JP2015217584A - Base substance for liquid discharge head, liquid discharge head, liquid discharge device, and manufacturing method of base substance for liquid discharge head - Google Patents

Base substance for liquid discharge head, liquid discharge head, liquid discharge device, and manufacturing method of base substance for liquid discharge head Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a base substance for a liquid discharge head which achieves excellent durability and long life while forming a high density structure of an electrothermal transducer and electrode wiring, and to provide the liquid discharge head, a liquid discharge device, and a manufacturing method of the base substance for the liquid discharge head.SOLUTION: At one side of an insulation layer 15, first electrode wiring 13 for connecting a heater 21 positioned at the other side of the insulation layer 15 with a drive circuit is formed. A space 14 serving as a heat insulation part, which inhibits heat conduction from the heater 21 to the first electrode wiring 13, is formed in a portion in the insulation layer 15 at which the heater 21 faces the first electrode wiring 13.

Description

本発明は、電気熱変換素子を用いてインク等の液体を吐出可能な液体吐出ヘッドに備わる液体吐出ヘッド用基体、その液体吐出ヘッド用基体を備える液体吐出ヘッド、液体吐出装置、および液体吐出ヘッド用基体の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a liquid discharge head substrate provided in a liquid discharge head capable of discharging a liquid such as ink using an electrothermal conversion element, a liquid discharge head including the liquid discharge head substrate, a liquid discharge apparatus, and a liquid discharge head The present invention relates to a method for manufacturing a substrate for an automobile.

電気熱変換素子を用いて液体を吐出可能な液体吐出ヘッドとしては、インクを吐出可能なインクジェット記録ヘッドがある。この記録ヘッドは、電気熱変換素子の発熱によりインクを発泡させ、その発泡エネルギーを利用して、インク流路の先端の吐出口からインクを吐出する。このような記録ヘッドに備わる記録ヘッド用基体(液体吐出ヘッド用基体)には、電気熱変換素子と、それを駆動回路に接続するための電極配線と、が備えられ、電気熱変換素子、インク流路、および吐出口などによって、インクを吐出可能なノズルが構成される。   As a liquid ejection head capable of ejecting liquid using an electrothermal conversion element, there is an ink jet recording head capable of ejecting ink. This recording head foams ink by the heat generated by the electrothermal conversion element, and uses the foaming energy to eject ink from the ejection port at the tip of the ink flow path. A recording head substrate (liquid discharge head substrate) provided in such a recording head includes an electrothermal conversion element and an electrode wiring for connecting the electrothermal conversion element to a drive circuit. A nozzle capable of discharging ink is configured by the flow path, the discharge port, and the like.

特許文献1には、複数のノズルを高密度に形成するために、電気熱変換素子と電極配線を絶縁層の一方側と他方側とに分けて形成して、電気熱変換素子および電極配線の高密度化を図る電極配線構造が記載されている。   In Patent Document 1, in order to form a plurality of nozzles with high density, the electrothermal conversion element and the electrode wiring are formed separately on one side and the other side of the insulating layer, and the electrothermal conversion element and the electrode wiring are formed. An electrode wiring structure for increasing the density is described.

特許第3311198号Japanese Patent No. 3311198

しかしながら、特許文献1に記載の電極配線構造にあっては、電気熱変換素子と電極配線が絶縁層を介して対向しているため、電気熱変換素子を駆動するための電流が電極配線に流れたときに、電気熱変換素子が発した熱が電極配線に伝わりやすい。そのため、電極配線にエレクトロマイグレーションが生じるおそれがある。例えば、電極配線を構成するAlに生じたヒロック(突起)が電気熱変換素子に向かって成長した場合には、電気熱変換素子に表面に凸部が生じ、その部分にキャビテーションが集中して、耐久性が損なわれるおそれがある。Alの電極配線の上に、Ta、W,Cr,Ti,Mo、または、これらの合金などの高融点金属をバリアメタルとして積層させた場合には、エレクトロマイグレーションによるヒロックの成長は抑えられる。しかし、電極配線中に生じるボイド(空隙)の発生は抑えられず、電気回路の故障を招くおそれがある。   However, in the electrode wiring structure described in Patent Document 1, since the electrothermal conversion element and the electrode wiring are opposed to each other through the insulating layer, a current for driving the electrothermal conversion element flows through the electrode wiring. The heat generated by the electrothermal transducer is easily transferred to the electrode wiring. Therefore, electromigration may occur in the electrode wiring. For example, when a hillock (protrusion) generated in Al constituting the electrode wiring grows toward the electrothermal conversion element, a convex portion is generated on the surface of the electrothermal conversion element, and cavitation is concentrated on that part, Durability may be impaired. When a refractory metal such as Ta, W, Cr, Ti, Mo, or an alloy thereof is laminated as a barrier metal on an Al electrode wiring, hillock growth due to electromigration can be suppressed. However, the generation of voids (voids) that occur in the electrode wiring cannot be suppressed, and there is a risk of failure of the electric circuit.

