JPH0729433B2 - 液体噴射記録ヘツドの作成方法 - Google Patents

液体噴射記録ヘツドの作成方法

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JPH0729433B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は液体噴射記録ヘッドの作成方法、特に熱エネル
ギー発生手段を有する液体噴射記録ヘッドの作成方法に
関する。
〔従来の技術〕
現在知られている各種の記録法のなかでも、記録時に騒
音の発生がほとんどないノンインパクト記録方法であっ
て且つ高速記録が可能であり、しかも普通紙に特別の定
着処理を必要とせずに記録の行なえるいわゆる液体噴射
記録法(インクジェット記録法)は、極めて有用な記録
方法である。この液体噴射記録法については、これまで
にも様々な方法が提案され改良が加えられて商品化され
たものもあれば現在もなお実用化への努力が続けられて
いるものもある。
液体噴射記録法は、インクと称される記録液の液滴(dr
oplet)を種々の作用原理で飛翔させ、それを紙などの
被記録材に付着させて記録を行なうものである。
そして、本件出願人もかかる液体噴射記録法に係わる新
規方法について既に提案を行なっている。この新規方法
は特開昭52−118798号公報において提案されており、そ
の基本原理は次に概説する通りである。つまり、この液
体噴射記録法は、記録液を収容することのできる作用室
中に導入された記録液に対して情報信号として熱的パル
スを与え、これにより記録液が蒸気泡を発生し自己収縮
する過程で生ずる作用力に従って前記作用室に連通せる
液体吐出口より前記記録液を吐出して小液滴として飛翔
せしめ、これを被記録材に付着させて記録を行なう方法
である。
ところで、この方法は高密度マルチアレー構成にして高
速記録、カラー記録に適合させやすく、実施装置の構成
が従来のそれに比べて簡略であるため、記録ヘッドとし
て全体的にはコンパクト化が図れ且つ量産に向くこと、
半導体分野において技術の進歩と信頼性の向上が著しい
IC技術やマイクロ加工技術の長所を十二分に利用するこ
とで長尺化が容易であること等の利点があり、適用範囲
の広い方法である。
上記液体噴射記録法に用いる液体噴射記録装置の特徴的
な記録ヘッドには、液体吐出口より記録液を吐出して飛
翔的液滴を形成するための熱エネルギー発生手段が設け
られている。
該熱エネルギー発生手段は、発生する熱エネルギーを効
率良く記録液に作用させること、記録液への熱作用のON
−OFF応答速度を高めること等のために、記録液に直接
接触する様に設けられるのが望ましいとされている。
しかしながら、前記の熱エネルギー発生手段は通電され
ることによって発熱する発熱抵抗層と該発熱抵抗層に通
電するための一対の電極とで基本的には構成されている
ために、発熱抵抗層が直に記録液に接触する状態である
と、記録液の電気抵抗値如何によっては該液を通じて電
気が流れたり、記録液を通じての電気の流れによって記
録液自身が電気分解したり、あるいは発熱抵抗層への通
電の際に該発熱抵抗層と記録液とが反応して、発熱抵抗
層の腐食による抵抗値の変化や発熱抵抗層の破損あるい
は破壊が起こったりする場合があった。
そのために、従来においては、NiCr等の合金やZrB2、Hf
B2等の金属ホウ化物等の発熱抵抗材料としての特性に比
較的に優れた無機材料で発熱抵抗層を構成すると共に、
該材料で構成された発熱抵抗層上にSiO2等の耐酸化性に
優れた材料で構成された保護層を設けることで発熱抵抗
層が記録液に直に接触するのを防止して、前記の諸問題
を解決し信頼性と繰返し使用耐久性の向上を図ろうとす
ることが提案されている。
ところで、このような液体噴射記録ヘッドの熱エネルギ
ー発生手段を形成するに際しては、上記発熱抵抗層を所
望の基体上に形成した後、電極および保護層を順次積層
していくのが一般的であり、このような熱エネルギー発
生手段の保護層には、上記のような発熱抵抗層の破損防
