DE69823783T2

DE69823783T2 - Verfahren zum herstellen von tintenstrahl-aufzeichnungsköpfen

Info

Publication number: DE69823783T2
Application number: DE69823783T
Authority: DE
Inventors: Teruo Ozaki; Masahiko Ogawa; Masami Ikeda; Ichiro Saito; Takayuki Yagi; Hiroyuki Ishinaga; Toshio Kashino; Tomoyuki Hiroki; Yoshiyuki Imanaka; Masahiko Kubota; Muga Mochizuki
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-12-05
Filing date: 1998-12-05
Publication date: 2005-04-28
Anticipated expiration: 2018-12-06
Also published as: US6331259B1; JP3619036B2; EP0922582A3; EP0922582B1; JP2000225708A; DE69823783D1; EP0922582A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Tintenstrahl-Aufzeichnungsköpfen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen solcher Tintenstrahl-Aufzeichnungsköpfe, die in der Lage sind, die Tintenausstoßdruck-Erzeugungselemente und die Tintenausstoßöffnungen (Düsen) jedes Kopfs mit extrem hoher Genauigkeit in einer kürzeren Distanz mit guter Wiederholbarkeit einzustellen, um Bilder höherer Qualität aufzeichnen zu können, ohne daß es aufgrund der zugeführten Wärme zu einer Verformung des Kopfs kommt, wobei gleichzeitig eine gute Widerstandsfähigkeit gegenüber Tinte und Erosion gegeben sein soll, ebenso wie eine höhere Dimensionsgenauigkeit und Zuverlässigkeit, die möglicherweise durch Schwellvorgänge und dergleichen abträglich beeinflußt werden können.
Einschlägiger Stand der Technik
Ein Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf für ein Tintenstrahl-Aufzeichnungsverfahren (Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungsverfahren) ist im allgemeinen ausgestattet mit feinen Aufzeichnungsflüssigkeits-Ausstoßöffnungen (Düsen), Flüssigkeits-Strömungswegen sowie Flüssigkeitsausstoßenergie-Erzeugungsabschnitten, die an einem Teil jedes Flüssigkeits-Strömungswegs angeordnet sind. Um hochqualitative Bilder mit einem derartigen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf zu erhalten, ist es erstrebenswert, kleine Tröpfchen der Aufzeichnungsflüssigkeit aus entsprechenden Ausstoßöffnungen (Düsen) mit jeweils gleichem Volumen und stets gleicher Ausstoßgeschwindigkeit auszustoßen. Hierzu wurde in den Beschreibungen der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschriften 4-10940 bis 4-10942 ein Verfahren zum Ausstoßen von Tintentröpfchen offenbart, bei dem Treibersignale an Tintenausstoßdruck-Erzeugungselemente (Elektrowärme-Wandlerelemente oder elektrothermische Wandlerelemente) nach Maßgabe der Aufzeichnungsinformation gelegt werden, um die Elektrowärme-Wandlerelemente zu veranlassen, Wärmeenergie freizusetzen, die zu einem raschen Temperaturanstieg der Tinte jenseits ihres Siedepunkts führt, um dadurch Blasen in der Tinte zu bilden, die dazu dienen, Tintentröpfchen auszustoßen, indem diese Blasen mit der Außenluft kommunizieren.
Für einen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf, der sich zur Implementierung eines solchen Verfahrens eignet, ist es vorzuziehen, wenn der Abstand zwischen jedem der Elektrowärme-Wandlerelemente und der Ausstoßöffnungen (Düsen) (im folgenden als „OH-Abstand" bezeichnet) möglichst gering ist. Bei diesem Verfahren bestimmt sich das Ausstoßvolumen nahezu ausschließlich durch den OH-Abstand. Deshalb ist es notwendig, den OH-Abstand im Zusammenhang mit einer guten Reproduzierbarkeit exakt einzustellen.
Als Verfahren zum Herstellen von Tintenstrahl-Aufzeichnungsköpfen gibt es zum Beispiel ein Verfahren, wie es in den Beschreibungen der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschriften 57-208255 und 57-208256 offenbart ist, wonach die durch die Tintenströmungswege und Ausstoßöffnungen (Ports) gebildeten Düsen unter Einsatz von photoempfindlichem Harzmaterial auf dem Substrat, auf welchem die Tintenausstoßdruck-Erzeugungselemente ausgebildet sind, als Muster angelegt werden, um anschließend eine Glasplatte oder dergleichen als Abdeckung auf das Substrat zu legen. Alternativ ist in der Beschreibung der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift 61-154947 ein Verfahren offenbart, bei dem das Muster des Tintenströmungswegs durch ein lösliches Harz gebildet wird und dieses Muster dann mit Epoxyharz oder dergleichen überzogen und zum Aushärten gebracht wird, um anschließend nach dem Schneiden des Substrats das durch das lösliche Harz gebildete Muster durch Auflösen zu beseitigen. Alle diese Verfahren sind jedoch nur zur Herstellung eines solchen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfs geeignet, dessen Ausstoßrichtung sich unterscheidet von (nahezu senkrecht verläuft zu) der Blasenentstehungsrichtung. Bei einem Kopf dieser Art wird der Abstand zwischen den Tintenausstoßdruck-Erzeugungselementen und den Ausstoßöffnungen (Ports) durch Schneiden jedes Substrats eingestellt. Im Ergebnis wird die Schneidgenauigkeit zu einem äußert wichtigen Faktor bei der Einstellung der Distanz zwischen den Teilen. Da allerdings der Schneidvorgang im allgemeinen mit einer Trennsäge oder einer anderen mechanischen Einrichtung erfolgt, ist es schwierig, den Einstellvorgang mit extrem hoher Präzision vorzunehmen.
Weiterhin gibt es als Verfahren zum Herstellen eines Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfs des Typs, bei dem die Blasenentwicklungsrichtung nahezu die gleiche ist wie die des Ausstoßvorgangs, ein Verfahren, wie es in der japanischen Patentoffenlegungsschrift 58-8658 offenbart ist, nach dem das Substrat und der zu der Düsenplatte werdende Trockenfilm durch einen weiteren gemusterten Trockenfilm gebondet werden und dann die Ausstoßöffnungen (Ports) mit Hilfe von Photolithographie erzeugt werden. Außerdem gibt es ein Verfahren gemäß der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift 62-254975, bei dem das Substrat mit dem darauf ausgebildeten Tintenausstoßdruck-Erzeugungselementen und eine durch elektrolytisches Gießen hergestellte Düsenplatte über einen Trockenfilm gebondet werden. Bei jedem dieser Verfahren ist es allerdings schwierig, die Düsenplatte gleichmäßig dünn auszubilden (mit einer Dicke von 20 μm oder weniger beispielsweise), und selbst wenn derartige dünne Düsenplatten hergestellt werden könnten, wäre es äußerst schwierig, den Bondvorgang zwischen dem Substrat mit den darauf ausgebildeten Tintenausstoßdruck-Strömungselementen mit der dünnen Düsenplatte zusammenzubringen, da letztere brüchig ist.
Um diese Probleme zu lösen, ist in der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift 6-286149 ein Verfahren zum Herstellen von Tintenstrahl-Aufzeichnungsköpfen offenbart, welches in der Lage ist, die Tintenausstoßdruck-Erzeugungselemente und die Ausstoßöffnungen (Ports) mit hoher Präzision und guter Wiederholbarkeit auf eine kurze Distanz einzustellen, um Bilder höherer Qualität in der Weise drucken zu können, daß (1) nach der Ausbildung der Tintenströmungswege durch Musterbildung unter Einsatz des löslichen Harz an dem Substrat die Tintenausstoßdruck-Erzeugungselemente auf dem Substrat ausgebildet sind, (2) das das Überzugharzmaterial enthaltende feste Epoxyharz bei Zimmertemperatur in einem Lösungsmittel gelöst wird, um auf der Schicht aus löslichem Harzmaterial aufgetragen zu werden durch Aufbringen des Lösungsmittelüberzugs, um die Überzugharzschicht zu bilden, die später zu Tintenströmungsweg-Wänden in der Schicht aus lösbarem Harz wird, und anschließend (3) nach der Ausbildung der Tintenausstoßöffnung (Ports) in der Überzugharzschicht oberhalb der Tintenausstoßdruck-Erzeugungselemente, (4) die aus löslichem Harz bestehende Schicht aufgelöst wird zur Schaffung des oben angesprochenen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfs. Bei diesem Verfahren besteht die Möglichkeit, die Fertigungsprozesse zu verkürzen und einen billigen und dennoch zuverlässigen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf zu erhalten.
Dennoch gibt es immer noch die unten angesprochenen Probleme bei dem Verfahren nach der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift 6-286149.

