DE19836357B4

DE19836357B4 - Einseitiges Herstellungsverfahren zum Bilden eines monolithischen Tintenstrahldruckelementarrays auf einem Substrat

Info

Publication number: DE19836357B4
Application number: DE19836357A
Authority: DE
Inventors: Christopher Corvallis Beatty; Naoto Corvallis Kawamura
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1997-10-22
Filing date: 1998-08-11
Publication date: 2010-01-07
Anticipated expiration: 2018-08-12
Also published as: KR19990037265A; JPH11192714A; GB2330557B; DE19836357B8; KR100595081B1; JP3340967B2; GB2330557A; GB9820523D0; US6322201B1; DE19836357A1; US6137443A; US6365058B1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines monolithischen Tintenstrahldruckkopfs (16) auf einem Chip (25) mit einer ersten Oberfläche (19), einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (55) und einer Kantenoberfläche (35), die sich von der ersten Oberfläche (19) zu der zweiten Oberfläche (55) erstreckt, wobei der Druckkopf (16) eine Mehrzahl von Druckelementen (18) hat, mit folgenden Schritten:
Bilden einer ersten Schicht (31) auf der ersten Oberfläche (19) des Chips (25);
Definieren einer Struktur in der ersten Schicht (31), die einen ersten Bereich (33) für einen Tintenzuführkanal (29) begrenzt, zusammen mit einem Membranbereich (39) innerhalb des ersten Bereichs (33), wobei der Membranbereich (39) Öffnungen für Tintenfüllkanäle (40) definiert, wobei die definierte Struktur einen freiliegenden Abschnitt der ersten Oberfläche (19) beläßt;
Aufbringen zumindest einer leitfähigen Schicht auf den Membranbereich (39) der ersten Schicht (31), um eine Mehrzahl von Abfeuerwiderständen (26) und Verdrahtungsleitungen (28) zu definieren, wobei die zumindest eine leitfähige Schicht auf einer Seite der...

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Tintenstrahldruckkopfherstellungsverfahren und insbesondere auf Verfahren zum Herstellen von vollständig integrierten Tintenstrahldruckköpfen auf einem Substrat.
Es existieren bekannte und verfügbare kommerzielle Druckgeräte, wie z. B. Computerdrucker, Graphikplotter und Faksimilemaschinen, die die Tintenstrahltechnologie, wie z. B. Tintenstrahlstifte, verwenden. Ein Tintenstrahlstift umfaßt typischerweise einen Tintenbehälter und ein Array von Tintenstrahldruckelementen. Das Array wird durch einen Tintenstrahldrucker gebildet. Jedes Druckelement umfaßt eine Düsenkammer, einen Abfeuerwiderstand und eine Düsenöffnung. Die Tinte wird in dem Behälter gespeichert und passiv in jeweilige Abfeuerkammern des Druckkopfs über einen Tintennachfüllkanal und jeweilige Tintenzuführkanäle geladen. Die Kapillarwirkung bewegt die Tinte von dem Behälter durch den Nachfüllkanal und die Tintenzuführkanäle in die jeweiligen Abfeuerkammern. Eine Druckersteuerungsschaltungsanordnung gibt jeweilige Signale zu den Druckelementen aus, um entsprechende Abfeuerwiderstände zu aktivieren. Darauf ansprechend erwärmt ein aktivierter Abfeuerwiderstand Tinte innerhalb der umgebenden Düsenkammer, was das Bilden einer sich ausbreitenden Dampfblase bewirkt. Die Blase zwingt Tinte aus der Düsenkammer durch die Düsenöffnung heraus. Eine Öffnungsplatte neben der Barriereschicht definiert die Düsenöffnungen. Die Geometrie der Düsenkammer, des Tintenzuführkanals und der Düsenöffnungen definiert, wie schnell eine entsprechende Düsenkammer nach einem Abfeuern neu aufgefüllt bzw. nachgefüllt wird.
Um ein Drucken mit hoher Qualität zu erreichen, werden Tintentropfen oder Punkte an erwünschten Positionen mit festgelegten Auflösungen genau plaziert. Das Drucken bei Auflösungen von 300 Punkten pro Zoll und 600 Punkten pro Zoll (dpi; dpi = Dots Per Inch; 1 Zoll = 2,54 cm) ist bekannt. Höhere Auflösungen werden ebenfalls zu erreichen versucht.
Eine monolithische Struktur für einen Tintenstrahldruckkopf ist in der ebenfalls anhängigen U.S.-Patentanmeldung mit der Seriennummer 08/597,746 ( US-6,000,787 A ), die am 7. Februar 1996 eingereicht wurde und den Titel ”Solid State Ink Jet Print Head and Method of Manufacture” aufweist, beschrieben. Das darin beschriebene Verfahren umfaßt Photoabbildungstechniken, die denen ähnlich sind, die bei der Halbleiterelementherstellung verwendet werden. Die Druckelemente eines monolithischen Druckkopfs werden durch Aufbringen von Schichten auf einen Siliziumchip gebildet. Die Abfeuerwiderstände, die Verdrahtungsleitungen und die Düsenkammern werden durch Aufbringen verschiedener Passivierungs-, Isolations-, Widerstands- und leitfähiger Schichten auf den Siliziumchip gebildet. Solche Schichten werden insgesamt als eine Dünnfilmstruktur bezeichnet. Eine Öffnungsplatte liegt über der Dünnfilmstruktur gegenüber dem Chip. Düsenöffnungen werden in der Öffnungsplatte in Ausrichtung mit den Düsenkammern und Abfeuerwiderständen gebildet. Die Geometrie der Düsenöffnungen beeinträchtigt die Größe, die Trajektorie und die Geschwindigkeit des Tintentropfenauswurfs. Öffnungsplatten werden oft aus Nickel gebildet und durch lithographische oder Elektroformungsverfahren hergestellt.
