DE2604939B2 - Verfahren zum herstellen von wenigstens einem durchgangsloch insbesondere einer duese fuer tintenstrahldrucker - Google Patents
Verfahren zum herstellen von wenigstens einem durchgangsloch insbesondere einer duese fuer tintenstrahldruckerInfo
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Description
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.
In dem IBM Technical Disclosure Bulletin Vol. 17, Nr.
5, Oktober 1974, Seite 1522, ist ein Verfahren beschrieben, mit dem es möglich ist, Tintenstrahldüsen
und deren Ladeelektroden irotz unterschiedliche-Düsenabstände und Düsendurchmesser konzentrisch
zueinander anzuordnen. Dieses Verrahren wird angewandt,
nachdem durchgehende öffnungen in der Düsenplatte und in der auf diese aufgebrachten dünnen
Metallschicht angebracht sind. Nach dem Verfahren wird auf die Metallschicht ein Photoresist aufgebracht
und die Düser.platte von der Rückseite her beleuchtet. Dadurch werden die Randbereiche des Photoresists um
die öffnungen herum infolge Streuung der Lichtstrahlen belichtet. Nach Entfernung der belichteten Bereiche des
Photoresists und Tauchätzen werden die entsprechenden Randbereiche der Metallschicht, die die Ladeelektrode
bildet, entfernt. Man erhält also auf diese Weise konzentrische Düsen und Ladeelektroden. Dieses
Verfahren wird angewandt, nachdem durchgehende öffnungen in der Düsenplatte und der auf diese
angebrachten, die Ladeelektrode bildenden, Metallplatte bereits vorhanden sind; es dient nur dazu, die
öffnungen in der Metallschicht zu erweitern.
Die Erfindung geht 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.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht aus einem für eine
Strahlung eines bestimmten Wellenbereichs 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 Photolakkes
das Loch (die Löcher) in der zweiten Schicht durch Einführen des Ätzmittels durch die belichteten und
entfernten Stellen des Photolackes 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.
Nachstehend sollen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Figuren näher
erläutert werden.
Fig. 1 erläutert die wichtigsten Schritte des Verfahrens
nach der Erfindung, w
Fig. 2 veranschaulicht weitere Ausgestaltungen des in F i g. 1 dargestellten Verfahrens.
Ausgangsmaterial für das erfindungsgemäße Verfahren ist die in Fig. IA dargestellte Platte, die aus der
ersten Schicht I 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 davorliegenden Verfahrensschritten Löcher 3 und 4 eingebracht, die die
eigentlichen späteren Düsenöffnungen bilden. Als Verfahren zum Hersteilen 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 Fig. 2
beschrieben werden. Die SchichJ besteht vorzugsweise aus Metall, sie sollte bei Verwendung der Durchgangsöffnungen als Düsen für Tintenstrahldrucker der sehr
aggressiven Tinte gut widerstehen. Besonders zweckmäßig hierfür sind die Edelmetalle Gold und Platin. Die
zweite Schicht 2 besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus amorphem Siliziumdioxid, also Quarzglas.
In einem ersten Verfahrensschritt, in Fig. IA dargestellt,
wird auf die Außenseite der zweiten Schicht 2 eine dünne Schicht 5 aus Positiv-Photolack aufgebracht.
Im nächsten Verfahrensschritt, Fig. IB, wird die Platte von der Außenseite der ersten Schicht ! her mit
Licht im sichtbaren Weilenbereich, angedeutet durch die Pfeile 6, belichtet. Dieses Licht 6 kann die erste
Schicht 1, die beispielsweise aus Gold besteht, nur an den Stellen durchdringen, an denen sich die Löcher 3
und 4 befinden. Da die zweite Schicht 2 aus Quarzglas 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. Anschließend wird der Photolack 5 entwickelt, d. h. an den Stellen 3', 4' 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 1 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
Photoiniliator. 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 3', 4' her angreifen
kann. Das Ätzmittel 7 erzeugt schließlich nach längerer Einwirkung in der Siliziumdioxidschicht 2 kegelförmige
Löcher 8 und 9.
Zum Ätzen der Siliziumdioxidschieht 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.
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 3', 4' 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 ID die Photolackschicht
(Stripping), dann erhält man die Düsenplatte mit Durchgangslöchern oder Düsen 3, 8 und 4, 9. Die
Phollackschicht 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 13,56MHz 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 2ß 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 oder durch Aufdampfen erfolgen. Die Dicke der
gesamten Keimschicht 21 liegt in der Größenordnung von 0,01 Jim.
