DE69019397T2 - Verfahren zur Herstellung von Tintenstrahldruckknöpfen. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf Tintenstrahldruckvorrichtungen und insbesondere auf thermische Tintenstrahldruckköpfe, die durch eine anisotrope Ätztechnik hergestellt sind, die ein vorgegebenes, selektives Masken-Hinterschneiden bzw. -Unterätzen verwendet, um Druckköpfe zu bilden, die robust sind, ohne die Auflösung zu verschlechtern.
• Thermisches Tintenstrahldrucken ist ein Typ eines Tintenstrahlsystems mit einem befehlsmäßigen Tropfenausstoßen, wobei ein Tintenstrahldruckkopf Tintentröpfchen auf Befehl durch die selektive Beaufschlagung von elektrischen Impulsen auf thermische Energiegeneratoren, gewöhnlich Widerstände, ausstößt, von denen einer jeweils in kapillarmäßig gefüllten, parallelen Tintenkanälen unter einem vorgegebenen Abstand anströmseitig der Kanaldüsen oder Öffnungen angeordnet ist. Der Kanal endet gegenüberliegend den Düsen, die mit einem kleinen Tintenreservoir, mit dem eine größere, externe Tintenzuführung verbunden ist, in Verbindung steht.
• Die US-Re-A-32,572 offenbart einen thermischen Tintenstrahldruckkopf und verschiedene Herstellverfahren dafür. Jeder Druckkopf ist aus zwei Teilen zusammengesetzt, die zueinander ausgerichtet und zusammengebondet sind. Ein Teil ist ein im wesentlichen flaches Substrat, das auf der Oberfläche davon eine lineare Flächenanordnung von Heizelementen und Adressierelektroden besitzt, und das zweite Teil ist ein Siliziumsubstrat, das mindestens eine Ausnehmung besitzt, die anisotropisch darin geätzt ist, um als ein Tintenzuführverteiler zu dienen, wenn die zwei Teile zusammengebondet sind. Eine lineare Flächenanordnung aus parallelen Vertiefungen ist auch in dem zweiten Teil gebildet, so daß ein Ende der Vertiefungen mit der Verteilerausnehmung in Verbindung steht und die anderen Enden zur Verwendung als Tintentröpfchen ausstoßende Düsen offen sind. Viele Druckköpfe können gleichzeitig durch Herstellung einer Vielzahl von Sätzen von Heizelementen an Feldanordnungen mit deren Adressierelektroden auf einem Siliziumwafer und durch Anordnung von Ausrichtungsmarkierungen darauf an vorgegebenen Stellen hergestellt werden. Eine entsprechende Vielzahl von Sätzen von Kanalvertiefungen und zugeordneten Verteilern werden in einem zweiten Siliziumwafer hergestellt. In einer Ausführungsform werden die Ausrichtungsöffnungen in dem zweiten Siliziumwafer an vorgegebenen Stellen geätzt. Die zwei Wafer werden über die Ausrichtungsöffnungen und Ausrichtungsmarkierungen ausgerichtet, dann zusammengebondet und dann in viele getrennte Druckköpfe würfelmäßig unterteilt.
• Die US-A-4,638,337 offenbart einen thermischen Tintenstrahldruckkopf ähnlich demjenigen der US-A-Re-32,572, allerdings besitzt er jedes seiner Heizelemente in einer Ausnehmung angeordnet. Die Ausnehmungswände, die die Heizelemente enthalten, verhindern die seitliche Bewegung der Blasen durch die Düse und deshalb die plötzliche Freigabe der verdampften Tinte an die Atmosphäre, was als Ausblasen bzw. Blow-out bekannt ist, das ein Einlassen von Luft bewirkt und den Druckkopfbetrieb unterbricht, immer wenn dies auftritt. In diesem Patent wird eine organische Dickfilmstruktur zwischen der Heizeinrichtungsplatte und der Kanalplatte zwischengefügt. Der Zweck dieser Schicht ist, Ausnehmungen zu haben, die darin direkt oberhalb der Heizelemente gebildet sind, um die Blase aufzunehmen, die über den Heizelementen gebildet wird, wodurch ein Vergrößern der Tröpfchengeschwindigkeit ohne das Auftreten von Dampfausblasungen zusammen mit einem Luftanziehen ermöglicht wird.
• Die US-A-4,774,530 offenbart die Verwendung einer gemusterten, isolierenden Dickfilmschicht, um den flachen Durchgangsweg zwischen den Tintenkanälen und dem Verteiler zu bilden, wodurch die Herstellung von Stufen vermieden wird, die dazu erforderlich sind, die geschlossenen Enden der Kanalvertiefungen zu der Verteilerausnehmung so zu öffnen, daß das Druckkopfherstellverfahren vereinfacht wird.
