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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Tintenstrahlkopf, der Düsenöffnungen
aufweist, durch die Tintentropfen abgegeben werden, sowie ein Verfahren
zur Herstellung einer Düsenplatte.
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Verbesserungen
bei der Schreibdichte haben eine dichtere Anordnung von Düsenöffnungen zur
Folge. Aus diesem Grund gibt es einen Bedarf an Düsenöffnungen,
die mit großer
Genauigkeit angeordnet sind, und an Düsenöffnungen, die eine hohe Maßhaltigkeit
aufweisen. Mittel zur Lösung
dieses Problems werden zum Beispiel in der japanischen Offenlegungsschrift
JP 6-55733 A offenbart. Darin wird vorgeschlagen, daß Tintenhohlräume, ein
Tintenbehälter
zum Versorgen der Tintenhohlräume
mit Tinte und eine Tintenzufuhröffnung
zur Verbindung der Tintenhohlräume
mit dem Tintenbehälter
in einem Silizium-Einkristallsubstrat
durch anisotropisches Ätzen
gebildet werden, und daß eine
Düsenplatte,
in der Düsenöffnungen
durch anisotropisches Ätzen
eines Silizium-Einkristallsubstrats, das eine Fläche (100) aufweist, gebildet
werden, und das Silizium-Einkristallsubstrat in einen einstückig gebildeten
Tintenstrahlschreibkopf verbunden werden.
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Der
Artikel mit dem Titel "Continuous
Ink-jet Print Head Utilizing Silicon Micromachined Nozzles" in "Sensors and Actuators
A", 43 (1944), Seiten 311-316,
offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Düsenplatte zur Verwendung bei
einem Tintenstrahldrucker.
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Gemäß diesem
Verfahren wird Bor in bestimmte Bereiche eines Silizium-Einkristallsubstrats verteilt,
das eine Fläche
(100) aufweist, wo Düsenöffnungen
zu bilden sind. Die Bereiche, in die Bor verteilt wurde, werden
wahlweise geätzt,
wobei eine Vielzahl an Düsenöffnungen
gebildet wird.
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Wie
vorhin beschrieben, wird bei der in der japanischen Offenlegungsschrift
JP 6-55733 A offenbarten Technik das Silizium-Einkristallsubstrat
verwendet, das eine Fläche
(100) aufweist. Wenn das Silizium-Einkristallsubstrat anisotropisch
geätzt
wird, werden Düsenöffnungen
J, von denen jede aus vier Ebenen E, F, G und H bei einem Winkel
von 45° zu der
Fläche
(100) besteht, in das Silizium-Einkristallsubstrat eingelassen,
das eine Düsenplatte
D bildet, wie in 9 dargestellt
(hier steht das Bezugszeichen N für einen Abstandhalter mit der
Oberfläche
R, der Tintenhohlräume
K, Tintenzufuhröffnungen
L und einen Tintenbehälter
M bildet, und P steht für
eine schwingende Platte, die darin ausgebildete druckerzeugende
Mittel Q aufweist).
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Wenn
Durchgangslöcher
in der Fläche
(100) des Silizium-Einkristallsubstrats
durch anisotropisches Ätzen
gebildet werden, wird das Verhältnis
von einer Seitenlänge
der maximalen Öffnung
des Durchgangsloches zur Dicke des Substrats wie 2:1, wie weithin
bekannt ist. Aus diesem Grund ist es erforderlich, die Dicke des
Silizium-Einkristallsubstrates auf etwa 70 μm zu begrenzen, um Düsenöffnungen
bei einer Dichte von etwa 180 DPI zu bilden.
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Um
Tintenpunkte zu bilden, die eine Größe aufweisen, die für einen
Druckvorgang geeignet ist, ist es notwendig, daß die minimale Öffnung der
Abgabeöffnung
einen Durchmesser von 30 μm
aufweist. Damit die Genauigkeit für die Bildung von Mustern gewährleistet
ist, die für
die Anordnung der Düsenöffnungen
verwendet wird, ist es auch notwendig, einen Abstand von etwa 10 μm zwischen
den Mustern sicherzustellen. Auf Grund dieser Erfordernisse ist
ein monokristallines Substrat notwendig, das in etwa 30 μm dick ist.
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Selbst
für den
Fall, daß ein
Silizium-Einkristallsubstrat einen Durchmesser von etwa 100 mm (ein
4-Inch-Wafer) auf weist, ist es sehr schwierig, das Substrat auf
eine Dicke von etwa 30 μm
zu schneiden. Weiterhin wird die Steifheit eines geschnittenen Silizium-Einkristallsubstrats
extrem niedrig, und daher wird es sehr schwierig, das Substrat mit
einem anderen Element zu verbinden, was wiederum die Herstellungsschritte
komplizierter macht.
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Gemäß der Technik,
die in dem Artikel mit dem Titel "Sensors and Actuators A" offenbart wird, werden
die Bereiche, in die Bor verteilt wurde, geätzt. Die Tiefe, bis zu der
Bor verteilt werden kann, liegt höchstens bei etwa 2–3 μm, was den
Vorgang zur Verbindung des Substrates mit einem anderen Element
erheblich erschwert. Daher ist diese Technik vom industriellen Standpunkt
aus gesehen nicht verwendbar.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im bekannten
Stand der Technik genannten Nachteile zu beheben.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
den Tintenstrahlkopf gemäß dem unabhängigen Anspruch
1, sowie das Verfahren zur Herstellung einer Düsenplatte gemäß dem unabhängigen Anspruch
9.
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Weitere
Weiterbildungen, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen
sowie den Zeichnungen.
