DE60128781T2

DE60128781T2 - Mit Bläschen angetriebener Tintenstrahldruckkopf und dazugehöriges Hertsellungsverfahren

Info

Publication number: DE60128781T2
Application number: DE60128781T
Authority: DE
Inventors: Doo-jin Mapo-gu Maeng; Keon Yongin-city Kuk; Yong-soo Seongnam-city Oh; Hyeon-Cheol Kim
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2000-12-15
Filing date: 2001-12-13
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2021-12-14
Also published as: US6561625B2; US20020075360A1; US20030142169A1; JP2002200757A; DE60128781D1; EP1215048A3; EP1215048A2; EP1215048B1; US6868605B2; JP3851812B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Tintenstrahldruckkopf, und insbesondere einen mit Bläschen angetriebenen Tintenstrahldruckkopf (Bubble-Jet-Tintenstrahldruckkopf) mit einer halbkugelförmigen Tintenkammer und ein Herstellungsverfahren dafür.
Tintenstrahldruckköpfe sind Vorrichtungen zum Drucken eines bestimmten Farbbildes durch Ausstoßen kleiner Tröpfchen von Drucktinte an gewünschten Positionen auf einem Aufzeichnungsblatt. Tintenausstoßmechanismen eines Tintenstrahldruckers werden grob in zwei Typen kategorisiert: einen elektrothermischen Transduktionstyp (Bubble-Jet-Typ), bei dem eine Wärmequelle eingesetzt wird, um ein Bläschen in Tinte zu bilden, was bewirkt, dass Tintentröpfchen ausgestoßen werden, und einen elektromechanischen Transduktionstyp, bei dem sich ein piezoelektrischer Kristall verformt, so dass sich das Volumen der Tinte verändert, was bewirkt, dass Tintentröpfchen ausgeworfen werden.
1A ist eine Explosionsperspektivansicht, die ein Beispiel der Struktur eines herkömmlichen Tintenstrahldruckkopfs vom Bubble-Jet-Typ zeigt, wie er in US-Patent Nr. 4,882,595 offenbart ist, und 1B ist ein Querschnitt zur Erläuterung eines Prozesses zum Ausstoßen von Tintentröpfchen des Druckkopfes von 1A. Der in den 1A und 1B gezeigte herkömmliche Tintenstrahldruckkopf vom Bubble-Jet-Typ weist ein Substrat 10, eine auf dem Substrat 10 zum Ausbilden einer Tintenkammer 13, die mit Tinte 19 gefüllt ist, angeordnete Barrierewand 12, eine in der Tintenkammer 13 angeordnete Erwärmungseinrichtung 14 und eine Düsenplatte 11 mit einer Düse 16 zum Ausstoßen eines Tintentröpfchens 19' auf. Die Tinte 19 wird in die Tintenkammer 13 durch einen Tintenzufuhrkanal 15 eingeführt und füllt die Düse 16, die mit der Tintenkammer 13 verbunden ist, durch Kapillarwirkung. Wenn im so konfigurierten Druckkopf Strom zur Erwärmungseinrichtung 14 gelei tet wird, erzeugt die Erwärmungseinrichtung 14 Wärme, so dass sich ein Bläschen 18 in der Tinte 19 in der Tintenkammer 13 bildet. Das Bläschen 18 expandiert, so dass es Druck auf die Tinte 19 ausübt, die in der Tintenkammer 13 vorhanden ist, was bewirkt, dass ein Tintentröpfchen 19' durch die Düse 16 ausgestoßen wird. Dann wird Tinte 19 durch den Tintenzufuhrkanal 15 eingeführt, um die Tintenkammer 13 aufzufüllen.
Indessen muss ein Tintenstrahldruckkopf mit dieser Tintenausstoßeinrichtung vom Bubble-Jet-Typ die folgenden Bedingungen erfüllen. Erstens müssen ein vereinfachter Herstellungsprozess, geringe Fertigungskosten und hohes Produktionsvolumen möglich sein. Zweitens muss zur Ausbildung von Farbbildern in hoher Qualität die Bildung von winzigen Satellitentröpfchen, die ausgestoßenen Haupttröpfchen anhängen, vermieden werden. Drittens müssen, wenn Tinte aus einer Düse ausgestoßen wird oder nach Tintenausstoß Tinte eine Tintenkammer auffüllt, Störungen zwischen benachbarten Düsen, aus denen keine Tinte ausgestoßen wird, vermieden werden. Zu diesem Zweck muss ein Rückfluss von Tinte in die entgegengesetzte Richtung einer Düse während des Tintenausstoßes vermieden werden. Viertens muss für Hochgeschwindigkeitsdruck ein Zyklus beginnend mit Tintenausstoß und endend mit Tintenauffüllung, so kurz wie möglich sein. Das heißt, die Betriebsfrequenz muss hoch sein. Fünftens muss der Druckkopf eine geringe thermische Belastung aufgrund von Wärme, die durch eine Erwärmungseinrichtung erzeugt ist, aufweisen und über einen langen Zeitraum bei hohen Betriebsfrequenzen stabil funktionieren.
Die obigen Bedingungen kommen jedoch leicht in Konflikt miteinander, und außerdem steht die Leistung eines Tintenstrahldruckkopfes stark mit Strukturen von Tintenkammer, Tintenkanal und Erwärmungseinrichtung, der Art der Bildung und Expansion von Bläschen und der relativen Größe jeder Komponente in Zusammenhang.
In Bemühungen zur Überwindung der Probleme in Bezug auf die obigen Anforderungen wurden Tintenstrahldruckköpfe mit einer Reihe von Strukturen in den US-Patenten Nr. 4,339,762 ; 5,760,804 ; 4,847,630 und 5,850,241 vorgeschlagen, ebenso im oben genannten US-Patent Nr. 4,882,595 , dem Europäischen Patent Nr. 317,171 und in (Fan-Gang Tseng, Chang-Jin Kim und Chih-hing Ho "A Novel Microinjector with Virtual Chamber Neck", IEEE MEMS '98, S. 57-62). In den obigen Patenten oder der Literatur vorgeschlagene Tintenstrahldruckköpfe können zwar einige der zuvor genannten Erfordernisse erfüllen, ergeben aber keinen vollständig verbesserten Tintenstrahldruckansatz.
2 zeigt eine Tintenausstoßeinrichtung vom Typ mit rückwärtigem Ausstoß eines weiteren Beispiels eines herkömmlichen Bubble-Jet-Tintenstrahldruckkopfes wie er in IEEE MEMS '98, S. 57-62 offenbart ist. Hier betrifft eine Rückwärtsausstoßtechnik einen Tintenausstoßmechanismus, bei dem ein Tintentröpfchen in eine Richtung entgegengesetzt zu der, in die sich ein Bläschen ausdehnt, ausgestoßen wird.
Wie in 2 gezeigt ist, ist bei einem Druckkopf mit rückwärtigem Ausstoß, eine Erwärmungseinrichtung 24 um eine Düse 26 angeordnet, die in einer Düsenplatte 21 ausgebildet ist. Die Erwärmungseinrichtung 24 ist mit einer Elektrode (nicht gezeigt) verbunden, so dass Strom angelegt wird und ist durch eine Schutzschicht 27 aus einem bestimmten Material, die auf der Düsenplatte 21 ausgebildet ist, geschützt. Die Düsenplatte 21 ist auf einem Substrat 20 ausgebildet und für jede Düse 26 ist eine Tintenkammer 23 im Substrat 20 ausgebildet. Die Tintenkammer 23 ist mit einem Tintenkanal 25 verbunden und mit Tinte 29 gefüllt. Die Schutzschicht 27 zum Schutz der Erwärmungseinrichtung 24 ist mit einer unbenetzbaren Schicht 30 überzogen, wodurch die Tinte 29 abgewiesen wird. Wenn bei einer wie oben beschrieben konfigurierten Tintenausstoßeinrichtung ein Strom an der Erwärmungseinrichtung 24 an gelegt wird, erzeugt die Erwärmungseinrichtung 24 Wärme, so dass sich in der Tinte 29, die die Tintenkammer 23 füllt, ein Bläschen 28 bildet. Dann dehnt sich das Bläschen 28 durch die von der Erwärmungseinrichtung 24 zugeführte Wärme weiter aus und übt Druck auf die Tinte 29 in der Tintenkammer 23 aus, was dadurch bewirkt, dass die Tinte 29 nahe der Düse 26 durch die Düse 26 in Form eines Tintentröpfchens 29' ausgestoßen wird. Dann wird die Tinte 29 durch den Tintenkanal 25 absorbiert, so dass die Tintenkammer 23 aufgefüllt wird.
Beim herkömmlichen nach hinten ausstoßenden Typ eines Tintenstrahldruckkopfes besteht jedoch ein Problem darin, dass ein signifikanter Prozentsatz an in der Erwärmungseinrichtung 24 erzeugter Wärme in andere Teile als die Tinte 29 geleitet und dort absorbiert wird, wie in der unbenetzbaren Schicht 30 und der Schutzschicht 27 nahe der Düse 26. Das heißt, es ist wünschenswert, dass die in der Erwärmungseinrichtung erzeugte Wärme zum Sieden der Tinte 29 und zum Ausbilden von Bläschen 28 verwendet wird. Es wird jedoch tatsächlich eine signifikante Wärmemenge in anderen Teilen absorbiert und der Rest der Wärme wird zum Ausbilden von Bläschen 28 genutzt, wodurch zum Ausbilden des Bläschens 28 zugeführte Energie verschwendet wird und folglich die Energieeffizienz sinkt. Dies erhöht auch die Zeitspanne von der Bildung des Bläschens 28 bis zu seinem Zerfall. Dadurch ist es schwierig, den Tintenstrahldruckkopf mit hoher Frequenz zu betreiben.
Darüber hinaus senkt zu anderen Teilen abgeleitete Wärme die Temperatur des gesamten Druckkopfes signifikant, wenn ein Druckzyklus abläuft und erschwert dadurch eine langdauernde stabile Funktion des Druckkopfes aufgrund zahlreicher thermischer Probleme. Zum Beispiel wird von der Erwärmungseinrichtung erzeugte Wärme leicht zur Oberfläche nahe der Düse 26 geleitet, was die Temperatur dieses Teils übermäßig erhöht, wodurch die unbenetzbare Schicht 30 nahe der Düse verbrannt wird und sich ihre die physikalischen Eigenschaften verändern.
