(57)【要約】【課題】  インクジェットヘッドやインクジェット装置の電気熱変換体の構成に好適な高耐久性でかつ高抵抗値を達成した発熱抵抗体を提供すること。【解決手段】  Ｃｒ：15〜20原子％、Ｓｉ：40〜60原子％、Ｎ：20〜45原子％の組成を有し、これらで100原子％となるか、またはほぼ100原子％となる薄膜を発熱抵抗体として用いる。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｒ、Ｓｉ及びＮからなる発熱抵抗体薄膜であって、
以下の組成：
Ｃｒ：15〜20原子％
Ｓｉ：40〜60原子％
Ｎ：20〜45原子％
を有し、これらで100原子％となるか、またはほぼ100原子％となることを特徴とする発熱抵抗体薄膜。
【請求項２】
基板と、該基板上に設けられた、Ｃｒ、Ｓｉ及びＮからなる発熱抵抗体薄膜であって、
以下の組成：
Ｃｒ：15〜20原子％
Ｓｉ：40〜60原子％
Ｎ：20〜45原子％
を有し、これらで100原子％となるか、またはほぼ100原子％となる発熱抵抗体薄膜と、を有することを特徴とするインクジェットヘッド用基体。
【請求項３】
Ｃｒ、Ｓｉ及びＮからなる発熱抵抗体薄膜であって、
以下の組成：
Ｃｒ：15〜20原子％
Ｓｉ：40〜60原子％
Ｎ：20〜45原子％
を有し、これらで100原子％となるか、またはほぼ100原子％となる発熱抵抗体薄膜が発生する熱エネルギーを利用してインクを吐出することを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項４】
前記発熱抵抗体薄膜はＣｒ、Ｓｉ及びＮが９９．５原子％以上１００原子％未満であり、残りが不純物からなることを特徴とする請求項３に記載のインクジェットヘッド。
【請求項５】
前記発熱抵抗体薄膜の膜厚は、200Å以上、1000Å以下であることを特徴とする請求項３に記載のインクジェットヘッド。
【請求項６】
前記発熱抵抗体薄膜の膜厚は、300Å以上、800Å以下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。
【請求項７】
Ｃｒ、Ｓｉ及びＮからなる発熱抵抗体薄膜であって、
以下の組成：
Ｃｒ：15〜20原子％
Ｓｉ：40〜60原子％
Ｎ：20〜45原子％
を有し、これらで100原子％となるか、またはほぼ100原子％となる発熱抵抗体薄膜が発生する熱エネルギーを利用してインクを吐出するインクジェットヘッドと、
該インクジェット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インクジェット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェット方式により、紙、プラスチックシート、布、各種物品等からなる記録媒体に対してインクを吐出して、文字、記号、画像等の記録、印刷等を行うインクジェット装置の吐出用の熱エネルギー発生手段としての電気熱変換体を構成するのに好適な発熱抵抗体膜、該発熱抵抗体膜を用いた電気熱変換体を有するインクジェットヘッド用基体及びインクジェット装置、ならびにこれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット装置は、吐出口から記録用等の機能性液体（以下「インク」と総称する。）を記録媒体に吐出させて文字、記号、画像等の記録やインクに含まれる成分の各種表面への付与を行うための構成を有するもので、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を発生す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号明細書(特許文献１）及び米国特許第4740796号明細書（特許文献２）参照）。
【０００３】
インクジェット装置の構成に使用されるヘッドの基板要部の一般的な構成を図１に示す。また、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には複数の吐出口1001が設けられ、また、これからそれぞれ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電気熱変換体1002が各インク流路1003毎に基板1004上に設けられている。電気熱変換体1002は、少なくとも、発熱抵抗体1005と、これに接続されて電力を供給するための一対の電極配線1006と、を有して構成され、図１に示す装置では、発熱抵抗体1005の上部のインクへの熱作用面を形成する部分を少なくとも覆う保護層としての絶縁膜1007が設けられている。
【０００５】
また、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上の電気熱変換体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】
このインクジェットヘッドの有する基体部分は、図２に示すとおり、シリコン基板2001上に、シリコン基板表面の熱酸化膜からなる蓄熱層2002、蓄熱機能を兼ねるSiO膜、SiN膜等からなる層間膜2003、発熱抵抗層2004、Al、Al-Si、Al-Cu等の金属あるいは合金からなる電極層から構成される金属配線2005、SiO膜、SiN膜等からなる保護層2006及び耐キャビテーション膜2007を、この順に形成した構造を有する。また、なお耐キャビテーション膜2007は、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を守るためのもので、インクとの接触面となる部分に熱作用部2008を形成している。図１に示した発熱抵抗体1005は、発熱抵抗層2004の所定部を電極層2005間に所定の形状で露出させた部分として形成される。
