DE3414792A1

DE3414792A1 - Verfahren zur herstellung eines fluessigkeitsstrahl-schreibkopfes

Info

Publication number: DE3414792A1
Application number: DE19843414792
Authority: DE
Inventors: Masami Machida Tokio/Tokyo Ikeda; Hiroto Ebina Kanagawa Matsuda; Makoto Shibata; Hiroto Hiratsuka Kanagawa Takahashi
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1983-04-20
Filing date: 1984-04-18
Publication date: 1984-10-25
Also published as: DE3414792C2; US4536250A; JPS59194867A; FR2544954A1; FR2544954B1

Description

Verfahren zur Herstellung eines Flüssigkeitsstrahl-Schreibkopfes

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung eines Flüssigkeitsstrahl-Schreibkopfes und insbesondere eines für das Ausspritzen ("Ausdüsen") einer Schreibflüssigkeit bestimmten Kopfes, der bei dem sog. Flüssigkeitsstrahl-Schreiboder Aufzeichnungsverfahren Anwendung findet, um fliegende Tröpfchen der Schreibflüssigkeit zu erzeugen.

Das Flüssigkeits- oder Tintenstrahl-Schreibverfahren ermöglicht ein Aufzeichnen mit hoher Geschwindigkeit, da ein während des Schreibens erzeugtes Geräusch vernachlässigbar ist und es auch ein Schreiben (Aufzeichnen) auf einem normal'en, glatten Papier ohne das Erfordernis einer Fixierung oder anderen Spezialbehandlung möglich macht. Demzufolge besteht an diesem Verfahren ein steigendes Interesse.

Dresdner Bank (München) Kto. 3939 844

Postscheck (München) Kto. 6K)-43-8CM

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Das Flüssigkeitsstrahl-Schreibverfahren, das in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift 54-51 837 sowie in der DE-OS 28 43 064 offenbart ist, weist ein zu herkömmlichen Flüssigkeitsstrahl-Schreibverfahren verschiedenartiges Merkmal insofern auf, als auf die Flüssigkeit eine Wärmeenergie zur Wirkung gebracht wird, um eine Antriebskraft für das Ausdüsen eines Flüssigkeitströpfchens zu erzeugen.

Das in den genannten Schriften offenbarte Verfahren sieht vor, daß eine von der Wärmeenergie beeinflußte Flüssigkeit eine Phasenänderung erfährt, die eine rapide Volumenvergrößerung zum Ergebnis hat, und daß die Flüssigkeit auf Grund der Phasenänderung von einer öffnung an einer Stirnfläche des Schreibkopfes ausgedüst oder-gesprüht wird, so daß ein fliegendes Flüssigkeitströpfchen entsteht, das auf einem Aufzeichnungsmedium zur Bildung einer Aufzeichnung abgelagert wird.

Insbesondere ist das Flüssigkeitsstrahl-Schreibverfahren nach der DE-OS 28 43 064 nicht nur für die sog. Punktschreibmethode wirksam und leistungsfähig, sondern ermöglicht auch die Ausbildung eines Schreibkopfes der VoIllinienbauart mit einem viele Düsen in hoher Dichte aufweisenden Kopf, womit eine hohe Auflösung und eine Abbildung von hoher Qualität bei hoher Geschwindigkeit erhalten werden können.

Das in einer Vorrichtung zur Durchführung des obigen Verfahrens zur Anwendung kommende Flüssigkeitsstrahl-Bauelement hat eine Düsenöffnung zum Ausdüsen einer Flüssigkeit und einen mit dieser öffnung in Verbindung stehenden Flüssigkeitskanal, der eine Wärme zuführende Einheit darstellt, die der Flüssigkeit Wärme vermittelt, um ein Flüssigkeitströpfchen auszusprühen, und es weist auch einen elektrothermischen Wandler zur Erzeugung der Wärmeenergie auf.

Der elektrothermisch^ Wandler umfaßt ein Paar von Elektroden und eine mit den Elektroden verbundene wärmeerzeugende Widerstandsschicht, um zwischen den Elektroden einen Bereich für eine Wärmeerzeugung (ein Wärmeerzeugerteil) scharf abzugrenzen.

