CN1454777A - 液体分配器和打印机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液体分配器，包括衬底，在衬底上设置的多个液体分配部分，该液体分配部分包括至少一个贮存液体的液体腔，一个喷嘴，和一个加热元件，其中，给加热元件供能以加热相应的液体腔中贮存的液体，从而自相应的喷嘴喷射液滴；加热元件与液体腔之间具有保护层和绝缘层；每个加热元件，绝缘层，保护层，和每个液体腔按该顺序布置；绝缘层将保护层与加热元件隔开；保护层包括无机材料，保护加热元件，具有条形以覆盖相邻设置的多个加热元件中的一些加热元件，并具有在加热元件之间设置的狭槽。并公开了一种包括上述液体分配器的打印机。

Description

液体分配器和打印机
技术领域
本发明涉及液体分配器和打印机，本发明特别涉及一种包括彼此相邻设置的加热元件和条形保护层的液体分配器，在加热元件之间设置有狭缝，用于覆盖这些加热元件，本发明还涉及喷墨打印机，在保护层中，可以可靠的防止产生裂纹。
背景技术
近年来，在图象处理等领域对于彩色硬拷贝的需求不断增加。为了满足这种需求，已经提出了以下的传统的彩色复印系统：染料升华转印系统，热熔转印系统，喷墨系统，静电复印系统，和热显影系统。
在上述各种系统中的喷墨系统中，记录液体(墨水)的液滴从设置在作为液体分配器的打印头中喷射出，从而在记录目标上形成点，由此可以用简单结构输出高质量的图象。喷墨系统根据喷墨方法不同可以分成：静电吸引方法，连续振荡发生方法(压电方法)，热方法等。
在上述各种方法中的热方法中，通过局部加热墨水产生气泡，然后，墨滴由气泡从喷嘴中推出，从而墨滴施加到打印目标上，由此可以用简单结构打印彩色图象。
利用热方法的打印机包括所谓的打印头。打印头包括：半导体衬底，用于加热墨水的加热元件，作为逻辑集成电路的驱动电路，用于给加热元件供能，等等，其中，这些元件设置在半导体衬底上。由此加热元件可以密集配置并可靠供能。
在热打印机中，为了获得高质量的打印输出，加热元件必须密集配置在打印头中。实际上，为了获得例如600dpi的打印输出，必须以42.333μm的间隔配置加热元件，但是，难于为密集配置的相应加热元件提供驱动元件。因此，打印头还包括开关晶体管，其利用集成电路技术形成在半导体衬底上，并连接到相应的加热元件。半导体衬底上还设置的驱动电路驱动开关晶体管，从而以简单方式给相应的加热元件可靠供能。
在打印头中，给加热元件供能以产生气泡，墨滴由气泡从喷嘴中喷出，然后液体腔中的气泡消失。从而，在几微秒的短时间间隔内重复产生和消失气泡，该时间间隔与墨滴喷射的循环时间相对应。加热元件受到在重复期间由产生空穴所引起的机械冲击的负面影响。
因此，为了保护加热元件，打印头还包括在加热元件上的绝缘层和防空穴层。如图4所示，与上述的打印头类似的传统打印头包括：半导体衬底2，半导体元件，第一加热元件3，第一绝缘层4，用于将第一加热元件3连接到对应的半导体元件的布线5，第二绝缘层6，以及作用为保护层的第一防空穴层7。这些部分根据以下的工艺形成：用溅射方法在半导体衬底2上形成电阻层，电阻层包括诸如钽、氮化钽、或钽-铝合金的电阻材料；将电阻层蚀刻成第一加热元件3；由淀积方法在第一加热元件3上形成氮化硅等构成的第一绝缘层4；在第一绝缘层4上形成包括例如铝的一层，并然后然后构图以形成布线5；由淀积方法在布线5上形成包括氮化硅等的第二绝缘层6；然后在第二绝缘层6上形成包括诸如钽的无机材料的第一防空穴层。在具有上述结构的传统打印头1中，第一加热元件3具有高耐热性和优异的绝缘特性，并防止与墨滴直接接触，从而降低了上述空穴引起的机械冲击，以保护第一加热元件3。
