專利名稱：具有壓縮α－鉭層的流體噴射裝置的制作方法
背景技術(shù)：
鉭(Ta)薄膜在半導(dǎo)體和微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)制造中被廣泛應(yīng)用。例如，在半導(dǎo)體集成電路制造中，鉭可以用作銅和硅之間的擴(kuò)散阻擋層。鉭也可以用作金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)器件中的柵極。鉭還可以用于在X射線掩模中吸收X射線。在熱噴墨微電子機(jī)械系統(tǒng)例如打印頭中，鉭被用作電阻器和其它襯底層的頂層，以保護(hù)下面的層免遭由墨泡坍縮引起的氣蝕的損害。鉭層也可以保護(hù)打印頭下面的層免與墨水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
亞穩(wěn)的四方相鉭，稱作β-相或“β-鉭”，典型應(yīng)用于熱噴墨設(shè)備制造中。該β-鉭層是脆性的，并且當(dāng)溫度增加后變得不穩(wěn)定。超過(guò)300℃后，β-鉭轉(zhuǎn)變成體心立方(bcc)α-相或“α-鉭”。α-鉭是鉭的體平衡或穩(wěn)定相。流體噴射裝置上期望形成穩(wěn)定的壓縮α-鉭膜。該壓縮α-鉭膜可以通過(guò)阻止襯底上的剝落、爆皮或分層來(lái)提高所述裝置的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明披露了一種流體噴射裝置。該流體噴射裝置可以包括含有加熱元件的襯底和與加熱元件相接觸的鈍化層。流體噴射裝置可以進(jìn)一步包括與鈍化層相接觸的緩沖層和與緩沖層相接觸并與其晶格匹配的壓縮α-鉭層。


下面的附圖示出了用以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的示例性的實(shí)施方式。相同的附圖標(biāo)記代表附圖中不同視圖或?qū)嵤┓绞街械南嗤考?br> 圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式在襯底上形成壓縮α-鉭層的方法的流程圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的壓縮α-鉭薄膜的橫截面圖示。
圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的包括壓縮α-鉭的流體噴射裝置的橫截面圖示。
圖4是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的生長(zhǎng)有鈦緩沖層的壓縮α-鉭膜的相應(yīng)X射線衍射數(shù)據(jù)圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的生長(zhǎng)有鈮緩沖層的壓縮α-鉭膜的相應(yīng)X射線衍射數(shù)據(jù)圖示。
圖6是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的生長(zhǎng)有基本純鋁緩沖層的壓縮α-鉭膜的相應(yīng)X射線衍射數(shù)據(jù)圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的生長(zhǎng)有鋁-銅合金緩沖層的壓縮α-鉭膜的相應(yīng)X射線衍射數(shù)據(jù)圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的具體實(shí)施方式

包括在襯底上形成壓縮α-鉭層的方法。本發(fā)明還披露了壓縮α-鉭薄膜、流體噴射裝置、熱噴墨打印頭和熱噴墨打印機(jī)。以下將參考附圖中示出的示例性的實(shí)施方式，并且將采用特定的術(shù)語(yǔ)來(lái)描述它們。不過(guò)，應(yīng)該理解的是，本發(fā)明的范圍不希望因此受到限制。這里所示出的創(chuàng)造性特征的改變和進(jìn)一步的修正，和由本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到的基于這里所示出的發(fā)明原理的附加申請(qǐng)，以及對(duì)這一披露的所有權(quán)，應(yīng)視為包括在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
熱噴墨(TIJ)打印頭代表性地包括硅襯底，其上具有導(dǎo)電層和電阻層以提供電性能，用于加熱和從打印頭中噴射墨水。電阻層用于加熱墨水到汽化，形成泡。墨水蒸汽膨脹形成泡，將墨水從打印頭噴射出，作為墨滴噴射到通常的紙等目標(biāo)上，成為單個(gè)點(diǎn)或象素。這里所用的術(shù)語(yǔ)“噴墨”意指包括加熱墨水、以墨滴形式噴射出墨水和墨水蒸汽泡的坍縮的整個(gè)過(guò)程。
