JP6066786B2 - 液体吐出ヘッド、記録装置、液体吐出ヘッドの製造方法、液体吐出ヘッド用基板、および液体吐出ヘッド用基板の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、液体を吐出して記録媒体に記録を行う液体吐出ヘッド、該液体吐出ヘッドを備えた記録装置、該液体吐出ヘッドの製造方法、液体吐出ヘッド用基板、および液体吐出ヘッド用基板の製造方法に関する。
インクジェット記録装置には、液体を吐出するための熱エネルギーを発生させるエネルギー発生素子を備えた液体吐出ヘッドを搭載している機種がある。この種のインクジェット記録装置では、高速記録を行うために、熱ストレスに強いエネルギー発生素子を用いることが必要である。特許文献１には、熱応答性に優れ、高いシート抵抗値を有するエネルギー発生素子として、スパッタリング法で成膜されたＴａＳｉＮ膜が提案されている。
上記のようなインクジェット記録装置は、従来、民生用機器として用いられていた。具体的には、ワードプロセッサー、コンピューター等の情報処理機器の出力端末として用いられてきた。しかし、インクジェット記録装置は、高精細かつ高速に画像を記録する特徴を有していることから、近年、産業用機器としての使用が検討されている。
インクジェット記録装置の用途が産業用機器の場合、民生用に比べて記録量が増える。その結果、エネルギー発生素子にかかる熱ストレスが増加する。熱ストレスが増加すると、構造緩和および酸化による抵抗変化が起こりやすくなり、エネルギー発生素子が断線するおそれがある。そのため、インクジェット記録装置の用途が産業用機器の場合、エネルギー発生素子は、熱ストレスに対する耐性がより一層要求される。
本発明の目的は、エネルギー発生素子の熱ストレス耐性を向上させることが可能な液体吐出ヘッド、記録装置、液体吐出ヘッドの製造方法、液体吐出ヘッド用基板、および液体吐出ヘッド用基板の製造方法を提供することである。
上記目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッドは、液体を吐出する吐出口が形成された部材と、前記部材が接合された基板と、を有する液体吐出ヘッドであって、前記基板は、シリコン化合物を含む蓄熱層と、前記吐出口に対応する位置に設けられ、通電により発熱することによって前記液体を前記吐出口から吐出させるエネルギー発生素子と、を有し、前記エネルギー発生素子が、タンタルまたはタングステンで構成された金属層と、該金属層に積層され、シリコンで構成されたＳｉ層と、該Ｓｉ層に積層され、窒素で構成されたＮ層と、を有する積層体を有し、前記金属層が前記蓄熱層に接している、液体吐出ヘッド。
上記目的を達成するため、本発明の記録装置は、上記液体吐出ヘッドを備えている。
上記目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法は、液体を吐出する吐出口が形成された部材と、前記部材が接合され、シリコン化合物を含む蓄熱層が形成された基板と、を有する液体吐出ヘッドを製造する方法であって、前記蓄熱層の表面にタンタルまたはタングステンで構成された金属層を積層する工程と、前記金属層の表面にシリコンで構成されたＳｉ層を積層する工程と、窒素で構成されたＮ層を前記Ｓｉ層に積層する工程と、を含む。
上記目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッド用基板は、シリコン化合物を含む蓄熱層が形成された基体と、前記蓄熱層の側に設けられ、通電により液体を吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子と、を有する液体吐出ヘッド用基板において、前記エネルギー発生素子が、タンタルまたはタングステンで構成された金属層と、該金属層に積層され、シリコンで構成されたＳｉ層と、該Ｓｉ層に積層され、窒素で構成されたＮ層と、を有する積層体を有し、前記金属層が前記蓄熱層に接している。
上記目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッド用基板の製造方法は、シリコン化合物を含む蓄熱層が形成された基体の前記蓄熱層の表面にタンタルまたはタングステンで構成された金属層を積層する工程と、前記金属層の表面にシリコンで構成されたＳｉ層を積層する工程と、窒素で構成されたＮ層を前記Ｓｉ層に積層する工程と、を含む。
本発明によれば、エネルギー発生素子の熱ストレス耐性を向上させることが可能となる。
