JP2008155611A - 液体吐出ヘッド基体、その基体を用いた液体吐出ヘッドおよびそれらの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】液体吐出ヘッド基体に用いる保護層として、緻密で化学的および物理的に安定し、薄膜化しても液体に対して絶縁性および耐性があり、段差部のカバレッジ性に優れ、より薄化できる保護層を提供するため、本発明の液体吐出ヘッド基体は、基体と、基体に形成された発熱抵抗層と、液体の流路と、発熱抵抗層に積層され、その端部が発熱抵抗層上で段差部を形成する配線層と、発熱抵抗層と段差部を含む配線層とを覆い、発熱抵抗層と流路との間に配された保護層と、を有する液体吐出ヘッド基体において、保護層は、Cat−CVD法により形成されたことを特徴とする。
【選択図】 図6
Description
従来、上述のインクジェットヘッドの保護層はプラズマCVD法によって形成されていたが、このようにして形成される保護層の層質(膜質)は、成膜温度をより高温にすることで向上させることが可能である。具体的には、配線に耐熱性のあるアルミニウムとシリコン等の合金やチタンシリサイド等のシリサイドを用い、成膜温度をより高温にすることができる。
1.インクに対して一定の保護機能を有しているものの、ある種のインクに対して膜が溶出することがある。
2.段差部においてカバレッジ性が必ずしも十分ではないため、カバレッジ性の不十分な部分を起点としてインクが侵入してしまい、断線に至ることがある。
3.耐キャビテーション性が十分ではなく、発泡と消泡とを繰り返す過程で削られてしまうので、耐キャビテーション性の高いTa等の金属による保護層を必要とする。
図6に示すCat−CVD装置の概略図を用い、Cat−CVD装置および成膜方法を説明する。Cat−CVD装置は、成膜室301内に、基板ホルダー302と、ガスを接触分解反応させるための触媒体となるヒーター304と、ヒーター304に接触するように原料ガスを導入するガス導入部303とが形成されている。更に、成膜室301を減圧するための排気ポンプ305が配されている。また、基板を加熱するために基板ホルダー302にヒーターを設けても良い。
本実施態様は、触媒化学蒸着法(Cat―CVD法)を用いて形成された薄膜をインクジェットヘッド基板の発熱部の絶縁保護層として使用することにある。Cat−CVD法は、従来の減圧、常圧あるいはプラズマCVD法やスパッタリング法と比べて低温で緻密で欠陥の少ない薄膜を形成することが可能となる。つまり、従来用いられているような高エネルギーの粒子を用いたスパッタリング法やプラズマを用いたCVD法に比べて欠陥の少ない緻密な膜を、より低い基板温度(50℃〜400℃)で形成することができる。
以下、図面を参照して実施例1−1を詳細に説明する。
外部からインクジェットカートリッジ410へ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402が、インクジェットカートリッジ410の筐体表面に配置されている。インクジェットカートリッジ410には、インクタンク部404とインクジェットヘッド部405とが配置され、インクジェットヘッド部405の配線は、TAB用のテープ部材402の端子403から延在する配線(不図示)と接続されている。
本実施例のインクジェットヘッド基板1100は、図2のインクジェットヘッド基板1100とは異なり、絶縁保護層1106上に上部保護層1107が形成されていない(図3)。
本実施例のインクジェットヘッド基板1100は、SiN膜からなる絶縁保護層1106の組成を、Cat−CVD法を用いて層厚(膜厚)方向に変化させて形成した。その他は実施例1−2と同じ構成である。絶縁保護層1106は、インクに接する側を発熱抵抗層に接する側よりもSi組成の多い組成とするように形成した。これは、Cat−CVD法による成膜の際に、発熱抵抗層に接する側からインクに接する側に向けてSiH4ガス流量を多くなるように設定することで得られる。