Ein Tintenstrahldruckkopf vom Bubble-Jet-Typ gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist in US-A-6019457 beschrieben.
Zum Lösen der obigen Probleme ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Tintenstrahldruckkopf vom Bubble-Jet-Typ mit einer Struktur, die die oben genannten Erfordernisse erfüllt und eine um eine Erwärmungseinrichtung angeordnete adiabatische Schicht aufweist, so dass zur Erwärmungseinrichtung zur Bläschenbildung zugeführte Energie effektiv genutzt werden kann, und ein Herstellungsverfahren dafür zur Verfügung zu stellen.
Um die obige Aufgabe zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung einen Tintenstrahldruckkopf vom Bubble-Jet-Typ wie in Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung wie in Anspruch 4 zur Verfügung. Die Unteransprüche definieren bevorzugte Ausführungsformen.
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:
1A eine Explosionsperspektivansicht ist, die ein Beispiel der Struktur eines herkömmlichen Tintenstrahldruckkopfes vom Bubble-Jet-Typ zeigt, und 1B ein Querschnitt zur Erläuterung eines Prozesses zum Ausstoßen von Tintentröpfchen des Druckkopfes von 1A ist;
2 ein Querschnitt einer Tintenausstoßeinrichtung eines weiteren Beispiels eines herkömmlichen Tintenstrahldruckkopfes vom Bubble-Jet-Typ ist;
3 eine schematische Draufsicht eines Tintenstrahldruckkopfes gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
4 eine vergrößerte Draufsicht der Tintenausstoßeinrichtung von 3 ist, und 5 ein Querschnitt einer vertikalen Struktur der Tintenausstoßeinrichtung entlang der Linie A-A von 4 ist;
6 eine Draufsicht eines modifizierten Beispiels der Tintenausstoßeinrichtung von 4 ist;
7 eine schematische Draufsicht eines Tintenstrahldruckkopfes gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
8A eine vergrößerte Draufsicht der Tintenausstoßeinrichtung von 7 ist, und 8B-8D Querschnitte von vertikalen Strukturen der Tintenausstoßeinrichtung entlang der Linien B1-B1, B2-B2 bzw. B3-B3 sind;
9 eine Draufsicht eines modifizierten Beispiels der Tintenausstoßeinrichtung von 8A ist;
10A und 10B Querschnitte zur Erläuterung des Tintenausstoßmechanismus der Tintenausstoßeinrichtung von 4 sind;
11-19 Querschnitte sind, die einen Prozess zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes darstellen, der die Tintenausstoßeinrichtung mit der in den 4 und 5 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigten Struktur aufweist;
20-23 Querschnitte sind, die einen Prozess zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes darstellen, der die Tintenausstoßeinrichtung mit der in den 8A-8D gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigten Struktur aufweist;
24 eine Draufsicht einer Tintenausstoßeinrichtung eines Tintenstrahldurckkopfes gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, und die 25A-25C Querschnitte von vertikalen Strukturen der Tintenausstoßeinrichtung entlang der Linien C1-C1, C2-C2 bzw. C3-C3 von 24 sind;
26 eine Draufsicht eines modifizierten Beispiels der Tintenausstoßeinrichtung von 24 ist;
27 eine Draufsicht einer Tintenausstoßeinrichtung eines Tintenstrahldruckkopfes gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegen den Erfindung ist, und 28 ein Querschnitt einer vertikalen Struktur der Tintenausstoßeinrichtung entlang der Linie D-D von 27 ist;
29A und 29B Querschnitte entlang der Linien C3-C3 von 24 zur Erläuterung des Tintenausstoßmechanismus der Tintenausstoßeinrichtung von 24 sind;
30-36 Querschnitte sind, die einen Prozess zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes, der eine Tintenausstoßeinrichtung mit der in 24 gezeigten Struktur aufweist, gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen; und
37 und 38 Querschnitte sind, die einen Prozess zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes, der eine Tintenausstoßeinrichtung mit der in 27 gezeigten Struktur aufweist, gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
Die vorliegende Erfindung wird nun genauer mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind. Diese Erfindung kann jedoch auf viele verschiedene Arten verkörpert sein und sollte nicht als auf die hier angeführten Ausführungsformen beschränkt angesehen werden. Vielmehr sind diese Ausführungsformen angegeben, so dass die Offenbarung gründlich und vollständig ist und das Konzept der Erfindung den Fachleuten vollständig vermittelt. In den Zeichnungen können die Formen und Dicken von Elementen zum Zwecke der Deutlichkeit vergrößert sein, und gleiche Bezugszeichen, die in verschiedenen Zeichnungen auftauchen, stellen das gleiche Element dar. Ferner versteht es sich, dass wenn eine Schicht als "auf" einer anderen Schicht oder einem Substrat angegeben ist, sie direkt auf der anderen Schicht oder dem Substrat liegen kann, oder auch Zwischenschichten vorhanden sein können.
Mit Bezug zu 3 sind in einem Druckkopf gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Tintenausstoßeinrichtungen 100 auf einem Tintenzufuhrverteiler 112 angeordnet, der mit einer unterbrochenen Linie in zwei Reihen gestaffelt gezeigt ist. Es sind Bondpads 20, mit denen Drähte verbunden sind, mit jeder Tintenausstoßeinrichtung 100 elektrisch verbunden. Darüber hinaus ist der Verteiler 112 mit einem Tintenbehälter (nicht gezeigt) zur Aufnahme von Tinte verbunden. Obwohl die Tintenausstoßeinrichtungen 100 in zwei Reihen angeordnet sind, wie es in 3 gezeigt ist, können sie in einer Reihe angeordnet sein. Um eine hohe Auflösung zu erreichen, können die Tintenausstoßeinrichtungen 100 in drei oder mehr Reihen angeordnet sein. Der Verteiler 112 kann für jede Reihe der Tintenausstoßeinrichtungen 100 ausgebildet sein. Ferner können, obwohl ein Druckkopf zur Verwendung einer einzigen Farbe in 2 gezeigt ist, zum Farbdrucken drei oder vier Gruppen von Tintenausstoßeinrichtungen angeordnet sein, eine Gruppe für jede Farbe.
4 ist eine vergrößerte Draufsicht der Tintenausstoßeinrichtung 100 von 3, und 5 ist ein Querschnitt einer vertikalen Struktur der Tintenausstoßeinrichtung 100 entlang der Linie A-A von 4. Wie in den 4 und 5 gezeigt ist, ist eine Tintenkammer 114, die mit Tinte gefüllt ist, auf der Oberfläche eines Substrats 110 der Tintenausstoßeinrichtung 100 ausgebildet, der Verteiler 112 zum Zuführen von Tinte zur Tintenkammer 114 ist auf einer Unterseite des Substrats 110 ausgebildet und ein Tintenkanal 116, der die Tintenkammer 114 und den Verteiler 112 verbindet, ist an einer mittleren Unterseite der Tintenkammer 114 ausgebildet. Hier ist das Substrat 110 bevorzugt aus Silicium gebildet, das bei der Herstellung von integrierten Schaltungen verbreitet verwendet wird. Die Tintenkammer 114 weist bevorzugt eine im Wesentlichen halbkugelige Form auf. Da der Durchmesser des Tintenkanals 116 den Rückfluss von Tinte beeinflusst, die beim Tintenausstoß in den Tintenkanal 116 zurückgedrückt wird, und die Geschwindigkeit, mit der sich nach einem Tintenausstoß Tinte nachfüllt, muss er beim Ausbilden des Tintenkanals 116 genau gesteuert werden.
Eine Düsenplatte 120 mit einer Düse 122 ist auf dem Substrat 110 ausgebildet, wodurch eine obere Wand der Tintenkammer 114 ausgebildet wird. Wenn das Substrat 110 aus Silicium gebildet ist, kann die Düsenplatte 120 aus einer Isolierschicht gebildet sein, wie einer Siliciumoxidschicht, die bei einer Oxidation des Siliciumsubstrats 110 gebildet ist, oder einer Siliciumnitridschicht, die auf dem Substrat 110 abgeschieden ist.
Eine Erwärmungseinrichtung 130 zur Bläschenbildung ist auf der Düsenplatte 110 in Ringform ausgebildet, so dass sie um die Düse 122 zentriert ist. Die Erwärmungseinrichtung 130 besteht aus Widerstandsheizelementen wie polykristallinem Silicium dotiert mit Fremdstoffen. Es kann eine Siliciumnitridschicht 140 auf der Düsenplatte 110 und der Erwärmungseinrichtung 130 ausgebildet sein. Elektroden 150 sind mit der Erwärmungseinrichtung 130 gekoppelt, um einen gepulsten Strom anzulegen.
Eine adiabatische Schicht 160 ist auf der Erwärmungseinrichtung 130 in einer Ringform vorgesehen, ähnlich der der Erwärmungseinrichtung 130, mit einer dazwischen eingesetzten Siliciumnitridschicht 140. Die adiabatische Schicht 160 dient zur Verhinderung, dass von der Erwärmungseinrichtung 130 erzeugte Wärme nach oben geleitet wird. Zu diesem Zweck ist die adiabatische Schicht 160 bevorzugt breiter als die Erwärmungseinrichtung 130, so dass sie einen großen Teil der Erwärmungseinrichtung 130 bedeckt. Die adiabatische Schicht 160 kann mit Luft gefüllt sein (nicht beansprucht) oder in einem Vakuumzustand gehalten sein, was später ausführlicher beschrieben wird.
Eine Tetraethylorthosilicat(TEOS)-Oxidschicht 170 ist auf der Siliciumnitridschicht 140, der Elektrode 150 und der adiabatischen Schicht 160 ausgebildet, und wie oben beschrieben, ist darauf eine unbenetzbare Schicht 180 ausgebildet, um Tinte von der Oberfläche nahe der Düse 122 abzuweisen.
6 ist eine Draufsicht, die ein modifiziertes Beispiel der Tintenausstoßeinrichtung von 4 zeigt. Eine Erwärmungseinrichtung 130' ist im Wesentlichen in Form eines Omega ausgebildet und eine der Elektroden 150 ist mit jedem Ende der Erwärmungseinrichtung 130 verbunden. Das heißt, die beiden symmetrischen ringförmigen Teile der in 4 gezeigten Erwärmungseinrichtung 130 sind zwischen den Elektroden 140 parallel gekoppelt, während die in 6 gezeigte omegaförmige Erwärmungseinrichtung 130' seriell dazwischen gekoppelt ist.