止あるいは電極間の短絡防止などの保護層としての各種
の機能を十分に果たすべく、これら発熱抵抗層や電極の
所要部をピンホールなどの層欠陥を有することなく一様
に覆う(カバー)ことが要求される。
また、このような液体噴射記録ヘッドでは、前述したよ
うに、一般には電極が発熱抵抗層上に形成されるため、
電極および発熱抵抗層間に段差(ステップ)が生じる
が、このような段差部には、層厚の不均一などが発生し
易すいため、露出部分を生じることのないように該段差
を十分に覆う(ステップカバイレージ)ように層形成が
実施されねばならない。すなわち、ステップカバレージ
が不十分な状態では、発熱抵抗層の露出部分と記録液と
が直に接触して、記録液が電気分解されたり、記録液と
発熱抵抗層が反応して発熱抵抗層が破壊されてしまうこ
とがあった。また、このような段差部には、膜質の不均
一なども生じやすく、このような膜質の不均一は、熱発
生の繰り返しによって保護層に生じる熱ストレスの部分
集中を招き、保護層に亀裂(クラック)を生じる原因と
もなり、このクラックから記録液が侵入して、上記のよ
うな発熱抵抗層の破壊に至ることもあった。更には、ピ
ンホールから記録液が侵入して発熱抵抗層が破壊される
こともあった。
従来、このような問題の解決にあたっては、保護層の層
厚を厚くし、ステップカバレージの向上やピンホールの
減少をはかることが一般に行なわれている。しかしなが
ら、保護層を厚くすることは、ステップカバレージやピ
ンホールの減少に寄与するものの、保護層を厚くするこ
とによって記録液への熱供給が阻害され、以下のような
新たな問題を生じることになった。
すなわち、発熱抵抗層に発生する熱は保護層を通じて記
録液に伝達される訳であるが、この熱の作用面であると
ころの保護層表面と発熱抵抗層との間の熱的抵抗が保護
層層厚を厚くすることで大きくなり、このため発熱抵抗
層に必要以上の電力負荷をかける必要を生じ、 省電力化が不利である、 必要以上の熱が基体に蓄熱し、熱応答性が悪くなる、 必要以上の電力のため発熱抵抗層の耐久性が悪くなる と言った問題を生じるのである。
このような問題は、保護層を薄くすれば克服できるので
あるが、該層の形成に例えばスパッタリングあるいは蒸
着などの膜形成方法を用いる従来の液体噴射記録ヘッド
の作成方法では、ステップカバレージ不良などのため、
前述のような耐久上の欠点があり、保護層を薄くするこ
とが困難であった。
また、上記の如き液体噴射記録ヘッドにおける記録の際
には、一般には記録液の急速加熱を行なうほど記録液の
発泡安定性が向上することが知られている。すなわち、
熱エネルギー発生手段に印加する電気信号、一般には矩
形の電気パルスであるが、このパルス幅を短くすればす
るほど記録液の発泡安定性が良くなり、これによって飛
翔液滴の吐出安定性が向上して記録品位が向上するので
ある。しかしながら、従来の液体噴射記録ヘッドにおい
ては、前述の如く保護層層厚を厚くしなければならず、
このため保護層の熱的抵抗が大きくなり、必要以上の熱
を熱エネルギー発生手段で発生させねばならないことか
ら耐久性の劣化や熱応答性の低下を生じ、このためパル
ス幅を短くするのも困難であり、記録品位の向上にはお
のずと限度があった。
〔発明が解決しようとする問題点〕
本発明は上述した従来例の問題点に鑑みてなされたもの
で、省電力、高耐久性および高速応答性を達成し、更に
は記録品質の向上をもはかることが可能な新規な液体噴
射記録ヘッドの作成方法を提供することを主たる目的と
する。
〔問題点を解決するための手段〕
前記目的を達成する本発明は、記録液を吐出させるため
の液体吐出口と、該記録液に吐出エネルギーを供給する
ための熱エネルギー発生手段と、該手段上に該手段の保
護層を有し、該熱エネルギー発生手段が発熱抵抗層及び
該発熱抵抗層に電気的に接続する少なくとも一対の電極
からなる液体噴射記録ヘッドの作成方法において、 前記エネルギー発生手段上に絶縁保護層を形成する工程
と、該絶縁保護層上に液状物質を塗布する工程と、前記
絶縁保護層と前記液状物質をほぼ同じエッチング速度の
