DE60312095T2

DE60312095T2 - Monolithisches Tintenstrahldruckkopf mit Tintenkammer begrenzt durch eine Grenzwand und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE60312095T2
Application number: DE60312095T
Authority: DE
Inventors: Su-ho Suwon-city Shin; Seog-soon Suwon city Baek; Yong-soo Bundang-gu Seongnam-city Oh; Seung-ju Bundang-gu Seongnam-city Shin
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2002-10-12
Filing date: 2003-10-10
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2023-10-11
Also published as: US7069656B2; EP1407883A1; DE60312095D1; KR100552664B1; JP2004130810A; US20040075716A1; EP1407883B1; US20050174391A1; US6984024B2; KR20040035911A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Tintenstrahldruckkopf, und insbesondere einen thermisch betriebenen monolithischen Tintenstrahldruckkopf, bei dem eine Düsenplatte integral mit einem Substrat ausgebildet ist, und ein Herstellungsverfahren dafür.
Im Allgemeinen drucken Tintenstrahldruckköpfe ein bestimmtes Farbbild durch Ausstoßen kleiner Tröpfchen von Drucktinte auf gewünschte Positionen auf einem Aufzeichnungsblatt. Tintenstrahldruckköpfe werden in Abhängigkeit von den Tintentröpfchenausstoßmechanismen überwiegend in zwei Arten kategorisiert: einen thermisch betriebenen Tintenstrahldruckkopf, bei dem eine Wärmequelle eingesetzt ist, um Bläschen in der Tinte zu bilden und auszudehnen, was bewirkt, dass Tintentröpfchen ausgestoßen werden, und einem piezoelektrisch betriebenen Tintenstrahldruckkopf, bei dem ein piezoelektrischer Kristall schwingt, so dass Druck auf die Tinte ausgeübt wird, was bewirkt, dass Tintentröpfchen ausgetrieben werden.
Nun wird ein Tintenausstoßmechanismus des thermisch betriebenen Tintenstrahldruckkopfs ausführlich beschrieben. Wenn ein Stromimpuls auf eine Erwärmungseinrichtung aufgebracht wird, der aus einem Widerstandserwärmungsmaterial besteht, wird von der Erwärmungseinrichtung Wärme erzeugt, die Tinte nahe der Erwärmungseinrichtung schnell auf ungefähr 300 °C erwärmt und die Tinte zum Sieden gebracht, so dass sich Bläschen bilden. Die gebildeten Bläschen dehnen sich aus, wodurch sie auf in einer Tintenkammer enthaltene Tinte Druck ausüben. Dies bewirkt, dass ein Tintentröpfchen durch eine Düse aus der Tintenkammer ausgestoßen wird.
Hier kann das thermisch betriebene Tintenstrahldrucken ferner in nach oben ausstoßende, seitlich ausstoßende und nach hinten ausstoßende Typen unterteilt werden, was von der Richtung des Ausstoßes von Tintentröpfchen und den Richtungen, in die die Bläschen sich ausdehnen, abhängt. Während der nach oben ausstoßende Typ einen Mechanismus betrifft, bei dem ein Tintentröpfchen in die selbe Richtung ausgestoßen wird, in die sich ein Bläschen ausdehnt, ist der nach hinten ausstoßende Mechanismus ein Mechanismus, bei dem ein Tintentröpfchen in eine Richtung entgegengesetzt zur Ausdehnungsrichtung eines Bläschens ausgestoßen wird. Beim seitlich ausstoßenden Typ ist die Richtung des Tintentröpfchenausstoßes senkrecht zur Richtung der Bläschenausdehnung.
Thermisch betriebene Tintenstrahldruckköpfe müssen die folgenden Bedingungen erfüllen. Erstens müssen ein einfacher Herstellungsprozess, geringe Herstellungskosten und Massenproduktion möglich sein. Zweitens muss zur Produktion von Farbbildern in hoher Qualität ein Abstand zwischen benachbarten Düsen so klein wie möglich sein, während Wechselwirkungen zwischen den benachbarten Düsen verhindert sind. Das heißt, zur Erhöhung der Anzahl an Punkten pro Zoll (DPI, Dots Per Inch) müssen viele Düsen in einer kleinen Fläche angeordnet werden. Drittens muss für Hochgeschwindigkeitsdruck ein Zyklus beginnend mit Tintenausstoß und endend mit Tintenauffüllung so kurz wie möglich sein. Das heißt, die erwärmte Tinte und die Erwärmungseinrichtung sollten sich so schnell wie möglich abkühlen, um die Betriebsfrequenz zu erhöhen.
1A ist eine Teilquerschnittsperspektivansicht, die ein Beispiel der Struktur eines herkömmlichen thermisch betriebenen Druckkopfes zeigt, wie er im US-Patent Nr. 4,882,595 offenbart ist, und 1B ist eine Querschnittsansicht des Druckkopfes von 1A zur Erläuterung eines Prozesses zum Ausstoß von Tintentröpfchen.
Mit Bezug zu den 1A und 1B weist der herkömmliche thermisch betriebene Tintenstrahldruckkopf ein Substrat 10, eine Barrierewand 14, die auf dem Substrat 10 angeordnet ist, zum Abgrenzen einer mit Tinte 29 gefüllten Tintenkammer 26, eine in der Tintenkammer 26 angeordnete Erwärmungseinrichtung 12 und eine Düsenplatte 18 mit einer Düse 16 zum Ausstoßen eines Tintentröpfchens 29' auf. Wenn ein Stromimpuls zur Erwärmungseinrichtung 12 geführt wird, erzeugt die Erwärmungseinrichtung 12 Wärme, so dass sich ein Bläschen 28 in der Tinte 29 in der Tintenkammer 26 bildet. Das Bläschen 28 dehnt sich aus, so dass es auf die in der Tintenkammer 26 vorhandene Tinte 29 Druck ausübt, was bewirkt, dass ein Tintentröpfchen 29' durch die Düse 16 ausgestoßen wird. Dann wird die Tinte 29 von einem Verteiler 22 durch einen Tintenzufuhrkanal 24 eingeführt, so dass die Tintenkammer 26 aufgefüllt wird.
Der Prozess zur Herstellung eines herkömmlichen Tintenstrahldruckkopfs vom nach oben ausstoßenden Typ wie oben konfiguriert beinhaltet separates Fertigen der Düsenplatte 18, die mit der Düse 16 ausgerüstet ist, und des Substrats 10 mit darauf ausgebildeter Tintenkammer 26 und dem Tintenzufuhrkanal 24 und Verbinden der Teile miteinander. Dies verkompliziert den Herstellungsprozess und kann Fehlausrichtung beim Verbinden der Düsenplatte 18 mit dem Substrat 10 bewirken. Da außerdem die Tintenkammer 26, der Tintenkanal 24 und der Verteiler 22 auf der selben Ebene angeordnet sind, ergibt sich eine Einschränkung bei der Erhöhung der Anzahl an Düsen 16 pro Flächeneinheit, d. h. der Dichte der Düsen 16. Dies macht es schwierig, einen Tintenstrahldruckkopf mit hoher Auflösung und hoher Druckgeschwindigkeit zu implementieren.
Unlängst wurden Tintenstrahldruckköpfe mit einer Reihe von Strukturen vorgeschlagen, um die obigen Probleme herkömmlicher Tintenstrahldruckköpfe zu überwinden. Die 2A und 2B zeigen ein Beispiel eines in der US-Patentanmeldung Nr. 20020008738 veröffentlichten monolithischen Tintenstrahldruckkopfes.
Mit Bezug zu den 2A und 2B sind eine halbkugelförmige Tintenkammer 32 und ein Verteiler 36 auf der vorderen bzw. hinteren Seite eines Siliciumsubstrats 30 und ein Tintenkanal 34, der die Tintenkammer 32 mit dem Verteiler 36 verbindet, an der Unterseite der Tintenkammer 32 ausgebildet. Eine Düsenplatte 40 gebildet aus einer Mehrzahl von überlagerten Materialschichten 41, 42 und 43 ist integral mit dem Substrat 30 ausgebildet. Die Düsenplatte 40 weist eine Düse 47 an einer Stelle auf, die einem Mittelteil der Tintenkammer 32 entspricht, und eine Erwärmungseinrichtung 45, die mit einem Leiter 46 verbunden ist, ist um die Düse 47 angeordnet. Eine Düsenführung 44 erstreckt sich entlang der Kante der Düse 47 zur Tintenkammer 32. Von der Erwärmungseinrichtung 45 erzeugte Wärme wird durch eine Isolierschicht 41 zur Tinte 48 in der Tintenkammer 32 übertragen. Die Tinte 48 siedet dann, so dass sich Bläschen 49 bilden. Die gebildeten Bläschen 49 expandieren, so dass sie Druck auf die in einer Tintenkammer 32 enthaltene Tinte 48 ausüben, was bewirkt, dass ein Tintentröpfchen 48' durch die Düse 47 ausgestoßen wird. Dann wird aufgrund von Oberflächenspannung der Tinte 48, die mit der Luft in Kontakt steht, die Tinte 48 durch den Tintenkanal 34 vom Verteiler 36 eingeführt, so dass die Tintenkammer 32 aufgefüllt wird.
Ein herkömmlicher monolithischer Tintenstrahldruckkopf, der wie oben konfiguriert ist, weist den Vorteil auf, dass das Siliciumsubstrat 30 integral mit der Düsenplatte 40 ausgebildet ist, was einen einfachen Herstellungsprozess ermöglicht, der die Fehlausrichtungsprobleme eliminiert. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Düse 47, die Tintenkammer 32, der Tintenkanal 34 und der Verteiler 36 vertikal angeordnet sind, was die Dichte an Düsen 46 im Vergleich zum Tintenstrahldruckkopf von 1A erhöht.
Beim in den 2A bis 2B gezeigten monolithischen Tintenstrahldruckkopf wird zum Ausbilden der Tintenkammer 32 das Substrat 30 durch die Düse 47 isotrop geätzt, so dass die Tintenkammer 32 in einer Halbkugelform ausgebildet wird. Zur Ausbildung einer Tintenkammer mit einem bestimmten Volumen sollte die Tintenkammer einen Radius eines bestimmten Maßes aufweisen. Daher ergibt sich eine Einschränkung bei der Erhöhung der Düsendichte durch weiteres Verringern eines Abstands zwischen zwei benachbarten Düsen (47 in 2A). Mit anderen Worten, eine Verringerung des Radius der Tintenkammer 32 zum Zwecke einer Verringerung des Abstands zwischen zwei benachbarten Düsen 47 kann unerwünschter Weise zu einer Verringerung des Volumens in der Tintenkammer 32 führen.
