CN1997519A - 具有高阻加热膜的微流体喷射装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于微流体喷头的半导体衬底，该衬底包含多个置于该衬底上的流体喷射执行器，每个流体喷射执行器包括薄膜加热元件栈，它包含薄膜加热元件和一个或多个与该加热元件相邻的保护层。该薄膜加热元件由具有纳晶结构的氮化钽铝薄膜材料构成，该材料主要由AlN、TaN和TaAl合金组成，该薄膜材料具有范围约为每平方30到100欧姆的薄膜电阻，并且包含约30到70原子百分比的钽、10到40原子百分比的铝和5到30原子百分比的氮。

Description

具有高阻加热膜的微流体喷射装置
技术领域
本发明涉及微流体(micro-fluid)喷射装置，尤其涉及包含高阻加热膜的喷射装置的喷头。
背景技术
作为激光打印机的经济替代品，诸如喷墨打印机的微流体喷射装置持续为人们广泛接受。微流体喷射装置在其它领域，如医疗、化学及机械等领域也被发现有广泛的应用。随着微流体喷射装置的性能不断提高以提供更高的喷射速度，作为微流体装置的主要部件的喷头也不断改进并变得更加复杂。随着喷头复杂性的提高，制造喷头的成本也不断增加。尽管如此，对于具有增强性能，包括提高的质量和更高吞吐量的微流体喷射装置的需求也一直存在着。打印质量和价格等竞争压力促进了对生产性能更高、更经济的喷头的持续需求。
发明内容
考虑到上述及其它目的和优势，这里提供了一种用于微流体喷头的半导体衬底。该衬底包含多个置于该衬底上的流体喷射执行器(actuator)。每个流体喷射执行器包含薄加热元件栈，该薄加热元件栈包含薄膜加热元件以及一个或多个与该加热元件相邻的保护层。该薄膜加热元件由具有纳晶结构的氮化钽铝薄膜材料制成，该材料主要由AlN、TaN和TaAl合金组成，并且具有范围约为每平方30到100欧姆的电阻。该薄膜材料包含约30到70原子百分比的钽，约10到40原子百分比的铝以及约5到30原子百分比的氮。
在另一个实施例中，提供了一种制造用于微流体喷射装置的流体喷头的方法。该方法包含：提供半导体衬底；以及在该衬底上淀积薄膜电阻层以提供多个薄膜加热元件的步骤。该薄膜电阻层为氮化钽铝薄膜材料，具有AlN、TaN和TaAl合金的纳晶结构，并且具有范围约为每平方30到100欧姆的薄膜电阻。该电阻层包含约30到70原子百分比的钽、约10到40原子百分比的铝以及约5到30原子百分比的氮。导电层被淀积到该薄膜加热元件上，并被蚀刻以定义到该薄膜加热元件的阳极和阴极连接。选自钝化层、介电层、粘着层和气蚀(cavitation)层中的一个或多个层被淀积到所述薄膜加热元件和导电层上。喷嘴片被附着到所述半导体衬底上以提供所述流体喷头。
在另一个实施例中，提供了一种制造薄膜电阻的方法。该方法包括：提供半导体衬底，以及将该衬底加热到范围从高于大约室温到大约350℃的温度。包含约50到60原子百分比的钽和约40到50原子百分比的铝的钽铝合金靶材被反应溅射到衬底上。在该溅射步骤期间，提供氮气流和氩气流，其中氮气和氩气流速比范围约为0.1∶1到0.4∶1。当淀积到衬底上的薄膜电阻的厚度范围约为300到3000埃时，终止该溅射步骤。所述薄膜电阻为TaAlN合金，包含约30到70原子百分比的钽、10到40原子百分比的铝以及5到30原子百分比的氮，并且相对于衬底具有基本均匀的薄膜电阻。
本发明某些实施例的一个优势包括提供一种改进的具有热喷射加热元件的微流体喷头，该加热元件需要更低的操作电流并能够在更高频率下操作，同时在该加热元件的生命周期中保持相对恒定的阻抗。该喷射加热元件还可以有更高的阻抗，使得电阻可以被更小的驱动晶体管驱动，因此潜在地减小了用于驱动该加热元件的有源器件(activedevice)所需的衬底面积。用于驱动加热元件的有源器件所需面积的减小使得能够使用更小的衬底，因此潜在地降低了该装置的成本。此处描述的制造薄膜加热元件的生产方法的一个优势包括：薄膜加热元件在其淀积的衬底表面上具有基本均匀的薄膜电阻。
附图说明
当与下面本发明的一个或多个非限定性的方面的图解说明一同考虑时，通过参考示范实施例的详细描述，本发明的更多优势将变得明显，其中，贯穿如下几个图，相同的参考字符指明相同或相似的元件：
图1是依照本发明的一个实施例的微流体喷射装置盒，其包含微流体喷头，此图不按比例；
