DE19836357A1

DE19836357A1 - Einseitiges Herstellungsverfahren zum Bilden eines monolithischen Tintenstrahldruckelementarrays auf einem Substrat

Info

Publication number: DE19836357A1
Application number: DE19836357A
Authority: DE
Inventors: Christopher Beatty; Naoto Kawamura
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1997-10-22
Filing date: 1998-08-11
Publication date: 1999-04-29
Anticipated expiration: 2018-08-12
Also published as: US6137443A; KR100595081B1; JP3340967B2; DE19836357B8; US6365058B1; GB2330557A; GB9820523D0; GB2330557B; DE19836357B4; JPH11192714A; KR19990037265A; US6322201B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Tintenstrahl druckkopfherstellungsverfahren und insbesondere auf Verfah ren zum Herstellen von vollständig integrierten Tinten strahldruckköpfen auf einem Substrat.

Es existieren bekannte und verfügbare kommerzielle Druckge räte, wie z. B. Computerdrucker, Graphikplotter und Faksimi lemaschinen, die die Tintenstrahltechnologie, wie z. B. Tin tenstrahlstifte, verwenden. Ein Tintenstrahlstift umfaßt typischerweise einen Tintenbehälter und ein Array von Tin tenstrahldruckelementen. Das Array wird durch einen Tinten strahldrucker gebildet. Jedes Druckelement umfaßt eine Dü senkammer, einen Abfeuerwiderstand und eine Düsenöffnung. Die Tinte wird in dem Behälter gespeichert und passiv in je weilige Abfeuerkammern des Druckkopfs über einen Tintennach füllkanal und jeweilige Tintenzuführkanäle geladen. Die Ka pillarwirkung bewegt die Tinte von dem Behälter durch den Nachfüllkanal und die Tintenzuführkanäle in die jeweiligen Abfeuerkammern. Eine Druckersteuerungsschaltungsanordnung gibt jeweilige Signale zu den Druckelementen aus, um ent sprechende Abfeuerwiderstände zu aktivieren. Darauf anspre chend erwärmt ein aktivierter Abfeuerwiderstand Tinte inner halb der umgebenden Düsenkammer, was das Bilden einer sich ausbreitenden Dampfblase bewirkt. Die Blase zwingt Tinte aus der Düsenkammer durch die Düsenöffnung heraus. Eine Öff nungsplatte neben der Barriereschicht definiert die Düsen öffnungen. Die Geometrie der Düsenkammer, des Tintenzuführ kanals und der Düsenöffnungen definiert, wie schnell eine entsprechende Düsenkammer nach einem Abfeuern neu aufgefüllt bzw. nachgefüllt wird.

Um ein Drucken mit hoher Qualität zu erreichen, werden Tin tentropfen oder Punkte an erwünschten Positionen mit festge legten Auflösungen genau plaziert. Das Drucken bei Auflösun gen von 300 Punkten pro Zoll und 600 Punkten pro Zoll (dpi; dpi = Dots Per Inch; 1 Zoll = 2,54 cm) ist bekannt. Höhere Auflösungen werden ebenfalls zu erreichen versucht.

