ПЕЧАТАЮЩАЯ ГОЛОВКА ДЛЯ ТЕРМОГРАФИЧЕСКОЙ СТРУЙНОЙ ПЕЧАТИ, А ТАКЖЕ ПЕЧАТАЮЩИЙ УЗЕЛ И ПЕЧАТАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, СОДЕРЖАЩИЕ ЕЕ Российский патент 2024 года по МПК B41J2/14 

Область техники, к которой относится изобретение

[001] Настоящее изобретение относится к области технологии термографической струйной печати и, в частности, к печатающей головке для термографической струйной печати.

Предпосылки создания изобретения

[002] Технология термографической струйной печати относительно хорошо развита. Были представлены разные печатающие головки для термографической струйной печати. Например, в документе US6123419A раскрыта печатающая головка для термографической струйной печати, в которой используется сегментированный терморезистор с более высоким значением сопротивления для преодоления неэффективного рассеивания мощности в паразитных сопротивлениях. В документе US6582062B1 раскрыта печатающая головка для струйной печати с большой матрицей, в которой используется мультиплексирующее устройство для уменьшения паразитного сопротивления и количества входящих выводов.

[003] В печатающей головке для термографической струйной печати выброс капли краски через сопло осуществляется за счет быстрого нагревания объема краски, находящейся внутри камеры для выброса краски, а нагревание краски осуществляется коротким импульсом тока, подаваемым на терморезистор, расположенный внутри камеры для выброса краски. Нагревание краски приводит к образованию и быстрому расширению пузырьков пара краски, что тем самым выталкивает жидкую краску через сопло. После завершения импульса и выброса капли краски камера для выброса краски снова заполняется краской через канал для краски. Терморезистор выполнен из резистивной пленки, и печатающая головка для термографической струйной печати содержит множество таких терморезисторов в виде массива резисторов. Терморезисторы электрически подключены к соответствующей логической схеме и схеме питания с помощью проводящих дорожек и/или контактных площадок, так что каждым из терморезисторов можно управлять соответствующим образом. В реализации логической схемы и схемы питания используются металлические линии.

[004] В устройстве печатающей головки для термографической струйной печати предшествующего уровня техники обычно все терморезисторы покрыты сплошным защитным слоем, который предотвращает повреждение нижележащих резистивных пленок в результате резкого схлопывания пузырьков пара краски во время работы печатающей головки. С этой целью для защитного слоя используется огнеупорный металл, например тантал, который обладает как большой механической прочностью, так и хорошей теплопроводностью. Такая танталовая пленка обычно наносится непрерывно на всю площадь резистора, охватывая весь массив резисторов. Из-за электропроводности тантала большая площадь устройства оказывается покрытой сплошной танталовой проводящей пленкой. С одной стороны, поскольку уровни напряжения в металлических линиях на устройстве меняются со временем, эта танталовая проводящая пленка может иметь емкостную связь с соседними металлическими линиями под ней и, следовательно, может вызвать некоторые проблемы с логической схемой. С другой стороны, возможные точечные отверстия или неоднородности в диэлектрическом слое, расположенном между танталовым слоем и нижележащими металлическими линиями, могут привести к паразитным электрическим замыканиям, эффект которых может вызвать как электрические недостатки, так и электрохимические эффекты через краску. В документе US 6441838 B1 раскрыта такая печатающая головка для струйной печати, содержащая танталовый пассивирующий слой для обеспечения механической пассивации для резисторов подачи краски за счет поглощения кавитационного давления схлопывающегося приводного пузырька, при этом танталовый пассивирующий слой расположен поверх терморезисторов, выходящих за пределы камер для краски и поверх связанных с ними каналов для краски.

Краткое описание изобретения

[005] Целью настоящего изобретения является предоставление решения, которое может облегчить или решить по меньшей мере некоторые из вышеперечисленных проблем предшествующего уровня техники. Указанные проблемы разрешаются предметом независимых пунктов формулы изобретения. Дальнейшие предпочтительные варианты осуществления определены в зависимых пунктах.

[006] Согласно аспекту настоящего изобретения предусмотрена печатающая головка для термографической струйной печати, которая содержит:
подложку;

слой из сопел, содержащий множество сопел, образованных в нем;

множество камер для выброса краски, соответствующих множеству сопел;

множество терморезисторов, образованных на подложке и соответствующих множеству камер для выброса краски, причем каждый из терморезисторов расположен в отдельной камере для выброса краски, так что выброс капли краски через каждое из сопел вызван нагреванием одного из терморезисторов, который расположен в соответствующей камере для выброса краски;

множество разделенных кавитационных участков, образованных на и соответствующих множеству терморезисторов, причем каждый из кавитационных участков покрывает отдельный терморезистор; и

диэлектрический слой, расположенный между терморезисторами и кавитационными участками, при этом диэлектрический слой представляет собой композитную пленку, выполненную из нитрида кремния и карбида кремния, толщиной в диапазоне от приблизительно 0,4 до приблизительно 0,65 мкм.

