CN100402294C

CN100402294C - 一种加热器芯片、加热器堆叠和打印头

Info

Publication number: CN100402294C
Application number: CNB2003801090293A
Authority: CN
Inventors: 弗兰克·E.·安德森; 拜伦·V.·贝尔; 罗伯特·科内尔; 关怡敏(音译); 乔治·K·派瑞施
Original assignee: Lexmark International Inc
Current assignee: Lexmark International Inc
Priority date: 2002-12-30
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2023-12-24
Also published as: EP1592559A2; WO2004060676A3; EP1592559A4; BR0317889A; TW200510184A; JP2006512234A; US6805431B2; CN1738716A; US20040125174A1; MXPA05007160A; CA2512165A1; WO2004060676A2; AU2003297528A1; WO2004060676B1

Abstract

一种喷墨打印头加热器芯片有一个硅衬底，其上有多个薄膜层形成的加热器堆叠，以用于在使用期间喷射墨滴。所述多个薄膜层包括：一个所述硅衬底上的热阻隔层；一个所述热阻隔层上的电阻层；一个所述电阻层上的掺杂的类金刚石的碳层；以及一个掺杂的类金刚石的碳层上的空穴层。掺杂的类金刚石的碳层最好包括硅，但也可以包括氮、钛、钽及其组合或其它元素。当它包括硅时，推荐的硅浓度约为20至25原子百分数。推荐的空穴层包括一层未掺杂的类金刚石的碳、钽或钛层。掺杂的类金刚石的碳层的厚度范围在500至3000埃之间。空穴层范围在500至6000埃之间。还公开了喷墨打印头和打印机。

Description

一种加热器芯片、加热器堆叠和打印头

技术领域

本发明涉及喷墨打印头。特别地，它涉及一种其中的在电阻层之上有一层掺杂的象金刚石的碳层的加热器芯片。更特别地，所述掺杂的象金刚石的碳层包括硅、氮、钛、钽或其它，以及一层覆盖所述掺杂的象金刚石的碳层的未掺杂的类金刚石的碳、钽或钛的空穴层。

背景技术

使用喷墨技术的图像印刷工艺是相对众所周知的。一般来说，图像是通过在精确的瞬间从喷墨打印头喷射墨滴以便它们在所需位置撞击打印介质而产生的。打印头由装置(例如喷墨打印机)之内的可移动打印架来支撑，并且可被引起相对于一个行进的打印介质而互动。它依照微处理机或其它控制器的命令，不时地喷射墨滴。墨滴喷射的时机对应于要打印的图像的像素图样。除了打印机之外，采用喷墨技术的常见设备包括传真机、多功能一体机、照片打印机以及绘图机，仅举几个例子。

通常，热喷墨打印头包括连接到彩色或单色墨水的本地或远程的源、加热器芯片、附着于加热器芯片上的喷嘴或孔板、以及一个输入/输出连接器，例如带式自动粘合(TAB)电路，用于在使用期间电连接加热器芯片和打印机。反过来，加热器芯片通常包括多个在衬底(例如硅)上通过沉积、模制或蚀刻技术产生的薄膜电阻器或加热器。贯穿硅的厚度切割或蚀刻的一个或多个墨孔用于流动地连接墨源到各个加热器。

为了打印或喷射单滴墨水，将少量电流唯一地引向各个电阻加热器以快速地加热少量墨水。这引起墨水在(加热器和喷嘴板之间的)本地墨水盒中汽化，并且穿过喷嘴板而喷出并由喷嘴板投射向打印介质。

迄今，传统的硅衬底上的加热器芯片薄膜包括出于与钝化有关的原因而覆盖着电阻层的氮化硅(SiN)和碳化硅(SiC)。此后，一个空穴层覆盖着这两个钝化层以保护加热器使其免受腐蚀性墨水和出现在墨水盒中的气泡破裂的影响。关于厚度，SiN通常为2000至3000埃，SiC为1000至1500埃，空穴层为2000至4000埃。这样，在电阻层之上的这三层的组合至少构成了数千埃的厚度。而且，由于这三层都有不同的化学成分，因此至少需要三个处理步骤。

