CN105163943B - 流体喷出设备 - Google Patents

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Abstract

描述了一种流体喷出设备。在示例中，设备包括基底，该基底具有在基底上形成并用于容纳流体的腔室。金属层包括在所述腔室下的电阻器，该电阻器具有与所述腔室热连接的表面。至少一个层沉积在所述金属层上。多晶硅层在该金属层下，包括在该电阻器下的多晶硅结构，所述多晶硅结构用于改变所述电阻器的形貌从而使所述表面不平整。

Description

流体喷出设备
背景技术
喷墨技术被广泛用于快速精确地分配小量的流体。喷墨通过在燃烧室中制造高压的短脉冲从喷嘴喷出小滴的液体。在打印过程中，这个喷出过程每秒钟可以重复几千次。在燃烧室中制造压力的一种方式是在燃烧室中加热油墨。热喷墨(TIJ)设备包括燃烧室中的加热元件(例如，电阻器)。电流通过加热元件，从而喷出液滴。随着加热元件产生热量，燃烧室中流体的一小部分被蒸发。蒸汽迅速扩张，促使小液滴离开燃烧室和喷嘴。然后电流被关断，并且加热元件冷却。蒸汽气泡迅速崩塌，将更多流体汲取到燃烧室。
附图说明
结合附图对本发明的一些实施例进行描述。
图1是根据示例实施方式的流体喷出设备的一部分的截面图。
图2是根据示例实施方式的流体喷出设备的电阻器部分的截面图。
图3-5描绘根据示例实施方式的流体喷出设备的电阻器部分的俯视图。
图6是根据另一示例实施方式的流体喷出设备的一部分的截面图。
图7是根据另一示例实施方式的流体喷出设备的电阻器部分的截面图。
具体实施方式
图1是根据示例实施方式的流体喷出设备的一部分的截面图。流体喷出设备100可以在例如热喷墨(TIJ)打印头中使用。流体喷出设备100包括基底102、薄膜叠层150和在薄膜叠层150上形成的腔室152。腔室152在各自沉积于薄膜叠层150上的阻挡层128和平板层130内形成。腔室152与喷嘴132流体连接。腔室152被配置为容纳能够从喷嘴132喷出的流体(如，油墨)。
基底102是具有掺杂区的半导体基底，例如掺杂区108和掺杂区110。掺杂区108和掺杂区110可以形成晶体管的源极和漏极。薄膜叠层150包括以图案沉积在基底102上的多个层。薄膜叠层150中的各层可以采用已知的半导体沉积和加工技术沉积和图案化。可以理解的是，图1示意性示出薄膜叠层，并忽略了拓扑细节，例如在各层沉积在基底102上时层的变化的高度和厚度。在这样的细节对于理解示例实施方式是必要的时，将在以下描述的后续附图中更详细地示出它们。
在示例中，薄膜叠层150包括栅氧化物(GOX)层112、多晶硅层114、介电层104、金属层118、介电层106和金属层123。GOX层112是在基底102上图案化的第一层。多晶硅层114被图案化在GOX层112上。多晶硅层114的一部分可以为利用掺杂区108和110形成的晶体管提供栅极。多晶硅层114的另一部分提供多晶硅结构116，其将在下面进一步详细讨论。
介电层104沉积在多晶硅层114上。介电层104可以是任意类型的绝缘层，例如氧化硅、磷硅酸盐玻璃(PSG)、未掺杂硅酸盐玻璃(USG)、碳化硅(SiC)、氮化硅(SiN)或正硅酸乙酯(TEOS)等或其组合。通孔(例如136和138)可以在介电层104中形成，用以暴露多晶硅层114和基底102的一部分。
金属层118沉积在介电层104上，并且沉积在介电层104中形成的通孔中。金属层118可以由钽(Ta)、铝(Al)、铜(Cu)或金(AU)等或其组合(例如TA和AU)形成，包括合金或其组合(如TaAl、AlCu)。金属层118可以包括多个导电层。例如，如图所示的导电层120和122。导电层120和122可以具有不同的薄层电阻(薄层电阻是每个单元的电阻)。例如，导电层120的薄层电阻可以比导电层122的薄层电阻高，使得在存在导电层122的情况下，大多数电流会流经导电层122。因此，导电层122作为导电线，并且可以用于对信号进行路由，而导电层120作为电阻线，并且可以被用作电阻器。通过首先沉积导电层120、沉积导电层122、然后刻蚀导电层122以暴露导电层120的一部分，可以形成金属层118。具体地，导电层120的位于腔室152下面的一部分134被暴露。暴露部分134在腔室152下面提供了与腔室152热连接的电阻器的表面。