與傳統(tǒng)的熱噴墨打印頭相關(guān)的問(wèn)題包括在噴墨滴以及其后的過(guò)程中引起的高熱-機(jī)械應(yīng)力、墨泡破裂產(chǎn)生的機(jī)械沖擊(氣蝕)和墨水的腐蝕性能產(chǎn)生的故障。因?yàn)檫@些原因，通常在形成打印頭的電阻和其它層之上設(shè)有保護(hù)層來(lái)延長(zhǎng)打印頭的壽命。
打印頭襯底上的電阻元件(在此有時(shí)稱作加熱元件)通常被鈍化層例如氮化硅(SiN)和/或碳化硅(SiC)，和氣蝕阻擋層例如鉭覆蓋。氮化硅是陶瓷材料和電絕緣體，可以保護(hù)電阻器免于短路。碳化硅是硬半導(dǎo)體材料和無(wú)定形結(jié)構(gòu)。碳化硅用于阻止墨水滲入并到達(dá)打印頭下面的層，并提供機(jī)械強(qiáng)度。鉭具有優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度，可以承受墨水噴射引起的熱-機(jī)械應(yīng)力。另外，當(dāng)高溫時(shí)鉭具有化學(xué)惰性，可以最小化墨水引起的腐蝕。
鉭層通常由亞穩(wěn)的四方相鉭，即β-相或“β-鉭”組成。該β-鉭層是脆性的，并且當(dāng)溫度增加后變得不穩(wěn)定。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式在襯底上形成壓縮α-鉭層的方法100的流程圖。襯底可以由半導(dǎo)體材料形成。襯底可以包括其它材料層，包含氮化硅(SiN)材料和/或碳化硅(SiC)層。碳化硅層可以在襯底表面上。方法100可以包括在襯底上沉積緩沖層102和在緩沖層上沉積壓縮α-鉭層104，并且壓縮α-鉭層與緩沖層之間晶格匹配。壓縮α-鉭層的厚度范圍可以從大約10埃()到大約4微米(μm)。
術(shù)語(yǔ)“晶格匹配”意指形成共同界面的材料晶體面上的晶格點(diǎn)在其界面兩側(cè)在幾何學(xué)上近似相互匹配。為使兩個(gè)不同的晶面在其界面兩側(cè)在幾何學(xué)上匹配，要求它們的對(duì)稱性幾乎是相同的，并且它們彼此之間的晶格失配小于大約5％。晶格匹配也在“Strained LayerSuperlattices，Semiconductors and Semimetals，Vol.33，R.K.Willardson和A.C.Beer(Academic，New York，1990)編著”、“J.A.Venables，G.Spiller，和M.Hanbucken，Rep.Prog.Phys47，399(1984)”和它們引用的參考文獻(xiàn)中被定義。
可以采用任何適用的物理氣相沉積技術(shù)實(shí)現(xiàn)沉積102緩沖層和沉積104壓縮α-鉭。例如，可以單獨(dú)采用濺射、激光燒蝕、電子束和熱蒸鍍技術(shù)，或者采用它們的技術(shù)結(jié)合來(lái)沉積102和104，當(dāng)然，本發(fā)明不受上述技術(shù)所限。沉積102和104可以在包括襯底溫度小于300℃的任何溫度下完成。并且，沉積102緩沖層可以進(jìn)一步包括使用襯底偏壓。使用傳統(tǒng)的直流電磁控管濺射法時(shí)，偏壓范圍從大約0伏特到大約-500伏特。
沉積102緩沖層可以包括沉積鈦層。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式鈦層的厚度可以從大約3個(gè)單原子層到大約2000。根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施方式鈦緩沖層目前的優(yōu)選厚度范圍可以為至少?gòu)拇蠹s400開(kāi)始。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，為了得到原子級(jí)的平滑襯底表面，期望鈦層的厚度與一個(gè)單原子層一樣薄。在一個(gè)實(shí)施方式中，鈦層在襯底上的取向可以是鈦晶體[100]方向垂直于襯底。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方式，鈦層和壓縮α-鉭層之間可以出現(xiàn)晶格匹配。
沉積102緩沖層可以包括沉積鈮層。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式鈮層的厚度可以從大約3個(gè)單原子層到大約2000。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，為了得到原子級(jí)的平滑襯底表面，期望鈮層的厚度與一個(gè)單原子層一樣薄。根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施方式鈮緩沖層目前的優(yōu)選厚度范圍可以為至少?gòu)拇蠹s200開(kāi)始。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，沉積102緩沖層可以包括沉積基本純鋁或鋁-銅合金層。鋁-銅合金層包括的銅可達(dá)大約10％的重量比?；炯冧X或鋁-銅合金層的厚度范圍可以從大約3個(gè)單原子層到大約2000，與本發(fā)明的實(shí)施方式相一致。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，為了得到原子級(jí)的平滑襯底表面，期望基本純鋁或鋁-銅合金層的厚度與一個(gè)單原子層一樣薄。
圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的一個(gè)壓縮α-鉭薄膜疊層200的橫截面圖示。該壓縮α-鉭薄膜疊層200可以包括與襯底202相接觸的陶瓷材料204、與陶瓷材料204相接觸的緩沖層206和與緩沖層206晶格匹配的壓縮α-鉭層208。陶瓷材料204可以包含碳化硅(SiC)。緩沖層可以包含鈦、鈮、基本純鋁和鋁-銅合金中的至少一種。
圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的包括壓縮α-鉭的流體噴射裝置的橫截面圖示。該流體噴射裝置300可以包含與本發(fā)明實(shí)施方式相一致的熱噴墨打印頭或熱噴墨打印機(jī)。流體噴射裝置300可以包括襯底疊層301。襯底疊層301可以包括電阻元件306、主襯底302、可選的覆蓋層304、絕緣陶瓷材料308和陶瓷材料310。流體噴射裝置300可以進(jìn)一步包括形成在第二陶瓷材料310上的緩沖層312和與緩沖層312晶格匹配的壓縮α-鉭層314。
覆蓋層304可以包括例如熱氧化物層、二氧化硅(SiO2)層或四乙基正硅酸鹽(TEOS)層，當(dāng)然本發(fā)明不受上述例子所限。緩沖層312與第二陶瓷材料310相接觸。同樣地，緩沖層312與壓縮α-鉭314相接觸。絕緣陶瓷材料308可以包含氮化硅(SiN)。第二陶瓷材料310可以包含碳化硅(SiC)?？梢圆捎弥辽僖环N下列物理氣相沉積技術(shù)在第二陶瓷材料310上形成緩沖層312濺射、激光燒蝕、電子束和熱蒸鍍。壓縮α-鉭層314的厚度范圍可以從大約10到大約4μm。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，緩沖層312可以由任何可以通過(guò)例如晶格匹配強(qiáng)制鉭長(zhǎng)成α-鉭壓縮態(tài)的材料形成。在一些實(shí)施方式中，緩沖層至少是鈦、鈮、基本純鋁和鋁-銅合金的其中之一，下面將參考實(shí)施例作進(jìn)一步的解釋。
實(shí)施例1鈦緩沖層在這個(gè)實(shí)施例中，緩沖層312可以由鈦層形成。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例該鈦層的厚度范圍可以從大約3個(gè)單原子層到大約2000。正如上文所提到的，根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例鈦緩沖層目前的優(yōu)選厚度范圍可以為至少?gòu)拇蠹s400開(kāi)始。鈦的晶體結(jié)構(gòu)是密排六方結(jié)構(gòu)(hcp)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，鈦層在襯底疊層301上的取向可以是鈦晶體[100]方向垂直于襯底疊層301。在另一個(gè)實(shí)施例中，鈦層可以包含有織構(gòu)的鈦晶粒。
鉭覆蓋層的取向是Ta[110]方向垂直于有壓縮殘余應(yīng)力的襯底。Ti/Ta界面間的晶格匹配強(qiáng)制鉭覆蓋層生長(zhǎng)體心立方(bcc)α-鉭相。
下面的表1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法從五塊具有鈦緩沖層和壓縮α-鉭覆蓋層的實(shí)驗(yàn)晶片1-5中獲得的參數(shù)。每塊晶片包括具有氮化硅和碳化硅鈍化層的主硅襯底。對(duì)于每一塊晶片，首先在碳化硅表面上濺射沉積鈦緩沖層，然后濺射壓縮α-鉭層。表1的2-3列示出了以來(lái)計(jì)算的鉭/鈦(Ta/Ti)層的厚度和以百萬(wàn)帕斯卡(MPa)來(lái)計(jì)算的α-鉭膜應(yīng)力。列4-5示出了每一鉭層的沉積參數(shù)，即以SCCM(標(biāo)準(zhǔn)氣體在大氣壓下的流速為1標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘)來(lái)計(jì)算的氬氣流速和以毫托(mTorr)來(lái)計(jì)算的氬氣氣壓。列6示出了以千-瓦特(kW)來(lái)計(jì)算的濺射沉積過(guò)程中使用的等離子體功率。對(duì)更薄鈦層等離子體功率從3kW減到1.5kW，以增加厚度控制的精確度。鈦層在氬氣氣壓2.5mTorr和氬氣流速100SCCM的條件下生長(zhǎng)。當(dāng)然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道上述為特定實(shí)施例所設(shè)定的等離子體功率范圍、氬氣氣壓和流速只是作為示例性的設(shè)定，這些參數(shù)的其它范圍和設(shè)定也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
