喷墨头Hl、喷墨头和喷墨头
基板的制造方法技术领域本总体
发明构思涉及一种喷墨头M、 一种喷墨头和所迷喷墨头基板的 制造方法，特别是涉及具有提高的可靠性和延长的使用寿命的发热
电阻器的 一喷墨头基板，具有所述喷墨头基板的一喷墨头，以及所述喷墨头基板的制 造方法。背景技术喷墨记录设备是一种通过将打印墨
水的一微小液滴喷射至记录媒体的 期望
位置来打印图像的设备。由于价格较低且能以高清晰度打印不同的颜 色，因此这样的喷墨记录设备得到了广泛的应用。 一般来说，喷墨记录设备 包括主要用于喷射墨水的一喷墨头和用于与所述喷墨头液体连接的一墨水 存储单元组成。进一步说，在所述喷墨记录设备中，喷墨头分为使用电热换能器的热敏型和^f吏用
机电换能器的压电型。在美国
专利第4,500,895号和第 6，336，713号中公开了一种热敏型喷墨记录设备。使用在热敏型喷墨记录设备（下文称为热敏喷墨记录设备）中的这样一 种热敏喷墨头（下文称为热敏喷墨头）一般包括一喷墨头基板和具有墨水孔 的一
喷嘴板，通过该孔墨水被喷出。在所述喷墨头基板中，设置一用于产生 喷射墨水所需
热能的一电热换能器。所述电热换能器一般由含高熔点金属如 钽（Ta)的
合金制成，在下文中称为发热
电阻器。优选地，在所述热敏喷墨 记录设备的热敏喷墨头中使用的发热电阻器具有以下的特征：（1)基本地， 它应该具有高的
电阻率，（2)它应该可以在非常短的时间内达到所需的
温度 从而瞬时喷出墨水，（3)它应该具有很小的电
阻变化从而在高速运行和连续 运行期间保持喷出墨水的液滴均匀，且（4)它应该具有高的耐热应
力性从而 延长使用寿命。为了满足上迷的特征， 一种传统的发热电阻器主要由TaAl制成。在美 国专利第5，122，812号中公开了使用由TaAl制成的发热电阻器的热敏喷墨 头。同时，热敏喷墨记录设备的性能可以根据打印清晰度和打印速度来评价。为了改善打印清晰度，可提出一种通过减小发热电阻器尺寸来降低喷出墨水 的液滴的尺寸的方法。即使发热电阻器的尺寸减小了，为了在与传统喷墨记 录设备相同的条件下运行所述喷墨记录设备，所述发热电阻器的电阻应当得 到提高。如以下方程1所示。方程1P/A = V x I/A = I x R2/A = V2/(R x A)其中P/A是功率
密度，A是发热电阻器的面积，V是驱动
电压，I是驱 动
电流，R是发热电阻器的电阻。一般来说，在热敏喷墨记录设备中，为了产生喷出墨水所需的气泡，功 率密度（P/A)应大于大约1〜2GW/cm2。因此尽管发热电阻器的面积（A) 减小，为了保持功率密度（P/A)不变，发热电阻器的电阻（R)应得到提高。 进一步说，因为发热电阻器的电阻（R)提高，热敏喷墨记录设备的驱动电 流（I)能得到下降，这在
能量需求方面具有优势。但是，作为传统发热电阻器使用的材料的TaAl的电阻率为 250〜30(HiQ.cm且在约1000A的厚度下片状电阻为300/口。因此，降低发热 电阻器的面积有一极限。为了增加发热电阻器的电阻，曾经提出一种减小发 热电阻器厚度的方法，但是这种方法导致当加栽于发热电阻器的功率增加时 电阻显著变化，因此造成热敏喷墨记录设备不稳定工作。所以，在传统热敏喷墨记录设备中，需要开发具有高电阻率和增强的热 /机耐性的发热电阻器以实现高打印清晰度和稳定高速的运行。因此，在美国 专利第6,527,813号中公开了包括由Ta^iy!^制成的一发热电阻器的一热敏 喷墨头且在美国专利第6,375,312号中公开包括由TaNo.8hex制成的所述发热 电阻器的所述热敏喷墨头。发明内容为了解决前述和其它问题，本总体发明构思的一个方面提供了一种具有 高电阻率和增强的热/机耐性的发热电阻器的喷墨头基板。本总体发明构思的另一个方面提供了具有所迷喷墨头基板的一喷墨头。 本总体发明构思的还有一个方面提供了制造所述喷墨头基板的方法。本总体发明构思的其它方面和优点其中 一部分将在下面的描迷中阐明， 其它部分从描述中明显易懂，或者通过本总体发明构思的实施可以学到。本总体发明构思的前述和/或其它的方面可以通过提供具有至少一个由 金属和
