(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板上に設けられた発熱抵抗体層と、該発熱抵抗体層の上に発熱部となる箇所を隔てて対に積層され当該発熱抵抗体層に電気的に接続する配線層と、前記発熱抵抗体層と該発熱抵抗体層の上の前記配線層とを覆う保護膜と、を有するインクジェット記録ヘッド用基板であって、
前記保護膜が、
前記発熱抵抗体層と前記配線層とを覆う第１層保護膜と、
前記第１層保護膜の上から、前記配線層の端と前記発熱抵抗体層とで形成する段差部を覆うとともに、前記発熱部に対応する箇所に開口を有するように設けられた第２層保護膜と、
前記第２層保護膜と、前記開口を介して前記第１層保護膜と、に接して積層された第３層保護膜と、
を有し、
前記第１層保護膜と前記第３層保護膜とが同じ第１のシリコン化合物からなり、前記第２層保護膜が前記第１のシリコン化合物とは異なる第２のシリコン化合物であって前記第１のシリコン化合物のエッチング速度より大きいエッチング速度の材料からなることを特徴とするインクジェット記録ヘッド用基板。
【請求項２】
前記第１のシリコン化合物が窒化シリコンであり、前記第２のシリコン化合物が酸化シリコン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記録ヘッド用基板。
【請求項３】
前記第１のシリコン化合物が窒化シリコンであり、前記第２のシリコン化合物がボロンまたはリンを含む酸化シリコンからなることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド用基板。
【請求項４】
前記第３層保護膜の上に、耐キャビテーション膜が更に設けられてい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記録ヘッド用基板。
【請求項５】
前記耐キャビテーション膜はタンタルからなることを特徴とする請求項４に記載のインクジェット記録ヘッド用基板。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッド用基板の上に、インクを吐出する吐出口に連通するインク路が設けられたことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
【請求項７】
シリコン基板上に設けられた発熱抵抗体層と、該発熱抵抗体層の上に発熱部となる箇所を隔てて対に積層され当該発熱抵抗体層に電気的に接続する配線層と、前記発熱抵抗体層と該発熱抵抗体層の上の前記配線層とを覆う保護膜と、を有するインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法であって、
前記発熱抵抗体層と前記配線層とを覆う第１のシリコン化合物からなる第１層保護膜を形成する工程と、
前記第１層保護膜の上から、前記配線層の端と前記発熱抵抗体層とで形成する段差部を覆うとともに、前記発熱部に対応する箇所に開口を有するように、前記第１のシリコン化合物とは異なり前記第１のシリコン化合物のエッチング速度より大きいエッチング速度の第２のシリコン化合物からなる第２層保護膜を形成する工程と、
前記第２層保護膜と、前記開口を介して前記第１層保護膜と、に接して前記第１のシリコン化合物からなる第３層保護膜を積層する工程と、
を有することを特徴とするインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクを吐出して記録を行うインクジェット記録ヘッド、該ヘッド用基板、該基板の製造方法及びインクジェット記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
米国特許第４７２３１２９号公報あるいは米国特許第４７４０７９６号公報等に開示されているインクジェット記録方式は、高速、高密度で高精度、高画質の記録が可能で、かつカラー化、コンパクト化に適している。このインクジェット記録方式を用いる、熱エネルギーを利用してインクを発泡させて記録媒体にインクを吐出する記録ヘッドは、インクを発泡させるための発熱抵抗体とこれに電気的接続を行う配線とを同一の基板上に作製してインクジェット記録ヘッド用基板とし、さらにその上にインクを吐出させるためのノズルを形成した構成が一般的である。
【０００３】
そして、このインクジェット記録ヘッド用基板は、一方では投入する電気エネルギーの省力化、他方ではインクの発泡にともなう機械的ダメージおよび熱パルスによる発熱部の破壊による基板の寿命の低下を防ぐために、様々な工夫がなされている。とりわけ一対の配線パターンの間に位置する発熱部を有する発熱抵抗体をインクから保護する保護膜については、多くの工夫がなされている。
