DE69403352T2 - Verfahren zum Herstellen eines thermischen Farbstrahldruckkopfs - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines thermischen Farbstrahldruckkopfs

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf thermische Tintenstrahldrucker und insbesondere auf eine verbesserte Druckkopfstruktur zum Einführen von Tinte in die Abfeuerkammern
    • Stand der Technik
  • In der Technik des thermischen Tintenstrahldruckens ist es bekannt, eine Mehrzahl von elektrisch resistiven Elementen auf einem gemeinsamen Substrat zwecks des Erwrmens einer entsprechenden Mehrzahl von Tintenvolumina vorzusehen, die in benachbarten Tintenbehältern enthalten sind, was zu dem Tintenauswurf- und Druckverfahren führt. Unter Verwendung einer solchen Anordnung sind die benachbarten Tintenbehälter typischerweise als Hohlräume in einer Barriereschicht vorgesehen, die an dem Substrat befestigt ist, um die mechanische Energie auf vorbestimmte Volumina von Tinte korrekt zu trennen. Die mechanische Energie resultiert aus der Umwandlung von elektrischer Energie, die den resistiven Elementen zugeführt wird, welche eine sich schnell ausbreitende Tintenblase in der Tinte über den resistiven Elementen erzeugt. Ferner ist eine Mehrzahl von Tintenauswurföffnungen über diesen Hohlräumen in einer Düsenplatte vorgesehen, wobei dieselben Ausgangswege für Tinte während des Druckverfahrens schaffen.
  • Im Betrieb von thermischen Tintenstrahldruckköpfen ist es notwendig, einen Tintenfluß zu dem thermischen oder resistiven Element zu liefern, das einen Tintentropfenauswurf bewirkt. Dies wurde durch Herstellen von Tintenauffüllkanälen oder Schlitzen in dem Substrat, in der Tintenbarriere oder in der Düsenplatte erreicht.
  • Bekannte Verfahren zum Bilden von Tintenauffüllschlitzen betreffen viele zeitaufwendige Operationen, resultieren in variablen Geometrien, erfordern eine genaue mechanische Ausrichtung von Teilen und konnten typischerweise nur auf Einzelsubstraten durchgeführt werden. Diese Nachteile machen bekannte Verfahren weniger wünschenswert als die hierin beschriebene Erfindung.
  • Ferner schaffen die bekannten Verfahren zum Bilden von Tintenschlitzen bei höheren Betriebsfrequenzen Kanäle, die einfach nicht die Kapazität haben, um auf Tintenvolumenanforderungen adäquat anzusprechen.
  • Die Herstellung von Siliziumstrukturen für das Tintenstrahldrucken ist bekannt. Siehe beispielsweise in den U.S. Patenten Nr. 4,863,560, 4,899,181, 4,875,968, 4,612,554, 4,601,777 (und seine Wiedererteilung RE 32,572), 4,899,178, 4,851,371, 4,638,337 und 4,829,324. Diese Patente sind alle auf die sogenannte "Seitenschußvorrichtungs"-Tintenstrahldruckkopfkonfiguration ausgerichtet. Die dynamischen Fluidbetrachtungen sind jedoch für eine "Obenschußvorrichtungs"- (oder "Dachschußvorrichtungs"-) Konfiguration vollständig anders, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, weshalb diese Patente keine Tragweite für die vorliegende Erfindung haben.
  • Das U.S. Patent 4,789,425 ist auf die "Dachschußvorrichtungs"-Konfiguration gerichtet. Obwohl dieses Patent ein anisotropes Ätzen des Substrats verwendet, um Tintenzuführungskanäle zu bilden, spricht es jedoch nicht den Punkt an, wie das Tintenvolumen, das bei höheren Betriebsfrequenzen benötigt wird, zugeführt werden soll. Ferner enthält es keine Lehre bezüglich der Steuerung der Geometrie, bezüglich der Stiftgeschwindigkeit oder bezüglich einer spezifischen hydraulischen Dämpfungssteuerung. Insbesondere spricht diese Schrift nicht den Punkt an, wie die Fluidimpedanz jeder Funktionsdüse genau angepaßt werden soll, damit sich alle gleich verhalten. Es bleibt ein Bedarf, ein Verfahren zum Herstellen von Tintenauffüllschlitzen in thermischen Tintenstrahldruckköpfen zu schaffen, bei denen die Fluidimpedanz jeder Funktionsdüse genau angepaßt ist.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie Tintenauffüllschlitze mit einem Minimum an Herstellungsschritten in einem Stapelverarbeitungsmodus schafft.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie eine genaue Steuerung der Geometrie und Ausrichtung der Tintenauffüllschlitze schafft, um eine genaue Anpassung von Fluidimpedanzen jeder Düse zu erlauben.
  • Noch ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie Tintenauffüllschlitze schafft, die geeignet konfiguriert sind, um das erforderliche Tintenvolumen bei immer höheren Betriebsfrequenzen von bis zu 14 kHz zu schaffen.