[007] Согласно другому аспекту настоящего изобретения предусмотрен печатающий узел, содержащий печатающую головку для термографической струйной печати, описанную в данном документе выше.

[008] Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предусмотрено печатающее устройство, например, принтер, содержащее печатающую головку для термографической струйной печати, описанную в данном документе выше.

[009] С помощью решения согласно настоящему изобретению можно уменьшить перекрытие каждого кавитационного участка соседней схемой, и, следовательно, вероятность создания паразитной емкостной связи между кавитационным слоем и его соседней схемой резко уменьшается по сравнению с предшествующим уровнем техники. Кроме того, из-за относительно небольшой площади поверхности одного кавитационного участка маловероятно, что кавитационный участок перекрывается с возможным дефектом в тонкой диэлектрической пленке под ним, т. е. уменьшается вероятность того, что дефект в диэлектрической пленке находится непосредственно под некоторым кавитационным участком и, таким образом, вызывает короткое замыкание схемы. Таким образом, благодаря особому составу и толщине диэлектрического слоя (который намного тоньше, чем в предшествующем уровне техники), обеспечение «электрически» изолированных кавитационных участков является явно выгодным. В результате в настоящем изобретении предусмотрена оптимизированная теплопередача с уменьшенным риском образования точечных отверстий с нежелательными проводящими мостиками между различными слоями. Следовательно, использование настоящего изобретения может способствовать улучшению надежности печатающей головки, что, в свою очередь, увеличивает производительность процесса изготовления.

Краткое описание чертежей

[0010] Неограничивающие и неисчерпывающие варианты осуществления настоящего изобретения описаны в качестве примера со ссылкой на следующие фигуры, на которых:

[0011] на фиг. 1 представлен схематический чертеж, иллюстрирующий приводимое в качестве примера выполнение печатающей головки для термографической струйной печати согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

[0012] на фиг. 2 представлен схематический чертеж, иллюстрирующий приводимую в качестве примера пластину перед разрезанием;

[0013] на фиг. 3 схематически проиллюстрирован вид в перспективе приводимого в качестве примера печатающего узла, содержащего печатающую головку для термографической струйной печати согласно настоящему изобретению;

[0014] на фиг. 4 схематически проиллюстрирована часть приводимой в качестве примера микрожидкостной схемы в перспективе;

[0015] на фиг. 5 схематически проиллюстрирована часть микрожидкостной схемы согласно фиг. 4 в поперечном сечении;

[0016] на фиг. 6 представлено поперечное сечение, схематически более подробно иллюстрирующее часть согласно фиг. 5;

[0017] на фиг. 7 схематически проиллюстрирована часть печатающей головки для термографической струйной печати согласно фиг. 1;

[0018] на фиг. 8 схематически проиллюстрирована часть печатающей головки для термографической струйной печати предшествующего уровня техники;

[0019] на фиг. 9а, фиг. 9b и фиг. 9с проиллюстрирована возможная ситуация для печатающей головки для термографической струйной печати, часть которой проиллюстрирована на фиг. 8, эквивалентная схема, соответствующая ситуации, и модифицированный вариант эквивалентной схемы, соответственно; и

[0020] на фиг. 10a, фиг. 10b и фиг. 10c проиллюстрирована другая возможная ситуация для печатающей головки для термографической струйной печати, часть которой проиллюстрирована на фиг. 8, одна возможная эквивалентная схема, соответствующая ситуации, и другая возможная эквивалентная схема, соответствующая ситуации, соответственно.

Подробное описание вариантов осуществления

[0021] Чтобы сделать вышеуказанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения более очевидными, настоящее изобретение дополнительно описано ниже вместе с прилагаемыми чертежами. Следует понимать, что конкретные варианты осуществления, приведенные в данном документе, предназначены для пояснения специалистам в данной области техники и являются только иллюстративными, но не ограничивающими.

