DE19525765A1

DE19525765A1 - Drucker und Verfahren zum Herstellen eines Kopfes für den Drucker

Info

Publication number: DE19525765A1
Application number: DE19525765A
Authority: DE
Inventors: Masao Mitani; Kenji Yamada; Katsunori Kawasumi; Kazuo Shimizu; Osamu Machida
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 1994-07-14
Filing date: 1995-07-14
Publication date: 1996-01-18
Also published as: US5697144A; JPH08207291A; JP3515830B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucker und ein Verfahren zum Herstellen eines Druckkopfes für den Drucker.

In den offengelegten japanischen Patentveröffentlichungen (hiernach als "OPI-Veröffentlichung" bezeichnet) mit den Nummern SHO-48-9622 und SHO-54-51837 ist ein Tintenstrahlschreibgerät beschrieben, in dem ein Teil der Tinte in einer Tintenkammer schnell verdampft wird, damit eine sich ausdehnende Blase gebildet wird. Das Ausdehnen der Blase bewirkt das Ausstoßen eines Tintentröpfchens ausgehend von einer mit der Tintenkammer verbundenen Öffnung. Wie in der August-1988-Ausgabe des Hewlett Packard Journals und der am 28. Dezember 1992 erschienenen Ausgabe von Nikkei Mechanical (vgl. Seite 58) beschrieben ist, besteht das einfachste Verfahren zum schnellen Erwärmen des Teils der Tinte in der Anwendung eines Erreger-Spannungspulses bei dem Heizgerät. Das in den oben erwähnten Dokumenten beschriebene Heizgerät ist mit einem Dünnfilmwiderstand und Dünnschichtleitern, die zum Schützen des Widerstands vor einem Korrosionsschaden mit einer Antikorrosionsschicht bedeckt sind, aufgebaut. Die Antikorrosionsschicht ist zusätzlich mit einer oder zwei Antikavitationsschichten bedeckt, damit die Antikorrosionsschicht gegen eine Kavitationsbeschädigung geschützt wird.

Die OPI-Veröffentlichung Nr. HEI-6-71888 beschreibt ein Heizgerät ohne Schutzschichten, das aus einem Cr-Si-SiO oder Ta-Si-SiO-Legierungs-Dünnfilmwiderstand und Nickelleitern gebildet ist. Wenn keine Schutzschichten vorliegen, so verbessert sich die Wirksamkeit der Wärmeübertragung von dem Heizgerät auf die Tinte erheblich. Dies ermöglicht eine größere Zunahme der Druckgeschwindigkeit, das heißt der Frequenz, mit der Tintentröpfchen ausgestoßen werden können. Ein Druckkopf, bei dem derartige Heizgeräte eingesetzt werden, läßt sich einfacher herstellen.

Tintentröpfchen können ausgestoßen werden, indem nur kleine Mengen an Energie in dem Heizgerät eingesetzt werden. Die die Heizgeräte umgebenden Bereiche werden durch die kleine verwendete Energiemenge nicht erwärmt. Demnach kann der zum Treiben der Heizgeräte eingesetzte LSI-Chip in der Nähe des Heizgerätes angeordnet sein, ohne daß die Gefahr besteht, daß der LSI aufgrund einer Überwärmung beschädigt wird. In den OPI-Veröffentlichungen mit den Nummern HEI-6-238901 und HEI-6-297714 ist jeweils ein Bedarfskopf (on-demand-head) mit einfacher monolithischer Struktur beschrieben, bei dem der LSI-Chip zum Treiben der Heizgeräte in der Nähe der Heizgeräte angeordnet ist. Der Druckkopf enthält viele zweidimensionale mit hoher Dichte angeordnete Düsen. Auch ist die Anzahl der Steuerdrähte erheblich reduziert.

Die genannten Erfinder haben festgestellt, daß die durch Heizgeräte ohne Schutzschicht erzeugten Blasen exzellente Erzeugungs- und Kontraktionseigenschaften aufweisen. Die genannten Erfinder haben auch festgestellt, daß diese Erzeugungs- und Kontraktionseigenschaften bei Einsatz eines neuen Treiberverfahrens das Nebensprechen erheblich herabsetzen, das in einem thermischen Tintenstrahldrucker mit Oberseiten- oder Seitenwand-Abgabe (drop- or side-shooter) auftritt. Dies ist ein Hinweis darauf, daß sich der Widerstand gegen die Tinte in den Tintenzuführpfad dadurch verringern läßt, daß die Länge der einzelnen Tintenkanäle je Düse verkürzt werden. Da der Tintenzuführpfad kürzer ist, kann die Zeit für das erneute Füllen einer Tintenkammer nach einer Tintenabgabe reduziert werden, so daß sich die Druckgeschwindigkeit erhöht.

Der Druckkopf gemäß der vorliegenden Erfindung erscheint in seiner Struktur analog zu dem Druckkopf, der in der OPI- Veröffentlichung Nr. HEI-59-138472 beschrieben ist. Jedoch ist in der OPI-Veröffentlichung Nr. HEI-59-138472 ein gemeinsamer Kanal für die Zufuhr von Tinte zu den Tintenausstoßkammern mit einer Breite im Bereich von 2 bis 850 mm beschrieben, während gemäß der vorliegenden Erfindung ein gemeinsamer Tintenkanal vorgesehen ist, der einheitlich an die auf demselben Substrat gebildeten einzelnen Tintenkanäle angeschlossen ist, wobei die Gesamtbreite mit dem gemeinsamen Tintenkanal und den einzelnen Tintenkanal 0,2 mm beträgt.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Druckkopfes mit einer Düsendichte von 1600 dpi (dots per inch), was einem drei- oder mehrfachen desjenigen entspricht, was überlicherweise möglich ist.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Herstellungsverfahrens, bei dem lediglich Dünnfilmprozesse eingesetzt werden, für einen 1600 dpi-Kopf mit zweidimensional auf einem Substrat angeordneten Düsen.

Eine zusätzliche weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens zum Bilden eines Druckkopfes derart, daß lediglich die Öffnungsplatte so weit wasserbeständig ist, daß sich Reinigungsprozesse eliminieren oder erheblich reduzieren lassen.

Zur Lösung der oben und anderer Aufgaben wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Tintenausstoßkopfes geschaffen, der enthält:
einen Rahmen, der einen vorgegebenen Tintenzuführkanal aufweist; und
einen auf dem Rahmen befestigten Kopfchip, wobei der Kopfchip aus einem Siliziumsubstrat hergestellt ist und enthält:
mehrere Heizelemente, die jeweils aus Dünnfilmleitern hergestellt sind, und einem Dünnfilmwiderstand, der auf einer ersten Oberfläche eines Siliziumsubstrats gebildet ist;
einen auf dem Siliziumsubstrat gebildeten LSI-Treiber, der mit jedem Heizelement über einen entsprechenden Leiter verbunden ist, damit Energiepulse zu einem entsprechenden Heizelement zugeführt werden können, um Wärme bei einer Oberfläche des entsprechenden Heizelements zu erzeugen;
eine Öffnungsplatte, die mit Düsen gebildet ist, wobei sich jede Düse parallel und rechtwinkelig zu der Oberfläche eines entsprechenden Heizelements erstreckt, so daß aufgrund einer wärmebedingten Blasenbildung bei der Oberfläche jeder Düse Tintentröpfchen durch die Düsen ausgestoßen werden;
mehrere einzelne Tintenkanäle, die auf dem Siliziumsubstrat entsprechend den einzelnen Düsen vorgesehen sind;
einen gemeinsamen Tintenkanal, der auf dem Siliziumsubstrat vorgesehen ist und alle die einzelnen Tintenkanäle verbindet;
einen einzigen Tintenkanal, der auf dem Siliziumsubstrat vorgesehen ist und mit der gesamten Länge des gemeinsamen Tintenkanals verbunden ist; und
mindestens einen Durchgang, der auf einer Seitenoberfläche des Siliziumsubstrats liegt, die der ersten Oberfläche des Siliziumsubstrats gegenüberliegt, damit der einzelne Tintenkanal mit der ersten Oberfläche verbunden ist;
wobei das Verfahren folgende Schritte enthält:
Bilden des ersten LSI-Treibers auf der ersten Oberfläche des Siliziumsubstrats;
Bilden der Dünnfilmwiderstände und der Dünnfilmleiter auf der ersten Oberfläche des Siliziumwafers;
Bilden einer Trennwand, die mit den Tintenkanälen auf der ersten Oberfläche des Siliziumwafers gebildet ist;
Bilden der Tintenkanäle und des Durchgangs durch anisotropes Siliziumätzen sowohl der ersten als auch der zweiten Seite des Siliziumwafers;
Verbinden der Öffnungsplatte mit der ersten Oberfläche des Siliziumwafers;
Bilden der Düsen in der Öffnungsplatte unter Einsatz von Photoätzen;
Aufteilen des Siliziumwafers in Kopfchips; und
Einbauen der Kopfchips in den Rahmen und Befestigen der Verdrahtung unter Einsatz von Bondtechniken für ungehäuste Chips.

