JP3962719B2 - インクジェットヘッド用基体およびこれを用いるインクジェットヘッドとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、紙、プラスチックシート、布、物品等を包含する記録媒体に対して、例えばインク等の機能性液体を吐出するインクジェットヘッド用基体およびこれを用いるインクジェットヘッドとその製造方法に関する。

インクジェット記録に使用されるヘッドの一般的な構成としては、複数の吐出口とこの吐出口に連通するインク流路と、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複数の電気熱変換素子とを有する構成をあげることができる。そして、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を有して構成され、この電気熱変換素子が絶縁膜により被覆されることで、各電気熱変換素子間での絶縁性が確保される。各インク流路は，その吐出口と反対側の端部が共通液室と連通しており、この共通液室にはインク貯留部としてのインクタンクから供給されるインクが貯留される。そして、共通液室に供給されたインクは、ここから各インク流路に導かれ、吐出口近傍でメニスカスを形成して保持される。この状態で、電気熱変換素子を選択的に駆動させることにより発生する熱エネルギーを利用して熱作用面上のインクを急激に加熱発泡させ、この状態変化に伴う圧力によってインクを吐出させる。

このインク吐出時におけ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さらされるとともに、インクの発泡、収縮に伴いキャビテーション衝撃やインクによる化学的作用を複合的に受けることになる。このインクによる化学的作用は、具体的にはインクに含まれる色材および添加物などが高温加熱されることにより分子レベルで分解され、難溶解性の物質に変化し、上部保護層上に物理吸着する現象が起こるものである。この現象はコゲーションと呼ばれている。このように、上部保護層上に難溶解性の有機物や無機物が吸着すると、発熱抵抗体からインクへの熱伝導が不均一になり、発泡が不安定となる。

従来は、これらのキャビテーション衝撃や、インクによる化学的作用に対して比較的強いＴａ膜を０．２μｍ〜０．５μｍの厚さに形成し、ヘッドの寿命および信頼性の両立を図っていた。

以下に、熱作用部におけるインクの発泡、消泡に伴う様子について図９を用いて詳細に説明する。

図９における曲線（ａ）は、駆動電圧Ｖ_ｏｐ＝１．３×Ｖ_ｔｈ（Ｖ_ｔｈはインクの発泡閾値電圧を示す）、駆動周波数：６ｋＨｚ、パルス幅：５μｓとした時の、発熱抵抗体に電圧を印加した瞬間からの上部保護層での表面温度の経時変化を示したものである。また、曲線（ｂ）は、同様に発熱抵抗体に電圧を印加した瞬間からの発泡した泡の成長状態を示す。曲線（ａ）のように、電圧を印加してから昇温が始まり、設定された所定のパルス時間よりやや遅れて昇温ピーク（発熱抵抗体からの熱が上部保護層に達するのがやや遅れるため）となり、それ以降は主として熱拡散により温度が降下する。一方、曲線（ｂ）のように泡の成長は、上部保護層温度が３００℃付近から発泡成長が始まり、最大発泡に達した後、消泡する。実際のヘッドでは、これが繰り返し行われる。このように、インクの発泡に伴い上部保護層表面は、例えば６００℃付近まで昇温しており、いかにインクジェット記録が高温の熱作用を伴って行われているかがわかる。

従って、インクに接する上部保護層は、耐熱性、機械的特性、化学安定性、耐酸化性、耐アルカリ性等に優れた膜特性が要求される。上部保護層に用いられる材料としては、上述したＴａ膜の他に、従来より貴金属、高融点遷移金属、これらの合金、あるいはこれらの金属の窒化物、ホウ化物、ケイ化物、炭化物または非晶質シリコン等が知られている。

例えば、特開２００１−１０５５９６号公報に見られるように、発熱抵抗体上に絶縁層を介して上部保護層を形成し、上部保護層を組成式Ｔａ_αＦｅ_βＮｉ_γＣｒ_δ（但し、１０ａｔ．％≦α≦３０ａｔ．％、α＋β＞８０ａｔ．％、且つα＜β、且つδ＞γ、且つα＋β＋γ＋δ＝１００ａｔ．％である。）で表されるアモルファス合金により形成され、そのインクとの接触面がその構成成分の酸化物を含むことにより、長寿命の信頼性の高い記録ヘッドが提案されている。

しかしながら、近年、インクジェット記録装置による記録画像の高画質化、高速記録等の高機能化に対する要求が高まっていており、これらの要求を満足するために、より一層のインクの性能の向上が求められている。例えば、高画質化に対応して発色性や耐候性の向上が求められるとともに、高速記録に対応してブリーディング（カラー異色インク間でのにじみ）の防止が求められている。そこで、インク中に種々の成分を添加する試みがなされている。また、インク種もブラック、イエロー、マゼンタ、シアンの他に、濃度を薄くした淡色のインクなど多様化してきている。これらのインクに対して、上部保護層として従来安定とされていたＴａ膜さえも、場合によっては、インクとの熱化学反応によりＴａ膜が腐食する現象が起こる。例えば、Ｃａ、Ｍｇなどの二価金属塩や、キレート錯体を形成する成分を含有するインクを用いた場合には、顕著に現れる。

また、インクジェット記録の高速化を更に進めるためには、従来よりも一層短パルスによる駆動（つまり駆動周波数を上げた駆動）が必要となる。このような短パルス駆動においては、ヘッドの熱作用部において短時間に加熱→発泡→消泡→冷却が繰り返され、従来に比べて短い時間に、より多くの熱ストレスを受け易いものとなっている。また、短パルス駆動により、インクの発泡、収縮に伴うキャビテーション衝撃も従来になく短時間に上部保護層に集中するため、機械的な衝撃特性に特に優れた上部保護層が必要となってきている。
特開２００１−１０５５９６号公報