• Die US-A-4,786,357 offenbart die Verwendung von gemusterten, isolierenden Dickfilmschichten zwischen den zueinander passenden und miteinander verbondeten Substraten. Ein Substrat besitzt eine Vielzahl von Heizelementenfeldanordnungen und Adressierelektroden, die auf der Oberfläche davon gebildet sind, das andere ist ein Siliziumwafer, der eine Vielzahl von geätzten Verteilern besitzt, wobei jeder Verteiler einen Satz Tintenkanäle besitzt. Die gemusterte Dickfilmschicht bildet einen Freiraum oberhalb jedes Satzes von Kontaktflächenanschlüssen der Adressierelektroden, um die Entfernung von unerwünschtem Siliziummaterial des Wafers durch wüfelmäßiges Unterschneiden ohne das Erfordern von geätzten Ausnehmungen darin zu ermöglichen. Die einzelnen Druckköpfe werden im wesentlichen durch würfelmäßiges Zerteilen des Substrats, das die Heizelementenfeldanordnungen besitzt, gebildet.
• Die US-A-4,639,748 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Substrats für einen thermischen Tintenstrahldruckkopf, bei dem ein Siliziumwafer zuerst isotropisch für eine kurze Zeit geätzt wird, um eine dünne Nitridmaske zu "unterätzen" bzw. zu "hinterschneiden", und dann wird anisotropisch geätzt, um die Bildung der erwünschten Öffnungen abzuschließen.
• Wie in den vorstehenden Patenten offenbart ist, werden die Tintenstrahldruckköpfe aus zwei Substraten hergestellt. Ein Substrat enthält die Heizelemente und das andere enthält die Tintenausnehmungen. Wenn diese zwei Substrate zueinander ausgerichtet und miteinander verbunden werden, dienen die Ausnehmungen als Tintendurchgangswege. Eine Vielzahl jedes Substrats wird auf gesonderten Wafern gebildet, so daß die Wafer zueinander ausgerichtet, einander angepaßt und würfelmäßig in viele einzelne Druckköpfe unerteilt werden können. Der Wafer für die Mehrzahl der Sätze der Ausnehmungen besteht aus Silizium und die Ausnehmungen werden durch ein anisotropisches Ätzverfahren gebildet. Das anisotrope oder orientierungsabhängige Ätzen ist so dargestellt worden, daß es ein hochergiebiges Herstellverfahren für präzise, miniaturisierte Druckköpfe ist. Sie sind billige, hochauflösende, elektronisch adressierbare Drucker mit einer hohen Zuverlässigkeit. Solche Druckköpfe besitzen gewöhnlicherweise eine Breite von etwa 6 mm und drucken kleine Gebindestrukturen von Informationen über ein feststehendes Aufzeichnungsmedium, wie beispielsweise Papier. Das Papier wird dann um den Abstand einer Gebindestruktur schrittweise vorgeschoben und das Druckverfahren wird fortgeführt, bis die gesamte Papierseite bedruckt ist. Dies ist ein Niedriggeschwindigkeitsverfahren.
• Bei der Bemühung, die Druckgeschwindigkeit zu erhöhen, sind größere Flächenanordnungnen von Düsen erforderlich. Jede ein Tintentröpfchen abgebende Düse erfordert einen Tintenkanal, der mit einem Tintenreservoir oder einem Verteiler in Verbindung steht. Um das Ätzen nur von einer Seite des Wafers aus abzuschließen, wird das Reservoir durch den Wafer so geätzt, daß der offene Boden als Tinteneinlaß dienen kann. Da die Flächenanordnungsgröße ansteigt, folgt dies auch für das Reservoir und demzufolge für den Tinteneinlaß. Da der Flächenbereich der Durchätzung der Reservoire ansteigt, wird die Waferfestigkeit herabgesetzt und das Ergebnis fällt ab, da viele der zerbrechlichen Wafer während der darauffolgenden Zusammenbauvorgänge beschädigt werden.
• Während das anisotrope Ätzverfahren viele Eigenschaften besitzt, ist eines seiner Nachteile derjenige, daß ein sehr begrenzter Satz von Geometrien aufgrund der {111}-Ätzbeendigungsebenen, die eine Pyramide mit der {100}-Ebene als Basis bilden, zur Verfügung stehen. Deshalb können nur quadratische und rechteckige Formen in der {100}-Oberflächenebene erzeugt werden und, senkrecht zu der {100}-Ebene, werden pyramidenförmige Vertiefungen bzw. Gruben gebildet. Die quadratischen Ätzgruben können punktförmig werden oder rechteckige Gruben können zu einer Kante gelangen, falls zugelassen wird, daß das Ätzverfahren fortfährt, bis ein vollständiger {100}-Ebenenabschluß auftritt, oder der Boden der Grube kann eine {100}-Ebene parallel zu der Oberfläche hinterlassen, wenn das Ätzen nicht abgeschlossen wird. Natürlich wird, wenn der quadratische oder rechteckige Durchgang in der Ätzwiderstandsmaske relativ zu seiner Dicke groß genug ist, die quadratische oder rechteckige, geätzte Vertiefung hindurchgeätzt werden und wird an dem Boden offen sein, wobei die Ausnehmungswände {111}-Ebenen sein werden.
