CN100594131C - 喷墨头芯片结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种喷墨头芯片结构，用以驱动墨滴，包含：基板，该基板上建立有至少一个晶体管；热阻层，设置于该基板上方，并利用该晶体管数组控制电流或电压通过该热阻层以产生致动能量，进而将墨滴推出；第一导电层，其片电阻低于该热阻层，该第一导电层与该热阻层附着并产生电性接触；层际绝缘层，覆盖于该热阻层及该第一导电层上方，该层际绝缘层厚度小于该第一导电层加上该热阻层的厚度和；覆盖保护层，形成于该层际绝缘层上方；及第二导电层，制作于该层际绝缘层上方，该第二导电层的任一部份材质均不同于该覆盖保护层。

Description

喷墨头芯片结构

本申请是依据申请号为200310116901.9，申请日为2003/11/27，发明名称为”喷墨头芯片结构的制造方法”的专利申请案所提出的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种喷墨头芯片结构及其制造方法，特别涉及一种用于低喷墨功率的喷墨头芯片结构及其制造方法。

背景技术

由于喷墨打印机的打印技术不断突破创新，对于打印品质和分辨率等方面的要求不断提高。墨滴的尺寸越小可达到越高的打印分辨率，但是在相同条件下，分辨率提高，打印速度也随之降低。为同时提升打印速度和打印分辨率，于单一喷墨头芯片增加喷嘴的数量为最确切的解决方法。

为达到此目的，目前广泛地将具有开关和主动特性的驱动组件，如晶体管，与喷墨用的致动组件整合至单一喷墨头芯片，以使喷墨头芯片的封装接点数X与喷嘴数Y的驱动模式，由一对一(X＝Y)提升至一对多(Y＝(X/2)²)模式。这种整合驱动组件的喷墨头(integrated drive head，IDH)芯片，如采用热气泡式来驱动墨滴，一般的制作方法是以金属氧化物半导体场效晶体管(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)串联喷墨用的致动组件，即加热墨水的电阻，简称为热阻，使外部接点对于热阻成为一对多模式。热阻是用来加热墨水产生气泡而推出墨滴，为给驱动组件提供足够的功率，必须减少其它电路所消耗的电阻值，热阻阻值接近整个回路阻值，使大部分的功率集中于热阻以转换为热量。如此，可有较佳的气泡产生效率。

为集中功率于热阻，最常见的做法是使用具有大沟道宽长比(channelwidth/length)的场效晶体管，来降低串联的寄生电阻(parasiticresistance)，但是大沟道宽长比的场效晶体管所占的面积往往远大于同在芯片中的其它组件，尤其随着结构分辨率提升，需尽量减小场效晶体管所占的面积，但也就因此增加了热阻以外的寄生电阻。因此，较佳的做法是将热阻阻值提高，特别是针对较小液滴的喷墨头，因喷出单一液滴所需的功率较低。但是，由于功率与电压平方乘热阻(R_heater)的乘积成正比，又和热阻加寄生电阻的平方(R_heater+R_parasitic)²成反比，如P＝VPP²×R_heater/(R_heater+R_parasitic)²，若是打印机所提供的电压不增加，加大热阻阻值将使热阻所产生的功率随之下降。

为此，解决方法为减少热阻上方的层间绝缘层(interlayer insulator)厚度，以降低热阻所产生的热传至墨水的热量损失，通常层间绝缘层使用氮化硅(Si₃N₄)与碳化硅(SiC)层。但是层间绝缘层后续需制作第二导电层和覆盖保护层，且层间绝缘层需要完整绝缘以隔开整合驱动组件的喷墨头芯片中上下交错或重叠的电路，因此层间绝缘层的绝缘完整性将影响喷墨头芯片的良率。而在热阻上方的层间绝缘层，为热气泡式喷墨头与墨水实际接触之处，需要有隔离墨水的覆盖保护层，为抵抗加热气泡消散后的墨水回击力(bubble-collapsed force)，与抵抗长时间墨水的化性，覆盖保护层需要采用高熔点、化性安定且坚韧的材料，如钽(Ta)。这种覆盖保护层必须采用较高能量的干式蚀刻、活性离子蚀刻或强酸强氧化剂的湿式蚀刻，而很容易破坏层间绝缘层的完整绝缘，如果降低覆盖保护层的厚度，则这种损伤的情形将会更加严重。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种喷墨头芯片结构，通过简单的工艺制作具薄层际绝缘层的喷墨头芯片，可以降低产生气泡，所以无须使用蚀刻机(etchor)或终点检测仪(end-point detector)，而且更因层际绝缘层后的各层都不使用具高能量的干式蚀刻、活性离子蚀刻或强酸强氧化剂的湿式蚀刻，可以有效避免层际绝缘层的蚀刻损伤。

