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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Tintenstrahldruckkopf, und
insbesondere einen mit Bläschen
angetriebenen (bubble-jet type) Tintenstrahldruckkopf, und ein Herstellungsverfahren
dafür.
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Die
Tintenausstoßmechanismen
eines Tintenstrahldruckers werden grob in zwei Typen eingeteilt:
einen elektrothermischen Umsetzer (Bläschenstrahl), bei dem eine
Wärmequelle
eingesetzt wird, um in der Tinte ein Bläschen zu bilden, was bewirkt, dass
Tintentröpfchen
ausgestoßen
werden, und einen elektromechanischen Umsetzer, bei dem ein piezoelektrischer
Kristall sich verformt, so dass sich das Volumen der Tinte verändert, was
bewirkt, dass Tintentröpfchen
ausgestoßen
werden.
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Mit
Bezug zu den 1A und 1B wird ein
typischer Tintenausstoßmechanismus
vom Bläschentyp
beschrieben. Wenn ein Stromimpuls auf eine erste Heizeinrichtung 12 aufgebracht
wird, die aus Widerstandsheizelementen besteht, die in einem Tintenkanal 10 ausgebildet
sind, wo eine Düse 11 gelegen
ist, bringt die in der ersten Heizeinrichtung 12 erzeugte
Wärme Tinte 14 zum
Sieden, so dass sich ein Bläschen 15 in
dem Tintenkanal 10 bildet, was bewirkt, dass ein Tintentröpfchen 14' ausgestoßen wird.
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Dabei
muss ein Tintenstrahldruckkopf mit diesem Tintenauswerfer vom Bläschentyp
die folgenden Bedingungen erfüllen.
Erstens, müssen
ein vereinfachter Herstellungsprozess, geringe Herstellungskosten
und hohes Produktionsvolumen möglich sein.
Zweitens muss, um Farbbilder in hoher Qualität hervorzubringen, verhindert
werden, dass winzige Satellitentröpfchen gebildet werden, die
ausgestoßenen
Haupttröpfchen
anhängen.
Drittens muss verhindert werden, dass Wechselwirkungen zwischen
benachbarten Düsen
auftreten, aus denen keine Tinte ausgestoßen wird, wenn Tinte aus einer
Düse ausgestoßen wird
oder nach Tin tenausstoß eine
Tintenkammer erneut mit Tinte gefüllt wird. Zu diesem Zweck muss
beim Tintenausstoß ein
Zurückfließen von
Tinte in entgegengesetzte Richtung einer Düse vermieden werden. Zu diesem
Zweck ist eine weitere Erwärmungseinrichtung 13 vorgesehen,
wie in den 1A und 1B gezeigt.
Viertens muss für
Hochgeschwindigkeitsdruck ein Zyklus, der mit Tintenausstoß beginnt
und mit erneuter Tintenfüllung
endet, so kurz wie möglich
sein.
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Die
obigen Bedingungen tendieren jedoch dazu, miteinander in Konflikt
zu geraten, und außerdem
steht die Leistungsfähigkeit
eines Tintenstrahldruckkopfes in engem Zusammenhang mit Strukturen
einer Tintenkammer, einem Tintenkanal und einer Erwärmungseinrichtung,
der Art der Bildung und Ausdehnung von Bläschen und der relativen Größe jeder
Komponente.
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Im
Bemühen,
die mit den obigen Anforderungen verbundenen Probleme zu überwinden,
wurden in den US-Patenten Nr. 4,339,762; 4,882,595; 5,760,804; 4,847,630
und 5,850,241 dem europäischen
Patent Nr. 317,171 und von Fan-Gang Tseng, Chang-Jin Kim und Chih-Ming
Ho „A
Novel Microinjector with Virtual Chamber Neck" in IEEE MEMS 98, S. 57–62 Tintenstrahldruckköpfe mit
einer Vielfalt von Strukturen vorgeschlagen. Tintenstrahldruckköpfe wie
sie in den obigen Patenten oder der Literatur vorgeschlagen sind,
können
einige der zuvor genannten Anforderungen erfüllen, jedoch keinen vollkommen verbesserten
Tintenstrahldruckansatz zur Verfügung stellen.
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Eine
weitere Struktur und ein Verfahren sind in
US 5,841,452 beschrieben. Die Druckschrift
offenbart die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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In
einem ersten Aspekt wird ein mit Bläschen angetriebener Tintenstrahldruckkopf
gemäß Anspruch
1 zur Verfügung
gestellt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt daher einen Tintenstrahldruckkopf zur
Verfügung,
der beinhaltet: ein Substrat mit einem Verteiler zur Tintenzufuhr, eine
Tintenkammer und einen Tintenkanal, eine Düsenplatte mit einer Düse, eine
Erwärmungseinrichtung
bestehend aus Widerstandsheizelementen und eine Elektrode zum Zuführen von
Strom zur Erwärmungseinrichtung
und eine gekrümmte
Düsenführung. Der
Verteiler, der Tinte zuführt,
die mit der auszustoßenden
Tinte gefüllte
Tintenkammer und die Tintenkammer zum Zuführen von Tinte vom Verteiler zur
Tintenkammer können
auf dem Substrat integral ausgebildet sein. Die Düsenplatte
kann auf dem Substrat aufgelagert sein, wobei die Düsenplatte
die Düse
an einer Stelle aufweist, die dem Mittelteil der Tintenkammer entspricht.
