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CN1319742C - 液体喷射头、液体喷射装置及制造液体喷射头的方法 - Google Patents

液体喷射头、液体喷射装置及制造液体喷射头的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种制造液体喷射头的方法，包括形成保护层的步骤，该保护层用于防止加热元件被干刻，该干刻在形成布线图案时于加热元件的用于容纳例如墨水的液体的液体室的侧表面上进行，由此，即使布线图案是由具有增强的抗电迁移性的布线材料形成的，也可以保证令人满意的可靠性。

Description

液体喷射头、液体喷射装置及制造液体喷射头的方法
技术领域
本发明涉及液体喷射头，液体喷射装置及制造液体喷射头的方法。本发明特别是应用于使用热能头(thermal head)的液体喷射装置，以确保令人满意的可靠性，即使布线图案由具有增强的抗电迁移性(electromigrationresistance)的布线材料构成。
背景技术
近来在图形处理等领域，对彩色复印件的需求不断增长。根据这种需求，已提出多种制作彩色复印件的方法，包括升华染料转移法(sublimationdye transfer method)、热熔转移法(thermofusible transfer method)、例如墨水喷射的液体喷射法、电子照相术、以及银盐光热复制术(silver saltphotothermographic method)。
在上述方法中的液体喷射法中，例如记录用的液体(墨水)的液滴从记录头的喷嘴流出，以形成点到记录用物体上。因而，可以从简单的结构输出高质量的图像。液体喷射方法根据如何排出如墨水的液体分为，例如，静电吸引系统、连续振动发生系统(压力系统)、以及热系统。
在热系统中，如墨水的液体被局部加热以产生推动该液体流到记录用物体上的气泡。因而，高质量的彩色图像可以通过简单的结构印出。采用热系统的打印机包括所谓的打印机针头。打印机针头包括半导体衬底，在该半导体衬底上利用半导体技术设置有用于加热如墨水的液体的加热元件、采用逻辑集成电路并用于驱动该加热元件的驱动电路等。
具体地，热能头具有位于硅衬底上的由金属氧化物半导体(MOS)晶体管和双极晶体管构成的逻辑集成电路以及由该辑集成电路驱动的驱动晶体管。另外，通过溅射的方法沉积Ta、Ta2N、TaAl或类似的材料以形成用作加热元件的薄膜。接着，如铝的布线材料被沉积，并采用湿法蚀刻被图案化，以连接所述晶体管与各自的加热元件。此外，沉积例如氮化硅膜的保护层和采用Ta膜的抗空蚀(anti-cavitation)层。该热能头还包括用于容纳例如墨水的液体的液室以及用于汲取该液体到各自的液室的通路。因而，该逻辑驱动电路控制驱动晶体管，以激发加热元件，并由此热能头从喷嘴排出墨滴。
为了产生高质量的打印输出，理想的是将加热元件密集地设置在热能头中。例如，在具有相应于600DPI分辨率的打印机针头中，加热电阻以42.333μm的间隔排列。
当驱动晶体管被利用用作布线材料的纯铝连接到各自的加热元件时，使用主要含有磷酸或类似物质的化学溶液的湿法蚀刻促进了铝的图案化的可靠性，而不会对加热元件造成不利影响。
然而，如果将电流施加到铝上，电子与铝原子碰撞，由此移动铝原子。结果，可能在部分铝布线图案中产生缺陷。另外，所述缺陷可能导致布线图案断开(所谓电迁移缺陷)。因而，在制备半导体的工艺中，硅、铜或类似的物质被添加到铝中，而不是采用纯铝，以便铝的晶粒边界通过这种添加物而得到加强，因此提高抗电迁移性。
