CN101367295A - 喷墨打印头及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种喷墨打印头及其制造方法。该喷墨打印头包括基板；绝缘层，其形成在基板上并具有电极形成空间；电极，形成在电极形成空间内并与绝缘层位于同一平面上；加热器，其形成在绝缘层和电极的上表面上；以及钝化层，形成在绝缘层和加热器上。加热器在绝缘层和电极上形成为是平坦的，从而减小了钝化层的厚度。另外，替代铝作为向加热器施加电流以产生热的电极的材料的铜具有相对高的导电性，因而可以增加电极在厚度上的自由度。此外，由于均匀的电流可以在墨的单喷射和全喷射中应用到处于不同位置的各个加热器，从而可以降低整体输入能并且也提高了喷墨的稳定性和喷墨打印头的可靠性。

Description

喷墨打印头及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种喷墨打印头及其制造方法，并且具体地，涉及一种热驱动型喷墨打印头及其制造方法。

背景技术

喷墨打印头是将墨滴喷射到在所期望的位置的打印介质上以形成特定色彩的图像的装置。根据喷射墨滴的机理，喷墨打印头大致上分为两种类型：热驱动型和压电驱动型。热驱动型喷墨打印头通过利用热源在墨中产生气泡，并通过气泡的膨胀力喷射墨滴。压电型喷墨打印头通过由于压电元件的变形而向墨施加压力来喷射墨滴。

现在将详细说明在热驱动型喷墨打印头中喷射墨滴的机理。当脉冲电流在具有电阻器的加热器中流动时，产生了热，从而使邻近加热器的墨即刻经历温度上升而达到约300℃。当墨沸腾时，其产生了气泡。所产生的气泡膨胀并在墨腔内的墨上施加压力。因此，围绕喷嘴的墨通过喷嘴以墨滴的形式从墨腔(ink chamber)被喷射。

常规技术公开了一种喷墨打印头，其具有这样的结构，在该结构中基板、绝缘层、电极层、加热器、钝化层和抗空化层顺次堆叠。

电极从通用CMOS逻辑电路和电源晶体管接收电信号，并将电信号传输至加热器。钝化层形成在电极和加热器上以保护它们。钝化层保护电极和加热器免受电绝缘和外部冲击。抗空化层防止电极和加热器被空化力(cavitation force)破坏，该空化力是当由于热能产生的墨泡消失时产生的。

墨从打印头基板的下表面通过墨供应路径供应到基板的上表面。通过墨供应路径被供应的墨到达形成为腔板(chamber plate)的墨腔中。临时存储在墨腔中的墨由通过连接到外部电路的电极接受电信号以产生热的加热器被即刻加热。墨产生了易爆的气泡，并且墨腔中的墨的一部分通过形成在墨腔上方的墨喷嘴喷射到打印头的外部。

近来，喷墨打印头需要用于高速度、高集成度及高质量的线宽打印机(line width printer)上。线宽打印机需要多个喷嘴。这些喷嘴应该在实际的限制内(practical limits)同时喷墨。在这种情况下，要向打印机施加大量的能量，但这样可能会导致热积聚从而降低打印性能和质量。因此，在喷墨中，需要打印头保持低能量。

有一种减小钝化层的厚度来减少热积聚的方法。

然而，由于常规上采用铝作为电极层的材料，并且铝具有低的导电性，电极和加热器位于该结构的不同水平面上，所以钝化层应具有用于上述提及的特性和结构的预定厚度。因此，对于减小钝化层的厚度存在局限性。

另外，当喷嘴在同时喷墨时，有必要维持施加到各个加热器的电流的小的变化以便确保打印质量中的均匀性。

然而，常规地，由于铝(Al)被用作电极层的材料，所以当喷嘴同时喷墨时，存在电流中的大的变化。其导致了喷墨打印头在喷射性能和可靠性方面的降低。

作为一种当喷嘴同时喷墨时减小施加到各个加热器的电流的变化的方法，可以增加电极的厚度。然而，当增加电极的厚度时，具有同样厚度的钝化层应形成在电极和加热器上。当钝化层形成在电极和加热器上时，阶梯覆盖(step coverage)恶化并降低了加热器的可靠性。另外，当为了阶梯覆盖而增加钝化层的厚度时，用于驱动加热器的输入能量增加了，因而导致了热积聚。