表1


包括鈦緩沖層的本發(fā)明實(shí)施例的另一方面是在形成的α-鉭薄膜中有內(nèi)部或殘余應(yīng)力。下面的襯底層，例如氮化硅(SiN)和碳化硅(SiC)，承受著壓縮應(yīng)力。因?yàn)檫@個(gè)附加原因，該α-鉭覆蓋層在壓縮中生長(zhǎng)以基本避免爆皮和分層。
在這個(gè)實(shí)施例中，表1中的α-鉭膜在壓縮應(yīng)力下生長(zhǎng)。在沉積過(guò)程中襯底上沒(méi)有施加偏壓。當(dāng)然，在一些實(shí)施方式中，如果需要的話在襯底上施加偏壓使α-鉭薄膜更為壓縮。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，鉭和鈦層使用直流電磁控管濺射沉積。當(dāng)然，根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例，也可使用其它的物理氣相沉積技術(shù)，例如激光燒蝕、電子束和熱蒸鍍技術(shù)，并且本發(fā)明不受上述技術(shù)所限。
采用ScotchTM膠帶方法測(cè)量了Ta/Ti雙層與碳化硅鈍化層的粘附強(qiáng)度。試圖采用ScotchTM膠帶將Ta/Ti雙層剝離碳化硅鈍化層。Ta/Ti雙層未能剝離。在一個(gè)實(shí)施例中，Ta/Ti雙層和碳化硅鈍化層之間的牢固粘附可以形成SiC/Ti界面間的碳化鈦(TiC)共價(jià)鍵，提供了SiC/Ti界面層之間的強(qiáng)鍵合。另外，壓縮α-鉭頂層和它的鈦緩沖層之間的鍵是鍵。
圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的方法100在實(shí)驗(yàn)晶片2上生長(zhǎng)有鈦緩沖層的壓縮α-鉭膜的相應(yīng)X射線衍射數(shù)據(jù)圖。圖4中，x-軸代表以角度來(lái)計(jì)算的衍射角，y-軸代表以任意單位來(lái)計(jì)算的強(qiáng)度。壓縮α-鉭沉積在200厚的鈦層上。衍射鋒與[110]取向的α-鉭相對(duì)應(yīng)。嵌入的圖上示出了所畫的用以解釋所期望的β-Ta(002)和α-Ta(200)反射峰位置的垂直線。這些所期望的反射都不存在，表明在實(shí)驗(yàn)晶片2上生長(zhǎng)了良好取向的α-Ta(110)層。因?yàn)棣?Ta(110)和它的Ti(100)緩沖層的峰重疊，所以Ti的反射峰被遮住了，因此在圖4中沒(méi)有出現(xiàn)。另外，圖4所示的X-射線掃描的衍射線數(shù)揭示了[110]取向的單-相α-Ta覆蓋層，衍射峰上顯示的微小的不對(duì)稱可能歸因于未反應(yīng)的
織構(gòu)的鈦緩沖層。
下面的表2示出了表1中的實(shí)驗(yàn)晶片1-5的X-射線衍射數(shù)據(jù)。列2-6示出了單位為的鉭/鈦(Ti/Ta)層的厚度、鉭相、單位為的α-鉭晶格間距、單位為的鉭晶粒尺寸和以角度來(lái)計(jì)算的α-鉭的半高峰全寬(FWHM)的搖擺曲線。搖擺曲線的寬度提供了以角度來(lái)計(jì)算的α-鉭圓柱狀晶粒的取向分布。鉭晶粒尺寸和搖擺曲線數(shù)據(jù)表明厚度為200、400和600的鈦緩沖層提供了理想的更大鉭晶粒尺寸，即近似130埃，和更窄的晶粒取向分布。
表2

實(shí)施例2鈮緩沖層在這個(gè)實(shí)施例中，緩沖層312可以由鈮層形成。根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施方式該鈮層的厚度范圍可以從大約3個(gè)單原子層到大約2000。正如上文所提到的，根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施方式鈮緩沖層目前的優(yōu)選厚度范圍可以為至少?gòu)拇蠹s200開(kāi)始。鈮和鈦在元素周期表中是同一列的成員，具有相似的物理性能。鈮的晶體結(jié)構(gòu)是體心立方結(jié)構(gòu)(bcc)，與α-鉭相同。因?yàn)棣?鉭和鈮的晶格間距幾乎相同，即分別為3.3026和3.3007，所以鉭(110)覆蓋層和鈮(110)面幾乎完全晶格匹配。當(dāng)然與鉭不同，鈮不能長(zhǎng)成β相結(jié)構(gòu)。無(wú)關(guān)襯底上存在的雜質(zhì)氣體或襯底材料類型，鈮通常長(zhǎng)成α相結(jié)構(gòu)。因?yàn)檫@一性質(zhì)，當(dāng)鈮薄層首先沉積在襯底疊層301上時(shí)，鉭/鈮界面處的晶格匹配將強(qiáng)制鉭覆蓋層長(zhǎng)成α-鉭相。
