CN109843594A - 用于形成热喷墨打印头的方法、热喷墨打印头和半导体晶圆 - Google Patents

用于形成热喷墨打印头的方法、热喷墨打印头和半导体晶圆 Download PDF

Info

Publication number
CN109843594A
CN109843594A CN201680090270.3A CN201680090270A CN109843594A CN 109843594 A CN109843594 A CN 109843594A CN 201680090270 A CN201680090270 A CN 201680090270A CN 109843594 A CN109843594 A CN 109843594A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
print head
metal layer
thermal actuator
semiconductor crystal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201680090270.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109843594B (zh
Inventor
P·斯基纳
S·巴尔迪
I·蒂塞尼亚
M·佩里尼
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SICPA Holding SA
Original Assignee
SICPA Holding SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SICPA Holding SA filed Critical SICPA Holding SA
Publication of CN109843594A publication Critical patent/CN109843594A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109843594B publication Critical patent/CN109843594B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/16—Production of nozzles
    • B41J2/1621—Manufacturing processes
    • B41J2/1626—Manufacturing processes etching
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/14016—Structure of bubble jet print heads
    • B41J2/14072—Electrical connections, e.g. details on electrodes, connecting the chip to the outside...
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/14016—Structure of bubble jet print heads
    • B41J2/14088—Structure of heating means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/14016—Structure of bubble jet print heads
    • B41J2/14088—Structure of heating means
    • B41J2/14112—Resistive element
    • B41J2/14129—Layer structure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/16—Production of nozzles
    • B41J2/1601—Production of bubble jet print heads
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/16—Production of nozzles
    • B41J2/1601—Production of bubble jet print heads
    • B41J2/1603—Production of bubble jet print heads of the front shooter type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/16—Production of nozzles
    • B41J2/1621—Manufacturing processes
    • B41J2/1631—Manufacturing processes photolithography
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/16—Production of nozzles
    • B41J2/1621—Manufacturing processes
    • B41J2/1635—Manufacturing processes dividing the wafer into individual chips
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02107—Forming insulating materials on a substrate
    • H01L21/02225—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer
    • H01L21/0226—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer formation by a deposition process
    • H01L21/02282—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer formation by a deposition process liquid deposition, e.g. spin-coating, sol-gel techniques, spray coating
    • H01L21/02288—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer formation by a deposition process liquid deposition, e.g. spin-coating, sol-gel techniques, spray coating printing, e.g. ink-jet printing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/31—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to form insulating layers thereon, e.g. for masking or by using photolithographic techniques; After treatment of these layers; Selection of materials for these layers
    • H01L21/3105—After-treatment
    • H01L21/311—Etching the insulating layers by chemical or physical means
    • H01L21/31105—Etching inorganic layers
    • H01L21/31111—Etching inorganic layers by chemical means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67011—Apparatus for manufacture or treatment
    • H01L21/6715—Apparatus for applying a liquid, a resin, an ink or the like
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/71—Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
    • H01L21/768—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
    • H01L27/04—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body
    • H01L27/08—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including only semiconductor components of a single kind
    • H01L27/085—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including only semiconductor components of a single kind including field-effect components only
    • H01L27/088—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including only semiconductor components of a single kind including field-effect components only the components being field-effect transistors with insulated gate
    • H01L27/092—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including only semiconductor components of a single kind including field-effect components only the components being field-effect transistors with insulated gate complementary MIS field-effect transistors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2202/00—Embodiments of or processes related to ink-jet or thermal heads
    • B41J2202/01—Embodiments of or processes related to ink-jet heads
    • B41J2202/13—Heads having an integrated circuit

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Abstract

本发明提供一种用于形成热喷墨打印头的方法，所述方法至少包括以下步骤：提供半导体晶圆，所述半导体晶圆包括集成电子电路和用于形成热致动器元件的部分，所述集成电子电路至少包括：形成在衬底上方的热隔绝层；以及形成在所述热隔绝层上方的第一金属层，其中，所述第一金属层延伸到用于形成热致动器元件的部分中；以及将用于形成热致动器元件的部分蚀刻到所述第一金属层，使得所述第一金属层用作蚀刻停止层。此外，提供了通过本发明的方法所形成的热喷墨打印头和用于通过本发明的方法来形成热喷墨打印头的半导体晶圆。

