DE3780177T2 - Integrierter waermetintenstrahl-druckkopf und herstellungsverfahren. - Google Patents

Integrierter waermetintenstrahl-druckkopf und herstellungsverfahren.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Druckkopfstruktur für einen thermischen Tintenstrahldruckkopf, bei dem ein Substrat-Unterstützungsteil bereitgestellt und dann in Folge mit einer Widerstandsheizschicht und einem leitfähigen Leitermuster zum Begrenzen der seitlichen Ausdehnung von mehreren Heizwiderständen beschichtet wird, wobei die Oberseite des Substrat-Unterstützungsteils mit einer Widerstandsschicht aus polykristallinem Silicium beschichtet und auf der Oberseite dieser Schicht eine leitfähige Struktur aus einem hitzebeständigen Metall zum Vorsehen eines Pfades für einen Antriebsstrom zu vorbestimmten Gebieten in dem Widerstandsmaterial gebildet wird.
  • Ein solches Verfahren ist u. a. in US-A-4 513 298 und in Hewlett Packard Journal, Bd. 36, Nr. 5, Mai 1985 beschrieben.
  • Bei der Herstellung von thermischen Tintenstrahldruckköpfen ist es bekannt, Leiterbahnen aus Aluminium über einem ausgewählten Widerstandsmaterial wie etwa Tantal-Aluminium vorzusehen, um elektrische Zuleitungen zum Leiten von Stromimpulsen an die lithographisch definierten Heizwiderstände in dem Widerstandsmaterial zu führen. Diese Leiterbahnen werden gebildet, indem zuerst Aluminium auf die Oberfläche einer Schicht von Widerstandsmaterial gesputtert wird und danach Leiterbahnen in dem Aluminium unter Anwendung von konventionellen photolithographischen Maskierungs- und Ätzverfahren definiert werden.
  • Es ist außerdem auf diesem Gebiet bekannt, ein inertes hitzebeständiges Material wie Siliciumcarbid oder Siliciumnitrid über dem Aluminiumleitermaterial und dem freiliegenden Wider-standsmaterial abzuscheiden, um eine Sperrschicht zwischen den Widerstands- und Leitermaterialien und der Tinte zu bilden. Diese Tinte ist in einzelnen Reservoiren gespeichert und wird durch thermische Energie aufgeheizt, die von den einzeln definierten Widerständen und durch die Sperrschicht zu den Tintenreservoiren an der Oberseite der Sperrschicht geleitet wird. Die Tinte ist hochkorrosiv, und daher ist es wichtig, daß die Sperrschicht chemisch inert und für die Tinte hochundurchlässig ist.
  • Bei dem Abscheidungsverfahren, das zur Ausbildung der Sperrschicht für die obige Druckkopfstruktur angewandt wird, werden in dem Sperrschichtmaterial an den Rändern der Aluminiumleiterbahnen relativ scharf gerundete Konturen erzeugt. Diese Konturen nehmen die Form von abgerundeten Rändern in der Siliciumcarbidschicht an, die zuerst seitlich nach außen über die Ränder der Aluminiumleiterbahnen verlaufen und dann nach innen umkehren und abwärts in Richtung des Randes der Aluminiumleiterbahn an dem aktiven Widerstandsbereich verlaufen. Hier bildet das Siliciumcarbid-Sperrschichtmaterial einen Schnittpunkt mit einem weiteren, im allgemeinen ebenen Abschnitt von Siliciumcarbidmaterial, das direkt auf dem Widerstandsmaterial abgeschieden ist. Dieser Schnittpunkt kann in einem Rasterelektronenmikroskop (REM) als ein Riß in dem Sperrschichtmaterial erkannt werden, der sich als schwacher Punkt oder Bereich darin zeigt. Dieser schwache Punkt oder Bereich wird häufig zur Ursache eines strukturellen und betriebsmäßigen Ausfalls, wenn er während eines thermischen Tintenstrahldruckvorgangs dem Eindringen von Tinte und von durch Kavitation erzeugtem Verschleiß aufgrund der kollabierenden Tintenblase unterliegt.
