JP2005186622A - Heating resister, substrate for liquid ejection head, having the heating resister, liquid ejection head, and manufacturing method for liquid ejection head - Google Patents

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博幸 鈴木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a heating resister and the like, which can bring about a high-quality recorded image over a long period of time. <P>SOLUTION: The heating resistor 1005, which is provided in the liquid ejection head for ejecting a liquid from an ejection port by using thermal energy, is composed of FeSiN which comprises 15-30 at% Fe, 35-60 at% Si and 10-50 at% N, based on a composition ratio, and wherein the composition ratio of Fe, Si and N reaches 100 at% or approximate 100 at%. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

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。   The present invention is a liquid that records or prints characters, symbols, images, and the like by ejecting a functional liquid such as ink onto a recording medium including paper, plastic sheets, cloth, articles, and the like. The present invention relates to a heat generating resistor of a discharge head (hereinafter also referred to as “inkjet head” or “recording head”), a liquid discharge head substrate having the heat generating resistor, a liquid discharge head, and a method for manufacturing the same.

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)。   An ink jet recording apparatus using this type of ink jet head (recording head) has a feature that a high-definition image can be recorded at high speed by ejecting ink as fine droplets from an ejection port at high speed. doing. In particular, an electrothermal converter is used as an energy generating means for generating energy used for ejecting ink, and ink is ejected using the foaming of ink generated by the thermal energy generated by the electrothermal converter. In recent years, the inkjet recording apparatus has attracted attention because it is suitable for high-definition and high-speed recording of images, and miniaturization and colorization of recording heads and recording apparatuses (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2). .

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。   FIG. 1 is a schematic plan view showing a general configuration of a main part of a substrate of a recording head used for ink jet recording as described above. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the ink jet recording head substrate 2000 cut along the line XX ′ corresponding to the ink flow path of FIG.

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。   As shown in FIG. 1, the inkjet recording head is provided with a plurality of ejection ports 1001, and an electrothermal conversion element 1002 that generates thermal energy used to eject ink from each ejection port 1001. Each ink channel 1003 is provided on the substrate 1004. The electrothermal conversion element 1002 mainly includes a heating resistor 1005, an electrode wiring 1006 for supplying power to the heating resistor 1005, and an insulating film 1007 for protecting them.

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。   Each ink flow path 1003 is a substrate in which a top plate on which a plurality of flow path walls 1008 are integrally formed is aligned with the electrothermal conversion element 1002 and the like on the substrate 1004 by means of image processing or the like. It is formed by bonding to 1004. Each ink channel 1003 has an end opposite to the ejection port 1001 communicating with the common liquid chamber 1009, and ink supplied from an ink tank (not shown) is stored in the common liquid chamber 1009. .

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。   The ink supplied to the common liquid chamber 1009 is guided to each ink flow path 1003 from here, and is held in the vicinity of the ejection port 1001 by forming a meniscus. At this time, by selectively driving the electrothermal transducer 1002, the ink on the heat acting surface is rapidly heated and boiled using the generated thermal energy, and the ink is ejected by the impact force generated at that time. .

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。   Referring to FIG. 2, an ink jet recording head substrate 2000 includes a silicon substrate 2001, a heat storage layer 2002 made of a thermal oxide film, an interlayer film 2003 made of an SiO film or SiN film that also functions as a heat storage function, a heating resistance layer 2004, Al, Protecting the protective film 2006 from chemical and physical shocks caused by heat generation of the metal wiring 2005 made of Al-Si, Al-Cu, etc., the protective layer 2006 made of SiO film, SiN film, etc., and the heating resistance layer 2004 The anti-cavitation film 2007 is laminated. On a part of the upper surface of the ink jet recording head substrate 2000, a heat acting portion 2008 of the heating resistance layer 2004 is formed.

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。
A heating resistor used for such a recording head is required to have the following characteristics.
(1) It has excellent thermal responsiveness and can eject ink instantaneously.
(2) The resistance value change is small with respect to the driving operation performed at high speed and continuously, and the foaming state of the ink can be stabilized.
(3) Excellent heat resistance and thermal stress, long life and high reliability.

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。   As a heating resistor that satisfies these requirements, Patent Document 3 discloses a configuration in which TaN is used as a material for the heating resistor.

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TaN0.8 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。 Characteristics stability of TaN film constituting the heating resistor, in particular the rate of change in resistance when subjected to long-term repeated recording operation there is a strong correlation between the composition of the TaN film, a tantalum nitride containing among others TaN 0.8 hex The configured heating resistor has a low resistance change rate when repeated recording operations are performed over a long period of time, and has excellent ejection stability.

