DE2657484A1

DE2657484A1 - Aufladeelektrodenanordnung fuer tintenstrahldrucker

Info

Publication number: DE2657484A1
Application number: DE19762657484
Authority: DE
Inventors: Ernest Bassous; Lawrence Kuhn
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-01-28
Filing date: 1976-12-18
Publication date: 1977-08-04
Also published as: US4047184A; FR2339493B1; GB1564713A; FR2339493A1; NL7700015A; JPS5523548B2; JPS52100935A; IT1074099B; DE2657484C2; CA1089912A; BR7700424A

Description

Böblingen, 16. Dez. 1976
heb-pi

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N. Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung
Aktenzeichen der Anmelderin: YO 975 020

Aufladeelektrodenanordnung für Tintenstrahldrucker j

Die Erfindung betrifft eine Aufladeelektrodenanordnung für Tinten- ! strahldrucker für eine Steuerung der Aufladung, der aus einer , Anzahl von Tintenstrahlen gebildeten Tröpfchen. Bei üblichen
Tintenstrahldruckern tritt die Tinte in Form eines Tintenstrahls
aus einer oder mehreren Austrittsöffnungen in einer Düsenanordnung₍ aus, die an einen Vorratsbehälter mit unter hohem Druck
stehender Tinte angeschlossen ist. Der Tintentstrahl geht dann
in einen Strom synchronisierter Tintentröpfchen über. Dies wird , dadurch erreicht, daß man an die Düse eine durch einen elektro- I magnetischen Wandler hervorgerufene oder durch eine an eine mit i der Düse zusammenwirkende Synchronisierelektrode angelegte Spannung eine periodische Störung in dem Tintenstrahl einführt. Die i Synchronisierelektrode erzeugt dabei ein elektrisches Feld, das i

I " I

elektro-hydrodynamische Störungen in dem aus der Düse austretenden j ,Tintenstrahl hervorruft. Die Aufladeelektrode ist in der Nähe j •des Punktes angeordnet, an dem sich die Tröpfchen ablösen, so J idaß dann, wenn an der Aufladeelektrode eine Spannung angelegt j ^;wird, die Spitze des Tintenstrahles eine Ladung aufnimmt. Wenn I sich dann das Tröpfchen von dem Tintenstrahl löst, so führt es !

; ι

eine der an der Aufladeelektrode angelegten Spannung proportionale
[Ladung mit sich. Die Tröpfchen verlassen dann den Bereich der
Aufladeelektrode und durchlaufen Ablenkplatten in Richtung auf
einen Aufzeichnungsträger oder einen Ablauf, je nach dem, ob

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die Tröpfchen zu diesem Zeitpunkt aufgeladen sind oder nicht.

Es gibt bereits eine Reihe von Arten von Düsen für Tintenstrahldrucker und ebenso sind Verfahren zu deren Herstellung bekannt. Beispielsweise offenbart die deutsche Patentanmeldung P 25 55 462.5 ein Verfahren zum Herstellen von mit Membranen versehenen Düsen aus einem aus kristallografisch orientierten monokristallinem Silizium oder einem ähnlichen Material bestehenden Substrat durch anisotropes Ätzen. In der deutschen Patentanmeldung P 25 54 085.6 sind ein weiteres Verfahren zum Herstellen einer neuartigen Düsenstruktur und daraus hergestellte Düsen offenbart, die ebenfalls aus einkristallienem Material bestehen, das in der (100)-Ebene parallel zu Oberfläche orientiert ist.

Die Aufgabe, integrierte oder monolithische Düsenanordnungen für Tintenstrahldrucker herzustellen, wurde schon verschiedentlich gelöst. So wurde bereits in der US-Patentanmeldung 581 982 vom 30. Juni 1975 vorgeschlagen, einen durch einen Übertrager angesteuerten magnetischen Wandler unmittelbar auf dem Düsensubstrat anzubringen. In der deutschen Patentanmeldung P 26 02 257.1 der Anmelderin ist eine Düsenstruktur offenbart, bei der sich die Austrittsöffnung der Düse zu einem Schlitz erweitert, dessen Seitenwände als Synchronisierelektrode dienen.

In dieser und in anderen bereits vorgeschlagenen Konstruktionen von Düsenanordnungen ist die Düse jedoch immer noch von der Aufladeelektrode getrennt. So ist beispielsweise in der älteren deutschen Patentanmeldung P 26 02 263.9 eine Konstruktion offenbart, bei der die Aufladeelektrode von der Befestigungsplatte für die Düse durch Abstandsstücke getrennt ist.

Die Wichtigkeit und Bedeutung der Aufladeelektrode in einem Tintenstrahldrucker ist allgemein erkannt, und man hat bereits

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Vorschläge zu ihrer Verbesserung gemacht. Gemäß der Deutschen Patentanmeldung P 25 26 725.8 werden die Aufladeelektroden durch ^; eine Diffusion in einer Anordnung von Bohrungen in einem Halbleitersubstrat gebildet. Jede Diffusionszone kann dabei mit einer ^: Aufladeschaltung, die aus einer Verriegelungsschaltung und einem Schieberegister besteht, verbunden sein, die auf der Vorderseite des Substrats hergestellt werden kann.

