発熱抵抗体膜その製造方法、それを用いたインクジェットヘッドおよびその製造方法
【課題】インクジェット記録ヘッド用の発熱抵抗体について上述した諸問題を解決し、高品位な記録画像を長期にわたって得ることを可能にする発熱抵抗体を有するインクジェットヘッドとその製造方法を提供することにある。
【解決手段】ＲｕＳｉＯＮで表わされる材料からなる発熱抵抗体膜を、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発熱抵抗体に用いたインクジェット装置である。
【解決手段】ＲｕＳｉＯＮで表わされる材料からなる発熱抵抗体膜を、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発熱抵抗体に用いたインクジェット装置である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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保持体に対して、例えばインク等の機能性液体等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を構成する発熱抵抗体膜、その製造方法、それを用いたインクジェットヘッドおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
紙、プラスチックシート、布、物品等を包含する記録保持体に対して、例えばインク等の機能性液体等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記録装置は、インクを微小な液滴として吐出口から高速で吐出することにより、高精細な画像の高速記録を行うことができるという特徴を有している。特に、インクを吐出するために利用されるエネルギー発生手段として電気熱変換体を用い、この電気熱変換体が発生する熱エネルギーによって生ずるインクの発泡を利用してインクを吐出する方式のインクジェット記録装置は、画像の高精細化、高速記録化、記録ヘッド及び装置の小型化やカラー化に適していることから近年注目されている。（例えば米国特許第４７２３１２９号及び米国特許第４７４０７９６号参照）。
【０００３】
図１は、インクジェット記録に使用されるヘッドの基板要部の一般的な構成を示し、図２は、図１のインク流路に相当する部分のＸ−Ｘ’線で切断したインクジェット記録ヘッド用基体２０００の模式的断面図である。
【０００４】
図１に示すインクジェット記録ヘッドは、基板１００４上に複数の吐出口１００１が設けられ、各々の吐出口１００１は、基板１００４に形成された、インクを吐出するための熱エネルギーを発生する電気熱変換素子１００２がインク流路１００３に設けられている。電気熱変換素子１００２は、主に発熱抵抗体１００５及びこれに電力を供給するための電極配線１００６並びにこれらを保護する絶縁膜１００７により構成される。
【０００５】
各インク流路１００３は複数の流路壁１００８が一体的に形成された天板を、基板１００４上の電気熱変換素子等との相対位置を画像処理等の手段により位置合わせしながら接合することで形成される。各インク流路１００３は、その吐出口１００１と反対側の端部が共通液室１００９と連通しており、この共通液室１００９にはインクタンク（図示せず）から供給されるインクが貯留される。
【０００６】
共通液室１００９に供給されたインクは、ここから各インク流路１００３に導かれ、吐出口１００１近傍でメニスカスを形成して保持される。この時、電気熱変換素子１００２を選択的に駆動させることにより、その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沸騰させ、この時の衝撃力によってインクを吐出させる。
【０００７】
図２は、図１のＸ−Ｘ’断面図で、シリコン基板２００１、熱酸化膜２００２からなる蓄熱層を示すものであり、蓄熱機能２００３を兼ねるＳｉＯ膜、ＳｉＮ膜等からなる層間膜、発熱抵抗層２００４、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ等の金属配線２００５、ＳｉＯ膜、ＳｉＮ膜等からなる保護層２００６、発熱抵抗層２００４の発熱に伴う化学的、物理的衝撃から保護膜２００６を守るための耐キャビテーション膜２００７、発熱抵抗層２００４の熱作用部２００８から形成されている。
【０００８】
これらのインクジェット記録装置の記録ヘッドに用いられる発熱抵抗体としては、以下のような特性が要求される。
１．発熱抵抗体として熱応答性に優れ、瞬時にインクの吐出を可能とする。
２．高速及び連続の駆動に対して、抵抗値変化が少なく、インクの発泡状態が安定している。
３．耐熱性、熱応力性に優れ、寿命が長く信頼性が高い。
【０００９】
これらの要求を満たすインクジェットヘッドに使用される発熱抵抗層として特開平７−１２５２１８号公報には、発熱抵抗体材料にＴａＮ膜を用いる構成が開示されている。
【００１０】
このＴａＮ膜における特性安定性、特に長期繰り返し記録時の抵抗変化率は、ＴａＮ膜の組成と強い相関関係が有り、中でもＴａＮ０．８ｈｅｘを含む窒化タンタルで構成された発熱抵抗体は、上記長期繰り返し記録時の抵抗変化率が少なく吐出安定性に優れているものである。
【特許文献１】米国特許第４７２３１２９号
【特許文献２】米国特許第４７４０７９６号
【特許文献３】特開平７−１２５２１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
インクジェット記録装置においては、近年、装置の高画質化、高速記録等の高機能化がますます要求されている。
【００１２】
このうち、高画質化に対しては、ヒーター（発熱抵抗体）のサイズを小さくすることにより、１ドット当りの吐出量を少なくし小ドット化により画質を向上する方法がある。
【００１３】
また、高速記録を行うためには、これまでよりさらにパルスを短くした駆動を行うことにより、駆動周波数を上げる方法がある。
【００１４】
しかしながら、図３（ａ）のヒーターサイズの差異による各種駆動条件の関係説明図に示されるように、高画質化に対応するためヒーターサイズを小さくした構成で、高周波数でヒーターを駆動させるためには、シート抵抗値を大きくする必要がある。
【００１５】
図３（ａ）は、駆動電圧が一定の時にヒーターサイズが大きい（Ａ）と、ヒーターサイズが小さい（Ｂ）の駆動パルス幅に対する発熱抵抗体のシート抵抗値および電流値の変化を示す。また、同様にして駆動パルス幅が一定の時のヒーターサイズが大きい（Ａ）と、ヒーターサイズが小さい（Ｂ）の駆動電圧に対する発熱抵抗体のシート抵抗値および電流値の関係を図３（ｂ）に示す。
【００１６】
図３（ａ）および図３（ｂ）に示されるように、ヒーターサイズを小さくした時に、従来と同一条件で駆動させるためにはシート抵抗値を大きくする必要がある。また、エネルギーの関係から、シート抵抗値を大きくし、駆動電圧を高くして駆動させる方法で電流値が少なくなり、省エネが達成できる。特に、発熱抵抗体を複数配置した構成の場合はその効果は大きくなる。
【００１７】
ところが、前述したように現在インクジェット記録ヘッドに用いられているＨｆＢ2、ＴａＮ、ＴａＡｌもしくはＴａＳｉＮ等の発熱抵抗体の比抵抗値は、２００〜８００μΩｃｍ程度である。発熱抵抗体の製造安定性、吐出の特性安定性等を考慮すると、発熱抵抗体の膜厚は４０ｎｍ程度が限界と考えられる。この場合、シート抵抗値は２００Ω／□が限界となる。従って、それ以上のシート抵抗値を得ようとすると、現在発熱抵抗体に用いられている上述の材料を使用することは難しくなる。
【００１８】
現在発熱抵抗体に用いられているＨｆＢ2、ＴａＮ、ＴａＡｌもしくはＴａＳｉＮ等を用いて場合、更なる短パルス駆動による熱応答性に優れ、高いシート抵抗値を持ったインクジェット記録ヘッド用の発熱抵抗体を得るには限界があった。
【００１９】
このため、記録画像の高精細化に伴い、ヒーターサイズを小さくすることにより小さなインク滴を記録するためには、現在発熱抵抗体に用いられているＨｆＢ2、ＴａＮ、ＴａＡｌもしくはＴａＳｉＮ等を用いた発熱抵抗体を使用する限りにおいては、電流値が増加し、発熱による問題が発生する場合があり、所望の特性をもったインクジェットヘッドが得られない場合があった。
