DE69804171T2

DE69804171T2 - Druckkopf mit Partikelfilter

Info

Publication number: DE69804171T2
Application number: DE69804171T
Authority: DE
Inventors: Cheryl A. Macleod; David Pidwerbecki; John B. Smyth; Joe E. Stout
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1997-07-31
Filing date: 1998-07-17
Publication date: 2002-08-29
Anticipated expiration: 2018-07-18
Also published as: EP0894626A2; KR19990014299A; EP0894626A3; TW442400B; KR100491934B1; EP0894626B1; DE69804171D1; US6007188A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Druckkopf für einen Tintenstrahldrucker und insbesondere auf einen Druckkopf, der ein teilchentolerantes Tintenzuführungsfilter mit kleinen Abmessungen verwendet, um Teilchenblockierungen zu reduzieren, während gleichzeitig eine hohe Tintenfüllgeschwindigkeit beibehalten wird.
Tintenstrahldrucker wirken, indem sie ein kleines Volumen von Tinte durch eine Mehrzahl von kleinen Öffnungen in einer Oberfläche, die in der Nähe zu einem Medium, auf dem Markierungen oder ein Drucken plaziert werden soll, ausstoßen. Diese Öffnungen sind auf eine Weise in der Oberfläche angeordnet, daß der Ausstoß eines Tintentropfens aus einer ausgewählten Zahl von Öffnungen bezüglich einer bestimmten Position des Mediums zu der Erzeugung eines Abschnitts mit einem erwünschten Buchstaben oder Bild führt. Ein gesteuertes Neupositionieren der die Öffnung tragende Oberfläche oder des Mediums, gefolgt von einem weiteren Ausstoß von Tintentropfen, führt zu der Erzeugung von mehr Segmenten mit dem gewünschten Buchstaben oder Bild. Ferner können Tinten mit verschiedenen Farben mit einzelnen Öffnungsanordnungen gekoppelt werden, so daß ausgewählte Abfeuerungen der Öffnungen ein mehrfarbiges Bild durch den Tintenstrahldrucker erzeugen können.
Mehrere Mechanismen wurden verwendet, um die Kraft zu erzeugen, die notwendig ist, um einen Tintentropfen aus einem Druckkopf auszustoßen, wobei unter diesen Mechanismen thermische, piezoelektrische und elektrostatische Mechanismen sind. Während die folgende Erklärung Bezug nehmend auf einen thermischen Tintenausstoßmechanismus vorgenommen wird, hat die vorliegende Erfindung auch für die anderen Tintenausstoßmechanismen eine Anwendung.
Der Ausstoß eines Tintentropfens bei einem herkömmlichen Tintenstrahldrucker ist ein Ergebnis eines schnellen thermischen Erwärmens der Tinte auf eine Temperatur, die den Siedepunkt des Tintenlösungsmittels überschreitet, um eine Gasphasentintenblase zu erzeugen. Ein schnelles Erwärmen der Tinte wird im allgemeinen dadurch erzielt, daß ein Puls elektrischen Stroms durch eine Tintenauswurfvorrichtung, die ein einzeln adressierbarer Heizungswiderstand ist, üblicherweise 1 bis 3 Mikrosekunden lang geleitet wird, wobei die so erzeugte Wärme mit einem kleinen Tintenvolumen gekoppelt wird, das in einem eingeschlossenen Bereich gehalten wird, der im allgemeinen als eine Abfeuerungskammer bezeichnet wird. Eine der Einschlußwände der Abfeuerungskammer ist durch die Oberfläche gebildet, die von der Mehrzahl von Öffnungen durchsetzt sind. Eine der Öffnungen in dieser Öffnungsplatte ist bezüglich des Heizungswiderstands auf eine Weise angeordnet, die es ermöglicht, daß Tinte aus der Öffnung ausgestoßen wird. Wenn die Tintengasblase an dem Heizungswiderstand erzeugt wird und sich ausdehnt, verlagert sie ein Tintenvolumen, das ein gleichwertiges Tintenvolumen aus der Öffnung heraus zur Aufbringung auf dem Medium preßt. Die Blase fällt dann zusammen, wobei das verlagerte Tintenvolumen aus einem größeren Tintenreservoir mittels eines Tintenzuführungskanals in einer der Wände der Abfeuerungskammer nachgefüllt wird.
Es ist wünschenswert, daß die Kammer so schnell wie möglich mit Tinte nachgefüllt wird, wodurch eine sehr schnelle Abfeuerung der Öffnungen des Druckkopfs ermöglicht wird. Ein schnelles Abfeuern der Öffnungen führt zu der Fähigkeit, bei einem Tintenstrahldrucker ein Hochgeschwindigkeitsdrucken zu erzielen. Vor dem nächsten Abfeuern des Heizungswiderstands muß die Tinte ausreichend Zeit haben, um die Kammer nachzufüllen, so daß keine unerwünschte Abweichung der Größe der Tintentropfen auftritt. So ist eine Einschränkung der Geschwindigkeit, mit der ein Drucken auftreten kann, mit der Geschwindigkeit verbunden, mit der die Abfeuerungskammer nachgefüllt wird.
