DE60020308T2

DE60020308T2 - Verfahren zur herstellung eines tintenstrahldruckkopfes

Info

Publication number: DE60020308T2
Application number: DE60020308T
Authority: DE
Inventors: Ichiro Kohno; Junji Hamura-shi Shiota; Hideki Hachioji-shi Kamada; Satoshi Iruma-shi Kanemitsu; Yoshihiro Fussa-shi Kawamura
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 1999-02-01
Filing date: 2000-01-31
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2020-02-01
Also published as: EP1075390B1; CN1293619A; CN1151024C; DE60020308D1; WO2000046031A1; EP1075390A1; US6473966B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum gleichzeitigen und schnellen Ausbilden (Bohren) von Düsen als Ausstoßdüsen (im Weiteren "Düsen" genannt) mit präziser Form in der Düsenplatte eines Tintenstrahldruckerkopfes.
Stand der Technik
Tintenstrahldrucker sind in letzter Zeit allgemein gebräuchlich. Zu den Tintenstrahldruckern gehört ein thermischer Strahltyp, welcher Tintentropfen unter dem Druck von Blasen ausstößt, die durch das Heizen der Tinte mit Hilfe eines wärmeerzeugenden Widerstandselementes erzeugt werden, und ein piezoelektrischer Typ, welcher Tintentropfen durch Druck ausstößt, der durch die Deformation eines piezoelektrischen Widerstandselementes (piezoelektrisches Element) auf die Tinte ausgeübt wird.
Da diese Arten von Druckern keinen Entwicklungsschritt und keinen Übertragungsschritt benötigen und direkt Tintentropfen auf ein Aufnahmemedium zum Aufnehmen von Informationen ausstoßen, sind sie durch eine einfache Miniaturisierung und geringere Druckenergie gegenüber einem elektrofotografischen Typus, welcher einen staubartigen Toner benötigt, im Vorteil. Daher sind Tintenstrahldrucker insbesondere als private Drucker populär.
Die Druckerköpfe des thermischen Strahltypus werden gemäß der Ausstoßrichtung der Tintentropfen in zwei Strukturen eingeteilt. Der erste Typus stellt einen seitlichen Ausstoßtypus eines thermischen Tintenstrahldruckerkopfes dar, welcher Tintentropfen in einer Richtung parallel zu der wärmeerzeugenden Oberfläche des wärmeerzeugenden Widerstandselementes ausstößt. Der zweite Typus stellt einen vom Dach ausstoßenden oder von oben ausstoßenden Typus eines thermischen Tintenstrahldruckerkopfes dar, der Tintentropfen in einer Richtung senkrecht zu der wärmeerzeugenden Oberfläche des wärmeerzeugenden Widerstandselementes ausstößt. Der vom Dach ausstoßende Typus des thermischen Tintenstrahldruckerkopfes ist besonders bekannt für seinen sehr niedrigen Energieverbrauch.
1A ist eine perspektivische Ansicht, die die Struktur eines Druckers zeigt, der mit einem thermischen Tintenstrahldruckerkopf des vom Dach ausstoßenden Typus ausgestattet ist, 1B ist eine ebene Ansicht, die die Tinte ausstoßende Seite des Tintenstrahldruckerkopfes zeigt, 1C ist eine Querschnittsansicht aus der Richtung von C-C' in 1B, und 1D ist eine ebene Ansicht, die beispielhaft einen Siliziumwafer illustriert, aus welchem dieser Tintenstrahldruckerkopf hergestellt wird.
Ein in 1A gezeigter Drucker 1 stellt einen kompakten Drucker für den Heim- und persönlichen Bedarf dar und weist einen Wagen 2 auf, an den ein Tintenstrahldruckerkopf 3, der druckt, und eine Tintenpatrone 4, die Tinte enthält, angebracht sind. Der Wagen 2 wird gleitend durch eine Führungsschiene 5 gehalten und ist des Weiteren durch einen gezahnten Antriebsriemen 6 gesichert. Durch diese Struktur werden der Tintenstrahldruckerkopf 3 und die Tintenpatrone 4 wechselseitig in die Hauptdruckrichtung bewegt, wie es durch einen doppelköpfigen Pfeil B in dem Diagramm angezeigt ist. Dieser Tintenstrahldruckerkopf 3 ist über ein flexibles Kommunikationskabel 7 mit einer nicht gezeigten Steuerungseinheit in dem Hauptgehäuse des Druckers 1 verbunden. Die Steuerungseinheit sendet über das flexible Kommunikationskabel 7 Druckdaten und Steuerungssignale an den Tintenstrahldruckerkopf 3.
