DE60127519T2 - Verfahren für die Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes mit halbkugelförmigen Tintenkammern - Google Patents

Verfahren für die Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes mit halbkugelförmigen Tintenkammern Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes, und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes mit einer halbkugelförmigen Tintenkammer.
  • Tintenstrahldruckköpfe sind Vorrichtungen zum Drucken eines bestimmten Bildes durch Ausstoßen kleiner Tröpfchen von Drucktinte an gewünschten Positionen auf einem Aufzeichnungsblatt. Tintenausstoßmechanismen eines Tintenstrahldruckers werden grob in zwei verschiedene Typen eingeteilt: einen elektrothermischen Umsetzertyp (Bubble-Jet-Typ), bei dem eine Wärmequelle eingesetzt wird, um in Tinte ein Bläschen zu bilden, was bewirkt, dass Tintentröpfchen ausgestoßen werden, und einen elektromechanischen Umsetzertyp, bei dem ein piezoelektrischer Kristall sich verformt, so dass sich das Volumen der Tinte verändert, was bewirkt, dass Tintentröpfchen ausgetrieben werden.
  • Die 1A und 1B sind Diagramme, die einen herkömmlichen Tintenstrahldruckkopf vom Bubble-Jet-Typ darstellen. Speziell ist 1A eine Perspektivansicht, die die Struktur einer Tintenausstoßeinrichtung darstellt, die in US-Patent Nr. 4882595 offenbart ist, und 1B ist eine Querschnittsansicht zur Erläuterung des Ausstoßes eines Tintentröpfchens in der Tintenausstoßeinrichtung.
  • Der in den 1A und 1B gezeigte herkömmliche Tintenstrahldruckkopf vom Bubble-Jet-Typ beinhaltet ein Substrat 10, eine Barrierewand 12, die auf dem Substrat 10 installiert ist, um eine Tintenkammer 13 zur Aufnahme von Tinte 19 zu bilden, eine in der Tintenkammer 13 installierte Erwärmungseinrichtung 14 und eine Düsenplatte 11 mit einer Düse 16 zum Ausstoßen eines Tintentröpfchens 19'. Die Tinte 19 wird der Tintenkammer 13 durch einen Tintenkanal 15 und der mit der Tin tenkammer 13 verbundenen Düse 16 durch Kapillarwirkung zugeführt. Wenn in einer solchen Struktur der Erwärmungseinrichtung 14 Strom zugeführt wird, um Wärme zu erzeugen, wird ein Bläschen 18 in der Tinte 19 gebildet, die die Tintenkammer 13 füllt, und dehnt sich weiter aus. Aufgrund der Ausdehnung des Bläschens 18 wird auf die Tinte 19 in der Tintenkammer 13 Druck ausgeübt, und dadurch wird das Tintentröpfchen 19' durch die Düse 16 ausgestoßen. Danach wird Tinte 19 durch den Tintenkanal 15 zugeführt, um die Tintenkammer 13 aufzufüllen.
  • Dabei muss ein Tintenstrahldruckkopf mit dieser Tintenausstoßeinrichtung vom Bubble-Jet-Typ die folgenden Bedingungen erfüllen. Erstens, es müssen ein einfacher Herstellungsprozess, geringe Herstellungskosten und Massenproduktion machbar sein. Zweitens, zur Ausbildung von Farbbildern in hoher Qualität muss die Bildung von winzigen Satellitentröpfchen, die ausgestoßenen Haupttröpfchen nachfolgen, verhindert werden. Drittens, wenn Tinte aus einer Düse ausgestoßen wird oder nach Tintenausstoß Tinte in eine Tintenkammer nachgefüllt wird, müssen Wechselwirkungen mit benachbarten Düsen, aus denen keine Tinte ausgestoßen wird, verhindert werden. Zu diesem Zweck muss ein Rückfluss von Tinte in entgegengesetzte Richtung einer Düse beim Tintenausstoß verhindert werden. Viertens, für Hochgeschwindigkeitsdruck muss ein Zyklus, der mit Tintenausstoß beginnt und mit Tintennachfüllung endet, so kurz wie möglich sein. Mit anderen Worten, ein Tintenstrahldruckkopf muss eine hohe Ansteuerfrequenz aufweisen.
  • Die obigen Bedingungen kommen jedoch leicht in Konflikt miteinander, und außerdem steht die Leistung eines Tintenstrahldruckkopfes eng mit den Strukturen von Tintenkammer, Tintenkanal und Erwärmungseinrichtung, der Art der Bildung und Ausdehnung von Bläschen und der relativen Größe jeder Komponente in Zusammenhang.
  • Dementsprechend wurden verschiedene Tintenstrahldruckköpfe mit unterschiedlichen Strukturen in US-Patent Nr. 4882595, US-Patent Nr. 4339762, US-Patent Nr. 5760804, US-Patent Nr. 4847630, US-Patent Nr. 5850241, dem europäischen Patent Nr. 317171 und von Fan-gang Tseng, Chang-jin Kim und Chih-ming Ho, A Novel Microinjector with Virtual Chamber, IEEE MEMS, S. 57-62, 1998 vorgeschlagen. Keiner davon kann jedoch die obigen Bedingungen ausreichend erfüllen.
  • US 5841452 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Bubble-Jet-Druckvorrichtungen, in denen eine Tintenkammer durch Ätzen durch eine Düsenplatte ausgebildet wird. US 6903330 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Kanalhohlräumen, das Ätzen durch eine Nut und dann Schließen der Nut zum Abschließen der Kanäle beinhaltet.
  • Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes umfassend eine halbkugelförmige Tintenkammer zur Verfügung gestellt, wobei das Verfahren umfasst:
    Ausbilden einer Düsenplatte auf der Oberfläche eines Substrats;
    Ausbilden einer ringförmigen Erwärmungseinrichtung auf der Düsenplatte;
    Ausbilden eines Verteilers zum Zuführen von Tinte durch Ätzen einer gegenüberliegenden Seite des Substrats auf der Oberfläche;
    Ausbilden einer Elektrode auf der Düsenplatte zum elektrischen Verbinden mit der Erwärmungseinrichtung;
    Ausbilden einer Düse, durch die Tinte ausgestoßen wird, durch Ätzen der Düsenplatte im Inneren der Erwärmungseinrichtung, so dass sie einen kleineren Durchmesser aufweist als der Durchmesser der Erwärmungseinrichtung;
    Ausbilden einer Nut zum Ausbilden eines Tintenkanals, so dass das Substrat durch Ätzen der Düsenplatte freigelegt wird, so dass die Nut sich von außerhalb der Erwärmungseinrichtung zum Verteiler erstreckt;
    Ausbilden einer Tintenkammer, so dass sie einen größeren Durchmesser aufweist als der Durchmesser der Erwärmungseinrichtung und im Wesentlichen halbkugelförmig ist, durch Ätzen des durch die Düse freigelegten Substrats;
    Ausbilden eines Tintenkanals, so dass die Tintenkammer und der Verteiler durch das Substrat verbunden werden, durch isotropes Ätzen des durch die Nut freigelegten Substrats; und
    Schließen der Nut durch Ausbilden einer ersten Materialschicht auf der Düsenplatte.
  • Dieses Verfahren ermöglicht Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes mit einer halbkugelförmigen Tintenkammer und anderen Komponenten, darunter ein Tintenkanal, eine Düse und eine Erwärmungseinrichtung, die auf einem Substrat integriert sind.
  • Die erste Materialschicht ist bevorzugt eine Siliciumnitridschicht. Bevorzugt beträgt die Dicke der ersten Materialschicht nicht weniger als die Hälfte der Breite der Nut.
  • Das Verfahren der Erfindung integriert eine Tintenkammer, einen Tintenkanal und einen Tintenzufuhrverteiler in einem Körper in einem Substrat, und eine Düsenplatte und eine Erwärmungseinrichtung sind in einem Körper auf dem Substrat integriert. Dementsprechend ist die Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes einfach, und daher kann Massenproduktion des Druckkopfes erleichtert werden. Da außerdem eine Nut zum Ausbilden eines Tintenkanals mit einer ersten Materialschicht geschlossen wird, ist es möglich zu verhindern, dass Tinte durch die Nut austritt.
  • Beispiele der Erfindung werden nun ausführlich mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • 1A und 1B eine Perspektivansicht bzw. eine Querschnittsansicht sind, die einen herkömmlichen Tintenstrahldruckkopf vom Bubble-Jet-Typ darstellen;
  • 2 eine schematische Draufsicht ist, die einen Tintenstrahldruckkopf darstellt, der nach einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
  • 3 eine vergrößerte Ansicht einer Tintenausstoßeinrichtung im Tintenstrahldruckkopf von 2 darstellt;
  • 4A bis 4C Querschnittsansichten sind, die die vertikale Struktur der Tintenausstoßeinrichtung entlang der Linien A-A, B-B und C-C von 3 darstellen;
  • 5 eine Draufsicht ist, die ein weiteres Beispiel der Tintenausstoßeinrichtung von 3 darstellt;
  • 6A und 6B Querschnittsansichten sind, die die vertikale Struktur der Tintenausstoßeinrichtung entlang der Linien D-D bzw. E-E von 5 darstellen;
  • 7A und 7B Querschnittsansichten sind, die den Tintenausstoßmechanismus der Tintenausstoßeinrichtung von 3 darstellen;
  • 8A und 8B Querschnittsansichten sind, die den Tintenausstoßmechanismus der Tintenausstoßeinrichtung von 5 darstellen;
  • 9 bis 17 Querschnittsansichten sind, die ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfs mit der in 3 gezeigten Tintenausstoßeinrichtung darstellen; und
  • 18 bis 20 Querschnittsansichten sind, die ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfs mit der in 5 gezeigten Tintenausstoßeinrichtung darstellen.
  • Die 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 werden und sollte nicht als auf die hier angegebenen Ausführungsformen beschränkt betrachtet werden. Vielmehr werden diese Ausführungsformen angeführt, so dass die Offenbarung gründlich und vollständig ist und das Konzept der Erfindung für die Fachleute vollständig darlegt. In den Zeichnungen kann zum Zwecke der Deutlichkeit die Abmessung einiger Elemente vergrößert sein. Es versteht sich ebenso, dass wenn eine Schicht als "auf" einer anderen Schicht oder einem Substrat bezeichnet wird, sie direkt auf der anderen Schicht oder Substrat sein kann oder auch Zwischenschichten vorhanden sein können.
  • 2 ist eine schematische Draufsicht, die einen Tintenstrahldruckkopf darstellt, der nach einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Mit Bezug zu 2 sind Tintenausstoßeinrichtungen 100 in zwei Reihen abwechselnd auf einem Verteiler 112 zum Zuführen von Tinte angeordnet, wie es durch unterbrochene Linien auf dem Tintenstrahldruckkopf angedeutet ist. Es sind Bondpads 102, mit denen Leitungen verbunden werden, so angeordnet, dass sie mit den Tintenausstoßeinrichtungen 100 elektrisch verbunden werden. Der Verteiler 112 ist mit einem Tintenbehälter (nicht gezeigt) verbunden, der Tinte enthält. In 2 sind die Tintenausstoßeinrichtungen 100 so dargestellt, dass sie in zwei Reihen angeordnet sind, sie können jedoch in einer einzigen Reihe oder in drei oder mehr Reihen angeordnet sein, um die Auflösung zu erhöhen. Außerdem ist in 2 ein Druckkopf mit nur einer Farbtinte dargestellt; es können jedoch drei oder vier Gruppen von Tintenausstoßeinrichtungen angeordnet sein, um Farbbilder auszudrucken.