Eine monolithische Struktur für einen Tintenstrahldruckkopf ist in der ebenfalls anhängigen U.S.-Patentanmeldung mit der Seriennummer 08/597,746, die am 7. Februar 1996 eingereicht wurde und den Titel "Solid State Ink Jet Print Head and Method of Manufacture" aufweist, beschrieben. Das darin beschriebene Verfahren umfaßt Photoabbildungstechniken, die denen ähnlich sind, die bei der Halbleiterelementherstellung verwendet werden. Die Druckelemente eines monolithischen Druckkopfs werden durch Aufbringen von Schichten auf einen Siliziumchip gebildet. Die Abfeuerwiderstände, die Ver drahtungsleitungen und die Düsenkammern werden durch Auf bringen verschiedener Passivierungs-, Isolations-, Wider stands- und leitfähiger Schichten auf den Siliziumchip ge bildet. Solche Schichten werden insgesamt als eine Dünnfilm struktur bezeichnet. Eine Öffnungsplatte liegt über der Dünnfilmstruktur gegenüber dem Chip. Düsenöffnungen werden in der Öffnungsplatte in Ausrichtung mit den Düsenkammern und Abfeuerwiderständen gebildet. Die Geometrie der Düsen öffnungen beeinträchtigt die Größe, die Trajektorie und die Geschwindigkeit des Tintentropfenauswurfs. Öffnungsplatten werden oft aus Nickel gebildet und durch lithographische oder Elektroformungsverfahren hergestellt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen monolithischen Tintenstrahldruckkopf unter Verwendung von Herstellungsverfahren, die nur eine einseitige Bearbeitung des Chips verlangen, zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines monolithischen Tintenstrahldruckkopfs gemäß Anspruch 1 oder 4 und durch einen monolithischen Tintenstrahldruckkopf gemäß Anspruch 5 sowie einen Tintenstrahlstift gemäß Anspruch 6 gelöst.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden die Druckelemente durch Verfahren hergestellt, die mit der Bearbeitung einer Seite des Chips auskommen. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden Zuführkanäle durch Verfahren hergestellt, die auf dieselbe Seite des Chips wirken. Dieses einseitige Herstellungsverfahren unterscheidet sich von Herstellungs verfahren, die Druckelemente durch Verfahren, die auf eine Seite des Chips wirken, bilden, und die die Zuführkanäle durch Verfahren, die von einer entgegengesetzten Seite des Chips wirken, bilden. Der Chip umfaßt eine obere Oberfläche, eine untere Oberfläche und vier Kantenoberflächen, die sich zwischen der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche erstrecken. Gemäß der Erfindung wirken die Herstellungsver fahren nicht auf sowohl die obere Oberfläche als auch die untere Oberfläche. Zur Festlegung der Terminologie, bei der die Druckelemente an der oberen Oberfläche gebildet werden, wirken die Herstellungsverfahren von der oberen Oberfläche und nicht von der unteren Oberfläche aus. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen arbeitet ein Ätzschritt sowohl von der oberen Oberfläche als auch von einer Kantenoberfläche, um Füllmaterial zu entfernen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung um faßt ein monolithischer Tintenstrahldruckkopf eine Mehrzahl von Zuführkanälen. Jeder Zuführkanal wird als ausgenommener Bereich bezüglich einer ersten Oberfläche eines Chips gebil det. Eine Dünnfilmstruktur wird auf eine solche erste Seite des Chips über den Zuführkanälen aufgebracht. Der monolithi sche Tintenstrahldruckkopf umfaßt eine Mehrzahl von Druck elementen. Der Druckkopf wird teilweise durch einen Chip mit einer ersten Oberfläche, einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche und einer Kantenoberfläche gebildet, die sich von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche erstreckt. Der ausgenommene Bereich erstreckt sich entlang der ersten Oberfläche von einer Kantenoberfläche nach innen von der Kantenoberfläche weg. Der Zuführkanal erstreckt sich nicht zu der zweiten Oberfläche. Der Druckkopf wird ebenfalls teilweise durch eine Mehrzahl von ersten Schichten, die über der ersten Oberfläche des Chips liegen, und durch eine zwei te Schicht gebildet, die über der Mehrzahl von ersten Schichten liegt. Die Mehrzahl von ersten Schichten ist strukturiert, um eine Mehrzahl von Abfeuerwiderständen, Ver drahtungsleitungen und Tintenzuführkanälen zu definieren. Die Mehrzahl von ersten Schichten definiert die Dünnfilm struktur. Die zweite Schicht hat eine Struktur, die eine Mehrzahl von Düsenkammern definiert. Jede der Mehrzahl von Düsenkammern ist über zumindest einem Abfeuerwiderstand der Mehrzahl von Abfeuerwiderständen ausgerichtet. Jede der Mehrzahl von Düsenkammern hat eine Düsenöffnung. Jede der Mehrzahl von Druckelementen umfaßt einen Abfeuerwiderstand und eine Düsenkammer, einen Nachfüllkanal und einen Zufüh rungskanal. Der Füllkanal erstreckt sich von der Düsenkammer zu dem Zuführungskanal. Für jedes der Mehrzahl von Druckele menten ist eine jeweilige Verdrahtungsleitung leitfähig mit dem Abfeuerwiderstand des entsprechenden Druckelements ge koppelt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die bei liegenden Zeich nungen detaillierter erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Tintenstrahl stifts mit einem Druckkopf, der gemäß einem Aus führungsbeispiel dieser Erfindung hergestellt ist;

Fig. 2 ein Blockdiagramm eines Tintenstrahldruckkopfs;

Fig. 3 eine Teilquerschnittansicht eines Tintenstrahl druckkopfs, der gemäß einem Verfahren dieser Er findung hergestellt ist;

Fig. 4 eine Teildraufsicht eines Chips mit einer struk turierten Schicht eines Feldoxids;

Fig. 5 eine Querschnittsansicht entlang der Linie V-V von Fig. 4;

Fig. 6 eine Teildraufsicht eines Druckkopfs während des Verfahrens, wobei die Dünnfilmstrukturschichten aufgebracht und strukturiert sind;

Fig. 7 eine Querschnittsansicht entlang der Linie VII-VII von Fig. 6;

Fig. 8 eine Querschnittsansicht entlang der Linie VIII-VIII von Fig. 6;

Fig. 9 eine Teildraufsicht eines Druckkopfs bei der Her stellung, wobei der Zuführkanal und die Füllkanäle aus dem Chip herausgeätzt werden;

Fig. 10 eine Querschnittsansicht entlang der Linie X-X von Fig. 9;

Fig. 11 eine Querschnittsansicht entlang der Linie XI-XI von Fig. 9;

Fig. 12 eine Teilquerschnittsansicht eines Druckkopfs wäh rend der Herstellung, wobei ein Füllmaterial zu der Struktur von Fig. 9 hinzugefügt wird;

Fig. 13 eine Teilquerschnittsansicht eines Druckkopfs bei der Herstellung nach dem Polieren und einem Plas maätzen der Struktur von Fig. 12;

Fig. 14 eine weitere Teilquerschnittsansicht eines Druck kopfs bei der Herstellung nach dem Polieren und einem Plasmaätzen der Struktur von Fig. 12;

Fig. 15 eine Teilquerschnittsansicht eines Druckkopfs bei der Herstellung nach dem Aufbringen eines Opfer dorns auf die Struktur der Fig. 13 und 14;

Fig. 16 eine Teilquerschnittsansicht eines Druckkopfs bei der Herstellung nach dem Aufbringen einer Öff nungsplatte um den Opferkern von Fig. 15; und

Fig. 17 eine Teilquerschnittsansicht eines fertiggestell ten Druckkopfs, bei dem der Opferdorn und das Füllmaterial entfernt sind.

