TWI460081B - 具有鈦鋁合金加熱器的噴墨列印頭 - Google Patents

Description

具有鈦鋁合金加熱器的噴墨列印頭

本發明有關微機電系統(MEMS)裝置，且特別有關蒸發液體以於操作期間產生蒸氣氣泡之MEMS裝置。

一些微機電系統(MEMS)裝置處理、或使用液體以操作。於這些裝盛液體裝置的一分類中，電阻加熱器被用於將該液體加熱至該液體之過熱限制，導致一迅速膨脹之蒸氣氣泡的形成。藉由該氣泡膨脹所提供之衝量能被用作一用於運動液體經過該裝置之機構。事實上於熱噴墨列印頭中，在此每一噴嘴具有產生一氣泡之加熱器，以排出一滴墨至該列印媒體上。以噴墨印表機之普及使用的觀點，本發明將特別參考其在此應用中之使用被敘述。然而，應了解本發明係不限於噴墨列印頭，且同樣地適合用於其他裝置，其中藉由電阻加熱器所形成之蒸氣氣泡被用於運動液體經過該裝置(例如一些'實驗室晶片'裝置)。

噴墨列印頭中之電阻加熱器在一非常嚴苛之環境中操作。它們必需快速連續地加熱及冷卻，以於該排出液體中形成氣泡-通常一水可溶解之墨水，具有攝氏300度之過熱限制。在循環應力的這些條件之下，於存在有熱墨水、水蒸氣、溶解氧及盡可能其他腐蝕種類中，該等加熱器將增加電阻，且最後經由氧化及疲勞之結合通往開路，藉由腐蝕該加熱器或其保護氧化物層之機構(化學腐蝕與空洞腐蝕)所加速。

為在該加熱器材料上保護頂抗氧化、腐蝕及空洞之效應，噴墨製造商使用堆疊之保護層，典型由Si₃ N₄ 、SiC及鉭所製成。於某些先前技藝裝置中，該等保護層係相當厚的。譬如，發給安徒生等人之美國專利第6,786,575號(指定給Lexmark公司)對於~0.1微米厚之加熱器具有0.7微米之保護層。

為於該氣泡形成液體中形成一蒸氣氣泡，與該氣泡形成液體接觸的保護層之表面必需被加熱至該液體之過熱限制(對於水~攝氏300度)。這需要該等保護層之總厚度被加熱至(或於某些案例中超過)該液體之過熱限制。在發射之後，加熱此額外之體積減少該裝置之效率及顯著地增加餘熱之程度。如果此額外之加熱不能於該噴嘴的連續發射之間被移去，該等噴嘴中之墨水將持續地沸騰，造成該等噴嘴以該意欲之方式中止排出液滴。

在該市場上之列印頭的主要冷卻機構目前係熱傳導，使現存列印頭提供一大散熱片，以消散由該列印頭晶片所吸附之熱。此散熱片冷卻該等噴嘴中之液體的能力被該等噴嘴及該散熱片間之熱阻所限制，且被藉由該等發射噴嘴所產生之熱通量所限制。因加熱一經塗附之加熱器的保護層所需之額外的能量促成一增加之熱通量，更嚴苛之限制被強加在該列印頭上之噴嘴的密度及該噴嘴發射比率上。這依序在該列印解析度、該列印頭尺寸、該列印速率、及該等製造成本上具有一衝擊。

據此，本發明提供一用於將液滴排出至媒體基板上之噴墨列印頭，該噴墨列印頭包括：一室，用於裝盛液體；一噴嘴，其與該室流體相通；一加熱器，其被定位在該室中，用於與該液體熱接觸，使得該加熱器之電阻加熱產生一蒸氣氣泡，該蒸氣氣泡經過該噴嘴排出一液滴；其中該加熱器係由TiAlX合金所形成，在此Ti(鈦)貢獻超過40重量百分比，Al(鋁)貢獻超過40重量百分比，及X貢獻少於5重量百分比，且包括銀、鉻、鉬、鈮、矽、鉭及鎢之零或多個。

鈦鋁(TiAl)合金呈現優異之強度、低潛變及重量輕；已看見這些合金寬廣地使用於該航空及汽車工業之性質。然而，該申請人之作品已顯示該TiAl亦很適合用作噴墨列印頭中之加熱器材料。該合金能提供表面氧化物，其係佔主導地位地Al₂ O₃ 之均勻、薄及密集的塗層，其具有很低之氧擴散率。據此，該固有(亦即天然形成)的氧化物層使該加熱器不易起化學變化，以防範氧化的故障，同時保持足夠薄，而不會熱隔絕該加熱器與該墨水。這保有墨滴之低能量射出，這對於大(頁寬)、高密度噴嘴陣列係需要的，而不會妥協該加熱器之操作壽命。

能以添加元素X獲得抗氧化性中之進一步改良，該元素已被發現增強鋁之擴散率，藉此助長Al₂ O₃ 之形成，同時抑制TiO₂ 之形成。TiO₂ 具有比Al₂ O₃ 遠較高之氧擴散率，故相對於Al₂ O₃ 抑制其之形成提供改善之抗氧化性。

選擇性地，X係鎢，或X包括貢獻1.7及4.5重量百分比之間的鎢。

選擇性地，鈦貢獻超過48重量百分比，鋁貢獻超過48重量百分比，且X係0重量百分比。

選擇性地，該加熱器之鈦鋁成份具有一伽瑪相結構。

選擇性地，該加熱器具有一微結構，該微結構設有少於100奈米之粒徑。

選擇性地，於使用期間，該TiAlX合金形成直接地接觸該液體之Al₂ O₃ 表面氧化物。

選擇性地，該TiAlX合金被沈積成為一少於2微米厚之層。較佳地是，該層係少於0.5微米厚。

選擇性地，該加熱器另包括一保護塗層，該保護塗層具有少於0.5微米之總厚度。選擇性地，該保護塗層係一單層之材料。選擇性地，該保護塗層係至少局部由矽氧化物、氮化物或碳化物所形成。

於第二態樣中，本發明提供一用於產生氣泡之MEMS裝置，該MEMS裝置包括：一室，用於裝盛液體；一加熱器，其被定位在該室中，用於與該液體熱接觸；其中該加熱器具有一少於100奈米粒徑之微結構，且被組構成由相關驅動電路系統接收一作動信號，使得當作動時，該加熱器將部份該液體加熱至一高於其沸點之溫度，以便產生蒸氣氣泡，該蒸氣氣泡經過該液體造成壓力脈波。

少於100奈米之粒徑(“奈米晶”微結構)係有益的，其中其提供良好之材料強度又具有高密度之晶粒邊界。比較於一具有遠較大之晶體及較低密度之晶粒邊界的材料，該奈米晶結構對於該保護鱗膜(scale)形成元素鉻及鋁提供較高之擴散率(該鱗膜之更迅速形成)、與在該加熱器表面上方之鱗膜的更均勻生長，故該保護被更迅速地及更有效地提供。該等保護鱗膜較佳地附著至該奈米晶結構，這導致減少之剝落。使用來自包括釔、鑭及其他稀士族元素之群組的反應金屬之添加劑，該機械穩定性及該鱗膜的黏著中之進一步改良係可能的。

一使該加熱器不易起化學變化的氧化物鱗膜之主要優點係其移去用於額外之保護塗層的需要。這改善效率，因沒有能量浪費於加熱該等塗層。其結果是，以一特別衝量形成氣泡所需之輸入能量係減少，降低該列印頭中之餘熱的程度。大多數該餘熱能夠經由該等排出墨滴被移去，即一已知為“自行冷卻”之操作模式。此操作模式之主要優點係該設計不依靠傳導冷卻，故一散熱片不需要的，且藉由傳導冷卻所強加之噴嘴密度及發射比率限制被移去，允許增加列印解析度及速率與減少列印頭尺寸及成本。

