JPH07183103A

JPH07183103A - 発熱抵抗体、インクジェットヘッド用基体、インクジェットヘッド及びその製造方法

Info

Publication number: JPH07183103A
Application number: JP5324355A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Tamura; 清一田村
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-12-22
Filing date: 1993-12-22
Publication date: 1995-07-21

Abstract

(57)【要約】【目的】耐久性に富み、高精細化、高速記録を可能に
する。【構成】Ｘ線回折による面方位が（１０１）配向のＴ
ａ₂ Ｎと（１１０）配向のＴａＮを有する発熱抵抗体及
び該発熱抵抗体の層１０３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ヘッドを提供する。又、該
発熱抵抗体はスパッタリング又は反応性スパッタリング
により形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は発熱抵抗体、インクジェ
ットヘッド用基体、インクジェットヘッド及びその製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】インクジェット記録方法（液体噴射記録
方法）は、低騒音、小型化が可能で、高速、高精細記録
に適し、加えて、所謂普通紙に適用可能であるという点
で実用化されている。

【０００３】なかでも特開昭５４−５９９３６号公報、
特開昭５４−５９１３９号公報、特開昭５５−２７２８
１号公報、特開昭５５−２７２８２号公報に記載される
ような熱エネルギーを利用して気泡を生成しそれによっ
てインクを吐出させて記録を行う方式（バブルジェット
方式）は上記した利点を一層の高次元で達成することが
可能であり注目されている。

【０００４】このような方式のインクジェットヘッドで
は、少なくとも表面が絶縁性の基板上に発熱抵抗層と、
該発熱抵抗層に対して電気的に接続された少なくとも一
対の電極と、を有する発熱抵抗素子を有するのが普通で
ある。また、発熱抵抗素子はインクによる酸化やその他
保護を行うために保護層を設けており、これによって、
電極間の短絡をも防止している。

【０００５】そして、このような発熱抵抗素子は別に設
けられた機能素子を有する駆動回路とフレキシブルケー
ブルやワイヤーボンディング等によって電気的に接続さ
れている。

【０００６】ところで、上述したヘッド構成に対して、
更なる構造の簡単化や製造工程での不良率低減、及び各
素子の特性の均一化をはかるために、特開昭５７−７２
８６７号公報において、発熱抵抗素子と機能素子とを同
一基板上に設けることが提案されている。

【０００７】このようなインクジェットヘッド用基体２
０１の一例を図１４及び図１５を用いて説明する。

【０００８】図１４に示すインクジェットヘッドは、複
数の電気・熱変換素子（発熱抵抗素子）がアレー状に配
列されて構成される電気・熱変換素子配列部２０２と電
気・熱変換素子に対応して設けられる機能素子で構成さ
れる駆動回路部２０３が表面部に設けられてある素子付
設部材２０１と、液体供給用の共通液室及び液路（流
路）を形成する為に、所定の形状と寸法で所定数の溝が
設けてある溝蓋部材２０４で基本的には構成されてい
る。

【０００９】溝蓋部材２０４は、所定の間隔と所定の寸
法で規則的に配列されている電気・熱変換素子１０５の
各々を各溝２０６が各々覆う様に、溝１０６は電気・熱
変換素子２０５の配列ピッチとなどピッチで溝蓋部材２
０４に設けられ、各溝１０６は溝蓋部材２０４の後方
に、各溝１０６の設けられる方向と垂直な関係に設けら
れた共通液室用溝２０７と連絡され、素子付設部材２０
１の素子配列部材２０２上に溝蓋部材２０４が各溝２０
６と対応する各電気・熱変換素子２０５とが対向する様
にして接合されて、その一部に熱作用室部を有する複数
の流路とこれ等の流路に液体を満たす為に、液体を各流
路に供給する為の共通液室が形成される。

【００１０】共通液室用溝２０７の後方には、外部に設
けられた液貯蔵槽（不図示）より共通液室に液体を供給
する為の供給管２０８が付設されている。

【００１１】電気・熱変換素子２０５は、各素子に共通
の共通電極２０９と、駆動回路部２０３を構成する機能
素子としてのトランジスタ２１０のコレクタ部に接続さ
れている電極２１１との間に、発生した熱を液体に作用
させる為に設けられている発熱抵抗部２１２を有する。
電気・熱変換素子配列部２０２の表面全域には、図示さ
れてはいないが、液体と発熱抵抗部２１２との接触及び
共通電極２０９とコレクタ電極２１１との電気的リーク
を防止する為に電気絶縁性の保護層が設けられる。

【００１２】駆動回路部２０３は、コレクタ電極２１
１、ベース電極２１３、エミッタ電極２１４の各々の下
部位に、各々、コレクタ領域、ベース領域及びエミッタ
領域が形成されている。これ等の領域は、半導体基板２
１５の表面内部に構造的に設けられる。各ベース電極２
１３は後方に付設されてあるベース共通電極２１６と連
続的に形成されている。２１７は各トランジスタ２１０
を電気的にアイソレーションする為にコレクタ領域に高
電圧を印加する為の電極であって、各トランジスタに共
通である。

【００１３】図１５には、図１４に示すヘッドを流路に
沿って切断した場合の断面構造が模式的に示される。

【００１４】素子付設部材２０１は、その表面内部に構
造的に各機能素子が設けられた構造を有し、半導体基板
２１８とエピタキシャル層２１９とで構成され、エピタ
キシャル層２１９に電気・熱変換素子２０５や機能素子
としてのトランジスタ２１０が内部構造的に設けられて
ある。