【０００４】
この保護膜は、熱の効率から見ると、熱伝導率の高いもの、あるいは薄い方が有利である。ところが一方、インクの発泡にともなう機械的ダメージや膜の欠陥の確率からすると、厚い方が有利である。さらに保護膜は、発熱抵抗体に接続する配線をインクから守るという役目もあり、厚さに関して言えば、発熱抵抗体部よりむしろ配線部を保護する目的によって一層の制限を受ける。
【０００５】
詳述すると、一般的に発熱抵抗体の表面は非常に平滑であり、その上の保護膜が緻密に形成され得るのに対し、配線は一般的にＡｌからなり、Ａｌの表面は製造時の熱の影響を受けやすく、表面に凹凸が比較的あり、さらにＡｌの厚さは約５００ｎｍ程度の厚さがあるため、段差部の保護膜の膜質が悪くなりやすい。以上の点から、保護膜の厚さはある程度の、実際には１μｍ程度の厚さが必要になっている。
【０００６】
発熱抵抗体上の保護膜をできる限り薄くし、かつ配線上の保護機能を安定させるために、特開平０８−１１２９０２号公報には、発熱抵抗体上の保護膜を部分的に薄膜化する方法が記載されている。この方法では、発熱抵抗体上の保護膜のみを薄くすることで、投入するエネルギーの低減と寿命の安定化を達成することができる。
【０００７】
しかしながら、この例では、まず発熱抵抗体と配線パターンを下地となる酸化シリコン膜上に形成し、次に酸化シリコンを第１層目の保護膜として形成し、次にパターニングによって発熱抵抗体の発熱部上の保護膜を部分的に除去し、最後に窒化シリコンを第２層目の保護膜として形成するために、以下のような問題があった。
【０００８】
部分的な保護膜の除去は、通常ウェットエッチングでなされる。そして、エッチング液としては、一層目の保護膜が酸化シリコンならばフッ化水素系のエッチング液が用いられる。また、発熱抵抗体はＨｆＢ2やＴａＮからなるのが一般的であるが、これらはフッ化水素系のエッチング液ではダメージを受けない。
【０００９】
ここで局部的に保護膜を除去する部分を発熱抵抗体の発熱部の領域より数μｍ程度内側とした場合、製造工程上の問題はないが、発熱部の全面積より内側の比較的小さい領域となるために、熱効率が低下する。
【００１０】
一方、配線および発熱抵抗体とその下の基板との段差を覆いながら形成した一層目の保護膜の膜質は、その段差部分で悪くなっていることがある。そのため、発熱抵抗体の発熱部より広く一層目の保護層を除去した場合、発熱抵抗体とその下の基板との段差の近くをエッチングすることになるので、膜質の比較的悪い段差部に沿ってアンダーカットが進行し、膜内部に空孔が発生し、結果としてヘッド用基板の寿命を低下させることがある、という問題が生ずる。ここで、段差部の一層目の膜質が悪くなるのは、発熱抵抗体のエッチングとして微細化のために垂直エッチングを採用することが多く、断面がはぼ９０°に切り立っていることもその要因と考えられる。従って、アンダーカットを極力なくすためには、一層目の保護膜のエッチング時間を厳密に管理することが必要であった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来の問題点を解決し、発熱抵抗体の発熱部をできるだけ広く利用し、また高熱効率で省エネルギー構造でありながら、工程管理が容易で寿命の長いインクジェット記録ヘッド、該ヘッド用基板、該基板の製造方法及びインクジェット記録装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明のインクジェット記録ヘッドは、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配線と、前記発熱抵抗体と前記配線との上にそれらを保護するために設けられる保護膜と、を有するインクジェット記録ヘッド用基板上に、インクを吐出する吐出口に連通するインク路が設けられたインクジェット記録ヘッドであって、前記保護膜が、前記発熱抵抗体と前記配線とを覆う第１層保護膜と、該第１層保護膜上に該第１層保護膜とは異なる材料で形成され前記発熱抵抗体の前記発熱部に対応する箇所に開口を有し無機材料からなる第２層保護膜と、該第２層保護膜と前記開口から露出した前記第１層保護膜とを覆う、前記第１層保護層と同じ材料系の第３層保護膜と、を含むことを特徴とする。
【００１３】
