DE69624282T2

DE69624282T2 - Tintenstrahlaufzeichnungskopf und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE69624282T2
Application number: DE69624282T
Authority: DE
Inventors: Yoshinao Miyata; Tsutomu Nishiwaki
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1995-04-19
Filing date: 1996-04-19
Publication date: 2003-07-03
Anticipated expiration: 2016-04-20
Also published as: DE69624282D1; EP0738599A3; EP0738599B1; DE69627045D1; EP0974466A1; DE69627045T2; EP0738599A2; US5754205A; EP0974466B1; US5922218A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
Es gibt zwei Typen von Tintenstrahlaufzeichnungsköpfen, und zwar welche vom Typ der piezoelektrischen Vibration, bei welcher Tinte durch mechanisches Deformieren einer Druckkammer unter Druck gesetzt wird, und welche vom Typ des Blasenstrahles, bei welchem ein Heizelement in einer Druckkammer angeordnet ist, und Tinte durch eine Luftblase unter Druck gesetzt wird, welche durch Hitze des Heizelementes erzeugt wird. Tintenstrahlaufzeichnungsköpfe vom piezoelektrischen Vibrationstyp werden in zwei Kategorien unterteilt, und zwar in eine erste Kategorie mit einem Aufzeichnungskopf, welcher einen piezoelektrischen Vibrator benutzt, welcher axial deformiert wird, und in eine zweite Kategorie mit einem Aufzeichnungskopf, welcher einen piezoelektrischen Vibrator benutzt, welcher eine Biegeverschiebung überträgt. Der Aufzeichnungskopf nach der ersten Kategorie kann bei hoher Geschwindigkeit betrieben werden und führt Aufzeichnungen bei einer hohen Dichte aus, erfordert aber einen Schneidevorgang zum Herstellen des piezoelektrischen Vibrators, und einen dreidimensionalen Zusammenfügevorgang zum Befestigen des piezoelektrischen Vibrators an der Druckkammer, wodurch ein Problem dahingehend erzeugt wird, daß eine erhöhte Anzahl an Herstellungsschritten notwendig ist. Im Gegensatz dazu weist der Aufzeichnungskopf nach der zweiten Kategorie der piezoelektrische Vibrator eine membranähnliche Gestalt auf, und kann daher durch integrales Backen des piezoelektrischen Vibrators mit einem elastischen Film gebildet werden, wodurch die Druckkammer gebildet wird. Folglich weist der Aufzeichnungskopf nach der zweiten Kategorie eine reduzierte Anzahl an Herstellungsschritten auf. Jedoch erfordert der Aufzeichnungskopf nach der zweiten Kategorie eine Fläche von einer Größe, welche ausreicht, um eine Biegevibration durchzuführen, so daß die Druckkammer eine große Breite aufweist, wodurch die Anordnungsdichte reduziert wird.
Um das Problem eines Aufzeichnungskopfes zu lösen, welcher eine Biegevibration benutzt, offenbart zum Beispiel die japanische Patentveröffentlichung (Kokai) No. HEIS-504740 einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf, welcher umfaßt: ein Substrat, in welchem Druckkammern in einem Einkristallsiliziumsubstrat einer (110)-Gitterebene gebildet sind und eine Düsenplatte, in welcher eine Vielzahl an Düsenöffnungen, welche mit den Druckkammern in Verbindung stehen, gebildet sind, und welche an einer Seite des Substrats befestigt ist. Die andere Fläche des Substrats ist als Membran ausgebildet, welche elastisch deformierbar ist. Ein Antriebsabschnitt ist integral durch Bilden eines piezoelektrischen Filmes auf der Oberfläche der Membran mittels eines Filmbildeverfahrens angeordnet. Der Antriebsabschnitt führt eine Biegevibration aus, um so Tinte in den Druckkammern unter Druck zu setzen, wodurch Tintentropfen aus den Düsenöffnungen ausgestoßen werden.
In dem offenbarten Kopf sind die Druckkammern, Tintenzufuhröffnungen, welche mit den Kammern verbunden sind, und ein Reservoir durch Ausführen anisotropischen Ätzens auf einem Einkristallsiliziumwafer gebildet. Aufgrund der Eigenschaften des anisotropischen Ätzens sind die Druckkammern gezwungen, entlang einer < 111> - Gitterorientierung des Einkristallsiliziumwafers angeordnet zu sein. Das hat zur Folge, daß die Wandfläche des Reservoirs zum Zuführen von Tinte zu den Druckkammern auf einer (110)-Ebene gebildet ist, welche senkrecht zur < 111> -Gitterorientierung ist. Jedoch ist es sehr schwierig die (110)-Ebene durch anisotropes Ätzen auf einem Einkristallsiliziumsubstrat zu bilden. Deshalb wird ein Verfahren angewendet, in welchem eine Wandfläche, welche ein Reservoir begrenzt, derart geätzt wird, um durch eine Aufeinanderfolge von winzigen (111)-Ebenen angenähert zu werden.
Um winzige (111) geätzte Ebenen zu bilden, müssen Strukturen, welche Ausgleichsstrukturen genannt werden, und zum Beispiel in der japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. HEI7-125198 veröffentlicht sind, gebildet werden, um so das Ätzen in exzessiver Weise zu verhindern. Die Ausgleichsstrukturen werden schrittweise verkürzt, während das Ätzen eines Einkristallsiliziumswafers fortschreitet, und dann in einer Gestalt in der Form eines Schwertes gebildet, welche notendig ist für winzige (111)- Ebenen, um die Vervollständigung des Ätzens zu erzielen. Folglich muß das Tintenreservoir eine Breite aufweisen, welche größer ist als wenigstens die Länge der Ausgleichsstrukturen, so daß Extra-Bereiche für die Ausgleichsstrukturen erforderlich sind. Dies erzeugt Probleme dahingehend, daß die Größe des Tintenstrahlkopfes erhöht ist, und daß ein teurer Wafer in verschwenderischer Weise verbraucht wird.
Wenn ein Bild, wie zum Beispiel ein grafisches Bild, gedruckt werden soll, sind, da Punkte in einer hohen Dichte gebildet werden, Düsenöffnungen in einer hohen Dichte anzuordnen. Als ein Ergebnis müssen sehr kleine Tintentropfen in der Größenordung von 10 bis 30 ng pro Tropfen ausgestoßen werden. Um diesen Erfordernissen zu entsprechen, müssen Verbesserungen, wie zum Beispiel Druckkammern mit reduzierter Breite, und Trennwände der Druckkammern mit einer reduzierten Dicke in dem Substrat erzeugt werden, in welchen Strömungswege gebildet werden müssen. Wenn die Breite der Fluiddruckkammern reduziert wird, oder wenn die Trennwände dünn gemacht werden, entstehen jedoch weitere Probleme dahingehend, daß die Tintenströmung in den Druckkammern behindert ist, daß Luftblasen in den Strömungswegen verbleiben, und daß die Trennwände leicht verbogen werden und Übersprechen auftritt, wodurch die Druckqualität gestört wird.
Selbst wenn diese Erfordernisse erfüllt sind, wird ein weiteres Erfordernis erzeugt, wie unten beschrieben wird. Eine Düsenplatte, welche eine Seite jeder Druckkammer verschließt, ist in elastischem Kontakt mit und abgedichtet durch ein Abdeckglied, um zu verhindern, daß die Strömungswege verstopft werden, und mit einem Reinigungsglied ausgebildet, welches aus einem elastischen Material, wie zum Beispiel Gummi, hergestellt ist. Folglich muß die Düsenplatte eine mechanische Stärke aufweisen, welche solche Vorgänge aushalten kann. Um die Stärke sicherzustellen, muß ein Metallplattenglied, welches die Düsenplatte bildet, eine Dicke von 80 um oder mehr aufweisen. Andererseits haben Düsenöffnungen, welche Tintentropfen ausstoßen, welche den oben genannten Erfordernisen entsprechen, einen Durchmesser von etwa 30 um auf der Tintenausstoßseite. Im Hinblick auf Probleme, welche beim Herstellen erzeugt werden können, muß der Durchmesser der Düsenöffnung auf der Druckkammerseite wenigstens 70 um sein, vorzugsweise etwa 90 um. Wenn Druckkammern gebildet werden, um eine reduzierte Breite aufzuweisen, um eine, höhere Anordnungsdichte zu erzielen, sind dadurch Düsenöffnungen teilweise durch Trennwände der Druckkammern verschlossen, wodurch ein Problem dahingehend erzeugt wird, daß Tintenfluß von den Druckkammern zu den Düsenöffnungen behindert ist.
Weiterhin muß ein Signal zum Antriebsabschnitt zugeführt werden ohne den Vibrationsvorgang zu beeeinträchtigen. Deshalb ist es unmöglich, ein Kabel direkt mit dem Antriebsabschnitt zu verbinden. Um dem zu entsprechen, muß eine Struktur verwendet werden, in welcher ein Leitungsmuster, welches zu dem Antriebsabschnitt führt, auf der Oberfläche einer Vibrationsplatte gebildet ist, und ein Kabel an dem Leitungsmuster an einer Position verbunden ist, welche von dem Vibrationsbereich getrennt ist. Wenn der Antriebsabschnitt durch das oben genannte Filmbildungsverfahen gebildet wird, muß der Höhenunterschied zwischen dem Antriebsabschnitt und dem Leitungsmuster so klein wie möglich gemacht werden, um die Verbindung dazwischen zu gewährleisten. Deshalb wird eine Gegenmaßnahme in folgender Weise getroffen. Der den Antriebsabschnitt bildende piezoelektrische Film wird zu dem Bereich verlängert, wo das Leitungsmuster gebildet werden soll, um so als ein isolierender Film zum Isolieren einer unteren Elektrode zu dienen. Danach wird ein Leitungsmuster auf der Oberfläche des piezoelektrischen Filmes durch Dampfabscheidung oder dergleichen gebildet. Jedoch weist diese Gegenmaßnahme die folgenden Nachteile auf. Eine elektrostatische Kapazität mit einem Wert, welcher im Hinblick auf die Übertragung eines Signales vernachläßigbar ist, wird zwischen oberen und unteren Elektroden in dem Verdrahtungsbereich erzeugt. Das tritt auf, da der piezoelektrische Film ursprünglich eine hohe spezifische dielektrische Konstante aufweist und sehr dünn ist. Die zusätzliche elektrostatische Kapazität erzeugt Probleme, wie zum Beispiel, daß die scheinbare Leistung erhöht ist und die Antriebsschaltung eine große Stromkapazität aufweisen muß, und daß, wenn eine Spannung an das Leitungsmuster angelegt wird, eine piezoelektrische Verschiebung oder Hitzeerzeugung verursacht wird, obwohl der Bereich ein Verdrahtungsbereich ist, wobei das auf der Oberfläche gebildete Leitungsmuster gebrochen oder der Film enfernt ist.