• Für Siliziumdruckköpfe macht ein anisotropisches oder orientierungsabhängiges Ätzen von Siliziumwafern von dem bevorzugten Ätzen der {100}-Ebenen zu den {111}-Ebenen Gebrauch. Dieses Ätzratenverhältnis kann größer als 100:1 sein. Wie vorstehend besprochen ist, wird ein Siliziumwafer mit einem Material beschichtet, das inert hinsichtlich des anisotropen Ätzbads ist, wie beispielsweise eine Siliziumnitrid-Maskierungsschicht in einem Ätzbad aus Kaliumhydroxid (KOH). Diese Beschichtung eines ätzbeständigen Materials, üblicherweise Siliziumnitrid, wird widerstandsbeschichtet, foto-bemustert und plasmageätzt, um ein Muster von Durchgängen in dem Siliziumnitrid zu bilden. Der Wafer wird dann in ein Ätzmittel gelegt, wobei die sich ergebenden Vertiefungen {111}-Kristallebenenwände besitzen. In Abhängigkeit von der Größe der Durchgänge und der Zeit in dem Ätzmittel werden V-förmige Vertiefungen und Durchgangsöffnungen gebildet. Kritisch hinsichtlich eines orientierungsabhängigen Ätzens ist die Ausrichtung der Durchgangsmuster hinsichtlich der {111}-Ebene, da irgendeine Drehung zu dieser zu vergrößerten, geätzten Vertiefungen führt. Dicht benachbarte Durchgänge können deshalb bewirken, daß die geätzten Ausnehmungen ineinanderübergehen, wodurch das beabsichtigte Design zerstört wird. Diese Erfindung befaßt sich mit diesen orientierungsabhängigen Ätzproblemen, wobei ermöglicht wird, daß größere Druckköpfe hergestellt werden können, ohne die Zerbrechlichkeit der geätzten Wafer zu erhöhen.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine erhöhte, dimensionsmäßige Steuerung des Ätzverfahrens während der Herstellung der anisotropisch geätzten Kanalplatte oder des Wafers zu schaffen.
• Dementsprechend schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von thermischen Tintenstrahldurckköpfen, wie dies in den beigefügten Ansprüchen beansprucht ist.
• Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahmne auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
• Figur 1 eine teilweise dargestellte, vergrößerte, isometrische Ansicht eines anisotropisch geätzten Wafer bzw. einer Scheibe zeigt, die vor dem Abschluß der Ätzperiode dargestellt ist;
• Figur 2 eine Querschnittsansicht eines Bereichs des Wafers der Figur 1 zeigt, und zwar aus Sicht entlang der Sichtlinie 2-2;
• Figur 3 eine vergrößerte, schematische Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform der Kanalplatte zeigt, die in Figur 1 dargestellt ist;
• Figur 4 eine vergrößerte Draufsicht des Oberflächenbereichs der Figur 1 und/oder 3 zeigt, der durch den Kreis A umkreist ist;
• Figur 5 eine Querschnittsansicht der Kanalplatte der Figur 3 zeigt, und zwar aus Sicht entlang der Sichtlinie 5-5;
• Figur 6 eine schematische, isometrische Ansicht der Kanalplatte der Figur 3 zeigt, wobei die Ätzwiderstandsmaske entfernt ist, und
• Figur 7 eine schematische, isometrische Ansicht der Kanalplatte der Figur 3 zeigt, wobei die Ätzwiderstandsmaske entfernt ist, um die Ergebnisse des frühen Hinterschneidens darzustellen.
• Gemäß der US-A-4,638,337 und der US-Re-A-32,572 können thermische Tintenstrahldruckköpfe in einer Massenherstellung durch Unterteilung mindestens zweier zueinander passender, planarer Substrate hergestellt werden, die an sich gegenüberliegenden Obnerflächen davon jeweils angepaßte Sätze von linearen Feldanordnungen von Heizelementen mit Adressierelektroden und linearen Feldanordnungen von parallelen, langgestreckten Vertiefungen enthalten, wobei jeder Satz der Vertiefungen mit einer gemeinsamen Ausnehmung zwischenverbunden ist, die eine Öffnung durch die gegenüberliegende Substratoberfläche besitzt. Die langgestreckten Vertiefungen dienen als Tintenkanäle und die gemeinsame Ausnehmung dient als ein Tintenreservoir oder ein Verteilerkanal. Die Ausnehmungsöffnung ist der Tinteneinlaß, mit dem eine Tintenzuführung verbunden ist. Jeder Tintenkanal enthält ein Heizelement und der Unterteilungsvorgang, allgemein ein würfelartiger Zerteilungs- bzw. Chip-Schneidvorgang, öffnet die Enden der Tintenkanäle gegenüberliegend den Enden, die mit dem Verteiler verbunden sind, falls sie nicht schon offen sind, und bildet die die Düse enthaltende Oberfläche. Nach dem Zerteilungsvorgang werden die Heizelemente an einer vorgegebenen Stelle anströmseitig der Düsen angeordnet. Der Hauptunterschied zwischen den vorstehend angegebenen Patenten ist derjenige, daß das erstere eine zwischendickfilmartige, fotohärtbare Polymerschicht enthält, die sandwichartig zwischen den angepaßten Substraten zwischengefügt ist. Die Dickfilmschicht ist so gemustert, um die Heizelemente freizulegen, wodurch die Heizelemente wirksam in einer Vertiefung angeordnet werden, deren vertikale Wände verhindern, daß ein Dampfblasenanwachsen in der Richtung parallel zu der Heizelementenoberfläche entsteht. Dies verhindert ein Dampfausblasen und das daraus resultierende Einlassen von Luft, das zu einem schnellen Druckkopf-Fehlmodus führt.
• Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines thermischen Tintenstrahldruckkopfs, das die Steuerung des Separationsabstands zwischen den Durchgängen, die in der geätzten Widerstandsmaske gemustert sind, so daß die geätzte Wand, die zwischen benachbarten Ausnehmungen gebildet wird, eine vorgegebene Dicke besitzt, die von beiden Seiten der angrenzenden Vertiefungen zu einem bestimmten Zeitpunkt vor dem Abschluß der Ätzperiode hinterschnitten bzw. unterätzt wird. Allgemein ist die Ätzperiode die Zeit, die zum vollständigen Ätzen durch einen (100)-Siliziumwafer erforderlich ist. An dem Punkt des Abschlusses des Hinterschneidens werden Ebenen, die nicht die Ebenen {111} sind, freigelegt und werden damit beginnen, unter einer sehr schnellen Rate zu ätzen; die Ätzrate liegt in der Größe derjenigen einer {100}-Ebene. Mit einer geeigneten Auswahl der anfänglichen Wandbreite kann die Ätzzeit der Wandzerstörung bzw. des Abbaus gesteuert werden und deshalb wird die Wandhöhe gesteuert. Eine Auswahl der anfänglichen Wandbreite ist demzufolge kritisch, um erfolgreich den Kanalplatten-Wafer herzustellen. Bei einer zu großen Breite wird die Wand nicht genug für die gegenüberliegenden Wandflächen hinterschnitten werden, um zu passen, während eine Wand, die zu schmal ist, zu früh hinterschnitten wird und die gesamte Wand wird weggeätzt werden.
• Wenn die Feldanordnungen der Tintenkanäle und der Düsen vergrößert werden, um die Breite der gedruckten Schwaden bzw. Gebindestrukturen von Informationen zu erhöhen und demzufolge die Druckgeschwindigkeit zu erhöhen, wird das Reservoir, das die Tinte zu den Kanälen zuführt, auch verlängert. Die Entfernung dieser Menge an Silizium über den Wafer verursacht einen wesentlichen Verlust der Waferfestigkeit und führt zu einem sehr zerbrechlichen Kanalplatten-Wafer.
• Wie die Figur 1 zeigt, ist die dort teilweise dargestellte, isometrische Ansicht eines gemusterten und teilweise anisotropisch geätzten Kanalplatten-Wafers für großflächige, thermische Tintenstrahldruckköpfe gezeigt. In einem typischen Druckkopf mit großer Feldanordnung werden etwa 200 Tintenkanäle mit 12 Kanälen pro mm, die einen Abstand von 16,5 mm überdecken, verwendet. Die eine gesamte Kanalplatte 12, die dargestellt ist, besitzt z.B. etwa 200 Tintenkanalausnehmungen 13 (weniger sind zur besseren Klarheit dargestellt) und ein segmentiertes Reservoir 14, das mindestens zwei individuell geätzte Durchgangsöffnungen 15 besitzt, die durch eine Wand 17 getrennt sind. Figur 2 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht einer der Kanalplatten 12 des Kanalplatten-Wafers 10, und zwar aus Sicht entlang der Sichtlinie 2-2 der Figur 1. Ein vollständiges Waferhindurchätzen führt zu einem Hinterschneiden "Y" der ätzbeständigen Maske 19 von etwa 7 Mikrometern. Irgendein Abstand zwischen getrennten Durchgängen in der ätzbeständigen Maske 19 geringer als 14 Mikrometer wird vollständig hinterschnitten, wenn sie von beiden Seiten geätzt wird, und beginnt damit, weggeätzt zu werden oder sich selbst zu dem Ende des Ätzprozesses hin zu zerstören. Mit einer geeigneten Auswahl der anfänglichen Wandbreite "X" (ungefähr 2 x Y) wird die Ätzzeit der Wandzerstörung bzw. des Wandabbaus gesteuert, so daß ein verbleibender Wandbereich 18, der in unterbrochener Linie dargestellt ist, gebildet wird, der als eine Verstärkungsrippe 18 wirkt und gleichzeitig eine Verbindung zwischen den einzelnen Durchgangsöffnungen 15 ermöglicht, so daß die verbundenen Durchgangsöffnungen als ein verlängertes, segmentiertes Reservoir 14 wirken. Nachdem der geätzte Kanalplatten-Wafer 10 ausgerichtet und an einem (nicht dargestellten) Heizelementenplatten-Wafer angebondet ist, wird er würfelmäßig entlang der Zerteilungslinien 21, 22 (siehe Figur 1) zerteilt, um eine Vielzahl einzelner (nicht dargestellter) Druckköpfe zu bilden. Die Verstärkungsrippen 18 erhöhen die Robustheit des Kanalplatten-Wafers, gerade obwohl das Reservoir oder der Verteiler viel größer und länger ist, um Tinte zu der vergrößerten Anzahl der Tintenkanäle zuzuführen.
