单片集成的热汽喷墨打印头 本发明涉及一种热汽喷墨打印头，特别是涉及一种单片集成的热汽喷墨打印头。
热汽喷墨打印机是广泛应用的非击打式打印机之一。其工作原理是，利用电阻加热墨水微沟，使墨水微沟里的墨水汽化产生气泡，气泡膨胀挤压微沟里的墨水，使其从喷口射出落到喷口前的纸上。
与针式打印机相比，热汽喷墨打印机具有很多显著的优点，主要是分辨率高，速度快，噪音低和讯号处理能力强等。与激光打印机相比也有不少优点，比如结构简单，成本低，集成度高，便于讯号处理等。
目前在市场上可以买到的喷墨打印机已有不少品种。常见的品种之一，其打印头如图1所示，由上下两块硅衬底组合而成。墨水流入下衬底的墨水池，经两衬底之间的微沟，从上衬底的喷口射出。加热电阻器处在下衬底上表面的微沟内，其上方正对着喷口。加热电阻器为薄膜电阻，其下由一绝缘层与下衬底实现电隔离，其上由一保护层防止墨水腐蚀。
另一种通用的热汽喷墨打印机，其打印头如图2所示，也是上下两块硅衬底的组合体。所不同的是，墨水流入上衬底的墨水池，经上衬底的微沟，从上衬底的喷口射出。但加热电阻器处在下衬底的上表面，正对着上衬底的微沟。上衬底的微沟本是敞开地，只是在两衬底粘接以后其敞口才被封住。加热电阻器也是薄膜电阻，依附于下衬底。
上述两种热汽喷墨打印机以及其它现有热汽喷墨打印机存在许多严重的缺点。其一是要用两块硅衬底，要对两衬底分别进行加工，并且还要将加工后的两衬底粘接在一起，使两衬底上的器件元精确对准。这不仅硅片消耗量大，制造过程繁琐，更主要的是与集成电路的制造工艺兼容性差，不能直接利用集成电路制造厂家现有工艺和设备进行生产。其二是加热电阻器以硅衬底为支撑，其加热产生的热量很大一部份通过衬底的热传导作用带走，这不仅增加了打印机的功耗，而且容易产生不必要的热效应。其三是由于加热电阻器多层固体结构的热膨胀系数不同会在各薄层中产生失配热应力，加之加热温度高热循环频繁，电阻薄膜容易起裂，鼓泡，甚至脱落。其四是将两块硅衬底粘接在一起容易引起加热电阻器与墨水微沟的对准误差，从而限制了喷口的线性排布密度，进而限制了打印机的分辨率。其五是两块硅衬底之间的粘接层还要起密封墨水微沟的作用，这对粘接材料和粘接工艺都要求很严，否则由于墨水的腐蚀作用微沟之间透漏和粘接层脱落是很容易发生的。
本发明的目的就是要提供一种热汽喷墨打印头，其所有器件元，包括墨水池，墨水微沟，喷墨口，加热电阻器以及其控制电路都集成在同一块整体不可分的硅衬底上，以简化制造工艺，降低生产成本。
本发明的另一目的就是要提供一种热汽喷墨打印头，其加热电阻器由衬底的硅膜支撑，而不是由衬底直接支撑，硅膜的热阻远大于衬底的热阻，因而可以大大降低打印头的功耗。
本发明的第三目的就是要提供一种热汽喷墨打印头，其加热电阻器由衬底的硅膜组成，从而简化电阻器的结构，增加电阻器向微管中的墨水传送的热量以及延长电阻器的工作寿命。
本发明的第四目的就是要提供一种热汽喷墨打印头，其加热电阻器所产生的失配热应力能为一弹性薄膜减小，从而防止加热电阻器的结构由失配热应力所损坏。
本发明的第五目的就是提供一种热汽喷墨打印头，其制造工艺与集成电路的制造上艺兼容性强，其大部份制造工序可在标准的工艺生产线上进行，而墨水池、墨水微沟和喷墨口的形成可安排在制造的最后一道工序中完成。