本発明の目的は、電気熱変換素子および電極配線の高密度化を図りつつ、耐久性に優れた長寿命の液体吐出ヘッド用基体、液体吐出ヘッド、液体吐出装置、および液体吐出ヘッド用基体の製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a long-life liquid discharge head substrate, a liquid discharge head, a liquid discharge device, and a liquid discharge head substrate that are excellent in durability while increasing the density of electrothermal conversion elements and electrode wirings. It is to provide a manufacturing method.

本発明の液体吐出ヘッド用基体は、電気熱変換素子の発熱により液体を吐出可能な液体吐出ヘッドに備わる液体吐出ヘッド用基体であって、絶縁層の一方側に、前記絶縁層の他方側に位置する前記電気熱変換素子を駆動回路に接続するための第1の電極配線が形成され、前記絶縁層における前記電気熱変換素子と前記第1の電極配線との対向部分に、前記電気熱変換素子から前記第1の電極配線への熱伝導を抑制する断熱部を備えることを特徴とする。   The substrate for a liquid discharge head of the present invention is a substrate for a liquid discharge head provided in a liquid discharge head capable of discharging a liquid by heat generation of an electrothermal conversion element, and is provided on one side of the insulating layer and on the other side of the insulating layer. A first electrode wiring for connecting the electrothermal conversion element positioned to a drive circuit is formed, and the electrothermal conversion is provided in a portion of the insulating layer facing the electrothermal conversion element and the first electrode wiring. A heat insulating portion that suppresses heat conduction from the element to the first electrode wiring is provided.

本発明によれば、電気熱変換素子と電極配線を絶縁層の一方側と他方側に分けて、それらの高密度化を図りつつ、電気熱変換素子と電極配線との対向部分に断熱部を備えることにより、電気熱変換素子の発熱による電極配線への影響を抑制することができる。この結果、耐久性に優れた長寿命の液体吐出ヘッド用基体、液体吐出ヘッド、液体吐出装置、および液体吐出ヘッド用基体の製造方法を提供することができる。   According to the present invention, the electrothermal conversion element and the electrode wiring are divided into one side and the other side of the insulating layer to increase the density thereof, and the heat insulating portion is provided at the facing portion between the electrothermal conversion element and the electrode wiring. By providing, the influence on the electrode wiring due to the heat generation of the electrothermal conversion element can be suppressed. As a result, it is possible to provide a long-life base for a liquid discharge head, a liquid discharge head, a liquid discharge apparatus, and a method for manufacturing a liquid discharge head base having excellent durability.

本発明の第1の実施形態における記録ヘッドが組み込まれた記録装置の正面図である。1 is a front view of a recording apparatus incorporating a recording head according to a first embodiment of the present invention. 図1の記録ヘッドの分解斜視図である。FIG. 2 is an exploded perspective view of the recording head in FIG. 1. 図2における吐出エレメントの一部切り欠きの拡大斜視図である。FIG. 3 is an enlarged perspective view of a partial cutout of the discharge element in FIG. 2. 図3の吐出エレメントにおける記録ヘッド用基体の概略平面図である。FIG. 4 is a schematic plan view of a recording head substrate in the ejection element of FIG. 3. 図4のV−V線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the VV line of FIG. 図4のVI−VI線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the VI-VI line of FIG. 本発明の第2の実施形態における記録ヘッド用基体の断面図である。It is sectional drawing of the base for recording heads in the 2nd Embodiment of this invention.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の実施形態は、液体としてのインクを吐出する記録ヘッドと、それを用いて画像を記録するインクジェット記録装置としての適用例である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The following embodiments are application examples as a recording head that ejects ink as a liquid and an inkjet recording apparatus that records an image using the recording head.

(第1の実施形態)
図1は、記録ヘッド(液体吐出ヘッド)110を用いて画像を記録可能なフルラインタイプのインクジェット記録装置(液体吐出装置)120を模式的に示す正面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a front view schematically showing a full-line type inkjet recording apparatus (liquid ejection apparatus) 120 capable of recording an image using a recording head (liquid ejection head) 110.

記録装置120には、紙などの記録媒体Wを矢印Y方向に搬送するための搬送部121と、その搬送部121に記録媒体Wを供給するための供送部122と、が備えられている。また、本実施形態の記録装置120には、6つの記録ヘッド110(110Y,110LM,110M,110LC,110C,110K)が交換可能に装着されている。これらの記録ヘッドは、対応するインクカートリッジ(液体貯留容器)123からイエロー(Y)、淡マゼンダ(LM)、マゼンダ(M)、淡シアン(LC)、シアン(C)、ブラック(K)のインク(液体)がそれぞれ供給される。6つの記録ヘッド110は、記録媒体Wの搬送方向に沿って一定の間隔をおいて配備され、それぞれの記録ヘッド110には、インクを吐出可能な複数の吐出口が記録媒体Wの搬送方向と交差する方向(本実施形態においては、直交する方向)に配列されている。   The recording apparatus 120 includes a transport unit 121 for transporting a recording medium W such as paper in the direction of arrow Y, and a feeding unit 122 for supplying the recording medium W to the transport unit 121. . In addition, six recording heads 110 (110Y, 110LM, 110M, 110LC, 110C, and 110K) are attached to the recording apparatus 120 of the present embodiment in a replaceable manner. These recording heads use yellow (Y), light magenta (LM), magenta (M), light cyan (LC), cyan (C), and black (K) ink from the corresponding ink cartridge (liquid storage container) 123. (Liquid) is supplied. The six recording heads 110 are arranged at regular intervals along the conveyance direction of the recording medium W, and each of the recording heads 110 has a plurality of ejection ports capable of ejecting ink in the conveyance direction of the recording medium W. They are arranged in the intersecting direction (in the present embodiment, the orthogonal direction).