【０００８】
このような構造を有するインクジェット装置の記録ヘッドに用いられる発熱抵抗体としては、一般にサーマルプリントヘッドに用いられる発熱抵抗体とは異なるものが用いられる。
【０００９】
これは、サーマルプリントヘッドでは、発熱抵抗体には1msec.の時間に１W程度の電力が印加されるのに対し、インクジェットヘッドでは短時間でインクを気化させるために、例えば7μsecの間に3W〜4W相当の電力を発熱抵抗体に印加するためである。そして、これは、サーマルプリントヘッドに印加する電力の数倍の大きさであるため、インクジェットヘッドの発熱抵抗体ではサーマルプリントヘッドに比べて短い時間により熱ストレスを受けやすいものとなっている。
【００１０】
従って、発熱抵抗体としては、サーマルプリントヘッドに用いられるものとは異なるインクジェットヘッドに特有な吐出、駆動方法を考慮し、それに適した発熱抵抗体の設計（膜厚、ヒーターサイズ、形状など）が必要であり、サーマルプリントヘッド分野で使用されている発熱抵抗体を単にそのままインクジェットヘッドに適用することは困難であるということがわかっている。
【００１１】
ところで、前述したように、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。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。
【００１２】
また、高速記録を行うためには、従来より一層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。
【００１３】
しかしながら、上述の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。
【００１４】
図３により、このようなヒーターサイズの差異による各種駆動条件の関係を概略的に説明する。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もの（Ａ）から、小さいもの（Ｂ）に変化した時の駆動パルス幅に対する発熱抵抗体のシート抵抗及び電流値の変化を示すものである。また図３（ｂ）は、同様にして駆動パルス幅が一定の時にヒーターサイズが変化した時の、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との関係を示すものである。
【００１５】
これらの図における駆動条件と発熱抵抗体のサイズとの関係から明らかなとおり、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は消費される電流値が小さくなり、ヒーター以外の抵抗部分におけるエネルギー消費が少なくなり、省エネルギー化が達成できる。特に、発熱抵抗体を複数配置した多ノズル構成の場合はその効果は大きくなる。
【００１６】
そこで、特開平10−114071号公報(特許文献３)では、インクジェットヘッドの発熱抵抗体を、ＴａxＳｉyＮzからなり、ｘ=20〜80at.%、ｙ=3〜25at.%、ｚ=10〜60at.%である薄膜で構成することにより、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、インクジェット記録ヘッドに用いた場合に省エネルギー化を可能にすることができる構成を開示している。
【００１７】
なお、インクジェットヘッドに使用される発熱抵抗体に求められる特性には高抵抗化できることと同時に満足すべき重要な特性がある。それは耐久性である。
【００１８】
インクジェットヘッドの抵抗体は短パルスの高周波電力を投入されて発熱を繰り返し、その発熱の周期に従ってインク中に気泡が発生し、インクが吐出される。この時発熱抵抗体は、600〜700℃の温度まで到達しており室温とこの高温を繰り返し時に、抵抗体の抵抗値が変化するとインクを吐出するうえで非常に問題になる。
【００１９】
すなわち、インクジェットヘッドでは一般的に定電圧駆動を行っているので、駆動中に抵抗値が大きく変化するとトラブルが発生する。たとえば、抵抗値が減少した場合には過剰電流で抵抗体の寿命が極端に短くなり、また抵抗値が増大した場合には、電流が減少してインク吐出ができなくなる可能性も出てくる。そこで抵抗体の耐久特性としては、実際に抵抗体が経験する温度履歴後でも、抵抗体の抵抗値変動が極小であることが必要である。このような耐久性については、材料の抵抗温度係数（TCR特性）を評価することで、ある程度予測可能である。
【００２０】
一般的に、抵抗体のTCR特性が非常に小さい（理想的にはゼロが望ましい）ほど、その耐久性も良いことがわかっている。抵抗体の材料開発においては、高抵抗化と耐久特性が同時に満足しなければならないことが非常に重要になる。上述の公報では、比抵抗が2500μΩ・cm 以下とすることにより、このTCR特性を好ましいものとすることができるとしている。
【００２１】
ところで、近年の高画質化の傾向としては、粒状感を実質的になくすことに主眼が置かれ、そのための液滴の吐出量としては、１ｐｌ以下の吐出量が望まれている。今後要求される１ｐｌ以下の吐出量において、高駆動周波数、多ノズルのインク吐出を行なう際には、駆動電圧を下げずにヘッドの昇温を抑え、吐出を安定化するために、例えば駆動電圧２４V、パルス幅１μｓ、ヒーターサイズ１７μｍ×１７μｍとすると、700Ω／□以上のシート抵抗が必要と考えられる。ところが、上述のTaSiNでは、上述の公報の記載のように、このTCR特性を好ましいものとするためには、比抵抗が2500μΩ・cm 以下とすることが記載されている。すなわち、上述のTaSiNで近年求められている700Ω／□以上のシート抵抗（比抵抗にして3000μΩ・cm以上）を達成しようとすると、その時のＴＣＲ特性が悪く耐久特性が不十分となってしまう。また、このように抵抗を上げた場合には、比抵抗のばらつき大きい等の生産性の問題も生じる。