下面的表3示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例從6塊具有鈮緩沖層和壓縮α-鉭覆蓋層的實(shí)驗(yàn)晶片6-11中獲得的參數(shù)。每一塊晶片包括具有氮化硅和碳化硅鈍化層的主硅襯底。對(duì)于每一塊晶片，首先在碳化硅表面上濺射沉積鈮緩沖層，然后濺射壓縮α-鉭層。實(shí)驗(yàn)晶片的鈮層厚度變化從25到800。表3的列2-3示出了以來(lái)計(jì)算的Ta/Nb層的厚度和以MPa來(lái)計(jì)算的α-鉭膜應(yīng)力。列4-5示出了鉭層的沉積參數(shù)，也就是分別給出以SCCM來(lái)計(jì)算的氬氣流速和以mTorr來(lái)計(jì)算的氬氣氣壓。列6示出了以kW來(lái)計(jì)算的分別濺射沉積鉭和鈮層使用的等離子體功率。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，將等離子體功率減到大約0.5kW可以獲得更薄的鈮層以提供更精確的厚度控制，。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，鈮緩沖層在氬氣氣壓2.5mTorr和氬氣流速100SCCM的條件下生長(zhǎng)。當(dāng)然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道上述為特定實(shí)施方式所設(shè)定的等離子體功率范圍、氬氣氣壓和流速只是作為示例性的設(shè)定，這些參數(shù)的其它范圍和設(shè)定也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
表3

包括鈮緩沖層的本發(fā)明實(shí)施方式的另一方面是在形成的α-鉭薄膜中有內(nèi)部或殘余應(yīng)力。表3所示的應(yīng)力數(shù)據(jù)表明α-鉭膜在壓縮應(yīng)力下生長(zhǎng)。另外，α-鉭膜應(yīng)力表現(xiàn)出與鈮緩沖層的厚度有依賴關(guān)系。在沉積過(guò)程中襯底上沒(méi)有施加偏壓。根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施方式，施加襯底偏壓引起α-鉭薄膜更為壓縮。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式鉭和鈮層使用直流電磁控管濺射沉積。當(dāng)然，根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施方式，也可使用其它的物理氣相沉積技術(shù)，例如激光燒蝕、電子束和熱蒸鍍技術(shù)，并且本發(fā)明不受上述技術(shù)所限。
采用ScotchTM膠帶方法測(cè)量了Ta/Nb雙分子層與碳化硅鈍化層的粘附強(qiáng)度。試圖采用ScotchTM膠帶將Ta/Nb雙層剝離碳化硅鈍化層。Ta/Nb雙層未能剝離。在一個(gè)實(shí)施方式中，粘附強(qiáng)度可以歸因于鉭和它的鈮緩沖層間的金屬性鍵合。在另一個(gè)實(shí)施方式中，鈮和硅合金化在SiC/Nb界面處形成NbSi共價(jià)鍵，可以保證這些層之間的強(qiáng)鍵合。參考實(shí)例M.Zhanget al.，Thin Solid Films，Vol.289，no.1-2，pp.180-83和S.N.Songet al.，Journal of Applied Physics，Vol.66，no.11，pp.5560-66。
圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的方法100在實(shí)驗(yàn)晶片6上生長(zhǎng)有鈮緩沖層的壓縮α-鉭膜的相應(yīng)X射線衍射數(shù)據(jù)圖。圖5中，x-軸代表以角度來(lái)計(jì)算的衍射角，y-軸代表以任意單位來(lái)計(jì)算的強(qiáng)度。壓縮α-鉭沉積在25厚的鈮層上。衍射鋒與[110]取向的α-鉭相對(duì)應(yīng)。嵌入的圖上示出了所畫的用以解釋所期望的β-Ta(002)反射峰位置的垂直線。另外，主圖所示的箭頭表明了所期望的α-Ta(200)反射峰的位置。這些所期望的反射都不存在，表明在實(shí)驗(yàn)晶片6上生長(zhǎng)了良好取向的α-Ta(110)層。圖5中，因?yàn)棣?Ta(110)和它的Nb(110)緩沖層的峰重疊，所以所期望的鈮反射峰被遮住了。
下面的表4示出了表1中的實(shí)驗(yàn)晶片6-11的X-射線衍射數(shù)據(jù)。列2-6示出了單位為的鉭/鈮層的厚度、鉭相、單位為的α-鉭晶格間距、單位為的鉭晶粒尺寸和以角度來(lái)計(jì)算的α-鉭半高峰全寬(FWHM)的搖擺曲線。表4所示的鉭晶粒尺寸和搖擺曲線數(shù)據(jù)表明厚度為800的鈮緩沖層相對(duì)于實(shí)驗(yàn)晶片6-10，提供了具有更窄晶粒取向分布和更小內(nèi)應(yīng)力的更大鉭晶粒尺寸，也可參考表3。
表4

