bedeutsam für den jüngsten Trend zu höherer Geschwindigkeit (zum Beispiel eine Druckgeschwindigkeit von 30 cm/s oder höher oder sogar 60 cm/s oder höher) und höherer Dichte für das Drucken, was nach entsprechender Zunahme der Ausstoßöffnungen des Tintenstrahldruckkopfs verlangt.
Bei einem Tintenstrahldruckkopf mit einem Aufbau, bei dem ein funktionelles Element in einer Oberfläche eines Tintenstrahldruckkopfsubstrats strukturell inkorporiert ist, wie im US-Patent Nr. 4,429,321 offenbart ist, ist es ebenfalls einer der wichtigsten Punkte, die elektrischen Stromkreise des gesamten Tintenstrahldruckkopfs exakt wie vorgegeben auszubilden, wodurch es erleichtert ist, die Funktion des funktionellen Elements im Normalzustand aufrecht zu erhalten, und auch hier ist in diesem Punkt das Wärme erzeugende Widerstandselement der vorliegenden Erfindung extrem effektiv. Wie im Vorhergehenden erklärt, ist dies so, weil es mit dem Wärme erzeugenden Widerstandselement der vorliegenden Erfindung möglich ist, einen gewünschten spezifischen Widerstand bei zufrieden stellender Kontrolle und extrem kleiner Fluktuation des Widerstands innerhalb eines einzelnen Tintenstrahldruckkopfs zu erhalten, und die elektrischen Stromkreise des gesamten Tintenstrahldruckkopfs genau wie vorgegeben gebildet werden können.
Zusätzlich ist das Wärme erzeugende Widerstandselement der vorliegenden Erfindung extrem effektiv bei einem Tintenstrahldruckkopf vom Einweg-Kartuschentyp, bei dem ein die zur Wärmewirkfläche zu liefernde Tinte speichernder Tintentank integriert angeordnet und falls notwendig abnehmbar ist. Der Tintenstrahldruckkopf eines solchen Typs soll niedrige Betriebskosten des gesamten Tintenstrahldruckers, in dem der Tintenstrahldruckkopf montiert werden soll, ermöglichen, und das Wärme erzeugende Widerstandselement der vorliegenden Erfindung kann so aufgebaut sein, dass es in direkten Kontakt mit der Tinte kommt, wie im Vorhergehenden erklärt ist, um eine zufrieden stellende Wärmeübertragungseffizienz zur Tinte zu erreichen, wodurch der elektrische Stromverbrauch im gesamten Drucker verringert und das vorgenannte Erfordernis leicht erfüllt wird.
Es kann ebenso nicht nur zum Erzeugen von für den Tintenausstoß erforderlicher Wärmeenergie verwendet werden, sondern auch als Heizer, der, falls notwendig, zum Heizen eines gewünschten Abschnitts innerhalb des Tintenstrahldruckkopfs vorgesehen ist, und wird insbesondere vorzugsweise dann verwendet, wenn ein solcher Heizer in direkten Kontakt mit der Tinte kommt.
Ein Tintenstrahldrucker, der zum Hochgeschwindigkeitsdrucken und Bilddrucken mit einer hohen Bildqualität geeignet ist, kann durch Montieren des Tintenstrahldruckkopfs des vorgenannten Aufbaus in einem Hauptkörper des Druckers und Speisen des Tintenstrahldruckkopfs mit einem Signal des Drucker-Hauptkörpers erhalten werden.
8 ist eine schematische Schrägansicht eines beispielhaften Tintenstrahldruckers IJRA, bei dem die vorliegende Erfindung anwendbar ist. Ein Schlitten HC ist mit einem Stift versehen (nicht gezeigt), der in eine Spiralnut 5004 einer Führungsschraube 5005 greift, die über Kraftübertragungsgetrieberäder 5011, 5012 durch eine Vorwärts- oder Rückwärtsdrehung eines Antriebsmotors 5013 gedreht werden, und wird in den Richtungen a, b hin und her bewegt. Eine Papierandrückplatte 5002 drückt ein Papier über die Bewegungsrichtung des Schlittens auf eine Platine 5000. Photokoppler 5007, 5008 bilden Heimpositionsdetektoren zum Detektieren der Präsenz eines Hebels 5006 des Schlittens in diesem Bereich, wodurch die Drehrichtung des Motors 5013 umgeschaltet wird. Ein Glied 5016 stützt eine Kappe 5022 zum Bedecken der gesamten Oberfläche eines Tintenstrahldruckkopfs IJC vom Kartuschentyp, der einen Tintentank integriert enthält, und ein Sauger 5015 zum Saugen des Innern einer solchen Kappe führt eine Saugwiederherstellung des Tintenstrahldruckkopfs durch eine Öffnung 5023 in der Kappe durch.