Die obigen und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich noch deutlicher aus der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung; es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Düse 12 einer Düsenreihe in einem Tintenstrahl-Schreibkopf gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2(a) eine Querschnittsansicht entlang der in Fig. 1 gezeigten Linie A-A′;

Fig. 2(b) eine Querschnittsansicht entlang der in Fig. 1 gezeigten Linie B-B′;

Fig. 2(c) eine Querschnittsansicht entlang der in Fig. 1 gezeigten Linie C-C′;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht zum Darstellen eines Zeilenkopfs zum Bedrucken von Blättern in DIN A4 Größe in Vollfarbe gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine Querschnittsansicht vergrößerter Einzelheiten eines Tintenausstoßkopfs gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 eine Querschnittsansicht eines Vollfarben- Zeilenkopfs mit einer Düsendichte von 1600 dpi, der dadurch hergestellt ist, indem zwei benachbarte 800-dpi-Düsenreihen mit einem einzigen zwischenliegenden Tintenkanal gebildet werden;

Fig. 6 einer Querschnittsansicht zum Darstellen einer Ätzcharakteristik eines (100)-Siliziumwafers oder eines (110)-Siliziumwafers mit einer Vier-Grad-Neigung beim Bilden eines anderen Kopfes entsprechend der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 eine Frontansicht des in Fig. 3 gezeigten Zeilenkopfes;

Fig. 8 eine Seitenansicht des in Fig. 7 gezeigten Zeilenkopfes;

Fig. 9 eine Querschnittsansicht entlang der in Fig. 7 gezeigten Linie E-E′;

Fig. 10 eine Querschnittsansicht eines Hochgeschwindigkeits-Vollfarben-Druckers, in dem Köpfe entsprechend der vorliegenden Erfindung zum Durchführen von Tests mit den Köpfen angebracht sind;

Fig. 11 ein erläuterndes Diagramm der Prozesse zum Herstellen der Dünnfilmwiderstände und der Dünnfilmleiter gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 12(a) ein Diagramm zum Darstellen von Einzelheiten der Prozesse zum Herstellen eines Kopfes gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 12(b) ein Diagramm zum Darstellen von Einzelheiten der Prozesse zum Herstellen einer Öffnungsplatte gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 13 eine Querschnittsansicht zum Darstellen des Bereichs um die Öffnungsplatte, die gemäß den in Fig. 12(b) dargestellten Prozesse hergestellt ist.

Ein Drucker und ein Verfahren zum Herstellen eines Druckkopfes für den Drucker gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezug auf die beiliegende Figur beschrieben, wobei gleiche Teile und Komponenten durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet sind, um eine Doppelkennzeichnung zu vermeiden.

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Düse 12 in einer Reihe von Düsen eines Tintenstrahl-Schreibkopfes gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Tintenstrahl-Schreibkopf weist eine Düsendichte von 400 dpi auf. Die Fig. 2(a), 2(b) und 2(c) zeigen jeweils Querschnittsansichten entlang der in Fig. 1 gezeigten Linien A-A′, B-B′ und C-C′. Prozesse zum Herstellen des Tintenstrahl-Schreibkopfes werden unten unter Bezug auf die Fig. 1 bis 9 beschrieben.

Erster Prozeß

Unter leichter Abwandlung eines Standard-Bipolar-LSI- Herstellungsprozesses für den Einsatz bei einem (110)- Siliziumwafer wird eine LSI-Treibervorrichtung 2 auf einem ersten Substrat aus einem (100)-Siliziumwafer gebildet, oder aus einem (4°-FF)-Siliziumwafer, das heißt einem Siliziumwafer mit einer Neigung von 4° im Vergleich zu einem (100)-Siliziumwafer. In Abhängigkeit von den Kosten der Waferherstellung, der Chipgröße und der Ausbeute sowie anderer Faktoren kann es vorzuziehen sein, eine LSI- Vorrichtung von BiCMOS- oder Power-MOS-Typ als LSI- Treibervorrichtung 2 herzustellen.

Während des LSI-Herstellungsprozesses wird eine SiO₂-Schicht auf der Oberfläche des Siliziumwafers hergestellt. Die SiO₂- Schicht kann eine thermische Oxidschicht sein, die auf dem Wafer gebildet wird, eine Schicht, die unter Aufschleudern von flüssigem Glas unter Einsatz von Glas-Aufschleuder- Techniken (SOG, spin-on-glass-techniques), eine phosphor dotierte SiO₂-(PSG-)Schicht, oder eine Zwischenschicht-SiO₂- Schicht zum Einsatz zwischen mehreren Schichten von Aluminiumverdrahtung. Anschließend werden die Abschnitte der SiO₂-Schicht, in der Tintennuten 14 gebildet werden, unter Einsatz von Photoätzen entfernt, damit die Oberfläche zum Aufbringen des Photoresists vorbereitet wird, der während des anisotropen Siliziumätzens der Tintennuten 14 benützt wird.

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, verbinden Treiberverdrahtungsleiter 7 zum Treiben der Dünnfilmheizelemente 3, die in einem weiter unten zu beschreibenden zweiten Prozeß gebildet werden, die LSI- Treibervorrichtung 2 mit einer externen und in der Zeichnung nicht gezeigten Versorgung über Verbindungsanschlüsse, die mit einer Seite des Substrats verbunden sind. Treiberverdrahtungsleiter sind für die Stromversorgung, die Erde, und für die Übertragung der Treibersignale, wie Datensignale, Taktsignale und Haltesignale (latch signals) vorgesehen. Einzelne Verdrahtungsleiter 4 für jedes Dünnfilmheizelement 3 sind mit der LSI-Treibervorrichtung 2 über Durchgangsverbindungsabschnitte 6 verbunden.

Zweiter Prozeß

Ein näherungsweise 0,1 Mikrometer dicker Cr-Si-SiO oder Ta- Si-SiO-Legierungs-Dünnfilmwiderstand und eine näherungsweise 1 Mikrometer dicke Nickel-Dünnschicht werden unter Einsatz von Sputter-Techniken auf dem Siliziumwafer 1 gebildet. Dann werden die Dünnfilmheizelemente 3 mit Widerstandswerten von 300 Ohm, die einzelnen Verdrahtungsleiter 4 und einer gemeinsamer Dünnfilmleiter 5 unter Einsatz von Photoätz- Techniken gebildet. Diese Prozesse sind detailliert in der OPI-Veröffentlichung Nr. HEI-6-71888 beschrieben, und somit kann ihre Beschreibung hier entfallen. Der Legierungs- Dünnfilmwiderstand wird unter Einsatz reaktiver Sputter- Techniken in einer Argon-Atmosphäre gebildet, die Säure enthält. Die Nickel-Dünnschicht wird unter Einsatz von schnellen Sputter-Techniken in einem starken Magnetfeld gebildet. Die Heizelemente und der Siliziumwafer werden von einer näherungsweise 2 Mikrometer dicken SiO₂-Schicht getrennt, die während der Herstellung der LSI- Treibervorrichtung 2 gebildet wird. Diese SiO₂-Schicht bildet eine Schicht, die den Siliziumwafer von der durch die Heizelemente erzeugte Wärme isoliert.