このように種々のインクの改良が進められる中で、上述したようにインクに対する耐食性を改善した上部保護層を形成した場合は、ある種のインクを使用した場合に発熱部へのコゲーションによる生成物の堆積が著しく、吐出性能が低下することもあるという課題が見出された。

また、上記上部保護層を形成したインクジェット用基体を製造する方法としては、一般的にドライエッチングにより加工することが多用されている。しかし、インクに対する耐腐食性を改善した上部保護層を形成した場合には、長期にわたり高耐久性を維持することが可能となるが、逆にエッチング等により所望のパターンを形成したりする加工が困難となることが予想される。図８はそれを説明するためのものである。図８のように、上部保護層をパターン形成する際に、一般的に多用化されているドライエッチングにより加工を行うと、上部保護層に接する絶縁保護層をもエッチングしてしまうことが発生する。従来のように、絶縁保護層と上部保護層とのエッチング選択比が十分取ることができれば絶縁保護層を残して上部保護層をエッチングすることが可能となるが、現実的には上部保護層との境界部でオーバーエッチングされてしまい段差部が生じてしまうことがあった（図８のＡ−Ｂ間）。このような現象によると、その境界部の絶縁保護層が設計膜厚ａよりもエッチングにより膜厚ｂのように薄くなってしまい、保護機能を十分発揮できなくなることにつながる。そこで、エッチングガスによる上部保護層のエッチング速度を鑑み、エッチング時間によるコントロールを行い上部保護層のみエッチングされる条件を出して、パターン形成することが必要となる。しかしながら、装置やエッチング条件に起因するばらつきによって上部保護層がエッチングされずに残ってしまったり、逆に絶縁保護層がエッチングされてしまったりすることが発生するため、安定した上部保護層のパターン形成ができないことがあるという課題が見出された。

そこで本発明は、上述する従来技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであって、従来のＴａ膜による保護層と同様の吐出性能を有したまま、コゲーションによる生成物の堆積を抑えつつ、高耐久性を可能とする保護層を有するインクジェットヘッド用基体、インクジェットへッド及びインクジェットへッド用基体の製造方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明のインクジェットヘッド基体は、インクを吐出するための熱エネルギーを発生させる発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体の上方に設けられた絶縁保護層と、前記絶縁保護層の上方に形成された、インクと接触する接触面を有する上部保護層と、を有し、前記上部保護層は、ＴａとＣｒからなる、Ｃｒ含有量が３０ａｔ．％以下のアモルファス合金で形成されていることを特徴とする。

また、本発明のインクジェットヘッド用基体の製造方法は、インクジェットヘッド用基体の上に発熱抵抗体と絶縁保護層とを順に形成した後、前記絶縁保護層の上方に、ＴａとＣｒからなる、Ｃｒ含有量が３０ａｔ．％以下のアモルファス合金で形成される上部保護層を、ドライエッチングによりパターニングして形成することを特徴とする。

以上説明したように本発明によると、Ｔａ膜による保護層と同様の吐出性能を有したまま、コゲーションによる生成物の堆積を抑えつつ、高耐久性を可能とする保護層を有するインクジェットヘッド用基体、インクジェットヘッド及びインクジェットヘッド用基体の製造方法を提供することができる。

本発明の実施例の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の構成を適用し得るインクジェットヘッドを示す模式的な切断面部分図である。

図１において、１０１はシリコン基板、１０２は熱酸化膜からなる蓄熱層を示すものであり、１０３は蓄熱を兼ねるＳｉＯ膜、ＳｉＮ膜等からなる層間膜、１０４は発熱抵抗層、１０５はＡｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ等の金属材料からなる配線としての金属配線層、１０６はＳｉＯ膜、ＳｉＮ膜等からなる絶縁層としても機能する保護層を示す。１０７は、保護層１０６の上に設けられ、発熱抵抗体の発熱に伴う化学的、物理的衝撃から電気熱変換素子を守るための上部保護層である。また、１０８は発熱抵抗層１０４の発熱抵抗体で発生した熱がインクに作用する熱作用部である。

インクジェットヘッドにおける熱作用部は、発熱抵抗体での熱発生により高温にさらされると共に、インクの発泡、発泡後の泡収縮に伴い、キャビテーション衝撃やインクによる化学的作用を主に受ける部分である。そのため、熱作用部には、このキャビテーション衝撃やインクによる化学的作用から電気熱変換素子を保護するため、上部保護層１０７が設けられる。この上部保護層１０７は、所定のパターンのマスクを施した後に塩素ガス等によるドライエッチングや、所定のパターンのレジスト塗布後にフッ酸、ホウ酸、塩酸等によるウエットエッチングによりパターニングされる。その後、上部保護層１０７の上には、流路形成部材１０９を用いて、インクを吐出するための吐出口１１０を備えた吐出エレメントが形成される。

図２にパターニングされた上部保護層１０７の上に液流路や吐出口を形成する、インクジェットヘッドの吐出エレメントの形成法を示す。

図２（ａ）に示すように、まず、インクジェットヘッド用基体５０１（シリコン基板１０１、蓄熱層１０２、層間膜１０３、及びそれぞれ所定のパターニングを施された発熱抵抗層１０４、金属配線１０５、絶縁保護膜１０６、上部保護層１０７を含む。）の下面に、ＣＶＤ法によって、温度４００℃の条件でＳｉＯ_２膜５０２を約２μｍの厚さに形成する。ここで、５０７は熱作用部１０８を表す。

図２（ｂ）に示すように、このＳｉＯ_２膜５０２上にレジストを塗布し、露光、現像後、ドライエッチングまたはウェットエッチングにより、開口５１１を形成する。ＳｉＯ_２膜５０２は、後に貫通孔５１３を形成するときのマスクとなり、開口５１１から貫通孔５１３が形成されるようになる。ＳｉＯ_２膜５０２のエッチングは、例えば、ドライエッチングを用いるときは、ＣＦ_４をエッチングガスとして用いるリアクティブイオンエッチングまたはプラズマエッチングで行い、ウェットエッチングのときはバッファードフッ酸を用いて行う。

