JP2001347665A

JP2001347665A - サーマルインクジェットプリンタヘッド

Info

Publication number: JP2001347665A
Application number: JP2000173467A
Authority: JP
Inventors: Osamu Nakamura; 修中村
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2000-06-09
Filing date: 2000-06-09
Publication date: 2001-12-18

Abstract

(57)【要約】【課題】密着性と絶縁性に優れた酸化物絶縁膜からなる
保護膜が被着された発熱素子を備え信頼性に富むサーマ
ルインクジェットプリンタヘッドとその製造方法を提供
する。【解決手段】印字ヘッド２０は、基板２１上にパターン
化されたＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の発熱抵抗体膜２２の発
熱部２２ａの両側に、Ｗ−Ｔｉ系の下地電極層２３とＡ
ｕの上部電極膜２４からなる二層構造の個別配線電極２
５及び共通電極２６が形成され、これらの上に、Ｔａ−
Ｓｉ−Ｏ系の高抵抗層２７と絶縁層２８の２層構造の酸
化物絶縁膜２９が形成されている。下部層の高抵抗層２
７は成膜時の導入混合ガスの酸素濃度を２％と低くした
ことにより上部電極膜２４のＡｕと高い密着性を有す
る。上部層の絶縁層２８は成膜時の酸素濃度を３％と高
くしたことによりＡｕとの密着性はやや劣るが高い絶縁
性を有する。この絶縁層２８をＡｕとではなく親和性の
強い高抵抗層２７に重畳する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、密着性と絶縁性に
優れた保護膜が被着された発熱素子を備え信頼性に富む
サーマルインクジェットプリンタヘッドとその製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、取り扱いが比較的軽便なイン
クジェット方式のプリンタが主流となって広く用いられ
ている。このインクジェット方式によるプリンタには、
インクを加熱し気泡を発生させてその圧力でインク滴を
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ジェット
方式等がある。これらは、記録材たるインクをインク滴
にして印字ヘッドのノズルから噴射させて、そのインク
滴を紙、布などの被記録材に吸収させて文字や画像等の
記録（印字、印刷）を行なうものであり、騒音の発生が
少なく、特別な定着処理を要することもなく、インクの
無駄の無い印字方法である。

【０００３】また、従来は専らモノクロ印字のプリンタ
だけであったが、現在では、むしろフルカラー印字のプ
リンタが主流となっている。フルカラー印字は、通常、
減法混色の三原色であるイエロー（黄色）、マゼンタ
（赤色染料名）及びシアン（緑味のある青色）の３色の
インクを用い、ものによっては、文字や画像の黒色部分
に専用されるブラック（黒）を加えた４色のインクを用
いて行なわれる。

【０００４】図６(a) は、そのような印字を行うインク
ジェットプリンタに搭載されて印字を実行するモノクロ
用のサーマルインクジェットプリンタヘッド（以下、単
に印字ヘッドという）を模式的に示す図であり、同図
(b) は、４色フルカラー用の印字ヘッドを示す図、同図
(c) は、同図(a) のＡ−Ａ′断面矢視図または同図(b)
のＢ−Ｂ′断面矢視図であり、同図(d) は、同図(a) 又
は同図(b) に示す印字ヘッドが製造されるシリコンウエ
ハを示す図である。尚、同図(a) に示す印字ヘッド１−
１及び同図(b) に示す印字ヘッド１−２は、いずれも印
字される用紙側から見た印字ヘッド１−１、１−２のイ
ンク吐出面を示している。

【０００５】図６(a) に示すように、印字ヘッド１−１
は、チップ基板２の表面（インク吐出面）に天板３を積
層され、その天板３にはドライエッチング等の孔空け加
工による多数の吐出ノズル４が縦一列に（同図(b) の印
字ヘッド１−２では縦４列に）配置されてノズル列５を
形成し、チップ基板２の上記ノズル列方向の一方の端部
（同図(a),(b) では上端部）には、共通給電端子６と駆
動回路端子７が形成されている。

【０００６】図６(a) の印字ヘッド１−１は前述したよ
うにモノクロプリンタ用の印字ヘッドであり、同図(b)
の印字ヘッド１−２は、同図(a) の印字ヘッド１−１の
構成を、このチップ基板２よりも大きいチップ基板８上
に、モノリシックに４列並べて形成したものである。上
記の印字ヘッド１−１又は１−２は、いずれも、同図
(d) に示すように、４×２５．４ｍｍ或は６×２５．４
ｍｍ等の大きさのシリコンウエハ９の上に多数（例えば
９０個以上）区画されたチップ基板２又は８上において
製造される。

【０００７】同図(c) を用いて各チップ基板２又は９に
形成される印字ヘッド１−１、１−２の内部構造を簡単
に説明する。先ず、チップ基板２（又は９、以下同様）
の表層部の所定の位置に、ＬＳＩ形成処理技術により、
ＭＯＳトランジスタ等からなる駆動回路１１が形成され
ている。

【０００８】更に、チップ基板２の表面には、薄膜形成
処理技術により、ストライプ状の複数の発熱抵抗体の発
熱部１２、この発熱部１２と上記駆動回路１１のドライ
バとを接続する個別配線電極１３、発熱部１２に駆動電
圧を供給する共通電極１４、及び図６(a) に示す共通給
電端子６と駆動回路端子７が形成されている。ここで、
印字ドットを形成するための各発熱素子は、個々の発熱
部１２とその両端の領域に積層された個別配線電極１３
と共通電極１４とで形成されている。

