JP6049496B2 - 液体吐出ヘッド用基板、液体吐出ヘッド、及び液体吐出ヘッド用基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、液体を吐出する液体吐出ヘッドに用いられる液体吐出ヘッド用基板、液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッド用基板の製造方法に関する。

液体吐出ヘッドとして一般的なインクジェットヘッドは、複数の吐出口と、吐出口に連通する液路と、インクを吐出するために利用される熱エネルギーを発生する電気熱変換素子とを有している。電気熱変換素子は発熱抵抗体及びこれに電力を供給するための電極とで構成される。この電気熱変換素子が電気的絶縁性を有する絶縁保護層（絶縁層）により被覆されることで、インクと電気熱変換素子との間の絶縁性が確保される。インクジェットヘッドに設けられた電気熱変換素子を選択的に駆動することにより、駆動された電気熱変換素子から熱エネルギーが発生し、電気熱変換素子上方のインク接触部分（熱作用部）で、インクが急激に加熱されて発泡が生じてインクが吐出される。

インクジェットヘッドの熱作用部は、発熱抵抗体の加熱により高温になると共に、インクの発泡、収縮に伴うキャビテーションによる衝撃などの物理的作用や、インクによる化学的作用を受ける。これらの影響から電気熱変換素子を保護するために、キャビテーションによる衝撃やインクによる化学的作用に対して比較的強いＴａや白金族系（Ｉｒ、Ｒｕなど）などの金属材料からなる上部保護層を電気熱変換素子の上側（インク側）に設けている。特に、ＩｒやＲｕのような白金族系の膜は、キャビテーションによる衝撃に対する耐性が高いため、ヘッドの信頼性・長寿命化という観点では優位となる。

この上部保護層と絶縁保護層との密着性を高めるためにそれらの間に密着層としての中間層を設ける構成が知られている。特許文献１には、密着層としてＣｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｗ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏを用いることが記載されており、特許文献２には、密着層としてＴｉ，ＴａＮを用いることが記載されている。

特開平５−３０１３４５号公報 特開２００７−２６９０１１号公報

しかしながら、キャビテーションによる衝撃により上部保護層が疲労して亀裂が入ると、亀裂からインクが侵入する恐れがある。そのため、密着層が特許文献１に示されるＣｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｗ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏや、特許文献２のＴｉである場合、侵入したインクにより密着層の酸化が進んでしまう。これに伴って密着層が膨脹することで、密着層の上のＩｒ膜は密着層の側から押されてしまうため、Ｉｒ膜の耐久性が低下して電気熱変換素子の寿命が短くなる可能性がある。

一方で、特許文献２に記載のＴａＮは、耐酸化性では優れた材料である。近年要求される高精細印字の実現のために電気熱変換素子が高密度に配置されるが、これに伴って密着層を小寸法なものとする必要がある。しかし、特に密着層の面積が小さい場合には、絶縁保護層から密着層が剥離する可能性が大きくなってしまう。

そこで、本発明は、絶縁層と保護層との間の中間層の酸化を抑制しつつ、絶縁層と保護層との密着性に優れた液体吐出ヘッド用基板及び液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。

本発明の液体吐出ヘッド用基板は、基体と、前記基体の上に設けられた一対の配線と、前記基体の上に設けられ、前記一対の配線に接する発熱抵抗層であって、前記一対の配線の間に対応する部分で電気熱変換素子を形成する前記発熱抵抗層と、前記発熱抵抗層及び前記一対の配線を覆い、Ｓｉを含む絶縁層と、少なくとも前記絶縁層の前記電気熱変換素子に対応する領域を覆い、Ｉｒを含む保護層と、前記絶縁層と前記保護層との間に設けられ、前記絶縁層と前記保護層とに接する中間層と、を有する液体吐出ヘッド用基板において、前記中間層は、Ｔａ_ｘＳｉ_ｙＮ_ｚ（ｘ＝５〜８０ａｔ．％、ｙ＝３〜６０ａｔ．％、ｚ＝１０〜６０ａｔ．％（但し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００））で表わされる材料を含むことを特徴とする。

