DE19604268C2

DE19604268C2 - Tintenstrahldruckkopf und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE19604268C2
Application number: DE19604268A
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: 1995-03-03
Filing date: 1996-02-06
Publication date: 1999-03-25
Anticipated expiration: 2016-02-07
Also published as: DE19604268A1; FR2731180A1; GB2298395B; GB2298395A; GB9603978D0; FR2731180B1; JPH08238771A; JP3573515B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Tintenstrahldruckkopf zum Ausstoßen von Tintentröpfchen auf einen Aufzeichnungsträger, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Sie betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Druckkopfes.

DE-A-43 17 944 offenbart ein Tintenstrahl- Bildaufzeichnungsgerät mit einem Flüssigkeitstropfenausstoß- Aufzeichnungskopf der auf einem Siliciumsubstrat durch Trennwände definierte individuelle Tintenkanäle aufweist. In jedem dieser Tintenkanäle ist ein Heizelement aus einem Dünnfilmwiderstand aus einer Ta-Si-SiO-Legierung bereitgestellt, die in direktem Kontakt mit der verwendeten Tinte steht. Die Tinte wird durch eine dem Heizelement gegenüberliegende Düsenöffnung ausgestoßen.

DE-OS 21 26 182 offenbart eine Vorrichtung zum Einstellen der Größe eines Widerstandes, in der die Größe R eines Widerstandes durch Oxidation des Widerstandes mittels angelegter elektrischer Impulse auf einen vorgegebenen Wert R₀ eingestellt wird. Diese Vorrichtung eignet sich zur Herstellung definierter Widerstände aus auf einem Träger aufgedampften dünnen Metalleiterbahnen.

EP-A-438 295 offenbart Tintenstrahl-Thermodruckköpfe, deren Heizelemente aus Polysilicium bestehen, die durch thermische Oxidation mit einer 0,05 bis 0,01 µm dicken thermischen Siliciumdioxidschicht versehen und dadurch gegenüber Angriffen durch leitfähige Tinten geschützt sind.

Die hiesigen Erfinder führten Vollfarbdrucken unter Verwendung von mit verschiedenen auf Wasser basierenden Tinten gefüllten, integrierten Druckköpfen durch. Die hiesigen Erfinder entdeckten, daß die Lebensdauer einiger Köpfe geringer war als erwartet. Nach weiteren Untersuchungen entdeckten die hiesigen Erfinder weiterhin, daß die problemfreien Köpfe mit Tinte gefüllt waren, die einen relativ hohen spezifischen Widerstand und einen praktisch neutralen pH-Wert aufwiesen. Die Problemköpfe mit geringerer Lebensdauer als erwartet waren mit Tinte gefüllt, die geringe spezifische Widerstände von 10² bis 10³ Ωcm und pH-Werte von 8 bis 9 aufwiesen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Druckkopf und Heizkörper bereitzustellen, die dieselben Heiz- und Blasenbildungseigenschaften wie die schutzschichtlosen Heizkörper besitzen, aber auch bei Verwendung mit Tinte, die einen niedrigen spezifischen Widerstand besitzt und von nicht neutraler Natur ist, eine lange Lebensdauer besitzen. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenaustoßdruckkopfes bereitzustellen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Tintenstrahldruckkopf nach Patentanspruch 1 bzw. durch ein Herstellungsverfahren nach Patentanspruch 9.

Während des thermischen Oxidationsverfahrens kann die Mehrzahl von Dünnfilmwiderständen pulsweise in einer oxidierenden Atmosphäre angeregt werden. Das thermische Oxidationsverfahren kann die folgenden Schritte einschließen: Verfolgung der Widerstandswerte der jeweiligen Dünnfilmwiderstände während die Dünnfilmwiderstände pulsweise angeregt werden; und Einstellung der pulsweisen Anregung, die auf die jeweiligen Dünnfilmwiderstände ausgeübt wird, basierend auf den gemessen Ergebnissen, wodurch die Widerstandswerte aller Dünnfilmwiderstände auf im wesentlichen gleiche Werte gesteuert wird.

Die obigen und anderen Gegenstände, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die Lektüre der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen deutlich, worin:

Fig. 1 eine vergrößerte Schnittansicht eines Tintenstrahldruckkopfes einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist;

Fig. 2(a) ist eine Querschnittansicht des Tintenstrahldruckkopfes einer ersten Ausführung entlang einer Linie IIA-IIA' in Fig. 2(b);

Fig. 2(b) ist eine Schnittansicht des Tintenstrahldruckkopfes der ersten Ausführungsform entlang Linie IIB-IIB' in Fig. 2(a);

Fig. 3(a) illustriert Beobachtungsergebnisse und zeigt, wie sich Blasen und Tintentröpfchen in der Düse der vorliegenden Ausführungsform bewegen;

Fig. 3(b) illustriert Beobachtungsergebnisse und zeigt, wie sich Blasen und Tintentröpfchen in der Düse des Vergleichsbeispiels bewegen;

Fig. 4 ist ein Graph, der zeigt, wie sich der Widerstand eines Ta-Si-SiO-Legierungs-Dünnfilmwiderstandes in der oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 500°C verändert, und

Fig. 5 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Tintenstrahldruckkopfes gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Ein Tintenstrahldruckkopf in erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungen wird unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, worin gleiche Teile und Komponenten durch dieselben Referenznummern bezeichnet werden, wodurch eine Vervielfältigung der Beschreibung vermieden wird.

Eine erste Ausführung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 im folgenden beschrieben.

