CN1074357C - 正面喷墨单片集成热汽喷墨打印头及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明介绍一种集成于同一硅片的正面喷墨打印头及其制造方法，集成部分除喷嘴，毛细管，集流腔，加热电阻器外，还有墨水过滤器。墨水流入硅片后，首先经过滤器除去墨水中的固体颗粒，然后会集于集流腔，并由集流腔分配进入毛细管，防止毛细管被墨水中的固体颗粒堵塞。加热电阻器形成于毛细管上部的条形硅梁中，硅梁间有隔热墙，能有效阻止电阻器产生的热量交叉传递和传导散失。

Description

正面喷墨单片集成热汽喷墨打印头及其制造方法

本发明是关于热汽喷墨打印头，特别是关于正面喷墨，单片式结构，集成有墨水过滤器的热汽喷墨打印头。

热汽喷墨打印头可分为侧面喷墨和正面喷墨两大类。侧面喷墨的打印头一般由一块制作有加热电阻矩阵的硅片和一块制作有条形沟槽的塑料片粘结而成。这类打印头的缺点是电路连接线条太多，使得生产成本降低，产率提高，以及喷嘴排列密度增加都成问题，并且两片粘结要求对准精确，制造难度大。

正面喷墨的打印头可以避免上述存在的部分问题。正面喷墨打印头的基本构件通常包括喷嘴头，毛细管，集流腔，以及加热电阻器。商业打印头大都采用粘结技术将这些构件组合起来。每种构件采用不同的工艺进行制造。这些制造工艺都比较繁琐，因而生产费用比较高。

用得比较广的一种喷嘴头是用镍制造的。其制造方法是，在一块不锈钢片上形成光刻图形，以不锈钢片为基片镀镍形成喷嘴列阵，然后把镍片从不锈钢片上揭下来，粘结到复盖有薄膜加热电阻列阵的玻璃片或硅片上。这种制造方法的问题是，仍然是两片组合结构，不是标准的集成电路工艺，不能集成，降低成本很困难。

另一种喷嘴头是用晶向为(110)的硅片制造的。用KOH溶液腐蚀硅片形成垂直穿通硅片，口大底小的矩形槽。通糟形成前底部有复合结构的贴片，由贴片形成喷嘴列阵和加热电阻器。通糟开口贴一金属片，金属片有开口与墨水池连接。这种喷嘴头的制造也存在不少问题，主要是：(110)硅片不是常用的集成电路硅片；腐蚀形成矩形槽对硅片定向要求很严格，定向偏差超过0.3°就很难作出合乎要求的喷嘴列阵；硅片的两面都要进行加工，制造工艺比较复杂，加工精度也难保证。

本发明的目的就是提供一种新的正面喷墨打印头，这种打印头不再为上述打印头存在的问题所困扰，这种打印头具有如下显著特征：

1．打印头的所有构件都集成在同一块硅片上；

2．打印头用的硅片为(100)硅片，适合制造标准的打印头驱动电路，检测和控制电路；

3．加热电阻器布置在通墨毛细管的顶部，相邻加热电阻器由低热导的填料隔开，可以防止相邻加热电阻器的交叉影响；

4．加热电阻器可制作在通墨毛细管顶层的硅条里，使加热电阻器产生的焦耳热能直接通过硅层进入墨水，从而减少热能的散失，降低打印头的功耗；

6．打印头集成有墨水过滤器；

6．过滤器由微机械加工和硅器件加工技术形成。

对本发明进行辅助说明的附图包括：

图1．为本发明提供的正面喷墨打印头的部分切割透视图

图2．示意表示光照N-型硅阳极氧化装置

图3-图16。为本发明提供的正面喷墨打印头在各主要制造步骤部分切割透视图

下面结合附图对本发明提供的正面喷墨打印头及其制造方法进行说明。参考图1，本发明提供的正面喷墨打印头包括喷嘴阵列107，毛细管103，毛细管隔墙104，集流腔105，过滤器106，加热电阻器108，电路连线110，和压焊块112。制作打印头的材料包括硅衬底101，在硅衬底101上生长的硅外延层102，在硅外延层102上铺垫的绝缘介质层109，钝化介质层113，金属粘结层和防湿金属层114。毛细管103和集流腔105埋于外延层102之下，并以外延层102为其顶盖。过滤器106从硅衬底背面嵌入与集流腔105相连。喷嘴105穿越外延层102以及其上的铺垫层113和114，与毛细管103垂直相交。加热电阻器108布置于毛细管103顶部靠近喷嘴107处，加热电阻器之间有隔热槽相间(图中未标出)，连接加热电阻器的电路连线110处于绝缘介质层109和钝化介质层113之间。

