專利名稱：發(fā)熱電阻體薄膜、使用它的噴墨頭用基板、噴墨頭及噴墨裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適合于構(gòu)成作為利用噴墨方式，對由紙、塑料薄膜、布、各種物品等構(gòu)成的記錄媒體噴出墨，進行文字、符號、圖像等的記錄、印刷的噴墨裝置噴出用的熱能發(fā)生單元的電熱變換體的發(fā)熱電阻體膜；具有使用該發(fā)熱電阻體膜的電熱變換體的噴墨頭用基板及噴墨裝置；以及它們的制造方法。
背景技術(shù)：
噴墨裝置有這樣的特征使從噴出口將記錄等用的功能性液體(以下統(tǒng)稱為“墨”)噴射到記錄媒體上，進行文字、符號、圖像等的記錄，且具有把墨中包含的成分向各種表面賦予的結(jié)構(gòu)，通過將墨作成微小墨滴從噴出口高速噴出，能進行高精細的圖像的高速記錄。特別是作為發(fā)生噴出墨用的能量的能量發(fā)生單元使用電熱變換體，利用由該電熱變換體發(fā)生的熱能產(chǎn)生的墨的發(fā)泡，噴出墨的方式的噴墨裝置，由于適合于圖像的高精細化、高速記錄化、記錄頭及裝置的小型化和彩色化，所以近年來引人注目(參照例如美國專利第4723129號(專利文獻1)及美國專利第4749796號(專利文獻2))。
圖1中示出了噴墨裝置的結(jié)構(gòu)中使用的頭的基板主要部分的一般的結(jié)構(gòu)。另外，圖2是相當于圖1中的墨流路的部分的用2-2線切斷的噴墨記錄頭用基體2000的模式剖面圖。
在圖1所示的噴墨記錄頭上設(shè)有多個噴出口1001，另外，在基板1004上對每條墨流路設(shè)有發(fā)生分別從噴出口噴出墨用的熱能的電熱變換體1002。電熱變換體1002至少具有發(fā)熱電阻體1005、以及連接在它上面供給電力用的一對電極布線1006，在圖1所示的裝置中，設(shè)有至少覆蓋形成發(fā)熱電阻體1005的上部的對墨的熱作用面的部分的作為保護層的絕緣膜1007。
另外，利用圖像處理等的單元使呈一體形成了多個流路壁1008的頂板與基板1004上的電熱變換體等的相對位置一致地接合起來，形成各條墨流路1003。與各條墨流路1003的噴出口1001相反一側(cè)的端部與公用液室1009連通，在該公用液室1009中儲存著從墨罐(圖中未示出)供給的墨。
被供給到公用液室1009的墨從這里被引導(dǎo)到各條墨流路1003中，在噴出口1001附近形成彎月面保持著。這時，通過有選擇地驅(qū)動電熱變換元件1002，利用其發(fā)生的熱能使熱作用面上的墨急劇加熱而沸騰，利用這時的沖擊力噴出墨。
如圖2所示，具有該噴墨頭的基體部分在硅基板2001上形成了這樣的結(jié)構(gòu)，即依次具有由硅基板表面的熱氧化膜構(gòu)成的蓄熱層2002；兼?zhèn)湫顭峁δ艿腟iO膜；由SiN膜等構(gòu)成的層間膜2003；發(fā)熱電阻層2004；由Al、Al-Si、Al-Cu等金屬或合金構(gòu)成的電極層所構(gòu)成的金屬布線2005；由SiO膜、SiN膜等構(gòu)成的保護層2006及耐空化(anticavitation)膜2007。另外，耐空化膜2007用來防護保護膜2006，使其免受伴隨發(fā)熱電阻層2004的發(fā)熱而產(chǎn)生的化學(xué)性的、物理性的沖擊，在成為與墨的接觸面的部分上形成熱作用部2008。作為使發(fā)熱電阻層2004的規(guī)定部分在電極層2005之間以規(guī)定的形狀露出的部分，形成圖1所示的發(fā)熱電阻體1005。
作為有這樣的結(jié)構(gòu)的噴墨裝置的記錄頭中使用的發(fā)熱電阻體，一般采用熱打印頭中能使用的發(fā)熱電阻體。
這是因為在熱打印頭中在1msec的時間內(nèi)將1W左右的電力加在發(fā)熱電阻體上，與此不同，在噴墨頭中為了在極短的時間內(nèi)使墨汽化，例如在7μsec內(nèi)將相當于3W～4W的電力加在發(fā)熱電阻體上。而且，這是因為是加在熱打印頭上的電力的數(shù)倍大小，所以在噴墨頭的發(fā)熱電阻體中，容易使熱打印頭在比較短的時間內(nèi)承受熱應(yīng)力。
因此，作為發(fā)熱電阻體，考慮與熱打印頭中使用的不同的噴墨頭所特有的噴出、驅(qū)動方法，有必要設(shè)計適合于它的發(fā)熱電阻體(厚度、加熱器尺寸、形狀等)，可知將熱打印頭領(lǐng)域中使用的發(fā)熱電阻體簡單地直接用于噴墨頭中是有困難的。
特開平10-114071號公報[專利文獻2]特公平2-18651號公報[專利文獻3]美國專利第4392992號說明書[專利文獻4]美國專利第4510178號說明書[專利文獻5]美國專利第4591821號說明書可是，如上所述，在噴墨記錄裝置中，近年來越發(fā)要求裝置的圖像高質(zhì)量化、高速記錄等的高功能化。其中，有通過減小加熱器(發(fā)熱電阻體)的尺寸，減少每一點的噴出量實現(xiàn)小點化，來提高圖像質(zhì)量的方法。
另外，為了進行高速記錄，有通過進行使脈沖比以往更短的驅(qū)動，提高驅(qū)動頻率的方法。
