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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf Druckköpfe, die in Fluidstrahl-Druckern
verwendet werden, und insbesondere auf einen Fluidstrahl-Druckkopf,
der in einer Fluidstrahl-Druckkassette
mit verbesserter dimensionaler Steuerung und verbesserter Stufenüberdeckung
verwendet wird.
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Hintergrund
der Erfindung
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Ein
Typ eines Fluidstrahl-Drucksystems verwendet einen piezoelektrischen
Wandler, um einen Druckimpuls zu erzeugen, der einen Fluidtropfen
aus einer Düse
heraustreibt. Ein zweiter Typ eines Fluidstrahl-Drucksystems verwendet
thermische Energie, um in einer mit einem Fluid gefüllten Kammer
eine Dampfblase zu erzeugen, die einen Fluidtropfen heraustreibt.
Der zweite Typ wird als thermisches Fluidstrahl- oder Bubble-Jet-Drucksystem
bezeichnet.
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Herkömmliche
thermische Fluidstrahl-Drucker umfassen eine Druckkassette, in der
kleine Fluidtropfen gebildet und zu einem Druckmedium hin ausgestoßen werden.
Derartige Druckkassetten umfassen Tintenstrahl-Druckköpfe mit Öffnungsstrukturen,
die sehr kleine Düsen
aufweisen, durch welche die Fluidtropfen ausgestoßen werden.
Benachbart zu den Düsen
im Inneren des Fluidstrahl-Druckkopfs befinden sich Fluidkammern,
in denen vor einem Ausstoßen
ein Fluid gespeichert wird. Das Fluid wird über Fluidkanäle, die
in fluidischer Kommunikation mit einem Fluidvorrat stehen, den Fluidkammern
zugeführt.
Der Fluidvorrat kann z.B. in einem Reservoir, das Teil der Druckkassette
ist, enthalten sein.
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Das
Ausstoßen
eines Fluidtropfens, wie z.B. Tinte, durch eine Düse kann
durch schnelles Erwärmen
eines Fluidvolumens in der benachbarten Fluidkammer erreicht werden.
Die rasche Ausdehnung eines Fluiddampfes zwingt einen Fluidtropfen
durch die Düse
in der Öffnungsstruktur.
Dieser Prozeß ist gemeinhin
als „Abfeuern" bekannt. Das Fluid
in der Kammer kann mit einem Wandler, wie z.B. einem Widerstand,
erwärmt
werden, der benachbart zu der Düse
angeordnet und ausgerichtet ist.
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Bei
herkömmlichen
thermischen Fluidstrahl-Druckkopf-Vorrichtungen, wie z.B. Tintenstrahl-Kassetten,
werden als Heizelemente Dünnfilmwiderstände verwendet.
Bei derartigen Dünnfilmbauelementen
ist das Widerstandsheizmaterial in der Regel auf einem thermisch
und elektrisch isolierenden Substrat aufgebracht. Eine leitfähige Schicht wird
anschließend über dem
Widerstandsmaterial aufgebracht. Das einzelne Heizerelement (d.h.
Widerstand) ist in seinen Abmessungen durch Leiterbahnstrukturen
definiert, die durch zahlreiche Schritte, darunter herkömmliches
Maskieren, Ultraviolettbelichtung und Ätztechniken, auf den leitfähigen und resistiven
Schichten lithographisch gebildet werden. Spezifischer betrachtet
wird die kritische Breitenabmessung eines einzelnen Widerstands
durch einen Trockenätzprozeß gesteuert.
Zum Beispiel wird ein ionenunterstützter Plasmaätzprozeß verwendet,
um Abschnitte der leitfähigen
und Widerstandsschichten, die nicht durch eine Photoresistmaske
geschützt sind,
zu ätzen.
Die Breite des verbleibenden leitfähigen Dünnfilmstapels (aus leitfähigen und
Widerstandsschichten) definiert die endgültige Breite des Widerstands.
Die Widerstandsbreite ist definiert als die Breite des freiliegenden
Widerstands senkrecht zu der Stromflußrichtung. Umgekehrt wird die
kritische Längenabmessung
eines einzelnen Widerstands durch einen darauffolgenden Naßätzprozeß gesteuert.
Ein Naßätzprozeß wird verwendet,
um einen Widerstand zu produzieren, der auf der leitfähigen Schicht
geneigte Wände
aufweist, welche die Widerstandslänge definieren. Die geneigten
Wände der
leitfähigen
Schicht ermöglichen
eine Stufenüberdeckung
später
hergestellter Schichten.
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Wie
oben erörtert,
erfordern herkömmliche thermische
Fluidstrahl-Druckkopf-Vorrichtungen sowohl Trockenätz- als
auch Naßätzprozesse.
Der Trockenätzprozeß bestimmt
die Breitenabmessung eines einzelnen Widerstandes, wohingegen der Naßätzprozeß sowohl
die Längenabmessung
als auch die notwendigen geneigten Wände definiert, die an dem einzelnen
Widerstand beginnen. Es ist in der Technik bekannt, daß jeder
Prozeß zahlreiche
Schritte erfordert, wodurch sich sowohl die Zeit, eine Druckkopf-Vorrichtung
herzustellen, als auch die Kosten der Herstellung einer Druckkopf-Vorrichtung erhöhen.
