DE69710922T2

DE69710922T2 - Passivierung von tintenstrahldruckköpfen

Info

Publication number: DE69710922T2
Application number: DE69710922T
Authority: DE
Inventors: James Ashe; Andrew Lee; Christopher David Phillips; Stuart Speakman
Original assignee: Xaar Technology Ltd
Current assignee: Xaar Technology Ltd
Priority date: 1996-10-24
Filing date: 1997-10-17
Publication date: 2002-10-10
Anticipated expiration: 2017-10-18
Also published as: EP0951394B1; AU4633797A; GB9622177D0; WO1998017477A1; BR9712371A; CA2268320A1; US6399402B2; DE69735648T2; KR20050070144A; CN1230304C; KR100566577B1; JP2002294455A; DE69735648D1; JP3808786B2; CA2268320C; US20010018223A1; US6232135B1; JP2000503927A; EP1138498A1; DE69710922D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine selektive Passivierung der Kanalwände eines mit Kanälen versehenen Tintenstrahldruckkopf-Bauelements durch die Abscheidung aus der chemischen Dampfphase (CVD) einer passivierenden Beschichtung und gemäß einem anderen Gesichtspunkt ganz allgemein ein Verfahren zur Bearbeitung der Oberfläche eines Bauelements unter Vakuumbedingungen.
Der Schutz einer Oberfläche durch Abscheidung einer passivierenden Schicht (beispielsweise Siliciumnitrid) durch Abscheidung aus der chemischen Dampfphase in einem Vakuum ist aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus J. Applied Physics, 66, Nr. 6, Seiten 2475-2480. Diese Technik wird hauptsächlich bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen eingesetzt, wo eine Beschränkung der Beschichtung auf diejenigen Flächen, wo diese erforderlich ist, durch Verwendung einer fotolithografischen Maske erzielt wird. Wie in der Fig. 1(a) gezeigt ist, verbleibt eine Schicht eines Maskenmaterials 1 auf ausgewählten Stellen auf dem Substrat 2, was gefolgt wird von einem Ablösen von Flächen (durch 3 angedeutet), die in einem vorhergehenden Schritt nicht einer UV-Strahlung ausgesetzt worden sind. Das gesamte Substrat wird dann einem passivierenden Beschichtungsprozess ausgesetzt, wie bei 4 angedeutet. Die Fig. 1(b) zeigt das Substrat 2 nach dem Beschichtungsprozess: Die Passivierung 5 ist auf den Bereichen 3 abgeschieden worden, während jegliche Passivierung, die auf dem Maskenmaterial abgeschieden wurde, durch die Entfernung des Maskenmaterials selbst weggenommen worden ist. Der vorstehende Maskierungsprozess ist aus dem Stand der Technik bekannt und funktioniert bei der Herstellung von Bauelementen auf planaren Silikonwafern gut.
Eine Passivierung von mit Kanälen versehenen Tintenstrahldruckköpfen wird allgemein in EP-A-0 364 136 erörtert. Die Fig. 2(a) ist ein Querschnitt durch einen Druckkopf von der Art, wie er in diesem Dokument offenbart ist, und zwar senkrecht zu der Längsachse der Kanäle aufgenommen: Solche Bauelemente umfassen eine Matrix von Kanälen 12, die in einer Schicht 14 aus piezoelektrischem Material ausgebildet sind, zweckmäßig aus Bleizirkontitanat (PZT), die in ihrer Dickenrichtung gepolt worden ist, wie durch die Pfeile 15 angedeutet. Jeder Kanal wird durch Seitenwände 16, eine Unterseite 18 und eine obere Schicht 20 festgelegt und auf der Oberfläche von jeder Seitenwand ist eine Elektrode 34 ausgebildet.
Wie beispielsweise aus EP-A-0 277 703 bekannt ist, bewirkt ein Anlegen eines elektrischen Feldes über die Elektroden 34, die auf gegenüberliegenden Oberflächen der Seitenwand 16 ausgebildet sind, dass sich das piezoelektrische Material der Seitenwand in einem Schermodus verbiegt, um so den Ausstoß eines Tintentröpfchens aus einer dem Kanal zugeordneten Düse zu bewirken.
