JP2006130885A - インクジェット記録ヘッド用基板、該基板の製造方法および前記基板を用いるインクジェット記録ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 通電に応じて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発熱部を有するインクジェットヘッド用基板にあって、記録の高解像化や高画質化等を達成するための発熱部の小面積化を図りながら熱エネルギー効率の低下を防ぐとともに、発熱部が製造工程に起因したダメージを受けないようにする。
【解決手段】 電極配線層１１０５上に発熱抵抗体層１１０４を配置し、その上に２層の保護層１２０６ａ，１２０６ｂを設ける。そして、発熱部１１０４’上方の部位において保護層１１０６ｂを除去する。これにより、有効発泡領域の減少が生じることなく保護層を配置できるとともに、発熱部上の実効的な保護層の厚みを低減して熱エネルギー効率を向上できる。また、発熱抵抗体層は第１保護層により覆われるので、エッチング等製造工程の影響を受けることがなくなる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、インクを吐出して記録を行うインクジェット記録ヘッド用の基板、該基板の製造方法および前記基板を用いるインクジェット記録ヘッドに関するものである。

インクジェット記録方式は、微少量のインクを例えば滴として吐出口から高速で吐出することにより、高精細な画像の高速記録を行うことができるという特徴を有している。インクジェット記録方式を実現するためのインクジェット記録ヘッド（以下、単に記録ヘッドとも言う）には種々の吐出方式を採用するものがある。中でも、特許文献１および特許文献２等に開示されているような熱エネルギーを利用してインクを吐出する方式によるインクジェットヘッドは、インクを加熱発泡させるための複数の発熱部（ヒーター）およびこれに電気的接続を行う配線等を同一の基体上に作製してインクジェットヘッド用基板とし、さらにその上に発熱部に対応してインクを吐出させるためのノズル（吐出口）を形成した構成が一般的である。この構成は、半導体製造工程と同様のプロセスを経て、発熱抵抗体および配線等を高密度に多数配置したインクジェットヘッド用基板を容易かつ精度高く製造することができることから、記録の高精細化および高速化を実現できる。さらにこれにより、インクジェットヘッドないしはこれを用いる記録装置の一層のコンパクト化を図ることができる。

図１は上記特許文献に記載されたような記録ヘッド用基板に配置される１つの発熱部付近の一般的な構成を示す模式的平面図である。基板１１００上において、発熱抵抗体層１１０４の上層に電極配線層１１０５が形成され、電極配線層１１０５の一部を除去してその部分の発熱抵抗体層を露出することで発熱部１１０４’が形成される。電極配線のパターンは基板１１００上で引き回され、駆動素子回路ないし外部電源端子に接続されて、外部からの電力供給を受けることができる。ここで、発熱抵抗体層１１０４は電気抵抗値が高い材料で形成されており、電極配線層１１０５を介して外部から電流を流すことによって、電極配線層１１０５の非存在部分である発熱部１１０４’が熱エネルギーを発生し、インクを発泡させる。

図２は、図１の液路に相当する部分のＩＩ−ＩＩ線で切断したインクジェット記録ヘッド用基板１１００の模式的断面図である。図２において、１１０１はＳｉの基体、１１０２は熱酸化膜からなる蓄熱層、１１０３は蓄熱機能を兼ねるＳｉＯ膜やＳｉＮ膜等からなる層間膜である。層間膜１１０３上には発熱抵抗体層１１０４が、さらにその上層にＡｌ，Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｃｕ等の金属でなる電極配線層電極配線層１１０５が形成され、電極配線層１１０５の一部を除去してその部分の発熱抵抗体層を露出することで発熱部１１０４’が形成される。電極配線層１１０５は基板１１００上で引き回され、駆動素子回路ないし外部電源端子に接続されて、外部からの電力供給を受けることができる。

さらに、発熱部１１０４'および電極配線層１１０５の上層として、それらをインクから保護および絶縁するためのＳｉＯ膜あるいはＳｉＮ膜等からなる保護層１１０６が設けられる。また、その上層に、インクの発泡に伴う化学的衝撃や物理的衝撃等によるダメージに耐える膜として高耐久保護膜１１０７が形成され、発熱部１１０４’上方の高耐久保護膜１１０７がインクに接する部位が熱作用部１１０８となる。

ところで、インクジェット記録装置には、その普及に伴って、近年さらなる記録の高解像化、高画質化、高速化が求められている。このうち高解像化、高画質化の要求に対する一つの解決手段としては、１ドット当りの吐出インク量をより少なく（インクを滴として吐出する場合にはインク滴の小径化）することが挙げられる。従来、インクの小液滴化を達成するためには、ノズルの形状を変える（オリフィス面積を小さくする）とともに発熱部の面積を小さくすることで対応してきた。

また、高速記録の要求に対する解決手段としては、電気熱変換素子を駆動する電気パルスの幅を短くすることにより駆動周波数を上げたり、インクを吐出させるノズル数を増やしたりすることで、短時間に多数のインク吐出を可能にすることが有効とされている。しかしながら、この解決手段を採ると、発熱抵抗体で発生した熱が基板に蓄積され、ヘッドの昇温をもたらすことになるので、場合によっては記録動作を中断させなければならなくなることもあり、記録のスループットが低下するという新たな問題が発生する。

そこで、発熱抵抗体で発生した熱を効率的にインクに作用させ、インクの吐出に利用するように膜構成を工夫する試みがなされている。

例えば、発熱抵抗体とインクに接する面との間の膜の厚さが薄いほど熱伝導性が良好となり、インク側以外へ逃げる熱量が減るため、記録ヘッドの蓄熱ないしは昇温の問題を抑制することができ、かつ発泡を生じさせるための消費電力も少なくてすむ。すなわち、発熱抵抗体上の保護層の実効的な厚みが薄いほどエネルギー効率がよくなる。ところが一方、保護層が薄すぎると、保護層に存在するピンホールが発熱抵抗体を露出させたり、配線の段差部を十分にカバーすることができなくなるために段差部の被覆不足を生じさせたりしてしまう。この結果、そこからインクが侵入し、配線の腐食や発熱抵抗体の腐食を引き起こし、その結果、信頼性の低下および寿命の低下が発生する。

