CN110023088B - 流体喷射装置中的原子层沉积氧化层 - Google Patents

流体喷射装置中的原子层沉积氧化层 Download PDF

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Abstract

在一些示例中，为了形成流体喷射装置，在衬底上形成热敏电阻，在该热敏电阻之上形成氮化层，并且在高于250摄氏度的温度下使用原子层沉积(ALD)在该氮化层之上形成氧化层，其中，该氮化层和该氧化层构成钝化层，以保护该热敏电阻。

Description

流体喷射装置中的原子层沉积氧化层
背景技术
打印系统可包括打印头，该打印头具有喷嘴，以将打印流体分配到打印目标。在二维(2D)打印系统中，该目标是打印介质，例如纸或者打印图像可以形成到其上的另一种类型的承印物。2D打印系统的示例包括能够分配墨的微滴的喷墨打印系统。在三维(3D)打印系统中，所述目标可以是沉积以形成3D物体的一层或多层构建材料。
附图说明
参照下面的附图来描述本公开的一些实施方式。
图1是根据一些示例的流体喷射管芯的剖视图。
图2是根据一些示例的形成流体喷射装置的工艺的流程图。
图3是示出了根据一些示例的根据原子层沉积(ALD)工艺温度的氧化层蚀刻速率的示图。
图4是根据另外的示例的形成流体喷射装置的工艺的流程图。
图5是根据一些示例的流体喷射管芯的剖视图。
图6是根据其他示例的形成流体喷射装置的工艺的流程图。
图7图示了根据一些示例的流体喷射装置可附接在其上的盒。
图8图示了根据一些示例的流体喷射装置可附接在其上的杆。
贯穿附图，相同的附图标记标示相似但不一定相同的元件。附图不一定按比例绘制，并且可放大某些部分的尺寸以更清楚地图示所示的示例。此外，附图还提供了与描述一致的示例和/或实施方式；然而，描述并不限于附图中所提供的示例和/或实施方式。
具体实施方式
在本公开中，除非上下文另有明确说明，否则术语“一”、“一个”、“一种”或者“该”、“所述”的使用也意在包括复数形式。此外，当在本公开中使用时，术语“包括”、“包含”、“具有”或“具备”列举所记载的要素的存在，但并不排除存在或添加其他要素。
用于打印系统中的打印头可包括喷嘴，该喷嘴被激活以使打印流体微滴从相应的喷嘴喷射。每个喷嘴都包括主动喷射元件，该主动喷射元件当被激活时引起打印流体的微滴从喷嘴中的喷射腔室的喷射。打印系统可以是二维(2D)或三维(3D)打印系统。2D打印系统分配例如墨之类的打印流体，以在例如纸介质或其他类型的打印介质的打印介质上形成图像。3D打印系统通过沉积连续的构建材料层来形成3D物体。3D打印系统所分配的打印流体可以包括墨，以及用于熔合构建材料层的粉末、为构建材料层提供细节(例如通过限定构建材料层的边缘或形状等)的流体等。
在后续的论述中，术语“打印头”一般可以指包括安装在支撑体上的多个打印头管芯的整体组件，其中，这些打印头管芯用于向目标分配打印流体。打印头可以是打印盒(或硒鼓，print cartridge)的一部分，该打印盒可被可移除地安装在打印系统中。在其他示例中，打印头可以是打印杆的一部分，该打印杆可具有跨越打印目标的宽度的宽度，该打印目标例如为2D打印介质或3D物体。在打印杆中，打印头的多个管芯可沿打印杆的宽度布置。在另外的示例中，打印头可被安装在打印系统的滑架上，其中，该滑架可相对于打印目标移动。
尽管在一些示例中参考了用于打印系统中的打印头，但要注意的是，本公开的技术或机构适用于能够通过喷嘴来分配流体的非打印应用中所使用的其他类型的流体喷射装置。这样的其他类型的流体喷射装置的示例包括在流体感测系统、医疗系统、交通工具、流体流动控制系统等中使用的那些流体喷射装置。
可包括在用于从流体喷射装置喷射流体的流体喷射装置中的一种主动喷射元件可以包括热敏电阻。具有多个喷嘴的流体喷射装置可包括与相对应的喷嘴相关联的相应的热敏电阻。热敏电阻被用于产生热，该热使包含在流体喷射腔室中的流体蒸发。喷射腔室中的流体的蒸发引起流体微滴通过喷嘴的相对应孔口排出。
