JP2000168088A - Heating resistor and its manufacture - Google Patents

Heating resistor and its manufacture

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JP2000168088A
JP2000168088A JP34804098A JP34804098A JP2000168088A JP 2000168088 A JP2000168088 A JP 2000168088A JP 34804098 A JP34804098 A JP 34804098A JP 34804098 A JP34804098 A JP 34804098A JP 2000168088 A JP2000168088 A JP 2000168088A
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Japan
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layer
film
heating
target
ink
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JP34804098A
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Japanese (ja)
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Koichi Tanaka
幸一 田中
Osamu Nakamura
修 中村
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Casio Computer Co Ltd
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Casio Computer Co Ltd
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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heating resistor having a protecting film of a film thickness of 100-500 Å and a high resistance to cavitation damage and electrolytic etching and its manufacture. SOLUTION: An approximately 7000 Å film of a double-layer structure of TaSiO is first formed by a thin film formation technique, on which an electrode film is formed. An electrode pattern of a common electrode 18 and an individual wiring electrode 21 is formed to the electrode film by a photolithographic technique, and a heating element pattern of a 40 μm×40 μm heating part 22 is formed to a resistor film of the double-layer structure. An Si/Ta mole ratio of an upper layer 22b of the resistor film of the double-layer structure is set smaller than an Si/Ta mole ratio of a lower layer 22a. The upper layer 22b including much Ta is oxidized with heat by annealing (heat treatment) for 10 minutes at a substrate temperature of 400 deg.C. In consequence, a 100-500 Åautoxidation protecting layer 22b-1 of a TaSiO film is formed on the heating part 22.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、キャビテーション
損傷と電蝕に耐性を有し熱効率良く気泡を発生する発熱
抵抗体に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a heating resistor which is resistant to cavitation damage and electrolytic corrosion and generates bubbles with high thermal efficiency.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、インクジェット方式のプリンタが
広く用いられている。このインクジェット方式によるプ
リンタには、気泡の発生する力でインク滴を飛ばすサー
マルジェット方式や、ピエゾ抵抗素子(圧電素子)の変
形によってインク滴を飛ばすピエゾ方式等がある。
2. Description of the Related Art In recent years, ink jet printers have been widely used. The ink jet printers include a thermal jet method in which ink droplets are ejected by the force of air bubbles and a piezo method in which ink droplets are ejected by deformation of a piezoresistive element (piezoelectric element).

【0003】これらは、色材たるインクをインク滴にし
て直接記録紙に向かって吐出するという工程により、粉
末状の印材であるトナーを用いる電子写真方式と比較し
た場合、印字エネルギーが低くて済み、インクの混合に
よってカラー化が容易であり、印字ドットを小さくでき
るので高画質であり、印字に使用されるインクの量に無
駄が無くコストパフォーマンスに優れており、このため
特にパーソナル用プリンタとして広く用いられている印
字方式である。
[0003] In these methods, a process in which ink as a color material is formed into ink droplets and directly ejected toward recording paper requires a lower printing energy as compared with an electrophotographic system using a toner as a powdery printing material. It is easy to colorize by mixing ink, and it is possible to reduce the size of printing dots, so that high image quality is achieved, the amount of ink used for printing is not wasted, and cost performance is excellent. This is the printing method used.

【0004】そして、上記のサーマルジェット方式に
は、インク滴の吐出方向により二通りの構成がある。す
なわち、発熱素子の発熱面に平行な方向へ吐出する構成
のものと、発熱素子の発熱面に垂直な方向に吐出する構
成のものとがある。
[0004] The above-mentioned thermal jet system has two configurations depending on the ejection direction of ink droplets. That is, there is a configuration that discharges in a direction parallel to the heating surface of the heating element, and a configuration that discharges in a direction perpendicular to the heating surface of the heating element.

【0005】図8(a),(b),(c) は、発熱素子の発熱面に
平行な方向へ吐出する構成のものであり、同図(d),(e),
(f) は、発熱素子の発熱面に垂直な方向に吐出する構成
のものをそれぞれ模式的に示している。同図(a) 又は
(d) に示すように、シリコン基板1上には発熱素子2が
形成されており、同図(a) では発熱素子2の側方に、同
図(d) では発熱素子2に対向してオリフィス4が形成さ
れている。上記の発熱素子2は不図示の電極に接続され
ており、発熱素子2が設けられているインク流路にはイ
ンク5が常時供給されている。
FIGS. 8 (a), 8 (b) and 8 (c) show a structure in which the ink is discharged in a direction parallel to the heating surface of the heating element.
(f) schematically shows a configuration in which the liquid is discharged in a direction perpendicular to the heat generating surface of the heat generating element. Figure (a) or
As shown in FIG. 1D, a heating element 2 is formed on a silicon substrate 1. The heating element 2 is formed on the side of the heating element 2 in FIG. An orifice 4 is formed. The heating element 2 is connected to an electrode (not shown), and the ink 5 is always supplied to the ink flow path where the heating element 2 is provided.

【0006】このオリフィス4からインク滴を吐出させ
るには、先ず、同図(b) 又は(e) に示すように、画像情
報に応じた通電により、発熱素子2を熱してこの発熱
素子2上に核気泡を発生させ、この核気泡が合体して
膜気泡6が発生し、この膜気泡6が断熱膨脹して成長
し周囲のインクを押し遣り、これによりオリフィス4か
らインク5′が押し出され、この押し出されたインク
5′は、同図(c) 又は(f) に示すように、インク滴7と
なってオリフィス4から紙面に向けて吐出される。この
後、上記の成長した膜気泡が周囲のインクに熱を取ら
れて収縮し、ついには膜気泡が消滅し、次の発熱素子
の加熱を待機する。この一連の工程〜は、瞬時に行
われる。
In order to discharge ink droplets from the orifice 4, first, as shown in FIG. 2B or 2E, the heating element 2 is heated by energization according to image information, and Nucleus bubbles are generated, and the nucleus bubbles are united to form a film bubble 6. The film bubble 6 adiabatically expands and grows to push the surrounding ink, whereby the ink 5 'is pushed out from the orifice 4. The pushed ink 5 'is ejected from the orifice 4 toward the paper surface as an ink droplet 7, as shown in FIG. 7 (c) or (f). After that, the grown film bubble is shrunk by the heat of the surrounding ink, and finally the film bubble disappears and waits for the next heating element to be heated. This series of steps is performed instantaneously.

【0007】上記の発熱素子の発熱面に垂直な方向にイ
ンク滴を吐出する構成のものは、ルーフシュータ型サー
マルインクジェットヘッドと呼称されており、消費電力
が極めて小さくて済むことが知られている。また、この
形式におけるフルカラー用のサーマルインクジェットヘ
ッドの製法としては、シリコンLSI形成技術と薄膜形
成技術を利用して、複数の発熱素子と個々の駆動回路と
オリフィスを一括してモノリシックに形成する方法があ
る。
The above-described structure in which ink droplets are ejected in a direction perpendicular to the heat-generating surface of the heat-generating element is called a roof-shooter type thermal ink-jet head, and it is known that power consumption is extremely small. . As a method of manufacturing a thermal ink jet head for full color in this type, a method in which a plurality of heating elements, individual driving circuits, and orifices are collectively formed monolithically by utilizing a silicon LSI forming technique and a thin film forming technique. is there.

【0008】この方法によれば、例えば約10mmの幅
の基板に、解像度が360dpi(ドット/インチ)の
印字ヘッドであれば128個の発熱素子と駆動回路とオ
リフィスが形成され、また、解像度が720dpiの場
合であれば256個の発熱素子と駆動回路とオリフィス
が形成される。
According to this method, for example, in the case of a print head having a resolution of 360 dpi (dots / inch), 128 heating elements, drive circuits, and orifices are formed on a substrate having a width of about 10 mm. In the case of 720 dpi, 256 heating elements, drive circuits, and orifices are formed.

【0009】ところで、上記の工程〜には、膜沸騰
現象が利用されている。膜沸騰現象は、例えば鉄の焼き
入れのように高温に加熱された物体を液体中に漬けた場
合と、液体と接する物体の表面温度を急激に上げた場合
とに発現するが、サーマルインクジェットヘッドに用い
られる膜沸騰現象は後者の「液体と接する物体の表面温
度を急激に上げる」方法によっている。この膜沸騰現象
において、上記の液体中に発生した気泡が消滅するとき
に起きる現象は、キャビテーションと呼ばれている。
Incidentally, the film boiling phenomenon is utilized in the above-mentioned steps (1) to (4). The film boiling phenomenon occurs when an object heated to a high temperature, such as quenching of iron, is immersed in a liquid, and when the surface temperature of the object in contact with the liquid is rapidly increased. The film boiling phenomenon used in the method is based on the latter method of "rapidly increasing the surface temperature of an object in contact with a liquid". In the film boiling phenomenon, a phenomenon that occurs when the bubbles generated in the liquid disappears is called cavitation.

