CN1700989A - 液体传送头、液体传送装置和液体传送头的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及液体传送头、液体传送装置和制造该液体传送头的方法，其应用于热敏型喷墨打印机，其中加热元件和驱动加热元件的晶体管一体形成于同一衬底上。晶体管是具有多晶硅硅化物或金属栅极金属氧化物场效应晶体管用于减小寄生电阻。

Description

液体传送头、液体传送装置和液体传送头的制造方法
技术领域
本发明涉及液体传送头、液体传送装置和制造该液体传送头的方法，该方法应用于热敏型喷墨打印机，其中加热元件和驱动加热元件的晶体管一体形成于同一衬底上。晶体管是具有多晶硅硅化物栅极或金属栅极的金属氧化物场效应晶体管用于减小寄生电阻。
背景技术
图像处理的领域中有对于彩色硬拷贝的增长的需求。该需求已经被几种彩色拷贝方法满足，其包括染料升华热传导工艺、熔融热传导工艺、喷墨工艺、电光刻工艺和热显影银盐工艺。
在这些工艺中，喷墨工艺在构造上简单但又能产生高质量的图像。它被这样设计以向打印纸(或其它物体)从在打印头(或液体传送头)中开口的喷嘴喷射墨水液滴。依据从喷嘴喷射墨水液滴的方法，喷墨工艺被分为三类：静电放出工艺、连续振动工艺(或压电工艺)和热敏工艺。
热敏工艺被这样设计以通过局部墨水加热产生气泡，从而导致气泡从喷嘴向打印纸喷射墨水。因而尽管其简单的结构，它能够打印彩色图像。
热敏工艺的打印头具有加热元件以加热墨水，该加热元件与驱动加热元件的逻辑集成电路一体成形于同一半导体衬底。在该种打印头中，紧密排列加热元件使得它们确定地驱动。
换言之，需要热敏工艺的打印头具有紧密排列的加热元件用于高质量打印。具体地，需要以42.333μm的间距排列加热元件用于相应于600DPI的打印质量。令人遗憾地，对于紧密排列的加热元件单独排列驱动元件是非常困难的。避免上述困难的打印头具有在同一半导体衬底上的开关晶体管和加热元件，由集成电路技术将前者连接于后者。开关晶体管被在同一半导体衬底上形成的驱动电路驱动。通过该方法，容易且确定地驱动单独的加热元件。
在该打印头中，开关晶体管和驱动开关晶体管的驱动电路是MOS(金属氧化物半导体)场效应晶体管(金属氧化物场效应晶体管)，且加热元件由钽(Ta)、氮化钽(TaNx)或钽铝(TaAl)制成。
每个加热元件接收脉冲电压以散发0.8至1.4μJ的热，其在墨水室产生气泡，从而从喷嘴喷射墨水液滴。虽然驱动电路由通常在5V下运行的MOS晶体管构建，在驱动电路控制下的驱动加热元件的开关二极管在8至25V的源极电压下运行，使得加热元件提供有足够的电能。这是因为施加于加热元件的电功率正比于电压的平方和反比于电阻。
图1是显示该类开关晶体管的构造的剖面图。晶体管1由硅衬底2、氮化硅(Si3N4)的LOCOS(硅的局部氧化)3、在晶体管形成区域中的栅极氧化物膜4和在层叠结构中的多晶硅的栅极G。换言之，该类晶体管具有多晶硅电极的栅极。另外，该类晶体管具有通过离子注入和热处理在硅衬底2上形成的源极S和漏极D。以该方式构建的晶体管1具有在栅极G和漏极D之间的低浓度扩散层AR。该扩散层AR减小漏极和栅极下的沟道形成区域之间的电场，由此增加了击穿电压。
在日本专利公开平10-138484公开的打印头提供有每个具有3μm长的多晶硅栅极。该栅极长度是通过使用镜投射光刻机(MPA，mirror projectionaligner)可以获得的低限，该光刻机是1∶1曝光系统。