  • Gemäß der Erfindung, wie sie in den nachfolgenden Ansprüchen spezifiziert ist, kann ein Tintenauffüllschlitz in einem Substrat genau hergestellt werden, wobei photolithographische Techniken mit chemischem Ätzen, mit Plasmaätzen oder einer Kombination derselben verwendet werden. Diese Verfahren können in Verbindung mit einer Laserbearbeitung, einer mechanischen Abrasion, einer elektromechanischen Bearbeitung oder einem herkömmlichen Ätzen verwendet werden, um zusätzliches Substratmaterial in gewünschten Bereichen zu entfernen.
  • Der verbesserte Tintenstrahldruckkopf der Erfindung umfaßt eine Mehrzahl von Tinten-antreibenden thermischen Elementen, wobei jedes Tinten-antreibende Element in einer getrennten Tropfenauswurfkammer angeordnet ist, die durch drei Barrierewände und eine vierte Seite definiert ist, die zu einem Tintenbehälter offen ist, der zumindest einigen der Elemente gemeinsam ist, wobei der verbesserte Tintenstrahldruckkopf der Erfindung eine Mehrzahl von Düsen umfaßt, die Öffnungen aufweisen, die in einer Abdeckungsplatte in enger Nachbarschaft zu den Elementen angeordnet sind, wobei jede Öffnung einem Element zugeordnet ist, zum Auswerfen einer Menge von Tinte senkrecht zu der Ebene, die durch jedes Element definiert ist, und durch die Öffnungen zu einem Druckmedium hin, und zwar in vordef inierten Sequenzen, um auf demselben alphanumerische Zeichen und Graphiken zu bilden. Tinte wird von einem Tintenauffüllschlitz mittels eines Tintenzuführungskanals zu dem thermischen Element zugeführt. Jede Tropfenauswurfkammer kann mit einem Paar von gegenüberliegenden Vorständen versehen sein, die in Wänden in dem Tintenzuführungskanal gebildet sind, und die durch eine Breite getrennt sind, um eine Einschnürung zwischen dem Verteiler und dem Kanal zu bewirken, wobei jede Tropfenauswurfkammer ferner mit "Einführungslappen" versehen sein kann, die zwischen den Vorständen angeordnet sind und einen Tintenzuführungskanal von einem benachbarten Tintenzuführungskanal trennen. Die Verbesserung umfaßt das Bilden des Tintenauffüllschlitzes und der Tropfenauswurfkammer und des zugeordneten Tintenzuführungskanals auf einem Substrat, in dem der Tintenauffüllschlitz teilweise durch anisotropes Ätzen des Substrats unter Verwendung von chemischem und/oder Plasma-Ätzen gebildet ist. Die Abmessungen des Tintenauffüllschlitzes bezüglich des Tintenzuführungskanals können genau gesteuert werden, um beim Fluidabstimmen des Stifts zu helfen.
  • Die Tintenauffüllschlitzposition kann auf innerhalb etwa 20 µm der hydraulischen Begrenzungsöffnung (des Bereichs zwischen den Einführungslappen) gesteuert werden, und dieselbe kann bezüglich der Tiefe entlang der Erstreckung des Schlitzes moduliert werden, um ein Luftblaseneinfangen zu mmimieren.
  • Die Betriebsfrequenz von thermischen Tintenstrahlstiften hängt von dem "Schelf" oder dem Abstand, den die Tinte von dem Tintenauffüllschlitz zu der Abfeuerkammer zurücklegen muß, und von anderen Dingen ab. Bei höheren Frequenzen muß dieser Abstand oder Schelfferner ziemlich eng gesteuert werden. Durch eine photochemische Mikrobearbeitung kann dieser Abstand enger gesteuert und näher an die Abfeuerkammer hin plaziert werden. Das Ätzen kann von der Vorderseite, von der Rückseite oder von beiden aus durchgeführt werden. Eine Kombination von Ätzprozessen kann einen Bereich von Profilen des Tintenauffüllschlitzes und des Schelfes zulassen. Dieses Verfahren kann statt oder in Verbindung mit herkömmlichen "mechanischen" Verfahren zur Schlitzbildung verwendet werden, um das Verhalten zu verbessern oder eine Stapelverarbeitung zu ermöglichen.
    • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Widerstands, der in einer Abfeuerkammer positioniert ist, die aus einer Barriereschicht, einem Tintenzuführungskanal, der mit der Abfeuerkammer in fluidmäßiger Verbindung ist, und aus einem Tintenauffüllschlitz zum Zuführen von Tinte zu dem Tintenführungskanal gemäß der Erfindung gebildet ist;
  • Fig. 2a ist eine Draufsicht der in Fig. 1 gezeichneten Konfiguration, welche benachbarte Widerstände und Tintenzuführungskanäle umfaßt, wobei die Schelflänge eine konstante Abmessung ist, die von dem Eingang in den Tintenzuführungskanal aus gemessen wird;
  • Fig. 2b ist eine Ansicht, die der von Fig. 2a ähnlich ist, wobei jedoch eine gleichgemachte Schelflänge gezeichnet ist, die den Konturen der Barriereschicht folgt;
  • Fig. 3 ist eine Draufsicht eines Abschnitts eines Druckkopf 5, welche ein Ausführungsbeispiel einer Mehrzahl der in Fig. 2A gezeichneten Konfigurationen zeigt;
  • Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht der Widerstandskonfiguration von Fig. 3, wobei die Ergebnisse eines anisotropen Ätzens eines < 100> -ausgerichteten Siliziumsubstrats gezeigt ist;
  • Fig. 5 ist eine ähnliche Ansicht wie Fig. 4, jedoch mit einem < 110> -ausgerichteten Siliziumsubstrat;
  • Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht, die zu den Fig. 4 oder 5 aquivalent ist, wobei der Tintenzuführungsschlitz durch abrasive oder Laser-Mikrobearbeitung hergestellt worden ist; und
  • Fig. 7 ist eine graphische Darstellung, in Koordinaten der Stiftfrequenz in Hertz und der Schelflange in Mikrometern, der Abhängigkeit der Stiftfrequenz als Funktion der Schelflänge für einen spezifischen Tropfenvolumenfall.
    • Beste Arten und Weisen zum Ausführen der Erfindung
  • Bezugnehmend nun auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, zeigt Fig. 1 ein Druck- oder Tropfenauswurfelement 10, das auf einem Substrat 12 gebildet ist. Die Fig. 2a und 2b zeigen drei benachbarte Druckelemente 10, während Fig. 3 einen Abschnitt eines Druckkopfs 13 zeigt, der eine Mehrzahl solcher Abfeuerelemente aufweist, und wobei dieselbe einen gemeinsamen Tintenauffüllschlitz 18 zeigt, der einen Vorrat von Tinte zu demselben liefert. Obwohl Fig. 3 eine gemeinsame Konfiguration einer Mehrzahl von Abfeuerelementen, nämlich zwei parallele Reihen von Abfeuerelementen 10 um einen gemeinsamen Tintenauffüllschlitz 18 herum, zeigt, können ferner andere Konfigurationen, die beim thermischen Tintenstrahldrucken verwendet werden, wie z.B. eine etwa kreisförmige oder eine einzige Reihe, ebenfalls beim Ausführen der Erfindung gebildet werden.
  • Jedes Abfeuerelement 10 umfaßt einen Tintenzuführungskanal 14, wobei ein Widerstand 16 an einem Ende 14a desselben positioniert ist. Der Tintenzuführungskanal 14 und eine Tropfenauswurfkammer 15, die den Widerstand 16 an drei Seiten desselben umgibt, sind in einer Schicht 17 gebildet, welche ein photopolymerisierbares Material aufweist, welches geeignet maskiert und geätzt/entwickelt ist, um die gewünschte strukturierte Öffnung zu bilden.
  • Tinte (nicht gezeigt) wird an dem entgegengesetzten Ende 14b des Tintenzuführungskanals 14, wie es durch einen Pfeil "A" gezeigt ist, von einem Tintenauffüllschlitz eingeführt, welcher allgemein bei 18 bezeichnet ist. Dem Widerstand 16 zugeordnet ist eine Düse oder eine konvergente Bohrung 20, die neben dem Widerstand in einer Düsenplatte 22 positioniert ist. Tintentröpfchen werden durch die Düse (z.B. normal zu der Ebene des Widerstands 16) bei dem Erwärmen einer Menge an Tinte durch den Widerstand ausgeworfen.
  • Ein Paar von gegenüberliegenden Vorständen 24 an dem Eingang in den Tintenzuführungskanal 14 liefert eine lokalisierte Einschnürung, wie es durch den Pfeil "B" gezeigt ist. Der Zweck der lokalisierten Einschnürung, welche darauf bezogen ist, das Dämpfen der Fluidbewegung der Tinte zu verbessern, ist spezifischer in dem U.S. Patent 4,882,595 beschrieben und bildet keinen Teil dieser Erfindung.
  • Jedes Druckelement 10 umfaßt die nachfolgend dargelegten Merkmale. Jeder Widerstand 16 ist in einer Tropfenauswurfkammer 15 angeordnet, die durch drei Barrierewände und eine vierte Seite definiert ist, die zu dem Tintenauffüllschlitz 18 für Tinte offen ist, der mindestens einigen der Elemente 10 gemeinsam ist, wobei eine Mehrzahl von Düsen 20 Öffnungen aufweisen, die in einer Abdeckungsplatte 22 neben den Widerständen 16 angeordnet sind. Jede Öffnung 20 ist somit einem Widerstand 16 zum Auswerfen einer Menge an Tinte normal zu der Ebene, die durch diesen Widerstand definiert ist, und durch die Öffnungen zu einem Druckmedium (nicht gezeigt) in definierten Mustern zugeordnet, um alphanumerische Zeichen und Graphiken auf demselben zu bilden.
