DE60117456T2

DE60117456T2 - Cmos/mems-integrierter tintenstrahldruckkopf und verfahren zur herstellung desselben

Info

Publication number: DE60117456T2
Application number: DE2001617456
Authority: DE
Inventors: Constantine N. Rochester Anagnostopoulos; John A. Rochester Lebens; David P. Rochester Trauernicht; James M. Rochester Chwalek; Christopher N. Rochester Delametter; Gilbert A. Rochester Hawkins
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 2000-12-29
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2021-12-20
Also published as: EP1219426A2; EP1219426A3; JP2002225278A; EP1219426B1; DE60117456D1

Description

Die Erfindung betrifft allgemein den Bereich der digital gesteuerten Druckvorrichtungen und insbesondere Flüssigtintendruckköpfe mit mehreren Düsen auf einem einzelnen Substrat, in denen ein Flüssigkeitstropfen für das Drucken mit thermomechanischen Mitteln ausgewählt wird.
Das Tintenstrahldrucken hat sich im Bereich des digital gesteuerten elektronischen Druckens aufgrund verschiedener Faktoren durchgesetzt, wie beispielsweise der berührungslose, geräuscharme Betrieb und die Einfachheit des Systems. Aus diesen Gründen ist Tintenstrahldruckern ein kommerzieller Erfolg im privaten, gewerblichen und in sonstigen Bereichen beschieden.
Tintenstrahldruckmechanismen lassen sich als kontinuierliche (CIJ) oder als Drop-on-Demand-Mechanismen kategorisieren (DOD). In US-A-3,946,398 beschreiben Kyser et al. 1970einen Drop-on-Demand-Tintenstrahldrucker, der eine hohe Spannung an ein piezoelektrisches Kristall anlegt, wodurch sich das Kristall biegt und Druck auf einen Tintenbehälter ausübt, worauf Tintentropfen auf Bedarf ausgeworfen werden. Piezoelektrische DOD-Drucker sind im Bereich der Bildauflösung von mehr als 720 dpi für Heim- und Bürodrucker erfolgreich. Allerdings benötigen piezoelektrische Druckmechanismen normalerweise komplexe Hochspannungsschaltkreise und sperrige piezoelektrische Kristall-Arrays, die in Bezug auf die Anzahl von Düsen je Längeneinheit des Druckkopfes unvorteilhaft sind, ebenso wie die Länge des Druckkopfes selbst. Typischerweise enthalten piezoelektrische Druckköpfe höchstens einige hundert Düsen.
Endo et al. beschreiben 1979 in dem britischen Patent 2,007,162 einen elektrothermischen Drop-on-Demand-Tintenstrahldrucker, der einen Energieimpuls an ein Heizelement anlegt, das in thermischem Kontakt mit wasserbasierender Tinte in einer Düse steht. Eine kleine Menge der Tinte verdampf schnell und bildet eine Blase, die bewirkt, dass ein Tintentropfen aus kleinen Öffnungen entlang einer Kante eines Heizsubstrats ausgestoßen wird. Diese Technologie ist als thermische Tintenstrahl- oder Bubble-Jet-Technologie bekannt.
Die thermische Tintenstrahldrucktechnik erfordert, dass die Heizelemente einen Energieimpuls erzeugen, der groß genug ist, um die Tinte auf eine Temperatur von nahezu 400°C zu erzeugen, wodurch sich schnell eine Blase (Bubble) bildet. Die mit dieser Vorrichtung benötigten hohen Temperaturen machen die Verwendung spezieller Tinten erforderlich, setzen eine komplizierte Treiberelektronik voraus und ziehen eine Verschlechterung der Heizelemente durch Kavitation und Kogation nach sich. Unter Kogation ist die Ansammlung von Nebenprodukten der Tintenverbrennung zu verstehen, durch die sich Verkrustungen auf dem Heizelement bilden. Derartige Verkrustungen beeinträchtigen den thermischen Wirkungsgrad des Heizelements und verkürzen somit die Lebensdauer des Druckkopfes. Der hohe aktive Stromverbrauch jedes Heizelements steht zudem der Herstellung kostengünstiger, schneller und seitenbreiter Druckköpfe entgegen.
Das kontinuierliche Tintenstrahldrucken geht mindestens auf das Jahr 1929 zurück. In dem besagten Jahr wurde das US-Patent 1,941,001 an Hansell erteilt.
US-A-3,373,437, erteilt im März 1968 an Sweet et al., beschreibt eine Anordnung kontinuierlicher Tintenstrahldüsen, worin zu druckende Tintentropfen wahlweise geladen und gegen das Aufzeichnungsmedium abgelenkt werden. Diese Technik ist als binäre kontinuierliche Tintenstrahl-Ablenkdrucktechnik bekannt und wird von mehreren Herstellern verwendet, wie beispielsweise Elmjet und Scitex.
US-A-3,416,153 wurde im Dezember 1968 an Hertz et al. erteilt. Dieses Patent beschreibt ein Verfahren zur Erzielung einer variablen optischen Dichte gedruckter Punkte beim kontinuierlichen Tintenstrahldrucken. Die elektrostatische Dispersion eines geladenen Tropfenstroms dient zur Modulation der Anzahl von Tröpfchen, die durch eine kleine Apertur treten. Diese Technik wird in Tintenstrahldruckern verwendet, die von Iris gefertigt werden.
US-A-4,346,387 mit dem Titel METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING THE ELECTRIC CHARGE ON DROPLETS AND INK JET RECORDER INCORPORATING THE SAME wurde am 24. August 1982 an Carl H. Hertz erteilt. Dieses Patent beschreibt ein CIJ-System zur Steuerung der elektrostatischen Aufladung von Tröpfchen. Die Tröpfchen werden durch Aufbrechen eines unter Druck stehenden Flüssigkeitsstroms an einem Tropfenbildungspunkt gebildet, der sich innerhalb eines elektrostatischen Ladungstunnels befindet, der ein elektrisches Feld aufweist. Die Tropfenbildung wird an einem Punkt in dem elektrischen Feld bewirkt, das einer nach Wunsch vorbestimmten Ladung entspricht. Zusätzlich zu Ladungstunneln werden Ablenkplatten verwendet, um die Tropfen abzulenken. Das System nach US-A-4,346,387 setzt voraus, dass die erzeugten Tröpfchen aufgeladen und dann in eine Rinne oder auf das Druckmedium abgelenkt werden. Die Ladungs- und Ablenkungsmechanismen sind sperrig und begrenzen die Zahl der Düsen je Druckkopf erheblich.
Bis vor kurzem verwendeten konventionelle kontinuierliche Tintenstrahltechniken in der einen oder anderen Form elektrostatische Ladungstunnel, die nahe der Stelle angeordnet waren, an der die Tropfen in dem Strom gebildet werden. In den Tunneln können einzelne Tropfen wahlweise geladen werden. Die gewählten Tropfen werden durch das Vorhandensein von Ablenkplatten, zwischen denen eine vorbestimmte elektrische Potenzialdifferenz herrscht, geladen und nach unten abgelenkt. Eine Rinne (auch als "Catcher" bezeichnet) wird normalerweise verwendet, um die geladenen Tropfen abzufangen und einen Nicht-Druckbetrieb einzurichten, während die ungeladenen Tropfen ungehindert in einem Druckbetrieb auf das Aufzeichnungsmedium treffen können, während der Tintenstrom dabei zwischen dem „Nicht-Druckbetrieb" und dem „Druckbetrieb" abgelenkt wird.