打印头工作时，墨水从硅衬底101的底部流入过滤器106，过滤器的孔隙直径为1-3微米，墨水中含有的固体微粒被阻止进入孔隙，对墨水起到过滤的作用。流过过滤器的墨水充满集流腔105，由于墨水的表面张力作用，墨水会吸入与集流腔相连的毛细管103，并将毛细管充满。

电流脉冲通过毛细管103上的电阻器108产生焦耳热，热流的通路可以向上，向两侧，向后，和向下。电阻器108的上部是绝缘介质层109和钝化介质层113，两种介质的热阻都很大，流过的热量很少。电阻器的两侧是聚酰亚胺隔热槽111，热阻也很大，流过的热量也很少。电阻器108制作在硅条上，因硅条薄热阻大，往回流的热量也不多。电阻器108的下部是硅膜，热流经过这层硅膜进入毛细管103中的墨水，硅的热导系数比较大，大部分热流可以进入毛细管103中的墨水，使墨水汽化产生汽泡。

本发明提供的正面喷墨打印头制造采用了多孔硅加工技术，特别是光照N-型多孔硅加工技术。多孔硅是一种含有大量微孔的单晶硅，是硅在浓HF中进行电化学腐蚀的产物。多孔硅形成的特性是，电化学反应所需的阳极电压与硅的掺杂类型和掺杂浓度有关，各种不同掺杂材料形成多孔硅所需的阳极电压按高低排列依次为：N⁺＞P⁺＞P＞N。根据这种规律，通过控制阳极电压，可以使多孔硅选择性地形成在N-型硅岛周围的P⁺-区，并将N-型硅岛完全包围。多孔硅的特性是，多孔结构造成极大的表面积，因而具有极强的化学反应能力，可以在稀释的硅腐蚀液中以极高的速率从硅衬底上选择性地腐蚀掉。

N-型硅转变成多孔硅需要比较高的阳极电压，但用光照射反应的N-型硅，则阳极电压会降至于P-型硅转变成多孔硅所需的阳极电压值。这是因为形成多孔硅的电化学反应需要大量的空穴参与，无光照N-型硅电化学反应所需的空穴由电解质-N-型硅结的反向击穿产生的载流子提供，因而阳极电压比较高，而光照N-型硅电化学反应所需的空穴由光生载流子提供，因而阳极电压比较低。

光照N-型硅电化学反应的特点之一是，消除了多孔硅孔端电场分布的尖端效应，空穴不再集中在孔端，孔端的周围都有空穴流入，因而多孔硅的孔径可以加大，一般无光照N-型硅电化学反应形成的多孔硅孔径只有百微米的数量级，而光照N-型硅电化学反应可以形成大到2-3微米孔径的孔群。另一特点是，可以通过控制光照强度，使光生空穴可由多孔硅孔端吸收尽，没有多余的空穴深入孔间区域而由孔壁所吸收，从而可以引导孔生长沿纵向推进，而不朝横向发展，形成垂直的孔群。

光照N-型硅电化学反应装置如图二所示，包括反应池201，硅片夹202，密封胶圈203，密封垫圈204，铂电极对205，滤光片208，和光源209。反应池201由有机玻璃制成，有机玻璃透光并耐稀氢氟酸溶液腐蚀。滤光片208滤去光源中的短波成分，使光生载流子产生在硅片光照面附近区域。反应池201中充满稀氢氟酸溶液206，装入硅片夹202的硅片207将反应池201分成两个相互隔离的区域，每个区域有一个铂电极205。进行光照电化学反应时，光源208发出的光经过滤光片208过滤后，透过反应池201的壁，照射到硅片207的背面。外部施加的直流电流从铂电极对205的正极流出，通过稀氢氟酸溶液进入硅片207的背面，然后从其正面流出，进而通过稀氢氟酸溶液流入铂电极对205的负电极。随着阳极电流的通过，孔群开始在硅片207的正面生成，并朝着其纵向方向推进。