【０００９】また、上記個別配線電極１３、発熱部１２
及び共通電極１４を挟んで駆動回路１１の反対側には、
サンドブラスト法等のドライエッチング加工により発熱
部１２にインクを供給する溝状の共通インク溝１５が基
板表面側に形成され、この共通インク溝１５に外部から
のインクを供給するためのインク供給孔１６が基板裏面
に貫通させて形成されている。共通インク溝１５は発熱
部１２の並設方向（図６(c) では紙面垂直方向）に細長
い溝状に延設されており、この共通インク溝１５に連通
する例えば２個のインク供給孔１６が裏面に貫通させて
形成されている。

【００１０】そして、これらの上に、フォトリソグラフ
ィー技術により隔壁１７（シール隔壁１７−１、１７−
２、加圧室隔壁１７−３）が積層されている。加圧室隔
壁１７−３は、隣接する発熱素子を個々に仕切るように
形成されており、これにより、シール隔壁１７−２及び
加圧室隔壁１７−３により発熱素子の発熱部１２を三方
から取り囲むインク加圧室１８が形成されている。

【００１１】更に、この隔壁１７の上に天板３が積層さ
れている。この天板３に覆われて、隔壁１７の高さに対
応するおよそ１０μｍの高さのインク供給路１９が、イ
ンク加圧室１８と共通インク溝１５間に形成される。そ
して、上記の天板３には、特には図示しない金属膜マス
クに基づいてドライエッチングして形成された直径およ
そ２０〜３０μｍの吐出ノズル４が上記発熱部に対向す
るように配置されている。

【００１２】この後、ダイシングソーなどを用いてシリ
コンウエハ１０をチップ基板２毎にカッティングして個
々に採取し、その採取したチップ基板２の背面をアルミ
ニウム材等の放熱板を兼ねる親基板にダイボンデング
し、ワイヤボンディングにより端子接続し、樹脂保護層
を形成して、同図(a) に示す印字ヘッド１−１又は同図
(b) に示す印字ヘッド１−２のような実用単位の印字ヘ
ッドが完成する。

【００１３】ところで、品質改善の為の実験過程におい
て、上記のような印字ヘッド１−１、１−２により印字
を実行するに際して、駆動回路１１により発熱部１２を
発熱させるべく電極に通電すると、発熱部１２で膜気泡
が発生するばかりでなく、共通電極１４や個別配線電極
１３及び共通インク溝１５やインク供給孔１６の内壁に
も微細な気泡が発生する。

【００１４】このようにインク流路内に気泡が発生する
と、インクの安定した流量を確保することができず、ま
た、インク滴を吐出する際の圧力の伝わり方にも悪影響
を及ぼすようになり、全体としてインクの良好な吐出性
能を阻害し、印字品質を顕著に低下させるという問題が
発生する。

【００１５】そこで、上記の微細気泡発生の要因を調べ
てみると、次のようなことが判明した。通常のインクジ
ェットプリンタ用のインクは一般に弱電解質溶液であ
る。そして、駆動回路１１の論理回路には駆動回路端子
７（図６(a) 参照）を介して５Ｖの信号用電源電圧が供
給され、共通電極１４には共通給電端子６（図６(a) 参
照）を介して発熱駆動用電源から１５〜２０Ｖの駆動電
圧が供給されている。また、チップ基板２は接地されて
いる。そして、発熱部１２とこれに接続する共通電極１
４と個別配線電極１３の一部、及びインク供給溝１５と
インク供給孔１６の内壁は、インクに直接曝されてい
る。

【００１６】他方、駆動回路１１の不図示の駆動トラン
ジスタからなるドライバがオフのときは、共通電極１
４、発熱部１２及び個別配線電極１３は同電位になって
おり、チップ基板２との間には、１５〜２０Ｖの電位差
が生じている。また、駆動回路１１の不図示の論理回路
により、いずれかのドライバが選択されてオンとなり、
共通給電端子６、共通電極１４、発熱部１２、個別配線
電極１３及び接地配線と順次電流が流れて、選択された
発熱部１２が発熱するときにおいても、個別配線電極１
３の電位は発熱部１２での電圧降下分共通電極１４より
低くなっているだけである。

【００１７】したがって、ドライバのオン／オフに拘ら
ず、発熱駆動用電源がオンしている間は、共通電極１
４、発熱部１２及び個別配線電極１３は、接地されたチ
ップ基板２との間に略１５〜２０Ｖの電位差が生じてお
り、共通電極１４及び個別配線電極１３と、インク供給
溝１５及びインク供給孔１６の内壁との間に、インクの
固有抵抗を介した電気回路が形成される。

【００１８】そして、この電気回路に流れる電流による
電気化学反応によりインクが電気分解され、陽極側であ
る共通電極１４、発熱部１２、及び個別配線電極１３で
は酸素が発生し、陰極側であるインク供給溝１５及びイ
ンク供給孔１６の内壁には水素が発生する。そして、こ
れらが微細な気泡となってインク吐出に悪影響を及ぼす
ということが判明した。

【００１９】また、図６(c) には図示しなかったが、発
熱部１２を発熱駆動する個別配線電極１３及び共通電極
１４は、下地電極膜と上部電極膜から成る二層構造の電
極層で形成されている。そして、個別配線電極１３及び
共通電極１４は、単に表面部ばかりでなく上記二層構造
の電極の側壁も常時インクに接触している。

【００２０】一般に、固体または液体の異種の導電体の
相が接触したとき、両相の外部電位（表面すぐ外側の真
空部分の電位）の間に生じる電位差をボルタ電位差また
は接触電位差というが、両相が電荷を持たない金属であ
る場合、その接触電位差によって、電子の仕事関数の小
さい金属から大きい金属に向かってトンネル効果と呼ば
れる電子の移動が発生する。

