CN1590104A - 喷墨打印头的保护层及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷墨打印头及其制造方法，该制造方法包括步骤：将一加热层和一导电层依次叠压到一基底上；对导电层进行构图以暴露出加热层顶表面的预定区域；在导电层和暴露的加热层顶表面上形成一保护层；以及将一墨腔阻隔物和一喷嘴板叠压到保护层的顶表面上，由此形成一墨腔。通过形成一气穴层来制出保护层，该气穴层是通过将不同材料的至少两种类型的薄膜层交替叠压到暴露的加热层和导电层上而形成的，用以抵抗使用中产生的破坏和氧化作用。

Description

喷墨打印头的保护层 及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种喷墨打印头。更具体来讲，本发明涉及一种保护层及带有该保护层的打印头的制造方法，形成该保护层是为了保护热转印(thermal transfer)喷墨打印头的加热层。

背景技术

在常规打印头的应用中，喷墨打印头中广泛采用了两种喷墨技术。第一种技术是采用压电元件来喷射墨，第二种技术则是利用一加热元件对墨瞬间加热时所产生的墨泡(ink bubble)来喷射墨。后一种技术通常被称为热转印技术。近来，热转印型喷墨打印头获得了更广泛的应用，原因在于这种打印头更易于被制造为具有小巧的尺寸。

图1中的局部剖视图表示了一种示例性的常规热转印型喷墨打印头的结构。

参见图1，常规的喷墨打印头100包括一加热层140、一导电层150、以及一保护层160，这几个层体按照所示次序叠压到一主基底120上。如上所述，形成加热层140以瞬时加热装入到墨腔(ink chamber)110中的墨，形成导电层150以用于向加热层140施加电力。

形成保护层160是为了保护加热层140。在这一点上，常规的保护层160可包括一绝缘层164和一气穴层(cavitation layer)161，绝缘层164形成在加热层140和导电层150的上方，气穴层161形成在绝缘层164的顶表面上，如在Yoshiaki Shirato等人的、名称为“液滴喷射记录头”的美国专利申请No.4,335,389中所公开的，且该专利申请的全部内容并入这里作为参考。

气穴层161的作用在于防止由气穴力(cavitation force)引起的加热层140破裂，该气穴力产生于墨滴通过喷嘴185喷射之后在墨腔110中墨泡(未示出)破裂之时。为了完成上述功能，常规的气穴层161是通过在绝缘层164的顶表面上淀积钽(Ta)而形成的。

为了保护加热层140免受上述气穴力的影响，气穴层161应当在总体上优于其余层，即不仅在例如硬度、弹性的机械特性上，而且还在例如抗氧化性的化学特性上，以防止该层被充入到墨腔110中的墨很容易地氧化。但是，很难找到这样一种在上述特性方面总体上都很优异的材料，尤其是，更为困难地是找到这样一种材料：当其以薄膜层状态被并入到一产品中时，在这些特性方面总体上很优异。

举例来讲，上述包含钽(Ta)的常规气穴层161在弹性方面是具有优势的。但是，其在硬度和抗氧化性方面却没有优异到使其可在长时间内保护加热层140。结果就是，如果常规喷墨打印头100被长时间重复使用，则保护层160就将由于上述气穴力、或者由于与充入到墨腔110中的墨的化学反应造成的氧化作用而破裂。因而，出现一个问题：不可能防止加热层140被破坏。尤其是随着用于高速打印的喷墨打印机的迅猛发展，出现了由于上述加热层140的破裂而使喷墨打印头100的更换周期变得越来越短的问题。

因而，需要一种系统和方法来提供一种能长时间重复使用、且使例如气穴力的力和氧化作用对保护层的损坏极小的喷墨打印头。

发明内容

因而，为了解决上述问题以及现有技术中存在的其它问题而提出了本发明，本发明的一个目的在于提供一种喷墨打印头及其制造方法，该喷墨打印头设置有一保护层，以便于提高喷墨打印头的耐久性和可靠性。

为了实现上述以及其它目的，根据本发明的实施例提供一喷墨打印头的保护层，其包括形成在加热层顶表面上的气穴层，该气穴层用于保护加热层不会由于墨泡破裂时产生的气穴力而机械性地破裂。该气穴层是通过将至少两种类型的、不同材料的薄膜层依次叠压到加热层的顶部而形成的，而且，其中所述的至少两种类型的薄膜层是交替叠置的。