  • Tinte wird von dem Tintenauffüllschlitz 18 mittels eines Tintenzuführungskanals 14 jedem Element 10 zugeordnet. Jedes Abfeuerelement 10 ist mit einem Paar von gegenüberliegenden Vorständen 24 versehen, die in Wänden in dem Tintenzuführungskanal 14 gebildet und durch eine Breite "B" getrennt sind, um eine Einschnürung zwischen dem Tintenauffüllschlitz 18 und dem Kanal zu bewirken. Jedes Abfeuerelement 10 kann mit Einführungslappen 24a versehen sein, die zwischen den Vorständen 24 angeordnet sind und einen Tintenzuführungskanal 14 von einem benachbarten Tintenzuführungskanal 14' trennen. Die Verbesserung betrifft eine Präzisionseinrichtung zum Bilden des Tintenauffüllschlitzes 18 und des zugeordneten Tintenzuführungskanals 14 in einem Substrat 12. Bei dem Verfahren der Erfindung ist der Tintenauffüllschlitz 18 zu dem Paar von Einführungslappen 24a jeder Abfeuerkammer erweitert und zwar entweder in einem konstanten Abstand von dem Eingang in den Tintenzuführungskanal 14, wie es in Fig. 2A gezeigt ist, oder in einem gleichgemachten Abstand von der Kontur, die durch die Barriereschicht 17 gebildet ist, wie es in Fig. 2B gezeigt ist. Der Tintenauffüllschlitz 18 ist mittels einer Erweiterung 18a zu den Einführungslappen 24a hin erweitert, wobei ein genaues Ätzen, welches nachfolgend detaillierter beschrieben wird, verwendet wird, um den Tintenauffüllschlitz bezüglich des Eingangs in den Tintenzuführungskanal 14, der bei "A" bezeichnet ist, steuerbar auszurichten.
  • In Fig. 2A endet der erweiterte Abschnitt 18a des Tintenauffüllschlitzes 18 in einem konstanten Abstand von der Mittellinie des Tintenauffüllschlitzes sehr nah an den Einführungslappen 24a. Die Verwendung eines genauen Ätzens, welches nachfolgend beschrieben ist, erlaubt es, daß eine kürzere Schelflänge SL gebildet wird. Diese Schelflänge ist kürzer als die eines gegenwärtig kommerziell verfügbaren Stifts, der in dem Drucker Deskjet (DeskJet ist ein eingetragenes Warenzeichen) von Hewlett-Packard verwendet wird, welche sich zu der Kante des Tintenauffüllschlitzes 18 hin erstreckt. Die kürzere Schelflänge erlaubt ein Abfeuern bei höheren Frequenzen als bei gegenwärtig kommerziell verfügbaren Stiften. Obwohl die Fluidimpedanz des Stifts, die auf die Tinte ausgeübt wird, im Vergleich zu der von kommerziell verfügbaren Stiften reduziert ist, wodurch ein verbessertes Verhalten resultiert, ist dieselbe nicht von einem Widerstandsheizer 16 zu dem nächsten konstant.
  • In Fig. 2B folgt der erweiterte Abschnitt 18a des Tintenauffüllschlitzes 18 der Kontur der Barrierewand 17, die die Einführungslappen 24a definiert, wodurch eine gleichgemachte Schelflänge SL geschaffen ist. Diese gleichgemachte Schelflänge schafft eine im wesentlichen konstante Fluidimpedanz für die Tinte in dem Stift, was in einem verbesserten Stiftverhalten resultiert.
  • Gemäß der Erfindung wird der erweiterte Abschnitt 18a des Tintenauffüllschlitzes 18 in einem Substrat 12 unter Verwendung von photolithographischen Techniken mit chemischem Ätzen, Plasmaätzen oder einer Kombination derselben genau hergestellt. Diese Verfahren können in Verbindung mit einer Laserbearbeitung, einer mechanischen Abrasion oder einer elektromechanischen Bearbeitung verwendet werden, um ein zusätzliches Substratmaterial in gewünschten Bereichen zu entfernen.
  • Repräsentative Substrate für die Herstellung von Tintenauffüllschlitzen 18 gemäß der Erfindung umfassen einkristalline Siliziumwafer, welche allgemein in der Mikroelektronikindustrie verwendet werden. Siliziumwafer mit < 100> - oder < 110> -Kristallausrichtungen werden bevorzugt. Drei Verfahren zur Herstellung von Tintenauffüllschlitzen, die mit dieser Erfindung konsistent sind, werden nachfolgend detailliert beschrieben. Typische resultierende Strukturen sind in den Fig. 4C, 5C und 6C gezeigt.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel, das in den Fig. 4A bis D gezeigt ist, werden die folgenden Schritte durchgeführt:
  • 1. Maskieren des Siliziumwafers 12, um Bereiche zu schützen, die nicht geätzt werden sollen. Thermisch aufgewachsenes Oxid 26 ist eine repräsentative Ätzmaske für Silizium.
  • 2. Photodef inieren von Öffnungen in der Ätzmaske unter Verwendung herkömmlicher mikroelektronischer Photolithographieprozeduren, um das Silizium auf der sekundären (Rück-) Oberfläche zu belichten, das in den gewünschten Tintenflußkanalbereichen entfernt werden soll.
  • 3. Teilweises Ätzen in das Siliziumsubstrat von der Rückseite durch die belichteten Bereiche der Öffnungen, um die Tintenauffüllschlitze 18 zu bilden, und zwar unter Verwendung von anisotropen Ätzmitteln, um die erwünschten geometrischen Charakteristika der Tintenflußkanäle zu schaffen.
