專利名稱：有增強(qiáng)的抗破裂強(qiáng)度的半導(dǎo)體襯底及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及提高用于噴墨打印頭和類似用途的半導(dǎo)體襯底的抗破裂強(qiáng)度，而更一般地說，涉及提高半導(dǎo)體襯底的抗破裂強(qiáng)度，而不管其預(yù)期的用途如何，所述半導(dǎo)體襯底被鉆孔或用其他方法進(jìn)行機(jī)械加工來形成通的或不通的孔或其他特定結(jié)構(gòu)。
各種噴墨打印裝置是本領(lǐng)域中已知并且這些噴墨打印裝置包括熱驅(qū)動的打印頭和機(jī)械驅(qū)動的打印頭兩者。熱驅(qū)動打印頭往往采用電阻元件或類似的元件實(shí)現(xiàn)噴墨，而機(jī)械驅(qū)動打印頭往往采用壓電變換器或類似的元件。
有代表性的熱驅(qū)動噴墨打印頭有多個設(shè)置在半導(dǎo)體襯底上的薄膜電阻。在襯底上有噴嘴板和屏障層，它們在每個電阻周圍形成噴射室。電流或“噴射信號”通過電阻的傳播使在對應(yīng)的噴射室內(nèi)的墨水被加熱并通過適當(dāng)?shù)膰娮靽姵觥?br> 墨水通常通過在半導(dǎo)體襯底中以機(jī)械方法加工出的注入槽縫輸送到噴射室。襯底通常呈長方形，其中具有縱向布置的槽縫。電阻通常排成行，位于槽縫的兩側(cè)，并且最好離槽縫有相同的距離，使得在每個電阻處墨水通道的長度大致相等。打印頭的一次掃描所實(shí)現(xiàn)的打印條帶的寬度大約等于電阻排的長度，同樣也大約等于槽縫的長度。
注入槽縫通常通過砂鉆(也稱為“砂開槽”)形成。人們喜歡采用這方法，因?yàn)樗?、相?dāng)簡單和能批量加工(能同時(shí)加工多片襯底)。雖然砂開槽有這些明顯的好處，砂開槽也有缺點(diǎn)，即它在半導(dǎo)體襯底引起微裂紋，這微裂紋大大地降低襯底的抗破裂強(qiáng)度，因破裂的芯片(die)的緣故而造成大的產(chǎn)量損失。低的抗破裂強(qiáng)度也限制了襯底長度，進(jìn)而對打印條帶高度和整個打印速度有不利的影響。
當(dāng)開發(fā)新的打印系統(tǒng)時(shí)，一個關(guān)鍵的性能參數(shù)是打印速度。達(dá)到更高的打印速度的一種方法是提高打印條帶的寬度。提高打印條帶的寬度的一個將可能采用的方式是增加襯底和注入槽縫的長度。由于在砂開槽期間引起的微裂紋和其它結(jié)構(gòu)缺陷，襯底顯得太脆以至不能進(jìn)一步加長。
因此，需要這樣一種機(jī)械加工的半導(dǎo)體襯底，它具有提高的抗破裂強(qiáng)度以便更好地抵抗在噴墨打印頭制造和使用時(shí)引起的熱和機(jī)械應(yīng)力。還需要這樣的打印頭半導(dǎo)體襯底，它具有提高的抗破裂強(qiáng)度因此能增長襯底，以便實(shí)現(xiàn)更長的打印條帶寬度。還需要這樣的的機(jī)械加工成的半導(dǎo)體襯底，對于任何預(yù)期的用途，它都具有提高的抗破裂強(qiáng)度。
本發(fā)明的一個方面是半導(dǎo)體襯底和使半導(dǎo)體襯底有改進(jìn)的抗破裂強(qiáng)度的方法。對半導(dǎo)體襯底進(jìn)行機(jī)械加工以便在其中形成特定結(jié)構(gòu)。機(jī)械加工過程在襯底中形成了微裂紋，它降低了襯底的抗破裂強(qiáng)度。處理半導(dǎo)體襯底以便去除襯底的貼近微裂紋的部分，來提高該半導(dǎo)體襯底的抗破裂強(qiáng)度。
