JP4963679B2 - 液体吐出ヘッド用基体及びその製造方法、並びに該基体を用いる液体吐出ヘッド - Google Patents

液体吐出ヘッド用基体及びその製造方法、並びに該基体を用いる液体吐出ヘッド Download PDF

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Description

本発明は、液体を吐出させるための液体吐出ヘッド用基体及びその製造方法、並びに液体吐出ヘッド用基体を用いる液体吐出ヘッドに関するものである。
インクジェット記録方法は、微少量のインクを液滴として吐出口から高速で吐出することにより、高精細な画像の高速記録が可能であるという特徴を持っている。また、この液体吐出方法により、インクのみならず、各種の液体を吐出させる技術が開発されている。
このインクジェット記録方法を実現するためのインクジェットヘッド(以下、単に記録ヘッドとも言う)は、吐出原理に応じて幾つかの種類に分けることができる。現在では、熱エネルギーを利用してインクを吐出するインクジェットヘッドであって、シリコン基板の上に、発熱部とその発熱部に対応してインクを吐出させるための吐出口とを形成した構成が一般的である。インクジェットヘッド用基体としては、インクを加熱発泡させるための複数の発熱部(ヒーター)及びこれに電気的接続を行う配線等を同一の基板上に作製した構成が一般的である。これらの構成は、半導体製造工程と同様のプロセスを用いて製造することができる。従って、この構成によれば、半導体製造工程と同様のプロセスを用い、発熱抵抗層及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体を容易かつ精度高く製造することができるので、記録の高精細化及び高速化を実現できる。更にこれにより、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は、吐出液体としてインクを用いるインクジェットヘッド用基体の基板上に形成された1つの発熱部及その付近の一般的な構成を示す模式的平面図である。基板1100上に、発熱抵抗層1104が形成され、発熱抵抗層1004を覆うように配線層1105が形成されている。その配線層1105の一部が除去され、そこに発熱抵抗層を露出させ、発熱部1104’が形成されている。
配線は、駆動回路と接続している。駆動回路が基板1100上に形成されている場合、駆動回路に設けられた接続端子を介して外部の電源と接続されている。基板1100外に設けられた駆動回路を用いる場合には、駆動回路と配線とは、配線に設けられた接続端子を介して駆動回路と接続されている。
発熱抵抗層1104は電気抵抗値が高いTaSiN等の材料で形成され、配線層1105を介して外部から電流を流すことによって、発熱部1104’が発熱することで熱エネルギーを発生し、インクを発泡させる。
図14は、図1のインクジェットヘッド用基体におけるII−II部の断面図である。このインクジェットヘッド用基体は、基板120としてSi基板が用いられており、その表面には、熱酸化等で形成されたSiO2層からなる蓄熱層106が形成されている。蓄熱層106上には、インクに熱エネルギーを付与するための発熱抵抗層107と発熱抵抗層107に電圧を印加するための配線103、104とが形成されている。そして、発熱抵抗層107のこれらの配線から露出した部分が発熱部102となる。また、この発熱抵抗層107及び配線103、104上には、これらを保護するための絶縁保護層108が設けられている。更に、絶縁保護層108上には、耐キャビテーション層であるTa層110が設けられている。
少なくとも発熱部102上には吐出口へ連通するインク流路(図示せず)が形成され、発熱部102上の部分が液体のインクと接触する部分となる。金属からなる配線103、104及び発熱部102がインクと接触すると、腐食(エロージョン)等の化学的なダメージを受けることになる。また、発熱部上でのインクの発泡と消泡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によって、これらの部分が物理的なダメージを受け易くなる。そこで、これらの部分を保護及び絶縁するための絶縁保護層108及び上部保護層となるTa層110が形成されている。更に、これらの部分は、例えば、0.1〜10マイクロ秒という極めて短時間に1000℃前後の温度の上昇及び下降に曝されるといった厳しい環境下で使用されるため、絶縁保護層108及びTa層110は、かかる使用環境下において、これらの部分を保護する役割も担っている。
従って、保護層には、耐熱性、耐液性、液浸透防止性、酸化安定性、絶縁性、耐破傷性、及び熱伝導性に優れていることが要求され、シリコン酸化層あるいはシリコン窒化層等の無機化合物が一般的に用いられている。シリコン酸化層あるいはシリコン窒化層のような絶縁保護層108だけでは、発熱抵抗層の保護性能としては不十分な場合もある。そこで、図14に示すように耐キャビテーション性の高いTa層110等の金属で構成された上部保護層が、絶縁性の保護層108上に形成されている場合が多い。
デジタルカメラの普及及び高精細化に伴い、インクジェット記録装置により記録される画像には、高解像化、高画質化、高速化が求められている。高解像化、高画質化の解決手段の一つとして、1ドット当りの吐出インク量小液滴化(インクを滴として吐出する場合にはインク滴の小径化)がある。従来、インクの小液滴化には、吐出口開口の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による対応がなされてきた。
また、高速記録の要求に対しては、例えば以下の対応がなされてきた。
(1)電気熱変換素子を駆動する電気パルスの幅を短くし、駆動周波数を上げ、単位時間当たりの吐出回数を増加させる。
(2)インクを吐出させる吐出口の数を増やすことで、1回のインクの吐出により記録可能な面積を増加させる。
このうち、駆動周波数を上げるという対応の場合、配線の抵抗が小さいことが重要であり、同じ材料を使って配線の抵抗を下げるためには、配線の幅を広くする、あるいは配線の層厚(膜厚)を厚くする必要がある。また、インク吐出口の数を増やすという対応の場合、配線の幅が広いと単位面積あたりのインク吐出口の数が減るために、記録ヘッドそのもののサイズが大きくなるので、配線の層厚を厚くすることが行なわれている。
また、配線層を厚くすると、発熱部を形成する発熱抵抗層と配線層との段差部及び配線と蓄熱層との段差部における段差が大きくなり、段差部でのカバレッジ性を考慮すると、絶縁性保護層の厚さを厚くしなければならず、そのため、保護層は厚くなる。
しかしながら、駆動周波数を上げ、吐出口数を増加させると発熱部で発生する熱の総量が大きくなり、発熱部で発生した熱が基板に蓄積されて記録ヘッドの昇温をもたらすことになる。記録ヘッドが昇温すると、場合によっては記録動作を中断させなければならなくなり、記録のスループットが低下するという新たな問題が発生する場合がある。
発熱抵抗層とインクに接する面との間の保護層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、記録ヘッドの蓄熱ないしは昇温の問題を抑制することができ、かつ発泡を生じさせるための消費電力も少なくてすむ。すなわち、発熱部上の保護層の実効的な厚みが薄いほどエネルギー効率がよくなる。
一方、保護層が薄すぎると、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層の腐食を引き起こし、その結果、信頼性の低下及び寿命の低下が発生する場合がある。
更に、保護層に存在するピンホール等によりインクが侵入し、配線や発熱抵抗層が腐食することがある。
そこで、保護層の厚さを薄くしても、上記の問題を起さず、発熱部で発生した熱を効率的にインクに作用させ、インクの吐出に利用するように層構成を工夫する試みがなされている。