图3至图16表示本发明提供的正面喷墨打印头在各主要制造步骤的部分切割透视图。用来制造正面喷墨打印头的起始材料为(100)晶向，单面抛光，电阻率1Ω-cm的N-型单晶硅片301。硅片置于温度升至1100℃的氧化炉中，通湿氧90分钟，在硅片表面形成9000厚的二氧化硅层302。对氧化后的硅片进行光刻腐蚀，在氧化层中形成扩散窗口。以开有扩散窗口的氧化层302为掩蔽，进行两步磷扩散。第一步为磷预淀积，条件是：磷源POCl₃，炉温950℃，淀积时间1小时。第二步为主扩散，条件是：炉温1200℃，时间18小时。由此产生深约20μm，方块电阻8-10Ω/□的N⁺扩散区303，如图3所示。

随后的制造步骤是，以形成有扩散区的硅片为衬底进行硅外延生长。生长前，用稀释的HF溶液腐蚀硅片表面残存的二氧化硅。硅片入炉后，先用HCl气体腐蚀掉0.5μm厚的表面硅层，然后开始外延生长。生长条件：气源SiCl₄+H₂，炉温1150℃，生长速率0.7-0.8μm/分钟。控制外延生长时间，以求得到厚6μm，电阻率2-8Ω-cm的硅外延层304，如图4所示。

在硅外延层304表面热氧化形成7000厚的二氧化硅层305，接着进行光刻腐蚀，形成以二氧化硅层305为基体的扩散掩蔽图形。随后进行磷扩散，与前面用的扩磷技术相似，只是主扩散的时间缩短为6小时，形成的N⁺扩散槽306也变浅为7μm，如图5所示。从图5不难看出，原有的N⁺埋层303已与N⁺槽306相连成为平放的＂L＂形。

保留硅外延层304上残留的二氧化硅层305和扩散区表面形成的磷硅玻璃层，进行光刻腐蚀，形成另一个以二氧化硅层305为基体的扩散掩蔽图形。接着进行两步硼扩散，形成P⁺扩散条。扩散的第一步，以BN薄片为源，在1100℃预淀积1小时；第二步，在1180℃主扩散1小时。通过扩硼，在外延层304处于N⁺埋层上部的区域产生结深1.5μm，方块电阻13-16Ω/□的P⁺条307，如图6所示。

在外延层304上形成厚5000的低应力氮化硅层308，并进行光刻腐蚀形成接触孔309，如图7所示。氰化硅由低压化学气相淀积技术形成，淀积条件：温度835℃，气压300m乇，配方NH₃=16sccm，SiH₂Cl₂=64sccm。由此产生的氮化硅含有高于化学配比的硅，其在49％HF中的腐蚀速率为40-50/分钟。随后在氮化硅层上用电子束蒸发技术形成厚5000的铝层，并进行光刻腐蚀形成接触孔309。先用光刻胶掩蔽湿法腐蚀铝，铝腐蚀液的配方为16H₃PO₄∶1HNO₃∶1Hac∶2H₂O，再用铝掩蔽干法腐蚀氮化硅，腐蚀条件：气源SF₆∶He=13∶21，功率100w，气压250m乇，由此产生的腐蚀速率为1100/分钟。

腐蚀掉氮化硅层308上残余的铝后，用磁控溅射技术淀积厚1600的钨层，淀积条件：功率4.5kw，追踪速度10cm/分钟，气压6mT。接着进行光刻腐蚀形成金属化图形，钨的腐蚀液用30％的H₂O₂，室温下的腐蚀速率为190/分钟。钨的腐蚀也可用由1升H₂O,34克K₃Fe(CN),13.4克KOH,33克KH₂PO₄配制的溶液，室温下的腐蚀速率为340/分钟。然后在干氮气氛中进行热处理，炉温800℃，时间40分钟，形成厚约4000的二硅化钨。用稀HF溶液腐蚀掉二硅化钨层上的氧化物后，再用磁控溅射技术淀积厚3000的金层，淀积条件与淀积钨相似。又一次进行光刻腐蚀，用光刻胶掩蔽湿法腐蚀金，腐蚀液用碘化钾溶液。至此出现如图8所示含有连线310和压焊快311的金/硅化钨复合结构的金属化图形。