本発明の液体吐出ヘッドは、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ーなどの装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わせた産業用記録装置に搭載可能である。そして、本発明の液体吐出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。
本明細書内で用いられる「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。
さらに「液体」とは広く解釈されるべきであり、記録媒体上に付与されることによって、画像、模様、パターン等の形成、記録媒体の加工、或いはインクまたは記録媒体の処理に供される液体を言う。インクまたは記録媒体の処理とは、例えば、記録媒体に付与されるインク中の色材の凝固または不溶化による定着性の向上や、記録品位ないし発色性の向上、画像耐久性の向上するための処理のことを言う。さらに、本発明の液体吐出装置に用いられるような「液体」は、一般的に電解質を多く含み導電性を有している。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
まず、本発明の記録装置について説明する。
図１（ａ）は、本発明の記録装置の斜視図である。図１（ａ）に示す記録装置１では、駆動モータ１１が回転すると、動力が、駆動力伝達ギア１２、１３を介してリードスクリュー１４に伝達される。これにより駆動モータ１１の回転に連動してリードスクリュー１４も回転する。リードスクリュー１４には、螺旋溝１５が形成されている。螺旋溝１５にはキャリッジ１６が係合している。リードスクリュー１４が回転すると、キャリッジ１６は、記録媒体Ｐの幅方向（図１（ａ）の矢印ａ、ｂ参照）に往復移動する。キャリッジ１６には、ヘッドユニット２が搭載されている。
図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す記録装置に搭載されたヘッドユニットの斜視図である。図１（ｂ）に示すように、液体吐出ヘッド２１は、フレキシブルフィルム配線基板２３を通じてコンタクトパッド２４に導通している。コンタクトパッド２４は、装置本体に電気的に接続されている。本実施形態では、液体吐出ヘッド２１は、インクタンク２２と一体化されている。ただし、本発明では、インクタンク２２が液体吐出ヘッド２１から分離した構造であってもよい。
以下、液体吐出ヘッド２１について説明する。
図２は、図１（ｂ）に示すヘッドユニットを構成する液体吐出ヘッドの斜視図である。図２に示す液体吐出ヘッド２１は、エネルギー発生素子３２ａを備えた基板３（液体吐出ヘッド用基板）と、基板３に接合され、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を主成分とする流路形成部材４と、を有している。エネルギー発生素子３２ａは、基板３を貫通する供給口３６の長手方向に沿って所定のピッチで配列されている。流路形成部材４には、液体を吐出するための複数の吐出口４１と、各吐出口４１に連通する複数の流路４２と、各流路４２を隔てる壁４３とが形成されている。吐出口４１は、流路４２を挟んでエネルギー発生素子３２ａと対応する位置に設けられている。基板３の端部には、複数の端子３５が設けられている。各端子３５には、装置本体からエネルギー発生素子３２ａを駆動するための電力やトランジスタ等の駆動素子（不図示）を制御するためのロジック信号等が送られる。
上記のように構成された液体吐出ヘッド２１では、液体が供給口３６から流路４２に運ばれる。その後、通電によりエネルギー発生素子３２ａが発熱すると、液体が膜沸騰することで気泡が生じる。気泡の圧力によって、液体が吐出口４１から吐出されることで、記録動作が行われる。
図３（ａ）は、図２に示す切断線Ａ−Ａに沿った切断面である。図３（ａ）に示すようにシリコンで構成された基体３０の表面には、蓄熱層３１が積層されている。蓄熱層３１は、基体３０の一部が熱酸化することで形成された熱酸化層と、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などを用いて形成されたシリコン化合物と、で構成されている。シリコン化合物には、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯＣ、ＳｉＣＮ等が挙げられる。蓄熱層３１は、熱を蓄えるだけでなく絶縁層としても機能する。