• Für eine optionale Ausführung kann eine Vielzahl kleiner, rechteckiger Durchgänge 20 in vorgegebenen, zweidimensionalen Mustern oder Gittern 16 in dem ätzbeständigen Material 19 gebildet werden. Diese kleinen Durchgänge sind voneinander um Abstände "X" gleich oder geringer zweimal dem Ätzhinterschneidungsabstand "Y" beabstandet. Der Abstand "X" ist gleich oder geringer als 14 Mikrometer und der kleine, rechteckige Durchgang kann von 5 bis 500 Mikrometern an einer Seite reichen. Figur 4 zeigt eine vergrößerte Draufsicht des Bereichs des zweidimensionalen Musters oder Gitters 16 von Durchgängen, die durch den Kreis "A" in Figur 1 umkreist sind. Da der Abstand geringer als die Hinterschneidung von den gegenüberliegenden Seiten der geätzten Wand zwischen benachbarten Durchgängen 20 ist, wird die Wand damit beginnen, daß sie nahe dem Ende der anisotropen Ätzzeitdauer weggeätzt wird. Demzufolge können verschiedene Formen von Ausnehmungen durch Verwendung der Hinterschneidung der Masken verwendet werden. In Figur 1 sind diese zusätzlichen Ausnehmungen 27 (siehe Figur 5) so aufgebaut, um einen Freiraum für Adressierelektrodenanschlüsse zu schaffen. Dies stellt eine alternative Annäherung dar, um einen Elektrodenanschlußfreiraum zu schaffen, wie es in der US-Re-A-32,572 und der US-A-4,786,357 offenbart ist. Da die Figur 1 vor dem Abschluß der Ätzperiode dargestellt ist, ist das Hinterschneiden zwischen Durchgängen 20 in dem Gittermuster 16 nicht abgeschlossen. Zum Abschluß des Ätzens wird Bezug auf Figur 5 hinsichtlich einer Querschnittsansicht der fertiggestellten Vertiefungen 27 genommen.
• Figur 3 zeigt eine vergrößerte, schematische Draufsicht einer alternativen Ausführungsform der Kanalplatte 12 in Figur 1. Anstelle dem Vorsehen eines segmentierten Reservoirs 14 ist ein einzelnes geätztes Durchgangsreservoir 24 mit zweidimensionalen Mustern 23 kleiner, rechteckiger Durchgänge 20 (siehe Figur 4) gemustert, die an gegenüberliegenden Seiten des Reservoirs 24 und angrenzend an einem Ende der parallelen Kanalvertiefungen 13 angeordnet sind. Nur einige der Kanalvertiefungen sind zur besseren Deutlichkeit dargestellt. Wirklich sind ungefähr 200 vorhanden, die einen Abstand von 12 pro mm besitzen. Der Bereich des zweidimensionalen Musters 23, der durch einen Kreis "A" umkreist ist, ist auch in Figur 4 dargestellt.
• Figur 5 zeigt eine Querschnittsansicht der alternativen Kanalplatte 26 in Figur 3 aus Sicht entlang der Sichtlinie 5-5, nachdem die Ätzperiode abgeschlossen worden ist. Die Siliziumwände (nicht dargestellt), die die Ausnehmungen voneinander trennen, werden anfänglich durch Durchgänge 20 in Gittermustern 16 und 23 gebildet, die weggeätzt worden sind, da durch die Abstände zwischen den Durchgängen 20 in dem Mustern eine komplette Hinterschneidung in diesen gemusterten Gitterbereichen ermöglicht ist. Dieser ätzende Abbau der Wände in dem gemusterten Bereich 16 und 23 bildet jeweils Ausnehmungen 27, die das Reservoir und die Tintenkanäle und die Ausnehmungen 28, die sich an den gegenüberliegenden Seiten des Reservoirs 24 befinden, kreisförmig umgeben. Diese Ausnehmungen 27 und 28 werden dagegen begrenzt, daß sie tiefer geätzt werden, und zwar aufgrund der Verzögerung des Ätzens bis zu dem Zeitpunkt, zu dem die Gittermaske hinterschnitten worden ist und der Wafer 26 aus der Ätzflüssigkeit entfernt ist. Wie die Figur 6 zeigt, ist dort eine isometrische Ansicht der Figur 3 ohne die Ätzwiderstandsmaske 25 dargestellt. Der kleine Durchgang 20 in dem gemusterten Bereich oder Gitter 16 bildet eine flache Ausnehmung 27, die das Tintenreservoir 24, 28 und die Tintenkanäle 13 umgibt. Diese flache Ausnehmung 27 bildet einen Freiraum für Anschlüsse (nicht dargestellt) der Adressierelektroden an dem Heizelementen-Wafer (nicht dargestellt). Die flachen Ausnehmungen 28 an jeder Seite der Durchgangsausnehmung 24 öffnet sich dort hinein, um Tintenströmungsdurch gangswege von der Durchgangsausnehmung 24 durch die flachen Ausnehmungen 28 hindurch zu bilden.