条件でエッチングする工程と、前記エッチングされた絶
縁保護層上に更に絶縁保護層を積層する工程と、を有す
ることを特徴とする液体噴射記録ヘッドの作成方法であ
る。
以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明を詳細に
説明する。
第1図乃至第2図は、本発明の方法を適用して得られる
液体噴射記録ヘッドの一例を説明する図であり、それぞ
れ第1図には該ヘッドの熱エネルギー発生手段付近の部
分平面図が、また第2図には第1図のX−Y断面図が示
されている。
第1図乃至第2図に例示される如く、本発明の適用され
る液体噴射記録ヘッドは、例えばガラス、セラミックス
あるいはプラスチック等の所望の材質からなる基体(一
般には、各種形状の基板1)上に、発熱抵抗層2および
該層2に電気的に接続する少なくとも一対の電極3、4
とからなる熱エネルギー発生手段の少なくとも一組以上
と、該手段上に保護層5となる上部層を形成した後、該
上部層に更にフォトレジスト層(不図示)を積層し、該
フォトレジスト層積層後に該フォトレジスト層をエッチ
ング除去しつつ、該上部層にもエッチングを施して得ら
れる保護層5を有している。尚、6は、電極3、4間に
形成される発熱抵抗層2の熱発生部6aに電力供給して発
生した熱を記録液に伝える熱作用面であり、7が発熱抵
抗層2と電極3、4との間に生じる段差(ステップ)で
ある。
第10図は、上記第1図乃至第2図にその一部を示した本
発明の方法を適用して得られる液体噴射記録ヘッドの一
例の完成した状態における模式的断面図であり、21が記
録液を吐出させるための液体吐出口である。
この液体噴射記録ヘッドは、基板1上に前述の如き保護
層5を有する熱エネルギー発生手段を形成した後、該熱
エネルギー発生手段のそれぞれに対応する作用室と該作
用室に連通する液体吐出口21とを設けるべく形成された
溝を有する第9図に例示の如き天板16を、基板1に接合
して得られたものである。尚、第9図において、17が作
用室であるところの液流路を形成するための溝であり、
19は該液流路17に記録液を供給するための共通液室とな
る溝である。該共通液室19には、必要に応じて例えば第
10図に例示の如き液供給管20が接続され、該液供給管20
を通じてヘッド外部から記録液が導入される。また、天
板16を接合するに際しては、熱エネルギー発生手段のそ
れぞれが、液流路17のそれぞれに対応するように十分な
位置合せが行なわれることが望ましい。
このような液体噴射記録ヘッドを作成するに際し、第3
図に例示の如き従来例の液体噴射記録ヘッドでは、前述
の如く保護層5にピンホールなどの層欠陥を生じ易く、
特にステップ7には露出部分を生じ易いために、保護層
層厚を必要以上に厚く(通常は、電極厚みの2倍以上)
しなければならなかった。しかしながら、本発明では、
保護層5が該層5となる上部層を形成後、該上部層に更
にフォトレジスト層を積層し、該フォトレジスト層積層
後に該フォトレジスト層をエッチング除去しつつ、該上
部層にもエッチングを施し、必要に応じて上部層および
フォトレジスト層の積層とエッチングを繰り返し実施し
て得られるため、上記ピンホールやクラックの発生の原
因となる膜質の不均一などの層欠陥を解消できるのであ
る。
また、上部層およびフォトレジスト層の積層とエッチン
グが必要に応じて繰り返し実施されるため、保護層層厚
を任意に設定することができ、前述の如き層欠陥の解消
やステップカバレージの向上を目的とした保護層5の厚
膜化に伴なう問題点が解消され、省電力は言うに及ば
す、高耐久かつ高速熱応答性をも有する液体噴射記録ヘ
ッドを提供できるのである。ちなみに、本発明では、保
護層層厚は電極厚みの1.5倍以下で十分であった。
本発明において、上記発熱抵抗層、電極並びに上部層
は、それぞれ周知の原料を用い、例えば高周波(RF)ス
パッタリング等のスパッタリング法、化学気相堆積(CV
D)法、真空蒸着法等の周知の膜形成方法などを特に限
定することなく用いて形成される。
