DE60300672T2 - Herstellung einer elektrostatischen Vorrichtung zum Ausstossen von Flüssigkeiten mittels eines symmetrischen Dorns - Google Patents

Herstellung einer elektrostatischen Vorrichtung zum Ausstossen von Flüssigkeiten mittels eines symmetrischen Dorns Download PDF

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich allgemein auf mikroelektromechanische (MEM) Vorrichtungen zum Ausstoßen von Flüssigkeiten auf Anforderung (DOD-Vorrichtungen), etwa Tintenstrahldrucker, und insbesondere auf Vorrichtungen dieser Art, die mit einem elektrostatischen Betätigungselement zum Ausstoßen der Flüssigkeit aus der Vorrichtung arbeiten.
  • DOD-Vorrichtungen mit elektrostatischen Betätigungselementen zum Ausstoßen von Flüssigkeiten sind bei Tintendrucksystemen bekannt. US-A-5 644 341 und 5 668 579, erteilt an Fujii et al. am 1. Juli 1997 bzw. am 16. September 1997, beschreiben Vorrichtungen dieser Art, deren elektrostatische Betätigungselemente aus einer Membran und einer gegenüberliegenden Elektrode bestehen. Durch Anlegen einer ersten Spannung an die Elektrode wird die Membran verformt. Bei Entspannung der Membran wird ein Tintentröpfchen aus der Vorrichtung ausgestoßen. Andere Vorrichtungen, die nach dem Prinzip der elektrostatischen Anziehung arbeiten, sowie deren Herstellungsverfahren, sind in US-A-5 739 831, 6 127 198, 6 357 865, 6 328 841 und der US-Offenlegungsschrift Nr. 2001/0023523 beschrieben. Bei Vorrichtungen dieser Art ist zur Betätigung typischerweise eine hohe Spannung erforderlich, da der Spalt zwischen der Membran und der gegenüberliegenden Elektrode ausreichend groß sein muss, damit die Membran sich weit genug durchbiegen kann, um eine wesentliche Veränderung des Volumens der Flüssigkeitskammer zu bewirken. Große Spalte sind zwar wegen ihrer Unempfindlichkeit für Fertigungstoleranzen günstig, verlangen aber für den Tropfenausstoß hohe Betriebsspannungen, und dies wiederum zieht durch die hohe Spannung der Schaltungen bedingte höhere Kosten nach sich.
  • Um die erforderliche Spannung zu verringern, kann der Spalt auch klein ausgelegt werden, jedoch muss dann die Fläche der Vorrichtung groß sein, damit das Gesamtvolumen der während des Tropfenausstoßes verdrängten Flüssigkeit konstant bleibt. Außerdem sind für Vor richtungen mit kleinem Spalt auch sehr präzise Fertigungsverfahren nötig. Vorrichtungen dieser Art wurden zum Beispiel in einem Papier mit dem Titel "Kleiner elektrostatisch betriebener Tintenstrahldruckkopf geringer Leistungsaufnahme für den kommerziellen Einsatz" von S. Darmisuki et al. von der Seiko Epson Corporation, Protokoll der IEEE-Konferenz "MEMS 1998", 25.–29. Jan., Heidelberg, Deutschland, beschrieben. Dieses Papier beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer elektrostatischen Vorrichtung zum Ausstoßen von Flüssigkeitstropfen mit kleinem Spalt, wobei drei Substrate, eines aus Glas und eines aus Silicium, anodisch miteinander zu einer Tintenausstoßdüse verbunden sind. Die Tropfen werden aus einer Tintenkammer durch eine Düsenöffnung in einer rückseitigen Glasplatte ausgestoßen, wenn eine im Siliciumsubstrat ausgebildete Membran durch den Spalt abwärts gezogen wird, mit einem Leiter auf der vorderen Glasplatte in Kontakt kommt und dann freigegeben wird. Da der Spalt klein ist, nimmt die Vorrichtung eine große Fläche ein, und wegen des komplexen Fertigungsverfahrens sind die einzelnen Düsen teuer in der Herstellung.
  • Nach einem anderen entsprechenden Fertigungsverfahren hergestellte Vorrichtungen verwenden Tinte als dielektrisches Material. Dadurch wird die Betriebsspannung verringert, ohne dass die Spalte klein ausgebildet sein müssen, weil der effektive elektrische Spalt durch die hohe Dielektrizitätskonstante der Tinte verringert wird. Zum Beispiel beschreibt US-A-6 345 884 eine Vorrichtung mit einer elektrostatisch verformbaren Membran, wobei die Membran eine Tintennachfüllöffnung aufweist und zum Ablenken der Membran ein elektrisches Feld an die Tinte angelegt wird. Die Betriebsspannung ist bei dieser Vorrichtung geringer. Allerdings muss bei dieser Vorrichtung, wie auch bei anderen Vorrichtungen, bei denen die Dielektrizitätskonstanten durch die Tinte verstärkt werden, das elektrische Feld an die Tinte angelegt werden, und dies verringert die Zuverlässigkeit. Außerdem sind die Tinten-Arten eingeschränkt, was die Bereiche der Dielektrizitätskonstanten und Leitfähigkeit betrifft.