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Eine
oder mehrere Passivierungs- und Kavitationsschichten werden auf
eine abgestufte Weise über
die leitfähigen
und Widerstandsschichten hergestellt und anschließend selektiv
entfernt, um ein Durchgangsloch zum Zweck einer elektrischen Verbindung
einer zweiten leitfähigen
Schicht mit den Leiterbahnen zu erzeugen. Die zweite leitfähige Schicht ist
strukturiert, um einen diskreten leitfähigen Weg von jeder Bahn zu
einer freiliegenden, entfernt von dem Widerstand befindlichen Verbindungsanschlußfläche zu definieren.
Die Verbindungsanschlußfläche ermöglicht eine
Verbindung mit elektrischen Kontakten auf der Druckkassette. Aktivierungssignale
werden über
die elektrischen Kontakte von dem Drucker ausgehend an den Widerstand
geliefert.
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Die
Druckkopfunterstruktur ist mit zumindest einer Öffnungsschicht überdeckt.
Vorzugsweise ist die zumindest eine Öffnungsschicht geätzt, um
die Form der gewünschten
Abfeuerungsfluidkammer innerhalb der zumindest einen Öffnungsschicht
zu definieren. Die Fluidkammer liegt über dem Widerstand und ist
mit demselben ausgerichtet. Die zumindest eine Öffnungsschicht ist vorzugsweise
mit einer Polymerbeschichtung gebildet oder optional aus einer Fluidbarriereschicht
und einer Öffnungsplatte
hergestellt. Andere Verfahren zum Bilden der Öffnungsschicht(en) sind den
Fachleuten bekannt.
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Die
U.S. 5 943 076 offenbart einen Druckkopf für thermische Tintenstrahlgeräte und ein
Verfahren zum Bilden des Druckkopfs.
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Bei
thermischen Direkttreiber-Fluidstrahl-Druckerentwürfen wird
das Dünnfilmbauelement
selektiv durch eine Elektronik getrieben, die vorzugsweise innerhalb
des Integrierte-Schaltungs-Teils
der Druckkopfunterstruktur integriert ist. Die integrierte Schaltung
leitet über
leitfähige
Schichten elektrische Signale direkt von dem Drucker-Mikroprozessor
zu dem Widerstand. Die Temperatur des Widerstands steigt und er
erzeugt überhitzte
Fluidblasen zum Zweck eines Ausstoßens des Fluids von der Fluidkammer
durch die Düse.
Herkömmliche thermische
Fluidstrahl-Druckkopf-Vorrichtungen können jedoch unter inkonsistenten
und unzuverlässigen Fluidtropfengrößen und
inkonsistenter Einschaltenergie, die erforderlich ist, um einen
Fluidtropfen abzufeuern, leiden, wenn die Widerstandsabmessungen nicht
streng gesteuert werden. Ferner können die abgestuften Regionen
innerhalb der Fluidkammer die Tropfenbahn und die Vorrichtungszuverlässigkeit
beeinflussen. Die Vorrichtungszuverlässigkeit wird durch die Blase
beeinflußt,
die nach dem Ausstoßen eines
Tropfens zusammenfällt
und dadurch die abgestuften Regionen abnutzt.
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Es
ist erwünscht,
einen Fluidstrahl-Druckkopf herzustellen, der in der Lage ist, Fluidtropfen
mit konsistenten und zuverlässigen
Fluidtropfengrößen zu produzieren.
Außerdem
ist es erwünscht,
einen Fluidstrahl-Druckkopf herzustellen, der eine konsistente Einschaltenergie
(TOE) aufweist, die erforderlich ist, um einen Fluidtropfen abzufeuern,
wodurch eine bessere Steuerung der Größe der Fluidtropfen bereitgestellt
wird.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Erzeugen eines planaren
Widerstands, das folgende Schritte aufweist:
Aufbringen einer
Isolatorschicht auf eine Substratoberfläche;
Aufbringen eines
dielektrischen Materials auf die Isolatorschicht;
Strukturieren
des dielektrischen Materials, um einen Bereich zu erzeugen, um den
planaren Widerstand zu bilden;
Ätzen des strukturierten, dielektrischen
Materials, um die Länge
des planaren Widerstands zu definieren;
Aufbringen einer leitfähigen Schicht
auf die Isolatorschicht, um an das geätzte dielektrische Material
anzugrenzen, das die Länge
des planaren Widerstands definiert;
Planarisieren der leitfähigen Schicht,
um das dielektrische Material freizulegen;
Aufbringen einer
resistiven Schicht auf die leitfähige Schicht
und das freigelegte, dielektrische Material;
Strukturieren
der resistiven Schicht, um die Breite des planaren Widerstands zu
definieren; und
Ätzen
der resistiven Schicht, um die Breite des planaren Widerstands zu
bilden.