Die EP 0 244 214 A1 offenbart einen thermischen Tintenstrahldruckkopf mit einer Düse, einem Heizelement innerhalb der Düse und einem Tintenvorrat innerhalb der Dicke eines starren Substrates, das die Düse und das Heizelement trägt. Das Heizelement ist auf dem Substrat aufgebracht. Der Tintenkanal erstreckt sich durch das gesamte Substrat von seiner oberen Kante zu seiner unteren Kante.
Die DE 195 36 429 A1 offenbart einen Tintenstrahldruckkopf und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Tintenstrahldruckkopfes. Der Tintenstrahldruckkopf umfaßt eine Vielzahl von parallel zueinander liegenden Kanälen, die durch Öffnungen einer über den Kanälen liegenden ersten Schicht isotrop geätzt werden. Nach dem Ätzvorgang werden die Öffnungen der ersten Schicht verschlossen, indem auf die erste Schicht eine zweite Schicht abgeschieden wird. Die Kanäle sind nach unten durch eine erste Schutzschicht und eine zweite Schutzschicht begrenzt, unter denen ein Heizwiderstand in einem Substrat gebildet ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen monolithischen Tintenstrahldruckkopf, einen Tintenstrahlstift und eine Flüssigkeitsausstoßvorrichtung unter Verwendung von Herstellungsverfahren, die nur eine einseitige Bearbeitung des Chips verlangen, zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines monolithischen Tintenstrahldruckkopfs gemäß Anspruch 1, durch einen monolithischen Tintenstrahldruckkopf gemäß Anspruch 4, durch einen Tintenstrahlstift gemäß Anspruch 5, durch ein Verfahren zum Herstellen einer Flüssigkeitsaus stoßvorrichtung gemäß Anspruch 6 und durch eine Flüssigkeitsausstoßvorrichtung gemäß Anspruch 9 gelöst.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden die Druckelemente durch Verfahren hergestellt, die mit der Bearbeitung einer Seite des Chips auskommen. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden Zuführkanäle durch Verfahren hergestellt, die auf dieselbe Seite des Chips wirken. Dieses einseitige Herstellungsverfahren unterscheidet sich von Herstellungsverfahren, die Druckelemente durch Verfahren, die auf eine Seite des Chips wirken, bilden, und die die Zuführkanäle durch Verfahren, die von einer entgegengesetzten Seite des Chips wirken, bilden. Der Chip umfaßt eine obere Oberfläche, eine untere Oberfläche und vier Kantenoberflächen, die sich zwischen der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche erstrecken. Gemäß der Erfindung wirken die Herstellungsverfahren nicht auf sowohl die obere Oberfläche als auch die untere Oberfläche. Zur Festlegung der Terminologie, bei der die Druckelemente an der oberen Oberfläche gebildet werden, wirken die Herstellungsverfahren von der oberen Oberfläche und nicht von der unteren Oberfläche aus. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen arbeitet ein Ätzschritt sowohl von der oberen Oberfläche als auch von einer Kantenoberfläche, um Füllmaterial zu entfernen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein monolithischer Tintenstrahldruckkopf eine Mehrzahl von Zuführkanälen. Jeder Zuführkanal wird als ausgenommener Bereich bezüglich einer ersten Oberfläche eines Chips gebildet. Eine Dünnfilmstruktur wird auf eine solche erste Seite des Chips über den Zuführkanälen aufgebracht. Der monolithische Tintenstrahldruckkopf umfaßt eine Mehrzahl von Druckelementen. Der Druckkopf wird teilweise durch einen Chip mit einer ersten Oberfläche, einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche und einer Kantenoberfläche gebildet, die sich von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche erstreckt. Der ausgenommene Bereich erstreckt sich entlang der ersten Oberfläche von einer Kantenoberfläche nach innen von der Kantenoberfläche weg. Der Zuführkanal erstreckt sich nicht zu der zweiten Oberfläche. Der Druckkopf wird ebenfalls teilweise durch eine Mehrzahl von ersten Schichten, die über der ersten Oberfläche des Chips liegen, und durch eine zweite Schicht gebildet, die über der Mehrzahl von ersten Schichten liegt. Die Mehrzahl von ersten Schichten ist strukturiert, um eine Mehrzahl von Abfeuerwiderständen, Verdrahtungsleitungen und Tintenzuführkanälen zu definieren. Die Mehrzahl von ersten Schichten definiert die Dünnfilmstruktur. Die zweite Schicht hat eine Struktur, die eine Mehrzahl von Düsenkammern definiert. Jede der Mehrzahl von Düsenkammern ist über zumindest einem Abfeuerwiderstand der Mehrzahl von Abfeuerwiderständen ausgerichtet. Jede der Mehrzahl von Düsenkammern hat eine Düsenöffnung. Jede der Mehrzahl von Druckelementen umfaßt einen Abfeuerwiderstand und eine Düsenkammer, einen Nachfüllkanal und einen Zuführungskanal. Der Füllkanal erstreckt sich von der Düsenkammer zu dem Zuführungskanal. Für jedes der Mehrzahl von Druckelementen ist eine jeweilige Verdrahtungsleitung leitfähig mit dem Abfeuerwiderstand des entsprechenden Druckelements gekoppelt.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detaillierter erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Tintenstrahlstifts mit einem Druckkopf, der gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung hergestellt ist;
2 ein Blockdiagramm eines Tintenstrahldruckkopfs;
3 eine Teilquerschnittansicht eines Tintenstrahldruckkopfs, der gemäß einem Verfahren dieser Erfindung hergestellt ist;
4 eine Teildraufsicht eines Chips mit einer strukturierten Schicht eines Feldoxids;
5 eine Querschnittsansicht entlang der Linie V-V von 4;
6 eine Teildraufsicht eines Druckkopfs während des Verfahrens, wobei die Dünnfilmstrukturschichten aufgebracht und strukturiert sind;
7 eine Querschnittsansicht entlang der Linie VII-VII von 6;
8 eine Querschnittsansicht entlang der Linie VIII-VIII von 6;
9 eine Teildraufsicht eines Druckkopfs bei der Herstellung, wobei der Zuführkanal und die Füllkanäle aus dem Chip herausgeätzt werden;
10 eine Querschnittsansicht entlang der Linie X-X von 9;
11 eine Querschnittsansicht entlang der Linie XI-XI von 9;
12 eine Teilquerschnittsansicht eines Druckkopfs während der Herstellung, wobei ein Füllmaterial zu der Struktur von 9 hinzugefügt wird;
13 eine Teilquerschnittsansicht eines Druckkopfs bei der Herstellung nach dem Polieren und einem Plasmaätzen der Struktur von 12;
14 eine weitere Teilquerschnittsansicht eines Druckkopfs bei der Herstellung nach dem Polieren und einem Plasmaätzen der Struktur von 12;
15 eine Teilquerschnittsansicht eines Druckkopfs bei der Herstellung nach dem Aufbringen eines Opfer dorns auf die Struktur der 13 und 14;
16 eine Teilquerschnittsansicht eines Druckkopfs bei der Herstellung nach dem Aufbringen einer Öffnungsplatte um den Opferkern von 15; und
17 eine Teilquerschnittsansicht eines fertiggestellten Druckkopfs, bei dem der Opferdorn und das Füllmaterial entfernt sind.
