DE69733972T2

DE69733972T2 - Struktur zum Bewirken einer Haftung zwischen dem Substrat und der Tintensperre in einem Tintenstrahldruckkopf

Info

Publication number: DE69733972T2
Application number: DE69733972T
Authority: DE
Inventors: Domingo A. Figueredo; Gregory T. Hindman; Brian J. Keefe; Ali Duchess Crest Emamjomeh; Roger J. Corvallis Kolodziej; Grant Allen Webster; Terri I. Chapman
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1997-03-04
Filing date: 1997-11-28
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2017-11-29
Also published as: US6155674A; EP0863005A1; EP1125746A1; JPH10264401A; EP1125746B1; DE69714210D1; DE69733972D1; DE69714210T2; EP0863005B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Tintenstrahldrucken und insbesondere Dünnschicht-Tintenstrahldruckköpfe für Tintenstrahlpatronen sowie Herstellungsverfahren für solche Druckköpfe.
Die Technik des Tintenstrahldruckens ist relativ weit entwickelt. Kommerzielle Produkte wie Computerdrucker, Grafikplotter und Faxgeräte wurden mit Tintenstrahltechnologie zum Erstellen von gedruckten Medien realisiert. Die Beiträge der Hewlett-Packard Company zur Tintenstrahltechnologie sind beispielsweise in verschiedenen Artikeln im Hewlett-Packard Journal, Vol. 36, Nr. 5 (Mai 1985); Vol. 39, Nr. 5 (Oktober 1988); Vol. 43, Nr. 4 (August 1992); Vol. 43, Nr. 6 (Dezember 1992) und Vol. 45, Nr. 1 (Februar 1994) beschrieben.
Generell wird eine Tintenstrahl-Darstellung entsprechend einer präzisen Plazierung von Tintentropfen, die durch eine als Tintenstrahldruckkopf bekannte, Tintentropfen erzeugende Vorrichtung ausgestoßen werden, auf einem Druckmedium gebildet. Typischerweise wird ein Tintenstrahldruckkopf auf einem beweglichen Wagen, der sich über die Oberfläche des Druckmediums bewegt, getragen und gesteuert, Tintenstrahlen zu Zeitpunkten gemäß eines Befehls eines Mikrocomputers oder anderen Steuergerätes auszustoßen, wobei beabsichtigt ist, daß das Timing des Aufbringens der Tintentropfen einem Pixelmuster eines zu druckenden Bildes entspricht.
Ein typischer Tintenstrahldruckkopf von Hewlett-Packard umfaßt eine Feldanordnung von präzise geformten Düsen in einer Düsenplatte, die an einer Tintensperrschicht angebracht ist, die wiederum an einer Dünnschicht-Unterstruktur befestigt ist, die Heizwiderstände zum Abfeuern von Tinte und Vorrichtungen zur Ansteuerung der Widerstände realisiert. Die Tintensperrschicht definiert Tintenkanäle und über den zugehörigen Heizwiderständen zum Abfeuern von Tinte vorgesehene Tintenkammern, wobei die Düsen der Düsenplatte mit den zuge hörigen Tintenkammern verbunden sind. Bereiche zum Erzeugen von Tintentropfen werden durch die Tintenkammern und Abschnitte der Dünnschicht-Unterstruktur der Düsenplatten gebildet, die an die Tintenkammern angrenzen.
Die Dünnschicht-Unterstruktur umfaßt typischerweise ein Substrat wie Silizium, auf dem verschiedene Dünnfilmschichten ausgebildet sind, die Dünnschicht-Heizwiderstände, Vorrichtungen zum Ansteuern dieser Widerstände und ferner Verbindungen zu Haftpads bzw. Bonding-Pads ausgestalten, die für elektrische Verbindungen zum Druckkopf vorgesehen sind. Die Dünnfilm-Unterstruktur umfaßt insbesondere eine obere Dünnschichtlage aus Tantal, die auf den Widerständen als thermomechanische Passivierungsschicht aufgebracht ist.
Die Tintensperrschicht ist typischerweise ein Polymermaterial, das als trockener Film auf die Dünnschicht-Unterstruktur aufgetragen ist und dafür ausgelegt ist, durch Licht definierbar und sowohl durch UV-Strahlung als auch durch Wärmestrahlung aushärtbar zu sein.
Ein Beispiel einer körperlichen Anordnung der Düsenplatte, Tintensperrschicht und Dünnschicht-Unterstruktur ist im oben zitierten Hewlett-Packard Journal vom Februar 1994 auf Seite 44 dargestellt. Weitere Beispiele von Tintenstrahldruckköpfen sind in den in diesem Zusammenhang üblicherweise genannten US-Patenten U.S. 4,719,477 und U.S. 5,317,346 angegeben.
Überlegungen zu der oben beschriebenen Tintenstrahldruckkopfarchitektur betreffen das Ablösen der Düsenplatte von der Tintensperrschicht und das Ablösen der Tintensperrschicht von der Dünnschicht-Unterstruktur. Ablösungen treten hauptsächlich wegen Feuchtigkeit in der Umgebung sowie auch der Tinte wegen auf, die in kontinuierlichem Kontakt mit den Kanten der Grenzfläche von Dünnschicht-Unterstruktur/Sperrschicht und der Grenzfläche Sperrschicht/Düsenplatte in den Bereichen der Tropfenerzeugung ist.
Es wurde festgestellt, daß Tantalschichten zur thermomechanischen Passivierung die zusätzliche Wirkung haben, die Anhaftung an der Tintensperrschicht zu verbessern. Während sich jedoch erwiesen hat, daß die Sperrschichthaftung an Tantal für Druckköpfe, die in eine Einweg-Tintenstrahlpatrone eingearbeitet sind, ausreichend ist, ist die Schichtanhaftung an Tantal nicht robust genug für semi-permanente Tintenstrahldruckköpfe, die nicht so häufig ersetzt werden. Zudem führten neue Entwicklungen im Bereich der Tintenchemie zu Rezepturen, welche die Grenzfläche zwischen der Dünnschicht-Unterstruktur und der Sperrschicht sowie die Grenzfläche zwischen Sperrschicht und Düsenplatte noch aggressiver ablösen.