【００１５】電気・熱変換素子２０５は、エピタキシャ
ル２１９の表面部に、発熱部２１２と、共通電極２０
９、トランジスタ２１０のコレクタ領域と接続する為の
電極２１１とで構成され、発熱部２１２は発熱抵抗体２
２０と、該発熱抵抗体２２０を保護する為の保護層２２
１とで構成されている。

【００１６】発熱部２１２の上部には、該発熱部２１２
より発生する熱の作用を受けて気泡の発生とその体積の
収縮を含む急激な状態変化を液体が引起す所としての熱
作用室部２２２が形成されている。熱作用室部２２２
は、上記の状態変化に基づいて飛翔液滴が形成される為
に液体が噴射される吐出口２２３と、後方に設けられた
共通液室２２４に各々連通しており、共通液室２２４に
は、外部から液体を共通液室２２４に供給する為の供給
管１０８が付設されてある。

【００１７】電気・熱変換素子２０５の各々の後方に
は、対応したトランジスタ２１０がエピタキシャル２１
９の内部に構造的に設けられている。トランジスタ２１
０は、通常のトランジスタ構造を有しているもので、底
辺部にはコレクタ領域２２５の抵抗逓減の為の埋め込み
層２２８−１が設けてある。電極２１１とコレクタ領域
２２５の間には、オーミック接触を形成する為のオーミ
ック領域２２８−２が設けてある。

【００１８】コレクタ領域２２５、ベース領域２２６、
エミッタ領域２２７からは、電気的に隔絶されて、各電
極２１１、２１３、２１４、２１７が各々取り出されて
いる。エミッタ電極２１４と、ベース電極２１３及び電
気的アイソレーション用の電極２１７との間には、重な
る部分に於いて、電気的隔絶を形成する為に、電気的絶
縁層２２９−１、２２９−２が介在させてある。

【００１９】インクジェットヘッドとして使用する場合
は図１５に示されるように基板２０１上にインクを保持
するための液室又は液路を発熱部２１２に対応して形成
し、又、インクを吐出するための吐出口を必要に応じて
設けている。

【００２０】発熱抵抗層２２０を形成する発熱抵抗体と
しては、熱容量が小さく、下地との密着性が良好で、か
つ、機械的強度が大きいものが好適であるので、窒化タ
ンタル、ニッケルクロム合金、タンタル二酸化シリコン
等の材料が一般に使用されている。

【００２１】なかでも窒化タンタルはその組成が単純で
あり、高融点金属特有の優れた耐熱性を有し、しかも簡
便な製造方法で発熱抵抗層を形成できるので好ましい材
料である。

【００２２】窒化タンタルを用いた発熱抵抗層の作製方
法としては、たとえば、ＴａターゲットとＡｒ（アルゴ
ン）とＮ₂ （窒素）の混合ガスを用いた反応性スパッタ
リング法や、所定の組成の焼結体をターゲットとして使
用したスパッタリング法、その他蒸着法、ＣＶＤ法、等
を挙げることができる。

【００２３】ところで、上記方法で基板上に成膜される
窒化タンタル膜の組成や物性は、成膜条件に大きく依存
している。

【００２４】発熱抵抗体として使用される窒化タンタル
は、一般には、その組成がＮを基準としたモル重量比で
Ｔａが２．０でかつ、図７及びう図１０に示されるよう
に、面方位（００２）及び（１０１）配向を示す六方晶
のＴａ₂ Ｎ膜が優れた耐久性を有し好ましいものとされ
てきた。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年の
更なるヘッドや装置の高集積化、高信頼性化、低コスト
化、高速、高品位記録の要求を満足するためには、上述
の発熱抵抗体では未だ改善の余地を有するものであっ
た。

【００２６】たとえば、記録品位（画品位）を向上させ
るためには、画素の単位を決定する記録密度の向上が必
要である。つまり、発熱抵抗素子をより一層高密度に、
従ってより精細になる、配置する必要がある。具体的に
は近年では少なくとも４００ｄｐｉ以上の高解像度が要
求されるようになっている。

【００２７】また、高速記録を行うためにはインクの吐
出周波数を向上させる必要がある。そのため、発熱抵抗
素子（発熱抵抗体）はより一層の熱応答性、耐熱性を向
上させ、また、熱ストレスに耐えることが必要になる。

【００２８】つまり、高集積化及び高速記録を達成する
ためには、要求される発熱抵抗体のスペックはより苛酷
な使用に耐え得るよう一層向上させる必要がある。

【００２９】しかしながら、一般に上述したような製造
方法によって得られる窒化タンタル膜は、このような使
用状況に対応した発熱抵抗素子とした場合には抵抗値変
動が大きく、また断線し易くなるという問題が生じ易
い。

【００３０】とくに、バブルジェット方式などの熱エネ
ルギーを利用してインクを吐出させる方式ではインク
（液体）の気化、凝縮、気泡の消滅を行わせるために駆
動パルス幅が数μｓ〜＋数μｓと短く、しかも、短時間
での発熱抵抗体に対して６００〜９００℃の高い温度の
加熱と温度の低下が必要となるため充分な信頼性を有す
るとはいい難い場合も生じていた。