以上のような中間層の構成によれば、中間層の酸化を抑制しつつ、絶縁層と保護層との密着性に優れた液体吐出ヘッド用基板及び液体吐出ヘッドを提供することが可能となる。

本発明の実施形態に係るインクジェットヘッドユニットとインクジェットヘッドの構成例をそれぞれ示す外観斜視図である。 本発明の実施形態のインクジェットヘッド用基板の模式的平面図と模式的断面図である。 インクジェットヘッド用基板の製造工程を説明するための模式的断面図である。 本発明の実施形態のインクジェットヘッドの模式的断面図である。 本実施例のインクジェットヘッド用基板の密着層（中間層）の組成範囲と、実施例及び比較例の組成を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態を、複数の実施例に基づいて詳細に説明する。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よいことはもちろんである。

（インクジェットヘッドユニット、インクジェットヘッド）
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドとしてのインクジェットヘッド４１０とインクジェットヘッドユニット４００の構成例をそれぞれ示す外観斜視図である。

図１（ａ）に示すように、インクジェットヘッドユニット４００は、インクジェットヘッド４１０をインクタンク４０４と一体化してなるカートリッジ形態のユニットである。インクジェットヘッドユニット４００は、インクジェット記録装置に設けられたキャリッジの内部に、装着及び取り外し可能に構成されている。また、インクジェットヘッドユニット４００は、インクを一旦貯留し、そこからインクジェットヘッド４１０に供給するためのインクタンク４０４を備えている。なお、インクジェットヘッドユニット４００は、インクジェットヘッド４１０とインクタンク４０４とが別体として構成されていてもよい。

インクジェットヘッドユニット４００には、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が貼り付けられている。インクジェット記録装置からテープ部材４０２に設けられたパッド４０３を介し、テープ部材４０２内部の配線を通って、インクジェットヘッド４１０に電力が供給される。

図１（ｂ）に示すように、インクジェットヘッド４１０は、インクジェットヘッド用基板１００（液体吐出ヘッド用基板）と吐出口形成部材１２０とで形成されている。インクジェットヘッド用基板１００には、通電されることで熱エネルギーを発生してインクを吐出するためにインクに気泡を発生させる複数の電気熱変換素子１０８や電気熱変換素子１０８にインクを供給するインク供給口１１０等が形成されている。また、吐出口形成部材１２０は、インクを吐出するインク吐出口１２１が複数形成されており、インク吐出口１２１は電気熱変換素子１０８に対応する位置に配される。吐出口形成部材１２０はエポキシ樹脂等の樹脂材料で形成される。また、電気熱変換素子１０８が配される圧力室１１１（図４）や、インク供給口１１０と圧力室１１１とを連通する流路１１６が、インクジェットヘッド用基板１００と吐出口形成部材１２０とで形成される。

（インクジェットヘッド用基板）
図２（ａ）は、本発明の実施形態のインクジェットヘッド用基板１００の電気熱変換素子１０８の付近の模式的平面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すＩ−Ｉ´線でインクジェットヘッド用基板１００を切断した模式的断面図である。これらの図を用いて本発明の実施形態を説明する。

図２（ｂ）において、１０１はシリコンの基体。１０２はＳｉＯ膜，ＳｉＮ膜等からなる蓄熱層、１０４はＴａＳｉＮ等の発熱抵抗層、１０５はＡｌ，Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｃｕ等の金属材料からなる配線としての電極配線層である。熱作用部である電気熱変換素子１０８は、電極配線層１０５の一部を除去してギャップを有する一対の配線を形成し、そのギャップから露出された発熱抵抗層１０４の部分で形成される。電極配線層１０５は不図示の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。

なお、電極配線層１０５を基体１０１または蓄熱層１０２上に形成し、その一部を部分的に除去してギャップを形成し、その上に発熱抵抗層１０４を配置して電気熱変換素子１０８を形成してもよい。