【００２２】
そのため我々は更なる高抵抗化と耐久性を同時に満足する材料として新規な材料を見出す必要が発生したのである。また生産性においてもマージンが十分とれる新たな材料が必要になったのである。
【００２３】
なお、上述のシート抵抗を得られる材料としては、特公平2-18651号公報(特許文献４)、米国特許第4392992号明細書(特許文献５)、米国特許第4510178号明細書(特許文献６)、米国特許第459182号明細書(特許文献７)等によりCrSiN膜の構成が開示されている。しかしながら、これら公報ではCrSiN膜でどのような原子組成を有するものがインクジェットヘッドの電気熱変換体の発熱抵抗体として有用かについての記載や示唆はこれらの公報にはまったくなく、特に耐久性まで満足する構成は見つけられていなかった。
【特許文献１】米国特許第4723129号明細書
【特許文献２】米国特許第4740796号明細書
【特許文献３】特開平10-114071号公報
【特許文献４】特公平2-18651号公報
【特許文献５】米国特許第4392992号明細書
【特許文献６】米国特許第4510178号明細書
【特許文献７】米国特許第4591821号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
従って、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材料にかかる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として好適な発熱抵抗体薄膜及びその製造方法を提供することにある。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、安定したインクの吐出を可能とする発熱抵抗体薄膜を電気熱変換体の発熱抵抗体として有するインクジェット装置、その構成に用いるインクジェットヘッド用基体及びこれら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】
【００２５】
上記目的を達成し得る本発明にかかる発熱抵抗体膜は、Ｃｒ、Ｓｉ及びＮからなる発熱抵抗体薄膜であって、
以下の組成：
Ｃｒ：15〜20原子％
Ｓｉ：40〜60原子％
Ｎ：20〜45原子％
を有し、これらで100原子％となるか、またはほぼ100原子％となることを特徴とするものである。
【００２６】
この発熱抵抗体薄膜としては、窒素ガス及びアルゴンガスを含む混合ガス雰囲気中でCrSi合金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されたものが好ましい。
【００２７】
本発明にかかるインクジェットヘッド用基体は、インクを吐出するために利用される熱エネルギーを通電により発生する発熱抵抗体を有する電気熱変換体を基板上に備えたインクジェットヘッド用基体において、
前記発熱抵抗体が、Ｃｒ、Ｓｉ及びＮからなり、以下の組成：
Ｃｒ：15〜20原子％
Ｓｉ：40〜60原子％
Ｎ：20〜45原子％
を有し、これらで100原子％となるか、またはほぼ100原子％となる発熱抵抗体薄膜であることを特徴とするものである。この基体における発熱抵抗体薄膜の厚さは、300Å以上、800Å以下であることが好ましい。また、上記の電気熱変換体は、上記発熱抵抗体に通電するための一対の電極を有する構成とすることができる。更に、この基体は、上記の熱エネルギーをインクに作用させる熱作用面を有し、該熱作用面が少なくとも前記発熱抵抗体を覆う保護層により構成されていることが好ましい。また、前記発熱抵抗体を複数有する構成とすることもできる、更に、この基体は、上記発熱抵抗体薄膜が、窒素ガス及びアルゴンガスを含む混合ガス雰囲気中でCrSi合金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されたものであることが好ましい。
【００２８】
本発明にかかるインクジェットヘッドの他の態様は、インクを吐出するインク吐出口と、該インク吐出口に連通し、該インク吐出口からのインクの吐出のために利用される熱エネルギーをインクに作用させるための熱作用面を有するインク流路と、通電により該熱エネルギーを発生する発熱抵抗体を有する電気熱変換体と、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、Ｃｒ、Ｓｉ及びＮからなり、以下の組成：
Ｃｒ：15〜20原子％
Ｓｉ：40〜60原子％
Ｎ：20〜45原子％
を有し、これらで100原子％となるか、またはほぼ100原子％となる発熱抵抗体薄膜であることを特徴とするものである。
【００２９】
本発明にかかるインクジェット装置は、インクを吐出するためのインクジェットヘッドと、該インクジェットヘッドに記録用の信号を付与する手段と、を有するインクジェット装置において、該インクジェットヘッドが、上記態様の構成のインクジェットヘッドであることを特徴とするものである。
【００３０】
この装置は、前記インクジェットヘッドを載置するためのキャリッジを具備する構成とすることができ、また、その発熱抵抗体薄膜としては、窒素ガス及びアルゴンガスを含む混合ガス雰囲気中でCrSi合金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されたものを用いることができる。
【００３１】