Wie in der Fig. 2(b) gezeigt ist, bei der es sich um eine Querschnittsdarstellung entlang der Längsachse eines Kanals handelt, kann eine solche Düse 24 am vorderen Ende von jedem Kanal 12 angeordnet sein, der seinerseits einen vorderen Teil 36 von gleichmäßiger Tiefe, der bis auf etwa die Hälfte der Kanaltiefe beschichtet ist, und einen hinteren Teil 38 von geringerer Tiefe umfasst, der über der Grundfläche und den Wänden vollständig beschichtet ist, um Verbindungs- bzw. Kontaktierungsbahnen auszubilden. Der vordere Teil der Elektroden in dem Kanal legt das vorgenannte verstellende elektrische Feld an, während der hintere Verbindungsbahnteil der Elektroden, beispielsweise mittels Drahtkontaktierung, mit einem Verstellspannungsversorgungsmittel (nicht gezeigt) verbunden ist. Nickel, Nichrom (eine Legierung aus Nickel und Chrom) und Aluminium haben sich als besonders geeignet als Elektrodenmaterialien erwiesen, und zwar auf Grund ihrer hohen Leitfähigkeit und ihrer Eignung zur Drahtkontaktierung.
Eine anschließende Passivierung der Elektroden der Kanalwände eines solchen Druckkopfs ist notwendig, um die Elektroden vor einem Angriff durch die in den Kanälen enthaltene Tinte während des Betriebs des Druckkopfes zu schützen. Insbesondere Aluminium erfordert eine Passivierung, um eine Elektrolyse und eine Bläschenbildung oder eine Korrosion zu unterbinden, die auftreten würden, falls sich die Elektrode in direktem Kontakt mit der Tinte befinden würde. Ein Schutz ist besonders dann wünschenswert, wenn die Tinte auf Wasser basiert oder in anderer Weise elektrisch leitfähig ist.
Die Zusammensetzung der Passivierungsschicht wird so gewählt, um als Elektronen- und/oder Ionen- und/oder Tintenschutz zu dienen, und wird vorzugsweise so ausgelegt, dass diese sich eine Kanalseitenwand hinunter, über die Grundfläche des Kanals, die andere Kanalseitenwand nach oben und über die Oberseite dieser Wand in den benachbarten Kanal erstreckt, um auf diese Weise eine durchgehende Schutzschicht ohne jegliche Kanten zu erzeugen, unter die die Tinte ansonsten sickern könnte. Ein Prozess zur Abscheidung aus der chemischen Dampfphase, der besonders geeignet ist für die Passivierung der "tiefen" Kanäle, die in Fig. 2(a) und (b) gezeigt sind - das heißt von Kanälen mit einem Längenverhältnis (Höhe/Breite) von zumindest 3 : 1 -, ist in WO 95/07820 offenbart.
Man wird verstehen, dass die Verbindungsbahn in dem hinteren Teil 38 des Druckkopfes frei von einer Passivierung gehalten werden muss, damit eine Verbindung (für gewöhnlich eine Drahtverbindung) von der Spur zu einer Treiberschaltung hergestellt werden kann. Die vorgenannten fotolithografischen Maskentechniken, die herkömmlich dann eingesetzt werden, wenn eine Passivierungsschicht mittels Abscheidung aus der chemischen Dampfphase abgeschieden wird, haben sich jedoch als schwierig erwiesen, um in einer solchen Situation verwendet zu werden: Insbesondere ein Aufbringen und Entfernen von Maskenmaterial auf bzw. von den Wänden und der Unterseite des hinteren Teils von jedem Kanal (der typischerweise eine Breite von 60-90 um und eine Tiefe von 20-25 um aufweist) hat sich als komplex und schwierig erwiesen. Diese Probleme sind dort größer, wo nicht nur der hintere Teil 38, sondern auch ein Abschnitt des vorderen Teils 36 des Kanals mit der vollen Tiefe (typischerweise mit einer Breite von 60-90 um und einer typischen Tiefe von 300-400 um) maskiert werden soll, wie dies für Druckkopfkonstruktionen vorgeschlagen wurde, die in der ebenfalls anhängigen internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/GB97/01083 offenbart sind, die dem Anmelder dieser Anmeldung gehört.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Prozess zur selektiven Passivierung der Wände des Kanals eines Tintenstrahldruckkopfes mit tiefen Kanälen, der nicht die Nachteile der konventionellen Techniken teilt und dennoch eine genaue Platzierung der Passivierungsbeschichtung in dem Tintenstrahldruckkopfkanal gewährleistet.
Folglich umfasst die vorliegende Erfindung gemäß einem ersten Gesichtspunkt ein Verfahren zur selektiven Passivierung der Kanalwände eines mit Kanälen versehenen Tintenstrahldruckkopf-Bauelements durch das chemische Aufdampfen bzw. die Abscheidung aus der chemischen Dampfphase einer passivierenden Beschichtung, bei welchem Verfahren das Bauelement in einer Halterung lagegenau zu einer Referenzstelle darin montiert wird, wobei die Halterung Maskierungsmittel zum Abdecken ausgewählter Bereiche des Bauelements aufweist, und bei dem die passivierende Beschichtung auf nicht abgedeckten Abschnitten der Kanalwände abgeschieden wird.