Eine Reinigungsklinge 5017 und ein Glied 5019 zum Bewegen der Klinge in einer Rückwärts-Vorwärts-Richtung werden durch eine Stützplatte 5018 des Hauptkörpers gestützt. Die Klinge ist nicht auf eine solche Form eingeschränkt, und jede bekannte Reinigungsklinge kann bei der vorliegenden Ausführungsform angewendet werden. Ein Hebel 5012 zum Initiieren des Saugens der Saugwiederherstellung wird durch eine Bewegung einer in den Schlitten greifenden Nocke 5020 bewegt und wird durch eine Antriebskraft des Antriebsmotors durch bekannte Übertragungsmittel wie eine Kupplung bewegt. Eine CPU (nicht gezeigt) zum Speisen des in dem Tintenstrahldruckkopf IJC angeordneten, elektrothermischen Wandlerelements mit einem Signal und zum Steuern der vorgenannten Mechanismen ist im Hauptkörper des Druckers angeordnet.
Das Vorhergehende erläutert einen Drucker eines Typs, bei dem ein Tintenstrahldruckkopf auf den Schlitten montiert ist und eine Scanbewegung relativ zum Druckmedium ausführt, jedoch können der Tintenstrahldruckkopf und der Tintenstrahldrucker der vorliegenden Erfindung auch als ein Drucker vom Füllertyp aufgebaut sein, bei dem der Tintenstrahldruckkopf und der Tintentank integriert sind. Ebenso kann der Tintenstrahldruckkopf versehen sein mit einer Tintenkammer, in der die dem Tintenflusspfad zuzuführende Tinte enthalten ist und die, falls notwendig, mehreren Tintenflusspfaden gemeinsam ist, wobei ein Vollfarbenbild bei Befüllen der Tintenkammern mit Tinten unterschiedlicher Farben, zum Beispiel Cyan, Magenta, Gelb und, falls notwendig, Schwarz gedruckt werden kann. Ebenso kann der die Tinte speichernde Tintentank mit dem Tintenstrahldruckkopf wie zuvor erklärt wurde, integriert oder lösbar mit diesem verbunden sein. Andererseits kann er, falls notwendig, statt mit dem Tintenstrahldruckkopf verbunden zu sein, mit einem anderen Teil des Tintenstrahldruckers lösbar verbunden sein.
Bei den oben beschriebenen Konfigurationen können auch andere Teile als das Wärme erzeugende Widerstandselement mit bereits bekannten Materialien und Verfahren gebildet werden.
Das Wärme erzeugende Schichtwiderstandselement kann durch verschiedene schichtbildende Verfahren als Schicht mit der vorgenannten Zusammensetzung, die die vorbestimmten Eigenschaften befriedigt, hergestellt werden. Unter diesen Verfahren ist reaktives Sputtern, insbesondere Magnetron-Sputtern mit hochfrequenter Wechselstromversorgung (RF) oder Gleichstromversorgung (DC) als Stromversorgung, bevorzugt.
Zum Beispiel kann ein Wärme erzeugendes Schichtwiderstandselement auf einem Substrat durch reaktives Sputtern mit einer CrSi-Legierung als Target in einer Stickstoffgas und Argongas umfassenden Gasgemischatmosphäre hergestellt werden.
4 zeigt schematisch ein Beispiel einer mit Hilfe reaktiven Sputterns betriebenen Schichtbildungs-Vorrichtung.
