JP2005186621A - 発熱抵抗体、該発熱抵抗体を有する液体吐出ヘッド用基体、液体吐出ヘッドおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高品位な記録画像を長期にわたって得ることを可能にする発熱抵抗体等を提供する。
【解決手段】 熱エネルギーを用いて吐出口から液体を吐出する液体吐出ヘッドに設けられる発熱抵抗体１００５が、Ｆｅが１５〜３０ａｔ％、Ｓｉが３５〜６０ａｔ％、Ｎが１０〜５０ａｔ％、Ｏが１〜１０ａｔ％の組成比を有し、これらで１００ａｔ％となるか、またはほぼ１００ａｔ％となるＦｅＳｉＯＮからなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、紙、プラスチックシート、布、物品等を包含する記録媒体に対して、例えばインク等の機能性液体等を吐出することにより、文字、記号、画像等の記録や印刷等を行う液体吐出ヘッド（以下では、「インクジェットヘッド」や「記録ヘッド」と称する場合もある。）の発熱抵抗体、該発熱抵抗体を有する液体吐出ヘッド用基体、液体吐出ヘッドおよびその製造方法に関する。

この種のインクジェットヘッド（記録ヘッド）が用いられるインクジェット記録装置は、インクを微小な液滴として吐出口から高速で吐出することにより、高精細な画像を高速に記録することができるという特徴を有している。特に、インクを吐出するために利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生手段として電気熱変換体を用い、この電気熱変換体が発生する熱エネルギーによって生ずるインクの発泡を利用してインクを吐出する方式のインクジェット記録装置は、画像の高精細化、高速記録化、記録ヘッド及び記録装置の小型化やカラー化に適していることから近年注目されている（例えば特許文献１および特許文献２を参照）。

図１は、上記のようなインクジェット記録に使用される記録ヘッドの基板要部の一般的な構成を示す概略平面図である。図２は、図１のインク流路に相当する部分のＸ−Ｘ'線で切断したインクジェット記録ヘッド用基体２０００の模式的断面図である。

図１に示すように、このインクジェット記録ヘッドには複数の吐出口１００１が設けられており、各吐出口１００１からそれぞれインクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生する電気熱変換素子１００２が各インク流路１００３毎に基板１００４上に設けられている。電気熱変換素子１００２は、主に、発熱抵抗体１００５、これに電力を供給するための電極配線１００６、およびこれらを保護する絶縁膜１００７によって構成されている。

各インク流路１００３は、複数の流路壁１００８が一体的に形成された天板を、基板１００４上の電気熱変換素子１００２等との相対位置を画像処理等の手段により位置合わせしながら基板１００４に接合することで形成されている。各インク流路１００３は、その吐出口１００１と反対側の端部が共通液室１００９と連通しており、この共通液室１００９にはインクタンク（不図示）から供給されるインクが貯留される。

共通液室１００９に供給されたインクは、ここから各インク流路１００３に導かれ、吐出口１００１の近傍でメニスカスを形成して保持される。この時、電気熱変換素子１００２を選択的に駆動させることにより、その発生する熱エネルギーを利用して熱作用面上のインクを急激に加熱沸騰させ、そのときに生じる衝撃力によってインクを吐出させる。

図２を参照すると、インクジェット記録ヘッド用基体２０００は、シリコン基板２００１、熱酸化膜からなる蓄熱層２００２、蓄熱機能を兼ねるＳｉＯ膜やＳｉＮ膜等からなる層間膜２００３、発熱抵抗層２００４、Ａｌ，Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｃｕ等からなる金属配線２００５、ＳｉＯ膜やＳｉＮ膜等からなる保護層２００６、および発熱抵抗層２００４の発熱に伴う化学的、物理的な衝撃から保護膜２００６を守るための耐キャビテーション膜２００７が積層されて構成されている。インクジェット記録ヘッド用基体２０００の上面の一部には、発熱抵抗層２００４の熱作用部２００８が構成されている。

このような記録ヘッドに用いられる発熱抵抗体には、以下のような特性が要求される。
（１）熱応答性に優れ、瞬時にインクを吐出させることが可能である。
（２）高速及び連続的に行われる駆動動作に対して、抵抗値変化が少なく、インクの発泡状態を安定させることが可能である。
（３）耐熱性、熱応力性に優れ、寿命が長く信頼性が高い。

これらの要求を満たす発熱抵抗体として、特許文献３には、発熱抵抗体の材料にＴａＮを用いる構成が開示されている。

発熱抵抗体を構成するＴａＮ膜の特性安定性、特に長期的に繰り返して記録動作を行ったときの抵抗変化率はＴａＮ膜の組成と強い相関関係があり、中でもＴａＮ_{0.8 hex}を含む窒化タンタルで構成された発熱抵抗体は、長期的に繰り返し記録動作を行ったときの抵抗変化率が少なく、吐出安定性が優れている。

ところで、前述したように、インクジェット記録装置においては、近年、装置の高画質化、高速記録等の高機能化がますます要求されている。

このうち、高画質化に対しては、ヒーター（発熱抵抗体）のサイズを小さくして小ドット化（１ドット当りの吐出量を少なくすること）を図ることで、画質を向上することが可能である。また、高速記録化に対しては、これまでよりさらに短いパルスでヒーターを駆動して駆動周波数を高めることで、高速記録化を実現することが可能である。