【００２１】このような電子の移動は本来は両金属中の
電子の電気化学的ポテンシャルが等しくなるところで平
衝に達するが、上部電極膜（例えばＡｕ）と下地電極膜
（例えばＷ−Ｔｉ）の場合は、その側壁がインクという
電解質の中に存在するため平衝反応に到達することが無
く、アノード溶解反応が連続的に生じて接合部から腐蝕
反応（電蝕作用）がどんどん進行し、ついには印字ヘッ
ドの構造破壊を引き起こす。

【００２２】そこで、共通電極１４、発熱部１２及び個
別配線電極１３から成る発熱素子の少なくともインクと
接触する部分を適宜の絶縁膜で被覆すれば上述した微細
気泡発生の不具合や連続的アノード溶解反応による電極
破壊のような不具合は解消できるはずであると考えられ
た。そして、一般にそのような絶縁膜としては、例え
ば、物理的な気相成長法であるＰＶＤ（Physical Vapor
Deposition ）法によるスパッタ又は真空蒸着によるＳ
ｉＯ₂、ＴａＳｉＯ等の酸化物からなる絶縁膜の成膜、
あるいは化学的気相成長法であるＣＶＤ（Chemical Vap
or Deposition ）法によるＳｉＯ₂、ＳｉＮ等の絶縁膜
を成膜する方法などが提案されている。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の絶縁
膜は、いずれも配線電極との良好な密着性が得られない
とう問題点を有していた。特に、配線電極がＡｕの場合
に、密着性が悪い。そのように、絶縁膜と配線電極とに
良好な密着性が得られないと、やがては絶縁膜と配線電
極との間に剥離を引き起こし、この剥離によって絶縁膜
に亀裂が発生する。絶縁膜に亀裂が発生すると、その亀
裂からインクが進入し、上述した電極とインク間の絶縁
不良によるインクの電気分解に基づく微細気泡の発生
や、インクとの接触による電極の腐食とこの腐蝕からく
る断線や電極剥離等による信頼性低下などのの悪影響が
再び発生して、絶縁膜を形成した意味が失われてしまう
という問題に発展する。

【００２４】本発明の課題は、上記従来の実情に鑑み、
密着性と絶縁性に優れた保護膜が被着された発熱素子を
備え信頼性に富むサーマルインクジェットプリンタヘッ
ドとその製造方法を提供することである。

【００２５】

【課題を解決するための手段】先ず、請求項１記載の発
明のサーマルインクジェットプリンタヘッドは、インク
を加熱して発生させる気泡の圧力によりインクを所定方
向に噴射させて記録を行うサーマルインクジェットプリ
ンタヘッドであって、少なくとも表面部が絶縁層である
絶縁性基板と、該絶縁性基板上に配設され、発熱抵抗体
からなる発熱部に一対の電極を接続してなる複数の発熱
素子と、少なくとも上記発熱素子に被着された酸化物絶
縁膜と、を備え、上記酸化物絶縁膜は、上記電極又は発
熱部と接する底面部よりも表面部の方が酸素含有率が高
くなるように構成される。

【００２６】上記酸化物絶縁膜は、例えば請求項２記載
のように、上記電極又は発熱部と接する底面層と該底面
層に重畳した表面層からなる２層構造膜であることが好
ましく、また、例えば請求項３記載のように、上記底面
部から上記表面部にかけて酸素含有率が徐々に高くなる
単層構造膜であっても良い。そして、上記酸化物絶縁膜
は、例えば請求項４記載のように、上記底面部における
３ｅＶの光の透過率が６５％以下であり、上記表面部に
おける３ｅＶの光の透過率が６５％より大であるように
形成してもよく、また、例えば請求項５記載のように、
上記底面部における光の屈折率が２．２より大きく、上
記表面部における光の屈折率が２．２以下であるように
形成してもよい。

【００２７】そして、上記サーマルインクジェットプリ
ンタヘッドは、例えば請求項６記載のように、上記酸化
物絶縁膜はＴａ−Ｓｉ−Ｏ系膜であり、上記電極はＡｕ
で構成されることが好ましい。また、上記発熱抵抗体
は、例えば請求項７記載のように、少なくともＴａ、Ｓ
ｉ、Ｏの３元素を含む電気抵抗体で構成されることが好
ましい。

【００２８】次に、請求項８記載のサーマルインクジェ
ットプリンタヘッドの製造方法は、インクを加熱して発
生させる気泡の圧力によりインクを所定方向に噴射させ
て記録を行うサーマルインクジェットプリンタヘッドの
製造方法であって、少なくとも表面部が絶縁層である絶
縁性基板上に発熱抵抗体からなる発熱部に一対の電極を
接続してなる複数の発熱素子を設置する工程と、少なく
とも上記発熱素子に酸化物絶縁膜をスパッタリングによ
り被着する絶縁膜形成工程と、を備え、上記絶縁膜形成
工程において、上記酸化物絶縁膜の上記電極又は発熱部
と接する底面部を形成するときのスパッタリング装置の
チャンバ内に導入するガス中の酸素ガスの第１の割合
が、上記酸化物絶縁膜の表面部を形成するときの上記チ
ャンバ内に導入するガス中の酸素ガスの第２の割合より
も小さいように構成される。

【００２９】そして、上記チャンバ内に導入するガス
は、例えば請求項９記載のように、ＡｒとＯ₂の混合ガ
スであり、上記第１の割合が２〜２．５％であり、上記
第２の割合が３〜３．５％であるようすることが好まし
い。また、上記チャンバ内に導入するガス中の酸素ガス
の割合を、例えば請求項１０記載のように、スパッタリ
ング経過時間と共に増加させることが好ましい。