可是，如上所述為了適應(yīng)圖像高質(zhì)量化，采用減小了加熱器尺寸的結(jié)構(gòu)，為了用高頻驅(qū)動加熱器，有必要使薄膜電阻值大。
用圖3A和3B簡略地說明這樣的加熱器尺寸的差異引起的各種驅(qū)動條件的關(guān)系。圖3A是表示驅(qū)動電壓一定時，從尺寸大的加熱器(A)變化到了尺寸小的加熱器(B)時對應(yīng)于驅(qū)動脈寬的發(fā)熱電阻體的薄膜電阻及電流值的變化的圖。另外圖3B同樣是表示驅(qū)動脈寬一定時加熱器尺寸變化了時對應(yīng)于驅(qū)動電壓的發(fā)熱電阻體的薄膜電阻及電流值的變化的圖。
從這些圖中的驅(qū)動條件和發(fā)熱電阻體的尺寸的關(guān)系可知，減小了加熱器尺寸時，為了在與以往相同的條件下進行驅(qū)動，必須增大薄膜電阻值。另外，根據(jù)能量的關(guān)系，在增大薄膜電阻值、提高驅(qū)動電壓進行驅(qū)動的方法中，被消耗的電流值減小，加熱器以外的電阻部分的能量消耗減小，能節(jié)省能量。特別是在配置了多個發(fā)熱電阻體的多噴嘴結(jié)構(gòu)的情況下，其效果更大。
因此，在特開平10-114071號公報(專利文獻1)中，公開了通過用TaxSiyNz(其中x＝20～80at.％、y＝3～25at.％、z＝10～60at.％)構(gòu)成的薄膜構(gòu)成噴墨頭的發(fā)熱電阻體，能實現(xiàn)適應(yīng)小點化的高電阻的發(fā)熱電阻特性，在用于噴墨記錄頭的情況下能節(jié)省能耗的結(jié)構(gòu)。
另外，噴墨頭中使用的發(fā)熱電阻體所要求的特性中，有與能高電阻化的同時應(yīng)當滿足的重要的特性。它就是耐久性。
短脈沖的高頻電力接通后，噴墨頭的電阻體反復(fù)發(fā)熱，隨著其發(fā)熱周期墨中產(chǎn)生氣泡，噴出墨。這時發(fā)熱電阻體達到600～700℃的溫度，在室溫和該高溫之間反復(fù)變化，如果電阻體的電阻值變化，則在噴出墨方面非常成問題。
即，由于在噴墨頭中一般進行恒定電壓驅(qū)動，所以如果在驅(qū)動過程中電阻值變化大，則會發(fā)生故障。
例如在電阻值減小的情況下，由于電流過大而大大縮短電阻體的壽命。另外，在電阻值增大的情況下，電流減小，還可能會不能噴出墨。
因此作為電阻體的耐久特性，必須是在電阻體實際經(jīng)歷溫度變化后，電阻體的電阻值變化極小。關(guān)于這樣的耐久性，通過評價材料的電阻溫度系數(shù)(TCR特性)，能在某種程度上預(yù)測。
一般說來，電阻體的TCR特性越是非常小(理想情況下最好為零)，其耐久性就越好，這是顯然的。在電阻體的材料開發(fā)中，必須同時滿足高電阻化和耐久特性是非常重要的。在上述的公報中，通過使電阻率在2500μΩ·cm以下，能使該TDR特性成為好的特性。
因此，作為近年來的圖像高質(zhì)量化的傾向，主要著眼于實際上沒有粒狀感，為此作為液滴的噴出量，最好是1pl以下的噴出量。
在今后要求的1pl以下的噴出量中，進行高驅(qū)動頻率、多噴嘴的墨噴出時，為了不使驅(qū)動電壓下降，抑制頭的升溫，并使噴出穩(wěn)定，例如若驅(qū)動電壓為24V、脈寬為1μs、加熱器尺寸為17μm×17μm，則700Ω/□以上的薄膜電阻被認為是必要的。
可是，在上述的TaSiN中，如上述的公報所述，為了使該TCR特性成為好的特性，使電阻率在2500μΩ·cm以下。即，在上述的TaSiN中，假設(shè)達到了近年來所要求的700Ω/□以上的薄膜電阻(作為電阻率為3000μΩ·cm以上)，則這時的TCR特性不好，沒有足夠的耐久特性。
另外，在這樣提高電阻的情況下，還會產(chǎn)生電阻率的離散大等生產(chǎn)性的問題。
因此，有必要尋找作為同時滿足更高的電阻和耐久性的材料的新材料。另外在生產(chǎn)性方面，還需要有足夠的容限的新材料。
另外，作為能獲得上述的薄膜電阻的材料，在特公平2-18651號公報(專利文獻2)、美國專利第4392992號說明書(專利文獻3)、美國專利第4510178號說明書(專利文獻4)、美國專利第4591821號說明書(專利文獻5)等中公開了CrSiN膜的結(jié)構(gòu)?？墒?，關(guān)于作為噴墨頭的電熱變換體的發(fā)熱電阻體，在CrSiN膜中具有怎樣的原子組成才是有用的這一問題，在這些公報中都沒有記載或提示，尤其是沒提到滿足耐久性的結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于解決有關(guān)現(xiàn)有的噴墨記錄頭用的發(fā)熱電阻體材料的上述的諸多問題，作為能長期獲得高品位的記錄圖像的發(fā)熱電阻體，提供一種好的發(fā)熱電阻體薄膜及其制造方法。本發(fā)明的另一目的在于提供一種在對應(yīng)于記錄圖像的高精細化的小點化和對應(yīng)于高速記錄的高速驅(qū)動中，提供一種將能進行穩(wěn)定的墨的噴出的發(fā)熱電阻體薄膜作為電熱變換體的發(fā)熱電阻體所具有的噴墨裝置、該結(jié)構(gòu)中使用的噴墨頭用基體及它們的制造方法。