  • Zusätzlich zu dem speziellen Problem bei der obigen bekannten Methode der Herstellung von Dünnschicht-Widerstandssubstraten wurde gefunden, daß im allgemeinen Dünnschichten und Fluidvertiefungen in diesen Strukturen, die im Hinblick auf überlegene Druckgeschwindigkeit und Druckgüte optimiert sind, den Nachteil einer kurzen Druckwiderstands-Betriebslebensdauer aufweisen. Dies gilt besonders dann, wenn ein große Überenergie-Toleranz verlangt wird. Widerstands-Alterungskurven, die während der gesamten Druck-Lebensdauer eines thermischen Tintenstrahl-Heizwiderstands aufgenommen wurden, zeigen deutlich zwei Mechanismen, die zu dem frühzeitigen Ausfall des Heizwiderstands beitragen. Der eine ist ein sehr rascher Anstieg des Widerstandswerts infolge von elektromechanischen und mechanischen Wechselwirkungen nahe den Anschlüssen des Widerstands. Der zweite ist ein langsamer, jedoch fortgesetzter Anstieg des Widerstandswerts aufgrund der Grenzflächenoxidation mit der thermischen Abstandsschicht und einer Passivierungsschicht. Einfacher gesagt, ist jeder Mechanismus, der zu einer Erhöhung des Widerstandswerts in Ohm führt, ein Mechanismus, der schließlich zum Ausfall des Widerstands führt, wenn sein Wert unendlich ist.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Verfahrens zum Herstellen einer Struktur für einen thermischen Tintenstrahldruckkopf und einer elektronischen Vorrichtung, wobei unter anderem die oben erwähnten Risse im Sperrschichtmaterial vermieden werden, um so die damit verbundenen Probleme des Eindringens von Tinte durch die Sperrschicht und den starken kavitationsbedingten Verschleiß in der Sperrschicht zu vermeiden. Die Ansprüche 1 und 3 lösen diese Aufgabe. Die Widerstandsheizschicht für die Druckkopfstruktur wird entweder aus polykristallinem Silicium oder einem hitzebeständigen Silicid wie Tantal-Silicid oder Titan-Silicid oder Wolfram-Silicid oder Molybdän-Silicid gebildet. Danach wird auf der Widerstandsheizschicht Leiterstrukturmaterial aus einem hitzebeständigen Metall wie Wolfram oder Molybdän abgeschieden. Dann wird über dem Leiterstrukturmaterial eine Sperrschicht von Siliciumdioxid unter Anwendung von chemischer Dampfabscheidung (CVD) abgeschieden und dann aufgeschmolzen, um gleichmäßige Konturen im Bereich der Sperrschicht über den Rändern des Leiterbahnmaterials zu bilden. Schließlich wird eine äußere metallische Schutzschicht wie etwa Tantal auf die Oberseite des aufgeschmolzenen Siliciumdioxid-Sperrschichtmaterials gesputtert, um eine zusätzliche Isolation gegenüber dem Eindringen von Tinte und dem kavitationsbedingten Verschleiß der Struktur vorzusehen.