在一個最佳實(shí)施例中，使用蝕刻工藝去除半導(dǎo)體襯底貼近微裂紋的部分，來加大裂紋部分的曲率半徑。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的噴墨打印機(jī)的透視圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的噴墨打印盒的一個實(shí)施例的透視圖。
圖3是其半導(dǎo)體襯底是根據(jù)本發(fā)明加工的、圖2的打印頭的剖面圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體襯底上的墨水注入槽縫的一端的斷面透視圖。
圖5是在典型打印頭襯底上通過砂開槽形成的墨水注入槽縫的一端的平面圖，用來說明微裂紋。
圖6A和圖6B是圖5的微裂紋的大大地放大的圖象，圖6A為運(yùn)用本發(fā)明的方法之前的圖象，圖6B為運(yùn)用本發(fā)明的方法之后的圖象。
參考圖1，該圖表示根據(jù)本發(fā)明的噴墨打印機(jī)的透視圖。打印機(jī)10最好包括具有能打開的蓋14和打印狀態(tài)指示燈16的外殼12。打印頭(下面將更詳細(xì)地討論)最好處在蓋14的下面。打印介質(zhì)輸入/輸出(I/O)單元18向打印頭提供適當(dāng)?shù)拇蛴〗橘|(zhì)。打印介質(zhì)I/O單元最好包括紙的輸入和輸出盤，導(dǎo)板和適當(dāng)?shù)膫鞲衅饕约皞魉蜋C(jī)構(gòu)等等。和其它相關(guān)的部件一道，打印機(jī)10還包括電源，墨水源和控制邏輯(未示出)。電源最好提供具有適當(dāng)?shù)碾妷弘娖降姆€(wěn)定的直流電壓。
墨水源可以與打印頭10做成一個整體或分開形成。墨水源可以與打印頭分開來更換或與打印頭一起更換。墨水源最好有墨水液面探測邏輯(未示出)，以便指示墨水的量。在本領(lǐng)域中，適當(dāng)?shù)哪囱b置是眾所周知的。
打印機(jī)10最好從主機(jī)接收打印數(shù)據(jù)，這主機(jī)可以是計(jì)算機(jī)、傳真機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)終端、照相機(jī)、畫圖機(jī)或其它能把打印數(shù)據(jù)送到打印機(jī)10的裝置。
打印頭最好裝在移動架上(也處在蓋14下面)，如所知道的那樣，它能沿著導(dǎo)桿橫著移動?？墒?，應(yīng)該認(rèn)識到，打印頭可以是靜止的，例如做成象打印介質(zhì)片、諸如紙張(或打印介質(zhì)片的一部分)那樣寬。
參考圖2，其上表示根據(jù)本發(fā)明的噴墨打印盒的一個實(shí)施例。打印盒20包括外殼21，后者用來提供打印頭區(qū)域22和容器區(qū)域26。在圖2的實(shí)施例中，打印盒20是一個三色打印盒，它有三條墨水注入槽縫和對應(yīng)的噴嘴陣列，三種墨水的顏色最好是蘭綠色、深紅色和黃色。容器區(qū)域26在彩色打印盒20的情況下最好包括每種不同顏色墨水的單獨(dú)的墨水容器。應(yīng)該認(rèn)識到，可以用另外的方式配置打印盒20，以便與一個“離軸”墨水源一起使用，這墨水源在結(jié)構(gòu)上可以拆離打印頭，而處在與打印頭液體連通的狀態(tài)。
每個打印頭40最好包括襯底50，在襯底50上機(jī)械加工出一個或多個墨水注入槽縫60(見圖3-5)。通過墨水注入槽縫60，墨水被傳送(從在軸或離軸源)到在注入槽縫附近形成的噴射元件52。墨水噴射元件(例如電阻、壓電變換等)最好排成兩排，并處在注入槽縫的相對的兩側(cè)(見圖3和4)。噴嘴44與對應(yīng)的墨水噴射元件52對準(zhǔn)，并在噴嘴板46上形成。多個電互連28通過導(dǎo)電的驅(qū)動線(未示出)耦合到襯底50。電互連28與位于打印機(jī)滑動架(上面討論的)的對應(yīng)的電互連接合，從而允許打印機(jī)10在打印盒橫過打印介質(zhì)時(shí)有選擇地控制墨點(diǎn)噴射。
