DE2554085C3 - Verfahren zur Herstellung eines Spritzkopfes für einen Tintenstrahldrucker - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Spritzkopfes für einen Tintenstrahldrucker

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Spritzkopfes für einen Tintenstrahldrucker mit mehreren Düsen, die in einer Membranschicht angeordnet sind und wobei die Membranschicht durch eine vielfach dickere Stützschicht verstärkt ist. die Öffnungen aufweist, deren Symmetrieachsen wenigstens angenähert mit denen der Düsen übereinstimmen.
Bei Tintenstrahldruckern liegt die Hauptrichtung der Entwicklung auf dem Gebiet der abgelenkten Systeme, bei welchen die Tintenstrahltropfen eines Tintenstrahls gesondert aufgeladen werden und durch ein einheitliches Ablenkfeld geleitet werden, damit sie abhängig von der Ladung an verschiedenen Punkten der Aufzeichnungsfläche auftreffen. Auf diese Weise kann durch entsprechende Ladung der Tintentropfen auf der Aufzeichnungsfläche eine Aufzeichnung erzeugt werden. Diese Art des Tintenstrahldruckes erfordert aus verschiedenen Gründen eine sehr genaue Einhaltung der Ladung jedes Tropfens. So können sich beispielsweise Tropfen, die eine ähnliche Ladung aufweisen und dicht benachbart sind, gegenseitig abstoßen und deshalb an unerwünschten Stellen der Aufzeichnungsfläche auftreffen. Die Schaltungen, die erforderlich sind um diese genaue Steuerung zu bewirken, sind relativ teuer, insbesondere, wenn mehrere Düsen vorgesehen sind, weil für jeden Strahl je eine Schaltung vorzusehen ist
Eine andere Art von Tintenstrahldrucker wurde ■> entwickeit, die neben einer hohen Geschwindigkeit eine qualitativ hochwertige Änderung der Drucktypen zuläßt und die keine teure Präzisionsladesteuerung erfordert Diese Art des Drucks arbeitet naci: dem Binärverfahren. In dieser Art von Tintenstrahldrucker
ίο werden mehrere Strahlen in einer Reihe oder in mehreren Reihen erzeugt, die Tropfen wahlweise mit einem Ladesignal aufgeladen und dann durch ein konstantes elektrisches FuId in eine Auffangvorrichtung abgelenkt Die ungeladenen Tropfen fliegen auf der ursprünglichen Bahn weiter und treffen die Aufzeichnungsfläche. Eine Präzisionssteuerung für die Ladung ist nicht erforderlich, da die aufgeladenen Tropfen in die Auffangvorrichtung gelangen und nicht auf die Aufzeichnungsfläche. Der Hauptnachteil dieser Art von Tintenstrahldrucker ist, daß für jede Druckposition in einer Dimension eine Düse erforderlich ist Ein Drucker benötigt also eine große Anzahl von Düsen. Ein Verfahren zur Herstellung der Düsen eines solchen Mehrfachspritzkopfes ist in der US-Patentschrift 36 55 530 beschrieben. Dieses Verfahren besteht darin, daß die Innenseite der vorgebohrten Öffnungen elektroplattiert werden, bis der Düsendurchmesser die gewünschte Größe erreicht hat Dieses Verfahren ist für extrem dicht beieinanderliegende Düsen nicht geeignet.
Ein Druck hoher Qualität setzt voraus, daß die einzelnen Tropfen und die Punkte, die sich aus dem Auftreffen der Tropfen auf der Aufzeichnungsfläche ergeben, hinreichend klein sind und dicht beieinanderliegen, so daß sie nicht mehr als einzelne Tropfen erkennbar aber gut erkennbar als Teil des sich ergebenden Zeichens sind. Um dieses Ergebnis zu erzielen, sind auf die Länge eines Zentimeters 80 Tropfen oder mehr erforderlich, wobei jeder Tropfen weniger als 0.175 mm Durchmesser hat. Ein Mehrfach spritzkopf, der zwei nebeneinanderliegende Reihen von gegeneinander versetzten Düsen hat würde Öffnungen verlangen, die nicht größer als 0.05 mm im Durchmesser sind und von Lochmitte zu Lochmitte einer Reihe gemessen, nicht weiter als 0.25 mm voneinander entfernt sind. Die Düsenplatte bildet eine Wand der Tintenkammer, in der hohe Drücke herrschen, sie muß also hohen mechanischen Beanspruchungen gewachsen sein.
Alle diese Forderungen werden von den bekannten Düsen nur unvollkommen erfüllt.
Durch die DEOS 23 58 815 ist ein Einzelspritzkopf bekannt, bei dem das Verhältnis von Düsenlänge zu Düsendurchmesser im Bereich von I liegt. Festigkeitsprobleme treten hier nicht auf, weil eine Einzeldüse nur eine kleine Weite überspannt.