また、記録装置120には、記録ヘッド110のインクの吐出状態を良好に維持するための回復処理を行う回復ユニット124が備えられている。回復処理としては、記録に寄与しないインクを吐出口から吸引排出または加圧排出させる処理、記録に寄与しないインクを吐出口から吐出させる予備吐出、および記録ヘッド110の吐出口面(吐出口が形成される面)のワイピング処理などがある。また、記録装置120には、それを操作するためのオペレーションパネル部125が備えられている。   Further, the recording apparatus 120 is provided with a recovery unit 124 that performs a recovery process for maintaining a good ink discharge state of the recording head 110. The recovery process includes a process of sucking or discharging ink that does not contribute to recording from the discharge port, a preliminary discharge that discharges ink that does not contribute to recording from the discharge port, and the discharge port surface of the recording head 110 (the discharge port is formed). Wiping process). The recording device 120 is provided with an operation panel unit 125 for operating the recording device 120.

図2は、記録ヘッド110の分解斜視図である。   FIG. 2 is an exploded perspective view of the recording head 110.

記録ヘッド110の底部は、セラミックプレート100によって構成されている。このセラミックプレート100上には、後述するように、複数のヒータ(電気熱変換素子)、共通液室、流路、および吐出口などを備えた吐出エレメント101と、電気配線基板102と、が配置されている。吐出エレメント101および電気配線基板102は、ワイヤボンディングによって電気的に接続されている。以下、インク(液体)の吐出口と、吐出口に連通する流路と、を含む部分を「ノズル」ともいう。それぞれのノズルには、インクの吐出に用いる吐出エネルギーを発生させるための吐出エネルギー発生素子として、ヒータ(電気熱変換素子)が配備されている。また、記録ヘッド110内に形成される共通液室内には、流路形成部材103に設けられた液体導入路を通して、インクカートリッジ123からインクが供給される。吐出エネルギー発生素子としてのヒータを発熱させて、インクが発泡させることにより、その発泡エネルギーを利用して吐出口からインクを吐出させることができる。   The bottom of the recording head 110 is constituted by a ceramic plate 100. On the ceramic plate 100, as will be described later, a discharge element 101 having a plurality of heaters (electrothermal conversion elements), a common liquid chamber, a flow path, a discharge port, and the like, and an electric wiring board 102 are arranged. Has been. The discharge element 101 and the electric wiring board 102 are electrically connected by wire bonding. Hereinafter, a portion including an ink (liquid) discharge port and a flow path communicating with the discharge port is also referred to as a “nozzle”. Each nozzle is provided with a heater (electrothermal conversion element) as a discharge energy generating element for generating discharge energy used for ink discharge. Ink is supplied from the ink cartridge 123 into the common liquid chamber formed in the recording head 110 through the liquid introduction path provided in the flow path forming member 103. By causing the heater as a discharge energy generating element to generate heat and causing the ink to foam, the ink can be discharged from the discharge port using the foaming energy.

図3は、吐出エレメント101におけるノズル近傍部分の一部切欠斜視図である。   FIG. 3 is a partially cutaway perspective view of a portion in the vicinity of the nozzle in the discharge element 101.

記録ヘッド用基体(液体吐出ヘッド用基体)30には、後述する複数の層および電極配線などが配備されている。また、基体30には、インクを加熱して発泡させるための複数のヒータ(電気熱変換素子)21が配備されており、そのヒータ21には、それに通電するための電極配線が接続されている。その電極配線の一方には、ヒータ21に対する通電を制御するためのスイッチングトランジスタなどを含む駆動回路(図示せず)が接続されている。スイッチングトランジスタは、制御用のゲート素子などの回路からなるICによって駆動制御され、記録装置120からの信号に応じてヒータ21を制御する。   The recording head substrate (liquid discharge head substrate) 30 is provided with a plurality of layers and electrode wirings, which will be described later. In addition, the substrate 30 is provided with a plurality of heaters (electrothermal conversion elements) 21 for heating and foaming the ink, and electrode wiring for energizing the heaters 21 is connected to the heater 21. . A drive circuit (not shown) including a switching transistor for controlling energization to the heater 21 is connected to one of the electrode wirings. The switching transistor is driven and controlled by an IC composed of a circuit such as a control gate element, and controls the heater 21 in accordance with a signal from the recording device 120.