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Die
vorliegende Erfindung liefert zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen
Verfahren zum Bilden von Dünnfilmdruckköpfen. Erstens
schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bilden einer
Struktur, die in der Lage ist, einen Fluidtropfen in einer Richtung
abzufeuern, die im wesentlichen senkrecht (normal oder orthogonal)
zu einer Ebene ist, die durch das Widerstandselement bzw. resistive Element
und die Ausstoßoberfläche des
Druckkopfs definiert wird. Zweitens werden die Abmessungen und die
Ebenheit der Widerstandsmaterialschicht präziser gesteuert, was die Schwankung
der Einschaltenergie reduziert, die erforderlich ist, um einen Fluidtropfen
abzufeuern. Drittens wird die Größe eines
Fluidtropfens aufgrund einer geringeren Schwankung der Widerstandsgröße besser
gesteuert. Viertens werden die Korrosionsbeständigkeit, die Oberflächentextur
und der Elektromigrationswiderstand der leitfähigen Schichten durch den Entwurf
inhärent
verbessert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine vergrößerte Querschnittsteilansicht,
die eine herkömmliche
Dünnfilmdruckkopfunterstruktur
darstellt.
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2 ist
ein Flußdiagramm
eines beispielhaften Prozesses, der verwendet wird, um die herkömmliche
Dünnfilmdruckkopfstruktur
zu implementieren.
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3A ist
eine vergrößerte Querschnittsteilansicht,
welche die Dünnfilmdruckkopfunterstruktur darstellt,
die unter Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung gebildet
wurde.
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3B ist
eine Überkopfansicht
des Widerstandselements.
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4 ist
ein Flußdiagramm
eines Prozesses gemäß der vorliegenden
Erfindung, der verwendet wird, um eine Dünnfilmdruckkopfstruktur herzustellen.
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5 ist
eine perspektivische Ansicht eines Druckkopfes, der mit der Erfindung
hergestellt wird.
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6 ist
eine beispielhafte Druckkassette, die den Druckkopf aus 5 integriert
und verwendet.
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7 ist
eine beispielhafte Aufzeichnungsvorrichtung, ein Drucker, welche
die Druckkassette aus 6 verwendet.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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In
der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
wird Bezug genommen auf die beiliegenden Zeichnungen, die einen
Teil hiervon bilden und in denen mittels Darstellung spezifische
Ausführungsbeispiele
gezeigt werden, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. Es
sei darauf hingewiesen, daß andere
Ausführungsbeispiele
genutzt werden und strukturelle oder logische Veränderungen
vorgenommen werden können, ohne
von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die
folgende detaillierte Beschreibung ist daher nicht in einem einschränkenden Sinn
aufzufassen, und der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung wird
nur durch die beigefügten
Patentansprüche
definiert.
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Die
vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines planaren
Widerstands. Die vorliegende Erfindung schafft zahlreiche Vorteile
gegenüber
den herkömmlichen
Verfahren zum Herstellen planarer Widerstände für Fluidstrahl- oder Tintenstrahl-Druckköpfe. Erstens
schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bilden einer
Struktur, die in der Lage ist, einen Fluidtropfen in einer Richtung
abzufeuern, die im wesentlichen senkrecht (normal oder orthogonal)
zu einer Ebene ist, die durch das Widerstandselement und die Ausstoßoberfläche des
Druckkopfs definiert wird. Zweitens werden die Abmessungen und die
Ebenheit der Widerstandsschicht bzw. resistiven Schicht präziser gesteuert, was
die Schwankung der Einschaltener gie, die erforderlich ist, um einen
Fluidtropfen abzufeuern, reduziert. Drittens wird die Größe eines
Fluidtropfens aufgrund einer geringeren Schwankung der Widerstandsgröße besser
gesteuert. Viertens sorgt der Entwurf inhärent für eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit,
einen verbesserten Elektromigrationswiderstand der leitfähigen Schichten
und eine glattere Widerstandsoberfläche.
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1 ist
eine vergrößerte Querschnittsteilansicht,
die einen herkömmlichen
Dünnfilmdruckkopf 190 darstellt.
Die Dicken der einzelnen Dünnfilmschichten
sind nicht maßstabsgetreu
und nur zu erläuternden
Zwecken gezeichnet. Wie in 1 abgebildet,
weist der Dünnfilmdruckkopf 190 eine
an demselben befestigte Fluidbarriereschicht 70 auf, die
entlang einer Öffnungsplatte 80 geformt
ist, um eine Fluidkammer 100 zu definieren, um eine Öffnungsschicht 82 (siehe 5)
zu erzeugen. Optional können
die Öffnungsschicht 82 und
die Fluidbarriereschichten 70 aus einer oder mehreren Schichten
eines Polymermaterials hergestellt sein. Ein Fluidtropfen innerhalb
einer Fluidkammer 100 wird rasch erwärmt und durch eine Düse 90 abgefeuert,
wenn der Druckkopf verwendet wird.
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Die
Dünnfilmdruckkopfunterstruktur 190 umfaßt ein Substrat 10,
eine isolierende Isolatorschicht 20, eine Widerstandsschicht 30,
eine leitfähige Schicht 40 (welche
die Leiter 42A und 42B umfaßt), eine Passivierungsschicht 50,
eine Kavitationsschicht 60 und eine Fluidbarrierestruktur 70,
die mit der Öffnungsplatte 80 die
Fluidkammer 100 definiert.