１０６は、電気熱変換素子１０８および電極配線層１０５の上側（圧力室１１１側）に設けられ、ＳｉＮ、ＳｉＣＮ等の絶縁性材料からなる絶縁保護層（絶縁層）である。１０７はインク等による化学的作用や気泡の発泡、収縮、消泡といった物理的な衝撃から電気熱変換素子１０８を保護するための上部保護層（保護層）である。上部保護層１０７は、少なくとも電気熱変換素子１０８に対応する領域を覆うように設けられている。上部保護層１０７は金属材料からなり、特にキャビテーションによる衝撃からの耐性に優れたＩｒ、Ｒｕ、Ｐｔ等の白金族系の材料からなることが好ましい。１０９は、絶縁保護層１０６と上部保護層１０７との密着性を確保するための、密着層（中間層）である。

（実施例）
本実施例では、以下に説明する製造方法でインクジェットヘッド用基板１００を製造した。

図３（ａ）〜（ｄ）はインクジェットヘッド用基板１００の製造工程を説明するための図であり、図２（ａ）のＩ−Ｉ´線での切断面に対応する図である。

なお、以下の製造工程は、シリコンからなる基体１０１、ないしは電気熱変換素子１０８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こまれた基体に対して実施されるものである。しかし簡略化のために、以下の図ではシリコンからなる基体１０１が図示されている。

まず、基体１０１に対し、熱酸化法、スパッタ法、ＣＶＤ法などによって、発熱抵抗層１０４の下部層としてＳｉＯ_２の熱酸化膜からなる蓄熱層１０２を形成した（図３（ａ））。なお、駆動回路の製造プロセス中に蓄熱層を形成することも可能である。

次に、蓄熱層１０２上にＴａＳｉＮの発熱抵抗層１０４を、反応スパッタリングにより約５０ｎｍの厚さに形成し、さらに電極配線層１０５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、発熱抵抗層１０４および電極配線層１０５に対して同時にドライエッチングを施した。なお、本実施例では、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。

次に、図３（ｂ）に示すように、再びフォトリソグラフィ法を用いて、ウエットエッチングによりＡｌの電極配線層１０５を部分的に除去し、その部分から発熱抵抗層１０４を露出させて電気熱変換素子１０８を形成した。

その後、プラズマＣＶＤ法を用いて、図３（ｃ）に示すように、絶縁保護層１０６としてＳｉＮ膜、もしくはＳｉＣＮ膜を約３５０ｎｍの厚みに形成した。

次に、絶縁保護層１０６上に、スパッタリング法により密着層１０９として約５０ｎｍの厚さのＴａ_ｘＳｉ_ｙＮ_ｚ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００（ａｔ．％））を成膜し、さらにその上に、スパッタリング法により上部保護層１０７として約５０ｎｍの厚さのＩｒを成膜した。次に、図３（ｄ）に示すような形状に、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上部保護層１０７および密着層１０９を電気熱変換素子１０８付近のパターンが残るように部分的に除去した。このようにして、インクジェットヘッド用基板１００を製造した。

その後、インクジェットヘッド用基板１００の上にエポキシ樹脂からなる吐出口形成部材１２０を設け、圧力室１１１や流路１１６を形成し図４に示すインクジェットヘッド４１０を形成した。

（実施例１〜１０）
上述の実施例に記載の構成及び製造方法でインクジェットヘッド４１０を形成した。具体的には、絶縁保護層１０６としてのＳｉＮ膜（Ｓｉ＝５０ａｔ．％，Ｎ＝５０ａｔ．％）の上に、密着層１０９としてＴａ_ｘＳｉ_ｙＮ_ｚを各実施例について表１に示す組成で成膜した。更にその上に上部保護層１０７としてＩｒ膜を成膜し、その後の工程を経て、インクジェットヘッド４１０とした。

（実施例１１〜２０）
絶縁保護層１０６としてのＳｉＣＮ膜の上に、密着層１０９としてＴａ_ｘＳｉ_ｙＮ_ｚを各実施例について表１に示す組成で成膜した。更にその上に上部保護層１０７としてＩｒ膜を成膜し、その後の工程を経て、インクジェットヘッド４１０とした。なお、ＳｉＣＮ膜の組成は、Ｓｉ＝４０〜５０ａｔ．％、Ｃ＝１０〜２０ａｔ．％、Ｎ＝４０〜５０ａｔ．％（但し、Ｓｉ，Ｃ，Ｎの合計は１００ａｔ．％以下）とした。