Überblick

Fig. 1 zeigt einen thermischen Tintenstrahlstift 10 vom Ab tasttyp gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung. Der Stift 10 ist durch einen Stiftkörper 12, einen inneren Behälter 14 und einen Druckkopf 16 gebildet. Der Stiftkörper 12 dient als Gehäuse für den Behälter 14. Der Behälter 14 dient zum Speichern von Tinte, die aus dem Druckkopf 16 auf ein Medienblatt auszustoßen ist. Der Druckkopf 16 definiert ein Array 22 von Druckelementen 18 (d. h. ein Düsenarray). Das Düsenarray 22 ist auf dem Chip gebildet. Der Behälter 14 ist in physischer Kommunikation mit dem Düsenarray, wodurch ein Tintenfluß von dem Behälter 14 in die Druckelemente 18 ermöglicht wird. Die Tinte wird aus einem Druckelement 18 durch eine Öffnung zu einem Medienblatt hin ausgestoßen, um Punkte auf dem Medienblatt zu bilden.

Die Öffnungen sind in einer Öffnungsschicht gebildet. Bei einem Ausführungsbeispiel der Öffnungsschicht ist eine Plat te an den darunterliegenden Schichten angebracht. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Öffnungsschicht ein stückig mit den darunterliegenden Schichten gebildet. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel eines Druckkopfs mit einer Öffnungsplatte sind Öffnungen ebenfalls in einer flexiblen Schaltung 20 gebildet. Die flexible Schaltung 20 ist eine gedruckte Schaltung, die aus einem flexiblen Basis material mit mehreren Leiterbahnen und einem peripheren Ver binder hergestellt ist. Leiterbahnen laufen von dem periphe ren Verbinder zu dem Düsenarray 22. Die flexible Schaltung 20 ist aus einem Basismaterial hergestellt, das aus Polyimid oder einem anderen flexiblen Polymermaterial (z. B. Poly ester, Polymethyl-Methacrylat) gebildet ist, wobei die Lei terbahnen aus Kupfer, Gold oder einem anderen leitfähigen Material bestehen. Die flexible Schaltung 20 mit nur dem Basismaterial und den Leiterbahnen ist von der 3M Company aus Minneapolis, Minnesota, erhältlich. Die Düsenöffnungen und der periphere Verbinder werden dann hinzugefügt. Die flexible Schaltung 20 ist mit einer außerhalb der Schaltung angeordneten Druckersteuerungselektronik über einen Kanten verbinder oder einen Knopfverbinder gekoppelt. Fenster 17, 19 innerhalb der flexiblen Schaltung 20 erleichtern ein Be festigen des Druckkopfs 16 an dem Stift 10. Indem Betriebs signale von der Druckersteuerungsschaltung empfangen werden und ausgewählte Druckelemente 18 aktivieren, um Tinte zu spezifischen Zeitpunkten auszustoßen, wird bewirkt, daß eine Punktstruktur auf ein Medienblatt ausgegeben wird. Die Struktur von Punkten bildet ein erwünschtes Symbol, einen Buchstaben oder eine Graphik.

Obwohl ein Tintenstrahlstift vom Abtasttyp in Fig. 1 gezeigt ist, bezieht sich die Beschreibung der Herstellungsverfahren für den Druckkopf 16, die im nachfolgenden dargelegt wird, ebenfalls auf Druckköpfe für einen Druckkopf mit einem brei ten Array, wie z. B. einen seitenbreiten Arraydruckkopf vom Nicht-Abtast-Typ.

Wie es in Fig. 2 gezeigt ist, umfaßt der Druckkopf 16 mehre re Reihen von Druckelementen 18. Bei dem gezeigten Ausfüh rungsbeispiel bilden zwei Reihen 22, 24 einen Satz von Rei hen 21, während weitere zwei Reihen 22, 24, einen weiteren Satz von Reihen 23 bilden. Bei alternativen Ausführungsbei spielen sind weniger oder mehr Reihen vorhanden. Jedem Druckelement 18 ist ein Treiber zum Erzeugen des Strompegels zugeordnet, um die erwünschten Leistungspegel zum Erwärmen des Abfeuerwiderstands des entsprechenden Elements zu errei chen. Ferner ist eine Logikschaltungsanordnung zum Auswählen vorhanden, welches Druckelement zu einem gegebenen Zeitpunkt aktiv ist. Treiberarrays 43 und Logikarrays 44 sind in einem Blockformat gezeichnet. Der Abfeuerwiderstand eines gegebe nen Druckelements ist mit einem Treiber über eine Verdrah tungsleitung bzw. Leiterbahn verbunden. Ferner umfaßt der Druckkopf 16 Kontaktanschlußflächenarrays 46 zum elektri schen Koppeln des integrierten Abschnitts des Druckkopfs mit einer flexiblen Schaltung oder zu einer Schaltung außerhalb des Stifts.