選擇性地，該室具有一噴嘴開口，使得該壓力脈動經過該噴嘴開口排出一液滴。

選擇性地，該室具有一用於與液體供給源流體相通之入口，使得來自該供給源之液體流入該室，以替換經過該噴嘴開口所排出之液滴。

選擇性地，該加熱器被一超合金所沈積，該超合金被濺鍍製程所沈積。

選擇性地，該加熱器元件被沈積為一層少於2微米厚之加熱器元件。

選擇性地，該超合金選擇性地具有一於2重量百分比及35重量百分比間之鉻含量。

選擇性地，該超合金具有一於0.1重量百分比及8.0重量百分比間之鋁含量。

選擇性地，該超合金具有一在1重量百分比及17.0重量百分比間之鉬含量。

選擇性地，該超合金具有一總數在0.25重量百分比及8.0重量百分比間之鈮及/或鉭含量。

選擇性地，該超合金具有一在0.1重量百分比及5.0重量百分比間之鈦含量。

選擇性地，該超合金具有高達5重量百分比之反應金屬，該反應金屬來自包括釔、鑭及其他稀士族元素之群組。

選擇性地，該超合金具有一高達60重量百分比之鐵含量。

選擇性地，該超合金具有一在25重量百分比及70重量百分比間之鎳含量。

選擇性地，該超合金具有一在35重量百分比及65重量百分比間之鈷含量。

選擇性地，該超合金係MCrAlX，在此M係鎳、鈷、鐵之一或多個，使M貢獻至少50重量百分比，鉻貢獻於8重量百分比及35重量百分比之間，鋁貢獻超過零但少於8重量百分比，且X貢獻少於25重量百分比，使X包括其他元素之零或更多個，較佳地是包括、但沒有限於鉬、錸、釕、鈦、鉭、釩、鎢、鈮、鋯、硼、碳、矽、釔、鉿。

選擇性地，該超合金隨同諸添加劑包括鎳、鐵、鉻及鋁，該等添加劑包括零或更多其他元素，較佳地是包括、但不限於鉬、錸、釕、鈦、鉭、釩、鎢、鈮、鋯、硼、碳、矽、釔、或鉿。

選擇性地，該超合金被選自：INCONEL^TM 合金600、合金601、合金617、合金625、合金625LCF、合金690、合金693、合金718、合金783、合金X-750、合金725、合金751、合金MA754、合金MA758、合金925、或合金HX；INCOLOY^TM 合金330、合金800、合金800H、合金800HT、合金MA956、合金A-286、或合金DS；NIMONIC^TM 合金75、合金80A、或合金90；合金B、合金C、合金F、合金S、或合金35；或合金或合金。

於隨後之敘述中，對應參考數字、或參考數字之對應首標(亦即該等參考數字之部份顯現在點標記之前)，其被使用於有關對應零件之不同圖示中。在此對於該等參考數字有對應之首標及不同之下標，這些指示對應零件之不同的特定具體實施例。

本發明之概觀及操作之概觀

參考圖1至4，根據本發明之具體實施例的列印頭之單格1包括一在其中具有噴嘴3之噴嘴板2，該等噴嘴具有噴嘴邊緣4、及延伸經過該噴嘴板之孔口5。該噴嘴板2係由一氮化矽結構電漿蝕刻式，該氮化矽結構經由化學氣相沈積(CVD)沈積在一隨後被蝕刻之犧牲材料上方。

相對於每一噴嘴3，該列印頭亦包括側壁6，該噴嘴板被支撐在該側壁上；一室7，其藉由該等壁面及該噴嘴板2所界定；多層基板8；及一入口通道9，其延伸經過該多層基板至該基板之遠側(未示出)。一成圈的、修長加熱器元件10係懸浮在該室7內，以致該元件係呈懸浮樑之形式。如所示之列印頭係一微機電系統(MEMS)結構，其被一在下面更詳細地敘述之微影製程所形成。

當該列印頭係於使用中時，墨水11經由該入口通道9從一儲槽(未示出)進入該室7，以致該室充滿至如圖1所示之程度。此後，該加熱器元件10被加熱達稍微少於1微秒(μs)，以致該加熱係呈熱脈衝之形式。將了解該加熱器元件10係與該室7中之墨水11熱接觸，以致當該元件被加熱時，這造成該墨水中之蒸氣氣泡12的產生。據此，該墨水11構成一氣泡形成液體。圖1顯示大約在產生該熱脈衝之後1微秒的氣泡12之形成，亦即，當該氣泡剛好在該加熱器元件10上有核時。應了解該因該加熱係在一脈衝之形式中被施加，所有需要產生該氣泡12之能量將在該短時間內被供給。

短暫地翻至圖35，顯示有在一微影製程期間，用於形成該列印頭(該加熱器包括上面所提及之元件10)的一加熱器14(如圖34中所示)之遮罩13，如在下面更詳細地敘述者。因該遮罩13被用於形成該加熱器14，數個其零件之形狀對應於該元件10之形狀。該遮罩13因此提供一有用之參考，以藉此認知該加熱器14之各種零件。該加熱器14具有對應於該遮罩13之標以15.34的零件之電極15，及一對應於該遮罩之標以10.34的零件之加熱器元件10。於操作中，電壓被施加越過該等電極15，以造成電流流經該元件10。該等電極15係比該元件10遠較厚，以致大部份該電阻被該元件所提供。如此，於建立上面所提及之熱脈衝中，幾乎所有於操作該加熱器14中所消耗之電力係經由該元件10消散。

當該元件10係如上面所述加熱時，該氣泡12沿著該元件之長度形成，於圖1之橫截面視圖中，此氣泡顯現為四氣泡部份，一氣泡部份用於橫截面中所顯示之元件部份的每一個。

一旦產生，該氣泡12造成該室7內壓力中之增加，其依序造成該墨水11之墨滴16經過該噴嘴3的射出。當該墨滴被排出時，該邊緣4輔助引導該墨滴16，以便使墨滴方向指錯之機會減至最小。

在加熱該元件10及形成一氣泡12時，每個入口通道9僅只有一噴嘴3及室7之理由係致使該室內所產生之壓力波不會影響鄰接之室及其對應之噴嘴。然而，其係可能將墨水經由單一入口通道餵入至數室，只要壓力脈動擴散結構被定位於諸室之間。為著將串音減少至可接收程度之目的，圖37至70所示具體實施例併入這些結構。

在下面討論懸浮式而非嵌入於任何固體材料中之加熱器元件10的優點。然而，亦有將該加熱器元件接合至該室之內部表面的優點。這些參考圖6至9被討論在下面。

圖2及3在該列印頭之操作的二連續稍後階段顯示該單格1。其能被看出該氣泡12進一步產生，且因此生長，使墨水11結果推進經過該噴嘴3。該氣泡12之形狀當其生長時，如圖3所示，係藉由該慣性之動力學及該墨水11的表面張力之結合所決定。該表面張力傾向於使該氣泡12之面積減至最小，以致在達到液體之某一數量已蒸發之前，該氣泡本質上係碟形的。

該室7內的壓力中之增加不只將墨水11推出經過該噴嘴3，同時也將一些墨水推回經過該入口通道9。然而，該入口通道9之長度係大約200至300微米，且僅只係大約16微米之直徑。因此有一實質之限制回流的慣性及黏性拉力。其結果是，該室7中之壓力上昇的主要效果係強迫墨水出去經過該噴嘴3，當作一排出墨滴16，而非退回經過該入口通道9。

