DE3906484A1

DE3906484A1 - Thermodruckerkopf

Info

Publication number: DE3906484A1
Application number: DE19893906484
Authority: DE
Inventors: Karl-Ulrich Dr Stein
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1989-03-01
Filing date: 1989-03-01
Publication date: 1990-09-20

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Thermodruckerkopf mit mehreren auf einem einzigen Substrat angeordneten Heizelementen, die von auf dem gleichen Substrat angeordneten Leistungstransis toren angesteuert werden.

Ein solcher Thermodruckerkopf ist zum Beispiel im Tagungsband der IEEE International Solid-State Circuits Conference vom 19. Februar 1988, Seiten 266, 267, 400, 401 beschrieben worden. Die Heizelemente, die den Stromfluß durch das Heizelement steuernden Transistoren und die Leitungen sind auf einem Quarzsubstrat angeordnet. Quarz hat eine relativ geringe thermische Leitfähig keit, so daß die vom Heizelement erzeugte Wärme nur zum geringen Teil durch das Substrat abfließt. Ein großer Teil der erzeugten Wärme steht damit für den Thermodruck zur Verfügung. Die zur Steuerung der Heizelemente verwendeten Transistoren sind auf poly kristallinem Silizium aufgebaute Dünnfilmtransistoren.

Der Aufbau auf einem Quarzsubstrat und die Herstellung der Dünn filmtransistoren erfordern eine spezielle, bis jetzt noch nicht ohne weiteres beherrschbare Prozeßtechnik.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Thermodrucker kopf der erwähnten Gattung derart weiterzubilden, daß er mit ei ner Prozeßtechnik hergestellt werden kann, die für Leistungs- MOSFET entwickelt wurde und sich dort bewährt hat.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Substrat 1 monokristal lines Silizium ist und daß das Substrat auf der Rückseite unter jedem der Heizelemente eine den vertikalen Wärmeabfluß vermindern de Vertiefung 12 hat.

Besonders geeignet als Transistoren sind vertikale MOSFET, die auf dem Substrat mit komplementären lateralen MOS-Transistoren zu einem Leistungs-IC zusammengefaßt werden können.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen mit Vertikal- MOSFET in Verbindung mit den Fig. 1 bis 5 näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 den Schnitt durch einen Thermodruckerkopf

Fig. 2 und 3 zwei Ausführungsformen der unter dem Heizelement vorgesehenen Vertiefungen

Fig. 4 ein schematisches Layout eines Thermodruckerkopfes und

Fig. 5 eine Schnittdarstellung entlang der Linie V-V gemäß Fig. 4.

Der Thermodruckerkopf nach Fig. 1 ist auf einem Substrat 1 aufge baut, das aus monokristallinem Silizium besteht. Im Substrat ist eine Gatezone 5 planar eingebettet. In der Gatezone 5 ist eine Sourcezone 6 ebenfalls planar eingebettet. Die Zonen 5, 6 können in bekannter Weise z. B. durch Ionenimplantation mit anschließender Eindiffusion erzeugt werden. Der unverändert gebliebene Teil des Substrats 1 bildet die Drainzone 4 für einen Vertikal-MOSFET 20. Die obere Oberfläche 2 des Substrats 1 ist mit einer dünnen Schicht Siliziumdioxid bedeckt, die das Gateoxid 3 bildet. Die Leitungs typen von der Sourcezone zur Drainzone können z. B. npn sein.

Ein Teil der an die Oberfläche 2 des Substrats tretenden Gate zone 5 ist mit einer Gateelektrode 7 bedeckt, die durch das Gate oxid 3 gegen die Oberfläche 2 elektrisch isoliert ist. Die Gate elektrode besteht üblicherweise aus dotiertem polykristallinem Silizium.

Das Gateoxid 3 und die Gateelektrode 7 ist mit einer Silizium dioxidschicht 8 bedeckt. Beim MOSFET 20 ist das Feldoxid mit ei ner Öffnung 9 versehen, durch die ein Teil der Gatezone 5 und ein Teil der Sourcezone 6 an die Oberfläche tritt. In der Nähe des rechten Randes des Substrats 1 wird auf die Oxidschicht 8 eine dotierte Polysiliziumschicht 10 aufgebracht. Diese Schicht kann entweder ganz auf dem Feldoxid liegen oder durch eine in der Oxidschicht 8 angebrachte Öffnung bis zur Oberfläche des Gateoxids 3 reichen. Die Schicht 10 bildet das Heizelement 21.