Üblicherweise werden die Ladungstunnel und die Tropfenablenkplatten in kontinuierlichen Tintenstrahldruckern bei hohen Spannungen betrieben, beispielsweise bei 100 V und mehr, im Vergleich mit den Spannungen, die üblicherweise als schädlich für konventionelle CMOS-Schaltungen gelten, nämlich 25 V und weniger. Außerdem ist es notwendig, dass die Tinten in elektrostatischen, kontinuierlichen Tintenstrahldruckern leitend sind und Ladung tragen. Wie in der Technik der Halbleiterfertigung bekannt, ist es unter dem Gesichtspunkt der Zuverlässigkeit nicht wünschenswert, stromführende Flüssigkeiten in Kontakt mit Halbleiterflächen zu bringen. Die Herstellung kontinuierlicher Tintenstrahldruckköpfe wurde daher allgemein nicht mit der Herstellung von CMOS-Schaltungen integriert.
Jüngst wurde ein neuartiges kontinuierliches Tintenstrahldruckersystem entwickelt, das auf die vorstehend beschriebenen elektrostatischen Ladungstunnel verzichtet. Zusätzlich dient es dazu, die Funktionen der (1) Tröpfchenbildung und (2) Tröpfchenablenkung besser zu koppeln. Das System wird in der Parallelanmeldung US-A-6,079,821 mit dem Titel CONTINUOUS INK JET PRINTER WITH ASYMMETRIC HEATING DROP DEFLECTION beschrieben, eingereicht im Namen von James Chwalek, Dave Jeanmaire und Constantine Anagnostopoulos, dessen Inhalt durch Nennung als hierin aufgenommen betrachtet wird. Das Patent beschreibt eine Vorrichtung zur Steuerung der Tinte in einem kontinuierlichen Tintenstrahldrucker. Die Vorrichtung umfasst einen Tintenversorgungskanal, eine Quelle unter Druck stehender Tinte in Verbindung mit dem Tintenversorgungskanal sowie eine Düse, die mit einer Bohrung versehen ist und sich in den Tintenversorgungskanal öffnet, aus dem ein kontinuierlicher Tintenstrom fließt. Das periodische Anlegen schwacher Wärmeimpulse an den Tintenstrom durch ein Heizelement veranlasst, den Tintenstrom in eine Vielzahl von Tröpfchen aufzuteilen, und zwar synchron mit dem Anlegen von Wärmeimpulsen und an einer zur Düse beabstandeten Position. Die Tintentröpfchen werden von Wärmeimpulsen aus einem Heizelement (in einer Düsenbohrung) abgelenkt, wobei das Heizelement eine wahlweise betätigte Sektion aufweist, d.h. dass die Sektion nur einem Teil der Düsenbohrung zugeordnet ist. Die selektive Betätigung einer bestimmten Heizelementsektion begründet eine sogenannte asymmetrische Anwendung von Wärme auf den Tintenstrom. Durch Wechsel der Sektionen lässt sich ein Wechsel der Richtung durchführen, in der diese asymmetrische Wärme angelegt wird, die dann dazu dient, die Tintentropfen abzulenken, u.a. zwischen einer „Druckrichtung" (auf ein Aufzeichnungsmedium) und einer „Nicht-Druckrichtung" (zurück in eine Rinne). In US-A-6,079,821 beschreiben Chwalek et al. ein Flüssigkeitsdrucksystem, das erhebliche Verbesserungen in Bezug auf die Lösung von Problemen nach dem Stand der Technik bietet, was die Zahl der Düsen je Druckkopf, die Druckkopflänge, den Energieverbrauch und die Charakteristik der verwendbaren Tinten angeht.
Die asymmetrisch angelegte Wärme bewirkt eine Tintenstromablenkung, deren Größe von mehreren Faktoren abhängt, z.B. den geometrischen und thermischen Eigenschaften der Düsen, der Menge der angewandten Wärme, des angewandten Drucks und der physischen, chemischen und thermischen Eigenschaften der Tinte. Obwohl lösungsmittelbasierende Tinten (insbesondere alkoholbasierende Tinten) recht gute Ablenkungsmuster aufweisen (siehe diesbezüglich US-A-6,247,801 B1, eingereicht im Namen von Trauernicht et al) und eine hohe Bildqualität in asymmetrisch erwärmten kontinuierlichen Tintenstrahldruckern erzielen, sind wasserbasierende Tinten problematischer. Die wasserbasierenden Tinten weisen keine so große Ablenkung auf, so dass deren Betrieb nicht so robust ist. Um die Größe der Tintentropfenablenkung innerhalb des kontinuierlichen Tintenstrahlstroms mit asymmetrisch beheizten Drucksystemen zu verbessern, beschreiben Delametter et al. in der Parallelanmeldung EP 1 110 732 A2 einen kontinuierlichen Tintenstrahldrucker mit verbesserter Tintentropfenablenkung, insbesondere für wasserbasierende Tinten, indem durch geometrische Hindernisse innerhalb des Tintenversorgungskanals verbesserte seitliche Fließeigenschaften vorgesehen werden.
Chwalek et al. beschreiben in EP 10606890 einen kontinuierlichen Tintenstrahldrucker mit einem Druckkopf, worin Tinte einen Meniskus über einer Düsenöffnung bildet und sich entlang einer Oberseite des Druckkopfes ausbreitet. Der Druckkopf umfasst ein Substrat mit einer oberen Fläche, einem Tintenversorgungskanal unter dem Substrat sowie einer Düsenöffnung durch das Substrat und einer Öffnung unterhalb des Substrats in dem Tintenversorgungskanal, um eine Tintenströmungsbahn zu bilden. Ein Widerstandsheizelement ist mindestens um einen Teil der Heizungsöffnung herum angeordnet.
Die hier beschriebene Erfindung baut auf der Arbeit von Chwalek et al. und Delametter et al. bezüglich der Konstruktion kontinuierlicher Tintenstrahldruckköpfe auf, die für die kostengünstige Herstellung geeignet sind, vorzugsweise für Druckköpfe, die seitenbreit hergestellt werden können.
Zwar ist die Erfindung auch mit Tintenstrahldruckköpfen verwendbar, die nicht als seitenbreite Druckköpfe vorgesehen sind, aber es bleibt ein verbreiteter Bedarf nach verbesserten Tintenstrahldrucksystemen, die beispielsweise Vorteile in Bezug auf Kosten, Größe, Geschwindigkeit, Qualität, Zuverlässigkeit, kleine Düsenöffnungsgröße, kleine Tröpfchengröße, geringen Energieverbrauch, einfache Konstruktion im Betrieb, Haltbarkeit und Fertigungsfreundlichkeit bieten. In dieser Hinsicht besteht seit langem Bedarf nach der Fähigkeit, seitenbreite, hochauflösende Tintenstrahldruckköpfe herzustellen. In der vorliegenden Beschreibung bezieht sich der Begriff „seitenbreit" auf Druckköpfe mit einer Mindestlänge von ca. 10 cm (4 Zoll). Eine hohe Auflösung impliziert für jede Tintenfarbe eine Düsendichte von mindestens ca. 300 Düsen je Zoll bis höchstens ca. 2400 Düsen je Zoll.
