CN1027466C - 记录头和记录装置 - Google Patents

Abstract

一种墨汁喷射记录装置，它具有一个记录头，记录头中用于产生发射能量的电热转换元件和半导体功能元件在一个半导体基片内构成一个整体。上述功能元件与电热转换元件电连接，功能元件的基极和集电极短路。由此限制了喷墨误差，使记录头能记录出高质量的图象。

Description

本发明涉及一种在复印机，电传真机，文字处理机，主计算机终端的输出打印机或显示输出打印机中使用的记录头，特别涉及一种电热转换元件和记录元件形成在一个共用基片上的记录头和记录装置。

迄今为止，已知的半导体器件中装有许多半导体元件，并且通过控制供给各段的电流来控制半导体元件，使它们同时或单独地工作。

图1A给出了一个这种半导体器件的例子。图中数字24表示绝缘基片;25表示半导体基片;26表示半导体阳极区;27表示阴极区。

上述半导体器件的结构特征是各个二极管按一定间隔分别安装并固定在绝缘基片上。由于器件的上述结构，对二极管规格的要求具有很大的自由度，可以根据实用的需要在一个宽范围内选择合适的二极管。此外，由于可以防止二极管之间的相互干扰，用绝缘基片可以阻断高反向偏置电压，并可以供给大电流，可以得到一种能耐受高电压和大电流的半导体器件。

图1B是使用图1A所示半导体器件的电路图的一个实例。

在该电路中，例如，为了把电流加到如负载电阻或类似元件的电路段28上，开关29闭合，提供正偏置电动势H1，接着，开关30闭合，接通与供给电流的电路段相对应的二极管31。此时，仅有所需的电路段28单独工作，而不影响其他电路段。

在记录头中也使用上述的电路结构。各个电路段，例如电热转换元件，与各个相应的二极管成电连接，因此，各电路段可以单独工作。

然而，在上述惯例中，由于各个半导体元件是装在绝缘基片上的， 因而出现了下述技术问题。

1.由于各个二极管是逐一安装并固定在绝缘基片上的，所需的步骤很多，使半导体器件的造价很高。

2.由于二极管是单独使用的，各二极管的特性有很大误差。在使用大量二极管的情况下，考虑到系统设计的总平衡，不可能把允许的误差量规定为一个很大的值。

3.在进行焊接以形成二极管的电连接时，需要根据二极管的接线考虑空间和布局，并且还要有使二极管间绝缘的间隙。因此，单位面积上二极管的容量减少，并使整个半导体器件的小形化受到限制。

为了克服上述1至3的问题，似乎可以期望在一块公共基片上形成有关的元件，如美国专利说明书4，429，321（Matsumoto）所公开的情况。

对于在半导体基片上装有晶体管，并且电路构成如图1c所示的情况下，5，如果晶体管的电流放大系数是一个变量，在具有较大预定电流放大系数的二极管中就会出现电流聚集。

在记录头中使用上述半导体器件的情况下，这种墨汁喷射记录头具有一个排放墨汁的排放孔，一个与排放孔连通的液体通道，和一个用作排放能量发生元件的电/热转换元件，该元件装在与排放孔对应的液体通路内部或外部，或者装在用于热复制传输记录，热记录，或类似用途的热印头里面，由于上述的原因，要避免使记录头的体积增大和避免记录头的高成本是困难的，此外，整个记录装置的尺寸和成本也会增加。

实际上，对于墨汁喷射记录装置中使用的记录头，本发明人及其他人从很多实验中发现，在充分考虑到半导体器件所产生的热影响， 电/热转换元件中产生的热影响，及类似影响时，记录头的结构必然受到限制，以便能使用液体，（墨汁）。

换句话说，如果记录头具有产生热能的电热转换元件和半导体功能元件是形成在一个公共的半导体基片上的结构，图象质量会由于电路布线，元件结构和激励条件而产生极大的变化。实际上是所射出的墨汁在记录纸上的附着位置的偏差会大大改变。因此，为了获得高质量的墨汁喷射记录，必须找出一种使墨点偏差限制在最小量的结构。

考虑到上述技术任务而完成了本发明。

本发明的目的是提供一种造价低又易于制造的半导体器件。

本发明的另一个目的是提供一种有多个元件的半导体器件，这些元件之间的差别被排除了，该半导体器件包含多个相同的元件。

本发明的第三个目的是提供一种具有高集成度的小型半导体器件。

本发明的第四个目的是提供一种具有寄生PN结结构，从而能抑制漏导电流的有效的半导体器件。

本发明的第五个目的是，提供一种实用的半导体器件，它具有多个元件，其中相邻元件间的影响受到阻止，也不会妨碍器件的工作。

本发明第六个目的是，提供一种具有极好的排料性能的记录头，能高速并高清晰度地进行记录。

本发明还有一个目的，是提供一种解决上述问题的方法，记录头具有半导体基片，在半导体基片上装有晶体管元件和电/热转换元件，记录头有使每个晶体管的基极和集电极短路的第一布线电极，与半导体基片成电连接的第二布线电极，以及连接电/热转换元件的一个电极的第三布线电极，晶体管的发射极与电/热转换元件的另一个电极成电连接。