In einem Tintenstrahldruckkopf der ersten Ausführung, wie in den Fig. 2(a) und 2(b) gezeigt, ist eine Trennwand 8 über einem Silicium-Substrat 1 zur Ausbildung einer Mehrzahl von individuellen Tintenkanälen 9 und einem gemeinsamen Tintenkanal 10 bereitgestellt. Eine Düsenplatte 11 ist weiterhin über der Trennwand 8 bereitgestellt. Die Düsenplatte 11 ist mit einer Mehrzahl von Tintenausstoßdüsen 12 ausgebildet, die auf einer Linie nebeneinander angeordnet sind. Die Düsen 12 stehen in Flüssigkeitsverbindung mit den korrespondierenden individuellen Tintenkanälen 9. Der gemeinsame Tintenkanal 10 verbindet die Tintenkanäle 9 miteinander. Ein Dünnfilmwiderstand 3 ist am Ende von jedem Tintenkanal 9 gegenüber von der Düse 12 ausgebildet. Zwei Dünnfilmleiter 4 und 5 sind mit jedem Heizkörper 3 verbunden. Der Dünnfilmleiter 5 dient als gemeinsame Elektrode für alle Widerstände 3. Der Dünnfilmleiter 4 dient als individuelle Elektrode für den korrespondierenden Widerstand 3.

Die Trennwand 8, die die Tintenkanäle 10 und 9 bildet, bedeckt alle individuellen Leiter 4 und bedeckt weiterhin Teile der Heizkörper 3. Die Trennwand 8 besitzt eine Dicke von weniger als 30 µm. Mit anderen Worten ist der Tintenkanal 9 in einer Höhe von weniger als 30 µm ausgebildet. Die Düsenplatte 11 besitzt eine Dicke von weniger als 80 µm. Dementsprechend besitzt die Düse 12 eine gerade zylindrische Form mit einer Tiefe von weniger als 80 µm. Der Heizkörper 3 ist in quadratischer Form ausgebildet. Die Düse 12 und der Heizkörper 3 sind so geformt und ausgerichtet, daß der innere Rand der Düse 12 an ihrem dem Heizkörper 3 nächsten Ende um nicht mehr als 5 µm über den Rand des Heizkörpers 3 hinausragt, wenn er auf den Heizkörper 3 projiziert wird.

In einem repräsentativen Beispiel besitzt jede Düse 12 einen Durchmesser von 50 µm. Die Tintenkanäle 9 sind in einer Höhe von 25 µm ausgebildet. Jeder Heizkörper 3 ist in quadratischer Form mit einer Breite von 50 µm ausgebildet.

Die Trennwand 8 ist bevorzugterweise aus einem wärmebeständigen Harz wie Polyimid hergestellt, das eine thermische Zersetzungsanfangstemperatur von 400°C oder mehr aufweist. Die Düsenplatte 11 kann aus demselben Material wie die Trennwand 8 hergestellt sein.

Wie in den Fig. 2(a) und 2(b) gezeigt, ist eine Antriebs- LSI-Einheit 2 auf dem Silicium-Substrat 1 ausgebildet. Die Antriebs-LSI-Einheit 2 ist aufgebaut aus einem Schieberegisterschaltkreis und einer Mehrzahl an Antriebsschaltkreisen. Jeder Leiter 4 ist mit einem korrespondierenden Antriebsschaltkreis verbunden, indem er durch ein Durchgangsloch 6 hindurchgeht. Diese Konfiguration erlaubt den sequenziellen Antrieb der Widerstände 3 durch ein externes Signal, das auf die Einrichtung 2 gegeben wird.

Der Heizkörper 3 und die Leiter 4 und 5 werden im folgenden detaillierter unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben. Fig. 1 ist eine vergrößerte Querschnittansicht, die die Umgebung um eine der Tintenausströmdüsen 12, die in den Fig. 2(a) und 2(b) gezeigt sind, zeigt.

Die Heizkörper 3 und die Leiter 4 und 5 sind über einer ungefähr 1 bis 2 µm dicken SiO₂-Isolierschicht 17 bereitgestellt, die über dem Silicium-Substrat 1 bereitgestellt ist. Diese SiO₂-Schicht 17 dient zur Isolierung des Silicium-Wafers 1 von der durch die Heizkörper 3 erzeugten Wärme. Jeder Heizkörper 3 ist beispielsweise ausgebildet in einer Dicke von ungefähr 0,2 µm aus einer Ta-Si-SiO-Legierung, die sehr stabil ist für Pulsbetrieb bei einer Temperatur von bis zu ungefähr 400°C. Die Leiter 4 und 5 sind aus 1 µm dicken Nickel(Ni)-Dünnfilmleitern ausgebildet.

Die obere Oberfläche des Ta-Si-SiO-Dünnfilmheizkörpers 3 ist thermisch zu einer oxidierten Schicht 3' oxidiert. Dieser oxidierte Film 3' besitzt elektrisch isolierende Eigenschaften und besitzt eine gute Antigalvanisationseigenschaft gegen elektrolytische Tinte, die in den Tintenkanal 9 eingefüllt ist. Der oxidierte Film 3' schützt den nichtoxidierten inneren Anteil des Heizkörpers 3 vor dem direkten Kontakt mit elektrolytischer Tinte, die in den Tintenkanal 9 eingefüllt ist. Dementsprechend wird die Lebensdauer von jedem Ta-Si-SiO-Dünnfilmheizkörper 3 nicht durch Galvanisation verkürzt. Da der oxidierte Anteil 3' extrem dünn ist wird Wärme genau so gut auf die Tinten übertragen wie in dem Fall, daß der Heizkörper 3 nicht mit dem oxidierten Anteil 3' ausgestattet ist.

Der oxidierte Film 3' wird im folgenden detaillierter beschrieben.