金属化图形也可用金/硅化铂复合结构形成。先磁控溅射淀积厚1000的铂，接着进行光刻腐蚀，铂腐蚀用沸腾的王水，然后在于氮气氛中进行热处理形成硅化铂。热处理过程是：200℃,1小时，300℃,1小时，550℃,0.5小时。金的淀积和处理技术与前面用的相同。

金属化图形还可用金/铬复合结构形成。先用电子束蒸发技术淀积厚300的铬，接着用同样技术淀积厚5000的金。热处理条件：400℃。30分钟。热处理时，金穿越铬层向硅中扩散形成欧姆接触。这三种金属化图形的共同特点是，能经受HF溶液的腐蚀，在随后的阳极氧化过程中，不会因HF的腐蚀而使金属引线和金属压焊块遭受损坏。

金属化图形形成后，进行光刻腐蚀形成如图9所示的光照阳极氧化掩蔽图形312。掩蔽图形312为一圆孔矩阵，孔直径3μm，孔中心间距6μm。掩蔽膜材料为用作金属化图形绝缘介质层的氮化硅308。腐蚀氮化硅用铝层做掩蔽，为此先淀积一层1μm的铝，光刻腐蚀形成铝掩膜，然后干法腐蚀氮化硅，腐蚀氮化硅用的技术与前面用的类似。然后用30％的KOH溶液，室温进行下腐蚀，在硅层表现形成尖底锥形坑。尖底锥形坑为随后的光照阳极氧化提供尽可能小的横向尺度，使形成的孔径基本上由硅片的掺杂浓度和阳极氧化条件决定。KOH腐蚀后用去离子水清洗，接着进行光照阳极氧化，条件：5％的HF溶液，阳极电压3v，光电流密度10mA/cm²，腐蚀速率2-3μm/分钟。控制时间，使产生孔深100-150μm，如图10所示。

再次对氮化硅层308进行光刻腐蚀，形成无光照阳极氧化窗口314。形成的方法与前面形成光照阳极氧化窗口312相似。

无光照阳极氧化装置与如图2所示的光照阳极氧化装置不同之处是，不需要光源209和滤光片208，反应池201和硅片托202由耐浓HF溶液腐蚀的聚四氟乙烯制成。阳极氧化用的HF溶液的配方为40％HF,10％水，和50％无水乙醇。无水乙醇的作用是降低溶液的表面张力，使反应产物H₂容易排出，以改善多孔硅的表面形态。

N⁺硅形成多孔硅所需的起始阳极电压远低于N^-硅所需的起始阳极电压，为此，阳极电压和阳极电流分别控制为4V和30mA/cm²，在此条件下，阳极反应限制在N⁺硅区，N^-硅区不发生阳极反应。N⁺硅形成多孔硅的平均生长速率为1.3μm/分钟，由此产生的多孔硅埋层315如图11所示。

接下去形成如图12所示的隔热槽316。为此进行光刻腐蚀，用铝掩蔽，采取与前面相同的干法腐蚀方法腐蚀氮化硅。露出硅层后，继续进行干法腐蚀，直至腐蚀穿外延层304为止，腐蚀条件：气源Cl₂∶He=18∶40，功率100w，气压425m乇，腐蚀速率为1100/分钟。

用聚酰亚胺填充隔热槽316，并在硅片表面形成一层10μm厚的聚酰亚胺层317，如图13所示。聚酰亚胺涂糊分两至三次进行，每次包括：甩胶，前烘，温度135℃，时间半小时，固化，温度400℃，时间1小时。聚酰亚胺的热导系数比硅低两个数量级，是比二氧化硅低一点，是优良的隔热材料。