本发明还有一个目的，是提供一种记录头，它包括：

半导体基片;

装在半导体基片上的晶体管元件;及

装在半导体基片上的电/热转换元件。

此处的记录头具有与电/热转换元件的一对电极中的一个电极成电连接的第一布线电极，以及同晶体管元件的发射极成电连接的第二布线电极，并且把每个晶体管元件的基极与集电极短路，并同电/热转换元件的一对电极中的另一电极成电连接。

按照本发明，由于能够用同一工艺步骤在记录头的基片中形成许多元件，可以用低成本实现记录头的高密度，高性能和小型化。

按照另一实施例，由于用于激励能量发生元件的晶体管的集电极和基极是电气短路的，即使构成多个二极管的晶体管的电流放大系数之间有误差，在具有预定的大电流放大系数的二极管中也不会出现电流聚集。因此，能量发生元件和半导体元件不会毁坏。

另一方面，按照实施例，半导体元件和能量发生元件被做在同一基片上，能够实现记录头的高密度，高性能和小型化。此外，按照实施例的电路结构，液滴总是稳定的，并且在高速度下可以形成良好的排放响应特性。

此外，按照本发明的电路结构，能以优良的响应和高速度形成始终稳定的液滴。

图1A是普通半导体器件的截面示意图;

图1B是半导体器件的激励电路结构图;

图1C是半导体器件激励电路的一个实例;

图2A是按照本发明的第一实施例的记录头中使用的半导体器件 的部分截面图;

图2B是按照本发明的第二个实施例的记录头的电路结构的部分电路图;

图3是半导体器件的寄生效应的一个例子的示意图;

图4A是按照本发明的记录头的透视示意图;

图4B是沿图4A中E-E′线的截面图;

图5是按照本发明的第一实施例的记录头激励方法的激励原理图;

图6A至6F是按照本发明的第一实施例的记录头制造工艺步骤示意图;

图7A是按照本发明的第二实施例的记录头中使用的半导体器件的部分截面示意图;

图7B是按照本发明的第二实施例的记录头电路结构的部分电路图;

图8是半导体器件寄生效应实例的一个示意图;

图9是按照本发明的第二实施例的记录头的实际结构的截面图;

图10是按照本发明的第二实施例的记录头激励方法示意图;

图11A至11J是按照本发明的第二实施例的记录头制造工艺步骤的示意截面图;

图12是装有按照本发明的记录头的墨汁喷射记录装置的透视示意图;

图13是装在图12所示装置上的记录头的外形结构图;以及

图14是图12中支架的示意图。

参照附图对本发明详细说明如下。本发明并不仅限于所举实施例。符合本发明目的的任何改型均在本发明要求保护的范围内。

（实施例1）

图2A是本发明的记录头中使用的功能元件的截面示意图;图中数字1表示N型硅基片;2是构成元件的N型外延区;3是构成元件的P型埋入区;4是隔离元件的N型隔离区;5是构成元件的P型集电区;6是隔离元件的P型隔离区;7是构成元件的高浓度P型发射区;8是构成元件的高浓度P型基极区;9是构成元件的高浓度P型隔离区;10是隔离元件的N型隔离区。这种功能元件的工作情况是，给电极11加正电位偏压（V_H1），由于电极11正向偏置（V_H1），该单元中的PNP晶体管导通，由发射极113流出的偏置电流作为集电极电流和基极电流。本发明中所用的结构是基极与集电极短路，也就是说，其结构如图2B所示，作为等效电路，可以按希望激励记录头。从而获得记录头所要求的高速开关特性。寄生效应相对地很小。此外，元件之间的偏差也很小。可以获得稳定的激励电流。

在该实施例中，隔离区不接地。在这种半导体器件中，或者说，在隔离区不接地的半导体器件中，可以降低除高浓度P型集电区外的集电区中的P型集电埋入区3的浓度，也可以降低包括P型集电区5的区域，包括基极区中除高浓度N型基区8外的N型外延区2的区域，以及N型硅基片中的浓度。这是因为防止了电荷从P型集电极埋入区3通过N型硅基片1进入其他单元的P型集电极埋入区3。

现在结合图3详细说明其原因。图3表示图2所示的具有寄生效应的半导体器件的等效电路图。图中RC表示集电区的内电阻;RB是基极区内电阻;RS表示N型硅基片1的电阻。另一方面，Tr₁表示由P型发射区7，N型外延区2，以及P型集电埋入区3形成的 PNP晶体管。Tr₂表示由N型外延区2，P型集电埋入区3，以及N型基片形成的NPN晶体管。此外，Tr₃表示由P型集电埋入区3和相邻单元的N型硅基片1形成的寄生的PNP寄生晶体管。

在上述电路中，当晶体管Tr₃导通时，相邻单元的晶体管就会出现误动作，为避免这种误动作，可以把R_C、R_B和R_S的电阻值确定为较大的值。

①Tr₁集电极一侧的电位为：

V_C＝V_H-V_BE（Tr₁）+R_C·I_C

另一方面，Tr₁基极一侧的电位可表示为：

V_B＝V_H-V_BE（Tr₁）

所以，Tr₁的集电极-发射极电压V_CE由于R_C很大而降低，使Tr₁工作在饱和区。因此，当R_C较大时，β减小，由于β增大使来自发射极的电流几乎全部流入基极侧，因此泄漏到其他单元的电流就减小了。

