JP4182035B2 - インクジェットヘッド用基板、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ヘッド - Google Patents

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ヘッドに関するものである。

インクジェット記録方式は、記録手段であるインクジェットヘッドのコンパクト化が容易であり、高精細な画像を高速で記録することができるとともに、特別な処理を施していない所謂普通紙に対しても記録を行うことができることからランニングコストが低廉であるという利点を有している。また、ノンインパクトの記録方式であるため騒音の発生が少なく、しかも多色のインクを使用したカラー画像記録に対応することが容易であるなどの利点も有している。

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ヘッドにも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）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、記録の高精彩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および図２は、それぞれ、一般的なインクジェットヘッド用基板の発熱部の模式的平面図およびそのＩＩ−ＩＩ線断面図である。図２に示すように、基体１２０上には、下層に発熱抵抗体層１０７が、さらにその上層に電極配線層１０３が形成され、電極配線層１０３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１０２が形成される。電極配線のパターン２０５および２０７は基体１２０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１０７は電気抵抗値が高い材料で形成されており、電極配線層１０３を介して外部から電流を流すことによって、電極配線層１０３の非存在部分である発熱部１０２が熱エネルギを発生し、インクを発泡させる。また、電極配線層１０３を形成する材料には、ＡｌもしくはＡｌを含む合金材料が主に用いられている。

かかるインクジェットヘッド用基板において、発熱部１０２については、０．１〜１０マイクロ秒という極めて短時間に１０００℃前後の温度の上昇および下降にさらされること、また発泡と消泡との繰り返しによるキャビテーションがもたらす機械的衝撃が加わること、さらにはエロージョンにさらされることなど、厳しい環境におかれる。そこで、発熱部１０２のインクからの保護および絶縁を行うための保護絶縁膜１０８が設けられる。この保護絶縁膜は耐熱性、耐液性、液浸透防止性、酸化安定性、絶縁性、耐破傷性および熱伝導性に優れていることが要求され、ＳｉＯあるいはＳｉＮ等の無機化合物が一般的に用いられている。また、単層の保護膜だけでは発熱抵抗体層の保護性能が不十分な場合もあることから、ＳｉＯあるいはＳｉＮ等の保護絶縁膜１０８の上層に、より機械的安定性の高い金属（Ｔａ等）の膜１１０（一般的には、そのキャビテーションによるダメージに耐える膜としての性能から耐キャビテーション膜と呼ばれる）が形成されることもある（図２参照）。また、発熱部１０２だけではなく、例えば発熱抵抗体層１０７に対する電気的接続を行うための電極配線層１０３に対しても、インクによる腐食を防止するために同様の構成がとられている。

このようなインクジェットヘッド用基板における上記保護膜の構成は、インクジェットヘッドの性能、例えば消費電力および寿命を決定づける重要なファクタとなっている。

しかしながら、従来の保護膜の構成では、消費電力を下げることと、膜の信頼性を上げ寿命を伸ばすこととは相反する要求になってしまう。

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、発泡を生じさせるための消費電力は少なくてすむ。すなわち、発熱抵抗体上の保護膜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、保護膜が薄すぎると、保護膜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の保護絶縁膜を設け、発熱部においては第１の保護絶縁膜を除去することにより、エネルギー効率を向上して消費電力を下げ、かつ、保護膜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発熱部の模式的断面図であり、断面位置は図１のＩＩ−ＩＩ線に対応している。この構成では、電極配線層１０３の上層として第１保護絶縁膜１０８ａおよび第２保護絶縁膜１０８ｂが形成されており、下層である第１保護絶縁膜１０８ａが発熱部１０２の上方において除去されている。これにより、発熱部１０２上の実質的な保護層の厚みを低減してエネルギー効率を向上する一方、第２保護絶縁膜１０８ｂにより所要の保護絶縁機能を得ている。ここで、第１保護絶縁膜１０８ａは、発熱部１０２に面する電極配線層１０３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 特許第３３８２４２４号公報

ところで、インクジェットプリント装置には、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量化（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、インクの少量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。

