DE2604939A1 - Verfahren zum herstellen von kleinen durchgangsloechern - Google Patents

Verfahren zum herstellen von kleinen durchgangsloechern

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Description

260A939
Böblingen, 5. Februar 1976 bg/se
Anmelderin: IBM Deutschland GMBH
Pascalstraße 100 7000 Stuttgart 80
Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: GE 975 041
Verfahren zum Herstellen von kleinen Durchgangslöchern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von kleinen ;
Durchgangslöchern in aus zwei Schichten bestehenden Platten, bei j
dem die Löcher in den beiden Schichten nacheinander hergestellt ;
werden. Solche Durchgangslöcher sollen insbesondere als Düsen !
für Tintenstrahldrucker Verwendung finden. ι
Beim Tintenstrahldruck wird eine Folge von kleinen Tintentröpfchen; gegen das Papier geschleudert. Die Tinte wird über eine Düse oder mehrere dicht beieinanderliegende Düsen aus einem Behälter ausgestoßen, dessen Tinteninhalt beispielsweise durch ein Piezokristall in Schwingungen versetzt wird. Dadurch bilden sich in einem Abstand außerhalb der Düse Tintentröpfchen, die durch eine Ladeelektrode im Augenblick ihrer Entstehung selektiv aufgeladen werden. Im Falle einer einzelnen Düse werden die Tropfen durch ein konstantes Ablenkfeld dadurch mehr oder weniger stark abgelenkt, daß die Ladung, die durch die Ladeelektrode auf die Tropfen gebracht wird, in der Amplitude variiert. Beim Tintenstrahldrucken mit einer Mehrfachdüse stoßen alle Düsen gleichzeitig Tropfen aus, und vor jeder Düse im Bereich der Tropfenbildung ist eine Ladeelektrode angeordnet. Durch ein konstantes
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Ablenkfeld wird bewirkt, daß die Tropfen, die durch die Ladeelektrode eine Ladung erhalten haben, so abgelenkt werden, daß sie das Papier nicht erreichen. Nur die ungeladenen Tropfen fliegen geradlinig auf das Papier und bilden die Zeichen. Tintenstrahldrucker der ersten Art mit einer Düse sind beispielsweise in dem US-Patent 3 596 275 beschrieben. Tintenstrahldrucker mit mehreren parallelen Düsen sind beispielsweise in dem US-Patent 3 373 437 beschrieben.
Tintenstrahldruck hoher Qualität setzt voraus, daß die einzelnen Tröpfchen und damit die Punkte, die sich beim Auftreffen der Tropfen auf dem Papier ergeben, hinreichend klein sind und dicht beieinanderliegen, so daß sie nicht mehr als einzelne Tröpfchen erkennbar sind. Um dieses Ergebnis zu erzielen, sind auf der Länge eines Zentimeters 80 Tropfen oder mehr erforderlich, wobei jeder Tropfen weniger als 0,175 mm Durchmesser haben soll. Um dies zu erreichenf sollten die Düsenöffnungen nicht größer als 0,05 mm im Durchmesser sein und bei Mehrfachdüsen sollte der Abstand von Lochmitte zu Lochmitte in der Größenordnung von 0,25 mm oder mö- \glichst noch kleiner sein.
In der älteren deutschen Patentanmeldung P 25 54 085,6 wurde bereits der Vorschlag gemachtf die aus der Halbleitertechnik bekannte ,Methode der Photolithographie zur Herstellung von Düsen für Tintenstrahldrucker anzuwenden. Gemäß dieser älteren Patentanmeldung werden Durchgangslöcher in Platten hergestellt, die aus zwei Schichten, beispielsweise einer dicken Siliziumschicht und einer dünnen Siliziumdioxidschicht bestehen. Mit Hilfe der oben erwähnten Ätztechnik werden zunächst kegelförmige Löcher in die ι dicke Siliziumschicht geätzt und anschließend kleinere Löcher !in die dünne Siliziumdioxidschicht. Der Vorteil dieses Verfahrens
liegt darin, daß die eigentlichen Dtisenöffnungen, die durch die !