在日本审查的专利申请公开No.5-26657中公开了以下的技术：其中防空穴层彼此独立地设置到相应加热元件上的传统技术、以及其中设置了条形防空穴层以覆盖多个加热元件的新技术。
通常，当打印头的绝缘层和/或防空穴层的厚度小时，由于加热元件产生的热量可以有效输送到墨水上，所以用小的电功率就能喷射墨滴。
但是，当上述各层的厚度减小时，打印头的可靠性也会降低。即，当包括氮化硅等的绝缘层厚度小时，绝缘层中容易形成针孔，且在绝缘层覆盖布线的台阶的区域中会形成不良的台阶覆盖。因此厚度太小时，墨水通过针孔和具有不良台阶覆盖的区域渗透打印头，腐蚀布线和加热元件，由此在其中造成损坏。
因此，在打印头中，绝缘层和防空穴层厚度必须足以防止出现针孔和不良台阶覆盖。
在打印头中，由于加热元件以对应于墨滴喷射的循环时间的几微秒的短时间间隔重复加热，所以较大的热应力重复施加到绝缘层和防空穴层上。因此，即使绝缘层和防空穴层厚度足以防止出现针孔和不良台阶覆盖，由于墨水渗透仍存在打印头的可靠性降低的问题。
特别是，如上述日本实审的专利申请公开No.5-26657中所公开的，当防空穴层为带形以覆盖多个加热元件时，由于应力集中在防空穴层的一部分上，所以容易产生裂纹，且可靠性显著下降。
包括钽的防空穴层具有1.5×e10到2×e10达因/cm2的较大的压应力。根据实验，当钽防空穴层放置在400℃环境中60分钟时，在包括氮化硅的绝缘层中出现裂纹。图4中示出形成裂纹的区域。当出现这种裂纹时，墨水通过裂纹渗透打印头，而腐蚀布线和加热元件，由此造成损坏。
为了解决该问题，可以利用在1985年5月的惠普月刊(Hewlett-Packardjoumal)27-32页中公开的以下的技术：通过湿蚀刻方法加工布线以便具有圆角，且布线的端面成锥形，由此提高了在覆盖布线台阶区域处的台阶覆盖，并由此防止应力集中。这种技术只在布线仅包括铝时才有效。但是，在实际中，为了提高布线的特性，布线包括含有硅、铜等的铝合金，因此当使用包括这种合金的布线时，形成残留物，从而会造成对半导体制造工艺有害的粉尘。因此这种方法不能用于上述的打印头。
发明内容
为了解决上述问题而做出本发明，本发明的目的是提供一种液体分配器和打印机，其中液体分配器包括加热元件和保护层，其中可以可靠防止出现裂纹。
根据本发明的第一方面，液体分配器包括衬底和布置在衬底上的多个液体分配部分，该液体分配部分包括至少一个用于贮存液体的液体腔，一个喷嘴和一个加热元件，其中，为加热元件功能以加热相应液体腔中贮存的液体，以从相应的喷嘴喷射液滴；加热元件和液体腔之间具有保护层和绝缘层；每个加热元件，绝缘层，保护层，和每个液体腔按该顺序布置；绝缘层将保护层与加热元件隔开；而保护层包括无机材料，保护加热元件，具有条形以覆盖彼此相邻的多个加热元件中的某些，还具有分别设置在加热元件之间的狭槽。
在上述液体分配器中，每个加热元件包括两个电阻器，它们基本平行配置，在每个电阻器的一端相互连接，并通过在电阻器的另一端之间施加电压供能；狭槽从保护层的靠近电阻器另一端的表面延伸；并且，保护层具有各部分，每个部分覆盖彼此相邻的至少一个加热元件，并在靠近电阻器连接端的一侧彼此连接。
在本发明第二方面中，打印机包括液体分配器，液体分配器配备有衬底和布置在衬底上的多个液体分配部分，液体分配部分包括至少一个贮存液体的液体腔、一个喷嘴和一个加热元件，其中，给加热元件供能以加热相应的液体腔中贮存的液体，且从相应的喷嘴喷射液滴；加热元件和液体腔之间具有保护层和绝缘层；每个加热元件，绝缘层，保护层和每个液体腔按此顺序布置；绝缘层将保护层与加热元件隔开；保护层包括无机材料，保护加热元件，具有条形以覆盖彼此相邻的多个加热元件中的某些，并具有狭槽，每个狭槽位于加热元件之间。