Die Erwärmungseinrichtung
kann in einer Ringform auf der Düsenplatte
ausgebildet und um die Düse
der Düsenplatte
zentriert sein. Die Tintenkammer ist im Wesentlichen halbkugelförmig. Der
Tintenkanal kann ferner einen Stopper aufweisen, um den Durchmesser
des Tintenkanals vor der Tintenkammer zu reduzieren. Die vorliegende Erfindung
stellt auf diese Weise einen mit Bläschen angetriebenen Tintenstrahldruckkopf
zur Verfügung, mit
einer Struktur, die die oben genannten Erfordernisse erfüllt.
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Bevorzugt
sind Düsenführungen
ausgebildet, die sich über
die Kanten der Düse
in Tiefenrichtung der Tintenkammer erstrecken, um die Richtung, in
die ein Bläschen
wächst
und die Form des Bläschens
bzw. die Ausstoßrichtung
eines Tintentröpfchens
beim Tintenausstoß zu
führen.
Die Erwärmungseinrichtung
ist in Form eines Hufeisens oder Omega ausgebildet, so dass das
Bläschen
im Wesentlichen die Form eines Kringels aufweist.
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In
einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zur Herstellung eines mit Bläschen
angetriebenen Tintenstrahldruckkopfs zur Verfügung, bei dem ein Substrat
geätzt
wird, um eine Tinten kammer, einen Tintenkanal und einen Tintenzufuhrverteiler
darauf auszubilden. Eine Düsenplatte wird
auf der Oberfläche
des Substrats ausgebildet und eine ringförmige Erwärmungseinrichtung wird auf
der Düsenplatte
ausgebildet. Das Substrat wird geätzt, so dass der Tintenzufuhrverteiler
ausgebildet wird. Außerdem
werden Elektroden zum Aufbringen von Strom auf die ringförmige Erwärmungseinrichtung
ausgebildet. Eine Düsenplatte
wird geätzt,
so dass eine Düse
ausgebildet wird, deren Durchmesser geringer ist als die ringförmige Erwärmungseinrichtung
auf der Innenseite der ringförmigen
Erwärmungseinrichtung.
Das von der Düse
freigelegte Substrat wird geätzt,
so dass die im Wesentlichen halbkugelförmige Tintenkammer ausgebildet
wird, die einen größeren Durchmesser
aufweist als die ringförmige
Erwärmungseinrichtung
und eine gekrümmte
Bläschenbildungsführung umfasst.
Das Substrat wird von der Oberfläche
geätzt,
so dass der Tintenkanal zum Verbinden der Tintenkammer mit dem Verteiler
ausgebildet wird.
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Bevorzugt
wird die Tintenkammer durch anisotropes Ätzen des durch die Düse freigelegten
Substrats auf eine bestimmte Tiefe ausgebildet und isotropes Ätzen des
Substrats, so dass es eine Halbkugelform aufweist.
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Bevorzugt
wird, um den Tintenkanal auszubilden, die Düsenplatte von der Außenseite
der ringförmigen
Erwärmungseinrichtung
zum Verteiler geätzt,
um eine Nut zum Freilegen des Substrats auszubilden, zur gleichen
Zeit, wenn eine Düsenplatte geätzt wird,
um die Düse
auszubilden. Dann wird das durch die Nut freigelegte Substrat zur
gleichen Zeit geätzt,
wenn das Substrat isotrop geätzt
wird, um die Tintenkammer zu bilden.
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Bevorzugt
wird, um die Tintenkammer auszubilden, das von der Düse freigelegte
Substrat auf eine bestimmte Tiefe geätzt, um einen Trench auszubilden.
Dann wird eine bestimmte Materialschicht auf eine be stimmte Dicke über das
anisotrop geätzte Substrat
abgeschieden und die Materialschicht ird anisotrop geätzt, um
den Boden des Trench freizulegen und einen Abstandhalter der Materialschicht
entlang der Seitenwände
des Trench auszubilden. Dann wird das am Boden des Trench freigelegte
Substrat isotrop geätzt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines
mit Bläschen
angetriebenen Tintenstrahldruckkopfs zur Verfügung, dessen Struktur die oben
genannten Erfordernisse erfüllt. Gemäß einem
Ausstoßverfahren
wird ein Bläschen mit
einer im Wesentlichen Kringelform, dessen Mittelteil der Düse gegenübersteht,
in der mit Tinte gefüllten
Tintenkammer gebildet. Das kringelförmige Bläschen dehnt sich aus und fließt unter
der Düse
zusammen, um den Schwanz eines ausgestoßenen Tintentröpfchens
abzuschneiden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird das Bläschen
in einer Kringelform ausgebildet, die die obigen Erfordernisse für Tintenausstoß erfüllt. Außerdem sind
ein einfacher Herstellungsprozess und hohes Produktionsvolumen an
Druckköpfen
in Chips möglich.