  • Bei der elektronischen Vorrichtung von Anspruch 3 ist die neue Druckkopfstruktur mit Impulstreiberkreisen wie etwa MOS-FET-Treibern in einer neuen integrierten Multimetallniveau- Schaltung integriert. Bei dieser integrierten Schaltung weist ein erstes Metallisierungsniveau ein hitzebeständiges Metall wie Wolfram, Titan, Tantal oder Molybdän auf, das strukturiert ist, um eine Dimension eines Druckkopfwiderstands in einer Widerstandsschicht, auf der es liegt, zu definieren. Eine Passivierungsschicht oder Passivierungsschichten wird auf der ersten Metallisierungsschicht abgeschieden und selektiv geätzt, um eine Öffnung oder Öffnungen darin zu bilden. Dann wird ein zweites Metallisierungsniveau wie etwa Aluminium in dieser Öffnung bzw. diesen Öffnungen abgeschieden, um elektrischen Kontakt mit dem ersten Metallisierungsniveau herzustellen und dadurch einen Verbindungspfad zwischen dem Druckkopfwiderstand und MOS-FET-Impulstreiberkreisen und dergleichen zu bilden. So können MOS- oder auch Bipolar-Transistoren oder sonstige Halbleiterbauelemente in einem Bereich eines Siliciumsubstrats hergestellt werden, und Druckkopfwiderstände können in einem anderen Bereich auf der Oberfläche des gleichen Siliciumsubstrats definiert werden. Dann können unter Anwendung des obigen Multiniveau-Verbindungsschemas Aluminium-Zwischenverbindungen von den Ausgängen dieser Transistoren mit den hitzebeständigen Metallanschlüssen verbunden werden, die in die verschiedenen Druckkopfwiderstände in der neuen integrierten Schaltung von MOS-FET-Treibern und Tintenstrahldruckkopf führen.
  • Die Vorteile und neuen Merkmale der vorstehend zusammengefaßten Druckkopfstruktur und integrierten Schaltung werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung der beigefügten Zeichnungen besser verständlich.
  • Fig. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht der Druckkopfstruktur gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
  • Die Fig. 2A-2G zeigen schematisch den Bearbeitungsablauf bei der Herstellung der Druckkopfstrukturen von Fig. 1.
  • Gemäß Fig. 1 wird die Struktur der Druckkopfvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zuerst unter Identifizierung der verschiedenen darin vorhandenen Schichten beschrieben. Dann werden im einzelnen unter Bezugnahme auf die Fig. 2A-2G die verschiedenen Verfahrensschritte beschrieben, die zum Erhalt dieser Vorrichtungsstruktur angewandt werden.
  • In Fig. 1 ist das Ausgangsmaterial 1 des Druckkopfsubstrats Silicium und trägt auf der Oberfläche eine thermische Isolationsschicht 2 von Siliciumdioxid. Eine Siliciumnitridschicht 3 ist auf der Oberfläche der Siliciumdioxidschicht 2 abgeschieden, und dann ist eine Widerstandsschicht 4 von Tantal-Silicid auf der Oberfläche der Siliciumnitridschicht 3 mit einer noch zu erläuternden Geometrie abgeschieden, um das Schichtmaterial für die Widerstandsheizelemente zu bilden.
  • Die nächsten zwei Schichten 5 und 6 bestehen beide aus Wolfram, und auf der Oberseite der zweiten und dickeren Wolframschicht 6 ist eine Siliciumnitridschicht 7 gebildet und photolithographisch in der gezeigten Geometrie definiert, um die seitliche Ausdehnung des Heizwiderstands zu bestimmen. Dann ist auf der Siliciumnitridschicht 7 eine Schicht 8 von Phosphosilicatglas gebildet, und dann ist eine weitere Schicht von schwächer dotiertem Phosphorglas 9 auf der vorhergehenden Glasschicht 8 gebildet. Die dielektrischen Passivierungsschichten 7, 8 und 9 sind dann in geeigneter Weise geätzt unter Anwendung eines Trockenätzmittels wie SF&sub6; und Argon.
  • Eine Schicht 10 von Tantal ist auf der Glasschicht 9 abgeschieden, und dann ist eine weitere leitfähige Schicht 11 von Aluminium über der Tantalschicht 10 abgeschieden. Diese Verbindungsschichten 10 und 11 sind anschließend geätzt, um die beiden Oberflächensperrschichten für den Heizwiderstand bzw. die Zwischenverbindungs-Kontaktstelle auf der rechten und der linken Seite der Vorrichtungsstruktur zu definieren. Diese leitfähigen Schichten 10 und 11 auf der linken Seite von Fig. 1 dienen als elektrische Verbindung mit weiteren elektronischen Einrichtungen wie Impulstreiberkreisen für die Heizwiderstände, die in der Schicht 4 definiert sind. So können die Heizwiderstände in Fig. 1 über Wolframschichten 5 und 6 und durch die Leiter 10 und 11 auf der Seite der Zwischenverbindungs-Kontaktstelle der Struktur in einer integrierten MOS-Druckkopf-Schaltung neuer Konstruktion elektrisch angeschlossen werden. Beispielsweise kann der Metallkontakt 11 in Form eines Metallisierungsstreifens zum Ausgangs- oder Drainanschluß eines MOS-Treiber-Feldeffekttransistors geführt sein, der als eine Ausgangseinrichtung eines bestimmten MOS- Impulstreiberkreises dient.