Der Ta-Si-SiO-Dünnfilmwiderstand besitzt eine gewisse thermische Oxidationseigenschaft. Gemäß dieser thermischen Oxidationseigenschaft nimmt der Widerstand des Ta-Si-SiO- Dünnfilmwiderstandes langsam zu, wenn der Widerstand bei einer hohen Temperatur von mehr als 500°C in einer Luftatmosphäre plaziert wird. Genauer ist der Ta-Si-SiO- Dünnfilmwiderstand sogar dann stabil, wenn er in einer Sauerstoffatmosphäre auf eine Temperatur von weniger als 400°C erhitzt wird. Wenn jedoch die Temperatur so zunimmt, daß sie den Bereich von 450°C und 500°C erreicht, so beginnt der Ta-Si-SiO-Dünnfilmwiderstand an seiner Oberfläche zu oxidieren. Wenn der Ta-Si-SiO- Dünnfilmwiderstand in einem oxidierenden Gas wie Luft oder Sauerstoff unter 500°C für 10 min erhitzt wird, so wird der Ta-Si-SiO-Dünnfilmwiderstand an seiner Oberfläche in einer Tiefe im Bereich von 100 bis 200 Å oxidiert. Mit anderen Worten wird der Ta-Si-SiO-Dünnfilmwiderstand mit einer elektrisch isolierenden Schicht mit einer Dicke im Bereich von 100 bis 200 Å gebildet. Der so mit der Isolierschicht bedeckte Ta-Si-SiO-Dünnfilmwiderstand ist stabil, wenn er nicht weiter bei einer Temperatur von mehr als 500°C erhitzt wird. Wenn der mit der Isolierschicht bedeckte Ta-Si-SiO- Dünnfilmwiderstand in dem Druckkopf verwendet wird, wird der Widerstand auf eine Temperatur im Bereich von 300 bis 350°C oder weniger erhitzt, wenn er mit Pulsen für Tintenstrahltröpfchen belastet wird. Dementsprechend wird der Film den Tintenstrahldruckvorgang stabil ausführen.

Die hiesigen Erfinder haben die folgenden Messungen vorgenommen.

Der Widerstand ungefähr 400 Å dicker Ta-Si-SiO- Dünnfilmwiderstände (im folgenden als Widerstände bezeichnet) wurde gemessen, wobei die Widerstände in einer Luftatmosphäre bei 500°C gehalten wurden. Fig. 4 zeigt die beobachteten Veränderungen während dieser Messungen in Angaben des Ro/R- Verhältnisses, wobei Ro den ursprünglichen Widerstand des Widerstandes repräsentiert und R repräsentiert den Widerstand des Widerstandes nach diesem thermischen Oxidationsprozeß. Wie in Fig. 4 gezeigt, fällt das Ro/R-Verhältnis linear ab, wodurch angezeigt wird, daß die thermischen Oxidationsprozesse die Oberfläche des Widerstandes mit einer Geschwindigkeit und in eine Tiefe von der Oberfläche aus oxidieren, die der Zeit des thermischen Prozesses proportional ist. Es wurde ferner bestätigt, daß die gesamten Oberflächen aller Widerstände durch die thermischen Oxidationsprozesse zu elektrisch isolierenden Oxiden oxidiert wurden.

Nach Beendigung der Oxidationsprozesse wurden die Widerstände für eine lange Zeit in einer Luftatmosphäre von 350°C aufbewahrt und der Widerstand erneut gemessen. Es wurde bestätigt, daß der Widerstand des Widerstandes in der Luftatmosphäre von 350°C unverändert blieb. Die Heizkörper wurden ebenso 100 Millionenmal oder mehr in einer Luftatmosphäre thermischen Pulsen von 350°C ausgesetzt. Es wurde weiterhin bestätigt, daß der Widerstand des Widerstandes unverändert blieb, selbst wenn dieser ferner mit thermischen Pulsen erhitzt wurde.

Die hiesigen Erfinder führten ferner die folgenden Messungen durch.

Ein Ta-Si-SiO-Widerstand wurde den oben beschriebenen thermischen Oxidationsprozessen unterzogen, so daß der Widerstand mit einem thermisch oxidierten Isolierfilm von ungefähr 1000 Å Dicke bedeckt war. Der Widerstand wurde dann in eine elektrolytische Tinte mit einem pH-Wert von 8 bis 9 gegeben. Der Widerstand wurde hinsichtlich seiner Anfälligkeit für galvanische Korrosion durch Anlegung eines Potentialgradienten von 30 V/50 µm für 10 min oder mehr getestet. Es wurde bestätigt, daß in dem Widerstand keine Veränderungen beobachtet wurden. Das zeigt, daß, obwohl der Isolierfilm 3' nur in einer extrem dünnen Dicke von 1000 A gebildet wurde, der Isolationsfilm 3' ohne Defekte wie beispielsweise Pinholes gebildet wurde. Der Film 3' kann nur durch die thermische Oxidationsprozesse erhalten werden und kann homogen gebildet werden.

Folglich kann der oxidierte Isolierfilm 3' den nicht oxidierten Anteil des Heizelements 3 vor Galvanisierung durch die elektrolytische Tinte schützen und die Lebensdauer des Heizelementes 3 verlängern.

Zusätzlich kann der Film 3' aufgrund seiner extrem geringen Dicke Hitze mit hoher Effizienz auf die Tinte übertragen, die ausreicht, Tinte mit fluktuierender Blasenbildung zum Sieden zu bringen, und das Siedeverhalten ist ähnlich wie in dem Falle, in dem der Widerstand 3 ohne solche Filme ausgebildet ist. Gemäß dem fluktuierenden Blasenbildungssieden wird eine Mehrzahl kleiner Blasen gleichförmiger Größer über die gesamte Oberfläche des Heizelementes mit gleichförmiger Verteilung gebildet. Die Anzahl der Blasen nimmt rasch zu. Die Blasen koppeln aneinander unter Bildung eines Blasenfilms auf der Oberfläche des Heizelements. Daher ist es möglich, Tinte mit hoher Ausstoßfrequenz auszustoßen.

Wie oben beschrieben und in den Fig. 2(a) und 2(b) gezeigt, bedeckt die Trennwand 8 alle individuellen Leiter 4 und bedeckt ferner einen Teil der Heizelemente 3, die mit den Leitern 4 verbunden sind. Die Tinte wirkt wie ein Elektrolyt mit demselben Potential wie der gemeinsame Leiter 5. Die individuellen Leiter 4 haben eine höheres (oder niedrigeres) Potential als die Tinte. Da die Leiter 4 jedoch von der Tinte durch die Trennwand 8 separiert sind, besteht keine Möglichkeit, daß die Leiter 4 durch Galvanisation mit der Tinte beeinflußt werden. Andererseits muß der gemeinsame Leiter 5 nicht von der Trennwand 8 bedeckt sein, da der Leiter 5 und die Tinte auf demselben Potential befindlich sind, so daß der Leiter 5 nicht korrodiert. Obwohl die Heizelemente 3 teilweise von der Trennwand 8 bedeckt sind, sind die Heizelemente 3 nur ungefähr 5 bis 8 µm über die Spitze der korrespondierenden Elektroden 4 hinaus von der Trennwand 8 bedeckt. Dies reduziert die thermische Effizienz der Heizelemente 3 um nur 10 bis 15%. Daher erlaubt die oben beschriebene Anordnung die Konstruktion eines Kopfes, der mit elektrolytischer Tinte sehr zuverlässig funktioniert und gleichzeitig eine hohe thermische Effizienz der Heizelemente 3 beibehält.