參考圖3，其上表示其半導(dǎo)體襯底是根據(jù)本發(fā)明加工成的、圖2的打印頭40的剖面圖。墨水從區(qū)域26中的容器或如上面所討論的離軸源的饋送導(dǎo)管進(jìn)入室62。部件64代表打印盒20的外殼(或適當(dāng)?shù)膶?dǎo)管)的部分，這部分最好通過熱固結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑66粘結(jié)到襯底50。室62中的墨水通過注入槽縫60流到在墨水噴射元件52附近所形成的噴射室54。
接觸焊盤56把來自互連28的噴射或驅(qū)動信號通過信號線58傳送給噴射元件52。在最佳實(shí)施例中，墨水噴射元件是在本領(lǐng)域中熟知的那類薄膜電阻，雖然應(yīng)該知道，墨水噴射元件也可以是壓電變換器等。
襯底50最好用半導(dǎo)體材料例如硅制成。以形成噴射室54(見圖4)的方式在襯底上形成屏障層42，而噴嘴板46安裝在屏障層之上，使得噴嘴44和與它們相關(guān)聯(lián)的墨水噴射元件52適當(dāng)對準(zhǔn)。
參考圖4，其上示出利用機(jī)械方法例如砂鉆形成的墨水注入槽縫60一端的斷面透視圖。該圖描繪了墨水注入槽縫60、噴射室54、電阻52、屏障結(jié)構(gòu)42和孔板46的細(xì)節(jié)。
在許多出版物中，包括轉(zhuǎn)讓給本受讓人的Johnson的題為“加工熱噴墨打印頭的方法”的美國專利No.4,680,859中，已經(jīng)描述了在襯底50上形成注入槽縫60的方法。在形成注入槽縫60期間，開槽工具的管口(nozzle)很靠近襯底50的背面，高壓研磨顆粒沖擊襯底50。由于研磨沖擊襯底50的隨機(jī)性，難以控制注入槽縫60的尺寸和形狀。此外，注入槽縫60“打通”襯底50正面時(shí)的點(diǎn)也會改變，并且隨這個位置而在襯底50上形成微裂紋。試驗(yàn)已經(jīng)表明，如果槽縫60打穿襯底50的中心，則在墨水注入槽縫60端部形成應(yīng)力裂紋(crack)。這些微裂紋起著破裂起始位置的作用，并且例如在制造工藝期間處在機(jī)械和熱應(yīng)力下，這些微裂紋就能引起芯片(die)破裂。
圖5描繪具有典型微裂紋74的有代表性的打印頭襯底的平面圖，此微裂紋74是作為槽縫形成過程在硅襯底上形成的。如所能看到的那樣，在長形的槽縫60一端形成了微裂紋74和類似的裂紋，它們往往沿著與墨水注入槽縫60延長軸平行的晶粒邊界分布。當(dāng)襯底50受到熱的或機(jī)械的應(yīng)力作用時(shí)，裂紋74就很容易增大，直到襯底50破裂。一旦襯底50破裂，在襯底50上的電連接線58和有源元件就壞掉，造成打印頭40失效。
一直在開槽工藝方面投入很大的力量來使其更有重復(fù)性和更為可控，以及消除這些微裂紋74。可是，直至本發(fā)明為止，仍沒有完全解決這個芯片(die)破裂問題。
因此，為了改善抗破裂強(qiáng)度，最好在襯底50機(jī)械加工后進(jìn)行蝕刻以便去除形成微裂紋處的部分半導(dǎo)體材料。這蝕刻處理改變了半導(dǎo)體材料的性質(zhì)，使得所述微裂紋的線被改變。蝕刻處理所造成的微裂紋改變是改變裂紋端部的終點(diǎn)(terminus)。
