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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf Tintenstrahldrucker und insbesondere
auf einen monolithischen Druckkopf für einen Tintenstrahldrucker.
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Hintergrund
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Tintenstrahldrucker
weisen üblicherweise
einen Druckkopf auf, der an einem Wagen befestigt ist, der sich über die
Breite eines Blatts Papier, das durch den Drucker geführt wird,
hin- und herbewegt. Tinte aus einem Tintenreservoir, entweder an
Bord des Wagens oder außerhalb
des Wagens, wird zu Tintenausstoßkammern auf dem Druckkopf
geführt.
Jede Tintenausstoßkammer
enthält
ein Tintenausstoßelement,
wie z. B. einen Heizerwiderstand oder ein piezoelektrisches Element,
das unabhängig
adressierbar ist. Ein Versorgen eines Tintenausstoßelements mit
Energie bewirkt, dass ein Tintentröpfchen durch eine Düse zum Erzeugen
eines kleinen Punktes auf dem Medium ausgestoßen wird. Das erzeugte Punktmuster
bildet ein Bild oder Text.
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Zusätzliche
Informationen bezüglich
eines bestimmten Typs eines Druckkopfs und eines Tintenstrahldruckers
sind in dem U.S.-Patent Nr. 5,648,806 mit dem Titel „Stable
Substrate Structure For A Wide Swath Nozzle Array In A High Resolution
Inkjet Printer" (Stabile
Substratstruktur für
ein Breitband-Düsenarray
in einem Tintenstrahldrucker mit hoher Auflösung) von Steven Steinfield
u. a., das der vorliegenden Anmelderin zugewiesen ist, zu finden.
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Die
Europäische
Patentanmeldung
EP 1
078 755 A offenbart einen vollständig integrierten thermischen
Tintenstrahldruckkopf, der mehrere Tintenzuführlöcher pro Düse auf weist. Dünnfilmschichten,
die Tintenausstoßelemente
umfassen, sind auf einer oberen Oberfläche eines Siliziumsubstrats
gebildet. Die verschiedenen Schichten sind geätzt, um leitfähige Anschlussleitungen
zu den Tintenausstoßelementen
bereitzustellen. Zumindest ein Tintenzuführloch ist durch die Dünnfilmschichten
für jede
Tintenausstoßkammer
gebildet. Ein Graben ist in die untere Oberfläche des Substrates geätzt, so
dass Tinte durch die in den Dünnfilmschichten
gebildeten Tintenzuführlöcher in
den Graben und in jede Tintenausstoßkammer fließen kann.
Eine Öffnungsschicht
ist auf der obere Oberfläche
der Dünnfilmschichten
gebildet, um die Düsen
und Tintenausstoßkammern
zu definieren.
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Mit
ansteigenden Auflösungen
und Druckgeschwindigkeiten von Druckköpfen zur Erfüllung der anspruchsvollen
Bedarfe des Verbrauchermarkts werden neue Druckkopfherstellungstechniken
und -strukturen benötigt.
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Zusammenfassung
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Die
vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren zum Bilden einer Druckvorrichtung,
wie in den beigefügten
Ansprüchen
aufgeführt
ist.
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Auf
der oberen Oberfläche
eines Siliziumsubstrates ist eine dünne Polysiliziumschicht in
dem Bereich gebildet, in dem später
ein Graben in dem Substrat gebildet werden soll. Die Kanten der
Polysiliziumschicht sind mit der beabsichtigen Platzierung von Tintenzuführlöchern, die
in Tintenausstoßkammern
führen,
ausgerichtet. Dünnfilmschichten,
die eine resistive Schicht umfassen, werden dann auf der oberen
Oberfläche
des Siliziumsubstrats gebildet. Die Dünnfilmschichten umfassen Oxidschichten,
die über
der Polysiliziumschicht gebildet sind. Die verschiedenen Schichten
werden geätzt,
um leitfähige Anschlussleitungen
zu den Heizerwi derstandselementen zu liefern. Piezoelektrische Elemente
könnten
anstelle der resistiven Elemente eingesetzt werden.
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Zumindest
ein Tintenzuführloch
ist teilweise durch die Dünnfilmschichten
für jede
Tintenausstoßkammer
gebildet, was in den Tintenzuführlochbereichen
die Oxidschichten über
der Polysiliziumschicht hinterlässt.
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Eine
Mündungsschicht
ist auf der oberen Oberfläche
der Dünnfilmschichten
gebildet, um die Düsen
und Tintenausstoßkammern
zu definieren. Bei einem Ausführungsbeispiel
wird ein photodefinierbares Material verwendet, um die Mündungsschicht
zu bilden.
