專利名稱：噴墨印頭的結(jié)構(gòu)與制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種噴墨印頭(Ink-Jet Print-Head)的結(jié)構(gòu)與制作方法，特別是涉及一種具有多層(Multi-Layer)熱電阻層(Heater Layer)及多層保護(hù)層(Passivation Layer)的噴墨印頭結(jié)構(gòu)與制作方法。
目前市場(chǎng)上的噴墨打印機(jī)越來越普及化，技術(shù)也相當(dāng)進(jìn)步。噴墨打印機(jī)基本上是由噴墨印頭來完成打印工作，其基本功能是將輸入噴墨印頭的電能經(jīng)由其內(nèi)部的電路回路將電能傳送到具有加熱器功能的熱電阻層，并將電能轉(zhuǎn)換成熱能，使墨水汽化產(chǎn)生氣泡，藉由氣泡的成長(zhǎng)提供形成墨滴所需的能量，使其由噴孔片噴出，達(dá)到打印的目的。
請(qǐng)參照
圖1，其所繪示的是現(xiàn)有的噴墨印頭結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。其制作流程如下首先提供表面具有材質(zhì)為二氧化硅(Silicon Dioxide，SiO2)的熱阻擋層(Barrier Layer)102的硅基板100，并在其表面沉積一層熱電阻層104。其次，在熱電阻層104上，形成一層導(dǎo)電層(Conductive Layer)106。再以光刻(Photolithography)及蝕刻技術(shù)對(duì)熱電阻層104及導(dǎo)電層106進(jìn)行圖案化(Patterning)，形成具有限定圖案的導(dǎo)電層106及熱電阻層104。然后在經(jīng)圖案化后的熱電阻層104及導(dǎo)電層106上，依次沉積厚度約為500nm，材質(zhì)為氮化硅(Silicon Nitride，Si3N4)的中間保護(hù)層108，以及厚度約為250nm，材質(zhì)為碳化硅(Silicon Carbide，SiC)的表面保護(hù)層110。
如圖1所示，在噴墨印頭的結(jié)構(gòu)中，保護(hù)層的主要功能有二其一是做為導(dǎo)電層106上的介電層，其二是做為熱電阻層104上的保護(hù)層，防止墨水的侵蝕以及避免墨滴收回(Collapse)現(xiàn)象造成保護(hù)層空蝕(Cavitation)。其中中間保護(hù)層108與表面保護(hù)層110的材料分別是氮化硅與碳化硅，如美國(guó)專利第4,513,298號(hào)，或者氧化硅(Silicon Oxide，SiO)與二氧化硅，如美國(guó)專利第5,376,231號(hào)。
在噴墨印頭的結(jié)構(gòu)中，熱電阻層104及碳化硅保護(hù)層一直是熱應(yīng)力(Thermal Stress)變化最大的兩層，其壓縮應(yīng)力可達(dá)1010達(dá)因/平方厘米(dyne/cm2)(Thin Solid Films，Vol.201，p253(1991)；J.Mater.Sci.，Vol.26，p1882(1991))。因此當(dāng)電壓脈沖使熱電阻層104發(fā)熱之后，墨滴收回會(huì)對(duì)保護(hù)層造成沖擊，導(dǎo)致保護(hù)層破裂產(chǎn)生縫隙，墨水會(huì)沿著縫隙向熱電阻層侵蝕，使熱電阻層對(duì)墨水環(huán)境敏感而斷裂，致使墨滴無法藉由熱電阻層發(fā)熱而順利噴出。
現(xiàn)有的噴墨印頭結(jié)構(gòu)在使用時(shí)具有以下的缺點(diǎn)(1)由于保護(hù)層只有氮化硅層及碳化硅層等兩層所構(gòu)成，容易因?yàn)楸Ｗo(hù)層的針孔密度(Pinhole Density)過高，而導(dǎo)致墨水藉由保護(hù)層中的針孔侵蝕熱電阻層，使得熱電阻層變質(zhì)造成損害。
(2)就單層的熱電阻層及碳化硅保護(hù)層而言，由于其熱應(yīng)力變化極大，可達(dá)1010達(dá)因/平方厘米，因此容易受到因墨水收回所產(chǎn)生的機(jī)構(gòu)應(yīng)力與各層膜本身的熱應(yīng)力影響，造成保護(hù)層與熱電阻層破裂產(chǎn)生永久損害，而無法順利噴墨。