(1) Da die Tintenströmungsweg-Wände üblicherweise mit Harz auf dem Siliciumsubstrat ausgebildet werden, kommt es leicht zu einer Verformung aufgrund der unterschiedlichen linearen Ausdehnungsfaktoren des anorganischen Materials einerseits und des Harzmaterials andererseits. Im Ergebnis trifft man auf das Problem der mechanischen Eigenschaften der so gebildeten Wände.
(2) Der Randbereich der Harzstruktur rundet sich häufig ab, so daß die Schärfe der resultierenden Kante häufig unzulänglich ist. In einigen Fällen ist daher die erhaltene Dimensionsgenauigkeit nicht gut genug.
(3) Harz unterliegt Schwellungen und schält leicht ab. Deshalb ist in manchen Fällen die Zuverlässigkeit nicht ausreichend.

Die US-A-5 322 594 zeigt ein Verfahren zum Herstellen von Tintenstrahl-Aufzeichnungsköpfen mit folgenden Schritten:
Ausbilden eines Films aus einem ersten organischen Material in Form eines Tintenströmungsweg-Musters unter Verwendung des löslichen ersten anorganischen Materials auf dem Substrat, auf dem ein Tintenausstoßdruck-Erzeugungselement (19) ausgebildet ist;
Ausbilden eines Films aus einem zweiten anorganischen Material, das zu Tintenströmungswänden wird, auf dem Film des ersten anorganischen Materials unter Einsatz des zweiten anorganischen Materials;
Ausbilden der Tintenausstoßöffnungen in dem Film des zweiten anorganischen Materials oberhalb der Tintenausstoßdruck-Erzeugungselemente; und
Auflösen des Films aus dem ersten anorganischen Material.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde mit Blick auf die Lösung dieser im Stand der Technik anzutreffenden Probleme gemacht. Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Herstellen von Tintenstrahl-Aufzeichnungsköpfen, welches in der Lage ist, die Tintenausstoßdruck-Erzeugungselemente und die Tintenausstoßöffnungen (Ports) jedes Kopfs mit extrem hoher Genauigkeit in kürzerer Distanz bei guter Reproduzierbarkeit einzustellen, um Bilder mit höherer Qualität aufzeichnen zu können, ohne daß es zu irgendeiner Verformung des Kopfs aufgrund der zugeführten Wärme kommt, wobei gleichzeitig eine gute Widerstandsfähigkeit gegenüber Tinte und Erosion ebenso erreicht werden soll, wie eine höhere Dimensionsgenauigkeit und Zuverlässigkeit, die ansonsten durch Schwellen oder dergleichen abträglich beeinflußt sein könnten.
Erreicht wird dieses Ziel durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 und ein Verfahren nach dem Anspruch 2.
Bei diesem Verfahren ist es außerdem möglich, die Fertigungsprozesse, wie sie in der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift 6-286149 offenbart sind, zu verkürzen und einen in hohem Maße zuverlässigen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf bei geringeren Fertigungskosten zu erhalten.
Weitere Ziele und Vorteile außer den bereits oben erwähnten ergeben sich für den Fachmann aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. In dieser Beschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die Teil der Spezifikation sind und ein Beispiel der Erfindung zeigen. Allerdings ist dieses Beispiel nicht erschöpfend für die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung, so daß auf die Ansprüche Bezug genommen wird, die sich an die Beschreibung anschließen und den Schutzumfang der Erfindung festlegen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A und 1B sind Ansichten, die die Ausstoßöffnungsfläche eines Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfs gemäß einem ersten (nicht zur Erfindung gehörigen) Beispiel veranschaulichen, wobei 1A eine Draufsicht und 1B eine Querschnittansicht entlang der Linie 1B-1B in 1A ist.
2A, 2B, 2C, 2D, 2E, 2F, 2G und 2H sind Ansichten, die das Verfahren zum Herstellen des Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfs des ersten Beispiels veranschaulichen.
3A und 3B sind Ansichten, die die Ausstoßöffnungsfläche eines Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfs gemäß einem zweiten (nicht zur Erfindung gehörigen) Beispiels veranschaulichen, wobei 3A eine Draufsicht und 3B eine Querschnittansicht entlang der Linie 3B-3B in 3A ist.
4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, 4G und 4H sind Ansichten, die ein Verfahren zum Herstellen des Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfs des zweiten Beispiels veranschaulichen.
5A und 5B sind Ansichten, die die Ausstoßöffnungsoberfläche eines Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfs nach einem dritten (nicht zur Erfindung gehörigen) Beispiel veranschaulichen, wobei 5A eine Draufsicht und 5B eine Querschnittansicht entlang der Linie 5B-5B in 5A ist.
6A, 6B, 6C, 6D, 6E, 6F, 6G und 6H sind Ansichten, die ein Verfahren zum Herstellen des Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfs des dritten Beispiels veranschaulichen.
7A und 7B sind Ansichten, die die Ausstoßöffnungsoberfläche eines Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfs nach einem vierten (nicht zur Erfindung gehörigen) Beispiel veranschaulichen, wobei 7A eine Draufsicht und 7B eine Querschnittansicht entlang der Linie 7B-7B in 7A ist.
8A, 8B, 8C, 8D, 8E, 8F, 8G und 8H sind Ansichten, die ein Verfahren zum Herstellen des Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfs des vierten Beispiels veranschaulichen.
9 ist eine Ansicht, die die Konfiguration von Durchgangslöchern für die Tintenzufuhr zeigt.
10 ist eine Ansicht, die die Konfiguration von Durchgangslöchern für die Tintenzufuhr zeigt.
11 ist eine perspektivische Ansicht, die am besten einen Flüssigkeitsstrahlkopf gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
12 ist eine Querschnittansicht entlang der Linie 12-12 in 11.
13 ist eine Querschnittansicht, die den dem Wärmeerzeugungsteil entsprechenden Abschnitt (dem Blasenerzeugungsbereich) eines in 11 dargestellten elementaren Substrats veranschaulicht.
14 ist eine Querschnittansicht, die schematisch die in 13 dargestellte Hauptkomponente zeigt, wenn das Element vertikal geschnitten wird.
15A, 15B, 15C, 15D, 15E und 15F sind Ansichten, die ein Verfahren zum Herstellen des Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopfs gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen.
16G, 16H, 16I und 16J sind Ansichten, die das Verfahren zum Herstellen des Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopfs gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
17 ist eine perspektivische Ansicht, die am besten einen Flüssigkeitsstrahlkopf gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
18 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 18-18 in 17.
19A, 19B, 19C, 19D, 19E und 19F sind Ansichten, die ein Verfahren zum Herstellen von Flüssigkeitsstrahlköpfen gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
20G und 20H sind Ansichten, die das Verfahren zum Herstellen der Flüssigkeitsstrahlköpfe gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen.
21 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch ein Beispiel der Bildaufzeichnungsvorrichtung zeigt, die sich zur Anbringung des Flüssigkeitsstrahlkopfs jeder Ausführungsform der Erfindung eignet.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bei einem Beispiel ist es bevorzugt, ein erstes anorganisches Material zu verwenden, welches sich einfacher in einer Lösung (einer Ätzlösung) löst als ein zweites anorganisches Material, wenn der Ablösevorgang durchgeführt wird, und welches später aufgelöst werden kann durch Injektion einer alkalischen Tinte, selbst wenn es einen Auflösungsrückstand (Ätzrückstand) gibt. Bei einem solchen Material ist es bevorzugt, PSG (Phosphorsilicatglas), BPSG (Borphosphorsilicatglas), Siliciumoxid oder dergleichen zu verwenden. Bei einem solchen Werkstoff kann man das Material unter Verwendung von Flußsäure bei einem späteren Prozeßabschnitt beseitigen. Was das erste anorganische Material angeht, so ist es besonders bevorzugt, als erstes anorganisches Material das PSG zu verwenden, weil dieses Material eine höhere Ätzrate bei gepufferter Flußsäure aufweist. Außerdem ist es zur Vermeidung einer Beschädigung des anorganischen Materials durch das zum Ablösen eingesetzte Lösungsmittel bevorzugt, als das erste anorganische Material Al zu verwenden, wobei als dessen Lösungsmittel vorzugsweise Phosphorsäure oder Salzsäure eingesetzt wird, die sich bei Zimmertemperatur verwenden läßt.
Für das zweite anorganische Material ist es üblich, dasjenige Material einzusetzen, welches sich nicht leicht durch dasjenige Lösungsmittel (die Ätzlösung) lösen läßt, welches zum Ablösen des ersten anorganischen Materials verwendet wird, wobei das zweite Material eine gute chemische Beständigkeit, beispielsweise Widerstandsfähigkeit gegenüber Tinte ebenso aufweist wie gute physikalische Eigenschaften, beispielsweise mechanische Festigkeit, die ausreicht, um den Einsatz des Materials an der Ausstoßöffnungsfläche zu ermöglichen. Bei einem solchen Werkstoff ist es bevorzugt, Siliciumoxid zu verwenden, welches in der Halbleiterfertigungstechnik allgemein eingesetzt wird.