  • Gemäß den Fig. 2A-2G hat das Siliciumsubstrat 1 typischerweise eine Dicke von 381-635 um (15-25 mil) und einen spezifischen Widerstand von ca. 20 Ohm·cm und trägt eine Schicht 2 von thermischem Siliciumdioxid einer Dicke von ca. 1,6 um, wie Fig. 2A zeigt.
  • Fig. 2B zeigt eine 0,1 um dünne Schicht 3 von Siliciumnitrid Si&sub3;N&sub4;, die auf der SiO&sub2;-Schicht im Niederdruck-CVD- Verfahren (LPCVD) abgeschieden ist. Dieses Verfahren und weitere ähnliche hier angegebene Verfahren sind auf dem Gebiet der Halbleiterbearbeitung allgemein wohlbekannt und beispielsweise von A.B. Glaser et al. in einem Buch mit dem Titel Integrated Circuit Engineering Design, Fabrication and Application, Addison-Wesley, 1979, auf S. 237 offenbart, worauf hier Bezug genommen wird.
  • Wie Fig. 2C zeigt, wird als nächstes eine Widerstandsschicht 4 auf der Si&sub3;N&sub4;-Schicht 3 durch Aufsputtern von Tantal-Silicid mit einer Dicke von 0,05-0,1 um (500-1000 ) gebildet, und auf diesen Schritt folgt das Aufsputtern einer Schicht 5 von Wolfram mit einer Dicke von ca. 0,025 um (250 ). Dann läßt man auf die dünne Wolframschicht 5 eine dickere Wolframschicht 6 mit niedrigerem spezifischem Widerstand bis zu einer Dicke von ca. 0,5 um unter Anwendung von chemischer Dampfabscheidung (CVD) aufwachsen. Nach dem Ätzen der leitfähigen und Widerstands schichten 4, 5 und 6, die vorher abgeschieden wurden, in der gezeigten Geometrie wird dann plasmagestützte chemische Dampfabscheidung (PECVD) angewandt, um eine Schicht 7 von Siliciumnitrid SiNxHy einer Dicke von ca. 0,1 um auf der Oberfläche der Wolframschicht 6 abzuscheiden, wie Fig. 2D zeigt. Diese PECVD-Verfahren sind dem Fachmann auf dem Gebiet der Halbleiterbearbeitung bekannt und sind beispielsweise von R.F. Bunshah et al. in einem Buch mit dem Titel Deposition Technologies for Films and Coatings Noyes Publications, 1982, S. 376 ff., beschrieben, worauf hier Bezug genommen wird.
  • In dem in Fig. 2D gezeigten nächsten Schritt wird eine Schicht 8 von phosphordotiertem Glas SiO&sub2;, das auf einen Phosphoranteil von ca. 8% dotiert ist, durch chemische Dampfabscheidung (CVD) in der gezeigten Kontur gebildet, wonach die Struktur für ca. 15 min bei 1000ºC geglüht wird, um eine Tantal-Silicid-Widerstandsschicht 4 zu stabilisieren und das phosphordotierte oder Phosphosilicatglas (PSG) über den Widerstandsanschlüssen aufzuschmelzen. Dann wird auf der Oberfläche der Schicht 8 eine Schicht 9 von Phosphosilicatglas mit einer Dicke von ca. 0,2 um (2000 ) gebildet und mit 4% Phosphoranteil dotiert. Diese PSG-Schicht 9 ist in Fig. 2E gezeigt und hat die Funktion, die Bildung von Phosphorsäure zu unterdrücken, die später aufgebrachte endgültige Aluminiumleiter angreifen könnte.