(3)單獨(dú)藉由兩層保護(hù)層的熱傳導(dǎo)性較差，使得噴墨印頭的工作效率較低。
因此本發(fā)明的目的在于提供一種噴墨印頭的結(jié)構(gòu)與制作方法，藉由多層保護(hù)層結(jié)構(gòu)降低保護(hù)層的針孔密度、增加保護(hù)層的斷裂韌性(FractureToughness)與彎曲強(qiáng)度(Flexural Strength)，以及改善其熱傳導(dǎo)性質(zhì)。
本發(fā)明的另一目的是藉由多層熱電阻層結(jié)構(gòu)降低熱電阻層的熱應(yīng)力變化、增加熱電阻層的斷裂韌性與彎曲強(qiáng)度，使熱電阻層具有較佳機(jī)械強(qiáng)度。
根據(jù)本發(fā)明的上述目的，提出一種改變噴墨印頭保護(hù)層以及電阻層的結(jié)構(gòu)及其制作方法，其中熱電阻層結(jié)構(gòu)由單一鍍層改為多層熱電阻層；而保護(hù)層結(jié)構(gòu)由原來的氮化硅/碳化硅(Si3N4/SiC)二層結(jié)構(gòu)改為交錯(cuò)沉積氮化硅/碳化硅的多層保護(hù)層，或者是以軟、硬材料為主交錯(cuò)疊層做為熱電阻層上的保護(hù)層，這樣可以改善現(xiàn)有單獨(dú)二層保護(hù)層直接保護(hù)熱電阻層的缺點(diǎn)。
為使本發(fā)明的上述和其他目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉一優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說明。附圖中圖1繪示現(xiàn)有的噴墨印頭結(jié)構(gòu)的剖面示意圖；圖2A至圖2F繪示依照本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例，一種噴墨印頭制作流程的剖面示意圖；以及圖3A與圖3B繪示不同結(jié)構(gòu)的保護(hù)層的熱應(yīng)力-溫度變化圖。
請(qǐng)參照?qǐng)D2A至圖2F，其所繪示的是依照本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，一種噴墨印頭制作流程的剖面示意圖。請(qǐng)參照?qǐng)D2A，首先提供基板(Substrate)200，并在基板200的表面，形成熱電阻層204，以做為加熱器之用。其中此基板包括具有熱阻擋層202的硅基板，而熱阻擋層202的材質(zhì)則包括二氧化硅，而熱電阻層204的結(jié)構(gòu)包括單層結(jié)構(gòu)與多層結(jié)構(gòu)。
請(qǐng)參照?qǐng)D2B，其所繪示的是相對(duì)于圖2A中熱阻擋層202與熱電阻層204沿A-A′剖面線的剖面圖。其中熱電阻層204包括由第一金屬層204a與第二金屬層204b交互疊合構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)，例如以多靶材(Multi-Target)的濺射(Sputtering)技術(shù)或多坩堝(Multi-Crucible)的電子槍(E-Gun)蒸發(fā)(Evaporation)技術(shù)，交互沉積第一金屬層204a與第二金屬層204b，構(gòu)成熱電阻層204，各金屬層的厚度約為5nm至10nm，而多層的疊合層數(shù)約為10層至20層，以達(dá)到所需沉積的熱電阻層總厚度。第一金屬層204a與第二金屬層204b的材質(zhì)由例如鉭(Tantalum，Ta)與鋁(Aluminum，Al)、鉭與釕(Ruthenium，Ru)或原子半徑差值在7％以內(nèi)的金屬材料所構(gòu)成。
其次，請(qǐng)參照?qǐng)D2C，在熱電阻層204表面沉積導(dǎo)電層206，其材質(zhì)包括鋁，再以光刻及蝕刻技術(shù)限定并形成導(dǎo)電層206與熱電阻層204上的圖案。例如以氯(Cl)系列的氣體為蝕刻劑(Etchant)，對(duì)導(dǎo)電層206與熱電阻層204進(jìn)行干蝕刻，將導(dǎo)電層206與熱電阻層204圖案化，形成具有限定圖案的導(dǎo)電層206與熱電阻層204。其中具有限定圖案的導(dǎo)電層206做為導(dǎo)線，以提供電路回路給做為加熱器的熱電阻層204。
