JP2012245675A

JP2012245675A - Liquid ejection head, substrate for liquid ejection head, and method for manufacturing the same

Info

Publication number: JP2012245675A
Application number: JP2011118271A
Authority: JP
Inventors: Soichiro Nagamochi; 創一朗永持; Hirokazu Komuro; 博和小室; Sota Takeuchi; 創太竹内; Makoto Sakurai; 誠櫻井; Ken Yasuda; 建安田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2011-05-26
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2012-12-13

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the following problems: sufficient amount of ink cannot be refilled due to steps in a channel and high-speed ejection frequencies required recently cannot be achieved.SOLUTION: An energy generation element to be used for ejecting liquid is driven to heat a protective layer. A potential difference is applied to between liquid in contact with the protective layer and the protective layer, to form an oxidation layer on a surface of the protective layer.

Description

本発明は、液体吐出ヘッド、液体吐出ヘッド用基板、及びこれらの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a liquid discharge head, a substrate for a liquid discharge head, and methods for manufacturing the same.

液体吐出装置に使用される代表的な液体吐出ヘッドとしては、液体を吐出するために利用される熱エネルギーを発生する複数のエネルギー発生素子を有する液体吐出ヘッド用基板と、液体の吐出口を備えた吐出口部材と、を有するものを挙げることができる。エネルギー発生素子は、通電することで発熱する発熱抵抗層と該発熱抵抗層に通電するために用いられる一対の電極とで設けられている。一対の電極に電圧を印加して発熱抵抗層が発熱することで液体が発泡し、この気泡の圧力で液体を吐出口から吐出することで記録動作が行われる。 A typical liquid discharge head used in a liquid discharge apparatus includes a liquid discharge head substrate having a plurality of energy generating elements that generate thermal energy used for discharging a liquid, and a liquid discharge port. And a discharge port member. The energy generating element is provided with a heat generating resistor layer that generates heat when energized and a pair of electrodes used to energize the heat generating resistor layer. A voltage is applied to the pair of electrodes to generate heat by the heat generating resistive layer generating heat, and a recording operation is performed by discharging the liquid from the discharge port with the pressure of the bubbles.

このようなエネルギー発生素子は絶縁性材料からなる絶縁層で被覆されている。さらに絶縁層の上に、気泡の消滅に伴うキャビテーション衝撃や液体による化学的作用からエネルギー発生素子を保護するために、タンタル等からなる保護層や酸化層を設けることが知られている。 Such an energy generating element is covered with an insulating layer made of an insulating material. Furthermore, it is known that a protective layer or an oxide layer made of tantalum or the like is provided on the insulating layer in order to protect the energy generating element from cavitation impact accompanying the disappearance of bubbles and chemical action by liquid.

このような液体吐出ヘッドの製造方法が特許文献１に開示されており、特許文献１に開示される液体吐出ヘッドの断面図を図６に示す。特許文献１に開示される製造方法は、最初に基板１０１の上に設けられたエネルギー発生素子１０８を構成する発熱抵抗層１０４と一対の電極１０５とを保護する絶縁層１０６の上に、タンタルからなる保護層１０７を設ける。さらに、保護層１０７に接続された電極１２３を用いて保護層１０７とインク１１０に接する電極１２４との間に通電することにより、タンタル等からなる保護層１０７のインクに接する面に酸化タンタル等からなる酸化層１２２を形成している。 A manufacturing method of such a liquid discharge head is disclosed in Patent Document 1, and a cross-sectional view of the liquid discharge head disclosed in Patent Document 1 is shown in FIG. In the manufacturing method disclosed in Patent Document 1, tantalum is formed on an insulating layer 106 that protects a heating resistor layer 104 and a pair of electrodes 105 that form an energy generation element 108 that is first provided on a substrate 101. A protective layer 107 is provided. Further, by energizing between the protective layer 107 and the electrode 124 in contact with the ink 110 using the electrode 123 connected to the protective layer 107, the surface of the protective layer 107 made of tantalum or the like in contact with the ink is made of tantalum oxide or the like. An oxide layer 122 is formed.

特開平７−３０９００９号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-309909

しかしながら、特許文献１の製造方法で設けられた液体吐出ヘッドは、保護層１０７のインクに接する面に均一に酸化層１２２を形成しているため、一対の電極１０５に起因する段差がそのままエネルギー発生素子１０８の表面に現れてしまう。このような段差は流路にインクを充填する際の流抵抗となるため、流路に十分にインクをリフィルすることができず、近年求められているような高速の吐出周波数を達成できない懸念がある。 However, since the liquid discharge head provided by the manufacturing method of Patent Document 1 has the oxide layer 122 uniformly formed on the surface of the protective layer 107 in contact with the ink, the step caused by the pair of electrodes 105 generates energy as it is. It appears on the surface of the element 108. Since such a step becomes a flow resistance when the ink is filled in the flow path, the ink cannot be sufficiently refilled in the flow path, and there is a concern that a high-speed ejection frequency as required in recent years cannot be achieved. is there.

そこで本発明は、エネルギー発生素子のインクに接する側の面の段差を低減できる液体吐出ヘッドの製造方法を提供することを目的としている。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a liquid discharge head that can reduce the level difference on the surface of the energy generating element that contacts the ink.