7 ist eine schematische Draufsicht eines Tintenstrahldruckkopfes gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Da diese Ausführungsform der ersten Ausführungsform sehr ähnlich ist, wird nun nur der Unterschied kurz beschrieben.
Mit Bezug zu 7 beinhaltet der Tintenstrahldruckkopf gemäß dieser Ausführungsform Tintenausstoßeinrichtungen 200, die in zwei Reihen gestaffelt entlang beider Seiten eines Tintenzufuhrverteilers 212 angeordnet sind, wie es mit einer unterbrochenen Linie gezeigt ist, und Bondpads 202, mit denen Drähte verbunden sind, sind mit jeder Tintenausstoßeinrichtung 200 elektrisch verbunden.
8 ist eine vergrößerte Draufsicht der Tintenausstoßeinrichtung 200 von 7, und die 8B-8D sind Querschnitte, die vertikale Strukturen entlang der Linien, B1-B1, B2-B2 bzw. B3-B3 von 8A zeigen. Mit Bezug zu den 8A-8D beinhaltet die Tintenausstoßeinrichtung 200 eine im Wesentlichen halbkugelförmige Tintenkammer 214, die mit Tinte gefüllt ist, und einen Tintenkanal 216, der flacher als die Tintenkammer 214 ausgebildet ist, um Tinte zur Tintenkammer 214 zuzuführen, die beide auf einer Oberfläche eines Substrats 210 ausge bildet sind. Ebenso beinhaltet die Tintenausstoßeinrichtung 200 einen Verteiler 212, der mit dem Tintenkanal 216 auf einer Unterseite verbunden ist, um dem Tintenkanal 216 Tinte zuzuführen, und einen Verschluss 218, der an einem Punkt ausgebildet ist, an dem die Tintenkammer 200 und der Tintenkanal 220 sich treffen, um zu verhindern, dass ein Bläschen in den Tintenkanal 214 zurück gedrückt wird, wenn das Bläschen sich ausdehnt.
Eine Düsenplatte 220 mit einer Düse 222 und einer Nut 224 für einen Tintenkanal sind auf dem Substrat 210 ausgebildet, wodurch eine obere Wand der Tintenkammer 214 ausgebildet ist. Eine Erwärmungseinrichtung 230 mit einer Ringform zum Ausbilden eines Bläschens und eine Siliciumnitridschicht 240 zum Schutz der Erwärmungseinrichtung 230 sind auf der Düsenplatte 220 ausgebildet. Die Erwärmungseinrichtung 230 ist mit einer aus Metall gebildeten Elektrode 250 verbunden, so dass ein Stromimpuls daran angelegt werden kann. Eine adiabatische Schicht 260 ist auf der Erwärmungseinrichtung 230 angeordnet. Wie bei der ersten Ausführungsform beschrieben, ist um zu verhindern, dass von der Erwärmungseinrichtung 230 erzeugte Wärme nach oberhalb der Erwärmungseinrichtung 230 geleitet wird, die adiabatische Schicht 260 in einer Ringform ausgebildet, ähnlich der der Erwärmungseinrichtung 230, und ist bevorzugt breiter als die Erwärmungseinrichtung 230, so dass ein großer Teil der Erwärmungseinrichtung 230 bedeckt ist. Eine TEOS-Oxidschicht 270 ist auf der Siliciumnitridschicht 240, der Elektrode 250 und der adiabatischen Schicht 260 ausgebildet und eine unbenetzbare Schicht 280 ist darauf ausgebildet, um Tinte von der Oberfläche nahe der Düse 222 abzuweisen.
9 ist eine Draufsicht eines modifizierten Beispiels der Tintenausstoßeinrichtung 200 von 8A. Mit Bezug zu 9 ist eine Erwärmungseinrichtung 230' einer Tintenausstoßeinrichtung 200' im Wesentli chen in Form eines Omega ausgebildet und eine Elektrode 250 ist mit jedem Ende der Erwärmungseinrichtung 230' verbunden.
Der Tintenausstoßmechanismus der in den 4 und 5 gezeigten Tintenausstoßeinrichtung 100 wird nun mit Bezug zu den 10A und 10B beschrieben. Zunächst mit Bezug zu 10A wird Tinte 190 der Tintenkammer 140 durch den Verteiler 112 und den Tintenkanal 116 durch Kapillarwirkung zugeführt. Wenn ein gepulster Strom an der Erwärmungseinrichtung 130 angelegt wird, wenn die Tintenkammer 140 mit Tinte 190 gefüllt ist, wird von der Erwärmungseinrichtung 130 Wärme erzeugt. Durch die adiabatische Schicht 160 wird verhindert, dass die Wärme von der Erwärmungseinrichtung 130 nach oben geleitet wird, wodurch die Wärme durch die darunter liegende Düsenplatte 120 größtenteils zur Tinte 190 übertragen wird. Die übertragene Wärme bringt die Tinte 190 zum Sieden, so dass sich Bläschen 192 bilden. Die Bläschen 192 weisen annähernd eine Kringelform auf, die der ringförmigen Erwärmungseinrichtung 130 entspricht, wie es auf der rechten Seite von 10A gezeigt ist.
Wenn die kringelförmigen Bläschen 192 sich im Laufe der Zeit ausdehnen, wie es in 10B gezeigt ist, koaleszieren die Bläschen 192 unter der Düse 122, so dass sich ein im Wesentlichen scheibenförmiges Bläschen 192' bildet, dessen Mittelteil konkav ist. Gleichzeitig bewirkt das sich ausdehnende Bläschen 192', dass ein Tintentröpfchen 190' aus der Tintenkammer 114 durch die Düse 122 ausgestoßen wird. Wenn der angelegte Strom unterbrochen wird, kühlt die Erwärmungseinrichtung 130 ab, so dass das Bläschen 192' schrumpft und zusammenfällt, und dann wird Tinte in die Tintenkammer 114 nachgefüllt.
Beim Tintenausstoßmechanismus des Druckkopfes gemäß dieser Ausführungsform koaleszieren die kringelförmigen Bläschen 192 unter dem Mittelteil der Düse 122, so dass das Hinterteil des ausgestoßenen Tin tentröpfchens 190' abgeschnitten wird, wodurch die Bildung von Satellitentröpfchen verhindert wird. Darüber hinaus ist der Bereich der Erwärmungseinrichtung 130 mit einer Ringform oder einer Omegaform so breit, dass er schnell erwärmt und abgekühlt wird, was den Zyklus beginnend mit der Bildung des Bläschens 192 oder 192' und endend mit seinem Zusammenbruch beschleunigt, wodurch eine schnelle Ansprechrate und hohe Betriebsfrequenz ermöglicht sind. Da außerdem die Tintenkammer 114 halbkugelförmig ist, ist ein Pfad, über den sich die Bläschen 192 und 192' ausdehnen, im Vergleich zu einer herkömmlichen Tintenkammer mit der Form eines rechtwinkligen Körpers oder einer Pyramide, stabiler und die Bildung und Ausdehnung eines Bläschens erfolgen schnell, wodurch Tinte in einer relativ kurzen Zeit ausgestoßen wird.
Insbesondere verhindert die auf der Erwärmungseinrichtung 130 ausgebildete adiabatische Schicht 160, dass von der Erwärmungseinrichtung 130 erzeugte Wärme von der Erwärmungseinrichtung 130 nach oben geleitet wird, so dass der größte Teil der Wärme zur Tinte 190 übertragen wird. Da auf diese Weise verhindert ist, dass die von der Erwärmungseinrichtung 130 erzeugte Wärme zum Bereich über der Erwärmungseinrichtung 130 geleitet wird, wird die Temperatur der Oberfläche über der Erwärmungseinrichtung 130, im Vergleich zu der bei einem herkömmlichen Druckkopf, niedrig gehalten. Daher kann, wie oben beschrieben, die Wärme die unbenetzbare Schicht 180 nicht verbrennen oder ihre physikalischen Eigenschaften verändern, so dass sie ihre Hydrophobie verliert.
Darüber hinaus wird eine größere Menge der in der Erwärmungseinrichtung 130 erzeugten Wärmeenergie zur Tinte 190 übertragen, wodurch sich die Energieeffizienz und die Tintenbetriebsfrequenz erhöht. Das heißt, wenn die der Erwärmungseinrichtung 130 zugeführte Energie festgelegt ist, steigt im Vergleich zu einem herkömmlichen Druckkopf, die Temperatur der Tinte mit hoher Geschwindigkeit an, wodurch sich ein Zyklus beginnend mit der Bildung der Bläschen 192 und 192' und endend mit deren Zusammenfall beschleunigt und eine hohe Betriebsfrequenz erreicht wird. Wenn eine bestimmte Betriebsfrequenz erreicht werden soll, ist im Vergleich zu einem herkömmlichen Druckkopf, die der Erwärmungseinrichtung 130 zugeführte Energie reduziert, wodurch sich die Energieeffizienz verbessert. Darüber hinaus wird verhindert, dass die von der Erwärmungseinrichtung 130 erzeugte Wärme zu einem anderen Teil als der Tinte 190 geleitet wird, wodurch verhindert wird, dass die Temperatur des gesamten Druckkopfes ansteigt und was dadurch ermöglicht, dass der Druckkopf über eine lange Zeit stabil betrieben werden kann.
Außerdem ist die Ausdehnung der Bläschen 192 und 192' in der Tintenkammer 114 beschränkt, wodurch ein Rückfluss der Tinte 190 und damit Störungen zwischen benachbarten Tintenausstoßeinrichtungen verhindert wird. Darüber hinaus ist es sehr effektiv beim Verhindern eines Rückflusses der Tinte 190, wenn der Durchmesser des Tintenkanals 116 geringer ist als der der Düse 122.
Nun wird ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die 11-19 sind Querschnitte entlang der Linie A-A von 4, die ein Verfahren zur Herstellung eines Druckkopfes mit einer in den 4 und 5 gezeigten Tintenausstoßeinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
Mit Bezug zu 11 wird ein Siliciumsubstrat mit einer Kristallorientierung von [100] und mit einer Dicke von ungefähr 500 μm als Substrat 110 in dieser Ausführungsform verwendet. Dies deshalb, weil die Verwendung eines Siliciumwafers, der verbreitet bei der Herstellung von Halbleiterbauteilen verwendet wird, ein hohes Produktionsvolumen ermöglicht. Wenn danach der Siliciumwafer in einem Oxidationsofen tro cken oder nass oxidiert wird, werden die oberen und unteren Flächen des Siliciumsubstrats 110 oxidiert, wodurch ein Wachstum von Siliciumoxidschichten 120 und 120' möglich ist. Die auf der Oberseite des Substrats 110 ausgebildete Siliciumoxidschicht 120 wird später eine Düsenplatte, worin eine Düse ausgebildet ist.