次に、図２（ｃ）に示すように、基板の上面側にＣＶＤ法により、温度３５０℃の条件でＰＳＧ（フォスフォシリケートグラス）膜５０３を厚さ約２０μｍの厚さに形成する。

次に、図２（ｄ）に示すように、ＰＳＧ膜５０３を加工して所定の流路パターンを形成する。ここで、レジストを用いたドライエッチングでＰＳＧ膜の加工を行うと、下面のＳｉＯ_２膜５０２がダメージを受けないので好ましい。

次に、図２（ｅ）に示すように、流路パターン状に形成されたＰＳＧ膜５０３の上にＣＶＤ法によって温度４００℃の条件で約５μｍの厚さに窒化シリコン膜５０４を形成する。このとき、開口５１２も窒化シリコン膜で埋められる。

ここで、形成した窒化シリコン膜の膜厚は、吐出口の厚さを規定し、先に形成したＰＳＧ膜の膜厚はインク流路のギャップを規定し、インクジェットのインク吐出特性に大きな影響を及ぼすので、窒化シリコン膜の膜厚およびＰＳＧ膜の膜厚は、必要とされる特性に合わせて適宜決められる。

次に、図２（ｆ）に示すように、先に形状加工したＳｉＯ_２膜５０２をマスクとしてシリコン基板５０１に、インクの供給口として貫通孔５１３を形成する。貫通孔の形成方法は、どのような方法でもよいが、基板に対して電気的なダメージがなく、低温で形成できることから、ＣＦ_４および酸素をエッチングガスとして用いてＩＣＰ（誘導結合プラズマ）エッチング法で行うことが好ましい。

次に、図２（ｇ）に示すように、窒化シリコン膜５０４をレジストを用いて、ドライエッチングにより吐出口５１４を形成する。この形成方法として、異方性エッチングの強いリアクティブイオンエッチングを用いる。

次に、図２（ｈ）に示すように、吐出口５１４および貫通孔５１３からバッファードフッ酸を用いて、ＰＳＧ膜５０３を溶出除去する。

その後、吐出口表面にプラズマ重合によりＳｉを含む撥水膜を形成し、Ｓｉ基板５０１の底面側にインク供給部材（図示していない）を貼り付けてインクジェットヘッドを完成した。

尚、上述したような基体上の液流路や吐出口の形成を乾式の製法により行う他に、以下に述べるような湿式の製法によって製造したインクジェットヘッドの場合でも良い。

図２（ａ）に示したインクジェットヘッド用基体５０１（シリコン基板１０１、蓄熱層１０２、層間膜１０３、及びそれぞれ所定のパターニングを施された発熱抵抗層１０４、金属配線１０５、絶縁保護膜１０６、上部保護層１０７を含む。）の上に、最終的にインク液流路となる溶解可能な固体層として、レジストをスピンコート法を用いて塗布する。該レジスト材は、ポリメチルイソプロペニルケトンからなり、ネガ型のレジストとして作用し、フォトリソグラフィ技術を用いてインク液流路の形状にパターニングする。続いて、液流路壁や吐出口を形成するために被覆樹脂層を形成する。この被覆樹脂層を形成する前に、密着性を向上させるためにシランカップリング処理等を適宜行うことができる。被覆樹脂層は、従来より知られているコーティング法を適宜選択することができ、インク液流路パターンが形成されたインクジェットヘッド用基体に塗布することができる。その後、インクジェットヘッド用基体の裏面から、異方性エッチング法、サンドブラスト法、異方性プラズマエッチング法等を用いて、５１３に相当するインク液供給口を形成する。最も好ましくは、テトラメチルヒドロキシアミン（ＴＭＡＨ）、ＮａＯＨやＫＯＨ等を用いた化学的シリコン異方性エッチング法により、インク液供給口を形成することができる。続いて、溶解可能な固体層を除去するためにＤｅｅｐ−ＵＶ光による全面露光を行い、現像、乾燥を行う。

いずれの製法によってもインクジェットヘッドの熱作用部は、発熱抵抗体での熱発生により高温にさらされると共に、インクの発泡、収縮に伴い、キャビテーション衝撃や、インクによる化学的作用を主に受ける部分である。よって、熱作用部にはこのキャビテーション衝撃や、インクによる化学的作用から電気熱変換素子を保護するために上部保護層１０７が設けられる。このインクに接する上部保護層１０７は、耐熱性、機械的特性、化学的安定性、耐酸化性、耐アルカリ性等に優れた膜特性が要求され、本発明では、ＴａとＣｒからなり、Ｔａ含有量がＣｒ含有量よりも多いアモルファス合金が形成される。尚、本発明におけるアモルファス合金とは、アモルファス構造を有する合金であり、Ｘ線回折法による結晶構造解析において、特定の結晶面の存在を示すピークが現れず（若しくは極めて小さく）、ブロードな回折パターンを示す合金をいう。

尚、アモルファス合金におけるＣｒの含有量をｙとすると、ｙは０ａｔ．％＜ｙ≦３０ａｔ．％であることが好ましい。更に、０ａｔ．％＜ｙ≦２５ａｔ．％であることがより好ましい。