【００３０】

【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、第１の実施の形
態におけるサーマルインクジェットプリンタヘッド（以
下、印字ヘッド）の発熱素子の近傍の構造（図６(c) 参
照）を隔壁と天板を除いて示す拡大図であり、同図(b)
は、そのＣ−Ｃ′断面矢視図である。本実施形態の印字
ヘッドは、図６に示した印字ヘッド１−１と略同様の製
造工程を経て製造されるが、同一シリコン基板上にプリ
ンタヘッド部と駆動回路を搭載したモノリシック型印字
ヘッドではなく、一枚のガラス基板等の絶縁性基板上に
複数のプリンタヘッド部を形成して分割した後に駆動回
路とボンデイングする印字ヘッドである。

【００３１】図１(a),(b) に示すように、この印字ヘッ
ド２０は、絶縁性基板２１の上に条形にパターン化され
た発熱抵抗体膜２２が配置されている。そして、この発
熱抵抗体膜２２の発熱部２２ａとなる部分の両側に、同
じくパタ−ン化されて積層された下地電極層２３と上部
電極膜２４からなる二層構造の個別配線電極２５と共通
電極２６が配置されている。これにより、これら発熱部
２２ａ、個別配線電極２５及び共通電極２６によって形
成される条形の発熱素子が絶縁性基板２１の表面に多数
並設されて形成される。

【００３２】上記の絶縁性基板２１は例えばガラス基板
であり、発熱抵抗体膜２２は例えばＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ
系化合物からなる厚さおよそ５００ｎｍの薄膜であり、
発熱部２２ａは電圧を印加されて発熱する部分である。
そして、発熱部２２ａの両側に積層される下地電極層２
３は例えばＷ−Ｔｉ系からなる厚さ１００ｎｍ〜３００
ｎｍの薄膜であり、この上に積層される上部電極膜２４
は例えばＡｕからなる厚さ３００ｎｍ〜１０００ｎｍか
らなる薄膜である。

【００３３】このように、電極を二層構造にするのは、
発熱抵抗体膜２２と電気良導体である上部電極膜２４と
では良い接着性が得られないため、発熱抵抗体膜２２と
上部電極膜２４との両方に良い接着性を有する下地電極
層２３を介在させる必要があるからである。

【００３４】ところで、ＳｉＯ₂やＴａＳｉＯあるいは
ＳｉＮ等の絶縁膜がＡｕ等の電極膜との接着性が良くな
いことは前述した。そこで、本例では、発熱素子に被覆
する酸化物絶縁膜２９を、上部電極膜２４及び基板２１
表面と直接密着すべき底面部としての上部電極膜２４の
Ａｕに高い密着性を有する高抵抗層２７と、上部電極膜
２４のＡｕとは密着性はやや劣るが高抵抗層２７とは高
い密着性を有する表面部としての絶縁層２８を高抵抗層
２７の上に積層した２層構造に形成している。ここで、
酸化物絶縁膜２９は、発熱素子の絶縁性基板２１と接す
る面以外の面、つまり表面だけでなく両側面及び端面を
含むインクと接触する可能性のある露出面を全て被覆す
るように被着されている。

【００３５】上記の高抵抗層２７及び絶縁層２８はいず
れもＴａ−Ｓｉ−Ｏ系膜から成り、酸素の含有率が異な
るだけの構成となっている。そして、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ系
膜は酸素の含有率の程度によって絶縁性やＡｕとの密着
性が変化する特性があることが実験の結果判明してい
る。

【００３６】図２(a) は、上記の酸化物絶縁膜２９を形
成するときのＴａ−Ｓｉ−Ｏ系膜の成膜条件と抵抗率と
の関係を示す図表であり、同図(b) は、同じくその成膜
条件と金（Ａｕ）との密着性との関係を示す図表であ
り、同図(c) は、同じくその成膜条件とシリコン基板の
絶縁保護膜（パッシベーション膜：Ｓｉ₃Ｎ₄）との密
着性との関係を示す図表である。同図(a),(b),(c) は、
いずれも左端上から試料番号１〜試料番号７を示し、中
央欄には成膜条件を示している。

【００３７】上記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ系膜の成膜には、マグ
ネトロンスパッタ装置を使用した。そして、ターゲット
には、Ｔａ：ＳｉＯ₂＝６０：４０のＨＩＰ焼結体ター
ゲットを使用した。また、成膜時にスパッタ装置のチャ
ンバ内にＡｒとＯ₂の混合ガス「Ａｒ＋Ｏ₂」を導入し
ている。同図(a),(b),(c) の中央欄の成膜条件はこの導
入する混合ガス「Ａｒ＋Ｏ₂」中の酸素ガスの割合（体
積％）を示したものである。この成膜時における混合ガ
ス「Ａｒ＋Ｏ₂」中の酸素ガスの割合は、同図(a),(b),
(c) に示す例では、表の上から０．５％、２％、２．５
％、３％、３．５％、４％、及び６％となっている。

【００３８】同図(a) の右端欄には試料毎に測定した抵
抗率が示されている。同図(a) に示すように、酸素導入
量が増加するにつれて試料膜の抵抗率は増大する。すな
わち、上から最初の試料番号１の試料の抵抗率は８．１
ｍｏｈｍ．ｃｍ、次の試料番号２の試料の抵抗率は１０
ｋｏｈｍ．ｃｍとなっており、酸素導入量が増加するに
つれて順次高抵抗体に変化していくことを示している。

