JP2004216875A - 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

Abstract

【課題】 インクジェットヘッド用基体のインクに接する部分を有する保護層と樹脂層との密着性を改善し、長期に渡る品質信頼性を得る。
【解決手段】 発熱部１０８を形成する発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に電気的に接続する電極配線１０５と、発熱抵抗体と電極配線との上に絶縁保護層１０６を介して設けられた上部保護層１０７とを有し、上部保護層がＴａＣｒ合金からなり、上部保護層の上部に樹脂製の液路形成部材１０９が形成されているとともに、該液路形成部材が上部保護層に固定されている。
【選択図】 図１

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ことにより文字、記号、画像等の記録、印刷等を行う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。

よって、通常、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が設けられる。

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０．２〜０．５μｍ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。

また、これらの熱作用部では、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。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。そこで、比較的コゲーションの生じない良好なＴａ膜が一般的に用いられている。

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８を用いて詳細に説明する。

図８における曲線（ａ）は、駆動電圧Ｖｏｐ＝１．３ｘＶ_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ＴａαＦｅβＮｉγＣｒδ（但し、１０原子％（ａｔ．％）≦α≦３０原子％、α＋β＞８０原子％、且つα＜β、且つδ＞γ、且つα＋β＋γ＋δ＝１００原子％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。

ところが、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一段と高まってきており、これらの要求を満足するために、インクの性能の向上、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、インク種自体もブラック、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、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。

一方、上述したように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、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、逆にコゲーションが発生し易くなる傾向があり、これにより、インクの吐出速度が低下したり不安定となる。尚、従来用いられているＴａ膜においてコゲーションの発生が少ないのは、Ｔａ膜の若干の腐食とコゲーション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による生成物の堆積が抑えられているためと推測できる。

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、従来よりも駆動周波数を上げて、より一層の短パルスによる駆動が必要となる。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る。

これらの上部保護層が形成されたインクジェットヘッド用基体を用いてインクジェットヘッドを形成する場合は、特開平６−２８６１４９号公報に開示されているように、フォトリソグラフィ技術を用いて溶解可能な樹脂でインク流路をパターン形成し、該パターンをエポキシ樹脂等で被覆、硬化し、基板を切断した後に、その後溶解可能な樹脂を溶出除去している。

また、特開２００２−１１３８７０号公報に開示されているように、上部保護層を２層化し、該上部保護層の下層に耐インク腐食性の高いアモルファスＴａ膜、上層に比較的コゲーションの発生しにくいＴａ膜を用いることにより、耐久性の向上、高信頼性を得ている。
特開２００１−１０５５９６号公報 特開２００２−１１３８７０号公報

しかし、近年の記録画像の高速記録化に伴ってインク吐出エレメントが長尺化（特に０．５インチ以上）した場合や、記録媒体上に吐出されたインクの耐光性や耐ガス性を向上させるための添加物を含有して多様化するインクを用いる場合には、該構成部材の線膨張率の違いや、液流路壁や吐出口を形成する樹脂層の応力等にひずみを生じ、また新規インクによっても界面に影響を与え、液流路壁や吐出口を形成する被覆樹脂層とヒーター基板上の上部保護層との間で剥離が発生するおそれがあった。また、該上部保護層上に有機密着向上層を設けても、該密着向上層と前記上部保護層の界面付近で剥離が発生し、インクが基板上に浸透し、配線の腐食を引き起こしてしまい、その結果、良好な記録が得られなかったり、長期に渡る品質信頼性を確保することが困難となる可能性があった。

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、インクジェットヘッド用基体のインクに接する部分を有する上部保護層と樹脂層との密着性を改善し、長期に渡る品質信頼性が得られるインクジェットヘッド及びその基体を提供することを目的とする。