  • Bekannte elektrostatische Tropfenausstoßvorrichtungen erfordern aber nicht nur hohe Spannungen, große Flächen und/oder komplexe Fertigungstechniken, sie sind auch empfindlich, was die elastischen Eigenschaften der Membranen anbelangt, aus denen sie bestehen. Insbesondere ist es wichtig, dass verformte Membranen wieder in ihre Ausgangspositionen zurückkehren. Dafür reichen die Eigenschaften der Membranen nicht immer aus, insbesondere bei solchen Membranen, die sich für eine kostengünstige Herstellung eignen. Im einzelnen können Membranen bei Kontakt mit anderen Oberflächen in unzuverlässiger Weise anhaften, und die elastischen Eigenschaften der Membranen, etwa Spannung und Steifigkeit, sind wegen Ungleichmäßigkeiten der Aufbringungen zwischen den verschiedenen Membranen nicht immer gleich. Vorrichtungen, bei denen die Betriebsspannungen ohne Vergrößerung des Geräts verringert werden und die darüber hinaus die Abhängigkeit der Bewegung der Membran von ihren elastischen Eigenschaften verringern, basieren auf einem Verfahren, das die getrennte Spannungsregelung an mehreren Elektroden gestattet und damit den Einsatz eines elektrischen Feldes für die Rückführung der Membranen in deren Ausgangsposition erlaubt. Diese Vorrichtungen sind mit einer nicht planaren mittigen Elektrode, auch als Dorn bezeichnet, ausgestattet. Zwar sind sie für ihren Verwendungszweck effektiv, eine nicht-planare mittige Elektrode erfordert aber in einem frühen Fertigungsstadium zusätzliche Fertigungsschritte. Und da die Membranen bei der ersten Betätigung gestreckt werden und der Betrag der Streckung stark von der Anfangsstreckspannung der Membran abhängt, ist auch die erforderliche Betätigungsspannung abhängig vom Herstellungsverfahren.
  • Bekannte elektrostatische Tropfenausstoßvorrichtungen, selbst jene, die mit verringerten Spannungen arbeiten, und auch jene, deren Fertigungsverfahren die Herstellungstoleranzen minimieren soll, erfordern beim Packen komplizierte elektrische Zusammenschaltungen. Zusammenschaltungen erfordern typischerweise eine dielektrische Passivierung der Vorderseite (Düsenseite) des Druckkopfs. Da die für elektrostatische Vorrichtungen benötigten Spannungen in jedem Fall über ein oder zwei Volt liegen, sind die Zusammenschaltungen auf der Vorderseite der Korrosion durch austretende Tinte ausgesetzt. Die Herstellung der normalerweise von der Rückseite der Vorrichtungen kommenden Tintenkanäle erhöht die Herstellungskosten, und die hergestellten Tintenkanäle sind typischerweise anfällig für Verstopfen.
  • Es besteht daher ein Bedürfnis, die Betriebsspannung elektrostatischer Tropfenausstoßvorrichtungen zu verringern, ohne dass dies auf Kosten der Zuverlässigkeit oder der Herstellungskosten geht, und die Pack-Komplexität, einschließlich der elektrischen Zusammenschaltungen, zu verringern.
  • Eine Vorrichtung zum Ausstoßen eines Flüssigkeitstropfens weist eine Tintenkammer und eine Düsenöffnung auf. Bei Anlegen einer Kraft an eine erste Membran in einer ersten Richtung erhöht sich das Kammervolumen, so dass Flüssigkeit in die Kammer angesaugt wird.
  • Durch eine an eine zweite Membran in einer zweiten Richtung angelegte Kraft verringert sich das Kammervolumen, so dass ein Flüssigkeitstropfen durch die Düsenöffnung ausgestoßen wird. Zwischen der ersten und der zweiten Membran ist ein Dorn vorgesehen, so dass (1) bei Anlegen einer Differenzspannung zwischen der ersten Membran und dem Dorn die erste Membran in einer ersten Richtung bewegt wird, so dass sich das Kammervolumen erhöht, und (2) bei Anlegen einer Differenzspannung zwischen einer zweiten Membran und dem Dorn die zweite Membran in der zweiten Richtung bewegt wird, so dass das Kammervolumen abnimmt. Der Dorn weist im Wesentlichen planare, gegenüberliegende, jeweils zur ersten und zweiten Membran weisende Oberflächen auf, wobei mindestens eine der ersten und zweiten Membranen in einem ersten Bereich der mindestens einen Membran vom Dorn im Wesentlichen entfernt ist und an dem Dorn in einem zweiten Bereich der mindestens einen Membran im Wesentlichen anliegt, so dass bei Bewegung der ersten Membran in die erste Richtung sich der Kontakt zwischen der ersten Membran und dem Dorn zunehmend verstärkt und bei Bewegung der zweiten Membran in die zweite Richtung sich der Kontakt zwischen der zweiten Membran und dem Dorn zunehmend verstärkt.