【００３９】そして、酸素導入量が２．５％以上である
３番目の試料番号３の試料から試料番号７の試料では、
抵抗率の測定が不可能であり、いずれも実質的に絶縁体
であることを示している。

【００４０】また、同じ試料番号１〜７の試料について
金（Ａｕ）との接着性について調査してみると、同図
(b) の右端欄に示すように評価できることが判明する。
これらの評価において、剥離や密着性の良し悪しの評価
は、目視又は顕微鏡観察によっており、剥離やピンホー
ルのないものは密着性良好としている。ただし試料番号
１については未評価である。

【００４１】このような観察の結果、試料番号２の試料
は（同図(a) で判明しているように絶縁体ではなく高抵
抗体であるが）、Ａｕとの密着性は特に良好であり、強
度もあることが観察された。また、試料番号３及び４に
ついては、密着性が良好であることが観察され、そして
試料番号５〜７については成膜後数時間又は直後から剥
離が発生することが観察された。

【００４２】また、これらの事実は、単なる試料による
観察のみでなく、実際に印字ヘッドを作る全工程を通過
後、つまり最終段階の隔壁形成やオリフィス板の積層な
どの終了後における観察においても同様であった。

【００４３】これらの実験結果を総合すると、試料番号
１は抵抗率が低いので導体に近く、したがって絶縁膜と
して使用することはできない。試料番号５〜７では、Ａ
ｕとの剥離が見られる。

【００４４】残る試料番号２、３及び４について考察す
ると、特に試料番号２の試料はＡｕとの密着性が他の試
料に比較して極めて良好である。但し、この試料番号２
の試料は絶縁体ではない、しかし極めて高い抵抗率を有
している。

【００４５】他方、試料番号３及び４は絶縁体である。
そして、これら試料番号３及び４はＡｕとの密着性は良
好であるが試料番号２の試料に比較するとやや劣る。し
かし組成的に酸素の量が異なるだけで他の点では同質で
ある試料番号２の試料とは親和性があり相互の密着性が
極めて高いことが容易に推定される。

【００４６】上述したＴａ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物絶縁膜を
成膜するときの導入ガス中の酸素ガス割合と、得られる
酸化物絶縁膜の抵抗率及びＡｕ電極との密着性の関係か
ら、酸化物絶縁膜２９の底面部を成膜するときは、導入
酸素ガス濃度は３％以下が好ましく、その内でも２〜
２．５％がより好ましい。

【００４７】また、酸化物絶縁膜２９の表面部を成膜す
るときは、導入酸素ガス濃度は２．５％以上が好まし
く、その内でも３％以上で３．５％未満がより好まし
い。ところで、チャンバ内に導入する酸素導入量を正確
に設定することはできても、これは成膜時の成膜方法で
あって、成膜後の各試料番号の試料の構成を示す指針に
はならない。

【００４８】例えば、成膜後の各試料にどれだけの酸素
が含有されているかの組成の測定では、試料番号１〜２
の抵抗体膜で酸素含有率は５０〜７０モル％、試料番号
５〜７の絶縁体膜では酸素含有率は７２〜８０モル％で
あるが、これらには測定誤差が含まれており正確とは言
い難いから、酸素含有率により酸化物絶縁膜が抵抗体膜
か絶縁体膜かの判別することは困難である。

【００４９】そこで、測定が比較的容易で正確に行うこ
とができる光透過率を用いて各試料番号の試料の特性を
決定することにした。先ず、上述した各試料番号の試料
を石英ガラス基板に成膜したものの光透過の測定を行っ
た。

【００５０】図３(a) は、成膜時の酸素導入量が２％、
４％及び６％の場合の試料番号２、６及び７の光反射率
の測定結果を示す図であり、同図(b) は、成膜時の酸素
導入量が２．５％、３％及び３．５％の場合の試料番号
３、４及び５の光反射率の測定結果を示す図である。同
図(a),(b) において、バンドギャップは約５ｅＶ程度で
あり、これについては試料番号２〜７のどの試料も大差
ない。又、全ての試料で多重反射の影響が見られる。

【００５１】ここで、同図(a) に見られる特徴的なこと
は、成膜時の酸素導入量が２％の試料番号２の場合に、
３ｅ∨での透過率が４０％程度と、他の試料番号６又は
７の試料に比べて透過率が低いことである。この透過率
の低い試料番号２の試料の抵抗率は図２(a) から１０ｋ
ｏｈｍ．ｃｍであることが判明している。即ち絶縁体と
は言い難い試料である。換言すれば、透過率が相対的に
低い試料は絶縁性が低い試料であると考えられる。

【００５２】他方、図３(b) に示す成膜時の酸素導入量
が２．５％、３％及び３．５％の試料番号３、４及び５
の試料の透過率の測定結果では、多重反射の影響を考慮
しても、酸素導入量２．５％の試料番号３の試料の透過
率は、同図(a) の試料番号２の試料ほどではないが、試
料番号４〜７の試料に比べると低い。したがって、この
試料番号３の試料も、図２(a) では抵抗率の測定が不可
能であるほどの抵抗率ではあったが、絶縁性はさほど良
くない試料であると考えられる。

【００５３】これに対して、図３(b) の試料番号４及び
５、並びに同図(a) に示した試料番号６及び７の各試料
は、３ｅ∨での透過率が７０％を超えている。これらの
試料は、図２(a) から、高い絶縁性を持つものであるこ
とが判明している。これらのことは、成膜中の酸素導入
量が増えるに従い、即ち、膜中の酸素量が増えるに従い
絶縁性が向上することを示している。