Überblick
1 zeigt einen thermischen Tintenstrahlstift 10 vom Abtasttyp gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung. Der Stift 10 ist durch einen Stiftkörper 12, einen inneren Behälter 14 und einen Druckkopf 16 gebildet. Der Stiftkörper 12 dient als Gehäuse für den Behälter 14. Der Behälter 14 dient zum Speichern von Tinte, die aus dem Druckkopf 16 auf ein Medienblatt auszustoßen ist. Der Druckkopf 16 definiert ein Array 22 von Druckelementen 18 (d. h. ein Düsenarray). Das Düsenarray 22 ist auf dem Chip gebildet. Der Behälter 14 ist in physischer Kommunikation mit dem Düsenarray, wodurch ein Tintenfluß von dem Behälter 14 in die Druckelemente 18 ermöglicht wird. Die Tinte wird aus einem Druckelement 18 durch eine Öffnung zu einem Medienblatt hin ausgestoßen, um Punkte auf dem Medienblatt zu bilden.
Die Öffnungen sind in einer Öffnungsschicht gebildet. Bei einem Ausführungsbeispiel der Öffnungsschicht ist eine Platte an den darunterliegenden Schichten angebracht. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Öffnungsschicht einstückig mit den darunterliegenden Schichten gebildet. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel eines Druckkopfs mit einer Öffnungsplatte sind Öffnungen ebenfalls in einer flexiblen Schaltung 20 gebildet. Die flexible Schaltung 20 ist eine gedruckte Schaltung, die aus einem flexiblen Basismaterial mit mehreren Leiterbahnen und einem peripheren Ver binder hergestellt ist. Leiterbahnen laufen von dem peripheren Verbinder zu dem Düsenarray 22. Die flexible Schaltung 20 ist aus einem Basismaterial hergestellt, das aus Polyimid oder einem anderen flexiblen Polymermaterial (z. B. Polyester, Polymethyl-Methacrylat) gebildet ist, wobei die Leiterbahnen aus Kupfer, Gold oder einem anderen leitfähigen Material bestehen. Die flexible Schaltung 20 mit nur dem Basismaterial und den Leiterbahnen ist von der 3M Company aus Minneapolis, Minnesota, erhältlich. Die Düsenöffnungen und der periphere Verbinder werden dann hinzugefügt. Die flexible Schaltung 20 ist mit einer außerhalb der Schaltung angeordneten Druckersteuerungselektronik über einen Kantenverbinder oder einen Knopfverbinder gekoppelt. Fenster 17, 19 innerhalb der flexiblen Schaltung 20 erleichtern ein Befestigen des Druckkopfs 16 an dem Stift 10. Indem Betriebssignale von der Druckersteuerungsschaltung empfangen werden und ausgewählte Druckelemente 18 aktivieren, um Tinte zu spezifischen Zeitpunkten auszustoßen, wird bewirkt, daß eine Punktstruktur auf ein Medienblatt ausgegeben wird. Die Struktur von Punkten bildet ein erwünschtes Symbol, einen Buchstaben oder eine Graphik.
Obwohl ein Tintenstrahlstift vom Abtasttyp in 1 gezeigt ist, bezieht sich die Beschreibung der Herstellungsverfahren für den Druckkopf 16, die im nachfolgenden dargelegt wird, ebenfalls auf Druckköpfe für einen Druckkopf mit einem breiten Array, wie z. B. einen seitenbreiten Arraydruckkopf vom Nicht-Abtast-Typ.
Wie es in 2 gezeigt ist, umfaßt der Druckkopf 16 mehrere Reihen von Druckelementen 18. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel bilden zwei Reihen 22, 24 einen Satz von Reihen 21, während weitere zwei Reihen 22, 24, einen weiteren Satz von Reihen 23 bilden. Bei alternativen Ausführungsbeispielen sind weniger oder mehr Reihen vorhanden. Jedem Druckelement 18 ist ein Treiber zum Erzeugen des Strompegels zugeordnet, um die erwünschten Leistungspegel zum Erwärmen des Abfeuerwiderstands des entsprechenden Elements zu errei chen. Ferner ist eine Logikschaltungsanordnung zum Auswählen vorhanden, welches Druckelement zu einem gegebenen Zeitpunkt aktiv ist. Treiberarrays 43 und Logikarrays 44 sind in einem Blockformat gezeichnet. Der Abfeuerwiderstand eines gegebenen Druckelements ist mit einem Treiber über eine Verdrahtungsleitung bzw. Leiterbahn verbunden. Ferner umfaßt der Druckkopf 16 Kontaktanschlußflächenarrays 46 zum elektrischen Koppeln des integrierten Abschnitts des Druckkopfs mit einer flexiblen Schaltung oder zu einer Schaltung außerhalb des Stifts.