kleinen Löcher in der dünnen Siliziumdioxidschicht gebildet wer- !
den, mit sehr engen Toleranzen bezüglich des Durchmessers und des Abstandes zu etwaigen anderen Düsenöffnungen hergestellt
werden können. Da beide Löcher in den beiden Schichten von '
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verschiedenen Seiten aus geätzt werden, ist es erforderlich, daß die Masken auf die Photolackschichten an den Oberflächen des zweischichtigen Materials bezüglich ihrer öffnungen genau untereinander liegen müssen, damit die Löcher in den beiden Schichten genau fluchten. Wegen der geringen Abmessungen ist es schwer, die Masken so zu justieren, daß die Löcher die gleiche Symmetrieachse aufweisen. Eine seitliche Verschiebung der Symmetrieachsen kann aber zur Folge haben, daß der Tintenstrahl nicht senkrecht zur Oberfläche der Düsen ausgestoßen wird.
Die Erfindung geht ebenfalls von einem Zweischichten-Material aus, wobei wenigstens in eine der Schichten ein Loch eingeätzt wird. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem es möglich ist, die Löcher in den beiden Schichten der Platte So präzise untereinander herzustellen, daß die Symmetrieachsen der beiden Löcher zusammenfallen.
Pas erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht aus einem für eine Strahlung eines bestimmten Wellenbereiches undurchlässigen und die zweite Schicht aus einem für diese Strahlung durchlässigen Material besteht, daß zunächst das Loch (die Löcher) in der ersten Schicht hergestellt wird (werden) , daß die Außenseite der zweiten Schicht mit Positiv-Photolack überzogen und dieser dann durch das Loch (die Löcher) in der ersten Schicht hindurch belichtet wird und daß nach Entwicklung des Photolacks das Loch (die Löcher) in der zweiten Schicht geätzt wird (werden).
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können nicht nur Düsen für Tintenstrahldrucker hergestellt werden. Nach diesem Verfahren lassen sich allgemein Durchgangslöcher herstellen, bei denen es auf sehr hohe Präzision ankommt. Solche Durchgangslöcher könnten beispielsweise auch als Düsen für das Ziehen feinster Kunststoffäden verwendet werden.
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Nachstehend sollen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Figuren näher erläutert werden.
Fig. 1 erläutert die wichtigsten Schritte des Verfahrens
nach der Erfindung,
Fig. 2 veranschaulicht weitere Ausgestaltungen des in
Fig. 1 dargestellten Verfahrens.
; Ausgangsmaterial für das erfindungsgemäße Verfahren ist die in Fig. IA dargestellte Platte, die aus der ersten Schicht 1 und einer zweiten Schicht 2 besteht. Im dargestellten Beispiel ist die Schicht 1 wesentlich dünner als die Schicht 2. In die Schicht 1 sind in davor liegenden Verfahrensschritten Löcher 3 und 4 eingebracht f die die eigentlichen späteren Düsenöffnungen bilden. Als, Verfahren zum Herstellen dieser Löcher 3 und 4 eignen sich beispielsweise das Ätzen durch Photolackmasken, mechanisches Bohren oder Bohren mit Elektronenstrahlen, Ein weiteres Verfahren zur Herstellung der Löcher in der Schicht 1 soll später anhand der I Fig. 2 beschrieben werden. Die Schicht 1 besteht vorzugsweise aus Metall, sie sollte bei Verwendung der Durchgangsöffnungen als Düsen für Tintenstrahldrucker der sehr aggressiven Tinte gut widerr ; stehen. Besonders zweckmäßig hierfür sind die Edelmetalle Gold ;und Platin. Die zweite Schicht 2 besteht im vorliegenden Aus- ! führungsbeispiel aus amorphem Siliziumdioxid, also Quarzglas. ; ! In einem ersten Verfahrensschritt, in Fig. IA dargestellt, wird iauf die Außenseite der zweiten Schxt it 2 eine dünne Schicht 5 ! aus Positiv-Photolack aufgebracht.