②增大R_B值产生的影响

在有电流I_B的情况下，Tr₂的发射极电位由于R_B很大而升高，使Tr₂的导通变得困难。

③如果电流由Tr₂流出，由于R_S值很大，电压降增大，因此使Tr₃的电位上升，Tr₃导通变得困难。

如上所述，为防止相邻单元发生误动作，可以分别把R_C、R_B和R_S值设定为较大的值。使R_C、R_B和R_S值具有较大值的方法可以是，例如，降低集电区、基极区、以及N型硅基片1的浓度。在本实施例中，杂质浓度的值被规定在从1×10¹⁵到1×10¹⁷cm^-3的范围内。

图4A是按照本发明的墨汁喷射记录头的透视图。

参考数字500表示排放墨汁的排放口，501表示构成与排放 口500相连的液体通道的液体通道壁构件。该液体通道壁构件501由光敏树脂或类似材料制成。数字502表示由玻璃，树脂，或类似材料制成的顶板，503表示液体进料口。

图4B是图4A所示的具有上述半导体元件激励部分的墨汁喷射记录头沿E-E′线剖开的截面图。为简化说明，省去了液体通道壁构件501和顶板502。

图5是用于解释图4A和4B所示记录头激励方法的附图。

在图4B所示实施例的记录头100中，具有上述激励部分，并由热氧化法形成的SiO₂薄膜101被形成在基片上。由HfB₂或类似物制成的热发生电阻层103以及Al或类似物制成的电极104构成的电/热转换元件安装在一个热集聚层102上，热集聚层102包括一个用喷涂法在氧化物薄膜上形成的SiO₂薄膜或类似物。此外，在电/热转换元件的整个发热部分110上加上用喷涂法形成的一层由SiO₂或类似物制成的绝缘保护膜105，和一层由Ta或类似物制成的防止空隙的保护膜106。

同时，用喷涂法形成，并构成热集聚层102的SiO₂薄膜与激励部分的引线201和203之间的绝缘隔层薄膜构成一个整体。

保护层105的薄膜也同样与引线201和202之间的绝缘隔层薄膜构成一个整体。

用有机物质，例如光敏聚酰亚胺或类似物构成的保护层107作为一种显示出极好的耐液体性能的绝缘薄膜形成在激励部分顶部出口的引线202上。

除图4A所示的结构外，记录头也可以用带凹槽的顶板，有孔板以及类似的布置来构成具有液体通道和排放孔的结构形式，虽然这些 结构没有画出。如上所述，与图4A中所示的，液体排放的方向与电/热转换元件的热发生面几乎平行的形式不同，记录头也可以按这样的形式构成，即液体排放方向与热发生面交叉，例如，成垂直方向排放。

现参见附图5详细说明记录头的激励方法。尽管图5中仅画出了两个单元，但适当数量的单元，如128个单元可以按上述方法配置，并且电连接成一个M×N的矩阵。

在M组电路单元中，每组包括N段，电热电阻元件RH₁和RH₂是N段中的两段，以下说明其激励方法。

要激励电热转换元件RH1，首先，用开关G1选出所需的组，例如，该开关G1位于器件体侧面，并且用器件体侧面的开关S1选出记录头的电热转换元件RH1。因此，具有晶体管结构的二极管单元SH1是正向偏置的，可以提供电流，电热转换元件RH1发热。这种热能引起液体状态的改变，从而产生使薄膜汽化的效应，产生气泡，液体从排放孔排出。

用上述相同的方式，即使对激励电热转换元件RH2的情况下，位于器件体一侧的开关G1和S2是选择性导通的，记录头上的二极管单元SH2被激励，电流加到电热转换元件RH2上。

现参考图6说明按照另一实施例的半导体器件的制造方法。

①在杂质浓度为1×10¹²至1×10¹⁶cm^-3的N型硅基片1的表面上用热氧化法形成厚度为5000至20000埃（

）的氧化硅薄膜。

②用湿式蚀刻法除去构成N型隔离埋入区4的氧化硅薄膜。

③为防止离子掺杂时出现损伤，氧化硅薄膜的形成应使厚度达到 100至3000（ ）埃为止。对N型导电型使用例如磷（P）、砷（As）或类似元素的杂质进行离子掺杂。用热扩散法形成N型隔离埋入区4（厚度为5至20μm，杂质浓度为：1×10¹⁵至1×10¹⁷cm^-3）。

④接着，除掉形成P型集电极埋入区3的氧化膜。通过厚度为100至3000埃（

）的氧化膜掺杂如硼（B）或类似元素的P型杂质。用热扩散形成P型集电极埋入区3。此时，层电阻被设定为1KΩ/□或更高的值。薄膜厚度在10至20μm的范围内。杂质浓度为1×10¹⁵cm^-3或更低。（上述工艺步骤对应图6A）