本發(fā)明的發(fā)熱電阻體膜是一種由Cr、Si及N構(gòu)成的發(fā)熱電阻體薄膜，其特征在于具有以下組成Cr15～20原子％Si40～60原子％N20～45原子％由它們構(gòu)成100原子％，或約100原子％。
作為該發(fā)熱電阻體薄膜，最好采用在包含氮氣及氬氣的混合氣體的氣氛中，將CrSi合金作為靶的反應(yīng)性濺射法來形成。
本發(fā)明的噴墨頭用基體，在基板上備有具有通過通電而發(fā)生用于噴出墨的熱能的發(fā)熱電阻體的電熱變換體，該噴墨頭用基體的特征在于上述發(fā)熱電阻體是一種發(fā)熱電阻體薄膜，它由Cr、Si及N構(gòu)成，具有以下組成Cr15～20原子％Si40～60原子％N20～45原子％由它們構(gòu)成100原子％，或約100原子％。該基體中的發(fā)熱電阻體薄膜的厚度最好為300埃以上，800埃以下。另外，上述的電熱變換體可構(gòu)成為具有使上述發(fā)熱電阻體通電用的一對電極。另外，該基體具有使上述熱能作用于墨的熱作用面，該熱作用面最好由至少覆蓋上述發(fā)熱電阻體的保護層構(gòu)成。另外，能構(gòu)成為具有多個上述發(fā)熱電阻體，另外，該基體最好是采用在包含氮氣及氬氣的混合氣體的氣氛中，將CrSi合金作為靶的反應(yīng)性濺射法，形成了上述發(fā)熱電阻體薄膜的基體。
本發(fā)明的噴墨頭的另一種形態(tài)，是這樣一種噴墨頭，它具有噴出墨的墨噴出口；連通該墨噴出口，具有使來自該墨噴出口的墨噴出用的熱能作用于墨用的熱作用面的墨流路；以及有通過通電而產(chǎn)生該熱能的發(fā)熱電阻體的電熱變換體，該噴墨頭的特征在于上述發(fā)熱電阻體是一種發(fā)熱電阻體薄膜，它由Cr、Si及N構(gòu)成，具有以下組成Cr15～20原子％Si40～60原子％N20～45原子％由它們構(gòu)成100原子％，或約100原子％。
本發(fā)明的噴墨裝置具有噴出墨用的噴墨頭；以及將記錄用的信號賦予該噴墨頭的單元，該噴墨裝置的特征在于該噴墨頭是上述形態(tài)的結(jié)構(gòu)的噴墨頭。該裝置能作成備有安置上述噴墨頭用的托架的結(jié)構(gòu)，另外，作為該發(fā)熱電阻體薄膜，能使用采用在包含氮氣及氬氣的混合氣體的氣氛中，將CrSi合金作為靶的反應(yīng)性濺射法形成的薄膜。
本發(fā)明的上述組成的發(fā)熱電阻體薄膜的制造方法的特征在于采用在包含氮氣及氬氣的混合氣體的氣氛中，將CrSi合金作為靶的反應(yīng)性濺射法，在基板的規(guī)定面上形成該發(fā)熱電阻體薄膜。該方法在上述薄膜形成工序后，還能有上述薄膜的熱處理工序。
本發(fā)明的噴墨頭用基體的制造方法是上述構(gòu)成的噴墨頭用基體的制造方法，其特征在于有采用在包含氮氣及氬氣的混合氣體的氣氛中，將CrSi合金作為靶的反應(yīng)性濺射法，在基板的規(guī)定面上形成上述發(fā)熱電阻體薄膜的工序。該方法也在上述薄膜形成工序后，還能有上述薄膜的熱處理工序。
本發(fā)明的噴墨裝置的制造方法是上述構(gòu)成的噴墨裝置的制造方法，其特征在于有采用在包含氮氣及氬氣的混合氣體的氣氛中，將CrSi合金作為靶的反應(yīng)性濺射法，在基板的規(guī)定面上形成上述發(fā)熱電阻體薄膜的工序。該方法也在上述薄膜形成工序后，還能有上述薄膜的熱處理工序。
CrSi系列材料作為加熱頭用的發(fā)熱電阻體的構(gòu)成材料是眾所周知的，但關(guān)于采用怎樣的該材料的元素構(gòu)成及原子數(shù)組成，才適合于作為前面舉出的能達到本發(fā)明的目的的噴墨頭的電熱變換體的發(fā)熱電阻體的見識，以往并未獲得。本發(fā)明對Cr及Si，作為元素成分還追加了N，采用上述的特定的原子數(shù)組成，能達到前面舉出的目的，獲得了新的見識，完成了本發(fā)明。
如果采用本發(fā)明，則能提供一種使用比較短的脈沖的驅(qū)動產(chǎn)生的熱響應(yīng)性好，能有高的薄膜電阻值，而且作為適合于加熱器尺寸更微小的發(fā)熱電阻體材料的發(fā)熱電阻體薄膜。而且，將該發(fā)熱電阻體薄膜用于電熱變換體的發(fā)熱電阻體，即使在對應(yīng)于記錄圖像的高精細化的小點化或?qū)?yīng)于高速記錄的高速驅(qū)動中，也能進行穩(wěn)定的墨的噴出，另外，還能提供一種使驅(qū)動的消耗電流值小、有助于省能的噴墨裝置、該裝置中使用的噴墨頭、以及構(gòu)成該噴墨頭用的基體。
如上所述，如果采用本發(fā)明，則能由用CrSi表示的材料構(gòu)成的薄膜、而且由Cr15～20at％、Si40～60at％、N20～45at％構(gòu)成薄膜電阻體膜、特別是構(gòu)成產(chǎn)生噴出墨用的熱能的多個發(fā)熱電阻體。
本發(fā)明的噴墨記錄頭的發(fā)熱電阻體即使在用短脈沖驅(qū)動的情況下，也能維持所希望的耐久性，能長期提供高品位的記錄圖像。這可以認為TCR特性正確而且是非常小的值，極其有用。
