专利名称：用于喷墨头的衬底、使用所述衬底的喷墨头及其制造方法
技术领域：
本发明涉及用于通过将诸如油墨的功能液体排出到包括纸、塑料片、布、物品等的记录介质上而记录或打印字符、符号或图像的喷墨头所用的衬底；使用该衬底的喷墨头及其制造方法。
背景技术：
一种用于喷墨记录的喷墨头的常规结构包括多个排出口、与这些排出口相连的油墨流动通道以及多个能够产生用于喷墨的热能的电热转换元件。所述电热转换元件由生热电阻器和为生热电阻器提供电能的电极构成，并且该电热转换元件涂有绝缘薄膜以保证各个电热转换元件之间的绝缘。每一个油墨流动通道在其与排出口相对的端部处与公共液体腔室相连，所述公共液体腔室储存从作为油墨存储容器部件的油墨箱中供给的油墨。供给到公共液体腔室的油墨通向各个油墨流动通道以使油墨在排出口附近形成弯液面。在这种状态下，电热转换元件被选择性地驱动以产生热能，所述热能用于导致在热接触表面上的油墨快速起泡，以使得在通过所述状态变化所导致的压力下排出油墨。
在油墨排出期间，喷墨头的热作用部分通过生热电阻器的加热被暴露于较高温度下，同时，并且还主要受到由于油墨的气泡形成和收缩导致的气蚀冲击以及油墨的化学作用的混合作用。
因此，热作用部分通常具有用于保护电热转换元件不受所述气蚀冲击以及油墨的化学作用的上部保护层。
传统来说，可较大程度经受气蚀冲击以及油墨的化学作用的Ta膜被形成得具有0.2到0.5μm的厚度，从而可增加喷墨头的使用寿命，同时获得可靠性。
另外，在所述热作用部分中，会导致这样一种现象，即，包含在油墨中的色材、添加剂等由于被加热到高温下，从而它们在分子水平上分解从而形成为难以溶解的物质，所述物质被物理地吸收在上部保护层上。这种现象被称作结垢(kogation)。难以溶解的有机和无机物质以这种方式被吸收在上部保护层上会导致从生热电阻器到油墨的不均匀热传导，从而导致不稳定的气泡产生。因此，通常使用较不易于结垢的出色的Ta膜。
下面将参照图8，将描述在热作用部分中的油墨中气泡的产生和消失的模式。
在图8中，曲线(a)示出了在驱动电压Vop＝1.3×Vth(Vth为油墨的气泡产生的阈值电压)、驱动频率被设定为6kHz并且脉冲宽度被设定为5μs的情况下，从电压被施加于生热电阻器时的时刻开始上部保护层的表面温度随时间的改变。另外，曲线(b)示出了从电压以相似方式被施加于生热电阻器时的时刻开始产生的气泡的增长状态。如曲线(a)所示的，从电压施加的时刻开始温度的升高，并且略微延迟于预定脉冲时间到达温升峰值(这是由于来自于生热电阻器的热量略晚到达上部保护层)，之后，由于热扩散，温度主要降低。另一方面，如曲线(b)所示的，从当上部保护层的温度达到约300℃时开始气泡的增长，并且之后达到最大起泡状态，并且消失。在实际喷墨头中，以重复的方式执行上述操作。随着油墨中的气泡产生，上部保护层的表面升高到例如约600℃，这说明在喷墨记录中如何包含高温的热作用。
因此，要求与油墨相接触的上部保护层在耐热性、机械特性、化学稳定性、抗氧化性、抗碱性等方面具有出色的膜特性。作为用在上部保护层方面的材料，除上述提及的Ta膜以外，在现有技术中已知的还有贵金属、高熔点过渡金属、这些金属的合金、这些金属的氮化物、硼化物、硅化物或碳化物、非晶硅等。例如，日本专利申请未审定公开号No.2001-105596中描述了，经由绝缘层将上部保护层形成在生热电阻器上，并且用由成分公式TaαFeβNiγCrδ表示的非晶态合金(其中满足10at.％≤α≤30at.％、α+β＞80at.％、α＜β、δ＞γ、以及α+β+δ+γ＝100at.％)制成上部保护层，其中其与油墨的接触表面包含其成分物质的氧化物，而提出了一种具有更长使用寿命的可靠的记录头。
然而，近年来，对于更高质量的记录图像和喷墨记录设备中诸如高速记录等更高性能的需求增加了，而为了满足这些需求，要求增强的油墨性能，例如，为了获得高质量记录图像已提出了改进的着色特性和抗气候性的要求以及为了获得高速记录已提出了防止渗色(不同颜色油墨之间的混淆)的要求。因此，作出了向油墨中添加各种成分的尝试。油墨的种类已具有多样化，除黑色、黄色、品红和青色之外，还有诸如更低密度的浅色油墨。所述油墨导致这样一种腐蚀现象，即，甚至是在认为可稳定地作为上部保护层的Ta膜上，由于与油墨的热化学反应而导致腐蚀。在其中使用包含诸如钙和镁等二价金属盐或构成螯合物的成分的油墨的情况下，会更明显地出现上述现象。