Die Trennwand 8 ist aus einem wärmebeständigem Harz wie beispielsweise Polyimid gefertigt, das einen thermischen Zersetzungsstartpunkt von ungefähr 400°C oder mehr besitzt. Damit das Fluktuationsblasensieden zur Bereitstellung hochfrequenter Austoßoperation durchgeführt werden kann, müssen die Heizelemente auf ungefähr 310°C erhitzt werden. Unter Berücksichtigung der Variationen innerhalb der Heizelemente 3 und im Antriebsschaltkreis können die Heizelemente 3 innerhalb des Bereiches von 310°C bis 370°C gesteuert werden. Die Temperatur in dem Teil der Trennwand 8, die dem Widerstand 3 am nächsten ist, wird daher maximal 360 bis 370°C erreichen. Während der Lebensdauer des Kopfes wird der Widerstand 3 durch Pulse einer Pulslänge von ungefähr 0,2 µs beim maximaler Temperatur ungefähr 100 Millionenmal angeregt. Dementsprechend hält die maximale Temperatur für nur ungefähr 20 s (= 0,2 µs × 100 Millionen) während der gesamten Lebensdauer des Druckkopfes an. Dementsprechend werden Probleme, die die Lebensdauer der Trennwand 8 betreffen, nicht auftreten, solange die Trennwand 8 aus einem wärmebeständigen Harz, wie beispielsweise Polyimid gebildet wird, dessen Zersetzung bei Temperaturen von 400°C oder mehr beginnt.

Im Gegensatz dazu wurde bestätigt, daß eine herkömmliche Trennwand aus einem photoempfindlichen Resist oder einem anderen Material mit geringer Wärmetoleranz durch galvanische Korrosion nach ungefähr 10 Millionen Ausstößen zerstört wird. Durch Bildung der Trennwand 8 aus einem wärmebeständigen Harz ist der Kopf auch dann zuverlässig, wenn die Trennwand 8 ungenau positioniert ist, so daß sie teilweise mit den Heizelementen 3 in Richtung der Breite der individuellen Tintenkanäle 9 überlappt. Dadurch wird ein gewisser Spielraum bezüglich der Ausrichtungspräzision ermöglicht, wenn die Komponenten während des Zusammenbaus des Kopfes ausgerichtet werden.

Gemäß der vorliegenden Ausführung wird der Tintenversorgungskanal 9 in einer Höhe von weniger als 30 µm ausgebildet. Die Düse 12 besitzt eine gerade zylindrische Form. Die Düse 12 und das Heizelement 3 sind so ausgerichtet, daß der innere Umfang der Düse 12 an dessen dem Heizelement 3 nächsten Ende um nicht mehr als 5 µm über den Umfang des Heizelementes 3 hinausgeht, wenn er auf das Heizelement projiziert wird. Die Höhe oder Tiefe der Düse 12 ist weniger als 80 µm. Gemäß diesen Maßen kann eine auf dem Heizelement 3 gebildete Blase wachsen, so daß sie die höchste Apertur- Position der Düse 12 erreicht und mit der äußeren Atmosphäre in Verbindung steht. Dies verhindert, daß die Blase kollabiert.

Dieses Phänomen wird im folgenden genauer beschrieben.

Wenn das Heizelement 3 zur Blasenbildung durch Fluktuationsblasensieden betrieben wird, expandiert die Blase aufwärts, ohne mehr als 5 bis 10 µm über die Kanten des Heizelementes 3 hinauszuwachsen, und die Höhe der Blase ist ungefähr 30 µm im maximalen Wachstumszustand. Damit wird verständlich, daß, falls die Höhe des Tintenkanals 9 höher ist als 30 µm, oder falls der Umfang des Heizelementes 3 und der innere Umfang der Düse 12 an dessen dem Heizelement 3 nächsten Ende um 5 µm aus der Ausrichtung heraus sind, der Anteil der Flüssigkeit, der oberhalb der auszustoßenden Blase befindlich ist, und die Flüssigkeit, die in dem Tintenkanal 9 verbleibt, verbunden sind. Dies verhindert, daß die Blase bis zur höchsten Apertur-Position der Düse 12 anwächst.

Die hiesigen Erfinder führten die folgenden Messungen zur Bestätigung dieses Phänomens durch.

Die hiesigen Erfinder stellten einen Druckkopf der vorliegenden Ausführungsform her, worin die Tintenausstoßdüsen 12 eine gerade zylindrische Form, wie in Fig. 3(a) gezeigt, besaßen. Genauer wurden die Heizelemente 3 mit einer Fläche von 50 × 50 µm² ausgebildet. Die Trennwand 8 wurde aus Polyimid in einer Höhe von 25 µm gebildet, so daß ein 25 µm hoher Tintenkanal 9 gebildet wurde. Die Öffnungsplatte 11 wurde durch Ankleben und Aushärten eines Polyimid-Films mit einer Dicke von ungefähr 50 µm auf die Oberfläche der Trennwand 8 gebildet. Tintenausstoßaperturen oder Düsen 12 wurden in dem Polyimid-Film 11 mit einem Durchmesser von 50 µm direkt über den Dünnfilmheizelementen 3 unter Anwendung von Phototrockenätztechniken gebildet.

