JP2016078262A - 液体吐出ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱抵抗体の上の被覆層の厚みが電極層の上の被覆層の厚みよりも薄い液体吐出ヘッドを容易に製造することができる、液体吐出ヘッドの製造方法を提供する。【解決手段】基板１と、発熱抵抗体８と、発熱抵抗体８に電気的に接続された電極層６と、発熱抵抗体８及び電極層６を被覆する被覆層７と、を有し、発熱抵抗体８の上の被覆層７の厚みが電極層６の上の被覆層７の厚みよりも薄い液体吐出ヘッドの製造方法であって、発熱抵抗体８と、発熱抵抗体８に電気的に接続された電極層６と、を有する基板１を用意する工程と、発熱抵抗体８の温度を電極層６の温度よりも高くして、発熱抵抗体８及び電極層６を被覆する被覆層７をＰ−ＣＶＤ法によって形成する工程とを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、液体吐出ヘッドの製造方法に関するものである。

液体吐出ヘッドとして、流路内の発熱抵抗体を加熱し、加熱によって流路内の液体中に発生する発泡を利用して液体を吐出口から吐出する方式がある。発熱抵抗体には電極層が電気的に接続されており、電極層や発熱抵抗体は、絶縁層や保護層といった被覆層で被覆されている。

液体吐出ヘッドには、駆動を省電力で行うことが求められている。液体吐出ヘッドを省電力で駆動できるようにするには、発熱抵抗体上の被覆層を薄くすることが有効である。被覆層が薄いと、発熱抵抗体の液体接触部分（熱作用部）の温度が効率よく上がり、発泡に必要な投入エネルギーが小さくなる。その結果、液体吐出ヘッドは省電力に駆動ができる。

しかしながら、被覆層を薄く成膜しようとすると、発熱抵抗体に接続する電極層の上の被覆層も薄くなってしまい、電極層上にある被覆層に、静電気放電による静電破壊が発生しやすくなる。

特許文献１に記載の液体吐出ヘッドの製造方法では、第一の被覆層を成膜し、フォトリソグラフィ法により発熱抵抗体上の第一の被覆層をエッチングして開口部を形成した後、その上に第二の被覆層を成膜している。この方法によれば、発熱抵抗体の上の被覆層は電極層の上の被覆層よりも薄く形成されるので、発熱抵抗体の液体接触部分の温度を効率よくあげることができる。また、電極層の上の被覆層を厚くすることができるので、静電破壊の発生を抑制できる。

特許第３３９７５３２号

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、第一の被覆層と第二の被覆層とを、それぞれ成膜し、フォトリソグラフィ工程を行い、さらにエッチングすることになる。その分、被覆層が１つである場合に比べて、製造への負荷がかかる。

本発明は、かかる課題を解決しようとするものであり、発熱抵抗体の上の被覆層の厚みが電極層の上の被覆層の厚みよりも薄い液体吐出ヘッドを容易に製造することができる液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。

本発明は、基板と、発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体に電気的に接続された電極層と、前記発熱抵抗体及び前記電極層を被覆する被覆層と、を有し、前記発熱抵抗体の上の被覆層の厚みが前記電極層の上の被覆層の厚みよりも薄い液体吐出ヘッドの製造方法であって、発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体に電気的に接続された電極層と、を有する基板を用意する工程と、前記発熱抵抗体の温度を前記電極層の温度よりも高くして、前記発熱抵抗体及び前記電極層を被覆する被覆層をＰ−ＣＶＤ法によって形成する工程と、を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法である。