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Die
obigen Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser
ersichtlich aus einer ausführlichen
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen, in denen:
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1A und 1B Querschnitte
sind, die die Struktur eines herkömmlichen mit Bläschen angetriebenen
Tintenstrahldruckkopfes zusammen mit einem Tintenausstoßmechanismus
zeigen;
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2 eine
schematische Draufsicht eines mit Bläschen angetriebenen Tintenstrahldruckkopfes gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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3A und 3B Draufsichten
der Tintenausstoßeinrichtung
von 2 sind;
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4A und 4B Querschnitte
eines Druckkopfes gemäß einem
Beispiel sind, das keine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, entlang der Linie 4-4 von 3A;
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5 und 6 Querschnitte
eines Druckkopfes gemäß einem
Beispiel sind, das keine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, entlang der Linien 5-5 und 6-6 von 3A;
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7 und 8 Querschnitte
eines Druckkopfes gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind, entlang der Linien 4-4 und 6-6 von 3A;
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9 und 10 Querschnitte
sind, die ein Verfahren zum Ausstoßen von Tinte in einem mit Bläschen angetriebenen
Druckkopf der 4 bis 6 zeigen;
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11 und 12 Querschnitte
sind, die ein Verfahren zum Ausstoßen in einem mit Bläschen angetriebenen
Druckkopf gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigen;
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13–19 Querschnitte
sind, die ein Verfahren zum Herstellen eines mit Bläschen angetriebenen
Druckkopfes gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigen; und
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20–22 Querschnitte
sind, die ein Verfahren zum Herstellen eines mit Bläschen angetriebenen
Druckkopfes gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigen.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun ausführlicher mit Bezug zu den begleitenden
Zeichnungen beschrieben, in denen bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung gezeigt sind. Diese Erfindung kann jedoch in vielen
verschiedenen Formen ausgeführt
sein und sollte nicht als auf die hier angegebenen Ausführungsformen
beschränkt
betrachtet werden. Vielmehr werden diese Ausführungsformen angegeben, so
dass diese Offenbarung sachdienlich und vollständig ist und das Konzept der
Erfindung für die
Fachleute vollständig
darlegt. In den Zeichnungen ist die Form von Elemente zum Zwecke
der Klarheit übertrieben,
und selbe Bezugszeichen, die in den Zeichnungen erscheinen, stellen
das gleiche Element dar. Ferner versteht es sich, dass wenn eine Schicht
als „auf" einer anderen Schicht
oder einem Substrat bezeichnet wird, sie direkt auf der anderen Schicht
oder dem Substrat sein kann oder Zwischenschichten ebenso vorhanden
sein können.
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Mit
Bezug zu 2 sind in einem Druckkopf gemäß der vorliegenden
Erfindung Tintenausstoßeinrichtungen 3 in
zwei Reihen in Zickzack entlang beider Seiten eines Tintenzufuhrverteilers 150 angeordnet,
der in einer unterbrochenen Linie gezeigt ist. Verbindungselemente 5,
an die Drähte
gebunden sind, verbinden jede Tintenausstoßeinrichtung 3 elektrisch.
Außerdem
verbindet der Verteiler 150 mit einem Tintenbehälter (nicht
gezeigt), der Tinte enthält.
Obwohl die Tintenausstoßeinrichtungen 3 in zwei
Reihen angeordnet sind, wie in 2 gezeigt, können sie
in einer Reihe angeordnet sein. Um hohe Auflösung zu erreichen, können sie
in drei Reihen angeordnet sein. Außerdem ist der Druckkopf, der
eine einzelne Farbe verwendet in 2 gezeigt,
aber drei (Gelb, Magenta und Cyan) oder vier (Gelb, Magenta, Cyan
und Schwarz) Gruppen von Tintenausstoßeinrichtungen können angeordnet
sein, eine Gruppe für jede
Farbe zum Farbdrucken.
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3A ist
eine Draufsicht der Tintenausstoßeinrichtung, der ein Merkmal
der vorliegenden Erfindung ist. Die 4A, 5 und 6 sind Querschnittsansichten
eines Druckkopfes gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung entlang der Linien 4-4, 5-5 bzw. 6-6.
Die Struktur des Druckkopfes gemäß einem
ersten Beispiel, das keine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, wird nun ausführlich mit Bezug zu den 3A bis 6 beschrieben.
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Eine
Tintenkammer 200 zum Aufnehmen von Tinte, die im Wesentlichen
eine Halbkugelform aufweist, ist auf der Oberfläche eines Substrats 100 ausgebildet
und ein Tintenkanal 210 zum Zuführen von Tinte zu einer Tintenkammer 200 ist
flacher ausgebildet als die Tintenkammer 200.
