DE60306472T2

DE60306472T2 - Monolithischer Tintenstrahldruckkopf mit konischer Düse und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE60306472T2
Application number: DE60306472T
Authority: DE
Inventors: Hyung-taek 106-702 Bangbae Hyundai A Lim; Jong-woo 232-505 Hwanggol Maeul P. A Shin; Hoon Song; Yong-soo 211-702 Hyojachon Donga Apt Oh; Chang-seung 310-403 Cheongsol Maeul Seongnam-si Lee
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2002-10-21
Filing date: 2003-10-16
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2023-10-17
Also published as: US20040080583A1; DE60306472D1; JP2004142456A; EP1413438A1; EP1413438B1; US7169539B2; US6886919B2; KR100493160B1; US20050162482A1; KR20040034250A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Tintenstrahldruckkopf, und insbesondere einen thermisch betriebenen monolithischen Tintenstrahldruckkopf, in dem eine Düsenplatte integral mit einem Substrat ausgebildet ist und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Allgemein sind Tintenstrahldruckköpfe Vorrichtungen zum Drucken eines bestimmten Farbbildes durch Ausstoßen kleiner Tröpfchen von Drucktinten an gewünschten Positionen auf einem Aufzeichnungsblatt. Tintenstrahldruckköpfe werden in Abhängigkeit von den Tintentröpfchenausstoßmechanismen grob in zwei Kategorien eingeteilt: einen thermisch angetriebenen Tintenstrahldruckkopf, bei dem eine Wärmequelle eingesetzt wird, um Bläschen in Tinte zu bilden und auszudehnen, was bewirkt, dass Tintentröpfchen ausgestoßen werden, und einen piezoelektrisch angetriebenen Tintenstrahldruckkopf, bei dem ein piezoelektrischer Kristall sich verformt, so dass auf Tinte Druck ausgeübt wird, was bewirkt, dass Tintentröpfchen ausgestoßen werden.
Ein Tintenausstoßmechanismus des thermisch betriebenen Tintenstrahldruckkopfes wird nun ausführlich beschrieben. Wenn ein Impulsstrom durch eine Erwärmungseinrichtung fließt, die aus einem Widerstandsheizmaterial besteht, wird durch die Erwärmungseinrichtung Wärme erzeugt, die Tinte nahe der Erwärmungseinrichtung schnell auf ungefähr 300°C erwärmt und die Tinte siedet, so dass sich Bläschen bilden. Die gebildeten Bläschen dehnen sich aus und üben auf in einer Tintenkammer enthaltene Tinte Druck aus. Dies bewirkt, dass ein Tintentröpfchen durch eine Düse aus der Tintenkammer ausgestoßen wird.
Hier kann das thermische betriebene Tintenstrahldrucken ferner in oben ausstoßende, seitlich ausstoßende und hinten ausstoßende Typen unterteilt werden, was von der Richtung des Ausstoßes der Tintentröpf chen und den Richtungen, in die sich Bläschen ausdehnen abhängt. Während der oben ausstoßende Typ einen Mechanismus betrifft, bei dem ein Tintentröpfchen in die selbe Richtung ausgestoßen wird, in die sich ein Bläschen ausdehnt, ist der hinten ausstoßende Typ ein Mechanismus, bei dem ein Tintentröpfchen in die entgegengesetzte Richtung ausgestoßen wird, in die sich ein Bläschen ausdehnt. Beim seitlich ausstoßenden Typ ist die Richtung des Tintentröpfchenausstoßes senkrecht zur Ausdehnungsrichtung des Bläschens.
Thermisch betriebene Tintenstrahldruckköpfe müssen die folgenden Bedingungen erfüllen. Erstens müssen ein einfacher Herstellungsprozess, geringe Herstellungskosten und Massenproduktion möglich sein. Zweitens muss, um Farbbilder in hoher Qualität hervorzubringen, der Abstand zwischen benachbarten Düsen so gering wie möglich sein, während Störungen zwischen den benachbarten Düsen vermieden werden. Das heißt, zur Erhöhung der Anzahl von Punkten pro Zoll (DPI, dots per inch), müssen viele Düsen in einer kleinen Fläche angeordnet werden. Drittens muss zum Hochgeschwindigkeitsdrucken ein Zyklus mit Tintenausstoß am Beginn und Tintenauffüllung am Ende, so kurz wie möglich sein. Das heißt, die erwärmte Tinte und die Erwärmungseinrichtung sollten sich so schnell wie möglich abkühlen, damit die Betriebsfrequenz erhöht wird.
Beispiele herkömmlicher monolithischer Tintenstrahldruckköpfe sind in EP-A-1221374 und US-A-2002/008733 gezeigt. In solchen Druckköpfen ist eine Wärmeableitschicht unter der oberen Schicht der Düsenplatte positioniert, um die Überhitzung des Substrats bzw. der Düsenplatte zu verhindern.
1A ist eine Teilquerschnittsperspektivansicht, die ein Beispiel einer Struktur eines herkömmlichen thermisch betriebenen Druckkopfes zeigt, der in US-Patent Nr. 4,882,595 offenbart ist, und 1B ist eine Quer schnittsansicht des Druckkopfes von 1A zur Erläuterung eines Prozesses zum Ausstoßen von Tintentröpfchen.
Mit Bezug zu den 1A und 1B weist der herkömmliche thermisch betriebene Tintenstrahldruckkopf ein Substrat 10 auf, eine Barrierewand 12, die auf dem Substrat 10 angeordnet ist, um eine Tintenkammer 26 zu begrenzen, die mit Tinte 29 gefüllt ist, eine auf der Tintenkammer 26 installierte Erwärmungseinrichtung 12 und eine Düsenplatte 18 mit einer verjüngten Düse 16 zum Ausstoßen eines Tintentröpfchens 29'. Wenn ein Impulsstrom auf die Erwärmungseinrichtung 12 aufgebracht wird, erzeugt die Erwärmungseinrichtung 12 Wärme, so dass sich aufgrund der Erwärmung der Tinte 29, die in der Tintenkammer 26 enthalten ist, ein Bläschen 28 bildet. Das gebildete Bläschen 28 dehnt sich konstant aus, so dass es auf die in der Tintenkammer 26 enthaltene Tinte 29 Druck ausübt, was bewirkt, dass ein Tintentröpfchen 29' durch die verjüngte Düse 16 nach außen ausgestoßen wird. Dann wird die Tinte 29 von einem Verteiler 22 durch einen Tintenkanal 24 eingeführt, um die Tintenkammer 26 erneut zu füllen.
Der Prozess zur Herstellung eines herkömmlichen oben ausstoßenden Tintenstrahldruckkopfes, der wie oben konfiguriert ist, beinhaltet separates Herstellen der mit der verjüngten Düse 16 ausgerüsteten Düsenplatte 18 und des Substrats 10 mit der Tintenkammer 26 und dem Tintenkanal 24 darauf ausgebildet und Verbinden dieser Teile miteinander. Dies verkompliziert den Herstellungsprozess und kann zu Fehlausrichtung beim Verbinden der Düsenplatte 18 mit dem Substrat 10 führen.
Unlängst wurden Tintenstrahldruckköpfe mit einer Reihe von Strukturen vorgeschlagen, die die obigen Probleme bei herkömmlichen Tintenstrahldruckköpfen überwinden sollen. Die 2A und 2B zeigen ein Beispiel eines monolithischen Tintenstrahldruckkopfes, der unter der Veröffentlichungsnummer 20020008738 in den USA offengelegt wurde.
Mit Bezug zu den 2A und 2B sind eine halbkugelförmige Tintenkammer 32 und ein Verteiler 36 auf der vorderen und hinteren Seite eines Siliciumsubstrats 30 ausgebildet, und ein Tintenkanal 34, der die Tintenkammer 32 mit dem Verteiler 36 verbindet, ist an der Unterseite der Tintenkammer 32 ausgebildet, so dass er sie durchdringt. Eine Düsenplatte 40 mit einer Mehrzahl von Materialschichten 41, 42 und 43 auf dem Substrat 30 aufgeschichtet, ist integral mit dem Substrat 30 ausgebildet. Die Düsenplatte 40 weist eine Düse 47 auf, die an einer Stelle ausgebildet ist, die einem Mittelteil der Tintenkammer 32 entspricht, und eine Erwärmungseinrichtung 45 verbunden mit einem Leiter 46 ist um die Düse 47 angeordnet. Eine Düsenführung 44 erstreckt sich entlang der Kante der Düse 47 zu einer Tiefenrichtung der Tintenkammer 32. Durch die Erwärmungseinrichtung 45 erzeugte Wärme wird durch eine Isolierschicht 41 zu Tinte 48 in der Tintenkammer 32 übertragen. Die Tinte 48 siedet dann, so dass sich Bläschen 49 bilden. Die gebildeten Bläschen 49 dehnen sich aus, so dass sie auf die in der Tintenkammer 32 enthaltene Tinte 48 Druck ausüben, was bewirkt, dass ein Tintentröpfchen 48' durch die Düse 47 ausgestoßen wird. Dann wird Tinte 48 durch den Tintenkanal 34 vom Verteiler 36 eingeführt, was auf Oberflächenspannung der Tinte 48 beruht, die mit Luft in Kontakt steht, um die Tintenkammer 32 erneut zu füllen.