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。   By the way, as described above, in recent years, in an ink jet recording apparatus, higher functions such as high image quality and high speed recording have been increasingly required.

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。   Among these, for high image quality, it is possible to improve image quality by reducing the size of the heater (heating resistor) and making it smaller (reducing the discharge amount per dot). It is. For high-speed recording, high-speed recording can be realized by driving the heater with a shorter pulse than before and increasing the drive frequency.

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。   However, the sheet resistance value of the heater (heating resistor) needs to be increased in order to drive the heater at a high frequency with a configuration in which the heater size is reduced in order to cope with higher image quality as described above.

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。   FIG. 3 is a diagram for explaining the relationship between various driving conditions depending on the difference in heater size. FIG. 3A shows the relationship between the sheet resistance value and current value of the heating resistor with respect to the driving pulse width when the heater size is changed from large (A) to small (B) when the driving voltage is constant. Show. FIG. 3B shows the sheet resistance value and current value of the heating resistor with respect to the drive voltage when the heater size is changed from large (A) to small (B) when the drive pulse width is constant. Showing the relationship. 3A and 3B, the solid line indicates the sheet resistance value, and the broken line indicates the current value.

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
As can be seen from FIG. 3, in order to drive the heater under the same conditions as before when the heater size is reduced, it is necessary to increase the sheet resistance value. In addition, in terms of energy, the method of driving by increasing the sheet resistance value and increasing the driving voltage reduces the current value, so that energy saving can be achieved. In particular, in the case of a configuration in which a plurality of heating resistors are arranged, the effect is increased.
U.S. Pat. No. 4,723,129 U.S. Pat. No. 4,740,796 JP 07-125218 A

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。 However, the specific resistance value of HfB 2 , TaN, TaAl, TaSiN or the like conventionally used for the material of the heating resistor of the ink jet recording head as described above is about 200 to 800 [μΩ · cm]. Considering the stable production of the heating resistor and the stability of the liquid ejection characteristics, the thickness of the heating resistor that can be formed is limited to about 400 mm, and when the above materials are used, The limit of the sheet resistance value obtained is about 200 [Ω / □]. Therefore, it is difficult to obtain a sheet resistance value higher than that using the above materials.

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。   For these reasons, conventionally, there has been no heat generating resistor for an ink jet recording head that has excellent thermal responsiveness by short pulse driving and has a high sheet resistance value. Furthermore, if the heater size is reduced and small ink droplets are ejected in order to increase the definition of the recorded image, the current value increases when a conventional heating resistor is used, resulting in increased heat generation. As a result, energy consumption increases.

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。   SUMMARY OF THE INVENTION The main object of the present invention is to solve the problems described above with respect to a heating resistor provided in a conventional liquid discharge head, and to obtain a high-quality recorded image over a long period of time. An object of the present invention is to provide a liquid discharge head substrate, a liquid discharge head, and a manufacturing method thereof.

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。   Another object of the present invention is to reduce the size of the ejected liquid droplets in order to achieve high definition of the recorded image, and to perform liquid droplets even when high speed driving is performed to achieve high speed recording. It is an object to provide a heating resistor, a liquid discharge head substrate having the heating resistor, a liquid discharge head, and a method for manufacturing the same.

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。   As described above, the heater (heating resistor) for the inkjet head is required to have a higher resistance. The fastest way to increase the resistance of the heating resistor is to apply a new material capable of realizing it to the heating resistor. Therefore, the present inventors have conducted literature surveys such as academic reports, technical books, and other reports. As a result, when a heating resistor is configured using a material such as CrSiN or CrSiON, the heating resistor can be increased in resistance and heat can be generated. It came to know that resistance could be given durability. And when the characteristics (high resistance and durability) of these materials were evaluated, the results were very good, so we have already made proposals for configuring heating resistors using materials such as CrSiN or CrSiON. Yes.

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。   By the way, the above-mentioned materials that are excellent for application to heaters for inkjet heads can be summarized as follows. A material system in which nitrogen is bonded to metal silicide, such as TaSiN and CrSiN, is used as a material for such heaters. It turns out that it is excellent. From these viewpoints, as a result of further investigation on the physical properties such as specific resistance of the metal silicide, it has been predicted that FeSi is excellent as a heater material for an ink jet head.

β−FeSi2は斜方晶の結晶構造を有しており、その比抵抗は1000[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。 β-FeSi 2 has an orthorhombic crystal structure, and its specific resistance is 1000 [μΩ · cm]. Thus, the specific resistance of β-FeSi 2 is very large even as a metal silicide alone, and there is a possibility that the specific resistance can be further increased by bonding nitrogen to this material. However, it is necessary to check whether such materials have the desired durability. Therefore, an FeSiN film was actually formed using an FeSi target, and its characteristics were evaluated. FIG. 4 is a graph showing the results of evaluating the characteristics.

