DE3782700T2 - Verfahren zur herstellung von thermischen tintenstrahl-druckkoepfen und damit hergestellter duennfilmwiderstands-druckkopf. - Google Patents

Verfahren zur herstellung von thermischen tintenstrahl-druckkoepfen und damit hergestellter duennfilmwiderstands-druckkopf.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung liegt allgemein auf dem Gebiet der thermischen Tintenstrahl-Druckköpfe und betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Dünnfilmwiderstands-Druckkopfaufbaus sowie einen dadurch hergestellten Dünnfilmwiderstandsdruckkopf und eine Verbindungsbaufunktion jeweils in Übereinstimmung mit den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche 1 und 4.
  • Ein solches Verfahren und ein Dünnfilmwiderstands-Druckkopf sind aus US-A-4 463 359 bekannt.
    • Allgemeiner Stand der Technik
  • Bei der Herstellung von Dünnfilmwiderstandstypen (TFR) von thermischen Tintenstrahldruckköpfen besteht ein allgemein bekanntes Verfahren, um die einzelnen Heizwiderstände mittels Fotolithographie auf einen großen TFR-Substrat auf zubringen, in der Herstellung eines Musters in einer darüberliegenden leitenden Linienmusterschicht. Diese Schicht wird in einem vorgegebenen Muster auf dem Widerstandsheizmaterial mit Hilfe bekannter Abscheidetechniken abgeschieden. Der Werkstoff einer solchen Widerstandsheizschicht kann beispielsweise Tantal-Aluminium, TaAl sein. Die leitende Linienmusterschicht besteht typischerweise aus Aluminium, obwohl sie auch aus Gold oder anderem leitfähigen Material bestehen kann, welches mit den anderen für den Druckkopf verwendeten Werkstoffen verträglich sein muß. Nach Herstellung des leitenden Linienmusterwerkstoffs oder des Musters wird es üblicherweise mit einer inerten Sperrschicht bedeckt, wie z. B. mit einer Verbundschicht aus Stickstoff-Silicid und Siliziumkarbid um die darunterliegende Schicht gegen Kavitationsverschleiß und Tintenkorrosion zu schützen.
  • Um einen elektrischen Kontakt zwischen diesem leitfähigen Linienmusterwerkstoff und äußeren Impulstreiberschaltungen für den Druckkopf herzustellen verwendete die aus der US-A-4 463 359 bekannte Methode eine Ätzung einer verhältnismäßig großen Öffnung oder eines Fensters in die Verbund-Sperrschicht aus Stickstoff-Silicid/Siliziumkarbid und die Bildung eines verhältnismäßig großen Kontaktflecks innerhalb dieser Öffnung um auf diese Weise den Kontakt mit dem darunterliegenden Linienmuster-Aluminiumwerkstoff herzustellen.
  • Dann konnte um einen elektrischen Stromweg zum Linienmuster- Aluminiummaterial und zu den Tintenstrahlheizwiderständen auszubilden, dieser verhältnismäßig große Kontaktfleck mittels Drahtbonding oder Druckkontaktverbindung verbunden werden.
  • Diesem oben beschriebenen herkömmlichen Aufbau sind verschiedene Nachteile eigen, die in Verbindung mit der verhältnismäßig großen Öffnung oder dem Fenster in der isolierenden Sperrschicht direkt über der Linienmuster-Aluminiumleiterschicht stehen. Der erste dieser Nachteile liegt darin, daß das große Fenster in der Verbundschicht aus Stickstoffsilicid/Siliziumkarbid eine verhältnismäßig große Seitenwandfläche dieser Materialien freilegt. Durch diese Freilegung der großen Seitenwandflächen wird die Fläche erhöht, in der Feinlunker oder Risse auftreten, die elektrische Kurzschlüsse in der Sperrschicht erzeugen können. Als Ergebnis der Verschiedenartigkeit der Stickstoffsilicid und Siliziumkarbidschichten und der Unterschiede in deren Ätzgeschwindigkeiten entsteht an den Kanten dieser verschiedenartigen Isoliermaterialien an den Fensteröffnungen eine "Sprungbrett"-Geometrie. Diese stufige Geometrie erhöht, wenn sie mit dem großflächig abgeschiedenen Kontaktfleck in der Fensteröffnung gekoppelt wird, die Wahrscheinlichkeit von Materialfehlern in diesem Bereich, die die Ausbeute bei der Waferherstellung verringern können.