图2是依照本发明的一个实施例的喷墨打印机以及包含微流体喷头的墨盒的透视图；
图3是依照本发明的一个实施例的微流体喷头的一部分的横断面视图，此图不按比例；
图4是依照本发明的一个实施例的微流体喷头在衬底上的典型布局的平面图，此图不按比例；
图5是依照本发明的一个实施例的微流体喷头的加热元件栈区域的横断面视图；以及
图6是依照本发明的一个实施例的微流体喷头的有效面积的一部分的平面图，此图不按比例。
具体实施方式
参考图1，示出了用于微流体喷射装置的流体盒10。该流体盒10包括盒体12，用于向流体喷头14供应流体。该流体可以包含在盒体12的存储区域中或者从盒体的远程源供应。
流体喷头14包含半导体衬底16和包含喷嘴孔20的喷嘴片18。在本发明的一个实例中，优选地，所述盒可拆卸地安装到诸如喷墨打印机22(见图2)的微流体喷射装置上。相应地，在柔性电路26上提供电触点24用于与微流体喷射装置的电连接。该柔性电路26包含电线28，连接到流体喷头14的衬底16。
图3示出了所述流体喷头14的一部分的放大横断面视图，此图不按比例。在一个实施例中，该流体喷头14最好包含热加热元件30作为流体喷射执行器，用于加热在衬底16和喷嘴孔20之间的喷嘴片18中形成的流体室32中的流体。该热加热元件30为薄膜加热电阻，在一个示范实施例中，由钽、铝和氮的合金构成，下文将作详细描述。
流体通过衬底16上的开口或槽34，并且通过连接槽34和流体室32的流体通道36提供到流体室32。喷嘴片18可以通过粘着层38粘着到衬底16上。如图3的描述，可以在喷嘴片18中形成包括流体室32和流体通道36的流体特征(flow feature)。然而，可以在单独的厚膜层中提供该流体特征，只包含喷嘴孔的喷嘴片被附着到此厚膜层。在一个示范实施例中，流体喷头14是热或压电喷墨打印头。然而，本发明并不局限于喷墨打印头，因为除油墨外，依照本发明的微流体喷射装置也可以喷射其它流体。
再次参看图2，所述流体喷射装置可以是喷墨打印机22。打印机22包含支架40，用于安放一个或多个盒10，使盒10在诸如纸张的介质42上移动，将流体从盒10淀积到介质42上。如上所述，盒上的触点24与支架40上的触点配对，以提供打印机22和盒10之间的电连接。打印机22上的微控制器控制支架40在介质42上的移动，并且转换来自诸如计算机的外部设备的模拟和/或数字输入以控制打印机22的操作。由流体喷头14上的逻辑电路协同打印机22中的控制器来控制从流体喷头14喷出流体。
图4示出了流体喷头14的平面图，此图不按比例。流体喷头14包含半导体衬底16和附着在衬底16上的喷嘴片18。图中示出了半导体衬底16的装置区域布局，给出了逻辑电路44、驱动晶体管46以及加热电阻30的示范位置。如图4所示，衬底16包含单个槽34，用于将流体诸如墨提供到置于槽34两侧的加热电阻30。然而，本发明并不局限于具有单个槽34的衬底16或诸如置于槽34两侧的加热电阻30的流体喷射执行器。例如，依照本发明的其它衬底可以包括多个槽，流体喷射执行器置于其一侧或两侧。衬底还可以不包括槽34，为此流体从衬底16的边缘流向执行器。衬底16还可以包含多个开口，每个开口对应于一个或多个执行器装置，而非单个槽34。用防墨材料如聚酰亚胺制成的喷嘴片18附着在衬底16上。
图5是有效面积(active area)48的平面图，详细示出了驱动晶体管46所需的衬底16的有效面积48。此图代表典型的加热元件阵列和有效面积48的一部分。提供接地总线50和电源总线52以便向有效面积48中的器件和加热电阻30供电。
为了减小微流体喷头14所需的衬底16的尺寸，减小用W标识的驱动晶体管46有效面积宽度。在一个示范实施例中，衬底16的有效面积48的宽度尺寸W的范围约为100微米到400微米，总长度尺寸D的范围约为6,300微米到26,000微米。以范围约为10微米到84微米的间距P来提供驱动晶体管46。
在一个示范实施例中，半导体衬底16上的单个驱动晶体管46的面积具有范围大约为100到不足400微米的有效面积宽度(W)，以及例如有效面积小于约15,000μm2。通过使用栅极长度和通道长度范围约为0.8到不足3微米的驱动晶体管46，来实现更小的有效面积48。