Wie oben beschrieben, weist die Struktur des herkömmlichen monolithischen Tintenstrahldruckkopfes eine Einschränkung bei der Realisierung einer hochdichten Düsenanordnung auf, trotz des in jüngster Zeit steigenden Bedarfs an Tintenstrahldruckköpfen, die in der Lage sind, Bilder in höherer Auflösung mit einem hohen DPI-Wert (Dot Per Inch) zu drucken.
Ein Verfahren zur Ausbildung eines monolithischen durch Bläschen betriebenen Tintenstrahldruckkopfes, der die Notwendigkeit zur Verwendung von Klebstoff oder anderen Adhäsivstoffen eliminiert, ist von Cloutier et al. in US 4,438,191 offenbart. Das Verfahren stellt eine Schichtstruktur zur Verfügung, die nach Standardtechniken für integrierte Schaltungen und gedruckte Schaltungen hergestellt werden kann.
Ein Druckkopf gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist in EP 1216837 A offenbart.
Die vorliegende Erfindung stellt einen thermisch betriebenen monolithischen Tintenstrahldruckkopf zur Verfügung, der geeignet ist, Bilder in höherer Auflösung zu drucken, indem eine Tintenkammer vorgesehen ist, die so konfiguriert ist, dass sie einen Abstand zwischen benachbarten Düsen reduziert.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung des monolithischen Tintenstrahldruckkopfes zur Verfügung.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein monolithischer Tintenstrahldruckkopf zur Verfügung gestellt umfassend: ein Substrat mit einer Tintenkammer gefüllt mit Tinte, die aus ihrer Vorderseite ausgestoßen werden soll, einem Verteiler zum Zuführen von Tinte zur Tintenkammer von deren Rückseite und einem Tintenkanal, der zwischen der Tintenkammer und dem Verteiler durchtritt; eine Düsenplatte gebildet aus einer Mehrzahl von Materialschichten, die auf dem Substrat aufgeschichtet sind, und mit einer Düse, die die Düsenplatte durchdringt, wobei durch die Düse Tinte von der Tintenkammer ausgestoßen wird; eine Erwärmungseinrichtung ausgebildet zwischen den Materialschichten der Düsenplatte und über der Tintenkammer gelegen zum Erwärmen der Tinte in der Tintenkammer; einen Leiter, der zwischen den Materialschichten der Düsenplatte vorgesehen ist und mit der Erwärmungseinrichtung elektrisch verbunden ist, zum Anlegen von Strom über die Erwärmungseinrichtung; und gekennzeichnet durch eine Barrierewand, die sich von der Vorderseite des Substrats in einer bestimmten Tiefe erstreckt und mindestens einen Teil der Tintenkammer in der Breite definiert.
Die Barrierewand umgibt bevorzugt mindestens einen Teil der Tintenkammer so, dass die Tintenkammer in einer schmalen, langen Form ausgebildet ist.
Ebenso kann die Barrierewand die Tintenkammer in einer rechteckigen Form umgeben und eine Seitenfläche der Barrierewand ist bevorzugt abgerundet.
Die Barrierewand ist bevorzugt aus einem Metall gebildet, oder einem Isoliermaterial wie Siliciumoxid oder Siliciumnitrid.
Die Düse ist bevorzugt in der Mitte der Breite der Tintenkammer vorgesehen, und die Erwärmungseinrichtung ist bevorzugt an einer Position der Düsenplatte über der Tintenkammer gelegen, wo sie nicht über der Düse liegen kann.
Der Tintenkanal kann an irgendeiner Stelle vorgesehen sein, die die Tintenkammer mit dem Verteiler verbinden kann, indem das Substrat senkrecht durchdrungen wird, und die Querschnittsform des Tintenkanals ist bevorzugt rund, oval oder polygonal.
Die Düsenplatte kann eine Mehrzahl von Passivierungsschichten aufweisen, die sequentiell auf dem Substrat aufgeschichtet sind, und eine Wärmeableitschicht, die aus einem wärmeleitfähigen Metall gebildet ist, um Wärme in oder um die Erwärmungseinrichtung nach außen abzuleiten.
Bevorzugt weist die Mehrzahl von Passivierungsschichten erste bis dritte Passivierungsschichten auf, die sequentiell auf dem Substrat aufgeschichtet sind, die Erwärmungseinrichtung ist zwischen der ersten und zweiten Passivierungsschicht ausgebildet und der Leiter ist zwischen der zweiten und dritten Passivierungsschicht gelegen.
Die Wärmeableitschicht ist bevorzugt aus Nickel, Kupfer oder Gold gebildet und kann durch elektrochemisches Beschichten auf eine Dicke von 10–100 μm ausgebildet sein.
Die Düsenplatte kann eine wärmeleitfähige Schicht über der Tintenkammer gelegen aufweisen, die von der Erwärmungseinrichtung und dem Leiter isoliert ist und mit dem Substrat und der Wärmeableitschicht in Kontakt steht.
Die wärmeleitfähige Schicht ist bevorzugt aus einem Metall gebildet und kann aus dem selben Material gebildet sein und auf derselben Passivierungsschicht liegen.
Es kann eine Isolierschicht zwischen den Leiter und die wärmeleitfähige Schicht eingesetzt sein.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines monolithischen Tintenstrahldruckkopfs zur Verfügung gestellt umfassend: (a) Vorbereiten eines Substrats, (b) Ausbilden einer Barrierewand, die sich von der Vorderseite des Substrats zu dessen Rückseite in einer bestimmten Tiefe erstreckt, gebildet aus einem bestimmten Material, das sich vom Material des Substrats unterscheidet, (c) integrales Ausbilden einer Düsenplatte gebildet aus einer Mehrzahl von Materialschichten und mit einer Düse, die die Materialschichten durchdringt, und Ausbilden einer Erwärmungseinrichtung und eines Leiters, der mit der Erwärmungseinrichtung verbunden ist, zwischen den Materialschichten, (d) Ausbilden einer Tintenkammer, die durch die Barrierewand definiert ist, durch isotropes Ätzen des Substrats, das durch die Düse freigelegt ist, unter Verwendung der Barrierewand als Ätzstop, (e) Ausbilden eines Verteilers zum Zuführen von Tinte durch Ätzen einer Rückseite des Substrats und (f) Ausbilden eines Tintenkanals durch Ätzen des Substrats, so dass er das Substrat zwischen dem Verteiler und der Tintenkammer durchdringt.
In Schritt (a) wird das Substrat bevorzugt aus einem Siliciumwafer gebildet.
In Schritt (b) kann die Barrierewand mindestens einen Teil der Tintenkammer umgeben, so dass die Tintenkammer in einer schmalen, langen Form ausgebildet wird, und eine Seitenfläche der Barrierewand wird bevorzugt abgerundet.
Ebenso wird in Schritt (b) die Barrierewand bevorzugt aus einem Metall gebildet.
In diesem Fall kann Schritt (b) umfassen: Ausbilden einer Ätzmaske, die einen zu ätzenden Teil auf der Vorderseite des Substrats definiert, Ausbilden eines Grabens (Trench) durch Ätzen des Substrats, das durch die Ätzmaske freigelegt ist, auf eine bestimmte Tiefe, Entfernen der Ätzmaske, Abscheiden des Metalls auf der Vorderseite des Substrats, so dass der Graben zum Ausbilden der Barrierewand gefüllt wird, und Ausbilden einer Metallmaterialschicht aus dem Metall auf dem Substrat, und Entfernen der Metallmaterialschicht, die auf dem Substrat ausgebildet ist.
In Schritt (b) kann die Barrierewand aus einem Isoliermaterial wie Siliciumoxid oder Siliciumnitrid gebildet werden.
In diesem Fall kann Schritt (b) umfassen: Ausbilden einer Ätzmaske, die einen zu ätzenden Teil auf der Vorderseite des Substrats definiert, Ausbilden eines Grabens durch Ätzen des Substrats, das durch die Ätzmaske freigelegt ist, auf eine bestimmte Tiefe, Entfernen der Ätzmaske und Abscheiden des Isoliermaterials auf der Vorderseite des Substrats, so dass der Graben zum Ausbilden der Barrierewand gefüllt wird, und Ausbilden einer Isoliermaterialschicht aus dem Isoliermaterial auf dem Substrat.
Der Schritt (c) kann umfassen: (c-1) sequentielles Aufschichten einer Mehrzahl von Passivierungsschichten auf dem Substrat und Ausbilden der Erwärmungseinrichtung und des Leiters zwischen den Passivierungsschichten und (c-2) Ausbilden einer Wärmeableitschicht aus einem Metall auf dem Substrat und Ausbilden der Düse, so dass sie die Passivierungsschichten und die Wärmeableitschicht durchdringt.
In diesem Fall kann Schritt (c-1) umfassen: Ausbilden einer ersten Passivierungsschicht auf dem Substrat, Ausbilden der Erwärmungseinrichtung auf der ersten Passivierungsschicht, Ausbilden einer zweiten Passivierungsschicht auf der ersten Passivierungsschicht und der Erwärmungseinrichtung, Ausbilden des Leiters auf der zweiten Passivierungsschicht und Ausbilden einer dritten Passivierungsschicht auf der zweiten Passivierungsschicht und dem Leiter. Hier wird die Erwärmungseinrichtung bevorzugt in einer rechteckigen Form ausgebildet.
Ebenso wird in Schritt (c-1) bevorzugt eine wärmeleitfähige Schicht, die über der Tintenkammer gelegen ist, isoliert von der Erwärmungseinrichtung und dem Leiter und in Kontakt mit dem Substrat und der Wärmeableitschicht zwischen den Passivierungsschichten ausgebildet.
In Schritt (c-2) kann die Wärmeableitschicht aus Nickel, Kupfer oder Gold gebildet werden und wird bevorzugt durch elektrochemisches Beschichten auf eine Dicke von 10–100 μm ausgebildet.
Der Schritt (c-2) kann umfassen: Ätzen der Passivierungsschichten, so dass eine untere Düse mit einem bestimmten Durchmesser auf einem Teil ausgebildet wird, wo die Tintenkammer ausgebildet ist, Ausbilden einer ersten Opferschicht in der unteren Düse, Ausbilden einer zweiten Opferschicht zum Ausbilden einer oberen Düse auf der ersten Opferschicht, Ausbilden der Wärmeableitschicht auf den Passivierungs schichten durch elektrochemisches Beschichten und Entfernen der zweiten Opferschicht und der ersten Opferschicht und Ausbilden der vollständigen Düse bestehend aus unterer und oberer Düse.
