专利名称：热阻层及其用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热阻层，特别涉及所述热组层在喷墨头上的应用。
如
图1所示，一般热泡式喷墨头的制造方法大多是在硅晶片10上生长一层电或热的绝缘膜12(如磷硅玻璃(PSG)或二氧化硅)后，再将热阻层14以及导电层16溅镀沉积上去，并以显影技术及蚀刻法蚀刻图案后，再加上其他保护层18及必要的墨水通道20和喷孔片22等，便可完成一热泡式喷墨头的构造。
一般热泡式喷墨头操作顺序可分为下列四个阶段(1)产生热源；(2)热传导；(3)热气泡的形成与长大；以及(4)墨滴喷出(参见美国专利第4,723,129号和第4,740,796号)。这些操作顺序详细说明如下由于热泡式喷墨头为一热和电的转换体，当提供一充足的脉冲电压至喷墨头时(数个μsec的脉冲宽度)，会令其热阻层表面温度快速地升到摄氏几百度以上，使得墨水被加热而温度逐渐升高。当超过墨水的气化临界温度时，便会使墨水气化形成热气泡。产生热气泡的同时，由于墨水腔内的压力在瞬间增大，便提供一可令墨水喷出的推力，而令墨水快速地挤压出去，喷至所需的位置上。脉冲电压结束之后热阻层会因电压降至相对低电位，所产生的热量也会消失，使得墨水可顺利地回填至包含有加热器的墨水室内，此喷墨循环的操作频率可达数kHz。
在整个喷墨头操作期间，热阻层表面由于快速地被脉冲电压加热而形成热气泡，造成墨滴由喷孔喷射出去，此一行为不断地重覆进行，墨水在元件操作期间不断地撞击热阻层，使得其结构产生机械性疲劳。而此疲劳现象会造成一严重问题，使得喷墨结构的机械性质恶化，造成整个结构毁损，以致无法喷墨。除了因机械性墨水撞击所造成的损害之外，还有一个严重问题，即脉冲电压对热阻层的影响，因为热阻层在高频率电压反覆转换下，会遭受冷热交互侵袭，进而使热阻层本身产生热疲劳，造成整个热阻层本身材料的结构产生不可预期的变化，破坏热阻层本身结构在沉积完后的完整性，加速喷墨结构损坏，因此热阻材料的选择必须有较高的耐受性和稳定性。
目前市场上热泡喷墨头所使用的热阻层大多使用如铝化钽、硼化铪等材料，这些材料在精细图案的蚀刻制程上均需使用含氯气体(如氯、氯化硼)以进行选择性离子蚀刻，但是使用含氯气体会大幅增加设备维修与相关工安、环保等设施成本。因此若能开发一耐受性以及稳定性皆高的热阻材料，且其图案蚀刻制程仅需使用一般无毒性气体以及氧气的活性离子制程，便能有利于制程整合并提高相关的安全性，并进一步降低生产成本。
有鉴于此，本发明主要的目的在于开发一种新的热阻材料，使得这层热阻材料不仅能经得起喷墨操作期间墨水撞击和冷热交互侵袭等机械性的破坏和考验，同时可以在蚀刻图案制程中仅需使用一般无毒气体的活性离子制程，以符合制程整合与安全的需求。
为达到上述目的，本发明提供一种由钽(Ta)和钌(Ru)所组成的热阻层，可适用在喷墨头上，上述热阻层可为单一钽-钌合金层或纯钽层和纯钌层相互交叠而成的复合层，而钽的总含量在34％-78％之间及钌的总含量在22％-66％之间。由于对于上述热阻层的图案蚀刻制程仅需使用一般无毒性的含氟气体(如四氟化碳、六氟化硫)以及氧气的活性离子制程，并且在目前已有的喷墨结构下，只需改变上述热阻层，无须再从新设计新的喷墨结构，也无须改变其他保护层的材质，所以可符合制程整合与安全的需求。
图1为热泡式喷墨头结构的剖面图。
10～硅基板；12～电或热的绝缘层；14～热阻层；16～导线层；18～保护层；19～热气泡产生区；20～墨水入口；以及22～金属喷孔片。
为了让本发明的上述目的和特点更明显易懂，下文特举一较佳实施例，详细说明本发明所提出的热组层，以及将其应用于制作热泡式喷墨头的相关步骤。
首先，将由钽-钌所组成的热阻层，镀在带有电和热绝缘层的硅基板上。在沉积此热阻层前，需用泵将溅镀反应室内的背景压力抽到5×10-7乇以下，因为如果在没抽到此压力下，即通入氩气去做薄膜沉积，会有水气和氧气的残留，当反应室里面的气体形成电浆时，内含的水气会被分解成游离状态，释放出氧原子。这些氧原子即会在薄膜沉积时与待沉积的金属原子产生反应，形成金属氧化物，沉积至热阻层中，导致热阻层的特性受到影响。