In 4 sind gezeigt: ein Cr-Si-Target 4001, das im Voraus in einer vorbestimmten Zusammensetzung hergestellt wurde; ein flacher Plattenmagnet 4002; einen Verschluss 4011 zum Steuern der Schichtbildung auf einem Substrat; ein Substrathalter 4003; ein Substrat 4004; und eine mit dem Target 4001 und dem Substrathalter 4003 verbundene Stromversorgung 4006. In 4 ist auch ein externer Heizer 4008 gezeigt, der eine externe periphere Wand einer Schichtbildungskammer 4009 umgibt. Der externe Heizer 4008 wird zum Regulieren einer Atmosphärentemperatur der Schichtbildungskammer 4009 verwendet. Auf einer rückseitigen Fläche des Substrathalters 4003 ist ein interner Heizer 4005 zum Steuern der Temperatur des Substrats angeordnet. Die Temperatursteuerung des Substrats 4004 wird vorzugsweise in Kooperation mit dem externen Heizer 4008 durchgeführt.
Eine Schichtbildung mit der in 4 gezeigten Vorrichtung wird in der folgenden Weise durchgeführt.
Zunächst wird mit einer nicht dargestellten Absaugpumpe und über ein Absaugventil 4007 die Schichtbildungskammer 4009 auf 1 × 10^–5 bis 1 × 10^–6 Pa evakuiert. Dann wird ein Gasgemisch aus Argongas und Stickstoffgas durch einen Massenflusskontroller (nicht gezeigt) in die Schichtbildungskammer 4009 über eine Gaseinbringöffnung 4010 eingebracht. In diesem Zustand wird der interne und der externe Heizer 4005 und 4008 so reguliert, dass das Substrat und die Atmosphäre vorbestimmte Temperaturen erreichen.
Dann wird elektrische Spannung von der Stromversorgung 4006 an das Target 4001 angelegt, um eine Sputterentladung zu bewirken, und der Verschluss 4011 wird eingestellt, um eine Schicht auf dem Substrat 2004 zu bilden. Die schichtbildenden Bedingungen werden hierbei so eingestellt, dass die vorgenannte Zusammensetzung erhalten wird.
Das auf dem Substrat gebildete, Wärme erzeugende Schichtwiderstandselement wird vorzugsweise weiterhin einer Wärmebehandlung unterzogen. Die Wärmebehandlung kann in der Sputter-Vorrichtung kontinuierlich oder als nachträglicher Schritt in einer weiteren Vorrichtung durchgeführt werden.
Diese Wärmebehandlung erzeugt eine aus CrSi₂ in CrSiN gebildete intermetallische Verbindung, die das Wärme erzeugende Schichtwiderstandselement bildet, und kann eine Verbesserung in der Haltbarkeit erzielen, wobei eine solche intermetallische Verbindung thermisch stabil ist und einen kleinen TCR hat. Basierend auf diesen Tatsachen liegt das Zusammensetzungsverhältnis von Cr und Si vorzugsweise nahe 1:2. Es wird angenommen, dass der spezifische Widerstand durch einen Einschluss von N in einem solchen Zustand erhöht wird. Das aus einem solchen Schichtwiderstandselement gebildete Wärme erzeugende Widerstandselement kann eine gewünschte Haltbarkeit und eine hohe Energieeffizienz auch im Falle einer kontinuierlichen Steuerung mit kurzen Impulsen und mit einer kleinen Heizergröße liefern, wodurch eine Energieeinsparung durch Hemmen von Wärmeerzeugung und die Bereitstellung eines gedruckten Bilds in hoher Qualität ermöglicht ist. Das so gebildete Wärme erzeugende Schichtwiderstandselement kann durch verschiedene Musterungsverfahren, z.B. ein Trockenätzverfahren, in einem Zustand, in dem der übrig zu lassende Abschnitt mit einem Resist-Material bedeckt ist, gebildet werden, wodurch ein unnötiger Abschnitt vom Substrat entfernt wird.
Beispiele
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung durch Beispiele erläutert. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese eingeschränkt, sondern ist auch bei einer für andere Möglichkeiten verwendbare Widerstandschicht anwendbar, solange die Aufgaben der vorliegenden Erfindung erreicht werden können.