发明内容

本发明提供了一种能够在降低输入能的同时提高喷墨打印头的可靠性和喷射性能的喷墨打印头及其制造方法。

本发明的附加的方面和/或效用将在下面的描述中被部分列出，并根据描述部分地明显或可通过实践本发明而得知。

本发明前述的和/或其他的方面和效用可以通过提供一种喷墨打印头而获得，该喷墨打印头包括基板；绝缘层，其形成在基板的表面上并具有电极形成空间；电极，形成在电极形成空间内并与绝缘层位于同一平面上；加热器，其形成在绝缘层和电极的上表面上；以及钝化层，其形成在绝缘层和加热器上。

本发明前述的和/或其他的方面和效用可以通过提供一种喷墨打印头的制造方法而获得，该方法包括在基板的表面上形成绝缘层；在绝缘层内形成电极形成空间；形成电极以覆盖绝缘层和电极形成空间；将绝缘层的上表面和电极的上表面平坦化使得绝缘层的上表面和电极的上表面位于同一平面上；在绝缘层的上表面和电极的上表面上形成加热器；以及在加热器的上表面形成钝化层。

本发明前述的和/或其他的方面和效用可以通过提供一种喷墨打印头而获得，该喷墨打印头包括基板；绝缘层，其形成在基板的表面上；电极，其通过蚀刻掉绝缘层的一部分并电铸铜层而形成；加热器，其形成在绝缘层和电极的上表面上；以及钝化层，其形成在绝缘层和加热器上。

本发明前述的和/或其他的方面和效用可以通过提供一种喷墨打印头的制造方法而获得，该方法包括在基板的表面上形成绝缘层；在绝缘层内形成电极形成空间；形成电极以覆盖绝缘层和电极形成空间；将绝缘层和电极的上表面平坦化使得该绝缘层和电极的上表面位于同一平面上；在绝缘层和电极的上表面上形成加热器。

附图说明

通过结合附图的对本发明的下面的说明，本发明的这些和/或其他的方面和优点将变得明显且更易于理解，其中：

图1图解示出根据本发明的一个实施例的喷墨打印头的结构的截面图；以及

图2至9图解示出制造根据图1中所示的本发明的一个实施例的喷墨打印头的顺次的工艺的截面图。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的示范性实施例，其实例在附图中被示出，其中相同参考数字自始至终都代表相同的元件。以下参照附图描述实施例以解释本发明。

在下文中，将参考附图详细描述本发明的实施例。

图1是示出根据本发明的一个实施例的喷墨打印头的结构的截面图。尽管在附图中只描绘了喷墨打印头的单元结构(unitary structure)，但多个墨腔和多个喷嘴在以芯片形状制造的喷墨打印头中布置成一行或两行，也可以布置成三行或更多行以提高分辨率。

如图1所示，根据本发明的一个实施例制造的喷墨打印头具有这样的结构，在该结构中底板(base plate)100、流动路径板200和喷嘴板300顺次堆叠。

流动路径板200包括墨腔210，墨腔210充满了从墨存储单元通过墨流动路径而供应的墨。

喷嘴板300包括形成在与墨腔210相对应的位置处用以喷墨的喷嘴310。

底板100通过在基板110上堆叠绝缘层120、电极130、加热器140、钝化层150、抗空化层(anti-cavitation)160或其类似物而形成。采用在集成电路制造中广泛使用的硅片作为基板110。

在这种情况下，绝缘层120不仅用来使基板110与加热器140绝缘，而且也用作绝热层以防止在加热器140中产生的热能向基板110泄露。绝缘层120局部地突出(例如，参见图3中的突出122)使得电极可以被分隔并被设置在绝缘层120上。绝缘层120由具有高的绝缘特性的硅的氮化物(SiNx)膜或硅的氧化物(SiOx)膜形成在基板110的表面上。此外，电极130分别形成在绝缘层120的突出部分的相对侧处使得暴露出该突出部分。在这种情况下，该对电极130的上表面和绝缘层120的暴露部分的上表面处于同一平面上。电极130由具有高的导热性的铜(Cu)形成以向加热器140施加电流使得墨腔210中的墨被加热以产生气泡。

