CN1331674C - 喷墨打印头及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种传热型喷墨打印头及其制造方法。制造该喷墨打印头的方法包括如下操作步骤：在基板上顺序地叠置发热层和电极层；通过在电极层和发热层的顶表面上顺序叠置第一保护层和第二保护层而在电极层和发热层的顶表面上叠置保护层；以及在保护层的顶表面上叠置墨腔隔件和喷嘴板以形成墨腔，其中在第一保护层形成过程中生成的诸如“针孔”的缺陷通过在第一保护层上施加等离子体而去除，并且在去除叠置第一保护层时产生的任何缺陷之后，第二保护层叠置在第一保护层的顶表面上。
Description
技术领域
本发明总体上涉及一种喷墨打印头，更具体的涉及一种具有保护层以保护发热层的传热型喷墨打印头，以及涉及一种制造该喷墨打印头的方法。
背景技术
传统上，喷墨打印头可以分为利用压电元件进行喷墨的压电型和利用当墨水由发热元件瞬时加热时产生的气泡进行喷墨的传热型。
图1示出了传统传热型喷墨打印头。
参照图1，传统喷墨打印头100包括发热层130、电极层140、保护层160，它们按照这个顺序叠置在主基板110上，还包括喷嘴195。这里，发热层130用于瞬时加热填充在墨腔115中的墨水，而电极层140用于将电力施加到发热层130上。
保护层160用于保护发热层130。如美国专利No.4,335,389所公开的，这样的传统保护层160包括顺序地叠置在发热层130和电极层140的顶表面上的第一保护层170和第二保护层180。这里，第二保护层180用于防止发热层130失效，所述失效是通过在喷射墨水之后形成在墨腔115内的气泡收缩时产生的气穴力(cavitation force)引起的。通常，第二保护层180通过将钽(Ta)或氮化钽(TaNx)沉积在第一保护层170顶表面上形成。
此外，第一保护层170用于绝缘发热层130和电极层140，并且通过将氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)中任一种沉积在发热层130和电极层140的顶表面上而形成。第一保护层170通常通过将导热性能优于SiOx的SiNx沉积在发热层130和电极层140的顶表面上形成。
同时，如上所述形成的传统第一保护层170具有缺陷，如通常称作“针孔”的细小孔洞会在形成层的时候形成。特别是，由于形成这种保护层的工艺及其材料的特性导致这些针孔会不可避免地形成。但是，当喷墨打印头100长时间使用时，上述针孔主要会由于气穴力导致第一保护层170的失效。第一保护层170的这种失效较频繁地发生在发热层130和电极层140彼此结合且二者之间形成有台阶的区域C中。如此，如果第一保护层170失效了，可以引起的问题是发热层130还可能由于空穴力而失效。此外，发热层130可以与第二保护层180电短路或者墨水可以通过第一保护层170的破损部位填充在墨腔115中，由此发热层130也可能经历失效。结果，喷墨打印头的耐久性和/或质量将会下降。
发明内容
因此，本发明的总体发明思想是为了解决发生在现有技术中的上述和/或其他问题，并且本发明总体发明思想的一个方面是提供一种具有改进的结构以防止发热层失效的喷墨打印头，由此提高喷墨打印头的耐久性和质量，还提供一种制造该喷墨打印头的方法。
本发明的总体发明思想的其他方面和优点将部分地在下面的说明中阐述，且部分地从说明中显而易见或者可以通过总体发明思想的实践而了解。