⑤除掉整个表面上的氧化膜。外延生成杂质浓度为1×10¹²至1×10¹⁶cm^-3，厚度为5至20μm的N型外延硅区域2。

⑥然后，在该外延区表面形成厚度为1000至10000埃（

）的氧化硅薄膜。用湿式蚀刻法除去形成P型集电极区5的氧化膜。通过重新形成的厚度为100至3000埃（

）的硅氧化膜掺杂P型杂质。用热扩散法形成P型集电极区5，以获得杂质浓度为1×10¹⁷cm^-3（薄膜厚度为5至10μm）的P型集电极埋入区。此时层电阻被确定为1KΩ/□或更高。

⑦用湿式蚀刻法除掉构成N型隔离区6的区域。在整个表面上形成一层磷玻璃（PSG）薄膜，在扩散区中掺杂进磷（P）离子。用热扩散法形成杂质浓度为1×10¹⁴至1×10¹⁶cm^-3的N型隔离区6，直至其厚度达到1μm或更低为止。（上述工艺步骤对应图5B）。

⑧随后，用湿式蚀刻法除去该单元区的氧化膜。形成厚度为100至3000埃（

）的硅膜。用抗蚀剂形成图形。P型杂质仅被掺杂 进该区域中，形成P型发射区7和高浓度P型集电区9。除掉抗蚀剂。用湿式蚀刻法除掉构成高浓度N型基极区8和高浓度N型隔离区10的区域。在整个表面形成磷玻璃（PSG）薄膜。掺杂进磷（P）离子。同时形成P型发射极区7，高浓度P型集电极区9，高浓度N型基极区8，以及高浓度N型隔离区10（每个区的膜厚度分别为1μm或更薄，杂质浓度值的范围在1×10¹⁹至1×10²⁰cm^-3以内）。

⑨除掉每条电极的连接位置上的硅氧化膜。在整个表面上淀积一层纯铝（Al）。除掉在电极以外区域的纯铝层。形成铝（Al）和硅之间的结特性，实现了合金工艺，并且形成了引线部分。用喷涂法在上述区域形成SiO₂薄膜101，（上述工艺方法对应图6C）。

通过隔离区4形成与基片1有电连接的引线203。用喷涂法在整个表面上形成作为热集聚层和层间绝缘膜的SiO₂薄膜102，直至膜的厚度达到1.0μm为止。（上述方法是根据图6D）。

接着淀积一层厚度约为1000埃（

）的二硼化铪（HfB₂），作为发热电阻层103。在发热电阻层103上淀积电/热转换元件的一对电极，以及作为二极管的阳极引线201和阴极引线202的铝（Al）线，并将其成形。

然后，用喷涂法淀积一层作为电/热转换元件保护层和铝引线之间隔离层的SiO₂薄膜105。形成接点孔。形成阴极引线202。在电/热转换元件的发热部分上部淀积进一层厚度为2000埃（

）的钽（Ta）层，作为防止气蚀的保护层。此外，还在SiO₂薄膜105和阴极引线202上形成一个光敏聚酰亚胺保护层。（上述工艺对应图6F）。

将液体通道壁构件和顶板安装到按上述方法形成的，具有电/热转换元件和半导体元件的基片上，就制成了如图4A所示的记录头。

对于使用本实施例的半导体器件，按上述方法制成的记录头而言，把具有很多图2B所示元件的单元连接成矩阵，进行工作实验。即使在八个半导体二极管中的每个二极管都允许流过300毫安（总电流为2.4安培）的电流，其他二极管也不会发生误动作，液滴能够很好地排放。

尽管上述实施例是对于用PNP晶体管构成的二极管的情况而论的，即使在使用NPN晶体管的情况下，也能获得同样的优点。

如上所述，按照实施例，每个元件都具有高耐压性能，并且彼此间都具有优良的电绝缘性能，可以把许多这种半导体元件形成在一个基片上。因此，例如，在包括许多连接成矩阵的半导体元件的电路中，不需要从外部单独连接这些元件，从而可以省去许多工序。因此减少了许多发生故障的点，保证了高可靠性。

另一方面，按照实施例，半导体元件和由半导体元件激励的电/热转换元件可以形成在同一基片上。因而可能获得一种记录头，其内部的电路面积可以缩小，工艺步骤可以减少，可靠性得到改进，并可以得到高清晰度的记录图象。

该实施例可以适用于各种应用领域中的半导体器件。例如，可以适用于微电流二极管。该实施例也可以适用于大电流二极管。然而，本发明最大的优点是此处所述的效果，那就是该实施例的半导体器件有优良的耐压性能，并能在大电流条件下使用。该实施例的最典型的优点是在用作大电流器件时获得的。

此外，在用晶体管作为半导体元件的情况下，激励电压被加到发 射极上，基极和集电极短路，并连接到电/热转换元件上，由于基极和集电极之间没有少数载流子进入，开关速度很高，速度的提高得到改进，寄生效应也轻，能对液体施加适当的热能，获得良好的排放特性。

（实施例2）

图7A表示用于激励本发明的记录头的激励部分。图中数字71表示P型硅基片;72表示构成元件的N型集电极埋入区;73是用于隔开元件的P型隔离埋入区;74是N型扩散区;75是构成元件的P型基极区;76是隔离元件的P型隔离区;77是构成元件的N型集电极区;78是构成元件的高浓度P型基极区;79是隔离元件的高浓度P型隔离区;80是构成元件的N型发射区;81是构成元件的高浓度N型集电极区;82是集电极/基极的公共电极;83是发射极电极;84是隔离电极。用N型集电极埋入区72，P型基极区75，及N型发射区80构成NPN晶体管。形成集电极区，使发射极区80和基极区75，78被区域72，77和81完全包围。另一方面，用P型隔离埋入区，P型隔离区77，以及高浓度P型隔离区构成隔离区，作为元件的隔离区。由许多上述的单元构成一个矩阵。