In dem unteren Bereich eines Rahmens 8 ist eine Schreibwalze 9 angebracht, die dem Tintenstrahldruckerkopf 3 gegenüberliegt und sich in die Hauptdruckrichtung dieses Kopfes 3 erstreckt. Papier 10 wird stoßweise in Kontakt mit der Schreibwalze 9 in einer Richtung senkrecht zu der Druckrichtung, wie durch einen Pfeil C in dem Diagramm angezeigt, über Papiereinführrollen 11 und Papierausstoßrollen 12 zugeführt. Während der stationären Zeiten innerhalb des stoßweisen Zuführens des Papiers 10 stößt der Tintenstrahldruckerkopf 3 Tintentropfen auf das Papier 10 in unmittelbarer Nähe aus und druckt auf das Papier 10, während er über durch Motor 3 über den gezahnten Antriebsriemen 6 und den Wagen 2 angetrieben wird. Das Bedrucken des Papiers 10 wird durch Wiederholen des stoßweise Zuführens des Papiers 10 und des Tintenausstoßes während der Hin- und Herbewegung des Tintenstrahldruckerkopfes 3 erreicht.
Während für solche Drucker in der Vergangenheit monochromatische Drucker den Normalfall darstellten, sind Farbdrucker in letzter Zeit ziemlich populär geworden. Der Tintenstrahldruckerkopf 3 weist für die Benutzung in einem Farbdrucker vier parallele Düsenspalten 16 zum Ausstoßen von vier unterschiedlichen Farbtinten auf, die in einer Düsenplatte 15 ausgebildet sind, die mit einem Chipsubstrat 14 verbunden ist, welches z. B. eine Größe von 10 mm × 15 mm, wie in 1B gezeigt, aufweist. Jede Düsenspalte 16 weist, z. B. für eine Auflösung von 360 dpi, 128 Düsen 17 oder, z. B. für eine Auflösung von 720 dpi, 256 Düsen 17 auf.
Eine Art, einen solchen Tintenstrahldruckerkopf herzustellen besteht dann, gleichzeitig viele Düsen, eine Vielzahl von wärmeerzeugenden Elementen und Treibern, die die jeweiligen Elemente antreiben, in einer monolithischen Art unter Verwendung der Silizium-LSI-Technologie und der Dünnfilm-Technologie herzustellen. Gemäß diesem Verfahren werden die wärmeerzeugenden Elemente 18 und Treiber 19, die jeweils mit den 128 oder 256 Düsen 17 assoziiert sind, auf dem selben Chipsubstrat 14 ausgebildet.
Vielfache Tintenstrahldruckerköpfe 3 werden, wie in 1 D gezeigt, gleichzeitig auf einem Siliziumwafer 21 ausgebildet. Auf jedem einer vorherbestimmten Anzahl von Chipsubstraten 14 werden individuelle Drahtelektroden 22 zum Antreiben der jeweiligen wärmeerzeugenden Elemente 18 und eine gemeinsame Elektrode 23, Verbindungsleitungen 24 und Energieversorgungsleitungen 25, die mit diesen Elektroden verbunden sind, eine Abteilung 27 zum Ausbilden von Tintenflusskanälen 26, ein Tintenzuflussloch 28 zum Aufnehmen von Tinte, die von einer externen Tintenpatrone 4 den Tintenflusskanälen 26 zuzuführen ist, und eine gemeinsame Tintenzuführungsrinne 29 zusätzlich zu den Düsen 17, den wärmeerzeugenden Elementen 18 und den Treibern 19 ausgebildet.
Die Tintenstrahldruckerköpfe 3, deren individuelle Komponenten auf diese Weise auf dem Siliziumwafer 21 ausgebildet werden, werden schließlich in einzelnen Einheiten entlang von Anrisslinien unter der Benutzung einer Chipsäge oder Ähnlichem ausgeschnitten. Jede einzelne Einheit wird auf ein Trägersubstrat, unter Verbindung ihrer Leitungen mit denen des Substrats, punktgestanzt, wodurch der Tintenstrahldruckerkopf 3 fertiggestellt wird.