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Der
Verteiler 150 zum Verbinden des Tintenkanals 210 und
damit Zuführen
von Tinte zum Tintenkanal 210 ist auf der Hinterseite des
Substrats 100 ausgebildet. Außerdem steht eine Bläschenbarriere 205 (8),
die verhindert, dass ein Bläschen
in den Tintenkanal 210 zurückgedrückt wird, wenn sich das Bläschen ausdehnt,
leicht zur Oberfläche
des Substrats 100 an einem Punkt vor, wo die Tintenkammer 200 und
der Tintenkanal 210 sich treffen. Hier ist das Substrat 100 bevorzugt
aus einem Silicium gebildet, das die selbe Kristallorientierung
[100] aufweist, wie sie verbreitet zur Herstellung von integrierten
Schaltungen verwendet wird.
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Eine
Düse 160 und
eine Düsenplatte 110,
in der eine Nut 170 für
einen Tintenkanal ausgebildet ist, sind auf dem Substrat 100 ausgebildet,
so dass auf diese Weise eine obere Wand der Tintenkammer 200 und
der Tintenkanal 210 ausgebildet sind. Wenn das Substrat 100 aus
Silicium gebildet ist, kann die Düsenplatte 110 aus
einer Siliciumoxidschicht gebildet sein, die durch Oxidation des
Siliciumsubstrats 100 oder einer Siliciumnitridschicht
gebildet wird, die auf dem Siliciumsubstrat 100 abgeschieden
ist.
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Eine
Erwärmungseinrichtung 120 in
Ringform zum Ausbilden eines Bläschens
ist auf der Düsenplatte 110 angeordnet,
so dass sie die Düse 160 umgibt.
Wie in 3A gezeigt ist, weist die Erwärmungseinrichtung 120,
die aus Widerstandsheizelementen wie polykristallinem Silicium besteht,
angenähert
die Form eines Omega oder Hufeisens auf, kombiniert mit Elektroden 180,
die typischerweise aus Metall sind, um einen Stromimpuls auf die
Erwärmungseinrichtung 120 aufzugeben.
Die Erwärmungseinrichtung 120 und
die Elektroden 180 sind durch Kontakte 185 elektrisch
verbunden. Ebenso sind die Elektroden 180 mit dem Verbindungselement
(5 in 2) verbunden.
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Indessen
sind die 3B und 4B eine Draufsicht
und eine Querschnittsansicht entlang der Linie 4-4 von 3A,
die ein modifiziertes Beispiel dieser Ausführungsform zeigen. Mit Bezug
zu 3B weist eine Erwärmungseinrichtung 120' eine Ringform
auf und ist mit den Elektroden 180 durch die Kontakte 185 an
annähernd
symmetrischen Stellen verbunden.
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Mit
Bezug zu 4B ist eine Erwärmungseinrichtung 120 unter
einer Düsenplatte 110' angeordnet,
so dass sie mit Tinte in Kontakt kommt, die die Tintenkammer 200 füllt.
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7 und 8 sind
Querschnittsansichten entlang der Linien 4-4 und 6-6 von 3A,
die die Struktur eines Druckkopfes gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigen. Mit Bezug zu den 3A, 7 und 8,
obwohl der Druckkopf gemäß dieser
Ausführungsform
eine im Grunde ähnliche
Struktur aufweist wie das erste Beispiel, unterscheidet er sich
von der ersten Ausführungsform
in den Strukturen einer Tintenkammer 200' und einer Düse 160'. Das heißt, der Boden der Tintenkammer 200' ist im Wesentlichen
halbkugelförmig
wie die Tintenkammer 200 der ersten Ausführungsform,
aber eine Tropfenführung 230 und
eine Blächenführung 203 sind
am oberen Teil der Tintenkammer 200' angeordnet. Die Tropfenführung 230 erstreckt
sich entlang der Kante der Düse 160' zur Tintenkammer 200' und die Bläschenführung 203 ist unter
der Düsenplatte 110 gebildet,
die die obere Wand der Tintenkammer 200' bildet, wobei ein Substratmaterial
entlang der Innenfläche
der Tröpfchenführung 230 bleibt.
Die Funktionen der Tropfenführung 230 und
dar Bläschenführung 203 werden
unten beschrieben.
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Die
Funktionen und Effekte der Tintenstrahldruckköpfe gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden nun zusammen mit einem Verfahren
zum Ausstoßen
von Tinte gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben.
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9 und 10 zeigen
den Tintenausstoßmechanismus
für den
Druckkopf gemäß dem ersten
Beispiel. Wie in 9 gezeigt wird, wenn ein Stromimpuls
auf die ringförmige
Erwärmungseinrichtung 120 aufgebracht
wird, wenn die Tintenkammer 200 mit Tinte 300 gefüllt ist,
die durch den Verteiler 150 und den Tintenkanal 210 durch
Kapillarwirkung zugeführt
ist, dann die durch die Erwärmungseinrichtung 120 erzeugte
Wärme durch
die darunter liegende Düsenplatte 110 übertragen,
was die Tinte 300 unter der Erwärmungseinrichtung 120 zum
Sieden bringt, so dass sich Bläschen 310 bilden.