  • 4. Ätzen in die Vorderseite, um (a) eine Verbindung zu den Tintenauffüllschlitzen 18 herzustellen, und um (b) die Tintenauffüllschlitze zu den Eingängen der Tintenzuführungskanäle zu erweitern, die in der Barriereschicht 17 gebildet sind, wodurch der Abschnitt 18a gebildet wird. Die Barriereschicht 17 und die definierte Tropfenauswurfkammer 15 und der Tintenzuführungskanal 14 zusammen mit dem Widerstandsheizer 16 und den zugeordneten elektrischen Leiterbahnen werden in getrennten Schritten vor diesem Schritt gebildet. Das Ätzen bei diesem Schritt kann unter Verwendung irgendeines oder aller isotropen Ätzmittel, wie z.B. unter Verwendung von Trocken(Plasma)- Ätzen, durchgeführt werden.
  • Fig. 4D ist eine Querschnittsansicht einer Endstruktur, bei der die Tinte von der Rückseite des Substrats 12 zugeführt wird. Bei dem in den Fig. 4A bis 4D gezeichneten Verfahren wird < 100> -ausgerichtetes Silizium als das Substrat 12 verwendet. Ein Oxidfilm 26, vorzugsweise Siliziumdioxid, wird auf beiden Oberflächen 12a und 12b des Substrats gebildet und verwendet, um den Tintenauffüllschlitz 18 zu definieren, der geätzt werden soll. Alternativ könnte ein Siliziumnitridfilm oder eine andere Maskierungschicht verwendet werden, wie es im Stand der Technik detailliert dargelegt ist.
  • Das Dielektrikum 26 auf der sekundären Oberfläche 12b wird vor dem Bilden des Tintenauffüllschlitzes 18 strukturiert.
  • Der Tintenauffüllschlitz 18 umfaßt zwei Abschnitte. Der erste Abschnitt 18' wird durch anisotropes Ätzen gebildet. Da das anisotrope Ätzen in < 100> -Silizium stattfindet, beträgt der gebildete Winkel 54,740, wie es bekannt ist. Eine wässrige Lösung aus KOH in einem Verhältnis von KOH:H&sub2;O von 2,1, welche auf etwa 85ºC erwärmt ist, wird für das anisotrope Ätzen verwendet. Dieses Ätzmittel ätzt (100)-Silizium mit einer Rate von etwa 1,6 µm/min. Wie es bekannt ist, wird die Ätzwirkung wesentlich an einem Punkt reduziert, an dem sich die < 111> -Ebenen schneiden, und die untere (100)-Oberfläche nicht länger existiert.
  • Das anisotrope Ätzen wird an einem Punkt in dem Siliziumwafer 12 gestoppt, wie es in Fig. 4A gezeigt ist. Anschließend werden Heizerwiderstände 16 (und elektrische Leiterbahnen oder Leiter, die denselben zugeordnet sind und nicht gezeigt sind) auf der vorderen Oberfläche 12a des Wafers gebildet, wie es in Fig. 4B gezeigt ist. Das Verfahren, welches bekannt ist, umfaßt das Bilden von geeigneten Schichten und das Strukturieren derselben.
  • Der zweite Abschnitt 18a des Tintenauffüllschlitzes 18 wird durch eine Kombination von isotropem und anisotropem Ätzen entweder durch nasse oder trockene Prozesse von der primären Oberfläche 12' aus gebildet. Dieser Prozeß ätzt durch die dielektrische Schicht 26 auf der primären Oberfläche 12a und in den Siliziumwafer 12, um eine Verbindung mit dem vorher geätzten Tintenauffüllschlitzabschnitt 18' herzustellen. Die resultierende Struktur ist in Fig. 4C gezeigt.
  • Das Trockenätzen in einem Plasmasystern kann verwendet werden, um den zweiten Abschnitt 18a zu definieren. CF&sub4; kann verwendet werden, wobei jedoch andere Plasmaätzmittel ebenfalls für ein schnelleres Ätzen der Passivierung verfügbar sind, während doch die Siliziumoberfläche von einer Überätzung geschützt wird.
  • Dieser letztere Ätzschritt bringt den Tintenauffüllschlitz 18 sehr nahe an den Tintenzuführungskanal 14. Die Nähe des Tintenauffüllschlitzes 18 zu dem Tintenzuführungskanal 14 erlaubt es, daß der Druckkopf sehr gut auf Forderungen nach Tinte, die bei höheren Tropfenauswurffrequenzen notwendig sind, ansprechen kann. Eine geeignete Maskierung wird verwendet, um den zweiten Abschnitt 18a zu bilden. Diese Maskierung kann konfiguriert sein, um ein Erhalten entweder der in Fig. 2A gezeigten Struktur mit konstanter Schelflänge oder der in Fig. 2B gezeichneten Struktur mit gleichgemachter Schelflänge zu ermöglichen.