また、上部層上にエッチングに先立って形成されるフォ
トレジスト層に関しても、この種の技術分野で知られて
いる周知のフォトレジストを特に限定することなく用い
て該フォトレジスト層を形成することができるが、好ま
しくは積層時にある程度の流動性を有し、且つエッチン
グに際しての保形性を有するものである。もちろん、こ
のような形状保持のため光や熱などによる硬化性を有す
るものも好適に用いることができる。
また、上部層およびフォトレジスト層積層後のエッチン
グに関しても、例えば各種のエッチング液を用いる湿式
エッチングあるいはスパッタエッチ、リアクティブエッ
チ(RIE)等のドライエッチング等、周知のエッチング
技法を特に限定することなく用いて行なうことができる
が、工程の簡略化などを考慮するとドライエッチングが
好ましく、中でもRIEが特に好ましいものである。
以下、第4図(a)〜第4図(f)に基づいて、本発明
の液体噴射記録ヘッドの作成方法の一例を説明する。
まず、第4図(a)に示す如くに所望の基板1上に、例
えば真空蒸着あるいはスパッタリング法などを用いて発
熱抵抗層2を形成する。尚、本例では説明を簡略化する
ため特に示さなかったが、基板1上には例えば後述する
第5図乃至第6図に例示の如き蓄熱層9等の機能層を設
けてもよいものである。
次に、この発熱抵抗層2上に電極3、4を形成すべく、
該抵抗層2上に電極層を真空蒸着あるいはスパッタリン
グ法などを用いて所望の厚さに一様に形成する。その
後、周知のフォトリソ(フォトリソグラフィ)技法を用
いて該電極層および発熱抵抗層2にパターニングを施
し、基体1上に所望のパターンに形成された発熱抵抗層
2および電極3、4からなる熱エネルギー発生手段を得
る。
次いで、第4図(b)に示す如くに上記熱エネルギー発
生手段上に保護層を形成すべく、例えばSi3N4、SiO2、S
iON、Ta2O5等の所望の材質からなる上部層5aを、上記同
様の真空蒸着、スパッタリングあるいはCVD法などを用
いて電極3、4の約2倍程度の厚さに形成する。
その後、第4図(c)に示す如くに上部層5a上に更にフ
ォトレジスト層30を積層する。この際に用いるフォトレ
ジストは、前述の如く積層時にある程度の流動性を有す
るものが好ましく、例えばOFPR−800(商品名、東京応
化(株)製)等が具体的なものとして挙げられる。ま
た、フォトレジスト層30は上部層5aの全面に積層するこ
とは必ずしも必要ではなく、その一部のみに積層しても
よいのであるが、後述のエッチング処理を考慮すると、
上記第4図(c)に例示の如く上部層5a全面を平坦かつ
均一に覆うように設けることが好ましいものである。
フォトレジスト層30積層後、例えばリアクティブエッチ
(RIE)装置等を用いて、フォトレジスト層30をエッチ
ング除去しつつ、上部層5aにもエッチングを行ない、第
4図(d)に示すように所望厚みに保護層5を形成す
る。
この際、エッチングガス、エッチング速度等のエッチン
グ条件は、フォトレジスト層や保護層の材質等に応じた
所望のものとしてよいが、保護層の薄層化をはかるため
には、フォトレジスト層30と上部層5aのエッチング速度
が同程度となるようにエッチング条件を選択することが
好ましく、例えば上記RIE装置を用い、保護層材質をSi3
N4、フォトレジスト層をOFPR−800とした場合には、CF4
およびH2からなる混合ガス等がエッチングガスとして好
適に用いられる。
また、上記においては特に説明しながったが、前述の如
くステップ7には露出部分を生じ易く、このような露出
部分を生じることがないように保護層の必要以上の厚膜
化が行なわれる訳であるが、このようなステップ部分の
露出は保護層積層時のみならず、例えばエッチングのか
たより等によってはエッチング時にもステップ部分の再
露出の危険がある。しかしながら本発明では、このよう
なステップ部分が上部層5aとフォトレジスト層30で覆わ
れ、上部層5aに積層されたフォトレジスト層30をエッチ
ング除去しつつ、該上部層5aのエッチングを行なうた
め、例えば第4図(f)に示す如くにステップ部分を含
