DE69214853T2

DE69214853T2 - Strahldrucker mit Bläschen für Bildaufzeichnungsvorrichtung

Info

Publication number: DE69214853T2
Application number: DE1992614853
Authority: DE
Inventors: Kia Silverbrook
Original assignee: Canon Information Systems Research Australia Pty Ltd; Canon Inc
Current assignee: Canon Information Systems Research Australia Pty Ltd
Priority date: 1991-01-30
Filing date: 1992-01-29
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2012-01-30
Also published as: EP0498293A3; EP0498293A2; EP0498293B1; DE69214853D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Tintenstrahl-Druckeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner einen Tintenstrahl-Druckkopf und eine Tintenstrahl-Druckvorrichtung, welche die Tintenstrahl- Druckeinrichtung aufweist.
Gemäß dem Patentdokument USA-A-4 275 290 ist eine einstückig ausgebildete Gattungs-Tintenstrahl-Druckvorrichtung mit einer Durchlaßeinrichtung, einer Auslaßeinrichtung und einer Energieerzeugungseinrichtung bekannt.
Bläschen-Strahl-Druckköpfe entsprechen dem Stand der Technik und werden in jüngster Zeit im Handel als transportable und verhältnismäßig kostengünstige Drucker angeboten, welche im allgemeinen mit Personalcomputern Anwendung finden. Beispielhaft für solche Druckvorrichtungen sind jene, wie sie von HEWLETT-PACKARD und CANON hergestellt werden.
Fig. 1 und Fig. 2 zeigen schematische perspektivische Ansichten von Bläschen-Strahl-(BJ)-Druckköpfen gemäß dem Stand der Technik, welche jeweils die von CANON und HEWLETT- PACKARD verwendeten vertreten.
Wie in Fig. 1 gezeigt, wird ein dem Stand der Technik entsprechender BJ-Druckkopf 1 durch eine BJ-Halbleiterchip-Einrichtung 2 gebildet, welcher eine lasergeätzte Kappe 3 anliegt. In dieser Konfiguration wirkt die Kappe 3 als eine Führung für die über einen Einlaß 4 in den BJ-Druckkopf 1 zuströmende Tinte (in der Zeichnung durch Pfeile gekennzeichnet), und der Ausstoß der Tinte aus dem BJ-Druckkopf 1 erfolgt über eine Vielzahl von Düsen 5. Die Düsen 5 sind als die offenen Enden der Kanäle in der Kappe 3 ausgebildet. Auf der BJ-Halbleiterchip-Einrichtung 2 ist ein Heizelement oder sind mehrere (üblich sind 64) Heizelemente (nicht gezeigt) angeordnet, welche angesteüert werden, um Tinte zu veranlassen, aus jeder der Düsen 5 durch ein innerhalb des entspre chenden Kanals erzeugtes Bläschen verdampfter Tinte ausgestoßen zu werden. Die BJ-Halbleiterchip-Einrichtung 2 weist auch eine Halbleiter-Diodenmatrix (nicht gezeigt) auf, welche das Zuführen der Energie zu den in unmittelbarer Nähe der Kanäle angeordneten Heizelementen bewirkt.
In dem in Fig. 2 gezeigten, dem Stand der Technik entsprechenden, Wärmeenergie anwendenden HEWLETT-PACKARD-Tintenstrahl-Druckkopf 10, wird auch eine zweiteilige Konfiguration verwendet, jedoch tritt die Tinte durch einen seitlich der Kappe 12 angeordneten Einlaufkanal 13 in die Kappe 12 ein, welcher eine senkrecht zum Einlaufkanal 13 ausgebildete Matrix von Düsen 14 versorgt. Die Tinte tritt durch die Vorderfläche der Kappe 12 aus. Ein flaches Heizelement 15 ist unmittelbar unterhalb jeder Düse 14 angeordnet, um das Ausstoßen von Tinte aus dem Einlaufkanal 13 in die Düsen zu verursachen.
Bei diesen Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik liegen jedoch Probleme infolge ihres zweiteiligen Aufbaus vor, hinsichtlich des Herbeiführens der exakten Ausrichtung zwischen den beiden Teilen. Selbst wenn anfänglich die genaue Ausrichtung erreicht worden ist, so verhindert jedoch die unterschiedliche Wärmeausdehnung oder das Zusammenziehen das Aufrechterhalten dieser Genauigkeit bei bestimmten Abmessungen. Solche Probleme der Ausrichtung schränken die Leistungsfähigkeit der Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik auf Bilddichten ein, welche im wesentlichen geringer als 400 Punkte je Zoll (dpi) sind, und betreffen mehr die bewegbaren Druckköpfe als die feststehenden Druckköpfe.
Es ist ein Ziel der Erfindung, die vorstehend erwähnten Probleme im wesentlichen durch das Vorsehen einer vom Herkömmlichen abweichenden Tintenstrahl-Druckvorrichtung zu überwinden oder zu vermindern.
Diese Ziel wird durch die Kombination der im Anspruch 1 definierten Merkmale erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgezeigt.
Die vorstehend erwähnten und andere Ziele, Wirkungen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich.
Eine Reihe von bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 und Fig. 2 zeigen Darstellungen von BJ-Druckköpfen gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 3 zeigt eine Darstellung eines erfindungsgemäßen ZBJ- Chips,
Fig. 4 zeigt eine isometrische Ausschnittansicht einer ersten Ausführungsform eines ZBJ-Druckkopfs,
Fig. 5 zeigt eine Fig. 4 ähnliche Ansicht, jedoch einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 6 - 9 zeigen einen Ätzprozeß, welcher zum Erzeugen der ZBJ-Düsen verwendet werden kann,
Fig. 10 - 12 zeigen eine mögliche Anordnung der Heizelemente innerhalb des ZBJ-Substrats,
Fig. 13 zeigt eine wahlweise Konfiguration der Heizeinrichtung,
Fig. 14 - 23 zeigen verschiedene wechselweise aufeinanderfolgende Düsengestaltungen,
Fig. 24 - 31 zeigen die Art und Weise des Ausstoßens der Tinte aus einer Düse des ZBJ-Chips,
Fig. 32 - 36 zeigen die Wärmeübertragung im ZBJ-Chip,
Fig. 37 und Fig. 38 zeigen die Konfiguration eines ZBJ- Druckkopfs mit einem Chip, einem Membranfilter und einem Tintenkanal-Profilstrang,
Fig. 39 und Fig. 40 zeigen jeweils Tintentropfenpositionen für ein Einzelpixel unter Verwendung eines Vier-Düsen-je- Pixel-Druckkopfs und eines Einzeldüse-je-Pixel-Druckkopfs,
Fig. 41 zeigt ein Zeitsteuerdiagramm der Reihenfolge der Düsenansteuerung,
Fig. 42 zeigt Düsenansteuermuster für einen Einzeldüse-je- Pixel-Farbdruckkopf,
Fig. 43 zeigt Düsenansteuermuster für einen Vier-Düsen-je- Pixel-Farbdruckkopf,
Fig. 44 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht eines dünnen Abschnitts der Vollfarben-ZBJ-Druckkopfbaugruppe nach Fig. 5,
Fig. 45 und Fig. 46 zeigen den jeweils von dem Hauptheizelement und dem Redundanzheizelement beeinflußten Ablenkwinkel des Tintentropfens,
Fig. 47 und Fig. 48 zeigen zwei Verfahren zum Energieanschluß am ZBJ-Chip,
Fig. 49 zeigt eine Anordnung der Heizelemente in einem BJ- Druckkopf gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 50 zeigt die Anordnung der Heizungs-Ansteuereinrichtungen,
Fig. 51 zeigt eine Heizungs-Ansteuereinrichtung mit einem Trans ferelement,
Fig. 52 zeigt ein zum Ansteuern der Heizelemente verwendetes Impuls-Zeitsteuerdiagramm,
Fig. 53 zeigt die Schaltungsanordnung einer Heizelement- Ansteuereinrichtung, welche einen Einzeltaktimpuls verwendet,
Fig. 54 zeigt die Schaltungsanordnung einer Taktwiedergewinnungseinrichtung,
Fig. 55 zeigt eine Schaltungsanordnung für die Wiedergewinnung der Impulsbreiten innerhalb der Taktleitung,
Fig. 56 zeigt ein schematisches Blockdiagramm der für den ZBJ-Druckkopf verwendeten Datentreiber-Schaltungskonfiguration,
Fig. 57 zeigt eine Blockdiagrammdarstellung des Daten-Phasen-ASIC nach Fig. 56,
Fig. 58A und Fig. 58B zeigen zwei wahlweise Konfigurationen der Haupt- und der Redundanz-Heizelemente,
Fig. 59 zeigt eine Schaltungsstufe einer ZBJ-Ansteuereinrichtung mit Digital-Fehlertoleranz,
Fig. 60 zeigt einen schematischen Stromlaufplan einer ähnlichen Schaltung unter Verwendung der analogen Fehlertoleranz
Fig. 61 zeigt eine die vollständige Redundanz anwendende Schaltstufe der ZBJ-Ansteuereinrichtung,
Fig. 62 zeigt sowohl die elektrische Schaltungsanordnung als auch die körperliche Anordnung der Ansteuereinrichtungen des ZBJ-Chips,
Fig. 63 zeigt eine für die Anordnung nach Fig. 58 notwendige Energieanschlußschleife,
Fig. 64 zeigt die für eine Großflächen-Fehlertoleranz ausgelegte Einzelschaltstufe einer ZBJ-Ansteuereinrichtung,
Fig. 65 - 67 zeigen andere Fehlertoleranz-Konfigurationen,
Fig. 68 - 70 zeigen bevorzugte Konfigurationen zur Herstellung von Vielfach-ZBJ-Druckköpfen auf einem einzelnen Siliziumwafer,
Fig. 71 - 80 zeigen die in der Waferbearbeitung des ZBJ- Chips angewendeten verschiedenen Stufen,
Fig. 81 zeigt eine schematische Querschnittansicht durch ein breites Loch, welches mehrere Düsen aufweist,
Fig. 82 - 113 zeigen die Fertigungsstufen einer bevorzugten Ausführungsform,
Fig. 114 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Farbfotokopiervorrichtung, welche einen Farb-ZBJ-Druckkopf aufweist,
Fig. 115 zeigt eine ähnliche Darstellung einer Farbfaksimilevorrichtung,
Fig. 116 zeigt eine ähnliche Darstellung einer Druckvorrichtung für einen Computer,
Fig. 117 zeigt eine ähnliche Darstellung einer Videodruckvorrichtung, und
Fig. 118 zeigt eine ähnliche Darstellung eines einfachen Druckers.
Tabelle 1 zeigt eine Aufstellung von Einzelheiten des ZBJ- Chips für verschiedene Anwendungen, und
Tabelle 2 zeigt eine Aufstellung verschiedener Fehlerbedingungen und deren Folgen.
In Fig. 3 ist die allgemeine Konfiguration eines Z-Achsen- Bläschen-Strahl-ZBJ-Chips 40 gezeigt, welcher einen Tinteneinlauf aufweist, angeordnet an einer (Unterseite, wie gezeigt) ebenen Oberfläche des Bläschen-Strahl-ZBJ-Chips 40, und eine Vielzahl von Düsen 11, welche als Tintenauslässe auf der entgegengesetzten Seite dienen. Der hier gebrauchte Ausdruck "ein Z-Achsen-Bläschen-Strahl-Chip (ZBJ-Chip)." wird verwendet, um einen Chip zu beschreiben, welcher in der x-y-Ebene angeordnet ist, in welcher die Tinte in der z- Richtung sowohl in den Chip strömt als auch aus dem Chip ausströmt. Beim unmittelbaren Vergleich von Fig. 1 und Fig. 2 mit Fig. 3 ist leicht erkennbar, daß der ZBJ-Chip 40 als eine einzelne, monolithische und einstückige Struktur ausgebildet ist, im Gegensatz zu der zweiteiligen Struktur gemäß dem Stand der Technik. Der ZBJ-Chip 40 wird unter Verwendung von Halbleiter-Fertigungsverfahren hergestellt. Ferner wird die Tinte aus den Düsen 41 in derselben Richtung ausgestoßen, in welcher die Tinte dem ZBJ-Chip 40 zugeleitet wird.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform eines stationären (d. h. unbeweglichen) ZBJ-Druckkopfs 50, welcher für das Erzeugen von tonwertausgeglichenen Farbbildern der Größe A4 in voller Länge bei einer Bilddichte von 1 600 dpi oder 400 Pixel je Zoll ausgestattet ist. Der ZBJ- Druckkopf so ist mit einem ZBJ-Chip 70 versehen, welcher vier Düsenmatrizen aufweist, jeweils eine für Cyan 71, Magenta 72, Yellow 73 und Schwarz 74. Die Düsenmatrizen 71 - 74 werden von Düsenanordnungen 77 mit vier Düsen je Pixel ausgebildet, so daß sich eine Gesamtzahl von 51 200 Düsen je ZBJ-Chip 70 ergibt. Der vergrößerte Abschnitt in Fig. 4 zeigt den Düsenbasisguerschnitt, welcher in einem Siliziumsubstrat 76 ausgebildet ist, über dem eine Schicht 78 aus thermischem SiO&sub2; angeordnet ist. Ein Heizelement 79 ist um die Düsenanordnung 77 angeordnet, welche durch eine Deckschicht 80 aus chemisch aus der Gasphase abgeschiedenem (CVD) Glas überdeckt wird. Jede der Düsenanordnungen 77 steht mit einem gemeinsamen Tintenzuführkanal 75 für die jeweilige Farbtinte in Verbindung. Der ZBJ-Chip 70 ist auf einem Kanalprofilstrang 60 positionierbar, welcher mit den Tintenzuführkanälen 75 verbundene Tintenkanäle 61 aufweist, um einen stetigen Tintenfluß zum ZBJ-Chip 70 zu gewährleisten. Ein Membranfilter 54 ist zwischen dem Kanalprofilstrang 60 und dem ZBJ-Chip 70 angeordnet.
Es sind zwei Energiebusschienen 51 und 52 angeordnet, welche elektrisch mit dem ZBJ-Chip 70 verbunden sind. Die Energiebusschienen 51 und 52 wirken auch als Wärmeableiteinrichtungen zur Wärmeabführung vom ZBJ-Chip 70.
Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform einer ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 in einer Konfiguration wie die in Fig. 4 gezeigte.
Die ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 weist einen ZBJ-Chip 100 mit den Düsenmatrizen 102, 103, 104 und 105 für jeweils die Farben Cyan, Magenta, Yellow und Schwarz auf. Der ZBJ-Chip 100 weist Tintenkanäle 101 auf, welche mit den Tintenbehältern 211, 212, 213 und 214, jeweils für die vorstehend genannten Farben, in einem Tintenkanal-Profilstrang 210 in Verbindung stehen.
Der Tintenkanal-Profilstrang 210 weist eine wahlweise Geometrie mit größerem Rauminhalt auf als jener in Fig. 4 gezeigte für dieselbe Größe des ZBJ-Chips 100. Es sind auch die Streifenanschlüsse 203 und 204 gezeigt, welche die Energiebus-Anschlußschienen 201 und 202 mit dem ZBJ-Chip 100 verbinden. Ein 10-µm-Membranfeinstfilter 205 ist ebenfalls vorgesehen, wie im vorstehenden Fall.
Um eine Seite der Größe A4 drucken zu können, muß die ZBJ- Druckkopfbaugruppe 200 etwa 220 mm lang, 15 mm breit und 9 mm tief sein. Beim Verwenden der vorstehend beschriebenen Anordnung als Standardanordnung sind viele Konfigurationen der ZBJ-Druckköpfe möglich. Die tatsächliche Größe und die Anzahl der Düsen je ZBJ-Chip sind einzig von der erforderlichen Leistung der Druckeranwendung abhängig.
Tabelle 1 führt sieben Anwendungen von ZBJ-Druckköpfen und die verschiedenen Anforderungen für jede Anwendung auf, welche als notwendig angesehen werden. Die erste Anwendung wird für kostengünstige Vollfarben-Drucker, transportable Computer, kostengünstige Farbkopiervorrichtungen und die elektronische Standbildfotografie als geeignet angesehen. Die zweite Anwendung ist für Personaldrucker und Personalcomputer geeignet, während die dritte Anwendung in der elektronischen Standbildfotografie, für Videodrucker und Workstation-Drukker zweckmäßig ist. Die vierte Anwendung findet Einsatz in Farbkopiervorrichtungen, Vollfarben-Druckern, im Farb-Desktop-Publishing und für Farbfaksimilezwecke. Die fünfte Anwendung ist für eine Monochrom-Vorrichtung, welche Einsatz in Digital-Schwarz-Weiß-Kopiervorrichtungen, Druckern mit hoher Auflösung, transportablen Computern und Normalpapier- Faksimilevorrichtungen findet. Die sechste und die siebente Anwendung zeigen jeweils tonwertausgeglichene Anwendungen der Größe A3 in Farbkopiervorrichtungen mit hoher und mittlerer Verarbeitungsgeschwindigkeit und im Farb-Desktop-Publishing. Die Hochgeschwindigkeitsversion der sechsten Anwendung findet Einsatz im Geschäftsdruck mit kleinem Durchsatz und die Version mit mittlerer Geschwindigkeit im Farbfaksimilebereich.
Der Fachmann wird erkennen, daß die vorstehenden Anwendungen für ZBJ-Druckköpfe mit einer Tropfengröße von 3 pl (Pikoliter) ausgelegt sind. Andere Konfigurationen sind möglich, und die höheren Verarbeitungsgeschwindigkeiten sind auf Kosten der Bildqualität erreichbar, indem die Tropfengröße erhöht wird.
Der körperliche Aufbau des ZBJ-Chips 100 wird nachstehend ausführlich beschrieben. Der in Fig. 5 gezeigte ZBJ-Chip 100 weist z. B. vier Düsenmatrizen 102 - 105 auf, wobei jede vier Bänke von Düsen 110 hat (Fig. 6 - 9) hat. Die Düsen 110 werden durch Ätzen eines Siliziumsubstrats 130 des ZBJ-Chips 100 erzeugt. Das Siliziumsubstrat 130 ist im wesentlichen etwa 500 µm tief und kann, abhängig von der vorgesehenen Anwendung, 220 mm lang und 4 mm breit sein. Fig. 6 - 9 zeigen das Ätzen der Düsen 110 durch das Siliziumsubstrat 130. Damit der ZBJ-Chip 100 einen Tropfen von 3 pl ausstoßen kann, ist es erforderlich, den Durchmesser jeder Düse 110 mit ungefähr 20 µm vorzusehen. In einem möglichen Ferti gungsverfahren wird ein Vierstufen-Prozeß angewendet, der mit einem 500 µm dicken Siliziumsubstrat 130 beginnt, welches eine Glasdickschicht (SiO&sub2;) 142 mit einer eingebetteten Heizeinrichtung 120 aufweist, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Fig. 6 zeigt als ersten Schritt eine Plasmaätzung eines ge radwandigen, runden Loches von 20 µm Durchmesser durch die Glasdickschicht 142, mindestens 10 µm in das Siliziumsubstrat 130. Damit wird der Düsenvorderteil 111 erzeugt.
Wie in Fig. 7 gezeigt, erfordert der nächste Schritt das 15 Ätzen eines großen Kanals (ungefähr 100 µm breit und 300 µm tief) rückseitig des ZBJ-Chips 100. Dieser bildet die Düsenkanäle 114 aus, welche den Tintenstrom den Düsen 110 zuführen. Der nächste Schritt, wie in Fig. 8 gezeigt, besteht im Drucken der Düsenzylindermuster am Boden der in Fig. 7 erzeugten Düsenkanäle 114. Die Düsenzylinder 113 messen ungefähr 40 µm im Durchmesser und werden durch Plasmaätzen bis 10 µm vor die Vorderfläche des ZBJ-Chips 100 geätzt. Da eine isotrope Plasmaätzung im wesentlichen nichtselektiv ist, kann dieses Verfahren nicht verwendet werden, um den gesamten Hohlraum zu ätzen, ohne auch durchzuätzen und die Heizeinrichtung 120 zu zerstören.
Wie in Fig. 9 gezeigt, wird demgemäß ein isotropes Ätzverfahren auf das gesamte exponierte Silizium bis auf eine Tiefe von 10 µm von der Vorderfläche des ZBJ-Chips 100 verwendet. Dieser Schritt bewirkt das Aufweiten der Düsen 110 und unterätzt die SiO&sub2;-Schicht, welche die Heizeinrichtung 120 aufweist. Dieser Schritt erzeugt den Düsenhohlraum 112. Der Schritt gewährleistet auch, daß der Düsenvorderteil 111 mit dem Düsenzylinder 113 in Verbindung gelangt, ohne das Beschädigen der Heizeinrichtung 120 beim Plasmaätzen zu riskieren. Der Fachmann wird erkennen, daß die vorstehend erwähnten Abmessungen nur Anhaltswerte darstellen und nur ein allgemeines Konzept aufzeigen. Die Ätzung von der Vorderfläche zur Rückfläche sollte besser als 10 µm ausgerichtet sein, und auch die Ätztiefensteuerung sollte besser als 10 µm sein. Auf diese Weise wird die vollständige Düse 110 einschließlich deren Düsenvorderteil 111, des Düsenhohlraums 112, des Düsenzylinders 113 und des Düsenkanals 114 erzeugt.
Es ist erkennbar, daß das Erzeugen des Düsenvorderteils 111, des Düsenhohlraums 112, welcher als eine Wärmekammer wirkt, des Düsenzylinders 113 und des Düsenkanals 114 einen Tinten fließkanal zum Ausstoßen durch den ZBJ-Chip 100 ausbildet.
Dem Stand der Technik entsprechende integrierte Bläschenstrahl-Druckköpfe, hergestellt durch Canon, verwenden Hafniumborid (HfB&sub2;) für das Heizelement 120. Der vorliegende Canon BJ10-Drucker weist Heizelementparameter auf, welche für eine Tropfengröße von 65 pl ausgewählt sind. Die Tropfengröße von 3 pl, wie in den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet, ist im wesentlichen kleiner und erfordert ein erneutes Dimensionieren des Aufbaus der Heizungseinrichtung. Um zu gewährleisten, daß hohe Temperaturen erreicht werden, während der Widerstand der Heizeinrichtung und die geringstmögliche Gesamtgröße erhalten bleiben, ist eine schlangenförmige Gestaltung anwendbar, wie in Fig. 10 gezeigt ist. Wie Fig. 10 weiterhin zeigt, weist die Heizeinrichtung 120 zwei Heizelemente auf, welche die Form eines Hauptheizelements 121 und eines Redundanzheizelements 122 haben, die über und um den Düsenvorderteil 111 herum angeordnet sind. Das Redundanzheizelement 122 ist so angeordnet, daß es die Fehlertoleranz des ZBJ-Chips 100 vergrößert und somit den Ertrag des Fertigungsprozesses erhöht. Diese Konfiguration der Heizeinrichtung 120 steht im Gegensatz zum Stand der Technik, weil die Heizelemente wegen des zweiteiligen Aufbaus auf dem BJ-Chip angeordnet sind, welcher nur eine der Kanalwände bildet.
Fig. 11 zeigt einen Ausbruchabschnitt der Düse 110 der Fig. 6 - 10. Insbesondere können die relativen Abmessungen der Heizeinrichtung 120 und des Düsenvorderteils 111 eingeschätzt werden.
Fig. 12 zeigt einen Querschnitt entlang der Linien A-A'-B-B' in Fig. 10 einer einzelnen, vollständigen Düsenheizkammer. Das Siliziumsubstrat 130 ist im wesentlichen ein Siliziumwafer von ungefähr 200 µm Dicke (Verringern der Dicke eines 500 µm Wafer durch Rückätzen nach der Hochtemperatur-Bearbeitung). Zusätzlich zu der Bereitstellung von Tintenkanälen und Wärmepfaden für Verlustwärme wirkt das Siliziumsubstrat 130 auch als ein Halbleitersubstrat für die Ansteuerelektronik, welche mit der Heizeinrichtung 120 verbunden wird.
Eine Wärmeisolationsschicht 132 ist als eine 0,5 µm dicke Schicht aus thermisch aufgewachsenem SiO&sub2; angeordnet. Die Wärmeisolationsschicht 132 weist mehrere Funktionen auf, einschließlich der elektrischen Isolation für die Heizeinrichtung 120 gegenüber einer darüberliegenden Passivierungsschicht 144, welche als mechanische Dämpfung der Heizeinrichtung 120 gegenüber der Kraft einer zusammenfallenden Dampfblase dient und als ein integraler Bestandteil einer MOS-Ansteuerschalteinrichtung wirkt (wird nachstehend be schrieben). Um die bestmögliche Wärmeübertragung von der Heizeinrichtung 120 zur Tinte 106 zu gewährleisten, ist die Warmeisolationsschicht 132 vorzugsweise so dünn als möglich gefertigt, ohne daß die Zuverlässigkeit eingeschränkt wird. Da die Warmeisolationsschicht 132 thermisch gewachsenes SiO&sub2; und nicht chemisch aufgedampftes SiO&sub2; ist, weist sie keine Feinlöcher auf. Somit ist es möglich, daß diese dünner sein kann als die entsprechende Schicht in Bläschen-Strahl-Druckköpfen gemäß dem Stand der Technik.
Die Heizeinrichtung 120 ist eine 0,05 µm dicke Schicht aus Hafniumborid oder aus einem anderen Metallbond mit einem Element der Gruppe IIIA-VIA. Dies ergibt ein Element mit einem hohem elektrischen Widerstand zum Umwandeln eines elektrischen Ansteuerimpulses in einen Wärmeimpuls. Der sehr hohe Schmelzpunkt von HfB&sub2; (3100ºC) bedeutet, daß eine wesentliche Grenze der tatsächlichen Temperatur der Heizeinrichtung vorliegt. Der elektrische Kontakt zu der Heizeinrichtung 120 wird durch einen Heizeinrichtungskontakt 123 gewährleistet, welcher einealuminiumschicht von 0,5 µm Dicke aufweist. Dies ist der ausgebildete Teil einer ersten Metallisierungsebene 134.
Die erste Metallisierungsebene 134 ist eine Aluminiumschicht von 0,5 µm Dicke. Die erste Metallisierungsebene 134 wird gleichzeitig mit den Heizeinrichtungskontakten 123 zu den Heizeinrichtungen 120 erzeugt. Diese Schicht stellt die Verbindungen zwischen den Heizeinrichtungen 120 und der Ansteuerelektronik (wird nachstehend beschrieben) her, als auch die Verbindungen innerhalb der Ansteuerelektronik. Es ist darauf hinzuweisen, daß für die in diesem Dokument be schriebenen Farb-ZBJ-Druckköpfe eine große Zahl von Düsen 110 auf einer kleinen Fläche angeordnet ist, welche eine hohe Anschlußdichte und eine geringe Leiterbreite erfordern. Daher sind Verbindungsleiterbreiten in der Größenordnung von 2 µm erforderlich.
Eine Zwischenebenen-Isolierschicht 136 ist als eine Schicht aus CVD-SiO&sub2; oder aus PECVD-(PE = photonenverstärkt)-SiO&sub2; von ungefähr 1 µm Dicke angeordnet. Die Dicke der Zwischenebenen-Isolierschicht 136 ist für den Betrieb des ZBJ-Chips 100 wichtig, da diese eine thermische Verzögerung zwischen der Heizeinrichtung 120 und einer Wärmeableitschicht 140 bewirkt und auf diese Weise gewährleistet, daß der überwiegende Wärmemengenanteil auf die Tinte 106 übertragen wird und nicht auf das Siliziumsubstrat 130. Die Zwischenebenen- Isolierschicht 136 gewährleistet auch die elektrische Isolation zwischen der ersten Metallisierungsebene 134 und einer zweiten Metallisierungsebene 138, doch in dieser Funktion ist die Dicke nicht kritisch.
Eine zweite Metallisierungsebene 138 ist angeordnet und bildet die zweite Ebene der elektrischen Verbindungen als auch die Wärmeableitschicht 140. Die Verbindungsdichte der vorstehend beschriebenen Hochgeschwindigkeits-ZBJ-Druckköpfe (mit 250 Düsen/mm) ist hoch genug, um zwei Metallisierungsebenen zu erfordern, wenn 2-µm-Gestaltungsregeln angewendet werden. Andere Druckkopfausführungen benötigen nur eine Metallisierungsebene. Wenn eine Metallisierungsebene verwendet wird, ist eine wahlweise Anordnung für die Wärmeableitschicht 140 erforderlich, da diese auf der Zwischenebenen- Isolierschicht 136 erzeugt ist.
Die Wärmeableitschicht 140 ist aus einer Aluminiumscheibe von etwa 0,5 µm Dicke ausgebildet. Die Wärmeableitschicht 140 ist thermisch über Einrichtungen 410 in der Wärmeisolationsschicht 132 und der Zwischenebenen-Isolierschicht 136 mit dem Siliziumsubstrat 130 verbunden, dient aber nicht für elektrische Zwecke. Der Zweck der Wärmeableitschicht 140 ist das Abführen der Verlustwärme von der Heizeinrichtung 120 zum Siliziumsubstrat 130 in einem gesteuerten Verhältnis. Die Wärme muß im wesentlichen in der Zeitdauer zwischen den Ansteuerimpulsen der Heizeinrichtung abgeführt werden, so daß die Ruhetemperatur der Tinte 106 niedrig bleibt.