因而，可以认为热能头的可靠性可以通过使用具有增强的抗电迁移性的布线材料而进一步提高。因此，在这种情况下，可以认为抗电迁移性可以通过以下方法得以提高，例如如图1中所示，在半导体衬底1上形成一绝缘层之后，通过采用湿法蚀刻的方法图案化该布线层，来在半导体衬底1上依次形成加热元件2和由例如Al-Si或Al-Cu的布线材料组成的布线层3，该半导体衬底包括驱动晶体管。
不幸的是，布线材料中的添加物，例如Si或Cu，无法溶解在蚀刻化学制剂中，因而，由Si、Cu等构成的残留物4保留在布线材料已被所述化学制剂移除了的区域中。在于热能头中使用的情况下，布线材料已被移除的该区域成为污染源，该污染源严重且有害地影响半导体制备工艺。
作为这个问题的一个解决方案，可以用卤素气体等离子体(也即，干法蚀刻)代替湿法蚀刻来形成Al-Si或Al-Cu布线图案。但是，在使用卤素气体的干法蚀刻中，加热元件的材料，例如Ta、Ta2N或TaAl，的蚀刻效果不理想，因而，加热元件的可靠性被严重降低。
因此，通过使用具有增强的抗电迁移性的布线材料很难保证热能头的可靠性。
发明内容
本发明已达成以上的考量，并将提出一种液体喷射头；一种液体喷射装置，即使在布线图案是由具有增强的抗电迁移性的布线材料形成的情况下，也可保证该装置具有令人满意的可靠性；以及一种制造该液体喷射头的方法。
为了解决所述问题，本发明被应用于液体喷射头，并且用于防止加热元件受到干刻的保护层被形成在由金属或金属化合物形成的每个加热元件靠近液室的一侧的表面上。
因而，本发明被应用于所述液体喷射头及各种类型的装置，所述装置从理想的喷嘴中排出液滴，例如使用墨滴、各种染料液滴及用于形成保护层的液滴作为液滴的打印机针头；使用试剂作为液滴的微分配器(microdispenser)、材料设备、以及测试装置；以及使用用于防止元件受到蚀刻的化学制剂作为液滴的绘图装置。通过在由金属或金属化合物形成的加热元件靠近液室一侧的表面上形成所述保护层，该保护层用于防止加热元件受到用于形成布线图案的干刻，该保护层防止干刻对加热元件产生不利影响。因而，可以有效地避免加热元件可靠性的恶化，即使布线图案是由具有增强的抗电迁移性的布线材料形成的，因此，可以保证令人满意的可靠性。
另外，本发明被应用于一种液体喷射装置。在该液体喷射装置的液体喷射头中，用于防止加热元件受到用于形成布线图案的干刻的保护层被形成在由金属或金属化合物形成的每个加热元件靠近液室一侧的表面上。
根据这种结构，可以实现一液体喷射装置，即使在布线图案是由具有增强的抗电迁移性的布线材料形成的情况下，其可靠性也可获得令人满意的保证。
另外，本发明被应用于一种制造液体喷射头的方法。该方法包括在由金属或金属化合物形成的每个加热元件靠近液室一侧的表面上形成用于防止加热元件受到用于形成布线图案的干刻的保护层的步骤。
根据这种结构，可以提供一种制造液体喷射头的方法，采用该方法制造一液体喷射头，该液体喷射头即使在布线图案是由具有增强的抗电迁移性的布线材料形成的情况下，其可靠性也可获得令人满意的保证。
附图说明
图1为一剖视图，用于描述布线图案的湿法蚀刻导致的残留物；
图2A和图2B为剖视图，用于描述根据一实施例制造打印机针头的工艺；
图3C和图3D为剖视图，用于续接图2的描述；
图4E和图4F为剖视图，用于续接图3的描述；
图5G和图5H为剖视图，用于续接图4的描述；
图6为加热元件电阻变化的特性的表示；
图7为在与图6的条件不同的条件下加热元件电阻变化的特性的表示。
具体实施方式
现将参照附图描述本发明的一实施例。本发明被应用于一种液体喷射装置、一种用于该液体喷射装置中的液体喷射头、以及一种用于制造该液体喷射头的方法。在以下的描述中，墨水被用作从液体喷射装置中流出的液体的示例。因而，从液体喷射装置中流出的液体不是限定于墨水，而可以是墨水的固定剂(fixer)或稀释剂的液滴或类似物、染料的液滴或类似物、或者用于形成保护层的液滴或类似物。所述液体当然也可以是用于微分配器的试剂，或用于绘图装置并防止元件受到蚀刻的化学制剂，或类似物。