しかしながら、上述のように高画質化に対応するためヒーターサイズを小さくした構成で、ヒーターを高周波数で駆動させるためには、ヒーター（発熱抵抗体）のシート抵抗値を大きくする必要がある。

図３は、ヒーターサイズの差異による各種駆動条件の関係を説明するための図である。図３（ａ）は、駆動電圧が一定の時にヒーターサイズが大きいもの（Ａ）から小さいもの（Ｂ）に変化したときの、駆動パルス幅に対する発熱抵抗体のシート抵抗値および電流値の関係を示している。また、図３（ｂ）は、駆動パルス幅が一定の時にヒーターサイズが大きいもの（Ａ）から小さいもの（Ｂ）に変化したときの、駆動電圧に対する発熱抵抗体のシート抵抗値および電流値の関係を示している。なお、図３（ａ）および（ｂ）において、実線はシート抵抗値を示し、破線は電流値を示している。

図３からわかるように、ヒーターサイズを小さくした時に従来と同一条件で駆動させるためには、シート抵抗値を大きくする必要がある。また、エネルギーの関係から、シート抵抗値を大きくし、かつ駆動電圧を高くして駆動させる方法では電流値が小さくなるので、省エネ化を図ることができる。特に、発熱抵抗体を複数配置した構成の場合は、その効果は大きくなる。
米国特許第４７２３１２９号明細書 米国特許第４７４０７９６号明細書 特開平０７−１２５２１８号公報

ところが、前述したようなインクジェット記録ヘッドの発熱抵抗体の材料に従来から用いられているＨｆＢ₂、ＴａＮ、ＴａＡｌ、もしくはＴａＳｉＮ等の比抵抗値は２００〜８００［μΩ・ｃｍ］程度である。発熱抵抗体を安定して製造すること、および、液体の吐出特性を安定させること等を考慮すると、形成できる発熱抵抗体の膜厚は４００Å程度が限界であり、上記の材料を用いた場合では得られるシート抵抗値の限界は２００［Ω／□］程度である。従って、上記の材料を用いてそれ以上のシート抵抗値を得ることは難しい。

このような理由から、従来は、短パルス駆動による熱応答性に優れ、高いシート抵抗値を有するインクジェット記録ヘッド用の発熱抵抗体が存在していなかった。さらに、記録画像の高精細化を図るためにヒーターサイズを小さくして小さなインク滴を吐出させようとすると、従来の発熱抵抗体を使用する場合には電流値が大きくなることから、発熱が増加して消費エネルギーが増加してしまうという問題があった。

本発明の主たる目的は、従来の液体吐出ヘッドに設けられる発熱抵抗体について上述した諸問題を解決し、高品位な記録画像を長期にわたって得ることを可能にする発熱抵抗体、該発熱抵抗体を有する液体吐出ヘッド用基体、液体吐出ヘッドおよびその製造方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、記録画像の高精細化を実現するために吐出液滴の小ドット化を図り、かつ高速記録化を実現するために高速駆動を行う場合においても、液滴を安定して吐出させることを可能にする発熱抵抗体、該発熱抵抗体を有する液体吐出ヘッド用基体、液体吐出ヘッドおよびその製造方法を提供することにある。

これまで述べたように、インクジェットヘッド用のヒーター（発熱抵抗体）には更なる高抵抗化が要求されている。発熱抵抗体をより高抵抗化する最も早い手法は、それを実現することができる新規材料を発熱抵抗体に適用することである。そこで本発明者らは、学会報告、専門書、その他報告等の文献調査を行った結果、ＣｒＳｉＮまたはＣｒＳｉＯＮ等の材料を用いて発熱抵抗体を構成すると、発熱抵抗体を高抵抗化できると共に発熱抵抗体に耐久性を持たせることができることを知得するに至った。そして、それらの材料について特性（高抵抗化および耐久性）の評価をしたところ非常に良好が得られたため、ＣｒＳｉＮまたはＣｒＳｉＯＮ等の材料を用いて発熱抵抗体を構成することについて既に提案を行っている。

ところで、インクジェットヘッドのヒーターに適用するのに優れている上述した材料をまとめてみると、ＴａＳｉＮ，ＣｒＳｉＮに代表されるような金属シリサイドに窒素が結合した材料系が、そのようなヒーターの材料として優れていることがわかる。これらの観点から、金属シリサイドについて比抵抗等の物性をさらに調査した結果、ＦｅＳｉがインクジェットヘッド用のヒーターの材料として優れているのではないかと予想するに至った。

β−ＦｅＳｉ₂は斜方晶の結晶構造を有しており、その比抵抗は２０００［μΩ・ｃｍ］である。このように、β−ＦｅＳｉ₂の比抵抗は金属シリサイド単体としても非常に大きく、さらにこの材料に窒素を結合させることで比抵抗をより大きくすることができる可能性がある。ただし、そのような材料が所望の耐久性を有するのかどうかを確認する必要がある。そこで、ＦｅＳｉターゲットを使用してＦｅＳｉＮ膜を実際に成膜し、その特性を評価した。図４は、その特性を評価した結果を示すグラフである。