  • Nach einem Merkmal der Erfindung wird ein derartiges mehrschichtiges, mikroelektromechanisches, elektrostatisches Betätigungselement dadurch erzeugt, dass man eine Schicht eines ersten dielektrischen Materials auf ein Substrat aufbringt. Ein Bereich des Substrats gegenüber der Schicht des dielektrischen Materials wird entfernt, um eine erste Elektrode auszubilden. Auf die Schicht des dielektrischen Materials wird an einer dem Substrat gegenüberliegenden Position eine erste Schicht eines Schutzmaterials aufgebracht. Auf der ersten Schicht des Schutzmaterials wird an einer der Schicht des ersten dielektrischen Materials gegenüberliegenden Position eine speziell geformte Elektrode, hierin als "Dorn" bezeichnet, ausgebildet. Anschließend wird eine nachfolgende Schicht des Schutzmaterials auf den Dorn aufgebracht, so dass ein elektrisch isolierter planarer, von einem Schutzmaterial umgebener Dorn entsteht. Dann wird eine gekrümmte Linse auf der Folgeschicht des Schutzmaterials ausgebildet und ein Bereich der dielektrischen Materialschicht durch die Folgeschicht und die erste Schicht des Schutzmaterials hindurch freigelegt. Auf der gekrümmten Linse und auf der Folgeschicht des Schutzmaterials wird eine zweite dielektrische Materialschicht ausgebildet, wobei diese zweite dielektrische Materialschicht sich bis zu dem freigelegten Bereich der Schicht des ersten dielektrischen Materials erstreckt. Bestimmte Bereiche der ersten und nachfolgenden Schicht des Schutzmaterials und der gekrümmten Linse werden entfernt, so dass sich um den Dorn herum durch eine Struktur miteinander verbundene Hohlräume ausbilden. Auf die zweite Schicht des dielektrischen Materials wird eine zweite Elektrode aufgebracht, so dass die erste Elektrode und die zweite Elektrode durch die Struktur so angebracht sind, dass die erste Elektrode, die Struktur und die zweite Elektrode sich gemeinsam bezüglich des Dorns frei bewegen können.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen DOD-Flüssigkeitsausstoßvorrichtung;
  • 2 eine Querschnittsansicht eines Teils der DOD-Flüssigkeitsausstoßvorrichtung gemäß 1;
  • 35 Draufsichten alternativer Ausführungsformen einer Düsenplatte der DOD-Flüssigkeitsausstoßvorrichtung gemäß 1 und 2;
  • 6 eine Querschnittsansicht der DOD-Flüssigkeitsausstoßvorrichtung gemäß 2 in einer zweiten Funktionsphase;
  • 7 einen Querschnitt eines elektrostatischen SOI (Silicon on insulator = Silicium auf Isolierstoff) Druckkopfsubstrats eines ersten Leitfähigkeitstyps mit einer unteren Siliciumschicht, einem Nitridisolator, einem Schutzoxid und einer oberen Siliciumschicht;
  • 8a und 8b Querschnitte in der Seiten- bzw. Draufsicht des elektrostatischen Druckkopfs gemäß 7 nach einem weiteren Verfahrensschritt;
  • 9 einen Querschnitt des Druckkopfs gemäß 8 mit einer durch Fließen hergestellten Linse;
  • 10 einen Querschnitt des Druckkopfs nach dem Ausbilden und Ätzen eines vollständig durch die Linse und den Dorn führenden Verbindungskanals;
  • 11 einen Querschnitt des Druckkopfs nach dem Abscheiden einer zweiten Nitridschicht, die in unmittelbarem Kontakt zur ersten Nitridschicht steht;
  • 12 einen Querschnitt des Druckkopfs nach dem Entfernen der durch Fließen hergestellten Linse und von Teilen der ersten und dritten Schutz-Oxidschichten;
  • 13a und 13b Querschnitte in der Seiten- bzw. Draufsicht des elektrostatischen Druckkopfs gemäß 7 nach einem weiteren Verfahrensschritt, während 13c eine Ansicht ähnlich 13c darstellt, die Düsenplatte in diesem Fall aber mehrere DOD-Flüssigkeitsausstoßvorrichtungen aufweist;
  • 14 einen Querschnitt des Druckkopfs nach dem Abscheiden eines oberen Schutzfilms und dem Entfernen eines Teils der unteren Siliciumschicht des SOI-Substrats;
  • 15 einen Querschnitt des Druckkopfs nach dem Anbringen einer Düsenplatte und dem Ätzen von Teilen des oberen Schutzfilms;
  • 16 eine Draufsicht auf mehrere verbundene Tintennachfüllkanäle;
  • 17 einen Querschnitt des Druckkopfs mit elektrischen Kontakten und einer Entlastungsöffnung im oberen Schutzfilm;
  • 18 einen Querschnitt des Druckkopfs mit einer am Schutzfilm angebrachten elektronischen Treiberschaltung; und
  • 19 eine Seitenansicht der fertigen Tintenausstoßvorrichtung mit einem Tinten-Verteilungskanal, wobei die gekoppelte Membran in entspannter Stellung dargestellt ist.
  • Wie im Folgenden noch im Detail beschrieben wird, stellt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen auf elektrostatischen Betätigungselementen basierender DOD-Flüssigkeitsausstoßvorrichtungen bereit. DOD-Flüssigkeitsausstoßvorrichtungen werden häufig als Druckköpfe in Tintenstrahl-Drucksystemen eingesetzt. Es gibt heute jedoch immer mehr Anwendungen, die von Vorrichtungen ähnlich einem Tintenstrahldruckkopf Gebrauch machen, jedoch andere Flüssigkeiten als Tinte ausstoßen, welche fein dosiert und mit großer räumlicher Präzision aufgebracht werden müssen.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß zu betätigenden DOD-Flüssigkeitsausstoßvorrichtung 10, etwa eines Tintenstrahldruckers. Das System weist eine Datenquelle 12 (zum Beispiel für Bilddaten) auf, deren Signale von einer Steuerung 14 als Befehle für den Tropfenausstoß interpretiert werden. Die Steuerung 14 sendet Signale an eine Quelle 16 elektrischer Energieimpulse, die wiederum einer DOD-Flüssigkeitsausstoßvorrichtung, etwa einem Tintenstrahldrucker 18, zugeführt werden.