(1)实施例的结构
图2A至图5H为用于描述依照实施例制造打印机针头的工艺。在该工艺中，在经过清洗后，P型硅衬底11被沉积一氮化硅层，如图2A所示。在该工艺中，硅衬底11随后经过光刻和反应离子蚀刻，以从除了预定形成晶体管的区域外的区域移除氮化硅层。因而，在该工艺中，氮化硅层形成在硅衬底11上的形成晶体管的区域中。
接着，在该工艺中，热氧化硅层被形成在已移除了氮化硅层的区域中，以形成用于隔离晶体管的元件隔离区(LOCOS：硅的局部氧化)12。在硅衬底11被清洗后，在每个晶体管形成区域中栅极具有硅化钨/多晶硅/热氧化层结构。再对硅衬底11进行离子注入和热处理，以形成源区/漏区，从而形成MOS开关晶体管14和15。一种开关晶体管14被用于激活各自的加热元件，并具有大约30V的耐压。另一方面，另一种晶体管15构成用于控制上述的驱动晶体管，并以5V电压被驱动。随后，在该工艺中，通过化学汽相沉积方法(CVD)沉积一硼磷硅酸盐玻璃(BPSG：BoroPhosepho Silicate Glass)层16，以形成绝缘层。
随后，通过光刻和采用CFx气体的反应离子蚀刻，接触孔被形成在硅半导体扩散层(源极/漏极)的上方。另外，利用稀释的氢氟酸冲洗硅衬底11，并利用溅射方法依次沉积20nm厚的钛层和50nm厚的氮化钛阻挡金属。而且沉积600nm厚的含有1％硅的铝。随后，进行光刻和干刻以形成第一布线图案18。因而，由具有增强的抗电迁移性的布线材料形成的布线图案18连接构成驱动电路的MOS晶体管15，以形成逻辑集成电路。
接着，在该工艺中，通过CVD方法沉积一用作绝缘中间层的氧化硅层(所谓的TEOS：四乙基原硅酸盐)19，并随后采用化学机械抛光(CMP)或抗蚀剂深腐蚀技术加以平面化。
请参照图2B，在沉积绝缘中间层后，利用溅射方法沉积预定厚度的例如Ta、Ta2N或TaAl的加热电阻材料，并且多余的加热动作材料通过光刻和干刻工艺被移除。因而，加热元件20得以形成。
随后，如图3C所示，通过CVD方法沉积预定厚度的SiN和SiC，形成用于防止加热元件20受到布线材料的干刻的保护层22。保护层22具有足够的厚度(100nm或更厚)。
请参照图3D，经过光刻之后，利用主要是CFx气体组成的等离子体对保护层22进行干刻，以移除连接布线图案的区域，以便将保护层22仅形成在加热元件20上。
随后，如图4E所示，通过光刻和采用CFx气体的反应离子蚀刻形成接触孔。另外，利用稀释的氢氟酸冲洗硅衬底11，并利用溅射方法依次沉积20nm厚的钛层和50nm厚的氮化钛阻挡金属。而且通过溅射方法沉积预定厚度的含有1％硅的铝。因而，布线材料层24得以形成，其通过接触孔连接到第一布线图案，并在露出加热元件20的区域与加热元件20连接。
请参照图4F，在光致抗蚀剂步骤之后，所获的布线材料层24被利用氯气等离子体加以各向异性干刻，以形成第二布线图案25。第二布线图案25用作电源线和地线，也用于连接驱动晶体管14到加热元件20。
在这种情况下，蚀刻时间被设定得足够长以便充分过刻(over-etching)布线材料层24，因而彻底移除所述布线材料，使之不再残留在台阶区域。因而，可以彻底避免由于残留的布线材料导致的布线图案中的短路。
接着，在该工艺中，沉积300nm厚的用作墨水保护层的氮化硅层27，如图5G所示。随后，如图5H所示，通过溅射方法沉积200nm厚的钽层，以形成抗空蚀层28。接着，依次沉积干膜29和喷嘴片30。干膜29例如由碳素树脂(carbon resin)构成，并被形成预定的形状和厚度，以便通过固化而限定出墨室和具有预定高度的墨水通道壁。另一方面，喷嘴片30形成预定的形状，以便在加热元件20的上方限定出喷嘴33，墨水从该喷嘴流出。通过粘接，喷嘴片30被支撑在干膜29上。因而，利用干膜29和喷嘴片30得以形成墨室31、用于汲取墨水至墨室31的所述通道以及喷嘴33。