3 zeigt ein Druckelement 18 eines Druckkopfs 16. Der Druckkopf umfaßt einen Siliziumchip 25, eine Dünnfilmstruktur 27 und eine Öffnungsschicht 30. Der Siliziumchip 25 liefert Steifheit und dient tatsächlich als Gehäuse für andere Abschnitte des Druckkopfs 16. Ein Tintenzuführkanal 29 ist in dem Chip 25 gebildet. Bei einem Ausführungsbeispiel ist ein Tintenzuführkanal 29 für jedes Druckelement 18 gebildet. Die Dünnfilmstruktur 27 ist auf dem Chip 25 gebildet und umfaßt verschiedene Passivierungs-, Isolations- und leitfähige Schichten. Ein Abfeuerwiderstand 26 und Leiterbahnen 28 (siehe 9 und 17) sind in der Dünnfilmstruktur 27 für jedes Druckelement 18 gebildet. Die Öffnungsschicht 30 ist auf der Dünnfilmstruktur 27 gegenüber dem Chip 25 gebildet. Die Öffnungsschicht 30 hat eine äußere Oberfläche 34, die während des Betriebs einem Medienblatt gegenüber liegt, auf das die Tinte zu drucken ist. Die Öffnungsschicht ist entweder eine einstückige Schicht, die mit der Dünnfilmstruktur 27 gebildet ist, oder eine Platte, die auf der Dünnfilmstruktur liegt. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen liegt die flexible Schaltung 20 über der Öffnungsschicht 30. Düsenkammern 36 und Düsenöffnungen 38 sind in der Öffnungsschicht 30 gebildet.
Jedes Druckelement 18 umfaßt einen Abfeuerwiderstand 26, eine Düsenkammer 36, eine Düsenöffnung 38 und einen oder mehrere Füllkanäle 40. Ein Mittelpunkt des Abfeuerwiderstands 26 definiert eine normale Achse, um die Komponenten des Druckelements 18 ausgerichtet sind. Insbesondere wird bevorzugt, daß der Abfeuerwiderstand 26 innerhalb der Düsen kammer 36 zentriert ist und mit der Düsenöffnung 38 ausgerichtet ist. Die Düsenkammer 36 ist bei einem Ausführungsbeispiel kegelstumpfförmig. Einer oder mehrere Füllkanäle 40 oder Druchgangslöcher sind in der Dünnfilmstruktur 27 gebildet, um die Düsenkammer 36 mit dem Zuführkanal 29 zu koppeln. Die Füllkanäle 40 sind durch den unteren Umfang 43 der Düsenkammer umgeben, derart, daß die Tinte, die durch einen gegebenen Füllkanal 40 fließt, ausschließlich in eine entsprechende Düsenkammer 36 fließt.
Bei einem Ausführungsbeispiel existiert ein Zuführkanal 29 für jedes Druckelement 18. Die Zuführkanäle 29 für einen gegebenen Satz von Reihen 21 oder 23 empfangen Tinte von einem Nachfüllkanal (nicht gezeigt). Bei einer Kantenzuführungskonstruktion existiert ein Nachfüllkanal 101 auf jeder der zwei gegenüberliegenden Seitenkanten des Druckkopfs. Die Zuführkanäle 29 eines Satzes von Druckelementen 21 sind in Kommunikation mit einem Nachfüllkanal, während die Zuführkanäle 29 von dem anderen Satz von Druckelementen 23 in Kommunikation mit dem anderen Nachfüllkanal sind. Bei einer Mitten-Zuführungskonstruktion existiert ein Nachfüllkanaltrog in Kommunikation mit den Zuführkanälen. Ein solcher Nachfüllkanaltrog dient für beide Sätze von Druckelementen 21, 23. Bei einem Ausführungsbeispiel umfaßt der Trog Tinte von einem Stiftkassettenbehälter an einer Kante des Druckkopfs. Somit erstreckt sich bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Nachfüllkanal 101 nicht durch die untere Oberfläche 55 des Chips 25.
Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist der Chip 25 ein Siliziumchip, der etwa 675 μm dick ist. Ein Glas oder ein stabiles Polymer werden bei alternativen Ausführungsbeispielen statt des Siliziums verwendet. Die Dünnfilmstruktur 27 wird durch eine oder mehrere Passivierungs- oder Isolationsschichten gebildet, die durch Siliziumdioxid, Silizium karbid, Siliziumnitrid, Tantal, Polysiliziumglas oder ein anderes geeignetes Material gebildet werden. Die Dünnfilmstruktur umfaßt ferner eine leitfähige Schicht zum Definieren des Abfeuerwiderstands und zum Definieren der Leiterbahnen. Die leitfähige Schicht wird durch Tantal, Tantal-Aluminium oder ein anderes Metall oder eine Metallegierung gebildet. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist die Dünnfilmstruktur etwa 3 μm dick. Die Öffnungsschicht 30 hat eine Dicke von etwa 10 bis 30 μm. Die Düsenöffnung 38 hat einen Durchmesser von etwa 10 bis 30 μm. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel hat der Abfeuerwiderstand 26 etwa eine quadratische Form mit einer Seitenlänge von etwa 10 bis 30 μm. Die Basisoberfläche 43 der Düsenkammer 36, die den Abfeuerwiderstand 26 trägt, hat einen Durchmesser, der etwa dem Doppelten der Länge des Widerstands 26 entspricht. Bei einem Ausführungsbeispiel definiert eine anisotrope Siliziumätzung 54°-Wandwinkel für den Zuführschlitz 29. Obwohl beispielhafte Abmessungen und Winkel angegeben worden sind, können solche Abmessungen und Winkel für alternative Ausführungsbeispiele variieren.