Man kann folgende Effekte erreichen, wenn man PSG (Phosphorsilicatglas), BPSG (Borphosphorsilicatglas) oder Siliciumoxid als das erste anorganische Material verwendet, während als zweites anorganisches Material Siliciumoxid verwendet wird:
(1) Es ergibt sich eine hervorragende Erosionsbeständigkeit, beispielsweise bezüglich Tinte.
(2) Der Unterschied der Wärmeausdehnung wird geringer, und das Problem der thermischen Verformung ergibt sich nicht, weil üblicherweise ein Siliciumsubstrat verwendet wird, welches ein Material ist, welches sich für die vorliegende Erfindung eignet.
(3) Die Dimensionsgenauigkeit und die Lagegenauigkeit sind hervorragend, weil es möglich ist, den Photolithographieprozeß einzusetzen, um die Ausstoßöffnungen (Ports) des Siliciumnitridfilms zu bilden.
(4) Man erhält deshalb eine erhöhte Zuverlässigkeit, weil es durch die Tinte zu keinem Anschwellen kommt.
(5) Man kann sämtliche Fertigungsprozesse mit Hilfe von Photolithographie ausführen, der mechanische Zusammenbau ist unter reineren Umgebungsbedingungen möglich. Im Ergebnis wird das Problem von Staubpartikeln beseitigt.
(6) Es gibt keine Möglichkeit dafür, daß die Oberfläche des Tintenausstoßdruckelements, beispielsweise in Form der Elektrowärme-Wandlereinrichtung, kontaminiert wird, weil weder ein Harz verwendet wird, noch ein organisches Lösungsmittel.
(7) Man kann die Ausstoßöffnungen (Ports) rechtwinklig oder rückwärts verlaufend verjüngt ausbilden.
(8) Es ist eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 300°C bis 400°C nach der Bildung der Ausstoßöffnungen (Ports) möglich. Im Ergebnis ergibt sich eine gleichförmige Wasserabstoßungsbehandlung für die Oberfläche der Ausstoßöffnungen (Ports) mit Hilfe von plasmischer Polymerisation.
(9) Die Abriebbeständigkeit wird größer beim Abstreifen im Zuge einer Kopfwiederherstellung, um die Haltbarkeit des Kopfs zu steigern, weil der Siliciumnitridfilm hart ist.

Wenn Al verwendet wird als erster anorganischer Werkstoff, lassen sich außerdem die folgenden Effekte erzielen:

(1) Wenn das Siliciumnitrid als zweiter anorganischer Werkstoff verwendet wird, der nicht leicht durch die Ätzlösung lösbar ist, während das Material dennoch hohe chemische Stabilität besitzt, beispielsweise Widerstandsfähigkeit gegenüber Tinte, außerdem gute physikalische Eigenschaften wie beispielsweise mechanische Festigkeit, die seinen Einsatz an der Ausstoßöffnungs-Oberfläche empfehlen, so ist das Ätzlösungsverhältnis so groß wie 20 : 1, wenn CF₄, C₂F₆, C₃F₈, SF₆ oder ein anderes Gas zum Ätzen des Mündungsbereichs verwendet wird. Im Ergebnis wird es möglich, den Ätzstoppereffekt (das ist das Verhindern einer möglichen Beschädigung des Grundmaterials) zu erreichen.
(2) Bei der Ausbildung des Mündungsbereichs kommt es außerdem zu keiner Hinterschneidung beim Ätzen des Grundmaterials.

Wenn außerdem die Struktur derart beschaffen ist, daß die Hauptkomponente des Materials des Flüssigkeits-Strömungswegelements, das sich an den Ausstoßöffnungen (Ports) befindet, und an den Flüssigkeitsströmungswegen befindet, Si als elementares Substrat mit Grundmaterial ebenfalls aus Si ist, es zu keiner Differenz bei den Wärmeausdehnungsfaktoren des elementaren Substrats und des Flüssigkeits-Strömungswegelements kommt. Im Ergebnis wird die enge Berührung zwischen dem elementaren Substrat und dem Flüssigkeits-Strömungswegelement oder die relative Lagegenauigkeit zwischen diesen Bereichen nicht abträglich beeinflußt durch den thermischen Einfluß, der durch den Wärmestau in dem Kopf beim Drucken mit hoher Geschwindigkeit entsteht. Wenn das Flüssigkeits-Strömungswegelement mit Hilfe des Halbleiterfertigungsverfahrens hergestellt wird, läßt sich der Abstand zwischen den Wärmeerzeugungselementen und den Ausstoßöffnungen (Ports) mit hoher Wiederholbarkeit und extrem hoher Genauigkeit einstellen. Da die Hauptkomponente des Flüssigkeits-Strömungswegelements Si ist, hat dieses Element eine hervorragende Widerstandsfähigkeit gegenüber Tinte oder Erosion. Durch die oben angesprochenen Vorteile wird es möglich, eine in hohem Maße zuverlässige Aufzeichnung mit höherer Qualität zu erzielen.
Erstes Beispiel, nicht zur Erfindung gehörig
1A und 1B zeigen Ansichten eines sogenannten Shooter-Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfs, der nach einem ersten Beispiel hergestellt wird; 1A ist eine Draufsicht, und 1B ist eine Querschnittansicht entlang der Linie 1B-1B in 1A. Die Ausstoßöffnungen (Ports) 14 sind hier in der durch Siliciumnitrid gebildeten Ausstoßöffnungsfläche 15 ausgebildet. 2A bis 2H zeigen den Fertigungsprozeß gemäß dem Beispiel, entsprechend dem Querschnitt entlang den Linien 2A-2A bis 2H-2H in 1A.
Wie in 2A zu sehen ist, sind die Elektrowärme-Wandlereinrichtungen 7 (die durch HfB₂ gebildeten Heizelemente) zunächst als Ausstoßenergie-Erzeugungseinrichtungen ausgebildet. Am unteren Ende eines Siliciumsubstrats 1 wird dann ein SiO₂-Film 2 mit einer Dicke von etwa 2 μm bei einer Temperatur von 400°C mit Hilfe des CVD-Verfahrens erzeugt. An dem Siliciumsubstrat werden die Wandlerelemente und die Verdrahtungen gebildet, die die elektrische Verbindung darstellen, außerdem wird als Schutzfilm zum Schutz dieser Elemente ein kavitationssicherer Film gebildet.
Wie in 2B gezeigt ist, wird der SiO₂-Film 2 mit Resistmaterial überzogen, anschließend wird nach Belichtung und Entwicklung die Öffnung 11 durch Trocken- oder Naßätzen gebildet. Der SiO₂-Film 2 dient als Maske, wenn später ein Durchgangsloch 13 gebildet wird, welches aus der Öffnung 11 gebildet wird. Zum Ätzen des SiO₂-Films 2 wird reaktives Ionenätzen oder Plasmaätzen mit CF₄ als Ätzgas gewählt, wenn Trockenätzung angewendet wird. Beim Naßätzen wird gepufferte Flußsäure verwendet.
Wie in 2C dargestellt ist, wird anschließend durch Anwenden des CVD-Verfahrens ein PSG (Phosphosilicatglas-)Film 3 mit einer Dicke von etwa 20 μm auf der oberen Endseite des Substrats bei einer Temperatur von 350°C gebildet.
Anschließend wird gemäß 2D der PSG-Film 3 verarbeitet, um das spezielle Muster der Strömungswege zu erhalten. Dabei wird bevorzugt von dem Trockenätzverfahren unter Verwendung des Resists für die PSG-Filmverarbeitung Gebrauch gemacht, da bei diesem Ätzvorgang der SiO₂-Film am unteren Ende keinen Beschädigungen ausgesetzt wird, die dort möglicherweise entstehen könnten.
Dann wird gemäß 2E der Siliciumnitridfilm 3 mit einer Dicke von etwa 5 μm auf dem PSG-Film 3 ausgebildet in Form eines Strömungswegmusters, indem bei 400°C das CVD-Verfahren angewendet wird. An dieser Stelle wird die Öffnung 12 in den Siliciumnitridfilm eingegraben.
Die Dicke des Siliciumnitridfilms, der hier ausgebildet wird, reguliert die Dicke der Ausstoßöffnungen (Ports), und die Dicke des PSG-Films, der früher ausgebildet wird, reguliert jede Lücke in den Tintenströmungswegen. Diese Dicken haben folglich möglicherweise einen starken Einfluß auf die Tintenausstoß-Kennwerte beim Tintenausstoßvorgang. Jede von ihnen sollte deshalb abhängig von den Kennwerten den Erforderungen entsprechend angepaßt werden.