また本発明のインクジェット記録ヘッド用基板は、シリコン基板上に設けられた発熱抵抗体層と、該発熱抵抗体層の上に発熱部となる箇所を隔てて対に積層され当該発熱抵抗体層に電気的に接続する配線層と、前記発熱抵抗体層と該発熱抵抗体層の上の前記配線層とを覆う保護膜と、を有するインクジェット記録ヘッド用基板であって、前記保護膜が、前記発熱抵抗体層と前記配線層とを覆う第１層保護膜と、該１層保護膜の上から、前記配線層の端と前記発熱抵抗体層とで形成する段差部を覆うとともに、前記発熱部に対応する箇所に開口を有するように設けられた第２層保護膜と、該２層保護膜と、前記開口を介して前記第１層保護膜と、に接して積層された第３層保護膜と、を有し、前記第１層保護膜と前記第３層保護膜とが同じ第１のシリコン化合物からなり、前記第２層保護膜が前記第１のシリコン化合物とは異なる第２のシリコン化合物であって前記第１のシリコン化合物のエッチング速度より大きいエッチング速度の材料からなることを特徴とする。
【００１４】
また本発明のインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法は、シリコン基板上に設けられた発熱抵抗体層と、該発熱抵抗体層の上に発熱部となる箇所を隔てて対に積層され当該発熱抵抗体層に電気的に接続する配線層と、前記発熱抵抗体層と該発熱抵抗体層の上の前記配線層とを覆う保護膜と、を有するインクジェット記録ヘッド用基板の製造方法であって、前記発熱抵抗体層と前記配線層とを覆う第１のシリコン化合物からなる第１層保護膜を形成する工程と、前記第１層保護膜の上から、前記配線層の端と前記発熱抵抗体層とで形成する段差部を覆うとともに、前記発熱部に対応する箇所に開口を有するように、前記第１のシリコン化合物とは異なり前記第１のシリコン化合物のエッチング速度より大きいエッチング速度の第２のシリコン化合物からなる第２層保護膜を形成する工程と、
前記第２層保護膜と、前記開口を介して前記第１層保護膜と、に接して前記第１のシリコン化合物からなる第３層保護膜を積層する工程と、を有することを特徴とする。
【００１５】
また本発明のインクジェット記録装置は、前記のインクジェット記録ヘッドと、該インクジェット記録ヘッドを搭載するための部材と、を具備することを特徴とする。
【００１６】
この様な本発明では、第１層保護膜が発熱抵抗体と配線を覆うので、発熱抵抗体や配線のパターンの隅部の段差が緩和される。従って、その上に形成される第２層保護膜の膜質が改善され、第２層保護膜をエッチングしても、段差部に沿ってオーバーエッチングが進行することが実質的にない。
【００１７】
そして、第１層保護膜と同じ材料系の第３層保護膜は、発熱部上に残る第１層保護膜と合わさって発熱部の保護膜となる一方、配線上では第１層保護膜及び第２層保護膜の上に積層されて少なくとも３層構造の保護膜を形作る。このように、複数層に分かれて膜形成が行われるので、１層の保護膜のどこかに欠陥があったとしても、複数層構造の保護膜全体のどこかに欠陥が発生する確率を極めて小さくすることができる。
【００１８】
この様に、本発明によれば、省エネルギーと寿命安定性と工程管理の簡便性とを兼ね備えたインクジェット記録ヘッド、該ヘッド用基板、該基板の製造方法及びインクジェット記録装置を提供することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明に係るインクジェット記録ヘッドは、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配線と、発熱抵抗体と配線との上にそれらを保護するために設けられる保護膜と、を有するインクジェット記録ヘッド用基板上に、インクを吐出する吐出口に連通するインク路が設けられた構造をもつものである。保護膜は、発熱抵抗体と配線とを覆う第１層保護膜と、該第１層保護膜上に該第１層保護膜とは異なる材料で形成され発熱抵抗体の発熱部に対応する箇所に開口を有し無機材料からなる第２層保護膜と、該第２層保護膜と開口から露出した前記第１層保護膜とを覆う、第１層保護層と同じ材料系の第３層保護膜と、を含む。
【００２０】
本発明において、第２層保護膜の材料は、主に製造上の理由により、第１層保護膜とは異なる材料で形成される。通常は、第２層保護膜の開口をエッチングで形成することから、第２層保護膜の方が第１層保護膜よりエッチングされやすい材料で形成されていることが好ましい。すなわち、第１層保護膜材料より第２層保護膜材料のエッチング速度が大きくなるように材料を選ぶことが好ましく、特に選択比（第２層保護膜材料のエッチング速度／第１層保覆膜材料のエッチング速度）が１０以上あることが好ましく、２０以上あることが一層好ましい。
【００２１】
また、本発明において、第１層保護膜と第３層保護膜とは、主に発熱部の開口における膜同士の密着強度の観点から、同じ材料系からなる。ここで、第２層保護膜は、前述した様に第１層保護膜及び第３層保護膜と異なる材料で形成されるが、第１層保護膜及び第３層保護膜と同じ材料系からなることが好ましい。「同じ材料系」とは、シリコンを含む材料であることが特に好ましい。この様な材料として、第１層保護膜及び第３層保護膜を窒化シリコンで形成し、第２層保護膜を酸化シリコンで形成することが好適である。
