CN1314244A - 有增强的抗破裂强度的半导体衬底及其形成方法 - Google Patents

Abstract

一种处理半导体衬底(50)以便提高其抗破裂强度的方法和一种用这种方法形成的半导体衬底(50)。在最佳实施例中,半导体衬底(50)用在打印头(40)中。半导体衬底(50)具有在其中加工成的特定结构,例如墨水注入通道,并且在机械加工后处理该衬底,以便去除机械加工成的特定结构附近的材料,减少特定结构加工过程中可能产生的微裂纹(74)或其它缺陷。可以用几种方法来去除裂纹所含的材料。优选的方法是用含四甲基氢氧化铵的溶液来蚀刻。

Description

有增强的抗破裂强度的 半导体衬底及其形成方法

本发明涉及提高用于喷墨打印头和类似用途的半导体衬底的抗破裂强度，而更一般地说，涉及提高半导体衬底的抗破裂强度，而不管其预期的用途如何，所述半导体衬底被钻孔或用其他方法进行机械加工来形成通的或不通的孔或其他特定结构。

各种喷墨打印装置是本领域中已知并且这些喷墨打印装置包括热驱动的打印头和机械驱动的打印头两者。热驱动打印头往往采用电阻元件或类似的元件实现喷墨，而机械驱动打印头往往采用压电变换器或类似的元件。

有代表性的热驱动喷墨打印头有多个设置在半导体衬底上的薄膜电阻。在衬底上有喷嘴板和屏障层，它们在每个电阻周围形成喷射室。电流或“喷射信号”通过电阻的传播使在对应的喷射室内的墨水被加热并通过适当的喷嘴喷出。

墨水通常通过在半导体衬底中以机械方法加工出的注入槽缝输送到喷射室。衬底通常呈长方形，其中具有纵向布置的槽缝。电阻通常排成行，位于槽缝的两侧，并且最好离槽缝有相同的距离，使得在每个电阻处墨水通道的长度大致相等。打印头的一次扫描所实现的打印条带的宽度大约等于电阻排的长度，同样也大约等于槽缝的长度。

注入槽缝通常通过砂钻(也称为“砂开槽”)形成。人们喜欢采用这方法，因为它快、相当简单和能批量加工(能同时加工多片衬底)。虽然砂开槽有这些明显的好处，砂开槽也有缺点，即它在半导体衬底引起微裂纹，这微裂纹大大地降低衬底的抗破裂强度，因破裂的芯片(die)的缘故而造成大的产量损失。低的抗破裂强度也限制了衬底长度，进而对打印条带高度和整个打印速度有不利的影响。

当开发新的打印系统时，一个关键的性能参数是打印速度。达到更高的打印速度的一种方法是提高打印条带的宽度。提高打印条带的宽度的一个将可能采用的方式是增加衬底和注入槽缝的长度。由于在砂开槽期间引起的微裂纹和其它结构缺陷，衬底显得太脆以至不能进一步加长。

因此，需要这样一种机械加工的半导体衬底，它具有提高的抗破裂强度以便更好地抵抗在喷墨打印头制造和使用时引起的热和机械应力。还需要这样的打印头半导体衬底，它具有提高的抗破裂强度因此能增长衬底，以便实现更长的打印条带宽度。还需要这样的的机械加工成的半导体衬底，对于任何预期的用途，它都具有提高的抗破裂强度。

本发明的一个方面是半导体衬底和使半导体衬底有改进的抗破裂强度的方法。对半导体衬底进行机械加工以便在其中形成特定结构。机械加工过程在衬底中形成了微裂纹，它降低了衬底的抗破裂强度。处理半导体衬底以便去除衬底的贴近微裂纹的部分，来提高该半导体衬底的抗破裂强度。