Fig. 3 zeigt ein Druckelement 18 eines Druckkopfs 16. Der Druckkopf umfaßt einen Siliziumchip 25, eine Dünnfilmstruk tur 27 und eine Öffnungsschicht 30. Der Siliziumchip 25 lie fert Steifheit und dient tatsächlich als Gehäuse für andere Abschnitte des Druckkopfs 16. Ein Tintenzuführkanal 29 ist in dem Chip 25 gebildet. Bei einem Ausführungsbeispiel ist ein Tintenzuführkanal 29 für jedes Druckelement 18 gebildet. Die Dünnfilmstruktur 27 ist auf dem Chip 25 gebildet und um faßt verschiedene Passivierungs-, Isolations- und leitfähige Schichten. Ein Abfeuerwiderstand 26 und Leiterbahnen 28 (siehe Fig. 9 und 17) sind in der Dünnfilmstruktur 27 für jedes Druckelement 18 gebildet. Die Öffnungsschicht 30 ist auf der Dünnfilmstruktur 27 gegenüber dem Chip 25 gebildet. Die Öffnungsschicht 30 hat eine äußere Oberfläche 34, die während des Betriebs einem Medienblatt gegenüber liegt, auf das die Tinte zu drucken ist. Die Öffnungsschicht ist ent weder eine einstückige Schicht, die mit der Dünnfilmstruktur 27 gebildet ist, oder eine Platte, die auf der Dünnfilm struktur liegt. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen liegt die flexible Schaltung 20 über der Öffnungsschicht 30. Dü senkammern 36 und Düsenöffnungen 38 sind in der Öffnungs schicht 30 gebildet.

Jedes Druckelement 18 umfaßt einen Abfeuerwiderstand 26, eine Düsenkammer 36, eine Düsenöffnung 38 und einen oder mehrere Füllkanäle 40. Ein Mittelpunkt des Abfeuerwider stands 26 definiert eine normale Achse, um die Komponenten des Druckelements 18 ausgerichtet sind. Spezifisch wird be vorzugt, daß der Abfeuerwiderstand 26 innerhalb der Düsen kammer 36 zentriert ist und mit der Düsenöffnung 38 ausge richtet ist. Die Düsenkammer 36 ist bei einem Ausführungs beispiel kegelstumpfförmig. Einer oder mehrere Füllkanäle 40 oder Durchgangslöcher sind in der Dünnfilmstruktur 27 gebil det, um die Düsenkammer 36 mit dem Zuführkanal 29 zu kop peln. Die Füllkanäle 40 sind durch den unteren Umfang 43 der Düsenkammer umgeben, derart, daß die Tinte, die durch einen gegebenen Füllkanal 40 fließt, ausschließlich in eine ent sprechende Düsenkammer 36 fließt.

Bei einem Ausführungsbeispiel existiert ein Zuführkanal 29 für jedes Druckelement 18. Die Zuführkanäle 29 für einen ge gebenen Satz von Reihen 21 oder 23 empfangen Tinte von einem Nachfüllkanal (nicht gezeigt). Bei einer Kantenzuführungs konstruktion existiert ein Nachfüllkanal 101 auf jeder der zwei gegenüberliegenden Seitenkanten des Druckkopfs. Die Zu führkanäle 29 eines Satzes von Druckelementen 21 sind in Kommunikation mit einem Nachfüllkanal, während die Zuführ kanäle 29 von dem anderen Satz von Druckelementen 23 in Kom munikation mit dem anderen Nachfüllkanal sind. Bei einer Mitten-Zuführungskonstruktion existiert ein Nachfüllkanal trog in Kommunikation mit den Zuführkanälen. Ein solcher Nachfüllkanaltrog dient für beide Sätze von Druckelementen 21, 23. Bei einem Ausführungsbeispiel umfaßt der Trog Tinte von einem Stiftkassettenbehälter an einer Kante des Druck kopfs. Somit erstreckt sich bei den beschriebenen Ausfüh rungsbeispielen der Nachfüllkanal 101 nicht durch die untere Oberfläche 55 des Chips 25.

Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist der Chip 25 ein Siliziumchip, der etwa 675 µm dick ist. Ein Glas oder ein stabiles Polymer werden bei alternativen Ausführungsbei spielen statt des Siliziums verwendet. Die Dünnfilmstruktur 27 wird durch eine oder mehrere Passivierungs- oder Isola tionsschichten gebildet, die durch Siliziumdioxid, Silizium karbid, Siliziumnitrid, Tantal, Polysiliziumglas oder ein anderes geeignetes Material gebildet werden. Die Dünnfilm struktur umfaßt ferner eine leitfähige Schicht zum Definie ren des Abfeuerwiderstands und zum Definieren der Leiterbah nen. Die leitfähige Schicht wird durch Tantal, Tantal-Alumi nium oder ein anderes Metall oder eine Metallegierung gebil det. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist die Dünnfilmstruktur etwa 3 µm dick. Die Öffnungsschicht 30 hat eine Dicke von etwa 10 bis 30 µm. Die Düsenöffnung 38 hat einen Durchmesser von etwa 10 bis 30 µm. Bei einem beispiel haften Ausführungsbeispiel hat der Abfeuerwiderstand 26 etwa eine quadratische Form mit einer Seitenlänge von etwa 10 bis 30 µm. Die Basisoberfläche 43 der Düsenkammer 36, die den Abfeuerwiderstand 26 trägt, hat einen Durchmesser, der etwa dem Doppelten der Länge des Widerstands 26 entspricht. Bei einem Ausführungsbeispiel definiert eine anisotrope Sili ziumätzung 54°-Wandwinkel für den Zuführschlitz 29. Obwohl beispielhafte Abmessungen und Winkel gegeben worden sind, können solche Abmessungen und Winkel für alternative Ausfüh rungsbeispiele variieren.