Description

用于形成热喷墨打印头的方法、热喷墨打印头和半导体晶圆
技术领域
本发明涉及热喷墨打印头。具体地，本发明涉及用于形成热喷墨打印头的方法，其中预制包括集成电路和用于形成热致动器元件的部分的半导体晶圆，随后在预制的半导体晶圆上形成(即，集成)热致动器元件。本发明还涉及在形成热喷墨打印头的方法中所使用的半导体晶圆。
背景技术
热喷墨打印头可被示意性地描述为包括电连接至流体热致动器的逻辑电路和电源电路这两者的电子电路。流体热致动器可以形成为微机电系统(MEMS)或者是MEMS的一部分，并且针对金属层和介电层这两者可能需要使用通常在标准集成电路中不采用的特殊材料。
然而，可能需要大量投资来建立能够执行高集成度打印头致动器所用的完整制造工艺的硅制造厂(foundry)。然而，在例如工业印刷那样的涉及小量生产的情况下，高水平投资可能使制造商不依赖于实现高性能水平所需的最先进半导体技术，这导致维持陈旧或过时的技术。
图1示出热喷墨打印头的顶视图。如图1所示，热喷墨打印头包括衬底1，在该衬底1的表面上，多个加热器2被布置成一个或多个列3，从而形成芯片。通常，这些列放置于在芯片的内部部分中制成的穿通槽4附近，以允许墨再填充。
图2示出制造有热敏打印头以便随后被切割成单个芯片的硅晶圆的顶视图。
目前，如图2所示的热敏打印头是使用半导体技术在诸如硅晶圆等的专门设计的晶圆5中制造的，随后切割成单个芯片，其中该半导体技术包括例如薄膜沉积、光刻、湿法和干法蚀刻技术、离子注入、以及氧化等。
加热器2可以由与合适的导电迹线接触的电阻膜制成；在芯片的周边区域中，可以存在通常使用TAB(带式自动接合)工艺接合至柔性印刷电路的一组接触焊盘6。
参考图3，柔性电路7可以附接至打印头盒体8，并且可以包括接触焊盘9以与打印机交换电信号。随着加热器的数量的增加，电子布局的复杂性也增加。因而，在衬底1的有源部10中可以存在例如用于寻址电阻器的MOS晶体管11的阵列、逻辑电路12、可编程存储器13和其它器件。
如图4和图5所示，在示意性表示为区域14的预先沉积和图案化有电阻膜、导电膜和介电膜的堆叠的芯片表面上，可以实现微流体回路。结果，墨可以通过合适的通道15在所沉积的微流体回路中流动并到达喷出腔16，喷出腔16的壁可以被加热电阻器2，例如加热电阻器2可以在喷出腔的底板上。可以在可被称为阻挡层的合适的聚合物层17中将微流体回路形成为图案。可以在阻挡层上方组装喷嘴板18，该喷嘴板18可以容纳与下方的加热电阻器对齐的多个喷嘴19，其中可以从这些喷嘴19喷出墨滴20。事实上，短电流脉冲可以使电阻器2加热，而这进而可以使在电阻器2正上方的薄层墨蒸发并形成蒸气泡21。蒸发层中的压力可能突然增加，这使得上覆液体的一部分从喷嘴喷出。墨滴可以向着介质行进，从而在介质的表面上产生墨点。之后，可以使新墨回到腔中，以替换所喷出的墨滴，直到例如达到稳定状态为止。
为了优化从例如由电流脉冲通过焦耳效应加热的电阻器2向墨的能量传递，可能需要使电阻器与衬底热绝缘，使得优选向着上覆墨发生热流，而上覆墨可以通过薄的介电膜与电阻层分离，以避免漏电。
由于衬底由具有明显导热性的硅制成，因此可能需要在衬底和电阻器之间插入具有足够厚度的隔离层。换句话说，电阻器可能必须沉积在生长或沉积于衬底上的合适的隔离层上。
例如通过高温工艺生产的热生长氧化硅和硼磷硅玻璃(BPSG)在单独使用或者组合使用的情况下都可以是适合于电阻器的热隔绝的材料。
由于这些材料的生长或者沉积和/或退火的温度可能高于打印头中的加热器操作温度，因此这些材料在器件的正常操作期间将保持稳定。
在工作期间经历快速且大的温度变化的电阻膜可以具有稳定的性质和良好的耐热机械应力性。通常，加热器的电阻值例如可以是几十欧姆。例如，通常可以采用电阻为约30欧姆的方形加热器(也可以使用不同的形状和不同的电阻值)，同时通过横向导电金属带(即，U字形电阻器)连接的两个纵向电阻条带将利用相同覆盖区产生约四倍高的电阻(例如，约120欧姆)。
电阻器的广泛且持久的选择可以是由钽和铝制成的复合膜：约900埃的膜厚度可以提供每平方为30欧姆的薄层电阻，即，用这样的膜制成的方形电阻器的电阻为30欧姆。
在电阻器上方的提供对墨的电绝缘的介电层可以足够薄以允许强热流通过，但也可以耐受工作期间所经历的热机械应力和由于气泡坍塌引起的冲击。通常，单独的或与碳化硅组合的氮化硅膜可用于此目的。然而，通常薄的介电层可能不够强，并且可以在介电材料上方沉积由例如钽的折射金属制成的附加保护膜(也称为空化层)。
为了寻址并驱动多个加热器，在现有技术中已知有一些技术。如果喷嘴的数量低、最多几十个，则各电阻器可以通过电轨直接连接至各个接触焊盘，而电流的返回可以共通地由一个或几个接地焊盘收集。
随着喷嘴的数量的增加，由于对电阻器进行寻址所需的大量接触焊盘，因而可能难以实现直接的单独驱动。实际上，焊盘可以沿着芯片的外边界分布，并且焊盘的数量可能不会无任何限制地增多。
更实际的解决方案是采用寻址矩阵，其中该寻址矩阵使得能够使用减少数量的接触焊盘来驱动大量电阻器。寻址矩阵优选可以利用多个金属氧化物半导体(MOS)晶体管实现，其中各MOS晶体管可以与所确定的电阻器电连通。通过对晶体管矩阵的电极的合适方式的连接，可以按需激活各个加热器，从而使得从打印头喷出墨滴。
优选可以使用在半导体技术中采用的标准工艺(例如，光刻技术、硅氧化、膜沉积、干法和湿法化学蚀刻)在硅衬底中制造晶体管矩阵，并且本领域技术人员公知的其它技术也可应用于制造该器件。
此外，可以在硅衬底上实现逻辑电路，这增加了器件的复杂性和性能。此外，逻辑电路优选可以通过如寻址矩阵的MOS晶体管实现。然而，驱动MOS元件的特性通常不同于逻辑MOS元件的特性。驱动MOS元件可能能够在电流脉冲期间维持高功率峰值，而逻辑MOS元件可能无需承受高功率，但这些逻辑MOS元件可能能够在不同状态之间快速切换，以按高速率进行操作。
尽管可以仅采用n型MOS(NMOS)晶体管，但逻辑电路优选可以使用互补MOS(CMOS)技术实现，例如可以在同一衬底中实现互补的n沟道MOS晶体管和p沟道MOS晶体管，从而特别是在可能期望高集成度水平时，提供功率消耗低且换向速率快的逻辑门。
高集成度水平的条件可能需要高分辨率的光刻，以产生亚微米范围内的门长度(这可以是电路特征的最小尺寸，也被称为技术节点)。高集成度器件的复杂性通常可能涉及多个金属化层面或层以及介电层和平面化层。
在图6中，示出经典的NMOS打印头的截面图。可以对硅衬底1的表面进行热氧化以生长场氧化层22(FOX)。场氧化层22用于使相邻器件绝缘并且作为加热器下方的热隔离层的一部分。
可以留下场氧化层中的开口以用于有源区域的衬底掺杂。可以在无场氧化层区域中生长薄栅氧化层23，并且可以将多晶硅栅24放置在MOS沟道区域中的栅氧化层上。可以在衬底中进行合适的n+扩散25，从而提供MOS晶体管的源极区域或漏极区域。可选地，可以进行p+扩散26以实现衬底中的接地触点(未示出)。
随后，可以用硼磷硅玻璃(BPSG)膜27覆盖整个表面，其中该BPSG膜27可以形成加热器下方的热隔离层的第二部分并且可以针对上覆的铝金属轨提供电绝缘。BPSG膜27也可以提供表面的部分平坦化和平滑化。可以在BPSG膜中打开触点，其中金属轨可以与源扩散或漏扩散或者多晶硅电接触。
金属轨可以用双层实现。首先，可以在BPSG膜27上并且在扩散接触区域30中沉积Ta-Al的薄膜28；Ta-Al膜可以确保与掺杂硅区域的良好界面，从而防止将会引起电气问题的铝对衬底的掺入。
由于Ta-Al膜(例如，Ta、TaAl或TaAl+Al)的固有电阻率和减小的厚度(例如，约900埃)，可以采用Ta-Al膜作为打印头的加热器所用的电阻膜。因此，Ta-Al层可以具有电阻膜和阻挡层的双重功能，从而避免在Al金属和掺杂硅之间需要另外的层。金属轨的第二层可以由铝制成，其可以包含少量的铜、硅或它们的组合。可以在具有更高厚度的Ta-Al膜的正上方沉积铝膜29。
在存在这两个膜的情况下，铝的电导率可以占主导，从而实现对于电流的传导(即，低电阻)路径。在加热器2的区域中，铝层可被去除并且唯一的Ta-Al层可以保留，从而为电流提供电阻路径，这引起液滴喷出所需的加热。
铝层可以被合适的介电膜31覆盖。该膜例如可以包括两个层：氮化硅层，其可以确保良好的电绝缘性；以及耐磨损且耐化学剂的碳化硅层。这些材料由于它们在高温下的高稳定性因而可能适合于用在热喷墨打印头中。另一方面，这些材料在下层的表面形貌急剧改变(例如穿过金属化层)的情况下，提供差的阶梯覆盖。
可以在介电膜31上方的加热器区域中沉积附加的钽层32，以保护膜免受由于例如气泡塌陷引起的机械冲击。这还可以提供与实现了流体回路的上覆阻挡层的良好粘附，从而防止在两个材料之间的界面处发生墨渗透。
此外，钽层表现为对于改善用作通用电源和接地总线所用的第二金属层的最终Au层33的粘附也是有效的。在这种情况下，可以对双层Ta+Au进行沉积以及图案化。第一层可以提供与底层电介质31的良好粘附并且在接触区域34中与铝进行适当接触，而第二层可以确保承载来自多个加热器的高电流所需的良好导电性。