本发明的实施例还提供了一种喷墨打印头，其包括：一主基底；形成在主基底上以能够容纳经一墨供给通道所引入的墨的一墨腔，其中该墨腔形成有在其一侧的用于喷射墨滴的喷嘴；叠置在墨腔的底部上的一加热层；叠置在加热层的顶表面上的一导电层，该导电层具有给定的形状以使得加热层的预定区域被暴露在墨腔的内部；以及一保护层，其叠置在导电层和暴露的加热层上方。保护层包括一气穴层，该气穴层是按照这样的方式形成的：分别由不同材料形成的、至少两种不同类型的薄膜层交替地叠压到暴露的加热层和导电层上。

根据本发明的实施例，气穴层包括：至少一由钽(Ta)形成的第一薄膜层；以及至少一由氮化钽(TaN_X)形成的第二薄膜层，其中氮化钽可通过对Ta执行氮化作用(nitrification)来形成。

优选地是：上述气穴层的厚度等于第一薄膜层和第二薄膜层各层厚度的总和。

另外，优选地是：气穴层最上方表面和最下方表面的至少之一上设置有第二薄膜层。更为优选地是，气穴层的厚度T由如下公式限定：

T＝nt₁+(n+1)t₂    (1)

式中，T为气穴层的总厚度，n为第一薄膜层的数目，t₁为每一第一薄膜层的厚度，t₂为每一第二薄膜层的厚度。

在此情况下，优选地是：所有的各第一薄膜层和各第二薄膜层都具有基本上相等的厚度。

另外，还优选地是：保护层还包括一绝缘层，其形成在加热层和暴露的导电层的顶表面与气穴层的底表面之间，且该绝缘层优选为由氮化硅(SiN_X)形成。

另外，进一步优选地是：墨腔的周围被叠压在保护层上的一墨腔阻隔物和叠压在墨腔阻隔物的顶表面上并通过其形成喷嘴的一喷嘴板所围绕。更为优选地是：喷嘴与墨供给通道是同轴布置的。

根据本发明上述的实施例，硬度、弹性、以及抗氧化性在总体上都被增强了，由此可提高喷墨打印头的耐用性和可靠性。

根据本发明上述实施例的喷墨打印头的制造方法包括以下步骤：将一加热层和一导电层依次叠压到一基底上；对导电层进行构图以暴露出加热层顶表面的预定区域；在导电层和被暴露的加热层上形成一保护层；以及将一墨腔阻隔物和一喷嘴板叠压到保护层的顶表面上，由此形成一墨腔。其中形成保护层的步骤还包括通过将不同材料的至少两种类型的薄膜层交替叠压到加热层和暴露的导电层上而形成一气穴层的步骤。

气穴层是通过将至少一由Ta构成的第一薄膜层和至少一由TaN_X构成的第二薄膜层淀积在加热层和导电层的顶表面上从而使第一和第二薄膜层交替地叠压而形成的。

优选地是，所述的至少一第一薄膜层是通过溅射工艺形成的，第二薄膜层是通过反应溅射工艺(reactive sputtering process)形成的，其中在该溅射工艺期间，气态的N₂被引入，由此使第二薄膜层的Ta以氮化态(nitrifiedstate)被淀积。通过以预定的时间长度周期性地重复溅射工艺和反应溅射工艺以形成一交替叠置的层来完成形成气穴层的步骤。

还优选地是，形成保护层的步骤包括淀积SiN_X以覆盖暴露的加热层和导电层的顶表面的步骤，由此形成一绝缘层，其中气穴层被叠压到该绝缘层的顶表面上。

墨腔阻隔物和喷嘴板优选地是通过单块叠压方法(monolithic laminatingmethod)形成，其中墨腔阻隔物和喷嘴板优选地由环氧树脂(epoxy)或金属形成。