【００２０】
本発明の主たる目的は、従来のインクジェット記録ヘッド用の発熱抵抗体について上述した諸問題を解決し、高品位な記録画像を長期にわたって得ることを可能にする発熱抵抗体を有するインクジェットヘッドとその製造方法を提供することにある。
【００２１】
本発明の他の目的は、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高速駆動においても、吐出が安定した発熱抵抗体を有するインクジェットとその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明において発熱抵抗体は、組成比がＲｕ：１５〜３０ａｔ％、Ｓｉ：３５〜６０ａｔ％、Ｏ：１〜１０ａｔ％、Ｎ：１０〜５０ａｔ％であり、これらで１００ａｔ％となるか、またはほぼ１００ａｔ％となることを特徴とする発熱抵抗体膜であり、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発熱抵抗体を有するインクジェットヘッドにおいて、発熱抵抗体が、上記構成の発熱抵抗体膜であることを特徴とするインクジェット装置である。
【００２３】
なお、この発熱抵抗体膜は、その所望とする特性が損なわれない範囲で、上記の原子以外の痕跡程度の他の元素を含有するもの、すなわち、Ｒｕ、Ｓｉ、Ｏ及びＮの合計量がほぼ１００％となるものでもよい。例えば、材料を構成する全原子の数に対するＲｕ、Ｓｉ、Ｏ及びＮの合計原子数（Ｒｕ＋Ｓｉ＋Ｏ＋Ｎ）の割合は、99.5原子％以上が好ましく、99.9原子％以上がより好ましい。
【００２４】
すなわち、薄膜の表面や内部は反応領域中のガスを取り込んだりすることがあ るが、このような表面や内部のわずかなＡｒなどガスの取込みによってその効果 が低下するものではない。このような不純物としては、例えばＡｒを始めとして、 Ｃ、Ｂ、ＮａおよびＣｌから選択される少なくとも一つの元素を挙げることができる。
【００２５】
更に本発明は、インクを吐出するインク吐出口と、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発熱抵抗体と、該発熱抵抗体を内包するとともに前記インク吐出口に連通するインク流路と、を有するインクジェットヘッドの製造方法において、上記構成の発熱抵抗体薄膜が、窒素ガス、酸素ガス、及びアルゴンガスからなる混合ガス雰囲気中で、ＲｕＳｉをターゲットとした反応性スパッタリング法により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である。
【発明の効果】
【００２６】
本発明では、上記構成の薄膜を発熱抵抗体として用いることでシート抵抗を高くすることができる。この結果、面積を小さくしても高いシート抵抗が得られ、短いパルスで駆動できる。さらに、この材料を用いた発熱抵抗体は、短パルスで駆動した場合にも、所望の耐久性が維持され、高品位の記録画像を長期にわたって提供することが可能となった。これはＴＣＲ特性が正でかつ非常に小さい値であることが大きく寄与していると考えられる。そのためインクジェットヘッドだけではなく、他のサーマルヘッド等のヒーター材料として使用することも可能である。
【００２７】
本発明による発熱抵抗体を用いたインクジェット記録ヘッドは、発熱抵抗体のサイズを小さくすることにより、１ドット当りの吐出量を少なくした小ドット化に対応した高抵抗の発熱抵抗特性を可能とし、短いパルスで連続的に駆動した場合にも、所望の耐久性が得られ、エネルギー効率が高く、発熱を抑制して省エネルギーを可能にするとともに、高品位の記録画像を提供することができる。
【００２８】
本発明によるインクジェット記録ヘッドの製造方法によると、上記効果を有する液体吐出ヘッド用基体および液体吐出ヘッドを製造することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
インクジェットヘッド用のヒーターとして更なる高抵抗化が要求されている。このようなヒーターの高抵抗化のニーズを満足させるためには新規な高抵抗材料を適用すること必要である。
【００３０】
これまでのインクジェット用ヒーターに適用した時に優れた材料をまとめてみると、ＴａＳｉＮ、ＣｒＳｉＮに代表されるように金属シリサイドに窒素が結合した材料系に優れたものが多いことがわかる。
【００３１】
これらの観点からさらに金属シリサイドについて、比抵抗等の物性を調査した結果ＲｕＳｉ1.5がインクジェット用のヒーター材料として使えるのではないかと予想した。
【００３２】
ＲｕＳｉ1.5は結晶構造を調査したがはっきりわからない。また比抵抗は２４００μΩｃｍである。
【００３３】
このようにＲｕＳｉ1.5の比抵抗は、金属シリサイド単体としても大きく、さらにこの材料に窒素を取り込むことにより比抵抗が大きくできる可能性がある。
問題は比抵抗が大きい材料の耐久性がどうなのか確認する必要がある。
【００３４】
そこで実際にＲｕＳｉＮ膜についてＲｕＳｉターゲットを用いて反応性スパッタにより成膜してその特性を評価した。
【００３５】
図５にその結果を示す。これはＲｕＳｉＮ膜をスパッタ法で形成した時の、窒素分圧と比抵抗の相関をあらわしている。このグラフからわかるように、ＲｕＳｉＮ膜は窒素分圧１０％で３０００μΩｃｍあり、さらに窒素分圧を増加させることにより比抵抗を上げることが可能である。また窒素分圧１２％で成膜した膜のＴＣＲを評価したところ、−５７０ｐｐｍ／℃程度と非常に小さいことがわかった。これらのことから、ＲｕＳｉＮ膜は比抵抗が高いものでも、耐久性が非常に優れた膜であることがわかった。
【００３６】
ところで、我々はこのＲｕＳｉＮ膜について、窒素分圧が６％の条件で成膜した場合の特性再現性について検討した。その結果同一条件での成膜を３０回連続で繰り返した結果、比抵抗値が最大＋１２％程度ばらつく事を見出した。この現象について原因究明を行ったところ、成膜した膜中から酸素が検出され、この酸素量のばらつきがそのまま比抵抗のばらつきになることが判明した。これは真空に排気した時のバックグランド中に存在しているＨ２Ｏが分解して膜中に取り込まれると考えられるが、このバックグランドが変動した場合このＨ２Ｏ量が変動してその結果として酸素量のばらつきとなる。そこで我々はＲｕＳｉＮ膜を成膜する時に１．０〜２．０％程度の酸素を添加することで、膜中の酸素量を制御できることを実験的に検証することが出来た。さらに、酸素を添加した条件で繰り返し成膜した場合の比抵抗値の再現性は、酸素を添加しない場合にくらべ向上して、ばらつきの程度が５％前後に改善することが分かった。
【００３７】
本発明の発熱抵抗体膜は、ＲｕＳｉＯＮで表せる材料を発熱抵抗体として用いたものである。本発明のＲｕＳｉＯＮは、ＲｕＳｉターゲットを用いて、アルゴンガス中に窒素ガスと酸素ガスとを添加することで得ることができる。この際酸素ガスは、１．０〜２．０％程度を添加することが好ましい。
【００３８】
反応性スパッタリング法により形成されたＲｕＳｉＯＮは、その後熱処理することが好ましい。熱処理することにより、ＲｕＳｉＯＮ膜中にＲｕＳｉ1.5からなる金属シリサイドが生成され、この金属間化合物が熱的に安定であることや、ＴＣＲが小さいことで耐久性が更に向上している。これらの事から、ＲｕとＳｉの組成比としては、１：１．５〜２に近いことが好ましく、Ｒｕ：１５〜３０ａｔ％、Ｓｉ：３５〜６０ａｔ％、Ｏ：１〜１０ａｔ％、Ｎ：１０〜５０ａｔ％であることがより好ましい。
【００３９】
熱処理は、スパッタ時の基板温度を４００℃程度まで昇温し、成膜速度を遅くする、あるいは成膜後４００℃程度の高温で温度処理を行うあるいはＲｕＳｉＮ膜を発熱抵抗体として用いたインクジェットヘッドを用いて描画する際に印加するパルスと同等の条件のパルスを発熱抵抗体に印加することで行うこともできる。
【００４０】
ＲｕＳｉＮ膜を形成後、例えば、フォトレジストをマスクにエッチングすることで所望の形状にした後、互いに絶縁された１対の電極層端部間にＲｅＳｉＮ膜を露出させることで、１対の電極が所定の間隔を持った発熱抵抗体素子が形成される。
【００４１】