Ein sehr kleiner Teil des Siliciumwafers ist in 11 gezeigt und zehn bis hunderte von Druckkopfchips werden gemäß dieser Erfindung auf einem einzigen Wafer gefertigt. Darüber hinaus werden, wie in 11 gezeigt, die Siliciumoxidschichten 120 und 120' auf Ober- und Unterseiten des Substrats 110 entwickelt. Dies liegt daran, dass ein Oxidationsofen vom Batchtyp mit einer Oxidationsatmosphäre auch an der Unterseite des Siliciumwafers angewendet wird. Wenn jedoch ein Oxidationsgerät vom Einzelwafertyp verwendet wird, der nur die Oberseite eines Wafers behandelt, wird keine Siliciumoxidschicht 120' auf der Unterseite des Substrats 110 ausgebildet. Zur Vereinfachung wird nun gezeigt, dass eine andere Materialschicht, wie eine polykristalline Siliciumschicht, eine Siliciumnitridschicht und eine Tetraethylorthosilicat(TEOS)-Oxidschicht nur auf der Oberseite des Substrats 110 ausgebildet wird, wie unten beschrieben wird.
Danach wird eine ringförmige Erwärmungseinrichtung 130 auf der Siliciumoxidschicht 120 ausgebildet, die auf der Oberseite des Substrats 110 ausgebildet ist, indem mit Fremdstoffen dotiertes polykristallines Silicium über der Siliciumoxidschicht 120 abgeschieden und in Form eines Rings strukturiert wird. Speziell kann die mit Fremdstoffen dotierte polykristalline Siliciumschicht durch chemische Gasphasenabscheidung bei Niederdruck (LPCVD) unter Verwendung eines Quellengases, das Phosphor (P) als Fremdstoff enthält, ausgebildet werden, wobei das polykristalline Silicium auf eine Dicke von ungefähr 0,7 bis 1 μm abgeschieden wird. Die Dicke, auf die die polykristalline Siliciumschicht abgeschieden wird, kann in verschiedenen Bereichen liegen, so dass die Erwärmungs einrichtung 120 einen geeigneten Widerstand bezüglich ihrer Breite und Länge aufweist. Die über der Siliciumoxidschicht 120 abgeschiedene polykristalline Siliciumschicht wird durch Photolithographie unter Verwendung einer Photomaske und eines Photoresist und eines Ätzprozesses unter Verwendung eines Photoresistmusters als Ätzmaske strukturiert.
12 zeigt einen Zustand, in dem eine Siliciumnitridschicht 140 über der erhaltenen Struktur von 11 abgeschieden ist und dann ein Verteiler 112 durch Ätzen des Substrats 110 von seiner Unterseite ausgebildet ist. Die Siliciumnitridschicht 140 kann als Schutzschicht für die Erwärmungseinrichtung 130 unter Verwendung von LPCVD auf eine Dicke von ungefähr 0,5 μm abgeschieden werden. Der Verteiler 112 wird durch schräges Ätzen der Unterseite des Wafers ausgebildet. Insbesondere wird eine Ätzmaske, die einen zu ätzenden Bereich abgrenzt, auf der Unterseite des Wafers ausgebildet und es wird ein Nassätzen über eine bestimmte Dauer unter Verwendung von Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) als Ätzmittel durchgeführt. Dementsprechend erfolgt Ätzen bei einer Kristallorientierung von [111] langsamer als Ätzen in anderen Orientierungen, so dass auf diese Weise der Verteiler 112 mit einer um 54,7 Grad geneigten Seitenfläche gebildet wird. Obwohl beschrieben wurde, dass der Verteiler 112 durch schräges Ätzen der Unterseite des Substrats 110 ausgebildet wird, kann der Verteiler 112 durch anisotropes Ätzen ausgebildet werden.
13 zeigt einen Zustand, in dem eine Elektrode 150 ausgebildet ist. Speziell wird ein Teil der Siliciumnitridschicht 140, an der die Oberseite der Erwärmungseinrichtung 130 mit der Elektrode 150 verbunden wird, geätzt, so dass die Erwärmungseinrichtung 130 freigelegt wird. Die Elektrode 150 wird durch Abscheiden von Metall mit guter Leitfähigkeit und Strukturierungseigenschaften wie Aluminium oder Aluminiumlegierung auf eine Dicke von ungefähr 1 μm unter Verwendung einer Sput tertechnik und Strukturieren ausgebildet. In diesem Fall wird die Metallschicht der Elektrode 150 gleichzeitig strukturiert, so dass Verdrahtungsleitungen (nicht gezeigt) und das Bondpad (102 von 2) in anderen Teilen des Substrats 110 ausgebildet werden.
14 ist ein Zustand, in dem eine Opferschicht 160' auf der Erwärmungseinrichtung 130 ausgebildet ist. Die Opferschicht 160' wird durch Abscheiden von polykristallinem Silicium auf eine Dicke von ungefähr 1 μm auf der über der Erwärmungseinrichtung 130 liegenden Siliciumnitridschicht 140 und Strukturieren in Form eines Rings ausgebildet. Speziell kann das polykristalline Silicium mittels LPCVD abgeschieden werden und seine Breite ist bevorzugt größer als die der Erwärmungseinrichtung 130. Die Opferschicht 160' wird eine adiabatische Schicht zur Verhinderung, dass von der Erwärmungseinrichtung 130 erzeugte Wärme über die Erwärmungseinrichtung 130 geleitet wird.
Dann wird, wie in 15 gezeigt, eine TEOS-Oxidschicht 170 über dem Substrat 110 abgeschieden. Die TEOS-Oxidschicht 170 wird durch CVD ausgebildet, bei der die TEOS-Oxidschicht 170 auf eine Dicke von ungefähr 1 μm bei niedriger Temperatur abgeschieden wird, bei der die Elektrode 150 und das Bondpad aus Aluminium oder Aluminiumoxid nicht transformiert werden, zum Beispiel bei nicht mehr als 400 °C.
Danach wird, wie in 16 gezeigt, ein Photoresist über dem Substrat 110 aufgetragen und strukturiert, so dass ein Photoresistmuster PR ausgebildet wird. Das Photoresistmuster PR legt einen Teil der TEOS-Oxidschicht 170, bei dem eine Düse 122 auszubilden ist und einen Teil der TEOS-Oxidschicht 170 oben auf der Opferschicht 160' in Form eines Rings frei. Unter Verwendung des Photoresistmusters PR als Ätzmaske, werden die TEOS-Oxidschicht 170, die Siliciumnitridschicht 140 und die Siliciumoxidschicht 120 sequentiell geätzt, so dass die Düse 122 mit einem Durchmesser von ungefähr 16 bis 20 μm ausgebildet wird, und die TEOS-Oxidschicht 170 oben auf der Opferschicht 160 wird so geätzt, dass ein ringförmiger Schlitz 162 mit einer Breite von ungefähr 1 μm ausgebildet wird. Obwohl beschrieben wurde, dass die Düse 122 durch sequentielles Ätzen der TEOS-Oxidschicht 170 gebildet wird, können die Siliciumnitridschicht 140 und die Siliciumoxidschicht 120 durch Ätzen der Siliciumnitridschicht 140 und der Siliciumoxidschicht 120 im in 13 gezeigten Schritt ausgebildet werden.
17 zeigt einen Zustand, in dem das Substrat 110 und die Opferschicht 160', die vom Photoresistmuster PR freigelegt sind, so geätzt sind, dass eine Tintenkammer 114, ein Tintenkanal 116 und eine adiabatische Schicht 160 gebildet werden. Zunächst kann die Tintenkammer 114 durch isotropes Ätzen des Substrats 110 unter Verwendung des Photoresistmusters PR als Ätzmaske ausgebildet werden. Insbesondere wird das Substrat 110 über eine bestimmte Zeitspanne unter Verwendung von XeF₂-Gas oder BrF₃-Gas als Ätzgas trockengeätzt. Dann wird, wie in 17 gezeigt, die im Wesentlichen halbkugelförmige Tintenkammer 114 mit einer Tiefe und einem Radius von ungefähr 20 μm ausgebildet. Gleichzeitig wird die Opferschicht (160' von 15) durch den ringförmigen Schlitz 162 so geätzt, dass die adiabatische Schicht 160 mit einem Innenraum ausgebildet wird, in dem die Materialschicht, d. h. die polykristalline Siliciumschicht entfernt wurde. Die Tintenkammer 114 und die adiabatische Schicht 160 können gleichzeitig oder sequentiell ausgebildet werden.
Die Tintenkammer 114 kann durch anistropes Ätzen des Substrats 110 unter Verwendung des Photoresistmusters PR als Ätzmaske und dann isotropes Ätzen gebildet werden. Das heißt, das Siliciumsubstrat 110 kann mit Hilfe von induktiv gekoppeltem Plasmaätzen oder reaktivem Ionenätzen unter Verwendung des Photoresistmusters PR als Ätzmaske anisotrop geätzt werden, so dass eine Vertiefung (nicht gezeigt) mit einer bestimmten Tiefe ausgebildet wird. Dann wird das Siliciumsubstrat 110 in der oben beschriebenen Weise isotrop geätzt. Alternativ kann die Tintenkammer 114 durch Umwandeln eines Teils des Substrats 110, in dem die Tintenkammer 114 auszubilden ist, in eine poröse Siliciumschicht und selektives Ätzen und Entfernen der porösen Siliciumschicht ausgebildet werden.
Anschließend wird das Substrat 110 unter Verwendung des Photoresistmusters PR als Ätzmaske anisotrop geätzt, so dass der Tintenkanal 116, der die Tintenkammer 114 und den Verteiler 112 verbindet, an der Unterseite der Tintenkammer 114 ausgebildet wird. Das anisotrope Ätzen kann durch induktiv gekoppeltes Plasmaätzen oder reaktives Ionenätzen wie oben beschrieben durchgeführt werden.