【0010】図9(a),(b) は、上記のインク滴の吐出に
係る気泡の成長と消滅の過程を模式的に示す図である。
同図(a) は実験的に水深1mm(ミリメータ)のオープ
ンプール8に設定した発熱体2と、これによる気泡の成
長と消滅の過程を0〜6μs(マイクロ秒)まで、1μ
s毎に示している。また、同図(b) は発熱体2への通電
タイミングを示している。
FIGS. 9 (a) and 9 (b) are diagrams schematically showing the process of growth and extinction of bubbles related to the ejection of ink droplets.
FIG. 5A shows the heating element 2 experimentally set in an open pool 8 having a water depth of 1 mm (millimeter), and the process of the growth and extinction of bubbles caused by the heating element 1 from 0 to 6 μs (microsecond).
It is shown for each s. FIG. 2B shows the timing of energizing the heating element 2.

【0011】同図(a) に示すように、0〜1μsで発熱
体2が加熱され、1〜2μsで核気泡が成長し、2μs
から3μsに至る間にインク滴を吐出する気泡が発生
し、3μsでは既にその気泡の収縮が始まっている。そ
して6μsで気泡が消滅するまでの間、同図の矢印a−
1、a−2、a−3で示すにように負圧を伴うキャビテ
ーションが発生する。
As shown in FIG. 1A, the heating element 2 is heated in 0 to 1 μs, nuclear bubbles grow in 1 to 2 μs, and 2 μs
A bubble for ejecting ink droplets is generated during the period from 3 μs to 3 μs, and the contraction of the bubble has already started at 3 μs. Until the bubble disappears in 6 μs, the arrow a- in FIG.
As shown by 1, a-2 and a-3, cavitation with negative pressure occurs.

【0012】そして、このキャビテーションによる破壊
力は発熱体2を設置面から引き剥がそうとする力として
働く。その衝撃力は、上記の水深1mmのオープンプー
ルの場合、1000ton/cm2 に達すると言われて
いる。
The destructive force due to the cavitation acts as a force for peeling the heating element 2 from the installation surface. It is said that the impact force reaches 1000 ton / cm 2 in the case of the above-mentioned open pool having a depth of 1 mm.

【0013】サーマルインクジェットヘッドの発熱素子
の面積はおよそ40μm×40μmであるが、この面積
比で換算すると、その衝撃力はおよそ16Kg(キログ
ラム)という値になる。そして、このキャビテーション
損傷の発生を防止するためには、一般的な方法として、
発熱素子面にキャビテーション損傷防止層を設けること
が行われている。
The area of the heat generating element of the thermal ink jet head is about 40 μm × 40 μm. When converted by this area ratio, the impact force is about 16 kg (kilogram). In order to prevent the occurrence of cavitation damage, as a general method,
It has been practiced to provide a cavitation damage preventing layer on the heating element surface.

【0014】図10は、そのような従来の発熱素子を模
式的に示す図である。同図に示すように、不図示のシリ
コン基板上に形成されたTa−Si−O層2aには、共
通電極9aと個別配線電極9bに挟まれて、発熱素子2
(Ta−Si−O層2aの発熱部)が形成されている。
この発熱素子2上にはキャビテーション損傷防止層とし
ての自己酸化膜2bが形成されている。
FIG. 10 is a diagram schematically showing such a conventional heating element. As shown in the drawing, a Ta-Si-O layer 2a formed on a silicon substrate (not shown) has a heating element 2 sandwiched between a common electrode 9a and an individual wiring electrode 9b.
(A heat generating portion of the Ta-Si-O layer 2a).
On this heating element 2, a self-oxidized film 2b is formed as a cavitation damage preventing layer.

【0015】ところで、上述したサーマルインクジェッ
トヘッドは、シリコン基板上にモノリシックに形成され
るものであり、発熱素子の大きさは、およそ40μm×
40μmである。この上に熱酸化による自己酸化膜が形
成されている。この自己酸化膜の厚さは数十Åである。
モノリシック構造の場合、加熱温度には400℃程度ま
でという限界があって、これ以上加熱温度を上げて上記
の膜厚を厚くすることはできない。
The above-mentioned thermal ink jet head is formed monolithically on a silicon substrate, and the size of the heating element is about 40 μm × 40 μm.
40 μm. On this, a self-oxidized film is formed by thermal oxidation. The thickness of this self-oxide film is several tens of millimeters.
In the case of a monolithic structure, the heating temperature has a limit of about 400 ° C., and it is not possible to increase the heating temperature further to increase the film thickness.

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】ところが、より信頼性
の高いつまり損傷発生率の低いサーマルインクジェット
ヘッドを製作しようとすると、少なくとも100Å以上
の膜厚の保護膜が必要になることが判明している。した
がって、上記の自己酸化膜では膜厚が薄すぎるという問
題を有していた。
However, it has been found that a protective film having a thickness of at least 100.degree. Is required in order to manufacture a thermal ink jet head having higher reliability, that is, a lower damage occurrence rate. . Therefore, the above-mentioned self-oxidized film has a problem that the film thickness is too thin.

【0017】このため、自己酸化膜ではなく他の適宜の
材料を用いて専用の保護膜を形成する必要があった。こ
のような専用の保護膜材料としては、酸化シリコン(S
iO2 )、酸化マグネシウム(MgO)、酸化アルミニ
ウム(AlO3 )、酸化タンタル(TaO)、酸化ジル
コニウム(GrO)等が知られている。
For this reason, it has been necessary to form a dedicated protective film using a suitable material other than the self-oxidizing film. As such a dedicated protective film material, silicon oxide (S
iO2), magnesium oxide (MgO), aluminum oxide (AlO3), tantalum oxide (TaO), zirconium oxide (GrO) and the like are known.

【0018】ところで、保護膜は厚ければ良いというも
のではなく、厚すぎると発熱素子の気泡発生のための発
熱効率が低下し、エネルギー損失が大きくなって極めて
不経済である。したがって、厚くても500Å以下であ
ることが望ましいが、上記の保護膜材料のなかで、実用
上500Å以下の膜厚では保護膜として使用に耐えるも
のは無い。また、他に500Å以下の膜厚で保護膜とし
て使用に耐えるものの報告もなされていない。
The thickness of the protective film is not good if it is too thick. If it is too thick, the heat generating efficiency of the heating element due to the generation of air bubbles is reduced, and the energy loss is increased, which is extremely uneconomical. Therefore, it is desirable that the thickness is at most 500 ° or less, but none of the above protective film materials is practically usable as a protective film at a thickness of 500 ° or less. In addition, there is no report that a film having a thickness of 500 ° or less can be used as a protective film.

【0019】本発明の課題は、上記従来の実情に鑑み、
100Å以上500Å以下の膜厚でキャビテーション損
傷と電蝕に強い耐性を有する保護膜を備えた発熱抵抗体
及びその製造方法を提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional circumstances,
An object of the present invention is to provide a heating resistor provided with a protective film having a film thickness of 100 to 500 mm and having strong resistance to cavitation damage and electrolytic corrosion, and a method for manufacturing the same.

【0020】[0020]

【課題を解決するための手段】先ず、請求項1記載の発
明の発熱抵抗体は、基板上に複数個設けられ、供給され
たインクとの界面に発熱により気泡を発生させて、対応
するノズル孔からインク滴を吐出するサーマルインクジ
ェットヘッドの発熱抵抗体であって、第1のTa−Si
−O層と、該第1のTa−Si−O層上に積層され該第
1のTa−Si−O層のSi/Taモル比よりも小さい
Si/Taモル比の第2のTa−Si−O層と、該第2
のTa−Si−O層上に形成された酸化層と、を有して
構成される。
First, a plurality of heating resistors according to the first aspect of the present invention are provided on a substrate and generate air bubbles at an interface with the supplied ink by generating heat, thereby forming a corresponding nozzle. A heating resistor of a thermal inkjet head for ejecting ink droplets from a hole, wherein the first Ta-Si
And a second Ta-Si layer laminated on the first Ta-Si-O layer and having a Si / Ta molar ratio smaller than the Si / Ta molar ratio of the first Ta-Si-O layer. -O layer and the second
And an oxide layer formed on the Ta-Si-O layer.