Experiment 1
(Untersuchung der Schichtproduktionsstabilität)
Eine Untersuchung der Produktionsstabilität einer CrSiN-Schicht wurde durchgeführt. Schichtbildungen wurden durchgeführt, indem ein Stickstoffpartialdruck bei den Hauptsputterbedingungen mit einer Targetzusammensetzung von Cr₃₀Si₇₀ (Atom-%), einer Leistung von 350 W und einem Gasdruck von 0,5 Pa variiert wurde, und es wurde eine Beziehung zwischen dem Stickstoffpartialdruck und dem spezifischen Widerstand bestimmt (bezüglich der Sputter-Vorrichtung wird auf 4 Bezug genommen). Die Ergebnisse sind in 6 gezeigt. Wie sich aus dem Diagramm ergibt, ist der spezifische Widerstand ungefähr proportional zum Stickstoffpartialdruck von bis zu 15% (spezifischer Widerstand: bis zu ca. 1700 μΩcm) und nimmt bis zu einem Stickstoffpartialdruck bis zu ca. 20% monoton zu. Eine solche Beziehung zeigt einen erhöhten Bereich in der Änderung des Stickstoffpartialdrucks für den spezifischen Widerstand, und zeigt an, dass sich das Material bezüglich der Stabilität für die Massenproduktion ausgezeichnet eignet.
Die CrSiN-Schicht ist zum Beispiel in der Japanischen Patentveröffentlichung Nr. H2-18651, US-Patente Nr. 4,392,992, 4,510,178, 4,591,821 usw. offenbart, jedoch lehren diese Referenzen in keiner Weise, welche atomare Zusammensetzung als Wärme erzeugendes Widerstandselement für das elektrothermische Wandlerelement des Tintenstrahldruckkopfs nützlich ist, noch schlagen sie diese vor.
(Untersuchung des Tintenstrahldruckkopfsubstrats)
Beispiel 1
(Herstellung des Substrats der in 2 gezeigten Konfiguration)
Zunächst wurde auf einem Siliciumsubstrat 2001 eine Wärmespeicherschicht 2002 einer Dicke von 1,8 μm durch thermische Oxidation gebildet, und eine auch als Wärmespeicherschicht dienende SiO₂-Schicht wurde als Zwischenschicht 2003 einer Dicke von 1,8 μm durch Plasma-CVD erzeugt. Dann wurde mit der in 4 gezeigten Vorrichtung eine CrSiN-Schicht einer Dicke von 400 Å als Wärme erzeugendes Schichtwiderstandselement 2004 erzeugt.
Dieser Vorgang wurde durchgeführt mit Gasdurchsätzen für Ar-Gas: 64 sccm und für N₂-Gas: 20 sccm, einer dem Target Cr₃₀Si₇₀ zugeführten Leistung von 350 W, einer Atmosphärentemperatur von 200°C und einer Substrattemperatur von 200°C. Weiterhin wurde als eine Metallzuleitung 2005 zum Wärme erzeugenden Schichtwiderstandselement 2004 in der Wärmewirkfläche 2008 eine Al-Cu-Schicht durch Sputtern in einer Dicke von 5500 Å gebildet.
Es wurde dann durch einen photolithographischen Prozess gemustert, um eine Wärmewirkfläche 2008 von 15 × 40 μm (planare Größe) zu erzeugen, wobei die Al-Cu-Schicht entfernt wurde. Als Schutzschicht 2006 wurde eine SiN-Schicht einer Dicke von 1 μm durch Plasma-CVD erzeugt. Im vorliegenden Beispiel wurde das Substrat auch ca. 1 Stunde lang bei 400°C warmbehandelt. Schließlich wurde als Antikavitationsschicht 2007 eine Ta-Schicht einer Dicke von 2000 Å durch Sputtern gebildet, um das Substrat der vorliegenden Erfindung zu komplettieren. Das Wärme erzeugende Schichtwiderstandselement mit dem vorgenannten Aufbau hatte einen Flächenwiderstand von 910 Ω/☐. Der TCR betrug ca. 40 ppm/°C.
In einer RBS-Zusammensetzungsanalyse hatte das CrSiN ein Zusammensetzungsverhältnis von Cr: 20 Atom-%, Si: 42 Atom-% und N: 38 Atom-% (RBS ist eine allgemeine quantitative Analyse für eine Schichtzusammensetzung und meint Rutherford-Rückstreuung.