【００５４】これらの図３(a),(b) と上述の図２(a) か
ら、３ｅＶの光の透過率が、６５％以下（導入酸素量２
％の試料番号２の試料参照）では強い密着層であり、３
ｅＶの光の透過率が、６５％より大きいと絶縁層である
と判定することができる。

【００５５】図４は、上記と同一の試料について、光の
屈折率を調べた特性図である。尚、この屈折率は、上述
した透過率のデータの多重反射における極小値（ボト
ム）の値から計算している。また、屈折率は試料の膜厚
によって変化する。同図に示す例では、試料の膜厚を１
３０〜１４２ｎｍの範囲で成膜している。この図４と前
述の図２(a) から、屈折率が、２．２以下（導入酸素量
２．５％の試料番号３以上の試料参照）では絶縁体膜で
あり、屈折率が、２．２より大であるとＡｕとの強い密
着性を備えた抵抗体膜であると判定することができる。

【００５６】ここで、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物絶縁膜を
絶縁体膜とするには、酸素導入量を３％以上とすればよ
いが、成膜条件の信頼性を考えた場合には、酸素導入量
は３．５％以上は欲しいところである。但し酸素導入量
が増加するにつれて絶縁性は増すが、Ａｕ電極等の金属
配線との密着性が悪化することは前述した通りである。
また、密着性が特に良いものは高抵抗性を備えてはいる
が絶縁体ではないことも前述した通りである。

【００５７】そこで、本例においては、上述した判定
と、図２(a),(b) に示される各試料の特性に基づいて、
図１(a),(b) に示した印字ヘッド２０を、酸化物絶縁膜
２９の二層構造を成す下部層の高抵抗層２７を試料番号
２と同様の条件で厚さをおよそ１０ｎｍで成膜し、上部
層の絶縁層２８を試料番号３又は４と同様の条件で厚さ
をおよそ１００ｎｍで成膜して、２層構造の絶縁保護膜
としている。すなわち、Ａｕの上部電極膜２４の上に
は、高抵抗層２７として強い密着性を有する高抵抗体の
Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ膜を形成し、更にその上に、絶縁層２８
として高い絶縁性のＴａ−Ｓｉ−Ｏ膜を形成している。
この酸化物絶縁膜２９の好適厚さは、およそ０．１〜
０．３μｍである。

【００５８】これにより、下部層の高抵抗層２７は、図
２(b) の試料番号２の特性に示すＡｕとの特に優れた密
着性により上部電極膜２４に強固に密着する。また、試
料番号２の特性は、図２(a) に示すように絶縁体ではな
いが極めて高い抵抗体である。この構造で問題になるの
は、上記の非絶縁性による電極間の電流リークであり、
例えば図１(b) の両方向矢印Ｄに示すようなリーク電流
が考えられる。

【００５９】ここで、試料番号２の試料と同一条件で成
膜した抵抗体（下部層の高抵抗層２７）の抵抗率の概略
を計算する。この抵抗体は、絶縁性の高い上部層の絶縁
層２８とＡｕ配線電極との間に形成して密着強度を増す
ための膜であるから、膜厚は薄くてよい。具体的には数
百オングストローム以下で十分である。また一般に発熱
抵抗体膜２２の発熱部２２ａの抵抗値は数ｏｈｍから数
百ｏｈｍである。

【００６０】ここで、説明を分かり易くするために、高
抵抗層２７の膜厚を１００Å、抵抗発熱体の抵抗値を１
００ｏｈｍとする。この抵抗発熱体に１００ｍＡの電流
を流してインクに膜気泡をを発生させることを考える。
インクと抵抗発熱体及び配線電極との間には、図１(a),
(b) に示す２層構造の酸化物絶縁膜２９の上部層の絶縁
層２８によって絶縁性が保たれている。

【００６１】しかし、配線電極間は、下部層の高抵抗層
２７によって電気的に接続状態となっている。この高抵
抗層２７の厚さを上記のように１００Åとする。この高
抵抗層２７は、試料番号２の試料と同等の特性の膜であ
るから、この場合のシート抵抗値は約１０Ｇｏｈｍ／□
である。図１(a),(b) に示す個別配線電極２５間の縦横
の比を１０：１とした場合、各電極間の抵抗値は約１Ｇ
ｏｈｍとなる。この場合、各電極間のリーク電流は、駆
動電圧１０Ｖで０．０１μＡとなり、これは十分に無視
できるリーク電流量である。

【００６２】また、実際にも１μＡ程度のリーク電流量
は十分に許容範囲内であり、したがって、図１(a),(b)
に示す下部層の高抵抗層２７としては、抵抗率が１００
ｏｈｍ．ｃｍ以上あれば使用可能である。

【００６３】そして、上記のような観点から、実際にＡ
ｕ膜上に下地酸化膜として試料番号２の試料と同様の条
件「Ａｒ＋Ｏ₂」の酸素量２％で膜厚１０ｎｍで成膜
し、その上に上部酸化膜として試料番号３の試料と同様
の条件「Ａｒ＋Ｏ₂」の酸素量６％で適宜の膜厚、例え
ば１００ｎｍ程度で成膜して、Ａｕ膜との密着性の確認
を行って見ると、良好な結果が得られた。勿論、インク
との絶縁性は上部酸化膜によって充分に得られている。

【００６４】以上、Ａｕのような金属配線とＴａ−Ｓｉ
−Ｏ系の酸化物絶縁層との密着性について説明してきた
が、このような酸化物絶縁層の密着性の問題は、金属配
線以外でも発生する。すなわち、一般に、シリコンウエ
ハを用いて電子回路を作成しようとする場合には、シリ
コン基板の表面にＳｉ₃Ｎ₄等からなる絶縁性の保護膜
（パッシベーション膜）を形成した上に、図１(a),(b)
に示すような配線パターンを形成する。そして、その場
合もそれらの配線パターンの上に、酸化物絶縁膜２９を
形成する必要があるが、工程上の理由で、配線パターン
間のＳｉ₃Ｎ₄等からなる絶縁性保護膜上にも一括して
形成する場合が多い。。