Einseitige Herstellung
Aus Terminologiebestimmungsgründen hat der Chip 25 zwei Seiten, d. h. eine obere Seite 19 und eine untere Seite 55. Die obere Seite definiert eine obere Oberfläche und die untere Seite definiert eine untere Oberfläche. Für einen rechteckigen Chip 25 umfaßt der Chip 25 ferner vier Kanten, die sich zwischen der oberen Seite und der unteren Seite erstrecken. Die Form und Anzahl der Kanten des Chips können bei alternativen Ausführungsbeispielen variieren. Gemäß der Erfindung wird ein monolithischer Tintenstrahldruckkopf 16 durch Herstellungsverfahren gebildet, die von einer einzigen Seite des Substrats aus wirken. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen wirken die Herstellungsverfahren ferner von einer Kante während zumindest eines Herstellungsschrittes. Gemäß der Erfindung müssen die Herstellungsverfahren jedoch nicht von der unteren Seite des Chips 25 aus wirken. Der Ausdruck Sub strat, wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf die Prozeßstruktur des Chips 25 und die Dünnfilmstruktur 27 und, falls vorhanden, die Öffnungsschicht 30.
Ausgehend von einem planaren Chip 25 wird eine Schicht aus Feldoxid 31 auf eine erste Seite 19 aufgebracht (z. B. aufgewachsen). Die Feldoxidschicht 31 wird dann maskiert und wie in den 4 und 5 geätzt, um Bereiche 33 für jeweilige Zuführkanäle zu begrenzen. Zusätzlich wird eine Membranregion 39 innerhalb jedes Zuführkanalbereichs 33 gebildet. Der Zuführkanalbereich 33 erstreckt sich von einer Kante 35 des Chips 25 zu einer gegenüberliegenden Kante 37. Sobald der Zuführkanal in dem Bereich 33 in einer späteren Stufe geätzt wird, wird sich der Zuführkanal 29 von der Seitenkante 35 zu der gegenüberliegenden Kante 37 erstrecken. Der resultierende Druckkopf soll ein Kantenzuführdruckkopf sein, bei dem Tinte von dem Behälter 14 an der Kante 35 (siehe 3) in den Zuführkanal 29 eintritt. Ein Landbereich wird an der Kante gebildet und dient als Nachfüllkanal 101.
Die Membranregion 39 tritt innerhalb des Zuführkanalbereichs 33 auf und markiert Regionen des Feldoxids, die über dem entsprechenden Zuführkanal 29 liegend verbleiben sollen. In dieser Herstellungsstufe wird kein Zuführkanal in den Chip 25 geätzt, sondern lediglich ein Bereich 33, der durch die Feldoxidschicht 31 begrenzt ist.
Die Feldoxidschicht ist eine erste Schicht der Dünnfilmstruktur 27. Wenn die Feldoxidschicht 31 wie erwünscht strukturiert ist, werden zusätzliche Schichten der Dünnfilmstruktur 27 auf die gleiche Seite 19 des Chips 25, die das Feldoxid 31 aufweist, aufgebracht. Die zusätzlichen Schichten werden strukturiert, um Abfeuerwiderstände 26, Verdrahtungsleitungen 28 und eine Passivierung 45 zu bilden, wie es in den 6 bis 8 gezeigt ist. Das Abscheiden, das Maskieren und das Ätzverfahren sind in der Technik bekannt und werden verwendet, um die Abfeuerwiderstände 26, die Verdrahtungsleitungen 28 und das Passivierungsmaterial 45 aufzu bringen und zu strukturieren. Bei einem Ausführungsbeispiel werden die Abfeuerwiderstände 26 aus Tantal-Aluminium gebildet, während die Verdrahtungsleitungen 28 aus Aluminium gebildet werden. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel werden andere oder zusätzliche leitfähige Metalle, Legierungen oder Stapel von Metallen und/oder Legierungen verwendet. 6 zeigt eine Draufsicht eines Abschnitts des Druckkopfs 16. Die gesamte Oberfläche des Substrats außer den Bereichen, die als der Chip 25 bezeichnet sind, ist mit Passivierungsmaterial 45 bedeckt. In 6 sind die Verdrahtungsleitungen 28 und der Abfeuerwiderstand 26 unter der Passivierungsschicht 45 liegend versteckt gezeigt. In dieser Herstellungsstufe wurde der Zuführkanal 29 noch nicht in dem Bereich 33 geätzt.
Wenn die Abfeuerwiderstände 26 und die Verdrahtungsleitungen 28 strukturiert sind, besteht der nächste Schritt darin, den Zuführkanal 29 und die Füllkanäle 40 zu ätzen. Ein Ätzmittel wird auf die obere Seite 19 aufgebracht. Der Chip 25 wird unter Verwendung von Tetra-Methyl-Ammonium-Hydroxid, Kalium-Hydroxid und einem anderen anisotropen Siliziumätzmittel geätzt, das auf die Regionen des freiliegenden Chips 25 wirkt und nicht auf die Passivierung 45. Bei einem Ausführungsbeispiel wirkt das Ätzmittel auf die Ebene <100> des Siliziumchips, um das Silizium in einem Winkel zu ätzen. Das Ätzverfahren wird fortgesetzt, indem das Silizium nach unten in einem Winkel weggeätzt wird, bis die gewinkelten Linien sich in einer gegebenen Tiefe schneiden. Das Resultat ist ein dreieckiger Graben für den Zuführkanal 29, wie es in den 9 bis 11 gezeigt ist. In dieser Stufe wurde ein Graben in dem Chip 25 unter Verwendung eines Verfahrens gebildet, das von der oberen Seite 19 des Chips 25 aus wirkt. Der Graben definiert den Zuführkanal 29.