现在说明以上述结构作为实施例的激励部分的基本工作过程。图7B是按照实施例的半导体器件电路结构的电路图。在实施例中，图7A中的集电极/基极公共电极82相当于二极管的阳极，发射极电极83相当于二极管的阴极。也就是说，在集电极/基极公共电极82上加正电位偏置电压（V_H1）时，单元中的NPN晶体管导通，从发射极电极83流出的偏置电流作为集电极电流和基极电流。采用 本发明的结构，即按照图7B中的结构，其中的基极和集电极是短路的，可实现高速的开关，获得了所需的高速性能，消除了元件之间的误差，得到了稳定的结构。对本实施例而言，还要使隔离电极84接地，可以阻止电荷流入其他单元，可以防止其他毕特的误动作。

在上述半导体器件中，希望把N型集电极埋入区72的浓度值设定在1×10¹⁹cm^-3或更高值。另一方面，希望把基极区5的浓度值确定在1×10¹³cm^-3至1×10¹⁵cm^-3的范围内。此外，最好是将高浓度基极区78和电极之间的结表面面积降到尽可能小。其目的是可以防止从NPN晶体管经过P型硅基片71和隔离区73、74、76流入地（GND）的泄漏电流的产生。

现参考图8详细说明能防止这种泄漏电流产生的理由。

图8是图7A所示半导体器件的等效电路图。

在图8中，Rd表示集电极区的内电阻（该区包括N型集电极埋入区72，N型集电极区77，和高浓度N型集电区81），R_B表示基极区内电阻，（该区包括P型基极区75，和高浓度P型基极区78），Tr₁相当于由N型集电极埋入区72，P型基极区75和N型发射极区80构成的NPN晶体管。此外，Tr₂是由P型基极区75，N型集电极埋入区72和P型硅基片71构成的PNP晶体管。也就是说，Tr₂具有能导致泄漏电流的晶体管结构。

在上述电路中，（即记录头的激励部分），当寄生晶体管Tr₂导通时，偏置电流通过晶体管Tr₂的集电极和发射极几乎都漏入基片71并流到地（GND）。在这种情况下，为获得晶体管Tr₁必需的发射极电流，就需要一个极大的偏置电流，使效率降低，电功率消耗增加，电源的费用也上升。

下面说明克服上述问题的措施。

①使晶体管Tr₂的基极电压高于发射极电压，使Tr₂不导通。

②为了减少从Tr₂流出的电流（泄漏电流），把Tr₂的电流放大系数（β₂）定在一个很小的值。

首先描述防止措施①。

在图2中，为防止Tr₂导通，对Tr₂的基极与发射极之间的电压V_BE（Tr₂）而言，必须满足：

V_BE（Tr₂）≥0 ……（1）

现在，

I_C＝β₁·I_B

V_B（Tr₂）＝V_H-I_C·R_C

V_E（Tr₂）＝V_H-I_B·R_B

因此，V_BE（Tr₂）＝V_B（Tr₂）-V_E（Tr₂）

＝V_H-I_C·R_C-（V_H-I_B·R_B）

＝I_B·R_B-I_C·R_C

＝（R_B-β₁R_C）I_B

所以，为满足等式（1），

R_B≥β₁·R_C

是必需的。换句话说，为防止Tr₂导通，必须使基极区的电阻值R_B定为集电极区电阻值R_C的β₁倍或更高的值。为满足该条件，在图7A和图7B所示的半导体器件中，降低了集电极区的电阻值（R_C），例如，用增加N型集电极埋入区72的浓度。或用增加基极区电阻值（R_B）的方法，例如，降低高浓度P型基极区78的浓度，或者缩小基极区78的面积。

现在说明防止措施②。

在防止措施①的条件不能满足的情况下，也就是即使在V_BE（Tr₂）≤0时，假设β₂＜＜1，流入P型硅基片71的泄漏电流可以被抑制。为使晶体管Tr₂的电流放大系数β₂成为很小的值，例如，只增大Tr₂基极区（N型集电极埋入区2）的浓度就足够了。

也就是说，增大N型集电极埋入区72的浓度的方法对防止措施①和②都是有效的。

由于上述原因，在实施例中，N型集电极埋入区的杂质浓度规定为1×10¹⁹cm^-3或更高，此外，使P型基极区5的杂质浓度处在1×10¹³cm^-3至1×10¹⁵cm^-3的范围内。

图4A是按照本实施例的墨汁喷射记录头的透视图。

图9是图4A所示的具有上述半导体器件激励部分的墨汁喷射记录头沿E-E′线的截面图。

图10是解释图9所示记录头激励方法的附图。

在本实施例的记录头1100中，在基片上形成具有上述功能元件，并由热氧化法形成的SiO₂薄膜1101。由二硼化铪（HfB₂）或类似物制成的发热电阻层1103，和铝（Al）或类似物制成的电极1104构成的电/热转换元件被装在热集聚层1102上，热积聚层1102包含一个用喷涂法形成的SiO₂薄膜或类似物。此外，在电/热转换元件的整个发热部分1110上加盖一层由SiO₂或类似物制成的保护膜1105，和用喷涂法形成的一层用钽（Ta）或类似物制成的保护膜1106。