蓄熱層３１の表面に、発熱抵抗層３２が積層されている。図３（ｂ）は、図３（ａ）の一部を拡大して示す拡大図である。図３（ｂ）に示すように、発熱抵抗層３２は、複数の積層体３２１で構成されている。各積層体３２１は、金属層３２１ａと、金属層３２１ａに積層されているＳｉ層３２１ｂと、Ｓｉ層３２１ｂに積層されているＮ層３２１ｃとで構成されている。金属層３２１ａの材料は、タンタル（Ｔａ）またはタングステン（Ｗ）である。最下層の金属層３２１ａは蓄熱層３１に接している。各積層体３２１は、原子層堆積法（Atomic Layer Depotion）により金属層３２１ａ、Ｓｉ層３２１ｂ、Ｎ層３２１ｃをそれぞれ構成する原子を一層ずつ積み重ねることによって成膜される。
発熱抵抗層３２の表面（最上層のＮ層３２１ｃ）には、一対の電極３３が積層されている。一対の電極３３の材料は、金属層３２１ａよりも電気抵抗の低い材料（例えばアルミニウム）である。一対の電極３３に電圧を印加すると、発熱抵抗層３２のうちの、一対の電極３３の間に対応する部分であるエネルギー発生素子３２ａが発熱する。エネルギー発生素子３２ａと一対の電極３３を液体から絶縁させるために、絶縁層３４が形成されている。絶縁層３４の材料は、ＳｉＮ等のシリコン化合物を含む絶縁性材料である。
本実施形態では絶縁層３４に流路形成部材４が直接接合されているが、絶縁層３４と流路形成部材４との間にポリエーテルアミド樹脂などからなる密着層を形成してもよい。この密着層を形成することによって、絶縁層３４と流路形成部材４との密着性が向上する。
以下、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
本実施例では、図４に示す原子層堆積層法の成膜装置５を用いて発熱抵抗層３２を製造する。
本実施例では、図４に示す原子層堆積層法の成膜装置５を用いて発熱抵抗層３２を製造する。
（１）金属層の成膜工程
成膜装置５において、ＴａＣｌ５（５塩化タンタル）ガスが、バルブ５１１からガス導入口５０１に導入される。ＴａＣｌ５ガスの流量は、マスフロー５１２にて１００〜２０００ｓｃｃｍ（Standard Cubic Centimeter per Minutes）に調整される。ＴａＣｌ５ガスの導入時間は、０．５秒〜８．０秒の範囲内に設定されている。ガス導入口５０１に導入されたＴａＣｌ５ガスは、石英チューブ５０７を通過する。石英チューブ５０７の通過の際、高周波電源５０８が高周波印加コイル５０２に通電する。これによりＴａＣｌ５ガスが活性化する。活性化したＴａＣｌ５ガスは、シャワープレート５０３に形成されている複数の穴５０６から放出される。すると、ＴａＣｌ５が基板５０４上に堆積する。基板５０４は、基体３０の表面に蓄熱層３１が形成された部材である。本実施例では、蓄熱層３１は、プラズマＣＶＤで製膜された酸化シリコン（ＳｉＯ）を含んでいる。基板５０４は、ステージ５０５上に搭載されている。ステージ５０５は、２００℃〜４００℃に加熱されている。図４に示すようにシャワープレート５０３およびステージ５０５は、チャンバー５１０内に配置されている。
成膜装置５において、ＴａＣｌ５（５塩化タンタル）ガスが、バルブ５１１からガス導入口５０１に導入される。ＴａＣｌ５ガスの流量は、マスフロー５１２にて１００〜２０００ｓｃｃｍ（Standard Cubic Centimeter per Minutes）に調整される。ＴａＣｌ５ガスの導入時間は、０．５秒〜８．０秒の範囲内に設定されている。ガス導入口５０１に導入されたＴａＣｌ５ガスは、石英チューブ５０７を通過する。石英チューブ５０７の通過の際、高周波電源５０８が高周波印加コイル５０２に通電する。これによりＴａＣｌ５ガスが活性化する。活性化したＴａＣｌ５ガスは、シャワープレート５０３に形成されている複数の穴５０６から放出される。すると、ＴａＣｌ５が基板５０４上に堆積する。基板５０４は、基体３０の表面に蓄熱層３１が形成された部材である。本実施例では、蓄熱層３１は、プラズマＣＶＤで製膜された酸化シリコン（ＳｉＯ）を含んでいる。基板５０４は、ステージ５０５上に搭載されている。ステージ５０５は、２００℃〜４００℃に加熱されている。図４に示すようにシャワープレート５０３およびステージ５０５は、チャンバー５１０内に配置されている。
ＴａＣｌ５が基板５０４上に堆積された後、チャンバー５１０内に残ったＴａＣｌ５ガスが排気口５０９から真空排気される。次に、ＴａＣｌを構成するＣｌ（塩素）を除去するために、水素ガスがバルブ５１１からガス導入口５０１に導入される。水素ガスの流量は、マスフロー５１２にて５００〜３０００ｓｃｃｍに調整される。水素ガスの導入時間は６秒以上に設定されている。ガス導入口５０１に導入された水素ガスは、石英チューブ５０７を通過する。石英チューブ５０７の通過の際、高周波電源５０８が高周波印加コイル５０２に通電する。これにより、水素ガスが活性化する。活性化した水素ガスは、穴５０６から放出される。すると水素が、基板５０４に堆積したＴａＣｌと反応する。この反応により塩素（Ｃｌ）は除去される。その後、チャンバー５１０内に残った水素ガスは排気口５０９から真空排気される。その結果、タンタル（Ｔａ）で構成された金属層３２１ａが蓄熱層３１の表面に成膜される。本実施例では、金属層３２１ａの厚さは２×１０−１０ｍである。