以下に、本発明の実施の形態を、複数の実施例に基づいて詳細に説明する。但し、本発明は、以下に説明する各実施例のみに限定されるものでなく、本発明の目的を達成し得るものであれば他の用途に使用される抵抗体薄膜にも適用できることは勿論である。
【実施例】
【００４２】
次に本発明の詳細について、図面を参照して説明する。
【００４３】
本発明の一実施例に係わるインクジェットヘッドを、図１を用いて説明する。図１は、インクジェットヘッドのインクを発泡させる発熱部の基板要部の概略平面図であり、図２は、図１のＸ−Ｘ’に沿って基板面に垂直に切断した時の模式的な切断面部分図である。
【００４４】
本発明実施例における発熱抵抗体２００４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される。
【００４５】
図４は、上記発熱抵抗層２００４を成膜するスパッタリング装置の概要を示す。図４に示すスパッタリング装置は、あらかじめ所定の組成に作製されたＲｕ−Ｓｉからなるターゲット４００１、平板マグネット４００２、基板への成膜を制御するシャッター４０１１、基板ホルダー４００３、基板４００４およびターゲット４００１と基板ホルダー４００３に接続された電源４００６で構成されている。
【００４６】
さらに、図４に示すスパッタリング装置は、成膜室４００９の外周壁を囲んで設けられた外部ヒーター４００８を有している。該外部ヒーター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ＲｕＳｉＯＮ膜の成膜は、以下の様に行われる。
【００４７】
まず、不図示の排気ポンプを用いて排気用バルブ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、アルゴンガスと窒素ガス及び酸素ガスからなる混合ガスを、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、上記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。
【００４８】
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。
【００４９】
上記発熱抵抗体の成膜は、ＲｕＳｉからなる合金ターゲットを用いた反応性スパッタリング法で形成する方法について説明した。
【００５０】
本実施例においては、図４に示した装置を使用し、上述した成膜方法により各種の成膜条件で本発明の発熱抵抗体膜を作製した。
＜実施例１＞
以下、本発明の具体的な第１の実施例について説明する。
【００５１】
図２において、一部既述のように、シリコン基板２００１上に熱酸化により膜厚１．８μｍの蓄熱層２００２を形成し、更に蓄熱層を兼ねる層間膜２００３として、ＳｉＯ２膜をプラズマＣＶＤ法により膜厚１．２μｍに形成した。次に、発熱抵抗層２００４としてＲｕＳｉＯＮ膜を膜厚４０ｎｍ形成した。
【００５２】
この時のガス流量は、Ａｒガス７２ｓｃｃｍ、Ｎ2ガス７ｓｃｃｍ、酸素ガス１ｓｃｃｍとし、ターゲットＲｕ29Ｓｉ71に投入するパワーは４００Ｗとし、基板温度２００℃で行った。
【００５３】
更に、熱作用部２００８で発熱抵抗層２００４を加熱するための金属配線２００５として、Ａｌ−Ｃｕ膜を５５０ｎｍスパッタリング法により形成した。
【００５４】
これを、フォトリソ法を用いて感光体によりパターン形成し、Ａｌ−Ｃｕ層を取り除いた１５μｍ×４０μｍの熱作用部２００８を形成した。保護膜２００６としては、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＮ膜を１μｍの膜厚に形成した。本実施例ではこの時基板温度４００℃で約１時間保持することで熱処理を兼ねた。最後に耐キャビテーション層２００７としてスパッタリング法によりＴａ膜を膜厚２００ｎｍ形成し、本発明の基体を得た。上記形状の発熱抵抗層のシート抵抗値は、７１０Ω／□であった。ＴＣＲ特性は−４５０ｐｐｍ／℃程度である。
【００５５】
またＲｕＳｉＯＮの組成比はＲｕ：２２ａｔ％、Ｓｉ：４２ａｔ％、Ｎ：３２ａｔ％、Ｏ：４ａｔ％であった。
＜比較例１＞
発熱抵抗層２００４を、次のように変更する以外は、実施例１と同様に作製することにより比較例１の基体を得た。すなわち、Ｔａターゲットを用いた反応性スパッタリング法により膜厚１００ｎｍのＴａＮ０．８膜を形成した。この時のガス流量は、Ａｒガス６４ｓｃｃｍ、Ｎ2ガス１６ｓｃｃｍ、窒素ガス分圧２０％とし、Ｔａターゲットへの投入パワー３５０Ｗ、基板温度２００℃で行った。発熱抵抗層のシート抵抗値は２５Ω／□であった。
＜評価１＞
上記実施例１及び比較例１として作製された基体を用いて、インクを吐出する発泡電圧Ｖｔｈを求めた。このＶｔｈに対して、１．２Ｖｔｈ（発泡電圧の１．２倍）を駆動電圧として、駆動パルス幅２μｓｅｃ．で駆動させた時の電流値を測定した。
【００５６】
すなわち、実施例１では、Ｖｔｈ＝３７Ｖ、電流値は２８ｍＡであったのに対し、比較例１ではＶｔｈ＝９．９Ｖ、電流値は１２０ｍＡであった。この結果から、本発明の実施例１と比較例１の基体を比較すると、電流値は比較例に比べ約１／４となっている。実際のヘッド形態では、同時に駆動させる発熱抵抗体数は複数あるので、比較例に比べてはるかに消費電力が少なくなり、省エネ効果が得られることが理解されよう。
更に、以下の条件で発熱抵抗体を駆動させ、破断パルスによる熱ストレス耐久評価をおこなった。
【００５７】
発熱抵抗体の駆動条件を下記に示す。
【００５８】
駆動周波数：１５ＫＨｚ
駆動電圧：発泡電圧×１．２、駆動パルス幅：１μｓｅｃ．
その結果、比較例では６．０×１０7パルスで破断したのに対し、実施例１では２．８×１０9パルスまで破断しなかった。このように、本発明の実施例の基体では短いパルス駆動に対しても十分耐えられることがわかる。
＜実施例２＞
発熱抵抗層２００４を、次のように変更する以外は、前記実施例１と同様に作製することにより、図２で示される基体２０００を得た。すなわち、成膜時に導入するガスの分圧を変更した。Ａｒガス７０．３ｓｃｃｍ、Ｎ２ガス８．４ｓｃｃｍ、酸素ガス１．３ｓｃｃｍに変えて導入し、反応性スパッタリング法により膜厚４０ｎｍのＲｕＳｉＯＮ膜を形成した。ターゲット投入パワーは、Ｒｕ29Ｓｉ７１ターゲットに３５０Ｗとし、基板温度２００℃で行った。発熱抵抗層のシート抵抗値は１１００Ω／□であった。ＴＣＲ特性は−５９０ｐｐｍ／℃である。
【００５９】
またＲｕＳｉＯＮの組成比はＲｕ：１９ａｔ％、Ｓｉ：４０ａｔ％、Ｎ：３８ａｔ％、Ｏ：３ａｔ％であった。
＜評価２＞
評価１と同様にして、以上の実施例２で作製された基体の評価を行った。
その結果、実施例２の基体ではＶｔｈ＝３９Ｖ、電流値は１５ｍＡであった。
また、破断パルスによる熱ストレス耐久評価では、１．０×１０9パルスまで破断しなかった。
【００６０】
評価１の結果と同じように、実施例２も、電流値が少なく省エネ効果に優れ、短いパルス駆動を行った場合でも耐久性に優れているものである。
＜インクジェット用特性評価＞
さらに、インクジェット記録ヘッド用基体の発熱抵抗体としての特性を評価するため、上述の実施例と同様にして図４に示した装置を使用し、上述した成膜方法により実施例１．２ともう１つ異なる成膜条件でＲｕＳｉＯＮ膜を有するインクジェット記録ヘッドを作成し、その特性を評価した。
＜実施例３＞
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基板あるいは既に駆動用のＩＣを作り込んだＳｉ基板を用いる。
【００６１】
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ＳｉＯ２の蓄熱層２００２（図２）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、ＳｉＯ2の蓄熱層を形成しておく。
【００６２】
次に、スパッタ法、ＣＶＤ法などによってＳｉＯ2からなる膜厚１．２μｍの層間絶縁膜２００３を形成した。次いで、ＲｕＳｉターゲットを用いたスパッタリング法により発熱抵抗層２００４を形成した。ターゲットに投入するパワーは１００Ｗとし、ガス流量は実施例１の条件で、基板温度４００℃で行った。これは、成膜速度を非常に遅くして膜の結晶化を促進するためである。また基板温度もこのため４００℃と高く設定した。