[0022] На фиг. 1 схематически проиллюстрировано приводимое в качестве примера выполнение печатающей головки для термографической струйной печати согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Печатающая головка для термографической струйной печати согласно фиг. 1 содержит подложку 1, на поверхности которой предусмотрено множество терморезисторов 2, расположенных в одном или более столбцах 3. Печатающая головка для термографической струйной печати может быть выполнена в виде микросхемы. Как показано на фиг. 2, несколько таких микросхем, каждая из которых закреплена на подложке 1, могут быть изготовлены в одной кремниевой пластине 5, которую затем нарезают на отдельные микросхемы с использованием надлежащей полупроводниковой технологии, включая осаждение тонкой пленки, фотолитографию, методы влажного и сухого травления, ионную имплантацию, оксидирование и т. д. Столбцы терморезисторов 2 могут быть расположены в непосредственной близости от сквозного паза 4, выполненного во внутренней части микросхемы печатающей головки, для заправки краски. Каждый из терморезисторов 2 может быть выполнен из резистивной пленки и может быть подключен к соответствующей (соответствующим) проводящей (проводящим) дорожке (дорожкам). В периферийной области печатающей головки может находиться набор контактных площадок 6, которые прикрепляются к гибкой печатной схеме, обычно с использованием процесса TAB (автоматического приклеивания ленты). Каждый из терморезисторов может быть электрически подключен к гибкой печатной схеме через соответствующую (соответствующие) проводящую (проводящие) дорожку (дорожки) и соответствующую (соответствующие) контактную (контактные) площадку (площадки) 6. В активной части 10 подложки 1 могут присутствовать массивы МОП-транзисторов 11 для адресации резисторов, одна или более логических схем 12, одно или более программируемых запоминающих устройств 13 и другие возможные компоненты, особенно когда электронная схема, связанная с терморезисторами, становится относительно сложной по мере увеличения количества терморезисторов. В дополнение к резистивным пленкам, образующим терморезисторы, печатающая головка для термографической струйной печати согласно настоящему изобретению может содержать другие слои/пленки, которые будут описаны позже.

[0023] Со ссылкой на фиг. 3, на которой показан печатающий узел, включающий настоящее изобретение, гибкая печатная схема 7 прикреплена к корпусу 8 картриджа печатающей головки, и печатающая головка для термографической струйной печати согласно настоящему изобретению может быть установлена и подключена к корпусу 8 картриджа печатающей головки. Гибкая печатная схема 7 оснащена контактными площадками 9 большего размера для обмена электрическими сигналами с принтером, используемым с печатающей головкой для термографической струйной печати. Печатающая головка для термографической струйной печати, например, показанная на фиг. 1, может быть установлена и подключена к корпусу картриджа 8 печатающей головки любым подходящим способом.

[0024] Со ссылкой на фиг. 4 и фиг. 5, на поверхности подложки печатающей головки для термографической струйной печати согласно настоящему изобретению, где нанесена и сформирована стопка резистивных, проводящих и диэлектрических пленок, как схематически представлено на области 14, можно наносить и реализовать микрожидкостную схему, так что краска может протекать в нанесенной микрожидкостной схеме через подходящие каналы 15 и попадать в камеру 16 для выброса краски, стенки которой окружают соответствующий терморезистор 2. Каналы 15 сообщаются по текучей среде со сквозным пазом 4, который может вести к резервуару для краски (не проиллюстрирован). Рисунок микрожидкостной схемы часто формируется в подходящем полимерном слое 17, называемом барьерным слоем. Слой 18 из сопел, например, в форме пластины, предусмотрен над барьерным слоем. Множество сопел 19, каждое из которых совмещено с нижележащим терморезистором, может быть образовано через пластину 18 из сопел, и из сопел выбрасываются капли 20 краски. Во время работы печатающей головки для термографической струйной печати, если необходима активация терморезистора 2, подается импульс короткого замыкания для нагревания резистора, который, в свою очередь, вызывает испарение тонкого слоя краски непосредственно над резистором, и, таким образом, формируется пузырек 21 пара. Давление в испаренном слое резко возрастает, что приводит к выбросу части вышележащей жидкой краски из соответствующего сопла над активированным резистором. Капля краски движется по направлению к носителю (например, к листу бумаги), образуя точку краски на поверхности носителя. После этого новая краска втягивается в камеру 16 для выброса краски, чтобы заменить выброшенную каплю, до тех пор, пока не будет достигнуто устойчивое состояние.

[0025] Для оптимизации передачи энергии от терморезистора 2 (нагреваемого импульсом тока за счет эффекта Джоуля) к краске необходимо, чтобы резистор был теплоизолирован от подложки, чтобы поток тепла происходил предпочтительно в направлении вышележащей краски, которая, в свою очередь, отделена от слоя резистивной пленки тонкой диэлектрической пленкой, чтобы избежать утечки тока. Подложка может быть выполнена из кремния, имеющего заметную теплопроводность, и в этом случае необходимо поместить изолирующий слой достаточной толщины между подложкой и резистором: другими словами, резистор должен быть нанесен поверх подходящего изолирующего слоя, выращенного или нанесенного на подложку. Термически выращенный оксид кремния и BPSG (бор-фосфор-кремниевое стекло), полученные с помощью высокотемпературных процессов, являются подходящими материалами для теплоизоляции резистора и могут использоваться по отдельности или в комбинации. Поскольку температура выращивания или осаждения и/или отжига этих материалов выше, чем рабочая температура терморезисторов в печатающей головке, они будут оставаться стабильными при нормальной работе печатающей головки.