  • Ein weiterer Nachteil der in dem Stand der Technik verwendeten elektrischen Verbindungsweise führt bei der Herstellung des gewünschten großflächigen Kontaktflecks zur Freilegung einer verhältnismäßig großen Fläche des Linienmuster-Aluminiummaterials. Das Freilegen einer so großen Fläche des Linienmusteraluminiums beim Herstellungsvorgang erhöht die Möglichkeit, daß Aluminiumoxid Al&sub2;O&sub3; auf dem leitenden Linienmustermaterial ausgebildet wird, wodurch es isolierend wird oder teilweise isolierend statt vollständig leitend.
  • Ein anderer Nachteil bei der Anwendung des oben beschriebenen bekannten Herstellungsverfahrens besteht darin, daß während des Ätzens der Fensteröffnung die Stickstoffsilicid- und Siliziumkarbidschichten mit erhöhter Wahrscheinlichkeit unterschnitten werden können, und wieder ist diese höhere Wahrscheinlichkeit durch das Freilegen der die Fensteröffnung definierenden, verhältnismäßig großen Seitenwandfläche der Stickstoffsilicid/Siliziumcarbidsperre verursacht.
  • Ein weiterer Nachteil bei der Anwendung des oben beschriebenen bekannten Verfahrens betrifft die Ausbildung eines nicht flachen tellerförmigen Kontaktflecks direkt über dem Linienmuster-Aluminiummaterial. Diese Geometrie und dieser Aufbau erhöhen die Wahrscheinlichkeit, daß die Kanten der Druckkopfstruktur, die dem leitenden Linienmustermaterial unmittelbar gegenüber liegen angekratzt werden, wodurch wiederum die Wahrscheinlichkeit erhöht ist, daß elektrische Kurzschlüsse hinunter durch die Druckkopfstruktur bis zum leitenden Linienmuster-Aluminiummaterial erzeugt werden. Zusätzlich bringt die unebene, tellerförmige Kontur des Kontaktflecks Schwierigkeiten, wenn bestimmte Arten von elektrischen Verbindungen bei der Druckkopfstruktur verwendet werden sollen, wie z. B. federgespannte Druckverbinder von einer Leitungsleiste oder einem Leitungsrahmen einer flexiblen Schaltung.
  • Ein weiterer Nachteil bei der Anwendung des bekannten Verfahrens betrifft die Empfindlichkeit gegen das Splittern und Brechen an den Kanten des in mehreren Schichten liegenden Materials, über dem der tellerförmige Kontaktfleck liegt. Diese splitternde Brechen verursacht die Korrosion dieser Materialien an ihren Außenkanten. Dies tritt jedoch bei nach dem vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Druckköpfen nicht auf, bei denen der Druckkontakt der Zuleitungskontakte an den Kanten der inneren, übereinandergeschichteten Materialien vermieden ist.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Der allgemeine Zweck der Erfindung besteht darin, eine neue und verbesserte Verbindungsstruktur für integrierte Schaltung zu ermöglichen, um den thermischen Tintenstrahldruckkopf-Heizwiderständen Ansteuerstrom zuzuführen und ein Herstellungsverfahren für einen solchen thermischen Tintenstrahldruckkopf mit hoher Ausbeute zu erzielen. Diese Verbindungsstruktur ist einheitlich dazu angepaßt und konstruiert, gute elektrische Verbindungen mit federbelasteten Druckkontakten herzustellen, wie beispielsweise Finger oder Leitungen auf einer Leiterleiste einer flexiblen oder "Flex"-schaltung.
  • Die oben genannte Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 4 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
  • Die vom Anspruch 1 abhängigen Ansprüche 2 und 3 kennzeichnen vorteilhafte Weiterbildungen des in Anspruch 1 angegebenen Verfahrens. Die von Anspruch 4 abhängigen Ansprüche 5 und 6 kennzeichnen vorteilhafte Weiterbildungen des in Anspruch 4 gekennzeichneten Dünnfilmwiderstands-Druckkopfs und der Verbindungsstruktur. Durch das Verbindermetall wird eine verhältnismäßig große und flache elektrische Kontaktfläche für federbelastete Kontakte erzielt. Dadurch wird die elektrische Verbindung mit dem leitenden Linienmuster lediglich durch die verhältnismäßig kleine Fensteröffnung in der Sperrschicht hergestellt, wo die freigelegte Kantenfläche in der Sperrschicht und die freigelegte Fläche des leitenden Linienmustermaterials ein minimales Ausmaß haben.