Die untere Düse wird bevorzugt durch Trockenätzen der Passivierungsschichten unter Anwendung von reaktivem Ionenätzen (RIE) gebildet.
Ebenso kann, nachdem eine Keimschicht zum elektrochemischen Beschichten der Wärmeableitschicht auf der ersten Opferschicht und den Passivierungsschichten gebildet ist, die zweite Opferschicht ausgebildet werden.
Nachdem die untere Düse gebildet ist und eine Keimschicht zum elektrochemischen Beschichten der Wärmeableitschicht auf dem durch die Passivierungsschichten und die untere Düse freigelegten Substrat gebildet ist, können die erste Opferschicht und die zweite Opferschicht sequentiell oder integral zueinander ausgebildet werden.
Das Verfahren kann ferner Planarisieren der oberen Fläche der Wärmeableitschicht durch chemisch mechanisches Polieren (CMP) nach Ausbilden der Wärmeableitschicht umfassen.
In Schritt (d) kann horizontales Ätzen gestoppt werden und nur vertikales Ätzen um die Barrierewand ausgeführt werden, wobei die vorhandene Barrierewand als Ätzstop dient.
In Schritt (f) kann das Substrat durch reaktives Ionenätzen (RIE) von der Rückseite des Substrats, auf dem der Verteiler ausgebildet ist, trockengeätzt werden, um den Tintenkanal auszubilden.
Da eine schmale, lange, tiefe Tintenkammer unter Verwendung einer Barrierewand ausgebildet ist, die als Ätzstop dient, kann ein Abstand zwischen benachbarten Düsen verringert werden, wodurch ein Tintenstrahldruckkopf erhalten wird, der in der Lage ist, Bilder in höherer Auflösung mit einem hohen DPI-Wert zu drucken. Da auch eine Düsenplatte mit einer Düse integral mit einem Substrat ausgebildet ist, das eine Tintenkammer und einen Tintenkanal darauf ausgebildet aufweist, kann der Tintenstrahldruckkopf auf einem einzigen Wafer in einem einzigen Prozess ausgebildet werden.
Die obigen Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser ersichtlich aus einer ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen, in denen:
1A und 1B eine Teilquerschnittsperspektivansicht, die ein Beispiel eines herkömmlichen thermisch betriebenen Druckkopfes zeigt bzw. eine Querschnittsansicht sind, die einen Prozess zum Ausstoßen eines Tintentröpfchens darstellt;
2A und 2B eine Draufsicht, die ein Beispiel eines herkömmlichen monolithischen Tintenstrahldruckkopfes zeigt bzw. eine vertikale Querschnittsansicht entlang der Linie A-A' von 2A sind;
3 teilweise die planare Struktur eines monolithischen Tintenstrahldruckkopfes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, die die Form und Anordnung eines Tintendruchtritts und einer Erwärmungseinrichtung darstellt;
4A und 4B vertikale Querschnittsansichten des Tintenstrahldruckkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung entlang der Linien B-B' und C-C' von 3 sind;
5 eine Draufsicht ist, die die planare Struktur einer in 4A gezeigten wärmeleitenden Schicht zeigt;
6A und 6B eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht einer Barrierewand und einer Tintenkammer in einem Tintenstrahldruckkopf gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind;
7 eine Draufsicht einer Barrierewand und einer Tintenkammer in einem Tintenstrahldruckkopf gemäß noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
8A und 8B eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht einer Barrierewand und einer Tintenkammer in einem Tintenstrahldruckkopf gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind;
9A bis 9C einen Tintenausstoßmechanismus im in 3 gezeigten Tintenstrahldruckkopf darstellen;
10 bis 22 Querschnittsansichten zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung des in 3 gezeigten Tintenstrahldruckkopfs darstellen; und
23 ein anderes Verfahren zur Ausbildung einer Keimschicht und von Opferschichten zeigt.
In den Zeichnungen stellen gleiche Bezugszeichen das selbe Element dar und die Größe jeder Komponente kann zum Zwecke der Deutlichkeit und des leichteren Verständnisses vergrößert sein. Ferner versteht es sich, dass, wenn eine Schicht als "auf" einer anderen Schicht oder einem Substrat bezeichnet ist, sie direkt auf der anderen Schicht oder dem Substrat gelegen sein kann, oder auch Zwischenschichten vorhanden sein können.
3 zeigt teilweise die planare Struktur eines monolithischen Tintenstrahldruckkopfes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die die Form und Anordnung eines Tintendurchtritts und einer Erwärmungseinrichtung darstellt, die 4A und 4B sind vertikale Querschnittsansichten des Tintenstrahldruckkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung entlang der Linien B-B' und C-C' von 3, und 5 ist eine Draufsicht, die die planare Struktur einer in 4A gezeigten wärmeleitenden Schicht zeigt.
Mit Bezug zu den 3, 4A und 4B weist der Tintenstrahldruckkopf gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen zwischen einem Tintenreservoir (nicht gezeigt) und einem Verteiler 136 ausgebildeten Tintendurchgang, einen Tintenkanal 134, eine Tintenkammer 132 und eine Düse 138 auf. Der Verteiler 136 ist an der Rückseite eines Substrats 110 des Druckkopfes ausgebildet und führt Tinte von dem Tintenreservoir zur Tintenkammer 132. Die Tintenkammer 132 ist auf der Oberfläche des Substrats 110 ausgebildet und auszustoßende Tinte ist darin eingefüllt. Der Tintenkanal 134 ist so ausgebildet, dass er zwischen der Tintenkammer 132 und dem Verteiler 136 senkrecht in das Substrat 110 eindringt.
Beim in einem Chipzustand gefertigten Tintenstrahldruckkopf, wie in 3 gezeigt, sind eine Mehrzahl von Tintenkammern 132 auf dem Verteiler 136 angeordnet, verbunden mit dem Tintenreservoir in einer oder zwei Reihen, oder in drei oder mehr Reihen, so dass eine höhere Auflösung erreicht wird. Auf diese Weise sind eine Mehrzahl von Tintenkanälen 134, Düsen 138 und Erwärmungseinrichtungen 142, jeweils für eine Tintenkammer 132 vorgesehen, auch auf dem Verteiler 136 in einer oder mehreren Reihen angeordnet.
Hier kann ein Siliciumwafer, wie er verbreitet für die Herstellung von integrierten Schaltungen (ICs) verwendet wird, als Substrat 110 verwendet werden.
Bei der vorliegenden Erfindung ist die Tintenkammer 132 durch eine Barrierewand 131 definiert. Die Barrierewand 131 ist auf der Vorderseite des Substrats 110 in einer bestimmten Tiefe ausgebildet, wobei die Tiefe der Tintenkammer 132 berücksichtigt wird, zum Beispiel von einigen Mikrometern bis einigen zehn Mikrometern.
Da die Form einer von der Barrierewand 131 umgebenen Ebene rechteckig sein kann, ist die Tintenkammer 132 schmal, lang und tief. Das heißt, in der Ausführungsform ist die Tintenkammer mindestens 50 % länger, bevorzugt mindestens doppelt so lang wie sie breit ist. Die Tiefe kann im Bereich von einigen Mikrometern bis einigen zehn Mikrometern liegen. Auf diese Weise ist die Tintenkammer 132 geeignet, genügend Tinte aufzunehmen, so dass Tintentröpfchen ausgestoßen werden, selbst wenn sie in einer Richtung schmal ausgebildet ist, in der die Düsen angeordnet sind. Wenn die Breite der Tintenkammer 132 gering ist, ist ein Abstand zwischen benachbarten Düsen 138 verringert, so dass eine hochdichte Anordnung der Düsen 138 ermöglicht ist, wodurch ein Tintenstrahldruckkopf mit Druckauflösung in einer hohen DPI-Zahl erreicht wird.
Die rechteckige Barrierewand 131, die die Tintenkammer 132 umgibt, kann an jeder der Mehrzahl von Tintenkammern 132 getrennt vorgesehen sein, und ein Teil der zwischen benachbarten Tintenkammern 132 positionierten Barrierewand 131 kann von benachbarten Tintenkammern 132 gemeinsam genutzt werden. In diesem Fall ist der Teil der Barrierewand 131, der zwischen benachbarten Tintenkammern 132 positioniert ist, so dick, dass er Druckveränderungen in der Tintenkammer 132 widersteht, zum Beispiel einige Mikrometer.
Wie oben beschrieben, kann im Bereich, in dem die Breite der Tintenkammer 132 definiert ist, die von der Barrierewand 131 umgebene Ebene verschiedene Formen annehmen, die von einem Rechteck abweichen, was später beschrieben wird.
Die Barrierewand 131 ist aus einem anderen Material als das Substrat 110 ausgebildet, was ermöglicht, dass die Barrierewand 131 im Prozess zum Ausbilden der Tintenkammer 132 als Ätzstop dient, was unten beschrieben wird. Wenn daher das Substrat 110 ein Siliciumwafer ist, kann die Barrierewand 131 aus einem Isoliermaterial wie Siliciumoxid oder Siliciumnitrid gebildet sein, was darin vorteilhaft ist, dass das selbe Material sowohl für die Barrierewand 131 und eine erste Passivierungsschicht 121 verwendet werden kann, wie es später beschrieben wird. Die Barrierewand 131 kann aus einem metallischen Material gebildet sein, das darin vorteilhaft ist, dass Wärme in der Tintenkammer 132 durch die Barrierewand 131 relativ schnell abgeleitet werden kann.
Der Tintenkanal 134 kann senkrecht an einer Position ausgebildet sein, die von der Mitte der Tintenkammer 132 abweicht, das heißt, an einem Randbereich der Tintenkammer 132. Auf diese Weise ist der Tintenkanal 134 unter der Erwärmungseinrichtung 142 statt unter den Düsen 138 positioniert.
Der Querschnitt des Tintenkanals 134 ist bevorzugt in Form eines in Breitenrichtung der Tintenkammer 132 verlängerten Rechtecks ausgeführt. Außerdem kann der Tintenkanal 134 verschiedene Querschnittsformen aufweisen, wie rund, oval oder polygonal.