另一方面，日本专利公开2000-1083555提出了侧射型打印头。该打印头具有从多晶硅同时形成的加热元件和栅极。侧射型打印头的特征为喷嘴不是设置在加热元件的正上方，使得加热元件产生气泡且作为结果的气泡传递压力波以从喷嘴喷射墨水液滴。
依据晶体管的开电阻和布线图案的电阻(总称为寄生电阻)，驱动喷射墨水液滴的加热元件的晶体管消耗不同量的电能。由于晶体管与加热元件串联，由晶体管施加的驱动电压被分在寄生电阻和加热元件的电阻上。因此，如果有效率地驱动加热元件，则寄生电阻应远远小于加热元件的电阻。
因此认为如果减小寄生电阻，则可以实现消耗电能少于以前的打印机且远远有效率地喷射墨水液滴。而且认为减小的寄生电阻将减小驱动加热元件的电压。
发明内容
依据上述完成本发明。本发明的一个目的是提供具有减小的寄生电阻的液体传送头、液体传送装置和制造该液体传送头的方法。
为了实现以上目的，依据本发明，提供有一种形成于衬底上的具有加热元件和驱动加热元件的金属氧化物场效应晶体管的液体传送头，使得由金属氧化物场效应晶体管驱动的加热元件加热在液体室中容纳的液体，从而从喷嘴以液滴形式喷射液体，每个金属氧化物场效应二极管可以具有多晶硅硅化物栅极或金属栅极。
在本发明的构造中，提供有一种形成于衬底上的具有加热元件和驱动加热元件的金属氧化物场效应晶体管的液体传送头，使得由金属氧化物场效应晶体管驱动的加热元件加热在液体室中容纳的液体，从而从喷嘴以液滴形式喷射液体，在多晶硅硅化物栅极或金属栅极与栅极氧化物膜之间的耗尽层可以薄于传统多晶硅栅极和栅极氧化物膜之间的耗尽层。该薄耗尽层增加了漏极电流且降低了开电阻和寄生电阻。
依据本发明，用于从液体传送头向物体喷射液体液滴的液体传送装置的特征为：液体传送头具有加热元件和金属氧化物场效应晶体管以驱动形成在衬底上的加热元件和金属氧化物场效应晶体管，使得由金属氧化物场效应晶体管驱动的加热元件加热在液体室中容纳的液体，从而从喷嘴以液滴形式喷射液体，每个金属氧化物场效应二极管可以具有多晶硅硅化物栅极或金属栅极。
因此，液体传送装置可以具有低于从前的寄生电阻。
另外，依据本发明，提供了一种制造液体传送头的方法，该液体传送头具有加热元件和金属氧化物场效应晶体管以驱动形成在衬底上的加热元件和金属氧化物场效应晶体管，使得由金属氧化物场效应晶体管驱动的加热元件加热在液体室中容纳的液体，从而从喷嘴以液滴形式喷射液体，每个金属氧化物场效应二极管可以具有多晶硅硅化物栅极或金属栅极。
设计依据本发明的方法以形成用于金属氧化物场效应晶体管的多晶硅硅化物栅极或金属栅极以驱动加热元件。作为结果的晶体管可以具有比以前低的寄生电阻。
附图说明
图1是显示传统打印头使用的晶体管的剖面图；
图2是显示本发明的第一实施例的打印机的透视图；
图3是显示图2中所示的打印机中的头基片的排列的平面图；
图4是显示图2中所示的打印机使用的打印头的剖面图；
图5(A)和5(B)是图示制备图4中所示的打印头的步骤的剖面图；
图6(A)和6(B)是图示图5(B)所示步骤的随后步骤的剖面图；
图7(A)和7(B)是图示图6(B)所示步骤的随后步骤的剖面图；
图8是显示由图5所示的步骤制造的晶体管的剖面图；
图9是本发明的第二实施例的打印机引入的打印头使用的晶体管的剖面图。
具体实施方式
参考附图将更详细地描述本发明的实施例。
(1)实施例的构造
图2是显示本发明的第一实施例的打印机的透视图。在矩形外壳12中容纳整个行打印机11。行打印机11提供有保存其上打印图像的纸13的纸盘14。为了送纸，纸盘14在外壳的前端插入纸盘端口。