Dann wird gemäß 2F der SiO₂-Film 2, welcher zuvor mit Konturen versehen wurde, als Maske verwendet. Mit dieser Maske wird das Durchgangsloch 13 als Tintenzuführöffnung in dem Siliciumsubstrat 1 ausgebildet. Zur Bildung des Durchgangslochs kann hier jedes Verfahren eingesetzt werden, bevorzugt wird allerdings das ICP-Ätzen (Ätzen mit induktivem Kopplungsplasma) mit CF₄ und Sauerstoff als Ätzgas, da bei diesem Ätzen das Substrat keinen elektrischen Beschädigungen ausgesetzt wird und außerdem die Fertigung bei niedriger Temperatur erfolgt.
Wie in 2G gezeigt ist, werden dann unter Verwendung von Resistmaterial die Ausstoßöffnungen (Ports) 14 in dem Siliciumnitridfilm 4 mittels Trockenätzung ausgebildet. Durch die Anwendung von stark anisotropem, reaktivem Ionenätzen läßt sich dadurch der nachstehend erläuterte zusätzliche Effekt erzielen.
In anderen Worten: bei der konventionellen Struktur eines Seitenausstoß-Tintenstrahlkopfs neigt dessen Kantenbereich zur Abrundung, weil sein Ausstoßöffnungsbereich aus Harzmaterial gebildet ist, so daß in einigen Fällen die Ausstoßkennwerte abträglich beeinflußt werden können. Um diese Möglichkeit auszuschließen, wird eine Düsenöffnungsplatte, die durch Elektroguß gebildet wird, auf den Öffnungsbereich gebondet. Bei dem vorliegenden Beispiel jedoch werden die Ausstoßöffnungen (Ports) 14 in dem Siliciumnitridfilm 4 gebildet, der seinerseits durch reaktives Ionenätzen ausgebildet wurde, so daß die Möglichkeit geschaffen wird, die Kanten der Ausstoßöffnungen (Ports) scharf auszubilden.
Außerdem wird durch den mehrlagigen Siliciumnitridfilm die Ätzgeschwindigkeit am unteren Bereich größer, oder man kann die Zusammensetzung allmählich ändern. Auf diese Weise wird es möglich, eine sich umgekehrt verjüngende Ausgestaltung mit schmalerem Austrittsende der Ausstoßöffnungen (Ports) zu erreichen, während das Innere der Öffnungen breiter ist. Mit den sich umgekehrt verjüngenden Ausstoßöffnungen (Ports) wird die Druckgenauigkeit gesteigert. Außerdem wird es mit der guten Kantengestaltung sämtlicher Ausstoßöffnungen (Ports) möglich, einen wasserabweisenden Film nur an deren Oberflächen entstehen zu lassen, wenn der wasserabweisende Film durch Anwenden von plasmischer Polymerisation gebildet wird. Wenn die wasserabstoßende Eigenschaft durch Implantieren von Ionen in der Oberfläche des Siliciumnitridfilms erreicht werden soll, so besteht keine Möglichkeit, die wasserabweisende Eigenschaft im Inneren jeder Ausstoßöffnung (Ports) zu erreichen. Im Ergebnis wird keine Abweichung der Flugrichtung der Tinte veranlaßt, so daß man mit höherer Genauigkeit drucken kann.
Dann wird gemäß 2H unter Verwendung gepufferter Flußsäure der PSG-Film 3 durch Eluieren von den Ausstoßöffnungen (Ports) und auch von den Durchgangslöchern entfernt.
Im Anschluß daran wird der Si enthaltende wasserabstoßende Film auf der Oberfläche der Ausstoßöffnungen mittels plasmischer Polymerisation gebildet. Am unteren Ende des Si-Substrats wird dann ein (nicht dargestelltes) Tintenzuführelement angebondet, um den Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf zu vervollständigen.
Zweites Beispiel, nicht zur Erfindung gehörig
Nach dem ersten Beispiel wird die PSG-Basis gebildet, um die Stufen auf der Ausstoßöffnungsfläche zu beseitigen. Wie in den 3A und 3B gezeigt ist, sind jedoch Nuten 16 zwischen den Ausstoßöffnungen (Ports) angeordnet, damit bei dem vorliegenden Beispiel Tinte entweichen kann. 3A und 3B sind Ansichten der Ausstoßöffnungsfläche eines Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfs gemäß einem zweiten Beispiel; 3A ist eine Draufsicht, und 3B ist eine Querschnittansicht entlang der Linie 3B-3B in 3A. 4A bis 4H sind Querschnittansichten entlang der Linien 4A-4A bis 4H-4H, die das Verfahren zum Herstellen des Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfs des zweiten Beispiels veranschaulichen.
Dieses Fertigungsverfahren ist das gleiche wie bei dem ersten Beispiel, abgesehen von dem Unterschied in dem Muster bei der Ausbildung des Strömungswegs durch Verarbeiten des PSG-Films 3. 4A bis 4H entsprechen den 2A bis 2H.
Wie in den 4A bis 4C gezeigt ist, werden die Elektrowärme-Wandlereinrichtungen 7 (die Heizeinrichtungen aus HfB₂, die in den 4A bis 4C nicht gezeigt sind), die als Ausstoßenergie-Erzeugungseinrichtungen fungieren, in der gleichen Weise wie beim ersten Beispiel auf dem Siliciumsubstrat 1 ausgebildet, und anschließend wird nach Ausbilden des SiO₂-Films 2 am unteren Ende mit einer Dicke von etwa 2 μm, die Öffnungen 11 ausgebildet. Auf der oberen Seite des Substrats wird der PSG-Film 3 gebildet.
Dann wird gemäß 4D das spezifische Strömungswegmuster gebildet. Bei dem vorliegenden Beispiel wird jede der Öffnungen 12 größer ausgebildet.
Anschließend wird gemäß 4E der Siliciumnitridfilm 4 auf dem PSG-Film 3 ausgebildet, konfiguriert in Form der Strömungswegmuster, wodurch die Nuten des Siliciumnitridfilms auf jedem Bereich der Öffnungen 12 ausgebildet werden.
Im Anschluß daran wird exakt wie beim ersten Beispiel das Durchgangsloch 13 als Tintenzuführöffnung ausgebildet, wie in den 4F bis 4H gezeigt ist. Nach der Ausbildung der Ausstoßöffnungen (Ports) 14 durch Anwenden des Trockenätzverfahrens unter Einsatz von Resistmaterial wird dann der PSF-Film 3 durch Eluieren aus den Ausstoßöffnungen (Ports) 14 und dem Durchgangsloch 13 mit Hilfe gepufferter Flußsäure entfernt.
Anschließend wird ein Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf in der gleichen Weise wie beim ersten Beispiel vervollständigt.
Drittes Beispiel, nicht zur Erfindung gehörig
5A und 5B sind Ansichten, die den Seitenausstoß-Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf veranschaulichen, der nach dem vorliegenden Beispiel hergestellt wird. 5A ist eine Draufsicht, 5B ist eine Querschnittansicht entlang der Linie 5B-5B in 5A. Die Ausstoßöffnungen (Ports) 14 werden hier an der Ausstoßöffnungsfläche 15 ausgebildet, die aus Siliciumnitrid besteht. 6A bis 6H sind Ansichten, die das Verfahren zum Fertigen des Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfs gemäß vorliegendem Beispiel entsprechend dem Querschnitt entlang der Linie 6A-6A bis 6H-6H in 5A veranschaulichen.
Wie in 6A gezeigt ist, werden als erstes die Elektrowärme-Wandlereinrichtungen 7 (die aus TaN₂ gebildeten Heizvorrichtungen) als Ausstoßenergie-Erzeugungseinrichtungen gebildet. Dann wird auf der Unterseite eines Siliciumsubstrats 1 ein SiO₂-Film 2 mit einer Dicke von etwa 2 μm durch Anwenden des CVD-Verfahrens bei 400°C gebildet. Auf dem Siliciumsubstrat werden die Wandlerelemente und die Verdrahtungen für die elektrischen Anschlüsse gebildet, außerdem als diese schützender Schutzfilm ein kavitationssicherer Film.
Wie in 6B gezeigt ist, wird der Film 2 mit SiO₂ überzogen. Nach Belichtung und Entwicklung wird anschließend die Öffnung 11 mittels Trockenätzung oder Naßätzung gebildet. Der SiO₂-Film 2 dient als Maske für das später ausgebildete Durchgangsloch 13, welches später aus der Öffnung 11 gebildet wird. Zum Ätzen des SiO₂-Films 2 wird reaktives Ionenätzen oder Plasmaätzen mit CF₄ als Ätzgas gewählt, wenn vom Trockenätzen Gebrauch gemacht wird. Beim Naßätzen wird gepufferte Flußsäure eingesetzt.
Dann wird nach 6C ein Al-Film 23 auf der Oberseite des Substrats 1 durch Aufstäuben oder Aufdampfen zu einer Dicke von etwa 10 μm gebildet.
