ITTO20000813A1

ITTO20000813A1 - Testina di stampa monolitica con scanalatura autoallineata e relativoprocesso di fabbricazione.

Info

Publication number: ITTO20000813A1
Application number: IT2000TO000813A
Authority: IT
Inventors: Renato Conta; Anna Merialdo
Original assignee: Olivetti Lexikon Spa
Priority date: 2000-08-23
Filing date: 2000-08-23
Publication date: 2002-02-23
Also published as: AU2001284408A1; WO2002016140A1; DE60126621T2; EP1311395A1; US6887393B2; ITTO20000813A0; US20040119774A1; ATE353763T1; DE60126621D1; IT1320599B1; US20030156161A1; US7066581B2; EP1311395B1

Description

Descrizione dell’invenzione industriale avente per titolo:

“Testina di stampa monolitica con scanalatura autoallineata e relativo processo di fabbricazione”,

TESTO DELLA DESCRIZIONE

Area tecnologica dell'invenzione - L'invenzione è relativa ad una testina di stampa utilizzata in una apparecchiatura per formare, attraverso successive scansioni, immagini in nero o a colori su un supporto di stampa, normalmente ma non esclusivamente un foglio di carta, mediante la tecnologia a getto di inchiostro del tipo termico, ed al relativo processo di fabbricazione.

Presupposti tecnici - Nella Fig. 1 è rappresentata una stampante a colori a getto di inchiostro con Tindicazione delle parti principali: una struttura fissa 41, un carrello di scansione 42, un encoder 44 ed un numero variabile di testine di stampa 40, monocromatiche o a colori.

La stampante può costituire un prodotto a sé stante, oppure essere parte di una fotocopiatrice, di un “plottef”, di una macchina fac- simile, di una macchina per la riproduzione di fotografie e simili. La stampa viene effettuata su un supporto fisico 46, costituito normalmente da un foglio di carta, oppure da un foglio di plastica, da tessuto o simili.

Nella stessa Fig. 1 sono riportati gli assi di riferimento:

asse x: orizzontale, parallelo alla direzione di scansione del carrello 42; asse y: verticale, parallelo alla direzione del moto del supporto 46 durante la funzione di interlinea; asse z: perpendicolare agli assi x e y, sostanzialmente parallelo alla direzione di emissione delle gocce di inchiostro.

In Fig. 2 viene rappresentata una vista assonometrica della testina di stampa 40 secondo l’arte nota, dove sono indicati degli ugelli 56, disposti generalmente su due colonne parallele all’asse y, ed una piastrina ugelli 106.

La costituzione ed il modo di funzionamento generale di una testina di stampa secondo la tecnologia del tipo termico, ed in particolare del tipo cosiddetto “top shooter”, cioè che emette le gocce di inchiostro in direzione perpendicolare al gruppo attuatore, sono già ampiamente noti nella tecnica, e pertanto non saranno qui descritti in dettaglio, mentre verranno descritte più in particolare soltanto alcune caratteristiche delle testine e del loro processo di fabbricazione rilevanti ai fini della comprensione della presente invenzione.

Nelle testine di stampa a getto di inchiostro la tecnologia attuale tende verso la realizzazione di un numero di ugelli per testina elevato (> 300), un’alta definizione (> 600 dpi), una frequenza di lavoro elevata (≥ 10 kHz) e verso una produzione di gocce più piccole (≤ 10 pi) rispetto a quelle delle tecnologie precedenti.

Queste esigenze richiedono di realizzare gli attuatoti ed i circuiti idraulici con dimensioni sempre minori, precisioni maggiori, tolleranze di montaggio ristrette, ed aggravano i problemi generati dai . diversi coefficienti di dilatazione termica fra i diversi materiali della testina.

Alle stesse testine viene richiesta inoltre un’elevata affidabilità, specialmente quando si prevede l’intercambiabilità del sérbatoio dell’inchiostro: la vita utile di queste testine, dette testine refill semifisse, è prossima alla vita delle stampanti.

Nasce pertanto la necessità di sviluppare e produrre testine monolitiche completamente integrate, nelle quali i condotti dell’inchiostro, la microelettronica di selezione, i resistori e gli ugelli sono integrati a livello del “wafer”.

L’ottenimento di questo risultato è favorito dalle piccole dimensioni delle gocce, che sono scese a volumi minori di 10 pi, e che richiedono energie di attuazione inferiori a 3 pj per attuatore.

Sono state proposte diverse soluzioni per realizzare testine con attuatore monolitico, come ad esempio quello descritto nella domanda di brevetto italiano TO 99A 000610 “Testina di stampa monolitica e relativo processo di fabbricazione’’.

In Fig. 3 è rappresentato, per mezzo di una vista assonometrica ed una sezione, un attuatore 80 monolitico comprendente:

un “die” 61 di materiale semiconduttore, solitamente Silicio;

- una struttura 75 realizzata con uno strato ad esempio di resina polymidica o epossidica, avente spessore preferibilmente compreso tra 20 e 50 pm;

- gli ugelli 56 disposti su due colonne parallele all’asse y.

Nella stessa figura viene inoltre ingrandita una sezione AA, parallela al piano z-x, che permette di evidenziare:

delle camere 57, disposte su due colonne parallele all’asse y;

- dei condotti 53;

- un substrato 140 di Silicio P;

- una scanalatura 45, avente la dimensione maggiore parallela all’asse y, e quindi alle colonne degli ugelli 56;

una lamina 64, che comprende a sua volta:

- uno strato diffuso 36 di Silicio N-well

- uno strato di isolamento 35 di Si02 LOCOS ;

- un resistere 27 di Tantalio/Alluminio avente spessore compreso tra 800 e 1200 A;

- uno strato 34 di Silicio policristallino;

- un contatto 37 di Silicio N+;

- un ”interlayer” 33 di BPSG;

- un ”interlayer” 32, costituito da uno strato di S1O2 TEOS;

- uno strato 30 di S13N4 e di SiC per la protezione dei resistori;

- dei canali 67;

- uno strato anticavitazione 26, costituito da uno strato di Tantalio ricoperto da uno strato di Oro;

- deirinchiostro 142; e

una goccia di inchiostro 5 1.

