JP3705652B2

JP3705652B2 - インクジェット記録装置およびその製造方法

Info

Publication number: JP3705652B2
Application number: JP16907396A
Authority: JP
Inventors: 正男三谷; 健二山田
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 1996-06-28
Filing date: 1996-06-28
Publication date: 2005-10-12
Anticipated expiration: 2016-06-28
Also published as: JPH1016242A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱エネルギを利用してインク液滴を記録媒体に向けて飛翔させる形式のインクジェット記録装置およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
パルス加熱によってインクの一部を急速に気化させ、その膨張力によってインク液滴をオリフィスから吐出させる方式のインクジェット記録装置は特開昭48-9622号公報、特開昭54-51837号公報等によって開示されている。
【０００３】
このパルス加熱の最も簡便な方法は薄膜ヒ−タにパルス通電することであり、その具体的な方法が日経メカニカル1992年12月28日号58ページ、及びHewlett-Packard-Journal,Aug.1988で発表されている。これら従来の薄膜ヒ−タの共通する基本的構成は、薄膜抵抗体と薄膜導体を厚さ約３μｍの酸化防止層で被覆し、該酸化防止層のキャビテーション破壊を防ぐ目的で、この上に厚さ約０．５μｍのＴａ金属層を被覆するというものであった。
【０００４】
しかし、このように厚い多層保護層を介してインクをパルス加熱するため、インクの吐出に必要な投入エネルギは１５〜３０μＪ／パルスにも達し、その殆んどのエネルギは基板（ヘッド）の昇温に消費されるという大きな欠点があった。
【０００５】
これを抜本的に改善する目的で、本発明者はＴａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体を開発し、これを熱酸化することでその表面に約１００Åという厚さの電気絶縁性と機械的強度に優れた自己酸化被膜を形成する方法を発明した（特願平07-43968号、および特願平07-340486号参照）。これによって、インクの吐出に必要なエネルギは２．４〜２．７μＪ／パルスにまで低減され、しかも安定な吐出に最適な加熱速度範囲（１×１０⁸〜５×１０⁸℃／ｓ）をこのヒータによって容易に実現できるようになった（本発明者の特願平07-285650号参照）。
【０００６】
一方、自己酸化膜を持つＴａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体を有効に利用するためには、インク中でも腐食しない通電電極用の薄膜金属材料が不可欠であり、本発明者は最適材料としてＮｉを選択してきた（特開平06-71888号公報等参照）。
【０００７】
しかし、インク中で優れた耐蝕性を示す薄膜Ｎｉ導体でも、正極側の薄膜Ｎｉ導体は電蝕され易く、長時間の使用には問題のあることが分かった。これに対しては、無機絶縁物層と有機絶縁物層を効果的に利用することによって長時間の使用に耐えるヒ−タを実現することができた（特願平07-43968号、及び特願平08-122091号参照）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような優れた特性を有するＴａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体を用いたインクジェットヘッドを製造する方法として、既に本発明者は図３に示す製造プロセスを適用している（特願平07-135185号、特願平07-320446号参照）。
【０００９】
図３のプロセスでは、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜抵抗体を熱酸化(11)することによって、耐キャビテ−ション性に優れた極薄自己酸化絶縁被膜をその表面に形成することができる。この際、熱酸化には３５０℃以上の加熱が必要であるが、Ｎｉ金属薄膜導体の表面も同時に熱酸化され、更にこの延長上に在る外部回路との接続用Ｎｉ金属薄膜電極の表面も絶縁化されてしまう。このため、外部回路と電気的に接続するためには、この絶縁被膜をドライエッチング等によって除去することが必要であった。
