DE2604939C3 - Verfahren zum Herstellen von wenigstens einem Durchgangsloch insbesondere einer Düse für Tintenstrahldrucker - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von wenigstens einem Durchgangsloch insbesondere einer Düse für Tintenstrahldrucker

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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, Tmtenstrahldüsen und deren Ladeelektroden trotz unterschiedlicher Düsenabstände und Düsendurchmesser konzentrisch zueinander anzuordnen. Dieses Verfahren wird ange- ι ο wandt, nachdem durchgehende öffnungen in der Düsenplatle und in der auf diese aufgebrachten dünnen Metallschicht angebracht sind. Nach dem Verfahren wird auf die Metallschicht ein Photoresist aufgebracht und die Düsenplatte 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 Ladeelek- M trode 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 <o wird (werden), Jaß 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 Locher) 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 lasten sich allgemein Durchgangslöcher herstellen, bei denen es auf sehr hohe Präzision ankommt Solche Durchgangs löcher könnten beispielsweise auch als Düsen für das Ziehen feinster Kunststofflden verwendet werden.
Nachstehend sollen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Figuren näher erläutert werden.
F i g. 1 erläutert die wichtigsten Schrillte des Verfahrens nach der Erfindung,
F i g. 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 1 und einer zweiten Schicht 2 besteht. Im datgestelliten Beispie! ist die Schicht 1 wesentlich dünner als die Schicht 2. In die Schicht I sind in ciavorliegenden Verfahrensschritten Löchei J und 4 eingebracht, die die eigentlichen späteren Düsenöffnungen bilden. A!s Verfahren zum Herstellen dieser Löcher 3 und 4 eignen sich beispielsweise das Ätzen durch Photolacücmasken, mechanisches Bohren oder Bohren mit Elektronenstrahlen. Ein weiteres Verfahren zur Herstellung der Löcher in der Schicht 1 soll später anhand der F i g. 2 beschrieben werden. Die Schicht 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 F i g. 1B, wird die Platte von der Außenseite der ersten Schicht 1 her mit Licht im sichtbaren Wellenbereich, angedeutet durch die Pfeile 6, belichtet Dieses Licht 6 kann die erste Schicht 1, die beispielsweise aus Gold gesteht, nur an den Stellen durchdringen, an denen sicn 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 Jen 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 a-*3 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 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 Siliziumdioxidschicht 2 kann die ganze Platte in daL 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 Auiiunseitfc 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 Spriihnebels nur der Außenseite der Platte zuzuführen, die durch die Photolackmaske 5 abgedeckt ist. Als Ätzmittel für Siliziumdioxid eignet sich beispielsweise Flußsäure, die mit Ammoniumfluorid irn Verhältnis I : 5 gepuffert ist.
Entfernt man gemäß Schritt ID die Photolackschicht (Stripping), dann erhält man die Diisenplatte mit Durchgangslöchern oder Düsen 3, 8 und 4, 9. Die Photlackschicht 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.
A rtkonrl Ae\f C ■ rw "7 c/-\11 nun in tnAViollorAr \^r\rm lic
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 20 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 μπι.
Im Schritt 2C werden 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 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 GoM durch galvanische Elektroplattierung aufgebracht. Die Dicke der Schicht 24 beträgt beispielsweise 4 μπι.
Anschließend, im Schritt 2£ werden die Photolackinseln 22 und 23 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
ίο so dünn, daß das Licht nahezu ungehindert durch sie hindurchdringen kann. Sollte diese Schicht jedoch da 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 lonenbeschuß erfolgen kann. Nach der Belichtung wird die Photolack schicht 25, die aus Positiv-Photolack besteht, entwickelt so daß sich an den Stellen 26' und 27', die sich genau
Löchern
hpfinH
pfinHpn
Photolackschicht 25 bilden. Im nächsten Verfahrens schritt, 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 Ior^nbeschuß entfernt wurde, kann diese Keimschicht nun beim Ätzvorgang, gemäß Fig. 2F ebenfalls mit weggeätzt werden. Damit das Ätzmitte nicht zu lange auf die Löcher 26 u"d 27 einwirkt unc diese etwa verformt oder vergrößert, empfiehlt es sich auf die Außenseite der ersten Schicht 24 während de; Ätzens ein>e Photolackschicht 28 aufzubringen.
Gemäß F i g. 2G werden zunächst die beider Photolacküchichten 28 und 25 nach einem der bereit· oben beschriebenen Verfahren entfernt. Da die Tinte ir Tintenstrahldruckern sehr aggressiv ist, empfiehlt e; sich, die Oberfläche der Siliziumdioxidschicht 20 durch eine dünn* Schutzschicht 31 beispielsweise aus GoIc oder Platin zu sichern. Auch diese Schutzschicht 31 kanr beispielsweise durch Kathodenzerstäubung oder durch Aufdampfen aufgebracht werden.
Nachfolgend sollen, um einen Eindruck von dem mi dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren Abstän den und Größen zu geben, typische Abmessunger angegeben werden, wie sie beispielsweise bei Düsen füi Tintenstrahldruckern notwendig sind. Die Lochdurch messer in der oberen Schicht 24 betragen beispielsweise 10 bis 20 μΐη. Wie bereits erwähnt, liegt die Dicke dei Schicht 24 in der Größenordnung von 4 μπτ. Die DLk« der Schicht 24 beträgt beispielsweise 0,13 bis 0,25 mm In Mehrfaichspritzköpfen können die Abstände zwi sehen benachbarten Düsen zwischen 0,1 und 0,4 mn liegen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen von 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), 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 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; 2S) überzogen und dieser dann durch das Loch (die Löcher) (3,4; 26,27) in der ersten Schicht hindurch belief» tit 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 Siliziiimdioxid besteht
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung im Inirarotbereich 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 Röntgenstrahlung 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 (1; 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 und 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 von 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
ίο 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 Tint sntröpfchen, 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 Tintenstrahldrucker, 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, wobii jeder Tropfen weniger als 0,175 mm Durchmesser haben soll. Um dies zu erreichen, sollten die
«o 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
so 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 zweischich tigen Materials bezüglich ihrer öffnungen genau untereinanderliegen 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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