本発明の、通電により発熱する材料からなる発熱抵抗層と、該発熱抵抗層に接するように設けられ、通電に用いられる一対の電極と、前記発熱抵抗層と前記一対の電極とを覆い、絶縁性材料からなる絶縁層と、前記絶縁層の上であって、前記発熱抵抗層の、前記一対の電極の間に対応する領域を少なくとも覆う、金属材料からなる保護層と、該保護層の上に設けられた酸化層と、を備え、前記領域が吐出口から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なる液体吐出ヘッド用基板と、前記吐出口に連通する流路の壁を備える流路部材と、を有する液体吐出ヘッドの製造方法は、
前記発熱抵抗層と前記一対の電極と前記絶縁層と前記保護層とを備える基体と、該基体に前記壁を内側にして接するように設けられることで前記流路を形成している前記流路部材と、を用意する工程と、
前記流路に導電性を有する液体を供給する工程と、
前記一対の電極の間に通電することで、液体が膜沸騰しない温度まで、前記保護層の、前記エネルギー発生素子に対応する部分を加熱し、該加熱と並行して、前記流路の液体と前記保護層との間に電位差をかけることで、前記保護層の前記流路の側の一部を酸化して前記酸化層を形成する工程と、を有することを特徴としている。 The heating resistor layer made of a material that generates heat when energized according to the present invention, the pair of electrodes used for energization provided to be in contact with the heating resistor layer, the heating resistor layer, and the pair of electrodes are covered and insulated. An insulating layer made of a conductive material, a protective layer made of a metal material on the insulating layer, and covering at least a region of the heating resistor layer corresponding to the pair of electrodes, and the protective layer A liquid discharge head substrate serving as an energy generating element for generating energy for discharging the liquid from the discharge port, and a flow path wall communicating with the discharge port. A liquid discharge head manufacturing method having a flow path member,
The base having the heating resistance layer, the pair of electrodes, the insulating layer, and the protective layer, and the flow path forming the flow path by being provided so as to be in contact with the base with the wall inside. A step of preparing a member;
Supplying a liquid having conductivity to the flow path;
By energizing between the pair of electrodes, the portion of the protective layer corresponding to the energy generating element is heated to a temperature at which the liquid does not boil, and in parallel with the heating, the liquid in the flow path A step of oxidizing a part of the protective layer on the flow path side by applying a potential difference with the protective layer to form the oxide layer.

以上のように設けることで、選択的に一対の電極の間に厚い酸化層を設けることができ、エネルギー発生素子のインクに接する側の面の段差を低減することができる。これにより、インクの流抵抗を低減することができ、高い吐出周波数での記録動作を行うことができる。 By providing as described above, a thick oxide layer can be selectively provided between the pair of electrodes, and a step on the surface of the energy generating element in contact with ink can be reduced. As a result, the ink flow resistance can be reduced, and a recording operation can be performed at a high ejection frequency.

本発明の液体吐出ヘッドを用いることができる液体吐出装置および液体吐出ヘッドユニットの一例である。1 is an example of a liquid discharge apparatus and a liquid discharge head unit that can use the liquid discharge head of the present invention. 本発明の液体吐出ヘッドの斜視図及び断面図を模式的に示したものである。FIG. 2 schematically shows a perspective view and a sectional view of a liquid discharge head according to the present invention. 第１の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing method of the liquid discharge head which concerns on 1st Embodiment. 第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing method of the liquid discharge head which concerns on 2nd Embodiment. 第２の実施形態に係る液体吐出ヘッドの一部の上面模式図である。FIG. 6 is a schematic top view of a part of a liquid ejection head according to a second embodiment. 従来の液体吐出ヘッドの断面図を模式的に示したものである。FIG. 2 schematically shows a cross-sectional view of a conventional liquid discharge head.

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記録装置に搭載可能である。そして、こ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被記録媒体に記録を行うことができる。 The liquid discharge head can be mounted on an apparatus such as a printer, a copying machine, a facsimile having a communication system, a word processor having a printer unit, or an industrial recording apparatus combined with various processing apparatuses. By using this liquid discharge head, recording can be performed on various recording media such as paper, thread, fiber, fabric, leather, metal, plastic, glass, wood, and ceramics.

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被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こととする。 “Recording” used in this specification means not only giving an image having a meaning such as a character or a figure to a recording medium but also giving an image having no meaning such as a pattern. I decided to.

さらに「インク」とは広く解釈されるべきものであり、被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、被記録媒体の加工、或いはインクまたは被記録媒体の処理に供される液体を言うものとする。ここで、インクまたは被記録媒体の処理としては、例えば、被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、画像耐久性の向上などのことを言う。 Furthermore, the term “ink” should be widely interpreted and applied to a recording medium to form an image, pattern, pattern, etc., process the recording medium, or process the ink or recording medium. It shall refer to the liquid provided. Here, as the treatment of the ink or the recording medium, for example, the fixing property is improved by coagulation or insolubilization of the coloring material in the ink applied to the recording medium, the recording quality or coloring property is improved, and the image durability is improved. Say things like improvement.

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では，同一の機能を有する構成には図面中同一の番号を付与し、その説明を省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, components having the same function may be given the same reference numerals in the drawings, and the description thereof may be omitted.

（液体吐出装置）
図１（ａ）は、本発明に係る液体吐出ヘッドを搭載可能な液体吐出装置を示す概略図である。
図１（ａ）に示すように、リードスクリュー５００４は、駆動モータ５０１３の正逆回転に連動して駆動力伝達ギア５０１１，５００９を介して回転する。キャリッジＨＣはヘッドユニットを載置可能であり、リードスクリュー５００４の螺旋溝５００５に係合するピン（不図示）を有しており、リードスクリュー５００４が回転することによって矢印ａ，ｂ方向に往復移動される。このキャリッジＨＣには、ヘッドユニット４０が搭載されている。 (Liquid discharge device)
FIG. 1A is a schematic view showing a liquid discharge apparatus capable of mounting a liquid discharge head according to the present invention.
As shown in FIG. 1A, the lead screw 5004 rotates via the driving force transmission gears 5011 and 5009 in conjunction with the forward and reverse rotation of the driving motor 5013. The carriage HC can mount a head unit, and has a pin (not shown) that engages with the spiral groove 5005 of the lead screw 5004. The lead screw 5004 rotates to reciprocate in the directions of arrows a and b. Is done. A head unit 40 is mounted on the carriage HC.