j Im nächsten Verfahrensschritt, FIg. IB, wird die Platte von der ! Außenseite der ersten Schicht 1 her mit Licht im sichtbaren WeI-lenbereichr angedeutet durch die Pfeile 6, belichtet. Dieses ; Licht 6 kann die erste Schicht lr die beispielsweise aus Gold ι besteht, nur an den Stellen durchdringen, an denen sich die Löcher 3 und 4 befinden. Da die zweite Schicht 2 aus Quarzglas
ι
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besteht, können die Lichtstrahlen 6 diese Schicht durchdringen und die Positiv-Photolackschicht 5 an den Stellen 3' und 4', > die genau unter den Löchern 3 und 4 liegen/ belichten. Anschlie- ; ßend wird der Photolack 5 entwickelt, d.h. an den Stellen 31, entfernt, so daß der Photolack an diesen Stellen Löcher aufweist. \
Anstelle der Belichtung durch Licht im sichtbaren Wellenbereich können auch Strahlungen anderer Frequenzen angewandt werden. So kann beispielsweise zur Belichtung der Photolackschicht 5 Infrarotstrahlung oder Röntgenstrahlung verwendet werden. Wichtig ist, daß die Materialien der Schichten 1 und 2 derart ausgewählt sind, daß die erste Schicht 1 die Strahlung nicht oder nur stark gedämpft hindurchläßt, während die Schicht 2 für die Strahlung weitgehend durchlässig sein muß. So kann man beispielsweise bei der Anwendung von Infrarotstrahlung für die Schicht l Gold oder Platin geeigneter Dicke verwenden, während sich als Material für die Schicht 2 kristallines Silizium eignet.
Photolacke sind im Handel erhältlich, sie bestehen aus einer lichtempfindlichen Resist-Lösung, einem Verdünner und einem Entwickler. Die Resist-Lösung enthält ein lösliches Polymer und einen Photosensibilisator oder Photoinitiator, Es können Stabilisatoren und Weichmacher beigemengt sein. In Positiv-Resistsystemen ist der Verdünner eine wässrige stark alkalische Lösung, die einen zusätzlichen Stoff, z.B. ein Benetzungsmittel enthält.
Im nächsten Verfahrensschritt, Fig. IC, wird durch Pfeile 7 angedeutet, ein Ätzmittel zugeführt, das die Schicht 2 nur von den öffnungen 31, 41 her angreifen kann. Das Ätzmittel 7 erzeugt schließlich nach längerer Einwirkung in der Siliziumdioxidschicht 2 kegelförmige Löcher 8 und 9.
Zum Ätzen der Siliziumdioxidschicht 2 kann die ganze Platte in das Ätzmittel getaucht werden. In diesem Falle sollte allerdings ein sogenanntes selektives Ätzmittel verwendet werden, das die Schicht 1, d.h. in diesem Falle Gold oder Platin, nicht angreift.
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Sollen die Durchgangslöcher aber, was bei Düsen häufig erwünscht ist, Kegelform erhalten, dann empfiehlt es sich, die Außenseite der Goldschicht 1 mit Photolack abzudecken, damit das Ätzmittel nur über die Öffnungen 31, 41 auf die Siliziumdioxidschicht 2 einwirken kann.
Andererseits ist es auch möglich, das Ätzmittel beispielsweise in Form eines Sprühnebels nur der Außenseite der Platte zuzuführen, die durch die Photolackmaske 5 abgedeckt ist. Als Ätzmittel für Siliziumdioxid eignet sich beispielsweise Flußsäure, die mit Ammoniumfluorid im Verhältnis 1:5 gepuffert ist.
Entfernt man gemäß Schritt 1D die Photolackschicht (Stripping), dann erhält man die Düsenplatte mit Durchgangslöchern oder Düsen 3,8 und 4,9. Die Photolackschicht kann mit Säuren oder organischen Lösungsmitteln entfernt werden. Aus Gründen der Sicherheit empfiehlt es sich jedoch, den Photolack durch chemisches Verbrennen in einer Sauerstoff-Glimmentladung zu entfernen. Der Photolack verascht in wenigen Minuten. Die Entladung im Kaltverascher wird beispielsweise bei einer Frequenz von 13,56 MHz betrieben. Der Sauerstoffdruck liegt bei ca. 1 Torr.