Während des Druckens werden die wärmeerzeugenden Elemente 18 in dem Tintenstrahldruckerkopf 3 im Einklang mit Druckinformationen selektiv mit Energie versorgt oder aktiviert, wodurch sie spontan Wärme erzeugen, um eine dünne Schicht der Tinte zum Kochen zu bringen. Als ein Ergebnis werden Tintentropfen von den Düsen 17 entsprechend den wärmeerzeugenden Elementen 18, die Wärme erzeugt haben, ausgestoßen.
Durch diesen Tintenstrahldruckerkopf 3 werden die Tintentropfen in einer annähernd sphärischen Form in einer Größe entsprechend dem Durchmesser der Düsen 17 ausgestoßen und in etwa der doppelten Größe auf Papier gedruckt.
Konventionellerweise werden die Düsen 17 in die Düsenplatte 15 auf jedem Chipsubstrat 14 unter der Verwendung einer Excimerlaser-Technik oder durch Nass- oder Trockenätzen gebohrt. Nach der Trockenätzmethode wird, nachdem ein Metallfilm aus Al, Ni oder Cu auf die Düsenplatte 15 aufgebracht worden ist, dieser gemustert, und die Düsenplatte 15 wird selektiv mit Hilfe eines gewöhnlichen Trockenätzsystems geätzt, wobei der gemusterte Metallfilm als eine Maske verwendet wird.
In dem Schritt des Bohrens der Düsen ist es erforderlich, genau z. B. 128 Düsen 17 von einer vorherbestimmten Größe und Form an vorherbestimmten Orten auszubilden. In dem konventionellen Verfahren besteht jedoch eine Schwierigkeit darin, gleichzeitig und präzise die vielen Düsen 17 in einer vorherbestimmten Größe und Form in der dicken Düsenplatte 15 an vorherbestimmten Orten auszubilden. Konventionellerweise werden daher Düsen über eine gewisse Zeitspanne in der Düsenplatte ausgebildet, so dass das Bohren der gesamten Düsen Zeit in Anspruch nimmt.
Offenbarung der Erfindung
Dem gemäß ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Tintenstrahldruckerkopfs zur Verfügung zu stellen, durch das gleichzeitig und genau viele Düsen als Ausstoßdüsen an vorherbestimmen Positionen und in einer vorherbestimmten Größe und Form in kurzer Zeit ausgebildet werden können.
Um dieses Ziel zu erreichen, wird gemäß einem Aspekt dieser Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Tintenstrahldruckerkopfs zur Verfügung gestellt, der ein Substrat, das mit einer Vielzahl von energieerzeugenden Elementen zum Erzeugen von Druckenergie zum Ausstoßen von Tinte versehen ist und eine Düsenplatte aufweist, die sich auf dem Substrat befindet und eine Vielzahl von Ausstoßdüsen aufweist, die in ihr zum Ausstoßen von Tinte in eine vorherbestimmte Richtung durch Druck, der von den energieerzeugenden Elementen erzeugt wird, ausgebildet sind, wobei das Verfahren die Schritte des Ausbildens einer Ätzmaskenschicht, die vor dem Ausbilden der Ausstoßdüsen ein Muster entsprechend den Ausstoßdüsen in der Düsenplatte aufweist, und des Ausbildens der Vielzahl von Ausstoßdüsen in der Düsenplatte durch Trockenätzen mit einer Helicon-Wave-Plasmaquelle (im weiteren „Helicon-Wave-Trockenätzen" genannt), während ein Druckerkopfsubstrat, das die Düsenplatte mit der Maskenschicht, die auf dem Substrat platziert ist, aufweist, gekühlt wird, umfasst.
Gemäß diesem Verfahren, bei dem Ausstoßdüsen gebohrt werden, während das Druckerkopfsubstrat, das unter Verwendung von Helicon-Wave-Trockenätren, das ein schnelles Ätzen mit einem großen Ionenstrom gewährleistet, zu ätzen ist, gekühlt wird, ist es möglich, verlässlich zu verhindern, dass die Temperatur des bearbeiteten Druckerkopfsubstrats übermäßig ansteigt, was ansonsten die Form der zu bohrenden Ausstoßdüsen nachteilig beeinflussen würde. Dieses kann ermöglichen, dass viele Ausstoßdüsen von der gewünschten und geeigneten Größe und Form gleichzeitig und schnell gebohrt werden.