このような問題に対処したものとして、第１および第２の保護層を設け、熱作用部においては第１の保護層を除去することにより、エネルギー効率を向上させて消費電力を下げ、かつ、保護層としての信頼性を上げ寿命を伸ばすことを可能とした構成が特許文献３に開示されている。

図３は特許文献３に開示されたインクジェットヘッド用基板の熱作用部付近の模式的断面図である。この構成では、電極配線層１１０５の上層として第１保護層１１０６ａおよび第２保護層１１０６ｂが形成されており、下層である第１保護層１１０６ａが発熱部１１０８の上方において除去されている。すなわち、ＳｉＯ膜，ＳｉＮ膜等からなる第１保護層１１０６aを形成した後、パターニング等により熱作用部のみ第１保護層１１０６ａを除去し、さらにＳｉＯ膜，ＳｉＮ膜等からなる第２保護層１１０６ｂを形成し、最後に高耐久保護膜１１０７を形成したものである。このように、熱作用部１１０８における実質的な保護層を薄膜化することにより、発熱抵抗体層１１０４からの熱エネルギーは第２保護層１１０６ｂおよび高耐久保護膜１１０７のみを介してインクに伝達できるため、熱エネルギーを一層有効に利用することができるようになる一方、第２保護層１１０６ｂにより所要の保護絶縁機能を得ている。

米国特許第４，７２３，１２９号明細書 米国特許第４，７４０，７９６号明細書 特開平８−１１２９０２号公報

ここで、インクジェット記録ヘッドの系全体のエネルギーロスを少なくする上では、電極配線層の膜厚を厚くすることにより電極配線の抵抗値を下げることが有効である。しかしながら、その膜厚を厚くすることは、パターニングにより形成される段差部が高くなることを意味し、これらの段差部のカバレッジ性を考慮すれば保護膜をある程度厚くせざるを得ない。

すると、図３に示した構成では、第１保護層１１０６ａは、発熱部１１０４’に面する電極配線層１１０５の端部における段差を十分にカバーするために、当該端部より発熱部の内側に偏倚した部位で除去される。ここで、発熱部は全面に亘って発熱するが、発熱部の周縁部は熱の逃げが大きくなることから、発熱部の周縁から数μｍ程度内側までの領域を除いた領域（この領域を有効発泡領域と称す）のみしか発泡が生じないことが知られている。上記特許文献３に開示された構成を採用する場合、発熱部１１０４’に面する電極配線層１１０５の端部より発熱部の内側に偏倚した部位で第１保護層１１０６ａが除去されている。換言すれば、発熱部の内側に偏倚した位置まで第１保護層１１０６ａが存在する。このため、実際の有効発泡領域がさらに限局されて小さくなり、熱効率を低下させてしまう。すなわち、発熱部の小面積が求められる状況下、特許文献３に開示の技術をそのまま採用したのでは、熱効率をさらに低下させてしまうという問題点が生じるのである。

一方、発熱抵抗体の抵抗値を高くし、インクジェット記録ヘッドの系全体に流れる電流値を少なくすることにより、配線部等で発生する熱エネルギーロスを抑える試みもなされている。この発熱抵抗体の高抵抗化の要求に対しては、各種材料検討や発熱抵抗体の膜厚を薄くする方法が試みられている。膜厚を薄くすることは製造安定性、特性安定性および信頼性等の諸特性を満足することが困難ではあるが、膜厚を薄くしつつも上記諸特性を満足するものが強く要望されている。

しかるに、図３に示すような構成では、発熱抵抗体層上に電極配線層を積層した後に電極配線のパターニングが行われ、さらに第１保護層１１０６ａの積層後にもそのパターニングが行われることで発熱部が形成される。従って、発熱抵抗体層の表面はこれらのパターニングに適用されるエッチング工程等の影響を受ける。すなわち、ドライエッチングが行われる場合にはプラズマに、ウェットエッチングが行われる場合にはエッチング液にさらされることになる。また、それらエッチング工程を実施するための搬送時に大気にさらされることもある。これらによって発熱抵抗体層の表面は、酸化されたり、エッチングによるダメージを受けたり、ガスや水分を吸着したりすることになり、この結果、抵抗値の変動やばらつきが生じることがあった。また、部分的な酸化やダメージによって信頼性が低下してしまうこともあった。このように、高抵抗化のために発熱抵抗体層の膜厚を薄くする一方、図３のような構成を得る場合は特に、上記諸特性を満足することが難しいものとなる。さらに、抵抗値のばらつきによって各ヒーターで発泡現象に違いが生じてしまうと、１吐出口での所要のインク吐出量を確保できないばかりか、各吐出口間でもインク吐出量が大きくばらつくことになり、記録品位の低下につながってしまうことになる。

本発明の主たる目的は、従来のインクジェット記録ヘッド用基板について上述した諸問題を解決し、発熱抵抗体で発生した熱エネルギーを高効率にインクに伝達でき、消費電力の削減を可能とすることを目的とする。

本発明の他の目的は、製造工程に起因した抵抗値のばらつきが少なく、長期にわたって抵抗値が安定であり、信頼性の高いインク吐出動作を可能とすることにある。

本発明のさらに他の目的は、以上により小型にして吐出口が高密度配置された信頼性の高いインクジェットヘッドを提供することにある。

そのために、本発明は、通電に応じて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発熱部を有するインクジェットヘッド用基板であって、
前記発熱部を形成するための間隙を有する電極配線層と、
前記間隙を含め前記電極配線層の上層として配置される発熱抵抗体層と、
該発熱抵抗体層の上層として配置された第１保護層と、
前記発熱部上で前記間隙より広い間隙を有して前記第１保護層の上層として配置される第２保護層と、
を具えたことを特徴とする。