Vergleichsbeispiel 1
Ein Substrat des Vergleichsbeispiels 1 wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, jedoch mit der Ausnahme, dass das Wärme erzeugende Schichtwiderstandselement wie folgt geändert wurde. In der in 4 gezeigten Vorrichtung wurde ein binäres simultanes Sputtern mit Ta- und Si-Targets durchgeführt, um eine TaSiN-Schicht einer Dicke von 1000 Å zu erzeugen.
Dieser Vorgang wurde durchgeführt mit Gasdurchsätzen für Ar-Gas: 45 sccm und für N₂-Gas: 15 sccm, einem Stickstoffpartialdruck von 25%, einer dem Si-Target zugeführten Leistung von 500 W, einer Atmosphärentemperatur von 200°C und einer Substrattemperatur von 200°C. Das Wärme erzeugende Schichtwiderstandselement hatte einen Flächenwiderstand von 270 Ω/☐.
Es erfolgte eine Untersuchung nach folgenden Punkte auf den in Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 erhaltenen Substraten.
Eine Blasen erzeugende Spannung Vth für den Tintenausstoß wurde mit den in Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 hergestellten Substraten bestimmt. Ebenso wurde ein Strom in einer Steuerung unter Verwendung einer Steuerspannung von 1,2 Vth gemessen (1,2 mal der Blasenerzeugungsspannung Vth) und eine Steuerimpulsbreite von 2 μs.
Beispiel 1 lieferte Vth = 36 V und einen Strom von 16 mA, während Vergleichsbeispiel 1 einen Wert für Vth = 24 V und einen Strom von 35 mA lieferte.
Im Vergleich der Substrate von Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung und Vergleichsbeispiel 1 war, basierend auf diesen Ergebnissen, der Strom etwa halb so groß wie der im Vergleichsbeispiel. Da es in einem tatsächlichen Druckkopf mehrere gleichzeitig zu steuernde Wärme erzeugende Widerstandselemente gibt, wird der Stromverbrauch viel kleiner als im Vergleichsbeispiel und liefert somit einen Energiespareffekt.
(Haltbarkeit)
Ebenso erfolgte eine Untersuchung der Haltbarkeit bei thermischer Belastung durch unterbrochene Impulse, indem das das Wärme erzeugende Widerstandselement unter den folgenden Bedingungen gesteuert wurde.
Haupttestbedingungen:
Steuerfrequenz: 15 kHz, Steuerimpulsbreite: 1 μs, Steuerspannung: Blasen erzeugende Spannung × 1,2. Als Ergebnis zeigten Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 keinen Bruch bis zu 4,0 × E9 (4,0 × 10⁹) Impulsen. Diese Ergebnisse zeigen, dass das die vorliegende Erfindung verkörpernde Substrat ausreichend der kurzen Impulssteuerung standhalten kann.
Ebenso wurde eine ähnliche Bewertung an Vergleichsbeispiel 2 durchgeführt, das in der folgenden Weise hergestellt wurde.
Ein Substrat von Vergleichsbeispiel 2 wurde wie nach Beispiel 1 hergestellt, mit Ausnahme, dass das Wärme erzeugende Schichtwiderstandselement 2004 in der folgenden Weise geändert wurde. In der in 4 gezeigten Vorrichtung wurde ein binäres gleichzeitiges Sputtern mit Ta- und Si-Targets durchgeführt, um eine TaSiN-Schicht einer Dicke von 1000 Å zu erzeugen. Dieser Vorgang wurde durchgeführt mit Gasdurchsätzen für Ar-Gas: 42 sccm und für N₂-Gas: 18 sccm, einem Stickstoffpartialdruck von 30%, einer dem Ta-Target zugeführten Leistung von 400 W, einer dem Si-Target zugeführten Leistung von 50 bis 200 W, einer Atmosphärentemperatur von 200°C und einer Substrattemperatur von 200°C. In einer RBS-Zusammensetzungsanalyse hatte das CrSiN ein Zusammensetzungsverhältnis von Ta: 32 Atom-%, Si: 6 Atom-% und N: 62 Atom-%. Das Wärme erzeugende Schichtwiderstandselement in Vergleichsbeispiel 2 hatte einen spezifischen Widerstand von 9800 μΩcm.
Das so hergestellte Substrat von Vergleichsbeispiel 2 zeigte einen Bruch weit vor 4,0 × E9 (4,0 × 10⁹) Impulsen und zeigte somit eine unzureichende Haltbarkeit, obgleich der Widerstand ausreichend war.