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。   The graph of FIG. 4 represents the correlation between the nitrogen partial pressure and the specific resistance when the FeSiN film is formed by sputtering. As can be seen from this graph, the specific resistance of the FeSiN film is about 2000 [μΩ · cm] when the nitrogen partial pressure is 5%, and the specific resistance can be increased by increasing the nitrogen partial pressure. is there. Further, when the TCR (resistance temperature coefficient) of the film formed at a nitrogen partial pressure of 12.5% was evaluated, it was found to be as small as about +90 [ppm / ° C.]. From these facts, it was found that the FeSiN film is very excellent in durability even when the specific resistance is high.

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%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。   Therefore, in order to achieve the above object, the heat generating resistor of the present invention is a heat generating resistor provided in a liquid discharge head that discharges liquid from a discharge port using thermal energy. Fe is 15 to 30 at% and Si is 35. It is characterized by having a composition ratio of ˜60 at% and N of 10 to 50 at%, and these are 100 at% or almost 100 at%.

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。   The heating resistor of the present invention has a positive TCR characteristic and a very small value, so that it can maintain a desired durability even when driven with a short pulse width. Moreover, according to the said structure, the sheet resistance value of a heating resistor becomes comparatively large.

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、前記発熱抵抗体が、Feが15〜30at%、Siが35〜60at%、Nが10〜50at%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。   The substrate for a liquid discharge head according to the present invention is a substrate for a liquid discharge head provided with a heating resistor that generates thermal energy used for discharging a liquid from a discharge port. It has a composition ratio of ˜30 at%, Si of 35 to 60 at%, and N of 10 to 50 at%, and these are 100 at% or almost 100 at%.

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及びNの合計原子数(Fe+Si+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。   In addition, this heat generating resistor thin film contains other elements in the extent of traces other than the above-mentioned atoms, that is, the total amount of Fe, Si and N is almost 100 as long as the desired characteristics are not impaired. %. For example, the ratio of the total number of atoms of Fe, Si and N (Fe + Si + N) to the total number of atoms constituting the material is preferably 99.5 atomic% or more, and more preferably 99.9 atomic% or more.

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。   That is, the surface and the inside of the thin film sometimes take in the gas in the reaction region, but the effect is not reduced by the incorporation of a small amount of gas such as Ar on the surface or inside. Examples of such impurities include at least one element selected from C, B, Na, and Cl, including Ar.

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。   The liquid discharge head of the present invention includes a discharge port for discharging a liquid, a plurality of heating resistors of the present invention that generate thermal energy used to discharge the liquid, and the heating resistor. A liquid flow path communicating with the discharge port.

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。   Since the liquid discharge head of the present invention includes the heating resistor of the present invention that can maintain the desired durability even when driven with a short pulse width, it provides a high-quality recorded image over a long period of time. Is possible. Further, the heating resistor of the present invention has a relatively large sheet resistance value, and is suitable for reducing the size of the ejected droplets in order to achieve high definition of the recorded image. Therefore, heat generation can be suppressed when high-speed driving is performed in order to realize high-speed recording, and it is possible to stably discharge droplets while improving energy efficiency.

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。   The method of manufacturing a liquid discharge head according to the present invention is a mixed gas composed of nitrogen gas, oxygen gas, and argon gas, which generates the thermal energy used for discharging the liquid. The method includes a step of forming by reactive sputtering in an atmosphere, and a step of forming a liquid flow path communicating with the discharge port so as to correspond to the heating resistor.

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。   Furthermore, it may be configured to further include a step of performing a heat treatment on the heating resistor, and further, the step of performing a heat treatment on the heating resistor includes heat energy used for discharging liquid to the heating resistor. It is good also as a structure made | formed by applying the electric pulse which produces | generates the same thermal energy.

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FeSiN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。 When the heat generating resistor is subjected to heat treatment, a metal silicide composed of FeSi 2 is generated in FeSiN constituting the heat generating resistor. Since this intermetallic compound (FeSi 2 ) is thermally stable and has a small TCR, the durability of the heating resistor can be improved. For this reason, the composition ratio of Fe and Si is preferably close to 1: 2 as in the present invention.

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。   As described above, according to the present invention, there are provided a heating resistor, a liquid discharge head substrate having the heating resistor, a liquid discharge head, and a method for manufacturing the same that enable high-quality recorded images to be obtained over a long period of time. Can be provided.