Insbesondere gelangt aufgrund des Eindringens durch die Masse der Sperrschicht, aufgrund des Eindringens entlang der Sperrschicht, und im Falle einer Düsenplatte aus Polymer aufgrund des Eindringens durch die Masse der Düsenplatte Wasser der Tinte in die Grenzfläche zwischen Dünnschicht-Unterstruktur und Sperrschicht sowie in die Grenzfläche zwischen Sperrschicht und Düsenplatte, wodurch an den Grenzflächen durch chemischer Mechanismen, wie Hydrolyse, Ablösungen auftreten.
Tantal als Verbindungsoberfläche führt zu der Schwierigkeit, daß die Tantalschicht aus reinem Tantal besteht, wenn sie in einer Sputter-Anlage erzeugt wurde, sich aber eine Tantaloxidschicht bildet, sobald die Tantalschicht einer Atmosphäre mit Sauerstoff ausgesetzt wird. Die chemische Bindung zwischen einem Oxid und einem Polymerfilm neigt leicht dazu, sich durch Wasser zu verschlechtern, da das Wasser eine Wasserstoffverbindung mit dem Oxid eingeht, das mit der ursprünglichen Verbindung zwischen Polymer und Oxid konkurriert und diese ersetzt, und daher Tintenrezepturen, insbesondere aggressivere Rezepturen, die Haftung zwischen einem Metalloxid und einer Polymersperrschicht lösen.
Die Druckschrift EP 475 235 A1 offenbart einen thermischen Tintenstrahldruckkopf mit einem Substrat, auf dem eine thermische Sperrschicht oder Kapazitätsschicht angeordnet ist, und das ferner eine Widerstandsschicht umfaßt, welche Tantal-Aluminium umfaßt, das auf der thermischen Sperrschicht ausgebildet ist und sich über Bereiche erstreckt, die unterhalb der Tintenabfeuerungs-Düsenstrukturen angeordnet sind. Über die Widerstandsschicht wird eine Metallisierungsschicht angeordnet, und eine erste Passivierungsschicht mit Siliziumcarbid und Siliziumnitrit wird über die Metallisierungsschicht angeordnet, wobei eine zweite Passivierungsschicht mit Tantal über der ersten Passivierungsschicht in Bereichen angeordnet wird, in denen die Tintenstrahlwiderstände und energiesteuernden Widerstände überdeckt sind, und die ferner die erste Passivierungsschicht an Kanten des Substrats überdeckt.
Die Druckschrift EP 0 317 171 A2 offenbart einen thermischen Tintenstrahldruckkopf mit einem Silizium- oder Glassubstrat, das als Ausgangsmaterial für das Dünnfilm-Widerstandssubstrat verwendet wird, welches behandelt wird, um eine Oberflächenschicht eines Widerstands-Heizmaterials zu empfangen, beispielsweise Tantal-Aluminium. Die Wi derstands-Heizschicht ist wiederum eingerichtet, eine Schicht Leiterbahnmaterials, beispielsweise Aluminium oder Gold, zu empfangen. Die Leiterbahnschicht wird mittels üblicher photolithographischer Maskierungs- und Ätzprozesse ausgestaltet. Nachdem diese Struktur vervollständigt ist, wird eine Widerstands-Heizsperrschicht vorgesehen, die aus einer Kombination einer anfänglichen Dünnschicht aus Siliziumnitrid besteht, um die darunterliegenden Heizwiderstände und das Leiterbahnmaterial zu isolieren, auf der wiederum eine äußere Siliziumcarbid-Schicht ausgebildet wird, indem Nitrid- und Carbid-Abscheidungstechniken verwendet werden.
ABRISS DER ERFINDUNG
Es wäre daher vorteilhaft, einen verbesserten Tintenstrahldruckkopf vorzusehen, der die Ablösung der Grenzfläche zwischen der Dünnschicht-Unterstruktur und der Tintensperrschicht verringert.
Es wäre ferner vorteilhaft, einen verbesserten Tintenstrahldruckkopf vorzusehen, der die Ablösung der Schnittstelle zwischen Tintensperrschicht und der Düsenplatte verringert.
Ein weiterer Vorteil würde darin bestehen, in einem Tintenstrahldruckkopf eine Verbindungsoberfläche vorzusehen, die Verbindungsstellen vorsieht, mit denen eine Polymer-Sperrschicht eine stabile chemische Haftung eingehen kann.
Die oben genannten und weiteren Vorteile werden durch die Erfindung mittels eines Tintenstrahldruckkopfs gemäß Anspruch 1 vorgesehen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Vorteile und Merkmale der offenbarten Erfindung werden für den Fachmann anhand der folgenden detaillierten Beschreibung leicht verständlich sein, wenn sie in Verbindung mit den Zeichnungen gelesen wird.