流体喷射装置可以呈管芯的形式，在该管芯上可设置有各种薄膜层。该薄膜层可包括电阻层，该电阻层可被图案化以形成相应的热敏电阻。可以形成钝化层(由电绝缘材料形成)，以将热敏电阻与流体喷射腔室中的流体电隔离。传统的钝化层可以是相对厚的。厚钝化层的存在可以增加流体喷射装置的开启能量(turn-on energy)，其中，该开启能量是要形成足以通过孔口喷射指定量的流体的尺寸的蒸气泡所必须提供的能量。在热敏电阻和流体喷射腔室之间的钝化层较厚的情况下，将必须对热敏电阻施加增加的电流量和/或增加的电压，来产生足够的开启能量以从流体喷射腔室喷射流体。
根据本公开的一些实施方式，可以在流体喷射装置的每个热敏电阻之上形成较薄的钝化层，这允许减小开启能量，使得可以施加减小的电流和/或减小的开启电压，以激活流体喷射装置的喷嘴。减小的开启电压和/或电流还可以允许增加流体喷射装置的激活频率。在开启能量减小的情况下，流体喷射装置中的温度可以降低。此外，较薄的钝化层还可降低流体喷射装置的制造成本。
可以通过使用原子层沉积(ALD)在钝化层中形成氧化层来实现较薄的钝化层。使用ALD形成的氧化层被称为“ALD氧化层”。在一些示例中，即使使用较薄的钝化层，使用ALD在流体喷射装置的钝化层中形成氧化层也可以提供流体喷射装置的增强的可靠性。例如，根据一些实施方式，通过使用ALD形成的钝化层，可以避免或减少针孔缺陷和/或钝化层的其他制造缺陷。针孔缺陷可由钝化层的未完全以钝化层的材料形成的区域引起。此外，通过使用ALD来形成钝化层的氧化层，在制造期间可以实现改善的台阶覆盖，其中，台阶覆盖是指层在其最薄处的厚度与该层在开放的上表面上形成的厚度之比。
图1示出了示例性流体喷射管芯100的一部分。“管芯”可以指包括衬底的结构，在该衬底上设置有喷嘴和控制电路，该控制电路控制通过该喷嘴的流体喷射。形成在流体喷射管芯100中的控制电路可被用于控制热敏电阻的激活。
流体喷射管芯100包括各种层。尽管图1中示出了特定的层布置结构，但要注意的是，在其他示例中，流体喷射管芯可具有其他布置结构。
在后续的论述中，参考在另一层之上形成的一层。注意，在使用期间，流体喷射管芯100可以从图1中所示的定向上下颠倒，使得术语“上方”或“上”可能实际上是指一层在不同的定向上处于另一层下方，并且反之亦然。图1中所示的定向可以是在流体喷射管芯100的制造期间流体喷射管芯100的定向，这是因为形成了流体喷射管芯100的多个层。
流体喷射管芯100包括衬底102，该衬底102可以由硅、另一种半导体材料或另一种类型的材料形成。电阻层104形成在衬底102之上。电阻层104可以包括电阻材料，例如钨硅氮化物、钽、铝、硅、氮化钽等。电阻层104可以形成用于流体喷射管芯100的相对应喷嘴的热敏电阻，其中，该喷嘴还包括流体喷射腔室112和孔口114。
在制造期间，沉积在衬底102之上的电阻层104可以被图案化，以形成用于流体喷射管芯100的相对应喷嘴的相应热敏电阻。
钝化层106被设置在电阻层104之上。通过将流体喷射腔室112中的流体与电阻层104隔离，钝化层106为电阻层104提供保护。钝化层106可包括电绝缘材料，以将电阻层104与流体喷射腔室110中的流体电隔离。
根据一些实施方式，钝化层106包括形成在电阻层104之上的氮化层108，以及形成在氮化层108之上的氧化层110。如这里所使用的，如果第一层与第二层接触并处于第二层上方，或者可替代地，第一层处于第二层上方，而在第一层和第二层之间具有中介层(或多个中介层)，则第一层处于第二层“之上”或“上”。
尽管钝化层在根据图1的示例中被示出为具有两层108和110，但要注意的是，在其他示例中，钝化层106可包括多于两层。
金属层116可以被设置在钝化层106之上。金属层116可以包括钽或其他金属，并且形成在钝化层106之上，以增加机械强度。
如图1中进一步示出的，腔室层118形成在金属层116之上。腔室层118可以由环氧树脂、另一种聚合物或任何其他类型的材料形成。在制造期间，可以执行腔室层118的蚀刻，以形成流体喷射腔室112和孔口114。流体从流体通道(未示出)流动到流体喷射腔室112。孔口114从流体喷射腔室112通向流体喷射管芯100的外部。
