(57)【要約】【課題】電気熱変換素子および電極配線の高密度化を図りつつ、耐久性に優れた長寿命の液体吐出ヘッド用基体、液体吐出ヘッド、液体吐出装置、および液体吐出ヘッド用基体の製造方法を提供すること。【課題手段】絶縁層１５の一方側に、絶縁層１５の他方側に位置するヒータ２１を駆動回路に接続するための第１の電極配線１３を形成する。絶縁層１５におけるヒータ２１と第１の電極配線１３との対向部分に、ヒータ２１から第１の電極配線１３への熱伝導を抑制する断熱部としての空間１４を形成する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気熱変換素子の発熱により液体を吐出可能な液体吐出ヘッドに備わる液体吐出ヘッド用基体であって、
絶縁層の一方側に、前記絶縁層の他方側に位置する前記電気熱変換素子を駆動回路に接続するための第１の電極配線が形成され、
前記絶縁層における前記電気熱変換素子と前記第１の電極配線との対向部分に、前記電気熱変換素子から前記第１の電極配線への熱伝導を抑制する断熱部を備えることを特徴とする液体吐出ヘッド用基体。
【請求項２】
前記断熱部は、前記絶縁層よりも熱伝導率が低い部材によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド用基体。
【請求項３】
前記断熱部は空間であることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド用基体。
【請求項４】
前記空間は、前記第１の電極配線に接していることを特徴とする請求項３に記載の液体吐出ヘッド用基体。
【請求項５】
前記第１の電極配線は、前記絶縁層の他方側に形成される第２の電極配線を介して前記電気熱変換素子に接続されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の液体吐出ヘッド用基体。
【請求項６】
前記第１の電極配線と前記第２の電極配線は、前記絶縁層に形成されたスルーホールを介して接続され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体。
【請求項７】
前記断熱部は、前記第１の電極配線および前記第２の電極配線に接しないように前記絶縁層に形成された空間であることを特徴とする請求項５または６に記載の液体吐出ヘッド用基体。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の液体吐出ヘッド用基体を備え、
前記電気熱変換素子の発熱により吐出口から液体を吐出可能であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項９】
請求項８に記載の液体吐出ヘッドと、前記液体吐出ヘッドを駆動する駆動回路と、を備えることを特徴とする液体吐出装置。
【請求項１０】
電気熱変換素子の発熱により液体を吐出可能な液体吐出ヘッドに備わる液体吐出ヘッド用基体であって、絶縁層の一方側に、前記絶縁層の他方側に位置する前記電気熱変換素子を駆動回路に接続するための第１の電極配線が形成される液体吐出ヘッド用基体の製造方法であって、
前記絶縁層における前記電気熱変換素子と前記第１の電極配線との対向部分に、除去可能な犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層を除去して、前記電気熱変換素子と前記第１の電極配線との対向部分に空間を形成する工程と、
を含むことを特徴とする液体吐出ヘッド用基体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気熱変換素子を用いてインク等の液体を吐出可能な液体吐出ヘッドに備わる液体吐出ヘッド用基体、その液体吐出ヘッド用基体を備える液体吐出ヘッド、液体吐出装置、および液体吐出ヘッド用基体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気熱変換素子を用いて液体を吐出可能な液体吐出ヘッドとしては、インクを吐出可能なインクジェット記録ヘッドがある。この記録ヘッドは、電気熱変換素子の発熱によりインクを発泡させ、その発泡エネルギーを利用して、インク流路の先端の吐出口からインクを吐出する。このような記録ヘッドに備わる記録ヘッド用基体（液体吐出ヘッド用基体）には、電気熱変換素子と、それを駆動回路に接続するための電極配線と、が備えられ、電気熱変換素子、インク流路、および吐出口などによって、インクを吐出可能なノズルが構成される。
【０００３】