In dieser Herstellungsstufe werden die Zuführkanäle 29, die Füllkanäle 40, die Abfeuerwiderstände 26 und die Verdrahtungsleitungen 28 gebildet, die Düsenkammern 36 (siehe 3) sind jedoch noch nicht gebildet. Die Düsenkammern 36 wer den mit einer Öffnungsplatte, mit einem Öffnungsfilm oder durch Direktabbildung hergestellt. Für jedes dieser Verfahren kann die Anwesenheit des Zuführkanals 29 und der Füllkanäle 40 das Bilden der Düsenkammern 36 aufgrund der Variablen Topographie, die durch solche Leerräume eingeführt wird, negativ beeinträchtigt werden. Solche Leerräume werden aufgefüllt, um ein durchgehendes Verarbeiten von der oberen Oberfläche zu ermöglichen. Somit wird gemäß einem Aspekt dieser Erfindung ein Material 50 aus Photolack oder Polyimid auf das Substrat aufgeschleudert und gebrannt, wie es in 12 gezeigt ist. Das Material 50 füllt den Zuführkanal 29 und die Füllkanäle 40 auf und bedeckt die Passivierungsschicht 45. Anschließend wird ein chemisch-mechanisches Schleifverfahren auf das Substrat angewendet, um das Material 50 an Bereichen außer den Zuführkanälen 29 und den Füllkanälen 40 zu entfernen, wie es in den 13 und 14 gezeigt ist. Bei einem Ausführungsbeispiel wird ferner eine O₂-Plasmaätzung durchgeführt, damit das Füllmaterial 50 entfernt wird, und daß das Passivierungsmaterial 45 entfernt wird. Das Ergebnis ist eine planare Oberfläche mit Höckern aus Passivierungsmaterial 45 über den Abfeuerwiderständen 26 (siehe 13 und 14). Die obere Seite 19 des Substrats hat nun Bereiche mit Passivierungsmaterial 45 und Füllmaterial 50. In dieser Herstellungsstufe ist das Substrat so weit fertiggestellt, damit Verfahren durchgeführt werden können, um die Düsenkammern 36 zu bilden.
Bei einem Ausführungsbeispiel (siehe 15) wird ein kegelstumpfförmiger Opferdorn 52 über jedem Widerstand 26 in der Form der erwünschten Düsenkammer gebildet. Ein solcher Opferdorn 52 wird durch Aufbringen eines geeigneten Materials, wie z. B. Photolack oder Polyimid, hergestellt, wonach das Material strukturiert und in die erwünschte Form geätzt wird. Anschließend wird eine Öffnungsschicht 30 aufgebracht, wie es in den 16 gezeigt ist, und zwar in einer Dicke, damit Bündigkeit mit dem Opferdorn 52 hergestellt wird. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Öffnungsschicht durch ein Elektroplattierungsverfahren herge stellt, bei dem das Substrat in einen Elektroplattierungsbehälter getaucht wird. Material (z. B. Nickel, Gold) bildet sich auf dem Substrat um den Opferdorn 52 herum. Andere Aufbringungsverfahren können ebenfalls verwendet werden, sie dürften jedoch durch einen zusätzlichen Polierschritt ergänzt werden, um die Schicht 30 auf eine Ebene mit dem Opferdorn 52 zu bringen. Anschließend wird der Opferdorn 52 geätzt oder aus der Öffnungsschicht 30 gelöst, wodurch die verbleibende Düsenkammer 36 zurückbleibt, wie es in 17 gezeigt ist. Im selben Schritt oder in einem anderen Ätzschritt wird das Füllmaterial 50 aus den Füllkanälen 40 und den Zuführkanälen 29 herausgeätzt, was in einem Druckkopf 16 resultiert, wie er in den 3 und 17 gezeigt ist. Das Füllmaterial 50 wird von der oberen Seite 19 des Substrats oder von der oberen Seite 19 und der Kantenfüllseite 35 des Substrats geätzt. In jedem Fall wirken die Herstellungsverfahren nicht von der zur Seite 19 gegenüberliegenden unteren Oberfläche 55 (siehe 3 und 17).
Obwohl die Düsenkammern 36 derart beschrieben wurden, daß sie hergestellt werden, indem ein Opferdorn und eine Öffnungsschicht aufgebracht werden, woraufhin der Opferdorn herausgeätzt wird, können ebenfalls andere Verfahren verwendet werden. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel wird ein Öffnungsfilm auf das Substrat aufgebracht, wobei das Sustrat in der Form vorliegt, wie sie in 14 dargestellt ist. Ein Strukturierungs- und ein Ätzverfahren werden dann durchgeführt, um die Düsenkammer 36 zu definieren. Ein Ätzverfahren, wie es oben beschrieben wurde, wird dann durchgeführt, um das Füllmaterial 50 von dem Zuführkanal bzw. den Zuführkanälen 29 und den Füllkanälen 40 zu entfernen. Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel wird Material auf das Substrat aufgeschleudert, maskiert und freigelegt, um die Düsenkammern 36 zu bilden. Wieder wird ein Ätzverfahren wie oben beschrieben durchgeführt, um anschließend das Füllmaterial 50 von den Zuführkanälen 29 und den Füllkanälen 40 zu entfernen.