Ebenso kann der Tintenkanal 134 an einer beliebigen anderen Stelle als unter der Erwärmungseinrichtung 142 ausgebildet sein, die die Tintenkammer 132 mit dem Verteiler 136 so verbinden kann, dass das Substrat 110 senkrecht durchdrungen wird.
Wie oben beschrieben, ist eine Düsenplatte 120 auf dem Substrat 110 ausgebildet, die die Tintenkammer 132, den Tintenkanal 134 und den Verteiler 136 darauf ausgebildet aufweist. Die Düsenplatte 120, die eine obere Wand der Tintenkammer 132 bildet, weist eine Düse 138 auf, durch die Tinte ausgestoßen wird. Die Düse 138 ist in der Mitte der Breite der Tintenkammer 132 ausgebildet, indem die Düsenplatte 120 senkrecht zur Düsenplatte 120 durchdrungen wird.
Die Düsenplatte 120 ist aus einer Mehrzahl von Materialschichten gebildet, die auf dem Substrat 110 aufgeschichtet sind. Die Mehrzahl von Materialschichten kann aus ersten, zweiten und dritten Passivierungsschichten 121, 122 und 126 bestehen. Bevorzugt weist die Mehrzahl von Materialschichten ferner eine aus. einem Metall gebildete Wärmeableitschicht 128 auf. Besonders bevorzugt kann die Mehrzahl von Materialschichten ferner eine wärmeleitfähige Schicht 124 aufweisen. Eine Erwärmungseinrichtung 142 ist zwischen der ersten und zweiten Passivierungsschicht 121 und 122 vorgesehen und ein Leiter 144 ist zwischen der zweiten und dritten Passivierungsschicht 122 und 126 vorgesehen.
Die erste Passivierungsschicht 121, die unterste Schicht der Mehrzahl von Materialschichten, die die Düsenplatte 120 bilden, ist oben auf dem Substrat 110 ausgebildet. Die erste Passivierungsschicht 121 zur elektrischen Isolation zwischen der darüber liegenden Erwärmungseinrichtung 142 und dem darunter liegenden Substrat 110 sowie zum Schutz der Erwärmungseinrichtung 142 kann aus Siliciumoxid oder Siliciumnitrid gebildet sein. Insbesondere im Fall, bei dem die Barrierewand 131 aus einem Isoliermaterial gebildet ist, sind die erste Passivierungsschicht 121 und die Barrierewand 131 bevorzugt aus dem selben Material gebildet.
Die über der Tintenkammer 132 gelegene Erwärmungseinrichtung 142 zum Erwärmen von Tinte in der Tintenkammer 132 ist auf der ersten Passivierungsschicht 121 ausgebildet. Die Erwärmungseinrichtung 142 besteht aus einem Widerstandserwärmungsmaterial wie Polysilicium dotiert mit Fremdstoffen, Tantalaluminiumlegierung, Tantalnitrid, Titannitrid und Wolframsilicid. Die Erwärmungseinrichtung 142 kann rechteckig sein. Ebenso ist die Erwärmungseinrichtung 142 an einer Position über der Tintenkammer 132 gelegen, wo sie nicht über der Düse 138 liegen kann, das heißt, an einer Stelle, die von der Mitte der Tintenkammer 132 abweicht. Mit anderen Worten, da die Düse 138 an einer Seite bezüglich der längsgerichteten Mitte der Tintenkammer 132 ausgebildet ist, ist die Erwärmungseinrichtung 142 an der anderen Seite bezüglich der längsgerichteten Mitte der Tintenkammer 132 angeordnet.
Die zweite Passivierungsschicht 122 ist auf der ersten Passivierungsschicht 121 und der Erwärmungseinrichtung 142 zur Isolation zwischen der darüber liegenden wärmeleitfähigen Schicht 124 und der darunter liegenden Erwärmungseinrichtung 142 sowie zum Schutz der Erwärmungseinrichtung 142 ausgebildet. Gleichermaßen wie die erste Passivierungsschicht 121 kann die zweite Passivierungsschicht 122 aus Siliciumoxid und Siliciumnitrid gebildet sein.
Der mit der Erwärmungseinrichtung 142 elektrisch verbundene Leiter 144 zum Anlegen eines Stromimpulses über die Erwärmungseinrichtung 142 ist auf der zweiten Passivierungsschicht 122 platziert. Während ein Ende des Leiters 144 mit der Erwärmungseinrichtung 142 durch einen ersten Kontaktdurchtritt C₁ gekoppelt ist, der in der zweiten Passivierungsschicht 122 ausgebildet ist, ist das andere Ende mit einem Bondpad (nicht gezeigt) elektrisch verbunden. Der Leiter 144 kann aus einem hoch leitfähigen Metall gebildet sein, wie Aluminium, Aluminiumlegierung, Gold oder Silber.
Die wärmeleitfähige Schicht 124 kann über der zweiten Passivierungsschicht 122 liegen. Die wärmeleitfähige Schicht 124 dient dazu, in oder um die Erwärmungseinrichtung 142 vorhandene Wärme zum Substrat 110 und der Wärmeableitschicht 128 zu leiten, was später beschrieben wird, und ist bevorzugt so breit wie möglich ausgebildet, um die Tintenkammer 132 und die Erwärmungseinrichtung 142 vollständig abzudecken, wie es in 5 gezeigt ist. Die wärmeleitfähige Schicht 124 muss zum Zwecke der Isolierung in einem bestimmten Abstand vom Leiter 144 angeordnet sein. Die Isolation zwischen der wärmeleitfähigen Schicht 124 und dem Leiter 144 kann von der zweiten Passivierungs schicht 122 erreicht werden, die dazwischen eingesetzt ist. Außerdem steht die wärmeleitfähige Schicht 124 mit der Oberseite des Substrats 110 durch einen zweiten Kontaktdurchtritt C₂ in Kontakt, der die erste und zweite Passivierungsschicht 121 und 122 durchdringt.
Die wärmeleitfähige Schicht 124 kann aus einem Metall gebildet sein, das eine gute Leitfähigkeit aufweist. Wenn sowohl die wärmeleitfähige Schicht 124 als auch der Leiter 144 auf der zweiten Passivierungsschicht 122 ausgebildet sind, kann die wärmeleitfähige Schicht 124 aus dem selben Material wie der Leiter 144 gebildet sein, wie Aluminium, Aluminiumlegierung, Gold oder Silber.
Um die wärmeleitfähige Schicht 124 dicker als den Leiter 144 auszubilden oder um die wärmeleitfähige Schicht 124 unter Verwendung eines anderen Materials als den Leiter 144 auszubilden, kann eine Isolierschicht (nicht gezeigt) zwischen dem Leiter 144 und der wärmeleitfähigen Schicht 124 vorgesehen sein.
Die dritte Passivierungsschicht 126, die über dem Leiter 144 und der zweiten Passivierungsschicht 122 liegt, kann aus Tetraethylorthosilicat(TEOS)-Oxid oder Siliciumoxid gebildet sein. Es ist wünschenswert, die dritte Passivierungsschicht 126 nicht auf der wärmeleitfähigen Schicht 124 auszubilden, so dass die wärmeleitfähige Schicht 124 und die Wärmeableitschicht 128 in Kontakt kommen.
Die Wärmeableitschicht 128, die oberste Schicht der Mehrzahl von Materialschichten, die die Düsenplatte 120 bilden, ist aus einem Metall mit hoher thermischer Leitfähigkeit gebildet, wie Nickel, Kupfer oder Gold. Die Wärmeableitschicht 128 ist durch elektrochemisches Abscheiden des Metalls auf die dritte Passivierungsschicht 126 und die wärmeleitfähige Schicht 124 auf eine Dicke von 10–100 μm ausgebildet. Zu diesem Zweck ist eine Keimschicht 127 zum elektrochemischen Beschichten mit Metall oben auf der dritten Passivierungsschicht 126 und der wärmeleitfähigen Schicht 124 angeordnet. Die Keimschicht 127 kann aus einem Metall mit guter elektrischer Leitfähigkeit wie Kupfer, Chrom, Titan, Gold oder Nickel gebildet sein.
Da die Wärmeableitschicht 128 aus einem Metall wie oben beschrieben durch einen elektrochemischen Beschichtungsprozess ausgebildet wird, kann sie integral mit anderen Komponenten des Tintenstrahldruckkopfes und relativ dick ausgebildet werden, was dadurch effektive Wärmeableitung erreicht.
Die Wärmeableitschicht 128 dient dazu, die Wärme von der Erwärmungseinrichtung 142 oder um die Erwärmungseinrichtung 142 nach außen abzuleiten. Das heißt, die Wärme, die nach Tintenausstoß in oder um die Erwärmungseinrichtung 142 vorhanden ist, wird über die wärmeleitfähige Schicht 124 zum Substrat 110 und der Wärmeableitschicht 128 geleitet und dann nach außen abgeleitet. Dies ermöglicht schnelle Wärmeableitung nach Tintenausstoß und senkt die Temperatur nahe der Düse 138, wodurch ein stabiles Drucken bei hoher Betriebsfrequenz erreicht wird.
Eine relativ dicke Wärmeableitschicht 128 wie oben beschrieben macht es möglich, die Länge der Düse 138 ausreichend zu sichern, was stabiles Hochgeschwindigkeitsdrucken ermöglicht, während die Richtungsgenauigkeit eines durch die Düse 138 ausgestoßenen Tröpfchens verbessert wird. Das heißt, das Tintentröpfchen kann in eine Richtung exakt senkrecht zum Substrat 110 ausgestoßen werden.
Die Düse 138, bestehend aus einem unteren Teil 138a und einem oberen Teil 138b, ist in der Düsenplatte 120 ausgebildet und durchdringt sie. Der untere Teil 138a der Düse 138 ist in einer Säulenform ausgebildet und durchdringt die Passivierungsschichten 121, 122 und 126 der Dü senplatte 120. Der obere Teil 138b der Düse 138 ist in der Wärmeableitschicht 128 ausgebildet und durchdringt sie. Der obere Teil 138b der Düse 138 kann auch in einer Säulenform ausgebildet sein. Der obere Teil 138b ist jedoch bevorzugt zugespitzt, so dass die Querschnittsfläche zum Austritt kleiner wird. Wenn der obere Teil 138b eine zugespitzte Form aufweist wie oben beschrieben, wird ein Meniskus in der Tintenoberfläche nach Tintenausstoß schneller stabilisiert.