  • Die oben geschilderten und weitere Vorteile, neue Merkmale und alternative Herstellungsverfahren der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung der beiliegenden Zeichnungsfiguren besser verständlich.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Fig. 1 bis 7 stellen im schematischen Querschnitt eine Folge von Dünnfilmwiderstandsherstellungsschritten dar, die bei der Fabrikation einer Druckkopfverbindungsstruktur gemäß der Erfindung verwendet werden.
  • Fig. 8 zeigt eine alternative Ausführungsart der Erfindung, wobei die Sperrschichten seitlich verlängert sind um einen Kantenbereich des darunterliegenden Aluminium-Linienmustermaterial für einen nachfolgenden Metallüberzug zu entblößen.
    • Bevorzugte Ausführungsart der Erfindung
  • Gemäß Fig. 1 wird auf einem Startsubstrat 10, wie z. B. Silizium entweder mittels thermischer Oxidation oder mittels Aufdampfung eine dünne Schicht 12 von Siliziumdioxid ausgebildet. Die Kombination des Siliziumsubstrats 10 mit der Schicht 12 aus Siliziumdioxid wird nachfolgend "Isoliersubstrat" genannt, auf dem eine nachfolgende Schicht 14 eines Widerstandsheizmaterials aufgebracht wird. Bevorzugt besteht die Schicht 14 auf Tantalaluminium TaAl, welches in der Technik der thermischen Tintenstrahldruckköpfe ein bekanntes Widerstandsheizmaterial ist. Dann wird eine dünne Aluminiumschicht 16 über der Tantalaluminiumschicht 14 abgeschieden, um den Aufbau der Fig. 1 zu vervollständigen.
  • Bei der oben für eine bevorzugte Ausführung der Erfindung beschriebenen Materialkombination hatte die Kombination der Silizium-Siliziumdioxid-Schichten 10 und 12 eine Dicke von etwa 600 um, die Tantalaluminiumschicht 14 war etwa 1000 dick und die aus Aluminium bestehende leitende Linienmusterschicht 16 war etwa 5000 dick. Die Widerstands- und Leitermaterialien werden durch Magnetronzerstäubung abgeschieden. Diese Materialkombination ist im Stand der Technik bekannt und beispielsweise im Hewlett-Packard-Journal, Band 36, Nr. 5, Mai 1985 beschrieben.
  • Nun wird gemäß Fig. 2 der dargestellte Aufbau geeignet maskiert und mit einem geeigneten Ätzmittel geätzt, um dadurch auf der rechten Seite des Isoliersubstrats die aus der Tantalaluminiumschicht 14 und der Aluminiumschicht 16 bestehende Verbundinsel 18 zu bilden. Wie weiter unten stehend näher beschrieben ist, wird die Insel 18 nur auf einem Bereich des Isoliersubstrats 10 und 12 ausgebildet, so daß eine Fläche auf der linken Seite des Substrats frei bleibt um eine gute elektrische Kontaktierung der zu beschreibenden Art auszuführen. Nachstehend wird gemäß Fig. 3 ein Muster in die Aluminiumschicht 16 geätzt und dadurch die Öffnung 20 gebildet, die die seitliche Ausdehnung eines Widerstandsheizelements 22, definiert das von der leitenden Aluminium-Linienmusterschicht 16 mit Strom versorgt wird.
  • Danach wird gemäß Fig. 4 über der oberen Oberfläche der in dieser Fig. gezeigten Struktur ein Verbund-Sperrschichtmaterial aufgebracht, das eine erste Schicht 24 aus Stickstoffsilizid aufweist, die von einer zweiten Schicht aus hochinertem Siliciumkarbid bedeckt ist. Dieses aus den Verbundschichten 24 und 26 bestehende Sperrschichtmaterial erzeugt sowohl eine gute Haftung an dem darunterliegenden Material und eine gute Isolation und einen Schutz gegen Kavitationsverschleiß und Tintenkorrosion, welcher die unter diesen Materialien 24 und 26 liegenden Schichten sonst während einem Tintenstrahldruckvorgang ausgesetzt wären.