Im Anschluß daran wird gemäß 6D der Al-Film 23 verarbeitet, um das spezifische Strömungswegmuster zu bilden. Dabei wird bevorzugt, den Al-Film unter Verwendung von Resistmaterial mittels Naßätzung zu bearbeiten, weil dann das untere Ende des SiO₂-Films 2 nicht beschädigt wird.
Dann wird gemäß 6E der Siliciumnitridfilm 4 mit einer Dicke von etwa 10 μm auf dem Al-Film 23 ausgebildet, der in Form des Strömungswegmusters konfiguriert ist, und zwar durch Anwenden des CVD-Verfahrens bei einer Temperatur von 400°C. An dieser Stelle wird auch die Öffnung 12 mit dem Siliciumnitridfilm 4 vergraben.
Die Dicke des hier gebildeten Siliciumnitridfilms 4 reguliert die Dicke der Ausstoßöffnungen (Ports), und die Dicke des davor gebildeten Al-Films 3 reguliert jede Spaltgröße der Tintenströmungswege. Daher können diese Dicken einen starken Einfluß haben auf die Tintenausstoßkennwerte beim Tintenausstoßvorgang. Jeder der Werte sollte deshalb abhängig von den erforderten Kennwerten passend festgelegt werden.
Dann wird gemäß 6F der mit Kontur versehene SiO₂-Film 2 als Maske verwendet. Mit dieser Maske wird das Durchgangsloch 13 auf dem Siliciumsubstrat 1 als Tintenzuführöffnung gebildet. Dabei kann jedes Verfahren zur Ausbildung des Durchgangslochs 13 angewendet werden, bevorzugt wird jedoch der Einsatz des ICP-(induktiven Kopplungsplasma-)Ätzens mit CF₄, C₂F₆, C₃F₈, SF₆ oder einem anderen Gas und Sauerstoff als Ätzgas, eingesetzt, da bei diesem Ätzen das Substrat keinen elektrischen Beschädigungen ausgesetzt wird und außerdem die Fertigung bei niedrigerer Temperatur möglich ist.
Unter Verwendung von Resistmaterial werden nun gemäß 6G die Ausstoßöffnungen (Ports) 14 durch Trockenätzung in dem Siliciumnitridfilm 4 gebildet. Durch Einsatz von stark anisotropem reaktivem Ionenätzen, beispielsweise ICP-Ätzen, wird der folgende zusätzliche Effekt erzielt:
In anderen Worten: bei der herkömmlichen Struktur des Seitenausstoß-Tintenstrahlkopfs neigt der Kantenbereich zur Abrundung, da der Ausstoßöffnungsbereich aus Harzmaterial gefertigt ist, was in einigen Fällen die Ausstoßkennwerte abträglich beeinflussen kann. Um diese Möglichkeit auszuschließen, wird eine durch Elektroguß gefertigte Düsenplatte durch Bonden am Öffnungsbereich angebracht. Bei dem vorliegenden Beispiel jedoch sind die Ausstoßöffnungen (Ports) 14 an dem Siliciumnitridfilm 4 ausgebildet, der seinerseits mittels reaktiver Ionenätzung gebildet wurde, so daß es möglich ist, scharfe Kanten der Ausstoßöffnungen (Ports) zu erhalten.
Darüber hinaus wird mit dem mehrlagigen Siliciumnitridfilm die Ätzrate im unteren Teil höher, oder man kann die Zusammensetzung allmählich ändern. Auf diese Weise wird es möglich, die sich umgekehrt verjüngende Struktur zu erhalten, damit der Ausgang jeder Ausstoßöffnung (Port) schmaler wird, während das Innere breiter wird. Mit den sich umgekehrt verjüngenden Ausstoßöffnungen (Ports) läßt sich die Druckqualität zusätzlich steigern.
Mit der guten Kantenstruktur jeder Ausstoßöffnung (Port) wird es außerdem möglich, den wasserabweisenden Film nur auf der Oberfläche zu bilden, wenn der Film durch plasmische Polymerisation ausgebildet werden soll. Wenn ferner die wasserabweisende Eigenschaft durch Implantieren von Ionen in die Oberfläche des Siliciumnitrids gebildet werden soll, gibt es keine Möglichkeit zur Schaffung der wasserabweisenden Eigenschaft im Inneren der Ausstoßöffnungen (Ports). Im Ergebnis wird eine Ablenkung der Flugrichtung der Tinte nicht veranlaßt, so daß es möglich ist, mit höherer Genauigkeit zu drucken.
Wie in 6H zu sehen ist, wird unter Verwendung von Phosphorsäure oder Salzsäure bei Zimmertemperatur die Al-Schicht 23 durch Eluieren aus den Ausstoßöffnungen (Ports) und auch die Durchgangslöcher beseitigt.
Im Anschluß daran wird der Si enthaltende wasserabweisende Film auf der Oberfläche der Ausstoßöffnung mittels plasmischer Polymerisation gebildet. Dann wird am unteren Ende des Si-Substrats 1 ein (nicht dargestelltes) Tintenzuführelement angebracht, um den Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf zu vervollständigen.
Wenn außerdem die Ausstoßöffnungen (Ports) ausgebildet werden, wird Al für die Basisschicht verwendet, nachdem der Siliciumnitridfilm geätzt wurde. Das Ätzen kommt hier zum Anhalten. Diese Ätzschicht wird durch das Ätzgas kaum beeinflußt. Im Ergebnis gibt es keine auf die Basisschicht erfolgende Einflußnahme.
Viertes Beispiel, nicht zur Erfindung gehörig
Bei dem dritten Beispiel wird die Al-Basis gebildet, um die Schritte auf der Oberfläche der Ausstoßöffnung zu erübrigen. Wie in den 7A und 7B gezeigt ist, sind allerdings zwischen den Ausstoßöffnungen (Ports) Nuten 16 angeordnet, damit bei diesem Beispiel Tinte entweichen kann. 7A ist eine Draufsicht und 7B ist eine Schnittansicht entlang der Linie 7B-7B in 7A. 8A bis 8H sind Ansichten, die das Verfahren zum Herstellen des Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfs nach dem vierten Beispiel veranschaulichen, wobei die Zeichnungen dem Schnitt entlang der Linie 8A-8A bis 8H-8H in 7A entsprechen.
Das Fertigungsverfahren nach dem vorliegenden Beispiel ist das gleiche wie bei dem dritten Beispiel, nur daß das Muster sich von dem des Strömungswegmusters unterscheidet, welches durch Verarbeiten des Al-Films 23 erhalten wird. 8A bis 8H entsprechen den 6A bis 6H.
Wie in den 8A bis 8C gezeigt ist, werden die Elektrowärme-Wandlereinrichtungen 7 (die durch TaN₂ gebildeten Heizelemente, die in den 8A bis 8C jedoch nicht gezeigt sind), die als Ausstoßenergie-Erzeugungseinrichtungen fungieren, in der gleichen Weise wie beim dritten Beispiel auf dem Siliciumsubstrat 1 ausgebildet, und im Anschluß daran wird, nachdem auf dessen Unterseite der SiO₂-Film 2 mit einer Dicke von etwa 2 μm ausgebildet ist, die Öffnung 11 geformt. Auf der Oberseite des Substrats 1 wird außerdem der Al-Film 23 ausgebildet.
Wie in 8D dargestellt ist, wird anschließend das spezielle Strömungswegmuster gebildet. Bei diesem Beispiel wird jede der Öffnungen 12 größer ausgebildet.
Im Anschluß daran wird nach 8E der Siliciumnitridfilm 4 auf dem Al-Film 23 gebildet, konfiguriert in Form des Strömungswegmusters, dabei werden die Nuten des Siliciumnitridfilms auf jedem Bereich der Öffnungen 12 gebildet.
Im Anschluß daran wird genau wie beim dritten Beispiel das Durchgangsloch 13 als Tintenzuführöffnung gemäß den 8F bis 8H gebildet. Dann wird, nachdem die Ausstoßöffnungen (Ports) 14 unter Verwendung von Resistmaterial durch Trockenätzung gebildet sind, der Al-Film 23 durch Eluieren aus den Ausstoßöffnungen (Ports) 14 sowie das Durchgangsloch 13 entfernt, wozu Phosphorsäure oder Salzsäure bei Zimmertemperatur eingesetzt wird.
Anschließend wird der Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf genau wie beim dritten Beispiel vervollständigt.
Wie oben ausgeführt wurde, wird bei dem ersten bis vierten Beispiel grundsätzlich so vorgegangen, daß das Durchgangsloch 13 ausgebildet wird, wie es in 10 im Grundriß dargestellt ist. Falls allerdings das Durchgangsloch mit Hilfe von ICP-Ätzung gemäß dem ersten bis vierten Beispiel ausgebildet wird, besteht die Möglichkeit, das Durchgangsloch frei zu konfigurieren. Mit der Ausbildung des Durchgangslochs, welches jede der Ausstoßöffnungen (Ports) umgibt, wie in 9 dargestellt ist, wird jedoch der Tinten-Neufüllzustand verbessert, und damit einhergehend kommt es zu einer Verbesserung der Ausstoßgeschwindigkeiten.