Ein Problem, das gelegentlich bei Tintenstrahldruckköpfen auftritt, besteht darin, daß eine Blockierung in einem Tintenzuführungskanal oder in der Öffnung des Druckkopfs auftritt. Mikroskopische Teilchen können sich in dem Kanal festsetzen, der zu der Tintenabfeuerungskammer führt, wodurch ein vorzeitiges Versagen des Heizungswiderstands, eine Fehlleitung der Tintentropfen oder eine verminderte Tintenzufuhr zu der Abfeuerungskammer auftreten kann, was zu einer stark verminderten Tintentropfengröße führt. Eine einzelne Öffnung, die keinen Tintentropfen abfeuert, wenn ihr dies befohlen wird, hinterläßt einen fehlenden Abschnitt eines gedruckten Buchstabens oder erzeugt ein Band von fehlenden Tropfen eines gedruckten Bildes. Das Endergebnis wird als eine schlechtere Qualität des gedruckten Gegenstands wahrgenommen, was für einen Tintenstrahldrucker eine sehr unerwünschte Charakteristik darstellt. Um dieses unerwünschte Ergebnis zu lösen, wurden bereits die Verwendung von Ersatzöffnungen oder überzähligen Öffnungen, die anstelle der defekten Tintenauswurfvorrichtungen Tinte ausstoßen (siehe z.B. U.S.-Patente mit den Nrn. 4,963,882 und 5,640,183), sowie mehrere Einlässe in die Tintenabfeuerungskammer, vorgeschlagen.
Tinte zum Tintenstrahldrucken wird üblicherweise in einem Reservoir gelagert, das dem Druckkopfmechanismus zugeordnet ist. Man weiß, daß die Vorrichtung zum Lagern von Tinte, wie z.B. ein poriges Schaummaterial oder ein abgedichteter Behälter, Teilchen abwirft, die Tintenzuführungskanäle oder Ausstoßöffnungen verstopfen können. Es wurde beobachtet, daß viele der Teilchen längliche, faserige Teilchen sind, die unerwünschte Produkte des Herstellungsverfahrens sind. Die faserigen Teilchen lösen sich gelegentlich von der Tintenbehältervorrichtung und werden trotz spezieller Reinigungsverfahren und Tintenfilterungen durch die Tinte zu dem Druckkopf getragen, wobei diese auftreten, bevor die Tinte in den Druckkopf gelangt (wie z.B. die, die in den U.S.- Patenten mit den Nummern 4,771,295 und 5,025,271 beschrieben werden). Das Filtern von länglichen Teilchen wurde in der U.S.-Patentanmeldung mit der Nr. 08/500,796 mit dem Titel "Particle Tolerant Inkjet Printhead Architecture" angegangen, die im Namen von Timothy Weber u. a. am 11. Juli 1995 eingereicht wurde, bei der eine Mehrzahl von äußeren Barriereinseln verhindert, daß längliche Teilchen in die Tintenzuführungskanäle oder die Tintenabfeuerungskammer gelangen. Ein Tintenfiltern wurde auch in dem U.S.-Patent mit der Nr. 5,463,412 offenbart, bei der eine Mehrzahl von Säulen zwischen dem Tintenreservoir und der Abfeuerungskammer angeordnet ist, wobei jede Säule dem Eingang zu einer Abfeuerungskammer zugeordnet ist. Die Säulen sind um eine Distanz voneinander beabstandet, die kleiner oder gleich der kleinsten Abmessung des Systems ist, wobei sie so nahe wie möglich an einer gemeinsamen Tintenquelle plaziert sind, um zu verhindern, daß Teilchen in die Abfeuerungskammer gelangen. Die kleinste Abmessung des Systems ist mit großer Wahrscheinlichkeit entweder der Bohrungsdurchmesser der Öffnung oder die Breite des Durchgangs, der die Tintenquelle mit der Abfeuerungskammer verbindet.