碳的氮化物制成的发热电阻器的一喷墨头基板实现。所述喷墨头基板 包括一
支撑结构。所述至少 一个发热电阻器设置在支撑结构上以产生热能来 喷射墨水，且由金属和碳的氮化物制成。在本总体发明构思的一个方面中，金属和碳的氮化物以化学式MxCyNz 表示，其中M是金属，X在大约20至80的范围内，Y在大约3至25的范 围内，Z在大约10至60的范围内，且X+Y+Z=100。在本总体发明构思的 另一个方面中，所述金属从包括钽（Ta)，鴒（W),铬（Cr)，钼（Mo )，
钛（Ti),镐（Zr),铪（Hf)和它们之间合金之中选择其一。而且，所述发 热电阻器的电阻率为300 ~ 2000 pilcm，厚度是100 ~ 2000A。在本总体发明构思的还有的一个方面中，喷墨头基板还包括设置于至少 在支撑结构和发热电阻层之间的一热阻挡层。
导线电连接于发热电阻器并且 向发热电阻器提供一电
信号以产生热能。设置一
钝化层以
覆盖所述发热电阻 器和导线。在所述
钝化层上设置一抗
空化层至少重叠于发热电阻层。本总体发明构思的前述和/或其它的方面也可以通过提供具有一喷墨头 基板的一喷墨头来实现。所述喷墨头包括一支撑结构。至少一个发热电阻器 设置在所述支撑结构上以产生热能来喷射墨水且由金属和碳的氮化物制成。 在所述支撑结构上设置至少有一喷墨的孔的腔室结构以界定至少一个其中 具有所述发热电阻器的墨水腔室。在本总体发明构思的一个方面中，所述金属和碳的氮化物以化学式 M、CyN,表示，其中M是金属，X在大约20至80的范围内，Y在大约3至 25的范围内，Z在大约10至60的范围内，且X+Y+Z400。所述发热电阻 器的电阻率可能为300 ~ 2000|iQ,cm。本总体发明构思的前述和/或其它的方面还可以通过提供一种制造一喷 墨头基板的方法来实现。所迷方法包括制备一支撑结构和在所述支撑结构上 形成由金属和碳的氮化物制成的 一发热电阻层。本总体发明构思的 一 个方面中，所述金属和碳的氮化物以化学式 MxCyNz表示，其中M是金属，X在大约20至80的范围内，Y在大约3至 25的范围内，Z在大约10至60的范围内，且X+Y+Z爿00。在本总体发明构思的另一个方面中，所述方法还包括了在形成发热电阻 层之前在支撑结构上形成一热阻挡层，在形成发热电阻层之后在发热电阻层 上形成一线路导电层。囝案化线路导电层和发热电阻层以形成线路导电层图 案和发热电阻层图案。选择性地去除线路导电层图案以形成暴露发热电阻层 图案的一预定区域的导线，同时在被导线暴露的一部分发热电阻层图案处定 义一发热电阻器。形成一钝化层以覆盖导线和发热电阻器。形成一抗空化层 来至少重叠于钝化层上的发热电阻器。在本总体发明构思还有的 一 个方面中，发热电阻层采用
原子层沉积法(ALD)，反应賊射法和化学气态沉积法（CVD)之一的方法形成。
附图说明为让本总体发明构思的上述及其它优点能从下文
实施例的描述变得明 显易懂，请参考附图如下。图1绘示依照本总体发明构思的一实施例喷墨头和一种热敏喷墨记录设备使用的一喷墨头基板的部分平面示意图； 图2是沿图1的I-I'线的剖面示意图；图3绘示依照本总体发明构思的另一实施例一种发热电阻器的组成范围；图4绘示依照本总体发明构思的另一实施例一喷墨头的部分平面示意图；图5绘示沿图4的n-n'线的剖面示意图；图6和7分别绘示依照本总体发明构思的另 一 实施例 一种制造喷墨头基板的方法沿困i的i-r线的剖面示意图。 具体实施方式本总体发明构思详细涉及的、实施例将在附图中说明，其中相似的标记代 表相似的部分。为了解释本总体发明构思，实施例通过参考图表在下文中得 到描述。在附图中，层和区域的厚度为清楚作了放大。在