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。

図４はその説明図であり、ここでは電極配線Ｅに接続された略正方形状の平面形状を有する発熱部Ｈが示されている。そして、その周縁部Ｎは発泡に寄与せず、周縁より数μｍ程度内側までを除いた領域が有効発泡領域となる。この図から明らかなように、発熱部Ｈの全面積に対する有効発泡領域Ａの面積の割合が大きいほど、熱効率が良好となる。

図５は発熱部の大きさと熱効率との関係を示す説明図である。ここで、発熱部周縁部の発泡に寄与しない領域は、発熱部の面積によらずほぼ一定であるので（通常２〜３μｍ）、この図からも明らかなように、吐出インク量の少量化に伴い発熱部の面積が小さくなるほど、熱効率が低下していくことがわかる。

従って、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１０２に面する電極配線層１０３の端部より発熱部の内側に偏倚した部位で第１保護絶縁膜１０８ａ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保護絶縁膜１０８ａ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。

そこで、本発明は、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効率の低下を防ぎ、かつ信頼性高く、しかも消費電力を下げる省力化をも達成できるようにすることを主たる目的とする。

また、本発明の他の目的は、これ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、
前記電極配線層および前記発熱抵抗体層の上層として配置され、前記発熱部上で前記間隙より広い間隙を有する第１保護層と、
該第１保護層が有する間隔を含め前記第１保護層の上層として配置される第２保護層と、
前記第１保護層と前記第２保護層との間に配置されて前記電極配線層と電気的に接続される第２電極配線層と、
を具え、前記第１保護層より前記第２保護層の方が厚みが小であり、かつ、前記電極配線層より前記第２電極配線層の方が厚みが小であることを特徴とする。

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、
前記電極配線層および前記発熱抵抗体層の上層として第１保護層を配置し、該第１保護層を前記発熱部上で前記間隙より広い間隙を有する範囲で除去する工程と、
前記範囲を含め前記第１保護層の上層として当該第１保護層の厚さより薄い第２保護層を配置する工程と、
を具えるとともに、前記第１保護層を配置する工程後に、前記第２保護層が配置されるに先立って、前記第１保護層の上層として配置されるとともに前記電極配線層と電気的に接続される第２電極配線層であって、前記電極配線層より厚みが小さい第２電極配線層を配置する工程をさらに具えたことを特徴とする。

さらに、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、第１保護膜を除去する際のパターニングを、発熱部を形成するための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、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、有効発泡領域の減少が生じることなく、図ることができる。

また、これ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。

（インクジェットヘッド用基板の第１の実施形態およびその製造工程）
図６および図７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発熱部の模式的平面図およびそのＶＩＩ−ＶＩＩ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、特許文献３と同様、まず基本的には絶縁保護層を２層化（１０８ａ、１０８ｂ）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１０２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１保護絶縁膜１０８ａ）を除去する。また本実施形態では、かかる基本的な構成に加え、基体１２０に形成した蓄熱層１０６の上に電極配線層１０３のパターニングを実施した後に、すなわち電極配線層１０３上に、発熱抵抗体層１０７を配置した構成とする。

図８〜図１１を参照して、図６および図７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。なお、図８〜図１０において、（ａ）は基板の発熱部付近の模式的断面、（ｂ）は同じく模式的平面を示すものである。また、以下の製造工程は、Ｓｉでなる基体１２０、ないしは発熱部１０２を選択的に駆動するためのスイッチングトランジスタ等の半導体素子でなる駆動回路が予め作り込まれた基体１２０に対して実施されるものであるが、簡略化のために以下の図では基体１２０が省略されている。