図４のグラフは、ＦｅＳｉＮ膜をスパッタ法で形成したときの窒素分圧と比抵抗との相関を表している。このグラフから分かるように、ＦｅＳｉＮ膜の比抵抗は窒素分圧が５％の場合に約２０００［μΩ・ｃｍ］であり、さらに窒素分圧を増加させることによって比抵抗を大きくすることが可能である。また、窒素分圧を１２．５％として成膜した膜のＴＣＲ（抵抗温度係数）を評価したところ、＋９０［ｐｐｍ／℃］程度と非常に小さいことがわかった。これらのことから、ＦｅＳｉＮ膜は、比抵抗が高いものでも耐久性が非常に優れていることがわかった。

ところで、本発明者らは、このＦｅＳｉＮ膜について、窒素分圧が１０％の条件で成膜した場合の特性再現性について検討した。その結果、同一条件での成膜を３０回連続で繰り返した結果、比抵抗値が最大で＋１０％程度ばらつくことを見出した。この現象について原因究明を行ったところ、成膜した膜中から酸素が検出され、この酸素量のばらつきがそのまま比抵抗のばらつきになることが判明した。これは、成膜室内を排気して真空状態にしたときにバックグラウンド中に存在しているＨ₂Ｏが分解して生成された酸素が膜中に取り込まれるためであると考えられるが、このバックグラウンドが変動した場合には、存在するＨ₂Ｏの量が変動し、その結果として膜中に取り込まれる酸素の量がばらつく。これに対し、本発明者らは、ＦｅＳｉＮ膜を成膜するときに１〜２％程度の酸素を添加することで膜中の酸素量を制御できることを実験的に検証することができた。さらに、酸素を添加した条件で繰り返し成膜した場合の比抵抗値の再現性は、酸素を添加しない場合に比べて向上し、比抵抗値のばらつきの程度が５％前後に改善することが分かった。

そこで、上記目的を達成するため、本発明の発熱抵抗体は、熱エネルギーを用いて吐出口から液体を吐出する液体吐出ヘッドに設けられる発熱抵抗体において、Ｆｅが１５〜３０ａｔ％、Ｓｉが３５〜６０ａｔ％、Ｎが１０〜５０ａｔ％、Ｏが１〜１０ａｔ％の組成比を有し、これらで１００ａｔ％となるか、またはほぼ１００ａｔ％となることを特徴とする。

上記本発明の発熱抵抗体は、ＴＣＲ特性が正でかつ非常に小さい値であることから、短いパルス幅で駆動した場合にも所望の耐久性を維持することが可能である。また、上記構成によれば発熱抵抗体のシート抵抗値が比較的大きくなる。

本発明の液体吐出ヘッド用基体は、吐出口から液体を吐出するために利用される熱エネルギーを発生する発熱抵抗体が設けられた液体吐出ヘッド用基体において、前記発熱抵抗体は、Ｆｅが１５〜３０ａｔ％、Ｓｉが３５〜６０ａｔ％、Ｎが１０〜５０ａｔ％、Ｏが１〜１０ａｔ％の組成比を有し、これらで１００ａｔ％となるか、またはほぼ１００ａｔ％となることを特徴とする。

なお、この発熱抵抗体薄膜は、その所望とする特性が損なわれない範囲で、上記の原子以外の痕跡程度の他の元素を含有するもの、すなわち、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｏ及びＮの合計量がほぼ１００％となるものでもよい。例えば、材料を構成する全原子の数に対するＦｅ、Ｓｉ、Ｏ及びＮの合計原子数（Ｆｅ＋Ｓｉ＋Ｏ＋Ｎ）の割合は、９９．５原子％以上が好ましく、９９．９原子％以上がより好ましい。

すなわち、薄膜の表面や内部は反応領域中のガスを取り込んだりすることがあるが、このような表面や内部のわずかなＡｒなどガスの取込みによってその効果が低下するものではない。このような不純物としては、例えばＡｒを始めとして、Ｃ、Ｂ、ＮａおよびＣｌから選択される少なくとも一つの元素を挙げることができる。

本発明の液体吐出ヘッドは、液体を吐出する吐出口と、液体を吐出するために利用される熱エネルギーを発生する、上記本発明の複数の発熱抵抗体と、該発熱抵抗体を内包するとともに前記吐出口に連通する液流路とを有する。

本発明の液体吐出ヘッドは、短いパルス幅で駆動した場合にも所望の耐久性を維持することが可能な上記本発明の発熱抵抗体を備えているので、高品位の記録画像を長期にわたって提供することが可能である。また、上記本発明の発熱抵抗体はシート抵抗値が比較的大きく、記録画像の高精細化を実現するために吐出液滴の小ドット化を図るのに適している。そのため、高速記録化を実現するために高速駆動を行う場合に発熱を抑えることができ、エネルギー効率を高めつつ、液滴を安定して吐出させることが可能になる。