Ferner sind zahlreiche anisotrope Ätzmittel für die Ätzung von monokristallinem Silizium bekannt, wie z. B. alkalische Flüssigkeiten oder deren Mischungen. Ätzflüssigkeiten dieser Art sind beispielsweise wässriges Natriumhydroxid, wässriges Kaliumhydoxid, wässriges Hydrazyn, Tetramethylammoniumhydroxid, Mischungen von Phenolen und Aminen, wie z.B. eine Mischung aus Pyrocatechol und Äthylendiamin mit Wasser und eine Mischung aus Kaliumhydroxid, ; n-Propanol und Wasser. Diese und andere bevorzugten Ätzmittel für monokristallines Silizium sind auch bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zur Herstellung einer Aufladeelektrode einsetzbar.

Bekanntlich werden beim anisotropen Ätzen kristalline Materialien entsprechend unterschiedlicher kristallografischer Richtungen mit unterschiedlichen Ätzgeschwindigkeiten angegriffen. In bezu auf die drei gebräuchlichsten Kristallisierungsebenen in monokristallinem Silizium ist die Ätzgeschwindigkeit am größten | für (100) orientiertes Silizium, etwas geringer für (110) orientiertes Silizium und am geringsten für (111) orientiertes Silizium« Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet einkristallines Silizium mit (110) Orientierung, Weitere Hinweise auf die für die vorliegende Erfindung verwendete Ätztechnik findet man in der US-Patentschrift 3 770 533 vom 6. November 1973 und in einem Aufsatz in Journal of Electochemical Society, 1965, Band 114, Seiten 965ff.

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Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich vom Stande der
Technik dadurch, daß die Aufladeelektroden und die zugehörigen
Steuer- und Treiberschaltungen in einem monokristallienen SiIi- I zium mit einer (100) Orientierung gebildet werden. Obgleich
Siliziumsubstrate mit anderer Kristallorientierung, z.B. (100),
verwendet werden können, so wird doch (110) orientiertes Silizium
vorgezogen, da sich dadurch eine größere Packungsdichte, eine
wirksamere Aufladung und eine verringerte gegenseitige Kopplung
:bei einer Anordnung von Aufladeelektroden ergibt. Das erfindungs-
;gemäße Verfahren gestattet außerdem die Herstellung von Aufladeelektroden im gleichen Siliziumsubstrat, in dem auch die Tintenstrahldüse und ihre entsprechende Synchronisierelektrode hergestellt werden. Die Anwendung des vorliegenden Verfahrens erfordert keine fotolithographischen Verfahrensschritte, nachdem ', die Öffnung für die Aufladeelektrode durch anisotropes Ätzen ' hergestellt ist. Dadurch erhält man einen wesentlichen Vorteil ! ,gegenüber anderen Verfahren, da sich ein fotolithographisches ,

Verfahren in brauchbarer Weise nicht durchführen läßt, nachdem

die Öffnungen hergestellt sind. ;

Aufgabe der Erfindung ist es also, ein Verfahren zum Herstellen I

ieiner Anordnung von Aufladeelektroden in einem einkristallinen J

Siliziumsubstrat mit einer (110) Orientierung zu schaffen. Dabei j

soll eine Art integrierte Schaltung geschaffen werden, die eine j ,Anordnung von Aufladeelektroden und Tintenstrahldüsen in einem

i '

einzigen einkristallinen Siliziumsubstrat mit (110) Orientierung , 'enthält. In gleicher Weise sollen auch die Synchronisierelek- ■

¹ j

troden in dem einkristallinen Siliziumsubstrat hergestellt
;werden. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei

einem einkristallinen Siliziumsubstrat dadurch gelöst, daß j

'das η-leitende Siliziumsubstrat zunächst zur Herstellung einer J die gesamte Oberfläche bedeckenden Siliziumdioxidschicht thermisch|

oxidiert wird, worauf ausgewählte Bereiche auf der Oberfläche :

des Substrates nach einer Maskenoperation freigelegt werden, j

worauf zunächst ρ -leitende Oberflächenschichten in den nicht- ]

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maskierten Bereichen dieser Oberfläche eindiffundiert, ein Kontaktbereich in jeder p-leitenden Zone hergestellt und in der Nachbarschaft der ρ --leitenden Zonen öffnungen oder Bohrunaen durch das Substrat hindurchgeätzt werden zur Bilduna pyramidenförmiger öffnungen mit (111) orientierten Seitenwänden, worauf v/eitere ρ -leitende Schichten, die mit den ersten ρ -leitenden Zonen verbunden sind, in die freiliegenden Seitenwände der Bohrungen eindiffundiert v/erden. Anschließend kann für jede Bohrung ein Zuleitungsdraht an jedem Kontaktbereich für eine elektronische Steuerung durch äußere Schaltungen während der Aufladung der Tintentröpfchen bei einem Druckvorgang angebracht werden. Andererseits läßt sich auch eine Aufladeschaltuna im gleichen Substrat wie die Bohrungen selbst gemäß üblichen Verfahren zur Herstellung von integrierten Schaltungen aufbauen. Die Integration der Aufladeschaltung mit der Aufladeelektrode ergibt einen sehr kompakten Druckkopf für einen Tintenstrahldrucker, da die Anzahl der Verbindungsleitungen zu dem Druckkopf stark verringert ist. Selbstverständlich kann auch ein p-leitendes Substrat benutzt werden. Dies hätte jedoch zur Folge, daß die diffundierte]
fähigkeit aufweisen müßten.