【００３１】本発明は上記した問題点を解決し、高速記
録、高解像度記録が可能でかつ耐久性に富んだ発熱抵抗
体、インクジェットヘッド用基体、インクジェットヘッ
ドを提供することを目的とする。

【００３２】また本発明は上記目的を達成する発熱抵抗
体の製造方法を提供することを目的とする。

【００３３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の発熱抵抗体は、窒化タンタルを有する発熱抵抗体で
あって、前記窒化タンタルはＸ線回折による面方位が
（１０１）配向のピークを示すＴａ₂ Ｎと面方位が（１
１０）配向のピークを示すＴａＮを有する。

【００３４】また、上記目的を達成する本発明のインク
ジェットヘッド用基体は、基板と、該基板上に形成され
た発熱抵抗体の層（発熱抵抗体層）と該発熱抵抗体の層
に間隙を有して電気的に接続された１対の電極とを有す
る電気・熱変換素子と、を少なくとも有するインクジェ
ットヘッド用基体であって、前記発熱抵抗体の層はＸ線
回折による面方位が（１０１）配向のピークを示すＴａ
₂ Ｎと（１１０）配向のピークを示すＴａＮを有する窒
化タンタルで形成されている。

【００３５】更に、上記目的を達成する本発明の発熱抵
抗体の製造方法は、窒化タンタルを有する発熱抵抗体の
製造方法において、前記窒化タンタルはＸ線回折による
面方位が（１０１）配向のピークを示すＴａ₂ Ｎと（１
１０）配向のピークを示すＴａＮを有し、該窒化タンタ
ルは反応性スパッタリング法又はスパッタリング法によ
って形成される。

【００３６】これによって本発明においては、発熱抵抗
体として耐熱性に優れ、熱的に安定な特性を有する窒化
タンタル膜を用いて、発熱部の寿命を延ばし、より厳し
いスペックにも適応できる発熱抵抗体とすることができ
る。又、高速記録性や高解像記録性、耐久性、低コス
ト、均一な製品特性といったような一段と厳しいスペッ
クを要求する。インクジェットヘッド用基体やインクジ
ェットヘッドを提供することが可能となる。

【００３７】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明について詳
細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるこ
とはなく、本発明の主旨の範囲内で適宜変形が可能であ
る。

【００３８】（実施例１）図１は本発明により製造され
るインクジェットヘッド用基体の模式的断面図である。

【００３９】図１において、２はＰ型単結晶シリコン基
板、２はＮ型コレクタ領域、３はＰ型アイソレーション
埋込領域、４はＮ型エピタキシャル領域、５はＰ型ベー
ス領域、６はＰ型アイソレーション領域、７はＮ型コレ
クタ領域、８は高濃度Ｐ型ベース領域、９は高濃度Ｐ型
アイソレーション領域、１０は高濃度Ｎ型エミッタ領
域、１１は高濃度Ｎ型コレクタ領域、１２はコレクタ・
ベース共通電極、１３はエミッタ電極、１４はアイソレ
ーション電極、１０１は蓄熱層、１０２は層間膜、１０
３は発熱抵抗層、１０４は配線電極、１０４₁ はアルミ
ニウムなどの配線電極１０４のエッジ部、１０５はＳｉ
Ｏ₂ などの第１の保護層、１０６は第２の保護層、１１
０は発熱部、１２０はＮＰＮトランジスタ（バイポーラ
トランジスタ）である。

【００４０】インクジェットヘッド用基体としての基体
１００は、電気・熱変換素子（発熱抵抗素子）の発熱領
域に対応する発熱部１１０と駆動用機能素子であるバイ
ポーラ型のＮＰＮトタンジスタ１２０とをＰ型シリコン
基板１上に形成したものである。発熱抵抗層１０３は、
Ｎ型エピタキシャル領域４、蓄熱層１０１および該蓄熱
層１０１と一体的に設けられた蓄熱層を兼ねる層間膜１
０２を介してＰ型シリコン基板１上に形成されている。
発熱抵抗層１０３上に形成された配線電極１０４の所望
部分が除去され、発熱領域が形成される。配線電極は接
続端面にエッジ部１０４₁ がそれぞれ形成されている。

【００４１】蓄熱層１０１は発熱部１１０の発熱抵抗層
１０３からの熱を短時間では図中上側に伝達し、長時間
では図中下側のＰ型シリコン基板側に伝達し易くなるよ
うに制御するための層である。もちろん層間膜１０２も
同様な機能を有する。

【００４２】又、発熱部１１０は図に示される例では配
線電極１０４の間隙部分の発熱抵抗層１０３に対応して
いる。

【００４３】図１において、層間膜１０２はＮＰＮトラ
ンジスタ１２０への配線やアイソレーション電極と発熱
抵抗層１０３あるいは配線電極１０４との不要な接触を
防止するために設けられる。

【００４４】又、前記インクジェットヘッド用の基体１
００は全面が熱酸化膜等で形成される蓄熱層１０１で覆
われており、機能素子から各電極１２、１３、１４がＡ
ｌ等で形成されている。なお、各電極１２、１３、１４
は、図２および図３に拡大（電極１４、エミッタ、コレ
クタ、ベース等は省略）して示すように、法線に対して
角度θ（３０度以上７５度以下）の傾いた側面（端部）
を有している。