说明书中相似的标记代表相似的部分。图1绘示依照本总体发明构思的一实施例喷墨头和一种热敏喷墨记录设备使用的一喷墨头基板的部分平面示意图，图2是沿图i的i-r线的剖面示意图。请参考图l和图2，发热电阻层图案104可以设置在支撑结构IOO上。 发热电阻器104，可以占据发热电阻层图案104的一预定区域。即发热电阻器 104，可以是被设置在发热电阻层图案104上的导线106暴露的发热电阻层图 案104的一部分。下文关于发热电阻器104，材料的描述也适用于发热电阻层 图案104。发热电阻层图案104和导线106可以堆叠且发热电阻器104，可以 由被导线106暴露的部分定义。导线106可以用来向发热电阻器104，提供电 信号。这里，导线106 (将在下文描述）可以由具有比发热电阻器104，电阻 小的一种材料制成。因此，在设置导线106的区域，具有低电阻的导线106 被用作电流的通路。因此，在没有设置导线106的区域，即发热电阻器104， 可以用作一发热元件以产生热能来喷射墨水。支撑结构IOO可以用作基底层以支持组成喷墨头基板的元件且可以是一 单晶
硅基板。导线106可以由导电材料制成，如
铝（A1)、金（Au)、
铜（Cu)、 鴒（W)、柏（Pt)，且优选由铝（Al)制成。发热电阻器104，可以由金属和碳的氮化物制成。金属和碳的氮化物为金 属，碳和氮的化合物。而且，金属和碳的氮化物以化学式MxCyNz表示，其 中"M"代表金属，且"X" "Y"和"Z，，代表各自组分的原子百分比，即 X+Y+Z=100。依据本总体方面构思的一个方面，在化学式N^CyNz中，X在 大约20至80的范围内，Y在大约3至25的范围内，Z在大约10至60的 范围内。进一步来说，在实现本总体发明构思的效果中，不同的金属可以无 限定地得到使用。为了获得本发明的最佳效果，高熔点金属或过渡金属可以 被使用，且此金属为一从由钽（Ta)、鴒（W)、铬（Cr)、钼（Mo )、钬（Ti )、 镐（Zr)、铪（Hf)和它们的合金构成的组中选择其一。图3绘示图1和图2 的发热电阻器104，所用的TaxCyNz的组成范围示意图。在本总体发明构思的 另一方面中，所述化学式和组成的发热电阻器104，的电阻率可以是 300 ~ 2000nQ.cm。在电阻率范围内，发热电阻器104，的厚度可以有一个较 宽的范围，如厚度为100〜2000A。如上所述，发热电阻器104，可以由金属和碳的氮化物制成。金属和碳的 氮化物具有比传统喷墨头中作为发热电阻器的TaAl高的电阻率。这样，发 热电阻器104，的电阻能够得到提高，从而发热电阻器104，的尺寸可能得到减 小，因而实现高的打印清晰度。进一步来说，因为热敏喷墨记录设备的驱动电流可能得到减少，在能量需求方面具有优势。另外，因为一高熔点金属、碳和氮被合金化，发热电阻器104，期望能在热/机性能上得到强化。这样的 强化机制可能由
固溶体强化或弥散强化理论解释。因此，依据本总体发明构 思的另一方面，发热电阻器104，能够改善提高的可靠性和延长的使用寿命。 请重又参考图l和2，喷墨头基板可以还包括前述的包含发热电阻层图 案104、发热电阻104，和导线106的支撑结构IOO之外的其它组件。在支撑 结构IOO和发热电阻层图案104之间可以设置一热阻挡层102。热阻挡层102 可覆盖支撑结构IOO的整个表面。热阻挡层102可以由