また、本発明は、通電に応じて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発熱部を有するインクジェットヘッド用基板の製造方法であって、
基体上に、前記発熱部を形成するための間隙を有する電極配線層を配置する工程と、
前記間隙を含め前記電極配線層の上層として発熱抵抗体層を配置する工程と、
前記発熱抵抗体層の上層として第１保護層を配置する工程と、
前記第１保護層の上層として第２保護層を配置する工程と、
該第２保護層を前記発熱部の上方の部位で除去する工程と、
を具えたことを特徴とする。

また、本発明は、上記インクジェットヘッド用基板と、前記発熱部に対応したインク吐出口と、を具えたインクジェット記録ヘッドに存する。

本発明によれば、まず基本的には保護層を２層化し、インクジェットヘッドの電力消費に関与する領域である発熱部上において実質的な保護層の厚みを薄くするべくその一方（第２保護層）を除去することにより、熱効率を向上して、消費電力を低下することが可能となる。また、電極配線層上に発熱抵抗体層を配置したことにより、一方の保護層（第２保護層）を除去する際のパターニングを、発熱部を形成する電極配線の間隙より広い範囲で実施することが可能となり、有効発泡領域の減少が生じることなく、記録の高解像化や高画質化等を達成するための発熱部の小面積化を図ることができる。

さらに、発熱抵抗体層は電極配線上に形成され、また第２保護層の除去時に第１保護層に覆われたものとなるので、発熱抵抗体層の発熱部は製造工程に起因した抵抗値のばらつきが少なく、長期にわたって抵抗値が安定であり、信頼性の高いインク吐出動作を可能とするものとなる。

また、以上により小型にしてノズルが高密度配置された信頼性の高いインクジェットヘッドを提供できる。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。但し、本発明は、以下に説明する各実施形態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、特許請求の範囲を逸脱することなく適宜の構成を採用してもよいことは勿論である。

（インクジェットヘッド用基板の実施形態およびその製造工程）
図４および図５は、それぞれ、本発明の第１の実施形態によるインクジェットヘッド用基板の熱作用部周辺の模式的平面図およびそのＶ−Ｖ線断面図である。ここで、図１〜図４の各部と同様に機能する部分については対応箇所に同一符号を付してある。

本実施形態では、まず基本的には保護層を２層化（１２０６ａ、１２０６ｂ）した構成を採用し、インクジェットヘッドの電力消費に関与する領域である発熱部１１０４’上において実質的な保護層の厚みを薄くするべく、その一方を除去している。特に本実施形態では、基体１１０１に蓄熱層１１０２を介して形成した層間膜１１０３の上に電極配線層１１０５のパターニングを実施した後に、すなわち電極配線層１１０５上に、発熱抵抗体層１１０４を配置し、さらに第１および第２保護層１２０６ａおよび１２０６ｂを配置した上で、発熱部１１０４’の上方の部位で第２保護層１２０６ｂを除去している。

図６（ａ）〜（ｇ）を参照して、図４および図５に示したインクジェットヘッド用基体の製造方法の実施形態を説明する。

まず、基体１１０１としてはＳｉ基板あるいは既に駆動用のＩＣを作り込んだＳｉ基板を用いる。この基体としては、発熱部を形成する面のＳｉ結晶方位が＜１００＞のものを用いる。そして図６（ａ）に示すように、基体１１０１上に熱酸化により膜厚１．８μｍの蓄熱層１１０２を形成し、さらに蓄熱層を兼ねる層間膜１１０３としてＳｉＯ_２膜をプラズマＣＶＤ法などにより膜厚１．２μｍに形成した。そして、電極配線層１１０５となるＡｌ層をスパッタリングにより約４００ｎｍの厚さに形成した。

次に、図６（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法を用いてドライエッチングを施し、発熱部を構成するための部分を含めてパターニングを行い、電極配線層１１０５を形成した。なお、パターニングされた電極配線層の端部は、後の工程で形成される膜のカバレッジ性を向上させるために、テーパ形状とすることが好ましい。

次に、Ｔａ−Ｓｉ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により、発熱抵抗体層１１０４となるＴａＳｉＮ膜を形成した。このとき、図７について後述するような成膜装置を用い、ガス流量をＡｒガス４２ｓｃｃｍ、Ｎ_２ガス８ｓｃｃｍとしてＮ_２ガス分圧比を１６％とし、ターゲットに投入するパワーを５００Ｗ、雰囲気温度を２００℃、基板温度を２００℃として、４０ｎｍの厚さに形成した。続いて、真空雰囲気を維持したまま基板を別の成膜室へ搬送し、スパッタリング法を用いて第１保護層１２０６ａとなるＳｉＯ_２膜を形成した。このときのガス流量をＡｒガス５０ｓｃｃｍ、ターゲットに投入するパワーを５００Ｗ、雰囲気温度を２００℃、基板温度を２００℃として、２００ｎｍの厚さに形成した（図６（ｃ））。

続いて、フォトリソグラフィ法を用いてエッチングを実施し、図６（ｄ）に示すように、発熱抵抗体層１１０４と第１保護層１２０６ａとを同時にパターニングした。

次に、プラズマＣＶＤ法を用いて第２保護層１２０６ｂとなるＰ−ＳｉＯ膜を形成した（図６（ｅ））。なお、第２保護層１２０６ｂは、パターン形成された電極配線層１１０５や発熱抵抗体層１１０４および第１保護層１２０６ａの上に形成され、インクの侵入を防止する機能を有する。従って、膜の応力によるクラックの発生や基板の変形が生じない範囲で厚くすることが好ましい。膜厚としては３００ｎｍ以上５μｍ以下、好ましくは５００ｎｍ以上１μｍ以下程度が用いられ、本例では６００ｎｍの厚さとした。