根据本发明第三方面，由于液体分配器具有上述结构，液体分配器可以用于喷射墨滴、各种染料液滴，形成保护层的液滴等的打印头；用于分配液体试剂的微型分配器；各种测量装置；各种测试单元，其中使用防止元件蚀刻的液态化学试剂的各种构图系统等。在液体分配器中，由于保护层具有设置在彼此相邻的相应加热元件之间的多个狭槽，所以可以防止热应力集中在保护层的一部分上，由此防止保护层出现裂纹。由于保护层具有条形和除多个狭槽之外的大面积，施加到保护层上的静电电荷分布在大的保护层上，由此减小了保护层和加热元件之间的电位。因此，与设置到每个加热元件上的其他保护层相比，该保护层具有更高的抗介质击穿的能力。而且，由于保护层的各部分由多个狭槽分开，可以防止由短路引起的快速氧化，即保护层烧毁的蔓延。
根据第二方面，在打印机中，可以可靠防止在保护加热元件的保护层中出现裂纹。
附图说明
图1是根据本发明的打印头的平面图；
图2是示出图1所示的打印头的剖视图；
图3是根据本发明另一实施例的打印头的平面图；
图4是传统打印头的剖视图。
具体实施方式
以下参照附图详细描述本发明的实施例。
1.第一实施例
图2是示出根据本发明一个实施例的用于打印机的打印头11的剖视图。打印头11包括：第二加热元件12，包括氮化硅的第三和第四绝缘层13和14，和包括钽且起保护层作用的第二防空穴层15，其中，这些部分按照该顺序设置。
打印头11按以下工艺制造：通过淀积方法在作为晶片的p-型硅衬底16上形成氮化硅(Si3N4)层，所形成的硅衬底16由光刻方法和反应蚀刻法处理，以除去氮化硅(Si3N4)层中除了用于形成晶体管的预定部分外的各部分，由此使氮化硅层部分保留在硅衬底16上的晶体管形成区域上。
形成的硅衬底16进行热氧化，以在上一步骤中除去氮化硅层各部分的地方形成热氧化硅层。热氧化硅层对应于用来隔离晶体管的LOCOS(硅局部氧化)区17。随后，清洗硅衬底16。在形成的硅衬底16的相应的晶体管形成区域上制造栅极，其中栅极具有如下结构，即钽化硅层，多晶硅层，和热氧化硅层按该顺序淀积。形成的硅衬底16然后通过离子注入法和氧化法处理，以形成源极区和漏极区，由此获得作为MOS(金属-氧化物-半导体)类型的第一晶体管18和第二晶体管19。每个第一晶体管18具有大约25V的介电强度，并作用为给每个第二加热元件12供能的MOS-型驱动器。另一方面，每个第二晶体管19是集成电路元件，用于控制这些驱动器，并在5V电压下工作。本实施例中，在相应的源极区和漏极区之间淀积轻度掺杂的扩散层，并降低在各层中流动的电子的电场，以防止第一晶体管18介电击穿。
在所形成的硅衬底16上由CVD(化学气相淀积)法形成第一层间绝缘层20，其包括作为一种含硼和磷的氧化硅的BPSG(硼-磷硅酸盐玻璃)。所形成的硅衬底16由光刻方法处理，然后通过利用含C4H8，CO，O2和Ar的气体进行反应蚀刻法处理，在源极区和漏极区上形成接触孔21，它们是硅衬底16上的扩散层。
用稀释的氢氟酸清洗生成的硅衬底16。通过溅射法在生成的硅衬底16上按如下顺序形成厚度20nm的钛层，厚度50nm的氮化钛阻挡层，和的厚度400-600nm的铝层，其中这些层形成第一布线层，而铝层包含原子上1％，的硅或原子上0.5％的铜。然后，所生成的硅衬底16由光刻法和干蚀刻法处理，以选择性除去部分第一布线层，由此形成第一布线22。在生成的硅衬底16中，MOS型第二晶体管19与相应的第一布线22相互连接，从而形成集成逻辑电路。