尽管图1示出了形成在整体式腔室层118中的流体喷射腔室112和孔口114，但要注意的是，在其他示例中，流体喷射腔室112和孔口114可以形成在分开加工的相应的不同层中。
在操作中，当电阻层104被激活时(通过使电流通过电阻层104，以加热电阻层104)，由电阻层104产生的热使流体喷射腔室112中的流体蒸发，这使流体微滴120从孔口114喷射。
图2是形成例如图1的流体喷射管芯100的流体喷射装置的工艺的流程图。该工艺包括在衬底上形成(在202处)热敏电阻，例如通过在图1中所示的衬底102上形成电阻层104。在沉积电阻层之后，电阻层被图案化，以形成热敏电阻(或更具体而言，流体喷射装置的多个热敏电阻)。
接下来，该工艺包括在热敏电阻之上形成(在204处)氮化层(例如，图1中的氮化层108)。该氮化层可以提供对电阻层的热和化学稳定化。在一些示例中，可以通过使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)来形成氮化层。在其他示例中，可以使用其他技术来形成氮化层。氮化层的示例可包括以下任何一种：氮化硅、氮化铝、氮化钛、氮化钽、氧化铌、氮化钼、氮化钨等。
接下来，该工艺包括在高于250摄氏度(℃)的温度下使用ALD在氮化层之上形成(在206处)氧化层。该氮化层和氧化层构成钝化层以保护热敏电阻。
根据一些示例，使用ALD形成的氧化层可包括金属氧化物。金属氧化物的示例可选自以下各项之中：氧化铪、氧化铝、氧化钛、氧化钽、氧化镁、氧化铯、氧化铌、氧化镧、氧化钇、氧化铝钛、氧化钽铪等。
ALD被用于在下面的结构之上形成薄层。ALD工艺涉及以重复的方式顺序地施加气相化学品，以构建氧化层。ALD工艺的气相化学品可以被称为前体，其包括源-材料前体和结合前体，这些前体交替使用并且与在不同的前体使用之间引入的惰性吹扫气体依次使用。沉积的源-材料前体在表面上与沉积的结合前体发生化学反应，以形成单分子ALD层。随着ALD工艺继续，该单分子ALD层在逐个分子层的基础上构建。可以很好地控制ALD层的最终厚度。
在形成氧化层时ALD的温度可影响与氧化层相关联的蚀刻速率。氧化层的蚀刻速率可以指在存在蚀刻化学品的情况下去除氧化层的速率(表示为随时间变化的厚度)，该蚀刻化学品在流体喷射装置的制造期间被用于图案化氧化层，以便形成用于电接触件的过孔或形成其他结构。蚀刻化学品的示例可包括氢氟氧化物、氟化氨或者在流体喷射装置的制造期间用于蚀刻层的任何其他类型的化学品。
如图3中所示，曲线302表示根据ALD工艺温度的蚀刻速率。如曲线302所描绘的，使用ALD工艺形成的氧化层的蚀刻速率随着ALD工艺温度的升高而降低。如上所述，在一些示例中，氧化层在高于250℃的温度下使用ALD在氮化层之上形成。在其他示例中，氧化层使用ALD在高于270℃的温度下，或在高于280℃的温度下，或在高于290℃的温度下，或在高于300℃的温度下形成。在另外的示例中，氧化层在大约300℃的温度下使用ALD形成。如果温度处于目标温度的指定百分比内，则ALD温度处于“大约”目标温度，该目标温度在这种情况下为300℃，其中，该指定百分比可以是1％、2％、5％、10％等。
如图3中所描绘的，通过将ALD工艺温度提高到250℃以上，可以降低氧化层的蚀刻速率，这意味着当施加蚀刻剂以图案化氧化层时，较少量的氧化层被去除。
图4是根据另外的示例的形成流体喷射装置的工艺的流程图。图4的工艺包括在衬底上形成(在402处)电阻层。该工艺还包括图案化(在404处)电阻层，以形成流体喷射装置的相应的热敏电阻。该图案化可以通过使用例如等离子体蚀刻之类的各种图案化技术中的任何一种来执行。
图4的工艺还包括在热敏电阻之上形成(在406处)氮化层。然后，该工艺在例如高于250℃的较高的温度下使用ALD形成(在408处)氧化层。