Die hiesigen Erfinder stellten auch einen Vergleichsdruckkopf her. Wie in Fig. 3(b) gezeigt, war der Vergleichsdruckkopf dem in Fig. 3(a) gezeigten gleich, mit der Ausnahme, daß sich die Tintenausströmdüse 12 in der Öffnungsplatte 11 in Richtung des Endes, das dem Heizelement 3 gegenüberliegt, aufweitete.

Da Polyimid praktisch durchsichtig ist, kann die Blasenbildung und das Ausstoßen von Tröpfchen, das auftritt, wenn die Widerstände 3 angeregt werden, durch Befüllung der Kanäle mit Wasser und Anregung der Heizelemente und Photographieren mit stroboskopischer Photographie beobachtet werden. Beobachtungsergebnisse während und nach der Anregung der Heizelemente mit einem 2 µs langen Puls sind in den Fig. 3(a) und 3(b) gezeigt.

In dem Druckkopf der vorliegenden Ausführung, wie in Fig. 3(a) gezeigt, wurden zwischen 2 und 3 µs nach dem Beginn der Anregung eine Blase mit einem inneren Druck von nahezu Null gebildet, und das Wasser in der Düse 12 hat gerade begonnen, sich mit einer Geschwindigkeit von zwischen 12 und 15 m/s zu bewegen. Das Wasser im Tintenkanal 9 hat jedoch noch nicht begonnen, sich zu bewegen. Nach Ablauf von 6 µs seit Beginn der Anregung hat das hintere Ende des Wasserkörpers, das zum ausgestoßenen Tröpfchen wird, sich der oberen Apertur- Position der Düse 12 angenähert. Andererseits hat eine Druckdifferenz von einer Atmosphäre zwischen der äußeren Atmosphäre und der Blase in der Düse begonnen, das Wasser in dem Tintenkanal 9 in Richtung des Heizelementes 3 zu ziehen. Nach 9 µs nach dem Beginn der Anregung hat der Druck innerhalb der Düse 12 Atmosphärendruck erreicht, wodurch die Druckdifferenz auf Null reduziert wird, so daß die Bewegung des Wassers im Tintenkanal 9 langsam wird. Anschließend werden ungefähr 70 µs zur Wiederauffüllung des Wassers in der Düse 12 benötigt. Wie aus diesen Beobachtungen deutlich wurde, war der Anteil der Flüssigkeit, die oberhalb der ausgestoßenen Blase befindlich war, nicht mit der Flüssigkeit verbunden, die in dem Tintenkanal 9 verblieb. Die Blase wuchs bis zum Erreichen der höchsten Apertur-Position der Düse 12 und wurde mit der äußeren Atmosphäre verbunden. Dementsprechend trat das Phänomen des Vakuumblasenkollapses nicht auf. Die damit verbundenen Stoßwellen, die eine Quelle von Kavitation sind, traten ebenfalls nicht auf.

Wenn die Düsenbasis, wie in Fig. 3(b) gezeigt, stark aufgeweitet war, war im Gegensatz dazu die Wassermasse, die ausgestoßen werden sollte, vollständig mit dem Wasser im Tintenkanal 9 verbunden, was zur Bildung einer Stoßwelle führt, wenn die Vakuumblase ungefähr 9 µs nach dem Beginn der Anregung verschwindet. Diese Stoßwelle war nicht so stark, daß ein Rückstoß erzeugt wurde, wodurch Sekundärblasen gebildet werden. Diese Stoßwelle übt jedoch einen teilweisen Stoß auf den zentralen Anteil des Heizelementes 3 aus, der das Heizelement 3 zerstören kann.

Die hiesigen Erfinder führten ferner Experimente zur Bestimmung der Lebensdauer der oben beschriebenen Köpfe der Fig. 3(a) und 3(b) durch, wenn diese mit einer elektrolytischen Tinte gefüllt sind. In diesen Experimenten füllten die hiesigen Erfinder die elektrolytische Tinte in einer Mehrzahl von Köpfen von jedem Typ aus den Fig. 3(a) und 3(b) ein und setzten die Köpfe einer großen Anzahl von Pulsen aus.

Die experimentellen Ergebnisse zeigen, daß der Kopf mit der Düsenkonfiguration aus Fig. 3(a) in der Lage war, 100 Millionen Pulsen zum Ausstoßen der elektrolytischen Tinte oder mehr zu widerstehen. Dies ist deutlich der in Fig. 3(b) gezeigten Konfiguration überlegen, die nur von einer Million Pulsen oder weniger bis zu ungefähr 10 Millionen Pulsen widerstehen konnte. Die Lebensdauer der Köpfe der Fig. 3(b) ist demzufolge weitverteilt von einer Million Pulsen oder weniger bis zu ungefähr 10 Millionen Pulsen.

Die hiesigen Erfinder detektierten direkt die Gegenwart oder Abwesenheit des oben beschriebenen Stoßes durch Verwendung eines AE-Sensors (acoustic emission sensor), der an der Unterseite des Kopfsubstrates befestigt war. Es wurde bestätigt, daß der üblicherweise zum Zeitpunkt des Blasenkollapes beobachtete Stoß in keinem Fall beobachtet wurde, was zeigt, daß der Blasenkollaps eliminiert wurde. Selbst der bei der Blasenbildung in dem erfindungsgemäßen Kopf gemessene Stoß war ein Zehntel oder weniger desjenigen Stoßes, der während der Bildung und des Zusammenbruches der Blase während des Betriebes in einem offenen Behälter gemessen wurde.

Die hiesigen Erfinder bestätigen weiterhin, daß wenn die Öffnungsplatte 11 in einer Dicke von 80 µm oder mehr ausgebildet wurde, manchmal Tinte die Fläche oberhalb des Heizelementes 3 vollständig wiederauffüllte, bevor die auszustoßende Tinte von der Düse 12 abgetrennt wurde. Dadurch wurden Stoßwellen und ebenso damit verbundene Kavitation erzeugt, die die Lebensdauer des Heizelementes verringerten.