（ヘッドユニット）
図１（ｂ）は、図１（ａ）のような液体吐出装置に搭載可能なヘッドユニット４０の斜視図である。液体吐出ヘッド４１（以下、ヘッドとも称する）はフレキシブルフィルム配線基板４３により、液体吐出装置と接続するコンタクトパッド４４に導通している。また、ヘッド４１は、インクタンク４２と接合されることで一体化されヘッドユニット４０を構成している。ここで例として示しているヘッドユニット４０は、インクタンク４２とヘッド４１とが一体化したものであるが、インクタンクを分離できる分離型とすることも出来る。 (Head unit)
FIG. 1B is a perspective view of a head unit 40 that can be mounted on the liquid ejection apparatus as shown in FIG. A liquid discharge head 41 (hereinafter also referred to as a head) is electrically connected to a contact pad 44 connected to the liquid discharge device by a flexible film wiring substrate 43. The head 41 is integrated with the ink tank 42 to constitute a head unit 40. The head unit 40 shown as an example here is one in which the ink tank 42 and the head 41 are integrated, but may be a separation type that can separate the ink tank.

（液体吐出ヘッド）
図２（ａ）に本発明に係る液体吐出ヘッド４１の斜視図を示す。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ’に沿って基板５に垂直に液体吐出ヘッド４１を切断した場合の切断面の状態を模式的に示す断面図である。 (Liquid discharge head)
FIG. 2A is a perspective view of the liquid discharge head 41 according to the present invention. 2B is a cross-sectional view schematically showing a state of a cut surface when the liquid discharge head 41 is cut perpendicularly to the substrate 5 along AA ′ in FIG.

液体吐出ヘッド４１は、液体を吐出するために利用される熱エネルギーを発生するエネルギー発生素子１２を備えた液体吐出ヘッド用基板５と、液体吐出ヘッド用基板５の上に設けられた流路形成部材１４と、を有している。エネルギー発生素子の配列密度は約１２００ｄｐｉである。流路形成部材１４は、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂の硬化物で設けることができ、液体を吐出するための吐出口１３と、吐出口１３に連通する流路４６の壁１４ａとを有している。この壁１４ａを内側にして、流路形成部材１４が液体吐出ヘッド用基板５に接することで流路４６が設けられている。流路形成部材１４に設けられた吐出口１３は、供給口４５に沿って所定のピッチで列をなすように設けられている。供給口４５から供給された液体は流路４６に運ばれ、さらにエネルギー発生素子１２の発生する熱エネルギーによって液体が膜沸騰することで気泡が生じる。このときに生じる圧力により液体が、吐出口１３から吐出されることで、記録動作が行われる。さらに、液体吐出ヘッド４１は、流路４６に液体を送るために液体吐出ヘッド用基板５を貫通して設けられる供給口４５と、外部、例えば液体吐出装置、との電気的接続を行う端子１７と、を有している。端子１７に外部から電圧を印加することで、エネルギー発生素子１２に通電を行い、液体を吐出することができる。 The liquid discharge head 41 includes a liquid discharge head substrate 5 including an energy generation element 12 that generates thermal energy used for discharging a liquid, and a flow path formed on the liquid discharge head substrate 5. And a member 14. The arrangement density of the energy generating elements is about 1200 dpi. The flow path forming member 14 can be provided by a cured product of a thermosetting resin such as an epoxy resin, and has a discharge port 13 for discharging a liquid and a wall 14 a of the flow path 46 communicating with the discharge port 13. is doing. With the wall 14 a inside, the flow path forming member 14 is in contact with the liquid discharge head substrate 5, thereby providing the flow path 46. The discharge ports 13 provided in the flow path forming member 14 are provided so as to form a line at a predetermined pitch along the supply port 45. The liquid supplied from the supply port 45 is conveyed to the flow path 46, and bubbles are generated by the film boiling of the liquid by the thermal energy generated by the energy generating element 12. The recording operation is performed by discharging the liquid from the discharge port 13 by the pressure generated at this time. Further, the liquid discharge head 41 is a terminal 17 that makes an electrical connection between a supply port 45 provided through the liquid discharge head substrate 5 in order to send the liquid to the flow path 46 and the outside, for example, a liquid discharge device. And have. By applying a voltage to the terminal 17 from the outside, the energy generating element 12 can be energized to discharge the liquid.

液体吐出ヘッド４１の断面は、図２（ｂ）に示されるように、トランジスタ等の駆動素子（不図示）が設けられたシリコンからなる基体１の上に、シリコン化合物からなる蓄熱層４が設けられている。蓄熱層４の上に、通電することで発熱する材料（例えばＴａＳｉＮやＷＳｉＮなど）からなる発熱抵抗層６が設けられ、発熱抵抗層６に接するように、発熱抵抗層６より抵抗の低いアルミニウムなどを主成分とする材料からなる一対の電極７が設けられている。一対の電極７の間に電圧を供給し、発熱抵抗層６の一対の電極７の間に位置する部分を発熱させることで、発熱抵抗層６の部分をエネルギー発生素子１２として用いる。これらの発熱抵抗層６と一対の電極７は、インクなどの吐出に用いられる液体との絶縁を図るために、ＳｉＮ等のシリコン化合物などの絶縁性材料からなる絶縁層８で被覆されている。さらに吐出のための液体の発泡、収縮に伴うキャビテーション衝撃などからエネルギー発生素子１２を保護するために、エネルギー発生素子１２の部分に対応する絶縁層８の上に耐キャビテーション層として用いられる保護層１０が設けられている。具体的には、保護層１０としてタンタル等の金属材料を用いることができる。さらに、エネルギー発生素子１２のインクに接する部分には、保護層に用いられる材料の酸化物等からなる酸化層１１が設けられている。タンタルからなる保護層１０を設けた場合には、酸化タンタルからなる酸化層１１を設けることが密着性を確保する上で好ましい。一対の電極７が設けられている部分は、基板の面に対して凸形状になっているため、一対の電極７が設けられている部分とない部分とでは大きな段差が存在している。そのため酸化層１１を、一対の電極７の上よりも一対の電極７の間のエネルギー発生素子１２の領域に厚く設けることにより、エネルギー発生素子のインクに接する側の面の段差を低減することができる。このようにエネルギー発生素子１２周辺の段差を低減することにより、流路４６内のインクの流抵抗を低減して高速でインクの供給を行うことができ、高い吐出周波数で記録動作を行うことができる。 As shown in FIG. 2B, the liquid discharge head 41 has a cross section in which a heat storage layer 4 made of a silicon compound is provided on a substrate 1 made of silicon provided with a driving element (not shown) such as a transistor. It has been. On the heat storage layer 4, a heat generating resistance layer 6 made of a material that generates heat when energized (for example, TaSiN, WSiN, etc.) is provided, and aluminum having a lower resistance than the heat generating resistance layer 6 is in contact with the heat generating resistance layer 6. A pair of electrodes 7 made of a material containing as a main component is provided. A voltage is supplied between the pair of electrodes 7 to generate heat in a portion located between the pair of electrodes 7 of the heating resistor layer 6, so that the portion of the heating resistor layer 6 is used as the energy generating element 12. The heat generating resistance layer 6 and the pair of electrodes 7 are covered with an insulating layer 8 made of an insulating material such as a silicon compound such as SiN in order to insulate from a liquid used for discharging ink or the like. Further, in order to protect the energy generating element 12 from cavitation impact caused by foaming and contraction of liquid for ejection, the protective layer 10 used as an anti-cavitation layer on the insulating layer 8 corresponding to the energy generating element 12 portion. Is provided. Specifically, a metal material such as tantalum can be used for the protective layer 10. Further, an oxide layer 11 made of an oxide of a material used for the protective layer is provided on the portion of the energy generating element 12 that is in contact with the ink. When the protective layer 10 made of tantalum is provided, it is preferable to provide the oxide layer 11 made of tantalum oxide in order to ensure adhesion. Since the portion where the pair of electrodes 7 is provided is convex with respect to the surface of the substrate, there is a large step between the portion where the pair of electrodes 7 is provided and the portion where the pair of electrodes 7 are not provided. Therefore, by providing the oxide layer 11 thicker in the region of the energy generating element 12 between the pair of electrodes 7 than on the pair of electrodes 7, it is possible to reduce the level difference on the surface of the energy generating element that contacts the ink. it can. By reducing the step around the energy generating element 12 in this way, the ink flow resistance in the flow path 46 can be reduced, ink can be supplied at high speed, and a recording operation can be performed at a high ejection frequency. it can.