この上部保護層１０７の膜厚は、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下から選択される。

また、この上部保護層１０７の膜応力は、少なくとも圧縮応力を有し、１．０×１０^１０ｄｙｎ／ｃｍ^２以下であることが好ましい。

上述した耐腐食性を改善した上部保護層１０７を形成した場合には、耐腐食性が高い代わりに表面がほとんどダメージを受けないため、逆にコゲーションによる生成物が発生し易くなる傾向があり、インクの吐出速度が低下したり、吐出そのものが不安定となる。従来上部保護層１０７に用いられているＴａ膜においてコゲーション生成物の発生が少ないのは、Ｔａ膜の若干の腐食とコゲーション生成物とがバランス良く生じ、Ｔａ膜の表面が若干の腐食により削れてコゲーション生成物の堆積が抑えられているためと推測できる。

しかし、上述したように、耐食性を改善する為にＳＵＳ成分を添加した上部保護層１０７においては、コゲーション生成物の堆積を抑制しようとＴａ成分を増加させると、耐久性を向上させることができなかった。これは、Ｔａ成分を増加させると、逆にＳＵＳ成分を減少させることになり、その為、耐久性に寄与すると考えられているＣｒ成分が減少してしまうためであると推測される。

本発明が適用される上部保護層１０７は、従来のＴａ層に化学的に安定なＣｒを含有させてアモルファス化し、腐食反応の起点となる結晶界面の存在個所を有意に減少させることで、従来のＴａ層と比較して耐食性を向上させることが可能となる。

また、本発明が適用される上部保護層１０７は、Ｔａ含有量が多く、Ｃｒ含有量が３０ａｔ．％以下の、ＴａとＣｒからなるアモルファス合金を用いている為、上部保護層の表面が若干腐食することで、コゲーション生成物の堆積が抑制され、従来のＴａ層と同程度の吐出性能を維持することが可能となる。

ここで、図５を用いて、従来使用されていたＴａ層と本発明におけるＴａＣｒ膜との性能の違いについて述べる。

図５（ａ）は上部保護層１０７が従来のＴａ層である場合の、上部保護層１０７とインクとの界面との模式図である。発熱抵抗体を駆動することにより発熱部にコゲーション生成物３０１が堆積する。また、上部保護層１０７のＴａは、駆動中に発生する熱により酸化膜３０２を形成する。この酸化膜の膜厚は駆動パルス数の増加と共に増加し、最終的には膜厚方向において全て酸化膜が形成される。この酸化膜３０２の一部が、図５（ｂ）のように堆積したコゲーション生成物３０１と共に上部保護層１０７から分離する。このようにして、コゲーション生成物３０１の堆積が抑制され、吐出性能が保たれる共に、上部保護層１０７の膜厚が減少すると考えられる。

これに対して図５（ｃ）に示すように、本発明が適用される上部保護層１０７は、インクとの界面における酸化膜３０２が、金属層３０３の上に従来のＴａ層と比較して非常に薄く形成される。この酸化膜３０２が、図５（ｄ）のように堆積したコゲーション生成物３０１と共に上部保護層１０７から分離することにより、コゲーション生成物３０１の堆積が抑制され、吐出性能が保たれる。この時、従来のＴａ層に対して酸化膜３０２が非常に薄く形成されている為に、上部保護層１０７の膜厚の減少が少なく、その為従来のＴａ層に対して耐久性が向上すると推測される。

このように、上部保護層１０７を、適度なＴａ含有量を有しつつ、化学的に安定なＣｒを添加しアモルファス化することにより、吐出性能を維持したまま、耐食性を向上させることが可能となる。

また、上部保護層１０７は、Ｔａ含有量が多い組成を用いている為、塩素系ガスによる上部保護層のエッチングレートが従来のＴａに対して若干の低下で抑えられる。これにより、絶縁保護層のエッチング量が減少し、信頼度を維持することが可能となる。

上部保護層１０７は、各種成膜法で作製可能であるが一般的には電源として高周波（ＲＦ）電源、または直流（ＤＣ）電源を用いたマグネトロンスパッタリング法により形成することができる。

図３は、上部保護層を成膜するスパッタリング装置の概要を示すものである。

図３において、４００１はＴａターゲットとＣｒターゲットの２種類からなる。４００２は平板マグネット、４０１１は基板への成膜を制御するシャッター、４００３は基板ホルダー、４００４は基板、４００６はターゲット４００１と基板ホルダー４００３に接続された電源である。さらに、図３において、４００８は成膜室４００９の外周壁を囲んで設けられた外部ヒーターである。外部ヒーター４００８は、成膜室４００９の雰囲気温度を調節するのに使用される。基板ホルダー４００３の裏面には、基板の温度制御を行う内部ヒーター４００５が設けられている。基板４００４の温度制御は、外部ヒーター４００８を併用して行うことが好ましい。

図３の装置を用いた成膜は、以下の様に行われる。まず、排気ポンプ４００７を用いて成膜室４００９を１×１０^−５〜１×１０^−６Ｐａまで排気する。次いで、アルゴンガスを、マスフローコントローラー（不図示）を介してガス導入口４０１０から成膜室４００９に導入する。この時、基板温度及び雰囲気温度が所定の温度になるように内部ヒーター４００５、外部ヒーター４００８を調節する。次に、電源４００６からターゲット４００１にパワーを印加してスパッタリング放電を行い、シャッター４０１１を調節して、基板４００４の上に薄膜を形成させる。

本発明では、ＴａターゲットとＣｒターゲットの２種類のターゲットを用い、それぞれに接続された２台の電源からパワーを印加する、２元同時スパッタリング法により形成することが可能である。この場合は、各々のターゲットに印加するパワーを単独に制御することが可能となる。あるいは、あらかじめ所望の組成に調整された合金ターゲットを複数用意し、それぞれを単独、あるいは複数のターゲットを同時にスパッタリングすることにより、所望の組成の薄膜を形成することができる。

また、上述したように、上部保護層１０７の形成の際には、基板の温度を１００℃〜３００℃に加熱することにより強い膜密着力を得ることができる。また、上述したような比較的運動エネルギーの大きな粒子を形成できるスパッタリング法により成膜することにより、強い膜密着力を得ることができる。