Daher wird erfindungsgemäß der Tintenversorgungskanal 9 in einer Höhe von weniger als der maximalen Höhe der Blase, also von weniger als 30 µm, ausgebildet. Die Düse 12 und das Heizelement 3 sind so geformt und ausgerichtet, daß der innere Umfang der Düse 12 an dessen dem Heizelement 3 nächsten Ende um nicht mehr als 5 µm über den Umfang des Heizelementes 3 hinausragt, wenn er auf das Heizelement projiziert wird. Mit dieser Anordnung kann eine auf dem Heizelement 3 gebildete Blase bis zum oberen Ende der Düse 12 anwachsen und mit der äußeren Atmosphäre in Verbindung treten. Die Blase kollabiert nicht und bildet keine Stoßwelle aus. Da die Tiefe der Düse 12 weniger als 80 µm beträgt, wird die Fläche oberhalb des Heizelementes 3 nicht vollständig mit Tinte wieder aufgefüllt sein, bevor die auszustoßende Tinte von der Düse 12 abgetrennt ist. Es werden keine Stoßwellen gebildet.

Ein Verfahren zur Herstellung des wie oben strukturierten erfindungsgemäßen Druckkopfes wird im folgenden beschrieben.

Unter Verwendung einer leichten Abwandlung eines Standard- Bipolar-LSI-Herstellungsverfahrens wird die Steuer-LSI- Einheit 2 auf einer Oberfläche des Silicium-Substrates 1 ausgebildet. Der SiO₂-Film 17 wird auf der Oberfläche des Silicium-Substrates 1 während diese LSI- Herstellungsverfahrens gebildet.

Ein ungefähr 0,2 µm dicker Ta-Si-SiO-Legierungs- Dünnfilmwiderstand und ein ungefähr 1 µm dicker Nickel- Dünnfilm werden über dem SiO₂-Film 17 unter Verwendung von Sputter-Techniken gebildet. Genauer wird der Legierungs- Dünnfilmwiderstand unter Verwendung von reaktiven Sputter- Techniken in einer sauerstoffhaltigen Argon-Atmosphäre gebildet. Der Nickel-Dünnfilm wird unter Verwendung von Hochgeschwindigkeitssputter-Techniken in einem hohen magnetischen Feld gebildet. Dann werden die Dünnfilmheizelemente 3, die individuellen Verdrahtungsleiter 4 und die gemeinsamen Dünnfilmleiter 5 unter Anwendung von Photoätztechniken gebildet.

Der so hergestellte Kopf wird in einen mit Luft oder Sauerstoffgas gefüllten Ofen gegeben und die Heizelemente 3 werden den thermischen Oxidationsprozessen unterzogen, so daß die Isolierfilme 3' auf der Oberfläche der Heizelemente 3 in der folgenden Weise gebildet werden.

Der oben beschriebene monolithische LSI-Kopf kann nicht in seiner Gesamtheit den thermischen Oxidationsprozessen bei 400°C oder höher ausgesetzt werden. Die thermischen Oxidationsverfahren können möglicherweise auch die Nickel- Dünnfilmleiter 4 und 5 oxidieren. Daher werden in diesem Beispiel die thermischen Oxidationsprozesse durch Anregung der Legierungs-Dünnfilmwiderstände 3 durch Pulse durchgeführt, so daß nur der Widerstand 3 selber pulsierend auf ungefähr 550 bis 600°C erhitzt wird.

Die effektivste Methode zur Durchführung der thermischen Oxidationsprozesse ist die Anregung des Widerstandes 3 mit langen Pulsen, so daß eine hohe Temperatur am Widerstand 3 für ungefähr 1 ms aufrecht erhalten wird. Dies kann leicht durch gepulstes Betreiben der Widerstände 3 unter Verwendung einer externen Steuereinheit durchgeführt werden. Das bedeutet, daß thermische Oxidationsprozesse unter Verwendung einer Pulsbreite von ungefähr 1 ms durchgeführt werden, was ungefähr 10³ mal länger ist als die Pulslänge (1 bis 2 µs), die zur tatsächlichen Betreibung der Widerstände verwendet wird. Selbst Aufwärmung der Widerstände 3 während der thermischen Oxidationsprozesse auf eine Temperatur, die ungefähr 200 bis 250°C heißer ist als die Temperatur, die tatsächlich zum Betrieb der Widerstände 3 verwendet wird, erfordert weit weniger als die Nennleistung des Antriebs-LSI und kann daher ohne jegliches Problem durchgeführt werden. Während dieser Pulsaufheizprozesse kann der Ofen zur Aufheizung der Silicium-Basis 1 auf eine Temperatur von ungefähr 100°C verwendet werden.

Diese thermischen Oxidationsprozesse erhöhen die Beständigkeit des Dünnfilmwiderstandes 3 um 30 bis 40%. Erfindungsgemäß wird der Widerstand des Dünnfilmwiderstandes 3 während der thermischen Oxidationsprozesse gleichzeitig gemessen und aufgezeichnet, so daß alle auf dem Kopf montierten Widerstände 3 einen gleichförmigen Widerstand besitzen. Genauer werden in dem thermischen Oxidationsprozeß die Widerstandswerte aller Dünnfilmwiderstände aufgezeichnet, während die Dünnfilmwiderstände pulsierend angeregt werden. Basierend auf den aufgezeichneten Ergebnissen werden die auf die jeweiligen Dünnfilmwiderstände angelegten Pulse so eingestellt, daß die Widerstandswerte aller Dünnfilmwiderstände im wesentlichen gleich sind. Beispielsweise kann die Anzahl der auf die jeweiligen Widerstände ausgeübten Pulse eingestellt werden.

Die hiesigen Erfinder führten die folgenden Experimente durch. Während Pulse an die Widerstände 3 angelegt wurden, wurden die Widerstandswerte der Widerstände 3 aufgezeichnet. Die Pulse wurden gemäß den aufgezeichneten Ergebnissen eingestellt. Als Ergebnis wurden die Widerstandswerte aller Widerstände innerhalb +/- 1% eingestellt. Dies steht im Gegensatz zu der +/- 5% Variation, die für die Widerstandswerte einer Reihe von Widerständen gefunden werden können, die in herkömmlichen Druckköpfen befindlich sind. Durch den gleichen Widerstand heizen alle Widerstände die Tinte auf eine gleichförmige Temperatur im tatsächlichen Betrieb und überflüssiges Aufheizen wird eliminiert. Dadurch wird die Zuverlässigkeit des Kopfes verbessert. Es wird keine Tinte verkocht und die Lebensdauer der Widerstände wird erhöht.