  • Zu diesem Zeitpunkt des Verfahrens wird die Dreifachschicht-Passivierung (7, 8 und 9) auf die CVD-Wolframschicht heruntergeätzt, wie bei 6 in Fig. 2F gezeigt ist. Dann werden die Kavitations-Sperrschicht 10 von Tantal und die endgültige Aluminium-Zwischenverbindungsschicht 11 mit Dicken von ca. 0,6 um bzw. 0,4 um aufgesputtert. Diese Schritte sind in Fig. 2G schematisch gezeigt und komplettieren die resultierende Struktur, die der zusammengesetzten integrierten Schaltungsstruktur von Fig. 1 identisch entspricht. Die Kontaktstellen- oder Zwischenverbindungsschichten 10 und 11 werden mit chemischen Naßätzverfahren strukturiert, um die Vorrichtungsgeometrie von Fig. 2G zu definieren.
  • Vorstehend wurde somit eine neue Druckkopfvorrichtungs- Struktur und ein Herstellungsverfahren beschrieben, wobei eine hitzebeständige lokale Verbindungsmetallisierung, d. h. Wolfram, ein Hochtemperatur-Aufschmelzen des später abgeschiedenen phosphordotierten Silicatglases (PSG) erlaubt, wodurch die Anschlüsse der Widerstandselektroden abgedichtet werden. Siliciumnitridschichten sind über und unter der Widerstandsschicht gebildet und dienen somit als wirkungsvolle Oxidationssperrschichten, während das darüberliegende Siliciumnitrid als zusätzliche Feuchtigkeitssperre wirkt. Die hitzebeständige Widerstandsschicht zeigt sowohl überlegene Hochtemperaturfestigkeit als auch die Fähigkeit, die Struktur zu 1100ºC zu glühen, bevor die Zwischenverbindungs-Metallisierung aufgebracht wird.
  • Die obige Struktur und ihre Silicidschicht sind mit der Bearbeitung von integrierten Schaltkreisen kompatibel und ermöglichen den Aufbau der Widerstands-, Leiter- und Passivierungsschichten nach dem die Widerstandslogik und die Treibertransistoren hergestellt sind. Ein sehr bedeutsamer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß ein einziges gemeinsames Halbleitersubstrat wie Silicium für die Herstellung von MOS- oder Bipolar-Treibertransistoren in einem Bereich des Substrats und die Herstellung von thermischen Tintenstrahldruckkopf-Widerständen in einem anderen Bereich des Substrats verwendbar ist. Diese Vorrichtungen können dann unter Anwendung des oben beschriebenen Multimetallniveau-Verbindungsschemas miteinander verbunden werden.
  • Es gibt viele technische Hinweise auf die Einzelverwendung von Siliciden als Gateniveau-Verbindungsmaterial für MOS-Vorrichtungen, und solche Verbindungstechniken wurden im einzelnen bei der 1985 Semicon/East-Konferenz in Boston, Mass. im September 1985 erörtert. Außerdem kann als weitere Bezugnahme auf bestimmte sonstige Anwendungen, die Behandlung und Abscheidung von Siliciden, Wolfram-Metallisierung und Phosphosilicatglas (PSG) auf die folgenden technischen Veröffentlichungen verwiesen werden, auf die sämtlich hier Bezug genommen wird.