[0026] Резистивная пленка, претерпевающая быстрые и большие перепады температуры при работе печатающей головки, должна иметь стабильные свойства и хорошую стойкость к термомеханическим нагрузкам. Обычно величина сопротивления терморезистора 2 составляет несколько десятков Ом; часто используется терморезистор квадратной формы с сопротивлением приблизительно 30 Ом, хотя можно использовать другие формы и другие значения сопротивления. Широко распространенным и долговечным выбором терморезистора является композитная пленка, выполненная из тантал-алюминиевого сплава: толщина пленки приблизительно 900 Ангстрем дает поверхностное сопротивление 30 Ом на квадрат, т. е. резистор квадратной формы, выполненный из такого сплава, имеет сопротивление 30 Ом. Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения терморезисторы представляют собой U-образные терморезисторы, что означает, что между соседними проводниками, смещенными при разных напряжениях, есть зазор.

[0027] Доступны различные известные решения для адресации и управления несколькими терморезисторами. При относительно небольшом количестве сопел в печатающей головке, до нескольких десятков, каждый терморезистор может быть подключен непосредственно через электрическую дорожку к соответствующей контактной площадке, а возврат тока может обычно собираться одним или более выводами заземления. По мере увеличения количества сопел трудно реализовать прямое индивидуальное управление, которое требует большого количества контактных площадок для адресации резисторов: фактически контактные площадки обычно распределяются по внешней границе микросхемы печатающей головки и их количество не может увеличиваться без ограничений. Более практичным решением является использование матрицы адресации, которая позволяет управлять большим количеством резисторов, используя уменьшенное количество контактных площадок. Матрица адресации предпочтительно реализуется с помощью множества МОП-транзисторов, каждый из которых электрически связан с определенным терморезистором. Индивидуальные терморезисторы могут быть подключены к электродам транзисторной матрицы подходящим образом, чтобы их можно было активировать по требованию, вызывая выброс капель краски из печатающей головки.

[0028] Как указано выше, диэлектрический слой над терморезистором обеспечивает электрическую изоляцию краски: обычно для образования диэлектрического слоя для этой цели используется пленка нитрида кремния, отдельно или в сочетании с карбидом кремния. Изолирующая пленка для диэлектрического слоя должна быть достаточно тонкой, чтобы пропускать сильный тепловой поток, выдерживая при этом термомеханические напряжения, возникающие при работе печатающей головки, а также удары из-за схлопывания пузырьков. Согласно настоящему изобретению диэлектрический слой представляет собой композитную пленку, выполненную из нитрида кремния и карбида кремния, толщина которой составляет по меньшей мере 4000 Ангстрем (0,4 мкм) и не более 6500 Ангстрем (0,65 мкм). Фактически, быстрое расширение пузырька пара из-за нагревания терморезистора приводит к значительному снижению внутреннего давления пузырька до уровня значительно ниже внешнего атмосферного давления. При максимальном расширении пузырька пузырек превращается в полость с пониженным давлением внутри, ограниченную в нижней части дном камеры для выброса краски и окруженную краской. Более высокое внешнее атмосферное давление отталкивает жидкую краску, лежащую над полостью, вызывая сильный удар о дно камеры. Это воздействие, являющееся следствием схлопывания полости, ранее образовавшейся в краске, может повредить пленки, которые образуют дно камеры, т. е. резистивную пленку и вышележащую изолирующую пленку. Часто тонкая изолирующая пленка недостаточно прочна и поверх изолирующей пленки наносят дополнительную защитную пленку, называемую кавитационным слоем, например, из огнеупорного металла, такого как тантал. Танталовая пленка является теплопроводной, и сохраняется сильный тепловой поток от резистивной пленки к краске, даже несмотря на наличие дополнительного слоя. Согласно настоящему изобретению предлагается новая компоновка кавитационного слоя. Идея состоит в том, чтобы уменьшить площадь поверхности пленки кавитационного слоя, не влияя на его функцию. В частности, кавитационный слой может состоять из множества разделенных кавитационных участков, причем рисунок каждого участка сформирован над соответствующим одним из терморезисторов. Такой кавитационный слой будет дополнительно описан позже со ссылкой на фиг. 7.

[0029] Схематическое изображение области 14 на фиг. 5, состоящей из резистивного слоя, диэлектрического слоя и кавитационного слоя, можно рассмотреть более подробно на поперечном сечении на фиг. 6. Под барьерным слоем 17 расположен кавитационный слой 22, нанесенный на диэлектрическую пленку 23 в качестве защиты. В показанной области терморезистора диэлектрическая пленка 23 размещена непосредственно на резистивной пленке 24, в то время как сразу за пределами терморезистора, где реализованы проводящие металлические линии 25, диэлектрическая пленка 23 нанесена над проводниками. В предпочтительном варианте осуществления кавитационный слой выполнен из тантала, но могут быть сделаны и другие варианты, и такие варианты могут быть известны специалистам в данной области техники.