Dritter Prozeß

Eine näherungsweise 20 Mikrometer dicke Polyimidschicht wird auf der ersten Oberfläche des Siliziumwafers aufgebracht. Dann wird eine Trennwand 8 unter Einsatz einer Photoätz- Technik auf dem Organosilizium-Resist (organosilicic resist) gebildet. Ein Trockenätzen und insbesondere ein reaktives Trockenätzen ermöglicht ein genaueres Ätzen. Die einzelnen Tintenkanäle 9 und der gemeinsame Tintenkanal 10 werden in klarer Form dadurch gebildet, daß die Trennwand 8 unter Einsatz eines reaktiven Trockenätzens in einem Sauerstoffplasma geätzt wird, das durch eine Elektronen- Zyklotron-Resonanz-(ECR)-Quelle erregt wird.

Zum Bilden der Trennwand 8 aus dem Polyimidmaterial wird die Oberfläche des Siliziumwafers 1 mit einem photosensitiven Polyimid beschichtet, anschließend wird das Polyimid entwickelt und gehärtet. Obgleich mit den momentan zur Verfügung stehenden Techniken lediglich das Erzeugen einer relativ dünnen Trennwand 8 von 10 Mikrometer möglich ist, ist eine Dicke von mehr als 10 Mikrometer wünschenswert. Jedoch reicht zum Herstellen einer hochdichten Düsenreihe mit 800 dpi eine Dicke von 10 Mikrometer der Trennwand 8 aus.

Die Trennwände 8 wurden nie aus wärmebeständigem Harz gebildet. Üblicherweise wird die Trennwand an dieser Stelle aus einem photosensitiven Resist mit niedrigem Wärmewiderstand gebildet. Da die thermischen Pulse, die an der Oberfläche der Heizelemente entstehen, eine Temperatur von 300°C oder mehr erreichen können, mußten die Heizelemente an einer Stelle gebildet werden, die von der Trennwand ungefähr 10 Mikrometer getrennt war, um eine Beschädigung der Trennwand zu vermeiden. Diese Struktur begrenzt die Düsendichte, die mit der gebräuchlichen Technologie erzielbar ist, auf ungefähr 400 dpi.

Eine hochzuverlässige Trennwand 8 kann aus einem Harz wie einem Polyimid mit hohem Wärmewiderstand von 400°C und einer anfänglichen thermischen Durchbruchstemperatur hergestellt werden. Eine derartige Trennwand 8 ist selbst dann zuverlässig, wenn die Temperatur der Dünnfilmheizelemente 3 auf 300°C oder mehr ansteigt. Eine Trennwand 8, die hinreichend zuverlässig ist für die Herstellung eines 800- dpi-Kopfes mit den in Fig. 4 gezeigten T-, W- und H- Abmessungen von jeweils 9 Mikrometer, 22 Mikrometer und 17 Mikrometer kann selbst dann gebildet werden, wenn die durch das Photoätzen entstehenden Abweichungen in Betracht gezogen werden.

Vierter Prozeß

Der bei der Bildung der Durchgänge 15 verwendete Photoresist wird auf der Rückseite des Siliziumwafers 1 gebildet. Die Tintennuten 14 und der Durchgang 15 werden gleichzeitig unter Einsatz eines anisotropen Siliziumätzens auf beiden Seiten des Wafers gebildet. Als Flüssigkeit für das anisotrope Siliziumätzen kann eine wäßrige Hydrazinlösung, eine wäßrige KOH-Lösung, eine wäßrige Ethylen-Diamin-Lösung oder dergleichen verwendet werden. Ein (110)-Siliziumwafer wird vertikal geätzt, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Ein (100)- Siliziumwafer oder ein (110)-Siliziumwafer mit einer Neigung von 4° wird jedoch mit einer Neigung von ungefähr 55° geätzt, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Demnach müssen die Öffnungen der Durchgänge 15 etwas breiter an der Oberfläche des Siliziumsubstrats gebildet werden als die gewünschte minimale Breite für diese Durchgangslöcher 15. Bei anisotropem Ätzen wird die Tatsache ausgenützt, daß sich die Ätzgeschwindigkeiten an den (110)-, (100)- und (111)- Oberflächen eines Einkristallsiliziums außerordentlich stark unterscheiden. Demnach kann ein bestimmter Bearbeitungsvorgang, der mit isotropem Ätzen nicht möglich ist, mit anisotropem Ätzen durchgeführt werden. Die SiO₂- Schicht, die als Isolationsschicht zwischen den Dünnfilmheizelementen 3 und dem Siliziumwafer 1 vorgesehen werden muß, wird während den Prozeßschritten zum Herstellen des LSI-Treibers gebildet. Die SiO₂-Schicht wird als ein Resist für anisotropes Atzen benützt. Insbesondere können die Tintennuten 14 und die Durchgänge 15 gleichzeitig in einem einzigen Ätzprozeß gebildet werden.

Die Ätzzeit muß soweit wie möglich reduziert werden, um den Umfang zu begrenzen, in dem durch die Flüssigkeit zum anisotropen Ätzen auch die der Nickel-Dünnfilm- oder die Polyimid-Trennwand geätzt wird. Eine wirksame Vorgehensweise besteht darin, auf der zweiten Oberfläche des Wafers unter Einsatz von anisotropem Photoätzen einen tiefen Durchgang 15 zu bilden, während die erste Oberfläche des Wafers noch durch das SiO₂ nach dem ersten und zweiten Prozeß geschützt wird. Wird der anisotrope Ätzprozeß des vierten Prozesses auf beiden Oberflächen des Wafers durchgeführt, so kann die für das Bilden des Durchgangs 15 erforderliche Ätzzeit auf 1/5 bis 1/10 reduziert werden, ohne daß die Gefahr einer Beschädigung besteht.

Die Tintennuten 14 sollten mit einer geringen Breite hergestellt werden im Hinblick auf die Stärke des Siliziumwafers, die Biegung der Öffnungsplatte 11 der begrenzten Chipgröße und anderer unerwünschter Veränderungen. Jedoch sollten die Tintennuten 14 mit einer großen Breite ausgebildet sein, wenn man beachtet, daß breite Tintennuten 14 zu einer Verringerung der Zahl der Durchgänge 15 führen und sich hierdurch der Widerstand gegen fließende Tinte verringert, der auf das Feld der Tintennuten 14 zurückzuführen ist. Das Bilden der Tintennuten 14 mit einer Breite zwischen 100 und 200 Mikrometer führt zu einer Reduzierung des Widerstands gegen den Tintenfluß, der von dem gemeinsamen Tintenkanal 10 ausgeht. Sind die Tintennuten 14 und der Durchgang 15 mit derselben Querschnittsfläche auszubilden, so sollte der minimale Durchmesser der Durchgänge 15, die auf der Substratoberfläche gebildet werden, in dem Bereich von 300 bis 600 Mikrometer bis zu 600 bis 1000 Mikrometer liegen. Daten der tatsächlichen Tintenausstoßung werden später erörtert.

Fünfter Prozeß

Ein Vollfarben-Zeilenkopf mit einer Düsendichte von 1600 dpi läßt sich dadurch herstellen, daß zwei benachbart angeordnete 800-dpi-Düsenreihen mit einem zwischenliegenden einzigen Tintenkanal gebildet werden, wie in Fig. 5 gezeigt ist.

Jedoch sind der nachfolgend beschriebene fünfte und sechste Prozeß erforderlich, damit die Düsen derart gebildet werden können. Die Öffnungsplatte 11 wird dadurch gebildet, daß eine Polyimidschicht mit einer Dicke von ungefähr 60 Mikrometer, die eine ungefähr 10 Mikrometer dicke Epoxyharzschicht enthält, an der ersten Oberfläche des Siliziumwafers 1 befestigt und geerdet wird. Die Dicke der Schicht weist einen engen Zusammenhang mit der Menge der ausgestoßenen Tinte auf. Die Polyimidschicht sollte zwischen 20 und 80 Mikrometer dick sein, die Düsendichte zwischen 300 und 800 dpi liegen.