然而，驱动晶体管46的电阻与其宽度W成比例。使用更小的驱动晶体管46将增加驱动晶体管46的电阻。因此，为了保持加热元件电阻和驱动晶体管电阻之间的恒定比率，可按比例增加加热元件30的电阻。更高电阻加热元件30的好处可以包括加热元件需要更小的驱动电流。结合加热元件30的其它特征，本发明的一个实施例提供了一种具有更高效率的喷头14，以及能够进行更高频率操作的喷头。
有多种方法可以提供更高电阻加热元件30。一种方法是，使用具有更高纵横比的加热元件，即，使用长度远大于宽度的加热元件。然而，这样的高纵横比设计趋向于收集流体室32中的空气。另一种提供高电阻加热元件30的方法是，提供由具有更高薄膜电阻的薄膜制成的加热元件。TaN就是这样一种材料。然而，相对薄的TaN具有不适当的铝阻挡特性，从而使得它与其它材料相比，较不适合用在微流体喷射装置中。当电阻层被扩展并淀积到相邻晶体管器件的接触区域中时，铝阻挡特性会尤其重要。在接触区域中如果没有保护层，如TiW，薄膜TaN不足以防止作为接触金属淀积的铝和下面的硅衬底之间的扩散。
依照本发明的一个实施例的示范加热元件是由钽、铝和氮的合金制成的薄膜加热元件30。与上面描述的薄膜TaN加热元件形成对比，依照本发明的此实施例制成的薄膜加热元件30还能够在相邻晶体管接触区域中提供适当的阻挡层，而无需在铝接触点和硅衬底之间使用中间阻挡层，同时提供更高电阻的加热元件30。
可以通过在氮气和氩气存在时，将钽/铝合金靶溅射到衬底16上来提供薄膜加热元件30。在一个实施例中，钽/铝合金靶最好具有范围大约为50到60原子百分比的钽和大约40到50原子百分比的铝的成分。在一个示范实施例中，所得到的薄膜加热元件30最好具有范围大约为30到70原子百分比的钽、更好的具有范围大约为50到60原子百分比的钽，大约为10到40原子百分比的铝、更好的大约为20到30原子百分比的铝，大约为5到30原子百分比的氮、更好大约为10到20原子百分比的氮的成分。依照一个示范实施例，薄膜加热元件30的体电阻系数的较佳范围大约为300到1000微欧姆-厘米。
为了制造具有上述特性的TaAlN加热元件30，需要适当的溅射条件。例如，在一个实施例中，在溅射步骤期间，衬底16可以被加热超过室温，最好大约为100℃到350℃。同样，氮气和氩气的流速比、溅射功率以及气压最好在相对较窄的范围内。在一个示范过程中，氮气与氩气的流速比范围约为0.1∶1到0.4∶1，溅射功率范围约为每平方米40到200千瓦，气压范围约为1到25微米汞柱。依照本发明的一个实施例，下表给出了提供TaAlN加热元件30的适当的溅射条件。
  序号     总流量(sccm)     N2流量(sccm)     Ar流量(sccm)     N2/Ar比率    功率(KW/m2)   压力(微米汞柱) 衬底温度(℃)   淀积速度(/min)
  1     150     35     115     0.30    92   8.5   200   -
  2     150     25     125     0.20    92   11.0   200   4937.4
  3     140     25     115     0.22    92   3.0   300   5523.0
  4     125     30     95     0.30    92   11.0   200   -
5 100 10 90 0.11 42 2.0 300 2415.6
  6     100     25     75     0.33    141   2.0   300   7440.0
  7     100     25     75     0.33    141   20.0   100  8007.6
  8     125     20     105     0.19    141   11.0   200   7323.6
  9     125     20     105     0.19    92   3.0   200   4999.8
  10     150     25     125     0.20    92   11.0   200   -
  11     125     30     95     0.32    92   11.0   200   5144.4