【００６３】
電極配線２００５としてＡｌ膜を５５０ｎｍスパッタリング法により形成した。次に、フォトリソ法を用いてパターン形成し、Ａｌ膜を取り除いた２０μｍ×３０μｍの熱作用部２００８を形成した。次に保護膜２００６としてプラズマＣＶＤ法によって、ＳｉＮから成る膜厚１μｍの絶縁体を形成した。次に耐キャビテーション層２００７としてスパッタリング法によりＴａ膜を膜厚２３０ｎｍ形成し、フォトリソ法により図１に示すような本発明のインクジェット用基体を作製した。
【００６４】
このようにして作製された基体を用いてＳＳＴ試験を行った。このＳＳＴ試験とは、駆動周波数１５ＫＨｚ、駆動パルス幅１μｓｅｃ．のパルス信号を与え、吐出を開始する発泡開始電圧Ｖｔｈを求める。その後、印加電圧をＶｔｈから０．０５Ｖ毎に上げていきながら、駆動周波数１５ＫＨｚでそれぞれ１×１０５パルスを断線するまで印加し、この断線した時の破断電圧Ｖｂを求める。この発泡開始電圧Ｖｔｈと破断電圧Ｖｂとの比を破断電圧比Ｋｂ（＝Ｖｂ／Ｖｔｈ）と呼ぶ。この破断電圧比Ｋｂが大きいほど発熱抵抗体の耐熱性に優れていることを示す。評価の結果、Ｋｂ＝１．５０が得られた。
【００６５】
次に、駆動電圧Ｖｏｐ＝１．３×Ｖｔｈにおいて、駆動周波数１５ＫＨｚ、駆動パルス幅１μｓｅｃ．、１．０×１０９パルスの連続したパルスを印加し、初期の発熱抵抗体の抵抗値Ｒ0、パルス印加後の抵抗値Ｒとした時、抵抗値変化率（Ｒ−Ｒ0）／Ｒ0を求めた（ＣＳＴ試験）。その結果、抵抗値変化率ΔＲ／Ｒ0＝＋３．５％（ΔＲ＝Ｒ−Ｒ0）が得られた。
＜実施例４＞
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、実施例３と同様にＳｉ基板あるいは既に駆動用のＩＣを作り込んだＳｉ基板を用いる。
【００６６】
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ＳｉＯ２の蓄熱層２００２（図２）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、ＳｉＯ2の蓄熱層を形成しておく。
【００６７】
次に、スパッタ法、ＣＶＤ法などによってＳｉＯ2からなる膜厚１．２μｍの層間絶縁膜２００３を形成した。次いで、ＲｕＳｉターゲットを用いたスパッタリング法により発熱抵抗層２００４を形成した。ターゲットに投入するパワーは３５０Ｗとし、ガス流量は実施例１の条件で、基板温度２００℃で行った。
【００６８】
電極配線２００５としてＡｌ−Ｓｉ膜を５５０ｎｍスパッタリング法により形成した。次に、フォトリソ法を用いて法を用いて感光体からなるパターン形成し、Ａｌ−Ｓｉ膜を取り除いた２０μｍ×３０μｍの熱作用部２００８を形成した。次に保護膜２００６としてプラズマＣＶＤ法によって、ＳｉＮからなる膜厚１μｍの絶縁体を形成した。この場合も基板温度を４００℃で約１時間保持することで熱処理を兼ねた。次に耐キャビテーション層２００７としてスパッタリング法によりＴａ膜を膜厚２３０ｎｍ形成し、フォトリソ法により図１に示すような本発明のインクジェット用基体を作製した。
【００６９】
このようにして作製された基体を用いてＳＳＴ試験を行った。このＳＳＴ試験とは、駆動周波数１５ＫＨｚ、駆動パルス幅１μｓｅｃ．のパルス信号を与え、吐出を開始する発泡開始電圧Ｖｔｈを求める。その後、印加電圧をＶｔｈから０．０５Ｖ毎に上げていきながら、駆動周波数１５ＫＨｚでそれぞれ１×１０5パルスを断線するまで印加し、この断線した時の破断電圧Ｖｂを求める。この発泡開始電圧Ｖｔｈと破断電圧Ｖｂとの比を破断電圧比Ｋｂ（＝Ｖｂ／Ｖｔｈ）と呼ぶ。この破断電圧比Ｋｂが大きいほど発熱抵抗体の耐熱性に優れていることを示す。評価の結果、Ｋｂ＝１．５５が得られた。
【００７０】
次に、駆動電圧Ｖｏｐ＝１．３×Ｖｔｈにおいて、駆動周波数１５ＫＨｚ、駆動パルス幅１μｓｅｃ．、１．０×１０9パルスの連続したパルスを印加し、初期の発熱抵抗体の抵抗値Ｒ0、パルス印加後の抵抗値Ｒとした時、抵抗値変化率（Ｒ−Ｒ0）／Ｒ0を求めた（ＣＳＴ試験）。その結果、抵抗値変化率ΔＲ／Ｒ0＝＋４．１％（ΔＲ＝Ｒ−Ｒ0）が得られた。
＜実施例５＞
発熱抵抗層２００４を実施例２に示すような条件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ヘッド用基体を作製した。また、この基体を用いて実施例４と同様にしてＳＳＴ試験、ＣＳＴ試験を行った。この場合は耐久試験前に熱処理として駆動電圧Ｖｏｐ＝１．４×Ｖｔｈ、駆動周波数１５ＫＨｚ、駆動パルス１μｓｅｃ、１．０×１０3パルスを印加した。
【００７１】
その結果、Ｋｂ＝１．５８が得られた。次に、駆動電圧Ｖｏｐ＝１．３×Ｖｔｈにおいて、駆動周波数１５ＫＨｚ、駆動パルス幅１μｓｅｃ．、１．０×１０9パルスの連続したパルスを印加し、初期の発熱抵抗体の抵抗値Ｒ0、パルス印加後の抵抗値Ｒとした時、抵抗値変化率（Ｒ−Ｒ0）／Ｒ0を求めた（ＣＳＴ試験）。その結果、抵抗値変化率ΔＲ／Ｒ0＝＋４．３％（ΔＲ＝Ｒ−Ｒ0）が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明のインクジェットヘッドの基板を示す概略平面図である。
【図２】図１をＸ−Ｘ■の一点鎖線で垂直に切断したときの基板の断面図である。
【図３】ヒーターサイズの違いによる各種駆動条件を説明する図である。
【図４】本発明のインクジェット記録ヘッド用基体の各層を成膜する成膜装置である。
【図５】ＲｕＳｉＮ膜の窒素分圧と比抵抗との相関をしめすグラフである。
【符号の説明】
【００７３】
１００１ 吐出口
１００２ 電気熱変換素子
１００３ インク流路
１００４ 基板
１００５ 発熱抵抗体
１００６ 電極配線
１００７ 絶縁膜
１００８ 流路壁
１００９ 共通液室
２０００ 基体
２００１ シリコン基板
２００２ 蓄熱層
２００３ 層間膜
２００４ 発熱抵抗層
２００５ 金属配線
２００６ 保護層
２００７ 耐キャビテーション膜
２００８ 熱作用部
４００１ ターゲット
４００２ 平板マグネット
４００３ 基板ホルダー
４００４ 基板
４００５ 内部ヒーター
４００６ 電源
４００７ 排気ポンプ
４００８ 外部ヒーター
４００９ 成膜室
４０１０ ガス導入口
４０１１ シャッター
【技術分野】
【０００１】
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保持体に対して、例えばインク等の機能性液体等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を構成する発熱抵抗体膜、その製造方法、それを用いたインクジェットヘッドおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
紙、プラスチックシート、布、物品等を包含する記録保持体に対して、例えばインク等の機能性液体等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記録装置は、インクを微小な液滴として吐出口から高速で吐出することにより、高精細な画像の高速記録を行うことができるという特徴を有している。特に、インクを吐出するために利用されるエネルギー発生手段として電気熱変換体を用い、この電気熱変換体が発生する熱エネルギーによって生ずるインクの発泡を利用してインクを吐出する方式のインクジェット記録装置は、画像の高精細化、高速記録化、記録ヘッド及び装置の小型化やカラー化に適していることから近年注目されている。（例えば米国特許第４７２３１２９号及び米国特許第４７４０７９６号参照）。
【０００３】
図１は、インクジェット記録に使用されるヘッドの基板要部の一般的な構成を示し、図２は、図１のインク流路に相当する部分のＸ−Ｘ’線で切断したインクジェット記録ヘッド用基体２０００の模式的断面図である。
【０００４】