另一方面，由于更高的抗腐蚀性使得表面几乎不会损坏，从而油墨的排出速度被降低或变得不稳定，因此如上所述的具有改进的防油墨腐蚀性的上部保护层更易于产生结垢。在传统Ta膜中大概很少产生结垢，这是由于Ta膜在某一平衡水平上产生腐蚀和结垢，从而Ta膜的表面会被所述腐蚀磨损从而抑制结垢产物的沉积。
另外，为了在喷墨记录中实现更高的记录速度，需要进一步增加驱动频率从而以更短的脉冲执行驱动。在以更短脉冲的所述驱动中，由于在短时间内在喷墨头的热作用部分中重复加热、气泡产生、气泡消失和冷却的程序，因此与传统驱动中的相比较，在更短时间内产生更大的热应力。另外，在更短脉冲的驱动中，在比传统驱动更短的时间内将来自于油墨中气泡产生和气泡收缩的气蚀冲击集中在上部保护膜上，因此需要存在在机械冲击特性方面尤为出色的上部保护层。
为了用装有所述上部保护层的喷墨头衬底形成喷墨头，如日本专利申请未审定公开号No.H6-286149中所披露的，使用了这样一种方法，即，通过照相平版印刷成形技术使用可溶性树脂形成油墨流径，之后用环氧树脂等覆盖和硬化所述图案，并且在将所述衬底切割成块时去除所述可溶性树脂。
如日本专利申请未审定公开号No.2002-113870中所披露的，还可通过以下方式实现更高的耐用性和更高的可靠性，所述方式即，将上部保护层构成得具有两层，使用高抗油墨腐蚀性非晶态Ta膜作为下层而使用较低产生结垢的Ta膜作为上层。
然而，在使得油墨排出元件伸长(到0.5英寸或更大)以便于实现更高的记录速度的情况下或在使用包含添加剂的多样化油墨以便于提高记录媒体上油墨耐光性或抗气体性的情况下，由于所述部件的线性膨胀系数中的差异以及由于构成液体流径或排出口的壁的树脂层中的应力而产生了应变，以及新类型油墨在界面上的影响，从而导致构成液体流径或排出口的壁的覆盖树脂层与加热器衬底上的上部保护层之间的剥离现象。另外，甚至在有机粘着促进层被设在上部保护层上的情况下，也可导致有机粘着促进层与上部保护层之间的界面处的剥离，从而使得油墨身体到衬底上并且导致布线的腐蚀，从而阻碍了较长时期内满意的记录或质量可靠性。
发明内容
本发明的一个目的是改进用于喷墨头的衬底的具有与油墨相接触的部分的上部保护层与树脂层之间的粘着，从而提供能够在长时期内确保可靠性的喷墨头及用于所述喷墨头的衬底。
本发明的另一个目的是提供一种用于喷墨头的衬底、具有所述衬底的喷墨头，以及其制造方法，其中即使在使用了用于记录图像的更高清晰度的小点或用于更高记录速度的更长记录元件的情况下，或者在使用多样化油墨从而可获得记录头的更高密度的情况下，所述衬底在上部保护层与树脂层之间也具有改进的粘着。
本发明的另一个目的是提供一种甚至对于高腐蚀性油墨来说也能实现高耐用性和高可靠性的上部保护层的结构，从而提供用于喷墨头的衬底和长使用寿命的喷墨头以及其制造方法。
本发明的另一个目的是提供一种用于喷墨头的衬底，包括形成有用于产生用以排出油墨的能量的生热电阻器的基板、与所述生热电阻器电连接的电极布线，以及设在所述生热电阻器和所述电极布线的上方并且包括TaCr合金的上部保护层，其特征在于，所述上部保护层在其上部部分上具有由树脂制成的结构并且所述树脂结构被固定在所述上部保护层上。
本发明的另一个目的是提供一种喷墨头，包括用于排出液体的排出口、与所述排出口相通并且具有用于向所述液体施加用以排出所述液体的热能的部分的液体流径、用于产生所述热能的生热电阻器、与所述生热电阻器电连接的电极布线，以及设在所述生热电阻器和所述电极布线的上方并且包括TaCr合金的上部保护层，其特征在于，所述上部保护层在其上部部分上具有由树脂制成的结构并且所述树脂结构被固定在所述上部保护层上。
本发明的另一个目的是提供一种喷墨头的制造方法，所述喷墨头在衬底上包括构成生热部分的生热电阻器、与所述生热电阻器电连接的电极布线，设在所述生热电阻器和所述电极布线上并且具有与油墨相接触的接触表面的上部保护层，以及由树脂层形成在所述衬底上的液体流径元件。所述制造方法包括形成其中Ta层被层压在由TaCr合金所形成的层上的上部保护层的步骤、选择性地对所述Ta层形成图案以及选择性地去除所述Ta层的步骤、在通过所述去除步骤暴露出TaCr合金所形成的层的部分中形成液体流径元件的步骤。
本发明的另一个目的是提供一种用于喷墨头的衬底、喷墨头以及其制造方法，其中在上部保护层与树脂层之间具有出色的粘着性并且能够在高精确度下形成液体流径的图案，从而提供高可靠性的喷墨头，另外甚至在喷墨头被延长到0.5英寸或更高的情况下也不会导致构成液体流径的元件的剥离，从而在长时间内确保高可靠性。