Bei der vorliegenden Erfindung ist als die CrSiN-Schicht hohen und stabilen Widerstandes das Wärme erzeugende Schichtwiderstandselement aus Cr, Si und N mit der folgenden Zusammensetzung gebildet:
Cr: 15 bis 20 Atom-%,
Si: 40 bis 60 Atom-% und
N: 20 bis 45 Atom-%,
welche sich zu 100% addieren.
Es wird angenommen, dass die Haltbarkeit unzureichend wird, falls Cr < 15 Atom-% und N > 45 Atom-%, und dass der Widerstand unzureichend wird, falls Cr > 20 Atom-%, Si > 60 Atom-% und N < 20 Atom-%.
Die folgende Bewertung wurde durchgeführt, um diese Punkte zu bestätigen.
(Bewertung der Eigenschaften für Tintenstrahl)
Um die Eigenschaften als Wärme erzeugendes Widerstandselement für ein Substrat für einen Tintenstrahldruckkopf zu bewerten, wurden Tintenstrahldruckköpfe hergestellt mit einer CrSiN-Schicht, die hergestellt waren im Schichterzeugungsverfahren nach dem vorhergehenden Beispiel mit Hilfe der Vorrichtung nach 4 unter den Schichterzeugungsbedingungen der Beispiele 1 und 2 und mit einer weiteren Schichterzeugungsbedingung, und versehen mit einem Tintenflusspfad, der entsprechend zu jedem Wärme erzeugenden Widerstandselement des Substrats der in 1 und 2 gezeigten Struktur ausgebildet ist. Dabei wurden die Eigenschaften solcher Köpfe untersucht.
Ein Substrat eines Beispiels für die Untersuchung der Tintenstrahleigenschaften im vorliegenden Beispiel war ein Si-Substrat wie nach Beispiel 1 oder ein Si-Substrat, in dem ein Steuer-IC bereits ausgebildet war.
Im Falle des Si-Substrats wurde eine SiO₂-Wärmespeicherschicht 2002 (2) einer Dicke von 1,8 μm durch thermische Oxidation, Sputtern oder CVD hergestellt. Im Falle des Si-Substrats mit inkorporierter IC wurde die SiO₂-Wärmespeicherschicht im betreffenden Herstellungsprozess mit hergestellt.
Dann wurde eine Isolationszwischenschicht 2003 aus SiO₂ einer Dicke von 1,2 μm durch Sputtern oder CVD hergestellt, sodann ein Wärme erzeugendes Schichtwiderstandselement durch Sputtern mit einem CrSi-Target. Es wurden eine dem Target zugeführte Leistung von 350 W, Gasdurchsätze gemäß Beispiel 1 und eine Substrattemperatur von 200°C verwendet.
Dann wurde als Elektrodenverdrahtung 2005 eine Al-Si-Schicht mit 5500 Å durch Sputtern erzeugt, die dann mit einem photolithographischen Prozess gemustert wurde, um einen Wärmewirkungsabschnitt 2008 von 20 × 20 μm zu bilden, wo die Al-Si-Schicht eliminiert wurde. Dann wurde als Schutzschicht 2006 ein SiN-Isolator einer Dicke von 1 μm durch Plasma-CVD erzeugt. Auch in diesem Fall wurde zur Wärmebehandlung die Substrattemperatur für ca. 1 Stunde bei 400°C gehalten. Dann wurde als die Antikavitationsschicht 2007 eine Ta-Schicht einer Dichte von 2300 Å durch Sputtern erzeugt. Sodann wurde ein Tintenstrahldruckkopfsubstrat der vorliegenden Erfindung, wie in 1 gezeigt, durch einen photolithographischen Prozess hergestellt.
Ein CST-Test wurde mit einem so hergestellten Substrat durchgeführt.
5 zeigt eine Widerstandsänderungsrate in den Beispielen 1 bis 4, wenn kontinuierliche Impulse mit einer Steuerspannung Vop = 1,4 Vth in gereinigtem Wasser, eine Steuerfrequenz von 15 kHz, eine Steuerimpulsbreite von 1 μs und eine Impulszahl von 1,0 × 10⁹ Impulsen zugeführt wurden.
