DE2657484C2

DE2657484C2 - Aufladeelektrodenanordnung für Tintenstrahldrucker

Info

Publication number: DE2657484C2
Application number: DE2657484A
Authority: DE
Inventors: Ernest Riverdale N.Y. Bassous; Lawrence Ossining N.Y. Kuhn
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-01-28
Filing date: 1976-12-18
Publication date: 1984-11-22
Also published as: CA1089912A; GB1564713A; JPS5523548B2; IT1074099B; NL7700015A; JPS52100935A; DE2657484A1; US4047184A; FR2339493A1; BR7700424A; FR2339493B1

Description

Ferner sind zahlreiche anisotrope Ätzmittel für die Atzung von monokristailinem Silizium bekannt, wie z. B. alkalische Flüssigkeiten oder deren Mischungen. Ätzflüssigkeiten dieser Art sind beispielsweise wäßriges Natriumhydroxid, wäßriges Kaliumhydroxid, wäßriges Hydrazyn, Tetramethylammoniumhydroxid, Mischungen von Phenolen und Aminen, wie z. B. eine Mischung aus Pyrocatechol und Äthylendiamin mit Wasser und eine Mischung aus Kaliumhydroxid, n-Propanol und Wasser. Diese und andere bevorzugten Ätzmittel für ι ο monokristallines Silizium sind auch bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zur Herstellung einer Aufladeelektrode einsetzbar.

Bekanntlich werden beim anisotropen Ätzen kristalline Materialien entsprechend unterschiedlicher kristallegrafischer Richtungen mit unterschiedlichen Ätzgeschwindigkeiten angegriffen. In bezug auf die drei gebräuchlichsten Kristallisierungsebenen in mon ,kristallinem Silizium ist die Ätzgeschwindigkeit am größten für (100) orientiertes Silizium, etwas geringer für (110) orientiertes Silizium und am geringsten tür (111) orientiertes Silizium. Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet einkristallines Silizium mit (110) Orientierung. Weitere Hinweise auf die für die vorliegende Erfindung verwendete Ätztechnik findet man in der US-Patentschrift 37 70 533 vom 6. November 1973 und in einem Aufsatz in Journal of Electrochemical Society, 1965, Band 114, Seiten 965ff.

Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich vom Stande der Technik dadurch, daß die Aufladeelektroden jo und die zugehörigen Steuer- und Treiberschaltungen in einem monokristallinen Silizium mit einer (110) Orientierung gebildet werden. Obgleich Siliziumsubstrate mit anderer Kristallorientierung, z. B. (100), verwendet werden können, so wird doch (110) orientiertes Silizium J5 vorgezogen, da sich dadurch eine größere Packungsdichte, eine wirksamere Aufladung und eine verringerte gegenseitige Kopplung bei einer Anordnung von Aufladeelektroden ergibt. Die erfindungsgemäße Anordnung gestattet außerdem die Ausbildung von Aufladeelektroden im gleichen Siliziumsubstrat, in dem auch die Tintenstrahldüse und ihre entsprechende Synchronisierelektrode angeordnet sind. Die beanspruchte Anordnung erfordert keine fotolithographischen Verfahrensschritte zu ihrer Herstellung, nachdem die öffnung für die Aufladeelektrode durch anisotropes Ätzen hergestellt ist. Dadurch erhält man einen wesentlichen Vorteil gegenüber anderen Anordnungen, da sich ein fotolithographisches Verfahren in brauchbarer Weise nicht durchführen läßt, nachdem die öffnungen hergestellt sind.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung von Aufladeelektroden in einem einkristallinen .Siliziumsubstrat nach Art einer integrierten Schaltung zu schaffen. «