  • Die DOD-Flüssigkeitsausstoßvorrichtung 10 weist eine Vielzahl elektrostatischer Tropfenausstoß-Mechanismen 20 auf, wobei 2 eine Querschnittsdarstellung eines dieser elektrostatisch betätigten Tropfenausstoß-Mechanismen zeigt. In einer Düsenplatte 24 ist für jeden Mechanismus 20 eine Düsenöffnung 22 ausgebildet. Jeder Tropfenausstoß-Mechanismus 20 wird von einer oder mehreren Wandungen 26 begrenzt.
  • Der äußere Umfang einer elektrisch adressierbaren Elektrodenmembran 28 (im Folgenden als "vordere" Membran bezeichnet) ist dichtend an der Wandung 26 befestigt und bildet so eine Kammer 30 für die Aufnahme von durch die Düsenöffnung 22 auszustoßender Flüssigkeit, etwa Tinte, aus. Die Flüssigkeit wird durch eine oder mehrere Nachfüllöffnungen 32 aus einem nicht dargestellten Vorrat in die Kammer 30 gesaugt und bildet typischerweise einen Meniskus in der Düsenöffnung aus. Die Auslegung der Öffnungen 32 wird im Folgenden noch besprochen. Ein Bereich 34 zwischen der vorderen Membran 28 und einer rückseitigen Membran 36 wird von einem dielektrischen Fluid ausgefüllt. Das dielektrische Fluid besteht vorzugsweise aus Luft oder einem anderen dielektrischen Gas, kann aber auch eine dielektrische Flüssigkeit sein.
  • Die rückseitige Membran 36 zwischen der Kammer 30 und einem Hohlraum 37 ist getrennt von der vorderen Membran 28 elektrisch adressierbar. Die adressierbaren Membranen 28 und 36 sind mindestens teilweise flexibel und zwischen gegenüberliegenden Seiten eines einzelnen mittigen Elektrodendorns 38 derart angeordnet, dass die beiden Membranen und der Dorn mit der Düsenöffnung 22 allgemein axial ausgerichtet sind.
  • Normalerweise bestehen die vordere und die rückseitige Membran 28 und 36 aus einem etwas flexiblen leitfähigen Material, etwa Polysilicium, oder bei der bevorzugten Ausführungsform aus einer Schichtenkombination mit einer mittleren leitfähigen Schicht, die von einer rückseitigen und einer vorderen Isolierschicht umgeben ist. Zum Beispiel weist eine bevorzugte Kombination einen dünnen Polysiliciumfilm über einer Nitridschicht auf, um der Membran strukturelle Steifigkeit zu verleihen. Der Dorn 38 besteht vorzugsweise aus einem leitfähigen mittleren Körper, der von einem dünnen Isoliermaterial gleichmäßiger Dicke, zum Beispiel Siliciumoxid oder Siliciumnitrid, umgeben und mit den Wandungen 26 starr verbunden ist. Die axial beabstandeten Oberflächen des Dorns 38 sind flach ausgebildet. Jeder den einzelnen Düsen zugeordnete Dorn ist getrennt elektrisch adressierbar.
  • Die rückseitige Membran 36 ist derart ausgebildet, dass ihr äußerer Umfang sich nahe der rückseitigen Oberfläche des Dorns 38 oder in mechanischem Kontakt mit dieser befindet und ihr mittlerer Bereich einen Abstand zur rückseitigen Oberfläche des Dorns aufweist, so dass das Raumvolumen mindestens gleich dem Volumen eines auszustoßenden Tropfens ist. Die vordere Membran 28 befindet sich mindestens an ihrem äußeren Umfang im wesentlichen nahe der vorderen Oberfläche des Dorns 38 oder in mechanischen Kontakt mit diesem. Entlang des Randes der Membranen ist der Anlagewinkel zwischen Membranen und Dorn sehr klein, vorzugsweise kleiner als 5°. Dies wird bei der vorderen Membran 28 dadurch erreicht, dass sie in gleichmäßig geringem Abstand zur vorderen Oberfläche des Dorns angeordnet und damit planar ist. Bei der rückseitigen Membran 36 wird dies dadurch erreicht, dass man sie vom Dorn weg konvex ausbildet.
  • Die beiden adressierbaren Membranen sind konstruktiv über ein starres Kopplungselement 40 verbunden. Dieses Kopplungselement ist elektrisch isolierend, wobei darunter auch ein Koppler aus leitfähigem Material mit einer nicht leitfähigen Unterbrechung verstanden werden kann. Das Kopplungselement 40 verbindet die beiden adressierbaren Membranen konstruktiv und isoliert sie, so dass beide unterschiedliche Spannungen führen können. Das Kopplungselement kann aus formentsprechend abgeschiedenem Siliciumdioxid bestehen. Wegen der Kopplung der Membra nen, und weil die Membranen jeweils in einem Spannungszustand aufgebracht werden, bewegen sich die entspannten gekoppelten Membranen in einen Gleichgewichtszustand, in dem sich die Membranen jeweils um den äußeren Umfang herum in der Nähe des Dorns oder in mechanischem Kontakt mit ihm befinden und im mittleren Bereich des Betätigungselements vom Dorn in Wesentlichen beabstandet sind.