Da die Abmessungen der Öffnungen, der Abfeuerungskammern und der Tintenzuführungskanäle reduziert werden, um verbesserte Druckcharakteristika zu schaffen, kann die Größe der Teilchen, die aufgrund ihrer kleinen Größe durch die. Tintenzuführungskanäle gelangt sind und aus den Öffnungen von älteren Entwürfen ausgestoßen wurden, nun den Druckkopf verstopfen. Bei einem Entwurf, der Öffnungen oder Tintenzuführungskanäle verwendet, die kleinere Abmessungen als 20 um aufweisen, werden Teilchen und Verunreinigungen, wie z.B. Hautzellen, zu Kandidaten zum Festsetzen in dem Tintenzuführungskanal oder der Öffnung. Ferner sind Teilchen, wie z.B. Haut- oder andere biologische Zellen, nicht fest und können sich deshalb verformen und durch ein Filter gelangen, das eine Porengröße aufweist, die gleich der kleinsten Abmessung in dem Druckkopf ist. Frühere Versuche, Teilchen zu steuern und zu filtern, lösen das Problem des Verstopfens von kleineren Durchgängen durch kleinere Teilchen nicht, obwohl sie für größere Teilchen gut geeignet sind.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Ein Druckkopf, der Tinte aus zumindest einer Abfeuerungskammer für einen Tintenstrahldrucker auswirft, umfaßt ein Substrat, an dem eine Tintenauswurfvorrichtung angebracht ist. Eine Barriereschicht ist an zumindest einem Abschnitt des Substrats vorgesehen, hat eine Dicke mit einer ersten Abmessung und weist zumindest einen Tintenzuführungskanal auf, der Tinte aus einer Tintenquelle zu der Abfeuerungskammer führt. Der Tintenzuführungskanal weist Wände auf, die durch eine längliche Trennung der Barriereschicht, das Substrat und eine Öffnungsplatte gebildet sind. Die längliche Trennung ist durch eine Breite mit einer zweiten Abmessung definiert. Die Barriereschicht umfaßt eine Mehrzahl von Inseln, die jeweils von einer benachbarten Insel um nicht mehr als eine dritte Abmessung beabstandet und zwischen der Tintenquelle und dem zumindest einen Tintenzuführungskanal angeordnet sind. Die zweite Abmessung ist größer oder gleich der ersten Abmessung, wobei die dritte Abmessung kleiner als die erste Abmessung ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine isometrische Ansicht eines Tintenstrahldruckerdruckkopfs.
Fig. 2 ist ein Querschnittsaufriß des Druckkopfs, der bei der Tintenstrahldruckkassette aus Fig. 1 verwendet werden kann.
Fig. 3 ist eine isometrische Draufsicht der Barriereschicht und des Substrats eines Druckkopfs, der in der vorliegenden Erfindung enthalten sein kann.
Fig. 4A und 4B sind Querschnittsaufrisse eines Tintenzuführungskanals, die den Effekt der Barriereschichtüberbrückung darstellen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Eine übliche Tintenstrahlkassette ist in Fig. 1 gezeigt, in der ein Kassettenkörperbauglied 101 einen Tintenvorrat beherbergt und die Tinte über Tintenleitungen zu einem Druckkopf 103 führt. An der äußeren Oberfläche des Druckkopfs ist eine Mehrzahl von Öffnungen 105 sichtbar, durch die Tinte selektiv auf Befehle des Druckers (nicht gezeigt) hin ausgestoßen wird, wobei die Befehle durch elektrische Verbindungen 107 und zugeordnete Leiterbahnen (nicht gezeigt) zu dem Druckkopf 103 geleitet werden. Bei einer Implementierung einer Tintenstrahldruckkassette besteht der Druckkopf aus einem Halbleitersubstrat und umfaßt Filmheizungswiderstände, die in oder auf dem Substrat angeordnet sind, eine photodefinierbare Barriere- und Haftschicht und eine Öffnungsplatte, die eine Mehrzahl von Öffnungen aufweist, die sich vollständig durch die Öffnungsplatte erstrecken und durch die Öffnung 105 dargestellt sind. Physische und elektrische Verbindungen zu einem flexiblen Polymerband 109 sind mittels Beam-Lead-Bonding oder einer ähnlichen Halbleitertechnologie hergestellt, wobei das Band nachfolgend durch ein epoxydartiges Material zur physischen Festigkeit und zur Flüssigkeitsabweisung befestigt ist. Das Polymerband 109 kann aus KaptonTM bestehen, das käuflich bei der 3M Corporation erhältlich ist, oder aus einem ähnlichen Material, das photo-ablatiert oder chemisch geätzt sein kann, um Öffnungen und andere erwünschte Charakteristika zu erzeugen. Kupfer sowie andere Leiterbahnen sind an einer Sette des Bandes angebracht oder anderweitig befestigt, so daß elektrische Verbindungen 107 mit dem Drucker in Kontakt stehen und zu dem Substrat geleitet werden können. Das Band wird üblicherweise um eine Kante der Druckkassette gebogen, wie dies gezeigt ist, und befestigt.