本发明的第六目的就是提供一种热汽喷墨打印头具有很高的集成度，控制加热电阻器的电路以及讯号处理电路都可以集成于同一硅衬底。
为了达到上述目的以及其它目的，本发明设计的热汽喷墨打印头如图3和图4所示。该打印头只用一块硅衬底，所有的器件元都在这同一块衬底中形成。打印头的墨水微沟隐埋在衬底的表面，其内端与深凹进衬底的墨水池相通，外端在衬底的侧面露头，即形成喷墨口。微沟的顶层为衬底中形成的硅膜。加热电阻器为硅膜的扩散电阻或离子注入电阻，电阻器产生的热量经电阻器下方的硅层传递到与硅膜下表面接触的墨水。硅膜的麦面涂覆具有一定弹性的聚酰亚胺薄膜，聚酰亚胺膜上复盖玻璃片，起加固聚酰亚胺膜对硅膜的支撑作用。加热电阻器的电流由外部的直流电流经过衬底上的开关器件提供，开关器件由衬底上的驱动电路控制，驱动电路可以包括移位寄存器，锁存器以及选择器等，都集成在衬底上未被墨水池和墨水微沟占用的部位。
本发明设计的上述热汽喷墨打印头的诸多优点是显而易见的，下面着重说明聚酰亚胺薄膜的作用。
聚酰亚胺是在集成电路中广泛应用的钝化膜之一，其热导率为1.13×10-3W/CM℃，大约为二氧化硅热导率的8％，作为隔热材料，其性能远优于二氧化硅。不难理解，加热电阻器产生的热量通过聚酰亚胺薄膜传走的部分是很小的。
聚酰亚胺薄膜对硅膜产生的失配热应力与其弹性模量成比例，聚酰亚胺的弹性模量为2.94×107达因/CM2与二氧化硅的弹性模量7.38×1011达因/CM2相比，小四个数量级。不难算出，在相同的条件下，聚酰亚胺薄膜对硅膜产生的失配热应力比二氧化硅薄膜对硅膜产生的热应力小一万倍。
聚酰亚胺的热膨胀系为2×10-6/K，与硅的失配率为-0.33×10-6/K，而二氧化硅热膨胀系数与硅的失配率为-2.03-1.83×10-6/K，不难看出，在相同的温度变化条件下，聚配亚胺薄膜对硅膜所产生的失配热应变只是二氧化硅薄膜对硅膜所产生的失配热应变的16-18％。失配热应变的降低也有利于减小硅膜所受的失配热应力。
聚酰亚胺的抗拉强度为1.1-1.6×109达因/CM2，与二氧化硅相近，其化学稳定性很好，能在310℃至343℃范围保持良好的电学性能和机械性能。
综上所述，用聚酰亚胺薄膜复盖加热电阻器硅膜既可以改善加热电阻器的热量损失和热应力损坏，又不降低其机械强度和较高温度下工作的性能。
以下对附图进行说明：
图1是现有技术提供的第一种热汽喷墨打印头的横截面图，图中的标号代表的意思分别为：
101-第一硅衬底
102-墨水微沟
103-喷墨口
104-第二硅衬底
105-墨水池
106-绝缘层
107-加热电阻器
108-保护层
109-隔层
110-墨水
111-墨水微滴
图2是现有技术提供的第二种热汽喷墨打印头的横截面图。图中的标号代表的意思分别为：
201-第一硅衬底
202-墨水池
203-墨水微沟
204-喷墨口
205-第二硅衬底
206-绝缘层
207-加热电阻器
208-保护层
209-粘接层
210-墨水
211-墨水微滴
图3是本发明提供的热汽喷墨打印头的顶视图。
图4是本发明提供的热汽喷墨打印头的侧视图。
图3和图4中标号代表的意思分别为：
301-轻掺杂的P-型硅衬底
302-轻掺杂的n-型硅阱
303-轻掺杂的n-型硅外延层
304-喷墨口
305-第一铬薄膜
306-聚酰亚按薄膜
307-第二铬薄膜