特開平8−112902号公報には、この問題に対処するための基体として、図13に示す構成が開示されている。この基体101では、基板120として、シリコン基板あるいはIC素子作り込み済みのシリコン基板が用いられている。基板120の表面には、蓄熱層106としてのSiO2層が設けられている。蓄熱層106の表面には、更に、発熱部を形成するためのTaN層である発熱抵抗層107及び配線103、104となるAl層が形成されている。これらの配線パターンは、配線パターン以外の部分の発熱抵抗層107及びAl層を除去することで形成される。発熱抵抗層107が露出するようにAl層の一部を除去することで、その部位に発熱部102が形成される。このAl層の一部除去により、Al層の対向する2つの端部が形成され、各端部からの部分がそれぞれAl配線103、104となる。発熱部102(発熱抵抗層107であるTaN層の露出した部位)、Al配線103、104を覆う第1の絶縁保護層108aが形成される。絶縁保護層108aの発熱部102に対応する部分は除去されている。更に、少なくとも発熱部102を覆う位置に、第2の絶縁保護層108b及びTa保護層110が形成されている。
図13に示した構造にすることで、第1及び第2の絶縁保護層108a、108b、並びにTa保護層110からなる保護層において、発熱抵抗層107の発熱部102上の部分105を、それ以外の部分に比べ局部的に薄く形成することができる。その結果、エネルギー効率を向上させて消費電力を下げ、かつ、保護層としての信頼性を上げ寿命を伸ばすことが可能となる。
特開平8−112902号公報に記載された具体例においては、Al層の厚さを600nm、TaN層の厚さを100nmとしている。第1の絶縁保護層108aとしては、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法によって形成された700nmの層厚のウエットエッチングレートの速いPSG層(SiO等も可能)が用いられている。第2の絶縁保護層108bとしては、プラズマCVD法により形成された層厚300nmのシリコン窒化層が用いられている。ここでPSG層とシリコン窒化層とは300℃以上の成膜温度で形成されているので2層間の密着性は良好である。耐キャビテーション及び耐インク層としてのTa保護層110は、スパッタリング法により層厚250nmで形成されている。
記録される画像の大サイズ化、記録出力枚数の増加等の要因により、インクジェット記録装置の更なる高速化が要求されている。このために発熱部の発熱抵抗層を発熱駆動する駆動周波数の周波数の高周波化と吐出口の増加とが行なわれている。この吐出口の増加に伴い、配線の幅を狭めた場合、配線層の厚さをそのままとすると、配線の抵抗が高くなる。そこで、配線を低抵抗状態に維持する、あるいは更なる低抵抗化を図るためには、配線層の厚さを更に厚くする必要がある。
特開平8−112902号公報に開示された構成では、配線の段差の良好なカバレッジを確保するために層厚700nmの絶縁保護層(PSG層)を形成した後、発熱抵抗層の露出した面に更にインクに対して耐性のあるシリコン窒化層を層厚300nmで形成している。Al層の表面に比べ発熱抵抗層であるTaN層の表面は平滑であるので、平滑性が低い表面における凹凸を覆うために層を厚く形成する必要はない。そのため、TaN層上ではシリコン窒化層を薄く形成することが可能である。更に、シリコン窒化層とPSG層(シリコン酸化層)との密着性が高いためにシリコン窒化層を薄層化してもPSG層とシリコン窒化層との界面で剥がれが生じることがない。近年の高周波化及び液滴の小口径化を考えると吐出口と絶縁保護層の薄い部分105(発熱部)との間隔を狭くすることが好ましく、絶縁保護層の薄い部分105とそれ以外の部分との段差が小さい方が好ましい。
プラズマCVD法によって形成される絶縁保護層の層質は、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。成膜温度をより高温とするには、配線などに、成膜温度に対する耐熱性のある材料を用いる必要がある。例えば、Al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ることで、成膜温度をより高温にすることができる。
しかしながら、Alとシリコン等の化合物や、チタンシリサイド等のシリサイドは、アルミニウム単独に比べて高抵抗なために、これらの材料を用いて配線を形成した場合は、配線層の厚さを厚くすることが必要となる。そのため、絶縁保護層での更なるカバレッジ性が要求される。更に、Al系の合金は高温に曝されると表面の平坦性が失われる場合があり、そのような場合には、配線上に形成する絶縁保護層の層厚を更に厚くする必要が生じる。すなわち、成膜温度を上げるには種々の課題が存在する。
更に、プラズマCVD法で形成される絶縁保護層は、膜質(層質)が十分緻密でなく、下記の問題を有している場合があった。
(1)インクに対して一定の保護機能を有しているものの、膜質が必ずしも十分ではなく、ある種のインクに対して層の一部が溶出する。あるいは、段差部においてカバレッジ性が十分でないために、被覆不良の部位を起点としてインクが内部に侵入してしまい、断線や吐出不能になる場合があった。
(2)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ことで削られるので、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している。
また、配線部の段差は急峻であるため応力が集中しやすく、その応力集中部を起点としてクラックが発生しやすくなる。従って、段差部のカバレッジ性を向上させるためには、熱的、機械的な応力等の変化に対して追従できるような膜質(層質)の絶縁保護層であることが好ましい。層質としては比較的軟らかいものが好ましいと考えられる。
しかしながら、このような膜質のものはインクに対する耐性が必ずしも十分ではなく、上述したようにインクに対して層の一部が溶出したり、被覆不良部を起点としてインクが内部に侵入する場合があった。
従って、記録ヘッド等の液体吐出ヘッドに用いる絶縁保護層は、インク等の液体に接する部分においては緻密で化学的及び物理的に安定し、薄層化してもインクに対して耐性があり、段差部においては層のクラック等が発生せずに、カバレッジ性に優れた層であることが要求される。
特開平8−112902号公報
本発明の目的は、発熱部の発熱抵抗層で発生した熱エネルギーを高効率に液体に伝達でき、消費電力の削減を可能とする液体吐出ヘッド用基体及びその製造方法、並びに該基体を用いる液体吐出ヘッドを提供することにある。
本発明の更なる目的は、液体に対する耐性に優れ、段差部におけるカバレッジ性が良好であり、信頼性の高い吐出動作を可能とする液体吐出ヘッド用基体及びその製造方法、並びに該基体を用いる液体吐出ヘッドを提供することにある。
本発明の更なる目的は、低温における成膜が可能であり、配線に用いるAl等によるヒロックの発生を少なくすることができ、信頼性の高い液体吐出ヘッドを提供することにある。
本発明の更なる目的は、比較的低温で膜応力の小さい成膜が可能であり、チップの変形を抑え、多ノズル化や長尺化に対応した液体吐出ヘッドを提供することにある。
本発明にかかる液体吐出ヘッド用基体の第一の態様は、
基板と、
該基板の上に形成された絶縁材料からなる絶縁層と、
該絶縁層の上に設けられた通電により発熱する材料からなる発熱抵抗層と、
該発熱抵抗層の上に設けられ、前記発熱抵抗層に通電するために用いられる一対の配線と、
前記発熱抵抗層と前記一対の配線とを覆うように、絶縁材料からなる層を複数有する縁保護層と、を有し、
前記絶縁保護層が有する複数の層の少なくとも1層がラジカルシャワーCVD法形成された層であることを特徴とする。
本発明にかかる液体吐出ヘッド用基体の第二の態様は、
基板と、
該基板の上に形成された絶縁材料からなる絶縁層と、
該絶縁層の上に設けられた通電により発熱する材料からなる発熱抵抗層と、
該発熱抵抗層の上に設けられ、前記発熱抵抗層に通電するために用いられる一対の配線と、
前記発熱抵抗層と前記一対の配線とを覆うように、ラジカルシャワーCVD法により形成された絶縁材料からなる絶縁保護層と、
を有することを特徴とする。
本発明にかかる液体吐出ヘッド用基体の製造方法の第一の態様は、
絶縁材料からなる絶縁層と、通電により発熱する材料からなる発熱抵抗層と、前記発熱抵抗層に通電するために用いられる一対の配線と、がこの順に積層された基板を用意する工程と、
前記発熱抵抗層と前記一対の配線とを覆うように、絶縁材料からなる層を複数積層して絶縁保護層を形成する工程と、
を有し、
前記絶縁保護層が有する複数の層の少なくとも1層をラジカルシャワーCVD法により形成する
ことを特徴とする。
本発明にかかる液体吐出ヘッド用基体の製造方法の第二の態様は、