以下に、図面を参照してこのような液体吐出ヘッドの製造方法の製造工程について具体的に説明する。 Hereinafter, the manufacturing process of the manufacturing method of such a liquid discharge head will be specifically described with reference to the drawings.

（第一の実施形態）
図３は、図２（ａ）のＡ−Ａ’に沿って基板５に垂直に液体吐出ヘッド４１を切断した場合の各工程での切断面の状態を模式的に示す断面図である。
エネルギー発生素子１２を駆動するために用いられるＭＯＳトランジスタ等の駆動素子（不図示）等が設けられたシリコンからなる基体１を用意する。さらに基体１の上に、ＣＶＤ法等を用いて膜厚約５００ｎｍ〜１ｕｍで形成された酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる蓄熱層４を設ける。蓄熱層４の上には、膜厚約１０ｎｍ〜５０ｎｍのＴａＳｉＮまたはＷＳｉＮ等の通電により発熱する材料からなる発熱抵抗層６と、一対の電極７となる膜厚約１００ｎｍ〜１ｕｍのアルミニウムを主成分とする導電層をスパッタリング法により形成する。さらにＲＩＥ法などのドライエッチング技術を用いて発熱抵抗層６と導電層とをパターン形状に加工し、さらに導電層の一部をウェットエッチング技術を用いて除去して一対の電極７を設ける。導電層を除去した部分に対応する発熱抵抗層６が、エネルギー発生素子１２として用いられる（図３（ａ））。 (First embodiment)
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the state of the cut surface in each step when the liquid ejection head 41 is cut perpendicularly to the substrate 5 along AA ′ in FIG.
A substrate 1 made of silicon provided with a drive element (not shown) such as a MOS transistor used for driving the energy generating element 12 is prepared. Further, a heat storage layer 4 made of silicon oxide (SiO 2) having a film thickness of about 500 nm to 1 μm is provided on the substrate 1 by using a CVD method or the like. On the heat storage layer 4, a heating resistance layer 6 made of a material that generates heat when energized, such as TaSiN or WSiN having a film thickness of about 10 nm to 50 nm, and aluminum having a film thickness of about 100 nm to 1 μm to be a pair of electrodes 7 are main components. A conductive layer is formed by a sputtering method. Further, the heating resistor layer 6 and the conductive layer are processed into a pattern shape using a dry etching technique such as RIE, and a part of the conductive layer is removed using a wet etching technique to provide a pair of electrodes 7. The heating resistor layer 6 corresponding to the portion from which the conductive layer has been removed is used as the energy generating element 12 (FIG. 3A).

次に発熱抵抗層６や一対の電極７を覆うように、基板全面にＣＶＤ法等を用いて窒化シリコン（ＳｉＮ）等からなる絶縁性を有する膜厚約１００ｎｍ〜１μｍの絶縁層８を設ける（図３（ｂ））。 Next, an insulating layer 8 having a film thickness of about 100 nm to 1 μm made of silicon nitride (SiN) or the like is provided on the entire surface of the substrate by CVD or the like so as to cover the heating resistance layer 6 and the pair of electrodes 7 ( FIG. 3 (b)).

次に、絶縁層８の上に、導電性を有し、液体の発泡、収縮に伴うキャビテーション衝撃などから保護可能な耐久性を有する金属材料を用いて、膜厚５０ｎｍ〜５００ｎｍの導電層をスパッタリング法を用いて形成する。さらにドライエッチング技術を用いて、パターニングを行い、エネルギー発生素子１２に対応する位置に保護層１０を形成する（図３（ｃ））。ここでは、タンタルを主成分とする金属材料を３００ｎｍの厚さに形成した場合を説明する。 Next, a conductive layer having a film thickness of 50 nm to 500 nm is sputtered on the insulating layer 8 using a metal material that has conductivity and can be protected from cavitation impact caused by foaming and contraction of liquid. Form using the method. Further, using a dry etching technique, patterning is performed to form the protective layer 10 at a position corresponding to the energy generating element 12 (FIG. 3C). Here, a case where a metal material containing tantalum as a main component is formed to a thickness of 300 nm will be described.