JP-A-06 055 733 offenbart einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf mit Druckerzeugungskammern, welche in einem Einkristallsiliziumsubstrat mit einer (110)-Gitterebene angeordnet sind. Die Druckkammern sind angeordnet in einer Reihe, wobei die Druckkammern in dem Substrat durch vertikale Kristallflächen mit (111)- Ausrichtung begrenzt sind.
WO-A-9 322 140 und die entsprechende US-A-5 530 465 offenbaren auch Druckkammern für einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf, welcher in einer Reihe in einem Einkristallsiliziumsubstrat mit (110)-Gitterebene angeordnet sind. Die Druckkammern werden durch Wände des Substrates begrenzt, welche senkrecht zu der Substratoberfäche entweder in < 112> - oder < 112> -Richtung ausgerichtet sind.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Tintenstrahlaufzeichnungskopfes bereitzustellen, wobei die Anordnung von Druckkammern im Hinblick auf das Substrat für die Druckkammer verbessert ist, welches Einkristallsilizium mit einer (110)- Gitterebene ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf und ein Verfahren zur Herstellung desselben wie es in den beigefügten unabhängigen Ansprüchen definiert ist.
Bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind in den beigefügten abhängigen Ansprüchen definiert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind Druckkammern in einem Einkristallsiliziumsubstrat mit (110)-Gitterebene angeordnet. Die Druckkammern sind in einer Reihe angeordnet, welche sich entlang einer < 112> - Gitterausrichtung oder einer dazu äquivalenten Gitterausrichtung zur < 112> -Gitterausrichtung erstrecken.
Die vorliegende Erfindung kann einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf bereitstellen, welcher ein Einkristallsiliziumsubstrat benutzt, welches gestattet, daß die Größe des Tintenreservoirs auf einen Wert reduziert werden kann, welcher die Druckfunktion ermöglicht.
Vorzugsweise umfaßt der Tintenstrahlkopf: eine Düsenplatte, in welcher eine Vielzahl an Düsenöffnungen gebildet sind; ein Strömungswegsubstrat, umfassend ein Reservoir, zu welchem Tinte extern zugeführt wird, und eine Vielzahl an Druckerzeugungskammer, welche mit dem Reservoir mittels einer Tintenzufuhröffnung verbunden sind und welche jeweils mit den Düsenöffnungen in Verbindung stehen; einen elastischen Film, welcher Tinte in den Druckkammern unter Druck setzt; und Antriebsmittel, welche an einer Position gegenüber der jeweiligen Druckkammer angeordnet sind, damit der elastische Film dazu gebracht wird, eine Biegedeformation auszuführen, wobei die Druckkammern in einem Einkristallsiliziumsubstrat mit einer (110)- Gitterebene in einer Reihe angeordnet sind, welche sich entlang einer < 112> - oder einer dazu äquivalenten Gitterrichtung erstreckt, und wobei ein düsenverbindender Abschnitt in einem Bereich gegenüber den Düsenöffnungen gebildet ist, wobei der düsenverbindende Abschnitt weiter ist als der andere Bereich.
Somit kann die vorliegende Erfindung einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf bereitstellen, in welchem die Druckkammern in einer hohen Dichte angeordnet werden können, während das Auftreten von Übersprechen verhindert werden kann, und die Druckkammern und die Düsenöffnungen in glatter Weise miteinander verbunden sind, so daß Tintentropfen stabil ausgestoßen werden.
Vorzugsweise umfaßt der Tintenstrahlkopf auch: eine Düsenplatte, in welcher eine Vielzahl an Düsenöffnungen gebildet sind; ein Strömungswegsubstrat, welches ein Reservoir umfaßt, zu welchem von aussen Tinte zugeführt wird, und eine Vielzahl an Druckkammern, welche mit dem Reservoir mittels einer Tintenzufuhröffnung verbunden sind, und welche jeweils mit den Düsenöffnungen in Verbindung stehen; einen elastischen Film, welcher Tinte in den Druckkammern unter Druck setzt; und Antriebsmittel, welche an einer Position gegenüber der jeweiligen Druckkammer angeordnet sind, um den elastischen Film dazu zu bringen, eine Biegedeformation auszuführen, wobei der Tintenstrahlkopf weiterhin auf einer Oberfläche des elastischen Filmes umfaßt: eine untere Elektrode; einen piezoelektrischen Film, welcher in einem Bereich gegenüber der jeweiligen Druckkammer gebildet ist; einen zweiten Film mit einer Zusammensetzung, welche unterschiedlich ist zu der des piezoelektrischen Filmes, welcher in einem Verdrahtungsbereich gebildet ist zum Zuführen eines Antriebssignales zu dem piezoelektrischen Film, wobei der zweite Film eine dielektrische Konstante und piezoelektrische Eigenschaften aufweist, welche niedriger sind als die des piezoelektrischen Filmes; eine obere Elektrode, welche auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Filmes gebildet ist; und ein Leitungsmuster, welche auf einer Oberfläche des zweiten Filmes gebildet ist und mit der oberen Elektrode verbunden ist.
Somit kann die vorliegende Erfindung einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf bereitstellen, in welchem die Kapazität eines Verdrahtungsbereiches so klein wie möglich gemacht werden kann, so daß die Last einer Antriebsschaltung reduziert ist, und somit die Möglichkeit eine Defektes in dem Verdrahtungsbereich so gering wie möglich gemacht werden kann.
Die Erfindung wird mit Bezug auf die vorliegende Beschreibung der Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verständlicher, wobei:
Fig. 1 und 2 jeweils eine perspektivische Explosionsansicht und eine Abschnittsansicht sind, welche eine Ausführungsform des Tintenstrahlaufzeichnungskopfes der Erfindung darstellen.
Fig. 3a und 3b jeweils eine Ansicht sind, welche die Struktur eines Strömungswegsubstrates, von oben gesehen, darstellt und eine Ansicht eines Abschnittes darstellen entlang einer Linie a-a einer Ausführungsform eines Aufzeichnungskopfes, welcher durch Benutzen des Substrates konfiguriert ist.
Fig. 4a und 4b jeweils Ansichten sind, welche Abschnitte entlang einer longitudinalen Richtung und - einer Breitenrichtung einer Druckkammer und Schritte des Bildens des Strömungswegsubstrates aus einem Einkristallsiliziumsubstrat darstellen.
Fig. 5 ist ein Graph, welcher die Beziehungen darstellt zwischen einem relativen Abstand Δx zwischen einer Seitenwand eines Antriebsabschnitts und einer Seitenwand der Druckkammer und einer Verschiebung Y eines elastischen Filmes, welche erhalten wird, wenn der Antriebsabschnitt mit derselben Spannung betrieben wird.
Fig. 6 ist ein Diagramm, welches relative Positionsbeziehungen zwischen dem Antriebsabschnitt und der Druckkammer darstellt, und die Dimensionen der Druckkammer.
Fig. 7 ist ein Diagramm, welches den Tintenfluß in der Druckkammer des Aufzeichnungskopfes der Ausführungsform darstellt.
Fig. 8a und 8b sind jeweils Abschnittsansichten, welche eine Ausführungsform einer Struktur darstelllen, welche die Druckkammer des Strömungswegsubstrates mit einer Düsenöffnung der Düsenplatte verbindet und ein Diagramm, welches die Struktur des Strömungswegsubstrates darstellt, gesehen von der Düsenöffnung.
Fig. 9 ist eine Ansicht, welche einen Abschnitt in longitudinaler Richtung der Druckkammer darstellt und eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen des Strömungswegsubstrates darstellt.
Fig. 10 ist eine Abschnittsansicht, welche eine Ausführungsform des Aufzeichnungskopfes, welche mit dem Strömungswegsubstrat gebildet ist, darstellt.
Fig. 11a und 11b sind Abschnittsansichten jeweils entlang einer longitudinalen Richtung und einer Breitenrichtung einer Druckkammer und zeigen eine andere Ausführungsfom des Aufzeichnungskopfes der Erfindung.
Fig. 12 ist eine Ansicht, welche Abschnitte in einer Breitenrichtung der Druckkammer und ein Verfahren zum Herstellen eines Substrates darstellt, welches den Aufzeichnungskopf bildet.
Fig. 13 ist eine Ansicht, welche die Struktur eines Substrates darstellt, welche zum Bilden eines auf der Oberfläche eines elastischen Filmes zu bildenden piezoelektrischen Filmes geeignet ist, und einen Verdrahtungsbereich.
Fig. 14 ist eine Ansicht, welche die Struktur eines Antriebsabschnittes und eines Verdrahtungsabschnittes darstellt, welche durch Benutzen des Substrates aus Fig. 13 gebildet werden.
Fig. 15 ist eine Ansicht, welche Schritte des Herstellens des Antriebsabschnittes und des Verdrahtungsabschnittes darstellt.
Fig. 16 ist eine Ansicht, welche eine andere Ausführungsform eines Substrates darstellt, welches zum Bilden eines auf der Oberfläche eines elastischen Filmes zu bildenden piezoelektrischen Filmes geeignet ist, und eines Verdrahtungsabschnitt.
Fig. 17 ist eine Ansicht, welche die Struktur eines Antriebsabschnittes und eines Verdrahtungsabschnittes darstellt, welche durch Benutzen des Substrates aus Fig. 16 gebildet werden.
Fig. 18 ist eine Ansicht, welche Schritte des Herstellens des Antriebsabschnittes und des Verdrahtungabschnittes darstellt.
Fig. 19 ist eine Ansicht, welche eine Ausführungsform eines Aufzeichnungskopfes darstellt, in welchem der elastische Film unabhängig von dem Strömungswegsubstrat gebildet ist.