在两个热集聚层中，构成一个热集聚层1102的SiO₂薄膜与引线82、83、84以及电热转换元件的引线104，激励部分的 第二层引线，以及更下层引线之间的绝缘隔层薄膜1102构成一个整体。

而保护层105的薄膜同样与第二层引线104和上层引线1111之间的绝缘膜1105′构成一个整体。

在激励部分的顶部引线1111上加一层用有机材料如光敏聚酰亚胺或类似物制成的保护层1107，它可以作为显示出极好的耐液体性能的绝缘膜。

同第一个实施例一样，按照本实施例，记录头也可以用这些方式构成，即由带凹槽的顶板，有孔的板，或类似的结构形成液体通道及排放孔，尽管这些结构形式没有在图中画出。如上所述，与图4A中所示的，液体排放方向与电/热转换元件的发热面几乎平行的形式不同，记录头也可以按这样的形式构成，即液体排放方向与发热面交叉。

现在详细说明记录头的激励方法。尽管图10中仅画出了两个单元，如上所述，也可以设置适当数量的单元，例如128个单元，并将这些单元电连接成M×N矩阵。

在M组电路单元中，每组有N个单元段，电热电阻元件R_H1和R_H2是N段中的两个段，现在说明R_H1和R_H2的激励方法。

要激励电热转换元件R_H1，首先由该装置体上的开关G1选出所需的组，再由例如在装置体上的开关S1选出电热转换元件R_H1。这样，具有晶体管结构的二极管单元SH1是正向偏置的，可以提供电流，使记录头的电热转换元件R_H1发热。其热能导致液体状态发生变化，从而产生使薄膜汽化的效应，产生气泡，液体从排放孔排出。

用上述相同的方式，即使在激励电热转换元件R_H2的情况下，例如，使装置体上的开关选择性地导通，激励记录头上的二极管单元 SH2，电流加到电热转换元件R_H2上。

如果按本发明这样使用P型半导体基片，隔离电极84保持在地电位，这样，通过隔离区73、76和79使基片保持在地电位，因此，每个单元均被隔离。

这种结构还具有以下的优越效果。如果把该结构用在记录头上，基片71本身局部地暴露在外面，或者经由导电体部件暴露。因此，操作者很可能接触到基片71。

此外，如图4A所示，如果基片71的一部分是处在靠近排料口的位置上，可能会粘上墨汁和纸。考虑到这一点，在使用P型基片，并使其保持地电位时，可以防止有害的静电效应，因此能完全避免墨汁滴落以及纸屑一类异物的吸附。

由于基片保持地电位，即使操作者接触到基片，也不会对他产生危害。可以同时获得或满足记录头所要求的电元件隔离功能和静电屏蔽功能。

现在说明按照本实施例的记录头的制造过程。

①在杂质浓度为1×10¹⁷cm^-3至1×10¹⁶cm^-3的P型硅基片71的表面形成一个厚度为5000至20000埃（

）的氧化硅薄膜。

用蚀刻法除掉形成每个单元集电极埋入区702的部分氧化硅薄膜。

形成防止离子掺杂造成的损伤的氧化硅薄膜，直到其厚度达到100至3000埃（

）为止。用N型杂质如磷（P）、砷（As）或类似物进行离子掺杂。用热扩散法形成杂质浓度为1×10¹⁹cm^-3或更高的N型集电极埋入区72，直至厚度达到10至20μm。此 时的层电阻值为30Ω/□或更低。

接着，除掉形成P型隔离埋入区709的区域的氧化膜。形成厚度为100至3000埃（

）的氧化膜。用P型杂质如硼（B）或类似物进行离子掺杂。用热扩散法形成杂质浓度为1×10¹⁷cm^-3至1×10¹⁹cm^-3的P型隔离埋入区73（图11A）。

②除掉整个表面上的氧化膜。外延生长出杂质浓度为1×10¹²至1×10¹⁶cm^-3的N型外延区74，直至厚度达到5至20μm为止。（上述工艺步骤对应图11B）。

③接着，在N型外延区表面形成厚度为100至3000埃（

）的氧化硅薄膜。涂上抗蚀剂并将其形成图形。仅在构成低浓度基极区75的区域内用P型杂质进行离子掺杂。除掉抗蚀剂。用热扩散法形成杂质浓度为1×10¹³至1×10¹⁵cm^-3的低浓度P型基极区75，至厚度为5至10μm为止。

再次除掉整个表面上的氧化膜。接着，形成厚度为1000至10000埃（ ）的硅氧化膜。除掉构成P型隔离区76的区域的氧化膜。用化学汽相淀积（CVD）法在整个表面上淀积一个BSG膜（未画出）。接着用热扩散法形成杂质浓度为1×10¹⁸至1×10²⁰cm^-3，厚度为10μm的P型隔离区76，由此获得P型隔离埋入区73。