  • 3 ist eine vergrößerte Draufsicht einer Tintenausstoßeinrichtung, wie in 2 gezeigt, und die 4A bis 4C sind Querschnittsansichten, die die vertikale Struktur der Tintenausstoßeinrichtung entlang der Linien A-A, B-B bzw. C-C von 3 darstellen.
  • Mit Bezug zu den 3 und 4A bis 4C ist eine Tintenkammer 114, die mit Tinte befüllt wird, so ausgebildet, dass sie halbkugelförmig auf der Oberfläche des Substrats 110 der Tintenausstoßeinrichtung 100 vorliegt, und ein Tintenkanal 116, über den Tinte der Tintenkammer 114 zugeführt wird, ist so ausgebildet, dass er flacher ist als die Tintenkammer 114. Der Verteiler 112 ist auf der Unterseite des Substrats 110 ausgebildet, so dass er ein Ende des Tintenkanals 116 erreicht und Tinte zum Tintenkanal 116 zuführt. Außerdem ist ein Vorsprung 118 an der Grenze zwischen der Tintenkammer 114 und dem Tintenkanal 116 ausgebildet, um zu verhindern, dass ausgedehnte Bläschen sich in den Tintenkanal 116 vorwölben. Hier ist das Substrat 110 bevorzugt aus Silicium gebildet, das bei der Herstellung integrierter Schaltungen verbreitet verwendet wird.
  • Eine Düsenplatte 120, durch die eine Düse 122 ausgebildet ist, ist auf der Oberfläche des Substrats 110 ausgebildet, wodurch eine obere Wand der Tintenkammer 114 ausgebildet ist. In einem Fall, in dem das Substrat 110 aus Silicium gebildet ist, kann die Düsenplatte 120 aus einer Isolierschicht gebildet sein, wie einer Siliciumoxidschicht, die durch Oxidation des Siliciumsubstrats 100 gebildet ist, oder einer Siliciumnitridschicht, die auf dem Substrat 110 abgeschieden ist. Außerdem ist eine Nut 124 zum Ausbilden des Tintenkanals 116 durch die Düsenplatte 120 ausgebildet und die Nut 124, die später ausführlicher beschrieben wird, ist mit einer Siliciumnitridschicht oder einer Siliciumoxidschicht aufgefüllt, um zu verhindern, dass Tinte durch die Nut 124 austritt.
  • Eine Erwärmungseinrichtung 130 zum Erzeugen von Bläschen ist in einer Ringform auf der Düsenplatte 120 ausgebildet, so dass sie die Düse 122 umgibt. Die Erwärmungseinrichtung 130 ist aus einem Widerstandsheizelement gebildet, wie einem mit Fremdstoff dotierten Polysilicium. Elektroden 150 zum Anlegen von gepulstem Strom, die typischerweise aus einem Metall gebildet sind, sind mit der Erwärmungseinrichtung 130 verbunden.
  • 5 ist eine Draufsicht, die eine andere Tintenausstoßeinrichtung zeigt, und die 6A und 6B sind Querschnittsansichten, die die vertikale Struktur der Tintenausstoßeinrichtung entlang der Linien D-D bzw. E-E von 5 darstellen.
  • Mit Bezug zu den 5, 6A und 6B ist eine Erwärmungseinrichtung 130' einer Tintenausstoßeinrichtung 100' in einer Omegaform ausgebildet, und Elektroden 150 sind mit beiden Enden der Erwärmungseinrichtung 130' verbunden. Mit anderen Worten, während die in 3 gezeigte Erwärmungseinrichtung 130 zwischen den Elektroden 150 parallel eingeschleift ist, ist die in 5 gezeigte Erwärmungseinrichtung 130' zwischen den Elektroden 150 seriell eingeschleift.
  • Eine Tintenkammer 114', wie die in 4A gezeigte Tintenkammer 114, ist in einer Halbkugelform ausgebildet. Eine Tropfenführung 210 ist über der Tintenkammer 114' so ausgebildet, dass sie sich von der Kante einer Düse 122' zur Innenseite der Tintenkammer 114' erstreckt. Eine Bläschenführung 220 ist aus dem Material des Substrats 110, das um die Tröpfchenführung 210 verbleibt, unter einer Düsenplatte 120 ausgebildet, die so ausgebildet ist, dass sie die Tintenkammer 114' bedeckt. Die Funktion der Tröpfchenführung 210 und der Bläschenführung 220 wird später beschrieben. Die Tröpfchenführung 210 und die Bläschenführung 220 können auch bei der in 3 gezeigten Struktur der Tintenausstoßeinrichtung 100 eingesetzt werden.
  • Die Form und Anordnung eines Verteilers 112, eines Tintenkanals 116 und eines Vorsprungs 118 sind gleich wie die Form und Anordnung der entsprechenden Elemente der in 3 gezeigten Tintenausstoßeinrichtung 100.
  • Nachfolgend werden der Tintenausstoßmechanismus der in 3 gezeigten Tintenausstoßeinrichtung mit Bezug zu den 7A und 7B beschrieben.
  • Mit Bezug zu 7A wird Tinte 190 vom Verteiler 112 zur Tintenkammer 114 über den Tintenkanal 116 aufgrund einer Kapillarwirkung zugeleitet. Wenn in einem Zustand, in dem die Tintenkammer 114 mit der Tinte 190 gefüllt ist, ein Stromimpuls durch die Elektroden 150 an der Erwärmungseinrichtung 130 angelegt wird, erzeugt die Erwärmungseinrichtung 130 Wärme. Die Wärme wird über die Düsenplatte 120 der Tinte 190 zugeführt. Dementsprechend beginnt die Tinte zu sieden, und es wird ein Bläschen 192 gebildet. Die Form des gebildeten Bläschens 192 ist gemäß der Form der Erwärmungseinrichtung 130 fast gleich einem Kringel, wie es auf der rechten Seite von 7A gezeigt ist.