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Wie
in 2 dargestellt ist, wird eine relativ dicke Isolatorschicht 20 (auch
als isolierendes Dielektrikum bezeichnet) bei Schritt 110 vorzugsweise durch
Aufbringung auf ein Substrat 10 aufgetragen. Siliziumdioxide
sind Beispiele für
Materialien, die verwendet werden, um die Isolatorschicht 20 herzustellen.
Die Isolatorschicht 20 ist vorzugsweise aus Tetraethylorthosilikat-(TEOS)-Oxid
gebildet, das eine Dicke von 14.000 Angström aufweist. Bei einem alternativen
Ausführungsbeispiel
ist die isolierende Schicht 20 aus Siliziumdioxid hergestellt.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel
ist sie aus Siliziumnitrid gebildet.
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Es
gibt zahlreiche Wege, die Isolierungsschicht 20 herzustellen,
wie z.B. durch eine plasmaunterstützte chemische Dampfaufbringung (PECVD)
oder einen thermischen Oxidprozeß. Die Isolatorschicht 20 dient
sowohl als thermischer als auch als elektrischer Isolator für die Widerstandsschaltung,
die auf ihrer Oberfläche
aufgebaut wird. Die Dicke der Isolatorschicht kann eingestellt werden,
um die Wärmeübertragungs-
oder -isolierfähigkeiten
der Schicht je nach einer erwünschten
Einschaltenergie und Abfeuerungsfrequenz zu variieren.
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Als
nächstes
wird bei Schritt 112 die Widerstandsschicht 30 aufgetragen,
um die Oberfläche
der Isolierungsschicht 20 einheitlich zu überdecken.
Die Widerstandsschicht ist vorzugsweise Tantal-Siliziumnitrid oder
Wolfram-Siliziumnitrid mit einer Dicke von 1.200 Angström, obwohl
auch Tantal-Aluminium verwendet werden kann. Als nächstes wird
bei Schritt 114 eine leitfähige Schicht 40 über die
Oberfläche
der Widerstandsschicht 30 aufgetragen. Bei herkömmlichen
Strukturen ist die leitfähige
Schicht 40 vorzugsweise aus Aluminium-Kupfer oder alternativ
aus Tantal-Aluminium
oder Aluminium-Gold gebildet. Zusätzlich kann ein Metall, das
verwendet wird, um die leitfähige
Schicht 40 zu bilden, auch mit Materialien, wie z.B. Kupfer,
Gold, Silizium oder Kombinationen derselben, dotiert oder kombiniert
werden. Eine bevorzugte Dicke für
die leitfähige
Schicht 40 beträgt
5.000 Angström.
Die Widerstandsschicht 30 und die leitfähige Schicht 40 können durch
verschiedene Techniken, wie z.B. durch eine physikalische Dampfaufbringung
(PVD), hergestellt werden.
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Bei
Schritt 116 wird die leitfähige Schicht 40 mit
einer Photoresistmaske strukturiert, um die Breitenabmessung des Widerstands
zu definieren. Anschließend
wird bei Schritt 118 die leitfähige Schicht 40 geätzt, um
die Leiter 42A und 42B zu definieren. Die Herstellung
der Leiter 42A und 42B definiert die kritischen
Längen-
und Breitenabmessungen der aktiven Region der Widerstandsschicht 30.
Spezifischer betrachtet, wird die kritische Breitenabmessung der
aktiven Region der Widerstandsschicht 30 durch einen Trockenätzprozeß gesteuert.
Zum Beispiel wird ein ionenunterstützter Plasmaätzprozeß verwendet,
um Abschnitte der leitfähigen
Schicht 40, die nicht durch eine Photoresistmaske geschützt sind,
vertikal zu ätzen,
wodurch eine maximale Widerstandsbreite als gleich der Breite der
Leiter 42A und 42B definiert wird. Bei Schritt 120 wird
die Leiterschicht mit einem Photoresist strukturiert, um die Längenabmessung
des Widerstands zu definieren, die als Abstand zwischen den Leitern 42A und 42B definiert
ist. Bei Schritt 122 wird die kritische Längenabmessung
der aktiven Region der Widerstandsschicht 30 durch einen
Naßätzprozeß gesteuert.
Es wird ein Naßätzprozeß verwendet,
da es erwünscht ist,
Leiter 42A und 42B mit geneigten Wänden herzustellen,
wodurch die Widerstandslänge
definiert wird. Geneigte Wände
der leitfähigen
Schicht 42A ermöglichen
ein Stufenüberdeckung
später
hergestellter Schichten, wie z.B. einer Passivierungsschicht, die bei
Schritt 124 aufgetragen wird.
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Die
Leiter 42A und 42B dienen als die Leiterbahnen,
die ein Signal an die aktive Region der Widerstandsschicht 30 zum
Abfeuern eines Fluidtropfens liefern. Somit verläuft die Leiterbahn oder der leitfähige Weg
für einen
elektrischen Signalimpuls, der die aktive Region der Widerstandsschicht 30 erwärmt, von
dem Leiter 42A durch die aktive Region der Widerstandsschicht 30 zu
dem Leiter 42B.