一旦行打印机11通过纸盘端口提供有纸盘14，纸13通过进纸机构被压于进纸滚轴。进纸滚轴旋转以在箭头A的方向上向行打印机11的后侧供给纸13。进纸的方向通过设置靠近行打印机11的后侧的反转滚轴16反转。因此，反转滚轴16在箭头B的方向上向行打印机11的前侧移回纸13。
然后，纸13还通过正齿滚轴(spur rollers)17以箭头C的方向被传送到纸盘14上，且最终从行打印机11的前侧的纸释放端口释放。行打印机11具有由正齿滚轴17和纸释放端口之间的箭头D指示的可替换的头墨盒18。
头墨盒18包括托架20和其中包含黄(Y)、品红(M)、青(C)和黑(B)墨水的可替换墨水盒。墨水盒连接于它们各自的连接于托架20的下表面的打印头19。以该方式构建，行打印机11能够利用从行头提供的不同颜色的墨水在打印纸13上打印图像。
图3是显示从图2中所示的打印纸13所视的打印头19的局部放大平面图。打印头19包括用于每种墨水的墨水通道21和在喷嘴板上以Z字排列(沿墨水通道21的两侧)的相同结构的头基片。设置每个头基片22以使其中的加热元件靠近墨水通道21。换言之，头基片22相对于墨水通道彼此对称。因此，打印头19可以通过用于每种颜色的单个墨水通道21对头基片22提供墨水。该简单结构贡献于具有高清晰度的精确打印。
头基片22具有处于其长度中间的连接垫24，在基片22中排列喷嘴23(或微小墨水传送端口)。以该方式设置连接垫24防止与一连接垫24相连的一柔性布线板靠近与另一相邻的连接垫24相连的另一柔性布线板。
当如上所述的喷嘴23的位置偏移时产生一个问题，即需要反转用于设置在墨水通道21的上下的头基片22中的加热元件的驱动信号的顺序。但是，因为如此构建头基片22以在驱动电路中足够地转换驱动顺序，所以避免了该问题。
图4是显示用于该打印机的打印头的剖面图。打印头19包括硅衬底(晶片)、驱动电路、加热元件和墨水室。制造的程序如下。
首先，通过沉积用氮化硅膜(Si3N4)涂覆清洁的硅衬底(晶片)，如图5(A)。然后，在除了将要形成晶体管之外的有涂层的硅衬底31上进行光刻和反应离子蚀刻用于其去除。由此在硅衬底31上的氮化硅膜只在用于晶体管的区域保留。
之后，通过热氧化在去除氮化硅的区域形成热氧化硅膜(500nm厚)。该热氧化硅膜形成元件绝缘区32或LOCOS(局部硅氧化)以将晶体管彼此分开。附带地，在随后的步骤之后元件绝缘区32的厚度最终形成为260nm。
清洁硅衬底31且然后在晶体管形成区形成栅极的热氧化物膜，如图5(B)所示。在进一步清洁之后，通过CVD(化学气相沉积)方法形成多晶硅膜(100nm厚)。之后，通过CVD法从由WF6+SiH4或WF6+SiH2Cl2组成的气体形成硅化钨(WSi2)膜(100nm厚)。附带地，可以通过溅射形成硅化钨膜。通过光刻暴露栅极区，且然后用SF6+HBr的混合气进行干法蚀刻以去除不需要的热氧化物膜、多晶硅膜和硅化钨膜。以该方法，获得由栅极氧化物膜33、多晶硅膜34和硅化钨膜35组成的栅极电极G。在图6(A)所示的随后步骤中，硅衬底31经受离子注入和热处理使得形成低浓度扩散层37，且硅衬底31进一步经受离子注入和热处理使得形成源极-漏极区。以该方法，获得MOS晶体管43和44。附带地，低浓度扩散层37为场限制层以保证源极-漏极绝缘电阻。开关晶体管43作用为具有介电强度为大约18至25V的MOS驱动晶体管以驱动加热元件，且开关晶体管44作用为集成电路的组成部分的晶体管以控制驱动晶体管43。
在该实施例中，通过利用具有1/4或1/5的缩小比的步进重复型的步进投影曝光机的光刻制造具有多晶硅硅化物的MOS晶体管，在该曝光机中，曝光的光源是波长为436nm的g线(紫外线)。由于该工艺，与通过具有1/1的缩小比的传统曝光系统所制造相比，作为结果的晶体管43和44具有更小的栅极。具体地，在该实施例中的晶体管43和44具有短于2μm的栅极长度。