In dem IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 16. Nr. 6, November 1973, Seite 1834 ist ein Mehrfachspritz kopf mit zum Druckbehälter sich erweiternden Düsen beschrieben. Die Düsenplatte kann aus mehreren
M) Schichten bestehen. Die Düsen haben ein Längen-zu= Durchmesser-Verhältnis, das größer als 3 ist, so daß Festigkeitsprobleme kaum auftreten dürften. Wie der Mehrfachspritzkopf hergestellt wird, ist in dem IBM Technical Disclosure Bulletin nicht beschrieben.
μ Durch das IBM Technical Bulletin, Band 16, Nr. 10. März 1974, Seite 3413 ist ein Mehrfachspritzkopf bekannt, bei dem eine Membranplatte, in der sich die Düsen befinden, durch eine dickere StütZDlatte ver-
stärkt ist, so daß sie den hohen Drücken besser Stand hält Zur Herstellung dieses Mehrfachspritzkopfes werden die Düsen in die Membranplatte und die größeren zylindrischen Löcher in die Stützplatte gebohrt Über Bezugslöcher In beiden Platten werden diese miteinander veibunden. Bei diesem Verfahren ist es schwer, die Düsen und die Löcher in der Stützschicht genau fluchten ?w lassen. Wegen der zylinderförmigen Löcher in der Stützschicht ist entweder die Tintenstrahlbildung oder die Stützwirkung der Stützplatte unvollkommen.
Ferner ist durch die US-PS 37 65 969 das Ätzen von einkristallinem Material sowie das Stoppen das Ätzvorganges durch Oxyde dieses Materials bekannt Diese US-PS gibt keine Anregung, nach diesem Ätzverfahren Düsen herzustellen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches Verfahren zur Herstellung einer Düsenplatte hoher Präzision anzugeben, die trotz kleiner Abmessungen der Düsen und trotz kleiner Düsenabstände starker Drücken, wie sie bei Tintenstrahldruckern zum Erzeugen der Tintenstrahlen notwendig sind. Stand halten.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß auf die Vorderseite der einkristallinen Stützschicht die Membranschicht, die aus einer anorganischen Verbindung mit dem Material der Stützschicht besteht, aufgebracht wird, daß in die Stützschicht von der Rückseite her pyramidenförmige Ausätzungen geätzt werden, und daß danach die Membranschicht von vorn geätzt wird, so daß in dieser die Düsen entstehen.
Der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Spritzkopf kann auch in Mehrfachdüsen-Tintenstrahldruckern verwendet werden, ir welchen die Tropfen durch ein schaltbares Ablenkfeld statt durch ausgewählte Ladung der Tropfen selektiv abgelenkt werden können.
Die Düsenplatte kann sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung betrieben werden. Beim Betrieb in der Rückwär'srichtung ist die Anordnung weniger anfällig gegen unebene Düsenflächen. Störungen oder Schmutzreste und ist mechanisch stärker.
Nachstehend soll die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter, vorzugsweiser Ausführungsbeispiele beschrieben werden.
Fig. 1 zeift eine perspektivische Herstellung eines Teiles der Düsenplatte, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.
F i g. 2 zeigt einen Mehrfachspritzkopf, der die Düsenplatte gemäß F i g. 1 ."irwendet.
F i g. 3 erläutert durch verschiedene Querschnitte die Schritte zur Herstellung der Düsenplatte gemäß Fig. I.
Binäre Tintenstrahldrucker mit Mehrfachdüsen bieten den Vorteil, daß die komplizierte urd teure Lade- und Ablenksteuerung wegfällt. Die Hauptschwierigkeit der binären Drucker mit Mehrfachspritzkopf besteht in der schwierigen Düsenplattenstruktur. die aus mehreren Reihen dicht benachbarter kleiner Düsen besteht, die gleich sind und bei den auftretenden hohen Drücken nicht brechen und durch die bei hoher Geschwindigkeit durch die Düsen ausgepreßte Tinte nicht stark abgenutzt werden. Dieses Problem wird mit dem erfindungsgemäß hergestellten Spritzkopf, der auch in großen Mengen herzustellen ist, gelöst.