接著，請(qǐng)參照?qǐng)D2D，在圖案化的熱電阻層204與圖案化的導(dǎo)電層206上形成多層保護(hù)層208。請(qǐng)參照?qǐng)D2E，其所繪示的是相對(duì)于圖2D中圖案化的導(dǎo)電層206與多層保護(hù)層208沿B-B′剖面線的剖面圖。其中多層保護(hù)層208是由第一保護(hù)層208a與第二保護(hù)層208b交互疊合構(gòu)成的，例如以等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)技術(shù)或射頻濺射(RF Sputtering)技術(shù)，交互沉積第一保護(hù)層208a與第二保護(hù)層208b構(gòu)成多層保護(hù)層208，各材料保護(hù)層的厚度約為10nm至60nm，而多層的疊合層數(shù)約為10層至20層。其中第一保護(hù)層208a與第二保護(hù)層208b分別由軟材料保護(hù)層與硬材料保護(hù)層組成，軟材料保護(hù)層的材質(zhì)包括硅、氧化硅及二氧化硅等，硬材料保護(hù)層的材質(zhì)則包括氮化硅及碳化硅等。
此外多層保護(hù)層208也可以由氮化硅層與碳化硅層交互疊合構(gòu)成，例如以等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)或射頻濺射技術(shù)，交互沉積第一保護(hù)層208a與第二保護(hù)層208b，構(gòu)成多層保護(hù)層208，各材料保護(hù)層的厚度約為10nm至60nm，而多層的疊合層數(shù)約為10層至20層。其中第一保護(hù)層208a的材質(zhì)包括氮化硅，第二保護(hù)層208b的材質(zhì)則包括碳化硅。
然后，請(qǐng)參照?qǐng)D2F，在多層保護(hù)層208的表面形成表面保護(hù)層210，使多層保護(hù)層208與表面保護(hù)層210疊合的厚度達(dá)到所需沉積的保護(hù)層總厚度，其中表面保護(hù)層210的材質(zhì)包括碳化硅。再以光刻與活性離子蝕刻(Reactive Ion Etch，RIE)技術(shù)在表面保護(hù)層210與多層保護(hù)層208中限定并形成接觸窗(Contact)(未顯示于圖中)，例如以氟(F)系列的氣體為蝕刻劑，對(duì)表面保護(hù)層210與多層保護(hù)層208進(jìn)行干蝕刻，貫穿表面保護(hù)層210與多層保護(hù)層208，將圖案化的導(dǎo)電層206的部分表面曝露出來，以做為接觸焊墊(Contact Pad)，使得外部導(dǎo)線可以經(jīng)由接觸焊墊與圖案化的導(dǎo)電層206接觸，形成完整的電路回路，用以提供做為加熱器的熱電阻層的電力來源。經(jīng)由上述步驟即可完成噴墨印頭的制作。
請(qǐng)參照?qǐng)D3A，其所繪示的是厚度約為500nm的氮化硅與厚度約為250nm的碳化硅兩層薄膜結(jié)構(gòu)的保護(hù)層的熱應(yīng)力-溫度變化圖。其中橫軸所表示的是溫度，單位為度(℃)，縱軸所表示的是應(yīng)力(Stress)，單位是109達(dá)因/平方厘米，溫度變化的范圍為25℃至450℃。實(shí)驗(yàn)則是由25℃升溫至450℃再降溫回25℃，于升降溫過程中進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量，總共經(jīng)歷三個(gè)升降溫循環(huán)。
請(qǐng)參照?qǐng)D3B，其所繪示的是交錯(cuò)沉積厚度約為30nm的氮化硅與厚度約為60nm的碳化硅形成的多層保護(hù)層熱應(yīng)力-溫度變化圖。其中橫軸與縱軸所分別代表的物理量及單位和圖3A中所示相同。比較圖3A與圖3B可知，具有多層結(jié)構(gòu)的保護(hù)層可以降低保護(hù)層的熱應(yīng)力變化，并可以增加保護(hù)層的斷裂韌性及彎曲強(qiáng)度。