本发明的另一个目的是提供一种用于喷墨头的衬底、喷墨头以及其制造方法，其中所述喷墨头能够通过上部保护层与树脂层之间的出色粘着性在高精确度下形成液体流径的图案，从而甚至在用于实现记录图像的更高清晰度的小点形成或者用于实现更高记录速度的高速驱动的情况下，也可确保高可靠性。
图1是用于本发明的喷墨头的衬底的部分截面图；图2A、2B、2C和2D是示出了用于在用于本发明的喷墨头的衬底上形成排出元件的方法的视图；图3A、3B、3C、3D和3E是示出了用于在用于本发明的喷墨头的衬底上形成排出元件的另一种方法的视图；图4是示出了用于形成用于本发明喷墨头的衬底的层的膜形成设备的视图；图5是示意图，示出了本发明的喷墨头应用于其中的喷墨记录设备的结构；图6是示出了用于在用于本发明的喷墨头的衬底上形成排出元件的另一个实施例的部分喷墨头；图7是图6的示意性部分截面图；以及图8是图表，示出了在电压施加后在上部保护层中的温度改变以及气泡产生状态。
具体实施例方式
图1是示意性部分截面图，示出了本发明的结构所适用的喷墨头。
在图1中，示出了硅衬底101、由热氧化膜制成的热量积聚层102、例如由SiO膜、SiN膜等制成并且还用于热量积聚的层间膜103、生热电阻器层104、由诸如Al、Al-Si、以及Al-Cu等金属材料构成的金属布线层105、例如由SiO膜、SiN膜等制成并且还用作绝缘层的保护层106、设在保护层106上的用于保护电热转换元件不受与生热电阻器所产生的热量相关的化学和物理冲击的上部保护层107、以及热作用部分108，在该热作用部分108中，生热电阻器层104的生热电阻器所产生的热量被传输到油墨上。
喷墨头中的热作用部分由于生热电阻器中产生的热量而暴露于高温下，并且还主要遭受来自于油墨中的气泡产生或之后的气泡收缩的气蚀冲击和油墨的化学作用。因此，上部保护层107被设在该热作用部分上以便于保护电热转换元件不受所述气蚀冲击和油墨的化学作用。在上部保护层107上，使用用于形成流径的元件109形成了包括排出口110的排出元件。
图2A到2D示出了用于形成排出元件的方法。
在与图1中所示的喷墨头衬底100相同的喷墨头衬底200上，通过旋涂法涂覆抗蚀剂材料，作为用于最终构成油墨流径的可溶性固体层201。由PMIPK(聚甲基异丙烯基酮，polymethylisopropheyl ketone)制成的抗蚀剂材料用作负作用抗蚀剂并且通过使用照相平版方法将其成形为油墨流径的形状。随后，形成涂层树脂层203以便于形成液体流径或排出口的壁。在形成该涂层树脂层203之前，可适合地执行硅烷耦联处理等以提高粘附力。通过适当选择公知的涂敷法，可将涂层树脂层203涂覆在承有油墨流径的图案的喷墨头衬底200上。之后，通过各向异性蚀刻方法、喷砂方法或各向异性等离子体蚀刻方法等从喷墨头衬底200的后表面形成油墨供应口206。更好地，通过使用四甲基羟胺(TMAH)、NaOH或KOH等的化学各向异性蚀刻方法可形成油墨供应口206。随后为了移除可溶性固体层201，执行通过远紫外线的完全曝光、显影和干燥。
如图3A到3E中所示的，在形成上部保护层107(Ta100-xCrx)之后，可在喷嘴构成元件下面形成有机粘着促进膜307。选择聚醚酰胺树脂作为有机粘着促进膜307。由于出色的防碱性腐蚀性、对于诸如硅有机膜的满意的粘着性以及可用作喷墨记录头的抗油墨保护膜的优点，因此所述树脂尤为优选。之后如图3A到3E中所示的，进行光刻工艺以形成图案。可通过与普通有机膜的干法蚀刻相似的方法实现所述形成图案。更具体地说，可利用正作用抗蚀剂作为掩模通过氧气等离子体的蚀刻实现所述形成图案。
在以下描述中，将参照图3A到3E，描述在上部保护层107(Ta100-xCrx)的形成之后，用于形成有机粘着促进膜307的方法。在喷墨头衬底300上，通过旋涂法涂覆抗蚀剂材料以便于形成最终构成油墨流径的可溶性固体层301。由PMIPK(聚甲基异丙烯基酮，polymethylisopropheyl ketone)制成的抗蚀剂材料用作负作用抗蚀剂并且通过照相平版方法将其成形为油墨流径的形状。
随后，形成涂层树脂层303以便于形成液体流径或排出口的壁。在形成该涂层树脂层303之前，可适合地执行硅烷耦联处理等以提高粘附力。通过适当选择公知的涂敷法，可将涂层树脂层303涂覆在其上形成有油墨流径的图案的用于喷墨的衬底上。之后通过照相平版方法为涂层树脂层303形成图案。之后，通过各向异性蚀刻方法、喷砂方法或各向异性等离子体蚀刻方法等从衬底的后表面形成油墨供应口306。更好地，通过使用四甲基羟胺(TMAH)、NaOH或KOH等的化学各向异性蚀刻方法可形成油墨供应口306。随后为了移除可溶性固体层301，执行通过远紫外线的完全曝光、显影和干燥。
