CN1166515C - 喷墨印头的结构与制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种喷墨印头的结构与制作方法，首先提供基板，并在基板上交互沉积不同金属材料作为多层热电阻层。其次在多层热电阻层上，沉积导电层并将其图案化。接着在导电层与多层热电阻层上，交互沉积不同硅化合物材料作为多层保护层。再在多层保护层上，沉积表面保护层。藉由多层保护层结构降低保护层的针孔密度、增加保护层的断裂韧性与弯曲强度，以及改善其热传导性质。
Description
技术领域
本发明涉及一种喷墨印头(Ink-Jet Print-Head)的结构与制作方法，特别是涉及一种具有多层(Multi-Layer)热电阻层(Heater Layer)及多层保护层(Passivation Layer)的喷墨印头结构与制作方法。
背景技术
目前市场上的喷墨打印机越来越普及化，技术也相当进步。喷墨打印机基本上是由喷墨印头来完成打印工作，其基本功能是将输入喷墨印头的电能经由其内部的电路回路将电能传送到具有加热器功能的热电阻层，并将电能转换成热能，使墨水汽化产生气泡，藉由气泡的成长提供形成墨滴所需的能量，使其由喷孔片喷出，达到打印的目的。
请参照图1，其所绘示的是现有的喷墨印头结构的剖面示意图。其制作流程如下：首先提供表面具有材质为二氧化硅(Silicon Dioxide，SiO2)的热阻挡层(Barrier Layer)102的硅基板100，并在其表面沉积一层热电阻层104。其次，在热电阻层104上，形成一层导电层(Conductive Layer)106。再以光刻(Photolithography)及蚀刻技术对热电阻层104及导电层106进行图案化(Patterning)，形成具有限定图案的导电层106及热电阻层104。然后在经图案化后的热电阻层104及导电层106上，依次沉积厚度约为500nm，材质为氮化硅(Silicon Nitride，Si3N4)的中间保护层108，以及厚度约为250nm，材质为碳化硅(Silicon Carbide，SiC)的表面保护层110。
如图1所示，在喷墨印头的结构中，保护层的主要功能有二：其一是做为导电层106上的介电层，其二是做为热电阻层104上的保护层，防止墨水的侵蚀以及避免墨滴收回(Collapse)现象造成保护层空蚀(Cavitation)。其中中间保护层108与表面保护层110的材料分别是氮化硅与碳化硅，如美国专利第4,513,298号，或者氧化硅(Silicon Oxide，SiO)与二氧化硅，如美国专利第5,376,231号。
在喷墨印头的结构中，热电阻层104及碳化硅保护层一直是热应力(Thermal Stress)变化最大的两层，其压缩应力可达1010达因/平方厘米(dyne/cm2)(Thin Solid Films，Vol.201，p253(1991)；J.Mater.Sci.，Vol.26，p1882(1991))。因此当电压脉冲使热电阻层104发热之后，墨滴收回会对保护层造成冲击，导致保护层破裂产生缝隙，墨水会沿着缝隙向热电阻层侵蚀，使热电阻层对墨水环境敏感而断裂，致使墨滴无法藉由热电阻层发热而顺利喷出。
现有的喷墨印头结构在使用时具有以下的缺点：
(1)由于保护层只有氮化硅层及碳化硅层等两层所构成，容易因为保护层的针孔密度(Pinhole Density)过高，而导致墨水藉由保护层中的针孔侵蚀热电阻层，使得热电阻层变质造成损害。
(2)就单层的热电阻层及碳化硅保护层而言，由于其热应力变化极大，可达1010达因/平方厘米，因此容易受到因墨水收回所产生的机构应力与各层膜本身的热应力影响，造成保护层与热电阻层破裂产生永久损害，而无法顺利喷墨。
(3)单独藉由两层保护层的热传导性较差，使得喷墨印头的工作效率较低。
发明内容
因此本发明的目的在于提供一种喷墨印头的结构与制作方法，藉由多层保护层结构降低保护层的针孔密度、增加保护层的断裂韧性(FractureToughness)与弯曲强度(Flexural Strength)，以及改善其热传导性质。
本发明的另一目的是藉由多层热电阻层结构降低热电阻层的热应力变化、增加热电阻层的断裂韧性与弯曲强度，使热电阻层具有较佳机械强度。