Es wird angestrebt, daß die Wärmeableitschicht 140 gleichzeitig mit der zweiten Metallisierungsebene 138 erzeugt wird. Dies ist möglich, wenn die Dicke der Wärmeableitschicht 140 der Dicke der zweiten Metallisierungsebene 138 entspricht. Die erforderliche Dicke wird durch die Qualität der Wärmekopplung zwischen der Wärmeableitschicht 140 und der Heizeinrichtung 120 bestimmt. Die tatsächliche erforderliche Wärmekopplungsmenge wird am besten durch genaue Computermodellierung der verwendeten besonderen Düsengeometrie berechnet. Die wärmekopplungsmenge kann von der gezeigten (in Fig. 32 - 35 und nachstehend beschrieben) entweder durch das Ätzen von Löchern in der Wärmekopplungsscheibe der Wärmeableitschicht 140 verändert werden, um die Wärmeleitfähigkeit zu vermindern. Wahlweise kann die Wärmekopplung durch Vergrößern der Dicke der Wärmeableitschicht 140 und bzw. oder durch den Ersatz durch ein Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Silber, vergrößert werden.
Ein anderer Zweck der Wärmeableitschicht 140 besteht darin, zu verhindern, daß eine aus dickem CVD-Glas ausgebildete Glasdickschicht 142 aufgeheizt wird. Dies verlangsamt die CVD-Trägergasdiffusion durch die Glasdickschicht 142 und verlangsamt daher das Erzeugen von Gasbläschen, welche die Heizeinrichtung 120 zerstören können.
Die Glasdickschicht 142 ist eine dicke Schicht von CVD- oder PECVD-Glas und hat drei Funktionen. Erstens, die Düse für das Ausstoßen der Tinte bereitzustellen, zweitens, die mechanische Festigkeit aufzubringen, um dem Stoß beim Explodieren oder Zusammenfallen der Dampfbläschen- zu widerstehen, und drittens, Schutz gegenüber den Umwelteinfluß zu bieten.
Da der ZBJ-Chip 100 zum Durchführen des Druckprozesses der Luft ausgesetzt werden muß, erfordert dessen Oberfläche daher einen erhöhten Schutz, als er gegenüber den hermetisch abgeschlossenen Einrichtungen erforderlich ist. Die Dicke der Glasdickschicht 142 kann etwa 4 µm betragen, obgleich diese wesentlich dicker sein kann, um eine entsprechende Düsenlänge zu gewährleisten.
Eine Passivierungsschicht 144 wird durch eine 0,5 µm dicke Schicht aus Tantal oder anderen Materialien gebildet, welche formentsprechend auf dem gesamten Aufbau des ZBJ-Chips 100 aufgetragen wird, um chemischen und mechanischen Schutz zu bieten
Schließlich dient die Tinte 106 in Fig. 12 nicht nur einseitig der Funktion der Versorgung der Druckvorrichtung, sondern hat auch Wirkung beim Abführen der Verlustwärme. Ein Tintentropfen von 3 pl Volumen führt im wesentlichen 13 nJ Wärme je 1 Grad Celsius ab, um die sich dessen Temperatur erhöht hat.
Fig. 13 zeigt eine wahlweise Konfiguration der Heizeinrichtung. Hier weist eine Heizeinrichtung 440 ein Hauptheizelement 441 und ein Redundanzheizelement 443 auf, wobei jedes ringförmig ist und die Düse 445 umgibt, aus welcher ein Tintentropfen 446 ausgestoßen wird.
Die Heizelemente 441 und 443 sind aus abgeschiedenem HfB&sub2; gefertigt und sind jeweils unter überlappenden Aluminiumanschlüssen 442 und 444 ineinandergefügt. Bei dieser Konfiguration umgibt die Heizeinrichtung 440 den darunter befindlichen Wärmehohlraum 447 und kann daher ein ringförmiges Tintendampfbläschen (siehe Fig. 24 - 31) erzeugen. Dieses Bläschen neigt daher dazu, einen nahezu gleichmäßigen Druck auf alle Seiten des Tintentropfens 446 auszuüben. Da das Hauptheizelement 441 und das Redundanzheizelement 443 bezüglich Form und Lage übereinstimmend sind, weisen sie übereinstimmende Tropfenausstoßeigenschaften auf. Die Heizelemente 441 und 443 sind mit Bezug auf die Düse 445 auch leicht exzentrisch, und daher ändert sich der Tropfenaus stoßwinkel nicht wesentlich, wenn das Hauptheizelement 441 ausfällt und das Redundanzheizelement 443 verwendet wird.
Obgleich Fig. 12 eine Düse 110 zeigt, welche einen zylindrischen Düsenhohlraum 112 und den engeren Düsenvorderteil 111 aufweist, dabei einen darunterliegenden Wärmehohiraum oder eine Wärmekammer 115 bildet, sind auch verschiedene wahlweise Düsenabmessungen nutzbar, von denen einige in Fig. 14 - 23 gezeigt sind.
In Fig. 14 ist die Wärmekammer 115, welche den Düsenvorderteil 111 umgibt, als ein Zylinder ausgebildet, wobei die Heizeinrichtung 120 in den Wänden des Zylinders angeordnet ist. Diese Anordnung weist mehrere Nachteile auf:
- (1) Die Heizschicht muß innerhalb des Zylinders senkrecht abgeschieden werden, und während dies durch chemisches Aufdampfen aus der Gasphase (CVD) erreicht werden kann, ist es dann sehr schwierig, die Heizeinrichtung 120 mit der erforderlichen Größe und Form zu ätzen;
- (2) Es ist schwierig, eine redundante Heizeinrichtungs- Konfiguration zur Fehlertoleranz zu erreichen (wird nachstehend beschrieben);
- (3) Die Heizeinrichtung 120 muß unter der Oberfläche eingebettet sein, so daß dort Tinte 106 auszustoßen ist, oder der Dampf tritt einfach aus dem Düsenvorderteil 111 aus; und
- (4) Die Tinte ist von der Heizeinrichtung 120 durch chemisch abgeschiedenes SiO&sub2; abgetrennt, anstelle von kristallinem SiO&sub2;, welches eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist.
In Fig. 15 ist die Wärmekammer 115 als ein Konus ausgebildet. Dies erfolgt, um das Ätzen der Heizeinrichtung 120 zu ermöglichen, um deren Widerstand zu erhöhen. Diese Anordnung weist die folgenden Schwierigkeiten auf:
- (1) Wird der Konuswinkel zu flach ausgebildet, füllt sich die Düse 110 nicht durch Kapillarwirkung mit Tinte 106;
- (2) Wird der Konuswinkel zu steil ausgebildet, wie die zylindrische Kammer, ist es noch schwierig, die Heizeinrichtung 120 zu ätzen; und
- (3) Ist der Düsenzylinder 113 sehr eng, verlängert sich somit die Düsenwiederauffüllzeit.
Fig. 16 zeigt eine quasi-halbkugelförmige Kammer, in welcher die Heizeinrichtung 120 in einem kegelstumpfförmigen Abschnitt ausgebildet ist, welcher einer im wesentlichen halbkugelförmigen Kammer gegenüberliegt
Fig. 17 - 22 zeigen sechs bevorzugte Düsenstrukturen, welche den monolithischen Aufbau gestatten, eine geringe Tropfengröße von 3 pl zulassen und somit das Drucken mit 1600 dpi erlauben, sowie die fehlertolerante Gestaltung der Heizein richtung, die beliebige Düsenanordnung an der Oberfläche des Siliziumsubstrats und den Einsatz in Vollfarben-Druckvorrichtungen zulassen. Die ausführlichere Beschreibung der Fertigung der folgenden Düsenstrukturen erfolgt nachstehend in diesem Patentdokument.
Fig. 17 zeigt eine im wesentlichen halbkugelförmige Wärmekammer 115, welche durch Anwenden einer unterätzenden isotropen Plasmaätzung des Siliziums vor dem reaktiven Ionenätzen (RIE) des Düsenzylinders 113 erzeugt wird. Diese Kon figuration ist durch eine Umkehrwirkung gekennzeichnet, in welcher das Erzeugen des Bläschens 116 in der Richtung entgegengesetzt zum Ausstoßen des Tintentropfens 108 erfolgt. Die Wärmeableitschicht 140 leitet die Wärme von der Düsenfläche in das Siliziumsubstrat 130 ab, um die Zeit zu ver kürzen, welche benötigt wird, um die Wärmekammer 115 vor dem Ausstoßen des nächsten Tintentropfens 108 ausreichend abzukühlen.
Diese Konfiguration weist die Vorteile des planaren Aufbaus der Heizeinrichtung 120 auf, wobei die genaue Steuerung der Form und Größe der Heizeinrichtung erreichbar ist. Ebenfalls ist die Wärmekopplung zwischen der Heizeinrichtung 120 und der Tinte 106 wesentlich, da die Heizeinrichtung 120 von der Tinte 106 durch die Wärmeisolationsschicht 132 aus SiO&sub2; isoliert ist, welche eine höhere Wärmeleitfähigkeit als CVD- Glas aufweist. Diese Schicht kann auch dünner als eine entsprechende Schicht aus CVD-Glas hergestellt werden, da sie nicht zu Feinlöchern neigt. Abhängig von 4er Neigung des Düsenzylinders 113, wenn er in die Wärmekammer 115 übergeht, und des Kontaktwinkels der Tinte zu der Passivierungsschicht 144 (siehe Fig. 12) gestattet diese Düsengeometrie das automatische Füllen durch Kapillarwirkung.
Die Nachteile dieser Konfiguration beruhen auf der umgekehrten Operation, durch welche die Bläschenerzeugung in der entgegengesetzten Richtung zum Tintenausstoß erfolgt, wodurch die Leistungsfähigkeit Nermindert wird. Auch die chemisch aufgedampfte Glasdickschicht 142 ist erforderlich, welche den Düsenbereich ausbildet. Schließlich muß die Verlustwärme über einen langen Weg von etwa 600 µm Länge des Siliziumsubstrats 130 abgeführt werden. Dies begrenzt die Düsendichte und bzw. oder die maximale Ausstoßfolge der Düsen. Andere Nachteile beziehen sich auf mögliche Schwierigkeiten beim Füllen des Düsenvorderteils 111 durch Kapillarwirkung mit Tinte 106, wenn der Winkel des Düsenzylinders 113 und der Wärmekammer 115 nicht exakt berechnet ist.
Fig. 18 ist ähnlich der Konfiguration der Fig. 17, mit Ausnahme der Geometrie, wobei die Strömungsrichtung der Tinte 106 durch den ZBJ-Chip 100 umgekehrt ist und zu einer umgekehrten Düsenanordnung 485 führt, in welcher die Bläschenerzeugung in derselben Richtung erfolgt wie das Ausstoßen des Tintentropfens.
Wie in Fig. 18 gezeigt, tritt die Tinte 106 in den Düsenkanal durch eine Düsenöffnung 484 ein, und ein Tintenmeniskus 107 wird im Düsenvorderteil 486 ausgebildet, an der Grenze zwischen dem Düsenzylinder 487 und dem Kanal 489. Das Erzeugen der Bläschen 116 bewirkt das Ausstoßen eines Tintentropfens 108 durch den Kanal 489 auf ein Medium, wie z. B. Papier 220.
Die Konfiguration der umgekehrten Düsenanordnung 485 unterscheidet sich in einer signifikanten Weise von den vorstehend beschriebenen Konfigurationen. Die vorstehenden erläuterten Konfigurationen (z. B. nach Fig. 17) verwenden eine Wärmeableitschicht 140, welche das Ableiten der Wärme von der Heizeinrichtung 120 weg in das Siliziumsubstrat 130 bewirkt. Jedoch in der Konfiguration nach Fig. 18 befindet sich unmittelbar benachbart der Heizeinrichtung 120 ein darunterliegender Behälter für Tinte 106. Demgemäß wird eine Wärmeableiteinrichtung 491 verwendet, um die Fläche zum Ableiten der Wärme von der Heizeinrichtung 120 durch die Glasdickschicht 142 in den Behälter für die Tinte 106 zu vergrößern. Da in dieser Konfiguration der Wärmeleitpfad viel kürzer als jener in Fig. 17 gezeigte ist, kann eine größere Wärmeableitung erreicht werden. Die Wärmeableitung kann auch weiter durch das Wiederumlaufen der Tinte 106 durch einen Wärmeaustauscher unter Verwendung einer Speisepumpe (nicht gezeigt) weiter verbessert werden.
Diese Konfiguration weist die Vorteile des planaren Aufbaus, der guten Wärmekopplung und der Wärmeableitung auf. Auch ist die Richtung der Bläschen in der Richtung des Tintenausstoßes, wodurch die Verluste an kinetischer Energie vermindert werden. Ein Nachteil dieser Konfiguration besteht darin, daß die Düse nicht selbstansaugend ist und zu Beginn unter Verwendung von Überdruck befüllt werden muß. Ist sie einmal befüllt, saugt das schrumpfende Bläschen Tinte in die Wärmekammer 488, nachdem der Tropfen 108 ausgestoßen worden ist. Auch muß der auskragende Abschnitt, welcher die Heizeinrich tung 120 unterstützt, ausreichend dick sein, um dem Stoß beim Zusammenfallen der Bläschen 116 zu widerstehen.
Fig. 19 zeigt eine Düsenanordnung, welche eine grabenimplantierte Heizeinrichtung 493 aufweist. In dieser Ausführungsform ist der Düsenhohlraum 112 als ein gerader Zylinder ausgebildet, welcher mit dem Düsenzylinder 113 und dem wahlweise geätzten Düsenkanal 114 in Verbindung steht. Ein ringförmiger Graben ist in das Silizium geätzt, und eine SiO&sub2;-Schicht ist neben und um den Düsenhohlraum 112 aufgewachsen. Die ringförmige Heizeinrichtung 493 ist auf dem Graben 492 angeordnet, welcher das Erzeugen der verdampften Bläschen 116 bewirkt, welche sich über den Düsenhohlraum 112 ausdehnen, quer zur Ausstoßrichtung des Tropfens. Die Vorteile dieser Konfiguration schließen die gute Wärmekopplung und das Selbstansaugen ein. Die Nachteile umfassen die geringe Wärmeableitung, da die Flüssigkeitskühlung durch erzwungene Tintenströmung nicht wirkungsvoll ist, da der größte Teil der Tinte von der bläschenerzeugenden Oberfläche 600 µm vom Siliziumsubstrat 130 entfernt ist. Es ist auch schwierig, eine entsprechende Düsenlänge zu erreichen, da diese durch sehr dicke Schichten aus CVD-Glas erzeugt werden muß, welche die Glasdickschicht 142 bilden. Außerdem läßt die quer verlaufende Bläschenausbildung keine optimale Bewegungskopplung zu. Auch verursacht die hohe Wärmeleitung in das Siliziumsubstrat 130 einen Wärmeverlust Schließlich ist die Länge der Heizeinrichtung 493 durch den Umfang der Düse eingeschränkt oder die Hälfte des Umfangs, wenn die Fehlertoleranz angewendet wird, und somit ist es schwierig, eine Heizeinrichtung 493 mit einem hohen Widerstand zu schaffen.
Fig. 20 zeigt die ringförmige Grabenkonfiguration nach Fig. 19, welche in der umgekehrten Anordnung gezeigt ist. Hier erstreckt sich der ringförmige Graben 492 zum Düsenvorderteil 486 hin, wie es bei der verteilten Heizeinrichtung 493 der Fall ist. Eine Wärmeableiteinrichtung 491 ist ebenfalls in der vorstehenden Weise angeordnet. Im Unterschied zur Fig. 19 ist infolge der Konfiguration des Kanals 489 die Düsenlänge leicht veränderbar. Die Vorteile dieser Konfiguration bestehen in der Wärmekopplung, der leichten Wärmeabführung, dem Selbstansaugen und der einfachen Fertigung. Die Nachteile bestehen darin, daß die Bläschenrichtung quer zur Richtung des Tintentropfenausstoßes ist und die Schwierigkeit bei der Steuerung der Länge der Heizeinrichtung 493 vorliegt. Auch ist die Wärmeleitung zum Siliziumsubstrats 130 hoch, wodurch Wärmeverlust verursacht wird.
Fig. 21 zeigt eine weitere Konfiguration, welche eine Winkelheizeinrichtung verwendet. In dieser Ausführungsform ist ein zylindrischer Düsenkanal zwischen dem Düsenvorderteil 111 und dem Düsenzylinder 113 ausgebildet. Thermisch aufgewachsenes SiO&sub2; ist als eine Schicht 494 angeordnet, welche sich in den Düsenzylinder 113 erstreckt. Eine winklig ausgerichtete Heizeinrichtung 495 ist dann auf der Schicht 494 aufgetragen, und ein elektrischer Kontakt 496 ist auf der Oberfläche der Heizeinrichtung 495 ausgebildet. Die Glasdickschicht 142 aus CVD-SiO&sub2; ist dann über dem Kontakt und der Heizeinrichtung angeordnet und erstreckt sich in den Düsenzylinder 113. Die Vorteile dieser Konfiguration sind das Selbstansaugen und die Wärmeisolation der Heizeinrichtung 495 gegenüber dem Siliziumsubstrat 130. Die Nachteile sind die geringe Wärmeableitung, Schwierigkeiten beim Steuern der Düsenlänge durch Verändern der Dicke der Glasdickschicht 142, die Bläschenquerrichtung, die geringe Wärmekopplung, weil die Heizeinrichtung 495 von der Tinte 106 durch eine Schicht aus amorphem CVD-Glas isoliert ist, Schwierigkeiten beim Steuern der Länge der Heizeinrichtung und die Komplexität der Herstellung (wird nachstehend beschrieben).
Fig. 22 zeigt die umgekehrte Anordnung der winklig verbundenen Heizeinrichtung 4951 welche in einer ähnlichen Weise hergestellt wird. Die Vorteile umfassen die Wärmeableitung durch den Tintenbehälter, das Selbstansaugen und die vom Siliziumsubstrat 130 wärmeisolierte Heizeinrichtung 495. Die Nachteile bestehen in der Bläschenquerrichtung, der schlechten Wärmekopplung durch das amorphe CVD-Glas zwischen der Heizeinrichtung 495 und der Tinte 106 und den Einschränkungen in der Länge der Heizeinrichtung.
Fig. 23 zeigt eine Düsenanordnung ähnlich jener in Fig. 18, wobei jedoch die relativen Größen bezüglich der Düsenöffnung 484 und des Düsenvorderteils 486 verändert wurden, um die Kapillarwirkung zum Füllen der Düse und das Ausbilden des Tintenmeniskus 107 zu verbessern. Ein Nachteil der Konfiguration nach Fig. 18 besteht darin, daß die Düsenöffnung 484 und der Düsenvorderteil 486 gleiche Durchmesser aufweisen. Der Durchmesser des Düsenvdrderteils 486 ändert sich in Abhängigkeit von einer Anzahl von Gestaltungskriterien, wie z. B. von der gewünschten Tropfengröße.
Um die Düse zu füllen, muß bei dem Tintenmeniskus 107, wie er gezeigt ist, die Tinte 106 durch die Düsenöffnung 484 strömen, aber dann am Düsenvorderteil 486 zum Stillstand kommen. Wenn beide im wesentlichen dieselbe Größe aufweisen, wird die Tinte an der Düsenöffnung 484 entweder einen Tintenmeniskus ausbilden oder durch den Düsenvorderteil 486 tropfen, abhängig vom Fülldruck Keine dieser Bedingungen ist erwünscht. Doch besonders wird angestrebt, daß die Dü senöffnung 484 einen ausreichenden Durchmesser aufweist, um das Füllen der Düse zu ermöglichen, und daß der Düsenvorderteil 486 einen unterschiedlichen, kleineren Durchmesser aufweist, um das Ausbilden des Tintenmeniskus 107 vorzusehen. Die Düse wird dann unter Verwendung eines Drucks gefüllt, welcher größer als der "Bläschendruck" der Düsenöffnung 484 ist, aber geringer als der "Bläschendruck" des Düsenvorderteils 486. Die in Fig. 23 gezeigte Konfiguration ist eine geeignete Anordnung, wobei der Durchmesser der Düsenöffnung 484 ungefähr 50% größer als der Durchmesser des Düsenvorder teils 486 ist. Diese Konfiguration erlaubt auch das exakte Steuern der Tropf engröße, während die hohe Wiederauffüllfrequenz der Düse aufrechterhalten wird.
Die Wirkungsweise des ZBJ-Chips 100 unterscheidet sich von den Bläschen-Strahl-Druckköpfen des Standes der Technik durch das Verwenden einer wahlweisen Tropfenausstoßeinrichtung, welche in Fig. 24 - 31 gezeigt ist. In Fig. 24 ist eine einzelne Düse 110 des ZBJ-Druckkopfs 100 in ihrem Ruhezustand gezeigt, wobei die Heizeinrichtung 120 ausgeschaltet ist. Die Tinte 106 bildet innerhalb der Düse 110 einen Tintenmeniskus 107 aus.
In Fig. 25 ist die Heizeinrichtung 120 eingeschaltet, und somit werden das umgebende Siliziumsubstrat 130 und die Wärmeisolationsschicht 132 erhitzt, welche andererseits die Tinte 106 innerhalb der Düse 110 erhitzt. Ein Teil der Tinte 106 verdampft, um kleine Bläschen 116 zu erzeugen.
Da die verdampfte Tinte 106 erhitzt wird, dehnt sie sich aus und schließt sich zu großen Bläschen 116 zusammen, wie in Fig. 26 gezeigt ist.
In Fig. 27 ist gezeigt, wie der Druck der sich ausdehnenden gasförmigen Bläschen 116 die Tinte 106 zwangsweise mit hoher Geschwindigkeit aus dem Düsenvorderteil 111 ausstößt.
In Fig. 28 ist die Heizeinrichtung 120 ausgeschaltet, wobei sich das Bläschen 116 zusammenzieht und Tinte 106 aus dem erzeugten Tropfen 108 saugt.
In Fig. 29 trennt sich der Tropfen 108 innerhalb der Düse 110 von der Tinte 106, und das sich zusammenziehende Bläschen 116 zieht einen Tintenmeniskus 107 rückwärts in die Düse 110.
Wie in Fig. 30 zu sehen ist, verursacht die Oberflächenspannung das Wiederbefüllen der Düse 110 mit Tinte 106 aus dem darunterliegenden Behälter, wobei die Strömungsgeschwindigkeit der Tinte 106 das Überfüllen bewirkt.
Schließlich schwingt die Tinte 106, wie in Fig. 31 gezeigt ist, und kehrt endlich in den Ruhezustand zurück. Die Schwingungsdämpfungszeit ist ein Faktor, welcher die maximale Punktwiederholfrequenz bestimmt.
Wird die Heizeinrichtung 120 eingeschaltet, geht ein Teil der Wärme in die Tinte 106 uber, wie in Fig. 32 gezeigt ist, und der restliche Teil stromt in der gekennzeichneten Weise in das die Düse umgebende Material.
p Fig. 33 zeigt das Uberhitzen der Tinte, wobei sich eine dünne Schicht überhitzter Tinte 109 innerhalb des Düsenhohlraums 112 in unmittelbarer Nähe der Passivierungsschicht 144 bildet.
Die überschüssige Wärme muß rasch abgeführt werden, nachdem die Heizeinrichtung 120 ausgeschaltet wurde. Innerhalb von 200 µs nach dem Ansteuern der Heizeinrichtung 120 sollte keine Tinte 106 mehr bei einer Temperatur von über 100ºC verbleiben, bei welcher Bläschen 116 erzeugt werden, weil die Tinte 106 im wesentlichen aus Wasser besteht. Wird dies nicht erreicht, erfolgt kein sachgemäßes Ausstoßen des nächsten Tintentropfens 108, da dort eine isolierende Dampfschicht zwischen der Heizeinrichtung 120 und der Tinte 106 vorliegt.
Die Verlustwärme wird auf drei getrennten Pfaden abgeführt. Zuerst wird die Wärme durch die Tinte abgeleitet, welche bewirkt, daß deren Temperatur leicht ansteigt. Da jedoch die Wärmeleitfähigkeit der Tinte niedrig ist, ist auch die auf diesem Pfad abgeleitete Wärmemenge gering.
Da die Wände der Düse 110 aus Silizium des Siliziumsubstrats 130 hergestellt sind und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, erfolgt durch die Wände die schnelle Wärmeableitung. Jedoch ist nicht das gesamte Bläschen 116 im Kontakt mit den Seitenwänden der Düse 110.
Auch durch die Heizeinrichtung 120 wird Verlustwärme abgeführt. Die Wärmeableitung durch die Heizeinrichtung 120 ist wichtig, da kein Tintendampf im Kontakt mit der Heizeinrichtung 120 sein darf, wenn der nächste Tropfen ausgestoßen wird. Da der größte Teil des Materials um die Heizeinrichtung 120 aus Glas mit niedriger Wärmeleitfähigkeit besteht, ist die Wärmeableitschicht 140 angeordnet, um die Verlustwärme zum Siliziumsubstrat 130 abzuführen Wenn das Ableiten dieser Wärme innerhalb von ungefähr 200 µs erreichbar ist, dann ist es nicht erforderlich, die Wärmeableitschicht 140 anzuordnen. Fig. 34 zeigt den Wärmestrom von dem abkühlenden Bläschen 116, wie vorstehend beschrieben ist.
Fig. 35 zeigt auch die Verlustwärme-Ableitpfade 125, auf welchen die Wärme durch das Siliziumsubstrat 130, als dem Hauptwärmeleiter, von der Heizeinrichtung 120 abfließt Ein Teil dieser Wärme strömt in die Tinte 106 zurück und wird schließlich mit den nachfolgenden Tropfen 108 ausgestoßen. Der Rest der Wärme strömt durch das Siliziumsubstrat 130 und in das Kühlelement (51, 52) aus Aluminium, welches in Fig. 4 gezeigt ist.
Fig. 36 zeigt makroskopisch die Wärmeableitung an der ZBJ- Druckkopfbaugruppe 200 mit 51 200 Düsen für Vierfarbendruck. Wenn der Heizvorgang die Durchschnittstemperatur der gesamten ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 nicht um mehr als etwa 10 Grad bis 20 Grad über die Durchschnittstemperatur der zuströmenden Tinte 106 erhöht, ist es nicht erforderlich, eine äußere Kühleinrichtung vorzusehen. Auf diese Weise kann die ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 wirkungsvoll durch einen stetigen Zustrom von Tinte 106 aus den Tintenbehältern 215, 216, 217 und 218 gekühlt werden, wie gezeigt ist. Die Tintenströmungsmenge ist der erzeugten Wärme direkt proportional, da die Tinte 106 jedesmal ausgestoßen wird, wenn die Heizeinrichtungen eingeschaltet werden.
Im wesentlichen werden etwa 50 Watt elektrischer Leistung 126 der ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 zugeführt, welche einen Sprühstrahl 117 mit 12 800 Tropfen je Farbe während einer Anwendungszeitdauer von 20 µs ausgibt. Dies stellt einen Ausstoß 127 von etwa 1,28 ml Tintentropfen je Sekunde bei einer Temperatur dar, welche um 10 Grad bis 20 Grad über der 10 Raumtemperatur liegt. Es soll auch erwähnt werden, daß auch die Ansteuerschalteinrichtung auf dem ZBJ-Chip 100 etwas Leistung verbraucht, aber diese ist minimal im Vergleich zur Leistungsaufnahme der Heizeinrichtungen 120.
Wenn jedoch die Düsenleistung (thermisch und die im wesentlichen kleinere kinetische Leistung im Vergleich zur zugeführten elektrischen Leistung) geringer ist als die vorstehend angegebene, wird mehr Wärme erzeugt als mit den Tropfen abgegeben werden kann, ohne die Tintentemperatur übermäßig zu erhöhen. In diesem Fall können auch andere Verfahren zur Wärme ableitung angewendet werden (wie z. B. Zwangsluftkühlung oder Flüssigkeitskühlung unter Verwendung der Tinte).
Während die Durchschnittstemperatur der ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 niedrig ist, beträgt die Arbeitstemperatur der Heizeinrichtungen 120 über 300ºC. Es ist wichtig, daß die aktiven Elemente (Ansteuertransistoren und Logikschalteinrichtung) des ZBJ-Chips 100 dieser extremen Temperatur nicht ausgesetzt werden. Dies ist durch das Anordnen der Ansteuertransistoren und der Logikschalteinrichtung so fern als möglich von den Heizeinrichtungen 120 erreichbar. Diese aktiven Elemente können an den Kanten des ZBJ-Chips 100 angeordnet werden, so daß nur die Heizeinrichtungen 120 und die Aluminium-Anschlußleitungen im Hochtemperaturbereich verbleiben.