附图说明

从下文参照附图所作的详细描述中，本发明上述以及其它的目的、特征和优点将会更加显而易见，在附图中：

图1中的剖视图表示了一种示例性的常规喷墨打印头；

图2中的剖视图表示了根据本发明一实施例的示例性喷墨打印头；

图3中的剖视图详细地表示了图2中标记为“A”的部分；

图4中的曲线表示了图2所示的气穴层中Ta含量变化情况的一种实例；以及

图5A到图5I中的剖视图依次地表示了制造根据本发明一实施例的喷墨打印头的方法。

具体实施方式

下文将参照附图对本发明作详细的描述。

图2是一个剖视图，表示了根据本发明一示例性实施例的喷墨打印头的结构实例。

参见图2，喷墨打印头200可以是一顶部喷射型的热转印喷墨打印头，其包括一主基底220、一加热层240、一导电层250、一保护层260、一墨腔阻隔物270、以及一喷嘴板280。

加热层240的作用在于对充入到由墨腔阻隔物270和喷嘴板280所界定的墨腔210中的墨进行瞬间加热，且优选地由钽铝(Ta-Al)合金形成。优选地是，在加热层240与主基底220之间形成一附加的二氧化硅(SiO₂)绝热层230，以防止从加热层240产生的热量被传递到主基底220上。

导电层250的作用在于向加热层240施加电力，导电层250优选地是由具有很高的导电率的铝(Al)形成。

保护层260包括一绝缘层264和一气穴层261。

保护层260的绝缘层264用来将充入到墨腔中的墨与导电层250隔绝开，保护层260优选地是由电绝缘性能优异、且传热效率高的氮化硅(SiN_X)形成。

气穴层261的作用在于防止由气穴力引起的加热层240破裂，该气穴力产生于通过喷嘴285的墨喷射完成之后在墨腔210中墨泡破裂之时。

如图3所示，可通过在绝缘层264的顶表面上依次叠置多个薄膜层262和263来形成根据本发明实施例的气穴层261。

该实施例中的气穴层261是通过在绝缘层264的顶表面上交替重复地叠压多个由钽(Ta)形成的第一薄膜层262、以及多个由氮化钽(TaN_X)形成的第二薄膜层263来形成的，在弹性方面，氮化钽不如Ta，但在机械硬度和抗氧化性方面，氮化钽优于Ta。作为参考，Ta的键能E(Ta-Ta)＝88kcal/mol，TaN_X的键能E(Ta-N_X)＝146kcal/mol。图4表示了在如上所述形成的气穴层261中Ta含量的变化情况。

优选地是，利用例如溅射的常规真空淀积方法(vacuum depositionmethod)来执行第一薄膜层262的叠置。可利用多种淀积工艺例如化学气相淀积(CVD)来形成第二薄膜层263。如果第一薄膜层262如在该实施例中那样是由Ta形成的，则优选地是，通过反应溅射以氮化态淀积Ta，在反应溅射中，当淀积Ta时，以预定的时间长度通入N₂气体。在此情况下，可以采用时分淀积方法(time-divisional method)，该方法利用了常规的真空淀积设备，在该方法中，淀积Ta的同时气态的N₂被周期性地通入到真空淀积设备中，由此可按照简单的方式交替重复地叠压第一和第二薄膜层262和263。如果如上文所述那样在Ta被氮化的同时淀积第二薄膜层263，则通过控制通入N₂气体的时间长度就能决定每一第二薄膜层263的厚度。

优选地是，所有各第一和第二薄膜层262和263都被形成为具有基本相等的厚度。在此情况下，可通过控制层叠的第一和第二薄膜层262和263的数目容易地调节气穴层261的总体特性。按照这一分层特征，即使改变了喷墨打印头的内部结构，也能对气穴层的总体特性进行调整。

如果按照上述那样交替叠置两种类型的薄膜层例如层262和263来形成气穴层261，则气穴层261的厚度就等于第一和第二薄膜层262和263的厚度的总和。在本实施例中一喷墨打印机实例的情况下，气穴层261的厚度T典型地形成为约5000埃，且优选地是，每一第一和第二薄膜层的厚度t₁和t₂形成为约50埃至500埃。尤其是，为了保持各薄膜层262和263固有的特性，并进一步使层叠的气穴层261的整体特性更易于控制，优选地是：每一第一和第二薄膜层262和263的厚度t₁和t₂约为100埃，结果就是，可在叠层261中设置约二十五层第一薄膜层和约二十五层第二薄膜层。作为参考，图3表示了一种示例性的气穴层，其表示了三个第一薄膜层262和四个第二薄膜层263，以便于简化附图和具体描述。