在一个最佳实施例中，使用蚀刻工艺去除半导体衬底贴近微裂纹的部分，来加大裂纹部分的曲率半径。

图1是根据本发明的喷墨打印机的透视图。

图2是根据本发明的喷墨打印盒的一个实施例的透视图。

图3是其半导体衬底是根据本发明加工的、图2的打印头的剖面图。

图4是根据本发明的半导体衬底上的墨水注入槽缝的一端的断面透视图。

图5是在典型打印头衬底上通过砂开槽形成的墨水注入槽缝的一端的平面图，用来说明微裂纹。

图6A和图6B是图5的微裂纹的大大地放大的图象，图6A为运用本发明的方法之前的图象，图6B为运用本发明的方法之后的图象。

参考图1，该图表示根据本发明的喷墨打印机的透视图。打印机10最好包括具有能打开的盖14和打印状态指示灯16的外壳12。打印头(下面将更详细地讨论)最好处在盖14的下面。打印介质输入/输出(I/O)单元18向打印头提供适当的打印介质。打印介质I/O单元最好包括纸的输入和输出盘，导板和适当的传感器以及传送机构等等。和其它相关的部件一道，打印机10还包括电源，墨水源和控制逻辑(未示出)。电源最好提供具有适当的电压电平的稳定的直流电压。

墨水源可以与打印头10做成一个整体或分开形成。墨水源可以与打印头分开来更换或与打印头一起更换。墨水源最好有墨水液面探测逻辑(未示出)，以便指示墨水的量。在本领域中，适当的墨水源装置是众所周知的。

打印机10最好从主机接收打印数据，这主机可以是计算机、传真机、互联网终端、照相机、画图机或其它能把打印数据送到打印机10的装置。

打印头最好装在移动架上(也处在盖14下面)，如所知道的那样，它能沿着导杆横着移动。可是，应该认识到，打印头可以是静止的，例如做成象打印介质片、诸如纸张(或打印介质片的一部分)那样宽。

参考图2，其上表示根据本发明的喷墨打印盒的一个实施例。打印盒20包括外壳21，后者用来提供打印头区域22和容器区域26。在图2的实施例中，打印盒20是一个三色打印盒，它有三条墨水注入槽缝和对应的喷嘴阵列，三种墨水的颜色最好是兰绿色、深红色和黄色。容器区域26在彩色打印盒20的情况下最好包括每种不同颜色墨水的单独的墨水容器。应该认识到，可以用另外的方式配置打印盒20，以便与一个“离轴”墨水源一起使用，这墨水源在结构上可以拆离打印头，而处在与打印头液体连通的状态。

每个打印头40最好包括衬底50，在衬底50上机械加工出一个或多个墨水注入槽缝60(见图3-5)。通过墨水注入槽缝60，墨水被传送(从在轴或离轴源)到在注入槽缝附近形成的喷射元件52。墨水喷射元件(例如电阻、压电变换等)最好排成两排，并处在注入槽缝的相对的两侧(见图3和4)。喷嘴44与对应的墨水喷射元件52对准，并在喷嘴板46上形成。多个电互连28通过导电的驱动线(未示出)耦合到衬底50。电互连28与位于打印机滑动架(上面讨论的)的对应的电互连接合，从而允许打印机10在打印盒横过打印介质时有选择地控制墨点喷射。

参考图3，其上表示其半导体衬底是根据本发明加工成的、图2的打印头40的剖面图。墨水从区域26中的容器或如上面所讨论的离轴源的馈送导管进入室62。部件64代表打印盒20的外壳(或适当的导管)的部分，这部分最好通过热固结构粘结剂66粘结到衬底50。室62中的墨水通过注入槽缝60流到在墨水喷射元件52附近所形成的喷射室54。

接触焊盘56把来自互连28的喷射或驱动信号通过信号线58传送给喷射元件52。在最佳实施例中，墨水喷射元件是在本领域中熟知的那类薄膜电阻，虽然应该知道，墨水喷射元件也可以是压电变换器等。

衬底50最好用半导体材料例如硅制成。以形成喷射室54(见图4)的方式在衬底上形成屏障层42，而喷嘴板46安装在屏障层之上，使得喷嘴44和与它们相关联的墨水喷射元件52适当对准。