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Bei
Schritt 124 wird dann die Passivierungsschicht 50 einheitlich über die
Vorrichtung aufgetragen. Es gibt zahlreiche Passivierungsschichtentwürfe, die
verschiedene Zusammensetzungen umfassen. Bei einem herkömmlichen
Ausführungsbeispiel werden
zwei Passivierungsschichten anstelle einer einzigen Passivierungsschicht
aufgetragen. Bei dem herkömmlichen
Druckkopfbeispiel aus 1 weisen die beiden Passivierungsschichten
eine Schicht aus Siliziumnitrid gefolgt von einer Schicht aus Siliziumkarbid
auf. Spezifischer betrachtet wird die Siliziumnitridschicht auf
der leitfähigen
Schicht 40 und der Widerstandsschicht 30 aufgebracht,
und anschließend
wird ein Siliziumkarbid vorzugsweise aufgebracht. Bei diesem Entwurf
kann eine Elektromigration der leitfähigen Schicht in die Passivierungsschicht eindringen.
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Nachdem
die Passivierungsschicht 50 aufgebracht wurde, wird die
Kavitationsbarriere 60 aufgetragen. Bei dem herkömmlichen
Beispiel weist die Kavitationsbarriere Tantal auf. Ein Zerstäubungsprozeß, wie z.B.
eine physikalische Dampfaufbringung (PVD) oder andere bekannte Techniken,
bringt das Tantal auf. Die Fluidbarriereschicht 70 und Öffnungsschicht 80 werden
anschließend
auf die Struktur aufgetragen, wodurch die Fluidkammer 100 definiert wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel
ist die Fluidbarriereschicht 70 aus einem photoempfindlichen
Polymer und die Öffnungsschicht 80 aus
einem plattiertem Metall oder organischen Polymeren hergestellt. Die
Fluidkammer 100 ist in 1 als eine
im wesentlichen rechteckige oder quadratische Konfiguration abgebildet.
Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Fluidkammer 100 andere
geometrische Konfigurationen umfassen kann, ohne von der vorliegenden Erfindung
abzuweichen.
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Der
Dünnfilmdruckkopf 190,
abgebildet in 1, stellt ein Beispiel eines
typischen herkömmlichen
Druckkopfs dar. Der Druckkopf 190 erfordert jedoch sowohl
einen Naß-
als auch einen Trockenätzprozeß, um die
funktionale Länge
und Breite der aktiven Region der Widerstandsschicht 30 zu
definieren, sowie um die geneigten Wände der leitfähigen Schicht 40 zu
erzeugen, die für
eine angemessene Stufenüberdeckung
der später
hergestellten Schichten, wie z.B. der Passivierungsschicht 50 und
der Kavitationsschicht 60, erforderlich sind.
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3 ist eine vergrößerte Querschnittsteilansicht,
welche die Schichten für
einen Fluidstrahl-Druckkopf 200 darstellt, der unter Verwendung des
Verfahrens der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Die Dicken
der einzelnen Dünnfilmschichten sind
nicht maßstabsgetreu
und nur für
erläuternde Zwecke
gezeichnet. 5 ist ein vergrößerter Grundriß, der einen
Fluidstrahl-Druckkopf 200 darstellt, der unter Verwendung
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Wie in 4 bei Schritt 110 abgebildet
ist, wird die isolierende Schicht 20 durch Aufbringung
auf das Substrat 10 mittels eines bekannten Mittels, wie
z.B. plasma-unterstützte chemische
Dampfaufbringung (PEVCD), chemische Dampfaufbringung bei Niederdruck
(LPCVD), chemische Dampfaufbringung bei atmosphärischem Druck (APCVD) oder
eines thermischen Oxidprozesses, hergestellt. Vorzugsweise ist die
Isolatorschicht 20 aus Tetraethylorthosilikat-(TEOS)-Oxid
mit einer Dicke von 9.000 Angström
gebildet. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die isolierende
Schicht 20 aus Siliziumdioxid hergestellt. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel
ist sie aus Siliziumnitrid gebildet.
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Bei
Schritt 126 wird ein dielektrisches Material 44 auf
die Isolatorschicht aufgebracht. Dieses dielektrische Material 44 wird
anschließend
bei Schritt 128 strukturiert, um einen Widerstandsbereich
zu erzeugen, und anschließend
bei Schritt 130 trockengeätzt, um Dünnfilmschichten zu bilden,
welche die Längenabmessung
L des Widerstands definieren. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist das dielektrische Material aus Siliziumnitrid mit einer Dicke
von ungefähr
5.000 Angström
gebildet. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist das dielektrische
Material 44 aus Siliziumdioxid oder Siliziumkarbid hergestellt.