Ein wie oben konfigurierter herkömmlicher monolithischer Tintenstrahldruckkopf weist den Vorteil auf, dass das Siliciumsubstrat 30 integral mit der Düsenplatte 40 ausgebildet ist, was einen einfachen Herstellungsprozess ermöglicht, der das Fehlausrichtungsproblem eliminiert.
Bei dem in den 2A und 2B gezeigten monolithischen Tintenstrahldruckkopf ist es jedoch schwierig, die Materialschichten 41, 42 und 43 der Düsenplatte 40 dick auszubilden, da sie durch chemisches Aufdampfen (CVD, chemical vapor deposition) ausgebildet werden. Das heißt, weil die Düsenplatte 40 eine Dicke von nur ungefähr 5 μm aufweist, ist es schwierig, eine ausreichende Länge der Düse 47 zu sichern. Da ferner die Düse 47 durch Ätzen der Materialschichten 41, 42 und 43 ausgebildet wird, ist es schwierig, die Düse 47 in einer verjüngten Form auszubilden, bei der der Durchmesser der Düse 47 graduell zum Ausgang abnimmt. Eine geringe Länge der Düse 47 mindert nicht nur die Richtungseigenschaften des ausgestoßenen Tintentröpfchens 48', sondern verhindert auch stabilen Hochgeschwindigkeitsdruck, da nach Ausstoß des Tintentröpfchens 48' kein Meniskus in der Oberfläche der Tinte 48 gebildet werden kann, und sich in die Tintenkammer 32 bewegt. Zur Lösung dieser Probleme, weist der herkömmliche Tintenstrahldruckkopf eine entlang der Kante der Düse 47 ausgebildete Düsenführung 44 auf. Wenn jedoch die Düsenführung 44 zu lang ist, wird es nicht nur schwierig, die Tintenkammer 32 durch Ätzen des Substrats 30 auszubilden, sondern es wird auch die Ausdehnung der Bläschen 49 eingeschränkt. Daher führt die Verwendung der Düsenführung 44 zu einer Einschränkung beim ausreichenden Sichern der Länge der Düse 47.
Beim herkömmlichen Tintenstrahldruckkopf sind die um die Erwärmungseinrichtung 45 angeordneten Materialschichten 41, 42 und 43 aus Isoliermaterialien mit geringer Leitfähigkeit gebildet, wie Oxid oder Nitrid für elektrische Isolierung. Daher ist eine beträchtliche Zeitdauer erforderlich, bis die Erwärmungseinrichtung 45, die Tinte 48 in der Tintenkammer 32 und die Düsenführung 44, die alle zum Ausstoß der Tinte 48 erwärmt sind, ausreichend abkühlen und in ihren Ausgangszustand zurückkehren, was es schwierig macht, die Betriebsfrequenz auf ein ausreichendes Maß zu erhöhen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zur Verfügung gestellt: ein monolithischer Tintenstrahldruckkopf umfassend ein Substrat, das eine Tintenkammer aufweist, die mit Tinte gefüllt ist, die ausgestoßen werden soll, einen Verteiler zum Zuführen von Tinte zur Tin tenkammer und einen Tintenkanal zur Verbindung der Tintenkammer mit dem Verteiler; eine Düsenplatte, die eine Mehrzahl von Passivierungsschichten aufweist, die auf dem Substrat aufgeschichtet sind, eine Wärmeableitschicht, die auf der Mehrzahl von Passivierungsschichten aufgeschichtet ist und eine Düse, durch die Tinte aus der Tintenkammer ausgestoßen wird, gebildet durch Durchstoßen der Düsenplatte; eine Erwärmungseinrichtung, die zwischen den Passivierungsschichten der Düsenplatte vorgesehen ist und über der Tintenkammer gelegen ist, zum Erwärmen von Tinte in der Tintenkammer; und einen Leiter, der zwischen den Passivierungsschichten der Düsenplatte vorgesehen ist und mit der Erwärmungseinrichtung elektrisch verbunden ist, um der Erwärmungseinrichtung Strom zuzuführen, worin die Wärmeableitschicht aus einem thermisch leitfähigen Metall gebildet ist, um Wärme in oder um die Erwärmungseinrichtung nach außen abzuleiten, ein unterer Teil der Düse durch Durchstoßen der Mehrzahl von Passivierungsschichten ausgebildet ist und ein oberer Teil der Düse durch Durchstoßen der Wärmeableitschicht in zugespitzter Form ausgebildet ist, in der eine Querschnittsfläche graduell zum Austritt abnimmt.
Bei der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die Mehrzahl von Passivierungsschichten erste, zweite und dritte Passivierungsschichten aufweist, die sequentiell auf dem Substrat aufgeschichtet sind, eine Erwärmungseinrichtung zwischen der ersten und zweiten Passivierungsschicht ausgebildet ist und der Leiter zwischen der zweiten und dritten Passivierungsschicht ausgebildet ist.
Der untere Teil der Düse kann eine zylindrische Form aufweisen.
Es ist bevorzugt, dass die Wärmeableitschicht durch galvanisches Beschichten auf eine Dicke von 10-50 μm ausgebildet ist, und der obere Teil der Düse eine Länge von 10-50 μm aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Düsenplatte eine wärmeleitfähige Schicht aufweist, die über der Tintenkammer gelegen ist, von der Erwärmungseinrichtung und dem Leiter isoliert ist und mit dem Substrat und der Wärmeableitschicht in thermischem Kontakt ist.
Es ist bevorzugt, dass der Leiter und die wärmeleitfähige Schicht aus dem selben Metall gebildet sind und auf der selben Passivierungsschicht gelegen sind.
Es kann eine Isolierschicht zwischen den Leiter und die wärmeleitfähige Schicht eingesetzt sein.
Ferner kann eine Düsenführung, die sich in die Tintenkammer erstreckt, im unteren Teil der Düse ausgebildet sein.
Gemäß dem Druckkopf der vorliegenden Erfindung ist der obere Teil der Düse mit der verjüngten Form auf der Wärmeableitschicht aus einem dicken Metall hergestellt, so dass die Richtungseigenschaften eines Tintetröpfchens, Ausstoßgeschwindigkeit und Wärmeableitfähigkeit erhöht sind, wodurch sich die Tintenausstoßleistung und die Betriebsfrequenz verbessert.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines monolithischen Tintenstrahldruckkopfs zur Verfügung gestellt, umfassend: (a) Bereitstellen eines Substrats; (b) Ausbilden einer Erwärmungseinrichtung und eines mit der Erwärmungseinrichtung verbundenen Leiters zwischen einer Mehrzahl von Passivierungsschichten, während die Mehrzahl von Passivierungsschichten auf dem Substrat aufgeschichtet werden; (c) Ausbilden einer Wärmeableitschicht aus einem Metall auf den Passivierungsschichten, Ausbilden einer unteren Düse auf den Passivierungsschichten und Ausbilden einer oberen Düse auf der Wärmeableitschicht in zugespitzter Form, bei der eine Querschnittsfläche graduell zum Austritt abnimmt, zur Konstruktion einer Düsenplatte, die die Passivierungsschichten und die Wärmeableitschicht integral mit dem Substrat aufweist; und (d) Ätzen des Substrats zum Ausbilden einer mit Tinte gefüllten Tintenkammer, einen Verteiler zum Zuführen von Tinte zur Tintenkammer und einen Tintenkanal zum Verbinden der Tintenkammer mit dem Verteiler.
Es ist bevorzugt, dass in (a) das Substrat aus einem Siliciumwafer gebildet wird.
Es ist bevorzugt, dass (b) umfasst: Ausbilden einer ersten Passivierungsschicht auf einer oberen Fläche des Substrats; Ausbilden der Erwärmungseinrichtung auf der ersten Passivierungsschicht; Ausbilden einer zweiten Passivierungsschicht auf der ersten Passivierungsschicht und der Erwärmungseinrichtung; Ausbilden des Leiters auf der zweiten Passivierungsschicht; und Ausbilden einer dritten Passivierungsschicht auf der zweiten Passivierungsschicht und dem Leiter.
Es ist bevorzugt, dass in (b) eine wärmeleitfähige Schicht, die über der Tintenkammer gelegen ist, von der Erwärmungseinrichtung und dem Leiter isoliert ist und mit dem Substrat und der Wärmeableitschicht in Kontakt steht, zwischen den Passivierungsschichten ausgebildet wird.