現在翻至圖4，該列印頭被顯示在操作之又進一步連續的階段，其中被排出之墨滴16係顯示於其在該墨滴中斷之前的“頸縮相位”。在此階段，該氣泡12已經抵達其最大尺寸，且接著已開始崩潰朝向崩潰點17，如於圖5中所更詳細地反映者。

該氣泡12朝向崩潰點17之崩潰造成一些墨水11將由該噴嘴3內抽出(由該墨滴之側面18)，且一些墨水將由該入口通道9抽出朝向該崩潰點。以此方式抽出之大部份墨水11係自該噴嘴3抽出，於其打斷之前在該墨滴16之基底形成一環狀頸部19。

該墨滴16需要某一數量之衝力，以克服表面張力，以便打斷。因墨水11係自該噴嘴3藉由該氣泡12之崩潰抽出，該頸部19之直徑減少，藉此減少固持該墨滴之總表面張力的數量，以致當該墨滴被排出該噴嘴時，該墨滴之衝力係充分的，以允許該墨滴打斷。

當該墨滴16打斷時，因藉由該等箭頭20所反射而造成空洞力，因該氣泡12崩潰至崩潰點17。應注意的是於崩潰點17之附近沒有固體表面，該空洞作用能在該表面上具有一效果。

用於懸浮式加熱器元件具體實施例之製造製程。

現在參考圖10至33敘述根據本發明之具體實施例的一列印頭之製造製程的有關零件。

參考圖10，在此顯示一經過矽基板部份21之橫截面圖，該矽基板部份係Memjet^TM 列印頭在其生產製程中之一中介階段的一部份。此圖面有關該列印頭對應於一單格1之部份。隨後的製造製程之敘述將關於一單格1，雖然應了解該製程將被應用至該整個列印頭所構成之複數鄰接單格。

圖10代表該下一連續之步驟，於該製造製程期間，在一標準CMOS製造製程的完成之後，包括於該基板部份21中之區域22中的CMOS驅動器電晶體(未示出)之製造、及標準CMOS互連層23及鈍化層24之完成。藉由該虛線25所指示之線路電互連該等電晶體及其他驅動器電路系統(亦未示出)及對應於該噴嘴之加熱器元件。

防護環26係形成在該互連層23之金屬導體化中，以防止墨水11由標以27之區域擴散，在此該單格1之噴嘴將經過該基板部份21被形成至包括該線路25之區域，且腐蝕設置在標以22的區域中之CMOS電路系統。

在完成該CMOS製造製程之後，該第一階段包括蝕刻該鈍化層24的一部份，以形成該等鈍化壁凹29。

圖12顯示在蝕刻該互連層23之後的生產階段，以形成一開口30。該開口30將構成至該室之墨水入口通道，其將稍後在該製程中形成。

圖14顯示於該噴嘴3將被形成之位置在蝕刻該基板部份21中之孔洞31之後的生產階段。稍後於該生產製程中，另一孔洞(藉由該虛線32所指示)將被由該基板部份21之另一邊(未示出)所蝕刻，以向上與該孔洞31接合，以完成至該室之入口通道。如此，該孔洞32將不需由該基板部份21之另一邊一直蝕刻至該互連層23之位準。

代替之，如果該孔洞32將被一直蝕刻至該互連層23，然後避免該孔洞32被蝕刻，以便摧毀該區域22中之電晶體，該孔洞32將必須被蝕刻遠離該區域達一較大距離，以便具有一用於蝕刻不精確之合適邊際(藉由該箭頭32所指示)。但該孔洞31由該基板部份21之頂部的蝕刻、及該孔洞32之結果的縮短深度意指一較少之邊際34需要被留下，且如此能達成噴嘴之大體上較高的封裝密度。

圖15顯示在一犧牲抗蝕劑之四微米厚層35已沈積在該層24上之後的生產階段。此層35充填該孔洞31，且現在形成該列印頭之結構的一部份。該抗蝕劑層35係接著以某些圖案(如藉由圖16中所示之遮罩所代表)被曝光，以形成壁凹36及一凹槽37。這提供用於將稍後將於該生產製程中形成之加熱器元件的電極15用之接點的形成。稍後於該製程中，該凹槽37將提供用於該噴嘴壁面6之形成，該壁面6將界定該室7的一部份。

圖21顯示加熱器材料之0.5微米厚層38沈積在該層35上之後的生產階段，在本具體實施例中，該加熱器材料係鈦鋁氮化物。

圖18顯示在圖案化及蝕刻該加熱器層38之後的生產階段，以形成包括該加熱器元件10及電極15之加熱器14。

圖20顯示在大約1微米厚的另一犧牲抗蝕劑層39已被加入之後的生產階段。

圖22顯示在加熱器材料的第二層40已被沈積之後的生產階段。於一較佳具體實施例中，此層40像該第一加熱器層38係0.5微米厚之鈦鋁氮化物。

圖23接著在加熱器材料已被蝕刻至形成如所示圖案之後，顯示此加熱器材料之第二層40，藉由參考數字41所指示。於此說明中，此圖案化層不會包括一加熱器層元件10，且就此意義而言，沒有加熱器功能。然而，此加熱器材料層確實輔助減少該加熱器14的電極15之電阻，以致在操作中，更少之能量被該等電極所消耗，這允許較大能量被該等加熱器元件10所消耗，且因此該等加熱器元件10具較大有效性。於圖42所說明之雙重加熱器具體實施例中，該對應層40確實包括一加熱器14。

圖25顯示在已沈積犧牲抗蝕劑的第三層42之後的生產階段。此層之最上的位準將構成待稍後形成的噴嘴板2之內部表面。這係亦該噴嘴的射出孔口5之內部範圍。此層42之高度必需充分的，以在該列印頭之操作期間允許用於一氣泡12於標以43的區域中之形成。然而，層42之高度決定該氣泡必需運動以便排出一液滴的墨水之質量。以此觀點，設計本發明之列印頭結構，使得該加熱器元件係比於先前技藝列印頭中遠較接近至該射出孔口。藉由該氣泡所運動的墨水之質量係減少。一充分用於該想要液滴之射出的氣泡之產生將需要更少之能量，藉此改善效率。

圖27顯示在已沈積該頂板層44、亦即將構成該噴嘴板2的層之後的生產階段。代替由100微米厚聚醯亞胺薄膜所形成，該噴嘴板2係由僅只2微米厚之氮化矽所形成。

圖28顯示在形成該層44之氮化矽的化學氣相沈積(CVD)已在局部標以45之位置被蝕刻，以便形成該噴嘴邊緣4的外面部份之後的生產階段，此外面部份被標以4.1。

圖30顯示在氮化矽的CVD已在46被貫穿蝕刻之後的生產階段，以完成該噴嘴邊緣4之形成及形成該射出孔口，與在該CVD氮化矽已在標以47的位置被移除之後，該CVD氮化矽在標以47的位置係不需要的。

圖32顯示在已施加抗蝕劑的一保護層48之後的生產階段。在此階段之後，該基板部份21係接著由其另一側面(未示出)被研磨，以由其大約800微米之額定厚度將該基板部份減少至大約200微米，且接著，如在上面預示者，以蝕刻該孔洞32。該孔洞32被蝕刻至一深度，使得其相合該孔洞31。

然後，抗蝕劑層35、39、42及48之每一個的犧牲抗蝕劑係使用氧電漿被移去，以形成圖34所示之結構，使壁面6及噴嘴板2在一起界定該室7(部份該等壁面及噴嘴板被切開顯示)。其將被應注意的是這亦具有移去充填該孔洞31的抗蝕劑之作用，以致此孔洞、隨同該孔洞32(圖34中未示出)界定一由該基板部份21之下側面延伸至該噴嘴3的通道，此通道用作至該室7之墨水入口通道，大致上標以9。