在所形成的硅衬底16上由CVD法利用TEOS(四乙氧基硅：Si(OC2H5)4)气体形成作用为层间绝缘层的氧化硅层，然后用CMP法(化学机械抛光)平面化。或者，包括SOG(旋涂玻璃)膜的涂覆型氧化硅层连接到氧化硅层上，然后蚀刻回去以平整其表面。由此在连接到第二布线上的第一布线22上形成第二层间绝缘层23。
由溅射法在第二层间绝缘层23上淀积钽，形成厚度80-100nm的钽层。钽层淀积在硅衬底16上，并作用为电阻层。钽层中不需要的部分用光刻法和利用包含BCl3和Cl2的气体干蚀刻去除，以形成电阻器12A，它作为每个第二加热元件12的构成元件。
由CVD法在所形成的硅衬底16上淀积氮化硅，以形成厚度300nm的第三绝缘层13。第三绝缘层13的预定部分由光刻法和利用包含CHF3，CF4和Ar的气体干蚀刻法除去。由此露出将第二加热元件12连接到相应的布线上的部分，然后在第二层间绝缘层23中设置开口，以形成过孔24。
在生成的硅衬底16上由溅射法按如下顺序形成厚度20nm的钛层和厚度400-1000nm的铝层，其中这些层构成第二布线层，而铝层包含原子上1％的硅或原子上0.5％的铜。然后，由光刻法和干蚀刻法处理生成的硅衬底16，以选择性除去部分第二布线构图层，由此形成第二布线26，该第二布线用于供电、接地、将第一晶体管18连接到加热元件12，并用于连接电阻器12A，由此制成加热元件12。
由CVD法在生成的硅衬底16上淀积氮化硅，以形成厚度400-500nm且作用为墨水保护层的第四绝缘层14。然后在热处理炉中，所生成的硅衬底16在400℃的温度下在氮气、氩气或氮气和氩气的混合物的气氛中热处理60分钟。由此，在硅衬底16中稳定第一和第二晶体管18和19，也稳定第一和第二布线22和26之间的连接，由此减小接触电阻。
在所生成的硅衬底16上由溅射法淀积钽，以形成厚度200nm的第二防空穴层15。通过加压把含有机树脂的干膜粘接到第二防空穴层15上。除去干膜31中对应于墨水腔35和墨水通道的部分，然后固化干膜31。然后，孔板32连接到干膜31上，其中，孔板32具有作用为用于喷射墨水的喷嘴34的开口，且开口设置在相应的第二加热元件12上。由此完成了打印头11，其包括喷嘴34、墨水腔35，和将墨水引入相应的墨水腔的墨水通道。
如上所述，在打印头11中，包括钽的每个第二加热元件12，包括氮化硅的第三绝缘层13，包括氮化硅的第四绝缘层14，包括钽的第二防空穴层15，和每个墨水腔35按此顺序设置在硅衬底16上。
打印头11中，墨水腔35和喷嘴34在垂直于图2的图面的方向上连续设置，以形成行打印头。
图1是示出从喷嘴34一侧看的结构的平面图，该结构包括第二加热元件12，第二布线26，和第二防空穴层15。打印头11中，各对墨水腔35和喷嘴34设置在上述硅衬底16上对应的第二加热元件12上。在每个第二加热元件12中，按大致平行的方式设置两个矩形的电阻器12A，电阻器的每一端与作为每个第二布线26的一部分的每个第一电极26A相互连接。也是第二布线26的一部分的第二电极26B各自连接到电阻器12A的另一对应端。由此在电压施加于多个第二电极26B之间时，第二加热元件12供能。
第二防空穴层15具有条形，并延伸成覆盖所有的第二加热元件12，第一电极26A，电阻器12A与第一电极26A之间的连接，以及电阻器12A与第二电极26B之间的连接。第二加热元件12设置成使它的总长度大致等于打印纸的宽度。第二防空穴层15中具有狭槽37。每个狭槽37在第二加热元件12之间从靠近第二电极26B的第二防空穴层15的表面向墨水腔35延伸。每个狭槽37延伸过每个第一电极26A中与用于将电阻器12A彼此连接的另一端相对的一端。由此，第二防空穴层15具有分别覆盖第二加热元件12的部分，而第二加热元件12在靠近两个电阻器12A的连接端的一侧相互连接。