308-玻璃片
309-墨水池
310-硅薄膜
311-加热电阻器
312-聚酰亚胺填充的阳极氧化槽
313-开关器件
314-选择器电路
315-锁存器电路
316-移位寄存器电路
317-压焊点
318-墨水微滴
图5A-图13A是本发明提供的热汽喷墨打印头在各制造阶段的横向截面图。
图5B-图13B是本发明提供的热汽喷墨打印头在各制造阶段的纵向截面图。
图5A-图13A和图5B-图13B中标号代表的意思分别为：
401-轻掺杂的P-型硅衬底
402-热氧化生长的二氧化硅(SiO2)层
403-轻掺杂的n-型硅阱
404-重掺杂的n-型硅隐埋层
405-轻掺杂的n-型硅外延层
406-二氧化硅(SiO2)和氮化硅(Si3N4)
407-加热电阻器
408-晶体管一晶体管逻辑电路(TTL)
409-铝接触
410-铝压焊点
411-第一铬薄膜
412-阳极氧化槽
413-多孔硅
414-第二铬薄膜
415-第一聚酰亚胺薄膜
416-玻璃片
417-第三铬薄膜
418-第二聚酰亚胺薄膜
419-压焊点窗口
420-墨水池
421-墨水微沟
422-喷墨口
423-导电树脂
424-引出线
本发明提供的热汽喷墨打印头的制造可分如下九个阶段进行，每个阶段包括若干制造步骤。
第1阶段如图5A和图5B所示，主要涉及离子注入形成轻掺杂n-型硅阱，起始材料是(111)晶向的P-型硅衬底，其电阻率在10-20Ω-CM之间，衬底经常规清洗工艺清洗后，在其表面热生长7000埃厚的SiO2层，生长条件是1000℃，湿氧。进行常规的光刻加工，在SiO2层中形成离子注入窗口。在与前相同条件下，再次进行热生长以形成另一层700埃厚的SiO2层。此时离子注入窗口中盖上这一层新的氧化层，而原有的SiO2层进一步加厚。离子注入的条件是磷离子注入，能量为100Kev，剂量为1.5×1013/CM3。随后的注入推进在1200℃的N2中进行。由此产生的阱深约为10-12μm，薄层电阻约2-3KΩ，作为替代工艺，轻掺杂的n-型硅阱也可由磷扩散获得。
第2阶段如图6A和图6B所示，主要涉及砷扩散形成重掺杂的n-型埋层。值得注意的是，埋层只在较长的轻掺杂的n-型阱中形成，其宽度和深度须比轻掺杂的n-型阱小0.5-1.0μm，其长度须大于轻掺杂的n-型阱1-2μm。先用稀释的氢氟酸(HF)腐蚀掉上一阶段留下的SiO2层，再在与前相同的条件下热生长9000埃厚新的SiO2层，并进行光刻加工在SiO2层中形成扩散窗口。扩散条件为：As2O3为源，淀积温度480℃，淀积时间为1小时。扩散温度为1225℃，扩散时间16小时，由此产生的重掺砷的n-型硅埋层结深约10μm，薄层电阻约1Ω。替代的工艺是进行砷离子注入，以形成所需的重掺杂的n-型硅埋层。
第3阶段如图7A和图7B所示，主要涉及外延生长轻掺杂的n-型硅外延层。与以前阶段相同的方法腐蚀掉留下的SiO2层，然后进行外延生长。生长过程包括：炉内原位用氯化氢(HCl)腐蚀3-5分钟，以去掉0.2-0.5μm厚的衬底表面硅层；用SiCl4＋H2为源，用AsH3为掺杂剂，在1150℃进行外延生长。控制生长时间以获得5-6μm厚外延层，其电阻率在7-15Ω-cm范围内。
第4阶段如图8A和图8B所示，主要涉及形成加热电阻器和TTL电路，其主要制造步骤为：