特許文献１には、複数のノズルを高密度に形成するために、電気熱変換素子と電極配線を絶縁層の一方側と他方側とに分けて形成して、電気熱変換素子および電極配線の高密度化を図る電極配線構造が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３３１１１９８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の電極配線構造にあっては、電気熱変換素子と電極配線が絶縁層を介して対向しているため、電気熱変換素子を駆動するための電流が電極配線に流れたときに、電気熱変換素子が発した熱が電極配線に伝わりやすい。そのため、電極配線にエレクトロマイグレーションが生じるおそれがある。例えば、電極配線を構成するＡｌに生じたヒロック（突起）が電気熱変換素子に向かって成長した場合には、電気熱変換素子に表面に凸部が生じ、その部分にキャビテーションが集中して、耐久性が損なわれるおそれがある。Ａｌの電極配線の上に、Ｔａ、Ｗ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｍｏ、または、これらの合金などの高融点金属をバリアメタルとして積層させた場合には、エレクトロマイグレーションによるヒロックの成長は抑えられる。しかし、電極配線中に生じるボイド（空隙）の発生は抑えられず、電気回路の故障を招くおそれがある。
【０００６】
本発明の目的は、電気熱変換素子および電極配線の高密度化を図りつつ、耐久性に優れた長寿命の液体吐出ヘッド用基体、液体吐出ヘッド、液体吐出装置、および液体吐出ヘッド用基体の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の液体吐出ヘッド用基体は、電気熱変換素子の発熱により液体を吐出可能な液体吐出ヘッドに備わる液体吐出ヘッド用基体であって、絶縁層の一方側に、前記絶縁層の他方側に位置する前記電気熱変換素子を駆動回路に接続するための第１の電極配線が形成され、前記絶縁層における前記電気熱変換素子と前記第１の電極配線との対向部分に、前記電気熱変換素子から前記第１の電極配線への熱伝導を抑制する断熱部を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電気熱変換素子と電極配線を絶縁層の一方側と他方側に分けて、それらの高密度化を図りつつ、電気熱変換素子と電極配線との対向部分に断熱部を備えることにより、電気熱変換素子の発熱による電極配線への影響を抑制することができる。この結果、耐久性に優れた長寿命の液体吐出ヘッド用基体、液体吐出ヘッド、液体吐出装置、および液体吐出ヘッド用基体の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態における記録ヘッドが組み込まれた記録装置の正面図である。
【図２】図１の記録ヘッドの分解斜視図である。
【図３】図２における吐出エレメントの一部切り欠きの拡大斜視図である。
【図４】図３の吐出エレメントにおける記録ヘッド用基体の概略平面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。
【図６】図４のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態における記録ヘッド用基体の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の実施形態は、液体としてのインクを吐出する記録ヘッドと、それを用いて画像を記録するインクジェット記録装置としての適用例である。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、記録ヘッド（液体吐出ヘッド）１１０を用いて画像を記録可能なフルラインタイプのインクジェット記録装置（液体吐出装置）１２０を模式的に示す正面図である。
【００１２】
記録装置１２０には、紙などの記録媒体Ｗを矢印Ｙ方向に搬送するための搬送部１２１と、その搬送部１２１に記録媒体Ｗを供給するための供送部１２２と、が備えられている。また、本実施形態の記録装置１２０には、６つの記録ヘッド１１０（１１０Ｙ，１１０ＬＭ，１１０Ｍ，１１０ＬＣ，１１０Ｃ，１１０Ｋ）が交換可能に装着されている。これらの記録ヘッドは、対応するインクカートリッジ（液体貯留容器）１２３からイエロー（Ｙ）、淡マゼンダ（ＬＭ）、マゼンダ（Ｍ）、淡シアン（ＬＣ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）のインク（液体）がそれぞれ供給される。６つの記録ヘッド１１０は、記録媒体Ｗの搬送方向に沿って一定の間隔をおいて配備され、それぞれの記録ヘッド１１０には、インクを吐出可能な複数の吐出口が記録媒体Ｗの搬送方向と交差する方向（本実施形態においては、直交する方向）に配列されている。