本发明总体发明思想的前述和/或其他方面和优点通过提供这样一种喷墨打印头而实现，所述喷墨打印头包括：主基板；墨腔，其形成在主基板上以容纳通过供墨通道引入的墨水，同时用于喷墨的喷嘴形成在墨腔的顶端；发热层，其叠置在墨腔的底表面上；电极层，其叠置在发热层的顶表面上以向发热层提供电力，电极层构图成预定的形状，从而发热层的一些区域暴露于墨腔的内部；和保护层，其叠置在暴露于墨腔内部的电极层和发热层的顶表面上，其中保护层包括叠置在发热层和电极层的顶表面上的第一保护层，通过向第一保护层的顶表面施加等离子体，第一保护层的顶表面受到表面处理，从而从第一保护层的顶表面去除针孔。
第一保护层可以至少包括顺序叠置在暴露于墨腔内部的发热层和电极层的顶表面上的两个薄膜，并且所述至少两个薄膜的顶表面分别通过向该顶表面施加等离子体而受到表面处理。
通过这种工艺，可以抑制当形成第一保护层时针孔的出现，由此可以防止当驱动喷墨打印头时由第一保护层的失效和针孔引起的发热层的失效。
同时，至少两个薄膜可以全部基本上由SiNx构成，并且当施加等离子体时使用的反应气体为氨(NH3)。
此外，第一保护层可以叠置在发热层和电极层的顶表面上，而所述顶表面已经通过向该顶表面施加等离子体而受到表面处理。
同时，墨腔可以被叠置在保护层上的墨腔隔件和叠置在墨腔隔件顶部上的喷嘴板沿圆周环绕，喷嘴穿过喷嘴板形成，供墨通道本身的出口和供墨通道同轴布置。
此外，保护层还可以包括叠置在第一保护层顶表面上的第二保护层，而第二保护层可以包括由不同材料形成的至少两个薄膜，其中所述至少两个薄膜交替地叠置在第一保护层的顶表面上。
而且，第二保护层还可以包括交替地叠置在第一保护层顶表面上的第一和第二薄膜，其中第一薄膜基本上由Ta构成而第二薄膜基本上由TaNx构成，并且其中第二保护层的最上面和最下面形成有第二薄膜。
由此，因为第二保护层还形成为多层薄膜结构，所以发热层可以更有效地得到保护。
本发明总体发明思想的前述和/或其他方面和优点还可以通过提供包括如下操作步骤的制造喷墨打印头的方法而实现：在基板上顺序地叠置发热层和电极层；构图电极层以使发热层顶表面的一些区域露出；在电极层和发热层顶表面上叠置保护层；并且在保护层顶表面上叠置墨腔隔件和喷嘴板，其中叠置保护层的操作包括在电极层和发热层的顶表面上顺序叠置第一保护层和第二保护层的操作步骤，并且当在叠置第一保护层时生成的任何缺陷被去除之后将第二保护层叠置在第一保护层的顶表面上。
根据本发明总体发明思想的一个方面，从第一保护层去除缺陷是通过向第一保护层施加等离子体实现的。
此外，第一保护层可以通过顺序地叠置至少两个薄膜而实现，而且该至少两个薄膜由相同材料形成。
所述至少两个薄膜还可以通过单独地沉积SiNX而分别地形成，并且在等离子体施加到发热层和电极层的顶表面上之后叠置第一保护层。
这里，当施加等离子体时所用的反应气体可以是氨(NH3)，并且所述至少两个薄膜中的每一个的厚度在100～1100的范围内。
通过该工艺，可以去除形成在每个薄膜中的诸如针孔的任何缺陷。此外，已经经受表面处理的每个薄膜的顶表面起到籽晶层的作用以使叠置在其顶表面上的另一个薄膜可刚性地粘接并且有利于下一个薄膜的沉积。
同时，第二保护层可以包括通过Ta的溅镀形成的一个或多个第一薄膜以及通过TaNx的反应性溅镀形成的一个或多个薄膜，其中第一和第二薄膜交替地沉积在第一保护层的顶表面上；第二保护层的最上面和最下面形成有第二薄膜。
此外，墨腔隔件和喷嘴板也可以通过单体层叠工艺(monolithiclamination process)形成。
通过这种工艺，可有利于喷墨打印头的最小化和整体化。
附图说明
本发明的总体发明思想的这些和/或其他方面和优点将从结合附图对实施例的下述说明中变得显而易见和更加易于理解，附图中：
图1是示出传统喷墨打印头的剖视图；
图2是示出根据本发明总体发明思想的实施例的喷墨打印头的剖视图；
图3是图2的部分A的放大视图；