本実施例のインクジェットヘッド基板1100は、実施例1−2で説明した図3の構成と同様であり、Cat−CVD法を用いて、膜厚200nmのSiN膜からなる絶縁保護層1106を形成した。
本実施例のインクジェットヘッド基板1100は、実施例1−4で説明した成膜条件と同様の条件で、Cat−CVD法を用いて、膜厚を変化させたSiN膜からなる絶縁保護層1106を形成した。膜厚は100nmであった。
本実施例のインクジェットヘッド基板1100は、実施例1−2で説明した成膜条件と同様の条件で、Cat−CVD法を用いて、膜厚を変化させたSiN膜からなる絶縁保護層1106を形成した。膜厚は500nmであった。
本実施例のインクジェットヘッド基板1100は、実施例1−2で説明した図3の構成と同様であり、Cat−CVD法を用いて、膜厚300nmのSiON膜からなる絶縁保護層1106を形成した。
本実施例のインクジェットヘッド基板1100は、実施例1−2で説明した図3の構成と同様であり、Cat−CVD法を用いて、膜厚230nmのSiN膜からなる絶縁保護層1106を形成した。
絶縁保護層をプラズマCVD法を用いて形成する以外は、実施例1−2で説明したものと同様にしてインクジェットヘッド基板を作製した。
本比較例は、上述の各実施例および比較例1にあるSiN膜の下に、SiN膜の形成に先立ってプラズマCVD法を用いて700nmのPSG膜(第1の保護層)を形成したものである。そして、PSG膜の上に、第2の保護層として300nmのSiN膜とを形成した。膜応力はマイナス500MPa(圧縮応力)であった。
本比較例は、上述の各実施例および比較例1と同様に第1の保護層は形成しない層構成である。本比較例は、第2の保護層に相当する300nmの膜厚のSiN膜をプラズマCVD法を用いて形成し、その上に膜厚250nmのタンタル膜を形成した。膜応力はマイナス300MPa(圧縮応力)であった。
<耐インク性の評価結果>
SiN膜は酸に対するよりもアルカリに対して耐性が乏しい。そこで、上部保護層(Ta膜)が形成されていない実施例1−2〜実施例1−8、比較例1−1および比較例1−2を、pH9の弱アルカリ性のインク中に浸漬させ、70℃の恒温槽に3日間放置した。そして、絶縁保護層の浸漬前の層厚(膜厚)に対して、浸漬放置後の層厚の変化を調べた。
次に実施例1−1〜実施例1−8および比較例1−1のインクジェットヘッド基板を用いて構成した各インクジェットヘッドをインクジェット記録装置に取り付け、吐出を開始する発泡開始電圧Vthの測定および記録耐久試験を行った。本試験は、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、発泡開始電圧Vthを求めた。その結果を表2に示す。
インクジェットヘッド基板は、発熱抵抗層および電極配線等を高密度に多数配置すると電極配線の幅が狭くなる場合がある。一定の電力供給することを考慮すると、電極配線の膜厚は厚くなるので、配線端部の段差は大きくなってしまう。
以下、図面を参照して実施例2−1を詳細に説明する。
本実施例では、上述の図9と異なり、図10に示すように、第1保護層1106aおよび第2保護層1106bの上に、上部保護層1107が形成されている。
本実施例では、保護層を実施例2−1と同様の2層構成にして、第1保護層1106および第2保護層1106bを形成した。
本実施例では、保護層を実施例2−1と同様の2層構成にして、第1保護層1106aおよび第2保護層1106bを形成した。
本実施例では、第1保護層1106a、第2保護層1106bを順に形成後、第2保護層1106bの上にさらに第3保護層を形成した。
本実施例では、保護層を実施例2−1と同様の2層構成にして、第1保護層1106aおよび第2保護層1106bを形成した。
保護層(絶縁保護層)を、プラズマCVD法を用いて形成する以外は、実施例2−1と同様にしてインクジェットヘッド基板を作製した。成膜条件は、SiH4ガスとNH3ガスを用い、基板温度は400℃、成膜のときの成膜室内の圧力は0.5Pa、膜厚は250nm、膜応力はマイナス900MPa(圧縮応力)とした。