Es zeigen:
1 eine schematische, teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines Tintenstrahldruckkopfes gemäß der Erfindung;
2 eine nicht maßstäbliche Draufsicht der Gesamtanordnung einer Dünnschicht-Unterstruktur des Tintenstrahldruckkopfes nach 1;
3 eine nicht maßstäbliche Draufsicht, welche die Konfigurierung einer Vielzahl von typischen Heizwiderständen, Tintenkammern und zugehörigen Tintenkanälen zeigt;
4 eine nicht maßstäbliche Querschnittsansicht seitlich durch einen typischen Bereich zur Tintentropfenerzeugung eines Tintenstrahldruckkopfes nach 1 und zeigt eine Ausführungsform des Druckkopfes nach 1;
5 eine nicht maßstäbliche Querschnittansicht eines Tintenstrahldruckkopfes nach 1 seitlich durch einen typischen Bereich zur Tintentropfenerzeugung gemäß einer weiteren Ausführung des Druckkopfes nach 1;
6 eine nicht maßstäbliche Querschnittdarstellung durch den Tintenstrahldruckkopf nach 1 seitlich durch einen typischen Bereich zur Tintenstrahlerzeugung gemäß einer Ausführung des Druckkopfes nach 1, die der Ausführung nach 4 ähnelt und eine zusätzliche Haft-Promoterschicht aufweist;
7 eine nicht maßstäbliche Querschnittansicht seitlich durch einen typischen Bereich zur Tintentropfenerzeugung des Tintenstrahldruckkopfes nach 1 gemäß einer Ausführung des Druckkopfes nach 1, die der Ausführung nach 5 ähnelt und eine zusätzliche Haft-Promoterschicht aufweist;
8 eine nicht maßstäbliche Querschnittansicht eines Druckkopfes nach 1, der die Verbindung von Carbid und Haft-Promoter der Düsenplatte zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
In der folgenden detaillierten Beschreibung und in den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche Elemente durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
In 1 ist in einer nicht maßstäblichen schematischen perspektivischen Ansicht ein Tintenstrahldruckkopf gezeigt, bei welchem die Erfindung verwirklicht sein kann und der hauptsächlich aufweist: (a) eine Dünnschicht-Unterstruktur oder -Platte 11, die ein Substrat, z.B. Siliziumsubstrat mit verschiedenen, darauf geformten Dünnfilm-Schichten umfaßt, (b) eine auf der Dünnfilm-Unterstruktur 11 angeordnete Tintensperrschicht und (c) eine Düsenplatte 13, die mit der Oberseite der Tintensperrschicht 12 über eine Carbid-Haftschicht 14 verbunden ist.
Die Dünnschicht-Unterstruktur 11 ist gemäß konventionellen Techniken für integrierte Schaltkreise gebildet und umfaßt darin ausgebildete Dünnschicht-Heizwiderstände 56. Als veranschaulichendes Beispiel sind die Dünnschicht-Heizwiderstände 56 in Reihenanordnung entlang der Längskanten der Dünnschicht-Unterstruktur vorgesehen.
Die Tintensperrschicht 12 ist durch einen trockenen Film ausgebildet, der mittels Hitze und Druck auf die Dünnschicht-Unterstruktur 11 laminiert ist und durch Licht definierbar ist, um darin Tintenkammern 19 und Tintenkanäle 29 auszubilden, die über Widerstandsbereichen angeordnet sind, welche auf einer Seite einer etwa zentral angeordneten Goldschicht 62 (2) auf der Dünnschicht-Unterstruktur 11 angeordnet sind. An den Enden der Dünnschicht-Unterstruktur sind Gold-Kontaktstellen 71 zur externen elektrischen Verbindung angebracht, die nicht von der Tintensperrschicht 12 bedeckt sind. Wie hier im weiteren anhand der 2 erläutert, umfaßt die Dünnschicht-Unterstruktur 11 eine strukturierte Goldschicht 62, die etwain der Mitte zwischen den Reihen der Heizwiderstände angeordnet ist, und die Tintensperrschicht 12 bedeckt den größten Teil der strukturierten Goldschicht 62 sowie die Bereiche zwischen den benachbarten Heizwiderständen 56. Als veranschaulichendes Beispiel umfaßt das Sperrschicht-Material einen trockenen Fotorpolymerfilm wie den Trocken-Fotorpolymerfilm der Marke "Parad", beziehbar von E.I. duPont de Nemours and Company of Wilmington, Delaware. Ähnliche Trockenfilme beinhalten andere duPont-Produkte wie den Trockenfilm der Marke "Riston" und Trockenfilme von anderen Anbietern chemischer Produkte. Die Düsenplatte 13 umfaßt beispielsweise ein ebenes Substrat eines Polymermaterials, in dem die Düsen durch Laserabtragung ausgebildet sind, wie beispielsweise in U.S. Patent 5,469,199 offenbart ist. Die Düsenplatte kann auch Metallbeschichtungen wie Nickel umfassen.
Die Tintenkammern 19 in der Tintensperrschicht 12 sind oberhalb der entsprechenden Widerstände zum Abfeuern von Tinte 56 angeordnet, und jede Tintenkammer 19 ist durch die Kante einer in der Sperrschicht 12 gebildeten Kammeröffnung ausgebildet bzw. definiert. Die Tintenkanäle 29 sind durch weitere, in der Sperrschicht 12 ausgebildete Öffnungen festgelegt und mit den entsprechenden Kammern zum Abfeuern von Tinte einteilig verbunden. Als veranschaulichendes Beispiel zeigt 1 eine Konfiguration zur Speisung über den äußeren Rand, wobei sich die Tintenkanäle 29 zu einem äußeren Rand hin öffnen, der von der äußeren Um randung der Dünnschicht-Unterstruktur 11 gebildet ist und Tinte äußeren Ränder der Dünnschicht-Unterstruktur zu den Tintenkanälen 29 und den Tintenkammern 19 gespeist wird, wie es insbesondere in dem U.S. Patent 5,278,584 offenbart ist. Die Erfindung kann ebenfalls bei einem Tintenstrahldruckkopf realisiert sein, der über einen inneren Rand gespeist wird, wie im U.S. Patent 5,317,346 offenbart, indem die Tintenkanäle sich zu einem Rand hin öffnen, der durch einen Schlitz in der Mitte der Dünnschicht-Unterstruktur gebildet ist.
Die Düsenplatte 13 hat Düsen 21, die oberhalb der entsprechenden Tintenkammer 19 angebracht sind, so daß ein Widerstand zum Abfeuern von Tinte 56, eine zugehörige Tintenkammer 19 und eine zugehörige Düse 21 miteinander verbunden sind. Ein Bereich zur Erzeugung von Tintentropfen ist durch jede Tintenkammer 19, Teile der Dünnschicht-Unterstruktur 11 und der Düsenplatte 13 gebildet, die zur Tintenkammer 19 benachbart sind.