所述的NMOS打印头的结构由于需要少量掩模的非常简单的NMOS工艺因而可以符合成本效益，从而使得能够将具有不同用途的许多层(热障氧化物、金属、电介质)用在MOS以及打印头的MEMS部分中。
在图7中示出标准的现有CMOS集成电路的截面图。由于CMOS器件可以包括互补的p沟道MOS晶体管和n沟道MOS晶体管，因此可以在衬底中注入至少一个掺杂阱。例如，可以在将形成p沟道MOS晶体管的区域中注入n阱35。
如前面所述，场氧化层22(FOX)和薄栅氧化层23可以在衬底1上生长，并且可以在MOS沟道区域中的栅氧化层上方沉积多晶硅栅24。可以在衬底中执行合适的n+扩散25，而可以在先前注入的n阱35中执行p+扩散26，以便分别实现n沟道MOS晶体管(NMOS)和p沟道MOS晶体管(PMOS)。可以进行p和n这两者的许多其它扩散(如p阱、p或n沟道阻断、p或n LDD、阈值电压调整等)，以优化器件性能或者获得特定特性。
可以沉积介电和平坦化层36(也称为层间介电(ILD)层)，以将多晶硅与第一金属化层37(也称为M1)分离。ILD层36可以是如PSG或BPSG的掺杂硅玻璃层。在沉积M1之前，可以在ILD 36层中形成开口，以允许MOS晶体管的源扩散和漏扩散与M1层37之间的接触。可以沉积另一介电层40(也称为金属间介电(IMD1)层)，以将M1与上覆的第二金属化层38(也称为M2)分离。
IMD1层通常可以是多层膜，其包括旋涂玻璃(SOG)或者适合于平面化M1的表面形态的其它层。在沉积M2之前，可以在IMD1层40中形成开口，在该开口中必须实现M1和M2之间的接触。可以沉积另外的介电层41(也称为金属间介电层(IMD2))，以将M2与上部的第三金属化层39(M3)分离。此外，IMD2可以是适合于平面化M2形态的多层膜。
在沉积M3之前，可以在IMD2层41中形成开口，在该开口中必须实现M2和M3之间的触点。最后，可以沉积第一钝化层42(PAS1)和第二钝化层43(PAS2)，以保护整个电路免受如机械划痕、污染物、湿气的外部因子的影响。通常，第一钝化层可以是氧化硅并且第二钝化层可以是氮化硅。有时，使用仅一个钝化层。
CMOS器件可以表现为集成电路。可以普遍采用多个(三个以上)金属层，并且可能需要许多插入的介电层来使不同层面的金属轨绝缘。主要是在必须获得高分辨率的电路特征的情况下，在工艺的所有阶段中可能都需要表面的良好平面性，以正确地执行不同层的沉积和蚀刻以及在膜图案化中涉及的光刻操作。
因此，所有的介电层都可以提供阶梯覆盖，以便使由于膜图案而引起的表面形态平滑。在图7所示的CMOS电路中，沉积到场氧化层22上的层间介电膜36可以类似于图6中的BPSG层27，并且可以仅使用BPSG来实现CMOS器件中的ILD。
如上所述，在沉积任何金属层之前，可以在以高温执行的工艺中产生场氧化层和BPSG这两者。因此，这两者在器件以低于沉积或退火温度的温度下工作时也可以保持良好的稳定性。
金属间介电膜IMD1和IMD2可能必须在以低温进行的工艺中沉积，以防止对已存在的金属层造成任何损坏。金属间介电膜IMD1和IMD2可以提供阶梯覆盖，但在操作温度升高得超过沉积温度时无法保持热稳定。
尽管以上在图6中所述的在打印头装置中采用的介电膜31中的氮化硅和碳化硅的沉积温度适中，但即使在与打印头中的操作加热器温度一样高的温度下，它们也可以是稳定的。
然而，由于上面提到的差的阶梯覆盖，因此氮化硅和碳化硅不能用作CMOS器件中的IMD膜。
类似地，由于在打印头加热器的操作温度下的热稳定性差，因此CMOS器件中的提供优异的阶梯覆盖的标准IMD层可能不适合于打印头的MEMS部分。
标准打印头技术和CMOS技术之间的另一重要区别可能在于在各个应用中采用的金属膜的性质。在CMOS技术中通常不采用由钽和铝制成的复合电阻膜，而该复合电阻膜可能适合于提供引起液滴喷出所需的加热电流所用的电阻路径。
在标准CMOS工艺中可能不使用钽空化层，而该钽空化层是在打印头中为了保护加热器免受由气泡塌陷引起的机械冲击所需的，并且此外，该钽空化层可以改善与上覆膜的粘附。
最后，金由于其在硅中的大扩散性因而可能是使用CMOS工艺的任何制造或设施中的污染物。金可能表现为复合中心，并且可能影响载体寿命和器件性能。
总之，由于特殊材料和专用生产线的要求，不能简单地将CMOS工艺扩展到打印头的热致动器部分(也称为微机电系统(MEMS)部分)的制造。
发明内容
因此，需要提供一种用于形成热喷墨打印头的方法、热喷墨打印头和相关的半导体晶圆，其中可以从根据标准半导体技术预先实现了逻辑电路和电源电路(即，集成电路(IC)部分)的半制造或预制晶圆出发，在特定设施中实现打印头的热致动器部分(也称为流体热致动器或MEMS部分、例如微加热器)。
本发明的另一目的是提供一种可以容易且符合成本效益地利用其形成热喷墨打印头的半导体晶圆。
本发明的又一方面提供一种热喷墨打印头和用于形成该热喷墨打印头的方法，在所述方法中符合成本效益地生成例如用于工业应用的数量相对较少的热喷墨打印头。
上述目的和问题通过独立权利要求的主题来解决。在从属权利要求中限定了进一步的优先实施例。
根据本发明的一个方面，提供一种用于形成热喷墨打印头的方法，所述方法至少包括以下步骤：提供半导体晶圆，所述半导体晶圆包括集成电子电路和用于形成热致动器元件的部分，即必须形成热致动器元件的部分，也被称为加热器部分，所述集成电子电路至少包括：形成在衬底上方的热隔绝层；以及形成在所述热隔绝层上方的第一金属层，其中，所述第一金属层延伸到所述加热器部分中；以及将用于形成热致动器元件的加热器部分蚀刻到所述第一金属层，使得所述第一金属层用作蚀刻停止层。
根据本发明的另一方面，提供一种热喷墨打印头，其包括集成电子电路和用于形成热致动器元件的部分，所述热喷墨打印头根据本发明的方法中的任一方法形成。
根据本发明的另一方面，提供一种半导体晶圆，包括集成电子电路和用于形成热致动器元件的部分，所述集成电子电路至少包括：形成在衬底上方的热隔绝层；以及形成在所述热隔绝层上方的第一金属层，所述第一金属层是在所述集成电子电路中使用的金属层其中之一，其中，所述第一金属层延伸到所述加热器部分中，使得所述第一金属层在形成所述热致动器元件时能够用作蚀刻停止层。
附图说明
现在将参考附图来说明为了更好地理解本发明构思所呈现的且不应被视为限制本发明的本发明的实施例。
图1示出热喷墨打印头的顶视图；
图2示出其中制造了热打印头以随后被切割成单个芯片的硅晶圆的顶视图；
图3示出附接有柔性电路且包括接触焊盘的打印头盒体的侧视图；
图4示出流体回路和加热器元件的详细图；
图5示出打印头热致动器元件的截面图；
图6示出NMOS打印头的截面图；
图7示出标准CMOS电路的截面图；
图8示出根据本发明的一个实施例的、示出CMOS逻辑电路区域和MEMS区域之间的划分的示意芯片布局；
图9示出根据本发明的一个实施例的NMOS晶体管所驱动的加热器元件的示意电路；
图10示出根据本发明的一个实施例的CMOS电路和MEMS区域之间的边界区的顶视图；
图11示出根据本发明的一个实施例的CMOS结构的截面图；
图12示出根据本发明的一个实施例的蚀刻之后的CMOS电路和MEMS区域之间的边界区的顶视图；
图13示出根据本发明的一个实施例的蚀刻之后的CMOS电路和MEMS区域之间的边界区的截面图；
图14示出根据本发明的一个实施例的金属化蚀刻掩模的图案轮廓；
图15示出根据本发明的一个实施例的在去除了M1金属层之后的电路布局的顶视图；
图16示出根据本发明的一个实施例的在去除了M1金属层之后的电路布局的截面图；
图17示出热致动器元件和CMOS电路之间的集成的顶视图；
图18示出热致动器元件和CMOS金属化之间的接触区域的沿图17中的线A-A的截面图；
图19示出沿着热致动器元件和MOS漏极触点的沿图17中的线B-B的截面图；
图20示出在沉积氮化硅和碳化硅介电膜之后的沿图17中的线B-B的截面图；以及
图21示出在沉积最顶部的钛层和金层之后的沿图17中的线B-B的截面图。
具体实施方式
以下根据本发明的至少一个实施例来说明用以将根据标准CMOS技术所制造的集成电路(IC)集成在热喷墨打印头中的处理。
根据本发明的一个实施例，解决由于匹配两个制造技术而引起的问题，从而提供用以以低投资成本生产或形成高性能打印头的符合成本效益且高效的解决方案。
根据一个实施例，本发明使得能够在无需大量投资全定制工艺的情况下，获得设置有高性能电子电路的完整流体致动器，从而利用技术商品。
根据本发明的一个实施例，一种用于形成热喷墨打印头的方法可以至少包括以下步骤：提供半导体晶圆，所述半导体晶圆包括集成电子电路和用于形成热致动器元件的部分，所述集成电子电路至少包括：形成在衬底上方的热隔绝层；以及形成在所述热隔绝层上方的第一金属层，其中，所述第一金属层延伸到用于形成所述热致动器元件的部分(即加热器部分，还可被称为微机电系统(MEMS))中；以及将用于形成热致动器元件的部分蚀刻到所述第一金属层，使得所述第一金属层用作蚀刻停止层。