【００６５】図２(c) に示した図表は、上記同様に酸化
物絶縁膜の成膜時の酸素濃度を２％、２．５％、３％、
３．５％、６％と変化させて、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物
絶縁膜とＳｉ₃Ｎ₄層との密着性を調べたものである。
同図(c) では、上述したＡｕ膜上に形成したと同じ試料
番号１〜７の試料について、右端欄にＳｉ₃Ｎ₄層との
密着性についての評価が示されており、試料番号１につ
いては未評価、試料番号２〜５については密着性が良好
であることが観察され、試料番号６については未評価、
試料番号７についてはクラックの発生が観察されてい
る。

【００６６】上記の密着性の評価も、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ系
の酸化物絶縁層を成膜した後、隔壁を形成し、貫通孔を
穿設してから、観察したものである。この場合も、成膜
時の酸素ガス濃度が２〜３．５％の場合で密着性が良好
であり、酸素ガス濃度が６％の場合は密着強度が弱く、
クラックが発生している。従って、酸化物絶縁膜の底面
部としての高抵抗層を、成膜時の酸素ガス濃度を２〜３
％にして成膜すれば、Ａｕ等の金属電極だけでなくＳｉ
₃Ｎ₄等の窒化珪素絶縁保護膜に対しても密着性に優れ
た酸化物絶縁膜が得られる。つまり、本発明になる二層
構造の酸化物絶縁層の適用は、金属配線のみならず例え
ばＳｉ₃Ｎ₄層のような非金属に対しても有効に作用す
る。

【００６７】尚、上述した実施形態では、Ｔａ−Ｓｉ−
Ｏ系の酸化物絶縁層を密着性を重視した下部層と絶縁性
を重視した上部層の２層構造としているが、下面が密着
性に富み、上面が絶縁性に富む構造であれば２層構造に
限るものではなく、単体の層構造であっても良い。これ
を第２の実施の形態として説明する。

【００６８】図５(a),(b) は、第２の実施の形態におけ
る印字ヘッドの発熱素子の近傍の構造を隔壁と天板を除
いて示す拡大図、(b) はその丸Ｄで示す部分の構造を示
す更なる拡大図である。尚、同図(a),(b) には、図１
(a),(b) と同一構成部分には図１(a),(b) と同一の番号
を付与して示している。

【００６９】同図(a),(b) に示す印字ヘッドのＴａ−Ｓ
ｉ−Ｏ系の酸化物絶縁層２９′は、この酸化物絶縁層２
９′を形成するに際してスパッタ装置に導入する混合ガ
ス「Ａｒ＋Ｏ₂」の酸素濃度を最初は２％程度に小さく
して底面部が金属電極との密着性に富み、且つ、スパッ
タリングを継続しながら次第に酸素濃度を上げて最終的
には３％まで大きくして表面部が絶縁性に富む構造とし
た、単体の絶縁保護層の構造を有している。

【００７０】上述のように酸化物絶縁膜を酸素含有率が
発熱素子等に接する底面部から表面部に向かって徐々に
高くなる単層構造に形成しても、第１実施形態の２層構
造のものと同様に、発熱素子の金属電極との密着性に優
れると共に十分な絶縁性を備えた酸化物絶縁膜を得るこ
とができる。そして、酸化物絶縁膜が単層構造であるか
ら、少ない製造工程数で容易に製造することができる。

【００７１】なお、上記第１、第２の実施形態では、酸
化物絶縁膜をＴａ−Ｓｉ−Ｏ系絶縁膜とし、金属電極を
Ａｕ電極としているが、本発明はこれらの組合せに限る
ものではなく、他のＮｉやＡｌ等のＡｕ電極以外の金属
電極にＴａ−Ｓｉ−Ｏ系以外のＣｒ等の酸化物絶縁膜を
被覆する場合等にも適用できる。

【００７２】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、発熱素子に被覆する酸化物絶縁膜を、配線電極に
接触する底面部よりもその表面部の方が酸素含有率の高
い構造とするので、配線電極との密着性が高められると
共に、発熱素子をインクに対して確実に絶縁できる十分
な絶縁性を備えた酸化物絶縁膜が得られ、これにより、
インクの電気分解に基づく微細気泡の発生や、インクと
の接触による電極の腐食が確実に防止され、信頼性に富
むサーマルインクジェットプリンタヘッドとその製造方
法を提供することが可能となる。

【００７３】また、本発明の製造方法においては、酸化
物絶縁膜をスパッタリングにより成膜する工程におい
て、導入する混合ガス中の酸素ガス濃度を変えることに
より酸素含有率を変化させるから、発熱素子に接触する
底面部よりその表面部の方が酸素含有率の高い酸化物絶
縁膜を容易に形成することができる。

【００７４】その場合、成膜工程中において酸素ガス濃
度を連続的に変化させることにより、酸素含有率が発熱
素子等に接する底面部から表面部に向かって徐々に高く
なる単層構造の酸化物絶縁膜を少ない工程でより容易に
形成することができる。これにより、密着性と絶縁性に
優れた保護膜が被着された発熱素子を備え信頼性に富む
サーマルインクジェットプリンタヘッドをより容易に製
造することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】(a) は第１実施形態における印字ヘッドの発熱
素子の近傍の構造を隔壁とオフィリス板を除いて示す拡
大図、(b) はそのＣ−Ｃ′断面矢視図である。