ヒータ21は、複数の流路23のそれぞれに対応するように形成されている。それぞれの流路23の一端は、対応する吐出口24に連通し、それぞれの流路23の他端は共通液室25に連通している。流路23は、基体30、流路壁20、天板22で囲まれて管状をなしている。   The heater 21 is formed so as to correspond to each of the plurality of flow paths 23. One end of each flow path 23 communicates with the corresponding discharge port 24, and the other end of each flow path 23 communicates with the common liquid chamber 25. The flow path 23 is surrounded by the base body 30, the flow path wall 20, and the top plate 22 and has a tubular shape.

図4は、基体30の要部の平面図、図5は、ヒータ21上に位置する図4のV−V線に沿う断面図、図6は、ヒータ21から離れて位置する図4のVI−VI線に沿う断面図である。   4 is a plan view of the main part of the substrate 30, FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line VV of FIG. 4 located on the heater 21, and FIG. It is sectional drawing which follows the -VI line.

本実施形態における記録ヘッド用基体30は、シリコン基板11上に、蓄熱層12、第1の電極配線13の下層(配線部)13a、第1の電極配線13の上層(バリアメタル)13b、および発熱抵抗層16aを形成した積層構造となっている。蓄熱層12は熱酸化膜からなり、下層13aはAl,Al−Si,Al−Cuなどからなり、上層13bはTa、W,Cr,Ti,Moなど高融点金属からなり、絶縁層15はSiO膜またはSiN膜からなる。発熱抵抗層16aはTaSiN膜などからなり、その一部はヒータ21を形成する。ヒータ21に対応する絶縁層15の部分には、図5のように、第1の電極配線13側に位置する空間14が形成されている。また、ヒータ21に対応する領域以外の発熱抵抗層16aの部分には、図6のように、Al,Al−Si,Al−Cuなどからなる第2の電極配線の上層16bが積層されており、発熱抵抗層16aと併せて第二の電極配線16を形成している。さらに、SiO膜またはSiN膜などからなる保護膜17と、ヒータ21の発熱に伴う化学的および物理的衝撃から保護膜17を守るための耐キャビテーション膜18が形成されている。   In the present embodiment, the recording head substrate 30 includes a heat storage layer 12, a lower layer (wiring portion) 13 a of the first electrode wiring 13, an upper layer (barrier metal) 13 b of the first electrode wiring 13 on the silicon substrate 11, and It has a laminated structure in which the heating resistor layer 16a is formed. The heat storage layer 12 is made of a thermal oxide film, the lower layer 13a is made of Al, Al-Si, Al-Cu, etc., the upper layer 13b is made of a refractory metal such as Ta, W, Cr, Ti, Mo, and the insulating layer 15 is made of SiO. It consists of a film or a SiN film. The heating resistance layer 16a is made of a TaSiN film or the like, and a part thereof forms the heater 21. A space 14 located on the first electrode wiring 13 side is formed in the portion of the insulating layer 15 corresponding to the heater 21 as shown in FIG. Further, the upper layer 16b of the second electrode wiring made of Al, Al—Si, Al—Cu or the like is laminated on the portion of the heating resistance layer 16a other than the region corresponding to the heater 21, as shown in FIG. The second electrode wiring 16 is formed together with the heating resistance layer 16a. Further, a protective film 17 made of an SiO film or an SiN film, and an anti-cavitation film 18 for protecting the protective film 17 from chemical and physical impacts accompanying the heat generated by the heater 21 are formed.

このように構成された記録ヘッド用基体30の表面、すなわち耐キャビテーション膜18の上面には、流路壁20が配設されている。さらに、流路壁20の上面には天板22が設けられ、これにより複数の流路23が高密度に隣接して形成される。それぞれの流路23に対しては、1つまたは複数のヒータ21が形成される。本例においては、それぞれの流路23に対して1つのヒータ21が形成されている。   A flow path wall 20 is disposed on the surface of the recording head substrate 30 thus configured, that is, on the upper surface of the anti-cavitation film 18. Furthermore, a top plate 22 is provided on the upper surface of the flow path wall 20, whereby a plurality of flow paths 23 are formed adjacent to each other at high density. One or more heaters 21 are formed for each flow path 23. In this example, one heater 21 is formed for each flow path 23.

次に、記録ヘッド用基体30の製造方法の一例について説明する。   Next, an example of a method for manufacturing the recording head substrate 30 will be described.