使用切割锯等将承载有通过图2A到2D和3A到3E中所述的步骤形成的喷嘴部分的衬底切割成芯片，所述芯片接收电连接以便于驱动生热电阻器，还与油墨供应元件连接，从而完成喷墨头。
要求将与油墨相接触的上部保护层具有诸如在热阻、机械特性、化学稳定性、抗氧化性、抗碱性等方面出色的膜特性，以及对于有机粘着促进层和喷嘴构成元件的粘着性，并且由Ta和Cr构成。最好由Ta100-xCrx构成，其中x≥12at.％。
从50nm到500nm(最好是从100nm到300nm)的范围内选择上部保护层107的膜厚度。而且，该上部保护层至少具有压应力，最好不超过1.0×1010dyn/cm2。可通过各种方法制造上部保护层107，但是通常可使用射频(RF)电源或直流电(DC)电源通过磁控管溅射法制成。
图4示出了用于形成上部保护层107的溅射设备。在图4中，示出了Ta靶和Cr靶4001、平面靶4002、用于控制衬底上的膜形成的闸板4011、衬底固定器4003、衬底4004、与靶4001和衬底固定器4003相连接的电源。在图4中，还示出了以围绕膜形成腔室4009的外周壁的方式提供的外部加热器4008。外部加热器4008用于调节膜形成腔室4009的环境温度。用于调节衬底温度的内部加热器4005被设在衬底固定器4003的后表面上。最好与外部加热器4008相组合实现衬底的温度控制。
以如下方式执行使用图4设备的膜形成。首先，使用真空泵4007将膜形成腔室4009抽空到1×10-5到1×10-6Pa。接下来，经由气体引入孔4010通过质量流量控制器(未示出)将氩气引入到膜形成腔室4009中。在该操作中，如此调节内部加热器4005和外部加热器4008以使得衬底温度和环境温度变为预定温度。接着，功率从电源4006中被提供到靶4001以便于形成溅射排出，并且调节闸板4011以便于在衬底4004上形成薄膜。
在本发明中，两种类型的靶，即，可通过利用Ta靶和Cr靶并且从分别与之相连的两个电源向其中供应功率的二元同步溅射方法执行膜形成。在这种情况下，可独立地调节供应到每个靶的功率。或者，还可通过制备其成分已被预先调节的多种合金靶以及执行单个靶的溅射或多种合金靶被同时溅射以形成具有期望成分的薄膜。
如上所述的，当形成上部保护层107时，通过将衬底加热到高达100℃到300℃而获得强膜粘附性。另外，通过前面所述的能够形成具有较高动能的颗粒的溅射方法形成膜，可获得强膜粘附性。
通过使得膜至少具有压应力(不超过1.0×1010dyn/cm2)，同样可获得强膜粘附性。通过适当地设定引入到膜形成设备中的氩气的流速、施加于靶的功率或衬底的加热温度可调节所述膜应力。
图5是示出了本发明所适用的喷墨设备的外视图。该喷墨设备是老式的，但是当应用于最近的喷墨设备时本发明是更有效的。
在图5中所示的喷墨设备中，记录头2200被安装在与导向螺杆2104的螺旋槽2121相接合的滑架2120上，所述导向螺杆2104通过驱动力传输齿轮2102和2103与驱动马达2101的正向或反向旋转一起旋转，并且通过驱动马达2101的功率沿方向a和b沿导轨2119与滑架2120一起往复移动。用于通过记录媒体供应设备(未示出)传输在压板2106上的记录纸P的压纸板2105沿滑架2120的移动方向将记录纸压在压板2106上。
光电耦合器2107和2108构成原位置检测装置，用于确认光电耦合器的位置中杆2109的存在，从而切换驱动马达2101的旋转方向。还提供了用于支撑用于盖住记录头2200的整个表面的盖元件2111的元件2110，以及用于抽吸移除盖元件2111中油墨的抽吸装置2112，从而通过盖中的开口2113实现记录头2200的抽吸恢复。清洁刮刀2114和用于以沿前后方向可移动的方式支撑所述清洁刮刀的移动元件2115由设备主体中的支撑板2116支撑。清洁刮刀不局限于所示的形式，并且任何公知的清洁刮刀都可适用。
用于开始用于抽吸恢复操作的杆2117随着与滑架2120相接合的凸轮2118的移动而移动，从而通过诸如离合器的传输装置控制驱动马达2102的驱动力。用于将信号发送到设在记录头2200中的生热单元2110和用于控制上述机构驱动的记录控制单元(未示出)被设置在记录设备主体中。
如上所述构成的喷墨记录设备2100通过使得记录头2200在由记录媒体供应设备运输到压板2106上的记录纸P的整个宽度上往复移动执行记录，并且由于记录头2200是以前述中所述的方法制造的，因此所述设备可实现高精度的高速记录。