参考图4，其上示出利用机械方法例如砂钻形成的墨水注入槽缝60一端的断面透视图。该图描绘了墨水注入槽缝60、喷射室54、电阻52、屏障结构42和孔板46的细节。

在许多出版物中，包括转让给本受让人的Johnson的题为“加工热喷墨打印头的方法”的美国专利No.4,680,859中，已经描述了在衬底50上形成注入槽缝60的方法。在形成注入槽缝60期间，开槽工具的管口(nozzle)很靠近衬底50的背面，高压研磨颗粒冲击衬底50。由于研磨冲击衬底50的随机性，难以控制注入槽缝60的尺寸和形状。此外，注入槽缝60“打通”衬底50正面时的点也会改变，并且随这个位置而在衬底50上形成微裂纹。试验已经表明，如果槽缝60打穿衬底50的中心，则在墨水注入槽缝60端部形成应力裂纹(crack)。这些微裂纹起着破裂起始位置的作用，并且例如在制造工艺期间处在机械和热应力下，这些微裂纹就能引起芯片(die)破裂。

图5描绘具有典型微裂纹74的有代表性的打印头衬底的平面图，此微裂纹74是作为槽缝形成过程在硅衬底上形成的。如所能看到的那样，在长形的槽缝60一端形成了微裂纹74和类似的裂纹，它们往往沿着与墨水注入槽缝60延长轴平行的晶粒边界分布。当衬底50受到热的或机械的应力作用时，裂纹74就很容易增大，直到衬底50破裂。一旦衬底50破裂，在衬底50上的电连接线58和有源元件就坏掉，造成打印头40失效。

一直在开槽工艺方面投入很大的力量来使其更有重复性和更为可控，以及消除这些微裂纹74。可是，直至本发明为止，仍没有完全解决这个芯片(die)破裂问题。

因此，为了改善抗破裂强度，最好在衬底50机械加工后进行蚀刻以便去除形成微裂纹处的部分半导体材料。这蚀刻处理改变了半导体材料的性质，使得所述微裂纹的线被改变。蚀刻处理所造成的微裂纹改变是改变裂纹端部的终点(terminus)。

参考图6A和图6B，其上表示图5所示的微裂纹74的大大地放大的图象。图6A为使用本发明的蚀刻处理之前微裂纹74的图象。微裂纹74具有终点75，后者往往成为衬底50上这样的一个点，加到衬底50上的机械应力会会聚或集中到该点上。与此形成对照，图6B为使用本发明的蚀刻处理之后图6A的微裂纹74的图象。微裂纹74的终点76被蚀刻工艺改变成具有增大的曲率半径。在衬底50上的应力集中与1/(曲率半径)成比例。这样，利用本发明的蚀刻工艺使曲率半径增大，能减小了应力集中和进一步破裂的可能性。本发明的蚀刻工艺不但增大终点76处的曲率半径，还增大整个微裂纹74的曲率半径。本发明的蚀刻工艺往往增加微裂纹74的临界半径或曲率半径，从而减小了衬底50中的应力集中。

衬底50和使用这种衬底的打印头40最好按如下方法制成。在一片晶片上形成用于多个打印头衬底的打印头电路。最好采用标准薄膜技术来形成打印头衬底的导电图案。在该制造过程后，跟着清洗晶片，并为装上屏障层做准备。通常用聚合物迭片工艺来形成屏障层。

在形成屏障层42后，对晶片上的多个打印头衬底50中的每一个，如上面描述那样，砂钻出墨水注入槽缝。这种砂钻工艺往往形成会使衬底50的抗破裂强度降低的细裂纹74。

然后进行优选的蚀刻处理，以便改善衬底50的抗破裂强度。这种处理按如下方法进行：把晶片在20.9℃下的复缓冲层氧化物蚀刻剂(BOE)电解液中漂洗3.5分钟，以便去除自然生长成的SiO₂(图4的72)。在去离子水漂洗后，把晶片在84.9℃下的5％(重量)的四甲基氢氧化铵(TMAH)中蚀刻7分钟。在这种蚀刻之后进行另一次去离子水漂洗，并把单个的孔板(图2-3的46)装到屏障层42材料上。然后把晶片分割(singulated)成多个均呈增强的抗破裂强度的打印头衬底50。可把具有互连28的电线(flex)电路连接到每个衬底，以便形成打印头分组件。然后把打印头分组件用热固粘结剂66固定在打印头外壳或结构64上，从而完成打印头组装工艺的“干部分”。