Tintenkanal:

Wie in Fig. 37 und Fig. 38 gezeigt ist, weist eine Vollfarben-ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 vier Tintenkanäle auf, einen für jeweils Cyan 211, Magenta 212, Yellow 213 und Schwarz 214. Diese Tintenkanäle 211 - 214 sind als ein Aluminiumprofilstrang 210 ausgebildet und sind mit Filtern versehen und gegenüber der Rückseite des ZBJ-Chips 100 versiegelt.
In einigen Anwendungsfällen sind die Tintenkanäle 211 - 214 nach Fig. 37 nicht ausreichend, um einen angemessenen Tintenfluß zu gewährleisten. In einer solchen Situation kann der Profilstrang nach Fig. 38 verwendet werden, um die Strömungsmenge zu erhöhen. Wie in Fig. 37 gezeigt, ist ein 10-µm-Membranfeinstfilter 205 als Schutz gegen die Tintenverunreinigung zwischen dem Tintenkanal-Profilstrang 210 und dem ZBJ-Chip 100 angeordnet. Wenn der 10-µm- Membranfeinstfilter 205 komprimierbar ist, kann er auch als eine Abdichtung dienen, um den Tintenfluß zwischen den vier Farben zu verhindern. Die Kanten der ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 sind vorzugsweise abgedichtet, um das Eindringen von Gas zu verhindern. Für die vorstehend erläuterte Konfiguration ist nur eine Fertigungsgenauigkeit von ungefähr ± 50 µm einzuhalten.

Blockieren der Druckköpfe:

Zwei wesentliche Ursachen für das Blockieren der Druckköpfe und dergleichen sind eingetrocknete Tinte und die Verunreinigung.
Ist eine ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 nicht in Gebrauch, so trocknet die freiliegende Oberfläche aus. Trocknet sie zu sehr aus, ist der Druck eines Bläschens 116 nicht ausreichend, um die eingetrocknete Tinte zu verdrängen. Dieses Problem ist lösbar durch:
1. Automatisches Verkappen der ZBJ- Druckkopfbaugruppe 200 mit einem luftdichten Verschluß, wenn sie nicht im Gebrauch ist;
2. Anwenden eines Lösungsmittels während eines Reinigungszyklus an der Vorderfläche der ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200;
3. Verwenden einer selbstablösenden Tinte und bzw. oder
4. Verwenden eines Vakuum-Reinigungssystems.
Der ZBJ-Chip 100 ist gegenüber dem Blockieren durch Teilchenverunreinigung der Tinte 106 empfindlich. Jedes Teilchen einer Größe zwischen 20 µm und 60 µm verbleibt dauerhaft in dem Düsenhohlraum 112, da es nicht mit dem Tintentropfen 108 ausgestoßen werden kann. Ein Filter, wie z. B. der 10-µm- Membranfeinstfilter 205, ist im Tintenpfad angeordnet, um alle Teilchen größer als 10 µm zu entfernen. Dies kann ein 10-µm-Feinstfilter aus gebundenen Glasfasern sein, und er weist vorzugsweise eine relativ große Fläche auf, um einen ausreichenden Tintenfluß zuzulassen. Dies ist in Fig. 35 und Fig. 44 gezeigt.
Der ZBJ-Chip 100 in Vollfarbenausführung mit vier Düsen 110 je Pixel weist einen Toleranzgrad von blockierten Düsen 110 auf. Eine blockierte Düse 110 führt zu einer 25%igen Verminderung der Farbintensität jenes Pixels gegenüber einem vollständigen Fehlen der Farbe.
Ausrichten der Düse gegenüber der Heizeinrichtung: Die bestehenden Bläschen-Strahl-Technologien gemäß dem Stand der Technik von Canon und die wärmeaktiven Tintenstrahl-Systeme von Hewlett-Packard verwenden eine zweiteilige Konstruktion zum Ausbilden der Düsen. Die Heizeinrichtängen sind auf einem Siliziumchip ausgebildet, wobei die Düsen unter Verwendung einer Kappe erzeugt werden, welche aus einem unterschiedlichen Material hergestellt ist. Diese Technologie hat sich als sehr erfolgreich für die Fertigung von abtastenden, wärmeaktiven Tintenstrahl-Druckköpfen mit einer mittleren Anzahl von Düsen erwiesen. Um jedoch einen Ausdruck der Größe A4 in voller Breite (d. h. mit einem feststehenden Druckkopf) mit sehr kleinen Tropfengrößen zu erreichen, wird diese Technologie schwieriger. Bei Düsenabständen von 64 µm und Kopflängen von 220 mm sind die Unterschiede in der Wärmeausdehnung zwischen dem Substrat und der Düsenkappe mit nur 0,02% ausreichend, um die Fehlfunktion zu verursachen. Selbst geringe Änderungen der Umgebungstemperatur verursachen diesen Grad der unterschiedlichen Wärmeausdehnung, wenn die Kappe und das Substrat aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind. Eine Lösung dieses Problems besteht darin, die Kappe aus demselben Material wie das Substrat zu fertigen, üblich ist Silizium. Selbst wenn dies erfolgt, können Temperaturunterschiede zwischen dem Siliziumsubstrat und der Siliziumkappe (verursacht durch Verlustwärme der Heizeinrichtungen) ausreichen, um eine Fehlausrichtung zu verursachen.
Der ZBJ-Chip 100 weist diese Probleme nicht auf, da die Heizeinrichtungen 120, die Düsen 110 und die Tintenkanäle 101 alle unter Verwendung eines einzigen Siliziumsubstrats 130 hergestellt werden. Die Ausrichtung der Düse gegenüber der Heizeinrichtung wird durch die Genauigkeit der Fotolithografie bestimmt, nach welcher der ZBJ-Chip 100 gefertigt wird. Infolge der im wesentlichen großen Konstruktionsabmessungen dieser Konfiguration bestehen kaum Schwierigkeiten, um zu gewährleisten, daß die Düsen genau ausgerichtet sind, da der ZBJ-Chip 100 ein monolithischer Chip ist, der in Anwendung von 2-µm-Halbleiterprozessen herstellbar ist.

Bilder mit gleichmäßigem Tonwert:

Da es schwierig ist, die Größe der Tropfen aus einem Bläschen-Strahl-Druckkopfs zu verändern, wird das Erzeugen eines gleichmäßigen Tonwerts durch Verändern der Anzahl der Tropfen erreicht.
Im vorliegenden Fall werden- 16 Tropfen je Pixel verwendet, um eine Bilddichte von 400 Pixel je Zoll zu erzeugen. Dies ergibt 16 Grautonstufen je Pixel. Die Tonwertabstufungen, welche für das Herstellen von Bildern mit gleichmäßigem Tonwert erforderlich sind, können durch Standard-Digital-Punktoder Linienrasterverfahren oder durch Fehlerausgleich der am wenigsten signifikanten 4 Bit eines 8-Bit-Farbintensitätswerts erzeugt werden. Dies führt zu einer erfaßten Farbauflösung von 256 Farbstufen je Farbe, während eine allgemeine Auflösung von 400 Pixel je Zoll aufrechterhalten wird. Es gibt zwei Düsenkonfigurationen, welche hier betrachtet werden: mit einer Düse je Pixel und mit vier Düsen je Pixel. In beiden Fällen wird angenommen, daß die Tropfengröße ungefähr 3 pl beträgt.
Fig. 39 zeigt die Tintentropfenpositionen für ein Pixel einer Vier-Düsen-je-Pixel-Konfiguration. In diesem Fall sind die Tropfen Muster, um das Pixel in einer 4 x 4-Matrix der Abmessungen 64 mm x 64 mm zu füllen. Der horizontale Abstand ist durch den Abstand zwischen den Düsen 110 vorgegeben, und der senkrechte Abstand wird durch die Papierbewegung gewährleistet. Diese Anordnung gestattet ausreichende Linearität im Verhältnis zwischen der Anzahl der Tropfen und der Farbintensität. Vier Düsen je Pixel erlauben auch eine Druckgeschwindigkeit, welche viermal schneller ist als jene der Ausführung mit einer Düse je Pixel, mit einer nur etwas größeren Chipfläche. Die Wirkung einer blockierten oder gestörten Düse wird ebenfalls durch eine Verminderung der Farbe um 25% beschränkt.
Fig. 40 zeigt eine Einzeldüsen-Ausführungsform und die Tintentropfenpositionen für ein Pixel. In diesem Fall ist der senkrechte Tropfenabstand durch die Papierbewegung bestimmt. Wenn 16 Tropfen in einem 64-µm-Pixel angeordnet werden, sind die Tropfen 4 µm beabstandet. Das Pixel wird horizontal durch den frischen Tintenstrom durch überlappende Tropfen gefüllt.
Diese Anordnung zeigt die Nachteile einer wesentlichen Nichtlinearitat in dem Verhältnis zwischen der Anzahl der Tropfen und der Farbintensität sowie eine geringere Druckgeschwindigkeit. Der Vorteil besteht in den geringeren Fertigungskosten gegenüber der Ausführungsform mit vier Düsen je Pixel.

Düsenkonfiguration:

Es gibt mehrere Faktoren, welche die optimale Konfiguration der Düsen 110 beeinflussen. Diese sind:
(1) Für eine Druckauflösung von 400 dpi sind quadratische Pixel mit jeweils 64 µm Seitenlänge erforderlich;
(2) Die Anzahl der Dusen je Pixel hat eine unterschiedliche Wirkung auf die Düsenkonfiguration;
(3) Der Durchmesser des Düsenzylinders 113 beeinflußt die Düsengestaltung, weil der Düsenzylinder 113 größer als der Durchmesser des Tintentropfens 108 ist. In der bevorzugten Ausführungsform des ZBJ-Chips 100 weist der Düsenzylinder 113 einen Durchmesser von 60 µm auf. Um die mechanische Festigkeit des ZBJ-Chips 100 zu gewährleisten, wird angenom men, daß jede Düse 110 mindestens 80 µm von der benachbarten nächsten Düse entfernt sein muß;
(4) Der Ansteuerzyklus, welcher 1 : 32 beträgt, erlaubt alle 200 µs einen 6,25-µs-Heizimpuls. Dies gibt dem Tintenmeniskus 107 Zeit zum Stabilisieren, bevor der nächste Tropfen 108 ausgestoßen wird;
(5) Um wesentliche Abweichungen in der Stromzuführung beim Ansteuern der Heizeinrichtungen 120 zu vermeiden, werden alle der 32 verfügbaren Ansteuerzeitpunkte, welche für den 1 : 32-Arbeitszyklus zulässig sind, durch eine gleiche Anzahl von Düsen 110 verwendet. Dies bedeutet, daß:
Strom ≤ Anzahl der Düsen * Düsenstrom/32 ist;
(6) Wenn benachbarte Düsen 110 der Reihe nach angesteuert werden, dann kann die Wärme von einer Düse 110 die nächste störend beeinflussen, und eine Fläche kann zu heiß werden. Um dieses Problem zu minimieren, werden weit beabstandete Düsen 110 aufeinanderfolgend angesteuert. Dies ist der Grund, weshalb die in Fig. 42 und Fig. 43 gezeigten Ansteuerfolgen unnötigerweise komplex erscheinen (wird nachstehend beschrieben); und
(7) Die optimale Anordnung für einen Farbdruckkopf ist nicht einfach ein viermal wiederholter Ein-Farben-Druckkopf. Die anderen Düsen des Farbdruckkopfs können verwendet werden, um eine bessere Wärmeverteilung zu erreichen.
Fig. 41 zeigt die Anwendung einer Druckkopf-Zeitsteuerung, welche in 32 unterschiedliche Zeitsteuerbereiche oder "Ansteuerreihenfolgen" unterteilt ist, wobei jede um 6,25 µs beabstandet ist. Dies erzeugt einen wiederholten Zyklus von 200 µs, bevor dieselbe Düse erneut angesteuert wird.
Das Bewegen des Druckmediums (z. B. Papier 220 in Fig. 18) in den 6,25 µs zwischen den Düsenansteuerungen ist entsprechend der Druckkopfanordnung. Die Düsen 110 können leicht geneigt sein, um jede Punktneigung auszugleichen, welche durch die Bewegung des Papiers verursacht wurde, jedoch wird diese Neigung sehr klein sein.
Fig. 42 zeigt eine mögliche Düsengestaltung für einen Vollfarben-ZBJ-Druckkopf mit einer Düse je Pixel und 16 Tropfen je Pixel. Der horizontale Abstand der Düsen 110 beträgt ein Pixel (64 µm). Die Düsen 110 sind in einem Zickzack-Muster angeordnet, um einen Abstand von mindestens 80 µm zwischen den Düsenzylindern 113 aufrechtzuerhalten, um die mechanische Festigkeit des Druckkopfs zu gewährleisten. Eine solche Druckkopfgestaltung kann mit der 3-µm-Lithografie erzeugt werden.
Um die körperliche Verschiebung der Düsen 110 gegenüber einer geraden Linie zu kompensieren, müssen Leitungsverzögerungseinrichtungen in die Ansteuerschalteinrichtung eingefügt werden. Die Nummer der verzögerten Leitungen ist auf der rechten Seite von Fig. 42 angegeben. Die Ansteuerreihenfolge 225 ist in der Mitte jeder Düse 110 angegeben und die Papierbewegung durch den Pfeil 222 gekennzeichnet.
Fig. 43 zeigt eine Düsengestaltung für die ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 in Vollfarbenausführung mit vier Düsen 110 je Pixel, wobei jede viermal je Pixel angesteuert wird, um 16 Tropfen je Pixel zu ergeben. Der horizontale Abstand der Düsen 110 beträgt 16 µm (ein Viertel eines Pixeis). Die Düsen 110 sind in 8 Reihen im Zickzack-Muster angeordnet, um mindestens 80 µm Abstand dazwischen aufrechtzuerhalten. Die Düsen 110 der benachbarten Reihen sind auch angeordnet (zueinander versetzt), um jede durch die mit dem Pfeil 222 ge kennzeichnete Papierbewegung verursachte Neigung auszugleichen Diese Druckkopfgestaltung erfordert die 2-µm-Lithografie für die Düsenankopplungen und die Ansteuerschalteinrichtung.
Obgleich sich die ausführliche Beschreibung dieser Ausführung auf die Vier-Düsen-je-Pixel-Konfiguration konzentriert, da diese die schwierigste ist, sollte darauf hingewiesen werden, daß eine Einzeldüse-je-Pixel-Konfiguration leicht ableitbar ist.