Dank der Maske, die an der Halterung befestigt wird, anstatt dass diese auf dem Bauelement selbst angeordnet wird, ist es möglich, bestimmte Abschnitte der Kanalwände der in dem Bauelement ausgebildeten Kanäle vor einer Passivierung in einer einfachen aber effektiven Weise abzuschirmen. Außerdem wird die Genauigkeit der Maskierung durch eine Referenzstelle auf der Halterung gewährleistet, was es erlaubt, dass das zu passivierende Bauelement relativ zu der Halterung und somit relativ zu der Maske genau positioniert werden kann.
Vorteilhaft sind die Markierungsmittel einstückig mit der Halterung ausgebildet. Die Erfinder haben herausgefunden, dass eine Abscheidung aus der chemischen Dampfphase gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein in einer Erwärmung der Oberfläche der Maske resultiert und dass ein solcher einstückiger Aufbau einen Wärmefluss von der Oberfläche in den Rest der Halterung erleichtert, so dass auf diese Weise jegliche Tendenz verringert wird, dass sich die Maske aus einer Ausrichtung mit dem zu passivierenden Bauelement verbiegen bzw. verwellen könnte.
Vorzugsweise ist eine erste, mit Kanälen versehene Oberfläche des Bauelements nachgiebig bzw. federnd in Anlage zu der Halterung gehalten. Man hat herausgefunden, dass dieses Merkmal insbesondere dann hilfreich ist, wenn das zu bearbeitende Bauelement ein Material - beispielsweise Bleizirkontitanat (PZT) - umfasst, das eine geringere Abmessungstoleranz aufweist als die, die man mit herkömmlichen Materialien erzielen kann, beispielsweise mit Silicium, und dann, wenn eine erhebliche Dickenabweichung über das Bauelement vorliegen kann. In einer solchen Situation würde ein herkömmliches Klemmen von beiden Oberflächen des Bauelements zu einer Variation der Klemmkräfte und zu einer Verwindung des Bauelements führen. Das Anliegen von nur einer Oberfläche des Bauelements an der Halterung vermeidet solche Probleme.
Diejenige Oberfläche des Bauelements, die der ersten, mit Kanälen versehenen Oberfläche des Bauelements gegenüberliegt, erfährt vorteilhaft einen Wärmeaustausch mit einem Fluid. Ein solcher direkter Austausch, ohne die Mitwirkung einer Grundplatte und zugehörigen Wärmesenkenvergussmassen und -unterlagen, ermöglicht eine genauere Temperaturkontrolle des Bauelements.
Eine Membran kann zwischen dem Bauelement und dem Fluid angeordnet sein. Während eine solche Membran hinsichtlich des Wärmeaustausches nur einen geringen Widerstand darbietet, hält diese das Vakuum in der Kammer in dem Falle aufrecht, dass das Bauelement porös ist oder porös wird (beispielsweise durch Rissbildung). Außerdem ist die Membran vorteilhaft an der Halterung angebracht, um so dass Bauelement innerhalb der Halterung zu halten, falls sich dieses nicht in vollständiger Anlage zu der Halterung befindet, was in einer einfacheren Handhabung des Aufbaus resultiert.
Die Auslegung einer Halterung, die an der zu bearbeitenden Seite des Bauelements anliegt und an der eine Membran angebracht ist, um das Bauelement in der Halterung zu halten, ermöglicht es, dass die nicht bearbeitete Seite des Bauelements durch ein Fluid gekühlt (oder sogar geheizt) wird, während gleichzeitig sichergestellt wird, dass für den Fall, dass das Bauelement porös ist oder wird (z. B. durch Rissbildung), kein Fluid in die Vakuumkammer entweichen wird (was das zur Bearbeitung notwendige Vakuum aufbrechen würde). Durch Halterung des Bauelements in der Halterung mittels der Membran wird außerdem ein Aufbau erzeugt, der einfacher zu handhaben ist als das Bauelement alleine oder als ein Bauelement, das locker in der Halterung sitzt.
Die vorgenannte Anordnung ist dann von besonderem Vorteil, wenn das Bauelement einen Teil eines Wafers bildet. Solche Wafer können schwierig zu handhaben sein, insbesondere Wafer aus einem piezoelektrisch aktiven Material und insbesondere aus Bleizirkontitanat (PZT).
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den beigefügten Patentansprüchen, der Beschreibung und den Figuren niedergelegt.
Die Erfindung wird nun in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Zeichnungen beschrieben werden, worin:
Fig. 3(a) eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 3(b) eine Draufsicht entsprechend der Fig. 3(a) ist;
Fig. 3(c) eine Detailansicht bei A in Fig. 3(a) ist;
Fig. 4(a) eine Querschnittsansicht entlang eines Kanals eines Druckkopfes ist, der entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
Fig. 4(b) eine Querschnittsansicht einer Kanalwand des Druckkopfes entlang der Linie C-C gemäß Fig. 4(a) ist;
Fig. 5 eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist.