まず、図８（ａ）および（ｂ）に示すように、基体１２０に対し、熱酸化法、スパッタ法、ＣＶＤ法などによって、発熱抵抗体層の下部層としてのＳｉＯ_２でなる蓄熱層１０６を形成した（駆動回路が予め作り込こまれた基体１２０に対しては、それらの駆動回路の製造プロセス中で形成することができる）。次に、電極配線層１０３となるＡｌ層をスパッタリングにより約３００ｎｍの厚さに形成した。そして、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、図８（ｂ）に示すような平面形状とした。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。本実施形態では、ドライエッチングとしてリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いた。電極配線層として使用されるＡｌもしくはＡｌ合金の一般的なドライエッチングとしては、ＢＣｌ_３およびＣｌ_２の混合ガスが用いられる。これに対して、電極配線層のテーパ形状を得るためにＣＦ_４，ＳＦ_６等のフッ素系のガスが添加される。ＣＦ_４、ＳＦ_６等のガスを添加することにより、レジストの後退が促進され、なだらかなテーパ形状が形成される。

次に、電極配線層１０３上に、ＴａＳｉＮ等の発熱抵抗体層１０７を、反応スパッタリングにより約５０ｎｍの厚さに形成した。この際、発熱抵抗体層１０７を形成する直前には、清浄な表面を露出させる為に逆スパッタ（高周波エッチング）を実施し、基板表面を数ｎｍ程度エッチングした。この逆スパッタは発熱抵抗体層を形成するのと同一装置内において、Ａｒガス雰囲気中で基板にＲＦ電界を印加する事により実施した。
このように逆スパッタ（高周波エッチング）を実施することにより、清浄な表面を露出させると共に、電極配線層の端部におけるエッジを削り落として、より滑らかなテーパ形状を形成し、電極配線層に対するカバレッジ性を向上することができる。そして、フォトリソグラフィ法を用いて、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）法によりエッチングを実施し、図９（ａ）および（ｂ）に示すように、電極配線層１０３および発熱部１０２上に対応する発熱抵抗層１０７の所定パターンを得た。

次に、第１保護絶縁膜１０８ａとなるＳｉＯ膜を、プラズマＣＶＤ法によって約２００ｎｍの厚さに形成した。そして、図１０（ａ）および（ｂ）に示すように、発熱抵抗体層１０７をエッチングストッパーとして、このＳｉＯ膜を発熱部１０２上で除去した（同図において符号３０１で示す部分）。このとき、領域３０１は発熱部１０２の外側でパターニングされるようにした。なお、この工程では、フォトリソグラフィ法を用いて、ウェットエッチングにより形成を行った。

その後、プラズマＣＶＤ法を用いて、第２保護絶縁膜１０８ｂとしてＳｉＮ膜を約２００ｎｍの厚みに形成し、さらにスパッタリング法によって耐キャビテーションおよび耐インク層としてのＴａ層１１０を約２３０ｎｍの厚さに形成し、フォトリソグラフィ法を用いてドライエッチングにより所望の形状に形成して、図１１に示す構成を得た。なお、Ｔａ層は保護絶縁膜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。これは後述の実施形態でも同様である。

本実施形態では、特許文献３と同様、まず基本的には絶縁保護層を２層化した構成を採用したことにより、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１０２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１保護絶縁膜１０８ａ）を除去するとともに、段差の被覆性を良好にする必要がある部分、すなわち配線パターン上においては双方を用いて絶縁保護層を厚くすることが可能となる。これにより、信頼性を維持しつつ、消費電力を低下することが可能となる。

また本実施形態では、かかる基本的な構成に加え、基体１２０に形成した蓄熱層１０６の上に電極配線層１０３のパターニングを実施した後に、すなわち電極配線層１０３上に、発熱抵抗体層１０７を配置したことにより、以下のような顕著な効果が得られる。

まず、電極配線層１０３は、発熱部１０２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１０７で被覆されるため、第１保護絶縁膜１０８ａ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１０２を形成するための電極配線１０３の間隙より広い範囲で実施することが可能となり、発熱部１０２の内側に偏倚した部位で第１保護絶縁膜１０８ａ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。

本発明者らは、上記工程を用いて正方形（一辺２６μｍ）の発熱部を有するインクジェットヘッドを製造し、またこれに対する比較例として、実質的に等しい大きさのインク滴を吐出可能なインクジェットヘッドを特許文献３に示す製造方法により製造して検証を行った。両者に同一のテスト画像を形成させたところ、本実施形態により製造したインクジェットの方が１０％近く消費電力が低下していることが確認された。また、耐久性においても、比較例１と同等の実力があることを確認した。