本発明の液体吐出ヘッドの製造方法は、液体を吐出するために利用される熱エネルギーを発生する、上記本発明の複数の発熱抵抗体を、窒素ガス、酸素ガス、及びアルゴンガスからなる混合ガス雰囲気中で反応性スパッタリング法により形成する工程と、前記発熱抵抗体に対応するように吐出口に連通する液流路を形成する工程と、を有することを特徴とする。

さらに、前記発熱抵抗体に熱処理を施す工程を更に有する構成としてもよく、さらには、前記発熱抵抗体に熱処理を施す工程は、前記発熱抵抗体に、液体を吐出するために利用される熱エネルギーと同じ熱エネルギーを発生させる電気パルスを印加することによってなされる構成としてもよい。

発熱抵抗体に熱処理を施すと、発熱抵抗体を構成しているＦｅＳｉＯＮ中にＦｅＳｉ₂からなる金属シリサイドが生成される。この金属間化合物（ＦｅＳｉ₂）は熱的に安定であり、かつＴＣＲが小さいので、発熱抵抗体の耐久性を向上させることができる。また、このような理由からも、ＦｅとＳｉとの組成比は本発明のように１：２に近いことが好ましい。

以上説明したように、本発明によれば、高品位な記録画像を長期にわたって得ることを可能にする発熱抵抗体、該発熱抵抗体を有する液体吐出ヘッド用基体、液体吐出ヘッドおよびその製造方法を提供することができる。

また、本発明によれば、記録画像の高精細化を実現するために吐出液滴の小ドット化を図り、かつ高速記録化を実現するために高速駆動を行う場合においても、液滴を安定して吐出させることを可能にする発熱抵抗体、該発熱抵抗体を有する液体吐出ヘッド用基体、液体吐出ヘッドおよびその製造方法を提供することができる。

以下に、本発明の実施の形態を、複数の実施例に基づいて詳細に説明する。ただし、本発明は、以下に説明する各実施例のみに限定されるものでなく、本発明の目的を達成し得るものであれば他の用途に使用される抵抗体薄膜にも適用できることは勿論である。

本実施形態に係るインクジェットの基板要部およびその基体の構成は、図１および図２に示したものと同様であるので、本実施形態においても図１および図２を参照してそれらの構成を説明する。

発熱抵抗体２００４は、各種の成膜法を用いて作製することが可能であるが、一般的には電源として高周波（ＲＦ）電源または直流（ＤＣ）電源を用いたマグネトロンスパッタリング法によって形成される。

図５は、発熱抵抗層２００４を成膜することが可能なスパッタリング装置の概要を示す図である。

図５において、符号４００１は予め所定の組成に作製されたＦｅＳｉからなるターゲット、符号４００２は平板マグネット、符号４０１１は基板への成膜を制御するシャッター、符号４００３は成膜室４００９で基板４００４を支持する基板ホルダー、符号４００６はターゲット４００１と基板ホルダー４００３とに接続された電源を示している。

さらに、図５において、符号４００８は成膜室４００９の外周壁を囲んで設けられた外部ヒーターを示している。この外部ヒーター４００８は、成膜室４００９内の雰囲気温度を調節するのに使用される。基板ホルダー４００３の裏面には、基板の温度制御を行う内部ヒーター４００５が設けられている。基板４００４の温度制御は、外部ヒーター４００８を併用して行うことが好ましい。

図５に示したスパッタリング装置を用いた発熱抵抗層２００４の成膜は、以下のようにして行われる。

まず、排気用バルブ４００７を開き、不図示の排気ポンプを用いて成膜室４００９内を１×１０^-5〜１×１０^-6Ｐａの圧力になるまで排気する。次いで、アルゴンガスと窒素ガスおよび酸素ガスとからなる混合ガスを、マスフローコントローラー（不図示）を介してガス導入口４０１０から成膜室４００９内に導入する。このとき、基板４００４の温度と成膜室４００９内の雰囲気温度が所定の温度になるように内部ヒーター４００５および外部ヒーター４００８を調節する。

次に、電源４００６からターゲット４００１にパワーを印加してスパッタリング放電を生じさせ、シャッター４０１１を調節して、基板４００４の上に薄膜（発熱抵抗層２００４）を成膜させる。なお、この成膜中に平板マグネット４００２を回転させると、高密度プラズマ及びγ電子がターゲット４００１側に分布するので、基板４００４に与えられる熱的及び物理的なダメージが緩和される。

上記では、ＦｅＳｉからなる合金ターゲットを用いた反応性スパッタリング法で発熱抵抗体を成膜する方法について説明した。
（１）発熱抵抗体に関する実施例
次に、図５に示した装置を使用し、上述した成膜方法により各種の成膜条件で本発明の発熱抵抗体膜を作製する実施例について説明する。