Ein Querschnitt des Druckkopfs ist in Fig. 2 gezeigt, wobei der Querschnitt von einem Teil des Abschnitts A-A genommen ist, der in Fig. 1 gezeigt ist. Ein Abschnitt des Körpers 201 der Kassette 101 ist dargestellt, wobei dieser durch ein Haftmittel gemeinsam mit Druck an dem Druckkopf befestigt ist. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird Tinte mittels eines gemeinsamen Tintenplenums 205 und durch einen Schlitz 206 in dem Druckkopfsubstrat 207 zu dem Druckkopf geleitet. (Alternativ kann Tinte entlang der Seiten des Substrats zugeführt werden.) Heizungswiderstände und ihre zugeordneten Öffnungen sind herkömmlicherweise in zwei im wesentlichen parallelen Reihen nahe dem Tinteneinlaß aus dem Tintenplenum angeordnet. In vielen Fällen sind die Heizungswiderstände und die Öffnungen in einer versetzten Konfiguration in jeder Reihe angeordnet, wobei sich bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Heizungswiderstände an gegenüberliegenden Seiten des Schlitzes 206 des Substrats 207 befinden, wie dies in Fig. 2 durch die Heizungswiderstände 209 und 211 dargestellt ist.
Die Öffnungsplatte 203 ist durch ein Elektroaufbringen von Nickel auf einem Dorn mit Stiften und Erhöhungen mit geeigneten Abmessungen und geeignet schrägen Winkeln in der Form einer Vereinigung der in der Öffnung erwünschten Merkmale hergestellt, so daß nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitmenge eine Nickeldichte aufgebracht wurde. Der resultierende Nickelfilm wird nach dem Abkühlen entfernt und dann mechanisch geebnet und zur nachfolgenden Verwendung behandelt. Die Nickelöffnungsplatte wird dann mit einem Edelmetall, wie z.B. Gold, Palladium oder Rhodium, beschichtet, um einer Korrosion zu widerstehen. Nach der Herstellung wird die Öffnungsplatte mit einer Barriereschicht 213 an dem Halbleitersubstrat 207 angeheftet. Die Öffnungen, die durch die Elektroaufbringung auf dem Dorn erzeugt wurden, erstrecken sich von der äußeren Oberfläche der Öffnungsplatte 109 durch das Material zu der inneren Oberfläche, nämlich zu der Oberfläche, die eine der Wände der Tintenabfeuerungskammer bildet. Üblicherweise ist eine Öffnung direkt über dem Heizungswiderstand ausgerichtet, so daß Tinte aus der Öffnung ausgestoßen werden kann, ohne daß durch einen Versatz ein Bahnfehler eingeführt wird.
Das Substrat 207 und die Öffnungsplatte 109 sind aneinander durch ein Barriereschichtmaterial 213 angeheftet. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Barriereschichtmaterial 213 an dem Substrat 207 in einer strukturierten Formation angeordnet, so daß Abfeuerungskammern 215 und 217 in Bereichen um die Heizungswiderstände erzeugt werden. Das Barriereschichtmaterial wird auch strukturiert, so daß Tinte unabhängig durch einen oder mehrere Tintenzuführungskanäle zu den Abfeuerungskammern geführt wird. Tintentropfen 219 werden selektiv auf ein schnelles Erwärmen eines Heizungswiderstands auf einen Befehl durch den Drucker hin ausgeworfen. Das Substrat, bei dem die Barriereschicht an einer Oberfläche haftet, wird dann bezüglich der Öffnungsplatte derart positioniert, daß die Öffnungen mit den Heizungswiderständen des Substrats präzise ausgerichtet sind.
Die Barriereschicht 213 verwendet bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein photodefinierbares Polymermaterial, wie z.B. ParadTM, VacrelTM, IJ5000, oder andere Materialien, die ein filmnegativer, lichtempfindlicher Mehrkomponenten- Polymer-Trockenfilm sind, der bei einer Aussetzung gegenüber Licht oder einer ähnlichen elektromagnetischen Strahlung polymerisiert. Derartige Materialien sind bei DuPont in Wilmington, Delaware, erhältlich. Die Barriereschicht wird zuerst als eine durchgehende Schicht auf das Substrat 207 unter der Anwendung eines ausreichenden Druckes und einer Wärme, die für das bestimmte ausgewählte Material geeignet ist, aufgebracht. Im allgemeinen ist der Barriereschichtfilm sandwichartig zwischen Schutzschichten aus Mylar eingebettet. Eine Schicht wird entfernt, um eine Laminierung der Barriereschicht an das Substrat zu ermöglichen. Die andere Mylar-Schicht wird solange an ihrem Platz belassen, bis die Barriereschicht belichtet wird. Die