また、一般的に電極配線層に使用されるＡｌもしくはＡｌ合金は、保護膜形成時に加わる温度が４００℃以上になるとヒロックの発生が顕著になり、このヒロックが電極配線層のカバレッジ性を低下させる原因となるため、これを保護するための保護膜には十分な厚さが必要となる。しかし、電極配線上に発熱抵抗体が形成されていると、保護膜形成時に加わる温度が４００℃以上になっても、高融点金属を含む発熱抵抗体が存在することにより、ヒロックの発生を抑制することができる。

さらに、発熱抵抗体層１０７を形成する前に、電極配線層１０３がパターニングされている基体に対して逆スパッタを実施するようにしたため、電極配線層１０３のパターニング時にテーパ部に形成された突起部を除去することが可能となり、カバレッジ性の低下を防止できる。

加えて、発熱抵抗体層の形成に先立って電極配線層１０３を形成するようにしたことにより、電極配線層のパターニングをＲＩＥにより実施することが可能となり、次のような効果が得られる。

図１２（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、ウェットエッチングにより形成されたテーパ形状およびリアクティブイオンエッチングによりレジストを後退させながら形成したテーパ形状を示している。ウェットエッチングによるテーパ形状では等方的にエッチングが進むために同図（ａ）のように曲線的な断面形状になるのに対し、上述のようにレジストをエッチングするガスを添加すると、レジストのパターン端部が順次後退し、電極配線層の露出部が徐々に増加することによりなだらかな断面形状が形成される。

従って、このように電極配線層をパターニングした後に、その上に発熱抵抗体層を形成することにより、発熱抵抗体層のカバレッジ性が良好となり、さらには、電極配線層の段差部をより薄い保護絶縁膜１０８ｂや耐キャビテーション層で確実に保護することが可能となる。

（インクジェットヘッド用基板の第２の実施形態）
上記第１の実施形態は、図６に示したように、１ノズルに対する電極配線上に発熱部が一つ設けられる形態のインクジェットヘッド用基板に係るものであるが、本発明は、１ノズルに対する電極配線上に２つ以上の発熱部が設けられる形態のインクジェットヘッド用基板に対しても適用することができ、かつ有効である。

図１３はその一例を示し、１ノズルに対する電極配線１０３上に２以上の発熱部１０２が直列に設けられた形態の模式的平面図である。２つの発熱部は、上記第１実施形態と同様の工程により、電極配線層１０３の形成ないしパターニング後に発熱抵抗層の形成ないしパターニングを行うことで同時に形成される。そして、第１絶縁保護層１０８ａをその上に形成した後に、領域３０１'においてこれを除去することで、図１３に示すようなパターンを得ている。

かかる形態は、まず基本的に、２つの発熱部による合成抵抗値を高くすることができるので、発熱部以外（配線抵抗等）での熱損失を減少させることが可能となるという効果が得られるほか、次のような顕著なる効果を得ることもできる。

すなわち、特許文献３に開示されている技術を用いる場合、各発熱部１０２の内側に偏倚した部位で第１保護絶縁膜１０８ａを除去しなければならないために、両発熱部で第１保護層の除去面積が異なると、有効発泡面積が異なってしまうこととなる。すると、この形態では２つの発熱部上の沸騰で生じる２つの気泡をインク吐出の原動力としているため、気泡の生成状態（発泡タイミングおよび気泡の大きさ）が異なってくることになる。これはインク吐出特性に大きな影響を与え、記録品位の低下をもたらすものである。これに対して、本発明を適用して場合には、第１保護絶縁膜１０８ａを除去する際のパターニングを各発熱部に面する端部より外側で実施することが可能となるので、本来的な有効発泡領域に影響を与えることはなく、両発熱部で有効発泡面積が等しくなるので、各ノズルでの気泡の生成状態を好ましく揃えることができ、そのような問題が生じないのである。

