CN101035678A - 低喷射能微流体喷射头 - Google Patents

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Abstract

提供具有改进的低能设计的微流体喷射器件结构和用于其的方法。器件包括半导体衬底和在半导体衬底上淀积的绝缘层。由选自包含TaAl、Ta2N、TaAl(O，N)、TaAlSi、Ti(N，O)、WSi(O，N)、TaAlN和TaAl/TaAlN的组的电阻层在绝缘层上形成多个加热器电阻器。在多个加热器电阻器上淀积选自可氧化金属并具有约500～5000埃的厚度的牺牲层。由第一金属导电层在牺牲层上形成电极以提供与多个加热器电阻器的阳极和阴极连接。牺牲层在等离子氧化工艺中被氧化以在多个加热器电阻器上提供流体接触层。

Description

低喷射能微流体喷射头
技术领域
本公开涉及对降低微流体喷射器件的喷射能有效的构成和方法。
背景技术
微流体喷射器件用于各种设备中已有很多年的历史。微流体喷射器件的通常用途包括存在于喷墨打印头中的喷墨加热器芯片。尽管它们看起来十分简单，但微流体喷射器件的结构需要为适当的功能考虑许多相互联系的因素。
喷墨打印技术(以及一般地，微流体喷射器件)的当前趋势是趋于更低的喷射能、更大的喷射频率以及在打印的情况下更高的打印速度。为了使微流体喷射器件内的流体蒸发以使得流体蒸发并通过开口或喷嘴逸出，必须在加热器表面上存在最少量的热能。在喷墨打印头的情况下，在流体喷射所需的能量到达加热器表面之前，总的能量或“喷射能”必须穿过多个层。这些层的厚度越大，流体喷射所需的能量达到加热表面上之前所需要的喷射能越多。但是，存在最少量的保护层是必须的，以保护加热器电阻器免受化学腐蚀、免受流体泄漏、以及免受来自气蚀(cavitation)效应的机械应力。
增加打印速度的一种方式是在芯片上包括更多的喷射器。但是，更多的喷射器和更高的喷射频率产生更多的废热，这会升高芯片温度并导致墨粘度改变以及芯片电路操作的变化。最终，喷射性能和质量将由于不能保持对于流体喷射来说最佳的温度而劣化。由此，一直需要对于更高的频率操作具有更低的喷射能的改进的微流体喷射器件。
发明内容
针对以上的讨论，本公开提供改进的具有更少的喷射能的微流体喷射头。本领域技术人员理解，喷射能与在喷射次序中被加热的材料的体积成比例。由此减小加热器覆涂层厚度将减少喷射能量。但是，除着覆涂层厚度减小，喷射器的腐蚀变成对于喷射性能和质量十分重要的因素。
在本公开中，提供改进的用于加热器叠层的结构。加热叠层结构包含其上淀积绝缘层的半导体衬底。电阻层覆盖绝缘层。在选自包含TaAl、Ta2N、TaAl(O，N)、TaAlSi、TaSiC、Ti(N，O)、WSi(O，N)、TaAlN和TaAl/Ta的组的整个电阻层上形成多个加热器电阻器。在加热器电阻器的层上淀积包含可氧化金属并具有约500～5000埃的厚度的牺牲层。在被淀积时，牺牲层具有导电性能。在牺牲层上淀积这里称为“导电层”的附加金属层，使得附加金属层或“导电层”可适于形成提供与多个加热器电阻器的阳极和阴极连接的电极。牺牲层的暴露部分被氧化，使得牺牲层的暴露部分在加热器电阻器上提供保护性的流体接触层。牺牲层的剩余的未反应部分保持它们的导电性能，使得在电阻层和电极之间存在最小的电阻。