ZBJ-Druckkodf-Baugrudde:

Die ZBJ-Druckkopf-Baugruppe 200 hat mehrere spezifische Anforderungen zu erfüllen:
Tintenzuführung, Tintenfiltration, Energiezuführung, Wärmeableitung, Ansteuersignalanschluß und mechanische Halterung.
Die ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 weist 51 200 Düsen auf, wobei jede alle 200 µs einen Tropfen von 3 pl Volumen ausstoßen kann, so daß maximal 1,28 ml Tinte je Sekunde verbraucht werden. Dies erfolgt, wenn die ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 vollflächig Schwarz aus vier Farben druckt. Da in diesem Fall vier Farben verwendet werden, beträgt der maximale Tintenstrom 0,23 ml je Farbe und je Sekunde. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit der Tinte auf etwa 20 mm/s zu beschränken ist, dann müssen die Tintenkanäle 211 - 214 eine Querschnittsfläche von jeweils 16 mm² aufweisen.
In der Tinte mitgeführte Teilchen, welche einen Durchmesser von kleiner 60 µm aufweisen, werden in den Düsenkanal 114 transportiert. Teilchen, welche größer als 20 µm im Durchmesser sind, können nicht durch die Düse 110 ausgestoßen werden. Selbst wenn dem Anwender vorgefilterte Tinte geliefert wird, besteht eine Möglichkeit der Teilchenverunreinigung, wenn die Tinte wiederaufgefüllt wird. Daher muß die Tinte wirksam gefiltert werden, um alle Teilchen zwischen 20 µm und 60 µm Durchmesser auszuschließen.
Im Hinblick auf die Energiezuführung beträgt der Spitzenstromverbrauch der ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 bei voller Breite etwa mehrere Ampere. Dieser Strom muß auf der gesamten Länge des ZBJ-Chips 100 bei unwesentlichem Spannungsabfall zugeführt werden. Auch weist die ZBJ-Druckkopfbaugruppe mehr als 35 Signalanschlüsse auf, deren genaue Anzahl von der gewählten Schaltungsausführung abhängt, und demgemäß ist auch ein geringfügiger Spannungsabfall erforderlich.
Die mechanische Halterung des ZBJ-Chips 100 kann durch den Tintenkanal-Profilstrang 210 in der in Fig. 37 gezeigten Art und Weise erfolgen. Der Tintenkanal-Profilstrang 210 weist drei Funktionen auf: das Bereitstellen der Tintenkanäle und das Getrennthalten der vier Farben, das Vorsehen der mechanischen Halterung für den ZBJ-Chip 100 und das Unterstützen der Ableitung der Verlustwärme in die Tinte 106.
Aus diesen Gründen ist zu bevorzugen, daß der Tintenkanal- Profilstrang 210 aus Aluminium stranggepreßt und anodisch oxydiert wird, um die elektrische Isolation gegenüber den Energiebus-Anschlußelementen 201 und 202 zu gewährleisten. Die Fertigungsgenauigkeit des Tintenkanal-Profilstrangs 210 braucht nur auf ungefähr ≤50 µm eingehalten zu werden, da der Tintenkanal-Profilstrang 210 nicht im Kontakt mit den Düsen 110 ist. Die Kanten des Tintenkanal-Profilstrangs 210 sollen gegenüber dem ZBJ-Chip 100 abgedichtet sein, um das Eintreten von Luft in die ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 zu verhindern. Dies ist mit demselben Epoxidharz erreichbar, wie es zum Kleben der ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 verwendet wird.
Fig. 44 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht einer bevorzugten Konstruktion einer ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 in Vollfarben-Hochgeschwindigkeitsausführung. Der Filter 205 ist vorzugsweise ein Feinstfilter der Weite 10 µm (oder feiner), wie z. B. ein Filtermaterial "Duofine" (Waren zeichen) aus gebundenen Glasfasern. Die Oberfläche dieses Filters, durch welchen die Tinte fließen muß, beträgt 528 mm². Bei einer Tintenströmungsmenge von 1,28 ml/s muß die Tinte den Filter mit einer Geschwindigkeit von 2,4 mm/s durchströmen. Ist der 10-µm-Membranfeinstfilter 205 komprimierbar, kann er auch eine Dichtung ausbilden, um den Farbteilchenfluß zwischen den vier Farben zu verhindern. In diesem Fall kann der ZBJ-Chip 100 mit dem Tintenkanal-Profilstrang 210 unter Druck verklebt werden. Wahlweise ist eine Silikongummidichtung verwendbar. In diesem Fall ist darauf zu achten, daß die Tintenkanäle 211 - 214 nicht verunreinigt werden.
Eine Möglichkeit der zuführung der erforderlichen Energie zum ZBJ-Chip 100 ist durch Energieversorgungsanschlüsse, welche sich über die gesamte Länge des ZBJ-Chips 100 erstrecken. Diese können durch das Anwenden des automatischen Folienbondverfahrens (TAB) mit den Energiebus-Anschlußelementen 201 und 202 verbunden werden, welche einen Teil der ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 bilden. Die Signalanschlüsse zum ZBJ-Chip 100 können unter Verwendung derselben TAB-Bänder hergestellt werden, wie sie für die Energiezuführung zum ZBJ-Chip 100 eingesetzt werden. Wie ferner in Fig. 4 gezeigt, können die Energiebus-Anschlußelemente 201, 202 als den Tintenkanal-Profilstrang 210 umgebende Wärmeableitelemente konfiguriert werden.

Tintentropfen:

Bei einer fehlertoleranten Gestaltung, welche das Erzeugen von zwei getrennten Heizelementen 121, 122 erfordert, treten die Tintentropfen 108 nicht notwendigerweise im rechten Winkel zur ZBJ-Druckkopfoberfläche aus. Der Tintentropfen 108 kann durch die Schockwellen des sich ausdehnenden Bläschens in unterschiedlichen Winkeln abgelenkt werden, je nachdem, ob das Hauptheizelement 121 oder das Redundanzheizelement 122 angesteuert war. Eine solche Konfiguration ist jeweils in Fig. 45 und Fig. 46 gezeigt und sollte in Verbindung mit Fig. 10 und Fig. 12 betrachtet werden.
Der Ablenkwinkel 153 und der Ablenkwinkel 154 hängen von der exakten Geometrie der Düse 110 und vom Ausbreitungsmodäs der Schockwelle des Bläschens 116 durch die Tinte 106 ab. Der Ausstoßwinkel des Tropfens 108 ist an sich nicht wichtig.
Jedoch jeder Unterschied zwischen dem Ausstoßwinkel des vom Hauptheizelement 121 ausgestoßenen Tropfens und dem des durch das Redundanzheizelement 122 ausgestoßenen Tropfens führt zu einer leichten Verschlechterung der Bildqualität. Dies kann auf zweierlei Weise vermindert werden:
Erstens durch das Anordnen der ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 näher am Papier 220, um die Entfernung zwischen den beiden Flecken auf dem Papier 220 zu vermindern und zweitens durch zeitliches verzögern des Ausstoßens durch die Düse mit dem redundante Heizelement, so daß die Papierbewegung den Ablenkwinkel 153 oder 154 unwirksam macht. Dies erfordert, daß die Hauptheizelemente und die Redundanzheizelemente in die Richtung der Papierbewegung 222 ausgerichtet werden.

Energiezuführung:

Die ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 in voller A4-Breite und in Volifarbenausführung weist im Betriebszustand einen hohen Stromverbrauch von mehreren Ampere auf. Das Zuführen dieses Stroms zum ZBJ-Chip 100 und das Verteilen in diesem ist bei Verwendung der standardisierten integrierten Schalteinrichtungskonstruktion nicht möglich. Die Geometrie des ZBJ-Chips 100 führt jedoch zu einer einfachen Lösung. Die gesamte Kante des ZBJ-Chips 100 ist zur Energiezuführung nutzbar, mit Anschlüssen, die zu einer breiten Aluminium-Leitbahn entlang beider langen Kanten des ZBJ-Chips 100 ausgebildet sind. Die Energie ist durch die Energiebus-Anschlußelemente 201 und 202 entlang beider Seiten des ZBJ-Chips 100 zuführbar, welche durch das automatische Folienbondverfahren (TAB), zusammendrückbare Lötpunkte, Blattfederanschlüsse an goldbeschichteten Leitbahnen, eine große Anzahl von Drahtbondstellen oder andere Anschlußtechniken mit dem Chip verbunden werden.
Fig. 47 zeigt ein Verfahren des automatischen Folienbondanschlusses entlang der Langseite des ZBJ-Chips 100 mit den als vergrößerte Einzelheit gezeigten Anschlüssen. Fig. 48 zeigt eine Vergrößerung einer wahlweisen Anordnung unter Verwendung einer geriffelten Kante für Mehrpunktkontakte.
Die in Fig. 47 gezeigte Energiebusschiene/das Energiebus- Anschlußelement (51,52) (201, 202) kann auf einfache Weise größer hergestellt werden der kann eine unterschiedliche Form aufweisen oder aus unterschiedlichem Material gefertigt sein, ohne daß vom Konzept der ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 abgewichen wird. Zwangsluftkühlung, Wärmerohre oder Flüssigkeitskühlung können ebenfalls eingesetzt werden. Es ist auch möglich, durch Vermindern des Arbeitszyklus der Düse 110 den Stromverbrauch zu reduzieren. Dies verlängert die Druckzeit, vermindert aber den durchschnittlichen Energieverbrauch. Die für den Druck einer Seite erforderliche Gesamtenergie wird nicht beeinflußt.

Energieableitung:

Die gesamte Länge des Vollfarben-Druckkopfs kann eine Energieableitung von bis zu 500 W aufweisen, wenn alle Düsen drucken, abhängig vom Düsenwirkungsgrad. Bevor eine abschließende Gestaltung eines ZBJ-Druckkopfs ableitbar ist, sollte folgendes berücksichtigt werden, da alle diese Faktoren die Wärmeerzeugung und Wärmeableitung beeinflussen.
(1) Die Anzahl der Düsen: Die Anzahl der Düsen 110 hat einen direkten Einfluß auf die Wärmeableitung, ist aber auch mit der Druckgeschwindigkeit, der Bildqualität und der Gleichmäßigkeit des Tonwerts verbunden.
(2) Heizenergie: Die Heizenergie beträgt typisch 200 nJ je Tropfen. Jede Verminderung der Heizenergie erlaubt das Vermindern der Energieableitung, ohne die Druckgeschwindigkeit zu beeinflussen.
(3) Zuführen der Spannung: Anzustreben ist eine Niederspannungsspeisung, jedoch nehmen durch eine Verminderung der Spannung der Stromverbrauch und die Größe der auf dem Chip angeordneten Ansteuertransistoren zu. Die Energieableitung wird nicht wesentlich durch die Speisespannung beeinflußt, wenn die Düsenenergie gleichbleibend gehalten wird. In der bevorzugten Ausführungsform wird eine Speisespannung von +24 V für die Ansteuereinrichtungen der Heizelemente und von +5 V für die Logikschalteinrichtungen verwendet.
(4) Düsenarbeitszyklus: Die Verlängerung des Düsenar beitszyklus erhöht unmittelbar den Energieverbrauch, vergrößert aber auch die Druckgeschwindigkeit.
(5) Druckgeschwindigkeit: Die Druckgeschwindigkeit steht im Verhältnis zur Anzahl der Düsen 110, zur Anzahl der Tropfen je Pixel, zur Pixelgröße und zum Düsenarbeitszyklus. Eine Verminderung der Druckgeschwindigkeit kann zur Reduzierung des Energieverbrauchs führen, doch wird der Gesamtenergieverbrauch je Seite nicht wesentlich beeinflußt.
(6) Zulässige Chiptemperatur: Die Chiptemperatur muß im wesentlichen ausreichend unter dem Siedepunkt der Tinte 106 liegen (im wesentlichen etwa 100ºC).
(7) Geometrie des Tintenkanals: Diese beeinflußt die durch die Tinte 106 mögliche Wärmeableitung.
(8) Kühlverfahren Konvektionskühlung ist für Abtast- Druckköpfe entsprechend, doch Vollzeilen-Druckköpfe erfordem zusätzliche Verfahren, wie z. B. Kühlbleche, Zwangsluftkühlung oder Wärmerohre. Die Flüssigkeitskühlung ist eine mögliche Lösung für das Problem der Hochenergiedichte in den Druckkopfstreifen. Da die flüssige Tinte bereits im Kontakt mit dem Kopf ist, kann ein Tintenumlauf-Pumpsystem mit einem Wärmeaustauscher verwendet werden, wenn die Wärmeableitungsprobleme nicht durch einfachere Verfahren lösbar sind.
(9) Wärmeleitfähigkeit der Tinte: Die Wärmeleitfähigkeit der Tinte 106 wird entscheident, wenn die Tinte als ein wesentlicher Wärmeableiter verwendet wird.
(10) Wärmeleitfähigkeit des Tintenkanals: Die Wärmeleitfähigkeit des Tintenkanal-Profilstrangs 210 ist ebenfalls von Wichtigkeit.
(11) Gestaltung der Kühlbleche: Die Kühlblechgröße und die Kühiblechgestaltung ist leicht veränderbar, um eine optimale Wärmeableitung zu gewährleisten. Das Kühiblech kann bei geringen Kosten ziemlich groß und mit wenig nachteiliger Wirkung auf das System hergestellt werden. Dies ist besonders zutreffend auf die Vollseitenversionen, da sich die ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 nicht bewegt (d. h. das Papier bewegt sich mit Bezug zur ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200).
(12) Hohe Temperaturen: Die Betriebstemperatur der ZBJ- Heizelemente 121, 122 übersteigt 300ºC. Es ist wichtig, daß die aktiven Elemente (Ansteuertransistoren und Logikelemen te) des ZBJ-Chips 100 dieser extremen Temperatur nicht ausgesetzt werden. Dies ist durch Anordnen der Ansteuertransistoren so weitab als möglich von den Heizelementen 121, 122 erreichbar. Die aktiven Elemente können an den Kanten des ZBJ-Chips 100 angeordnet werden, wobei nur die Heiz einrichtungen 120 und die Aluminium-Verbindungsleitungen im Hochtemperaturbereich verbleiben. Auch das Einstellen einer angemessenen Wärmeübertragung ist ein mögliches ernstes Problem. Die Temperatur der Heizeinrichtung 120 sollte 300ºC übersteigen, doch die allgemeine Chiptemperatur muß ausreichend unterhalb des Siedepunkts (100ºC) der Tinte 106 gehalten werden. Während der Wärmeübergang von der Energiebusschiene (51, 52) auf die Umgebung kein Problem darstellen sollte, ist der wirkungsvolle Wärmeübergang von dem ZBJ-Chip 100 auf die Energiebusschiene (51, 52) wichtig.

Ansteuerschalteinrichtung der Heizeinrichtung

Der im BJ10-Drucker der Fa. Canon verwendete Abtast-Bläschen-Strahl-Druckkopf weist 64 Düsen auf, welche durch eine Matrix von Heizeinrichtungen 6 angesteuert werden, die in Fig. 49 gezeigt sind. Diese werden in einer 8 x 8-Matrix unter Verwendung von auf dem Chip integrierten Dioden 8 multiplex angesteuert. Externe Ansteuertransistoren (nicht gezeigt) werden verwendet, um die Heizeinrichtungen 6 in acht Gruppen von acht Heizeinrichtungen 6 anzusteuern.
Die Ausführung gemäß dem Stand der Technik weist mehrere Nachteile für große Düsenmatrizen auf. Erstens muß die gesamte Heizenergie über die Steuersignale zugeführt werden, und dies kann eine große Anzahl von Anschlüssen für relativ hohe Ströme erfordern. Auch kann die Anzahl der externen Anschlüsse sehr groß werden.
Der ZBJ-Chip 100 weist Ansteuertransistoren und Schieberegister auf dem ZBJ-Chip 100 selbst auf. Dies hat folgende Vorteile:
- (1) Die Fehlertoleranz kann kostengünstig und ohne externe Schalteinrichtungen implementiert werden;
- (2) Die gesamte Heizenergie wird über zwei große Anschlüsse zugeleitet, V&spplus; und Masse mit Steuerleitungen befinden sich nur auf Signalpegel;
- (3) Die Anzahl der externen Anschlüsse ist gering, ohne Rücksicht auf die Anzahl der Düsen 110;
- (4) Die externe Schalteinrichtung ist vereinfacht;
- (5) Es sind keine externen Ansteuertransistoren erforderlich; und
- (6) Es ist nur ein Transistor in Reihe mit jedem der Heizelemente 121, 122, anstelle von zwei Transistoren und einer Diode 8 gemäß dem Stand der Technik. Dies gestattet eine mögliche Verminderung der Betriebsspannung.
Die Nachteile dieser Gestaltung sind jedoch:
- Der ZBJ-Chip 100 ist komplexer aufgebaut; und
- mehr Halbleiter-Fertigungsprozeßstufen sind erforderlich und vermindern somit den Ertrag.
Fig. 50 zeigt die Logikschalteinrichtung und die Ansteuerelektronik des ZBJ-Chips 100 mit 32 parallelen Ansteuerleitungen, entsprechend dem 32 : 1-Düsenarbeitszyklus. Die Enable-Signale stellen die Zeitsteuersequenzen bereit und führen aufeinanderfolgend zum Ausstoßen jeder der 32 Bänke mit den Düsen 110. Die Enable-Signale können auf dem Chip aus einem Takt- und einem Reset-Signal erzeugt werden.
In Fig. 50 ist Vdd = +5V, und Vss ist an einem sauberen Massepunkt angebunden. V&spplus; und Masse weisen eine Brummspannung bis zu mehreren Ampere auf, so daß sie nicht für die Logikschaltung geeignet sind, selbst wenn sie dem ZBJ-Chip 100 bei einer sehr niedrigen Impedanz zugeleitet werden.
In Fig. So ist eine Heizelement-Ansteuereinrichtung 124 für zwei Düsen 110 gezeigt. Die Heizelement-Ansteuereinrichtung 124 weist zwei einzelne Ansteuereinrichtungen 160 und 165 für zwei Düsen (ohne Fehlertoleranz) auf, und es werden die Datenanschlüsse der Schieberegister gezeigt.
Jede Heizelement-Ansteuereinrichtung 160, 165 weist vier Teile auf:
- (1) Ein Schieberegister 161, 166 zum Schieben der Daten zur zweckentsprechenden Heizelement-Ansteuereinrichtung. Das Schieberegister 161, 166 kann dynamischer Art sein, um die Anzahl der Transistoren zu vermindern;
- (2) Einen Doppelgate-Enable-Transistor 162, 167 geringer Leistung;
- (3) Einen Invertiertransistor 163, 168 mittlerer Leistung. Dieser invertiert und puffert das Signal vom Doppelgate-Enable-Transistor 162, 167 und arbeitet mit dem Doppelgate-Enable-Ansteuertransistor 162, 167 zusammen, um ein AND-Gatter anzusteuern; und
- (4) Einen 1,5 mA-Ansteuertransistor 164, 169. Die AND- Funktion ist nicht im 1,5 mA-Ansteuertransistor 164, 169 vorhanden, da die Kapazität der Enable-Leitungen zu groß ist.
Für einen ZBJ-Druckkopf mit 1 024 (32 x 32) Düsen ist die Taktperiode dieselbe wie die Impulsbreite, weil 32 Bit Daten in jedem Schieberegister zwischen den Düsenansteuerungen verschoben werden müssen, und es liegt ein 32 : 1-Arbeitszyklus vor. Die Schaltung nach Fig. So ist nur für einen ZBJ-Druckkopf mit weniger als 1024 Düsen geeignet. Wenn jedoch nur eine geringe Anzahl Düsen vorliegt, bietet eine aktive Ansteuerschalteinrichtung nur wenig Vorteil, und es ist eine Diodenmatrix verwendbar.
Für größere Druckköpfe mit mehr als 1024 Düsen erfordert der zum Verschieben aller Daten zu den zweckentsprechenden Düsen notwendige Takt eine Periode, welche kürzer als der Heizimpuls ist. Für die ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 in Vollfarben-20 Hochgeschwindigkeitsausführung für die volle Papierbreite nach Fig. 5 müssen 51 200 Bit Information innerhalb von 200 µs in den Druckkopf verschoben werden. Dies erfordert eine Taktfrequenz von etwa 8 MHz Die Daten an den Schieberegistern 161, 166 brauchen daher nur für 125 ns gültig zu sein, sie sind aber für die gesamte Dauer des 6,25 µs-Heizimpulses erforderlich. Nachstehen werden zwei Lösungen dieses Problems beschrieben, eine betrifft ein Transferregister und die andere die Taktpausen.
Fig. 51 zeigt das Hinzufügen eines Transferregisters 172 zu einer Hauptheizelement-Ansteuereinrichtung 170, welche Komponenten aufweist, die andererseits jenen in Fig. 50 entsprechen. Diese Anordnung bietet eine einfache Lösung für das vorstehend genannte Problem, weist aber den Nachteil der umfangreicheren Schaltung auf dem ZBJ-Chip 100 auf. 1 600 Bit Daten werden in jedes Schieberegister 171 bei einer Taktfrequenz von 8 MHz verschoben. Wenn der Enable-Impuls vorliegt, werden die Daten parallel in die Transferregister 172 geladen, wo sie für die Dauer des Heizimpulses unverändert bleiben.
Eine Wahlmöglichkeit besteht darin, zu vermeiden, daß die zusätzlichen Transistoren des Transferregisters 172 Pausen in die Taktfolge für die Zeitdauer des Heizimpulses einfügen, so daß sich die Daten während des Impulses nicht verändern. Dies ist in Fig. 52 gezeigt, und in diesem Fall werden die 1 600 Bit Daten mit einer etwas höheren Taktfrequenz - 8,258 MHz - in das Register eingeschoben, wonach eine Pause im Takt für 6,25 µs ist, der Dauer des Heizimpulses. Jede der 32 Reihen von Heizelementen wird zu verschie denen Zeiten aktiviert. Die Takte für jede Reihe sind auf einfache Weise durch Auftasten des unveränderlichen 8,258 MHz-Takts mit den Heiz-Enable-Impulsen erzeugbar.
Fig. 53 zeigt eine Stufe einer ZBJ-Ansteuerschalteinrichtung 177, welche Taktpausen einschließt. Ein AND-Tor 178 stellt die Verbindung zwischen den Takt- und den Enable-Leitungen her und steuert die CLK-Eingänge der Schieberegister 161 (und 166, nicht gezeigt, aber mit 179 verbunden).
Diese Gestaltung weist den Nachteil des Erforderns einer im wesentlichen komplexen Daten-Zeitsteuerung auf dem ZBJ-Chip 100 auf. Diese kann jedoch kostengünstig beim kundengerechten Gestalten der ZBJ-Daten-Phasenabgleich-Chips 310 bereitgestellt werden, wie jene in Fig. 56 gezeigten (wird nach stehend beschrieben)

Lange Taktleitungen:

In der ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 der Vollzeilen-Farbausführung mit 51 200 Düsen mit voller Redundanz sind 102 400 Schieberegisterstufen über eine Länge von 220 mm verteilt.
Diese sind als 64 Schieberegister mit je 1 600 Stufen aufgebaut. Die Wirkungen der Übertragungsleitungen und die große Ausgangsauffächerung schließen zwangsläufig das Treiben des Taktes über eine einzelne Leitung aus. Der Takt kann günstig in kurzen Zeitabständen wiedergewonnen werden. Wenn der Takt 32mal wiedergewonnen wird, weist jedes Taktsegment einen Lastfaktor von 50 auf und ist nur 6,8 mm lang.
In Fig. 54 ist eine einfache Taktwiedergewinnungsschaltung 180 gezeigt, welche eine Kette von Schieberegistern 181 aufweist, wobei jedes eine entsprechende Heizelement-Ansteuereinrichtung 124 versorgt. In die Taktleitung sind Schmitt- Trigger 182 eingebunden, welche abhängig vom zulässigen Lastfaktor gleichmäßig beabstandet sind. Wie deutlich wird, ist in der Kette, wo ein Schmitt-Trigger 182 vorliegt, das nächste entsprechende Schieberegister 181 nicht vom unmittelbar in der Kette vorausgehenden angesteuert, sondern von dem einen vor jenem. Dies kompensiert die durch den Schmitt- Trigger 182 herbeigeführte Verzögerung.
Die Taktwiedergewinnung wird durch das Einführen einer Laufzeitverzögerung (TPD) in jeder Wiedergewinnungsstufe verschlechtert. Wenn die Laufzeitverzögerung jeder Wiedergewinnungseinrichtung im wesentlichen geringer ist als die Taktzeitdauer, ist die ZBJ-Schaltung noch funktionswirksam. Dies ist, weil die Daten jeder Stufe des Schieberegisters 181 durch die Laufzeitverzögerung TPD jedesmal, wenn ein wiedergewonnener Takt auftritt, auch verzögert werden. Daher verändert sich das gültige Datenfenster nicht. Bei einem 8 MHz-Takt muß die Laufzeitverzögerung TPD kleiner als 125 ns und größer als die Laufzeitverzögerung des Schieberegisters sein. Dies ist auf einfache Weise erreichbar. Jede digitale Schaltung weist einen Unterschied zwischen der Anstiegs- und der Abfallzeit (TPLH-TPHL) auf. In einer 2-µm- NMOS-ZBJ-Schalteinrichtung sind diese Zeiten infolge der hohen kapazitiven Belastung und des passiven Pull-up an den Taktwiedergewinnungsausgängen ziemlich lang. Ein TPLH-TPHL- Wert von 5 ns ist eine vernünftige Annahme. Unter diesen Bedingungen vergeht der Taktimpuls nach nur dreizehn Wiedergewinnungsstufen. Eine Lösung besteht im Wiedergewinnen der Impulsbreite mit einem monostabilen Element in jeder Stufe, wie in Fig. 55 gezeigt ist, welche im wesentlichen der Fig. 54 entspricht, mit Ausnahme des Einfügens eines monostabilen Elements 183 nach jedem Schmitt-Trigger 182 in die Taktleitung.
Die von den monostabilen Elementen 183 erzeugte tatsächliche Impulsbreite ist nicht kritisch. Sie muß länger als die minimale Impulsbreite sein, welche die Schieberegister 181 benötigen (etwa 10 ns), und kürzer als die Taktdauer (125 ns) Diese Toleranz ist wichtig, um die Ungenauigkeit der Bauelementewerte in monolithischen Schaltkreisen zu berücksichtigen.