絶縁材料からなる絶縁層と、通電により発熱する材料からなる発熱抵抗層と、前記発熱抵抗層に通電するために用いられる一対の配線と、がこの順に積層された基板を用意する工程と、
ラジカルシャワーCVD法を用いて、前記発熱抵抗層と前記一対の配線とを覆うように絶縁材料からなる絶縁保護層を形成する工程と、
を有することを特徴とする。
本発明の液体吐出記録ヘッドは、上記構成の液体吐出ヘッド用基体を用いたことを特徴とする。
本発明の液体吐出ヘッド用基体及び液体吐出ヘッドは、インクを含む種々の液体の吐出に利用できる。以下、液体としてインクを用いる場合について、液体吐出ヘッドをインクジェットヘッド、液体吐出ヘッド用基体をインクジェットヘッド用基体として本発明を説明する。
本発明にかかるインクジェットヘッド用基体において、発熱抵抗層とその上に配された電極配線層とを覆う絶縁保護層は、以下の構成を採ることができる。
(1)RS(ラジカルシャワー)−CVD法で得られた一層からなる絶縁保護層。
(2)RS−CVD法で得られた複数の層からなる絶縁保護層。
(3)複数の層からなり、少なくともCat(触媒)−CVD法により形成された層の下層としてRS−CVD法で得られた層を含む絶縁保護層。
(4)複数の層からなり、通常のプラズマCVD法で形成した層の中に、RS−CVD法で得られた層を含む絶縁保護層。
なお、上記(1)の絶縁保護層は、その厚さ方向に組成が変化したものでもよい。また、上記(2)〜(4)の複数の層の少なくとも2層間で組成が異なる場合があってもよい。
ラジカルシャワーCVD法は「Radical shower chemical vapor deposition」法であり、RS−CVD法と称す。このRS−CVD法は、通常のプラズマCVD法とは異なり、プラズマ化させたラジカル生成ガスから取出した中性ラジカルを、材料ガスと反応させることにより基板上に薄膜形成を行なうものである。そのため、50〜400℃程度、好ましくは100〜300℃の低温で緻密な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通常のプラズマCVD法に比べて、欠陥の少ない緻密な膜(層)の低温での形成が可能となる。その結果、膜応力を低減させることができ、チップの変形を抑え、信頼性の高いインクジェットヘッドを提供することができる。更に、RS−CVD法により得られる保護層は薄膜としても保護機能を十分維持しており、発熱抵抗層からの熱エネルギーを有効に利用できるものである。すなわち、RS―CVD法によれば、プラズマダメージフリーな薄膜形成が可能となる。
更に、配線にアルミニウムあるいはアルミニウム系の合金(例えば、Al−Si等)を用いた場合、プラズマを用いたCVD法では成膜時の基板温度以外にプラズマによるダメージも加わり表面粗れが生じる場合がある。これに対して、RS−CVD法の場合、プラズマを発生させるチャンバーと、材料ガスを反応させて薄膜を形成するチャンバーは異なるために温度以外のダメージが表面に加わらない。その結果、表面粗れが発生しないので、Al系の配線の表面に厚い絶縁保護層を形成する必要がなくなる。
また、RS−CVD法では基板近傍において中性ラジカルと材料ガスとの反応により成膜が行われる。発熱部の形成により段差部が形成されている基板上でのRS−CVD法による成膜では、中性ラジカルが段差部に入り込み、その部分において材料ガスと反応して膜(層)が形成される。その結果、カバレッジ性の良好な膜(層)を段差部に得ることが可能となる。すなわち、本発明のインクジェットヘッド用基体は、複数層構成の絶縁保護層のうち、少なくとも1つの層をRS−CVD法により形成しているので、段差部におけるカバレッジ性が良好な保護層を有することができる。
また、RS−CVD法では、高エネルギーの粒子を発生させるチャンバーと薄膜形成を行うチャンバーが異なるため、プラズマによるダメージがなく、膜の応力をコントロールし易い。その結果、本発明の保護層の上に有機樹脂等からなる部材を形成する場合は、特に、有機樹脂等との応力のバランスを考慮して薄膜形成を行うことができる。また、インクジェットプリンターの今後の高速化に対応した多ノズル化や長尺化に対しては、記録素子基板自体の変形が懸念され、その変形を抑えるために膜の応力を低減させることが必要であり、有効な手段となる。
触媒−CVD法は、「Catalytic chemical vapor deposition」法であり、Cat―CVD法と称する。このCat−CVD法では、高温に加熱された熱触媒体に原料ガスを接触させ、熱触媒体との接触分解反応を利用して基板上に薄膜形成が行われる。そのため、50〜400℃程度、好ましくは100〜300℃の低温で緻密な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(層)の形成ができ、膜応力を低減させることができる。Cat−CVD法により得られた保護層は、これを薄膜化しても保護機能を維持しており、Cat−CVD法により得られた薄膜としての保護膜を用いることにより、発熱抵抗体からの熱エネルギーを有効に利用することができる。
さらに、少なくもインクに接する最上層を、Cat−CVD法により形成した場合、上述したように緻密で応力の小さい絶縁保護層とすることができる。その結果、RS−CVD法で形成した保護層と積層することにより、段差部でのカバレッジ性の更なる向上と、インクに対する耐性に優れたインクジェットヘッド用基体を提供することができる。
更に、Cat−CVD法による保護膜は、従来の絶縁保護膜よりも緻密な膜であり、耐キャビテーション性があるのでTa等の金属膜からなる上部保護層を形成しないことも可能となる。また、発熱部の保護層の膜厚を薄くすることが可能となり、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、記録ヘッドの蓄熱ないしは昇温の問題を抑制することができる。
今後のインクジェットプリンターの更なる高速化・高解像度化に対応するためには、更なる多ノズル化が要求される。この場合、プリンタヘッドからのインクを噴射するサイクルの短縮だけでなく、吐出口数を増やすことによる高速化への対応が行なわれている。吐出口数を増やす場合、記録媒体の搬送方向の吐出口数を増やすことが多い。この結果、記録素子基板がより長尺化する。
半導体集積回路(LSI)のチップは正方形に近い矩形であるので保護膜(層)の応力による変形が少ないが、プリンタヘッド用のチップ(記録素子基板)は、一辺に対し他の片が極端に長い長尺状のチップとなる。このため、チップの変形、破壊の原因となる保護層の応力を低減しておことが必要であり、有効な手段となる。
カラー画像形成用のインクジェットプリンターのインクジェットヘッドには、カラーの色再現性を改善するため、多数の色のインクが用いられる。この結果、弱アルカリ性〜中性〜弱酸性のインクと種々のpHのインクが用いられる。これらのインクが直接膜(層)に接し、且つ、インクを、熱エネルギーを利用して吐出させる際に加熱発泡させるため、インクジェットヘッドに用いる保護膜には種々の制約が課せられる。
更に、インクジェットヘッドに用いる絶縁保護層には、インクに対する耐性だけでなく発熱部からの熱を効率的にインクに伝達することが要求される。このため一般的な半導体分野の素子に比べて制約が大きく、インクへの耐性やエネルギーの観点からの膜設計が要求される。
本発明の液体吐出ヘッド用基体には、少なくとも、RS−CVD法により形成された保護層が用いられており、本発明によれば上述の要求を満たすことができる。
以下、本発明に係る実施例を図面に基づいて説明する。但し、本発明は、以下に説明する各実施例のみに限定されるものでなく、本発明の目的を達成し得るものであれば、特許請求の範囲を逸脱することなく適宜の構成を採用してもよいことは言うまでもない。
(実施例1)
以下、図面を参照して実施例1を詳細に説明する。図1及び図2は、それぞれ、本発明に係る実施例1のインクジェットヘッド用基体の発熱部周辺の模式的平面図及びそのII−II線断面図である。ここで、図1〜図2の各部で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。
図1は、インクジェットヘッド用基体1100形成された配線パターン1105の一部の電極配線層1105が除去され、配線パターン1105の下に形成された発熱抵抗層1104がその部分で露出している。