Auf der Oxidschicht 8 ist eine Metallschicht 11 aufgebracht, die den Sourceanschluß bildet. Die Metallschicht 11 kontaktiert einer seits die Sourcezone 6 und die Gatezone 5 in der Öffnung 9 und andererseits die Polysiliziumschicht 10.

Da monokristallines Silizium eine relativ hohe thermische Leit fähigkeit hat, ist das Substrat 1 unter dem Heizelement 21 mit einer Vertiefung 12 versehen, die den vertikalen Wärmeabfluß in das Substrat verringert. Diese Vertiefung wird z. B. durch Ätzen hergestellt, wie es aus der Technik der Halbleiter-Druck sensoren bekannt ist. Der Abstand d zwischen dem Boden der Ver tiefung und der oberen Oberfläche 2 des Substrats 1 kann zwi schen einigen 10 und einigen 100 µm liegen.

Die Vertiefung 12 kann, wie in Fig. 2 dargestellt, allen Heizele menten 21 gemeinsam sein und einen Graben bilden. Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität empfiehlt es sich jedoch, die Vertie fungen 12 derart auszuführen, daß zwischen ihnen ein Steg 18 stehenbleibt (Fig. 3) .

Zur Verbesserung der mechanischen Stabilität können die Vertie fungen oder der Graben mit einem Material 14 gefüllt werden, das eine geringere thermische Leitfähigkeit als das monokristalline Silizium hat. Dieses Material kann z. B. ein als Fritte eingebrach tes Weichglas, ein Glaslot oder Kapton sein. Unter Umständen kann es auch ausreichen, auf dem Boden der Vertiefung eine Schicht SiO₂ abzuscheiden. Diese Schicht wird zweckmäßigerweise durch den gleichen Prozeß abgeschieden, durch den die Schicht 8 erzeugt wird. Die Rückseite des Substrats 1 ist mit einer Drainelektrode 15 versehen, die ihrerseits mit einem metallenen Träger 16 ver klebt oder verlötet werden kann.

Wird an den MOSFET 20 über die Metallschicht 11 und über einen Anschluß 23 (Fig. 4) sowie über die Drainelektrode 15 eine Drain- Sourcespannung und an die Gateelektrode 7 Gatespannung angelegt, so fließt ein Strom von 23 über das Heizelement 21, durch den MOSFET 20 zum Träger 16. Das Heizelement 21 wird damit aufge heizt.

Ein Thermodruckerkopf weist im allgemeinen senkrecht zur Papier vorschubrichtung gesehen nebeneinander eine Anzahl von Heizele menten auf, die der Anzahl der zu druckenden Punkte (Dots) ent spricht. Aufgrund der Eigenheiten des Thermodrucks ist die zum Aufheizen eines Heizelementes benötigte Zeit im allgemeinen sehr viel kürzer als diejenige Zeit, die die Wärme auf das zu bedrucken de Medium einwirken muß (Transferzeit). Es ist daher möglich, die aus Heizelementen 21 bestehende Zeile in mehrere Gruppen A, B...N (Fig. 4) mit jeweils einer Anzahl von Heizelementen aufzu teilen, die im Zeitmultiplex angesteuert werden. Der Thermodrucker kopf ist hierzu mit Spaltenleitungen a, b...n versehen, deren Anzahl sich nach der Anzahl der Heizelemente 21 in einer der Gruppen richtet. Innerhalb einer der Gruppen A, B...N sind die Leitungen 25 der Heizelemente 21 zusammengefaßt und mit den Anschlüssen 23 A, 23 B...23 N verbunden. Die Zeilenleitungen a, b...n sind ihrerseits mit je einer Gateleitung 22 einer der MOSFET 20 verbunden. Durch serielles Ansteuern der Anschlüsse 23 A, 23 B...23 N und Auswahl der Spaltenleitungen a, b...n wer den die entsprechenden Heizelemente 21 einer Dot-Zeile angesteuert. Nach Vorschub um eine Teilung kann dann die nächste Dot-Zeile wiederum im Zeitmultiplex gedruckt werden.