【００１３】
また、記録装置１２０には、記録ヘッド１１０のインクの吐出状態を良好に維持するための回復処理を行う回復ユニット１２４が備えられている。回復処理としては、記録に寄与しないインクを吐出口から吸引排出または加圧排出させる処理、記録に寄与しないインクを吐出口から吐出させる予備吐出、および記録ヘッド１１０の吐出口面（吐出口が形成される面）のワイピング処理などがある。また、記録装置１２０には、それを操作するためのオペレーションパネル部１２５が備えられている。
【００１４】
図２は、記録ヘッド１１０の分解斜視図である。
【００１５】
記録ヘッド１１０の底部は、セラミックプレート１００によって構成されている。このセラミックプレート１００上には、後述するように、複数のヒータ（電気熱変換素子）、共通液室、流路、および吐出口などを備えた吐出エレメント１０１と、電気配線基板１０２と、が配置されている。吐出エレメント１０１および電気配線基板１０２は、ワイヤボンディングによって電気的に接続されている。以下、インク（液体）の吐出口と、吐出口に連通する流路と、を含む部分を「ノズル」ともいう。それぞれのノズルには、インクの吐出に用いる吐出エネルギーを発生させるための吐出エネルギー発生素子として、ヒータ（電気熱変換素子）が配備されている。また、記録ヘッド１１０内に形成される共通液室内には、流路形成部材１０３に設けられた液体導入路を通して、インクカートリッジ１２３からインクが供給される。吐出エネルギー発生素子としてのヒータを発熱させて、インクが発泡させることにより、その発泡エネルギーを利用して吐出口からインクを吐出させることができる。
【００１６】
図３は、吐出エレメント１０１におけるノズル近傍部分の一部切欠斜視図である。
【００１７】
記録ヘッド用基体（液体吐出ヘッド用基体）３０には、後述する複数の層および電極配線などが配備されている。また、基体３０には、インクを加熱して発泡させるための複数のヒータ（電気熱変換素子）２１が配備されており、そのヒータ２１には、それに通電するための電極配線が接続されている。その電極配線の一方には、ヒータ２１に対する通電を制御するためのスイッチングトランジスタなどを含む駆動回路（図示せず）が接続されている。スイッチングトランジスタは、制御用のゲート素子などの回路からなるＩＣによって駆動制御され、記録装置１２０からの信号に応じてヒータ２１を制御する。
【００１８】
ヒータ２１は、複数の流路２３のそれぞれに対応するように形成されている。それぞれの流路２３の一端は、対応する吐出口２４に連通し、それぞれの流路２３の他端は共通液室２５に連通している。流路２３は、基体３０、流路壁２０、天板２２で囲まれて管状をなしている。
【００１９】
図４は、基体３０の要部の平面図、図５は、ヒータ２１上に位置する図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図、図６は、ヒータ２１から離れて位置する図４のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。
【００２０】
本実施形態における記録ヘッド用基体３０は、シリコン基板１１上に、蓄熱層１２、第１の電極配線１３の下層（配線部）１３ａ、第１の電極配線１３の上層（バリアメタル）１３ｂ、および発熱抵抗層１６ａを形成した積層構造となっている。蓄熱層１２は熱酸化膜からなり、下層１３ａはＡｌ，Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｃｕなどからなり、上層１３ｂはＴａ、Ｗ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｍｏなど高融点金属からなり、絶縁層１５はＳｉＯ膜またはＳｉＮ膜からなる。発熱抵抗層１６ａはＴａＳｉＮ膜などからなり、その一部はヒータ２１を形成する。ヒータ２１に対応する絶縁層１５の部分には、図５のように、第１の電極配線１３側に位置する空間１４が形成されている。また、ヒータ２１に対応する領域以外の発熱抵抗層１６ａの部分には、図６のように、Ａｌ，Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｃｕなどからなる第２の電極配線の上層１６ｂが積層されており、発熱抵抗層１６ａと併せて第二の電極配線１６を形成している。さらに、ＳｉＯ膜またはＳｉＮ膜などからなる保護膜１７と、ヒータ２１の発熱に伴う化学的および物理的衝撃から保護膜１７を守るための耐キャビテーション膜１８が形成されている。
【００２１】