根据本发明，提供一种喷墨印头的制作方法，用以在一基板上形成该喷墨印头，该方法包括下列步骤：
在该基板上，形成一热电阻层；
在该热电阻层上，形成一具有限定图案的导电层；
在该导电层及该热电阻层上，形成保护层；以及
形成该喷墨印头，
其中，在形成保护层的步骤中，该保护层由多个第一保护层与多个第二保护层交互叠合构成，该保护层的叠合层数约为10层至20层，且每一该些第一保护层的厚度约为10nm至60nm，每一该些第二保护层的厚度约为10nm至60nm。
根据本发明，还提供一种喷墨印头的结构，该喷墨印头形成于一基板上，该结构包括：
一热电阻层，位于该基板上；
一导电层，位于该热电阻层上，该导电层具有一限定的图案；以及
保护层，位于该导电层及该热电阻层上，
其中，该保护层由多个第一保护层与多个第二保护层交互叠合构成，该保护层的叠合层数约为10层至20层，且每一该些第一保护层的厚度约为10nm至60nm，每一该些第二保护层的厚度约为10nm至60nm。
根据本发明的上述目的，提出一种改变喷墨印头保护层以及电阻层的结构及其制作方法，其中热电阻层结构由单一镀层改为多层热电阻层；而保护层结构由原来的氮化硅/碳化硅(Si3N4/SiC)二层结构改为交错沉积氮化硅/碳化硅的多层保护层，或者是以软、硬材料为主交错叠层做为热电阻层上的保护层，这样可以改善现有单独二层保护层直接保护热电阻层的缺点。
附图说明
为使本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合附图作详细说明。附图中：
图1绘示现有的喷墨印头结构的剖面示意图；
图2A至图2F绘示依照本发明的一优选实施例，一种喷墨印头制作流程的剖面示意图；以及
图3A与图3B绘示不同结构的保护层的热应力-温度变化图。
具体实施方式
请参照图2A至图2F，其所绘示的是依照本发明一优选实施例，一种喷墨印头制作流程的剖面示意图。请参照图2A，首先提供基板(Substrate)200，并在基板200的表面，形成热电阻层204，以做为加热器之用。其中此基板包括具有热阻挡层202的硅基板，而热阻挡层202的材质则包括二氧化硅，而热电阻层204的结构包括单层结构与多层结构。
请参照图2B，其所绘示的是相对于图2A中热阻挡层202与热电阻层204沿A-A′剖面线的剖面图。其中热电阻层204包括由第一金属层204a与第二金属层204b交互叠合构成的多层结构，例如以多靶材(Multi-Target)的溅射(Sputtering)技术或多坩埚(Multi-Crucible)的电子枪(E-Gun)蒸发(Evaporation)技术，交互沉积第一金属层204a与第二金属层204b，构成热电阻层204，各金属层的厚度约为5nm至10nm，而多层的叠合层数约为10层至20层，以达到所需沉积的热电阻层总厚度。第一金属层204a与第二金属层204b的材质由例如钽(Tantalum，Ta)与铝(Aluminum，Al)、钽与钌(Ruthenium，Ru)或原子半径差值在7％以内的金属材料所构成。
其次，请参照图2C，在热电阻层204表面沉积导电层206，其材质包括铝，再以光刻及蚀刻技术限定并形成导电层206与热电阻层204上的图案。例如以氯(Cl)系列的气体为蚀刻剂(Etchant)，对导电层206与热电阻层204进行干蚀刻，将导电层206与热电阻层204图案化，形成具有限定图案的导电层206与热电阻层204。其中具有限定图案的导电层206做为导线，以提供电路回路给做为加热器的热电阻层204。
接着，请参照图2D，在图案化的热电阻层204与图案化的导电层206上形成多层保护层208。请参照图2E，其所绘示的是相对于图2D中图案化的导电层206与多层保护层208沿B-B′剖面线的剖面图。其中多层保护层208是由第一保护层208a与第二保护层208b交互叠合构成的，例如以等离子增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)技术或射频溅射(RF Sputtering)技术，交互沉积第一保护层208a与第二保护层208b构成多层保护层208，各材料保护层的厚度约为10nm至60nm，而多层的叠合层数约为10层至20层。其中第一保护层208a与第二保护层208b分别由软材料保护层与硬材料保护层组成，软材料保护层的材质包括硅、氧化硅及二氧化硅等，硬材料保护层的材质则包括氮化硅及碳化硅等。