  • Die Struktur wird vollendet, wie es in Fig. 4D gezeichnet ist, indem die Barriereschicht 17 und die Öffnungsplatte 22 mit Düsen 20 in derselben gebildet werden.
  • Die Fig. 5A bis 5D stellen eine ähnliche Querschnittsansicht einer Endstruktur dar, bei der Tinte von der Unterseite des Substrats 12 zugeführt wird, welches in diesem Fall < 110> - ausgerichtet ist. Hier kann das anisotrope Ätzen verwendet werden, um teilweise oder vollständig durch das Substrat 10 unter Verwendung des gleichen Ätzmittels wie bei der < 100> - Ausrichtung zu ätzen. Der einzige Unterschied bei dem Prozeß dieses Ausführungsbeispiels bezüglich dem in den Fig. 4A bis 4D gezeichneten Prozeß besteht in der Verwendung von Silizium mit einer unterschiedlichen kristallographischen Ausrichtung.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in den Fig. 6A bis D gezeigt ist, wird der Wafer durch bekannte Prozesse der thermischen Tintenstrahltechnik auf der primären Oberfläche verarbeitet, um Widerstände 16 auf der Oberfläche der Passivierungsschicht 26 zu bilden. Eine geeignete photodefinierte Maskierungsschicht (nicht gezeigt) wird dann aufgebracht und abgebildet, wobei der Bereich, der Präzisions-geätzt werden soll, belichtet wird. Beispiele solcher Maskierungsschichten umfassen VACREL von Dupont und positive oder negative Photolacke, wie z.B. AZ4906 von Hoechst bzw. SC900 von OCG. In diesem Fall muß nur die primäre Oberfläche 12a durch die isolierende dielektrische Schicht 26 geschützt werden.
  • Das Ätzen wird durch bekannte Trockenprozesse unter Verwendung von CF&sub4; + O&sub2;, SF&sub6; oder einer Mischung aus Fluorkohlenstoff und Edelgasen durchgeführt, um den Abschnitt 18a zu bilden. Das Ätzprofil kann durch Variieren des Betriebsdrucks und/oder der Ätzerkonfiguration von Bereichen des reaktiven Ionenätzens (Drücken von etwa 15 bis 150 Millitorr und etwa 400 bis 1000 Volt effektiver Vorspannung) für das anisotrope Ätzen zu Bereichen des Hochdruckplanarätzens (einem Druck von etwa 340 bis 700 Millitorr und 0 bis etwa 100 Volt effektiver Vorspannung) für das isotrope Ätzen oder durch eine bestimmte spezielle und nützliche Kombination von Prozessen gesteuert werden. Der Hauptteil 18' des Tintenzuführungsschlitzes 18 wird dann durch Mikrobearbeitung, wie z.B. mechanische Abrasion, z.B. Sandstrahlen, oder durch Laserablation oder durch elektromechanische Bearbeitung von der sekundären Oberfläche 12b aus gebildet.
  • Die Barriereschicht 17 wird im allgemeinen vor der endgültigen Bildung des Hauptteils 18' gebildet, und zwar aus Gründen, die auf die Waferhandhabung (Stärkermachen des Wafers) und den Teilefluß (Verhindern des Zurückbringens des Wafers in den Reinraum zur Verarbeitung) bezogen sind.
  • Die Frequenzgrenze eines thermischen Tintenstrahlstifts wird durch den Flußwiderstand von Tinte zu der Düse begrenzt. Ein bestimmter Widerstand im Tintenfluß ist notwendig, um Meniskusschwingungen zu dämpfen. Ein zu grosser Widerstand begrenzt jedoch die obere Frequenz, mit der ein Stift arbeiten kann. Der Tintenflußwiderstand (die Impedanz) wird durch einen Zwischenraum neben dem Widerstand 16 mit einer genau definierten Länge und Breite beabsichtigterweise gesteuert. Dieser Zwischenraum in dem Tintenzuführungskanal 14 und seine Geometrie sind anderswo beschrieben. Siehe beispielsweise in dem U.S. Patent 4,882,592, das an K.E. Trueba u.a. erteilt und dem gleichen Bevollmächtigten wie bei der vorliegenden Anmeldung übertragen worden. Der Abstand des Widerstands 16 von dem Tintenauffüllschlitz 18 variiert mit den Abfeuerstrukturen des Druckkopfs.
  • Eine zusätzliche Komponente für die Impedanz ist der Eingang in den Tintenzuführungskanal 14, der in den Zeichnungen bei A gezeigt ist. Der Eingang umfaßt eine Region zwischen der Öffnungsplatte 22 und dem Substrat 12, wobei seine Höhe im wesentlichen eine Funktion der Dicke des Barrierenmaterials 17 ist. Diese Region weist eine hohe Impedanz auf, da ihre Höhe klein ist, und dieselbe kommt zu der gut gesteuerten beabsichtigten Impedanz des Zwischenraums neben dem Widerstand hinzu.