In 2 ist eine nicht maßstabsgetreue Draufsicht der Gesamtanordnung der Dünnschicht-Unterstruktur 11 gezeigt. Die Widerstände zum Abfeuern von Tinte 56 sind durch Widerstandsbereiche gebildet, die zu den Längsrändern der Dünnschicht-Unterstruktur 11 benachbart sind. Eine strukturierte Goldschicht 62, die Leiterbahnen aus Gold umfaßt, bildet die oberste Schicht der Dünnschichtstruktur in dem Bereich einer Goldschicht 162, die in der Mitte der Dünnschicht-Unterstruktur 11 zwischen den Widerstandsbereichen angeordnet ist und sich zwischen den Enden der Dünnschicht-Unterstruktur 11 ausdehnt. Kontaktstellen 71 zur Verbindung nach außen sind in der strukturierten Goldschicht 62 ausgebildet, z.B. angrenzend an den Enden der Dünnschicht-Unterstruktur 11. Die Tintentsperrschicht 12 ist derart ausgebildet, daß sie die gesamte strukturierte Goldschicht 62 bis auf die Kontaktstellen 71 und ebenfalls die Bereiche zwischen den entsprechenden Öffnungen, die die Tintenkammern und die zugehörigen Tintenkanäle bilden, bedeckt. Abhängig von der Ausführungsform können eine oder mehrere Dünnschichtlagen über der strukturierten Goldschicht 62 angeordnet sein.
In 3 ist eine nicht maßstabsgetreue Draufsicht dargestellt, die die Anordnung mehrerer typischer Heizwiderstände 56, Tintenkammern 19 und zugehörigen Tintenkanäle 29 zeigt. Wie in 4 gezeigt, haben die Heizwiderstände 56 die Form eines Polygons (z.B. rechteckig) und sind mindestens an. zwei Seiten durch die Wand einer Tintenkammer 19 begrenzt, die beispielsweise mehrseitig sein kann. Die Tintenkanäle 29 erstrecken sich von der zugehörigen Tintenkammer 19 weg und können in einigem Abstand von der Tintenkammer 19 brei ter werden. Insofern, als benachbarte Tintenkanäle 29 sich im allgemeinen in die gleiche Richtung erstrecken, bilden daher diejenigen Abschnitte der Tintensperrschicht 12, welche die Öffnungen formen, die die Tintenkammer 19 und die Tintenkanäle 29 bilden, eine Reihe von Sperrschichtspitzen 12a, die sich in Richtung eines benachbarten Speiserandes der Dünnschicht-Unterstruktur 11 von einem zentralen, die strukturierte Goldschicht 62 bedeckenden Teil der Sperrschicht 12 aus erstrecken und sich auf der Seite der Heizwiderstände 56 befinden, abgewandt von dem benachbarten Speiserand. Mit anderen Worten sind die Tintenkammer 19 und die zugehörigen Tintenkanäle 29 durch eine Reihe von nebeneinander angeordneten Sperrschichtspitzen 12a gebildet, die sich von einem zentralen Teil der Tintensperrschicht 12 in Richtung eines Speiserandes der Dünnschicht-Unterstruktur 11 hin erstrecken.
Die Dünnschicht-Unterstruktur 11 schließt eine strukturierte Tantalschicht 61 (4) mit Inseln in der Tantalschicht oder mit Unterbereichen 61a ein, die die oberste Dünnfilmschicht über den Heizwiderständen 56 darstellen. Die Tantal-Unterbereiche 61a befinden sich zwischen den entsprechenden Tintenkammern 19 und den Teilen des Tintenkanals 19, der zu den zugehörigen Tintenkammern 29 benachbart ist, so daß sie sich zumindest in den Bereichen befinden, in denen die Tintenblasen kollabieren.
Gemäß der Erfindung umfaßt die Dünnschicht-Unterstruktur 11 eine Silizium-Carbid-Schicht mit verbessertem Kontakt zu der Tintensperrschicht nächst den Tintenkammern und Tintenkanälen und bildet einen Silizium-Carbid-Polymerverbund mit der Polymer-Tintensperrschicht 12 aus. Idealerweise ist im wesentlichen die gesamte Sperrschicht, die sich in der Nachbarschaft der Tintenkammern und der Tintenkanäle befindet, in Kontakt mit dem Siliziumcarbid. Ferner umfaßt gemäß der Erfindung die Dünnschicht-Unterstruktur 11 eine Silizium-Carbid-Schicht mit verbessertem Kontakt zu der Tintensperrschicht in der Nähe der Tintenkammer und erstreckt sich über den größten Teil der strukturierten Goldschicht. Entsprechend eines weiteren Aspektes der Erfindung ist eine Silizium-Carbid-Schicht 14 (1) zwischen der Tintensperrschicht 12 und der Düsenplatte 13 eingefügt.
Es wurde empirisch festgestellt, daß die Beschichtung einer Grenzfläche zwischen der Tintensperrschicht 12 und einer Silizium-Carbid-Schicht durch Druck und Hitze einen robusten Haftverbund zwischen der Polymer-Tintensperrschicht und dem Silizium-Carbid bietet. Eine Dünnschicht-Haft-Promoterschicht kann optional zwischen der Tintensperrschicht und der Siliziumcarbidschicht aufgebracht werden. Daher konzentriert sich die Erfindung allgemein auf die Grenzfläche zwischen einer Polymer-Tintensperrschicht und einer Siliziumcarbidschicht entweder ohne eine zwischenliegende Dünnfilmschicht oder mit einer zwischenliegenden Haft-Promoterschicht. Wie auch bei der Grenzfläche zwischen der Dünnschicht-Unterstruktur 11 und der Tintensperrschicht 12, wird die Grenzfläche zwischen Tintensperrschicht und der Siliziumcarbidschicht in der Nähe der Tintenkammern und der Tintenkanäle so groß wie möglich ausgeführt, wobei Prozeßbeschränkungen und das Erfordernis zu beachten sind, ungeschützte Tantalränder in den Tintenkammern, die schädliche Vorab-Blasenbildung erzeugen würden, zu vermeiden. Beispielsweise erstreckt sich die Siliziumcarbid-Sperr-Grenzfläche von zumindest dem Goldschichtbereich zu den Enden der Sperrschichtspitzen 12a. Wie auch die Grenzfläche zwischen der Düsenplatte 13 und der Tintensperrschicht 12, erstreckt sich eine solche Grenzfläche über im wesentlichen die gesamte obere Fläche der Tintensperrschicht 12.