<耐インク性の評価結果>
上部保護層(Ta膜)が形成されていない実施例2−1、実施例2−3〜実施例2−6および比較例2−1のインクジェットヘッド基板をインク中に浸漬させ、70℃の恒温槽に3日間放置した。そして、絶縁保護層(保護層)の浸漬前の層厚(膜厚)に対して、浸漬放置後の層厚の変化を調べた。ここで、SiN膜およびSiON膜は、酸よりもアルカリ性の液体に対してエッチングされ易いので、耐インク性試験には、pH9程度の弱アルカリ性のインクを用いた。
次に本実施態様の各実施例および比較例2−1のインクジェットヘッド基板を用いて構成した各インクジェットヘッドをインクジェット記録装置に取り付け、吐出を開始する発泡開始電圧Vthの測定および記録耐久試験を行った。本試験は、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、発泡開始電圧Vthを求めた。その結果を3に示す。
本実施態様の積層構造を有する保護層(絶縁保護層または絶縁保護膜、もしくは単に保護膜)は、第2の実施態様と同様、インク(液体)流路側(インクに近い側)にCat−CVD法により成膜した保護層を備えている。第2の実施態様と相違する構成としては、Cat−CVD法で成膜した保護層の下側であって、電極配線または発熱抵抗層もしくは発熱部等の配線側の保護層をプラズマCVD法で成膜したことにある。
以下、図面を参照して実施例3−1を詳細に説明する。
本実施例のインクジェットヘッド基板1100は、図9と異なり、図J10に示すように、第1保護層1106aと第2保護層1106とをこの順に成膜した後、第2保護層1106bの上に上部保護層1107が形成されている。
本実施例のインクジェットヘッド基板1100は、実施例3−1と同様の層構成であり、第1保護層1106a、第2保護層1106bが形成されている。
本実施例のインクジェットヘッド1100は、第1保護層1106a、第2保護層1106bの上に、さらに第3保護層が形成されている。
本実施例のインクジェットヘッド基板1100は、上述の実施例3−2と同様の層構成であり、第1保護層1106a、第2保護層1106b、および上部保護層1107が形成されている。
本実施例のインクジェットヘッド基板1100は、上述の実施例3−1と同様層構成であり、第1保護層1106a、第2保護層1106bが形成されている。
絶縁保護層を、プラズマCVD法を用いて形成する以外は、実施例3−1と同様にしてインクジェットヘッド基板を作製した。成膜条件は、SiH4ガスとNH3ガスを用い、基板温度は400℃、成膜のときの成膜室内の圧力は0.5Pa、膜厚は250nmとした。膜応力はマイナス900MPa(圧縮応力)であった。
<耐インク性の評価結果>
上部保護層(Ta膜)を形成していない実施例3−1、実施例3−3、実施例3−4、実施例3−6および比較例3−1のインクジェットヘッド基板をインク中に浸漬させ、70℃の恒温槽に3日間放置した。そして、保護層の浸漬前の層厚(膜厚)に対して、浸漬放置後の膜厚の変化を調べた。ここで、SiN膜およびSiON膜は、酸よりもアルカリ性の液体に対してエッチングされ易いので、耐インク性試験には、pH9程度の弱アルカリ性のインクを用いた。
次に実施例3−1〜実施例3−6および比較例3−1のインクジェットヘッド基板を用いて構成した各インクジェットヘッドをインクジェット記録装置に取り付け、吐出を開始する発泡開始電圧Vthの測定および記録耐久試験を行った。本試験は、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、発泡開始電圧Vthを求めた。その結果を表4に示す。