本発明によれば、発熱抵抗体の上の被覆層の厚みが電極層の上の被覆層の厚みよりも薄い液体吐出ヘッドを容易に製造することができる。

液体吐出ヘッドの斜視図。 液体吐出ヘッドの製造方法を示す断面図。 成膜装置を示す図。

図１に、液体吐出ヘッドの斜視図を示す。液体吐出ヘッドは、基板１と、基板１の上に流路部材１２とを有する。基板１はシリコン等で形成されている。基板１には液体供給路１１が貫通しており、液体供給路の開口部分の両側には発熱抵抗体８が形成されている。流路部材１２は樹脂や無機膜で形成されており、液体の流路を形成する部材である。また、発熱抵抗体８と対向する位置に、吐出口１３が形成されている。液体供給路１１から流路へと液体が供給され、供給された液体は発熱抵抗体８で加熱され、吐出口１３から吐出される。吐出口１３から吐出された液体は紙等の記録媒体に着弾し、画像や文字の記録が行われる。

次に、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法を説明する。図１に示す液体吐出ヘッドをＸ−Ｘ´で切断した断面において、液体吐出ヘッドを製造する過程を図２に示す。

まず、図２（ａ）に示すような基板を用意する。トランジスタ等の駆動素子が設けられた基板１の上に、基板１の一部を熱酸化して設けた熱酸化層２と、蓄熱層４とを設ける。熱酸化層２の厚みは５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であることが好ましい。蓄熱層４は例えばシリコン化合物で形成されており、厚みは５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であることが好ましい。また基板１上には、液体供給路１１の形成時に用いられるアルミニウム等からなる犠牲層３が形成されている。蓄熱層４の上には、抵抗体層５が形成されている。抵抗体層５は、通電することで発熱する材料で形成されている。このような材料としては、例えばＴａＳｉＮやＷＳｉＮが挙げられる。抵抗体層５のシート抵抗は１００Ω／□以上１０００Ω／□以下とすることが好ましい。抵抗体層５の上には、抵抗体層５に接するように、抵抗体層５より抵抗の低い電極層６が形成されている。電極層６は例えばアルミニウムで形成されており、厚みは１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であることが好ましい。電極層６は一対設けられており、一対の電極層６の間の露出している抵抗体層５が発熱抵抗体８である。即ち、抵抗体層の一部が発熱抵抗体８である。一対の電極層６に電圧を印加すると発熱抵抗体８が発熱する。

次に、図２（ｂ）に示すように、発熱抵抗体８及び電極層６を、被覆層７で被覆する。ここでは、被覆層７はＳｉＮ等で形成された絶縁層であり、発熱抵抗体８や電極層６を液体と絶縁させるものである。被覆層７の成膜（形成）は、Ｐ−ＣＶＤ法（プラズマ化学気相成長法）にて行う。図３被覆層の成膜装置を示す。使用するプロセスガスはシャワーヘッド１４を介して成膜室１５に流入する。その際、プロセスガスはマスフローコントローラー１６により流量を制御される。また成膜室は排気口とつながっており、ガスはここから排気されている。続いて、ＲＦ電源によりシャワーヘッド１４とトッププレート１７の間にプラズマを放電する。このプラズマ中でかい離した成膜前駆体が、基板１８の表面で化学的に反応して堆積していくことで、成膜が行われる。ここでヒーター１９により基板温度は変更可能である。基板温度は１００℃〜５００℃になるようにすることが好ましい。

Ｐ−ＣＶＤ法の場合、成膜される表面の温度が高いと、成膜前駆体が表面に到達した時に再蒸発しやすくなり、付着確率が減少する。そのため、成膜レートが遅くなる。本発明においては、発熱抵抗体８を加熱することで、発熱抵抗体の上の成膜前駆体の付着確率を減少させ、発熱抵抗体の上の成膜レートを選択的に落とし、被覆層７を形成する。例えば、印加するパルス電圧を１０〜４０Ｖ、パルス幅３０１を０．１〜０．５μ秒、インターバル時間３０２を０．４〜２．０μ秒として、発熱抵抗体８にパルスを印加する。発熱抵抗体８にパルス電圧を印加した時、発熱抵抗体８の温度は上昇するが、電極層６の温度は、ほとんど上昇しない。そのため、パルス発生装置２０８と基板の電極を電気的に接続し、発熱抵抗体８にパルスを印加した状態で被覆層の成膜を行うと、発熱抵抗体の上の領域では被覆層７の成膜レートが減少する。このようにして、発熱抵抗体の上の被覆層の厚みを電極層の上の被覆層の厚みよりも薄くする。