Secondo la domanda di brevetto citata, la scanalatura 45 viene ricavata in parte mediante una fase di “dry etching” ed in parte mediante una fase di “wet etching”, entrambe note agli esperti nell’arte. L’incisione “wet” avanza secondo piani geometrici definiti dagli assi cristallografici del Silicio, i quali impongono l’orientamento della stessa scanalatura 45 nel piano x-y. Per poter realizzare le colonne di ugelli 56 parallele alla scanalatura 45 diventa perciò necessario predisporre dei riferimenti accuratamente allineati con gli assi cristallografici del Silicio: con l’ausilio delle Figg. 4 e 5 viene descritta una procedura comunemente seguita a questo scopo.

Un “wafer” 66 avente forma circolare presenta comunemente un riferimento 65, detto “fiat” dagli esperti nell’arte, orientato perpendicolarmente ad uno degli assi cristallografici del Silicio, con un angolo di errore ε contenuto solitamente entro ± 1°. Un riferimento geometrico 63 viene costruito perpendicolarmente al fiat 65. La scanalatura 45, incisa mediante un processo “wet”, risulterà invece parallela all’asse cristallografico del Silicio, e quindi ruotata dell’angolo ε rispetto al riferimento geometrico 63. Se le colonne degli ugelli 56 venissero orientate parallelamente al riferimento geometrico 63, risulterebbero non parallele alla scanalatura 45, con pregiudizio della funzionalità della testina.

È pertanto necessario costruire un riferimento cristallografico 62 (Fig. 5) che risulti parallelo all’effettivo asse cristallografico del Silicio. Un modo per costruire tale riferimento è descritto ad esempio nell’articolo “Alignment of Mask Pattems to Crystal Orientatioh” di G. Ensell presentato alla 8th International Conference, On Solid-State Sensors and Actuators, Stoccolma, 25-29 giugno 1995.

A tale scopo vengono incise diverse tacche di prova 55, aventi forma circolare e disposte secondo un arco di cerchio con centro C. Successivamente si esegue un’incisione wet che, in corrispondenza di ciascuna tacca, produce una sottoincisione di forma quadrata avente i lati paralleli agli assi cristallografici del Silicio. Solamente i lati delle sottoincisioni di due tacche, indicate con a e b, risultano appartenere ad una stessa retta: l’asse cristallografico cercato è perpendicolare a quel " raggio r che congiunge un punto medio tra a e b con C, e viene reso visibile tracciando il riferimento cristallografico 62, parallelamente al quale vengono allineate le colonne dei resistori 27 e dei corrispondenti ugelli 56.

Il procedimento descritto permette di ridurre l’angolo di errore ε ad esempio entro ± 0,1°, ma risulta assai complesso. Esso richiede inoltre di allineare la maschera che definisce la scanalatura, che si trova necessariamente sulla faccia del wafer che contiene il riferimento cristallografico 62, con le maschere che definiscono le altre parti dell’attuatore, che si trovano sulla faccia opposta del wafer.

Sono stati perciò proposti dei metodi per mezzo dei quali è possibile incidere la scanalatura 45 in modo che questa si allinei automaticamente ad un riferimento desiderato, come ad esempio alle colonne degli ugelli 56, anche se l’asse cristallografico del Silicio ha un orientamento leggermente diverso. Uno di questi metodi è descrìtto ad esempio nell’articolo “A Thermal InkJet Prìnthead with a Monolitically Fabrìcated Nozzle Piate and Self-Aligned Ink Feed Hole” pubblicato sul Journal of Microelectromechanical Systems, Voi 8, N° 3, Settembre 1999, e viene qui sinteticamente descritto con l’ausilio della Fig. 6, dove un wafer di materiale semiconduttore viene mostrato in sezione. Sono indicati:

- un substrato 140 di Silicio P;

- uno strato di isolamento 35 di S1O2 LOCOS ;

- uno strato metallico 71, costituito ad esempio di Au;

- un contatto 37 di Silicio P+ avente lo scopo di migliorare il collegamento elettrico tra lo strato metallico 71 ed il substrato 140 di Silicio P; 9

- una diffusione N, 38

- un elettrolita 82; e

- un catodo 81, costituito di un materiale conduttore resistente all’elettrolita 82, ad esempio di Platino.

Applicando una tensione V tra il catodo 81 e lo strato metallico 71 fluisce un campo di corrente, indicato dalle linee di campo 52, che assume una forma definita con precisione dalla geometria dello strato di isolamento 35 di SÌO2 LOCOS e dal contatto 37 di Silicio P+. Il substrato , 140 di Silicio P viene inciso elettrochimicamente in corrispondenza delle linee di campo 52 fino a raggiungere lo strato metallico 71. Vengono così realizzate le scanalature elettrochimiche 68 (Fig. 7a) le quali, in vicinanza dello strato metallico 71 assumono la forma e Γ orientamento definiti con precisione dalla geometria dello strato di isolamento 35 e dal contatto 37 di Silicio P+, totalmente indipendenti daU’orientamento dell’asse cristallografico del Silicio.

L’incisione elettrochimica presenta inoltre il vantaggio di essere veloce (da 20 a 30 pm al minuto), molto più deirincisione wet anisotropa (da 0,5 a l pm al minuto) e dell’incisione dry ICP (da 5 a 10 pm al minuto).

Le scanalature elettrochimiche 68 presentano tuttavia dei' bordi molto arrotondati che ne aumentano la larghezza sul lato rivolto verso il catodo 81, che risulterà rivolto verso il serbatoio dell’inchiostro durante il funzionamento: quando le diverse scanalature 68 sono vicine tra loro, come avviene nelle testine a colori con elevato numero di ugelli, il Silicio compreso tra di esse risulta eccessivamente assottigliato, e non presenta più una superficie piana e complanare con i bordi del die, rendendo difficile una successiva operazione di sigillatura. Anche in una testina monocromatica, che presenta una sola scanalatura come si vede in Fig. 7b, i bordi del die risultano arrotondati rendendo difficile l’operazione di sigillatura.

Sommano dell’invenzione - Scopo della presente invenzione è quello di realizzare una testina monolitica nella quale le scanalature ' risultino autoallineate con precisione con le colonne dei resistori e degli ugelli.

Un altro scopo è quello di evitare il procedimento per ricavare il riferimento cristallografico.

Un ulteriore scopo è quello di evitare la procedura di allineamento di precisione con il riferimento cristallografico, ma di utilizzare solamente il riferimento geometrico.

Un ulteriore scopo è quello di realizzare tali scanalature con bordi ben definiti dal lato di alimentazione deH’inchiostro.

Un ulteriore scopo è quello di realizzare tali scanalature con bordi paralleli alle colonne di resistori.

Un ulteriore scopo è quello di realizzare tali scanalature con bordi aventi dimensioni contenute e precise dal lato di alimentazione dell’inchiostro.

Un ulteriore scopo è quello di realizzare tali scanalature senza assottigliare il Silicio interposto tra due di esse.

Un ulteriore scopo è quello di disporre di superfici piane e complanari tra le scanalature e sui bordi del die, che assicurino una corretta sigillatura senza richiedere un aumento delle dimensioni del die.

Un ulteriore scopo è quello di eseguire l’ultima fase dell’incisione della scanalatura in un tempo breve, prossimo alla durata delle altre fasi del processo di produzione, in modo da non rallentare il flusso produttivo o evitare l’uso in parallelo di numerose attrezzature onerose.

Un ulteriore scopo è quello di realizzare una prima porzione dell’incisione della scanalatura che permetta un immagazzinamento intermedio dei wafer semilavorati.

Questi ed altri scopi, caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno evidenti sulla base della seguente descrizione di una sua forma preferita di realizzazione, fatta a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento agli annessi disegni.

ELENCO DELLE FIGURE

Fig. 1 - Rappresenta una vista assonometrica di una stampante a getto di inchiostro;

Fig. 2 - rappresenta una assonometria di una testina a getto di inchiostro; Fig. 3 - rappresenta una assonometria ed una vista in sezione di un attuatore di una testina monolitica, secondo l’arte nota;

Fig. 4 - rappresenta un wafer di materiale semiconduttore, dotato di un fiat di orientamento;

Fig. 5 - rappresenta un wafer di materiale semiconduttore, nel quale sono state realizzate delle tacche di prova;

Fig. 6 - rappresenta una sezione di un wafer di materiale semiconduttore, nel quale viene eseguita una incisione elettrochimica secondo l’arte nota;

Fig. 7a - rappresenta la sezione del wafer di Fig. 6 come risulta al termine dell’incisione elettrochimica secondo l’arte nota;

Fig. 7b - rappresenta la sezione di un die monocromatico come risulta al termine dell’incisione elettrochimica secondo l’arte nota;

Fig. 8 - illustra il diagramma di flusso del processo di fabbricazione secondo l’invenzione;

Fig. 9 - illustra una sezione di un attuatore all’inizio del processo di fabbricazione secondo l’invenzione;

Fig. 10 - illustra una sezione dell’attuatore dopo la fase di incisione dry;

Fig. 11 - illustra una sezione dell’attuatore dopo la fase di incisione wet;

Fig. 12 - illustra una sezione dell’attuatore dopo la realizzazione di una struttura e di strati sacrificali;

Fig. 13 - illustra una sezione dell’attuatore predisposto per la fase di incisione elettrochimica;

Fig. 14 - illustra una sezione dell’attuatore durante la fase di incisione elettrochimica;

Fig. 15 - illustra ima sezione dell’attuatore finito;

Fig. 16 - illustra una sezione di un attuatore in una seconda forma di realizzazione;

Fig. 17 - illustra il diagramma di flusso di un processo di fabbricazione secondo una terza forma di realizzazione;

Fig. 18 - illustra una sezione dell’attuatore secondo la terza forma di realizzazione, dopo le fasi di incisione dry, di incisione wet e di realizzazione di una struttura e degli strati sacrificali;

Fig. 19 - illustra una sezione dell’attuatore secondo la terza forma di realizzazione dopo la fase di incisione elettrochimica;

Fig. 20 - illustra una sezione dell’attuatore finito secondo la terza forma di realizzazione;

Fig. 21 - rappresenta una sezione dell’attuatore secondo una quarta forma di realizzazione, dopo le fasi di incisione dry e wet, e di realizzazione degli strati sacrificali;

Fig. 22 - rappresenta una vista del die secondo la quarta forma di realizzazione;

Fig. 23 - rappresenta una sezione dell’attuatore finito secondo la quarta forma di realizzazione.

DESCRIZIONE DELLA FORMA PREFERITA Viene ora descritto il processo di fabbricazione di un attuatore monolitico per testina di stampa con scanalatura autoallineata con l’ausilio del diagramma di flusso di Fig. 8.

In un passo 200 si dispone del wafer 66 di Silicio, ima cui porzione è visibile in una sezione parallela al piano x-z nella Fig. 9, costituito dal substrato 140 di Silicio P avente uno spessore W ad esempio di 625 μιη, una resistività preferibilmente compresa tra 0, 1 e 0,2 Ω-m e orientato con assi cristallografici {100}. Il wafer 66 presenta una faccia superiore 170 ed una faccia inferiore 171, sulle quali vengono realizzati due strati 165 di S13N4 con tecnologia LPCVD (Low Pressure Chemical Vapour Deposition) nota agli esperti del settore, avente spessore preferibilmente compreso tra 1000 e 2000 À. Sopra gli strati 165 di Si3N4 vengono depositati due strati di protezione 166 di un fluoro-polimero, ad esempio Cytop della Asahi Glass Company, aventi uno spessore ad esempio di 2 jim.

D wafer 66 presenta inoltre il riferimento geometrico 63, visibile nella proiezione parallela al piano x-y.

In un passo 201 si depone uno strato 107 di fotoresist sulla faccia inferiore 171 del wafer, avente uno spessore compreso ad esempio tra 4 e 5 μιη.

In un passo 202, descritto ancora con Γ ausilio della Fig. 9, per mezzo di operazioni di esposizione e sviluppo che utilizzano una prima maschera non rappresentata in alcuna figura, nello strato 107 di fotoresist si ricava un’apertura rettangolare 73, avente una larghezza L parallela all’asse x e compresa ad esempio tra 400 e 600 μιη, ed una lunghezza M, parallela all’asse y e compresa solitamente tra 4 e 25 mm.

L’apertura rettangolare 73 viene allineata in modo che i suoi lati di lunghezza M risultino paralleli al riferimento geometrico 63.

In un passo 203, descritto con l’ausilio della Fig. 10, viene effettuata un’incisione per mezzo di una tecnologia di tipo “dry”, nota agli esperti nell’arte, dello strato di protezione 166, dello strato 165 di S13N4, e di una parte del substrato 140 di Silicio P fino ad una profondità K, ad esempio di 200 μιη, utilizzando come maschera l’apertura rettangolare 73, e utilizzando, per ciascuno strato, una apparecchiatura e un gas corrispondente, secondo una tecnologia nota agli esperti nell’arte.

Questa incisione, indicata con il numero 45’, presenta due pareti parallele al piano y-z e costituisce una prima parte della futura scanalatura 45, che in tal modo assume dimensioni delimitate e precise.

In un passo 205 viene continuata l’incisione della scanalatura 45’ per mezzo di una tecnologia di tipo “wet” che fa uso ad esempio di KOH o di TMAH, come è noto agli esperti nell’arte. L’incisione della scanalatura 45’ avanza secondo piani geometrici definiti dagli assi cristallografici del Silicio, come illustrato in Fig. 1 1, e forma perciò un angolo a = 54,7° rispetto all’asse x. Al termine dell’incisione wet la scanalatura 45’ raggiunge una profondità T, ad esempio di 400 μτη L’incisione di tipo “wet” attacca parzialmente anche le pareti parallele della precedente incisione “dry”, rendendole divergenti, e produce un “sottoattacco” sotto lo strato 165 di SÌ3N4, in seguito al quale risultano degli spigoli 110.

Poiché l’incisione wet della scanalatura 45’ avanza secondo piani geometrici definiti dagli assi cristallografici del Silicio, il fondo 111 della stessa scanalatura 45’ non risulta quasi mai perfettamente allineato con il riferimento geometrico 63, ma presenta in generale l’angolo di errore ε e conseguentemente un disallineamento D tra i suoi estremi, come si vede nella parte inferiore della Fig. 11 che rappresenta la scanalatura 45’ vista dalla faccia inferiore 171.

Q disallineamento D può facilmente assumere valori inaccettabili: se ad esempio la lunghezza M è uguale a mezzo pollice (12,7 mm) e l’angolo di errore ε è pari a 0,5°, si ricava:

Poiché i resistor! 27 sono collocati indicativamente a circa 100 pm dal fondo della scanalatura 45, un disallineamento D di 111 pm non è tollerabile.

In alternativa si può prevedere l’utilizzo di un wafer selezionato con l’errore ε contenuto ad esempio entro 0,25°. Mantenedo la lunghezza M uguale a 12,7 mm, si ottiene D = 55 pm, che è ancora inaccettabile.

Anche quando si realizza il riferimento cristallografico 62, che permette di ridurre l’errore ε ad esempio entro 0,1°, ma la lunghezza M è grande, ad esempio uguale a 1 pollice (25,4 mm), si ottiene un disallineamento ancora inaccettabile:

Gli spigoli 110 risultano invece allineati con il riferimento geometrico 63 parallelo alla colonna dei resistori 27, poiché così è stata allineata la prima maschera.

L’avanzamento dell’incisione wet è piuttosto lento (da 0,5 a 1 μιη al minuto), ma in questa fase ciò non costituisce un inconveniente, poiché si possono processare molti wafer contemporaneamente in un unico bagno, utilizzando un arresto del processo in funzione del tempo, non essendo critica la profondità T dell’incisione.

In un passo 206 vengono eliminati eventuali residui dello strato 107 di fotoresist e i due strati di protezione 166 di fluoro-polimero per mezzo di un processo noto di “plasma etching” ad esempio in Ossigeno.

In un passo 207 viene eliminato lo strato 165 di Si3N4 LPCVD sulla faccia inferiore 171 per mezzo di un “plasma etching” ad esempio in CF4. Lo strato 165 sulla faccia superiore 170 viene invece lasciato. In alternativa questo passo 207 può essere omesso.

In un passo 208 vengono realizzati gli strati indicati in Fig. 12: - uno strato 36 N-well, avente spessore preferibilmente compreso tra 2 e 5 pm;

- uno strato 167 di Si3N4 LPCVD sulla faccia inferiore 171, formatosi insieme ad uno strato analogo realizzato sulla faccia superiore 170, utilizzato come maschera e non visibile in figura perché successivamente eliminato;

- lo strato di isolamento 35 di Si02 avente spessore preferibilmente compreso tra 0,8 e 1,5 μιη, realizzato ad esempio per mezzo della tecnologia LOCOS, nota agli esperti del settore; questo strato presenta una finestra 122, avente una forma rettangolare, con il lato maggiore allineato con precisione parallelamente al riferimento geometrico 63, realizzata utilizzando come maschera lo strato di Si3N4 LPCVD sulla faccia superiore 170, successivamente eliminato;

- uno strato 37 di Silicio P+, avente spessore preferibilmente compreso tra 0,25 e 1 μιη, che occupa la finestra 122;

- i resistor! 27 di Tantalio/Alluminio;

- lo strato 30 di S13N4 e di SiC per la protezione dei resistori 27, avente spessore preferibilmente compreso tra 0,25 e 1 |im e realizzato per tecnologia PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) nota agli esperti nell’arte; e

- lo strato anticavitazione 26, costituito da uno strato di Tantalio avente spessore preferibilmente compreso tra 0,25 e 0,6 μπι. I diversi segmenti che compongono lo strato anticavitazione 26 possono essere interconnessi tra loro attraverso Γ intero wafer, in modo da formare un’unica superfìcie equipotenziale, come è stato descritto nella domanda di brevetto TO 99A 000987 “Testina di stampa monolitica con rete equipotenziale integrata e relativo metodo di fabbricazione”. In questo modo, durante le fasi della lavorazione che coinvolgono procedimenti elettrochimici, lo strato anticavitazione 26 può essere utilizzato come un elettrodo equipotenziale, semplicemente connettendo uno o alcuni dei suoi punti ad un potenziale desiderato. Lo strato anticavitazione 26 è interrotto con una apertura che comprende la finestra 122, ma è connesso elettricamente allo strato 37 di Silicio P+ per mezzo di “vias” conduttrici, non indicate in alcuna figura.

In un passo 210, ancora descritto con riferimento alla Fig. 12, vengono realizzati degli strati sacrificali 54, aventi spessore preferibilmente compreso tra 10 e 25 μιη, e costituiti preferibilmente di fotoresist positivo, ad esempio del tipo AZ 4903 della Hoechst oppure SPR 220 della Shipley;

In un passo 212 vengono realizzati dei calchi 156, aventi la forma dei futuri ugelli 56, preferibilmente tronco-conica, anch’essi costituiti preferibilmente di fotoresist positivo, ad esempio del tipo AZ 4903 della Hoechst oppure SPR 220 della Shipley. Le caratteristiche costruttive e la funzione dei calchi 156 sono descritte in dettaglio nella domanda di brevetto TO 2000A 000526 “Processo di fabbricazione di una testina di stampa monolitica con ugelli tronco-conici”.

I due passi 212 e 213 possono essere eseguiti con una sola stesura di fotoresist e una doppia esposizione.

In un passo 213 viene realizzata una struttura 75, che può essere composta di fotoresist negativo di tipo epossidico (ad esempio epon SU-8 della Micro Chemical Corporation) o polymidico (ad esempio Probimide 7020 della Olin Hunt).

In un passo 214 viene eliminato lo strato 167 di Si3N4 LPCVD formatosi sulla faccia inferiore 171 e airintemo della scanalatura 45’ durante il passo 207, con particolare attenzione all’eliminazione dal fondo 111.

In un passo 215, descritto con riferimento alla Fig. 13, il wafer viene montato su una apparecchiatura composta da un attrezzo di chiusura 112, ad esempio di teflon. Tra l’attrezzo di chiusura 112 e la faccia superiore 170 del wafer viene interposta una guarnizione toroidale 83, visibile in sezione. L’intero assemblaggio viene immerso nell’elettrolita 82, composto ad esempio di una soluzione in H2O di HNO3 e di HF. Nell’elettrolita 82 viene immerso il catodo 81, composto ad esempio di Platino.

In un passo 216, descritto ancora con riferimento alla Fig. 13, viene applicata la tensione continua V tra il catodo 81 e lo strato anticavitazione 26, con la polarità positiva su quest’ultimo. Si ricorda che lo strato anticavitazione 26 può formare un’unica superfìcie equipotenziale interconnessa attraverso l’intero wafer, e può perciò funzionare come un elettrodo equipotenziale, semplicemente connettendo uno o alcuni dei suoi punti alla polarità positiva di V. Lo strato anticavitazione 26 è inoltre connesso elettricamente allo strato 37 di Silicio P+.

Si stabilisce in tal modo un campo di corrente, indicato dalle linee di campo 52, che attraversa la scanalatura 45’ ed il substrato 140 di Silicio P, producendo un’incisione elettrochimica (“electrochemical etching”) del fondo 111, che viene progressivamente asportato fino al raggiungimento dello strato 37 di Silicio P+.

In un passo 217, descritto con riferimento alla Fig. 14, viene continuata l’incisione elettrochimica dello strato 37 di Silicio P+, fino a raggiungere la struttura 75 e gli strati sacrificali 54 che, essendo costituiti di materiale isolante, arrestano il processo.

In questo modo viene terminata l’incisione di una porzione finale 45” a completamento della scanalatura 45. La porzione finale 45” ha una profondità Q di circa 200 pm e viene incisa in circa 10 minuti; essa presenta ancora pareti convergenti, che formano in generale un angolo diverso da a.

Durante questo passo vengono parzialmente scavate anche le pareti della porzione 45’ della scanalatura, ma questo non altera la funzionalità della scanalatura 45. La faccia inferiore 171 e i bordi che questa forma con la scanalatura 45 non vengono scavati in modo apprezzabile, e rimane perciò inalterata la struttura di Silicio compresa tra scanalature adiacenti.

La forma e Γ orientamento della porzione finale 45” vengono definiti con esattezza dalla geometria dello strato 36 N-well, dello strato 37 di Silicio P+, che convoglia su se stesso il campo di corrente, e della finestra 122 nello strato 35 LOCOS. In questo modo la lunghezza, secondo l’asse y, della porzione finale 45” risulta esattamente allineata con il riferimento geometrico 63, non visibile in questa figura, e quindi con le colonne dei resistori 27 e dei corrispondenti ugelli 56, in modo del tutto indipendente dall’angolo di errore ε.

Quando lo strato 37 di Silicio P+ è quasi completamente eliminato, alcuni suoi residui possono rimanere separati elettricamente dalle “vias” di collegamento con lo strato anticavitazione 26, e quindi, non essendo più percorsi da corrente, non vengono eliminati dall’incisione elettrochimica. In questo caso può essere necessaria un’ulteriore incisione “wet” o "dry” per eliminare completamente ogni residuo dello strato 37 di Silicio P+.

In un passo 220, descritto con riferimento alla Fig. 15, viene effettuata l’asportazione dei calchi 156 e degli strati sacrificali 54 di fotoresist positivo per mezzo di un bagno in un solvente adeguato al fotoresist stesso e che non intacchi la struttura 75. D ricambio del solvente è eventualmente favorito da una agitazione a ultrasuoni o da un getto a spruzzo. Al termine di questa operazione si ottengono gli ugelli 56, la forma dei quali ricopia esattamente i calchi 156, come descritto nella citata domanda di brevetto italiano TO 2000A 000526, e si ottengono inoltre i condotti 53 e le camere 57, la forma dei quali ricalca esattamente gli strati sacrificali 54.

In un passo 224 viene eseguito il taglio del wafer 60 nei singoli die 61 per mezzo di una mola diamantata, non indicata in alcuna figura.

In un passo 225 vengono infine eseguite le operazioni di finitura, note a chi è esperto nell’arte.

2a forma di realizzazione - Questa forma di realizzazione viene descritta facendo ancora riferimento al diagramma di flusso di Fig. 8. Essa prevede l’esecuzione degli stessi passi già descritti per la forma preferita di realizzazione, con l’esclusione del passo 205, incisione “wet” delle pareti oblique della scanalatura 45.

In questo modo, all’inizio del passo 216, incisione elettrochimica del substrato di Silicio P, sulla faccia inferiore 171 è presente solamente la scanalatura “dry” avente una profondità K ad esempio di 200 μπι, come indicato in Fig. 16. L’incisione elettrochimica deve perciò procedere per una profondità R ad esempio di 400 μπι, ed ha una durata ad esempio di 20 minuti.

3a forma di realizzazione - Questa forma di realizzazione viene descritta con l’aiuto del diagramma di flusso di Fig. 17, che differisce dall’analogo diagramma di flusso di Fig. 8 poiché il passo 210 viene sostituito da un passo 21 1, il passo 217 viene sostituito da un passo 218, ed il passo 220 viene sostituito dai passi 221 e 222. Nella Fig. 17 i nuovi passi sono evidenziati in grassetto.

Nel passo 211 vengono realizzati degli strati sacrificali 54’ costituiti di metallo, ad esempio Rame; in questa fase della lavorazione la sezione di un die si presenta come illustrato in Fig. 18.

Gli strati sacrificali 54’ hanno uno spessore preferibilmente compreso tra 10 e 25 μιη, e sono realizzati mediante un processo di accrescimento elettrochimico come quello descritto nella citata domanda di brevetto italiano TO 99A 000610. L’accrescimento elettrochimico può utilizzare come elettrodo lo strato anticavitazione 26, come descritto in dettaglio nella citata domanda di brevetto italiano TO 99A 000987. Come stampo per l’accrescimento degli strati sacrificali metallici 54’ viene utilizzato uno strato superiore 151 di fotoresist.

In Fig. 18 è ancora visibile lo strato 37 di Silicio P+, che con la propria forma determinerà la forma della porzione finale 45” della scanalatura 45.

Lo strato anticavitazione 26 può funzionare come un elettrodo equipotenziale, connettendo uno o alcuni dei suoi punti alla polarità positiva di V, poiché forma un’unica superfìcie equipotenziale interconnessa attraverso l’intero wafer, ed è inoltre connesso elettricamente allo strato 37 di Silicio P+.

In questa forma di realizzazione lo strato anticavitazione 26 presenta una finestra coincidente con la finestra 122 nello strato di isolamento 35 di S1O2 LOCOS, ed è inoltre ricoperto da uno strato di Oro avente spessore preferibilmente compreso tra 100 e 200 A, non visibile in alcuna figura, avente la funzione di “seed layef” per gli strati sacrificali metallici 54’, come descritto nella citata domanda di brevetto italiano TO 99A 000610.

Nella parte inferiore della Fig. 18 gli strati sacrificali metallici 54’ sono visibili secondo il piano x-y: essi presentano delle protuberanze 76 in contatto con lo strato 37 di Silicio P+, ottenute in parte sfruttando il fenomeno dell’accrescimento laterale degli strati sacrificali metallici 54’, noto agli esperti nell’arte.

Vengono poi eseguiti i passi 212, 213, 214, 215 e 216 già descritti. Nel passo 218 viene continuata l’incisione elettrochimica dello strato 37 di Silicio P+, fino a raggiungere la struttura 75 e gli strati sacrificali 54’. Questi ultimi, essendo costituiti di materiale conduttore, non arrestano automaticamente il processo e vengono incisi a loro volta: questo non crea alcun inconveniente poiché gli strati sacrificali 54’ veuanno comunque eliminati in una successiva fase del processo, ma richiede di predisporre un arresto, ad esempio a tempo, dell’incisione elettrochimica. Al termine di questo passo il die in lavorazione si presenta come illustrato nelle sezioni di Fig. 19.

Può essere necessaria un’ulteriore incisione “wet” o “dry” per eliminare completamente ogni residuo dello strato 37 di Silicio P+.

Nel passo 221, descritto con riferimento alla Fig. 20, viene effettuata l’asportazione dei calchi 156 di fotoresist positivo per mezzo di un bagno in un solvente adeguato al fotoresist stesso e che non intacchi la struttura 75. Al termine di questa operazione si ottengono gli ugelli 56, la forma dei quali ricopia esattamente i calchi 156, come descritto nella citata domanda di brevetto italiano TO 2000A 000526.

Nel passo 222, descritto ancora con riferimento alla Fig. 20, vengono asportati gli strati sacrificali metallici 54’ con un attacco chimico effettuato ad esempio per mezzo di una soluzione di HC1 e di HN03. Al termine di questa operazione si ottengono i condotti 53, la forma dei quali ricalca esattamente le protuberanze 76, e le camere 57, la forma delle quali ricalca esattamente la parte rimanente dello strato sacrificale 54’. Questa operazione è descritta in dettaglio nella citata domanda di brevetto italiano TO 99A 000610 e, in alternativa, può essere effettuata per mezzo di un attacco elettrochimico che utilizza come elettrodo lo strato anticavitazione 26, come descritto in dettaglio nella citata domanda di brevetto italiano TO 99A 000987.

Vengono infine eseguiti i passi 224 e 225, già descritti.

4a forma di realizzazione - Questa forma può essere realizzata sia eseguendo il processo corrispondente al diagramma di flusso di Fig. 8 secondo cui vengono accresciuti gli strati sacrificali 54 di fotopolimero, sia eseguendo il processo corrispondente al diagramma di flusso di Fig. 17 secondo cui vengono accresciuti gli strati sacrificali metallici 54’. Essa viene descritta con riferimento alla Fig. 21, nella quale sono indicati, come esempio, gli strati sacrificali metallici 54’.

Secondo questa forma lo strato di Tantalio-Alluminio, che viene comunque depositato per realizzare i resistori 27, viene esteso anche in corrispondenza del contatto 37 P+, dove viene indicato come 27’, per assicurare un migliore contatto ohmico con lo stesso contatto 37 P+.

In Fig. 21 vengono evidenziate una prima metal 25 ed una seconda metal 31, già presenti ma non descritte nelle precedenti forme di realizzazione, costituite ad esempio di uno strato di Alluminio avente uno spessore di 0,5 jum. La prima metal 25 ha lo scopo di collegare i resistori 27 con i relativi circuiti di comando, e questi con i circuiti logici. La seconda metal 3 1 interconnette i circuiti di potenza all’interno del die e connette i circuiti del die con le piazzole di saldatura, non indicate in alcuna figura.

In questa forma di realizzazione le due metal 25 e 31, oppure una sola di esse, vengono estese a ricoprire lo strato 27’ di Tantalio-Alluminio in corrispondenza del contatto 37 P+. In tal modo si realizza uno strato avente una bassa resistività elettrica, ad esempio di 25 πιΩ/D, che è circa un millesimo della resistività del contatto 37 P+, che può essere, ad esempio, di 25 Ω/D. Questo migliora runifoimità del potenziale tra tutti i contatti 37 P+ e all’interno dei contatti stessi, e rende perciò più regolare l’incisione degli stessi contatti 37 P+.

11 passo 217, incisione elettrochimica del contatto 37 P+, viene continuato fino ad asportare buona parte dell’Alluminio delle due metal 25 e 3 1, assicurando così la completa eliminazione del contatto 37 P+. L’Alluminio residuo viene poi asportato per mezzo di un attacco chimico specifico.

In Fig. 22 viene mostrato il die 61 proiettato sul piano x-y. È visibile la seconda metal 31 che si estende fino a sovrapporsi allo strato anticavitazione 26 alle due estremità del die. Nelle zone di sovrapposizione si realizzano, senza aggiungere alcun passo nel processo, uno o più contatti elettrici 123 tra la seconda metal 31 e lo strato anticavitazione 26 che assicurano il transito delle correnti necessarie durante le asportazioni e gli accrescimenti elettrochimici, ed evitano la realizzazione di altre “vias”. Le due metal 25 e 31 assicurano l’equipotenzialità attraverso l’intero die 61.

In alternativa il contatto con lo strato 26 può essere effettuato per mezzo della prima metal 25.

Nel caso in cui si esegua il processo corrispondente al diagramma di flusso di Fig. 17 secondo cui vengono accresciuti gli strati sacrificali metallici 54’, la presenza delle due metal 25 e 31 in corrispondenza del contatto 37 P+ presenta un ulteriore vantaggio. Infatti, durante il passo 211, realizzazione degli strati sacrificali metallici 54’, le protuberanze 76 vengono ottenute per accrescimento verticale dovuto all’effetto elettrochimico del passaggio della corrente attraverso la prima metal 25 e la seconda metal 31 opportunamente attivata in superfice, e non per accrescimento laterale: le protuberanze 76 possono perciò assumere con precisione qualunque forma e dimensione progettate, senza le limitazioni intrinseche dell’accrescimento laterale.

In Fig. 23 è infine visibile una sezione parallela al piano x-z dell’attuatore finito.