Einseitige Herstellung

Aus Terminologiebestimmungsgründen hat der Chip 25 zwei Sei ten, d. h. eine obere Seite 19 und eine untere Seite 55. Die obere Seite definiert eine obere Oberfläche und die untere Seite definiert eine untere Oberfläche. Für einen rechtecki gen Chip 25 umfaßt der Chip 25 ferner vier Kanten, die sich zwischen der oberen Seite und der unteren Seite erstrecken. Die Form und Anzahl der Kanten des Chips können bei alter nativen Ausführungsbeispielen variieren. Gemäß der Erfindung wird ein monolithischer Tintenstrahldruckkopf 16 durch Her stellungsverfahren gebildet, die von einer einzigen Seite des Substrats aus wirken. Bei bestimmten Ausführungsbeispie len wirken die Herstellungsverfahren ferner von einer Kante während zumindest eines Herstellungsschrittes. Gemäß der Er findung müssen die Herstellungsverfahren jedoch nicht von der unteren Seite des Chips 25 aus wirken. Der Ausdruck Sub strat, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, bezieht sich auf die Prozeßstruktur des Chips 25 und die Dünnfilm struktur 27 und, falls vorhanden, die Öffnungsschicht 30.

Ausgehend von einem planaren Chip 25 wird eine Schicht aus Feldoxid 31 auf eine erste Seite 19 aufgebracht (z. B. auf gewachsen). Die Feldoxidschicht 25 wird dann maskiert und wie in den Fig. 4 und 5 geätzt, um Bereiche 33 für jeweilige Zuführkanäle zu begrenzen. Zusätzlich wird eine Membranre gion 39 innerhalb jedes Zuführkanalbereichs 33 gebildet. Der Zuführkanalbereich 33 erstreckt sich von einer Kante 35 des Chips 25 zu einer gegenüberliegenden Kante 37. Sobald der Zuführkanal in dem Bereich 33 in einer späteren Stufe geätzt wird, wird sich der Zuführkanal 29 von der Seitenkante 35 zu der gegenüberliegenden Kante 39 erstrecken. Der resultieren de Druckkopf soll ein Kantenzuführdruckkopf sein, bei dem Tinte von dem Behälter 14 an der Kante 35 (siehe Fig. 3) in den Zuführkanal 29 eintritt. Ein Landbereich wird an der Kante gebildet und dient als Nachfüllkanal 101.

Die Membranregion 39 tritt innerhalb des Zuführkanalbereichs 33 auf und markiert Regionen des Feldoxids, die über dem entsprechenden Zuführkanal 29 liegend verbleiben sollen. In dieser Herstellungsstufe wird kein Zuführkanal in den Chip 25 geätzt, sondern lediglich ein Bereich 33, der durch die Feldoxidschicht 31 begrenzt ist.

Die Feldoxidschicht ist eine erste Schicht der Dünnfilm struktur 27. Wenn die Feldoxidschicht 31 wie erwünscht strukturiert ist, werden zusätzliche Schichten der Dünnfilm struktur 27 auf die gleiche Seite 19 des Chips 25, die das Feldoxid 21 aufweist, aufgebracht. Die zusätzlichen Schich ten werden strukturiert, um Abfeuerwiderstände 26, Verdrah tungsleitungen 29 und eine Passivierung 45 zu bilden, wie es in den Fig. 6 bis 8 gezeigt ist. Das Abscheiden, das Maskie ren und das Ätzverfahren sind in der Technik bekannt und werden verwendet, um die Abfeuerwiderstände 26, die Verdrah tungsleitungen 28 und das Passivierungsmaterial 45 aufzu bringen und zu strukturieren. Bei einem Ausführungsbeispiel werden die Abfeuerwiderstände 26 aus Tantal-Aluminium gebil det, während die Verdrahtungsleitungen 28 aus Aluminium ge bildet werden. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel werden andere oder zusätzliche leitfähige Metalle, Legierungen oder Stapel von Metallen und/oder Legierungen verwendet. Fig. 6 zeigt eine Draufsicht eines Abschnitts des Druckkopfs 16. Die gesamte Oberfläche des Substrats außer den Bereichen, die als der Chip 25 bezeichnet sind, ist mit Passivierungs material 45 bedeckt. In Fig. 6 sind die Verdrahtungsleitun gen 28 und der Abfeuerwiderstand 26 unter der Passivierungs schicht 45 liegend versteckt gezeigt. In dieser Herstel lungsstufe wurde der Zuführkanal 29 noch nicht in dem Be reich 33 geätzt.

Wenn die Abfeuerwiderstände 26 und die Verdrahtungsleitungen 28 strukturiert sind, besteht der nächste Schritt darin, den Zuführkanal 29 und die Füllkanäle 40 zu ätzen. Ein Ätzmittel wird auf die obere Seite 19 aufgebracht. Der Chip 25 wird unter Verwendung von Tetra-Methyl-Ammonium-Hydroxid, Kali um-Hydroxid und einem anderen anisotropen Siliziumätzmittel geätzt, das auf die Regionen des freiliegenden Chips 25 wirkt und nicht auf die Passivierung 45. Bei einem Ausfüh rungsbeispiel wirkt das Ätzmittel auf die Ebene <100< des Siliziumchips, um das Silizium in einem Winkel zu ätzen. Das Ätzverfahren wird fortgesetzt, indem das Silizium nach unten in einem Winkel weggeätzt wird, bis die gewinkelten Linien sich in einer gegebenen Tiefe schneiden. Das Resultat ist ein dreieckiger Graben für den Zuführkanal 29, wie es in den Fig. 9 bis 11 gezeigt ist. In dieser Stufe wurde ein Graben in dem Chip 25 unter Verwendung eines Verfahrens gebildet, das von der oberen Seite 19 des Chips 25 aus wirkt. Der Gra ben definiert den Zuführkanal 29.