Nach der Fertigstellung existiert ein Druckkopf 16, der keine Tintenkanalöffnungen in der unteren Oberfläche der unteren Seite 55 hat. Insbesondere wurde kein Abschnitt der unteren Seite 55 für Tintenkanalöffnungen entfernt.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines monolithischen Tintenstrahldruckkopfs (16) auf einem Chip (25) mit einer ersten Oberfläche (19), einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (55) und einer Kantenoberfläche (35), die sich von der ersten Oberfläche (19) zu der zweiten Oberfläche (55) erstreckt, wobei der Druckkopf (16) eine Mehrzahl von Druckelementen (18) hat, mit folgenden Schritten: Bilden einer ersten Schicht (31) auf der ersten Oberfläche (19) des Chips (25); Definieren einer Struktur in der ersten Schicht (31), die einen ersten Bereich (33) für einen Tintenzuführkanal (29) begrenzt, zusammen mit einem Membranbereich (39) innerhalb des ersten Bereichs (33), wobei der Membranbereich (39) Öffnungen für Tintenfüllkanäle (40) definiert, wobei die definierte Struktur einen freiliegenden Abschnitt der ersten Oberfläche (19) beläßt; Aufbringen zumindest einer leitfähigen Schicht auf den Membranbereich (39) der ersten Schicht (31), um eine Mehrzahl von Abfeuerwiderständen (26) und Verdrahtungsleitungen (28) zu definieren, wobei die zumindest eine leitfähige Schicht auf einer Seite der ersten Schicht (31) gegenüber des Chips (25) aufgebracht wird, wobei die zumindest eine leitfähige Schicht den Chip (25) physisch nicht berührt; Aufbringen zumindest einer Passivierungsschicht (45) für anisotropes Ätzen, die über der ersten Schicht (31) und der zumindest einen leitfähigen Schicht liegt, ohne daß sie über dem freiliegenden Abschnitt der ersten Oberfläche (19) des Chips (25) liegt; anisotropes Ätzen in einem Winkel bis zu einer vorbestimmten Tiefe einer Mehrzahl von Zuführkanälen (29) durch den freiliegenden Abschnitt der ersten Oberfläche (19) des Chips (25), wodurch Gräben (29) mit einem dreieckigen Querschnitt gebildet werden, wobei sich die Gräben (29) auch unterhalb des Membranbereichs (39) erstrecken; Aufbringen eines Füllmaterials (50), um die Zuführkanäle (29) und die definierten Öffnungen (40) in der Membran (27) zu besetzen, wobei ein Bereich des Füllmaterials (50) freiliegend bleibt; Planarisieren des freiliegenden Bereichs des Füllmaterials (50); nach dem Schritt des Planarisierens, Bilden einer Öffnungsschicht (30), die über der Passivierungsschicht (45) und dem Zuführkanal (29) liegt, wobei die Öffnungsschicht (30) eine Mehrzahl von Düsenkammern (36) definiert, wobei jede der Mehrzahl von Düsenkammern (36) mit zumindest einem der Mehrzahl von Abfeuerwiderständen (26) ausgerichtet ist; und Entfernen des Füllmaterials (50) innerhalb der Zuführkanäle (29) und der definierten Öffnungen (40) in der Membran (27), wobei die definierten Öffnungen (40) als Füllkanäle (40) dienen, die die Düsenkammern (36) mit den Zuführkanälen (29) verbinden; und wobei jedes der Mehrzahl von Druckelementen (18) einen Abfeuerwiderstand (26) und eine Düsenkammer (36) und einen Füllkanal (40) umfaßt, wobei sich der Füllkanal (40) von der Düsenkammer (36) zu einem der Mehrzahl von Zuführkanälen (29) erstreckt, und wobei für jedes der Mehrzahl von Druckelementen (18) eine jeweilige Verdrahtungsleitung (28) leitfähig mit dem Abfeuerwiderstand (26) des einen Druckelements (18) gekoppelt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt des Bildens einer Öffnungsschicht (30) folgende Schritte aufweist: für jeden Abfeuerwiderstand (26), Aufbringen eines Opferdorns (52) über dem einen Abfeuerwiderstand (26); Aufbringen einer Öffnungsschicht (30) um den Opferdorn (52); und Entfernen des Opferdorns (52), um jeweilige Tintenstrahldüsenkammern (36) und Düsenöffnungen (38) zu bilden.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Passivierungsschicht (45) und das Array von Abfeuerwiderständen (26) und Verdrahtungsleitungen (28) Teile einer Dünnfilmstruktur (27) sind, die zwischen dem Chip (25) und der Öffnungsschicht (30) vorhanden ist.
Monolithischer Tintenstrahldruckkopf (16) mit einer Mehrzahl von Druckelementen (18), mit folgenden Merkmalen: einem Chip (25) mit einer ersten Oberfläche (19), einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (55) und einer Kantenoberfläche (35), die sich von der ersten Oberfläche (19) zu der zweiten Oberfläche (55) erstreckt, wobei die erste Oberfläche (19) eine Mehrzahl von durch anisotropes Ätzen ausgenommenen Bereichen (29), die einen dreieckigen Querschnitt aufweisen, definiert, wobei sich die ausgenommenen Bereiche (29) entlang der ersten Oberfläche (19) von einer Kantenoberfläche (35) nach innen von der Kantenoberfläche (35) weg erstrecken, wobei jeder ausgenommene Bereich (29) als Zuführkanal (29) dient, der Tinte zu einem Druckelement (18) der Mehrzahl von Druckelementen (18) hin kanalisiert, und wobei sich die Zuführkanäle (29) nicht zu der zweiten Oberfläche (55) erstrecken; einer Mehrzahl (27) von ersten Schichten (31), die über der ersten Oberfläche (19) des Chips (25) liegen, wobei die Mehrzahl (27) von ersten Schichten (31) strukturiert ist, um eine Mehrzahl von Abfeuerwiderständen (26), Verdrahtungsleitungen (28) und Tintenfüllkanälen (40) zu definieren; einer zweiten Schicht (30), die über der Mehrzahl (27) von ersten Schichten (31) liegt, wobei die zweite Schicht (30) eine Struktur hat, die eine Mehrzahl von Düsenkammern (36) definiert, wobei jede der Mehrzahl von Düsenkammern (36) über zumindest einem Abfeuerwiderstand (26) der Mehrzahl von Abfeuerwiderständen (26) ausgerichtet ist, wobei jede der Mehrzahl von Düsenkammern (36) eine Düsenöffnung (38) hat; wobei jedes der Mehrzahl von Druckelementen (18) einen Abfeuerwiderstand (26) und eine Düsenkammer (36) und einen Füllkanal (40) umfaßt, wobei sich der Füllkanal (40) von der Düsenkammer (36) zu einem der Zuführkanäle (29) erstreckt, und wobei für jedes der Mehrzahl von Druckelementen (18) eine jeweilige Verdrahtungs leitung (28) leitfähig mit dem Abfeuerwiderstand (26) des einen Druckelements (18) gekoppelt ist.