photolithographische Schicht wird durch eine Negativmaske ultraviolettem Licht (vorzugsweise in dem Bereich von Wellenlängen von 440 bis 340 nm) ausgesetzt, um das Barriereschichtmaterial zu polymerisieren. Die belichtete Barriereschicht wird dann einem chemischen Waschen unter Verwendung eines Entwicklerlösungsmittels mit einer 74 : 26-w/w%-Mischung aus N-Methyl-2-Pyrrolidon und Diethylenglykol unterzogen, so daß die nicht belichteten Bereiche der Barriereschicht durch eine chemische Wirkung entfernt werden. Die verbleibenden Bereiche der Barriereschicht bilden die Wände jeder Tintenabfeuerungskammer um jeden Heizungswiderstand. Außerdem bilden die verbleibenden Bereiche der Barriereschicht die Wände der Tintenzuführungskanäle, die von der Tintenabfeuerungskammer zu einer Tintenquelle (wie z.B. dem Tintenplenum 205 mittels des Schlitzes, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist) führen. Diese Tintenzuführungskanäle ermöglichen die anfängliche Füllung der Tintenabfeuerungskammer mit Tinte und liefern eine kontinuierliche Nachfüllung der Abfeuerungskammer nach jedem Tintenausstoß aus der Kammer. Die Geschwindigkeit, mit der Tinte in die Tintenabfeuerungskammer gelangen und diese füllen kann, ist ein wesentlicher Faktor beim Bestimmen der höchsten Geschwindigkeit, mit der der Drucker drucken kann. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind in der Barriereschicht zwei Tintenzuführungskanäle erzeugt, um das Tintenplenum mit der Tintenabfeuerungskammer zu koppeln, so daß ein überzähliger Tintenvorrat in der Kammer enthalten bleibt, und daß eine hohe Nachfüllgeschwindigkeit realisiert werden kann, ohne daß ein wesentlicher Teil der Energie, die für die Tintenblasenverdampfung erzeugt wurde, aus den Tintenzuführungskanälen verlorengeht.
Eine Laminierung einer Öffnungsplatte an die Barriereschicht wird bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel durch die Anwendung von Wärme (ca. 200º) und Druck (zwischen 50 und 250 psi) für einen Zeitraum bis zu 15 Minuten erzielt. Haftverstärker, wie diese z.B. in der U.S.-Patentanmeldung Nr. 08/742,118 offenbart sind, die im Namen von Garold Radke u. a. am 1. Oktober 1996 eingereicht wurde, können verwendet werden, um die Verbindung zwischen der Öffnungsplatte und der Barriereschicht zu verbessern. Ein letztendlicher Aufbau des Polymers und eine Aushärtung der Verbindung wird dann mit einem thermischen Durchwärmen bei ca. 220ºC für einen Zeitraum von ca. 30 Minuten erzielt.
Ein zusätzliches Merkmal wird in der Barriereschicht des bevorzugten Ausführungsbeispiels erzeugt. An dem Eingang zu jedem Tintenzuführungskanal ist eine Mehrzahl von Barriereschichtinseln 301 angebracht, wie dies z.B. in der isometrischen Draufsicht der Oberfläche des Substrats (wobei die Öffnungsplatte entfernt ist) aus Fig. 3 gezeigt ist. Jede Barriereinsel besteht aus einem Barrierematerial und erstreckt sich über die gesamte Dicke der Barriereschicht 213 von dem Substrat 207 zu der Öffnungsplatte. Um eine Ablösung der Inseln von entweder der Öffnungsplatte oder dem Substrat zu vermeiden, bietet jede Barriereinsel einen Haftbereich von ca. 200 um² zu jeder Oberfläche. Der Hauptzweck dieser Barriereinseln besteht darin, zu verhindern, daß Teilchen und Verunreinigungen aus der Tinte in die Tintenzuführungskanäle und die Öffnung jeder Abfeuerungskammer gelangen. Um ordnungsgemäß zu funktionieren, ist es bei diesem Filter erforderlich, daß die Abstände (S) zwischen jeder Insel (gleichbedeutend mit Filterporen) kleiner als die Kanalbreite (W) jeder Abfeuerungskammer und kleiner als der Durchmesser der Öffnungsbohrung sind. So wird jede Verunreinigung, die sich in dem Tintenzuführungskanal oder in der Öffnung festsetzen könnte, aus diesen bedeutenden Bereichen ausgeschlossen. Als ein Ergebnis einer Zahl von Inseln (und Abständen zwischen denselben) hindert die Blockierung eines der Abstände zwischen den Inseln den Tintenfluß zu jedem Tintenzuführungskanal nicht ernsthaft, wobei die Wahrscheinlichkeit des Verschlusses einer Tintenabfeuerungskammer beträchtlich reduziert wird. Experimente mit unterschiedlichen Abstandsabmessungen (S = 10, 12 und 14 um) haben gezeigt, daß bei einer hohen Geschwindigkeit der Nachfüllung von Tintenabfeuerungskammern die Leistung des Druckkopfs durch diesen Bereich von Abmessungen nicht beeinflußt wird.