Erste Ausführungsform
11 ist eine perspektivische Ansicht, die in am besten geeigneter Weise einen Flüssigkeitsstrahlkopf gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. 12 ist eine Querschnittansicht entlang der Linie 12-12 in 11. Der in 11 und 12 dargestellte Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf enthält ein elementares Substrat 201 mit zwei Reihen von mehreren Wärmeerzeugungselementen 202 im Mittelbereich der Oberfläche des Si-Substrats; Flüssigkeitsströmungswege (Tintenströmungswege) 204, die Flüssigkeit an sämtliche Wärmeerzeugungselemente 202 verteilen; das monokristalline Si 203, welches Seitenwände der Flüssigkeitsströmungswege 204 in dem elementaren Substrat 201 bildet; den SiN-Film 205 auf dem monokristallinen Si 203, der zur Decke der Flüssigkeitsströmungswege 204 wird; mehrere Tintenausstoßöffnungen (Ports) 206, die in den SiN-Film 205 gebohrt sind und den mehreren Wärmeerzeugungselementen 202 jeweils gegenüberliegen; und eine Zuführöffnung 207, die das elementare Substrat 201 durchdringt, um Flüssigkeit in die Flüssigkeitsströmungswege 204 einzuleiten. Auf diese Weise dienen das monokristalline Si 203 und der SiN-Film 205 als Flüssigkeits-Strömungswegelemente, welche die Flüssigkeitsströmungswege 204 auf dem elementaren Substrat 201 bilden. Außerdem bedeckt das monokristalline Si 203 nicht beide Seitenbereiche des elementaren Substrats 201, wo die elektrischen Anschlußflecken 210 ausgebildet sind, um an die Wärmeerzeugungselemente 202 von außen her elektrische Signale zu geben.
Im folgenden wird das oben angesprochene elementare Substrat 201 beschrieben. 13 ist eine Schnittansicht, die den dem Wärmeerzeugungselement (dem Blasenerzeugungsbereich) des elementaren Substrats 201 entsprechenden Abschnitt zeigt. In 13 bezeichnet das Bezugszeichen 101 das Si-Substrat, 102 bezeichnet den thermischen Oxidfilm (SiO₂-Film), der als Wärmeakkumulationsschicht fungiert. Bezugszeichen 103 bezeichnet den Si₂N₄-Film, bei dem es sich um eine Zwischenschicht handelt, die die doppelte Funktion als Wärmeakkumulationsschicht hat; 104 bezeichnet eine Widerstandsschicht, 105 die Al-Legierungs-Verdrahtung, beispielsweise aus Al, Al-Si, Al-Cu bestehend; 106 bezeichnet den SiO₂-Film oder den Si₂N₄-Film als Schutzfilm, und 107 bezeichnet einen kavitationssicheren Film, der den Schutzfilm 106 vor chemischen oder physikalischen Schocks schützt, die sich an die Wärmeerzeugung durch die Widerstandsschicht 104 einstellen. Außerdem bezeichnet das Bezugszeichen 108 die Wärmeaktivierungseinheit der Widerstandsschicht 104 in demjenigen Bereich, in welchem sich keine Elektrodenverdrahtung 105 befindet. Diese Bestandteile werden gebildet durch Anwenden von Halbleiterverarbeitungs-Technologien und -Techniken.
14 ist eine Schnittansicht, die schematisch das Hauptelement in vertikal geschnittenem Zustand veranschaulicht.
Auf dem Si-Substrat vom P-Leitungstyp sind durch Dotierstoffeinbringung und -diffusion oder durch eine andere Art der Ionenimplantation mittels MOS-Verfahren ein P-MOS 450 auf der N-Mulden-Zone 402 und der N-MOS 451 auf der P-Mulden-Zone 403 gebildet. Der P-MOS 450 und der N-MOS 451 weisen eine Gate-Verdrahtung 415 auf, die durch Poly-Si gebildet wird, welches mittels CVD-Verfahren in einer Stärke von 4000 Å oder mehr und 5000 Å oder weniger durch den Gate-Isolierfilm 408 in einer Stärke von einigen hundert Nanometer aufgebracht ist, außerdem die Source-Zone 405, die Drain-Zone 406 und dergleichen, gebildet durch Induktion von N- oder P-Dotierstoffen. Durch diese P-MOS- und N-MOS-Elemente wird die C-MOS-Logik gebildet.
Der als Treiberelement fungierende N-MOS-Transistor wird gebildet durch die Drain-Zone 411, die Source-Zone 412 und die Gate-Verdrahtung 413 sowie weitere Elemente auf dem P-Mulden-Substrat, ebenfalls durch Dotierstoff-Einbringung und Diffusion.
Die vorliegende Beschreibung bezieht sich auf eine Struktur unter Einsatz von N-MOS-Transistoren, allerdings ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt. Man kann jeden Typ von Transistoren einsetzen, solange diese Transistoren in der Lage sind, mehrere Wärmeerzeugungselemente individuell zu treiben, gleichzeitig die Funktion haben, die oben beschriebene Feinstruktur anzunehmen.
Die Bauelement-Trennung erfolgt durch Ausbilden von Oxidfilm-Trennflächen 453 mit Hilfe des Feldoxidfilms einer Stärke von 5000 Å oder mehr und 10000 Å oder weniger. Dieser Feldoxidfilm ist so ausgebildet, daß er als die erste Schicht der Wärmeakkumulationsschicht 412 unter der Wärmeaktivierungseinheit 108 fungiert.
Nach der Ausbildung sämtlicher Elemente wird die Zwischenisolierschicht 416 in einer Dicke von etwa 7000 Å in Form eines PSG-, eines BPSG-Films, oder dergleichen mittels CVD-Verfahren ausgebildet. Dann erfolgt durch Wärmebehandlung eine Glättung oder dergleichen. Im Anschluß daran wird eine Verdrahtung durch das Kontaktloch mittels der Al-Elektrode 417 angebracht, die zu der ersten Verdrahtungsschicht wird. Im Anschluß daran wird mittels CVD-Verfahren die Zwischenisolierschicht 418 gebildet, beispielsweise in Form einer SiO₂-Schicht, und zwar bis zu einer Stärke von 10000 Å oder mehr und 15000 Å oder weniger. Über das Durchgangsloch wird der TaN_{0,8, hex}-Film als Widerstandsschicht 104 durch Gleichstrom-Aufstäuben mit einer Stärke von etwa 1000 Å gebildet. Daran anschließend wird die zweite Verdrahtungsschicht als Al-Elektrode ausgebildet, die als Verdrahtung für jedes der Wärmeerzeugungselemente fungiert.
Als Schutzfilm 106 wird der Si₂N₄-Film durch Plasma-CVD in einer Stärke von etwa 10000 Å ausgebildet. Auf der obersten Schicht wird die kavitationssichere Schicht 107 mittels Ta oder dergleichen in einer Stärke von etwa 2500 Å gebildet.
Wie oben ausgeführt wurde, haben bei der vorliegenden Ausführungsform die Werkstoffe zur Bildung des Flüssigkeits-Strömungswegelements und des elementaren Substrats sämtlich Si als Hauptkomponente.
Anhand der 15A und 15B sowie der 16G bis 16J soll im folgenden ein Verfahren zum Herstellen eines Substrats beschrieben werden, welches als Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf dieser Ausführungsform verwendet wird.
Nach 15A wird das elementare Substrat 201 in der in Verbindung mit den 3A und 3B und den 4A bis 4H beschriebenen Weise ausgebildet. Kurz gesagt, wird das Treiberelement auf dem Si-[100]-Substrat durch Wärmediffusion und Ionenimplantation oder durch ein anderes Halbleiterverfahren gebildet. Außerdem werden die Verdrahtungs- und Wärmeerzeugungselemente, die an das Treiberelement angeschlossen sind, ausgebildet. Dann werden nach 15B die Vorderseite und die Rückseite des elementaren Substrats 201 vollständig von dem Oxidfilm 302 abgedeckt, um den von dem Oxidfilm (SiO₂-Film) 302 abgedeckten Bereich und den Bereich auszubilden, in welchem das elementare Substrat 201 freiliegt, wozu gemäß 15C von einem Photolithographieverfahren Gebrauch gemacht wird. Im Anschluß daran wird mittels epitaktischen Wachstums, beispielsweise Niedrigtemperatur-Epitaxiewachstum, Si in einer Dicke von etwa 20 μm auf der gesamten Oberfläche des elementaren Substrats 201 gebildet, wie in 15D gezeigt ist. An dieser Stelle wird das monokristalline Si 203 in dem Bereich gebildet, in welchem das elementare Substrat 201 freiliegt, und auf dem von dem Oxidfilm 302 bedeckten Bereich wird das polykristalline Si 304 ausgebildet.