Folge, daß die diffundierten Zonen oder Schichten eine η -Leit-

Ferner kann erfindungsgemäß die Düse selbst in dem Substrat auf der entgegengesetzten Seite der Kontaktbereiche der Aufladeelektrode angebracht und integraler Bestandteil der Aufladeelektrodenanordnung sein. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung wird in unmittelbarer Nachbarschaft von den Punkten, an denen die Düsenbohrung herzustellen ist, in ausgewählten Bereichen des Substrates eine p-Diffusion durchgeführt. Das Substrat wird dann von der gegenüberliegenden Seite aus längs des Umfangs der Diffusionsschicht anisotropisch durchgeätzt. Die Seitenwände der Bohrung werden dann mit einer ρ -leitenden Schicht diffundiert und die gesamte Oberfläche mit Ausnahme der kontaktbildenden Oberfläche wird mit einer isolierenden Schicht aus beispielsweise Siliziumdioxid überzogen. Selbstver-

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ständlich muß bei Verwendung eines p-leitenden Substrates die zweite ρ -leitende Diffus
Diffusion ersetzt werden.

zweite ρ -leitende Diffusion durch eine entsprechende η -leitende

Die der Synchronisierung der Tröpfchen dienende Elektrode kann ebenfalls in der Anordnung von Aufladeelektroden gebildet werden. Anschließend wird das Substrat anisotrop bis auf eine isolierende Membran durchgeätzt, die dann bis auf die gewünschte Größe der Düse durchbrochen wird. Dann wird auf der Oberseite der Isolierschicht eine leitende Schicht angebracht und daraufhin durch eine zweite Isolierschicht überzogen, so daß die leitende Schicht an der Düsenbohrung voll umschlossen ist. Danach wird durch die zweite Isolierschicht eine nach der leitenden Schicht führende Bohrung hergestellt, so daß an der leitenden Schicht ein Wechselstromsignal angelegt werden kann, um damit in dem in die Aufladeelektrode einlaufenden Tintenstrahl eine elektrohydrodynamische Störung einzuführen. Die Seitenwände und ein Teil der gegenüberliegenden Oberfläche werden mit einem ρ -leitenden Element dotiert, an einer Spannungsquelle angeschlossen und mit einer Isolierschicht überzogen.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Die unter Schutz zu stellenden Merkmale der Erfindung finden sich in den ebenfalls beigefügten Patentansprüchen.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 schematisch eine Darstellung eines Tintenstrahl

druckers mit der üblichen Anordnung der verschiedenen Teile einschließlich der Tintenstrahldüse, der Aufladeelektrode und der zugehörigen Schaltungen;

Fig. 2 eine Anordnung von Aufladeelektroden gemäß der

vorliegenden Erfindung;

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Pig. 3 eine nerspektivische Teilansicht von Fig. 2 zur

Darstellung der gegenseitigen Lage der verschiedenen Elemente der Aufladeelektroden;

Fign. 4A bis 4F die einzelnen Verfahrensschritte bei der Herstellung einer einzigen Aufladeelektrode;

Fig. 5 eine Steuerschaltung zum Betrieb einer Aufladeelektrode gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fign. 6A bis 6C eine Aufladeelektrode, eine Aufladeelektrode

mit Düse und eine Aufladeelektrode mit Düse und Synchronisierelektrode sowie

Fig. 7 eine Aufladeelektrode nach Bildung der Düse.

In der schematischen Darstellung der Fig. 1 ist ein Verteiler 1 gezeigt, der durch ein Einlaßrohr 2 gespeist und an einer Austrittsöffnung 3 oder Düsenanordnung 4 einen Tintenstrahl 7 abgibt. Durch eine Synchronisierechaltung 5 wird über eine Synchronisierelektrode eine V'echselspannung an den Tintenstrahl angelegt, wodurch der Tintenstrahl in einen Strom von synchronisierten Tintentröpfchen unterteilt wird. Der Tintentröpionenstrahl befindet sich damit im bereich der Auflachelektrode 8.

Wenn die Aufladeelektrode 3 in der Nähe des Abreißpunktes 9 für die Tröpfchenbildung angeordnet ist und am Anschlußpunkt 21 von einer Auflaaeschaltung 10 eine Spannung angelegt wird, dann nimmt die Spitze des Tintentröpfchenstrahls eine Ladung auf. Obgleich die hier dargestellte Aufladeelektrode eingangsseitig eine kleinere öffnung und ausgangsseitig eine größere Öffnung aufweist, so sollte doch klar sein, daß eine in umgekehrter Richtung angeordnete Aufladeelektrode ebenso mit Erfolg betrieben werden kann. Wenn sich das Tintentröpfchen 11 von dem

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Tintenstrahl 7 ablöst, führt eine der an der Aufladeelektrode 8 angelegten Spannung proportionale Ladung mit sich. Die Tröpfchen laufen dann in einen Bereich hoher Feldintensität ein, die
durch ein Paar Ablenkplatten 12 erzeugt wird. Dieses elektrische Feld lenkt die aufgeladenen Tintentröpfchen um einen zur Aufladung proportionalen Betrag ab, während nichtaufgeladene
Tröpfchen ohne Ablenkung weiterfliegen. Die aufgeladenen Tröpfchen 13 werden nach einem Ablauf 14 für eine mögliche Wiederverwendung abgelenkt, während die ungeladenen Tröpfchen 15 ohne Ablenkung auf einem Aufzeichnungsträger, einem Papier 16 auftreffen.