図2に示すように、シリコン製の基板1101からなるインクジェットヘッド用基体1100に絶縁性の蓄熱層1102及び層間膜1103がこの順に形成され、層間膜上に発熱抵抗層1104及び電極配線層1105がこの順に形成されている。電極配線層1105の一部が除去され発熱抵抗層1104が露出した部位が、発熱部1108となる。発熱抵抗層1104及び電極配線層1105は、図1に示される配線パターン1105の形状をしている。更に、配線パターン1105上に絶縁保護層1106が形成されている。そして、絶縁保護層1106の上方(発熱抵抗層及び電極配線のある側とは反対側)には液路としてのインク流路が形成されている。つまり、絶縁層(蓄熱層)の上に、発熱抵抗層、配線、絶縁保護層、インク流路の順に構成されている。
次に、上述のインクジェットヘッド用基体の製造方法を説明する。まず、平面の結晶方位が<100>のシリコン製の基板1101を用意する。この<100>の結晶方位を持つシリコン製の基板1101を用いることで、例えば、エッチングの開始面から深さ方向に54.7°の傾斜を持って狭くなる孔を異方性エッチングにより形成することができる。
尚、基板1101は、予め駆動用の回路を作り込んだシリコン基板を用いても良い。
次に、基板1101上に熱酸化法により層厚1.8μmの蓄熱層1102となるシリコン酸化層を形成し、さらに蓄熱層を兼ねる層間膜1103としてシリコン酸化層をプラズマCVD法により層厚1.2μmに形成した。駆動用の回路を作りこんだシリコン基板を用いる場合、駆動用の回路を構成する半導体素子間を分離する局所酸化層の形成時の熱酸化層を用い、半導体素子を形成後、シリコン酸化層をプラズマCVD法により形成することができる。
次に、発熱抵抗層1104となるTaSiN層及び電極配線層1105となるAl層を、スパッタリング法を用いて形成した。
まず、合金ターゲットとしてTa−Siを用いた反応性スパッタリング法により、発熱抵抗層層1104となるTaSiN層を形成した。TaSiN層の形成は、図7に示すスパッタリング装置を用いて行なった。このスパッタリング装置では、成膜室4009内に平板マグネット4002が設置され、所定の組成に作製されたTa−Siターゲット4001がその上に載置されている。Ta−Siターゲット4001に対向して配置された基板ホルダー4003上には、基板4004が載置されている。成膜時に基板を所定の温度に保持するため、基板ホルダー4003を昇温するための内部ヒーター4005が基板ホルダー4003内に配置されている。ターゲット4001と基板4004との間には、シャッター4011が形成されている。
ターゲット4001と基板4004との間に電位差を与える直流電源4006の+側の端子が基板ホルダー4003に、−の端子がターゲット4001に接続されている。成膜室4009の外側には、成膜室4009内の温度を制御する外部ヒーター4008が形成されている。成膜室4009内は、外部の真空装置(不図示)と排気口4007を介して接続される。更に、成膜室4009には、成膜時にガスを供給するガス供給口4010が設けられている。
TaSiN層の形成においては、まず、成膜室4009を排気した後、N2ガス分圧比が16%になるようにArガスを42sccmで、N2ガスを8sccmで供給した。その後、Ta−Siターゲットに投入するパワーを500W、雰囲気温度を200℃、基板温度を200℃として、40nmの厚さにTaSiN層を形成した。続いて、配線層1105となるAl層を同様にしてスパッタリング法を用いて400nmの厚さに形成した。
次に、フォトリソグラフィー法を用いてドライエッチングを行い、発熱抵抗層層1104及び配線層1105を同時にパター二ングした。続いて、フォトリソグラフィー法を用いてドライエッチングを行い、配線層1105の一部をエッチング除去してヒーターとして機能する20μm×20μmの大きさの発熱部1104’を形成した。尚、パターニングされた配線層の端部は、後の工程で形成される保護層による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ので、Alのドライエッチングエッチングは等方性エッチングの条件で行うことが好ましい。Alのエッチングはドライエッチング以外にウェットエッチングで行うことも可能である。
続いて、絶縁保護層1106となる層厚250nmのシリコン窒化層を、RS−CVD法を用いて形成した。
次に、図8の概略図を用い、RS−CVD装置を説明する。RS−CVD装置は、隔壁プレート301によってプラズマ室302と成膜室303とに分離される。原料ガスとしては、ラジカルを生成するガスと材料ガスを用いる。ラジカルを生成するガス(例えばNH3、酸素ガス等)をガス導入管304よりプラズマ室302へ導入し、高周波電源(RFまたはVHF)を用いた電極305によりプラズマ放電させることにより、ラジカルが生成され、成膜室303に導入される。
材料ガスは、ガス導入管306により隔壁プレート301内に導入され、隔壁プレート301に設けられた開口部から成膜室303へ導入される。
成膜室303に導かれたラジカルと材料ガス(例えばSiH4、必要に応じてキャリアーガスとしてArやHeが添加される)とが反応し、基板ホルダー307上に載置された基板上に薄膜が形成される。尚、成膜室303を減圧するための排気ポンプ308が配されている。
このように、RS−CVD装置はプラズマ室と成膜室を分離したことを特徴とし、成膜される基板が直接プラズマ生成反応にさらされることがないため、得られた膜の欠陥が少なく緻密な膜形成(層形成)が可能となる。
シリコン窒化層を成膜する場合は、ラジカルを生成するガスとしてアンモニア(NH3)を、また材料ガスとしてはモノシラン(SiH4)や、ジシラン(Si26)等をキャリアーガスのArやHeとともに用いることができる。
また、シリコン酸窒化層、シリコン酸炭化層、シリコン窒素炭化層を成膜する場合は、酸素やメタン(CH4)ガス等を適宜導入することにより形成することができる。
基板の温度を制御するため、基板ホルダー307に温度制御装置(基板温度を高温に保持する場合は、ヒーター、基板温度を低温に保持する場合は、冷却装置)を設けても良い。
本実施例では、図8の装置を用いた成膜は、以下のように行なった。
まず、排気ポンプ308を用いて成膜室303を1×10-5〜1×10-6Paまで排気する。次いで、NH3ガスを、500sccmの流量でマスフローコントローラー(不図示)を介してガス導入口304からプラズマ室302に導入した。次に、高周波電源により800Wの電力を印加してプラズマを発生させ、隔離プレート301を介して成膜室303に窒素ラジカルを導入した。
次に、SiH4ガスを20sccmで、Arガスを50sccmでガス導入口306より導入し、窒素ラジカルとSiH4ガスとの反応によりシリコン窒化層の形成を行った。尚、この時の成膜圧力は20Pa、成膜温度は300℃であった。
成膜されたシリコン窒化層の層厚(膜厚)は250nm、膜応力は200MPa(引っ張り応力)であった。
導入するガスの組成を連続的あるいは段階的に変化させることにより、層厚方向で組成を変化させたシリコン窒化層等の絶縁保護層を形成することもできる。
例えば、NH3ガスとSiH4ガスの流量を変化させることにより、シリコン窒化層の組成を変化させた絶縁保護層を形成することができる。
また、原料ガスとして前述したNH3ガスやSiH4ガスに加えて、酸素を添加することによりシリコン酸窒化層を作製することができる。
続いて、上述のインクジェットヘッド用基体1100を用いて構成されるインクジェットヘッドを図5に示すインクジェットヘッドの模式的な斜視図を用いて説明する。
インクジェットヘッド1000では、所定のピッチで発熱部1108が形成された発熱部列を2列、並列させたインクジェットヘッド用基体1100を用いている。尚、2枚のインクジェットヘッド用基体1100を、発熱部1108が配列されている側の縁部を挟んで対向配置することで並列化してもよいし、1枚のインクジェットヘッド用基体上に予め発熱部が2列並列するようにしてもよい。
発熱部1108が形成されたインクジェットヘッド用基体1100上に吐出口5が形成された部材(流路形成部材)4が、発熱部1108と対応した位置に吐出口が配される様に接合され、インクジェットヘッド1000が構成される。部材(流路形成部材)4には、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ている。