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Ein
vorrangiger Aspekt der Erfindung besteht darin, einen Tintenstrahlkopf
bereitzustellen, der eine Düsenplatte
aufweist, die aus einem Silizium-Einkristallsubstrat hergestellt
wird, in die Düsenöffnungen bei
einer hohen Dichte angeordnet werden können, wobei gleichzeitig die
Bedienungsfreundlichkeit, die für
den Zusammenbau der Düsenplatte
erforderlich ist, sichergestellt wird.
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Eine
weiterer Aspekt der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines
Verfahrens zur Herstellung der oben beschriebenen Düsenplatte.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird ein Tintenstrahlkopf bereitgestellt,
der folgendes umfaßt:
einen Abstandhalter mit einer Vielzahl an Tintenbehältern, Tintenzufuhröffnungen
und Tintenhohlräumen,
die Tinte aufnehmen, die von dem Tintenbehälter durch die Tintenzufuhröffnungen
zugeführt
werden; ein Abdeckungsglied zum Abdichten einer Seite des Abstandhalters;
eine Düsenplatte,
die die andere Seite des Abstandhalters abdichtet und aus einem
Silizium-Einkristallsubstrat mit einer Gitterfläche (110) besteht, wobei eine
Vielzahl an Düsenöffnungen
gebildet wird, um mit den Tintenhohlräumen verbunden zu werden und
Flächen
(1-11) und (-11-1) in der Richtung einschließen, in der die Düsenöffnungen
angeordnet sind, sowie Flächen
(111) und (11-1) in der Richtung der Achse der einzelnen Tintenhohlräume, und
die Düsenöffnungen
weisen Bereiche mit einem maximalen Durchmesser auf, die zu den
Tintenhohlräumen
hin offen sind, und Bereiche mit einem minimalen Durchmesser, die
gegenüber
den Bereichen mit dem maximalen Durchmesser angeordnet sind; und
Mittel, um den Tintenhohlraum unter Druck zu setzen.
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Die
Düsenöffnungen
weisen Flächen
(1-11) und (-11-1) auf, die senkrecht zu dem Substrat in der Richtung
stehen, in der die Düsenöffnungen
angeordnet sind. Demzufolge wird die Breite der Abgabeöffnungen
konstant, ungeachtet der Zeit, die notwendig ist, um das Substrat
zu ätzen,
das die Düsenplatte
bildet. Als Folge davon werden die Düsenöffnungen zu einer Breite gebildet,
die durch Musterung definiert wird.
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Die
Erfindung wird nun anhand der Figurenbeschreibung des näheren beschrieben.
Es zeigen:
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1(a) und 1(b) einen
Tintenstrahlschreibkopf, der eine Düsenplatte gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet, wobei 1(a) eine
Grundrißansicht
des Tintenstrahlschreibkopfes und 1(b) eine
Querschnittsansicht entlang der Linie A-A, wie in 1(a) gezeigt, ist;
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2 eine
vergrößerte Ansicht
der Nachbarschaft der Düsenöffnungen,
die in der Düsenplatte der
vorliegenden Erfindung gebildet werden;
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3(a) bis 3(j) Schritte
zur Herstellung der Düsenplatte
des Tintenstrahlkopfes gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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4 eine
Querschnittsansicht des Tintenstrahlschreibkopfes, der die Düsenplatte
verwendet, die durch die Schritte wie in 3(a) bis 3(j) dargestellt erzeugt wird, gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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5(a) bis 5(h) und 5(a') bis 5(h') ein
Verfahren zum Zusammenbau eines Abstandhalters, eines Abdeckungsgliedes
und druckerzeugender Mittel zu einer Einheit;
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6(a) eine Grundrißansicht einer Düsenplatte
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, und 6(b) ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B, wie in 6(a) gezeigt;
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7(a) eine Grundrißansicht einer Düsenplatte
gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, und 7(b) ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie C-C, wie in 7(a) gezeigt;
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8 eine
Querschnittsansicht eines Tintenstrahlschreibkopfes gemäß einer
vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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9 eine
perspektivische Ansicht eines Beispiels einer herkömmlichen
Düsenplatte,
die ein Silizium-Einkristallsubstrat verwendet.
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Die
Details der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme
auf eine veranschaulichende Ausführungsform
beschrieben.
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Während der
folgenden Beschreibungen der Ausführungsform wird eine Gitterfläche hierin
als (110), eine Gitterorientierung als <110> und
eine Einheitszelle aus 1 als
-1 beschrieben.
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1(a) und 1(b) zeigen
eine erste Ausführungsform
des Tintenstrahlschreibkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung.
In den Zeichnungen bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen
Abstandhalter. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Abstandhalter 1 durch
anisotropisches Ätzen
eines Silizium-Einkristallsubstrats
mit einer Gitterfläche (110)
gebildet, um Tintenhohlräume 2,
einen Tintenbehälter 3 und
Tintenzufuhröffnungen 4 zu
bilden.
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Eine
Seite des Abstandhalters 1 wird mit einem Abdeckungsglied 5 abgedichtet,
das später
beschrieben werden wird, während
die andere Seite mit einer Düsenplatte 6 abgedichtet
wird, die ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist. Tintentropfen werden
von den Düsenöffnungen 7 als
Folge der Erzeugung von Druck in den Tintenhohlräumen 2 abgegeben.
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Wie
in der vorliegenden Ausführungsform können piezoelektrische
Elemente 8 als druckerzeugende Elemente verwendet werden.