Es wird bevorzugt, dass in diesem Verfahren die Düsenplatte eine viellagige Platte ist, die auf jeder Seite einer Polyimidplatte eine abgelagerte thermoplastische Haftschicht mit einem Glassübergangspunkt von höher als 200° C aufweist. In diesem Fall kann das Druckerkopfsubstrat auf 200 °C oder darunter gekühlt werden. Dadurch wird das konventionelle Problem behoben, dass die thermoplastischen Haftschichten thermisch überdehnt werden und dadurch das Ausbilden der Ausstoßdüsen nachteilig beeinflussen.
Bei dem obigen Verfahren wird es bevorzugt, dass das Druckerkopfsubstrat durch Kühlen einer Unterseite des Substrats mit einem Kühlgas gekühlt wird. In diesem Fall wird das Kühlgas, wenn die Ausstoßdüsen durchgebohrt werden, aus den Ausstoßdüsen herausgeblasen. Das erste geeignete Verfahren, diesen Mangel zu beheben, besteht darin, dass, nachdem ein Tintenzuführungskanal, der sich von der Unterseite des Substrats bis zu einer oberen Oberfläche desselben erstreckt, ausgebildet worden ist, der Tintenzuführungskanal blockiert wird, bevor die Zuführung des Kühlgases beginnt, und, nachdem das Ausbilden der Ausstoßdüsen abgeschlossen worden ist, und die Zufuhr des Kühlgases beendet worden ist, die Blockierung des Tintenzuführungskanals aufgehoben wird. In diesem Fall, ist lediglich der Tintenzuführungskanal durch Anbringen einer Blockierplatte auf der Unterseite des Substrats zu blockieren, und es ist lediglich die Blockierung des Tintenzuführungskanals durch Entfernen der Blockierplatte aufzuheben.
Das zweite geeignete Verfahren, den obigen Mangel zu beheben, besteht darin, dass, bevor die Zuführung des Kühlgases beginnt, eine Vielzahl von Tintenleitungskanälen, die sich von einem Tintenzuführungskanal, der sich von der Unterseite des Substrats bis zu einer oberen Oberfläche desselben erstreckt, zu den energieerzeugenden Elementen, die auf der oberen Oberfläche des Substrats zur Verfügung gestellt werden, erstrecken, blockiert werden, und, nachdem das Ausbilden der Ausstoßdüsen abgeschlossen worden ist, und die Zufuhr des Kühlgases beendet worden ist, die Blockierung der Tintenleitungskanäle aufgehoben wird. In diesem Fall sind die Tintenleitungskanäle lediglich durch Einfüllen eines löslichen Kunstharzes, das durch ein Lösemittel leicht auflösbar ist, zu blockieren, und es ist lediglich die Blockierung der Tintenleitungskanäle durch Auflösen des löslichen Kunstharzes aufzuheben.
Es wird bevorzugt, dass das lösliche Kunstharz solcherart eingefüllt wird, dass es die energieerzeugenden Elemente bedeckt. Dieses verhindert, dass die energieerzeugenden Elemente durch ein Überätzen beschädigt werden.
Das dritte geeignete Verfahren, den obigen Mangel zu beheben, besteht darin, dass die Ausstoßdüsen gebohrt werden, bevor ein Tintenzuführungskanal, der sich von der Unterseite des Substrats bis zu einer oberen Oberfläche desselben erstreckt, geöffnet wird. In diesem Fall ist lediglich der Tintenzuführungskanal durch Verbinden einer Tintenzuführungsrinne auf einer oberen Oberfläche des Substrats mit einem Tintenzuführungsloch auf einer Unterseite des Substrats auszubilden, und es ist lediglich die Tintenzuführungsrinne oder das Tintenzuführungsloch auszubilden, um den Tintenzuführungskanal nach dem Ausbilden der Ausstoßdüsen zu öffnen. Es wird mehr bevor zugt, dass das Tintenzuführungsloch ausgebildet wird, um den Tintenzuführungskanal nach dem Ausbilden der Ausstoßdüsen zu öffnen.