Um die Vorteile seitenbreiter Druckköpfe in Bezug auf eine höhere Druckgeschwindigkeit voll nutzen zu können, müssen diese eine große Zahl von Düsen aufweisen. Beispielsweise kann ein konventioneller, verfahrbarer Druckkopf nur wenige hundert Düsen je Tintenfarbe aufweisen. Ein Druckkopf in 10 cm (4 Zoll) Breite, der für das Drucken von Fotografien geeignet ist, sollte einige tausend Düsen aufweisen. Während die Druckgeschwindigkeit eines verfahrbaren Druckkopfes durch die mechanische Verfahrbewegung über der Seite begrenzt ist, ist ein seitenbreiter Druckkopf stationär, so dass das Papier an ihm vorbeigeführt werden muss. Das Bild kann theoretisch in einem einzigen Durchgang gedruckt werden, wodurch sich die Druckgeschwindigkeit wesentlich erhöht.
Es gibt zwei Hauptschwierigkeiten für die Realisierung seitenbreiter Tintenstrahldruckköpfe mit hoher Produktivität. Die erste besteht darin, dass die Düsen eng zueinander beabstandet sein müssen, und zwar im Bereich von 10 bis 80 μm von Mitte zu Mitte. Die zweite besteht darin, dass die Treiber, die die Heizelemente und die Elektronik zur Steuerung jeder Düse versorgen, in jede Düse integriert sein müssen, da es derzeit nicht praktikabel ist, Tausende von Verbindungen oder andere Arten von Anschlüssen zu externen Schaltungen herzustellen.
Eine Möglichkeit, diese Aufgaben zu lösen, ist die Konstruktion von Druckköpfen auf Siliciumscheiben (Wafer) unter Verwendung der VLSI-Technologie und die Integration der CMOS-Schaltungen mit den Düsen auf demselben Siliciumsubstrat.
Während ein spezieller Prozess, wie in US-A-5,880,759 von Silverbrook beschrieben, entwickelt werden kann, um die Druckköpfe zu fertigen, ist es unter Kosten- und Fertigungsgesichtspunkten wünschenswert, zunächst die Schaltungen mithilfe eines nahezu standardisierten CMOS-Prozesses in konventioneller VLSI-Bauweise zu fertigen. Anschließend werden die Scheiben in einer separaten MEMS-Einrichtung (mikroelektromechanische Systeme) für die Herstellung der Düsen und Tintenkanäle verarbeitet.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Ausbildung eines kontinuierlichen Tintenstrahldruckkopfes nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlich, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und beschrieben werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen
1 eine schematische und fragmentarische Draufsicht eines erfindungsgemäß konstruierten Druckkopfes.
1A eine vereinfachte Draufsicht einer Düse mit einem „schlitzartigen" Heizelement für einen CIJ-Druckkopf gemäß der vorliegenden Erfindung.
1B eine vereinfachte Draufsicht einer Düse mit einem geteilten Heizelement für einen CIJ-Druckkopf gemäß der vorliegenden Erfindung.
1C eine vereinfachte Draufsicht einer Düse mit einem oberen und zwei unteren „schlitzartigen" Heizelementen für einen CIJ-Druckkopf gemäß der vorliegenden Erfindung.
1D eine vereinfachte Draufsicht einer Düse mit einem oberen und einem einzelnen unteren „schlitzartigen" Heizelement für einen CIJ-Druckkopf gemäß der vorliegenden Erfindung.
1E eine vereinfachte Draufsicht einer Düse mit einem oberen und zwei unteren „schlitzartigen" Heizelementen für einen CIJ-Druckkopf, die unabhängig voneinander angesteuert werden, gemäß der vorliegenden Erfindung.
1F eine vereinfachte Draufsicht einer Düse mit einem oberen und einem einzelnen unteren „schlitzartigen" Heizelement für einen CIJ-Druckkopf, die unabhängig voneinander angesteuert werden, gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 eine Schnittansicht der Düse mit einem schlitzartigen Heizelement, wobei die Schnittansicht entlang der Linie B-B von 1A verläuft.
3 eine vereinfachte schematische Schnittansicht entlang der Linie A-B von 1D zur Darstellung des Düsenbereichs unmittelbar nach Abschluss aller konventionellen CMOS-Fertigungsschritte gemäß einem ersten Beispiel.
4 eine vereinfachte schematische Schnittansicht entlang der Linie A-B von 1D in dem Düsenbereich nach Ausbildung einer großen Bohrung in dem Oxidblock unter Verwendung der in 3 ausgebildeten Vorrichtung.
5 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie A-B des Düsenbereichs nach Aufbringung und Planen der Platzhalterschicht und Aufbringung und Ausbildung der Passivierungs- und Heizschichten sowie Ausbildung der Düsenöffnung.
6 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie A-B des Düsenbereichs nach Ausbildung der Tintenkanäle und Entfernung der Platzhalterschicht.
7 eine vereinfachte Darstellung der Draufsicht einer kleinen Anordnung von Düsen, die nach dem in 6 dargestellten Fertigungsverfahren hergestellt wurden, und Darstellung eines aus dem Siliciumblock geformten zentralen, rechtwinkligen Tintenkanals.
8 eine Ansicht ähnlich der aus 7 zur Darstellung von Rippenstrukturen, die in der Siliciumscheibe ausgebildet sind und die Düsen jeweils voneinander trennen und dem Tintenkanal eine höhere bauliche Festigkeit bei verringerter Wellenbildung verleihen. Die Rippenstrukturen sind in einer Draufsicht eigentlich nicht sichtbar.
9A eine vereinfachte schematische Schnittansicht entlang der Linie A-B von 1C zur Darstellung des Düsenbereichs unmittelbar nach Abschluss aller konventionellen CMOS-Fertigungsschritte gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
9B eine schematische Schnittansicht entlang der Linie B-B des Düsenbereichs aus 1C nach Ausbildung eines Oxidblocks für seitliche Strömung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
10 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie B-B des Düsenbereichs aus 1C nach weiterer Ausbildung des Oxidblocks für seitliche Strömung.
11 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie A-A des Düsenbereichs aus 1C nach Ausbildung des Oxidblocks für seitliche Strömung.
12 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie A-B des Düsenbereichs nach Ausbildung des für seitliche Strömung verwendeten Oxidblocks.
13 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie B-B des Düsenbereichs nach Planen der Platzhalterschicht und Aufbringung und Ausbildung der Passivierungs- und Heizschichten sowie Ausbildung der Düsenöffnung.
14 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie A-B des Düsenbereichs nach Planen der Platzhalterschicht und Aufbringung und Ausbildung der Passivierungs- und Heizschichten sowie Ausbildung der Düsenöffnung.
15 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie A-B in dem Düsenbereich nach Ausbildung der Ätzung der Tintenkanäle in der Siliciumscheibe und Entfernung der Platzhalterschicht.
16 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie A-B in dem Düsenbereich zur Darstellung der oberen und doppelten unteren Heizelemente zur Bereitstellung eines Betriebs der Heizelemente bei niedrigeren Temperaturen und erhöhter Ablenkung des Tintenstrahlstroms.
17 eine schematische Schnittansicht ähnlich der aus 16, jedoch entlang der Linie B-B.
18 eine perspektivische Ansicht eines Teils des CMOS/MEMS-Druckkopfes mit nur einem oberen Heizelement zur Darstellung einer Rippenstruktur und einer Oxidblockstruktur.
19 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung einer näheren Ansicht der Oxidblockstruktur.
20 ein schematisches Diagramm eines exemplarischen kontinuierlichen Tintenstrahldruckkopfes und einer Düsenanordnung und eines Druckmediums (z.B. Papierrollen) unter dem Tintenstrahldruckkopf.