Fig. 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform der Erfindung. Das Referenzzeichen 1 bezeichnet ein Tintendruckkammersubstrat, welches durch Ätzen eines Einkristallsiliziumsubstrates gebildet wird. Die obere Fläche des Substrates wird als eine Öffnungsfläche 9 benutzt. Eine Vielzahl an Reihen oder, in dieser Ausführungsform, zwei Reihen an Druckkammern 3, 3, ..., und 4, 4, ... welche in einer versetzten Weise angeordnet sind, Reservoirs 5 und 6, welche Tinte zu den Druckkammern zuführen, und Tintenzuführöffnungen 7 und 8, durch welche die Druckkammern 3 und 4 in Verbindung mit den Reservoirs 5 und 6 stehen, sind in solch einer Weise gebildet, daß ein Membranabschnitt 2 auf der Rückseite gebildet ist. Eine Düsenplatte 12 ist an der Öffnungsseite 9 befestigt. In der Düsenplatte sind Düsenöffnungen 10 und 11 gebildet, um so mit einem Ende einer jeweiligen Druckkammer 3 und 4 in Verbindung zu stehen. Piezoelektrische Filme 13 und 14 (siehe Fig. 2), welche durch ein Filmbildeverfahren gebildet sind, sind auf der Rückseite angeordnet. Das Tintendruckkammersubstrat 1 und die Düsenplatte 12 sind integral miteinander befestigt, um so Flüssigkeitsdichtheit zu erzielen, und sind in einem Halter 15 mit Stützteilen 15a und 15b untergebracht, welche die peripheren und Mittenabschnitte unterstützen, wodurch ein Aufzeichnungskopf gebildet wird. In Fig. 1 bezeichnet 17 ein flexibles Kabel, über welches ein Antriebssignal zu den piezoelektrischen Filmen 13 und 14 zugeführt wird.
Fig. 3a ist eine Ebenenansicht, welche eine Ausführungsform des Strömungswegsubstrates darstellt, und Fig. 3b ist eine Ansicht, welche eine Abschnittsstruktur darstellt. In den Figuren bezeichnet 20 einen Wafer eines Einkristallsiliziumsubstrates, welcher so geschnitten ist, daß die Oberfläche eine (110)-Gitterebene ist. In dem Wafer sind Tintenreservoirs 21, 22 und 23 in den Seiten und Mittenabschnitten gebildet und Druckkammern 24 und 25 sind zwischen den Tintenreservoirs oder in zwei Reihen gebildet. In jeder der Reihen der Druckkammer 24 und 25 sind Tintenzufuhröffnungen 26 und 27 oder 28 und 29 zum Empfangen von Tinte aus den Reservoirs 21 und 22 oder 23 gebildet, welche an beiden Seiten der Reihe angeordnet sind. Tinteneinführöffnungen 30, 31 und 32 zum Empfangen von Tinte von einem äußeren Tintentank sind an Enden der Tintenreservoirs 21, 22 und 23 geöffnet.
Als nächstes wird ein Verfahren zum Wiederherstellen des Strömungswegsubstrates mit Bezug auf die Fig. 4a und 4b beschrieben. Ein Basismaterial 42 wird vorbereitet, wobei eine SiO&sub2;-Schicht 41 mit einer Dicke von etwa 1 um durch das thermische Oxidationsverfahren oder dergleichen auf der gesamten Oberfläche eines Einkristallsiliziumsubstrates 40 gebildet wird, welches so geschnitten wird, daß die Oberfläche eine (110)-Oberfläche ist. Die SiO&sub2;-Schicht 41 dient als eine Isolationschicht für einen Antriebsabschnitt, welcher darauf gebildet wird, und außerdem als ein Ätzschutzfilm für ein Verfahren zum Ätzen des Einkristallsiliziumsubstrates 40. Ein Film von Zirkonoxid (Zr) wird auf der Oberfläche der SiO&sub2;-Schicht durch Sputtern gebildet und der Film wird thermischer Oxidation ausgesetzt, wodurch ein elastischer Film 43 gebildet wird, welcher eine Dicke von 0,8 um aufweist und aus Zirkonoxid hergestellt ist. Der aus Zirkonoxid hergestellte elastische Film 43 weist ein großes E-Modul auf, so daß Verbiegung eines piezoelektrischen Filmes 44, welcher später beschrieben wird, umgewandelt wird in eine Biegeverschiebung mit hoher Wirksamkeit. Ein Platinfilm mit einer Dicke von etwa 0,2 um wird durch Sputtern auf die Oberfläche des elastischen Filmes 43 gebildet, wodurch eine untere Elektrode 44 gebildet wird. Ein Film 46 (siehe Fig. 3d) mit einer Dicke von 1,0 um wird durch Sputtern oder dergleichen eines piezoelektrischen Materiales wie zum Beispiel PZT auf die Oberfläche der unteren Elektrode 54 gebildet. Danach wird eine obere Elektrode 47 aus Aluminium (A1) mit eine Dicke von 0,2 um auf der Oberfläche des Filmes 46 durch Sputtern oder dergleichen (Schritt I) gebildet.
Die obere Elektrode 47, der piezoelektrische Film 46, und die untere Elektrode 54 sind so strukturiert, um so den Anordnungspositionen der Druckkammern 24 und 25 zu entsprechen, wodurch ein Antriebsabschnitt 50 gebildet wird. Dieses Strukturieren wird so bestimmt, daß die Anordnung der Druckkammer 24 und 25 entlang der Gitterrichtung < -1-1-2> -Zonenachse entlang ausgerichtet ist, in welcher Zonenebenen eine (1-1-1)-Ebene und eine (110)-Ebene sind, oder eine < 112> -Gitterrichtung sind, welche äquivalent ist zu der Richtung (in der Beschreibung der Ausfürungsformen wird ein Kristallgitter bezeichnet durch Umschliessen von Indizes durch runde Klammern, zum Beispiel (110), eine Gitterrichtung wird bezeichnet durch Umschliessen von Indizes durch spitze Klammern, zum Beispiel < 110> , und 1-quer wird als -1 bezeichnet).
Als ein Ergebnis der Strukturierung ist die obere Elektrode 47 derart strukturiert, daß sie auch als Leiterbahnen dient, welche unabhängig voneinander in Entsprechung mit den Druckkammern 24 und 25 herausgeführt werden und als Abschnitte benutzt werden, um mit einer Antriebsschaltung verbunden zu werden. In der Strukturierung ist es nicht wesentlich, den piezoelektrischen Film 46 als getrennte Filme zu bilden, jeweils unabhängig entsprechend den Druckkammern 24 und 25. Wenn der piezoelektrische Film 46 in Abschnitte unterteilt wird, welche unabhängig für die jeweiligen Druckkammern bereitgestellt sind, tritt jedoch ein großes Maß an Biegeverschiebung auf, wie später beschrieben wird. Deshalb wird die Unterteilung des piezoelektrischen Filmes bevorzugt. Da die untere Elektrode 45 als eine gemeinsame Elektrode bereitgestellt ist, wird bevorzugt, die untere Elektrode in der Strukturierung nicht zu unterteilen. Das Strukturieren kann jedesmal durchgeführt werden, wenn eine Schicht gebildet wird (Schritt TI).
Fotoresistschichten 48 und 49 werden derart gebildet, daß die Anordnung der Druckkammer 24 und 25 entlang einer Gitterorientierung einer < -1-1-2> -Zonenachse, in welcher Zonenebenen eine (1-1-1)-Ebene und eine (110)-Ebene sind, oder eine < 112> -Gitterorientierung, welche eine äquivalente Orientierung aufweist (Schritt II). Die SiO&sub2;-Schicht 41 wird durch Benutzen einer Fluorwasserstoffsäurepufferlösung entfernt, in welcher Fluorwasserstoffsäure und Ammoniumfluorid im Verhältnis von 1 : 6 gemischt sind, um so ein Fenster 51 für anisotropes Ätzen zu bilden. Danach wird die Fotoresistschicht 49 für die Bereiche der SiO&sub2;- Schicht, wo die Tintenzufuhröffnungen 26, 27, 28 und 29 zu bilden sind, sogennantem Mehrfachbelichten ausgesetzt, bei welchem die Fotoresistschicht wieder mit Licht belichtet wird. Halbätzen wird dann für etwa 5 Minuten durchgeführt durch Benutzen der Fluorwasserstoffsäurepufferlösung, so daß die Dicke der SiO&sub2;-Schicht unter der Fotoresistschicht 49 auf etwa 0,5 um reduziert wird (Schritt IV).
Nach Entfernung der Resistschichten 48 und 49 wird das Basismaterial 42 in eine 10 Gew.-% Kaliumhydroxidlösung, welche auf etwa 80ºC erwärmt ist, eingetaucht, wodurch anisotropes Ätzen ausgeführt wird.
Als ein Ergebnis des anisotropen Ätzens erscheinen Seitenwände 24a und 25a (siehe Fig. 3a), welche die Druckkammern 24 und 25 bilden, als eine (1-11)-Ebene, welche senkrecht zu der (110)-Gitterebene der Oberfläche des Einkristallsiliziumsubstrates 40 ist, und die anderen Seitenwände 24b und 25b (siehe Fig. 3a) erscheinen als eine (-11-1)-Ebene, welche äquivalent zu einer (1-11)- Ebene sind. Longitudinale Seitenwände, 21a, 22a, und 23a, welche die Reservoire 21, 22 und 23 begrenzen, erscheinen als eine (1-1-1)-Ebene, welche senkrecht zu einer (110)- Ebene ist, und die anderen Seitenwände 21b, 22b, und 23b erscheinen als eine (-111)-Ebene, welche äquivalent zu einer (1-1-1)-Ebene ist. Im Gegensatz erscheinen Bodenabschnitte 24c und 25c (siehe Fig. 3a) an einer diagonalen Position der Druckkammern 24 und 25 als eine (111)-Ebene, welche um etwa 35 Grad zu einer (110)-Ebene geneigt ist, und die anderen Bodenabschnitte 24d und 25d (siehe Fig. 3a) erscheinen als eine (111)-Ebene, welche um etwa 25 Grad zu einer (110)-Ebene geneigt ist (hiernach werden (1-11)-, (-11-1)-, (1-1-1)-, und (-111)-Ebenen, welche senkrecht zu einer (110)-Ebene sind, nur durch eine senkrechte (110)-Ebene bezeichnet, und eine (111)-Ebene und eine (11-1)-Ebene, welche um etwa 35 Grad zu einer (110)- Ebene geneigt sind, sind nur durch eine (111)-Ebene von 35 Grad bezeichnet). Zur selben Zeit werden die SiO&sub2;-Schichten 41 und 41', welche als Schutzfilme wirkten, schrittweise aufgelöst, so daß ein Abschnitt von 0,4 um weggeätzt wird, mit dem Ergebnis, daß die SiO&sub2;-Schicht in den Bereichen, wo die Tintenzuführöffnungen 26, 27 und 28 gebildet werden sollen, eine Dicke von etwa nur 1 um aufweist und die SiO&sub2;- Schicht 41 in dem anderen Bereich eine Dicke von nur etwa 0,6 um aufweist (Schritt V).
Das Basismaterial 42 wird in die Fluorwasserstoffsäurepufferlösung während einer Periode eingetaucht, welche ausreichend ist zum Entfernen der SiO&sub2;- Schicht von 0,1 um, zum Beispiel für etwa 1 Minute, so daß die SiO&sub2;-Schicht in den Bereichen, wo die Tintenzuführöffnungen 26, 27 und 28 gebildet werden sollen, entfernt wird und die SiO&sub2;-Schicht 41" mit einer Dicke von etwa von 0,5 um (Schritt IV) verbleibt. Das Basismaterial 42 wird in einer etwa 40 Gew.-%-Lösung aus Kaliumhydroxid eingetaucht, um so anisotropem Ätzen ausgesetzt zu werden, wodurch die Bereiche der Tintenzuführöffnungen 26, 27 und 28 wiederum wahlweise geätzt werden.
Dies macht die Bereiche dünner, so daß Strömungswege mit einem Fluidwiderstand gebildet werden, welcher notwendig ist für eine Tintenzuführöffnung (Schritt VII). Wenn eine Vielzahl an Aufzeichnungsköpfen in dem einzigen Basismaterial 42 gebildet werden, wird das Basismaterial in individuelle Chips unterteilt. Schließlich wird eine Düsenplatte 53, in welcher Düsen 52 geöffnet sind und welche aus Edelstahl hergestellt ist, an dem Chip durch ein Haftmittel befestigt, wodurch der Aufzeichnungskopf (Schritt VIII) vervollständigt wird.