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Eine
Grabenmaske wird auf der unteren Oberfläche des Substrats gebildet.
Ein Graben wird durch die freiliegende untere Oberfläche des
Substrats geätzt
(z. B. unter Verwendung von TMAH). Wenn das Substrat bis zu der
Polysiliziumschicht geätzt
ist, ätzt
das TMAH schnell das Polysilizium, das sandwichartig zwischen dem
Siliziumsubstrat und den Oxidschichten angeordnet ist, weg, was
einen Zwischenraum zwischen dem Siliziumsubstrat und den Oxidschichten
erzeugt. Dieser Zwischenraum legt Schnellätzebenen des Siliziums frei.
Derartige Schnellätzebenen
könnten
z. B. (110) und andere sein. Das TMAH ätzt dann schnell das Siliziumsubstrat
entlang der Ätzebenen,
wobei so die Kanten des Grabens mit den Polysiliziumkanten ausgerichtet werden.
Es hat sich in Simulationen gezeigt, dass die laterale (in der Ebene
des Wafers) Grabenätzrate während dieses
Schnellätzens
100 Mikrometer oder mehr pro Stunde verglichen mit der lateralen
Komponente eines reinen (111-) Ebene-Ätzens beträgt, die üblicherweise 2 – 6 Mikrometer
pro Stunde beträgt. Die
schnelle laterale Ätzrate
ist fast doppelt so schnell, wie die vertikale Ätzrate entlang der <100>-Richtung.
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Ein
Nassätzen
wird dann unter Verwendung einer gepufferten Oxidätz- (BOE-)
Lösung
durchgeführt.
Das Ätzmittel
tritt durch die Düsen
in die Ätzkammern
ein und ätzt
die freiliegenden Oxidschichten in den Tintenzuführlochbereichen von der Oberseite.
Die durch den Graben freigelegten Oxidschichten werden ebenso während des
gleichen Nassätzschritts
von der Unterseite geätzt.
So ätzt
das Nassätzen
ohne die Verwendung von Masken schnell die freiliegenden Oxidschichten
von der Oberseite und der Unterseite. Die BOE ätzt vollständig durch die freiliegenden
Oxidschichten, was Tintenzuführlöcher durch
die Dünnfilmschichten
bildet. Der Graben ist aufgrund der Polysiliziumschicht mit den
Tintenzuführlöchern ausgerichtet.
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Dieses
Verfahren erlaubt eine bestimmte Fehlausrichtung der Grabenmaske
ohne Beeinflussung der letztendlichen Grabenabmessungen.
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Der
resultierende vollständig
integrierte thermische Tintenstrahldruckkopf kann bis auf eine sehr präzise Toleranz
hergestellt werden, da die gesamte Struktur monolithisch ist, was
den Bedarfen für
die nächste
Generation von Druckköpfen
entspricht.
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Das
Verfahren könnte
verwendet werden, um Öffnungen
in anderen Vorrichtungen als Druckköpfen zu bilden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Druckkassette,
die die hierin beschriebenen Druckköpfe beinhalten kann.
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2 ist
eine perspektivische Schnittansicht eines Abschnitts eines Ausführungsbeispiels
eines Druckkopfs gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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3 ist
eine Querschnittsansicht des Druckkopfabschnitts aus 2 entlang
einer Linie 3-3 und zeigt zusätzliche
Details der Dünnfilmschichten.
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4 ist
eine teilweise transparente Top-Down-Ansicht des in 2 gezeigten
Druckkopfs und zeigt zusätzliche
Abschnitte des Druckkopfs.
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5 ist
eine Querschnittsansicht entlang einer Linie 3-3 in 2 und
zeigt zusätzliche
Abschnitte des Druckkopfs.
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6 ist
eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Tintenstrahldruckers,
in den die Druckköpfe
der vorliegenden Erfindung zum Drucken auf ein Medium eingebaut
sein könnten.
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Detaillierte
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Typs einer Tintenstrahldruckkassette 10,
die die Druckkopfstrukturen der vorliegenden Erfindung beinhalten
könnte.
Die Druckkassette 10 aus 1 ist der
Typ, der eine wesentliche Tintenmenge innerhalb seines Körpers 12 beinhaltet,
eine andere geeignete Druckkassette könnte jedoch der Typ sein, der
Tinte aus einem externen Tintenvorrat aufnimmt, der entweder an
dem Druckkopf befestigt oder über
einen Schlauch mit dem Druckkopf verbunden ist.