続いてフォトリソグラフィ法により第２保護層１２０６ｂのパターニングを行って、２０μｍ×２０μｍの大きさの熱作用部が得られるようにした（図６（ｆ））。すなわち、本例における熱作用部は、基本的に第２保護層１２０６ｂをエッチングにより除去することで形成される。つまり、前述したように発熱抵抗体層１１０４の発熱部１１０４'で発生した熱エネルギーを有効に利用するために、発熱部１１０４'上の熱作用部における保護膜は薄くすることが強く望ましく、本実施形態では第２保護層１２０６ｂを除去した構成が用いられている。これには、所望の熱作用部を形成するようにパターン形成する方法が用いられ、ドライエッチング法あるいはウェットエッチング法を用いる。この際に、第２保護層１２０６ｂの下層には膜質的に第２保護層１２０６ｂに対して密である第１保護層１２０６ａが形成されており、十分なエッチング選択比をもって第２保護層１２０６bをエッチングすることが可能である。

本例の除去工程では、バッファード沸酸を用いてウェットエッチングを行い、第２保護層１２０６ｂがエッチングされた時点でエッチング工程を完了させるようにした。バッファード沸酸に対するエッチングレートは、第１保護層１２０６ａをなすＳｉＯ_２膜で約５０〜１５０ｎｍ／分、第２保護層１２０６ｂとなるＰ−ＳｉＯ膜で約２００〜５００ｎｍ／分程度であり、十分なエッチング選択比をもって第２保護層１２０６ｂのパターニングが可能である。

最後に、スパッタリング法により高耐久保護層１１０７となるＴａ膜を２００ｎｍの厚さに形成し（図６（ｇ））、パターニングを行って図５に示す基板１２００を得た。なお、Ｔａ層は保護層に比べ熱伝導率が高く、熱効率を大きく低下させるものではない。また、高耐久保護層１１０７は、緻密で膜厚の薄い第１保護層１２０６ａの上に直接的に形成されることから、発熱部１１０４'からの熱エネルギーを熱作用部１１０７に効率よく伝導し、有効に発泡ないしインク吐出のために作用させることができる。

以上の工程によれば、次のような顕著な効果が得られる。
まず、電極配線層１１０５は、発熱部１１０４’に面する端部による段差の外側部分を含めて発熱抵抗層１１０４および第１保護層１２０６ａで被覆されるため、第２保護絶縁膜１２０６ｂを除去する際のパターニングを当該端部より外側、すなわち発熱部１１０４’を形成するための電極配線１１０５の間隙より広い範囲で実施することが可能となる。従って、図３の従来例のように発熱部１１０４’の内側に偏倚した部位で第１保護層１１０６ａを除去する場合に比べ、有効発泡領域の減少が生じない。このような構成は、吐出インク量を少量化して記録の高解像化や高画質化等を達成するために発熱部の小面積化を図る場合に特に有効である。

また、本実施形態では、先にパターニングされた電極配線１１０５上に発熱抵抗層１１０４と第１保護膜１２０６ａとが連続的に形成される。これにより発熱抵抗層が、発熱抵抗体層上に電極配線層を積層した後にそのパターニングを行い、さらに第１保護層１２０６ａの積層後にもそのパターニングを行うことで発熱部が形成される従来例のように、エッチング工程等の影響を受けることがない。そのため、本実施形態の発熱抵抗体層の表面は、酸化されたり、エッチングによるダメージを受けたり、ガスや水分を吸着したりすることがなく、この結果、抵抗値の変動やばらつきを格段に少なくすることが可能となる。そしてこれは、特に発熱抵抗層の高抵抗化のために膜厚を薄くする場合においてよりよい効果をもたらすものとなる。

なお、上記工程において、本実施形態における発熱抵抗層は各種成膜法で作製可能であるが、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装置を適用して形成することができる。

図７はかかるスパッタリング装置の概要を示す。図７において、４００１はあらかじめ所定の組成に作製されたターゲット、４００２は平板マグネット、４０１１は基板への成膜を制御するシャッター、４００３は基板ホルダー、４００４は基板、４００６はターゲット４００１と基板ホルダー４００３に接続された電源である。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である。外部ヒーター４００８は、成膜室４００９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および内部ヒーター４００５を併用して行うことが好ましい。

図７の装置を用いた成膜は、以下のように行われる。
まず、排気ポンプ４００７を用いて成膜室４００９を１×１０^−５〜１×１０^−６Ｐａまで排気する。次いで、アルゴンガスあるいは形成する発熱抵抗体に応じて窒素ガス、酸素ガス、炭素系ガス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に導入する。このとき、上記基板温度および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行い、シャッター４０１１を調節して、基板４００４の上に薄膜を形成させる。

さらに、保護層１２０６ａを形成するための膜についても、上記発熱抵抗層と同様に作製可能である。

また、上述した例では、発熱抵抗体層１１０４をＴａＳｉＮの膜で形成するものとしたが、ＴａＡｌ，ＨｆＢ_２等の合金系材料やＴａＮ，ＴａＳｉＯ，ＣｒＳｉＯ，ＴｉＳｉＣ等の膜を反応性スパッタリング法により形成するものでもよい。さらに、発熱抵抗層としてはその他にＰｏｌｙ−Ｓｉ系材料等を用いるものでもよく、所要の発熱機能を果たし得るものであれば、その材料は特に限定されるものではない。