Anhand der Fig, 2 soll nun in speziellerer Form, als anhand der Fig. 1, ein Beispiel für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben werden. Fig. 2A zeigt als Ausgangsmaterial die zweite Schicht 20, beispielsweise aus Siliziumdioxid. Die Dicke dieser Schicht kann beispielsweise zwischen 0,13 und 0,25 mm betragen. Im Schritt 2B wird auf die Oberseite der zweiten Schicht 20 eine dünne Keimschicht 21 aufgebracht. Diese Keimschicht 21 besteht aus zwei Lagen, einer dünnen Lage Chrom und einer darüberliegenden Lage Gold. Das Aufbringen der Keimschicht 21 kann mit Hilfe der bekannten Kathodenzerstäubung (Sputtering) oder durch Aufdampfen erfolgen. Die Dicke der gesamten Keimschicht 21 liegt in der Größenordnung von 0,01 um.
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Im Schritt 2C werden an der Stelle, an der sich später die Düsenöffnungen befinden sollen, zylinderförmige Inseln 22 und aus Photolack erzeugt. Diese Photolackinseln 22 und 23 werden nach dem bekannten, in der Halbleitertechnik allgemein angewandten photolithographischen Verfahren aufgebracht. Dies geschieht in der Weise, daß eine die Keimschicht 21 überdeckende Photolackschicht mit Hilfe einer Maske, die an den Stellen der Photolackinseln 22 und 23 lichtdurchlässig ist, belichtet und dann entwickelt wird. In diesem Falle wäre ein sogenannter Negativ-Photolack zu verwenden. Es kann jedoch auch ein sogenannter Positiv-Photolack verwendet werden. In diesem Fall müßte die Maske so ausgebildet sein, daß sie an den Stellen der Photolackinseln 22 und 23 kein Licht hindurchläßt.
Gemäß dem in Fig. 2D dargestellten Schritt wird anschließend auf die Keimschicht 21 als erste Schicht eine Schicht aus Gold durch galvanische Elektroplattierung aufgebracht. Die Dicke der Schicht beträgt beispielsweise 4 um.
Anschließend, im Schritt 2E werden die Photolackinseln 22 und beispielsweise auf chemischem Wege durch Azeton oder mit Hilfe der anhand der Fig. 1D beschriebenen Kaltveraschung entfernt. Danach wird auf die Unterseite der zweiten Schicht 20 eine Photolackschicht 25 aufgebracht. Durch die Löcher 26 und 27 in der ersten Schicht 24, die nach der Entfernung der Photolackinseln und 23 entstehen, kann nun die Photolackschicht 25 durch die Schicht 20 hindurch - hier mit Licht im sichtbaren Frequenzbereich - belichtet werden. Die Keimschicht 21 ist im allgemeinen so dünn, daß das Licht nahezu ungehindert durch sie hindurchdringen kann. Sollte diese Schicht jedoch das Licht zu stark dämpfen, dann empfiehlt es sich, die Keimschicht 21 an den Stellen 26 und 27 vor der Belichtung zu entfernen, was beispielsweise durch Ätzen, insbesondere das sogenannte Sputterätzen erfolgen kann. Nach der Belichtung wird die Photolackschicht 25, die aus Positiv-Photolack besteht, entwickelt, so daß sich an den Stellen 26' und 27', die
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sich genau unter den Löchern 26 und 27 befinden, Löcher in der Photolackschicht 25 bilden. Im nächsten Verfahrensschritt, in Fig. 2F, wird nun beispeilsweise mit im Verhältnis 5:1 durch Ammoniumfluorid gepufferte Flußsäure die Schicht 20 von den Löchern 26' und 27' aus geätzt und zwar so lange, bis in der Schicht 2O trichterförmige Löcher entstehen, die bis zu den Löchern 26, 27 reichen. Falls die Keimschicht nicht vorher zwecks besserer Belichtung durch Sputterätzen entfernt wurde, kann diese Keimschicht nun beim ÄtzVorgang, gemäß Fig. 2F ebenfalls mit weggeätzt werden. Damit das Ätzmittel nicht zu lange auf die Löcher 26 und 27 einwirkt und diese etwa verformt oder vergrößert, empfiehlt es sich, auf die Außenseite der ersten Schicht 24 während des Ätzens eine Photolackschicht 28 aufzubringen.