【0021】上記第1のTa−Si−O層は、例えば請
求項2記載のように、組成においてSiとTaのモル比
Si/Taが「0.47<Si/Ta<0.75」で且
つ「25モル%≦O≦40モル%」であるように構成す
ることが好ましい。また、上記第2のTa−Si−O層
は、例えば請求項3記載のように、組成においてSiと
Taのモル比Si/Taが「0<Si/Ta≦0.1
5」であるように構成することが好ましい。また、上記
酸化層は、例えば請求項4記載のように、膜厚が100
Å〜500Åであるように構成する。
In the first Ta-Si-O layer, the composition may be such that the composition has a molar ratio of Si to Ta of Si / Ta of "0.47 <Si / Ta <0.75". Further, it is preferable that the constitution is such that “25 mol% ≦ O ≦ 40 mol%”. In the second Ta-Si-O layer, for example, in the composition, the molar ratio of Si to Ta, Si / Ta, is "0 <Si / Ta ≦ 0.1".
5 ". Also, the oxide layer has a thickness of 100, for example.
It is configured to be {-500}.

【0022】次に、請求項5記載の発熱抵抗体の製造方
法は、サーマルインクジェットヘッドの発熱抵抗体の製
造方法であって、Ta板に所定の量のSiを埋め込んだ
第1のターゲットを使用して基板上に第1のTa−Si
−O層を形成する第1のスパッタリング工程と、上記第
1のTa−Si−O層上に上記第1のターゲットよりも
少ない割合のSiをTa板に埋め込んだ第2のターゲッ
トを用いて上記第1のTa−Si−O層上に第2のTa
−Si−O層を形成する第2のスパッタリング工程と、
上記第2のTa−Si−O層上の発熱部となる領域に熱
酸化膜を形成するアニール工程と、を含んで成る。
Next, a method for manufacturing a heating resistor according to a fifth aspect is a method for manufacturing a heating resistor for a thermal ink jet head, wherein a first target having a predetermined amount of Si embedded in a Ta plate is used. To form a first Ta-Si
A first sputtering step of forming a -O layer, and the above-described method using a second target in which a smaller proportion of Si than the first target is embedded in a Ta plate on the first Ta-Si-O layer. A second Ta layer is formed on the first Ta-Si-O layer.
A second sputtering step of forming a -Si-O layer;
An annealing step of forming a thermal oxide film in a region to be a heat generating portion on the second Ta-Si-O layer.

【0023】そして、例えば請求項6記載のように、上
記第1のターゲットのSi/Taモル比は1/3であ
り、上記第2のターゲットのSi/Taモル比は1/9
であることが好ましい。また、上記第1及び第2のスパ
ッタリング工程は、例えば請求項7記載のように、とも
に、真空度が1×10-6Torr以下、基板温度が15
0℃〜400℃、成膜速度が15Å/min〜40Å/
minで、アルゴンガス雰囲気中で行われるようにす
る。また、上記アニール工程は、例えば請求項8記載の
ように、400℃、10分間の熱処理であり、上記発熱
部への配線パターン形成後に行うことが好ましい。
The first target has a Si / Ta molar ratio of 1/3, and the second target has a Si / Ta molar ratio of 1/9.
It is preferred that In the first and second sputtering steps, for example, both the degree of vacuum is 1.times.10@-6 Torr or less and the substrate temperature is 15.degree.
0 ° C. to 400 ° C., film formation rate 15 ° / min.
min, in an argon gas atmosphere. Further, the annealing step is a heat treatment at 400 ° C. for 10 minutes, for example, as described in claim 8, and is preferably performed after the wiring pattern is formed on the heat generating portion.

【0024】これにより、エネルギー効率良く気泡を発
生し且つキャビテーション損傷や電蝕を受け難い保護層
を備えた発熱素子が実現する。
As a result, a heating element having a protective layer that generates bubbles with high energy efficiency and is less susceptible to cavitation damage and electric corrosion is realized.

【0025】[0025]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら説明する。図1(a) は、一実施の形態に
おける、フルカラー・サーマルインクジェットヘッド
(以下、単にカラーヘッドという)を示す図であり、同
図(b) は、そのカラーヘッドをシリコンウエハ上に多数
形成した状態を示す図である。同図(a) に示すカラーヘ
ッド10は、やや大きな基板11上に、4個の単一ヘッ
ド12(12a、12b、12c、12d)が並んで配
置された形状で構成される。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1A is a diagram showing a full-color thermal inkjet head (hereinafter, simply referred to as a color head) according to an embodiment, and FIG. 1B is a diagram showing a number of such color heads formed on a silicon wafer. It is a figure showing a state. The color head 10 shown in FIG. 1A has a shape in which four single heads 12 (12a, 12b, 12c, 12d) are arranged on a slightly large substrate 11.

【0026】上記の各単一ヘッド12には、多数のノズ
ル(オリフィス)から成る1列のノズル列13がオリフ
ィス板14に形成されており、カラーヘッド10全体と
しては、4列のノズル列13が形成されている。これら
のノズル列13は、例えば右方から左方に順に、減法混
色の三原色であるイエロー(Y)、マゼンタ(M)、シ
アン(C)の3色のインク及び文字や画像の黒部分に専
用されるブラック(Bk)のインクを夫々吐出するよう
に構成される。
In each of the single heads 12, a single nozzle row 13 composed of a number of nozzles (orifices) is formed on an orifice plate 14, and the color head 10 as a whole has four nozzle rows 13 Are formed. These nozzle rows 13 are dedicated to, for example, three colors of yellow (Y), magenta (M), and cyan (C), which are three subtractive primary colors, and black portions of characters and images in order from right to left. Black (Bk) ink to be ejected.

【0027】このようなカラーヘッド10は、解像度が
360dpiの場合であれば、概略8.5mm×19.
0mmの大きさのチップに、128ノズル×4列=64
0ノズルを備えることが可能であり、また、解像度が7
20dpiの場合であれば、ほぼ8.5mm×19.0
mmの大きさのチップに256ノズル×4列=1280
ノズルを形成することが可能である。
Such a color head 10 has a resolution of approximately 8.5 mm × 19.
128 nozzles x 4 rows = 64 for a chip of size 0mm
0 nozzles and a resolution of 7
In the case of 20 dpi, approximately 8.5 mm × 19.0
256 nozzles x 4 rows = 1280 mm chips
It is possible to form a nozzle.

【0028】そして、同図(b) に示すように、そのよう
なカラーヘッド基板が、1枚のシリコンウエハ15上
に、スクライブラインで区画されて、多数(例えば90
個以上)形成され、後述する製造工程を経て同図(a) に
示すように完成した後、シリコンウエハ15から個々に
切り出される。
Then, as shown in FIG. 2B, a large number of such color head substrates (for example, 90 pixels) are divided on one silicon wafer 15 by scribe lines.
(A) or more, and are completed as shown in FIG. 7A through a manufacturing process to be described later, and are individually cut out from the silicon wafer 15.

【0029】図2(a) は、上記のカラーヘッド10の製
造工程の最初の工程を示す図であり、上段に平面図を示
し、中段に上段のA−A′断面矢視図を示し、下段に上
段のB−B′断面矢視図を示している。また、図2(b)
は、図2(a) に続く工程を示しており、その上段、中段
及び下段に示される部位は、図2(a) の上段、中段及び
下段に示す部位に対応している。そして、図2(c) は、
最後の工程を示す図であり、上段に図1(a) を拡大して
示している。この上段並びに中段及び下段に示される部
位は、図2(a) の上段、中段及び下段に対応する部位で
ある。尚、これらの図2(a),(b),(c) には、図示する上
での便宜上、128個又は256個の発熱素子及びオリ
フィスを、5個の発熱素子及びオリフィスで代表させて
示している。
FIG. 2A is a view showing the first step of the above-mentioned color head 10 manufacturing process. The upper part shows a plan view, the middle part shows an AA 'cross-sectional view of the upper part, The lower section shows an BB 'cross-sectional view of the upper section. FIG. 2 (b)
Shows a step following FIG. 2 (a), and the parts shown in the upper, middle and lower parts thereof correspond to the parts shown in the upper, middle and lower parts of FIG. 2 (a). And FIG. 2 (c)
It is a figure which shows the last process, FIG.1 (a) is expanded and shown in the upper stage. The parts shown in the upper, middle, and lower sections correspond to the upper, middle, and lower sections in FIG. 2A. 2 (a), 2 (b) and 2 (c), for convenience of illustration, 128 or 256 heating elements and orifices are represented by 5 heating elements and orifices. Is shown.