Sechster Prozeß

Tintenausstoßöffnungen 12 werden in der Polyimidschicht mit einem Durchmesser von 40 Mikrometer direkt oberhalb der Dünnfilmheizelemente 3 und einer Dichte von 400 dpi gebildet, wobei dieselben Photo-Trockenätz-Techniken eingesetzt werden, wie sie beim dritten Prozeß beschrieben wurden. Es hat sich gezeigt, daß Tintenausstoßöffnungen mit einem Durchmesser von 20 Mikrometer unter Einsatz dieses reaktiven Trockenätzens mit einer Dichte von 800 dpi ordentlich gebildet werden können.

Üblicherweise wird eine dünne Öffnungsplatte, auf der viele Düsenreihen ausgebildet sind und die mit einem Tintenkanal versehen ist, an einem Substrat ausgerichtet und an diesem befestigt. Der fünfte und der sechste Prozeß verbessern die Ausrichtung und die Herstellungsausbeute gegenüber diesem gebräuchlichen Verfahren. Mit keinem anderen Verfahren ist die Herstellung des in Fig. 5 gezeigten Kopfes mit großer Abmessung und mit einer hohen Dichte von 800 dpi oder 1600 dpi möglich. Ein langer Zeilenkopf mit geneigten Düsen kann einfach unter Einsatz von Prozessen hergestellt werden, wie sie bei der vorliegenden Ausführungsform beschrieben sind. Das Substrat wird in der Trockenätzvorrichtung mit einem Mittel zwischen 3 bis 10° im Hinblick auf die Ätzquelle befestigt. Die Tintenausstoßöffnungen können geneigt mit einem Mittel von 3 bis 10° ausgehend von einer rechtwinkelig zu der Oberfläche der Öffnungsplatte verlaufenden Linie gebildet werden.

Siebter Prozeß

Der Siliziumwafer 1 wird in vorgegebene Abmessungen zerschnitten, damit ein Kopfchip gebildet wird.

Achter Prozeß

Der Druckkopf wird fertiggestellt, indem Zeilen des Kopfchips ungehäust an einem Rahmen 17 gebondet werden, der mit Tintenversorgungskanälen vorgeformt ist.

Die Fig. 3, 7, 8 und 9 zeigen ein Beispiel eines Zeilenkopfes zum Bedrucken in Vollfarbe von Blättern mit DIN A4 Format. Die Fig. 13 ist eine Querschnittsansicht entlang der in Fig. 7 gezeigten Linie D-D′. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, bilden der Siliziumwafer 1, die Trennwand 8 und die Öffnungsplatte 11 ein Kopfsubstrat für einfarbiges Drucken. Vier der einfarbigen Kopfsubstrate werden an dem Rahmen 17 durch ungehäustes Bonden befestigt, um einen integrierten Kopfchip 1, 8, 11 zum Drucken in vier Farben zu bilden: gelb, magenta, zyan und schwarz.

Der in Fig. 3 gezeigte Kopfchip 1, 8, 11 hat eine Breite von ungefähr 6,8 mm. Wie in Fig. 7 gezeigt ist, sind vier Düsenreihen vorgesehen, die ungefähr 1,6 mm voneinander getrennt sind. Jede Tintenfarbe wird Tintenkanälen 16 in dem Rahmen 17 über Tintenzuführöffnungen 18 der in dem Rahmen 17 vorgesehenen Tintenzuführleitungen 19 zugeführt. Tinte wird den Tintennuten 14 über die Durchgänge 15 zugeführt, die absatzweise in dem Siliziumwafer 1 derart ausgebildet sind, daß sie parallel zu den Tintennuten 14 und den Tintenkanälen 16 liegen. Ein Durchgang 15 ist für die Versorgung der jeweils 100 bis 300 Tintenausstoßdüsen vorgesehen. Die Größe und weitere Einzelheiten der Durchgänge werden später erörtert.

Obgleich gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Beispiel eines 400-dpi-Zeilenkopfes zum Drucken in Vollfarbe beschrieben ist, läßt sich die vorliegende Erfindung auch zum Erzeugen eines Abtastkopfes (scanning head) mit weniger Düsen oder eines Kopfes zum Drucken in einer Farbe, oder in zwei oder drei Farben, einsetzen.

Die Fig. 7 zeigt eine Overhead-Ansicht zum Darstellen einer Außenansicht der Öffnungsplatte 11 eines Zeilenkopfes zum Vollfarbendrucken für ein Blatt der Größe DIN A4. Die Fig. 8 zeigt eine Seitenansicht des in Fig. 7 gezeigten Kopfes. Die Fig. 9 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer Querschnittsansicht entlang der in Fig. 7 gezeigten Linie E-E′. Wie in Fig. 7 gezeigt ist, ist jede der vier ausgerichteten Tintenausstoßdüsenreihen 12 des DIN A4- Vollfarben-Zeilenkopfes ungefähr 210 mm lang und weist eine Dichte von 400 dpi auf. Der Kopf wird aus Fünf- oder Sechs- Inch-Wafern hergestellt, die momentan in der Halbleiterindustrie eingesetzt werden, indem zunächst zwei Zeilenkopfchips 1, 8, 11 halber Größer hergestellt werden und diese bei den Chips dadurch zusammengefügt werden, daß die Enden der beiden Chips ausgerichtet werden und ungehäust an einem einzigen Rahmen 17 gebondet werden. Ein Bandträger 20 am rechten Rand des Siliziumwafers 1 verbindet die Signalleitungen und Versorgungsleitungen, die zum Treiben der rechten Seite des Kopfes dienen, mit einem Stecker 21, der an der unteren Seite des Rahmens 17 angebracht ist. Der Bandträger 20 ist an seiner Verbindungsstelle mit einer Klammer 22 befestigt. Der Bereich, in dem die Verdrahtung am rechten Rand des Siliziumwafers 1 und des Bandträgers 20 zusammengebondet sind, wird durch ein Gießharz geschützt. Jedoch wird eine genaue Beschreibung dieses Prozesses an dieser Stelle weggelassen. Auch die detaillierte Beschreibung des Prozesses zum Herstellen des inneren Abschnittes des Verbinders 21 wird weggelassen. Die linke Seite des Kopfes ist am linken Rand des Rahmens 17 angeschlossen und verbunden, und zwar durch Einsatz desselben Prozesses, der für die rechte Seite beschrieben wurde.

Die Tintenzufuhr und die Stromversorgung kann unabhängig voneinander für die linke und rechte Seite dieses Kopfes erfolgen. Ungefähr fünf bis sechs Leitungen für die Stromversorgung und Signale jeder Farbe müssen unter Einsatz des Bandträgers 20 verbunden werden. Demnach ist eine Anschlußdichte von ungefähr vier Leitungen/mm an der Randfläche der Chipköpfe gruppenweise zu bonden. Diese Dichte ist einfach mit Verbindungsanschluß-Techniken erreichbar.

Fig. 10 zeigt eine Querschnittsansicht zum Darstellen einer Ausführungsform eines DIN A4-Vollfarben-Druckers, bei dem ein Zeilenkopf 31 eingesetzt wird, der wie oben beschrieben hergestellt ist. Unter Einsatz der Vorwärm- und Absaugvakuum- Blatttransport-Techniken, wie sie in diesen Anmeldungen beschrieben sind, können 20 bis 30 Seiten qualitativ hochwertiger Vollfarbenbilder auf normalem Druckpapier gedruckt und hundertmal schneller als üblicherweise möglich getrocknet werden.