换句话说，根据本发明的用于形成热喷墨打印头的方法至少包括以下步骤：提供半导体晶圆，所述半导体晶圆包括集成电子电路和要形成热致动器元件的部分，即加热器部分，所述集成电子电路至少包括：形成在衬底上方的热隔绝层；以及形成在所述热隔绝层上方的第一金属层，其中，所述第一金属层延伸到所述加热器部分中；以及将用于形成热致动器元件的加热器部分蚀刻到所述第一金属层，使得所述第一金属层用作蚀刻停止层。
根据一个实施例，包括皆属于CMOS工艺的场氧化层(FOX)和层间电介质(ILD)(诸如掺杂有硼和/或磷的硅玻璃(BPSG或PSG)等)的层堆叠可以用在热致动器元件(也称为微机电系统(MEMS))结构中，其中场氧化层(FOX)和层间电介质(ILD)作为加热器下方的热隔绝层。同样在MEMS区域中，可以从CMOS制造厂得到被CMOS工艺中所使用的介电层覆盖的半制造层。
由于硅玻璃(BPSG或PSG)和金属间介电层(IMD)之间的蚀刻选择性可能非常差，因此在MEMS形成工艺期间可以使用来自CMOS电路的金属层的延伸作为在BPSG层上的蚀刻停止层。随后可以去除蚀刻停止层，从而使热隔绝层在厚度和均匀性方面都不受影响，这在从加热器向流体的热能传递方面可能是重要的。
无论如何都可以设置CMOS打印头的全定制工艺，但需要大量投资，这仅能仅通过高产量来调节。相反，用于工业应用的打印头的生产量通常可能难以证明这种投资的合理性。
如果追求打印头电气回路性能的改进，则根据本发明的实际解决方案可能依赖于在CMOS硅制造厂制成的逻辑电路部分与在第二制造厂中形成的MEMS部分的集成，这可以提供打印头中使用的特殊材料所涉及的工艺能力，但未必要求CMOS工艺中的高分辨率设备。
集成工艺(即在硅芯片或晶圆上的现有CMOS电路上构建MEMS)可以遵循CMOS结构和MEMS结构这两者的一些约束。CMOS约束可以是层材料和厚度：这两者都是制造厂工艺特定的，并且任何实质改变都可能改变器件参数和性能；可以仅允许对层厚度的小改变。
另一方面，简称为MEMS的MEMS结构可能需要CMOS结构中所不存在的特定层，CMOS器件的多晶硅和金属膜也不适合于热致动器元件中的应用。因此，除了接触加热器电路和蚀刻停止层所需的、如下所述地使用相同的导电层的恰好延伸超出MEMS区域边界的短轨以外，MEMS区域可以没有属于CMOS电路的任何导电层。
根据本发明的一个实施例，提供一种半导体晶圆，包括集成电子电路和用于形成热致动器元件的部分，所述集成电子电路至少包括：形成在衬底上方的热隔绝层；以及形成在所述热隔绝层上方的第一金属层，所述第一金属层是在所述集成电子电路中使用的金属层其中之一，其中，所述第一金属层延伸到用于形成热致动器元件的部分(即加热器部分)中，使得所述第一金属层在形成所述热致动器元件时能够用作蚀刻停止层。
图8例示示意性的芯片布局，其示出CMOS逻辑电路区域58和包围在边界轮廓48内的MEMS区域49之间的划分；MEMS区域可以包括加热器阵列2和供墨槽。注意，代替如图8所示的单个MEMS区域，打印头芯片可以包括多个分开的MEMS区域。
由于这两个部分可能必须在同一硅芯片或晶圆上实现，因此可能需要匹配基本层(硅衬底正上方的氧化硅)的厚度。打印头加热器下方的热障可以在高达700-800℃的温度下保持稳定。因此，仅热生长的氧化物或者如PSG或BPSG的回流硅玻璃或者这两个材料的组合可以适合于该功能。
这些种类的氧化物由于需要将会破坏金属层的完整性的高温，因此不能与已经实现的CMOS器件一起生长或沉积。根据本发明的一个实施例的解决方案可以包括使用来自CMOS工艺的BPSG/PSG和场氧化层的组合来实现在打印头的MEMS部分中的加热器下方的热障层。
电阻器下方的绝热障可以将热流主要导向墨，以提供向液体的有效能量传递。然而，可以优选对衬底进行适度散热，以控制和稳定整个系统温度。
根据本发明的一个实施例，热障厚度的合适值在0.6至2.0μm的范围内，优选在0.8至1.6μm的范围内，并且最优选在1.0至1.2μm的范围内。
因而，CMOS工艺的FOX和/或BPSG的总厚度可以符合该厚度值。由于这些层的厚度可能随着工艺和技术节点而改变，因此可能需要仔细选择这些元件以具有合适的热障厚度。
在图9中示出驱动打印头加热器的功率MOS的示意电路。根据发送至栅极45的信号的电压水平，功率MOS 44可以是n沟道或p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)并且可以用作电流开关。与加热器2相对应的电阻器R连接至MOS漏极端子46，而MOS源极端子47接地。加热器2的另一端子可以与电源轨电连通。
如果栅极信号处于低电压水平，则NMOS开关可以断开，即晶体管可以不导通并且没有电流可以流经加热器2。施加到栅极45的高电压水平可以使NMOS导通，并且由于电流流动而在电阻器中消散的热可以引起墨泡生长以及从打印头喷嘴进一步喷出液滴。
由于在CMOS制造厂中制成的晶体管的源极触点和漏极触点可以用第一金属化层37(M1)实现，因此第一金属化层37可能必须伸展使得其到达MEMS区域边界。这可以允许在MEMS制造厂工艺内使来自晶体管的M1传导轨随后与加热器电路电连通。
在图10中示出CMOS器件和MEMS电路之间的连接边界的一部分，其包括一对功率MOS晶体管50。MEMS制造厂的第一个操作可以是：打开MEMS窗口48，蚀刻MEMS区域49上方的IMD和钝化层直到BPSG表面为止，并且还使从放置在BPSG层上的M1金属化层37延长的短金属轨51的一端暴露，这可能是进一步使加热器的一个端子与MOS晶体管接触所必需的。在M1中制成的另一M1金属轨52可能必须在一端暴露以使加热器的另一端子接触电源总线。电源总线可以在M2层38中实现，并且可以在金属间电介质IMD1中实现合适的通孔53，以提供与底层的M1轨52的接触。
在CMOS工艺期间的平面性要求以及在两个制造厂之间传递硅芯片或晶圆期间对器件的必要保护可能需要保留金属间电介质以及所有的顶部钝化层。因此，在MEMS制造厂处接收到半成品或预制器件以完成打印头制造工艺时，MEMS区域也可能被这些层覆盖。
根据本发明的一个实施例，在第一金属层上方形成的层的堆叠可以具有小于3.5μm的厚度，并且优选具有在2至3μm之间的厚度。
MEMS区域可以位于比相邻CMOS器件区域的顶部低得多的层面上，所述相邻CMOS器件区域包括所有的金属化层和介电层。因此，在两个区之间的过渡中出现明显的阶梯。由于用于沉积MEMS电路的金属层的PVD工艺具有阶梯遮蔽效应，因此MEMS电路的金属层与CMOS器件的M1金属化层的连接可以与阶梯壁远离几微米。
根据本发明的一个实施例，在全部的用于形成热致动器元件的部分(即加热器部分)上形成第一金属层。
根据本发明的一个实施例，该方法还可以包括以下步骤：在用于形成热致动器元件的部分(即加热器部分)中部分地去除第一金属层。这也可被称为蚀刻停止层去除工艺步骤。
根据本发明的一个实施例，该方法还可以包括以下步骤：在用于形成热致动器元件的部分(即加热器部分)上形成介电层；以及集成电子电路至少覆盖用于形成热致动器元件的部分(即加热器部分)中的金属轨层和电阻层。
根据本发明的一个实施例，该方法还可以包括以下步骤：在第一区域中的介电层上形成空化层。这也可被称为电阻器打开工艺步骤。
此外，侧壁附近的刻印(lithography)可能需要满足进一步的约束。根据目前工艺水平，倾斜的侧壁可以帮助MEMS电路的刻印，并且可以实现以调制抗蚀剂厚度从而进行锥形蚀刻，只要阶梯高度不会过大即可。当前情形阻止了两个技术之间的直接集成，因为上述标准CMOS器件可能具有太多的层而不能产生可接受的阶梯高度。
为了克服该问题，根据本发明的一个方面，可以引入用以尽可能多地降低阶梯高度的工艺流程，从而无论如何都保持在标准工艺的极限内。因此，可以去除最顶部的金属层M3。如以下将示出，在MEMS工艺阶段期间，M3层随后可以通过充分的金属化而被替代。
相反，可能需要M2金属化层以完成逻辑电路中的互连，并且可以保留M2金属化层。逻辑互连图案有可能需要高分辨率工艺，并且可能无法在MEMS制造厂中毫无问题地执行。
根据本发明的一个实施例，热致动器元件和集成电子电路可以形成热喷墨打印头的一部分。
根据本发明的另一实施例，热致动器元件是流体热致动器。
此外，如果由CMOS制造厂提供的半成品(即预制)打印头芯片设置有第二金属化层面M2，则无论如何都可以在MEMS工艺发生之前针对逻辑电路对其进行全面测试。该解决方案可以在器件的CMOS部分和MEMS部分之间建立净边界，并且可以帮助对可能的故障源的定位。相反，通过CMOS制造厂实现仅M1层的替代解决方案将提供甚至更低的阶梯高度，但该替代解决方案在功能故障的情况下会使回溯困难。因此，优选包含M1和M2两者的解决方案。
IMD2层可以留在M2上方，以确保表面的绝缘性和平面化以供进一步的工艺用，但其厚度可以尽可能地减小。另外，M2下方的IMD1介电层在厚度上可以减小到能够保证足够的绝缘性和平坦化的水平。
为了进一步降低阶梯高度，在满足技术约束的情况下，可以进行金属层厚度的适度减小。最后，可以去除两个钝化层其中之一，并且可以将剩余的钝化层的厚度减小到能够确保对器件的充分保护的最小值。