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wurden die Abmessungen vieler Elemente des Druckkopfs wesentlich kleiner als bei bereits bekannten Entwürfen gemacht, um eine hohe Qualität des Tintendruckens durch die Verwendung von kleinen Tintentropfen zu erzeugen. Das nominale Tintentropfengewicht beträgt ca. 10 ng für den Auswurf aus einer Öffnung mit einem Bohrungsdurchmesser von 18 um (±2 um). Um eine Tintenabfeuerungskammernachfüllgeschwindigkeit zu erzielen, die eine 15-KHz-Betriebsfrequenz unterstützt, werden zwei Versatztintenzuführungskanäle 303, 305 verwendet, um eine überzählige Tintennachfüllkapazität zu liefern. Jeder Tintenzuführungskanal weist eine Kanalbreite W von 17 um (±2 um) und eine Kanallänge von ca. 30 um auf. Kanäle und Öffnungen mit diesen Abmessungen stellen dahingehend eine größere Herausforderung an das Filtern von Verunreinigungen dar als dies bisher durchgeführt wurde, da Teilchen mit der Größe von menschlichen Hautzellen einen Tintenzuführungskanal oder eine Öffnung blockieren. Da Teilchen dieser Größe einige biologische Zellen umfassen, die nicht fest sind, muß die Filterporengröße kleiner als die kleinste Operationsabmessung des Druckkopfs sein, um die potentiell blockierenden Teilchen einzufangen. Abhängig von der bestimmten Anwendung ist die kleine Operationsabmessung entweder der Tintenzuführungskanal w mit 17 um (±2 um) oder der Öffnungsbohrungsdurchmesser mit ca. 18 um. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Abstand (S) zwischen jeder Insel 12 um (±0,5 um). Die Dicke der Barriereschicht beträgt 14 um (±1,5 um).
Negative Photoresiste sind zur Lösung von Einschränkungen bekannt, die hauptsächlich auf ein Anschwellen während des Lichtentwicklungsverfahrens des Materials zurückzuführen sind. Es ist bekannt, daß jedes Merkmal, das in der Barriereschicht definiert ist, oder der Abstand zwischen derartigen Merkmalen Abmessungen aufweisen sollte, die die Dickenabmessung der Barriereschicht überschreiten. Vergleiche Weiß, "Photoresist Technology Update", Semiconductor International, April 1983, aus dem hervorgeht, daß negative Photoresistmaterialien auf Schichtdicke-zu- Materialabmessungen-Verhältinisse von 1 : 2 oder 1 : 3 beschränkt sind, während positive Resiste ein 1 : 1-Verhältnis ermöglichen. Ein Beispiel eines erwünschten Tintenzuführungskanalquerschnitts ist in Fig. 4A dargestellt. Bei dem Substrat 207 ist die Barriereschicht 213 an seiner Oberfläche angebracht. Eine Öffnungsplatte 109 ist an der Barriereschicht 213 befestigt. Bei der Barriereschicht wurde ein Kanal 401 photodefiniert und in die Barriereschicht hinein entwickelt, so daß ein Tintenzuführungskanal durch die sandwichartige Umschließung des Substrats, die Barriereschicht und die Öffnungsplatte erzeugt wurde. Wenn die Breitenabmessung des Kanals kleiner als die Dickenabmessung der Barriereschicht ist, tritt eine unvollständige Entwicklung auf, wobei eine Brücke 403 der Barriereschicht in dem schmalen Kanal zurückbleibt, wie dies in Fig. 4B gezeigt ist. Diese Brücke verstopft den Kanal und reduziert das Volumen des Tintenflusses zu der Tintenabfeuerungskammer.
Es hat sich herausgestellt, daß die Entleerung von gelöstem Sauerstoff während der Belichtung die Kanalbreite limitiert, die zwischen großen Merkmalen definiert werden kann. Für eine bestimmte Barrieredicke, Belichtungsdosis, Dosisrate, Temperatur und Sauerstoffverfügbarkeit an der Barriereoberfläche geht man davon aus, daß eine Sauerstoffdiffusion auf eine finite Distanz beschränkt ist. Wenn eine Barrieredicke derartig ist, daß ein Kanal innerhalb dieser Distanz definiert ist, wird der Näheeffekt der Sauerstoffdiffusion beim Begrenzen eines Aspektverhältnisses wichtiger als ein Anschwellen.