在下文中，将参照上部保护层107的形成示例和使用由该上部保护层的喷墨头的示例详细描述本发明。然而，本发明不局限于所述示例。
在将用于上部保护层107的Ta-Cr膜形成在硅晶片上时使用图4中所示的设备以及上述膜形成方法，并且评价所述膜的特性。以以下方式解释膜形成操作和膜特性的评价。应该注意的是，在本发明中不包含通过膜形成工艺等包含在所完成膜中的不期望元件(污染物)。
首先，将热氧化膜形成在单晶硅晶片上，并且所述硅晶片(衬底4004)被设置在图4中所示的设备的膜形成腔室4009中的衬底固定器4003上。接着，使用真空泵4007将膜形成腔室4009抽空到高达8×10-6Pa。之后，将氩气从气体引入孔4010中引入到膜形成腔室4009中并且将其内部调节为以下条件[膜形成条件]衬底温度200℃
膜形成腔室中的气体环境温度200℃膜形成腔室内部的气体混合压力0.6Ppa接着，通过利用Ta靶和Cr靶的二元同步溅射方法(其中针对每种靶使用可变功率)在硅晶片的热氧化膜上形成有200nm厚的Ta100-xCrx膜，从而获得样品1到7。
通过RBS(卢瑟福后向散射)在所获得的样品1到7的每种上执行成分分析。所获得结果在表1中示出。如表1中所示的，通过改变提供到Ta靶和Cr靶的功率可获得不同成分的膜。
表1
接下来，从膜形成前后的衬底变形量中确定每个样品的膜应力。作为结果，随着Ta100-xCrx膜中Cr浓度的增加，膜应力趋向于从压应力改变为张应力，并且膜粘附力趋向于减小。通过形成至少为压应力并且不超过1.0×1010dyn/cm2的膜应力，可获得强膜粘附力。
(与树脂的粘着性)(示例1)为了简单地评价本示例中的Ta88Cr12膜107(是指具有Ta88at.％以及Cr12at.％的成分比例的膜；在下文中以相似的方式表示成分)与有机粘着促进膜(聚醚酰胺树脂)307之间的粘着性，在高压锅试验(PCT)之后执行带剥离试验。
以以下方式执行带剥离试验。在承载有上部保护层107的硅晶片上，形成了具有2μm厚度的有机粘着促进膜(聚醚酰胺树脂)307，并且用切割刀在有机粘着促进膜307上以10(纵向)×10(横向)＝100个正方形的棋盘形图案的方式形成1×1mm的正方形。之后通过在121℃和2.0265×105Pa(2atm.)的条件下在碱性油墨中浸泡10小时而执行PCT。之后，胶带被施加在棋盘形图案中的正方形上并且被剥离，并且研究100个正方形之中由胶带剥离的多个正方形。结果，尽管在100个正方形之中观察到大约15个正方形的剥离，但也获得了通常令人满意的结果(表2)。
(比较示例1)使用与示例1中相似的方法评价PCT之后的Ta膜与有机粘着促进膜(聚醚酰胺树脂)307之间的粘着性，在表2中示出了所获得的结果。
如表2中所示的，PCT之后在Ta膜与有机粘着促进膜307之间的分界面处产生剥离，明显示出了粘着特性的退化。
(示例2到7)使用与示例1中相似的方法评价PCT之后不同成分的Ta100-xCrx膜的粘着性，在表2中示出了所获得的结果。
(比较示例2和3)使用与示例1中相似的方法评价PCT之后的粘着性。针对Ta20Fe61Cr14Ni5(比较示例2)和Ta87Fe10Cr2Ni1(比较示例3)作出评价，在表2中示出了所获得的结果。
如从这些结果中将明白的，传统上来说用作上部保护膜的Ta20Fe61Cr14Ni5膜和Ta87Fe10Cr2Ni1膜不能提供充足的粘着特性，这是由于上部保护层107与有机粘着促进膜307之间的分界面处的剥离导致的。
表2
如前面所述的，PCT之后，在Ta100-xCrx膜中，上部保护层107与有机粘着促进膜307之间的粘着性在低Cr含量的膜中趋向于变低，而在x等于或高于12at.％的情况下处于令人满意的范围内。
除在存在粘着促进层情况下的前述结果之外，在不存在粘着促进层的情况下也获得了相似的结果，并且确定不管存在或是不存在粘着促进层，Ta100-xCrx(x≥12at.％)膜对于粘着性都是有效的。
(示例8)在本示例中，硅衬底或其中形成有驱动IC的硅衬底被用作用于分析喷墨特性的样品。在硅衬底的情况中，通过热氧化方法、溅射方法或CVD方法等形成1.8μm厚度的SiO2热量积聚层102(图1)，并且已具有IC的硅衬底也在准备过程中经历形成SiO2热量积聚层的过程。
之后，通过溅射方法或CVD方法等形成1.2μm厚度的SiO2层间绝缘膜103。之后，通过使用Ta-Si靶的反应溅射法形成50nm厚的Ta40Si21N39生热电阻器104。在200℃的衬底温度下执行该操作。然后通过溅射法形成200nm厚的用作金属布线105的Al膜。