尚、図5では、各列の発熱部1108及びインク吐出口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1108及びインク吐出口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もできる。
図6は、図5のインクジェットヘッドを製造する工程を示す模式的断面図である。
発熱部1002が形成されたインクジェットヘッド用基体1001の裏面に形成されたシリコン酸化層1007上に、インク供給口1010を形成するための耐アルカリ性を有するパターニングマスク1008を形成する。
シリコン酸化層のパターニングマスク1008の形成は次のようにして行うことができる。まず、マスク剤をスピンコートなどによって基板1001の裏面に全面塗布し、熱硬化させる。そして、その上にポジ型レジスト(不図示)をスピンコートなどによって塗布し、乾燥させる。その後ポジ型レジストを、フォトリソグラフィー技術を用いてパターニングし、ポジ型レジストをマスクとして、パターニングマスク1008となるマスク剤の露出された部分をドライエッチングなどによって除去する。最後にポジ型レジストを剥離して、所望のパターンのパターニングマスク1008を得る。
次に、発熱部1108が形成された面上に型材1003を形成する。型材1003は後の工程で溶解されるが、流路形状に形成された後に溶解された型材が存在していた空間部分をインク流路として形成するものである。そのため、所望の高さ及び平面パターンのインク流路を形成するために、適切な高さ及び平面パターンに型材1003を形成する。
型材1003としては、例えば、ポジ型フォトレジストを用い、これをドライフィルムのラミネート、又は、スピンコートなどによって基板1001上に所定の厚みで塗布する。次に、紫外線、DeepUV光などによって露光、現像を行うフォトリソグラフィー技術を用いてパターニングする(図6(a))。
次に、型材1003を被覆するように、流路形成部材1004の素材をスピンコートなどによって塗布し、フォトリソグラフィー技術によって、所望の形状にパターニングする。そして、発熱部1108と対向する位置にインク吐出口1005をフォトリソグラフィー技術によって開口する。
その後、インク吐出口1005が開口された流路形成部材1004の面には、ドライフィルムのラミネートなどによって撥水層1006を形成する(図6(b))。
流路形成部材1004の材料としては、感光性エポキシ樹脂、感光性アクリル樹脂などを用いることができる。流路形成部材1004は、インク流路を構成するものであり、インクジェットヘッド使用時には常にインクと接触することになる。そのため、その材料としては、特に、光反応によるカチオン重合性化合物が適している。また、流路形成部材1004の材料としては、使用するインクの種類及び特性によって耐久性などが大きく左右されるので、使用するインクによっては、上記の材料以外の相応の化合物を選択してもよい。
次に、基板1001を貫通する貫通口であるインク供給口1010の形成を行う。この際、インクジェットヘッドの機能素子が形成された面や基板1001の側面にエッチング液が触れないように、樹脂からなる保護材1011をスピンコートなどによって塗布することでこれらの部分を覆う。保護材1011の材料としては、異方性エッチングを行う際に使用する強アルカリ溶液に対して十分な耐性を有する材料を用いる。このような保護材1011によって流路形成部材4の上面側をも覆うことによって、撥水層1006の劣化を防ぐことも可能となる。次に、予め形成しておいたパターニングマスク1008を用いて、シリコン酸化層1007をウェットエッチングなどによってパターニングし、基板1001の裏面を露出するエッチング開始開口部1009を形成する(図6(c))。次に、シリコン酸化層1007をマスクとして異方性エッチングによってインク供給口1010を形成する。異方性エッチングに用いるエッチング液としては、例えば、TMAH(テトラメチルアンモニュウムハイドロオキサイド)の22重量%溶液を用いることができ、この溶液の温度を80℃に保ちながら所定時間(十数時間)エッチングを行い、貫通口を形成する。その後、パターニングマスク1008と保護材1011を除去する。そして、更に、型材1003を溶解させ、インク吐出口1005、インク供給口1010から溶出させて除去し、乾燥させる(図6(d))。
型材1003の溶出は、DeepUV光によって全面露光を行った後、現像を行うことによって実施でき、必要に応じて現像の際、超音波浸漬すれば、型材1003を除去することができる。
このように製造された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。
尚、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。
次に、インクジェットヘッドをインクタンクと一体化したカートリッジ形態のユニット(図9)及びこれを用いたインクジェット記録装置(図10)について説明する。
図9は、記録装置に装着可能なカートリッジの形態を有するインクジェットヘッドユニット410の構成例を示す図である。インクジェットヘッドユニット410には、インクジェットヘッド5が配置されている。インクジェットヘッド5は、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に配され、インクタンク404と接合されている。インクジェットヘッド5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。
図10は図9のインクジェットヘッドユニットを用いて記録を行うインクジェット記録装置の概略構成例を示すものである。インクジェット記録装置では、無端ベルト501に固定されたキャリッジ500が、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(図中のA方向)に主走査される。キャリッジ500上には、カートリッジ形態のインクジェットヘッドユニット410が搭載されている。インクジェットヘッドユニット410は、インクジェットヘッドの吐出口5が記録媒体としての用紙Pと対向し、かつ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。尚、インクジェットヘッド410及びインクタンク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。
記録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510及び511と、下流側一対のローラユニット511及び512とにより支持されて搬送される。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記録と用紙Pの搬送とを交互に繰り返しながら、用紙P全体に対する記録が行われる。尚、キャリッジ500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(吐出口形成面)をキャッピングするキャップ部材513が設けられている。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。
(実施例2)
実施例2では、図2の構成と異なり、図3に示すように、第一保護層1106a上に第二保護層1106a’が、それぞれRS−CVD法を用いて形成されている。図2の絶縁保護層1106を除いた構成と、図3の第一保護層1106a及び第二保護層1106a’を除いた構成とは、同様の構成及び製造方法である。
まず、第一保護層1106aとして、NH3ガスを500sccmで、O2ガスを200sccmで、SiH4ガスを20sccmで、Arガスを50sccmで流し、成膜圧力を20Pa、基板温度350℃の条件で成膜し、層厚200nmの厚さにシリコン酸窒化層を形成した。
第二保護層1106a’としては、NH3ガスを500sccmで、SiH4ガスを30sccmで、Arガスを50sccmで流し、成膜圧力を15Pa、基板温度350℃の条件で成膜し、層厚100nmの厚さにシリコン窒化層を形成した。
本実施例においては、いずれもRS−CVD法を用いて、比較的カバレッジ性が良好なシリコン酸窒化層を第一保護層として形成し、その上に比較的耐インク性に優れたシリコン窒化層を第二保護層として形成した。
(実施例3)