图4A至4I顺序地示出制造根据图2实施例的喷墨打印头的工艺；
图5是示出根据本发明另一个实施例的喷墨打印头的剖视图；和
图6是图5的部分B的放大视图。
具体实施方式
将参照附图详细描述本发明总体发明思想的某些实施例。
在下述说明中，相同的附图标记即使在不同附图中也用于相同的元件。说明书中限定的内容例如详细的构造和元件只是用来有助于对总体发明思想的全面理解。因此，显而易见的是本发明的总体发明思想在没有这些所限定的内容的情况下也可以实现。而且，对公知的功能或构造未作详细描述，因为它们会用不必要的细节使本发明变得复杂。
下文中，本发明的总体发明思想的优选实施例将参照附图作详细描述。
图2示出根据本发明总体发明思想的实施例的喷墨打印头。参照图2，根据本实施例的喷墨打印头200包括主基板210、绝热层220、发热层230、电极层240、保护层250、墨腔隔件280和喷嘴板290。
发热层230用于瞬时加热填充在墨腔215中的墨水，该墨腔由墨腔隔件280和喷嘴板290形成，而且发热层230通常由钽-铝合金(Ta-Al alloy)形成。由SiO2形成的绝热层220置于发热层230和主基板210之间，由此可以防止热量从发热层230传递到主基板210。
电极层240用于将电力施加到发热层230，电极层240通常由具有高导电性的铝(Al)形成。
同时，保护层250包括第一保护层260和第二保护层270。这里，第二保护层270用于防止由于在通过喷嘴295进行喷墨完成之后气泡(未示出)在墨腔215内收缩时产生的气穴力引起的发热层230的失效。第二保护层270还用于防止发热层230被充入墨腔215中的墨水氧化。此外，第一保护层260不仅和第二保护层270一样防止发热层230的失效和氧化，而且还防止发热层230与第一保护层260或者充入墨腔215中的墨水电短路。因而，第一保护层260可被称作绝缘层或介电层。
如图3所示，根据本实施例的第一保护层260经历一单独的工艺从第一保护层260去除诸如针孔的任何缺陷。根据本发明的总体发明思想，存在于第一保护层260中的任何缺陷都可以通过施加到第一保护层260顶表面上的等离子体来去除。这种以此方式去除缺陷的工艺被称作“填塞料处理(stuffing treatment)”。使用等离子体有效执行填塞料处理的第一保护层260的厚度约为1000。但是，考虑到第一保护层260的热传递效率和绝缘效率，第一保护层260的总厚度通常在约3000-7000范围内。为了抑制由于此导致的填塞料处理效率的下降，该实施例中的第一保护层260通过顺序叠置多个薄膜261形成，并且在沉积下一个薄膜之前，每个薄膜的顶表面受到填塞料处理。此外，每个薄膜的厚度t1可以在100-1100之间的范围内以提高通过上述填塞料处理去除缺陷的效率。这是因为如果薄膜261在单次叠层工艺中形成得太厚，则通过如上所述施加等离子体的去除缺陷的作用只在薄膜261表面上有效。在该实施例中，一共四个薄膜261分别以约800的厚度t1叠置，由此形成第一保护层260。因而，第一保护层260的总厚度t约为3200。
同时，各个薄膜261可以由相同材料形成，特别是从具有良好绝缘性能的SiOx和SiNx中选择的材料。本实施例中的第一保护层260通过等离子体增强的化学汽相沉积(PECVD)工艺单独沉积导热性优于SiOx的SiNx而形成。由于薄膜261分别通过如上所述沉积SiNx而形成，所以可以在将等离子体用作反应气体时将气态氨(NH3)引入反应区域中。尽管图3中的附图标记265显示为所形成的层，但是这些附图标记265只是有助于指出填塞料处理发生在何处，并没有实际的层通过这种填塞料处理方法形成。