接着，通过照相平版术执行形成图案以形成其中Al膜被去除的26μm×26μm的热作用部分108。接着，通过等离子体CVD方法将300nm厚的SiN绝缘元件形成为保护层106。
之后，在对于Ta靶和Cr靶的改变功率下通过溅射法将200nm厚的Ta88Cr12形成为上部保护层107。
之后，通过干法蚀刻为上部保护层107形成图案。
随后，为了提高上部保护层和喷嘴构成元件之间的粘着性，形成了具有2μm厚度的有机粘着促进膜(聚醚酰胺树脂)307，从而获得喷墨头衬底。
在图3中所示的制造方法中使用所述喷墨头衬底以制备喷墨头，所述喷墨头在喷墨记录设备中经历排出耐用性测试。在15kHz的驱动频率和1μsec的脉冲宽度下执行所述测试，并且由FIB通过横截面观察评价1.0×108脉冲之后上部保护层107的磨损。驱动电压为Vth×1.3，其中Vth表示用于油墨排出的气泡产生阈值电压。另外，还使用包含大约4％的具有硝酸基团二价金属(Ca(NO3)2·4H2O)的油墨。
如表3中所示的，可以确定，尽管在连续排出直到2.0×108脉冲后出现微小磨损，但是上部保护层还是稳定的，具有稳定的排出特性。
(比较示例4)除用Ta膜制备上部保护层107以外，以与示例8相似的方法制备喷墨头。如示例1中一样，所述喷墨头经历排出耐用性测试，并且在表3中示出了所获得的结果。如表3中所示的，在比较示例4中，在达到2.0×108脉冲之前排出变得不再可能。通过拆卸喷墨头所执行的分析证明，腐蚀到达了生热电阻器层并且导致其损坏。
(示例9到16)除用表3中所示的成分和厚度制备上部保护层107以外，以与示例8相似的方法制备喷墨头。如示例8中一样，所述喷墨头经历排出耐用性测试，并且在表3中示出了所获得的结果。
(比较示例5和6)除用表3中所示的成分和厚度制备上部保护层107以外，以与示例8相似的方法制备喷墨头。
如示例8中一样，所述喷墨头经历排出耐用性测试，并且在表3中示出了所获得的结果。
如表3中所示的，Ta20Fe61Cr14Ni5(比较示例5)示出了很少磨损并且在排出耐用性测试中稳定。
Ta87Fe10Cr2Ni1(比较示例6)示出了大约到膜厚度一半的磨损。
这些结果表示以下情况。
如从表3中所示的结果可明白的，在排出耐用性测试中上部保护层107的抗磨损稳定性取决于Ta100-xCrx膜的成分，并且随着Cr含量的增加而变得卓越。更具体地说，在Ta100-xCrx膜的成分中，在x≥12at.％的情况下上部保护层107对于磨损来说极稳定。
另外，上部保护层107最好具有100到500nm的膜厚度。小于100nm的膜厚度可导致相对于油墨的不充分保护能力，而超过500nm的膜厚度可能阻碍从生热电阻器到油墨的有效的能量传导，从而导致大量能量流失。
在这些示例中，甚至通过大约100nm的膜厚度也可获得出色的耐用性。关于膜应力，至少不超过1.0×1010dyn/cm2的压应力可提供具有出色耐用性的强膜粘附力。
如前述示例中所述的，通过用Ta和Cr的合金构成上部保护层107、通过在上部保护层107上形成树脂(流径形成元件109)以及将所述树脂固定在上部保护层107上可提供能够实现高密度的喷墨头衬底、具有所述衬底的喷墨头以及装有所述喷墨头的喷墨设备。
表3
(示例17)在本示例中，上部保护层107具有双层结构，并且，在热作用部分中，使用由上部Ta层111和下部TaCr层112构成的双层结构，而在流径形成元件109下面，使用仅具有下层112的单层结构。
更具体地说，示出了使用Ta80Cr20作为上部保护层107的下部膜112以及使用Ta膜作为上部膜111的一种情况。
通过利用Ta靶和Cr靶的二元溅射在绝缘层上形成具有Ta80Cr20成分和130nm厚度的下部膜112。通过改变用于Ta溅射和用于Cr溅射的功率预先分析成分而确定二元溅射的条件。另外，取代二元溅射，也可执行具有预先已知成分的TaCr合金靶的溅射。
之后通过利用Ta靶形成具有100nm厚度的上层111。在同一个溅射室以连续的方式执行膜形成。
之后，构成上层111的Ta膜通过普通光刻工艺通过抗蚀剂成形(抗蚀剂涂覆、曝光和显影)、Ta蚀刻以及抗蚀剂剥离形成图案。