【0030】以下、図2(a),(b),(c) を参照しながら、
カラーヘッド10の製造方法を、基本的な製造方法から
先に説明する。先ず、工程1として、4インチ以上のシ
リコンウエハ上に区画された個々の基板に、LSI形成
処理により駆動回路とその端子を形成すると共に、厚さ
1〜2μmのパッシベーション膜を形成し、この後上記
端子へのコンタクト孔空けを行うと共に不用部分のパッ
シベーション膜を除去する。
Hereinafter, referring to FIGS. 2 (a), (b) and (c),
A method of manufacturing the color head 10 will be described first from a basic manufacturing method. First, as a step 1, a drive circuit and its terminals are formed by an LSI forming process and a passivation film having a thickness of 1 to 2 μm is formed on each substrate partitioned on a silicon wafer of 4 inches or more. A contact hole is formed in the terminal and an unnecessary portion of the passivation film is removed.

【0031】次に、工程2として、スパッタリング技術
などの薄膜形成技術を用いて、Ta−Si−Oからなる
発熱素子を形成するための発熱抵抗膜を4000Åの厚
みで成膜し、共通電極と個別配線電極を形成するための
電極膜を形成する。この電極膜は、W−Al(又はW−
Ti、W−Si)などからなるバリアメタル膜に、Au
による電極膜を積層した多層構造とすることが好まし
い。そして、ホトリソ技術によって電極膜に(バリアメ
タル膜が形成されている場合はそのバリアメタル膜も)
配線部分のパターンを形成し、発熱抵抗膜には例えばほ
ぼ40μm×40μmの正方形の露出部を形成する。こ
れにより微細な発熱素子(発熱部)のパターンが形成さ
れる。
Next, in step 2, a heating resistor film for forming a heating element made of Ta—Si—O is formed to a thickness of 4000 ° by using a thin film forming technique such as a sputtering technique. An electrode film for forming individual wiring electrodes is formed. This electrode film is made of W-Al (or W-
Au, a barrier metal film made of Ti, W-Si), etc.
It is preferable to form a multi-layer structure in which electrode films are laminated. Then, the electrode film (and the barrier metal film if a barrier metal film is formed) is formed by photolithography.
A wiring portion pattern is formed, and a square exposed portion of, for example, approximately 40 μm × 40 μm is formed on the heating resistor film. Thereby, a fine pattern of the heating element (heating section) is formed.

【0032】図2(a) は、上記の工程1及び工程2が終
了した直後の状態を示している。すなわち、基板11上
には駆動回路16とその端子17(図1(a) 参照)が形
成され、更に共通電極18(18a、18b)、共通電
極給電端子19(図1(a) 参照)、個別配線電極21、
多数の発熱素子22が形成されている。
FIG. 2A shows a state immediately after the steps 1 and 2 are completed. That is, a drive circuit 16 and its terminals 17 (see FIG. 1A) are formed on the substrate 11, and a common electrode 18 (18a, 18b), a common electrode power supply terminal 19 (see FIG. 1A), Individual wiring electrode 21,
Many heating elements 22 are formed.

【0033】続いて、工程3として、個々の発熱素子2
2に対応するインク路を形成すべく感光性ポリイミドな
どの有機材料からなる隔壁部材をコーティングにより高
さ20μm程度に形成し、これをパターン化した後に、
30分〜60分、場合によって2時間、300℃〜40
0℃の熱を加えるキュア(乾燥硬化、焼成)を行い、キ
ュア後の高さ10μmの上記感光性ポリイミドによる隔
壁を基板11上に形成して固着させる。
Subsequently, in step 3, the individual heating elements 2
After forming a partition member made of an organic material such as photosensitive polyimide to a height of about 20 μm by coating to form an ink path corresponding to 2, and patterning this,
30 minutes to 60 minutes, optionally 2 hours, 300 ° C. to 40
Curing (dry curing, baking) by applying heat of 0 ° C. is performed, and a 10 μm-high partition wall made of the photosensitive polyimide after curing is formed and fixed on the substrate 11.

【0034】更に、工程4として、ウェットエッチング
またはサンドブラスト法などにより上記基板11の面に
溝状のインク供給路を形成し、更にこのインク供給路に
連通し下面に開口するインク給送孔を形成する。
Further, in step 4, a groove-like ink supply path is formed on the surface of the substrate 11 by wet etching or sand blasting, and an ink supply hole communicating with the ink supply path and opening on the lower surface is formed. I do.

【0035】図2(b) は、上述の工程3及び工程4が終
了した直後の状態を示している。すなわち、溝状のイン
ク供給路23及び筒状のインク給送孔24が形成され、
インク供給路23の左側に位置する共通電極18(18
a)部分と、右方の個別配線電極21が配設されている
部分、及び各発熱素子22間に、隔壁25(25、25
−1、25−2)が形成されている。この隔壁25は、
個別配線電極21上の部分25−1を櫛の胴とすれば、
各発熱素子22間に伸び出す部分25−2は櫛の歯に相
当する形状をなしている。
FIG. 2B shows a state immediately after Steps 3 and 4 are completed. That is, a groove-shaped ink supply path 23 and a cylindrical ink supply hole 24 are formed,
The common electrode 18 (18) located on the left side of the ink supply path 23
a), a portion where the individual wiring electrode 21 on the right side is disposed, and between each heating element 22, a partition wall 25 (25, 25).
-1, 25-2) are formed. This partition 25
If the portion 25-1 on the individual wiring electrode 21 is a comb body,
A portion 25-2 extending between the heating elements 22 has a shape corresponding to the teeth of a comb.

【0036】これにより、この櫛の歯を仕切り壁とし
て、その歯と歯の間の付け根部分に発熱素子22が位置
する微細な個別インク路が、発熱素子22の数だけ形成
される。この櫛の歯の長さを変えることによりインクの
流通するコンダクタンスが変わり、また隣接する個別イ
ンク路を流動するインク間の干渉にも影響する。
As a result, the fine individual ink paths in which the heating elements 22 are located at the roots between the teeth are formed by the number of the heating elements 22 using the teeth of the comb as partition walls. By changing the length of the teeth of the comb, the conductance of the flowing ink changes, and the interference between the ink flowing in adjacent individual ink paths is also affected.

【0037】この後、工程5として、ポリイミドからな
る厚さ10〜30μmのフィルムのオリフィス板を、そ
の片面に接着剤としての熱可塑性ポリイミドを極薄に例
えば厚さ2〜5μmにコーテングし、上記積層構造の最
上層に張り付けて、隔壁25によって形成されたインク
路に蓋をし、これにより、微細な個別インク路と共通イ
ンク路を形成する。そして、200〜300℃で加熱し
ながら加圧してオリフィス板を固着させる。続いて、オ
リフィス板表面にNi、Cu又はAlなどの厚さ0.5
〜1μm程度の金属膜を形成する。
Thereafter, in step 5, an orifice plate of a film of polyimide having a thickness of 10 to 30 μm is coated on one side with a very thin thermoplastic polyimide as an adhesive, for example, to a thickness of 2 to 5 μm. The ink path formed by the partition wall 25 is covered with the uppermost layer of the laminated structure, thereby forming a fine individual ink path and a common ink path. Then, pressure is applied while heating at 200 to 300 ° C. to fix the orifice plate. Subsequently, a thickness of 0.5, such as Ni, Cu or Al, is formed on the orifice plate surface.
A metal film having a thickness of about 1 μm is formed.

【0038】更に、工程6として、オリフィス板の上の
金属膜をパターン化して、ポリイミドを選択的にエッチ
ングする為のマスクを形成し、続いて、オリフィス板を
へリコン波エッチング装置などにより上記の金属膜マス
クに従って、40μmφ〜20μmφの孔空けをして多
数のノズル孔(オリフィス)を一括形成する。
Further, in step 6, the metal film on the orifice plate is patterned to form a mask for selectively etching the polyimide, and then the orifice plate is subjected to the above-mentioned etching by a helicone wave etching device or the like. A plurality of nozzle holes (orifices) are formed at a time by making holes of 40 μmφ to 20 μmφ according to the metal film mask.