优选地是，上述气穴层261在与绝缘表面接触的最下方表面、以及暴露于墨腔210的最上方表面上都设置有第二薄膜层263。原因在于：在与绝缘层264的粘附力、以及上述的硬度和抗氧化性方面，TaN_X都优于Ta。在此情况下，由弹性优于TaN_X的Ta形成的第一薄膜层262保留了气穴层261的总体弹性。气穴层261的硬度则被TaN_X增大到了预定的水平，由此防止气穴层261由于墨泡的气穴力而轻易破裂。

气穴层261、具体而言即第一和第二薄膜层262和263的组合体由公式(1)所表达，以下再次重复。

T＝nt₁+(n+1)t₂    (1)

式中，T为气穴层261的总厚度，n为第一薄膜层262的数目，t₁为每一第一薄膜层的厚度，t₂为每一第二薄膜层263的厚度。

如果气穴层261如上文所述那样是通过交替叠置第一薄膜层262和第二薄膜层263形成的，则其硬度和抗氧化性就变得优于由单种材料Ta形成的常规气穴层161(见图1)，由此可有效地防止加热层240破裂，即使在很长的时间内重复驱动喷墨打印头200。因此，可提高喷墨打印头200的耐久性。

下文将参照图5A到图5I对制造根据本发明一示例性实施例的喷墨打印头的方法实例进行详述。

如图5A所示，首先在一主基底220上形成一绝热层230。此时绝热层230的材料优选为二氧化硅(SiO₂)，这种材料具有良好的绝热效率。

然后，如图5B所示，在绝热层230的顶表面上淀积一加热层240和一导电层250，并通过例如光刻的蚀刻工艺对导电层250进行构图，以暴露出加热层240顶表面的预定区域。此时，加热层240优选地是通过由钽铝(Ta-Al)合金构成的一加热电阻材料(heating resistance)的真空淀积而形成的，导电层250优选地是通过由铝(Al)构成的导电材料的真空淀积而形成的。

如上所述，如果已完成了加热层240和导电层250的形成，则形成保护层260。如上文描述的那样，该实施例中的保护层260包括一绝缘层264和一气穴层261。

此处，如图5C所示，绝缘层264形成在暴露的加热层240和导电层250上。优选地是，通过例如等离子增强化学气相淀积(PECVD)的方法来在暴露的加热层240和导电层250上形成绝缘层264。

气穴层261被叠压在绝缘层264的顶表面上。如图5D所示，该实施例中的气穴层261是通过将三层由钽(Ta)形成的第一薄膜层262与四层由氮化钽(TaN_X)形成的第二薄膜层263交替地叠置到绝缘层264的顶表面上而形成的。此时，优选地是：如上文所述那样通过溅射和反应溅射形成第一和第二薄膜层262和263，还优选地是：在气穴层261的顶表面和底表面上安置第二薄膜层263。

图5E表示了气穴层261，其被构图以便于叠置一墨腔阻隔物270，如图2所示。此时，优选地是以一定方式对气穴层261进行构图以便于使气穴层261周边的一部分略微延伸到墨腔阻隔物270的下方。这样设计的作用在于：防止气穴层261被从绝缘层264上剥离下来，同时能将与SiN_X之间的粘附力优于与Ta或TaN_X的墨腔阻隔物270直接粘合到绝缘层264上。

图5F表示的状态为一光致抗蚀剂模(photoresist mold)M1被叠压到气穴层261的顶表面上，并在此被构图。

如图5G所示，一旦完成了对光致抗蚀剂模M1的构图，则淀积一金属性的材料或环氧树脂以填充这种光致抗蚀剂模M1之间的空间。形成墨腔阻隔物270的这种方法被称为单块叠压方法，该方法能使喷墨打印头200小型化并以一容易的方式被集成。如果墨腔阻隔物270是利用上述的单块叠压方法形成的，则优选地是：含有喷嘴285(图5I)的喷嘴板280也采用单块叠压方法并使用被构图的光致抗蚀剂模M2来形成，如图5G和5H所示。

