用于热泡MEMS喷墨芯片的加热电阻结构及其喷墨芯片、方法与流程

本技术涉及喷墨芯片，尤其涉及一种用于热泡mems喷墨芯片的加热电阻结构及其喷墨芯片、方法。

背景技术：

1、热泡式喷墨打印芯片通过薄膜加热电阻瞬间气化墨水产生气泡，气泡推动墨滴喷射。薄膜加热电阻是热泡式喷墨打印芯片的核心器件，其可靠性直接决定芯片寿命。薄膜加热电阻需要在3至6微秒内从室温急剧升温至300℃以上，并反复承受剧烈的热循环冲击。此外，气泡溃灭时会产生高速微射流冲击（即“空蚀”效应），对电阻表面造成类似机械水锤的反复冲蚀。

2、现有技术主要存在以下痛点：

3、一、热应力和空蚀剥落：急热急冷引入的显著内应力，叠加空蚀的机械冲击，容易导致电阻层开裂或界面分层。有方案提出采用双层二氧化硅（sio2）作为应力缓冲层，但由于同种材料所呈现的应力类型单一，难以同时解决压应力和张应力匹配问题，长期热循环后仍无法避免界面失效。

4、二、电阻温度系数漂移大：常规氮化钽（tan）电阻的tcr约为-80至-300ppm/℃，这意味着其工作温度范围内阻值变化大，导致加热功率波动，进而造成喷出墨滴体积不一致，影响打印质量。氧化铱-二氧化钛（iro2-tio2）薄膜虽然tcr绝对值较低，但其与sio2的结合力差，且高温工作条件下易向缓冲层扩散，引发性能退化。

5、三、缺乏自修复能力：电阻层一旦因空蚀或电迁移产生微裂纹，电流集中效应将使裂纹迅速扩展，最终造成电阻断路，芯片永久失效。现有的加热电阻结构均未具备原位自修复功能。

6、四、与cmos后道工艺不兼容：为有效缓冲应力，部分高性能缓冲层（如采用低压化学气相沉积lpcvd制备的氮化硅）需要很高的沉积温度（往往超过700℃），但这会严重损伤已制备完成的铝互连电路，无法与标准cmos后道工艺（通常要求低于400℃）兼容。

技术实现思路

1、本技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本技术提出一种用于热泡mems喷墨芯片的加热电阻结构及其喷墨芯片、方法,以解决目前的加热电阻结构寿命短、阻值漂移大、无修复机制的问题。

2、在第一方面，本技术提供一种用于热泡mems喷墨芯片的加热电阻结构，包括依次堆叠设置的第一缓冲层、第二缓冲层、梯度电阻复合层、自修复功能层和抗空蚀保护层；所述第一缓冲层具有预设压应力，所述第二缓冲层具有预设张应力，所述预设压应力与所述预设张应力相互抵消，使所述第一缓冲层与所述第二缓冲层构成的整体应力的绝对值小于30mpa；所述梯度电阻复合层包括至少两个不同材料组成的子层，相邻子层之间通过共溅射过渡区连接，以实现成分的连续渐变，使得在相邻子层之间不存在明确的异质界面，且所述梯度电阻复合层的整体电阻温度系数的绝对值小于100ppm/℃；所述自修复功能层被配置为所述梯度电阻复合层出现微裂纹时，响应于局部温升而释放导电修复材料，以填充所述微裂纹并恢复所述梯度电阻复合层上的导电通路；所述抗空蚀保护层用于抵抗气泡溃灭产生的冲击。

3、基于上述的用于热泡mems喷墨芯片的加热电阻结构，使用时，第一缓冲层的压应力与第二缓冲层的张应力相互抵消，整体应力绝对值小于30mpa，避免热循环导致界面开裂或分层，同时第二缓冲层阻挡水汽和离子下渗。梯度电阻复合层通过至少两个子层的连续过渡消除异质界面，无界面热阻，热响应短于2μs，且整体电阻温度系数绝对值小于100ppm/℃，阻值稳定，保证墨滴体积一致；底层与二氧化硅结合力强，不易分层。自修复功能层在微裂纹处响应焦耳热释放导电材料，填充裂纹恢复导通，实现原位自修复，延长寿命。抗空蚀保护层抵抗气泡溃灭冲击，防止剥落。本技术协同集成上述多层，解决了加热电阻结构寿命短、阻值漂移大、无修复机制的问题。

4、在上述的用于热泡mems喷墨芯片的加热电阻结构的一个或多个实施例中，所述第一缓冲层包含等离子体增强化学气相沉积制备的二氧化硅，所述第二缓冲层包含等离子体增强化学气相沉积制备的氮化硅。