此外，加热器140形成在暴露的绝缘层120的上表面和电极130的上表面上。加热器140可以形成为矩形或圆形。

此外，钝化层150形成在电极130和加热器140上以保护它们。钝化层150由硅的氮化物(SiNx)膜形成以防止电极130和加热器140被氧化或直接接触墨。

此外，抗空化层160形成在某个部分处的钝化层150的上表面上，墨腔210也形成在该部分处。抗空化层160的上表面形成墨腔210的下表面以防止加热器140被当墨腔210中的气泡消失时产生的高压所破坏。抗空化层160由钽(Ta)形成。

在下文中，将描述具有根据本发明的上述结构的喷墨打印头的制造方法。

图2至9是示出根据本发明的实施例制造喷墨打印头的顺次的制造工艺的截面图。

首先，参考图2，在此实施例中，采用被处理的以具有预定厚度的硅片作为基板110。硅片普遍地使用在半导体器件的制造中并且在量产(massproduction)中很有效。同时，图2描绘了硅片的一部分。根据本发明的喷墨打印头可以制造为在单晶片上的几十至几百个芯片。

此外，初始绝缘层120′形成在制备的硅基板110的上表面上。初始绝缘层120′可以由厚度约为5000至50000的硅的氮化物(SiNx)膜或硅的氧化物(SiOx)膜形成，当基板110的表面在高温下被氧化时，初始绝缘层120′形成在基板110的表面上。初始绝缘层120′通过溅射法(sputtering method)或化学气相沉积(CVD)被沉积。初始绝缘层120′由多层材料形成。例如，当使用硅的氧化物(SiOx)膜作为初始绝缘层120′时，采用硅的氮化物(SiNx)膜作为在初始绝缘层120′上的蚀刻停止层用以停止蚀刻。

如图3所示，在初始绝缘层120′形成在基板110上之后，利用通过光刻工艺而图案化来形成蚀刻掩模。之后，初始绝缘层120′通过蚀刻掩模被暴露的一部分通过干法蚀刻或湿法蚀刻被去除。因此，形成了绝缘层120。蚀刻掩模通过用作通用的光致抗蚀剂去除工艺的灰化(ashing)和剥离工艺被去除。因此，如图3所示，以点线表征的部分121形成在绝缘层120的突出部分122的相对侧，其中电极130随后形成在该部分121处(图5)。

如图4所示，具有预定厚度的初始电极130′形成在具有图3中所示形状的绝缘层120的上表面上以随后形成电极130(参见图5)。初始电极130′由铜(Cu)通过电铸(electroforming)形成。根据本发明，如上所述，初始电极130′所具有的厚度等于或小于绝缘层120的厚度。

在初始电极130′形成之后，如图4所示，初始电极130′通过化学机械抛光(CMP)工艺被平坦化直到铜(Cu)从绝缘层120的暴露表面被去除。因此获得图5所示的电极130。CMP工艺是通过混合机械去除工艺和化学去除工艺而获得的抛光处理技术。在这种情况下，绝缘层120的暴露部分用作蚀刻停止层以允许铜(Cu)具有均匀的厚度。也就是说，铜电极130通过CMP工艺被图案化。绝缘层120的暴露部分和电极130通过CMP处理被平坦化，并且二者的上表面位于同一平面上。