Zeilenköpfe, die unter zahlreichen Bedingungen hergestellt wurden, wurden in den in Fig. 10 gezeigten Drucker eingebaut und im Rahmen von Drucktests bewertet. Die Heizgeräte der Zeilenköpfe wurden mit einer Energiedichte von 2,5 W/50 µm²×µS betrieben. Dies ist die Treiberbedingung, die zum Erzeugen von Fluktuationssieden erforderlich ist. Zunächst wurden die ungeradzahligen Düsenreihen seriell mit einer Zeitverzögerung von 0,2 Mikrosekunden zwischen den Reihen betrieben. Hiernach wurden die geradzahligen Düsenreihen seriell mit derselben Zeitverzögerung von 0,2 Mikrosekunden zwischen den Reihen betrieben. Die linke Seite und die rechte Seite des Kopfes wurden gleichzeitig betrieben. Das Ergebnis einer Druckzeile, das heißt jeweils 3340 Punkte für vier Farben, wird in ungefähr 0,34 Millisekunden erzielt. Durch das Treiberverfahren wird ein Koppeln der ausgestoßenen Tintentröpfchen im Flug vermieden. Dieses Treiberverfahren vermeidet Nebensprechen. Hochqualitatives Drucken ist mit diesem Treiberverfahren möglich. Das Druckblatt wurde mit einer Geschwindigkeit von einer Zeile pro 0,7 ms bewegt, wenn das Drucken mit einer Tintenausstoßfrequenz von ungefähr 1,5 KHz erfolgte. Dies entspricht einer Druckgeschwindigkeit von ungefähr 16 DIN A4-Seiten pro Minute.

Die zu bewertenden 400 dpi-Druckköpfe wurden zum Drucken in Vollfarbe und auf DIN A4 Blätter hergestellt. Die Siliziumsubstrate wiesen eine Dicke von 400 Mikrometer auf. Die aus (110)-Siliziumsubstrat hergestellten Druckköpfe wurden mit 100 Mikrometer breiten Tintennuten und 300 Mikrometer breiten und 600 Mikrometer langen Durchgängen 15 gebildet. Sowohl die Tintennuten 14 als auch die Durchgänge 15 wurden mit einer Tiefe von 200 Mikrometer oder mehr gebildet. Druckköpfe, die aus einem (100)-Siliziumsubstrat oder einem 4°-Neigungs-Siliziumsubstrat hergestellt wurden, wurden mit Tintennuten 14 mit einer Öffnungsbreite von 200 Mikrometer und mit Durchgängen 15 mit einer Öffnungsbreite von 600 Mikrometer und einer Länge von 1000 Mikrometer gebildet. Die wesentliche Querschnittsfläche der Tintennuten 14 und des Durchgangs 15 wurden ungefähr genauso gewählt, wie die bei dem (110)-Siliziumsubstrat, so daß die Auswertungen mit einheitlichen Bedingungen im Hinblick auf den Widerstand gegenüber Tintenfluß in diesen Tintenkanälen erfolgen konnte. Die Tintenkanäle 16 in dem Rahmen wurden mit einer Breite von ungefähr 500 Mikrometer und einer Dicke von ungefähr 2000 Mikrometer gebildet. Die Tintenzufuhröffnungen 18 wurden mit einem Durchmesser von 2500 Mikrometer gebildet.

Der Kopf der vorliegenden Ausführungsform wurde dahingehend untersucht, ob Tinte mit dieser Struktur gleichmäßig zugeführt wurde oder nicht. Bei diesem Test wurde das Ziel verfolgt, die maximale Zahl von Düsen festzustellen, die ein einziges Verbindungsloch mit Tinte versorgen kann, wenn das Drucken mit einer niedrigen Tintenausstoßfrequenz von ungefähr 1,5 KHz erfolgt. Es wurden Köpfe hergestellt, bei denen jeder Durchgang 200, 300 und 400 Düsen mit Tinte versorgte. Das Drucken erfolgte mit einer Druckleistung von 25%, 50%, 100%. Die sich aufgrund einer unzureichenden Tintenversorgung einstellende Reduktion der Bilddichte ist in Tabelle 1 zusammengefaßt.

TABELLE 1

Nahezu dieselben Ergebnisse wurden bei Einsatz eines Druckkopfes erzielt, der aus (100)-Siliziumsubstrat hergestellt wurde. Werden Tintennuten 14 und Durchgänge 15 in diesem Bereich des Oberflächenabschnitts vorgesehen, so sollte eine Verbindungsöffnung für jeweils 300 Düsen ausreichen, wenn mit einer niedrigen Ausstoßfrequenz gedruckt wird. Wird jedoch mit einer hohen Ausstoßfrequenz gedruckt, so sollte eine Verbindungsdüse für jeweils 200 bis 250 Düsen vorgesehen sein.

Tests wurden mit denselben Tintennuten 14 und Durchgängen 15 unter Einsatz des in Fig. 5 gezeigten 1600 dpi-Kopfes durchgeführt. Die Düsen wurden mit einem Durchmesser von 20 Mikrometer gebildet. Jede Seite des Kopfes wies eine Düsendichte von 800 dpi auf. Tintentröpfchen wurden mit einer Frequenz von 1,5 KHz ausgestoßen, das heißt bei einer Druckgeschwindigkeit von ungefähr vier DIN A4-Blättern pro Minute. Die Ergebnisse stimmten mit den in Tabelle 1 gezeigten überein. Diese Ergebnisse waren zu erwarten, da die von jeder Düse pro Zeiteinheit ausgestoßene Tintenmenge dieselbe ist, wie bei dem 400 dpi-Kopf oder dem 600 dpi-Kopf. Keine Verschlechterung im Hinblick auf die Qualität der gedruckten Buchstaben wurde bei fortlaufendem Langzeitdrucken unter Einsatz des 1600 dpi-Kopfes festgestellt. Diese Ergebnisse sind der aus Polyimid hergestellten Trennwand zuzurechnen, die ein exzellentes wärmebeständiges Harz ist; sowie ferner dem Einsatz von schutzschichtlosen Wärmeelementen, die zu keiner Überwärmung der Trennwände führen; und der Struktur des Kopfes, mit der sich eine Veränderung bei der Druckdichte selbst dann vermeiden läßt, wenn sich die Temperatur des Kopfes verändert. Der Kopfherstellungsprozeß einschließlich des Phototrockenätzens gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht erstmals die Herstellung eines 1600-dpi-Kopfes.

Der oben beschriebene Zeilenkopf ist für das Drucken mit einer Ausstoßfrequenz von 1,5 KHz ausreichend. Um jedoch eine gleichmäßige Versorgung des Rahmens mit Tinte zu gewährleisten, ist es wünschenswert, die doppelte Zahl der Tintenzuführöffnungen 18 vorzusehen, wenn mit einer Ausstoßfrequenz von 5 KHz gedruckt wird, und die dreifache Zahl der Tintenzuführöffnungen 18 vorzusehen, wenn mit einer Ausstoßfrequenz von 10 KHz gedruckt wird.

Nun folgt eine Beschreibung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei einer Erhöhung der Ausstoßfrequenz reduziert sich die Anzahl der Düsen, die jede für die Tintenversorgung erforderliche Versorgungsöffnung versorgen kann. Um dies zu untersuchen, wurde ein Kopf vom seriellen Scan-Typ mit nahezu derselben Struktur hergestellt, wie sie für die erste Ausführungsform beschrieben wurde, jedoch mit vier Reihen aus 512 Düsen. Es wurde die Qualität der Zeichen untersucht, die mit diesem Kopf bei einer Ausstoßfrequenz von 10 KHz gedruckt wurden. Dieser Kopf konnte aus einem einzigen Chip auf einem einzigen Rahmen hergestellt werden, im Gegensatz zu dem Kopf der ersten Ausführungsform, der aus zwei Chips auf einem einzigen Rahmen hergestellt wurde. Düsen der ungeradzahligen Reihen wurden in serieller Weise alle 0,2 Mikrosekunden aktiviert. Hiernach wurden Düsen der geradzahligen Reihen in serieller Weise alle 0,2 Mikrosekunden aktiviert. Demnach wurden alle 512 Düsen innerhalb von 102 Mikrosekunden aktiviert. Düsen wurden mit einem Durchgang pro 100, 150 und 200 Düsen hergestellt. Tests wurden mit einer Druckleistung von 25%, 50% und 100% hergestellt. Die Ergebnisse der Tests sind in Tabelle 2 gezeigt. Es zeigt sich, daß eine Verbindungsöffnung pro 100 Düsen ausreicht.