5、在上述的用于热泡mems喷墨芯片的加热电阻结构的一个或多个实施例中，所述第一缓冲层与所述第二缓冲层的厚度比为3:1至5:1。

6、在上述的用于热泡mems喷墨芯片的加热电阻结构的一个或多个实施例中，所述第一缓冲层的厚度为80-150nm，所述第二缓冲层的厚度为20-50nm。

7、在上述的用于热泡mems喷墨芯片的加热电阻结构的一个或多个实施例中，所述梯度电阻复合层包含沿堆叠方向依次设置并连续过渡的第一子层、第二子层和第三子层；所述第一子层为tanx层，其中x=1.1-1.3；所述第二子层为iro2-tio2层，其中ir:ti原子比为7:3;所述第三子层为tany层,其中y=0.7-0.9。

8、在上述的用于热泡mems喷墨芯片的加热电阻结构的一个或多个实施例中，所述第一子层的厚度为70-250å，所述第二子层的厚度为40-100å，所述第三子层的厚度为70-250å，所述共溅射过渡区的厚度为10-20å。

9、在上述的用于热泡mems喷墨芯片的加热电阻结构的一个或多个实施例中，所述梯度电阻复合层的总厚度为180-600å，方阻为100-500ω/，整体电阻温度系数的绝对值小于50ppm/℃。

10、在上述的用于热泡mems喷墨芯片的加热电阻结构的一个或多个实施例中，所述自修复功能层包括聚合物基体和分散于所述聚合物基体中的导电微胶囊；所述导电微胶囊的芯材为低熔点导电材料，其壳材被配置为响应于局部温升而破裂。

11、在上述的用于热泡mems喷墨芯片的加热电阻结构的一个或多个实施例中，所述聚合物基体为al2o3-pi或苯并环丁烯，所述芯材为sn-bi-in合金或sn-ag-cu合金，熔点为80-120℃，所述壳材为聚脲甲醛或聚甲基丙烯酸甲酯。

12、在上述的用于热泡mems喷墨芯片的加热电阻结构的一个或多个实施例中，所述导电微胶囊在所述自修复功能层中的质量分数为5%-8%。

13、在上述的用于热泡mems喷墨芯片的加热电阻结构的一个或多个实施例中，所述聚合物基体为al2o3-pi，其中分散有al2o3纳米增强颗粒，粒径10–30nm，质量分数10–15%。

14、在上述的用于热泡mems喷墨芯片的加热电阻结构的一个或多个实施例中，所述自修复功能层的厚度为30-60nm。

15、在上述的用于热泡mems喷墨芯片的加热电阻结构的一个或多个实施例中，所述抗空蚀保护层为类金刚石碳薄膜，硬度大于20gpa。

16、在上述的用于热泡mems喷墨芯片的加热电阻结构的一个或多个实施例中，所述类金刚石碳薄膜采用等离子体增强化学气相沉积制备，厚度为15-30nm。

17、在上述的用于热泡mems喷墨芯片的加热电阻结构的一个或多个实施例中，所述抗空蚀保护层为采用原子层沉积制备的氧化铝薄膜，厚度为15-30nm。

18、在上述的用于热泡mems喷墨芯片的加热电阻结构的一个或多个实施例中，还包括沿所述堆叠方向依次设置的粘附层和阻挡层，所述阻挡层设置于所述第一缓冲层远离所述第二缓冲层的一侧；所述粘附层为ti或ta，所述阻挡层为tin或tan，所述粘附层和所述阻挡层的总厚度为30-80nm。

19、在上述的用于热泡mems喷墨芯片的加热电阻结构的一个或多个实施例中，还包括设有cmos铝互连层的基底，所述第一缓冲层设置于所述基底具有所述cmos铝互连层的一面上。

20、在第二方面，本技术提供了一种热泡mems喷墨芯片，包括如第一方面所述的加热电阻结构。

21、在第三方面，本技术提供了一种加热电阻结构的制备方法，全部制备工艺温度不高于350℃，制备方法包括：获取具有cmos铝互连层的基底；在所述基底上依次堆叠形成具有预设压应力的第一缓冲层、具有预设张应力的第二缓冲层、梯度电阻复合层、自修复功能层和抗空蚀保护层；其中，所述预设压应力与所述预设张应力相互抵消，使所述第一缓冲层与所述第二缓冲层构成的整体应力绝对值小于30mpa；所述梯度电阻复合层包括至少两个不同材料组成的子层，相邻子层之间通过共溅射过渡区连接，以实现成分的连续渐变，使得在相邻子层之间不存在明确的异质界面，且所述梯度电阻复合层的电阻温度系数的绝对值小于100ppm/℃；所述自修复功能层被配置为所述梯度电阻复合层出现微裂纹时，响应于局部温升而释放导电修复材料，以填充所述微裂纹并恢复所述梯度电阻复合层上的导电通路；所述抗空蚀保护层用于抵抗气泡溃灭产生的冲击。