Wenn ein solcher Flüssigkeitsstrahl-Schreibkopf hergestellt wird, dann werden zuerst die Elektroden und wärmeerzeugenden Teile zwischen den Elektroden gebildet, indem ein elektrothermisches Element aus HfB₅ als eine wärmeerzeugende Widerstandsschicht und Metallschichten aus Al, Ti od. dgl. als Elektrodenschichten auf einem Substrat aus Glas, Silizium, Keramik od. dgl. mittels einer Sprühtechnik oder ähnlichen geeigneten Verfahren laminiert werden. An diesem Schichtenaufbau wird dann eine vorbestimmte Struktur oder ein vorbestimmtes Schema mittels eines photolithographischen Prozesses unter Verwendung eines Photolacks (lichtempfindliches Harz) ausgebildet. Schließlich wird jede Schicht in einem Naß- oder Trockenätzverfahren geätzt.

Dieser Ätzvorgang wirft ein bestimmtes Problem auf, das im folgenden erläutert wird. Hierzu zeigt die

Fig. 1 in der Draufsicht und in vergrößertem Maßstab die Elektroden und Wärmeerzeugerteile einer elektrothermischen Wandleranordnung, die in einem Ätzprozeß nach dem Stand der Technik gebildet wurden, während die

Fig. 2(a) und (h) ein Über-Ätzen, wie es nach dem Stand der Technik auftritt, verdeutlichen.

Die Wandleranordnung umfaßt ein Substrat 101, eine Mehrzahl von auf diesem Substrat gebildeten Elektroden 102 sowie 103 und ein zwischen jedem Elektrodenpaar 102, 103

ausgestaltetes wärmeerzeugendes Teil (Wärmeerzeugerteil) 104. Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, sind bei der Anordnung zwischen einander jeweils benachbarten Elektroden Brücken 105 und zwischen einander jeweils benachbarten wärmeerzeugenden Widerstandsschichten 107, die unter den Elektroden 102, 103 mit Ausnahme des Wärmeerzeugerteils im gleichen Schema wie die Elektroden ausgestaltet sind, Brücken 106 vorhanden. Diese Brücken 105 oder 106 werden aus dem Elektroden- oder wärmeerzeugenden Widerstandsmaterial gebildet, das auf dem Substrat, ohne daß es einem Ätzen aus irgendeinem Grund unterworfen wurde, der auf einen Rückstand auf dem Substrat, auf einen Fehler an der Photomaske, auf während des Ätzens erzeugte Luftblasen usw. zurückzuführen ist, verblieben ist. Diese Brücken vermindern in hohem Maß die Zuverlässigkeit, die Leistung und das Ergebnis der erzeugten Schreibköpfe. Die Ausbildung solcher Brücken 105, 106 wird mit einer Erhöhung der Dichte der Struktur (des Schemas), um die Dichte in der Aufzeichnung des Schreibkopfes mit vielen, sehr eng aneinander liegenden Düsenöffnungen zu verbessern, d.h. mit einem Kleinerwerden der Abstände zwischen jeweils benachbarten Elektroden und jeweils benachbarten wärmeerzeugenden Widerstandsschichten, weiterhin gesteigert.

Die Brücken 105 und 106 können z.B. durch Ausbilden der gleichen Photolackstrukturen auf dem Substrat, das diese Brücken trägt, und Behandeln dieser Struktur in einem Ätzvorgang, so daß die Brücken aufgelöst werden, beseitigt werden. Das ist jedoch insofern von Nachteil, als die Stirnseiten und Seitenkanten der Elektroden 102, 103 einem weiteren Ätzen zu unregelmäßigen Kanten, wie in Fig. 2(a) gezeigt ist, ausgesetzt werden oder daß die wärmeerzeugenden Widerstandsschichten 107 unter den jeweiligen Elektroden 102, 103 einem übermäßigen Ätzen unterworfen werden, wie Fig. 2(b) zeigt. Das bedeutet, daß