Das vierte geeignete Verfahren, den obigen Mangel zu beheben, besteht darin, dass, nachdem die Zufuhr des Kühlgases zu der Unterseite des Substrats des Druckerkopfsubstrats begonnen hat, das Helicon-Wave-Trockenätzen begonnen wird, und die Zufuhr des Kühlgases sofort beendet wird, nachdem im wesentlichen sämtliche der Ausstoßdüsen durchgebohrt worden sind. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die Zeit, zu der im wesentlichen sämtliche der Ausstoßdüsen durchgebohrt worden sind, aus einer Änderung in einer Flussrate des Kühlgases bestimmt wird.
Um das obige Ziel zu erreichen, wird gemäß einem anderen Aspekt dieser Erfindung ein Verfahren zur Verfügung gestellt zum Herstellen eines Tintenstrahldruckerkopfs zum Ausführen eines Aufzeichnens durch Anwenden von Druckenergie auf Tinte und Ausstoßen der Tinte aus einer Vielzahl von Ausstoßdüsen auf ein Aufzeichnungsmedium, die Schritte des Anordnens einer Vielzahl von energieerzeugenden Elementen zum Erzeugen der Druckenergie auf einem Substrat, des Platzierens einer dünnen Schichtplatte als eine Düsenplatte, die sowohl an der oberen als auch der unteren Seite angeheftete Haftschichten aufweist, auf dem Substrat, worauf die energieerzeugenden Elemente angeordnet sind, und des gleichzeitigen Durchbohrens einer Vielzahl von Ausstoßdüsen in der Düsenplatte in Verbindung mit den energieerzeugenden Elementen durch Trockenätzen, während ein Druckerkopfsubstrat, das die Düsenplatte, die auf dem Substrat platziert ist, aufweist, mit einem der Rückseite des Substrats zugeführten Kühlgas gekühlt wird, umfassend.
Gemäß diesem Verfahren wird, selbst wenn eine dünne Schichtplatte mit auf beiden Seiten angehefteten thermoplastischen Haftschichten, die hinsichtlich der Wirksamkeit hervorragend ist, als eine Düsenplatte verwendet wird, ein Anstieg der Gesamttemperatur des Druckerkopfsubstrats während der Trockenätzens unterdrückt. Dieses kann verhindern, dass die thermoplastischen Haftschichten thermisch überdehnt werden, was ansonsten das Ausbilden der Ausstoßdüsen nachteilig beeinflussen würde, und kann ermöglichen, dass viele Ausstoßdüsen von der gewünschten und geeigneten Größe und Form gleichzeitig und schnell gebohrt werden. Es ist somit möglich, ein Verfahren zum Herstellen eines Tintenstrahldruckerkopfs, der mit Ausstoßdüsen von der gewünschten und geeigneten Größe und Form ausgestattet ist, mit großer Leistungsfähigkeit zur Verfügung zu stellen.
Gemäß dem zweiten Verfahren können, wenn Helicon-Wave-Trockenätzen als Trockenätzen verwendet wird, viele Ausstoßdüsen von geeigneter Form schneller gebohrt werden. Dieses verbessert den Durchsatz bei dem Herstellen der Tintenstrahldruckerköpfe weiter.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Diese Ziele und weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch das Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und der begleitenden Zeichnungen deutlich werden, in denen:
1A eine allgemeine perspektivische Ansicht eines konventionellen thermischen Tintenstrahldruckerkopfes darstellt;
1B eine ebene Ansicht ist, die den Druckerkopf des Tintenstrahldruckerkopfes von 1A von der Tinte ausstoßenden Seite aus gesehen zeigt;
1C eine Schnittansicht, gesehen aus der Richtung C-C' in 1B, ist;
1D eine ebene Ansicht ist, die einen Siliziumwafer darstellt, aus welchem der Druckerkopf in 1B hergestellt ist;
2A eine ebene Ansicht ist, die beispielhaft den Zustand illustriert, nachdem die Ausbildung der wärmeerzeugenden Elemente bei der Herstellung eines Tintenstrahldruckerkopfes gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung beendet worden ist;
2B eine Schnittansicht dieses Zustandes ist;
3A eine ebene Ansicht ist, die beispielhaft den Zustand zeigt, nachdem die Ausbildung einer Partition bei der Herstellung des Tintenstrahldruckerkopfes gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung beendet worden ist;
38 eine Schnittansicht dieses Zustands darstellt;