2.工作
打印机包括打印头11，而打印头11包括硅衬底16，在硅衬底16上用半导体制造工艺按如下顺序形成的第一和第二晶体管18和19，第二加热元件12，第三和第四绝缘层13和14，第二防空穴层15、墨水腔35和喷嘴34。
在该打印机中，墨水引入墨水腔35，然后第二加热元件12由对应的第一和第二晶体管18和19供能，以加热贮存在每个墨水腔35中的墨水，由此产生气泡。墨水腔35中的压力由于墨泡产生而迅速增大。由于压力增大墨水腔35中的墨水通过每个喷嘴喷出，由此形成墨滴。这些墨滴附着在例如纸的打印目标上。
打印机中，给第二加热元件间歇地重复供能，以在打印目标上打印所需的图象。由于第二加热元件间歇供能，在墨水腔35中气泡产生和消失，由此造成空穴，这成为机械冲击。这个机械冲击的影响由第二防空穴层15减小，由此保护第二加热元件12。第二加热元件12与墨水的直接接触由第二防空穴层15以及第三和第四绝缘层13和14防止，这也可以保护第二加热元件12。
但是，在打印头11中，除机械冲击之外，由于第二防空穴层15具有与温度相关的高的压应力，所以第二防空穴层15及第三和第四绝缘层13和14还会受到重复加热第二加热元件12所引起的热应力的作用。
条形的第二防空穴层15起保护层的作用，重复承受热应力，并具有分别设置在相应的第二加热元件12之间的狭槽37。因此，与没有狭槽的其他保护层相比，可以可靠地防止应力集中在第二防空穴层15中，由此，可以可靠防止由于应力集中而造成的裂纹。从而，提高了打印头11的可靠性。
由于第二防空穴层15具有狭槽37，可以防止故障蔓延。当由于某些原因在第二加热元件12中出现断裂时，由于第二防空穴层15通过贮存在墨水腔35中的墨水连接到地电位，所以，根据工作状态，在某些情况下，第二防空穴层15和第二加热元件12与设置在它们之间的第三和第四绝缘层13和14短路。当第二防空穴层15和第二加热元件12按这种方式短路时，大量的电流施加到短路部分，导致第二防空穴层15烧毁。如果烧毁严重，烧毁扩展到晶体管的接触孔，造成晶体管损坏。
但是，在根据本实施例的打印头11中，如果出现烧毁，则可以防止烧毁蔓延到与狭槽37相邻的第二加热元件12。
特别是，在该打印头11中，由于狭槽37从易于产生上述烧毁的电压施加侧延伸到第二防空穴层15中与电压施加侧相反的另一侧，所以可以可靠防止烧毁蔓延。而且，由于狭槽37延伸到超出第一电极26A的部分，所以也能可靠防止烧毁蔓延。
提出了以下的方法：第二防空穴层15设置到每个第二加热元件12上，以防止应力集中和烧毁蔓延。
但是，在某些情况下，贮存在纸张中的静电电荷在打印头11中放电。这种情况下，静电电荷通过某些特定喷嘴34传输，然后施加到第二防空穴层15。因此，在第二加热元件12和由高阻抗的墨水接地的第二防空穴层15之间瞬时产生大电位。
在这种情况下，当每个第二加热元件12具有第二防空穴层15时，由于第二加热元件12与第二防空穴层15之间的电容较小，所以，瞬时产生的电位极大。由此造成第三和第四绝缘层13和14出现介电击穿。出现介电击穿时打印头11的晶体管也损坏。
但是，本实施例中，由于覆盖所有第二加热元件12的第二防空穴层15具有较大面积，所以第二加热元件12与第二防空穴层15之间的电容量大。因此，施加静电电荷时，可以防止产生足以引起介电击穿的大电位，以防止击穿。
3.优点
如上所述，当覆盖彼此相邻的加热元件的条形保护层具有分别设置在相应加热元件之间的狭槽时，可以可靠防止保护层出现裂纹。而且，可以防止由于加热元件与保护层之间建立的短路而造成的烧毁的蔓延。而且，可以可靠防止由静电电荷引起的介电击穿。