根据本实施例，可以在发热层230和电极层240的顶表面已经通过施加等离子体进行处理之后将第一保护层260叠置在该顶表面上。这里更优选的是，在施加等离子体的时候将气态氨(NH3)引入发热层230和电极层240的顶表面上的反应区域中，由此利用氨作为反应气体。以此方式处理的发热层230的顶表面和电极层240的顶表面用作籽晶层以提高发热层230的顶表面和电极层240的顶表面与第一保护层260之间的粘结力，并且使得薄膜261更紧紧地叠置。尽管图3中的附图标记263显示为所形成的层，但是这些附图标记263只是有助于指出填塞料处理发生在何处，并没有实际的层通过这种填塞料处理方法形成。
下文中，根据前述实施例制造喷墨打印头的方法参照附图进行详细说明。
首先，如图4A所示，绝热层220形成在主基板210上。
接着，如图4B所示，发热层230和电极层240形成在绝热层220的顶表面上，在该点处，通过蚀刻工艺(如平版印刷术)构图电极层240，以在墨腔215的底表面上露出发热层230的顶表面的一些区域。这里，发热层230可以具有通过蒸汽沉积工艺由钽-铝形成的发热电阻元件，而且电极可以通过沉积Al形成。
当发热层230和电极层240的沉积完成之后，表面处理在发热层230和电极层240的顶表面上通过向该顶表面施加等离子而进行，如图4C所示。这时，优选的是将气态氨(NH3)引入反应区域中。同时，不会有实际的层通过这种表面处理而形成。换句话说，尽管图4C看起来示出以附图标记263表示的一个层形成在发热层230和电极层240的顶表面上，但附图标记263不是一个所形成的层，而只是在该图4中示出以便帮助理解填塞料处理以除去缺陷发生在何处。
当发热层230和电极层240的顶表面的表面处理完成之后，第一保护层260如图4D所示沉积。该实施例中第一保护层260形成为层叠有多个薄膜261的多层薄膜结构。各个薄膜261分别通过重复执行等离子体增强的化学汽相沉积(PECVD)而由SiNx形成。采用等离子体增强的化学汽相沉积是因为电极层240是由Al形成的。即，由于Al的熔点约为600℃，所以采用在约400℃时进行的等离子体增强的化学汽相沉积从而阻止Al的特性改变。在这种等离子体增强的化学汽相沉积工艺中，可以将SiH3或者NH3用作反应气体，CCP(电容耦合的等离子体)用作等离子体，并且采用了多个频率发生器从而RF(射频，13.56MHz)和LF(低频，400kHz)可被同时施加。还可以采用N2气体控制反应时的压强。
同时，与对发热层230和电极层240的顶表面运用填塞料处理类似，可以使薄膜261的各个顶表面通过向该表面施加等离子体而经受填塞料处理。施加到薄膜261顶表面上的等离子体优选为CCP，更优选的是带有氨(NH3)的CCP用作反应气体。通过这种填塞料处理，可以去除形成在每个薄膜261中的诸如针孔的缺陷。此外，分别经受填塞料处理的每个薄膜261用作籽晶层以使另一个薄膜可刚性地粘接到其顶表面上并且促进下一个薄膜的沉积。需要注意：尽管图4D示出附图标记265是形成在每个薄膜261上的一个单独的层，但是附图标记265只是用于帮助指出填塞料处理发生在何处，并没有实际的层通过这种填塞料处理方法形成。
当第一保护层260的沉积完成时，第二保护层270叠置由此完成保护层250，而且第二保护层270构图成预定的形状，如图4E所示。第二保护层270可以通过在第一保护层260的顶表面上沉积Ta或TaNx而形成。
图4F示出了光致抗蚀剂模具(M1)叠置在第二保护层270顶表面上并然后构图的状态。