由于该短多晶硅硅化物栅极，在该实施例中的晶体管44具有低开电阻且因此具有低寄生电阻。低电阻导致了加热元件的有效率的驱动。附带地，在该实施例中，在用于除了用于晶体管43和44的步骤的其它步骤的光刻中使用利用g线的缩小曝光。
在下一步骤中，进行如图6(B)所示的CVD以依次形成PSG膜(100nm厚)和BPSG膜(500nm厚)。PSG(磷硅酸盐玻璃)膜是磷掺杂的硅氧化物膜，且BPSG(硼磷硅酸盐玻璃)膜为硼和磷掺杂的硅氧化物膜。这两个膜构成第一层间介电膜45(600nm厚)。
在跟随光刻的下一步骤中，通过利用C4F8/CO/O2/Ar的混合气的反应离子蚀刻在硅半导体扩散层(源极-漏极)上形成接触孔46。
上述步骤由利用稀释氢氟酸清洁的步骤跟随。然后，进行溅射以形成布线图案层，该布线层由以下依次形成于其它层顶上的五层膜组成：
钛膜，30nm厚；
钛氮氧化物缓冲金属膜，70nm厚；
钛膜，30nm厚；
包含1at％硅或0.5at％铜的铝膜，500nm厚；
钛氮氧化物(TiON)膜，25nm厚，作为防反射涂层膜。
通过光刻和干法蚀刻选择性地去除如此形成的布线图案层。因此形成第一层的布线图案47。该布线图案47构成连接驱动电路的MOS晶体管44的逻辑集成电路。
然后，进行利用TEOS(四乙氧基硅烷)Si(OC2H5)4气体的CVD工艺以沉积作为层间介电膜的氧化硅膜，如图7(A)所示。通过SOG(旋涂玻璃)用氧化硅膜涂层覆盖氧化硅膜。通过背蚀刻平坦化氧化硅膜。该步骤重复两次。由此获得氧化硅膜的第二层间介电膜48(440nm厚)，其绝缘邻近第一层中的布线图案47的第二布线层中的布线图案。
之后，在以下条件下进行溅射以沉积作为电阻膜的β钽膜(50至100nm厚)：
晶片温度：200至400℃；
施加的DC功率：2至4kW；
氩气流速：20至40sccm。
通过光刻和用BCl3/Cl2气的干法蚀刻，构图电阻膜以形成具有4至100Ω的电阻的加热元件49。
通过CVD工艺用氮化硅膜(300nm厚)覆盖整个表面。该氮化硅膜作为加热元件49的绝缘保护膜51。通过光刻和用CHF3/CF4/Ar的混合气的干法蚀刻，选择性地去除氮化硅膜，使得部分暴露加热元件49用于与布线图案的连接。进行附加的用CHF3/CF4/Ar的混合气的干法蚀刻以在层间介电膜48中制造通孔52。直至该阶段的步骤如图7(B)所示。
上述步骤由溅射跟随，该步骤依次形成钛膜(200nm厚)、包含1at％硅或0.5at％铜的铝膜(600nm)、作为防反射膜的钛氮氧化物膜(25nm)和含硅或含铜的铝的布线图案层。
在随后的步骤中，通过光刻和用BCl3/Cl2气的干法蚀刻，选择性地去除布线图案层。由此获得布线图案的第二层54。该布线图案用于电能供给和接地且用于驱动晶体管44与加热元件49的连接。附带地，在加热元件49上保留的氮化硅膜51作为保护层，保护加热元件49免受形成布线图案进行的蚀刻的影响。在蚀刻期间，氮化硅膜51在厚度上从300nm减少为100nm。
之后，进行等离子体CVD以沉积氮化硅膜55(400nm厚)，其作为墨水保护层和绝缘层。该步骤由在氮气气氛(可以包含4％的氢气)下在400℃进行60分钟的热处理跟随。该热处理使得晶体管43和44稳定地工作且减小布线图案的第一层47和布线图案的第二层54之间的接触电阻。