Die wärmeleitfähige Schicht und der Leiter können gleichzeitig aus dem selben Metall gebildet werden, zum Beispiel Aluminium oder Aluminiumlegierung.
Nach Ausbilden einer Isolierschicht auf dem Leiter kann die wärmeleitfähige Schicht auf der Isolierschicht ausgebildet werden.
Es ist bevorzugt, dass (c) umfasst: Ätzen der Passivierungsschichten auf der Innenseite der Erwärmungseinrichtung zum Ausbilden der unte ren Düse; Ausbilden einer ersten Opferschicht in der unteren Düse; Ausbilden einer zweiten Opferschicht zum Ausbilden der oberen Düse auf der ersten Opferschicht in einer zugespitzten Form; Ausbilden der Wärmeableitschicht auf den Passivierungsschichten durch galvanisches Abscheiden; und Entfernen der zweiten Opferschicht und der ersten Opferschicht zum Ausbilden einer Düse mit der unteren Düse und der oberen Düse.
Die untere Düse kann durch Trockenätzen der Passivierungsschichten unter Verwendung von reaktivem Ionenätzen (RIE) in einer zylindrischen Form ausgebildet werden.
Die erste und zweite Opferschicht können aus einem Photoresist gebildet werden.
In diesem Fall kann die zweite Opferschicht durch geneigtes Mustern des Photoresist durch eine Proximity-Belichtung zum Belichten des Photoresist unter Verwendung einer Photomaske ausgebildet werden, die geneigt ist, so dass sie von einer Oberfläche des Photoresist in einem bestimmten Abstand getrennt ist.
Die Neigung der zweiten Opferschicht kann durch einen Raum zwischen der Photomaske und dem Photoresist und eine Belichtungsenergie eingestellt werden.
Es ist bevorzugt, dass nach Ausbilden einer Keimschicht für galvanisches Abscheiden der Wärmeableitschicht auf der ersten Opferschicht und den Passivierungsschichten, die zweite Opferschicht ausgebildet wird.
Es ist bevorzugt, dass nach Ausbilden einer Keimschicht für galvanisches Abscheiden der Wärmeableitschicht auf der ersten Opferschicht und den Passivierungsschichten, die erste Opferschicht und die zweite Opferschicht integral miteinander ausgebildet werden.
Die Wärmeableitschicht kann aus irgendeinem Übergangsmetallelement darunter Nickel und Gold ausgebildet werden und wird bevorzugt auf eine Dicke von 10-50 μm ausgebildet.
Nach Ausbilden der Wärmeableitschicht kann ferner Planarisieren einer oberen Fläche der Wärmeableitschicht durch chemisch mechanisches Polieren (CMP) vorgesehen sein.
Die Ausbildung der unteren Düse kann anisotropes Ätzen der Passivierungsschichten und des Substrats auf der Innenseite der Erwärmungseinrichtung zum Ausbilden einer Vertiefung in einer bestimmten Tiefe; Abscheiden einer bestimmten Materialschicht auf einer Innenfläche der Vertiefung; und Ätzen der am Boden der Vertiefung ausgebildeten Materialschicht zum Freilegen des Substrats, während gleichzeitig eine Düsenführung aus der Materialschicht ausgebildet wird, um die untere Düse entlang einer Seitenwand der Vertiefung zu definieren, umfassen.
Es ist bevorzugt, dass (d) umfasst: Ätzen des durch die Düse freigelegten Substrats zum Ausbilden der Tintenkammer; Ätzen einer Rückseite des Substrats zum Ausbilden des Verteilers; und Ausbilden des Tintenkanals durch Ätzen des Substrats, so dass das Substrat zwischen dem Verteiler und der Tintenkammer durchstoßen wird.
Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kann der Tintenstrahldruckkopf auf einem einzelnen Wafer unter Verwendung eines einzigen Prozesses hergestellt werden, da die Düsenplatte mit der verjüngten Düse integral mit dem Substrat ausgebildet wird, das die Tintenkammer und den Tintenkanal darauf ausgebildet aufweist.
Die vorliegende Erfindung stellt auf diese Weise einen monolithischen Tintenstrahldruckkopf zum Erhöhen der Richtungseigenschaften eines Tintentröpfchens, der Ausstoßgeschwindigkeit und der Wärmeableitfähigkeit unter Verwendung einer verjüngten Düse auf einem dicken Metall zur Verfügung.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung des monolithischen Tintenstrahldruckkopfs zur Verfügung.
Die obigen Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser ersichtlich durch ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen, in denen:
1A und 1B eine Teilquerschnittsperspektivansicht, die ein Beispiel eines herkömmlichen thermisch betriebenen Tintenstrahldruckkopfes zeigt, und eine Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Prozesses zum Ausstoß eines Tintentröpfchens sind;
2A und 2B eine Draufsicht eines Beispiels eines herkömmlichen monolithischen Tintenstrahldruckkopfes und eine vertikale Querschnittsansicht entlang der Linie A-A' von 2A zeigen;
3 eine planare Struktur eines monolithischen Tintenstrahldruckkopfes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 eine vertikale Querschnittsansicht des Tintenstrahldruckkopfes der vorliegenden Erfindung entlang der Linie B-B' von 3 zeigt;
5 eine vertikale Querschnittsansicht ist, die ein modifiziertes Beispiel einer in 4 gezeigten Düsenplatte zeigt;
6A bis 6C einen Tintenausstoßmechanismus in einem Tintenstrahldruckkopf gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen;
7 bis 17 Querschnittsansichten zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung eines in 4 gezeigten Tintenstrahldruckkopfes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind; und
18 bis 20 Querschnittsansichten zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes mit der in 5 gezeigten Düsenplatte gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind.
In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen das gleiche Element und die Größe jeder Komponente kann zum Zwecke der Deutlichkeit und leichteren Verständlichkeit übertrieben sein. Ferner versteht es sich, dass wenn eine Schicht als "auf" einer anderen Schicht oder einem Substrat bezeichnet wird, sie direkt auf der anderen Schicht oder dem Substrat gelegen sein kann, oder Zwischenschichten ebenso vorhanden sein können.
3 zeigt eine planare Struktur eines monolithischen Tintenstrahldruckkopfes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 4 ist eine vertikale Querschnittsansicht des Tintenstrahldruckkopfes der vorliegenden Erfindung entlang der Linie B-B' von 3.
Mit Bezug zu den 3 und 4 sind eine Tintenkammer 132 gefüllt mit auszustoßender Tinte, ein Verteiler 136 zum Zuführen von Tinte zur Tintenkammer 132 und ein Tintenkanal 134 zum Verbinden der Tintenkammer 132 mit dem Verteiler 136 auf einem Substrat 110 eines Tintenstrahldruckkopfes ausgebildet.
Hier kann ein Siliciumwafer, wie er verbreitet zur Herstellung integrierter Schaltungen (ICs, integrated circuits) verwendet wird, als das Substrat 110 verwendet werden. Die Tintenkammer 132 kann in einer fast halbkugeligen Form, die eine bestimmte Tiefe aufweist, auf einer Vorderseite des Substrats 110 ausgebildet sein. Der Verteiler 136 kann auf einer Rückseite des Substrats 110 ausgebildet sein, so dass er unter der Tin tenkammer 132 positioniert ist, und mit einem Tintenreservoir (nicht gezeigt) zum Bevorraten von Tinte verbunden sein.
Obwohl nur eine Struktureinheit des Tintenstrahldruckkopfes in den Zeichnungen gezeigt ist, können eine Mehrzahl von Tintenkammern 132 auf dem Verteiler 136 in einer oder zwei Reihen angeordnet sein, oder in drei oder mehr Reihen, um eine höhere Auflösung in einem im Chipzustand hergestellten Tintenstrahldruckkopf zu erreichen.
Der Tintenkanal 134 zum Verbinden der Tintenkammer 132 mit dem Verteiler 136 ist dazwischen ausgebildet, indem das Substrat 110 senkrecht durchdrungen wird. Der Tintenkanal 134 ist in einem mittleren Teil einer Bodenfläche der Tintenkammer 132 ausgebildet und die Querschnittsform ist bevorzugt kreisförmig. Der Tintenkanal 134 kann jedoch verschiedene Querschnittsformen aufweisen, wie oval oder polygonal.
Eine Düsenplatte 120 ist auf dem Substrat 110 ausgebildet, das die Tintenkammer 132, den Tintenkanal 134 und den Verteiler 136 darauf ausgebildet aufweist. Die Düsenplatte 120, die eine obere Wand der Tintenkammer 132 bildet, weist eine Düse 138 auf, durch die Tinte ausgestoßen wird, an einer Stelle, die der Mitte der Tintenkammer 132 entspricht, indem die Düsenplatte 120 senkrecht durchdrungen wird.