In der schematischen Darstellung der Fig. 1 ist eine einziqe
Aufladeelektrode gezeigt. Tatsächlich hätte man eine Anordnung
von mehreren Aufladeelektroden zeigen können, die für eine mit einer größeren Anzahl versehene Anordnung von Düsen mit davon ausgehenden Tintenstrahlen Verwendung findet. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß Fig. 2 ist eine Anordnung 17 von Aufladeelektroden mit acht Bohrungen 18 in einem n-leitenden
Substrat 23 dargestellt, durch die die Tintenstrahlen und Tröpfchen hindurchtreten, obgleich klar sein sollte, daß eine Anordnung von Aufladeelektroden wesentlich mehr Bohrungen aufweisen
kann. Gemäß dem im folgenden noch im einzelnen zu beschreibenden Verfahren wird auf einer Seite einer jeden Bohrung 18 eine
ρ -leitende Schicht 19 hergestellt und eine weitere (nicht gezeigte) ρ -leitende Schicht wird an den SeitenwMnden 2O der
Bohrungen 18 hergestellt. Der vergrößerte Endabschnitt der
p⁺-leitenden Schicht 19 v/eist einen Kontaktbereich 21 auf, über den eine Spannung von einer äußeren Aufladeschaltung angelegt
werden kann, so daß die Aufladeelektrode die Spitze des Tintenstrahls in der Bohrung 18 mit einer Ladung versehen kann. In Fig. 2 sind außerdem Substratkontakte 24 in den vier Ecken des HaIbleiterplättchen dargestellt, die für Prüfzwecke vorgesehen sind und als Vorspannungsanschluß für das Substrat dienen.

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Fig. 3 zeigt eine perspektivische Teilansicht einer mit einer Aufladeelektrode versehenen Bohrung 18 mit ihren Seitenwänden 2O (von denen drei zu sehen sind). Der p-leitende Diffusionsbereich 19 ist dabei mit den Seitenwänden jeder Bohrung verbunden (die eine Anschlußdiffusion aufweisen) und bildet am anderen Ende eine Grundfläche für den Anschlußkontakt 21, dem von einer äußeren Schaltung außerhalb des Substrates eine Spannung zugeführt werden kann, wenn die Aufladeschaltung nicht im Substrat selbst hergestellt wird. Die Form der Seitenwände der Bohrung wird durch die (110) Orientierung des Siliziumsubstrates beherrscht. Eine Schicht aus isolierendem Material 25, wie z.B. Siliziumdioxid, bedeckt die gesamte Oberfläche des Substrates mit Ausnahme der Kontaktflächen.

Fign. 4A bis 4F zeigen die wesentlichen Verfahrensschritte bei der Herstellung einer einzigen Aufladeelektrode. Zunächst wird ein etwa 0,3 bis 0,8 mm starkes, aus einem n-leitenden Einkristall mit einer (110) Kristallorientierung bestehendes Substrat gereinigt. Anschließend wird gemäß Fig. 4A das Substrat zur Bildung eines SiO₂-FiImS 25 über der gesamten Oberfläche und der ,gesamten Rückseite des Substrates 23 thermisch oxidiert. Die thermische Oxidation läuft dabei beispielsweise in Dampf von :1OOO° C ab, so daß sich ein SiO₃-FiIm 25 mit einer Dicke von

j etwa 3500 A* ergibt. Die Dicke des SiO^-Fllmes ist jedoch nicht kritisch. Anschließend wird auf der Rückseite durch chemischen Niederschlag aus der Dampfphase eine 1200 8 starke Schicht 26 aus Si₃N₄ niedergeschlagen. Daraufhin wird die Vorderseite mit !einer (nicht gezeigten) Fotolackschicht überzogen. In der Foto-

jlackschicht wird dann eine öffnung hergestellt, und in dieser öffnung wird dann die SiO₂~Schicht 25 mit gepufferter Fluorwasserstoffsäure zur Bildung eines Schlitzes 27 geätzt. Die Fotolackschicht wird dann entfernt. Anschließend wird Phosphor !niedergeschlagen und an dem Schlitz zur Bildung eines η -leitenden Kontakts mit dem Substrat 23 diffundiert. Dann wird das Substrat zur Bildung einer Oxidschicht in dem η -leitenden Kontaktbereich erneut oxidiert.

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Anschließend wird gemäß Fig. 4B die Substratoberfläche (oben) wiederum mit einer (nicht gezeigten) Fotolackschicht überzogen. Dieses Mal werden in der Fotolackschicht rechteckige öffnungen belichtet und entwickelt. Die SiO₂~Schicht 25 wird dann zur Bildung der Anschlußkontaktfläche 29 mit gepufferter Fluorwasserstoffsäure geätzt. Dann wird unter Verwendung von Bor in dem Substrat eine ρ -leitende Diffusionszone erneut eine Oxidation durchgeführt wird.