本發(fā)明的噴墨記錄頭能具有對應(yīng)于小點化的高電阻的發(fā)熱電阻特性，在用于噴墨記錄頭的情況下，能效高，就是說能抑制發(fā)熱，具有能節(jié)省能量的效果。


圖1是表示噴墨頭的基體的簡略平面圖。
圖2是用圖1中的2-2點劃線垂直地切斷基體時的基板的剖面圖。
圖3A和3B是說明加熱器尺寸的不同引起的各種驅(qū)動條件的圖。
圖4是形成本發(fā)明的噴墨記錄頭用基體的各層的成膜裝置。
圖5是表示本發(fā)明的實施例及比較例的CST試驗的結(jié)果的圖。
圖6是表示形成CrSiN發(fā)熱電阻體的電阻層的氮氣分壓的電阻率的圖。
圖7A和7B是表示噴墨頭的另一形態(tài)的圖。
圖8是表示噴墨裝置的一例的圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的發(fā)熱電阻體膜由Cr、Si及N構(gòu)成，有以下組成Cr15～20原子(或?qū)懽鱝t)％Si40～60原子％N20～45原子％由它們構(gòu)成100原子％。
另外，該發(fā)熱電阻體薄膜也可以是在不損失其所希望的特定的范圍內(nèi)，含有上述的原子以外的痕跡程度的其他元素的薄膜、即Cr、Si及N的合計量幾乎為100％的薄膜。例如，Cr、Si及N的合計原子數(shù)(Cr+Si+N)相對于構(gòu)成材料的全部原子數(shù)的比例在99.5原子％以上為好，最好為99.9原子％以上。
即，雖然薄膜的表面或內(nèi)部接觸大氣、或者在采用濺射法等進行的制作工序中被氧化、或者取入了反應(yīng)區(qū)域中的氣體，但其效果不會由于這樣的表面或內(nèi)部的微弱的氧化或Ar等氣體的取入而下降。作為這樣的雜質(zhì)，能舉出例如以Ar為主、從O、C、Si、B、Na、Cl及Fe中選擇的至少一種元素。
更優(yōu)選地，本發(fā)明的發(fā)熱電阻體薄膜有以下組成Cr17～20原子％Si42～55原子％N28～40原子％由它們構(gòu)成100原子％，或約100原子％。
作為噴墨頭的電熱變換體的發(fā)熱電阻體使用時，發(fā)熱電阻體薄膜的厚度，例如為200埃以上、1000埃以下為優(yōu)選，若在300埃以上、800埃以下就更優(yōu)選。
該發(fā)熱電阻體薄膜由于有由上述的原子％規(guī)定的組成，所以薄膜電阻值特別高，另外能確保作為噴墨頭的電熱變換體的發(fā)熱電阻體使用時的良好的驅(qū)動穩(wěn)定性。有上述組成的發(fā)熱電阻體膜還由于薄膜電阻值大，所以能用小功耗、特別是能用更小的電流值獲得良好的驅(qū)動狀態(tài)，從省能的觀點、或應(yīng)用于使用電流小的電池的小型的噴墨裝置的觀點來看，是一種具有良好的特性的薄膜。另外，對電熱變換體的輸入信號(噴出指令信號)的響應(yīng)性高，能穩(wěn)定地獲得噴出時所必要的發(fā)泡狀態(tài)。
使用上述組成的發(fā)熱電阻體薄膜能構(gòu)成噴墨頭及使用它的基體，另外，能提供使用它們的噴墨裝置。
作為這樣的噴墨頭的制造的一例，能舉出前面用圖1及圖2說明的結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的噴墨頭用基體及使用它的噴墨頭用基體中，上述組成的發(fā)熱電阻體薄膜能用于圖2所示的發(fā)熱電阻體層2004。
可是，該噴墨頭用基體是將在發(fā)熱電阻體上設(shè)置了保護層的狀態(tài)作為基本結(jié)構(gòu)。在該情況下，從對墨的熱傳導(dǎo)效率多少有些損失的、電熱變換體的耐久性或由于電化學(xué)反應(yīng)引起的發(fā)熱電阻體的電阻變化的方面來看，能獲得更好的噴墨頭。從這樣的觀點看，保護層的總體厚度最好在1000埃至5微米的范圍內(nèi)。作為保護層的優(yōu)選例，具體地能舉出具有設(shè)置在發(fā)熱電阻體上的由SiO2、SiN等構(gòu)成的含有Si的絕緣層、以及為了在該層上形成熱作用面而設(shè)置的Ta層的保護層。
另外，本發(fā)明的噴墨頭用基體是一種至少有在基板上備有通過通電而發(fā)生用于噴出墨的熱能的發(fā)熱電阻體的電熱變換體的結(jié)構(gòu)，還有連接在發(fā)熱電阻體上的一對電極、以及至少覆蓋在發(fā)熱電阻體上的保護層等一種以上。
在圖2所示的結(jié)構(gòu)中，電極層2005層疊在發(fā)熱電阻體層4004上，在電極層2005的相對的一對端部之間形成發(fā)熱電阻體層4004的露出部分，構(gòu)成電熱變換體，構(gòu)成該露出部分的發(fā)熱電阻層是具有作為電阻體的功能的層。發(fā)熱電阻體層和電極層的位置關(guān)系，也可以是電極層的端部位于發(fā)熱電阻體層的下側(cè)。
如圖1所示，在對應(yīng)于圖2所示的基體的各熱作用面的位置上至少形成墨流路，能獲得噴墨頭。另外，能用眾所周知的材料及方法形成墨流路。