因此，喷墨打印头技术希望的是需要最少处理步骤而无需受到打印头功能或性能的相应损失的最优加热器芯片配置。

发明内容

通过应用与下文中描述的具有掺杂的类金刚石的碳薄膜层并覆盖着空穴层的喷墨打印头加热器芯片相关的原理和教导，可以解决上述及其它问题。

在一个实施例中，加热器芯片有一个硅衬底，其上有多个薄膜层形成的加热器堆叠，以用于在使用期间喷射墨滴。所述薄膜层包括：一个硅衬底上的热阻隔层；一个所述热阻隔层上的电阻层；一个所述电阻层上的掺杂的类金刚石的碳层；以及所述掺杂的类金刚石的碳层上的一个空穴层。掺杂的类金刚石的碳层和空穴层这两层共同致力于提高粘附力、钝化和保护使其免受空穴影响这三个功能。所述掺杂的类金刚石的碳层最好包括硅，但也可以包括氮、钛、钽或其它元素。当它包括硅时，推荐的硅浓度约为20至25原子百分数。它更优选地约为23原子百分数。推荐的空穴层包括一层未掺杂的类金刚石的碳、钽或钛层。所述掺杂的类金刚石的碳层的厚度范围在500至3000埃之间。空穴层范围在500至6000埃之间。这样，组合的厚度可以在少至1000埃到9000埃之间变动。

在本发明的另一特征中，在传统PECVD盒内，使用衬底和气态等离子体之间200至1000伏特的偏压，在所述衬底上形成所述掺杂的类金刚石的碳层。优选地，气态等离子体包括甲烷和四甲基硅烷气体。

在另一特征中，公开了包含加热器芯片的打印头和包含所述打印头的打印机。

在随后的描述中，将提出本发明的这些和其它实施例、特征、优势和特性，其中部分对于那些掌握技术中普通技能的人来说，通过查阅下述的发明说明书和引用的附图或通过实践本发明，将是显而易见的。通过在附上的权利要求书中特别指出的工具、程序以及组合，可以实现并获得本发明的特征、优势和特性。

附图说明

图1是依照配备了有类金刚石的含杂质碳并覆盖着空穴层的加热器芯片的喷墨打印头的本发明讲授的透视图；

图2是依照包含所述喷墨打印头的喷墨打印机的本发明讲授的透视图；

图3A是依照有类金刚石的含杂质碳并覆盖着空穴层的加热器芯片的加热器堆叠的本发明讲授的透视图；以及

图3B是依照有类金刚石的含杂质碳并覆盖着空穴层的加热器芯片的加热器堆叠的本发明讲授的平面图。

具体实施方式

在下述首选实施例的详细描述中，参考了形成其一部分的附图，并且其中是通过可以实践本发明的图例、具体实施例来说明的。这些实施例描述得足够详细，以使那些熟悉技术的人能够实践本发明，并且应当理解可以利用其它的实施例，且可以进行流程、电学或力学的变化而不背离本发明的范围。用于本说明书中的术语晶片或衬底包括任意基本的半导体结构，例如蓝宝石硅片(SOS)技术、绝缘硅片(SOI)技术、薄膜晶体管(TFT)技术、掺杂和未掺杂的半导体、由基本半导体结构支撑的硅外延层以及其它熟悉本技术的人清楚地了解的半导体结构。因此，下述详细描述并不具有限制的意义，并且本发明的范围仅由附上的权利要求书及它们的等价内容来定义。依照本发明，在下文中我们描述了一种具有掺杂的类金刚石的碳薄膜层和覆盖其上的空穴层的喷墨打印头加热器芯片。

参照图1，说明了本发明的喷墨打印头，其整体表示为10。打印头10有一个由任意适当的材料形成的外壳12用于容纳墨水。其形状可以变化并往往依赖于支撑或包含该打印头的外部设备。外壳至少有一个向内部的隔间16用于容纳初始的或可再装的墨源。在一个实施例中，所述隔间只有一个盒并容纳黑色墨水、照片墨水、青色墨水、品红、墨水或黄色墨水的源。在其它的实施例中，所述隔间有多个盒并包含三种墨水的供给。它最好包括青色、品红和黄色墨水。在另一实施例中，所述隔间包含多种黑色、照片、青色、品红或黄色墨水。然而，应当理解尽管隔间16被表示为本地集成于打印头的外壳12之内，它也可以替代地连接到远程的墨源并从例如管中接收所述源。