  • Im Laufe der Zeit dehnt sich das kringelförmige Bläschen 192 mehr und mehr aus und ein leerer Raum im Bläschen 192 schrumpft. Schließlich verwandelt sich das Bläschen 192 in ein scheibenförmiges Bläschen 192' mit einer leicht eingezogenen oberen Mitte. Gleichzeitig wird ein Tintentröpfchen 190' aus der Tintenkammer über die Düse 122 durch Ausdehnen des Bläschens 192' ausgestoßen.
  • Wenn der an der Erwärmungseinrichtung 130 angelegte Strom unterbrochen wird, kühlt das Bläschen 192' ab. Dementsprechend kann das Bläschen 192' anfangen sich zusammenzuziehen oder zu platzen, und die Tintenkammer 114 wird erneut mit Tinte 190 gefüllt.
  • Gemäß dem Tintenausstoßmechanismus der Tintenausstoßeinrichtung des Druckkopfes, wie oben beschrieben, ist es möglich zu verhindern, dass kleine Satellitentröpfchen auftreten, wenn das Hinterteil des auszustoßenden Tintentröpfchens 190' durch das kringelförmige Bläschen 192 abgeschnitten wird, das sich in das scheibenförmige Bläschen 192' verwandelt.
  • Da außerdem die Erwärmungseinrichtung 130 in einer Ringform oder einer Omegaform ausgebildet ist, weist sie eine vergrößerte Fläche auf. Dementsprechend kann die benötigte Zeit zum Erwärmen oder Abkühlen der Erwärmungseinrichtung 130 verringert werden und dadurch die Zeitspanne vom ersten Auftreten der Bläschen 192 und 192' bis zu ihrem Zusammenfallen verkürzt werden, was dadurch ermöglicht, dass die Erwärmungseinrichtung 130 eine hohe Ansprechrate und eine hohe Betriebsfrequenz aufweist. Außerdem weist die in einer Halbkugelform ausgebildete Tintenkammer einen stabileren Pfad für die Expansion der Bläschen 192 und 192' auf als eine herkömmliche Tintenkammer, die als rechtwinkliges Parallelepiped oder als Pyramide ausgebildet ist. Darüber hinaus werden in der halbkugelförmigen Tintenkammer Bläschen sehr schnell erzeugt und dehnen sich schnell aus, und dadurch ist es möglich, Tinte in einer kürzeren Zeit auszustoßen.
  • Da außerdem die Ausdehnung der Bläschen 192 und 192' in der Tintenkammer 114 beschränkt ist und dementsprechend verhindert ist, dass Tinte 190 zurückfließt, kann verhindert werden, dass benachbarte Tintenausstoßeinrichtungen sich gegenseitig beeinflussen. Darüber hinaus ist der Tintenkanal 116 flacher und kleiner ausgebildet als die Tintenkammer 114 und der Vorsprung 118 ist an der Grenze zwischen der Tintenkammer 114 und dem Tintenkanal 116 ausgebildet. Dadurch ist es möglich, effektiv zu verhindern, dass die Tinte 190 und die Bläschen 192 und 192' sich in den Tintenkanal 116 vorwölben.
  • Die 8A und 8B sind Querschnittsansichten, die den Tintenausstoßmechanismus der in 5 gezeigten Tintenausstoßeinrichtung darstellen.
  • Nur Unterschiede zwischen dem Tintenausstoßmechanismus der in 3 gezeigten Tintenausstoßeinrichtung und dem Tintenausstoßmechanismus der in 5 gezeigten Tintenausstoßeinrichtung werden unten beschrieben. Wenn ein unter der Erwärmungseinrichtung 130 erzeugtes Bläschen 193 sich ausdehnt, dehnt sich der untere Teil des Bläschens 193 nach unten aus, während die Ausdehnung des oberen Teils des Bläschens 193 durch die Bläschenführung 210 beschränkt ist. Dementsprechend wird es schwieriger, dass das Loch in der Mitte des Bläschens 193, das kringelförmig ist, in das Bläschen 193 direkt unter der Düse 122' integriert wird. Es ist jedoch möglich, die Wahrscheinlichkeit, dass das Loch in der Mitte des kringelförmigen Bläschens 193' integriert wird, durch Steuern der Länge der Tröpfchenführung 210 und der Länge der Bläschenführung 220, die sich entlang der Tröpfchenführung 210 nach unten erstreckt, zu steuern. Indessen ist die Ausstoßrichtung eines Tröpfchens 190' durch die Tröpfchenführung 210 geführt, die sich nach unten zum Boden der Tintenkammer 114 entlang der Kante der Düse 122' erstreckt, und dadurch kann das Tröpfchen 190' präzise in eine Richtung senkrecht zum Substrat 110 ausgestoßen werden.
  • Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Die 9 bis 17 sind Querschnittsansichten, die einen Tintenstrahldruckkopf mit der in 3 gezeigten Tintenausstoßeinrichtung darstellen. Speziell sind die linke Seite der 9 bis 16 Querschnittsansichten entlang der Linie A-A von 3 und die rechte Seite der 9 bis 16 sind Querschnittsansichten entlang der Linie C-C von 3. 17 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B von 3.