另外，在圖1及2所示的結(jié)構(gòu)中，雖然有墨流路中的墨的供給方向和來自噴出口的墨的噴出方向大致一致的噴出口和墨流路的位置關(guān)系，本發(fā)明的噴墨頭不限定于該結(jié)構(gòu)，例如，如圖7A和7B所示，也可以作成這樣的結(jié)構(gòu)在由支撐構(gòu)件412支撐著、構(gòu)成墨流路的一部分(頂板部分)的噴出口板410上設(shè)置多個噴出口108，相對于供給墨流路的墨供給方向具有一角度(在圖中所示的例子中為正交的方向)，從噴出口噴出。
本發(fā)明的噴墨頭如圖1所示，最好有配置著多個具有噴出口、墨流路及發(fā)熱電阻體的墨噴出結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)。特別是發(fā)熱電阻體中使用的發(fā)熱電阻體薄膜由于薄膜電阻高、適合于小型化，所以在將墨噴出單元高密度地配置成例如8條/mm以上、甚至12條/mm以上的情況下，本發(fā)明特別有效。作為有多個該墨噴出結(jié)構(gòu)單元的噴墨頭的一例，能舉出例如有沿著被記錄材料的打印區(qū)域的整個寬度排列著墨噴出結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)的所謂的全線型的噴墨頭。
在這樣的對應(yīng)于被記錄材料的記錄區(qū)域的寬度設(shè)置了多個噴出口的形態(tài)的所謂的全線型噴墨頭的情況下，換句話說，在設(shè)置了1000以上或2000以上噴出口的噴墨頭的情況下，一個噴墨頭中的每個發(fā)熱部的電阻值的離散都對從噴出口噴出的墨滴的體積的均勻性有影響，這種影響往往成為圖像的濃度不均勻的原因?？墒?，在本發(fā)明的發(fā)熱電阻體中，由于控制性好、使得一個噴墨頭中的電阻值的離散極小而能獲得所希望的電阻率，所以具有特別良好的狀態(tài)，能消除上述的問題。
這樣，在進一步要求記錄的高速化(例如30cm/sec以上、甚至60cm/sec以上的打印速度)、高密度化，與此相應(yīng)地增加噴墨頭的噴出口的個數(shù)的傾向中，本發(fā)明的發(fā)熱電阻體越發(fā)具有重大的意義。
另外，在美國專利第4,429,321號說明書中公開的在噴墨頭基體的表面內(nèi)部在結(jié)構(gòu)上設(shè)有功能元件的形態(tài)的噴墨頭中，通過設(shè)計而正確地形成噴墨頭總體的電路，功能元件的功能容易保持正常的狀態(tài)是一個重要方面，而本發(fā)明的發(fā)熱電阻體在該方面也極其有效。如上所述，這是因為在本發(fā)明的發(fā)熱電阻體中，由于控制性好、使得一個噴墨頭中的電阻值的離散極小而能獲得所希望的電阻率，所以通過設(shè)計能正確地形成噴墨頭總體的電路。
此外，即使對于根據(jù)需要，能自由地裝卸儲存供給熱作用面的墨的墨罐，呈一體備有的任意盒式的噴墨頭來說，本發(fā)明的發(fā)熱電阻體極其有效。這是因為在該形態(tài)的噴墨頭中，要求安裝該噴墨頭的噴墨裝置總體的運轉(zhuǎn)費用低，但如上所述，本發(fā)明的發(fā)熱電阻體能作成直接接觸墨的結(jié)構(gòu)，所以能使對墨的熱傳遞效率好，所以能使裝置總體的功耗小，能容易地滿足上述的要求。
另外，不限于只發(fā)生噴出墨用的熱能，也可以作為根據(jù)需要設(shè)置的噴墨頭內(nèi)的所希望的部分的加熱用的加熱器利用，這樣的加熱器在與墨直接接觸的情況下特別適用。
通過將上述構(gòu)成的噴墨頭安裝在裝置本體中，從裝置本體將信號賦予噴墨頭，能獲得能進行高速記錄、圖像質(zhì)量高的記錄的噴墨記錄裝置。
圖8是表示應(yīng)用本發(fā)明的噴墨記錄裝置IJRA的一例的簡略斜視圖。與驅(qū)動電動機5013的正反向旋轉(zhuǎn)連動，通過驅(qū)動力傳遞齒輪5011、5009，與旋轉(zhuǎn)的螺旋導(dǎo)桿5005的螺旋槽5004配合的托架HC有引線(圖中未示出)，沿箭頭a、b方向往復(fù)移動。5002是壓紙板，在整個托架移動方向?qū)⒓垑涸趬杭垵L筒5000上。5007、5008是光電耦合器，確認托架的控制桿5006在該區(qū)域的存在，是進行電動機5013的旋轉(zhuǎn)方向切換等用的起始位置檢測單元。5016是支撐將呈一體地設(shè)置了墨罐的盒式的記錄噴墨頭IJC的全面蓋住的蓋構(gòu)件5022的構(gòu)件，5015是吸引該蓋內(nèi)的吸引單元，通過蓋內(nèi)開口5023進行記錄噴墨頭的吸引恢復(fù)。5017是清理刮刀，5019是能使該刮刀前后移動的構(gòu)件，它們被支撐在本體支撐板5018上。刮刀不限于該形態(tài)，可以將眾所周知的清理刮刀用于本例中。另外，5012是使吸引恢復(fù)的吸引開始用的控制桿，伴隨著與托架配合的凸輪5020的移動而移動，來自驅(qū)動電動機的驅(qū)動力用離合切換等眾所周知的傳遞單元進行移動控制。將信號賦予設(shè)置在噴墨頭IJC上的電熱變換體、或者進行上述的各機構(gòu)的驅(qū)動控制的CPU設(shè)置在裝置本體一側(cè)(圖中未示出)。