Sie werden auf der Oberseite des Abdeckungsgliedes 5 angeordnet, wobei
sie gleichzeitig damit in Kontakt bleiben, um sich so gegenüber den
jeweiligen Tintenhohlräumen 2 zu
befinden. Für
den Fall, daß ein
unelastisch verformbares Material für das druckerzeugende Element
verwendet wird, können
Joulesche wärmeerzeugende
Elemente in den Tintenhohlräumen 2 aufgenommen
werden.
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In
der Zeichnung umfaßt
die Düsenplatte 6, die
ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, die Düsenöffnungen 7,
die in gleichmäßigen Abständen angeordnet
sind, die durch anisotropes Ätzen
des Silizium-Einkristallsubstrats mit der Fläche (110) gebildet werden,
die später
beschrieben wird. Für
den Fall, daß die
Düsenöffnungen 7 durch
anisotropes Ätzen
des Silizium-Einkristallsubstrats mit der Fläche (110) gebildet werden,
werden die Düsenöffnungen in
Form von Aussparungen gebildet, die aus einer Fläche 10, einer Fläche 11,
einer Fläche 12 und
einer Fläche 13 bestehen.
Weiterhin wird ein zylinderförmiger
Bereich 7a, der sich zur Abgabe von Tintentropfen eignet,
auf der Abgabeseite der Abgabeöffnung unter
Verwendung von isotropem Ätzen
in Verbindung mit anisotropem Ätzen
gebildet.
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2 ist
eine vergrößerte Ansicht,
die die Nachbarschaft der Düsenöffnungen
zeigt. Beide Flächen 10 und 11 erscheinen
im wesentlichen als natürliches
Ergebnis des anisotropen Ätzens
des Silizium-Einkristallsubstrats mit der Fläche (110). Die Fläche 10 ist
eine Fläche
(1-11), die zu der Fläche
(110) des Silizium-Einkristallsubstrats senkrecht ist, wobei die
Fläche 11 eine
Fläche
(1-11) ist, die zu einer Fläche
(-11-1) senkrecht ist, die mit der Fläche 10 gleichwertig
ist, nämlich
der Fläche
(110) des Silizium-Einkristallsubstrats.
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Die
Fläche 12 ist
eine (111) Ebene, die in einem Winkel von etwa 35° zu der (110)
Fläche
des Silizium-Einkristallsubstrats erscheint. In ähnlicher Weise ist die Fläche 13 eine
Fläche
(11-1), die in einem Winkel von 35° zu der (110) Fläche des
Silizium-Einkristallsubstrats erscheint. Die Flächen (1-11), (-11-1), (1-1-1)
und (-111), die senkrecht zur Fläche (110)
sind, werden nachstehend einfach als eine vertikale (111) Fläche bezeichnet.
Weiterhin werden die Flächen
(111) und (11-1), die sich in einem Winkel von etwa 35° zu der Fläche (110)
befinden, nachstehend einfach als eine Fläche (111) in einem Winkel von
35° bezeichnet.
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Von
den vier Seitenflächen,
die die Aussparung bilden, sind die zwei Flächen 10 und 11,
die einander gegenüberliegen,
zu der Fläche
des Silizium-Einkristallsubstrats orthogonal. Daher besteht nur
eine sehr geringe Wahrscheinlichkeit, daß die Aussparung mindestens
in eine horizontale Richtung verläuft, das heißt, in die
Richtung, die zu der Oberfläche
des Silizium-Einkristallsubstrats parallel ist, ungeachtet des Fortschritts
des Ätzvorganges.
Ein Abstand W zwischen den Flächen 10 und 11 wird konstant,
ungeachtet der Dicke des Silizium-Einkristallsubstrats, das heißt, er wird
der Größe gleichwertig,
die durch einen Schutzfilm definiert wird, der in dem anisotropen Ätzvorgang
verwendet wird.
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Aus
diesen Gründen
wird eine Maske der Düsenöffnungen 7 gebildet,
so daß die
Düsenöffnungen
in der Richtung angeordnet werden, in der die Flächen 10 und 11 einander
gegenüberliegen,
und dann wird das mit der Maske abgedeckte Substrat anisotrop geätzt. Das
hat zur Folge, daß die
Düsenöffnungen 7 in
dem Silizium-Einkristallsubstrat gebildet werden können, das
eine Dicke aufweist, die leicht handzuhaben ist, ohne den Abstand
der Düsenöffnungen 7 zu
vergrößern.
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Die
Flächen 12 und 13,
die an die vertikalen Flächen 10 und 11 angrenzen,
werden in einem Winkel von etwa 35° zu der Oberfläche des
Silizium-Einkristallsubstrats gehalten. Die Grenze der geätzten Seite
des Substrats, das heißt
die breitere Seite der Aussparung, entfernt sich immer weiter vom
Zentrum, während
der anisotrope Ätzvorgang
weitergeht, wodurch ein Abstand L vergrößert wird. Die Länge L ist
in der Längsrichtung
des Hohlraumes 2, und daher wirkt sich ein Anstieg bei
dem Abstand L nicht wesentlich auf den Abstand der Düsenöffnungen 7 aus.
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Es
muß wohl
nicht extra erwähnt
werden, daß die
Düsenöffnungen 7 auf
dieselbe Weise durch Verwendung anderer Silizium-Einkristallsubstrate
gebildet werden können,
die Flächen
(-110), (1-10) und (-1-10) auf ihren Oberflächen aufweisen, die dieselben Ätzeigenschaften
wie das Silizium-Einkristallsubstrat
aufweisen, das die Fläche
(110) auf seiner Oberfläche
aufweist.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
wird, für
den Fall, daß die
mit Tinte gefüllten
Tintenhohlräume 2 durch
Verformen der druckerzeugenden Mittel unter Druck gesetzt werden,
zum Beispiel der piezoelektrischen Elemente 8, die auf
dem Abdeckungsglied 5 angeordnet sind, das einen Teil der
Tintenhohlräume 2 darstellt,
der Druck in den Hohlräumen 2 erhöht, wodurch
die Tinte aus den Düsenöffnungen 7 abgegeben
wird.