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Die
Tinte wird an einen Druckkopf 14 geliefert. Der Druckkopf 14,
der später
detailliert beschrieben wird, kanalisiert die Tinte in Tintenausstoßkammern,
wobei jede Kammer ein Tintenausstoßelement enthält. Elektrische
Signale werden an Kontakte 16 geliefert, um die Tintenausstoßelemente
einzeln mit Energie zu versorgen, um ein Tintentröpfchen durch eine
zugeordnete Düse 18 auszustoßen. Die
Struktur und Funktionsweise herkömmlicher
Druckkassetten sind sehr gut bekannt.
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2 ist
eine Querschnittsansicht eines Abschnitts des Druckkopfs aus 1 entlang
einer Linie 2-2 in 1. Obwohl ein Druckkopf 300 oder mehr
Düsen und
zugeordnete Tintenausstoßkammern
aufweisen könnte,
müssen
Details nur einer einzelnen Tintenausstoßkammer beschrieben werden,
um die Erfindung zu verstehen. Es sollte für Fachleute auf diesem Gebiet
ebenso zu erkennen sein, dass viele Druckköpfe auf einem einzelnen Siliziumwafer
gebildet und dann unter Verwendung herkömmlicher Techniken voneinander
getrennt werden.
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In 2 sind
auf einem Siliziumsubstrat 20 verschiedene Dünnfilmschichten 22,
die später
beschrieben werden, gebildet. Die Dünnfilmschichten 22 umfassen
eine resistive Schicht zum Bilden von Widerständen 24. Andere Dünnfilmschichten
führen verschiedene
Funktionen durch, wie z. B. Bereitstellen einer elektrischen Isolierung
von dem Substrat 20, Bereitstellen eines wärmeleitfähigen Pfads
von den Heizerwiderstandselementen zu dem Substrat 20 und
Bereitstellen elektrischer Leiter an die Widerstandselemente. Ein
elektrischer Leiter 25 ist gezeigt, der zu einem Ende eines
Widerstands 24 führt. Ein ähnlicher
Leiter führt
zu dem anderen Ende des Widerstands 24. Bei einem tatsächlichen
Ausführungsbeispiel
wären die
Widerstände
und Leiter in einer Kammer durch darüber liegende Schichten verdeckt.
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Tintenzuführlöcher 26 sind
vollständig
durch die Dünnfilmschichten 22 gebildet.
Jedes Tintenzuführloch 26 könnte größer oder
kleiner sein, als in 2 gezeigt ist. Es könnte mehrere
Löcher
pro Kammer geben. Ein Verteiler könnte in der Mündungsschicht 28 zum
Bereitstellen eines gemeinsamen Tintenkanals für eine Reihe von Tintenausstoßkammern 30 gebildet
sein.
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Eine
Mündungsschicht 28 ist über der
Oberfläche
der Dünnfilmschichten 22 aufgebracht
und geätzt,
um Tintenausstoßkammern 30 zu
bilden, nämlich
eine Kammer pro Widerstand 24. Düsen 34 könnten unter
Verwendung herkömmlicher
Photolithographietechniken gebildet sein.
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Das
Siliziumsubstrat 20 ist geätzt, um einen Graben 36 zu
bilden, der sich entlang der Länge
der Reihe von Tintenzuführlöchern 26 erstreckt,
so dass Tinte 38 aus einem Tintenreservoir in die Tintenzuführlöcher 26 zum
Führen
von Tinte zu den Tintenausstoßkammern 30 eintreten
kann. Eine Dünnfilmopferschicht
(z. B. Polysilizium), unten beschrieben, wird verwendet, um die
Kanten des Grabens 36 mit den Tintenzuführlöchern 26 genau auszurichten. Die
Polysilizium- oder eine andere Opferschicht muss eine Ätzrate aufweisen,
die größer ist
als die laterale Ätzrate
des Siliziumwafers für
die Opferschicht, um vorteilhafte Eigenschaften aufzuweisen.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist jeder Druckkopf in etwa ein halbes Zoll lang und enthält zwei
versetzte Reihen von Düsen,
wobei jede Reihe 150 Düsen
für insgesamt 300 Düsen pro
Druckkopf enthält.
Der Druckkopf kann so mit einer Einzeldurchlauf-Auflösung von
600 Punkten pro Zoll (dpi) entlang der Richtung der Düsenreihen
drucken oder in mehreren Durchläufen
mit einer größeren Auflösung drucken.