由上述本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例可知，本發(fā)明的特征是將噴墨印頭結(jié)構(gòu)中熱應(yīng)力變化最大的熱電阻層及碳化硅保護(hù)層，改以多層熱電阻層與多層保護(hù)層取代單一鍍層的結(jié)構(gòu)及制作工藝。而使用軟硬交錯(cuò)的疊層設(shè)計(jì)可以提供更多的介面，以使裂縫偏折，使機(jī)械能量消散，進(jìn)而增加保護(hù)層的斷裂韌性與彎曲強(qiáng)度以及熱電阻層的機(jī)械強(qiáng)度，另外也可減少保護(hù)層與熱電阻層的熱應(yīng)力變化。
因此，由上述本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例可知，應(yīng)用本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)1.由于氮化硅/碳化硅二層結(jié)構(gòu)的保護(hù)層仍有針孔密度過高的缺點(diǎn)，因此使用多層保護(hù)層結(jié)構(gòu)可以降低保護(hù)層的針孔密度，使墨水不會(huì)經(jīng)由保護(hù)層的針孔侵蝕熱電阻層而導(dǎo)熱電阻層變質(zhì)損害。
2.由于電壓脈沖使熱電阻層發(fā)熱后，在墨滴收回時(shí)，會(huì)使保護(hù)層受到機(jī)械應(yīng)力及熱應(yīng)力的損害造成破裂，而熱電阻層在缺乏保護(hù)層屏蔽下斷裂，造成熱電阻層永久性的損害。而多層保護(hù)層具有軟、硬材料疊層結(jié)構(gòu)，因此除了可以降低保護(hù)層的熱應(yīng)力變化之外，也可以增加保護(hù)層整體的破裂韌性及彎曲強(qiáng)度，而使用多層熱電阻層結(jié)構(gòu)則可以增加熱電阻層的機(jī)械強(qiáng)度，因此可以降低因墨滴收回對(duì)保護(hù)層及熱電阻層所造成的損害。
3.藉由交錯(cuò)沉積碳化硅與氮化硅所形成的多層狀結(jié)構(gòu)，可以改善熱電阻層上熱傳導(dǎo)性質(zhì)，提高噴墨印頭的工作效率。
雖然本發(fā)明已結(jié)合一優(yōu)選實(shí)施例揭露如上，但是其并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可作各種更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)由后附的權(quán)利要求來界定。
權(quán)利要求
1.一種噴墨印頭的制作方法，用以在一基板上形成該噴墨印頭，該方法包括下列步驟在該基板上，形成一熱電阻層；在該熱電阻層上，形成一具有限定圖案的導(dǎo)電層；在該導(dǎo)電層及該熱電阻層上，形成多個(gè)保護(hù)層；以及形成該噴墨印頭。
2.如權(quán)利要求1所述的噴墨印頭的制作方法，其中形成該熱電阻層的方法包括濺射法。
3.如權(quán)利要求1所述的噴墨印頭的制作方法，其中形成該熱電阻層的方法包括蒸發(fā)法。
4.如權(quán)利要求1所述的噴墨印頭的制作方法，其中該熱電阻層為單層結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求1所述的噴墨印頭的制作方法，其中該熱電阻層是由多個(gè)第一金屬層與多個(gè)第二金屬層交互疊合構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求5所述的噴墨印頭的制作方法，其中該熱電阻層的疊合層數(shù)約為10層至20層。
7.如權(quán)利要求5所述的噴墨印頭的制作方法，其中這些第一金屬層的材質(zhì)包括鉭。
8.如權(quán)利要求5所述的噴墨印頭的制作方法，其中這些第二金屬層的材質(zhì)包括鋁。
9.如權(quán)利要求5所述的噴墨印頭的制作方法，其中這些第二金屬層的材質(zhì)包括釕。
10.如權(quán)利要求5所述的噴墨印頭的制作方法，其中這些第一金屬層與這些第二金屬層的材質(zhì)包括原子半徑差值約在7％以內(nèi)的金屬材料。
11.如權(quán)利要求5所述的噴墨印頭的制作方法，其中每一這些第一金屬層的厚度約為5nm至10nm。
12.如權(quán)利要求5所述的噴墨印頭的制作方法，其中每一這些第二金屬層的厚度約為5nm至10nm。
13.如權(quán)利要求1所述的噴墨印頭的制作方法，其中形成這些保護(hù)層的方法包括等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法。