まず、単結晶シリコンからなるSi(シリコン)基板11に、熱酸化膜法、CVD法などによって、1.12μmの熱酸化膜からなる蓄熱層12を形成する。次に、その蓄熱層12の上に、スパッタリング法によって厚さ1μmのAlSi層を形成する。その後、Ti(チタン)などからなる高融点金属をバリアメタルとして積層し、さらにフォトリソグラフィ法およびエッチングにより第1の電極配線13(13a,13b)を形成する。次に、プラズマCVD法などによって、SiOなどからなる膜厚0.9μmの絶縁層15を形成し、この絶縁層15に、エッチングによりスルーホール(図示せず)を形成する。   First, a heat storage layer 12 made of a 1.12 μm thermal oxide film is formed on a Si (silicon) substrate 11 made of single crystal silicon by a thermal oxide film method, a CVD method or the like. Next, an AlSi layer having a thickness of 1 μm is formed on the heat storage layer 12 by sputtering. Thereafter, a refractory metal made of Ti (titanium) or the like is laminated as a barrier metal, and the first electrode wiring 13 (13a, 13b) is formed by photolithography and etching. Next, a 0.9 μm-thick insulating layer 15 made of SiO or the like is formed by plasma CVD or the like, and through holes (not shown) are formed in the insulating layer 15 by etching.

ヒータ21に対応する絶縁層15の部分に対しては、次のようにして空間14を形成する、すなわち、まずは、膜厚0.5μmのSiO層をプラズマCVDによって成膜する。次に、フォトリソグラフィ法およびエッチングによって、空間14を形成する部分のSiO層を除去する。その後、エッチングによって形成された空間14に相当する部分を埋めつくすように、プラズマCVD法によって、除去可能な犠牲層となるSiN膜を形成する。次に、エッチバックもしくはCMP(化学機械研磨)によりSiO層が0.45μmとなるように削る。さらに、その上に、残りの膜厚に相当する0.45μmのSiO層をプラズマCVDによって形成する。その後、熱リン酸によって犠牲層のSiN膜のみを除去することにより、残ったSiO層に空間14が形成される。この犠牲層を除去するためには、全ての空間14となる部分を外周部に接続する必要がある。空間14と空間14の接続、および空間14と外周部とを接続するための形態は任意である。例えば、空間14と空間14をそのままの形状で接続してもよく、また、空間14と空間14の間に絶縁層を柱状に残して、構造的な強度を増してもよい。   For the portion of the insulating layer 15 corresponding to the heater 21, the space 14 is formed as follows. That is, first, a 0.5 μm-thick SiO layer is formed by plasma CVD. Next, the SiO layer in the portion forming the space 14 is removed by photolithography and etching. Thereafter, a SiN film serving as a removable sacrificial layer is formed by plasma CVD so as to fill a portion corresponding to the space 14 formed by etching. Next, the SiO layer is cut to 0.45 μm by etch back or CMP (chemical mechanical polishing). Further, a 0.45 μm SiO layer corresponding to the remaining film thickness is formed thereon by plasma CVD. Thereafter, the space 14 is formed in the remaining SiO layer by removing only the sacrificial SiN film with hot phosphoric acid. In order to remove this sacrificial layer, it is necessary to connect all the spaces 14 to the outer periphery. The form for connecting the space 14 and the space 14 and connecting the space 14 and the outer periphery is arbitrary. For example, the space 14 and the space 14 may be connected as they are, or the structural strength may be increased by leaving an insulating layer in a columnar shape between the space 14 and the space 14.

次に、Ta−Si合金ターゲットにNガスを用いた反応性スパッタリング法によって、TaSiNからなる発熱抵抗層16aを形成する。さらに、その発熱抵抗層16aの上に、膜厚0.4μmのAlCu膜16bをスパッタリング法により形成し、フォトリソグラフィ法およびエッチングを用いて第2の電極配線16を形成する。 Next, the heating resistor layer 16a made of TaSiN is formed by a reactive sputtering method using N 2 gas on the Ta—Si alloy target. Further, an AlCu film 16b having a film thickness of 0.4 μm is formed on the heating resistance layer 16a by a sputtering method, and the second electrode wiring 16 is formed by using a photolithography method and etching.

ヒータ(電気熱変換素子)21は、次のようにして形成される。すなわち、第2の電極配線16(16a,16b)のうち、ヒータ21に相当する部分のAlCu膜16bだけをエッチングすることにより、ヒータ21を形成する。次に、プラズマCVD法によって、SiNからなる膜厚0.5μmの保護膜17を形成し、さらにスパッタリング法によって、膜厚0.23μmのTa膜による耐キャビテーション膜18を形成する。   The heater (electrothermal conversion element) 21 is formed as follows. That is, the heater 21 is formed by etching only the AlCu film 16b corresponding to the heater 21 in the second electrode wiring 16 (16a, 16b). Next, a protective film 17 made of SiN and having a thickness of 0.5 μm is formed by plasma CVD, and a cavitation-resistant film 18 made of a Ta film having a thickness of 0.23 μm is further formed by sputtering.

以上により、記録ヘッド用基体30が作成される。   Thus, the recording head substrate 30 is produced.