Dann wird gemäß 15E der SiN-Film 205 in einer Stärke von etwa 5 μm mittels CVD-Verfahren oder dergleichen auf sämtlichen Oberflächen des monokristallinen Si 203 und des polykristallinen Si 304 gebildet. Danach wird gemäß 15F mittels Photolithographieverfahren eine Ausbildung der Düsenlöcher (Ausstoßöffnungen) 206 in dem SiN-Film 205 auf dem polykristallinen Si 304 für das Ausstoßen von Tinte vorgenommen. Dann wird ein Teil des Oxidfilms 302 auf der Rückseite des elementaren Substrats 201 mittels Photolithographieverfahren freigelegt. Im Anschluß daran wird der Film mittels gepufferter Flußsäure entfernt. Auf diese Weise wird gemäß 15G das Fenster 307 für den Einsatz des anisotropen Ätzens genutzt. Dann wird das Durchgangsloch (die Zuführöffnung) 207 für die Tintenzufuhr mit Hilfe von anisotropem Ätzen unter Einsatz von Tetramethyl-Ammoniumhydroxid gemäß 15H in dem elementaren Substrat 201 ausgebildet, im Anschluß daran wird der auf der Oberfläche des Substrats 201 gebildete SiO₂-Film 302 entfernt, um das polykristalline Si 304 zu entwickeln. An die Ausbildung des Durchgangslochs 207 anschließend wird der SiO₂-Film 302 auf der Vorderseite und der Rückseite des elementaren Substrats 201 mit gepufferter Flußsäure entfernt, wie in 15I gezeigt ist. Schließlich wird mit Tetramethyl-Ammoniumhydroxid wiederum nur der polykristalline Si-Film 304 durch Ätzen entfernt, wie in 15J gezeigt ist, um die Flüssigkeits-Strömungswege zu bilden. In anderen Worten: da die Ätzrate deutlich verschieden ist zwischen dem monokristallinen Si 203, dem SiN-Film 205 und dem polykristallinen Si 304, bleiben das monokristalline Si 203 und der SiN-Film 205 intakt, wenn das Ätzen nach Beendigung des Ätzens des polykristallinen Si ausgesetzt wird, wodurch die Flüssigkeits-Strömungswege entstehen. Mit den oben beschriebenen Verfahrensschritten ist es möglich, die Flüssigkeits-Strömungswege 204 auszubilden, deren Seitenwände durch das monokristalline Si 203 auf dem elementaren Substrat 201 mit der Hauptkomponente Si gebildet werden, während die Decke durch den SiN-Film 205 gebildet wird. Das durch das obige Verfahren auf diese Weise bearbeitete Substrat wird dann chipweise zerteilt, um die in 11 gezeigten Tintenstrahl-Aufzeichnungsköpfe zu erhalten.
Zweite Ausführungsform
Anstelle der in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschriebenen Kopfstruktur kann man daran denken, einen Kopf so zu gestalten, daß die Flüssigkeit von dem Substratende und nicht von der Substratseite her zugeführt wird. 17 ist eine perspektivische Ansicht, die in am besten geeigneter Weise einen Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf dieser Ausführungsform darstellt. 18 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 18-18 in 17. Der Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf dieser Ausführungsform nach den 17 und 18 enthält das elementare Substrat 501 mit mehreren Wärmeerzeugungselementen 502 auf jeweils einer Linie auf beiden Seitenabschnitten auf der Oberseite des Si-Substrats. Außerdem erkennt man mehrere Flüssigkeitsströmungswege 504, die Flüssigkeit zu jedem der Wärmeerzeugungselemente 502 verteilen; das monokristalline Si 503, welches Seitenwände der Flüssigkeitsströmungswege auf dem elementaren Substrat 502 bildet, den SiN-Film 505 auf dem monokristallinen Si 503, welcher die Decke der Flüssigkeitsströmungswege 504 bildet; mehrere Ausstoßöffnungen (Ports) 506, die jeweils den Wärmeerzeugungselementen gegenüberliegen; und Zuführöffnungen 507 zum Zuführen von Flüssigkeiten zu jedem der Flüssigkeitsströmungswegen auf beiden Seiten des elementaren Substrats 501. Auf diese Weise werden das monokristalline Si 503 und der SiN-Film 505 zu dem Flüssigkeits-Strömungswegelement, welches die Flüssigkeitsströmungswege 504 auf dem elementaren Substrat 501 bilden. Das monokristalline Si 503 bedeckt nicht die Oberfläche an den beiden Enden des elementaren Substrats 201, wo sich keine Wärmeerzeugungselemente und Flüssigkeitsströmungswege befinden, es sind aber elektrische Leitungen 510 ausgebildet, die von außerhalb elektrische Signale an die einzelnen Wärmeerzeugungselemente 502 liefern.
Die Struktur läßt sich fertigen durch Bilden von polykristallinem Si auf beiden Seiten eines Substrats im Zuge des in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschriebenen Verfahrens. Im folgenden soll anhand der 19A bis 19F und 20F und 20H das Verfahren zum Herstellen des Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfs dieser Ausführungsform erläutert werden.
Als erstes wird gemäß 19A das elementare Substrat 501 genau wie bei der ersten Ausführungsform nach den 13 und 14 ausgebildet. Kurz gesagt, wird das Treiberelement auf dem Si-[100]-Substrat durch thermische Diffusion und Ionenimplantation oder einem anderen Halbleiterprozeß gebildet. Außerdem werden die Verdrahtung und Wärmeerzeugungselemente, die an das Treiberelement angeschlossen sind, ausgebildet. Dann wird gemäß 19B die Oberseite ebenso wie die Rückseite des elementaren Substrats 501 überall mit dem Oxidfilm 602 überzogen, um den von dem Oxidfilm (SiO₂-Film) 602 überzogenen Bereich und den Bereich auszubilden, in welchem das elementare Substrat 501 freiliegt, wozu von dem in 19C angedeuteten Photolithographieverfahren Gebrauch gemacht wird. Anders als bei der ersten Ausführungsform ist die Oberfläche an den Enden des Substrats 501 von dem Oxidfilm 602 bedeckt. Dann werden die so von dem Oxidfilm 602 bedeckten Bereiche mit dem gewünschten Strömungswegmuster ausgebildet. Im Anschluß daran wird durch epitaktisches Wachstum, beispielsweise Niedertemperatur-Epitaxiewachstum, Si mit einer Dicke von etwa 20 μm auf der gesamten Oberfläche des elementaren Substrats 501 gebildet, wie in 19D gezeigt ist. An dieser Stelle wird das monokristalline Si 503 in dem Bereich gebildet, an dem das elementare Substrat 201 freiliegt, und das polykristalline Si 604 wird in dem vom Oxidfilm 602 bedeckten Bereich gebildet.
Dann wird gemäß 19E der SiN-Film 505 mit einer Dicke von etwa 5 μm durch Anwenden des CVD-Verfahrens oder dergleichen auf sämtlichen Flächen des monokristallinen Si 503 und des polykristallinen Si 504 gebildet. Anschließend wird gemäß 19F mittels Photolithographie die Ausbildung der Düsenlöcher (Ausstoßports) 506 in dem SiN-Film 505 auf den polykristallinen Si 504 zum Ausstoßen von Tinte vorgenommen. Im Anschluß daran wird der Oxidfilm 602 auf der Oberfläche der Enden gebildet, und die Rückseite des Substrats 501 wird entfernt durch Einsatz gepufferter Flußsäure, wie in 20G gezeigt ist. Schließlich wird mit Tetramethyl-Ammoniumhydroxid der polykristalline Si-Film 504 durch Ätzen entfernt, wie in 20H gezeigt ist, um die Flüssigkeitsströmungswege zu bilden. In anderen Worten: da die Ätzrate zwischen dem monokristallinen Si 503, dem SiN-Film 505 und dem polykristallinen Si stark unterschiedlich ist, bleiben das monokristalline Si 503 und der SiN-Film 505 intakt, wenn nach Beendigung des Ätzens des polykristallinen Si das Ätzen ausgesetzt wird, wodurch die Flüssigkeitsströmungswege entstehen. Mit den oben beschriebenen Verfahrensschritten ist es möglich, die Flüssigkeitsströmungswege 504 so auszubilden, daß die Seitenwände durch das monokristalline Si 503 auf dem elementaren Substrat 501 mit dessen Hauptkomponente Si gebildet werden, während außerdem die Decke durch den SiN-Film 505 gebildet wird. Anschließend wird das durch die obigen Verfahrensschritte bearbeitete Substrat chipweise zerteilt, um die einzelnen Tintenstrahl-Aufzeichnungsköpfe zu bilden, wie sie in 17 gezeigt sind.