如果墨腔阻隔物270被粘接到气穴层261的顶表面上而非如所示那样粘合到绝缘层264上，则有可能省略上述气穴层的构图工艺，但是，如果墨腔阻隔物270和气穴层261被粘合在一起，则可能需要一单独的粘合剂层(未示出)。

如图5I所示，在完成了上述喷嘴板280的叠置之后，利用一蚀刻工艺去除掉光致抗蚀剂模M1和M2，从而形成墨腔210。然后，为了形成一墨供给通道290，对绝热层230、加热层240、保护层260、以及主基底220执行蚀刻。此时，优选地是：将墨供给通道290布置成与喷嘴285同轴，从而有利于喷墨打印头的小型化。典型地，优选地利用干式蚀刻工艺(dryetching process)来形成墨供给通道290。

在上述实施例中，为了介绍本发明，将顶部喷射型热转印喷墨打印头作为一实例进行了描述。但是，根据本发明实施例的气穴层也适用于任何类型的喷墨打印头，只要其具有用于防止加热层因墨泡破裂而破裂的一气穴层。另外，还可利用各种淀积方法形成该喷墨打印头的各个部件。

根据本发明上述的实施例，通过按照一定方式形成气穴层使得多个由不同材料形成的薄膜层被交替重复地叠压起来，就可以在整体上提高气穴层的机械硬度、弹性、以及抗氧化性。结果就是，即使喷墨打印头在长时间内被重复使用，也能抑制加热层的破裂，由此可提高喷墨打印头的耐久性和可靠性。

本发明还具有这样的效果：本发明的实施例提供了一种容易的方法来形成具有理想硬度和弹性的气穴层，可按照喷墨打印头的结构来要求气穴层具有不同的特性。

尽管上文参照优选实施例对本发明的优选实施例进行了表示和描述，但本发明并不仅限于这些实施例。可以理解，本领域技术人员在不背离由附加权利要求限定的本发明的精神和范围的前提下，可作出各种修改和变化。因而，应当认为这些修改、变化及其等价物都被涵盖在本发明的范围内。

Claims (27)

1、一种喷墨打印头的保护层，该保护层形成在用于对充入到该喷墨打印机墨腔中的墨进行加热的加热层的顶部上，该保护层包括：

一气穴层，该气穴层用于保护加热层免受机械性的破坏，其中该气穴层是通过将由不同材料形成的至少两种类型的薄膜层依次叠压到所述加热层的顶部而形成的。

2、根据权利要求1所述的保护层，其中所述气穴层包括：

至少一由钽Ta形成的第一薄膜层类型；以及

至少一由氮化钽TaN_X形成的第二薄膜层类型。

3、根据权利要求2所述的保护层，其中所述第二薄膜层是通过Ta的氮化而形成的。

4、根据权利要求2所述的保护层，其中通过交替反复地叠置至少两种类型的薄膜层而形成所述气穴层。

5、根据权利要求4所述的保护层，其中所述气穴层的厚度基本上等于所述第一和第二薄膜层各层厚度的总和。

6、根据权利要求2所述的保护层，其中所述气穴层最上方表面和最下方表面的至少之一上设置有所述第二薄膜层。

7、根据权利要求2所述的保护层，其中所述第一薄膜层形成为具有基本上相等的厚度，所述第二薄膜层形成为具有基本上相等的厚度，且其中所述气穴层的厚度T由如下的公式限定：

T＝nt₁+(n+1)t₂

式中，T为所述气穴层的总厚度，n为第一薄膜层的数目，t₁为每一第一薄膜层的厚度，t₂为每一第二薄膜层的厚度。

8、根据权利要求2所述的保护层，其中所述第一薄膜层和第二薄膜层形成为具有基本上相等的厚度。

9、根据权利要求2所述的保护层，进一步包括形成在所述加热层与所述气穴层之间的一绝缘层。

10、根据权利要求1所述的保护层，其中气穴层基本上可防止由于墨泡破裂时所产生的气穴力或由于氧化作用而引起的机械性破裂。

11、一种喷墨打印头，包括：

一主基底；

一墨腔，该墨腔形成在主基底上以便于能容纳通过一墨供给通道引入的墨，其中该墨腔在其一侧与一用于喷射墨滴的喷嘴相连接；

一加热层，该加热层被叠置到所述墨腔的底部上；

一导电层，该导电层被叠置到所述加热层的顶表面上并具有给定的形状，以使得所述加热层的预定区域被暴露在所述墨腔的内部；以及

一保护层，该保护层被叠置在所述导电层和所述加热层上，其中所述保护层包括一气穴层，该气穴层形成为具有由不同材料形成的至少两种类型的薄膜层，所述至少两种类型的薄膜层被交替反复地叠压到所述加热层和所述导电层上。