更に、膜応力としては、少なくとも圧縮応力を有し、１．０×１０^１０ｄｙｎ／ｃｍ^２以下にすることにより同様に強い膜密着力を得ることができる。この膜応力は、成膜装置に導入するアルゴンガス流量やターゲットに印加するパワー、基板加熱温度を適宜設定することにより調整すればよい。

本発明にかかるアモルファス合金膜からなる上部保護層１０７は、その下部に設けられる保護層１０６が厚い場合でも、薄い場合にも好適に適用できる。

図４は本発明を適用し得るインクジェット装置の一例の外観図である。尚、図４に記載されたインクジェット装置は旧式のタイプではあるが、本発明は最新のインクジェット装置に適用されることで、より一層効果を奏するものである。

駆動モータ２１０１の正逆回転に連動して駆動力伝達ギア２１０２、２１０３を介して回転するリードスクリュー２１０４の螺旋溝２１２１に対して係合するキャリッジ２１２０上に搭載されており、前駆動モータ２１０１の動力によってキャリッジ２１２０とともにガイド２１１９に沿って矢印ａ、ｂ方向に往復移動される。不図示の記録媒体給送装置によってプラテン２１０６上に搬送される記録用紙Ｐ用の紙押え板２１０５は、キャリッジ２１２０移動方向にわたって記録用紙をプラテン２１０６に対して押圧する。

２１０７、２１０８はフォトカプラでキャリッジ２１２０のレバー２１０９のこの域での存在を確認して駆動モータ２１０１の回転方向切り替え等を行うためのホームポジション検知手段である。２１１０は記録ヘッド２２００の全面をキャップするキャップ部材２１１１を支持する部材で、２１１２は前記キャップ部材２１１１内を吸引する吸引手段で、キャップ内開口２１１３を介して記録ヘッド２２００の吸引回復を行う。２１１４はクリーニングブレードで、２１１５はこのブレードを前後方向に移動可能にする移動部材であり、本体支持板２１１６にこれらは支持されている。クリーニングブレード２１１４は、この形態でなく周知のクリーニングブレードが本体に適用できることは言うまでもない。

また、２１１７は、吸引回復の吸引を開始するためのレバーで、キャリッジ２１２０と係合するカム２１１８の移動に伴って移動し、駆動モータ２１０１からの駆動力がクラッチ切り替え等の公知の伝達手段で移動制御される。記録ヘッド２２００に設けられた発熱部２１１０に信号を付与したり、上述した各機構の駆動を制御する記録制御部は、記録装置本体側に設けられている（不図示）。

上述したような構成のインクジェット記録装置２１００は、記録媒体給送装置によってプラテン２１０６上に搬送される記録用紙Ｐに対し、記録ヘッド２２００が記録用紙Ｐの全幅にわたって往復運動しながら記録を行うものであり、記録ヘッド２２００は上述したような方法で製造したものを用いているため、高精度で高速な記録が可能である。

以下、上部保護層の成膜例、この合金膜からなる上部保護層を用いたインクジェットヘッド等についての実施例により本発明を更に詳細に説明する。尚、本発明はかかる実施例等により限定されるものではない。

図３に示した装置を使用し、かつ上述した成膜方法を利用して、本発明にかかる上部保護層１０７に用いられるアモルファス合金層をシリコンウェハ上に形成した際における膜物性について評価した。

まず、単結晶シリコンウエハ上に熱酸化膜を形成し、このシリコンウエハ（基板４００４）を図３の装置の成膜室４００９内の基板ホルダ４００３上にセットした。次いで、排気ポンプ４００７により成膜室４００９内を８×１０^−６Ｐａまで排気した。その後、アルゴンガスをガス導入口４０１０から成膜室４００９に導入し、成膜室４００９内の条件を以下のようにした。
・基板温度：２００℃
・成膜室内ガス雰囲気温度：２００℃
・成膜室内ガス圧力：０．３Ｐａ

次いで、ＴａターゲットとＣｒターゲットとを適宜選択して、各々のターゲットに投入するパワーを表１に示すようにそれぞれ設定して、成膜例１〜６を得た。いずれの試料とも、シリコンウェハの熱酸化膜上に２００ｎｍの膜厚で、成膜例１ではＴａ膜、成膜例２では結晶化したＴａＣｒ膜、成膜例３〜６ではアモルファス構造のＴａＣｒ膜を形成した。

また、ＴａターゲットとＴａ_１８Ｆｅ_６１Ｃｒ_１５Ｎｉ_６ターゲットを用い、各ターゲットに投入するパワーを表１に示すように設定して、アモルファス構造の成膜例７を得た。更に、ＣｒターゲットとＴａ_１８Ｆｅ_６１Ｃｒ_１５Ｎｉ_６ターゲットを用い、各ターゲットに投入するパワーを表１に示すように設定して、アモルファス構造の成膜例８を得た。

得られた上記試料については、ＲＢＳ（ラザフォード後方散乱）分析を行い、各試料の組成分析を行った。その結果を表１に示す。

次に、上記のようにシリコンウェハ上に形成された上部保護層ＴａＣｒ膜のＸ線回折測定を行い、構造解析を行った。その結果、Ｔａ_８９Ｃｒ_１１では、鋭い回折ピークを示していたが、Ｔａ_７８Ｃｒ_２２では、特定の回折ピークを見せず、結晶構造がアモルファス構造へと遷移していることが明らかになった。

次に、各試料の膜応力について、成膜の前後における基板変形量により測定した。その結果Ｃｒ組成が多いほど膜応力は、圧縮応力から引っ張り応力へと変化する傾向が見られ、膜の密着力の低下の傾向が現われた。膜応力としては、少なくとも圧縮応力を有し、１．０×１０^１０ｄｙｎ／ｃｍ^２以下にすることにより同様に強い膜密着力を得ることができた。