Die 6A und 6B sind eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht einer Barrierewand und einer Tintenkammer in einem Tintenstrahldruckkopf gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Mit Bezug zu den 6A und 6B ist eine Barrierewand 231 so ausgebildet, dass sie einen Teil einer Tintenkammer 232, zum Beispiel drei Seiten der Tintenkammer 232, in einem Substrat 210 umgibt. Dementsprechend ist die durch die Barrierewand 231 definierte Tintenkammer 232 in einer schmalen, langen Form ausgebildet. Eine Seite der Tintenkammer 232, in der die Barrierewand 231 nicht ausgebildet ist, ist durch isotropes Ätzen des Substrats 210 abgerundet. Die Formen und Anordnung anderer Komponenten des Tintenstrahldruckkopfes, das heißt, einer Erwärmungseinrichtung 242, die auf einer ersten Passivierungsschicht 221 ausgebildet ist, einer Düse 238, eines Tintenkanals 234 und eines Verteilers 236 sind gleich wie in der oben beschriebenen Ausführungsform.
7 ist eine Draufsicht einer Barrierewand und einer Tintenkammer in einem Tintenstrahldruckkopf gemäß noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Querschnittsansicht des in 6 gezeigten Tintenstrahldruckkopfs ist gleich wie in 6B gezeigt, und es wird hierzu keine Erläuterung angegeben.
Mit Bezug zu 7 ist, wie in der oben beschriebenen Ausführungsform, eine Barrierewand 331 derart ausgebildet, dass sie Teile einer Tintenkammer 332 umgibt, zum Beispiel drei Seiten der Tintenkammer 332. Eine Seite der Barrierewand 331 kann abgerundet sein. Dementsprechend ist die von der Barrierewand 331 definierte Tintenkammer 332 in einer schmalen, langen Form ausgebildet, wie es oben beschrieben ist. Die Formen und Anordnung anderer Komponenten des Tintenstrahldruckkopfes, das heißt, einer Erwärmungseinrichtung 342, einer Düse 338 und eines Tintenkanals 334 sind gleich wie in der oben beschriebenen Ausführungsform.
Die 8A und 8B sind eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht einer Barrierewand und einer Tintenkammer eines Tintenstrahldruckkopfes gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Mit Bezug zu den 8A und 8B ist eine Barrierewand 431 in zwei Teile an gegenüberliegenden Seiten einer Tintenkammer 432 in der Breite getrennt. Auf diese Weise definiert die Barrierewand 431 nur die Breite der Tintenkammer 432. Dementsprechend kann die von der Barrierewand 431 definierte Tintenkammer 432 in einer schmalen, langen Form ausgebildet werden. Beide Längsseiten der Tintenkammer 432, in denen die Barrierewand 431 nicht ausgebildet ist, sind durch isotropes Ätzen eines Substrats 410 abgerundet.
Gemäß dieser Ausführungsform ist eine Düse 438 in der längsgerichteten Mitte der Tintenkammer 432 vorgesehen. Eine auf einer ersten Passivierungsschicht 421 ausgebildete Erwärmungseinrichtung 442 kann rechteckig sein. Die Erwärmungseinrichtung 442 kann an einer Seite der Düse 438 gelegen sein. Die Erwärmungseinrichtung 442 kann jedoch auch an gegenüberliegenden Seiten der Düse 438 gelegen sein. Ebenso kann die Erwärmungseinrichtung 442 derart ausgebildet sein, dass sie die Düse 438 umgibt. Die Formen und Anordnung anderer Komponenten im Tintenstrahldruckkopf, das heißt, eines Tintenkanals 434 und eines Verteilers 436 sind gleich wie in der oben beschriebenen Ausführungsform.
Ein Tintenausstoßmechanismus im in 3 gezeigten Tintenstrahldruckkopf wird nun mit Bezug zu den 9A bis 9C beschrieben.
Zunächst mit Bezug zu 9A, wenn durch den Leiter 144 ein Stromimpuls auf die Erwärmungseinrichtung 142 aufgebracht wird, wenn die Tintenkammer 132 und die Düse 138 mit Tinte 150 gefüllt sind, wird von der Erwärmungseinrichtung 142 Wärme erzeugt und durch die unter der Erwärmungseinrichtung 142 gelegene erste Passivierungsschicht 121 zur Tinte 150 in der Tintenkammer 132 geleitet. Die Tinte 150 siedet dann, so dass sich Bläschen 160 bilden. Die Bläschen 160 dehnen sich bei Wärmezufuhr aus, so dass die Tinte 150 in der Düse 138 aus der Düse 238 ausgestoßen wird.
Mit Bezug zu 9B, wenn ein Stromimpuls abbricht, wenn das Bläschen 160 sich auf maximale Größe ausdehnt, schrumpft das Bläschen 160, bis es vollständig zusammenfällt. Zu diesem Zeitpunkt bildet sich ein negativer Druck in der Tintenkammer 132, so dass die Tinte 150 in der Düse 138 in die Tintenkammer 132 zurückkehrt. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Teil der Tinte 150, die aus der Düse 138 geschoben wird, von der Tinte 150 in der Düse 138 getrennt und aufgrund einer Trägheitskraft in Form eines Tintentröpfchens 150' ausgestoßen.
Nach Tintentröpfchenabtrennung zieht sich ein Meniskus in der Oberfläche der Tinte 150 zur Tintenkammer 132 zurück. In diesem Fall ist die Düse 138 aufgrund der dicken Düsenplatte 120 ausreichend lang, so dass sich der Meniskus nur in der Düse 238 zurückzieht, nicht in die Tintenkammer 132. Auf diese Weise ist verhindert, dass Luft in die Tin tenkammer 132 einströmt, während der Meniskus schnell in seinen ursprünglichen Zustand wiederhergestellt wird, wodurch Hochgeschwindigkeitsausstoß von Tintentröpfchen 150' stabil beibehalten werden kann. Da außerdem in oder um die Erwärmungseinrichtung 142 vorhandene Wärme durch leitende Wärmeübertragung durch die wärmeleitfähige Schicht 124 und die Wärmeableitschicht 128 in das Substrat 110 oder nach außen abgeleitet wird, fällt die Temperatur in oder um die Erwärmungseinrichtung 142 und die Düse 138 schneller ab. Wenn hier die Barrierewand 131 aus einem metallischen Material gebildet ist, erfolgt die Wärmeableitung relativ schnell.
Dann mit Bezug zu 9C, wenn der negative Druck in der Tintenkammer 132 verschwindet, fließt Tinte 150 aufgrund einer Oberflächenspannungskraft, die auf einen in der Düse 138 ausgebildeten Meniskus wirkt, erneut zum Ausgang der Düse 138. Wenn der obere Teil 138b der Düse 138 verjüngt ist, nimmt die Geschwindigkeit weiter zu, mit der die Tinte 150 nach oben strömt. Die Tinte 150 wird dann durch den Tintenkanal 134 geleitet, so dass die Tintenkammer 132 aufgefüllt wird. Wenn die Tintenauffüllung beendet ist, so dass der Druckkopf in seinen Ausgangszustand zurückkehrt, wird der Tintenausstoßmechanismus wiederholt. Beim obigen Prozess kann er, wegen der Wärmeableitung durch die wärmeleitfähige Schicht 124 und die Wärmeableitschicht 128, seinen ursprünglichen Zustand schneller wieder erreichen.
Nun wird ein Verfahren zur Herstellung eines monolithischen Tintenstrahldruckkopfes wie oben konfiguriert gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Die 10 bis 22 sind Querschnittsansichten zur Erläuterung eines Verfahrens zum Herstellen des in 3 gezeigten Tintenstrahldruckkopfes, und 23 zeigt ein weiteres Verfahren zum Ausbilden einer Keimschicht und von Opferschichten. Indessen sind Verfahren zur Her stellung der Tintenstrahldruckköpfe mit den in den 6A, 7 und 8A gezeigte Düsenplatten, mit Ausnahme der Form einer Barrierewand und einer Tintenkammer, gleich wie unten beschrieben.
Mit Bezug zu 10 wird ein als Substrat 110 verwendeter Siliciumwafer so bearbeitet, dass er eine Dicke von ungefähr 300–500 μm aufweist. Der Siliciumwafer wird verbreitet zur Herstellung von Halbleiterbauteilen verwendet und ist zur Massenproduktion geeignet.
Während 10 einen sehr kleinen Teil des Siliciumwafers zeigt, kann der Tintenstrahldruckkopf gemäß dieser Erfindung in mehreren zehn bis Hunderten von Chips auf einem einzigen Wafer gefertigt werden.
Eine Ätzmaske 112, die einen zu ätzenden Teil definiert, wird auf der Oberfläche des Substrats 110 ausgebildet. Die Ätzmaske 112 kann durch Auftragen eines Photoresists auf der Vorderseite des Substrats 110 und Mustern desselben ausgebildet werden.
Das durch die Ätzmaske 112 freigelegte Substrat 110 wird geätzt, wodurch ein Graben (Trench) 114 mit einer bestimmten Tiefe ausgebildet wird. Das Substrat 110 wird durch reaktives Ionenätzen (RIE) trockengeätzt. Die Tiefe des Grabens 114 ist so bestimmt, dass sie im Bereich von einigen Mikrometern bis einigen zehn Mikrometern liegt, unter Berücksichtigung der Tiefe der Tintenkammer (132 in 21). Die Breite des Grabens 114 ist im Bereich von einigen Mikrometern ausreichend, um ein bestimmtes Material darin einzufüllen. Der Graben 114 umgibt einen Teil, in dem die Tintenkammer 132 in einer rechteckigen Form ausgebildet werden soll. In der Tintenkammer 232, 332 oder 432, wie in den 6A, 7 oder 8A gezeigt, kann der Graben 114 verschiedene Formen aufweisen, die an die Form der jeweiligen Tintenkammer angepasst sind. Mit anderen Worten, der Graben 114 kann Teile der Tinten kammer 232, 332 oder 432 umgeben und der Graben 114 kann an seiner Innenfläche teilweise abgerundet sein.
Nach Ausbilden des Grabens 114 wird die Ätzmaske 112 auf dem Substrat 110 entfernt. Wie in 11 gezeigt, wird ein bestimmtes Material auf der Oberfläche des Substrats 110 mit dem Graben 114 abgeschieden. Dementsprechend wird der Graben 114 mit dem bestimmten Material gefüllt, wodurch die Barrierewand 131 ausgebildet wird. Ebenso wird eine Materialschicht 116 auf dem Substrat 110 ausgebildet. Das bestimmte Material unterscheidet sich von einem Material, das das Substrat 110 bildet. Dies dient dazu, die Barrierewand 131 so auszubilden, dass sie als Ätzstop dient, wenn die Tintenkammer 132 durch Ätzen des Substrats 110 gebildet wird, wie in 21 gezeigt. Wenn daher das Substrat 110 aus Silicium gebildet ist, kann ein Isoliermaterial wie Siliciumoxid oder Siliciumnitrid oder ein metallisches Material als das bestimmte Material verwendet werden, wie oben beschrieben.