Substrat eine ρ -leitende Diffusionszone eingebracht, worauf

Gemäß Fig. 4C definieren die nächsten Verfahrensschritte die Kontaktbereiche zum Herstellen der elektrischen Anschlüsse, wenn die Gesamtvorrichtung fertig ist. Die Bereiche 27 und 29 werden nunmehr bis auf das Silizium freigelegt. Zu diesem Zeitpunkt sind die Bereiche 27 und 29 nicht genau gleich groß, wie in Fig. 4A und Fig. 4B, Anschließend wird durch chemischen Niederschlag aus der Dampfphase oder ein anderes vergleichbares Verfahren eine dreifache Schicht hergestellt, die aus einer 300 8 starken Schicht aus SiO₂, einer 1500 S starken Schicht aus Si₃N₄ und einer 1500 R starken Schicht aus SiO₂ besteht. Anschließend wird über der obersten Schicht eine Fotolackschicht aufgebracht, und es werden öffnungen hergestellt, so daß in den Bereichen 27 und 29, wie Fig. 4C dies zeigt, alle Schichten entfernt werden können, mit Ausnahme der Dreifachschichten 30, 31, 32. Diese Dreifachschichten bedecken diejenigen ausgewählten Bereiche auf der Substratoberfläche in denen später die elektrischen Kontakte hergestellt werden. Es sei hierbei bemerkt, daß gleichzeitig mit der Entfernung der Si₃N₄-SChIdIt auf der Vorderseite mit Ausnahme der Kontaktbereiche diese Schicht auch auf der Rückseite entfernt wird. Siliziumnitridschichten werden mit heißer Phosphorsäure (H₃PO₄) bei 180° C entfernt,

Anschließend wird durch thermische Oxidation eine Schicht von etwa 3000 8 Dicke aufgebracht, worauf eine weitere SiO₂~Schicht auf der vorderen Oberfläche aufgebracht wird, wodurch die Schicht 25, die die Dreifachschicht bedeckt, wieder gebildet wird. An-

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schließend wird auf Vorder- und Rückseite eine Fotolackschicht •aufgebracht, in der auf der Vorderseite eine öffnung erzeugt 'wird. Dann wird die SiO₂-Schicht zur Bildung des Schlitzes 33 gemäß Fig. 4D bis zur Substratoberfläche hindurch geätzt. Nun- ! mehr kann daran gegangen werden, durch anisotropes Ätzen in dem \ Substrat eine öffnung für die Aufladeelektrode herzustellen. i

Der Schlitz 33 ist dabei so ausgerichtet, daß seine Längsseite i die (110) Oberflächenebene senkrecht schneidet und parallel zu ; einer Gruppe der (111) Ebenen des Halbleiterplättchens verläuft. \

Diese Ausrichtung ist insofern wichtig, da dadurch eine Ausbreitung oder ein Zusammenlaufen, diskreter Schlitze während der nachfolgenden anisotropen Ätzung des Substrates vermieden wird. Ein 1,3 mm langer Schlitz liefert bei einem 0,3 mm starken Halbleiterplättchen wegen der geneigten (111) Seitenwände nach dem Ätzen eine 0,4 mm lange Austrittsöffnung. Die Breite der öffnung wird durch das sich bei dem fotolithographischen Ver- ;fahren ergebende Unterschneiden und durch das Ätzen der senk-[rechten (111) Seitenwände sowie durch den Grad der Fehlausrichjtung bestimmt.
i

!Dann wird das Siliziumsubstrat im Bereich des Schlitzes 33 in [einer anisotropen Lösung aus Äthylendiamin, Pyrocatechol und !Wasser bei 118° C geätzt. Wenn das Siliziumsubstrat vollständig durchgeätzt ist, tritt auf der anderen Seite des Substrates jwie in Fig. 4D gezeigt eine SiO^-Membran 49 auf, die ein Teil der lauf der Unterseite liegenden SiO₂-Schicht 25 ist. Die aus SiO _ !bestehende Membran 49 wird anschließend zur Bildung einer das gesamte Substrat sauber durchsetzenden öffnung mit gepufferter Fluorwasserstoffsäure geätzt.

Anschließend werden zur Bildung der in Fig. 4E dargestellten Struktur eine Reihe von Verfahrensschritten durchgeführt und zwar in der folgenden Reihenfolge. An den freiliegenden Seiten-

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jwänden wird unter Verwendung von Bor eine zweite p⁺-leitende Diffusionszone 34 hergestellt. Da hier das gleiche Material und der gleiche Leitungstyp wie bei der Diffusionszone 19, die damit {verbunden ist, benutzt wird, läßt sich die Bohrung 18 während jeines Druckvorganges, wenn der ersten Diffusionszone oder einem !Kontaktbereich unmittelbar eine Ladung zugeführt wird, wie noch !beschrieben wird, aufladen. Anschließend wird auf den Seitenjwänden der öffnung 18 eine SiO₂-Schicht gebildet, die einmal der {elektrischen Isolation und zum anderen als Korrosionsschutz

gegen die verwendete Tinte dient.