（インクジェットヘッド用基板の第３の実施形態およびその製造工程）
ところで、熱エネルギ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では、記録の高解像化、高画質化、高速化に応えるため、ノズル数を増加し、さらに高精細かつ高密度化していくことが求められている。これに対応して、基体上に配設される発熱部の数も増加し、かつこれらを高精細かつ高密度に形成することが求められている。また、これに伴って、熱効率を上げて消費電力を下げる省力化も求められている。かかる省力化の観点からは、発熱抵抗体に接続される電極配線の抵抗の低減を図ることが強く望ましい。通常、電極配線の低抵抗化は基板上に形成される電極配線の幅を広げることにより行われる。しかしながら、基板上に形成されるエネルギ発生部の数が上述した理由により膨大になってくると、基板の大型化を伴わずには電極配線の幅を広げるだけの十分なスペースを確保できなくなる。

図１４（ａ）を用いてこれを説明する。
同図（ａ）の場合、基板（不図示）の端部に配置される端子２０５Ｔに近い発熱部１０２Ｎに対する配線パターン２０５ＮがＹ方向に延在する配線部分において幅Ｗを有しているとき、端子２０５Ｔから遠い発熱部１０２Ｆに対する配線パターン２０５Ｆは、図のＹ方向に延在する配線部分において幅ｘ・Ｗ（ｘ＞１）を有することになる。端子２０５Ｔから各発熱部までの距離すなわち配線の長さは一様ではなく、端子２０５Ｔからの距離に応じて抵抗値が変化するからである。このように、同一平面において配線抵抗の低減ないしは均等化を図る構成では、各発熱部に対する上記配線部分の幅（端子から遠い発熱部に対するものほど大となる）の合計値に見合う面積が基板に求められることになるのである。

従って、上記した記録の高解像化、高画質化、高速化等を達成するために発熱部の数を増加させようとする場合、基体のＸ方向の寸法の増大は一層著しいものとなり、コストアップの要因となるだけでなく、発熱部の実装個数を制約することにもなる。また、各配線の発熱部直近の部分についても、配線抵抗を下げるべくＹ方向の幅を大とすることは、発熱部の配置間隔ないしノズルの高密度配置を制約する要因となり得る。

これに対して、本発明者らは、電極配線を保護絶縁膜を介して複数積層することで基体ないし基板の大型化を防ぎ、発熱部の高密度実装を図る構成を検討した。

図１４（ｂ）に示すように、電極配線を複数の階層を用いて配線抵抗の低減ないし均等化を図る構成の場合には、端子２０５Ｔに近い発熱部１０２Ｎに対する配線パターン２０５Ｎと、端子２０５Ｔから遠い発熱部１０２Ｆ直近の配線パターン２０５Ｆ１とを下層の第１電極配線層、配線部２０５Ｆ１に至るＹ方向の配線部分２０５Ｆ２を上層の第２電極配線層として形成するとともに、配線部分２０５Ｆ２の両端部を、スルーホールを介して端子２０５Ｔおよび配線部分２０５Ｆ１にそれぞれ接続する。かかる構成の場合には、上層の配線部分２０５Ｆ１の幅（ｘ・Ｗ）に見合う面積が基板に求められるのみとなるので、配線抵抗の低減ないし均等化を図りつつも基板の小面積化が可能となる。

そこで、本発明の第３の実施形態では、上述した本発明の基本的な構成に加えて、配線抵抗の低減を図りながら基板の大型化を防ぎ、記録の高解像化、高画質化、高速化等を達成するための発熱部の高密度実装を図るために電極配線を複数の層で構成するとともに、熱効率を上げ、消費電力を下げる省力化を達成する構成を採用する。

図１５（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、本発明の第３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のｍ模式的断面図である。ここで、第１実施形態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。