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Düse selbst in dem Substrat auf der entgegengesetzten Seite der Kontaktbereiche der Aufladeelektrode angebracht und integraler Bestandteil der Aufladeelektrodenanordnung sein. Hierfür wird in un- ω mittelbarer Nachbarschaft von den Punkten, an denen die Düsenbohrung herzustellen ist, in ausgewählten Bereichen des Substrates eine p-Diffusion durchgeführt. Das Substrat wird dann von der gegenüberliegenden Seite aus längs des Umfangs der Diffusionsschichi ani- μ sotropisch durchgeätzl. Die Seitenwände der Bohrung werden dann mit einer ρ* -leitenden Schicht diffundiert und die gesamte Oberfläche mit Ausnahme der kontaktbildenden Oberfläche wird mit einer isolierenden Schicht aus beispielsweise Siliziumdioxid überzogen. Selbstverständlich muß bei Verwendung eines p-leitenden Substrates die zweite ρ+ -leitende Diffusion durch eine entsprechende η · -leitende Diffusion ersetzt werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die der Synchronisierung der Tröpfchen dienende Elektrode ebenfalls in der Anordnung von Aufladeelektroden gebildet werden. Anschließend wird das Substrat anisotrop bis auf eine isolierende Membran durchgeätzt, die dann bis auf die gewünschte Größe der Düse durchbrochen wird. Dann wird auf der Oberseite der Isolierschicht eine leitende Schicht angebracht und daraufhin durch eine zweite Isolierschicht überzogen, so daß die leitende Schicht an der Düsenbohrung voll umschlossen ist. Danach wird durch die zweite Isolierschicht eine nach der leitenden Schicht führende Bohrung hergestellt, so daß an der leitenden Schicht ein Wechselstromsignal angelegt werden kann, um damit in dem in die Aufladeelektrode einlaufenden Tintenstrahl eine elektrohydrodynamische Störung einzuführen. Die Seitenwände und ein Teil der gegenüberliegenden Oberfläche werden mit einem ρ+-leitenden Element dotiert, an einer Spannungsquelle angeschlossen und mit einer Isolierschicht überzogen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 schematisch eine Darstellung eines Tintenstrahldruckers mit der üblichen Anordnung der verschiedenen Teile einschließlich der Tintenstrahldüse, der Aufladcelektrode und der zugehörigen Schaltungen;

Fig.2 eine Anordnung von Aufladeelektroden gemäß der vorliegenden Erfindung;

F i g. 3 eine perspektivische Teilansicht von F i g. 2 zur Darstellung der gegenseitigen Lage der verschiedenen Elemente der Aufladeelektroden;

F i g. 4A bis 4F die einzelnen Verfahrensschritte bei der Herstellung einer einzigen Aufladeelektrode;

F i g. 5 eine Steuerschaltung zum Betrieb einer Aufladcelektrode gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 6A bis 6C eine Aufladeelektrode allein, eine Aufladeelektrode mit Düse und eine Aulladeelektrode mit Düse und Synchronisierelektrode sowie

F i g. 7 eine Aufladeelektrode nach Bildung der Düse.

In der schematischen Darstellung der Fig. 1 ist ein Verteiler 1 gezeigt, der durch ein Einlaßrohr 2 gespeist und an einer Austrittsöffnung 3 einer Düsenanordnung 4 einen Tintenstrahl 7 abgibt. Durch eine Synchronisierschaltung 5 wird über eine Synchronisierelektrode eine Wechselspannung an den Tintenstrahl angelegt, wodurch der Tintenstrahl in einen Strom von synchronisierten Tintentröpfchen unterteilt wird.

Wenn die Aufladeelektrode 8 in der Nähe des Abreißpunktcs 9 für die Tröpfchenbildung angeordnet ist und am Anschlußpunkt 21 von einer Aufladeschaltung 10 eine Spannung angelegt wird, dann nimmt die Spitze des Tintentröpfchenstrahls eine Ladung auf. Obgleich die hier dargestellte Aufladeelektrode eingangsseitig eine kleinere öffnung und ausgangsscitig eine größere öffnung aufweist, so sollte doch klar sein, daß eine in umgekehrter Richtung angeordnete Aufladeelektrode ebenso mit Erfolg betrieben werden kann. Wenn sich das Tintentröpfchen 11 von dem Tintenstrahl 7 ablöst, führt es eine der an der Aufladeelektrode 8 anereleeien Snan-

nung proportionale Ladung mit sich. Die Tröpfchen laufen dann in einen Bereich hoher Feldintensität ein, die durch ein Paar Ablenkplatten 12 erzeugt wird. Dieses elektrische Feld lenkt die aufgeladenen Tintentröpfchen um einen zur Aufladung proportionalen Betrag ab, wäh- <s rend nichtaufgeladene Tröpfchen ohne Ablenkung weiterfliegen. Die aufgeladenen Tröpfchen 13 werden nach einem Ablauf 14 für eine mögliche Wiederverwendung abgelenkt, während die ungeladenen Tröpfchen 15 ohne Ablenkung auf einem Aufzeichnungsträger, einem Papier 16 auftreffen.