氧化硅层制成且能够 用来防止在发热电阻器104，中产生的能量通过支撑结构100遭受损失。另外， 可以设置一钝化层108来覆盖发热电阻器104，和导线106。钝化层108能够 用来保护发热电阻器104，和导线106避免受到墨水的侵蚀和其它物理损坏。 这里，钝化层108可以由氣化硅（SiO)层，氮化硅（SiN)层或碳化硅（SiC ) 层制成。在钝化层108上可以提供一抗空化层110。抗空化层110能够用来 保护发热电阻器104避免受到墨水喷射导致的压力变化造成的损坏。为了实 现这个方面，设置抗空化层IIO至少与发热电阻器104，重叠。抗空化层IIO 可以由Ta、 W、 Mo或它们的合金制成，且优选由Ta制成。依据本总体发明构思的一个方面，喷墨头基板可以包括由金属和碳的氮 化物制成的发热电阻器104，制成。因此，图1中的发热电阻器104，和导线 106是作为例子来绘示的，而不应仅局限于此。图4绘示依照本总体发明构思的另一实施例一喷墨头的部分平面示意 图，且图5绘示沿图4的II-n'线的剖面示意图。请参考图4和5，喷墨打印头可以包括喷墨头基板S，和腔室结构C。 喷墨头基板S可能包括如图l和图2所述的相同的元件。即喷墨头基板S可 以包括支撑结构300，热阻挡层302，发热电阻层图案304，发热电阻器304，， 导线306，钝化层308和抗空化层310。具有发热电阻器304，的发热电阻器 图案可以由金属和碳的氮化物制成。而且，所述金属和碳的氮化物可以表示 为化学式MxCyNz，其中"M"是金属，且"X" "Y"和"Z"代表各自组分 的原子百分比，即X+Y+Z-100。在这个实施例中，在化学式MxCyNz中，X 在大约20至80的范围内，Y在大约3至25的范围内，Z在大约10至60 的范围内。进一步来说，在实现本总体发明构思的效果中，不同的金属可以 得到无限定地使用。为了获得本发明的最佳效果，髙熔点金属或过渡金属为优选，且所述金属为一从包括钽（Ta)、鴒（W)、铬（Cr)、钼（Mo)、钛 (Ti)、镐（Zr)、铪（Hf)和它们的合金构成的组中逸择其一。在这个实施 例中，所述化学式和组成的发热电阻器304，的电阻率为300 ~ 2000nOcm。 在电阻率范围内，发热电阻器304，的厚度可以有一个相对较宽的范围，如厚 度为100~2000A。腔室结构c能够设置在喷墨头基板s上。腔室结构c可以包括一
侧壁结构314和材料层318。侧壁结构314能够界定在其中具有发热电阻器304， 的墨水腔室312。材料层318可以设置在側壁结构314上且具有至少一个孔 316，通过该孔墨水被喷出。这里，孔316可以称为喷嘴，或开口且可以设 置在发热电阻器304，之上。側壁结构314和具有孔316的材料层318可以由 不同材料制成。例如，侧壁结构314可以由具有高
介电常数的有机化合物单 体或
聚合物组成。另外，材料层318可以由舍漆（Ni)为主要成分的金属板 制成。另外，侧壁结构314和材料层318可以由相同的材料一体成形。图6和7分别绘示依照本总体发明构思的另一实施例一种制造喷墨头基 板的方法沿图1的I-I'线的剖面示意图。请参考图1和图6，制备有支撑结构500。支撑结构500可以为一单晶 硅基板，热阻挡层502可以在支撑结构500上形成。热阻挡层502可以由氧 化硅层形成。另外，热阻挡层502可以用一众所周知的热氣化法或一众所周 知的化学气态沉积（CVD)法形成。发热电阻层503可以被形成在热阻挡层 102上。发热电阻层503能够由金属和碳的氮化物制成。所述金属和碳的氮 化物可以表示为化学式MxCyNz，其中"M"是金属，且"X"、 "Y"和"Z" 代表各自组分的原子百分比，即X+Y+Z=100。在这个实施例中，在化学式 MxCyNz中，X在大约20至80的范围内，Y在大约3至25的范围内，Z在 大约10至60的范围内。进一步来说，在实现本总体发明构思的效果中，不 同的金属可以无限定地得到使用。为了获得本发明的最佳效果，高熔点金属 或过渡金属为优选，且此金属为一从由钽（Ta)、鴒（W)、铬（Cr)、钼（Mo)、 钛（Ti)、镐（Zr)、铪（Hf)和它们的合金构成的组中选择其一。在这个实 施例中，所述化学式和组成的发热电阻层503的电阻率为300〜2000W.cm。 在电阻率范围内，发热电阻层503的厚度可以有一个相对较宽的范围，特别 是厚度为100~2000A。发热电阻层503可以优选使用一种原子层沉积（ALD)法形成。原子层沉积（ALD)法是在轮换化学