Größere Auflösungen könnten auch
entlang der Bewegungsrichtung des Druckkopfs gedruckt werden. Auflösungen von
1.200 oder mehr dpi könnten
unter Verwendung der vorliegenden Erfindung erhalten werden.
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In
Betrieb wird ein elektrisches Signal an einen Heizerwiderstand 24 geliefert,
der einen Teil der Tinte verdampft, um eine Blase innerhalb der
Tintenausstoßkammer 30 zu
bilden. Die Blase treibt ein Tintentröpfchen durch eine zugeordnete
Düse 34 auf
ein Medium. Die Tintenausstoßkammer
wird dann durch Kapillarwirkung nachgefüllt.
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3 ist
eine Querschnittsansicht entlang einer Linie 3-3 aus 2 und
zeigt eine einzelne Tintenausstoßkammer 30 und die
zugeordnete Struktur des Druckkopfs. 3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel der
einzelnen Dünnfilmschichten.
Schichten, die während
des TMAH-Grabenätzens
und des BOE-Nassätzens weggeätzt wurden,
sind in gestricheltem Umriss gezeigt. Herkömmliche Aufbringungs-, Maskierungs-
und Ätzschritte
werden verwendet, es sei denn, dies ist anderweitig angegeben.
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Zur
Bildung der Struktur aus 3 wird ein Siliziumsubstrat 20 mit
einer kristallinen Ausrichtung <100> in einer Vakuumkammer
platziert. Das Volumensilizium ist etwa 675 Mikrometer dick.
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Eine
Polysiliziumschicht 44 (in gestricheltem Umriss gezeigt)
mit einer Dicke zwischen etwa 0,1 und 0,5 Mikrometern ist über der
oberen Oberfläche des
Substrats 20 gebildet. Die Polysiliziumschicht 44 wird
maskiert und geätzt,
um Polysilizium nur in dem Bereich zu hinterlassen, wo der Graben 36 gebildet werden
soll. 4 ist eine Top-Down-Ansicht eines Abschnitts des vollständig verarbeiteten
Wafers und zeigt den Ort der Polymaske 45. Die Kanten der
Polysiliziumschicht 44 definieren die Kanten des Grabens 36.
Es ist wichtig, dass die Kanten des Grabens die beabsichtigte Größe der Tintenzuführlöcher 26, die
in die Tintenausstoßkammern 30 führen, nicht
beeinflussen, da die Größe der Tintenzuführlöcher 26 sorgfältig berechnet
wird, um einen bestimmten Fluidwiderstand für ein optimales Verhalten des
Druckkopfs zu liefern. Es ist schwierig, wiederholbare Grabenabmessungen
durch ein bloßes
Verwenden einer Rückseitengrabenmaske,
gefolgt durch ein TMAH-Ätzen
des Substrats, zu erhalten. Der hierin beschriebene Vorgang verwendet
die Abmessungen der Polysiliziumschicht 44, um die Grabenkanten
zu definieren, so dass die Rückseitengrabenmaske
fehlausgerichtet sein kann, ohne die letztendlichen Grabenabmessungen
zu beeinflussen. Da die Polysiliziumschicht 44 mit hoher
Genauigkeit in Bezug auf die beabsichtigten Tintenzu führlöcher 26 strukturiert werden
kann, können
die resultierenden Grabenkanten präzise mit den Tintenzuführlöchern 26 ausgerichtet
sein.
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Obwohl
die Polymaske 45 in 4 die Polysiliziumschicht 44 strukturiert,
um sich über
den gesamten Grabenbereich zu erstrecken, muss sich die Polysiliziumschicht 44 nur
entlang der Peripherie des Grabenbereichs befinden (jedoch nicht über den Grabenbereich
hinaus erstrecken), wo die Tintenzuführlöcher gebildet werden sollen.
Das Bilden des Polysiliziums über
dem gesamten Grabenbereich ist von Vorteil, da das Polysilizium
zu einer viel schnelleren Siliziumwaferätzrate in der lateralen Richtung führt.
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Wieder
Bezug nehmend auf 3 ist eine Feldoxidschicht 46 mit
einer Dicke von 1,2 Mikrometern unter Verwendung herkömmlicher
Techniken über
dem Siliziumsubstrat 20 und der Polysiliziumschicht 44 gebildet.
Andere Typen von Oxidschichten könnten
verwendet werden, wie z. B. Oxide von Stickstoff (NOX). Eine Phosphosilikatglas-
(PSG-) Schicht 48 mit einer Dicke von 0,5 Mikrometern wird dann
unter Verwendung herkömmlicher
Techniken über
der Feldoxidschicht 46 aufgebracht. Eine Bor-PSG- oder
eine Bor-TEOS- (BTEOS-) Schicht könnte anstatt der PSG-Schicht 48 verwendet
werden.