21 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäß ausgebildeten und CMOS/MEMS-Druckkopfes, angeordnet auf einem Halteelement, das mit Tinte gespeist wird.
Die vorliegende Beschreibung betrifft insbesondere Elemente, die einen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung bilden oder direkt damit zusammen wirken. Es sei darauf hingewiesen, dass nicht ausdrücklich gezeigte oder beschriebene Elemente verschiedene Formen annehmen können, die einschlägigen Fachleuten bekannt sind.
20 zeigt ein kontinuierliches Tintenstrahldrucksystem 10. Der Druckkopf 10a, aus dem sich eine Anordnung von Düsen 20 erstreckt, umfasst die (nicht gezeigten) Heizungssteuerungsschaltkreise.
Die Heizungssteuerungsschaltkreise lesen Daten aus einem Bildspeicher aus und senden zeitlich aufeinanderfolgende elektrische Impulse an die Heizelemente der Düsen der Düsenanordnung 20.
Diese Impulse werden über einen geeigneten Zeitraum an die geeignete Düse angelegt, so dass Tropfen aus einem kontinuierlichen Tintenstrahlstrom Punkte auf einem Aufzeichnungsmedium 13 an der entsprechenden Position bilden, wie von den aus dem Bildspeicher gesendeten Daten bezeichnet. Die unter Druck stehende Tinte bewegt sich aus einem (nicht gezeigten) Tintenreservoir zu einem Tintenversorgungskanal, der in dem Element 14 ausgebildet ist, und durch die Düsenanordnung 20 entweder zum Aufzeichnungsmedium 13 oder zur Rinne 19. Die Rinne 19 ist derart konfiguriert, dass sie unabgelenkte Tintentröpfchen 11 ablenkt, während abgelenkte Tintentröpfchen 12 das Aufzeichnungsmedium erreichen können. Die allgemeine Beschreibung des kontinuierlichen Tintenstrahldrucksystems aus 20 ist ebenfalls zur Verwendung als allgemeine Beschreibung des erfindungsgemäßen Drucksystems geeignet.
1 zeigt eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Tintenstrahldruckkopfes. Der Druckkopf umfasst eine Anordnung aus Düsen 1a–1d, die in einer Linie oder in einer versetzten Konfiguration angeordnet sind. Jede Düse wird von einem AND-Verknüpfungsglied (2a–2d) adressiert, welches jeweils eine Logikschaltung und einen (nicht gezeigten) Heizungstreibertransistor umfasst. Die Logikschaltung bewirkt, dass sich ein entsprechender Treibertransistor einschaltet, wenn ein entsprechendes Signal an einer entsprechenden Dateneingangsleitung (3a–3d) zum AND-Verknüpfungsglied (2a–2d) und zu den entsprechenden Freigabetaktleitungen (5a–5d), welche an das Verknüpfungsglied angeschlossen sind, beide logisch EINS sind. Die Signale auf den Freigabetaktleitungen (5a–5d) bestimmen die Zeitdauer des Stromflusses durch die Heizelemente in den jeweiligen Düsen 1a–1d. Die Daten zur Ansteuerung des Heizungstreibertransistors können aus verarbeiteten Bilddaten bereitgestellt werden, die in ein Datenschieberegister 6 eingegeben werden. Das Speicherregister 7a–7d empfängt in Abhängigkeit von einem Verriegelungstakt die Daten aus der entsprechenden Schieberegisterstufe und stellt auf den Leitungen 3a–3d ein Signal zur Verfügung, das dem jeweiligen verriegelten Signal (logisch EINS oder NULL) entspricht, das besagt, dass ein Punkt auf einem Empfangselement gedruckt oder nicht gedruckt werden soll. In der dritten Düse bestimmen die Leitungen A-A und B-B die Richtung, in der die Schnittansichten aufgenommen sind.
1A–1F zeigen detaillierte Draufsichten von zwei in CIJ-Druckköpfen verwendeten Heizungstypen („schlitzartiges Heizelement" und „geteiltes Heizelement"). Sie erzeugen eine asymmetrische Aufheizung des Tintenstrahls und bewirken somit eine Tintenstrahlablenkung. Die asymmetrische Anwendung von Wärme bedeutet lediglich, dass im Falle eines schlitzartigen Heizelements elektrischer Strom unabhängig entweder an den einen oder den anderen Bereich des Heizelements angelegt wird.
Im Falle eines schlitzartigen Heizelements bewirkt der an das schlitzartige Heizelement angelegte Strom inhärent eine asymmetrische Erwärmung der Tinte. 1A zeigt eine Draufsicht einer Tintenstrahl-Druckkopfdüse mit einem schlitzartigen Heizelement. Das Heizelement ist benachbart zur Ausgangsöffnung der Düse ausgebildet. Das Material des Heizelements umfasst im Wesentlichen die Düsenöffnung bis auf einen sehr kleinen schlitzartigen Bereich, der gerade groß genug ist, eine elektrische Unterbrechung zu bewirken. Die Düsenöffnungen und die zugehörigen Heizungskonfigurationen sind als kreisförmig dargestellt, können aber auch nicht kreisförmig sein, wie von Jeanmaire et al. in der Parallelanmeldung US-A-6,203,145 B1 beschrieben. Wie zuvor unter Bezug auf 1 erwähnt, ist eine Seite jedes Heizelements an eine gemeinsame Busleitung angeschlossen, die ihrerseits an eine Stromversorgung von typischerweise +5 Volt angeschlossen ist. Die Außenseite jedes Heizelements ist mit einem AND-Verknüpfungsglied verbunden, in dem sich ein MOS-Transistortreiber befindet, der einen Strom von bis zu 30 mA an das Heizelement liefern kann. Das AND-Verknüpfungsglied hat zwei logische Eingänge. Einer stammt aus dem Speicherregister 7a–d, worin die Informationen aus der jeweiligen Schieberegisterstufe erfasst sind, die anzeigen, ob das jeweilige Heizelement während der aktuellen Leitungszeit aktiviert oder nicht aktiviert wird. Der andere Eingang ist der Freigabetakt, die die Zeitdauer und Folge der an das jeweilige Heizelement angelegten Impulse bestimmt. Typischerweise sind zwei oder mehr Freigabetakte in dem Druckkopf vorhanden, so dass benachbarte Heizelemente zu etwas unterschiedlichen Zeiten eingeschaltet werden können, um thermische oder sonstige Übersprecheffekte zu vermeiden.
1B zeigt die Düse mit einem darin angeordneten geteilten Heizelement, worin sich im Wesentlichen zwei halbkreisförmige Heizelemente befinden, die die Düsenöffnung benachbart zur Ausgangsöffnung umgeben. Für die oberen und unteren Segmente jedes Halbkreises sind getrennte Leiter vorhanden, wobei darauf hingewiesen sei, dass sich in diesem Fall „oben" und „unten" auf Elemente in derselben Ebene bezieht. Es sind Durchgangsleitungen vorgesehen, die die Leiter elektrisch mit Metallschichten verbinden, die jedem dieser Leiter zugeordnet sind. Diese Metallleiter sind ihrerseits mit der Treiberschaltung verbunden, die auf einem Siliciumsubstrat ausgebildet ist, wie nachfolgend beschrieben wird.
