DE60319271T2

DE60319271T2 - Tintenstrahldruckkopf und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE60319271T2
Application number: DE60319271T
Authority: DE
Inventors: Lucia Olivetti I-J GIOVANOLA; Renato Olivetti I-J CONTA
Original assignee: Telecom Italia SpA
Current assignee: Telecom Italia SpA
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2023-12-17
Also published as: JP2011102036A; DE60319271D1; AU2003295207A1; JP2006510507A; EP1572464A1; ITTO20021100A1; ATE386639T1; JP4713887B2; US20060055737A1; US7595004B2; WO2004056574A1; EP1572464B1; JP4794689B2

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckkopf, der zur Erzeugung von Zeichen und/oder Abbildungen mit Schwarz- oder Farbtinte auf einem Druckmedium, üblicherweise, jedoch nicht ausschließlich, einem Papierbogen, mit Hilfe der bekannten Tintenstrahltechnologie vom Bläschentyp eingesetzt wird, und betrifft insbesondere eine Verbesserung der Ausstoßkammern, der jeweiligen Zufuhrkanäle und des dazugehörigen Herstellungsverfahrens.
Kurze Beschreibung des Standes der Technik
Der Aufbau und die Arbeitsweise eines Tintenstrahldruckkopfes basierend auf der Thermo-Technologie, und insbesondere des sog. „Top Shooter"-Typs, bei dem die Tröpfchen in einer Richtung senkrecht zur Fläche des Betätigungselements oder Widerstands ausgestoßen werden, sind allgemein aus dem Stand der Technik bekannt.
Daher beschränkt sich die vorliegende Beschreibung zum Zwecke eines besseren Verständnisses lediglich auf einige der Eigenschaften eines herkömmlichen Kopfes dieses Typs, der aus dem gegenwärtigen Stand der Technik bekannt ist, und auf die wichtigsten Schritte seines Herstellungsverfahrens.
1 zeigt einen herkömmlichen Tintenstrahldrucker 1 aus Kunststoff, bei dem die wichtigsten Teile zum Zwecke eines besseren Verständnisses der vorliegenden Erfindung hervorgehoben sind. Der Drucker 1 weist einen starren Rahmen 2 auf, an dem ein Schlitten 4 an Führungen 6 in einer Abtastrichtung „x" bewegbar ist. An dem Schlitten sind vier Tintenstrahldruckköpfe 8 angebracht, nämlich einer zum Drucken in Schwarz und drei zum Drucken in Farbe, um auf einem Druckmedium 9, typischerweise einem Papierbogen, der teilweise um eine Druckrolle 10 gewunden ist, zu drucken. Der Abtasthub des Schlittens 4 wird von einer Kodiereinrichtung 12 gesteuert.
In derselben Figur sind auch die Bezugsachsen angegeben, und zwar die x-Achse, horizontal, parallel zur Abtastrichtung des Schlittens; die y-Achse, vertikal, parallel zur Zeilenvorschubrichtung des Mediums 9; und die z-Achse, senkrecht zur x- und y-Achse.
2 zeigt eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer Betätigungsanordnung 15 eines der vier Tintenstrahldruckköpfe 8, die an dem Drucker 1 in 1 angebracht sind, insbesondere unter Bezugnahme auf den in der unter der Nummer WO 01/03934 veröffentlichten Internationalen Patentanmeldung beschriebenen bekannten Druckkopf. Die Betätigungsanordnung 15 umfasst einen Rahmen 16 mit zwei Reihen von Düsen 18 parallel zur y-Achse, und einen Die 20, der ein Feld von Steuerungs-Mikroeinrichtungen 22 aufweist, die mittels der bekannten C-MOS/LD-MOS-Technologie hergestellt wurden, und Lötaugen 23, welche die Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den Mikroeinrichtungen 22 und den Steuereinrichtungen des nicht gezeigten Druckers 1 ermöglichen.
Die Betätigungsanordnung 15 umfasst darüber hinaus ein Feld 25 von Tintenzufuhrleitungen und Tintenzufuhrkanälen, Kammern und Betätigungselementen oder Widerständen, die in Form von dünnen Abschnitten aus metallischen Schichten in den Kammern gebildet sind.
Das Herstellungsverfahren der Betätigungsanordnung 15 wird an einem Wafer 27 (3) ausgeführt, der aus mehreren Dies 20 besteht, wobei an jedem dieser Dies Steuerungs-Mikroeinrichtungen 22 in einem ersten Teil des Verfahrens erzeugt und vervollständigt werden, und in einem zweiten Teil des Verfahrens das Feld 25 aus Zufuhrleitungen und Zufuhrkanälen, Kammern und Widerständen erzeugt wird. Die einzelnen Dies 20 werden mit Hilfe eines Schleifrads am Ende des Herstellungsverfahrens voneinander getrennt.
Die Kammern zum Ausstoßen der Tintentröpfchen und die jeweils daran angeschlossenen Zufuhrkanäle, die gemäß den bekannten und insbesondere in der bereits angegebenen Internationalen Patentanmeldung beschriebenen Techniken hergestellt wurden, werden durch das chemische Entfernen einer Opferschicht aus elektrolytischem Kupfer erzeugt, die durch Elektroablagerung in einem Sitz im Wesentlichen in Form eines Parallelepipeds, d. h. mit im Wesentlichen flachen und senkrecht zueinander verlaufenden Wänden, hergestellt ist, der in einer Polymer-Strukturschicht gebildet ist, die auf einer über den Widerständen angeordneten Schicht aus Gold und Tantal aufgebracht wurde.
Folglich besitzt die Innenform der Ausstoßkammern und der jeweiligen Tintenkanäle, die direkt mit den Kammern in Verbindung stehen, zahlreiche scharfe Kanten und Flächenungleichmäßigkeiten, die genau die Form der Opferschicht wiedergeben.