（２）Ｓｉ層の成膜工程
金属層３２１ａの成膜後、ＳｉＨ４ガスがバルブ５１１からガス導入口５０１に導入される。ＳｉＨ４ガスの流量は、マスフロー５１２にて８０〜５００ｓｃｃｍに調整される。ＳｉＨ４ガスの導入時間は、２秒〜３０秒の範囲内に設定されている。ガス導入口５０１に導入されたＳｉＨ４ガスは、石英チューブ５０７を通過する。石英チューブ５０７の通過の際、高周波電源５０８が高周波印加コイル５０２に通電する。これによりＳｉＨ４ガスが活性化する。活性化したＳｉＨ４ガスは、穴５０６から放出される。すると、Ｓｉ（シリコン）が、基板５０４に成膜された金属層３２１ａの表面に堆積する。このとき、基板５０４を搭載したステージ５は、２００℃〜４００℃に加熱されている。その後、チャンバー５１０内に残ったＳｉＨ４ガスは排気口５０９から真空排気される。その結果、シリコンで構成されたＳｉ層３２１ｂが金属層３２１ａの表面に成膜される。本実施例では、Ｓｉ層３２１ｂの厚さは２×１０−１０ｍである。
金属層３２１ａの成膜後、ＳｉＨ４ガスがバルブ５１１からガス導入口５０１に導入される。ＳｉＨ４ガスの流量は、マスフロー５１２にて８０〜５００ｓｃｃｍに調整される。ＳｉＨ４ガスの導入時間は、２秒〜３０秒の範囲内に設定されている。ガス導入口５０１に導入されたＳｉＨ４ガスは、石英チューブ５０７を通過する。石英チューブ５０７の通過の際、高周波電源５０８が高周波印加コイル５０２に通電する。これによりＳｉＨ４ガスが活性化する。活性化したＳｉＨ４ガスは、穴５０６から放出される。すると、Ｓｉ（シリコン）が、基板５０４に成膜された金属層３２１ａの表面に堆積する。このとき、基板５０４を搭載したステージ５は、２００℃〜４００℃に加熱されている。その後、チャンバー５１０内に残ったＳｉＨ４ガスは排気口５０９から真空排気される。その結果、シリコンで構成されたＳｉ層３２１ｂが金属層３２１ａの表面に成膜される。本実施例では、Ｓｉ層３２１ｂの厚さは２×１０−１０ｍである。
（３）Ｎ層の成膜工程
Ｓｉ層３２１ｂの成膜後、窒素と水素の混合ガスがバルブ５１１からガス導入口５０１に導入される。混合ガスの流量はマスフロー５１２にて１５０〜３０００ｓｃｃｍに調整される。混合ガスの導入時間は、１０秒〜３０秒に設定されている。ガス導入口５０１に導入された混合ガスは、石英チューブ５０７を通過する。石英チューブ５０７の通過の際、高周波電源５０８が高周波印加コイル５０２に通電する。これにより、混合ガスが活性化する。活性化した混合ガスは、穴５０６から放出される。すると、窒素が、基板５０４に形成されたＳｉ層３２１ｂの表面に堆積する。このとき、基板５０４を搭載したステージ５０５は、２００℃〜４００℃に加熱されている。その後、チャンバー５１０内に残った混合ガスは排気口５０９から真空排気される。その結果、窒素で構成されたＮ層３２１ｃがＳｉ層３２１ｂの表面に成膜される。本実施例では、Ｎ層３２１ｃの厚さは１．４×１０−１０ｍである。
Ｓｉ層３２１ｂの成膜後、窒素と水素の混合ガスがバルブ５１１からガス導入口５０１に導入される。混合ガスの流量はマスフロー５１２にて１５０〜３０００ｓｃｃｍに調整される。混合ガスの導入時間は、１０秒〜３０秒に設定されている。ガス導入口５０１に導入された混合ガスは、石英チューブ５０７を通過する。石英チューブ５０７の通過の際、高周波電源５０８が高周波印加コイル５０２に通電する。これにより、混合ガスが活性化する。活性化した混合ガスは、穴５０６から放出される。すると、窒素が、基板５０４に形成されたＳｉ層３２１ｂの表面に堆積する。このとき、基板５０４を搭載したステージ５０５は、２００℃〜４００℃に加熱されている。その後、チャンバー５１０内に残った混合ガスは排気口５０９から真空排気される。その結果、窒素で構成されたＮ層３２１ｃがＳｉ層３２１ｂの表面に成膜される。本実施例では、Ｎ層３２１ｃの厚さは１．４×１０−１０ｍである。
上記の（１）、（２）、および（３）に記載の成膜工程を順次３２回繰り返すことで、実施例１の発熱抵抗層３２が完成する。本実施例では、発熱抵抗層３２の厚さは約２００×１０−１０ｍである。発熱抵抗層３２の比抵抗は、４００μΩ・cmである。
（実施例２）
本実施例では、実施例１と同様に成膜装置５を用いて発熱抵抗層３２を製造する。なお、実施例１と同様の内容については説明を省略する。
本実施例では、実施例１と同様に成膜装置５を用いて発熱抵抗層３２を製造する。なお、実施例１と同様の内容については説明を省略する。
（１）金属層の成膜工程