  • Bei der DOD-Flüssigkeitsausstoßvorrichtung der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung sind die elektrischen Verbindungen von den Fluid-Verbindungen entfernt angeordnet. Dabei befinden sich die elektrischen Verbindungen vorzugsweise auf der der Düse gegenüberliegenden Seite des Druckkopfs.
  • 35 zeigen Draufsichten der Düsenplatte 24, in denen verschiedene alternative Ausführungsformen der Anordnung der verschiedenen Düsenöffnungen 22 eines Druckkopfs dargestellt sind. Dabei ist anzumerken, dass in 2 und 3 die Innenfläche der Wandungen 26 ringförmig ist, während die Wandungen 26 in 5 rechteckige Kammern ausbilden.
  • Ausgehend vom Gleichgewichtszustand, in dem sich jede Membran im mittleren Bereich des Betätigungselements im Wesentlichen in einem Abstand zum Dorn befindet, wird zum Ausstoßen eines Tropfens ein elektrostatisches Potential zwischen leitfähigen Bereichen der vorderen Membran 28 und des Dorns 38 oder mit diesen zusammenwirkenden leitfähigen Bereichen angelegt. Dabei werden die Potentiale des mittleren Dorns 38 und der rückseitigen Membran 36 auf gleichem Wert gehalten. Die vordere Membran 28 drückt die rückseitige Membran 36 über das starre Kopplungselement 40 nach unten, wodurch die rückseitige Membran 36, wie dargestellt, verformt wird und das elastische Energiepotential im System speichert. Da die vordere Membran 28 einen Wandungsbereich der Flüssigkeitskammer 30 hinter der Düsenöffnung ausbildet, wird die Kammer durch die Bewegung der vorderen Membran 28 von der Düsenplatte 24 weg ausgeweitet, und es wird Flüssigkeit durch die Öffnungen 32 in die sich ausweitende Kammer angesaugt. An die rückseitige Membran 36 wird keine elektrostatische Ladung angelegt, das heißt ihre Spannung ist gleich der Spannung des mittleren Dorns 38, und sie bewegt sich zusammen mit der vorderen Membran 28. Nach einem Merkmal der Erfindung beträgt der Anlagewinkel zwischen der vorderen Oberfläche der adressierbaren Membran 28 und der rückseitigen Oberfläche des mittleren Dorns 38 weniger als 10°, vorzugsweise weniger als 5°. Dies garantiert, dass nur eine kleine Spannungsdifferenz erforderlich ist, um die adressierbare Membran 28 abwärts zu ziehen und am mittleren Dorn 38 in Anlage zu bringen.
  • Danach (zum Beispiel einige Mikrosekunden später) wird die vordere Membran 28 deaktiviert, indem ihr Potential auf das Potential des Dorns 38 gebracht wird. Gleichzeitig wird die rückseitige Membran 36 durch Anlegen eines Differenzpotentials zwischen den leitfähigen Bereichen der rückseitigen Membran 36 und des Dorns aktiviert. Aufgrund dessen wird die rückseitige Membran 36 bei gleichzeitiger Entlastung des gespeicherten elastischen Energiepotentials in Richtung des mittleren Dorns 38 gezogen. Die Deaktivierung der Membran 28 und die Aktivierung der Membran 36 können gleichzeitig erfolgen, oder es kann eine kurze Wartezeit dazwischen liegen, so dass die Struktur sich ausschließlich durch die Kraft des im System gespeicherten elastischen Energiepotentials von der in 2 dargestellten Position in die in 6 dargestellte Position zu bewegen beginnt. Wenn die gekoppelten Membranen 28 und 36 sich in einer ersten Richtung zur Düsenöffnung 22 hin bewegen, nimmt der Anlagebereich zwischen der rückseitigen Membran 36 und dem Dorn 38 progressiv zu, während die Oberfläche der rückseitigen Membran progressiv kleiner wird, weil ja ihre Krümmung abnimmt. Gleichzeitig wird der Anlagebereich zwischen der vorderen Membran 28 und dem Dorn zunehmend kleiner, und der Oberflächenbereich der vorderen Membran nimmt progressiv zu. Wie in 2 zu sehen ist, wird dadurch die Flüssigkeit in der Kammer 30 hinter der Düsenöffnung zusammengedrückt, so dass ein Tropfen aus der Düsenöffnung ausgestoßen wird. Um sowohl das Nachfüllen als auch den Tropfenausstoß zu optimieren, sollten die Öffnungen 32 – wie bei der Konstruktion von Tintenstrahldruckköpfen bekannt – so ausgelegt werden, dass ein ausreichend geringer Strömungswiderstand entsteht, damit das Füllen der Kammer 30 bei Aktivierung der Membran 28 nicht wesentlich behindert wird, dabei aber ein ausreichend hoher Widerstand gegen Rückfluss der Flüssigkeit durch die Öffnung während des Tropfenausstoßes besteht.