參考圖6A和圖6B，其上表示圖5所示的微裂紋74的大大地放大的圖象。圖6A為使用本發(fā)明的蝕刻處理之前微裂紋74的圖象。微裂紋74具有終點(diǎn)75，后者往往成為襯底50上這樣的一個點(diǎn)，加到襯底50上的機(jī)械應(yīng)力會會聚或集中到該點(diǎn)上。與此形成對照，圖6B為使用本發(fā)明的蝕刻處理之后圖6A的微裂紋74的圖象。微裂紋74的終點(diǎn)76被蝕刻工藝改變成具有增大的曲率半徑。在襯底50上的應(yīng)力集中與1/(曲率半徑)成比例。這樣，利用本發(fā)明的蝕刻工藝使曲率半徑增大，能減小了應(yīng)力集中和進(jìn)一步破裂的可能性。本發(fā)明的蝕刻工藝不但增大終點(diǎn)76處的曲率半徑，還增大整個微裂紋74的曲率半徑。本發(fā)明的蝕刻工藝往往增加微裂紋74的臨界半徑或曲率半徑，從而減小了襯底50中的應(yīng)力集中。
襯底50和使用這種襯底的打印頭40最好按如下方法制成。在一片晶片上形成用于多個打印頭襯底的打印頭電路。最好采用標(biāo)準(zhǔn)薄膜技術(shù)來形成打印頭襯底的導(dǎo)電圖案。在該制造過程后，跟著清洗晶片，并為裝上屏障層做準(zhǔn)備。通常用聚合物迭片工藝來形成屏障層。
在形成屏障層42后，對晶片上的多個打印頭襯底50中的每一個，如上面描述那樣，砂鉆出墨水注入槽縫。這種砂鉆工藝往往形成會使襯底50的抗破裂強(qiáng)度降低的細(xì)裂紋74。
然后進(jìn)行優(yōu)選的蝕刻處理，以便改善襯底50的抗破裂強(qiáng)度。這種處理按如下方法進(jìn)行把晶片在20.9℃下的復(fù)緩沖層氧化物蝕刻劑(BOE)電解液中漂洗3.5分鐘，以便去除自然生長成的SiO2(圖4的72)。在去離子水漂洗后，把晶片在84.9℃下的5％(重量)的四甲基氫氧化銨(TMAH)中蝕刻7分鐘。在這種蝕刻之后進(jìn)行另一次去離子水漂洗，并把單個的孔板(圖2-3的46)裝到屏障層42材料上。然后把晶片分割(singulated)成多個均呈增強(qiáng)的抗破裂強(qiáng)度的打印頭襯底50?？砂丫哂谢ミB28的電線(flex)電路連接到每個襯底，以便形成打印頭分組件。然后把打印頭分組件用熱固粘結(jié)劑66固定在打印頭外殼或結(jié)構(gòu)64上，從而完成打印頭組裝工藝的“干部分”。
通過用上述或相關(guān)的方式處理襯底50就能生產(chǎn)出具有提高的抗破裂強(qiáng)度的打印頭40。提高了的抗破裂強(qiáng)度進(jìn)而使得在制造期間較少襯底破裂，從而提高了產(chǎn)量和產(chǎn)品壽命。此外，提高了的抗破裂強(qiáng)度允許具有更長的墨水注入槽縫60的、更大的打印頭40，這種打印頭可以打印更大的打印條帶。打印更大的打印條帶的能力使得能有更高的打印速度和打印系統(tǒng)10更大的打印量。
在另一實(shí)施例中，在用金剛石鋸分割(singulate)晶片之后進(jìn)行蝕刻。由于旋轉(zhuǎn)刀片的切割所引起的切向載荷，分割成的芯片的邊緣通常有缺口和裂紋。這些缺口區(qū)域通常包括裂紋，在熱和機(jī)械載荷的情況下，裂紋會向芯片內(nèi)傳播。對這些芯片進(jìn)行蝕刻已經(jīng)表明能去掉這些局部的裂紋，從而得到更能抗裂和可制造的襯底。
使用TMAH和類似的物質(zhì)的另外一個好處是，TMAH是一種單向蝕刻(即在某結(jié)晶取向的蝕刻比在其它結(jié)晶取向的蝕刻快得多)，因而趨向于在單晶硅材料50上形成錐形的凹入處。這種特征的圖案為判斷芯片是否已被蝕刻提供了容易判斷的方法。
關(guān)于TMAH的替換物，應(yīng)該認(rèn)識到，硅材料也可以用氫氧化鉀(KOH)或別的起類似作用的化學(xué)蝕刻劑所去掉。
雖然蝕刻是去掉裂紋含有的材料的優(yōu)選方式，但是其它技術(shù)也在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，包括再加熱或再熔解技術(shù)和激光退火。