由于铜(Cu)电极与铝(Al)电极相比，施加到每组中的各个加热器的电流变化比铝电极的电流变化小得多，因此采用铜(Cu)替代铝(Al)作为电极130的材料。如实验结果所示，在采用铝(Al)电极的情况下，在单喷射(single firing)中获得1.80％的电流变化，并且在全喷射(full firing)中获得6.49％的最大电流变化。然而，在采用与铝(Al)电极具有相同厚度的铜(Cu)电极来替代铝(Al)电极的情况下，在单喷射和全喷射中都可获得不同于铝(Al)电极的小的电流变化。具体地，在全喷射中，根据驱动操作的数量，位于不同位置处的各个加热器中的电流变化改善了约53％。此外，如果铜(Cu)电极的厚度增加到30000，则位于不同位置处的各个加热器中的最大电流变化减小到1.16％，并且这意味着同采用厚度为8000的铝(Al)电极相比，其电流变化改善了约460％。也就是说，在全喷射中，电流均匀地施加到处于不同位置的加热器，因而获得了均匀的喷射性能和优秀的打印质量。另外，由于布线的电阻，喷墨头的热量降低了，并且根据铜(Cu)电极的厚度，整个输入能量也降低了约3～7％。因此，在同时喷射中产生的喷墨头的热降低了，因而提高了可靠性。

如图6所示，加热器140在纵向上形成在绝缘层120的暴露部分122和电极130的上表面上。在这种情况下，由于绝缘层120的暴露部分和电极130的上表面位于同一平面上，因此加热器140在纵向上平坦地形成在绝缘层120的暴露部分和电极130的上表面上。加热器140可以由选自由氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、钽铝合金(TaAl)和钨的硅化物(tungsten silicide)组成的组的至少一种材料通过CVD诸如溅射而形成。

如图7所示，在形成加热器140之后，钝化层150形成在加热器140的表面上。钝化层150通过利用物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)沉积预定厚度的氮化硅(SiN)膜而形成，用以保护电极130和加热器140。

在钝化层150形成之后，抗空化层160形成在钝化层150上。抗空化层160通过沉积形成在钝化层150上，例如，通过溅射沉积预定厚度的钽(Ta)而形成。在所沉积的钽的表面上涂敷光致抗蚀剂之后，该光致抗蚀剂通过光刻工艺被图案化从而形成蚀刻掩模。钽通过该掩模而暴露的部分通过干法蚀刻或湿法蚀刻被去除。之后，蚀刻掩模由作为通用的光致抗蚀剂去除工艺的灰化(ashing)和剥离工艺被去除，因而形成抗空化层160。在这种情况下，由于加热器140形成为是平坦的，所以即便钝化层150具有小的厚度，也可以获得好的阶梯覆盖特性。因此，可以将钝化层150的厚度最小化，从而降低输入能量。另外，当加热器140具有相对于墨的耐久性时，加热器140可以保护电极130且因此可以省略附加的钝化层。

包括基板110、绝缘层120、电极130、加热器140、钝化层150和抗空化层160的底板100通过图2至图7所示的工艺而完成。

接下来，在底板100完成之后，如图8所示，在底板100上形成流动路径板200以限定墨流动路径。具体地，首先，在底板100上涂敷预定厚度的负性光致抗蚀剂以形成光致抗蚀剂层。该光致抗蚀剂层通过使用墨腔和具有限制器(restrictor)图案的光掩模而暴露给紫外线(UV)使得光致抗蚀剂层被显影。之后，光致抗蚀剂层的非曝光部分被去除，从而形成了流动路径板200。

之后，如图9所示，喷嘴板300形成在流动路径板200上。具体地，首先，牺牲层形成在流动路径板200上以具有高于流动路径板200的高度。在这种情况下，牺牲层通过利用旋转涂布法(spin coating method)涂敷预定厚度的正性光致抗蚀剂而形成。之后，牺牲层和流动路径板200的上表面通过CMP工艺形成为具有相同的高度。之后，负性光致抗蚀剂形成在具有被平坦化的上表面的流动路径板200和牺牲层上以具有能够确保喷嘴的足够的长度并提供能够抵抗住在墨腔210内部的压力变化的强度的厚度。之后，由负性光致抗蚀剂形成的光致抗蚀剂层使用掩模被曝露给光。之后，光致抗蚀剂层被显影并且光致抗蚀剂层的非曝光部分被去除，从而形成喷嘴310。此外，保留了通过曝光而硬化的部分并形成了喷嘴板300。其后，蚀刻掩模形成在基板110的背面上从而形成供墨孔。之后，基板110的背面通过利用蚀刻掩模被蚀刻以形成通过基板110的供墨孔。最后，牺牲层通过溶剂被去除，从而完成了根据本发明一个实施例的具有图9所示的结构的喷墨打印头。