当溅镀反应室的背景压力被抽到5×10-7乇以下后，便可进行热阻层的溅镀。而本实施例是利用4英寸的纯钽和纯钌当靶材，以磁控溅镀法(magnetron sputtering)将钽和钌共同沉积于带有电和热绝缘层的4英寸硅晶圆之上。沉积反应室的压力来源是通入氧气，并利用节流阀和节流阀控制器，将反应室压力精确地控制在15毫乇的沉积压力下。沉积时硅基板温度约为150℃。当实施沉积时，钽靶的功率由RF电源供应器所提供，并固定于300瓦；而钌靶则是利用钌在不同功率下有不同的溅击产率，分别以直流电源供应器将其调整在不同功率下来和钽混和出不同比例的钽-钌合金。在本实施例中，则将钌靶的功率设定分别设定于50、100、150、200、250、300瓦。所完成的钽-钌合金热阻层的组成与特性如表一所示。其中以第3组(钌的功率为150W)和第4组(钌的功率为200W)所得的钽-钌合金热阻层的性能较佳。
其中上述热阻层可为复晶或复晶与非晶的复合物质，并且除了如实施例中所述的钽和钌单一合金层处，也可是由钝钽层和纯钌层相互堆叠而成的复合层。其中若钽的总含量在34％-78％，及钌的总含量在22％-66％之间，且厚度在50～500nm之间，所得热阻层的耐受性和稳定性较佳。
形成热阻层后可再沉积一导线层，之后再利用集成电路制造技术如显影技术和蚀刻方法等对这些薄膜电阻层蚀刻图案，然后再加上其他保护层和必要的墨水通道及喷孔片后，便可完成一热泡式喷墨头的制造。而最后制成的热泡式喷墨头在列印上的寿命均超过5×108墨滴，符合热泡喷墨印头的需求。
由于本发明所提出的由钽-钌组成的热阻层具有下列特性(1)所制成的热泡式喷墨头在列印上的寿命超过5×108墨滴，耐受性和稳定性极高；(2)其图案蚀刻制程仅需使用一般无毒性的含氟气体以及氧气的活性离子制程；以及(3)钽-钌合金的熔点较已知的钽-铝合金更高，因此与已知的铝化钽、硼化铪等热阻层材料相比，可大幅提高喷墨头的稳定性和耐热性，以及提高制程安全性。
虽然本发明已通过较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本发明所述的由钽和钌所组成的热阻层，并不限定应用在热泡式喷墨头上，也可应用于其他类型印字头或如精密电阻和电极等元件上。本领域的熟练技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与修饰，因此本发明的保护范围由所附的权利要求范围限定。
表1以不同功率施于钽靶和钌靶而溅镀形成的热阻层的特性一览表
权利要求
1.一种热阻层，其由钽和钌组成。
2.如权利要求1所述的热阻层，其中钽的总含量介于34％-78％之间，钌的总含量介于22％-66％之间。
3.如权利要求2所述的热阻层，其是一种钽-钌合金层。
4.如权利要求2所述的热阻层，其是一种由纯钽层和纯钌层相互交叠而成的复合层。
5.如权利要求2所述的热阻层，其厚度在50～500nm之间。
6.一种喷墨头的热阻层，其是由钽和钌所组成。
7.如权利要求6所述的喷墨头的热阻层，其钽的总含量介于34％-78％之间，而钌的总含量介于22％-66％之间。
8.如权利要求7所述的喷墨头的热阻层，其是一种钽-钌合金层。
9.如权利要求7所述的喷墨头的热阻层，其是一种由纯钽层和纯钌层相互交叠而成的复合层。
10.如权利要求7所述的喷墨头的热阻层，其厚度在50-500nm之间。
11.一种喷墨头，其特征在于热阻层是由钽和钌所组成。
12.如权利要求11所述的喷墨头，其中所述热阻层的钽含量在34％～78％之间，钌含量在22％-66％之间。
13.如权利要求12所述的喷墨头，其中所述热阻层是一种钽-钌合金层。
14.如权利要求12所述的喷墨头，其中所述热阻层是由纯钽层和纯钌层相互交叠而成的复合层。
15.如权利要求12所述的喷墨头，其中所述热阻层的厚度介于50～500nm之间。
全文摘要
本发明涉及一种由钽和钌所组成的热阻层,可适用在喷墨头上、精密电阻或电极等相关应用上。所述热阻层的钽含量在34%—78%之间,钌含量在22%—66%之间,并可为单一钽—钌合金层或纯钽层和纯钌层相互交叠而成的复合层。由于对上述由钽和钌所组成的热阻层的图案蚀刻过程仅需使用一般无毒性含氟气体以及氧气的活性离子制程,所以非常有利于制程整合,并可提高制程安全性。
文档编号B41J2/16GK1270103SQ99105579
公开日2000年10月18日 申请日期1999年4月14日 优先权日1999年4月14日
发明者吴义勇, 武东星, 詹佳期, 洪瑞华 申请人:财团法人工业技术研究院