成膜装置５において、ＷＦ６ガスが、バルブ５１１からガス導入口５０１に導入される。ＷＦ６ガスの流量は、マスフロー５１２にて１００〜１５００ｓｃｃｍに調整される。ＷＦ６ガスの導入時間は、１秒〜５秒の範囲内に設定されている。ガス導入口５０１に導入されたＷＦ６ガスは、石英チューブ５０７を通過する。石英チューブ５０７の通過の際、高周波電源５０８が高周波印加コイル５０２に通電する。これによりＷＦ６ガスが活性化する。活性化したＷＦ６ガスは、穴５０６から放出される。すると、ＷＦ６が基板５０４上に堆積する。基板５０４は、ステージ５０５に搭載されている。ステージ５０５は、２００℃〜４００℃に加熱されている。
成膜装置５において、ＷＦ６ガスが、バルブ５１１からガス導入口５０１に導入される。ＷＦ６ガスの流量は、マスフロー５１２にて１００〜１５００ｓｃｃｍに調整される。ＷＦ６ガスの導入時間は、１秒〜５秒の範囲内に設定されている。ガス導入口５０１に導入されたＷＦ６ガスは、石英チューブ５０７を通過する。石英チューブ５０７の通過の際、高周波電源５０８が高周波印加コイル５０２に通電する。これによりＷＦ６ガスが活性化する。活性化したＷＦ６ガスは、穴５０６から放出される。すると、ＷＦ６が基板５０４上に堆積する。基板５０４は、ステージ５０５に搭載されている。ステージ５０５は、２００℃〜４００℃に加熱されている。
ＷＦ６が基板５０４に堆積された後、チャンバー５１０内に残ったＷＦ６ガスが排気口５０９から真空排気される。次に、ＷＦを構成するＦ（フッ素）を除去するために、水素ガスがバルブ５１１からガス導入口５０１に導入される。水素ガスの流量は、マスフロー５１２にて５００〜３０００ｓｃｃｍに調整される。水素ガスの導入時間は６秒以上に設定されている。ガス導入口５０１に導入された水素ガスは、石英チューブ５０７を通過する。石英チューブ５０７の通過の際、高周波電源５０８が高周波印加コイル５０２に通電する。これにより水素ガスが活性化する。活性化した水素ガスは、穴５０６から放出される。すると、水素が、基板５０４に堆積したＷＦと反応する。この反応によりフッ素は除去される。その後、チャンバー５１０内に残った水素ガスは排気口５０９から真空排気される。その結果、タングステン（Ｗ）で構成された金属層３２１ａが蓄熱層３１の表面に成膜される。本実施例では、金属層３２１ａの厚さは、２．８×１０−１０ｍである。
（２）Ｓｉ層の成膜工程
実施例１の（２）と同じ成膜工程によって、シリコンで構成されたＳｉ層３２１ｂが金属層３２１ａの表面に成膜される。
実施例１の（２）と同じ成膜工程によって、シリコンで構成されたＳｉ層３２１ｂが金属層３２１ａの表面に成膜される。
（３）Ｎ層の成膜工程
実施例１の（３）と同じ成膜工程によって、窒素で構成されたＮ層３２１ｃがＳｉ層３２１ｂの表面に成膜される。
実施例１の（３）と同じ成膜工程によって、窒素で構成されたＮ層３２１ｃがＳｉ層３２１ｂの表面に成膜される。
上記の（１）、（２）、および（３）に記載の成膜工程を順次３３回繰り返すことで、実施例２の発熱抵抗層３２が完成する。本実施例では、発熱抵抗層３２の厚さは約２００×１０−１０ｍである。発熱抵抗層３２の比抵抗は、３６０μΩ・cmである。
（比較例1）
本比較例では、実施例１の成膜工程に関し、（２）、（１）、（３）の順で発熱抵抗層を製造した。すなわち、比較例１の発熱抵抗層は、Ｓｉ層３２１ｂ、タンタルで構成された金属層３２１ａ、Ｎ層３２１ｃの順に積層された積層体となっている。上述した順番の成膜工程を３２サイクル繰り返すことで比較例１の発熱抵抗層が完成する。本比較例では、発熱抵抗層の厚さは、約２００×１０−１０ｍである。発熱抵抗層の比抵抗は、３６０μΩ・cmである。
本比較例では、実施例１の成膜工程に関し、（２）、（１）、（３）の順で発熱抵抗層を製造した。すなわち、比較例１の発熱抵抗層は、Ｓｉ層３２１ｂ、タンタルで構成された金属層３２１ａ、Ｎ層３２１ｃの順に積層された積層体となっている。上述した順番の成膜工程を３２サイクル繰り返すことで比較例１の発熱抵抗層が完成する。本比較例では、発熱抵抗層の厚さは、約２００×１０−１０ｍである。発熱抵抗層の比抵抗は、３６０μΩ・cmである。
（比較例２）
本比較例では、実施例１の成膜工程に関し、（３）、（１）、（２）の順で発熱抵抗層を製造した。すなわち、比較例２の発熱抵抗層は、Ｎ層３２１ｃ、タンタルで構成された金属層３２１ａ、Ｓｉ層３２１ｂの順に積層された積層体となっている。上述した順番の成膜工程を３２サイクル繰り返すことで比較例２の発熱抵抗層が完成する。本比較例では、発熱抵抗層の厚さは約２００×１０−１０ｍである。