介电层106被沉积在金属层118上。介电层106可以是任意类型的绝缘层，例如氧化硅、PSG、USG、SiC、SiN、或TEOS等或其组合。介电层106的一部分可以被刻蚀以暴露金属层118的一部分(例如，可以在介电层116中形成通孔)。
金属层123被沉积在介电层106上，并被沉积在介电层106中形成的通孔中。金属层123可以由钽(Ta)、铝(Al)、铜(Cu)或金(AU)等或其组合(例如TA和AU)形成，包括合金或其组合(如TaAl、AlCu)。与金属层118类似，金属层123可以包括多个导电层。例如，金属层123可以包括导电层124和导电层126。导电层126可以被用来提供用于从外部源(未示出)接收电信号的接合焊盘140。在一些示例中，导电层124可以提供抗气蚀层以减轻由于腔室152中的流体气泡崩塌而给腔室152下面的下层带来的机械损伤。在另外一些示例中，可以从腔室152下面省略导电层124。
电阻器可以通过发送流经电阻器的电流脉冲来加热(燃烧)。任何适当的方法可以被用来将电流脉冲引导到期望的电阻器，例如直接寻址、矩阵寻址或者流体喷出设备100中的智能驱动芯片。选择燃烧哪个电阻器可以由流体喷出设备100中的处理器、诸如打印机的相关控制设备中的处理器、或其组合来执行。一旦确定要加热某个电阻器，电流脉冲就可以通过流体喷出设备100中的电路被传递到该电阻器。
图1示出电流脉冲可以被传递到由腔室152下面的导电层120的暴露部分134形成的电阻器的示例。电流可以通过金属层118、通过由掺杂区108和110形成的晶体管被连接到焊盘140，并被连接到腔室152下面的金属层118的实现电阻器的一部分。当然，这个信号路由只是示例，并且变体和其他配置是可能的。
可以理解的是，薄膜叠层150的各层没有按比例示出。各层可以依赖于具体的器件配置和所使用的工艺而具有各种厚度。在示例中，GOX层112可以具有大约750埃(A)的厚度；多晶硅层114可以具有大约3600A的厚度；介电层104可以具有大约13000A的厚度；金属层118可以具有大约5000A的厚度；介电层106可以具有大约3850A的厚度；并且金属层123可以具有大约4600A的厚度。当然，这些厚度只是示例，并且变体和其他配置也是可能的。另外，薄膜叠层150中各层的具体配置也以示例方式提供。可以理解的是，在不同的配置中可以提供额外的介电和/或金属层。通常，这里描述的薄膜叠层150提供了腔室152下面的的电阻器，和在电阻器下面的多晶硅结构。下面将马上描述多晶硅结构及其优点。
多晶硅结构116可以包括至少一个多晶硅片段(例如截面图中示出的两个片段)。多晶硅层114可以具有使其在暴露部分134(例如，电阻器的表面)内的金属层118中造成显著形貌差异的厚度。这引起电阻器的表面不平整，从而提高电阻器的热效率。另外，电阻器表面的形貌变化可以实现电阻器的较低的静态导通能量(STOE)。在没有多晶硅结构116的情况下，热效率只能通过使用较薄的钝化层(例如介电层106)或者在电阻器下面使用厚的热屏障(例如介电层104)来提高。然而，较薄的钝化层容易受到针孔的影响而导致产量的损失。厚的热屏障会增加成本。多晶硅结构116既不会增加成本也不会增加模具设计中的固定资产(real-estate)需求。
在一个示例中，多晶硅结构116是无源的，并且不传导电流。在这样的示例中，多晶硅结构116的存在只是用来改变电阻器表面的形貌从而提高热效率。在另一示例中，多晶硅结构116或者其一部分可以为了各种目的被用来传导电流。例如，多晶硅结构116或者其一部分可以为形成在流体喷出设备100中的晶体管提供栅极(例如，多晶硅结构可以是栅极114的一部分)。在另一示例中，由于多晶硅具有适当的薄层电阻(如每平方30ohm)，所以多晶硅结构116可以被用作除了电阻器之外的次级加热元件。次级加热器可以使介电层104变暖，从而缓解硅基底102的热量损失。