次に、液体吐出ヘッド用基板５の面に溶解可能な樹脂をスピンコート法を用いて形成し、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングして流路４６となる部分に型材を形成する（不図示）。さらに、型材の上に、カチオン重合型エポキシ樹脂をスピンコート法を用いて形成し、その後ホットプレートを用いてベークを行い硬化させることで、流路形成部材１４を形成する。その後、フォトリソグラフィ技術を用いて吐出口１３となる部分の流路形成部材１４を除去する。次に、基体１のエネルギー発生素子１２が設けられた面の裏面から、水酸化テトラメチルアンモニウム溶液（ＴＭＡＨ溶液）等を用いてシリコンからなる基体１をエッチングして供給口４５となる貫通口を形成する。基体１は表面の結晶方位が（１００）面のシリコン単結晶基板を用いることにより、アルカリ性の溶液（例えばＴＭＡＨ溶液）を用いた結晶異方性エッチングで供給口４５を設けることができる。このような基体では、（１１１）面のエッチングレートが他の結晶面のエッチングレートに比べ非常に遅いためシリコン基板平面に対して約５４．７度という角度をなす供給口４５を設けることができる。その後型材を除去して、エネルギー発生素子１２と供給口４５とが設けられた液体吐出ヘッド用基板５の上に、吐出口１３と流路４６の壁１４ａとを有する流路形成部材を完成させる（図３（ｄ））。なお供給口４５を形成する方法としては、ウェットエッチング法のみならず、ドライエッチング法を用いて設けても良い。 Next, a soluble resin is formed on the surface of the liquid discharge head substrate 5 by using a spin coating method, and patterning is performed by using a photolithography technique to form a mold material in a portion that becomes the flow path 46 (not shown). . Furthermore, the flow path forming member 14 is formed by forming a cationic polymerization type epoxy resin on the mold material using a spin coating method, and then baking and curing using a hot plate. Thereafter, the flow path forming member 14 in a portion that becomes the discharge port 13 is removed by using a photolithography technique. Next, from the back surface of the surface of the substrate 1 on which the energy generating element 12 is provided, the silicon substrate 1 is etched using a tetramethylammonium hydroxide solution (TMAH solution) or the like to form a through-hole serving as the supply port 45. Form. The substrate 1 can be provided with the supply port 45 by crystal anisotropic etching using an alkaline solution (for example, TMAH solution) by using a silicon single crystal substrate having a (100) crystal orientation on the surface. In such a base, since the etching rate of the (111) plane is very slow compared to the etching rate of other crystal planes, a supply port 45 that forms an angle of about 54.7 degrees with respect to the silicon substrate plane can be provided. . Thereafter, the mold material is removed to complete a flow path forming member having the discharge port 13 and the wall 14a of the flow channel 46 on the liquid discharge head substrate 5 provided with the energy generating element 12 and the supply port 45. (FIG. 3 (d)). As a method for forming the supply port 45, not only a wet etching method but also a dry etching method may be used.

次に、基体１の供給口４５から導電性を有する液体を供給し、流路内に液体２２を充填する（図３（ｅ））。流路に充填させる液体は、導電性を有する液体であれば良く、インクを用いることもできる。この際、吐出口１３から吸引して液体を充填してもよい。この液体２２は、供給口４５に露出するシリコンからなる基体１と接するように設けられている。シリコンからなる基体１は、端子１７等を介して接地されているため接地電位（ＧＮＤ電位とも称する）となっているため、流路に充填された液体２２もＧＮＤ電位となっている。 Next, a liquid having conductivity is supplied from the supply port 45 of the substrate 1, and the liquid 22 is filled in the flow path (FIG. 3E). The liquid filled in the flow path may be any liquid having conductivity, and ink can be used. At this time, the liquid may be filled by suction from the discharge port 13. The liquid 22 is provided in contact with the base 1 made of silicon exposed at the supply port 45. Since the substrate 1 made of silicon is grounded via the terminal 17 and the like, it has a ground potential (also referred to as a GND potential), so the liquid 22 filled in the flow path is also at the GND potential.

次に、一対の電極７に通電を行いエネルギー発生素子１２のインク（流路）に面する面の温度が２００℃以上になるように液体が膜沸騰しないような条件を用いて加熱する。なおエネルギー発生素子１２により６００℃までの加熱が可能である。 Next, the pair of electrodes 7 is energized and heated using conditions that prevent the liquid from boiling the film so that the temperature of the surface of the energy generating element 12 facing the ink (flow path) is 200 ° C. or higher. The energy generating element 12 can be heated up to 600 ° C.

さらに、エネルギー発生素子１２の液体２２に面する部分を加熱している間に、液体２２に対して保護層１０が陽極となるように約２０Ｖの電圧を端子２３に印加する。２００℃以上に保護層１０を加熱して、かつ、保護層１０が陽極となるように電圧を印加することで、室温に比べ保護層の酸化速度を著しく早くすることができる。 Further, while heating the portion of the energy generating element 12 facing the liquid 22, a voltage of about 20 V is applied to the terminal 23 so that the protective layer 10 becomes an anode with respect to the liquid 22. By heating the protective layer 10 to 200 ° C. or higher and applying a voltage so that the protective layer 10 becomes an anode, the oxidation rate of the protective layer can be significantly increased compared to room temperature.

これにより２００℃以上となる領域１１ａ（第一の位置）では酸化が進み厚い酸化層１１が形成され、熱が直接かからない領域１１ｂ（第二の位置）では酸化が進まず、領域１１ａに比べて薄い酸化層１１が形成される（図３（ｆ）酸化反応）。なお室温での保護層１０の材料であるタンタルの酸化速度を１とすると、４００℃のときは約２０倍となり、膜厚は酸化タンタルとなることで約２．５倍の厚さとなることが分かっている。 As a result, oxidation proceeds and a thick oxide layer 11 is formed in the region 11a (first position) at 200 ° C. or higher, and oxidation does not proceed in the region 11b (second position) where heat is not directly applied, compared to the region 11a. A thin oxide layer 11 is formed (FIG. 3 (f) oxidation reaction). If the oxidation rate of tantalum, which is the material of the protective layer 10 at room temperature, is 1, it is about 20 times when the temperature is 400 ° C., and the film thickness is about 2.5 times when it becomes tantalum oxide. I know it.