このように構成された記録ヘッド用基体３０の表面、すなわち耐キャビテーション膜１８の上面には、流路壁２０が配設されている。さらに、流路壁２０の上面には天板２２が設けられ、これにより複数の流路２３が高密度に隣接して形成される。それぞれの流路２３に対しては、１つまたは複数のヒータ２１が形成される。本例においては、それぞれの流路２３に対して１つのヒータ２１が形成されている。
【００２２】
次に、記録ヘッド用基体３０の製造方法の一例について説明する。
【００２３】
まず、単結晶シリコンからなるＳｉ（シリコン）基板１１に、熱酸化膜法、ＣＶＤ法などによって、１．１２μｍの熱酸化膜からなる蓄熱層１２を形成する。次に、その蓄熱層１２の上に、スパッタリング法によって厚さ１μｍのＡｌＳｉ層を形成する。その後、Ｔｉ（チタン）などからなる高融点金属をバリアメタルとして積層し、さらにフォトリソグラフィ法およびエッチングにより第１の電極配線１３（１３ａ，１３ｂ）を形成する。次に、プラズマＣＶＤ法などによって、ＳｉＯなどからなる膜厚０．９μｍの絶縁層１５を形成し、この絶縁層１５に、エッチングによりスルーホール（図示せず）を形成する。
【００２４】
ヒータ２１に対応する絶縁層１５の部分に対しては、次のようにして空間１４を形成する、すなわち、まずは、膜厚０．５μｍのＳｉＯ層をプラズマＣＶＤによって成膜する。次に、フォトリソグラフィ法およびエッチングによって、空間１４を形成する部分のＳｉＯ層を除去する。その後、エッチングによって形成された空間１４に相当する部分を埋めつくすように、プラズマＣＶＤ法によって、除去可能な犠牲層となるＳｉＮ膜を形成する。次に、エッチバックもしくはＣＭＰ（化学機械研磨）によりＳｉＯ層が０．４５μｍとなるように削る。さらに、その上に、残りの膜厚に相当する０．４５μｍのＳｉＯ層をプラズマＣＶＤによって形成する。その後、熱リン酸によって犠牲層のＳｉＮ膜のみを除去することにより、残ったＳｉＯ層に空間１４が形成される。この犠牲層を除去するためには、全ての空間１４となる部分を外周部に接続する必要がある。空間１４と空間１４の接続、および空間１４と外周部とを接続するための形態は任意である。例えば、空間１４と空間１４をそのままの形状で接続してもよく、また、空間１４と空間１４の間に絶縁層を柱状に残して、構造的な強度を増してもよい。
【００２５】
次に、Ｔａ−Ｓｉ合金ターゲットにＮ２ガスを用いた反応性スパッタリング法によって、ＴａＳｉＮからなる発熱抵抗層１６ａを形成する。さらに、その発熱抵抗層１６ａの上に、膜厚０．４μｍのＡｌＣｕ膜１６ｂをスパッタリング法により形成し、フォトリソグラフィ法およびエッチングを用いて第２の電極配線１６を形成する。
【００２６】
ヒータ（電気熱変換素子）２１は、次のようにして形成される。すなわち、第２の電極配線１６（１６ａ，１６ｂ）のうち、ヒータ２１に相当する部分のＡｌＣｕ膜１６ｂだけをエッチングすることにより、ヒータ２１を形成する。次に、プラズマＣＶＤ法によって、ＳｉＮからなる膜厚０．５μｍの保護膜１７を形成し、さらにスパッタリング法によって、膜厚０．２３μｍのＴａ膜による耐キャビテーション膜１８を形成する。
【００２７】
以上により、記録ヘッド用基体３０が作成される。
【００２８】
本実施形態において、それぞれのヒータ２１に接続される第２の電極配線１６（１６ａ，１６ｂ）は、スルーホールを介して絶縁層１５の下部に位置する第１の電極配線１３（１３ａ，１３ｂ）に接続される。そのため、本実施形態における記録ヘッド用基体３０は、同一平面上に第１，第２の電極配線１３（１３ａ，１３ｂ），１６（１６ａ，１６ｂ）を形成する場合に比べて、大幅にノズルの実装密度を高めることが可能である。このことは、高画質化が求められる記録装置に搭載される記録ヘッドとして、好適である。
【００２９】
また、本実施形態の記録ヘッド用基体３０においては、ヒータ２１と、その直下の第１の電極配線１３（１３ａ，１３ｂ）と、の間における絶縁層１５の部分に空間１４が形成されている。そのため、ヒータ２１において発生した熱は、通電されている第１の電極配線１３（１３ａ，１３ｂ）には伝達され難い。その結果、第１の電極配線１３（１３ａ，１３ｂ）におけるエレクトロマイグレーションの発生が抑制され、記録ヘッド用基体３０の故障率の低減、および寿命の大幅な向上を図ることができる。具体的には、エレクトロマイグレーションによるヒロック（突起）とボイド（空隙）の両方の発生を抑えることができる。
【００３０】
エレクトロマイグレーションによる平均寿命は、下式によって表わすことができる。
【００３１】
【数１】
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【００３２】
ＭＴＦ：平均寿命
Ａ：配線の材質、構造、寸法などに関する定数
Ｊ：電流密度