Daraufhin werden die oben liegende SiOj-Schicht 32, die Si^N jSchicht 31 und die unten liegende SiO₂-Schicht 30 entfernt. Der Kontaktbereich 27 des Substrates und der Kontaktanschluß 47 sind jnun für ihre entsprechenden dotierten Zonen 28 und 29 zugänglich. In dem letzten chemischen Verfahrensschritt wird Palladium bei einer Substrattemperatur von etwa 200° C zur Bildung eines Palladlumssilizid (Pd₂Si)-Kontaktes 24 im Kontaktbereich 27 und eines gleichartigen Kontaktes 21 im Bereich 24 aufgedampft, wie man dies aus Fig. 4F erkennt. Es lassen sich auch andere geeignete Metalisierungen, wie z.B. Nickelsilizid oder Platinsilizid verwenden.

lAuf diese Weise kann man dabei mehr als eine Aufladeelektrode jin einem einzigen Substrat herstellen. Nach Anreißen und Zerschneiden eines jeden eine Anordnung von Aufladeelektroden enthaltenden Halbleiterplättchens wird dies auf einer Halterung !befestigt und mit dieser fest verbunden. Wenn die Aufladeschaljtung und die Aufladeelektrodenanordnung auf dem gleichen Subistratplättchen integriert werden sollen, dann werden an den !einzelnen Kontakten keine Drähte angelötet. Wenn jedoch die Aufjladeelektrodenschaltung aus dem gleichen Substrat wie die IAufladeelektrode hergestellt wird, lassen sich die Schaltverbindungen nach den Kontaktbereichen durch eindiffundierte Schichten herstellen. Man hat somit zwei Möglichkeiten zur Ver-

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fügung. Die Aufladeelektrodenanordnung kann beispielsweise auf einer gedruckten Schaltungskarte befestigt sein, die alle elektronischen Schaltungen für die Steuerung der Aufladung an der Düse enthält, und diese gedruckte Schaltung und Aufladeelektrodenanordnung kann dann mit dem Düsenkopf verbunden werden. Andererseits lassen sich diese elektronischen Schaltungen auch in dem mit der Äufladeelektrodenanorndung versehenen Halbleiter- ■ plättchen gleichzeitig mit der Herstellung der Elektroden nach j ■üblichen Herstellverfahren für integrierte Schaltungen aufbauen und durch Metallisierungen oder Diffusionszonen an die ' entsprechenden Anschlußkontakte anschließen. j

Fig. 5 zeigt eine typische Aufladeschaltung 10, die in einem Siliziumsubstrat 23 hergestellt werden kann und zur Steuerung der Aufladung bei jeder Bohrung 18 während eines Druckvorganges eine entsprechende Spannung zu liefern vermag. Die Schaltung besteht aus ieinem Schieberegister 36, das in Abhängigkeit von über die Eingangs leitung 37 ankommenden Taktimpulsen und von über die Eingangslei- ;tung 38 ankommenden Datenimpulsen über Ausgangsleitungen 39 Signale zur Betätigung von Verriegelungsschaltungen 40 abgibt. Die !steuerung der Arbeitsweise der Verriegelungsschaltungen wird !ferner durch über die Eingangsleitung 41 ankommende Taktimipulse bewirkt. Über die Eingangsleitung 42 wird das für die IVerriegelungsschaltungen und das Schieberegister erforderliche (Potential zugeführt. Das Schieberegister und die Verriegelungsjschaltungen werden vorzugsweise aus Feldeffekttransistoren iaufgebaut. Wird eine der Verriegelungsschaltungen 40 betätigt, jdann wird der entsprechenden eindiffundierten Zone 19, die

mit einer diffundierten Zone 34 in den als Aufladeelektroden !dienenden Seitenwänden einer Bohrung 18 verbunden ist, eine ■Spannung zugeführt. Für das richtige Arbeiten der Aufladeschaltung 10 wird an der Klemme 48 eine entsprechende Vorspannung angelegt. Diese Vorspannung kann beispielsweise über ^!den Substratkontakt 24 in Fign. 2 und 4F zugeführt werden. Die Integration der Aufladeschaltung und der Aufladeelektrode im gleichen Substrat ergibt einen sehr gedrängten Aufbau eines

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Druckkopfes. Eine genaue Beschreibung dieser Aufladeschaltung findet sich in der bereits erwähnten deutschen Patentanmeldung . |P 25 26 725.8. ;

i ' ϊ

ι '

|Pig. 6A zeigt die Aufladeelektrode gemäß Fig. 4P in umgekehrter [Anordnung mit einem von oben kommenden Tintenstrahl, bei dem

I ■

!sich am Punkt 9 innerhalb der Bohrung 18 ein Tintentröpfchen '' ablöst. Die Seitenwanddiffusionszone 34 erstreckt sich durch j idle vorne liegende Diffusionszone 19 nach dem Kontakt 21 und ; [kann damit die von dem Tintenstrahl sich ablösenden Tröpfchen ι entsprechend der am Kontakt 21 angelegten Spannung aufladen. Es sei angenommen, daß die Aufladesignale in der Weise angelegt i werden, daß der zwischen der Diffusionszone 34 und der Seitenwand gelegene ρ -η übergang niemals in Durchlaßrichtung vorgespannt ist. Beispielsweise könnte das Substrat 23 auf +30 Volt !vorgespannt sein, während an der Aufladeelektrode entweder eine !Spannung von +30 Volt (für Ablenkung der Tröpfchen nach dem ■Ablauf) oder von 0 Volt (für keine Ablenkung und Auftreffen auf

jdem Aufzeichnungsträger) angelegt ist. Dadurch ist sichergestellt, daß dann, wenn eine Diode (jede öffnung in der Auflade- !elektrodenanordnung ist funktional eine Diode) aus irgendeinem i