12、根据权利要求11所述的喷墨打印头，其中所述气穴层包括：

多个由钽Ta形成的第一薄膜层类型；以及

多个由氮化钽TaN_X形成的第二薄膜层类型。

13、根据权利要求12所述的喷墨打印头，其中多个第二薄膜层是通过对Ta的氮化而形成的。

14、根据权利要求12所述的喷墨打印头，其中所述气穴层的厚度基本上等于所述第一和第二薄膜层各层厚度的总和。

15、根据权利要求12所述的喷墨打印头，其中所述气穴层最上方表面和最下方表面中的至少之一上设置有所述第二薄膜层。

16、根据权利要求12所述的喷墨打印头，其中多个第一薄膜层形成为具有基本上相等的厚度，多个第二薄膜层形成为具有基本上相等的厚度，且其中所述气穴层的厚度T由如下的公式限定：

T＝nt₁+(n+1)t₂

式中，T为所述气穴层的总厚度，n为第一薄膜层的数目，t₁为每一第一薄膜层的厚度，t₂为每一第二薄膜层的厚度。

17、根据权利要求11所述的喷墨打印头，其中所述保护层还包括一绝缘层，该绝缘层形成在所述导电层和所述暴露的加热层的顶表面与所述气穴层的底表面之间。

18、根据权利要求11所述的喷墨打印头，其中所述墨腔的周围被一墨腔阻隔物包围着，该墨腔阻隔物被叠压到保护层上，且其顶表面被一喷嘴板覆盖着，该喷嘴板被叠压到所述墨腔阻隔物的所述顶表面上，并通过该喷嘴板而形成所述喷嘴。

19、根据权利要求11所述的喷墨打印头，其中所述喷嘴与所述墨供给通道是同轴布置的。

20、根据权利要求11所述的喷墨打印头，其中所述保护层还包括：

一绝缘层，该绝缘层形成在所述导电层和所述暴露的加热层的顶表面与所述气穴层的底表面之间，其中该绝缘层包含氮化硅SiN_X；以及

所述墨腔阻隔物的底表面覆盖所述气穴层的相对端以及所述绝缘层的顶表面。

21、一种制造喷墨打印头的方法，包括以下步骤：

将一加热层和一导电层依次叠压到一基底上；

对所述导电层进行构图以暴露出所述加热层顶表面的一预定区域；

在所述导电层和所述暴露的加热层上形成一保护层；以及

将一墨腔阻隔物和一喷嘴板叠压到所述保护层的顶表面上，由此形成一墨腔，其中形成所述保护层的步骤包括通过将不同材料的至少两种类型的薄膜层交替叠压到所述暴露的加热层和所述导电层上而形成一气穴层的步骤。

22、根据权利要求21所述的方法，其中所述气穴层是通过将至少一由钽Ta构成的第一薄膜层和至少一由氮化钽TaN_X构成的第二薄膜层淀积在所述加热层和所述导电层的顶表面上而形成的，并使所述第一和第二薄膜层交替地叠压。

23、根据权利要求22所述的方法，其中所述第一薄膜层是通过溅射工艺形成的。

24、根据权利要求23所述的方法，其中所述第二薄膜层是通过在溅射工艺期间通入气态的N₂的反应溅射工艺形成的，由此使Ta以氮化态被淀积。

25、根据权利要求24所述的方法，其中通过以预定的时间长度重复所述溅射工艺和所述反应溅射工艺来完成形成所述气穴层的步骤。

26、根据权利要求21所述的方法，其中形成所述保护层的步骤包括淀积氮化硅SiN_X以覆盖所述加热层和导电层的顶表面由此形成一绝缘层的步骤，其中，所述气穴层被叠压到该绝缘层的顶表面上。

27、根据权利要求21所述的方法，其中所述墨腔阻隔物和所述喷嘴板是通过单块叠压方法形成的。

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