④除去BSG膜（未画出）。形成厚度为1000至10000埃（

）的硅氧化膜。接着，仅把构成N型集电极区77的区域的氧化膜除去。在那里掺杂P⁺离子形成PSG膜。用热扩散法形成N型集电极区77，由此获得集电极埋入区75。此时的层电阻为10Ω/□或更低的值。另一方面，N型集电极区77的厚度被定为10μm， 杂质浓度为1×10¹⁸至1×10²⁰cm^-3。

紧接着，除掉单元区域的氧化膜。形成一个厚度为100至3000埃（

）的氧化膜。用抗蚀剂形成图形。仅在构成高浓度基极区78和高浓度隔离区79的区域内用P型杂质进行离子掺杂。除去抗蚀剂。除去构成N型发射极区80和高浓度N型集电极区81的区域的氧化膜。在整个表面上形成PSG膜。掺杂N⁺离子。用热扩散法同时形成高浓度P型基极区78，高浓度P型隔离区79，N型发射极区80，以及高浓度N型集电极区81。上述区域的每个区的厚度规定为1.0μm或更薄，杂质浓度值规定在1×10¹⁹至1×10²⁰cm^-3的范围内（上述步骤对应图11D）。

⑤接着，除去每个电极连接位置上的氧化硅薄膜。在整个表面上淀积纯铝（Al），形成接触孔。除去电极区以外的铝。为了使（Al）铝和硅之间出现结的性能，要完成合金工艺，形成低层引线部分82，83，84。（图11E）。

⑥用喷涂法在整个表面上形成热集聚层和用作层间隔离膜的SiO₂薄膜1102，各自的厚度均为1.0μm。用蚀刻法形成用于发射极与基极/集电极之间的电连接的通孔H（图11F）。

下面，淀积一层厚度为1000埃（

）的二硼化铪（HfB₂），并使其形成图形，用作发热电阻层1103。形成电热转换元件的一对电极1104和1104′。并且用喷涂法淀积铝（Al），用于电极1104与发射极电极83之间的电连接。蚀刻出每个电极和中间引线的图形，获得所需的电连接。（图11G）。

下面，用喷涂法淀积电-热转换元件的保护层和用作中间引线与上层引线间的隔离层的氧化硅薄膜1105。

接着，用蚀刻法在氧化硅薄膜1105上形成通孔。再淀积一层铝（Al），并形成图形，所形成的中间铝（Al）层使上层引线1111与基极/集电极电极82成电连接。

这样，隔离引线被配置在低层，发射极（阴极）引线和电热转换元件的引线配置在中间位置。

基极/集电极（阳极）引线配置在最上层位置。三层布线结构中的每层通过两个孔连接（图11H）。

然后，在电热转换元件的上部形成厚度为2000埃（

）的Ta层1106，用作防止气孔的保护层。另一方面，形成包括有机材料的光敏聚酰亚胺层1107，作为保护层（图11I）。

给带有电热转换元件和半导体元件的基片装上液体通道壁构件501和顶板502，构成记录头。

对用上述方法制成的半导体器件记录头而言，把具有图7B的许多半导体元件的单元连接成矩阵形式进行运行试验。在试验中，把8个半导体二极管连接成一段，每个二极管允许流过300（mA）毫安电流（总电流为2.4安培）。然而，其他半导体二极管没有出现误动作，并且能很好地排放液滴。本发明也可以使用PNP晶体管结构。

图12是一个墨汁喷射记录装置的透视图，其中装有本发明的记录头。

传送作为记录媒质的记录纸808的装置包含一个滚筒804和使滚筒按箭头方向旋转的轴806。一个与墨汁容器一体化的头818安装在一个滑动架814上，滑动架814由两根导向轴810和812导向，并可以往复移动。记录头818沿记录纸表面移动，同时排出墨汁进行记录。数字816表示软电缆，用于传送激励记录头 的电热转换元件的激励信号和用于偏置半导体基片及隔离区的偏置信号。

图13表示记录头818。图4A中的头装在墨汁容器824内。记录头下部装有电连接端子820。数字822表示排放墨汁的多个排放口。

现参考图14说明滑动架814。数字838是滑动架侧面的接线端，它与软电缆形成电连接，并连接到头818的接线端820上。滑动架一侧的接线端838和记录头一侧的接线端各自都包括一个传送激励信号的接触器和一个传送偏置信号的接触器。

〔试验例〕

把上述第一和第二实施例中的记录头与作为常规例的，如美国专利说明书4429321号中给出的记录头进行比较。对每个记录头均用300毫安，脉冲宽度为10微秒的激励信号激励，计算排放出的墨滴的点误差。

计算方法如下。

首先，把激励信号输入一百次，墨滴从同一排放孔排出。从附着在记录纸表面上的墨滴中选出位于相对最长距离处的墨滴，并把这个距离设为最大误差σmax。把记录头连续激励一小时，然后根据开始时，10分钟后，30分钟后，以及1小时后取得的试样分别计算最大误差σmax。结果如下。