[0030] На фиг. 7 схематически проиллюстрирована часть печатающей головки для термографической струйной печати согласно фиг. 1. Как показано на фиг. 7, ряд терморезисторов 2 окружен барьерным слоем 17, так что каждый из терморезисторов 2 размещен в камере для выброса краски, определенной двумя вертикальными стенками барьерного слоя 17. Краска течет от края 26 сквозного паза 4 через каналы 15 к камерам для выброса краски. В этом варианте осуществления край паза представляет собой прямую линию, но может быть принята форма края, которая соответствует расположению терморезисторов в шахматном порядке, чтобы уравнять время повторного заполнения для всех из них.

[0031] На фиг. 7 показано множество кавитационных участков 33, которые вместе составляют кавитационный слой. Такой кавитационный слой можно назвать разделенным кавитационным слоем или сегментированным кавитационным слоем, а каждый из кавитационных участков также можно назвать кавитационным сегментом. Эти кавитационные участки 33 отделены друг от друга. Каждый кавитационный участок 33 соответствует одному отдельному терморезистору 2 и покрывает его, и его площадь может быть чуть больше, чем площадь резистора, покрываемого им. Каждый кавитационный участок 33 может состоять из куска тантала, хотя можно использовать и другие подходящие материалы, особенно огнеупорные проводящие материалы.

[0032] В одном предпочтительном варианте осуществления кавитационные участки 33 могут быть плавающими, т. е. не связанными с каким-либо источником напряжения.

[0033] Каждый кавитационный участок 33 имеет лишь небольшую площадь перекрытия с соседней схемой 29, поэтому вероятность возникновения паразитной емкостной связи из-за наличия кавитационного слоя резко снижается по сравнению с предшествующим уровнем техники. Кроме того, из-за относительно небольшой площади поверхности, покрытой сегментированным кавитационным слоем, вероятность нежелательных возможных точечных отверстий или разрывов в диэлектрическом слое между кавитационным слоем и нижележащими металлическими линиями, которые находятся непосредственно под кавитационными участками, также может быть значительно снижена. Кроме того, использование новой компоновки помогает увеличить расстояние между кавитационным слоем и нижележащей логической схемой, что уменьшает возможную паразитную емкость и емкостную связь. Использование сегментированного кавитационного слоя, как показано на фиг. 7, может способствовать усовершенствованию и по существу улучшению надежности печатающей головки, что, в свою очередь, увеличивает производительность процесса изготовления.

[0034] Хотя наличие сегментированного кавитационного слоя может сделать поверхность, на которую наносится барьерный слой 17, несколько шероховатой, нанесение и последующее формирование рисунка барьерного слоя можно проводить в любом случае, обеспечивая плоскую поверхность и хорошую адгезию рядом с массивом резисторов.

[0035] Преимущества печатающей головки для термографической струйной печати согласно настоящему изобретению, в которой используется вышеупомянутый сегментированный кавитационный слой, в том числе упомянутые выше, по сравнению с предшествующим уровнем техники, станут более очевидными из следующего описания.

[0036] На фиг. 8 схематически проиллюстрирована часть устройства печатающей головки для термографической струйной печати предшествующего уровня техники. Как показано на фиг. 8, ряд терморезисторов 102 окружен барьерным слоем 117, вертикальные стенки которого связывают камеры для выброса краски, соответствующие терморезисторам. Краска протекает от края 126 сквозного паза 104 через каналы 115 к камерам.

[0037] Передний край 127 сплошного кавитационного слоя 122, схематически представленный пунктирной областью, находится на определенном расстоянии от края 126 паза, чтобы предотвратить повреждение слоя в процессе формирования паза. Такая же предосторожность соблюдается и в отношении диэлектрического слоя (не показан) под кавитационным слоем. Края указанных слоев не обязательно должны совпадать: край диэлектрического слоя может быть ближе к краю паза 126, чем край кавитационного слоя, или наоборот, без ущерба надежности устройства. Задний край 128 кавитационного слоя 122 находится далеко за резисторами 102. Для такой реализации есть несколько причин: кавитационный слой тантала обычно обеспечивает хорошую адгезию к вышележащему барьерному слою, что очень желательно в области, где герметичность вокруг камеры и между соседними камерами имеет первостепенное значение для гарантии корректной работоспособности устройства. Эта адгезия еще больше улучшается за счет непрерывности поверхности танталового слоя вблизи области выброса устройства, поскольку гладкая топография без острых краев облегчает нанесение и формирование рисунка полимерного барьерного слоя.

[0038] Тем не менее, имеются недостатки, возникающие из-за большой площади, покрытой танталовым кавитационным слоем 122, как будет показано ниже.

[0039] Устройство печатающей головки управляется и питается от подходящей электрической схемы 129, схематично представленной пунктирной областью, которая находится в непосредственной близости от области выброса и, следовательно, частично перекрывается танталовым кавитационным слоем, хотя схема и кавитационный слой разделены промежуточным диэлектрическим слоем, выполненным из нитрида кремния и карбида кремния.