依照上述过程制成的加热元件30在衬底16的表面区域上展示出相对均匀的薄膜电阻，范围约为每平方10到100欧姆。薄膜加热元件30的薄膜电阻在整个衬底表面上具有小于2个百分点的标准偏差，更好的小于1.5个百分点。如此均匀的电阻系数显著地提高了包含加热元件30的喷头14的质量。依照上述过程制成的加热元件30可以忍受高达800℃的高温压力，而电阻的变化小于5个百分点。依照本发明的此实施例制成的加热元件30还可以忍受高电流压力。同样，与在Yamazaki等人的美国专利笫4,042,479中描述的通过向室温下的衬底溅射大量氮和铝靶制成的TaAlN电阻不同，依照本发明的此实施例制成的薄膜加热元件30特征在于，具有充分的单晶结构，主要包含AlN、TaN以及TaAl合金。通过使用TaAlN作为加热电阻30的材料，提供加热电阻30的层可以被扩展，以便向相邻晶体管器件提供触点的金属阻挡层，还可以被用作衬底16上的保险丝材料用于存储装置和其它应用。
图6对喷头14的一部分进行了详细说明，图中示出了包含依照上述过程制成的加热元件30的示范加热元件栈54。该加热元件栈54提供在绝缘的衬底16上。第一层56是依照上述过程，由淀积在衬底16上的TaAlN制成的薄膜电阻层。
在淀积所述薄膜电阻层56之后，在所述薄膜电阻层56上淀积由诸如金、铝、铜等的导电金属制成的导电层58。导电层58的厚度可以是本领域技术人员所知的任何适当的厚度，但是，在一个示范实施例中，厚度范围最好约为0.4到0.6微米。淀积导电层58之后，导电层被蚀刻以提供至电阻层56的阳极58A和阴极58B触点，以及定义阳极58A和阴极58B之间的加热电阻30。
随后钝化层或介电层60可以被淀积到加热电阻30以及阳极58A和阴极58B上。介电层60的材料可能选自类金刚石碳(diamond likecarbon)、掺杂的类金刚石碳、二氧化硅、氧氮化硅、氮化硅、金刚砂以及氮化硅和金刚砂的化合物。在一个示范实施例中，尤其优选的介电层60是类金刚石碳，厚度范围约为1000到8000埃。
当类金刚石碳材料被用作层60时，粘着层62可以被淀积到层60上。粘着层62的材料可能选自氮化硅、氮化钽、氮化钛、氧化钽及类似材料。在一个示范的实施例中，粘着层的较佳厚度范围约为300到600埃。
淀积粘着层62之后，在使用类金刚石碳作为层60的情况下，气蚀层(cavitation layer)64可以被淀积并被蚀刻以覆盖加热电阻30。一个示范的气蚀层64由钽制成，厚度范围约为1000到6000埃。
期望将钝化或介电层60、粘着层62和气蚀层64保持尽可能薄，仍为加热电阻30提供适当的保护，使其免受所喷出流体的腐蚀和机械损害的影响。较薄的层60、62和64可以减小加热元件栈54的整体厚度尺寸，同时降低功率需求，提高加热电阻30的效率。
一旦淀积气蚀层64，该层64和下面的层60和62将形成图案并被蚀刻以对加热电阻30提供保护。随后可以在元件栈54及衬底的其它表面上淀积由二氧化硅制成的第二介电层，以提供随后淀积到衬底上用于与加热元件驱动器和其它器件的连接的随后各金属层之间的绝缘。
从前面的描述及所附图，如所预期的，对于本领域技术人员也将是显而易见的，本发明的实施例可能被修改。相应地，特别申明前面的描述和所附图仅是对示范实施例的说明，此外没有限制，本发明的精髓和范围可通过参考所附之权利要求书决定。

Claims (23)

1.一种用于微流体喷头的半导体衬底，该衬底包含多个置于该衬底上的流体喷射执行器，每个流体喷射执行器包括薄膜加热元件栈，该薄膜加热元件栈包含薄膜加热元件和一个或多个与该加热元件相邻的保护层，其中，所述薄膜加热元件由具有纳晶结构的氮化钽铝薄膜材料构成，该材料主要由AlN、TaN和TaAl合金组成，该薄膜材料具有范围约为每平方30到100欧姆的薄膜电阻，并且包含约30到70原子百分比的钽、约10到40原子百分比的铝和约5到30原子百分比的氮。
2.根据权利要求1所述的半导体衬底，其中，所述薄膜加热元件包含薄膜层，该薄膜层是由在含氮气体中将钽-铝合金靶反应溅射到被加热到约100℃到350℃温度范围的衬底上的工艺制造的。
3.根据权利要求2所述的半导体衬底，其中，至少一个所述保护层包含类金刚石碳材料。