在另一实施例中，本公开提供一种微流体喷射头结构的制造方法。该方法包括设置半导体衬底和在衬底上淀积绝缘层的步骤。绝缘层具有约8000～30000埃的厚度。在绝缘层上淀积电阻层。电阻层具有约500～1500埃的厚度并可选自包含TaAl、Ta2N、TaAl(O，N)、TaAlSi、TaSiC、Ti(N，O)、WSi(O，N)、TaAlN和TaAl/Ta的组。在电阻层上淀积牺牲层。牺牲层具有约500～5000埃的厚度并可选自包含钽(Ta)和钛(Ti)的组。在电阻层和牺牲层中限定多个加热器电阻器。在牺牲层上淀积导电层。蚀刻导电层以限定接地和地址电极以及其间的加热器电阻器。在加热器电阻器和相应的电极上淀积电介质层。电介质层具有约1000～8000埃的厚度并选自包含二氧化硅、类金刚石碳(DLC)和掺杂的DLC的组。电介质层被显影以使牺牲层暴露于流体室。然后，牺牲层的暴露部分通过诸如氧化的化学工艺被钝化。
本公开的实施例的一个优点是，由于总体覆涂层厚度较小从而有更好的加热器性能。这种覆涂层厚度的减小转化成更高的加热效率和更高的频率喷射。本公开的实施例的另一益处是，由于在常规的制造方法中使用的整个掩模级(mask level)可被消除，因此将降低工艺成本。另外，制造方法与当前的制造工艺相容，使得使用该工艺的制造商不需要为构建微流体喷射器件添加额外的资本设备。
附图说明
当结合以下的附图考虑时，通过参照示例性的实施例的详细说明，本公开的实施例的其它优点将十分明显，在这些附图中，相似的附图标记表示相似的要素，并且，其中，
图1是喷墨打印头的一部分的形式的现有微流体喷射头结构的一部分的不按比例的断面图；
图2是打印机形式的常规微流体喷射器件的透视图；
图3A是喷射能和覆涂层(overcoat)厚度之间的关系的图示；
图3B是功率、衬底温度上升和液滴尺寸之间的关系的图示；
图4是根据本公开的微流体喷射头结构的一部分的不按比例的断面图；
图5～11是根据本公开的用于制造微流体喷射头结构的步骤的不按比例的断面图；
图12是根据本公开的包含微流体喷射头结构的流体盒的不按比例的断面图；
图13是现有加热器叠层工艺的流程框图；
图14是根据本公开的加热器层叠处理的流程框图；
图15a是根据本公开的峰值电流密度和Ta/Ta2O5牺牲层厚度之间的关系的图示；
图15a是根据本公开的电阻和Ta/Ta2O5牺牲层厚度之间的关系的图示；
图15b是根据本公开的峰值电流密度和Ta/Ta2O5牺牲层厚度之间的关系的图示；
图16a是根据本公开的电阻和Ti/TiO2牺牲层厚度之间的关系的图示；
图16b是根据本公开的峰值电流密度和Ti/TiO2牺牲层厚度之间的关系的图示。
具体实施方式
参照图1，示出用于诸如打印机的微流体喷射设备11(图2)的现有微流体喷射头结构10的一部分的不按比例的断面图。微流体喷射头结构10包含：一般由硅制成的半导体衬底12；由二氧化硅制成的绝缘层14；磷掺杂玻璃(PSG)或硼；和在半导体衬底上淀积或生长的磷掺杂玻璃(BSPG)。绝缘层14具有约8000～30000埃的厚度。半导体衬底12一般具有约100～800微米或更大的厚度。
电阻层16被淀积在绝缘层14上。电阻层16可选自TaAl、Ta2N、TaAl(O，N)、TaAlSi、TaSiC、Ti(N，O)、WSi(O，N)、TaAlN和TaAl/Ta并具有约500～1500埃的厚度。
导电层18被淀积在电阻层16上并被蚀刻以为限定在功率和接地导体18A和18B之间的加热器电阻器20提供功率和接地导体18A和18B。导电层18可选自包括但不限于金、铝、银和铜等的导电金属，并具有约4000～15000埃的厚度。
钝化层22被淀积在加热器电阻器20和导电层18的一部分上，以保护加热器电阻器20免受流体腐蚀。钝化层22一般包含以碳化硅(SiC)为顶层的氮化硅(SiN)22A和SiC 22B的复合层。钝化层22具有约1000～8000埃的总厚度。
然后，气蚀层26被淀积在覆在加热器电阻器20上面的钝化层上。气蚀层26具有约1500～8000埃的总厚度，并且一般由钽(Ta)构成。还称为“流体接触层”的气蚀层26提供对加热器电阻器20的保护，使其免受由于气泡塌陷(collapse)导致的腐蚀和流体喷射周期中的机械冲击。