本実施態様のインクジェットヘッド基板1100は、基板上に複数の発熱部1104aが形成されている。各々の発熱部1104aは、発熱抵抗層1104を覆う絶縁保護層に設けられた開口(保護層を貫通するスルーホール)を介して外部電源と電気的に接続されている。これは、発熱抵抗層1104が、絶縁保護膜に設けられた開口にメッキ法により形成された金、銅等の金属からなる共通配線と接続される構成となっている。本実施態様では、液体吐出ヘッド基体(インクジェットヘッド基板)の共通配線を覆う絶縁保護膜を、基板温度を室温もしくは50℃〜200℃の条件でCat−CVD法を用いて形成するものである。
以下、図面を参照して実施例4−1を詳細に説明する。
絶縁保護層をプラズマCVD法を用いて形成する以外は、実施例4−1と同様にしてインクジェットヘッド基板を作製した。成膜条件は、SiH4ガスとNH3ガスを用い、基板温度は400℃、成膜室内の圧力は0.5Pa、膜厚は1000nmとした。膜応力はマイナス900MPa(圧縮応力)であった。
本実施例では、実施例4−1と同様にして、Cat−CVD法によりSiN膜を形成した。成膜条件は、NH3ガスを10sccm、SiH4ガスを5sccm、H2ガスを20sccmとし、成膜室301内の圧力は5Pa、ヒーター304の温度は1700℃、基板温度は50℃とした。この時の膜厚は300nm、膜応力は150MPa(引っ張り応力)であった。
実施例4−1および実施例4−2においては、200℃以下の低温における成膜を行っている。このため、メッキ法で形成された金属が熱により拡散されて生じるマイグレーションにより、隣接配線間で電流リークが生じる、といった問題が解消された。
シリコン基板上にインクジェットヘッドを駆動するための半導体素子を形成した場合、半導体素子の特性の安定化のため、水素化処理が行なわれている。水素雰囲気中で350℃〜450℃程度の温度の拡散炉等で処理を行なう水素化処理が行なわれている。水素化処理は、表面保護膜となるSiN膜の形成後、350℃〜450℃程度の温度の拡散炉内部を水素雰囲気にしてシリコン基板を曝す処理である。この処理により、アルミニウム系の金属配線とシリコン基板および絶縁膜との密着性を高めることができる。
上述の製造方法を用いて、以下のようなインクジェットヘッド基板を製造した。
本実施例は、実施例5−1と同様にして、Cat−CVD法を用いてSiN膜を形成した。成膜条件は、NH3ガスを60sccm、SiH4ガスを8sccm、H2ガスを80sccmとし、成膜のときの成膜室301内の圧力は4Pa、ヒーター304の温度は1700℃、基板温度は380℃とし、40分間、成膜を行なった。この時の膜厚は250nm、膜応力は150MPa(引っ張り応力)であった。
本実施例は、図9の構成のように、Cat−CVD法を用いて、SiN膜を膜厚方向にその組成を変化させて形成した。SiN膜は、インクに近い側を、発熱抵抗層1104に接する側よりもSiの多い組成とするように形成した。つまり、発熱抵抗層1104に接する側からインクに近い側に向けて、SiH4ガス流量を多くなるように設定した。
本実施例は、実施例5−2と同様にして、Cat−CVD法を用いてSiN膜を形成した。成膜条件は、NH3ガスを60sccm、SiH4ガスを8sccm、H2ガスを80sccmとし、成膜のときの成膜室301内の圧力は2Pa、ヒーター304の温度は1700℃、基板温度は380℃とし、60分間、成膜を行った。この時の膜厚は250nm、膜応力は160MPa(引っ張り応力)であった。
本実施例は、実施例5−2と同様にして、Cat−CVD法を用いてSiN膜を形成した。成膜条件は、NH3ガスを60sccm、SiH4ガスを8sccm、H2ガスを80sccmとし、成膜のときの成膜室301内の圧力は4Pa、ヒーター304の温度は1700℃、基板温度は350℃とし、40分間、成膜を行った。この時の膜厚は250nm、膜応力は150MPa(引っ張り応力)であった。
本実施例は、実施例5−2と同様にして、Cat−CVD法を用いてSiN膜を形成した。成膜条件は、NH3ガスを50sccm、SiH4ガスを10sccm、H2ガスを100sccmとし、成膜のときの成膜室301内の圧力は5Pa、ヒーター304の温度は1700℃、基板温度は400℃とし、15分間、成膜を行った。この時の膜厚は100nm、膜応力は220MPa(引っ張り応力)であった。