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die Bearbeitungsgenauigkeit, die Haltbarkeit oder Beständigkeit des mit der Flüssigkeit in Berührung kommenden Kopfteils und die Leistung sowie das Ergebnis des erzeugten Kopfes herabgesetzt werden. Als anderes Verfahren zur Beseitigung der Brücken kann das Anlegen einer hohen Spannung an die Elektroden 102 und 103, um die Brücken 106 mit einem Überstrom wegzubrennen, in Betracht kommen. Wenn die Brücken 106 jedoch nicht restlos weggebrannt werden, dann bilden die Überbleibsel unregelmäßige Gestaltungen oder Teilchen an dem Substrat 101. Wenn die Elektroden

und Wärmeerzeugerteile dann mit einer Schutzschicht abgedeckt werden, so kann letztere in ihrer Ausbildung immer häufiger Fehlstellen aufweisen. Befindet sich ein Brückenüberbleibsel an einem Kopfteil, das mit der Tinte (Flüssigkeit) in Berührung zu bringen ist, dann kann diese in die elektrothermische Wandleranordnung eindringen, wobei eine Beschädigung der Elektroden 102, 103 und der wärmeerzeugenden Widerstandsschichten 107 zu erwarten ist oder eintritt. Wenn die Schutzschicht nicht beeinträchtigt wird oder wenn eine Schutzschicht nicht zur Anwendung kommt, weil die Elektroden- und wärmerzeugenden Widerstandsschichten aus einem Material gebildet werden, das eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Tinte und mechanische Festigkeit hat, dann wird der zum Wegbrennen der Brücken verwendete Strom durch die wärmeerzeugenden Widerstandsschichten fließen und diese beschädigen. Insofern kann auch dieses Verfahren nicht zur Beseitigung der Brücken Anwendung finden, da es die Zuverlässigkeit und Sicherheit im Betrieb der erzeugten Schreibköpfe herabsetzt.

Es ist; insofern Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Flüssigkeitsstrahl-Schreibkopfes, der eine Vielzahl von Düsenöffnungen aufweist, und insbesondere für die Herstellung seiner wärmeerzeugenden Teile

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mit erhöhter Zuverlässigkeit, Betriebssicherheit und verbesserten Ergebnissen anzugeben.

Ein Ziel der Erfindung ist hierbei ein Verfahren zur Herstellung eines Flüssigkeitsstrahl-Schreibkopfes, der dauerhaft und beständig bei häufiger Wiederholung während einer langen Zeitspanne verwendbar ist, wobei er die Gestalt der Flüssigkeitströpfchen unveränderlich beibehält.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist in einem Herstellungsverfahren für einen Flüssigkeitsstrahl-Schreibkopf zu sehen, der eine Flüssigkeitsausstoßsektion mit Öffnungen zum Ausbringen der Flüssigkeit in Form von fliegenden Tröpfchen und mit den Öffnungen in Verbindung stehende FlUssigkeitskanäle mit einem thermisch wirksamen Teil, um eine thermische Energie auf die Flüssigkeit zur Bildung der Tröpfchen einwirken zu lassen, sowie einen elektrothermischen Wandler mit einer wärmerzeugenden Widerstandsschicht auf einem Substrat, mit wenigstens einem Paar von entgegengesetzten, mit der wärmeerzeugenden Widerstandsschicht elektrisch verbundenen Elektroden und zwischen den Elektroden ein wärmeerzeugendes Teil umfaßt, wobei das Verfahren vorsieht, jede der Elektroden und das wärmeerzeugende Teil mittels"wenigstens zweier Ätzvorgänge auszubilden, in deren erstem eine Photolackstruktur mit einer geringeren Breite ausgestaltet wird als die Breite der Photolackstrukturen, die im zweiten Ätzvorgang bzw. in folgenden Ätzvorgängen gebildet werden.