附着于外壳12的一个表面18的是可变形电路(尤其是带状自动粘合(TAB)电路20)的一部分19。TAB电路20的另一部分21附着于外壳的另一表面22。在这个实施例中，两个表面18、22在外壳的边缘23上互相垂直。

TAB电路20支撑位于其上的多个输入/输出(I/O)连接器24，以在使用期间电连接加热器芯片25到外部设备，例如打印机、传真机、复印机、照片打印机、绘图机、多功能一体机等等。在TAB电路20上有多个导电体26，以电连接并短路I/O连接器24到加热器芯片25的输入端(粘合点28)，并且各种用于促进这种连接的技术对于那些熟悉技术的人来说是已知的。在首选实施例中，TAB电路是聚酰亚胺材料并且所述电导体和连接器包含铜。图1仅画出了八个I/O连接器24，八个电导体26和八个粘合点28，但目前打印头有有大得多的数量且在此同样地包含任意数量。更进一步，那些熟悉技术的人应当理解尽管连接器、导体和粘合点的所述数量彼此相等，但实际的打印头可以有不相等的数量。

加热器芯片25包含至少一个流体地连接内部墨源到外壳的墨孔32。在加工打印头的期间，加热器芯片25最好使用各种粘接剂、环氧树脂类等技术中众所周知的任意一种来连接或安装在外壳上。为了形成所述孔，许多穿过加热器芯片的厚度来切割或蚀刻孔的工艺是已知的。一些更推荐的工艺流程包括喷砂处理或蚀刻，例如湿、干、反应离子蚀刻、深反应离子蚀刻或其它。如图所示，加热器芯片包含四列(A列-D列)流体点火元件或加热器。为了简单起见，在这拥挤的图中，以具有六个点的四列来描绘加热器，但实际上加热器可以共计有数百或上千个。纵向相邻的流体点火元件可以有也可以没有侧向的间隙、或者相互之间交错。然而，一般来说，所述流体点火元件有与附带打印机的每英寸点分辨率相当的垂直间距。这些例子包括沿着通孔纵向长度的一英寸的1/300^th、1/600^th、1/1200^th、1/2400^th或其它。如下文中将更详细描述的，应当理解加热器芯片的各个加热器最好由一系列通过生长、沉积、掩膜、模制、光刻法和/或蚀刻其它处理步骤产生的薄膜层构成。未画出的具有多个喷嘴孔的一个喷嘴板粘附到、或作为另一薄膜层而产生，以便喷嘴孔与加热器对齐并在其之上。在使用期间，喷嘴孔向打印介质投射墨水。

参见图2，表示为喷墨打印机形式的外部设备包含在使用期间的打印头10，并且其整体以40来表示。打印机40包括一个支架42，其具有多个用于包含一个或多个打印头10的狭槽44。如现有技术中众所周知的，支架42(依照控制器57的输出59)沿着打印区46上的杆48由提供给传动皮带50的动力进行往复运动。支架42的往复运动相对于打印介质而产生，例如在打印机40中沿着纸张通道从进纸盒54、穿过打印区46、到输出纸盒56的向前移动的纸张52。

如图中的箭头所示，当在打印区中时，支架42在往复运动方向上进行的往复运动通常垂直于纸张52在前进方向上的前进运动。在按照打印机微处理器或其它控制器57指挥的时间内，来自(图1)隔间16的墨滴被从加热器芯片25中喷射。墨滴喷射的时机对应于要打印的图像的像素图样。这种图样往往在电连接到控制器57(通过Ext输入)并位于打印机外部的装置中产生，所述装置包括，但不限于，计算机、扫描仪、照相机、视频显示器、个人数据助理或其它。

为了打印或喷射单滴墨水，使用少量电流唯一地引向流体点火元件(在图1的列A-D中的点)以快速地加热少量墨水。这引起墨水在加热器和喷嘴板之间的本地墨盒中汽化，并且穿过喷嘴板而喷出、并由喷嘴板投射向打印介质。喷射这种墨滴所要求的点火脉冲可以包含单个或分离的点火脉冲，并从粘合片28、电导体26、I/O连接器24和控制器57之间的连接处、在加热器芯片的输入端(例如，粘合片28)上被接收。内部加热器芯片导线将来自输入端的点火脉冲传递到一个或多个流体点火元件。