(2)实施例的操作
为了制造打印机针头，在用于根据本实施例制造打印机针头的工艺中，制备包括晶体管14和15的半导体衬底11(如图2A)，通过处理半导体衬底11形成所述晶体管，并且在半导体衬底11上依次沉积绝缘中间层19、布线图案18和25、干膜29、喷嘴片30以及其它层(如图2B至图5H)。
在该制造过程中，当所述这些层被依次沉积时，第一布线图案18由具有增强的抗电迁移性的Al-Si形成，而随后，利用绝缘中间层19，加热元件20被形成在第一布线图案18和加热元件20之间。用作防止干刻的保护层的氮化硅层22被进一步形成在加热元件20上并具有足够的厚度。在利用具有增强的抗电迁移性的Al-Si形成第一布线图案18后，布线材料层24通过干刻被移除，以形成第二布线图案25。
结果，在利用该工艺制造的打印机针头中，当通过干刻形成第二布线图案时，对应于加热元件20的区域被暴露给用于干刻的氯气等离子体。但是，在本实施例中，由于所暴露的区域被可防止干刻的保护层22覆盖，保护层22由氮化硅(或碳化硅)形成并具有足够的厚度，所以避免了氯气等离子体直接影响加热元件20。因此，即使布线图案是由具有增强的抗电迁移性的布线材料形成的，也可以有效地防止所述加热元件的可靠性变坏。因而，所述加热元件的令人满意的可靠性得以保证。
另外，在本实施例中用于形成所述第二布线图案的干刻工艺中，过刻被充分地进行以使所述布线材料不残留在台阶区域中。结果，在所获的打印机针头中，由于残留的布线材料导致的布线图案中的短路现象被有效地避免，并且因此提高了可靠性。
通过提供保护层22，加热元件20被定位，远离各自墨室31的距离为保护层22的厚度。但是，构成保护层22的SiN或SiC与氧化硅层(SiO2)相比具有更高的热导率。因而，即使设置有保护层22，所述加热元件仍可以充分地加热墨室中的墨水，以便排出墨滴。
图6和图7显示了用于检验如上形成的保护层22的可靠性的试验结果。试验通过重复地加载脉冲电功率，在边长18μm的方形的加热元件上进行。在试验中，通过沉积300nm厚的用作墨水阻挡层的SiN层并进一步沉积200nm厚的钽抗空蚀层来制备头芯片(head chip)。图6显示了以下情况，保护层22被形成并使得通过干刻使厚度减小至最小值的保护层22的部分的厚度为30nm。当0.8W的脉冲被重复地加载到试验片上时，所述加热元件的电阻严重地增加，在脉冲数大约为107时，在所测试的试验片中的一个发生了布线断路。图7显示了以下情况，保护层22被形成并使得通过干刻使厚度减小至最小值的保护层22的部分的厚度为100nm。当0.8W和0.9W的脉冲被重复地加载到试验片上时，相对于初始值，电阻率的变化被减小到大约5％。
(3)本实施例的效果
根据如上描述的结构，通过提供用于防止加热元件受到用于形成布线图案的干刻的所述保护层，在加热元件靠近墨室的一侧，即使布线图案是由具有增强的抗电迁移性的布线材料形成的，也可以保证令人满意的可靠性。
通过形成由氮化硅和碳化硅构成的保护层，即使保护层被设置在墨室与加热元件之间，墨室中的墨水也能够被有效地加热。
(4)其它实施例
尽管所述实施例描述了保护层由氮化硅或碳化硅形成的例子，但是保护层并不仅限于使用这些材料。如果墨水中的墨水被有效地加热，那么保护层可以由氧化硅形成。
尽管所述实施例描述了布线图案由具有增强的抗电迁移性的布线材料形成的例子，但是本发明并不仅限于此，并可以广泛地应用于通过干刻方法由各种布线材料形成布线图案的情况。