18 zeigt einen Zustand, in dem das Photoresistmuster PR durch Veraschen und Abziehen von der erhaltenen Struktur, wie in 17 gezeigt, entfernt ist. Die unbenetzbare Schicht (180 von 5) kann über der obersten Lage in diesem Zustand aufgetragen werden, wodurch der Druckkopf gemäß dieser Ausführungsform fertig gestellt ist. Da die adiabatische Schicht 160 durch den ringförmigen Schlitz 162 im in 18 gezeigten Zustand nach außen freigelegt ist, besteht eine Wahrscheinlichkeit, dass Fremdmaterial durch den ringförmigen Schlitz 162 in die adiabatische Schicht 160 eindringt, wodurch ihre adiabatische Effizienz beeinträchtigt wird. Daher ist es, wie in 19 gezeigt, bevorzugt, dass der ringförmige Schlitz 162 vor Ausbilden der unbenetzbaren Schicht verschlossen wird.
19 zeigt einen Zustand, in dem der ringförmige Schlitz 162 mit einer Siliciumnitridschicht 175, die auf der TEOS-Oxidschicht 170 um den ringförmigen Schlitz 162 ausgebildet ist, verschlossen ist. Die Siliciumnitridschicht 175 wird durch Abscheiden von Siliciumnitrid auf eine Dicke von ungefähr 0,5 bis 1 μm durch CVD und Strukturieren ausgebildet. Die Dicke, auf die die Siliciumnitridschicht 175 abgeschieden wird, ist in Ab hängigkeit von der Breite des ringförmigen Schlitzes 162 veränderlich. Das heißt, die Siliciumnitridschicht 175 ist ausreichend dick, so dass sie den ringförmigen Schlitz 162 verschließt. Zum Beispiel, wenn die Breite des ringförmigen Schlitzes 162 ungefähr 1 μm beträgt, ist die Dicke der Siliciumnitridschicht 175 0,5 μm oder mehr. Die Siliciumnitridschicht 175 kann durch eine Oxidschicht ersetzt sein oder kann über der gesamten Fläche der TEOS-Oxidschicht 170 ausgebildet sein. In diesem Fall ist die adiabatische Schicht 160 eine luftdichte adiabatische Schlicht, die nur mit Luft gefüllt ist (nicht beansprucht). Wenn die Siliciumnitridschicht 175 durch LPCVD abgeschieden wird, ist die adiabatische Schicht 160 eine adiabatische Vakuumschicht, die effektiv in einem Vakuumzustand gehalten ist.
Die 20 bis 23 sind Querschnitte entlang der Linie B3-B3 von 8A, die einen Prozess zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes mit einer Tintenausstoßeinrichtung mit der in den 8A-8D gezeigten Struktur gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen. Das Herstellungsverfahren gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ähnlich der ersten Ausführungsform mit Ausnahme des Schritts zum Ausbilden eines Tintenkanals. Das heißt, die zweite Ausführungsform ist gleich der ersten Ausführungsform bis zum Schritt zum Ausbilden der TEOS-Oxidschicht 170 wie in 15 gezeigt. Beide Ausführungsformen unterscheiden sich im anschließenden Schritt zum Ausbilden eines Tintenkanals. Deshalb wird nun das Verfahren zur Herstellung des Druckkopfes mit der in 8A gezeigten Tintenausstoßeinrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Hinblick auf den Unterschied beschrieben.
Wie in 20 gezeigt, wird eine TEOS-Oxidschicht 270 so ausgebildet und strukturiert, dass eine Nut 224 für einen Tintenkanal auf der Außenseite einer Erwärmungseinrichtung 230 in einer geraden Linie bis zum Bereich eines Verteilers 212 ausgebildet wird. Die Nut 224 kann durch sequentielles Ätzen der TEOS-Oxidschicht 270, einer Siliciumoxidschicht 240 und einer Siliciumoxidschicht 220 gebildet werden. Ebenso weist die Nut 224 eine Länge von ungefähr 50 μm und eine Breite von ungefähr 2 μm auf.
Dann wird, wie in 21 gezeigt, ein Photoresist über ein Substrat 210 aufgetragen und so strukturiert, dass das Photoresistmuster PR gebildet wird. Das Photoresistmuster PR legt einen Teil der TEOS-Oxidschicht 270 frei, an dem eine Düse 222 auszubilden ist, und einen Teil der TEOS-Oxidschicht 270 oben auf einer Opferschicht 260', so dass ein Ring gebildet wird. Dann werden unter Verwendung des Photoresistmusters PR als Ätzmaske die TEOS-Oxidschicht 270, die Siliciumnitridschicht 240 und die Siliciumoxidschicht 220 sequentiell so geätzt, dass die Düse 222 mit einem Durchmesser von ungefähr 16 bis 20 μm gebildet wird, und die TEOS-Oxidschicht 270 oben auf der Opferschicht 260' wird so geätzt, dass ein ringförmiger Schlitz 262 mit einer Breite von ungefähr 1 μm gebildet wird.
22 zeigt einen Zustand, in dem das Substrat 210 und die Opferschicht 260', die vom Photoresistmuster PR freigelegt sind, so geätzt sind, dass eine Tintenkammer 214, ein Tintenkanal 216 und eine adiabatische Schicht 260 ausgebildet werden. Zunächst kann die Tintenkammer 214 durch isotropes Ätzen des Substrats 210 unter Verwendung des Photoresistmusters PR als Ätzmaske isotrop geätzt werden. Insbesondere wird das Substrat 210 über eine bestimmte Zeitspanne unter Verwendung von XeF₂-Gas oder BrF₃-Gas als Ätzgas trockengeätzt. Dann wird, wie in 22 gezeigt, die im Wesentlichen halbkugelförmige Tintenkammer 214 mit einer Tiefe und einem Radius von ungefähr 20 μm ausgebildet und der Tintenkanal 216 zum Verbinden der Tintenkammer 214 mit dem Verteiler 212 wird mit einer Tiefe und einem Radius von ungefähr 8 μm ausgebildet. Ebenso wird ein hervorstehen der Stopper 218 durch Ätzen an dem Punkt, an dem die Tintenkammer 214 und der Tintenkanal 216 aufeinander treffen, ausgebildet. Gleichzeitig wird die Opferschicht (260' von 20) durch den ringförmigen Schlitz 262 so geätzt, dass die adiabatische Schicht 260 mit einem Innenraum ausgebildet wird, in dem die Materialschicht, d. h. die polykristalline Siliciumschicht entfernt wurde. Die Tintenkammer 214, der Tintenkanal 216 und die adiabatische Schicht 260 können gleichzeitig oder sequentiell ausgebildet werden.
23 zeigt einen Zustand, in dem das Photoresistmuster PR von der in 17 gezeigten erhaltenen Struktur durch Veraschen und Abziehen entfernt ist. Die unbenetzbare Schicht (280 von 8D) kann über der obersten Lage in diesem Zustand aufgetragen werden, wodurch der Druckkopf gemäß dieser Ausführungsform fertig gestellt ist. Wie bei der ersten Ausführungsform ist es jedoch bevorzugt, dass der ringförmige Schlitz 262 verschlossen wird, bevor die unbenetzbare Schicht aufgetragen wird, um die adiabatische Schicht 260 zu verschließen. Der Schritt ist gleich wie sein Gegenstück in der ersten Ausführungsform und eine ausführliche Erläuterung hierzu wird ausgelassen.
24 ist eine vergrößerte Draufsicht eines Tintenstrahldruckkopfes gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und die 25A bis 25C sind Querschnitte der vertikalen Strukturen der Tintenausstoßeinrichtung entlang der Linien C1-C1, C2-C2 bzw. C3-C3 von 24.
Mit Bezug zu den 24 und 25A bis 25C, ist eine Tintenausstoßeinrichtung 300 des Tintenstrahldruckkopfes gemäß dieser Ausführungsform in der in 7 gezeigten Weise konfiguriert, wobei im Grund die gestapelte Struktur eines Silicium-auf-Isolator(SOI)-Wafers 310 verwendet wird. Der SOI-Wafer 310 weist typischerweise eine Struktur auf, in der ein erstes Substrat 311, eine auf dem ersten Substrat 311 ausge bildete Oxidschicht 312 und ein mit der Oxidschicht 312 verbundenes zweites Substrat 313 aufgeschichtet sind. Das erste Substrat 311 ist aus monokristallinem Silicium gebildet und weist eine Dicke von einigen hundert Mikrometern auf. Die Oxidschicht 312 ist durch Oxidieren der Oberfläche des ersten Substrats 311 gebildet und weist eine Dicke von ungefähr 1 μm auf. Das zweite Substrat 313 ist typischerweise aus monokristallinem Silicium gebildet und weist eine Dicke von ungefähr einigen zehn Mikrometern auf, zum Beispiel 20 μm.
Eine Tintenkammer 324 gefüllt mit Tinte, die im Wesentlichen eine Halbkugelform aufweist, und ein Tintenkanal 326, der flacher ausgebildet ist als die Tintekammer 324 zum Zuführen von Tinte zur Tintenkammer 324, sind auf der Oberseite des ersten Substrats 311 des SOI-Wafers 310 ausgebildet. Ein mit dem Tintenkanal 326 verbundener Verteiler 322 zum Zuführen von Tinte zum Tintenkanal 326 ist auf der Unterseite des ersten Substrats 311 ausgebildet. Ein Stopper 329 ist an dem Punkt ausgebildet, an dem die Tintenkammer 324 und der Tintenkanal 326 aufeinander treffen, um zu verhindern, dass ein sich ausdehnendes Bläschen in den Tintenkanal 326 zurück gedrückt wird.
Die Oxidschicht 312 und das zweite Substrat 313 des SOI-Wafers 310 bilden eine obere Wand der Tintenkammer 324, die auf der Oberfläche des Substrats 311 ausgebildet ist, wie oben beschrieben. Da die obere Wand der Tintenkammer 324 aufgrund der Dicke des zweiten Substrats 313 eine Dicke von ungefähr 20 μm aufweist, sind die Tintenkammer 324 und die Tintenausstoßeinrichtung 300 robuster.
Eine Düse 330, durch die ein Tintentröpfchen ausgestoßen wird, ist an einer Stelle in der Oxidschicht 312 und dem zweiten Substrat 313 des SOI-Wafers 310 gebildet, die einem Mittelteil der Tintenkammer 324 entspricht. Eine Nut 328 für einen Tintenkanal ist an einer Stelle ausge bildet, die einer Mittellinie entspricht, die sich in Längsrichtung des Tintenkanals 326 erstreckt.