本発明にかかる上記組成の発熱抵抗体薄膜の製造方法は、基板の所定面に、窒素ガス及びアルゴンガスを含む混合ガス雰囲気中でCrSi合金をターゲットとした反応性スパッタリング法により該発熱抵抗体薄膜を形成することを特徴とするものである。この方法は、前記薄膜形成工程の後に、前記薄膜の熱処理工程を更に有することができる。
【００３２】
本発明にかかるインクジェットヘッド用基体の製造方法は、上記構成のインクジェットヘッド用基体の製造方法であって、基板の所定面に、窒素ガス及びアルゴンガスを含む混合ガス雰囲気中でCrSi合金をターゲットとした反応性スパッタリング法により前記発熱抵抗体薄膜を形成する工程を有することを特徴とするものである。この方法も、前記薄膜形成工程の後に、前記薄膜の熱処理工程を更に有することができる。
【００３３】
本発明にかかるインクジェット装置の製造方法は、上記構成のインクジェット装置の製造方法であって、基板の所定面に、窒素ガス及びアルゴンガスを含む混合ガス雰囲気中でCrSi合金をターゲットとした反応性スパッタリング法により前記発熱抵抗体薄膜を形成する工程を有することを特徴とするものである。この方法も、前記薄膜形成工程の後に、前記薄膜の熱処理工程を更に有することができる。
【００３４】
CrSi系材料はサーマルヘッド用の発熱抵抗体の構成材料として公知であるが、この材料の元素構成及び原子数組成をどのようにすることで、先に挙げた本発明の目的を達成し得るインクジェットヘッドの電気熱変換体の発熱抵抗体として好適なものとなるかについての知見は従来においては得られていない。本発明は、Ｃｒ及びＳｉに対して更に、Ｎを元素成分として追加し、前記した特定の原子数組成とすることで先に挙げた目的を達成できるとの新たな知見を得るに至り、本発明を完成した。
【００３５】
本発明によれば、比較的短いパルスを用いた駆動による熱応答性に優れ、高いシート抵抗値を有することができ、かつヒーターサイズの更なる微小化に好適な発熱抵抗体材料としての発熱抵抗体薄膜を提供することができる。そして、この発熱抵抗体薄膜を電気熱変換体の発熱抵抗体に用いることで、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、安定したインクの吐出を可能とし、更に、駆動における消費電流値を小さくして省エネルギー化にも寄与できるインクジェット装置、該装置に用いるインクジェットヘッド及び該インクジェットヘッドを構成するための基体を提供することが可能となる。
【発明の効果】
【００３６】
以上説明したように、本発明によれば、薄膜抵抗体薄膜、特に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、CrSiNで表わされる材料からなる薄膜でかつ、Ｃｒ：15〜20at%、Ｓｉ：40〜60at%、N:20〜45at%から構成されている。
【００３７】
本発明によるインクジェット記録ヘッドの発熱抵抗体は、短い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。
【００３８】
本発明によるインクジェット記録ヘッドは、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、インクジェット記録ヘッドに用いた場合にはエネルギー効率が高い、つまり発熱を抑えることができ、省エネを可能にすることができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
本発明にかかる発熱抵抗体薄膜は、Ｃｒ、Ｓｉ及びＮからなり、以下の組成：
Ｃｒ：15〜20原子(at)％
Ｓｉ：40〜60原子％
Ｎ：20〜45原子％
を有し、これらで100原子％となるものである。
【００４０】
なお、この発熱抵抗体薄膜は、その所望とする特定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、Ｃｒ、Ｓｉ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Ｃｒ、Ｓｉ及びＮの合計原子数（Ｃｒ＋Ｓｉ＋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。これらの合計が100原子％未満であって、残りが不純物であってもよい。
【００４１】
すなわち、薄膜の表面や内部は大気に触れたり、あるいはスパッタ法等による作製の工程の中で酸化されたり、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酸化や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、Ｏ、Ｃ、Ｓｉ、Ｂ、Ｎａ、ＣｌおよびＦｅ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。
【００４２】
本発明に係る発熱抵抗体薄膜は、以下の組成：
Ｃｒ：17〜20原子％
Ｓｉ：42〜55原子％
Ｎ：28〜40原子％
を有し、これらで100原子％となるか、またはほぼ100原子％となるのがより好ましい。
【００４３】
インクジェットヘッドの電気熱変換体の発熱抵抗体として使用した場合における発熱抵抗体薄膜の膜厚は、例えば200Å以上、1000Å以下が好ましく、300Å以上、800Å以下が一層好ましい。
【００４４】
この発熱抵抗体薄膜は、上記の原子％で規定される組成を有することで、シート抵抗値が格段に向上しており、また、インクジェットヘッドの電気熱変換体の発熱抵抗体として使用した場合における良好な駆動安定性を確保することができる。上記組成を有する発熱抵抗体膜は、更に、シート抵抗値が大きいことで、消費電力、特に、より小さな電流値で良好な駆動状態を得ることが可能であり、省エネルギーの観点や、小電流の電池を用いる小型のインクジェット装置への適用という観点において好適な特性を有するものである。また、電気熱変換体への入力信号（吐出指令信号）に対しての応答性が向上し、吐出に必要な発泡状態を安定して得ることができる。