（比較例１〜７）
密着層１０９としてＴａ_ｘＳｉ_ｙＮ_ｚを各比較例について表１に示す組成で成膜した他は、実施例１〜１０と同様である。

（比較例８〜１４）
密着層１０９としてＴａ_ｘＳｉ_ｙＮ_ｚを各比較例について表１に示す組成で成膜した他は、実施例１１〜２０と同様である。

（インクジェットヘッドの吐出耐久試験）
実施例１〜２０、比較例１〜１４、のインクジェットヘッド４１０に対して、顔料を含むｐＨ８．５程度のインクを充填して吐出耐久試験を行い、一定間隔で電気検査を行うことで耐久性を評価した。ｋ値（気泡が発生する最低電圧に対する駆動電圧の比）１．１４、駆動電圧２４Ｖ、駆動周波数１５ｋＨｚとして、電気熱変換素子１０８に電圧パルスを印加して、インクジェットヘッド用基板１００のうちの３つのノズルで吐出耐久試験を行った。

比較例１〜１４のヘッドでは、実施例１〜２０のヘッドの半分程度の回数のパルスで正常な吐出が行われなくなった。

吐出耐久試験の後にすべてのヘッドを解体し、ＳＥＭを用いて観察を行った。この観察によって、〈１〉密着層１０９の酸化状態、〈２〉密着層１０９と上部保護層１０７（Ｉｒ膜）との密着状態、〈３〉密着層１０９と絶縁保護層１０６（ＳｉＮ膜またはＳｉＣＮ膜）との密着状態、について評価を行った。

表１には電圧パルスを１×１０^９回印加した後の結果を、表２には電圧パルスを２×１０^９回印加した後の結果をそれぞれ示す。なお、試験の途中で吐出が行われなくなったヘッドについては、不吐となったときまでに印加したパルス回数を示す。

〈１〉密着層１０９の酸化状態については、試験を行った３カ所すべてで酸化がみられなかったものを○、１カ所で酸化していたものを△、２カ所以上で酸化していたものを×、とした。〈２〉及び〈３〉の密着状態についても、３カ所すべてで密着していたものを○、１カ所で剥がれが発生していたものを△、２カ所以上で剥がれが発生していたものを×とした。

図５の三点グラフに、上記実施例と比較例における密着層１０９としてのＴａ_ｘＳｉ_ｙＮ_ｚの組成を示す。

表１に示すように、比較例１、７、８、１４のヘッドは、３カ所のうち少なくとも１カ所のノズルにおいて、上部保護層１０７であるＩｒ膜が破断して盛り上がり、その下の密着層１０９が酸化・膨張している様子が観察された。

比較例２、３、９、１０のヘッドは、３カ所中１カ所のノズルにおいて、密着層１０９と絶縁保護層１０６との界面の端部で隙間が観察された。また、比較例３〜６、１０〜１３のヘッドは、３カ所のうち少なくとも１カ所のノズルにおいて、密着層１０９と上部保護層１０７との界面の特に端部において、剥がれが発生していた。

それに対し、実施例１〜２０のヘッドは、電圧パルスを１×１０^９回印加した後に、密着層１０９の酸化もなく、密着層１０９と上部保護層１０７、密着層１０９と絶縁保護層１０６との間で剥がれがなく、密着層１０９の密着性も優れていることがわかった。

表１に示す結果から、長期にわたり安定した吐出を継続することができ、長寿命のヘッドを実現するには、Ｉｒ膜と、ＳｉＮ膜またはＳｉＣＮ膜との間にある密着層１０９を形成するＴａ_ｘＳｉ_ｙＮ_ｚを以下の組成とすることが好ましい。すなわち、ｘ＝５〜８０ａｔ．％、ｙ＝３〜６０ａｔ．％、ｚ＝１０〜６０ａｔ．％（但し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００）とすることが好ましい。この組成範囲を図５において網点で示している。また、以上の結果より、Ｔａ_ｘＳｉ_ｙＮ_ｚのＮの割合が上記の下限より少ないと、密着層１０９が酸化して上層に設けられたＩｒ膜が破断されやすくなってしまうことがわかった。また、Ｔａの割合が上記の下限より少ないと、Ｉｒ膜との密着力が低下し、Ｓｉの割合が上記の下限より低いと、ＳｉＮ膜やＳｉＣＮ膜との密着力が低下し、密着層１０９との間で剥がれが生じやすくなることがわかった。