Bezugnehmend auf die Fig. 3(a) ist ein Wafer 100 aus PZT dargestellt, der in einer Dickenrichtung gepolt (poled) ist. Die Oberseite 180 des Wafers ist mit mehreren Sätzen 210, 220 von parallelen Kanälen in Übereinstimmung zu WO 95/18717 (die im Wege der Bezugnahme Teil dieser Offenbarung ist) ausgebildet, so dass eine noch größere Anzahl von einzelnen Druckköpfen durch Zersägen des Wafers quer zu den Kanälen in einem nachfolgend diskutierten Schritt gebildet werden kann. Elektroden (nicht gezeigt) sind auf den Wänden der Kanäle ausgebildet, wie vorstehend erörtert.
Der Wafer 100 ist auf eine wärmeleitende Unterlage 120 montiert, die mit Silber beschichtetes Silikon umfasst - wie aus dem Stand der Technik bekannt ist - und die ihrerseits auf eine wärmeleitende Platte 130 (beispielsweise aus Kohlefaser oder einem Metall, wie beispielsweise Aluminium) mittels einer dünnen Schicht aus einer Wärmesenkenvergussmasse (nicht gezeigt) montiert ist, die zwischen diese beiden Elementen geschichtet ist. Die Abmessungen der Platte 130 sind so, dass diese in eine herkömmliche Vakuumprozessanlage geklemmt werden kann (ein ringförmiger Klemmring und ein dichtender "O"-Ring sind bei 140 bzw. 150 angedeutet) und ein kühlendes Fluid (für gewöhnlich ein in der Kammer 165 enthaltenes Helium) über die Rückseite der Platte streichen kann, wie bei 160 angedeutet.
Eine Maske 170 liegt an der Oberseite 180 des Wafers an und ist an der Platte 130 mit Mitteln befestigt, die eine genaue Ausrichtung zwischen der Maske und der Platte und somit eine genaue Platzierung der passivierenden Schicht auf dem Wafer gewährleisten. Bei dem gezeigten Beispiel umfassen die Mittel erste und zweite Passstifte 175, die von der Platte 130 vorstehen und zu einer Bohrung und einem Schlitz (nicht gezeigt) in der Maske 170 passen. Der Durchmesser der Bohrung passt zu dem des entsprechenden Passstiftes, um eine genaue Ausrichtung zwischen der Maske und der Platte zu gewährleisten, während der Schlitz, in welchem sich der zweite Passstift befindet, für eine Wärmeausdehnung der Maske während des Passivierungsprozesses bestimmt ist.
Eine Silikonunterlage 120 trägt die Unterseite 190 des Wafers flexibel und gleicht jegliche Dickenvariation des Wafers aus und vermeidet eine Verwindung bzw. Verbiegung des Wafers auf Grund von ungleichen Klemmkräften.
Die Maske kann aus jedem beliebigen vakuum-kompatiblen, wärmeleitenden Material hergestellt sein, einschließlich beispielsweise von Kohlefasermaterialien, Edelstahl und Aluminium. Die Maske in dem Beispiel gemäß Fig. 4(a) umfasst Aluminium mit einer Dicke von etwa 2 mm, wo es den Wafer überdeckt.
Bezugnehmend auf die Fig. 3b bezeichnet das Bezugszeichen 250 Referenzmerkmale (in dem gezeigten Beispiel Passstifte aus Metall), die auf der Platte 130 angebracht sind und in Bezug auf welche der Wafer ausgerichtet wird. Wie in der vorgenannten WO 95/18717 erklärt wird, werden diese Referenzmerkmale und die entsprechenden Stellen (nicht gezeigt) auf dem Wafer in dem vorhergehenden Herstellungsschritt eines Sägens der Kanäle in dem Wafer verwendet und erlauben, dass die in dem Wafer ausgebildeten Kanäle in nachfolgenden Herstellungsschritten richtig positioniert werden. Man wird erkennen, dass die zwei Referenzpassstifte 250, die in der Fig. 3(b) gezeigt sind, relativ zu zwei entsprechenden Stellen auf dem Wafer ausgerichtet sind, so dass das Bauelement relativ zu der Halterung (und somit relativ zu der Maske) in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen genau positioniert werden kann.
In der Fig. 3(b) sind beispielsweise zwei Sätze von Kanälen 210, 220 in dem Wafer ausgebildet worden. In einem nachfolgenden Herstellungsschritt werden diese Sätze von Kanälen entlang der Linien 211 bzw. 221 gesägt, um vier Reihen von Druckköpfen auszubilden, jeder von der in Fig. 3(b) gezeigten Art. Damit der hintere Teil 42 von jeder Reihe dieser Druckköpfe frei von einer Passivierung ist, um eine elektrische Verbindung mit der Elektrodenbeschichtung zu ermöglichen, muss der Wafer nicht nur bei seinen Rändern 230, sondern auch in der Mitte 240 genau maskiert werden.