【００２２】
第２層保覆膜を、ボロンまたはリンを含む酸化シリコンで形成すると、窒化シリコン膜とのエッチングレート差をさらに大きくとることができるので好ましい。  本発明において、第１層保護膜の膜厚は、通常０．０１〜０．５μｍ、好ましくは０．０１〜０．１μｍである。また、第２層保護膜の膜厚は、通常０．３〜１．５μｍ、好ましくは０．５〜１．０μｍである。第３層保護膜の膜厚は、通常０．１〜１．０μｍ、好ましくは０．１〜０．５μｍである。
【００２３】
【実施例】
以下に実施例を示して、本発明をさらに詳細に説明する。
【００２４】
（実施例１）
図２は本発明のインクジェット記録ヘッド用基板の要部を示す模式的上面図である。図１は、図２中のＸ１−Ｘ２の一点鎖線によって切断した模式的側断面図である。
【００２５】
図１および図２に示すように、Ｓｉ基板１１の上に、蓄熱層１２として酸化シリコン膜が形成されており、その上に発熱抵抗体層１３、配線１４としてＡｌ層がそれぞれ所定のパターン形状に形成されている。一対の配線１４同士の間隙にある発熱抵抗体層１３の部分が発熱部２０となる。
【００２６】
この発熱抵抗体層１３および配線１４を覆う様に、第１層保護膜１５として窒化シリコン層、発熱抵抗体層の発熱部２０上に開口を有する第２層保護膜１６として酸化シリコン層、第３層目保護膜１７として窒化シリコン膜、更には発泡及び消泡時の衝撃やキャビテーション破壊からの保護を主目的とした耐キャビテーション膜１８のＴａ膜が順に形成されている。
【００２７】
この構造をもつインクジェット記録ヘッド用基体の製造方法を、図３および図４の（ａ）〜（ｇ）を用いて説明する。
【００２８】
図３（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１１に熱酸化法、スパッタ法、ＣＶＤ法などによって、発熱抵抗体の下地としての蓄熱層１２となる酸化シリコン膜を形成する。
【００２９】
次に図３（ｂ）に示すように、蓄熱層１２上に、反応性スパッタリングにより、発熱抵抗体層１３となるＴａＮ層１３ａを約１００ｎｍ、配線１４となるＡｌ層１４ａをスパッタリングにより５００ｎｍの厚さに形成する。
【００３０】
次に、フォトリソグラフィ法を用いて、Ａｌ層１４ａをウェットエッチングし、さらにＴａＮ層１３ａをリアクティブエッチングし、断面形状が図３（ｃ）(平面形状は図１を参照のこと)のような配線１４および発熱抵抗体層１３を形成する。発熱部２０は、Ａｌ層１４ａが除去されて発熱抵抗体層１３が露出しており、配線パターン１４に電流を流したときに発熱が生じる。
【００３１】
次に、図３（ｄ）に示すように、第１層保護膜１５として窒化シリコン膜を２００ｎｍ、さらに第２層保護膜１６となる酸化シリコン膜１６ａをＣＶＤ法によって５００ｎｍの厚さに形成する。
【００３２】
次に、フォトリソグラフィ法を用いて、発熱抵抗体の発熱部２０上の酸化シリコン膜１６ａを部分的にフッ化水素液を用いてエッチングして、図４（ｅ）に示すように第２層保護膜１６を形成する。このとき、段差３０が形成される。
【００３３】
次に、図４（ｆ）に示すように、第３層保護膜１７として窒化シリコンを３００ｎｍの厚さにＣＶＤ法を用いて形成する。
【００３４】
次に、図４（ｇ）に示すように、スパッタリング法によって耐キャビテーション膜１８としてのＴａを２００ｎｍの厚さに形成する。
【００３５】
最後にフォトリソグラフィ法によってＴａ膜及び第１〜第３層保護膜をエッチングし、外部電源との接続に必要なＡｌ電極による電極パッドを露出させることにより、インクジェット記録ヘッド用基板の要部の製造を完了する。
【００３６】
このようにして製造したインクジェット記録ヘッド用基板を用いてインクジェットヘッドを組み立て、その性能を確認したところ、省電力及び長寿命を達成できた。
【００３７】
（実施例２）
第２層保護膜としてボロンまたはリンをドープした酸化シリコンを用いることを除き、実施例１と同様にしてインクジェット記録ヘッドを製造した。その結果、フッ化水素液に対するエッチングレートが速くなり、第１層保護膜の材料である窒化シリコンとの選択比がさらに大きくなった。これにより、第２層保護膜のエッチング時におきる第１層保護膜に対するダメージが軽減するので、さらに第２層保護膜を厚くすることができる。従って、省電力でありながら、配線層の保護を一層確実に図ることができる。
【００３８】
以上の実施例において、米国特許第４，４２９，３２１号公報の様に、発熱抵抗体を駆動する集積回路を同一のＳｉ基板内に作り込んでもよい。この場合、集積回路部分は、配線部分と同様に、第１層保護膜、第２層保護膜および第３層保護膜で覆われていることが好ましい。