TABELLE 2

Besonders starke Reduktionen der Biegebeständigkeit müssen vermieden werden, um eine Beschädigung der Chipköpfe während ihrer Herstellung und ihrem Zusammenbau zu vermeiden. Demnach ist es wünschenswert, enge Tintennuten zu bilden und so wenig Verbindungsöffnungen wie möglich vorzusehen. Die oben beschriebene Ausführungsform führt zu dem besten Ausgleich zwischen der Größe der Tintennut und der Größe der Verbindungsöffnung. Auf der Grundlage dieses Ausgleichs wurde die optimale Anzahl von Verbindungsöffnungen bestimmt. Demnach sollte dann, wenn die Tintennuten und die Durchgänge größer gemacht werden, die Anzahl der Durchgänge leicht verringert werden.

Nun folgt eine Beschreibung einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Nickel-Dünnfilmleiter weist einen größeren elektrischen spezifischen Widerstand auf, als ein aus Aluminium oder anderem Metall hergestellter Leiter. Die Dicke des Dünnfilms muß erhöht werden, um zu vermeiden, daß der Widerstand der Verdrahtung zunimmt, wenn ein großer Zeilenkopf gebildet wird oder der gemeinsame Dünnfilmleiter lang ist.

Jedoch für eine Zunahme der Dicke des Leiterdünnfilms zu den folgenden Problemen. Beispielsweise entsteht eine hohe Temperatur bei dem Substrat, wenn der Nickelfilm unter Einsatz Sputter-Techniken gebildet wird. Zudem führt die Infusion von Elektronen und Ionen mit hoher Geschwindigkeit in die Schicht zu einer Ausdehnung der Schicht, und demnach erhöht sich deren Volumen, was zu einer Druckbeanspruchung in dem Nickelfilm führt. Je dicker der Film gebildet wird, um so mehr nimmt der Druck in dem Film zu, um so leichter löst sich der Film von dem Substrat ab, um so leichter verformt sich das Substrat und um so leichter tritt eine Beschädigung auf.

Es erfordert auch eine lange Zeit, einen Dünnfilm unter Einsatz von Sputter-Techniken herzustellen. Demnach nimmt der Energieverbrauch zu und die Produktivität fällt ab.

Zudem ist die Dauer von Ätzprozessen zum Bilden von Halbleiterstrukturen nach dem Bilden von Leiterfilmen zu einer Zeitdauer proportional, die von der Dicke des Leiterfilms bestimmt ist. Die Anzahl der Ausschußteile nimmt zu, und zwar aufgrund der geringen Auflösung der Halbleiterstruktur und dem Ablösen des Photoresists, das auf die längere Ätzzeit zurückzuführen ist, durch die sich der Umfang, in dem die Seiten der Halbleiterstrukturen geätzt werden, erhöht.

Mit der dritten Ausführungsform werden diese Probleme überwunden. Nachfolgend werden Prozesse zum Bilden des Nickel-Dünnfilmleiters beschrieben. Alle anderen Prozesse stimmen mit dem für die erste Ausführungsform beschriebenen überein, so daß deren Erläuterung weggelassen wird.

Die Fig. 11(a) zeigt einen Siliziumwafer 1, auf dem eine näherungsweise 1 Mikrometer dicke Schicht aus SiO₂ gebildet wird. Die Fig. 11(b) zeigt ein Cr-Si-SiO-Legierungs- Dünnfilmheizelement 3, das auf der SiO₂-Schicht gebildet ist, und einen Nickel-Dünnfilmleiter 4a, der auf dem Dünnfilmheizelement 3 gebildet ist, wobei aufeinanderfolgend Sputter-Prozesse verwendet werden. Obgleich in der Figur nicht gezeigt, wird ein entsprechender Nickel-Dünnfilmleiter 5a auch auf dem den Nickel-Dünnfilmleiter 4a gegenüberliegenden Dünnfilmheizelement 3 gebildet. Jeder dieser Dünnfilme ist ungefähr 0,1 Mikrometer dick. Die Druckbeanspruchung eines 0,1 Mikrometer dicken Dünnfilms ist so gering, daß sie ignoriert werden kann.

Die Fig. 11(c) zeigt Prozesse, bei denen ein Photoresist auf dem Dünnfilmheizelement 3 und die Leiter 4a und 5a beschichtet wird. Nach dem Belichten des Photoresists 30 und dem Entwickeln ist die Dicke, mit der Photoresist 30 beschichtet werden muß, größer zu wählen, als diejenige der Nickelüberzug-Dünnfilmleiter 4b und 5b, die in dem Nickelprozeß zu bilden sind. Um die Nickelüberzug- Dünnfilmleiter 4b und 5b mit einer Dicke von 2 Mikrometer zu bilden, wurde der Photoresist 30 gemäß der vorliegenden Ausbildungsform mit einer Dicke von 5 Mikrometer gebildet. Der eingesetzte Photoresist war der von Tokyo Oka hergestellte PMERP-AR900-Resist zum Überziehen mit einem Dickfilm. Dieselben Prozesse können mit einer anderen Art von Resist durchgeführt werden, beispielsweise einem Trockenfilmresist wie dem von Hitachi Kosei hergestellte Photec SR-3000.

Anschließend wird das Substrat zum Vorbereiten für den Überzugvorgang in eine 5%-Lösung von Salzsäure über 10 Minuten hinweg eingetaucht. Dann wird die Oberfläche der Nickelüberzug-Dünnfilmleiter 4a und 4b leicht angeätzt. Nach dem leichten Ätzen wird das Substrat gewaschen.

Die Fig. 11 (d) zeigt Prozesse, in denen die Nickelüberzug- Dünnfilmleiter 4b und 5b gebildet werden, indem der nicht mit dem Photoresist 30 bedeckte Abschnitt überzogen wird, das heißt der Leiterabschnitt. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, wurde das Überziehen entsprechend der vorliegenden Ausführungsform unter Einsatz von Sulfonaminsäure-Nickel (sulphornamine acid nickel) als Hauptbestandteil der Überzuglösung durchgeführt.

TABELLE 3

Ein 1 Mikrometer dicker Nickelfilm konnte durch Überziehen über 4 Minuten hinweg gebildet werden. Der Nickelfilm kann auch gebildet werden, indem eine Watt-Plattier-Lösung mit Nickelsulfat als Hauptbestandteil eingesetzt wird, oder eine Nickelchloridlösung mit Nickelchlorid als Hauptbestandteil.

Anschließend wird in dem in Fig. 11(e) angedeuteten Prozeß der Photoresist abgeschält. Der derart gebildeten Nickelüberzug-Dünnfilmleiter 4b und 5b weisen eine Leiterbreite von 40 Mikrometer auf und sind 22 Mikrometer voneinander getrennt.

Anschließend wird in dem in Fig. 11(f) erläuterten Prozeß das in Fig. 11(e) gezeigte Substrat über 1 Minute in einer Ätzlösung eingetaucht, die eine Mischung aus Salpetersäure, Ethansäure und Schwefelsäure enthält, so daß der gesamte freiliegende Abschnitt der Nickelüberzug-Dünnfilmleiter 4a und 5b, der durch das Sputtern eine 0,1 Mikrometer dicken Nickelschicht gebildet wurde, weggeätzt wird, zusammen mit ungefähr 0,1 Mikrometer der Oberfläche der Nickelüberzug- Dünnfilmleiter 4b und 5b. Dies führt zur Bildung des Nickelleiterabschnitts. Defekte, die an Randabschnitten der Nickelüberzug-Dünnfilmleiter 4b und 5b auftreten, die während dieses Überzugsprozesses gebildet wurden, werden auch während dieses Ätzprozesses entfernt.