ｎ：電流密度に関する定数
Ｅａ：活性化エネルギー
ｋ：ボルツマン定数
Ｔ：絶対温度
上式によって表されるように、電流密度Ｊおよび絶対温度Ｔが平均寿命ＭＴＦを短くする要因になる。前述したように、本実施形態においては、発熱するヒータ２１と、その直下の第１の電極配線１３（１３ａ，１３ｂ）と、の間に空間１４が形成されている。そのため、ヒータ２１からの熱は、通電している第１の電極配線１３に対して伝わりにくくなり、ヒータ２１の直下の第１の電極配線１３の平均寿命ＦＴＭは、従来に比べて改善されることになる。従来のように、ヒータ２１と、その直下の第１の電極配線１３と、の間の絶縁層１５に空間１４が形成されていない場合には、第１の電極配線１３への通電時に、ヒータ２１からの熱が絶縁層１５を介して第１の電極配線１３に伝わる。そのため、第１の電極配線１３の平均寿命ＦＴＭが低下するおそれがある。
【００３３】
また、本実施形態において、ヒータ２１と空間１４との間には、図５のように、絶縁層１５の一部である絶縁膜１５ａが位置する。このように、絶縁膜１５ａを介して、空間１４を第１の電極配線１３（１３ａ，１３ｂ）側に形成しているために、安定した構造となる。仮に、ヒータ２１の直下に空間１４を形成した場合には、ヒータ２１が空間１４上に浮いた形態となり、不安定な構造となる。
【００３４】
このように、ヒータ２１の熱が第１の電極配線１３に伝わり難くして、第１の電極配線１３におけるエレクトロマイグレーションの発生を抑制して、その長寿命化を実現することができる。また、エレクトロマイグレーションによるヒロック（突起）とボイド（空隙）の両方の発生を抑えることができるため、ヒロックの発生を抑制するために積層される高融点金属のバリアメタルを削減することができ、製造コストの低減を図ることも可能となる。また、複数のノズルを高密度に形成するために、ヒータ２１と第１の電極配線１３を絶縁層１５の一方側と他方側とに分けて形成して、ヒータ２１および第１の電極配線１３の高密度に配備することができる。
【００３５】
（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態における記録ヘッド用基体３０の説明図であり、前述した図５と同様に、ヒータ２１上に位置する部分の断面図である。第１の実施形態において、絶縁層１５内の空間１４は第１の電極配線１３側に形成されている。本実施形態において、絶縁層１５内の空間１４は、ヒータ２１と第１の電極配線１３のいずれにも接しないように、それらの中間に形成されている。
【００３６】
本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、ヒータ２１の発熱時の熱は、第１の電極配線１３に伝わりにくくなり、その長寿命化を実現することができる。
【００３７】
（他の実施形態）
前述した実施形態においては、ヒータ２１から第１の電極配線１３への熱伝導を抑制するための断熱部として、絶縁層１５におけるヒータ２１と第１の電極配線１３との対向部分に空間１４を形成した。しかし、その断熱部は空間１４のみに特定されず、例えば、絶縁層１５よりも熱伝導率が低い部材によって形成してもよい。また、空間１４内に不活性ガスなどを入れてもよい。要は、ヒータ２１から第１の電極配線１３への熱伝導を抑制することができればよい。
【００３８】
また本発明は、種々の液体を吐出可能な液体吐出ヘッドに備わる液体吐出ヘッド用基体、その液体吐出ヘッド用基体を備える液体吐出ヘッド、液体吐出装置、および液体吐出ヘッド用基体の製造方法として広く適用することができる。また本発明は、液体を吐出可能な液体吐出ヘッドを用いて、種々の媒体（シート）に対して、種々の処理（記録、加工、塗布、照射、読取、検査など）を施す液体吐出装置に対しても適用可能である。その媒体（記録媒体を含む）は、紙、プラスチック、フィルム、織物、金属、フレキシブル基板等、材質は問わず、インクを含む液体が付与される種々の媒体を含む。
【符号の説明】
【００３９】
１１  シリコン基板
１３  第１の電極配線
１３ａ  第１の電極配線の配線層
１３ｂ  バリアメタル層
１４  空間
１５  絶縁層
１６  第２の電極配線
１６ａ  発熱抵抗層
１６ｂ  第２の電極配線の配線層
２１  電気熱変換素子（ヒータ）
２４  吐出口
３０  記録ヘッド用基体（液体吐出ヘッド用基体）
【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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【図７】
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