Eine ringförmige Erwärmungseinrichtung 340, die um die Düse 330 zum Ausbilden eines Bläschens zentriert ist, ist in einem Teil des zweiten Substrats 313 des SOI-Wafers 310 ausgebildet. Die Erwärmungseinrichtung 340 weist Innen- und Außendurchmesser auf, die von einer adiabatischen Barriere 342 umgeben sind, die in Form einer ringförmigen Nut mit einer Breite von ungefähr 1 bis 2 μm ausgebildet ist, wodurch die Erwärmungseinrichtung 340 von anderen Teilen der Tintenausstoßeinrichtung isoliert ist. Das heißt, die Erwärmungseinrichtung 340 ist durch Abgrenzen des Teils des zweiten Substrats 313 oben auf der Tintenkammer 324 umgeben von der adiabatischen Barriere 342 ausgebildet. Die adiabatische Barriere 342 isoliert nicht nur die Erwärmungseinrichtung 340 von anderen Teilen des zweiten Substrats 313, sondern verhindert auch, dass von der Erwärmungseinrichtung 340 erzeugte Wärme durch das zweite Substrat 313 zu anderen Elementen geleitet wird. Die adiabatische Barriere 342 kann mit Luft gefüllt sein (nicht beansprucht), ist aber bevorzugt in einem Vakuumzustand gehalten. Alternativ, aber nicht beansprucht, füllt ein bestimmtes isolierendes und adiabatisches Material das Innere der adiabatischen Barriere 342, so dass die aus dem bestimmten isolierenden und adiabatischen Material gebildete adiabatische Barriere 342 ausgebildet wird.
Eine Wärmeschutzschicht 350 ist auf dem zweiten Substrat 313 ausgebildet, auf dem die Erwärmungseinrichtung 340 ausgebildet ist. Die Wärmeschutzschicht 350 schützt nicht nur die Erwärmungseinrichtung 340, sondern versiegelt auch die adiabatische Barriere 342. In diesem Fall ist der Innenraum der adiabatischen Barriere 342 bevorzugt in einem Vakuum gehalten, wie oben beschrieben. Eine Elektrode 360 ist mit der Erwärmungseinrichtung 340 verbunden, um einen Stromimpuls anzulegen.
26 ist eine Draufsicht, die ein modifiziertes Beispiel der Tintenausstoßeinrichtung von 24 zeigt. Mit Bezug zu 26 ist eine Erwärmungseinrichtung 340' einer Tintenausstoßeinrichtung 300' im Wesentlichen in Form eines Omega ausgebildet, und eine von zwei Elektroden 360 ist mit jedem Ende der Erwärmungseinrichtung 340' verbunden. Das heißt, die in 24 gezeigte Erwärmungseinrichtung 340 ist parallel zwischen den Elektroden 360 gekoppelt, während die in 26 gezeigte Erwärmungseinrichtung 340' seriell dazwischen gekoppelt ist. Eine die Erwärmungseinrichtung 340' umgebende adiabatische Barriere 342' weist eine Omegaform auf, so dass sie zur Form der Erwärmungseinrichtung 340' konform ist. Die Formen und Konfigurationen anderer Komponenten der Tintenausstoßeinrichtung 300', wie der Tintenkammer 324, des Tintenkanal 326, der Düse 330 und der Nut 328 für einen Tintenkanal, sind gleich wie bei ihren Gegenstücken bei der in 24 gezeigten Tintenausstoßeinrichtung 300.
27 ist eine Draufsicht einer Tintenausstoßeinrichtung und eines Tintenstrahldruckkopfes gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 28 ist ein Querschnitt einer vertikalen Struktur der Tintenausstoßeinrichtung entlang der Linie D-D von 27.
Mit Bezug zu den 27 und 28 ist eine Tintenausstoßeinrichtung 400 gemäß dieser Ausführungsform in einer in 3 gezeigten Weise konfiguriert und auf einem SOI-Wafer 410 ausgebildet. Eine Tintenkammer 424 mit einer im Wesentlichen halbkugeligen Form, in die Tinten eingefüllt ist, ist auf der Oberseite des ersten Substrats 411 des SOI-Wafers 410 ausgebildet. Ein Verteiler 422 zum Zuführen von Tinte zur Tintenkammer 424 ist an der Unterseite des ersten Substrats 411 so ausgebildet, dass der Verteiler 422 unter der Tintenkammer 424 gelegen ist. Ein Tintenkanal 426, der die Tintenkammer 424 und den Verteiler 422 verbindet, ist in der Mitte der Unterseite der Tintenkammer 424 aus gebildet. In diesem Fall muss der Durchmesser der Tintenkammer 426, da er einen Rückfluss von Tinte, die beim Tintenausstoß in den Tintenkanal 426 zurück gedrückt wird, und die Geschwindigkeit, mit der sich Tinte in die Tintenkammer 424 nach einem Tintenstoß nachfüllt, beeinflusst, beim Ausbilden des Tintenkanals 426 sorgfältig gesteuert werden.
Eine Düse 430 ist in einer Oxidschicht 412 und einem zweiten Substrat 413 des SOI-Wafers 410 ausgebildet und eine von einer adiabatischen Barriere 442 umgebene Erwärmungseinrichtung 440 ist an einem Teil des zweiten Substrats 413 ausgebildet. Eine Wärmeschutzschicht 450 ist über dem zweiten Substrat 413 abgeschieden, auf der die Erwärmungseinrichtung 440 ausgebildet wurde, und eine Elektrode 460 ist mit der Erwärmungseinrichtung 440 gekoppelt.
Obwohl die Erwärmungseinrichtung 440 in dieser Ausführungsform eine Ringform aufweist, kann sie in der Form eines Omega ausgebildet sein, wie es in 26 gezeigt ist.
Der Tintenausstoßmechanismus eines Tintenstrahldruckkopfes mit der Tintenausstoßeinrichtung von 24 gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug zu den 29A und 29B beschrieben.
Mit Bezug zu 29A wird Tinte 380 der Tintenkammer 324 durch den Verteiler 322 und den Tintenkanal 326 durch Kapillarwirkung zugeführt. Wenn ein Stromimpuls an die Erwärmungseinrichtung 340 angelegt wird, wenn Tinte 380 die Tintenkammer 324 füllt, erzeugt die Erwärmungseinrichtung 340 Wärme. Es ist durch die adiabatische Barriere 342 verhindert, dass erzeugte Wärme zu den Seiten der Erwärmungseinrichtung 340 geleitet wird, so dass auf diese Weise der Großteil der Wärme durch die darunter liegende Oxidschicht 312 zur Tinte 380 übertragen wird. Dadurch siedet die Tinte 380, so dass sich Bläschen 391 bilden. Die Bläschen 391 weisen im Wesentlichen eine Kringelform auf, die zur Form der Erwärmungseinrichtung 340 konform ist, wie es auf der rechten Seite von 29A gezeigt ist.
Wenn die kringelförmigen Bläschen 391 sich im Laufe der Zeit ausdehnen, wie es in 29B gezeigt ist, koaleszieren die Bläschen 391 unter der Düse 22, so dass sich ein im Wesentlichen scheibenförmiges Bläschen 392 bildet, dessen Mittelteil konkav ist. Gleichzeitig bewirkt das sich ausdehnende Bläschen 392, dass ein Tintentröpfchen 380' aus der Tintenkammer 324 durch die Düse 330 ausgestoßen wird. Wenn der angelegte Strom unterbrochen wird, kühlt die Erwärmungseinrichtung 340 ab, so dass das Bläschen 392 schrumpft oder zusammenfällt, und dann wird Tinte 380 in die Tintenkammer 324 nachgefüllt.
Beim Tintenausstoßmechanismus des Druckkopfes gemäß dieser Ausführungsform koaleszieren die kringelförmigen Bläschen 391 unter dem Mittelteil der Düse 330, so dass sich scheibenförmige Bläschen 392 bilden. Dadurch wird das Hinterteil des ausgestoßenen Tintentröpfchens 380' abgeschnitten, was auf diese Weise die Bildung von Satellitentröpfchen verhindert. Darüber hinaus ist, da die Tintenkammer 324 eine halbkugelige Form aufweist, ein Pfad, entlang dem die Bläschen 391 und 392 sich ausdehnen, stabiler als bei einer herkömmlichen Tintenkammer mit der Form eines rechteckigen Körpers oder einer Pyramide, und die Bildung und Ausdehnung eines Bläschens erfolgt schnell, so dass auf diese Weise Tinte in einer relativ kurzen Zeit ausgestoßen wird. Darüber hinaus ist der Bereich der Erwärmungseinrichtung 340 mit einer Ring- oder Omegaform breit, was ermöglicht, dass sie schnell erwärmt und abgekühlt wird, was einen Zyklus beginnend mit der Bildung des Bläschens 391 oder 392 und endend mit ihrem Zerfall beschleunigt, wodurch eine schnelle Ansprechrate und hohe Betriebsfrequenz ermöglicht sind.
Darüber hinaus ist die Ausdehnung des Bläschens 391 und 392 auf das Innere der Tintenkammer 324 beschränkt, wodurch ein Rückfluss von Tinte 380 und dadurch Störungen zwischen benachbarten Tintenausstoßeinrichtungen verhindert ist. Da außerdem der Tintenkanal 326 flacher ist als die Tintenkammer 324 und der Stopper 329 an einem Punkt ausgebildet ist, an dem die Tintenkammer 324 und der Tintenkanal 326 sich treffen, ist er wirksam zur Verhinderung, dass Tinte 380 und Bläschen 392 in den Tintenkanal 316 zurück gedrückt werden.
Insbesondere wird durch die adiabatische Barriere 342 verhindert, dass von der Erwärmungseinrichtung 340 erzeugte Wärme zu anderen Teilen als der Tinte 380 geleitet wird, wodurch eine größere Menge an von der Erwärmungseinrichtung 340 erzeugter Wärmeenergie zur Tinte 380 übertragen wird. Dies erhöht die effektive Nutzung von Energie, so dass die notwendige Zeit von der Bildung der Bläschen 391 und 392 bis zu ihrem Zerfall verkürzt wird, wodurch eine hohe Betriebsfrequenz erreicht wird.