14.如權(quán)利要求1所述的噴墨印頭的制作方法，其中形成這些保護(hù)層的方法包括射頻濺射法。
15.如權(quán)利要求1所述的噴墨印頭的制作方法，其中這些保護(hù)層的疊合層數(shù)約為10層至20層。
16.如權(quán)利要求1所述的噴墨印頭的制作方法，其中這些保護(hù)層是由多個(gè)軟材料保護(hù)層與多個(gè)硬材料保護(hù)層交互疊合構(gòu)成。
17.如權(quán)利要求16所述的噴墨印頭的制作方法，其中這些軟材料保護(hù)層的材質(zhì)選自于由硅、氧化硅以及二氧化硅所組成的族群中的材料。
18.如權(quán)利要求16所述的噴墨印頭的制作方法，其中這些硬材料保護(hù)層的材質(zhì)選自于由氮化硅及碳化硅所組成的族群中的材料。
19.如權(quán)利要求16所述的噴墨印頭的制作方法，其中每一這些軟材料保護(hù)層的厚度約為10nm至60nm。
20.如權(quán)利要求16所述的噴墨印頭的制作方法，其中每一這些硬材料保護(hù)層的厚度約為10nm至60nm。
21.如權(quán)利要求1所述的噴墨印頭的制作方法，其中這些保護(hù)層是由多個(gè)第一保護(hù)層與多個(gè)第二保護(hù)層交互疊合構(gòu)成。
22.如權(quán)利要求21所述的噴墨印頭的制作方法，其中這些第一保護(hù)層的材質(zhì)包括氮化硅。
23.如權(quán)利要求21所述的噴墨印頭的制作方法，其中這些第二保護(hù)層的材質(zhì)包括碳化硅。
24.如權(quán)利要求21所述的噴墨印頭的制作方法，其中每一這些第一保護(hù)層的厚度約為10nm至60nm。
25.如權(quán)利要求21所述的噴墨印頭的制作方法，其中每一這些第二保護(hù)層的厚度約為10nm至60nm。
26.如權(quán)利要求1所述的噴墨印頭的制作方法，其中還包括在這些保護(hù)層上，形成一表面保護(hù)層。
27.一種噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，該噴墨印頭形成于一基板上，該結(jié)構(gòu)包括一熱電阻層，位于該基板上；一導(dǎo)電層，位于該熱電阻層上，該導(dǎo)電層具有一限定的圖案；以及多個(gè)保護(hù)層，位于該導(dǎo)電層及該熱電阻層上。
28.如權(quán)利要求27所述的噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，其中該熱電阻層為單層結(jié)構(gòu)。
29.如權(quán)利要求27所述的噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，其中該熱電阻層是由多個(gè)第一金屬層與多個(gè)第二金屬層交互疊合構(gòu)成。
30.如權(quán)利要求29所述的噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，其中該熱電阻層的疊合層數(shù)約為10層至20層。
31.如權(quán)利要求29所述的噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，其中這些第一金屬層的材質(zhì)包括鉭。
32.如權(quán)利要求29所述的噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，其中這些第二金屬層的材質(zhì)包括鋁。
33.如權(quán)利要求29所述的噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，其中這些第二金屬層的材質(zhì)包括釕。
34.如權(quán)利要求29所述的噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，其中這些第一金屬層與這些第二金屬層為原子半徑差值約在7％以內(nèi)的金屬材料。
35.如權(quán)利要求29所述的噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，其中每一這些第一金屬層的厚度約為5nm至10nm。
