專利名稱：噴墨打印頭及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種噴墨打印頭及其制造方法，并且具體地，涉及一種熱驅(qū) 動型噴墨打印頭及其制造方法。
背景技術(shù)：
噴墨打印頭是將墨滴噴射到在所期望的位置的打印介質(zhì)上以形成特定
色彩的圖像的裝置。根據(jù)噴射墨滴的機理，噴墨打印頭大致上分為兩種類型 熱驅(qū)動型和壓電驅(qū)動型。熱驅(qū)動型噴墨打印頭通過利用熱源在墨中產(chǎn)生氣 泡，并通過氣泡的膨脹力噴射墨滴。壓電型噴墨打印頭通過由于壓電元件的 變形而向墨施加壓力來噴射墨滴。
現(xiàn)在將詳細(xì)說明在熱驅(qū)動型噴墨打印頭中噴射墨滴的機理。當(dāng)脈沖電流 在具有電阻器的加熱器中流動時，產(chǎn)生了熱，從而使鄰近加熱器的墨即刻經(jīng) 歷溫度上升而達(dá)到約300°C。當(dāng)墨沸騰時，其產(chǎn)生了氣泡。所產(chǎn)生的氣泡膨 脹并在墨腔內(nèi)的墨上施加壓力。因此，圍繞噴嘴的墨通過噴嘴以墨滴的形式 從墨腔(ink chamber)被噴射。
常規(guī)技術(shù)公開了一種噴墨打印頭，其具有這樣的結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中基板、 絕緣層、電極層、加熱器、鈍化層和抗空化層順次堆疊。
電極從通用CMOS邏輯電路和電源晶體管接收電信號，并將電信號傳 輸至加熱器。鈍化層形成在電極和加熱器上以保護(hù)它們。鈍化層保護(hù)電極和 加熱器免受電絕緣和外部沖擊?？箍栈瘜臃乐闺姌O和加熱器被空化力 (cavitation force)破壞，該空化力是當(dāng)由于熱能產(chǎn)生的墨泡消失時產(chǎn)生的。
墨從打印頭基板的下表面通過墨供應(yīng)路徑供應(yīng)到基板的上表面。通過墨 供應(yīng)路徑被供應(yīng)的墨到達(dá)形成為腔板(chamber plate )的墨腔中。臨時存儲 在墨腔中的墨由通過連接到外部電路的電極接受電信號以產(chǎn)生熱的加熱器 被即刻加熱。墨產(chǎn)生了易爆的氣泡，并且墨腔中的墨的一部分通過形成在墨 腔上方的墨噴嘴噴射到打印頭的外部。
近來，噴墨打印頭需要用于高速度、高集成度及高質(zhì)量的線寬打印機 (line width printer)上。線寬打印機需要多個噴嘴。這些噴嘴應(yīng)該在實際的 限制內(nèi)(practical limits)同時噴墨。在這種情況下，要向打印機施加大量的 能量，但這樣可能會導(dǎo)致熱積聚從而降低打印性能和質(zhì)量。因此，在噴墨中， 需要打印頭保持低能量。
有 一種減'J 、鈍化層的厚度來減少熱積聚的方法。
然而，由于常規(guī)上采用鋁作為電極層的材料，并且鋁具有低的導(dǎo)電性， 電極和加熱器位于該結(jié)構(gòu)的不同水平面上，所以鈍化層應(yīng)具有用于上述提及 的特性和結(jié)構(gòu)的預(yù)定厚度。因此，對于減小鈍化層的厚疼存在局限性。
另外，當(dāng)噴嘴在同時噴墨時，有必要維持施加到各個加熱器的電流的小 的變化以便確保打印質(zhì)量中的均勻性。
然而，常規(guī)地，由于鋁(Al)被用作電極層的材料，所以當(dāng)噴嘴同時噴 墨時，存在電流中的大的變化。其導(dǎo)致了噴墨打印頭在噴射性能和可靠性方 面的降低。