通过使用钽作为靶材的DC磁电管溅射在氮化硅膜55沉积一层β钽(100至300nm厚)。通过BCl3/Cl2气构图该层成为反空化(anti-cavitation)层56。附带地，由于通过加热元件49在墨水室中产生的气泡随后消失时产生的气穴现象，反空化层56吸收物理冲击。由此它保护加热元件49免受物理损伤和通过加热元件49加热至高温的墨水的化学反应的影响。上述的β钽可以被包含大约15at％铝的钽铝(TaAl)替代。与β钽膜相比，因为其具有在β钽的晶界中存在铝的结构，所以TaAl膜具有小的压应力。
在上述的制造之后，如图4所示，通过接触键合用有机树脂的干膜61覆盖衬底。从干膜61去除那些相应于墨水室62和墨水通道的部分，且然后固化干膜61的余下部分。以该方法形成墨水室62和墨水通道。划开如此制造的衬底成为小片以制成头基片22。在干膜61的每片上粘合喷嘴板63，其为在加热元件49上提供喷嘴23的预形成的片状构件。以该方法完成具有喷嘴23、墨水室62和通过其墨水被导入墨水室62的墨水通道21的打印头19。以这样一种方法形成打印头19使得墨水室62在进纸方向形成连续的一行。如此的打印头的组件构成行头。
(2)实施例的运行
如上所述制造的打印头19由在硅衬底31上形成的如下部分组成：
具有绝缘介电体32的金属氧化物场效应晶体管43和44；
通过绝缘层45绝缘的布线图案的第一层47(它与晶体管47和晶体管44相连接)；
晶体管47，以驱动加热元件49；
晶体管44，以组成逻辑电路；
加热元件49；
绝缘保护层51；
布线图案的第二层54，连接晶体管43与加热元件49且连接于电源和地；
防空化层56、墨水室62和喷嘴23(图4至7)。
打印头19工作如下。通过墨水通道21将在头墨水盒18中容纳的墨水提供给墨水室62，如图3所示。通过加热元件49加热导入墨水室62的墨水。该加热产生气泡，其依次迅速增加墨水室62中的压力。增加的压力导致墨水从喷嘴23飞离(以液滴的形式)。墨水液滴附着自身于打印纸13，该打印纸13由滚轴15、16和17从纸盘14进纸，如图2所示。
进行如上打印的行打印机11的问题为：如果存在属于晶体管43的开电阻和布线图案54的电阻的高寄生电阻，加热元件49没有有效率地工作。换言之，高寄生电阻消耗了提供的大量的电能以驱动加热元件49。
在本发明中，该问题用以下方式解决。通过晶体管43驱动加热元件49，在晶体管43中栅极为硅化钨膜35，如图8所示。多晶硅硅化物栅极比传统的多晶硅栅极具有较低的开电阻。这导致了寄生电阻的减小，其依次允许加热元件49有效率地工作。
寄生电阻的另一部分是晶体管43的开电阻。对于金属氧化物场效应晶体管的情况，可以通过使得栅极氧化物膜较薄降低开电阻，由此增加漏极-源极电流，该电流反比于(栅极长度)×(栅极氧化物膜厚度)。但是该原则不适于传统多晶硅栅极，在多晶硅栅极中，容易在栅极氧化物膜和电极之间的界面产生耗尽层(由于自由电子的消失)。该耗尽层明显地增加了栅极氧化物膜的厚度且因此防止漏极-源极电流足够地增加。
另一方面，可以通过降低栅极的电阻减小耗尽层的厚度。实际上，该实施例中的硅化钨膜35的栅极具有的电阻大致为传统多晶硅栅极的十分之一。由此该实施例中的打印头19的优点为在栅极氧化物膜和电极之间的耗尽层可以比多晶硅栅极的情况作得更薄。结果为增加的漏极电流，减小的开电阻和加热元件49的有效的驱动。
该实施例中的打印头19在其制造方法上也得到表现。形成晶体管43的光刻步骤使用设计用波长为436nm的g线曝光的步进重复型的步进投影曝光机。以有1/4或1/5的缩小比操作该步进投影曝光机。该步进投影曝光机对于传统镜投影光刻机(具有1∶1的比例)的优点在于其显著减小特征尺寸的能力。实际上，当使用该步进投影曝光机制造时，作为结果的驱动加热元件49的晶体管43具有短到2μm的栅极长度。该短栅极长度导致较低的开电阻和有效的加热元件的驱动。