1、热生长9000埃厚的SiO2层。
2、进行光刻加形成隔离区。
3、隔离淀积和扩散：以BN片为源，有BN淀积，950℃，通N2，20分钟；无BN淀积，1100℃，通N2/O2，30分钟。再扩散温度1225℃，通N2/O2，38分钟，产生结深4.5-6.0μm，薄层电阻1.5-4.0Ω。
4、腐蚀原有的SiO2层，热生长新的7000埃厚的SiO3。
5、进行光刻加工形成基区。
6、基区淀积和扩散：以BN片为源，有BN淀积，温度950℃，通N2，20分钟，无BN淀积，温度1100℃，通N2/O2，30分钟，再扩散温度1150℃，通湿O2，20分钟，通干O2，20分钟，产生的结深1.3-1.7μm，薄阻电阻115-150Ω，SiO2层厚约4500埃。
7、进行光刻加工形成发射区和电阻区，包括加热电阻区，其电阻值为100Ω。
8、发射区和电阻区淀积和扩散：以POCl3；为源，源温11℃，淀积温度1050C，通N2/O2，5分钟，通源气，8分钟，在湿O2中450℃退火20分钟，产生的结深约1.5μm，薄层电阻4-7.5Ω，SiO2层厚2800-3500埃。
9、腐蚀原有的SiO2层，热生长新的800埃厚的SiO2层，生长条件是950℃，通干O2。
10、低压气相淀积(CVD)1500埃厚的氮化硅(Si3N4)层，淀积温度是750℃。
11、进行光刻加工形成接触窗口。
12、电子束蒸发淀积1.2μm厚的铝膜。
13、进行光刻加工形成接触连线和压焊点。
14、金属化，其条件：450℃通N2。
TTL制造工艺是标准化的工业生产工艺，该行业的熟练技术人员对这些工艺都很熟悉，因此不需要进行详细的描述。
第5阶段如图9A和图9B所示，主要涉及形成阳极氧化掩模和阳极氧化槽。凡是经受得住HF腐蚀的材料都可作阳极氧化掩模材料，铬和金包括在内，但由于铬比金便宜，且在集成电路工业铬用得比金广泛，因此选用铬。在衬底上用溅射技术淀积2000埃厚的铬膜。进行光刻加工，形成阳极氧化槽，其过程是先以光刻胶为掩模，用3HCl＋H2O2腐蚀铬，进而用稀释的HF腐蚀SiO2，再以铬膜为掩膜，用反应离子腐蚀技术(RIE)腐蚀硅，腐蚀条件为：以CF4/O2为源，压力控制在40Pa左右。控制腐蚀深度恰好穿过轻掺杂的n-型硅外延层抵达其下的重掺杂的n-型埋层。
替代腐蚀硅的技术是湿法各向异性腐蚀，如用50℃的2M氢氧化钾(KOH)水溶液+25ml异丙醇。在进行这种腐蚀之前，阳极氧化槽掩模图形的直角边应保证与(110)晶向平行或垂直，槽的深度由掩模图形的宽度决定，即槽深＝0.7图形宽。
第6阶段如图10A和图10B所示，主要涉及阳极氧化生成多孔硅。多孔硅是单晶硅在浓HF溶液中阳极氧化形成的含有大量直径分布在几十埃到几百埃微孔的单晶硅，阳极氧化电压取决于硅衬底的掺杂类型和掺杂浓度，一般的规律是n-型掺杂的硅形成多孔硅所需的阳极电压高于P-型掺杂的硅，轻掺杂的n-型硅所需的阳极电压高于重掺杂的n-型硅，因此可以通过控制阳极电压，使同一硅衬底上的重掺杂的n-型硅和P-型掺杂的硅转变成多孔硅，而保持轻掺杂的n-型硅不受阳极氧化的影响。本实施例中，阳极氧化用的电解质溶液为20％HF和6M CH3COOH(冰醋酸)，其中冰醋酸起降低电解质表面张力的作用。阳极电压控制在2-3V，反应在室温下进行。