Die Bläschen 310 weisen
annähernd
Kringelform auf, was zur ringförmigen
Erwärmungseinrichtung 120 passt,
wie es auf der rechten Seite von 9 gezeigt
ist.
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Wenn
die kringelförmigen
Bläschen 310 sich im
Laufe der Zeit ausdehnen, wie in 10 gezeigt, fließen die
Bläschen 310 unter
der Düse 160 zusammen,
so dass sie ein im Wesentlichen scheibenförmiges Bläschen 310' bilden, dessen
Mittelteil konkav ist. Gleichzeitig bewirkt das sich ausdehnende
Bläschen 310', dass Tinte 300' in der Tintenkammer 200 ausgestoßen wird.
Wenn der aufgebrachte Strom abbricht, kühlt die Erwärmungseinrichtung 120 ab,
so dass das Bläschen 310' schrumpft oder
zusammenfällt
und dann füllt
die Tinte 300 erneut die Tintenkammer 200.
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Beim
Tintenausstoßmechanismus
gemäß dieser
Ausführungsform
fließen
die kringelförmigen Bläschen 310 zusammen,
so dass sie das Ende der ausgestoßenen Tinte 300' abschneiden,
was auf diese Weise die Bildung von Satellitentröpfchen verhindert. Außerdem ist
die Ausdehnung des Bläschens 310 oder 310' in der Tintenkammer 200 beschränkt, was
ein Zurückfließen der
Tinte 300 verhindert, so dass keine Wechselwirkungen zwischen
benachbarten Tintenausstoßeinrichtungen
auftreten. Da außerdem
der Tintenkanal 210 flacher und kleiner ist als die Tintenkammer
und die Bläschenbarriere 205 an dem
Punkt ausge bildet ist, wo die Tintenkammer 200 und der
Tintenkanal 210 sich treffen, wie in 6 gezeigt,
ist es sehr wirkungsvoll zum Verhindern, dass das Bläschen 310 oder 310' selbst zum
Tintenkanal 210 gedrückt
wird.
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Indessen
ist die Fläche
der ringförmigen
Erwärmungseinrichtung 120 so
groß,
dass sie schnell erwärmt
und abgekühlt
wird, was einen Zyklus beschleunigt, der mit der Bildung des Bläschens 310 oder 310' beginnt und
mit dem Zusammenfall endet, wodurch eine schnelle Ansprechrate ermöglicht ist und
eine hohe Betriebsfrequenz. Da außerdem die Tintenkammer 200 halbkugelförmig ist,
ist ein Pfad, entlang dem sich die Bläschen 310 und 310' ausdehnen,
stabiler als bei einer herkömmlichen
Tintenkammer mit der Form eines rechteckigen Quaders oder einer
Pyramide, und die Bildung und Expansion eines Bläschens erfolgen schnell, so
dass auf diese Weise Tinte in einer relativ kurzen Zeit ausgestoßen wird.
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Die 11 und 12 zeigen
einen Tintenausstoßmechanismus
für den
Druckkopf gemäß der Ausführungsform
der Erfindung. Der Unterschied zum Tintenausstoßverfahren für den Druckkopf
gemäß der ersten
Ausführungsform
wird nun beschrieben.
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Da
das Bläschen 310'' sich durch die Bläschenführung 203 nahe
der Düse 160' nach unten ausdehnt,
gibt es wenig Möglichkeit,
dass die Bläschen 310'' unter der Düse 160' zusammenfließen. Die Möglichkeit, dass die expandierenden
Bläschen 300'' unter der Düse 160 zusammenlaufen,
kann durch Beeinflussen der Länge,
um die die Tröpfchenführung 130 und
die Bläschenführung 203 sich
nach unten erstrecken, gesteuert werden. Die Ausstoßrichtung
des ausgestoßenen
Tröpfchens 300' wird durch
die Tropfenführung 230 geführt, die
sich entlang der Kanten der Düse 240 erstreckt,
so dass die Richtung exakt senkrecht zum Substrat 100 ist.
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Als
Nächstes
wird ein Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes beschrieben.
Die 13–19 sind
Querschnittsansichten, die ein Verfahren zum Herstellen des Druckkopfes
zeigen. Die linken und rechten Seiten der Zeichnungen sind Querschnitte entlang
der Linien 4-4 und 6-6 von 3A. Dies
gilt auch für
die 20–22.
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Zunächst wird
das Substrat 100 bereitet. Ein Siliciumsubstrat mit einer
Kristallorientierung von [100] und mit einer Dicke von ungefähr 500 μm wird als
das Substrat 100 in dieser Ausführungsform verwendet. Dies
deshalb, weil die Verwendung eines Siliciumwafers, der bei der Herstellung
von Halbleiteranordnungen verbreitet verwendet wird, hohes Produktionsvolumen
ermöglicht.