开始    10分钟后    30分钟后    1小时后

第一实施例    85    85    95    95

第二实施例    80    80    85    85

常规例    100    100    150    180

单位为：微米（μm）（所有墨滴的直径均为100微米）

如上所述，按本发明的实施例，当记录头长时间使用时，也能获得稳定的排放性能和良好的图象。另一方面，按照常规例的结构，尽管开始阶段不会出现大的问题，但当记录头长时间使用时就会出现问题。

其原因是复杂的。由于元件的开关特性很好，墨汁中产生的微小气泡减少，使薄膜汽化现象具有良好的可控性，并可以长时间保持稳定。

如上所述，按照实施例，在一块基片上可以形成许多半导体元件，每个元件均具有高耐压性能和相互间良好的隔离性能。因此，例如，在包含连接成矩阵的半导体元件的电路中，元件不需要从外部分别连接，减少了很多工序。从而减少了可能出现故障的位置，保证了高可靠性。

另一方面，按照实施例，半导体元件和用半导体元件激励的电热转换元件可以形成在同一基片上。因此有可能获得一种记录头，其中的电路面积可以缩小，能减少许多工序，可靠性得到改进，并能形成高清晰度的记录图象。

实施例可以适用于各种应用领域的半导体器件。例如，实施例也可以适用于微电流二极管，也可以适用于大电流二极管。然而，作为 本发明的最大的优点是此处所述的效果，即该实施例的半导体器件有极好的耐压性能，并可以使用大电流。因此，在作为大电流器件使用的情况下，可以获得实施例的最典型的优点。

此外，在用晶体管作为半导体元件的情况下，激励电压加到发射极上，基极与集电极短路并连接一个电热转换元件，由于没有少数载流子进入基极与集电极之间，开关速度高，速度的提高得到改进，寄生效应减轻，能对液体施加适当的热能，获得良好的排放特性。

Claims (19)

1、一种具有排放墨汁的排放口的墨汁喷射记录头，包括：

产生用于排放墨汁的热能的电/热转换元件，和形成在一块半导体基片上，与该电/热转换元件电连接的晶体管元件，其特征是晶体管元件的基极与集电极短路，并与电/热转换元件电连接。

2、按照权利要求1的记录头，其特征是，上述晶体管元件是NPN型晶体管。

3、按照权利要求1的记录头，其特征是，上述晶体管元件是PNP型晶体管。

4、按照权利要求1的记录头，其特征是，上述晶体管元件被形成在N型半导体基片上用外延生长法形成的半导体区域内。

5、按照权利要求1的记录头，其特征是，上述晶体管元件被形成在N型半导体基片上的一个半导体区域内，其四周被包括N型半导体的隔离区包围，并且上述隔离区保持正电位。

6、按照权利要求1的记录头，其特征是，上述晶体管元件被形成在杂质浓度在1×10¹²至1×10¹⁶厘米^-3范围内的N型半导体基片上。

7、按照权利要求1的记录头，其特征是，上述电/热转换元件是在形成了晶体管元件的半导体区域上通过一层绝缘膜以薄膜形式形成的。

8、按照权利要求1的记录头，其特征是，装有许多上述电/热转换元件和许多上述晶体管元件，并连接成矩阵。

9、一种墨汁喷射记录装置，它具有一个滑动架，在该滑动架上装有按照权利要求1的记录头，以及记录媒质的输送装置，

其特征是，上述墨汁喷射记录装置具有给记录头的半导体基片施加偏置电压的偏压装置。

10、一种具有排放墨汁的排放口的墨汁喷射记录头，包括：

产生用于排放墨汁的热能的电/热转换元件，和形成在一块半导体基片上，与该电/热转换元件电连接的晶体管元件，其特征是，

晶体管元件的基极与集电极短路，晶体管元件的发射极与电/热转换元件电连接。

11、按照权利要求10的记录头，其特征是，上述晶体管元件是NPN型晶体管。

12、按照权利要求10的记录头，其特征是，上述晶体管元件是PNP型晶体管。

13、按照权利要求10的记录头，其特征是，上述晶体管元件被形成在P型半导体基片上，用外延生长法形成的半导体区域内。

14、按照权利要求10的记录头，其特征是，上述晶体管元件被形成在P型半导体基片上的一个半导体区域内，其四周被包括P型半导体的隔离区包围，并且上述隔离区保持地电位。

15、按照权利要求10的记录头，其特征是，上述晶体管元件被形成在杂质浓度在1×10¹²至1×10¹⁶厘米^-3范围内的P型半导体基片上。

16、按照权利要求10的记录头，其特征是，上述电/热转换元件是在形成了晶体管元件的半导体区域上通过一层绝缘膜以薄膜形式形成的。

17、按照权利要求10的记录头，其特征是，装有许多上述电/热转换元件和许多上述晶体管元件，并连接成矩阵。

18、按照权利要求10的记录头，其特征是上述晶体管元件包括：

一个包含杂质浓度为1×10¹⁹厘米^-3或更高的N型半导体的埋入区;以及

一个包含杂质浓度在1×10¹³至1×10¹⁵厘米^-3范围内的P型半导体的基极区。

19、一种墨汁喷射记录装置，它具有一个滑动架，在该滑动架上装有按照权利要求10的记录头，以及记录媒质的输送装置，

其特征是，上述墨汁喷射记录装置具有给记录头的半导体基片施加偏置电压的偏压装置。

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