通过用上述或相关的方式处理衬底50就能生产出具有提高的抗破裂强度的打印头40。提高了的抗破裂强度进而使得在制造期间较少衬底破裂，从而提高了产量和产品寿命。此外，提高了的抗破裂强度允许具有更长的墨水注入槽缝60的、更大的打印头40，这种打印头可以打印更大的打印条带。打印更大的打印条带的能力使得能有更高的打印速度和打印系统10更大的打印量。

在另一实施例中，在用金刚石锯分割(singulate)晶片之后进行蚀刻。由于旋转刀片的切割所引起的切向载荷，分割成的芯片的边缘通常有缺口和裂纹。这些缺口区域通常包括裂纹，在热和机械载荷的情况下，裂纹会向芯片内传播。对这些芯片进行蚀刻已经表明能去掉这些局部的裂纹，从而得到更能抗裂和可制造的衬底。

使用TMAH和类似的物质的另外一个好处是，TMAH是一种单向蚀刻(即在某结晶取向的蚀刻比在其它结晶取向的蚀刻快得多)，因而趋向于在单晶硅材料50上形成锥形的凹入处。这种特征的图案为判断芯片是否已被蚀刻提供了容易判断的方法。

关于TMAH的替换物，应该认识到，硅材料也可以用氢氧化钾(KOH)或别的起类似作用的化学蚀刻剂所去掉。

虽然蚀刻是去掉裂纹含有的材料的优选方式，但是其它技术也在本发明的精神和范围内，包括再加热或再熔解技术和激光退火。

Claims (10)

1．一种加工半导体衬底的方法，所述方法包括下面的步骤：

对半导体衬底(50)进行机械加工以便在其中形成特定结构(60)，所述机械加工过程形成了使衬底(50)的抗破裂强度降低的裂纹(74)；和

去除所述半导体衬底(50)的贴近所述裂纹(74)的部分，以便改善所述衬底(50)的抗破裂强度。

2．权利要求1的方法，其特征在于：所述去除步骤包括增大所述裂纹(74)的曲率半径。

3．权利要求1的方法，其特征在于：所述去除步骤包括去除所述裂纹(74)。

4．权利要求1的方法，其特征在于：所述去除步骤对包括所述特定结构(60)附近的所述半导体衬底(50)进行蚀刻的步骤。

5．权利要求4的方法，其特征在于：所述蚀刻步骤包括用含四甲基氢氧铵(TMAH)或氢氧化甲(KOH)的溶液进行蚀刻的步骤。

6．权利要求1的方法，其特征在于所述去除步骤包括对所述半导体衬底(50)进行下面一组步骤中的起码一个步骤，这组步骤包括：

蚀刻；

再熔化；和

激光退火。

7．权利要求5的方法，其特征在于：所述蚀刻步骤包括用含四甲基氢氧铵(TMAH)溶液蚀刻大约2-20分钟的步骤。

8．权利要求1的方法，其特征在于还包括下面的步骤：

在所述衬底上安装屏障层(42)；和

把喷嘴板(46)安装在所述屏障层(42)上。

9．一种半导体衬底(50)，它包括电子电路(52,56,58)并且在其中形成有机械加工成的特定结构(60)，所述半导体衬底(50)用下面的工艺形成：

提供一种在其中形成了电子电路的半导体衬底(50)；

对所述衬底(50)进行机械加工，以便在其中形成所述机械加工成的特定结构，所述机械加工过程形成了使所述衬底的所述抗破裂强度降低的裂纹(74)；和

去除所述半导体衬底(50)的贴近所述裂纹(74)的部分，以便改善所述衬底(50)的抗破裂强度。

10．权利要求9的发明，其特征在于还包括设置在孔层(46)和所述半导体衬底(50)之间的屏障层(42)。

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