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Als
Folge eines Rückgangs
des Drucks der Tintenhohlräume 2,
wird die Tinte in dem Tintenbehälter 3 den
Tintenhohlräumen 2 durch
die Tintenzufuhröffnungen 4 zugeführt, und
die Tintenhohlräume 2 werden
mit der Tinte in Vorbereitung auf den nächsten Abgabevorgang gefüllt.
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Eine
Ausführungsform
eines Verfahrens zur Herstellung einer Düsenplatte gemäß der vorliegenden
Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 3(a) bis 3(j) beschrieben werden.
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Siliziumdioxidschichten 21 und 22 werden durch
thermische Oxidation (3(a))
mit einer Dicke von etwa 1 μm
auf den jeweiligen Seiten eines Silizium-Einkristallsubstrats 20 gebildet,
das eine Dicke aufweist, die eine leichte Handhabung der Düsenplatte 6 ermöglicht,
zum Beispiel eine Dicke von 140 μm.
Diese Siliziumdioxidschichten 21 und 22, die auf die
jeweiligen Seiten des Silizium-Einkristallsubstrats aufgelegt werden,
dienen als Ätzmaske,
wenn das Silizium-Einkristallsubstrat 20 geätzt wird.
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Muster,
die sich am besten für
die Verwendung als Düse
eignen, zum Beispiel kreisförmige Muster 24,
werden auf einer Oberfläche
des Silizium-Einkristallsubstrats 20 gemustert, wo die
Düsenöffnungen 7 zu
bilden sind, nämlich
der Oberfläche der
Siliziumdioxidoberfläche 21,
unter Verwendung einer positiven Photoabdeckung 23. Muster,
die mit den Mustern 24 identisch sind, werden auch direkt auf
der Oberfläche
der Siliziumdioxidschicht 21 gemustert, wobei Düsenmuster 25 gebildet
werden (3(c)). Die Muster werden auf
der Siliziumdioxidschicht 21 durch Ätzen der Siliziumdioxidschicht 21 über 10 Minuten
gemustert, die eine Dicke von etwa 1 μm aufweist, unter Verwendung
einer Puffer-Fluorwasserstoffsäurenlösung, die
aus einer Fluorwasserstoffsäure
und einem Ammoniumfluorid im Verhältnis von 1:6 besteht.
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Die
Siliziumdioxidschicht 21, auf der die Muster 25 gebildet
werden, wird einem CF4-Gas ausgesetzt, und das Silizium-Einkristallsubstrat 20 wird isotrop
durch Trockenätzen
geätzt.
Halbkreisförmige Aussparungen 26 werden
in dem Silizium-Einkristallsubstrat 20 als
Folge der Ausbreitung der geätzten Oberfläche (3(d)) gebildet.
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Der Ätzvorgang
wird ausgesetzt, nachdem die Aussparungen bis zu einer vorbestimmten
Größe als Folge
des Fortschritts des isotropen Ätzvorganges
geätzt
worden sind. Die isotrop geätzte
Oberfläche
wird dann thermischer Oxidation oder dergleichen ausgesetzt, so
daß die
Siliziumdioxidschicht 27 auf den Aussparungen 26 (3(e)) gebildet wird.
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Eine
positive Photoabdeckung 28 wird auf der Oberfläche der
Siliziumdioxidschicht 22, in der verjüngte Bereiche zu bilden sind,
in solcher Weise angeordnet, daß die
Düsenöffnungen
in der Richtung der Flächen
(1-11) und (-11-1) angeordnet werden. Danach werden Fenster 29 in
eine rechteckige Form gemustert, was in der geeignetsten Form in
der Schaffung des verjüngten
Bereiches resultieren wird, nachdem ein anisotroper Ätzvorgang
beendet wurde. Mit anderen Worten, das Fenster 29 wird
seitlich zur Breite W der Abgabeöffnung 7 gemustert,
um so denselben Abstand sicherzustellen wie jenen, auf dem die Düsenöffnungen
angeordnet sind, und ist längsseitig
zu der Länge
L gemustert, was dem Fenster ermöglicht,
die Öffnung
zu erreichen, die als Folge des isotropen Ätzens (3(f))
gebildet wird.
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In
diesem Zustand wird die Siliziumdioxidschicht 22 unter
Verwendung der Puffer-Fluorwasserstoffsäurenlösung gemustert, die aus Fluorwasserstoffsäure und
Ammoniumfluorid in einem Verhältnis
von 1:6 in der vorhin beschriebenen Form besteht. Dies hat zur Folge,
daß Fenster 30,
die für
anisotropes Ätzen
verwendet werden, gebildet werden (3(g)).
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Nachdem
das Mustern für
anisotrope Ätzungszwecke
vollendet worden ist, wird das Silizium-Einkristallsubstrat 20 anisotrop
in einer 10%igen Kaliumhydroxidlösung
geätzt,
die auf eine Temperatur von etwa 80°C erwärmt wird. Als Folge des anisotropen Ätzvorganges
erscheinen die Flächen
(1-11) und (-11-1), die zur Fläche
(110) der Oberfläche
des Silizium-Einkristallsubstrats 20 senkrecht
sind, in der Richtung, in der die Düsenöffnungen angeordnet sind. Weiterhin
erscheint die Fläche
(111), die in einem Winkel von 35° zu
der Oberfläche
des Silizium-Einkristallsubstrats 20 geneigt ist, in der
Längsrichtung
der Tintenhohlräume 2.