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Bei
Schritt 114 wird die aus einem leitfähigen Material bestehende Schicht 40 anschließend oben auf
der isolierenden Schicht 20 hergestellt und stößt an das
geätzte
die lektrische Material 44 an, um die Widerstandslänge L zu
bilden. Bei einem Ausführungsbeispiel
ist die aus einem leitfähigen
Material bestehende Schicht 40 eine Schicht, die durch
eine physikalische Dampfaufbringung (PVD) aus Aluminium und Kupfer
mit einer Dicke von ungefähr
5.000 Angström
gebildet wird. Spezifischer betrachtet umfaßt die aus einem leitfähigen Material
bestehende Schicht 40 bei einem Ausführungsbeispiel bis zu ungefähr 2% Kupfer
in Aluminium, vorzugsweise ungefähr
0,5% Kupfer in Aluminium. Das Nutzen eines kleinen Kupferanteils
in Aluminium schränkt
eine Elektromigration ein. Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die aus einem leitfähigen
Material bestehende Schicht 40 aus Titan, Kupfer oder Wolfram
gebildet.
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Bei
Schritt 132 wird ein photo-abbildbares Maskierungsmaterial,
wie z.B. ein Photoresist, auf Abschnitte der leitfähigen Schicht 40 aufgebracht, wodurch
andere Abschnitte der leitfähigen
Schicht 40 freigelegt werden.
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Bei
Schritt 134 wird die obere Oberfläche der leitfähigen Schicht 40 anschließend derart
planarisiert, daß die
obere Oberfläche
des dielektrischen Materials 44 auf gleicher Höhe mit der
oberen Oberfläche
der leitfähigen
Schicht 40 ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird die obere Oberfläche
der leitfähigen
Schicht 40 durch Verwendung eines Resistrückätz-(REB)-Prozesses
planarisiert. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird die obere Oberfläche der
leitfähigen
Schicht 40 durch Verwendung eines chemischen/mechanischen
Polierprozesses (CMP) planarisiert.
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Als
nächstes
wird bei Schritt 112 die Widerstandsschicht 30 aufgetragen,
um die Oberfläche
der gesamten Oberfläche
des Substrats 10 und zuvor aufgetragene Schichten (Waferoberfläche) einheitlich
zu überdecken.
Die Widerstandsschicht 30 ist vorzugsweise Wolfram-Siliziumnitrid
mit einer Dicke von 1.200 Angström,
obwohl auch Tantal- Aluminium, Tantal,
oder Tantal-Siliziumnitrid verwendet werden können.
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Bei
Schritt 116 wird ein photo-abbildbares Maskierungsmaterial
auf die zuvor aufgetragenen Schichten auf der Substratoberfläche aufgebracht. Das
photo-abbildbare Maskierungsmaterial wird entfernt, wo die kombinierte
Widerstandsschicht 30 und leitfähige Schicht 40 geätzt werden
sollen, um die Widerstandsbreite W bzw. die Leiter 42A und 42B zu definieren.
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Bei
Schritt 136 werden die freiliegenden Abschnitte der Widerstandsschicht 30 und
der leitfähigen
Schicht 40 durch einen Trockenätzprozeß entfernt, wobei mehrere derartiger
Prozesse den Fachleuten bekannt sind, wie sie bei Schritt 118 aus 2 beschrieben
wurden. Dieser Ätzschritt
definiert und bildet die Widerstandsbreite. Die Photoresistmaske wird
anschließend
entfernt, wodurch beispielhafte, im wesentlichen rechteckig geformte
Leiter 42A und 42B freigelegt werden. Die Passivierungsschicht 50, Kavitationsschicht 60,
Barriereschicht 70 und Öffnungsschicht 80 werden
dann so aufgetragen, wie es für
den herkömmlichen
Druckkopf beschrieben ist.
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Die
Leiter 42A und 42B liefern eine elektrische Verbindung/einen
elektrischen Weg zwischen einer externen Schaltungsanordnung und
dem gebildeten Widerstandselement. Daher übertragen die Leiter 42A und 42B Energie
zu dem gebildeten Widerstand, um Wärme zu erzeugen, die in der
Lage ist, einen Fluidtropfen, der auf einer oberen Oberfläche des
gebildeten Widerstandselements positioniert ist, in einer Richtung
senkrecht zu der oberen Oberfläche des
Widerstandselements abzufeuern.
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Wie
in 3B abgebildet ist, definieren die Leiter 42A und 42B ein
Widerstandselement 46 zwischen den Leitern 42A und 42B.
Das Widerstandselement 46 weist eine Länge L auf, die gleich dem Abstand
zwischen den Leitern 42A und 42B ist. Das Widerstandselement 46 weist
eine Breite W auf. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß das Widerstandselement 46 so
hergestellt sein kann, daß es
eine aus einer Vielzahl von Konfigurationen, Formen oder Größen aufweist,
wie z.B. eine dünne
Bahn oder eine breite Bahn der Leiter 42A und 42B.
Die einzige Anforderung an das Widerstandselement 46 besteht
darin, daß es
die Leiter 42A und 42B berührt, um eine zweckmäßige elektrische
Verbindung zu gewährleisten.