本実施例は、実施例5−2と同様にして、Cat−CVD法を用いてSiN膜を形成した。成膜条件は、NH3ガスを50sccm、SiH4ガスを10sccm、H2ガスを100sccmとし、成膜のときの成膜室301内の圧力は5Pa、ヒーター304の温度は1700℃、基板温度は400℃とし、60分間、成膜を行った。この時の膜厚は500nm、膜応力は300MPa(引っ張り応力)であった。
従来より製造されているインクジェットヘッド基板を、以下のような成膜条件で製造した。
本比較例は、絶縁保護層を、プラズマCVD法を用いて形成する以外は、実施例5−2と同様にしてインクジェットヘッド基板を作成した。成膜条件は、SiH4ガスを200sccm、NH3ガスを1500sccmとし、成膜のときの成膜室内の圧力は0.5Pa、基板温度は400℃とした。この時の膜厚は250nm、膜応力はマイナス900MPa(圧縮応力)であった。
本比較例は、実施例5−2と同様であって、上部保護膜となるTaが形成されておらず、また、SiN膜はCat−CVD法を用いて形成されている。本比較例が実施例5−2と相違するのは、実施例5−2がCat−CVD法による保護層成膜と同時に水素化処理を行なうのに対し、本比較例では、水素化処理をCat−CVD法による保護層形成後に別工程で行なうことである。
本比較例は、実施例5−2と同様にして、Cat−CVD法によりSiN膜を形成した。本比較例が実施例5−2と相違するのは、実施例5−2がCat−CVD法による保護層成膜と同時に水素化処理を行なうのに対し、本比較例では、水素化処理をCat−CVD法による保護層形成後に別工程で行なうことである。
<耐インク性の評価結果>
SiN膜およびSiON膜は、酸よりもアルカリ性の液体に対してエッチングされ易いので、pH9程度の弱アルカリ性のインクを用いて耐インク性の試験を行った。
次に、本実施態様に係る各実施例および各比較例のインクジェットヘッド基板を用いて製造したインクジェットヘッドをインクジェット記録装置に取り付け、吐出を開始する発泡開始電圧Vthの測定および記録耐久試験を行った。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、発泡開始電圧Vthを求めた。その結果を表6に示す。
5 インク吐出口
9 供給口
301 成膜室
302 基板ホルダー
303 ガス導入部
304 ヒーター
305 排気ポンプ
1003 型材
1006 撥水層
1007 シリコン酸化(SiOX)膜
1008 パターニングマスク
1011 保護材
1100 インクジェットヘッド基板
1101 シリコン基板
1102 蓄熱層
1103 層間膜
1104 発熱抵抗層
1104a 発熱部
1105 電極配線層
1106 絶縁保護層
1106a 第1保護層
1106b 第2保護層
1107 上部保護層
1108 熱作用部
Claims (18)
- 基体と、
前記基体に形成された発熱抵抗層と、
液体の流路と、
前記発熱抵抗層に積層され、その端部が前記発熱抵抗層上で段差部を形成する配線層と、
前記発熱抵抗層と前記段差部を含む前記配線層とを覆い、前記発熱抵抗層と前記流路との間に配された保護層と、
を有する液体吐出ヘッド基体において、
前記保護層は、Cat−CVD法により形成されたことを特徴とする液体吐出ヘッド基体。 - 前記保護層が、SiN膜、SiON膜、SiCN膜、もしくはSiOC膜であることを特徴とする請求項1に記載の液体吐出ヘッド基体。
- 前記保護層がSiN膜であり、その膜厚が100nm以上500nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の液体吐出ヘッド基体。
- メッキ法により形成された共通配線と、該共通配線上にCat−CVD法で形成された保護層と、をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の液体吐出ヘッド基体。