Gemäß Fig. 2G werden zunächst die beiden Photolackschichten 28 und 25 nach einem der bereits oben beschriebenen Verfahren entfernt. Da die Tinte in Tintenstrahldruckern sehr aggressiv ist, empfiehlt es sich, die Oberfläche der Siliziumdioxidschicht 20 durch eine dünne Oberflächenbeschichtung 29 beispielsweise von Gold oder Platin zu sichern. Auch diese Schutzschicht 29 kann beispielsweise durch Kathodenzerstäubung (Sputtering) oder durch Aufdampfen aufgebracht werden.
Nachfolgend sollen, um einen Eindruck von dem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren Abständen und Größen zu geben, typische Abmessungen angegeben werden, wie sie beispielsweise bei Düsen für Tintenstrahldruckern notwendig sind. Die Lochdurchmesser in der oberen Schicht 24 betragen beispielsweise 10 bis 20 um. Wie bereits erwähnt, liegt die Dicke der Schicht 24 in der Größenordnung von 4 um. Die Dicke der Schicht 24 beträgt beispielsweise 0,13 mm bis Or25 mm. In Mehrfachspitzköpfen können die Abstände zwischen benachbarten Düsen zwischen 0,1 und 0,4 mm liegen.
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Claims (11)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    Verfahren zum Herstellen von kleinen Durchgangslöchern, insbesondere Düsen für Tintenstrahldrucker, in aus zwei Schichten bestehenden Platten, bei dem die Löcher in den beiden Schichten nacheinander hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet,
    daß die erste Schicht (1; 24) aus einem für eine Strahlung eines bestimmten Wellenbereichs undurchlässigem und die zweite Schicht (2; 20) aus einem für diese Strahlung durchlässigem Material besteht, daß zunächst das Loch (die Löcher) (3, 4; 26, 27) in der ersten Schicht hergestellt wird (werden), daß die Außenseite der zweiten Schicht mit Positiv-Photolack (5; 25) überzogen und dieser dann durch das Loch (die Löcher) (3, 4; 26, 27) in der ersten Schicht hindurch belichtet wird und daß nach Entwicklung des Photolackes (5; 25) das Loch (die Löcher) (8, 9; 29,30) in der zweiten Schicht (2; 20) geätzt wird (werden).
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung im sichtbaren Bereich liegt und daß die erste Schicht (1; 24) aus Metall und die zweite Schicht (2; 20) aus Glas besteht.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß die zweite Schicht (2; 20) aus amorphem Siliziumdioxid besteht.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung im Infrarotbereich liegt und daß die erste Schicht (1; 24) aus Metall und die zweite Schicht (2; 20) aus Silizium besteht.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Strahlung Röntgenstrahlung ist und daß die erste Schicht (1; 24) aus Metall besteht.
    GE 975 041 ORIGINAL INSPECTED
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1; 24) aus Gold besteht.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet ,
    daß die Löcher (3, 4) in der ersten Schicht (1) mit Elektronenstrahl gebohrt oder nach Abdeckung mit Photolack geätzt werden.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet ,
    daß das Loch (die Löcher) (26, 27) dadurch in die erste Schicht (24) gebracht werden, daß auf die zweite Schicht (20) an der Stelle der späteren Löcher (26, 27) Photolackinseln (22f 23) aufgebracht werdenf und daß dann die erste Schicht (24) aufplattiert oder aufgesputtert wird.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet ,
    daß die erste Schicht (1; 24) während des Ätzens der zweiten Schicht (2; 20) mit Photolack überzogen ist.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
    daß auf die Innenfläche des Loches (der Löcher) (8, 9; 29, 30) der zweiten Schicht (2; 20) eine Schutzschicht (31) aufgebracht wird.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (31) aus Gold besteht, das aufplattiert, aufgesputtert oder aufgedampft wird.
    GE 975 O41
    '709832/0843
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