【００４５】
上記組成の発熱抵抗体薄膜を用いてインクジェットヘッド及びそれに用いる基体を構成することができ、更に、これらを用いたインクジェット装置を提供することができる。
【００４６】
このようなインクジェットヘッドの構造の一例としては、先に図１及び２により説明した構造を挙げることができる。本発明にかかるインクジェットヘッド用基体及びそれを用いたインクジェットヘッド用基体では、図２で示す発熱抵抗体層2004に上記組成の発熱抵抗体薄膜が用いられる。
【００４７】
ところで、このインクジェットヘッド用基体は、発熱抵抗体上に保護層が設けられた形態を基本的構成とするものである。その場合には、インクへの熱伝導効率は多少犠牲になるものの、電気熱変換体の耐久性や電気化学反応による発熱抵抗体の抵抗変化といった点では一層優れたインクジェットヘッドを得ることができる。このような観点から、保護層は、その全体の層厚を１０００Å〜５μｍの範囲に収めるのが好ましい。保護層として具体的には、発熱抵抗体の上に設けられたＳｉＯ2、ＳｉＮ等からなるＳｉ含有絶縁層と、その層の上に熱作用面を形成するように設けられたＴａ層とを有するものが好ましい例として挙げられる。
【００４８】
なお、本発明にかかるインクジェットヘッド用基体は、インクを吐出するために利用される熱エネルギーを通電により発生する発熱抵抗体を有する電気熱変換体を基板上に備えた構成を少なくとも有するもので、発熱抵抗体に接続する一対の電極及び少なくとも発熱抵抗体上を覆う保護層などの１種以上を更に有する。
【００４９】
図２に示す構成では、発熱抵抗体層4004上に電極層2005が積層されて電極層2005の対向する一対の端部間に発熱抵抗体層4004の露出部が形成されて電気熱変換体が構成されており、この露出部を構成する発熱抵抗層が抵抗体としての機能を有するものである。発熱抵抗体層と電極層との位置関係は、発熱抵抗体層の下側に電極層の端部が位置する構成としてもよい。
【００５０】
図２に示す基体の各熱作用面に対応した位置に、図１に示すように、少なくともインク流路を形成することで、インクジェットヘッドを得ることができる。なお、インク流路は公知の材料及び方法により形成することができる。
【００５１】
更に、図１及び２に示す構造では、インク流路におけるインクの供給方向と吐出口からのインクの吐出方向がほぼ一致する吐出口とインク流路の位置関係を有するものであるが、本発明にかかるインクジェットヘッドはこの構造に限定されず、例えば図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、支持部材４１２により支持されて、インク流路の一部（天井部分）を構成する吐出口プレート４１０に吐出口１０８を複数設け、インク流路へのインク供給方向に対して角度をもって（図示した例では直交する方向）吐出口から吐出させる構造としてもよい。
【００５２】
本発明のインクジェットヘッドは、吐出口、インク液路および発熱抵抗体を有するインク吐出構造単位が、図１に示されるように複数配置されている構造を有するものが好ましい。特に、発熱抵抗体に用いる発熱抵抗体薄膜はシート抵抗が高く、小型化に適するものであるので、インク吐出単位を例えば８本／ｍｍ以上、更には１２本／ｍｍ以上といったように高密度に配置する場合に、本発明は特に有効である。このインク吐出構造単位を複数有するものの一例として、例えば被記録部材の印字領域の全幅にわたってインク吐出構造単位が配列されている構成を有するいわゆるフルラインタイプのインクジェットヘッドを挙げることができる。
【００５３】
このような、吐出口が被記録部材の記録領域の幅に対応して複数設けられた形態のいわゆるフルラインインクジェットヘッドの場合、言い換えれば吐出口が１０００以上あるいは２０００以上配設されたインクジェットヘッドの場合、一つのインクジェットヘッドの中での発熱部毎の抵抗値のばらつきが、吐出口から吐出される滴の体積の均一性に影響を及ぼし、それが画像の濃度不均一の原因となることがある。しかし、本発明における発熱抵抗体では、所望の比抵抗値を制御性よく、一つのインクジェットヘッドの中での抵抗値のばらつきが極めて少ないように得ることができるので、前述した問題を格段に良好な状態をもって解消することができる。
【００５４】
このように、本発明における発熱抵抗体は、記録の高速化（例えば３０ｃｍ／ｓｅｃ以上、更には６０ｃｍ／ｓｅｃ以上の印字速度）、高密度化が一層求められ、それに対応してインクジェットヘッドの吐出口の数が増加する傾向の中、ますます大きな意味をもつものである。
【００５５】
さらに、米国特許第４，４２９，３２１号明細書に開示されているような、機能素子がインクジェットヘッド基体の表面内部に構造的に設けられている形態のインクジェットヘッドにおいては、インクジェットヘッド全体の電気回路を設計通りに正確に形成して、機能素子の機能が正常な状態に保たれやすくすることが重要な点の一つであるが、本発明における発熱抵抗体はこの意味でも極めて有効である。なぜならば、前述したように、本発明における発熱抵抗体では、所望の比抵抗を制御性よく、一つのインクジェットヘッドの中での抵抗値のばらつきが極めて少ないように得ることができるので、インクジェットヘッド全体の電気回路を設計通り正確に形成することができるからである。
【００５６】