[0040] Танталовый кавитационный слой и металлические линии нижележащей электрической схемы, разделенные тонким диэлектрическим слоем, действуют вместе как множество конденсаторов, хотя они и не предназначены для этой цели. Несмотря на то, что эти паразитные конденсаторы не относятся к электрической схеме устройства, они, тем не менее, могут оказывать неожиданное и нежелательное влияние на поведение устройства, особенно при наличии сложных логических схем. Наличие паразитных конденсаторов по всему устройству связано с непосредственной близостью проводящих частей либо из-за того, что они расположены бок о бок, разделенные небольшим зазором, либо из-за того, что они уложены друг на друга с изолирующим слоем между ними. Трудно избежать наличия паразитных эффектов в монолитном электронном устройстве, поскольку требования к стоимости процесса изготовления вынуждают разработчиков увеличивать поверхностную плотность электрических компонентов, что, в свою очередь, влечет за собой более высокий риск подверженности паразитным эффектам.

[0041] Из-за большой поверхности танталового кавитационного слоя имеется большое количество проводящих линий, принадлежащих нижележащему уровню, которые могут быть перекрыты самой танталовой пластиной, и, следовательно, имеется большое количество паразитных конденсаторов, имеющих верхнюю танталовую пластину в качестве верхнего электрода. Так как нижние проводящие линии могут оказаться на уровне напряжения, динамически изменяющемся во времени, в зависимости от режима работы устройства, это может вызвать некоторую емкостную связь между разными проводниками нижнего уровня при коммутациях напряжения.

[0042] В качестве примера на фиг. 9а изображена ситуация в поперечном сечении: имеются две проводящие линии 130 и 131, которые не обязательно расположены близко друг к другу. Обе линии покрыты диэлектрическим слоем 123, который, в свою очередь, перекрывается широким сплошным кавитационным слоем 122. В определенный момент проводящие линии 130 и 131, также называемые проводниками, могут быть установлены на напряжения V1 и V2, соответственно, как показано на фиг. 9b, на которой изображена упрощенная эквивалентная схема, соответствующая этой ситуации. На фиг. 9b учитывается значение сопротивления RT проводящих дорожек через танталовый слой 122, а также значения сопротивления R1 и R2 проводящих линий 130 и 131.

[0043] Следуя модели на фиг. 9b, если значение напряжения V1 претерпевает резкое изменение ΔV, как в ступенчатой форме волны, это вызывает резкое возмущение на нижней пластине конденсатора C2, соответствующей проводнику 131. Специалистам в данной области техники легко увидеть, что величина и тенденция возмущения на проводнике 131, по сравнению с ΔV, действительно зависят от значений сопротивления R1, R2 и RT, а также от емкостных значений конденсаторов С1 и С2. В общем, сразу после изменения напряжения V1 резкое изменение ΔV распределяется между резисторами, имеющими значения сопротивления R1 и R2, показанные на фиг. 9b, поскольку конденсаторы ведут себя как короткое замыкание при резком изменении напряжения. Поэтому, если R1 и RT << R2, резкое изменение ΔV оказывается вначале почти полностью переданным на проводник 131. В дальнейшем из-за прогрессирующего накопления заряда на пластинах конденсаторов система стремится перейти в новое стационарное состояние через определенный промежуток времени, когда величина возмущения падает практически до нуля: чем больше значения емкости паразитных конденсаторов C1 и C2, тем дольше длится возмущение.

[0044] Аналогичная ситуация возникает, например, при подключении проводника 131 к затвору МОП-транзистора. В большинстве случаев затвор транзистора в схеме не оставляют в плавающем состоянии, и его можно соединить с землей через резистор утечки или нагрузочный резистор, значение сопротивления которого заметно больше, чем у проводящих слоев; следовательно, выполняется условие R1 и RT << R2. Резкое изменение напряжения V1 могло привести к нежелательной коммутации состояния транзистора, если возмущение на электроде затвора длится достаточно долго. Это может вызвать сбои в работе устройства, в основном, когда возмущенный затвор является частью логической схемы, и это электрическое возмущение может вызвать некоторые нежелательные операции. Более того, поскольку в печатающей головке линии питания, которые питают терморезисторы сопла, часто смещены при напряжении выше 10 В, в то время как обычно питание логической схемы находится в диапазоне от 3 до 5 В, резкое изменение напряжения в линиях питания, паразитно связанных с логическими транзисторами, может серьезно повлиять на последние, даже если помехи на затворе ослабляются по отношению к ΔV.

[0045] Не рекомендуется увеличение толщины диэлектрического слоя 123 с целью снижения емкостных значений паразитных конденсаторов С1 и С2, что, в свою очередь, снижает длительность возмущения, так как преимущество эффективности теплопередачи от терморезисторов к краске заключается в получении тонкого диэлектрического слоя. С другой стороны, использование двух разных толщин диэлектрического слоя для области терморезистора и для схемы позади нее усложняет процесс изготовления и, следовательно, повышает затраты.