为了达到上述目的，本发明提供一种喷墨头芯片结构，用以驱动墨滴，其特点在于，包含：一基板，该基板上建立有至少一晶体管；一热阻层，设置于该基板上方，并利用该晶体管数组控制电流或电压通过该热阻层以产生致动能量，进而将墨滴推出；一第一导电层，其片电阻低于该热阻层，该第一导电层与该热阻层附着并产生电性接触；一层际绝缘层，覆盖于该热阻层及该第一导电层上方，该层际绝缘层厚度小于该第一导电层加上该热阻层的厚度和；一覆盖保护层，形成于该层际绝缘层上方；及一第二导电层，制作于该层际绝缘层上方，该第二导电层的任一部份材质均不同于该覆盖保护层。

上述喷墨头芯片结构，其特点在于，该第一导电层的厚度为2500埃～7000埃。

上述喷墨头芯片结构，其特点在于，该覆盖保护层的材质是选自钽、钨、铬、镍、钛、硅及其合金所组成的族群。

上述喷墨头芯片结构，其特点在于，该层际绝缘层是由氮化硅和碳化硅材料所组成。

上述喷墨头芯片结构，其特点在于，该第二导电层的材质是选自金、铝、铜、铂、银及其合金所组成的族群。

上述喷墨头芯片结构，其特点在于，该第二导电层还包含有一金属层际阻隔层。

上述喷墨头芯片结构，其特点在于，该金属层际阻隔层的材质为熔点高于摄氏650度，且电阻率低于5.0×10-3欧姆-公分的非绝缘性材料。

上述喷墨头芯片结构，其特点在于，该晶体管数组为多个n信道金氧半场效晶体管。

为了达到上述目的，本发明还提供一种喷墨头芯片结构，用以驱动墨滴，其特征在于，包含：

一基板，该基板上建立有至少一晶体管；

一热阻层，设置于该基板上方，并利用该晶体管控制电流或电压通过该热阻层以产生致动能量，进而将墨滴推出；

一第一导电层，其片电阻低于该热阻层，该第一导电层与该热阻层附着并产生电性接触；

一层际绝缘层，覆盖于该热阻层及该第一导电层上方，该层际绝缘层厚度小于该第一导电层加上该热阻层的厚度和；

一覆盖保护层，形成于该层际绝缘层上方；及

一第二导电层，制作于该层际绝缘层上方，该第二导电层的任一部份材质均不同于该覆盖保护层；

其中，该晶体管数组为多个n信道金氧半场效晶体管。

该第一导电层的厚度为2500埃～7000埃。

该覆盖保护层的材质是选自钽、钨、铬、镍、钛、硅及其合金所组成的族群。

该层际绝缘层是由氮化硅和碳化硅材料所组成。

该第二导电层的材质是选自金、铝、铜、铂、银及其合金所组成的族群。

该金属层际阻隔层的材质为熔点高于摄氏650度，且电阻率低于5.0×10^-3欧姆-公分的非绝缘性材料。

本发明的功效在于，通过简单的工艺制作具薄层际绝缘层的喷墨头芯片，可以降低产生气泡，所以无须使用蚀刻机(etchor)或终点检测仪(end-pointdetector)，而且更因层际绝缘层后的各层都不使用具高能量的干式蚀刻、活性离子蚀刻或强酸强氧化剂的湿式蚀刻，可以有效避免层际绝缘层的蚀刻损伤。

附图说明

图1为n沟道金属氧化物半导体场效晶体管的结构示意图；及

图2至图7为本发明实施例的制作流程图。

附图标记说明

10    硅基板(Si substrate)

11    漏极(drain)

12    源极(source)

13    厚氧化层(thick LOCOS oxide)

14    栅极绝缘层(gate insulator)

15    基极掺质阻隔层(the barrier layer against base-dose)

16    栅极(gate)

17    基极接触主动区(active region for body contact)

20    硼磷硅玻璃层(BPSG)

21    高熔阻隔材料(refractory plug)

22    热阻层(heater layer)

23    第一导电层(lst conductive layer)

24    层间绝缘层(interlayer insulator)

25    覆盖保护层(passivation layer)

26    金属层间阻隔层(intermetal barrier layer)

27    第二导电层(2nd conductive layer)

28    光阻层(photoresist)