上述の目的を解決するため、本発明のインクジェットヘッド基体は、インクジェットヘッドに用いられるインクジェットヘッド用基体において、インクを吐出するためのエネルギーを発生するための発熱抵抗体が形成された基板と、前記発熱抵抗体に電気的に接続する電極配線と、前記発熱抵抗体と前記電極配線との上方に設けられた、ＴａＣｒ合金からなる上部保護層と、を有し、前記上部保護層は、その上部に樹脂製の構成物が形成され、該樹脂製の構成物は当該上部保護層に固定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は、インク吐出口からインクを吐出するインクジェットヘッドにおいて、前記インク吐出口に連通し、インクを吐出するための熱エネルギーをインクに作用させる部分を有するインク流路と、前記熱エネルギーを発生させる発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体に電気的に接続する電極配線と、前記発熱抵抗体と前記電極配線との上方に設けられた、ＴａＣｒ合金からなる上部保護層と、を有し、前記上部保護層は、その上部に樹脂製の構造物が形成され、該樹脂製の構造物は当該上部保護層に固定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の製造方法は、基板上に、発熱部を形成する発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に電気的に接続する電極配線と、前記発熱抵抗体と前記電極配線との上方に設けられたインクとの接触面を有する上部保護層と、樹脂製の液流路部材と、を有するインクジェットヘッドの製造方法において、 前記上部保護層を、ＴａＣｒ合金で形成した層上にＴａ層を積層して形成した後、前記Ｔａ層を選択的にパターニングして当該Ｔａ層を選択的に除去することで、前記ＴａＣｒ合金で形成された層が露出した部分に前記液流路部材を形成することを特徴とする。

本発明によると、インクジェットヘッド用基体のインクに接する部分を有する上部保護層と樹脂層との密着性を改善し、長期に渡る品質信頼性が得られるインクジェットヘッド基体、インクジェットヘッド及びその製造方法を提供できる。

本発明の実施形態を図面等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。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は、吐出エレメントの形成法を示す。

図１のインクジェットヘッド用基体１００と同じインクジェットヘッド用基体２００の上に、最終的にインク液流路となる溶解可能な固体層２０１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２０３を形成する。該被覆樹脂層２０３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。該被覆樹脂層２０３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２００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２００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、インク液供給口２０６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２０６を形成することができる。続いて、溶解可能な固体層２０１を除去するために、Ｄｅｅｐ−ＵＶ光による全面露光を行い、現像、乾燥を行った。

また図３に示すように、上部保護層１０７（Ｔａ_{１００−Ｘ}Ｃｒ_Ｘ膜）形成後に、ノズル構成部材との間に有機密着向上膜３０７を形成することもできる。有機密着向上膜３０７としては、ポリエーテルアミド樹脂を選択した。該樹脂はアルカリエッチング耐性に優れ、且つ、シリコン等の無機膜との密着性も良好であり、さらには、インクジェット記録ヘッドの耐インク保護膜としても用いることができる等の利点があり、特に好ましいものである。その後、フォトリソグラフィ技術により、例えば図３に示すような形状にパターニングを行う。このパターニングは、通常の有機膜のドライエッチングと同様の方法で行うことができる。すなわち、ポジ型のレジストをマスクとして、酸素ガスプラズマによりエッチングを行うことができる。

以下、上部保護層１０７（Ｔａ_{１００−Ｘ}Ｃｒ_Ｘ膜）形成後に、有機密着向上膜３０７を形成する方法を図３にて説明する。インクジェット用基体３００にスピンコート法にて、最終的にインク液流路となるべく溶解可能な固体層３０１として、レジストを塗布する。該レジスト材料は、ポリメチルイソプロペニルケトンから成り、ネガ型のレジストとして作用し、インク液流路の形状にフォトリソグラフィ技術によりパターニングされる。