作為 一種當(dāng)噴嘴同時噴墨時減小施加到各個加熱器的電流的變化的方 法，可以增加電極的厚度。然而，當(dāng)增加電極的厚度時，具有同樣厚度的鈍 化層應(yīng)形成在電極和加熱器上。當(dāng)鈍化層形成在電極和加熱器上時，階梯覆 蓋(step coverage)惡化并降低了加熱器的可靠性。另外，當(dāng)為了階梯覆蓋 而增加鈍化層的厚度時，用于驅(qū)動加熱器的輸入能量增加了，因而導(dǎo)致了熱 積聚。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了 一種能夠在降低輸入能的同時提高噴墨打印頭的可靠性 和噴射性能的噴墨打印頭及其制造方法。
本發(fā)明的附加的方面和/或效用將在下面的描述中被部分列出，并根據(jù)描 述部分地明顯或可通過實踐本發(fā)明而得知。
本發(fā)明前述的和/或其他的方面和效用可以通過提供一種噴墨打印頭而 獲得，該噴墨打印頭包括基板；絕緣層，其形成在基板的表面上并具有電極 形成空間；電極，形成在電極形成空間內(nèi)并與絕緣層位于同一平面上；加熱 器，其形成在絕緣層和電極的上表面上；以及鈍化層，其形成在絕緣層和加 熱器上。
本發(fā)明前述的和/或其他的方面和效用可以通過提供一種噴墨打印頭的 制造方法而獲得，該方法包括在基板的表面上形成絕緣層；在絕緣層內(nèi)形成
電極形成空間；形成電極以覆蓋絕緣層和電極形成空間；將絕緣層的上表面 和電極的上表面平坦化使得絕緣層的上表面和電極的上表面位于同一平面 上；在絕緣層的上表面和電極的上表面上形成加熱器；以及在加熱器的上表 面形成鈍化層。
本發(fā)明前述的和/或其他的方面和效用可以通過提供一種噴墨打印頭而 獲得，該噴墨打印頭包括基板；絕緣層，其形成在基板的表面上；電極，其 通過蝕刻掉絕緣層的一部分并電鑄銅層而形成；加熱器，其形成在絕緣層和 電極的上表面上；以及鈍化層，其形成在絕緣層和加熱器上。
本發(fā)明前述的和/或其他的方面和效用可以通過提供一種噴墨打印頭的 制造方法而獲得，該方法包括在基板的表面上形成絕緣層；在絕緣層內(nèi)形成 電極形成空間；形成電極以覆蓋絕緣層和電極形成空間；將絕緣層和電極的 上表面平坦化使得該絕緣層和電極的上表面位于同一平面上；在絕緣層和電 極的上表面上形成加熱器。


通過結(jié)合附圖的對本發(fā)明的下面的說明，本發(fā)明的這些和/或其他的方面 和優(yōu)點將變得明顯且更易于理解，其中
圖1圖解示出才艮據(jù)本發(fā)明的一個實施例的噴墨打印頭的結(jié)構(gòu)的截面以及
圖2至9圖解示出制造根據(jù)圖1中所示的本發(fā)明的一個實施例的噴墨打 印頭的順次的工藝的截面圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在將詳細(xì)參考本發(fā)明的示范性實施例，其實例在附圖中被示出，其中 相同參考數(shù)字自始至終都代表相同的元件。以下參照附圖描述實施例以解釋 本發(fā)明。
在下文中，將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例。
圖l是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的噴墨打印頭的結(jié)構(gòu)的截面圖。盡 管在附圖中只描繪了噴墨打印頭的單元結(jié)構(gòu)(unitary structure),但多個墨腔 和多個噴嘴在以芯片形狀制造的噴墨打印頭中布置成一行或兩行，也可以布 置成三行或更多行以提高分辨率。
如圖l所示，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例制造的噴墨打印頭具有這樣的結(jié)
構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中底板(base plate ) 100、流動路徑板200和噴嘴板300順次堆疊。