【００４５】本実施例の基体１００は、上述した駆動部
（機能素子）を有する記録ヘッド用のＰ型シリコン基板
１上に、コレクタ・ベース共通電極１２、エミッタ電極
１３およびアイソレーション電極１４が形成された蓄熱
層１０１で覆ったもので、その上層には常圧ＣＶＤ法、
ＰＣＶＤ法スパッタリング法等によるシリコン物Ｓｉ
Ｏ、ＳｉＯ₂ 、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ等からなる層間膜１０
２が形成されている。各電極１２、１３、１４を形成す
るＡｌ等は傾いた側面を有するため、層間膜１０２のス
テップカバレージ性が非常に優れているので、層間膜１
０２を従来に比較して蓄熱効果を失わない範囲で薄く形
成することができる。層間膜１０２を部分的に開孔し
て、コレクタ・ベース共通電極１２、エミッタ電極１３
およびアイソレーション電極１４と電気的に接続し、か
つ層間膜１０２上で電気的な配線を形成するためのＡｌ
等の配線電極１０４が設置される。すなわち、層間膜１
０２を部分的に開孔した後に、発熱抵抗層１０３と、蒸
着法あるいはスパッタリング法によるＡｌ等の配線電極
１０４で構成された電気・熱変換素子が設けられてい
る。もちろんこの基体１００にち対して図１４に示され
るような液路や吐出口である開口が設けられてインクジ
ェットヘッドは作製される。

【００４６】図４は電気・熱変換素子の拡大された断面
図であり、図５は電気・熱変換素子の拡大された平面図
である。

【００４７】Ａｌ等の配線電極１０４は、法線に対して
３０度以上の傾いた接続端面であるエッジ部１０４₁ お
よび側面１０４₂ を有している。さらに、図１に示す電
気・熱変換素子の発熱部１１０上には、スパッタリング
法またはＣＶＤ法によってＳｉＯ、ＳｉＯ₂ 、ＳｉＮ、
ＳｉＯＮ等の保護膜１０５およびＴａ等の保護膜１０６
が層間膜１０２と一体的に設けられている。

【００４８】さらに、この基体１００は、配線電極１０
４のエッジ部１０４₁ および両側面１０４₂ （図５参
照）の形状は直線状のテーパーとなっており、コレクタ
・ベース共通電極１２、エミッタ電極１３およびアイソ
レーション電極１４のエッジ部、両端面の形状も、図
２、図３にそれぞれ示すように、直線状のテーパーとな
っている。

【００４９】上記インクジェットヘッド用基体にもちい
られる発熱抵抗層１０３を、反応性スパッタリング法を
用いて作製した場合において、その形成法を述べる。

【００５０】先ず、Ｒｆスパッタリングにより下地膜及
び発熱抵抗体接触部分を数十Åエッチングし、清浄な表
面を得る。その後、Ｔａターゲットを用いＡｒ及びＮ₂
の混合ガス雰囲気の圧力を５〜１０ｍＴｒに設定し、な
おかつ、該混合ガスに対するＮ₂ ガス分圧比を２０〜３
０％、望ましくは２２〜２６％に設定する。さらに基体
温度を２００〜３００℃に設定した後に、ＤＣパワー
１．０〜３．０ｋｗを印加する。これら一連の成膜プロ
セスは、大気開放せずに高真空中で行われる。以上述べ
た形成法によって、発熱抵抗層１０３であるところの窒
化タンタル膜が堆積される。

【００５１】ここで、図６に前記Ｎ₂ 分圧とＡｒ＋Ｎ₂
混合ガス圧との比に対する基体上に堆積した窒化タンタ
ルの比抵抗と、膜組成比をＥＰＭＡにより測定した結果
を示す。Ｎ₂ 分圧の増加とともに、膜中のＴａの比が減
少し、比抵抗は増加している。特徴としてＮ₂ 分圧２２
〜２６％の領域がいわゆるプラトーな領域であり、ほぼ
一定の比抵抗の値を示しており、その膜組成比はＴａｘ
Ｎ；１．４≦ｘ≦１．９である。図６の測定はウェハー
の代表的位置での組成比を示しており、表１にその時の
ウェハー内における組成比のバラツキと比抵抗及びＸ線
回折測定による窒化タンタル膜の主な回折ピークを示
す。反応性スパッタリング法によって前記基体上に成膜
された窒化タンタル膜の回折ピークは、前記Ｎ₂ 分圧比
の増加にともなって変化し、図７、図８、図９に示す３
つのパターンを示す。仮に順にパターン（Ｉ）、パター
ン（ＩＩ）、パターン（ＩＩＩ）とする。すなわち、Ｎ
₂ 分圧比２０％においては六方晶形Ｔａ₂ Ｎの代表的な
ピークである（００２）及び（１０１）を示し（パター
ン（Ｉ））、Ｎ₂ 分圧比３０％においては六方晶形Ｔａ
Ｎの代表的なピークである（１１０）及び（１０１）を
示す（パターン（ＩＩ））。又、Ｎ₂ 分圧比２２〜２６
％の領域においては、六方晶Ｔａ₂ Ｎの（１０１）及び
六方晶ＴａＮの（１１０）ピークが認められた（パター
ン（ＩＩＩ））。