圖36顯示具有被移去之噴嘴護板及室壁面的列印頭，以清楚地說明該等加熱器元件10及該等電極15之垂直堆疊配置。

接合式加熱器元件具體實施例

於其他具體實施例中，該等加熱器元件被接合至該室之內部壁面，接合該加熱器至該室內之固體表面允許該蝕刻及沈積製造製程將被簡化。然而，加熱傳導至該矽基板可減少該噴嘴之效率，以致其不再'自冷'。因此，於該加熱器被接合至該室內之固體表面的具體實施例中，其係需要採取諸步驟，以由該基板熱隔絕該加熱器。

改善該加熱器及該基板間之熱隔絕的一方法係發現一比二氧化矽具有較佳熱障性質之材料，其係傳統上被使用之熱障層，敘述於美國專利第4,513,298號。該申請人已顯示相關參數，以考慮當選擇該障礙層時，該參數係該熱乘積；(ρCk)^1/2 。喪失進入一固體之底層而與該加熱器接觸的能量係與該底層之熱乘積成比例，可為源自藉由考慮用於熱擴散之長度標度及遍及該長度標度所吸收之熱能的一關係。給與該比例性，其能看出一具有減少之密度及導熱度的熱障層將由該加熱器吸收較少之能量。因熱障層插入下面，本發明之態樣集中焦點於具有減少之密度及導熱度的材料之使用，替換該傳統之二氧化矽層。特別地是，本發明之態樣集中焦點於低k介電質之使用，當作熱障。

低k介電質近來已被用作銅鑲嵌積體電路技術之金屬間介電質。當用作一金屬間介電質時，該減少之密度及於一些案例中，該等低k介電質之孔隙率有助於減少該金屬間介電質之介電常數、該積體電路的金屬線及該RC延遲間之電容。於該銅鑲嵌應用中，該減少之電路的一不想要之後果係不佳之導熱度，其限制來自該晶片之熱流。於該熱障應用中，低導熱度係理想的，因其限制由該加熱器所吸收之能量。

適合用於當作熱障之應用的低k介電質之二範例係施加材料之黑Diamond^TM 及Novellu之Coral^TM ，兩者係CVD沈積之SiOCH薄膜。這些薄膜比SiO₂ 具有較低密度(~1340kgm^-3 對~2200kgm^-3 )及較低之導熱度(~0.4Wm^-1 K^-1 對~1.46Wm^-1 K^-1 )。用於這些材料之熱乘積係如此大約600Jm^-2 K^-1 s^-1/2 ，比較於用在SiO₂ 之1495Jm^-2 K^-1 s^-1/2 、亦即於熱乘積中之百分之60的減少。為計算可源自藉由以這些材料替換SiO₂ 底層之利益，使用該詳細敘述中之方程式3的模型能被用於顯示當使用SiO₂ 底時，使一氣泡成核所需之能量的大約百分之35係藉由熱擴散所喪失進入該底層。該替換之利益係因此為百分之35的百分之60、亦即成核能量中之百分之21的減少。此利益已被該申請人藉由比較使在

1.直接沈積於SiO₂ 上之加熱器及

2.直接沈積於黑Diamond^TM 上之加熱器

上之氣泡成核所需之能量所確認。

該後者對於氣泡成核之開始需要百分之20更少的能量，如藉由在一開放式池沸騰組構中頻閃地觀看該氣泡形成所決定，並使用水當作一測試流體。該開放式池沸騰係運轉達超過十億次作動，而在成核能量或氣泡之降級中不會有任何變化，指示該底層係熱穩定的，直至該水之過熱限制、亦即大約攝氏300度。實際上，此等層可為高達攝氏550度加熱穩定的，如在有關這些當作銅擴散障礙的薄膜之使用的著作中所敘述，(看藉由陳秋志等人在電化學協會期刊第151頁(2004年)之“藉由PECVD從Octamethylcycltetrasiloxane所沈積之非晶質矽一碳氧化物的物理及障礙性質”)。

可藉由將孔隙率導入該介電質提供導熱度、熱乘積及使氣泡成核所需能量中之進一步減少，如已藉由Trikon技術公司以其ORION^TM 2.2多小孔SiOCH薄膜所做成，該薄膜具有~1040kgm^-3 之密度及~0.16Wm^-1 K^-1 之導熱度(看IST 2000 30043，“熱模型化上之最後報告”，來自該IST專案計劃“用於鑲嵌銅互連方案之超低K介電質”)。以~334Jm^-2 K^-1 s^-1/2 之熱乘積，此材料將吸收比SiO₂ 底層較少百分之78的能量，導致使氣泡成核所需能量中之78*百分之35=百分之27的減少。然而，該孔隙率之導入可妥協該材料之防濕性係可能的，其將妥協該等熱性質，因為水具有1579Jm^-2 K^-1 s^-1/2 之熱乘積，接近SiO₂ 之熱乘積。一防潮層可被導入該加熱器及該熱障之間，但此層中之熱吸收將多半可能使整個效率降級：於該較佳具體實施例中，該熱障係與該加熱器之底側直接接觸。如果其未直接接觸，該熱障層係較佳地僅只由該加熱器層離開1微米，因其在其它方面將具有極小之效果(用於在例如SiO₂ 中之熱脈衝的~1微秒時間標度中之熱擴散的長度標度係~1微米)。

用於進一步降低之導熱度而沒有使用孔隙率的另一選擇係使用該旋轉塗佈介電質，諸如道康寧之SiLK^TM ，其具有0.18Wm^-1 K^-1 之導熱度。該等旋轉塗佈薄膜亦可被製成多小孔的，但如該CVD薄膜，其可妥協防濕性。SiLK具有高達攝氏450度之熱穩定性。關於該旋轉塗佈介電質的一關係點係它們大致上具有大的熱膨脹係數。實際上，似乎減少k大致上增加該CTE。這是暗指藉由TakayukiOhba、Fujitsu雜誌、第38-1冊、第3文件之“用於90奈米節點及超過的範圍之電流多級互連技術的研究”。SiLK譬如具有~70ppm.K^-1 之CTE。這是極可能為遠大於該疊加加熱器材料之CTE，故大應力及分層係極可能源自加熱至水基墨水之攝氏~300度的過熱限制。在另一方面，SiOCH薄膜具有~10ppm.K^-1 之合理的低CTE，於該申請人之裝置中，其匹配該TiAlN加熱器材料之CTE：在十億個氣泡成核之後，在該申請人之開放式池沸騰測試中觀察沒有該加熱器之分層。既然該噴墨應用中所使用之加熱器材料係極可能具有大約~10ppm.K^-1 之CTE，該CVD沈積薄膜較佳地是在該等旋轉塗佈薄膜上方。

有關此應用所感興趣的一最後點有關該熱障之橫側界定。於美國專利第5,861,902號中，在沈積之後修改該熱障層，以致一低熱擴散率之區域緊接存在於該加熱器下邊，而存在另一在外面之高熱擴散率的區域。該配置被設計成解決二矛盾的需求：

1.該加熱器係由該基板熱隔絕，以減少射出之能量，及

2.該列印頭晶片被離開該晶片之後面的熱傳導所冷卻。

於該申請人之噴嘴中，此一配置係不需要的，該等噴嘴被設計成將自行冷卻，亦即僅只藉由該晶片所需要之熱移除係藉由排出液滴所移去之熱。正式地，'已自行冷卻'或'自冷'噴嘴能被界定為噴嘴，其中排出一液滴該排出液體所需之能量係少於能被該墨滴所移去之最多熱能，為加熱等同於該墨滴體積的可排出流體體積所需之能量，並由該流體進入該列印頭之溫度至該可排出流體之非均質的沸點。於此案例中，該列印頭晶片之穩態溫度將為少於該可排出流體之非均質的沸點，不管噴嘴密度、發射比率、或一傳導性散熱片之存在或以別的方式。如果一噴嘴係自冷，該熱係經由該等排出之液滴從該列印頭之前面移去，且不需要被運送至該晶片之後面。如此，該熱障層不需要被圖案化，以將其界定至該等加熱器下邊之區域。這簡化該裝置之處理。其實，一CVD SiOCH可僅只被插入該CMOS頂層鈍化及該加熱器層之間。這現在參考圖6至9被討論於下面。