（インクジェットヘッドの構成および製造工程）
続いて、上記実施形態に係る基板を用いて構成されるインクジェット記録ヘッドについて説明する。
図８はインクジェット記録ヘッドの模式的な斜視図である。
このインクジェット記録ヘッドは、所定のピッチで熱作用部１１０８が形成された発熱部列を２列、並列させてなる基板１２００を有している。ここで、上記製造工程を経て製造された２枚の基板を、熱作用部１１０８が配列されている側の縁部を対向配置することで当該並列化が行われるようにしてもよいし、１枚の基体上に予め発熱部が２列並列するように上記製造工程を実施してもよい。

この基板１２００に対しては、熱作用部１１０８に対応したインク吐出口５と、外部から導入されたインクを貯留する液室部分（不図示）と、吐出口５のそれぞれに対応して液室からインクを供給するためのインク供給口９と、吐出口５と供給口９とを連通する流路とが形成された部材（オリフィスプレート）４が接合されて、インクジェット記録ヘッド４１０が構成される。

なお、図８では、各列の熱作用部１１０８およびインク吐出口５が、線対称に配置されているように描かれているが、各列の熱作用部１１０８およびインク吐出口５を互いに半ピッチずらして配置することで、記録の解像度をさらに高めることができる。

図９（ａ）〜（ｄ）は図８のインクジェット記録ヘッドを製造する工程を示す模式的断面図である。

基板１２００を構成するための基体１１０１としては、発熱部を形成する面のＳｉ結晶方位が＜１００＞のものを用いることは上述した。かかる基板１２００の裏面のＳｉＯ_２膜３０７上に、インク供給口３１０を形成するためのマスクであって耐アルカリ性を有するマスク剤でなるＳｉＯ_２膜パターニングマスク３０８を形成する。ＳｉＯ_２膜パターニングマスク３０８は、例えば以下のようにして形成する。

まず、ＳｉＯ_２膜パターニングマスク１０８となるマスク剤をスピンコートなどによって基板１２００の裏面に全面塗布し、熱硬化させる。そして、その上にポジ型レジストをスピンコートなどによって塗布し、乾燥させる。次に、このポジ型レジストをフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングし、このポジ型レジストをマスクとして、ＳｉＯ_２膜パターニングマスク３０８となるマスク剤の露出された部分をドライエッチングなどによって除去する。最後にポジ型レジストを剥離して、所望のパターンのＳｉＯ_２膜パターニングマスク３０８を得る。

次に、熱作用部１１０８が形成された面上に型材３０３を形成する。型材３０３は、後の工程で溶解して、それが設けられた部分をインク流路とするために形成するものである。すなわち、所望の高さおよび平面パターンのインク流路を形成するために、適切な高さおよび平面パターンに形成する。型材３０３の形成は、例えば次のようにして行うことができる。

型材３０３の材料としては、例えば、ポジ型フォトレジストであるＯＤＵＲ１０１０（東京応化工業株式会社製、商品名）を用い、これをドライフィルムのラミネート，スピンコートなどによって基板１２００上に所定の厚みで塗布する。次に、紫外線、Ｄｅｅｐ ＵＶ光などによって露光、現像を行うフォトリソグラフィー技術を用いてパターニングする。これによって、所望の厚みおよび平面パターンを有する型材３０３が得られる。

次に、図９（ｂ）に示す工程で、前の工程で基板１２００上に形成した型材３０３を被覆するように、オリフィスプレート４の素材をスピンコートなどによって塗布し、フォトリソグラフィー技術によって、所望の形状にパターニングする。そして、熱作用部１１０８上の所定の位置にインク吐出口５をフォトリソグラフィ技術によって開口する。また、インク吐出口５が開口するオリフィスプレート４の面には、ドライフィルムのラミネートなどによって撥水層３０６を形成する。

オリフィスプレート４の形成材料としては、感光性エポキシ樹脂、感光性アクリル樹脂などを用いることができる。オリフィスプレート４は、インク流路を構成するものであり、インクジェット記録ヘッド使用時には常にインクと接触することになるので、その材料としては、特に、光反応によるカチオン重合性化合物が適している。また、オリフィスプレート４の材料としては、使用するインクの種類および特性によって耐久性などが大きく左右されるので、使用するインクによっては、上記の材料以外の相応の化合物を選択してもよい。

次に、図９（ｃ）に示す工程で、基板１２００を貫通する貫通口であるインク供給口３１０の形成を行う際、インクジェット記録ヘッドの機能素子が形成された面や基板１２００の側面にエッチング液が触れないように、樹脂からなる保護材３１１をスピンコートなどによって塗布することでこれらの部分を覆う。保護材３１１の材料としては、異方性エッチングを行う際に使用する強アルカリ溶液に対して十分な耐性を有する材料を用いる。このような保護材３１１によってオリフィスプレート４の上面側をも覆うことによって、撥水層３０６の劣化を防ぐことも可能となる。

次に、予め形成しておいたＳｉＯ_２膜パターニングマスク３０８を用いて、ＳｉＯ_２膜３０７をウェットエッチングなどによってパターニングし、基板１２００の裏面を露出するエッチング開始開口部３０９を形成する。

次に、図９（ｄ）に示す工程で、ＳｉＯ_２膜３０７をマスクとした異方性エッチングによってインク供給口３１０を形成する。該異方性エッチングに用いるエッチング液としては、例えばＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニュウムハイドロオキサイド）溶液などの強アルカリ溶液を用いる。そして、例えば、ＴＭＡＨの２２重量％溶液を、その温度を８０℃に保ちながら所定時間（十数時間）、エッチング開始開口部３０９からＳｉ基板１２００に付与することによって貫通口を形成する。