Danach werden, wenn der Siliciumwafer in einem Oxidationsofen nass
oder trocken oxidiert wird, wie in 13 gezeigt,
die vordere und hintere Seite des Siliciumsubstrats 100 oxidiert,
was ermöglicht,
dass Siliciumoxidschichten 110 und 115 wachsen.
Ein sehr kleiner Teil des Siliciumwafers ist in 13 gezeigt
und ein Druckkopf gemäß dieser
Erfindung wird von Dutzenden bis Hunderten Chips auf einem einzigen
Wafer gefertigt. Das heißt, 13 zeigt
nur die Tintenausstoßeinrichtung 3 im
Chip wie in 2 gezeigt. Außerdem werden wie
in 13 gezeigt, die Siliciumoxidschichten 110 und 115 sowohl
auf der Vorder- und Hinterseite des Substrats 100 entwickelt.
Dies deshalb, weil ein Oxidationsofen für Chargenbetrieb, der einer
Oxidationsatmosphäre
ausgesetzt ist, auch auf der Rückseite
des Siliciumwafers verwendet wird. Wenn jedoch ein Oxidationsgerät für einen
einzelnen Wafertyp verwendet wird, das nur eine Vorderseite des
Wafers behandelt, wird die Siliciumoxidschicht 112 nicht
auf der Rückseite
des Substrats 100 ausgebildet. Die Tatsache, dass die Ausbildung
einer bestimmten Materialschicht auf einer vorderen oder hinteren
Seite des Substrats 100 von der Art eines Oxidationsgeräts abhängt, gilt
für die 20–22.
Es ist zweckmäßig zu zeigen,
dass eine andere Materialschicht, wie eine polykristalline Siliciumschicht,
eine Siliciumnitridschicht und eine Tetraethylorthosilicatoxidschicht (TEOS)
nur auf der Vorderseite des Substrats 100 gebildet wird,
wie es unten beschrieben wird.
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14 zeigt
einen Zustand, in dem die ringförmige
Erwärmungseinrichtung 120 ausgebildet
ist. Die ringförmige
Erwärmungseinrichtung 120 wird durch
Abscheiden von polykristallinem Silicium über der Siliciumoxidschicht 110 und
Mustern der polykristallinen Siliciumschicht in Form eines Rings
ausgebildet.
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Speziell
kann das polykristalline Silicium auf eine Dicke von ungefähr 0,8 μm mittels
eines chemischen Aufdampfens bei Niederdruck (CVD, chemical vapor
deposition) abgeschieden werden. Die polykristalline Siliciumschicht
wird durch Photolithographie gemustert, wobei eine Photomaske und
Photoresist verwendet wird und ein Ätzprozess zum Ätzen der
polykristallinen Siliciumschicht, die über der Siliciumoxidschicht 100 abgeschieden
ist, unter Verwendung eines Photoresistmusters als Ätzmaske.
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15 zeigt
einen Zustand, in dem eine Siliciumnitridschicht 130 und
eine TEOS-Oxidschicht 140 sequentiell über dem erhaltenen Material
ausgebildet sind, wie in 14 gezeigt.
Die Siliciumnitridschicht 130 kann auch auf eine Dicke
von ungefähr 0,5 μm durch Niederdruck-CVD
als Schutzschicht der ringförmigen
Erwärmungseinrichtung 120 abgeschieden
werden, während
die TEOS-Oxidschicht 140 auf eine Dicke von ungefähr 1 μm durch CVD
abgeschieden wird.
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16 zeigt
einen Zustand, in dem der Tintenzufuhrverteiler 150 ausgebildet
ist. Der Verteiler 150 wird durch schräges Ätzen der Rückseite des Wafers ausgebildet.
Insbesondere wird eine Ätzmaske
auf der Rückseite
des Wafers ausgebildet, die einen zu ätzenden Bereich beschränkt, und
Nassätzen wird über eine
bestimmte Zeitdauer durchgeführt, wobei
Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) als Ätzmittel ver wendet wird. Dann
ist Ätzen
in einer Kristallorientierung [111] langsamer als Ätzen in
anderen Orientierungen, so dass der Verteiler 150 mit einer um
54,7 Grad geneigten Seitenfläche
gebildet wird.
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Obwohl
in 16 beschrieben ist, dass der Verteiler 150 durch
schräges Ätzen der
Rückseite des
Substrats 100 ausgebildet wird, kann der Verteiler 150 durch
anisotropes Ätzen,
Durchdringen und Ätzen
des Substrats 100 oder Ätzen
der Vorderseite des Substrats 100 ausgebildet werden.
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Mit
Bezug zu 17 werden die TEOS-Oxidschicht 140,
die Siliciumnitridschicht 130 und die Siliciumoxidschicht 110 sequentiell
geätzt,
so dass eine Öffnung 160 gebildet
wird, die das Substrat 100 freilegt mit einem Durchmesser,
der geringer ist als der der ringförmigen Erwärmungseinrichtung 130 auf
der Innenseite der ringförmigen
Erwärmungseinrichtung 120.