頂板接合及底板接合式加熱器元件

圖6至9概要地顯示二接合式加熱器具體實施例中；於圖6及7中，該加熱器10係接合至該室7之底板，且圖8及9係將該加熱器接合至該室之頂板。這些圖面大致上與圖1及2對應，其中它們顯示氣泡12成核及生長之早期階段。為了簡潔，對應於圖3至5而顯示持續生長及墨滴射出之圖面已被省略。

首先參考圖6及7，該加熱器元件10被接合至該墨水室7之底板。於此案例中，在蝕刻該鈍化壁凹29(最佳顯示於圖10中)之後，在蝕刻該等墨水入口孔洞30及31及沈積該犧牲層35(顯示於圖14與15中)之前，該加熱器層38係沈積在該鈍化層24上。該製造順序之此配置防止該加熱器材料38被沈積於該等孔洞30及31中。於此案例中，該加熱器層38位在該犧牲層35下方。這允許該頂板層50將被沈積在該犧牲層35上，代替該加熱器層38，如係該懸浮式加熱器具體實施例之案例中。如果該加熱器元件10係接合至該室底板，無其他犧牲層係必需的，反之上述參考至圖25至35的懸浮式加熱器具體實施例需要該第二犧牲層42之沈積及隨後蝕刻。為維持該列印頭之效率，一低導熱層25可被沈積在該鈍化層24上，以致其位在該加熱器元件10與該基板8的其餘部份之間。一材料之導熱層及其熱隔絕該加熱器元件10之能力係在上面討論及更詳細地在下面參考方程式3。然而，本質上其於該加熱脈衝期間減少進入該鈍化層24之熱損失。

圖8及9顯示該加熱器元件10被接合至該墨水室7之頂板。於參考圖10至36所敘述之懸浮式加熱器製造製程的觀點中，該加熱器層38係沈積在該犧牲層35之頂部上，以致該製造順序係未改變的，直至在該加熱器層38被圖案化與蝕刻之後。在該頂板層44係接著被沈積在該已蝕刻的加熱器層38之頂部上的地點，沒有一介入之犧牲層。一低導熱層25能夠被包含在該頂板層44中，以致該加熱器層38係與該低導熱層接觸，藉此減少於該加熱脈衝期間進入該頂板50之熱損失。

接合式加熱器元件製造製程

圖6至9所示單格大部份係概要的，且故意地對應於圖1至4所示可能之單格，以便強調接合及懸浮式加熱器元件間之差異。圖37至70顯示一更詳細及複雜之接合式加熱器具體實施例的製造步驟。於此具體實施例中，該單格21具有四噴嘴、四加熱器元件、及一墨水入口。此設計藉由從單一墨水入口供給複數噴嘴室增加該噴嘴封裝密度，使用橢圓形噴嘴開口、較薄之加熱器元件及搖晃各列噴嘴。該較大之噴嘴密度給與較大之列印解析度。

圖37及38顯示該局部完成之單格1。為了簡潔，此敘述在該晶圓8上之標準CMOS製造的完成處開始。該等CMOS互連層23係於其間具有層間介電質之四金屬層。該最上金屬層、M4層50(以虛線顯示)已被圖案化，以形成藉由該鈍化層24所覆蓋之加熱器電極接點。M4層其實係由三層所組成，即；一氮化錫層、鋁/銅(>98%鋁)層、及另一用作抗反射塗層(ARC)之氮化錫層。該ARC於隨後之曝光步驟期間停止光線擴散。一氮化錫ARC具有一適用於該等加熱器材料之電阻率(在下面討論)。

該鈍化層可為單一的二氧化矽層，其係沈積在該互連層23上方。選擇性地，該鈍化層24可為在二個二氧化矽層間之氮化矽層(被稱為“ONO”堆疊)。該鈍化層24被平面化，使得其在該等M4層50上之厚度較佳地係0.5微米。該鈍化層由該MEMS結構分開該等CMOS層，且亦被用作一用於在下面敘述之墨水入口蝕刻的硬遮罩。

圖39及41顯示使用圖40所示遮罩52被蝕刻進入該鈍化層24之窗口54。像平常一樣，一光阻層(未示出)係旋轉塗佈於鈍化層24上。該透明色調遮罩52-該暗色區域指示紫外線通過該遮罩之處一被曝光及該抗蝕劑於一正顯影溶液中顯影，以移去該被曝光之光阻。該鈍化層24係接著使用一氧化物蝕刻劑(譬如，藉由應用材料之Centura DPS(去耦合電漿源)蝕刻劑)被蝕刻穿過。該蝕刻需要在該頂部上、或局部地進入該氮化錫ARC層但未在鋁/銅層下方停止。然後該光阻層(未示出)係以氧氣電漿於一標準CMOS灰化機中剝除。

圖42及43顯示0.2微米加熱器材料56層之沈積。合適之加熱器材料，諸如TiAl、TiAlN及Inconel^TM 718係在該說明書中之其他地方被討論。如在圖44及46中所顯示，該加熱器材料層56係使用圖45所示遮罩58被圖案化。如同該先前之步驟，一光阻層(未示出)係經過該遮罩58曝光及顯影。將應了解該遮罩58係一透明色調遮罩，其中該透明區域指示該在下方之材料係曝光至紫外線及以顯影溶液移除之處。然後該不需要之加熱器材料層56被蝕刻離開，僅只留下該等加熱器。又該剩餘之光阻係以氧氣電漿灰化。

在此之後，一層光阻42係又旋轉塗佈於該晶圓8上，如圖47所示。圖48所示之暗色色調遮罩60(阻擋該紫外線之暗色區域)曝光該抗蝕劑，其係接著被顯影及移除，以界定該鈍化層24上之墨水入口31的位置。如圖49所示，於介電質蝕刻之製備中，在該墨水入口31的位置，該抗蝕劑42之移除暴露該鈍化層24。

圖50及51顯示經過該鈍化層24、該CMOS及互連層23及進入該在下方之晶圓8的介電質蝕刻。這是一使用任何標準CMOS蝕刻劑(例如應用材料Centura DPS(去耦合電漿源)蝕刻劑)之深反應離子蝕刻，且延伸大約20微米至30微米進入該晶圓8。於所示具體實施例中，該正面墨水入口蝕刻係大約25微米深。該正面蝕刻之精度係重要的，因該背面蝕刻(下面敘述)必需深到足夠抵達之，以便建立一至該噴嘴室之墨水流動路徑。在該墨水入口31的正面蝕刻之後，該光阻42係以氧氣電漿(未示出)灰化離開。

一旦該光阻層42被移除，另一光阻層35被旋轉塗佈於該晶圓上，如圖52及53所示。此層之厚度被小心地控制，因其形成一用於該室頂板材料(在下面敘述)之隨後沈積的支架。在本具體實施例中，該光阻層35係8微米厚(除非在其堵塞該墨水入口31之處，如圖53所最佳顯示)。其次，該光阻層35根據圖55所示遮罩62被圖案化。該遮罩係一透明色調遮罩，其中該暗色區域指示曝光至紫外線之區域。該被曝光之光阻係顯影及移除，以致該層35係按照圖54圖案化。圖56係該圖案化之光阻層35的一剖視圖。