Zwar ist die tatsächliche
Länge L
des Widerstandselements 46 gleich dem Abstand zwischen den äußersten
Kanten der Leiter 42A und 42B oder größer als
derselbe, doch entspricht der aktive Abschnitt des Widerstandselements 46,
der Wärme
zu einem Fluidtropfen leitet, der über dem Widerstandselement 46 positioniert
ist, dem Abstand zwischen den äußersten
Kanten der Leiter 42A und 42B.
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In 5 steht
jede Öffnungsdüse 90 in
Fluidkommunikation mit jeweiligen Fluidkammern 100 (vergrößert abgebildet
in 3A), die in einem Druckkopf 200 definiert
sind. Jede Fluidkammer ist in einer Öffnungsstruktur 82 aufgebaut,
die benachbart zu der Dünnfilmstruktur 32 befindlich
ist, die vorzugsweise einen mit der Widerstandskomponente gekoppelten
Transistor umfaßt.
Die Widerstandskomponente wird selektiv mit einem ausreichenden
elektrischen Strom getrieben (erwärmt), um sofort einen Teil
des Fluids in der Fluidkammer 100 verdampfen zu lassen,
wodurch ein Fluidtropfen durch eine Düse 90 gezwungen wird.
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Eine
beispielhafte Fluidstrahl-Druckkassette 220 ist in 6 dargestellt.
Die Fluidstrahl-Druckkopf-Vorrichtung, die unter Verwendung des
Verfahrens der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, ist ein Abschnitt
der Fluidstrahl-Druckkassette 220.
Die Fluidstrahl-Druckkassette 220 umfaßt einen Körper 218, eine flexible
Schaltung 212 mit Schaltungsanschlußflächen 214 und einen
Druckkopf 200 mit Öffnungsdüsen 90.
In der Fluidstrahl-Druckkassette 220 steht der Fluidstrahl-Druckkopf 200 in
fluidischer Verbindung mit einem Fluid in dem Körper 218 unter Verwendung
eines Fluid zuführsystems 216,
abgebildet als ein Schwamm, um einen Gegendruck unter Verwendung
einer Kapillarwirkung in dem Schwamm (vorzugsweise ein geschlossenzelliger
Schaumstoff) zu liefern, um ein Austreten eines Fluids durch die Öffnungsdüsen 90 zu
verhindern, wenn nicht in Verwendung. In 6 ist zwar
die flexible Schaltung 212 abgebildet, doch sei darauf
hingewiesen, daß andere bekannte
elektrische Schaltungen anstelle der flexiblen Schaltung 212 genutzt
werden können,
ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es ist lediglich
notwendig, daß elektrische
Kontakte 214 in elektrischer Verbindung mit der Schaltungsanordnung
der Fluidstrahl-Druckkassette 220 stehen. Der Druckkopf 200 mit Öffnungsdüsen 90 ist
an dem Körper 218 angebracht
und zum Zweck eines Ausstoßens
von Fluidtropfen gesteuert, in der Regel durch einen Drucker, doch
können
andere Aufzeichnungsvorrichtungen wie z.B. Plotter und Faxgeräte, um einige
zu nennen, verwendet werden. Die thermische Fluidstrahl-Druckkassette 220 umfaßt Öffnungsdüsen 90,
durch die während
eines Druckens ein Fluid in einem gesteuerten Muster herausgetrieben
wird. Leitfähige
Ansteuerleitungen für
jede Widerstandskomponente werden auf der flexiblen Schaltung 212 getragen,
die an der Außenseite
des Druckkassettenkörpers 218 befestigt
ist. Schaltungskontaktanschlußflächen 214 (zur
Erläuterung
in 6 vergrößert dargestellt)
an den Enden der Widerstandsansteuerleitungen nehmen ähnliche
Anschlußflächen in Eingriff,
die auf einer übereinstimmenden
Schaltung getragen werden, die an einem Drucker (nicht abgebildet)
angebracht ist. Ein Signal zum Abfeuern des Transistors wird durch
einen Mikroprozessor und zugeordnete Treiber auf dem Drucker erzeugt,
die das Signal an die Ansteuerleitungen anlegen.
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7 ist
eine beispielhafte Aufzeichnungsvorrichtung, ein Drucker 240,
welche die beispielhafte Fluidstrahl-Druckkassette 220 aus 6 verwendet.
Die Fluidstrahl-Druckkassette 220 ist
in einem Wagenmechanismus 254 plaziert, um die Fluidstrahl-Druckkassette 220 über eine
erste Richtung eines Mediums 256 zu transportieren. Ein
Mediumzu fuhrmechanismus 252 transportiert das Medium 256 in
einer zweiten Richtung über
den Fluidstrahl-Druckkopf 220. Der Mediumzufuhrmechanismus 252 und der
Wagenmechanismus 254 bilden einen Transportmechanismus,
um die Fluidstrahl-Druckkassette 220 über die
erste und zweite Richtung des Mediums 256 zu bewegen. Eine
optionale Mediemablage 250 wird verwendet, um mehrere Sätze des
Mediums 256 zu halten. Nachdem das Medium durch die Fluidstrahl-Druckkassette 220 unter
Verwendung des Fluidstrahl-Druckkopfs 200, um ein Fluid
auf das Medium 256 auszustoßen, aufgezeichnet wurde, wird
das Medium 256 optional auf eine Medienablage 256 plaziert.