  • Mit Bezug zu 9 wird ein Siliciumwafer mit einer Dicke von ungefähr 500 μm und mit einer Kristallorientierung <100> als Substrat 110 verwendet. Dies aus dem Grund, weil die Verwendung eines Siliciumwa fers, der bei der Herstellung von Halbleiterbauteilen verbreitet verwendet wird, zur effektiven Massenproduktion von Tintenstrahldruckköpfen beiträgt. Danach wird das Substrat 110 in einem Oxidationsofen positioniert und nassoxidiert oder trockenoxidiert. Dementsprechend werden die Ober- und Unterseite des Substrats 110 oxidiert, wodurch sich Siliciumoxidschichten 120 und 120' auf der Ober- bzw. Unterseite des Substrats 110 bilden. Die Siliciumoxidschicht 120 auf der Qberseite des Substrats 110 wird eine Düsenplatte, durch die eine Düse ausgebildet wird.
  • In 9 ist nur ein Teil eines Siliciumwafers dargestellt. Tatsächlich wird der Druckkopf gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgebildet, dass er einige zehn bis einige hundert Chips auf einem Wafer aufweist. Außerdem sind die Siliciumoxidschichten 120 und 120' so dargestellt, dass sie auf der Ober- bzw. Unterseite des Substrats 110 ausgebildet sind, weil in der vorliegenden Ausführungsform ein Oxidationsofen im Chargenbetrieb verwendet wird, um das Substrat 110 zu oxidieren. Jedoch kann im Falle der Verwendung eines Sheet-Fed-Qxidationsofens nur die Oberseite des Substrats 110 oxidiert werden und daher wird die Siliciumoxidschicht 120' an der Unterseite des Substrats 110 nicht ausgebildet. Ebenso können andere Materialschichten wie die Siliciumoxidschicht 120 oder 120' nur an der Oberseite des Substrats 110 oder sowohl an der Ober- wie der Unterseite des Substrats 110 ausgebildet werden, je nach Art der Geräte, die zum Ausbilden der Materialschichten verwendet werden. Solche Materialschichten (eine Polysiliciumschicht, eine Siliciumnitridschicht, eine Tetraethylorthosilicat(TEOS)-Oxidschicht und so weiter) werden zur einfacheren Beschreibung so beschrieben und dargestellt, dass sie nur an der Oberseite des Substrats 110 ausgebildet werden.
  • Danach wird eine Erwärmungseinrichtung 130 in einer Ringform auf der Siliciumoxidschicht 120 auf dem Substrat 110 ausgebildet. Die Erwärmungseinrichtung 130 wird durch Abscheiden von mit Fremdstoff do tiertem Polysilicium auf der gesamten Oberfläche der Siliciumoxidschicht 120 und Mustern des Polysiliciums in eine Ringform ausgebildet. Speziell wird das mit Fremdstoff dotierte Polysilicium zusammen mit Fremdstoffen, wie Phosphorquellengas, auf der Siliciumoxidschicht 120 auf eine Dicke von ungefähr 0,7 bis 1 μm durch chemische Gasphasenabscheidung bei Niederdruck (LPCVD) abgeschieden. Die Dicke der abgeschiedenen Polysiliciumschicht kann unter Berücksichtigung der Breite und Länge der Erwärmungseinrichtung 130 so eingestellt werden, dass sie einen geeigneten Widerstandswert aufweist. Die auf der gesamten Oberfläche der Siliciumoxidschicht 120 abgeschiedene Polysiliciumschicht wird durch einen Photolithographieprozess unter Verwendung einer Photomaske und eines Photoresists und einen Ätzprozess unter Verwendung eines Photoresistmusters als Ätzmaske gemustert.
  • Mit Bezug zu 10 wird eine Siliciumnitridschicht 140 auf der Oberfläche des Substrats 110 abgeschieden, auf der die Erwärmungseinrichtung 130 ausgebildet wurde, und ein Verteiler 112 wird durch partielles Ätzen des unteren Teils des Substrats 110 ausgebildet. Die Siliciumnitridschicht 140 ist eine Schutzschicht für die Erwärmungseinrichtung 130 und kann auf eine Dicke von ungefähr 0,5 μm durch LPCVD abgeschieden werden. Der Verteiler 112 wird durch Ätzen des unteren Teils des Substrats 110 so ausgebildet, dass er abgeschrägt ist. Speziell wird eine Ätzmaske so ausgebildet, dass sie einen bestimmten Teil der Unterseite des Substrats 110 definiert, und die Unterseite des Substrats 110 wird unter Verwendung von Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) als Ätzmittel über eine bestimmte Dauer nassgeätzt. Beim Nassätzen ist die Ätzrate des Substrats 110 in einer Kristallorientierung <111> geringer als die Ätzrate des Substrats 110 in anderen Kristallorientierungen, und daher wird der Verteiler 112 so ausgebildet, dass er einen Neigungswinkel von ungefähr 54,7° aufweist.
  • Der Verteiler 112 kann nach Ausbilden einer TEOS-Schicht 170 von 11 ausgebildet werden, was später beschrieben wird. Außerdem ist der Verteiler 112 oben so beschrieben, dass er durch Neigungsätzen ausgebildet ist; er kann jedoch durch anisotropes Ätzen ausgebildet werden. Alternativ kann der Verteiler 112 so geätzt werden, dass er das Substrat 110 perforiert. Eine nicht beanspruchte Alternative liegt darin, dass der Verteiler durch Ätzen nicht der Unterseite des Substrats 110, sondern der Oberseite des Substrats 110 ausgebildet wird.