本比較例では、実施例１の成膜工程に関し、（３）、（１）、（２）の順で発熱抵抗層を製造した。すなわち、比較例２の発熱抵抗層は、Ｎ層３２１ｃ、タンタルで構成された金属層３２１ａ、Ｓｉ層３２１ｂの順に積層された積層体となっている。上述した順番の成膜工程を３２サイクル繰り返すことで比較例２の発熱抵抗層が完成する。本比較例では、発熱抵抗層の厚さは約２００×１０−１０ｍである。
（比較例３）
本比較例では、実施例２の成膜工程に関し、（２）、（１）、（３）の順で発熱抵抗層を製造した。すなわち、比較例の発熱抵抗層は、Ｓｉ層３２１ｂ、タングステンで構成された金属層３２１ａ、Ｎ層３２１ｃの順に積層された積層体となっている。上述した順番の成膜工程を３２サイクル繰り返すことで比較例３の発熱抵抗層が完成する。本比較例では、発熱抵抗層の厚さは約２００×１０−１０ｍである。発熱抵抗層の比抵抗は、３６０μΩ・cmである。
本比較例では、実施例２の成膜工程に関し、（２）、（１）、（３）の順で発熱抵抗層を製造した。すなわち、比較例の発熱抵抗層は、Ｓｉ層３２１ｂ、タングステンで構成された金属層３２１ａ、Ｎ層３２１ｃの順に積層された積層体となっている。上述した順番の成膜工程を３２サイクル繰り返すことで比較例３の発熱抵抗層が完成する。本比較例では、発熱抵抗層の厚さは約２００×１０−１０ｍである。発熱抵抗層の比抵抗は、３６０μΩ・cmである。
（比較例４）
本比較例では、実施例２の成膜工程に関し、（３）、（１）、（２）の順で発熱抵抗層を製造した。すなわち、比較例４の発熱抵抗層は、Ｎ層３２１ｃ、タングステンで構成された金属層３２１ａ、Ｓｉ層３２１ｂの順に積層された積層体となっている。上述した順番の成膜工程を３２サイクル繰り返すことで比較例４の発熱抵抗層が完成する。本比較例では、発熱抵抗層の厚さは約２００×１０−１０ｍである。
本比較例では、実施例２の成膜工程に関し、（３）、（１）、（２）の順で発熱抵抗層を製造した。すなわち、比較例４の発熱抵抗層は、Ｎ層３２１ｃ、タングステンで構成された金属層３２１ａ、Ｓｉ層３２１ｂの順に積層された積層体となっている。上述した順番の成膜工程を３２サイクル繰り返すことで比較例４の発熱抵抗層が完成する。本比較例では、発熱抵抗層の厚さは約２００×１０−１０ｍである。
（比較例５）
本比較例では、２元スパッタリング法を用いてTa33.3Si33.3N33.4で構成された発熱抵抗層を製造した。具体的な成膜条件は、基板温度が１５０℃、Ｎ／Ａｒ＋Ｎのガス流量比が１０％、Ｓｉターゲットへの印加電力が７００Ｗ、Ｔａターゲットへの印加電力が４８０Ｗである。本比較例では、発熱抵抗層の比抵抗は４１０μΩ・cmである。
本比較例では、２元スパッタリング法を用いてTa33.3Si33.3N33.4で構成された発熱抵抗層を製造した。具体的な成膜条件は、基板温度が１５０℃、Ｎ／Ａｒ＋Ｎのガス流量比が１０％、Ｓｉターゲットへの印加電力が７００Ｗ、Ｔａターゲットへの印加電力が４８０Ｗである。本比較例では、発熱抵抗層の比抵抗は４１０μΩ・cmである。
（比較例６）
本比較例では、２元スパッタリング法を用いてTa35Si19.4N45.6で構成された発熱抵抗層を製造した。具体的な成膜条件は、基板温度が１５０℃、Ｎ／Ａｒ＋Ｎのガス流量比が１８％、Ｓｉターゲットへの印加電力が６５０Ｗ、Ｔａターゲットへの印加電力が４８０Ｗである。本比較例では、発熱抵抗層の比抵抗は４１０μΩ・cmである。
本比較例では、２元スパッタリング法を用いてTa35Si19.4N45.6で構成された発熱抵抗層を製造した。具体的な成膜条件は、基板温度が１５０℃、Ｎ／Ａｒ＋Ｎのガス流量比が１８％、Ｓｉターゲットへの印加電力が６５０Ｗ、Ｔａターゲットへの印加電力が４８０Ｗである。本比較例では、発熱抵抗層の比抵抗は４１０μΩ・cmである。
（比較例７）
本比較例では、２元スパッタリング法を用いてW33.3Si33.3N33.4で構成された発熱抵抗層を製造した。具体的な成膜条件は、基板温度が１５０℃、Ｎ/Ａｒ＋Ｎのガス流量比が１５％、Ｓｉターゲットへの印加電力が７００Ｗ、タングステン（Ｗ）ターゲットへの印加電力が４１０Ｗである。本比較例では、発熱抵抗層の比抵抗は６５０μΩ・cmである。
本比較例では、２元スパッタリング法を用いてW33.3Si33.3N33.4で構成された発熱抵抗層を製造した。具体的な成膜条件は、基板温度が１５０℃、Ｎ/Ａｒ＋Ｎのガス流量比が１５％、Ｓｉターゲットへの印加電力が７００Ｗ、タングステン（Ｗ）ターゲットへの印加電力が４１０Ｗである。本比較例では、発熱抵抗層の比抵抗は６５０μΩ・cmである。
（膜質評価）
各実施例の発熱抵抗層の膜質と、各比較例の発熱抵抗層の膜質について、ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）を用いて評価した。評価結果は図５に示されている。図５において、原子（ＴａまたはＷ、Ｓｉ、Ｎ）が一層ずつ層状に成膜されている発熱抵抗層を「○」と評価している。一部が層状に成膜されている発熱抵抗層を「△」と評価している。層状になっていない発熱抵抗層を「×」と評価している。