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Bei
einem alternativen Ausführungsbeispiel wird
eine Maske unter Verwendung herkömmlicher Photolithographietechniken über der
PSG-Schicht 48 gebildet. Die PSG-Schicht 48 wird
dann unter Verwendung eines herkömmlichen
Reaktivionenätzens (RIE)
zum Zurückziehen
der PSG-Schicht 48 aus dem nachfolgend gebildeten Tintenzuführloch geätzt. Dies
schützt
die PSG-Schicht 48 vor Tinte. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel
erstreckt sich das PSG nicht über
die Tintenzuführlochbereiche.
Ein derartiges Ausführungsbeispiel
ist in 5 gezeigt.
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Eine
resistive Schicht (die letztendlich Widerstände 24 bildet) aus
z. B. Tantalaluminium (TaAl) mit einer Dicke von 0,1 Mikrometer
wird dann über
der PSG-Schicht 48 aufgebracht. Andere bekannte resistive
Schichten können
ebenso verwendet werden. Eine leitfähige Schicht 25 (siehe 2)
aus AlCu wird dann über
dem TaAl aufgebracht. Eine Maske wird aufgebracht und unter Verwendung
herkömmlicher
Photolithographietechniken strukturiert und die leitfähige Schicht 25 und
die resistive Schicht werden unter Verwendung herkömmlicher
IC-Herstellungstechniken geätzt.
Ein weiterer Maskierungs- und Ätzschritt
wird verwendet, um die Abschnitte des AlCu über den Heizerwiderständen 24 zu
entfernen, wie in 2 gezeigt ist. Die resultierenden
AlCu-Leiter befinden
sich außerhalb
des Sichtfeldes aus 3.
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Das Ätzen der
leitfähigen
Schicht 25 und der resistiven Schicht definiert eine erste
Widerstandsabmessung (z. B. eine Breite). Eine zweite Widerstandsabmessung
(z. B. eine Länge)
ist durch ein Ätzen
der leitfähigen
Schicht 25 definiert, um zu bewirken, dass der resistive
Abschnitt durch die leitfähigen Bahnen
an zwei Enden kontaktiert wird. Diese Technik zum Bilden von Widerständen und
elektrischen Leitern ist in der Technik bekannt. Die leitfähigen Bahnen
sind so gebildet, um sich nicht über
die Mitte des Druckkopfs zu erstrecken, sondern entlang der Kanten
zu verlaufen. Ein geeigneter Adressierungsschaltungsaufbau und Anschlussflächen sind
auf dem Substrat 20 zum Bereitstellen von Energieversorgungssignalen
an die Widerstände 24 vorgesehen.
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Über den
Widerständen 24 und
der leitfähigen
Schicht 25 ist eine Siliziumnitridschicht 56 mit
einer Dicke von 0,5 Mikrometern gebildet. Diese Schicht sorgt für Isolierung
und Passivierung.
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Über der
Nitritschicht 56 ist eine Siliziumcarbidschicht 58 mit
einer Dicke von 0,25 Mikrometern gebildet, um zusätzliche
Isolierung und Passivierung bereitzustellen. Die Nitridschicht 56 und
die Carbidschicht 58 schützen die PSG- Schicht 48 vor
der Tinte. Weitere dielektrische Schichten könnten anstelle von Nitrid und
Carbid eingesetzt werden.
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Die
Passivierungsschichten werden dann unter Verwendung herkömmlicher
Techniken maskiert (außerhalb
des Sichtfeldes) und geätzt,
um Abschnitte der leitfähigen
Schicht 25 für
einen elektrischen Kontakt mit einer nachfolgenden leitfähigen Goldschicht
zur Bereitstellung von Masseleitungen freizulegen.
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Eine
Blasenkavitationsschicht 60 aus Tantal (Ta) wird dann über der
Carbidschicht 58 gebildet. Gold (Au), nicht gezeigt, wird über der
Tantalschicht 60 aufgebracht und geätzt, um die Masseleitungen zu
bilden, die elektrisch mit bestimmten Leiterbahnen der leitfähigen Schicht 25 verbunden
sind. Die Masseleitungen enden in Verbindungsanschlussflächen entlang
Kanten des Substrats 20.