最後に、ＳｉＯ_２膜パターニングマスク３０８と保護材３１１を除去する。そして、更に、型材３０３を溶解させ、インク吐出口５とインク供給口９あるいは３１０から溶出させて除去し、乾燥させる。型材３０３の溶出は、Ｄｅｅｐ ＵＶ光によって全面露光を行った後、現像を行うことによって実施でき、必要に応じて現像の際、超音波浸漬すれば、実質的に完全に型材３０３を除去することができる。

以上で、インクジェット記録ヘッドの主要な製造工程が完了し、図８に示した構成が得られる。なお、以上の実施形態で作成された基板およびこれを用いる記録ヘッドを第１実施例による基板および記録ヘッドとし、その評価を後述のように行うものとする。

（インクジェット記録ヘッドカートリッジおよび記録装置）
このインクジェット記録ヘッドは、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサなどの装置、更には各種処理装置と複合的に組み合わせた産業記録装置に搭載可能である。そして、このインクジェット記録ヘッドを用いることによって、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックスなど種々の記録媒体に記録を行うことができる。なお、本明細書において、「記録」とは、文字や図形などの意味を持つ画像を記録媒体に対して付与することだけでなく、パターンなどの意味を持たない画像を付与することも意味する。

以下、上記インクジェット記録ヘッドをインクタンクと一体化してなるカートリッジ形態のユニットおよびこれを用いるインクジェット記録装置について説明する。

図１０は上記したインクジェット記録ヘッドを構成要素に含むインクジェット記録ヘッドユニットの構成例を示す。図中、４０２はインクジェット記録ヘッド部４１０に電力を供給するための端子を有するＴＡＢ（Tape Automated Bonding）用のテープ部材であり、プリンタ本体から接点４０３を介して電力を供給する。４０４はインクをヘッド部４１０に供給するためのインクタンクである。すなわち、図１０のインクジェット記録ヘッドユニットは、記録装置に装着可能なカートリッジの形態を有するものである。

図１１は図１０のインクジェット記録ヘッドユニットを用いて記録を行うインクジェット記録装置の概略構成例を示すものである。

図示のインクジェット記録装置において、キャリッジ５００は無端ベルト５０１に固定され、かつガイドシャフト５０２に沿って移動可能になっている。無端ベルト５０１はプーリ５０３および５０４に巻回され、プーリ５０３にはキャリッジ駆動モータ５０４の駆動軸が連結されている。従って、キャリッジ５００は、モータ５０４の回転駆動に伴いガイドシャフト５０２に沿って往復方向（Ａ方向）に主走査される。

キャリッジ５００上には、上記カートリッジ形態のインクジェット記録ヘッドユニットが搭載されている。ここで、インクジェット記録ヘッドユニットは、ヘッド４１０の吐出口４が記録媒体としての用紙Ｐと対向し、かつ上記配列方向が主走査方向と異なる方向（例えば用紙Ｐの搬送方向である副走査方向）に一致するようにキャリッジ５００に搭載される。なお、インクジェット記録ヘッド４１０およびインクタンク４０４の組は、使用するインク色に対応した個数を設けることができ、図示の例では４色（例えばブラック、イエロー、マゼンタ、シアン）に対応して４組設けられている。

また、図示の装置には、キャリッジの主走査方向上の移動位置を検出するなどの目的でリニアエンコーダ５０６が設けられている。リニアエンコーダ５０６の一方の構成要素としてはキャリッジ５００の移動方向に沿って設けられたリニアスケール５０７があり、このリニアスケール５０７には所定密度で、等間隔にスリットが形成されている。一方、キャリッジ５００には、リニアエンコーダ５０６の他方の構成要素として、例えば、発光部および受光センサを有するスリットの検出系５０８および信号処理回路が設けられている。従って、リニアエンコーダ５０６からは、キャリッジ５００の移動に伴って、インク吐出タイミングを規定するための吐出タイミング信号およびキャリッジの位置情報が出力される。

記録媒体としての記録紙Ｐは、キャリッジ５００のスキャン方向と直交する矢印Ｂ方向に間欠的に搬送される。記録紙Ｐは搬送方向上流側の一対のローラユニット５０９および５１０と、下流側一対のローラユニット５１１および５１２とにより支持され、一定の張力を付与されてインクジェット記録ヘッド４１０に対する平坦性を確保した状態で搬送される。各ローラユニットに対する駆動力は、図示しない用紙搬送モータから伝達される。

以上のような構成によって、キャリッジ５００の移動に伴いインクジェット記録ヘッド４１０の吐出口の配列幅に対応した幅の記録と用紙Ｐの搬送とを交互に繰り返しながら、用紙Ｐ全体に対する記録が行われる。

なお、キャリッジ５００は、記録開始時または記録中に必要に応じてホームポジションで停止する。このホームポジションには、各インクジェット記録ヘッド４１０の吐出口が設けられた面（吐出口面）をキャッピングするキャップ部材５１３が設けられ、このキャップ部材５１３には吐出口から強制的にインクを吸引して吐出口の目詰まり等を防止するための吸引回復手段（不図示）が接続されている。

（他の実施形態）
基板１２００およびその製造工程としては、上述したものに限られることなく、種々のものを採用することができる。

例えば、第１保護層１２０６ａを形成するための膜については、上記発熱抵抗層と同様にして各種成膜法で作製可能であり、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り形成可能である。このとき、基板に対して高周波（ＲＦ）電源または直流（ＤＣ）電源によりバイアスの電圧を印加することも可能であり、これによって、膜質的に密な膜を形成することができる。

この場合は、上例と同様の製造工程を経て発熱抵抗体層１１０４となるＴａＳｉＮ膜を形成し、真空雰囲気を維持したまま成膜装置の別の成膜室へ搬送した後、第１保護層１２０６aとしてＳｉＯ_２膜を形成する際に、次の条件で成膜を行うことができる。すなわち、このときは、ガス流量をＡｒガス５０ｓｃｃｍ、ターゲットに投入するパワーを５００Ｗとし、基板にＲＦパワー１００Ｗを印加しながら成膜を行うバイアススパッタリング法を用い、雰囲気温度を２００℃、基板温度を２００℃として、２００ｎｍの厚さに形成する。