尽管所述实施例描述了本发明应用于打印机针头和排出墨滴的打印机的例子，但是本发明并不局限于此，并可以广泛地应用于各种装置，例如排出不同类型的染料液滴或用于形成保护层的液滴的打印机针头；排出试剂液滴的微分配器、测量设备及测试装置；以及排出用于防止元件受到蚀刻的化学制剂液滴的绘图装置。
根据如上描述的结构，通过提供用于防止加热元件受到用于形成布线图案的干刻的所述保护层，在加热元件靠近墨室的一侧，即使布线图案是由具有增强的抗电迁移性的布线材料形成的，也可以保证令人满意的可靠性。
工艺适用性
本发明涉及液体喷射头、液体喷射装置、以及制造液体喷射头的方法，特别是应用于使用热能头的液体喷射装置。
附图标己说明
1，11：半导体衬底
2，20：加热元件
3：布线层
4：残留物
12：元件分离区
14，15：晶体管
16：BPSG层
18，25：布线图案
19：绝缘层
22：保护层
24：布线材料层
27：氮化硅层
28：抗空蚀层
29：干膜
30：喷嘴片
31：墨室
33：喷嘴

Claims (11)

1.一种液体喷射头，该液体喷射头通过激活相应的加热元件来产生热，以便加热相应的液体室中的液体，从而从所需的喷嘴排出液滴，该加热元件设置在半导体衬底的上方，并在该加热元件和该半导体衬底之间具有布线图案，
其中加热元件包括金属或金属化合物，以及
其中用于防止加热元件受到用于形成所述布线图案的干刻的保护层被设置在加热元件靠近所述液体室的一侧的表面上。
2.如权利要求1所述的液体喷射头，其中所述保护层包括氮化硅或碳化硅。
3.如权利要求1所述的液体喷射头，其中所述保护层被局部地形成在除了连接到所述布线图案的区域以外的加热元件靠近所述液体室的一侧的表面上。
4.如权利要求1所述的液体喷射头，其中所述金属或金属化合物包含钽或钽的化合物。
5.如权利要求1所述的液体喷射头，其中用于防止加热元件接触所述液体的液体保护层被设置在所述保护层靠近所述液室的一侧的表面上。
6.一种液体喷射装置，其用于通过从液体喷射头排出液滴到印刷对象上来制作印刷材料，
其中，所述液体喷射头通过激活相应的加热元件来产生热，以便加热相应的液体室中的液体，从而从所需的喷嘴排出液滴，该加热元件设置在半导体衬底的上方，并在该加热元件和该半导体衬底之间具有布线图案，
其中加热元件包括金属或金属化合物，以及
其中用于防止加热元件受到用于形成所述布线图案的干刻的保护层被设置在加热元件靠近所述液体室的一侧的表面上。
7.如权利要求6所述的液体喷射装置，其中所述金属或金属化合物包含钽或钽的化合物。
8.如权利要求6所述的液体喷射装置，其中所述保护层包括氮化硅或碳化硅。
9.如权利要求6所述的液体喷射装置，其中用于防止加热元件接触所述液体的液体保护层被设置在所述保护层靠近所述液室的一侧的表面上。
10.一种制造液体喷射头的方法，该液体喷射头通过激活相应的加热元件来产生热，以便加热相应的液体室中的液体，从而从所需的喷嘴排出液滴，该加热元件设置在半导体衬底的上方，并在该加热元件和该半导体衬底之间具有布线图案，该方法包括以下步骤：
在半导体衬底上方形成由金属或金属化合物构成的加热元件；
在加热元件靠近所述液体室的一侧的表面上形成用于防止加热元件受到用于形成所述布线图案的干刻的保护层；
在所述保护层靠近所述液体室的一侧上形成由用于布线图案的布线材料构成的布线材料层；以及
干刻所述布线材料层以形成布线图案。
11.如权利要求10所述的制造液体喷射头的方法，还包括在用于形成布线图案的蚀刻步骤之后，形成用于防止加热元件接触所述液体并位于所述保护层靠近所述液室的一侧的表面上的液体保护层的步骤。
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