【００５２】表３に、種々のＮ₂ 流量比で作成した窒化
タンタル発熱抵抗体を用いて作製したインクジェットヘ
ッドとしての膜質評価に関する検討結果を示す。

【００５３】ここで、表３の破断電圧比とは、種々のＮ
₂ 流量比で作成したインクジェットヘッドに７μｓのパ
ルス信号を与え、吐出を開始するしきい値電圧Ｖｔｈを
求める。その後、２ＫＨｚで約１０⁵ パルスをＶｔｈか
ら０．０２Ｖｔｈ毎に印加電圧を上げてゆき、ヒーター
が破断するまで、続け、破断時の電圧をＶｂとする。こ
のしきい値電圧と破断電圧Ｖｂとの比を破断電圧比Ｋｂ
（＝Ｖｂ／Ｖｔｈ）と呼ぶ。この破断電圧Ｋｂの値が高
いほど、ヒータ素子の耐熱性が高いことを示す。この耐
熱性は単にヒーター材の耐熱性だけでなく、液体噴出記
録ヘッドの様に気化、凝縮を瞬時で行う為には、数μｓ
〜十数μｓという非常に短い時間で加熱、冷却をする必
要があり、また、液体を瞬時に気化する為には、ヒータ
ー素子上の液体界面が、普通の沸点（水で１００℃）の
約３倍（水で３００℃）近い温度が必要で、伝熱に要す
る時間が短いため、ヒーター材は６００〜９００℃まで
一気に加熱する必要がある。その為には単にヒーター材
の耐熱性保護膜の耐熱性のみならず、ヒーター素子全体
を構成する材料間の応力、及び密着性、さらには材料間
の物理的、科学的変質を考慮した設計とすべきである。

【００５４】表３より、Ｎ₂ 分圧比２２〜２６％、組成
比ＴａｘＮ；１．４≦ｘ≦１．９、Ｘ線回折パターン
（ＩＩ）の窒化タンタル膜が高いＫｂ値１．７〜１．８
を示し、Ｎ₂ 分圧比２２％及び３０％の膜は前記Ｎ₂ 分
圧比で成膜した窒化タンタル膜よりも低い値を示した。
一般にインクジェットヘッドの実駆動、電圧はインクが
吐出される最低電圧をＶｔｈとすると１．２Ｖｔｈであ
り、バラツキ等を考慮すると１．３以上あれば、使用出
来るレベルである。しかし、このＫｂの値が高い程、耐
熱マージンが上がり、信頼性が高い素子と言える。

【００５５】次に、表３の抵抗変化率は、７μｓのパル
ス信号で、印加電圧１．２Ｖｔｈとし、最大３ＫＨｚの
吐出周波数で駆動し、前記記録ヘッドをプリンターに取
り付け、Ａ４約１５００文字相当の印字を行い、１００
０枚記録した時点での抵抗変化率を求めたものである。
Ｒ₀ は、初期のヒーター抵抗、ΔＲは初期に対しての試
験後の抵抗変化分である。

【００５６】破断電圧と同様に、表３のＮ₂ 分圧比２２
〜２６％、Ｘ線回折パターン（ＩＩ）の膜が小さい抵抗
変化率の値を示し、１０００枚時点で−１．５〜＋１．
０とほぼ初期の抵抗値と変わらない値を示している。

【００５７】Ｎ₂ 分圧比３０％、Ｘ線回折パターン（Ｉ
ＩＩ）の膜の場合、その抵抗変化率は＋１０％に達す
る。ヒーター材の抵抗上昇が起こると、印加電圧は一定
である為、ヒーター材に与えられるエネルギーは減少
し、適性な印加電圧１．２Ｖｔｈが得られなくなる。す
なわち、ヒーター抵抗上昇にともない、ヒーターエネル
ギーは減少する為、吐出インク量が徐々に減少し、２０
％に達すると吐出出来なくなる。実際Ｎ₂ 分圧比３０
％、Ｘ線回折パターン（ＩＩＩ）の記録ヘッドはΔＲ１
０％で画品位的には初期の品位に対して変化が認められ
た。

【００５８】次にＮ₂ 分圧比２０％、Ｘ線回折パターン
（Ｉ）の窒化タンタル膜は、逆に抵抗変化率が−５．０
％とマイナスとなっている。抵抗変化率がプラス側では
ヒーターに与えられるエネルギーが相対的に減少するた
め、寿命にとって有利な方向であるが、マイナス側では
エネルギーが増加するため寿命にとっては不利である。
特にプリンターの印字において、抵抗がプラスなのは品
位の問題であるが、マイナス時の断線は特定ノズルが不
吐出となり文字の判断等が出来なくなり画品位上大きな
問題である。

【００５９】実際上記Ｎ₂ 分圧比２０％の窒化タンタル
膜は、印字４００枚位から断線が生じてしまい、実用上
使用は困難である。ちなみに表３の画品位のランクは、
１０００枚記録終了時の画品位が、初期とほぼ同等以上
の良好な状態が維持出来たものが○、初期よりおとるが
実用上問題ないと判断出来るレベルのものが△、記録画
に欠陥がみられるものが×、という判断基準で評価し
た。