各実施例の発熱抵抗層の膜質と、各比較例の発熱抵抗層の膜質について、ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）を用いて評価した。評価結果は図５に示されている。図５において、原子（ＴａまたはＷ、Ｓｉ、Ｎ）が一層ずつ層状に成膜されている発熱抵抗層を「○」と評価している。一部が層状に成膜されている発熱抵抗層を「△」と評価している。層状になっていない発熱抵抗層を「×」と評価している。
図５を参照すると、比較例２と比較例４は、「△」となっている。比較例２と比較例４では、窒素原子が蓄熱層３１の酸化シリコン（ＳｉＯ）上に不均一に成膜されるため、膜質が実施例１、２に比べて劣る。比較例５〜７は、「×」となっている。比較例５〜７では、スパッタ法を採用しているため各原子がランダムに並んでいる。すなわち、比較例５〜７の発熱抵抗層は、タンタル（またはタングステン）原子、シリコン原子、および窒素原子が混在した単層体となっている。
（構造評価）
各実施例の発熱抵抗層の構造と、各比較例の発熱抵抗層の構造について、ＸＲＤ（X-Ray Diffraction）によって構造を評価した。評価結果は図５に示されている。図５を参照すると、蓄熱層３１（シリコン化合物）に接する原子が金属（タンタルまたはタングステン）または窒素の場合に発熱抵抗層はアモルファス構造となっている。一方、蓄熱層３１（シリコン化合物）に接する原子がシリコンの場合には発熱抵抗層は結晶構造となっている。
各実施例の発熱抵抗層の構造と、各比較例の発熱抵抗層の構造について、ＸＲＤ（X-Ray Diffraction）によって構造を評価した。評価結果は図５に示されている。図５を参照すると、蓄熱層３１（シリコン化合物）に接する原子が金属（タンタルまたはタングステン）または窒素の場合に発熱抵抗層はアモルファス構造となっている。一方、蓄熱層３１（シリコン化合物）に接する原子がシリコンの場合には発熱抵抗層は結晶構造となっている。
（熱ストレス評価）
各実施例および各比較例の発熱抵抗層を有する液体吐出ヘッドを上述した構成で作成し、熱ストレス評価（Constant Stress Test）を行った。この熱ストレス評価では、各エネルギー発生素子に電圧パルスが所定の周波数で印加される。電圧パルスのピーク値は、インクを吐出するためのしきい値電圧（Ｖｔｈ）の１．３倍の値である。電圧パルス幅は、０．８μｓである。このような電圧パルスをエネルギー発生素子が断線するまで印加し続ける。評価結果は表５に示されている。図５において、エネルギー発生素子が断線したときのパルス数（以下、断線パルス数と称する。）が２×１０１０を超えている場合に「○」と評価している。断線パルス数が５×１０９を超えている場合に「△」と評価している。断線パルス数が１×１０９以下の場合に「×」と評価している。図５を参照すると、熱ストレス耐性に関し、原子が層状に成膜されている場合の方が、一部が層状に成膜されているか層状になっていない場合よりも優れており、またアモルファス構造の方が結晶構造よりも優れている。
各実施例および各比較例の発熱抵抗層を有する液体吐出ヘッドを上述した構成で作成し、熱ストレス評価（Constant Stress Test）を行った。この熱ストレス評価では、各エネルギー発生素子に電圧パルスが所定の周波数で印加される。電圧パルスのピーク値は、インクを吐出するためのしきい値電圧（Ｖｔｈ）の１．３倍の値である。電圧パルス幅は、０．８μｓである。このような電圧パルスをエネルギー発生素子が断線するまで印加し続ける。評価結果は表５に示されている。図５において、エネルギー発生素子が断線したときのパルス数（以下、断線パルス数と称する。）が２×１０１０を超えている場合に「○」と評価している。断線パルス数が５×１０９を超えている場合に「△」と評価している。断線パルス数が１×１０９以下の場合に「×」と評価している。図５を参照すると、熱ストレス耐性に関し、原子が層状に成膜されている場合の方が、一部が層状に成膜されているか層状になっていない場合よりも優れており、またアモルファス構造の方が結晶構造よりも優れている。
図５に示す膜質の評価結果からわかるように、シリコン化合物を含む蓄熱層３１の表面に層状の発熱抵抗層を成膜するためには、金属層３２１ａまたはＳｉ層３２１ｂが蓄熱層３１に接する必要がある。金属層３２１ａが蓄熱層３１に接する場合、アモルファス構造となる。一方、Ｓｉ層３２１ｂが蓄熱層３１に接する場合、結晶構造となる。アモルファス構造は結晶粒界がないので、結晶構造に比べて熱ストレス耐性が優れている。また、複数の原子を層状に重ねて成膜した発熱抵抗層は、スパッタ法で成膜した発熱抵抗層よりも熱ストレスによる構造緩和が起きにくくなる。