  • Mit Bezug zu 11 wird eine Elektrode 150 ausgebildet und dann wird eine TEOS-Oxidschicht 170 auf der Oberseite des Substrats 110 ausgebildet. Speziell wird ein bestimmter Teil der Siliciumnitridschicht 140 auf der Erwärmungseinrichtung 130 geätzt, so dass ein bestimmter Teil der Erwärmungseinrichtung 130 freigelegt wird, der mit der Elektrode 150 verbunden wird. Danach wird die Elektrode 150 durch Abscheiden eines Metalls, das eine hohe Leitfähigkeit aufweist und leicht gemustert werden kann, wie Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, auf eine Dicke von ungefähr 1 μm durch Sputtern und Mustern der Metallschicht ausgebildet. Gleichzeitig wird die Metallschicht so gemustert, dass Verdrahtungsleitungen (nicht gezeigt) und ein Bondpad 102 von 2 in unterschiedlichen Bereichen ausgebildet werden.
  • Danach wird die TEOS-Oxidschicht 170 auf der Oberseite des Substrats 110 ausgebildet, auf der die Elektrode 150 ausgebildet wurde. Die TEOS-Oxidschicht 170 kann bei einer niedrigen Temperatur in einem Bereich, in dem die aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildete Elektrode 150 und das Anschlusspad 102 von 2 nicht verformt werden, zum Beispiel bei 400°C oder darunter, durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) abgeschieden werden.
  • Mit Bezug zu 12 werden eine Düse 122 und eine Nut 124 zum Ausbilden eines Tintenkanals ausgebildet. Speziell werden die TEOS-Oxid schicht 170, die Siliciumnitridschicht 140 und die Siliciumoxidschicht 120 sequentiell geätzt, so dass die Düse 122 mit einem kleineren Durchmesser als die Erwärmungseinrichtung 130, wie einem Durchmesser von ungefähr 16 bis 20 μm, in der Erwärmungseinrichtung 130 ausgebildet wird, so dass ein bestimmter Teil des Substrats 110 freigelegt werden kann. Gleichzeitig wird, wie in 12 gezeigt, die Nut 124 zum Ausbilden eines Tintenkanals in einer Linienform außerhalb der Erwärmungseinrichtung 130 ausgebildet, so dass sie sich über dem Verteiler 112 erstreckt. Die Nut 124 kann durch sequentielles Ätzen der TEOS-Oxidschicht 170, der Siliciumnitridschicht 140 und der Siliciumoxidschicht 120 ausgebildet werden, so dass das Substrat 110 freigelegt wird. Die Nut 124 wird so ausgebildet, dass sie eine Länge von ungefähr 50 μm und eine Breite von ungefähr 2 μm aufweist.
  • Danach wird, wie in 13 gezeigt, ein Photoresist auf der Oberfläche des Substrats 110 abgeschieden, auf der die Düse 122 und die Nut 124 ausgebildet wurden, und wird gemustert, so dass ein Photoresistmuster PR ausgebildet wird. Das Photoresistmuster PR ist so ausgebildet, dass es Teile des Substrats 110 freilegt, die durch die Düse 122 und die Nut 124 freigelegt sind.
  • Mit Bezug zu 14 werden die freigelegten Teile des Substrats 110 unter Verwendung des Photoresistmusters PR geätzt, wodurch eine Tintenkammer 114 und ein Tintenkanal 116 ausgebildet werden. Die Tintenkammer 114 kann durch isotropes Ätzen des Substrats 110 unter Verwendung des Photoresistmusters PR als Ätzmaske geätzt werden. Speziell wird das Substrat 110 über eine bestimmte Zeit unter Verwendung von XeF2-Gas oder BrF3-Gas als Ätzgas trockengeätzt. Als Folge des Trockenätzens ist die Tintenkammer 114 so ausgebildet, dass sie eine im Wesentlichen halbkugelige Form mit einer Tiefe und einem Durchmesser von ungefähr 20 μm aufweist, und gleichzeitig wird der Tintenkanal so ausgebildet, dass er die Tintenkammer 114 und den Verteiler 112 verbindet und eine Tiefe und einen Durchmesser von ungefähr 8 μm aufweist. Außerdem wird ein Vorsprung 118 zum Verhindern, dass in der Tintenkammer 114 gebildete Bläschen sich in den Tintenkanal 116 vorwölben, entlang der Grenze zwischen der Tintenkammer 114 und dem Tintenkanal 116 ausgebildet. Die Tintenkammer 114 und der Tintenkanal 116 können zur gleichen Zeit oder sequentiell ausgebildet werden.
  • Die Tintenkammer 114 kann durch anisotropes Ätzen des Substrats 110 unter Verwendung des Photoresistmusters PR als Ätzmaske und dann isotropes Ätzen des Substrats 110 unter Verwendung des Photoresistmusters PR als Ätzmaske ausgebildet werden. Mit anderen Worten, das Substrat 110 wird unter Verwendung des Photoresistmusters PR als Ätzmaske durch induktiv gekoppeltes Plasmaätzen oder reaktives Ionenätzen anisotrop geätzt, wodurch eine Vertiefung (nicht gezeigt) mit einer bestimmten Tiefe ausgebildet wird. Danach wird die Vertiefung im Substrat 110 nach dem selben Verfahren isotrop geätzt.
  • Alternativ kann die Tintenkammer 114 durch Umwandeln bestimmter Teile des Substrats 110 entsprechend einem von der Tintenkammer 114 einzunehmenden Raum in einer porösen Siliciumschicht und selektives Ätzen der porösen Siliciumschicht ausgebildet werden.
  • Mit Bezug zu 15 wird das Photoresistmuster PR durch Veraschen und Ablösen entfernt. Da der Tintenkanal 116 durch die Nut 124 freigelegt ist, kann Tinte durch die Nut 124 austreten. Wenn Tinte durch die Nut 124 austritt, verunreinigt sie die Düse 122 und angrenzende Bereiche, so dass die Qualität einer gedruckten Abbildung vermindert wird. Deshalb wird, wie in den 16 und 17 gezeigt, die Nut 124 mit einer ersten Materialschicht geschlossen.