本実施形態において、それぞれのヒータ21に接続される第2の電極配線16(16a,16b)は、スルーホールを介して絶縁層15の下部に位置する第1の電極配線13(13a,13b)に接続される。そのため、本実施形態における記録ヘッド用基体30は、同一平面上に第1,第2の電極配線13(13a,13b),16(16a,16b)を形成する場合に比べて、大幅にノズルの実装密度を高めることが可能である。このことは、高画質化が求められる記録装置に搭載される記録ヘッドとして、好適である。   In the present embodiment, the second electrode wirings 16 (16a, 16b) connected to the respective heaters 21 are the first electrode wirings 13 (13a, 13b) located below the insulating layer 15 through the through holes. Connected to. Therefore, the recording head substrate 30 according to the present embodiment is greatly different from the case where the first and second electrode wirings 13 (13a, 13b) and 16 (16a, 16b) are formed on the same plane. It is possible to increase the mounting density. This is suitable as a recording head mounted on a recording apparatus that requires high image quality.

また、本実施形態の記録ヘッド用基体30においては、ヒータ21と、その直下の第1の電極配線13(13a,13b)と、の間における絶縁層15の部分に空間14が形成されている。そのため、ヒータ21において発生した熱は、通電されている第1の電極配線13(13a,13b)には伝達され難い。その結果、第1の電極配線13(13a,13b)におけるエレクトロマイグレーションの発生が抑制され、記録ヘッド用基体30の故障率の低減、および寿命の大幅な向上を図ることができる。具体的には、エレクトロマイグレーションによるヒロック(突起)とボイド(空隙)の両方の発生を抑えることができる。   In the recording head substrate 30 of this embodiment, a space 14 is formed in the insulating layer 15 between the heater 21 and the first electrode wiring 13 (13a, 13b) immediately below the heater 21. . Therefore, the heat generated in the heater 21 is difficult to be transmitted to the first electrode wiring 13 (13a, 13b) that is energized. As a result, the occurrence of electromigration in the first electrode wiring 13 (13a, 13b) is suppressed, and the failure rate of the recording head substrate 30 can be reduced and the life can be greatly improved. Specifically, generation of both hillocks (projections) and voids (voids) due to electromigration can be suppressed.

エレクトロマイグレーションによる平均寿命は、下式によって表わすことができる。   The average lifetime due to electromigration can be expressed by the following equation.

Figure 2015217584
Figure 2015217584

MTF:平均寿命
A:配線の材質、構造、寸法などに関する定数
J:電流密度
n:電流密度に関する定数
Ea:活性化エネルギー
k:ボルツマン定数
T:絶対温度
上式によって表されるように、電流密度Jおよび絶対温度Tが平均寿命MTFを短くする要因になる。前述したように、本実施形態においては、発熱するヒータ21と、その直下の第1の電極配線13(13a,13b)と、の間に空間14が形成されている。そのため、ヒータ21からの熱は、通電している第1の電極配線13に対して伝わりにくくなり、ヒータ21の直下の第1の電極配線13の平均寿命FTMは、従来に比べて改善されることになる。従来のように、ヒータ21と、その直下の第1の電極配線13と、の間の絶縁層15に空間14が形成されていない場合には、第1の電極配線13への通電時に、ヒータ21からの熱が絶縁層15を介して第1の電極配線13に伝わる。そのため、第1の電極配線13の平均寿命FTMが低下するおそれがある。
MTF: Average life A: Constant related to wiring material, structure, dimensions, etc. J: Current density n: Constant related to current density Ea: Activation energy k: Boltzmann constant T: Absolute temperature Current density as expressed by the above equation J and absolute temperature T are factors that shorten the average life MTF. As described above, in the present embodiment, the space 14 is formed between the heater 21 that generates heat and the first electrode wiring 13 (13a, 13b) immediately below the heater 21. Therefore, the heat from the heater 21 is not easily transmitted to the first electrode wiring 13 that is energized, and the average life FTM of the first electrode wiring 13 immediately below the heater 21 is improved as compared with the conventional case. It will be. When the space 14 is not formed in the insulating layer 15 between the heater 21 and the first electrode wiring 13 immediately below the heater 21 as in the prior art, the heater is turned on when the first electrode wiring 13 is energized. Heat from 21 is transmitted to the first electrode wiring 13 through the insulating layer 15. Therefore, the average life FTM of the first electrode wiring 13 may be reduced.

また、本実施形態において、ヒータ21と空間14との間には、図5のように、絶縁層15の一部である絶縁膜15aが位置する。このように、絶縁膜15aを介して、空間14を第1の電極配線13(13a,13b)側に形成しているために、安定した構造となる。仮に、ヒータ21の直下に空間14を形成した場合には、ヒータ21が空間14上に浮いた形態となり、不安定な構造となる。   In the present embodiment, an insulating film 15a which is a part of the insulating layer 15 is located between the heater 21 and the space 14 as shown in FIG. Thus, since the space 14 is formed on the first electrode wiring 13 (13a, 13b) side via the insulating film 15a, a stable structure is obtained. If the space 14 is formed immediately below the heater 21, the heater 21 floats on the space 14, resulting in an unstable structure.