In dieser Herstellungsstufe werden die Zuführkanäle 29, die Füllkanäle 40, die Abfeuerwiderstände 26 und die Verdrah tungsleitungen 28 gebildet, die Düsenkammern 36 (siehe Fig. 3) sind jedoch noch nicht gebildet. Die Düsenkammern 36 wer den mit einer Öffnungsplatte, mit einem Öffnungsfilm oder durch Direktabbildung hergestellt. Für jedes dieser Verfah ren kann die Anwesenheit des Zuführkanals 29 und der Füll kanäle 40 das Bilden der Düsenkammern 36 aufgrund der va riablen Topographie, die durch solche Leerräume eingeführt wird, negativ beeinträchtigt werden. Solche Leerräume werden aufgefüllt, um ein durchgehendes Verarbeiten von der oberen Oberfläche zu ermöglichen. Somit wird gemäß einem Aspekt dieser Erfindung ein Material 50 aus Photolack oder Polyimid auf das Substrat aufgeschleudert und gebrannt, wie es in Fig. 12 gezeigt ist. Das Material 50 füllt den Zuführkanal 29 und die Füllkanäle 40 auf und bedeckt die Passivierungs schicht 45. Anschließend wird ein chemisch-mechanisches Schleifverfahren auf das Substrat angewendet, um das Mate rial 50 an Bereichen außer den Zuführkanälen 29 und den Füllkanälen 40 zu entfernen, wie es in den Fig. 13 und 14 gezeigt ist. Bei einem Ausführungsbeispiel wird ferner eine O₂-Plasmaätzung durchgeführt, damit das Füllmaterial 50 entfernt wird, und daß das Passivierungsmaterial 45 entfernt wird. Das Ergebnis ist eine planare Oberfläche mit Höckern aus Passivierungsmaterial 45 über den Abfeuerwiderständen 26 (siehe Fig. 13 und 14). Die obere Seite 19 des Substrats hat nun Bereiche mit Passivierungsmaterial 45 und Füllmaterial 50. In dieser Herstellungsstufe ist das Substrat so weit fertiggestellt, damit Verfahren durchgeführt werden können, um die Düsenkammern 36 zu bilden.

Bei einem Ausführungsbeispiel (siehe Fig. 15) wird ein ke gelstumpfförmiger Opferdorn 52 über jedem Widerstand 26 in der Form der erwünschten Düsenkammer gebildet. Ein solcher Opferdorn 52 wird durch Aufbringen eines geeigneten Mate rials, wie z. B. Photolack oder Polyimid, hergestellt, wo nach das Material strukturiert und in die erwünschte Form geätzt wird. Anschließend wird eine Öffnungsschicht 30 auf gebracht, wie es in den Fig. 16 gezeigt ist, und zwar in einer Dicke, damit Bündigkeit mit dem Opferdorn 52 herge stellt wird. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Öff nungsschicht durch ein Elektroplattierungsverfahren herge stellt, bei dem das Substrat in einen Elektroplattierungs behälter getaucht wird. Material (z. B. Nickel, Gold) bildet sich auf dem Substrat um den Opferdorn 52 herum. Andere Auf bringungsverfahren können ebenfalls verwendet werden, sie dürften jedoch durch einen zusätzlichen Polierschritt er gänzt werden, um die Schicht 30 auf eine Ebene mit dem Op ferdorn 52 zu bringen. Anschließend wird der Opferdorn 52 geätzt oder aus der Öffnungsschicht 30 gelöst, wodurch die verbleibende Düsenkammer 36 zurückbleibt, wie es in Fig. 17 gezeigt ist. Im selben Schritt oder in einem anderen Ätz schritt wird das Füllmaterial 50 aus den Füllkanälen 40 und den Zuführkanälen 29 herausgeätzt, was in einem Druckkopf 16 resultiert, wie er in den Fig. 3 und 17 gezeigt ist. Das Füllmaterial 50 wird von der oberen Seite 19 des Substrats oder von der oberen Seite 19 und der Kantenfüllseite 35 des Substrats geätzt. In jedem Fall wirken die Herstellungsver fahren nicht von der zur Seite 19 gegenüberliegenden unteren Oberfläche 55 (siehe Fig. 3 und 17).

Obwohl die Düsenkammern 36 derart beschrieben wurden, daß sie hergestellt werden, indem ein Opferdorn und eine Öff nungsschicht aufgebracht werden, woraufhin der Opferdorn herausgeätzt wird, können ebenfalls andere Verfahren verwen det werden. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel wird ein Öffnungsfilm auf das Substrat aufgebracht, wobei das Substrat in der Form vorliegt, wie sie in Fig. 14 dargestellt ist. Ein Strukturierungs- und ein Ätzverfahren werden dann durchgeführt, um die Düsenkammer 36 zu definieren. Ein Ätz verfahren, wie es oben beschrieben wurde, wird dann durch geführt, um das Füllmaterial 50 von dem Zuführkanal bzw. den Zuführkanälen 29 und den Füllkanälen 40 zu entfernen. Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel wird Material auf das Substrat aufgeschleudert, maskiert und freigelegt, um die Düsenkammern 36 zu bilden. Wieder wird ein Ätzverfahren wie oben beschrieben durchgeführt, um anschließend das Füll material 50 von den Zuführkanälen 29 und den Füllkanälen 40 zu entfernen.