  • In 7 ist ein SOI-Substrat 50 mit einer Substratschicht 52, die typischerweise aus Einkristall-Silicium besteht, darauf aber nicht beschränkt ist, ferner einer ersten Membranschicht 54 vorzugsweise aus Siliciumnitrid oder Kombinationen von Siliciumnitrid, Siliciumoxid und Polysilicium, einer ersten Schutzschicht 56, die vorzugsweise aus Siliciumdioxid besteht, darauf aber nicht beschränkt ist, und einer vorzugsweise aus dotiertem Einkristall-Silicium bestehenden Dornschicht 58 dargestellt. Wie in der Herstellung von SOI-Substraten bekannt, können diese Schichten zum Beispiel durch chemische Dampfabscheidungstechniken aufgebracht oder durch Übertragung von Hilfssubstraten aus Silicium und entsprechenden Materialien gebondet werden. Bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung liegen die typischen Schichtdicken der Substratschicht 52 im Bereich zwischen 10 und 1000 Mikron. Die Dicke der ersten Membranschicht 54 kann zwischen 0,1 und 10 Mikron, die Dicke der ersten Schutzschicht 56 zwischen 0,1 und 10 Mikron, die Dicke der Dornschicht 58 zum Beispiel zwischen 1 und 100 Mikron liegen. Diese Dicken werden bei der SOI-Substratherstellung üblicherweise erreicht.
  • In 8a und 8b wurden eine mittige Rinne 59 und eine periphere Rinne 62 in die Dornschicht 58 geätzt und mit einem Schutzmaterial, vorzugsweise Siliciumdioxid, gefüllt. Anschließend wird das Schutzmaterial planarisiert, so dass ein ringförmiger Dorn 62 entsteht. Die mittige Rinne 59 sorgt für die Verbindung zwischen später aufgebrachten Schichten und der ersten Membranschicht 54, während die periphere Rinne 60 für die elektrische Isolierung des Dorns 62 sorgt.
  • Für den Fachmann auf dem Gebiet der Halbleitergerätefertigung ist ersichtlich, dass Materialeinlagen der in 8a und 8b dargestellten Art auch dadurch hergestellt werden können, dass man ein SOI-Substrat mit einer Substratschicht, normalerweise aus Einkristall-Silicium, einer ersten Membranschicht, vorzugsweise aus Siliciumnitrid oder Kombinationen von Siliciumnitrid, Siliciumoxid und Polysilicium, und einer dicken ersten Schutzschicht, vorzugsweise aus Siliciumdioxid, vorsieht. Die Schutzschicht wird in den Bereichen, in denen der Dorn ausgebildet werden soll, geätzt, wonach das Material des Dorns aufgebracht und planarisiert wird, um das Dornmaterial von der oberen Fläche (8) der ersten Schutzschicht, wo nicht geätzt wurde, vollständig zu entfernen.
  • In 9 ist eine optionale Schutzschicht 64, die zum Beispiel aus demselben Material bestehen kann wie die erste Schutzschicht 56, auf die planarisierte Oberfläche aufgebracht. Auf diese Weise ist der Dorn 62 vollständig von Schutzmaterial umgeben. Die optionale Schutzschicht 64 stellt eine obere Elektrode mit größerem freiem Bereich dar, wie dies nachstehend noch beschrieben wird. Wenn der Dorn aus Silicium besteht, kann die optionale Schutzschicht auch durch Züchten von Siliciumoxidkristallen auf dem Dorn 62 aufgebracht werden.
  • Danach wird, wie in 9 dargestellt, eine gekrümmte Linse 66 mit einem Anlagewinkel von vorzugsweise mehr als 170° über dem Dorn 62 ausgebildet. Eine Linse dieser Art kann zum Beispiel so hergestellt werden, dass man ein im Querschnitt rechteckig ausgebildetes Polymer Lösungsmitteldämpfen aussetzt oder ein geformtes Polymer einer Wärmeeinwirkung aussetzt, wie dies auf dem Gebiet der Herstellung optischer Linsen bekannt ist. Auf dem Gebiet der Herstellung von Mikrostrukturen bekannte alternative Verfahren zur Herstellung gekrümmter Linsen sind zum Beispiel die Grauskalenmasken-Belichtung eines Fotolacks und das Laminieren eines in Linsenform gepressten Materials, etwa eines Polymers.
  • Gemäß 10 wird nach der Ausbildung der Linse 66 eine Verbindungsöffnung 68 in die Linse, in die optionale Schutzschicht 64, das Schutzmaterial in der mittigen Rinne 59 und in eine zweite Schutzschicht 64 geätzt. Die Verbindungsöffnung wird zum Beispiel durch Maskieren der Linse mit einer harten Maske und anisotropes Ätzen der Linse und der mittigen Rinne ausgebildet, wobei bis zur ersten Schicht 54 herunter geätzt wird.
  • Gemäß 11 wird dann eine zweite, vorzugsweise aus Siliciumnitrid bestehende Schutzschicht 70 formgerecht etwa durch plasmaunterstützte chemische Dampfabscheidung auf die optionale Schutzschicht 64, die Linse 66 und die Wandungen der mittigen Rinne 59 aufgebracht. Die aufgebrachte zweite Membranschicht 70 verbindet sich mit der ersten Membranschicht 54 in der durch die mittige Rinne geätzten Öffnung.