图2是根据示例实施方式的流体喷出设备的电阻器部分200的截面图。图2中与图1相同或者相似的元件使用相同的附图标记指代，并已在上面详细描述。电阻器部分200示出了流体喷出设备100在腔室152下面的更多细节。为了清楚起见，腔室152已被省略。电阻器部分200包括基底102、GOX层112、多晶硅层114、介电层104、金属层118、介电层106和金属层123的导电层124。多晶硅结构116沉积在形成电阻器的金属层118的下面。具体地，多晶硅结构116在提供电阻器的导电层120的暴露部分的下面。由于多晶硅层114的厚度，导电层120的表面是不平整的(如表面呈现出“峰”和“谷”)。导电层120表面中的“谷”由虚线圈202强调。当电流脉冲经过导电层120时，相对于平整的表面，导电层120中的谷促进流体气泡成核。提高了电阻器的热效率。多晶硅结构116可以包括至少一个多晶硅片段(在图2中示出了3)。下面描述多晶硅结构116的各种配置。
图3-5描绘根据示例实施方式的流体喷出设备的电阻器部分的俯视图。如图3所示，电阻器表面302用虚线框示出。多晶硅结构包括排列成栅格形式的多个多晶硅片段304。如图4所示，电阻器表面402用虚线框示出。多晶硅结构包括从电阻器表面402的一侧延伸到电阻器表面402的另一侧的多个片段404。如图5所示，电阻器表面502用虚线框示出。多晶硅结构包括排列成弯曲形式的多个片段504。可以理解的是，图3-5示出的多晶硅结构仅仅是示例，并且不同变体和配置的结构可以被用来改变电阻器的表面，从而使电阻器表面不平整以提供峰和谷。在一些示例中，图3-5示出的多晶硅结构是无源的，并且不传导电流。在其他示例中，图4和5中示出的多晶硅结构的全部或者一部分可以被用于改变电阻器表面形貌以及其他目的，例如被用作晶体管栅极或使流体变暖的次级加热器。
图6是根据另一示例实施方式的流体喷出设备600的一部分的截面图。图6中与图1相同或者相似的元件使用相同的附图指代，并已在上面详细描述。除了电阻器在第二金属层中形成，并且第一金属层能被用于信号路由之外，设备600和设备100相似。设备600是在TIJ电阻器下使用多晶硅结构来改变电阻器形貌从而提高热效率和STOE的另一例子。可以理解的是，TIJ电阻器下多晶硅结构的使用也可以在以设备100和600为示例的的流体喷出设备的进一步变体/配置中使用。
基底102上的薄膜叠层650包括沉积在介电层104上的第一金属层602和沉积在介电层106上的第二金属层606。金属层602和606可以由钽(Ta)、铝(Al)、铜(Cu)、或金(AU)等或其组合(例如TA和AU)形成，包括合金或其组合(如TaAl、AlCu)。介电层604沉积在金属层606上。介电层604可以是任意类型的绝缘层，如氧化硅、PSG、USG、SiC、SiN或TEOS等或其组合。
金属层606可以包括多个导电层。例如，示出导电层608和610。导电层608和610可以具有不同的薄层电阻(薄层电阻是每个单元的电阻)。例如，导电层608的薄层电阻可以比导电层610的高，使得在导电层610存在的情况下，大多数电流通过导电层610。因此，导电层610用作导电线，并且可以用于对信号进行路由，而导电层608用作电阻线，并且可以用作电阻器。金属层606可以通过首先沉积导电层608、沉积导电层610、然后刻蚀导电层610以暴露部分导电层608的一部分来形成。具体地，导电层608在腔室152下面的部分134被暴露。暴露部分134在腔室152下面提供了与腔室152热连接的电阻器的表面。与设备100相似，多晶硅结构116造成电阻器的不平整表面(如在金属层608在暴露部分134中的不平整表面)。这种电阻器的不平整表面提高了热效率。另外，电阻器表面的形貌变化能够实现电阻器的较低STOE。
图7是根据示例实施方式的流体喷出设备的电阻器部分700的截面图。图7中与图2相同或者相似的元件使用相同的附图标记指代，并已在上面详细描述。除了电阻器在电阻器的广度范围内被形成为具有两个导电层，而不存在只有单个导电层的暴露部分之外，设备700和设备200相似。设备700是在TIJ电阻器下面使用多晶硅结构来改变电阻器表面的形貌从而提高热效率和STOE的另一例子。可以理解的是，TIJ电阻器多晶硅结构的使用可以在以设备200和700作为示例的电阻器设计的进一步变体/配置中使用。进一步地，电阻器部分700可以代替设备100和600中的电阻器部分200使用。