更に、表２に示すに、実施例１、８〜１１、１８〜２０のヘッドは、電圧パルスを２×１０^９回印加した後においても、密着層１０９の酸化が見られなかった。また、密着層１０９と上部保護層１０７、密着層１０９と絶縁保護層１０６とで剥がれがなく、密着層１０９の密着性も優れていることがわかった。以上のことから、更なる長寿命のヘッドを実現するためには、密着層１０９としてのＴａ_ｘＳｉ_ｙＮ_ｚの組成が、ｘ＝２０〜６０ａｔ．％、ｙ＝１０〜５０ａｔ．％、ｚ＝２０〜５０ａｔ．％（但し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００）であることがより好ましい。この組成範囲を図５において斜線で示している。

なお、上記の耐久試験で用いたインクでなくとも、ｐＨ５〜１１程度の顔料インク及び染料インクを用いた場合に上述の結果と同等の結果が得られる。

１００ インクジェットヘッド用基板（液体吐出ヘッド用基板）
１０１ 基体
１０４ 発熱抵抗層
１０５ 電極配線層（配線）
１０６ 絶縁保護層
１０７ 上部保護層（保護層）
１０８ 電気熱変換素子
１０９ 密着層（中間層）

Claims (5)

1. 基体と、
   前記基体の上に設けられた一対の配線と、
   前記基体の上に設けられ、前記一対の配線に接する発熱抵抗層であって、前記一対の配線の間に対応する部分で電気熱変換素子を形成する前記発熱抵抗層と、
   前記発熱抵抗層及び前記一対の配線を覆い、Ｓｉを含む絶縁層と、
   少なくとも前記絶縁層の前記電気熱変換素子に対応する領域を覆い、Ｉｒを含む保護層と、
   前記絶縁層と前記保護層との間に設けられ、前記絶縁層と前記保護層とに接する中間層と、
   を有する液体吐出ヘッド用基板において、
   前記中間層は、Ｔａ_ｘＳｉ_ｙＮ_ｚ（ｘ＝５〜８０ａｔ．％、ｙ＝３〜６０ａｔ．％、ｚ＝１０〜６０ａｔ．％（但し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００））で表わされる材料を含むことを特徴とする液体吐出ヘッド用基板。
2. 前記中間層は、Ｔａ_ｘＳｉ_ｙＮ_ｚ（ｘ＝２０〜６０ａｔ．％、ｙ＝１０〜５０ａｔ．％、ｚ＝２０〜５０ａｔ．％（但し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００））で表わされる材料を含む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板。
3. 前記絶縁層は、ＳｉＮまたはＳｉＣＮからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体吐出ヘッド用基板。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド用基板と、
   液体を吐出する吐出口を備えた吐出口形成部材と、
   を有する液体吐出ヘッド。
5. 一対の配線と、前記一対の配線に接する発熱抵抗層であって、前記一対の配線の間に対応する部分で電気熱変換素子を形成する前記発熱抵抗層と、を備える基体を用意する工程と、
   前記発熱抵抗層及び前記一対の配線を覆うＳｉを含む絶縁層を前記基体に設ける工程と、
   前記絶縁層の上に前記絶縁層に接する中間層を設ける工程と、
   前記中間層の上に前記中間層に接し、少なくとも前記絶縁層の前記電気熱変換素子に対応する領域を覆うＩｒを含む保護層を設ける工程と、
   を含む液体吐出ヘッド用基板の製造方法において、
   前記中間層は、Ｔａ_ｘＳｉ_ｙＮ_ｚ（ｘ＝５〜８０ａｔ．％、ｙ＝３〜６０ａｔ．％、ｚ＝１０〜６０ａｔ．％（但し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００））で表わされる材料を含むことを特徴とする液体吐出ヘッド用基板の製造方法。