Wenn die Barrierewand 131 und die Materialschicht 116 aus einem Isoliermaterial wie die erste Passivierungsschicht 121 gebildet ist, wie in 12 gezeigt, kann die Materialschicht 116 als die erste Passivierungsschicht 121 verwendet werden, was es möglich macht, den Schritt zum separaten Ausbilden der ersten Passivierungsschicht 121 auszulassen.
Wenn die Barrierewand 131 und die Materialschicht 116 aus einem metallischen Material gebildet sind, wird die Materialschicht 116 auf dem Substrat 110 zur Entfernung geätzt und dann werden die in 12 gezeigten Schritte durchgeführt.
Wie in 12 gezeigt, wird die erste Passivierungsschicht 121 über dem Substrat 110 mit der Barrierewand 131 ausgebildet. Die erste Passivie rungsschicht 121 wird durch Abscheiden von Siliciumoxid oder Siliciumnitrid auf dem Substrat 110 gebildet.
Die Erwärmungseinrichtung 142 wird dann auf der ersten Passivierungsschicht 121 über dem Substrat 110 liegend ausgebildet. Die Erwärmungseinrichtung 142 wird durch Abscheiden eines Widerstandserwärmungsmaterials, wie Polysilicium dotiert mit Fremdstoffen, Tantalaluminiumlegierung, Tantalnitrid, Titannitrid oder Wolframsilicid, über die gesamte Oberfläche der ersten Passivierungsschicht 121 auf eine bestimmte Dicke und Mustern in einer bestimmten Form, z. B. einer rechteckigen Form ausgebildet. Speziell kann, während das mit Fremdstoffen wie Phosphor (P) mit einem Quellengas dotierte Polysilicium durch chemische Gasphasenabscheidung bei Niederdruck (LPCVD) auf eine Dicke von ungefähr 0,7–1 μm abgeschieden werden kann, Tantalaluminiumlegierung, Tantalnitrid, Titannitrid oder Wolframsilicid durch Sputtern oder chemische Gasphasenabscheidung (CVD) auf eine Dicke von ungefähr 0,1–0,3 μm abgeschieden werden. Die Abscheidungsdicke des Widerstandserwärmungsmaterials kann in einem anderen Bereich definiert sein, wie er hier angegeben ist, so dass ein unter Berücksichtigung der Breite und Länge der Erwärmungseinrichtung 142 geeigneter Widerstand erhalten wird. Das über die gesamte Oberfläche der ersten Passivierungsschicht 121 abgeschiedene Widerstandserwärmungsmaterial kann durch einen Lithographieprozess unter Verwendung einer Photomaske und eines Photoresist und einem Ätzprozess unter Verwendung eines Photoresistmusters als Ätzmaske gemustert werden.
Dann wird, wie in 13 gezeigt, die zweite Passivierungsschicht 122 auf der ersten Passivierungsschicht 121 und der Erwärmungseinrichtung 142 ausgebildet. Die zweite Passivierungsschicht 122 wird durch Abscheiden von Siliciumoxid oder Siliciumnitrid auf eine Dicke von ungefähr 0,5 μm ausgebildet. Die zweite Passivierungsschicht 122 wird dann teilweise geätzt, so dass ein erster Kontaktdurchtritt C₁ gebildet wird, der einen Teil der Erwärmungseinrichtung 142 freilegt, der in einem in 14 gezeigten Schritt mit dem Leiter 144 gekoppelt wird, und die zweite und erste Passivierungsschicht 122 und 121 werden sequentiell geätzt, so dass ein zweiter Kontaktdurchtritt C₂ gebildet wird, der einen Teil des Substrats 110 freilegt, der im in 14 gezeigten Schritt mit der wärmeleitfähigen Schicht 124 in Kontakt kommt. Der erste und zweite Kontaktdurchtritt C₁ und C₂ können gleichzeitig ausgebildet werden.
14 zeigt den Zustand, in dem der Leiter 144 und die wärmeleitfähige Schicht 124 auf der zweiten Passivierungsschicht 122 ausgebildet sind. Speziell können der Leiter 144 und die wärmeleitfähige Schicht 124 zur gleichen Zeit durch Abscheiden eines Metalls mit ausgezeichneter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, wie Aluminium, Aluminiumlegierung, Gold oder Silber, unter Verwendung von Sputtertechniken auf eine Dicke in der Größenordnung von 1 μm und Mustern ausgebildet werden. In diesem Fall werden der Leiter 144 und die wärmeleitfähige Schicht 124 so ausgebildet, dass sie einander isolieren, so dass der Leiter 144 mit der Erwärmungseinrichtung 142 durch den ersten Kontaktdurchtritt C₁ gekoppelt ist und die wärmeleitfähige Schicht 124 durch den zweiten Kontaktdurchtritt C₂ mit dem Substrat 110 in Kontakt kommt.
Wenn indessen die wärmeleitfähige Schicht 124 dicker ausgebildet werden soll als der Leiter 144 oder wenn die wärmeleitfähige Schicht 124 aus einem anderen Metall als das des Leiters 144 ausgebildet werden soll, oder um ferner Isolierung zwischen dem Leiter 144 und der wärmeleitfähigen Schicht 124 zu gewährleisten, kann die wärmeleitfähige Schicht 124 ausgebildet werden, nachdem der Leiter 144 gebildet ist. Insbesondere wird der Leiter 144 nach Ausbilden nur des ersten Kontaktdurchtritts C₁ gebildet. Dann wird eine Isolierschicht (nicht gezeigt) auf dem Leiter 144 und der zweiten Passivierungsschicht 122 ausgebildet. Die Isolierschicht kann aus dem selben Material und unter Verwendung des selben Verfahrens wie die zweite Passivierungsschicht 122 ausgebildet werden. Die Isolierschicht und die zweite und erste Passivierungsschicht 122 und 121 werden dann sequentiell geätzt, so dass der zweite Kontaktdurchtritt C₂ ausgebildet wird.
Ferner wird die wärmeleitfähige Schicht 124 gebildet. Auf diese Weise wird die Isolierschicht zwischen den Leiter 144 und die wärmeleitfähige Schicht 124 eingesetzt.
15 zeigt den Zustand, in dem die dritte Passivierungsschicht 126 über die gesamte Oberfläche der erhaltenen Struktur von 14 ausgebildet ist. Die dritte Passivierungsschicht 126 wird durch Abscheiden von Tetraethylorthosilicat(TEOS)-Oxid unter Verwendung von plasmaverstärkter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) auf eine Dicke von ungefähr 0,7–3 μm ausgebildet. Dann wird die dritte Passivierungsschicht 126 teilweise geätzt, so dass die wärmeleitfähige Schicht 124 freigelegt wird.
16 zeigt den Zustand, in dem die untere Düse 138a ausgebildet ist. Die untere Düse 138a wird durch sequentielles Ätzen der dritten, zweiten und ersten Passivierungsschicht 126, 122 und 121 unter Verwendung von reaktivem Ionenätzen (RIE) ausgebildet.
Wie in 17 gezeigt ist, wird dann eine erste Opferschicht PR₁ in der unteren Düse 138a ausgebildet. Speziell wird ein Photoresist über die gesamte Fläche der erhaltenen Struktur von 16 gelegt und gemustert, so dass nur der in die untere Düse 138a eingefüllte Photoresist verbleibt. Der verbliebene Photoresist wird verwendet, um die erste Opferschicht PR₁ auszubilden, so dass die Form der unteren Düse 138a bei den anschließenden Schritten erhalten bleibt. Dann wird eine Keimschicht 127 zum elektrochemischen Beschichten über die gesamte Fläche der erhaltenen Struktur nach Ausbildung der ersten Opferschicht PR₁ ausgebildet. Zur Ausführung der elektrochemischen Beschichtung wird die Keimschicht 127 auf der gesamten Fläche der erhaltenen Struktur ausgebildet. Die Keimschicht 127 kann durch Abscheiden eines Metalls mit guter Leitfähigkeit wie Kupfer (Cu), Chrom (Cr), Titan (Ti), Gold (Au) oder Nickel (Ni) auf eine Dicke von ungefähr 500–3.000 Å unter Verwendung von Sputtertechniken ausgebildet werden.
18 zeigt den Zustand, in dem eine zweite Opferschicht PR₂ zum Ausbilden der oberen Düse 138b ausgebildet ist. Speziell wird ein Photoresist über die gesamte Fläche der Keimschicht 127 gelegt und gemustert, so dass der Photoresist nur an einem Teil verbleibt, an dem die obere Düse 138a ausgebildet werden soll, wie in 20 gezeigt. Der verbliebene Photoresist wird in einer verjüngten Form ausgebildet, dessen Querschnittsfläche sich nach oben verringert und als zweite Opferschicht PR₂ zum Ausbilden der oberen Düse 138b in den anschließenden Schritten dient.
Indessen wird, wenn die säulenförmige obere Düse 138b ausgebildet wird, auch die zweite Opferschicht PR₂ in einer Säulenform ausgebildet. Die erste und zweite Opferschicht PR₁ und PR₂ können aus einem photosensitiven Polymer anstelle eines Photoresists gebildet werden.
Dann wird wie in 19 gezeigt die Wärmeableitschicht 128 aus einem Metall auf eine bestimmte Dicke oben auf der Keimschicht 127 ausgebildet. Die Wärmeableitschicht 128 kann auf eine Dicke von 10–100 μm durch elektrochemisches Beschichten von Nickel (Ni), Kupfer (Cu) oder Gold (Au) auf die Oberfläche der Keimschicht 127 ausgebildet werden. Der elektrochemische Beschichtungsprozess ist beendet, wenn die Wärmeableitschicht 128 auf eine gewünschte Höhe ausgebildet ist, bei der der Austrittsbereich der oberen Düse 138b ausgebildet ist, wobei die Höhe geringer ist als die der zweiten Opferschicht PR₂. Die Dicke der Wärmeableitschicht 128 kann unter Berücksichtigung der Querschnitts fäche und der Form der oberen Düse 138b und der Wärmeableitfähigkeit zum Substrat 110 und nach außen gegeignet bestimmt werden.