图4的工艺进一步图案化(在410处)包括氮化层和氧化层的钝化层。接下来，工艺在钝化层之上形成(在412处)金属层(例如，图1的金属层116)，并且随后，该工艺在金属层之上形成(在414处)腔室层(例如，图1中的118)，其中，腔室层可被图案化并蚀刻，以形成流体喷射装置的流体喷射腔室和孔口。
如图1中进一步示出的，氮化层108可以具有厚度T1，并且使用ALD形成的氧化层110可以具有厚度T2。氮化层108的厚度T1可以在400埃
Figure BPA0000265499090000071
和
Figure BPA0000265499090000072
之间的范围内。可替代地，氮化层108的厚度T1可以在
Figure BPA0000265499090000073
和
Figure BPA0000265499090000074
之间的范围内。在一些示例中，氧化层的厚度T2可以在
Figure BPA0000265499090000075
的较低厚度和小于
Figure BPA0000265499090000076
的较高厚度之间的范围内。在另外的示例中，厚度T2可以在
Figure BPA0000265499090000077
的较低厚度和小于
Figure BPA0000265499090000078
的较高厚度之间的范围内。尽管列出了T1和T2的具体厚度，但要注意的是，在其他示例中，可以使用不同的厚度。
通过使用ALD来形成氧化层110，氮化层108可以被制作得更薄。结果，可以使钝化层106的总厚度更薄。
基于氮化层和氧化层的厚度T1和T2，钝化层106的组合厚度相应地小于使用传统技术形成的钝化层的厚度。
图5是根据一些实施方式的流体喷射装置100的各层的一部分的剖视图。除了在图5中省略了金属层116和腔室层118之外，图5中所示的层与图1中所示的相对应的层相同。该流体喷射装置包括衬底102、形成在衬底102上的热敏电阻(包括电阻层104)以及钝化层106，该钝化层106形成在热敏电阻之上并且包括氮化层108和ALD氧化层110，在一些示例中，该ALD氧化层110具有小于每分钟
Figure BPA0000265499090000079
的氧化物蚀刻速率。在其他示例中，在存在蚀刻化学品(例如，氢氟氧化物、氟化氨等)的情况下，ALD氧化层可具有小于每分钟
Figure BPA00002654990900000710
每分钟
Figure BPA00002654990900000711
每分钟
Figure BPA00002654990900000712
每分钟
Figure BPA00002654990900000713
每分钟
Figure BPA00002654990900000714
每分钟
Figure BPA00002654990900000715
等的氧化物蚀刻速率。如图3中所描绘的，可以通过在形成氧化层时增加ALD工艺温度来降低ALD氧化层的蚀刻速率。
图6是根据另外的实施方式的形成流体喷射装置的工艺的流程图。图6的工艺在衬底上形成(在602处)热敏电阻。该工艺在热敏电阻之上形成(在604处)氮化硅层。该工艺还包括在高于270℃的温度下使用ALD在氮化硅层之上形成(在606处)金属氧化物层。
包括如本文所述的基于ALD的钝化层(包括ALD氧化层)的流体喷射装置(例如，打印头)可以被安装到盒700上，如图7中所示。例如，盒700可以是打印盒，其可以被可移除地安装在打印系统中。在其他示例中，盒700可以是可移除地安装在其他类型的系统中的另一种类型的流体喷射盒。
盒700具有壳体702，流体喷射装置704(例如，打印头或打印头管芯)可被安装在该壳体702上。例如，流体喷射装置704可以包括可附接到壳体702的外表面的柔性线缆或其他类型的薄电路板。流体喷射装置804包括流体喷射管芯706、708、710和712，它们各自使用基于ALD的钝化层形成。
流体喷射装置704还包括电接触件714，以允许流体喷射装置704与另一装置进行电连接。在一些示例中，盒700包括流体入口端口716，以从与盒700分离的流体供应装置接收流体。在其他示例中，盒700可以包括可将流体供应到管芯组件的流体储存器。