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。   In addition, according to the present invention, it is possible to reduce the size of the ejected droplets in order to achieve high definition of the recorded image, and to stabilize the droplets even when high-speed driving is performed to achieve high-speed recording. Thus, it is possible to provide a heating resistor, a liquid discharge head substrate having the heating resistor, a liquid discharge head, and a method for manufacturing the same.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail based on a plurality of examples. However, the present invention is not limited only to each example described below, and can be applied to a resistor thin film used for other applications as long as the object of the present invention can be achieved. It is.

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。   The configuration of the main part of the inkjet substrate and the base body thereof according to the present embodiment is the same as that shown in FIGS. 1 and 2, and therefore, in the present embodiment, those configurations will be described with reference to FIGS. 1 and 2. explain.

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。   The heating resistor 2004 can be manufactured using various film forming methods, but is generally formed by a magnetron sputtering method using a radio frequency (RF) power source or a direct current (DC) power source as a power source. .

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。   FIG. 5 is a diagram showing an outline of a sputtering apparatus capable of forming the heat generating resistance layer 2004.

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。   In FIG. 5, reference numeral 4001 denotes a target made of FeSi prepared in advance with a predetermined composition, reference numeral 4002 denotes a flat magnet, reference numeral 4011 denotes a shutter for controlling film formation on the substrate, and reference numeral 4003 denotes a substrate 4004 in a film formation chamber 4009. A supporting substrate holder 4006 indicates a power source connected to the target 4001 and the substrate holder 4003.

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。   Further, in FIG. 5, reference numeral 4008 denotes an external heater provided so as to surround the outer peripheral wall of the film formation chamber 4009. This external heater 4008 is used to adjust the atmospheric temperature in the film forming chamber 4009. On the back surface of the substrate holder 4003, an internal heater 4005 for controlling the temperature of the substrate is provided. The temperature control of the substrate 4004 is preferably performed using an external heater 4008 in combination.

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。   The heating resistor layer 2004 is formed using the sputtering apparatus shown in FIG. 5 as follows.

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。 First, the exhaust valve 4007 is opened, and the inside of the film forming chamber 4009 is exhausted to a pressure of 1 × 10 −5 to 1 × 10 −6 Pa using an unillustrated exhaust pump. Next, a mixed gas composed of argon gas, nitrogen gas, and oxygen gas is introduced into the film formation chamber 4009 from the gas inlet 4010 via a mass flow controller (not shown). At this time, the internal heater 4005 and the external heater 4008 are adjusted so that the temperature of the substrate 4004 and the atmospheric temperature in the film formation chamber 4009 become predetermined temperatures.

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。   Next, power is applied from the power source 4006 to the target 4001 to cause sputtering discharge, and the shutter 4011 is adjusted to form a thin film (a heating resistor layer 2004) on the substrate 4004. Note that when the flat magnet 4002 is rotated during the film formation, high-density plasma and γ electrons are distributed on the target 4001 side, so that thermal and physical damage given to the substrate 4004 is alleviated.

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。
In the above description, the method of forming the heating resistor by the reactive sputtering method using the alloy target made of FeSi has been described.
(1) Examples Regarding Heating Resistors Next, examples in which the heating resistor film of the present invention is produced under various film forming conditions by the above-described film forming method using the apparatus shown in FIG. 5 will be described.

(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FeSiN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4sccmとした。また、本実施例ではターゲット4001(図5参照)をCr32Si68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400Wとした。さらに、成膜中の基板温度は200℃とした。
(Example 1)
Referring to FIG. 2, in this example, as described above, a heat storage layer 2002 having a film thickness of 1.8 μm is formed on a silicon substrate 2001 by thermal oxidation, and SiO 2 is further formed on the heat storage layer 2002. 2 was deposited to a thickness of 1.2 μm by a plasma CVD method to form an interlayer film 2003 that also serves as a heat storage layer. Next, an FeSiN film having a thickness of 400 mm was formed on the interlayer film 2003 as the heating resistor layer 2004. The gas flow rates at this time were 76 sccm for Ar gas and 4 sccm for N 2 gas. In this embodiment, the target 4001 (see FIG. 5) is made of Cr 32 Si 68 , and the power supplied from the power source 4006 (see FIG. 5) to the target 4001 is 400 W. Further, the substrate temperature during film formation was set to 200 ° C.

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。   Further, an Al—Cu film having a thickness of 5500 mm was formed by a sputtering method as the metal wiring 2005 for heating the heating resistor layer 2004 by the heat acting portion 2008. Then, the Al—Cu film was patterned by photolithography to form a heat acting portion 2008 having a size of 15 μm × 40 μm from which the Al—Cu film was removed.