Fehler heraus nicht richtig arbeitet, der entsprechende Tröpfchenstrom nach dem Ablauf abgeleitet wird und den Aufzeichnungsjträger nicht erreicht. Dadurch wird außerdem sichergestellt, !daß positive Ionen, wie z.B. Natrium (Na )-Ionen von der Trennfläche zwischen SiO- und Si nicht angezogen werden, wo sie zu Instabilitäten führen könnten.

Man sieht, daß die Eingangsöffnung nach der Bohrung 18 in Fig. 6A groß ist. Daher ist es notwendig, daß der Düsenstrahl von einer von der Aufladeelektrode getrennten und deutlich unterscheid-· 'baren Düse ausgeht. Ein isolierender Film 25, beispielsweise aus jSiliziumdioxid, bedeckt die gesamte Oberfläche mit Ausnahme der •Kontaktfläche,

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In Fig. 6B ist eine Düse dargestellt, die in dem gleichen Substrat wie die Aufladeelektrode hergestellt werden kann. Dies 'wird mit Hilfe eines Verfahrens erreicht, wie dies belspielsweise in der bereits erwähnten deutschen Patentanmeldung P 25 55 462.5 beschrieben ist. Für die Herstellung einer die Düsen und Aufladeelektroden enthaltenden Struktur ist es erforderlich, eine klare Ausrichtung von Vorderseite zur Rückseite vorzunehmen, so daß jede Bohrung oder Düse genau gegenüber ihrer entsprechenden Aufladeelektrodenbohrung liegt. In dem Bereich der gewünschten öffnung auf der Rückseite des Substrates liegt eine Membran, und es wird in dem Substrat 23 in der Nachbarschaft ,der Membran eine ρ -leitende Diffusionszone 44 hergestellt. Dann wird die anisotropische Ätzung von der Vorderseite aus eingeleitet (beispielsweise in Fig. 4D), und es wird ein Schlitz gebildet, der sich durch die diffundierte Zone hindurch erstreckt, so daß die Seitenwand der Bohrung den Umrissen der [diffundierten Zone folgt und eine Membran sowie eine als Düse jarbeitende öffnung bildet. Längs der Seitenwände der Bohrung !wird ebenfalls eine p⁺-leitende Schicht 34 eindiffundiert. Die [Diffusionszone 19 mit ihrem zugehörigen Kontaktbereich 21 !könnte auch schon vorher hergestellt worden sein. Nach Aufjwachsen einer Isolierschicht 25, wie z.B. aus Siliziumdioxid, | über der gesamten Oberfläche des Substrates wird der Kontaktbe- j ■reich nach dem Substrat 23 geöffnet und eine Kontaktmetallisierung aufgebracht. Die Herstellung einer Düsen-Aufladeelektrodenjkombination ist nunmehr im wesentlichen abgeschlossen. Selbstverständlich können die die Düse bildende Diffusionsschicht und die Diffusionszone 34 in den Seitenwänden der Bohrung miteinander verbunden werden und aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Diese kombinierte Struktur wird dann an einen Tintenjverteiler oder Vorratsbehälter angeschlossen, der unter Druck jstehende Tinte an die Düse liefert.

Während Fig. 6A eine Aufladeelektrode zeigt, zeigt Fig, 6B eine Kombination aus Aufladeelektrode und Düse mit einer Silizium-

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membran. Fig. 6C zeigt dagegen eine monolithische Struktur aus Aufladeelektrode, Düse und Synchronisierelektrode.

!Fig. 6C zeigt eine Struktur, bei der eine isolierende Membran, [wie sie bereits in der zuvor genannten deutschen Patentanmeldung JP 25 54 Ο85.6 beschrieben wurde, verwendet und bei der durch !entsprechende Erweiterung auch die Synchronisierelektrode mit !hergestellt werden kann. Auf der Oberseite des Substrates wird vor dem anisotropen Ätzen der Bohrung eine Isolierschicht 25 !hergestellt. Nach Abschluß des Ätzvorganges wird in der Schicht 25 eine als Düse dienende Bohrung der gewünschten Größe hergestellt, über der Isolierschicht 25 wird anschließend eine elek-

!trisch leitende Schicht 45 aufgebracht, die dann von einer !Isolierschicht 46 überzogen wird. Anschließend wird eine Kon-Itaktbohrung durch die Schicht 46 nach der leitenden Schicht 45 hergestellt und ein Kontakt 6 angebracht. Die Synchronisierjschaltung 5 Fig. 1 wird dann an den Kontakt 6 eine Wechselspannung liefern, die über die Synchronisierelektrode in dem an der ;Düse austretenden Tintenstrahl eine elektro-hydrodynamische ' Störung einführt. Die Synchronisierung wird dabei durch die J sich durch die isolierende Membran 46 nach dem Düsenstrahl er- i streckenden Randfelder erzielt, wenn dieser in die Bohrung der ' !Aufladelektrode einläuft. Die Aufladeelektrode dieser kombinierten Struktur wird, wie bereits im Zusammenhang mit Fign. 4A i
ibis 4F beschrieben, hergestellt.

jDie Schicht 45 Fig. 6C kann aus irgendeinem elektrisch leitenden Material sein, wie z.B, Aluminium, und das Isoliermaterial kann auch ein anderes Material oder andere Materialkombination jals Siliziumdioxid sein. Auch das Aufbringen dieser Materialien kann auf verschiedene an sich bekannte Weise erfolgen.