具有用户选择接口60的控制面板58也伴随着许多打印机，作为到控制器57的输入62以提供额外的打印机能力和鲁棒性。

参见图3A和3B，应当理解本发明的加热器芯片是通过一系列生长层、沉积、掩膜、模制、光刻法和/或蚀刻或其它处理步骤处理的衬底，所得到的加热器芯片325被表示为单个加热器堆叠318，具有许多彼此堆叠的薄膜层。特别地，薄膜层包括，但不限于：一个在衬底302之上的热阻隔层304；一个在所述热阻隔层之上的电阻层306；一个在所述电阻层之上、在使用期间通过热导性加热所述电阻层的(分成正反电极部分，即阳极307、阴极308)的导体层；一个在所述电阻层之上的掺杂的类金刚石的碳层310；以及一个在所述掺杂的类金刚石的碳层之上的空穴层312。

在不同的实施例中，薄膜层由化学气相淀积(CVD)、物理汽相淀积(PVD)、晶体外延附生、离子束沉积、汽化、喷镀或其它相似的已知技术中任意一种来沉积。推荐的CVD技术包括低压(LP)、常压(AP)、增强等离子体(PE)、高密度等离子体(HDP)或其它。推荐的蚀刻技术包括，但不限于，湿或干蚀刻、反应离子蚀刻、深反应离子蚀刻等中的任意一种。推荐的光刻法步骤包括，但不限于，暴露于紫外线或X射线光源下或者其它技术，感光掩模包括感光掩模岛和/或感光掩模孔。在具体的实施例中，岛或孔依赖于掩模的配置是清晰区域或是黑暗区域掩模，这些术语是现有技术中已充分理解的。

从图3A和3B显然可以看出，衬底302提供了基底层，其上形成了所有其它层。在一个实施例中，它包括一个p型号、100定向、有5-20欧姆/厘米的电阻系数的硅片。其起始厚度优选为，但并不一定必须，525+/-20微米、625+/-20微米或625+/-15微米中的任意一个，其各自的晶片直径为100+/-0.50毫米、125+/-0.50毫米以及150+/-0.50毫米。

下一层为热阻隔层304。该层的一些实施例包括一个约为1至3微米(特别是1.82+/-0.15微米)的典型厚度、与玻璃例如BPSG、PSG或PSOG相混合的硅氧化物层。该层可以是生长层也可以是沉积层。

接着热阻隔层并安放在其表面上的是加热器或电阻器层306。该电阻器层最好是厚度约为1000埃的约50-50％的钽-铝成分层。在其它实施例中，该电阻器层包括任何下列的各项基本上纯的层或组合层：铪Hf，钽Ta，钛Ti，钨W，二硼化铪HfB2，氮化钽，Ta₂N，TaAl(N，O)，TaAlSi，TaSiC，Ta/TaAl层状电阻器，Ti(N，O)和WSi(O)。

导体层覆盖了电阻器层306的一部分(例如，电阻器层除了在点118和120之间部分的那部分)并包括一个阳极307和阴极308。在一个实施例中，该导体层是厚度约为5000+/-10％埃的约99.5-0.5％的铝-铜组合。在其它实施例中，该导体层包括纯铝、或使用2％铜的铝和使用4％铜的铝的组合物。

在阳极和阴极之间(在点118和120之间)的电阻器层306的表面上，是定义加热器长度LH的距离。在通常在加热器长度下的区域107中，电阻器层306的厚度在定义电阻器厚度的表面108到表面110之间。如图所示，电阻器层306的宽度还定义了加热器的宽度WH。如在申请日期为2002年5月14日、标题为《用于喷墨打印头和打印机的加热器芯片配置》的同时待审的Lexmark申请第10/146,578号中所教导的(在此通过引用明确地将其包括)，从各个加热器318稳定地喷射墨水所要求的能量是加热器面积(加热器长度LH乘以加热器宽度WH)和厚度TH或加热器体积的函数。尽管加热器形状通常被描绘为有正方形或长方形的形状，应当理解可以使用不能简单地由宽度WH和长度LH来描述的其它的更复杂形状。不管加热器形状可能多么复杂，它们仍有面积AH。加热器面积AH由电阻器层306的限于阳极307和阴极308之间的部分形成。作为一个典型的例子，本发明预期使用大约3至4GJ/m³的能量/体积以从单个加热器喷射墨水。特别地，它约为2.94至3.97GJ/m³。反过来，功率/体积约大于1.5瓦特/m³。为了产生2ng的墨滴，本发明预期加热器面积约为300平方微米，而30ng的墨滴对应于约为1000平方微米的加热器面积。