Man wird erkennen, dass eine genaue Positionierung der Maske relativ zu den Kanälen durch die Ausrichtungsmittel 175 zwischen der Maske 170 und der Platte 130 einerseits und durch die Ausrichtungsmittel 250 zwischen der Platte 130 und dem Wafer 100, die mit den Kanälen ausgebildet sind, andererseits erleichtert wird.
Die Fig. 3(c) zeigt die Einzelheiten der Maske und des Kanals, wie bei A in Fig. 3(a) angedeutet: Wie bereits zuvor erwähnt worden ist, wird eine Passivierung der Wände der Kanäle von Tintenstrahldruckköpfen mit tiefen Kanälen vorzugsweise unter Verwendung eines Prozesses ausgeführt, wie er in WO 95/07820 beschrieben wird, dessen eines Kennzeichen darin besteht, dass die Flugbahn der passivierenden Moleküle von ihrer Quelle zu der Oberfläche des Wafers nichtlinear ist und stattdessen eine Mehrfachstreuung involviert ist.
Als Folge davon ist die Maskenkante vorzugsweise abgeschrägt (typischerweise mit etwa 60º), wie bei 171 angedeutet, um nicht die Flugbahn eines Moleküls zu versperren, das sich unter einem von der Normalen abweichenden Winkel dem Substrat nähert, wie bei 203 gezeigt. Es ist auch von Vorteil, wenn sich die Spitze 173 der Schräge 171 der Maskenöffnung in der Nähe der Oberfläche des Wafers befindet oder diese berührt, um so die Menge an Passivierungsmaterial (das auf der anders orientierten Flugbahn 204 vorliegt) zu minimieren, welches seinen Weg unter die Maske findet, wie bei 205 angedeutet. Diesem letztgenannten Problem kann man zusätzlich dadurch begegnen, dass man, falls dies notwendig ist, die Spitze 173 so ausgestaltet, dass diese - typischerweise in einem Ausmaß, das gleich der Tiefe des Kanals ist - über den Punkt 202 in dem Kanal hinaus vorsteht, wo die Passivierungsschicht gemäß dem Entwurf für das Bauelement enden soll.
Zusätzlich oder als Alternative zu dem vorgenannten können Abschnitte der Kanalwände vor dem Anlegen der Elektroden selektiv passiviert werden. Eine alternative Konstruktion eines Tintenstrahldruckkopfes, auf den eine solche selektive Passivierung angewendet werden kann, ist in der vorgenannten anhängigen PCT-Anmeldung Nr. PCT/GB97/01083 beschrieben. Wie in der Fig. 4(a) dargestellt ist, hat ein solcher Druckkopf einen Abschnitt (N) mit einem Kanal mit voller Tiefe, der auf einer Seite zu einem Tintenversorgungsfenster 27 offen ist (und der deshalb nicht Teil der "aktiven" Länge L des Kanals ist), was von der herkömmlichen Konstruktion gemäß Fig. 2(b) dahingehend abweicht, dass eine Schicht 40 aus passivierendem Material, die eine kleinere Dielektrizitätskonstante aufweist, als die des piezoelektrischen Materials der Kanalseitenwände, zwischen der Elektrode 34 und dem piezoelektrischen Material der Kanalwände angeordnet ist.
Wie aus der Fig. 4(b) ersichtlich sein wird, bei der es sich um eine Querschnittsansicht des Kanalwandabschnittes handelt, wird die resultierende Gesamtkapazität des piezoelektrischen Materials (Kapazität C1), das in Reihe geschaltet ist zwischen zwei passivierende Schichten (Kapazität C2), kleiner sein als die des piezoelektrischen Materials der Wand alleine, weil in erster Näherung die Gesamtkapazität gegeben ist durch 1/Cgesamt = 1/C2 + 2/C1. Als Folge wird die kapazitive Gesamtlast des Druckkopfes reduziert.
Wie man aus der Fig. 4(a) ersehen kann, kann diese Technik auch in dem Bereich C der Verbindungs- bzw. Kontaktierungsbahnen angewendet werden und auch in dem Auslaufbereich R. Man wird erkennen, dass die Vorpassivierungsschicht 40, damit diese wirksam ist, in dem Kanal relativ zu den Elektroden und zu dem Tinteneinlass genau angeordnet sein muss. Dies kann durch Verwendung einer geeigneten Maske gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht werden.
Die Fig. 5 stellt eine weitere Ausführungsform der Erfindung dar, wobei diejenigen Merkmale, die bereits im Zusammenhang mit den Fig. 3(a)-(c) erörtert worden sind, dieselben Bezugszeichen tragen. Der Wafer 100, auf dessen Oberseite I80 Sätze von Kanälen 210, 220 ausgebildet sind, sitzt in einer Tasche 310 in einer integrierten bzw. einstückig ausgebildeten Masken- /Haltestruktur 300, wobei dessen Oberseite 180 an der Struktur 300 zumindest an einigen der Maskenkanten 230 anliegt. Eine gas-undurchlässige Membran 320 erstreckt sich über den Wafer 100 und die Rückseite der Struktur 300 - um auf diese Weise den Wafer in der Tasche 310 zu halten - und erstreckt sich danach zum Rand der Struktur, um mit dem "O"-Ring 150 der herkömmlichen Vakuumprozessanlage abzudichten (die einen ringförmigen Klemmring 140 umfasst) - um so die gesamte Halterung von dem Kühlgas zu isolieren.
Demgemäß kann das kühlende (oder heizende) Gas 160 in der Kammer 165 unter der geklemmten Halterung in herkömmlicher Weise zirkulieren, so dass ein signifikant größerer Wärmeaustausch zwischen dem Wafer 100 und dem Kühlgas 160 über die Membran 320 möglich ist, als über die Wärmesenkenverbindung, die Siliciumunterlage und die Aluminiumplatte gemäß der Anordnung der Fig. 4a, b.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere zur Beschichtung der Wände von Kanälen geeignet, die in einem piezoelektrischen Material ausgebildet sind, mit einer anorganischen Passivierungsschicht gemäß der vorgenannten WO 95/07820. Dieser Prozess beinhaltet, dass die Kerntemperatur des mit Kanälen versehenen Wafers unterhalb von 200ºC gehalten wird, bei der nicht mehr als 30% Depolarisierung des Materials auftreten wird, und dass die Oberfläche der zu passivierenden Kanalwände einem homogenen Dampf des Beschichtungsmaterials ausgesetzt werden, wobei der Dampf während des Transports von seiner Quelle zu der Oberfläche des mit Kanälen versehenen Bauelements eine Mehrfachstreuung erfährt.
Die Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung erlaubt es, dass die Oberfläche des Wafers, auf der die Abscheidung erfolgt, auf einer viel niedrigeren Temperatur (typischerweise 40ºC anstelle von 140ºC) gehalten werden kann, was seinerseits die Verwendung von aktiveren Arten von piezoelektrischen Materialien ermöglicht - insbesondere von PZT-Materialien -, die bei höheren Temperaturen depolarisiert würden. Alternativ kann die Anordnung die Aufrechterhaltung von bestehenden Temperaturwerten bei Passivierungstechniken, die bei höherer Temperatur erfolgen, ermöglichen, beispielsweise die Verwendung einer größeren Mikrowellenleistung oder einer RF-Bestrahlung des Wafers.
Außerdem ist eine solche Anordnung dabei behilflich, eine Temperaturvariation über den Wafer zwischen denjenigen Teilen, die durch die Maske vor einer Abscheidung abgeschattet werden, und denjenigen Teilen, die der Abscheidung voll ausgesetzt sind, zu reduzieren: Ohne eine solche Kühlung können sich Temperaturdifferenzen von der Größenordnung von 60ºC zwischen benachbarten Teilen des Wafers innerhalb von 30 Sekunden aufbauen, was in einer unterschiedlichen Wärmeausdehnung resultiert, die zu einer Rissbildung des Wafers führt.
Die Membran 320 stellt auch sicher, dass für den Fall, dass der Wafer Risse bildet oder das Wafermaterial gasdurchlässig ist, Kühlgas nicht in die Prozesskammer entweichen kann. Vorteilhaft haftet die Membran abnehmbar an der Rückseite der integrierten Struktur 300, um so den Wafer in der integrierten bzw. einstückig ausgebildeten Struktur selbst dann zu halten, wenn letztgenannte aus der Vakuumprozessanlage entnommen wird. Dies erleichtert eine Handhabung insbesondere von zerbrechlichen Wafern und dies ist eine Anordnung, die auf sämtliche Vakuumprozessschritte angewendet werden kann, nicht nur auf eine Passivierung oder eine Abscheidung aus der chemischen Dampfphase. Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere Membranen, die aus einem Polymer - beispielsweise PVC, Polyester, Polyimid - hergestellt sind und eine Dicke von 50-100 um aufweisen, eine ausreichende Stärke und vorteilhafte Wärmeübertragungseigenschaften aufweisen.