以上，雖然說明了將噴墨頭裝載在托架上，對記錄媒體進行掃描形式的裝置，但本發(fā)明的噴墨頭及噴墨裝置也可以作成噴墨頭和墨罐呈一體的筆式裝置。另外，噴墨頭根據(jù)需要能在多個墨流路中共同設(shè)置保持供給墨流路的墨的墨室，將不同顏色的墨、例如青色、品紅色、黃色，根據(jù)需要將黑色的墨分別供給各個墨室，能進行全色圖像的記錄。另外，如上所述，儲存墨的墨罐能與噴墨頭一體化、或者與噴墨頭裝卸自如地連接使用?；蛘撸鶕?jù)需要，也可以對噴墨裝置的噴墨頭以外的部分裝卸自如地連接設(shè)置。
在上述的各結(jié)構(gòu)中，能用眾所周知的材料及方法形成發(fā)熱電阻體以外的部分。
本發(fā)明的發(fā)熱電阻體薄膜，作為具有前面所述的組成的滿足規(guī)定的特性的薄膜，能用各種成膜法制作。其中，反應(yīng)性濺射法、特別是作為電源使用高頻(RF)電源或直流(DC)電源的磁控管濺射法是優(yōu)選的。
例如，能用在包含氮氣及氬氣的混合氣體的氣氛中，將CrSi合金作為靶的反應(yīng)性濺射法，在基板上形成發(fā)熱電阻體薄膜。
圖4中示出了采用反應(yīng)性濺射法的薄膜形成裝置的概要的一例。
在圖4中，4001是按照預(yù)先規(guī)定的組成制作的由Cr-Si構(gòu)成的靶，4002是平板磁鐵，4011是控制在基板上成膜的快門，4003是基板支架，4004是基板，4006是連接在靶4001和基板支架4003上的電源。另外，在圖4中，4008是包圍成膜室4009的外周壁而設(shè)置的外部加熱器。該外部加熱器4008用來調(diào)節(jié)成膜室4009的氣氛溫度。在基板支架4003的背面上設(shè)有進行基板的溫度控制的內(nèi)部加熱器4005?；?004的溫度控制最好一并用外部加熱器4008進行。
使用圖4中的裝置的成膜如下進行。
首先，用圖中未示出的排氣泵，用排氣用閥4007，將成膜室4009中的氣體排出，達到1×10-5～1×10-6Pa。其次，將由氬氣和氮氣構(gòu)成的混合氣體通過質(zhì)量流控制器(圖中未示出)從氣體導(dǎo)入口4010導(dǎo)入成膜室4009中。這時，調(diào)節(jié)內(nèi)部加熱器4005、外部加熱器4008，使上述基板溫度及氣氛溫度為規(guī)定的溫度。
其次，從電源4006將功率加在靶4001上，進行濺射放電，調(diào)節(jié)快門4011，在基板4004上形成薄膜。設(shè)定這時的薄膜形成條件，以便能獲得前面舉出的組成。
在基板上形成的發(fā)熱電阻體薄膜再進行加熱處理。能在濺射裝置內(nèi)直接進行加熱處理，另外，也可以在后面的工序中用另一個裝置進行熱處理。
通過該加熱處理，在構(gòu)成發(fā)熱電阻體薄膜的CrSiN中生成由CrSi2構(gòu)成的金屬間化合物，該金屬間化合物能謀求熱穩(wěn)定性、以及由于TCR小，所以耐久性更高。根據(jù)這些情況，作為Cr和Si的組成比，最好近似1∶2。在此狀態(tài)下，由于氮氣混入膜中，能預(yù)料電阻率上升。由這樣的發(fā)熱電阻體薄膜構(gòu)成的發(fā)熱電阻體，即使在加熱器尺寸小、用短脈沖連續(xù)驅(qū)動的情況下，也能獲得所希望的耐久性，能量效率高，能控制發(fā)熱而節(jié)省能量，同時能提供高品位的記錄圖像。另外，這樣形成的發(fā)熱電阻體薄膜的形狀，適合采用各種構(gòu)圖法，例如，在利用抗蝕劑覆蓋了剩余部分的狀態(tài)下，進行干蝕刻，將不要的部分從基板上除去的方法等。
以下，根據(jù)實施例等說明本發(fā)明的實施形態(tài)。但是，本發(fā)明不只限于以下說明的各實施例，只要是能達到本發(fā)明的目的的實施例，當然也能在用于其他用途的電阻體薄膜中使用。
實施例1(薄膜的生產(chǎn)穩(wěn)定性的評價)
關(guān)于CrSiN膜的生產(chǎn)穩(wěn)定性進行了評價。靶組成為Cr30Si70(at％)，功率為350W，在氣壓為0.5Pa的主濺射條件下，改變氮的分壓，形成薄膜，求得了氮分壓和電阻率的關(guān)系。(關(guān)于濺射裝置，參照圖4)將其結(jié)果示于圖6。從該圖可知，電阻率在氮分壓為15％(電阻率值～1700μΩcm)之前兩者幾乎成正比關(guān)系，氮分壓直至20％左右電阻率幾乎單調(diào)地增加。由于呈這樣的關(guān)系，所以氮分壓相對于電阻率的變化容限大，如果考慮批量生產(chǎn)時的生產(chǎn)穩(wěn)定性，可知是一種非常好的材料。
CrSiN膜雖然在特公平2-18651號公報、USP4392992、4510178、459182等中公開了，但關(guān)于何種原子組成的膜作為噴墨頭的電熱變換體的發(fā)熱電阻體是有用的這一問題，這些公報中完全沒有記載或提示。
<噴墨頭用基體的評價>
實施例1(圖2所示結(jié)構(gòu)的基體的制作)首先，通過熱氧化在硅基板2001上形成厚度為1.8微米的蓄熱層2002，另外作為兼作蓄熱層的層間膜2003，采用等離子CVD法形成了厚度為1.2微米的SiO2。其次，用圖4所示的裝置，作為發(fā)熱電阻層2004形成了厚度為400埃的CrSiN膜。