在图11中示出根据本发明的该定制或简化的CMOS结构的截面。作为单个钝化层57，氮化硅层由于其可以提供良好的电绝缘性和防潮性因而可以是优选的。
根据本发明的一个实施例，包括空化层和金属轨层的堆叠的厚度可以比集成电子电路的第一金属层薄。
总之，本发明的上述实施例可以产生简化的CMOS结构，该CMOS结构仅具有两个金属层M1和M2、两个薄的金属间介电层和单个薄的钝化层，其中所有提到的层的厚度已减小到与标准工艺限制和器件完整性兼容的最小值。该解决方案允许获得适合于锥形蚀刻工艺的适度阶梯高度，该阶梯高度优选低于3.5μm，并且更优选在2至3μm之间，以便从MEMS区域去除任何附加层，从而如打印头规格所要求的、仅留下由BPSG制成的热隔绝层和具有预定厚度的场氧化层。
根据本发明的另一实施例，可以提供IMD层以及钝化层与BPSG之间的明显的蚀刻选择性。由于IMD层的不均匀性和蚀刻工艺的不均匀性，BPSG可能必须经历过度蚀刻以确对保热不稳定的IMD层的完全去除。因此，不能如具有稳定和正确的加热器性能所需要地控制热障厚度的准确度。这可能会限制CMOS电路与MEMS部分的集成。
如图12所示，本发明的一个实施例可以包括第一CMOS金属化层M1的超出逻辑电路的正常边界的延伸部54以及如以上针对图10所述的延长轨51和52，以便覆盖MEMS区域中的几乎所有的BPSG表面。M1层延伸部由于其对IMD层和钝化层的蚀刻工艺的高抵抗性因而可以充当真正的蚀刻停止层，从而维持BPSG膜厚度不受影响，而在利用边界轮廓48标记的MEMS窗口49的内部部分可以完全去除ILD层和钝化层。
图13示出在MEMS窗口打开(即，在对由轮廓48界定的区域49中的钝化层和两个IMD层进行蚀刻)之后的结构的相应截面。
CMOS器件层的金属层可能不足以用在MEMS电路中以实现供加热器电流的流动用的传导轨和电阻轨。因此，除了轨51和52的端部处的接触区域以外，可能必须随后去除M1的延伸层，从而留下MEMS窗口48内的表面中的无金属层的其余部分并随后准备好沉积并图案化合适的MEMS膜。如图14所示，可以根据合适的图案轮廓55来执行M1延伸部54的去除，以维持MEMS区域边界处的M1伸展，使得可以实现与M1伸展的接触。
在通过合适的蚀刻工艺去除M1延伸部54之后，在图15中示出最终得到的布局并且在图16示出相应截面图。除了具有端子接触区域56的轨51和52以外，MEMS区域49可以没有来自CMOS器件的任何金属层。MEMS区域49可以具有BPSG膜作为最顶层，其中BPSG膜的厚度可以不受后续蚀刻工艺的影响，从而为加热器提供稳定且受控的热隔绝层。在剩余的M1突出51和52的最末端处，在区域56中，如以下所示，可能必须实现与MEMS电路的接触。
如图17所示，根据上述工艺，可以获得MEMS区域中的MEMS电路，其中Ta-Al电阻复合层28和铝层29被沉积并图案化。如上所述，铝层29可以含有小百分比的Cu或Si或这两者。铝层29可以在接触区域56中与CMOS器件M1的突出重叠。在该图中，所示的电路布局示出两个不同的加热器，这些加热器可以在一侧连接至它们各自的功率MOS并且在另一侧连接至公共电源总线。然而，其它合适的布局结构也是可以的。
根据本发明的另一实施例，为了确保CMOS和MEMS金属化之间的正确接触区域、从而防止由于MEMS电路的对准准确度差而导致的可能问题，如图18所示，MEMS轨可以比相应的M1轨宽。
图18的截面图是沿着图17的顶视图中的A-A线所截取的，并且示出在对电阻性Ta-Al层28和导电性Al层29这两者进行图案化之后的MEMS边界区中的膜堆叠。硅衬底1可以被FOX层22和BPSG层27覆盖。这两个层可以形成热隔绝层，在该热隔绝层上制造加热器。
在MEMS边界区域处，第一CMOS金属层37可以被MEMS金属化层覆盖并接触，该MEMS金属化层包括Ta-Al层28和铝层29两者。MEMS金属化图案可被制造成比CMOS轨M1宽，并且CMOS轨M1最终可以被MEMS金属化包裹。
然而，在本发明的另一实施例中，可以包括Ta-Al层28和铝层29这两者的MEMS金属化层可被制造成比第一CMOS金属层37窄。
在图19中示出正交截面图。该图是沿着图17的顶视图中的正交B-B线所截取的。示出加热器结构、CMOS区域和MEMS区域之间的阶梯、以及M1与MOS漏极扩散的接触。
如以上针对图9所述，电源总线可以在M2层38中实现，并且合适的通孔53可以在金属间电介质IMD1中实现，以提供与底层的M1轨52的接触。然而，M2可能无法沿着通向周边接触焊盘的路径承载打印头所需的高电流水平。另一方面，在NMOS打印头中，最顶部的金属化层可以包括可用于电源轨和接地轨的双层Ta+Au，因为该双层可以承载高电流水平。
根据本发明的又一实施例，可以使用作为需要低电阻路径的电源轨和接地轨所用的最顶层的双Ta+Au膜。如以上针对图6所述，MEMS区域49中的加热器可能需要被绝缘和保护膜的堆叠所覆盖。包括第一氮化硅层和第二碳化硅层的介电膜31沉积在加热器金属化层上方。
如图20所示，介电膜31的沉积也可以延伸在CMOS器件区域58中，从而为上覆的最顶部Ta+Au金属化层提供改进的介电绝缘。形成CMOS单个钝化层57的氮化硅可以与介电膜31中的氮化硅层具有良好的兼容性，从而允许在两个层之间的界面处的良好粘附。此外，碳化硅可以增强整个芯片表面的鲁棒性。
如图21所示，可以通过包括IDM2、钝化层、氮化硅和碳化硅的整个介电堆叠蚀刻出合适的通孔，以实现属于CMOS电路的最顶部Ta+Au金属化层和底层的M2金属层之间的接触59。
沉积并图案化在整个介电膜堆叠上的该最终金属化可以包括第一Ta层32，其可以用作MEMS区域49中的加热器上的空化层和CMOS区域58中的缓冲粘附增强层两者，其中最顶层金属化层可以由与底层的Ta膜良好粘附的第二Au层33完成。
根据本发明的另一实施例，在发生最顶部金属沉积之前，可以去除所提到的膜中的一些膜以实现更薄的介电堆叠。最后，双Ta+Au膜可以在CMOS器件区域的顶部提供合适的导电轨，从而完全足以承载在打印头的电源和总线轨中流动的高电流。
所述的工艺允许生产打印头硅芯片，从而将由第一硅制造厂制造的CMOS标准半成品器件与在第二硅制造厂中生产的MEMS致动器集成。该集成允许获得符合成本效益的打印头装置，其中确保了CMOS电路紧接在接收到半成品装置之后的完全可测试性。
根据本发明的另一实施例，提供一种热喷墨打印头，其是根据本发明的一个实施例的方法形成的，其中该热喷墨打印头包括集成电子电路和用于形成热致动器元件的部分。
根据本发明的一个实施例，可以将在外部制造厂中生产的高分辨率CMOS电路与采用特殊材料的流体MEMS致动器集成。所选择的CMOS工艺可以使得能够在不需要高功率水平的情况下广泛地测试CMOS逻辑器件，同时确保CMOS区域和MEMS区域之间的过渡边界中的适度阶梯高度，这可以有助于执行打印头制造中所涉及的光刻工艺。
根据本发明的另一实施例，可以通过第一CMOS金属层在整个MEMS区域中的适当扩展、以及由在MEMS制造厂中沉积并图案化的最顶部金属化层提供的电源轨和接地轨这两者中的高电流水平所用的传导轨，来确保加热器下方的热隔绝层的受控厚度。
本发明提供在不涉及技术设备方面的大量投资的情况下生产的高性能且符合成本效益的装置。
尽管这里已经说明了详细的实施例，但这些仅用于提供对由独立权利要求限定的本发明的更好理解，并且不应被视为限制本发明。
特别地，以上对本发明的说明指示要使用的具体材料；然而，除非另外指出，否则这些仅应被视为具体示例，并且在由权利要求书限定的本发明的范围内可以用其它合适材料替换。
附图标记说明
1 衬底
2 加热器
3 加热器阵列
4 穿通槽
5 晶圆
6 接触焊盘
7 柔性电路
8 盒体
9 接触焊盘
10 有源部
11 功率晶体管
12 逻辑电路
13 可编程存储器
14 打印头膜结构
15 供墨通道
16 喷出腔
17 阻挡层
18 喷嘴板
19 喷嘴
20 墨滴
21 墨蒸气泡
22 热生长场氧化层(FOX)
23 栅氧化层
24 多晶硅栅
25 n+掺杂区
26 p+掺杂区
27 硼磷硅玻璃(BPSG)
28 Ta-Al电阻层
29 铝金属轨
30 触点
31 介电层
32 钽空化层
33 Au传导层
34 触点
35 n阱
36 层间电介质(ILD)
37 第一金属化层面(M1)
38 第二金属化层面(M2)
39 第三金属化层面(M3)
40 第一金属间介电层(IMD1)
41 第二金属间介电层(IMD2)
42 第一顶部钝化层(PAS1)
43 第二顶部钝化层(PAS2)
44 功率NMOS晶体管
45 NMOS栅极端子
46 NMOS漏极端子
47 NMOS源极端子
48 MEMS窗口轮廓
49 MEMS区域
50 功率MOS晶体管
51 延长的MOS漏极金属化层
52 延长的Vcc金属化
53 通孔
54 第一CMOS金属化层面M1的延伸
55 蚀刻掩模轮廓
56 接触区域
57 钝化层
58 CMOS电路区域
59 触点