CST-Untersuchung

Probe 1: Cr₁₄Si₅₁N₃₅ (Target-Zusammensetzungsverhältnis: Cr/Si = 22,5/77,5, spezifischer Widerstand: 4500 μΩcm);
Probe 2: Cr₁₇Si₄₇N₃₆ (Target-Zusammensetzungsverhältnis: Cr/Si = 27,5/72,5, spezifischer Widerstand: 4500 μΩcm);
Probe 3: Cr₂₂Si₅₈N₂₀ (Target-Zusammensetzungsverhältnis: Cr/Si = 30,0/70,0, spezifischer Widerstand: 1400 μΩcm);
Probe 4: Cr₁₈Si₅₀N₃₂ (Target-Zusammensetzungsverhältnis: Cr/Si = 27,5/72,5, spezifischer Widerstand: 3000 μΩcm);

Wie sich aus 5 ergibt, zeigten die Proben 2 und 4 entsprechend den Beispielen der vorliegenden Erfindung eine Widerstandsänderung von 10% oder weniger bei 1,0 × 10⁹ Impulsen, jedoch zeigten die Vergleichsbeispiele der vorliegenden Erfindung einen Bruch vor 1,0 × 10⁹ Impulsen, was somit eine unzureichende Haltbarkeit anzeigte.
Ein CST-Test wurde in gleicher Weise an Proben mit den folgenden Zusammensetzungsverhältnissen, die durch geeignete Änderungen der Bedingungen gewonnen wurden, durchgeführt.

Probe 5: Cr₁₈Si₄₂N₄₀ (ρ: 4500 μΩcm);
Probe 6: Cr₂₀Si₄₂N₃₈ (ρ: 4100 μΩcm);
Probe 7: Cr₁₇Si₅₅N₂₈ (ρ: 2200 μΩcm);
Probe 8: Cr: 22, Si: 52, N: 26% (Target-Zusammensetzungsverhältnis: Cr/Si = 30,0/70,0; ρ = 1200 μΩcm);
Probe 9: Cr: 23, Si: 62, N: 15% (Target-Zusammensetzungsverhältnis: Cr/Si = 27,5/72,5; ρ = 1500 μΩcm);
Probe 10: Cr: 15, Si: 40, N: 45% (Target-Zusammensetzungsverhältnis: Cr/Si = 27,5/72,5; ρ = 6000 μΩcm).

Als ein Ergebnis zeigten die Proben 5, 6 und 7 entsprechend den Beispielen der vorliegenden Erfindung einen ausreichenden Widerstand und eine Widerstandsänderungsrate von 10% oder weniger bei 1,0 × 10⁹ Impulsen.
Andererseits hatten die Proben 8 und 9 keinen gewünschten Widerstand und zeigten einen Bruch vor 1,0 × 10⁹ Impulsen. Die Probe 10 hatte zwar einen gewünschten Widerstand, zeigte jedoch einen Bruch vor 1,0 × 10⁹ Impulsen und hatte somit unzureichende Haltbarkeit.

Claims

Tintenstrahldruckkopf zum Ausstoßen von Tinte unter Einsatz von Wärmeenergie, die erzeugt wird durch ein Wärme erzeugendes Schichtwiderstandselement, das sich aus Cr, Si und N zusammensetzt, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtwiderstandselement die folgende Zusammensetzung aufweist: Cr: 17 bis 20 Atom-%, Si: 42 bis 55 Atom-% und N: 28 bis 40 Atom-% welche sich zu 100 Atom-% addieren oder das Schichtwiderstandselement sich zu 99,5 bis 100 Atom-% zusammensetzt aus Cr, Si und N und einem Rest an Verunreinigung.
Tintenstrahldruckkopf gemäß Anspruch 1, bei welchem das Schichtwiderstandselement eine Dicke innerhalb eines Bereichs von 200 bis 1000 Å hat.
Tintenstrahldruckkopf gemäß Anspruch 2, bei welchem das Schichtwiderstandselement eine Dicke innerhalb eines Bereichs von 300 bis 800 Å hat.
Tintenstrahldrucker, umfassend einen Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, und ein Montageglied für den Tintenstrahldruckkopf.