そして、以降は上例と同様の製造工程を経てインクジェット記録ヘッド用基体を得、さらに図９（ａ）〜（ｄ）と同様にしてインクジェット記録ヘッドを得る。なお、かかる実施形態で作成された基板およびこれを用いる記録ヘッドを第２実施例による基板および記録ヘッドとし、その評価を後述のように行うものとする。

また、第１保護層１２０６ａの膜質をさらに向上させるために、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅａｓｏｎａｎｃｅ：電子サイクロトロン共鳴）を用いたＥＣＲスパッタ法を用いることもできる。これは、成膜中のガス圧を低くすることができ、基板に飛び込む高エネルギー粒子を少なくすることができ、高純度で緻密な膜を形成することが可能である。

この場合は、上例と同様の製造工程を経て発熱抵抗体層１１０４となるＴａＳｉＮ膜を形成し、真空雰囲気を維持したまま成膜装置の別の成膜室へ搬送した後、ＥＣＲスパッタ法を用いて第１保護層１２０６aとなるＳｉＯ_２膜を形成した。このとき、Ａｒガスの圧力は約２．６７×１０^−２Ｐａ、マイクロ波電力は３００Ｗ、基板温度は３００℃とし、２００ｎｍの厚みの膜を形成した。

そして、以降は上例と同様の製造工程を経てインクジェット記録ヘッド用基体を得、さらに図９（ａ）〜（ｄ）と同様にしてインクジェット記録ヘッドを得た。なお、かかる実施形態で作成された基板およびこれを用いる記録ヘッドを第３実施例による基板および記録ヘッドとし、その評価を後述のように行うものとする。

さらに、以上では、発熱抵抗体層１１０４となる膜と第１保護層１２０６ａとなる膜とを個別に形成したが、膜厚方向で連続的もしくは段階的に組成を変えながら成膜を行う手段を用いることにより、連続膜からなる層を一体的にかつ同時の工程で形成することも可能である。

図１２はかかる実施形態によるインクジェット記録ヘッド用基板の模式的断面図であり、発熱抵抗体層と第１保護層との両層の機能を果たす層１２０４が配置されている。ここで、発熱抵抗体としての機能を発揮させるための膜部分は、発熱抵抗体を形成するために用いる反応性ガス（発熱抵抗体に応じて窒素、酸素、炭化系ガス）の全体のガスに対する割合を比較的少なくして形成し、その後に連続して反応性ガスの割合を連続的または段階的に増加させることにより電気的に絶縁体となるように形成することで、保護層（第１保護層）としての機能を発揮する膜部分を構成することができる。

ここで、本実施形態の発熱抵抗体はαｘβｙγｚで表わされる材料から構成され、αはＴａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｈｆから選ばれた１種以上の元素、βはＳｉ、Ｂから選ばれた１種以上の元素、γはＣ，Ｏ，Ｎから選ばれた１種以上の元素（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００％）とすることができる。そして、第１保護層について、βおよびγを発熱抵抗体と同じ元素とすることで、連続膜からなる層を一体的にかつ同時の工程で形成可能となる。

例えば、発熱抵抗体をＴａＳｉＮ、第１保護層をＳｉＮとする場合、層１２０４は次のような工程にて形成可能である。

まず、上例と同様の製造工程を経て電極配線層１１０５を形成した後、２個のターゲットＴａおよびＳｉを用いた２元同時スパッタリング法を適用し、膜厚方向で組成を変えることにより、発熱抵抗層と第１保護層１２０６aを連続的に形成する。すなわち、まず発熱抵抗体の機能を有する膜部分を形成する際、ガス流量をＡｒガスについて４２ｓｃｃｍ、Ｎ_２ガスについて８ｓｃｃｍとしてＮ_２ガス分圧比を１６％とし、ターゲットに投入するパワーをＳｉターゲットについては１５０Ｗ、Ｔａターゲットについては５００Ｗとし、雰囲気温度を２００℃、基板温度を２００℃として、厚さ３０ｎｍのＴａＳｉＮ膜を形成する。次いで、第１保護層の機能を有する部分を形成するために、ガス流量をＡｒガスについて４２ｓｃｃｍ、Ｎ_２ガスについて２５ｓｃｃｍとして窒素ガス分圧比を約３７％とし、ターゲットに投入するパワーをＳｉターゲットについては５００Ｗ、Ｔａターゲットについては０Ｗとし、雰囲気温度を２００℃、基板温度を２００℃として、膜厚さ２５０ｎｍのＳｉＮ膜に形成する。

そして、以降は上例と同様の製造工程を経てインクジェット記録ヘッド用基体を得、さらに図９（ａ）〜（ｄ）と同様にしてインクジェット記録ヘッドを得ることができる。なお、かかる実施形態で作成された基板およびこれを用いる記録ヘッドを第４実施例による基板および記録ヘッドとし、その評価を後述のように行うものとする。

なお、本実施形態においては、反応性ガスの割合およびＴａターゲットへの投入パワーを段階状に変化させるものとしたが、連続的に変化させることで膜の組成が厚み方向に連続的に変化するようにしてもよい。

（基板およびインクジェット記録ヘッドの評価）
実施例１〜実施例４によるインクジェット記録ヘッド用基体をそれぞれ連続して１００枚作製し、ウエハ内の抵抗値の測定（ウエハ内で９ポイント）を行い、ロット間における抵抗値変動を調べた。
その結果を表１に示す。