図１に示すインクジェット記録ヘッドは、基板１００４上に複数の吐出口１００１が設けられ、各々の吐出口１００１は、基板１００４に形成された、インクを吐出するための熱エネルギーを発生する電気熱変換素子１００２がインク流路１００３に設けられている。電気熱変換素子１００２は、主に発熱抵抗体１００５及びこれに電力を供給するための電極配線１００６並びにこれらを保護する絶縁膜１００７により構成される。
【０００５】
各インク流路１００３は複数の流路壁１００８が一体的に形成された天板を、基板１００４上の電気熱変換素子等との相対位置を画像処理等の手段により位置合わせしながら接合することで形成される。各インク流路１００３は、その吐出口１００１と反対側の端部が共通液室１００９と連通しており、この共通液室１００９にはインクタンク（図示せず）から供給されるインクが貯留される。
【０００６】
共通液室１００９に供給されたインクは、ここから各インク流路１００３に導かれ、吐出口１００１近傍でメニスカスを形成して保持される。この時、電気熱変換素子１００２を選択的に駆動させることにより、その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沸騰させ、この時の衝撃力によってインクを吐出させる。
【０００７】
図２は、図１のＸ−Ｘ’断面図で、シリコン基板２００１、熱酸化膜２００２からなる蓄熱層を示すものであり、蓄熱機能２００３を兼ねるＳｉＯ膜、ＳｉＮ膜等からなる層間膜、発熱抵抗層２００４、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ等の金属配線２００５、ＳｉＯ膜、ＳｉＮ膜等からなる保護層２００６、発熱抵抗層２００４の発熱に伴う化学的、物理的衝撃から保護膜２００６を守るための耐キャビテーション膜２００７、発熱抵抗層２００４の熱作用部２００８から形成されている。
【０００８】
これらのインクジェット記録装置の記録ヘッドに用いられる発熱抵抗体としては、以下のような特性が要求される。
１．発熱抵抗体として熱応答性に優れ、瞬時にインクの吐出を可能とする。
２．高速及び連続の駆動に対して、抵抗値変化が少なく、インクの発泡状態が安定している。
３．耐熱性、熱応力性に優れ、寿命が長く信頼性が高い。
【０００９】
これらの要求を満たすインクジェットヘッドに使用される発熱抵抗層として特開平７−１２５２１８号公報には、発熱抵抗体材料にＴａＮ膜を用いる構成が開示されている。
【００１０】
このＴａＮ膜における特性安定性、特に長期繰り返し記録時の抵抗変化率は、ＴａＮ膜の組成と強い相関関係が有り、中でもＴａＮ０．８ｈｅｘを含む窒化タンタルで構成された発熱抵抗体は、上記長期繰り返し記録時の抵抗変化率が少なく吐出安定性に優れているものである。
【特許文献１】米国特許第４７２３１２９号
【特許文献２】米国特許第４７４０７９６号
【特許文献３】特開平７−１２５２１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
インクジェット記録装置においては、近年、装置の高画質化、高速記録等の高機能化がますます要求されている。
【００１２】
このうち、高画質化に対しては、ヒーター（発熱抵抗体）のサイズを小さくすることにより、１ドット当りの吐出量を少なくし小ドット化により画質を向上する方法がある。
【００１３】
また、高速記録を行うためには、これまでよりさらにパルスを短くした駆動を行うことにより、駆動周波数を上げる方法がある。
【００１４】
しかしながら、図３（ａ）のヒーターサイズの差異による各種駆動条件の関係説明図に示されるように、高画質化に対応するためヒーターサイズを小さくした構成で、高周波数でヒーターを駆動させるためには、シート抵抗値を大きくする必要がある。
【００１５】
図３（ａ）は、駆動電圧が一定の時にヒーターサイズが大きい（Ａ）と、ヒーターサイズが小さい（Ｂ）の駆動パルス幅に対する発熱抵抗体のシート抵抗値および電流値の変化を示す。また、同様にして駆動パルス幅が一定の時のヒーターサイズが大きい（Ａ）と、ヒーターサイズが小さい（Ｂ）の駆動電圧に対する発熱抵抗体のシート抵抗値および電流値の関係を図３（ｂ）に示す。
【００１６】
図３（ａ）および図３（ｂ）に示されるように、ヒーターサイズを小さくした時に、従来と同一条件で駆動させるためにはシート抵抗値を大きくする必要がある。また、エネルギーの関係から、シート抵抗値を大きくし、駆動電圧を高くして駆動させる方法で電流値が少なくなり、省エネが達成できる。特に、発熱抵抗体を複数配置した構成の場合はその効果は大きくなる。
【００１７】
ところが、前述したように現在インクジェット記録ヘッドに用いられているＨｆＢ2、ＴａＮ、ＴａＡｌもしくはＴａＳｉＮ等の発熱抵抗体の比抵抗値は、２００〜８００μΩｃｍ程度である。発熱抵抗体の製造安定性、吐出の特性安定性等を考慮すると、発熱抵抗体の膜厚は４０ｎｍ程度が限界と考えられる。この場合、シート抵抗値は２００Ω／□が限界となる。従って、それ以上のシート抵抗値を得ようとすると、現在発熱抵抗体に用いられている上述の材料を使用することは難しくなる。
【００１８】
現在発熱抵抗体に用いられているＨｆＢ2、ＴａＮ、ＴａＡｌもしくはＴａＳｉＮ等を用いて場合、更なる短パルス駆動による熱応答性に優れ、高いシート抵抗値を持ったインクジェット記録ヘッド用の発熱抵抗体を得るには限界があった。
【００１９】
このため、記録画像の高精細化に伴い、ヒーターサイズを小さくすることにより小さなインク滴を記録するためには、現在発熱抵抗体に用いられているＨｆＢ2、ＴａＮ、ＴａＡｌもしくはＴａＳｉＮ等を用いた発熱抵抗体を使用する限りにおいては、電流値が増加し、発熱による問題が発生する場合があり、所望の特性をもったインクジェットヘッドが得られない場合があった。
【００２０】
本発明の主たる目的は、従来のインクジェット記録ヘッド用の発熱抵抗体について上述した諸問題を解決し、高品位な記録画像を長期にわたって得ることを可能にする発熱抵抗体を有するインクジェットヘッドとその製造方法を提供することにある。
【００２１】
本発明の他の目的は、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高速駆動においても、吐出が安定した発熱抵抗体を有するインクジェットとその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明において発熱抵抗体は、組成比がＲｕ：１５〜３０ａｔ％、Ｓｉ：３５〜６０ａｔ％、Ｏ：１〜１０ａｔ％、Ｎ：１０〜５０ａｔ％であり、これらで１００ａｔ％となるか、またはほぼ１００ａｔ％となることを特徴とする発熱抵抗体膜であり、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発熱抵抗体を有するインクジェットヘッドにおいて、発熱抵抗体が、上記構成の発熱抵抗体膜であることを特徴とするインクジェット装置である。
【００２３】
なお、この発熱抵抗体膜は、その所望とする特性が損なわれない範囲で、上記の原子以外の痕跡程度の他の元素を含有するもの、すなわち、Ｒｕ、Ｓｉ、Ｏ及びＮの合計量がほぼ１００％となるものでもよい。例えば、材料を構成する全原子の数に対するＲｕ、Ｓｉ、Ｏ及びＮの合計原子数（Ｒｕ＋Ｓｉ＋Ｏ＋Ｎ）の割合は、99.5原子％以上が好ましく、99.9原子％以上がより好ましい。
【００２４】
すなわち、薄膜の表面や内部は反応領域中のガスを取り込んだりすることがあ るが、このような表面や内部のわずかなＡｒなどガスの取込みによってその効果 が低下するものではない。このような不純物としては、例えばＡｒを始めとして、 Ｃ、Ｂ、ＮａおよびＣｌから選択される少なくとも一つの元素を挙げることができる。
【００２５】
更に本発明は、インクを吐出するインク吐出口と、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発熱抵抗体と、該発熱抵抗体を内包するとともに前記インク吐出口に連通するインク流路と、を有するインクジェットヘッドの製造方法において、上記構成の発熱抵抗体薄膜が、窒素ガス、酸素ガス、及びアルゴンガスからなる混合ガス雰囲気中で、ＲｕＳｉをターゲットとした反応性スパッタリング法により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である。
【発明の効果】