覆在功率和接地导体18A和18B上面的是一般由环氧树脂光刻胶材料、聚酰亚胺材料、氮化硅、碳化硅、二氧化硅、玻璃上丝(spun-on-glass)(SOG)和叠层的聚合物等构成的另一绝缘层或电介质层28。绝缘层28在第二金属层24和导电层18之间提供绝缘，并具有约5000～20000埃的厚度。
上述的微流体喷射头结构10的一种缺点是，微流体喷射头结构10内的保护层或加热器覆涂层30的多重性增加加热器覆涂层30的厚度，由此增加总的喷射能量需求。如上所述，加热器覆涂层30由复合的钝化层22和气蚀层26构成。
一旦激活加热器电阻器20，能量中的一些就以废热-用于通过传导加热覆涂层30的能量-终结，而能量中的剩余部分用于加热气蚀层26的表面上的流体。当加热器电阻器20的表面达到流体过热极限时，会形成蒸汽气泡。一旦形成蒸汽气泡，流体就会在热上与加热器电阻器20断开。因此，蒸汽气泡防止热能进一步向流体转移。
正是在气泡形成之前转移到流体中的热能驱动流体的状态的液-汽变化。由于热能在加热流体之前必须穿过覆涂层30，因此覆涂层30也被加热。加热覆涂层30消耗有限的量的能量。加热覆涂层30所需要的能量的量与覆涂层30的厚度成正比。在图3A中示出覆涂层厚度和特定的加热器电阻器20的能量需求之间的关系的示例性例子。图3A中给出的例子仅仅出于解释目的，目的不在于限制这里说明的实施例。
由于喷射能量与功率(power)(功率是能量和加热器电阻器20的激发(firing)频率的乘积)有关，因此它十分重要。衬底温度升高与功率有关。适当的喷射性能和流体特性，诸如喷墨设备的情况下的打印质量，与衬底温度升高有关。
图3B示出衬底温度升高、对于加热器电阻器20的输入功率和液滴尺寸之间的关系。图3B的独立轴具有功率(或能量乘以频率)的单位。在图3B中，从属轴表示衬底12的温度升高。系列曲线(A-G)分别代表1、2、3、4、5、6和7皮升(picoliter)的流体液滴尺寸(在本例子中，为墨滴尺寸)的抽吸(pumping)有效性的不同的水平。以皮升每微焦的单位限定抽吸有效性。很显然，希望使抽吸有效性最大化。对于较小的液滴尺寸(曲线A和B)，非常少的功率输入导致衬底温度的迅速升高。随着液滴尺寸增加(曲线C-G)，衬底温度升高不再那样显著。当达到一定的衬底温度时，没有附加的能量(或功率)可被发送到喷射头10，从而不对喷射设备性能造成负面影响。如果超过可容许的衬底温度升高的最大值，那么喷墨设备的情况下的性能和打印质量将劣化。
由于功率等于能量和频率的乘积，并且衬底温度是输入功率的函数，因此对于这种微流体喷射器件的操作存在最大的喷射频率。因此，使用这里说明的微流体喷射器件的现代喷墨打印技术的一个目标是要在仍保持高打印质量所需要的最佳芯片温度的情况下使喷射频率的水平最大化。虽然最佳衬底温度由于其它的设计因素改变，但一般希望将衬底温度限制到约75℃，以防止过量的喷嘴板溢流、空气转移(devolution)、液滴体积变化、过早的形核和其它的有害的效果。
公开的实施例通过减少微流体喷射头结构中的保护层的数量由此减小微流体喷射头结构的总覆涂层厚度对现有的微流体喷射头结构10进行改进。覆涂层厚度的减小转化为更少的废能。由于存在很少的废能，因此现在可在保持与以前相同的传导给暴露的加热器表面的能量的同时将用于穿透较厚的加热器覆涂层的喷射能分配给更高的喷射频率。
参照图4，提供根据本公开的包含加热器芯片34和喷嘴板36的微流体喷射头结构32的一部分的不按比例的断面图。在图4所示的实施例中，喷嘴板36具有约5～65微米的厚度，并优选由诸如聚酰亚胺的耐墨聚合物制成。通过诸如激光烧蚀的常规技术在喷嘴板36中形成诸如流体室38、流体供给通道40和喷嘴孔42的流动特征部件。但是，实施例不被上述喷嘴板结构36限制。在替代性实施例中，可以在与厚膜层相连的喷嘴板中设置流动特征部件，或者可以在厚膜层和喷嘴板两者中形成流动特征部件。