【0039】図2(c) は、上記の工程5及び工程6が終
了した直後の状態を示している。すなわち、基板11の
最上層に、片面に熱可塑性ポリイミド26をコーテング
されたオリフィス板14が、駆動回路端子17及び共通
電極給電端子19を除く全領域を覆って積層され、これ
により、上述したインク路が上を覆われて、隔壁25の
厚さ10μmに対応する高さの坑状の個別インク路28
が形成され、この個別インク路28と前述したインク供
給路23とを連通させる高さ10μmの共通インク路2
9が形成されている。
FIG. 2C shows a state immediately after the completion of the steps 5 and 6. That is, on the uppermost layer of the substrate 11, the orifice plate 14 coated with a thermoplastic polyimide 26 on one surface is laminated so as to cover the entire area except for the drive circuit terminal 17 and the common electrode power supply terminal 19, thereby forming the above-described ink. The passage is covered with a pit-shaped individual ink passage 28 having a height corresponding to the thickness of the partition wall 25 of 10 μm.
Are formed, and the common ink path 2 having a height of 10 μm connects the individual ink path 28 and the ink supply path 23 described above.
9 are formed.

【0040】そして、オリフィス板14には、その上面
に金属膜31が形成され、発熱素子22に対応する部分
にインク吐出用のノズル孔(オリフィス)32がドライ
エッチングによって形成されている。このように、1列
のノズル孔32を備えた単一ヘッド12が作成され、こ
れらが4個連設されて、図1(a) に示したフルカラー・
サーマルインクジェットヘッド(カラーヘッド)10が
シリコンウエハ15(図1(b) 参照)上に完成する。
A metal film 31 is formed on the upper surface of the orifice plate 14, and a nozzle hole (orifice) 32 for discharging ink is formed in a portion corresponding to the heating element 22 by dry etching. In this manner, a single head 12 having one row of nozzle holes 32 is formed, and four of them are connected in series to form a full-color nozzle shown in FIG.
A thermal inkjet head (color head) 10 is completed on a silicon wafer 15 (see FIG. 1B).

【0041】尚、上記のマスク用の金属膜はNi、C
u、又はAlなどを使うことで樹脂と金属膜との選択比
が概略100程度得られる。したがって、20〜40μ
mのポリイミドフィルムのドライエッチングには1μm
以下の金属膜でマスクを形成することで十分である。
The mask metal film is made of Ni, C
By using u, Al, or the like, a selectivity of approximately 100 between the resin and the metal film can be obtained. Therefore, 20 to 40 μ
1 μm for dry etching of polyimide film
It is sufficient to form a mask with the following metal film.

【0042】このように、4列の単一ヘッドからなるカ
ラーヘッド10をモノリシックに構成することは、上述
した製造方法によれば可能であり、各列の位置関係も今
日の半導体の製造技術により正確に配置することが可能
である。
As described above, it is possible to monolithically configure the color head 10 composed of four rows of single heads according to the above-described manufacturing method, and the positional relationship of each row is also determined by today's semiconductor manufacturing technology. It is possible to place them accurately.

【0043】ここまでが、ウエハの状態で処理される。
そして、最後に、工程7として、ダイシングソーなどを
用いてスクライブラインに沿ってカッテングし、単位毎
に個別に分割して、実装基板にダイスボンデングし、端
子接続して、実用単位のカラーヘッド10が完成する。
The processing up to this point is performed in the state of a wafer.
Finally, as a step 7, a cutting is performed along a scribe line using a dicing saw or the like, divided into individual units, die-bonded to a mounting board, connected to terminals, and used as a practical unit of a color head. 10 is completed.

【0044】このカラーヘッド10は、印字に際しては
各発熱素子22が印字情報に応じて選択的に通電され、
瞬時に発熱して膜沸騰現象を発生させ、その発熱素子2
2に対応するノズル孔32からインク滴が吐出される。
このようなサーマルインクジェットヘッドではインク滴
はノズル孔の径に対応する大きさの略球形で吐出され、
紙面上に略その倍の径の大きさとなって印字される。
In the color head 10, when printing, each heating element 22 is selectively energized in accordance with print information.
Instantaneous heat generation causes a film boiling phenomenon, and the heating element 2
Ink droplets are ejected from the nozzle holes 32 corresponding to No. 2.
In such a thermal inkjet head, ink droplets are ejected in a substantially spherical shape having a size corresponding to the diameter of the nozzle hole,
It is printed on paper with a diameter approximately twice as large.

【0045】ところで、上述したカラーヘッド10の製
造工程においては基本的な製造方法を説明したが、本実
施の形態における特徴として、上述の基本的製造方法に
加えて、発熱素子22の形成には特別の工夫が凝らされ
ている。そして、この工夫によって、エネルギー効率良
く気泡を発生させると共に、キャビテーション損傷や電
蝕に強い耐性を持った発熱素子を得るようにしている。
以下、これについて説明する。
In the meantime, the basic manufacturing method has been described in the manufacturing process of the color head 10 described above. However, as a feature of the present embodiment, in addition to the above-described basic manufacturing method, the heating element 22 is formed. Special ingenuity is elaborated. By this measure, air bubbles are generated with high energy efficiency, and a heating element having strong resistance to cavitation damage and electrolytic corrosion is obtained.
Hereinafter, this will be described.

【0046】図3は、本実施の形態におけるカラーヘッ
ド10を製造する工程2において形成される発熱素子2
2の形状を模式的に示す図である。尚、同図には、図2
(a),(b),(c) を参照可能なように、図2(a),(b),(c) に
示した構成と同一の部分には、図2(a),(b),(c) と同一
の番号を付与して示している。
FIG. 3 shows a heating element 2 formed in step 2 of manufacturing the color head 10 according to the present embodiment.
It is a figure which shows the shape of No. 2 typically. It should be noted that FIG.
2 (a), (b) and (c), the same parts as those shown in FIGS. 2 (a), (b) and (c) ) and (c).

【0047】本実施の形態におけるサーマルインクジェ
ットヘッド(カラーヘッド)の製造において、先ず前述
した工程2では、図3に示すように、薄膜形成技術によ
りTa−Si−Oからなるおよそ7000Åの厚みの抵
抗体膜が2層構造で成膜される。更にこの上に電極膜が
形成され、ホトリソ技術により、電極膜には共通電極1
8と個別配線電極21の電極パターンが形成され、2層
構造の抵抗体膜には40μm×40μmの発熱部22の
発熱素子パターンが形成される。
In the manufacturing of the thermal ink jet head (color head) according to the present embodiment, first, in the above-mentioned step 2, as shown in FIG. 3, a resistor made of Ta-Si-O having a thickness of about 7000 A body film is formed in a two-layer structure. Further, an electrode film is formed thereon, and the common electrode 1 is formed on the electrode film by photolithography.
8 and an electrode pattern of the individual wiring electrode 21 are formed, and a heating element pattern of the heating section 22 of 40 μm × 40 μm is formed on the resistor film having the two-layer structure.

【0048】上記2層構造の抵抗体膜の下部のTa−S
i−O層22a(第1のTa−Si−O層)と上部のT
a−Si−O層22b(第2のTa−Si−O層)とで
は、上部のTa−Si−O層22bの方が下部のTa−
Si−O層22aよりもSiの割合が少なく形成されて
いる。すなわち、TaとSiのモル比をTa/Siと表
わすと(以下同様)「上部層のTa/Si」>「下部層
のTa/Si」となっている。
The Ta-S layer under the two-layered resistor film is used.
i-O layer 22a (first Ta-Si-O layer) and upper T
In the a-Si-O layer 22b (second Ta-Si-O layer), the upper Ta-Si-O layer 22b is lower than the lower Ta-Si-O layer 22b.
The ratio of Si is smaller than that of the Si—O layer 22a. That is, when the molar ratio of Ta to Si is expressed as Ta / Si (the same applies hereinafter), “Ta / Si in the upper layer”> “Ta / Si in the lower layer”.