Der Ätzvorgang
wird ausgesetzt, wenn das Silizium-Einkristallsubstrat 20 zu
der Aussparung 26 der Siliziumdioxidschicht 27 (3(h)) weggeätzt
wird.
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Danach
werden alle Siliziumdioxidschichten 21, 22 und 27 entfernt
(3(i)), so daß eine im wesentlichen kreisför mige Öffnung 31a,
die sich zur Abgabe von Tintentropfen eignet, in dem zylinderförmigen Bereich 7a gebildet
wird. Schließlich
wird die gesamte exponierte Oberfläche einschließlich der
Düsenöffnungen 31 thermischer
Oxidation ausgesetzt, wodurch eine Siliziumdioxidschicht 32 gebildet
wird, um die exponierte Oberfläche
vor der Tinte (3(j)) zu schützen.
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Das
Silizium-Einkristallsubstrat 20, das alle Ätzvorgänge abgeschlossen
hat, wird in die einzelnen Düsenplatten 6 geschnitten.
Somit können schließlich Düsenplatten
erhalten werden, die für
die Verwendung als Schreibkopf geeignet sind.
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Der
Abstandhalter 1, der die Tintenhohlräume 2, die Tintenzufuhröffnungen 4 und
den Tintenbehälter 3 umfaßt, wird
mit der so erhaltenen Düsenplatte 6 verbunden,
wie in 4 gezeigt. Das Abdeckungsglied 5 wird
weiterhin mit der Oberseite des Abstandhalters 1 verbunden,
wobei der Tintenstrahlschreibkopf vollendet wird. Daraufhin wird,
wie später beschrieben
wird, der Abstandhalter 1 so gebildet, daß die Tintenhohlräume 2 in
der Kristallorientierung der Zonenachse <1-1-2>,
definiert durch Zonenflächen
(1-1 1) und (1 1 0), oder in den Kristallorientierungen <-1 1 2>, <1-1 2> und <-1 1-2>, angeordnet sind.
Eine Schicht Borosilikatglas wird auf der Oberfläche der Düsenplatte 6, die sich
gegenüber
dem Abstandhalter 1 befindet, durch Sputtern gebildet. Die
Düsenplatte 6 und
der Abstandhalter 1 werden miteinander durch das pluspolige
Verbindungsverfahren verbunden. Dadurch kann vermieden werden, daß ein Klebemittel
in die Kanäle
fließt.
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Unter
Bezugnahme auf 5(a) bis 5(h) und 5(a') bis 5(h') werden
die Herstellung des vorhin beschriebenen Abstandhalters, des Abdeckungsgliedes
und der druckerzeugenden Mittel beschrieben. 5(a) bis 5(h) sind längsseitige
Querschnittsansichten der Tintenhohlräume, wobei 5(a') bis 5(h') seitliche
Querschnittsansichten derselben sind.
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Ein
Silizium-Einkristallsubstrat 40, dessen Oberfläche entlang
der Fläche
(110) geschnitten ist, wird thermischer Oxidation ausgesetzt, wobei
ein Basismaterial 42, das vollständig mit einer Siliziumdioxidschicht 41 bedeckt
ist, die eine Dicke von etwa 1 μm
aufweist, hergestellt wird. Die Siliziumdioxidschicht 41 wirkt
als Isolierfilm eines Antriebsabschnittes, der auf der Oberseite
der Siliziumdioxidschicht zu bilden ist, und dient auch als Schutzschicht,
wenn das Silizium-Einkristallsubstrat 40 geätzt wird.
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Ein
Film aus Zirkonium (Zr) wird über
der Oberfläche
der Siliziumdioxidschicht 41 durch Sputtern gebildet. Der
Film wird dann thermischer Oxidation ausgesetzt, so daß ein elastischer
Film 43 aus Zirkoniumoxid mit einer Dicke von 0,8 μm gebildet wird.
Der elastische Film 43, der aus Zirkoniumoxid gebildet
wird, weist einen hohen Young Elastizitätsmodul auf und ist daher imstande,
elastische Verformungen eines piezoelektrischen Films 45,
der später beschrieben
wird, in Biegungsverschiebungen mit einem hohen Wirkungsgrad umzuwandeln.
Ein Film aus Platin (Pt) wird über
der Oberfläche
des elastischen Films 43 mit einer Dicke von etwa 0,2 μm durch Sputtern
gebildet, wobei eine untere Elektrode 44 gebildet wird.
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Ein
piezoelektrisches Material, wie PZT, wird auf der Oberfläche der
unteren Elektrode 44 durch Sputtern abgelegt, so daß der piezoelektrische
Film 45, der eine Dicke von etwa 1 μm aufweist, gebildet wird. Aluminium
(Al) wird weiterhin auf der Oberfläche des piezoelektrischen Films 45 in
einer Dicke von 0,2 μm
durch Sputtern abgelegt, so daß eine
obere Elektrode 47 gebildet wird (5(a) bis 5(h)).
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Die
obere Elektrode 47, der piezoelektrische Film 45 und
die untere Elektrode 44 werden so gemustert, daß sie der Anordnung
der Tintenhohlräume 2 entsprechen.
Das gemusterte Substrat wird dann in die einzelnen piezoelektrischen
Elemente 8 geschnitten.