具体实施方式

为使对本发明的目的、构造特征及其功能有进一步的了解，配合附图详细说明如下。

请参阅图7所示，为本发明的喷墨头芯片结构，其用以驱动打印机喷墨头的墨滴。此种喷墨头芯片结构包含有一基板、一热阻层(heater layer)22、一第一导电层(1^st conductive layer)23、一层际绝缘层(interlayerinsulator)24、一覆盖保护层(passivation layer)25及一第二导电层(2^ndconductive layer)27。

请参阅图1及图7所示。前述基板在本发明中是以一硅基板10(Sisubstrate)为具体实施方式，而且本发明是以建立于硅基板10的n信道金氧半场效晶体管(n-channel MOSFET)为例，其中图1为n信道金氧半场效晶体管的结构示意图。硅基板10上建立有一晶体管数组，其中晶体管数组为多个n信道金氧半场效晶体管(n-channel MOSFET)，以当作喷墨头芯片的致动组件。n信道金氧半场效晶体管的制作步骤如下。在硅基板10(Si substrate)表面先形成应力缓冲氧化层，再以高温湿式氧化形成一厚氧化层13(LOCOS；localoxidation on silicon)的方式，定义出无厚氧化层的n信道金氧半场效晶体管的主动区和基极接触主动区17(active region for body contact)。王动区内成长一栅极绝缘层14(gate insulator)，再将复晶硅沈积并定义在栅极绝缘层上形成金氧半场效晶体管组件的栅极16(Gate)以及基极掺质阻隔层15(the barrier layer against base-dose)，再以扩散或离子布植于主动区内定义漏极11(drain)、源极12(source)与基极(base)，再于硅基板10上方覆以硼磷硅玻璃层20(BPSG)，硼磷硅玻璃层20并经热熔流(reflow)而形成。其中，硼磷硅玻璃层20对应于漏极11、源极12和基极接触主动区17的位置形成接触孔，其中各接触孔内填有高熔点的阻隔材料21(refractory plug)，以防止于后续制作时因高温于漏极11和源极12造成铝硅接触的互熔(spiking)。

请参阅图7所示，热阻层22设置于硅基板10上方，并利用前述晶体管数组控制电流或电压通过热阻层22以产生致动能量，进而使墨水沸腾以产生气泡将墨滴推出。第一导电层23的片电阻是低于热阻层22，而且第一导电层23与热阻层22附着并产生电性接触。层际绝缘层24覆盖于热阻层22与第一导电层23上方，而且层际绝缘层24的厚度小于第一导电层23与热阻层22之和。覆盖保护层25是形成于层际绝缘层24上方。第二导电层27制作于层际绝缘层24上方，而且第二导电层27的任一部份材质均不同于覆盖保护层25，且两者之间无电性连结。本发明的喷墨头芯片结构，其是结合上述的n信道金氧半场效晶体管组件并于其上方建立致动组件所形成。n信道金氧半场效晶体管组件是与致动组件电性连接，由栅极16(gate)电压控制电流通过致动组件，而致动组件是衔接于流体信道结构以提供能量使墨水喷出喷墨孔。

请参考图2至图7，其为本发明实施例的制作流程图。

如图2所示，于含有n沟道金属氧化物半导体场效晶体管(n-channelMOSFET)的硅基板10上方的硼磷硅玻璃层20表面，沉积热阻层22与第一导电层23，先于晶体管上方形成热阻层22，热阻层22由晶体管提供电流之后将会产生热量，以沸腾墨水使其产生气泡将墨滴推出；再于热阻层22的表面形成第一导电层23，其片电阻需低于热阻层22，第一导电层23的厚度为2500--7000埃(

)。

如图3所示，于具有第一导电层和热阻层的基板表面形成氮化硅(Si₃N₄)和碳化硅(SiC)所组成的(Si₃N₄/SiC)层间绝缘层24，其厚度越厚产生气泡所需的能量亦越高。为能够以较低的功率产生气泡，层间绝缘层24的厚度需小于热阻层22加第一导体层23的厚度总和。

如图4、图5及图6所示。图4是表示于层间绝缘层24表面定义一光阻层28，使其仅露出预定形成覆盖保护层的部分层间绝缘层24区域。图5表示在光阻层28的上方全面沉积覆盖保护层25，其中预定形成覆盖保护层25的部分层间绝缘层24区域则被覆盖保护层25所直接覆盖。覆盖保护层25的材质是选自钽、钨、铬、镍、钛、硅或其合金。图6表示去除光阻层28，同时即定义出覆盖保护层25。