In 4 ist ein nicht maßstäblicher schematischer Querschnitt des Tintenstrahldruckkopfes nach 1 durch einen typischen Bereich der Tintentropfenerzeugung und durch einen Teil des zentral angeordneten Goldschichtbereichs 162 dargestellt und zeigt eine spezielle Ausführung der Dünnschicht-Unterstruktur 11. Die Dünnschicht-Unterstruktur 11 eines Tintenstrahldruckkopfes nach 4 umfaßt insbesondere ein Siliziumsubstrat 51, eine über dem Siliziumsubstrat 51 liegende Feld-Oxidschicht 53 und eine strukturierte, phosphor-dotierte Oxidschicht 54, die über der Feld-Oxidschicht 53 liegt. Eine Widerstandsschicht 55 aus Tantal-Aluminium ist auf der Phosphor-Oxidschicht 54 ausgebildet und erstreckt sich über Gebiete, in denen Dünnschichtwiderstände einschließlich der Heizwiderstände zum Abfeuern von Tinte 56 neben der Tintenkammer 19 ausgebildet sind. Eine strukturierte Metallisierungsschicht 57, die beispielsweise Aluminium, dotiert mit einem kleinen Anteil von Kupfer und/oder Silizium umfaßt, ist oberhalb der Widerstandsschicht 55 angeordnet.
Die Metallisierungsschicht 57 umfaßt metallisierte Leiterbahnen, die durch geeignetes Maskieren und Ätzen gebildet sind. Das Maskieren und Ätzen der Metallisierungsschicht 57 definiert auch die Widerstandsbereiche. Insbesondere sind die Widerstandsschicht 57 und die Metallisierungsschicht 55 etwa aufeinander ausgerichtet mit Ausnahme der in der Metallisierungsschicht 57 liegenden Teile der Leiterbahnen, die in den Gebieten, in denen die Widerstände ausgebildet sind, entfernt sind. Auf diese Weise umfaßt der Leitungspfad an einer in der Metallisierungsschicht liegenden Leiterbahnlücke einen Teil der Widerstandsschicht 55, die an einer Öffnung oder Lücke im Leitungspfad liegt. Mit anderen Worten ist ein Widerstandsbereich dadurch festgelegt, daß erste und zweite metallische Leiterbahnen bereitgestellt sind, die an verschiedenen Stellen des Umfangs des Widerstandsbereiches enden. Die ersten und zweiten Leiterbahnen umfassen den Anschluß oder die Anschlußleitungen des Widerstandes, die einen Abschnitt der Widerstandsschicht wirksam einbeziehen, der sich zwischen den Enden der ersten und zweiten Leiterbahnen befindet. Gemäß dieser Technik zum Ausbilden der Widerstände können die Widerstandsschicht 55 und die Metallisierungsschicht gleichzeitig geätzt werden, so daß sich zueinander ausgerichtete, strukturierte Schichten gebildet werden. Daraufhin werden die Lücken in die Metallisierungsschicht 57 geätzt, um Widerstände auszubilden. Die Widerstände zum Abfeuern von Tinte 56 werden daher speziell in der Widerstandsschicht 55 entsprechend den Leiterbahnlücken in der Metallisierungsschicht 57 gebildet.
Eine Verbund-Passivierungsschicht, die aus einer Schicht aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) 59 und einer Siliziumcarbidschicht (SiC) 60 zusammengesetzt ist, bedeckt die Metallisierungsschicht 57, freigelegte Teile der Widerstandsschicht 55 und freigelegte Teile der Oxidschicht 53. In Bereichen, in denen die Tintenblasen kollabieren, ist auf einer Verbund-Passivierungsschicht 59 eine Tantal-Passivierungsschicht 61 angelegt, die insbesondere Inseln oder Untergebiete 61a unterhalb der Tintenkammern 19 und von Abschnitten zugehöriger Tintenkanäle 29 benachbart den Tintenkammern mit ein, wie in der Draufsicht von 3 gezeigt ist. Die Untergebiete 61a der Tantal-Passivierungsschicht schaffen für die Widerstände zum Abfeuern von Tinte eine mechanische Passivierung, indem sie den Kavitationsdruck der kollabierenden treibenden Blase absorbieren. Die Tantal-Passivierungsschicht 61 kann sich auch über Gebiete ausdehnen, über denen die strukturierte Goldschicht 62 gebildet ist, um eine externe elektrische Verbindung zur Metallisierungsschicht 57 über leitende Pfade 58 herzustellen, die in der Verbund-Passivierungsschicht 59, 60 ausgebildet sind.
Entsprechend einem Aspekt der Erfindung, sind die Gebiete der Grenzfläche zwischen Siliziumcarbidschicht 60 und Tintensperrschicht 12 vorzugsweise in der Nähe der Tintenkammern 19 und der Tintenkanäle 29 maximiert. Beispielsweise erstreckt sich die Siliziumcarbid-Sperrschicht-Grenzfläche zwischen dem Bereich zwischen den Widerständen 56 und der strukturierten Goldschicht 62 zum Ende der Sperrschichtspitzen 12a und die Tantaluntergebiete 61a sind nach Maßgabe der Prozeßeinschränkungen so nah wie möglich an die Ränder der Sperrschicht 12 zurückgeätzt, welche die Tintenkammern 19 und die Tintenkanäle ausbilden, während gleichzeitig sichergestellt ist, daß die Ränder der Tantal-Untergebiete 61a außerhalb der Tintenkammmern 19 liegen. Mit anderen Worten erstrecken sich die Tantal- Unterbereiche 61a unterhalb der Tintenkammern 19 und der Abschnitte der Tintenkanäle 29 (3) um einen minimalen Betrag unter die Tintensperrschicht 12 in Nähe der Tintenkammer 19, was sicherstellt, daß die Ränder der Tantal-Untergebiete außerhalb der Tintenkammern 19 liegen. Daher ist die Tantal-Passivierungsschicht in der Nähe der Tintenkammer 19 61 so weit wie praktisch möglich zurückgeätzt, so daß sie sich um einen minimalen Betrag unter die Tintensperrschicht 12 benachbart der Tintenkammern 19 zu liegen kommt. Beispielsweise ist die Tantalschicht 61 derart geätzt, daß sich die Untergebiete 61a mindestens ungefähr 8 Mikrometer unter die Tintensperrschicht 12 benachbart der Tintenkammer 19 ausdehnen. In dieser Weise ist der Kontakt in und um die Tintenkammer 19 und die Tintenkanäle 29 herum zwischen der Tintensperrschicht 12 und der Siliziumcarbidschicht 60 maximiert, und in der Nähe der Tintenkammer 19 und der Tintenkanäle 29 ist der größte Teil der Tintensperrschicht mit dem Siliziumcarbid verbunden.