在另外的示例中，根据一些实施方式的包括基于ALD的钝化层的流体喷射装置可以被安装在杆800(例如，打印杆)上，例如图8中所示，其中，杆800具有宽度W，该宽度W允许杆800覆盖目标802的宽度，流体将通过流体喷射管芯804分配到该目标802上。流体喷射管芯804可包括基于ALD的钝化层。
在另外的示例中，包括基于ALD的钝化层的流体喷射装置(例如，打印头等)可以被安装在滑架上，该滑架可相对于支撑目标的目标支撑结构移动，流体将通过该流体喷射装置分配到该目标上。
在前面的描述中，阐述了许多细节，以提供对本文所公开的主题的理解。然而，可以在没有这些细节中的一些的情况下实践实施方式。其他实施方式可以包括来自上面论述的细节的修改和变型。意在通过所附权利要求来覆盖这样的修改和变型。

Claims (15)

1.一种形成流体喷射装置的方法，包括：
在衬底上形成热敏电阻；以及
在所述热敏电阻之上形成氮化层；以及
在高于250摄氏度的温度下使用原子层沉积(ALD)在所述氮化层之上形成氧化层，所述氮化层和所述氧化层构成钝化层，以保护所述热敏电阻。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述氧化层在高于270摄氏度的温度下使用ALD。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述氧化层在300摄氏度的温度下使用ALD。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用所述ALD形成所述氧化层包括形成金属氧化物层。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，形成所述金属氧化物层包括形成氧化铪层。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，形成所述氮化层包括形成氮化硅层。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述氧化层包括形成具有如下厚度的所述氧化层，即：所述厚度在50埃的较低厚度和小于250埃的较高厚度之间的范围内。
8.如权利要求7所述的方法，包括形成具有如下厚度的所述氧化层，即：所述厚度在100埃的较低厚度和小于200埃的较高厚度之间的范围内。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，形成所述氮化层包括形成具有如下厚度的所述氮化层，即：所述厚度在400埃和800埃之间的范围内。
10.如权利要求9所述的方法，包括形成具有如下厚度的所述氮化层，即：所述厚度在400埃和600埃之间的范围内。
11.如权利要求1所述的方法，还包括在所述钝化层之上形成腔室层，所述腔室层包括流体喷射腔室。
12.一种流体喷射装置，包括：
衬底；
形成在所述衬底上的热敏电阻；以及
钝化层，其处于所述热敏电阻之上，并且包括氮化层和原子层沉积(ALD)氧化层，所述原子层沉积氧化层具有小于每分钟14埃的氧化物蚀刻速率。
13.如权利要求12所述的流体喷射装置，还包括腔室层，所述腔室层处于所述钝化层之上，并且包括流体喷射腔室和孔口，流体通过所述孔口从所述流体喷射腔室喷射。
14.一种形成流体喷射装置的方法，包括：
在衬底上形成热敏电阻；以及
在所述热敏电阻之上形成氮化硅层；以及
在高于270摄氏度的温度下使用原子层沉积(ALD)在所述氮化硅层之上形成金属氧化物层，所述氮化硅层和所述金属氧化物层构成钝化层，以保护所述热敏电阻。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，形成所述金属氧化物层包括形成氧化铪层。
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