（実施例１）
図２を参照すると、本実施例では、一部既述のように、シリコン基板２００１上に熱酸化により膜厚が１．８μｍの蓄熱層２００２を形成し、更に、蓄熱層２００２の上にＳｉＯ₂をプラズマＣＶＤ法によって１．２μｍの膜厚に堆積させて、蓄熱層を兼ねる層間膜２００３を形成した。次に、層間膜２００３の上に、発熱抵抗層２００４としてＦｅＳｉＯＮ膜を４００Åの膜厚に形成した。このときのガス流量は、Ａｒガスを７６ｓｃｃｍ、Ｎ₂ガスを３ｓｃｃｍ、Ｏ₂ガスを１ｓｃｃｍとした。また、本実施例ではターゲット４００１（図５参照）をＣｒ₃₀Ｓｉ₇₀で構成し、電源４００６（図５参照）からこのターゲット４００１に投入するパワーは３５０Ｗとした。さらに、成膜中の基板温度は２００℃とした。

さらに、熱作用部２００８で発熱抵抗層２００４を加熱するための金属配線２００５として、Ａｌ−Ｃｕ膜をスパッタリング法によって５５００Åの厚さに形成した。そして、そのＡｌ−Ｃｕ膜をフォトリソグラフィーによってパターニングし、Ａｌ−Ｃｕ膜が取り除かれた１５μｍ×４０μｍの大きさの熱作用部２００８を形成した。

さらに、保護膜２００６として、ＳｉＮ膜をプラズマＣＶＤ法により１μｍの膜厚に形成した。本実施例では、このときの基板温度を４００℃とし、その基板温度を約１時間保持することで熱処理を兼ねた。

最後に、耐キャビテーション層２００７として、Ｔａ膜をスパッタリング法によって２０００Åの膜厚に形成し、本実施例の基体２０００を得た。本実施例によって得られた基体２０００における発熱抵抗層２００４のシート抵抗値は５５０［Ω／□］であった。また、発熱抵抗層２００４のＴＣＲ特性は＋４５［ｐｐｍ／℃］程度であった。また、発熱抵抗層２００４を構成するＦｅＳｉＯＮの組成比は、Ｆｅが２３ａｔ％、Ｓｉが４６ａｔ％、Ｎが２８ａｔ％、Ｏが３ａｔ％であった。

［比較例１］
発熱抵抗層２００４を次のように変更する以外は実施例１と同様に作製することにより、比較例１の基体を得た。

すなわち、本比較例ではターゲット４００１（図５参照）をＴａで構成し、発熱抵抗層２００４として、膜厚が１０００ÅのＴａＮ_0.8膜をＴａターゲットを用いた反応性スパッタリング法によって形成した。本比較例ではアルゴンガスと窒素ガスとからなる混合ガスを用い、そのときのガス流量はＡｒガスを６４ｓｃｃｍ、Ｎ₂ガスを１６ｓｃｃｍとし、窒素ガスの分圧２０％とした。電源４００６（図５参照）からターゲット４００１に投入するパワーは３５０Ｗとし、成膜中の基板温度は２００℃とした。

本比較例によって得られた基体２０００における発熱抵抗層２００４のシート抵抗値は２５［Ω／□］であった。

＜評価１＞
実施例１及び比較例１により作製された基体を備えたインクジェットヘッド（記録ヘッド）を用いて、発熱抵抗体（ヒーター）１００５にインクを吐出する気泡を発生させるために必要な発泡電圧Ｖthを測定した。そして、その発泡電圧Ｖthの１．２倍の電圧１．２Ｖthを駆動電圧として、駆動パルス幅２μｓｅｃで発熱抵抗体１００５を駆動させたときに発熱抵抗体１００５を流れる電流値を測定した。

その結果、実施例１では、発泡電圧Ｖthが２９Ｖで電流値が３２ｍＡであったのに対し、比較例１では発泡電圧Ｖthが９．９Ｖで電流値が１２０ｍＡであった。この結果から、実施例１の基体と比較例１の基体とを比較すると、実施例１の電流値は比較例１に比べて約１／４だけとなっている。実際の記録ヘッドでは、同時に駆動させる発熱抵抗体１００５は多数であるので、実施例１は比較例１に比べてはるかに消費電力が少なくなり、省エネルギー効果が得られることが容易に理解できる。

さらに、駆動周波数を１５ｋＨｚ、駆動パルス幅を１μｓｅｃ、駆動電圧を発泡電圧Ｖthの１．２倍（１．２Ｖth）とした条件で実施例１および比較例１の発熱抵抗体１００５を駆動させ、破断パルスによる熱ストレス耐久評価を行った。

その結果、比較例１ではパルス数が６．０×１０⁷のときに発熱抵抗体１００５が破断したのに対し、実施例１ではパルス数が４．３×１０⁹に達するまで発熱抵抗体１００５が破断しなかった。このことから、本実施例の基体２０００は、駆動パルス幅を短くした場合でも良好な耐久性を有することがわかる。

（実施例２）
発熱抵抗層２００４を次のように変更する以外は実施例１と同様に作製することにより、実施例２の基体を得た。

すなわち、本実施例ではターゲット４００１（図５参照）をＦｅ₃₀Ｓｉ₇₀で構成した。また、本実施例では、発熱抵抗層２００４としてＦｅＳｉＯＮ膜を４００Åの膜厚に形成するときのガス流量は、Ａｒガスを７１ｓｃｃｍ、Ｎ₂ガスを８ｓｃｃｍ、Ｏ₂ガスを１ｓｃｃｍとした。電源４００６（図５参照）からターゲット４００１に投入するパワーは３５０Ｗとし、成膜中の基板温度は２００℃とした。