Nachdem so die isolierenden Filme 3' auf den Oberflächen der Heizelemente 3 gebildet wurden, wird Polyimid auf der Oberfläche des Silicium-Substrates 1 aufgebracht, und eine Trennwand 8 wird durch Ätzen des Polyimids ausgebildet, wodurch die individuellen Tintenkanäle 9 und der gemeinsame Tintenkanal 10 definiert werden. Dann wird ein Polyimid-Film 11 über der Oberfläche der Trennwand 8 bereitgestellt, und Tintenausströmaperturen 12 werden in dem Polyimid-Film direkt oberhalb der Dünnfilmheizelemente 3 ausgebildet.

Eine zweite erfindungsgemäße Ausführung wird im folgenden detaillierter unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben.

Diese Ausführung ist besonders wirksam, wenn die Widerstände 3 nicht aus Ta-Si-SiO-Legierung gebildet werden, sondern aus einem Material, in dem ein Isolations-Oxidationsfilm 3' dadurch gebildet werden kann, daß das Material den thermischen Oxidationsprozessen unterzogen wird, der gebildete Isolations-Oxidationsfilm 3' jedoch leichte Defekte durch Pinholes aufweist. Gemäß dieser Ausführung wird eine zusätzliche Isolierschicht 7 über sowohl den Heizelementen 3 als auch den Leitern 4 und 5 zum Schutz des Isolierfilms 3' bereitgestellt. Die Dicke der Schicht 7 ist im wesentlichen identisch mit der, Dicke der Dünnfilmwiderstände 3. Die Schicht 7 ist daher hinreichend dünn zur Bereitstellung thermischer Effizienz, die so hoch ist wie im Falle wenn die Schicht 7 nicht bereitgestellt wird.

Die Isolierschicht 7 kann aus einem beliebigen Isoliermaterial mit guten Abdichtungs- und Abdeckungscharakteristiken gebildet werden. Beispielsweise kann die Isolierschicht 7 aus einer SiO₂-Schicht, einer Ta₂O₅-Schicht oder einer Si₂N₄-Schicht unter Anwendung von RF-Sputtertechniken, einer Si₃N₄-Schicht unter Anwendung von Plasma CVD-Techniken, einer Al₂O₃-Schicht unter Anwendung von Zorger-Beschichtungstechniken oder aus einem SOG-Film unter Anwendung herkömmlich verwendeter Halbleiterprozesse gebildet werden. Die hiesigen Erfinder zeigten, daß es wirksam ist, die gesamte Oberfläche des Heizelementes 3 mit der Isolierschicht 7 zu bedecken.

Aufgrund der geringen Dicke der Schicht 7 ist die erforderliche Anregungsenergie zur Induzierung von Fluktuationsblasensieden immer noch gering. Wenn die Anregungsenergie in Pulsen von 2 µs angelegt wird, ist die erforderliche Anregungsenergie zur Induzierung des Fluktuationsblasensiedens nur ungefähr, 1,5mal so hoch wie die für ein blankes oder schutzschichtloses Heizelement erforderliche Energie. Dies ist immer noch ein Siebtel bis ein Zehntel der Energiemenge, die zum Antrieb herkömmlicher Heizelemente mit einer dicken Zweischichtkonstruktion aufgebracht werden muß. Diese exzellente Wärmeeffizienz erlaubt die integrale Ausbildung des Antriebsschaltkreises und der Heizelemente auf demselben Silicium-Substrat in hoher Dichte. Dies erlaubt die Herstellung eines Hochgeschwindigkeits-Vollfarbtintenstrahldruckers mit diesem hochdichten Kopf.

Wie oben beschrieben, trennt gemäß den erfindungsgemäßen Ausführungen die extrem dünne thermische Oxidationsschicht 3' (und eine darauf zusätzlich ausgebildete dünne Isolierschicht 7) den Widerstand 3 von der elektrolytischen Tinte. Die wärmebeständigen Wände 8 trennen alle individuellen Elektroden 4 vollständig von der elektrolytischen Tinte. Die Düsen 12 sind in einer Form ausgebildet, die durch Blasensieden gebildete Blasen am Verschwinden hindert, so daß die dünne Isolierschicht 3' vor Zerstörung durch Kavitation geschützt ist. Die dünne Isolierschicht 3' ermöglicht eine nahezu vollständige Verhinderung von Beschädigungen des Heizelementes 3 durch galvanische Korrosion, ohne die Heizeffizienz des Heizelementes 3 zu reduzieren. Dies erlaubt die Herstellung eines hochzuverlässigen, hochdichten Kopfes und eines Hochgeschwindigkeits-Vollfarbtintenstrahldruckers, der in der Lage ist, mit einer elektrolytischen Tinte zu drucken.

Obwohl die Erfindung detailliert und unter Bezugnahme auf deren spezifische Ausführungen beschrieben wurde, ist es dem Fachmann klar, daß verschiedene Veränderungen und Modifikationen darin vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen, deren Reichweite durch die anliegenden Ansprüche definiert ist.

Ein langer linienförmiger Kopf (long line head) kann hergestellt werden durch Verbinden der Enden von zwei Druckköpfen der obigen Ausführungen entlang einer düsenausgerichteten Richtung. In diesem Falle können die Düsen von jedem Druckkopf in Richtung der Verbindungsenden geneigt sein. Ebenso sollten in diesem Falle die Düsen und die Heizelemente so positioniert sein, daß der innere Umfang jeder Düse an dem dem entsprechenden Heizelement nächsten Ende um nicht mehr als 5 µm über dem Umfang des Heizelementes hinausgeht, wenn er auf das Heizelement projiziert wird.