む上部層5a全体が均一にエッチング除去されるので、前
述のようなステップ部分の再露出の危険はなく、第4図
(d)に示した如くに上部層5aの平坦化に後にも電極
3、4が露出する程度にまで薄化された均一かつ良質の
保護層5を形成することができるのである。
このような上部層5aおよびフォトレジスト層30の形成と
エッチングは、一度行なえば十分であるが、保護層5の
機能を更に優れたものとする等の目的で、例えば第4図
(e)の如くに上部層5aおよびフォトレジスト層30の形
成とエッチングを必要に応じて繰り返し実施し、保護層
5を形成することは一向に差しつかえないものである。
もちろん、このような繰り返しを行なう場合には、繰り
返し形成する上部層5aのすべてにフォトレジスト層30を
積層してエッチングを行なう必要はなく、フォトレジス
トの積層は少なくとも最下層の上部層5aを形成する再に
行ない、後は上部層5aの積層とエッチングを繰り返し行
なうだけでもよいものである。また、保護層5は、単一
材質のものとする必要はなく、例えば耐キャビテーショ
ン(熱エネルギー発生手段の駆動によって生じる気泡に
起因する保護層5の耐触性のこと)性の向上をはかる等
の目的で、2種以上の材質からなる複数構成のものとし
てもよいものである。
以上のようにして保護層5を形成した熱エネルギー発生
手段を有する基板1上に、前述の如き溝を有する第9図
に例示の如き天板16を十分な位置合わせを行なった後に
接合し、これに不図示の液供給系から供給される記録液
をヘッド内部に導入するための液供給管20を接続して、
第10図に例示の如き液体噴射記録ヘッドを完成する。
尚、上記においては特に説明しなかったが、液体吐出口
や液流路等の形成は、上記第9図に例示の如き溝付き板
によることは必ずしも必要ではなく、感光性樹脂のパタ
ーニング等により形成してもよい。また、本発明は、上
述したような複数の液体吐出口を有するマルチアレータ
イプの液体噴射記録ヘッドのみに限定されるものではな
く、液体吐出口が1つのシングルアレータイプ液体噴射
記録ヘッドにも、もちろん適用できるものである。
〔作用〕
このように、本発明では、上部層およびフォトレジスト
層の形成とエッチング、必要に応じてこれを繰り返し実
施して保護層を形成するため、層厚が薄くても、ピンホ
ールなどの層欠陥がなく、またステップカバレージも良
好な保護層を有する液体噴射記録ヘッドを得ることがで
き、省電力は言うに及ばず、高耐久かつ高速熱応答性を
も達成し、更には記録品質にも優れた液体噴射記録ヘッ
ドを提供できるのである。
〔実施例〕
以下に本発明の実施例を示す。
実施例 第10図に例示の液体噴射記録ヘッドを、以下のように作
成した。
まず、第5図乃至第6図に示したようなSi板8に厚さ5
μmのSiO2からなる熱酸化蓄熱層9を形成した基板1を
作成した。この基板1上に、HfB2からなる発熱抵抗層10
をスパッタリング法により1300Åの厚みに形成した。
次に、発熱抵抗層10上に、電極11、12となるAl層を真空
蒸着法により5000Åの厚みに形成した。その後、該Al層
および発熱抵抗層10にフォトリソ工程によるパターニン
グを施し、熱発生部13の大きさが幅30μm×長さ150μ
mで、Al電極11、12を含めた抵抗値が100Ωの回路パタ
ーンを有する熱エネルギー発生手段を基板上に形成し
た。尚、本例では、熱エネルギー発生手段のそれぞれを
選択加熱し得るように、入力側の電極12を個別電極とし
てあるが、帰路側の電極11は電極構成を簡略化するため
共通電極としてある。
次に、第7図乃至第8図に示すように、熱エネルギー発
生手段上にSiO2からなる上部層14をRFスパッタリング装
置を用いて約1μmの厚さに形成した。形成条件は、RF
パワー;1kW、圧力;1×10-3Torrで行なった。
上部層14積層後、該層14上にOFPR−800(東京応化
(株)製)を塗布してなる層厚2μmのフォトレジスト
層(不図示)を形成した。
その後、RIE装置を用い、CF4:H2=1:1からなる混合ガス