實(shí)施例3基本純鋁緩沖層在這個(gè)實(shí)施例中，緩沖層312可以由基本純鋁層形成。該緩沖層也可與銅形成合金，如下面的實(shí)施例4所示。鋁的晶體結(jié)構(gòu)是面心立方結(jié)構(gòu)(fcc)，并且Al(111)面與Ta(110)面晶格匹配。因?yàn)檫@一性質(zhì)，當(dāng)基本純鋁薄層首先沉積在襯底疊層301上時(shí)，鉭/基本純鋁(Ta/Al)界面處的晶格匹配將強(qiáng)制鉭覆蓋層生長(zhǎng)α-鉭相。
下面的表5示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式從五塊具有基本純鋁緩沖層和壓縮α-鉭覆蓋層的實(shí)驗(yàn)晶片12-16中獲得的參數(shù)。晶片12-16每一塊都包括具有氮化硅和碳化硅鈍化層的主硅襯底。對(duì)于每一塊晶片，首先在碳化硅表面上濺射沉積基本純鋁緩沖層，然后濺射壓縮α-鉭層。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，實(shí)驗(yàn)晶片12-16的基本純鋁緩沖層厚度變化從100到800。表5的列2-3示出了以來(lái)計(jì)算的Ta/Al層的厚度和以MPa來(lái)計(jì)算的α-鉭膜應(yīng)力。列4-5示出了鉭層的沉積參數(shù)，也就是分別給出以SCCM來(lái)計(jì)算的氬氣流速和以mTorr來(lái)計(jì)算的氬氣氣壓。列6示出了以kW來(lái)計(jì)算的分別濺射沉積鉭和基本純鋁層使用的等離子體功率。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，基本純鋁緩沖層在氬氣氣壓2.5mTorr和氬氣流速50SCCM的條件下生長(zhǎng)。當(dāng)然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道上述為特定實(shí)施方式所設(shè)定的等離子體功率范圍、氬氣氣壓和流速只是作為示例性的設(shè)定，這些參數(shù)的其它范圍和設(shè)定也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
表5

包括基本純鋁緩沖層的本發(fā)明實(shí)施方式的另一方面是在形成的α-鉭薄膜中有內(nèi)部或殘余應(yīng)力。表5所示的應(yīng)力數(shù)據(jù)(列3)表明α-鉭膜在壓縮應(yīng)力下生長(zhǎng)。生長(zhǎng)在基本純鋁緩沖層上的α-鉭中的壓縮應(yīng)力可以歸因于基本純鋁緩沖層。因?yàn)殂g/基本純鋁界面處的晶格匹配，α-鉭覆蓋層被強(qiáng)制在壓縮應(yīng)力下生長(zhǎng)。另外，α-鉭膜應(yīng)力表現(xiàn)出與基本純鋁緩沖層的厚度有依賴關(guān)系。在沉積過(guò)程中襯底上沒(méi)有施加偏壓。根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施方式，施加襯底偏壓引起α-鉭薄膜更為壓縮。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式鉭和基本純鋁層使用直流電磁控管濺射沉積。當(dāng)然，根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施方式，也可使用其它的物理氣相沉積技術(shù)。
采用ScotchTM膠帶方法測(cè)量了Ta/Al雙層與碳化硅鈍化層的粘附強(qiáng)度。試圖采用ScotchTM膠帶將Ta/Al雙層剝離碳化硅鈍化層。Ta/Al雙層未能剝離。在一個(gè)實(shí)施方式中，粘附強(qiáng)度可以歸因于鉭和它的鋁緩沖層之間的金屬性鍵合和SiC/Al界面處形成的鍵合，確保了這些層之間的強(qiáng)粘附。
圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的方法100在實(shí)驗(yàn)晶片14上生長(zhǎng)具有基本純鋁緩沖層的壓縮α-鉭膜的相應(yīng)X射線衍射數(shù)據(jù)圖。圖6中，x-軸代表以角度來(lái)計(jì)算的衍射角，y-軸代表以任意單位來(lái)計(jì)算的強(qiáng)度。壓縮α-鉭層沉積在400厚的基本純鋁層上。衍射鋒與[110]取向的α-鉭相對(duì)應(yīng)。嵌入的圖上示出了所畫的用以解釋所期望的β-Ta(002)反射峰位置的垂直線。另外，主圖所示的箭頭表明了所期望的α-Ta(200)反射峰的位置。這些所期望的反射都不存在或者很小，表明在實(shí)驗(yàn)晶片18上生長(zhǎng)了良好取向的α-Ta(110)層。因?yàn)棣?Ta(110)和它的Al(111)緩沖層的峰重疊，所以所期望的Al(111)反射被遮住了。
下面的表6示出了表1中的實(shí)驗(yàn)晶片12-16的X-射線衍射數(shù)據(jù)。列2-6示出了單位為的鉭/基本純鋁層的厚度、鉭相、單位為的α-鉭晶格間距、單位為的鉭晶粒尺寸和以角度來(lái)計(jì)算的α-鉭半高峰全寬(FWHM)的搖擺曲線。表6所示的鉭晶粒尺寸和搖擺曲線數(shù)據(jù)表明厚度為800的基本純鋁緩沖層相對(duì)于其它實(shí)驗(yàn)晶片，提供了具有更小內(nèi)應(yīng)力的更窄晶粒取向分布，參考表5所示。