  • Die 16 und 17 sind Querschnittsansichten entlang der Linien C-C bzw. B-B von 3, die eine Tintenausstoßeinrichtung darstellen, auf der eine Siliciumnitridschicht 180 abgeschieden ist, so dass die Nut 124 geschlossen wird. Die Siliciumnitridschicht 180 wird auf eine Dicke von ungefähr 1 μm durch chemische Gasphasenabscheidung abgeschieden. Mit anderen Worten, die Siliciumnitridschicht 180 wird auf eine bestimmte picke ausgebildet, die ausreichend ist, dass die Nut 124 verschlossen wird. Zum Beispiel beträgt die Dicke der Siliciumnitridschicht 180 nicht weniger als die Hälfte der Breite der Nut 124. Dementsprechend beträgt in einem Fall, in dem die Breite der Nut 124 ungefähr 2 μm beträgt, die Dicke der Siliciumnitridschicht 180 bevorzugt nicht weniger als 1 μm. Wenn die Siliciumnitridschicht 180 auf eine Dicke von ungefähr 1 μm abgeschieden wird, reduziert sich der Durchmesser der Düse 122 um ungefähr 2 μm. Daher muss die Düse 122 so ausgebildet werden, dass sie einen ursprünglichen Durchmesser um ungefähr 2 μm mehr als dem gewünschten endgültigen Durchmesser aufweist, wobei die Verringerung des Durchmessers im Schritt zum Ausbilden der Siliciumnitridschicht 180 berücksichtigt wird. Die Siliciumnitridschicht 180 kann durch eine Siliciumoxidschicht ersetzt sein und kann nur um die Nut 124 ausgebildet werden, um den Tintenkanal 116 auszubilden. Wenn die Nut 124 mit der Siliciumnitridschicht 180 verschlossen wird, ist es möglich zu verhindern, dass Tinte durch die Nut 124 austritt, und dadurch eine Beeinträchtigung der Qualität einer zu druckenden Abbildung zu verhindern.
  • Die 18 bis 20 sind Querschnittsansichten entlang der Linien D-D bzw. E-E von 5, die ein Verfahren zur Herstellung eines Druckkopfes mit der in 5 gezeigten Tintenausstoßeinrichtung darstellen.
  • Das Verfahren zur Herstellung eines Druckkopfes mit der in 5 gezeigten Tintenausstoßeinrichtung ist das selbe Verfahren wie zur Herstellung eines Druckkopfes mit der in 3 gezeigten Tintenausstoßein richtung, mit Ausnahme eines Schritts zum Ausbilden einer Bläschenführung. Mit anderen Worten, das Verfahren zur Herstellung eines Druckkopfes mit der in 5 gezeigten Tintenausstoßeinrichtung beinhaltet ebenfalls die mit Bezug zu den 9 bis 13 beschriebenen Schritte, wie das Verfahren zur Herstellung eines Druckkopfes mit der in 3 gezeigten Tintenausstoßeinrichtung, beinhaltet aber ferner einen Schritt zum Ausbilden einer Tröpfchenführung und einen Schritt zum Ausbilden einer Bläschenführung. Deshalb werden im Folgenden nur die Unterschiede zwischen den beiden Verfahren beschrieben.
  • Mit Bezug zu 18 wird ein bestimmter Teil des Substrats 110, der in 13 so dargestellt ist, dass er durch die Düse 122 freigelegt ist, anisotrop geätzt, so dass eine Vertiefung 200 mit einer bestimmten Tiefe ausgebildet wird. Danach wird das Photoresistmuster PR entfernt und eine zweite Materialschicht, wie eine TEOS-Oxidschicht 205, auf eine picke von ungefähr 1 μm auf dem Substrat 110 abgeschieden. Danach wird die TEOS-Oxidschicht 205 anisotrop geätzt, so dass das Substrat 110 freigelegt wird, und dadurch wird ein Abstandhalter 210' an der Seitenwand der Vertiefung 200 ausgebildet, wie es in 19 gezeigt ist.
  • Danach wird der freigelegte Teil des Substrats 110 isotrop geätzt und auf diese Weise eine Tintenkammer 114' und ein Tintenkanal 116 ausgebildet. Gleichzeitig wird eine Tröpfchenführung 210 um die Düse 122' so ausgebildet, dass sie sich zur Unterseite der Tintenkammer 114' nach unten erstreckt, und ebenso wird eine Bläschenführung 220 ausgebildet.
  • Danach wird die Nut 124 durch Ausbilden einer Siliciumnitridschicht auf der gesamten Oberfläche der Tintenausstoßeinrichtung geschlossen. Der Schritt zum Verschließen der Nut 124 ist gleich dem in der vorhergehenden Ausführungsform, die mit Bezug zu den 16 und 17 beschrieben wurde, und daher wird die Beschreibung nicht wiederholt.
  • Wie oben beschrieben, ergibt das Verfahren zur Herstellung eines Bubble-Jet-Tintenstrahldruckkopfes die folgenden Effekte.
  • Erstens, da Elemente eines Druckkopfes darunter ein Substrat, in dem ein Verteiler, eine Tintenkammer und ein Tintenkanal ausgebildet sind, eine Düsenplatte und eine Erwärmungseinrichtung so ausgebildet sind, dass sie in einen Körper integriert sind, können die Nachteile aus dem Stand der Technik, bei dem eine Düsenplatte, eine Tintenkammer und ein Tintenkanal separat gefertigt und dann miteinander verbunden werden, und das Problem der Fehlausrichtung überwunden werden. Außerdem können typische Prozesse zur Herstellung von Halbleiterbauteilen direkt zur Herstellung eines Bubble-Jet-Tintenstrahldruckkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, und dadurch kann Massenproduktion des Druckkopfes vereinfacht werden.