中で、圧力;1Torr、RIEパワー;150W、エッチング速度50
0Å/minで約49分間のエッチングを行ない、電極上での
層厚が約500Å、熱発生部での層厚が約5500Åの表面が
平坦な上部層14を得た。その後、その上部層14に、上記
と同様にしてSiO2を更に2000Åの厚みに積層して、電極
部の層厚が約2500Å、熱発生部の層厚が約7500ÅのSiO2
からなる第1の保護層14を形成した。
その後、第1の保護層14の耐キャビテーション性を向上
させる目的で、該層14上にTaからなる第2の保護層15を
上記同様のRFスパッタリング装置を用いて約5000Åの厚
さに形成し、第1および第2の2層からなる保護層を有
する基板を得た。こうして得られた保護層は、ステップ
カバレージが良好で、ピンホール等の層欠陥もない良質
のものであった。
以上の様にして保護層が形成された基板に、前述した第
9図の如き溝を有する天板16(材質;ガラス)を十分な
位置合せを行なった後に接合し、これに更に液供給管20
を接続して第10図の如き液体噴射記録ヘッドを完成し
た。
尚、第9図において、液流路17(幅40μm、高さ40μ
m)および共通液室19となる溝は、天板16にマイクロカ
ッターを用いて切削形成した。また、第10図において、
個別電極12および共通電極11には、ヘッド外部から所望
のパルス信号を印加するための電極リードを有する不図
示のリード基板が付設され、該信号に基づいて記録が行
なわれる。
このようにして作成された液体噴射記録ヘッドは、従来
のものよりも、 (1) 消費電力において約30%程度の減少、 (2) 熱応答性において約30%程度の向上、 (3) 従来よりも短いパルス幅での駆動において耐久
性が良好である といった性能の向上が認められた。また、短幅パルスの
駆動による発泡安定性に基づいて、記録液の吐出安定性
が良化し、記録品質の向上がはかれた。
〔発明の効果〕
以上に説明したように本発明によって、液体噴射記録ヘ
ッドの省電力化は言うに及ばず、熱応答性の高速化、耐
久性の向上、吐出安定性の向上ならびに記録品位の向上
等をはかれるものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の方法を適用して得られる液体噴射記
録ヘッドの一例の部分平面図、第2図は第1図のX−Y
断面図、第10図は第1図乃至第2図に示した液体噴射記
録ヘッドの完成した状態における模式的斜視図、第3図
は従来例の液体噴射記録ヘッドの一例、第4図(a)〜
(f)は本発明の方法の一例を説明する図、第5図乃至
第8図は実施例で作成した液体噴射記録ヘッドの作成手
順を説明する図であり、第5図乃至第6図には保護層形
成前の基板構成が、また第7図乃至第8図には保護層形
成後の基板構成が示されており、第9図は第10図の液体
噴射記録ヘッドに用いる天板の一例である。 1:基板、2、10:発熱抵抗層 3、4、11、12:電極、30:フォトレジスト層 5、14、15:保護層、16:天板 20:液供給管、21:液体吐出口

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】記録液を吐出させるための液体吐出口と、
    該記録液に吐出エネルギーを供給するための熱エネルギ
    ー発生手段と、該手段上に該手段の保護層を有し、該熱
    エネルギー発生手段が発熱抵抗層及び該発熱抵抗層に電
    気的に接続する少なくとも一対の電極からなる液体噴射
    記録ヘッドの作成方法において、 前記エネルギー発生手段上に絶縁保護層を形成する工程
    と、該絶縁保護層上に液状物質を塗布する工程と、前記
    絶縁保護層と前記液状物質をほぼ同じエッチング速度の
    条件でエッチングする工程と、前記エッチングされた絶
    縁保護層上に更に絶縁保護層を積層する工程と、を有す
    ることを特徴とする液体噴射記録ヘッドの作成方法。
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