Claims (12)

1.一种用于形成热喷墨打印头的方法，所述方法至少包括以下步骤：
提供半导体晶圆，所述半导体晶圆包括集成电子电路和用于形成热致动器元件的部分，所述集成电子电路至少包括：
形成在衬底上方的热隔绝层；以及
形成在所述热隔绝层上方的第一金属层，
其中，所述第一金属层延伸到所述用于形成热致动器元件的部分中；以及
将所述用于形成热致动器元件的部分蚀刻到所述第一金属层，使得所述第一金属层用作蚀刻停止层。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：部分地去除在所述用于形成热致动器元件的部分中的所述第一金属层。
3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括以下步骤：至少部分地在所述用于形成热致动器元件的部分中的所述热隔绝层上方并且至少部分地在所述第一金属层上方形成电阻层，并至少部分地在所述电阻层上方形成金属轨层，并且使用刻印和蚀刻技术去除第一区域中的所述金属轨层。
4.根据权利要求1、2和3中任一项所述的方法，还包括以下步骤：在所述用于形成热致动器元件的部分上方形成介电层，并且所述集成电子电路至少覆盖所述用于形成热致动器元件的部分中的所述金属轨层和所述电阻层。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，还包括以下步骤：在所述第一区域中的所述介电层上方形成空化层。
6.一种热喷墨打印头，其包括集成电子电路和用于形成热致动器元件的部分，所述热喷墨打印头是根据权利要求1至5中任一项所述的方法形成的。
7.一种半导体晶圆，包括集成电子电路和用于形成热致动器元件的部分，
所述集成电子电路至少包括：
形成在衬底上方的热隔绝层；以及
形成在所述热隔绝层上方的第一金属层，所述第一金属层是在所述集成电子电路中使用的金属层其中之一，
其中，所述第一金属层延伸到所述用于形成热致动器元件的部分中，使得所述第一金属层在形成所述热致动器元件时能够用作蚀刻停止层。
8.根据权利要求7所述的半导体晶圆，其中，所述热隔绝层的厚度为0.6至2.0μm，优选为0.8至1.6μm，并且最优选为1.0至1.2μm。
9.根据权利要求7或8所述的半导体晶圆，其中，形成在所述第一金属层上方的层的堆叠具有小于3.5μm的厚度，并且优选具有在2至3μm之间的厚度。
10.根据权利要求7、8和9中任一项所述的半导体晶圆，其中，在全部的所述用于形成热致动器元件的部分上形成所述第一金属层。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的半导体晶圆，其中，所述热致动器元件和所述集成电子电路形成热喷墨打印头的一部分。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的半导体晶圆，其中，所述热致动器元件是流体热致动器。
CN201680090270.3A 2016-10-19 2016-10-19 用于形成热喷墨打印头的方法、热喷墨打印头和半导体晶圆 Active CN109843594B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2016/075108 WO2018072822A1 (en) 2016-10-19 2016-10-19 Method for forming thermal inkjet printhead, thermal inkjet printhead, and semiconductor wafer