In dem Obengenannten wurde die Ausführungsform beschrieben, in welcher ein Einkristallsiliziumwafer eine (110)-Ebene als Oberfläche aufweist. Es ist offensichtlich, daß, selbst wenn ein Einkristallsiliziumwafer mit (-110)-, (1-10)- oder (-1-10)-Ebenen benutzt wird, ein Aufzeichnugskopf in der selben Art und Weiser wie oben beschrieben, erhalten wird.
Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, sind die Druckkammern in einer Reihe entlang einer < 112> -Richtung angeordnet. Deshalb kann die longitudinale Seitenwand des Reservoirs als eine senkrechte (111)-Ebene gebildet werden und die Breite des Reservoirs kann reduziert werden. Demgemäß ist es möglich, einen Tintenstrahlkopf zu bilden, in welchem die Anordnungsdichte der Düsenöffnungen hoch ist und die Größe reduziert ist. Dies kann die Menge an teurem Einkristallsiliziumsubstrat reduzieren, welches für die Herstellung des Aufzeichnungskopfes erforderlich ist. Weiterhin kann das Tintenreservoir durch eine senkrechte (111)-Ebene gebildet werden. Ungleich einem herkömmlichen Ätzverfahren, in welchem Ausgleichsstrukturen gebildet werden müssen, kann die Wandfläche des Strömungsweges glatt ausgebildet werden, so daß Tinte und Luftblasen ohne Behinderung fließen können.
Wenn der piezoelektrische Film in Schritt II durch Ätzen strukturiert wird oder in Entsprechung mit der jeweiligen Druckkammer gebildet wird, wird bevorzugt, die Größen so anzupassen, daß der Abstand zwischen der Seitenwand jedes piezoelektrischen Filmes und der Mitte der Druckkammer kürzer ist als der Abstand zwischen der Seitenwand, welche die Druckkammer begrenzt, und der Mitte der Druckkammer. Fig. 5 ist ein Graph, welcher die Beziehung zwischen einem relativen Abstand Δ x (in Fig. 5 bezeichnet das Minuszeichen eine Projektion) zwischen den Seitenwänden des Antriebsabschnittes 50 und den zwei Seitenwänden 25a und 25b, welche die Druckammer 25 begrenzen können, und einer Verschiebung Y des elastischen Filmes, welche erhalten wird, wenn dieselbe Spannung an den piezoelektrischen Film angelegt wird, darstellt.
In dem Fall, wo die Seitenwände des Antriebsabschnittes 50 außerhalb der Druckkammer 25 projiziert werden, ist die Verschiebung des Antriebsabschnittes 50 sehr klein und ändert sich nicht in großem Maße abhängig von dem Grad der Projektion. Dies wird verursacht durch ein Phänomen, wobei der piezoelektrische Film des Antriebsabschnittes 50, welcher von der Druckkammer 25 nach auswärts gerichtet projiziert wird, die Seitenwände 25a und 25b der Druckkammer 25 des elastischen Filmes zusammenhält. Im Gegensatz, in dem Fall, wo die Seitenwände des Antriebsabschnittes 50 innerhalb der Druckkammer 24 angeordnet sind, wird die Verschiebung abrupt erhöht, so daß sie in der Ausführungsform bei einer Position maximal ist, welche auf der Innenseite der Seitenwände der Druckkammer 25 angeordnet ist, um etwa 5 um und schrittweise in einer Richtung zu der Mitte der Druckkammer reduziert wird. Dies wird durch ein Phänomen verursacht, wobei der elastische Film frei von der Steifigkeit des Antriebsabschnittes 50 ist, um so leicht deformierbar zu sein. Wenn die Seitenwände des Antriebsabschnittes 50 weiter einwärts gerichtet angeordnet sind, wird die Verschiebung klein, weil die Fläche des Antriebsabschnittes 50 reduziert ist. Von dem Vorhergehenden ist offensichtlich, daß die Breite des Antriebsabschnittes 50 vorzugsweise derart ausgebildet ist, daß sie etwas kleiner ist als die der Druckkammer 24. Jedoch ist es nicht notwendig, daß die Breite über die gesamte Länge der Druckkammer kleiner ist. Falls der Antriebsabschnitt schmaler ist als nur ein Abschnitt der Druckkammer, ist der elastische Film frei von der Steifigkeit des Antriebsabschnittes 50, und daher kann der Grad an Verschiebung in Übereinstimmung mit dem relativen Abstand erhöht werden.
In der Ausführungsform ist jede Druckkammer 25 mit Tintenzuführöffnungen 28 und 29 ausgebildet, welche an beiden Enden in axialer Richtung gebildet sind. Wie in Fig. 7 dargestellt, fließt deshalb Tinte entlang Wegen, welche jeweils wie durch Pfeile F angedeutet von beiden Enden der Druckkammer 25 zu dem Mittenabschnit gerichtet sind, wo die Düsenöffnung 52 gebildet ist. Folglich kann eine Stagnation der Tinte an einer Ecke der Druckkammer am Auftreten behindert werden, was oft in einem Aufzeichnungskopf auftreten kann, wobei Tinte zu einer Druckkammer durch eine einzelne Tintenzufuhröffnung zugeführt wird, und Luftblasen in einer Druckkammer können leicht zusammen mit einem Tintentropfen durch die Tintenströmung nach außen ausgestoßen werden.
Wie oben beschrieben, wird in einem Tintenstrahlkopf eine Metallplatte gewöhnlicherweise als die Düsenplatte 53 benutzt mit einer Dicke von etwa 90 um im Hinblick auf mechanische Stärke. Jede Düsenöffnung 52, welche in der Düsenplatte gebildet ist, hat eine glatte Abschnittsform, in welcher der Durchmesser 1 (Fig. 6) auf der Seite der Tintenausstoßfläche etwa 35 um und der Durchmesser 2 auf der Seite der Druckkammer etwa 80 um beträgt. Die Düsenöffnung erfordert, daß Tinte stömungsfrei fließt und stabil einen Tinentropfen mit einer Menge ausstößt, welche sehr genau ist.
Wenn der Antriebsabschnitt als ein Film, wie oben beschrieben, ausgebildet ist, kann ein hohes elektrisches Feld durch eine niedrige Spannung erzeugt werden. Wenn der Film dünner gemacht wird, wird jedoch eine mechanische Spannung von geringem Grad erzeugt. Um eine gewisse Verschiebung zu erhalten, muß deshalb die Biegesteifigkeit des elastischen Filmes erniedrigt werden. Wenn Tinte in der Druckkammer in der Gestalt eines Tintentropfens von der Düsenöffnung ausgestoßen werden soll, muß jedoch der elastische Film 41 eine Steifigkeit aufweisen, welche den Druck der Tinte aushalten kann. Folglich kann die Steifigkeit des elastischen Filmes nicht unnötigerweise reduziert werden.
Um die Kompromissprobleme zu lösen, hat der Erfinder bestimmt, daß, wenn die Breite W einer Druckkammer auf 40 bis 50 um gesetzt wird, der Grad an Verschiebung nicht reduziert wird, und Tinte sicher unter Druck gesetzt wird, wodurch ein Tintentröpfen in zufriedenstellender Weise von der Düsenöffnung 52 ausgestoßen werden kann. Wie oben beschrieben, ist jedoch der Durchmesser 2 der Düsenöffnung auf der Seite der Druckkammer etwa 80 um. Deshalb verschließen die Trennwände, welche die Druckkammern mit einer Breite W von etwa 40 bis 60 um begrenzen, teilweise die Düsenöffnung, wodurch ein Problem erzeugt wird dahingehend, daß die Tintenströmung, welche zu der Düsenöffnung hin gerichtet ist, behindert wird.
Fig. 8a und 8b stellen eine Ausführungsform dar, welche das Problem lösen kann. In den Figuren bezeichnet 55 Trennwände, welche die Druckkammern 24 begrenzen. In jeder der Druckkammern ist ein Düsenverbindungsabschnitt 56 duch Bilden einer Aussparung 55a derart ausgebildet, so daß eine Öffnung von einer Breite größer als der Durchmesser 2 der Düsenöffnung 52 sichergestellt ist. Wenn Tinte nur von einer Seite der Druckkammer 24 zugeführt werden soll, ist die Düsenöffnung auf der anderen Seite der Druckkammer angeordnet. Wenn ein Wafer mit einer (110)- Ebenenorienierung als das Einkristallsiliziumsubstrat benutzt wird und das oben beschriebene anisotropische Ätzen durchgeführt wird, erscheint eine (111)-Ebene, welche um etwa 35 Grad zu einer (111)-Ebene geneigt ist, an beiden Enden der Druckkammer 24. Wie in Fig. 9 dargestellt, wird deshalb ein Abschnitt, welcher eine um einen Winkel von etwa 35 Grad geneigte Fläche gegenüber der Düsenplatte 53 aufweist und welche von kleinen Winkeln umgeben ist, in den Druckkammern 25 erzeugt. Eine Luftblase, welche in die Tinte eintritt, oder während des Betriebes des Aufzeichnungskopfes erzeugt wird, stockt leicht in solch einem Bereich mit kleinen Winkeln. Eine Luftblase, welche auf diese Weise erzeugt wurde, absorbiert den Druck der Tinte, welche durch den Antriebsabschniit 50 unter Druck gesetzt wurde, wodurch die Tintenausstoßfähigkeit herabgestzt wird. Wenn der Düsenverbindungsabschnitt 56 gebildet werden soll, wird deshalb vorzugsweise in Erwägung gezogen, daß die Düsenöffnung 52 so nah wie möglich an einer Position gegenüber dem Abschnitt 25a mit geneigter Fläche angeordnet ist.