表6

實(shí)施例4鋁-銅合金緩沖層在這個(gè)實(shí)施例中，緩沖層312可以由鋁-銅合金層形成。該鋁-銅合金緩沖層包含的銅可達(dá)大約10重量％，其余為基本純鋁。因?yàn)殇X-銅對(duì)電遷移引起的故障更不敏感，所以在集成電路(IC)工業(yè)中鋁-銅合金比基本純鋁更頻繁被應(yīng)用。另外，用于濺射的基本純鋁耙材比鋁-銅耙材更為昂貴和更難得到。如前文所述，鋁的晶體結(jié)構(gòu)是面心立方(fcc)，并且Al(111)面與Ta(110)面晶格匹配。因?yàn)檫@一性質(zhì)，當(dāng)鋁-銅合金薄層首先沉積在襯底疊層301上時(shí)，鉭/鋁-銅合金界面處的晶格匹配將強(qiáng)制鉭覆蓋層生長(zhǎng)α-鉭相。另外，銅的晶體結(jié)構(gòu)是面心立方結(jié)構(gòu)(fcc)，并且鋁晶格中的銅雜質(zhì)原子可以占據(jù)面心立方位置或者替換面心立方位置上的Al原子。
下面的表7示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的方法100從六塊具有鋁-銅合金緩沖層和壓縮α-鉭覆蓋層的實(shí)驗(yàn)晶片17-22中獲得的參數(shù)。用于實(shí)驗(yàn)晶片17-22的鋁-銅合金耙材包含的銅可達(dá)大約5重量％，其余為基本純鋁。每一塊晶片都包括具有氮化硅和碳化硅鈍化層的主硅襯底。對(duì)于每一塊晶片，首先在碳化硅表面上濺射沉積鋁-銅合金緩沖層，然后濺射壓縮α-鉭層。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，實(shí)驗(yàn)晶片17-22的鋁-銅合金層厚度變化從100到800。表7的列2-3示出了以來(lái)計(jì)算的Ta/Al-Cu層的厚度和以MPa來(lái)計(jì)算的α-鉭膜應(yīng)力。列4-5示出了鉭層的沉積參數(shù)，也就是分別給出以SCCM來(lái)計(jì)算的氬氣流速和以mTorr來(lái)計(jì)算的氬氣氣壓。列6示出了以kW來(lái)計(jì)算的分別濺射沉積鉭和鋁-銅合金層使用的等離子體功率。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，鋁-銅合金緩沖層在氬氣氣壓5mTorr和氬氣流速100SCCM的條件下生長(zhǎng)。當(dāng)然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道上述為特定實(shí)施方式所設(shè)定的等離子體功率范圍、氬氣氣壓和流速只是作為示例性的設(shè)定，這些參數(shù)的其它范圍和設(shè)定也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
表7

包括鋁-銅合金緩沖層的本發(fā)明實(shí)施方式的另一方面是在形成的α-鉭薄膜中有內(nèi)部或殘余應(yīng)力。表7所示的應(yīng)力數(shù)據(jù)(列3)表明α-鉭膜在壓縮應(yīng)力下生長(zhǎng)。生長(zhǎng)在鋁-銅合金緩沖層上的α-鉭中的壓縮應(yīng)力可以歸因于鋁-銅合金緩沖層。因?yàn)殂g/鋁-銅合金界面處的晶格匹配，α-鉭覆蓋層被強(qiáng)制在壓縮應(yīng)力下生長(zhǎng)。在沉積過(guò)程中襯底上沒(méi)有施加偏壓。根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施方式，施加襯底偏壓引起α-鉭薄膜更為壓縮。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式鉭和鋁-銅合金層使用直流電磁控管濺射沉積。當(dāng)然，根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施方式，也可使用其它的物理氣相沉積技術(shù)。
采用ScotchTM膠帶方法測(cè)量了Ta/Al-Cu雙層與碳化硅鈍化層的粘附強(qiáng)度。試圖采用ScotchTM膠帶將Ta/Al-Cu雙層剝離碳化硅鈍化層。Ta/Al-Cu雙層未能剝離。在一個(gè)實(shí)施方式中，粘附強(qiáng)度可以歸因于鉭和它的鋁緩沖層之間的和在SiC/Al-Cu界面處的金屬鍵，確保了這些層之間的強(qiáng)結(jié)合。