Als veranschaulichendes Beispiel wird das Tantal mit einer Mischung aus Essig-, Salpeter-, und Fluorwasserstoffsäure naßgeätzt, um Gebiete der Siliziumcarbidschicht 60 freizulegen.
In 5 ist ein nicht maßstäblich schematischer Querschnitt eines Tintenstrahldruckkopfes nach 1 durch eine typische Region der Tintentropfenerzeugung und durch einen Teil der strukturierten Goldschicht 62 dargestellt und zeigt eine weitere spezielle Ausführungsform eines Tintenstrahldruckkopfes gemäß der Erfindung. Der Tintenstrahldruckkopf nach 5 gleicht im wesentlichen dem Tintenstrahldruckkopf nach 4 mit dem Zusatz einer Siliziumcarbidüberzugsschicht 63 als oberste Schicht der Dünnschichtunterstruktur 11 in der Nähe der Tintenkammer 19 und der Tintenkanäle 29 und als oberste Schicht über der strukturierten Goldschicht 62 mit Ausnahme des Bereiches um die Verbindungs-Kontaktstellen 71. Insbesondere ist die Siliziumcarbidüberzugsschicht 63 aus den Gebieten der Tantalschicht Untergebieten 61a, die sich oberhalb der Heizwiderstände befinden, so daß die Tintensperrschicht 12 nur in der Nähe und bei den Tintenkammern 19 und den Tintenkanälen mit der Siliziumcarbidschicht 63 in Kontakt steht. In anderen Worten, sind die Ränder der Sperrschicht, die die Tintenkammern 19 und Tintenkanäle 20 ausbilden mit der Siliziumcarbidschicht 63 verbunden und nicht mit der Tantalschicht 61.
Als Beispiel kann die Siliziumcarbidüberzugsschicht 63 durch Plasmaabscheidung ausgebildet werden, indem Silane und Methane als reaktive Gase verwendet werden. Eine angemessene Dicke der Siliziumcarbidschicht wäre mindestens ungefähr 100 Angström. Die Silizium carbidschicht 63 kann ebenfalls mit reaktiven oder nicht reaktiven Sprühabscheidungs-Prozessen gebildet werden. Ein Beispiel eines reaktiven Prozesses ist das Besprühen eines Siliziumzieles in einer Strömung aus Methan- oder organischem Gas. Ein Beispiel eines nicht reaktiven Prozesses ist das direkte Besprühen eines Siliziumcarbidzieles.
In der Ausführungsform nach 5 können sich die Tantaluntergebiete weiter von den Tintenkammern 19 ausbreiten, da die Siliziumcarbidüberzugsschicht 63 sicherstellt, daß sich direkt anschließend an die Tintenkammer 19 eine Sperre zu der Siliziumcarbidgrenzfläche anschließt.
Die Oberflächenanalysen von Siliziumcarbidschichten mittels Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (X-Ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) von Siliziumcarbidschichten gemäß der Erfindung haben gezeigt, daß eine relativ hohe Konzentration von Kohlenstoff in Carbidform im Vergleich zu Tantal- und thermischen Oxidschichten und eine relativ geringe Konzentration von Sauerstoff im Vergleich zu Tantaloxid und thermischen Oxiden gegeben hat. Die folgende Tabelle zeigt Ergebnisse eines PHI Quantum 2000 XPS Apparats mit einem 100 nm-Lichtstrahl, über eine Fläche von 500 μm × 500 μm gerastert. Die Konzentrationen wurden unter Benutzung von Empfindlichkeitsfaktoren gegenüber Elementen festgestellt. Die Oberflächen sind mit ihren entsprechenden atomaren Konzentrationen von Tantal (Ta), Silizium (Si), Sauerstoff (0) und Kohlenstoff (C) gelistet. Kohlenstoff wurde in Nicht-Carbid und Carbidkomponenten unterteilt. In den Fällen, in denen die Summe der einzelnen Konzentrationen von Ta, Si, 0 und C nicht 100% ist, ergibt sich die Differenz aufgrund einer kleinen Konzentration von Fluor, die zum einfacheren Verständnis in der Tabelle vernachlässigt wurde. Die Nicht-Carbidkomponente ist hinzugekommener Kohlenstoff, der von gebundenem Kohlenstoff unterschieden und in Kohlenstoff, Graphit oder Diamant aufgeteilt ist. Hinzugekommener Kohlenstoff kann entweder Kohlenwasserstoff oder ein oxidierter Kohlenwasserstoff sein, der von der Probenoberfläche absorbiert wurde und der durch Aussetzen atmosphärischer Luft gebildet werden kann.
Prüfung der Haftung durch Schab- und Schälversuche an Sperrschichtmaterial einer Siliziumcarbidschicht auf einem Substrat ergaben eine ausgezeichnete Haftung im Vergleich zur Haftung von Sperrschichtmaterial auf Tantaloxid (Das Interface zwischen der Sperrschicht 12 und der Tantalschicht 61 bildet tatsächlich die Tantaloxidschicht auf der Tantalschicht, wie die vorangehenden XPS-Daten zeigen) und im Vergleich von Sperrschichtmaterial auf thermischen Oxid. Beschleunigte Langzeittests der Tintendurchdringfestigkeit und beschleunigte Tests der Haltbarkeit der Haftung des Tintensperrschichtmaterials auf Siliziumcarbid haben im Vergleich zur Haftung von Sperrschichtmaterial auf Tantaloxid und auf thermischem Oxid eine höhere Leistungsfähigkeit gezeigt.