当如上所述的光致抗蚀剂模具M1的构图完成时，金属材料电镀或环氧化合物沉积在光致抗蚀剂模具M1的被刻蚀的区域上，由此形成墨腔隔件280，如图4G所示。如上所述采用光致抗蚀剂模具M1形成这种墨腔隔件280的工艺被称作单体层叠工艺，其有利于喷墨打印头200的小型化和整体化(图2)。同时，如果墨腔隔件280通过如上所述的这种单体层叠工艺形成，则优选的是，带有喷嘴295的喷嘴板290也采用构图的光致抗蚀剂模具M2通过这种单体层叠工艺形成。如果不采用这种单体层叠工艺，则可以利用附加的粘接剂层(未示出)将墨腔隔件280和第一保护层260彼此粘接。
当如图4H所示完成喷嘴板290的层叠之后，光致抗蚀剂模具M1和M2经受湿法刻蚀并被去除以形成如图41所示的墨腔215。此外，绝热层220、发热层230、保护层250和主基板210受到刻蚀以形成供墨通道。这时，供墨通道217可以与喷嘴同轴布置从而有利于喷墨打印头200的最小化，而且供墨通道217可以通过干法刻蚀形成。
下文中，将参照图5和6描述根据本发明总体发明思想的另一实施例的喷墨打印头。
参照图5，根据该实施例的喷墨打印头300的特征在于：第一保护层260具有类似于上述的第一保护层260的多层薄膜结构，而且第二保护层370形成为多层薄膜结构，由此形成合成的保护层350。这是因为保护发热层230所必需的各种性质如硬度、弹性和抗氧化性不能用由单一材料形成的第二保护层370满足(参见图1)。即，如果这种第二保护层370只由Ta形成，则其在弹性方面优越，但是不能满足硬度和抗氧化性方面的需求。然而，如果这种第二保护层370只由TaNx形成，则其在硬度和抗氧化性方面优越，但是不能满足弹性方面的需求。因此，为了解决该问题，根据该实施例的第二保护层370通过交替地叠置多个第一薄膜372和多个第二薄膜373而形成。根据这种工艺，与由单一材料形成的传统的第二保护层180(参见图1)相比，第二保护层370在弹性、硬度和抗氧化性方面提高。第一薄膜372通过溅镀工艺形成，而第二薄膜373通过反应溅镀工艺形成，其中当溅镀Ta时引入氮气并起反应。
此外，第二保护层370的最下表面优选形成有第二薄膜373。通过这种工艺，第一保护层260和第二保护层370之间的粘结力增强。此外，第二保护层370的最上表面优选由第二薄膜373形成。根据该工艺，可以抑制由充入到墨腔215中的墨水引起的第二保护层370的氧化。同时，除了第二保护层370之外的喷墨打印头的其余技术构造与前述实施例的喷墨打印头200(参见图2)的相同。因此，省略对其详细说明。
根据如上所述的本发明总体发明思想的实施例，第一保护层形成为多层薄膜结构，由此防止在第一保护层中出现针孔。因而，可以抑制由于响应墨水的喷射而施加的外力所导致的第一保护层的失效。因而，不仅可以抑制由于这种外力导致的发热层的失效而且可以防止发热层或电极层与容纳在墨腔中的墨水或与第二保护层电短路。为此，喷墨打印头的耐久性和质量可得以提高。
而且，由于第二保护层也形成为多层薄膜结构，所以发热层可以更有效地得到保护。
尽管已经参照具有代表性的实施例示出和描述了本发明总体发明思想的示范性实施例以便示范本发明总体发明思想的原理，但是本发明总体发明思想并不限于这些实施例。可以理解的是，在不脱离由所附权利要求书限定的总体发明思想的精神和范围的前提下，本领域的普通技术人员可以做出各种变型和改变。因此，应该考虑到对其的这种变型、改变和等价变化都包括在本发明总体发明思想的范围之内。
尽管已经示出和描述了本发明总体发明思想的几个实施例，但是对于本领域的那些技术人员可以意识到，在不脱离总体发明思想的原理和精神的前提下可以在这些实施例中做出改变，其范围限定在所附的权利要求书及其等同文件中。
Claims (20)
1.一种喷墨打印头，包括：
主基板；
墨腔，其形成在主基板上以容纳通过供墨通道引入的墨水，同时用于喷墨的喷嘴形成在墨腔的顶端；
发热层，其叠置在墨腔的底表面上；