• Wie in der US-A-4,774,530 offenbart ist, wird das Reservoir 24, 28 in Verbindung mit den Kanälen 13 durch eine gemusterte Dickfilm-Isolationsschicht (nicht dargestellt) plaziert, die sandwichartig zwischen dem passenden und gebondeten Wafer 26 und einem Heizkanalelementen-Wafer (nicht dargestellt) zwischengefügt wird, die Heizelementenfeldanordnungen besitzt. Die passenden und gebondeten Wafer werden dann in einzelne Druckköpfe (nicht dargestellt) unterteilt.
• Für die meisten der orientierungsabhängigen Ätzperioden wird das Ätzmuster stabil abgeschlossen. Dies bedeutet, das Ätzen hält aufgrund der Unterteilung der {111}-Ebenen an. Allerdings kann, wie vorstehend diskutiert ist, eine Abschlußwand dünn genug aufgebaut werden, so daß das normale Maskierungsmuster hinterschneidet, was zu einer vollständigen Hinterschneidung des Musters zu dem Ende der Ätzperiode hin führt. Demzufolge verbinden die orientierungsabhängigen, geätzten Strukturen, in denen eine Wand vollständig zu dem Ende des Ätzverfahrens hin hinterschnitten wird, die Stabilität der beendeten Ätzstrukturen mit der Designfreiheit der nicht beendeten Ätzstruktur. Um allerdings erfolgreich zu sein, muß der hinterschnittene Kanalwafer aus dem Ätzmittel entfernt werden, sobald die Hindurchätzungen abgeschlossen sind, um eine unerwünschte Zerstörung der hinterschnittenen Wände oder tiefere Ausnehmungen, als dies beschrieben ist, zu verhindern.
• Um das weitere Konzept der Vielzahl der kleinen Durchgänge 20 in dem Gittermuster 16 der Figuren 1, 3 zu verdeutlichen, sollte angemerkt werden, daß unter herkömmlichen Designkriterien für ein orientierungsab hängiges Ätzen nur Rechtecke oder Quadrate zugelassen sind. Anders ausgedrückt sind keine stumpfen Ätzwinkel zugelassen. Das Gittermuster 16, das das Reservoir 14 und die Kanalausnehmungen 13 umrahmt, vermeidet eine Verschlechterung der herkömmlichen, orientierungsabhängigen Kriterien, und zwar unter Verwendung der Hinterschneidungstechnik, die vorstehend beschrieben ist. Die kleinen Wandmuster zwischen den rechtwinkligen Durchgängen 20 sind nämlich so aufgebaut, daß sie geringer als zweimal der Hinterschneidungsdimension sind. Um einen 0,50 mm dicken Silizium-Wafer durchzuätzen, wird eine Hinterätzung von 7 Mikrometern gebildet. Wenn die Wand so aufgebaut ist, daß sie eine Breite von 13 Mikrometern besitzt, wird sie unter einer späteren Stufe einer Ätzung vollständig hinterschnitten. In diesem Fall besteht ein fortlaufender Ätzgraben 27 um die Kanalplatte 12 herum, wie dies erwünscht ist.
• Das Hinterschneiden ist einfach aufgrund des Fehlens einer infiniten Anisotropie während des Ätzens. Dies bedeutet, daß die Abschlußätzebenen keine finite Ätzrate besitzen, und für die Zeit, die benötigt wird, um 500 Mikrometer in der (100)-Ebenenrichtung zu ätzen, ätzen die {111}-Ebenen 7 Mikrometer in der (111)-Ebenenrichtung. Dieser Mechanismus ist ausreichend verstanden und konstant, so daß er während des Aufbaus der Fotomaske kompensiert werden kann. Allerdings besteht ein anderer Mechanismus, der dazu führt, eine Rolle zu spielen, der nicht konstant ist. Er ist eine Folge der Fotomasken-Kristallebenenfehlausrichtung und variiert mit der Größe der Fehlausrichtung. Die Gesamtgröße der Hinterschneidung ist dann die Aufsummierung der Hinterschneidung aufgrund der finiten Anisotropie und derjenigen aufgrund der Muster-Kristallebenenfehlausrichtung.
• Wenn der Zwischenraum zwischen den kleinen Durchgängen 20 des Gittermusters 16 und 23 12 Mikrometer gemacht wird, so daß dort eine vollständige Hinterschneidung vorhanden sein wird, ist ersichtlich, daß dieser Hinterschneidungsfall früher oder später während des anisotropen Ätzverfahrens auftreten wird. Allerdings kann in Abhängigkeit der Größe des Musters zu der Kristallebenenfehlausrichtung die Größe der Hinterschneidung zu groß sein und zu früh auftreten. Ein vorzeitiger Hinterschneidungsdurchbruch verursacht ein Überätzen, das kritische Komponenten, wie beispielsweise die Kanäle 13, wie dies in Figur 7 dargestellt ist, zerstört, wo die inneren Ecken der Anschlußfreiraumausnehmung 27 unter Belassen von vergrößerten Ausnehmungen 29 weggeätzt worden sind, die die äußersten Tintenkanäle umfassen.
• Das Gittermuster, das besser in Figur 4 dargestellt ist, vermeidet die Musterhinterschneidungsempfindlichkeit, da es aus einer Anzahl von relativ kleinen Quadraten zusammengesetzt ist, die klein genug sind, um das Hinterschneiden zu bewirken, da die Muster-Kristallebenenfehlausrichtung unwesentlich ist. Das Grundziel ist natürlich, eine Reihe kleiner, sich selbst zerstörender Ätzmuster für ein einzelnes oder insbesondere mehrere größere Muster zu ersetzen, um so das Auftreten von längeren Ätzlängen und -breiten zu minimieren, wenn eine Fehlausrichtung zu der Wafer-Kristallebene auftritt. Zum Beispiel beträgt für eine Fehlausrichtung von O Grad der Länge "1" eines rechteckigen Durchgangs, der eine Breite "w" besitzt, die wirkliche geätzte Breite "W" = w cosθ + l sinθ. Deshalb würde, wenn ein Durchgang eine Länge von 6.100 Mikrometern besitzt, die durch die Fehlausrichtung bewirkte Hinterschneidung 53 Mikrometer für eine Durchätzung betragen, wenn die Fehlausrichtung θ nur 0,5 Grad war.
• Im Gegensatz würde, wenn das Gittermuster zum Beispiel aus Quadraten von 12 Mikrometern, die durch Zwischenräume von 12 Mikrometern voneinander beabstandet sind, zusammengesetzt ist, die Fehlausrichtung, die durch die Hinterschneidung bewirkt wird, nur 0,1 Mikrometer für eine Fehlausrichtung θ von 0,5 Grad sein. Eine solche leichte Hinterschneidung, die durch die Fehlausrichtung des Musters zu der Wafer-Kristallebene verursacht wird, kann als unwesentlich außer Betracht gelassen werden, vorausgesetzt, daß die Hinterschneidungstechnik gut kontrolliert wird. Weiterhin sollte angemerkt werden, daß quadratisch geformte Durchgänge nicht die einzigen geeigneten Muster sind. Irgendein gleichseitiges Polygon und Kreise sind zufriedenstellend. allerdings können viele Muster in einem Ätzgittermuster verwendet werden und je mehr Seiten ein Polygon besitzt, um so mehr Blitze sind erforderlich, um das bestimmte Muster aufzubauen, wenn die Fotomaske hergestellt wird. Diese allgemeine Hinterschneidungsätztechnik kann bei einer Anzahl von Ätzanordnungen eingesetzt werden, die nicht rechteckige Formen oder variable Ätztiefen verwenden, wie dies in Figur 6 dargestellt ist.
• Zusammenfassend wird ein Verfahren zur Maximierung der orientierungsabhängigen, dimensionsmäßigen Ätzkontrolle durch Minimierung der Musterhinterschneidung durchgeführt, die durch die Muster-Wafer-Kristallebenenfehlausrichtung bewirkt wird. Dies wird durch Verwendung eines Mosaik- oder Gittermusters mit relativ kleinen Durchgängen vorgenommen, um das durch die Fehlausrichtung bewirkende Hinterschneiden zu vermeiden oder unwesentlich zu gestalten. Die Wände zwischen den kleinen Ätzgittermustern werden klein gestaltet, so daß sie zu dem Ende der Ätzperiode hin alle hinterschnitten werden, und zwar aufgrund der finiten Anisotropie des orientierungsabhängigen Ätzverfahrens, und ein kontinuierliches Muster wird schließlich erhalten.
• In einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform werden die Breiten der maskierten Linien (d.h. die Abstände zwischen den Durchgängen) so ausgewählt, daß sie nach Variation vorgegebener Ätzperioden hinterschneiden. Wenn die Maskierungsschicht hinterschnitten wird, wird ein Zick-Zack-Muster in dem Silizium gebildet, das schnell ätzt, bis eine relativ niedrige Ätz-{100}-Ebene gebildet ist. Die {100}-Ebene wird dann in einer kontrollierten Art und Weise geätzt. Falls Gradientenlinienbreiten von 14 Mikrometern oder geringer verwendet werden, wird eine Rampen- oder Treppenstufenstruktur hergestellt.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung eines anisotropisch geätzten Siliziumsubstrats (12), das zur Verwendung in einem thermischen Tintenstrahldruckkopf geeignet ist, das aufweist:

Anisotropisches Ätzen der Siliziumsubstrat-Durchgangöffnungen in einem gemusterten, ätzbeständigen Material (19) für eine vorgegebene Periode, um mindestens zwei getrennte Ausnehmungen (15) zu bilden, wobei die Ausnehmungen voneinander durch eine Wand (17) getrennt sind, wobei die Oberflächen der Wand (17) {111}-Kristallebenen des Siliziumsubstrats sind; gekennzeichnet dadurch, daß

der Zwischenraum (X) zwischen den Öffnungen derart ist, daß das vollständige Hinterschneiden durch ein anisotropes Ätzmittel innerhalb der vorgegebenen Ätzperiode auftritt, wobei die geätzten Ausnehmungen in Verbindung miteinander durch selektives Ätzen deren gemeinsamer Wand (17) gesetzt werden, um eine kombinierte Ausnehmung (27 oder 28) der erwünschten Tiefe zu belassen oder um vollständig durch das Siliziumsubstrat hindurchzuätzen, um zwei sich miteinander verbindende Ausnehmungen (15) mit einer nicht geätzten Verstärkungwand (18) zwischen den zwei Ausnehmungen zu bilden.