在电阻器层306的表面部分上，在点118和120之间，以及沿着导体层的上表面部分320和321，如在点116和118之间以及在点120和122之间，是掺杂的类金刚石的碳层310。在一个实施例中，掺杂的类金刚石的碳层的厚度基本上均匀地在约500至3000埃+/-10％之间。在另一实施例中，所述厚度可以大至约8000埃。

所述掺杂的类金刚石的碳层的掺杂物最好包括硅，但还可以包括氮、钛、钽、电介质或者其它。当它包括硅时，推荐的硅浓度约为20至25原子百分数。它最好约为23原子百分数。

其中，已经发现在加热器层之上的单个掺杂的类金刚石的碳层达到了可以与传统加热器芯片使用两个钝化层相比的出色的钝化性质。使用单层从工艺流程中省略沉积步骤，简化了制造工艺，同时改善了处理能力。与类金刚石的基本上纯的碳相比，它还表现出了对下层的增强的粘附力。在申请日为2002年6月7日、标题为《使用DLC岛的能量高效的加热器堆叠》的第10/165,534号Lexmark转让的同时待审申请(在此通过引用将其包含)中，可以找到在电阻器层之上的类金刚石的纯碳层的说明。

不幸的是，单层的掺杂的类金刚石的碳并不足以抵挡在一般处于加热器上的区域330中墨水的腐蚀作用或长期的气泡破裂作用。这样，为了改善寿命，在所述掺杂的类金刚石的碳层的上表面上安放一个空穴层312。掺杂的类金刚石的碳层和空穴层这两者共同致力于增强的黏附、钝化和空穴这三个功能。

在首选实施例中，空穴层包括一个未掺杂的类金刚石的碳层、纯的或掺杂的钽层、纯的或掺杂的钛层或者其它层。在另一实施例中，空穴层的厚度基本上均匀地在约500到约6000埃之间。反过来，掺杂类金刚石的碳层和空穴层的组合厚度在少至1000埃到9000埃之间变化。然而，实际厚度依赖于应用。

一个喷嘴板(未示出)最后附着于上述描述的加热器堆叠上以在使用期间引导和投射墨滴到打印介质上，所述墨滴形成为通常在加热器之上的墨水室区域330中的气泡。

在本发明的另一特征中，在传统PECVD盒内，使用衬底和气态等离子体之间的约200至约1000伏特的偏压，在所述衬底302上形成掺杂的类金刚石的碳层。所述气态等离子体最好包括甲烷和四甲基硅烷气体。此后，在空穴层是未掺杂的类金刚石的碳层的情况下，可以切断四甲基硅烷气体流向所述盒中，从而允许类金刚石的纯碳被电镀或堆积。这节省了处理步骤。

在其它实施例中，以约为1000至2000埃/分钟的沉积速率，使用约为30至35KW/m²的功率密度，在约30mtorr的压力下，来沉积类金刚石的碳层。

最后，出于对本发明各种特征进行说明和描述的目的，给出了上述的描述。然而，该描述并非意在意味着是详尽的，或将本发明限制为所公开的精确形式。因此，选择如上所述的实施例来提供对本发明原理及其实际应用的最好的说明，从而使熟悉技术中普通技能的人能够以各种实施例和各种适合于预期的特定使用的修改方案来使用本发明。当依照公平、合法和公正地授权的外延解释时，所有这些修改和变化都在由附上的权利要求书所确定的本发明范围之内。