  • In 12 wurden das Schutzmaterial in der mittigen Rinne 59 und Bereiche der ersten Schutzschicht 56 und der zweiten Schutzschicht 64 zum Beispiel durch Dampfätzen entfernt. Der Ätzvorgang wird am besten, wie auf dem Gebiet der Herstellung von Mikrostrukturen bekannt, durch (nicht dargestellte) kleine Öffnungen hindurch ausgeführt, die später durch chemische Dampfabscheidung gefüllt werden können.
  • Gemäß 13a13c wird eine erste Elektrodenschicht 72, zum Beispiel eine leitfähige Schicht, etwa aus dotiertem Polysilicium, formentsprechend auf die zweite Membranschicht 70 aufgebracht. Die Kombination aus erster Elektrodenschicht und zweiter Membranschicht wird in einem Bereich des Dorns durch Ätzen entfernt, so dass ein Kontaktbereich 74 entsteht.
  • Gemäß 14 wird als nächstes eine Schutzschicht 76 gegenüber dem Substrat aufgebracht, um das Substrat während der weiteren Bearbeitung handhaben zu können. In 14 ist auch ein Ergebnis der weiteren Bearbeitung zu sehen, nämlich die Ausbildung eines Tintenhohlraums 78 durch induktives Tiefätzen eines Bereichs der Substratschicht 52. Das anisotrope Plasma-Tiefätzen ist auf dem Gebiet der Mikrobearbeitung für viele Materialien bekannt. Wie aus 14 ersichtlich ist, wird das reaktive Tiefätzen nicht vollständig bis zur ersten Membranschicht durchgeführt, sondern es bleibt ein Bereich des Substrats 52 ungeätzt, der die zweite, mit der ersten Membranschicht 54 im mittleren Bereich des Betätigungselements in Kontakt befindliche Elektrode 59 ausbildet. In diesem Fall besteht das Substrat aus Silicium, und die zweite Elektrodenschicht 54 ist wegen seiner Dotierung leitfähig. Darüber hinaus sind noch viele weitere Methoden der Ausbildung des Tintenhohlraums bekannt, zum Beispiel die Mikro-Elektroerosionsbearbeitung, wenn das Substrat aus einem metallischen Material besteht. Alternativ könnte der Tintenhohlraum auch in das Substrat 59 geprägt und eine zweite Elektrodenschicht 79 durch Abscheiden einer leitfähigen Schicht aufgebracht werden. Da die zweite Elektrodenschicht und die erste Membranschicht so dünn sind, dass sie flexibel sind, und da die zweite Membranschicht mit der ersten Membranschicht in Kontakt steht, sind die ersten und die zweiten Membranen und die zugehörigen ersten und zweiten Elektrodenschichten so ausgebildet, dass sie sich gemeinsam bezüglich des Dorns bewegen.
  • In 15 ist eine Düsenplatte 80 vorzugsweise aus Silicium zu sehen, die eine Düsenbohrung 82 aufweist, durch die aufgrund der gemeinsamen Bewegung der Elektrodenschichten Tinte ausgestoßen wird. Ein Ausrichtelement 84 in der Düsenplatte 80 sorgt für die Ausrichtung der Düsenbohrung zum Tintenhohlraum 78. Wie auf dem Gebiet der Tintenstrahl-Ausstoßvorrichtungen bekannt ist, kann die Düsenplatte mittels einer Epoxy-Bindung oder durch anodisches Bonden am Substrat angebracht sein. Die Düsenplatte weist Kanäle 8616 – für die Zuführung von Tinte zum Tintenhohlraum auf.