Der Erfindungsgegenstand wird anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 3(a) bis 3(g) Schnittdarstellungen längs der Linie A-A¹ in Fig. 1 zur Darstellung der Schritte in der Ausbildung einer Elektrode eines Flüssigkeitsstrahl-Schreibkopfes gemäß der Erfindung;

Fig. 4 eine Draufsicht auf Elektroden und und Wärmeerzeugerteile, die gemäß dem Verfahren nach der Erfindung auf einem Substrat ausgebildet wurden;

Fig. 5 eine perspektivische, schematische Darstellung einer Flüssigkeitsstrahl-Schreibanordnung gemäß der Erfindung;

Fig. 6 eine perspektivische, schematische Darstellung einer Flüssigkeits£>trahl-Schreibanordnung in einer gegenüber Fig. 5 abgewandelten Ausführungsform.

Wie die Fig. 3(a) bis 3(g) zeigen, wird auf einem Glassubstrat 101 (Corning Company, 7059) mit einer Stärke von 0,7 mm mittels Aufsprühen im ersten Schritt (Fig. 3(a)) eine wärmeerzeugende Widerstandsschicht 107 aus HfB~ mit einer Stärke von 0,5 yum aufgebracht. Anschließend wird auf diese Schicht 107 mittels eines Elektronenstrahls eine Ti-Schicht mit einer Stärke von 0,005 um niedergeschlagen, auf welche eine Al-Schicht mit einer Stärke von 1 jum laminiert wird. Da:s Ergebnis ist somit eine Elektrodenschicht 108 auf de:; wärmeerzeugenden Widerstandsschicht 107.

Hierauf wird ein erster Ätzvorgang ausgeführt, um für die Elektrode eine vorbestimmte Gestalt zu erhalten. Bei dem ersten Ätzvorgang wird nach Reinigen des Substrats 101, auf welchem die Elektroden- und die wärmerzeugende Widerstandsschicht 108 bzw. 107 aufgebracht sind, und Trocknen ein Photolackfilm 109, wie FLg. 3(b) zeigt, mit Hilfe des Schleuderverfahrens laminiert. Anschließend wird der Photolackfilm 109 unter Anwendung eines Maskenausrichters

einem Licht ausgesetzt und im Entwicklungsprozeß behandelt, um eine Photolackstruktur (ein Photolackschema,) 109' zu bilden, das der vorbestimmten Elektrodengestalt auf der Elektrodenschicht 108, wie Fig. 3(c) zeigt, entspricht. Die Breite der Photolackstruktur 109' ist in den Fig. 1 (c) , 3(d) und 4 rrit "oe" bezeichnet. Ein unnötiger Teil der vom Photolackfilm nicht abgedeckten Elektrodenschicht wird hierauf vom Substrat 101 mittels Ätzmitteln für Al und Ti entfernt, womit die die vorbestimmte Endgestalt aufweisende Elektrode auf dem Substrat 101, wie Fig. 3(d) zeigt, gebildet ist.

Die oben genannten Prozesse sind dieselben wie beim Stand der Technik. Bei Beendigung aller dieser Prozesse ist die in Fig. 1 gezeigte Brücke 105 vorhanden, die beim Stand der Technik Probleme aufwirft. Diese Brücke 105 kann mit einer höheren Genauigkeit durch Anwendung eines zweiten Ätzschrittes gemäf der Erfindung, was im folgenden erläutert werden wird, entfernt werden.

Das Substrat, das die im ersten Ätzvorgang ausgebildete Elektrode von voibestimmter Gestalt aufweist, wird wiederum mit einem Photclackfilm 110 unter Anwendung des Schleuderverfahrens beschichtet, wie Fig. 3(e) zeigt. Anschließend wird gemäß Fig. 3(f) eine zweite Photolackstruktur 110' in der gleichen photolithographischen Weise wie bei dem ersten Ätzvorcang ausgebildet, und die Breite oc' dieser Photolackstruktur 110' ist großer als die Breite od der im ersten Ätz\organg gebildeten Photolackstruktur 109'. Nach Ausbildung der zweiten Photolackstruktur 110' wird unter Verwendung \on Ätzmitteln für Al und Ti ein Ätzen ausgeführt, bis die Brücken 105 zwischen einander benachbarten Elektroden vollständig entfernt sind. Schließlich werden die verbleibenden Photolackstrukturen 109' und 110*

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von den Elektroden 102 und 103 unter Anwendung einer Flüssigkeit zum Entfernen des Photo)ack's beseitigt, um Elektr/oden, die die gewünschte Endgestalt und eine höhere Genauigkeit haben, zu bilden.