1C, 1D, 1E und 1F zeigen Düsen mit mehreren schlitzartigen Heizelementen, die auf unterschiedlicher Höhe entlang der Tintenströmungsbahn angeordnet sind. Es sind Durchgangsleitungen vorgesehen, die die Leiter elektrisch mit Metallschichten verbinden, die jedem Kontaktfeld zugeordnet sind. Diese Metallleiter sind ihrerseits mit der Treiberschaltung verbunden, die auf einem Siliciumsubstrat ausgebildet ist, wie nachfolgend beschrieben wird.
Die oberen und unteren Heizelemente können parallel angeschlossen sein und werden somit gleichzeitig ausgelöst, oder sie weisen eigene Leitungen auf, so dass sie sich zu unterschiedl ichen Zeiten aktivieren lassen. Wenn sie nicht gleichzeitig ausgelöst werden, werden die unteren Heizelemente vorzugsweise etwas vor den oberen Heizelementen ausgelöst.
In 2 wird eine vereinfachte Schnittansicht einer Düse im Betrieb entlang der Richtung B-B gezeigt. Wie zuvor erwähnt, ist unter den Düsenöffnungen zur Versorgung mit Tinte ein Tintenkanal ausgebildet. Die Tintenversorgung steht unter einem Druck von typischerweise 1,03 bar bis 1,72 bar für einen typischen Öffnungsdurchmesser von ca. 8,8 μm und bei Verwendung einer typischen Tinte mit einer Viskosität von max. 4 cP. Die Tinte in dem Versorgungskanal tritt aus einem unter Druck stehenden (nicht gezeigten) Reservoir aus, wobei die Tinte in dem Kanal unter Druck bleibt. Dieser Druck ist derart bemessen, dass die Flüssigkeitsströme, die aus den Düsen austreten, die gewünschte Geschwindigkeit erzielen. Der konstante Druck kann durch Einsatz eines (nicht gezeigten) Tintendruckreglers erreicht werden. Wenn kein Strom am Heizelement anliegt, bildet sich ein gerader Tintenstrahl, der direkt in die Rinne fließt. Auf der Oberfläche des Druckkopfes bildet sich um jede Düse ein symmetrischer Meniskus, der im Durchmesser einige Mikrometer größer als die Bohrung ist. Wenn an das Heizelement ein Stromimpuls angelegt wird, zieht sich der Meniskus auf der erwärmten Seite nach innen und der Tintenstrahl wird vom Heizelement abgelenkt. Die sich bildenden Tröpfchen umgehen die Rinne und landen auf dem Empfangselement. Wenn der an das Heizelement anliegende Strom auf null gestellt wird, wird der Meniskus wieder symmetrisch und der Tintenstrahl gerade. Die Vorrichtung könnte ohne weiteres in entgegengesetzter Weise arbeiten, d.h. dass die abgelenkten Tröpfchen in die Rinne gelenkt werden und der Druck auf das Empfangselement mit den nicht abgelenkten Tröpfchen erfolgt. Es ist zudem nicht erforderlich, dass alle Düsen in einer Linie angeordnet sind. Es ist einfacher, eine Rinne zu bauen, die im Wesentlichen eine gerade Kante bildet, anstatt eine Rinne, die versetzt ist und die versetzte Düsenanordnung nachempfindet.
In einem typischen Betrieb beträgt der Widerstand des Heizelements ca. 400 Ohm für Heizelemente mit 8,8 μm Durchmesser, die Amplitude beträgt zwischen 10 und 20 mA, die Impulsdauer beträgt ca. 2 μm und der resultierende Ablenkungswinkel für reines Wasser beträgt einige Grad, wobei diesbezüglich auf US-A-6,213,595 B1 mit dem Titel "Continuous Ink Jet Print Head Having Power-Adjustable Segmented Heaters" und auf US-A-6,217,163 B1 mit dem Titel "Continuous Ink Jet Print Head Having Multi-Segment Heaters" Bezug genommen wird, die beide am 28. Dezember 1998 eingereicht wurden.
Die Anwendung periodischer Stromimpulse bewirkt, dass sich der Tintenstrahl synchron zu den angelegten Impulsen in Tröpfchen aufteilt. Diese Tröpfchen bilden sich ca. 100 bis 200 μm beabstandet zur Oberfläche des Druckkopfes, wobei deren Volumen für einen Öffnungsdurchmesser von 8,8 um und eine 2 μm breite Impulsrate von 200 kHz üblicherweise 3 bis 4 pl beträgt. Das erzeugte Tropfenvolumen ist eine Funktion der Impulsfrequenz, des Öffnungsdurchmessers und der Strahlgeschwindigkeit. Die Strahlgeschwindigkeit bestimmt sich durch den angelegten Druck für einen gegebenen Öffnungsdurchmesser und eine Flüssigkeitsviskosität, wie zuvor angegeben. Der Öffnungsdurchmesser kann zwischen 1 μm und 100 μm betragen, wobei ein bevorzugter Bereich zwischen 6 μm und 16 μm liegt. Die Heizelement-Impulsfrequenz wird somit derart gewählt, dass das gewünschte Tropfenvolumen erzielt wird.
Die in 3 gezeigte Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-B stellt eine unvollständige Stufe zur Herstellung eines Druckkopfes dar, in dem Düsen später in Form eines Arrays ausgebildet werden sollen, wobei der CMOS-Schaltkreis in dasselbe Siliciumsubstrat integriert ist.
Wie bereits erwähnt, wird die CMOS-Schaltung zunächst auf den Siliciumscheiben als eine oder mehrere integrierte Schaltungen hergestellt. Der CMOS-Prozess kann ein üblicher 0,5-μm-Mischsignalprozess sein, der zwei Schichten aus Polysilicium und drei Metallschichten auf einer Scheibe von 15,24 cm (6 Zoll) Durchmesser umfasst. Die Scheibendicke beträgt üblicherweise 675 μm. In 3 ist dieser Prozess durch drei Metallschichten dargestellt, die über Durchgangsleitungen miteinander verbunden sind. Darüber hinaus werden die Polysiliciumebene 2 und ein N+ Drain sowie ein Kontakt zur Metallschicht 1 gezeichnet, um die aktive Schaltung in dem Siliciumsubstrat zu bezeichnen. Die Steuerelektroden der CMOS-Transistorvorrichtungen werden anhand einer der Polysiliciumschichten ausgebildet.
Wegen der Notwendigkeit, die Metallschichten elektrisch zu isolieren, werden dielektrische Schichten zwischen diesen angeordnet, wodurch die Gesamtdicke des Films auf der Siliciumscheibe ca. 4,5 μm beträgt.
Die in 3 dargestellte Struktur würde grundsätzlich die notwendigen Anschlüsse, Transistoren und logischen Verknüpfungsglieder zur Bereitstellung der in 1 dargestellten Komponenten bereitstellen.
Als Ergebnis der konventionellen CMOS-Herstellungsschritte entsteht ein Siliciumsubstrat von ca. 675 μm Dicke und ca. 15,24 cm (6 Zoll) Durchmesser. Siliciumscheiben mit größerem oder kleinerem Durchmesser sind gleichermaßen verwendbar. Mithilfe konventioneller Schritte zur wahlweisen Aufbringung verschiedener Materialien zur Herstellung dieser Transistoren, wie in der Technik bekannt ist, wird eine Vielzahl von Transistorvorrichtungen in dem Siliciumsubstrat ausgebildet. Auf dem Siliciumsubstrat befinden sich eine Reihe von Schichten, die schließlich eine Oxid-/Nitridisolationsschicht bilden, die aus einer oder mehreren darin nach einem gewünschten Muster gebildeten Polysiliciumschichten und Metallschichten besteht. Zwischen den verschiedenen Schichten werden nach Bedarf Durchgangsleitungen bereitgestellt, ebenso wie Öffnungen in der Oberfläche, um den Zugang zu den Metallschichten zu ermöglichen und Verbindungsstellen vorzusehen. Die verschiedenen Verbindungsstellen werden bereitgestellt, um Anschlüsse für Daten, Verriegelungstakt, Freigabetakte und Spannung von einer Leiterkarte herzustellen, die benachbart zum Druckkopf angeordnet ist.