In der schematischen Darstellung der Fig. 1 ist eine einzige Aufladeelektrode gezeigt. Tatsächlich hätte man eine Anordnung von mehreren Aufladeelektroden zeigen können, die für eine mit einer größeren Anzahl versehene Anordnung von Düsen mit davon ausgehenden Tintenstrahlen Verwendung findet. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß F i g. 2 ist eine Anordnung 17 von Aufladeelektroden mit acht Bohrungen 18 in einem η-leitenden Substrat 23 dargestellt, durch die die Tintenstrahlen und Tröpfchen hindurchtreten, obgleich klar sein sollte, daß eine Anordnung von Aufladeelektrodcn wesentlich mehr Bohrungen aufweisen kann. Gemäß dem im folgenden noch im einzelnen zu beschreibenden Verfahren wird auf einer Seite einer jeden Bohrung 18 eine ρ + -leitende Schicht 19 hergestellt und eine weitere (nicht gezeigte) ρ+ -leitende Schicht wird an den Seitenwändcn 20 der Bohrungen 18 hergestellt. Der vergrößerte Endabschnitt der ρ+-leitenden Schicht 19 weist einen Kontaktbereich 21 auf, über den eine Spannung von einer äußeren Aufladeschaltung angelegt werden kann, so daß die Aufladeelektrode die Spitze des Tintenstrahis in der Bohrung 18 mit einer Ladung versehen kann. In F i g. 2 sind außerdem Substratkontakte 24 in den vier Ecken des Halblei- terplättchen dargestellt, die für Prüfzwecke vorgesehen sind und als Vorspannungsanschluß für das Substrat dienen.

F i g. 3 zeigt eine perspektivische Teilansicht einer mit einer Aufladeelektrode versehenen Bohrung 18 mit ihren Seitenwänden 20 (von denen drei zu sehen sind). Der p-leitende Diffusionsbereich 19 ist dabei mit den Seitenwänden jeder Bohrung verbunden (die eine Anschlußdiffusion aufweisen) und bildet am anderen Ende eine Grundfläche für den Anschlußkontakt 21. dem von einer äußeren Schaltung außerhalb des Substrates eine Spannung zugeführt werden kann, wenn die Aufladeschaltung nicht im Substrat selbst hergestellt wird. Die Form der Seitenwände der Bohrung wird durch die (110) Orientierung des Siliziumsubstrates beherrscht. Eine. Schicht aus isolierendem Material 25, wie z. B. Siliziumdioxid, bedeckt die gesamte Oberfläche des Substrates mit Ausnahme der Kontaktflächen.

F i g. 4A bis 4F zeigen die wesentlichen Verfahrensschritte bei der Herstellung einer einzigen Aufladeelek- trode. Zunächst wird ein etwa 03 bis 0,8 mm starkes, aus einem η-leitenden Einkristall mit einer (110) Kristallorientierung bestehendes Substrat gereinigt. Anschließend wird gemäß Fig.4A das Substrat zur Bildung eines SiOrFilms 25 über der gesamten Oberfläche und to der gesamten Rückseite des Substrates 23 thermisch oxidiert. Die thermische Oxidation läuft dabei beispielsweise in Dampf von 1000" C ab. so daß sich ein SiO₂-FiIm 25 mit einer Dicke von etwa 350 nm ergibt Die Dicke des SiO₂-FiImes ist jedoch nicht kritisch. Anschließend wird auf der Rückseite durch chemischen Niederschlag aus der Dampfphase eine 120 nm starke Schicht 26 aus SijN4 niedergeschlagen. Daraufhin wird die Vorderseite mit einer (nicht gezeigten) Fotolackschicht überzogen. In der Fotolackschicht wird dann eine Öffnung hergestellt, und in dieser Öffnung wird dann die SiO?-Schicht 25 mit gepufferter Fluorwasserstoffsäure zur Bildung eines Schlitzes 27 geätzt. Die Fotolackschicht wird dann entfernt. Anschließend wird Phosphor niedergeschlagen und an dem Schlitz 27 zur Bildung eines η+ -leitenden Kontakts 28 mit dem Substrat 23 diffundiert. Dann wird das Substrat zur Bildung einer Oxidschicht in dem η+ -leitenden Kontaktbereich erneut oxidiert.

Anschließend wird gemäß Fig.4B die Substratoberfläche (oben) wiederum mit einer (nicht gezeigten) Fotolackschicht überzogen. Dieses Mal werden in der Fotoiackschicht rechteckige Öffnungen beuchtet und entwickelt. Die SiO2-Schicht 25 wird dann zur Bildung der Anschlußkontaktfläche 29 mit gepufferter Fluorwasserstoffsäure geätzt. Dann wird unter Verwendung von Bor in dem Substrat eine p+-leitende Diffusionszone eingebracht, worauf erneut eine Oxidation durchgeführt wird.