【００２６】
本発明では、上記構成の薄膜を発熱抵抗体として用いることでシート抵抗を高くすることができる。この結果、面積を小さくしても高いシート抵抗が得られ、短いパルスで駆動できる。さらに、この材料を用いた発熱抵抗体は、短パルスで駆動した場合にも、所望の耐久性が維持され、高品位の記録画像を長期にわたって提供することが可能となった。これはＴＣＲ特性が正でかつ非常に小さい値であることが大きく寄与していると考えられる。そのためインクジェットヘッドだけではなく、他のサーマルヘッド等のヒーター材料として使用することも可能である。
【００２７】
本発明による発熱抵抗体を用いたインクジェット記録ヘッドは、発熱抵抗体のサイズを小さくすることにより、１ドット当りの吐出量を少なくした小ドット化に対応した高抵抗の発熱抵抗特性を可能とし、短いパルスで連続的に駆動した場合にも、所望の耐久性が得られ、エネルギー効率が高く、発熱を抑制して省エネルギーを可能にするとともに、高品位の記録画像を提供することができる。
【００２８】
本発明によるインクジェット記録ヘッドの製造方法によると、上記効果を有する液体吐出ヘッド用基体および液体吐出ヘッドを製造することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
インクジェットヘッド用のヒーターとして更なる高抵抗化が要求されている。このようなヒーターの高抵抗化のニーズを満足させるためには新規な高抵抗材料を適用すること必要である。
【００３０】
これまでのインクジェット用ヒーターに適用した時に優れた材料をまとめてみると、ＴａＳｉＮ、ＣｒＳｉＮに代表されるように金属シリサイドに窒素が結合した材料系に優れたものが多いことがわかる。
【００３１】
これらの観点からさらに金属シリサイドについて、比抵抗等の物性を調査した結果ＲｕＳｉ1.5がインクジェット用のヒーター材料として使えるのではないかと予想した。
【００３２】
ＲｕＳｉ1.5は結晶構造を調査したがはっきりわからない。また比抵抗は２４００μΩｃｍである。
【００３３】
このようにＲｕＳｉ1.5の比抵抗は、金属シリサイド単体としても大きく、さらにこの材料に窒素を取り込むことにより比抵抗が大きくできる可能性がある。
問題は比抵抗が大きい材料の耐久性がどうなのか確認する必要がある。
【００３４】
そこで実際にＲｕＳｉＮ膜についてＲｕＳｉターゲットを用いて反応性スパッタにより成膜してその特性を評価した。
【００３５】
図５にその結果を示す。これはＲｕＳｉＮ膜をスパッタ法で形成した時の、窒素分圧と比抵抗の相関をあらわしている。このグラフからわかるように、ＲｕＳｉＮ膜は窒素分圧１０％で３０００μΩｃｍあり、さらに窒素分圧を増加させることにより比抵抗を上げることが可能である。また窒素分圧１２％で成膜した膜のＴＣＲを評価したところ、−５７０ｐｐｍ／℃程度と非常に小さいことがわかった。これらのことから、ＲｕＳｉＮ膜は比抵抗が高いものでも、耐久性が非常に優れた膜であることがわかった。
【００３６】
ところで、我々はこのＲｕＳｉＮ膜について、窒素分圧が６％の条件で成膜した場合の特性再現性について検討した。その結果同一条件での成膜を３０回連続で繰り返した結果、比抵抗値が最大＋１２％程度ばらつく事を見出した。この現象について原因究明を行ったところ、成膜した膜中から酸素が検出され、この酸素量のばらつきがそのまま比抵抗のばらつきになることが判明した。これは真空に排気した時のバックグランド中に存在しているＨ２Ｏが分解して膜中に取り込まれると考えられるが、このバックグランドが変動した場合このＨ２Ｏ量が変動してその結果として酸素量のばらつきとなる。そこで我々はＲｕＳｉＮ膜を成膜する時に１．０〜２．０％程度の酸素を添加することで、膜中の酸素量を制御できることを実験的に検証することが出来た。さらに、酸素を添加した条件で繰り返し成膜した場合の比抵抗値の再現性は、酸素を添加しない場合にくらべ向上して、ばらつきの程度が５％前後に改善することが分かった。
【００３７】
本発明の発熱抵抗体膜は、ＲｕＳｉＯＮで表せる材料を発熱抵抗体として用いたものである。本発明のＲｕＳｉＯＮは、ＲｕＳｉターゲットを用いて、アルゴンガス中に窒素ガスと酸素ガスとを添加することで得ることができる。この際酸素ガスは、１．０〜２．０％程度を添加することが好ましい。
【００３８】
反応性スパッタリング法により形成されたＲｕＳｉＯＮは、その後熱処理することが好ましい。熱処理することにより、ＲｕＳｉＯＮ膜中にＲｕＳｉ1.5からなる金属シリサイドが生成され、この金属間化合物が熱的に安定であることや、ＴＣＲが小さいことで耐久性が更に向上している。これらの事から、ＲｕとＳｉの組成比としては、１：１．５〜２に近いことが好ましく、Ｒｕ：１５〜３０ａｔ％、Ｓｉ：３５〜６０ａｔ％、Ｏ：１〜１０ａｔ％、Ｎ：１０〜５０ａｔ％であることがより好ましい。
【００３９】
熱処理は、スパッタ時の基板温度を４００℃程度まで昇温し、成膜速度を遅くする、あるいは成膜後４００℃程度の高温で温度処理を行うあるいはＲｕＳｉＮ膜を発熱抵抗体として用いたインクジェットヘッドを用いて描画する際に印加するパルスと同等の条件のパルスを発熱抵抗体に印加することで行うこともできる。
【００４０】
ＲｕＳｉＮ膜を形成後、例えば、フォトレジストをマスクにエッチングすることで所望の形状にした後、互いに絶縁された１対の電極層端部間にＲｅＳｉＮ膜を露出させることで、１対の電極が所定の間隔を持った発熱抵抗体素子が形成される。
【００４１】
以下に、本発明の実施の形態を、複数の実施例に基づいて詳細に説明する。但し、本発明は、以下に説明する各実施例のみに限定されるものでなく、本発明の目的を達成し得るものであれば他の用途に使用される抵抗体薄膜にも適用できることは勿論である。
【実施例】
【００４２】
次に本発明の詳細について、図面を参照して説明する。
【００４３】
本発明の一実施例に係わるインクジェットヘッドを、図１を用いて説明する。図１は、インクジェットヘッドのインクを発泡させる発熱部の基板要部の概略平面図であり、図２は、図１のＸ−Ｘ’に沿って基板面に垂直に切断した時の模式的な切断面部分図である。
【００４４】
本発明実施例における発熱抵抗体２００４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される。
【００４５】
図４は、上記発熱抵抗層２００４を成膜するスパッタリング装置の概要を示す。図４に示すスパッタリング装置は、あらかじめ所定の組成に作製されたＲｕ−Ｓｉからなるターゲット４００１、平板マグネット４００２、基板への成膜を制御するシャッター４０１１、基板ホルダー４００３、基板４００４およびターゲット４００１と基板ホルダー４００３に接続された電源４００６で構成されている。
【００４６】
さらに、図４に示すスパッタリング装置は、成膜室４００９の外周壁を囲んで設けられた外部ヒーター４００８を有している。該外部ヒーター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ＲｕＳｉＯＮ膜の成膜は、以下の様に行われる。
【００４７】
まず、不図示の排気ポンプを用いて排気用バルブ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、アルゴンガスと窒素ガス及び酸素ガスからなる混合ガスを、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、上記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。
【００４８】
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。
【００４９】
上記発熱抵抗体の成膜は、ＲｕＳｉからなる合金ターゲットを用いた反応性スパッタリング法で形成する方法について説明した。
【００５０】
本実施例においては、図４に示した装置を使用し、上述した成膜方法により各種の成膜条件で本発明の発熱抵抗体膜を作製した。
＜実施例１＞
以下、本発明の具体的な第１の実施例について説明する。
【００５１】