21 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch ein Beispiel für die Bildaufzeichnungsvorrichtung zeigt, bei der der Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf der obigen Ausführungsformen einsetzbar ist. In 21 bezeichnet das Bezugszeichen 701 eine Kopfpatrone, die integral mit dem Tintenstrahl-Aufzeichnungskopf der obigen Ausführungsformen und einem Flüssigkeitstank ausgebildet ist. Die Kopfpatrone 701 ist an dem Schlitten 707 gelagert, der mit der spiralförmigen Nut 706 der Führungsspindel 705 in Eingriff steht, die ihrerseits in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung durch einen Antriebsmotor 702 über Getrieberäder 703 und 704 gedreht wird. Mit Hilfe der Antriebsleistung des Antriebsmotors 702 geht die Kopfpatrone zusammen mit dem Schlitten 707 in Pfeilrichtungen a und b hin und her. Durch Verwendung eines (nicht gezeigten) Aufzeichnungsmedium-Zuführgeräts wird ein Druckbogen (Aufzeichnungsmedium) P auf einer Gegendruckwalze 709 im Verein mit einer Andruckplatte 710 geführt, wobei letztere den Druckbogen P gegen die Andrückwalze 709 im gesamten Hubbereich des Schlittens andrückt.
In der Nähe des einen Endes der Führungsspindel 705 sind Photokoppler 711 und 712 angeordnet. Sie dienen als Ruhestellungs-Fühleinrichtung, welche das Vorhandensein des Hebels 707a des Schlittens 707 in dieser Zone erfaßt und bestätigt, um die Drehrichtungen des Antriebsmotors 702 und dergleichen umzukehren. In 21 bezeichnet Bezugszeichen 713 ein Lagerelement eines Deckels 714, der das vordere Ende der Kopfpatrone 701 an der Stelle bedeckt, an der sich die Ausstoßöffnungen (Ports) des Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfs befinden. Bezugszeichen 715 bezeichnet die Tintensaugeinrichtung, die die Tinte ansaugt, die sich im Inneren des Deckels 714 ansammelt aufgrund der nicht zum Druck verwendeten Ausstoßungen des Flüssigkeitsstrahlkopfs oder dergleichen. Die Saug-Wiederherstellung des Flüssigkeitsstrahlkopfs erfolgt mit Hilfe dieser Saugeinrichtung 715 über die im Deckel ausgebildete Öffnung. Ein Bezugszeichen 717 bezeichnet eine Reinigungsklinge, 718 ein Element, welches die Klinge 717 in Vorwärtsrichtung und Rückwärtsrichtung (rechtwinklig zur Bewegungsrichtung des Schlittens 707) beweglich macht. Die Klinge 717 und dieses Element 718 werden von dem Hauptkörper-Lagerelement 719 gehalten. Die Klinge 717 ist nicht auf diese Betriebsart beschränkt, es kann sich um eine der an sich bekannten Reinigungsklingen handeln. Bezugszeichen 720 bezeichnet den Hebel, der das Saugen für die Saug-Wiederherstellung bewirkt. Dieser Hebel bewegt sich entlang der Bewegungsbahn der Steuerkurve 721, die mit dem Schlitten 707 zusammenwirkt. Ihre Bewegung wird gesteuert durch eine bekannte Getriebeanordnung, beispielsweise eine Kupplung, die das Getriebe für die Antriebsleistung von dem Antriebsmotor 702 weitergibt. Die Aufzeichnungssteuereinheit (die hier nicht dargestellt ist) befindet sich am Hauptkörper der Vorrichtung, um die Bereitstellung von Signalen für die Wärmeerzeugungselemente in dem Flüssigkeitsstrahlkopf an der Kopfpatrone 701 zu liefern, und um außerdem den Betrieb jedes oben beschriebenen Mechanismus zu steuern.
Die so aufgebaute Bildaufzeichnungsvorrichtung 700 führt die Aufzeichnung auf dem Druckbogen (Aufzeichnungsmedium) P mit der Kopfpatrone 701 aus, die über die gesamte Breite des Druckbogens P hin- und herfährt, welcher mit Hilfe einer (nicht gezeigten) Aufzeichnungsmaterial-Zuführeinrichtung auf die Gegendruckwalze 709 geleitet wird.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfs, der ausgestattet ist mit einer Tintenaustragöffnung (206) zum Austragen von Tinte, einem Tintenströmungsweg (204), der mit der Tintenaustragöffnung verbunden ist, um dieser Tinte zuzuführen, einem Wärmeerzeugungselement (202), welches in dem Tintenströmungsweg angeordnet ist, um in in dem Tintenströmungsweg verteilter Flüssigkeit Blasen zu erzeugen, und einer Zuführöffnung (207), zum Zuführen von Flüssigkeit zu dem Tintenströmungsweg, umfassend folgende Schritte: Ausbilden einer Siliciumoxidschicht (302) auf der Oberfläche eines elementaren Substrats (201) auf Si-Basis, wobei auf der Oberfläche des Substrats mindestens das Wärmeerzeugungselement (202) ausgebildet ist; Ausbilden eines mit der Siliciumoxidschicht (302) bedeckten Bereichs auf der Oberfläche des elementaren Substrats (201), und eines Bereichs, in welchem die Oberfläche des elementaren Substrats (201) freiliegt, indem selektiv die Siliciumoxidschicht (302) auf der Oberfläche des elementaren Substrats (201) entfernt wird; Ausbilden einer polykristallinen Si-Schicht (304) auf dem von der Siliciumoxidschicht (302) bedeckten Bereich, während gleichzeitig eine monokristalline Si-Schicht (203) in dem Bereich ausgebildet wird, in welchem die Oberfläche des elementaren Substrats (201) freiliegt, indem durch epitaktisches Wachstum Si in einer gewünschten Dicke auf der gesamten Oberfläche des elementaren Substrats (201) einschließlich des von der Siliciumoxidschicht bedeckten Bereichs entwickelt wird; Ausbilden einer SiN-Schicht (205) auf der gesamten Oberfläche der monokristallinen Si-Schicht (203) und der polykristallinen Si-Schicht (304) in einer gewünschten Dicke; Ausbilden der Tintenaustragöffnung (206) an der SiN-Schicht (205) auf der polykristallinen Si-Schicht (304); Entfernen des mit der Siliciumoxidschicht (302) bedeckten Bereichs auf der Oberfläche des elementaren Substrats (201) durch Bilden eines Durchgangslochs, welches die Zuführöffnung (207) wird, ausgehend von der Rückseite des elementaren Substrats (201); und Ausbilden der Tintenströmungswege (204) durch Entfernen lediglich der polykristallinen Si-Schicht (304).
Verfahren zum Herstellen eines Tintenstrahl-Aufzeichnungskopfs, der ausgestattet ist mit einer Tintenaustragöffnung (506) zum Austragen von Tinte, ferner mit einem Tintenströmungsweg (504), der mit der Tintenaustragöffnung verbunden ist, um dieser Flüssigkeit zuzuführen, einem Wärmeerzeugungselement (502), das in dem Tintenströmungsweg zur Erzeugung von Blasen in der Flüssigkeit angeordnet ist, und einer Zuführöffnung (507) zum Zuführen von Flüssigkeit zu dem Tintenströmungsweg, umfassend folgende Schritte: Ausbilden einer Siliciumoxidschicht (602) auf der Oberfläche eines elementaren Substrats (501) auf Si-Basis, wobei auf der Oberfläche des Substrats mindestens das Wärmeerzeugungselement (502) ausgebildet ist; Ausbilden eines mit der Siliciumoxidschicht (602) bedeckten Bereichs an einem Seitenbereich der Oberfläche des elementaren Substrats (501) und Freilegen der Oberfläche des elementaren Substrats (501) außer dem Seitenbereich durch selektives Entfernen der Siliciumoxidschicht (602) von der Oberfläche des elementaren Substrats (501), Ausbilden einer polykristallinen Si-Schicht (604) auf dem von der Siliciumoxidschicht (602) bedeckten Bereich unter gleichzeitiger Ausbildung einer monokristallinen Si-Schicht (503), in dem Bereich, in welchem die Oberfläche des elementaren Substrats (501) freiliegt, durch epitaktische Si-Entwicklung der gesamten Oberfläche des elementaren Substrats (501) einschließlich des von der Siliciumoxidschicht bedeckten Bereichs zu einer gewünschten Dicke; Ausbilden einer SiN-Schicht (505) auf der gesamten Oberfläche der monokristallinen Si-Schicht (503) und der polykristallinen Si-Schicht (604) in einer gewünschten Dicke; Ausbilden der Tintenaustragöffnung (506) auf dem SiN-Film (505) auf der polykristallinen Si-Schicht (604); Entfernen des von der Siliciumoxidschicht (602) an dem Seitenbereich des elementaren Substrats (501) bedeckten Bereichs; und Ausbilden des Tintenströmungswegs (504) und der Zuführöffnungen (507) durch Entfernen lediglich der polykristallinen Si-Schicht (604).