Gemäß F i g. 4C definieren die nächsten Verfahrensschritte die Kontaktbereiche zum Herstellen der elektrischen Anschlüsse, wenn die Gesamtvorrichtung fertig ist. Die Bereiche 27 und 29 werden nunmehr bis auf das Silizium freigelegt. Zu diesem Zeitpunkt sind die Bereiche 27 und 29 nicht genau gleich groß, wie in Fig.4A und F i g. 4B. Anschließend wird durch chemischen Niederschlag aus der Dampfphase oder ein anderes vergleichbares Verfahren eine dreifache Schicht hergestellt, die aus einer 30 nm starken Schicht aus SiO₂, einer 150 nm starken Schicht aus SijN₄ und einer 150 nm starken Schicht aus SiO₂ besteht. Anschließend wird über der obersten Schicht eine Fotolackschicht aufgebracht, und es werden Öffnungen hergestellt, so daß in den Bereichen 27 und 29. wie F i g. 4C dies zeigt, alle Schichten entfernt werden können, mit Ausnahme der Dreifachschichten 30,31,32. Diese Dreifachschichten bedekken diejenigen ausgewählten Bereiche auf der Substratoberfläche in denen später die elektrischen Kontakte hergestellt werden. Es sei hierbei bemerkt, daß gleichzeitig mit der Entfernung der Si j^-Schicht auf der Vorderseite mit Ausnahme der Kontaktbereiche diese Schicht auch auf der Rückseite entfernt wird. Siliziumnitridschichten werden mit heißer Phosphorsäure (HjPO₄) bei 180⁰C entfernt.

Anschließend wird durch thermische Oxidation eine Schicht von etwa 3000 Ä Dicke aufgebracht, worauf eine weitere SiOa-Schicht auf der vorderen Oberfläche aufgebracht wird, wodurch die Schicht 25, die die Dreifachschicht bedeckt, wieder gebildet wird. Anschließend wird auf Vorder- und Rückseite eine Fotolackschicht aufgebracht, in der auf der Vorderseite eine Öffnung erzeugt wird. Dann wird die SiOrSchicht zur Bildung des Schlitzes 33 gemäß F i g. 4D bis zur Substratoberfläche hindurch geätzt Nunmehr kann daran gegangen werden, durch anisotropes Ätzen in dem Substrat eine öffnung für die Aufladeelektrode herzustellen.

Der Schlitz 33 ist dabei so ausgerichtet, daß seine Längsseite die (110) Oberflächenebene senkrecht schneidet und parallel zu einer Gruppe der(111) Ebenen des Halbleitcrplättchcns verläuft

Diese Ausrichtung ist insofern wichtig, da dadurch eine Ausbreitung oder ein Zusammenlaufen diskreter Schlitze während der nachfolgenden anisotropen Ätzung des Substrates vermieden wird. Ein 13 mm langer Schlitz liefert bei einem 03 mm starken Halbleilerplättchen wegen der geneigten (111) Seiten wände nach dem

Ätzen cine 0,4 mm lange Austrittsöffnung. Die Breite der öffnung wird durch das sich bei dem fotolithographischen Verfahren ergebende Unterschneiden und durch das Ätzen der senkrechten (111) Scitenwändc sowie durch den Grad der Fehlausrichtung bestimmt.

Dann wird das Siliziumsubstrat im Bereich des Schlitzes 33 in einer anisotropen Lösung aus Äthylendiamin, Pyrocatechol und Wasser bei 118"C geätzt. Wenn das Siliziumsubstrat vollständig durchgeätzt ist, tritt auf der anderen Seite des Substrates wie in Fig.4D gezeigt eine SiCVMembran 49 auf, die ein Teil der auf der Unterseite liegenden SiOrSchicht 25 ist. Die aus SiO₂ bestehende Membran 49 wird anschließend zur Bildung einer das gesamte Substrat sauber durchsetzenden öffnung mit gepufferter Fluorwasserstoffsäure geätzt.

Anschließend werden zur Bildung der in F i g. 4E dargestellten Struktur eine Reihe von Verfahrensschritlen durchgeführt und zwar in der folgenden Reihenfolge. An den freiliegenden Seilenwänden wird unter Verwendung von Bor eine zweite ρ+ -leitende Diffusionszone 34 hergestellt. Da hier das gleiche Material und der gleiche Leitungstyp wie bei der Diffusionszone 19, die damit verbunden ist, benutzt wird, läßt sich die Bohrung 18 während eines Druckvorganges, wenn der ersten Diffusionszonc oder einem Kontaktbereich unmittelbar eine Ladung zugeführt wird, wie noch beschrieben wird, aufladen. Anschließend wird auf den Seitenwänden der öffnung 18 eine SiOi-Schicht gebildet, die einmal der elektrischen Isolation und zum anderen als Korrosionsschutz gegen die verwendete Tinte dient.