加えて、熱作用面に供給されるインクを貯留するインクタンクを、必要に応じて着脱自在として、一体的に具備するディスポーザブルカートリッジタイプのインクジェットヘッドに対しても、本発明における発熱抵抗体は極めて有効である。なぜならば、この形態のインクジェットヘッドには該インクジェットヘッドが装着されるインクジェット装置全体のランニングコストが低いことが要求されるが、前述したように、本発明における発熱抵抗体は、インクに直接接する構成とすることができるので、インクへの熱伝達効率を良好なものとすることができ、故に装置全体での消費電力を小さくできて前記の要求に沿うことが容易にできるからである。
【００５７】
また、インクを吐出するために利用される熱エネルギーの発生のためのみに限らず、必要に応じて設けられるインクジェットヘッド内の所望の部分の加熱用のヒーターとして利用してもよく、そのようなヒーターがインクと直接接する場合に特に好適に用いられる。
【００５８】
以上述べた構成のインクジェットヘッドを装置本体に装着して装置本体からインクジェットヘッドに信号を付与することにより、高速記録、高画質記録を行うことができるインクジェット記録装置を得ることができる。
【００５９】
図８は本発明が適用されるインクジェット記録装置ＩＪＲＡの一例を示す概観斜視図である。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５００５の螺旋溝５００４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ａ，ｂ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の回転方向切換等を行うためのホームポジション検知手段である。５０１６はインクタンクが一体的に設けられたカートリッジタイプの記録インクジェットヘッドＩＪＣの全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を介して記録インクジェット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に限らず、周知のクリーニングブレードを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換え等の公知の伝達手段で移動制御される。インクジェットヘッドＩＪＣに設けられた電気熱変換体に信号を付与したり、前述した各機構の駆動制御を司ったりするＣＰＵは、装置本体側に設けられている（不図示）。
【００６０】
以上、インクジェットヘッドをキャリッジに搭載して記録媒体に対して走査させる形式の装置について説明したが、本発明のインクジェットヘッドおよびインクジェット装置はインクジェットヘッドとインクタンクとが一体化されたペンタイプの装置としてもよい。更に、インクジェットヘッドはインク流路に供給するインクを保持するインク室を必要に応じて複数のインク流路に共通に設けることができ、各インク室ごとに異なる色のインク、例えば、シアン、マゼンタ、イエロー、必要に応じてブラックのインクをそれぞれ供給して、フルカラー画像の記録を行うことができる。また、インクを貯溜するインクタンクは、先に述べたとおりインクイジェットヘッドと一体化して、あるいはインクジェットヘッドと着脱自在に接続して用いることができる。あるいは、インクジェット装置のインクジェットヘッド以外の部分に対して、必要に応じて着脱自在に接続して設けることもできる。
【００６１】
以上述べた各構成において発熱抵抗体以外の部分は、公知の材料および方法を用いて形成することができる。
【００６２】
本発明にかかる発熱抵抗体薄膜は、先に示した組成を有する所定の特性を満たす薄膜として各種の成膜法で作製可能である。これらの中では、反応性スパッタリング法、特に、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が好ましい。
【００６３】
例えば、窒素ガス及びアルゴンガスを含む混合ガス雰囲気中でCrSi合金をターゲットとした反応性スパッタリング法により基板上に発熱抵抗体薄膜を形成することができる。
【００６４】
図４に反応性スパッタリング法による薄膜形成装置の概要の一例を示す。
【００６５】
図４において、4001はあらかじめ所定の組成に作製されたCr-Siからなるターゲット、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。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。
【００６６】
図４の装置を用いた成膜は、以下の様に行われる。
【００６７】
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。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。その際の薄膜形成条件は、先に挙げた組成が得られるように設定される。
【００６８】
基板上に形成された発熱抵抗体薄膜は、更に加熱処理されることがこのましい。加熱処理はスパッタ装置内でそのまま行うこともでき、また、後工程で別の装置により熱処理してもよい。
【００６９】
この加熱処理により、発熱抵抗体薄膜を構成するCrSiN中にCrSi2からなる金属間化合物が生成され、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の更なる向上を図ることができる。これらの事から、CrとSiの組成比としては、1：2に近いことが好ましい。この状態で、膜中に窒素が混入することで、比抵抗が上昇すると予想される。かかる発熱抵抗体薄膜からなる発熱抵抗体は、ヒーターサイズが小さいものにして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。なお、こうして形成された発熱抵抗体薄膜の形状は、隔週のパターニング方法、例えば、レジストによって残す部分を覆った状態でドライエッチングを行って不要部を基板上から除去する方法などを好適に用いることができる。