具有2μm的栅极长度的晶体管43的实际测量揭示当寄生电阻大约是11Ω(其等效于晶体管43的10Ω的开电阻)时，加热元件49的电阻是100Ω。该结果解释了为什么可以有效率地驱动加热元件49。作为对比，具有3μm长的多晶硅栅极的晶体管产生17Ω的开电阻。
(3)实施例的效果
如上所述构建的打印头具有比传统打印头低的寄生电阻，因为驱动加热元件的其金属氧化物场效应晶体管具有多晶硅硅化物栅极。低寄生电阻允许有效的加热元件的驱动。
另外，低寄生电阻也由具有栅极长度小于2μm的栅极引起。其贡献于有效的加热元件的驱动。
(4)第二实施例
图9是显示用于本发明的第二实施例的打印机的打印头的晶体管73的剖面图。该晶体管除了栅极结构之外与图8所示相同(用于第一实施例的打印头19)。
该晶体管73的栅极是层叠结构的金属栅极，其由栅极氧化物膜33、氮化钨膜74和钨膜75组成。用于该金属栅极的钨具有的电阻大约为多晶硅的百分之一。通过由溅射依次沉积栅极氧化物膜33、氮化钨膜74(5nm厚)和钨膜(100nm厚)形成该晶体管73的栅极，且最后构图这些沉积的膜。
如上所述，可以通过用金属栅极替代多晶硅硅化物产生第一实施例中的相同效果。具有较低电阻的栅极贡献于开电阻的减小。
(5)附加实施例
上述的实施例相关于驱动加热元件的晶体管，其由利用使用g线曝光的步进投影曝光机的光刻制造。本发明不限于使用这样的步进投影曝光机。其它可用的步进投影曝光机包括使用365nm波长的i线的一种步进投影曝光机，使用248nm波长的KrF准分子激光的一种步进投影曝光机，和使用193nm波长的ArF准分子激光的一种步进投影曝光机。
上述的诸实施例关于传送墨水液滴的打印头。但是，本发明不限于这样的打印头。它可以应用于针对不同于墨水的多种液体的其它液体传送头，如染料溶液和保护膜形成溶液。它也可以应用于微分配器(处理液滴形式的试剂)、测量装置、测试机构和构图设备(处理化学制品的液滴用于防止蚀刻的影响)。
工业实用性
本发明涉及液体传送头、液体传送装置和该液体传送头的制造方法，其可以应用于热敏型喷墨打印机，其中在同一衬底上一体形成加热元件和晶体管。

Claims (4)

1.一种液体传送头，具有形成于衬底上的加热元件和驱动所述加热元件的金属氧化物场效应晶体管，使得所述由所述金属氧化物场效应晶体管驱动的所述加热元件加热在液体室容纳的液体，从而从喷嘴喷射液滴形式的所述液体，其特征为每个所述金属氧化物场效应晶体管具有多晶硅硅化物栅极或金属栅极。
2.如权利要求1所述的液体传送头，其中所述栅极有不大于2μm的栅极长度。
3.一种用于从液体传送头向物体喷射液体液滴的液体传送装置，其特征为所述液体传送头具有形成于衬底上的加热元件和驱动所述加热元件的金属氧化物场效应晶体管，使得所述由所述金属氧化物场效应晶体管驱动的所述加热元件加热在液体室容纳的液体，从而从喷嘴喷射液滴形式的所述液体，且每个所述金属氧化物场效应晶体管具有多晶硅硅化物栅极或金属栅极。
4.一种液体传送头的制造方法，所述液体传送头具有形成于衬底上的加热元件和驱动所述加热元件的金属氧化物场效应晶体管，使得所述由所述金属氧化物场效应晶体管驱动的所述加热元件加热在液体室容纳的液体，从而从喷嘴喷射液滴形式的所述液体，其特征为每个所述金属氧化物场效应晶体管具有多晶硅硅化物栅极或金属栅极。
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