  • Danach wird gemäß Fig. 5 durch Trockenätzung in der aus Stickstoffsilicid/Siliziumkarbid bestehenden Verbundsperrschicht ein verhältnismäßig kleines Fenster 28 mittels Freongas trocken geätzt, wodurch im leitenden Linienmuster Aluminimum eine kleine Fläche 30 für weitere elektrische Kontakte frei bleibt. Ein solcher Kontakt wird, wie Fig. 6 zeigt, hergestellt, wenn eine leitende Zuleitung hergestellt oder ein Überzugsmuster aus Leitern 32 und 34 durch Magnetronzerstäubung auf der Oberfläche von Fig. 5 abgeschieden werden, die sich von dem elektrischen Kontakt mit der verhältnismäßig kleinen Fläche 30 des leitenden Linienmustermaterials bis hinüber zur linken Seite der in Fig. 5 gezeigten Struktur und über das zuvor abgeschiedene Sperrschichtmaterial erstrecken. Zusammengenommen beträgt die Dicke der Gold- und Tantalschichten etwa 2 um.
  • Diese leitende Zuleitungs-Verbundstruktur weist eine erste Tantalschicht 32 und eine zweite Goldschicht 34 auf, die aufeinanderfolgend in der gezeigten geometrischen Konfiguration mittels üblicher Maskier- und Metallaufdampfverfahren abgeschieden werden. Auf diese Weise erstreckt sich der Bereich 36 auf der oberen Oberfläche der Goldschicht 34 in Fig. 6 über einen verhältnismäßig weiten und flachen Bereich der integrierten Struktur und liegt abseits von dem zuvor beschriebenen leitenden Aluminiumlinienmuster. Dieser Aufbau gestattet deshalb, daß ein Finger- oder Federleitungskontaktglied 38, welches ein Teil einer größeren (nicht gezeigten) Leiterleiste sein kann, in guten engen Druckkontakt mit dem Oberflächenbereich 36 der Goldschicht 34 gebracht werden kann, ohne irgendwelche nachteiligen Wirkungen auf die leitende Aluminiumlinienmusterschicht auszuüben. Eine solche größere Leiterleiste wird in größeren Einzelheiten in einer vom vorliegenden Anmelder angemeldeten anhängigen Anmeldung mit der Seriennummer (ID 186201) von Janet E. Mebane et al beschrieben.
  • Schließlich und natürlich vor dem Anbringen des federbelasteten Kontakts 38 wird in der in Fig. 7 gezeigten Geometrie ein aus Polymermaterial 40 bestehendes Oberflächenmuster bis zu einer Dicke von etwa 50 um ausgebildet. Dieses Polymermaterial ermöglicht eine Schutzschicht oder einen Schirm über dem Kontaktfenster 30 und über den elektrischen Kontaktschichten 32 und 34 die sich nach unten in Kontakt mit dem Kontaktfenster 30 erstrecken.
  • Es ist deutlich, daß zur abgekürzten Darstellung nur ein einzelner Heizwiderstand und ein einzelnes leitendes Linienmuster dafür dargestellt sind. Tatsächlich hat der Druckkopf tatsächlich viele solcher Widerstandsheizelemente, welche normalerweise symmetrisch in rechteckigen Mustern auf einer Fläche des Isoliersubstrats verteilt sind. Ausgehend von der oben beschriebenen Ausführungsart lassen sich verschiedene Veränderungen machen ohne vom Bereich der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise könnte man in Fig. 4 bei manchen Anwendungen vorziehen, Schichten 24 und 26 nur auf einem vorgegebenen Bereich des darunterliegenden Aluminiumlinienmustermaterials 20 aufzubringen. Dann würden die Tantal- und Goldschichten 32 und 34 über einem freiliegenden Kantenbereich des Linienmusteraluminiummaterials und nach unten und nach außen über die nun freiliegende Siliciumdioxidschicht 12 auf der linken Seite der Struktur abgeschieden werden.