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In
Betrieb ist ein Fluidtropfen in der Fluidkammer 100 positioniert.
Ein elektrischer Strom wird über
die Leiter 42A und 42B dem Widerstandselement 46 zugeführt, derart,
daß das
Widerstandselement 46 rasch Energie in Form von Wärme erzeugt. Die
von dem Widerstandselement 46 ausgehende Wärme wird
zu einem Fluidtropfen in der Fluidkammer 100 übertragen,
bis der Fluidtropfen durch die Düse 90 hindurch „abgefeuert" wird. Dieser Prozeß wird mehrere
Male wiederholt, um ein gewünschtes Ergebnis
zu erzielen. Während
dieses Prozesses kann ein einzelner Farbstoff verwendet werden,
wobei ein Einfarbenentwurf produziert wird, oder es können mehrere
Farbstoffe verwendet werden, wobei ein Mehrfarbenentwurf produziert
wird.
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Die
vorliegende Erfindung schafft zahlreiche Vorteile gegenüber dem
herkömmlichen
Druckkopf. Erstens ist die Widerstandslänge der vorliegenden Erfindung
durch die Plazierung des dielektrischen Materials 44 definiert,
das während
eines kombinierten Photoprozesses und Trockenätzprozesses hergestellt wird.
Die Genauigkeit des vorliegenden Prozesses ist wesentlich besser
steuerbar als herkömmliche
Naßätzprozesse.
Insbesondere ist der vorliegende Prozeß in dem Bereich von 10–25 Mal
besser steuerbar als ein herkömmlicher
Prozeß.
Bei der derzeitigen Generation von Druckköpfen mit niedrigem Tropfengewicht
und hoher Auflösung
sind die Widerstandslängen
von ungefähr
35 Mikrometern auf weniger als ungefähr 10 Mikrometer gesunken.
Widerstandsgrößenschwankungen
können
somit die Leistung eines Druckkopfs erheblich beeinflussen. Widerstandsgrößenschwankungen
drücken
sich in Tropfengewichts- und Einschaltenergieschwankungen über den
Widerstand auf einem Druckkopf aus. Die verbesserte Längensteuerung
der aus einem Widerstandsmaterial bestehenden Schicht ergibt somit eine
konsistentere Widerstandsgröße und einen
konsistenteren Widerstandswert, wodurch die Konsistenz des Tropfengewichts
eines Fluidtropfens und der Einschaltenergie, die nötig ist,
um einen Fluidtropfen abzufeuern, verbessert wird.
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Zweitens
umfaßt
die Widerstandsstruktur, die unter Verwendung des Verfahrens der
vorliegenden Erfindung hergestellt ist, eine vollständig flache obere
Oberfläche
und weist nicht die Stufenkontur auf, die mit herkömmlichen
Herstellungsentwürfen
in Zusammenhang steht. Eine flache Struktur (glatte planare Oberfläche) liefert
eine konsistente Blasenkeimbildung, ein besseres Spülen der
Fluidkammer und eine flachere Topologie, wodurch die Haftung und
Laminierung der Barrierestruktur an die Dünnfilm verbessert wird. Drittens
wird es aufgrund der flachen Topologie der vorliegenden Struktur
ermöglicht,
daß die
Barrierestruktur die Kante des Widerstands überdeckt. Durch Einführen von
Wärme in
den Boden der gesamten Fluidkammer wird eine Fluidtropfenausstoßeffizienz
verbessert.
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Drittens
sind eine Neigungsrauheit und Reste einer leitfähigen Schicht auf der Widerstandsschicht
nicht mehr von Belang, da bei der Herstellung der Erfindung kein
NaßSchräg-Ätzprozeß verwendet wird.
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Viertens
wird eine Elektromigration der leitfähigen Schicht 40 aufgrund
der Einkapselung und Umhüllung
der leitfähigen
Schicht 40 durch die Widerstandsschicht 30 in
die Passivierungsschicht minimiert.
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Ferner
bildet die Kombination, durch Anbringen des Druckkopfs 200 an
der Fluidkassette 220, ein zweckmäßiges Modul, das zum Verkauf
verpackt werden kann.
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Zwar
wurden hierin spezifische Ausführungsbeispiele
zum Zweck der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels dargestellt
und beschrieben, doch ist es dem Durchschnittsfachmann klar, daß die abgebildeten
und beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele durch eine
breite Vielfalt an alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen,
die berechnet sind, um die gleichen Zwecke zu erreichen, ersetzt
werden können,
ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Fachleuten auf dem Gebiet der chemischen, mechanischen, elektromechanischen,
elektrischen und Computertechnik ist ohne weiteres klar, daß die vorliegende
Erfindung in einer sehr breiten Vielfalt an Ausführungsbeispielen implementiert
werden kann. Diese Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Variationen
des hierin erörterten
bevorzugten Ausführungsbeispiels
abdecken. Es ist daher offenkundig beabsichtigt, daß diese
Erfindung nur durch die angehängten
Patentansprüche
eingeschränkt
ist.