ここでは、下層の電極配線層１０３を覆う発熱抵抗層１０７の上に、第１の保護絶縁膜１０８を介して電極配線層１０４が形成されており、これら電極配線層（以下、下層のものを第１電極配線層、上層のものを第２電極配線層という）を不図示のスルーホールを介して接続している。また、第２電極配線層１０４および発熱部１０２の上には、これをインクから保護絶縁するための第２の保護絶縁膜１０９が形成され、さらに発熱部１０２に対応する部位に耐キャビテーション膜１１０が形成されている。また、第１保護絶縁膜１０８は上述の第１保護絶縁膜１０８ａと同様に除去されており、これにより第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、電極配線を複数階層としたことで、基板上の電極配線の大面積化を伴うことなく、各発熱部に至る配線抵抗を低減し、かつ発熱部間の配線抵抗の均等化を図ることができる。

図１６〜図１８を参照して、図１５（ａ）および（ｂ）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、第１の実施形態の図８〜図１０と同様の工程により、基体１２０に蓄熱層１０６、第１電極配線層１０３および発熱抵抗体層１０７を順次形成して発熱部１０２を形成した。そして、それらの上に第１保護絶縁膜１０８を形成してから、発熱抵抗体層１０７をエッチングストッパーとして、第１保護絶縁膜１０８を発熱部１０２上かつその外側で除去した。また同時に、第１電極配線層１０３と後に形成される第２電極配線層１０４とが接続されるよう、必要に応じてスルーホールを形成した。なお、第１保護絶縁膜１０８の膜厚は第１電極配線層１０３を十分に被覆し、かつ後に形成される第２電極配線層との絶縁耐圧が十分に確保される厚さとした。本実施形態では、第１電極配線層１０３を約６００ｎｍの厚さとし、第１保護絶縁膜１０８は約６００ｎｍの厚さのＳｉＯ膜とした。

次に、図１６（ａ）および（ｂ）に示すように、第２電極配線層１０４として、Ａｌをスパッタリングにより約３５０ｎｍの厚さに形成し、さらにフォトリソグラフィ法を用いて、ウェットエッチングにより所望の形状に形成した。この第２電極配線層１０４の膜厚を第１電極配線層１０３よりも薄くすることで、後に形成される第２保護絶縁膜１０９を薄化できる。

その後、図１７に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて第２保護絶縁膜１０９としてＳｉＮ膜を形成した。この膜厚は、第２電極配線層１０４を十分に被覆し、かつ熱伝導率を低下させない膜厚とし、本実施形態では約３００ｎｍとした。さらにスパッタリング法によって耐キャビテーションおよび耐インク層としてのＴａ層１１０を約２３０ｎｍの厚さに形成し、フォトリソグラフィ法を用いてドライエッチングにより所望の形状に形成して、図１８に示す構成を得た。

なお、以上の実施形態においては、発熱部１０２に対する電極配線を２層構成としたが、第２保護層１０９上にさらに第３電極配線および第３保護層を積層するなど、電極配線が３層以上設けられている場合にも同様の思想を適用できる。

（インクジェットヘッドの構成例）
続いて、以上のいずれかの実施形態に係る基板を用いたインクジェットヘッドについて説明する。
図１９はインクジェットヘッドの模式的な斜視図である。
このインクジェットヘッドは、所定のピッチで発熱部１０２が形成された発熱部列を２列、並列させてなる基板１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、発熱部１０２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１に対しては、発熱部１０２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、インクジェットヘッド４１０が構成される。

なお、図１９では、各列の発熱部１０２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、各列の発熱部１０２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。

（インクジェットヘッドカートリッジおよびプリント装置）
このインクジェットヘッドは、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プリント装置について説明する。

図２０は上記したインクジェットヘッドを構成要素に含むインクジェット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２０のインクジェットヘッドユニットは、プリント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２１は図２０のインクジェットヘッドユニット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ものである。

図示のインクジェットプリント装置において、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、インクジェットヘッドユニットは、ヘッド４１０の吐出口４がプリント媒体としての用紙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。

プリント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ヘッド４１０の吐出口の配列幅に対応した幅のプリントと用紙Ｐの搬送とを交互に繰り返しながら、用紙Ｐ全体に対するプリントが行われる。