這時的氣體流量為Ar氣64sccm，N2氣20sccm，加在靶Cr30Si70上的功率為350W，氣氛溫度為200℃，基板溫度為200℃。另外，作為用熱作用部2008對發(fā)熱電阻層2004加熱用的金屬布線2005，采用濺射法形成了5500埃的Al-Cu膜。
對其用光刻法形成圖形，形成了將Al-Cu層除去了的15微米×40微米(平面形狀尺寸)的熱作用部2008。作為保護膜2006，用等離子CVD法形成了厚度為1微米的SiN膜。在本實施例中，這時的基板溫度為400℃，保持約1小時，兼作熱處理。最后作為耐空化層2007，用濺射法形成厚度為2000埃的Ta膜，獲得了本發(fā)明的基體。上述形狀的發(fā)熱電阻層的薄膜電阻值為910Ω/□。TCR特性為40ppm/℃左右。
另外，由RBS組成分析獲得的CrSiN的組成為Cr20at％，Si42at％，N38at％(RBS是一般的膜組成的定量分析方法，是盧瑟福反向散射的簡稱)。
比較例1除了如下進行變更以外，其他與實施例1同樣地制作發(fā)熱電阻層2004，獲得了比較例1的基體。即，利用圖4所示的裝置，采用利用Ta、Si靶的二元同時濺射法，形成了厚度為1000埃的TaSiN膜。這時的氣體流量為Ar氣45sccm，N2氣15sccm，氮氣分壓為25％，加在Ta靶上的功率為500W，加在Si靶上的功率為150W，氣氛溫度為200℃，基板溫度為200℃。發(fā)熱電阻層的薄膜電阻值為270Ω/□。
對以上在實施例1及比較例1中獲得的基體，進行了以下項目的評價。
(發(fā)泡電壓、電流)用作為上述實施例1及比較例1制作的基體，求出了噴出墨的發(fā)泡電壓Vth。對應(yīng)于該Vth，以1.2Vth(發(fā)泡電壓的1.2倍)為驅(qū)動電壓，測定了用驅(qū)動脈寬2μsec.驅(qū)動時的電流值。
即，在實施例1中，Vth＝36V，電流值為16mA，與此不同，在比較例1中，Vth＝24V，電流值為35mA。
根據(jù)該結(jié)果，對本發(fā)明的實施例1和比較例1的基體進行比較，前者的電流值約為比較例的1/2。在實際的頭的形態(tài)中，被同時驅(qū)動的發(fā)熱電阻體個數(shù)為多個，所以功耗遠比比較例小，能理解為獲得了省能效果。
(耐久性)另外，在以下的條件下驅(qū)動發(fā)熱電阻體，進行了由斷裂脈沖產(chǎn)生的熱應(yīng)力耐久評價。
主要的試驗條件驅(qū)動頻率15KHz，驅(qū)動脈寬1μsec.，驅(qū)動電壓發(fā)泡電壓×1.2，其結(jié)果，實施例1、比較例1在脈沖達到4.0×E9(4.0×109)之前都未斷裂。這樣，可知在本發(fā)明的基體中，即使對于短脈沖驅(qū)動，也能充分地承受。
另外，對于耐久性，對如下作成的比較例2同樣進行了評價。
除了如下進行變更以外，與比較例1同樣地制作發(fā)熱電阻體層2004，獲得了比較例2的基體。即，利用圖4所示的裝置，采用利用Ta、Si靶的二元同時濺射法，形成了厚度為1000埃的TaSiN膜。這時的氣體流量為Ar氣42sccm，N2氣18sccm，氮氣分壓為30％，加在Ta靶上的功率為400W，加在Si靶上的功率為50～200W，氣氛溫度為200℃，基板溫度為200℃。另外，該比較例2的發(fā)熱電阻層的電阻率ρ為9800μΩ·cm。
在這樣作成的比較例2的基體中，在脈沖遠未達到4.0×E9(4.0×109)之前就斷裂了，可見電阻值未達到足夠的耐久性。
在本發(fā)明中，作為兼?zhèn)涓唠娮柚岛碗娮璺€(wěn)定性的CrSiN膜是這樣的膜發(fā)熱電阻體膜由Cr、Si及N構(gòu)成，有以下組成Cr15～20原子％Si40～60原子％N20～45原子％由它們構(gòu)成100原子％。
這里，考慮是Cr＜15原子％、N＞45原子％時，耐久性不充分；Cr＞20原子％、Si＞60原子％、N＜20原子％時，不能獲得充分的電阻值。
為了對此進行確認，進行了以下的評價。
<噴墨用特性評價>
另外，為了評價作為噴墨記錄頭用基體的發(fā)熱電阻體的特性，與上述的實施例同樣地使用圖4所示的裝置，采用上述的成膜方法，在與實施例1及2都不同的一種成膜條件下，作成在與具有CrSiN膜的圖1及圖2所示的結(jié)構(gòu)的基體的各發(fā)熱電阻體對應(yīng)的位置形成了墨流路的噴墨記錄頭，評價了其特性。
作為進行本實施例的噴墨特性的評價的試樣的基板，與實施例1相同，使用Si基板或其中已經(jīng)形成驅(qū)動用的IC的Si基板。
在Si基板的情況下，采用熱氧化法、濺射法、CVD法等，形成厚度為1.8微米的SiO2蓄熱層2002(圖2)，也與其中形成了IC的Si基板同樣地在其制造工序中，形成SiO2蓄熱層。
其次，采用濺射法、CVD法等，形成了由SiO2構(gòu)成的厚度為1.2微米的層間絕緣膜2003。其次，采用利用CrSi靶的濺射法形成了發(fā)熱電阻層2004。加在靶上的功率為350W，氣體流量為實施例1的條件，基板溫度為200℃。