【００１０】
本発明の課題は、Ｎｉ金属薄膜電極の表面酸化を防止すると共に、電気的接続作業の歩留りを飛躍的に向上させ、接続の信頼性をも向上させることにある。
【００１１】
上記課題は、インク吐出口近傍に設けられた薄膜抵抗体と金属薄膜導体からなる発熱抵抗体にパルス通電することによってインク液路中のインクの一部を急速に気化させ、この気泡の膨張力によって前記吐出口から液滴状インクを吐出させて記録するインクジェット記録装置の製造方法において、前記発熱抵抗体および前記金属薄膜導体を含む金属薄膜が形成された基板を熱酸化処理し、前記発熱抵抗体の表面に自己酸化被膜を形成する前に、前記金属薄膜導体と、前記金属薄膜導体と外部回路とを電気的に接続する接続用金属薄膜電極とのうち、少なくとも前記接続用金属薄膜電極の表面を金めっき処理しておくことによって達成される。
また、上記課題は、インク吐出口近傍に設けられた薄膜抵抗体と金属薄膜導体からなる発熱抵抗体にパルス通電することによってインク液路中のインクの一部を急速に気化させ、この気泡の膨張力によって前記吐出口から液滴状インクを吐出させて記録するインクジェット記録装置であって、前記発熱抵抗体および前記金属薄膜導体を含む金属薄膜が形成された基板を熱酸化処理し、前記発熱抵抗体の表面に自己酸化被膜を形成する前に前記金属薄膜導体と外部回路とを電気的に接続する接続用金属薄膜電極とのうち、少なくとも接続用金属薄膜電極の表面を金めっき処理したことによって達成される。
ここで、前記接続用金属薄膜電極は、前記金属薄膜の延長線上に配置されているのが好ましい。
また、前記基板に前記熱酸化処理を行う前に、前記金属薄膜導体および前記接続用金属薄膜電極の表面に金めっき処理しておくのが好ましい。
また、前記金めっき処理は、置換めっき処理を行った後に無電解めっき処理を行うのが好ましい。
また、前記金めっきの厚さは、１０００Å以上であるのが好ましい。また、前記金めっきの厚さは、１５００Å以上であるのが好ましい。
また、前記合金薄膜抵抗体がＴａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金から成り、前記金属薄膜導体及び前記外部回路との接続用金属薄膜電極がＮｉから成るのが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の発熱抵抗体について、その実施例を図面を用いて説明する。
【００１３】
なお、インクジェットプリントヘッドの構造とか製造方法の詳細については省略するが、本願が対象とする発熱抵抗体はトップシュ−タタイプ、サイドシュ−タタイプの如何にかかわらず、いわゆるサ−マルインクジェットプリントヘッドに共通するもので、両タイプに適用可能なものである。
【００１４】
先ず、Ｓｉ基板１の表面に約２μｍ厚さのＳｉＯ₂断熱層２を形成する。このＳｉＯ₂断熱層２は、Ｓｉ基板１を熱酸化させて形成しても良いし、図１（ａ）に示すように、同一Ｓｉ基板１上にドライバ回路１４を形成する時に形成される多層構造のＳｉＯ₂層２を利用してもよい。また、後者の場合は、このＳｉＯ₂層２の上にプラズマＣＶＤ法によって約１μｍ厚さのＳｉ窒化膜がパッシベ−ション膜として形成されているのが一般的であるが、このＳｉＯ₂／Ｓｉ₃Ｎ₄２層膜を断熱層２として利用してもよいことは本発明者の特許出願発明（特願平07-320446号）に記した通りである。
【００１５】
以下、ドライバ回路一体型ヘッドを例にして説明する。
【００１６】
この断熱層２を有するＳｉ基板１上に、（ｂ）に示すようにＴａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜６とＮｉ金属薄膜７をスパッタ法によって順次積層させ、（ｃ）に示すようにフォトエッチングによって所定形状の発熱抵抗体８とボンディングパッド１１を形成する。
【００１７】
発熱抵抗体８と導体９の膜厚は各々約０.１μｍと約０.５μｍ、発熱抵抗体形状は例えば５０μｍ□、発熱抵抗体８の抵抗値はＴａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜の組成比によって若干の相違があるが、８０〜２５０Ωである。なお、ここで検討した三元合金薄膜の組成比は特願平０７−３４０４８６号にて記載した６４％≦Ｔａ≦８５％、５％≦Ｓｉ≦２６％、６％≦Ｏ≦１５％の範囲のものを中心とした。