本実施例においては図4のように、シリコン窒化層からなる絶縁保護層1106を、RS−CVD法を用いてその組成を層厚方向で変化させて形成した。具体的には、シリコン窒化層は、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ことにより耐インク性に良好な層となるように形成した。つまり、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した。まず、NH3ガスを500sccmで、SiH4ガスを20sccmで、Arガスを50sccmで流し、成膜圧力を20Pa、基板温度350℃の条件で成膜を開始した。その後SiH4ガス量を25sccm、30sccmと変化させて層厚300nmの厚さにシリコン窒化層を形成した。このときのシリコン窒化層の膜応力は−150MPa(圧縮応力)であった。尚、インク液がアルカリ性の場合には、シリコン窒化層中のシリコンがインクへ溶出するおそれがあるため、逆に、インクに接する側を発熱抵抗層に接する側よりもSi組成の少ない組成とすることにより、アルカリ性インクに対する耐性の良好な層が得られる。
(実施例4)
本実施例では、図2の構成と異なり、図14と同様の構成とし、RS−CVD法により形成した絶縁保護層108上に、耐キャビテーション層である上部保護層110が形成されている。上部保護層110は、スパッタリング法を用いてTa膜を200nmの厚さに形成し、パターニングを行って図14に示すインクジェットヘッド用基体を得た。尚、実施例4においては、上部保護層110を形成する以外は実施例1と同様にしてインクジェットヘッド用基体を形成した。
(実施例5)
本実施例では、実施例1と同様に図2の構成で、RS−CVD法の成膜条件を変化させた膜厚200nmのシリコン窒化層を形成した。RS−CVDの原料ガスとしては、NH3ガスを400sccmで、SiH4ガスを30sccmで、Arガスを50sccmで流し、成膜圧力を20Pa、基板温度を380℃に設定して成膜を行った。このときのシリコン窒化層の膜応力は、100MPa(引っ張り応力)であった。
(実施例6)
本実施例では、実施例1と同様のRS−CVD法の成膜条件で、層厚を変化させたシリコン窒化層を形成した。層厚は100nmであった。
(実施例7)
本実施例では、実施例1と同様の成膜条件で、膜厚を変化させたシリコン窒化層をRS−CVD法を用いて形成した。層厚は500nmであった。
(実施例8)
本実施例では、実施例1と同様に図2の構成で、層厚300nmのシリコン酸窒化層を形成した。RS−CVDの原料ガスとしては、NH3ガスを500sccmで、O2ガスを200sccmで、SiH4ガスを20sccmで、Arガスを50sccmで流し、成膜圧力を20Pa、基板温度を300℃に設定して成膜を行った。
このときのシリコン酸窒化層の膜応力は、500MPa(引っ張り応力)であった。
(実施例9)
本実施例では、成膜時の基板温度を50℃に設定する以外は実施例1と同様のRS−CVD成膜条件でシリコン窒化層を形成した。
(比較例1)
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と同様にしてインクジェット用基体を作製した。原料ガスはSiH4ガスとNH3ガスを用い、基板温度400℃、成膜圧力を0.5Pa、層厚(膜厚)250nm、膜応力は−900MPa(圧縮応力)であった。
実施例1〜9のインクジェット用基体の形成においては、基板温度は400℃以下に設定されており、RS−CVD法の特徴であるプラズマが成膜室には存在しないことから、Al層の表面にはヒロックの発生はなかった。一方、比較例のプラズマCVD法による成膜においては、層質を良好にするために基板温度を400℃に設定しており、基板がプラズマにさらされることから、Al層の表面にはヒロックが観察された。
(インクジェットヘッド用基体及びインクジェットヘッドの評価)
<耐インク性の評価結果>
各実施例1〜3、5〜9及び比較例のインクジェットヘッド用基体を、インク液中に浸漬させ、70℃の恒温槽に3日間放置し、初期の層厚に対して放置後の絶縁保護層の層厚変化を調べた。
その結果、比較例のインクジェットヘッド用基体においてはシリコン窒化層が約80nm減少したのに対し、実施例1〜3、5〜9のインクジェットヘッド用基体においては約20nm程度の減少しか見られず、インクに対して耐性の強い層(膜)であることがわかった。
これは、従来の絶縁保護層として用いているプラズマCVD法で形成したシリコン窒化層に対して、本発明のRS−CVD法により形成した層(膜)はインク耐性に優れることから、薄膜化しても保護性能を得ることができる。この結果、絶縁保護層の層厚を薄膜化することにより、エネルギー効率の高い構成が可能である。
<ヘッド特性>
次に各実施例及び比較例1のインクジェットヘッド用基体を用いて構成した実施例1〜9、及び比較例1の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て、吐出を開始する発泡開始電圧Vthの測定及び印字耐久試験を行った。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1に示す。
図14の構成において、絶縁保護層をRS−CVD法により形成し、上部保護層を層厚200nm形成したものではVth=18.0Vであった(実施例4)。
また、図2のように上部保護層を形成せずに絶縁保護層をインクに接する構成(実施例1)にしたものでは、表1のような結果が得られ、Vthが約10〜15%程度低減され、消費電力の更なる改善が見られた。
また、絶縁保護層を積層した実施例2、絶縁保護層の層厚方向で組成を変化させた実施例3や、絶縁保護層の成膜条件を変えた実施例5、絶縁保護層の層厚を変化させた実施例6〜7、シリコン酸窒化層の実施例8、RS−CVD成膜時の基板温度を下げて形成した実施例9のものにおいても、表1のようなVthの低下が見られた。
実施例7においては、発泡開始電圧Vthは、比較例に比べて高い値となっているが、これは層厚を500nmと厚くしているためで、層厚換算でみると消費電力の改善がされている。次に、このVthの1.3倍を駆動電圧Vopとし、1500文字の標準文書の記録を行ったところ、実施例1〜実施例9のいずれのヘッドにおいても、5000枚以上の記録が可能であることが確認され、かつ記録品位の劣化も見られなかった。
一方、比較例1のヘッドにおいては、1000枚程度の記録の後、印字が不能となった。これは、絶縁保護層が主としてキャビテーション及びインクによる溶出により断線に至ったためであることが確認された。
すなわち、本発明を適用したインクジェットヘッドでは、長期にわたり、画像が安定しており、耐久特性にも優れていることがわかった。
(実施例10)
図1及び図3は、それぞれ、実施例10にかかるインクジェットヘッド用基体の発熱部周辺の模式的平面図及びそのII―II線断面図である。ここで、図1及び図3の各部の構成は、既に上述の実施例1及び実施例2で説明済みである。本実施例では、図3の第1保護層1106aをRS−CVD法で形成し、その上層の第2保護層1106a’をCat−CVD法で形成した構成が相違するものである。そのため、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。
まず、第1保護膜1106aとなる膜厚150nmのシリコン窒化層を、RS−CVD法を用いて形成した。原料ガスはSiH4ガスとNH3ガスを用い、基板温度400℃、成膜圧力を0.5Paの条件で行った。次いで、第2保護層1106a’として膜厚100nmのシリコン窒化層をCat―CVDを用いて形成し、パターニングを行って図3に示すインクジェットヘッド用基体1100を得た。次に、図8を用いて説明した製法と同様にしてRS―CVD装置により、層厚が150nm、膜応力が200MPa(引っ張り応力)の第1保護層1106aとしてのシリコン窒化層を成膜した。次に、図11の概略図を用いて、第2保護層1106a’を成膜する装置であるCat―CVD装置を説明する。このCat−CVD装置は、成膜室801内に、基板ホルダー802、ヒーター804及びガス導入部803が設けられた構造を有し、成膜室801を減圧するための排気ポンプ805が更に設けられている。ヒーター804は、基板ホルダー802上でガスを接触分解反応させるための触媒体となる。原料ガスはガス導入部803からヒーター804上に導入される。成膜室801を減圧するための排気ポンプ805が更に設けられている。