続いて、液流路壁や吐出口を形成すべく被覆樹脂層３０３を形成する。該被覆樹脂層３０３を形成する前に、密着向上のためシランカップリング処理などを適宜行うことができる。被覆樹脂層３０３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ヒーター基板上に塗布することができる。塗布された被膜樹脂層３０３は、フォトリソグラフィ技術にてパターニングされる。その後、ヒーター基板裏面よりインク液供給口３０６として、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などにより、ヒーター基板裏面からインク供給口を形成する。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３０６を形成した。続いて、溶解可能な固体層３０１を除去すべく、Ｄｅｅｐ−ＵＶ光による全面露光を行った後、現像、乾燥を行った。

以上の図２、図３にて説明した工程によりノズル部が作成された基板を、ダイシングソーなどにより分離切断、チップ化し、発熱抵抗体を駆動するための電気的接合とインク供給部材の接合を行い、インクジェットヘッドが完成する。

このインクに接する上部保護層は、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ると同時に、有機密着向上層やノズル構成部材との密着性に優れていることが要求され、ＴａとＣｒからなる。好ましくはＴａ_{１００−Ｘ}Ｃｒ_ＸにおいてＸ≧１２ａｔ．％から構成される。

上部保護層１０７の膜厚は、５０ｎｍ〜５００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ〜３００ｎｍから選択される。また、この上部保護層の膜応力は、少なくとも圧縮応力を有し、１．０×１０１０ｄｙｎ／ｃｍ^２以下であることが好ましい。なお、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４は、上部保護層１０７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４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４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４の装置を用いた成膜は、次のように行われる。まず、排気ポンプ４００７を用いて成膜室４００９を１×１０^−５Ｐａ〜１×１０^−６Ｐａまで排気する。次いで、Ａｒ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種類からなり、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Ａｒ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。

また、図５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。この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。

図５のインクジェット装置において、記録ヘッド２２００は、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に係合するキャリッジ２１２０上に搭載されており、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。不図示の記録媒体供給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はキャップ部材２１１１内のインクを吸引排出するための吸引手段で、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。前記記録ヘッド２２００に設けられて発熱部２１１０に信号を付与したり、上述した各機構の駆動制御を司ったりする記録制御部は、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、記録媒体供給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１０７の成膜例、およびそれら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。なお、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４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、上部保護層１０７用のＴａ−Ｃｒ薄膜をシリコンウエハ上に形成し、膜物性を評価した。その際の成膜操作及び膜物性の評価について以下に示す。

［成膜操作］
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４の装置の成膜室４００９内の基板ホルダー４００３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、Ａｒガスをガス導入口４０１０から成膜室４００９に導入し、成膜室４０００９内の条件を以下のようにした。

［成膜条件］
基板温度：２００℃
成膜室内ガス雰囲気温度：２００℃
成膜室内混合ガス圧力：０．６Ｐａ
次いで、ＴａターゲットとＣｒターゲットを用いて、各ターゲットに投入するパワーを可変とした２元スパッタリング法により、シリコンウエハの熱酸化膜上に２００ｎｍの膜厚でＴａ_{１００−Ｘ}Ｃｒ_Ｘ膜を形成し、試料１〜７を得た。

［膜物性評価］
得られた上記試料１〜７について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。表１のように、ＴａとＣｒターゲットへの投入パワーを変えることにより、各種組成の膜を作製することが可能である。

［膜応力について］
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、Ｔａ_{１００−Ｘ}Ｃｒ_Ｘ膜のＣｒ濃度が増加するほど、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、膜の密着力の低下傾向が現れた。膜応力としては、少なくとも圧縮応力を示し、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。

［樹脂との密着性について］
（実施例１）
本実施例のＴａ_８８Ｃｒ_１２膜１０７（組成比がＴａ８８ａｔ％、Ｃｒ１２ａｔ％の膜を表す。以下、同様。）と有機密着向上膜（ポリエーテルアミド樹脂）３０７との密着性を簡易的に評価するために、テープ引き剥がし試験をＰＣＴ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｏｋｅｒ Ｔｅｓｔ）後に行った。