Gleichzeitig wird die Öffnung 170 (19)
auf der Außenseite
der ringförmigen
Erwärmungseinrichtung 120 in
einer geraden Linie bis zum oberen Teil des Verteilers 150 ausgebildet.
Die Öffnung 170 ist
eine Nut, die beim Ätzen
des Substrats 100 zum Ausbilden eines Tintenkanals verwendet wird.
Ebenso weist die Öffnung 170 eine
Länge von ungefähr 50 μm und eine
Breite von ungefähr
2 μm auf.
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Indessen
werden zum Ausbilden der Elektroden (180 von 3) zum Aufbringen von Strom auf die ringförmige Erwärmungseinrichtung 120 und
der Kontakte 185 zum elektrischen Verbinden der ringförmigen Erwärmungseinrichtung 120 mit
den Elektroden 180, zunächst
die TEOS-Oxidschicht 140 und die
Siliciumnitridschicht 130, die auf einem Teil abgeschieden
sind, wo die Kontakte 185 ausgebildet werden, entfernt,
um einen Teil der ringförmigen
Erwärmungseinrichtung 120 freizulegen.
Dann wird ein leitfähiges
Metall wie Aluminium über
der erhaltenen Struktur auf eine Dicke von ungefähr 1 μm abgeschieden. Es kann Kupfer
durch Elektrobeschichtung als Elektroden 180 verwendet
werden.
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18 zeigt
einen Zustand, in dem das durch die Öffnung 160 freigelegte
Substrat auf eine bestimmte Tiefe geätzt ist, um einen Trench 190 auszubilden.
In diesem Fall wird das durch die Öffnung 170 freigelegte
Substrat 100 nicht geätzt.
Insbesondere nachdem eine Ätzmaske
wie eine Photoresistschicht PR, die nur die Öffnung 160 freilegt,
auf dem Substrat 100 ausgebildet ist, wird das Siliciumsubstrat 100 mittels
Trockenätzen
geätzt,
wobei induktiv gekoppeltes Plasmaätzen oder reaktives Ionenätzen angewendet
wird.
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19 zeigt
eine Struktur, die durch Entfernen der Photoresistschicht PR mittels
Veraschen und Abziehen im in 18 gezeigten
Zustand und isotropes Ätzen
des freigelegten Siliciumsubstrats 100 erhalten ist. Insbesondere
wird das Substrat 100 über eine
bestimmte Zeitdauer unter Verwendung von XeF2-Gas
als Ätzgas
geätzt.
Dann wird, wie in 19 gezeigt, die im Wesentlichen
halbkugelförmige
Tintenkammer 200 mit einer Tiefe und einem Radius von ungefähr 20 μm ausgebildet,
und der Tintenkanal 210 zum Verbinden der Tintenkammer 200 mit dem
Verteiler 150 wird mit einer Tiefe und einem Radius von
ungefähr
8 μm ausgebildet.
Ebenso wird die hervorstehende Bläschenbarriere 205 durch Ätzen an
dem Punkt ausgebildet, wo die Tintenkammer 200 und der
Tintenkanal 210 sich treffen. Auf diese Weise wird der
Druckkopf gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung fertiggestellt.
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Indessen
wird nur das Substrat 100, das durch die Öffnung 160 freigelegt
ist, geätzt
wie in 18 gezeigt, um ein kringelförmiges Bläschen auf des
Innere der Tintenkammer 200 zu beschränken, indem die Tiefe der Tintenkammer 200 tiefer
gemacht wird als die des Tintenkanals 210, wie in 19 gezeigt.
Da jedoch eine Ätzrate
aufgrund des Unterschieds in der Breite der Öffnungen 160 und 170 beim
isotropen Ätzen schwankt,
wie in 19 gezeigt, werden die Tintenkammer 200 und
der Tintenkanal 210 in unterschiedlichen Tiefen ausgebildet. Daher
kann der in 18 gezeigte Schritt ausgelassen
werden.
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Außerdem kann
der Druckkopf mit einer Struktur, in der die Erwärmungseinrichtung 120 unter der
Düsenplatte 110' angeordnet
ist, wie in 4B gezeigt, durch Ätzen und
Entfernen der Siliciumoxidschicht 110, die zur Tintenkammer 200 freigelegt
ist, in einem Zustand hergestellt werden wie in 19 gezeigt.
Die so freigelegte Erwärmungseinrichtung 120 steht
direkt mit Tinte in Kontakt. Zur Vermeidung, dass Tinte anhaftet,
kann eine Siliciumoxidschicht oder eine Siliciumnitridschicht als
Schutzschicht dünn über die
freigelegte Erwärmungseinrichtung 120 abgeschieden
werden.