したがって、金属層３２１ａを蓄熱層３１の表面に接し、かつ、金属層３２１ａ、Ｓｉ層３２１ｂ、Ｎ層３２１ｃを層状に成膜することによって、熱ストレス耐性を向上させることが可能となる。その結果、記録量が増えても熱ストレスに対する信頼性を確保することが可能となる。
３ 基板
４ 流路形成部材
２１ 液体吐出ヘッド
３１ 蓄熱層
３２ 発熱抵抗層
３２ａ エネルギー発生素子
４１ 吐出口
４２ 流路
３２１ 積層体
３２１ａ 金属層
３２１ｂ Ｓｉ層
３２１ｃ Ｎ層
４ 流路形成部材
２１ 液体吐出ヘッド
３１ 蓄熱層
３２ 発熱抵抗層
３２ａ エネルギー発生素子
４１ 吐出口
４２ 流路
３２１ 積層体
３２１ａ 金属層
３２１ｂ Ｓｉ層
３２１ｃ Ｎ層
Claims (11)
- 液体を吐出する吐出口が形成された部材と、
前記部材が接合された基板と、を有する液体吐出ヘッドであって、
前記基板は、シリコン化合物を含む蓄熱層と、前記吐出口に対応する位置に設けられ、通電により発熱することによって前記液体を前記吐出口から吐出させるエネルギー発生素子と、を有し、
前記エネルギー発生素子が、タンタルまたはタングステンで構成された金属層と、該金属層に積層され、シリコンで構成されたＳｉ層と、該Ｓｉ層に積層され、窒素で構成されたＮ層と、を有する積層体を有し、前記金属層が前記蓄熱層に接している、液体吐出ヘッド。 - 前記エネルギー発生素子が互いに積層された複数の前記積層体を有する、請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
- 請求項１または２に記載の液体吐出ヘッドを備えた記録装置。
- 液体を吐出する吐出口が形成された部材と、前記部材が接合され、シリコン化合物を含む蓄熱層が形成された基板と、を有する液体吐出ヘッドを製造する方法であって、
前記蓄熱層の表面にタンタルまたはタングステンで構成された金属層を積層する工程と、
前記金属層の表面にシリコンで構成されたＳｉ層を積層する工程と、
前記Ｓｉ層の表面に窒素で構成されたＮ層を積層する工程と、を含む液体吐出ヘッドの製造方法。 - 原子層堆積法によって、前記金属層、前記Ｓｉ層、および前記Ｎ層を積層する、請求項４に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- 前記金属層を積層する工程、前記Ｓｉ層を積層する工程、および前記Ｎ層を積層する工程の後に、前記Ｎ層の表面に前記金属層を積層する工程、前記Ｓｉ層を積層する工程、および前記Ｎ層を積層する工程をこの順に複数回行う、請求項４または請求項５に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
- シリコン化合物を含む蓄熱層が形成された基体と、
前記蓄熱層の側に設けられ、通電により液体を吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生素子と、
を有する液体吐出ヘッド用基板において、
前記エネルギー発生素子が、タンタルまたはタングステンで構成された金属層と、該金属層に積層され、シリコンで構成されたＳｉ層と、該Ｓｉ層に積層され、窒素で構成されたＮ層と、を有する積層体を有し、前記金属層が前記蓄熱層に接している、液体吐出ヘッド用基板。 - 前記エネルギー発生素子が、互いに積層された複数の前記積層体を有する、請求項７に記載の液体吐出ヘッド用基板。
- シリコン化合物を含む蓄熱層が形成された基体の前記蓄熱層の表面にタンタルまたはタングステンで構成された金属層を積層する工程と、
前記金属層の表面にシリコンで構成されたＳｉ層を積層する工程と、
前記Ｓｉ層の表面に窒素で構成されたＮ層を積層する工程と、を含む液体吐出ヘッド用基板の製造方法。 - 原子層堆積法によって、前記金属層、前記Ｓｉ層、および前記Ｎ層を積層する、請求項９に記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
- 前記金属層を積層する工程、前記Ｓｉ層を積層する工程、および前記Ｎ層を積層する工程の後に、前記Ｎ層の表面に前記金属層を積層する工程、前記Ｓｉ層を積層する工程、および前記Ｎ層を積層する工程をこの順に複数回行う、請求項９または請求項１０に記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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