テープ引き剥がし試験は次のように行った。上部保護層１０７が形成されたシリコンウエハ上に、有機密着向上膜（ポリエーテルアミド樹脂）３０７を膜厚２μｍに形成し、カッターナイフを用いて１ｍｍ×１ｍｍ角の碁盤目状のマス目を１０×１０＝１００（縦×横）個、有機密着向上膜３０７上に形成した。続いて、１２１℃、２．０２６５×１０^５Ｐａ（２ａｔｏｍ）で１０ｈｒ、アルカリインク中に浸漬する条件でＰＣＴ試験を行った。その後に、上記碁盤目状のマス目の部分にテープを貼り、テープによる引き剥がしを行い、１００個の中でテープにより引き剥がされた数を調べた。その結果、１００個中１５個程度の剥がれが発生したが、全体的には良好な結果であった。（表２）

（比較例１）
実施例１と同様の方法を用いて、Ｔａ膜と有機密着向上膜（ポリエーテルアミド樹脂）３０７との密着性について、ＰＣＴ後の密着性の評価を行い、その結果を表２に示す。

表２のように、ＰＣＴ試験後にはＴａ膜と有機密着向上膜３０７との界面から剥がれが発生し、密着性の低下が顕著であった。

（実施例２〜７）
実施例１と同様の方法を用いて、組成の異なるＴａ_{１００−Ｘ}Ｃｒ_Ｘ膜について、ＰＣＴ後の密着性の評価を行い、その結果を表２に示す。

（比較例２〜３）
実施例１と同様の方法を用いて、ＰＣＴ後の密着性の評価を行った。比較例としてＴａ_２０Ｆｅ_６１Ｃｒ_１４Ｎｉ_５（比較例２）、Ｔａ_８７Ｆｅ_１０Ｃｒ_２Ｎｉ_１（比較例３）について評価を行った。これらの結果を表２に示す。

これらの比較例で明らかなように、従来上部保護層として用いられているＴａ_２０Ｆｅ_６１Ｃｒ_１４Ｎｉ_５、Ｔａ_８７Ｆｅ_１０Ｃｒ_２Ｎｉ_１膜においては、上部保護層１０７と有機密着向上膜３０７との界面から剥がれが生じ、十分な密着性を得ることができなかった。

以上のように、ＰＣＴ試験を行った後の上部保護層１０７と有機密着向上膜３０７との密着性は、Ｔａ_{１００−Ｘ}Ｃｒ_Ｘ膜においては、Ｃｒ組成が少ない膜で低下する傾向があり、Ｘが１２ａｔ．％以上では良好な結果であった。

以上は、密着向上層がある場合の結果を示したが、密着向上層がない場合も同様の傾向を示し、密着向上層の有無にかかわらずＴａ_{１００−Ｘ}Ｃｒ_Ｘ膜（Ｘ≧１２ａｔ．％）は密着性に対して効果のあることがわかった。

［インクジェット用特性評価］
（実施例８）
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法を用いてパターン形成し、Ａｌ膜を取り除いた２６μｍ×２６μｍ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、ＴａターゲットとＣｒターゲットに印加するパワーを変えながら、スパッタリング法により、Ｔａ_８８Ｃｒ_１２膜を２００ｎｍ形成した。

次に、上部保護層１０７をドライエッチングにより、パターニングを行った。

続いて、上部保護層とノズル構成部材との密着性を向上させるために、有機密着向上膜（ポリエーテルアミド樹脂）３０７を膜厚２μｍに形成し、インクジェットヘッド用基体を作製した。

これらのインクジェット用基体を用いて図３で示した製造方法によりインクジェットヘッドを作製し、更にインクジェット記録装置を用いて、吐出耐久試験を行った。この試験は、駆動周波数１５ＫＨｚ、パルス幅は１．０μｓｅｃ．とし、１．０×１０^８パルス時点での上部保護層１０７のケズレの様子を、ＦＩＢを用いた断面観察により評価した。この時の駆動電圧は、１．３×Ｖ_ｔｈとした。尚、Ｖ_ｔｈはインクを吐出する発泡閾値電圧を示す。また、インクは、硝酸基の入った二価金属塩Ｃａ（ＮＯ_３）_２・４Ｈ_２Ｏを４％程度含有するインクを用いた。