如上所述，根据本发明，加热器140在绝缘层120和电极130上形成为是平坦的。因此，可以减小钝化层150的厚度。另外，替代铝而作为向加热器140施加电流以产生热的电极130的材料的铜(Cu)具有相对高的导电性。因此，可以增加电极130在厚度上的自由度。此外，由于均匀的电流可以在墨的单喷射和全喷射中被施加到处于不同位置的各个加热器140，从而可以降低整体输入能并且也可以提高喷墨稳定性和喷墨打印头的可靠性。

尽管已示出并描述了本发明的实施例，但本领域的技术人员应该理解的是在不脱离本发明的原则和精神的情况下可以对这些实施例作出改变，本发明的范围被限定在所附的权利要求及其等同物之内。

Claims (16)

1.一种喷墨打印头，其包括：

基板；

绝缘层，其形成在所述基板的表面上并具有电极形成空间；

电极，其形成在所述电极形成空间内以与所述绝缘层位于同一平面上；

加热器，其形成在所述绝缘层和所述电极的上表面上；以及

钝化层，其形成在所述绝缘层和所述加热器上。

2.如权利要求1所述的喷墨打印头，其中所述绝缘层包括在所述基板上由硅的氧化物膜形成的第一绝缘层以及在所述第一绝缘层上由硅的氮化物膜形成的第二绝缘层。

3.如权利要求2所述的喷墨打印头，其中形成所述电极以具有与所述第二绝缘层同样的高度。

4.如权利要求1所述的喷墨打印头，其中形成的所述绝缘层具有的厚度为5000

至50000

。

5.如权利要求4所述的喷墨打印头，其中所述电极具有的厚度等于或小于所述绝缘层的厚度。

6.如权利要求1所述的喷墨打印头，其中所述电极形成在所述电极形成空间内且设置在与所述绝缘层的上表面相同的高度。

7.如权利要求6所述的喷墨打印头，其中所述电极是铜。

8.如权利要求1所述的喷墨打印头，其中所述钝化层由硅的氮化物膜形成。

9.如权利要求1所述的喷墨打印头，还包括抗空化层，其由钽(Ta)形成在所述钝化层的表面上。

10.一种喷墨打印头的制造方法，所述方法包括：

在基板的表面上形成绝缘层；

在所述绝缘层内形成电极形成空间；

形成电极以覆盖所述绝缘层和所述电极形成空间；

将所述绝缘层的上表面和所述电极的上表面平坦化使得所述绝缘层的上表面和所述电极的上表面位于同一平面上；

在所述绝缘层的上表面和所述电极的上表面上形成加热器；以及

在所述加热器的上表面上形成钝化层。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述绝缘层和所述电极的上表面通过化学机械抛光工艺被平坦化使得所述绝缘层和所述电极的上表面位于同一平面上。

12.如权利要求10所述的方法，其中所述电极通过电铸形成在所述绝缘层上的所述电极形成空间中。

13.如权利要求10所述的方法，其中所述加热器通过溅射法或化学气相沉积法形成。

14.如权利要求10所述的方法，还包括在所述钝化层的表面上形成由钽(Ta)形成的抗空化层。

15.如权利要求10所述的方法，还包括：

形成流动路径板以在所述基板上限定墨流动路径，所述绝缘层、所述电极、所述加热器和所述钝化层形成在所述基板上；

在具有形成在其上的所述流动路径板的所述基板上形成牺牲层以覆盖所述流动路径板；

通过化学机械抛光工艺将所述流动路径板和所述牺牲层的上表面平坦化；

在所述流动路径板和所述牺牲层的上表面上形成喷嘴板；

在具有形成于其上的所述喷嘴板的所述基板中形成供墨孔；以及

去除所述牺牲层。

16.一种喷墨打印头，所述喷墨打印头包括：

基板；

绝缘层，其形成在所述基板的表面上；

电极，其通过蚀刻掉所述绝缘层的一部分并电铸铜层而形成；

加热器，其形成在所述绝缘层和所述电极的上表面上；以及

钝化层，其形成在所述绝缘层和所述加热器上。

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