Wenn ein Bereich des Barriereschichtmaterials einer ionisierenden Strahlung ausgesetzt ist, werden chemische Reaktionen in dem Barrierefilm induziert, die freie Radikale bilden, wie z.B. Peroxydradikale. Diese freien Radikale kombinieren sich, um Vernetzungsreaktionen zu bilden, die belichtete Bereiche immun gegenüber dem Entwicklerlösungsmittel machen und so das gewünschte Bild definieren. In einer üblichen Herstellungsumgebung jedoch ist zweiatomiger Sauerstoff aus der Luft im Gleichgewicht mit den anderen Komponenten des Barriereschichtfilms. Bevor die Vernetzungsreaktionen folgen können, müssen die Sauerstoffmoleküle, die viel reaktionsfreudiger als freie Radikale sind, unterdrückt werden. Sobald die Strahlungsmenge, die benötigt wird, um mit dem unmittelbar verfügbaren Sauerstoff zu reagieren, überschritten ist, vernetzt eine weitere Strahlung das Material.
Der Näheeffekt, der eine "unvollständige Entwicklung" (oder "Brückenbildung") verursacht hat, tritt an der Grenzfläche zwischen dem belichteten und dem unbelichteten Bereich der Barriere auf: aus der belichteten Seite wurden die Sauerstoffmoleküle entleert; auf der unbelichteten Seite herrscht noch die Gleichgewichtskonzentration. So erzwingt, weil der Barriereschichtfilm von dem Sauerstoff in der Luft durch den Mylar-Abdeckfilm getrennt ist, ein Momentankonzentrationsgefälle eine Migration von Sauerstoffmolekülen aus der benachbarten unbelichteten Barriere in den belichteten Bereich, um die Verteilung von Sauerstoff auszugleichen. Eine Sauerstoffmigration aus dem unbelichteten Kanal vermindert dann die Strahlungsmenge, die benötigt wird, um die Barriere zu belichten, weil weniger Sauerstoffmoleküle unterdrückt werden müssen, bevor die Vernetzung beginnt, wodurch es ermöglicht wird, daß der maskierte Kanal unerwünschterweise einer Strahlung ausgesetzt wird, die von dem unbelichteten Bereich gestreut wird. So ist es zu erwarten, daß bei einem Tintenstrahldruckkopf, wenn die Barriereschichtdicke größer als die Breite des Merkmals ist, das entwickelt wird, und wenn das Merkmal in unmittelbarer Nähe zu einem großen Volumen des Barrierematerials ist, daß eine Brückenbildung des Merkmals auftritt. Wenn jedoch das Merkmal eine Breitendimension aufweist, die kleiner als die Barriereschichtdicke ist und sich jedoch in einer bestimmten Distanz von großen Volumen des Barrierematerials befindet, tritt für Breiten, die kleiner sind als die Barrieredicke, aber größer als 0,6 mal die Barriereschichtdicke sind, bei der Belichtungsenergie, die zum Definieren des Rests der Struktur verwendet wird, keine Brückenbildung auf. Die Distanz, um die das Merkmal von dem großen Volumen von belichtetem Material getrennt sein muß, ist gleich der um einen Faktor von 2 bis 5 erhöhten Barriereschichtdicke und hängt von der tatsächlichen Größe des großen Volumens von belichtetem Material ab. Folglich sind bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Inseln 301 von dem nächsten Volumen der Barriereschicht um eine Distanz (D) von 10 um (±0,25 um) beabstandet. Es wird angemerkt, daß die Abmessungen für die Barriereschichtmerkmale als die Abmessungen der Photoresistmaske gegeben sind. Es ist zu erwarten, daß die Abstände zwischen Barriereschichtwänden, Abstände, wie z.B. 5, der Barriereinselabstand und w, die Tintenzuführungskanalbreite, zwischen 1 und 2 um größer als die Photoresistmaskenabmessungen werden.
So wird die Plazierung von Inseln der Barriereschicht zwischen dem Tintenvorrat und den Tintenzuführungskanälen zu der Abfeuerungskammer und um eine Distanz beabstandet, die kleiner als die Breite des Tintenzuführungskanals oder der Durchmesser der Öffnungsbohrung ist, die Blockierung des Tintenzuführungskanals oder der Öffnungsbohrung durch Verunreinigungen in der Tinte verringern. Wenn die Abmessungen der Abstände zwischen den Inseln kleiner als die Dicke der Barriereschicht ist, wird einer Brückenbildung zwischen den Inseln durch den Abstand der Inseln von dem Rest des Barriereschichtmaterials vorgebeugt.