表３のように、２．０×１０^８パルス数まで連続吐出を行っても僅かなケズレが発生しているが、吐出特性は安定しており上部保護層として安定であることがわかった。

（比較例４）
上部保護層１０７をＴａ膜で形成する以外は実施例８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１と同様にして吐出耐久試験を行い、その結果を表３に示す。表３のように、比較例１では２×１０^８パルス以前に吐出することができなくなった。そこで、インクジェット用ヘッドを分解して解析を行った結果、その腐食が発熱抵抗層まで達し、発熱抵抗層が断線していることが判明した。

（実施例９〜１６）
上部保護層１０７を表３に示すような組成、膜厚で形成する以外は実施例８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８と同様にして吐出耐久試験を行い、その結果を表３に示す。

（比較例５〜６）
上部保護層１０７を表３に示すような組成、膜厚で形成する以外は実施例８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８と同様にして吐出耐久試験を行い、その結果を表３に示す。

表３のように、Ｔａ_２０Ｆｅ_６１Ｃｒ_１４Ｎｉ_５（比較例７）においては、殆どケズレが発生しておらず、吐出耐久に対して安定であることがわかった。

Ｔａ_８７Ｆｅ_１０Ｃｒ_２Ｎｉ_１（比較例８）においては、膜厚の半分程度までケズレが発生していることがわかった。

以上の結果から、次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、吐出耐久における上部保護層１０７のケズレに対する安定性は、Ｔａ_{１００−Ｘ}Ｃｒ_Ｘ膜の組成に依存し、特にＣｒ組成が多いほど優れていることが解った。つまり、上部保護層１０７のＴａ_{１００−Ｘ}Ｃｒ_Ｘの組成はＸ≧１２ａｔ．％であるとケズレに対して極めて安定であることが明らかとなった。

また、上部保護層１０７の膜厚は、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。膜厚が１００ｎｍ未満であると、インクに対する保護機能が十分でなく、５００ｎｍより厚いと発熱抵抗体層からのエネルギーがインクに有効に伝達されず、エネルギー損失が大きくなる場合がある。

上記各実施例では、膜厚が１００ｎｍ程度でも優れた耐久性を得ることが可能であった。また、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強い膜付着力を得ることができ、同様に優れた耐久性を得ることが可能であった。

以上、説明したような各実施例によれば、上部保護層１０７が、ＴａとＣｒの合金からなり、上部保護層１０７の上部に樹脂（流路形成部材１０９）が形成されているとともに、該樹脂が上部保護層１０７に固定されることにより、高密度化を可能とインクジェットヘッド用基体、該基体を備えたインクジェットヘッド、及び該インクジェットヘッドを備えたインクジェット装置を提供することが可能となった。

（実施例１７）
ここで説明する実施例は、上部保護層１０７が２層構成となっており、熱作用部ではＴａよりなる上層１１１、ＴａＣｒよりなる下層１１２の２層構成、流路形成部材１０９の下部では下層１１２のみの１層構成となっている。

具体的には、上部保護層１０７の下層膜１１２としてＴａ_８０Ｃｒ_２０膜、上層膜１１１としてＴａ膜を用いた場合を示す。

下層１１２は、ＴａターゲットとＣｒターゲットを用いた２元スパッタリング法により成膜し、Ｔａ_８０Ｃｒ_２０組成で１３０ｎｍ絶縁層上に形成した。尚、２元スパッタリングの条件はＴａスパッタリングパワーとＣｒスパッタリングパワーを各々可変させて、予め組成分析を行うことにより条件設定を行った。また、２元スパッタリング法でなくとも、予め組成比のわかっているＴａＣｒ合金ターゲットを用いたスパッタリングで行っても良い。