被覆層の形成の際には、発熱抵抗体の温度は、２５０℃以上とすることが好ましく、３５０℃以上とすることがより好ましく、４５０℃以上とすることがさらに好ましい。また、５００℃以下とすることが好ましい。また、被覆層の形成の際には、電極層の温度は１００℃以上とすることが好ましい。さらに、被覆層の形成の際には、発熱抵抗体の温度は、電極層の温度よりも５０℃以上高くすることが好ましく、１００℃以上高くすることがより好ましい。

被覆層の形成後の発熱抵抗体の上の被覆層の厚みをＡとする。また、成膜後の電極層の上の被覆層の厚みをＢとする。このとき、Ａは１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましい。また、Ｂは１００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下であることが好ましい。また、Ｂ／Ａは１．０より大きく１．５以下とすることが好ましい。尚、本発明において、発熱抵抗体の上の被覆層とは、発熱抵抗体の基板と反対側にある被覆層のことをいう。また、その厚みとは、発熱抵抗体の上の被覆層のうち１０点における、基板表面に対して垂直方向の厚みの平均のことをいう。同様に、電極層の上の被覆層とは、電極層の基板と反対側にある被覆層のことをいう。また、その厚みとは、電極層の上の被覆層のうち１０点における、基板表面に対して垂直方向の厚みの平均のことをいう。

その後、図２（ｃ）に示すように、必要に応じて、発熱抵抗体の上にＴａ等からなる保護層１０を形成する。

次に、図２（ｄ）に示すように、基板１に液体供給路１１を形成し、パッド部９を形成し、基板１上に流路部材１２や吐出口１３を形成する。このようにして、液体吐出ヘッドが製造される。

被覆層を形成する際には、発熱抵抗体の温度が電極層の温度よりも高くなっていればよい。この際には、電極層を加熱してもよいし、加熱しなくてもよい。

以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明する。

（実施例１）
まず、図２（ａ）に示す基板を用意した。基板１はシリコンで形成されている。また、熱酸化層２及び蓄熱層４はともにＳｉＯ_２で１０００ｎｍの厚みで形成されている。蓄熱層４の上には、ＴａＳｉＮからなるシート抵抗：３００Ω／□の抵抗体層５と、抵抗体層５より抵抗が低いアルミニウム合金（Ａｌ−Ｃｕ、厚み１０００ｎｍ）からなる電極層６が形成されている。抵抗体層５の電極層６で覆われていない部分は発熱抵抗体８である。

次に、図４に示すような成膜装置を用いて、電極にプローブを当て、連続でパルスを印加して発熱抵抗体８を加熱しながら、発熱抵抗体８と一対の電極を覆うように、Ｐ−ＣＶＤ法（プラズマ化学気相成長法）により、ウエハ全面にＳｉＮからなる被覆層７の成膜を行った。成膜条件は以下の通りである。
・成膜ガス：ＳｉＨ_４（流量：３００ｓｃｃｍ）、ＮＨ_３（流量：５００ｓｃｃｍ）
・チャンバー圧力：５００Ｐａ
・ＲＦパワー：１０００Ｗ
・ステージ温度：１５０℃
・発熱抵抗体の温度：２５０℃

この条件において、ステージ温度と電極層の温度はほぼ同じである。このようにして、図２（ｂ）に示すように、被覆層７を形成した。発熱抵抗体上の被覆層の厚みを３００ｎｍとした。また、電極層の上の被覆層の厚みを３３０ｎｍとした。

その後、Ｔａからなる厚み３００ｎｍの保護層１０をスパッタ法で成膜し、図２（ｃ）に示すように、ドライエッチングによりパターニングした。

以上のようにして、液体吐出ヘッドを１００００個製造した。その後、電極層の上の被覆層の状態を電子顕微鏡で観察し、静電気放電に由来すると考えられる破損等が発生している割合を確認した。以上の結果を表１に示す。