吸附、表面反应和副产物退吸的&出上一种形 成原子层
薄膜的方法。当发热电阻层503用ALD法形成时，原子层薄膜的 组成能够得到精确控制而且因此发热电阻层503的电阻率能够容易得到控 制。在这个实施例中，发热电阻层503可以用等离子强化原子层沉积法 (PEALD)形成，其中反应物之间的反应进行地更加活跃。下文解释了采用ALD方法形成由TaxCyNz制成的发热电阻层503的工艺 过程'首先，反应器的温度和压强能够分别保持在300〜400'C和10"〜10托。 然后，钽源、碳源和氮源通过分时被注入反应器。此时， 一种含TaCls的有 机金属可以用作钽源，且曱烷气体（CH4)和
氨气（NH3)可以分别用作碳 源和氮源。另外，当每一源被注入反应器后，在下一个源被注入之前进行一 清洗过程。所述清洗过程可以通过在反应器中注入惰性气体，如氩气（Ar) 来进行。这样，发热电阻层503可以通过重复上述工艺过程得到一期望的厚 度。另外，发热电阻层503可以通过反应
溅射法、CVD法或金属有机化合 物化学气态沉积（MOCVD)法形成。在反应溅射法的情况下，发热电阻层 503可以通过在N2和CH4气体的一混合环境下使用一
金属粉末作为靶材或在N2气环境下使用金属和碳粉作为靶材来形成。靶材中的金属为一从由钽 (Ta)、鎢（W)、铬（Cr)、钼（Mo)、钛（Ti)、镐（Zr)、铪（Hf)和它们 的合金构成的组中选择其一。请参考图1和图7，当发热电阻层503形成后， 一线路导电层可以在发 热电阻层503上形成。所迷线路导电层可能由一种导电材料制成，如铝（Al )、 金（Au)、铜（Cu)、鴒（W)、铂（Pt)等等。所述线路导电层可以用溅射 或CVD方法形成。然后，所述线路导电层和发热电阻层503能够被
图案化 以形成一线路导电层图案和一发热电阻层图案504，且在热阻挡层502上依 次堆叠。图案所述线路导电层和发热电阻层503的工艺可以通过使用
光刻工 艺或干法
刻蚀工艺进行。然后，所述线路导电层图案能够被选择性地去除而 形成暴露发热电阻层图案504的一预定区域的导线506。这样，发热电阻器 504'能够在被导线506所暴露的那部分发热电阻层图案504处被定义。选择进行。然后，钝化层508形成在导线506和发热电阻器504，上形成。钝化层508可以由氧化硅层，氮化硅层或碳化硅层形成。例如，在钝化层由氮化硅 层形成的情况下，氮化硅层可以通过用等离子强化化学气态沉积（PEVCD) 法形成，另夕卜，在钝化层508上可以形成抗空化层（anti-cavitation layer )510。 抗空化层510可以由Ta、 W、 Mo或它们的合金制成，且可以由Ta形成。例 如，形成Ta的抗空化层510的工艺如下。Ta层可通过'践射法在钝化层508 上形成。然后，Ta层能够被图案化以形成至少重叠于图7所示的发热电阻器 504的抗空化层510。 Ta层可以通过光刻工艺或
干法刻蚀工艺被图案化。如上所述，依据本总体发明构思的此实施例，在喷墨头基板和喷墨头中， 产生热能以喷射墨水的发热电阻器由金属和碳的氮化物制成。在本总体发明构思的此实施例中，所述发热电阻具有一高电阻率从而其 面积可以得到减小，因此实现高的打印清晰度。另外，所述喷墨记录设备的驱动电流可以得到减小，从而在能量需求上 具有优势。另外，所述发热电阻器具有强化的热/机耐性，因此改善了可靠性和使用 寿命，虽然本总体发明构思的一些实施例得到了展示和说明，然而本领域的技 术人员在不脱离本总体发明构思的原则和精神范围内，可在这些实施例中作 更动，其保护范围以后附的
权利要求及等效要求界定。