4 zeigt eine ähnliche Ansicht wie 3 ebenfalls entlang der Linie A-B, wobei auf der Vorderseite der Scheibe eine Maske aufgebracht und ein Fenster von 22 μm Durchmesser ausgebildet worden ist. Die dielektrischen Schichten in dem Fenster wurden dann bis zur Siliciumoberfläche durchgeätzt, die eine natürliche Ätzgrenze darstellt, wie in 4 gezeigt.
5 zeigt die Kombination einer Reihe von Schritten. In dem ersten Schritt wird in das Fenster, das im vorausgehenden Schritt geöffnet worden ist, eine Platzhalterschicht eingesetzt, beispielsweise aus amorphem Silicium oder Polyimid. Die Platzhalterschicht wird ausreichend dick aufgebracht, um die zwischen der Vorderseite der Oxid-/Nitrid-Isolationsschicht und dem Siliciumsubstrat ausgebildeten Aussparungen vollständig zu bedecken. Diese Filme werden bei einer Temperatur unterhalb von 450°C aufgebracht, um ein Schmelzen der vorhandenen Aluminiumschichten zu vermeiden. Dann wird die Scheibe geplant.
Eine ca. 0,35 μm dünne Schutzschicht, beispielsweise aus PECVD Si3N4, wird anschließend aufgetragen, worauf die Durchgänge3 zu der Metall3-Schicht geöffnet werden. Die Durchgangsleitungen können mit Ti/TiN/W gefüllt und geplant werden, oder sie werden geätzt und mit geneigten Seitenwänden versehen, so dass die Heizschicht, die als nächstes aufgetragen wird, die Metall3-Schicht direkt kontaktieren kann. Die Heizschicht aus ca. 0,005 μm Ti und 0,06 μm TiN wird aufgetragen und dann bemustert. Anschließend wird eine letzte dünne Schutzschicht (die üblicherweise als Passivierungsschicht bezeichnet wird) aufgetragen. Diese Schicht muss ebenso wie die Schicht unterhalb der Heizschicht Eigenschaften aufweisen, die die Heizschicht gegen die korrodierende Wirkung der Tinte schützt, darf durch die Tinte nicht leicht verschmutzt werden und muss sich im Falle einer Verschmutzung leicht reinigen lassen. Sie sieht zudem einen Schutz gegen mechanischen Abrieb vor.
Dann wird eine Maske zur Herstellung der Öffnung hergestellt, und die Passivierungsschichten werden geätzt, um die Öffnung (Bohrung) und die Verbindungsstellen zu öffnen. 5 zeigt eine Schnittansicht der Düse in dieser Stufe. Selbstverständlich können entlang des Silicium-Arrays viele Düsenöffnungen gleichzeitig geätzt werden.
Die Siliciumscheibe wird dann von ihrer ursprünglichen Dicke von 675 μm auf 300 μm verdünnt, siehe 6, worauf eine Maske zur Öffnung der Tintenkanäle auf die Rückseite der Scheibe aufgebracht und das Silicium in einer STS-Ätzmaschine bis zur Vorderseite des Siliciums geätzt wird. Anschließend wird die Platzhalterschicht von der Rückseite und der Vorderseite geätzt, wodurch die in 6 gezeigte fertige Vorrichtung entsteht. In 6 ist zu erkennen, dass die Vorrichtung nun eine flache Oberseite aufweist, die leichter zu reinigen ist, wobei die Öffnung flach genug ist, um die Düsenablenkung zu verstärken. Die Öffnungsdurchmesser D können zwischen 1 μm und 100 μm betragen, wobei ein bevorzugter Bereich zwischen 6 μm und 16 μm liegt. Die Dicke der resultierenden Membran t kann im Bereich von 0,5 μm bis 6 μm liegen, wobei ein bevorzugter Bereich zwischen 0,5 μm und 2,5 μm liegt Die Temperatur während der Nachverarbeitung wurde unterhalb der Glühtemperatur des Heizelements von 420°C gehalten, so dass der Widerstand über lange Zeit konstant bleibt. Wie in 6 gezeigt, umgibt das eingebettete Heizelement die Düsenöffnung und ist zur Düsenöffnung benachbart, um die Temperatur zu reduzieren, die das Heizelement zur Erwärmung des Tintenstrahls in der Öffnung benötigt.
In 6 ist die Druckkopfstruktur so dargestellt, dass die untere Polysiliciumschicht, die sich bis zum Tintenkanal in der Oxidschicht erstreckt, ein unteres Polysiliciumheizelement bildet. Das untere Heizelement wird benutzt, um die Tinte zunächst vorzuheizen, wenn sie in den Tintenkanalabschnitt der Oxidschicht eintritt. Diese Struktur wird während des CMOS-Prozesses erzeugt. Nach den weiteren Aspekten der vorliegenden Erfindung sind die in der Polysiliciumschicht ausgebildeten ergänzenden Heizelemente jedoch nicht wesentlich.
7 zeigt den im Siliciumsubstrat ausgebildeten Tintenkanal als einen rechtwinkligen Hohlraum, der mittig unter dem Düsen-Array durchtritt. Ein langer Hohlraum in der Mitte der Düse bewirkt allerdings tendenziell eine strukturelle Schwächung des Druckkopf-Arrays, so dass die Membran reißen könnte, wenn der Array Verdrehungskräften ausgesetzt würde, wie dies bei der Verpackung geschieht. Außerdem können Druckschwankungen in den Tintenkanälen aufgrund niederfrequenter Druckwellen ein Düsenflackern (Jitter) verursachen. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf eine erfindungsgemäß verbesserte Konstruktion. Diese verbesserte Konstruktion besteht darin, dass zwischen jeder Düse des Düsen-Arrays während des Ätzens der Tintenkanäle eine Siliciumbrücke oder eine Siliciumrippe belassen wird. Diese Brücken erstrecken sich von der Rückseite der Siliciumscheibe zur Vorderseite der Siliciumscheibe. Das in der Rückseite der Scheibe ausgebildete Tintenkanalmuster ist daher nicht länger eine lange, rechtwinklige Aussparung, die parallel zur Richtung der Düsenreihe verläuft, sondern eine Reihe kleinerer, rechtwinkliger Hohlräume, die jeweils eine einzelne Düse speisen. Um den Strömungswiderstand zu reduzieren, wird jeder einzelne Tintenkanal so gefertigt, dass er rechtwinklig 20 μm in Richtung der Düsenreihe und 120 μm orthogonal in Richtung zur Düsenreihe verläuft, wie in 8 gezeigt.
Wie zuvor erwähnt, ist es in einem CIJ-Drucksystem wünschenswert, dass die Strahlablenkung weiter verstärkt werden kann, indem der Teil der Tinte vergrößert wird, der in die Öffnung der Düse mit seitlicher statt mit axialer Bewegung eintritt. Dies lässt sich erreichen, indem ein Teil der Flüssigkeit mit axialer Bewegung abgeriegelt wird, indem in der Mitte jeder Düse unmittelbar unter der Düsenöffnung ein Block vorgesehen wird.
Nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend ein Verfahren zur Konstruktion einer seitlichen Strömungsstruktur beschrieben. Obwohl sich die folgende Beschreibung auf die Herstellung einer einzelnen Düse bezieht, ist der Prozess selbstverständlich gleichermaßen auf eine ganze Reihe von Düsen anwendbar, die in einer geraden oder versetzten Reihe entlang der Scheibe ausgebildet werden.
Nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend ein Verfahren zur Konstruktion eines Düsen-Arrays mit einer Rippenstruktur sowie mit einer seitlichen Strömungsstruktur beschrieben. 9A zeigt, wie vorstehend erwähnt, eine Schnittansicht der Siliciumscheibe in Nähe der Düse am Schluss der CMOS-Fertigungsfolge. Der erste Schritt in der Nachverarbeitungsfolge besteht darin, eine Maske auf die Vorderseite der Scheibe in dem Bereich jeder auszubildenden Düsenöffnung aufzubringen. Für eine bestimmte Implementierung des Konzepts der seitlichen Strömungsvorrichtung wird die Maske derart geformt, dass ein Ätzmittel so eintreten kann, dass es 6 μm breite, halbkreisförmige Öffnungen erzeugen kann, die mit der zu bildenden Düsenöffnung cozentrisch angeordnet sind. Die äußeren Ränder dieser Öffnungen entsprechen einem Kreis von 22 μm Durchmesser. Die dielektrischen Schichten in den Halbkreisbereichen werden dann vollständig bis zur Siliciumoberfläche geätzt werden, wie in 9B gezeigt. Dann wird eine zweite Maske aufgebracht, deren Form es ermöglicht, den in 10 gezeigten Oxidblock wahlweise zu ätzen. Beim Ätzen mit vorhandener zweiter Maske wird der Oxidblock bis zu einer endgültigen Dicke oder Höhe b aus dem Siliciumsubstrat geätzt, das zwischen 0,5 μm bis 3 μm dick sein kann, wobei eine typische Dicke bei ca. 1,5 μm liegt, wie in 10 für einen Schnitt entlang der Schnittlinie B-B und in 11 für einen Schnitt entlang der Schnittlinie A-A- gezeigt. 12 zeigt eine Schnittansicht des Düsenbereichs entlang der Linie A-A.
Anschließend werden die Öffnungen in der dielektrischen Schicht mit einer Platzhalterschicht gefüllt, beispielsweise mit amorphem Silicium oder Polyimid, worauf die Scheiben geplant werden.
Eine ca. 0,35 μm dünne Schutzmembran oder Passivierungsschicht, beispielsweise aus PECVD Si3N4, wird anschließend aufgetragen, worauf die Durchgänge3 zu der Metall3-Schicht (mtl3) geöffnet werden. Siehe auch 13 und 14. Dann wird eine dünne Schicht aus Ti/TiN über der gesamten Scheibe aufgetragen, gefolgt von einer wesentlich dickeren Schicht W. Die Oberfläche wird dann in einem chemisch-mechanischen Polierverfahren geplant, bei dem W (Wolfram) und Ti/TiN Schichten überall entfernt werden, mit Ausnahme in den Durchgängen3. Alternativ hierzu können die Durchgänge3 unter Bildung geneigter Seitenwände geätzt werden, so dass die Heizschicht, die als anschließend aufgetragen wird, die Metall3-Schicht direkt kontaktieren kann. Die Heizschicht aus ca. 0,005 μm Ti und 0,06 μm TiN wird aufgetragen und dann bemustert. Anschließend wird eine letzte dünne Schutzschicht (die üblicherweise als Passivierungsschicht bezeichnet wird) aufgetragen. Diese Schicht muss ebenso wie die Schicht unterhalb der Heizschicht Eigenschaften aufweisen, die die Heizschicht gegen die korrodierende Wirkung der Tinte schützt, darf durch die Tinte nicht leicht verschmutzt werden und muss sich im Falle einer Verschmutzung leicht reinigen lassen.
Sie sieht zudem einen Schutz gegen mechanischen Abrieb vor und den gewünschten Kontaktwinkel zur Tinte. Um diese Anforderungen zu erfüllen, kann die Passivierungsschicht aus einem Stapel von Filmen aus verschiedenen Materialien bestehen. Die Dicke t der letzten Membran, die die Heizung umfasst, liegt vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 2,5 μm, wobei eine typische Dicke ca. 1,5 μm beträgt. Der resultierende Spalt G zwischen der Oberseite des Oxidblocks und der Unterseite der Membran, die die Heizung umfasst, kann im Bereich von 0,5 μm bis 5 μm liegen, wobei ein typischer Spalt 3 μm misst. Anschließend wird eine Öffnungsmaske auf die Vorderseite der Scheibe aufgebracht, und die Passivierungsschichten werden geätzt, um die Öffnung für jede Düse und die Verbindungsstellen herzustellen. Die Öffnungsdurchmesser D können zwischen 1 μm und 100 μm betragen, wobei ein bevorzugter Bereich zwischen 6 μm und 16 μm liegt. 13 und 14 zeigen jeweils Schnittansichten jeder Düse in dieser Stufe. Es wird zwar nur eine der Verbindungsstellen gezeigt, aber selbstverständlich können mehrere Verbindungsstellen in dem Düsen-Array ausgebildet werden. Die verschiedenen Verbindungsstellen werden bereitgestellt, um Anschlüsse für Daten, Verriegelungstakt, Freigabetakte und Spannung von einer Leiterkarte herzustellen, die benachbart zum Druckkopf oder zu einem anderen Ort angeordnet ist.
Die Siliciumscheibe wird dann von ihrer ursprünglichen Dicke von 675 μm auf ca. 300 μm verdünnt. Anschließend wird eine Maske zur Öffnung der Tintenkanäle auf die Rückseite der Scheibe aufgebracht, und das Silicium wird in einer STS-Siliciumätzmaschine ganz bis zur Vorderseite der Siliciums geätzt. Schließlich wird die Platzhalterschicht von der Rückseite und der Vorderseite geätzt, wodurch die in 15, 18 und 19 gezeigte fertige Vorrichtung entsteht. Die Ausrichtung der Tintenkanalöffnungen auf der Rückseite der Scheibe zum Düsen-Array auf der Vorderseite der Scheibe kann durch ein Ausrichtsystem hergestellt werden, beispielsweise mit dem 1X System von Karl Süss.