Die Struktur für das Cr-Si-SiO-Legierungs-Heizelement wird mit dem in der Fig. 11(g) angedeuteten Prozeß durch Ätzen gebildet. Die Ätzflüssigkeit ist eine 5%-tige Lösung von Flußsäure. Ein Ta-Si-SiO-Legierungs-Heizelement könnte anstelle des Cr-Si-SiO-Legierungs-Heizelements gebildet werden, um dieselben Ergebnisse zu erzielen. Dieses Verfahren ermöglicht die wirksame Herstellung eines dicken Nickel- Dünnfilmleiters. Hierauf folgen die Prozesse entsprechend dem dritten Prozeß und den nachfolgenden Prozessen der ersten Ausführungsform.

Nun folgt eine Erklärung einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der lediglich die Oberflächenschicht der Öffnungsplatte mit einem wasserabstoßenden Film beschichtet ist. Die Fig. 12(a) zeigt schematisch Prozesse eines Herstellungsverfahrens für den im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschriebenen Kopf. Die Öffnungsplatte 11 des Kopfes der ersten Ausführungsform ist nur aus einer wärmebeständigen Harzplatte aufgebaut. Auf der anderen Seite enthält, wie in Fig. 13 gezeigt ist, die Öffnungsplatte 11 des Kopfes der vorliegenden Ausführungsform ferner einen dünnen Metallfilm 42, der mit einer gewünschten Dicke zwischen 0,05 bis 1,0 Mikrometer auf dem Harzfilm 41 gebildet wird; sowie einen wasserabweisenden Film 42 mit einer gewünschten Dicke zwischen 0,01 und 5 Mikrometer, der fest an der Oberfläche des dünnen Metallfilms 42 befestigt ist. Ein Prozeß zum Herstellen dieser Struktur wird nun unter Bezug auf die Fig. 12 (b) beschrieben.

Ein näherungsweise 0,1 Mikrometer dicker Nickel-Dünnfilm 42 wird auf der Struktur gebildet, die durch den ersten bis fünften Prozeß der ersten Ausführungsform gebildet wird. Öffnungen werden in dem Nickel-Dünnfilm 42 in Bereichen gebildet, die den Tintenausstoßöffnungen entsprechen, wobei Photoätzen mit einem Organosilizium-Resist erfolgt. Die Düsenöffnungen 12 öffnen sich im rechten Winkel zu dem Polyimidfilm 41, wobei ein Trockenätzen in einem Sauerstoffplasma erfolgt, das durch eine Elektron-Zyklotron- Resonanz-Quelle induziert ist. Die Düsenöffnungen 12 können sich in einem wählbaren Winkel öffnen, was dann wesentlich ist, wenn zwei Chips auf einem gemeinsamen Rahmen zusammengebaut und befestigt werden, um den in Fig. 7 gezeigten Zeilenkopf herzustellen. Als nächstes wird der Organosilizium-Resist entfernt. Der wasseraufweisende Film 43 wird lediglich auf der Oberfläche des Nickel-Dünnfilms 42 gebildet, unter Einsatz eines Metallisierungsverfahrens, bei dem der Nickel-Dünnfilm 42 als Galvanisierelektrode dient. Das Verfahren zum Bilden eines wasserabweisenden Films 43 durch Metallisieren ist allgemein als Verbundmetallisieren bekannt. Der Film, der dadurch erzeugt wird, daß ein Metallisieren mit einer Nickelmetallisierungslösung erfolgt, in der ein Fluorkunststoff oder Graphit-Fluorid-Partikel dispergiert sind, weist eine exzellente Wasserabweisung auf, was, wie auf Seite 477 des 46 vol #7 von Kagaku beschrieben ist, zu einem Kontaktwinkel in der Nähe von 180° führt.

Eine Öffnungsplatte wurde dadurch hergestellt, daß der Polyimidfilm 41 mit einem Verbund-Nickelmetallisierfilm bedeckt wurde, der denselben Kontaktwinkel wie ein Fluorkunststoff (PTFE) aufweist, das heißt ungefähr 110°, und in dem der Verbund-Nickelmetallisierfilm mit einem nickelmetallisierten Film bedeckt wird, der ein Graphit- Fluorid enthält, das einen Kontaktwinkel von ungefähr 140° aufweist. Alle Düsen stoßen dieselbe Tintenmenge aus. Die Menge an Tinte, die an der Öffnungsfläche hängenbleibt, wurde reduziert, um das Erfordernis einer Reinigung der Öffnungsfläche aufzuheben. Der Graphit-Fluorid-Verbund- Nickelmetallisierungsfilm erforderte besonders wenig Reinigung. Dieser Film kann zu der Herstellung eines Druckers beitragen, bei dem keine Reinigung der Öffnungsoberfläche erforderlich ist.

Einige der in Fig. 12(b) dargestellten Sputter-Prozesse können dadurch vermieden werden, daß eine Zweilagen- Polyimidfilm-Struktur mit einem vorgeformten Metalldünnfilm eingesetzt wird. Andere Metalle, selbst solche, die durch Tinte einer Korrosion ausgesetzt sind, können anstelle von Nickel für den Metalldünnfilm eingesetzt werden, da ihre Oberfläche durch den Verbund-Nickelmetallisierungsfilm bedeckt und geschützt wird.

Der Nickel-Dünnfilm 42 ist ausreichend dick um als Metallisierelektrode zu wirken, wenn er mit einer Dicke von 0,05 bis 1 Mikrometer auf dem Polyimid 41 gebildet ist. Es wurden dünne wasserabweisende Filme 43 entwickelt, die durch Plattieren mit einer Dicke von 100 Angström oder ungefähr 0,01 Mikrometer gebildet werden. Diese dünnen wasserabweisenden Filme 43 werden durch Einsatz eines Verfahrens gebildet, indem sich eine Fluoridverbindung und eine Organo-Phosphorsäure (organophosphoric acid) in einer Metallisierungsflüssigkeit verbinden, die aus einem organischen Komplex einer Fluoridverbindung gebildet ist. Mit diesem Verfahren kann lediglich die Oberfläche der metallisierten Öffnung mit dem wasserabweisenden Film mit der gewünschten Dicke von 0,01 bis 5,0 Mikrometer bedeckt werden. Auch weist der sich ergebende wasserabweisende Film einen Kontaktwinkel von 180° auf, bei dem Wasser vollständig abgewiesen wird. Ein wasserabweisender Film, in dem Fluoridharzpartikel dispergiert sind und der einen Kontaktwinkel von 170° aufweist, bei dem der Kopf nicht gereinigt werden muß, damit eine Dicke von lediglich einigen Mikrometern unter Einsatz von galvanischer Fluorkohlenstoff- Metallabscheidung gebildet werden.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist die Ausführung mehrerer Prozesse hinfällig, da eine SiO₂-Schicht, die während der Bildung des LSI-Treibers gebildet wird, als die Hitze-Isolierungsschicht der Heizelemente benutzt werden kann und da zudem die Tintenkanäle unter Einsatz einer Photomaske gebildet werden können.

Die vorliegende Erfindung erlaubt die Bildung der Tintenkanäle und der Durchgänge mit denselben Prozessen, so daß die Gesamtzahl der Prozesse reduziert ist.

Da die Öffnungen in der Öffnungsplatte durch Photoätzen nach dem Anbringen der Öffnungsplatte gebildet werden, können die Heizelemente und die Öffnungen einfach gegeneinander ausgerichtet werden. Dies ermöglicht die Herstellung eines 1600 dpi-Kopfes, was dem Dreifachen des bei üblichen Köpfen Möglichen entspricht.

Zylindrische Öffnungen können unter Einsatz eines reaktiven Trockenätzens bei dem Photoätzverfahren der Öffnungsplatte gebildet werden. Hierdurch werden Veränderungen bei der Druckleistung aufgrund von Veränderungen bei der Temperatur vermieden.