4.根据权利要求3所述的半导体衬底，其中，所述类金刚石碳层的厚度范围约为1000到8000埃。
5.根据权利要求2所述的半导体衬底，其中，所述薄膜加热元件的厚度范围约为300到3000埃。
6.根据权利要求3所述的半导体衬底，还包含作为墨水接触表面的气蚀层，其中，该气蚀层的厚度范围约为1000到6000埃。
7.根据权利要求6所述的半导体衬底，还包含置于所述气蚀层和类金刚石碳层之间的粘着层，该粘着层厚度范围约为400到600埃。
8.根据权利要求7所述的半导体衬底，其中，所述粘着层由选自氮化硅和氮化钽的材料组成。
9.根据权利要求1所述的半导体衬底，还包含多个驱动晶体管，用于驱动多个流体喷射执行器，所述驱动晶体管的有效面积的宽度范围约为100到不足400微米。
10.一种包含权利要求1所述的半导体衬底的喷墨打印机。
11.根据权利要求10所述的喷墨打印机，其中，所述微流体喷头包含高密度的薄膜加热元件，该密度范围约为每平方毫米6到20个薄膜加热元件。
12.一种制造用于微流体喷射装置的流体喷头的方法，该方法包括以下步骤：
提供半导体衬底；
将薄膜电阻层淀积到该衬底上以提供多个薄膜加热元件，该薄膜电阻层包含具有纳晶结构的氮化钽铝薄膜材料，该材料主要包含AIN、TaN以及TaAl合金，具有范围约为每平方30到100欧姆的薄膜电阻，并且包含约30到70原子百分比的钽、约10到40原子百分比的铝以及约5到30原子百分比的氮；
将导电层淀积到所述薄膜加热元件上；
蚀刻所述导电层以定义至所述薄膜加热元件的阳极和阴极连接；
将选自钝化层、介电层、粘着层以及气蚀层的一个或多个层淀积到所述薄膜加热元件和导电层上；以及
将喷嘴片附着到所述半导体衬底上。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，还包含在将薄膜电阻层淀积到衬底上的同时，将半导体衬底加热到范围大约为100℃到350℃的温度。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，通过在含氮气体中将钽-铝合金靶溅射到衬底上来淀积所述薄膜电阻层。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，通过在含氮气体中将钽-铝合金靶溅射到衬底上来淀积所述薄膜电阻层。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，淀积到所述薄膜加热元件和导电层上的至少一个保护层包含类金刚石碳材料。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述类金刚石碳层的厚度范围约为1000到8000埃。
18.根据权利要求12的方法，其中，所述薄膜电阻层的厚度范围约为300到3000埃。
19.根据权利要求12的方法，至少一个所述保护层包含厚度范围约为1000到6000埃的气蚀层。
20.一种用于制造薄膜电阻的方法，包含以下步骤：
提供半导体衬底；
将该衬底加热到范围约为室温到350℃的温度；
将包含约50到60原子百分比的钽、40到50原子百分比的铝的钽铝合金靶反应溅射到所述衬底上；
在溅射步骤期间提供氮气流和氩气流，其中氮气和氩气流速比范围约为0.1∶1到0.4∶1；
当淀积到所述衬底上的薄膜电阻的厚度范围约为300到3000埃时，终止所述溅射步骤；
其中，所述薄膜电阻包含TaAIN合金，该合金包含约30到70原子百分比的钽、约10到40原子百分比的铝以及约5到30原子百分比的氮，并且所述电阻相对于衬底具有基本均匀的薄膜电阻。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，通过范围约为每平方米40到200千瓦的功率来进行所述溅射步骤。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，在范围约为1到25微米汞柱的压力下进行所述溅射步骤。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述衬底的温度范围约为100到300℃。
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