作為電極布線2005，采用濺射法形成了厚度為5500埃的Al-Si膜。其次，用光刻法形成圖形，形成了將Al-Si層除去了的20微米×30微米的熱作用部2008。其次作為保護膜2006，采用等離子CVD法，形成了由SiN構(gòu)成的厚度為1微米的絕緣體。在此情況下也使基板溫度為400℃，保持約1小時，兼作熱處理。其次作為耐空化層2007，采用濺射法形成厚度為2300埃的Ta膜，采用光刻法制作了圖1所示的本發(fā)明的噴墨用基體。
用這樣制作的基體，進行了CST試驗。
其次，圖5中示出了在純水中的驅(qū)動電壓Vop＝1.4Vth的情況下，驅(qū)動頻率為15kHz，驅(qū)動脈寬為1μsec.，施加了1.0×109脈沖的連續(xù)脈沖時的以下的試樣1至4的電阻值變化率。
CST評價試樣1Cr14Si51N35(靶組成比Cr/Si＝22.5/77.5，電阻率值4500μΩcm)試樣2Cr17Si47N36(靶組成比Cr/Si＝27.5/72.5，電阻率值4500μΩcm)試樣3Cr22Si58N20(靶組成比Cr/Si＝30.0/70.0，電阻率值1400μΩcm)試樣4Cr18Si50N32(靶組成比Cr/Si＝27.5/72.5，電阻率值3000μΩcm)
從圖5可知，本申請的實施例的試樣2、4，在1.0×109中電阻變化率為10％以內(nèi)，但本申請的比較例的試樣1、3，在1.0×109之前就斷線了，可見耐久性不充分。
再適當?shù)刈兏鼦l件，對具有以下組成比的試樣也同樣進行了CST試驗。
試樣5Cr18Si42N40(ρ4500μΩcm)試樣6Cr20Si42N38(ρ4100μΩcm)試樣7Cr17Si55N28(ρ2200μΩcm)試樣8Cr22 Si52 N26％(靶組成比Cr/Si＝30.0/70.0，ρ1200μΩcm)試樣9Cr23 Si62 N15％(靶組成比Cr/Si＝27.5/72.5，ρ1500μΩcm)試樣10Cr15 Si40 N45％(靶組成比Cr/Si＝27.5/72.5，ρ6000μΩcm)CST試驗的結(jié)果，本申請的實施例的試樣5、6、7有充分的電阻值，同時在1.0×109中電阻變化率為10％以內(nèi)。
另一方面，試樣8、9得不到所希望的電阻值，在1.0×109之前就斷線了。試樣10能獲得所希望的電阻值，在1.0×109之前就斷線了，耐久性不充分。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)熱電阻體薄膜，其特征在于由Cr、Si及N構(gòu)成，且具有以下組成Cr15～20原子％Si40～60原子％N20～45原子％由它們構(gòu)成100原子％，或約100原子％。
2.一種噴墨頭用基體，其特征在于具有基板；以及在該基板之上設(shè)置的由Cr、Si及N構(gòu)成的發(fā)熱電阻體薄膜，該發(fā)熱電阻體薄膜具有以下組成Cr15～20原子％Si40～60原子％N20～45原子％由它們構(gòu)成100原子％，或約100原子％。
3.一種噴墨頭，其特征在于利用發(fā)熱電阻體薄膜產(chǎn)生的熱能噴出墨，該發(fā)熱電阻體薄膜由Cr、Si及N構(gòu)成，且具有以下組成Cr15～20原子％Si40～60原子％N20～45原子％由它們構(gòu)成100原子％，或約100原子％。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的噴墨頭，其特征在于上述發(fā)熱電阻體薄膜中Cr、Si及N占99.5原子％以上且少于100原子％、剩余的為雜質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的噴墨頭，其特征在于上述發(fā)熱電阻體薄膜的厚度為200埃以上、1000埃以下。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的噴墨頭，其特征在于上述發(fā)熱電阻體薄膜的厚度為300埃以上、800埃以下。
7.一種噴墨裝置，其特征在于備有利用發(fā)熱電阻體薄膜產(chǎn)生的熱能噴出墨的噴墨頭，以及裝載該噴墨頭用的構(gòu)件，上述發(fā)熱電阻體薄膜由Cr、Si及N構(gòu)成，且具有以下組成Cr15～20原子％Si40～60原子％N20～45原子％由它們構(gòu)成100原子％，或約100原子％。
全文摘要
提供一種發(fā)熱電阻體薄膜、使用它的噴墨頭用基板、噴墨頭及噴墨裝置。該發(fā)熱電阻體薄膜適合構(gòu)成噴墨頭或噴墨裝置的電熱變換體，具有高耐久性且可實現(xiàn)高電阻值，其組成為Cr15～20原子％、Si40～60原子％、N20～45原子％、它們構(gòu)成100原子％，或約100原子％。
文檔編號B41J2/16GK1513672SQ200310124270
公開日2004年7月21日 申請日期2003年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月27日
發(fā)明者鈴木博幸, 早川幸宏, 川崎喜范, 齊藤一郎, 橫山宇, 坂井稔康, 宏, 康, 范 , 郎 申請人:佳能株式會社