Ein Teil der Düsenplatte ist in Fig. 1 von hinten gesehen, dargestellt. Eine Stützschicht hat ein Muster von gleichmäßigen Ausatmungen 21, die voneinander gleich weit entfernt sind. Diese Ausätzungen erstrecken sich vollständig durch die Stützschicht 20 bis zu einer anorganischen Membranschicht 22. Die Membranschicht 22 ist mit einheitlichen Düsen 23 versehen. Die Düsen 23 liegen wenigstens ungefähr in der Symmetrieachse der entsprechenden Ausätzungen 21.
s In einem Ausführungsbeispiel hat die Stützschicht 20 aus Silizium eine Dicke von ungefähr 0,25 mm und die Schicht 22 eine Dicke von 5 μπι. Die pyramidenförmige Ausätzung 21 hat an der Stelle, an der sie mit der Membranschicht 22 zusammenstößt, eine Kantenlänge
ίο (Strecken 24) von ungefähr 0,05 mm. Der Durchmesser der Düsen 23 beträgt 10 μπι oder 123 μπι. Der Abstand der Düsen 23 hängt ab von der zu erwartenden Fläche der Punkte, die durch die Tintentropfen erzeugt werden und von der Zahl der Reihen der Düsen. Die Düsen in
I^ einer einzigen Reihe müssen einen Abstand von 0,125 mm von Mitte zu Mitte aufweiser.
Bei der Verwendung einer Stützschicht 20 aus einkristallinem Silizium und einer Membranschicht 22 aus Siliziumdioxid (S1O2) wurde der ''jrchschnittliche
.'<> Druck in der Düse zu !05MPa berechnet. Bei einem Verhältnis von 4 :1 zwischen der Weite der Ausätzung 21 an der Schichtseite, d. h, der Strecke 24 und dem Durchmesser der Düse 23 ergibt sich das Längen-Durchmesser-Verhältnis der Düse aus einem Verhältnis
2i der Dicke der Membranschicht 22 gegenüber dem Durchmesser der Düse 23. In dem dargestellten Beispiel ist das Längen-Durchmesser-Verhältnis der Düse 23 in der Größenordnung von 0,5 :1. Längen-Durchmesser-Verhältnisse von 0,5 : 1 haben sich als sehr vorteilhaft
J" erwiesen.
In F i g. 2 ist ein ganzer Mehrfachspritzkopf gezeigt. Mit 25 ist die Düsenplatte der Fig. I bezeichnet. Sie ist in ein Gehäuse 26 eingebettet das einen Tintenbehälter darstellt. An der Rückseite des Gehäuses 26 ist ein
)"> Vibrationsmechanismus 28. z. B. ein piezoelektrisches Kristall oder ein magnetostriktiver Wandler vorgesehen. Die Kammer 27 ist mit einer Versorgungsröhre 29 verbunden, über die die Tinte in die Kammer 27 unter Druck z. B. 560 kPa zugeführt wird. Das Gehäuse 26 weis: eine Schulter 30 auf, in die die Düser.platte 25 eingesetzt wird. Die Befestigung kann durch eine Klebenaht an der Frontkante 31 erfolgen. Die unter Druck stehende Tinte in der Kammer 27 wird durch den Wandler 28 in Schwingungen versetzt, st> daß auj den
Tintenstrahlen, die aus den Öffnungen 23 austreten, mit gleicher Frequenz und vorhersehbarer Phase und Große synchrone Tropfen entstehen.
Für die Stützschicht 20 der Düsenplatte 25 hat sich einkristallines Silizium gut bewährt. Die Membranen schicht 22 kann aus mehreren Materialien, wie z. B. Siliziumdioxid (S1O2) enthaltenden, glasartigen Materialien, polykristallinem Silizium, Siliziumnitrid oder anoereii geeigneten Materialien bestehen.
In der Anordnung nach F i g. 2 ist die Düspnplatte 25
μ in Vorwärtsrichtung eingebaut. In bestimmten Fällen, wenn z. B. ein hoher Druck von 840 kPa herrscht, kann es vorteilhaft sein, die Düsenplatte 25 in Rückwärtsrichtung einzubauen. In diesem Fall wird der Tintenstrahl durch Unregelmäßigkeiten. Störungen oder Verschmut-
zungen hinter der Öffnung weniger gestört. Da das einkristalline Silizium mit der Tinte nicht in Berührung kommt, widersteht diese Anordnung außerdem besser der Ätzwirkung der Tinte. Außerdem ist diese Anordnung mechanis.b stärker. Andererseits hat das
μ anisotropisch geätzte Substrat keine glatte Oberfläche, auf welcher eine Schaltung, z. B. zur Tropfensynchronisation angebracht werden kann.
Fig.3 erläutert das Verfahren zur Herstellung der
Düsenplatte 25. Das Verfahren zur Herstellung der Düsenplatte 25 beginnt mit einem Substrat, der Stützschicht 20 aus einkristallinem Material, wie z. B. Silizium, dessen (lOO)-Ebenen parallel zur Oberfläche verlaufen, wie im Abschnitt A dargestellt. Eine > Membranschicht 22, bestehend aus einem gleichmäßigen Überzug eines organischen Materials wird auf die ebene Oberfläche der Stützschicht 20 aufgebracht, wie es im Schnitt B dargestellt ist. Die Schritte C und D stellen das anisotrope Ätzen des Substrats von der ι» Rückseite her dar, bei welchem mehrere Löcher gebildet werden, die sich bis zur Membranschicht 22 erstrecken. In den Schritten E und F wird die Membranschicht 22 so erodiert, daß sich kleine Düsen 23 ergeben, deren Symmetrieachsen wenigstens ange- η nähert mit der Symmetrieachse der Ausätzungen 21 übereinstimmen.