2. Verfahren zur Herstellung eines thermischen Tintenstrahldruckkopfs des Typs, der durch Anpassung zweier Substrate gebildet wird, wobei ein erstes Substrat Silizium ist, das anisotrop geätzt wird, um Tintenströmungsausnehmungen zu bilden, und wobei ein zweites Substrat Einrichtungen zum thermischen Ausstoßen von Tintentröpfchen besitzt, das folgende Verfahrensschritte aufweist:

(a) Herstellung des ersten Substrats gemäß Anspruch 1, wobei das Substrat eine Vielzahl von ersten Ausnehmungen (15 oder 24) darin mit einem vorgegebenen Abstand dazwischen und eine Vielzahl von gleich zueinander beabstandeten und gleich dimensionierten, parallelen, langgestreckten zweiten Ausnehmungen (13) besitzt, wobei ein Ende der langgestreckten, zweiten Ausnehmungen senkrecht zu und angrenzend an die ersten Ausnehmungen verläuft und einen vorgegebenen Abstand davon besitzt;

(b) Bildung einer gleichmäßig beabstandeten, linearen Flächenanordnung aus widerstandsfähigem Material auf einer Oberfläche des zweiten Substrats zur Verwendung als Heizelemente und Bildung eines Musters aus Elektroden auf derselben zweiten Substratoberfläche, um eine individuelle Adressierung jedes Heizelements mit elektrischen Impulsen, die digitalisierte Daten darstellen, zu ermöglichen;

(c) Ausrichtung und Anbonden des geätzten Siliziums des ersten Substrats und des zweiten Substrats aneinander, um deren entsprechende Oberflächen anzupassen, die die zweiten Ausnehmungen (13) und die Heizelemente besitzen, um einen Tintenstrahldruckkopf zu bilden, der Tintenkanäle besitzt, von denen jeder ein Heizelement darin an einer vorgegebenen Stelle und ein Zuführreservoir, das durch die ersten Ausnehmungen (15 oder 24) gebildet ist, besitzt;

(d) Anordnung der Tintenkanäle in Verbindung mit dem Reservoir und

(e) würfelmäßiges Unterteilen der zueinander ausgerichteten und gebondeten Substrate in einer Richtung senkrecht zu den Tintenkanälen, so daß die Enden der Tintenkanäle gegenüberliegend derjenigen, die in Verbindung mit dem Reservoir stehenden, geöffnet werden, um als tröpfchenausstoßende Düsen zu dienen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Verfahrensschritt (a) weiterhin Mustern des ätzbeständigen Materials auf der einen Oberfläche mit Bereichen der kleinen Durchgänge (20) aufweist, die unter vorgegebenen Abständen voneinander beabstandet sind, so daß die kleinen Durchgänge hinterschnitten werden, um relativ flache Ausnehmungen über die Bereiche zu bilden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die vorgegebenen Abstände zwischen kleinen Durchgängen in den Bereichen gleichförmig sind, so daß die flachen Ausnehmungen gleiche Tiefen besitzen; und wobei die Öffnungen in dem ätzbeständigen Material parallel zueinander voneinander beabstandet sind, so daß im wesentlichen gleiche, verstärkende Rippen gebildet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die vorgegebenen Abstände zwischen den kleinen Durchgängen in den Bereichen so dimensioniert sind, daß eine gewisse Hinterschneidung früher während der Ätzperiode auftritt und demzufolge tiefer geätzt wird, um Treppenstufen und Rampen in diesen Bereichen zu bilden.

6. Verfahren nach Anspruch 3, wobei jeder Satz der gemusterten Durchgänge eines oder mehrere Gittermuster aus relativ kleinen Durchgängen besitzt, die eine vorgegebene Beabstandung besitzen, so daß nahe dem Ende der anisotropen Ätzperiode das Gitter der Durchgänge hinterschnitten wird und das Gitter der geätzten Ausnehmung, das gebildet ist, miteinander verbunden wird, um eine einzelne, relativ flache, mit einem Boden versehene Ausnehmung zu bilden, die einen Boden mit einer Orientierung in der {100}-Kristallebene besitzt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Gittermuster benachbarte Durchgänge mit vorgegebenen, periodisch variierenden Unterteilungen derart besitzt, daß die Durchgänge in dem Gitternmuster unter variierenden Zeiten hinterschnitten werden, und zwar mit einer sich ergebenden, einzelnen Ausnehmung, die so gebildet ist, daß sie einen terassenförmig abgestuften Boden besitzt, wobei jeder terassenförmig abgestufte Bodenbereich eine {100}-Kristallebene ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei jeder Satz der gemusterten Durchgänge zwei oder mehrere Flächenbereiche von Gittermustern mit relativ kleinen Durchgängen besitzt, wobei jeder Flächenbereich der Gittermuster gleich zueinander beabstandete Durchgänge besitzt, die so aufgebaut sind, daß sie nach einer unterschiedlichen Länge einer anisotropen Ätzperiode hinterschneiden, so daß jeder Flächenbereich des Gittermusters Ausnehmungen bildet, die unterschiedliche Tiefen besitzen.