Die Erfindung sieht ferner eine Haft-Promoterschicht vor, die zwischen der Tintensperrsicht 12 und den Dünnschicht-Unterstrukturen nach 4 und 5, wie in 6 und 7 gezeigt ist, angeordnet sind.
6 zeigt speziell einen schematischen Querschnitt des Tintenstrahldruckkopfes nach 1 durch einen typischen Bereich der Tintentropfenerzeugung und einen Teil des zentral gelegenen Goldschichtbereichs 162 und veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Dünnschicht-Unterstruktur 11, die den Strukturen von 4 gleicht, mit dem Zusatz einer zwischenliegenden Haft-Promoterschicht 64, die sich zwischen der Siliziumcarbidschicht 60 und der Tintensperrschicht 12 befindet.
7 zeigt einen nicht maßstäblichen Querschnitt des Tintenstrahldruckkopfes nach 1 durch einen typischen Bereich der Tintentropfenerzeugung und einen Teil des zentral angeordneten Goldschichtbereiches 162 und eine Ausführung der Dünnschicht-Unterstruktur 11, die der Struktur nach 5 gleicht, mit dem Zusatz einer Haft-Promoterschicht 65 zwischen der Siliziumcarbidschicht 63 und der Tintensperrschicht 12.
Als veranschaulichendes Beispiel schließen die Haft-Promoterschichten 64, 65 Organosilan-Haft-Promotoren, Polyacrylsäure-Haftpromotoren oder Polymethylacrylsäure-Haft-Promotoren mit ein.
Wie bei der Siliziumcarbidschicht 14 (1) zwischen der Tintensperrschicht 12 und der Düsenplatte 13 wird eine solche Siliziumcarbidschicht 14 auf die Düsenplatte 13 vor dem Laminieren auf die Dünnschichtunterstruktur 11 aufgebracht, z.B. durch Plasmaabscheidung mittels Silan und Methan als reaktiven Gasen. Die Siliziumcarbidschicht 14 kann ebenfalls durch reaktive oder nicht reaktive Sputter-Abscheidungsprozesse ausgebildet werden. Ein Beispiel eines reaktiven Prozesses ist das Sputtern eines Siliziumwerkstückes in einem Methan- oder anderen organischen Gasfluß. Ein Beispiel eines nicht reaktiven Prozesse ist das direkte Sputtern eines Siliziumcarbid-Werkstückes.
Für eine Ausführung, bei der die Düsenplatte 13 aus einem Polymermaterial besteht, kann die Siliziumcarbidschicht 14 vor oder nach der Ausbildung der Düsen durch Laserabtragung gebildet werden. Wenn die Düsenplatten 13 eine Metallbeschichtung umfassen, wird die Siliziumcarbidschicht 14 nach Ausbildung der Düsen geformt. Eine geeignete Dicke der Siliziumcarbidschicht beträgt mindestens ungefähr 100 Angström. Wie schematisch in 8 dargestellt ist, kann eine zwischenliegende Haft-Promoterschicht 15 auch zwischen der Siliziumcarbidschicht 14 und der Düsenplatte 13 enthalten sein.
Der voranstehende Druckkopf wird nach einem Standardverfahren zur Herstellung von Dünnfilm-Schaltkreisen folgend vollständig hergestellt, einschließlich chemischer Dampfabscheidung, Fotolackabscheidung, Maskierung, Entwicklung und Ätzen, wie z.B. in den üblicherweise referierten U.S. Patenten U.S. 4,719,477 und U.S. 5,317,346 offenbart wird.
Als veranschaulichendes Beispiel können die vorangegangenen Strukturen wie folgt erzeugt werden. In dem mit dem Siliziumsubstrat 51 begonnen wird, sind sämtliche aktive Regionen, in denen Transistoren gebildet werden, durch eine strukturierte Oxid- und Nitridschicht geschützt. Flächenoxid 53 wird auf nicht geschützten Bereichen erzeugt und Oxid- und Nitridschichten werden entfernt. Als nächstes wird Gate-Oxid in den aktiven Bereichen erzeugt und eine Polysiliziumschicht wird über dem gesamten Substrat aufgetragen. Das Gate-Oxid und das Polysilizium werden geätzt, um Polysiliziumgates oberhalb den aktiven Gebieten auszubilden. Die resultierende Dünnschichtstruktur wird einer Vorabscheidung von Phosphor unterworfen, wodurch Phosphor in die nicht geschützten Bereiche des Siliziumsubstrats eingefügt wird. Eine Schicht von phosphordotiertem Oxid 54 wird dann über die gesamte dem Prozeß unterworfene Dünnschichtstruktur abgelagert und die phosphordotierte oxidbedeckte Struktur wird einem Diffusionsdurchlaufschritt unterworfen, um die gewünschte Diffusionstiefe in den aktiven Gebieten zu erreichen. Die phosphordotierte Oxidschicht wird dann maskiert und geätzt, um Kontakte zu den aktiven Elementen zu öffnen.
Dann werden die Tantal-Aluminiumwiderstandsschicht 55 aufgebracht, worauf die Aluminium-Metallisierungsschicht 57 auf der Tantal-Aluminiumschicht 55 aufgebracht wird. Die Aluminiumschicht 57 und die Tantal-Aluminiumschicht 55 werden zusammen geätzt und bilden das gewünschte leitende Muster. Die resultierende strukturierte Aluminiumschicht wird anschließend geätzt, um die Widerstandsbereiche zu öffnen.