Fig. 10 stellt eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung des oben beschriebenen Druckkammersubstrates dar. Ein Einkristallsiliziumsubstrat 40, welches bei einer (110)-Ebene geschnitten ist, wird thermischer Oxidation ausgesetzt, wodurch ein Basismaterial 42 präpariert wird, auf welchem eine SiO&sub2;-Schicht 41 von etwa 1 um auf der gesamten Oberfläche gebildet wird. Der Antriebsabschnitt 50 wird auf der Oberfläche der SiO&sub2;-Schicht 41 in derselben Weise wie oben beschrieben mit Bezug auf Fig. 4b gebildet (Schritt I). Eine Fotoresistschicht wird gebildet und die SiO&sub2;-Schicht wird durch eine Fluorwasserstoffsäurepufferlösung entfernt, in welcher Fluorwasserstoffsäure und Ammoniumfluorid im Verhältnis 1 : 6 gemischt sind, um so ein Fenster 49a für anisotropes Ätzen (Schritt II) zu strukturieren. Danach wird die oben genannte Mehrfachbelichtung nur in den Bereichen der SiO&sub2;- Schicht ausgeführt, welche als der Düsenverbindungabschnitt 56 dienen wird und in welcher die Tintenzufuhröffnungen 26 gebildet werden. Halbätzen wird dann für etwa 5 Min. durchgeführt durch Benutzung der oben genannten Fluorwasserstoffsäurepufferlösung, so daß die Dicke der SiO&sub2;-Schicht auf etwa 0,5 um reduziert wird, wodurch eine SiO&sub2;-Schicht 41' (Schritt III) gebildet wird. Nach Entfernung der Resistschicht wird das Basismaterial 42 in einer 10 Gew.-%-Lösung aus Kaliumhydroxid, welche auf etwa 80ºC erwärmt ist, eingetaucht, wodurch anisotropes Ätzen ausgeführt wird. Als ein Ergebnis des Ätzens werden auch die SiO&sub2;-Schichten 41 und 41', welche als Schutzfilme gedient haben, schrittweise aufgelöst, so daß ein Abschnitt von etwa 0,4 um weggeätzt wird, mit dem Ergebnis, daß die SiO&sub2;-Schicht 41' in den Bereichen, wo die Tintenzuführöffnungen 26, 27 und 28 geformt werden sollen, eine Dicke von etwa 0,1 um aufweist und die SiO&sub2;-Schicht in dem anderen Bereich eine Dicke von etwa 0,6 um (Schritt IV) aufweist. Das Basismaterial 42 wird in der Fluorwasserstoffsäurepufferlösung während einer Zeitdauer eingetaucht, welche für das Entfernen der SiO&sub2;-Schicht von etwa 0,1 um ausreichend ist, zum Beispiel für etwa I Minute, so daß die SiO&sub2;-Schicht in den Bereichen der SiO&sub2;- Schicht, welche gegenüber der Düsenöffnung 52 ist und in welcher die Tintenzuführöffnung 26 gebildet werden soll, entfernt wird und eine SiO&sub2;-Schicht 41" mit einer Dicke von etwa 0,5 um in den anderen Bereich (Schritt V) verbleibt. Das Basismaterial 42 wird in einer 40 Gew.-%- Lösung aus Kaliumhydroxid eingetaucht, um so anisotropischem Ätzen ausgesetzt zu sein, wodurch der Bereich, welcher gegenüber der Düsenöffnung 52 ist und in welchem die Tintenzuführöffnung 26 gebildet werden soll, wiederum selektiv geätzt wird. Dies macht die Bereiche dünner, so daß der Düsenverbindungsabschnitt 26 und die Tintenzuführöffnung 26 mit einem notwendigen Fluidwiderstand gebildet werden (Schritt VI).
Fig. 11a und 11b stellen eine Ausführungsform eines anderen Aufzeichnungskopfes dar, welche die Probleme lösen kann, welche durch das Verbinden der Düsenöffnung mit der Druckkammer und dem Einstellen der Tintenmenge eines Tintentropfens verursacht werden. Das Bezugszeichen 60 bezeichnet eine Mittentrennwand, in welcher ein Ende an einem elstischen Film 61 befestigt ist. Das andere Ende der Wand erstreckt sich in einem Bereich nicht gegenüber der Düsenöffnung 52 zu einer Position anstoßend an die Düsenplatte 53, und ist in der Nachbarschaft der Düsenöffnung 52 angeordnet, und zwar derart, daß ein Durchgangsloch 62 gebildet wird, welches Tinte hindurchtreten läßt. Gemäß dieser Anordnung ist eine Druckkammer 64, welche mit der Düsenöffnung 52 in Verbindung steht, durch die Mittentrennwand 60 in zwei Zellen 64a und 64b in Verbindung miteinander unterteilt, und die Düsenplatte 53 wird durch eine Trennwand 65 unterstützt, welche die Druckkammer 64 begrenzt, und durch ein Teil der Mittentrennwand 60 unterstützt. Die Dicke der Mittentrennwand 60 ist zu etwa 15 um ausgewählt, so daß, wenn die Druckkammern 64 mit einer Länge von 2 mm in einem Abstand von 141 um angeordnet sind, die Zellen 64a und 64b, welche durch die Mittentrennwand 60 unterteilt sind, eine Breite von 46 um aufweisen.
Andererseits sind auf der Oberfläche des elastischen Filmes 61 zwei Antriebsabschnitte 66 und 67 für jede Druckkammer gebildet, um so zwischen der Mittentrennwand 60 und den Trennwänden 65, welche die Druckkammer 64 begrenzen, angeordnet zu sein. In den Figuren bezeichnet 68 eine Tintenzufuhröffnung, durch welche ein Tintenreservoir 69 mit der Druckkammer 64 verbunden ist.
In dem so angeordneten Aufzeichnungskopf wird, wenn ein Antriebssignal an die beiden Antriebsabschnitte 66 und 67 einer Druckkammer 64 angelegt wird, so daß die beiden Zellen 64a und 64b gleichzeitig kontrahieren, Tinte der ersten Zelle 64a und Tinte der zweiten Zelle 64b gleichzeitig unter Druck gesetzt, und ein Tintentropfen mit einer Menge proportional zum Biegemaß der zwei Antriebsabschnitte 66 und 67 wird durch das Durchgangsloch 62 von der Düsenöffnung 52 ausgestoßen. Wenn ein Antriebssignal nur an dem Antriebsabschnitt 67 der einen Druckkamer 64 angelegt wird, wird Tinte der einen Zelle 64a von der Düsenöffnung 52 ausgestoßen. Als ein Ergebnis kann die Menge an Tinte, welche einen Tintentropfen ausmacht, leicht durch selektives Anlegen eines Antriebssignales zu einem oder beiden der zwei Antiebsabschnitte 66 und 67 einer Druckkammer 64 eingestellt werden, wodurch die Größe eines Punktes, welcher auf einem Aufzeichnungsmedium zu bilden ist, eingestellt wird. Weiterhin kann eine Druckkammer 64 so eingestellt werden, um eine Breite aufzuweisen, welche ungefähr gleich dem Durchmesser der Düsenöffnung 52 auf der Seite der Druckkammer ist, wodurch das Problem, daß die Düsenöffnung 52 durch die Trennwand 65, welche die Druckkammer 64 begrenzt, verschloßen wird, am Entstehen gehindert wird.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung eines Substrates, weches den Aufzeichnungskopf darstellt, mit Bezug auf Fig. 12 beschrieben. Ein Basismaterial 72 wird vorbereitet, wobei eine SiO&sub2;-Schicht 71 mit einer Dicke von etwa 1 um durch das thermische Oxidationsverfahren oder dergleichen auf der gesamten Oberfläche eines Einkristallsiliziumsubstrates 70 gebildet wird, welches so geschnitten ist, daß die Oberfäche sich entlang einer (110)-Kristallachse erstreckt. Ein elastischer Film 73, hergestellt aus Zirkonoxid (Zr) oder Platin, wird durch Sputtern auf die Oberfäche des Basismaterials 72 gebildet. In der gleichen Weise, wie oben beschrieben, werden eine untere Elektrode und ein piezoelektrischer Film aus PZT oder dergleichen gebildet, so daß zwei Antriebsabschnitte 74 und 75 für jede Druckkammer (Schritt I) gebildet werden. Eine Fotoresistschicht wird an Positionen gegenüber den Trennwänden 56 und der Mittentrennwand 60 der Druckkammer gebildet. Die SiO&sub2;-Schicht 71 wird durch Benutzen einer Fluorwasserstoffsäurepufferlösung entfernt, in welcher Fluorwasserstoffsäure und Ammoniumfluorid im Verhältnis von 1 : 6 gemischt sind, um so ein Fenster für anisotropes Ätzen zu bilden. Danach wird die oben genannte Mehrfachbelichtung nur an einer SiO&sub2;-Schicht 72' eines Bereiches durchgeführt, wo das Durchgangsloch der Mittentrennwand 60 gebildet werden soll. Halbätzen wird dann für etwa 5 Minuten durchgeführt durch Benutzen der oben genannten Fluorwasserstoffsäurepufferlösung, so dass die SiO&sub2;-Schicht 71' mit einer Dicke von etwa 0,5 um gebildet wird (Schritt II). Nach Entfernen der Resistschicht wird das Basismaterial 72 in eine 10 Gew.-%-Lösung aus Kaliumhydroxid eingetaucht, welches auf etwa 80ºC erwärmt ist, wodurch anisotropes Ätzen ausgeführt wird. Als ein Ergebnis des Ätzens werden auch die SiO&sub2; 71 und 71', welche als Schutzfilme gedient haben, schrittweise aufgelöst, so daß ein Abschnitt von etwa 0,4 um weggeätzt wird, mit dem Ergebnis, daß die SiO&sub2;-Schicht 71' in den Bereichen, wo das Durchgangsloch der Mittentrennwand 60 gebildet werden soll, eine Dicke von etwa 0,1 um aufweist und die SiO&sub2;-Schicht 71 in dem anderen Bereich eine Dicke von etwa 0,6 um (Schritt III) aufweist.
Das Basismaterial 72 wird in die Fluorwasserstoffsäurepufferlösung für zum Beispiel etwa 1 Min. eingetaucht, so daß die SiO&sub2;-Schicht 71' in dem Bereich, wo das Durchgangsloch der Mittentrennwand 60 gebildet werden soll, entfernt wird und eine SiO&sub2;-Schicht 71" mit einer Dicke von 0,5 um in dem anderen Bereich zurückbleibt. Das Basismaterial wird wieder in eine etwa 40 Gew.-%-Lösung aus Kaliumhydroxid eingetaucht, um so anisotropem Ätzen ausgesetzt zu werden, wodurch eine Stufe 60a, welche das Durchgangsloch 62 darstellt, in der Mittentrennwand 60 (Schritt IV) gebildet wird. Die SiO&sub2;- Schicht 71 in dem Bereich des elastischen Filmes 73 gegenüber der Druckkammer wird durch Benutzen von Fluorwasserstoff weggeätzt. Schließlich wird ein Material mit niedriger Steifigkeit wie zum Beispiel Gold oder Aluminium auf die Oberflächen der Antriebsabschnitte 74 und 75 gesputtert, so daß eine obere Elektrode 76 gebildet wird (Schritt V). Wenn der elastische Film 73 aus einem Metall wie zum Beispiel Platin hergestellt wird, kann der elastische Film als die untere Elektrode fungieren.
Die Antriebsabschnitte, welche auf dem elastischen Film, wie oben beschrieben, gebildet sind, werden durch Benutzen eines filmbildenden Verfahrens konfiguriert, in welchem ein piezoelektrisches Material gesputtert wird. Deshalb sind die Antriebsabschnitte viel dünner als die, welche durch Anwenden einer Grünschicht eines piezoelektrischen Materials gebildet worden sind, mit dem Ergebnis, daß die Antriebsabschnitte eine große elektrostatische Kapazität aufweisen. Dies erzeugt verschiedene Probleme. Weiterhin, da das piezoelektrische Material, welches in dem Verdrahtungsbereich vorhanden ist, piezoelektrische Eigenschaften in derselben Weise wie die Antriebsabschnitte aufweist, wird auch der Verdrahtungsbereich verschoben, wodurch ein weiteres Problem dahingehend erzeugt wird, daß die oben gebildete Leitungsstruktur ermüdet wird.