Im Schritt 2Cwerden an der Stelle, an der sich später die Düsenöffnungen befinden sollen, zylinderförmige
Inseln 22 und 23 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 Kernschicht 2t 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 24 beträgt beispielsweise 4 μΐη.
Anschließend, im Schritt 2E werden die Photolackinseln 22 und ?J beispielsweise auf chemischem Wege
durch Azeton oder mit Hilfe der anhand der Fig. ID 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 22 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 von der Belichtung zu entfernen, was beispielsweise durch
Ätzen, oder die Zerstäubung durch Ionenbeschuß 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 sich genau
unter den Löchern 26 und 27 befinden, Löcher in der Photolackschicht 25 bilden. Im nächsten Verfahrensschritt, in Fig.2F, wird nun beispielsweise 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 20 trichterförmige Löcher 29, 30 entstehen, die bis zu den
Löchern 26, 27 reichen. Falls die Keimschicht nicht vorher zwecks besserer Belichtung durch Zerstäubung
unter Ionenbeschuß 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 Schutzschicht 31 beispielsweise aus Gold
oder Platin zu sichern. Auch diese Schutzschicht 31 kann beispielsweise durch Kathodenzerstäubung 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 μπι. Wie bereits erwähnt, liegt die Dicke der
Schicht 24 in der Größenordnung von 4 μπι. Die Dicke der Schicht 24 beträgt beispielsweise 0,13 bis 0,25 mm.
In Mehrfachspritzköpfen können die Absiäiide zwischen
benachbarten Düsen zwischen 0,1 und 0,4 mm liegen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
ψ m
Claims (11)
1. Verfahren zum Herstellen von wenigstens einem Durchgangsloch, insbesondere eii "Tise für
Tintenstrahldrucker in einer aus zwei Jiichten bestehenden Platte, bei dem das Loch (üie Löcher)
wenigstens in einer der Schichten unter Verwendung einer Maske ausgehend von der Oberfläche dieser
Schicht durch Ätzen eingebracht wird (werden), dadurch gekennzeichnet, daß die erste
Schicht (1; 24) aus einem für eine Strahlung eines bestimmten Wellenbereiches undurchlässigen und
die zweite Schicht (2; 20) aus einem für diese Strahlung durchlässigen Material besteht, daß |5
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) durch Einführen
des Ätzmittels durch die belichteten und entfernten Stellen des Photolackes geätzt wird (werden).
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. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (2; 20) aus
amorphem Siliziumdioxid besteht.
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. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung Röntgensirahlung ist und
daß die erste Schicht (1; 24) aus Metall besteht.
6. Verfahren nach Anspruch 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (I; 24) aus
Gold besteht.
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. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Loch (die Löcher)
(26, 27) dadurch in die erste Schicht (24) gebracht wird (werden), daß auf die zweite Schicht (20) an der
Stelle der späteren Löcher (26, 27) Photolackinseln (22, 23) aufgebracht werden unc daß dann die erste
Schicht (24) aufplattiert oder durch Kathodenzerstäubung aufgebracht wird.
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. 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. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (31) aus Gold besteht, das aufplattiert, aufgedampft oder durch
Kathodenzerstäubung aufgebracht wird.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen voii wenigstens einem Durchgangsloch, insbesondere
einer Düse für Tintenstrahldrucker in einer aus zwei Schichten bestehenden Platte, bei dem das Loch (die
Löcher) wenigstens in einer der Schichten unter Verwendung einer Maske ausgehend von der Oberfläche
dieser Schicht durch Ätzen eingebracht wird (werden).
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 Tinleninhalt 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 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.
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 40 Tropfen oder mehr erforderlich, wobei jeder Tropfen weniger als 0,175 mm Durchmesser
haben soll. Um dies zu erreichen, 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 möglichst noch kleiner sein.
In der älteren deutschen Patentanmeldung P 25 54 085.6 wurde bereits der Vorschlag gemacht, 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
dicke Siliziumschicht geätzt und anschließend kleinere Löcher in die dünne Siliziumdioxidschicht. Der Vorteil
dieses Verfahrens liegt darin, daß die eigentlichen Düsenöffnungen, die durch die kleinen Löcher in der
dünnen Siliziumdioxidschicht gebildet werden, 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 verschiedenen Seiten aus geätzt werden, ist es erforderlich, daß die Masken auf die
Photolackschichten an den Oberflächen des zweischichtigen Materials bezüglich ihrer öffnungen genau
untereinanderiiegen müssen, damit die Löcher in den beiden Schichten genau fluchten. Wegen der geringen
Abmessungen ist es schwer, die Masken so zu justieren,
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