このようにして得られた本実施例の基体２０００における発熱抵抗層２００４のシート抵抗値は９７０［Ω／□］であり、ＴＣＲ特性は＋６５［ｐｐｍ／℃］であった。また、発熱抵抗層２００４を構成するＦｅＳｉＯＮの組成比は、Ｆｅが２１ａｔ％、Ｓｉが４２ａｔ％、Ｎが３３ａｔ％、Ｏが４ａｔ％であった。

＜評価２＞
上述の評価１と同様にして、実施例２で作製した基体２０００の評価を行った。その結果、実施例２の基体２０００では、発泡電圧Ｖthが３５Ｖで電流値が１８ｍＡであった。また、破断パルスによる熱ストレス耐久評価では、パルス数が３．０×１０⁹に達するまで発熱抵抗体１００５が破断しなかった。

この結果から、評価１の結果と同じように、実施例２の基体２０００は、消費電力が少なく、省エネルギー効果に優れていることがわかる。また、実施例２の基体２０００も、駆動パルス幅を短くした場合でも良好な耐久性を有することがわかる。
（２）インクジェットヘッド用基体に関する実施例
さらに、インクジェットヘッド用基体の発熱抵抗体としての特性を評価するため、上述の実施例と同様に図５に示したスパッタリング装置を使用し、上述した成膜方法と同様の成膜方法によって成膜したＦｅＳｉＯＮ膜からなる発熱抵抗層２００４を有するインクジェットヘッドを作成し、その特性を評価した。

（実施例３）
図２を参照すると、本実施例では、インクジェットヘッド用基体２０００の基板に、単なるシリコン基板２００１あるいは既に駆動用の集積回路が形成されたシリコン基板２００１を用いる。単なるシリコン基板２００１を用いる場合には、熱酸化法、スパッタ法、あるいはＣＶＤ法などによって、ＳｉＯ₂からなる膜厚１．８μｍの蓄熱層２００２をその上に形成する。集積回路が形成されたシリコン基板２００１を用いる場合にも同様に、その製造プロセス中において、ＳｉＯ₂からなる膜厚１．８μｍの蓄熱層２００２をその上に形成する。

次に、スパッタ法やＣＶＤ法などによってＳｉＯ₂から成る膜厚１．２μｍの層間膜２００３を蓄熱層２００２の上に形成した。次に、層間膜２００３の上に、発熱抵抗層２００４としてＦｅＳｉＯＮ膜を形成した。このときのガス流量は、実施例１と同様に、Ａｒガスを７６ｓｃｃｍ、Ｎ₂ガスを３ｓｃｃｍ、Ｏ₂ガスを１ｓｃｃｍとした。また、本実施例ではターゲット４００１（図５参照）をＦｅＳｉで構成し、電源４００６（図５参照）からこのターゲット４００１に投入するパワーは１００Ｗとした。さらに、成膜中の基板温度は４００℃とした。これは、成膜速度を非常に遅くして膜の結晶化を促進するためである。また、基板温度もこのため４００℃と比較的高く設定した。

さらに、金属配線２００５として、Ａｌ膜をスパッタリング法によって５５００Åの厚さに形成した。そして、そのＡｌ膜をフォトリソグラフィーによってパターニングし、Ａｌ層が取り除かれた２０μｍ×３０μｍの大きさの熱作用部２００８を形成した。

さらに、保護膜２００６として、ＳｉＮ膜をプラズマＣＶＤ法により１μｍの膜厚に形成した。次に、耐キャビテーション層２００７として、Ｔａ膜をスパッタリング法によって２３００Åの膜厚に形成し、フォトリソグラフィー法によってパターニングを行うことにより、図２に示すようなインクジェットヘッド用基体２０００を作製し、さらにそのインクジェットヘッド用基体２０００を備えたインクジェット記録ヘッド（図１参照）を作製した。

このようにして作製したインクジェットヘッドを用いてＳＳＴ試験を行った。ここで、ＳＳＴ試験は、発熱抵抗体１００５に１μｓｅｃの駆動パルス幅で１５ｋＨｚの駆動周波数のパルス信号を与え、インク吐出を開始する発泡開始電圧Ｖthを求め、その後、印加電圧をＶthから０．０５Ｖ毎に増加させていき、駆動周波数１５ｋＨｚでそれぞれ１×１０⁵パルスを発熱抵抗体１００５が断線するまで印加し、この断線した時の破断電圧Ｖbを求めることで行った。この発泡開始電圧Ｖthと破断電圧Ｖbとの比を破断電圧比Ｋb（＝Ｖb／Ｖth）と呼ぶ。この破断電圧比Ｋbは発熱抵抗体１００５の耐熱性を示す指標であり、その数値が大きいほど発熱抵抗体１００５の耐熱性が優れていることを示す。本実施例のインクジェットヘッドを評価した結果、Ｋbの数値として１．５が得られた。