【００６０】以上表３に述べたインクジェット膜として
の評価により、Ａｒ及びＮ₂ 混合ガスを用いた反応性ス
パッタリング法によって成膜した窒化タンタル膜は、Ｎ
₂ 分圧比２２〜２６％、組成比がＮを基準としたモル重
量比でＴａが１．４以上１．９以下、さらにＸ線回折測
定による膜結晶性が図８に示すような（１０１）配向で
六方晶型のＴａ₂ Ｎ及び（１１０）配向で六方晶型のＴ
ａＮの混合膜であれば、インクジェット用の発熱抵抗体
として高い性能を持つ事が判明した。なお、反応性スパ
ッタリングの成膜条件であるＮ₂ 分圧比、Ａｒ＋Ｎ₂ 混
合ガス圧力、ＤＣパワー、基板温度等の各パラメーター
を変更しても、前記組成比及び結晶性を示す窒化タンタ
ル膜を成膜する事で同等のインクジェット用発熱抵抗体
としての評価が得られる事も判明した。

【００６１】（実施例２）上記した実施例で示した図１
と同様の記録ヘッド用基体を用い、発熱抵抗体１０３で
あるところの窒化タンタル膜を焼結ターゲットのスパッ
タリング法により作製した。この焼結ターゲットは、ホ
ットプレス法により作製し、不純物濃度は数ｐｐｍ以下
のものを用いている。表２に、種々の組成をもつ焼結タ
ーゲットを用いて成膜した窒化タンタル膜の組成；比抵
抗及びＸ線回折測定の結果を示す。

【００６２】なお、スパッタリングする前に、先ず、Ｒ
ｆスパッタリングにより下地膜及び発熱抵抗体接触部分
を数十Åエッチングし、清浄な表面を得た。

【００６３】その後、Ａｒガス雰囲気の圧力を５〜１０
ｍＴｒに、基体温度２００〜３００℃に設定した後に、
ＤＣパワー１．０〜３．０ｋｗを印加する。

【００６４】これら一連の成膜プロセスは、上記実施例
と同様に、大気開放せずに高真空中で行われた。

【００６５】表２に示したように、焼結体中の空気の組
成比が増加するにつれて、膜中のＮの割合も増加してお
り、それにともなって比抵抗ρも上昇する。上記実施例
で示した表１中の組成比に対応した比抵抗に対して若干
高めの値を示すのは、ホットプレスの際に含まれる不純
物のためと考えられる。又、表２にＸ線回折測定による
窒化タンタル膜の主な回折ピークパターンを示す。膜組
成比がＮを基準としたモル重量比でＴａが１．８〜２．
０の範囲の膜は六方晶Ｔａ₂ Ｎ（００２）及び六方晶の
Ｔａ₂ Ｎ（１０１）方位の配向性を示し、Ｔａが１．４
〜１．９の範囲の膜は六方晶Ｔａ₂ Ｎ（１０１）及び六
方晶型ＴａＮ（１１０）方位の配向性を示す。又、Ｔａ
が１．０〜１．３の比の範囲の膜は六方晶ＴａＮ（１１
０）及び六方晶ＴａＮ（１０１）方位の配向性を示す。
以上３種の特徴的な窒化タンタル膜の配向性を順にパタ
ーン（ＩＶ）、（Ｖ）、（ＶＩ）と分類し、測定結果を
図１０、図１１、図１２に示す。

【００６６】表４に焼結ターゲットによって種々の組成
比で成膜した窒化タンタル発熱抵抗体を用いて作製した
インクジェットヘッドとしての膜質評価に関する検討結
果を示す。検討方法については、実施例１に記載した方
法と同一である。表４より、膜組成ＴａｘＮ；１．４≦
ｘ≦１．７、Ｘ線回折パターン（Ｖ）の窒化タンタル膜
が高いＫｂ値１．７〜１．８を示し、膜組成比１．８≦
ｘ≦２．０、Ｘ線回折パターン（ＩＶ）及び１．０≦ｘ
≦１．３、Ｘ線回折パターン（ＶＩ）の膜は前記組成比
の窒化タンタル膜よりも低い値を示した。

【００６７】又、破断電圧Ｋｂと同様に、表４において
Ｋｂ値が高い前記組成比の窒化タンタル膜が小さい抵抗
変化率の値を示し、１０００枚時点で−２．０〜＋２．
５と実用上問題ないレベルであることが判明した。又、
膜組成ＴａｘＮ；１．８≦ｘ≦２．０、Ｘ線回折パター
ン（ＩＶ）の膜、抵抗変化率がおよそ＋１０％付近の値
に達し、ヒーターエネルギーの減少に伴い、吐出はする
ものの、画品位に変化が見られた。膜組成１．０≦ｘ≦
１．３、Ｘ線回折パターン（ＶＩ）の膜は、抵抗変化率
が−５％付近の値を示し、印字４００枚前後でヒーター
エネルギー増加のために、断線が生じてしまった。

【００６８】以上表４に述べたインクジェット膜として
の評価により、窒化タンタル焼結ターゲットを用いたス
パッタリング法によって成膜された発熱抵抗体１０３で
あるところの窒化タンタル膜は、その膜組成比がＮを基
準としたモル重量比でＴａが１．４以上１．９以下で、
Ｘ線回折による膜結晶性が図１１に示すような六方晶Ｔ
ａ₂ Ｎ（１０１）配向及び六方晶ＴａＮ（１１０）配向
を示す混合膜であれば、インクジェット用発熱抵抗体と
して高い性能を持つ事が判明した。