【００１８】
前記Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜６は、３５０℃以上の熱酸化処理でその表面に約１００Åという極めて薄く、且つ機械的強度にも優れた絶縁性自己酸化被膜を形成し、電解質インク中でのパルス通電にも充分長い稼動寿命を示す材料となる。このため、従来は図１（ｃ）の段階でこの熱酸化処理を行っていたが、一括処理ではボンディングパッド１１のＮｉ薄膜表面も薄く酸化されるので、ドライエッチングなどによる酸化被膜の選択除去が必要であった。或いは（ｃ）の段階で、ボンディングパッド１１から駆動信号を投入し、薄膜ヒータを酸化雰囲気中でパルス加熱することによって抵抗体上のみを酸化させることも行っていた。しかしこれでは生産性に問題があり、やはり一括処理が望まれていた。
【００１９】
そこで（ｃ）の段階でＮｉ金属薄膜表面のみにＡｕめっき１２を施し、これによって一括熱酸化処理のできる方法を開発したのである。すなわち、（ｃ）の基板を置換金めっき液に浸漬し、基板上のＮｉ薄膜表面の全てをＡｕめっきする。この置換金めっき液には例えば日立化成（株）製のＨＧＳ−１００を使用すれば、Ｎｉ薄膜表面（含側面）のみに約５００Åの厚さでＡｕめっきすることができる。これを更に無電解Ａｕめっき液に浸漬し、Ａｕめっきの厚さを１０００〜１５００Å又はこれ以上の厚さにする。この無電解Ａｕめっき液には例えば日立化成（株）製のＨＧＳ−２０００が使用できる。
【００２０】
置換ＡｕめっきはＮｉ表面にしか付着せず、無電解ＡｕめっきはＡｕ表面にしか付着しないので、図１（ｄ）に示すようにＮｉ薄膜７、９、９’の表面の全てがＡｕめっき１２され、薄膜ヒ−タ部８の上には付着しない。この基板を約４００℃で熱酸化すると、図１（ｅ）に示すように薄膜ヒ−タ部８の表面は約１００Åの厚さの熱酸化絶縁被膜１３でおおわれるので、基板上のすべての薄膜表面（含側面）がＡｕか熱酸化絶縁被膜で被覆されることになる。
【００２１】
なお、本発明において、Ａｕめっき１２をこのように厚くするのは、４００℃前後の熱酸化処理でＮｉとＡｕが数１００Åの距離を相互拡散するが、その場合でもＮｉがＡｕめっきの表面にまで拡散してこないようにするためである。
【００２２】
このようにして形成されたドライバ回路一体型ヒータ基板（Ｓｉウエハ基板）の上に、インクジェットデバイスを薄膜プロセスによって形成する工程を図２に示す。ここで図１（ａ）は、図２（８）の工程が完了したウエハの断面の一部を示し、薄膜ヒータ８とボンディングパッド１１は１対１に対応するのではなく、ヒータｎ個に対し約６パッドが対応している。
【００２３】
本発明において、熱酸化処理工程の直前にＡｕめっき工程を導入することは、
（１）発熱抵抗体の一括熱酸化処理が可能、
（２）インク溝形成がＡｌ被覆処理なしで可能、
（インク溝形成用エッチングにはヒドラジン水溶液が使われるが、Ｎｉ薄膜はこれによって溶解するので、Ａｌ膜で被覆してこれを防止していた。今回のＡｕめっき処理によって図３の（１２）、（１３）、（１５）の３工程が削除できた）
（３）ボンディングパッドのＡｕめっき工程の削除（既にＡｕめっきされている）、
（４）Ｎｉ薄膜導体の低抵抗化（１／２〜１／３化）、
という大きな効果が得られる。
【００２４】
勿論、Ａｕめっき処理された導体でも、電解質インク中では正極側電極が電蝕され易くなることはＮｉ導体の場合と同様であり、これに対しては薄い無機絶縁物層と有機絶縁物層の被覆という対策によって解決できることは先述の通りである。
【００２５】
このようにして、製作されたヘッドに水性インクを充填して印字させたところ、１億ドット以上のインクの吐出後においても初期状態と何ら変わることのない動作を示した。インクの吐出に必要な印加電力は、４００ｄｐｉのノズルで約２μＪ／ドット（２Ｗ×１μｓ）と小さく、従来技術のヘッドに比べ約１／１０と桁違いに小さい特徴を持っていることは言うまでもない。
【００２６】
なお、Ａｕめっき処理のコストは、めっき面積とめっき厚さの積に比例するので、ボンディングパッド１１のＮｉ薄膜以外は必ずしもＡｕめっきする必要はない。この場合はレジストでめっきの不要なＮｉ薄膜を被覆し、ボンディングパッド部のみをＡｕめっきすれば良く、同様にライン抵抗の低減のために共通Ｎｉ薄膜導体を含めてめっき処理することもある。
【００２７】