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。   Further, as the protective film 2006, a SiN film was formed to a thickness of 1 μm by plasma CVD. In this example, the substrate temperature at this time was set to 400 ° C., and the substrate temperature was maintained for about 1 hour, and the heat treatment was also performed.

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450[Ω/□]であった。また、発熱抵抗層2004のTCR特性は+20[ppm/℃]程度であった。また、発熱抵抗層2004を構成するFeSiNの組成比は、Feが23at%、Siが46at%、Nが31at%であった。   Finally, a Ta film having a thickness of 2000 mm was formed as the anti-cavitation layer 2007 by sputtering to obtain a substrate 2000 of this example. The sheet resistance value of the heating resistance layer 2004 in the base body 2000 obtained in this example was 450 [Ω / □]. Further, the TCR characteristic of the heat generation resistive layer 2004 was about +20 [ppm / ° C.]. The composition ratio of FeSiN constituting the heat generating resistive layer 2004 was 23 at% for Fe, 46 at% for Si, and 31 at% for N.

[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。
[Comparative Example 1]
A substrate of Comparative Example 1 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the heating resistance layer 2004 was changed as follows.

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TaN0.8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。 That is, in this comparative example, the target 4001 (see FIG. 5) was made of Ta, and a TaN 0.8 film having a thickness of 1000 Å was formed as the heating resistor layer 2004 by a reactive sputtering method using a Ta target. In this comparative example, a mixed gas composed of argon gas and nitrogen gas was used, and the gas flow rates at that time were 64 sccm for Ar gas, 16 sccm for N 2 gas, and 20% partial pressure of nitrogen gas. The power supplied from the power source 4006 (see FIG. 5) to the target 4001 was 350 W, and the substrate temperature during film formation was 200 ° C.

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。   The sheet resistance value of the heating resistance layer 2004 in the base body 2000 obtained by this comparative example was 25 [Ω / □].

<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。
<Evaluation 1>
Using an inkjet head (recording head) having a substrate manufactured according to Example 1 and Comparative Example 1, a foaming voltage Vth necessary for generating bubbles for ejecting ink to a heating resistor (heater) 1005 is measured. did. Then, the current value flowing through the heating resistor 1005 was measured when the heating resistor 1005 was driven with a driving pulse width of 2 μsec using a voltage 1.2Vth which is 1.2 times the foaming voltage Vth as a driving voltage.

その結果、実施例1では、発泡電圧Vthが32Vで電流値が35mA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以下となっている。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。   As a result, in Example 1, the foaming voltage Vth was 32 V and the current value was 35 mA, while in Comparative Example 1, the foaming voltage Vth was 9.9 V and the current value was 120 mA. From this result, when the substrate of Example 1 and the substrate of Comparative Example 1 are compared, the current value of Example 1 is about 1/4 or less compared to Comparative Example 1. Since an actual recording head has a large number of heating resistors 1005 that are driven simultaneously, it can be easily understood that the power consumption of Example 1 is much smaller than that of Comparative Example 1 and an energy saving effect is obtained.

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。   Further, the heating resistor 1005 of Example 1 and Comparative Example 1 was driven under the conditions that the driving frequency was 15 kHz, the driving pulse width was 1 μsec, and the driving voltage was 1.2 times the foaming voltage Vth (1.2 Vth), and the breakage occurred. Thermal stress durability evaluation by pulse was performed.

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。 As a result, in Comparative Example 1, the heating resistor 1005 broke when the number of pulses was 6.0 × 10 7 , whereas in Example 1, the heating resistor 1005 was reached until the number of pulses reached 3.0 × 10 9. Did not break. From this, it can be seen that the substrate 2000 of this example has good durability even when the drive pulse width is shortened.

(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。
(Example 2)
A substrate of Example 2 was obtained by manufacturing in the same manner as in Example 1 except that the heating resistance layer 2004 was changed as follows.

すなわち、本実施例ではターゲット4001(図5参照)をFe32Si68で構成した。また、本実施例では、発熱抵抗層2004としてFeSiN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400Wとし、成膜中の基板温度は200℃とした。 In other words, in this example, the target 4001 (see FIG. 5) was made of Fe 32 Si 68 . In this embodiment, the gas flow rate when forming the FeSiN film as the heating resistor layer 2004 to a thickness of 400 mm was 71 sccm for Ar gas and 8 sccm for N 2 gas. The power supplied from the power source 4006 (see FIG. 5) to the target 4001 was 400 W, and the substrate temperature during film formation was 200 ° C.