Daraufhin werden die oben liegende SiCVSchicht 32, die SijN₄-Schicht 31 und die unten liegende SiOrSchicht 30 entfernt. Der Kontaktbcreich 27 des Substrates und der Kontaktanschluß 47 sind nun für ihre entsprechenden dotierten Zonen 28 und 29 zugänglich. In dem letzten chemischen Verfahrensschritt wird Palladium bei einer Substrattemperatur von etwa 200⁰C zur Bildung eines Palladiumssilizid (Pd₂Si)-Kontaktes 24 im Kontaktbereich 27 und eines gleichartigen Kontaktes 21 im Bereich 24 aufgedampft, wie man dies aus F i g. 4F erkennt. Es lassen sich auch andere geeignete Mctalisierungen, wie z. B. Nickelsilizid oder Platinsiiizid verwenden.

Auf diese Weise kann man dabei mehr als eine Aufladeelektrode in einem einzigen Substrat herstellen. Nach Anreißen und Zerschneiden eines jeden eine Anordnung von Aufladeelektroden enthaltenden Halbleiterplättchens wird dies auf einer Halterung befestigt und mit dieser fest verbunden. Wenn die Aufladeschaltung und die Aufladeelektrodenanordnung auf dem gleichen Subsiratpiäuchen integriert werden sollen, dann werden an den einzelnen Kontakten keine Drähte angelötet. Wenn die Aufladeelektrodenschaltung aus dem gleichen Substrat wie die Aufladeelektrode hergestellt wird, lassen sich die Schaltverbindungen nach den Kontaktbereichen durch eindiffundiertc Schichten herstellen. Man hat somit zwei Möglichkeiten zur Verfügung. Die Aufladeelektrodenanordnung kann beispielsweise auf einer gedruckten Schaltungskarte befestigt sein, die alle elektronischen Schaltungen für die Steuerung der Aufladung an der Düse enthält, und diese gedruckte Schaltung und Aufladeelektrodenanordnung kann dann mit dem Düsenkopf verbunden werden. Andererseits lassen sich diese elektronischen Schaltungen auch in dem mit der Aufladeelektrodenanordnung versehenen Halbliiterplättchen gleichzeitig mit der Herstellung der Elektroden nach üblichen Herstellverfahren für integrierie Schaltungen aufbauen und durch Metallisierungen odor Diffusionszonen an die entsprechenden Anschlußkontakte anschließen.

F i g. 5 zeigt eine typische Aufladeschaltung 10, die in einem Siliziumsubstrat 23 hergestellt werden kann und zur Steuerung der Aufladung bei jeder Bohrung 18 während eines Druckvorganges eine entsprechende Spannung zu liefern vermag. Die Schaltung besteht aus einem Schieberegister 36, das in Abhängigkeit von über die Eingangsleitung 37 ankommenden Taktimpulsen

ίο und von über die Eingangsleitung 38 ankommenden Datenimpulsen über Ausgangsleitungen 39 Signale zur Betätigung von Verriegelungsschaltungen 40 abgibt. Die Steuerung der Arbeitsweise der Verriegelungsschaltungen wird ferner durch über die Eingangsleitung 41 an-

kommende Taktimpulse bewirkt, über die Eingangsleitung 42 wird das für die Verriegelungsschaltungen und das Schieberegister erforderliche Potential zugeführt. Das Schieberegister und die Verriegelungsschaltungen werden vorzugsweise aus Feldeffekttransistoren aufge baut. Wird eine der Verriegelungsschaltungen 40 betä tigt, dann wird der entsprechenden eindiffundierten Zone 19, die mit einer diffundierten Zone 34 in den als Aufladeelektroden dienenden Seitenwänden einer Bohrung 18 verbunden ist, eine Spannung zugeführt. Für das richtige Arbeiten der Aufladeschaltung 10 wird an der Klemme 48 eine entsprechende Vorspannung angelegt. Diese Vorspannung kann beispielsweise über den Substratkontakt 24 in F i g. 2 und 4F zugeführt werden. Die Integration der Aufladeschaltung und der Aufladeelek trode im gleichen Substrat ergibt einen sehr gedrängten Aufbau eines Druckkopfes.

F i g. 6A zeigt die Aufladeelektrode gemäß F i g. 4F in umgekehrter Anordnung mit einem von oben kommenden Tintenstrahl, bei dem sich am Punkt 9 innerhalb der Bohrung 18 ein Tintentröpfchen ablöst. Die Seitenwanddiffusionszone 34 erstreckt sich durch die vorne liegende Diffusionszone 19 nach dem Kontakt 21 und kann damit die von dem Tintenstrahl sich ablösenden Tröpfchen entsprechend der am Kontakt 21 angelegten Spannung aufladen. Es sei angenommen, daß die Aufladesignale in der Weise angelegt werden, daß der zwischen der Diffusionszone 34 und der Seitenwand gelegene ρ' -n Übergang niemals in Durchlaßrichtung vorgespannt ist. Beispielsweise könnte das Substrat 23 auf + 30 Volt vorgespannt sein, während an der Aufladeeleklrode entweder eine Spannung von +30 Volt (für Ablenkung der Tröpfchen nach dem Ablauf) oder von 0 Volt (für keine Ablenkung und Auftreffen auf dem Aufzeichnungsträger) angelegt ist. Dadurch ist sicher-