在该操作中，可在曝光步骤通过光掩模图形任意地选择Ta膜的图案。因此，如图6和图7中所示的，如此选择所述图案，即，使得在生热部分(热作用部分108)上形成Ta膜，但是没有形成作为将形成流径形成元件109的上层111的Ta膜。之后通过光刻工艺通过抗蚀剂成形(抗蚀剂涂覆、曝光和显影)、Ta蚀刻以及抗蚀剂剥离为TaCr膜形成图案。在图6中，示出了一种低路径元件形成部分1090，所述低路径元件形成部分1090在部分区域中包括其中流径形成元件109被层压在有机粘着促进膜307、上部保护层的上层图案1110、下部保护层的下层图案1120、生热电阻器1080以及电极布线1050上的一种结构。
通过干法蚀刻设备执行TaCr膜的蚀刻，选择能够获得具有下面绝缘保护层的选择性蚀刻比率的蚀刻气体、气体压力和功率。在TaCr膜的图案形成中，如图6中所示的，它被形成在用于形成液体流径形成元件的部分1090的下面。
另外，如图7中所示的，在截面中，在构成上部保护层107的下层膜112的230nm厚的Ta80Cr20膜上，以所述顺序层压有构成下部液体流径元件和液体流径元件109的有机粘着促进膜307，并且以简单的方式评价Ta80Cr20膜与有机粘着促进膜307和其上的液体流径元件109之间的粘着。通过在初始状态和在高压锅试验(PCT)之后执行带剥离试验而进行评价。在该示例中，为了进一步提高液体流径元件109与TaCr膜之间的粘着性，使用作为下部液体流径元件的有机粘着促进膜307。
通过在121℃和2.0265×105Pa(2atm.)的条件下在碱性油墨中浸泡10小时而执行PCT。在表4中示出了所获得的结果。这些结果说明Ta80Cr20膜具有令人满意的粘着性。
表4
在构成上部保护层107的下层112的Ta80Cr20膜和构成上层111的Ta膜形成图案后，通过旋涂法将可溶性固体层301涂覆在衬底上，并且将其曝光以形成构成油墨流径的形状。可通过普通掩模和远紫外线获得油墨流径的形状。之后层压覆盖树脂层303，然后通过曝光设备曝光并且显影以形成排出口110。随后，在通过具有TMAH的硅的各向异性蚀刻形成油墨供应口306之后，通过直接曝光于远紫外线、显影和干燥而去除覆盖树脂层303的待溶解的一部分。使用切割锯等将承载有通过前述步骤形成的喷嘴部分的衬底切割成芯片，所述芯片受到电连接以便于驱动生热电阻器，还实现与油墨供应元件的连接，从而完成喷墨头。
在排出PH10的碱性油墨的评价中，如此制备的喷墨头提供了令人满意的记录质量。另外，在该喷墨头的情况中，在60℃下浸泡在该油墨中3个月之后，在油墨排出评价中，提供了令人满意的记录质量，并且没有显示出覆盖树脂层303的剥离。
(比较示例7)其中示出了仅使用单层Ta膜作为上部保护层的情况。
在该比较示例中，通过使用Ta靶的溅射形成230nm厚的Ta膜。
之后通过普通光刻工艺通过抗蚀剂成形(抗蚀剂涂覆、曝光和显影)、Ta蚀刻以及抗蚀剂剥离，为Ta膜形成图案。
在该操作中，可在曝光步骤通过光掩模图形任意地选择Ta膜的图案。
为了简单评价230nm厚的Ta膜与构成下部液体流径元件的液体流径元件109和有机粘着促进膜307之间的粘着性，执行带剥离试验。通过在初始状态和在高压锅试验(PCT)之后执行带剥离试验而进行评价。
通过在121℃和2.0265×105Pa(2atm.)的条件下在碱性油墨中浸泡10小时而执行PCT。在表4中示出了所获得的结果。
根据这些结果，其中Ta膜示出了PCT之后的剥离，可确认粘着性在前述使用Ta80Cr20作为上部保护层107的下层112而使用Ta膜作为上层111的示例17的结构中是卓越的。
之后，通过旋涂法将可溶性固体层301涂覆在承载有上部保护层107的衬底上，并且将其曝光以形成构成油墨流径的形状。可通过普通掩模和远紫外线获得油墨流径的形状。之后层压覆盖树脂层303，然后通过曝光设备曝光并且显影以形成排出口110。随后，在通过以TMAH对硅各向异性蚀刻形成油墨供应口306之后，通过直接曝光于远紫外线、显影和干燥而去除覆盖树脂层303的待溶解的一部分。使用切割锯等将承载有通过前述步骤形成的喷嘴部分的衬底切割成芯片，所述芯片受到电连接以便于驱动生热电阻器，还与油墨供应元件连接，从而完成喷墨头。
在排出PH10的碱性油墨的评价中，如此制备的喷墨头提供了令人满意的记录质量。然而，在60℃下浸泡在该油墨中3个月之后，该喷墨头显示出了未排出的一部分并且不能提供令人满意的记录质量。在对于喷墨头的观察中，观察到覆盖树脂层303的剥离并且确认油墨流径的连接状态。
在该示例中，通过在与加热器衬底上的上部保护膜的液体流径元件相接触的下层中形成TaCr膜，并且通过在与油墨相接触的上层中形成Ta膜，甚至在使用了用于记录图像的更高清晰度的小点或用于更高记录速度的更长记录元件的情况下，或者在使用多样化油墨的情况下，也可提高上部保护层和构成液体流径的树脂层之间的粘着性，从而提供能够实现更高密度的喷墨头衬底和喷墨头，以及装有所述喷墨头的喷墨设备。