Nach der Fertigstellung existiert ein Druckkopf 16, der kei ne Tintenkanalöffnungen in der unteren Oberfläche der unte ren Seite 55 hat. Insbesondere wurde kein Abschnitt der un teren Seite 55 für Tintenkanalöffnungen entfernt.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines monolithischen Tinten strahldruckkopfs (16) auf einem Chip (25) mit einer ersten Oberfläche (19), einer gegenüberliegenden zwei ten Oberfläche (55) und einer Kantenoberfläche (35), die sich von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche erstreckt, wobei der Druckkopf eine Mehr zahl von Druckelementen (18) hat, mit folgenden Schritten:
Bilden einer ersten Schicht (31) auf der ersten Ober fläche des Chips;
Definieren einer Struktur in der ersten Schicht, die einen ersten Bereich (33) für einen Tintenzuführkanal (29) begrenzt, zusammen mit einem Membranbereich (39) innerhalb des ersten Bereichs, wobei der Membranbe reich Öffnungen für Tintenfüllkanäle (40) definiert, wobei die definierte Struktur einen freiliegenden Ab schnitt der ersten Oberfläche beläßt;
Aufbringen zumindest einer leitfähigen Schicht auf zu mindest einen Abschnitt der ersten Schicht, um eine Mehrzahl von Abfeuerwiderständen (26) und Verdrah tungsleitungen (28) zu definieren, wobei die zumindest eine leitfähige Schicht auf einer Seite der ersten Schicht gegenüber des Chips aufgebracht wird, wobei die zumindest eine leitfähige Schicht den Chip phy sisch nicht berührt;
Aufbringen zumindest einer Passivierungsschicht (45), die über der ersten Schicht und der zumindest einen leitfähigen Schicht liegt, ohne daß sie über dem frei liegenden Abschnitt der ersten Oberfläche des Chips liegt;
Ätzen einer Mehrzahl von Zuführkanälen (29) durch den freiliegenden Abschnitt der ersten Oberfläche des Chips;
Aufbringen eines Füllmaterials (50), um die Zuführka näle und die definierten Öffnungen in der Membran zu besetzen, wobei ein Bereich des Füllmaterials freilie gend bleibt;
Planarisieren des freiliegenden Bereichs des Füllmate rials;
nach dem Schritt des Planarisierens, Bilden einer Öff nungsschicht (30), die über der Passivierungsschicht und dem Zuführkanal liegt, wobei die Öffnungsschicht eine Mehrzahl von Düsenkammern (36) definiert, wobei jede der Mehrzahl von Düsenkammern mit zumindest einem der Mehrzahl von Abfeuerwiderständen ausgerichtet ist; und
Entfernen des Füllmaterials innerhalb der Zuführkanäle und der definierten Öffnungen in der Membran, wobei die definierten Öffnungen als Füllkanäle (40) dienen, die die Düsenkammern mit den Zuführkanälen verbinden; und
wobei jedes der Mehrzahl von Druckelementen einen Ab feuerwiderstand und eine Düsenkammer und einen Füllka nal umfaßt, wobei sich der Füllkanal von der Düsenkam mer zu einem der Mehrzahl von Zuführkanälen erstreckt, und wobei für jedes der Mehrzahl von Druckelementen eine jeweilige Verdrahtungsleitung leitfähig mit dem Abfeuerwiderstand des einen Druckelements gekoppelt ist.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt des Bildens einer Öffnungsschicht folgende Schritte auf weist:
für jeden Abfeuerwiderstand, Aufbringen eines Opfer dorns (52) über dem einen Abfeuerwiderstand;
Aufbringen einer Öffnungsschicht um den Opferdorn; und
Entfernen des Opferdorns, um jeweilige Tintenstrahl düsenkammern (36) und Düsenöffnungen (38) zu bilden.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Passi vierungsschicht und das Array von Abfeuerwiderständen und Verdrahtungsleitungen Teile einer Dünnfilmstruktur (27) sind, die zwischen dem Chip und der Öffnungs schicht vorhanden ist.

4. Verfahren zum Herstellen eines monolithischen Tinten strahldruckkopfs (16) auf einem Chip (25), der eine erste Oberfläche (19), eine gegenüberliegende zweite Oberfläche (55) und eine Kantenoberfläche (35) auf weist, die sich von der ersten Oberfläche zu der zwei ten Oberfläche erstreckt, wobei der Druckkopf eine Mehrzahl von Druckelementen (18) hat, mit folgenden Schritten:
Aufbringen einer ersten Passivierungsschicht (31) auf die erste Oberfläche des Chips, wobei ein Abschnitt der ersten Oberfläche des Chips freiliegend bleibt;
Aufbringen eines Arrays von Abfeuerwiderständen (26) und Verdrahtungsleitungen (28) auf die erste Passivie rungsschicht;
Ätzen einer Mehrzahl von Zuführkanälen (29) durch die freiliegenden Abschnitte der ersten Oberfläche des Chips;
Aufringen eines Füllmaterials (50), um die Zuführkanä le zu besetzen;
Planarisieren eines freiliegenden Bereichs des Füllma terials;
nach dem Schritt des Aufringens eines Füllmaterials, Bilden einer Öffnungsschicht (30), die über der ersten Passivierungsschicht und dem Array von Abfeuerwider ständen und Verdrahtungsleitungen liegt, wobei die Öffnungsschicht eine Mehrzahl von Düsenkammern (36) definiert, wobei jede der Mehrzahl von Düsenkammern mit zumindest einem der Mehrzahl von Abfeuerwiderstän den ausgerichtet ist; und
Entfernen des Füllmaterials aus den Zuführkanälen; und
wobei jedes der Mehrzahl von Druckelementen einen Ab feuerwiderstand und eine Düsenkammer und einen Füllka nal (40) umfaßt, wobei sich der Füllkanal von der Dü senkammer zu einem entsprechenden der Mehrzahl von Zu führkanälen erstreckt, und wobei für jedes der Mehr zahl von Druckelementen eine jeweilige Verdrahtungs leitung leitfähig mit dem Abfeuerwiderstand des einen Druckelements gekoppelt ist.