现在参照图5～11说明加热器芯片34的各个层以及用于它们的工艺。加热器芯片34包含如上所述的半导体衬底12和绝缘层14(图5)。可以使用诸如物理气相分解(PVD)、化学气相淀积(CVD)或溅射的常规微电子制造工艺以在硅衬底12上设置各个层。在绝缘层14上，通常通过常规的溅射技术，淀积选自组TaAl、Ta2N、TaAl(O，N)、TaAlSi、TaSiC、Ti(N，O)、WSi(O，N)、TaAlN和TaAl/Ta的电阻层44(图6)。电阻层44优选具有约500～2000埃的厚度。特别示例性的电阻层44由TaAl构成。但是，由于可以使用本领域技术人员公知的各种材料作为电阻层44，因此这里说明的实施例不限于任何特定的电阻层。
然后，在电阻层44上淀积选自可氧化金属的牺牲层46(图7)。牺牲层46优选具有约500～5000埃、更优选约1000～4000埃的厚度，并优选选自包含当被氧化时具有表现出更多的电阻性能而不是导电性能的趋势的诸如钽(Ta)和钛(Ti)的可氧化金属的组。
然后在牺牲层46上淀积导电层48(图8)并将其蚀刻以如上所述在导体48A和48B之间限定加热器电阻器40(图9)。如以前那样，导电层48可选自包含但不限于金、铝、银和铜的导电金属。由于牺牲层46选自金属而不是绝缘层，因此从导体48A和48B到电阻层44存在希望的导电性。因此，接地和功率导体48A和48B下面的牺牲层46的部分46A和46B表现出导电而不是绝缘功能。但是，一旦导体48A和48B之间的牺牲层46的暴露部分52被氧化，那么牺牲层46的部分52就会出现出保护性而不是导电功能。
然后，在电极48A和48B以及牺牲层46上淀积电介质层60。电介质层60具有约1000～8000埃的厚度。电介质层选自包含类金刚石碳(DLC)、掺杂的DLC、氮化硅和二氧化硅的组。如图10所示，电介质层60被蚀刻以将流体室38中的流体暴露于加热器电阻器50。
包含牺牲层的暴露部分52的加热器表面50被诸如氧化的化学工艺钝化以提供钝化的部分62(图11)。在示例性实施例中，提供暴露的加热器表面50的牺牲层46的整个厚度被氧化。通过在钝化层46的暴露部分52中氧化牺牲层46的整个厚度，氧化的部分防止通过牺牲层部分52在阳极和阴极导体48A和48B之间出现短路。用于氧化牺牲层部分52的方法包含但不限于等离子阳极化工艺或富氧气氛中的热处理。
上述实施例的独特特性在于，牺牲层46的未反应的部分(46A和46B)即使在氧化工艺之后仍继续用作导体。因此，在电阻层44和阳极48A或阴极48B之间消耗非常少的喷射能。换句话说，与牺牲层46的未反应的部分46A和46B表现出绝缘性而不是导电性能相比，为了产生使流体喷射发生所必需的能量水平需要更少的喷射能。
参照图12，示出包含根据本公开的微流体喷射头结构32的流体盒64。微流体喷射头结构32被连接到流体盒64的喷射头部分66上。流体盒64的主体68包含用于向微流体喷射头结构32供给流体的流体池。包含用于与诸如打印机11的设备连接的电接点72的柔性电路或带自动接合(tape automated bonding)(TAB)电路70被连接到流体盒64的主体68上。自电接点72的电迹线被附着到加热器芯片34上，以在有来自与流体盒64相连的设备11的请求时提供加热器芯片34上的喷射器件的激活。但是，由于根据本公开的微流体喷射头结构32可被用于各种流体盒中，其中，喷射头结构32可远离主体68的流体池，因此本公开不限于上述流体盒64。