その後、Ｔａターゲットを用いて、スパッタリング法により上層１１１を１００ｎｍ形成した。この際、同一スパッタリングチャンバーで、連続的に膜形成を行った。

その後、まず上層１１１のＴａ膜のパターン形成を、一般的なフォトリソグラフィプロセスを用い、レジストパターニング（レジスト塗布、露光、現像）、Ｔａエッチング、レジスト剥離の順に行った。

この際、Ｔａ膜のパターン形状は、露光時のフォトマスクパターンにより所望のパターンを選択することができる。そこで、図６と図７に示すように発熱部（熱作用部１０８）上にＴａ膜のパターンを形成し、液流路部材１０９が形成される箇所には上層１１１であるＴａ膜を形成しないようにした。次に、ＴａＣｒ膜のパターン形成を、フォトリソグラフィプロセスを用い、レジストパターニング（レジスト塗布、露光、現像）、ＴａＣｒ膜のエッチング、レジスト剥離の順に行った。

ここで、図６において、１０９０は一部領域に有機密着向上層３０７の上に流路部材１０９を積層した構成を含む流路部材形成部、１１１０は上部保護層上層部パターン、１１２０は上部保護層下層部パターン、１０８０は発熱抵抗体、１０５０は電極配線部である。

なお、ＴａＣｒ膜のエッチングはドライエッチング装置を用い、下地の絶縁保護層とのエッチング選択比がとれるエッチングガス種、ガス圧力、パワーを選択した。ＴａＣｒ膜のパターン形状を形成する際には、図６に示すように、流路部材形成部１０９０の下部に、ＴａＣｒ膜のパターンが形成されるようにした。

また、図７にその断面構成を示すように、上部保護層１０７の下層膜１１２としての膜厚２３０ｎｍのＴａ_８０Ｃｒ_２０膜の上には、下部液流路部材となる有機密着向上膜３０７と液流路部材１０９とをこの順に積層したものを用い、Ｔａ_８０Ｃｒ_２０膜と、その上の下部液流路部材の有機密着向上膜３０７及び液流路部材１０９と、の密着性を簡易的に評価した。試験は、テープ引き剥がし試験を、初期状態とＰＣＴ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｏｋｅｒ Ｔｅｓｔ）後に行った。この下部液流路部材としての有機密着向上膜３０７は、液流路部材１０９とＴａＣｒ膜との密着性を更に強固にすることを目的とするため、今回用いたものである。

ＰＣＴは、密着向上層３０７上にノズル構成部材を形成したものを、１２１℃、２．０２６５×１０^５Ｐａ（２ａｔｍ）、１０ｈｒの条件でアルカリインク中に浸漬する条件で行った。この結果を表４に示す。この結果より、Ｔａ_８０Ｃｒ_２０膜の密着性は問題ないことがわかった。

上部保護層１０７の下層１１２であるＴａ_８０Ｃｒ_２０膜及び上層１１１であるＴａ膜のパターン形成後、該基板上に溶解可能な固体層３０１をスピンコート法により塗布し、露光することにより、インク流路となるべき形状を作成した。インク流路の形状は、通常のマスクとＤｅｅｐ−ＵＶ光を用いて得ることができた。その後、被覆樹脂層３０３を積層し、露光装置を用いて露光後、現像することで吐出口１１０を形成した。続いて、ＴＭＡＨにて、化学的シリコン異方性エッチング法により、インク供給口３０６を形成した後、Ｄｅｅｐ−ＵＶ光を全面照射し、現像、乾燥することにより、被覆樹脂層３０３の溶解すべき部位を除去した。以上の工程により、ノズル部が形成された基板をダイシングソーなどにより分離切断、チップ化し、発熱抵抗体を駆動するための電気的接合とインク供給部材の接合を行い、インクジェットヘッドを完成させた。