36.如權(quán)利要求29所述的噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，其中每一這些第二金屬層的厚度約為5nm至10nm。
37.如權(quán)利要求27所述的噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，其中這些保護(hù)層的疊合層數(shù)約為10層至20層。
38.如權(quán)利要求27所述的噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，其中這些保護(hù)層是由多個(gè)軟材料保護(hù)層與多個(gè)硬材料保護(hù)層交互疊合構(gòu)成。
39.如權(quán)利要求38所述的噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，其中這些軟材料保護(hù)層的材質(zhì)選自由硅、氧化硅以及二氧化硅所組成的族群中的材料。
40.如權(quán)利要求38所述的噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，其中這些硬材料保護(hù)層的材質(zhì)選自由氮化硅及碳化硅所組成的族群中的材料。
41.如權(quán)利要求38所述的噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，其中每一這些軟材料保護(hù)層的厚度約為10nm至60nm。
42.如權(quán)利要求27所述的噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，其中每一這些硬材料保護(hù)層的厚度約為10nm至60nm。
43.如權(quán)利要求27所述的噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，其中這些保護(hù)層由多個(gè)第一保護(hù)層與多個(gè)第二保護(hù)層交互疊合構(gòu)成。
44.如權(quán)利要求43所述的噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，其中這些第一保護(hù)層的材質(zhì)包括氮化硅。
45.如權(quán)利要求43所述的噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，其中這些第二保護(hù)層的材質(zhì)包括碳化硅。
46.如權(quán)利要求43所述的噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，其中每一這些第一保護(hù)層的厚度約為10nm至60nm。
47.如權(quán)利要求43所述的噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，其中每一這些第二保護(hù)層的厚度約為10nm至60nm。
48.如權(quán)利要求27所述的噴墨印頭的結(jié)構(gòu)，其中在這些保護(hù)層上，還具有一表面保護(hù)層。
全文摘要
一種噴墨印頭的結(jié)構(gòu)與制作方法,首先提供基板,并在基板上交互沉積不同金屬材料作為多層熱電阻層。其次在多層熱電阻層上,沉積導(dǎo)電層并將其圖案化。接著在導(dǎo)電層與多層熱電阻層上,交互沉積不同硅化合物材料作為多層保護(hù)層。再在多層保護(hù)層上,沉積表面保護(hù)層。藉由多層保護(hù)層結(jié)構(gòu)降低保護(hù)層的針孔密度、增加保護(hù)層的斷裂韌性與彎曲強(qiáng)度,以及改善其熱傳導(dǎo)性質(zhì)。
文檔編號(hào)B41J2/16GK1253078SQ981241
公開日2000年5月17日 申請(qǐng)日期1998年11月10日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月10日
發(fā)明者李憶興, 吳義勇, 鄭陳煜, 邱紹玲, 徐享楨 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院