次に、駆動電圧Ｖopを１．３Ｖthとした場合のヒートパルス耐久試験（ＣＳＴ試験）を行った。なお、ＣＳＴ試験は、インクジェットヘッドにインク（液体）を充填しない空の状態で発熱抵抗体１００５にパルスを印加することによって行う。このＣＳＴ試験では、発熱抵抗体１００５に１μｓｅｃの駆動パルス幅で１５ｋＨｚの駆動周波数のパルス信号を連続して１．０×１０⁹パルス印加し、発熱抵抗体１００５の初期の抵抗値をＲ０としパルス印加後の抵抗値をＲとしたときの抵抗値変化率ΔＲ／Ｒ０を求めた（ただし、ΔＲ＝Ｒ−Ｒ０）。その結果、抵抗値変化率ΔＲ／Ｒ０は＋２．５％であった。

（実施例４）
図２を参照すると、本実施例においても実施例３と同様に、インクジェットヘッド用基体２０００の基板に、単なるシリコン基板２００１あるいは既に駆動用の集積回路が形成されたシリコン基板２００１を用いる。単なるシリコン基板２００１を用いる場合には、熱酸化法、スパッタ法、あるいはＣＶＤ法などによって、ＳｉＯ₂からなる膜厚１．８μｍの蓄熱層２００２をその上に形成する。集積回路が形成されたシリコン基板２００１を用いる場合にも同様に、その製造プロセス中において、ＳｉＯ₂からなる膜厚１．８μｍの蓄熱層２００２をその上に形成する。

次に、スパッタ法やＣＶＤ法などによってＳｉＯ₂から成る膜厚１．２μｍの層間膜２００３を蓄熱層２００２の上に形成した。次に、層間膜２００３の上に、発熱抵抗層２００４としてＦｅＳｉＯＮ膜を形成した。このときのガス流量は、実施例１と同様に、Ａｒガスを７６ｓｃｃｍ、Ｎ₂ガスを３ｓｃｃｍ、Ｏ₂ガスを１ｓｃｃｍとした。また、本実施例でもターゲット４００１（図５参照）をＦｅＳｉで構成し、電源４００６（図５参照）からこのターゲット４００１に投入するパワーは３５０Ｗとした。さらに、成膜中の基板温度は２００℃とした。

さらに、金属配線２００５として、Ａｌ−Ｓｉ膜をスパッタリング法によって５５００Åの厚さに形成した。そして、そのＡｌ−Ｓｉ膜をフォトリソグラフィーによってパターニングし、Ａｌ−Ｓｉ層が取り除かれた２０μｍ×３０μｍの大きさの熱作用部２００８を形成した。

さらに、保護膜２００６として、ＳｉＮ膜をプラズマＣＶＤ法により１μｍの膜厚に形成した。本実施例では、このときの基板温度を４００℃とし、その基板温度を約１時間保持することで熱処理を兼ねた。

次に、耐キャビテーション層２００７として、Ｔａ膜をスパッタリング法によって２３００Åの膜厚に形成し、フォトリソグラフィー法によってパターニングを行うことにより、図２に示すようなインクジェットヘッド用基体２０００を作製し、さらにそのインクジェットヘッド用基体２０００を備えたインクジェット記録ヘッド（図１参照）を作製した。

このようにして作製したインクジェットヘッドを用いてＳＳＴ試験を行った。ここで、ＳＳＴ試験は、発熱抵抗体１００５に１μｓｅｃの駆動パルス幅で１５ｋＨｚの駆動周波数のパルス信号を与え、インク吐出を開始する発泡開始電圧Ｖthを求め、その後、印加電圧をＶthから０．０５Ｖ毎に増加させていき、駆動周波数１５ｋＨｚでそれぞれ１×１０⁵パルスを発熱抵抗体１００５が断線するまで印加し、この断線した時の破断電圧Ｖbを求めることで行った。本実施例のインクジェットヘッドを評価した結果、破断電圧比Ｋb（＝Ｖb／Ｖth）の数値として１．７が得られた。

次に、駆動電圧Ｖopを１．３Ｖthとした場合のヒートパルス耐久試験（ＣＳＴ試験）を行った。なお、ＣＳＴ試験は、インクジェットヘッドにインク（液体）を充填しない空の状態で発熱抵抗体１００５にパルスを印加することによって行う。このＣＳＴ試験では、発熱抵抗体１００５に１μｓｅｃの駆動パルス幅で１５ｋＨｚの駆動周波数のパルス信号を連続して１．０×１０⁹パルス印加し、発熱抵抗体１００５の初期の抵抗値をＲ０としパルス印加後の抵抗値をＲとしたときの抵抗値変化率ΔＲ／Ｒ０を求めた（ただし、ΔＲ＝Ｒ−Ｒ０）。その結果、抵抗値変化率ΔＲ／Ｒ０は＋２．６％であった。

（実施例５）
本実施例では、発熱抵抗層２００４（図２参照）を実施例２で示した条件で形成する以外は実施例４と同様にして、インクジェットヘッド用基体２０００を作製した。そして、このインクジェットヘッド用基体２０００を用いて実施例４と同様にＳＳＴ試験およびＣＳＴ試験を行った。