以該光阻35界定該室頂板及支撐壁面，一頂板材料層、諸如氮化矽係沈積於該犧牲過渡支架上。於圖57及58所示具體實施例中，頂板材料層44係3微米厚(除非在該等壁面或立柱部件處)。

圖59、60及61顯示該等噴嘴邊緣4之蝕刻。光阻層(未示出)旋轉塗佈於該頂板層44上及在該透明色調遮罩64之下曝光(該等暗色區域被曝光至紫外線)。該頂板層44係接著被蝕刻至2微米之深度，留下該等升高之噴嘴邊緣4及該氣泡通氣孔部件66。該剩餘之光阻係接著被灰化移除。

圖62、63及64顯示經過該頂板層44之噴嘴孔口蝕刻。又，一光阻層(未示出)係旋轉塗佈於該頂板層44上。其接著以該暗色色調遮罩68圖案化(透明區域被曝光)，且接著被顯影，以移去該經曝光之抗蝕劑。該在下方之氮化矽層係接著以一標準之CMOS蝕刻劑蝕刻直至在下方之光阻層35。這形成該等噴嘴孔口3。該氣泡通氣孔66亦於此步驟期間被蝕刻。該剩餘之光阻係再次以氧氣電漿移去。

圖65及66顯示一保護光阻防護層74之施加。這防止該脆弱的MEMS結構於進一步處理期間受損壞。同樣地，該支架光阻35係仍然在適當位置，以提供具有支座之頂板層44。

該晶圓8係接著被翻轉，以致該'背面'70(看圖67)能被蝕刻。然後，該晶圓8之正面8(或更特別地是，該光阻防護層74)係黏著至一具有熱帶子或類似物之玻璃處理晶圓。應了解該等晶圓最初係大約750微米厚。為減少該厚度，且因此減少建立該晶圓的前面及背面間之流體相通所需要的蝕刻深度，該晶圓之反面70被研磨直至該晶圓係大約160微米厚，且接著DRIE蝕刻，以移去該被研磨表面中之任何孔蝕。於製備用於該通道32蝕刻中，該背面係接著塗以一光阻層(未示出)。該透明色調遮罩72(圖68顯示)被定位在該背面70上，用於曝光及顯影。該抗蝕劑接著界定該通道32之寬度(在所示具體實施例中大約80微米)。該等通道32係接著以DRIE(深反應離子蝕刻)往下蝕刻，且邊緣地超出該被插入之前側墨水入口31。該背面72上之光阻係接著以氧氣電漿被灰化移除，且該晶圓8又被翻轉，用於該保護防護層74及該支架光阻35之正面灰化。圖69及70顯示該完成之單格1。雖然圖70係一平面圖，為著要說明之目的，藉由該頂板所遮掩之部件已用實線顯示。

於使用中，墨水係由該背面70餵入該通道32及進入該正面入口31。氣體氣泡係易於形成在至該列印頭之墨水供給管線中。這是由於除氣，在此溶解之氣體離開溶液及收集作為氣泡。如果該等氣泡被餵入具有該墨水之室7，它們可防止墨水由該等噴嘴射出。該可壓縮之氣泡吸收藉由該成核氣泡在該等加熱器元件10上所產生之壓力，且如此該壓力脈動係不足以由該孔口3排出墨水。因該墨水裝填該等室7，任何夾帶氣泡將傾向於順著該墨水入口31的任一側面上之圓柱部件，且被推向該氣泡通氣孔66。設計氣泡通氣孔66之尺寸，使得該墨水之表面張力將防止墨水滲漏，但被誘捕之氣體氣泡能夠放出。每一加熱器元件10係在三側面藉由室壁及藉由該第四側面上之額外的圓柱部件所包圍。這些圓柱部件將該輻射之壓力脈動擴散至室7間之較低串擾。

超合金加熱器元件

超合金係一種被開發用在升高之溫度的材料。它們通常係基於來自週期表之VIIA族的元素，且佔主導地被使用於需要高溫度材料穩定性之應用中，諸如噴射引擎、發電廠渦輪及類似者等。其於該熱噴墨領域中之適用性至今未被認可。超合金能提供遠超過使用於習知熱噴墨列印頭中之傳統薄膜加熱器(諸如鉭鋁、氮化鉭、或二硼化鉿)的高溫度強度、抗腐蝕及抗氧化性。超合金之主要優點係它們能具有充分之強度、抗氧化及抗腐蝕性，以允許加熱器沒有保護塗層地操作，以致浪費於加熱該塗層之能量係由該設計移去-如於該根源說明書USSN 11/097308中所討論者。

測試已指示在一些案例中，與傳統薄膜材料作比較，當沒有保護層地測試時，該超合金能夠具有遠較優異之使用壽命。圖71係加熱器可靠性之韋布爾圖，用於在開放式池沸騰中之測試的二不同加熱器材料(該等加熱器係僅只於一開放式水池中、亦即不在一噴嘴內作動)。熟練之工匠將了解該韋布爾圖係加熱器可靠性的一很好地認知測量。該圖表相對作動次數之對數標尺繪製故障之或然率、或不可靠性。其應注意的是圖71所示圖例(Key)亦指示用於每一合金之失效及中斷資料點的數目。譬如，於該圖例中，Inconel 718下方之F=8指示用於該測試中之八個加熱器被測試至開路故障點，而S=1指示該等測試加熱器之一被中止、或換句話說當該測試被中止時仍然操作。該習知之加熱器材料TiAlN係與該超合金Inconel 718比較。該註冊商標Inconel被加拿大安大略省L5K 1Z9密西索加市Flavelle大道2060號之杭廷頓(Huntington)合金加拿大股份有限公司所擁有。

該申請人之先前作品指示該抗氧化性係與加熱器使用壽命有強烈地相互關係。將鋁加至氮化錫以產生TiAlN大幅地增加該加熱器之抗氧化性(在熔煉處理之後，藉由氧含量之取樣鑽深度測斷面所測量)，且亦大幅地增加加熱器使用壽命。該鋁擴散至該加熱器之表面，且形成一具有很低擴散率之薄氧化物鱗膜，用於氧之進一步滲透。其係此氧化物鱗膜使該加熱器不易起化學變化，保護其不遭受氧化或腐蝕環境進一步腐蝕，允許沒有保護層地操作。噴濺的Inconel 718亦呈現此形式之保護及亦包含鋁，但具有進一步增強抗氧化性之二其他有利的性質；即鉻之存在、及奈米晶結構。

鉻以一與鋁類似之方式起作用，當作一添加劑，其中其藉由形成氧化鉻的一保護鱗膜提供自行鈍化性質。於一材料中之鉻及鋁的結合比於隔絕中之任一種被視為較佳的，因為該氧化鋁鱗膜比該氧化鉻鱗膜更緩慢地生長，但最終提供更好之保護。該鉻添加物係有益的，因為當該氧化鋁鱗膜正生長時，該氧化鉻鱗膜提供短期保護，允許用於短期保護的材料中之鋁的濃度減少。減少該鋁濃度係有益的，因為意欲用於增強氧化保護之高鋁濃度能夠危及該材料之相位穩定性。

噴濺的Inconel 718之X光繞射及電子顯微鏡研究顯示一晶狀微結構，具有少於100奈米之粒徑(一“奈米晶”微結構)。Inconel 718之奈米晶微結構係有益的，其中其提供良好之材料強度，又具有高密度之晶粒邊界。比較於一具有遠較大之晶體及較低晶粒邊界密度的材料，該奈米晶結構提供用於該保護鱗膜形成元素鉻及鋁的較高之擴散率(該鱗膜之更迅速形成)、與該加熱器表面上方的鱗膜之更均勻生長，故更迅速及更有效率地提供該保護。該保護鱗膜較佳地附接至該奈米晶結構，其導致減少剝落。使用來自包括釔、鑭及其他稀士族元素之群組的反應金屬之添加劑，該機械穩定性及鱗膜之黏著性的進一步改良係可能的。