【００３９】
（他の実施例）
以下、本発明のインクジェットヘッド用基板を適用可能なインクジェットヘッド及びインクジェット装置について説明する。図５は、このようなインクジェットヘッドを示す模式的部分破断斜視図である。エッチング、蒸着スパッタリング等の半導体プロセス工程を経て、基板１１０２上に成膜形成された電気熱変換体１１０３、配線１１０４、液路壁１１０５、天板１１０６から構成されているインクジェットヘッドが示されている。
【００４０】
記録用液体１１１２は図示していない液体貯蔵室から液体供給管１１０７を通してヘッド１１０１の共通液室１１０８内に供給される。図中、１１０９は液体供給管用コネクタである。共通液室１１０８内に供給された液体１１１２はいわゆる毛管現象により液路１１１０内に供給され、液路先端の吐出口面（オリフィス面）でメニスカスを形成することにより安定に保持される。
【００４１】
ここで、電気熱変換体１１０３に通電することにより、電気熱変換体面上の液体が急峻に加熱され、液路中に気泡が生起され、その気泡の膨張、収縮により吐出口１１１１から液体を吐出し液滴が形成される。
【００４２】
図６は、本発明が適用されるインクジェット装置の要部を示す模式的斜視図である。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を介して回転するリードスクリュー５００４の螺旋溝５００５に対して係合するキャリッジＨＣはピン(不図示)を有し、矢印方向に往復移動される。５００２は紙押え板であり、キャリッジ移動方向にわたって紙をプラテン５０００に対して押圧する。５００７，５００８はフォトカプラでキャリッジのレバー５００６のこの域での存在を確認してモータ５０１３の回転方向切替等を行うためのホームポジション検知手段である。
【００４３】
５０１６は記録ヘッドの前面をキャップするキャップ部材５０２２を支持する部材で、５０１５はこのキャップ内を吸引する吸引手段でキャップ内開口５０２３を介して記録ヘッドの吸引回復を行う。５０１７はクリーニングブレードで、５０１９はこのブレードを前後方向に移動可能にする部材であり、本体支持板５０１８にこれらは支持されている。ブレードは、この形態でなく周知のクリーニングブレードが本例に適用できることは言うまでもない。また、５０１２は吸引回復の吸引を開始するためのレバーで、キャリッジと係合するカム５０２０の移動に伴って移動し、駆動モータからの駆動力がクラッチ切替等の公知の伝達手段で移動制御される。
【００４４】
これらのキャッピング、クリーニング、吸引回復は、キャリッジがホームポジション側領域にきたときにリードスクリュー５００４の作用によってそれらの対応位置で所望の処理が行えるように構成されているが、周知のタイミングで所望の作動を行うようにすれば、本例にはいずれも通用できる。なお、本装置は、インクを吐出するために利用されるエネルギーを発生するエネルギー発生素子を駆動するための駆動信号供給手段を有している。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、省エネルギーと寿命安定性と工程管理の簡便性とを兼ね備えたインクジェット記録ヘッド、該ヘッド用基板、該基板の製造方法及びインクジェット記録装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインクジェット記録ヘッド用基板の一例を示す模式的側断面図である。
【図２】本発明のインクジェット記録ヘッド用基板の一例を示す模式的上面図である。
【図３】本発明のインクジェット記録ヘッド用基板の製造工程を示す模式的側断面図である。
【図４】図３に引き続き、本発明のインクジェット記録ヘッド用基板の製造工程を示す模式的側断面図である。
【図５】本発明のインクジェット記録ヘッドの要部を示す模式的部分破断斜視図である。
【図６】本発明のインクジェット記録装置の要部を示す模式的斜視図である。
【符号の説明】
１１    Ｓｉ基板
１２    蓄熱層（酸化シリコン）
１３    発熱抵抗体
１３ａ    ＴａＮ層
１４    配線パターン
１４ａ    Ａｌ層
１５    第１層保護膜（窒化シリコン）
１６    第２層保護膜
１６ａ    酸化シリコン膜
１７    第３層保護膜（窒化シリコン）
１８    耐キャビテーション膜（Ｔａ）
２０    発熱部
３０    段差
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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