Cat―CVD法は、触媒体となるヒーター804を加熱し、触媒反応を利用してそこに導入された原料ガスの接触分解を行い、基板ホルダー802上に載置された基板上に膜(層)を形成する方法である。Cat―CVD法によれば、基板温度を下げて成膜することが可能となる成膜方法である。
シリコン窒化層を成膜する場合、原料ガスとしてモノシラン(SiH4)や、ジシラン(Si26)等を、また窒素の原料ガスとしてはアンモニア(NH3)を用いることができ、触媒体としてタングステン(W)を用いることができる。また、カバレッジ性の改善のために水素(H2)を添加しても良い。基板を加熱するために基板ホルダー802にヒーターを設けても良い。
本実施例では、図11の装置を用いた成膜は、以下のように行なった。まず、排気ポンプ805を用いて成膜室801を1×10-5〜1×10-6Paまで排気する。次いで、NH3ガスを、200sccmマスフローコントローラー(不図示)を介してガス導入口803から成膜室801に導入した。このとき、基板温度を300℃になるようにヒーターを調節した(不図示)。次に、外部の電源により加熱触媒体の温度を1700℃に加熱した。次に、SiH4ガスを5sccm導入し、NH3ガスとSiH4ガスとの接触分解反応によりシリコン窒化層の形成を行った。尚、この時の成膜圧力は5Paであった。成膜されたシリコン窒化層の層厚は100nm、膜応力は200MPa(引っ張り応力)であった。
上述のインクジェットヘッド用基体1100を用いて構成されるインクジェットヘッド1000の構成及びその製造方法は、図5及び図6を用いて上述したとおりである。また、このインクジェットヘッドをインクタンクと一体化してカートリッジ形態のユニットとすること及びこれをインクジェット記録装置に搭載する構成については、図9及び図10を用いて上述したとおりである。
(実施例11)
実施例11では、図3に示した構成と異なり、図12に示すように、第1保護層1106a、第2保護層1106a’上に上部保護層1107、例えば金属性の耐キャビテーション層としての保護層が形成されている。
実施例10と同様にして、RS−CVD法により形成したシリコン窒化層からなる層厚150nmの第1保護層1106a上に、Cat−CVD法によりシリコン窒化層からなる層厚100nmの第2保護層1106a’を形成した。最後に、スパッタリング法により上部保護層1107としてTa層を100nmの厚さに形成し、パターニングを行って図12に示すインクジェットヘッド用基体1100を得た。
Ta層からなる上部保護層1107は、第1保護層1106aや第2保護層1106a’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。また、上部保護層1107は、緻密な絶縁保護層1106a’上に直接的に形成されることから、発熱部1104’からの熱エネルギーを発熱部1108に効率よく伝導し、有効に発泡ないしインク吐出のために作用させることができる。
(実施例12)
本実施例においては、実施例10と同様の構成の第1保護層1106a、第2保護層1106a’を形成した。第1保護層1106aとして、RS−CVD法により膜厚200nmのシリコン酸窒化層を形成した。RS−CVDの原料ガスとしては、NH3ガスを500sccmとO2ガスを200sccm、SiH4ガスを20sccmとArガスを50sccmとし、成膜圧力を20Pa、基板温度を300℃に設定して行った。この時の膜応力は500MPa(引っ張り応力)であった。
次に、第1保護層1106a上に、Cat−CVD法によりシリコン窒化層からなる第2保護層1106a’を形成した。この時の原料ガスとしてはNH3ガスを50sccm、SiH4ガスを5sccm、H2ガスを100sccmとし、成膜圧力を4Pa、加熱触媒体の温度は1700℃、基板温度350℃に設定して行った。このときの層厚は100nm、膜応力は500MPa(引っ張り応力)であった。
(実施例13)
本実施例においては、第1保護層1106aとしてRS−CVD法により100nmのシリコン窒化層を形成した。原料ガスはSiH4ガスとNH3ガスを用い、基板温度400℃、成膜圧力を0.5Paの条件で行った。第2保護層1106a’として、層厚50nmのシリコン窒化層をCat―CVDを用いて形成した。この時の原料ガスとしてはNH3ガスを50sccm、SiH4ガスを5sccm、H2ガスを100sccmとし、成膜圧力を4Pa、加熱触媒体の温度は1700℃、基板温度100℃に設定して行った。このときの膜応力は400MPa(引っ張り応力)であった。
(比較例2)
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10と同様にしてインクジェット用基体を作製した。原料ガスはSiH4ガスとNH3ガスを用い、基板温度400℃、成膜圧力を0.5Pa、膜応力は900MPa(圧縮応力)であった。また、成膜した絶縁保護層の層厚は250nmであった。
(インクジェットヘッド用基体及びインクジェットヘッドの評価)
<耐インク性の評価結果>
実施例10、12、13及び比較例2の基体を、インク液中に浸漬させ、70℃の恒温槽に3日間放置し、初期の層厚に対して放置後の絶縁保護層の層厚変化を調べた。その結果、比較例2のインクジェットヘッド用基体においてはシリコン窒化層が約80nm減少したのに対し、各実施例のインクジェットヘッド用基体においては約10nm程度の減少しか見られず、インクに対して耐性の強い膜であることがわかった。また、直接インクと接する層をRS−CVD法で形成した場合よりも、Cat−CVD法で形成した方が、耐インク性という観点からは良い結果が得られることがわかった。
このように、比較例2におけるプラズマCVD法で形成したシリコン窒化層に対して、各実施例でのインクジェットヘッド用基体では、絶縁保護層が、少なくとも最上層がCat−CVD法で形成され、下層がRS(ラジカルシャワー)−CVD法で形成された、複数の層からなることによるものと考えられる。すなわち、かかる特定の複数構成の絶縁保護層を用いることで、段差部におけるカバレッジ性が良好であり、段差部でのクラック等の発生はなく、信頼性の高いインクジェットヘッドを提供することが可能となった。
また、少なくとも最上層の絶縁保護膜がCat−CVD法により形成されることで、インク耐性に優れていることがわかった。
<ヘッド特性>
次に実施例10〜13及び比較例2のインクジェットヘッド用基体を用いて構成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て、吐出を開始する発泡開始電圧Vthの測定及び印字耐久試験を行った。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2に示す。
図3の構成において、第1保護層をRS−CVD法で、第2保護層をCat(触媒)−CVD法により形成したものではVth=14.2Vであった(実施例10)。
また、表2のように実施例11〜13においても同様の結果が得られ、Vthが約5%程度低減され、消費電力の改善が見られた。
次に、このVthの1.3倍を駆動電圧Vopとし、1500文字の標準文書の記録を行ったところ、実施例10〜13のいずれのヘッドにおいても、5000枚以上の記録が可能であることが確認され、かつ記録品位の劣化も見られなかった。
一方、比較例2のヘッドにおいては、1000枚程度の記録の後、印字が不能となった。これは、絶縁保護層が主としてキャビテーション及びインクによる溶出により断線に至ったためであることが確認された。すなわち、本発明を適用したインクジェットヘッドでは長期にわたり画像が安定しており、耐久特性にも優れていることがわかった。
尚、上述の各実施例においては、インクと直接接する層をRS−CVD法やCat−CVD法で形成し、少なくとも電極配線と発熱抵抗層との段差部を覆う層を段差カバレッジ性に優れたRS−CVD法で形成している。しかしながら、インクの特性やヘッドの寿命等を考慮した場合に、インクによる保護層の溶出量がヘッドの吐出特性に影響しない範囲内であれば、プラズマCVD法によりインクに直接接する層を形成してよい。この場合、カバレッジ性に優れたRS−CVD法により形成した保護層をプラズマCVD法で形成した保護層の下層(発熱抵抗層及び電極配線層側)に配した複数保護層構成であれば、インクに直接接する層をプラズマCVD法で形成しても良いことになる。