（実施例２）
発熱抵抗体の温度を３５０℃とし、被覆層の成膜により、発熱抵抗体上の被覆層の厚みを３００ｎｍ、電極層の上の被覆層の厚みを３６０ｎｍとした。これ以外は実施例１と同様にし、液体吐出ヘッドを１００００個製造した。その後、電極層の上の被覆層の状態を電子顕微鏡で観察し、静電気放電に由来すると考えられる破損等が発生している割合を確認した。以上の結果を表１に示す。

（実施例３）
発熱抵抗体の温度を４５０℃とし、被覆層の成膜により、発熱抵抗体上の被覆層の厚みを３００ｎｍ、電極層の上の被覆層の厚みを３９０ｎｍとした。これ以外は実施例１と同様にし、液体吐出ヘッドを１００００個製造した。その後、電極層の上の被覆層の状態を電子顕微鏡で観察し、静電気放電に由来すると考えられる破損等が発生している割合を確認した。以上の結果を表１に示す。

（比較例１）
発熱抵抗体の温度及びステージ温度を１５０℃で同一にした。即ち、発熱抵抗体の温度と電極層の温度をともに１５０℃とし、この状態で被覆層７の成膜を行った。被覆層の成膜条件は、以下の通りである。
・成膜ガス：ＳｉＨ_４（流量：３００ｓｃｃｍ）、ＮＨ_３（流量：５００ｓｃｃｍ）
・チャンバー圧力：５００Ｐａ
・ＲＦパワー：１０００Ｗ
・ステージ温度：１５０℃
・発熱抵抗体の温度：１５０℃
被覆層の成膜により、発熱抵抗体上の被覆層の厚みを３００ｎｍ、電極層の上の被覆層の厚みを３００ｎｍとした。

その後、Ｔａからなる厚み３００ｎｍの保護層１０をスパッタ法で成膜し、図２（ｃ）に示すように、ドライエッチングによりパターニングした。

以上の点以外は、実施例１と同様にし、液体吐出ヘッドを１００００個製造した。また、電極層の上の被覆層の状態を電子顕微鏡で観察し、静電気放電に由来すると考えられる破損等が発生している割合を確認した。以上の結果を表１に示す。

発熱抵抗体の温度を電極層の温度よりも高くして被覆層を成膜することで、発熱抵抗体の上の被覆層の厚みを、電極層の上の被覆層の厚みよりも相対的に薄くすることができる。また、温度差を大きくしていくと、厚みの差も大きくなっていく。電極層の上の被覆層の破損は、電極層の上の被覆層の厚みが厚くなるにつれて抑制されている。

また、発熱抵抗体の上の被覆層の温度と、電極層の上の被覆層の温度とを同じにして、被覆層のエッチングを行うと、被覆層の厚みに差がでないことが分かる。

（実施例４）
実施例１〜３は、ステージ温度（電極層の温度）を同じとし、発熱抵抗体の温度を異ならせた。これに対し、実施例４、５、６では、発熱抵抗体の温度は同じとし、ステージ温度（電極層の温度）を異ならせた。

実施例４では成膜条件を以下の条件とした。
・成膜ガス：ＳｉＨ_４（流量：３００ｓｃｃｍ）、ＮＨ_３（流量：５００ｓｃｃｍ）
・チャンバー圧力：５００Ｐａ
・ＲＦパワー：１０００Ｗ
・ステージ温度：１５０℃
・発熱抵抗体の温度：４５０℃

この条件において、ステージ温度と電極層の温度はほぼ同じである。このようにして、図２（ｂ）に示すように、被覆層７を形成した。発熱抵抗体上の被覆層の厚みを４００ｎｍとした。また、電極層の上の被覆層の厚みを５２０ｎｍとした。

その後、Ｔａからなる厚み３００ｎｍの保護層１０をスパッタ法で成膜し、図２（ｃ）に示すように、ドライエッチングによりパターニングした。

以上のようにして、液体吐出ヘッドを１００００個製造した。その後、電極層の上の被覆層の状態を電子顕微鏡で観察し、静電気放電に由来すると考えられる破損等が発生している割合を確認した。以上の結果を表２に示す。