Die Siliziumnitrid-Passivierungsschicht 59 und die SiC Passivierungsschicht 60 werden entsprechend aufgetragen. Ein Fotolackmuster, das die in den Siliziumnitrid- und Siliziumcarbidschichten 59, 60 auszubildenden Wege bestimmt, wird auf die Siliziumcarbidschicht 60 aufgebracht, und die Dünnschichtstruktur wird einem Überätz-Prozeß unterworfen, der die Verbindungen zur Aluminium-Metallisierungsschicht mittels der Verbund-Passivierungsschicht bildet, die aus Siliziumnitrid und Siliziumcarbid besteht.
Die folgenden Schichten, einschließlich der Tantalpassivierungsschicht 61, sämtlicher Goldschichten 62 zur Verbindung nach außen und jeder zweiten Siliziumcarbidschicht 63 werden entsprechend aufgebracht und geätzt. Wie vorher beschrieben, wird die Tantalpassivierungsschicht vorzugsweise naßgeätzt, um die Siliziumcarbidschicht 60 freizulegen. Die Tintenstrahlschicht 12 wird dann durch Hitze und Druck auf die Dünnschicht-Unterstruktur beschichtet. Falls gewünscht, wird die Haft-Promoterschicht 64 entsprechend den üblichen bestehenden Techniken zur Beschichtung der Tintensperrschicht 12 auf die Dünnschicht-Unterstruktur 11 ausgebildet.
Auf der Düsenplatte 13 wird die Siliziumcarbidschicht 14 ausgebildet und die Düsenplatte 13 mit der Siliziumcarbidschicht 14 wird auf die Schichtstruktur aufgebracht, welche die Siliziumcarbidschicht 14, die Tintensperrschicht 12 und die Dünmschicht-Unterstruktur 11 umfaßt.
Falls gewünscht, wird die Haft-Promoterschicht 15 auf der Siliziumcarbidschicht 14 mittels der üblichen Techniken zur Beschichtung der Düsenplatte 13 ausgebildet.
Vorstehend ist ein Tintenstrahldruckkopf offenbart, bei dem eine robuste Haftung der Tintensperrschicht durch eine Siliziumcarbidschicht erreicht wird.
Obwohl im Vorangegangenen spezielle Ausführungen der Erfindung beschrieben und dargestellt sind, können verschiedene Modifizierungen und Änderungen durch einen Fachmann vorgenommen werden, ohne daß der Schutzbereich der Ansprüche verlassen wird.

Claims

Dünnfilm-Tintenstrahldruckkopf, umfassend: ein Dünnfilmsubstrat (11) mit einer Vielzahl von Dünnfilmschichten; eine Vielzahl von Tintenabfeuerungs-Heizwiderständen (56), die in der Vielzahl von Dünnfilmschichten definiert sind; Tantal-Teilgebiete (61a), die auf der Vielzahl von Dünnfilmschichten über den Dünnfilm-Tintenabfeuerungs-Heizwiderständen (56) angeordnet sind; eine Siliziumcarbid-Überzugschicht (63), die über den Tantal-Teilgebieten (61a) angeordnet sind und in Gebieten der Tantal-Teilgebieten über den Dünnfilm-Tintenabfeuerungs-Heizwiderständen (56) nicht vorliegt; eine Tintenbarriereschicht (12), die über der Siliziumcarbid-Überzugschicht und den Tantal-Teilgebieten angeordnet ist; und jeweilige Tintenkammern (19), die in der Tintenbarriereschicht über entsprechenden Dünnfilmwiderständen ausgebildet sind, wobei jede Kammer durch eine Kammeröffnung in der Barriereschicht (12) ausgebildet ist; wobei die Siliziumcarbid-Überzugschicht (63) so ausgebildet ist, daß sich ein Carbid/Barriere-Verbindungsbereich in der Nähe der Tintenkammern zu den Kanten der Tintenbarriereschicht (12) hin erstreckt, welche die Tintenkammern bilden.
Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1, wobei die Tantal-Teilgebiete sich um nicht mehr als einen Betrag im Bereich von ungefähr 8 Mikrometer unter der Tintenbarriereschicht nahe der Tintenkammern erstrecken.
Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1 oder 2, mit einer strukturierten Siliziumcarbid-Schicht (60), die auf der Vielzahl von Dünnfilm-Schichten über den Dünnfilm-Tintenabfeuerungs-Heizwiderständen (56) und unter den Tantal-Teilgebieten (61a) angeordnet ist.
Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: die Dünnfilmwiderstände (56) entlang einer Zuführungskante des Substrats (11) angeordnet sind; die Tintenkammern (19) durch Barrierespitzen (12a) ausgebildet sind, die sich ausgehend von einem Bereich auf einer Seite der Widerstände der Zuführungskante entgegengesetzt zwischen den Widerständen zu der Zuführungskante hin erstrecken; und der Carbid/Barriere-Verbindungsbereich sich von einem Bereich auf einer Seite der Widerstände der Zuführungskante entgegengesetzt entlang der Barrierespitzen erstreckt.
Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 4, wobei die Zuführungskante eine äußere Kante des Substrats (11) umfaßt.
Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 4, wobei die Zuführungskante mittels eines Schlitzes in der Mitte des Substrats ausgebildet ist.
Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der ferner Tantal-Teilgebiete (61a) umfaßt, die zwischen den Heizwiderständen und der Siliziumcarbid-Überzugsschicht angeordnet sind.
Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, der ferner eine Haftvermittlerschicht (64, 65) umfaßt, die zwischen der Siliziumcarbid-Überzugsschicht und der Tintenbarriereschicht angeordnet ist.
Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, der ferner umfaßt: eine Düsenplatte (13), die über der Tintenbarriereschicht angeordnet ist; und eine Siliziumcarbidschicht (14), die zwischen der Tintenbarriereschicht und der Düsenplatte angeordnet ist.
Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 9, der ferner eine Haftvermittlerschicht (15) umfaßt, die zwischen der Siliziumcarbid-Schicht und der Düsenplatte angeordnet ist.
Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1, wobei sich der Carbid/Barriere-Verbindungsbereich bis zu 8 Mikrometer in die Tintenkammern hinein erstreckt.
Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 2 oder 4, wobei sich der Carbid/Barriere-Verbindungsbereich in die Tintenkammmern hinein erstreckt.