4A eine ebene Ansicht ist, die beispielhaft den Zustand zeigt, nachdem die Ausbildung der Düsen bei der Herstellung des Tintenstrahldruckerkopfes gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung beendet worden ist;
4B eine Schnittansicht dieses Zustands darstellt;
5A eine ebene Ansicht ist, die beispielhaft einen Teil f der Struktur von 2A in einer Vergrößerung zeigt;
58 eine Schnittansicht ist, wie sie aus der Richtung B-B' in 5A gesehen wird;
5C eine Schnittansicht ist, wie sie aus der Richtung C-C' in 5A gesehen wird;
6A eine ebene Ansicht ist, die beispielhaft einen Teil f der Struktur von 3A in einer Vergrößerung zeigt;
6B eine Schnittansicht ist, wie sie aus der Richtung B-B' in 6A gesehen wird;
6C eine Schnittansicht ist, wie sie aus der Richtung C-C' in 6A gesehen wird;
7A eine ebene Ansicht ist, die beispielhaft einen Teil f der Struktur in 4A in einer Vergrößerung zeigt;
7B eine Schnittansicht ist, wie sie aus der Richtung B-B' in 7A gesehen wird;
7C eine Schnittansicht ist, wie sie aus der Richtung C-C' in 7A gesehen wird;
8A eine ebene Ansicht ist, die einen Farbtintenstrahldruckerkopf gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt, wie er von der Tinte ausstoßenden Seite gesehen wird;
8B eine ebene Ansicht ist, die einen Siliziumwafer für die Herstellung des Kopfes von 8A darstellt;
9A eine Schnittansicht ist, die beispielhaft den Zustand in der Nähe der wärmeerzeugenden Bereiche zeigt, bevor die Ausbildung der Düsen begonnen wurde;
9B eine Schnittansicht ist, die beispielhaft den Zustand in der Nähe der wärmeerzeugenden Bereiche zeigt, nachdem die Ausbildung die Düsen begonnen wurde;
10 eine Schnittansicht ist, die beispielhaft ein Problem zeigt, welches entsteht, wenn die Düsen durch Helicon-Wave-Trockenätzen gebohrt werden;
11A ein beispielhaftes erklärendes Diagramm darstellt, das die schematische Struktur eines Helicon-Wave-Trockenätzsystems illustriert;
11B eine ebene Ansicht ist, die eine Wafer-Einspannbühne in dem Helicon-Wave-Trockenätzsystem von 11A zeigt;
11C eine Schnittansicht ist, die beispielhaft ein Druckerkopfsubstrat illustriert, welches durch das Helicon-Wave-Trockenätzsystem von 11A bearbeitet wird;
12 eine beispielhafte Querschnittansicht des Zustandes ist, in dem ein Kühlgas von den gebohrten Düsen ausgeblasen wird;
13A eine beispielhafte Schnittansicht darstellt, die ein Tintenzuführungsloch zeigt, das in einem Herstellungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung blockiert ist;
13B eine beispielhafte Schnittansicht ist, die den Tintenstrahldruckerkopf zeigt, der gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung erhalten wurde;
14 eine Tabelle ist, die eine Liste verschiedener Charakteristiken für verschiedene Arten von thermischen Trennplatten zeigt, die in dem Herstellungsverfahren der ersten Ausführungsform dieser Erfindung anwendbar sind;
15 eine Schnittansicht ist, die beispielhaft eine Modifikation der ersten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
16A – 16F beispielhafte Schnittansichten sind, die ein Herstellungsverfahren eines Tintenstrahldruckerkopfes gemäß einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung Schritt für Schritt für jeden der grundlegenden Schritte zeigt;
17A – 17E beispielhafte Schnittansichten sind, die ein Herstellungsverfahren eines Tintenstrahldruckerkopfes gemäß einer dritten Ausführungsform dieser Erfindung Schritt für Schritt für jeden der grundlegenden Schritte zeigt;
18A eine beispielhafte Schnittansicht ist, die den Zustand zeigt, bevor die Düsen durch ein Herstellungsverfahren eines Tintenstrahldruckerkopfes gemäß einer vierten Ausführungsform dieser Erfindung gebohrt worden sind;
18G eine beispielhafte Schnittansicht ist, die den Zustand zeigt, nachdem die Düsen in einem Herstellungsverfahren eines Tintenstrahldruckerkopfes gemäß der vierten Ausführungsform dieser Erfindung gebohrt worden sind; und
19 ein Flussdiagramm darstellt, welches das Herstellungsverfahren eines Tintenstrahldruckerkopfes gemäß der vierten Ausführungsform dieser Erfindung illustriert.