Claims

1. Ein Druckkopf, der Tinte aus zumindest einer Abfeuerungskammer ausstößt, für einen Tintenstrahldrucker, mit folgenden Merkmalen:

einem Substrat (207), an dem eine Tintenauswurfvorrichtung (209, 211) angebracht ist;

einer Barriereschicht (213), die an zumindest einem Abschnitt des Substrats angebracht ist, wobei die Barriereschicht folgende Merkmale umfaßt:

eine Schichtdicke mit einer ersten Abmessung;

zumindest einen Tintenzuführungskanal (303, 305), durch den Tinte von einer Tintenquelle mit der Abfeuerungskammer gekoppelt ist, wobei der zumindest eine Tintenzuführungskanal Wände aufweist, die durch eine längliche Trennung der Barriereschicht, das Substrat und eine Öffnungsplatte (203) gebildet sind, wobei die längliche Trennung durch eine Breite (w) mit einer zweiten Abmessung definiert ist, und

eine Mehrzahl von Inseln (301), wobei jede Insel der Mehrzahl von Inseln von einer benachbarten Insel um nicht mehr als eine dritte Abmessung (S) beabstandet ist und zwischen der Tintenquelle und dem zumindest einen Tintenzuführungskanal angeordnet ist; und

wobei die zweite Abmessung größer oder gleich der ersten Abmessung ist, und wobei die dritte Abmessung kleiner als die erste Abmessung ist.

2. Ein Druckkopf gemäß Anspruch 1, bei dem die Öffnungsplatte an der Barriereschicht angebracht ist und eine Öffnung (215, 217) durch dieselbe aufweist, die sich von einer Oberfläche der der Öffnungsplatte am nächsten gelegenen Barriereschicht zu einer äußeren Oberfläche der Öffnungsplatte erstreckt und relativ zu der Tintenauswurfvorrichtung positioniert ist, wodurch Tinte durch die Tintenauswurfvorrichtung ausgestoßen werden kann.

3. Ein Druckkopf gemäß Anspruch 2, bei dem die Öffnungsplatte ferner die Öffnung aufweist, die eine minimale Bohrungsabmessung aufweist, die größer als die erste Abmessung ist.

4. Ein Verfahren zum Herstellen eines Druckkopfs, der Tinte aus zumindest einer Abfeuerungskammer auswirft, für einen Tintenstrahldrucker, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

Anordnen einer Barriereschicht (213), die eine Dicke mit einer ersten Abmessung aufweist, an einem Abschnitt auf einem Substrat (207);

Aussetzen eines vorbestimmten Abschnitts der Barriereschicht einer elektromagnetischen Strahlung, wobei der vorbestimmte Abschnitt Wände eines Tintenzuführungskanals (303, 305), der Tinte von einer Tintenquelle mit der Abfeuerungskammer koppelt und von anderen durch eine zweite Abmessung (w) beabstandet ist, und eine Mehrzahl von Inseln (301) umfaßt, wobei jede Insel der Mehrzahl von Inseln von einer benachbarten Insel der Mehrzahl von Inseln um nicht mehr als eine dritte Abmessung (S) beabstandet und zwischen der Tintenquelle und dem Tintenzuführungskanal angeordnet ist, wobei die zweite Abmessung größer oder gleich der ersten Abmessung ist, und wobei die dritte Abmessung kleiner als die erste Abmessung ist; und

Entwickeln der Barriereschicht, um Abschnitte der Barriereschicht zu entfernen, die nicht der elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt wurden.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, das ferner folgende Schritte aufweist:

Erzeugen zumindest einer Öffnung (215, 217) in einer Öffnungsplatte (203), wobei sich die Öffnung von einer ersten Oberfläche der Öffnungsplatte zu einer zweiten Oberfläche der Öffnungsplatte erstreckt und eine Bohrung mit einer vierten Abmessung aufweist; und

Anordnen der Öffnungsplatte auf der Barriereschicht, wodurch Tinte von der Tintenauswurfvorrichtung durch die erzeugte Öffnung ausgestoßen werden kann.

6. Ein Verfahren gemäß Anspruch 5, das ferner den Schritt des Erzeugens der Bohrung mit der vierten Dimension, die größer als die erste Dimension ist, aufweist.