（実施例５）
ステージ温度（電極層の温度）を２５０℃とし、成膜により、発熱抵抗体上の被覆層の厚みを４００ｎｍ、電極層の上の被覆層の厚みを４８０ｎｍとした。これ以外は実施例４と同様にし、液体吐出ヘッドを１００００個製造した。その後、電極層の上の被覆層の状態を電子顕微鏡で観察し、静電気放電に由来すると考えられる破損等が発生している割合を確認した。以上の結果を表２に示す。

（実施例６）
ステージ温度（電極層の温度）を３５０℃とし、成膜により、発熱抵抗体上の被覆層の厚みを４００ｎｍ、電極層の上の被覆層の厚みを４４０ｎｍとした。これ以外は実施例４と同様にし、液体吐出ヘッドを１００００個製造した。その後、電極層の上の被覆層の状態を電子顕微鏡で観察し、静電気放電に由来すると考えられる破損等が発生している割合を確認した。以上の結果を表２に示す。

（比較例２）
発熱抵抗体の温度及びステージ温度を３５０℃で同一にした。即ち、発熱抵抗体の温度と、電極層の温度をともに３５０℃とし、この状態で被覆層の成膜を行った。被覆層の成膜条件は、以下の通りである。
・成膜ガス：ＳｉＨ_４（流量：３００ｓｃｃｍ）、ＮＨ_３（流量：５００ｓｃｃｍ）
・チャンバー圧力：５００Ｐａ
・ＲＦパワー：１０００Ｗ
・ステージ温度：３５０℃
・発熱抵抗体の温度：３５０℃
成膜後の被覆層の厚みは、発熱抵抗体の上と電極層の上とで同じで、ともに４００ｎｍであった。

その後、Ｔａからなる厚み３００ｎｍの保護層１０をスパッタ法で成膜し、図２（ｃ）に示すように、ドライエッチングによりパターニングした。

以上の点以外は、実施例１と同様にし、液体吐出ヘッドを１００００個製造した。また、電極層の上の被覆層の状態を電子顕微鏡で観察し、静電気放電に由来すると考えられる破損等が発生している割合を確認した。以上の結果を表２に示す。

発熱抵抗体の温度を電極層の温度よりも高くして被覆層を成膜することで、発熱抵抗体の上の被覆層の厚みを、電極層の上の被覆層の厚みよりも相対的に薄くすることができる。また、温度差を大きくしていくと、厚みの差も大きくなっていく。電極層の上の被覆層の破損は、電極層の上の被覆層の厚みが厚くなるにつれて抑制されている。

また、発熱抵抗体の上の被覆層の温度と、電極層の上の被覆層の温度とを同じにして、被覆層のエッチングを行うと、被覆層の厚みに差がでないことが分かる。

（実施例６）
実施例１よりも、ステージ温度（電極層の温度）及び発熱抵抗体の温度を高くした。具体的には、電極層の上の被覆層の温度を２００℃、発熱抵抗体の上の被覆層の温度を３００℃とした。発熱抵抗体の上の被覆層の厚みは３００ｎｍ、電極層の上の被覆層の厚みは３３０ｎｍとした。被覆層の成膜条件は以下の通りである。
・成膜ガス：ＳｉＨ_４（流量：３００ｓｃｃｍ）、ＮＨ_３（流量：５００ｓｃｃｍ）
・チャンバー圧力：５００Ｐａ
・ＲＦパワー：１０００Ｗ
・ステージ温度：２００℃
・発熱抵抗体の温度：３００℃