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109843594A true CN109843594A (zh) 2019-06-04
CN109843594B CN109843594B (zh) 2021-04-27

Family

ID=57153481

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201680090270.3A Active CN109843594B (zh) 2016-10-19 2016-10-19 用于形成热喷墨打印头的方法、热喷墨打印头和半导体晶圆

Country Status (9)

Country Link
US (1) US11225080B2 (zh)
EP (1) EP3529081B1 (zh)
JP (1) JP6878743B2 (zh)
KR (1) KR102659138B1 (zh)
CN (1) CN109843594B (zh)
CA (1) CA3034571C (zh)
RU (1) RU2714619C1 (zh)
TW (1) TWI729228B (zh)
WO (1) WO2018072822A1 (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114434970A (zh) * 2020-11-03 2022-05-06 研能科技股份有限公司 晶圆结构
CN114434968A (zh) * 2020-11-03 2022-05-06 研能科技股份有限公司 晶圆结构
CN114684777A (zh) * 2020-12-30 2022-07-01 上海新微技术研发中心有限公司 Mems热泡打印头加热结构的制作方法

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI678289B (zh) * 2018-12-07 2019-12-01 謙華科技股份有限公司 熱印頭之製造方法
JP7317521B2 (ja) * 2019-02-28 2023-07-31 キヤノン株式会社 ウルトラファインバブル生成装置およびウルトラファインバブル生成方法
TWI719864B (zh) * 2020-03-20 2021-02-21 研能科技股份有限公司 狹長型噴墨頭晶片
TWI768529B (zh) * 2020-11-03 2022-06-21 研能科技股份有限公司 晶圓結構
TWI784341B (zh) 2020-11-03 2022-11-21 研能科技股份有限公司 晶圓結構
TWI760912B (zh) * 2020-11-03 2022-04-11 研能科技股份有限公司 晶圓結構
TWI790504B (zh) * 2020-11-24 2023-01-21 研能科技股份有限公司 晶圓結構
US11746005B2 (en) 2021-03-04 2023-09-05 Funai Electric Co. Ltd Deep reactive ion etching process for fluid ejection heads
JPWO2022190367A1 (zh) * 2021-03-12 2022-09-15

Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4719477A (en) * 1986-01-17 1988-01-12 Hewlett-Packard Company Integrated thermal ink jet printhead and method of manufacture
US5844586A (en) * 1996-04-08 1998-12-01 Standard Microsystems Corporation Process for making ink jet heater chips
CN1403280A (zh) * 2001-08-29 2003-03-19 国际联合科技股份有限公司 用于墨水匣的喷墨打印头的芯片及其制造方法
CN1421316A (zh) * 2001-11-22 2003-06-04 财团法人工业技术研究院 喷墨打印头晶片的驱动晶体管结构及其制造方法
CN1444523A (zh) * 2000-07-24 2003-09-24 惠普公司 具有与晶体管作用区重叠的接地母线的喷墨打印头
JP2004243542A (ja) * 2003-02-10 2004-09-02 Sony Corp 液体吐出装置及びその製造方法
US20050162474A1 (en) * 2004-01-28 2005-07-28 Eun-Bong Han Head chip for inkjet printers and method thereof
US20050168534A1 (en) * 2004-01-29 2005-08-04 Samsung Electronics Co., Ltd. Inkjet printhead and method of manufacturing the same
CN1669797A (zh) * 2004-03-17 2005-09-21 明基电通股份有限公司 具有驱动加热器组的电路的流体喷射头
CN101031426A (zh) * 2004-09-28 2007-09-05 惠普开发有限公司 集成电路和制造方法
CN101287605A (zh) * 2005-10-10 2008-10-15 西尔弗布鲁克研究有限公司 用于喷墨打印头的低损耗电极连接
CN101960565A (zh) * 2008-02-28 2011-01-26 惠普开发有限公司 半导体基板接触通孔
US20140118441A1 (en) * 2009-06-29 2014-05-01 Videojet Technologies Inc. Thermal inkjet print head with solvent resistance
CN105667087A (zh) * 2014-12-05 2016-06-15 施乐公司 用于静电打印头的膜片的晶片级制造和粘结

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5045870A (en) 1990-04-02 1991-09-03 International Business Machines Corporation Thermal ink drop on demand devices on a single chip with vertical integration of driver device
JPH07314684A (ja) 1994-05-26 1995-12-05 Canon Inc 記録ヘッド用基体及びその製造方法
JP6335436B2 (ja) 2013-04-26 2018-05-30 キヤノン株式会社 液体吐出ヘッドの製造方法
CN105705337B (zh) 2013-10-31 2017-11-17 惠普发展公司，有限责任合伙企业 具有形成于其上的存储器的打印头

Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4719477A (en) * 1986-01-17 1988-01-12 Hewlett-Packard Company Integrated thermal ink jet printhead and method of manufacture
US5844586A (en) * 1996-04-08 1998-12-01 Standard Microsystems Corporation Process for making ink jet heater chips
CN1444523A (zh) * 2000-07-24 2003-09-24 惠普公司 具有与晶体管作用区重叠的接地母线的喷墨打印头
CN1403280A (zh) * 2001-08-29 2003-03-19 国际联合科技股份有限公司 用于墨水匣的喷墨打印头的芯片及其制造方法
CN1421316A (zh) * 2001-11-22 2003-06-04 财团法人工业技术研究院 喷墨打印头晶片的驱动晶体管结构及其制造方法
JP2004243542A (ja) * 2003-02-10 2004-09-02 Sony Corp 液体吐出装置及びその製造方法
US20050162474A1 (en) * 2004-01-28 2005-07-28 Eun-Bong Han Head chip for inkjet printers and method thereof
US20050168534A1 (en) * 2004-01-29 2005-08-04 Samsung Electronics Co., Ltd. Inkjet printhead and method of manufacturing the same
CN1669797A (zh) * 2004-03-17 2005-09-21 明基电通股份有限公司 具有驱动加热器组的电路的流体喷射头
CN101031426A (zh) * 2004-09-28 2007-09-05 惠普开发有限公司 集成电路和制造方法
CN101287605A (zh) * 2005-10-10 2008-10-15 西尔弗布鲁克研究有限公司 用于喷墨打印头的低损耗电极连接
CN101960565A (zh) * 2008-02-28 2011-01-26 惠普开发有限公司 半导体基板接触通孔
US20140118441A1 (en) * 2009-06-29 2014-05-01 Videojet Technologies Inc. Thermal inkjet print head with solvent resistance
CN105667087A (zh) * 2014-12-05 2016-06-15 施乐公司 用于静电打印头的膜片的晶片级制造和粘结

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114434970A (zh) * 2020-11-03 2022-05-06 研能科技股份有限公司 晶圆结构
CN114434968A (zh) * 2020-11-03 2022-05-06 研能科技股份有限公司 晶圆结构
CN114434970B (zh) * 2020-11-03 2023-11-24 研能科技股份有限公司 晶圆结构
CN114684777A (zh) * 2020-12-30 2022-07-01 上海新微技术研发中心有限公司 Mems热泡打印头加热结构的制作方法

Also Published As

Publication number Publication date
CA3034571C (en) 2023-10-17
WO2018072822A1 (en) 2018-04-26
EP3529081B1 (en) 2021-01-27
US20190240980A1 (en) 2019-08-08
KR20190058511A (ko) 2019-05-29
EP3529081A1 (en) 2019-08-28
RU2714619C1 (ru) 2020-02-18
JP2019531925A (ja) 2019-11-07
KR102659138B1 (ko) 2024-04-22
CA3034571A1 (en) 2018-04-26
US11225080B2 (en) 2022-01-18
JP6878743B2 (ja) 2021-06-02
TW201827244A (zh) 2018-08-01
CN109843594B (zh) 2021-04-27
TWI729228B (zh) 2021-06-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109843594A (zh) 用于形成热喷墨打印头的方法、热喷墨打印头和半导体晶圆
US8444255B2 (en) Power distribution in a thermal ink jet printhead
US9776402B2 (en) Thermal ink jet printhead
KR20090007139A (ko) 잉크젯 프린트 헤드 및 그 제조방법
EP1205303B9 (en) Printer, printer head, and method of producing the printer head
CN101960565B (zh) 半导体基板接触通孔
US6536877B2 (en) Printer, printer head, and method for fabricating printer head formed with a multilayer wiring pattern
KR101016528B1 (ko) 액체 토출 헤드 및 액체 토출 장치
JP3584752B2 (ja) 液体噴射記録装置およびその製造方法
WO2021170543A1 (en) A thermal inkjet printhead, and a printing assembly and printing apparatus comprising the same
US7134187B2 (en) Method for making an inkjet-head chip structure
CN100594131C (zh) 喷墨头芯片结构
US20130083130A1 (en) Planar heater structures for ejection devices
US8541248B2 (en) Methods for fabricating planar heater structures for ejection devices
JPH06143574A (ja) エンハンスされた相互コンダクタンスを持つパワーｍｏｓドライバデバイスを有するサーマルインクジェットプリントヘッド
WO2021086353A1 (en) A fluid ejection head fabrication method and a fluid ejection head
JP2000158656A (ja) 液体噴射記録装置およびその製造方法
JP2005262507A (ja) インクジェット記録ヘッド及びインクジェット記録装置
KR20030018799A (ko) 잉크젯 프린터 해드 형성 방법
KR20030002526A (ko) 노즐용 마이크로 머신 형성방법

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant