CN100381288C - 喷墨头芯片结构的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种喷墨头芯片结构的制造方法，在制作薄层间绝缘层以降低产生气泡的功率的需要下，分次制作层间绝缘层上方的覆盖保护层与第二导电层，利用不同定义方式分别定义出覆盖保护层与第二导电层，且两者是选择不同的材料来形成，同时其各自的定义方式对于所定义的覆盖保护层与第二导电层具有单一选择性(with high selectivity)，不会在定义过程中伤害到其它的部分或是产生过蚀(overetch)的情形。

Description

喷墨头芯片结构的制造方法

技术领域

本发明涉及一种喷墨头芯片结构的制造方法，特别涉及一种用于低喷墨功率的喷墨头芯片结构的制造方法。

背景技术

由于喷墨打印机的打印技术不断突破创新，对于打印品质和分辨率等方面的要求不断提高。墨滴的尺寸越小可达到越高的打印分辨率，但是在相同条件下，分辨率提高，打印速度也随之降低。为同时提升打印速度和打印分辨率，于单一喷墨头芯片增加喷嘴的数量为最确切的解决方法。

为达到此目的，目前广泛地将具有开关和主动特性的驱动组件，如晶体管，与喷墨用的致动组件整合至单一喷墨头芯片，以使喷墨头芯片的封装接点数X与喷嘴数Y的驱动模式，由一对一(X＝Y)提升至一对多(Y＝(X/2)²)模式。这种整合驱动组件的喷墨头(integrated drive head，IDH)芯片，如采用热气泡式来驱动墨滴，一般的制作方法是以金属氧化物半导体场效晶体管(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)串联喷墨用的致动组件，即加热墨水的电阻，简称为热阻，使外部接点对于热阻成为一对多模式。热阻是用来加热墨水产生气泡而推出墨滴，为给驱动组件提供足够的功率，必须减少其它电路所消耗的电阻值，热阻阻值接近整个回路阻值，使大部分的功率集中于热阻以转换为热量。如此，可有较佳的气泡产生效率。

为集中功率于热阻，最常见的做法是使用具有大沟道宽长比(channelwidth/length)的场效晶体管，来降低串联的寄生电阻(parasitic`resistance)，但是大沟道宽长比的场效晶体管所占的面积往往远大于同在芯片中的其它组件，尤其随着结构分辨率提升，需尽量减小场效晶体管所占的面积，但也就因此增加了热阻以外的寄生电阻。因此，较佳的做法是将热阻阻值提高，特别是针对较小液滴的喷墨头，因喷出单一液滴所需的功率较低。但是，由于功率与电压平方乘热阻(R_heater)的乘积成正比，又和热阻加寄生电阻的平方(R_heater+R_parastic)²成反比，如P＝VPP²×R_heater/(R_heater+R_parasitic)²，若是打印机所提供的电压不增加，加大热阻阻值将使热阻所产生的功率随之下降。

为此，解决方法为减少热阻上方的层间绝缘层(interlayer insulator)厚度，以降低热阻所产生的热传至墨水的热量损失，通常层间绝缘层使用氮化硅(Si₃N₄)与碳化硅(SiC)层。但是层间绝缘层后续需制作第二导电层和覆盖保护层，且层间绝缘层需要完整绝缘以隔开整合驱动组件的喷墨头芯片中上下交错或重叠的电路，因此层间绝缘层的绝缘完整性将影响喷墨头芯片的良率。而在热阻上方的层间绝缘层，为热气泡式喷墨头与墨水实际接触之处，需要有隔离墨水的覆盖保护层，为抵抗加热气泡消散后的墨水回击力(bubble-collapsed force)，与抵抗长时间墨水的化性，覆盖保护层需要采用高熔点、化性安定且坚韧的材料，如钽(Ta)。这种覆盖保护层必须采用较高能量的干式蚀刻、活性离子蚀刻或强酸强氧化剂的湿式蚀刻，而很容易破坏层间绝缘层的完整绝缘，如果降低覆盖保护层的厚度，则这种损伤的情形将会更加严重。

发明内容

本发明提供一种喷墨头芯片结构的制造方法，是以举离法(lift-off)定义覆盖保护层来避免伤害到下方的层间绝缘层，并分次制作层间绝缘层上方的覆盖保护层与第二导电层，层间绝缘层上方的覆盖保护层与第二导电层是选择不同的材料来形成，层间绝缘层上方的第二导电层可以利用湿式蚀刻方式加以制作，同时使湿式蚀刻所使用的蚀刻液具有单一选择性，而不会伤害到其它的部分或是产生过蚀的情形，如此，即使降低层间绝缘层的厚度，也不会对于其绝缘性质造成影响。

喷墨头芯片结构的制作方法，是先于基板上形成晶体管，再包括下列步骤：首先，于晶体管上方形成热阻层，热阻层经由晶体管提供电流之后将会产生热量，以沸腾墨水使其产生气泡将墨滴推出；再形成第一导电层，其片电阻(sheetresistance)需低于热阻层，第一导电层与热阻层附着并产生电性接触；沉积层间绝缘层，其厚度小于第一导电层与热阻层之和；于层间绝缘层表面定义一光阻层或其它供定义的耗尽层，使其仅露出预定形成覆盖保护层的层间绝缘层区域；沉积覆盖保护层且去除光阻层；于层间绝缘层上方制作第二导电层，第二导电层是以湿式蚀刻方式定义之，且其材质是不同于覆盖保护层。

附图说明

图1为n沟道金属氧化物半导体场效晶体管的结构示意图；及

图2至图7为本发明实施例的制作流程图。

附图标记说明

10    硅基板(Si substrate)

11    漏极(drain)

12    源极(source)

13    厚氧化层(thick LOCOS oxide)

14    栅极绝缘层(gate insulator)

15    基极掺质阻隔层(the barrier layer against base-dose)

16    栅极(gate)

17    基极接触主动区(active region for body contact)

20    硼磷硅玻璃层(BPSG)

21    高熔阻隔材料(refractory plug)

22    热阻层(heater layer)

23    第一导电层(lst conductive layer)

24    层间绝缘层(interlayer insulator)

25    覆盖保护层(passivation layer)

26    金属层间阻隔层(intermetal barrier layer)

27    第二导电层(2nd conductive layer)

28    光阻层(photoresist)

具体实施方式

为使对本发明的目的、构造特征及其功能有进一步的了解，配合附图详细说明如下：

以建立于硅基板的n沟道金属氧化物半导体场效晶体管(n-channelMOSFET)为例，将其应用于本发明的喷墨头芯片结构，请参考图1，其为n沟道金属氧化物半导体场效晶体管的结构示意图。于硅基板10表面以先形成应力缓冲氧化层，再以高温湿式氧化形成LOCOS(local oxidation on silicon)即厚氧化层13的方式，定义出无厚氧化层的n沟道金属氧化物半导体场效晶体管的主动区和基极接触主动区17；主动区内成长一栅极绝缘层14，再将多晶硅沉积并定义在栅极绝缘层上形成金属氧化物半导体场效晶体管组件的栅极16(Gate)以及基极掺质阻隔层15，再以扩散或离子布植于主动区内定义漏极11(drain)、源极12(source)与基极(base)，再于硅基板10上方覆以硼磷硅玻璃层20，硼磷硅玻璃层20并经热熔流(reflow)而形成；其中，硼磷硅玻璃层20对应于漏极11和源极12的位置是形成接触孔，其各填有高熔点的阻隔材料21，以防止于后续制作过程时，因高温于漏极11和源极12造成铝硅接触的互熔(spiking)。

本发明的喷墨头芯片结构，是结合上述的n沟道金属氧化物半导体场效晶体管组件并于其上方建立致动组件所形成。n沟道金属氧化物半导体场效晶体管组件与致动组件电性连接，由栅极电压控制电流通过致动组件；致动组件是衔接于流体沟道结构以提供能量使墨水喷出喷墨孔。

请参考图2至图7，其为本发明实施例的制作流程图。

如图2所示，于含有n沟道金属氧化物半导体场效晶体管(n-channelMOSFET)的硅基板10上方的硼磷硅玻璃层20表面，沉积热阻层22与第一导电层23，先于晶体管上方形成热阻层22，热阻层22由晶体管提供电流之后将会产生热量，以沸腾墨水使其产生气泡将墨滴推出；再于热阻层22的表面形成第一导电层23，其片电阻需低于热阻层22，第一导电层23的厚度为2500--7000埃()。

如图3所示，于具有第一导电层和热阻层的基板表面形成氮化硅(Si₃N₄)和碳化硅(SiC)所组成的(Si₃N₄/SiC)层间绝缘层24，其厚度越厚产生气泡所需的能量亦越高。为能够以较低的功率产生气泡，层间绝缘层24的厚度需小于热阻层22加第一导体层23的厚度总和。

如图4所示，于层间绝缘层24表面定义一光阻层28，使其仅露出预定形成覆盖保护层的部分层间绝缘层24区域。

如图5所示，光阻层28的上方全面沉积覆盖保护层25，其中预定形成覆盖保护层25的部分层间绝缘层24区域则被覆盖保护层25所直接覆盖。

如图6所示，去除光阻层28，同时即定义出覆盖保护层25。

如图7所示，于层间绝缘层24上方制作第二导电层27，第二导电层27的材质可为金属，并可利用碘化钾溶液作为蚀刻液，且第二导电层27与覆盖保护层25两者之间无电性连结。由于第二导电层27除了要作为喷墨头芯片结构中的第二层导线之外，亦须作为对外与软式电路板的接合接点。因此，可于第二导电层27下可增加高熔点的金属层间阻隔层26来增强接点和软式电路板的接合力，金属层间阻隔层26可使用钛钨合金，利用过氧化氢溶液作为蚀刻液，金属层间阻隔层26需为熔点摄氏650度以上，且电阻率(resistivity)5.0×10^-3欧姆-公分(Ω-cm)以下的金属、半导体、合金或化合物等非绝缘性材料。须注意金属层间阻隔层26需使用与覆盖保护层25不同的材料，以避免产生蚀刻损伤。

另外，覆盖保护层的材质选自钽、钨、铬、镍、钛、硅或其合金，第二导电层的材质选自金、铝、铜、铂、银或其合金。

应用本发明方法，可以利用简单的制程制作具薄层间绝缘层的喷墨头芯片来降低产生气泡的功率，而且无须使用蚀刻机(etchor)或终点检测仪(end-point detector)。更因层间绝缘层后的各层都不使用具高能量的干式蚀刻、活性离子蚀刻或强酸强氧化剂的湿式蚀刻，可以有效避免层间绝缘层的蚀刻损伤。

虽然本发明的较佳实施例公开如上所述，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可作一些修改和变化，因此本发明的专利保护范围应以权利要求为准。

Claims (7)

1.一种喷墨头芯片结构的制作方法，先于一基板上形成至少一晶体管，并建立致动组件，其步骤包括：

形成一热阻层于该基板上方，该热阻层是经由该晶体管提供电流或电压以产生致动的能量，进而将墨滴推出；

形成一第一导电层，其片电阻低于该热阻层，该第一导电层与该热阻层附着并产生电性接触；

形成一层间绝缘层覆盖于该热阻层及该第一导电层的上方，其厚度小于该第一导电层加上该热阻层的厚度和；

于该层间绝缘层表面定义一光阻层，仅露出预定形成覆盖保护层的该层间绝缘层区域；

沉积该覆盖保护层且去除该光阻层；及

于该层间绝缘层上方制作一第二导电层，该第二导电层的任一部份材质均不同于该覆盖保护层。

2.如权利要求1所述的喷墨头芯片结构的制作方法，其特征在于，该第一导电层的厚度为2500埃至7000埃。

3.如权利要求1所述的喷墨头芯片结构的制作方法，其特征在于，该覆盖保护层的材质选自钽、钨、铬、镍、钛、硅及其合金所组成的族群。

4.如权利要求1所述的喷墨头芯片结构的制作方法，其特征在于，该层间绝缘层由氮化硅和碳化硅材料所组成。

5.如权利要求1所述的喷墨头芯片结构的制作方法，其特征在于，该第二导电层的材质选自金、铝、铜、铂、银及其合金所组成的族群。

6.如权利要求1所述的喷墨头芯片结构的制作方法，其特征在于，该第二导电层还包括有一金属层间阻隔层。

7.如权利要求6所述的喷墨头芯片结构的制作方法，其特征在于，该金属层间阻隔层的材质为熔点高于摄氏650度，且电阻率低于5.0×10^-3欧姆-公分    的非绝缘性材料。

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