可以理解，与现有技术中的形成微流体喷射器件加热器叠层的工艺和相关步骤(图1)相比，上述的用于形成微流体喷射头结构32的结构的工艺时间大大缩短、复杂性大大降低。在图13中的流程框图98中公开了现有的工艺步骤。步骤100和102分别代表常规的微流体喷射头结构10中的加热器层16和导电层18的淀积。步骤104代表跨过整个微流体喷射头结构的加热器层16的构图。步骤106代表对于各个喷嘴将导电层18构图成电极18A和18B。步骤108、110和112分别代表两个钝化层22和气蚀层26的淀积。这三个层在步骤114(气蚀层)和步骤116(钝化层)中以相反的次序被构图。最后，步骤118和120分别代表电介质层28的淀积和构图。在绝缘的半导体衬底上，如上所述对于常规的微流体喷射头结构10的制造最少需要十一个步骤。
图14提供根据本公开的方法的流程框图150。从图14的流程框图150可以清楚地看出，与用于现有结构10(图1)的图13的工艺相比，微流体喷射头结构32(图4)需要的工艺步骤数量少。在图14中，步骤200与图13的步骤100类似，其中，加热器层44如图6所示被淀积(步骤200)。但在此时，在加热器层44上淀积牺牲层46(步骤202)。然后，在牺牲层46上淀积导电层48(步骤204)。对整个电阻层44、导电层46和牺牲层48进行构图(步骤206)。然后对导电层48进行构图以形成图9中所示的电极48A和48B(步骤208)。直接在牺牲层46和电极48A和48B上淀积电介质层60(步骤210)。如图10所示对电介质层60进行构图(步骤212)。作为最终步骤的步骤214包含暴露的牺牲层46的钝化，从而留下钝化部分62。
当与现有技术相比时，这里公开的工艺和器件将为微流体喷射器件的制造商节省两个淀积步骤、两个蚀刻步骤和一个光刻步骤。重新参照图1，共同示为层22的第一和第二钝化层在公开的工艺中可以是不必要的。类似地，气蚀层26也可以是不必要的。代替这些层的是牺牲层46。由于处理公开的加热器叠层配置需要更少的时间以及构建该结构需要更少的材料，因此这里公开的简化的工艺同时节省时间和资源。更少的时间和材料需求转化成节省总的工艺成本。另外，由于工艺基本上符合当前的制造设备规格，因此制造根据本公开的加热器叠层需要很少或不需要新的资本设备。
如图11所示，这里说明的微流体喷射头结构32的加热器电阻器50部分包含倍增(multiply)了牺牲层46和电阻层44的厚度的总和的导体48A和48B之间的加热器表面50的区域。基于小于0.73微秒的示例性脉冲时间和小于约7200埃的示例性覆涂层厚度，加热器电阻器50部分中的单位体积的能量的示例性范围为约2.7GJ/m3～4.0GJ/m3。由于钝化部分62部分上限定加热器电阻器50部分的体积，因此它的厚度十分重要。乍一看来，由于加热较少的加热器电阻器50部分的体积需要较少的喷射能，因此会更希望有更薄的钝化部分62。但是，如表示使用被氧化为Ta2O5的Ta的图15a和图15b所示，如果使用远小于约1000埃的牺牲层46厚度，那么电流密度(以毫安/m2/伏测量)和电阻(以欧姆测量)会大大增加。如图16a和图16b所示使用氧化为TiO2的Ti出现类似的结果。
使用小于约1000埃的牺牲层46带来诸如整个加热器电阻器50部分中的不对称电流密度的不明显但不希望有的结果。这种不对称的电流密度的原因是，电子必须在电极48A和48B的边缘附近找到穿过牺牲层46的路径。但是，常常由铝制成的电极表现出比牺牲层46中的Ta、Ta2O5、Ti或TiO2低得多的块电阻率。使用小于约500埃的牺牲层46导致峰值电流密度大大增加，牺牲层46中的更大的电阻值导致不对称的电流密度，而不对称的电流密度是产生不可接受的微流体喷射器件输出结果的所不希望的性能。因此，用于牺牲层46的最小的示例性厚度为约500埃。
虽然用这里的特例说明了本发明的特定实施例，但应理解，在所附的权利要求的精神和范围内，本公开可被本领域技术人员修改、添加和改变。

Claims (18)

1.一种微流体喷射器件结构，包括：
半导体衬底；