  • Somit dient bei dieser veränderten Ausführungsart, wie sie Fig. 8 zeigt, die Tantal-Goldverbundschicht 32', 34' auf der nun freiliegenden linksseitigen SiO2-Schicht 12 als elektrische Kontaktfläche, die die obigen federbelasteten Leitungen oder dergleichen aufnimmt. Die Si&sub3;N&sub4;/Si C-Verbundschicht 24', 26' wird maskiert und geätzt um einen kleinen Kantenbereich des Linienmusteraluminiummaterial 16' freizulegen um die Tantalschicht 32' darauf zu empfangen, wie Fig. 8 zeigt. Außerdem entsteht gemäß Fig. 7 ein verhältnismäßig weiter Bereich auf der Oberfläche des Goldfilms 34' um den federbelasteten Leitungskontakt 38' aufzunehmen.
    • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Die vorliegende Erfindung wird bei der Herstellung von Druckköpfen für thermische Tintenstrahldrucker eingesetzt, die als Standardperipherie für eine Vielzahl von Computern und dergleichen dienen.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines Dünnfilmwiderstands- Druckkopfs, das aufweist:
a) Ausbildung einer Widerstandsschicht auf einem isolierenden Substrat sowie eines leitenden Linienmusters mit einer seitlichen Ausdehnung wie die der Widerstandsschicht, wobei in dem leitenden Linienmuster eine ein Widerstandsheizelement bildende Öffnung ausgebildet ist, und
b) Ausbildung einer isolierenden Sperrschicht über dem leitenden Linienmuster und Freilegen eines vorgegebenen Bereichs des leitenden Linienmusters, gekennzeichnet durch
c) Ausbilden eines metallischen Überzugsmusters, das sich von dem leitenden Linienmuster nach unten über und auf einen angrenzenden Bereich des isolierenden Substrats unter dem kein leitendes Linienmuster vorhanden ist, erstreckt, wodurch das Metall über dem angrenzenden Bereich des isolierenden Substrats eine verhältnismäßig große und flache elektrische Kontaktzone abgesetzt vom leitenden Linienmuster für federbelastete Kontakte und dergleichen bildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein kleiner Durchbruch in die Sperrschicht geätzt wird, in dessen Innerem das metallische Überzugsmuster in elektrischem Kontakt mit dem leitenden Linienmuster steht.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die Ausbildung einer isolierenden Sperrschicht enthält, deren Seitenabmessung geringer ist als die des leitenden Linienmusters, um dadurch eine Kante des leitenden Linienmusters freizulassen, um einen elektrischen Kontakt mit dem metallischen Überzugsmuster herzustellen.
4. Dünnfilmwiderstands-Druckkopf und Verbindungsstruktur, die in Kombination aufweisen:
a) eine Widerstandsschicht und ein leitendes Linienmuster, die mit derselben seitlichen Ausdehnung auf einem vorgegebenen Bereich eines isolierenden Substrats ausgebildet sind, wobei das leitende Linienmuster eine Öffnung hat, die ein Widerstandsheitselement definiert, und
b) eine isolierende Sperrschicht, die das leitende Linienmuster überdeckt und einen vorgegebenen Bereich des leitenden Linienmusters freiläßt, gekennzeichnet durch
c) eine metallische Überzugsschicht, die sich von dem leitenden Linienmuster nach unten über und auf einem angrenzenden Bereich des isolierenden Substrats erstreckt, unter dem kein leitendes Linienmuster vorhanden ist, wodurch das Metall über dem angrenzenden Bereich des isolierenden Substrats eine verhältnismäßig große und flache elektrische Kontaktzone zur Aufnahme federbelasteter Kontakte und dergleichen bildet.
5. Dünnfilmwiderstands-Druckkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Sperrschicht einen kleinen Durchbruch aufweist, welcher das leitende Linienmuster für die Verbindung mit dem metallischen Überzugsmuster freilegt.
6. Dünnfilmwiderstands-Druckkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Sperrschicht eine geringere Seitenabmessung als das leitende Linienmuster aufweist, wodurch ein Kantenbereich des leitenden Linienmusters frei bleibt, um elektrischen Kontakt mit dem metallischen Überzugsmuster herzustellen.
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