5. Monolithischer Tintenstrahldruckkopf (16) mit einer Mehrzahl von Druckelementen (18), mit folgenden Merk malen:
einem Chip (25) mit einer ersten Oberfläche (19), ei ner gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (55) und einer Kantenoberfläche (35), die sich von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche erstreckt, wobei die erste Oberfläche eine Mehrzahl von ausgenommenen Bereichen (29) definiert, wobei sich die ausgenommenen Bereiche entlang der ersten Oberfläche von einer Kan tenoberfläche nach innen von der Kantenoberfläche weg erstrecken, wobei jeder ausgenommene Bereich als Zu führkanal (29) dient, der Tinte zu einem Druckelement der Mehrzahl von Druckelementen hin kanalisiert, und wobei sich die Zuführkanäle nicht zu der zweiten Ober fläche erstrecken;
einer Mehrzahl (27) von ersten Schichten, die über der ersten Oberfläche des Chips liegen, wobei die Mehrzahl von ersten Schichten strukturiert ist, um eine Mehr zahl von Abfeuerwiderständen (26), Verdrahtungsleitun gen (28) und Tintenfüllkanäle (40) zu definieren;
einer zweiten Schicht (30), die über der Mehrzahl von ersten Schichten liegt, wobei die zweite Schicht eine Struktur hat, die eine Mehrzahl von Düsenkammern (36) definiert, wobei jede der Mehrzahl von Düsenkammern über zumindest einem Abfeuerwiderstand der Mehrzahl von Abfeuerwiderständen ausgerichtet ist, wobei jede der Mehrzahl von Düsenkammern eine Düsenöffnung (38) hat;
wobei jedes der Mehrzahl von Druckelementen einen Ab feuerwiderstand und eine Düsenkammer und einen Füllka nal umfaßt, wobei sich der Füllkanal von der Düsenkam mer zu einem der Zuführkanäle erstreckt, und wobei für jedes der Mehrzahl von Druckelementen eine jeweilige Verdrahtungsleitung leitfähig mit dem Abfeuerwider stand des einen Druckelements gekoppelt ist.

6. Tintenstrahlstift (10) mit folgenden Merkmalen:
einem Stiftkörper (12), der einen inneren Behälter (14) zum Speichern von Tinte definiert;
einem monolithischen Tintenstrahldruckkopf (16) mit einer Mehrzahl von Druckelementen (18), wobei der Druckkopf folgende Merkmale aufweist:
einen Chip (25) mit einer ersten Oberfläche (19), einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche (55) und einer Kantenoberfläche (35), die sich von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche erstreckt, wo bei die erste Oberfläche eine Mehrzahl von ausgenom menen Bereichen (29) definiert, wobei sich die aus genommenen Bereiche (29) entlang der ersten Oberflä che von einer Kantenoberfläche nach innen von der Kantenoberfläche weg erstrecken, wobei jeder ausge nommene Bereich als Zuführkanal (29) dient, der Tin te zu zumindest mehreren Druckelementen der Mehrzahl von Druckelementen hin kanalisiert, und wobei sich die Zuführkanäle nicht zu der zweiten Oberfläche er strecken;
einer Mehrzahl (27) von ersten Schichten, die über der ersten Oberfläche des Chips liegen, wobei die Mehrzahl von ersten Schichten strukturiert ist, um eine Mehrzahl von Abfeuerwiderständen (26), Ver drahtungsleitungen (28) und Tintenfüllkanäle (40) zu definieren;
einer zweiten Schicht (30), die über der Mehrzahl von ersten Schichten liegt, wobei die zweite Schicht eine Struktur hat, die eine Mehrzahl von Düsenkam mern (36) definiert, wobei jede der Mehrzahl von Dü senkammern über zumindest einem Abfeuerwiderstand der Mehrzahl von Abfeuerwiderständen ausgerichtet ist, wobei jede der Mehrzahl von Düsenkammern eine Düsenöffnung (38) hat; und
wobei jedes der Mehrzahl von Druckelementen einen Abfeuerwiderstand und eine Düsenkammer und einen Füllkanal umfaßt, wobei sich der Füllkanal von der Düsenkammer zu einem der Zuführkanäle erstreckt, und wobei für jedes der Mehrzahl von Druckelementen eine jeweilige Verdrahtungsleitung leitfähig mit dem Ab feuerwiderstand des einen Druckelements gekoppelt ist.