阳极反应从阳极氧化槽开始，先等距离向重掺杂的n-型硅埋层周围扩张，待遇上轻掺杂的n-型硅界面时，反应即在此中止，其它未遇上轻掺杂的n-型硅界面的方向，反应继续进行，直至遇上为止。在重掺杂的n-型硅埋层的内端，其邻接的硅不是轻掺杂的n-型硅而是P-型掺杂的硅，因此反应继续向P-型硅中进行。由于串连电阻最小的路径其电流分布最大，因此反应在P-型硅中进行的方向是朝着衬底背面。阳极反应生成的多孔硅分布如图11A所示，值得注意的是除了重掺杂的n-型硅埋层都转变成多孔硅外，还有连接埋层内端的P-型掺杂硅。阳极反应原则上可以一直进行到衬底的背面表面，但本实施例为节约时间，控制阳极反应在衬底中进行的深度大约为100μm。
第7阶段如图11A和图11B所示，主要涉及涂覆聚酰亚胺薄膜和填充阳极氧化槽。填进阳极氧化槽中的聚酰亚胺将与微沟的墨水接触，为保护聚酰亚胺不受墨水腐蚀，聚酰亚胺膜表面须用铬膜保护，为此，溅射淀积800埃厚的铬膜。进行光刻加上，形成金属接触，连线和压焊点图形。铝膜上的铬膜不必去掉，只须用约10μm宽的沟将图形元与周围的铬膜隔开。此举是为了在衬底表面保存尽可能多的铬膜，以增强聚酰亚胺对衬底表面的粘附性。涂覆杜邦公司的2611聚酰亚胺，旋转机的转速为4K/分，旋转时间为30秒，在135℃前烘30分钟，然后进行第二次涂覆，其涂覆6次，最后在400℃硬化2小时，由此产生的聚酰亚胺膜厚约为24μm。
第8阶段如图12A和图12B所示，主要涉及安放玻璃片和形成压焊点窗口。200μm厚的微晶玻璃片，使用前进行清洁处理和高温烘烤。为增强玻璃对聚酰亚胺的粘附性，先在玻璃片上涂覆增粘剂，然后用旋转法涂覆聚酰亚胺。在聚酰亚胺未干之前，将衬底的图形面朝下放置在玻璃片上，用镊子加压，以排出接触面之间的气泡。前烘和硬化分别在135℃和400℃进行。进行光刻加工，在玻璃片表面形成反刻的压焊点窗口：以光刻胶为掩模，溅射淀积2000埃的铬膜，湿法腐蚀窗口部位铬膜下的光刻胶，形成有压焊窗口的铬掩模。上述技术称作顶脱(Left-off)法，是常用的集成电路加上技术之一。以铬掩模为保护，先用HF溶液腐蚀窗口部位的玻璃片，再用加热的硫酸或3份硫酸和1份双氧水的溶液腐蚀聚酰亚胺。替代腐蚀聚酰亚胺的是在氧气或空气中进行等离子腐蚀。值得注意的是压焊点上层的金属是铬，在上述湿法和干法腐蚀中均不受影响。
第9阶段如图13A和图13B所示，主要涉及背画减薄衬底，划片和腐蚀多孔硅。衬底从背面进行研磨直到露出多孔硅为止。划片采用砂轮划片机，切割的深度大于250μm，以保证除了切透玻璃片外，还深入衬底一定的深度。值得注意的是此时多孔硅未被腐蚀，衬底仍保持原有的强度，划片可以像常规的集成电路加工过程一样进行，只是划片时注意防止切割产生机械损伤。切割下来的芯片除了底面露出多孔硅外，在侧面也有多孔硅露头。腐蚀多孔硅1％的KOH溶液在室温下进行。因多孔硅有非常大的内麦面积，很容易腐蚀，只需几分钟就可去除所有的多孔硅，而衬底的其它部位不受任何影响。值得注意的是腐蚀溶液的浓度不要太高，以免反应过于激烈损坏形成的墨水池、墨水微沟和喷墨口。芯片的引出线可用导电树脂连到压焊点上。
上面给出的是本发明的最好实施方案，在本发明的指导和启动下，集成电路领域的熟练技术人员作出某些改动和改进是轻而易举的。