これ以外は実施例１と同様にし、液体吐出ヘッドを製造した。その後、製造した液体吐出ヘッドにインク（商品名；ＢＣＩ−７ｅＭ、キヤノン製）を充填し、電圧２４Ｖ、幅０．８マイクロ秒の駆動パルスを周波数１５ｋＨｚで発熱抵抗体に印加し、１．０ｘ１０^９パルスまでインクの吐出を行い、画像の記録を行った。記録された画像を目視で観察し、以下の基準で評価した。
Ａ：１．０×１０^９パルスでも画像品位の低下が確認されなかった。
Ｂ：５．０×１０^８以上、１．０×１０^９未満のパルス印加の間で画像品位の低下が確認された。
Ｃ：１．０×１０^８以上、５．０×１０^８未満のパルス印加の間で画像品位の低下が確認された。
Ｄ：５．０×１０^７以上、１．０×１０^８未満のパルス印加の間で画像品位の低下が確認された。

以上の結果を表３に示す。

（実施例７）
発熱抵抗体の温度を４００℃とし、成膜により、発熱抵抗体上の被覆層の厚みを３００ｎｍ、電極層の上の被覆層の厚みを３６０ｎｍとした。これ以外は実施例６と同様にして、液体吐出ヘッドを製造した。その後、記録された画像を目視で観察し、実施例６と同じ基準で評価した。以上の結果を表３に示す。

（実施例８）
発熱抵抗体の温度を５００℃とし、成膜により、発熱抵抗体上の被覆層の厚みを３００ｎｍ、電極層の上の被覆層の厚みを３９０ｎｍとした。これ以外は実施例６と同様にして、液体吐出ヘッドを製造した。その後、記録された画像を目視で観察し、実施例６と同じ基準で評価した。以上の結果を表３に示す。

（実施例９）
発熱抵抗体の温度を５５０℃とし、成膜により、発熱抵抗体上の被覆層の厚みを３００ｎｍ、電極層の上の被覆層の厚みを４２０ｎｍとした。これ以外は実施例６と同様にして、液体吐出ヘッドを製造した。その後、記録された画像を目視で観察し、実施例６と同じ基準で評価した。以上の結果を表３に示す。

表３に示すように、被覆層成膜時の発熱抵抗体の温度が下がるに伴って記録された画像の品位が向上した。この原因は以下のように考えられる。成膜時に、ＳｉＮからなる被覆層が高温環境に置かれたことで層中の水素が脱離し、ダングリングボンドが形成され、絶縁性が低下する。被覆層の絶縁性が低下すると、吐出中に保護層のＴａが陽極酸化されやすくなる為、保護層が酸化した層がインクに溶出する。この結果、発熱抵抗体に影響が出ることがあり、画像の品位が低下する。従って、発熱抵抗体上の被覆層の絶縁性の観点からは、高温加熱時の水素脱離による絶縁性低下を抑制する為、被覆層成膜時の発熱抵抗体の温度は低くする方が好ましい。

Claims (7)

1. 基板と、発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体に電気的に接続された電極層と、前記発熱抵抗体及び前記電極層を被覆する被覆層と、を有し、前記発熱抵抗体の上の被覆層の厚みが前記電極層の上の被覆層の厚みよりも薄い液体吐出ヘッドの製造方法であって、
   発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体に電気的に接続された電極層と、を有する基板を用意する工程と、
   前記発熱抵抗体の温度を前記電極層の温度よりも高くして、前記発熱抵抗体及び前記電極層を被覆する被覆層をＰ−ＣＶＤ法によって形成する工程と、
   を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
2. 前記発熱抵抗体を加熱することで、前記発熱抵抗体の温度を前記電極層の温度よりも高くする請求項１に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
3. 前記被覆層の形成後の被覆層の厚みをＡ、前記電極層の上の被覆層の厚みをＢとしたときに、Ｂ／Ａを１．０より大きく１．５以下とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
4. 前記被覆層を形成する際に、前記発熱抵抗体の温度を２５０℃以上とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
5. 前記被覆層を形成する際に、前記発熱抵抗体の温度を３５０℃以上とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
6. 前記被覆層を形成する際に、前記発熱抵抗体の温度を４５０℃以上とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
7. 前記被覆層を形成する際に、前記発熱抵抗体の温度を前記電極層の温度よりも５０℃以上高くする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。

Images