  • Zweitens, da eine Nut zum Ausbilden eines Tintenkanals mit einer bestimmten Materialschicht geschlossen wird, ist es möglich zu verhindern, dass Tinte durch die Nut austritt.
  • Drittens, da eine Erwärmungseinrichtung in einer Ringform ausgebildet ist und eine Tintenkammer in einer Halbkugelform ausgebildet ist, ist es möglich zu verhindern, dass Rückfluss von Tinte und Wechselwirkungen zwischen benachbarten Tintenausstoßeinrichtungen auftreten. Da außerdem in der halbkugelförmigen Tintenkammer ein Bläschen in einer Kringelform ausgebildet wird, ist es möglich zu verhindern, dass Satellitentröpfchen auftreten.
  • Darüber hinaus ist es gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der eine Bläschenführung und eine Tröpfchenführung in einer Tintenausstoßeinrichtung ausgebildet sind, möglich, Tröpfchen präzise in eine Richtung senkrecht zu einem Substrat auszustoßen.
  • Während diese Erfindung insbesondere mit Bezug zu bevorzugten Ausführungsformen beschrieben und gezeigt wurde, versteht es sich für die Fachleute, dass verschiedene Änderungen in Form und Details hierzu vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der beigefügten Ansprüche zu verlassen. Zum Beispiel können die Elemente des Druckkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung aus anderen Materialien gebildet sein, die in der Beschreibung nicht genannt sind. Ein Substrat kann anstelle von Silicium aus einem Material gebildet sein, das leicht zu verarbeiten ist, und eine Erwärmungseinrichtung, eine Elektrode, eine Siliciumoxidschicht und eine Nitridschicht können aus anderen Materialien gebildet sein. Außerdem sind die oben vorgeschlagenen Verfahren zum Abscheiden von Materialien und Ausbilden von Elementen nur Beispiele. Es können im Rahmen der vorliegenden Erfindung verschiedene Abscheidungsverfahren und Ätzverfahren eingesetzt werden.
  • Ebenso kann die Abfolge von Verarbeitungsschritten beim Verfahren zur Herstellung eines Druckkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung unterschiedlich sein. Zum Beispiel kann ein Ätzen des Unterteils eines Substrats zum Ausbilden eines Verteilers im in 8 gezeigten Schritt oder in einem anschließenden Prozess durchgeführt werden.
  • Schließlich können Zahlenwerte, die in der Beschreibung angegeben sind, in einem Bereich frei eingestellt werden, in dem ein Druckkopf normal funktionieren kann.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes (100) umfassend eine halbkugelförmige Tintenkammer (114), wobei das Verfahren umfasst: Ausbilden einer Düsenplatte (120) auf der Oberfläche eines Substrats (110); Ausbilden einer ringförmigen Erwärmungseinrichtung (130) auf der Düsenplatte (120); Ausbilden eines Verteilers (112) zum Zuführen von Tinte durch Ätzen einer gegenüberliegenden Seite des Substrats (110) auf der Oberfläche; Ausbilden einer Elektrode (150) auf der Düsenplatte (120) zum elektrischen Verbinden mit der Erwärmungseinrichtung (130); Ausbilden einer Düse (122), durch die Tinte ausgestoßen wird, durch Ätzen der Düsenplatte (120) im Inneren der Erwärmungseinrichtung, so dass sie einen kleineren Durchmesser aufweist als der Durchmesser der Erwärmungseinrichtung (130); Ausbilden einer Nut (124) zum Ausbilden eines Tintenkanals (116), so dass das Substrat freigelegt wird, durch Ätzen der Düsenplatte, so dass die Nut (124) sich von außerhalb der Erwärmungseinrichtung (130) zum Verteiler erstreckt; Ausbilden einer Tintenkammer (114), so dass sie einen größeren Durchmesser aufweist als der Durchmesser der Erwärmungseinrichtung (130) und im Wesentlichen halbkugelförmig ist, durch Ätzen des durch die Düse (122) freigelegten Substrats; Ausbilden eines Tintenkanals (116), so dass die Tintenkammer (114) und der Verteiler (122) durch das Substrat (110) verbunden werden, durch isotropes Ätzen des durch die Nut freigelegten Substrats; und Schließen der Nut (124) durch Ausbilden einer ersten Materialschicht (180) auf der Düsenplatte.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Materialschicht (180) eine Siliciumnitridschicht ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Materialschicht (180) eine Siliciumoxidschicht ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke der ersten Materialschicht (180) nicht weniger als die Hälfte der Breite der Nut (124) beträgt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Materialschicht (180) durch chemische Gasphasenabscheidung gebildet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Materialschicht (180) nur bei der Nut ausgebildet wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bildung der Tintenkammer (114) und die Bildung des Tintenkanals (116) zur selben Zeit durchgeführt werden.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Tintenkammer (114) durch isotropes Ätzen des durch die Düse (122) freigelegten Substrats ausgebildet wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Tintenkammer durch anisotropes Ätzen des durch die Düse (122) freigelegten Substrats und isotropes Ätzen des Substrats (110) ausgebildet wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei Ausbilden der Tintenkammer (114) umfasst: Ausbilden einer Vertiefung (200) auf eine bestimmte Tiefe durch anisotropes Ätzen des durch die Düse (122) freigelegten Substrats; Abscheiden einer zweiten Materialschicht auf eine bestimmte Tiefe über die gesamte Oberfläche des Substrats, das anisotrop geätzt ist; Freilegen des Bodens der Vertiefung und gleichzeitiges Ausbilden eines Abstandhalters aus der zweiten Materialschicht auf der Seitenwand der Vertiefung durch anisotropes Ätzen der zweiten Materialschicht; und isotropes Ätzen des durch die Vertiefung (200) freigelegten Substrats.
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