电阻器部分700包括沉积在介电层104上的金属层706。金属层706包括沉积在金属层704上的金属层702。与设备200类似，多晶硅结构116造成电阻器的不平整表面(如金属层702的不平整表面，从而形成谷202)。这种电阻器的不平整表面提高了热效率。另外，电阻器表面的形貌变化能够实现电阻器的较低STOE。
在上面的描述中，多个细节被详尽的解释从而提供本发明的理解。然而，本领域技术人员可以理解的是，没有这些细节仍然可以实施本发明。本技术领域技术人员基于本发明公开的有限数量的实施例，可意识到的大量的修改和变体。这些涵盖在本发明的精神和保护范围之内修改和变体都在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (15)

1.一种热流体喷出设备，包括：
基底，具有在基底上形成以容纳流体的腔室；
金属层，包括在所述腔室下的电阻器，所述电阻器具有与所述腔室热连接的表面；
沉积在所述金属层上的至少一个层；
在所述金属层下的多晶硅层，包括在所述电阻器下的多晶硅结构，所述多晶硅结构用于改变所述电阻器的形貌从而使所述表面不平整。
2.如权利要求1所述的热流体喷出设备，其中，所述电阻器包括第一导电层和第二导电层，所述第一导电层连接所述第二导电层的两个独立部分，其中所述电阻器的表面包括所述第一导电层的位于所述第二导电层的两个独立部分之间的部分。
3.如权利要求1所述的热流体喷出设备，其中，所述多晶硅结构包括多个片段。
4.如权利要求3所述的热流体喷出设备，其中，所述多个片段被形成为栅格。
5.如权利要求1所述的热流体喷出设备，其中，所述至少一个层包括介电层和抗气蚀层。
6.如权利要求1所述的热流体喷出设备，进一步包括：
沉积在所述多晶硅层和所述金属层之间的介电层。
7.一种制造流体喷出设备的方法，包括：
在基底上形成多晶硅层；
在所述多晶硅层上方形成介电层；
形成金属层，所述金属层包括位于所述介电层上方的电阻器；
在所述金属层上形成至少一个附加层；以及
在所述电阻器上方形成用于容纳流体的腔室；
其中所述电阻器被形成在所述腔室下，所述电阻器具有与所述腔室热连接的表面；
其中所述多晶硅层包括在所述电阻器下的多晶硅结构，所述多晶硅结构用于改变所述电阻器的形貌从而使所述表面不平整。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述电阻器包括第一导电层和第二导电层；所述第一导电层连接所述第二导电层的两个独立部分；其中所述电阻器的表面包括所述第一导电层的位于所述第二导电层的两个独立部分之间的部分。
9.如权利要求7所述的方法，其中，所述多晶硅结构包括多个片段。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述多个片段被形成为栅格。
11.一种用于打印机的打印头，包括：
至少一个喷嘴；
与所述喷嘴流体连接的腔室；以及
在所述腔室下的薄膜叠层，所述薄膜叠层包括：
金属层，包括在所述腔室下的电阻器，所述电阻器具有与所述腔室热连接的表面；
沉积在所述金属层上的至少一个层；
在所述金属层下的多晶硅层，包括在所述电阻器下的多晶硅结构，所述多晶硅结构用于改变所述电阻器的形貌从而使所述表面不平整。
12.如权利要求11所述的打印头，其中，所述电阻器包括第一导电层和第二导电层；所述第一导电层连接所述第二导电层的两个独立部分；其中所述电阻器的表面包括所述第一导电层的位于所述第二导电层的两个独立部分之间的部分。
13.如权利要求11所述的打印头，其中，所述多晶硅结构包括多个片段。
14.如权利要求13所述的打印头，其中，所述多个片段被形成为栅格。
15.如权利要求11所述的打印头，其中，所述至少一个层包括介电层和抗气蚀层。
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