Die sich nach Fig. 4 ergebenden Kreuzungen zwischen Gateleitungen 22 mit den Spaltenleitungen a, b...n einerseits und die sich er gebenden Kreuzungen zwischen den Spalteleitungen mit den Source leitungen andererseits können durch eine Schichtenfolge Aluminium- SiO₂-Polysilizium hergestellt werden. Dies ist in Fig. 5 darge stellt. Hierbei ist mit 8 wiederum die Oxidschicht, mit 3 das Gateoxid und mit 22 die polykristalline Gateleitung bezeichnet. Die Gateleitung 22 kontaktiert hier die Spaltenleitung b, gegen die Spaltenleitung a ist sie durch die Oxidschicht 8 elektrisch isoliert. Auf gleiche Weise können die in Fig. 4 dargestellten Kreuzungen zwischen den Spaltenleitungen und den zu den Anschlüs sen 23 A, 23 B...23 N gehörenden Leitungen 25 A, 25 B...23 N durch Polysiliziumbrücken 24 hergestellt werden.

Der Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß der Thermo druckerkopf durch bekannte, bei der Herstellung von Leistungs- Vertikal-MOSFET benutzte Prozeßschritte hergestellt werden kann. Eine Sondertechnologie ist nicht notwendig. Auf eine de taillierte Erläuterung der Herstellung konnte daher verzichtet werden.

Die Heizelemente können mit geringem technischen Mehraufwand an statt aus polykristallinem Silizium auch aus einem wärme- und abriebfesten Metall, z. B. aus Molybdän hergestellt werden.

Anstelle der beschriebenen Vertikal-MOSFET können auch vertikale bipolare Leistungstransistoren verwendet werden. Die Herstellung solcher Transistoren ist ebenfalls bekannt.

Die erwähnten Leistungstransistoren werden jeweils zweckmäßiger weise mit auf dem Substrat integrierten komplementären lateralen Transistoren zu einem Leistungs-IC zusammengefaßt. Jedes Leistungs- IC steuert dann ein Heizelement. Solche Leistungs-IC sind an sich ebenfalls bekannt und werden in der Praxis bereits einge setzt.

Claims

1. Thermodruckerkopf mit mehreren auf einem einzigen Substrat angeordneten Heizelementen, die von auf dem gleichen Substrat angeordneten Leistungstransistoren angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) monokristallines Silizium ist und daß das Substrat auf der Rückseite unter jedem der Heizelemente (21) eine den vertikalen Wärmeabfluß vermindernde Vertiefung (12) hat.

2. Thermodruckerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transis toren in das Substrat integrierte vertikale MOSFET (20) sind.

3. Thermodruckerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transis toren in das Substrat integrierte Bipolartransistoren sind.

4. Thermodruckerkopf nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Heiz element (21) mit dem Sourceanschluß eines MOSFET (20) verbunden ist und daß die Drainzonen aller MOSFET durch eine allen MOSFET gemeinsame Zone (4) des Substrats (1) gebildet sind.

5. Thermodruckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertie fungen (12) auf der Rückseite des Substrats (1) zusammen mindes tens einen einzigen Graben bilden.

6. Thermodruckerkopf nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertie fungen (12) mit einem Material (14) gefüllt sind, das eine ge ringere thermische Leitfähigkeit als monokristallines Silizium hat.

7. Thermodruckerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate elektroden (7) der MOSFET, die Heizelemente (21) und die Gatelei tungen (22) der MOSFET aus dotiertem, polykristallinem Silizium bestehen.

8. Thermodruckerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sourcezo nen (6) und die Heizelemente durch eine aus Aluminium bestehende Metallschicht (11) elektrisch miteinander verbunden sind.

9. Thermodruckerkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat (1) mit den Gateleitungen (22) verbundene, aus Aluminium bestehende Spaltenleitungen (a, b...n) angeordnet sind.

10. Thermodrucker nach mindestens einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß aus Alumi nium und polykristallinem Silizium bestehend Leitungen an Kreu zungen zwischen beiden durch Siliziumdioxid SIO₂ gegeneinander isoliert sind.

11. Thermodrucker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transis toren Teil einer auf dem Substrat (1) integrierten Schaltung sind.

12. Thermodrucker nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die inte grierte Schaltung die Heizelemente (10) nach vorgegebenen ex ternen Signalen auswählt und die Dauer des durch die Heizelemen te fließenden Stromes einstellt.