如图7所示，于层间绝缘层24上方制作第二导电层27，第二导电层27的材质可为金属，并可利用碘化钾溶液作为蚀刻液，且第二导电层27与覆盖保护层25两者之间无电性连结。由于第二导电层27除了要作为喷墨头芯片结构中的第二层导线之外，亦须作为对外与软式电路板的接合接点。因此，可于第二导电层27下可增加高熔点的金属层间阻隔层26来增强接点和软式电路板的接合力，金属层间阻隔层26可使用钛钨合金，利用过氧化氢溶液作为蚀刻液，金属层间阻隔层26需为熔点摄氏650度以上，且电阻率(resistivity)5.0×10^-3欧姆-公分(Ω-cm)以下的金属、半导体、合金或化合物等非绝缘性材料。须注意金属层间阻隔层26需使用与覆盖保护层25不同的材料，以避免产生蚀刻损伤。

应用本发明所制作的喷黑头芯片结构，可以利用简单的工艺制作具薄层间绝缘层的喷墨头芯片来降低产生气泡的功率，而且无须使用蚀刻机(etchor)或终点检测仪(end-point detector)。更因层间绝缘层后的各层都不使用具高能量的干式蚀刻、活性离子蚀刻或强酸强氧化剂的湿式蚀刻，可以有效避免层间绝缘层的蚀刻损伤。

虽然本发明的较佳实施例公开如上所述，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可作一些修改和变化，因此本发明的专利保护范围应以权利要求为准。

Claims (13)

1、一种喷墨头芯片结构，用以驱动墨滴，其特征在于，包含：

一基板，该基板上建立有至少一晶体管；

一热阻层，设置于该基板上方，并利用该晶体管控制电流或电压通过该热阻层以产生致动能量，进而将墨滴推出；

一第一导电层，其片电阻低于该热阻层，该第一导电层与该热阻层附着并产生电性接触；

一层际绝缘层，覆盖于该热阻层及该第一导电层上方，该层际绝缘层厚度小于该第一导电层加上该热阻层的厚度和；

一覆盖保护层，形成于该层际绝缘层上方；及

一第二导电层，制作于该层际绝缘层上方，该第二导电层的任一部份材质均不同于该覆盖保护层，该第二导电层还包含有一金属层际阻隔层。

2、根据权利要求1所述的喷墨头芯片结构，其特征在于，该第一导电层的厚度为2500埃～7000埃。

3、根据权利要求1所述的喷墨头芯片结构，其特征在于，该覆盖保护层的材质是选自钽、钨、铬、镍、钛、硅及其合金所组成的族群。

4、根据权利要求1所述的喷墨头芯片结构，其特征在于，该层际绝缘层是由氮化硅和碳化硅材料所组成。

5、根据权利要求1所述的喷墨头芯片结构，其特征在于，该第二导电层的材质是选自金、铝、铜、铂、银及其合金所组成的族群。

6、根据权利要求1所述的喷墨头芯片结构，其特征在于，该金属层际阻隔层的材质为熔点高于摄氏650度，且电阻率低于5.0×10^-3欧姆-公分的非绝缘性材料。

7、根据权利要求1所述的喷墨头芯片结构，其特征在于，该晶体管数组为多个n信道金氧半场效晶体管。

8、一种喷墨头芯片结构，用以驱动墨滴，其特征在于，包含：

一基板，该基板上建立有至少一晶体管；

一热阻层，设置于该基板上方，并利用该晶体管控制电流或电压通过该热阻层以产生致动能量，进而将墨滴推出；

一第一导电层，其片电阻低于该热阻层，该第一导电层与该热阻层附着并产生电性接触；

一层际绝缘层，覆盖于该热阻层及该第一导电层上方，该层际绝缘层厚度小于该第一导电层加上该热阻层的厚度和；

一覆盖保护层，形成于该层际绝缘层上方；及

一第二导电层，制作于该层际绝缘层上方，该第二导电层的任一部份材质均不同于该覆盖保护层；

其中，该晶体管数组为多个n信道金氧半场效晶体管。

9、根据权利要求8所述的喷墨头芯片结构，其特征在于，该第一导电层的厚度为2500埃～7000埃。

10、根据权利要求8所述的喷墨头芯片结构，其特征在于，该覆盖保护层的材质是选自钽、钨、铬、镍、钛、硅及其合金所组成的族群。

11、根据权利要求8所述的喷墨头芯片结构，其特征在于，该层际绝缘层是由氮化硅和碳化硅材料所组成。

12、根据权利要求8所述的喷墨头芯片结构，其特征在于，该第二导电层的材质是选自金、铝、铜、铂、银及其合金所组成的族群。

13、根据权利要求8所述的喷墨头芯片结构，其特征在于，该金属层际阻隔层的材质为熔点高于摄氏650度，且电阻率低于5.0×10^-3欧姆-公分的非绝缘性材料。

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