スパッタ法を用いてタンタルの保護層１０を約３００ｎｍ設けた基板を用いて、約４００℃になるようにエネルギー発生素子１２の加熱と、端子２３と端子２４とへの電圧印加と、を一定時間行った。領域１１ａにおいては、タンタルからなる保護層１０が約１００ｎｍ残り、酸化層１１が約５００ｎｍ形成されたときに、領域１１ｂにおいては、保護層１０が約２９０ｎｍ残り、酸化層１１が約２５ｎｍ形成された。 Using a substrate provided with a tantalum protective layer 10 of about 300 nm by sputtering, heating of the energy generating element 12 and application of voltage to the terminal 23 and the terminal 24 are performed for a certain time. went. In the region 11a, when the protective layer 10 made of tantalum remains about 100 nm and the oxide layer 11 is formed about 500 nm, in the region 11b, the protective layer 10 remains about 290 nm and the oxide layer 11 is formed about 25 nm. .

エネルギー発生素子１２は、一対の電極７の段差の凹部に対応する領域であることから、エネルギー発生素子１２で加熱して、選択的に領域１１ａに厚い酸化層１１を設けることで、一対の電極７による段差を低減させることができる。さらに、このように設けることにより流路４６におけるインクの流抵抗を小さくすることができ、高速でインクのリフィルを行うことができる。従って高い吐出周波数で記録動作を行うことができる液体吐出ヘッドを提供することができる。 Since the energy generating element 12 is a region corresponding to the stepped recesses of the pair of electrodes 7, by heating with the energy generating element 12 and selectively providing the thick oxide layer 11 in the region 11 a, the pair of electrodes 7 can be reduced. Furthermore, by providing in this way, the flow resistance of the ink in the flow path 46 can be reduced, and the ink can be refilled at a high speed. Accordingly, it is possible to provide a liquid discharge head that can perform a recording operation at a high discharge frequency.

（第二の実施形態）
第１の実施形態では流路形成部材１４を形成した後に、流路４６内にインク等の導電性の液体を充填し、保護層１０に電圧を印加して酸化反応を起こして酸化層１１を設けた。一方本実施形態は、流路形成部材１４を設ける前にエネルギー発生素子１２の表面に酸化層１１を設ける製造方法である。 (Second embodiment)
In the first embodiment, after the flow path forming member 14 is formed, the flow path 46 is filled with a conductive liquid such as ink, and a voltage is applied to the protective layer 10 to cause an oxidation reaction, thereby forming the oxide layer 11. Provided. On the other hand, this embodiment is a manufacturing method in which the oxide layer 11 is provided on the surface of the energy generating element 12 before the flow path forming member 14 is provided.

保護層１０を設ける工程まで（図３（ａ）〜図３（ｃ））は、第一の実施形態と同様であるため省略する。 The steps up to the step of providing the protective layer 10 (FIGS. 3A to 3C) are the same as those in the first embodiment, and are therefore omitted.

図３（ｃ）に示すような保護層１０が設けられた基体１の上に、感光性を有するレジスト材料等からなる材料を塗布し、フォトリソグラフィ技術を用いてエネルギー発生素子１２の周囲を取り囲むように部材６０を設ける（図４（ａ））。図４（ａ）のような部材６０を設けた基体１の上面模式図を図５に示す。ここでは、１つのエネルギー発生素子１２に対して１つの部材６０が設けられている状態を示したが、複数のエネルギー発生素子１２を囲むように設けても良い。 A material made of a resist material having photosensitivity is applied on a substrate 1 provided with a protective layer 10 as shown in FIG. 3C, and the energy generating element 12 is surrounded by using a photolithography technique. Thus, the member 60 is provided (FIG. 4A). FIG. 5 shows a schematic top view of the substrate 1 provided with the member 60 as shown in FIG. Here, a state in which one member 60 is provided for one energy generating element 12 is shown, but a plurality of energy generating elements 12 may be provided so as to be surrounded.

次に、部材６０で囲まれた領域に導電性を有する液体２２を、保護層１０に接するように充填する（図４（ｂ））。このとき、記録動作に用いるインクを用いても良い。 Next, the region 22 surrounded by the member 60 is filled with the conductive liquid 22 so as to be in contact with the protective layer 10 (FIG. 4B). At this time, ink used for the recording operation may be used.

次に、保護層１０に接続するように端子２３を設け、液体２２に接続するように端子２４を設ける。次にエネルギー発生素子１２の液体に接する面の温度が３００℃以上、４００℃以下となるようなパルスを用いて一対の電極７に通電を行う。 Next, a terminal 23 is provided so as to be connected to the protective layer 10, and a terminal 24 is provided so as to be connected to the liquid 22. Next, the pair of electrodes 7 is energized using a pulse such that the temperature of the surface of the energy generating element 12 in contact with the liquid is 300 ° C. or higher and 400 ° C. or lower.

エネルギー発生素子１２の液体２２に面する部分を加熱している間に、端子２３と端子２４とに、保護層１０が陽極となるように約２０Ｖの電位差をかける。３００℃以上に保護層１０を加熱して、かつ、保護層１０が陽極となるように電圧を印加することで、室温に比べ保護層の酸化速度を著しく早くすることができる。 While the portion of the energy generating element 12 facing the liquid 22 is heated, a potential difference of about 20 V is applied to the terminal 23 and the terminal 24 so that the protective layer 10 becomes an anode. By heating the protective layer 10 to 300 ° C. or higher and applying a voltage so that the protective layer 10 serves as an anode, the oxidation rate of the protective layer can be significantly increased compared to room temperature.