（１）上部保護層の構成とコゲーションとの関係
（実施例１）
本実施例によるインクジェット特性としての評価を行う試料の基板は、Ｓｉ基板あるいはすでに駆動用のＩＣを作り込んだＳｉ基板を用いる。Ｓｉ基板の場合は、熱酸化法、スパッタ法、ＣＶＤ法などによって膜厚１．８μｍのＳｉＯ_２の蓄熱層１０２（図１）を形成し、ＩＣを作り込んだＳｉ基板も同様にその製造プロセス中で、ＳｉＯ_２の蓄熱層を形成しておく。

次に、スパッタ法、ＣＶＤ法などによってＳｉＯ_２からなる膜厚１．２μｍの層間絶縁膜１０３を形成した。次いで、Ｔａ−Ｓｉターゲットを用いた反応性スパッタリング法により、５０ｎｍのＴａ_４０Ｓｉ_２１Ｎ_３９の組成式で表される発熱抵抗体層１０４を形成した。この時の基板温度は２００℃で行った。金属配線１０５としてＡｌ膜を２００ｎｍの膜厚にスパッタリング法により形成した。

次に、フォトリソグラフィ技術を用いてパターン形成し、Ａｌ膜を取り除いた３０μｍ×３０μｍの熱作用部１０８を形成した。次に、保護膜１０６としてプラズマＣＶＤ法によってＳｉＮからなる膜厚３００ｎｍの絶縁体を形成した。次に、上部保護層１０７として表１に示される成膜例３の条件でＴａ_７８Ｃｒ_２２を２３０ｎｍの膜厚で形成した。次いで、上部保護層１０７をドライエッチングによりパターニングを行い、インクジェット用基体を作製した。この場合は、後述する実施例７〜１５で作成したＴａＣｒ膜を採用する方が好ましい。

また、上述したように、上部保護膜１０７をドライエッチングによらないフッ酸等を用いたウエットエッチングによりパターニングする方法であっても、インクジェットヘッド用基体の作製は可能である。

次いで、いずれかの方法で作製したインクジェット用基体を用いてインクジェットヘッドを作製した。そして、このインクジェットヘッドを用いて、図４で示したようなインクジェット記録装置に装着して吐出特性評価を実施した。

この試験は、駆動周波数５ｋＨｚ、パルス幅は１μｓｅｃとし、１×１０^８パルスの駆動信号を印加した後の各試料の吐出速度を測定した。このときの駆動電圧Ｖ_ｏｐは、Ｖ_ｔｈ×１．１５とした。また、インクは市販のインクジェットプリンタ用インク（商品名：キヤノン株式会社製ＢＣＩ−３ｅ−Ｂｋ）を用いた。尚、Ｖ_ｔｈはインクを吐出する発泡閾値電圧を示す。

実施例１について、１×１０^８パルスの駆動信号を印加後の吐出速度を測定したが、インク吐出特性に影響が見られるほどの大きな低下は見られなかった。また、評価終了後の発熱抵抗体上を観察したところ、若干のコゲーション生成物の付着を確認した。

（実施例２、３）
実施例１と同様の方法を用いて、組成の異なるＴａＣｒ膜を２３０ｎｍの膜厚で形成したものについて、インク吐出特性評価を実施した。その結果を表２に示す。

（比較例１〜３）
実施例１と同様の方法を用いて、インク吐出特性評価を実施した。比較例として膜厚２３０ｎｍのＴａ膜、Ｔａ_４０Ｃｒ_６０膜、Ｔａ_２８Ｆｅ_５２Ｃｒ_１５Ｎｉ_５膜について評価を行った。その結果を表２に示す。

表２から分かるように、実施例１〜３のＴａＣｒ膜及び比較例１のＴａ膜に関しては、１×１０^８パルスの駆動信号印加後にも吐出速度は維持されていた。これに対して、比較例２、３に関しては、吐出速度が低下し、所望の記録画像品位を保てないことが分かる。この吐出特性評価に用いたインクジェット用ヘッドを分解して、熱作用部のコゲーション生成物の生成の様子を観察した結果、吐出速度が大きく低下した比較例２，３に関しては、熱作用部上に多量のコゲーション生成物が堆積していることが観察された。これにより、インクジェット用ヘッドにおける吐出速度の低下がコゲーション生成物の堆積に起因していることが確認された。このことから、Ｔａ含有量が減少するに伴い、コゲーション生成物の堆積が顕著になり、吐出特性を維持することができないことが分かった。

（実施例４）
ついで、実施例１と同様のインクジェット用ヘッドを用いて、吐出耐久試験を行った。この試験は、駆動周波数５ｋＨｚ、パルス幅は１μｓｅｃとし、連続して吐出させてインクジェット記録ヘッドが吐出できなくなるまでの寿命を調べた。この時の駆動電圧Ｖ_ｏｐは、１．１５×Ｖ_ｔｈとした。また、インクは硝酸基の入った二価金属Ｃａ（ＮＯ_３）_２・４Ｈ_２０を４％程度含有するインクを用いた。その結果を表３に示す。

表３から分かるように、駆動信号を１．０×１０^９パルスまで連続して印加して連続吐出を行っても、安定した吐出が可能であった。

（実施例５、６）
上部保護層１０７としてＴａ_７４Ｃｒ_２６膜（実施例５）、Ｔａ_７０ｒ_３０膜（実施例６）を形成する以外は実施例４と同様にしてインクジェット用ヘッドを作製した。このインクジェット用ヘッドを用いて実施例４と同様にして吐出耐久試験を行った。その結果を表３に示す。