【図２】(a) は第１実施形態の印字ヘッドに用いるべき
酸化物絶縁膜の成膜条件と抵抗率の関係を示す図表、
(b) は同じくＡｕとの密着性の関係を示す図表、(c) は
同じくシリコン基板の保護膜との密着性の関係を示す図
表である。

【図３】(a) は酸化物絶縁膜成膜時の酸素導入量が２
％、４％及び６％の試料の光反射率の測定結果を示す
図、(b) は同じく２．５％、３％及び３．５％の試料の
光反射率の測定結果を示す図である。

【図４】図２(a),(b),(c) に示す試料と同一の試料につ
いて光の屈折率を調べた特性図である。

【図５】(a) は第２実施形態の印字ヘッドの発熱素子の
近傍の構造を隔壁とオフィリス板を除いて示す拡大図、
(b) はその丸Ｄで示す部分の構造を示す更なる拡大図で
ある。

【図６】(a) は従来のインクジェットプリンタに搭載さ
れるモノクロ用印字ヘッドを模式的に示す図、(b) は４
色フルカラー用印字ヘッドを示す図、(c) は(a) のＡ−
Ａ′断面矢視図または(b) のＢ−Ｂ′断面矢視図、(d)
は(a) 又は(b) の印字ヘッドが製造されるシリコンウエ
ハを示す図である。

【符号の説明】１−１、１−２印字ヘッド２チップ基板３天板４吐出ノズル５ノズル列６共通給電端子７駆動回路端子８チップ基板９シリコンウエハ１１駆動回路１２発熱抵抗体１２−１発熱部１３個別配線電極１４共通電極１５共通インク溝１６インク供給孔１７隔壁１７−１、１７−２シール隔壁１７−３加圧室隔壁１８インク加圧室１９インク供給路２０印字ヘッド２１絶縁性基板２２発熱抵抗体膜２２ａ発熱部２３下地電極層２４上部電極膜２５個別配線電極２６共通電極２７高抵抗層２８絶縁層２９酸化物絶縁膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インクを加熱して発生させる気泡の圧力
によりインクを所定方向に噴射させて記録を行うサーマ
ルインクジェットプリンタヘッドであって、少なくとも表面部が絶縁層である絶縁性基板と、該絶縁性基板上に配設され、発熱抵抗体からなる発熱部
に一対の電極を接続してなる複数の発熱素子と、少なくとも前記発熱素子に被着された酸化物絶縁膜と、を備え、前記酸化物絶縁膜は、前記電極又は発熱部と接する底面
部よりも表面部の方が酸素含有率が高いことを特徴とす
るサーマルインクジェットプリンタヘッド。
【請求項２】前記酸化物絶縁膜は、前記電極又は発熱
部と接する底面層と該底面層に重畳した表面層からなる
２層構造膜であることを特徴とする請求項１記載のサー
マルインクジェットプリンタヘッド。
【請求項３】前記酸化物絶縁膜は、前記底面部から前
記表面部にかけて酸素含有率が徐々に高くなる単層構造
膜であることを特徴とする請求項１記載のサーマルイン
クジェットプリンタヘッド。
【請求項４】前記酸化物絶縁膜は、前記底面部におけ
る３ｅＶの光の透過率が６５％以下であり、前記表面部
における３ｅＶの光の透過率が６５％より大であること
を特徴とする請求項１記載のサーマルインクジェットプ
リンタヘッド。
【請求項５】前記酸化物絶縁膜は、前記底面部におけ
る光の屈折率が２．２より大きく、前記表面部における
光の屈折率が２．２以下であることを特徴とする請求項
１記載のサーマルインクジェットプリンタヘッド。
【請求項６】前記酸化物絶縁膜は、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ系
膜であり、前記電極はＡｕであることを特徴とする請求
項１、２、３、４又は５記載のサーマルインクジェット
プリンタ。
【請求項７】前記発熱抵抗体は、少なくともＴａ、Ｓ
ｉ、Ｏの３元素を含む電気抵抗体であることを特徴とす
る請求項１記載のサーマルインクジェットプリンタヘッ
ド。
【請求項８】インクを加熱して発生させる気泡の圧力
によりインクを所定方向に噴射させて記録を行うサーマ
ルインクジェットプリンタヘッドの製造方法であって、少なくとも表面部が絶縁層である絶縁性基板上に発熱抵
抗体からなる発熱部に一対の電極を接続してなる複数の
発熱素子を設置する工程と、少なくとも前記発熱素子に酸化物絶縁膜をスパッタリン
グにより被着する絶縁膜形成工程とを備え、前記絶縁膜形成工程において、前記酸化物絶縁膜の前記
電極又は発熱部と接する底面部を形成するときのスパッ
タリング装置のチャンバ内に導入するガス中の酸素ガス
の第１の割合が、前記酸化物絶縁膜の表面部を形成する
ときの前記チャンバ内に導入するガス中の酸素ガスの第
２の割合よりも小さいことを特徴とするサーマルインク
ジェットプリンタヘッドの製造方法。
【請求項９】前記チャンバ内に導入するガスは、Ａｒ
とＯ₂の混合ガスであり、前記第１の割合が２〜２．５
％であり、前記第２の割合が３〜３．５％であることを
特徴とする請求項８記載のサーマルインクジェトプリン
タヘッドの製造方法。
【請求項１０】前記チャンバ内に導入するガス中の酸
素ガスの割合を、スパッタリング経過時間と共に増加さ
せることを特徴とする請求項８記載のサーマルインクジ
ェットプリンタヘッドの製造方法。