Fig. 13 stellt eine Ausführungsform da, welche diese Probleme lösen kann. In der Figur bezeichnet 80 ein Strömungswegsubstrat, welches durch ein Einkristallsiliziumsubstrat ausgebildet wird. In derselben Weise wie oben beschrieben wird ein SiO&sub2;-Film 81 und ein elastischer Film 82, welcher aus einem Antikorrosionsedelmetall oder Zirkonoxid hergestellt ist, auf der Oberfläche des Substrates gebildet. Wenn Zirkoniumoxid benutzt wird, wird eine untere Elektrode auf der Oberfläche des elastischen Filmes gebildet und ein piezoelektrischer Film 83 wird dann derartig gebildet, daß die gesamte Oberfläche abgedeckt wird. Der piezoelektrische Film 83 wird dadurch gebildet, daß ein Material, wie zum Beispiel ein PZT Material, welches eine Biegevibration in Antwort auf das Anlegen eines elektrischen Feldes ausführt, einem filmbildenden Verfahren ausgesetzt wird, zum Beispiel dem Sputterverfahren oder dem Sol-gel-Verfahren. Das Bezugszeichen 84 bezeichnet einen Bereich mit einer niedrigen dielektrischen Konstante mit piezoelektrischen Eigenschaften und einer dielektrischen Konstante, welche niedriger sind als die des piezoelektrischen Filmes 83. Der Bereich mit niedriger dielektrischer Konstante wird in einem Verdrahtungsbereich gebildet, wo eine Leitungsstruktur zum Anlegen eines Signales zu dem Antriebsabschnitt angeordnet ist. Nach Bilden des piezoelektrischen Filmes 83 und des Bereiches 84 mit niedriger dielektrischer Konstante wird auf diese Art, wie in Fig. 14 dargestellt ist, Ätzen oder dergleichen durchgeführt, so daß nur die Bereiche des piezoelektrischen Filmes 83 gegenüber den Druckkammern verbleiben und der Bereich mit niedriger dielektrischer Konstante 84 eine Form aufweist, welche für die Bildung der Leitungsstruktur geeignet ist, wodurch Antriebsabschnitte 85 und Leitungsstrukturbildende Abschnitte 86 ausgebildet werden.
Als Nächstes wird mit Bezug auf Fig. 15 ein Herstellungsverfahren beschrieben.
Ein Platinfilm, welcher als eine untere Elektrode 92 fungieren wird, wird gebildet, um so eine Dicke von 800 um auf der Oberfläche eines Ätzschutzfilmes 91 eines Einkristallsiliziumsubstrates 90 durch ein Dünnfilmbildungsverfahren, wie zum Beispiel das Sputterfilmbildungsverfahren aufzuweisen. In dieser Filmbildung, um die Adhäsionsstärke zu erhöhen, welche zwischen der Platinschicht und der oberen und unteren Schichten ausgeübt wird, kann eine sehr dünne Zwischenschicht aus Titan oder Chrom gebildet werden. In der Ausführungsform dient die untere Elektrode 92 auch als ein elastischer Film. Ein Film eines ersten piezoelektrischen Filmvorläufers 93 (Precursor) wird auf der unteren Elektrode gebildet. In der Ausführungsform wurde die Filmbildung durch das Sol-gel-Verfahren durch Benutzen eines PZT piezoelektrischen Filmvorläufermateriales ausgeführt, in welchem Bleititanat und Bleizirkonat bei einem Mol-Verbindungsverhältnis von 55% und 45% gemischt sind, und Wiederholen der Schritte des Anwendens, Trocknens und Entfettens sechsmal, um so eine Dicke von 1 um zu erhalten.
Es wurde bestätigt, daß, wenn die Zusammensetzung so gewählt ist, daß ein resultierender piezoelektrischer Film die Zusammensetzung aufweist
PbCTiAZrBO&sub3;
(wobei A, B und C Zahlen sind, A + B = 1, 0,5 = A = 0,6 und 0,85 = C = 1,10), kann der Vorläufer piezoelektrische Eigenschaften aufweisen, welche für das Ausstoßen von Tintentropfen geeignet sind. Natürlich kann der Film in einer ähnlicher Weise gebildet werden durch Benutzen eines anderen filmbildenden Verfahrens, wie zum Beispiel die Hochfrequenzsputterfilmbildung, oder CVD. Um eine Schicht mit niedriger dielektrischer Konstante auf der Oberfäche des Vorläufers 93 in dieser Ausführungsform zu bilden, wird ein Bleioxidfilm 94 mit einer Dicke von 500 nm durch das Sol-gel-Verfahren (Schritt I) gebildet.
Als Nächstes wird der Bleioxidfilm 94 außer dem Bereich, welcher als ein Verdrahtungsbereich 95 fungieren wird, weggeätzt. Danach wird das gesamte Substrat in einer Sauerstoffumgebung bei 650ºC für 3 Minuten und dann bei 900ºC für 1 Minute erhitzt. Das Substrat wird auf natürliche Weise abgekühlt, so daß der erste piezoelektrische Filmprecusor 93 kristallisiert, um als ein piezoelektrischer Film 96 vervollständigt zu werden.
Andererseits wird in dem Verdrahtungsbereich, wo der Bleioxidfilm 94 gebildet wird, das Blei des Bleioxidfilmes 94 durch das oben genannte Heizen verteilt und in dem ersten piezoelektrischen Filmvorläufer 93 aufgelöst, mit dem Ergebnis, daß ein Film 97 mit unterschiedlicher Zusammensetzung mit einer niedrigen dielektrischen Konstante gebacken wird. Analyse des Filmes 97 mit unterschiedlicher Zusammensetzung zeigte, daß Blei auf eine Menge erhöht war, welche 1,12mal der Gesamtzahl an Molen an Zirkonoxid und Titan beträgt (Schritt II). Ein Platinfilm mit einer Dicke von 200 nm wird durch Sputtern auf die Oberfläche des piezoelektrischen Filmes 96 und des Filmes 97 mit unterschiedlicher Zusammensetzung gebildet, wodurch eine Elektrode 98 (Schritt III) gebildet wird. Die obere Elektrode 97 und der piezoelektrische Film 97 sind unterteilt in einer vorgegebenen Form durch Ionenfräsen unter Benutzung einer Ätzmaske, um so den Positionen zu entsprechen, wo die Druckkammern gebildet werden sollen (Schritt IV). Der Ätzschutzfilm 91 auf der gegenüberliegenden Seite des Einkristallsiliziumsubstrates 90 wird durch Fluorwasserstoff entfernt, um so mit den Formen der Druckkammern, einem Reservoir und einer Tintenzuführöffnung zu entsprechen, wodurch ein Fenster 99 (Schritt V) gebildet wird. Das Einkristallsiliziumsubstrat 90 wird anisotropem Ätzen unter Benutzung eines anisotropen Ätzmittels unterworfen, zum Beispiel eine fast 17 Gew.-% wässrige Lösung aus Kaliumhydroxid, erwärmt auf 80ºC, so daß der geätzte Abschnitt den Schutzfilm 91 auf der Oberfläche erreicht. Danach wird der Schutzfilm 91 auf der Rückseite des piezoelektrischen Filmes 95 durch Fluorwasserstoff entfernt und ein Strömungsweg einer Drukkammer 100 und so weiter wird gebildet (Schritt VI).
Der so gebildete Antriebsabschnitt weist eine elektrostatische Kapazität von 7 nF pro Element auf. Im Vergleich mit einer elektrostatischen Kapazität von etwa 10 nF, welche im Stand der Technik erzielt wird, ist die elektrostatische Kapazität um etwa 30% reduziert. Verfahren zur Bewertung der Zuverlässigkeit wurden anhand von Langzeitdrucken durchgeführt. In Aufzeichnungsköpfen des Standes der Technik war bei 50.000.000 Tintentropfenausstößen ein Leitungsmuster gebrochen, beziehungsweise eine Filmtrennung trat auf, so daß eine Signalzuführung unterbunden war. Im Gegensatz zu Aufzeichnungsköpfen gemäß der Erfindung war die Ausfallrate reduziert oder etwa 1% oder weniger selbst bei 2.000.000.000 Tintenausstößen. Dies wurde verursacht durch die Tatsache, daß die Menge an Blei in dem Film 96 mit unterschiedlicher Zusammensetzung in dem Verdrahtungsbereich größer ist als in dem piezoelektrischen Film 95, so daß die Zusammensetzung von der Optimalzusammensetzung eines piezoelektrischen Filmes abweicht. Die dielektrischen Konstanten und piezoelektrischen Eigenschaften des piezoelektrischen Filmes 95 und des Filmes 96 mit unterschiedlicher Zusammensetzung wurden gemessen. Die Messergebnise zeigen, daß der piezoelektrische Film 95 und der Film 96 mit unterschiedlicher Zusammensetzung dielektrische Konstanten von jeweils 1800 und 900 aufweisen und piezoelektrische Eigenschaften von jeweils 150 PC/N und 80 PC/N aufweisen. Es wurde bestätigt, daß erfindungsgemäß sowohl die elektrostatische Kapazität eines Elementes als auch die piezoelektrische Verschiebung des Verdrahtungsbereiches reduziert sind und die mechanische Ermüdung und die Ermüdung aufgrund eines Erwärmungszykluses in einer Leitungsstruktur vermindert sind.
Der Erfinder führte weiter Experimente durch, um die piezoelektrischen Eigenschaften zu untersuchen. In den Veruchen wurde der Bleioxidfilm 94, welcher auf der Oberfläche des PZT-Vorläufers 93 gebildet werden sollte, mit verschiedenen Dicken des Bleioxidfilmes gebacken, so daß der Gehalt an Bleioxid mit Bezug auf die stöchiometrische Zusammensetzung des Filmes 96 mit unterschiedlicher Zusammensetzung variiert wurde. Es wurde gefunden, daß, wenn eine Zusammensetzung erzielt wurde, in welcher die Menge an Bleioxid im Bezug auf die stöchiometrische Zusammensetzung 0,85 oder kleiner oder 1,10 oder größer ist, piezoelektrische Eigenschaften in großem Maße erniedrigt sind. Piezoelektrische Eigenschaften wurden in änlicher Weise durch Benutzen von Titanoxid oder Zirkoniumoxid anstelle von Bleioxid berechnet. Es wurde außerdem gefunden, daß, wenn das Verhältnis von Ti oder Zr zu der Gesamtmenge an Ti oder Zr, welches den piezoelektrischen Film 95 darstellt, 0,5 oder kleiner oder 0,6 oder größer ist, piezoelektrische Eigenschaften in großem Maße erniedrigt sind. Von dem obigen wurde geschlossen, daß die dielektrische Konstante und piezoelektrische Eigenschaften nur durch Verschieben des Gehalts an einem Komponenten-Element erniedrigt werden kann, ohne die Zusammensetzung des piezoelektrischen Filmvorläufers 93 des Verdrahtungsbereiches zu verändern im Unterschied zu dem, wobei der Vorläufer als ein piezoelektrischer Film in einer optimalen Weise betrieben werden soll.
In dem oben genannten wurde die Ausführungsform beschrieben, in welcher der elastische Film aus einem PZT- Material hergestellt worden ist. Es ist offensichtlich, daß, selbst wenn ein Material, zu welchem ein anderes Metalloxid wie zum Beispiel Nickelniobat, Nickeloxid oder Magnesiumoxid hinzugefügt wird, oder ein Material außer einem PZT-Material benutzt wird, dieselben Effekte durch Hinzufügen eines Materials erzielt werden können, welches die Adhäsion zu einem Substrat sicherstellt und piezoelektrische Eigenschaften und die dielektrische Konstante erniedrigt.