本実施例では、それらの試験を行う前に、発熱抵抗体１００５（図１参照）の熱処理として、駆動電圧Ｖopが１．４Ｖth、駆動パルス幅が１μｓｅｃで、駆動周波数が１５ｋＨｚのパルス信号を１．０×１０³パルス印加した。発熱抵抗体１００５に熱処理を施すと、発熱抵抗体１００５を構成しているＦｅＳｉＯＮ中にＦｅＳｉ₂からなる金属シリサイドが生成される。この金属間化合物（ＦｅＳｉ₂）は熱的に安定であり、かつＴＣＲが小さいので、発熱抵抗体１００５の耐久性を向上させることができる。また、このような理由からも、ＦｅとＳｉとの組成比は本発明のように１：２に近いことが好ましい。

ＳＳＴ試験の結果、本実施例では破断電圧比Ｋbの数値として１．５が得られた。また、ＣＳＴ試験の結果、抵抗値変化率ΔＲ／Ｒ０は＋４．５％であった。

（実施例６〜１２及び比較例２〜５）
膜組成が表１にある通りの発熱抵抗層を形成する点を除き、実施例１と同様にしてインクジェットヘッドを作製し、その特性の評価を行った。評価の結果を、表１に記載する。

実施例６〜１２と比較例２〜５とを比較すると、ＳＳＴ試験による破断電圧比Ｋｂの値は実施例６〜１２と比較例２〜５とがほぼ同等であり、ＣＳＴ試験による抵抗値変化率は実施例６〜１２の方が小さく、ＴＣＲ（抵抗温度係数）は実施例６〜１２の方が小さい。このように、実施例６〜１２によれば、総合的に比較例２〜５よりも良好な特性を有する発熱抵抗層を備えたインクジェットヘッドを作製できることができた。

インクジェット記録に使用される記録ヘッドの基板要部の一般的な構成を示す概略平面図である。 図１のインク流路に相当する部分のＸ−Ｘ’線で切断したインクジェット記録ヘッド用基体の模式的断面図である。 ヒーターサイズの差異による各種駆動条件の関係を説明するための図である。 ＦｅＳｉターゲットを使用して実際に成膜したＦｅＳｉＮ膜の特性を評価した結果を示すグラフである。 図２に示した発熱抵抗層を成膜することが可能なスパッタリング装置の概要を示す図である。

符号の説明

１００１ 吐出口
１００２ 電気熱変換素子
１００３ インク流路
１００４ 基板
１００５ 発熱抵抗体
２０００ インクジェットヘッド用基体

Claims (6)

1. 熱エネルギーを用いて吐出口から液体を吐出する液体吐出ヘッドに設けられる発熱抵抗体において、
   Ｆｅが１５〜３０ａｔ％、Ｓｉが３５〜６０ａｔ％、Ｎが１０〜５０ａｔ％、Ｏが１〜１０ａｔ％の組成比を有し、これらで１００ａｔ％となるか、またはほぼ１００ａｔ％となることを特徴とする発熱抵抗体。
2. 吐出口から液体を吐出するために利用される熱エネルギーを発生する発熱抵抗体が設けられた液体吐出ヘッド用基体において、
   前記発熱抵抗体は、Ｆｅが１５〜３０ａｔ％、Ｓｉが３５〜６０ａｔ％、Ｎが１０〜５０ａｔ％、Ｏが１〜１０ａｔ％の組成比を有し、これらで１００ａｔ％となるか、またはほぼ１００ａｔ％となることを特徴とする液体吐出ヘッド用基体。
3. 液体を吐出する吐出口と、
   液体を吐出するために利用される熱エネルギーを発生する、Ｆｅが１５〜３０ａｔ％、Ｓｉが３５〜６０ａｔ％、Ｎが１０〜５０ａｔ％、Ｏが１〜１０ａｔ％の組成比を有し、これらで１００ａｔ％となるか、またはほぼ１００ａｔ％となる発熱抵抗体と、
   該発熱抵抗体が設けられ前記吐出口に連通する液流路と、
   を有する液体吐出ヘッド。
4. 液体を吐出するために利用される熱エネルギーを発生する、Ｆｅが１５〜３０ａｔ％、Ｓｉが３５〜６０ａｔ％、Ｎが１０〜５０ａｔ％、Ｏが１〜１０ａｔ％の組成比を有し、これらで１００ａｔ％となるか、またはほぼ１００ａｔ％となる発熱抵抗体を、窒素ガス、酸素ガス、及びアルゴンガスからなる混合ガス雰囲気中で反応性スパッタリング法により形成する工程と、
   前記発熱抵抗体に対応するように吐出口に連通する液流路を形成する工程と、
   を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
5. 前記発熱抵抗体に熱処理を施す工程を更に有する、請求項４に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
6. 前記発熱抵抗体に熱処理を施す工程は、前記発熱抵抗体に、液体を吐出するために利用される熱エネルギーと同じ熱エネルギーを発生させる電気パルスを印加することによってなされる、請求項５に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。

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