また、熱処理によるＡｕとＮｉの相互拡散で、置換Ａｕめっき膜だけではその表面にＮｉが析出し、これが酸化して不動態化し易い。このため、置換Ａｕめっき膜の上に厚付け用無電解Ａｕめっきを追加し、合計厚さを少なくとも１０００〜１５００Åとすることが必要である。こうすることによって、外部回路との接続の作業性（接続歩留り、接続強度等）が完全となり、信頼性も格段に向上することは説明するまでもないであろう。また、ヘッド製造プロセス全体の合理化はヘッドの製造歩留りを向上させ、製造コストを更に引き下げることに貢献している。
【００２８】
【発明の効果】
熱酸化処置工程の直前にＮｉ薄膜のＡｕめっき処理を行うことによって、
（１）発熱抵抗体の一括熱酸化処理が可能
（２）Ａｌ被覆処理なしでインク溝の形成が可能
（３）従来技術のボンディングパッドのＡｕめっき工程が全面的に不要化
（４）ライン抵抗の大きいＮｉ薄膜導体を低抵抗化（１／２〜１／３化）
（５）外部回路との接続歩留りと信頼性の向上
等が達成でき、ヘッドの製造歩留りの向上と製造コストの低減をも達成した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例を工程順に示すヒ−タ基板の断面図である。
【図２】本発明の一例を示すヘッド製造工程を示すフローチャートである。
【図３】従来技術のヘッド製造工程を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１はＳｉ基板、２はＳｉＯ₂層、３はドライバ回路のＡｌ配線、４はボンディングパッド用のスルーホール、６はＴａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金薄膜、７はＮｉ金属薄膜、８は発熱抵抗体、９，９’は配線導体、１０は接続部、１１はボンディングパッド、１２はＡｕめっき被膜、１３は自己酸化被膜、１４はドライバ回路のデバイス部である。

Claims

インク吐出口近傍に設けられた薄膜抵抗体と金属薄膜導体からなる発熱抵抗体にパルス通電することによってインク液路中のインクの一部を急速に気化させ、この気泡の膨張力によって前記吐出口から液滴状インクを吐出させて記録するインクジェット記録装置の製造方法において、
前記発熱抵抗体および前記金属薄膜導体を含む金属薄膜が形成された基板を熱酸化処理し、前記発熱抵抗体の表面に自己酸化被膜を形成する前に、前記金属薄膜導体と、前記金属薄膜導体と外部回路とを電気的に接続する接続用金属薄膜電極とのうち、少なくとも前記接続用金属薄膜電極の表面を金めっき処理しておくことを特徴とするインクジェット記録装置の製造方法。
前記接続用金属薄膜電極は、前記金属薄膜の延長線上に配置されている請求項１に記載のインクジェット記録装置の製造方法。
前記基板に前記熱酸化処理を行う前に、前記金属薄膜導体および前記接続用金属薄膜電極の表面に金めっき処理しておく請求項１または２に記載のインクジェット記録装置の製造方法。
前記金めっき処理は、置換めっき処理を行った後に無電解めっき処理を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のインクジェット記録装置の製造方法。
前記金めっきの厚さは、１０００Å以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のインクジェット記録装置の製造方法。
前記金めっきの厚さは、１５００Å以上であ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装置の製造方法。
前記合金薄膜抵抗体がＴａ−Ｓｉ−Ｏ三元合金から成り、前記金属薄膜導体及び前記外部回路との接続用金属薄膜電極がＮｉから成ることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のインクジェット記録装置の製造方法。
インク吐出口近傍に設けられた薄膜抵抗体と金属薄膜導体からなる発熱抵抗体にパルス通電することによってインク液路中のインクの一部を急速に気化させ、この気泡の膨張力によって前記吐出口から液滴状インクを吐出させて記録するインクジェット記録装置であって、
前記発熱抵抗体および前記金属薄膜導体を含む金属薄膜が形成された基板を熱酸化処理し、前記発熱抵抗体の表面に自己酸化被膜を形成する前に前記金属薄膜導体と外部回路とを電気的に接続する接続用金属薄膜電極とのうち、少なくとも接続用金属薄膜電極の表面を金めっき処理したことを特徴とするインクジェット記録装置。