【0049】この構造を形成させるためには、次の方法
に依っている。すなわち、スバッタ装置を用いて、下部
の第1層目22aは、Ta板に所定の量のSiを埋め込
んだターゲットを使用し(例えばモル比でTa:Si=
3:1)、真空層内を1×10-6Torr以下に排気し
た後に、アルゴンガスを所定量導入し、基板温度を15
0℃から400℃、好ましくは約200℃とし、且つ成
膜速度を15Å/minから40Å/min、好ましく
は約20Å/minとして3600Å程度の厚さに通常
よりゆっくり成膜した後、上部の第2層目22bは、第
1層目22a上に別のターゲット(例えばモル比でT
a:Si=9:1)を用いて第1層目22aの膜よりも
Siの割合の少ない膜を、上記の成膜に連続して第1層
目22aと同条件で3400Å程度の厚さに成膜する。
尚、この工程において、スパッタリング電力を変えるこ
とにより、得られるTa−Si−O膜の組成を変化させ
ることができる。この後に、配線バターンを形成する。
The following method is used to form this structure. That is, the lower first layer 22a uses a target in which a predetermined amount of Si is embedded in a Ta plate (for example, a molar ratio of Ta: Si =
3: 1) After the inside of the vacuum layer was evacuated to 1 × 10 −6 Torr or less, a predetermined amount of argon gas was introduced, and the substrate temperature was reduced to 15 × 10 −6 Torr.
After the film is formed at a temperature of 0 ° C. to 400 ° C., preferably about 200 ° C., and at a film forming rate of 15 ° / min to 40 ° / min, preferably about 20 ° / min, the film is formed more slowly than usual to a thickness of about 3600 °. The second layer 22b is formed on the first layer 22a by another target (for example, T
a: Si = 9: 1), a film having a smaller ratio of Si than the film of the first layer 22a is formed to a thickness of about 3400 ° continuously under the same conditions as the first layer 22a. Is formed.
In this step, the composition of the obtained Ta—Si—O film can be changed by changing the sputtering power. Thereafter, a wiring pattern is formed.

【0050】このように上部層22bとして下部層22
aよりもSiの割合が少なくTaの割合の多い膜を形成
しておいて、次に400℃で10分間のアニール(熱処
理)を行って熱酸化させる。この熱酸化により、発熱部
22上にTaSiO膜の自己酸化保護層22b−1が1
00Å以上500Å以下の厚さで形成される。尚、上記
のアニール工程では、上部層22bのTaの組成比が大
きいから、200℃程度のアニール温度でも、時間を1
0分間以上かければ充分な厚さの酸化膜が得られる。
As described above, the lower layer 22b is used as the upper layer 22b.
A film in which the ratio of Si is smaller than that of a and the ratio of Ta is larger is formed, and then annealing (heat treatment) is performed at 400 ° C. for 10 minutes to thermally oxidize the film. Due to this thermal oxidation, the self-oxidation protection layer 22b-1 of the TaSiO film
It is formed with a thickness of not less than 00 ° and not more than 500 °. In the above annealing step, since the composition ratio of Ta of the upper layer 22b is large, even if the annealing temperature is about 200 ° C., the time is 1 hour.
If it takes 0 minutes or more, a sufficiently thick oxide film can be obtained.

【0051】一般にTa−Si−Oの酸化膜は、図10
に示したように薄くても、キャビテーション損傷や電蝕
に強い耐性を示すが、サーマルインクジェットヘッドと
しての信頼性の上では不満の残るものであった。
Generally, an oxide film of Ta—Si—O is formed as shown in FIG.
As shown in FIG. 1, even though the thin film is thin, it shows strong resistance to cavitation damage and electrolytic corrosion, but remains unsatisfactory in terms of reliability as a thermal ink jet head.

【0052】しかし、上記のように100Å以上の厚さ
であると、サーマルインクジェットヘッドとしての信頼
性を考えても、キャビテーション損傷及び電蝕への耐性
は充分であるといえる。また、下部層と第2層は、Si
の含有比率が異なるだけで、それぞれ同様なTa−Si
−O層であるので密着性に優れており、成膜後は殆ど一
体化していて、この点においても発熱部22として熱効
率等の面で良好な状態を維持することができる。
However, when the thickness is 100 mm or more as described above, it can be said that the resistance to cavitation damage and electrolytic corrosion is sufficient even in consideration of the reliability as a thermal ink jet head. The lower layer and the second layer are formed of Si
Are different from each other only in the content ratio of Ta-Si.
Since it is an -O layer, it has excellent adhesion, and is almost integrated after film formation. In this respect, the heat generating portion 22 can maintain a favorable state in terms of thermal efficiency and the like.

【0053】この場合、上部層の自己酸化膜以外の部分
はTaの含有率が大きい為に抵抗率が小さく、これだけ
では充分な発熱が得られないが、本発明では下部層に抵
抗率の大きいTa−Si−O層を配しているので、発熱
抵抗膜全体としては充分な発熱が得られる。
In this case, since the portion of the upper layer other than the self-oxidized film has a high Ta content, the resistivity is small and sufficient heat cannot be obtained by itself, but in the present invention, the lower layer has a large resistivity. Since the Ta-Si-O layer is provided, sufficient heat generation can be obtained from the entire heating resistance film.

【0054】図4(a),(b) は、Ta−Si−O膜の熱処
理(アニール)前後の化学結合状態の変化を調べるため
に、X線光電子分光法(ESCA)によって表面の状態
を測定した結果を示す図である。熱処理は400℃10
分間である。同図(a) は熱処理前の測定データあり、横
軸にバインデングエネルギーを「34」から「20」ま
で示し、縦軸に測定カウント値を「0」から「1000
0」の上まで示している。そして、同図(b) は熱処理後
の測定データであり、横軸にバインデングエネルギーを
上記同様に「34」から「20」まで示し、縦軸には測
定カウント値を「0」から「14000」の上まで示し
ている。
FIGS. 4 (a) and 4 (b) show the state of the surface by X-ray photoelectron spectroscopy (ESCA) in order to examine the change in the chemical bonding state before and after the heat treatment (annealing) of the Ta-Si-O film. It is a figure showing the result of measurement. Heat treatment at 400 ° C 10
Minutes. FIG. 9A shows measurement data before the heat treatment. The horizontal axis indicates the binding energy from “34” to “20”, and the vertical axis indicates the measurement count value from “0” to “1000”.
"0". FIG. 9B shows the measurement data after the heat treatment. The horizontal axis indicates the binding energy from “34” to “20” in the same manner as described above, and the vertical axis indicates the measurement count value from “0” to “14000”. To the top.

【0055】同図(a) に示すように、熱処理前では、T
a単体の4fピークと、Ta2 5と同等の結合を示す
4fピークが観測される。そして、同図(b) に示すよう
に、熱処理後は、Ta単体の4fピークは消えて、Ta
2 5 的結合を示す4fピークの強度が、熱処理前の4
fピーク(同図(b) には太い実線で示す)よりも強くな
っていることが確認できた。
As shown in FIG. 2A, before the heat treatment, T
A 4f peak of a alone and a 4f peak showing the same bond as Ta 2 O 5 are observed. Then, as shown in FIG. 2B, after the heat treatment, the 4f peak of Ta alone disappears, and
The intensity of the 4f peak indicating the 2 O 5 -like bond was 4% before heat treatment.
It was confirmed that the peak was stronger than the f peak (shown by a thick solid line in FIG. 4B).

【0056】図5(a),(b) も、上記と同様にTa−Si
−O膜の熱処理前後の化学結合状態の変化を調べるため
に、X線光電子分光法(ESCA)によって表面の状態
を測定した結果を示す図である。同図(a) は熱処理前の
測定データあり、横軸にバインデングエネルギーを「1
10」から「94」まで示し、縦軸には測定カウント値
を「0」から「5000」の上まで示している。そし
て、同図(b) は熱処理後の測定データであり、横軸にバ
インデングエネルギーを上記同様に「110」から「9
4」まで示し、縦軸には測定カウント値を「0」から
「6000」の上まで示している。
FIGS. 5 (a) and 5 (b) also show Ta-Si
FIG. 9 is a diagram showing a result of measuring a surface state by X-ray photoelectron spectroscopy (ESCA) in order to examine a change in a chemical bonding state before and after a heat treatment of an —O film. FIG. 5A shows measurement data before the heat treatment, and the horizontal axis represents the binding energy of “1”.
10 to 94, and the vertical axis indicates the measurement count value from 0 to above 5000. FIG. 9B shows the measurement data after the heat treatment. The horizontal axis indicates the binding energy from “110” to “9” in the same manner as described above.
4 ”, and the vertical axis indicates the measurement count value from“ 0 ”to“ 6000 ”.

【0057】同図(a) に示すように、熱処理前では、S
iの2P軌道からの信号は、Ta−SiとTaSiOx
及びSiOxであることを示している。そして、同図
(b) に示すように、熱処理後では、Siのピークにおい
ては、SiO2 などの絶縁性の良好な酸化膜と同等の結
合は形成されず、あまり変化していないことが確認でき
た。
As shown in FIG. 7A, before heat treatment, S
The signal from the 2P orbit of i is Ta-Si and TaSiOx
And SiOx. And the same figure
As shown in (b), after the heat treatment, a bond equivalent to that of an oxide film having good insulating properties such as SiO 2 was not formed at the peak of Si, and it was confirmed that the Si peak did not change much.