[0046] Возможное решение этой проблемы может быть получено путем соединения танталового кавитационного слоя с землей, чтобы отсоединить друг от друга паразитные конденсаторы, как изображено на фиг. 9c, на которой отражены значения сопротивления RT’ и RT’’ проводящих дорожек от танталового кавитационного слоя к земле. Эта реализация оказывается очень эффективной для уменьшения перекрестных помех, вызванных емкостной связью с кавитационным слоем; тем не менее, эта реализация склонна увеличивать вероятность возникновения других недостатков.

[0047] На самом деле, при изготовлении устройства многие процессы, такие как напыление, формирование рисунка и травление, следуют друг за другом и часто невозможно избежать наличия какого-либо дефекта в слоях устройства. Например, когда остаточные частицы остаются на поверхности после процесса травления, они могут нарушить целостность последующего слоя, нанесенного непосредственно над ним. Если этот слой представляет собой диэлектрическую пленку, по всей поверхности пленки могут возникать точечные отверстия или зоны с недостатком материала, нарушающие однородность изоляции. Если проводящий слой нанесен поверх дефектного диэлектрического слоя, часть проводящего материала может проникнуть через отверстия в пленке и, в худшем случае, может вступить в некоторый контакт с проводящей (проводящими) дорожкой (дорожками), лежащей (лежащими) под самим изолирующим диэлектрическим слоем. Это, вероятно, произойдет, когда верхний проводящий слой покрывает большую площадь поверхности, как в случае сплошного кавитационного слоя в соответствии с предшествующим уровнем техники: большая площадь перекрытия увеличивает вероятность того, что тантал перехватит какое-то сквозное отверстие в диэлектрической пленке, которая, в свою очередь, расположена как раз над проводящей дорожкой, как показано на фиг. 10a.

[0048] На фиг. 10а показан вид в поперечном сечении стопки слоев, в которой дефект, в частности сквозное отверстие в промежуточном диэлектрическом слое 123, заполнен материалом самого верхнего кавитационного слоя, образуя проводящий мостик 132 по направлению к нижележащей проводящей дорожке 130. Этот дефект будет действовать как короткое замыкание или, по меньшей мере, как резистивный путь между двумя проводящими слоями, которые должны быть электрически изолированы в бездефектном устройстве. В зависимости от того, оставлен ли кавитационный слой плавающим или соединен с землей, эквивалентная схема, соответствующая этой ситуации, может быть такой, как показано на фиг. 10b или на фиг. 10c. Проводящий мостик 132 между металлическим кавитационным слоем и нижележащей металлической дорожкой 130 представлен резистором RB.

[0049] В случае, представленном на фиг. 10b, весь плавающий кавитационный слой приводится к тому же потенциалу V1, который приложен к проводнику 130. Паразитная емкостная связь между кавитационным слоем и нижележащей схемой становится еще сильнее, поскольку напряжение V1 непосредственно влияет на танталовый кавитационный слой, даже когда напряжение V1 является переменной величиной. Кроме того, поскольку очень часто краска обладает определенной электропроводностью, другие электрические проблемы могут распространяться на схему устройства из-за дефекта в диэлектрической пленке; более того, также могут иметь место электрохимические эффекты, связанные с краской, возможно, закрывающие путь тока через большую часть кремниевого кристалла.

[0050] С другой стороны, в случае, показанном на фиг. 10c, где показаны значения сопротивления RT’ и RT’’ проводящих дорожек от танталового кавитационного слоя к земле, напряжение на кавитационном слое прилипает к земле, что подавляет или в значительной степени уменьшает возможные эффекты емкостной связи, связанные с танталовой пленкой. Однако, если напряжение V1 отличается от нуля (принимается как значение потенциала земли), будет установлено короткое замыкание или путь тока с низким удельным сопротивлением, что отрицательно скажется на целостности устройства: в большинстве случаев эти проблемы могут быть обнаружены при электрических испытаниях устройства, проводимых в процессе изготовления, что, в свою очередь, вызывает брак устройства и, следовательно, снижает производительность процесса изготовления.

[0051] Таким образом, наличие большого непрерывного кавитационного слоя в печатающей головке для термографической струйной печати предшествующего уровня техники влечет за собой несколько критических аспектов, каким бы ни было ее электрическое состояние. С другой стороны, необходимо предотвратить повреждение пленок в области выброса из-за схлопывания пузырьков пара во время работы печатающей головки.

[0052] Напротив, в решении согласно настоящему изобретению, в котором используется новая компоновка кавитационного слоя, как описано выше, присутствие кавитационного слоя сохраняется только в меньшей области, которая охватывает только терморезисторы массива резисторов, и площадь поверхности пленки кавитационного слоя резко уменьшается. Из-за уменьшенной площади поверхности пленки маловероятно, что кавитационный слой перекрывается с возможным дефектом в диэлектрической пленке под ним, т. е. уменьшается вероятность того, что дефект в диэлектрической пленке находится непосредственно под кавитационным слоем и вызывает короткое замыкание схемы. С другой стороны, использование новой компоновки помогает увеличить расстояние между кавитационным слоем и нижележащей логической схемой. Меньшая площадь кавитационного слоя и большее расстояние между кавитационным слоем и критическими логическими схемами помогают уменьшить паразитную емкость. Следовательно, печатающая головка для термографической струйной печати согласно настоящему изобретению более надежна и менее подвержена нежелательным электрическим помехам.