なお、キャリッジ５００は、プリント開始時またはプリント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。

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。 発熱部上の有効発泡領域を説明するための図である。 発熱部の大きさと熱効率との関係を示す説明図である。 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発熱部の模式的平面図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、図６および図７に示した基板の製造工程を説明するためのそれぞれ模式的断面図および模式的平面図である。 （ａ）および（ｂ）は、図６および図７に示した基板の製造工程を説明するためのそれぞれ模式的断面図および模式的平面図である。 （ａ）および（ｂ）は、図６および図７に示した基板の製造工程を説明するためのそれぞれ模式的断面図および模式的平面図である。 図６および図７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。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、ウェットエッチングにより形成されたテーパ形状およびリアクティブイオンエッチングにより形成されたテーパ形状を示す模式的断面図である。 本発明の第２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の模式的平面図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、発熱部に対する電極配線抵抗の低減ないし均等化を図る従来の構成の問題および本発明の第３の実施形態で採用する基本的構成の優位性を説明するための図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、本発明の第３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の模式的断面図および模式的平面図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、図１５（ａ）および（ｂ）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および模式的平面図である。 図１５（ａ）および（ｂ）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。 図１５（ａ）および（ｂ）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。 第１〜第３実施形態のいずれか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。 図１９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２０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。

符号の説明

１０２ 発熱部
１０３ 第１電極配線層
１０４ 第２電極配線層
１０６ 蓄熱層
１０７ 発熱抵抗体層
１０８、１０８ａ 第１保護絶縁膜
１０８ｂ、１０９ 第２保護絶縁膜
１１０ 耐キャビテーション膜
１２０ Ｓｉ基体
４１０ インクジェットヘッド

Claims (9)

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、
   前記電極配線層および前記発熱抵抗体層の上層として配置され、前記発熱部上で前記間隙より広い間隙を有する第１保護層と、
   該第１保護層が有する間隔を含め前記第１保護層の上層として配置される第２保護層と、
   前記第１保護層と前記第２保護層との間に配置されて前記電極配線層と電気的に接続される第２電極配線層と、
   を具え、前記第１保護層より前記第２保護層の方が厚みが小であり、かつ、前記電極配線層より前記第２電極配線層の方が厚みが小であることを特徴とするインクジェットヘッド用基板。
2. 前記電極配線層はＡｌもしくはＡｌ合金で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。
3. 前記発熱部が前記電極配線層に対して直列に複数形成されてい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. 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、
   前記電極配線層および前記発熱抵抗体層の上層として第１保護層を配置し、該第１保護層を前記発熱部上で前記間隙より広い間隙を有する範囲で除去する工程と、
   前記範囲を含め前記第１保護層の上層として当該第１保護層の厚さより薄い第２保護層を配置する工程と、
   を具えるとともに、前記第１保護層を配置する工程後に、前記第２保護層が配置されるに先立って、前記第１保護層の上層として配置されるとともに前記電極配線層と電気的に接続される第２電極配線層であって、前記電極配線層より厚みが小さい第２電極配線層を配置する工程をさらに具えたことを特徴とするインクジェットヘッド用基板の製造方法。
5. 前記除去工程では、前記発熱抵抗層をエッチングストッパー層として前記第１保護層を除去することを特徴とする請求項４に記載のインクジェットヘッド用基板の製造方法。
6. 前記電極配線層を配置する工程は、ドライエッチングによりパターニングを行う工程を有することを特徴とする請求項４または請求項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. 前記発熱抵抗体層を配置する工程に先立って逆スパッタを実施する工程を具えたことを特徴とする請求項４ないし請求項６に記載のインクジェットヘッド用基板の製造方法。
8. 前記発熱抵抗体層を配置する工程後に、前記第１保護層の配置を含め前記基体が４００℃以上にさらされる工程が存在することを特徴とする請求項４ないし請求項７のいずれか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. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の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、
   を具えたことを特徴とするインクジェットヘッド。

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