Tintenstrahlstift (10) mit folgenden Merkmalen: einem Stiftkörper (12), der einen inneren Behälter (14) zum Speichern von Tinte definiert; und einem monolithischen Tintenstrahldruckkopf (16) mit einer Mehrzahl von Druckelementen (18), wobei der Druckkopf (16) folgende Merkmale aufweist: einen Chip (25) mit einer ersten Oberfläche (19), einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (55) und einer Kantenoberfläche (35), die sich von der ersten Oberfläche (19) zu der zweiten Oberfläche (55) erstreckt, wobei die erste Oberfläche (19) eine Mehrzahl von durch anisotropes Ätzen ausgenommenen Bereichen (29), die einen dreieckigen Querschnitt aufweisen, definiert, wobei sich die ausgenommenen Bereiche (29) entlang der ersten Oberfläche (19) von einer Kantenoberfläche (35) nach innen von der Kantenoberfläche (35) weg erstrecken, wobei jeder ausgenommene Bereich (29) als Zuführkanal (29) dient, der Tinte zu zumindest mehreren Druckelementen (18) der Mehrzahl von Druckelementen (18) hin kanalisiert, und wobei sich die Zuführkanäle (29) nicht zu der zweiten Oberfläche (55) erstrecken; eine Mehrzahl (27) von ersten Schichten, die über der ersten Oberfläche (19) des Chips (25) liegen, wobei die Mehrzahl (27) von ersten Schichten strukturiert ist, um eine Mehrzahl von Abfeuerwiderständen (26), Verdrahtungsleitungen (28) und Tintenfüllkanälen (40) zu definieren; und eine zweite Schicht (30), die über der Mehrzahl (27) von ersten Schichten liegt, wobei die zweite Schicht (30) eine Struktur hat, die eine Mehrzahl von Düsenkammern (36) definiert, wobei jede der Mehrzahl von Düsenkammern (36) über zumindest einem Abfeuerwiderstand (26) der Mehrzahl von Abfeuerwiderständen (26) ausgerichtet ist, wobei jede der Mehrzahl von Düsenkammern (36) eine Düsenöffnung (38) hat, wobei jedes der Mehrzahl von Druckelementen (18) einen Abfeuerwiderstand (26) und eine Düsenkammer (36) und einen Füllkanal (40) umfaßt, wobei sich der Füllkanal (40) von der Düsenkammer (36) zu einem der Zuführkanäle (29) erstreckt, und wobei für jedes der Mehrzahl von Druckelementen (18) eine jeweilige Verdrahtungsleitung (28) leitfähig mit dem Abfeuerwiderstand (26) des einen Druckelements (18) gekoppelt ist.
Verfahren zum Herstellen einer Flüssigkeitsausstoßvorrichtung (16), mit folgenden Merkmalen: Bilden eines Heizelements (26) und einer Verdrahtungsleitung (28) für das Heizelement (26) auf einer ersten Schicht (31) auf einer ersten Oberfläche (19) eines Chips (25); Bilden eines Lochs durch die erste Schicht (31) auf der ersten Oberfläche (19), um einen Füllkanal (40) zu definieren, neben dem Heizelement (26); Füllen des Füllkanals (40) mit einem Füllmaterial (50); nach dem Füllen des Füllkanals (40), Bilden einer Düsenkammer (36) über dem Heizelement (26), wobei die Düsenkammer (36) in der Lage ist, eine Flüssigkeit auszustoßen, die durch das Heizelement (26) erwärmt wird; und Entfernen des Füllmaterials (50), derart, daß die Düsenkammer (36) mit dem Füllkanal (40) fluidisch gekoppelt ist; wobei der Chip (25) einen Zuführkanal (29) aufweist, der mit dem Füllkanal (40) fluidisch gekoppelt ist, wenn das Füllmaterial (50) entfernt ist, und wobei, in dem Schritt des Füllens, auch der Zuführkanal (29) mit dem Füllmaterial (50) gefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Schritt des Bildens der Düsenkammer (36) folgende Schritte aufweist: Aufbringen eines Opferdorns (52) aus Füllmaterial (50) über dem Heizelement (26); Aufbringen einer Schicht (30) um den Opferdorn (52); und Entfernen des Opferdorns (52), um eine Düsenkammer (36) und Düsenöffnungen (38) zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem das Füllmaterial (50) ein Photoresist oder ein Polyimid ist.
Flüssigkeitsausstoßvorrichtung (16) in einem Zwischenherstellungsschritt gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, mit folgenden Merkmalen: einem Heizelement (26) und einer Verdrahtungsleitung (28) für das Heizelement (26) auf einer ersten Schicht (31) auf einer ersten Oberfläche (19) eines Chips (25), wobei neben dem Heizelement (26) durch die erste Schicht (31) auf der ersten Oberfläche (19) ein Loch gebildet ist, um einen Füllkanal (40) zu definieren; einem Füllmaterial (50), das in dem Füllkanal (40) angeordnet ist; und einer Düsenkammer (36), die über dem Heizelement (26) angeordnet ist, wobei die Düsenkammer (36) mit dem Füllkanal (40) fluidisch gekoppelt ist, wenn das Füllmaterial (50) entfernt ist, wobei die Düsenkammer (36) in der Lage ist, eine Flüssigkeit auszustoßen, die durch das Heizelement (26) erwärmt wird; wobei der Chip (25) einen Zuführkanal (29) in dem Chip (25) aufweist, der mit dem Füllkanal (40) fluidisch gekoppelt ist, wenn das Füllmaterial (50) entfernt ist, und wobei auch der Zuführkanal (29) mit dem Füllmaterial (50) gefüllt ist, wenn der Füllkanal (40) gefüllt wird.