ここで作製したインクジェットヘッドを用いてｐＨ１０のアルカリインクを吐出評価したところ、良好な記録品のものを得ることができた。また、このインク中にインクジェットヘッドを、６０℃、３ヶ月浸漬させた後、吐出記録評価を行ったところ、良好な記録品位のものを得ることができたとともに、被覆樹脂層３０３の剥離は確認されなかった。

（比較例７）
上部保護層としてＴａのみの単層膜を用いた場合を示す。

本比較例では、Ｔａターゲットを用いて、スパッタリング法により膜厚２３０ｎｍのＴａ膜を形成した。

その後、Ｔａ膜のパターン形成を、一般的なフォトリソプロセスを用い、レジストパターニング（レジスト塗布、露光、現像）、Ｔａエッチング、レジスト剥離の順に行った。

この際、Ｔａ膜のパターン形状は露光時のフォトマスクパターンにより所望のパターンを選択することができる。

また、膜厚２３０ｎｍのＴａ膜と、液流路部材１０９及び下部液流路部材となる有機密着向上膜３０７と、の密着性を簡易的に評価するため、テープ引き剥がし試験を行った。試験は、テープ引き剥がし試験を、初期状態とＰＣＴ後に行った。

ＰＣＴは、密着向上層３０７上にノズル構成部材を形成したものを、１２１℃、２．０２６５×１０^５Ｐａ（２ａｔｍ）、１０ｈｒの条件でアルカリインク中に浸漬する条件で行った。この結果を表４に示す。

この結果より，Ｔａ膜はＰＣＴ後に剥れが見られたことから、密着性に関しては、上記実施例１７で挙げた、上部保護層１０７の下層膜１１２としてのＴａ_８０Ｃｒ_２０を、上層膜１１１としてのＴａ膜を用いたもののほうが優れていることが確認された。

その後、上部保護層１０７を形成した基板上に溶解可能な固体層３０１をスピンコート法により塗布し、露光することにより、インク流路となるべき形状を作成した。インク流路の形状は、通常のマスクとＤｅｅｐ−ＵＶ光を用いて得ることができた。その後、被覆樹脂層３０３を積層し、露光装置を用いて露光後、現像することで吐出口１１０を形成した。続いて、ＴＭＡＨにて、化学的シリコン異方性エッチング法により、インク供給口３０６を形成した後、Ｄｅｅｐ−ＵＶ光を全面照射し、現像、乾燥することにより、被覆樹脂層３０３の溶解すべき部位を除去した。以上の工程により、ノズル部が形成された基板をダイシングソーなどにより分離切断、チップ化し、発熱抵抗体を駆動するための電気的接合とインク供給部材の接合を行い、インクジェットヘッドを完成させた。

そして、このインクジェットヘッドを用いてｐＨ１０のアルカリインクを吐出評価したところ、良好な記録品位のものを得ることができた。しかしながら、このインクにインクジェットヘッドを、６０℃、３ヶ月浸漬させた後、吐出記録評価を行ったところ、不吐出の部分が観察され、良好な記録品位のものを得ることはできなかった。インクジェットヘッドを観察したところ、被覆樹脂層３０３の剥離が観察され各々インク流路の連結が確認された。

この実施例によれば、ヒーター基板上の上部保護膜の液流路部材と接する下層にＴａＣｒ膜を、発熱部上でインクと接する上層にＴａ膜を形成することにより、記録画像の高精細化に対応した小ドット化や高速記録に対応した長尺化、あるいは多様なインクを用いた場合にも上部保護層と液流路を形成する樹脂層との密着性が改善され、高密度化を可能と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該インクジェットヘッドを備えたインクジェットヘッド装置を提供することが可能となった。