（比較例４、５）
上部保護層１０７としてＴａ膜（比較例４）、Ｔａ_８９Ｃｒ_１１膜（比較例５）で形成する以外は実施例４と同様にしてインクジェット用ヘッドを作製した。このインクジェット用ヘッドを用いて実施例４と同様に吐出耐久試験を行った。その結果を表３に示す。

表３から分かるように、比較例４、５では、４×１０^８パルスの駆動信号の印加到達前に断線が発生し、吐出することができなくなった。

以上の結果から、以下のことが明らかになった。すなわち、表３の結果から明らかなように、吐出耐久試験による耐久性は、結晶構造に依存し、アモルファス構造になることにより、耐久性が増加することが明らかになった。

そこで、１×１０^９パルスの駆動信号の印加まで吐出耐久試験を実施した実施例４のインクジェトヘッドの発熱抵抗体と、複数設けた発熱抵抗体の一部に断線が発生するまで吐出耐久試験を実施した比較例４のインクジェットヘッドの断線しなかった発熱抵抗体との断面観察を実施して、調査を行った。その模式図を図６に示す。ここで、図６（ａ）は実施例４と比較例４との初期状態で、４０１は、上部保護層１０７に相当する層であって、実施例４ではＴａ_７８Ｃｒ_２２膜であり比較例４ではＴａ膜である。また、１０８は熱作用部、１０６は絶縁保護層、１０５は金属配線、１０４は発熱抵抗層である。図６（ｂ）は実施例４のインクジェットヘッドの発熱抵抗体に１×１０^９パルスの駆動信号の印加まで吐出耐久試験を実施した後の断面模式図で、４０２は上部保護層１０７の上に形成された酸化膜である。図６（ｃ）は比較例４のインクジェットヘッドの発熱抵抗体に４×１０^８パルスの駆動信号の印加到達前に一部の発熱抵抗体に断線が発生したときの、断線しなかった発熱抵抗体の断面模式図であり、４０３は上部保護層１０７の上に形成された酸化膜である。

この結果、比較例４においては、酸化膜４０３のように熱作用部上のＴａがほとんど酸化し、局部的に深く削れている領域が存在することが観察された。比較例４の断線した発熱抵抗体では、この腐食が発熱抵抗層１０４にまで到達し、断線していることが推測される。

これに対し、実施例４においては、熱作用部１０８上の上部保護層１０７（４０１）の上には極めて薄い酸化膜４０２が形成され、その厚さは約１０ｎｍ程度であった。全体の膜厚としては初期よりもわずかに減少し、約１９０ｎｍ程度となっているが、ほとんどが金属状態で残存していることが確認された。この結果、このような酸化膜４０２が形成された構造により、耐久性を維持しながらコゲ−ション生成物の生成にも拘らず良好な吐出特性を維持していることが推測される。

以上説明したように、上述の各実施例１〜６によれば、インクとの接触面を有する上部保護層上に発熱抵抗体の駆動によりコゲーション生成物が生成されるインクジェットヘッドにおいて、上部保護層をＴａとＣｒからなり、Ｔａ含有量がＣｒ含有量より多いアモルファス合金で形成することにより、従来のＴａ層と同様の吐出性能を有したまま、耐キャビテーション性、耐食性に優れ、高耐久性を可能とする上部保護層を有するインクジェットヘッドを提供することが可能となった。

（２）上部保護層の構成とエッチングとの関係
次に、上述した実験に用いたインクジェット用基体の上部保護層をドライエッチングによりパターニングして作製した場合に、本発明が適用された上部保護層が格別なる効果を奏する事実を以下に説明する。

まず、表１の成膜例１〜８による膜を用いて、成膜された各々の組成の金属膜上に所定の形状にパターニングされたフォトレジストを形成した試料を作成し、リアクティブイオンエッチング装置を用いて、Ｃｌ_２ガスを流量１００ｓｃｃｍ、圧力１Ｐａで導入しつつ、３００Ｗのパワーで各々の試料に対しドライエッチングを実施した。その結果を図７に示す。

図７から、Ｃｌ_２ガスを用いてドライエッチングを実施した場合、エッチングレートがＴａ含有量に依存し、Ｔａ含有量の減少に伴い低下していくことが分かる。

本実験は、Ｃｌ_２ガスを用いてドライエッチングを実施したが、その他のガスを用いた場合でも同様の傾向が得られた。

このようにして作製されたインクジェット用基体を用いて、以下のような信頼性の評価を行った。

（実施例７）
上部保護層１０７のドライエッチング後の保護膜の信頼性を評価する為に、信頼性試験を実施した。

図８にインクジェット用基体の断面模式図を示す。ここで、１０６は絶縁保護層であり、１０７は上部保護層であり、５２１はシリコン基板１０１とその上に形成された蓄熱層１０２、層間膜１０３、発熱抵抗層１０４、金属配線１０５を含むヒーター基板であり、５２２はヒーター基板５２１の発熱抵抗層１０４と金属配線１０５とで図１に示したような構成で形成される熱作用部１０８を抽象的に描いたものである。また、５２３はレジストである。

この試験は、上部保護層パターニングのためのエッチングにより、下層の絶縁保護層をもエッチングされてしまい（図８のＢ部分）、絶縁保護層によるカバレッジが十分かどうかの評価を行なうものである。そのために、ＢＨＦ（バッファードフッ酸）溶液にインクジェット用基体を２０分間浸漬させ、さらに３％のＮａＯＨ（水酸化ナトリウム）溶液に１０分間浸漬させた。エッチング条件は予め測定したエッチングレートに基づき、２０％のオーバーエッチがかかるように設定した。実施例７について、絶縁保護層がエッチングされた部分（図８のＢ部分）を起点として侵食が進行していないかを顕微鏡で観察したところ、そのような部分は見られず、保護膜の信頼性が保たれていることが確認された。

（実施例８、９）
実施例７と同様の方法を用いて、組成の異なるＴａＣｒ膜について、信頼性試験を実施した。その結果を表４に示す。なお、本発明の実施例に関連する参考例１〜３も合せて表４に示す。