これにより、３００℃以上、４００℃以下となる領域１１ａでは、酸化が進み厚い酸化層１１が形成され、熱が直接かからない領域１１ｂにおいては、酸化がほとんど進まず薄い酸化層１１が形成される（図４（ｃ）酸化反応）。 As a result, in the region 11a where the temperature is 300 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, oxidation proceeds and a thick oxide layer 11 is formed. In the region 11b where heat is not directly applied, oxidation hardly progresses and a thin oxide layer 11 is formed ( FIG. 4 (c) oxidation reaction).

エネルギー発生素子１２は、一対の電極７の段差の凹部に対応する領域であることから、エネルギー発生素子１２で加熱して、選択的に領域１１ａに厚い酸化層１１を設けることで、一対の電極７による段差を低減させることができる。 Since the energy generating element 12 is a region corresponding to the stepped recesses of the pair of electrodes 7, by heating with the energy generating element 12 and selectively providing the thick oxide layer 11 in the region 11 a, the pair of electrodes 7 can be reduced.

次に、液体２２と部材６０とを除去し、液体吐出ヘッド用基板５の面に溶解可能な樹脂をスピンコート法を用いて形成し、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングして流路４６となる部分に型材を形成する（不図示）。さらに、型材の上に、カチオン重合型エポキシ樹脂をスピンコート法を用いて形成し、その後ホットプレートを用いてベークを行い硬化させることで、流路形成部材１４を形成する。その後、フォトリソグラフィ技術を用いて吐出口１３となる部分の流路形成部材１４を除去する。次に、基体１のエネルギー発生素子１２が設けられた面の裏面から、水酸化テトラメチルアンモニウム溶液（ＴＭＡＨ溶液）等を用いてシリコンからなる基体１をエッチングして供給口４５となる貫通口を形成する。その後型材を除去して、液体吐出ヘッドを完成させる（図２（ｂ））。 Next, the liquid 22 and the member 60 are removed, a soluble resin is formed on the surface of the liquid discharge head substrate 5 by using a spin coating method, and patterning is performed by using a photolithography technique to form the flow path 46. A mold material is formed on the portion (not shown). Furthermore, the flow path forming member 14 is formed by forming a cationic polymerization type epoxy resin on the mold material using a spin coating method, and then baking and curing using a hot plate. Thereafter, the flow path forming member 14 in a portion that becomes the discharge port 13 is removed by using a photolithography technique. Next, from the back surface of the surface of the substrate 1 on which the energy generating element 12 is provided, the silicon substrate 1 is etched using a tetramethylammonium hydroxide solution (TMAH solution) or the like to form a through-hole serving as the supply port 45. Form. Thereafter, the mold material is removed to complete the liquid discharge head (FIG. 2B).

以上のように設けることにより、流路４６におけるインクの流抵抗を小さくすることができ、高い吐出周波数で記録動作を行うことができる液体吐出ヘッドを提供することができる。 By providing as described above, it is possible to provide a liquid discharge head that can reduce the flow resistance of ink in the flow path 46 and can perform a recording operation at a high discharge frequency.

なお、流路形成部材１４を設ける前に保護層１０を酸化させる工程を設けることにより、エネルギー発生素子１２のインクに接する表面の段差をあらかじめ低減せることができる。これにより流路や吐出口の形状をばらつきなく形成させることができ、吐出量ばらつきも低減することができる信頼性の高い液体吐出ヘッドを提供することができる。 In addition, by providing the step of oxidizing the protective layer 10 before the flow path forming member 14 is provided, the step on the surface of the energy generating element 12 in contact with the ink can be reduced in advance. Accordingly, it is possible to provide a highly reliable liquid discharge head that can form the flow paths and the shapes of the discharge ports without variations and can reduce variations in the discharge amount.

５液体吐出ヘッド用基板
６発熱抵抗層
７一対の電極
８絶縁層
１０保護層
１１酸化層
１２エネルギー発生素子
１３吐出口
１４流路形成部材
２２液体
４１液体吐出ヘッド
４６流路 5 Liquid Discharge Head Substrate 6 Heating Resistance Layer 7 Pair of Electrodes 8 Insulating Layer 10 Protective Layer 11 Oxidation Layer 12 Energy Generating Element 13 Discharge Port 14 Channel Forming Member 22 Liquid 41 Liquid Discharge Head 46 Channel

Claims

通電により発熱する材料からなる発熱抵抗層と、該発熱抵抗層に接するように設けられ、通電に用いられる一対の電極と、前記発熱抵抗層と前記一対の電極とを覆い、絶縁性材料からなる絶縁層と、前記絶縁層の上であって、前記発熱抵抗層の、前記一対の電極の間に対応する領域を少なくとも覆う、金属材料からなる保護層と、該保護層の上に設けられた酸化層と、を備え、前記領域が吐出口から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なる液体吐出ヘッド用基板と、
前記吐出口に連通する流路の壁を備える流路部材と、
を有する液体吐出ヘッドの製造方法であって、
前記発熱抵抗層と前記一対の電極と前記絶縁層と前記保護層とを備える基体と、該基体に前記壁を内側にして接するように設けられることで前記流路を形成している前記流路部材と、を用意する工程と、
前記流路に導電性を有する液体を供給する工程と、
前記一対の電極の間に通電することで、前記保護層の、前記エネルギー発生素子に対応する部分を加熱し、該加熱と並行して、前記流路の液体と前記保護層との間に電位差をかけることで、前記保護層の前記流路の側の一部を酸化して前記酸化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の製造方法。 A heating resistor layer made of a material that generates heat when energized, a pair of electrodes used for energization, covering the heating resistor layer and the pair of electrodes, and made of an insulating material An insulating layer, a protective layer made of a metal material that covers at least a region corresponding to the region between the pair of electrodes, on the insulating layer, and provided on the protective layer. An oxide layer, and a liquid discharge head substrate serving as an energy generating element in which the region generates energy for discharging liquid from the discharge port;
A flow path member comprising a flow path wall communicating with the discharge port;
A method of manufacturing a liquid discharge head having
The base having the heating resistance layer, the pair of electrodes, the insulating layer, and the protective layer, and the flow path forming the flow path by being provided so as to be in contact with the base with the wall inside. A step of preparing a member;
Supplying a liquid having conductivity to the flow path;
By energizing between the pair of electrodes, a portion of the protective layer corresponding to the energy generating element is heated, and in parallel with the heating, a potential difference is generated between the liquid in the flow path and the protective layer. To oxidize a part of the protective layer on the flow path side to form the oxide layer;
A method of manufacturing a liquid discharge head, comprising:

前記酸化層を設ける工程において、前記保護層が陽極となるように電位差をかけることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッドの製造方法。 2. The method of manufacturing a liquid discharge head according to claim 1, wherein in the step of providing the oxide layer, a potential difference is applied so that the protective layer becomes an anode.