さらに、上部保護層を２層化することにより、コゲーションによる吐出不安定性の高いインク、腐食性の高いインク等の多様なインクに対しても、耐久性、高信頼性が得られ、高寿命の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該インクジェットヘッドを備えたインクジェット装置の提供が可能となった。

尚、上述の各実施例は、フォトリソグラフィ技術を用いて吐出口、インク流路等の吐出エレメント部を形成したインクジェット記録ヘッドについて説明してきたが、吐出口となるオリフィスプレートやインク流路を形成する天板を別体で接着剤等により上部保護層の上に形成したものも包含するものである。

本発明のインクジェットヘッド用基体の部分断面図である。 本発明の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。 本発明の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別態様の方法を示す。 本発明の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である。 本発明のインクジェットヘッドが適用された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。 本発明の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更に別態様の部分平面図の一例である。 図６の模式的部分断面図である。 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と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 (15)

1. インクジェットヘッドに用いられるインクジェットヘッド用基体において、
   インクを吐出するためのエネルギーを発生するための発熱抵抗体が形成された基板と、
   前記発熱抵抗体に電気的に接続する電極配線と、
   前記発熱抵抗体と前記電極配線との上方に設けられた、ＴａＣｒ合金からなる上部保護層と、
   を有し、前記上部保護層は、その上部に樹脂製の構成物が形成され、該樹脂製の構成物は当該上部保護層に固定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. 上部保護層は下層にＴａＣｒ合金、上層にＴａからなる二層の膜からなり、前記下層は前記樹脂製の構成物としての液流路部材を固定しているとともに、前記上層は少なくとも発熱抵抗体の上方のインクと接する位置に設けられてい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. 上部保護層が１２ａｔ．％以上のＣｒを含有してい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. 上部保護層がアモルファス構造からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のインクジェットヘッド用基体。
5. 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ないし４のいずれかに記載のインクジェットヘッド用基体。
6. 上部保護層の膜厚が１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のインクジェットヘッド用基体。
7. 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ないし６のいずれかに記載のインクジェット用基体。
8. インク吐出口からインクを吐出するインクジェットヘッドにおいて、
   前記インク吐出口に連通し、インクを吐出するための熱エネルギーをインクに作用させる部分を有するインク流路と、
   前記熱エネルギーを発生させる発熱抵抗体と、
   前記発熱抵抗体に電気的に接続する電極配線と、
   前記発熱抵抗体と前記電極配線との上方に設けられた、ＴａＣｒ合金からなる上部保護層と、
   を有し、前記上部保護層は、その上部に樹脂製の構造物が形成され、該樹脂製の構造物は当該上部保護層に固定されていることを特徴とするインクジェットヘッド。
9. 上部保護層は下層にＴａＣｒ合金、上層にＴａからなる二層の膜からなり、前記下層は前記樹脂製の構成物としての液流路部材を固定しているとともに、前記上層は少なくとも発熱抵抗体の上方のインクと接する位置に設けられていることを特徴とする請求項８に記載のインクジェットヘッド。
10. 上部保護層が１２ａｔ．％以上のＣｒを含有していることを特徴とする請求項８または９に記載のインクジェットヘッド。
11. 上部保護層がアモルファス構造からなることを特徴とする請求項８ないし１０のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
12. 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８ないし１１のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
13. 上部保護層の膜厚が１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項８ないし１２のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
14. 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８ないし１３のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
15. 基板上に、発熱部を形成する発熱抵抗体と、該発熱抵抗体に電気的に接続する電極配線と、前記発熱抵抗体と前記電極配線との上方に設けられたインクとの接触面を有する上部保護層と、樹脂製の液流路部材と、を有するインクジェットヘッドの製造方法において、
    前記上部保護層を、ＴａＣｒ合金で形成した層上にＴａ層を積層して形成した後、前記Ｔａ層を選択的にパターニングして当該Ｔａ層を選択的に除去することで、前記ＴａＣｒ合金で形成された層が露出した部分に前記液流路部材を形成することを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。

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