另外，对于多样化油墨(诸如显示出由于结垢的高排出不稳定性的油墨和具有高腐蚀性的油墨)来说，上部保护层的双层结构实现了高耐用性和高可靠性，从而提供喷墨头衬底和长使用寿命的喷墨头，以及装有所述喷墨头的喷墨设备。
在前述示例中，已描述了这样一种喷墨记录头，其中诸如排出口和油墨流径的排出元件是通过光刻工艺制备的，但是本发明还包括这样一种结构，其中构成排出口的孔板或构成油墨流径的顶板被独立形成并且例如通过粘合剂材料将其粘附于上部保护层上。
权利要求
1.一种用于喷墨的衬底，包括形成有用于产生排出油墨的能量的生热电阻器的基板；与所述生热电阻器电连接的电极布线；以及设在所述生热电阻器和所述电极布线的上方并且包括TaCr合金的上部保护层，其中，所述上部保护层在其上部部分上形成有由树脂制成的结构，并且所述树脂结构被固定在所述上部保护层上。
2.依照权利要求1所述的用于喷墨的衬底，其特征在于，所述上部保护层由下层TaCr合金和上层Ta形成的双层膜构成，所述下层固定作为所述树脂结构的液体流径元件并且所述上层被设置在与至少所述生热电阻器上方的油墨相接触的位置处。
3.依照权利要求1所述的用于喷墨的衬底，其特征在于，所述上部保护层包含含量等于或高于12原子％(at％)的Cr。
4.依照权利要求1所述的用于喷墨的衬底，其特征在于，所述上部保护层具有非晶态结构。
5.依照权利要求1所述的用于喷墨的衬底，其特征在于，所述上部保护层具有50到500nm范围内的厚度。
6.依照权利要求1所述的用于喷墨的衬底，其特征在于，所述上部保护层具有10到100nm范围内的厚度。
7.依照权利要求1所述的用于喷墨的衬底，其特征在于，所述上部保护层具有至少为压应力并且等于或小于1.0×1010dyn/cm2的膜应力。
8.一种喷墨头，包括用于排出液体的排出口；与所述排出口相通并且具有用于向所述液体施加用以排出所述液体的热能的部分的液体流径；用于产生所述热能的生热电阻器；与所述生热电阻器电连接的电极布线；以及设在所述生热电阻器和所述电极布线的上方并且包括TaCr合金的上部保护层，其中所述上部保护层在其上部部分上形成有由树脂制成的结构，并且所述树脂结构被固定在所述上部保护层上。
9.依照权利要求8所述喷墨头，其特征在于，所述上部保护层由过下层TaCr合金和上层Ta形成的双层膜构成，所述下层固定作为所述树脂结构的液体流径元件并且所述上层被设置在与至少所述生热电阻器上方的油墨相接触的位置处。
10.依照权利要求8所述喷墨头，其特征在于，所述上部保护层包含等于或高于12原子％(at％)的量的Cr。
11.依照权利要求8所述喷墨头，其特征在于，所述上部保护层具有非晶态结构。
12.依照权利要求8所述喷墨头，其特征在于，所述上部保护层具有50到500nm范围内的厚度。
13.依照权利要求8所述喷墨头，其特征在于，所述上部保护层具有10到100nm范围内的厚度。
14.依照权利要求8所述喷墨头，其特征在于，所述上部保护层具有至少为压应力并且等于或小于1.0×1010dyn/cm2的膜应力。
15.一种喷墨头制造方法，所述喷墨头在衬底上包括构成生热部分的生热电阻器、与所述生热电阻器电连接的电极布线、设在所述生热电阻器和所述电极布线上并且具有与油墨相接触的接触表面的上部保护层，以及由树脂层形成在所述衬底上的液体流径元件，所述制造方法包括形成其中Ta层被层压在由TaCr合金所形成的层上的上部保护层的步骤；选择性地对所述Ta层形成图案以及选择性地去除所述Ta层的步骤；在通过所述去除步骤暴露出TaCr合金所形成的层的部分中形成液体流径元件的步骤。
全文摘要
为了提高具有与用于喷墨头的衬底中的油墨相接触的部分的保护层与树脂层之间的粘着性，从而在长时间内确保质量上的可靠性，本发明提供了用于喷墨头的衬底，所述衬底包括构成生热部分的生热电阻器、与所述生热电阻器电连接的电极布线；以及设在所述生热电阻器和所述电极布线的上方的上部保护层，其特征在于，在形成其中Ta层被层压在由TaCr合金所形成的层上的上部保护层之后，选择性地对所述Ta层形成图案以及选择性地去除所述Ta层，从而在通过所述去除露出由所述TaCr合金所形成的层的部分中形成液体流径元件。
文档编号B41J2/16GK1732086SQ20038010749
公开日2006年2月8日 申请日期2003年12月25日 优先权日2002年12月27日
发明者齐藤一郎, 横山宇, 尾崎照夫, 坂井稔康 申请人:佳能株式会社