Externe Ansteuerschalteinrichtung

Die ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 in Vollfarbenausführung erfordert einen Datenstrom von 32 Mbyte je Sekunde (8 MHz durchschnittliche Taktfrequenz x 32 Bit). Diese Daten müssen bis zu 7 600 µs verzögert werden und erfordern nahezu 1 Mbit Verzögerungsspeicher. Wenn das vorstehend beschriebene Taktpausensystem (Fig. 53) verwendet wird, um die Logik auf dem ZBJ-Chip 100 zu vermindern, dann müssen die Daten auch dem ZBJ-Chip 100 in einer komplexen Zeitsteuer-Betriebsweise übergeben werden.
Fig. 56 zeigt ein Blockdiagramm einer Gesamtdaten-Ansteuerbetriebsweise für die ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 in Vollfarbenausführung, in welchem eine Bilddaten-Erzeugungseinrichtung 300, wie z. B. ein Computer, eine Kopiervorrichtung oder ein anderes Bildverarbeitungssystem, die Farbpixeldaten auf einem 32-Bit-Bus 301 ausgibt. Die Farbpixeldaten werden normalerweise im Rasterformat [Cyan, Magenta, Yellow und Schwarz (CMYK)] mit Komponenten für jede Farbe, die gleichzeitig auf dem 32-Bit-Bus 301 vorliegeü, zugeleitet. Da es für die Düsen nicht möglich ist, für gleichzeitiges Drucken eine Farbe auf der anderen aufzutragen, müssen die unterschiedlichen Farbdaten angemessen verzögert werden, bevor sie der ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 zugeführt werden. Die von der Bilddaten-Erzeugungseinrichtung 300, z. B. vom Computer, in den 32-Bit-Bus 301 eingespeisten Farbdaten sind digitale Daten mit 1 600 dpi mit vorberechnetern Schirm oder Dither, welche ein 400 dpi Farbbild mit gleichmäßigem Tonwert simulieren.
Der 32-Bit-Bus 301 ist in Blöcke seiner Farbkomponenten eingeteilt (Cyan, Magenta, Yellow und Schwarz), wobei jede dem jeweiligen Eingang zu der ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 zugeleitet wird. Die Daten für Magenta, Yellow und Schwarz werden durch die jeweilige Leitungsverzögerungseinrichtung 303, 304 und 305 verzögert, da diese Farben nach Cyan aufeinanderfolgend für jedes Pixel entlang der ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 gedruckt werden. Ein Adressengenerator 302 wird verwendet, um die Farbdaten durch die Leitungsverzögerungseinrichtungen 303 - 305 in eine logische Ablauffolge zu bringen. Ein Takt 306 von 8,258 MHz wird verwendet, um alle Pixeldaten in eine logische Ablauffolge zu bringen und wird auch der ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 zugeführt, welche eine Anzahl von Energieanschlüssen 307 aufweist, wie gezeigt ist.
Die 10, 20 und 30 Leitungsverzögerungseinrichtungen werden unter Verwendung von drei Standard-64 K x 8 SRAMs gebildet, mit einer Lese-/Modifizier-/Schreib-Zykluszeit von weniger als 120 ns. Dies wird erreicht durch das Lesen und dann das Beschreiben der SRAMs mit den Daten, während die Adressenmodule 16 000, 32 000 und 48 000 jeweils inkrementiert werden Der Adressengenerator 302 ist ein einfacher Modulo-16 000-Zähler, wobei die zwei höchstwertigsten Bit der Adresse jedes SRAM getrennt erzeugt werden.
Wegen der gestaffelt angeordneten Konfiguration der Düsen 110 für jede Matrix, wie in Fig. 43 gezeigt, sind die Verzögerungen jeder Datenleitung unterschiedlich. Im allgemeinen erfordert das Vorsehen dieser Verzögerungen eine große Anzahl von Standard-Chips. Aus diesem Grund ist ein ZBJ- Daten-Phasenabgleichchip (ASIC) 310 angeordnet, um jeden Düsenmatrixeingang zu puffern, um so die Komplexität des Systems zu vermindern. Ein einzelner ASIC ist herstellbar, welcher verwendet werden kann, um die Verzögerungen für die 8 Bit jeder der vier Farben vorzunehmen.
Fig. 57 zeigt ein Blockdiagramm eines ZBJ-Daten-Phasenab gleichchips 310, welcher für eine Düsenanordnung in dem vorstehend beschriebenen Beispiel mit vier Düsen je Farbe geeignet ist. Werden andere Düsenanordnungen verwendet, muß die Verzögerungsdauer zur Anpassung geändert werden. Die 50- Takt-Verzögerungseinrichtungen 314, 315, 316 sind über einen Farbauswahleingang 313 wählbar und sind aufgenommen, um demselben ZBJ-Daten-Phasenabgleichchip 310 für jede der vier Farbkomponenten zu verwenden. Der Farbauswahleingang 313 betreibt einen Multiplexer, welcher Datenausgänge von jeder der 50-Takt-Verzögerungseinrichtungen 314 - 316 oder direkt von dem Dateneingang 312 auswählen kann.
Der ZBJ-Daten-Phasenabgleichchip 310 als ASIC nach Fig. 57 weist einen sehr einfachen Aufbau auf, erfordert aber etwa 56 Kbit Datenspeicher. Er ist daher am besten geeignet für Standardzellen- oder Datenweg-Übersetzungstechniken.
Die Datenverbindungen 327 zu dem ZBJ-Druckkopf betreffen die Ansteuerreihenfolge, welche die Länge der erforderlichen Verzögerung bestimmt. Hier kann die Ansteuerreihenfolge durch Hinzufügen der Zahl bestimmt werden, wobei "c" die Farbe kennzeichnet (Schwarz = 0, Yellow = 1, Magenta = 2 und Cyan = 3).
Ein Enable-Impuls-Generator 326 stellt Enable-Impulse für die Heizelement-Ansteuereinrichtungen 124 bereit (welche vorstehend beschrieben sind).

Kosten des ZBJ-Druckkopfs:

Bei ZBJ-Druckköpfen in Vollfarbenausführung und in Vollzeilenlänge für die Anwendung in weiten Einsatzbereichen, wie z. B. für Farbkopiervorrichtungen und Farbdruckvorrichtungen, welche für weniger als etwa US$ 5 000 verkauft werden, sollten die Herstellungskosten des Druckkopfs so niedrig als möglich sein. Im wesentlichen wird ein Preis eines jeden Druckkopfs von etwa US$ 100 oder weniger bei einem ausgereiften Verfahren angestrebt
Die ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 ist im wesentlichen ein einstückiger Aufbau, und die Druckkopfkosten werden fast gänzlich durch den ZBJ-Chip 100 bestimmt. Die Kosten für den ZBJ-Chip 100 werden durch die Fertigungskosten je Wafer, die Anzahl der Druckköpfe je Wafer und die Ausbeute bestimmt. Es wird angenommen, daß die Fertigungskosten je Wafer etwa $800 betragen, und die Anzahl der Druckköpfe je Wafer beträgt 25, dann sind die Vorertragskosten je Druckkopf $32.
Um Druckkopfkosten von $100 zu erreichen, muß der Ertrag bei einem ausgereiften Verfahren bei etwa 30% sein. Die Chipfläche der ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 in Volifarbenausführung und Vollzeilenlänge beträgt jedoch in der Regel 8,8 cm². Der Fachmann wird anfänglich annehmen, daß eine solche beträchtliche Größe einen Ertrag nahe bei Null einschließen würde. Es gibt jedoch mehrere Faktoren, welche den erwarteten Ertrag nicht so niedrig werden lassen, wie es zuerst den Anschein hat. Diese Faktoren sind:
- (1) Der größte Teil des ZBJ-Chips 100 weist Heizeinrichtungen, Düsenvorderteile und Verbindungsleitungen auf, welche gegenüber Lageverschiebungen in dem Siliziumwafer nicht anfällig sind;
- (2) Der größte Teil des ZBJ-Chips 100 weist eine 3- µm- oder größere Linienbreite auf und ist relativ unempfindlich gegenüber sehr kleinen Teilchen;
- (3) Die ZBJ-Chips 100 werden in Flächen, welche dem Waferätzrunden, dem Resistkantenbeading oder dem Schrägbedampfen ausgesetzt sind, nicht Halbleiter-Fertigungsschritten unterworfen (d. h. es gibt keine aktiven Schaltungselemente in der Nähe der Düsen).
Die Fehlertoleranzredundanz des ZBJ-Druckkopfs wird vorzugsweise vorgesehen, um den Ertrag zu erhöhen. Dies kann zulassen, daß eine große Anzahl von Defekten auf dem Chip vorliegt, ohne daß der Betrieb irgendeiner der Düsen beeinträchtigt wird. Weiterhin ist es nicht notwendig, eine 100%ige Redundanz vorzusehen, doch ist es erforderlich, den nichtredundanten Bereich des ZBJ-Druckkopfs auf eine Größe zu verringern, welche mit einem angemessenen Ertrag ver einbar ist. Der Einfluß der Fehlertoleranz auf den Ertrag wird nachstehend in dieser Beschreibung diskutiert. Selbst bei Fehlertoleranz bestehen mehrere Faktoren, welche Einfluß auf die Verminderung des Ertrags unterhalb eines vernünftigen Niveaus haben können. Einige dieser Faktoren sind:
- (1) Verfahrensabänderungen, wobei große Flächen Abweichungen in den Verfahrensparametern erfahren, wie z. B. die Ätztiefe und der Schichtwiderstand sind unterhalb akzeptabler Grenzen, was zum Ertragsausfall bei den betroffenen Wafern führt. Im wesentlichen werden die Toleranzen dieser Parameter entsprechend den ZBJ-Druckkopfanforderungen während der Fertigungsplanung angepaßt;
- (2) Mechanische Schäden: wenn die mechanische Festigkeit einer ZBJ-Druckkopfausführung nicht entsprechend ist, den Verarbeitungsbeanspruchungen zu widerstehen, kann die ZBJ-Druckkopfgestaltung verändert werden, um eine angemessene Festigkeit vorzusehen. Normalerweise geht diese Änderung jedoch auf Kosten der Chipfläche und damit auch des Ertrags;
- (3) Waferabschrägung: der ZBJ-Chip 100 ist ungewöhnlich empfindlich gegenüber der Waferabschrägung infolge des Unterätzens der Düsen 110. Die Wafer sollten poliert sein, um das Abschrägen auf weniger als 5 µm vor der Verarbeitung zu vermindern;
- (4) Verschieben: da sich der ZBJ-Chip 100 über die gesamte Länge des Wafers erstreckt, können wesentliche Verschiebungsstörungen den Ertrag auf Null vermindern. Eine spezielle Ofengestaltung und Verarbeitung kann vorgesehen werden, um die langen, rechteckigen Wafer unterzubringen;
- (5) Ätztiefe: diese muß innerhalb 5% über den gesamten Wafer eingehalten werden, um zu gewährleisten, daß beim Plasmaätzen des Düsenzylinders die Heizeinrichtung nicht geätzt wird. Wenn diese Toleranz nicht erreicht werden kann, sollte die spezielle ZBJ-Gestaltung abgewandelt werden, damit sie weniger anfällig gegenüber Abweichungen beim Ätzen ist.

Fehlertoleranz

Wie vorstehend beschrieben, ist die Fehlertoleranz in den ZBJ-Chip 100 integriert, um den Ertrag zu steigern, als auch die Lebensdauer des Druckkopfs zu erhöhen. Das Vorsehen der Fehlertoleranz wird als wesentlich angesehen, um geringe Fertigungskosten der ZBJ-Chips 100 zu erreichen. Während ferner das vorstehend beschriebene Fehlertoleranzkonzept spezifisch auf den ZBJ-Chip 100 angewendet ist, ist dasselbe Konzept auf andere Typen von BJ-Druckköpfen anwendbar, wenn eine Konfiguration mit zwei Heizelementen je Düse ausgebildet wird.
Der Nachteil der Fehlertoleranz besteht darin, daß die Komplexität des Chips verdoppelt wird. Doch infolge der Oberflächengestaltung der Düsen 110 liegt nur eine geringe Vergrößerung der Chipfläche vor (etwa 10 %). Die dadurch verursachte Ertragsminderung wird durch die Ertragssteigerung durch die Fehlertoleranz minimiert.
Das hier beschriebene ZBJ-System umfaßt die Fehlertoleranz durch das Anordnen von zwei Heizelementen 121, 122 für jede Düse 110. Da die Düsen 110 kreisformig sind und sich auf der Oberfläche des ZBJ-Chips 100 befinden, ist jede Heizeinrichtung 120 mit zwei Heizelementen 121, 122 auf gegenüberliegenden Seiten der Düse 110 ausgestattet, welche vorzugsweise übereinstimmende Geometrie aufweisen. Die Heizelemente werden als ein Hauptheizelement 121 und ein Redundanzheizelement 122 bezeichnet, wie in Fig. 58A und Fig. 58B gezeigt ist, obgleich die Konfiguration nach Fig. 13 ebenfalls verwendbar ist. Dementsprechend ist der sowohl vom Hauptheiz element 121 als auch vom Redundanzheizelement 122 aus dem Düsenvorderteil 111 ausgestoßene Tintentropfen im wesentlichen derselbe.
Das Steuern des Redundanzheizelements 122 für die Fehlertoleranz erfolgt durch Erfassen der Spannung am Ansteuertransistor der Ansteuereinrichtung des Hauptheizelements 121. Dieser Schaltungspunkt weist jedesmal einen High-Low- Übergang auf, wenn die Düse 110 angesteuert wird. Drei Fehler werden durch das Verhalten dieses Schaltungspunkts er faßt:
1. Offenes Heizelement: wenn der Stromkreis des Hauptheizelements 121 offen ist, verhält der Schaltungspunkt im L-Zustand;
2. Offener Ansteuertransistor: wenn dies eintritt, verhält der Schaltpunkt im High-Zustand; und
3. Kurzgeschlossener Ansteuertransistor: wenn der Transistor kurzgeschlossen ist, wird das Heizelement überhitzt, nach dem Öffnen des Stromkreises verhält der Schaltpunkt im L-Zustand.
Fig. 59 zeigt eine Ansteuerschalteinrichtung 185, 186 für eine Düse des ZBJ-Chips 100 mit integrierter Fehlertoleranz als eine digitale Abtastschaltung an der Drain-Elektrode des Ansteuertransistors 164 des Hauptheizelements 121.
Ein Zwischenspeicher 189 speichert die durch den Schaltungspunkt erfaßte Fehlerbedingung, welche L-Pegel aufweist, wenn die Ansteuereinrichtung des Hauptheizelements 121 ausgeschaltet ist. Der Zwischenspeicher 189 steuert ein AND-Gatter 191 an, welchem auch das Ansteuersignal des Ansteuertransistors 164 des Hauptheizelements 121 zugeleitet wird, um anzuzeigen, daß das Hauptheizelement 121 eingeschaltet sein soll. Ein anderes AND-Gatter 190 erfaßt die Ausschaltbedingung des Ansteuertransistors. Die beiden AND-Gatter 190, 191 sind mit dem Eingang eines OR-Gatters 192 verbunden, um das Redundanzheizelement 122 zu steuern.
Da die Impulsbreite und die Spannung einer aktiven Schaltung innerhalb enger Grenzen stabil sind, ist es möglich, die Digitalschaltung nach Fig. 59 durch eine einfachere Analogschaltung zu ersetzen, wie jene in Fig. 60 gezeigte. In dieser Anordnung erzeugen ein Kondensator 194 und die Dioden 196 einen Impuls, wenn der High-Low-Übergang einer betriebenen Schaltung eintritt. Dieser Impuls sperrt das Ansteuern des Redundanzheizelements 122, wenn das Hauptheizelement 121 in den Stromkreis eingeschaltet ist. Wenn das Hauptheizelement 121 ausfällt, dann wird das Redundanzheizelement 122 zu den Zeiten angesteuert, wenn das Hauptheizelement 121 angesteuert würde.
Die Bauelementedaten sind ausgewählt, um zu gewährleisten, daß der Impuls länger als die Heizelement-Einschaltzeit (6 µs) ist, aber kürzer als die Impulswiederholzeit (200 µs) Dies erlaubt eine wesentliche Bauelementetoleranz.
Die Heizelemente 121 und 122, die Ansteuertransistoren 164, 193 und die zugeordneten Verbindungen beanspruchen mehr als 90% der Fläche des ZBJ-Chips 110, so daß ein wesentlicher Teil der Fehlertoleranz durch Vorsehen der Redundanz gerade in diesen Flächen gewährleistet werden kann. Der Schutz ist jedoch nur gegen kleine Flächendefekte vorgesehen. Alle De fekte mit einem Durchmesser größer als ungefähr 10 µm verursachen den Ausfall.
Die Fehlertoleranz kann leicht auf 100%ige Redundanz der Elektronik des ZBJ-Chips 100 erweitert werden. Gleichzeitig kann Toleranz gegenüber einigen Fehlern von Defekten bis zum Durchmesser von 600 µm eingeführt werden. Dies wird durch Verdoppeln der vorstehend beschriebenen Schieberegister 181 erreicht, als auch der Ansteuerschalteinrichtungen. Da die Schieberegister 181 keinen wesentlichen Anteil der Chipflä che beanspruchen, wird der Kostenanstieg durch dieses Verdoppeln durch die Kostenminderung aus der Erhöhung des Ertrags übertroffen.
Fig. 61 zeigt eine Stufe einer ZBJ-Ansteuerschalteinrichtung mit vollständiger Redundanz, in welcher die Hauptheizelement-Ansteuereinrichtung 187 doppelt vorgesehen ist, aber durch das Hinzufügen einer Schalteinrichtung (Widerstand 250 und Kondensator 199), welche das Ansteuern des Redundanzheizelement-Ansteuereinrichtung 188 verhindert, wenn die Hauptheizelement-Ansteuereinrichtung 187 in Betrieb ist.
Fig. 62 zeigt ein einfaches Chiplayout eines kleinen Längsteils des ZBJ-Chips 100, um eine großflächige Fehlertoleranz vorzusehen. Während die großflächigen Fehler in der Ansteuereinrichtung korrigierbar sind, können in der Düsenfläche nur Kleinflächenfehler korrigiert werden. Dies ist der Fall, weil die Haupt- und Redundanzheizelemente 121 und 122 in derselben Düse 110 angeordnet sein müssen. Die Düsenfläche weist jedoch keine aktive Schaltung auf und ist in den meisten Maskenebenen nicht störanfällig.
Wenn ein Defekt eintritt und die Schieberegisterkette entweder der Hauptheizelement-Ansteuereinrichtung oder der Redundanzheizelement-Ansteuereinrichtung unterbricht, bedeutet dies, daß die nachgeschalteten Ansteuerstufen nicht fehlertolerant sind. Auch ein Fehler mit Verhalten im High-Zustand in der Datenfolge entweder des Haupt- oder Redundanzschieberegisters führt zu einem Chipfehler, wie z. B. ein Vss- oder ein Vdd-Kurzschluß. Diese Fehlertypen stellen jedoch nur einen kleinen Prozentsatz der möglichen Fehler dar.
Die Anordnung der Hauptansteuereinrichtung 156, 158 und der Redundanzansteuereinrichtung 157, 159 an entgegengesetzten Kanten des ZBJ-Chips 100, wie in Fig. 62 gezeigt, ergibt ein Problem bei der Verwendung in der Schaltung nach Fig. 61. Das Problem besteht darin, daß die Energiezuführung zum Redundanzheizelement-Ansteuertransistor 193 im ZBJ-Chip 100 durchgeschleift werden muß, in der in Fig. 63 gezeigten Weise. Diese Schleife kann eine wesentliche Chipfläche beanspruchen, da sie die Gesamtzahl der Hochstrom-Leitbahnen auf dem Chip verdoppelt. Dies ist durch Umkehren der seriellen Anschlusses des Redundanzheizelements 122 und des Redundanzheizelement-Ansteuertransistors 193 korrigierbar. Dies erfordert das Einführen eines Pegelumsetzers 257, um den Redundanzheizelement-Ansteuertransistor 193 zu steuern. Dies ist in Fig. 64 gezeigt, welche eine Stufe einer für Großflächen-Fehlertoleranz ausgelegte ZBJ-Ansteuerschalteinrichtung zeigt.
Ungefähr 50% der Oberfläche des ZBJ-Chips 100 sind durch Aluminiumverbindungsleitungen zwischen den Ansteuertransistoren 164, 193 und den Heizelementen 121, 122 bedeckt. Da diese Verbindungsleitungen eine geringe Leiterbreite verwenden, sind Defekte sehr leicht möglich. Tabelle 2 listet mögliche Fehlerbedingungen und deren Folgen auf, unter der Annahme, daß nur ein Defekt in dem betroffenen Druckkopf- Stromkreis vorliegt.
Alle in Tabelle 2 aufgeführten Bedingungen sind fehlertolerant, ausgenommen jene, wobei die beiden Hauptansteuer leitungen kurzgeschlossen sind. Diese können fehlertolerant ausgebildet werden, indem eine Sicherung zwischen jedem Hauptheizelement-Ansteuertransistor 164 und dessen Hauptheizelement 121 eingeschaltet wird. Die Sicherung muß jedoch hochgenau sein und bei dem zweifachen Heizstrom ansprechen, aber nicht beim einfachen Heizstrom. Eine elegantere Lösung besteht im Verschachteln der Hauptheizelement-Ansteuerleitbahnen mit den Redundanzheizelement-Ansteuerleitbahnen. Diese Konfiguration erhöht die Fehlergröße, die erforderlich ist, um zwei Hauptheizelement-Ansteuerleitbahnen kurzzu schließen, um einen Faktor von 3. Eine solche Anordnung vermindert die Fehlerdichte für diese Quelle um einen Faktor von 9.
Die vorstehend beschriebenen Anordnungen zum Vorsehen der Fehlertoleranz erfolgen auf einer Düsenebene durch Verdoppeln der Heizeinrichtungen 120. Dies gewährleistet jedoch keinen sachgemäßen Betrieb, wenn z. B. eine Düse 110 blokkiert ist. Wenn dies eintritt, ist es notwendig, die Fehlertoleranz auf einer Chipebene durch das Verdoppeln der Düsen matrix vorzusehen, wie z. B. in Fig. 65 gezeigt ist.
Hier ist ein redundanter ZBJ-Düsenchip 450 gezeigt, welcher eine Hauptdüsenmatrix für Cyan 451, eine Redundanzdüsenmatrix 452 für Cyan und eine ähnliche Konfiguration für jeweils Magenta (453, 454), Yellow (455, 456) und Schwarz (457, 458) aufweist. Wenn in dieser Konfiguration eine Düse in einer Hauptdüsenmatrix einen Fehler aufweist, wird eine entsprechende Duse in der redundanten Düsenmatrix angesteuert. Dies ist ferner in Fig. 65 gezeigt, wobei eine Hauptdüse für Cyan 451A über einen Schalter 460 angesteuert und durch ein Heizelement 461 ausstoßaktiv wird, und eine Redundanzdüse für Cyan 452A wird durch einen Schalter 462 und ein ähnliches Heizelement 463 angesteuert. Die Verbindung zwischen den Schaltern 460 und 462 stellt eine Fehlererfassungseinrichtung 464 dar, welche einen Fehler in der Hauptdüse für Cyan 451A erkennt und dem Schalter 462 einen Ausstoßimpuls zuleitet. Aufgrund der körperlichen Anordnung der Redundanzdüsenmatrix für Cyan 452 bezüglich der Hauptdüsenmatrix für Cyan 451 ist es notwendig, die Relativbewegung des Papiers quer zum ZBJ-Düsenchip 450 zeitlich und bzw. oder bewegungsgemäß auszugleichen. Dies erfolgt durch ein parallel ladbares Schieberegister 465, welches alle in einer Düsenreihe auftretenden Fehler erfaßt und die Daten als einen seriellen Datenstrom ausgibt. Diese Daten werden dann durch eine angemessene Anzahl von Leitungsverzögerungs einrichtungen verzögert und einem Seriell-Parallel-Schieberegister übergeben, wo das Aktivieren des redundanten Heizelements 463 über den redundanten Schalter 462 erfolgt.
Die Systemebenen-Fehlertoleranz kann in der in Fig. 67 gezeigten Weise vorgesehen werden, wo zwei wärmeaktivierbare Tintenstrahl-Druckerchips 470 und 475 nebeneinander angeordnet sind. Der Tintenstrahl-Druckerchip 470 wirkt als eine Haupteinrichtung gegenüber dem Druckerchip 475, welcher als eine Redundanzeinrichtung wirkt, wobei die Düsenmatrizen 471 - 474 durch die Düsenmatrizen 476 - 479 in der vorstehend beschriebenen Weise kompensiert werden. In dieser Konfiguration muß jedoch jede Düse 480 mit ihrer entsprechenden Düse 481 verbunden sein, wobei eine Fehlererfassungseinrichtung 482 und eine Kompensiereinrichtung 483 verwendet werden, wie vorstehend beschrieben ist. Dies ist durch Verschieben der Fehlerdaten aus dem Tintenstrahl-Chip 470 und deren Verzögern erreichbar, wobei diese Daten verwendet werden, um die Düsen des redundanten Tintenstrahl-Chips 475 zum Ausstoß zu veranlassen.