Daher wird durch die Form der Kammern und der daran angeschlossenen Kanäle, wenn der Druckkopf in Betrieb ist, die Bildung von Luftblasen begünstigt, die sich an den zuvor genannten Ungleichmäßigkeiten festsetzen, wodurch erhebliche Probleme bei der Bildung der Ausstoßblase entstehen und der Tintenfluss zu den Zufuhrkanälen behindert wird.
Die EP 783970 und die US 6482574 offenbaren ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfes mit abgerundeten Ausstoßkammern unter Verwendung einer Opferschicht aus einem thermoplastischen Harzmaterial, das beim Erhitzen auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt schmilzt und sich abrundet.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen integrierten Tintenstrahldruckkopf zu schaffen, der in der Lage ist, die zuvor genannten Nachteile zu verringern.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Kammern und die daran angeschlossenen Zufuhrkanäle mit derart geformten Innenflächen herzustellen, dass das Festsetzen von Luftblasen verhindert wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Herstellung der Kammern und der daran angeschlossenen Kanäle mit Innenflächen, die eine solche Form haben, dass das Auswerfen irgendwelcher Luftblasen und die Bildung der Auswurfluftblase gefördert werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein optimierter Druckkopf mit dem dazugehörigen Herstellungsverfahren vorgeschlagen, wie in den jeweiligen Hauptansprüchen festgelegt.
Diese und weitere Eigenschaften der Erfindung ergeben sich klar aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform eines Tintenstrahldruckkopfes und des dazugehörigen Herstellungsverfahrens durch ein nicht einschränkendes Beispiel anhand der Figuren der beigefügten Zeichnungen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine axonometrische Ansicht eines herkömmlichen Tintenstrahldruckers;
2 zeigt eine explodierte Ansicht einer Betätigungsanordnung, die gemäß dem Stand der Technik aufgebaut ist;
3 zeigt einen Wafer aus Halbleitermaterial, auf dem die noch nicht getrennten Dies angegeben sind;
4 zeigt eine Draufsicht im Schnitt eines Bereichs eines Die in 3 parallel zur Bodenwand der Ausstoßkammern;
5 zeigt eine Ansicht im Schnitt eines Die am Ende einer ersten Herstellungsphase, das bereit ist zur Durchführung des Herstellungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
6 zeigt ein Flussdiagramm der Schritte des Herstellungsverfahrens für einen Druckkopf gemäß der vorliegenden Erfindung;
7 zeigt eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie VII-VII in 4 eines optimierten Tintenstrahldruckkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung, wie er am Ende des Herstellungsverfahrens aussieht, und
8–23 zeigen die anschließenden Stufen des Herstellungsverfahrens für einen Druckkopf gemäß der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Der optimierte Tintenstrahldruckkopf gemäß der vorliegenden Erfindung zeichnet sich durch eine Verbesserung bei der Herstellung der Ausstoßkammern und der dazugehörigen Tintenzufuhrkanäle aus, so dass diese Verbesserung lediglich den letzten Teil des Verfahrens zur Herstellung der Kopfbetätigungsanordnung betrifft. Dementsprechend werden auch nur diejenigen Schritte, die für ein klares und vollständiges Verständnis der erfindungsgemäßen Herstellung der Ausstoßkammer und der dazugehörigen Tintenzufuhrkanäle erforderlich sind, genauer beschrieben.
Es wird daher davon ausgegangen, dass die Verbesserung auf verschiedene Arten von aus dem Stand der Technik bekannten Tintenstrahldruckköpfen des „Top Shooter"-Typs, bei denen die Tröpfchen in einer Richtung senkrecht zur Fläche des Betätigungselements oder Widerstands ausgestoßen werden, und insbesondere, als ein nicht einschränkendes Beispiel, auf den in der bereits angeführten Internationalen Patentanmeldung Nr. WO 01/03934 beschriebenen monolithischen Druckkopf übertragbar sind, wobei für eine vollständige Information über die ersten Herstellungsschritte auf diese Druckschrift verwiesen wird.
5 zeigt einen Querschnitt eines Die 20 (3) bezüglich eines herkömmlichen Druckkopfes am Ende einer ersten Herstellungsphase, in welcher – wie bei jedem aus dem Stand der Technik bekannten Herstellungsverfahren – mehrere metallische und dielektrische Schichten auf einer Schicht 30 aus kristallinem Silizium abgelagert werden, um ein Feld aus Mikroeinrichtungen zu erzeugen, welches in der Lage ist, die thermischen Betätigungselemente, oder Widerstände, zu steuern, die jedoch nicht zu sehen sind, da sie sich nicht in der Querschnittsebene befinden. Die Widerstände sind wiederum durch eine duale Schicht 32 aus Siliziumcarbid und Siliziumnitrid (Si₃N₄, SiC) bedeckt.
Das vollständige Herstellungsverfahren des optimierten Druckkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung wird ausgehend von der zuvor beschriebenen, gegenwärtigen Situation gemäß den in dem Flussdiagramm in 6 angegebenen Schritten fortgesetzt und besteht in der Herstellung der Ausstoßkammern, der dazugehörigen Tintenzufuhrkanäle, die daran angeschlossen sind, und der Ausstoßdüsen.
7 zeigt eine Ansicht im Schnitt entlang einer Linie VII-VII in 4 eines optimierten Tintenstrahldruckkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung, wie er am Ende des Herstellungsverfahrens aussieht. Darin ist Folgendes zu sehen:

– ein Substrat aus Silizium 30, in welchem eine Speicherkammer für die Tinte in dem Bodenteil gebildet wurde;
– eine dielektrische Schicht 32 für den Schutz der (nicht in der Figur gezeigten) Widerstände, die aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) bzw. Siliziumcarbid (SiC) besteht;
– eine Schicht aus Tantal 34;
– eine Schicht aus Gold 36 oben auf einem Teil der Schicht aus Tantal, die die sog. „Seed-Schicht" (Keimschicht) bildet, d. h. die Schicht von der aus das galvanische Wachstum der Opferschichten beginnt, wie im Folgenden näher beschrieben;
– eine Strukturpolymerschicht 38 der nach dem Stand der Technik bekannten Art;
– eine Schutzschicht 41 mit einer Antifeuchtfunktion, die an der Außenfläche 40 der Strukturschicht 38 abgeschieden ist;
– eine Ausstoßkammer 42, die durch eine obere konkave Wand 44 begrenzt ist und in der Dicke der Strukturschicht 38 gebildet ist;
– eine Düse 46 zum Ausstoßen der Tintentröpfchen, die mit der Kammer 42 in Verbindung stehen und welche die Strukturschicht 38 durchquert;
– ein Tintenzufuhrschlitz 48, der in der Siliziumschicht 30 auf der Seite gegenüberliegend der Düse 36 gebildet ist und mit der Kammer 42 durch zwei Löcher 50, die sich durch die Schichten 32, 34 und 36 hindurch erstrecken, in Verbindung steht.

Die Schichten aus Tantal 34 und Gold 36 bilden die Bodenwand 43 der Kammer 42. Die Schicht aus Tantal ist großflächiger und erstreckt sich teilweise unter der Strukturschicht 38 über die Konturlinie 52 der Kammer 42 hinaus, wohingegen die Schicht 36 aus Gold kleinflächiger ist und sich vollständig innerhalb der Kammer 42 befindet.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass durch das Durchführen einer freien Elektroabscheidung, d. h. im kontrollierten, nicht abgeschlossenen Modus, einer Opferschicht 57 (16) aus Kupfer – wobei in geeigneter Weise die chemische Zusammensetzung des galvanischen Bads ausgewählt wurde, um eine bestimmte Anwachsgeschwindigkeit zu erreichen – es möglich ist, den prozentualen Anteil des freien Wachstums der Opferschicht in der Horizontalen (x-Achse) bezüglich demjenigen in der Vertikalen (z-Achse), beginnend von einer bestimmten Größe der Keimschicht, zu modifizieren.
Dank dieser Technik ist die obere Außenfläche 58 der Opferschicht in einer konvexen Form, typischerweise in Form einer Kuppe, gewachsen, wobei die Ausprägung ihrer Konvexität bezüglich der horizontalen Erstreckung des Wachstums des Kupfers variiert werden kann.
Wie zuvor angegeben, wird die Opferschicht 57 aus Kupfer in einem im Wesentlichen freien Wachstumsvorgang abgeschieden, ohne eine Beschränkung an der Kontur, d. h. im kontrollierten, nicht eingeschlossenen Modus:

– im kontrollierten Modus kann, da die Elektroabscheidung des Kupfers unter Verwendung eines elektrolytischen Bads erfolgt, die Zusammensetzung und die jeweiligen Zusätze, die dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt sind, die Wachstumsrate der Opferschicht 57 in der horizontalen Richtung (x-Achse) bezüglich der vertikalen Richtung (y-Achse) gesteuert werden;
– im nicht abgeschlossenen Modus, bei dem das Wachstum, nicht wie bei der früheren im Stand der Technik beschriebenen Herstellungspraxis, nicht durch die innere Form eines Sitzes begrenzt wird, der durch Seitenwandungen, die in einer Schicht aus Photopolymer gebildet sind, abgeschlossen ist;

Durch die Anwendung dieser Technik werden, wenn die Opferschicht 57 mit einer Strukturschicht 38 aus einem geeigneten Harz bedeckt wird und anschließend das Opfermetall 57 entfernt wird, Kammern 42 und die dazugehörigen Zufuhrkanäle 56 (4), die durch konkave obere Wände 44, d. h. in der Form einer unterschiedlich ausgeprägten Kuppel, abgegrenzt sind und die den komplementären und wahren Abdruck der Form der Opferschicht 57 darstellen, in einfacher Weise in der Opferschicht erhalten. Darüber hinaus können bei einer einfachen Abwandlung des Verfahrens durch das Fortsetzen der Elektroabscheidung der Opferschicht „Säulen" 74 (22) mit einer komplementären, vorbestimmten Form der Düsen 46 erzeugt werden, so dass Ausstoßdüsen 46, die formgetreu an den Säulen 74 modelliert wurden, direkt in der Strukturschicht gebildet werden können.
Mit dieser Technik werden Ausstoßdüsen 46 erhalten, die genau mit den Kammern 42 und den entsprechenden Widerständen 39 ausgerichtet sind, wobei Posi tionierfehler, die auftreten, wenn die bekannten Techniken zur Herstellung der Düsen angewendet werden, vollständig beseitigt werden.
Das chemische Ätzen und Aktivieren eines Bereichs der Schicht aus Gold 36 mit einer vorbestimmten Größe ermöglicht den Beginn einer gleichmäßigen Abscheidung des Kupfers über der gesamten Oberfläche des Goldes und darüber hinaus an der Schicht aus Tantal beginnend von der Erstreckung dieses Bereichs. Dieser Vorgang erfolgt gleichzeitig an allen Dies 20, die zu dem Wafer 27 (3) gehören.
Das Kupfer beginnt mit der eigenen Abscheidung eigentlich erst im Bereich der Oberfläche der Keimschicht aus Gold 36, die zuvor begrenzt und aktiviert wurde, und erstreckt sich danach über die Schicht aus Gold hinaus an der Schicht aus Tantal 34, bis es eine Größe in der Horizontalen erreicht hat, die proportional zur gewünschten Dicke der Opferschicht 57 ist, entsprechend der Wachstumsrate, die sich nach dem Auswählen der Zusammensetzung des elektrolytischen Bades und der jeweiligen Zusätze eingestellt hat.
In der Praxis wird, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen, zum Erhalten der Kammern und der jeweiligen zugeordneten Kanäle mit vorbestimmten Abmessungen (in der Horizontalen), die durch die Erfordernisse der korrekten Funktion des Kopfes vorgegeben sind, der Oberflächenbereich der „Keimschicht", von dem aus die Abscheidung der Opferschicht beginnt, durch einen vorausgehenden Ätzvorgang an der Schicht aus aktiviertem Gold begrenzt. Das Wachstum des Kupfers wird nach einer vorbestimmten Zeitdauer unterbrochen, wobei nach deren Ablauf die Dicke der Opferschicht aus Kupfer einen vorher festgelegten Wert erreicht. Entsprechend diesem Wert ergibt sich eine klar abgegrenzte horizontale Erstreckung der Opferschicht, die durch die Wachstumsrate festgelegt wird, die sich anfangs aufgrund der Auswahl der Zusammensetzung des galvanischen Bades und dessen Zusätze eingestellt hat.
Folglich befindet sich die Keimschicht aus Gold nur in den Bereichen, in denen die Opferschicht zu wachsen beginnt, d. h. in den Bereichen, in denen die Kammern und die dazugehörigen Kanäle gebildet werden, ohne dabei die gesamte von der Schicht aus Tantal eingenommenen Fläche mit Gold bedecken zu müssen, wie dies beim Stand der Technik erforderlich ist. Dieses Hilfsmittel erfordert zwar eine spezielle Belichtungs-/Entwicklungs-Phase und ein zusätzliches Ätzen der Schicht aus Gold, hat jedoch wiederum den Vorteil, dass eine entsprechende Menge an Gold eingespart wird. Dies bedeutet auch, dass, wenn die Keimschicht aus Gold geätzt wird, die in Verbindung mit einer Sub-Ätzung (unter der Strukturschicht) auftretenden Probleme, die den Beginn eines Ablösens der Schicht selbst auslösen könnten, vermieden werden.
Darüber hinaus ist es zur Vermeidung des Vorhandenseins von Ungleichmäßigkeiten in den Kammern und den angeschlossenen Kanälen vorteilhaft, wenn sich die Schicht 34 aus Tantal in einem bestimmten Maß bezüglich der endgültigen Abmessung der Bodenwand der Kammern und der jeweiligen Kanäle außerhalb erstreckt.
Es folgt eine genaue Beschreibung der Arbeitsschritte zur Erzeugung der Kammern, der Zufuhrkanäle und der Ausstoßdüsen anhand des Flussdiagramms in 6.
Erste Ausführungsform: lichtempfindliche Strukturschicht

– In dem Anfangsschritt 100 wird der Wafer 27 (3) vorbereitet, wobei die Dies 20 für die nachfolgenden Schritte zur Herstellung der Kammern und der dazugehörigen Zufuhrkanäle gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verfügung stehen;
– In dem Schritt 101 wird eine zweifache dielektrische Schicht 32 bestehend aus einer ersten Schicht aus Siliziumnitrid (Si₃N₄), auf der anschließend eine Schicht aus Siliziumcarbid (SiC) aufgebracht wird, mit einer Gesamtdicke von vorzugsweise zwischen 0,4 und 0,6 μm abgeschieden; die Schicht 32 hat die Funktion, die Widerstände 30 (18) zu schützen, die jedoch nicht in 5 zu sehen sind, da sie sich außerhalb des Querschnittsbereichs befinden;
– In dem Schritt 102 wird eine Schicht aus Photoresist 33 (8) abgeschieden und deren lithografische Ätzung mit einer geeigneten Maske 35 durchgeführt, und zwar in der Position, in der anschließend die Zufuhrlöcher 50 geätzt werden;
– In dem Schritt 103, der mit Hilfe der 9 erläutert wird, werden die Zufuhrlöcher 50 mittels eines Trockenätzvorgangs der Schicht 32 aus Siliziumnitrid und Siliziumcarbid und des Substrats aus Silizium 30 durch eine Tiefe in dem Silizium von vorzugsweise zwischen 15 und 20 μm und mit einem Durchmesser von in etwa 15 μm geätzt; in dem Schritt 104 (10) werden die Rückstände der Schicht aus Photoresist 33 entfernt;
– In dem Schritt 105, der anhand der 11 erläutert wird, wird in einem Sputtervorgang eine Schicht 34 aus Tantal mit einer Dicke von vorzugsweise zwischen 0,4 und 0,6 μm auf der Schicht 32 aus Siliziumnitrid und Siliziumcarbid abgeschieden. Diese wird wiederum mit einer Schicht 36 aus Gold mit einer Dicke von vorzugsweise zwischen 100 und 200 A° bedeckt; im Anschluss an diesen Vorgang bedecken die Metalle der beiden Schichten 34 und 36 teilweise den Rand der Löcher 50, wie in 11 zu sehen ist;
– In dem Schritt 106, der anhand der 12 erläutert wird, wird ein positives Photoresist 45 aufgebracht, belichtet und entwickelt, um die Geometrie der Schichten aus Gold 36 und Tantal 34 festzulegen;
– In dem Schritt 107 werden die Schichten aus Gold 36 und Tantal 34 geätzt (13);
– Im Schritt 108 wird das positive Photoresist 45 (14) ein zweites Mal belichtet und entwickelt, um die Geometrie der Goldschicht 36 festzulegen;
– In dem Schritt 109 wird die Schicht aus Gold 36 geätzt, um die sog. Keimschicht 37 (4 und 15) zu erzeugen, deren Abmessungen vorher festgelegt werden, um die gewünschte Form und Größe der Bodenwand der Ausstoßkammern 42 und der dazugehörigen Zufuhrkanäle 56 (4) zu bilden;
– In dem Schritt 110 wird der verbleibende Teil des Photoresists entfernt;
– In dem Schritt 111 wird die Fläche aus Gold 36 mit Hilfe des Plasmaätzens in einer Sauerstoffatmosphäre gereinigt, um etwaige organische Rückstände zu beseitigen. Gleichzeitig wird die Fläche der Schicht 36 aus Gold chemisch aktiviert, um den Beginn der Elektroabscheidung von Kupfer in Gang zu setzen, wie in dem nächsten Schritt beschrieben;
– In dem Schritt 112, der anhand der 16 erläutert wird, wird eine Opferschicht 57 abgeschieden, ausgehend von der Schicht 36 aus Gold mit Hilfe der Elektroabscheidung von elektrolytischem Kupfer, der verwendet wird, um die Kammern und die daran angeschlossenen Zufuhrkanäle gemäß der Erfindung zu bilden. Die Elektroabscheidung von Kupfer erfolgt unter Verwendung eines galvanischen Bades, dessen chemische Zusammensetzung und Zusätze es erlauben, das prozentuale Wachstum in der Horizontalen (x-Achse) relativ zu dem in der Vertikalen (y-Achse) zu steuern. Mithilfe dieser Technik kann die Opferschicht 57 in einem freien Wachstum in der Horizontalen, d. h. ohne die Verwendung eines dicken enthaltenen Resists, abgeschieden werden. Bei diesem Verfahren wächst die obere äußere Fläche 58 der Opferschicht in einer konvexen Form, typischerweise in der Form einer unterschiedlich ausgeprägten Kuppel. Durch die chemische Aktivierung der Fläche 36 aus Gold, die bei dem vorhergehenden Schritt erwähnt wurde, kann ein freies und gleichmäßiges Abscheiden des Kupfers ausgehend von der gesamten Fläche 36 aus Gold und darüber hinaus die Fortsetzung des Wachstums des Kupfers an der Schicht aus Tantal 34 über die Schicht aus Gold 36 hinaus begonnen werden. Diese Schichten 34 und 36 bilden den Boden der Ausstoßkammern. In der Praxis werden bei dieser nicht einschränkenden Ausführungsform die Abmessungen der Opferschicht 57 in der Horizontalen (x-Achse), die mit den vorher festgelegten Abmessungen der Bodenwand der Kammern und der daran angeschlossenen Kanäle übereinstimmen, durch die entsprechenden Abmessungen in der Vertikalen (z-Achse), die gleich der Innenhöhe der Kammern 42 sind, in Übereinstimmung mit der vorbestimmten Wachstumsrate des Kupfers festgelegt.

Als eine Alternative zu Kupfer kann auch Nickel verwendet werden, um die Opferschicht zu bilden.

– In dem Schritt 113, der anhand der 17 erläutert wird, wird eine lichtempfindliche Strukturschicht 38 aufgebracht, die die Fläche 61 des Dies 20 und die Außenfläche 58 der Opferschicht 57 bedeckt. Die lichtempfindliche Schicht 38 hat eine Dicke von vorzugsweise zwischen 10 und 60 μm und besteht aus einem negativen Photoresist vom Epoxid- oder Polyamidtyp.
– In dem Schritt 114 wird die Strukturschicht 38 einer Vorbackbehandlung bei niedriger Temperatur, vorzugsweise nicht über 90°C, unterzogen;
– In dem Schritt 115, der anhand der 18 erläutert wird, werden die Düsen 46 durch die Strukturschicht 38 mittels Belichten und Entwickeln gebildet. Es sei darauf hingewiesen, dass 18 eine Ansicht im Schnitt des Dies 20 entlang der Linie XVIII-XVIII in 4 ist und eine Schicht 63 zwischen der Siliziumschicht 30 und der Schutzschicht 32 zeigt: Die Schicht 63 repräsentiert in knapper Form den Satz von Filmen, welche die Mikroelektronik hinter der Steuerung des Ausstoßens der Tintentröpfchen durch die Düse 46 bilden, die mittels in der Schicht 63 mit Hilfe von dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannten Techniken gebildeten Widerständen 39 erhalten wird;
– In dem Schritt 116 erfolgt an der Strukturschicht 38 ein Nachbackvorgang bei einer Temperatur von vorzugsweise zwischen 150 und 250°C;
– In dem Schritt 117 erfolgt das anisotrope Ätzen des Schlitzes 48 in dem unteren Teil der Siliziumschicht 30 (19) mittels einer Nasstechnik, die z. B. KOH oder TMHA verwendet. Das Ätzen des Siliziums wird bis zur Öffnung der Löcher 50 fortgesetzt, so dass die Dicke der verbleibenden Schicht 30a aus Silizium, in Übereinstimmung mit dem Schlitz 48, in etwa 10 μm beträgt;
– In dem Schritt 118 wird die Opferschicht 57 mit einem chemischen Ätzvorgang entfernt, der mit Hilfe eines hoch säurehaltigen Bades, das z. B. aus einer Mischung von HCl und HNO3 in einer Lösung besteht, ausgeführt wird. Die spezielle konvexe Form der oberen Fläche 58 der Opferschicht 57, die mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erhalten wurde, ohne scharfe Kanten und tote Winkel, ermöglicht es, dass das gesamte Kupfer, das die Opferschicht 57 hat, vollständig entfernt werden kann (7);
– Am Ende dieses Vorgangs werden die Kammern 42 und die Kanäle 56 (4),deren innere Form genau den Abdruck der Opferschicht 57 bildet, erhalten, indem die obere Fläche 44 der Kammern und der daran angeschlossenen Kanäle genau die äußere Fläche 58 der Opferschicht 57 wiedergeben.
– In dem Schritt 119 wird die obere Fläche 40 der Strukturschicht 38 (7) mit Hilfe eines mechanischen Läppvorgangs und einer gleichzeitigen chemischen Behandlung vom CMP-Typ (chemisch-mechanisches Polieren), oder anderer ähnlicher Verfahren, planarisiert;
– In dem Schritt 120 wird an der äußeren Oberfläche 40 der Strukturschicht 38 zum Schutz des Harzes eine metallische Schicht 41, vorzugsweise aus Chrom, mit einer Dicke von in etwa 1000 Å durch Vakuumverdampfung abgeschieden, um eine Wasser abweisende äußere Fläche (Antinass), die kratz- und korrosionsbeständig ist, für die Außenfläche der Strukturschicht 38 aus Harz zu erzeugen.
– Die abschließenden Arbeiten erfolgen im Schritt 121, die dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt sind, wie z. B.:
– das Zerteilen der Wafer 27 in einzelne Dies 20;
– das Anlöten eines, nicht in den Zeichnungen gezeigten, flachen Kabels an den Kontaktflächen an jedem Die mit Hilfe des bekannten TAB-Verfahrens;
– das Befestigen des Dies mit dem jeweiligen flachen Kabel an dem Tankbehälter des Kopfes;
– Befüllen des Tanks mit Tinte und der abschließende Test.

Zweite Ausführungsform: nicht-lichtempfindliche Strukturschicht
Die zweite Ausführungsform wird im Folgenden anhand des Flussdiagramms in 20 und der 21–23 beschrieben.
Nachdem der Schritt 112, der in dem Flussdiagramm in 6b angegeben ist, ausgeführt wurde, wird das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung mit den nachfolgend beschriebenen Schritten fortgeführt:

– In dem Schritt 122 (21) wird eine Schicht 68 aus einem dicken, positiven Photoresist in verschiedenen Durchlaufen aufgebracht, die mit Pausen dazwischen abwechseln, um die Kompaktheit der Schicht zu verbessern. Als das positive Photoresist kann das käufliche erhältliche und dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannte AZ4562, mit einer Dicke von vorzugsweise zwischen 25 und 60 μm, verwendet werden;
– In dem Schritt 123 erfolgt das Belichten und Entwickeln des positiven Photoresists 68, um die Löcher 70 mit einer inneren Aufweitung zu erzeugen, die später dazu verwendet wird, um eine Gussform für die Düsen 46 zu bilden;
– In dem Schritt 124 erfolgt ein Reinigungsvorgang vom Plasmaätz-Typ, um die Rückstände von der Entwicklung des Photoresists 68 in den Löchern 70 zu beseitigen;
– In dem Schritt 125 erfolgt ein Mikroätzvorgang eines Bereichs 72 (21) der Opferschicht aus Kupfer, der in Übereinstimmung mit dem Loch 70 unbedeckt bleibt, auf dem Kupfer gleichmäßig anwächst, um eine Säule 74 aus Metall zu bilden, die die Gießform für die Düse 46 darstellt, wie in den folgenden Schritten beschrieben;
– In dem Schritt 126, der in 22 gezeigt ist, wird das elektrochemische Wachstum des Kupfers in dem Loch 70 direkt an der Opferschicht 57 fortgesetzt, um die Säule oder Gießform 74 aufzubauen;
– Im Schritt 127 wird die Schicht aus dickem, positiven Photoresist 68 entfernt;
– In dem Schritt 128, der in 23 gezeigt ist, wird eine Strukturschicht 75 aus Epoxidharz oder einem nicht-lichtempfindlichen Polyamidharz mit einer Dicke von vorzugsweise zwischen 25 und 60 μm aufgebracht, um die Opferschicht 57, die die Gießform 74 der Düse 46 enthält, vollständig zu bedecken. Diese Harzart wird in vorteilhafter Weise verwendet, um einen größeren Widerstand gegen die aggressive Umgebung, die durch die Tinte, insbesondere wenn sie sehr einfach ist, erzeugt wird, zu schaffen;
– In dem Schritt 129 erfolgt die Planarisierung an der oberen Fläche 76 der Strukturschicht 75 mittels eines mechanischen Läppvorgangs und einer gleichzeitigen chemischen Behandlung vom CMP-Typ (chemisch-mechanisches Polieren), oder anderen ähnlichen Verfahren, um die obere Kuppel 74a der Form 74 aus Kupfer freizulegen.

Das Verfahren wird mit dem anisotropen Ätzen des Schlitzes 48 und dem Entfernen der Opferschicht 57 fortgesetzt, wie bereits in Schritt 116 und den folgenden Schritten, die in dem Flussdiagramm in 6b angegeben sind, beschrieben.
Dritte Ausführungsform: nicht-lichtempfindliche Strukturschicht Bei der folgenden dritten Ausführungsform sind die Schritte 113 und 115 durch die Schritte 13 und 131 ersetzt worden:

– In dem Schritt 130 wird eine nicht-lichtempfindliche Strukturschicht 38a (18) aufgebracht, um die Fläche 61 des Dies 20 und die äußere Fläche 58 der Opferschicht 57 zu bedecken. Die nicht-lichtempfindliche Schicht 38a hat eine Dicke von vorzugsweise zwischen 10 und 60 μm und besteht aus Epoxidharz oder Polyamidharz vom negativen Harztyp;
– In dem Schritt 114 werden die Düsen 46 (18) durch die nicht-lichtempfindliche Strukturschicht 38a hindurch unter Verwendung der Excimerlasertechnologie gebildet. Dieser Lasertyp hat den Vorteil, dass er automatisch deaktiviert wird, wenn er auf die obere Fläche der Opferschicht 57 aus Kupfer auftrifft, so dass es nicht erforderlich ist, etwaige Maßnahmen zu ergreifen, um die aggressive Wirkung des Laserstrahls zu unterbrechen, wie es bei anderen Lasertypen erforderlich ist. Insbesondere ist es durch das Fokussieren des Laserstrahls in geeigneter Weise möglich, die Düsen in einer zylindrischen Form oder trichterförmig herzustellen, wobei deren größere Basis mit der Oberfläche der Opferschicht 57 in Kontakt ist.

Das Herstellungsverfahren wird mit dem anisotropen Ätzen des Schlitzes 48 und dem Entfernen der Opferschicht 57 fortgesetzt, wie bereits in dem Schritt 115 und den nachfolgenden Schritten, die in dem Flussdiagramm in 6b angegeben sind, beschrieben.
Es wird festgestellt, dass die einzelnen Details der Herstellung und der Ausführungsformen im Hinblick auf das Beschriebene und Dargestellte weitgehend verändert werden können, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung wie beansprucht zu verlassen.

Claims

Tintenstrahldruckkopf zum Auswerfen von Tintentröpfchen auf ein Druckmedium, umfassend ein Substrat aus Silizium (30), eine Strukturschicht (38) über dem Substrat aus Silizium (30), und mehrere Ausstoßkammern (42) und Zufuhrkanäle (56, 50), wobei in jeder Kammer (42) wenigstens ein Widerstand (39) angeordnet ist, die Strukturschicht (46) mit mehreren Ausstoßdüsen (46) versehen ist, die mit jeder der Kammern (42) in Verbindung stehen und einem jeden der Widerstände (39) zugewandt angeordnet sind, wobei jede der Kammern (42) und jeder dazugehörige Zufuhrkanal (56) begrenzt ist durch eine flache Bodenwand (43), die von einer Schutzschicht (32, 34) der Widerstände (39) gebildet wird, und durch eine Oberwand (44), die von einer im Wesentlichen konkaven Fläche gebildet wird, die jede der Düsen (46) umfasst und die mit der Bodenwand entlang einer durchgehenden Außenumfangslinie (52) verbunden ist, so dass die Vorgänge des Bildens und Entwickelns eines Ausstoßbläschens aus Tinte, das von jedem der Widerstände (39) thermisch erzeugt wird, gefördert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (32, 34) aus einer ersten Schicht aus Tantal (34) besteht, die der Innenseite der Kammer (42) zugewandt ist und die über einer zweiten Isolierschicht (32) aus Siliziumcarbid und Siliziumnitrid abgeschieden ist, in Kontakt stehend mit den Widerständen (39) angeordnet ist, wobei die erste Schicht aus Tantal (34) die Bodenwand (43) der Kammer (42) und der mit diesen verbundenen Kanäle (56) bildet, und wobei sich die Schicht aus Tantal (34) im Wesentlichen über die Außenumfangslinie (52) hinaus erstreckt.
Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die konkave Oberwand (44) durchgehend mit dem Zufuhrkanal (56), der Bodenwand (43) und der Düse (46) verbunden ist.
Tintenstrahldruckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Form einer jeden Kammer (42) und eines jeden Zufuhrkanals (56) dem komplementären Abdruck, der in einer lichtempfindlichen Strukturschicht (38) erzeugt wurde, einer Opferschicht (57) entspricht, die durch ein kontrolliertes und peripheres Anwachsen eines Metalls erhalten wurde, das beginnend mit einer Schicht aus Gold (36) über der Schicht aus Tantal (34) abgelagert wurde.
Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturschicht (38) aus einem negativen Photoresist vom Epoxid- oder Polyamid-Typ besteht, das auf die Opferschicht aufgebracht wird und diese vollständig bedeckt.
Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Form einer jeden Kammer (42), eines jeden Zufuhrkanals (56) und einer jeden Düse (46) dem komplementären Abdruck, der in einer lichtempfindlichen Strukturschicht (38a) erzeugt wurde, einer Opferschicht (57) und jeweils einer Abdruckform (74) entspricht, die durch ein kontrolliertes und peripheres Anwachsen eines Metalls erhalten wurden, die beginnend mit einer Schicht aus Gold (36) über der Schicht aus Tantal (34) abgelagert wurden.
Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturschicht (38a) aus einem nicht-lichtempfindlichen negativen Photoresist vom Epoxid- oder Polyamid-Typ besteht, das auf die Opferschicht (57) und auf die Abdruckform (74) aufgebracht wurde und diese vollständig bedeckt.
Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferschicht (57) und die Schicht aus Gold (36) mittels eines Säurebades entfernt werden, um die Kammern (42) und die mit diesen verbundenen Zufuhrkanäle (56) zu erzeugen.
Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferschicht (57) aus elektrolytischem Kupfer besteht.
Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferschicht aus Nickel besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes, der an einem Wafer (27) gebildet wird, der in mehrere Die (20) unterteilt ist, die jeweils ein Substrat aus kristallinem Silizium (30), mehrere thermische Betätigungselemente (39), die auf dem Substrat aus kristallinem Silizium (30) angeordnet sind, eine Schutzschicht (34, 36) bestehend aus einer Schicht (34) aus Tantal, die wiederum von einer Schicht (36) aus Gold bedeckt wird, aufweisen, gekennzeichnet dadurch die folgenden Schritte: a) chemisches Aktivieren der Schicht aus Gold (36), um den Beginn einer darauf folgenden Elektroablagerung eines Metalls (57) unter Verwendung eines galvanischen Bades in Gang zu setzen; b) Durchführen einer Elektroablagerung des Metalls (57) auf der Schicht (36) aus Gold, um eine Opferschicht (57) zu bilden, die durch ein kontrolliertes und peripheres Anwachsen erhalten wird, sowohl parallel als auch senkrecht zur Schicht (36) aus Gold; c) Aufbringen einer lichtempfindlichen Strukturschicht (38), welche die Opferschicht (57) vollständig bedeckt; d) Bilden mehrerer Düsen (46) durch die Strukturschicht (38) unter Anwendung eines Photoätzverfahrens; e) Entfernen der Opferschicht (57) durch einen chemischen Ätzvorgang in Form eines hoch sauren Bades, um mehrere Kammern (42) zum Auswerfen der Tinte und die mit den Kammern verbundenen Zufuhrkanäle (56) zu erzeugen, die innen durch eine flache Bodenwand (43), die aus den Schicht aus Tantal (34) und aus Gold (36) besteht, und eine konkave obere Fläche (44), die durchgehend mit der Bodenwand (43) verbunden ist, begrenzt wird, wobei die obere Fläche (44) einen komplementären und genauen Abdruck der Opferschicht (57) darstellt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt a) durch den folgenden Schritt ersetzt wird: f) Ätzen der Schicht (36) aus Gold, um einen Anfangsbereich der Elektroablagerung festzulegen, der den späteren Abmessungen der Ausstoßkammern (42) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte c) und d) ersetzt werden durch die Schritte: g) Aufbringen einer Schicht aus dickem positiven Photoresist (68) in verschiedenen Durchläufen, die mit Pausen dazwischen abwechseln, über der Opferschicht (57), um eine verbesserte Planarisierung der oberen Fläche des Photoresists (68) zu erhalten; h) Belichten und Entwickeln des dicken positiven Photoresists, wodurch Löcher (70) mit einer inneren Aufweitung gebildet werden; i) Durchführen eines Reinigungsvorgangs mit dem Plasmaätzverfahren „Asher", um Spuren von Photoresistrückständen in den Löchern (70) zu beseitigen; m) Durchführen eines Mikroätzens und Aktivieren eines oxidierten Abschnitts (72) der Oberfläche der Opferschicht (57) in Übereinstimmung mit den Löchern (70); n) Reaktivieren des elektrochemischen Anwachsens von elektrolytischem Kupfer in den Löchern (70) direkt auf der Opferschicht (57), um eine Abdruckform (74) der Düsen (70) zu bilden; o) Entfernen der Schicht aus dickem positiven Photoresist (68); p) Aufbringen einer Strukturschicht aus nicht-lichtempfindlichem Epoxid- oder Polyamidharz (75), welche die Opferschicht (57) einschließlich der Abdruckform (74) vollständig bedeckt; q) Durchführen einer Planarisierung einer oberen Fläche (76) der nicht-lichtempfindlichen Strukturschicht (75), wodurch eine obere Kuppe (74a) der Abdruckform (74) aus Kupfer freigelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-lichtempfindliche Strukturschicht (75) mit einer Dicke von vorzugsweise zwischen 25 und 60 μm gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte c) und d) ersetzt werden durch die folgenden Schritte: r) Aufbringen einer nicht-lichtempfindlichen Strukturschicht (38a), die die äußere Fläche (58) der Opferschicht (57) bedeckt, wobei die nicht-lichtempfindliche Schicht (38a) eine Dicke von vorzugsweise zwischen 10 und 60 μm hat und aus einem negativen Harz vom Epoxid- oder Polyamidtyp besteht; s) Bilden mehrerer Düsen (46) durch die Strukturschicht (38a) unter Verwendung der Excimerlasertechnologie.