流動路徑板200包括墨腔210，墨腔210充滿了從墨存儲單元通過墨流 動路徑而供應(yīng)的墨。
噴嘴板300包括形成在與墨腔210相對應(yīng)的位置處用以噴墨的噴嘴310。
底板IOO通過在基板IIO上堆疊絕緣層120、電極130、加熱器140、鈍 化層150、抗空化層(anti-cavitation)160或其類似物而形成。采用在集成電路 制造中廣泛使用的硅片作為基板110。
在這種情況下，絕緣層120不僅用來使基板110與加熱器140絕緣，而 且也用作絕熱層以防止在加熱器140中產(chǎn)生的熱能向基板110泄露。絕緣層 120局部地突出(例如，參見圖3中的突出122)使得電極可以被分隔并被 設(shè)置在絕緣層120上。絕緣層120由具有高的絕緣特性的硅的氮化物(SiNx) 膜或硅的氧化物(SiOx)膜形成在基板110的表面上。此外，電極130分別 形成在絕緣層120的突出部分的相對側(cè)處使得暴露出該突出部分。在這種情 況下，該對電極130的上表面和絕緣層120的暴露部分的上表面處于同一平 面上。電極130由具有高的導(dǎo)熱性的銅(Cu)形成以向加熱器140施加電流 使得墨腔210中的墨被加熱以產(chǎn)生氣泡。
此外，加熱器140形成在暴露的絕緣層120的上表面和電極130的上表 面上。加熱器140可以形成為矩形或圓形。
此外，鈍化層150形成在電極130和加熱器140上以保護(hù)它們。鈍化層 150由硅的氮化物(SiNx)膜形成以防止電極130和加熱器140被氧化或直 接接觸墨。
此外，抗空化層160形成在某個部分處的鈍化層150的上表面上，墨腔 210也形成在該部分處?？箍栈瘜?60的上表面形成墨腔210的下表面以防 止加熱器140被當(dāng)墨腔210中的氣泡消失時產(chǎn)生的高壓所破壞?？箍栈瘜?60 由鉭(Ta)形成。
在下文中，將描述具有根據(jù)本發(fā)明的上述結(jié)構(gòu)的噴墨打印頭的制造方法。
圖2至9是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例制造噴墨打印頭的順次的制造工藝 的截面圖。
首先，參考圖2，在此實施例中，采用被處理的以具有預(yù)定厚度的硅片
作為基板110。硅片普遍地使用在半導(dǎo)體器件的制造中并且在量產(chǎn)(mass production)中很有效。同時，圖2描繪了硅片的一部分。根據(jù)本發(fā)明的噴 墨打印頭可以制造為在單晶片上的幾十至幾百個芯片。
此外，初始絕緣層120'形成在制備的硅基板110的上表面上。初始絕緣 層120'可以由厚度約為5000A至50000A的硅的氮化物(SiNx)膜或硅的氧 化物(SiOx)膜形成，當(dāng)基板110的表面在高溫下被氧化時，初始絕緣層120' 形成在基板110的表面上。初始絕緣層120'通過濺射法(sputtering method) 或化學(xué)氣相沉積(CVD)被沉積。初始絕緣層120'由多層材料形成。例如， 當(dāng)使用硅的氧化物(SiOx)膜作為初始絕緣層120'時，采用硅的氮化物(SiNx) 膜作為在初始絕緣層120'上的蝕刻停止層用以停止蝕刻。
如圖3所示，在初始絕緣層120'形成在基板110上之后，利用通過光刻 工藝而圖案化來形成蝕刻掩模。之后，初始絕緣層120'通過蝕刻掩模被暴露 的一部分通過干法蝕刻或濕法蝕刻被去除。因此，形成了絕緣層120。蝕刻 掩模通過用作通用的光致抗蝕劑去除工藝的灰化(ashing)和剝離工藝被去 除。因此，如圖3所示，以點線表征的部分121形成在絕緣層120的突出部 分122的相對側(cè)，其中電極130隨后形成在該部分121處(圖5 )。