Claims

1.一种用于一个喷墨打印头的加热器芯片，其包括：

一个衬底；

一个在所述衬底之上的电阻层；

一个直接在所述电阻层之上的掺杂的类金刚石的碳层；以及

一个在所述掺杂的类金刚石的碳层之上的空穴层。

2.权利要求1的加热器芯片，其中所述掺杂的类金刚石的碳层是一个掺杂硅的类金刚石的碳层。

3.权利要求2的加热器芯片，其中在所述掺杂硅的类金刚石的碳层中的硅浓度为约20至约25原子百分数。

4.一种用于一个喷墨打印头的加热器芯片，其包括：

一个衬底；

一个在所述衬底之上的电阻层；

在所述电阻层上的阳极和阴极；以及

一个直接在所述电阻层之上的、所述阳极和阴极之间的掺杂的类金刚石的碳层；

一个直接在所述掺杂的类金刚石的碳层之上的空穴层。

5.一种用于一个喷墨打印头的加热器芯片，其包括：

一个衬底；

一个在所述衬底之上的电阻层；

一个直接在所述电阻层的一部分表面之上的掺杂的类金刚石的碳层；以及

一个直接在所述掺杂的类金刚石的碳层之上的空穴层。

6.权利要求5的加热器芯片，其中所述空穴层是未掺杂的类金刚石的碳层、钽层和钛层之一。

7.权利要求6的加热器芯片，其中所述空穴层的厚度为约500至约6000埃。

8.权利要求5的加热器芯片，其中所述掺杂的类金刚石的碳层包括硅。

9.权利要求8的加热器芯片，其中在所述掺杂的类金刚石的碳层中的硅浓度为约20至约25原子百分数。

10.权利要求5的加热器芯片，其中所述掺杂的类金刚石的碳层的厚度为约500至约3000埃。

11.权利要求5的加热器芯片，其中所述掺杂的类金刚石的碳层包括氮、钛、钽和电介质之一。

12.一种喷墨打印头，其包括：

一个外壳；

一个连接到所述外壳的衬底；

一个所述衬底上的电阻层；

一个直接在所述电阻层之上厚度约500至约3000埃的掺杂硅的类金刚石的碳层；以及

一个直接在所述掺杂硅的类金刚石的碳层之上的、厚度约500至约6000埃的、未掺杂的类金刚石的碳层、一个钽层和一个钛层之一。

13.权利要求12的打印头，其中在所述掺杂硅的类金刚石的碳层中的硅浓度为约20至约25原子百分数。

14.权利要求12的打印头，进一步包括所述外壳中的一个墨源。

15.一种用于喷墨打印头的加热器芯片的加热器堆叠，其包括：

一个衬底；

一个在所述衬底之上的热阻隔层；

一个在所述热阻隔层之上的电阻层；

一个在所述电阻层之上的导体层，该导体层有一个阳极和一个阴极；

一个直接在所述电阻层的一部分表面之上的、所述阳极和引致之间的掺杂的类金刚石的碳层，所述掺杂的类金刚石的碳层在其整个厚度上基本均匀的组成；以及

一个在所述掺杂的类金刚石的碳层之上的空穴层，其中所述衬底缺少碳化硅和氮化硅层。

16.权利要求15的加热器芯片的加热器堆叠，其中所述掺杂的类金刚石的碳层是一个掺杂硅的类金刚石的碳层。

17.权利要求15的加热器芯片的加热器堆叠，其中所述空穴层是未掺杂的类金刚石的碳层、钽层和钛层之一。

18.权利要求15的加热器芯片的加热器堆叠，其中所述掺杂的类金刚石的碳层包括氮、钛、钽和电介质之一。

19.权利要求15的加热器芯片的加热器堆叠，其中所述电阻层是一个钽铝层。

20.一种喷墨打印头，其包括：

一个具有一个初始墨源的外壳；以及

一个与所述外壳相连接的硅衬底，其具有由其上多个薄膜层形成的加热器堆叠，以在使用期间从墨源喷射墨滴，所述多个薄膜层包括

一个直接在所述硅衬底之上的热阻隔层，其厚度约1至约3微米；

一个直接在所述热阻隔层之上的钽铝电阻层，其厚度约1000埃；

一个直接在所述钽铝电阻层的一部分之上的掺杂硅的类金刚石的碳层，其厚度约500至约3000埃，所述掺杂硅的类金刚石的碳层的硅浓度约20至约25原子百分数；以及

一个直接在所述掺杂硅的类金刚石的碳层之上的空穴层，其厚度约500至约6000埃。

21.权利要求20的打印头，其中所述空穴层是未掺杂的类金刚石的碳层、钽层和钛层之一。