Wie in 16 und 17 gezeigt, ist die Polysiliciumheizung unten in dem dielektrischen Stapel jeder Düse benachbart zu einer Zugangsöffnung zwischen einem primären Tintenkanal, der in dem Siliciumsubstrat ausgebildet ist, und einem sekundären Tintenkanal, der in den Oxidisolationsschichten ausgebildet ist, integriert. Diese Heizungen tragen auch zur asymmetrischen Senkung der Viskosität der Tinte bei. Wie in 17 gezeigt, wird ein Tintenstrom, der durch die Zugangsöffnung an der rechten Seite der Absperrstruktur strömt, erwärmt, während ein Tintenstrom, der durch die Zugangsöffnung an der linken Seite der Absperrstruktur strömt, nicht erwärmt wird. Diese asymmetrische Vorheizung des Tintenstroms trägt tendenziell zur Reduzierung der Viskosität der Tinte bei, die die seitlichen Bewegungskomponenten aufweist, die zur Ablenkung erwünscht sind; weil bei reduzierter Viskosität mehr Tinte strömen kann, ist die Ablenkung der Tinte in die gewünschte Richtung tendenziell stärker, d.h. weg von den zur Öffnung benachbarten Heizelementen. Die Polysilicium-Heizelemente können eine ähnliche Konfiguration wie die primären Heizelemente benachbart zur Öffnung aufweisen. Wenn Heizelemente oben und unten an jeder Düsenöffnung verwendet werden, wie in diesen Figuren gezeigt, lässt sich die Temperatur an jedem einzelnen Heizelement drastisch senken. Die Zuverlässigkeit der TiN-Heizelemente wird stark verbessert, wenn sie bei Temperaturen deutlich unterhalb ihrer Glühtemperaturen arbeiten können. Die mit dem Oxidblock erzeugte seitliche Strömungsstruktur ermöglicht es, den Oxidblock innerhalb von 0,02 μm in Bezug zur Düsenöffnung auszurichten.
Wie schematisch in 17 gezeigt, wird die Tintenströmung in die Öffnung durch die seitlichen Bewegungskomponenten dominiert, was für eine stärkere Tröpfchenablenkung wünschenswert ist.
Vorzugsweise wird das Siliciumsubstrat so geätzt, dass eine Siliciumbrücke oder Siliciumrippe zwischen jeder Düse des Düsen-Arrays während des Ätzens des Tintenkanals belassen wird. Diese Brücken erstrecken sich von der Rückseite der Siliciumscheibe zur Vorderseite der Siliciumscheibe. Das auf der Rückseite der Scheibe ausgebildete Tintenkanalmuster besteht daher aus einer Reihe kleiner rechtwinkliger Hohlräume, die jeweils eine einzelne Düse speisen. Die Tintenhohlräume können jeweils einen primären Kanal umfassen, der in dem Siliciumsubstrat ausgebildet ist, und einen sekundären Tintenkanal, der in den Oxid-/Nitridschichten ausgebildet ist, wobei die primären und sekundären Tintenkanäle durch eine Zugangsöffnung in der Oxid-/Nitridschicht in Verbindung stehen. Diese Zugangsöffnungen benötigen einen unter Druck stehenden Tintenstrom zwischen den primären und den sekundären Kanälen und die Entwicklung seitlicher Strömungskomponenten, weil der direkte axiale Zugang zu dem sekundären Tintenkanal durch den Oxidblock wirksam gesperrt ist. Der sekundäre Tintenkanal steht mit der Düsenöffnung in Verbindung.
21 zeigt den fertigen CMOS/MEMS-Druckkopf 120 nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele auf einer Trägerhalterung 110 mit zwei Tintenversorgungsleitungen 130L, 130R, die benachbart zu Endabschnitten der Halterung angeschlossen sind, um Tinte zu den Enden eines sich in Längsrichtung erstreckenden Kanals zu speisen, der in der Trägerhalterung ausgebildet ist. Der Kanal ist der Rückseite des Druckkopfes 120 gegenüber angeordnet und steht somit in Verbindung mit dem Array aus Tintenkanälen, die in dem Siliciumsubstrat des Druckkopfes 120 ausgebildet sind. Die Trägerhalterung, die ein Keramiksubstrat sein könnte, umfasst Befestigungslöcher an den Enden, um diese Struktur an einem Druckersystem zu befestigen.
Es wurde ein verbesserter Tintenstrahldruckkopf sowie Verfahren zum Betreiben und Ausbilden desselben beschrieben. Die Tintenstrahldruckköpfe sind gekennzeichnet durch ihre relativ einfache Herstellung und/oder durch relativ plane Oberflächen, die eine Reinigung und Wartung des Druckkopfes erleichtern, sowie eine oder mehrere relativ dünne Isolationsschichten, wie eine oder mehrere Passivierungsschichten, in die die Düsenöffnung eingebracht ist.
Benachbart zu jeder Düsenöffnung befindet sich ein entsprechendes asymmetrisches Heizelement. Der hier beschriebene Druckkopf ist zur Herstellung in einer konventionellen CMOS-Einrichtung geeignet, und die Heizelemente und Kanäle sowie die Düsenöffnung können in einer konventionellen MEMS-Einrichtung hergestellt werden.
Obwohl die Erfindung mit besonderem Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern kann innerhalb des Geltungsbereichs Änderungen und Abwandlungen unterzogen werden, wobei alle derartigen Änderungen und Abwandlungen in den Geltungsbereich der Erfindung fallen, wie in den anhängenden Ansprüchen dargelegt.

Claims

Verfahren zum Ausbilden eines kontinuierlich arbeitenden Tintenstrahldruckkopfs mit den Schritten: Bereitstellen eines Siliciumsubstrats mit einem integrierten Schaltkreis zum Steuern des Betriebs des Druckkopfs, wobei das Siliciumsubstrat eine darauf ausgebildete Isolierschicht oder darauf ausgebildete Isolierschichten aufweist, die darin ausgebildete elektrische Leiterbahnen umfasst bzw. umfassen, welche elektrisch mit im Siliciumsubstrat ausgebildeten Schaltungen verbunden sind, und ein erstes Heizelement aufweist bzw. aufweisen, welches mindestens einer darin ausgebildeten Tintenströmungsbahn benachbart ist; Ausbilden einer Reihe relativ großer Öffnungen in der Isolierschicht oder den Isolierschichten, von denen jede Öffnung einen ersten Teil aufweist, der sich von der Oberfläche der Isolierschicht oder Isolierschichten bis zum Silciumsubstrat erstreckt zum Ausbilden der mindestens einen Tintenströmungsbahn, und einen zweiten Teil, der sich von der Oberfläche der Isolierschicht oder Isolierschichten in eine Tiefe erstreckt, die geringer ist als die Dicke der Isolierschicht oder Isolierschichten zum Ausbilden eines zweiten Tintenkanals und einer Blockierstruktur in der Isolierschicht oder den Isolierschichten, welche einen ersten Tintenkanal im Siliciumsubstrat vom zweiten Tintenkanal trennt, wodurch mindestens eine erste Tintenströmungsbahn zwischen dem ersten und dem zweiten Tintenkanal entsteht, wobei sich der erste Tintenkanal von der Rückseite des Siliciumsubstrats zur Rückseite der Isolierschicht oder Isolierschichten erstreckt; Aufbringen einer Platzhalterschicht in jeder aus der Reihe von Öffnungen; Ausbilden einer Isolierschicht oder von Isolierschichten über der Platzhalterschicht in jeder Öffnung, wobei die Isolierschicht bzw. Isolierschichten benachbart zu jeder aus der Reihe von Öffnungen ein zweites Heizelement aufweist bzw. aufweisen; Ausbilden eines Düsenlochs in der Isolierschicht oder den Isolierschichten, welche das zweite Heizelement aufweist oder aufweisen, wobei jedes Düsenloch über einem entsprechenden, in den Isolierschichten ausgebildeten zweiten Kanal angeordnet ist und wobei die Tintenströmungsbahn nicht mit einem der Düsenlöcher vertikal ausgerichtet ist; Ausbilden des ersten Tintenkanals im Siliciumsubstrat; und Entfernen der Platzhalterschicht aus jedem Düsenloch, um einen Druckkopf auszubilden, der um den Bereich der Düsenöffnungen herum eine relativ planare Fläche aufweist, um die Wartung des Druckkopfes zu vereinfachen.