gestellt, daß dann, wenn eine Diode (jede öffnung in der Auüadeeiektrodenanordnung ist funktional eine Diode) aus irgendeinem Fehler heraus nicht richtig arbeitet, der entsprechende Tröpfchenstrom nach dem Ablauf abgeleitet wird und den Aufzeichnungsträger nicht erreicht.

Dadurch wird außerdem sichergestellt, daß positive Ionen, wie z. B. Natrium (Na⁺)-Ionen von der Trennfläche zwischen SiO₂ und Si nicht angezogen werden, wo sie zu Instabilitäten führen könnten. Man sieht, daß die Eingangsöffnung nach der Boh-

4>o rung 18 in F i g. 6A groß ist Daher ist es notwendig, daß der Düsenstrahl von einer von der Aufladeelektrode getrennten und deutlich unterscheidbaren Düse ausgeht Ein isolierender Film 25, beispielsweise aus Siliziumdioxid, bedeckt die gesamte Oberfläche mit Ausnah-

h5 me der Kontaktfläche.

In Fig.6B ist eine Düse dargestellt, die in dem gleichen Substrat wie die Aufladeelektrode hergestellt werden kann. Dies wird mit Hilfe eines Verfahrens erreicht.

wie dies beispielsweise in der bereits erwähnten deutschen Patentanmeldung P 25 55 462.5 beschrieben ist. Für die Herstellung einer die Düsen und Aufladeelektroden enthaltenden Struktur ist es erforderlich, eine klare Ausrichtung von Vorderseite zur Rückseite vorzu- r> nehmen, so daß jede Bohrung oder Düse genau gegenüber ihrer entsprechenden Aufladeelektrodenbohrung liegt. In dem Bereich der gewünschten öffnung auf der Rückseite des Substrates liegt eine Membran, und es wird in dem Substrat 23 in der Nachbarschaft der Membran eine ρ+-leitende Diffusionszone 44 hergestellt. Dann wird die anisotropische Ätzung von der Vorderseite aus eingeleitet (beispielsweise in Fig.4D), und es wird ein Schlitz gebildet, der sich durch die diffundierte Zone hindurch erstreckt, so daß die Seitenwand der ,5 Bohrung den Umrissen der diffundierten Zone folgt und eine Membran sowie eine als Düse arbeitende öffnung bildet. Längs der Seitenwände der Bohrung wird ebenfalls eine ρ+ -leitende Schicht 34 eindiffundiert. Die Diffusionszone 19 mit ihrem zugehörigen Kontaktbcrcich 21 könnte auch schon vorher hergestellt worden sein. Nach Aufwachsen einer Isolierschicht 25, wie z. B. aus Siliziumdioxid, über der gesamten Oberfläche des Substrates wird der Kontaktbereich nach dem Substrat 23 geöffnet und eine Kontaktmetallisierung aufgebracht. 2s Die Herstellung einer Düsen-Aufladeelektrodenkombination ist nunmehr im wesentlichen abgeschlossen. Selbstverständlich können die die Düse bildende Diffusionsschicht 44 und die Diffusionszone 34 in den Seitenwänden der Bohrung miteinander verbunden werden jo und aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Diese kombinierte Struktur wird dann an einen Tintenverteiler oder Vorratsbehälter angeschlossen, der unter Druck stehende Tinte an die Düse liefert.

Während F i g. 6A eine Aufladeelektrode zeigt, zeigt Fig.6B eine Kombination aus Aufladeelektrodc und Düse mit einer Siliziummembran. F i g. 6C zeigt dagegen eine monolithische Struktur aus Aufladcelektrode, Düse und Synchronisierelektrode.

Fig.6C zeigt eine Struktur, bei der eine isolierende Membran verwendet und bei der durch entsprechende Erweiterung auch die Synchronisierelcktrode mit hergestellt werden kann. Auf der Oberseite des Substrates wird vor dem anisotropen Ätzen der Bohrung eine Isolierschicht 25 hergestellt. Nach Abschluß des Ätzvorganges wird in der Schicht 25 eine als Düse dienende Bohrung der gewünschten Größe hergestellt. Über der Isolierschicht 25 wird anschließend eine elektrisch leitende Schicht 45 aufgebracht, die dann von einer Isolierschicht 46 überzogen wird. Anschließend wird eine Kcntaktbohrung durch die Schicht 46 nach der ieiienden Schicht 45 hergestellt und ein Kontakt 6 angebracht. Die Synchronisierschaltung 5 F i g. 1 wird dann an den Kontakt 6 eine Wechselspannung liefern, die über die Synchronisierelektrode in den an der Düse austretenden Tintenstrahl eine elektro-hydrodynamische Störung einführt Die Synchronisierung wird dabei durch die sich durch die isolierende Membran 46 nach dem Düsenstrahl erstreckenden Randfeldcr erzielt, wenn dieser in die Bohrung der Aufladcelektrodc ein- so läuft Die Aufladeelektrode dieser kombinierten Struktur wird, wie bereits im Zusammenhang mit Ii g. 4A bis 4 F beschrieben, hergestellt.

Die Schicht 45 F i g. 6C kann aus irgendeinem elektrisch leitenden Material sein, wie z. B. Aluminium, und das Isoliermaterial kann auch ein anderes Material oder andere Materialkombinalion als Siliziumdioxid sein. Auch das Aufbringen dieser Materialien kann auf verschiedene an sich bekannte Weise erfolgen.

Obgleich die Erfindung im einzelnen unter Verwendung bestimmter Materialien und Materialstärken beschrieben wurden, so sei doch darauf verwiesen, daß diese Angaben nicht kritisch sind, und daß andere Materialien und andere Matcrialstärken Verwendung finden können. Ferner können auch andere Materialien einzeln oder in Kombination benutzt werden. Beispielsweise kann man auf der Oberseite der SiO₂-Schicht eine weitere aus SijN« bestehende Isolierschicht als zusätzliche Schutzschicht anbringen, wenn bestimmte Tinten in einigen Anwendungsgebieten eingesetzt werden. Phosphorsäure wird oft zum Auflösen von Siliziumnitrid verwendet, während wäßrige gepufferte Fluorwasserstoffsäure zum Äizen von Siliziurnciioxid benutzt wird. Die p+-leitende Oberflächenschicht kann entweder durch Diffusion oder durch Ionenimplantation hergestellt werden, und man kann außerdem in einem p-leitenclcn Substrat η +-leitende Diffusionszonen anbringen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Aufladeelektrodenanordnung für einen Tintenstrahldrucker für eine selektive Steuerung der aus einer Anzahl von Tintentröpfchen bestehenden Tintenstrahlen, mit einem aus monokristallincm Silizium bestehenden, eine Anzahl von durchgehenden Bohrungen aufweisenden Substrat und mit einer in dem Substrat ausgebildeten Synchronisierelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß das monokristalline Siliziumsubstrat (23) eine (110) Orientierung aufweist, daß die Seitenwände der Bohrungen eine gegenüber der Dotierung des Substrates entgegengesetzt dotierte Diffusionszonc (34) aufweisen und daß eine mit dieser Diffusionszone in Verbindung stehende zweite Diffusionszonc (19) gleichen Leitungstyps zum Anschluß an einen dem Anlegen einer Steuerspannung für die Aufladcelektrodc dienenden Kontaktbereich (21) vorgesehen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Aufladeelektrode (19) eine Aufladeschaltung (10) angeschlossen ist, die als integrierte Schaltung in dem Siliziumsubstrat (23) gebildet und mit der zweiten Diffusionszonc der Aufladeelektrode (19) verbunden ist.

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (23) n-leitend und die erste (19) und zweite (34) Diffusionszone ρ+-leitend ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß das äußerste Ende der zweiten Diffusionszone für die Aufnahme eines Anschlußkontaktes (21) verbreitert ist, daß ferner auf dem Substrat (23) eine dritte Diffusionszone (24) des gleichen Leitungstyps wie das Substrat auf der gleichen Oberfläche des Substrats wie die zweite Diffusionszone gebildet und mit einem Anschlußkontakt für das Anlegen einer Vorspannung andasSubstratversehenisi.unddaßdas gesamte Substrat mit Ausnahme der Anschlußkontakte von einer lsolierschicht(23)über/.ogcn ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem monokristallincn Siliziumsubstrat (23) der Aufladeelektrodenanordnung auch die Düsen des Tintenstrahldruckers ausgebildet sind, daß die Düsen aus dünnen Schichten des Substrates (23) mit Bohrungen (18) als sogenannte Membrandüsen ausgebildet sind, wobei die Membrandüsen auf dem Substrat (23) durch eine vierte Diffusionszone (44), die unterhalb der Isolierschicht (25) und auf der der zweiten und dritten Diffusionszone entgegengesetzten Seite des Substrates liegt, gebildet sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrandüsen durch Bohrungen (18) in der Isolierschicht (25) gebildet sind, die auf der der zweiten und dritten Diffusionszonc abgewandten Seite des Substrats (23) liegen.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisierelcktrode aus einer über der ersten Isolierschicht, die die Membrandüse bildet, liegenden leitenden Schicht (45) besteht, die von einer zweiten Isolierschicht (46) überzogen ist, die sich auf der Seite der Düse an die erste Isolierschicht (25) anschließt, die an einer Stelle eine Öffnung für einen AnschluBkontakt (6) an die leitende Schicht (45) aufweist.