    • Technische Veröffentlichung Tungsten Metalization
  • N. Susa, S. Ando, S. Adachi, Journal of the Electrochemical Society, Vol. 132, No. 9, p. 2245
  • M. L. Green, R. A. Levy, Journal of the Electrochemical Society, Vol. 132, No. 5, p. 1243
    • Silicides
  • T. P. Chow, W. Katz, R. Goehner, G. Smith, Journal of the Electrochemical Society, Vol. 132, No. 8, p. 1914
  • M. Tamielian, S. Blackstone, Journal of the Electrochemical Society, Vo1. 132, No. 6, p. 1487
  • R. A. Levy, P. K. Gallagher, Journal of the Electrochemical Society, Vol. 132, No. 8, p. 1986
  • S. P. Murarka, "Silicides for VLSI Applications", Academic Press, NY (1983)
  • T. P. Chow, IEEE Electron Devices, ED-30, 1480 (1983)
    • Phosphosilicate Glass (PSG)
  • K. Nassau, R. A. Levy, D. L. Chadwick, Journal of the Electrochemical Society, Vol. 132, No. 2, p. 409
  • In der folgenden Tabelle sind das Ausbildungsverfahren, die Dicken und die physikalischen Eigenschaften der verschiedenen Schichten der bevorzugten Ausführungsform gemäß der besten derzeit bekannten Art zur praktischen Durchführung der Erfindung angegeben. Tabelle von Dünnschichtmaterialien und Eigenschaften Schicht Bildungsmethode Dicke Physikalische Eigenschaften therm. Oxidation Brechzahl Co-Sputtern/Sintern Schichtwiderstand Sputtern

Claims (5)

1. Verfahren zum Herstellen einer Druckkopfstruktur für einen thermischen Tintenstrahldruckkopf, bei dem ein Substrat-Unterstützungsteil (1) bereitgestellt und dann in Folge mit einer Widerstandsheizschicht (4) aus einem polykristallinen Silizium oder einem hitzebeständigen Silicid und auf dessen Oberfläche mit einem leitfähigen Muster aus einem hitzebeständigen Metall zum Begrenzen der seitlichen Ausdehnung mehrerer Heizwiderstände und zum Vorsehen eines Pfades für einen Antriebsstrom zu vorbestimmten Gebieten in der Widerstandsheizschicht (4) beschichtet wird und ein mehrlagiger, metallener integrierter Schaltkreis umfassend eine metallene Zwischenverbindung (10, 11) zwischen einem Metalloxid-Halbleiter (MOS)-Treiberkreis und dem hitzebestandigen Metall (5, 6) geformt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hitzebeständige Silicid (4) aus der Gruppe bestehend aus Tantal-Silicid, Titan- Silicid, Wolfram-Silicid und Molybdän-Silicid ausgewählt wird und daß das hitzebeständige Metall (5, 6) aus der Gruppe Tantal, Titan, Wolfram und Molybdän ausgewählt wird.
3. Elektronische Vorrichtung mit einem unterstützenden Substrat (1), einer Widerstands-Heizschicht (4) aus Widerstands-Material aus der Gruppe enthaltend polykristallines Silizium und ein feuerfestes Silicid, die auf dem Substrat zum Begrenzen der seitlichen Ausdehnung mehrerer Heizwiderstände in der Widerstandsheizschicht (4) angeordnet ist, einem feuerfesten Metall (5, 6), welches in einem leitenden Muster auf der Oberfläche der Widerstandsheizschicht (4) zum Leiten eines Antriebsstromes zu vorbestimmten Gebieten in dem Widerstandsmaterial angeordnet ist, und metallenen Mehrlagen-Zwischenverbindungen (10, 11), die sich zwischen der Vorrichtung und einem MOS-Treiberkreis erstrecken und einem feuerfesten Metall-Leiter, der den Treiberkreis mit dem feuerfesten Metall verbindet.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das feuerfeste Silicid (4) aus der Gruppe mit Tantal-Silicid, Titan-Silicid, Wolfram- Silicid und Molybdän-Silicid ausgewählt ist und daß das feuerfeste Metall (5, 6) aus der Gruppe enthaltend Tantal, Titan, Wolfram und Molybdän ausgewählt ist.
5. Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht (4) in ausgewählten Bereichen beidseitig durch Silizium-Nitrit (3, 7) geschützt ist.
DE8787100521T 1986-01-17 1987-01-16 Integrierter waermetintenstrahl-druckkopf und herstellungsverfahren. Expired - Fee Related DE3780177T2 (de)

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