Darüber hinaus ist die obere Wand der Tintenkammer 324, die durch die Oxidschicht 312 und das zweite Substrat 313 des SOI-Wafers 310 gebildet ist, ausreichend dick, so dass Veränderungen der Tintenkammer 324 und ihrer oberen Wand aufgrund von in der Erwärmungseinrichtung 340 erzeugter Wärme und einer Druckveränderung, die aus der Ausdehnung und dem Zerfall der Bläschen 391 und 392 in der Tintenkammer 324 resultiert, verhindert sind. Auf diese Weise wird die Form der in der Tintenkammer 324 gebildeten Bläschen 391 und 392 konstant gehalten, der Ausstoß des Tintentröpfchens 380' ist gleichmäßig und die Haltbarkeit der Tintenausstoßeinrichtung 300 ist erhöht.
Außerdem ist die in der Oxidschicht 312 und dem zweiten Substrat 313 des SOI-Wafers 310 gebildete Düse 330 ausreichend lang, so dass eine Richtung, in die das Tintentröpfchen 380' ausgestoßen wird, ohne eine separate Führung, akkurat geführt wird.
Nun wird ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines SOI-Wafers beschrieben. Die 30 bis 36 sind Querschnitte, die ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes mit der Tintenausstoßeinrichtung von 24 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen. Die linke und rechte Seite der 30 bis 36 sind Querschnitte entlang der Linie C1-C1 bzw. C3-C3 von 24.
Mit Bezug zu 30 wird ein SOI-Wafer 310 vorbereitet. Wie oben beschrieben, weist der SOI-Wafer 310 eine Struktur auf, in der ein erstes Substrat 311, eine Oxidschicht 312 und ein zweites Substrat 313 übereinander gelegt sind. Der SOI-Wafer 310 mit der oben beschriebenen Struktur ist von Waferherstellern leicht erhältlich. In diesem Fall weist der SOI-Wafer 310 ein ungefähr 10 bis 30 μm dickes und bevorzugt ungefähr 20 μm dickes zweites Substrat 313 auf.
Dann wird, wie in 31 gezeigt, das zweite Substrat 313 des SOI-Wafers 310 so geätzt, dass eine adiabatische Barriere 342 mit einer Breite von ungefähr 1 bis 2 μm in Form einer ringförmigen Nut gebildet wird. Die adiabatische Barriere 342 umgibt den Innen- und Außenumfang einer Erwärmungseinrichtung 340, so dass die durch die adiabatische Barriere 342 begrenzte ringförmige Erwärmungseinrichtung 340 von anderen Teilen des zweiten Substrats 313 isoliert ist.
32 zeigt einen Zustand, in dem eine Wärmeschutzschicht 350 und eine Elektrode 360 auf dem zweiten Substrat 313 mit der Erwärmungseinrichtung 340 und der adiabatischen Barriere 342 ausgebildet sind. Die Wärmeschutzschicht 350 wird durch Abscheiden einer TEOS-Oxidschicht auf dem zweiten Substrat 313 auf eine Dicke von ungefähr 0,5 bis 1 μm mit Hilfe von CVD ausgebildet. Obwohl die TEOS-Oxidschicht als Wärmeschutzschicht 350 in dieser Ausführungsform verwendet ist, kann eine andere Oxidschicht, die aus einem anderen Material gebildet ist, oder eine Nitridschicht stattdessen verwendet werden. Die Wärmeschutzschicht 350 wird bevorzugt unter Verwendung von Niedertemperatur-CVD abgeschieden, da der Innenraum der adiabatischen Barriere 342 in einem Vakuumzustand gehalten werden kann. Vor dem Ausbilden der Wärmeschutzschicht 350 kann die adiabatische Schicht 342 mit bestimmtem isolierenden und adiabatischen Material gefüllt werden, um die adiabatische Barriere 342 aus dem bestimmten isolierenden und adiabatischen Material zu bilden (nicht beansprucht).
Anschließend wird ein Teil der Wärmeschutzschicht 350, an dem die Oberseite der Erwärmungseinrichtung 130 mit der Elektrode 360 verbunden werden soll, so geätzt, dass die Erwärmungseinrichtung 340 freigelegt wird. Die Elektrode 360 wird durch Abscheiden von Metall mit guter Leitfähigkeit und Strukturierungseigenschaften wie Aluminium oder Aluminiumlegierung auf eine Dicke von ungefähr 1 μm unter Verwendung einer Sputtertechnik und Strukturierung ausgebildet. In diesem Fall wird die Metallschicht der Elektrode 360 gleichzeitig strukturiert, so dass Verdrahtungsleitungen und das Bondpad an anderen Teilen des zweiten Substrats 313 ausgebildet werden.
33 zeigt einen Zustand, in dem das erste Substrat 311 von seiner Unterseite geätzt wurde, um einen Verteiler 322 auszubilden. Der Verteiler 322 wird durch schräges Ätzen der Unterseite des ersten Substrats 311 ausgebildet. Insbesondere wird eine Ätzmaske, die einen zu ätzenden Bereich abgrenzt, auf der Unterseite des ersten Substrats 311 ausgebildet und ein Nassätzen wird unter Verwendung von Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) als Ätzmittel über eine bestimmte Dauer durchgeführt.. Dementsprechend erfolgt Ätzen in einer Kristallorientierung von [111] langsamer als Ätzen in anderen Orientierungen, so dass der Verteiler 322 mit einer Seitenfläche ausgebildet wird, die um 54,7 Grad geneigt ist. Der Verteiler 322 kann vor dem Ausbilden der Elektrode 360 ausgebildet werden. Obwohl beschrieben wurde, dass der Verteiler 322 durch schräges Ätzen der Unterseite des ersten Substrats 311 ausgebildet wird, kann der Verteiler durch anisotropes Ätzen ausgebildet werden.
34 zeigt einen Zustand, in dem die TEOS-Oxidschicht 370 nach Ausbilden einer Düse 330 und einer Nut 328 für einen Tintenkanal abgeschieden ist. Die Düse 330 wird durch anisotropes Ätzen der Wärmeschutzschicht 350, des zweiten Substrats 313 und der Oxidschicht 312 nacheinander ausgebildet, bis das erste Substrat 311 auf der Innenseite der Erwärmungseinrichtung 340 mit einem Durchmesser kleiner als der der Erwärmungseinrichtung 340, zum Beispiel 16 bis 20 μm ausgebildet ist. Die Nut 328 für einen Tintenkanal wird durch sequentielles Ätzen der Wärmeschutzschicht 350 und des zweiten Substrats 313 und der Oxidschicht 312 des SOI-Wafers 310 in einer geraden Linie von der Außenseite der Erwärmungseinrichtung 340 zum Bereich über dem Verteiler 322 ausgebildet. Die Nut 328 für einen Tintenkanal weist eine Länge von ungefähr 50 μm und eine Breite von ungefähr 2 μm auf. Ebenso kann die Nut 328 für einen Tintenkanal im in 35 gezeigten Schritt ausgebildet werden.
Dann wird die TEOS-Oxidschicht 370 ausgebildet. Die TEOS-Oxidschicht 370 kann mittels CVD auf eine Dicke von ungefähr 1 μm bei niedriger Temperatur abgeschieden werden, bei der die Elektrode 360 und das Bondpad aus Aluminium oder Aluminiumlegierung nicht verändert werden, zum Beispiel bei nicht mehr als 400 °C.
Dann wird, wie in 35 gezeigt, die TEOS-Oxidschicht 370 auf den Unterseiten der Düse 322 und der Nut 328 für einen Tintenkanal so geätzt, dass das erste Substrat 311 freigelegt wird.
36 zeigt einen Zustand, in dem das freigelegte erste Substrat 311 so geätzt ist, dass die Tintenkammer 324 und der Tintenkanal 326 ausgebildet sind. Die Tintenkammer 324 kann durch isotropes Ätzen des ersten Substrats 311, das durch die Düse 330 freigelegt ist, ausgebildet werden. Speziell wird das erste Substrat 311 über eine bestimmte Zeitspanne unter Verwendung von XeF₂-Gas oder BrF₃-Gas als Ätzgas trockengeätzt. Dann wird, wie in 36 gezeigt, die im Wesentlichen halbkugelförmige Tintenkammer 324 mit einer Tiefe und einem Radius von ungefähr 20 μm ausgebildet und der Tintenkanal 326 zum Verbinden der Tintenkammer 324 mit dem Verteiler 322 wird mit einer Tiefe und einem Radius von ungefähr 8 bis 12 μm ausgebildet. Ebenso wird ein hervorstehender Stopper 329 durch Ätzen an dem Punkt, an dem die Tintenkammer 324 und der Tintenkanal 326 aufeinander treffen, ausgebildet. Die Tintenkammer 324 und der Tintenkanal 326 können gleichzeitig oder nacheinander ausgebildet werden. Die Tintenkammer 324 kann durch anisotropes Ätzen der Oberfläche des ersten Substrats 311 auf eine bestimmte Dicke und dann isotropes Ätzen ausgebildet werden. Auf diese Weise wird der Tintenstrahldruckkopf gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung fertig gestellt.
Die 37 und 38 sind Querschnitte entlang der Linie D-D von 27, die ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes, der die Tintenausstoßeinrichtung mit der in 27 gezeigten Struktur gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes gemäß dieser Ausführungsform ist gleich dem Herstellungsverfahren gemäß der dritten Ausführungsform, die in den 30 bis 36 gezeigt ist, mit Ausnahme des Schritts zum Ausbilden des Verteilers und des Tintenkanals. Diese Ausführungsform ist gleich der dritten Ausführungsform bis zu den in den 30 bis 32 gezeigten Fertigungsschritten, unter scheidet sich aber in der Position, an der der Verteiler in dem in 33 gezeigten Schritt ausgebildet wird. Das heißt, in dieser Ausführungsform wird ein Verteiler 422 durch Ätzen der Unterseite eines ersten Substrats 411 so geätzt, dass der Verteiler 422 an der Unterseite einer Tintenkammer positioniert ist, die anschließend ausgebildet wird.
Diese Ausführungsform ist auch gleich der dritten Ausführungsform in den in den 34 bis 36 gezeigten Schritten, mit Ausnahme der Bildung eines Tintenkanals. In dieser Ausführungsform, wie in 38 gezeigt, wird der Mittelteil der Unterseite einer Tintenkammer 424 anisotrop geätzt, so dass ein Tintenkanal 426 ausgebildet wird, der mit dem Verteiler 422 verbunden ist, wodurch der Tintenstrahldruckkopf gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 27 gezeigt, fertig gestellt ist.