用意された前記基体の面は、該面に垂直な方向に関して、前記一対の電極の間に対応する第一の位置より、前記一対の電極に対応する第二の位置のほうが、凸であ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の製造方法。 The surface of the prepared substrate is more convex in the second position corresponding to the pair of electrodes than in the first position corresponding between the pair of electrodes in the direction perpendicular to the surface. The method for manufacturing a liquid discharge head according to claim 1, wherein:

前記保護層は、タンタルを主成分とする材料で形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の液体吐出ヘッドの製造方法。 The method for manufacturing a liquid discharge head according to claim 1, wherein the protective layer is made of a material mainly containing tantalum.

通電により発熱する材料からなる発熱抵抗層と、該発熱抵抗層に接するように設けられ、通電に用いられる一対の電極と、前記発熱抵抗層と前記一対の電極とを覆い、絶縁性材料からなる絶縁層と、前記絶縁層の上であって、前記発熱抵抗層の、前記一対の電極の間に対応する領域を少なくとも覆う、金属材料からなる保護層と、該保護層の上に設けられた酸化層と、を備え、前記領域が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なる液体吐出ヘッド用基板の製造方法であって、
前記発熱抵抗層と前記一対の電極と前記絶縁層と前記保護層とを備える基体を用意する工程と、
少なくとも前記エネルギー発生素子に対応する前記保護層の部分の上に、導電性を有する液体を供給する工程と、
前記一対の電極の間に通電することで、前記保護層の、前記エネルギー発生素子に対応する部分を加熱し、該加熱と並行して、設けられた前記液体と前記保護層との間に電位差をかけることで、前記保護層の前記流路の側の一部を酸化させて前記酸化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板の製造方法。 A heating resistor layer made of a material that generates heat when energized, a pair of electrodes used for energization, covering the heating resistor layer and the pair of electrodes, and made of an insulating material An insulating layer, a protective layer made of a metal material that covers at least a region corresponding to the region between the pair of electrodes, on the insulating layer, and provided on the protective layer. And a manufacturing method of a substrate for a liquid discharge head that serves as an energy generating element that generates energy for discharging liquid.
Preparing a base including the heating resistance layer, the pair of electrodes, the insulating layer, and the protective layer;
Supplying a conductive liquid on at least a portion of the protective layer corresponding to the energy generating element;
By energizing between the pair of electrodes, a portion of the protective layer corresponding to the energy generating element is heated, and in parallel with the heating, a potential difference is provided between the provided liquid and the protective layer. To oxidize a part of the protective layer on the flow path side to form the oxide layer;
A method for manufacturing a substrate for a liquid discharge head, comprising:

前記酸化層を設ける工程において、前記保護層が陽極となるように電位差をかけることを特徴とする請求項５に記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。 6. The method of manufacturing a substrate for a liquid discharge head according to claim 5, wherein in the step of providing the oxide layer, a potential difference is applied so that the protective layer becomes an anode.

用意された前記基体の面は、該面に垂直な方向に関して、前記一対の電極の間に対応する第一の位置より、前記一対の電極に対応する第二の位置のほうが、凸であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。 The surface of the prepared substrate is more convex in the second position corresponding to the pair of electrodes than in the first position corresponding between the pair of electrodes in the direction perpendicular to the surface. A method for manufacturing a substrate for a liquid discharge head according to claim 5 or 6.

前記保護層は、タンタルを主成分とする材料で形成されていることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれかに記載の液体吐出ヘッド用基板の製造方法。 The method for manufacturing a substrate for a liquid discharge head according to claim 5, wherein the protective layer is made of a material mainly composed of tantalum.

通電により発熱する材料からなる発熱抵抗層と、
該発熱抵抗層に接するように設けられ、通電に用いられる一対の電極と、
前記発熱抵抗層と前記一対の電極とを覆い、絶縁性材料からなる絶縁層と、
前記絶縁層の上であって、前記発熱抵抗層の、前記一対の電極の間に対応する領域を少なくとも覆う、金属材料からなる保護層と、
該保護層の上に設けられた酸化層と、
を備え、
前記領域が液体を吐出するために用いられるエネルギーを発生するエネルギー発生素子となり、
前記酸化層の、前記エネルギー発生素子に対応する部分の膜厚は、前記酸化層の、前記一対の電極に対応する部分の膜厚より厚いことを特徴とする液体吐出ヘッド用基板。 A heating resistance layer made of a material that generates heat when energized;
A pair of electrodes provided in contact with the heating resistance layer and used for energization;
An insulating layer made of an insulating material, covering the heating resistance layer and the pair of electrodes;
A protective layer made of a metal material on the insulating layer and covering at least a region corresponding to the gap between the pair of electrodes on the heating resistor layer;
An oxide layer provided on the protective layer;
With
The region becomes an energy generating element that generates energy used for discharging the liquid,
The liquid discharge head substrate, wherein a thickness of a portion of the oxide layer corresponding to the energy generating element is larger than a thickness of a portion of the oxide layer corresponding to the pair of electrodes.

請求項９に記載の液体吐出ヘッド用基板と、
液体を吐出するための吐出口と連通する流路の壁を備え、該壁を内側にして前記液体吐出ヘッド用基板と接することで前記流路を形成している流路部材と、
を有することを特徴とする液体吐出ヘッド。 A substrate for a liquid ejection head according to claim 9,
A flow path member comprising a flow path wall communicating with a discharge port for discharging a liquid, and forming the flow path by contacting the liquid discharge head substrate with the wall inside.
A liquid discharge head comprising: