DE2855080A1

DE2855080A1 - Verfahren zur herstellung von duesenplaettchen fuer tintenstrahldrucker

Info

Publication number: DE2855080A1
Application number: DE19782855080
Authority: DE
Inventors: Erik Rasmussen Solyst
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1977-12-23
Filing date: 1978-12-20
Publication date: 1979-07-05
Also published as: IT7830728A0; FR2412410A1; GB2011645A; US4157935A; CA1087384A; IT1160327B; JPS5842031B2; JPS5488126A; GB2011645B

Description

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Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

ki/se

Verfahren zur Herstellung von Düsenplättchen für Tintenstrahldrucker

Die Erfindung betrifft eine im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebene Art eines Verfahrens zur Herstellung von Düsenplättchen.

s sind Tintenstrahldrucker bekannt, die ein Feld nahe voneinan der beabstandeter Düsen aufweisen. Während des Drückens werden gleichzeitig durch alle Düsen Tintenströme ausgestoßen, die innerhalb von Ladeelektroden, von denen je eine pro Düse vorgesehen ist, in einzelne Tröpfchen aufbrechen, die zum Zeitpunkt ihres Abreißens vom Tintenstrom elektrisch aufgeladen werden. Anschließend passieren die Tintentröpfchen ein konstantes Ablenkfeld, in dem alle geladenen Tintentröpfchen abgelenkt werden, so daß nur die ungeladenen Tintentröpfchen sich auf ihrer Flugbahn zum zu bedruckenden Papier weiter bewegen. Ein Tintenstrahldrucker mit einer Mehrzahl von Düsen ist in der US-PS 3 373 437 beschrieben.

Es ist auch bekannt, ein Düsenplättchen für Tintenstrahldrucker durch Ätzen eines Halbleiterchips herzustellen (z.B. US-PS 4 007 464). Bei diesem Verfahren wird eine Oberfläche des Halbleiterchips anfangs mit einem Photoresist überzogen und dann belichtet und entwickelt, so daß das Ätzmittel nur in vorherbestimmten Regionen wirksam werden kann, um die Düsen zu erzeugen. Derartige Düsen besitzen einen pyramidenförmigen Querschnitt (geschnitten in der Längsrichtung der Düsen).

Es ist sehr schwierig, Substrate herzustellen, die eine gleichmäßige Dicke des Halbleitermateriales aufweisen. Eine

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Nichtgleichförmigkeit der Dicke ist besonders schädlich, wenn mehrere zugespitzte Düsen gleichzeitig zu ätzen sind. In diesem Falle ergibt ein dünnerer Bereich des Substrates eine größere Düsenöffnung als ein dickerer Bereich, nämlich dann, wenn beide Düsen gleichzeitig geätzt werden. Wegen ihrer verbesserten Eigenschaften sind sogenannte zugespitzte Düsen (pyramidenförmig oder konisch) bei Tintenstrahldruckern sehr erwünscht.

Im IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 17, Nr. 11 vom kpril 1975, Seiten 3450 bis 3452 ist ein Verfahren zum gleichzeitigen Ätzen einer Mehrzahl von Düsen in einer iliciumplatte beschrieben, mit dem gleiche Düsenweiten, unabhängig vom Unterschied der Dicke der Siliciumplatte, srzeugbar sind. Dickenunterschiede der Platte werden kompensiert, indem während der Belichtung des Photoresists die Sröße der belichteten Fläche verändert wird, oder im Falle eines quadratischen Querschnitts durch Kippen bezüglich der Richtung der Siliciumplatte. Dieses Verändern der Fläche, äie durch das Ätzmittel angegriffen wird, erfordert, daß die photoresistfreie Fläche, die mit jeder Düse verbunden ist, jetrennt hergestellt wird und daß die Dicke der Siliciumplatte in den Bereichen gemessen wird, in denen eine Düse zu ätzen ist. Diese Faktoren machen dieses Verfahren ungeeignet für ein wirtschaftliches Herstellungsverfahren von Tintenptrahldüsen.

3s ist die Aufgabe der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung, 2in Verfahren anzugeben, mit dem eine Mehrzahl von zugespitzten Düsenöffnungen gleichzeitig in einem Substrat durch Atzen erzeugbar sind, wobei die Düsenöffnungen sämtlicher Düsen gleiche Weite aufweisen, in Unabhängigkeit von den Dickenunterschieden des Substrats.

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Weitere Merkmale der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Einzelheiten der Erfindung sind nachstehend anhand von in den Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Siliciumplättchen, mit einer Mehrzahl von durch anisotropisches Ätzen erzeugten Düsen in schaubildlicher Darstellung,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 von Fig. 1,

Fig. 3A-3D Querschnitte aufeinanderfolgender Herstellungsschritte bei der Herstellung des Düsenplättchen.· nach Fig. 1,

Fig. 4 ein Schema eines Apparates zur Ausführung des

Belichtungsschrittes entsprechend der Erfindung,

Pig. 5 ein Schema zur Veranschaulichung des Belichtungsschrittes bei einem Plättchen mit nicht gleichförmiger Dicke,

?ig. 6 ein Schema eines anderen Apparates zur Ausführung des Belichtungsschrittes nach der Erfindung und

?ig. 7 eine vergrößerte Ansicht eines nichtbelichteten Bereiches des mittels des in Fig. 6 gezeigten Apparates belichteten Photoresists.

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Das erfindungsgemäße Verfahren ist anwendbar für die Herstel-Lung von Düsenfeldern in einem Substrat, wobei die Ätzge-3chwindigkeit in einem Bereich, verglichen mit der umliegender 3ereiche, äußerst unterschiedlich sein kann. Beispiele von Substraten, die unterschiedliche Ätzgeschwindigkeiten haben, stellen einkristalline Materialien, wie Silicium und Saphire äar. Ein Beispiel eines Substratmateriales, das äußerst unterchiedliche Ätzgeschwindigkeiten verträgt, ist ein wahlweise ristallisierbares photoempfindliches Glas, das eine größere ätzgeschwindigkeit in einem belichteten und wärmebehandelten Bereich als in einem unbelichteten Bereich aufweist.

Das Plättchen 10 (Fig. 1) aus Silicium oder einem ähnlichen Material, wird geätzt oder anderweitig abtragend bearbeitet, um die öffnungen 12 und 14 zu bilden. Diese Öffnungen dienen bei Verwendung in einem Tintenstrahldrucker als Düsen, wobei es sehr wichtig ist, daß die Düsenöffnungen aller Düsen die gleichen kritischen Dimensionen innerhalb enger Toleranzen aufweisen. Ein Querschnitt durch einen kleinen Teil einer Düsenplatte nach Fig. 1 ist in Fig. 2 dargestellt. Das Plättchen kann eine Dicke b von ungefähr 0,18 mm, eine Düsenöffnungsweite s von ungefähr 0,02 mm und eine Düsenweite d von ungefähr 0,28 mm aufweisen. Um gleiche Düsenweiten sämtlicher Düsen des Feldes zu erreichen, ist es notwendig, daß die öffnungen im Photoresist eine gleiche Größe aufweisen jund die Dicke des Plättchens ebenfalls gleichförmig ist. Das 'Erfordernis von gleichförmigen öffnungen im Photoresist ist leicht erzielbar durch Verwendung bekannter photolithographi- !scher Halbleiterverfahren. Das Erfordernis einer gleichförmigen Dicke des Plättchens ist ein sehr schwieriges Problem, da die erforderlichen Toleranzen der Düsengröße von den bekannten jPlättchenherstellungsverfahren weit überschritten werden. Eine nicht gleichförmige Dicke ergibt eine Nichtgleichformigkeit dei anderen Dimensionen bei der abtragenden Materialbearbeitung, Ijedoch ist das erfindungsgemäße Verfahren im wesentlichen unempfindlich gegenüber Veränderungen der Dicke.

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Die Schritte des Verfahrens zur Herstellung eines Feldes von Düsen mit gleichförmigen Dimensionen ist in Fig. 3 veranschaulicht. Die Siliciumdioxidschicht 16 bzw. 18 wird an beiden Flächen des Plättchens durch thermische Oxydation (Fig. 3A) erzeugt. Auf der Fläche 22 des Plättchens wird die Photoresistschicht 20 (100 Kristallebene für Silicium) aufgebracht, die evt. die Basis eines pyramidenförmigen Loches bilden wird. Der Photoresist wird dann durch eine geeignete Maske belichtet, vorzugsweise in der Belichtungsstation nach Fig. 4. Der Photoresist wird dann entwickelt, um die nichtbelichteten Bereiche zu entfernen und die unter den nichtbelichteten Bereichen liegende Siliciumdioxidschicht wird geätzt, um die Öffnung 26 zu bilden (Fig. 3B). Der Rest des Photoresists wird dann vom Plättchen 10 abgezogen und das Plättchen wird dann einer anisotropisehen Ätzlösung ausgesetzt, um ein Feld von Öffnungen, entlang der 111 Kristallebene 28 im Plättchen (in Fig. 3C ist nur eine Öffnung gezeigt) zu erzeugen. Wie aus dem gestrichelt gezeichneten Kreis 24 in Fig. 1 ersichtlich ist, hat der auf dem Plättchen nach dem Belichten und Entwickeln zurückgelassene Photoresist kreisförmige Öffnungen und die Seiten der Basis des pyramidenförmigen Loches tangieren diese Kreisöffnung nach dem anisotropischen Ätzen. Die SiIiciumdioxidschichten 16, 18, werden dann vom Plättchen abgezogen, um ein Feld von Düsen zu bilden. Die Belichtungsstation besitzt den flachen Tisch 30, der mit Vakuummündungen 32 ausgerüstet ist und auf dem das mit dem Photoresist überzogene Plättchen 34 festgehalten ist. Das den Vakuummündungen 32 zugeführte Vakuum ist von solch einer Stärke, daß es ein relativ dünnes Plättchen anziehen kann und mit der gesamten Oberfläche in Berührung halten kann. Der Tisch 30 kann aus einer optischen Platte bestehen. In diesem Falle ist es möglich, das Plättchen durch die optische Platte hindurch zu beobachten, so daß bequem feststellbar ist, ob es mit dem Tisch allseitig Berührung bekommen hat. Auf dem Tisch ist der Maskenträger vorgesehen, so daß das Maskensubstrat 38 parallel zum Tisch gehalten werden kann innerhalb einer sehr engen Toleranz von

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|2,54 χ 10 mm und der Abstand zwischen der Maske und dem (Tisch ist größer als das Maximum der Plättchendicke. Das !Maskenmuster besteht aus einer Mehrzahl von lichtundurchläs-

sigen kreisförmigen Bereichen 40, die auf der Oberfläche des Maskensubstrats 38 niedergeschlagen sind in Form des gewünschten Düserimusters.

Der Durchmesser d des lichtundurchlässigen kreisförmigen Bereiches 40 (Fig. 4) wird bestimmt durch

d = s + 2

b = Abstand zwischen Tisch und Maske

d = Durchmesser des lichtdurchlässigen kreisförmigen Bereiches

s = Seite der quadratischen Öffnung und

α = Winkel zwischen den kristallographischen Ebenen 100 und 110 (ungefähr 53,7 ° für Silicium).

STach der Photoresistbehandlung und dem Auflegen des Plättchens 10 auf dem Tisch 30 (wie weiter oben beschrieben) wird das letztere durch die Lichtquelle 44 belichtet. Die letztere kann aus einer geeigneten Quelle bestehen, die eine Strahlung oei einer Wellenlänge erzeugt, gegenüber welcher der Photoresist empfindlich ist. Quecksilber- und Xenon-Lichtquellen 3ind für viele Photoresistmaterialien geeignet. Diese Lichtquel Len können, wenn notwendig, mit geeigneten Filtern ausgerüstet sein und ebenso mit einem Linsensystem, um das Licht zu samneln. Die Lichtquelle 44 sendet einen Strahlenzylinder aus, der die gesamte Plättchenfläche abdeckt und auf das Plättchen mit einem Winkel α auftrifft, der für Silicium ungefähr 53,7°

oeträgt. Der Lichtstrahlzylinder ist rotierbar um die Achse 42, die zum Plättchen 10 rechtwinklig verläuft. Alternativ kann die Relativbewegung durch Festhalten der Lichtquelle 44

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und durch ein Rotieren des Plättchens um die Achse 42 erreicht werden. Die Relativbewegung kann eine kontinuierliche Rotationsbewegung darstellen, wobei die unbelichteten Bereiche für eine Düsenöffnung kreisförmig sind (gestrichelter Kreis 24 in Fig. 1). Alternativ kann die Relativbewegung erzielt werden durch eine Vielzahl von Schritten, beispielsweise durch vier Schritte, wobei ein jeder 90° der Bewegung darstellt. In diesem Falle weisen die unbelichteten Bereiche vier elliptisch gekrümmte Teile auf (Fig. 7).

Aus dem vergrößerten Schnitt durch ein Plättchen (Fig. 5) ist ersichtlich, daß nach einer vollen 360 -Drehung des zylinderförmigen Lichtstrahles die nichtbelichteten Bereiche auf dem Photoresist kreisförmige Bereiche darstellen und daß der Durchnesser exakt gleich ist dem, der die gewünschte Düsenöffnungsform nach dem anisotropischen Ätzen erzeugt, und zwar in Unabängigkeit von der Plättchendicke.

ach dem Belichten des Photoresists wird der nichtbelichtete Bereich durch ein geeignetes Lösungsmittel entfernt, das den lichtbelichteten Teil des Photoresists auflöst, worauf das Plättchen einem chemischen Ätzprozeß ausgesetzt wird. Das

hemische Ätzen ist ausführbar entsprechend dem in der weiter oben bereits genannten US-PS 4 007 464 beschriebenen Verfahren. Dieses Ätzen ist ausführbar durch ein Aussetzen des Biliciumplättchens einer Lösung, die Äthylendiamin, Brenzcatechin und Wasser bei 110° bis 120° C enthält, um die zugespitzten öffnungen in dem Plättchen zu erzeugen. Das Ätzen vird gestoppt, wenn die Öffnungen auf der Unterseite des Plättshens erscheinen. Die Ätzzeit liegt in der Größenordnung von Irei bis vier Stunden für ein Substrat von einer Dicke in der Größenordnung von 0,18 mm. Die Oxidschicht wird dann von beiden Seiten des Plättchens abgezogen. Eine andere Ausführungsform für den Belichtungsschritt ist in Fig. 6 dargestellt. Bei diese Ausführungsform werden vier getrennte Lichtstrahlen 30, 32, 34

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und 36 verwendet, xim das Plättchen 10' gleichzeitig zu belich- ι ten. In diesem Falle ist es nicht notwendig, die Lichtquelle zu rotieren. Wie aus Fig. 7 ersichtlich, sind die belichteten Bereiche nicht kreisförmig und jeder Bereich weist vier
elliptisch gekrümmte Teile 48, 50, 52 und 54 auf. Diese Form rzeugt jedoch die gleiche Öffnungsgröße und Form wie der
kreisförmige Bereich in dem zuvor beschriebenen Ausführungs-Deispiel erzeugt, wenn ein anisotropisches Ätzen eines
äinkristallinischen Materiales verwendet wird.

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Claims

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ν-

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zur Herstellung eines Düsenfeldes für Tintenstrahldrucker, dadurch gekennzeichnet, daß ein strahlungsempfindliches Plättchen (10 bzw. 10" bzw. 34) auf einem ebenen Tisch (30) festgehalten wird, wobei das Plättchen die Eigenschaft unterschiedlich großer Ätzgeschwindigkeiten in einem Bereich, verglichen mit umliegenden Bereichen, aufweist, daß hierauf mit geringem Abstand eine Maske (38) parallel zum Tisch (30) auf Maskenträger (36) gelegt wird, die ein Muster von lichtundurchlässigen öffnungen (42) aufweist, daß das Plättchen durch diese Maske (38) mittels einer geeigneten Lichtquelle (44) belichtet wird, die unter einem vorherbestimmten ^[ Winkel (α) auf das Plättchen (10 bzw. 10' bzw. 34) gerichtet wird, wobei gleichzeitig zwischen der Licht- ι quelle (44) und dem Plättchen (10 bzw. 10' bzw. 34) j eine Relativbewegung stattfindet und daß das Plättchen anisotropisch geätzt wird, um Öffnungen (12, 14) mit gleicher Weite (s) zu erzeugen, die dem genannten Muster ; von öffnungen (42) entsprechen. i

J2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung zwischen der Lichtquelle (44) und dem Plättchen (10 bzw. 10¹ bzw. 34) durch Rotation der Lichtquelle (44) um eine Achse (42), die rechtwinklig zum Plättchen (10 bzw. 10' bzw. 34) verläuft, erfolgt.

S. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung zwischen der Lichtquelle (44) und dem

^! Plättchen (10 bzw. 10' bzw. 34) durch eine Mehrzahl von gleich voneinander beabstandeten Schritten besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Tisch (30) in mehrere gleich voneinander beabstandete Stellungen nacheinander bewegt wird.

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Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß j das Plättchen (10 bzw. 10' bzw. 34) aus einem monokristal-i linen Silicium besteht und der genannte Winkel (α) unge- j fähr 53,7° beträgt. !

Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß | die Lichtquelle (44) einen zylinderförmigen Lichtstrahl erl·- zeugt, der unter einem Winkel von 53,7° auf das Plättchen j (34) auftrifft. !

7. Verfahren zur Herstellung eines Düsenfeldes für Tintenstrahldrucker, dadurch gekennzeichnet, daß ein strahlungsempfindliches Plättchen (10¹) auf einen Tisch (30) aufgebracht wird, wobei das Plättchen die Eigenschaft unterschiedlich großer Ätzgeschwindigkeiten in einem Bereich, ι verglichen mit umliegenden Bereichen, aufweist, daß eine Maske (38) mit einem Muster von lichtundurchlässigen Öffnungen (42) parallel zum Tisch (30) über dem j Plättchen angeordnet wird, daß das Plättchen durch die Maske (38) mittels einer Mehrzahl von Lichtquellen (30, 32, 34, 36), die um das Plättchen (10¹) herum angeordnet sind, belichtet wird, wobei jede Lichtquelle unter einem vorherbestimmten Winkel gegenüber dem Plättchen (10¹) geneigt ist und daß das Plättchen (10") anisotropisch geätzt wird, um Öffnungen (12, 14) mit gleicher Weite (s) zu erzeugen, die dem genannten Muster von Öffnungen (42) entsprechen.

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