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Während des
Ablaufs des Musterungsvorganges wird jede der oberen Elektroden 47 unabhängig hinaus
geführt,
um dem Tintenhohlraum 2 zu entsprechen, so daß die hinausgeführte Elektrode
auch als eine Verdrahtung fungiert, die mit einem Antriebsschaltkreis
zu verbinden ist. Weiterhin ist es nicht notwendig, den piezoelektrischen
Film 45 in unabhängige
Unterteilungen zu trennen, um den entsprechenden Tintenhohlräumen 2 während des
Musterungsvorganges zu entsprechen. Wenn der piezoelektrische Film 45 aber
in die einzelnen Unterteilungen getrennt würde, um den entsprechenden
Tintenhohlräumen 2 zu
entsprechen, würden
vorteilhafterweise größere Biegungsverschiebungen
sichergestellt werden. Die untere Elektrode 44 wirkt als
eine gemeinsame Elektrode, das heißt, ein Antriebssignal zum
Antreiben der einzelnen piezoelektrischen Filme 45 wird in
die einzelnen oberen Elektroden 47 eingegeben, und die
Spannung der unteren Elektrode 44 wird bei dem vorbestimmten
Wert gehalten. Daher sollte die untere Elektrode 44 nicht
getrennt werden (5(b) und 5(b')).
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Photoabdeckungen 48 und 49 werden
gebildet, so daß die
Tintenhohlräume 2 in
der Kristallorientierung der Zonenachse <1-1-2> gruppiert
werden, die durch Zonenflächen
(1-1 1) und (110) definiert ist, oder in den Kristallorientierungen <-1 1 2>, <1-1 2> und <-1 1-2>, die <1-1-2> (5(c) und 5(c')) entsprechen.
Die Siliziumdioxidschicht 41 wird durch Verwendung der
Puffer-Fluorwasserstoffsäurenlösung entfernt,
die aus Fluorwasserstoffsäure
und Ammoniumfluorid in einem Verhältnis von 1:6 besteht, und
dann werden Fenster 51 für anisotrope Ätzungszwecke
gemustert.
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Der
Bereich, der 49 der Photoabdeckung 48, 49 auf
der Siliziumdioxidschicht bei den Positionen entspricht, an denen
die Tintenzufuhröffnungen 4 zu bilden
sind, wird wieder exponiert und entwickelt. Das bedeutet, daß die Photoabdeckung 49 mehrfach
exponiert wird, und das Basismaterial wird weiterhin einem halben Ätzvorgang
für etwa
fünf Minuten
ausgesetzt, um die Dicke der Siliziumdioxidschicht zu verringern,
die unter der Photoabdeckungsschicht 49 in einer Dicke
von etwa 0,5 μm
(Bezugszeichen 41')
angeordnet ist, unter Verwendung der vorhin beschriebenen Puffer-Fluorwasserstoffsäurenlösung (5(d) und 5(d')).
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Nach
der Entfernung der Photoabdeckungsschicht 48 wird das Basismaterial 42 anisotrop
in der 10%igen Kaliumhydroxidlösung
geätzt,
die auf eine Temperatur von etwa 80°C erwärmt wird. Als eine Folge des
anisotropen Ätzvorganges
werden die Siliziumdioxidschichten 41 und 41', die als Schutzfilm während des
anisotropen Ätzvorganges
dienten, allmählich
auf einer Dicke von etwa 0,4 μm
aufgelöst. Als
Folge wird die Siliziumdioxidschicht 41' in den Bereichen, in denen die
Tintenzufuhröffnungen 4 zu
bilden sind, auf eine Dicke von etwa 0,1 μm reduziert, und die Siliziumdioxidschicht 41 in
den anderen Bereichen wird auf eine Dicke von etwa 0,6 μm (5(e) und 5(e'))
reduziert.
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Das
Basismaterial 42 wird dann in die vorhin beschriebene Puffer-Fluorwasserstoffsäurenlösung über einen
Zeitraum eingetaucht, der die Eliminierung der Siliziumdioxidschicht
ermöglicht,
die eine Dicke von 0,1 μm
aufweist, zum Beispiel etwa eine Minute lang. Als eine Folge davon
wird die Siliziumdioxidschicht 41' in den Bereichen, in denen die
Tintenzufuhröffnungen 4 zu
bilden sind, entfernt, und der Siliziumdioxidfilm 41 in
den anderen Bereichen bleibt als eine Schicht 41'' übrig, die eine Dicke von etwa 0,5 μm (5(f) und 5(f'))
aufweist.
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Das
Basismaterial 42 wird dann anisotrop in einer etwa 40%igen
Kaliumhydroxidlösung
geätzt.
Infolgedessen werden die Bereiche, in denen die Tintenzufuhröffnungen 4 zu
bilden sind, wieder geätzt. Die
Dicke dieser Bereiche wird verringert, und es werden Aussparungen
gebildet, die ausreichenden Strömungswiderstand
für die
Tintenzufuhröffnungen 4 haben
(5(g) und 5(g')).
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Wenn
eine Vielzahl an Schreibköpfen
in einem Basismaterial 42 gebildet werden, wird das Basismaterial
in einzelne Schreibköpfe
getrennt. Dann wird die vorhin erwähnte Düsenplatte 6 verbunden und
ein Tintenstrahlkopf hergestellt (5(h) und 5(h')).
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Wenn
ein Antriebssignal zwischen der oberen Elektrode 47 und
der unteren Elektrode 44 in dem Tintenstrahlschreibkopf
angewandt wird, der die oben genannte Konstruktion aufweist, dehnt
sich der piezoelektrische Film 45 aus und zieht sich zusammen,
um Verschiebungen zu verursachen, die wiederum Spannungen hinsichtlich
des Abdeckungsgliedes 5 hervorrufen. Im speziellen entwickeln
sich die Verschiebungen in der nach oben gehenden Richtung der Zeichnung.