このように、ヒータ21の熱が第1の電極配線13に伝わり難くして、第1の電極配線13におけるエレクトロマイグレーションの発生を抑制して、その長寿命化を実現することができる。また、エレクトロマイグレーションによるヒロック(突起)とボイド(空隙)の両方の発生を抑えることができるため、ヒロックの発生を抑制するために積層される高融点金属のバリアメタルを削減することができ、製造コストの低減を図ることも可能となる。また、複数のノズルを高密度に形成するために、ヒータ21と第1の電極配線13を絶縁層15の一方側と他方側とに分けて形成して、ヒータ21および第1の電極配線13の高密度に配備することができる。   As described above, the heat of the heater 21 is hardly transmitted to the first electrode wiring 13, the occurrence of electromigration in the first electrode wiring 13 can be suppressed, and the lifetime can be increased. In addition, the generation of both hillocks (projections) and voids (voids) due to electromigration can be suppressed, so that the barrier metal of refractory metal laminated to suppress the generation of hillocks can be reduced, and manufacturing Costs can also be reduced. In order to form a plurality of nozzles with high density, the heater 21 and the first electrode wiring 13 are formed separately on one side and the other side of the insulating layer 15, so that the heater 21 and the first electrode wiring 13 are formed. Can be deployed in high density.

(第2の実施形態)
図7は、本発明の第2の実施形態における記録ヘッド用基体30の説明図であり、前述した図5と同様に、ヒータ21上に位置する部分の断面図である。第1の実施形態において、絶縁層15内の空間14は第1の電極配線13側に形成されている。本実施形態において、絶縁層15内の空間14は、ヒータ21と第1の電極配線13のいずれにも接しないように、それらの中間に形成されている。
(Second Embodiment)
FIG. 7 is an explanatory view of the recording head substrate 30 according to the second embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view of a portion located on the heater 21 as in FIG. 5 described above. In the first embodiment, the space 14 in the insulating layer 15 is formed on the first electrode wiring 13 side. In the present embodiment, the space 14 in the insulating layer 15 is formed between the heater 21 and the first electrode wiring 13 so as not to be in contact therewith.

本実施形態によれば、第1の実施形態と同様に、ヒータ21の発熱時の熱は、第1の電極配線13に伝わりにくくなり、その長寿命化を実現することができる。   According to the present embodiment, as in the first embodiment, the heat generated when the heater 21 generates heat is less likely to be transmitted to the first electrode wiring 13, thereby realizing a longer life.

(他の実施形態)
前述した実施形態においては、ヒータ21から第1の電極配線13への熱伝導を抑制するための断熱部として、絶縁層15におけるヒータ21と第1の電極配線13との対向部分に空間14を形成した。しかし、その断熱部は空間14のみに特定されず、例えば、絶縁層15よりも熱伝導率が低い部材によって形成してもよい。また、空間14内に不活性ガスなどを入れてもよい。要は、ヒータ21から第1の電極配線13への熱伝導を抑制することができればよい。
(Other embodiments)
In the above-described embodiment, the space 14 is formed in the insulating layer 15 at a portion where the heater 21 and the first electrode wiring 13 are opposed to each other as a heat insulating portion for suppressing heat conduction from the heater 21 to the first electrode wiring 13. Formed. However, the heat insulating portion is not specified only in the space 14, and may be formed by a member having a lower thermal conductivity than the insulating layer 15, for example. Further, an inert gas or the like may be put in the space 14. In short, it is only necessary that heat conduction from the heater 21 to the first electrode wiring 13 can be suppressed.

また本発明は、種々の液体を吐出可能な液体吐出ヘッドに備わる液体吐出ヘッド用基体、その液体吐出ヘッド用基体を備える液体吐出ヘッド、液体吐出装置、および液体吐出ヘッド用基体の製造方法として広く適用することができる。また本発明は、液体を吐出可能な液体吐出ヘッドを用いて、種々の媒体(シート)に対して、種々の処理(記録、加工、塗布、照射、読取、検査など)を施す液体吐出装置に対しても適用可能である。その媒体(記録媒体を含む)は、紙、プラスチック、フィルム、織物、金属、フレキシブル基板等、材質は問わず、インクを含む液体が付与される種々の媒体を含む。   Further, the present invention is widely used as a liquid discharge head substrate provided in a liquid discharge head capable of discharging various liquids, a liquid discharge head including the liquid discharge head substrate, a liquid discharge apparatus, and a method for manufacturing a liquid discharge head substrate. Can be applied. The present invention also provides a liquid ejection apparatus that performs various processes (recording, processing, application, irradiation, reading, inspection, etc.) on various media (sheets) using a liquid ejection head capable of ejecting liquid. It can also be applied to. The medium (including the recording medium) includes various media to which a liquid containing ink is applied regardless of the material, such as paper, plastic, film, fabric, metal, and flexible substrate.