應注意的是該超合金典型被鑄造或鍛造，且這不會產生一奈米晶微結構：由該奈米晶組結構所提供之利益對此應用的MEMS加熱器製造中所使用之濺鍍技術係特有的。亦應注意的是當作加熱器材料的超合金之利益不會獨自地有關抗氧化性：其微結構被以添加劑小心地建造，以助長賦予高溫強度及抗疲勞性的相位之形成。潛在添加劑包括鋁、鈦、鈮、鉭、鉿、或釩之添加劑，以形成鎳基超合金之伽瑪主要相位；鐵、鈷、鉻、鎢、鉬、錸或釕之添加劑，以形成該伽瑪相；或碳、鉻、鉬、鎢、鈮、鉭、鈦之添加劑，以在該等晶粒邊界形成碳化物。鋯及硼亦可被加入，以增強晶粒邊界。控制這些添加劑及該材料之製造製程，亦可作用至抑制不想要之老化導致的拓撲上封閉封裝式(TCP)相位，諸如σ、η、μ相位，該等相位能造成脆化，減少該機械穩定性及材料之延展性。此等相位被避免，因它們亦可作用至消耗元素，該等元素將以別的方式可用於較喜好之伽瑪及伽瑪主要相位形成。如此，雖然鉻及鋁之存在以提供氧化保護對於該加熱器材料係較佳的，超合金大致上能被考慮為一種優異之材料，比在於改善用於MEMS之傳統薄膜加熱器材料，既然更多非常大之努力已在於將它們設計用於高溫強度、抗氧化及抗腐蝕性，加熱器材料之候選者的選擇可由此材料作成。

該申請人之結果指示該等超合金：一在2重量百分比及35重量百分比間之鉻含量；一在0.1重量百分比及8重量百分比間之鋁含量；一在1重量百分比及17重量百分比間之鉬含量；一在0.25重量百分比及8.0重量百分比間之鈮+鉭含量；一在0.1重量百分比及5.0重量百分比間之鈦含量；一高達60重量百分比之鐵含量；一在26重量百分比及70重量百分比間之鎳含量；及或一在35重量百分比及65重量百分比間之鈷含量；係極可為適合用作在一MEMS氣泡產生器內之薄膜加熱器元件，及保證進一步測試用於該特定之裝置設計(例如懸浮式加熱器元件、接合式加熱器元件等)內的功效。

超合金之具有該一般的公式MCrAlX，在此：M係鎳、鈷、鐵之一或多個，使M貢獻至少50重量百分比；鉻貢獻於8重量百分比及35重量百分比之間；鋁貢獻超過零，但少於8重量百分比；及X貢獻少於25重量百分比，使X包括鉬、錸、釕、鈦、鉭、釩、鎢、鈮、鋯、硼、碳、矽、釔、鉿之零或多個；在開放式池沸騰測試(上述)中提供良好之結果。

特別地是，具有鎳、鐵、鉻、及鋁之超合金隨同包括鉬、錸、釕、鈦、鉭、釩、鎢、鈮、鋯、硼、碳、矽、釔、或鉿之零或多個的添加劑顯示優異之結果。

使用這些準則，用於熱噴墨列印頭加熱器之合適的超合金材料可被選自：INCONEL^TM 合金600、合金601、合金617、合金625、合金625LCF、合金690、合金693、合金718、合金X-750、合金725、合金751、合金MA754、合金MA758、合金783、合金925、或合金HX；INCOLOY^TM 合金330、合金800、合金800H、合金800HT、合金MA956、合金A-286、或合金DS；NIMONIC^TM 合金75、合金80A、或合金90；合金B、合金C、合金F、合金S、或合金35；或合金或合金Brightray、Ferry及Nimonic係英國赫裏福德市霍爾默路HR4 9FL之特殊金屬維金股份有限公司的註冊商標。

Thermo-span係卡朋特技術公司之分支部門的CRS控股公司之註冊商標。

鈦鋁合金加熱器

鈦鋁(TiAl)合金呈現優異之強度、低潛變及重量輕；已看見這些合金被寬廣地使用於該航空及汽車工業中之性質。其在非常高溫度之抗氧化性使得其為一用於火爐、窯爐與類似物之合適的耐火塗料(看表面&塗料技術201(2007)6167-6170之L. Kaczmarck等人的“耐火γ-鈦鋁鎢塗料之抗氧化性”)。

該申請人之作品已揭露鈦鋁係亦很適合用作噴墨列印頭中之加熱器材料。該合金能提供表面氧化物，其係佔主導地位的Al₂ O₃ 及很少的TiO₂ 之均勻、薄及密集的塗層。Al₂ O₃ 具有低氧擴散率，而TiO₂ 具有遠較高之擴散率。據此，該固有(亦即自然形成)的氧化物層使該加熱器不易起化學變化，以防範氧化的故障，而保持薄到足夠不由該墨水熱隔絕該加熱器。這保存需要用於大(頁寬)、高密度噴嘴陣列之墨滴的低能量射出，而不會妥協該加熱器之操作壽命。使用0.2微米厚鈦鋁加熱器之測試已達成具有良好列印品質之180百萬射出。

其他元素能被加至該合金，以進一步抑制TiO₂ 之形成及/或增加鋁至該加熱器表面之擴散率(與因此Al₂ O₃ 之優先形成)。銀、鉻、鉬、鈮、矽、鉭、及鎢獨立地或結合地增強Al₂ O₃ ，且抑制該較少保護之TiO₂ 。該等添加劑將不會超過該鈦鋁合金總量之5重量百分比。對於這些，鎢對該合金提供一具有該最佳抗氧化性之氧化物鱗膜。加入在重量百分比1.7至重量百分比4.5範圍中之鎢提供優異之結果。

加入鎢之另一優點係其於積體電路製造期間業已被使用。該等經過該CMOS之層間介電材料的通孔(在金屬層之間)典型係鎢。使用該射出加熱器中之鎢係較不可能造成該積體電路或MEMS中之其他零組件的有害污染。

該鈦鋁之微結構係另一重要的態樣。伽瑪相鈦鋁提供一補充α相位Al₂ O₃ (已知為剛玉)之晶格基板。因此，該氧化物層之黏著至該下方金屬係強固的。該微結構之粒徑亦應為奈米晶範圍。該奈米晶結構給與一高密度之晶粒邊界，其增進鋁至該表面之擴散率。這進一步增進一密集及機械式穩定之氧化物鱗膜。將了解一奈米晶結構係藉由磁電管濺鍍該加熱器材料而輕易地達成，使得該粒徑係低於100奈米。

該薄、密集Al₂ O₃ 層給與該加熱器一趕得上現存噴墨列印頭之操作壽命。當經過該氧化物之氧擴散率係低的時，一些氧將持續抵達。然而，藉由將一薄保護塗層加在該鈦鋁加熱器上，該操作壽命能被延長，儘管在射出效率上具有某一妥協。會同該固有的氧化物鱗膜之保護，一很薄之保護塗層(少於0.5微米厚)將大幅地增進該操作壽命，而不會實質地減少液滴射出之能量效率。該保護塗層可為單一層或不同材料的一層疊。氧化矽、氮化矽、及碳化矽形成用於噴墨加熱器元件之合適的保護塗層。