Vereinzelung und Handhabung

Da der ZBJ-Chip 100 sehr lang und dünn ist und viele durchgehend geätzte Löcher aufweist, ist die mechanische Festigkeit des ZBJ-Chips 100 nicht ausreichend, um ein hocheffektives Trennen in der herkömmlichen Weise zu gestatten.
Eine einfache Lösung unter Verwendung einer Trenn- Rückseitenätzung ist in Fig. 68 gezeigt, wobei die Kanäle 147 in die Rückfläche des Wafers 149 geätzt werden, das meiste des Weges durch den Wafer 149. Der Wafer 149 wird dann auf der Vorderfläche mit Löchern 145 versehen. Die Kanäle 147 können unter Verwendung derselben Verfahren geätzt werden, die angewendet werden, um die Tintenkanäle 101 und die Düsen 110 zu ätzen Die Abstände der Löcher 146 entlang der Trennlinie 145 ist einstellbar, um ein optimales Verhältnis zwischen der Festigkeit zur Handhabung und einfacher Trennung zu erhalten. Um zu verhindern, daß sich der ZBJ-Chip 100 während der verbleibenden Prozeßstufen zufällig abtrennt, können Markierungsabschnitte 148 (Fig. 69) entlang der Kanten des Wafers 149 verbleiben. Diese Markierungsabschnitte 148 müssen abgetrennt werden, bevor die ZBJ-Chips 100 getrennt werden. Wenn die Markierungsabschnitte 148 z. B. 5 mm breit sind, dann muß die Waferlänge für 220 mm- Druckköpfe 230 mm betragen. Die Wafer 149 können auch durch diese Markierungsabschnitte 148 während der verschiedenen chemischen Bearbeitungsschritte gehalten werden, um zu verhindern, daß die Bereiche des ZBJ-Chips 100 durch Abschatten bei der Verarbeitung beeinflußt werden.

Lithografie

Der ZBJ-Chip 100 in Vollfarben- und Vollzeilenausführung weist ungefähr die Abmessungen 220 mm x 4 mm auf, erfordert jedoch sehr feine Leiterbreiten, wie z. B. 3 µm für die Einzelduse-je-Pixel-Ausführung, und 2 µm für die Vier-Düsenje-Pixel-Ausführung. Das Aufrechterhalten der Brennweite und der Auflösung beim Abbilden des Resistmusters ist schwierig, liegt aber innerhalb der gegenwärtigen technologischen Grenzen.
Es sind entweder das Vollwafer-Projektionsdrucken oder ein optischer Stepper anwendbar. In beiden Fällen erfordert die Projektionsausrüstung eine Abwandlung zu der Stufe, um ein Verfahren über 220 mm Weg in Richtung der Längsachse zu gestatten.
In einem 1 : 1-Projektionsdrucksystem wird ein Abtast-Projektionsdrucker modifiziert, um den Maskentransportmechanismus anzupassen, um sehr lange Masken anwenden zu können. Durch Teilchen auf der Maske verursachte Defekte werden in einem Verhältnis von 1 : 1 projiziert und sind im Brennpunkt, daher ist eine höhere Reinheit erforderlich, um dasselbe Fehlerniveau zu erreichen. Ein 1 : 1-Projektionsdrucker verlangt auch eine Maske mit einer Bildfläche von 220 mm x 104 mm. Dies erfordert das Abwandeln des Maskenfertigungsprozesses. Das Herstellen vom Masken mit 2-µm- Auflösung dieser Größe ist wirtschaftlich in der Massenproduktion ausführbar, doch bei kleinen Stückzahlen sind die Masken sehr teuer. Aus diesen Gründen sollte eine Stepperkonfiguration ebenfalls berücksichtigt werden.
Der Einsatz eines 5 : 1-Verkleinerungssteppers vermindert einige der Probleme, welche mit einem Abtast-Projektionsdrucker verbunden sind, insbesondere jene im Zusammenhang mit der Herstellung sehr großer Masken und der Teilchenverunreinigung der Maske. Es treten jedoch einige neue Probleme auf. Erstens wird eine unterschiedliche Bildfläche von 10 mm x 8 mm verwendet. Dann ist die gesamte Wafergröße in 22 x 13 Schritten abbildbar. Dies ergibt insgesamt 286 Schritte, welche im wesentlichen etwa 250 Sekunden zum Drukken erfordern. Da ungefähr 10 Abbildungsschritte zur Herstellung des ZBJ-Chips 100 erforderlich sind, beträgt die Gesamtbelichtungszeit je Wafer etwa 2 500 Sekunden, wodurch im wesentlichen der Fertigungsausstoß von solchen Einrichtungen vermindert wird. Auch führt der Einsatz des Wafersteppers zu den folgenden zwei Problemen, welche die ZBJ- Chip-Gestaltung beeinflussen.
1. Der ZBJ-Chip 100 ist länger als die Schrittgröße in einer Achse; und
2. Die Maske kann während des Belichtens des Wafers nicht einfach gewechselt werden, daher muß eine Maske für den gesamten Druckkopf verwendet werden.
Dem ersten dieser Probleme ist durch Verwenden einer sich wiederholenden Gestaltung zu begegnen, und es ist zu gewährleisten, daß die Ausrichtung am Umfang des sich wiederholenden Blocks nicht kritisch ist. Da der Wafer 149 nur in einer Richtung geschnitten ist, muß der Wiederholblock nicht rechtwinklig sein, kann aber kritische Strukturen auslassen, wie z. B. Düsen. Die rechten und linken Kanten des Maskenmusters können ganz unregelmäßig sein, vorausgesetzt, sie passen zueinander.
Jede Signalleitung muß auch an den Bondinseln 207, 223 enden, welche typisch an den Seitenkanten des ZBJ-Chips 100 angeordnet sind. Dies erfordert normalerweise, daß die Seitenkanten des ZBJ-Chips 100 mit einem unterschiedlichen Muster gegenüber dem der Mitte des ZBJ-Chips 100 abgebildet werden. Dies ist durch libladingiv der Maske zum Abdecken der Bondinseln und der damit verbundenen Schalteinrichtungen bei allen, außer der ersten Belichtung des Chips, erreichbar.
Fig. 70 zeigt einen Basislageplan oder ein Chiplayout einer Steppermaske für einen ZBJ-Chip 100 der Vollfarben- und Vollzeilen-Ausführung mit vollständiger Redundanz für volle Fehlertoleranz. Der vergrößerte Abschnitt der Zeichnung zeigt eine unregelmäßige Maskengrenze 258.

ZBJ-Herstellungsprozeß:

Die ZBJ-Chips 100 sind in einer Weise herstellbar, welche der Standard-Halbleiterfertigung sehr ähnlich ist. Es sind jedoch einige zusätzlich Fertigungsstufen erforderlich. Diese sind: die exakte Waferdickensteuerung, das Abscheiden eines HfB&sub2;-Heizelements, das Ätzen des Düsenvorderteils, das Rückätzen der Tintenkanäle und das Rückätzen der Düsen zylinder.
Ein 2-µm-NMOS-Prozeß mit zwei Metallisierungsebenen wird gewählt, da dies die Grundlage für die Vier-Düsen-je-Pixel- Gestaltung ist. CMOS- oder Bipolar-Prozesse sind ebenfalls anwendbar.
Die Wafervorbereitung für Abtast-BJ-Druckköpfe ist ähnlich der für Standard-Halbleiter-Einrichtungen, mit der Ausnahme, daß die rückseitige Oberfläche ebenfalls exakt geschliffen und poliert werden muß und eine Waferdicke mit einer Toleranz von weniger als 5 µm einzuhalten ist. Das ist darin begründet, daß beide Seiten des Wafers fotolithografisch bearbeitet werden, und die Atztiefe von der Kehrseite kritisch ist.
Stationäre ZBJ-Chips in Vollzeilenausführung erfordern eine unterschiedliche Wafervorbereitung gegenüber jenen, die in Abtast-Druckköpfen verwendet werden, da der ZBJ-Chip mindestens 210 mm lang sein muß, um in der Lage zu sein, eine A4-Seite zu drucken und mindesten 297 mm Länge für den Druck einer A3-Seite aufweisen muß. Dieser ist viel breiter als der typische Siliziumkristallzylinder. Wafers können in Längsrichtung aus dem Zylinder herausgeschnitten werden, um die erforderlichen langen Chips zu erzielen.
Wenn der Wafer geschliffen und poliert worden ist, sollte der Wafer im wesentlichen eine Dicke von etwa 600 µm aufweisen. Der gewonnene Wafer hat eine rechteckige Form mit den angenäherten Abmessungen 230 mm x 104 mm x 600 µm Dicke. Auf diesem Wafer sind annähernd 25 Vollfarben-Druckköpfe herstellbar. Ein solcher Wafer ist dem in Fig. 69 gezeigten ähnlich. Ein Zylinder mit den Abmessungen 230 mm Länge und 6 Zoll (152,4 mm) Durchmesser ist verwendbar, um bis zu 2 600 Vollfarben-Druckköpfe in Vollzeilenlänge zu fertigen, bevor der Ertrag sinkt.
Infolge des einstückigen Aufbaus des ZBJ-Chips 100 und des Einsatzes eines Steppers zum Belichten sind die Anforde rungen hinsichtlich der Ebenheit des Wafers nicht höher als bei den Transistor-Fertigungsprozessen. Der Wafer ist unter Anwendung der rückseitigen Phosphordiffusion getterbar, aber es können sich Rückseitendefekte ergeben, und es wird daher nicht empfohlen, weil die Rückseite nachfolgend geätzt wird.
Die Waferbearbeitung des ZBJ-Chips 100 verwendet eine Kombination von Spezialprozessen, welche für das Abscheiden der Heizelemente und die Ausbildung der Düsen erforderlich sind, sowie Standardprozesse für die Herstellung der elektroni schen Ansteuereinrichtungen. Da die Größe des ZBJ-Chips 100 weitgehend durch die Düsen 110 bestimmt wird und nicht durch die Ansteuertransistoren 164, 193, besteht wenig Größenvorteil beim Einsatz eines sehr fein arbeitenden Verfahrens. Der hier beschriebene Prozeß ist auf einem selbstjustieren den 2-µm-Polysilizium-Gate-NMOS-Prozeß begründet, aber andere Prozesse, wie z. B. CMOS- oder Bipolar-Prozesse, sind anwendbar. Die hier beschriebene Prozeßgröße ist die größte Abmessung, welche der erforderlichen Dichte der Verbindungen mit den Düsen 113 des Vierfarben-ZBJ-Druckkopfs mit hoher Düsendichte entspricht. Dies erfordert auch zwei Metallisierungsebenen. Die beiden Metallisierungsebenen können für einfachere Druckköpfe erforderlich sein, da Hochstromleitungen den Chip überqueren und sehr lange Taktleitbahnen entlang des Chips verlaufen.
Die für die Erzeugung der ZBJ-Düsen 110 erforderlichen Waferfertigungsstufen sind mit den Stufen verschachtelt, welche für die Ansteuertransistoren notwendig sind. Da der für die Ansteuertransistoren verwendete Prozeß ein dem Fachmann bekannter Standardprozeß sein kann, besteht keine Notwendigkeit der ausführlichen Beschreibung solcher Schritte in diesem Dokument.
Die Waferbearbeitung des ZBJ-Chips 100 ist in Fig. 71 - 80 gezeigt, welche den Querschnitt einer Einzeldüse entsprechend den in Fig. 12 gezeigten Querschnittlinien darstellen. Fig. 71 - 80 zeigen auch den entsprechenden und gleichzeitigen Aufbau der außerhalb der Düsenmatrizen angeordneten Transistoren.
Wie Fig. 71 zeigt, erfolgt zuerst das Aufwachsen einer Wärmeisolationsschicht 132 von 0,5 µm Dicke aus thermischern SiO&sub2; auf dem p-dotierten Siliziumsubstrat 130. Dieses ist entsprechend den Ansteuerschaltungsanforderungen als auch den Wärmeableiteinrichtungen 400 strukturiert.
Fig. 72 zeigt ein auf dem Siliziumsubstrat 130 thermisch aufgewachsenes dünnes Gateoxid. Dieses beeinflußt auch die elektrischen Verbindungen der Wärmeableitschicht 140 zum Siliziumsubstrat 130, hat aber eine unwesentliche Wirkung auf die Wärmeleitung Polysilizium wird abgeschieden, um die Gates 403 und die Zwischenverbindungen der Transistoren auszubilden. Die Drain-Elektrode und die Source-Elektrode der Transistoren sind n-dotiert, wobei das Gate 403 aus Polysilizium als eine Maske verwendet wird. Dadurch wird auch die Verbindung der Wärmeableitschicht 403 mit dem Siliziumsubstrat 130 dotiert. Eine 0,05-µm-Schicht aus HfB&sub2; wird abgeschieden, um die Heizeinrichtung 120 auszubilden. Eine 0,5-µm-Schicht aus Aluminium wird auf dem Siliziumsubstrat 130 abgeschieden, um die erste Metallisierungsebene 134 zu erzeugen. Ein Resist wird mit der Zusammenfassung aus Heizeinrichtung und der ersten Metallisierungsebene 134 strukturiert und mit einem Phosphorsäure-Salpetersäure-Ätzmittel naßchemisch geätzt. Die HfB&sub2;-Schicht wird durch reaktives lonenätzen unter Verwendung des Aluminiums als eine Maske geätzt. Das Ätzen wird mit einem halogenhaltigen Gas ausgeführt, wie z. B. CCl&sub4; (Tetrachlorkohlenstoff), wie im US- Patent Nr. 4 889 587 beschrieben ist. Der Wafer befindet sich dann auf der in Fig. 72 gezeigten Stufe. Die Maske zeigt die gemeinsame Masseleitbahn 405 und die gemeinsame V&spplus;-Leitbahn 406.
Ein Resist wird dann mit einem Muster strukturiert, welches die Heizeinrichtung 120 freilegt, und es erfolgt das naßchemische Ätzen mit einem Phosphorsäure-Salpetersäure-Atzmittel. Der Wafer entspricht dann dem in Fig. 73 gezeigten, zeigt auch eine Heizeinrichtungs-Anschlußelektrode 407 und HfB&sub2; 408 unter Aluminium.
Wenn die vorstehend beschriebenen Schritte erfolgt sind, ergibt sich eine 500 Angström-HfB&sub2;-Schicht unter der gesamten ersten Metallisierungsebene 134. Dies schließt die Verbindungen zu den Source-Elektroden und den Drain-Elektroden aller FETs als auch der Schottky-Dioden in der Steuerschaltung ein. Wenn erforderlich, kann eine andere Markierung und ein anderes reaktives lonenätzen (RIE) verwendet werden, bevor das Abscheiden des Aluminiums erfolgt, um HfB&sub2; von den unerwünschten Flächen zu entfernen.
Fig. 74 zeigt die Anordnung der Zwischenebenen-Isolierschicht 136. Dies ist eine Schicht aus CVD-SiO&sub2; oder PECVD- SiO&sub2; von ungefähr 1 µm Dicke. Die Dicke dieser Schicht ist durch die thermische Verzögerung bestimmbar, welche zwischen der Heizeinrichtung 120 und der Wärmeableitschicht 140 erforderlich ist. Fig. 74 zeigt den Querschnitt des Wafers nach diesem Schritt, in welchem das Bezugszeichen 410 eine Wärmeableitschicht bezeichnet, 411 bezeichnet den Düsenhohlraum, 412 bezeichnet eine Einrichtung zum Anschluß an dem Transistor, und das Bezugszeichen 413 bezeichnet die Heizelement-Anschlußeinrichtungen.
Wie in Fig. 75 gezeigt, ist die zweite Metallisierungsebene 138 als eine Schicht aus 0,5 µm Aluminium ausgebildet, welche sowohl die Wärmeableitschicht 140 als auch die zweite Ebene der Zwischenverbindungen 144 zu den Heizeinrichtungen 120 bildet, den Heizeinrichtungsanschluß 416 und den Anschluß 415 für die Ansteuerschalteinrichtung. Zwei Metallisierungsebenen sind wahrscheinlich für ZBJ-Druckköpfe mit einer Düse je Pixel nicht notwendig, jedoch wahrscheinlich erforderlich für Hochgeschwindigkeits-Farbdruckköpfe mit vier Dusen je Pixel. Die Dicke und das Material dieser Schicht ist abänderbar, um den thermischen Anforderungen der Heizkammer in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung zu entsprechen.
Fig. 76 zeigt die Anordnung einer CVD-Glasdickschicht 142 von ungefähr 4 µm Dicke. Ein Niedrigtemperatur-CVD-Prozeß, wie z. B. ein PECVD-Prozeß, ist anwendbar. Diese Schicht ist sehr dick und weist die mechanische Festigkeit für den Düsenvorderteil 417 auf und gewährt Schutz vor äußeren Einflüssen. Ein Loch von 17 µm Durchmesser wird durch die 4 µm Glasdickschicht mit einem SiO&sub2;-Ätzmittel RIE-geätzt. Dies erzeugt den vordersten Abschnitt des Düsenvorderteils 417 und schließt die in Fig. 76 gezeigte Konfiguration ab.
Das durch ein reaktives lonenätzen (RIE) von SiO&sub2; erzeugte Loch (417) wird auf mindestens 30 µm in das Silizium durch weiteres reaktives lonenätzen unter Verwendung eines Silizium ätzenden Gases verlängert. In diesem Fall wird die SiO&sub2;-Deckschicht als die RIE-Maske verwendet. Da RIE relativ unselektiv ist, wird ein wesentlicher Anteil der SiO&sub2;-Deckschicht aufgegeben. Wenn z. B. das Ätzverhältnis 5 : 1 (Si : SiO&sub2;) ist, dann wird die CVD-Glasdickschicht bis zu einer Dicke von 10 µm abgeschieden, so daß 4 µm nach dem Ätzen des Siliziums verbleiben. Dieses Loch (417) kann so tief als möglich geätzt werden, um die Genauigkeitsanforderungen bezüglich der Tiefe des Rückätzens des Düsenzylinders 113 zu minimieren. Das reaktive lonenätzen wird verwendet, um nahezu senkrechte Seitenwände zu erhalten, um zu gewährleisten, daß der Tintenfluß zum Ende der Düse durch Oberflächenspannung sichergestellt ist.
Der Wafer wird auf eine Dicke von ungefähr 200 µm rückgeätzt. Die tatsächliche Dicke ist nicht kritisch, jedoch die Dickenänderung. Der Wafer muß geätzt werden, so daß die Dickenänderung weniger als ±2 µm über den Wafer beträgt. Wird dies nicht erreicht, ist es schwierig, anschließend sicherzustellen, daß der Prozeß des Rückätzens der Düsen nicht zum Überätzen führt und die Heizelemente zerstört.
Der nächste Schritt für einen Vierfarben-Druckkopf ist das RIE-Ätzen der Tintenkanäle 101 an der Kehrseite der Oberfläche des ZBJ-Chips 100 in der in Fig. 6 - 9 gezeigten Weise. Diese Tintenkanäle 101 (Fig. 5) sind ungefähr 600 µm breit und 100 µm tief. Diese Tintenkanäle 101 sind für den Betrieb des ZBJ-Chips 100 nicht wesentlich, weisen aber zwei Vorteile auf. Die Tintenkanäle 101 vermindern nämlich die Tintenströmungsgeschwindigkeit durch den Filter von ungefähr 8 mm/s auf 2 mm/s. Diese Verminderung der Strömungsgeschwindigkeit kann wahlweise durch unterschiedliches Anordnen des Filters in der ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 erreicht werden. Die Kanäle vermindern auch die Tiefe, um welche die Düsen 110 von 190 µm auf 90 µm zu ätzen sind. Da die Düsenzylinder 113 einen Durchmesser von 40 µm aufweisen, hat dies einen wesentlichen Einfluß auf das Verhältnis Länge/Durchmesser des Düsenzylinders 113.
Die Tintenkanal-Rückätzung 420 hat den Nachteil der wesentlichen Schwächung des Wafers. Wenn erwünscht, kann dieser Schritt ausgelassen werden.
Der Tintenkanal-Rückätzprozeß kann auch verwendet werden, um den Wafer entlang der Trennlinien in der vorstehend beschriebenen Weise, mit Bezug auf Fig. 68, dünner zu machen.
Die Ätztiefe des nächsten Schritts, der Düsenzylinder-Rückätzung 419, ist kritisch, um zu gewährleisten, daß sich der Düsenzylinder 113 sachgemäß mit dem Düsenvorderteil 417 (111) verbindet, um die Wärmekammer auszubilden. Eine Lösung dieses Problems ist das Einbeziehen der Endpunkterfassung unter Anwendung der optischen Spektroskopie. Ein chemisches Ätzstoppsignal kann erzeugt werden, indem die vorher von der Vorderfläche des Siliziumsubstrats geätzten Düsenvorderteile 417 mit einem erfaßbaren chemischen Kennungssignal gefüllt und die abgesaugten Gase mit einem Emissionsspektroskop überwacht werden. Die Düsenzylinder 113 werden durch ein anisotropes reaktives lonenätzen des Siliziums erzeugt. Löcher mit einem Durchmesser von 40 µm (später durch eine isotrope Plasmaätzung auf 60 µm erweitert) werden von der Rückseite des Wafers 70 µm in das Silizium geätzt. Diese Löcher sind am Boden der vorausgehend geätzten Tintenkanäle angeordnet, welche 100 µm tief sind. Da die Dicke des Wafers auf 200 µm vermindert wird, werden diese Löcher bis 30 µm vor die Vorderfläche des Siliziumwafers geätzt.
Wenn das Erkennungssignal des Endpunkts 421 vom Spektroskop beginnt, kann das Ätzen angehalten werden, selbst wenn einige der Düsen noch nicht mit den Düsenvorderteilen verbunden sind. Das hat seinen Grund darin, daß der nächste Schritt (10 µm isotropes Ätzen des gesamten exponierten Siliziums) alle jene verbindet, welche innerhalb etwa 12 µm sind. Fig. 77 zeigt den ZBJ-Chip am Ende dieses Schritts.
Die Gleichmäßigkeit der Ätztiefe ist auf der gesamten Waferoberfläche kritisch. Die Toleranz hängt weitgehend von der Tiefe jeder Ätzung ab, welche mit dem von der Vorderseite des Chips geätzten 18-µm-Loch erreichbar ist. Es wird davon ausgegangen, daß das von der Vorderseite geätzte Loch 30 ±2 µm geätzt ist, die Waferdicke 200 ±2 µm beträgt, die Tintenkanal-Rückätztiefe 100 ±4 µm ist, das gesamte isotrope Ätzen des Siliziums 10 ±1 µm ist, der maximale Verbindungsabstand 12 µm beträgt und der minimale Abstand zwischen dem Düsenzylinder und dem Heizelement 10 µm ist, dann bedeuten die Toleranzketten, daß die Düsenzylinderätzung 70 ±4 µm betragen muß. Alle diese Toleranzen können nachgelassen werden, wenn die Vorderätzung tiefer als 30 µm sein kann. Die Genauigkeit des Ausrichtens des Rückätzprozesses zu den Vorderflächenprozessen braucht nur innerhalb ±10 µm zu sein, da das Ausrichten des Düsenzylinders und des Düsenvorderteus nicht kritisch ist.
Die kumulative Wirkung dieser Toleranzen ist in Fig. 78 gezeigt. Die kreuzschraffierte Fläche 424 in Fig. 78 zeigt den Unsicherheitsbereich in der abschließenden Düsengeometrie, und die einfach schraffierte Fläche 423 zeigt den Sicherheitsspielraum für den Düsenzylinder zur Düsenvorderteilverbindung unter Verwendung dieser Toleranzen. Dieser Sicherheitsspielraum ist erforderlich, weil die reaktiven Ionenätzprozesse keine Löcher mit perfekt flachem Grund hinterlassen. Die Unsicherheit der Waferdicke (200 ±2 µm) und der Kanalätzung (100 ±4 µm) sind in einem Dickenmaß von 100 ±6 µm kombiniert, da die Kanäle zu groß sind, um in dieser Figur gezeigt werden zu können.
Andere kleinere Probleme bestehen in diesem Schritt, welche einschließen: das Resist muß sehr dick sein, damit er für 70 µm RIE erhalten bleibt, die Ätzung ist tief und schmal, was zu Problemen beim Abführen des verbrauchten Ätzmittels führt, die Schattenbildung der Projektionsmuster durch die Wände der Tintenkanäle muß vermieden werden, und die angemessene Resistbeschichtung der schrittweise belichteten Oberfläche muß erreicht werden. Dies ist nicht kritisch, da das Ätzen der Tintenkanalwände tolerierbar ist.
Die tatsächliche Form und die Abmessungen der Hinterseite der Düsen 110 sind nicht kritisch. Dies läßt wesentlichen Raum für andere Lösungen. Es ist vor allem erforderlich, daß die minimale mechanische Festigkeit gewährleistet ist, und daß eine Form erreicht wird, welche die Kapillarwirkung gestattet. Einige mögliche Alternativen sind:
- Mehrstufen-RIE mit zunehmend enger werdenden Düsenzylindern 113 ist anwendbar. Dies vermeidet die Probleme eines Ansammeins des verbrauchten Ätzmittels und von dicken Fotolacken, weist aber mehr Bearbeitungsschritte auf;
- Atzen von weiten Löchern, welche mehrere Düsen 110 umfassen, wobei die Düsen in Gruppen zusammengefaßt sind, um maximalen Abstand zwischen diesen Löchern vorzusehen und somit die mechanische Festigkeit zu erhalten. Dies ist in Fig. 81 gezeigt.
Der gesamte ZBJ-Wafer wird dann einer isotropen 10 ±1 µm- Plasmaätzung des gesamten exponierten Siliziums ausgesetzt. Dies hat zwei Aufgaben. Erstens erzeugt dies die Wärmekammer 115 durch Unterätzen 425 der Wärmeisolationsschicht 132 aus thermischern Siliziumdioxid im Bereich der Heizeinrichtung 120. Dies dient auch zum Sicherstellen, daß sich die Düsenzylinder 113 mit den Düsenvorderteilen 111 verbinden, was sich aus einer Erweiterung 426 der Düsenzylinder 113 ergibt. Da der Wafer von beiden Seiten geätzt wird, können nicht zusammenfügende Düsenzylinder 113 und Düsenvorderteile 111, welche innerhalb 18 µm sind [2 x (10 - 1) µm], verbunden werden. Nicht zusammenfügende Düsenzylinder und Düsenvorderteile innerhalb ungefähr 12 µm verhalten sich im wesentlichen ähnlich wie verbundene Düsenzylinder und Düsenvorderteile. Dies vermindert die Genauigkeitsanforderungen der Düsenzylinder-Rückätzung 419.
Die Ätzung muß gegenüber Silizium hochselektiv sein und eine vernachlässigbare Ätzgeschwindigkeit gegenüber thermischem Siliziumdioxid aufweisen, denn im anderen Fall wird die Wärmeisolationsschicht 132 der Heizeinrichtung zerstört. Dies führt zu der in Fig. 79 gezeigten Konfiguration.
Die 4 µm dicke Glasdickschicht 142 muß nun geätzt werden, um die Bondinseln freizulegen. Dies wird nicht vor der Siliziumätzung des Düsenvorderteils ausgeführt, da die geringe Selektivität die 30-µm-RIE-Siliziumätzung verursachen kann, durch die Aluminiumschicht 139 zu ätzen. Der ZBJ-Chip 100 kann dann mit einer 0,5 µm dicken Schicht 144 aus Tantal oder einem anderen geeigneten Material passiviert werden. Es kann schwierig sein, eine im wesentlichen formengleiche Beschichtung zu erreichen, aber Unregelmäßigkeiten in der Passivierungsschichtdicke beeinträchtigen nicht wesentlich das Leistungsvermögen des ZBJ-Chips 100.
Der ZBJ-Chip 100 weist keinen elektrischen Ausgang auf, und daher ist die zuverlässige Funktionsprüfung nur durch Laden der Einrichtung mit Tinte zum Drucken und durch das Drucken von Mustern erreichbar, wobei jede einzelne Düse 110 betätigt wird. Dies ist nicht gleichzeitig mit allen Düsen ausführbar. Ein wirkungsvolles Verfahren der Funktionsprüfung des ZBJ-Chips 100 zum gleichzeitigen Prüfen ist das Prüfen des Energieverbrauchs in dem V&spplus;/Masse-Pfad, da jede Heizeinrichtung 120 aufeinanderfolgend eingeschaltet wird. Jedesmal, wenn eine Heizeinrichtung 120 angesteuert wird, sollte ein Stromimpuls auftreten. Da dies ein getrennter Stromkreis mit vernachlässigbarem Ruhestrom ist, sind diese Impulse leicht erfaßbar. Die gesamte Struktur der Heizelemente und der redundanten Schalteinrichtungen kann in ungefähr 1 Sekunde mit kostengünstiger Ausrüstung geprüft werden. Somit kann der gesamte Wafer in weniger als einer Minute einer Vielfachprüfung unterzogen werden. Die Probendaten der aktivierbaren und der nichtaktivierbaren Heizelemente können in einen Computer eingelesen und zur Zusammenstellung der Prozeßstatistik und zum Erfassen der örtlichen Qualitätssteuerprobleme verwendet werden.
10 Das Ritzen erfolgt entlang der Oberfläche der geätzten Trennkanäle 147 (siehe Fig. 68). Die Markierungsendabschnitte 148 zur Handhabung müssen abgetrennt werden, bevor die ZBJ-Chips 100 getrennt werden können. Die ZBJ-Chips 100 können durch Kleben in den ZBJ-Druckkopfbaugruppen 200 angeordnet und durch automatisches Folienbonden mit einem Band entlang jeder Chipkante angeschlossen werden. Wahlweise ist auch das Standarddrahtbonden anwendbar, solange genug Drähte gebondet werden, um den Hochstromanforderungen des ZBJ-Chips 100 zu entsprechen. Fig. 80 zeigt die vollständige Einrichtung im Querschnitt.
Fig. 82 zeigt eine Draufsicht der typischen Bauteile, welche in einem ZBJ-Chip mit dem in Fig. 18 gezeigten Aufbau verwendet werden. Fig. 83 - 113 zeigen Senkrechtschnitte durch die Mittellinie der Fig. 82 in verschiedenen Fertigungsstufen.
Fig. 83: Der Fertigungsprozeß endet mit einem p-dotierten Standard-Silizium-Wafer mit einem spezifischen Widerstand von ungefähr 25 Ohm cm.
Fig. 84: Eine Schicht aus Siliziumnitrid 501, ungefähr 0,15 ijm dick, wird durch Aufwachsen auf dem Wafer 500 erzeugt. Dies ist ein Standard-NMOS-Prozeß.
Fig. 85: Eine erste Maske 501 wird zum Strukturieren der Schicht aus Siliziumnitrid 501 zur Vorbereitung für die Borimplantation verwendet.
Fig. 86: Der Wafer 500 wird mit einem Feld 503 aus Bor implantiert, um das Erzeugen von störenden Transistoren zu verhindern.
Fig. 87: Eine thermische Oxidschicht 504, ungefähr 0,8 µm dick, wird durch Aufwachsen auf dem borimplantierten Feld 503 erzeugt.
Fig. 88: Die verbliebene Siliziumnitridschicht 501 wird entfernt.
Fig. 89: Dies ist ein Standard-NMOS-Prozeß, bei welchem Arsen implantiert wird, um Bereiche 505 für Transistoren vom Verarmungstyp auszubilden. Dieser Schritt umfaßt das Schleuderbeschichten eines Resists durch Schleudern, das Belichten des Resists zur zweiten Maske, das Entwickeln des Resists, das Implantieren des Arsens und das Entfernen des Resists.
Fig. 90: Eine Gateoxidschicht 506 von 0,1 µm Dicke wird durch thermisches Aufwachsen erzeugt. Dies ist ein Teil eines Standard-NMOS-Prozesses und erhöht die Feldoxiddicke auf 0,9 µm.
Fig. 91: Eine 1 µm dicke Polysiliziumschicht 507 wird durch chemisches Aufdampfen auf dem gesamten Wafer 500 abgeschieden.
Fig. 92: Die Polysiliziumschicht 507 wird unter Verwendung einer dritten Maske 508 strukturiert. Der Wafer 500 wird durch Schleudern mit Resist beschichtet. Das Resist wird unter Verwendung der dritten Maske belichtet und entwickelt. Die Polysiliziumschicht 507 wird dann durch ein anisotropes, verstärktes lonenätzen geätzt, um das Unterätzen zu vermindern.
Fig. 93: Die Gateoxidschicht 506 wird geätzt, wo sie durch das Ätzen des Polysiliziums nach der dritten Maske exponiert ist. Dies führt zum Erzeugen von Ätzdiffusionsfenstern 509 und vermindert auch die Dicke der Feldoxidschicht 504, so daß eine Dicke von 0,8 µm verbleibt.
Fig. 94: N&spplus;-Diffusionsbereiche 510, ungefähr 1 µm tief, werden im Ätzdiffusionsfenster 509 erzeugt.
Fig. 95: Eine 1 µm dicke Glasschicht 511 wird unter Verwendung der chemischen Abscheidung aus der Gasphase aufgetragen.
Fig. 96: Die chemisch abgeschiedene Glasschicht 511 wird geätzt, wo Kontakte der Polysiliziumschicht 507, des N&spplus;-Diffusionsbereichs 510 und im Heizeinrichtungsbereich erforder lich sind. Die Kontaktbereiche 512 werden erzeugt. Dieser Prozeß unterscheidet sich vom Standard-NMOS-Prozeß dadurch, daß die Ätztiefe gesteuert wird, so daß dort eine angemessene Menge Feldoxidschicht 504 aus thermischem SiO&sub2; unter den Heizelementen verbleibt.
Fig. 97: Eine 0,05 µm dicke HfB&sub2;-Schicht 513 wird auf dem Wafer 500 abgeschieden. Dies ist kein Standard-NMOS-Prozeß.
Fig. 98: Eine HfB&sub2;-Schicht 513 wird unter Verwendung des verstärkten lonenätzens mit CCl&sub4; als Ätzmittel geätzt. Dies legt die Heizelemente 514 frei. Dieser Schritt erfordert das Schleuderbeschichten des Resists, das Belichten zu einer fünften Ebenen-Maske, das Entwickeln des Resists, das verstärkte lonenätzen und das Entfernen des Resists.
Fig. 99: Eine erste 1 µm dicke Metallisierungsebene 515 aus Aluminium wird auf dem Wafer 500 aufgedampft.
Fig. 100: Die erste Metallisierungsebene 515 wird unter Verwendung einer sechsten Ebenen-Maske geätzt. Dieser Schritt erfordert das Schleuderbeschichten des Resists, das Belichten zur sechsten Maske, das Entwickeln des Resists, das Plasmaätzen und das Entfernen des Resists. Das Ätzen muß ausgesprochen selektiv auf HfB&sub2; wirken, da die HfB&sub2;-Schicht nur 0,05 µm dick ist und freigelegt wird, wenn die Metallisierungsebene 515 geätzt wird.
Fig. 101: Eine 1 µm dicke Glasschicht 516 wird unter Verwendung des chemischen Aufdampfens abgeschieden.
Fig. 102: Musterkontakte für die siebente Ebenen-Maske werden unter Verwendung einer Standard-Kontakt-Ätzung für 2-µm- NMOS mit Doppelmetallisierungsebene erzeugt. Dieser Schritt erfordert das Schleuderbeschichten des Resists, das Belichten zur siebenten Maske, das Entwickeln des Resists, das verstärkte lonenätzen und das Entfernen des Resists.
Fig. 103: Eine 1 µm dicke zweite Metallisierungsebene 517 aus Aluminium wird auf dem Wafer 500 aufgedampft. Diese Metallisierungsebene 517 bildet die zweite Kontaktebene. Dies ist erforderlich, da eine hohe Verdrahtungsdichte für die Heizelemente 514 benötigt wird, welche ein Metall wegen des niedrigen Widerstands sein muß. Diese Schicht bildet auch die Wärmeleitschicht oder Wärmeableitschicht, wie in den vorstehenden Ausführungsformen beschrieben.
Fig. 104: Die zweite Metallisierungsebene 517 wird unter Verwendung einer achten Maske geätzt. Dieser Schritt erfordert das Schleuderbeschichten des Resists, das Belichten entsprechend der achten Maske, das Entwickeln des Resists, das Plasmaätzen und das Entfernen des Resists. Dies ist ein normaler NMOS-Schritt. Die isolierte Metalischeibe über den Heizelementen 514 ist die zum Abführen der Verlustwärme verwendete Wärmeableitschicht, um überhitzte Stellen zu vermeiden.
Fig. 105: Eine Glasdickschicht 518 wird auf dem Wafer 500 abgeschieden. Die Glasdickschicht 518 muß dick genug sein, um eine angemessene mechanische Festigkeit zu gewährleisten, damit sie dem Stoß der implodierenden Bläschen widerstehen kann. Es muß auch hinreichend Glas abgeschieden werden, um die Wärme einer ausreichend breiten Fläche abzuleiten, so daß die Tinte nicht siedet, wenn diese mit der Fläche in Kontakt gelangt. 4 µm Dicke werden als angemessen angesehen, welche aber wunschgemäß leicht abgeändert werden kann.
Fig. 106: Dieser Schritt erfordert unter Verwendung einer neunten Ebenen-Maske das Ätzen eines zylindrischen Loches 519 in die Glasdickschicht 518, durch die thermische Feldoxidschicht 504 abwärts zum implantierten Feld 503. Sowohl die CVD-Glasdickschicht als auch die thermische Quarzschicht werden geätzt. Dieser Schritt erfordert das Schleuderbeschichten des Resists, das Belichten entsprechend einer neunten Ebenen-Maske, das Entwickeln des Resists, das anisotrope, verstärkte lonenätzen und das Entfernen des Resists.
Fig. 107: Die Wärmekammer 520 wird durch eine isotrope Plasmaätzung des Siliziums erzeugt, welche hochselektiv gegenüber SiO&sub2; ist. Dies ist wesentlich, da sonst die das Heizelement 514 von der Passivierungsschicht trennende Schutzschicht aus SiO&sub2; geätzt wird. Das vorausgehend geätzte Loch 519 wirkt für diesen Schritt als Maske. In diesem Fall wird ein isotropes Ätzen von 17 µm angewendet. Es ist darauf zu achten, die thermische Feldoxidschicht 504 nicht vollständig zu ätzen
Fig. 108: Die Düsenkanäle 521 werden durch ein anisotropes, verstärktes Ionenätzverfahren von der Rückseite des Wafers 500 geätzt. Die Düsenkanäle 521 weisen einen Durchmesser von etwa 60 µm auf und sind etwa 500 µm tief. Die Tiefe der Düsenkanäle 521 ist derart, daß der Abstand zwischen dem vorderen Ende des Düsenkanals und dem Boden der Wärmekammer 520 die erforderliche Düsenlänge ist. Die Ätzung erfolgt durch eine Resistschicht 522.
Fig. 109: Die Düsenöffnung wird von der Vorderseite des Wafers 500 unter Verwendung eines anisotropen, verstärkten Ionenätzverfahren geätzt. Dieses Ätzen erfolgt vom Boden der Wärmekammer 520 zum oberen Teil der rückgeätzten Düsenkanäle 521, die Länge ist etwa 20 µm, und der Durchmesser beträgt etwa 20 µm. Dabei werden die Düsenzylinder 523 ausgebildet.
Fig. 110: Eine 0,5 µm dicke Passivierungsschicht 524 aus Tantal wird formentsprechend auf dem gesamten Wafer 500 aufgetragen.
Fig. 111: In diesem Schritt werden Fenster für die Bondinseln 525 eröffnet. Dies erfordert einen Resistauftrag, das Belichten zu einer zwölften Ebenen-Maske, das Entwickeln des Resists, das Ätzen der Passivierungsschicht 524 aus Tantal, das verstärkte Ionenätzen der Glasdickschicht 518 und das Entfernen des Resists. Da in den Bondinselbereichen eine 2 µm dicke Aluminiumschicht verfügbar ist, ist es leicht, das Ätzen durch die Bondinseln zu vermeiden, welche durch die zweite Metallisierungsebene 517 erzeugt wurden.
Fig. 112: Nach dem Prüfen des Wafers 500 wird der ZBJ-Chip in einem Rahmen oder einem vorstehend beschriebenen Haltestrangprofil angeordnet und verklebt. Die Drähte 526 werden an den durch die zweite Metallisierungsebene 525 an den Enden des Chips gebildeten Bondinseln kontaktiert. Energiebusschienen sind entlang der zwei langen Kanten des Chips gebondet. Die Verbindungen bzw. Anschlüsse werden dann mit Epoxidharz vergossen.
Fig. 113: Diese Figur zeigt eine mit Tinte 527 gefüllte, nach vorn ausstoßende Ausführungsform der ZBJ-Düse. In diesern Fall wird der Tropfen nach unten ausgestoßen, wenn die Düse angesteuert wird. Diese Ausführungsform des Druckkopfs erfordert das Auffüllen von Tinte unter Verwendung von Überdruck, weil sie nicht durch Kapillarwirkung gefüllt wird. Ein ähnlicher Druckkopf aufbau kann für umgekehrt ausstoßende Düsen durch Auffüllen des Druckkopf chips von der anderen Seite verwendet werden.
Während vorstehend ein Fertigungsprozeß für einen allgemeinen, bevorzugten Düsenaufbau beschrieben ist, können ähnliche Schritte für die in Fig. 17 - 22 gezeigten spezifischen Düsenkonstruktionen angewendet werden, wenn auch mit einigen Unterschieden. Jeder der folgenden Prozesse ist ein 2-µm- NMOS-Prozeß mit zwei Metallisierungsebenen, da dies der einfachste Prozeß ist, welcher zur Anwendung kommen kann, um Farb-ZBJ-Druckeinrichtungen mit hoher Auflösung und hervorragender Leistung herzustellen. Die Gemeinsamkeiten zwischen den Prozessen erlauben auch einen leichteren Vergleich untereinander.
Eine Zusammenfassung der erforderlichen Prozeßschritte zur Schaffung des in Fig. 17 gezeigten Aufbaus ist wie folgt:
1) Ausgangswafer: p-dotiert, 600 µm dick;
2) Aufwachsen von 0,15 µm Siliziumnitrid;
3) Strukturieren des Siliziumnitrids unter Verwendung von Maske 1;
4) Implantieren des Feldes;
5) Aufwachsen von 0,8 µm Feldoxid;
6) Implantieren von Verarmungsarsen unter Verwendung von Maske 2;
7) Aufwachsen von 0,1 µm Gateoxid;
8) Abscheiden von Polysilizium (1 µm);
9) Strukturieren des Polysiliziums unter Verwendung von Maske 3;
10) Ätzen der Diffusionsfenster;
11) Diffundieren der n&spplus;-Bereiche;
12) Abscheiden einer 1 µm dtcken CVD-Glasschicht;
13) Strukturieren der Kontakte unter Verwendung von Maske 4;
14) Abscheiden der 0,05 µm dicken Hafniumborid- Heizschicht;
15) Ätzen des Heizelements unter Verwendung der Maske 5;
16) Abscheiden der ersten Metallisierungsebene (1 µm);
17) Strukturieren der ersten Metallisierungsebene unter Verwendung der Maske 6;
18) Abscheiden von 1 µm CVD-Glas;
19) Strukturieren der Kontakte unter Verwendung der Maske 7;
20) Abscheiden der zweiten Metallisierungsebene (einschließlich der Wärmeableitschicht), 1 µm Aluminium;
21) Strukturieren der Metallisierungsebene unter Verwendung der Maske 8;
22) Abscheiden von 10 µm CVD-Glas;
23) Ätzen der Düse durch das CVD-Glas unter Verwendung der Maske 9;
24) Ätzen der Wärmekammer unter Anwendung des isotropen Ätzens;
25) Rückätzen der Düsenzylinder durch den Wafer unter Verwendung der Maske 10;
26) Verbinden der Wärmekammern mit den Düsenzylindern unter Anwendung des anisotropen, unmaskierten Ätzens;
27) Abscheiden der 0,5 µm dicken Tantal- Passivierungsschicht;
28) Eröffnen der Bondinseln unter Verwendung der Maske 11;
29) Prüfen des Wafers;
30) Anordnen in der Druckkopfbaugruppe;
31) Bonden der Drähte;
32) Eingießen in Epoxidharz;
33) Auffüllen mit Tinte. Druckkopf füllt sich durch Kapillarwirkung.
Eine Zusammenfassung der erforderlichen Prozeßschritte zur Schaffung des in Fig. 18 gezeigten Aufbaus ist wie folgt:
1) Ausgangswafer: p-dotiert, 600 µm dick;
2) Aufwachsen von 0,15 µm Siliziumnitrid;
3) Strukturieren der Siliziumnitridschicht unter Verwendung der Maske 1;
4) Implantieren des Feldes;
5) Aufwachsen von 0,8 µm Feldoxid;
6) Implantieren von Verarmungs-Arsen unter Verwendung der Maske 2;
7) Aufwachsen von 0,1 µm Gateoxid;
8) Abscheiden von Polysilizium (1 µm);
9) Strukturieren des Polysilizium unter Verwendung der Maske 3;
10) Ätzen der Diffusionsfenster;
11) Diffundieren der n&spplus;-Bereiche;
12) Abscheiden von 1 µm CVD-Glas;
13) Strukturieren der Kontakte unter Verwendung der Maske 4;
14) Abscheiden der 0,05 µm dicken HfB&sub2;-Heizschicht;
15) Ätzen des Heizelements unter Verwendung der Maske 5;
16) Abscheiden der ersten Metallisierungsebene (1 µm);
17) Strukturieren der Metallisierungsebene unter Verwendung der Maske 6;
18) Abscheiden von 1 µm CVD-Glas;
19) Strukturieren der Kontakte unter Verwendung der Maske 7;
20) Abscheiden der zweiten Metallisierungsebene (einschließlich der Wärmeableitschicht), 1 µm Aluminium;
21) Strukturieren der Metallisierungsebene unter Verwendung der Maske 8;
22) Abscheiden von 3 µm CVD-Glas;
23) Ätzen des Eingangs zur Wärmekammer durch das CVD- Glas unter Verwendung der Maske 9;
24) Ätzen der Wärmekammer unter Anwendung des isotropen Plasmaätzens;
25) Ätzen der Löcher, 520 µm tief, 80 µm weit von der Rückseite des Wafers, unter Verwendung der Maske 10;
26) Verbinden der Wärmekammern mit den Düsenzylindern unter Anwendung eines anisotropen RIE unter Verwendung des Eingangs der Wärmekammer als eine Maske;
27) Abscheiden von 0,5 µm Tantal-Passivierungsschicht;
28) Eröffnen der Bondinseln unter Verwendung der Maske 11;
29) Prüfen des Wafers;
30) Bonden der Drähte;
31) Eingießen in Epoxidharz;
32) Anordnen in der Druckkopfbaugruppe;
33) Füllen der Druckkopfbaugruppe mit Tinte;
34) Vorbereiten des Kopfes zum Ansaugen durch Tintenüberdruck, welcher höher ist als der Bläschendruck in der Düse.
Eine Zusammenfassung der erforderlichen Prozeßschritte zur Schaffung des in Fig. 19 gezeigten Aufbaus ist wie folgt:
1) Ausgangswafer: p-leitend, 600 µm dick;
2) Aufwachsen von 0,15 µm Siliziumnitrid;
3) Strukturieren der Siliziumnitridschicht unter Verwendung der Maske 1;
4) Implantieren des Feldes;
5) Ätzen eines ringförmigen Grabens um die Düsenposition herum, 22 µm Durchmesser, 2 µm tief, 1 µm breit, unter Verwendung der Maske 2;
6) Aufwachsen von 0,4 µm Feldoxid (dieses wächst auch auf den Grabenwänden auf);
7) Abscheiden der 0,05 µm dicken HfB&sub2;-Heizschicht;
8) Ätzen des Heizelements unter Verwendung der Maske 3;
9) Implantieren von Arsen unter Verwendung der Maske 4;
10) Aufwachsen von 0,1 µm Gateoxid;
11) Abscheiden von Polysilizium (1 µm);
12) Strukturieren der Polysiliziumschicht unter Verwendung der Maske 5;
13) Ätzen der Diffusionsfenster;
14) Diffundieren der n&spplus;-Bereiche;
15) Abscheiden von 1 µm CVD-Glas;
16) Strukturieren der Kontakte unter Verwendung der Maske 6;
17) Abscheiden der ersten Metallisierungsebene (1 µm);
18) Strukturieren der Metallisierungsebene unter Verwendung der Maske 7;
19) Abscheiden von 1 µm CVD-Glas;
20) Strukturieren der Kontakte unter Verwendung der Maske 8;
21) Abscheiden der zweiten Metallisierungsebene, 1 µm Aluminium;
22) Strukturieren der Metallisierungsebene unter Verwendung der Maske 9;
23) Abscheiden von 20 µm CVD-Glas, Ausbilden der Düsenschicht;
24) Anisotropes Ätzen der Wärmekammer und der Düse unter Verwendung der Maske 10 (Untermaß aufweisender Durchmesser von weniger als 18 µm);
25) Ätzen der Löcher 520 µm tief, 80 µm Abstand weit von der Rückseite des Wafers, unter Verwendung der Maske 11. Herstellen der Verbindung zu den Düsen;
26) Anwenden eines siliziumspezifischen, isotropen "Wasch"-Ätzverfahrens zum Vergrößern der Wärmekammer zur Kante des Heizeinrichtungsgrabens;
27) Abscheiden einer 0,5 ijm dicken Tantal- Passivierungsschicht;
28) Eröffnen der Bondinseln unter Verwendung der Maske 12;
29) Prüfen des Wafers;
30) Bonden der Drähte;
31) Eingießen in Epoxidharz;
32) Anordnen in der Druckkopfbaugruppe;
33) Füllen der Druckkopfbaugruppe mit Tinte.
Eine Zusammenfassung der erforderlichen Prozeßschritte zur Schaffung des in Fig. 20 gezeigten Aufbaus ist wie folgt:
1) Ausgangswafer: p-leitend, 600 µm dick;
2) Aufwachsen von 0,15 µm Siliziumnitrid;
3) Strukturieren der Siliziumnitridschicht unter Verwendung der Maske 1;
4) Implantieren des Feldes;
5) Ätzen eines ringförmigen Grabens um die Düsenposition herum, 22 µm Durchmesser, 2 µm tief und 1 µm breit, unter Verwendung der Maske 2;
6) Aufwachsen von 0,4 µm Feldoxid (dieses wächst auch auf den Grabenwänden auf);
7) Abscheiden der 0,05 µm dicken HfB&sub2;-Heizschicht;
8) Ätzen des Heizelements unter Verwendung der Maske 3;
9) Implantieren von Arsen unter Verwendung der Maske 4;
10) Aufwachsen von 0,1 µm Gateoxid;
11) Abscheiden von Polysilizium (1 µm);
12) Strukturieren der Polysiliziumschicht unter Verwendung der Maske 5;
13) Ätzen der Diffusionsfenster;
14) Diffundieren der n&spplus;-Bereiche;
15) Abscheiden von 1 µm CVD-Glas;
16) Strukturieren der Kontakte unter Verwendung der Maske 6;
17) Abscheiden der ersten Metallisierungsebene (1 µm);
18) Strukturieren der Metallisierungsebene unter Verwendung der Maske 7;
19) Abscheiden von 1 µm CVD-Glas. Dieses ist das Zwischenebenen-Dielektrikum als auch die Abdeckung des Heizelements;
20) Strukturieren der Kontakte unter Verwendung der Maske 8;
21) Abscheiden der zweiten Metallisierungsebene (einschließlich der Wärmeableitschicht), 1 µm Aluminium;
22) Strukturieren der Metallisierungsebene unter Verwendung der Maske 9;
23) Abscheiden von 20 µm CVD-Glas;
24) Anisotropes Ätzen der Düse in das CVD-Glas unter Verwendung der Maske 10;
25) Anisotropes Ätzen der Silizium-Wärmekammer unter Verwendung eines ionenunterstützten Plasmaätzverfahrens, speziell für Silizium, unter Verwendung der CVD-Glas-Düse als eine Maske;
26) Ätzen der Löcher, 520 µm tief, 80 µm weit von der Rückseite des Wafers, unter Verwendung der Maske 11; Herstellen der Verbindung zu den Wärmekammern;
27) Abscheiden einer 0,5 µm dicken Tantal- Passivierungsschicht;
28) Eröffnen der Bondinseln unter Verwendung der Maske 12;
29) Prüfen des Wafers;
30) Bonden der Drähte;
31) Eingießen in Epoxidharz;
32) Anordnen in der Druckkopfbaugruppe;
33) Füllen der Druckkopfbaugruppe mit Tinte.
Eine Zusammenfassung der erforderlichen Prozeßschritte zur Schaffung des in Fig. 21 gezeigten Aufbaus ist wie folgt:
1) Ausgangswafer: p-leitend, 600 µm dick;
2) Aufwachsen von 0,15 µm Siliziumnitrid;
3) Strukturieren der Siliziumnitridschicht unter Verwendung der Maske 1;
4) Implantieren des Feldes;
5) Aufwachsen von 0,7 µm Feldoxid;
6) Implantieren von Arsen unter Verwendung der Maske 2;
7) Aufwachsen von 0,1 µm Gateoxid;
8) Abscheiden von Polysilizium (1 µm);
9) Strukturieren der Polysiliziumschicht unter Verwendung der Maske 3;
10) Ätzen der Diffusionsfenster;
11) Diffundieren der n&spplus;-Bereiche;
12) Ätzen einer 2 µm tiefen kreisförmigen Ausnehmung, etwas größer als der Düsendurchmesser, unter Verwendung der Maske 4;
13) Abscheiden von 1 µm CVD-Glas;
14) Strukturieren der Kontakte unter Verwendung der Maske 5;
15) Abscheiden der 0,05 µm dicken HfB&sub2;-Heizschicht;
16) anisotropes Ätzen des Heizelements (nur in der senkrechten Richtung) unter Verwendung der Maske 6;
17) Abscheiden der ersten Metallisierungsebene (1 µm);
18) Strukturieren der Metallisierungsebene unter Verwendung der Maske 7;
19) Abscheiden von 1 µm CVD-Glas. Dieses dient als Dielektrikum zwischen den Ebenen, als auch zum Abdecken des Heizelements;
20) Strukturieren der Kontakte unter Verwendung der Maske 8;
21) Abscheiden der zweiten Metallisierungsebene (einschließlich der Wärmeableitschicht), 1 µm Aluminium;
22) Strukturieren der Metallisierungsebene unter Verwendung der Maske 9;
23) Abscheiden von 3 µm CVD-Glas;
24) anisotropes Ätzen der Wärmekammer in das CVD-Glas unter Verwendung der Maske 10;
25) anisotropes Ätzen der Düse aus Silizium unter Anwendung eines ionenunterstützten Plasmaätzverfahrens, speziell für Silizium, unter Verwendung des Lochs im CVD-Glas als eine Maske;
26) Ätzen der Löcher, 520 µm tief, 80 µm weit von der Rückseite des Wafers, unter Verwendung der Maske 11. Herstellen der Verbindung zu den Düsen;
27) Abscheiden der 0,5 µm dicken Tantal- Passivierungsschicht;
28) Eröffnen der Bondinseln unter Verwendung der Maske 12;
29) Prüfen des Wafers;
30) Bonden der Drähte;
31) Eingießen in Epoxidharz;
32) Anordnen in der Druckkopfbaugruppe;
33) Füllen der Druckkopfbaugruppe mit Tinte.
Die den ZBJ-Chip 100 aufweisende ZBJ-Druckkopfbaugruppe 200 findet zweckentsprechend Einsatz für einer Vielzahl von Druckeranwendungen, entweder beim Seitenquerdruck in herkömmlicher Weise, als ein Abtast-Druckkopf oder als ein stationärer Druckkopf für die volle Breite. Fig. 114 - 118 zeigen verschiedene Konfigurationen für den Einsatz einer Anzahl von ZBJ-Druckköpfen.
Fig. 114 zeigt eine Farbfotokopiervorrichtung 531, welche eine Bildabtasteinrichtung 541 zum Abtasten einer zu kopierenden Seite aufweist. Die Bildabtasteinrichtung 541 sendet Rot-, Grün- und Blau-Daten (RGB-Daten) an einen Signalprozessor 543, welcher die RGB-Daten in punktselektierte Cyan-, Magenta-, Yellow- und Schwarz-Daten (CMYK-Daten) umwandelt, welche zum Drucken unter Verwendung des ZBJ-Druckkopfs 100 geeignet sind. Die CMYK-Daten werden einer Datenformatiereinrichtung 545 zugeleitet, welche in einer Weise auf die in Fig. 56 und Fig. 57 gezeigte Schalteinrichtung einwirkt. Die Datenformatiereinrichtung 545 sendet die Ausgabe an einen Vollfarben-ZBJ-Druckkopf 550, welcher in der Lage ist, 400 Pixel je Zoll in Querrichtung auf eine A3-Seite zu drucken, welche durch eine Papiertransporteinrichtung 547 bewegt wird. Eine Mikroprozessorsteuerung 549 koordiniert den Betrieb der Farbfotokopiervorrichtung 531 durch eine Folgesteuerung der Bildabtasteinrichtung 541, des Signalprozessors 543 und der Papiertransporteinrichtung 547.
Fig. 115 zeigt eine Farbfaksimilevorrichtung 533, welche einige Komponenten mit einer ähnlichen Bezeichnung wie jene in Fig. 114 aufweist. Die Bildabtasteinrichtung 541 tastet eine zu übertragende Seite ab, wonach die abgetasteten Bilddaten durch eine Komprimiereinrichtung 560 verdichtet werden. Die Komprimiereinrichtung 560 kann jedes Standard-Datenverdichtungssystem für Bilder, wie z. B. den JPEG-Standard, verwenden. Die Komprimiereinrichtung 560 überträgt die Daten zu einem Modem 562, welches mit einem PSTN- oder ISDN-Netzwerk 564 verbunden wird. Das Modern 562 empfängt Daten und gibt sie an eine Bilddekomprimiereinrichtung 566 weiter, welche die Komprimiereinrichtung 560 ergänzt. Die Bilddekomprimiereinrichtung 566 gibt die Daten in der vorstehend beschriebenen Weise an die Datenformatiereinrichtung 545 aus. In dieser Konfiguration wird ein Farb-ZBJ-Druckkopf 551 verwendet, welcher größer als die Gesamtbreite des zu bedrukkenden Papiers ist.
Fig. 116 zeigt eine Computer-Druckvorrichtung 535, welche sowohl Farb- als auch Schwarz-Weiß-Bilder drucken kann, je nach der Ausführungsform des verwendeten ZBJ-Druckkopf 5. Die Daten werden über einen Dateneingang 569 einem Datenkommunikationsempfänger 568 zugeleitet. Eine Mikroprozessorsteuerung 549 puffert die empfangenen Daten in einem Bildspeicher 571, welcher sie an eine Vollfarben-Datenformatiereinrichtung in der vorstehend beschriebenen Weise oder an eine einfache Schwarz-Weiß-Datenformatiereinrichtung ausgibt. In dieser Ausführungsform gibt die Datenformatiereinrichtung 545 die Daten an einen ZBJ-Druckkopf 552 mit voller Zeilenlänge zum Drucken auf Papier aus, welches durch die Papiertransporteinrichtung 547 bewegt wird.
In Fig. 117 ist eine Videodruckvorrichtung 537 gezeigt, welche Videodaten über einen Videoeingang 574 aufnimmt, die einem Fernsehdekoder und der ADC-Einheit 573 zugeführt werden, welche die Bildpixeldaten an einen Rahmenspeicher 575 ausgibt. Ein Signalprozessor 543 wandelt die RGB-Daten zum Drucken in der vorstehend beschriebenen Weise in CMYK-Daten um. Ein kleiner Farb-ZBJ-Druckkopf 553 druckt auf ein Fotoformat-Papier, welches durch die Papiertransporteinrichtung 547 zum Drucken bewegt wird.
Fig. 118 zeigt schließlich die Konfiguration einer einfachen Druckvorrichtung 539, in welcher das Seitenformatieren in einem Hostcomputer 577 ausgeführt wird. Der Hostcomputer 577 gibt die Daten und die Steuerinformationen an einen Zwischenspeicher 579 aus, welcher sie in der vorstehend beschriebenen Weise der Datenformatiereinrichtung 545 zuleitet. Eine einfache Logiksteuereinheit 581 empfängt auch Befehle. zum Steuern der Papiertransporteinrichtung 547 vom Hostcomputer 577.
Ferner wird der Fachmann erkennen, daß jede Kombination von ZBJ-Druckköpfen in allen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendbar ist. Z. B. kann die vorstehend beschriebene Mehrfach-Druckkopf-Redundanz sowohl in Seitendruckköpfen als auch in Abtast-Druckköpfen verwendet werden. Für extrem hohe Auflösung (1 600 dpi) ist Einfarbendruck in jeder Ausführungsform anwendbar.
Wenngleich die vorstehende Beschreibung nur eine gewisse Zahl von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfaßt, können zahlreiche Änderungen und Abwandlungen am Erfindungsgedanken vorgenommen werden, die dem Fachmann bei Kenntnis der durch die Erfindung vermittelten Lehre nahegelegt sind, die jedoch als in den Rahmen der Erfindung fallend anzusehen sind. TABELLE 1
Fortsetzung nächste Seite TABELLE 1 TABELLE 2
Fortsetzung nächste Seite TABELLE 2 (Fortsetzung) TABELLE 2 (Fortsetzung)
Die vorliegende Erfindung ist mit Bezug auf bevorzügte Ausführungsformen ausführlich beschrieben worden, und aus der vorstehenden Beschreibung wird nun dem Fachmann deutlich, daß Abänderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne von der Erfindung abzuweichen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.
Die Bläschen-Strahl-Druckeinrichtung (100) ist einstückig ausgebildet und weist Matrizen (102, 103, 104, 105) von Düsen (110) auf, welche einen Teil einer Durchlaßverbindung zwischen entgegengesetzten Oberflächen eines Halbleitersubstrats (130) bilden. Jede Düse (110) weist eine einstückig ausgebildete Heizeinrichtung (120) auf, welche das Erhitzen der Tinte (106) in der jeweiligen Düse (110) zum Ausstoß eines Tintentropfens (108) aus dieser gestattet. Die Heizeinrichtung (120) kann einen fehlertoleranten Aufbau durch die Anordnung eines Hauptheizelements (121, 441) und eines Redundanzheizelements (122, 443) aufweisen, wobei jedes durch eine entsprechende elektronische Ansteuereinrichtung (160, 165) getrennt ansteuerbar ist. Es sind auch mehrere Verfahren zur Herstellung der Einrichtung (100) unter Verwendung von Technologien der Halbleiterfertigung beschrieben. Ein Bläschen-Strahl-Druckkopf (200), welcher die Einrichtung (100) aufweist, kann ein Teil einer Bildwiedergabevorrichtung (531, 533, 535, 537) sein und ist in der Lage, Vollfarbenbilder mit 400 dpi und einfarbige Bilder mit bis zu 1600 dpi zu drucken. Für diese Bildauflösung wird eine Tintentropfenmenge von etwa 3 Pikoliter verwendet. Eine Wärmeableitschicht (140) oder eine Wärmeableiteinrichtung (491) wird verwendet, um die Wärme von der Heizeinrichtung (120) abzuführen, um das Ausbilden von überhitzten Stellen nach dem Ausstoßen eines Tintentropfens (108) zu verhindern. Die elektronische Schalteinrichtung (310, 302 - 305) wird beschrieben, welche zur Datenzuführung zu der Einrichtung (100) angewendet wird, um den Seitendruck in voller Breite unter Verwendung eines stationären Druckkopfs und eines bewegten Aufzeichnungsmediums aus Papier auszuführen.