如圖4所示，具有預(yù)定厚度的初始電極130'形成在具有圖3中所示形狀 的絕緣層120的上表面上以隨后形成電極130 (參見圖5)。初始電極U0' 由銅(Cu)通過電鑄(electroforming)形成。根據(jù)本發(fā)明，如上所述，初始 電極130'所具有的厚度等于或小于絕緣層120的厚度。
在初始電極130'形成之后，如圖4所示，初始電極130'通過化學(xué)才幾械拋 光(CMP)工藝被平坦化直到銅(Cu)從絕緣層120的暴露表面被去除。因 此獲得圖5所示的電極130。 CMP工藝是通過混合機械去除工藝和化學(xué)去除 工藝而獲得的拋光處理技術(shù)。在這種情況下，絕緣層120的暴露部分用作蝕 刻停止層以允許銅(Cu)具有均勻的厚度。也就是說，銅電極130通過CMP 工藝被圖案化。絕緣層120的暴露部分和電極130通過CMP處理被平坦化， 并且二者的上表面位于同一平面上。
由于銅(Cu)電極與鋁(Al)電極相比，施加到每組中的各個加熱器的 電流變化比鋁電極的電流變化小得多，因此采用銅(Cu)替代鋁(Al)作為 電極130的材料。如實驗結(jié)果所示，在采用鋁(Al)電極的情況下，在單噴 射(single firing)中獲得1.80%的電流變化，并且在全噴射(foil firing)中 獲得6.49。/。的最大電流變化。然而，在釆用與鋁(Al)電極具有相同厚度的
銅(Cu)電極來替代鋁(Al)電極的情況下，在單噴射和全噴射中都可獲得 不同于鋁(Al)電極的小的電流變化。具體地，在全噴射中，根據(jù)驅(qū)動操作 的數(shù)量，位于不同位置處的各個加熱器中的電流變化改善了約53%。此外， 如果銅(Cu)電極的厚度增加到30000A，則位于不同位置處的各個加熱器 中的最大電流變化減小到1.16%,并且這意味著同采用厚度為8000A的鋁 (Al)電極相比，其電流變化改善了約460%。也就是說，在全噴射中，電流 均勻地施加到處于不同位置的加熱器，因而獲得了均勻的噴射性能和優(yōu)秀的 打印質(zhì)量。另外，由于布線的電阻，噴墨頭的熱量降低了，并且根據(jù)銅(Cu) 電極的厚度，整個輸入能量也降低了約3~7%。因此，在同時噴射中產(chǎn)生的 噴墨頭的熱降低了，因而提高了可靠性。
如圖6所示，加熱器140在縱向上形成在絕緣層120的暴露部分122和 電極130的上表面上。在這種情況下，由于絕緣層120的暴露部分和電極130 的上表面位于同一平面上，因此加熱器140在縱向上平坦地形成在絕緣層 120的暴露部分和電極130的上表面上。加熱器140可以由選自由氮化鈦 (TiN)、氮化鉭(TaN)、鉭鋁合金(TaAl)和鎢的硅化物(tungsten silicide ) 組成的組的至少一種材料通過CVD諸如濺射而形成。
如圖7所示，在形成加熱器140之后，鈍化層150形成在加熱器140的 表面上。鈍化層150通過利用物理氣相沉積(PVD )和化學(xué)氣相沉積(CVD ) 沉積預(yù)定厚度的氮化硅(SiN)膜而形成，用以保護(hù)電極130和加熱器140。
在鈍化層150形成之后，抗空化層160形成在鈍化層150上?？箍栈瘜?160通過沉積形成在鈍化層150上，例如，通過賊射沉積預(yù)定厚度的鉭(Ta) 而形成。在所沉積的鉭的表面上涂敷光致抗蝕劑之后，該光致抗蝕劑通過光 刻工藝被圖案化從而形成蝕刻掩模。鉭通過該掩模而暴露的部分通過干法蝕 刻或濕法蝕刻被去除。之后，蝕刻掩模由作為通用的光致抗蝕劑去除工藝的 灰化(ashing)和剝離工藝被去除，因而形成抗空化層160。在這種情況下， 由于加熱器140形成為是平坦的，所以即便鈍化層150具有小的厚度，也可 以獲得好的階梯覆蓋特性。因此，可以將鈍化層150的厚度最小化，從而降 低輸入能量。另外，當(dāng)加熱器140具有相對于墨的耐久性時，加熱器140可 以保護(hù)電極130且因此可以省略附加的鈍化層。