此外多层保护层208也可以由氮化硅层与碳化硅层交互叠合构成，例如以等离子增强化学气相沉积技术或射频溅射技术，交互沉积第一保护层208a与第二保护层208b，构成多层保护层208，各材料保护层的厚度约为10nm至60nm，而多层的叠合层数约为10层至20层。其中第一保护层208a的材质包括氮化硅，第二保护层208b的材质则包括碳化硅。
然后，请参照图2F，在多层保护层208的表面形成表面保护层210，使多层保护层208与表面保护层210叠合的厚度达到所需沉积的保护层总厚度，其中表面保护层210的材质包括碳化硅。再以光刻与活性离子蚀刻(Reactive Ion Etch，RIE)技术在表面保护层210与多层保护层208中限定并形成接触窗(Contact)(未显示于图中)，例如以氟(F)系列的气体为蚀刻剂，对表面保护层210与多层保护层208进行干蚀刻，贯穿表面保护层210与多层保护层208，将图案化的导电层206的部分表面曝露出来，以做为接触焊垫(Contact Pad)，使得外部导线可以经由接触焊垫与图案化的导电层206接触，形成完整的电路回路，用以提供做为加热器的热电阻层的电力来源。经由上述步骤即可完成喷墨印头的制作。
请参照图3A，其所绘示的是厚度约为500nm的氮化硅与厚度约为250nm的碳化硅两层薄膜结构的保护层的热应力-温度变化图。其中横轴所表示的是温度，单位为度(℃)，纵轴所表示的是应力(Stress)，单位是109达因/平方厘米，温度变化的范围为25℃至450℃。实验则是由25℃升温至450℃再降温回25℃，于升降温过程中进行应力测量，总共经历三个升降温循环。
请参照图3B，其所绘示的是交错沉积厚度约为30nm的氮化硅与厚度约为60nm的碳化硅形成的多层保护层热应力-温度变化图。其中横轴与纵轴所分别代表的物理量及单位和图3A中所示相同。比较图3A与图3B可知，具有多层结构的保护层可以降低保护层的热应力变化，并可以增加保护层的断裂韧性及弯曲强度。
由上述本发明优选实施例可知，本发明的特征是将喷墨印头结构中热应力变化最大的热电阻层及碳化硅保护层，改以多层热电阻层与多层保护层取代单一镀层的结构及制作工艺。而使用软硬交错的叠层设计可以提供更多的介面，以使裂缝偏折，使机械能量消散，进而增加保护层的断裂韧性与弯曲强度以及热电阻层的机械强度，另外也可减少保护层与热电阻层的热应力变化。
因此，由上述本发明优选实施例可知，应用本发明具有下列优点：
1.由于氮化硅/碳化硅二层结构的保护层仍有针孔密度过高的缺点，因此使用多层保护层结构可以降低保护层的针孔密度，使墨水不会经由保护层的针孔侵蚀热电阻层而导热电阻层变质损害。
2.由于电压脉冲使热电阻层发热后，在墨滴收回时，会使保护层受到机械应力及热应力的损害造成破裂，而热电阻层在缺乏保护层屏蔽下断裂，造成热电阻层永久性的损害。而多层保护层具有软、硬材料叠层结构，因此除了可以降低保护层的热应力变化之外，也可以增加保护层整体的破裂韧性及弯曲强度，而使用多层热电阻层结构则可以增加热电阻层的机械强度，因此可以降低因墨滴收回对保护层及热电阻层所造成的损害。
3.藉由交错沉积碳化硅与氮化硅所形成的多层状结构，可以改善热电阻层上热传导性质，提高喷墨印头的工作效率。
虽然本发明已结合一优选实施例揭露如上，但是其并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围应当由后附的权利要求来界定。
Claims (36)
1.一种喷墨印头的制作方法，用以在一基板上形成该喷墨印头，该方法包括下列步骤：
在该基板上，形成一热电阻层；
在该热电阻层上，形成一具有限定图案的导电层；
在该导电层及该热电阻层上，形成保护层；以及
形成该喷墨印头，
其特征在于，在形成保护层的步骤中，该保护层由多个第一保护层与多个第二保护层交互叠合构成，该保护层的叠合层数约为10层至20层，且每一该些第一保护层的厚度约为10nm至60nm，每一该些第二保护层的厚度约为10nm至60nm。
2.如权利要求1所述的喷墨印头的制作方法，其中形成该热电阻层的方法包括溅射法。