Beste Art der Ausführung der Erfindung
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Die 2A und 2B, 3A und 3B und die 4A und 4B sind schematische ebene Ansichten und Schnittansichten, die Schritt für Schritt die Herstellungsstadien zu drei Phasen eines Verfahrens zur Herstellung eines Tintenstrahldruckerkopfes vom monolithischen Typ gemäß der ersten Ausführungsform dieser Erfindung illustrieren. Auch wenn jedes dieser Diagramme aus Gründen der beschreibenden Einfachheit nur einen druckenden Kopf (der dieselbe Struktur wie ein monochromatischer Tintenstrahldruckerkopf aufweist) in einem Farbtintenstrahldruckerkopf zeigt, kann tatsächlich, wie später diskutiert wird, eine Vielzahl (normalerweise vier) von druckenden Köpfen desselben Typs auf einem einzigen Chipsubstrat Seite an Seite ausgebildet sein. Auch wenn 4A beispielhaft 44 Düsen zeigt, werden tatsächlich gemäß der Designregel viele Düsen, wie 64, 128 oder 256 Düsen, ausgebildet.
Die 5A, 6A und 7A stellen ebene Ansichten dar, die beispielhaft wesentliche Teile, in teilweiser Vergrößerung, der ebenen Ansichten von 2A, 3A, 4A zeigen. Die 5B, 6B und 7B sind Schnittansichten aus der Richtung B-B' in den ersten drei Diagrammen gesehen, und die 5C, 6C und 7C sind Schnittansichten aus der Richtung C-C' in den ersten drei Diagrammen gesehen. Die 5A – 7C zeigen fünf wärmeerzeugende Bereiche 33, fünf Düsen 44 und Ähnliches, die aus Gründen der Erklärungseinfachheit 64, 128 oder 256 wärmeerzeugende Bereiche, Düsen oder Ähnliches repräsentieren.
Im Weiteren wird das grundlegende Herstellungsverfahren diskutiert. Als erstes, als Schritt 1, werden Treiber und ihre Leitungen auf einem Siliziumsubstrat von 4 Inch oder mehr mithilfe von LSI-Technologie und eine Oxidschicht (SiO₂) mit einer Dicke von 1 bis 2 μm darauf ausgebildet. Als nächsten Schritt 2 wird eine Schicht eines wärmeerzeugenden Widerstands aus Tantalum (Ta)-Silizium (Si)-Sauerstoff (O) unter Verwendung einer Dünnschichtablagerungstechnologie ausgebildet, und es wird sodann eine Elektrodenschicht aus Au oder Ähnlichem mit einer nahen dazwischenliegenden Sperrschicht aus Ti-W oder Ähnlichem auf dieser wärmeerzeugenden Widerstandselementschicht abgelagert. Sodann werden die Elektrodenschicht und die wärmeerzeugende Widerstandselementschicht mit Hilfe fotolithografischer Technologie gemustert. Dann erhält man die wärmeerzeugenden Bereiche durch Belichten des wärmeerzeugenden Widerstandselements, und es werden Drahtelektroden auf beiden Seiten des wärmeerzeugenden Bereichs befestigt, wodurch man z. B. 128 wärmeerzeugende Elemente in Streifenform erhält. In diesem Schritt werden die Positionen der wärmeerzeugenden Bereiche aneinander ausgerichtet.
Die 2A, 2B und 5A – 5C zeigen den Zustand, direkt nachdem die Schritte 1 und 2 beendet worden sind. Auf einem Chipsubstrat 30 werden Treiber 31 und Treiberleitungen 32 (siehe 2A) unterhalb einer Isolierschicht ausgebildet, die aus einer Oxidschicht gebildet wird. Auf der Isolierschicht wird die wärmeerzeugende Widerstandselementschicht in eine Vielzahl von Spalten wärmeerzeugender Bereiche 33 mit einer gemeinsamen Elektrode 34 und einer individuellen Drahtelektrode 36, die auf den jeweiligen Seiten eines jeden wärmeerzeugenden Bereichs 33 ausgebildet sind, gemustert. Das heißt, viele Spalten wärmeerzeugender Elemente, von denen ein jedes die gemeinsame Elektrode 34, den wärmeerzeugenden Bereich 33 und die individuelle Drahtelektrode 36 umfasst, werden parallel in vorherbestimmten Abständen ausgebildet, wodurch sich die wärmeerzeugenden Bereichsspalten 33' und individuellen Drahtelektrodenspalten 36' ergeben. Zusammen mit der gemeinsamen Elektrode 34 werden Energieversorgungsleitungen 35 für die gemeinsame Elektrode ausgebildet (siehe 2A).