図２において、一部既述のように、シリコン基板２００１上に熱酸化により膜厚１．８μｍの蓄熱層２００２を形成し、更に蓄熱層を兼ねる層間膜２００３として、ＳｉＯ２膜をプラズマＣＶＤ法により膜厚１．２μｍに形成した。次に、発熱抵抗層２００４としてＲｕＳｉＯＮ膜を膜厚４０ｎｍ形成した。
【００５２】
この時のガス流量は、Ａｒガス７２ｓｃｃｍ、Ｎ2ガス７ｓｃｃｍ、酸素ガス１ｓｃｃｍとし、ターゲットＲｕ29Ｓｉ71に投入するパワーは４００Ｗとし、基板温度２００℃で行った。
【００５３】
更に、熱作用部２００８で発熱抵抗層２００４を加熱するための金属配線２００５として、Ａｌ−Ｃｕ膜を５５０ｎｍスパッタリング法により形成した。
【００５４】
これを、フォトリソ法を用いて感光体によりパターン形成し、Ａｌ−Ｃｕ層を取り除いた１５μｍ×４０μｍの熱作用部２００８を形成した。保護膜２００６としては、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＮ膜を１μｍの膜厚に形成した。本実施例ではこの時基板温度４００℃で約１時間保持することで熱処理を兼ねた。最後に耐キャビテーション層２００７としてスパッタリング法によりＴａ膜を膜厚２００ｎｍ形成し、本発明の基体を得た。上記形状の発熱抵抗層のシート抵抗値は、７１０Ω／□であった。ＴＣＲ特性は−４５０ｐｐｍ／℃程度である。
【００５５】
またＲｕＳｉＯＮの組成比はＲｕ：２２ａｔ％、Ｓｉ：４２ａｔ％、Ｎ：３２ａｔ％、Ｏ：４ａｔ％であった。
＜比較例１＞
発熱抵抗層２００４を、次のように変更する以外は、実施例１と同様に作製することにより比較例１の基体を得た。すなわち、Ｔａターゲットを用いた反応性スパッタリング法により膜厚１００ｎｍのＴａＮ０．８膜を形成した。この時のガス流量は、Ａｒガス６４ｓｃｃｍ、Ｎ2ガス１６ｓｃｃｍ、窒素ガス分圧２０％とし、Ｔａターゲットへの投入パワー３５０Ｗ、基板温度２００℃で行った。発熱抵抗層のシート抵抗値は２５Ω／□であった。
＜評価１＞
上記実施例１及び比較例１として作製された基体を用いて、インクを吐出する発泡電圧Ｖｔｈを求めた。このＶｔｈに対して、１．２Ｖｔｈ（発泡電圧の１．２倍）を駆動電圧として、駆動パルス幅２μｓｅｃ．で駆動させた時の電流値を測定した。
【００５６】
すなわち、実施例１では、Ｖｔｈ＝３７Ｖ、電流値は２８ｍＡであったのに対し、比較例１ではＶｔｈ＝９．９Ｖ、電流値は１２０ｍＡであった。この結果から、本発明の実施例１と比較例１の基体を比較すると、電流値は比較例に比べ約１／４となっている。実際のヘッド形態では、同時に駆動させる発熱抵抗体数は複数あるので、比較例に比べてはるかに消費電力が少なくなり、省エネ効果が得られることが理解されよう。
更に、以下の条件で発熱抵抗体を駆動させ、破断パルスによる熱ストレス耐久評価をおこなった。
【００５７】
発熱抵抗体の駆動条件を下記に示す。
【００５８】
駆動周波数：１５ＫＨｚ
駆動電圧：発泡電圧×１．２、駆動パルス幅：１μｓｅｃ．
その結果、比較例では６．０×１０7パルスで破断したのに対し、実施例１では２．８×１０9パルスまで破断しなかった。このように、本発明の実施例の基体では短いパルス駆動に対しても十分耐えられることがわかる。
＜実施例２＞
発熱抵抗層２００４を、次のように変更する以外は、前記実施例１と同様に作製することにより、図２で示される基体２０００を得た。すなわち、成膜時に導入するガスの分圧を変更した。Ａｒガス７０．３ｓｃｃｍ、Ｎ２ガス８．４ｓｃｃｍ、酸素ガス１．３ｓｃｃｍに変えて導入し、反応性スパッタリング法により膜厚４０ｎｍのＲｕＳｉＯＮ膜を形成した。ターゲット投入パワーは、Ｒｕ29Ｓｉ７１ターゲットに３５０Ｗとし、基板温度２００℃で行った。発熱抵抗層のシート抵抗値は１１００Ω／□であった。ＴＣＲ特性は−５９０ｐｐｍ／℃である。
【００５９】
またＲｕＳｉＯＮの組成比はＲｕ：１９ａｔ％、Ｓｉ：４０ａｔ％、Ｎ：３８ａｔ％、Ｏ：３ａｔ％であった。
＜評価２＞
評価１と同様にして、以上の実施例２で作製された基体の評価を行った。
その結果、実施例２の基体ではＶｔｈ＝３９Ｖ、電流値は１５ｍＡであった。
また、破断パルスによる熱ストレス耐久評価では、１．０×１０9パルスまで破断しなかった。
【００６０】
評価１の結果と同じように、実施例２も、電流値が少なく省エネ効果に優れ、短いパルス駆動を行った場合でも耐久性に優れているものである。
＜インクジェット用特性評価＞
さらに、インクジェット記録ヘッド用基体の発熱抵抗体としての特性を評価するため、上述の実施例と同様にして図４に示した装置を使用し、上述した成膜方法により実施例１．２ともう１つ異なる成膜条件でＲｕＳｉＯＮ膜を有するインクジェット記録ヘッドを作成し、その特性を評価した。
＜実施例３＞
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基板あるいは既に駆動用のＩＣを作り込んだＳｉ基板を用いる。
【００６１】
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ＳｉＯ２の蓄熱層２００２（図２）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、ＳｉＯ2の蓄熱層を形成しておく。
【００６２】
次に、スパッタ法、ＣＶＤ法などによってＳｉＯ2からなる膜厚１．２μｍの層間絶縁膜２００３を形成した。次いで、ＲｕＳｉターゲットを用いたスパッタリング法により発熱抵抗層２００４を形成した。ターゲットに投入するパワーは１００Ｗとし、ガス流量は実施例１の条件で、基板温度４００℃で行った。これは、成膜速度を非常に遅くして膜の結晶化を促進するためである。また基板温度もこのため４００℃と高く設定した。
【００６３】
電極配線２００５としてＡｌ膜を５５０ｎｍスパッタリング法により形成した。次に、フォトリソ法を用いてパターン形成し、Ａｌ膜を取り除いた２０μｍ×３０μｍの熱作用部２００８を形成した。次に保護膜２００６としてプラズマＣＶＤ法によって、ＳｉＮから成る膜厚１μｍの絶縁体を形成した。次に耐キャビテーション層２００７としてスパッタリング法によりＴａ膜を膜厚２３０ｎｍ形成し、フォトリソ法により図１に示すような本発明のインクジェット用基体を作製した。
【００６４】
このようにして作製された基体を用いてＳＳＴ試験を行った。このＳＳＴ試験とは、駆動周波数１５ＫＨｚ、駆動パルス幅１μｓｅｃ．のパルス信号を与え、吐出を開始する発泡開始電圧Ｖｔｈを求める。その後、印加電圧をＶｔｈから０．０５Ｖ毎に上げていきながら、駆動周波数１５ＫＨｚでそれぞれ１×１０５パルスを断線するまで印加し、この断線した時の破断電圧Ｖｂを求める。この発泡開始電圧Ｖｔｈと破断電圧Ｖｂとの比を破断電圧比Ｋｂ（＝Ｖｂ／Ｖｔｈ）と呼ぶ。この破断電圧比Ｋｂが大きいほど発熱抵抗体の耐熱性に優れていることを示す。評価の結果、Ｋｂ＝１．５０が得られた。
【００６５】
次に、駆動電圧Ｖｏｐ＝１．３×Ｖｔｈにおいて、駆動周波数１５ＫＨｚ、駆動パルス幅１μｓｅｃ．、１．０×１０９パルスの連続したパルスを印加し、初期の発熱抵抗体の抵抗値Ｒ0、パルス印加後の抵抗値Ｒとした時、抵抗値変化率（Ｒ−Ｒ0）／Ｒ0を求めた（ＣＳＴ試験）。その結果、抵抗値変化率ΔＲ／Ｒ0＝＋３．５％（ΔＲ＝Ｒ−Ｒ0）が得られた。
＜実施例４＞
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、実施例３と同様にＳｉ基板あるいは既に駆動用のＩＣを作り込んだＳｉ基板を用いる。
【００６６】
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ＳｉＯ２の蓄熱層２００２（図２）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、ＳｉＯ2の蓄熱層を形成しておく。
【００６７】
次に、スパッタ法、ＣＶＤ法などによってＳｉＯ2からなる膜厚１．２μｍの層間絶縁膜２００３を形成した。次いで、ＲｕＳｉターゲットを用いたスパッタリング法により発熱抵抗層２００４を形成した。ターゲットに投入するパワーは３５０Ｗとし、ガス流量は実施例１の条件で、基板温度２００℃で行った。
【００６８】