11 シリコン基板
13 第1の電極配線
13a 第1の電極配線の配線層
13b バリアメタル層
14 空間
15 絶縁層
16 第2の電極配線
16a 発熱抵抗層
16b 第2の電極配線の配線層
21 電気熱変換素子(ヒータ)
24 吐出口
30 記録ヘッド用基体(液体吐出ヘッド用基体)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Silicon substrate 13 1st electrode wiring 13a Wiring layer of 1st electrode wiring 13b Barrier metal layer 14 Space 15 Insulating layer 16 2nd electrode wiring 16a Heating resistance layer 16b Wiring layer of 2nd electrode wiring 21 Electrothermal conversion Element (heater)
24 discharge port 30 recording head substrate (liquid discharge head substrate)

Claims (10)

電気熱変換素子の発熱により液体を吐出可能な液体吐出ヘッドに備わる液体吐出ヘッド用基体であって、
絶縁層の一方側に、前記絶縁層の他方側に位置する前記電気熱変換素子を駆動回路に接続するための第1の電極配線が形成され、
前記絶縁層における前記電気熱変換素子と前記第1の電極配線との対向部分に、前記電気熱変換素子から前記第1の電極配線への熱伝導を抑制する断熱部を備えることを特徴とする液体吐出ヘッド用基体。
A base for a liquid discharge head provided in a liquid discharge head capable of discharging liquid by heat generation of an electrothermal conversion element,
A first electrode wiring for connecting the electrothermal conversion element located on the other side of the insulating layer to a drive circuit is formed on one side of the insulating layer,
A heat insulating part for suppressing heat conduction from the electrothermal conversion element to the first electrode wiring is provided in a portion of the insulating layer facing the electrothermal conversion element and the first electrode wiring. Substrate for liquid discharge head.
前記断熱部は、前記絶縁層よりも熱伝導率が低い部材によって形成されることを特徴とする請求項1に記載の液体吐出ヘッド用基体。   The substrate for a liquid discharge head according to claim 1, wherein the heat insulating portion is formed of a member having a lower thermal conductivity than the insulating layer. 前記断熱部は空間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用基体。   The substrate for a liquid discharge head according to claim 1, wherein the heat insulating portion is a space. 前記空間は、前記第1の電極配線に接していることを特徴とする請求項3に記載の液体吐出ヘッド用基体。   The liquid discharge head substrate according to claim 3, wherein the space is in contact with the first electrode wiring. 前記第1の電極配線は、前記絶縁層の他方側に形成される第2の電極配線を介して前記電気熱変換素子に接続されることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の液体吐出ヘッド用基体。   The said 1st electrode wiring is connected to the said electrothermal conversion element through the 2nd electrode wiring formed in the other side of the said insulating layer, The any one of Claim 1 to 4 characterized by the above-mentioned. Liquid discharge head substrate. 前記第1の電極配線と前記第2の電極配線は、前記絶縁層に形成されたスルーホールを介して接続されることを特徴とする請求項5に記載の液体吐出ヘッド用基体。   6. The substrate for a liquid discharge head according to claim 5, wherein the first electrode wiring and the second electrode wiring are connected through a through hole formed in the insulating layer. 前記断熱部は、前記第1の電極配線および前記第2の電極配線に接しないように前記絶縁層に形成された空間であることを特徴とする請求項5または6に記載の液体吐出ヘッド用基体。   7. The liquid ejection head according to claim 5, wherein the heat insulating part is a space formed in the insulating layer so as not to contact the first electrode wiring and the second electrode wiring. 8. Substrate. 請求項1から7のいずれかに記載の液体吐出ヘッド用基体を備え、
前記電気熱変換素子の発熱により吐出口から液体を吐出可能であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
A liquid discharge head substrate according to any one of claims 1 to 7,
A liquid discharge head, wherein the liquid can be discharged from the discharge port by heat generated by the electrothermal conversion element.
請求項8に記載の液体吐出ヘッドと、前記液体吐出ヘッドを駆動する駆動回路と、を備えることを特徴とする液体吐出装置。   A liquid discharge apparatus comprising: the liquid discharge head according to claim 8; and a drive circuit that drives the liquid discharge head. 電気熱変換素子の発熱により液体を吐出可能な液体吐出ヘッドに備わる液体吐出ヘッド用基体であって、絶縁層の一方側に、前記絶縁層の他方側に位置する前記電気熱変換素子を駆動回路に接続するための第1の電極配線が形成される液体吐出ヘッド用基体の製造方法であって、
前記絶縁層における前記電気熱変換素子と前記第1の電極配線との対向部分に、除去可能な犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層を除去して、前記電気熱変換素子と前記第1の電極配線との対向部分に空間を形成する工程と、
を含むことを特徴とする液体吐出ヘッド用基体の製造方法。
A substrate for a liquid discharge head provided in a liquid discharge head capable of discharging a liquid by heat generation of an electrothermal conversion element, wherein the electrothermal conversion element positioned on the other side of the insulating layer is driven on one side of the insulating layer A method for manufacturing a substrate for a liquid discharge head in which a first electrode wiring for connection to a substrate is formed,
Forming a removable sacrificial layer at a portion of the insulating layer facing the electrothermal transducer and the first electrode wiring;
Removing the sacrificial layer and forming a space in a facing portion between the electrothermal transducer and the first electrode wiring;
A method for producing a substrate for a liquid discharge head, comprising:
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