特别是，狭槽从保护层中电压施加侧延伸到邻近与电压施加侧相反的一侧的区域，在该区域覆盖加热元件的保护层的各部分相互连接。因此，可以可靠防止加热元件与保护层之间短路引起的烧毁的蔓延。
4.其他实施例
在上述实施例中，具有保护层功能的防空穴层包括钽。但是，本发明不限于这种结构，而涵盖各种改进。防空穴层可以包含其他材料，例如，氮化钽，或包括钽-铝合金和钨-钽合金的钽合金。而且，防空穴层还可以包括钽之外的高熔点金属材料，如，镍，铬，钼，或钨。
在上述实施例中，加热元件各自包括以大致平行的方式延伸的相互连接的电阻器。但是，本发明不限于这种结构，而涵盖各种改进。可以使用具有其他结构的各种加热元件。
在上述实施例中，条形的防空穴层覆盖所有加热元件，并具有设置在相应加热元件之间的狭槽。但是本发明不限于这种结构。如果在实际使用中可以可靠防止应力集中，那么，也可以在两对加热元件之间设置狭槽，如用来与图1比较的图3所示。或者，狭槽可以选择性布置在应力高度集中的区域。此外，条形防空穴层可以不覆盖所有加热元件而只覆盖某些加热元件。
在上述实施例中，加热元件包括钽，但是，本发明不限于这种结构，而涵盖各种改进。加热元件可以包括各种层状材料。
在上述实施例中，驱动元件和用于驱动驱动元件的驱动电路整体集成在衬底上。但是，本发明不限于这种结构，而涵盖各种改进。驱动元件可以单独设置在衬底上。
在上述实施例中，打印头喷射墨滴并包含在打印机中。但是，本发明不限于这种结构，而涵盖各种改进。打印头可以喷射墨滴之外的各种用于形成保护层的染料或液滴。而且，打印头通常可用于分配液态试剂用的微型分配器，各种测量装置、各种测试装置、各种构图系统等，在构图系统中，使用保护元件免受腐蚀的液态化学试剂。
如上所述，根据本发明，具有保护层功能的条形的防空穴层覆盖彼此相邻的加热元件，并具有在相应加热元件之间设置的狭槽。由此，可以可靠防止在用于保护加热元件的防空穴层中出现裂纹。

Claims (3)

1.一种液体分配器，包括：
衬底；和
布置在衬底上的多个液体分配部分，其包括至少一个贮存液体的液体腔，一个喷嘴，和一个加热元件。
其中，给加热元件供能，以加热相应液体腔中贮存的液体，从而自相应的喷嘴喷出液滴；加热元件和液体腔在其间具有保护层和绝缘层；每个加热元件，绝缘层，保护层，和每个液体腔按该顺序布置；绝缘层将保护层与加热元件隔开；且保护层包括无机材料，保护加热元件，为条形以覆盖相邻的多个加热元件中的一些加热元件，并具有在加热元件之间设置的狭槽。
2.如权利要求1所述的液体分配器，其中，加热元件各自包括两个电阻器，它们以基本平行的方式设置，并在每个电阻器的一端相互连接，加热元件通过向电阻器的另一端之间施加电压而供能；狭槽从靠近电阻器另一端的保护层表面延伸；而保护层具有分别覆盖加热元件中的至少一个的各部分，而加热元件彼此相邻，且在靠近电阻器的连接端的一侧相互连接。
3.一种打印机，包括：
液体分配器，其包括衬底和在衬底上设置的多个液体分配部分，该液体分配部分包括至少一个贮存液体的液体腔，一个喷嘴，和一个加热元件，
其中，给加热元件供能以加热相应的液体腔中贮存的液体，从而自相应的喷嘴喷出液滴；加热元件和液体腔在其间具有保护层和绝缘层；每个加热元件，绝缘层，保护层，和每个液体腔按该顺序布置；绝缘层将保护层与加热元件隔开；且保护层包括无机材料，保护加热元件，为条形以覆盖相邻的多个加热元件中的一些加热元件，并具有在加热元件之间设置的狭槽。
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