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Die 20–22 sind
Querschnittsansichten, die ein Verfahren zur Herstellung des Druckkopfs gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigen. Das Herstellungsverfahren gemäß dieser
Ausführungsform
ist gleich wie bei der ersten Ausführungsform bis zum in 18 gezeigten
Schritt und das Verfahren gemäß dieser
Ausführungsform kann
ferner die in den 20 und 21 gezeigten Schritte
beinhalten.
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Das
heißt
wie in 20 gezeigt, die Photoresistschicht
PR wird in einem in 18 gezeigten Zustand entfernt
und dann eine bestimmte Materialschicht wie eine TEOS-Oxidschicht 220 über das
erhaltene Material auf eine Dicke von ungefähr 1 μm abgeschieden. Anschließend wird
die TEOS-Oxidschicht 220 anisotrop geätzt, so dass das Siliciumsubstrat 100 freigelegt
wird, um Abstandhalter 230 und 240 entlang der
Seitenwände
des Trench 190 und der Öffnung 170 auszubilden,
wie in 21 gezeigt. Das freigelegte
Siliciumsubstrat 100 wird isotrop geätzt in einem in 21 gezeigten
Zustand wie in der ersten Ausführungsform,
so dass der Druckkopf gemäß der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung fertiggestellt wird.
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Obwohl
diese Erfindung mit Bezug zu bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde,
versteht es sich für
die Fachleute, dass verschiedene Veränderungen in Form und Details
vorgenommen werden können.
Zum Beispiel sind die Materialien, die die Elemente des Druckkopfes
gemäß dieser
Erfindung bilden, nicht auf die dargestellten beschränkt. Das
heißt,
das Substrat 100 kann aus einem Material gebildet sein,
das gute Verarbeitbarkeit aufweist, das ein anderes ist als Silicium
und dies gilt ebenso für die
Erwärmungseinrichtung 120,
die Elektrode 180, eine Siliciumoxidschicht oder eine Nitridschicht.
Außerdem
sind die Schicht- und Bildungsverfahren für jede Materialschicht nur
Beispiele, und daher kann eine Vielfalt von Abscheidungs- und Ätztechniken
angewendet werden.
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Ebenso
kann die Abfolge von Prozessen in einem Verfahren zur Herstellung
eines Druckkopfes gemäß dieser
Erfindung eine andere sein. Zum Beispiel kann Ätzen der Rückseite des Substrats 100 zum
Ausbilden des Verteilers 150 vor dem Schritt durchgeführt werden,
der in 15 gezeigt ist oder nach dem
Schritt, der in 17 gezeigt ist, das heißt, dem
Schritt zum Ausbilden der Düse 160.
Außerdem kann
der Schritt zum Ausbilden der Elektroden 180 vor dem Schritt
ausgeführt
werden, der in 17 gezeigt ist.
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Hierbei
können
spezifische numerische Werte, die in jedem Schritt dargestellt sind,
innerhalb eines Bereichs einstellbar sein, in dem der hergestellte Druckkopf
normal arbeiten kann.
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Wie
oben beschrieben ist gemäß dieser
Erfindung das Bläschen
kringelförmig,
was damit ein Zurückfließen von
Tinte und Wechselwirkungen zwischen benachbarten Tintenausstoßeinrichtungen verhindert.
Die Tintenkammer ist halbkugelförmig, der
Tintenkanal ist flacher als die Tintenkammer und die Bläschenbarriere
steht am Verbindungsteil von Tintenkammer und Tintenkanal vor, wodurch
ebenfalls ein Zurückfließen von
Tinte vermieden wird.
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Die
Form der Tintenkammer, der Tintenkanal und die Erwärmungseinrichtung
im Druckkopf gemäß dieser
Erfindung ergeben eine hohe Ansprechrate und hohe Betriebsfrequenz.
Außerdem
fließt
das kringelförmige
Bläschen
in der Mitte zusammen, was die Bildung von Satellitentröpfchen verhindert.
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Indessen
ermöglicht
der Druckkopf gemäß der zweiten
Ausführungsform
der Erfindung, dass Tröpfchen
exakt in einer Richtung senkrecht zum Substrat ausgestoßen werden,
indem die Bläschenführung und
die Tröpfchenführung an
den Kanten der Düse
ausgebildet sind.
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Ferner
werden gemäß einem
herkömmlichen
Druckkopfherstellungsverfahren eine Düsenplatte, eine Tintenkammer
und ein Tintenkanal separat hergestellt und miteinander verbunden.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Druckkopfes gemäß dieser
Erfindung beinhaltet jedoch Integrieren der Düsenplatte und der ringförmigen Erwärmungseinrichtung
mit dem Substrat, auf dem die Tintenkammer und der Tintenkanal ausgebildet
sind, wodurch ein Herstellungsprozess im Vergleich zum herkömmlichen
Herstellungsverfahren vereinfacht wird. Außerdem verhindert dies das
Auftreten von Fehlausrichtungen.
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Außerdem ist
das Herstellungsverfahren gemäß dieser
Erfindung mit einem typischen Herstellungsprozess für eine Halbleiteranordnung
verträglich,
wodurch hohes Produktionsvolumen erleichtert wird.