【００６９】

【表１】

【００７０】

【表２】

【００７１】

【表３】

【００７２】

【表４】

【００７３】（比較例１）実施例における液体噴射記録
ヘッドの基体の発熱抵抗層１０３をＴａＮの代わりにＲ
Ｆスパッタリング法によるＨｆＢ₂ を０．１μｍ堆積さ
せて、以下上記実施例と同様にインクジェットヘッドを
作製した。

【００７４】図１３に、このインクジェットヘッドを用
いて、前述の破断電圧を測定したと同じ様に、電気熱変
換体に７μｓの矩形電圧を２ＫＨｚで約１０⁵ パルスを
与え、０．０２Ｖｔｈ毎に印加電圧を上げる際、その都
度の抵抗値を測定し、電気熱変換体が破断するに至るま
での抵抗値変化を示した。

【００７５】図中の抵抗変化は比較例１のＨｆＢ₂ を発
熱抵抗体としたものと、上記実施例１のＴａＮを発熱抵
抗体としたものの変化を示した。

【００７６】一般にＨｆＢ₂ を発熱抵抗体としたもの
は、ＨｆＢ₂ の耐熱性により優れた特性を示す。しか
し、本発明によるＴａＮを用いた電気熱変換体はその破
断電圧比はＨｆＢ₂ の１．６より、高い約１．８の電圧
比をもつことが出来た。

【００７７】このように通常抵抗体として優れるＨｆＢ
₂ を実施例１及び２双方の窒化タンタル膜が上回ったこ
とは、前記実施例１及び２に示されるように、窒化タン
タル膜の結晶構造が熱的、機械的に優れており、窒素と
タンタルの組成比がエネルギー的に安定な領域に位置し
ている事による。これらの特徴は、上記実施例に共通で
あることから、たとえ安定な発熱抵抗体である上記窒化
タンタル膜の製造方法が異っていても、成膜された窒化
タンタル膜が上記実施例で述べたＸ線回折パターン（Ｉ
Ｉ）及び（ＩＶ）、組成比を示すならば、インクジェッ
ト用発熱抵抗体として高い性能を持つ事を示唆してい
る。

【００７８】

【発明の効果】以上説明した様に本発明によれば、イン
クジェット用ヘッドに用いる発熱抵抗体に従来一般的に
は短パルス使用に対して耐久が不充分であった窒化タン
タル膜の組成及び結晶性を一定領域に設定する事で、優
れた特性を得る事が可能となる。又、本発明の上記効果
において、その製造方法が、反応性スパッタリング法、
焼結体ターゲットを用いたスパッタリング法あるいはＣ
ＶＤ法等異なっていても、成膜された窒化タンタル膜が
上記膜質を保つ事、特に組成及び結晶性がある領域に収
まれば常に同等の特性を示すことが判明した。

【００７９】従って、用途あるいはコストにあわせて、
高信頼性、高均一性で、かつ高精細な記録が可能で高速
記録が可能な発熱抵抗体、インクジェットヘッド用基体
およびインクジェットヘッドを安定に作製する事が可能
となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明により製造される記録ヘッド用基体を示
す模式的断面図である。