[0053] Различные технические признаки, описанные выше, могут произвольно комбинироваться. Хотя описаны не все возможные комбинации этих технических признаков, любая комбинация этих технических признаков должна рассматриваться как охватываемая настоящим описанием при условии, что такая комбинация не противоречит друг другу.

[0054] Хотя настоящее изобретение было описано в связи с примерами, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что приведенное выше описание и чертежи являются только иллюстративными, а не ограничительными, и настоящее изобретение не ограничено раскрытыми примерами. Возможны различные модификации и вариации без отклонения от сущности настоящего изобретения.

В настоящем изобретении предложена печатающая головка для термографической струйной печати, а также печатающий узел и печатающее устройство, содержащие ее. Печатающая головка для термографической струйной печати согласно настоящему изобретению содержит подложку; слой из сопел, содержащий множество сопел, образованных в нем; множество камер для выброса краски, соответствующих множеству сопел; множество терморезисторов, образованных на подложке и соответствующих множеству камер для выброса краски, причем каждый из терморезисторов расположен в отдельной камере для выброса краски, так что выброс капли краски через каждое из сопел вызван нагреванием одного из терморезисторов, который расположен в соответствующей камере для выброса краски; множество разделенных кавитационных участков, образованных на и соответствующих множеству терморезисторов, причем каждый из кавитационных участков покрывает отдельный терморезистор; и диэлектрический слой, расположенный между терморезисторами и кавитационными участками. Использование настоящего изобретения может способствовать усовершенствованию и по существу улучшению надежности печатающей головки, что, в свою очередь, увеличивает производительность процесса изготовления. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Печатающая головка для термографической струйной печати, содержащая: подложку (1); слой (18) из сопел, содержащий множество сопел (19), образованных в нем; множество камер (16) для выброса краски, соответствующих множеству сопел (19); множество терморезисторов (2), образованных на подложке (1) и соответствующих множеству камер (16) для выброса краски, причем каждый из терморезисторов (2) расположен в отдельной камере (16) для выброса краски так, что выброс капли краски через каждое из сопел (19) вызван нагреванием одного из терморезисторов (2), который расположен в соответствующей камере (16) для выброса краски; множество разделенных кавитационных участков (33), образованных на и соответствующих множеству терморезисторов (2), причем каждый из кавитационных участков (33) покрывает отдельный терморезистор (2); и диэлектрический слой (23), расположенный между терморезисторами (2) и кавитационными участками (33), отличающаяся тем, что диэлектрический слой (23) представляет собой композитную пленку, выполненную из нитрида кремния и карбида кремния, толщиной в диапазоне от приблизительно 0,4 до приблизительно 0,65 мкм, причем терморезисторы (2) представляют собой U-образные терморезисторы.

2. Печатающая головка для термографической струйной печати по п. 1, отличающаяся тем, что каждый из кавитационных участков (33) выполнен из огнеупорной металлической пленки.

3. Печатающая головка для термографической струйной печати по п. 2, отличающаяся тем, что огнеупорная металлическая пленка представляет собой танталовую пленку.

4. Печатающая головка для термографической струйной печати по п. 1, отличающаяся тем, что каждый из кавитационных участков (33) имеет площадь поверхности, которая является минимальной, но при этом достаточно большой для полного покрытия соответствующего одного из терморезисторов (2).

5. Печатающая головка для термографической струйной печати по п. 1, дополнительно содержащая: барьерный слой (17), образованный над множеством кавитационных участков (33) и под слоем (18) из сопел, отличающаяся тем, что камеры (16) для выброса краски определены барьерным слоем (17).

6. Печатающая головка для термографической струйной печати по п. 5, отличающаяся тем, что рисунок барьерного слоя (17) сформирован для образования множества каналов (15) для краски, соответствующих множеству камер (16) для выброса краски, причем каждый из каналов (15) для краски ведет к отдельной камере (16) для выброса краски.

7. Печатающая головка для термографической струйной печати по п. 1, дополнительно содержащая: изолирующий слой, расположенный между подложкой (1) и терморезисторами (2).

8. Печатающая головка для термографической струйной печати по п. 1, отличающаяся тем, что каждый из кавитационных участков (33) является плавающим.

9. Печатающий узел, содержащий печатающую головку для термографической струйной печати по любому из пп. 1-8.

10. Печатающее устройство, содержащее печатающую головку для термографической струйной печати по любому из пп. 1-8.