  • 15 zeigt ferner die Ausbildung von Kontaktöffnungen 88 für die elektrische Verbindung des Dorns 62 und der ersten Elektrodenschicht 72 durch Abscheiden von in 17 dargestellten Durchgangsverbindungen 90. Mittels dieser elektrischen Verbindungen können der Dorn 62 und die zweite Elektrodenschicht 79 mit elektronischen Schaltungen verbunden sein, die zum Beispiel auf einem mit den Durchgangsverbindungen verbundenen CMOS-Substrat 92 vorgesehen sein können – siehe 18. In 19 wurde die Schutzschicht 76 zum Beispiel durch Plasmaätzen entfernt, um die ungehinderte Bewegung der ersten und zweiten Membranschichten und der ersten und zweiten Elektrodenschichten bezüglich des Dorns zu ermöglichen, wenn durch die Durchgangsverbindungen Spannungen an den Dorn und die erste Elektrodenschicht angelegt werden. Es wird davon ausgegangen, dass das Substrat und das CMOS-Substrat, wie allgemein üblich, dasselbe Potential aufweisen.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen, mikroelektromechanischen, elektrostatischen Betätigungselements zum Erzeugen von Vorrichtungen zum Ausstoßen von Flüssigkeit auf Anforderung, mit den Schritten: Aufbringen einer ersten Schicht (54) aus dielektrischem Material auf ein Substrat (52); Entfernen eines der ersten Schicht (54) aus dielektrischem Material gegenüberliegenden Abschnitts des Substrats zum Ausbilden einer ersten Elektrode (79); Ausbilden einer Ausgangsschicht (56) aus einem Schutzmaterial auf der ersten Schicht aus dielektrischem Material in einer dem Substrat (52) gegenüberliegenden Position; Aufbringen eines elektrisch isolierten planaren Dorns (62) auf der Ausgangsschicht (56) aus Schutzmaterial in einer der Schicht (54) aus dielektrischem Material gegenüberliegenden Position; Ausbilden einer Folgeschicht (64) aus dem Schutzmaterial auf dem Dorn (62) derart, dass der Dorn (62) vom Schutzmaterial umgeben ist; Ausbilden einer gekrümmten Linse (66) auf der Folgeschicht (64) aus Schutzmaterial; Belichten eines Bereichs der Schicht (54) aus dielektrischem Material durch die gekrümmte Linse hindurch sowie durch die Folgeschicht und die Ausgangsschicht (64, 56) aus dem Schutzmaterial hindurch; Ausbilden einer zweiten Schicht (70) aus dielektrischem Material auf der gekrümmten Linse (66) und auf der Folgeschicht (64) aus Schutzmaterial, wobei die zweite Schicht (70) aus dielektrischem Material sich zum belichteten Bereich der Schicht (54) aus dielektrischem Material hin erstreckt; Entfernen von Bereichen der Ausgangsschicht und der Folgeschicht aus Schutzmaterial und von Bereichen der gekrümmten Linse (66) derart, dass sich miteinander verbundene Hohlräume um den Dorn (62) herum bilden; und Aufbringen einer zweiten Elektrode (72) auf der zweiten Schicht (70) aus dielektrischem Material, wodurch die erste Elektrode (79) und die zweite Elektrode (72) durch die so ausgebildete Struktur (54, 70) derart befestigt werden, dass sich die erste Elektrode (79), die Struktur (54, 70) und die zweite Elektrode (72) bezüglich des Dorns (62) gemeinsam frei bewegen können.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, worin durch das Entfernen des Abschnitts des Substrats (52) ein Tintenhohlraum (78) entsteht.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, mit dem Schritt des Befestigens einer Düsenplatte (80) am Substrat (52), um den Tintenhohlraum (78) zu verschließen.
  4. Verfahren zum Herstellen eines mehrschichtigen, mikroelektromechanischen, elektrostatischen Betätigungselements zum Erzeugen von drop-on-demand Vorrichtungen zum Ausstoßen von Flüssigkeit, mit den Schritten: Ausbilden eines elektrisch isolierten, planaren Dorns (62) auf einem Substrat (52), das eine Oberfläche aus einem ersten dielektrischen Material (54) aufweist, wobei der Dorn (62) auf mindestens den Oberflächen, welche sich nicht gegenüber dem Substrat befinden, von einem Schutzmaterial (56, 60, 64) umgeben ist; Bereitstellen einer Linse (66) in einer dem Substrat (52) gegenüberliegenden und über dem Dorn befindlichen Position; durch Ätzen des Substrats (54, 52) Entfernen von Abschnitten der Linse und der Schutzschicht in mindestens einem Bereich (68), der vom Dorn durch Abschnitte (60) des Schutzmaterials entfernt worden ist; Ausbilden einer Folgeschicht (70) aus dielektrischem Material auf den Oberflächen über dem Dorn und der Linse dem Substrat gegenüber und innerhalb der geätzten Abschnitte (54, 60) der Linse und des Schutzmaterials; Entfernen von Abschnitten aus Schutzmaterial (56, 60, 64) und von Abschnitten der Linse (66) derart, dass über und unter dem Dorn Hohlräume entstehen, die innerhalb der geätzten Abschnitte der Linse und des Schutzmaterials miteinander verbunden sind; Ausbilden einer Elektrodenschicht (72) oben auf der Schicht (70) aus dielektrischem Material; und Entfernen eines Abschnitts (78) auf dem Substratmaterial (52), um eine zweite Elektrodenschicht (79) auszubilden, wodurch die erste Elektrode (72) und die zweite Elektrode (79) bezüglich des Dorns (66) frei bewegbar sind und die erste Elektrode und der Dorn gegenüber dem Substrat elektrisch isoliert sind.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, worin das erste Schutzmaterial aus Siliciumoxid besteht.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, worin das erste Schutzmaterial aus Siliciumnitrid besteht.
  7. Verfahren nach Anspruch 4, worin der elektrisch isolierte, planare Dorn auf allen Flächen von Schutzmaterial umgeben ist und das Schutzmaterial auf dem Dorn gegenüber dem Substrat aus Siliciumoxid besteht.
  8. Verfahren nach Anspruch 4, worin die Linse gebildet wird durch Ablagern eines Polymers und durch Rückfluss des Polymers unter der Einwirkung von Wärme.
  9. Verfahren nach Anspruch 4, worin die Linse gebildet wird durch Ablagern eines Polymers und durch Rückfluss des Polymers, indem dieser einem Lösungsmitteldampf ausgesetzt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 4, worin das Substrat mit seiner Oberfläche aus einem ersten dielektrischen Material ein SOI Substrat ist, das gebildet wird durch sequentielle Ablagerung von Siliciumnitrid und Siliciumoxid auf einem Siliciumplättchen im Anschluss an das Verbinden eines Siliciumplättchens mit der Oxidschicht.
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