3.如权利要求1所述的喷墨印头的制作方法，其中形成该热电阻层的方法包括蒸发法。
4.如权利要求1所述的喷墨印头的制作方法，其中该热电阻层为单层结构。
5.如权利要求1所述的喷墨印头的制作方法，其中该热电阻层是由多个第一金属层与多个第二金属层交互叠合构成。
6.如权利要求5所述的喷墨印头的制作方法，其中该热电阻层的叠合层数约为10层至20层。
7.如权利要求5所述的喷墨印头的制作方法，其中这些第一金属层的材质包括钽。
8.如权利要求5所述的喷墨印头的制作方法，其中这些第二金属层的材质包括铝。
9.如权利要求5所述的喷墨印头的制作方法，其中这些第二金属层的材质包括钌。
10.如权利要求5所述的喷墨印头的制作方法，其中这些第一金属层与这些第二金属层的材质包括原子半径差值约在7％以内的金属材料。
11.如权利要求5所述的喷墨印头的制作方法，其中每一这些第一金属层的厚度约为5nm至10nm。
12.如权利要求5所述的喷墨印头的制作方法，其中每一这些第二金属层的厚度约为5nm至10nm。
13.如权利要求1所述的喷墨印头的制作方法，其中形成这些保护层的方法包括等离子增强化学气相沉积法。
14.如权利要求1所述的喷墨印头的制作方法，其中形成这些保护层的方法包括射频溅射法。
15.如权利要求1所述的喷墨印头的制作方法，其中这些第一保护层是由软质材料构成，且该第二保护层是由硬质材料构成。
16.如权利要求15所述的喷墨印头的制作方法，其中这些第一保护层的材质选自于由硅、氧化硅以及二氧化硅所组成的族群中的材料。
17.如权利要求15所述的喷墨印头的制作方法，其中这些第二保护层的材质选自于由氮化硅及碳化硅所组成的族群中的材料。
18.如权利要求1所述的喷墨印头的制作方法，其中这些第一保护层的材质包括氮化硅。
19.如权利要求1所述的喷墨印头的制作方法，其中这些第二保护层的材质包括碳化硅。
20.如权利要求1所述的喷墨印头的制作方法，其中还包括在这些保护层上，形成一表面保护层。
21.一种喷墨印头的结构，该喷墨印头形成于一基板上，该结构包括：
一热电阻层，位于该基板上；
一导电层，位于该热电阻层上，该导电层具有一限定的图案；以及
保护层，位于该导电层及该热电阻层上，
其特征在于，该保护层由多个第一保护层与多个第二保护层交互叠合构成，该保护层的叠合层数约为10层至20层，且每一该些第一保护层的厚度约为10nm至60nm，每一该些第二保护层的厚度约为10nm至60nm。
22.如权利要求21所述的喷墨印头的结构，其中该热电阻层为单层结构。
23.如权利要求21所述的喷墨印头的结构，其中该热电阻层是由多个第一金属层与多个第二金属层交互叠合构成。
24.如权利要求23所述的喷墨印头的结构，其中该热电阻层的叠合层数约为10层至20层。
25.如权利要求23所述的喷墨印头的结构，其中这些第一金属层的材质包括钽。
26.如权利要求23所述的喷墨印头的结构，其中这些第二金属层的材质包括铝。
27.如权利要求23所述的喷墨印头的结构，其中这些第二金属层的材质包括钌。
28.如权利要求23所述的喷墨印头的结构，其中这些第一金属层与这些第二金属层为原子半径差值约在7％以内的金属材料。
29.如权利要求29所述的喷墨印头的结构，其中每一这些第一金属层的厚度约为5nm至10nm。
30.如权利要求23所述的喷墨印头的结构，其中每一这些第二金属层的厚度约为5nm至10nm。
31.如权利要求21所述的喷墨印头的结构，其中这些第一保护层是由软质材料构成，这些第二保护层是由硬质材料构成。
32.如权利要求31所述的喷墨印头的结构，其中这些第一保护层的材质选自由硅、氧化硅以及二氧化硅所组成的族群中的材料。
33.如权利要求31所述的喷墨印头的结构，其中这些第二保护层的材质选自由氮化硅及碳化硅所组成的族群中的材料。
34.如权利要求21所述的喷墨印头的结构，其中这些第一保护层的材质包括氮化硅。
35.如权利要求21所述的喷墨印头的结构，其中这些第二保护层的材质包括碳化硅。
36.如权利要求21所述的喷墨印头的结构，其中在这些保护层上，还具有一表面保护层。
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