Fermo restando il principio della presente invenzione, i particolari realizzativi e le forme di attuazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato, senza per questo uscire dall’ambito dell’invenzione stessa.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Testina di stampa termica (40) a getto di inchiostro comprendente degli ugelli (56), delle camere (57) comprendenti a loro volta dei resistori 27, e una scanalatura (45), ricavata in un substrato (140), atta a condurre fluidicamente dell’inchiostro (142) a dette camere (57) caratterizzata dal fatto che detta scanalatura (45) comprende una prima porzione (45’) realizzata per mezzo di una incisione “dry”, ed una seconda porzione (45”) realizzata per mezzo di una incisione elettrochimica.
2. Testina di stampa secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto substrato (140) è costituito da Silicio.
3. Testina di stampa secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che detti ugelli (56) e detti resistori (27) sono disposti secondo colonne parallele ad uno stesso riferimento geometrico (63).
4. Testina di stampa secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che detta prima porzione (45’) di detta scanalatura (45) ha una forma sostanzialmente rettangolare avente un lato maggiore parallelo a detto riferimento geometrico (63).
5. Testina di stampa secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che detta seconda porzione (45”) di detta scanalatura (45) ha una forma sostanzialmente rettangolare avente un lato maggiore parallelo a detto riferimento geometrico (63).
6. Testina di stampa secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che detta prima porzione (45’) di detta scanalatura (45) comprende inoltre una incisione “wet” avente una forma sostanzialmente rettangolare avente un lato maggiore parallelo ad un asse cristallografico di detto Silicio che costituisce detto substrato (140), e che detto asse cristallografico può non essere parallelo a detto riferimento geometrico (63).
7. Testina di stampa secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che comprende inoltre uno strato (36) N-well.
8. Testina di stampa secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che comprende inoltre uno strato (37) P+.
9. Testina di stampa secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che comprende inoltre uno strato anticavitazione (26) di materiale elettricamente conduttore.
10. Testina di stampa secondo la rivendicazione 9, caratterizzata dal fatto che detto strato anticavitazione (26) di materiale elettricamente conduttore forma un’unica superfìcie equipotenziale attraverso detta testina (40).
11. Testina di stampa secondo la rivendicazione 9, caratterizzata dal fatto che detto strato anticavitazione (26) è costituito di Tantalio.
12. Testina di stampa secondo la rivendicazione 11, caratterizzata dal fatto che detto strato anticavitazione (26) di Tantalio ha spessore compreso tra 0,4 e 0,6 μιη.
13. Testina di stampa secondo la rivendicazione 9, caratterizzata dal fatto che detto strato anticavitazione (26) è ricoperto da uno strato di Oro.
14. Testina di stampa secondo la rivendicazione 13, caratterizzata dal fatto che detto strato di Oro ha spessore compreso tra 100 e 200 A.
15. Testina di stampa secondo la rivendicazione 9, caratterizzata dal fatto che comprende inoltre una prima metal (25) o una seconda metal (31) e che detta prima metal (25) o detta seconda metal (31) forma uno o più contatti elettrici con detto strato anticavitazione 26.
16. Processo per la fabbricazione di una testina di stampa termica (40) a getto di inchiostro comprendente degli ugelli (56), delle camere (57) e una scanalatura (45) atta a condurre fluidicamente dell’inchiostro (142) a dette camere (57), comprendente le fasi di: - (200) disporre di un wafer (66) contenente un riferimento geometrico (63), ed avente una faccia superiore (170) ed una faccia inferiore (171). caratterizzato dal fatto che comprende inoltre la fase di: (203) realizzare una prima porzione (45’) di detta scanalatura (45) per mezzo di una incisione “dry” su detta faccia inferiore (171), e (216) realizzare una seconda porzione (45”) di detta scanalatura (45) per mezzo di una incisione elettrochimica.
17. Processo secondo la rivendicazione 16, caratterizzato dal fatto che comprende inoltre la fase di: - (205) realizzare delle pareti oblique in detta prima porzione (45’) di detta scanalatura (45) per mezzo di una incisione “wet”.
18. Processo secondo la rivendicazione 16, caratterizzato dal fatto che comprende inoltre la fase di: - (208) realizzare uno strato (36) N-well su detta faccia superiore (170); - realizzare uno contatto (37) P+ su detta faccia superiore (170); - realizzare uno strato anticavitazione (26) di materiale elettricamente conduttore su detta faccia superiore (170);
19. Processo secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che detta fase di (216) realizzare detta seconda porzione (45”) di detta scanalatura (45) per mezzo di detta incisione elettrochimica utilizza come elettrodo detto strato anticavitazione (26) di materiale elettricamente conduttore.
20. Processo secondo la rivendicazione 16, caratterizzato dal fatto che comprende inoltre le fasi di: - (210) accrescere degli strati sacrificali (54) su detta faccia superiore (170); (212) accrescere dei calchi (156) su detti strati sacrificali (54); - (220) asportare detti calchi (156) e detti strati sacrificali (54).
21. Processo secondo la rivendicazione 20, caratterizzato dal fatto che detta fase di (210) accrescere degli strati sacrificali (54) su detta faccia superiore (170) è sostituita da ima fase di - (211) accrescere degli strati sacrificali metallici (54’) su detta faccia superiore (170); e detta fase di (220) asportare detti calchi (156) e detti strati sacrificali (54) è sostituita dalle fasi di: - (221) asportare detti calchi (156); e - (222) asportare detti strati sacrificali (54’).
22. Processo secondo la rivendicazione 21, caratterizzato dal fatto che detta fase di (211), accrescere degli strati sacrificali metallici (54’) su detta faccia superiore (170), comprende inoltre una fase di accrescere delle protuberanze (76) utilizzando almeno in parte un fenomeno di accrescimento laterale.
23. Processo secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che comprende inoltre una fase di accrescere una prima metal (25) o una seconda metal (31), e che detto strato anticavitazione (26) e detta prima metal (25) o detta seconda metal (31) vengono estesi in corrispondenza di detto contatto (37) P+.
24. Processo secondo la rivendicazione 23, caratterizzato dal fatto che comprende inoltre una fase di (211) accrescere degli strati sacrificali metallici (54’) su detta faccia superiore (170) e una fase di accrescere delle protuberanze (76) utilizzando un fenomeno di accrescimento verticale.