Auch die wärmeerzeugende Widerstandsschicht 107 wird in gleichartiger Weise in zwei Ätzprozessen ausgebildet, wobei die Breite c*' der im zweiten Ätzschritt hergestellten Photolackstruktur größer gehalten wird als die Breite oc der im ersten Ätzschritt gefertigten Photolackstruktur.

Obwohl bei dem obigen Ausführungsbeispiel davon gesprochen wurde, daß die spätere ghotolackstruktur 110' auf der Photolackstruktur 109' vor dem zweiten Ätzvorgang laminiert wird , wie Fig. 3(e) zeigt, kann die Photolackstruktur 110' nach Entfernen der Photolackstruktur 109* mit der Flüssigkeit laminiert werden.

Wenn auch das Ausführungsbeispiel mit Bezug auf ein Naß-Ätzverfahren ^erläutert wurde, so ist die Erfindung jedoch gleicherweise auf das anodische Oxydations- oder das Trokkenätzverfahren anwendbar. Diese Verfahren können einzeln oder in Kombination zur Anwendung kommen, so daß beispielsweise der erste Ätzvorgang zum zweiten verschiedenartig ist.

Die Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf die Elektroden 102 sowie 103 und.auf ein Wärmeerzeugerteil 104, die auf dem Substrat 101 in dem Verfahren gemäß der Erfindung gebildet wurden. In Fig. 4 sind mit ausgezogenen Linien die Teile der im ersten Ätzvorgang gebildeten Photolackstruktur, deren Breite <=< geringer ist als die Breite <x- ' der im zweiten Ätzvorgang gebildeten Photolackstruktur 110', die mit gestrichelten Linien angegeben ist, dargestellt. Hieraus folgt, daß die erste Photolackstruktur durch die zweite ohne Beeinträchtigung des Ätzmittels geschützt wer-

den kann. Darüber hinaus sind die Brücken vollständig vom Substrat 101 entfernt, wie bei 105' und 106' angedeutet ist.

Wenngleich bei der erläuterten Ausführungsform die Brücken restlos durch ein Ätzen entfernt wurden, so ist diese vollständige Entfernung jedoch nicht notwendig, d.h., es ist nur nötig, daß die einander benachbarten Elektroden ausreichend voneinander getrennt sind. Allerdings ist ein solcher Abstand vorzusehen, daß jegliches Eingangssignal nicht von den benachbarten Elektroden im engsten Teil zwischen aneinandergrenzenden Elektroden irgendwie ungünstig beeinflußt wird.

Gemäß der Erfindung wird die Ausbildung der Elektroden und der Wärmeerzeugerteile mittels zweier Ätzvorgänge ausgeführt, so daß die im ersten Ätzvorgang ausgebildete Photolackstruktur eine geringere Breite hat als die im zweiten Ätzvorgang ausgebildete Photolackstruktur. Deshalb kann die gesamte, vom ersten Ätzvorgang erhaltene Photolackstruktur von der zweiten geschützt werden. Darüber hinaus dient der zweite Ätzschritt dazu, nur die Brücken zwischen jeweils benachbarten Elektroden und zwischen jeweils benachbarten wärmeerzeugenden Widerstandsschichten, welche Brücken die Genauigkeit und Fehlerfreiheit des Schreibkopfes negativ beeinflussen können, zu entfernen. Auf diese Weise kann der Schreibkopf ohne jegliche Verminderung in der Haltbarkeit, Zuverlässigkeit und Fertigungsgenauigkeit hergestellt werden. Insbesondere kann das Ergebnis in bezug auf die Elektroden und die wärmeerzeugenden Teile des Schreibkopfes verbessert werden.