圖7是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的方法100在實(shí)驗(yàn)晶片18上生長(zhǎng)鋁-銅合金緩沖層的壓縮α-鉭膜的相應(yīng)X射線衍射數(shù)據(jù)圖。圖7中，x-軸代表以角度來(lái)計(jì)算的衍射角，y-軸代表以任意單位來(lái)計(jì)算的強(qiáng)度。壓縮α-鉭層沉積在200厚的鋁-銅合金層上。主圖中的峰與[110]取向的α-鉭相對(duì)應(yīng)。嵌入的圖上示出了所畫的用以指示所期望的Al(200)反射峰位置的垂直線。另外，主圖所示的箭頭表明了所期望的α-Ta(200)反射峰的位置。這些所期望的反射都不存在或者很小，表明在實(shí)驗(yàn)晶片18上生長(zhǎng)了良好取向的α-Ta(110)層。因?yàn)棣?Ta(110)和它的Al(111)緩沖層的峰重疊，所以所期望的Al(111)反射被遮住了。
下面的表8示出了表7中的實(shí)驗(yàn)晶片17-22的X-射線衍射數(shù)據(jù)。列2-6示出了單位為的鉭/鋁-銅合金層的厚度、鉭相、單位為的α-鉭晶格間距、單位為的鉭晶粒尺寸和以角度來(lái)計(jì)算的α-鉭半高峰全寬(FWHM)的搖擺曲線。如表8所示，晶片17-22上的鉭薄膜顯示了分散或廣泛分布的晶粒。
表8

應(yīng)當(dāng)理解，上面引用的裝置和實(shí)施方式用于解釋說(shuō)明本發(fā)明具體實(shí)施方式

原理的應(yīng)用。在不背離本發(fā)明的主旨和范圍的前提下，可以設(shè)計(jì)各種形式和細(xì)節(jié)上修改和選擇的裝置。盡管本發(fā)明的具體實(shí)施方式

已顯示在圖中并參照前述的本發(fā)明示例性實(shí)施方式作了說(shuō)明，但對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，顯然可以作出各種形式和細(xì)節(jié)上的修改，而不脫離隨附權(quán)利要求中限定的概念和原理。
權(quán)利要求
1.一種流體噴射裝置(300)，包括包括加熱元件(306)的襯底(301)；與加熱元件(306)相接觸的鈍化層(308，310)；與鈍化層(308，310)相接觸的緩沖層(312)；和與緩沖層(312)相接觸并與其晶格匹配的壓縮α-鉭層(314)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體噴射裝置(300)，其中的緩沖層(312)包括鈦層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體噴射裝置(300)，其中的緩沖層(312)包括鈮層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體噴射裝置(300)，其中的緩沖層(312)包括基本純鋁層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體噴射裝置(300)，其中的緩沖層(312)包括鋁-銅合金層。
6.一種流體噴射裝置(300)的制造方法，包括在襯底(301)上形成加熱元件(306)；在加熱元件(306)上沉積緩沖層(312)；和在緩沖層(312)沉積壓縮α-鉭層(314)，壓縮α-鉭層(314)和緩沖層(312)之間晶格匹配。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中的沉積緩沖層(312)包括沉積鈦、鈮、基本純鋁和鋁-銅合金層之一。
8.一種流體噴射裝置(300)包括；形成在襯底(301)上的加熱元件(306)；與加熱元件(306)相接觸的鈍化層(308，310)；和一種通過(guò)晶格匹配強(qiáng)制鉭生長(zhǎng)進(jìn)壓縮α-鉭層(314)的手段，其中的α-鉭層(314)生長(zhǎng)在鈍化層(308，310)上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的流體噴射裝置(300)，其中的強(qiáng)制手段包括緩沖層(312)沉積在鈍化層(308，310)上，其中的壓縮α-鉭層(314)與緩沖層(312)之間晶格匹配。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的流體噴射裝置(300)，其中的緩沖層(312)包含鈦、鈮、基本純鋁和鋁-銅合金的其中之一。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種流體噴射裝置(300)。該流體噴射裝置(300)可以包括含有加熱元件(306)的襯底(301)和與加熱元件(306)相接觸的鈍化層(308，310)。流體噴射裝置(300)可以進(jìn)一步包括與鈍化層(308，310)相接觸的緩沖層(312)和與緩沖層(312)相接觸并與其晶格匹配的壓縮α－鉭層(314)。
文檔編號(hào)B41J2/14GK1780738SQ200480011680
公開(kāi)日2006年5月31日 申請(qǐng)日期2004年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月29日
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