Als eine Folge der Verschiebungen wird das Volumen der Tintenhohlräume 2 verändert, was
wiederum die Tinte unter Druck setzt. Die Tinte kehrt zum Tintenbehälter 3 durch
die Tintenzufuhröffnungen 4 zurück und wird
dann in Form von Tintentropfen abgegeben.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
können
notwendige Kanäle
durch anisotropes Ätzen
eines einzelnen Silizium-Einkristallsubstrats gebildet werden. Somit
können
der Abstandhalter 1 und die Düsenplatte 6 als gemeinsame
Teile hergestellt werden, was die Notwendigkeit für einen
Vorgang zum Auftragen von Klebemittel zur Verbindung des Abstandhalters
mit der Düsenplatte
ausräumt.
Schließlich
werden vereinfachte Herstellungsverfahren und ein Beseitigen der
Strömung
eines Klebemittels in die Tintenkanäle erreicht, was eine Verbesserung
der Produktionsausbeute ermöglicht.
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6(a) und 6(b) zeigen
eine zweite Ausführungsform
der Düsenplatte
gemäß der vorliegenden
Erfindung. In der vorliegenden Ausführungsform werden die Tintenbehälter in
der vorhin beschriebenen Düsenplatte 6 gebildet.
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Das
Bezugszeichen 50 in der Zeichnung bezeichnet ein Silizium-Einkristallsubstrat,
das eine Fläche
(110) auf seiner Oberfläche
aufweist, und die Düsenöffnungen 7 werden
in dem Silizium-Einkristallsubstrat durch die in der Ausführungsform
beschriebene Technik, die in 3 dargestellt
ist, gebildet, um gegenüber
den Tintenhohlräumen 2 (1) zu liegen. Tintenbehälter 51 werden
in der Richtung gebildet, in der die Düsenöffnungen 7 so gebildet
werden, daß die
Düsenöffnungen 7 zwischen
den Tintenbehältern 51 positioniert
sind.
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Die
Tintenbehälter 51 werden
durch die folgenden Schritte gebildet. Im speziellen wird eine Siliziumdioxidschutzschicht,
die in 5(c) beschrieben worden ist,
in den Bereichen gebildet, in denen die Tintenbehälter 51 zu
bilden sind. Die Siliziumdioxidschutzschicht wird der mehrfachen
Exposition ausgesetzt, die in 5(d) beschrieben
wurde, so daß die
Siliziumdioxidschichten 41 und 41' dünn gebildet werden.
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Nachdem
das Silizium-Einkristallsubstrat 50 anisotrop geätzt wurde,
um die Düsenöffnungen 7 zu bilden,
das heißt,
nachdem ein Schritt vollendet wurde, der dem in 5(e) entspricht, bei dem das Ätzen ausgeführt wird, um die Tintenhohlräume 2 zu schaffen,
wird die Siliziumdioxidschicht, die als Folge der mehrfachen Exposition
dünner
gemacht wurde, wie in dem in 5(f) gezeigten
Schritt, wahlweise von den Bereichen entfernt, in denen die Tintenbehälter 51 zu
bilden sind.
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Wie
bei dem in 5(g) dargestellten Schritt wird
das Silizium-Einkristallsubstrat 50 anisotrop in der 40%igen
Kaliumhydroxidlösung
geätzt,
wobei Aussparungen bis zu einer Tiefe von etwa 100 μm in den
Bereichen gebildet werden, in denen die Tintenbehälter 51 zu
bilden sind.
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Im
Vergleich zu der Düsenplatte
mit Tintenbehältern 3,
die nur in dem Abstandhalter 1 ausgebildet werden, ermöglicht die
Düsenplatte
mit oben beschriebener Konstruktion, die Tiefe der Tintenbehälter des
Schreibkopfes im gesamten zu erhöhen. Selbst
wenn die Breite der Tintenbehälter
reduziert wird, kann ein Volumen sichergestellt werden, das ein
Funktionieren der Tintenbehälter
ermöglicht.
Infolgedessen wird die Breite des Schreibkopfes reduziert, was einen
kompakteren Schreibkopf zur Folge hat.
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Selbst
wenn das Silizium-Einkristallsubstrat 50 mit ausreichender
Dicke verwendet wird, um eine Düsenplatte
zu bilden, die leichter handzuhaben ist, wird eine größere Anzahl
an Düsenplatten
mit den vorhin beschriebenen Abstandhaltern aus einem Silizium-Einkristallwafer
gebildet, der dieselbe Größe aufweist,
was wiederum eine Verringerung der Herstellungskosten ermöglicht.
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7 zeigt eine dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In der vorliegenden Ausführungsform
werden die Tintenzufuhröffnungen
in der Düsenplatte
zusätzlich
zu den Tintenbehältern
gebildet.
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In
der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 60 ein Silizium-Einkristallsubstrat
mit einer Fläche
(110) auf seiner Oberfläche.
Die Düsenöffnungen 7 werden
in dem Silizium-Einkristallsubstrat gebildet, um den Tintenhohlräumen gegenüberzuliegen,
die in dem Abstandhalter 1 durch dieselbe Technik gebildet werden
wie in der Ausführungsform
für die
Düsenplatte
beschrieben, die in 3(a) bis 3(j) dargestellt ist. In der vorliegenden Ausführungsform werden
die Tintenbehälter 51 in
der Richtung gebildet, in der die Düsenöffnungen 7 auf solche
Weise gebildet werden, daß die
Düsenöffnungen
zwischen den Tintenbehältern 51 angeordnet
sind. Die Tintenzufuhröffnungen 61 werden
auf beiden Längsseiten der
breiteren Öffnung
der einzelnen Abgabeöffnungen 7 gebildet,
um mit diesen in Verbindung zu stehen.