（比較例６〜９）
実施例７と同様の方法を用いて、信頼性試験を実施した。比較例として、Ｔａ膜、Ｔａ_４０Ｃｒ_６０、Ｔａ_２８Ｆｅ_５２Ｃｒ_１５Ｎｉ_５、Ｔａ_１７Ｆｅ_５４Ｃｒ_２５Ｎｉ_４について評価を行った。その結果を表４に示す。

表４から分かるように、比較例７〜９においては絶縁保護層のエッチングが進行している為に図８のＢ部から配線層の侵食が多数観察された。これに対して実施例７〜９及び比較例６においては、侵食が観察されず、絶縁保護層の信頼性が保たれていることが分かる。また、参考例２についてはエッチングレートの減少のために多少の侵食が見られたが、参考例３のように膜厚が薄い場合にはエッチング時間が減少するため絶縁保護層のエッチング量も減少し、信頼性試験における腐食は観察されなかった。

このことから、Ｔａ含有量が減少すると共にエッチングレートが減少するために、保護膜までもエッチングされてしまい、カバレッジが不十分になっていることが分かる。

（実施例１０、１１）
また、保護膜１０６をＳｉＯに変更する以外は実施例８、９と同様のインクジェット用基体を用いて、表３と同様の信頼性試験を実施した。その結果を表５に示す。

（比較例１０）
また、上部保護層をＴａ_１７Ｆｅ_５４Ｃｒ_２５Ｎｉ_４に変更する以外は実施例１０、１１と同様のインクジェット基体を用いて、表４と同様の信頼性試験を実施した。その結果を表５に示す。なお、本発明の実施例に関連する参考例４も合せて表５に示す。

表５から分かるように実施例１０、１１においては、いずれも腐食している部分が観察されなかった。これは、ＳｉＯのエッチングレートがＳｉＮよりも低いために、保護膜１０６がＳｉＯになることで、保護膜のカバレッジが保たれたためである。これに対して、比較例１０は、多数の腐食が観察された。

尚、上述のように、ＴａＣｒ膜を薄くしたり、下地の材料を適切な材料に選択変更すれば、Ｔａ含有量が少ない領域でも絶縁保護層の信頼性を維持することが可能ではあるが、絶縁保護層の耐久性と信頼性との両立を図るためには、Ｃｒ含有量は３０ａｔ．％以下であることが好ましい。

以上説明したように、上述の各実施例７〜１１によれば、発熱抵抗体の上に設けられた絶縁保護層と、該絶縁保護層の上に形成され、かつドライエッチングによりパターニングされる上部保護層を有するインクジェットヘッド用基体において、上部保護層を、ＴａとＣｒからなる、Ｃｒ含有量が３０ａｔ．％以下のアモルファス合金で形成することにより、上部保護層をドライエッチングでパターニングする際にも、上部保護層と接している絶縁保護層の保護性を低下させることを抑えることが可能となった。その結果、コゲーションによる生成物の堆積を抑えつつ、高耐久性を可能とする保護層を有するインクジェットヘッドを提供することが可能となった。特に、実施例１〜１１に記載された構成とともに実施することで、より一層、コゲーションによる生成物の堆積を抑えつつ、高耐久性を発揮することが可能となる。

本発明に係るインクジェットヘッド用基体の部分断面図である。 本発明に係るインクジェットヘッド用基体に吐出エレメントを形成する方法を示す図である。 本発明に係るインクジェットヘッド用基体の各層を成膜する成膜装置の模式図である。 本発明に係るインクジェットヘッドを装着するインクジェット記録装置の一構成例を示す模式図である。 上部保護層の焦げの堆積、分離状態を説明する説明図である。 吐出耐久試験における発熱体の断面を観察した模式図である。 Ｔａの含有量に対するエッチングレートを示す図である。 上部保護層をドライエッチングするときの様子を示す図である。 電圧を印加してからの上部保護層の温度変化と発泡状態を説明する図である。

符号の説明

１００ インクジェットヘッド用基体
１０１ シリコン基板
１０２ 蓄熱層
１０３ 層間膜
１０４ 発熱抵抗層
１０５ 金属配線
１０６ 保護層
１０７ 上部保護層
１０８ 熱作用部
１０９ 液路形成部材
１１０ 吐出口

Claims (6)

1. インクを吐出するための熱エネルギーを発生させる発熱抵抗体と、
   前記発熱抵抗体の上方に設けられた絶縁保護層と、
   前記絶縁保護層の上方に形成された、インクと接触する接触面を有する上部保護層と、
   を有し、前記上部保護層は、ＴａとＣｒからなる、Ｃｒ含有量が３０ａｔ．％以下のアモルファス合金で形成されていることを特徴とするインクジェットヘッド用基体。
2. 上部保護層の膜厚が５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド用基体。
3. 上部保護層の膜応力が、少なくとも圧縮応力を有し、１．０×１０^１０ｄｙｎ／ｃｍ^２以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のインクジェットヘッド用基体。
4. インク吐出口と、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド用基体と、
   を有することを特徴とするインクジェットヘッド。
5. インクジェットヘッド用基体の製造方法において、
   前記インクジェットヘッド用基体の上に発熱抵抗体と絶縁保護層とを順に形成した後、
   前記絶縁保護層の上方に、ＴａとＣｒからなる、Ｃｒ含有量が３０ａｔ．％以下のアモルファス合金で形成される上部保護層を、ドライエッチングによりパターニングして形成することを特徴とするインクジェットヘッド用基体の製造方法。
6. 上部保護層のパターニングは、塩素ガスを用いたドライエッチングによるパターニングであることを特徴とする請求項５に記載のインクジェットヘッド用基体の製造方法。

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