Als Alternative zu der Membran 320 kann ein selbstklebendes Band, das aus einem vakuum-kompatiblen, gas-undurchlässigen Material, beispielsweise aus Polyimid, hergestellt ist, dazu verwendet werden, um den Spalt zwischen dem Rand des Wafers 100 und dem Rand der Tasche 310 abzudichten (wie durch die gestrichelte Linien 400 in Fig. 5 angedeutet). Eine solche Anordnung bietet der Wärmeübertragung einen geringfügig kleineren Widerstand als die Membran und schließt mit geringerer Wahrscheinlichkeit Lufttaschen ein, die ansonsten dazu dienen, um die Unterseite des Wafers von der kühlenden Gasströmung zu isolieren, was zu heißen Stellen führt. Das Band kann auch auf die Unterseite des Wafers aufgebracht werden, und zwar in denjenigen Bereichen, die besonders zu einer Rissbildung neigen.
Wie auch bei der ersten Ausführungsform, vermeidet ein Anliegen des Wafers 100 an nur einer Seite eine Verwindung bzw. Verbiegung des Wafers auf Grund von ungleichmäßigen Klemmkräften, die einer ungleichmäßigen Waferdicke zuzuschreiben sind. Der zentrale Abschnitt 240 der Maske 170 gemäß Fig. 5 sorgt auch für eine gewisse Halterung nahe des Zentrums des Wafers 100 im Hinblick auf den Druck, der auf die Unterseite 190 durch die Kühlflüssigkeit 160 ausgeübt wird.
Die einstückige Konstruktion von Maske und Halterung gemäß Fig. 5 erleichtert den Wärmetransfer von der Oberfläche der Maske zu der Grundfläche der Halterung und folglich zu dem Kühlgas noch weiter. Wie auch bei der vorhergehenden Ausführungsform, können in der Struktur Referenzpunkte vorgesehen sein - in dem gezeigten Beispiel sind dies Passstifte, die an den Rändern der Tasche 310 angeordnet sind -, gegen die der Wafer ausgerichtet werden kann, um auf diese Weise eine genaue Ausrichtung zwischen dem Wafer und der darüber liegenden Maske zu gewährleisten.
Die Höhe der Kanalelektroden kann beispielsweise im Hinblick auf einen minimalen Leistungsbedarf (in etwa proportional zu dem Produkt der Kapazität und dem Quadrat der Betriebsspannung) optimiert werden, anstatt im Hinblick auf eine minimale Betriebsspannung. Dies wird in Elektroden resultieren, die sich nur über ein Drittel des Wegs die Kanalwände hinunter erstrecken, anstatt über die Hälfte des Wegs nach unten, wie bei der vorgenannten EP-A-0 364 136.
Die obere Schicht, die die nach oben offenen Kanäle abschließt, wird typischerweise aus einem ähnlichen piezoelektrischen Material wie dem der Schicht hergestellt sein, in der die Kanäle ausgebildet sind, um eine thermische Anpassung zu gewährleisten.
Obwohl EP-A-0 364 136 vorschlagen würde, dass die Schicht nicht gepolt bzw. polarisiert ist, um eine Verwindung auf Grund von elektrischen Streufeldern zu vermeiden, hat sich herausgestellt, dass die Verwendung von gepoltem Material einen signifikanten Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Druckkopfes im praktischen Einsatz hat und den Vorteil eines reduzierten Lagerbestands von einem einzigen Typ von (gepoltem) piezoelektrischem Material bietet.
Nach der Montage der oberen Schicht können die einzelnen Kanäle durch Messen der Kapazität zwischen den zwei Elektroden getestet werden, die sich auf jeder Seite der Wand befinden. Alternativ kann das Resonanzverhalten der Wände entsprechend EP-A-0 376 606 gemessen werden. Beide Techniken können automatisiert mit einer Hilfe eine Vorrichtung ausgeführt werden, die Prüfspitzen hat, die auf Verbindungsbahnen der zwei Elektroden, die eine Wand begrenzen, aufsetzen, um eine Messung vorzunehmen, und die dann zum nächsten Kanal hin weiter verschoben werden.
Die Düsenplatte, in der die Kanaldüsen ausgebildet sind, kann gemäß WO 95/11131 an dem Druckkopf angebracht werden, vorteilhaft unter Verwendung eines wärmeschmelzenden Klebstoffes, so dass die Düsenplatte wieder entfernt werden kann, falls sich der nachfolgende Düsenbildungsprozess als nicht erfolgreich erweisen sollte. Geeignete Klebstoffe werden von der Art der zu verwendenden Tinte abhängen und können Paragon HM240/12, HM260/12 und HM 31/12; Borden HM617, 3M 3748Q und 3764Q; Prodag 873, 697, 984 und Bostik HM 5649 einschließen.