然后依次在聚酰亚胺层317上用溅射技术淀积200-300厚的铬层和3000厚的金层，用选择性电镀技术淀积3-4μm厚的金层，电镀掩膜由光刻胶形成。在这种复合结构中，铬层的作用是加强聚酰亚胺层对金层黏性，金层的作用是增加喷孔形成后的机械强度和防止墨水的浸润。对复合层进行光刻腐蚀，先用光刻胶掩蔽湿法腐蚀金，腐蚀液为碘化钾溶液，腐蚀形成压焊块开口320，如图14所示。然后以金层掩蔽，干法腐蚀氮化硅，腐蚀条件与前面用过的相同，露出硅层后继续进行干法腐蚀，直至腐蚀透外延层304，腐蚀条件也与前面用过的同，形成多孔硅腐蚀窗口319，如图14所示。

对硅片背面进行减薄以露出光照阳极氧化形成的垂直孔群，如图15所示。减薄用集成电路专用的减薄机，贴片前硅片正面须用光刻胶保护，以免减薄过程中损坏金属化图形。

最后一道制造步骤是，在5％的KOH的溶液中，室温下腐蚀。

Claims (12)

1．一种含墨水过滤器的单片集成热汽喷墨打印头，其特征为该打印头主要包括：

一块硅衬底，

一层从所说硅衬底上长出的硅外延层，

若干布置在所说硅外延层顶部的喷墨口，

若干与喷墨口相连的通墨毛细管，

一个与毛细管相通的墨水集流腔，

若干布置在毛细管顶部的加热电阻器，

一个与集流腔相通的墨水过滤器。

2．权利要求1所述的含墨水过滤器的单片集成热汽喷墨打印头，其特征是所说硅衬底为N-型掺杂低阻硅片。

3．权利要求1所述的含墨水过滤器的单片集成热汽喷墨打印头，其特征是所说硅外延层为N-型掺杂低阻硅外延层。

4．权利要求1所述的含墨水过滤器的单片集成热汽喷墨打印头，其特征是所说毛细管布置在所说硅外延层底部的硅衬底中。

5．权利要求1所述的含墨水过滤器的单片集成热汽喷墨打印头，其特征是所说集流腔布置在所说硅外延层底部的硅衬底中。

6．权利要求1所述的含墨水过滤器的单片集成热汽喷墨打印头，其特征是所说过滤器由所说硅衬底形成。

7．一种制造含墨水过滤器的单片集成热汽喷墨打印头的方法，其特征是制造步骤主要包括：

提供一块N-型掺杂高阻硅片；

在硅片表面层形成若干N-型高掺杂区；

在含有浓掺杂区的硅片表面形成一层N-型掺杂高阻外延层；

在外延层表面层形成若干P-型高浓度掺杂区；

在外延层表面形成抗氢氟酸腐蚀的导电复合层；

形成连接P-型浓掺杂区金属引线和与外电路连接的压焊块；

形成光照阳极氧化保护图形；

进行光照阳极氧化形成大量垂直孔群，穿过外延层和N-型浓掺杂埋

层，深入硅衬底；

形成无光照阳极氧化保护图形；

进行无光照阳极氧化将N-型浓掺杂埋层转变成多孔硅；

形成表面保护层；

形成喷口，垂直穿过保护层，抵达无光照阳极氧化形成的多孔硅层；

从硅衬底的背面减薄硅衬底，使露出光照阳极氧化形成的孔柱群；

选择性腐蚀过孔硅。

8．权利要求7所述制造含墨水过滤器的单片集成热汽喷墨打印头的方法，其特征是所说N-型硅衬底的掺杂浓度范围为10¹²-10¹⁶/cm³。

9．权利要求7所述制造含墨水过滤器的单片集成热汽喷墨打印头的方法，其特征是所说N-型高掺杂区的薄层电阻为3-20Ω/□。

10．权利要求7所述制造含墨水过滤器的单片集成热汽喷墨打印头的方法，其特征是所说N-型掺杂高阻外延层的掺杂浓度范围为10¹²-10¹⁶/cm³。

11．权利要求7所述制造含墨水过滤器的单片集成热汽喷墨打印头的方法，其特征是所说抗氢氟酸腐蚀的导电复合层为金/硅化钨复合层。

12．权利要求7所述制造含墨水过滤器的单片集成热汽喷墨打印头的方法，其特征是所说抗氢氟酸腐蚀的导电复合层为金/硅化铂复合层。

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