【図２】記録ヘッド用基体の電極の模式的断面図であ
る。

【図３】記録ヘッド用基体の電極の模式的平面図であ
る。

【図４】記録ヘッド用基体の電気・熱変換素子部の模式
的断面図である。

【図５】記録ヘッド用基体の電気・熱変換素子部の模式
的平面図である。

【図６】本発明により発熱抵抗体の比抵抗及び組成比を
説明した図である。

【図７】発熱抵抗体のＸ線回折パターンを説明する図で
ある。

【図８】発熱抵抗体のＸ線回折パターンを説明する図で
ある。

【図９】発熱抵抗体のＸ線回折パターンを説明する図で
ある。

【図１０】発熱抵抗体のＸ線回折パターンを説明する図
である。

【図１１】発熱抵抗体のＸ線回折パターンを説明する図
である。

【図１２】発熱抵抗体のＸ線回折パターンを説明する図
である。

【図１３】本発明の効果を説明するための図である。

【図１４】従来のインクジェットヘッドの模式的組立図
である。

【図１５】図１４のインクジェットヘッドの模式的断面
図である。

【符号の説明】１Ｐ型シリコン基板２Ｎ型コレクタ埋込領域３Ｐ型アイソレーション埋込領域４Ｎ型エピタキシャル領域５Ｐ型ベース領域６Ｐ型アイソレーション領域７Ｎ型コレクタ領域８高濃度Ｐ型ベース領域９高濃度Ｐ型アイソレーション領域１０高濃度Ｎ型エミッタ領域１１高濃度Ｎ型コレクタ領域１２コレクタ・ベース共通電極１３エミッタ電極１４アイソレーション電極１０１蓄熱層１０２層間膜１０３発熱抵抗層１０４配線電極１０５第１の保護膜１０６第２の保護膜１１０発熱部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｂ４１Ｊ 2/16 Ｈ０５Ｂ 3/12 Ａ 7512−3Ｋ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化タンタルを有する発熱抵抗体であっ
て、前記窒化タンタルはＸ線回折による面方位が（１０
１）配向のピークを示すＴａ₂ Ｎと面方位が（１１０）
配向のピークを示すＴａＮを有することを特徴とする発
熱抵抗体。
【請求項２】前記窒化タンタルの結晶は六方晶である
請求項１に記載の発熱抵抗体。
【請求項３】前記窒化タンタルは窒素を基準としたモ
ル重量比で１．４以上１．９以下である請求項１又は請
求項２に記載の発熱抵抗体。
【請求項４】基板と、該基板上に形成された発熱抵抗
体の層と該発熱抵抗体の層に間隙を有して電気的に接続
された１対の電極とを有する電気・熱変換素子と、を少
なくとも有するインクジェットヘッド用基体であって、
前記発熱抵抗体の層はＸ線回折による面方位が（１０
１）配向のピークを示すＴａ₂ Ｎと（１１０）配向のピ
ークを示すＴａＮを有することを窒化タンタルで形成さ
れてい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５】前記窒化タンタルの結晶は六方晶である
請求項４に記載のインクジェットヘッド用基体。
【請求項６】前記窒化タンタルは窒素を基準としたモ
ル重量比で１．４以上１．９以下である請求項４又は請
求項５に記載のインクジェットヘッド用基体。
【請求項７】前記基板は半導体基板である請求項４に
記載のインクジェットヘッド用基体。
【請求項８】前記半導体基板は電気・熱変換素子を駆
動するための駆動素子を有する請求項７に記載のインク
ジェットヘッド用基体。
【請求項９】前記駆動素子はトランジスタを有する請
求項８に記載のインクジェットヘッド用基体。
【請求項１０】前記電気・熱変換素子は複数設けられ
アレー状に配置されている請求項４に記載のインクジェ
ットヘッド用基体。
【請求項１１】基板と、該基板上に形成された発熱抵
抗体の層と該発熱抵抗体の層に間隙を有して電気的に接
続された１対の電極とを有する電気・熱変換素子と、前
記間隙に対応して設けられた液路と、前記液路の少なく
とも一部であって前記間隙に対応して設けられた開口と
を有するインクジェットヘッドにおいて、前記発熱抵抗
体の層はＸ線回折による面方位が（１０１）配向のピー
クを示すＴａ₂ Ｎと（１１０）配向のピークを示すＴａ
Ｎを有する窒化タンタルで形成されていることを特徴と
するインクジェットヘッド。
【請求項１２】前記窒化タンタルの結晶は六方晶であ
る請求項１１に記載のインクジェットヘッド。
【請求項１３】前記窒化タンタルは窒素を基準とした
モル重量比で１．４以上１．９以下である請求項１１又
は請求項１２に記載のインクジェットヘッド。
【請求項１４】前記基板は半導体基板である請求項１
１に記載のインクジェットヘッド。
【請求項１５】前記半導体基板は電気・熱変換素子を
駆動するための駆動素子を有する請求項１４に記載のイ
ンクジェットヘッド。
【請求項１６】前記駆動素子はトランジスタを有する
請求項１５に記載のインクジェットヘッド。
【請求項１７】前記電気・熱変換素子は複数設けられ
アレー状に配置されている請求項１１に記載のインクジ
ェットヘッド用基体。
【請求項１８】前記電気・熱変換体は前記液路の側に
保護層を有する請求項１１に記載のインクジェットヘッ
ド。
【請求項１９】前記液路を複数有し、該複数の液路が
共通に連絡される共通液室を有する請求項１１に記載の
インクジェットヘッド。
【請求項２０】窒化タンタルを有する発熱抵抗体の製
造方法において、前記窒化タンタルはＸ線回折による面
方位が（１０１）配向のピークを示すＴａ₂Ｎと（１１
０）配向のピークを示すＴａＮを有し、該窒化タンタル
は反応性スパッタリング法又はスパッタリング法によっ
て形成されることを特徴とする発熱抵抗体の製造方法。
【請求項２１】前記反応性スパッタリング法は、タン
タルターゲットを用いアルゴンガス及び窒素ガスとを含
む雰囲気中で行われる請求項２０に記載の発熱抵抗体の
製造方法。
【請求項２２】前記窒素ガスの分圧比は２０〜３０％
とされる請求項２１に記載の発熱抵抗体の製造方法。
【請求項２３】前記発熱抵抗体が形成される基体の温
度は２００℃〜３００℃の範囲である請求項２１又は請
求項２２に記載の発熱抵抗体の製造方法。
【請求項２４】前記雰囲気の圧力は５〜１０ｍＴｒで
ある請求項２１乃至請求項２３に記載の発熱抵抗体の製
造方法。
【請求項２５】前記スパッタリングは、タンタルと窒
素を有するターゲットを用い、アルゴンガスを含む雰囲
気中で行われる請求項２０に記載の発熱抵抗体の製造方
法。
【請求項２６】前記発熱抵抗体が形成される基体の温
度は２００℃〜３００℃の範囲である請求項２５に記載
の発熱抵抗体の製造方法。
【請求項２７】前記アルゴンガスの雰囲気の圧力は５
〜１０ｍＴｒである請求項２５又は請求項２６に記載の
発熱抵抗体の製造方法。
【請求項２８】前記発熱抵抗体形成前に該発熱抵抗体
を形成する基体の表面をエッチングしてなる請求項２０
乃至２７に記載の発熱抵抗体の製造方法。
【請求項２９】前記エッチングはＲｆスパッタリング
法で行われる請求項２８に記載の発熱抵抗体の製造方
法。
【請求項３０】前記発熱抵抗体の製造は超高真空下で
行われる請求項２０乃至２９に記載の発熱抵抗体の製造
方法。