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950[Ω/□]であり、TCR特性は+35[ppm/℃]であった。また、発熱抵抗層2004を構成するFeSiNの組成比は、Feが21at%、Siが42at%、Nが37at%であった。   The sheet resistance value of the heating resistance layer 2004 in the base body 2000 of this example obtained in this way was 950 [Ω / □], and the TCR characteristic was +35 [ppm / ° C.]. The composition ratio of FeSiN constituting the heat generating resistive layer 2004 was 21 at% for Fe, 42 at% for Si, and 37 at% for N.

<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23mA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2.0×109に達するまで発熱抵抗体1005が破断しなかった。
<Evaluation 2>
The substrate 2000 produced in Example 2 was evaluated in the same manner as the evaluation 1 described above. As a result, in the base body 2000 of Example 2, the foaming voltage Vth was 35 V and the current value was 23 mA. Further, in the heat stress durability evaluation by the break pulse, the heating resistor 1005 did not break until the number of pulses reached 2.0 × 10 9 .

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FeSiN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。
From this result, it can be seen that, similarly to the result of Evaluation 1, the base body 2000 of Example 2 has low power consumption and excellent energy saving effect. It can also be seen that the base body 2000 of Example 2 also has good durability even when the drive pulse width is shortened.
(2) Examples relating to inkjet head substrate Further, in order to evaluate the characteristics of the inkjet head substrate as a heating resistor, the sputtering apparatus shown in FIG. An ink jet head having a heating resistor layer 2004 made of a FeSiN film formed by the same film forming method as the above method was prepared, and its characteristics were evaluated.

(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。
(Example 3)
Referring to FIG. 2, in this embodiment, a simple silicon substrate 2001 or a silicon substrate 2001 on which a driving integrated circuit is already formed is used as the substrate of the ink jet head substrate 2000. When a simple silicon substrate 2001 is used, a heat storage layer 2002 made of SiO 2 and having a thickness of 1.8 μm is formed thereon by thermal oxidation, sputtering, CVD, or the like. Similarly, in the case of using a silicon substrate 2001 on which an integrated circuit is formed, a heat storage layer 2002 made of SiO 2 and having a thickness of 1.8 μm is formed thereon during the manufacturing process.

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FeSiN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4sccm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120W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。 Next, an interlayer film 2003 made of SiO 2 and having a thickness of 1.2 μm was formed on the heat storage layer 2002 by sputtering or CVD. Next, an FeSiN film was formed on the interlayer film 2003 as the heating resistance layer 2004. The gas flow rate at this time was set to 76 sccm for Ar gas and 4 sccm for N 2 gas, as in Example 1. In this embodiment, the target 4001 (see FIG. 5) is made of FeSi, and the power supplied from the power source 4006 (see FIG. 5) to the target 4001 is 120 W. Further, the substrate temperature during film formation was set to 400 ° C. This is to accelerate the crystallization of the film by very slowing the film formation rate. For this reason, the substrate temperature was set to a relatively high value of 400 ° C.

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。   Further, as the metal wiring 2005, an Al film was formed to a thickness of 5500 mm by a sputtering method. Then, the Al film was patterned by photolithography to form a heat acting portion 2008 having a size of 20 μm × 30 μm from which the Al layer was removed.

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。   Further, as the protective film 2006, a SiN film was formed to a thickness of 1 μm by plasma CVD. Next, as a cavitation-resistant layer 2007, a Ta film is formed to a thickness of 2300 mm by a sputtering method, and patterning is performed by a photolithography method, thereby producing an inkjet head substrate 2000 as shown in FIG. An ink jet recording head (see FIG. 1) provided with the ink jet head substrate 2000 was produced.

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1.65が得られた。 An SST test was conducted using the ink jet head thus produced. Here, in the SST test, a pulse signal having a driving frequency of 15 kHz with a driving pulse width of 1 μsec is given to the heating resistor 1005 to obtain a foaming start voltage Vth for starting ink discharge, and then the applied voltage is changed from Vth to 0.05 V. It was increased every time, and 1 × 10 5 pulses were applied at a driving frequency of 15 kHz until the heating resistor 1005 was disconnected, and the breaking voltage Vb at the time of disconnection was obtained. The ratio between the foaming start voltage Vth and the breaking voltage Vb is referred to as a breaking voltage ratio Kb (= Vb / Vth). The break voltage ratio Kb is an index indicating the heat resistance of the heating resistor 1005. The larger the value, the better the heat resistance of the heating resistor 1005. As a result of evaluating the ink jet head of this example, 1.65 was obtained as the numerical value of Kb.