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bekannt. Besteht die Membranschicht 22 aus glasartigen Materialien, wird sie vorzugsweise aufgesputiert.
Die Schritte C und D stellen die Bildung der Ausätzung 21 in dem einkristallinen Substrat dar. Im Schritt C kann ein Maskenmaterial 35 aufgebracht werden, um die Lage und Richtung des Ätzens des Substrats 20 im Schritt D zu bestimmen. Die Löcher 21 werden vorzugsweise in dem (lOO)-Einkristall-Silizium mit Hilfe eines Wasser-Amin-Brenzcatechin-Ätzmittels oder anderer basischer Ätzmittel geätzt. Es ist bekannt, daß die (111)-Ebene in einkristallinem Siliziummaterial sich langsam ätzt. Auf diese Weise erzeugt die Ätzung, gemäß Schritt D, eine pyramidenförmige Ausätzung in der Stützschicht 20, deren Oberflächen in der (111)-Ebene liegen. Die Pyramide wird zu einem Pyramidenstumpf, nachdem sie die Membranschicht 22 erreicht hat und das Ätzmittel die Pyramide in seitlicher Richtung
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strat in Scheibenform vorgesehen, das eine (100) kristallographische Orientierung aufweist. Verfahren i» zur Herstellung einer Halbleiterscheibe dieser Art sind bekannt und brauchen hier nicht näher erläutert werden. Gemäß Schritt B wird die Membranschicht 22 von ungefähr 5 μπι Dicke auf die Stützschicht 20 aufgebracht. Verschiedene Materialien, wie die oben erwähn- r< ten, können verwendet werden. Wenn für die Membran-Schicht 22 Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid von 2 bis 6 μπι Dicke verwendet wird, wird sie vorzugsweise entweder durch chemisches Aufdampfen durch Sputterablagerung aufgebracht oder durch Hitzebehandlung i" als Oxid entwickelt, jedes dieser Verfahren ist bekannt und muß hier nicht im einzelnen beschrieben werden. Die polykristalline Siliziumschicht wird am besten durch chemisches Aufdampfen oder durch Elektronenstrahl-Niederschlagen aufgebracht. Auch diese Verfahren sind >"· Die Schritte fund Fstellen die Bildung der Düsen 23 in der Schicht 22 durch chemische Ätzung, Sputtering, Ionen- oder Plasmaätzen mit Hilfe einer Photoresistmaske und/oder einer Metallmaske 36 dar. Anstelle der üblichen Photolithographie, bei der die Bestimmung oder Definition der Öffnungen 23 schwierig wird, kann auch die Elektronenstrahllithographie verwendet werden. Die photolithographische Masken- und Ätztechnik ist bekannt und üblich und braucht hier nicht beschrieben zu werden.
Bei der Massenherstellung werden mehrere Sätze von Düsenplatten gleichzeitig herstellt. Beim chemischen Ätzen wird vorzugsweise eine Siliziumdioxid-Membranschicht verwendet und für das Plasmaätzen oder das Sputterätzen eignet sich besonders eine Siliziumnitrid-Membranschicht.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung eines Spritzkopfes für einen Tintenstrahldrucker mit mehreren Düsen, die in einer Membranschicht angeordnet sind und wobei die Membranschicht durch eine vielfach dickere Stützschicht verstärkt ist, die Öffnungen aufweist, deren Symmetrieachsen wenigstens angenähert mit denen der Düsen übereinstimmen, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Vorderseite der einkristallinen Stützschicht (20) die Membranschicht (22), die aus einer anorganischen Verbindung mit dem Material der Stützschicht besteht, aufgebracht wird, daß in die Stützschicht
(20) von der Rückseite her pyramidenförmige Ausätzungen (21) geätzt werden, und daß danach die Membranschicht (22) von vorn geätzt wird, so daß in dieser die Düsen (23) entstehen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die einkristalline Stützschicht (20) Silizium, dessen Oberflächen parallel zur (lOO)-Ebene verlaufen und für die Membranschicht (22) Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (23) in der Membranschicht (22) zylindrisch ausgebildet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Düsen (23) in der Membranschiv-ht (22) 1 :1 oder weniger, vorzugsweise 0,5 :1 gewählt wird
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß di Dicke der Stützschicht (20) zur Dicke der Membranschicht (22) etwa wie 50 :1 gewählt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kantenlänge (24) der Deckfläche der pyramidenförmigen Ausätzung
(21) zum Durchmesser der Düsen (23) etwa wie 4 :1 gewählt wird.
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