【0058】以上から、Ta−Si−O膜での酸化は、
Ta原子の周りを中心に進行すると考えられる。そのた
めに、Taが豊富な膜を形成すれば、より熱酸化が進行
すると予想される。そのため、Si/Taの割合を変化
させた成膜実験をした。
From the above, the oxidation in the Ta—Si—O film is
It is considered that the reaction proceeds mainly around the Ta atom. For this reason, if a film rich in Ta is formed, thermal oxidation is expected to proceed more. Therefore, a film-forming experiment in which the ratio of Si / Ta was changed was performed.

【0059】図6は、Ta−Si−Oの組成が異なる5
種類の試料(Ta−Si−O膜)によるアニール前とア
ニール後の抵抗率(mΩcm)を示す図表である。同図
は、試料番号と、これらの試料番号の試料のアニール前
の組成(Ta、Si、Oの割合、モル%)、アニール前
の抵抗率とアニール後の抵抗率(mΩcm)、成膜装置
ID、分析方法、及びSi/Taモル比を示している。
FIG. 6 shows that the composition of Ta—Si—O is different.
4 is a table showing the resistivity (mΩcm) before and after annealing with different types of samples (Ta-Si-O films). The figure shows the sample numbers, the compositions of the samples of these sample numbers before annealing (the ratio of Ta, Si, and O, mol%), the resistivity before annealing and the resistivity after annealing (mΩcm), and the film forming apparatus. ID, analysis method, and Si / Ta molar ratio are shown.

【0060】試料番号1及び2の膜の形成は、通常のD
Cスバッタリング装置を使用した。この装置を表ではA
と表記している。ターゲットには、Ta板に所定の量の
Siを埋め込んだものを使用した。真空層内を1×10
-6Torr以下に排気した後に、アルゴンガスを所定量
導入し、スバッタを行った。基板温度は約200℃、成
膜速度は約20Å/minである。組成変化は、スパッ
タ電力を変えることによって行った。
The formation of the films of Sample Nos. 1 and 2
A C sputtering device was used. This device is shown in Table A
It is written. A target in which a predetermined amount of Si was embedded in a Ta plate was used as a target. 1 × 10 in vacuum layer
After evacuation to -6 Torr or less, a predetermined amount of argon gas was introduced, and splattering was performed. The substrate temperature is about 200 ° C., and the film formation rate is about 20 ° / min. The composition was changed by changing the sputtering power.

【0061】また、試料番号3、4及び5に示す膜の形
成は、DCマグネトロンスバッタリング装置を使用し
た。この装置を表ではBと表記している。ターゲットに
は、Ta板に所定の量のSiチップを置いたものを使用
した。基板温度は成り行き、成膜速度は約100Å/m
inである。組成変化は、ターゲット内のSiの割合を
変化させて行った。
The films shown in Sample Nos. 3, 4 and 5 were formed using a DC magnetron buttering apparatus. This device is denoted by B in the table. The target used was a Ta plate on which a predetermined amount of Si chips had been placed. The substrate temperature changes, and the deposition rate is about 100 ° / m.
in. The composition was changed by changing the ratio of Si in the target.

【0062】成膜後のアニール処理後において、試料番
号1及び2の試料の酸化膜の厚みは、50Å程度であ
り、従来のものと同等の厚さの表面酸化膜であった。ま
た、アニール後も4探針法シート抵抗の測定が可能であ
り、この点からも良好な酸化膜となっていないことが判
明した。
After the annealing treatment after the film formation, the thickness of the oxide film of each of the sample Nos. 1 and 2 was about 50 °, and was a surface oxide film having a thickness equivalent to that of the conventional one. In addition, it was possible to measure the sheet resistance of the four-probe method even after annealing, and it was found from this point that a good oxide film was not formed.

【0063】試料番号3の試料は、Ta単体のターゲッ
トである。Taは結晶化しており、TaSiをターゲッ
トとした他の膜と異なっている。TaSiO膜がキヤビ
テーション損傷に良好な耐性を示すのは、アモルフアス
であるからと考えられるので、この試料番号3の試料は
除外する。この試料以外はアニール前後で全てアモルフ
アスであった。
The sample of sample number 3 is a target of Ta alone. Ta is crystallized, which is different from other films targeting TaSi. It is considered that the TaSiO film shows good resistance to cavitation damage due to amorphous, and thus the sample of sample number 3 is excluded. All samples other than this sample were amorphous before and after annealing.

【0064】そして、試料番号4及び5の膜は、アニー
ル後も4探針法シート抵抗の測定は不可能であり、良好
な酸化膜となっていることが判明した。図7は、上記の
試料番号4の試料のオージェ光電子分光の深さ方向の分
析結果を示す図である。同図は横軸にスパッタリング時
間を分単位で表わし、縦軸に膜組成の濃度を表してい
る。同図から、厚さ約200Åの酸化膜が形成されてい
ることが判明する。また、実験では、Taの割合を増加
させることによって、膜厚を増加させることが可能であ
ることが判明している。
The films of Sample Nos. 4 and 5 could not be measured for the sheet resistance by the four-probe method even after annealing, and it was found that the films were excellent oxide films. FIG. 7 is a diagram showing an analysis result in the depth direction of Auger photoelectron spectroscopy of the sample of sample number 4 described above. In this figure, the horizontal axis represents the sputtering time in minutes, and the vertical axis represents the concentration of the film composition. From the figure, it is clear that an oxide film having a thickness of about 200 ° is formed. Further, experiments have shown that the film thickness can be increased by increasing the proportion of Ta.

【0065】[0065]

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、発熱部を形成するためのTa−Si−Oからなる
発熱抵抗体膜を下部層とそれよりもSiの組成比が小さ
い上部層の2層構造とするので、熱処理により上層部の
Ta−Si−O膜に形成する酸化膜を100Å以上の厚
さに形成でき、したがって、キャビテーション損傷及び
電蝕に強い耐性を有する発熱抵抗膜を備えた信頼性の高
いサーマルインクジェットヘッドを作成することが可能
となる。
As described above in detail, according to the present invention, a heating resistor film made of Ta-Si-O for forming a heating portion has a lower layer and a lower composition ratio of Si than the lower layer. Due to the two-layer structure of the upper layer, an oxide film formed on the upper Ta-Si-O film by heat treatment can be formed to a thickness of 100 mm or more, and therefore, a heating resistor having strong resistance to cavitation damage and electrolytic corrosion. A highly reliable thermal inkjet head having a film can be produced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】(a) は一実施の形態におけるフルカラーのサー
マルインクジェットヘッドを示す図、(b) はその基板
(チップ)をシリコンウエハ上に多数形成した状態を示
す図である。
FIG. 1A is a diagram showing a full-color thermal inkjet head according to an embodiment, and FIG. 1B is a diagram showing a state in which a number of substrates (chips) are formed on a silicon wafer.

【図2】(a) はサーマルインクジェットヘッド製造の最
初の工程を示す平面図と断面図、(b) は次の工程を示す
平面図と断面図、(c) は最後の工程を示す平面図と断面
図である。
2A is a plan view and a sectional view showing a first step of manufacturing a thermal inkjet head, FIG. 2B is a plan view and a sectional view showing a next step, and FIG. 2C is a plan view showing a last step. FIG.

【図3】本実施の形態におけるサーマルインクジェット
ヘッドに形成される発熱素子の形状を模式的に示す図で
ある。
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a shape of a heating element formed in the thermal inkjet head according to the embodiment.

【図4】(a),(b) はTa−Si−O膜の熱処理前後の化
学結合状態の変化をX線光電子分光法(ESCA)によ
って測定した結果を示す図(その1)である。
FIGS. 4A and 4B are diagrams (part 1) showing the results of measuring the change in the chemical bonding state of a Ta—Si—O film before and after heat treatment by X-ray photoelectron spectroscopy (ESCA).

【図5】(a),(b) はTa−Si−O膜の熱処理前後の化
学結合状態の変化をX線光電子分光法(ESCA)によ
って測定した結果を示す図(その2)である。
5 (a) and 5 (b) are diagrams (part 2) showing the results of measuring the change in the chemical bonding state of the Ta-Si-O film before and after the heat treatment by X-ray photoelectron spectroscopy (ESCA).