包括基板110、絕緣層120、電極130、加熱器140、鈍化層150和抗空 化層160的底板100通過圖2至圖7所示的工藝而完成。
接下來，在底板100完成之后，如圖8所示，在底板100上形成流動路
徑板200以限定墨流動路徑。具體地，首先，在底板100上涂敷預(yù)定厚度的 負(fù)性光致抗蝕劑以形成光致抗蝕劑層。該光致抗蝕劑層通過使用墨腔和具有 限制器(restrictor)圖案的光掩模而暴露給紫外線(UV)使得光致抗蝕劑層 被顯影。之后，光致抗蝕劑層的非曝光部分被去除，從而形成了流動路徑板 200。
之后，如圖9所示，噴嘴板300形成在流動路徑板200上。具體地，首 先，犧牲層形成在流動路徑板200上以具有高于流動路徑板200的高度。在 這種情況下，犧牲層通過利用旋轉(zhuǎn)涂布法(spin coating method)涂敷預(yù)定厚 度的正性光致抗蝕劑而形成。之后，犧牲層和流動路徑板200的上表面通過 CMP工藝形成為具有相同的高度。之后，負(fù)性光致抗蝕劑形成在具有被平 坦化的上表面的流動路徑板200和犧牲層上以具有能夠確保噴嘴的足夠的長 度并提供能夠抵抗住在墨腔210內(nèi)部的壓力變化的強度的厚度。之后，由負(fù) 性光致抗蝕劑形成的光致抗蝕劑層使用掩模被曝露給光。之后，光致抗蝕劑 層被顯影并且光致抗蝕劑層的非曝光部分被去除，從而形成噴嘴310。此外， 保留了通過曝光而硬化的部分并形成了噴嘴板300。其后，蝕刻掩模形成在 基板110的背面上從而形成供墨孔。之后，基板110的背面通過利用蝕刻掩 模被蝕刻以形成通過基板110的供墨孔。最后，犧牲層通過溶劑被去除，從 而完成了才艮據(jù)本發(fā)明一個實施例的具有圖9所示的結(jié)構(gòu)的噴墨打印頭。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，加熱器140在絕緣層120和電極130上形成為 是平坦的。因此，可以減小鈍化層150的厚度。另外，替代鋁而作為向加熱 器140施加電流以產(chǎn)生熱的電極130的材料的銅(Cu)具有相對高的導(dǎo)電性。 因此，可以增加電極130在厚度上的自由度。此外，由于均勻的電流可以在 墨的單噴射和全噴射中被施加到處于不同位置的各個加熱器140，從而可以 降低整體輸入能并且也可以提高噴墨穩(wěn)定性和噴墨打印頭的可靠性。
盡管已示出并描述了本發(fā)明的實施例，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解的 是在不脫離本發(fā)明的原則和精神的情況下可以對這些實施例作出改變，本發(fā) 明的范圍被限定在所附的權(quán)利要求及其等同物之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種噴墨打印頭，其包括基板；絕緣層，其形成在所述基板的表面上并具有電極形成空間；電極，其形成在所述電極形成空間內(nèi)以與所述絕緣層位于同一平面上；加熱器，其形成在所述絕緣層和所述電極的上表面上；以及鈍化層，其形成在所述絕緣層和所述加熱器上。
2、 如權(quán)利要求1所述的噴墨打印頭，其中所述絕緣層包括在所述基板 上由硅的氧化物膜形成的第 一絕緣層以及在所述第 一絕緣層上由硅的氮化 物膜形成的第二絕緣層。
3、 如權(quán)利要求2所述的噴墨打印頭，其中形成所述電極以具有與所述 第二絕緣層同樣的高度。
4、 如權(quán)利要求1所述的噴墨打印頭，其中形成的所述絕緣層具有的厚 度為5000A至50000A。