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。 Next, a heat pulse endurance test (CST test) was performed when the drive voltage Vop was 1.3 Vth. The CST test is performed by applying a pulse to the heating resistor 1005 in an empty state where the ink jet head is not filled with ink (liquid). In this CST test, a pulse signal having a driving frequency of 15 kHz with a driving pulse width of 1 μsec is continuously applied to the heating resistor 1005 by 1.0 × 10 9 pulses, and the initial resistance value of the heating resistor 1005 is R0. The resistance value change rate ΔR / R0 when the resistance value after application was R was determined (where ΔR = R−R0). As a result, the resistance value change rate ΔR / R0 was + 2.6%.

(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。
Example 4
Referring to FIG. 2, in the present embodiment as well, as in the third embodiment, a simple silicon substrate 2001 or a silicon substrate 2001 on which a driving integrated circuit is already formed is used as the substrate of the inkjet head substrate 2000. When a simple silicon substrate 2001 is used, a heat storage layer 2002 made of SiO 2 and having a thickness of 1.8 μm is formed thereon by thermal oxidation, sputtering, CVD, or the like. Similarly, in the case of using a silicon substrate 2001 on which an integrated circuit is formed, a heat storage layer 2002 made of SiO 2 and having a thickness of 1.8 μm is formed thereon during the manufacturing process.

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FeSiN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4sccm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。 Next, an interlayer film 2003 made of SiO 2 and having a thickness of 1.2 μm was formed on the heat storage layer 2002 by sputtering or CVD. Next, an FeSiN film was formed on the interlayer film 2003 as the heating resistance layer 2004. The gas flow rate at this time was set to 76 sccm for Ar gas and 4 sccm for N 2 gas, as in Example 1. In this embodiment, the target 4001 (see FIG. 5) is made of FeSi, and the power supplied from the power source 4006 (see FIG. 5) to the target 4001 is 350 W. Further, the substrate temperature during film formation was set to 200 ° C.

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。   Further, as the metal wiring 2005, an Al—Si film was formed to a thickness of 5500 mm by a sputtering method. Then, the Al—Si film was patterned by photolithography to form a heat acting portion 2008 having a size of 20 μm × 30 μm from which the Al—Si layer was removed.

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。   Further, as the protective film 2006, a SiN film was formed to a thickness of 1 μm by plasma CVD. In this example, the substrate temperature at this time was set to 400 ° C., and the substrate temperature was maintained for about 1 hour, and the heat treatment was also performed.

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。   Next, as a cavitation-resistant layer 2007, a Ta film is formed to a thickness of 2300 mm by a sputtering method, and patterning is performed by a photolithography method, thereby producing an inkjet head substrate 2000 as shown in FIG. An ink jet recording head (see FIG. 1) provided with the ink jet head substrate 2000 was produced.

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1.75が得られた。 An SST test was conducted using the ink jet head thus produced. Here, in the SST test, a pulse signal having a driving frequency of 15 kHz with a driving pulse width of 1 μsec is given to the heating resistor 1005 to obtain a foaming start voltage Vth for starting ink discharge, and then the applied voltage is changed from Vth to 0.05 V. It was increased every time, and 1 × 10 5 pulses were applied at a driving frequency of 15 kHz until the heating resistor 1005 was disconnected, and the breaking voltage Vb at the time of disconnection was obtained. As a result of evaluating the ink jet head of this example, 1.75 was obtained as the numerical value of the breaking voltage ratio Kb (= Vb / Vth).

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+2.1%であった。 Next, a heat pulse endurance test (CST test) was performed when the drive voltage Vop was 1.3 Vth. The CST test is performed by applying a pulse to the heating resistor 1005 in an empty state where the ink jet head is not filled with ink (liquid). In this CST test, a pulse signal having a driving frequency of 15 kHz with a driving pulse width of 1 μsec is continuously applied to the heating resistor 1005 by 1.0 × 10 9 pulses, and the initial resistance value of the heating resistor 1005 is R0. The resistance value change rate ΔR / R0 when the resistance value after application was R was determined (where ΔR = R−R0). As a result, the resistance value change rate ΔR / R0 was + 2.1%.

(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。
(Example 5)
In this example, an ink jet head substrate 2000 was produced in the same manner as in Example 4 except that the heating resistance layer 2004 (see FIG. 2) was formed under the conditions shown in Example 2. Then, an SST test and a CST test were performed in the same manner as in Example 4 using the inkjet head substrate 2000.