【図6】Ta−Si−Oの組成が異なる5種類の試料
(Ta−Si−O膜)によるアニール前とアニール後の
抵抗率(mΩcm)を示す図表である。
FIG. 6 is a table showing the resistivity (mΩcm) before and after annealing of five types of samples (Ta-Si—O films) having different compositions of Ta—Si—O.

【図7】試料番号4の試料のオージェ光電子分光の深さ
方向の分析結果を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing a result of Auger photoelectron spectroscopy analysis of a sample of sample No. 4 in a depth direction.

【図8】(a),(b),(c) はインクジェットヘッドの発熱素
子の発熱面に平行な方向へ吐出する構成を示す図、(d),
(e),(f) は発熱素子の発熱面に垂直な方向に吐出する構
成のものを示す図である。
FIGS. 8A, 8B, and 8C are views showing a configuration in which ejection is performed in a direction parallel to a heating surface of a heating element of an ink jet head, and FIGS.
(e), (f) is a figure which shows the thing of a structure which discharges in the direction perpendicular | vertical to the heating surface of a heating element.

【図9】(a),(b) はインク滴の吐出に係るキャビテーシ
ョン気泡の成長と消滅の過程を模式的に示す図である。
FIGS. 9A and 9B are diagrams schematically showing the process of growth and disappearance of cavitation bubbles related to ejection of ink droplets.

【図10】従来の発熱素子の薄い酸化膜層を模式的に示
す図である。
FIG. 10 is a diagram schematically showing a thin oxide film layer of a conventional heating element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 シリコン基板 2 発熱素子(発熱体) 2a Ta−Si−O層 2b 自己酸化膜 3 オリフィス板 4 オリフィス 5 インク 5′ 押し出されたインク 6 膜気泡 7 インク滴 8 オープンプール 9a 共通電極 9b 個別配線電極 10 一実施の形態におけるサーマルインクジェットヘ
ッド 11 基板(チップ) 12(12a、12b、12c、12d) モノカラー
ヘッド 13 ノズル列 14 オリフィス板 15 シリコンウエハ 16 駆動回路 17 端子 18(18a、18b) 共通電極 19 共通電極給電端子 21 個別配線電極 22 発熱素子 23 インク供給路 24 インク給送孔 25(25、25−1、25−2) 隔壁 26 熱可塑性ポリイミド 28 個別インク路 29 共通インク路 31 金属膜 32 ノズル孔(オリフィス)
Reference Signs List 1 silicon substrate 2 heating element (heating element) 2a Ta-Si-O layer 2b self-oxidized film 3 orifice plate 4 orifice 5 ink 5 'extruded ink 6 film bubble 7 ink droplet 8 open pool 9a common electrode 9b individual wiring electrode Reference Signs List 10 Thermal inkjet head 11 according to one embodiment 11 Substrate (chip) 12 (12a, 12b, 12c, 12d) Monocolor head 13 Nozzle row 14 Orifice plate 15 Silicon wafer 16 Drive circuit 17 Terminal 18 (18a, 18b) Common electrode 19 Common electrode power supply terminal 21 Individual wiring electrode 22 Heating element 23 Ink supply path 24 Ink supply hole 25 (25, 25-1, 25-2) Partition 26 Thermoplastic polyimide 28 Individual ink path 29 Common ink path 31 Metal film 32 Nozzle Hole (orifice)

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板上に複数個設けられ、供給されたイ
ンクとの界面に発熱により気泡を発生させて、対応する
ノズル孔からインク滴を吐出するサーマルインクジェッ
トヘッドの発熱抵抗体において、 第1のTa−Si−O層と、 該第1のTa−Si−O層上に積層され該第1のTa−
Si−O層のSi/Taモル比よりも小さいSi/Ta
モル比の第2のTa−Si−O層と、 該第2のTa−Si−O層上に形成された酸化層と、 を有することを特徴とする発熱抵抗体。
1. A heating resistor of a thermal inkjet head, which is provided on a substrate and generates air bubbles at an interface with supplied ink by generating heat to discharge ink droplets from a corresponding nozzle hole. And a first Ta-Si-O layer laminated on the first Ta-Si-O layer.
Si / Ta smaller than the Si / Ta molar ratio of the Si—O layer
A heat generating resistor comprising: a second Ta-Si-O layer having a molar ratio; and an oxide layer formed on the second Ta-Si-O layer.
【請求項2】 前記第1のTa−Si−O層は、組成に
おいてSiとTaのモル比Si/Taが「0.47<S
i/Ta<0.75」で且つ「25モル%≦O≦40モ
ル%」であることを特徴とする請求項1記載の発熱抵抗
体。
2. The composition according to claim 1, wherein the first Ta—Si—O layer has a composition wherein the molar ratio of Si to Ta, Si / Ta, is “0.47 <S
2. The heating resistor according to claim 1, wherein i / Ta <0.75 and "25 mol% ≤O≤40 mol%".
【請求項3】 前記第2のTa−Si−O層は、組成に
おいてSiとTaのモル比Si/Taが「0<Si/T
a≦0.15」であることを特徴とする請求項1又は2
記載の発熱抵抗体。
3. The composition according to claim 2, wherein the second Ta—Si—O layer has a composition wherein the molar ratio of Si to Ta, Si / Ta, is “0 <Si / T”.
3. The structure according to claim 1, wherein a ≦ 0.15.
The heating resistor as described.
【請求項4】 前記酸化層は、層厚が100Å〜500
Åであることを特徴とする請求項1、2又は3記載の発
熱抵抗体。
4. The oxide layer has a thickness of 100-500.
The heating resistor according to claim 1, 2 or 3, wherein Å.
【請求項5】 サーマルインクジェットヘッドの発熱抵
抗体の製造方法であって、 Ta板に所定の量のSiを埋め込んだ第1のターゲット
を使用して基板上に第1のTa−Si−O層を形成する
第1のスパッタリング工程と、 前記第1のTa−Si−O層上に前記第1のターゲット
よりも少ない割合のSiをTa板に埋め込んだ第2のタ
ーゲットを用いて前記第1のTa−Si−O層上に第2
のTa−Si−O層を形成する第2のスパッタリング工
程と、 前記第2のTa−Si−O層上の発熱部となる領域に熱
酸化膜を形成するアニール工程と、 を含んで成る発熱抵抗体の製造方法。
5. A method for manufacturing a heating resistor of a thermal inkjet head, comprising: using a first target having a predetermined amount of Si embedded in a Ta plate, forming a first Ta-Si-O layer on a substrate. A first sputtering step of forming a first target and a second target in which a smaller percentage of Si than the first target is embedded in a Ta plate on the first Ta—Si—O layer. Second on the Ta-Si-O layer
A second sputtering step of forming a Ta-Si-O layer, and an annealing step of forming a thermal oxide film in a region serving as a heat generating portion on the second Ta-Si-O layer. Manufacturing method of resistor.
【請求項6】 前記第1のターゲットのSi/Taモル
比は1/3であり、前記第2のターゲットのSi/Ta
モル比は1/9であることを特徴とする請求項5記載の
発熱抵抗体の製造方法。
6. The Si / Ta mole ratio of the first target is 1/3, and the Si / Ta mole ratio of the second target is 1/3.
The method according to claim 5, wherein the molar ratio is 1/9.
【請求項7】 前記第1及び第2のスパッタリング工程
は、ともに、真空度が1×10-6Torr以下、基板温
度が150℃〜400℃、成膜速度が15Å/min〜
40Å/minで、アルゴンガス雰囲気中で行われるこ
とを特徴とする請求項5又は6記載の発熱抵抗体の製造
方法。
7. The first and second sputtering steps both have a degree of vacuum of 1 × 10 −6 Torr or less, a substrate temperature of 150 ° C. to 400 ° C., and a film forming rate of 15 ° / min.
7. The method according to claim 5, wherein the heating is performed at 40 [deg.] / Min in an argon gas atmosphere.
【請求項8】 前記アニール工程は、400℃、10分
間の熱処理であり、前記発熱部への配線パターン形成後
に行われることを特徴とする請求項5、6又は7記載の
発熱抵抗体の製造方法。
8. The manufacturing of a heating resistor according to claim 5, wherein the annealing step is a heat treatment at 400 ° C. for 10 minutes, and is performed after a wiring pattern is formed on the heating section. Method.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2019181724A (en) * 2018-04-04 2019-10-24 キヤノン株式会社 Element substrate

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