5、 如權(quán)利要求4所述的噴墨打印頭，其中所述電極具有的厚度等于或 小于所述絕緣層的厚度。
6、 如權(quán)利要求1所述的噴墨打印頭，其中所述電極形成在所述電極形 成空間內(nèi)且設(shè)置在與所述絕緣層的上表面相同的高度。
7、 如權(quán)利要求6所述的噴墨打印頭，其中所述電極是銅。
8、 如權(quán)利要求1所述的噴墨打印頭，其中所述鈍化層由硅的氮化物膜 形成。
9、 如權(quán)利要求1所述的噴墨打印頭，還包括抗空化層，其由鉭(Ta) 形成在所述鈍化層的表面上。
10、 一種噴墨打印頭的制造方法，所述方法包括 在基板的表面上形成絕緣層；在所述絕緣層內(nèi)形成電極形成空間； 形成電極以覆蓋所述絕緣層和所述電極形成空間； 將所述絕緣層的上表面和所述電極的上表面平坦化使得所述絕緣層的 上表面和所述電極的上表面位于同一平面上；在所述絕緣層的上表面和所述電極的上表面上形成加熱器；以及在所述加熱器的上表面上形成鈍化層。
11、 如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述絕緣層和所述電極的上表面通過化學(xué)機械拋光工藝被平坦化使得所述絕緣層和所述電極的上表面位于 同一平面上。
12、 如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述電極通過電鑄形成在所述絕 緣層上的所述電極形成空間中。
13、 如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述加熱器通過'減射法或化學(xué)氣 相沉積法形成。
14、 如權(quán)利要求10所述的方法，還包括在所述鈍化層的表面上形成由 鉭(Ta)形成的抗空化層。
15、 如權(quán)利要求IO所述的方法，還包括形成流動路徑板以在所述基板上限定墨流動路徑，所述絕緣層、所述電 極、所述加熱器和所述鈍化層形成在所述基板上；在具有形成在其上的所述流動路徑板的所述基板上形成犧牲層以覆蓋 所述流動^各徑板；通過化學(xué)機械拋光工藝將所述流動路徑板和所述犧牲層的上表面平坦化；在所述流動路徑板和所述犧牲層的上表面上形成噴嘴板； 在具有形成于其上的所述噴嘴板的所述基板中形成供墨孔；以及 去除所述犧牲層。
16、 —種噴墨打印頭，所述噴墨打印頭包括 基板；絕緣層，其形成在所述基板的表面上； 電極，其通過蝕刻掉所述絕緣層的一部分并電鑄銅層而形成； 加熱器，其形成在所述絕緣層和所述電極的上表面上；以及 鈍化層，其形成在所述絕緣層和所述加熱器上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種噴墨打印頭及其制造方法。該噴墨打印頭包括基板；絕緣層，其形成在基板上并具有電極形成空間；電極，形成在電極形成空間內(nèi)并與絕緣層位于同一平面上；加熱器，其形成在絕緣層和電極的上表面上；以及鈍化層，形成在絕緣層和加熱器上。加熱器在絕緣層和電極上形成為是平坦的，從而減小了鈍化層的厚度。另外，替代鋁作為向加熱器施加電流以產(chǎn)生熱的電極的材料的銅具有相對高的導(dǎo)電性，因而可以增加電極在厚度上的自由度。此外，由于均勻的電流可以在墨的單噴射和全噴射中應(yīng)用到處于不同位置的各個加熱器，從而可以降低整體輸入能并且也提高了噴墨的穩(wěn)定性和噴墨打印頭的可靠性。
文檔編號B41J2/14GK101367295SQ200810171469
公開日2009年2月18日 申請日期2008年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月16日
發(fā)明者樸性俊, 權(quán)明鐘, 金兌珍, 韓銀奉 申請人:三星電子株式會社