これに対し、図３のような構成ではウエハ内の抵抗値のばらつきは±４〜５％程度であった。このことから、本発明の各実施例による基板では抵抗値変動が少なく、効果のあることが明らかとなった。これは、本実施例においては、予めパター二ングされた電極配線上に発熱抵抗層と第１保護層が連続的に形成されるため、発熱抵抗層の表面が酸化されたり、エッチングによるダメージを受けたり、ガスや水分が吸着したりすることがないため、抵抗値の変動やばらつきが少ないことを示している。

次に、各実施例の基板を用いて構成した実施例１〜実施例４のインクジェット記録ヘッドをインクジェット記録装置に取り付けて、印字耐久試験を行った。この試験は、Ａ４サイズの用紙に、インクジェット記録装置に組み込まれている一般的なテストパターンを記録させることで行った。このとき、駆動周波数１５ＫＨｚ、駆動パルス幅１μｓのパルス信号を与え、吐出を開始する発泡開始電圧Ｖｔｈを求めた。その結果を表２に示す。

図３の構成において第２保護層を膜厚３００ｎｍとしたものではＶｔｈ＝ １７．０Ｖであり、これに対し本実施例の第１保護層の膜厚を２００ｎｍとしたものでは、表２のような結果が得られ、Ｖｔｈが約１０〜１５％程度低減され、消費電力の改善が見られた。

次に、このＶｔｈの１．３倍を駆動電圧Ｖｏｐとし、１５００文字の標準文書の記録を行ったところ、実施例１〜実施例４のいずれのヘッドにおいても、１００００枚以上の記録が可能であることが確認され、かつ記録品位の劣化も見られなかった。すなわち、本発明を適用したインクジェット記録ヘッドでは長期にわたり画像が安定しており、耐久特性にも優れていることがわかった。

従来のインクジェットヘッド用基板の発熱部の模式的平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 従来の他のインクジェットヘッド用基板の発熱部の模式的断面図である。 本発明の一実施形態によるインクジェットヘッド用基板の発熱部周辺の模式的平面図である。 図４のＶ−Ｖ線断面図である。 （ａ）〜（ｇ）は、図４および図５に示した基板の製造工程を説明するための模式的断面図である。 基板の製造工程に適用可能な成膜装置の一例を示す模式図である。 第１実施形態に係る基板を用いて構成したインクジェットヘッドの実施形態を示す斜視図である。 （ａ）〜（ｄ）は、図８に示したインクジェットヘッドの製造工程を説明するための模式的断面図である。 図８に示したインクジェットヘッドを用いて構成したインクジェットカートリッジを示す斜視図である。 図１０に示したインクジェットカートリッジを用いてプリントを行うインクジェットプリント装置の概略構成例を示す模式的斜視図である。 本発明の別の実施形態によるインクジェットヘッド用基板の発熱部周辺の模式的平面図である。

符号の説明

１１００、１２００、１３００ インクジェット記録ヘッド用基板
１１０１ Ｓｉ基体
１１０２ 蓄熱層
１１０３ 層間膜
１１０４ 発熱抵抗体層
１１０４’ 発熱部
１１０５ 電極配線層
１１０６ａ、１２０６ａ 第１保護層
１１０６ｂ、１２０６ｂ 第２保護層
１１０７ 高耐久保護層
１１０８ 熱作用部
４１０ インクジェットヘッド

Claims (10)

1. 通電に応じて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発熱部を有するインクジェット記録ヘッド用基板であって、
   前記発熱部を形成するための間隙を有する電極配線層と、
   前記間隙を含め前記電極配線層の上層として配置される発熱抵抗体層と、
   該発熱抵抗体層の上層として配置された第１保護層と、
   前記発熱部上で前記間隙より広い間隙を有して前記第１保護層の上層として配置される第２保護層と、
   を具えたことを特徴とするインクジェット記録ヘッド用基板。
2. 前記第１保護層の膜質は相対的に密であり、前記第２保護層の膜質は相対的に疎であることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド用基板。
3. 前記第１保護層および前記第２保護層は、それぞれ、ＳｉＯ_２およびＰ−ＳｉＯからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインクジェット記録ヘッド用基板。
4. 前記発熱抵抗体層および前記第１保護層は、膜厚方向において連続的または段階的に組成が変化する層の部分として形成されていることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド用基板。
5. 通電に応じて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発熱部を有するインクジェットヘッド用基板の製造方法であって、
   基体上に、前記発熱部を形成するための間隙を有する電極配線層を配置する工程と、
   前記間隙を含め前記電極配線層の上層として発熱抵抗体層となる膜を配置する工程と、
   前記発熱抵抗体層の上層として第１保護層となる膜を配置する工程と、
   前記第１保護層の上層として第２保護層を配置する工程と、
   該第２保護層を前記発熱部の上方の部位で除去する工程と、
   を具えたことを特徴とするインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法。
6. 前記発熱抵抗体層となる膜および前記第１保護層となる膜を同時にパターニングすることにより前記発熱抵抗体層および前記第１保護層を形成することを特徴とする請求項５に記載のインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法。
7. 前記第１保護層を配置する工程において、前記第１保護層となる膜がバイアススパッタ法により形成されることを特徴とする請求項５に記載のインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法。
8. 前記第１保護層を配置する工程において、前記第１保護層となる膜がＥＣＲスパッタ法により形成されることを特徴とする請求項５に記載のインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法。
9. 前記発熱抵抗体層を配置する工程および前記第１保護層を配置する工程において、膜厚方向で連続的もしくは段階的に組成を変えながら成膜を行う手段を適用することで、前記発熱抵抗体層として機能する膜部分および前記第１保護層として機能する膜部分を膜厚方向に連続的または段階的に形成することを特徴とする請求項５に記載のインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法。
10. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド用基板と、
    前記発熱部に対応したインク吐出口と、
    を具えたことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
    

Images