Die Düsenplatte 120 weist eine Mehrzahl von Materialschichten auf, die auf das Substrat 110 aufgelagert sind. Die Mehrzahl von Materialschichten beinhaltet erste und zweite Passivierungsschichten 121 und 122, eine wärmeleitfähige Schicht 124, eine dritte Passivierungsschicht 126 und eine Wärmeableitschicht 128 aus einem Metall. Eine Erwärmungseinrichtung 142 ist zwischen der ersten und zweiten Passivierungsschicht 121 und 122 vorgesehen und ein Leiter 144 ist zwischen der zweiten und dritten Passivierungsschicht 122 und 126 vorgesehen.
Die erste Passivierungsschicht 121, die unterste Schicht unter der Mehrzahl von Materialschichten, die die Düsenplatte 120 bilden, ist auf einer oberen Seite des Substrats 110 ausgebildet. Die erste Passivierungsschicht 121 zur elektrischen Isolation zwischen der darüber liegenden Erwärmungseinrichtung 142 und dem darunter liegenden Substrat 110 und zum Schutz der Erwärmungseinrichtung 142 kann aus Siliciumoxid oder Siliciumnitrid gebildet sein.
Die Erwärmungseinrichtung 142 über der ersten Passivierungsschicht 121 und über der Tintenkammer 132 gelegen zum Erwärmen von Tinte in der Tintenkammer 132 ist um die Düse 138 ausgebildet. Die Erwärmungseinrichtung 142 kann aus einem Widerstandsheizmaterial gebildet sein, wie Polysilicium dotiert mit Fremdstoffen, Silicid, Tantal-Aluminiumlegierung, Titannitrid und Tantalnitrid.
Die zweite Passivierungsschicht 122 ist auf der ersten Passivierungsschicht 121 und der Erwärmungseinrichtung 142 zur Isolierung zwischen der darüber liegenden wärmeleitfähigen Schicht 124 und der darunter liegenden Erwärmungseinrichtung 142 und Schutz der Erwärmungseinrichtung 142 ausgebildet. Gleichermaßen können die erste Passivierungsschicht 121, die zweite Passivierungsschicht 122 aus Siliciumnitrid und Siliciumoxid gebildet sein.
Der Leiter 144, elektrisch verbunden mit der Erwärmungseinrichtung 142 zum Aufbringen eines Stromimpulses auf die Erwärmungseinrichtung 142, ist auf der zweiten Passivierungsschicht 122 ausgebildet. Während ein Ende des Leiters 144 mit der Erwärmungseinrichtung 142 durch einen ersten Kontaktdurchtritt C₁ verbunden ist, der in der zweiten Passivierungsschicht 122 ausgebildet ist, ist das andere Ende mit einem Verbindungsstück (nicht gezeigt) elektrisch verbunden. Der Leiter 144 kann aus einem hoch leitfähigen Material wie Aluminium oder Aluminiumlegierung gebildet sein.
Die wärmeleitfähige Schicht 124 kann über der zweiten Passivierungsschicht 122 vorgesehen sein. Die wärmeleitfähige Schicht 124 dient zum Leiten von Wärme, die in der oder um die Erwärmungseinrichtung 142 vorhanden ist, zum Substrat 110 und der Wärmeableitschicht 128, die später beschrieben wird, und ist bevorzugt so breit wie möglich ausgebildet, so dass die Tintenkammer 132 und die Erwärmungseinrichtung 142 ganz abgedeckt sind. Die wärmeleitfähige Schicht 124 muss zum Zwecke der Isolierung von Leiter 144 mit einem Raum in einem bestimmten Abstand getrennt sein. Die Isolation zwischen der wärmeleitfähigen Schicht 124 und der Erwärmungseinrichtung 142 kann durch die zweite Passivierungsschicht 122 erreicht werden, die dazwischen angeordnet ist. Außerdem steht die wärmeleitfähige Schicht 124 mit der oberen Fläche des Substrats 110 durch einen zweiten Kontaktdurchtritt C₂ in Kontakt, der durch Durchdringen der ersten und zweiten Passivierungsschicht 121 und 122 gebildet ist.
Die wärmeleitfähige Schicht 124 ist aus einem Metall mit guter Leitfähigkeit gebildet. Wenn sowohl die wärmeleitfähige Schicht 124 und der Leiter 144 auf der zweiten Passivierungsschicht 122 ausgebildet sind, kann die wärmeleitfähige Schicht 124 aus dem selben Material wie der Leiter 144 gebildet sein, wie Aluminium oder Aluminiumlegierung.
Wenn die wärmeleitfähige Schicht 124 dicker ausgebildet ist als der Leiter 144 oder aus einem anderen Material gebildet ist als der Leiter 144, kann eine Isolierschicht (nicht gezeigt) zwischen den Leiter 144 und die wärmeleitfähige Schicht 124 eingesetzt sein.
Die dritte Passivierungsschicht 126 ist auf dem Leiter 144 und der zweiten Passivierungsschicht 122 vorgesehen und kann aus Tetraethylorthosilicatoxid (TEOS-Oxid) oder Siliciumoxid gebildet sein. Es ist bevorzugt, wegen des Kontakts der wärmeleitfähigen Schicht 124 und der Wärmeableitschicht 128 wie es später beschrieben wird, die dritte Passivierungsschicht 126 nicht auf der oberen Seite der wärmeleitfähigen Schicht 124 auszubilden.
Die Wärmeableitschicht 128, die oberste Schicht der Mehrzahl von Materialschichten, die die Düsenplatte 120 bilden, ist aus einem Übergangsmetallelement mit hoher thermischer Leitfähigkeit gebildet, wie Nickel oder Gold. Die Wärmeableitschicht 128 ist auf eine Dicke von 10-50 μm durch galvanisches Abscheiden von Metall auf der dritten Passivierungsschicht 126 und der wärmeleitfähigen Schicht 124 ausgebildet. Zu diesem Zweck wird eine Keimschicht 127 zum galvanischen Abscheiden des Metalls auf der dritten Passivierungsschicht 126 und der wärmeleitfähigen Schicht 124 vorgesehen. Die Keimschicht 127 kann aus einem Metall mit guter elektrischer Leitfähigkeit gebildet sein, wie Chrom oder Kupfer.
Da die Wärmeableitschicht 128 aus einem Metall wie oben beschrieben durch einen Beschichtungsprozess ausgebildet ist, kann sie relativ dick und integral mit anderen Komponenten des Tintenstrahldruckkopfes ausgebildet sein. Auf diese Weise kann Wärmeableitung durch die Wärmeableitschicht 128 wirksam erreicht werden und die Düse 138 mit einer relativ großen Länge kann ausgebildet werden, wie es später beschrieben wird. Wie oben beschrieben macht es ein Abscheideprozess schwierig, eine dicke Materialschicht auszubilden, so dass der Prozess mehrfach wiederholt werden muss.
Die Wärmeableitschicht 128 dient zum Ableiten von Wärme von der Erwärmungseinrichtung 142 oder um die Erwärmungseinrichtung 142 nach außen. Das heißt, Wärme, die in oder um die Erwärmungseinrichtung 142 nach dem Tintenausstoß verbleibt, wird zum Substrat 110 und die Wärmeableitschicht 128 über die wärmeleitfähige Schicht 124 übertragen und dann nach außen abgeführt. Dies ermöglicht schnelle Wärme ableitung nach Tintenausstoß und senkt die Temperatur um die Düse 138, wodurch ein stabiler Druck bei hoher Betriebsfrequenz erreicht wird.
Die Düse 138, durch die Tinte von der Tintenkammer 132 ausgestoßen wird, ist in der Düsenplatte 120 durch Durchdringen der Düsenplatte 120 ausgebildet. Die Düse 138 weist eine untere Düse 138a auf, die auf der ersten, zweiten und dritten Passivierungsschicht 121, 122 und 126 ausgebildet ist und eine obere Düse 138b, die auf der Wärmeableitschicht 128 ausgebildet ist. Während die untere Düse 138a eine zylindrische Form aufweist, weist die obere Düse 138b eine zugespitzte Form auf, in der die Querschnittsfläche graduell zu einem Austritt abnimmt.
Da die obere Düse 138b auf einer relativ dicken Wärmeableitschicht 128 wie oben beschrieben ausgebildet ist, kann die Länge der Düse 138 ausreichend gesichert werden. Auf diese Weise können die Richtungseigenschaften des durch die Düse 138 ausgestoßenen Tröpfchens verbessert werden. Das heißt, das Tintentröpfchen kann in einer Richtung exakt senkrecht zum Substrat 110 ausgestoßen werden.
Da die obere Düse 138b eine verjüngte Form aufweist, ist der Fluidwiderstand reduziert, so dass die Ausstoßgeschwindigkeit des Tintentröpfchens zunimmt. Der Widerstand gegen Fluidstrom durch einen Kanal ist speziell durch die Querschnittsform des Kanals bestimmt, und insbesondere umgekehrt proportional zur vierten Potenz des Kanalradius. Während der Radius des Austritts der oberen Düse 138b zum Bestimmen der Menge an Tintenausstoß fest ist, nimmt der Radius des Eintritts der oberen Düse 138b graduell zu. Als Folge davon ist die obere Düse 138b in einer verjüngten Form ausgebildet, in der die Querschnittsfläche graduell zum Austritt abnimmt. Auf diese Weise kann, da der Fluidwiderstand in der oberen Düse 138b reduziert ist, so dass die Ausstoßge schwindigkeit des Tintentröpfchens zunimmt, die Betriebsfrequenz des Tintenstrahldruckkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung zunehmen.
5 ist eine vertikale Querschnittsansicht, die ein modifiziertes Beispiel der in 4 gezeigten Düsenplatte zeigt. In 5 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie in 4 die gleichen Elemente, und daher wird ihre Beschreibung ausgelassen.
Mit Bezug zu 5 weist eine in einer Düsenplatte 220 ausgebildete Düse 238 eine untere Düse 238a in einer zylindrischen Form auf, die in der ersten, zweiten und dritten Passivierungsschicht 121, 122 und 126 ausgebildet ist, und eine obere Düse 238b mit einer verjüngten Form, die in einer Wärmeableitschicht 228 ausgebildet ist. Eine Düsenführung 229 erstreckt sich eine bestimmte Länge entlang der unteren Düse 238a und in die Tintenkammer 132.
Auf diese Weise dient die Düsenführung 229 zur Verlängerung der Gesamtlänge der Düse 238, wodurch sich die Richtungseigenschaften eines durch die Düse 238 ausgestoßenen Tintentröpfchens verbessern. Dies kann jedoch nicht nur die Ausdehnung von Bläschen einschränken, sondern auch den Herstellungsprozess verkomplizieren.
Ein Tintenausstoßmechanismus für einen Tintenstrahldruckkopf gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug zu den 6A bis 6C beschrieben.
Mit Bezug zu 6A, wenn ein Stromimpuls auf die Erwärmungseinrichtung 142 durch den Leiter 144 zugeführt wird, und die Tintenkammer 132 und die Düse 138 mit Tinte 150 gefüllt sind, wird durch die Erwärmungseinrichtung 142 Wärme erzeugt. Die erzeugte Wärme wird durch die erste Passivierungsschicht 121 unter der Erwärmungseinrichtung 142 zur Tinte 150 in der Tintenkammer 132 übertragen, so dass die Tinte 150 siedet und sich Bläschen 160 bilden. Wenn die Bläschen 160 sich bei fortgesetzter Wärmezufuhr ausdehnen, wird die Tinte 150 in der Düse 138 aus der Düse 138 ausgestoßen. Zu diesem Zeitpunkt erhöht sich die Fließgeschwindigkeit der Tinte 150, da die obere Düse 138b eine verjüngte Form aufweist.
Mit Bezug zu 6B, wenn der aufgebrachte Stromimpuls unterbrochen wird, wenn das Bläschen 160 sich zu seiner Maximalgröße ausdehnt, schrumpft das Bläschen 160, bis es vollständig zusammenfällt. Zu diesem Zeitpunkt wird ein negativer Druck in der Tintenkammer 132 gebildet, so dass die Tinte 150 in der Düse 138 in die Tintenkammer 132 zurückkehrt. Gleichzeitig wird ein Teil der Tinte 150, die aus der Düse 138 gedrückt wird, von der Tinte 150 in der Düse 138 getrennt und aufgrund der Trägheitskraft in Form eines Tintentröpfchens 150' ausgestoßen.
Ein Meniskus in der Oberfläche der Tinte 150, der sich in der Düse 138 bildet, zieht sich nach Abtrennung des Tintentröpfchens 150' zur Tintenkammer 132 zurück. Zu diesem Zeitpunkt ist die Düse 138 aufgrund der dicken Düsenplatte 120 ausreichend lang, so dass sich der Meniskus nur in der Düse 238 zurückzieht, nicht in die Tintenkammer 132. Auf diese Weise wird verhindert, dass Luft in die Tintenkammer 132 einströmt, während der Meniskus schnell in seinen Ursprungszustand wiederhergestellt wird, wodurch Hochgeschwindigkeitsausstoß des Tintentröpfchens 150' stabil beibehalten werden kann. Da ferner in oder um die Erwärmungseinrichtung 142 verbleibende Wärme nach Abtrennen des Tintentröpfchens 150' durch die wärmeleitende Schicht 124 und die Wärmeableitschicht 128 wander, und in das Substrat 110 oder nach außen abgeführt wird, fällt die Temperatur in oder um die Erwärmungseinrichtung 142 und die Düse 138 schneller.
Nun mit Bezug zu 6C, wenn der negative Druck in der Tintenkammer 132 verschwindet, fließt die Tinte 150 aufgrund einer Oberflächen spannungskraft, die auf den in der Düse 138 gebildeten Meniskus wirkt, wieder zum Austritt der Düse 138. Da die obere Düse 138b eine verjüngte Form aufweist, nimmt die Geschwindigkeit, mit der die Tinte 150 nach oben strömt, weiter zu. Die Tinte 150 wird dann durch den Tintenkanal 134 zugeführt, so dass die Tintenkammer 132 aufgefüllt wird. Wenn das Auffüllen der Tinte 150 beendet ist, so dass der Druckkopf in seinen Ausgangszustand zurückkehrt, wird der Tintenausstoßmechanismus wiederholt. Beim obigen Prozess kann der Druckkopf seinen Ursprungszustand, wegen der Wärmeabfuhr durch die wärmeleitfähige Schicht 124 und die Wärmeableitschicht 128 schneller wieder erreichen.
Nun wird ein Verfahren zur Herstellung eines monolithischen Tintenstrahldruckkopfes wie oben vorgestellt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die 7 bis 17 sind Querschnittansichten zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung eines monolithischen Tintestrahldruckkopfes mit der in 4 gezeigten Düsenplatte gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Mit Bezug zu 7 wird ein als Substrat 110 verwendeter Siliciumwafer auf eine Dicke von ungefähr 300-500 μm bearbeitet. Der Siliciumwafer wird verbreitet zur Herstellung von Halbleiteranordnungen verwendet und ist zur Massenproduktion geeignet.
Während 7 einen sehr kleinen Teil des Siliciumwafers zeigt, kann der Tintenstrahldruckkopf gemäß der vorliegenden Erfindung in Dutzenden bis Hunderten von Chips auf einem einzigen Wafer hergestellt werden.
Die erste Passivierungsschicht 121 wird auf einer oberen Fläche des vorbereiteten Siliciumsubstrats 110 ausgebildet. Die erste Passivie rungsschicht 121 kann durch Abscheiden von Siliciumoxid oder Siliciumnitrid auf der oberen Fläche des Substrats 110 ausgebildet werden.
Danach wird die Erwärmungseinrichtung 142 auf der ersten Passivierungsschicht 121 auf der oberen Fläche des Substrats 110 ausgebildet. Die Erwärmungseinrichtung 142 kann durch Abscheiden eines Widerstandsheizmaterials, wie Polysilicium dotiert mit Fremdstoffen, Silicid, Tantal-Aluminiumlegierung, Titannitrid oder Tantalnitrid, auf der gesamten Fläche der ersten Passivierungsschicht 121 auf eine bestimmte Dicke und dann Mustern derselben ausgebildet werden. Während das mit Fremdstoffen dotierte Polysilicium, wie ein Phosphor (P) enthaltendes Quellengas durch chemisches Aufdampfen bei Niederdruck (LPCVD, low pressure chemical vapor deposition) auf eine Dicke von ungefähr 0,5-2 μm abgeschieden werden kann, können Tantal-Aluminiumlegierung oder Tantalnitrid durch Sputtern auf eine Dicke von ungefähr 0,1-0,3 μm abgeschieden werden. Die Abscheidedicke des Widerstandsheizmaterials kann in einem anderen Bereich bestimmt sein als es hier angegeben ist, so dass unter Berücksichtigung der Breite und Länge der Erwärmungseinrichtung 142 ein geeigneter Widerstand erreicht wird. Das auf der gesamten Fläche der ersten Passivierungsschicht 121 abgeschiedene Widerstandsheizmaterial kann nach einem Photoprozess gemustert werden, wobei eine Photomaske und ein Photoresist und ein Ätzprozess unter Verwendung eines Photoresistmusters als Ätzmaske verwendet wird.
Dann wird, wie in 8 gezeigt, die zweite Passivierungsschicht 122 auf der ersten Passivierungsschicht 121 und der Erwärmungseinrichtung 142 durch Abscheiden von Siliciumoxid oder Siliciumnitrid auf eine Dicke von ungefähr 1-3 μm ausgebildet. Die zweite Passivierungsschicht 122 wird dann teilweise geätzt, so dass der erste Kontaktdurchtritt C₁ gebildet wird, der einen Teil der Erwärmungseinrichtung 142 freilegt, der in einem in 9 gezeigten Schritt mit dem Leiter 144 verbunden wird. Die zweite und erste Passivierungsschicht 122 und 121 werden sequentiell geätzt, so dass der zweite Kontaktdurchtritt C₂ gebildet wird, der einen Teil des Substrats 110 freilegt, so dass im in 9 gezeigten Schritt mit der wärmeleitfähigen Schicht 124 Kontakt gebildet wird. Der erste und zweite Kontaktdurchtritt C₁ und C₂ können gleichzeitig ausgebildet werden.
9 zeigt den Zustand, in dem der Leiter 144 und die wärmeleitfähige Schicht 124 auf der oberen Fläche der zweiten Passivierungsschicht 122 ausgebildet sind. Insbesondere können der Leiter 144 und die wärmeleitfähige Schicht 124 gleichzeitig durch Abscheiden eines Metalls mit ausgezeichneter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit wie Aluminium oder Aluminiumlegierung unter Verwendung eines Sputterverfahrens auf eine Dicke von ungefähr 1 μm und Mustern derselben ausgebildet werden. Zu diesem Zeitpunkt werden der Leiter 144 und die wärmeleitfähige Schicht 124 so ausgebildet, dass sie einander isolieren, so dass der Leiter 144 mit der Erwärmungseinrichtung 142 durch den ersten Kontaktdurchtritt C₁ verbunden ist und die wärmeleitfähige Schicht 124 durch den zweiten Kontaktdurchtritt C₂ mit dem Substrat 110 in Kontakt ist.
Wenn indessen die wärmeleitfähige Schicht 124 so ausgebildet wird, dass sie dicker ist als der Leiter 144 oder wenn die wärmeleitfähige Schicht 124 aus einem anderen Metall als der Leiter 144 hergestellt ist, oder wenn ferner sichere Isolation zwischen dem Leiter 144 und der wärmeleitfähigen Schicht 124 erreicht ist, kann die wärmeleitfähige Schicht 124 nach Ausbilden des Leiters 144 gebildet werden. Insbesondere im in 8 gezeigten Schritt wird der Leiter 144 gebildet, nachdem nur der erste Kontaktdurchtritt C₁ gebildet ist. Eine Isolierschicht (nicht gezeigt) wird dann auf dem Leiter 144 und der zweiten Passivierungsschicht 122 ausgebildet. Die Isolierschicht kann aus dem selben Material und unter Verwendung des selben Verfahrens wie die zweite Passivie rungsschicht 122 ausgebildet werden. Die Isolierschicht und die zweite und erste Passivierungsschicht 122 und 121 werden dann sequentiell geätzt, so dass der zweite Kontaktdurchtritt C₂ gebildet wird. Auf diese Weise ist die Isolierschicht zwischen den Leiter 144 und die wärmeleitfähige Schicht 124 eingesetzt.
10 zeigt den Zustand, in dem die dritte Passivierungsschicht 126 auf der gesamten Fläche der erhaltenen Struktur von 9 ausgebildet ist. Speziell kann die dritte Passivierungsschicht 126 durch Abscheiden von Tetraethylorthosilicatoxid (TEOS-Oxid) unter Verwendung von plasmaverstärktem chemischen Aufdampfen (PECVD, plasma enhanced chemical vapor deposition) auf eine Dicke von ungefähr 0,7-1 μm abgeschieden werden. Dann wird die dritte Passivierungsschicht 126 teilweise geätzt, so dass die wärmeleitfähige Schicht 124 freigelegt wird.
11 zeigt den Zustand, in dem die untere Düse 138a ausgebildet ist. Die untere Düse 138a wird durch sequentielles Ätzen der dritten, zweiten und ersten Passivierungsschicht 126, 122 und 121 auf der Innenseite der Erwärmungseinrichtung 142 auf einen Durchmesser von ungefähr 16-40 μm unter Verwendung von reaktivem Ionenätzen (RIE) ausgebildet.
Wie in 12 gezeigt ist, wird dann eine erste Opferschicht PR₁ in der unteren Düse 138a gebildet. Insbesondere wird ein Photoresist auf die gesamte Fläche der erhaltenen Struktur von 11 aufgelegt und gemustert, so dass nur der in die untere Düse 138a eingefüllte Photoresist verbleibt. Der verbleibende Photoresist wird zum Bilden der ersten Opferschicht PR₁ verwendet, wodurch die Form der unteren Düse 138a bei den anschließenden Schritten erhalten bleibt. Dann wird eine Keimschicht 127 zum galvanischen Beschichten auf der gesamten Fläche der erhaltenen Struktur ausgebildet, die nach Bildung der ersten Opferschicht PR₁ ausgebildet ist. Zum Durchführen der galvanischen Be schichtung kann die Keimschicht 127 durch Abscheiden von Metall mit guter Leitfähigkeit wie Chrom (Cr) oder Kupfer (Cu) auf eine Dicke von ungefähr 500-2000 Å unter Verwendung eines Sputterverfahrens gebildet werden.
13 zeigt den Zustand, in dem eine zweite Opferschicht PR₂ zur Ausbildung der oberen Düse gebildet ist. Insbesondere wird ein Photoresist auf die gesamte Fläche der Keimschicht 127 aufgelegt und gemustert, so dass der Photoresist nur in einem Teil verbleibt, wo die obere Düse 138b (siehe 15) gebildet werden soll. Der verbleibende Photoresist wird in eine verjüngte Form ausgebildet, in dem die Querschnittsfläche zur Oberseite abnimmt und als zweite Opferschicht PR₂ zum Ausbilden der oberen Düse 138b in den anschließenden Schritten dient. Zu diesem Zeitpunkt kann die zweite Opferschicht PR₂ in verjüngter Form durch einen Proximity-Bestrahlungsprozess zum Belichten des Photoresists unter Verwendung einer Photomaske gebildet werden, die von einer Oberfläche des Photoresist in einem bestimmten Abstand getrennt ist. In diesem Fall wird die Photomaske passierendes Licht gebrochen, so dass eine Grenzfläche zwischen einem bestrahlten Bereich und einem unbestrahlten Bereich des Photoresist geneigt ist. Die Neigung der zweiten Opferschicht PR₂ kann durch einen Raum zwischen der Photomaske und dem Photoresist und/oder einer Bestrahlungsenergie im Proximity-Bestrahlungsprozess eingestellt werden.
Danach wird, wie in 14 gezeigt, die Wärmeableitschicht 128 aus einem Metall mit einer bestimmten Dicke auf einer oberen Fläche der Keimschicht 127 gebildet. Die Wärmeableitschicht 128 kann auf eine Dicke von ungefähr 10-50 μm durch galvanisches Abscheiden eines Übergangsmetallelements wie Nickel (Ni) oder Gold (Au) auf der Oberfläche der Keimschicht 127 gebildet werden. Der galvanische Prozess ist abgeschlossen, wenn die Wärmeableitschicht 128 auf eine gewünschte Höhe ausgebildet ist, bei der die Austrittsquerschnittsfläche der oberen Düse 138b gebildet ist, wobei die Höhe geringer ist als die der zweiten Opferschicht PR₂. Die Dicke der Wärmeableitschicht 128 kann durch Berücksichtigung der Querschnittsfläche und der Länge der oberen Düse 138b annähernd bestimmt werden.
Die Oberfläche der Wärmeableitschicht 128, die galvanische Beschichtung erhalten hat, weist aufgrund der darunter liegenden Materialschichten Unregelmäßigkeiten auf. Daher kann die Oberfläche der Wärmeableitschicht 128 durch chemisch mechanisches Polieren (CMP) planarisiert werden.
Die zweite Opferschicht PR₂ zum Ausbilden der oberen Düse 138b, die darunter liegende Keimschicht 127 und die erste Opferschicht PR₁ zum Halten der unteren Düse 138a werden dann sequentiell geätzt. Wie in 15 gezeigt ist, wird die vollständige Düse 138 durch Verbinden der unteren Düse 138a in zylindrischer Form mit der oberen Düse 138b in der verjüngten Form gebildet und die Düsenplatte 120 mit der aufgeschichteten Mehrzahl von Materialschichten ist fertiggestellt.
Indessen können die Düse 138 und die Wärmeableitschicht 128 durch die folgenden Schritte gebildet werden. Im in 12 gezeigten Schritt wird die Keimschicht 127 zum Galvanisieren auf der gesamten Fläche der erhaltenen Struktur von 11 ausgebildet, bevor die erste Opferschicht PR_O gebildet wird. Die erste Opferschicht PR₁ und die zweite Opferschicht PR₂ zum Ausbilden der oberen Düse 138b werden dann sequentiell und integral gebildet. Danach wird die Wärmeableitschicht 128 wie in 14 gezeigt gebildet, gefolgt von Planarisieren der Oberfläche der Wärmeableitschicht 128 durch CMP. Nach der Planarisierung werden die zweite und erste Opferschicht PR₂ und PR₁ und die Keimschicht 127 unter der ersten Opferschicht PR₁ geätzt, so dass die Düse 138 und die Düsenplatte 120, wie in 15 gezeigt, gebildet werden.
16 zeigt den Zustand, in dem die Tintenkammer 132 einer bestimmten Tiefe auf der Vorderseite des Substrats 110 ausgebildet ist. Die Tintenkammer 132 kann durch isotropes Ätzen des Substrats 110 gebildet werden, das durch die Düse 138 freigelegt ist. Insbesondere wird am Substrat 110 ein Trockenätzen unter Verwendung von XeF₂-Gas oder BrF₃-Gas als Ätzgas über eine bestimmte Zeit ausgeführt, um die halbkugelförmige Tintenkammer 132 mit einer Tiefe und einem Radius von ungefähr 20-40 μm zu bilden, wie in 16 gezeigt.
17 zeigt den Zustand, in dem der Verteiler 136 und der Tintenkanal 134 durch Ätzen des Substrats 110 von seiner Rückseite ausgebildet sind. Insbesondere wird eine Ätzmaske, die einen zu ätzenden Bereich begrenzt, auf der Rückseite des Substrats 110 ausgebildet und Nassätzen der Rückseite des Substrats 110 unter Verwendung von Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) als Ätzmittel durchgeführt, so dass der Verteiler 136 mit einer geneigten Seitenfläche gebildet wird. Alternativ kann der Verteiler 136 durch anisotropes Trockenätzen der Rückseite des Substrats 110 gebildet werden. Anschließend wird eine Ätzmaske, die den Tintenkanal 134 definiert, auf der Rückseite des Substrats 110 gebildet, wo der Verteiler 136 ausgebildet ist, und das Substrat 110 zwischen dem Verteiler 136 und der Tintenkammer 132 durch RIE trockengeätzt, wodurch der Tintenkanal 134 gebildet wird. Indessen kann der Tintenkanal 134 durch Ätzen des Substrats 110 an der Unterseite der Tintenkammer 132 durch die Düse 138 gebildet werden.
Nach Ausführen der obigen Schritte ist die obere Düse 138b mit der verjüngten Form, wie in 17 gezeigt, ausgebildet und der monolithische Tintenstrahldruckkopf gemäß der vorliegenden Erfindung mit der Düsenplatte 120 mit der Wärmeableitschicht 128 aus Metall ist fertiggestellt.
Die 18 bis 20 sind Querschnittansichten zum Erläutern eines Verfahrens zur Herstellung des Tintenstrahldruckkopfes mit der in 5 gezeigten Düsenplatte gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Das Verfahren zur Herstellung des Tintenstrahldruckkopfes mit der in 5 gezeigten Düsenplatte ist das gleiche wie das Verfahren zur Herstellung des in 4 gezeigten Tintenstrahldruckkopfes, mit der Ausnahme, dass der Schritt zum Ausbilden der Düsenführung 229 (siehe 5) hinzukommt. Das heißt, das Verfahren beinhaltet die gleichen Schritte wie in den 7 bis 9 gezeigt, einen zusätzlichen Schritt zum Ausbilden der Düsenführung 229 und die gleichen Schritte wie in den 13 bis 17 gezeigt. Deshalb wird das Herstellungsverfahren nun in Bezug auf diesen Unterschied beschrieben.
Wie in 18 gezeigt ist, werden nach dem in 9 gezeigten Schritt, die zweite und erste Passivierungsschicht 122 und 121 in der Innenbegrenzung der Erwärmungseinrichtung 142 auf einen Durchmesser von ungefähr 16-40 μm unter Verwendung von RIE anisotrop geätzt. Das Substrat 110 wird dann auf die gleiche Weise anisotrop geätzt, so dass eine Vertiefung 221 einer bestimmten Tiefe gebildet wird.
Anschließend wird, wie in 19 gezeigt, die dritte Passivierungsschicht 126 auf der gesamten Fläche der erhaltenen Struktur von 18 gebildet. Wie oben beschrieben kann die dritte Passivierungsschicht 126 durch Abscheiden von TEOS-Oxid durch PECVD auf eine Dicke von ungefähr 0,7-1 μm gebildet werden. Die Düsenführung 229 wird durch das in der Vertiefung 221 abgeschiedene TEOS-Oxid gebildet und definiert die untere Düse 238a. Die dritte Passivierungsschicht 126 wird dann teilweise geätzt, so dass die wärmeleitfähige Schicht 124 freigelegt wird und die Unterseite der Vertiefung 221 wird geätzt, so dass das Substrat 110 freigelegt wird.
Alternativ kann die Vertiefung 221 nach Ausbilden der dritten Passivierungsschicht 126 gebildet werden. In diesem Fall wird eine weitere Materialschicht in der Vertiefung 221 oder auf der dritten Passivierungsschicht 126 abgeschieden, um die Düsenführung 229 zu bilden.
Wie in 20 gezeigt ist, wird dann die erste Opferschicht PR₁ aus einem Photoresist in der unteren Düse 238a gebildet, die durch die Düsenführung 229 definiert ist, und die Keimschicht 127 zum Galvanisieren wird wie oben beschrieben gebildet.
Nach Durchführung der in den 13 bis 17 gezeigten Schritte als Folgeschritte, ist der Tintenstrahldruckkopf mit der entlang der unteren Düse 238a ausgebildeten Düsenführung 229, wie in 5 gezeigt, fertiggestellt.
Wie oben beschrieben weisen ein monolithischer Tintenstrahldruckkopf und ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß der vorliegenden Erfindung die folgenden Vorteile auf.
Erstens können die Richtungseigenschaften eines ausgestoßenen Tintentröpfchens aufgrund einer ausreichenden Düsenlänge verbessert werden und es kann ein Meniskus in der Düse gehalten werden, so dass ein stabiler Tintennachfüllvorgang möglich ist. Ferner ist der Fluidwiderstand reduziert, da eine in einer Wärmeableitschicht ausgebildete obere Düse eine verjüngte Form aufweist, so dass die Ausstoßgeschwindigkeit eines Tintentröpfchens zunimmt.
Zweitens ist aufgrund der Wärmeableitschicht aus einem dicken Metall die Wärmeabführkapazität erhöht, so dass die Tintenausstoßleistung und die Betriebsfrequenz steigen können, und Druckfehler und Versa gen der Erwärmungseinrichtung aufgrund von Überhitzung bei Hochgeschwindigkeitsdruck vermieden werden können.
Drittens kann der Tintenstrahldruckkopf auf einem einzigen Wafer unter Verwendung eines einzigen Prozesses hergestellt werden, da eine Düsenplatte mit einer Düse integral mit einem Substrat gebildet wird, die eine Tintenkammer und einen Tintenkanal darauf ausgebildet aufweist. Dies eliminiert die herkömmlichen Probleme mit Fehlausrichtung zwischen der Tintenkammer und der Düse, wodurch die Tintenausstoßleistung und die Produktionsausbeute erhöht werden.
Während die vorliegende Erfindung insbesondere mit Bezug zu bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, versteht es sich für die Fachleute, dass verschiedene Änderungen in Form und Details hieran vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, wie der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Zum Beispiel sind zum Ausbilden von Bauelementen eines Druckkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete Materialien nicht auf die hier beschriebenen beschränkt. Das hießt, das Substrat kann aus einem Material mit guter Verarbeitbarkeit, außer Silicium, gebildet sein und dies gilt ebenso für Erwärmungseinrichtung, Leiter, Passivierungsschicht, wärmeleitfähige Schicht oder Wärmeableitschicht. Außerdem sind Aufschicht- und Ausbildungsverfahren für jedes Material nur Beispiele, und es können eine Vielfalt von Abscheide- und Ätztechniken eingesetzt werden. Außerdem können spezifische numerische Werte, die in jedem Schritt dargestellt sind, in einem Bereich schwanken, in dem der hergestellte Druckkopf normal funktionieren kann. Ebenso kann die Abfolge von Prozessschritten in einem Verfahren zur Herstellung des Druckkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung unterschiedlich sein.

Claims

Monolithischer Tintenstrahldruckkopf umfassend: ein Substrat, das eine Tintenkammer aufweist, die mit Tinte gefüllt ist, die ausgestoßen werden soll, einen Verteiler zum Zuführen von Tinte zur Tintenkammer und einen Tintenkanal zur Verbindung der Tintenkammer mit dem Verteiler; eine Düsenplatte, die eine Mehrzahl von Passivierungsschichten aufweist, die auf dem Substrat aufgeschichtet sind, eine Wärmeableitschicht, die auf der Mehrzahl von Passivierungsschichten aufgeschichtet ist und eine Düse, durch die Tinte aus der Tintenkammer ausgestoßen wird, gebildet durch Durchstoßen der Düsenplatte; eine Erwärmungseinrichtung, die zwischen den Passivierungsschichten der Düsenplatte vorgesehen ist und über der Tintenkammer gelegen ist, zum Erwärmen von Tinte in der Tintenkammer; und einen Leiter, der zwischen den Passivierungsschichten der Düsenplatte vorgesehen ist und mit der Erwärmungseinrichtung elektrisch verbunden ist, um der Erwärmungseinrichtung Strom zuzuführen, worin die Wärmeableitschicht aus einem thermisch leitfähigen Metall gebildet ist, um Wärme in oder um die Erwärmungseinrichtung nach außen abzuleiten, ein unterer Teil der Düse durch Durchstoßen der Mehrzahl von Passivierungsschichten ausgebildet ist und ein oberer Teil der Düse durch Durchstoßen der Wärmeableitschicht in zugespitzter Form ausgebildet ist, in der eine Querschnittsfläche graduell zum Austritt abnimmt.
Druckkopf nach Anspruch 1, worin die Mehrzahl von Passivierungsschichten erste, zweite und dritte Passivierungsschichten aufweist, die sequentiell auf dem Substrat aufgeschichtet sind, eine Erwärmungseinrichtung zwischen der ersten und zweiten Passivierungsschicht ausgebildet ist und der Leiter zwischen der zweiten und dritten Passivierungsschicht ausgebildet ist.
Druckkopf nach Anspruch 1 oder 2, worin der untere Teil der Düse eine zylindrische Form aufweist.
Druckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Wärmeableitschicht durch galvanisches Beschichten auf eine Dicke von 10-50 μm ausgebildet ist, und der obere Teil der Düse eine Länge von 10-50 μm aufweist.
Druckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Wärmeableitschicht aus einem Übergangsmetallelement darunter Nickel und Gold gebildet ist.
Druckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Düsenplatte eine wärmeleitfähige Schicht aufweist, die über der Tintenkammer gelegen ist, von der Erwärmungseinrichtung und dem Leiter isoliert ist und mit dem Substrat und der Wärmeableitschicht in thermischem Kontakt ist.
Druckkopf nach Anspruch 6, worin die wärmeleitfähige Schicht aus einem Metall gebildet ist.
Druckkopf nach Anspruch 6, worin der Leiter und die wärmeleitfähige Schicht aus dem selben Metall gebildet sind und auf der selben Passivierungsschicht gelegen sind.
Druckkopf nach einem der Ansprüche 6 bis 8, worin eine Isolierschicht zwischen den Leiter und die wärmeleitfähige Schicht eingesetzt ist.
Druckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin eine Düsenführung, die sich in die Tintenkammer erstreckt, im unteren Teil der Düse ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines monolithischen Tintenstrahldruckkopfs umfassend: (a) Bereitstellen eines Substrats; (b) Ausbilden einer Erwärmungseinrichtung und eines mit der Erwärmungseinrichtung verbundenen Leiters zwischen einer Mehrzahl von Passivierungsschichten, während die Mehrzahl von Passivierungsschichten auf dem Substrat aufgeschichtet werden; (c) Ausbilden einer Wärmeableitschicht aus einem Metall auf den Passivierungsschichten, Ausbilden einer unteren Düse auf den Passivierungsschichten und Ausbilden einer oberen Düse auf der Wärmeableitschicht in zugespitzter Form, bei der eine Querschnittsfläche graduell zum Austritt abnimmt, zur Konstruktion einer Düsenplatte, die die Passivierungsschichten und die Wärmeableitschicht integral mit dem Substrat aufweist; und (d) Ätzen des Substrats zum Ausbilden einer mit Tinte gefüllten Tintenkammer, einen Verteiler zum Zuführen von Tinte zur Tintenkammer und einen Tintenkanal zum Verbinden der Tintenkammer mit dem Verteiler.
Verfahren nach Anspruch 11, worin in (a) das Substrat aus einem Siliciumwafer gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, worin (b) umfasst: Ausbilden einer ersten Passivierungsschicht auf einer oberen Fläche des Substrats; Ausbilden der Erwärmungseinrichtung auf der ersten Passivierungsschicht; Ausbilden einer zweiten Passivierungsschicht auf der ersten Passivierungsschicht und der Erwärmungseinrichtung; Ausbilden des Leiters auf der zweiten Passivierungsschicht; und Ausbilden einer dritten Passivierungsschicht auf der zweiten Passivierungsschicht und dem Leiter.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, worin in (b) eine wärmeleitfähige Schicht, die über der Tintenkammer gelegen ist, von der Erwärmungseinrichtung und dem Leiter isoliert ist und mit dem Substrat und der Wärmeableitschicht in Kontakt steht, zwischen den Passivierungsschichten ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, worin die wärmeleitfähige Schicht durch Abscheiden von Metall auf eine bestimmte Dicke nach einem Sputterverfahren ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, worin die wärmeleitfähige Schicht und der Leiter gleichzeitig aus dem selben Metall gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, worin nach Ausbilden einer Isolierschicht auf dem Leiter, die wärmeleitfähige Schicht auf der Isolierschicht ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, worin in (c) umfasst: Ätzen der Passivierungsschichten auf der Innenseite der Erwärmungseinrichtung zum Ausbilden der unteren Düse; Ausbilden einer ersten Opferschicht in der unteren Düse; Ausbilden einer zweiten Opferschicht zum Ausbilden der oberen Düse auf der ersten Opferschicht in einer zugespitzten Form; Ausbilden der Wärmeableitschicht auf den Passivierungsschichten durch galvanisches Abscheiden; und Entfernen der zweiten Opferschicht und der ersten Opferschicht zum Ausbilden einer Düse mit der unteren Düse und der oberen Düse.
Verfahren nach Anspruch 18, worin die untere Düse durch Trockenätzen der Passivierungsschichten durch reaktives Ionenätzen (RIE) in einer zylindrischen Form ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, worin die erste und zweite Opferschicht aus einem Photoresist gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 20, worin die zweite Opferschicht gebildet wird durch geneigtes Mustern des Photoresist durch eine Proximity-Belichtung zum Belichten des Photoresist unter Verwendung einer Photomaske, die geneigt ist, so dass sie von einer Oberfläche des Photoresist in einem bestimmten Abstand getrennt ist.
Verfahren nach Anspruch 21, worin eine Neigung der zweiten Opferschicht durch einen Raum zwischen der Photomaske und dem Photoresist und eine Belichtungsenergie eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, worin nach Ausbilden einer Keimschicht für galvanisches Abscheiden der Wärmeableitschicht auf der ersten Opferschicht und den Passivierungsschichten, die zweite Opferschicht ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, worin nach Ausbilden einer Keimschicht für galvanisches Abscheiden der Wärmeableitschicht auf den Passivierungsschichten, die erste Opferschicht und die zweite Opferschicht integral miteinander ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24, worin die Wärmeableitschicht aus einem Übergangsmetallelement darunter Nickel und Gold gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25, worin die Wärmeableitschicht auf eine Dicke von 10-50 μm ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26, ferner umfassend Planarisieren einer oberen Fläche der Wärmeableitschicht durch chemisch mechanisches Polieren (CMP) nach Ausbilden der Wärmeableitschicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 27, worin die Bildung der unteren Düse umfasst: anisotropes Ätzen der Passivierungsschichten und des Substrats auf der Innenseite der Erwärmungseinrichtung zum Ausbilden einer Vertiefung in einer bestimmten Tiefe; Abscheiden einer bestimmten Materialschicht auf einer Innenfläche der Vertiefung; und Ätzen der am Boden der Vertiefung ausgebildeten Materialschicht zum Freilegen des Substrats, während gleichzeitig eine Düsenführung aus der Materialschicht ausgebildet wird, um die untere Düse entlang einer Seitenwand der Vertiefung zu definieren.
Verfahren nach Anspruch 11, worin (d) umfasst: Ätzen des durch die Düse freigelegten Substrats zum Ausbilden der Tintenkammer; Ätzen einer Rückseite des Substrats zum Ausbilden des Verteilers; und Ausbilden des Tintenkanals durch Ätzen des Substrats, so dass das Substrat zwischen dem Verteiler und der Tintenkammer durchstoßen wird.