本發明已在此中僅只當作範例地敘述。此領域中之普通工作者將輕易地認知很多變化及修改，該等變化及修改不會由本發明概念之寬廣的精神及範圍脫離。

1．．．單格

2．．．噴嘴板

3．．．噴嘴

4．．．噴嘴板

5．．．孔口

6．．．側壁

7．．．室

8．．．基板

9．．．入口通道

10．．．加熱器元件

11．．．墨水

12．．．氣泡

13．．．遮罩

14．．．加熱器

15．．．電極

16．．．墨滴

17．．．崩潰點

18．．．側面

19．．．頸部

20．．．箭頭

21．．．基板部份

22．．．區域

23．．．互連層

24．．．鈍化層

25．．．線路

26．．．防護環

27．．．區域

29．．．壁凹

30．．．開口

31．．．孔洞

32．．．孔洞

34．．．邊際

35．．．層

36．．．壁凹

37．．．凹槽

38．．．層

39．．．蝕劑層

40．．．第二層

41．．．圖案

42．．．第三層

43．．．區域

44．．．頂板層

45．．．位置

47．．．位置

48．．．保護層

50．．．頂板層

52．．．遮罩

54．．．窗口

56．．．加熱器材料

58．．．遮罩

60．．．遮罩

62．．．遮罩

64．．．遮罩

66．．．部件

68．．．遮罩

70．．．背面

72．．．遮罩

74．．．防護層

4.1．．．外面部份

10.34．．．零件

15.34．．．零件

現在將藉由範例參考所附圖面敘述本發明之較佳具體實施例，其中：

圖1係於列印頭之運作循環期間在一特定階段經過該列印頭之單格的墨水室之概要橫截面視圖，該列印頭具有一懸浮式加熱器元件。

圖2係在操作之另一階段經過圖1之墨水室的概要橫截面視圖。

圖3係在操作之又另一階段經過圖1之墨水室的概要橫截面視圖。

圖4係在操作之又進一步階段經過圖1之墨水室的概要橫截面視圖。

圖5係經過按照本發明之具體實施例的列印頭之單格的概要橫截面視圖，顯示一蒸氣氣泡之崩潰。

圖6係於列印頭之運作循環期間在一特定階段經過該列印頭之單格的墨水室之概要橫截面視圖，該列印頭具有一底板黏合式加熱器元件。

圖7係在操作之另一階段經過圖6之墨水室的概要橫截面視圖。

圖8係於列印頭之運作循環期間在一特定階段經過該列印頭之單格的墨水室之概要橫截面視圖，該列印頭具有一頂板黏合式加熱器元件。

圖9係在操作之另一階段經過圖8之墨水室的概要橫截面視圖。

圖10、12、14、15、17、18、20、23、25、27、28、30、32、34及36係按照本發明之懸浮式加熱器具體實施例的列印頭之單格，在該列印頭的生產製程中之各種連續階段的概要透視圖；

圖11、13、16、19、21、24、26、28、31、33及35之每一個係遮罩的概要平面圖，該遮罩適合用於施行該列印頭用之生產階段，如在該個別直接之先前圖面中所代表；

圖37及38分別係本發明之局部完成的第二具體實施例之概要剖視圖及透視圖，其中，該鈍化層已沈積在該互補式金氧半導體(CMOS)上；

圖39、40及41分別係透視、遮罩及剖視圖，顯示經過該鈍化層至該第二具體實施例之CMOS的頂部層之蝕刻；

圖42及43分別係透視及剖視圖，顯示該第二具體實施例之加熱器材料的沈積；

圖44、45及46分別係透視、遮罩及剖視圖，顯示圖案化該第二具體實施例之加熱器材料的蝕刻；

圖47、48及49分別係透視、遮罩及剖視圖，顯示一光阻層之沈積及隨後之蝕刻，用於該前面墨水孔洞之介電質蝕刻；

圖50及51分別係一透視圖及剖視圖，顯示進入用於該前面墨水孔洞之晶圓的介電質蝕刻；

圖52及53分別係一透視圖及剖視圖，顯示一新的光阻層之沈積；

圖54、55及56分別係透視、遮罩及剖視圖，顯示該光阻層之圖案化；

圖57及58分別係一透視圖及剖視圖，顯示該頂板層之沈積；

圖59、60及61分別係透視、遮罩及剖視圖，顯示該噴嘴邊緣進入該頂板層的蝕刻；

圖62、63及64分別係透視、遮罩及剖視圖，顯示該等噴嘴開口之蝕刻；

圖65及66分別係一透視圖及剖視圖，顯示該保護光阻防護層之沈積；

圖67及68分別係一透視圖及剖視圖，顯示該晶圓之背面蝕刻；

圖69係一剖視圖，顯示移去該剩餘光阻之釋放蝕刻；

圖70係該第二具體實施例之已完成單格的平面圖；及，

圖71係一韋布爾圖，與TiAlN加熱器作比較，顯示一具有奈米晶微結構的Inconel^TM 718加熱器元件之可靠性。

1．．．單格

2．．．噴嘴板

3．．．噴嘴

4．．．噴嘴板

5．．．孔口

6．．．側壁

7．．．室

8．．．基板

9．．．入口通道

10．．．加熱器元件

11．．．墨水

12．．．氣泡

50．．．頂板層

Claims (11)

1. 一種用於將液滴排出至媒體基板上之噴墨列印頭，該噴墨列印頭包括：一室，用於裝盛液體；一噴嘴，其與該室流體相通；一加熱器，其被定位在該室中，用於與該液體熱接觸，使得該加熱器之電阻加熱產生一蒸氣氣泡，該蒸氣氣泡經過該噴嘴排出一液滴；其中該加熱器係由TiAlX合金所形成，在此Ti(鈦)貢獻超過40重量百分比，Al(鋁)貢獻超過40重量百分比，及X貢獻少於5重量百分比，且包括銀、鉻、鉬、鈮、矽、鉭及鎢之零或多個；其中該加熱器具有一微結構，該微結構設有少於100奈米之粒徑。
2. 如申請專利範圍第1項用於將液滴排出至媒體基板上之噴墨列印頭，其中X係鎢。
3. 一種微機電系統(MEMS)蒸氣氣泡產生器，該微機電系統蒸氣氣泡產生器依據申請專利範圍第1項，其中X包括貢獻1.7及4.5重量百分比之間的鎢。
4. 如申請專利範圍第1項用於將液滴排出至媒體基板上之噴墨列印頭，其中鈦貢獻超過48重量百分比，鋁貢獻超過48重量百分比，且X係0重量百分比。
5. 如申請專利範圍第1項用於將液滴排出至媒體基板上之噴墨列印頭，其中該加熱器之鈦鋁成份具有一伽瑪相 結構。
6. 如申請專利範圍第1項用於將液滴排出至媒體基板上之噴墨列印頭，其中於使用期間，該TiAlX合金形成直接地接觸該液體之Al₂ O₃ 表面氧化物。
7. 如申請專利範圍第1項用於將液滴排出至媒體基板上之噴墨列印頭，其中該TiAlX合金被沈積成為一少於2微米厚之層。
8. 如申請專利範圍第7項用於將液滴排出至媒體基板上之噴墨列印頭，其中該層係少於0.5微米厚。
9. 如申請專利範圍第1項用於將液滴排出至媒體基板上之噴墨列印頭，其中該加熱器另包括一保護塗層，該保護塗層具有少於0.5微米之總厚度。
10. 如申請專利範圍第9項用於將液滴排出至媒體基板上之噴墨列印頭，其中該保護塗層係一單層之材料。
11. 如申請專利範圍第9項用於將液滴排出至媒體基板上之噴墨列印頭，其中該保護塗層係至少局部由矽氧化物、氮化物或碳化物所形成。