  • Der Abstand von dem Tintenauffüllschlitz 18 zu dem Eingang in den Tintenzuführungskanal 14 wird als der Schelf SL bezeichnet. Die Auswirkung der Länge des Schelfes auf die Stiftfrequenz kann in Fig. 7 gesehen werden. Sobald der Schelf bezüglich seiner Länge abnimmt, nimmt die Düsenfrequenz ab. Das Substrat 12 wird in dieser Schelfregion geätzt, um die Erweiterung 18a des Tintenauffüllschlitzes 18 zu bilden, welche die Schelflänge wirksam reduziert und die Querschnittsfläche des Eingangs in den Tintenzuführungskanal 14 erhöht. Als Konsequenz wird die Fluidimpedanz reduziert.
  • Beide oben beschriebenen Ausführungsbeispiele werden derart behandelt. Auf diese Art und Weise weisen alle Düsen eine gleichmäßigere Frequenzantwort auf. Der Vorteil des Prozesses der Erfindung besteht darin, daß der gesamte Stift nun mit einer gleichmäßigen höheren Frequenz arbeiten kann. In der Vergangenheit hatte jede Düse 20 eine unterschiedliche Irnpedanz als Funktion ihrer Schelflänge. Wenn diese Variable beseitigt ist, weisen alle Düsen die gleiche Impedanz auf, wodurch das Abstimmen vereinfacht wird, und wenn eine Düse optimiert ist, sind auch alle Düsen optimiert. Früher mußte der Stift für die schlechtesten Düsen abgestimmt werden, d.h. der Zwischenraum mußte derart bemessen sein, daß die Düsen mit der niedrigsten Impedanz (dem kürzesten Schelf) nicht untergedämpft waren. Daher hatten Düsen mit einem größeren Schelf eine größere Impedanz und eine niedrigere Frequenzantwort.
  • Die in Fig. 7 gezeichnete Kurve wurde von einem Stift abgeleitet, der Tröpfchen mit einem Volumen von 130 pl auswirft. Bei diesem Stift wird eine Schelflänge von etwa 10 bis 50 µm für eine hohe Betriebsfrequenz vorgezogen. Für kleinere Tropfenvolumen sind die Kurven flacher und schneller.
  • Wie es früher beschrieben wurde, zeigen die Fig. 2A und 2B die Schelflänge (SL). In dem ersteren Fall ist der Schelf an einer konstanten Position auf dem Chip, weshalb die Abmessung SL, gemessen von dem Eingang in den Tintenzuführungskanal 14, etwas aufgrund der Widerstandsstaffel variiert, während in dem letzteren Fall die Schelflänge gleich gemacht ist, derart, daß sie den Konturen der Barriereschicht 17 folgt.
    • Industrielle Anwendbarkeit
  • Die Präzisionsätzung der primären Oberfläche des Siliziumsubstrats in Kombination mit dem anisotropen Ätzen durch die sekundäre Oberfläche liefert verbesserte Tintenflußcharakteristika und wird erwartungsgemäß bei thermischen Tintenstrahldruckköpfen verwendet werden. Das Präzisionsätzen kann durch eine Vielzahl von isotropen Ätzprozessen durchgeführt werden.
  • Somit wurde die Herstellung von Tintenauffüllschlitzen in thermischen Tintenstrahldruckköpfen unter Verwendung der photochemischen Mikrobearbeitung beschrieben. Für Fachleute ist es offensichtlich, daß verschiedene Änderungen und Modifikationen offensichtlicher Natur durchgeführt werden können, ohne von der Erfindung abzuweichen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims (11)

1. Ein Verfahren zum Herstellen von Tintenauffüllschlitzen (18) zur fluidmäßigen Kommunikation mit Tintenzuführungskanälen (14) in thermischen Tintenstrahldruckköpfen (13), mit folgenden Schritten:
(a) Bereitstellen eines einkristallinen Siliziumsubstrats (12) mit zwei gegenüberliegenden, im wesentlichen parallelen Hauptoberflächen (12a, 12b), welche eine primäre Oberfläche (12a) und eine sekundäre Oberfläche (12b) definieren;
(b) Bilden einer isolierenden dielektrischen Schicht (26) auf den beiden Oberflächen (12a, 12b);
(c) Strukturieren der isolierenden dielektrischen Schicht (26) auf der sekundären Oberfläche (12b), um darunterliegende Abschnitte des Siliziumsubstrats (12) freizulegen;
(d) Hineinätzen in das Siliziumsubstrat (12) mit einem anisotropen Ätzmittel an den freiliegenden Abschnitten, um dadurch einen Abschnitt (18') des Tintenauffüllschlitzes (18) zu bilden;
(e) Bilden und Definieren von Dünnfilmwiderstandselementen (16) und leitfähigen Leiterbahnen auf der isolierenden dielektrischen Schicht (26) auf der primären Oberfläche (12a);
(f) Ätzen von der primären Oberfläche (12a), um eine Verbindung mit dem Abschnitt des Tintenauffüllschlitzes (18') herzustellen, um dadurch den Tintenauffüllschlitz (18) vollständig zu bilden, und um den Abschnitt des Tintenauffüllschlitzes (18), der an der primären Oberfläche aufhört, zu den Tintenzuführungskanälen (14) zu erweitern, um eine Verbreiterung desselben (18a) zu bewirken; und
(g) Bilden einer Barriereschicht (17) auf der Hauptoberfläche des dielektrischen Materials (26) und Definieren von Öffnungen in derselben, um die Widerstandselemente (16) freizulegen, um eine Tropfenauswurfkammer (15) zu definieren, und um die Tintenzuführungskanäle (14) von dem Widerstandselement (16) zu einer Endregion (A) bereitzustellen, wobei die Endregion (A) mit dem Tintenauffüllschlitz (18) zum Einführen von Tinte von einem Behälter zu der Tropfenauswurfkammer (15) fluidmäßig kommuniziert, wodurch die Schelflänge, die durch den Abstand von dem Eingang in den Tintenzuführungskanal (14) zu dem Tintenauffüllschlitz (18) definiert ist, verringert wird.