Die folgende Tabelle zeigt die Vergleichsergebnisse zwischen dem Verfahren nach dem Stand der Technik, wobei nur ein einziger Ätzvorgang zur Anwendung kommt, und dem Verfahren nach der Erfindung, wobei zwei Ätzschritte ausgeführt werden, um die Elektroden und die wärmeerzeugenden Teile zu bilden. Wie sich aus der Tabelle klar ergibt, ist das Verfahren gemäß der Erfindung leistungsfähiger, wirksamer und nützlicher, wenn die Herstellung eines Schreibkopfes mit einer Vielzahl von Düsen in hoher Dichte angestrebt wird.

Tabelle

Strukturdichte	Produktionsausbeute (%)	Erfindung
(Pel )	Stand d.Technik	98
4	82	90
8	66	82
12	45	75
16	37

Die Fig. 5 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Flüssigkeitsstrahl-Schreibkopfes, der nach dem Verfahren gemäß der Erfindung ausgebildet wurde. Dieser Schreibkopf umfaßt ein Substrat 201, Flüssigkeitskanäle 202, Kanalwände 203, Düsen 204, eine gemeinsame Flüssigkeitskammer 205, verbindende Öffnungen 206 und eine Deckplatte 211, die von den Düsenöffnungen 204 durchsetzt wird.

Eine andere Art eines nach der Erfindung ausgebildeten Flüssigkeitsstrahl-Schreibkopfes ist in Fig. 6 gezeigt, und dieser Schre:.bkopf umfaßt ein Substrat 301, elektrothermisch^ Energiewandlerelemente 302, ein Teil 303, das FlüssigkeitskanäLe 305 bildet, Düsenöffnungen 304, die

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Flüssigkeitskanal 305, eine Deckplatte 306, eine Zufuhröffnung 307 zur Einspeisung von Flüssigkeit aus einem externen Flüssigkeits-(Tinten-)Behälter in den Schreibkopf und eine gemeinsame Flüssigkeitskammer 308.

Jeder der beiden Schreibköpfe, die in Fig. 5 und 6 gezeigt sind, ist im Aufzeichnen sehr wirksam und leistungsfähig. Mit anderen Worten ausgedrückt heißt das, daß der Schreibkopf mit einem gesteigerten und verbesserten Ergebnis hergestellt wird sowie Flüssigkeitströpfchen von konstanter Größe., die an den Düsenöffnungen ausgespritzt werden, liefert.

Claims

Patentansprüche

U. /herfahren zur Herstellung eines Flüssigkeitsstrahl-Schreibkopfes mit einer Flüssigkeitsaustrittssektion, die Düsenöffnungen für den Austritt der Flüssigkeit in Form von fliegenden Tröpfchen und mit den Düsenöffnungen in Verbindung stehende Flüssigkeitskanäle mit einem thermisch wirksamen Teil zur Erzeugung von auf die Flüssigkeit zur Bildung der Flüssigkeitströpfchen einwirkender Wärmeenergie umfaßt, und mit einer elektrothermischen Wandlereinrichtung, die eine wärmeerzeugende Widerstandsschicht auf einem Substrat, wenigstens ein Paar von entgegengesetzten, mit der wärmeerzeugenden Widerstandsschicht elektrisch verbundenen Elektroden und zwischen den Elektroden ein wärmeerzeugendes Teil umfaßt, gekennzeichnet durch

Dresdner Bank (München) KIo. 3939 844

Bayer. Vereinsbank (Muncheni Kto 508 941

Postscheck (Munchun) KIn UAl 43 l'iM

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Ausbilden der Elektroden und des wärmeerzeugenden Teils mittels wenigstens eines ersten sowie zweiten Ätzvorgangs, wobei eine im ersten Ätzvorgang gebildete Photolackstruktur eine geringere Breite gegenüber der Breite der im zweiten Ätzvorgang und in folgenden Ätzvorgängen gebildeten Photolackstruktur aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzvorgänge einen Naß-Ätzvorgang einschließen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzvorgänge einen anodischen Oxydationsvorgang einschließen.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ätzvorgänge einen Trocken-Ätzvorgang einschließen.