Obgleich die Erfindung im Einzelnen unter Verwendung bestimmter Materialien und Materialstärken beschrieben wurden, so sei doch darauf verwiesen, daß diese Angaben nicht kritisch sind,

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und daß andere Materialien und andere Materialstärken Verwendung finden können. Ferner können auch andere Materialien einzeln oder in Kombination benutzt werden. Beispielsweise kann man auf der Oberseite der SiO₂-Schicht eine weitere aus Si-N. bestehende Isolierschicht als zusätzliche Schutzschicht anbringen, wenn bestimmte Tinten in einigen Anwendungsgebieten eingesetzt werden. Phosphorsäure wird oft zum Auflösen von Siliziumnitrid verwendet, während wässrige gepufferte Fluorwasserstoffsäure zum Ätzen von Siliziumdioxid benutzt wird. Die ρ -leitende Oberflächenschicht kann entweder durch Diffusion oder durch Ionenimplantation hergestellt werden, und man kann außerdem in einem p-leitenden Substrat η -leitende Diffusionszonen anbringen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1.^ Auflade-Elektrodenanordnung für einen Tintenstrahldrucker ——'' für eine Steuerung der Aufladung der aus einer Anzahl von Tintenstrahlen gebildeten Tintentröpfchen, gekennzeichnet durch ein aus monokristallinem Silizium mit (110) Orientierung bestehendes, eine Anzahl durchgehender Bohrungen (18) aufweisendes Substrat (23) , bei dem in jeder der Bohrungen beim Hindurchströmen eines Tintenstrahls (7) Tintentröpfchen (11) entstehen, und durch eine in den Seitenwänden der Bohrungen (18) gebildete, in ihrem Leitungstyp dem Leitungstyp des Substrats (23) entgegengesetzt dotierte Diffusionszone (19) und eine zweite mit dieser Diffusionszone in Verbindung stehende Diffusionszone gleichen Leitungstypszum Anschluß an einen Kontaktbereich (21) zum Anlegen einer Spannung für die Steuerungder Aufladeelektrode bei einem Druckvorgang.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Aufladeelektrode (19) eine Aufladeschaltung (10) angeschlossen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladeschaltung (10) als integrierte Schaltung in dem Siliziumsubstrat (23) gebildet und mit der zweiten Diffusionszone der Aufladeelektrode (19) verbunden ist.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (23) η-leitend und die erste (19) und zweite (34) Diffusionszone ρ -leitend ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das äußerste Ende der zweiten Diffusionszone für die Aufnahme eines Anschlußkontaktes (21) verbreitert ist.

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ORIGINAL

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat (23) eine dritte Diffusionszone (24) des gleichen Leitungstyps wie das Substrat auf der gleichen Oberfläche des Substrats wie die zweite Diffusionszone gebildet und mit einem Anschlußkontakt für das Anlegen einer Vorspannung an das Substrat versehen ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte Substrat mit Ausnahme der Anschlußkontakte von einer Isolierschicht (25) überzogen ist.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der von einem unter Druck stehenden Tintenstrahl durchströmten Düsenbohrungen als Membrandüse (18) aufgebaut ist, die mit einer Aufladeelektrode verbunden ist.

9. Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrandüsen auf dem Substrat (23) durch eine vierte Diffusionszone (44) , die unterhalb der isolierenden Schicht (25) und auf der der zweiten und dritten Diffusionszone entgegengesetzten Seite des Substrats liegt, gebildet ist.

10. Anordnung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie als monolithische Einheit in Form eines aus einkristallinem Silizium mit (110) Kristallorientierung bestehenden Substrats (23) mit einer für die Aufladung von Tintentröpfchen bestimmten Anordnung von Aufladeelektroden, mit einer entsprechenden Anordnung von mit den Aufladeelektroden verbundenen Membrandüsen und einer entsprechenden Anordnung von mit den Düsen verbundenen Synchronisierelektroden aufgebaut ist, durch die in die aus den Membrandüsen austretenden Tintenstrahlen eine hydrodynamische Störung einführbar ist.

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11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrandüsen durch eine Bohrung in der Isolierschicht (25) gebildet sind, die auf der der zweiten und dritten Diffusionszone abgewandten Seite des Substrats (23) liegt.

12. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sychronisierelektrode aus einer über der ersten Isolierschicht, die die Membrandüse bildet, liegenden leitenden Schicht (45) besteht, die von einer zweiten Isolierschicht (46) überzogen ist, die sich auf der Seite der Düse an die erste Isolationsschicht (25) anschließt, die an einer Stelle eine öffnung für einen Anschlußkontakt (6) an die leitende Schicht (45) aufweist.

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