2 Ein Verfahren zum Herstellen von Tintenauffüllschlitzen (18) zur fluidmäßigen Kommunikation mit Tintenzuführungskanälen (14) in thermischen Tintenstrahldruckköpfen (13), mit folgenden Schritten:
(a) Bereitstellen eines einkristallinen Siliziumsubstrats (12) mit zwei gegenüberliegenden im wesentlichen parallelen Hauptoberflächen (12a, 12b), die eine primäre Oberfläche (12a) und eine sekundäre Oberfläche (12b) definieren;
(b) Bilden einer isolierenden dielektrischen Schicht (26) auf der primären Oberfläche (12a);
(c) Strukturieren der isolierenden dielektrischen Schicht (26) auf der primären Oberfläche (12a), um darunterliegende Abschnitte des Siliziumsubstrats (12) freizulegen;
(d) Hineinätzen in das Siliziumsubstrat (12) mit einem anisotropen Ätzmittel an den freiliegenden Abschnitten, um dadurch einen Abschnitt (18a) des Tintenauffüllschlitzes (18) zu bilden;
(e) Bilden einer Barriereschicht (17) auf der Hauptoberfläche des dielektrischen Materials (26) und Definieren von Öffnungen in derselben, um die Widerstandselemente (16) freizulegen, um eine Tropfenauswurfkammer (15) zu definieren, und um einen Tintenzuführungskanal (14) von jedem Widerstandselement (16) zu einer Endregion (A) bereitzustellen, wobei die Endregion (A) mit dem Tintenauffüllschlitz (18) zum Einführen von Tinte von einem Behälter zu der Tropfenauswurfkarnmer (15) fluidmäßig kommuniziert, wobei der Tintenauffüllschlitz (18) bezüglich der Endregion (A) genau definiert ist; und
(f) Mikrobearbeiten von der zweiten Oberfläche (12b) aus, um eine Verbindung mit dem Abschnitt (18a) des Tintenauffüllschlitzes (18) herzustellen, um dadurch den Tintenauffüllschlitz (18) vollständig zu bilden, wodurch die Schelflänge, die durch den Abstand von dem Eingang in den Tintenzuführungskanal (14) zu dem Tintenauffüllschlitz (18) definiert ist, verringert wird.
3. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, welches ferner das Versehen einer Düsenplatte (22) mit Düsenöffnungen (20) aufweist, wobei jede Düsenöffnung (20) einem Widerstandselement (16) wirksam zugeordnet ist, um ein Tinten-antreibendes Element (10) zu definieren.
4. Ein Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem die Endregion (A) mit einem Paar von gegenüberliegenden Vorständen (24) versehen ist, die in Wänden in der Schicht (17), die den Tintenzuführungskanal (14) definiert, gebildet und durch eine Breite (B) getrennt sind, um eine Einschnürung in dem Tintenzuführungskanal (14) zu bewirken.
5. Ein Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem jedes Tintenantreibende Element (10) mit Einführungslappen (24a) versehen ist, die zwischen den Vorständen (24) angeordnet sind und einen Tintenzuführungskanal (14) von einem benachbarten Tintenzuführungskanal (14) trennen.
6. Ein Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem sich der Tintenauffüllschlitz (18a) zu den Einführungslappen (24a) erstreckt.
7. Ein Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem der erweiterte Abschnitt (18a) des Tintenauffüllschlitzes (18) entweder an einer festen Position und in einem konstanten Abstand von der Mittellinie des Tintenauffüllschlitzes (18) aufhört oder der Kontur der Barriereschicht (17) folgt, um eine gleichgemachte Schelflänge SL zu schaffen.
8. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Ätzen durch die primäre Oberfläche (12a), um den Tintenauffüllschlitz (18) vollständig zu bilden, in dem Schritt (f) durch entweder anisotropes oder isotropes oder anisotropes und isotropes Ätzen durchgeführt wird.
9. Ein Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem das Mikrobearbeiten von der sekundären Oberfläche (12b) aus in dem Schritt (f) durch ein Verfahren aus der Gruppe der mechanischen Abrasion, der Laserablation oder der elektromechanischen Bearbeitung durchgeführt wird.
10. Ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, welches das Bilden der Schelflänge von 10 bis 50 µm aufweist.
11. Ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das Siliziumsubstrat eine kristallographische < 100> - oder < 110> -Ausrichtung aufweist.
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