在半导体衬底上淀积的绝缘层；
由选自包含TaAl、Ta2N、TaAl(O，N)、TaAlSi、Ti(N，O)、WSi(O，N)、TaAlN和TaAl/TaAlN的组的电阻层在绝缘层上形成的多个加热器电阻器；
在多个加热器电阻器上淀积的选自可氧化金属并具有约500～5000埃的厚度的牺牲层；
由第一金属导电层在牺牲层上形成的电极，用于提供与多个加热器电阻器的阳极和阴极连接，
其中，牺牲层被氧化以在多个加热器电阻器上提供流体接触层。
2.根据权利要求1的微流体喷射器件结构，还包括在电极上淀积和构图的电介质层。
3.根据权利要求2的微流体喷射器件结构，其中，电介质层包含选自包含二氧化硅、氮化硅、类金刚石碳(DLC)和掺杂的DLC的组的材料。
4.根据权利要求2的微流体喷射器件结构，还包括在电介质层上淀积的第二金属导电层和连接到微流体喷射器件结构的喷嘴板。
5.根据权利要求1的微流体喷射器件结构，其中，第一和第二金属导电层包含选自铝、铜和金的金属。
6.根据权利要求1的微流体喷射器件结构，其中，牺牲层包含选自包含钽和钛的组的金属。
7.根据权利要求1的微流体喷射器件结构，其中，该结构包括喷墨加热器芯片。
8.一种喷墨打印头，包含权利要求7的喷墨加热器芯片。
9.一种微流体喷射器件结构的制造方法，包括以下步骤：
在半导体衬底上淀积绝缘层，该绝缘层具有约8000～30000埃的厚度；
在绝缘层上淀积电阻层，该电阻层具有约500～1500埃的厚度并选自包含TaAl、Ta2N、TaAl(O，N)、TaAlSi、Ti(N，O)、WSi(O，N)、TaAlN和TaAl/TaAlN的组；
在电阻层上淀积牺牲膜层，该牺牲膜层具有约500～5000埃的厚度并选自包含钽(Ta)和钛(Ti)的组；
在电阻层和牺牲层中限定多个加热器电阻器；
在牺牲膜层上淀积第一金属导电层，并蚀刻第一金属导电层以对多个加热器电阻器中的每一个限定接地和地址电极和其间的加热器电阻器；
在加热器电阻器和电极上淀积电介质层，该电介质层具有约1000～8000埃的厚度并选自包含类金刚石碳(DLC)、掺杂的DLC、氮化硅和二氧化硅的组；
蚀刻电介质层到达多个加热器电阻器上的牺牲膜层的暴露表面；和
氧化牺牲膜层的暴露表面以在多个加热器电阻器上限定保护性阻挡层。
10.一种打印头的制造方法，包括在电介质层上淀积第二金属导电层和将喷嘴板连接到权利要求9的微流体喷射器件结构。
11.一种打印头，包含通过权利要求9的方法制成的微流体喷射器件结构。
12.一种喷墨打印机盒，包含权利要求11的打印头。
13.一种热效打印头结构，包括：
半导体衬底；
在半导体衬底上淀积的绝缘层；
由选自包含TaAl、Ta2N、TaAl(O，N)、TaAlSi、Ti(N，O)、WSi(O，N)、TaAlN和TaAl/TaAlN的组的电阻层在绝缘层上形成的多个加热器电阻器；
在多个加热器电阻器上淀积的选自可氧化金属并具有约500～5000埃的厚度的牺牲层；
由第一金属导电层在牺牲层上形成的电极，用于提供与多个加热器电阻器的阳极和阴极连接，
其中，牺牲层被氧化以在多个加热器电阻器上提供墨接触层。
14.根据权利要求13的打印头结构，还包括在电极上淀积和构图的电介质层。
15.根据权利要求14的打印头结构，其中，电介质层包含选自包含二氧化硅、氮化硅、类金刚石碳(DLC)和掺杂的DLC的组的材料。
16.根据权利要求14的打印头结构，还包括在电介质层上淀积的第二金属导电层和连接到打印头结构的喷嘴板。
17.根据权利要求13的打印头结构，其中，第一和第二金属导电层包含选自铝、铜和金的金属。
18.根据权利要求13的打印头结构，其中，牺牲层包含选自包含钽和钛的组的金属。
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