Auch können die zylindrischen Öffnungen mit einer Neigung von 3 bis 20° gebildet werden, was für die Herstellung eines langen Zeilenkopfes erforderlich ist.

Da in Richtung der engen Tintennuten relativ wenige Durchgänge gebildet werden, können Problem im Hinblick auf geringere Ausbeute, beispielsweise aufgrund einer Rißbildung des Siliziumwafers, vermieden werden.

Da die Oberfläche der Öffnungsplatte mit einer wasserabweisenden Schicht bedeckt ist, können Kopfreinigungsprozesse reduziert oder eliminiert werden.

Da sich mehrere zehn oder mehrere hunderttausend Düsen gleichzeitig unter Einsatz lediglich eines Dünnfilmprozesses auf einem Siliziumwafer bilden lassen, ist es möglich, einen hochdichten Kopf mit großen Abmessungen kostengünstig herzustellen.

Bei einem gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Drucker ist eine Kopftemperaturregelung, eine Treiberpulsbreitenregelung oder eine Farbbalanceregelung nicht erforderlich.

Obgleich die Erfindung detailliert unter Bezug auf deren speziellen Ausführungsformen beschrieben wurde, sind für diejenigen, die mit dem Stand der Technik vertraut sind, zahlreiche Änderungen und Modifikationen ersichtlich, die sich in ihrem Rahmen ohne von dem Grundgedanken abzuweichen durchführen lassen, so daß der Schutzbereich durch die nachfolgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Tintenausstoßkopfes mit
einem Rahmen (17), der einen vorgegebenen Tintenzuführkanal aufweist; und
einem auf dem Rahmen (17) befestigten Kopfchip, wobei der Kopfchip aus einem Siliziumsubstrat hergestellt ist und enthält:
mehrere Heizelemente, die jeweils aus Dünnfilmleitern hergestellt sind, und einem Dünnfilmwiderstand, der auf einer ersten Oberfläche eines Siliziumsubstrats gebildet ist;
einen auf dem Siliziumsubstrat gebildeten LSI-Treiber (2), der mit jedem Heizelement über einen entsprechenden Leiter verbunden ist, damit Energiepulse zu einem entsprechenden Heizelement zugeführt werden können, um Wärme bei einer Oberfläche des entsprechenden Heizelements zu erzeugen;
eine Öffnungsplatte, die mit Düsen gebildet ist, wobei sich jede Düse parallel und rechtwinkelig zu der Oberfläche eines entsprechenden Heizelements erstreckt, so daß aufgrund einer wärmebedingten Blasenbildung bei der Oberfläche jeder Düse Tintentröpfchen durch die Düsen ausgestoßen werden;
mehrere einzelne Tintenkanäle, die auf dem Siliziumsubstrat entsprechend den einzelnen Düsen vorgesehen sind;
einen gemeinsamen Tintenkanal, der auf dem Siliziumsubstrat vorgesehen ist und alle die einzelnen Tintenkanäle verbindet;
einen einzigen Tintenkanal, der auf dem Siliziumsubstrat (1) vorgesehen ist und mit der gesamten Länge des gemeinsamen Tintenkanals (10) verbunden ist; und
mindestens einen Durchgang (15), der auf einer Seitenoberfläche des Siliziumsubstrats (81) liegt, die der ersten Oberfläche des Siliziumsubstrats (1) gegenüberliegt, damit der einzelne Tintenkanal mit der ersten Oberfläche verbunden ist;
wobei das Verfahren folgende Schritte enthält:
Bilden des ersten LSI-Treibers (2) auf der ersten Oberfläche des Siliziumsubstrats (1);
Bilden der Dünnfilmwiderstände und der Dünnfilmleiter (4b, 5b) auf der ersten Oberfläche des Siliziumwafers (1);
Bilden einer Trennwand (8), die mit den Tintenkanälen auf der ersten Oberfläche des Siliziumwafers (1) gebildet ist;
Bilden der Tintenkanäle und des Durchgangs (15) durch anisotropes Siliziumätzen sowohl der ersten als auch der zweiten Seite des Siliziumwafers (1);
Verbinden der Öffnungsplatte (11) mit der ersten Oberfläche des Siliziumwafers (1);
Bilden der Düsen in der Öffnungsplatte (11) unter Einsatz von Photoätzen;
Aufteilen des Siliziumwafers in Kopfchips; und
Einbauen der Kopfchips in den Rahmen und Befestigen der Verdrahtung unter Einsatz von Bondtechniken für ungehäuste Chips.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumwafer ein Einkristall-Siliziumwafer mit einer Kristallorientierung von (100) oder (110) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnfilmwiderstand ein Cr-Si-SiO- oder ein Ta-Si-SiO- Legierungs-Dünnfilmwiderstand ist, der durch Sputtern gebildet wird, und daß der Dünnfilmleiter ein Nickel- Dünnfilmleiter ist, der durch Hochgeschwindigkeits- Sputtern gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Nickel- Dünnfilmleiter durch Hochgeschwindigkeits-Sputtern und Elektroplattieren gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Nickel- Dünnfilmleiter durch folgende Schritte gebildet wird:
Bilden eines ersten Nickel-Dünnfilms unter Einsatz von Hochgeschwindigkeits-Sputtern;
leichtes Ätzen einer Oberfläche des ersten Nickel- Dünnfilms; und
Elektroplattieren eines zweiten Nickel-Dünnfilms auf den ersten Nickel-Dünnfilm.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopfchip eine Anzahl von Kopfchips enthält, die
auf demselben Siliziumsubstrat ausgerichtet gebildet werden;
in dem Rahmen zusammengefügt und befestigt werden, der mit einer Anzahl von Tintenzuführkanälen gebildet ist, die der Anzahl der Kopfchips entspricht; und
unter Einsatz von Bond-Techniken für ungehäuste Chips verdrahtet sind.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (8) aus einem wärmebeständigen Harz gebildet wird, deren thermische Durchbruchstarttemperatur 400°C oder mehr beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsplatte aus einem wärmebeständigen Harz gebildet wird, und daß reaktives Trockenätzen für den Photoätzprozeß zum Bilden der Düsen eingesetzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsplatte (11) durch folgende Schritte gebildet wird:
Befestigen der wärmebeständigen Harzplatte an dem Siliziumwafer (1);
Bilden einer Metall-Dünnschicht auf der Oberfläche der wärmebeständigen Harzplatte;
Photoätzen von Abschnitten des Metall-Dünnfilms, die den Düsen entsprechen;
reaktives Trockenätzen derjenigen Abschnitte der wärmebeständigen Harzplatte, die den geätzten Abschnitten des Metall-Dünnfilms entsprechen; und
Elektroabscheidung eines wasserbeständigen Films auf die Oberfläche des Metall-Dünnfilms unter Einsatz des Metall-Dünnfilms als eine Elektrode.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmebeständige Harzplatte mit einer Dicke zwischen 20 und 80 Mikrometer gebildet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Metall- Dünnfilm mit einer Dicke zwischen 0,05 und 1,0 Mikrometer gebildet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der wasserbeständige Film mit einer Dicke zwischen 0,01 und 5,0 Mikrometer gebildet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Tintenkanäle mit einer Breite im Bereich von 100 bis 200 Mikrometer gebildet werden und daß die Durchgänge (15) mit einem Durchmesser von 300 bis 600 Mikrometer bis zu 600 bis 1000 Mikrometer gebildet werden und daß ein Durchgang (15) für jeweils 100 bis 300 Düsen vorgesehen ist.

14. Verfahren nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (17) gebildet wird mit:
mehreren Tintenöffnungen, die so ausgebildet sind, daß sie mehrere Durchgänge (15) abdecken, die auf der zweiten Oberfläche des Kopfchips ausgerichtet sind; und
mehrere Tintenzuführ-Anschlüsse zum Anbinden der Tintenöffnungen.

15. Verfahren nach Anspruch 1, 6 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Kopfchips an dem Rahmen (17) befestigt werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf auf einem Schreibgerät befestigt ist.