Claims

1. Tintenstrahl-Druckvorrichtung zum Drucken von Bildern durch Ausstoßen von Tinte (106) unter Verwendung von Wärmeenergie, welche eine Vielzahl von Düsen aufweist und für jede Düse entsprechend aufweist:

- eine Auslaßeinrichtung zum Anordnen eines Auslasses (111) zum Ausstoßen von Tinte (106),

- eine Durchlaßeinrichtung zum Anordnen eines Durchlasses, welcher mit dem Auslaß (111) für den Durchfluß der Tinte (106) verbunden ist, und

- eine Energieerzeugungseinrichtung (120) zum Erzeugen von Wärmeenergie und dabei die Energieerzeugungseinrichtung an der Durchlaßeinrichtung angeordnet ist, wobei die Durchlaßeinrichtung einen Durchlaß aufweist, welcher beim Durchdringen eines einzelnen Chips (100) erzeugt wird, und die Auslaßeinrichtung (111), die Durchlaßeinrichtung und die Energieerzeugungseinrichtung (120) einstückig im Chip ausgebildet sind,

gekennzeichnet durch eine Ansteuereinrichtung (160 - 169) zum Ansteuern der Energieerzeugungseinrichtung (120), welche ebenfalls einstückig im Chip ausgebildet ist.

2. Tintenstrahl-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaßeinrichtung (111, 112, 113, 114) einen Abschnitt (111, 112, 113) aufweist, in welchem sich die Querschnittsabmessungen des Durchlasses ändern, und

die Energieerzeugungseinrichtung (120) auf einer Oberfläche angeordnet ist, welche die Durchlaßeinrichtung (111, 112, 113, 114) schneidet und einen Teil des Abschnitts (111, 112, 113) begrenzt, in welchem sich die Querschnittsabmessungen des Durchlasses ändern.

3. Tintenstrahl-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Chip (100) plattenförmig ist und der Durchlaß durch das im wesentlichen gerade Durchdringen zwischen einer Oberfläche und einer entgegengesetzten Oberfläche des Chips (100) ausgebildet wird.

4. Tintenstrahl-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei eine Vielzahl von Auslässen (111) auf einer Oberfläche des Chips (100) angeordnet ist.

5. Tintenstrahl-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 41 wobei die Vielzahl von Auslässen (111) in zwei Dimensionen auf einer Oberfläche des Chips (100) angeordnet ist.

6. Tintenstrahl-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 5, wobei die Energieerzeugungseinrichtungen (120) entlang einer Oberfläche angeordnet sind.

7. Tintenstrahl-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei der Chip (100) eine Vielzahl von Durchlässen (112, 113, 115) aufweist, von denen jeder mit einem der Auslässe (111) in Verbindung ist, und die Energieerzeugungseinrichtung (120) in jedem Durchlaß der Vielzahl von Durchlässen (112, 113, 115) angeordnet ist.

8. Tintenstrahl-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 7, wobei jeder Auslaß (111) entgegengesetzt zu einem Einlaß zum Einführen der Tinte in den Durchlaß auf einer Oberfläche und der entgegengesetzten Oberfläche des Chips (100) angeordnet ist

9. Tintenstrahl-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 7, wobei die Abmessungen jedes Auslasses (111) an einem Ende des Durchlasses gleich den Abmessungen oder kleiner als die Abmessungen eines Einlasses zum Einführen der Tinte an einem entgegengesetzten Ende des Durchlasses sind.

10. Tintenstrahl-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 7, wobei eine Vielzahl von Auslässen (111) in Zeilen angeordnet ist und der Abstand zwischen benachbarten Auslässen (111) in einer Zeile im wesentlichen gleich ist, und wobei die Auslässe (111) jeder Zeile in einer Zeilenrichtung relativ zu den Auslässen einer benachbarten Zeile versetzt sind.

11. Tintenstrahl-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 7, wobei eine Vielzahl von Auslässen (111) in Zeilen angeordnet ist und der Abstand zwischen benachbarten Auslässen (111) in einer Zeile im wesentlichen gleich ist, und wobei die Auslässe (111) jeder Zeile in eine Richtung senkrecht zu einer Zeilenrichtung relativ zu den Auslässen einer benachbarten Zeile ausgerichtet sind.

12. Tintenstrahl-Druckvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 oder 71 wobei die Energieerzeugungseinrichtung ein Heizelement (120) zum Erzeugen von Wärmeenergie zum Sieden der Tinte (106) aufweist.

13. Tintenstrahl-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei das Heizelement (120) aus Hafniumborid oder aus einem anderen Metallbond mit einem Element der Gruppen IIIA bis VIA erzeugt ist.

14. Tintenstrahl-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 12, wobei das Heizelement (120) ein Hauptheizelement (121) und ein Redundanzheizelement (122) aufweist.

15. Tintenstrahl-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei die Energieerzeugungseinrichtung (120) auf einer Oberfläche des Chips (100) senkrecht zum Durchlaß angeordnet ist.

16. Tintenstrahl-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei die Energieerzeugungseinrichtung (120) auf einer Oberfläche des Chips (100) in die Richtung jedes Auslasses (111) ausgerichtet ist.

17. Tintenstrahl-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei die Energieerzeugungseinrichtung (120) auf einer Oberfläche des Chips (100) in die Richtung einer Speisequelle der Tinte (106) ausgerichtet ist.

18. Tintenstrahl-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 15, wobei die Oberfläche senkrecht zu dem Durchlaß so ausgebildet ist, daß der Durchlaß von der Oberfläche umgeben ist.

19. Tintenstrahl-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 18, wobei der Abschnitt der Durchlaßeinrichtung im wesentlichen halbkugelförmig ist und eine ringförmige Oberfläche aufweist.

20. Tintenstrahl-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 18, wobei das Heizelement (120) und die Oberfläche, welche den Durchlaß umgibt, in einer Ringstruktur ausgebildet sind.

21. Tintenstrahl-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 20, wobei das Heizelement (120) ein Hauptheizelement (121) und ein Redundanzheizelement (122) aufweist.

22. Tintenstrahl-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 20, wobei das Heizelement (120) ein Hauptheizelement (121) aufweist, welches entlang einer Hälfte der ringförmigen Oberfläche ausgebildet ist, und ein Redundanzheizelement (122), welches entlang der anderen Hälfte der ringförmigen Oberfläche ausgebildet ist.

23. Tintenstrahl-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 23, wobei jedes der Heizelemente (120) eine gekrümmte Form aufweist.

24. Tintenstrahl-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 8, wobei der Chip (100) und die Energieerzeugungseinrichtung (120) einstückig aus Halbleitermaterialien ausgebildet sind.

25. Tintenstrahl-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 25, wobei die Energieerzeugungseinrichtung (120) und der Durchlaß für den Tintenstrom unter Anwendung von Halbleiterfertigungstechnologien auf einem Substrat (130) des Chips (100) erzeugt sind.

26. Tintenstrahl-Druckkopf mit:

mindestens einer Tintenstrahl-Druckvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und

einem Tintenzuführelement (75, 210), welches über die Tinteneinlässe mit der Durchlaßeinrichtung der Tintenstrahl- Druckvorrichtung zum Zuführen der Tinte zu der Vielzahl von Durchlässen in Verbindung ist.

27. Tintenstrahl-Druckkopf gemäß Anspruch 26, wobei jede der Vielzahl von Auslässen (111) entgegengesetzt zu einer Vielzahl von Einlässen zum Einführen der Tinte in jeden der Durchlässe auf einer Oberfläche und der entgegengesetzten Oberfläche des Chips (100) angeordnet ist, und das Tinten zuführelement (75, 210) in Verbindung mit der entgegengesetzten Oberfläche des Chips ist, auf welcher die Vielzahl von Einlässen angeordnet ist, und einen Tintenkanal (75; 211, 212, 213, 214) zur Verbindung mit der Vielzahl von Durchlässen aufweist.

28. Tintenstrahl-Druckkopf gemäß Anspruch 27, welcher ferner eine zwischen der Durchlaßeinrichtung und dem Tintenzuführelement (75; 210) angeordnete Filtereinrichtung (54; 205) aufweist, zum Filtern der den Durchlässen zuzuführenden Tinte (106).

29. Tintenstrahl-Druckkopf gemäß Anspruch 28, wobei die Filtereinrichtung (54; 205) zwischen der Durchlaßeinrichtung und dem Tintenzuführelement (75; 210) angeordnet ist.

30. Tintenstrahl-Druckkopf gemäß Anspruch 29, wobei die Filtereinrichtung (54; 205) ein Membran aufweist.

31. Tintenstrahl-Druckkopf gemäß Anspruch 27, wobei die Vielzahl von Auslässen (111) in einer Vielzahl von Matrizen entsprechend einer Vielzahl von Tintensorten unterschiedlicher Farben angeordnet ist, und wobei das Tintenzuführelement (210) eine Vielzahl von Tintenkanälen (211, 212, 213, 214) entsprechend der Vielzahl von Tintensorten unterschiedlicher Farbe aufweist.

32. Tintenstrahl-Druckvorrichtung zum Drucken von Bildern auf ein Druckmedium, welche aufweist:

- einen Tintenstrahl-Druckkopf gemäß einem der Ansprüche 26 bis 31 und

- eine Transporteinrichtung zum Transportieren des Druckmediums in eine Druckposition, in welcher das Drucken durch eine Vielzahl von Auslässen (111) der Tintenstrahl- Druckeinrichtung ausgeführt wird.

33. Tintenstrahl-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 32, wobei der Chip (100) eine maximale Abmessung entsprechend einem maximalen Druckbereich in einer Richtung quer zur Bewegung einer bedruckbaren Oberfläche des Druckmediums aufweist, und eine Matrix der Vielzahl von Auslässen (111) in der Richtung quer zur Bewegung der bedruckbaren Oberfläche aufweist.

34. Tintenstrahl-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 33, wobei die maximale Abmessung im wesentlichen gleich einer Breite des Druckmediums ist.

35. Tintenstrahl-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 34, wobei das Druckmedium eine Aufzeichnungsunterlage ist.