Die Düsenplatte kann auch, beispielsweise durch Ablation bzw. Abtragen, geformt werden, bevor sie befestigt wird, so dass sie in der Dicke zwischen 40-50 um nahe dem Zentrum der Kanalmatrix bis zu 1-20 um an den Seiten der Kanalmatrix variiert. Dies ermöglicht es, dass eine dickere Klebschicht an den Seiten der Kanalmatrix gebildet werden kann, was die Düsenplatte widerstandsfähiger gegen Scherspannungen und ein Abblättern hervorrufende Spannungen macht, insbesondere in der Kanalmatrixrichtung.
Die Düsenbildung wird vorteilhaft nach der Befestigung der Düsenplatte unter Verwendung der in WO 93/159111 beschriebenen Techniken ausgeführt. Gemäß WO 96/08375 kann ein Schutzband auf die nicht benetzte Beschichtung der Düsenplatte unter Verwendung von druckempfindlichen Klebstoffen aufgebracht werden, beispielsweise mittels Datac P7085, Swift K9250 und DPAC 4427.

Claims

1. Verfahren zur selektiven Passivierung der Kanalwände eines mit Kanälen (210, 220) versehenen Tintenstrahldruckkopf-Bauelements (100) durch das chemische Aufdampfen einer passivierenden Beschichtung, bei welchem Verfahren das Bauelement (100) in eine Halterung (120, 130) lagegenau zu einer Referenzstelle (250) darin montiert wird, wobei die Halterung Maskierungsmittel (170) zum Abdecken ausgewählter Bereiche des Bauelements aufweist, und bei dem die passivierende Beschichtung auf nicht abgedeckten Abschnitten der Kanalwände abgeschieden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Maskierungsmittel (170) an einer ortsfesten Stelle auf der Halterung (130) gehalten werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Maskierungsmittel (170) einstückig mit der Halterung (130) ausgebildet sind.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bauelement (100) mindestens eine Referenzoberfläche zur Ausrichtung mit der Referenzstelle (250) auf der Halterung aufweist, wobei die Kanäle (210, 220) des Bauelements (100) lagegenau zu der wenigstens einen Referenzoberfläche ausgebildet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Bauelement zwei Referenzoberflächen aufweist, um so eine Ausrichtung des Bauelements in Bezug auf die Halterung in zwei zueinander senkrechten Richtungen zu ermöglichen.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine erste, mit Kanälen versehene Oberfläche (180) des Bauelements (100) in Anlage zu der Halterung (170) gehalten wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die erste, mit Kanälen versehene Oberfläche (180) nachgiebig bzw. federnd in Anlage zu der Halterung gehalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem eine erste, mit Kanälen versehene Oberfläche (180) des Bauelements (100) in Anlage zu einem Maskierungsrand der Maskierungsmittel (170) gehalten wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Oberfläche des Bauelements (100), die einer ersten, mit Kanälen versehenen Oberfläche (180) des Bauelements (100) gegenüberliegt, einem Wärmeaustausch mit einem Fluid (160) unterzogen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Fluid (160) in direktem Kontakt zu dem Bauelement (100) steht.

11. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem eine Membran (320) zwischen dem Bauelement (100) und dem Fluid (160) angeordnet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Membran (320) das Bauelement (100) von dem Fluid (160) isoliert.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem die Membran (320) an der Halterung (300) befestigt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Membran (320) die Halterung (300) von dem Fluid (160) isoliert.

15. Verfahren nach Anspruch 13, wenn dieser von Anspruch 6 abhängt, bei dem die Membran (320) dazu dient, um das Bauelement (100) in Anlage zu der Halterung (300) zu halten.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Maskierungsrand (171) der Maskierungsmittel (170) auf derjenigen Seite der Maskierungsmittel abgeschrägt ist, die einer ersten, mit Kanälen versehenen Oberfläche des Bauelements abgewandt ist.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Maskierungsmittel (171) der Maskierungsmittel (170) eine erste, mit Kanälen versehene Oberfläche des Bauelements im wesentlichen berührt.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Maskierungsmittel (170) eine Anzahl von Öffnungen aufweist.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Halterung (300) vor der Abscheidung der passivierenden Beschichtung in einer Vakuumkammer angeordnet wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die Halterung (300) in der Vakuumkammer festgeklemmt (140, 150) wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem das Bauelement die Form eines Wafers (100) annimmt.

22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem eine Mehrzahl von Bauelementen (210, 220) in einem Wafer (100) enthalten sind, wobei deren jeweilige Oberflächen gleichzeitig vakuum- behandelt werden.

23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kanäle (210, 220) des mit Kanälen versehenen Tintenstrahldruckkopf-Bauelements eine Breite im Bereich von 60 bis 90 um aufweisen.

24. Verfahren nach Anspruch 23, bei dem die Kanäle (210, 220) eine Tiefe von mehr als 20 um aufweisen.

25. Verfahren nach Anspruch 24, bei dem die Kanäle (210, 220) eine Tiefe von mehr als 300 um aufweisen.