Da die Oberfläche der Wärmeableitschicht 128, die elektrochemische Beschichtung erhalten hat, aufgrund der darunter liegenden Materialschichten Unregelmäßigkeiten aufweist, kann sie durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) planarisiert werden.
Die zweite Opferschicht PR₂ zum Ausbilden der oberen Düse 138b, die darunter liegende Keimschicht 127 und die erste Opferschicht PR₁ zum Halten der unteren Düse 138a werden dann sequentiell geätzt, so dass die vollständige Düse 138 durch Verbinden der unteren und oberen Düse 138a und 138b und der Düsenplatte 120 ausgebildet wird, die eine Mehrzahl von Materialschichten umfasst.
Alternativ können die Düse 138 und die Wärmeableitschicht 128 durch die folgenden Schritte gebildet werden. Mit Bezug zu 23 wird eine Keimschicht 127' zur elektrochemischen Beschichtung über der gesamten Fläche der erhaltenen Struktur von 16 ausgebildet, bevor die erste Opferschicht PR₁ gebildet wird, um die untere Düse 238a beizubehalten. Die erste Opferschicht PR₁ und die zweite Opferschicht PR₂ werden dann sequentiell oder gleichzeitig und integral ausgebildet. Danach wird die Wärmeableitschicht 128 wie in 19 gezeigt gebildet, gefolgt von Planarisieren der Oberfläche der Wärmeableitschicht 128 durch CMP. Nach der Planarisierung werden die zweite und erste Opferschicht PR₁ und PR₂ und die darunter liegende Keimschicht 127' geätzt, so dass die Düse 138 und die Düsenplatte 120 wie in 20 gezeigt ausgebildet werden.
21 zeigt den Zustand, in dem die Tintenkammer 132 einer bestimmten Tiefe auf einer Vorderseite des Substrats 110 ausgebildet ist. Die Tintenkammer 132 kann durch isotropes Ätzen des Substrats 110, das durch die Düse 138 freigelegt ist, ausgebildet werden. Das heißt, es wird ein Trockenätzen am Substrat 110 unter Verwendung von gasförmigem XeF₂ oder BrF₃ als Ätzgas über eine bestimmte Zeitdauer ausgeführt. Hier wird das Substrat 110 isotrop geätzt, das heißt, das Substrat 110 wird in jede Richtung vom durch die Düse 138 freigelegten Teil mit der selben Ätzrate geätzt. Horizontales Ätzen wird jedoch an der Barrierewand 131 gestoppt, die als Ätzstop dient, wobei Ätzen an der Barrierewand 131 nur in einer vertikalen Richtung durchgeführt wird. Daher wird, wie in 21 gezeigt, die von der Barrierewand 131 umgebene Tintenkammer 132 in einer schmalen, langen, tiefen Form ausgebildet.
22 zeigt den Zustand, in dem der Verteiler 136 und der Tintenkanal 134 durch Ätzen des Substrats 110 von seiner Rückseite ausgebildet wurden. Speziell wird eine Ätzmaske, die eine zu ätzende Region abgrenzt, auf der Rückseite des Substrats 110 ausgebildet und es wird Nassätzen unter Verwendung von Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) oder Kaliumhydroxid (KOH) als Ätzmittel durchgeführt, so dass der Verteiler 136 mit einer geneigten Seitenfläche ausgebildet wird. Alternativ kann der Verteiler 136 durch anisotropes Ätzen der Rückseite des Substrats 110 ausgebildet werden. Anschließend wird eine Ätzmaske, die den Tintenkanal 134 definiert, auf der Rückseite des Substrats 110 ausgebildet, an der der Verteiler 136 ausgebildet ist, und das Substrat 110 zwischen dem Verteiler 136 und der Tintenkammer 132 wird durch RIE trockengeätzt, so dass auf diese Weise der Tintenkanal 134 ausgebildet wird.
Nachdem die obigen Schritte ausgeführt sind, ist ein monolithischer Tintenstrahldruckkopf gemäß dieser Erfindung mit der durch die Barrierewand 131 definierten Tintenkammer 132 fertig gestellt, wie es in 22 gezeigt ist.
Wie oben beschrieben kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine Tintenkammer in verschiedenen Formen ausgebildet werden, die an die Form einer Barrierewand angepasst sind. Insbesondere, da eine schmale, lange Tintenkammer ausgebildet wird, kann ein Abstand zwischen benachbarten Düsen reduziert sein.
Wie oben beschrieben, weisen der monolithische Tintenstrahldruckkopf und das Herstellungsverfahren dafür gemäß dieser Erfindung die folgenden Vorteile auf.
Erstens kann eine schmale, lange, tiefe Tintenkammer ausgebildet werden, indem eine Barrierewand ausgebildet wird, die als Ätzstop dient. Auf diese Weise kann ein Abstand zwischen benachbarten Düsen reduziert werden, wodurch ein Tintenstrahldruckkopf erhalten wird, der in der Lage ist, Bilder mit einer höheren Auflösung mit einem hohen DPI-Wert zu drucken.
Zweitens ist in Hinblick auf Form und Abmessung der Freiheitsgrad bei Auslegung und Herstellung des Tintenstrahldruckkopfs hoch, da eine Düse, eine Tintenkammer und ein Tintenkanal nicht miteinander gekoppelt sind, wodurch die Tintenausstoßleistung und Betriebsfrequenz leicht verbessert werden können.
Drittens verbessert diese Erfindung die Wärmeabführeigenschaft aufgrund des Vorhandenseins einer Barrierewand aus einem Metall oder einer Wärmeableitschicht aus einem dicken Metall, wodurch die Tintenausstoßleistung und Betriebsfrequenz verbessert werden. Ebenso kann eine ausreichende Länge der Düse gesichert werden, so dass ein Meniskus in der Düse erhalten bleibt, wodurch stabiler Tintennachfüllvorgang ermöglicht ist, während die Gerichtetheit eines ausgestoßenen Tintentröpfchens erhöht ist.
Viertens kann diese Erfindung einen Tintenstrahldruckkopf auf einem einzigen Wafer unter Verwendung eines monolithischen Prozesses bereitstellen, da gemäß dieser Erfindung eine Düsenplatte mit einer Düse integral mit einem Substrat ausgebildet ist, das eine Tintenkammer und einen Tintenkanal darauf ausgebildet aufweist. Dies eliminiert herkömmliche Probleme mit Fehlausrichtung zwischen der Düse und der Tintenkammer, wodurch die Tintenausstoßleistung und die Produktionsausbeute erhöht werden.
Während diese Erfindung insbesondere mit Bezug zu bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, versteht es sich für die Fachleute, dass verschiedene Änderungen in Form und Details hierzu vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Zum Beispiel können zum Ausbilden eines Elements eines Druckkopfes gemäß dieser Erfindung verwendete Materialien nicht auf die hier beschriebenen beschränkt sein. Das heißt, das Substrat kann aus einem Material mit guter Verarbeitbarkeit gebildet sein, außer Silicium, und dies gilt auch für eine Erwärmungseinrichtung, einen Leiter, eine Passivierungsschicht, eine wärmeleitfähige Schicht oder eine Wärmeableitschicht. Außerdem sind das Aufschicht- und Bildungsverfahren für jedes Material nur Beispiele und es können eine Reihe von Abscheide- und Ätztechniken eingesetzt werden. Darüber hinaus können in jedem Schritt dargestellte spezifische Zahlenwerte in einem Bereich variieren, in dem der hergestellte Druckkopf normal funktionieren kann. Ebenso kann die Abfolge von Prozessschritten beim Herstellen des Druckkopfes gemäß der Erfindung unterschiedlich sein. Dementsprechend ist vorgesehen, dass der Rahmen der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

Monolithischer Tintenstrahldruckkopf umfassend: ein Substrat (110) mit einer darin ausgebildeten Tintenkammer (132) und gefüllt mit Tinte, die aus ihrer Vorderseite ausgestoßen werden soll, einem Verteiler (136) zum Zuführen von Tinte zur Tintenkammer (132) von deren Rückseite und einem Tintenkanal (134), der zwischen der Tintenkammer (132) und dem Verteiler (136) durchtritt; eine Düsenplatte (120) gebildet aus einer Mehrzahl von Materialschichten, die auf dem Substrat (110) aufgeschichtet sind, und mit einer Düse (138), die die Düsenplatte (120) durchdringt, wobei durch die Düse (138) Tinte von der Tintenkammer (132) ausgestoßen wird; eine Erwärmungseinrichtung (142) ausgebildet zwischen den Materialschichten der Düsenplatte (120) und über der Tintenkammer (132) gelegen zum Erwärmen der Tinte in der Tintenkammer; einen Leiter (144), der zwischen den Materialschichten der Düsenplatte (120) vorgesehen ist und mit der Erwärmungseinrichtung (142) elektrisch verbunden ist, zum Anlegen von Strom über die Erwärmungseinrichtung; und dadurch gekennzeichnet, dass er ferner umfasst: eine Barrierewand (131), die sich von der Vorderseite das Substrats (110) zu dessen Rückseite in einer bestimmten Tiefe erstreckt, gebildet aus einem bestimmten Material, das sich von dem des Substrats unterscheidet, und mindestens einen Teil der Tintenkammer (132) in der Breite definiert.
Monolithischer Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 1, wobei die Barrierewand (131) mindestens einen Teil der Tintenkammer (132) so umgibt, dass die Tintenkammer (132) in einer schmalen, langen Form ausgebildet ist.
Monolithischer Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 2, wobei die Barrierewand (131) die Tintenkammer (132) in einer rechteckigen Form umgibt.
Monolithischer Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 2, wobei eine Seitenfläche der Barrierewand (131) abgerundet ist.
Monolithischer Tintenstrahldruckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Barrierewand (131) aus einem Metall gebildet ist.
Monolithischer Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Barrierewand (131) aus einem Isoliermaterial gebildet ist.
Monolithischer Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 6, wobei die Barrierewand (131) aus Siliciumoxid oder Siliciumnitrid gebildet ist.
Monolithischer Tintenstrahldruckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Düse (138) in der Mitte der Breite der Tintenkammer (132) vorgesehen ist.
Monolithischer Tintenstrahldruckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erwärmungseinrichtung (142) an einer Position der Düsenplatte (120) über der Tintenkammer (132) gelegen ist, wo sie nicht über der Düse (138) liegen kann.