- 前記保護層がSiN膜であることを特徴とする請求項4に記載の液体吐出ヘッド基体。
- 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド基体を用いたことを特徴とする液体吐出ヘッド。
- 基体と、
前記基体に形成された発熱抵抗層と、
液体の流路と、
前記発熱抵抗層に積層され、その端部が前記発熱抵抗層上で段差部を形成する配線層と、
前記発熱抵抗層と前記段差部を含む前記配線層とを覆い、前記発熱抵抗層と前記流路との間に配された複数の保護層と、
を有する液体吐出ヘッド基体において、
複数の前記保護層のうち最も前記流路に近い保護層が、Cat−CVD法により形成されたことを特徴とする液体吐出ヘッド基体。 - 複数の前記保護層のうち最も前記発熱抵抗層に近い保護層が、Cat−CVD法により形成されたことを特徴とする請求項7に記載の液体吐出ヘッド基体。
- 前記保護層が、窒化シリコン系の膜であることを特徴とする請求項8に記載の液体吐出ヘッド基体。
- 複数の前記保護層のうち最も前記発熱抵抗層に近い保護層が、プラズマCVD法により形成されたことを特徴とする請求項7に記載の液体吐出ヘッド基体。
- 前記保護層が、シリコン系の膜であることを特徴とする請求項10に記載の液体吐出ヘッド基体。
- 複数の前記保護層のうち最も前記発熱抵抗層に近い保護層は、最も前記流路に近い保護層よりも柔らかい層であることを特徴とする請求項8乃至11のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド基体。
- 請求項7乃至12のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド基体を用いたことを特徴とする液体吐出ヘッド。
- 基体と、
前記基体に形成された発熱抵抗層と、
液体の流路と、
前記発熱抵抗層に積層され、その端部が前記発熱抵抗層上で段差部を形成する配線層と、
前記発熱抵抗層と前記段差部を含む前記配線層とを覆い、前記発熱抵抗層と前記流路との間に配された保護層と、
を有する液体吐出ヘッド基体の製造方法において、
前記保護層が、少なくともシリコンを含むガスと窒素を含むガスとを供給し、基板温度が50℃以上400℃以下の条件で、Cat−CVD法で成膜されたことを特徴とする液体吐出ヘッド基体の製造方法。 - 前記保護層が複数の層から形成され、最も前記発熱抵抗層に近い保護層を成膜する際の基板温度が、最も前記流路に近い保護層を成膜する際の基板温度以上であることを特徴とする請求項14に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記保護層を成膜する前に、プラズマCVD法により前記発熱抵抗層と前記段差部を含む前記配線層とを覆う他の保護層を形成することを特徴とする請求項14に記載の液体吐出ヘッド基体。
- 基体と、
前記基体に形成された発熱抵抗層と、
液体の流路と、
前記発熱抵抗層に積層され、その端部が前記発熱抵抗層上で段差部を形成する配線層と、
前記発熱抵抗層と前記段差部を含む前記配線層とを覆い、前記発熱抵抗層と前記流路との間に配された保護層と、
を有する液体吐出ヘッド基体の製造方法において、
前記保護層を、少なくともシリコンを含むガスと窒素を含むガスと水素を含むガスとを供給し、基板温度が350℃以上400℃以下の条件でCat−CVD法で成膜する際に、前記基体の水素化処理を行なうことを特徴とする液体吐出ヘッド基体の製造方法。 - 請求項14乃至請求項17に記載された液体吐出ヘッド基体の製造方法で製造した基体に、液体を吐出する吐出口を有する流路形成部材を設けることを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
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