また、本発明の絶縁保護層を複数の層から形成し、少なくとも、耐インク性に優れたCat−CVD法で形成した保護層の下層(発熱抵抗層及び電極配線層側)として段差カバレッジ性に優れたRS−CVD法で形成した保護層を配する構成も優れた効果を奏する。
更に、最上層を耐インク性に優れたCat−CVD法で形成した保護層を配し、最下層に段差カバレッジ性に優れたRS−CVD法で形成した保護層を配する構成も優れた効果を奏するものである。
本発明のインクジェットヘッド用基体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。 本発明の他のインクジェットヘッド用基体の発熱部の模式的断面図である。 本発明の他のインクジェットヘッド用基体の発熱部周辺の模式的断図である。 本発明の一実施形態によるインクジェットヘッド用基体の発熱部周辺の模式的平面図である。 図4に示したインクジェットヘッドの製造工程を説明するための模式的断面図である。 インクジェットヘッド用基体の製造工程に適用可能な成膜装置の一例を示す模式図である。 本発明の絶縁保護層を形成するための成膜装置の模式図である。 図6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9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。 本発明の絶縁保護層を形成するための別の成膜装置の模式図である。 本発明の他のインクジェットヘッド用基体の発熱部の模式的断面図である。 従来のインクジェットヘッド用基体の発熱部の模式的断面図である。 従来の他のインクジェットヘッド用基体の発熱部の模式的断面図である。
符号の説明
1000 インクジェット記録ヘッド
1100 インクジェット記録ヘッド用基体
1101 シリコン基板
1102 蓄熱層
1103 層間膜
1104 発熱抵抗体層
1104’ 発熱部
1105 配線層
1106 絶縁保護層
1106a 第1保護層
1106a’ 第2保護層
1107 上部保護層
1108 熱作用部
1001 基板
1002 発熱抵抗層
1003 型材
1004、4 オリフィスプレート
1005、5 吐出口
1006 撥水層
1007 裏面シリコン酸化膜
1008 パター二ングマスク
1009、9 エッチング開始開口部
1010 インク供給口
1011 保護材
410 インクジェットヘッド
402 テープ部材
403 接点
404 インクタンク
120 シリコン基板
106 蓄熱層
107 発熱抵抗体層
102 発熱部
103、104 配線層
108 絶縁保護層
108a 第1保護層
108b 第2保護層
110 上部保護層
105 熱作用部
801 成膜室
802 基板ホルダー
803 ガス導入口
804 ヒーター
805 排気ポンプ

Claims (16)

  1. 基板と、
    該基板の上に形成された絶縁材料からなる絶縁層と、
    該絶縁層の上に設けられた通電により発熱する材料からなる発熱抵抗層と、
    該発熱抵抗層の上に設けられ、前記発熱抵抗層に通電するために用いられる一対の配線と、
    前記発熱抵抗層と前記一対の配線とを覆うように、絶縁材料からなる層を複数有する絶縁保護層と、を有し、
    前記絶縁保護層が有する複数の層の少なくとも1層がラジカルシャワーCVD法で形成された層であることを特徴とする液体吐出ヘッド用基体。
  2. 前記絶縁保護層は、ラジカルシャワーCVD法により形成された層よりも上に、触媒CVD法により形成された層を有してい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。
  3. 基板と、
    該基板の上に形成された絶縁材料からなる絶縁層と、
    該絶縁層の上に設けられた通電により発熱する材料からなる発熱抵抗層と、
    該発熱抵抗層の上に設けられ、前記発熱抵抗層に通電するために用いられる一対の配線と、
    前記発熱抵抗層と前記一対の配線とを覆うように、ラジカルシャワーCVD法により形成された絶縁材料からなる絶縁保護層と、
    を有することを特徴とする液体吐出ヘッド用基体。
  4. 前記絶縁保護層は、シリコンを含有する絶縁材料からなり、シリコンの比が層厚方向で変化するように設けられていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド用基体。
  5. 前記絶縁保護層は、シリコン窒化層、シリコン酸窒化層、シリコン酸炭化層およびシリコン窒素炭化層のいずれか1つまたはこれらを組み合わせて設けられていることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド用基体。
  6. 前記絶縁保護層上に金属材料からなる金属保護層がさらに形成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド用基体。
  7. 絶縁保護層の上側に、液体を吐出するための吐出口と、該吐出口に連通し液体を供給するために用いられる流路と、を構成する流路形成部材をさらに有することを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド用基体。
  8. 請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド用基体を備えた液体吐出ヘッド。
  9. 絶縁材料からなる絶縁層と、通電により発熱する材料からなる発熱抵抗層と、前記発熱抵抗層に通電するために用いられる一対の配線と、がこの順に積層された基板を用意する工程と、
    前記発熱抵抗層と前記一対の配線とを覆うように、絶縁材料からなる層を複数積層して絶縁保護層を形成する工程と、
    を有し、
    前記絶縁保護層が有する複数の層の少なくとも1層をラジカルシャワーCVD法により形成する
    ことを特徴とする液体吐出ヘッド用基体の製造方法。
  10. 前記絶縁保護層を形成する工程において、前記ラジカルシャワーCVD法の後に、ラジカルシャワーCVD法以外の方法を用いることを特徴とする請求項に記載の液体吐出ヘッド用基体の製造方法。
  11. 前記ラジカルシャワーCVD法以外の方法は、触媒CVD法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用基体の製造方法。
  12. 絶縁材料からなる絶縁層と、通電により発熱する材料からなる発熱抵抗層と、前記発熱抵抗層に通電するために用いられる一対の配線と、がこの順に積層された基板を用意する工程と、
    ラジカルシャワーCVD法を用いて、前記発熱抵抗層と前記一対の配線とを覆うように絶縁材料からなる絶縁保護層を形成する工程と、
    を有することを特徴とする液体吐出ヘッド用基体の製造方法。
  13. 前記ラジカルシャワーCVD法は、
    ラジカルを生成する生成ガスを用いてラジカルを生成する工程と、
    生成された前記ラジカルと、モノシランガスまたはジシランガスからなる材料ガスと、を反応させる工程と、
    を有することを特徴とする請求項9乃至請求項12のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド用基体の製造方法。
  14. 前記ラジカルシャワーCVD法は、前記基板の温度が400℃以下となる条件で行われることを特徴とする請求項9乃至請求項13のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド用基体の製造方法。
  15. 前記絶縁保護層上に金属材料からなる金属保護層を形成する工程をさらに有することを特徴とする請求項9乃至請求項14のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド用基体の製造方法。
  16. 絶縁保護層の上側に、液体を吐出するための吐出口と、該吐出口に連通し液体を供給するために用いられる流路と、を構成する流路形成部材を設ける工程をさらに有することを特徴とする請求項9乃至請求項15のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド用基体の製造方法。
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