【実施例】
【００７０】
以下に、本発明の実施の形態を実施例等に基づいて以下に説明する。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。
【００７１】
実験例１
（薄膜の生産安定性の評価）
CrSiN膜の生産安定性について評価を行った。ターゲット組成Cr30Si70(at%)、パワー350Ｗ、ガス圧0.5Paを主なスパッタ条件で窒素分圧を変化させて成膜して、窒素分圧と比抵抗の関係を求めた。（スパッタ装置については図４参照）その結果を図６に示す。この図からわかるように比抵抗は窒素分圧が15％（比抵抗値：〜1700μΩｃｍ）までほぼ比例関係にあり、窒素分圧20％程度までほぼ単調に比抵抗が増加している。このような関係にあることから、比抵抗に対する窒素分圧の変動マージンが大きくなり量産時の生産安定性を考慮すると非常に優れた材料であることがわかった。
【００７２】
CrSiN膜は、特公平2-18651号公報、ＵＳＰ4392992、4510178、459182等により開示されているが、どのような原子組成を有するものがインクジェットヘッドの電気熱変換体の発熱抵抗体として有用かについての記載や示唆はこれらの公報にはまったくない。
【００７３】
＜インクジェットヘッド用基体の評価＞
実施例１
（図２に示す構成の基体の作製）
まず、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、図４に示す装置を用いて、発熱抵抗層2004としてCrSiN膜を膜厚400Å形成した。
【００７４】
この時のガス流量は、Arガス：64sccm、N2ガス：20sccmとし、ターゲットCr30Si70に投入するパワーは350Wとし、雰囲気温度200℃、基板温度200℃で行った。  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5500Åスパッタリング法により形成した。
【００７５】
これを、フォトリソによりパターン形成し、Al-Cu層を取り除いた15μm×40μm（平面形状サイズ）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2000Å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、910Ω／□であった。TCR特性は40ppm/℃程度である。
【００７６】
また、RBS組成分析によるCrSiNの組成比はCr：20at%,Si：42at%,N：38at%であった（RBSは一般的な膜組成の定量分析手法でラザフォード、バックスキャッタリングの略である。）
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、図４に示す装置により、Ta、Siターゲットを用いた２元同時スパッタリング法により膜厚1000ÅのTaSiN膜を形成した。この時のガス流量は、Arガス45sccm、N2ガス15sccm、窒素ガス分圧25%とし、Taターゲットへの投入パワー500W、Siターゲットへの投入パワー150W、雰囲気温度200℃、基板温度200℃で行った。発熱抵抗層のシート抵抗値は270Ω／□であった。
【００７７】
以上の実施例１及び比較例１で得られた基体について以下の項目に関する評価を行った。
【００７８】
（発泡電圧、電流）
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。すなわち、実施例１では、Vth=36V、電流値は16mAであったのに対し、比較例１ではVth=24V、電流値は35mA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1/2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、省エネルギー効果が得られることが理解されよう。
【００７９】
（耐久性）
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行った。
主な試験条件
駆動周波数：15KHz、駆動パルス幅：1μsec.駆動電圧：発泡電圧×1.2
その結果、実施例１、比較例１ともに4.0×E9（4.0×109）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。さらに耐久性について、以下のようにして作成した比較例２についても同様に評価した。
【００８０】
発熱抵抗層2004を、次のように変更する以外は、比較例１と同様に作製することにより比較例２の基体を得た。すなわち、図４に示す装置により、Ta、Siターゲットを用いた２元同時スパッタリング法により膜厚1000ÅのTaSiN膜を形成した。この時のガス流量は、Arガス42sccm、N2ガス18sccm、窒素ガス分圧30%とし、Taターゲットへの投入パワー400W、Siターゲットへの投入パワー50〜200W、雰囲気温度200℃、基板温度200℃で行った。また、RBS組成分析によるTaSiNの組成比はTa：32at%,Si：6at%,N：62at%であった。なお、この比較例２の発熱抵抗層の比抵抗ρは、9800μΩcmであった。
【００８１】
このようにして作成した比較例２の基体では、4.0×E9（4.0×109）パルスのはるか前に破断してしまい、抵抗値は十分なものの耐久性が十分でないことがわかった。
【００８２】
本発明においては、高抵抗値と抵抗安定性とを兼ね備えるCrSiN膜として、発熱抵抗体膜がＣｒ、Ｓｉ及びＮからなり、以下の組成：
Ｃｒ：15〜20原子(at)％