權(quán)利要求
1．一種加工半導(dǎo)體襯底的方法，所述方法包括下面的步驟對半導(dǎo)體襯底(50)進(jìn)行機(jī)械加工以便在其中形成特定結(jié)構(gòu)(60)，所述機(jī)械加工過程形成了使襯底(50)的抗破裂強(qiáng)度降低的裂紋(74)；和去除所述半導(dǎo)體襯底(50)的貼近所述裂紋(74)的部分，以便改善所述襯底(50)的抗破裂強(qiáng)度。
2．權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述去除步驟包括增大所述裂紋(74)的曲率半徑。
3．權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述去除步驟包括去除所述裂紋(74)。
4．權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述去除步驟對包括所述特定結(jié)構(gòu)(60)附近的所述半導(dǎo)體襯底(50)進(jìn)行蝕刻的步驟。
5．權(quán)利要求4的方法，其特征在于所述蝕刻步驟包括用含四甲基氫氧銨(TMAH)或氫氧化甲(KOH)的溶液進(jìn)行蝕刻的步驟。
6．權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述去除步驟包括對所述半導(dǎo)體襯底(50)進(jìn)行下面一組步驟中的起碼一個步驟，這組步驟包括蝕刻；再熔化；和激光退火。
7．權(quán)利要求5的方法，其特征在于所述蝕刻步驟包括用含四甲基氫氧銨(TMAH)溶液蝕刻大約2-20分鐘的步驟。
8．權(quán)利要求1的方法，其特征在于還包括下面的步驟在所述襯底上安裝屏障層(42)；和把噴嘴板(46)安裝在所述屏障層(42)上。
9．一種半導(dǎo)體襯底(50)，它包括電子電路(52,56,58)并且在其中形成有機(jī)械加工成的特定結(jié)構(gòu)(60)，所述半導(dǎo)體襯底(50)用下面的工藝形成提供一種在其中形成了電子電路的半導(dǎo)體襯底(50)；對所述襯底(50)進(jìn)行機(jī)械加工，以便在其中形成所述機(jī)械加工成的特定結(jié)構(gòu)，所述機(jī)械加工過程形成了使所述襯底的所述抗破裂強(qiáng)度降低的裂紋(74)；和去除所述半導(dǎo)體襯底(50)的貼近所述裂紋(74)的部分，以便改善所述襯底(50)的抗破裂強(qiáng)度。
10．權(quán)利要求9的發(fā)明，其特征在于還包括設(shè)置在孔層(46)和所述半導(dǎo)體襯底(50)之間的屏障層(42)。
全文摘要
一種處理半導(dǎo)體襯底(50)以便提高其抗破裂強(qiáng)度的方法和一種用這種方法形成的半導(dǎo)體襯底(50)。在最佳實(shí)施例中,半導(dǎo)體襯底(50)用在打印頭(40)中。半導(dǎo)體襯底(50)具有在其中加工成的特定結(jié)構(gòu),例如墨水注入通道,并且在機(jī)械加工后處理該襯底,以便去除機(jī)械加工成的特定結(jié)構(gòu)附近的材料,減少特定結(jié)構(gòu)加工過程中可能產(chǎn)生的微裂紋(74)或其它缺陷?？梢杂脦追N方法來去除裂紋所含的材料。優(yōu)選的方法是用含四甲基氫氧化銨的溶液來蝕刻。
文檔編號B41J2/14GK1314244SQ001331
公開日2001年9月26日 申請日期2000年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月21日
發(fā)明者D·O·拉莫斯, M·布雷斯齊爾尼 申請人:惠普公司