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Die
Tintenbehälter 51 und
die Tintenzufuhröffnungen 61 werden
durch die folgenden Schritte gebildet. Im speziellen wird eine Siliziumdioxidschutzschicht,
die in dem in 5(c) dargestellten Schritt beschrieben
wurde, in den Bereichen gebildet, in denen die Tintenbehälter 51 zu
bilden sind. Die Siliziumdioxidschutzschicht wird mehrfacher Exposition
ausgesetzt, die in dem in 5(d) dargestellten Schritt
beschrieben wurde, so daß sie
dünn wird.
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Nachdem
das Silizium-Einkristallsubstrat 60 anisotrop geätzt wurde,
um die Düsenöffnungen 7 zu bilden,
das heißt,
nachdem ein Schritt, der dem in 5(e) dargestellten
Schritt entspricht, bei dem Ätzen
durchgeführt
wird, um die Tintenhohlräume 2 zu schaffen,
vollendet worden ist, wird die Siliziumdioxidschicht, die als Folge
der mehrfachen Exposition, wie in dem in 5(f) gezeigten
Schritt, dünner
gemacht wurde, wahlweise von den Bereichen entfernt, in denen die
Tintenbehälter 51 und
die Tintenzufuhröffnungen 61 zu
bilden sind.
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Wie
bei dem in 5(g) dargestellten Schritt,
wird das Silizium-Einkristallsubstrat 60 anisotrop in der
40%igen Kaliumhydroxidlösung
geätzt, wobei
Aussparungen bis zu einer Tiefe von etwa 100 μm und einer Tiefe bis etwa 150 μm in den
Bereichen gebildet werden können,
in denen die Tintenzufuhröffnungen 61 und
die Tintenbehälter 51 zu
bilden sind.
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8 zeigt
eine vierte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In der vorliegenden Ausführungsform
werden Tintenhohlräume 71 und
Tintenbehälter 72 in
einem ersten Silizium-Einkristallsubstrat 70 gebildet,
während
Düsenöffnungen 81 und
Tintenzufuhröffnungen 82 in
einem zweiten Silizium-Einkristallsubstrat 80 gebildet
werden. Der Tintenstrahlschreibkopf wird unter Verwendung einer
Verbindung dieser zwei Silizium-Einkristallsubstrate hergestellt.
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Es
muß lediglich
das erste Silizium-Einkristallsubstrat 70 die Herstellungsschritte,
die in 5(a) bis 5(g) gezeigt
werden, ohne Erstellung des Musters 49, um die Tintenzufuhröffnungen zu
schaffen, und Bildung des dünnen
Siliziumoxidfilms 41' durchmachen.
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Es
muß lediglich
das zweite Silizium-Einkristallsubstrat 80 so gemustert
werden, um die Düsenöffnungen 81 und
die Tintenzufuhröffnungen 82 zu bilden
und anisotrop geätzt
zu werden, ohne die Tintenbehälter 51 zu
bilden, die in dem vorhin beschriebenen Silizium-Einkristallsubstrat 60 der
Düsenplatte geschaffen
werden, die in 7(a) und 7(b) gezeigt
wird. Als eine Folge der Bildung der Tintenbehälter 72 in dem Silizium-Einkristallsubstrat 70,
die mit jenen, die in 7(a) und 7(b) gezeigt werden, identisch sind, kann ein
Schreibkopf gebildet werden, der das Volumen der Tintenbehälter sicherstellt,
indem deren Tiefe vergrößert wird.
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In
der oben beschriebenen Ausführungsform wird
das Mittel, mit dem die Tintenhohlräume unter Druck gesetzt werden,
aus einem Element geschaffen, das das Abdeckungsglied verschiebt.
Es ist auch offensichtlich, daß die
Düsenplatte
der vorliegenden Erfindung als eine Düsenplatte zur Verwendung in
einem anderen Typ von Schreibkopf einsetzbar ist, der eine schwingende
Platte mittels einer elektrostatischen Kraft verschiebt oder in
einem Schreibkopf mit wärmeerzeugenden
Elementen, die in den Tintenhohlräumen untergebracht sind.
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Wie
oben beschrieben, weist die gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellte Düsenplatte
eine Vielzahl an Düsen
zur Abgabe von Tinte auf, die von einem Tintenbehälter zu
den Tintenhohlräumen durch
die Tintenzufuhröffnungen
zugeführt
und durch Druckmittel unter Druck gesetzt wird, und die Düsenplatte
ist durch die Bildung von Düsenöffnungen
in einem Silizium-Einkristallsubstrat mit einer Gitterfläche (110)
durch anisotropes Ätzen
gekennzeichnet, das so erfolgt, daß Durchgangslöcher Flächen (1-11)
und (-11-1) in der Richtung aufweisen, in der die Düsenöffnungen
angeordnet sind sowie Flächen
(111) und (11-1) in der Richtung der Achse der Tintenhohlräume. Die
Düsenöffnungen
können
gebildet werden, so daß die
Flächen
(1-11) und (-11-1) senkrecht zu dem Silizium-Einkristallsubstrat
in der Richtung stehen, in der die Düsenöffnungen angeordnet sind. Demzufolge
wird die Breite der Abgabeöffnung
konstant, ungeachtet der Zeit, die für das Ätzen des Substrates erforderlich
ist. Auf diese Weise können
Düsenöffnungen
in einem Silizium-Einkristallsubstrat gebildet werden, das eine
Dicke aufweist, die für
eine Düsenplatte
durch anisotropes Ätzen
geeignet ist.