Die Erfindung betrifft eine Aufladeelektrodenanord nung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 für Tintenstrahldrucker für eine Steuerung der Aufladung der aus einer Anzahl von Tinlenstrahlen gebildeten Tröpfchen. Bei üblichen Tintenstrahldruckern tritt die Tinte in Form eines Tintenstrahls aus einer oder mehreren Austriltsöffnungen in einer Düsenanordnung aus, die an einen Vorratsbehälter mit unter hohem Druck stehender Tinte angeschlossen ist Der Tintenstrahl gehl dann in

to einen Strom synchronisierter Tintentröpfchen über. Dies wird dadurch erreicht, daß man an die Düse eine durch einen elektromagnetischen Wandler hervorgerufene oder durch eine an eine mit der Düse zusammenwirkende Synchronisierelektrode angelegte Spannung

eine periodische Störung in dem Tintenstrahl einführt. Die Synchronisierelekirode erzeugt dabei ein elektrisches Feld, das elektro-hydrodynamische Störungen in dem aus der Düse austretenden Tintenstrahl hervorruft Die Aufladeelektrode ist in der Nähe des Punktes ange-

ordnet, an dem sich die Tröpfchen ablösen, so daß dann, wenn an der Aufladeelektrode eine Spannung angelegt wird, die Spitze des Tintcnstrahles eine Ladung aufnimmi. Wenn sich dann das Tröpfchen von dem Tintenstrahl löst, so führt es eine der an der Aufladeelektrode angelegten Spannung proportionale Ladung mit sich. Die Tröpfchen verlassen dann den Bereich der Aufladeelcklrode und durchlaufen Ablenkplatten in Richtung auf einen Aufzeichnungsträger oder einen Ablauf, je nach dem, ob die Tröpfchen zu diesem Zeitpunkt aufge-

laden sind oder nicht.

Es gibt bereits eine Reihe von Arten von Düsen für Tintenstrahldrucker und ebenso sind Verfahren zu deren Herstellung bekannt. Beispielsweise offenbart die nicht vorveröffentlichte DE-OS 25 55 462 ein Verfahren

J5 zum Herstellen von mit Membranen versehenen Düsen aus einem aus kristallografisch orientierten monokristallincm Silizium oder einem ähnlichen Material bestehenden Substrat durch anisotropes Ätzen. In der nicht vorveröffentlichten DE-OS 25 54 085 sind ein weiteres Verfahren zum Herstellen einer neuartigen Düsenstruktur und daraus hergestellte Düsen offenbart, die ebenfalls aus einkristailienem Material bestehen, das in der (100)-Ebene parallel zu Oberfläche orientiert ist.

Die Aufgabe, integrierte oder monolithische Düxen-

anordnungen für Tintenstrahldrucker herzustellen, wurde schon verschiedentlich gelöst. In der nicht vorveröffentlichten DE-OS 26 02 257 der Anmelderin ist eine Düsenstruktur offenbart, bei der sich die Austrittsöffnung der Düse zu einem Schlitz erweitert, dessen Sei- lenwände als Synchronisierelcktrode dienen.

In dieser und in anderen bereits vorgeschlagenen Konstruktionen von Düsenanordnungen ist die Düse jedoch immer noch von der Aufliidcelcktrode getrennt. So ist beispielsweise in der nicht vorveröffentlichten DE-OS 26 02 263 eine Konstruktion offenbart, bei der die Aufladeelektrode von der Befestigungsplatte für die Düse durch Abstandsstücke getrennt ist.

Die Wichtigkeit und Bedeutung der Aufladcelektrodc in einem Tintenstrahldrucker ist allgemein erkannt, und

bo man hat bereits Vorschläge zu ihrer Verbesserung gemacht. Gemäß der nicht vorveröffentlichten DE-OS 25 2b 725 werden die Aufladcelcktrodcn durch eine Diffusion in einer Anordnung von Bohrungen in einem Halbleitersubstrat gebildet. Jede Diffusionszonc kann

tr> dabei mit einer Aufladeschaltung, die aus einer Vcrricgelungsschaltung und einem Schieberegister besteht, verbunden sein, die auf der Vorderseite des Substrats hergestellt werden kann.