電極配線２００５としてＡｌ−Ｓｉ膜を５５０ｎｍスパッタリング法により形成した。次に、フォトリソ法を用いて法を用いて感光体からなるパターン形成し、Ａｌ−Ｓｉ膜を取り除いた２０μｍ×３０μｍの熱作用部２００８を形成した。次に保護膜２００６としてプラズマＣＶＤ法によって、ＳｉＮからなる膜厚１μｍの絶縁体を形成した。この場合も基板温度を４００℃で約１時間保持することで熱処理を兼ねた。次に耐キャビテーション層２００７としてスパッタリング法によりＴａ膜を膜厚２３０ｎｍ形成し、フォトリソ法により図１に示すような本発明のインクジェット用基体を作製した。
【００６９】
このようにして作製された基体を用いてＳＳＴ試験を行った。このＳＳＴ試験とは、駆動周波数１５ＫＨｚ、駆動パルス幅１μｓｅｃ．のパルス信号を与え、吐出を開始する発泡開始電圧Ｖｔｈを求める。その後、印加電圧をＶｔｈから０．０５Ｖ毎に上げていきながら、駆動周波数１５ＫＨｚでそれぞれ１×１０5パルスを断線するまで印加し、この断線した時の破断電圧Ｖｂを求める。この発泡開始電圧Ｖｔｈと破断電圧Ｖｂとの比を破断電圧比Ｋｂ（＝Ｖｂ／Ｖｔｈ）と呼ぶ。この破断電圧比Ｋｂが大きいほど発熱抵抗体の耐熱性に優れていることを示す。評価の結果、Ｋｂ＝１．５５が得られた。
【００７０】
次に、駆動電圧Ｖｏｐ＝１．３×Ｖｔｈにおいて、駆動周波数１５ＫＨｚ、駆動パルス幅１μｓｅｃ．、１．０×１０9パルスの連続したパルスを印加し、初期の発熱抵抗体の抵抗値Ｒ0、パルス印加後の抵抗値Ｒとした時、抵抗値変化率（Ｒ−Ｒ0）／Ｒ0を求めた（ＣＳＴ試験）。その結果、抵抗値変化率ΔＲ／Ｒ0＝＋４．１％（ΔＲ＝Ｒ−Ｒ0）が得られた。
＜実施例５＞
発熱抵抗層２００４を実施例２に示すような条件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ヘッド用基体を作製した。また、この基体を用いて実施例４と同様にしてＳＳＴ試験、ＣＳＴ試験を行った。この場合は耐久試験前に熱処理として駆動電圧Ｖｏｐ＝１．４×Ｖｔｈ、駆動周波数１５ＫＨｚ、駆動パルス１μｓｅｃ、１．０×１０3パルスを印加した。
【００７１】
その結果、Ｋｂ＝１．５８が得られた。次に、駆動電圧Ｖｏｐ＝１．３×Ｖｔｈにおいて、駆動周波数１５ＫＨｚ、駆動パルス幅１μｓｅｃ．、１．０×１０9パルスの連続したパルスを印加し、初期の発熱抵抗体の抵抗値Ｒ0、パルス印加後の抵抗値Ｒとした時、抵抗値変化率（Ｒ−Ｒ0）／Ｒ0を求めた（ＣＳＴ試験）。その結果、抵抗値変化率ΔＲ／Ｒ0＝＋４．３％（ΔＲ＝Ｒ−Ｒ0）が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明のインクジェットヘッドの基板を示す概略平面図である。
【図２】図１をＸ−Ｘ■の一点鎖線で垂直に切断したときの基板の断面図である。
【図３】ヒーターサイズの違いによる各種駆動条件を説明する図である。
【図４】本発明のインクジェット記録ヘッド用基体の各層を成膜する成膜装置である。
【図５】ＲｕＳｉＮ膜の窒素分圧と比抵抗との相関をしめすグラフである。
【符号の説明】
【００７３】
１００１ 吐出口
１００２ 電気熱変換素子
１００３ インク流路
１００４ 基板
１００５ 発熱抵抗体
１００６ 電極配線
１００７ 絶縁膜
１００８ 流路壁
１００９ 共通液室
２０００ 基体
２００１ シリコン基板
２００２ 蓄熱層
２００３ 層間膜
２００４ 発熱抵抗層
２００５ 金属配線
２００６ 保護層
２００７ 耐キャビテーション膜
２００８ 熱作用部
４００１ ターゲット
４００２ 平板マグネット
４００３ 基板ホルダー
４００４ 基板
４００５ 内部ヒーター
４００６ 電源
４００７ 排気ポンプ
４００８ 外部ヒーター
４００９ 成膜室
４０１０ ガス導入口
４０１１ シャッター
【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成比がＲｕ：１５〜３０ａｔ％、Ｓｉ：３５〜６０ａｔ％、Ｏ：１〜１０ａｔ％、Ｎ：１０〜５０ａｔ％であり、これらで１００ａｔ％となるか、またはほぼ１００ａｔ％となることを特徴とする発熱抵抗体膜。
【請求項２】
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発熱抵抗体を有するインクジェットヘッドにおいて、前記発熱抵抗体が請求項１に記載の発熱抵抗体膜であることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項３】
インクを吐出するインク吐出口と、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発熱抵抗体と、該発熱抵抗体を内包するとともに前記インク吐出口に連通するインク流路と、を有するインクジェットヘッドの製造方法において、
前記請求項１または２に記載の発熱抵抗体薄膜を、窒素ガス、酸素ガス、及びアルゴンガスからなる混合ガス雰囲気中で、ＲｕＳｉをターゲットとして反応性スパッタリング法により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。
【請求項４】
請求項３に記載の発熱抵抗体膜を形成後、熱処理を行うことを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項５】
前記熱処理が、前記発熱抵抗体膜にインクジェットヘッドに実際に使用する電気パルスと同等の電気パルスを印加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。
【請求項１】
組成比がＲｕ：１５〜３０ａｔ％、Ｓｉ：３５〜６０ａｔ％、Ｏ：１〜１０ａｔ％、Ｎ：１０〜５０ａｔ％であり、これらで１００ａｔ％となるか、またはほぼ１００ａｔ％となることを特徴とする発熱抵抗体膜。
【請求項２】
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発熱抵抗体を有するインクジェットヘッドにおいて、前記発熱抵抗体が請求項１に記載の発熱抵抗体膜であることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項３】
インクを吐出するインク吐出口と、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発熱抵抗体と、該発熱抵抗体を内包するとともに前記インク吐出口に連通するインク流路と、を有するインクジェットヘッドの製造方法において、
前記請求項１または２に記載の発熱抵抗体薄膜を、窒素ガス、酸素ガス、及びアルゴンガスからなる混合ガス雰囲気中で、ＲｕＳｉをターゲットとして反応性スパッタリング法により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。
【請求項４】
請求項３に記載の発熱抵抗体膜を形成後、熱処理を行うことを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
【請求項５】
前記熱処理が、前記発熱抵抗体膜にインクジェットヘッドに実際に使用する電気パルスと同等の電気パルスを印加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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−１６８１６９（Ｐ２００６−１６８１６９Ａ）
【公開日】平成１８年６月２９日（２００６．６．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３６３１９６（Ｐ２００４−３６３１９６）
【出願日】平成１６年１２月１５日（２００４．１２．１５）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月２９日（２００６．６．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月１５日（２００４．１２．１５）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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