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FeSiN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。 In this embodiment, before performing these tests, as a heat treatment of the heating resistor 1005 (see FIG. 1), a pulse signal having a drive voltage Vop of 1.4 Vth, a drive pulse width of 1 μsec, and a drive frequency of 15 kHz is 1 0.0 × 10 3 pulses were applied. When the heat generating resistor 1005 is subjected to heat treatment, a metal silicide composed of FeSi 2 is generated in FeSiN constituting the heat generating resistor 1005. Since the intermetallic compound (FeSi 2 ) is thermally stable and has a small TCR, the durability of the heating resistor 1005 can be improved. For this reason, the composition ratio of Fe and Si is preferably close to 1: 2 as in the present invention.

SST試験の結果、本実施例では破断電圧比Kbの数値として1.65が得られた。また、CST試験の結果、抵抗値変化率ΔR/R0は+3.3%であった。   As a result of the SST test, 1.65 was obtained as the numerical value of the breaking voltage ratio Kb in this example. As a result of the CST test, the resistance value change rate ΔR / R0 was + 3.3%.

(実施例6〜10及び比較例2〜4)
膜組成が下記の表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。
(Examples 6 to 10 and Comparative Examples 2 to 4)
An ink jet head was prepared in the same manner as in Example 1 except that the heat generating resistance layer as shown in Table 1 below was formed, and the characteristics thereof were evaluated. The evaluation results are listed in Table 1.

Figure 2005186622
Figure 2005186622

実施例6〜10と比較例2〜4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6〜10と比較例2〜4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6〜10の方が小さく、TCR(抵抗温度係数)は実施例6〜10の方が小さい。このように、実施例6〜10によれば、総合的に比較例2〜4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。   When Examples 6 to 10 and Comparative Examples 2 to 4 are compared, the values of the breaking voltage ratio Kb by the SST test are almost the same as those of Examples 6 to 10 and Comparative Examples 2 to 4, and the resistance value change by the CST test The rate is smaller in Examples 6 to 10, and the TCR (resistance temperature coefficient) is smaller in Examples 6 to 10. Thus, according to Examples 6-10, the inkjet head provided with the heating resistance layer which has the characteristic better than Comparative Examples 2-4 was able to be produced comprehensively.

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。It is a schematic plan view which shows the general structure of the board | substrate principal part of the recording head used for inkjet recording. 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。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of an ink jet recording head substrate taken along line X-X ′ at a portion corresponding to the ink flow path of FIG. 1. 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。It is a figure for demonstrating the relationship of the various drive conditions by the difference in heater size. 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。It is a graph which shows the result of having evaluated the characteristic of the FeSiN film | membrane actually formed into a film using the FeSi target. 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。It is a figure which shows the outline | summary of the sputtering device which can form into a heating resistance layer shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

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
1001 Discharge port 1002 Electrothermal conversion element 1003 Ink flow path 1004 Substrate 1005 Heating resistor 2000 Ink jet head substrate

Claims (6)

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%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。
In the heating resistor provided in the liquid discharge head that discharges liquid from the discharge port using thermal energy,
A heating resistor having a composition ratio of 15 to 30 at% for Fe, 35 to 60 at% for Si, and 10 to 50 at% for N, and becomes 100 at% or almost 100 at%.
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、
前記発熱抵抗体が、Feが15〜30at%、Siが35〜60at%、Nが10〜50at%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。
In a liquid discharge head substrate provided with a heating resistor that generates thermal energy used to discharge liquid from the discharge port,
The heating resistor has a composition ratio of Fe of 15 to 30 at%, Si of 35 to 60 at%, and N of 10 to 50 at%, and these are 100 at% or almost 100 at%. A substrate for a liquid discharge head.
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%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。
A discharge port for discharging liquid;
Generates thermal energy used to discharge the liquid, Fe has a composition ratio of 15 to 30 at%, Si of 35 to 60 at%, and N of 10 to 50 at%. Or a heating resistor of approximately 100 at%,
A liquid flow path provided with the heating resistor and communicating with the discharge port;
A liquid discharge head.
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%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。
Generates thermal energy used to discharge the liquid, Fe has a composition ratio of 15 to 30 at%, Si of 35 to 60 at%, and N of 10 to 50 at%. Alternatively, a step of forming a heating resistor of approximately 100 at% by a reactive sputtering method in a mixed gas atmosphere composed of nitrogen gas, oxygen gas, and argon gas;
Forming a liquid flow path communicating with the discharge port so as to correspond to the heating resistor;
A method of manufacturing a liquid discharge head, comprising:
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。   The method of manufacturing a liquid discharge head according to claim 4, further comprising a step of performing a heat treatment on the heating resistor. 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。   The step of applying a heat treatment to the heating resistor is performed by applying an electric pulse to the heating resistor that generates the same thermal energy as that used for discharging a liquid. Manufacturing method of the liquid discharge head.
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