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Die
AlCu- und die Gold-Leiter könnten
mit auf der Substratoberfläche
gebildeten Transistoren gekoppelt sein. Derartige Transistoren sind
in dem U.S.-Patent Nr. 5,648,806, das zuvor erwähnt wurde, beschrieben.
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Eine
Maske wird strukturiert, um Abschnitte der Dünnfilmschichten oberhalb der
FOX- und der PSG-Oxidschicht 46 und 48, die den
Tintenzuführlöchern 26 entsprechen,
freizulegen. Die Dünnfilmschichten,
die über
den Oxidschichten 46 und 48 in den Tintenzuführlochbereichen
liegen, werden dann geätzt.
Alternativ könnten
mehrere Maskierungs- und Ätzschritte
bei der Bildung der verschiedenen Dünnfilmschichten verwendet werden.
Dieser Ätzvorgang kann
eine Kombination mehrerer Ätztypen
sein (RIE oder Nass). Das Ätzen
durch die Dünnfilmschichten könnte herkömmliche
IC-Herstellungstechniken verwenden.
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3 zeigt
die Schichten 44, 46 und 48 innerhalb
der Tintenzufuhrlochbereiche als gestrichelte Schichten, da diese
Schichten letztendlich weggeätzt werden.
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Eine
Mündungsschicht 28 wird
dann aufgebracht und gebildet. Die Mündungsschicht 28 könnte aus
einem aufgeschleuderten Epoxid, SU8 genannt, gebildet sein. Die
Mündungsschicht 28 könnte alternativ
laminiert oder durch Siebdruck aufgebracht sein. Die Mündungsschicht
beträgt
bei einem Ausführungsbeispiel
etwa 20 Mikrometer. Die Tintenkammern 30 und Düsen 34 sind
durch Photolithographie gebildet. Bei einer Technik „härtet" eine erste Maske unter
Verwendung einer Halbdosis einer UV-Strahlung die obere Oberfläche des
SU8 (Negativ-Photoresist) mit Ausnahme von Orten, wo die Düsen 34 gebildet
werden sollen. Eine zweite Maske unter Verwendung einer vollen UV-Dosis
legt dann das SU8 in den Bereichen frei, in denen weder Düsen 34 noch Tintenausstoßkammern 30 gebildet
werden sollen. Nach diesen zwei Freilegungen wird das SU8 entwickelt
und die gehärteten
Abschnitte bleiben, die Düsenabschnitte
und die Tintenausstoßkammerabschnitte
des SU8 jedoch werden entfernt.
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Die
Rückseite
des Wafers wird dann unter Verwendung herkömmlicher Techniken maskiert (durch
eine Maske 76), um den Abschnitt der Rückseite des Wafers, der dem
TMAH-Grabenätzen
unterzogen werden soll, freizulegen. Die Rückseitenmaske 76 könnte eine
FOX-Hartmaske sein, die unter Verwendung herkömmlicher Photolithographietechniken
gebildet ist. Der Wafer wird in das Nass-TMAH-Ätzmittel eingetaucht, was ein
gewinkeltes Profil bildet. Die Grabenbreite beträgt üblicherweise weniger als 200
Mikrometer und beträgt
bei einem Ausführungsbeispiel
zwischen 20 und 60 Mikrometer. Die Rückseitenmaskierung könnte um
einen großen
Spielraum fehlausgerichtet sein, muss jedoch noch innerhalb des
beabsichtigten Grabenbereichs liegen. Eine derartige Fehlausrichtung
würde normalerweise
den Bereich des Tintenzuführlochs
einschränken
und eine nachteilige Wirkung auf die Fluideigenschaften des Druckkopfs
haben. Die Verwendung der Polysiliziumschicht 44 jedoch
vermeidet nachteilige Effekte einer derartigen Fehlausrichtung. Das
TMAH ätzt
nach einem Ätzen
durch das Substrat zu der Polysiliziumschicht 44 die Polysiliziumschicht 44 schnell,
was einen Zwischenraum zwischen dem Substrat und den Oxidschichten 46 und 48 bildet. Dieser
Zwischenraum legt die Schnellätzebenen
des Substrats frei und das TMAH ätzt
das Substrat schnell, so dass die Kanten des Grabens mit den Kanten
der Polysiliziumschicht 44 ausgerichtet sind.
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Der
Graben 36 erstreckt sich bei einem Ausführungsbeispiel über die
Länge einer
Reihe von Tintenausstoßkammern.
Jede beliebige mehrerer Ätztechniken
könnte
verwendet werden. Beispiele geeigneter Nassätzmittel umfassen Ethylendiaminpyrocatecol
(EDP), Kaliumhydroxid (KOH) und TMAH. Jedes derselben oder eine
Kombination derselben könnte
für diese
Anwendung verwendet werden.
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Der
Wafer wird dann einem herkömmlichen nassen
gepufferten Oxidätzen
(BOE) unterzogen. Das BOE ätzt
die freiliegenden Oxidschichten 46 und 48 weg,
um die Tintenzuführlöcher 26 zu
vervollständigen.
Das BOE ätzt
von sowohl der Oberseite der Oxidschichten (von innerhalb der Tintenausstoßkammern 30)
als auch der Unterseite der Oxidschichten, was zu einem relativ
schnellen Ätzen
führt.
Es ist wichtig, dass bei dem Nassätzen keine Maskierung verwendet
wird, da die freiliegenden Oxidschichten 46 und 48 auf
der Oberseite und der Unterseite des Wafers bereits mit den Tintenzuführlochbereichen ausgerichtet
sind.
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5 ist
eine Querschnittsansicht eines größeren Abschnitts des Wafers,
die der Top-Down-Ansicht aus 4 entspricht.
Die geopferte Polysiliziumschicht 44 ist in gestricheltem
Umriss gezeigt. Mögliche
Dünnfilmschichten
unterhalb der Öffnungsschicht 28 besitzen
keine Funktion und sind nicht gezeigt.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
aus 5 wurde die PSG-Schicht 48 zurückgezogen
und durch die darüber
liegenden Passivierungsschichten vor Tinte geschützt. So ätzt bei dem Ausführungsbeispiel
aus 5 das BOE-Nassätzen
zur Fer tigstellung der Tintenzuführlöcher 26 nur
durch die Feldoxidschicht 46.
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Der
resultierende Wafer wird dann gesägt, um die einzelnen Druckköpfe zu bilden.
Eine flexible Schaltung wird verwendet, um elektrischen Zugang zu
den Leitern auf dem Druckkopf zu schaffen. Die resultierende Anordnung
wird dann an einer Kunststoffdruckkassette befestigt, wie z. B.
derjenigen, die in 1 gezeigt ist, und der Druckkopf
wird in Bezug auf den Druckkassettenkörper abgedichtet, um ein Tintenauslaufen
zu verhindern.
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Zusätzliche
Details einer Bildung von Dünnfilmschichten
sind in dem U.S.-Patent Nr. 6,336,714 mit dem Titel „Fully
Integrated Thermal Inkjet Printhead Having Thin Film Layer Shelf" (vollständig integrierter
thermischer Tintenstrahldruckkopf mit Dünnfilmschichteinsatz), eingereicht
am 27. August 1999 von Naoto Kawamura u. a., das der vorliegenden
Anmelderin zugewiesen ist, zu finden.
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Der
Graben 36 könnte
sich über
die Länge des
Druckkopfs erstrecken oder zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit
des Druckkopfs nur über
einen Abschnitt der Länge
des Druckkopfs unterhalb der Tintenausstoßkammern erstrecken. Eine Passivierungsschicht
könnte
auf dem Substrat 20 aufgebracht sein, wenn eine Reaktion
des Substrats mit der Tinte ein Problem ist.
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Obwohl
Polysilizium als die Opferschicht verwendet wurde, könnten weitere
Materialien, wie z. B. Metalle, stattdessen verwendet werden. Ein
geeignetes Metall ist Titan, das mit einem Wasserstoff-Peroxid-HF-Ätzmittel
geätzt
werden kann. Polysilizium ist jedoch vorzuziehen, da es unter Verwendung
des gleichen TMAH-Ätzmittels
geätzt
wird, das zum Ätzen
des Substrats 20 verwendet wird.
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Ein
Fachmann auf dem Gebiet der Herstellung integrierter Schaltungen
würde die
verschiedenen Techniken, die zur Bil dung der hierin beschriebenen
Druckkopfstrukturen verwendet werden, verstehen. Die Dünnfilmschichten
und ihre Dicken könnten variiert
und einige Schichten gestrichen werden, während dennoch die Vorteile
der vorliegenden Erfindung erhalten werden. Zusätzliche Tintenzuführlochstrukturen
kommen ebenso in Frage.
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6 stellt
ein Ausführungsbeispiel
eines Tintenstrahldruckers 130 dar, der die Erfindung beinhalten
kann. Zahlreiche weitere Entwürfe
von Tintenstrahldruckern könnten
gemeinsam mit dieser Erfindung verwendet werden, weitere Details
eines Tintenstrahldruckers sind in dem U.S.-Patent Nr. 5,852,459
von Norman Pawlowski u. a. zu finden.
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Der
Tintenstrahldrucker 130 umfasst eine Eingangsablage 132,
die Blätter
von Papier 134 enthält,
die unter Verwendung von Rollen 137 zum Drucken auf dieselben
durch eine Druckzone 135 weitergeleitet werden. Das Papier 134 wird
dann auf eine Ausgangsablage 136 weitergeleitet. Ein bewegbarer Wagen 138 hält Druckkassetten 140 bis 143,
die cyanfarbige (C), schwarze (K), magentafarbige (M) bzw. gelbe
(Y) Tinte drucken.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
werden Tinten in austauschbaren Tintenkassetten 146 über flexible
Tintenschläuche 148 zu
ihren zugeordneten Druckkassetten geführt. Die Druckkassetten könnten ebenso
der Typ sein, der einen wesentlichen Fluidvorrat hält, und
könnten
nachfüllbar
oder nicht nachfüllbar
sein. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel sind
die Tintenvorräte
separat von den Druckkopfabschnitten und entfernbar an den Druckköpfen in
dem Wagen 138 befestigt.
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Der
Wagen 138 wird durch ein herkömmliches Riemen- und Scheibensystem
entlang einer Bewegungsachse bewegt und gleitet entlang eines Gleitstabs 150.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist der Wagen feststehend und ein Array feststehender Druckkassetten
druckt auf ein sich bewegendes Blatt Papier.
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Drucksignale
von einem herkömmlichen
externen Computer (z. B. einem PC) werden durch den Drucker 130 verarbeitet,
um eine Bittabelle der zu druckenden Punkte zu erzeugen. Die Bittabelle
wird dann in Abfeuerungssignale für die Druckköpfe umgewandelt.
Die Position des Wagens 138, wenn sich derselbe während des
Druckens entlang der Bewegungsachse hin- und herbewegt, wird aus
einem optischen Codiererstreifen 152 bestimmt, der durch
ein photoelektrisches Element auf dem Wagen 138 erfasst
wird, um zu bewirken, dass die verschiedenen Tintenausstoßelemente
auf jedem Druckwagen selektiv zu der geeigneten Zeit während einer
Wagenbewegung abgefeuert werden.
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Der
Druckkopf könnte
resistive, piezoelektrische oder weitere Typen von Tintenausstoßelementen
verwenden.
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Wenn
sich die Druckkassetten in dem Wagen 138 über ein
Blatt Papier bewegen, überlappen sich
die durch die Druckkassetten gedruckten Bänder. Nach einer oder mehreren
Bewegungen wird das Blatt Papier 134 in eine Richtung in
Richtung der Ausgangsablage 136 verschoben und der Wagen 138 fährt mit
dem Bewegen fort.
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Die
vorliegende Erfindung ist gleichermaßen auf alternative Drucksysteme
(nicht gezeigt) anwendbar, die alternative Medien und/oder Druckkopfbewegungsmechanismen
verwenden, wie z. B. diejenigen, die eine Splitrollen-, Rollenzuführ- oder
Trommel- oder Vakuumriementechnologie verwenden, um das Druckmedium
relativ zu den Druckkopfanordnungen zu tragen und zu bewegen. Bei
einem Splitradentwurf bewegen ein Splitrad und eine Andruckrolle
das Medium entlang der Achse vor und zurück, während ein Wagen, der eine oder
mehrere Druckkopfanordnungen trägt,
sich an dem Medium entlang einer orthogonalen Achse vorbeibewegt.
Bei einem Trommeldruckerentwurf sind die Medien an einer sich drehenden Trommel
angebracht, die entlang einer Achse gedreht wird, während ein
Wagen, der eine oder mehrere Druckkopfanordnungen trägt, sich
an den Medien entlang einer orthogonalen Achse vorbeibewegt. Bei entweder
dem Trommel- oder dem Splitradentwurf wird die Bewegung üblicherweise
nicht in einer Vor- und
Zurück-Weise
durchgeführt,
wie dies für
das in 3 dargestellte System der Fall ist.
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Mehrere
Druckköpfe
könnten
auf einem einzelnen Substrat gebildet sein. Ferner könnte sich
ein Array von Druckköpfen über die
gesamte Breite einer Seite erstrecken, so dass keine Bewegung des Druckkopfs
benötigt
wird; nur das Papier wird senkrecht zu dem Array verschoben.
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Zusätzliche
Druckkassetten in dem Wagen könnten
andere Farben oder Fixierer umfassen.