Fig. 16 und 17 stellen eine weitere Ausführungsform dar, in welcher die Verschiebung und die elektrostatische Kapazität eines piezoelektrischen Filmes in einem Verdrahtungsbereich reduziert werden können. In der Ausführungsform ist eine Schicht 111 mit niedriger dielektrischer Konstante in einem Verdrahtungsbereich gebildet in der Oberfläche eines piezoelektrischen Filmes 110, welcher auf der gesamten Oberfläche einer elastischen Platte 82 gebildet ist. Nach Bildung des piezoelektrischen Filmes 110 und der dielektrischen Schicht 111, wie oben beschrieben und wie in Fig. 17 dargestellt ist, wird Ätzen oder dergleichen durchgeführt, so daß nur die Bereiche des piezoelektrischen Filmes 110 gegenüber den Druckkammern zurückbleiben und die Schicht 111 mit niedriger dielektrischer Konstante eine Form aufweist, welche geeignet ist für die Bildung der Leitungsstruktur, wodurch Antriebsabschnitte 112 und leitungsstrukturbildende Abschnitte 113 ausgebildet werden.
Als Nächstes wird ein Herstellungsverfahren mit Bezug auf Fig. 18 beschrieben. Ein Platinfilm, welcher als eine untere Antriebselektrode 92 fungieren wird, wird derart ausgebildet, um eine Dicke von 800 nm auf der Oberfläche des Ätzschutzfilmes 91 des Einkristallsiliziumsubstrates 90 auf der Seite einer piezoelektrischen Schicht aufzuweisen, und zwar durch ein Dünnfilmbildungsverfahren, wie zum Beispiel ein Sputterfilmbildungsverfahren. Ein Film eines ersten piezoelektrischen Filmvorläufers 114 wird auf der unteren Antriebselektrode 92 gebildet. In der Ausführungsform wurde die Filmbildung durch das Sol-gel- Verfahren unter Benutzung eines PZT-PMN piezoelektrischen Filmvorläufermateriales ausgeführt, in welchem Bleititanat, Bleizirkonat und Magnesiumbleiniobat in einem Mol-Verbund- Verhältnis von 55%, 40% und 10% gemischt sind, und wobei die Schritte des Anwendens, Trocknens und Entfettens sechsmal wiederholt wurden, um so eine Dicke von 1 um zu erzielen.
Es wurde bestätigt, daß, wenn die Zusammensetzung so ausgewäht ist, daß der nach dem Backen erhaltene Vorläufer 115 die Zusammensetzung
PbTiAZrB(Mg1/3Nb2/3)cO3+ePbO
aufweist (wobei A, B, C und e Zahlen sind, A + B + C = 1, 0,35 = A = 0,55, 0,25 = B = 0,55, 0,1 = C = 0,4, und 0 = e = 0,3), wobei der Vorläufer 114 piezoelektrische Eigenschaften aufweisen kann, welche für den Ausstoß von Tintentropfen geeignet sind. Eine Titan-Schicht 115, welche eine Dicke von 50 nm aufweist und als die Schicht 111 mit niedriger dielektrischer Konstante fungiert, wird durch Sputtern auf die Oberfläche des Vorläufers 114 gebildet.
Als nächstes wird die Titanschicht 115 außer dem Bereich, welcher als ein Verdrahtungsbereich 116 fungieren wird, weggeätzt. Danach wird das gesamte Substrat in einer Sauerstoffumgebung bei 650ºC für 3 Minuten und dann bei 900ºC für 1 Minute erhitzt. Das Substrat wird auf natürliche Weise abgekühlt, so daß der Vorläufer 114 kristallisiert, um als ein piezoelektrischer Film vervollständigt zu werden. Andererseits wird die Titanschicht 115 als Titanoxid mit einer Dicke von 100 nm gebildet, um so die Schicht mit der niedrigen dielektrischen Konstante zu bilden (Schritt II). Ein Platinfilm mit einer Dicke von 200 nm wird durch Sputtern auf die Oberflächen des piezoelektrischen Filmes 117 und des Titanoxidfilmes 118 gebildet, wodurch eine obere Elektrode 119 (Schritt III) gebildet wird. Die obere Elektrode 119 und der piezoelektrische Film 117 sind in einer vorgegebenen Form durch Ionenfräsen (ion milling) unterteilt, um so den Positionen zu entsprechen, wo die Druckkammern gebildet werden sollen (Schritt IV). Wie oben beschrieben, wird der Ätzschutzfilm 91 auf der gegenüberliegenden Seite des Substrates 90 durch Fluorwasserstoff weggeätzt, um so mit den Formen der Druckkammer (einem Reservoir und einer Tintenzuführöffnung) übereinzustimmen, wodurch das Fenster 99 (Schitt IV) gebildet wird. Das Einkristallsiliziumsubstrat 90 wird anisotropem Ätzen ausgesetzt, unter Benutzung eines anisotropen Ätzmittels zum Beispiel einer etwa 17 Gew.-% wässrigen Lösung aus Kaliumhydroxid, welche auf 80ºC erwärmt wurde, so daß der geätzte Abschnitt den Schutzfilm 91 auf der Oberfläche erreicht. Danach wird der Ätzschutzfilm 91 des piezoelektrischen Filmes durch Fluorwasserstoff weggeätzt (Schritt VI).
Der so gebildete Antriebsabschnitt weist eine elektrostatische Kapazität von 5 nF pro Element auf. Im Vergleich mit einer elektrostatischen Kapazität von etwa 10 nF, welche im Stand der Technik erzielt werden, wird die elektrostatische Kapazität um etwa die Hälfte reduziert. Versuche zur Bewertung der Zuverlässigkeit wurden anhand von Langzeitdrucken durchgeführt. In Aufzeichnungsköpfen nach dem Stand der Technik trat bei 50.000.000 Tintentropfenausstößen ein Tintenausstoßversagen in 10% der Aufzeichnungsköpfe auf. Im Gegensatz dazu war bei Aufzeichnungsköpfen gemäß der Erfindung die Defektrate etwa 1% oder weniger, selbst bei 2.000.000.000 Tintenausstößen.
In dem obigen wurde die Ausführungsform beschrieben, in welcher die Schicht 118 mit niedriger dielektrischer Konstante aus Titanoxid hergestellt ist. Alternativ kann die Schicht aus einem Material hergestellt sein, welches für das Bilden eines Filmes mit niedriger dielektrischer Konstante geeignet ist, wie zum Beispiel Silizium, Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid oder Bleioxid. Es wird bevorzugt, ein Material zu benutzen, welches ein Element enthält, welches den piezoelektrischen Film 117 bildet, um die Adhäsionsstärke zu vergrößern, welche zwischen Filmen ausgeübt wird, und um eine unerwartete Reaktion zu verhindern. In der Ausführungsform sind die Schicht mit niedriger dielektrischer Konstante und der piezoelektrische Film gleichzeitig gebacken. Alternativ können sie separat gebacken oder gebildet werden ohne Durchführen des Backvorganges oder durch Aufbringen eines Materiales mit niedriger dielektrischer Konstane auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Filmes.
In der Ausführungsfom ist die Schicht mit niedriger dielelektrischer Konstante 111 aus einem Material hergestellt, welches eine kleinere dielektrische Konstante als der piezoelektrische Film aufweist. Alternativ kann die Schicht aus dem selben Material hergestellt sein wie der piezoelektrische Film, die obere Elektrode 119 durch Sputtern von Platin in derselben Weise gebildet sein, wie oben beschrieben, und die obere Elektrode und der Leitungsabschnitt können dann strukturiert werden. Außerdem kann in dieser Alternative der Leitungabschnitt dicker sein als der Bereich, welcher als das piezoelektrische Glied fungiert, und daher ist es offensichtlich, daß die elektrostatische Kapazität des Verdrahtungsbereiches reduziert werden kann.
Wenn der Verdrahtungsbereich durch dasselbe piezoelektrische Material, wie oben beschrieben ist, gebildet ist, wird bevorzugt, im Hinblick auf die Herstellung, eine Konfiguration zu verwenden, in welcher eine piezoelektrische Materialschicht mit gleichförmiger Dicke verwendet wird, welche für einen Verdrahtungsbereich geeignet ist, und der Bereich außer dem Verdrahtungsbereich durch Ätzen oder dergleichen als der piezoelektrische Film dient.
In dem Obigen wurde die Ausführungsform beschrieben, in welcher der Antriebsabschnitt direkt auf einer elastischen Platte gebildet worden ist, welcher mit dem Strömungswegsubstrat integriert ist. Alternativ können der elastische Film und der Antriebsabschniitt als separate Glieder konfiguriert werden und sie können dann integral miteinander durch ein Haftmittel befestigt werden. Diese Alternativen erzielen dieselben Effekte. Insbesondere, wie in Fig. 19 dargestellt, ist eine Druckkammer 130 in der Form eines Durchgangsloches auf einem Strömungswegsubstrat 133 gebildet, in welchem die Druckammer 130 eine Tintenzufuhröffnung 131 und ein Reservoir 132 gebildet sind. Eine Düsenplatte 134 ist in flüssigkeitsdichter Weise an einer Fläche des Substrates befestigt. Ein Druckfilmsubstrat 136, auf welchem ein Antriebsabschnitt 135 gebildet ist, und welches als ein getrenntes Glied ausgebildet ist, ist flüssigkeitsdicht an der anderen Fläche des Substrates befestigt. In dem Druckfilmsubstrat 136 sind ein elastischer Film 138, welcher auch als eine untere Elektrode fungiert, ein piezoelektrischer Film 139 und eine obere Elekrode 140 auf der Oberfläche eines Einkristallsiliziumsubstrates durch dasselbe Verfahren wie oben beschrieben gebildet und dann strukturiert, um so als der Antriebsabschnitt 135 gebildet zu werden. Danach wird anisotropes Ätzen auf der gegenüberliegenden Fläche (in der Figur die untere Fläche) des Einkristallsiliziumsubstrates ausgeführt und eine Aussparung 142 wird so gebildet, daß eine Wand 141 zwischen den Antriebsabschnitten 135 angeordnet ist. Erfindungsgemäß kann der elastische Film 138 an verschiedenen Punkten durch die Wand 141 unterstützt werden und daher kann Übersprechen verhindert werden, selbst wenn eine Trennwand 130a, welche die Druckkammer 130 des Strömungswegsubstrates 133 begrenzt, dünn ausgeführt ist, so daß der Anordnungsabstand der Druckkammern 139 klein ist. Da der elastische Film 138 mit den Antriebsabschnitten 135 als ein separates Glied gebildet werden kann, kann die Druckkammer durch Durchführen von Ätzen auf der Oberfläche des Strömungswegsubstrates 133 konfiguriert werden gegenüber der Seite, wo eine Düsenöffnung 143 geöffnet ist, das heißt die Fläche gegenüber dem, was in dem Fall, wo ein elastischer Film mit einem Strömungswegsubstrat integriert ist. Daher kann die Druckkammer 131 in einer Gestalt ausgebildet werden, in welcher die Dimension schrittweise in einer Richtung von dem Antriebsabschnitt 135 zu der Düsenöffnung 143 reduziert wird, so daß Tinte, welche in der Druckkammer 130 unter Druck gesetzt wird, strömungsfrei zu der Düsenöffnung 143 strömen kann.