电极层，其叠置在发热层的顶表面上以向发热层提供电力，电极层构图成预定的形状，从而发热层的一些区域暴露于墨腔的内部；和
保护层，其叠置在暴露于墨腔内部的电极层和发热层的顶表面上，其中保护层包括叠置在发热层和电极层的顶表面上的第一保护层，通过向第一保护层的顶表面施加等离子体，第一保护层的顶表面受到表面处理，从而从第一保护层的顶表面去除针孔。
2.如权利要求1所述的喷墨打印头，其中第一保护层至少包括顺序叠置在暴露于墨腔内部的发热层和电极层的顶表面上的两个薄膜，并且所述至少两个薄膜的顶表面分别通过向该顶表面施加等离子体而受到表面处理。
3.如权利要求2所述的喷墨打印头，其中至少两个薄膜全部基本上由SiNx构成，并且当施加等离子体时使用的反应气体为氨。
4.如权利要求3所述的喷墨打印头，其中第一保护层叠置在发热层和电极层的顶表面上，通过向所述发热层和电极层的顶表面施加等离子体而使所述顶表面受到表面处理。
5.如权利要求3所述的喷墨打印头，其中所述至少两个薄膜中的每一个的厚度在100～1100的范围内。
6.如权利要求1所述的喷墨打印头，其中保护层还包括叠置在第一保护层顶表面上的第二保护层。
7.如权利要求6所述的喷墨打印头，其中第二保护层包括由不同材料形成的至少两个薄膜，其中所述至少两个薄膜交替地叠置在第一保护层的顶表面上。
8.如权利要求7所述的喷墨打印头，其中第二保护层包括交替地叠置在第一保护层顶表面上的多个第一薄膜和多个第二薄膜，
其中第一薄膜基本上由Ta构成而第二薄膜基本上由TaNx构成，并且
其中第二保护层的最上面和最下面形成有第二薄膜。
9.一种制造喷墨打印头的方法，包括如下操作步骤：
在基板上顺序地叠置发热层和电极层；
构图电极层以使发热层顶表面的一些区域露出；
在电极层和发热层顶表面上叠置保护层；并且
在保护层顶表面上叠置墨腔隔件和喷嘴板以形成墨腔，
其中叠置保护层的操作步骤包括在电极层和发热层的顶表面上顺序叠置第一保护层和第二保护层的操作步骤，并且
其中在去除叠置第一保护层时所生成的任何缺陷之后将第二保护层叠置在第一保护层的顶表面上。
10.如权利要求9所述的方法，其中从第一保护层去除缺陷是通过向第一保护层的顶表面施加等离子体实现的。
11.如权利要求10所述的方法，其中第一保护层通过顺序地叠置至少两个薄膜而形成。
12.如权利要求11所述的方法，其中在通过向先前形成的薄膜的顶表面上施加等离子体而从先前形成的薄膜的顶表面上去除任何缺陷之后，在后形成的薄膜形成在先前形成的薄膜的顶表面上。
13.如权利要求12所述的方法，其中通过施加等离子体从至少两个薄膜的全部上去除缺陷。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述至少两个薄膜中的每一个的厚度在100～1100的范围内。
15.如权利要求11所述的方法，其中所述至少两个薄膜全部都由同一种材料形成。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述至少两个薄膜中的每一个通过单独地沉积SiNx而形成。
17.如权利要求9所述的方法，其中在等离子体施加到发热层和电极层的顶表面上之后，第一保护层叠置在发热层和电极层的顶表面上。
18.如权利要求17所述的方法，其中氨用作施加等离子体时的反应气体。
19.如权利要求9所述的方法，其中第二保护层包括通过Ta的溅镀形成的一个或多个第一薄膜以及通过TaNx的反应溅镀形成的一个或多个第二薄膜，其中第一和第二薄膜交替地叠置在第一保护层的顶表面上。
20.如权利要求19所述的方法，其中第二保护层的最上面和最下面形成有第二薄膜。
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