22、在上述的加热电阻结构的制备方法的一个或多个实施例中，在形成所述第一缓冲层之前，所述制备方法还包括：在基底具有cmos铝互连层的一面上依次沉积粘附层和阻挡层，所述粘附层为ti或ta，所述阻挡层为tin或tan，所述粘附层与所述阻挡层的总厚度为30-80nm。

23、在上述的加热电阻结构的制备方法的一个或多个实施例中，所述在所述基底上依次堆叠形成具有预设压应力的第一缓冲层、具有预设张应力的第二缓冲层包括：在300-350℃温度下，通过等离子体增强化学气相沉积形成sio2所述第一缓冲层，厚度为80-150nm,具有预设压应力；在300-350℃温度下，通过等离子体增强化学气相沉积形成si3n4所述第二缓冲层，厚度为20-50nm,具有预设张应力。

24、在上述的加热电阻结构的制备方法的一个或多个实施例中，形成梯度电阻复合层包括：在同一溅射腔室内：以ar:n2体积比为9:1的溅射气氛沉积第一子层，所述第一子层为tanx层，x=1.1-1.3，第一子层的厚度为70-250å；在沉积完所述第一子层后，逐渐引入ir-ti合金靶并逐渐减少ta靶功率，同时将气氛逐步切换为ar:o2，形成第一共溅射过渡区，厚度为10-20å；以ar:o2体积比为92:8的溅射气氛沉积第二子层，所述第二子层为iro2-tio2层，ir:ti原子比为7:3，第二子层的厚度为40-100å；在沉积完所述第二子层后，逐渐重新引入ta靶并逐渐减少ir-ti靶功率，同时将气氛逐步切换为ar:n2，形成第二共溅射过渡区，厚度为10-20å；以ar:n2体积比为15:1的溅射气氛沉积第三子层，所述第三子层为tany层，y=0.7-0.9，第三子层的厚度为70-250å。

25、在上述的加热电阻结构的制备方法的一个或多个实施例中，形成自修复功能层包括：配制含有聚合物前驱体、无机纳米增强颗粒和导电微胶囊的混合溶液；将所述混合溶液旋涂于所述梯度电阻复合层之上；在惰性气氛中进行阶梯升温固化，形成所述自修复功能层。

26、在上述的加热电阻结构的制备方法的一个或多个实施例中，所述聚合物前驱体为聚酰亚胺前驱体，所述无机纳米增强颗粒为al2o3纳米颗粒，粒径为10-30nm，在所述自修复功能层中的质量分数为10–15%；所述导电微胶囊的芯材为sn-bi-in合金，熔点为80-120℃，壳材为聚脲甲醛，所述导电微胶囊在所述自修复功能层中的质量分数为5-8%；所述阶梯升温固化包括：在氮气氛围中，以100℃保持10分钟，升至150℃保持10分钟，再升至200℃保持30分钟；其中固化后的所述自修复功能层的厚度为30-60nm。

27、在上述的加热电阻结构的制备方法的一个或多个实施例中，形成抗空蚀保护层包括：采用等离子体增强化学气相沉积制备，以ch4和ar为反应气体，在200-300℃下沉积类金刚石碳薄膜，类金刚石碳薄膜的厚度为15-30nm，硬度大于20gpa；或者，采用原子层沉积，以三甲基铝和水为前驱体，在150–250℃下沉积氧化铝薄膜，氧化铝薄膜的厚度为15-30nm。

28、在上述的加热电阻结构的制备方法的一个或多个实施例中，所述加热电阻结构的图形化通过lift-off工艺实现，包括：在形成所述第二缓冲层之后、形成所述梯度电阻复合层之前，旋涂负性光刻胶并通过光刻定义加热电阻图形；在形成所述抗空蚀保护层之后，用n-甲基吡咯烷酮超声剥离非图形区域的材料，形成图形化的加热电阻阵列。

29、在上述的加热电阻结构的制备方法的一个或多个实施例中，在形成所述抗空蚀保护层之后，所述制备方法还包括：在氮气氛围中、250℃条件下退火三十分钟，使所述梯度电阻复合层内部的成分互扩散，稳定电阻值。

30、本技术上述一个或多个实施例，至少具有如下一种或多种有益效果：

31、本技术通过应力抵消双缓冲层、无界面梯度电阻复合层、电-热触发自修复功能层以及抗空蚀保护层的协同配合，实现了热应力近零化、电阻温度系数稳定、微裂纹原位自修复以及抗空蚀等多重功能的集成，综合解决了热泡喷墨芯片加热电阻器寿命短、阻值漂移大、无修复机制的问题。

32、本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。