Wie oben beschrieben, weisen der Tintenstrahldruckkopf vom Bubble-Jet-Typ gemäß der vorliegenden Erfindung und ein Verfahren zu seiner Herstellung verschiedene Vorteile auf. Erstens, eine adiabatische Schicht oder eine adiabatische Barriere umgeben von einer Erwärmungseinrichtung verhindert, dass von der Erwärmungseinrichtung erzeugte Wärme zu einem Bereich oberhalb der Erwärmungseinrichtung oder zu anderen Teilen als der Tinte geleitet wird, so dass der Großteil der Wärme in die Tinte unter der Erwärmungseinrichtung fließt, wodurch eine hohe Betriebsfrequenz und stabiler Betrieb über eine lange Zeit ermöglicht sind, während die Energieeffizienz erhöht ist. Zweitens ist das Bläschen kringelförmig und die Tintenkammer ist halbkugelförmig, wodurch ein Rückfluss von Tinte und damit Störungen zwischen benachbarten Tintenausstoßeinrichtungen verhindert werden, während die Bildung von Satellitentröpfchen verhindert wird. Drittens ist die obere Wand einer Tintenkammer, die von einer Oxidschicht und einem zweiten Substrat auf einem SOI-Wafer gebildet ist, ausreichend dick und robust, so dass Veränderungen der Tintenkammer und ihrer oberen Wand, auf grund von durch eine Erwärmungseinrichtung erzeugte Wärme und einer Druckveränderung in der Tintenkammer, verhindert werden. Daher ist die Form von Bläschen 391 und 392, die in der Tintenkammer 324 gebildet werden, konstant gehalten, der Ausstoß eines Tintentröpfchens gleichmäßig und die Haltbarkeit der gesamten Tintenausstoßeinrichtung erhöht. Viertens werden gemäß einem herkömmlichen Herstellungsverfahren für einen Druckkopf, eine Düsenplatte, eine Tintenkammer und ein Tintenkanal separat gefertigt und miteinander verbunden. Ein Verfahren zur Herstellung eines Druckkopfes gemäß dieser Erfindung beinhaltet jedoch Ausbilden der Düsenplatte und der ringförmigen Erwärmungseinrichtung integral mit dem Substrat, das den Verteiler, die Tintenkammer und den Tintenkanal darauf aufweist, wodurch der Fertigungsprozess vereinfacht und das Auftreten von Fehlausrichtungen vermieden wird. Auf diese Weise ist das Herstellungsverfahren gemäß dieser Erfindung mit einem typischen Herstellungsprozess für ein Halbleiterbauteil kompatibel, wodurch hohes Produktionsvolumen erleichtert wird. Insbesondere können die Schritte zum Ausbilden einer Oxidschicht auf dem Substrat als Düsenplatte und Abscheiden einer Erwärmungseinrichtung aus einem bestimmten Material ausgelassen werden, wenn der SOI-Wafer verwendet wird, wodurch der Herstellungsprozess vereinfacht wird.
Obwohl diese Erfindung mit Bezug zu bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich für die Fachleute, dass verschiedene Veränderungen in Form und Details hierzu vorgenommen werden können. Zum Beispiel müssen Materialien zum Ausbilden von Elementen eines Druckkopfes gemäß dieser Erfindung nicht auf die hier beschriebenen beschränkt sein. Das heißt, das Substrat 100 kann aus einem Material gebildet sein, das eine gute Verarbeitbarkeit aufweist, außer Silicium, und dies gilt ebenso für eine Erwärmungseinrichtung, eine Elektrode, eine Siliciumoxidschicht oder eine Nitridschicht. Darüber hinaus sind das Aufschichten und das Bildungsverfahren für jedes Material nur Beispiele, und es können eine Reihe von Abscheidungs- und Ätztechniken eingesetzt werden.
Ebenso kann die Abfolge von Prozessschritten in einem Verfahren zur Herstellung eines Druckkopfes gemäß dieser Erfindung unterschiedlich sein. Zum Beispiel können spezifische numerische Werte, die in jedem Schritt dargestellt sind, in einem Bereich variieren, in dem der hergestellte Druckkopf normal funktionieren kann.
Die Form der Tintenkammer, der Tintenkanal und die Erwärmungseinrichtung im Druckkopf gemäß dieser Erfindung stellen eine hohe Ansprechrate und hohe Betriebsfrequenz zur Verfügung. Darüber hinaus koaleszieren kringelförmige Bläschen in der Mitte, was die Bildung von Satellitentröpfchen verhindert.
Diese Erfindung erleichtert die Steuerung eines Rückflusses von Tinte und der Betriebsfrequenz durch Steuerung des Durchmessers der Tintenkammer. Darüber hinaus sind die Tintenkammer, der Tintenkanal und der Verteiler vertikal angeordnet, um die vom Verteiler in einer Ebene eingenommene Fläche zu reduzieren, wodurch die Integrationsdichte eines Druckkopfes erhöht wird.

Claims

Tintenstrahldruckkopf vom Bubble-Jet-Typ ausgebildet auf einem Silicium-auf-Isolator(SOI)-Wafer (310) mit einem ersten Substrat (311), einer Oxidschicht (312) aufgeschichtet auf dem ersten Substrat und einem zweiten Substrat (313) aufgeschichtet auf der Oxidschicht, wobei der Tintenstrahldruckkopf vom Bubble-Jet-Typ umfasst: einen Verteiler (322) zum Zuführen von Tinte, eine Tintenkammer (324) mit einer im Wesentlichen halbkugeligen Form gefüllt mit Tinte zum Ausstoßen und einen Tintenkanal (326) zum Zuführen von Tinte vom Verteiler zur Tintenkammer, wobei der Verteiler (322), die Tintenkammer (324) und der Tintenkanal (326) integral auf dem ersten Substrat (311) ausgebildet sind; eine Düse (330) ausgebildet an einer Stelle der Oxidschicht (312) und dem zweiten Substrat (313) entsprechend einem Mittelteil der Tintenkammer (324) zum Ausstoßen von Tinte; eine adiabatische Barriere (342) ausgebildet auf dem zweiten Substrat (313) zum Ausbilden einer Erwärmungseinrichtung (340); eine Schutzschicht (350) der Erwärmungseinrichtung aufgeschichtet auf dem zweiten Substrat (313) zum Schützen der Erwärmungseinrichtung (340); und eine Elektrode (360) ausgebildet auf der Schutzschicht der Erwärmungseinrichtung und elektrisch verbunden mit der Erwärmungseinrichtung (340) zum Anlegen von Strom an die Erwärmungseinrichtung; dadurch gekennzeichnet, dass die adiabatische Barriere (342) um die Düse (330) zentriert in Form einer ringförmigen Nut entlang dem Innen- und Außenumfang ausgebildet ist, so dass die Erwärmungseinrichtung (340) umschlossen ist und sie von der Schutzschicht (350) der Erwärmungseinrichtung abgeschlossen ist, wodurch die Erwärmungseinrichtung von anderen Teilen des zweiten Substrats isoliert ist und der Innenraum der adiabatischen Barriere (342) in einem Vakuumzustand gehalten ist.
Tintenstrahldruckkopf vom Bubble-Jet-Typ nach Anspruch 1, wobei der Tintenkanal (326) auf der Oberfläche des ersten Substrats (311) auf eine bestimmte Tiefe ausgebildet ist, so dass seine beiden Enden mit dem Verteiler (322) und der Tintenkammer (324) verbunden sind.
Tintenstrahldruckkopf vom Bubble-Jet-Typ nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Tintenkanal (326) an der Unterseite der Tintenkammer (324) so ausgebildet ist, dass er mit dem Verteiler (322) verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfs vom Bubble-Jet-Typ unter Verwendung eines Silicium-auf-Isolator(SOI)-Wafers (310), wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Vorbereiten des SOI-Wafers (310) mit einem ersten Substrat (311), einer Oxidschicht (312) aufgeschichtet auf dem ersten Substrat und einem zweiten Substrat (313) aufgeschichtet auf der Oxidschicht; Ätzen des zweiten Substrats (313) und Ausbilden einer adiabatischen Barriere (342) entlang dem Innen- und Außenumfang mit der Form einer ringförmigen Nut, die eine ringförmige Erwärmungseinrichtung (340) begrenzt und dadurch die Erwärmungseinrichtung von einem anderen Teil des zweiten Substrats isoliert; Ausbilden einer Schutzschicht (350) der Erwärmungseinrichtung auf dem zweiten Substrat mittels chemischer Gasphasenabscheidung bei Niederdruck, so dass die Erwärmungseinrichtung geschützt und die adiabatische Barriere (342) im Wesentlichen in einem Vakuumzustand gehalten wird; Ausbilden einer Elektrode (360) elektrisch verbunden mit der Erwärmungseinrichtung auf der Schutzschicht der Erwärmungseinrichtung; Ätzen einer Unterseite des ersten Substrats (311) und Ausbilden eines Verteilers (322) zum Zuführen von Tinte; sequentielles Ätzen der Schutzschicht (350) der Erwärmungseinrichtung, des zweiten Substrats (313) und der Oxidschicht (312) auf der In nenseite der Erwärmungseinrichtung mit einem Durchmesser, der geringer ist als der der Erwärmungseinrichtung, und Ausbilden einer Düse (330); Ätzen des ersten Substrats (311), das durch die Düse (330) freigelegt ist, und Ausbilden einer Tintenkammer (324) mit einer im Wesentlichen halbkugeligen Form; und Ätzen des ersten Substrats (311) und Ausbilden eines Tintenkanals (326) zum Zuführen von Tinte vom Verteiler (322) zur Tintenkammer (324).
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Dicke des zweiten Substrats (313) des SOI-Wafers 10-30 μm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Ausbilden des Tintenkanals (316) die Schritte umfasst: sequentielles Ätzen der Schutzschicht (350) der Erwärmungseinrichtung, des zweiten Substrats (313) und der Oxidschicht (312) von der Außenseite der Erwärmungseinrichtung (340) zum Verteiler (322) und Ausbilden einer Nut (328) für einen Tintenkanal (316), der das erste Substrat freilegt; und isotropes Ätzen des ersten Substrats (311), das durch die Nut freigelegt ist, für einen Tintenkanal.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei beim Ausbilden des Tintenkanals (316), das erste Substrat (311) an der Unterseite der Tintenkammer mit einem bestimmten Durchmesser anisotrop geätzt wird, so dass der Tintenkanal verbunden mit dem Verteiler (322) ausgebildet wird.