Ｓｉ：40〜60原子％
Ｎ：20〜45原子％
を有し、これらで100原子％となるものである。ここで、Ｃｒ＜15原子(at)％、Ｎ＞45原子(at)％のときには、耐久性が十分でなくなりＣｒ＞20原子(at)％、Ｓｉ＞60原子(at)％、Ｎ＜20原子(at)％のときには、抵抗値が十分に得られないものと考えられる。このことを確認するために以下の評価を行なった。
＜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及び２ともう１つ異なる成膜条件でCrSiN膜を有する図１及び２に示す構造の基体の各発熱抵抗体に対応した位置にインク流路を形成した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。
【００８３】
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１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。
【００８４】
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。
【００８５】
次に、スパッタ法、CVD法などによってSiO2成る膜厚1.2μmの層間絶縁膜2003を形成した。次いで、CrSi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。
【００８６】
電極配線2005としてAl-Si膜を5500Å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-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から成る膜厚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2300Å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。
【００８７】
このようにして作製された基体を用いてCST試験を行った。
【００８８】
次に、純水における駆動電圧Vop=1.４Vth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たときの以下のサンプル1から4の抵抗値変化率を図５に示した。
ＣＳＴ評価
サンプル１：Ｃｒ14Ｓｉ51Ｎ35（ターゲット組成比：Ｃｒ/Ｓｉ=22.5/77.5、比抵抗値：4500μΩｃｍ）
サンプル２：Ｃｒ17Ｓｉ47Ｎ36（ターゲット組成比：Ｃｒ/Ｓｉ=27.5/72.5、比抵抗値：4500μΩｃｍ）
サンプル３：Ｃｒ22Ｓｉ58Ｎ20（ターゲット組成比：Ｃｒ/Ｓｉ=30.0/70.0、比抵抗値：1400μΩｃｍ）
サンプル４：Ｃｒ18Ｓｉ50Ｎ32（ターゲット組成比：Ｃｒ/Ｓｉ=27.5/72.5、比抵抗値：3000μΩｃｍ）
図５から明らかなように、本願の実施例にあたるサンプル２，４については、抵抗変化率が1.0×109において１０％以内となっていたが、本願の比較例にあたるサンプル１，３においては、1.0×109以前に断線してしまっており、耐久性が十分でないことがわかった。
【００８９】
さらに条件を適宜変更し以下の組成比を有するサンプルについても同様にCST試験を行った。
サンプル５：Ｃｒ18Ｓｉ42Ｎ40（ρ：4500μΩcm）
サンプル６：Ｃｒ20Ｓｉ42Ｎ38（ρ：4100μΩcm）
サンプル７：Ｃｒ17Ｓｉ55Ｎ28（ρ：2200μΩcm）
サンプル８：  Cr：22  Si：52  N：26％
（ターゲット組成比：Ｃｒ/Ｓｉ=30.0/70.0,ρ：1200μΩcm）
サンプル９：  Cr：23  Si：62  N：15％
（ターゲット組成比：Ｃｒ/Ｓｉ=27.5/72.5,ρ：1500μΩcm）
サンプル１０：  Cr：15  Si：40  N：45％
（ターゲット組成比：Ｃｒ/Ｓｉ=27.5/72.5,ρ：6000μΩcm）
CST試験の結果、本願の実施例にあたるサンプル５，６，７に関しては十分な抵抗値を有するとともに、抵抗変化率が1.0×109において１０％以内となっていた。
【００９０】
一方、サンプル８，９に関しては、所望の抵抗値が得られておらず、1.0×109以前に断線してしまっていた。サンプル１０に関しては、所望の抵抗値は得られているものの、1.0×109以前に断線してしまっていて、耐久性について十分なものではなかった。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】インクジェットヘッドの基体を示す概略平面図である。
【図２】図１のX-X'の一点鎖線で基体を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】本発明の実施例および比較例のCST試験の結果を示す図である。
【図６】CrSiN発熱抵抗体を形成する抵抗層の窒素分圧に対する比抵抗値を示す図である。
【図７】インクジェットヘッドの他の態様を示す図である。
【図８】インクジェット装置の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００９２】
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
【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】
2004216889.tif 000007
【図７】
2004216889.tif 000008
【図８】
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