Claims

1. Tintenstrahlaufzeichnungskopf umfassend:

eine Düsenplatte (12; 53; 134), in welcher eine Vielzahl an Düsenöffnungen (10, 11; 52; 143) ausgebildet ist;

ein Strömungswegsubstrat, umfassend ein Reservoir (5, 6; 21, 22, 23; 69; 132), zu welchem Tinte von außen zugeführt wird, und eine Vielzahl an Druckkammern (3, 4; 24, 25; 64; 100; 130), welche mit dem Reservoir (5, 6; 21, 22, 23; 69; 132) über einen Tintenzufuhranschluß (26, 27, 28, 29; 68; 131) verbunden sind und welche jeweils mit den Düsenöffnungen (10, 11; 52; 143) in Verbindung stehen;

einen elastischen Film (43; 61; 73; 82; 138), welcher Tinte in den Druckkammern (3, 4; 24, 25; 64; 100; 130) unter Druck setzt; und Antriebsmittel, welche an einer Position gegenüber der jeweiligen Druckkammern (3, 4; 24, 25; 64; 100; 130) angeordnet sind, damit der elastische Film (43; 61; 73; 82; 138) eine Biegedeformation ausführt;

wobei die Druckkammern (3, 4; 24, 25; 64; 100; 130) in einem Einkristallsiliziumsubstrat (40; 70; 90) mit einer (110)-Gitterebene angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Druckkammern (3, 4; 24, 25; 64; 100; 130) in einer Reihe, die sich entlang einer < 112> -Gitterorientierung oder einer der < 112> -Gitterorientierung äquivalenten Gitterorientierung erstreckt, angeordnet sind.

2. Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach Anspruch 1, wobei der elastische Film (43; 61; 73; 82; 138) integral mit einer Fläche des Einkristallsiliziumsubstrats (40; 70; 90) durch ein Filmbildungsverfahren gebildet ist, und/oder die Antriebsmittel jeweils als ein piezoelektrisches Element in einer Laminierungsstruktur und integral mit dem Einkristallsiliziumsubstrat (40; 70; 90) ausgebildet sind und/oder wobei das piezoelektrische Element umfaßt: einen ersten Elektrodenfilm, welcher auf einer Oberfläche des elastischen Films (43; 61; 73; 82; 138) ausgebildet ist; einen piezoelektrischen Film (13, 14; 44; 83; 96; 110; 117 : 139), welcher auf dem ersten Elektrodenfilm ausgebildet ist; und einen zweiten Elektrodenfilm, welcher auf dem piezoelektrischen Film (13, 14; 44; 83; 96; 110; 117; 139) ausgebildet ist.

3. Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach Ansprüchen 1 oder 2, wobei wenigstens ein Teil der Antriebsmittel einen Bereich aufweist, welcher schmaler als eine Breite der Druckkammer (3, 4; 24, 25; 64; 100; 130) ist.

4. Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei wenigstens ein Teil der Antriebsmittel einen Bereich aufweist, welcher schmaler als eine Breite der Druckkammer (3, 4; 24, 25; 64; 100; 130) ist.

5. Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der erste Elektrodenfilm auch als der elastische Film (43; 61; 73; 82; 138) dient und eine Dicke von 0,2 bis 2,5 um aufweist.

6. Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Tintenzufuhranschluß (26, 27, 28, 29; 68; 131) an beiden Enden in einer Längsrichtung der Druckkammer (3, 4; 24, 25 : 64; 100; 130) ausgebildet ist.

7. Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Düsenverbindungsabschnitt (56) in einem ersten Bereich der Druckkammern (24, 25) ausgebildet ist, wobei der Düsenverbindungsabschnitt (56) gegenüber den Düsenöffnungen (52) angeordnet ist, und der Düsenverbindungsabschnitt (56) weiter ist als ein zweiter Bereich der Druckkammern (24, 25).

8. Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach Anspruch 7, wobei der Düsenverbindungsabschnitt (56) an einer Position gegenüber einer geneigten Fläche an einem Endabschnitt der Druckkammer (24, 25) gebildet ist.

9. Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Druckkammer (24, 25; 64) durch eine Mittentrennwand (60) geteilt ist, welche sich von dem elastischen Film (43) erstreckt, in eine Vielzahl von Zellen (64a, 64b), welche wenigstens in der Nähe der Düsenöffnung (52) miteinander in Verbindung stehen, wobei die Druckkammer (24, 25; 64) mit einer Düsenöffnung (52) in Verbindung steht und ein Teil der Mittentrennwand (60) die Düsenplatte (53) unterstützt.

10. Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiterhin umfassend auf einer Oberfläche des elastischen Films (73; 82), eine untere Elektrode (92); und einen piezoelektrischen Film (96), welcher in einem Bereich gegenüber der jeweiligen Druckkammer (24, 25; 64; 100) ausgebildet ist, und einen Film mit unterschiedlicher Zusammensetzung (97), welcher in einem Verdrahtungsbereich (95) gebildet ist, um ein Antriebssignal zum piezoelektrischen Film (96) zuzuführen, wobei der Film (97) mit unterschiedlicher Zusammensetzung eine dielektrische Konstante und piezoelektrische Eigenschaften aufweist, welche niedriger sind als diese des piezoelektrischen Filmes (96), eine obere Elektrode (98), welche auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Filmes (96) ausgebildet ist, und ein Leitungsmuster, welches auf einer Oberfläche des Filmes (97) mit unterschiedlicher Zusammensetzung ausgebildet ist und mit der oberen Elektrode (98) verbunden ist.

11. Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach Anspruch 10, wobei der piezoelektrische Film (96) und der Film (97) mit unterschiedlicher Zusammensetzung ein identisches Element enthalten, und unterschiedlich in ihrer Zusammensetzung sind.

12. Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach Anspruch 10 oder 11, wobei der piezoelektrische Film (96) aus PbCTiAZrBO&sub3; (wobei A, B und C Zahlen sind, A + B = 1, und 0,5 ≤ A ≤ 0,6, und 0,85 ≤ C ≤ 1,10) besteht.

13. Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der Film (97) mit unterschiedlicher Zusammensetzung aus PbCTiAZrBO&sub3; (wobei A, B und C Zahlen sind, A + B = 1, und A < 0,5 oder 0,6 < A) besteht.

14. Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der Film (97) mit unterschiedlicher Zusammensetzung aus PbCTiAZrBO&sub3; (wobei A, B und C Zahlen sind, A + B = 1, und C < 0,85 oder 1,10 < C) besteht.

15. Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei der piezoelektrische Film (96) Pb(Mg1/3Nb2/3O&sub3;) enthält.

16. Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei der Verdrahtungsbereich (95) in einem Bereich gebildet ist, welcher nicht gegenüber dem Reservoir (21, 22, 23) ist.

17. Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei eine untere Elektrode (92) und ein piezoelektrischer Film (96) auf einer Oberfläche des elastischen Films (82) laminiert sind, und ein Film (111) mit niedriger dielelektrischer Konstante, welcher eine niedrigere dielektrische Konstante aufweist als der piezoelektrische Film (96), und eine obere Elektrode (98) in einem Verdrahtungsbereich (95) laminiert sind, um dem piezoelektrischen Film (96) ein Antriebssignal zuzuführen.

18. Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach Anspruch 17, wobei der Film (111) mit niedriger dielelektrischer Konstante aus einem Oxid eines Metallelements hergestellt ist, welches den piezoelektrischen Film (96) bildet.

19. Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach Anspruch 17 oder 18, wobei der piezoelektrische Film (96) aus PbTiAZrB(Mg1/3Nb2/3)cO3+ePbO besteht (wobei A, B, C und e Zahlen sind, A + 8 + C = 1, 0,35 ≤ A ≤ 0,55, 0,25 ≤ B ≤ 0,55, 0,1 ≤ C ≤ 0,4 und 0 ≤ e ≤ 0,3).

20. Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei der Film (111) mit niedriger dielelektrischer Konstante aus wenigstens einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Bleioxid, Titanoxid und Zirkoniumoxid hergestellt ist.

21. Tintenstrahlaufzeichnungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei eine untere Elektrode (92), ein piezoelektrischer Film (96), ein Verdrahtungsbereich (95), in welchem ein piezoelektrisches Material mit einer Zusammensetzung, welche dieselbe ist wie die Zusammensetzung des piezoelektrischen Filmes (96), und eine obere Elektrode (98), welche durch Ätzen strukturiert ist, auf eine Oberfläche des elastischen Filmes (73; 82) laminiert sind.

22. Tintenstrahlaufzeichnungskopf, umfassend:

eine Düsenplatte (12, 53, 113) mit einer Vielzahl an Düsenöffnungen (10, 11; 52, 143);

ein Strömungswegsubstrat mit einer Vielzahl darin bereitgestellter Druckkammern (3, 4; 24, 25; 64; 100; 130), welche mit den Düsenöffnungen in der Düsenplatte in Verbindung stehen;

einen elastischen Film (43; 61; 73; 82; 138), welcher auf einer Fläche des Substrats gegenüber der Druckkammern ausgebildet ist; und

Mittel zum Verformen des elastischen Films, um Druck auf die Tinte in den Druckkammern auszuüben,

wobei das Substrat ein Einkristallsiliziumsubstrat ist, welches entlang einer (110)-Gitterebene geschnitten ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Druckkammern in einer Reihe angeordnet sind, welche sich entlang einer < 112> -Gitterorientierung oder einer der < 112> -Gitterorientierung äquivalenten Gitterorientierung erstrecken.

23. Verfahren zum Herstellen eines Tintenstrahlaufzeichnungskopfes, umfassend:

einen Schritt des Bildens eines Ätzschutzfilms auf einem Einkristallsiliziumsubstrat, in welchem eine Gitterebene einer Oberfläche die (110)-Gitterebene ist;

einen ersten Strukturierschritt des Entfernes eines Teils des Ätzschutzfilms auf einer Fläche des Einkristallsilizumsubstrats, wodurch eine Vielzahl an Fenstern gebildet wird, von denen jedes einer Druckkammer entspricht;

einen zweiten Strukturierschritt des Ausdünnens des Ätzschutzfilms in einem Bereich gegenüber einem Düsenverbindungsabschnitt und einem Tintenzufuhranschluß;

einen ersten Ätzschritt des Durchführens von anisotropem Ätzen auf dem Einkristallsiliziumsubstrat entsprechend des Fensters, welches in dem ersten Strukturierschritt gebildet ist;

einen zweiten Ätzschritt des Entfernes des Ätzschutzfilmes, welcher in dem zweiten Strukturierschritt ausgedünnt ist; und

Durchführen anisotropen Ätzens;

dadurch gekennzeichnet, daß

die Druckkammern in einer Reihe angeordnet sind, die sich entlang einer < 112> -Gitterorientierung oder einer Gitterorientierung entsprechend der < 112> - Gitterorientierung erstrecken.

24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei der anisotrope Ätzschritt eine Stufe im Zentrum einer Trennwand bildet.