Monolithischer Tintenstrahldruckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Tintenkanal (134) an irgendeiner Stelle vorgesehen ist, die die Tintenkammer (132) mit dem Verteiler (136) verbinden kann, indem das Substrat (110) senkrecht durchdrungen wird.
Monolithischer Tintenstrahldruckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Form des Tintenkanals (134) im Querschnitt rund, oval oder polygonal ist.
Monolithischer Tintenstrahldruckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Düsenplatte (120) eine Mehrzahl von Passivierungs schichten, die sequentiell auf dem Substrat (110) aufgeschichtet sind, und eine Wärmeableitschicht aufweist, die aus einem wärmeleitfähigen Metall gebildet ist, um Wärme in oder um die Erwärmungseinrichtung nach außen abzuleiten.
Monolithischer Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 12, wobei die Mehrzahl von Passivierungsschichten erste bis dritte Passivierungsschichten beinhaltet, die sequentiell auf dem Substrat (110) aufgeschichtet sind, die Erwärmungseinrichtung (142) zwischen der ersten und zweiten Passivierungsschicht ausgebildet ist und der Leiter (144) zwischen der zweiten und dritten Passivierungsschicht gelegen ist.
Monolithischer Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Wärmeableitschicht aus Nickel, Kupfer oder Gold gebildet ist.
Monolithischer Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 12, 13 oder 14, wobei die Wärmeableitschicht durch elektrochemisches Beschichten auf eine Dicke von 10–100 μm ausgebildet ist.
Monolithischer Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 12, 13, 14 oder 15, wobei die Düsenplatte (120) eine wärmeleitfähige Schicht über der Tintenkammer (132) gelegen aufweist, die von der Erwärmungseinrichtung (142) und dem Leiter (144) isoliert ist und mit dem Substrat (110) und der Wärmeableitschicht in Kontakt steht.
Monolithischer Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 16, wobei die wärmeleitfähige Schicht aus einem Metall gebildet ist.
Monolithischer Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 17, wobei der Leiter (144) und die wärmeleitfähige Schicht aus demselben Metall gebildet und auf derselben Passivierungsschicht gelegen sind.
Monolithischer Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 18, wobei der Leiter (144) und die wärmeleitfähige Schicht aus Aluminium, Aluminiumlegierung, Gold oder Silber gebildet sind.
Monolithischer Tintenstrahldruckkopf nach Anspruch 16, wobei eine Isolierschicht zwischen den Leiter (144) und die wärmeleitfähige Schicht eingesetzt ist.
Monolithischer Tintenstrahldruckkopf nach einem der Ansprüche 12 bis 20, wobei ein oberer Teil der Düse (138) ausgebildet in der Wärmeableitschicht verjüngt ist, so dass die Querschnittsfläche zum Austritt hin kleiner wird.
Verfahren zur Herstellung eines monolithischen Tintenstrahldruckkopfs umfassend: (a) Vorbereiten eines Substrats (110); (b) Ausbilden einer Barrierewand (131), die sich von der Vorderseite des Substrats zu dessen Rückseite in einer bestimmten Tiefe erstreckt, gebildet aus einem bestimmten Material, das sich vom Material des Substrats (110) unterscheidet; (c) integrales Ausbilden einer Düsenplatte (120) gebildet aus einer Mehrzahl von Materialschichten und mit einer Düse (138), die die Materialschichten durchdringt, und Ausbilden einer Erwärmungseinrichtung (142) und eines Leiters (144), der mit der Erwärmungseinrichtung (142) verbunden ist, zwischen den Materialschichten; (d) Ausbilden einer Tintenkammer (132), die durch die Barrierewand (131) definiert ist, durch isotropes Ätzen des Substrats (110), das durch die Düse (138) freigelegt ist, unter Verwendung der Barrierewand (131) als Ätzstop; (e) Ausbilden eines Verteilers (136) zum Zuführen von Tinte durch Ätzen einer Rückseite des Substrats (110); und (f) Ausbilden eines Tintenkanals (134) durch Ätzen des Substrats (110), so dass er das Substrat (110) zwischen dem Verteiler und der Tintenkammer durchdringt.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei in Schritt (a) das Substrat (110) aus einem Siliciumwafer gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, wobei in Schritt (b) die Barrierewand (131) mindestens einen Teil der Tintenkammer (132) umgibt, so dass die Tintenkammer (132) in einer schmalen, langen Form ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 22, 23 oder 24, wobei in Schritt (b) eine Seitenfläche der Barrierewand (131) abgerundet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, wobei in Schritt (b) die Barrierewand (131) aus einem Metall gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei der Schritt (b) die Unterschritte umfasst: Ausbilden einer Ätzmaske, die einen zu ätzenden Teil auf der Vorderseite des Substrats (110) definiert; Ausbilden eines Grabens (Trench) durch Ätzen des Substrats (110), das durch die Ätzmaske freigelegt ist, auf eine bestimmte Tiefe; Entfernen der Ätzmaske; Abscheiden des Metalls auf der Vorderseite des Substrats (110), so dass der Graben zum Ausbilden der Barrierewand gefüllt wird, und Ausbilden einer Metallmaterialschicht aus dem Metall auf dem Substrat (110); und Entfernen der Metallmaterialschicht, die auf dem Substrat (110) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 27, wobei in Schritt (b) die Barrierewand (131) aus einem Isoliermaterial gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Isoliermaterial Siliciumoxid oder Siliciumnitrid ist.
Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, wobei der Schritt (b) die Unterschritte umfasst: Ausbilden einer Ätzmaske, die einen zu ätzenden Teil auf der Vorderseite des Substrats definiert; Ausbilden eines Grabens durch Ätzen des Substrats (110), das durch die Ätzmaske freigelegt ist, auf eine bestimmte Tiefe; Entfernen der Ätzmaske; und Abscheiden des Isoliermaterials auf der Oberfläche des Substrats (110), so dass der Graben zum Ausbilden der Barrierewand gefüllt wird, und Ausbilden einer Isoliermaterialschicht aus dem Isoliermaterial auf dem Substrat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 30, wobei der Schritt (c) umfasst: (c-1) sequentielles Aufschichten einer Mehrzahl von Passivierungsschichten auf dem Substrat (110) und Ausbilden der Erwärmungseinrichtung und des Leiters zwischen den Passivierungsschichten; und (c-2) Ausbilden einer Wärmeableitschicht aus einem Metall auf dem Substrat (110) und Ausbilden der Düse (138), so dass sie die Passivierungsschichten und die Wärmeableitschicht durchdringt.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei der Schritt (c-1) die Unterschritte umfasst: Ausbilden einer ersten Passivierungsschicht auf dem Substrat (110); Ausbilden der Erwärmungseinrichtung (142) auf der ersten Passivierungsschicht; Ausbilden einer zweiten Passivierungsschicht auf der ersten Passivierungsschicht und der Erwärmungseinrichtung (142); Ausbilden des Leiters (144) auf der zweiten Passivierungsschicht; und Ausbilden einer dritten Passivierungsschicht auf der zweiten Passivierungsschicht und dem Leiter (144).
Verfahren nach Anspruch 32, wobei die Erwärmungseinrichtung (142) in rechteckiger Form ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei in Schritt (c-1) eine wärmeleitfähige Schicht, die über der Tintenkammer (132) gelegen ist, isoliert von der Erwärmungseinrichtung (142) und dem Leiter (144) und in Kontakt mit dem Substrat (110) und der Wärmeableitschicht zwischen den Passivierungsschichten ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei die wärmeleitfähige Schicht durch Abscheiden eines Metalls auf eine bestimmte Dicke ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 34 oder 35, wobei die wärmeleitfähige Schicht aus demselben Material mit dem Leiter (144) gleichzeitig ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei eine Isolierschicht auf dem Leiter (144) ausgebildet wird und die wärmeleitfähige Schicht dann auf der Isolierschicht ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 37, wobei in Schritt (c-2) die Wärmeableitschicht aus Nickel, Kupfer oder Gold gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 38, wobei in Schritt (c-2) die Wärmeableitschicht durch elektrochemisches Beschichten auf eine Dicke von 10–100 μm ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 39, wobei der Schritt (c-2) umfasst: Ätzen der Passivierungsschichten, so dass eine untere Düse mit einem bestimmten Durchmesser auf einem Teil ausgebildet wird, wo die Tintenkammer ausgebildet ist; Ausbilden einer ersten Opferschicht in der unteren Düse; Ausbilden einer zweiten Opferschicht zum Ausbilden einer oberen Düse auf der ersten Opferschicht; Ausbilden der Wärmeableitschicht auf den Passivierungsschichten durch elektrochemisches Beschichten; und Entfernen der zweiten Opferschicht und der ersten Opferschicht und Ausbilden der vollständigen Düse bestehend aus unterer und oberer Düse.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei die untere Düse durch Trockenätzen der Passivierungsschichten unter Anwendung von reaktivem Ionenätzen (RIE) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 40 oder 41, wobei die zweite Opferschicht ausgebildet wird, nachdem eine Keimschicht zum elektrochemischen Beschichten der Wärmeableitschicht auf der ersten Opferschicht und den Passivierungsschichten gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 40, 41 oder 42, wobei die erste Opferschicht und die zweite Opferschicht sequentiell ausgebildet werden, nachdem die untere Düse ausgebildet ist und eine Keimschicht zum elektrochemischen Beschichten der Wärmeableitschicht auf dem durch die Passivierungsschichten und die untere Düse freigelegten Substrat gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 40 bis 43, wobei die erste Opferschicht und die zweite Opferschicht integral ausgebildet werden, nachdem die untere Düse ausgebildet ist und eine Keimschicht zum elektrochemischen Beschichten der Wärmeableitschicht auf dem durch die Passivierungsschichten und die untere Düse freigelegten Substrat (110) gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 40 bis 44, wobei die erste und zweite Opferschicht aus Photoresist oder photosensitivem Polymer gebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 40 bis 45, ferner umfassend Planarisieren der oberen Fläche der Wärmeableitschicht durch chemisch mechanisches Polieren (CMP) nach Ausbilden der Wärmeableitschicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 46, wobei in Schritt (d) horizontales Ätzen gestoppt wird und nur vertikales Ätzen um die Barrierewand (131) ausgeführt wird, wobei die vorhandene Barrierewand (131) als Ätzstop dient.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 47, wobei in Schritt (f) das Substrat (110) durch reaktives Ionenätzen (RIE) von der Rückseite des Substrats (110), auf dem der Verteiler ausgebildet ist, trockengeätzt wird, um den Tintenkanal auszubilden.