Obwohl dies nicht in den Zeichnungen gezeigt ist, kann in einem Tintenausstoßdrucker ein Bildaufzeichnungsmedium in einer Position gehalten werden, die der Vielzahl der Düsen des erfindungsgemäßen Druckkopfes gegenüberliegt. Zwischen dem Druckkopf und dem Bildaufzeichnungsmedium wird eine relative Bewegung erzielt, deren Richtung senkrecht zu der Richtung ist, entlang derer die Vielzahl an Düsen ausgerichtet ist.

Claims

1. Tintenstrahldruckkopf zum Ausstoßen von Tintentröpfchen auf einen Aufzeichnungsträger, mit

1. einem Silicium-Substrat (1),
2. einer auf dem Silicium-Substrat (1) ausgebildeten Trenn wand (8) zum Bilden einer Vielzahl von Tintenkanälen (9),
3. einer Vielzahl von Heizelementen (3), deren jedes in einem der Vielzahl von Tintenkanälen (9) angeordnet ist, wobei jedes Heizelement (3) durch einen auf dem Sili cium-Substrat (1) angeordneten Dünnfilmwiderstand aus ei ner Ta-Si-SiO-Legierung gebildet und mit darauf angeordne ten Dünnfilmleitern (4, 5) verbunden ist,
4. einer Düsenplatte (11) mit einer Vielzahl von eine zylin drische Gestalt aufweisenden Düsen (12), deren jede einem Heizelement (3) zugeordnet ist und deren Längsachse senk recht zur Oberfläche des zugeordneten Heizelementes (3) gerichtet ist,

dadurch gekennzeichnet,

1. daß auf der Oberfläche jedes Heizelementes (3) eine in di rektem Kontakt mit der Tinte stehende, das Heizelement (3) gegen die Tinte elektrisch isolierende Schutzschicht (3') angeordnet ist, die durch thermische Hochtempera tur-Oxidation des Heizelementes (3) gebildet ist,
2. daß eine gedachte Projektion der Innenkontur jeder Düse (12) auf das ihr zugeordnete Heizelement (3) um nicht mehr als 5 µm über den Umfang des Heizelementes (3) hin ausragt, wobei die Höhe der Tintenkanäle (9) weniger als 30 µm und die Länge der Düsen (12) weniger als 80 µm be trägt.

2. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Dünnfilmleiter (4, 5) eine gemeinsame Elek trode (5) umfassen, die mit jedem der Vielzahl von Heizele menten (3) verbunden ist, und eine Vielzahl von individuel len Elektroden (4), die jeweils mit einem der Vielzahl von Heizelementen (3) verbunden sind, und daß die Trennwand (8) aus einem wärmebeständigen Harz besteht und alle individuel len Elektroden (4) abdeckt.

3. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß die Trennwand (8) Bereiche der Heizelemente (3) be deckt.

4. Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die Trennwand (8) einen gemeinsa men Tintenkanal (10) bildet, der mit allen einem Heizele ment (3) zugeordneten Tintenkanälen (9) verbunden ist.

5. Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 2 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß das wärmebeständige Harz zur Bil dung der Trennwand (8) eine thermische Zersetzungstemperatur von 400°C oder mehr aufweist.

6. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Dünnfilmleiter (4, 5) aus Nickelmetall bestehen.

7. Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Dünnfilmleiter (4, 5) mit einer zusätzlichen Isolierschicht (7) bedeckt sind, die eine der Dicke des Dünnfilmwiderstandes entsprechende Dicke aufweisen.

8. Verwendung eines Tintenstrahldruckkopfes gemäß einem der An sprüche 1 bis 7 in einem Tintenstrahldrucker zum Drucken ei nes Bildes auf einen Aufzeichnungsträger, wobei der Tinten strahldrucker aufweist:

1. eine Halteeinrichtung zum Halten des Aufzeichnungsträgers in einer der Vielzahl der Düsen (12) des Tintenstrahldruck kopfes gegenüberliegenden Position,
2. eine Bewegungseinrichtung zum Erzeugen einer Relativbewe gung zwischen dem Tintenstrahldruckkopf und der Halteein richtung in einer Richtung senkrecht zur Erstreckung der Vielzahl der Düsen (12).

9. Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit folgenden Schritten,

1. Bilden der Vielzahl von Heizelementen (3) auf der Oberflä che des Silicium-Substrates (1), wobei jedes Heizele ment (3) aus dem auf dem Silicium-Substrat (1) angeordne ten Dünnfilmwiderstand aus der Ta-Si-SiO-Legierung gebil det und mit den darauf befindlichen Dünnfilmleitern (4, 5) verbunden ist,
2. Durchführung eines thermischen Oxidationsverfahrens nur an den auf dem Silicium-Substrat (1) ausgebildeten Heizele menten (3) zur Ausbildung der elektrisch isolierenden Schutzschicht (3') nur auf den Heizelementen (3) ohne thermische Oxidation der Dünnfilmleiter (4, 5),
3. Bilden eines Tintenkanales (9) um jedes der Vielzahl von Heizelementen (3) durch Aufbringen der Trennwand (8) auf das Silicium-Substrat (1),
4. Aufbringen der Düsenplatte (11) auf der Oberfläche der Trennwand (8) und Ausbilden der Düsen (12) in der Düsen platte (11) in Lagekorrespondenz zu den Heizelementen (3).

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Oxidationsverfahren die Vielzahl von Heizelemen ten (3) in einer Oxidationsatmosphäre aufheizt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Heizelementen (3) in der Oxidationsatmosphäre pulsierend angeregt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das mit der Vielzahl von Heizelementen (3) ausgebildete Sili cium-Substrat (1) in einem Ofen erhitzt wird, der mit einem oxidierenden Gas gefüllt ist.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsweite bei der pulsierenden Anregung in der Oxidationsat mosphäre länger ist als die im Betrieb des Tinten strahldruckkopfes an die Heizelemente (3) angelegte Puls weite.

14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß wäh rend der pulsierenden Anregung der Heizelemente (3) deren elektrische Widerstandswerte gemessen werden, und daß basie rend auf den Messungen der elektrischen Widerstandswerte die pulsierende Anregung individuell eingestellt wird zum Erzie len gleicher elektrischer Widerstandswerte aller Heizele mente (3).