Als nächster Schritt 3 wird ein Partitionselement aus einem organischen Material, wie ein fotosensitives Polyimid, in einer Dicke von etwa 20 μm durch Beschichten ausgebildet, um Tintenflusskanäle entsprechend den individuellen wärmeerzeugenden Bereichen 33 und Tintenflusskanäle, die jeweils mit diesen Tintenflusskanälen verbunden sind, auszubilden. Nach dem Mustern dieses Partitionselementes durch Fotolithografie wird das Chipsubstrat 30 für 30 bis 60 Minuten bei einer Hitze von 300°C bis 400°C ausgehärtet, wodurch die Partition von fotosensitivem Polyimid mit einer Höhe von etwa 10 μm auf dem Chipsubstrat 30 fixiert wird. Als nachfolgender Schritt 4 wird durch Nassätzen, Sandstrahlen oder Ähnlichem eine gemeinsame Tintenzuführungsrinne in der Oberfläche des Chipsubstrats 30, das mit der Partition versehen ist, ausgebildet, woraufhin ein Tintenzuführungsloch, das mit dieser Tintenzuführungsrinne verbunden ist und gegenüber der Unterseite des Chipsubstrats 30 offen ist, ausgebildet wird.
Die 3A, 3B und 6A – 6C zeigen den Zustand, direkt nachdem die Schritte 3 und 4 beendet worden sind. Eine gemeinsame Tintenzuführungsrinne 37 und ein Tintenzuführungsloch 38 werden derart ausgebildet, dass sie von der gemeinsamen Elektrode 34 umgeben sind. Eine Tintendichtungspartition 39-1 wird auf dem Anschluss der gemeinsamen Elektrode 34 ausgebildet, der auf der linken Seite der gemeinsamen Tintenzuführungsrinne 37 liegt, und eine Tintendichtungspartition 39-2 wird auf dem Anschluss der gemeinsamen Elektrode 34 ausgebildet, welcher auf der rechten Seite, wo die individuelle Drahtelektrode 36 verlegt ist, liegt. Eine Segmentierungspartition 39-3 erstreckt sich von dieser Tintendichtungspartition 39-2 bis zwischen die individuellen wärmeerzeugenden Bereiche 33.
Wenn man die Tintendichtungspartition 39-2 auf der individuellen Drahtelektrode 36 als das Rückgrat eines Kamms ansieht, weist die Segmentierungspartition 39-3, die sich bis zwischen die individuellen wärmeerzeugenden Bereiche 34 erstreckt, die Form der Zähne des Kamms auf. Mit der zahnartigen Segmentierungspartition 39-3, die als Partitionswände dient, ist die Zahl ultrafeiner Tintenflusskanäle 41, die mit den wärmeerzeugenden Bereichen 33 an den Basen zwischen den Zähnen ausgebildet werden, derjenigen der wärmeerzeugenden Bereiche 33 gleich.
Als nächstes wird, als Schritt 5, eine Düsenplatte, welche die Form einer dünnen Schichtplatte aus Polyimid mit einer Dicke von 10 bis 30 μm aufweist, auf der obersten Schicht der Laminatstruktur oder der Partition 39 (39-1, 39-2, 39-3), z. B. mit Hilfe eines thermoplastischen Haftmittels, befestigt, und die entstandene Struktur wird, während sie auf 290 bis 300°C erhitzt wird, unter Druck gesetzt, wodurch die Düsenplatte fixiert wird. Sodann wird eine Metallschicht aus Ni, Cu, Al oder Ähnlichem mit einer Dicke von 0,6 bis 1 μm auf der Oberfläche der Düsenplatte abgelagert, welche der Seite, auf welcher die Partition gesichert ist, entgegengesetzt ist (die Seite, auf der die Metallschicht abgelagert wird, wird im Weiteren Partitionsgegenseite genannt). Diese Metallschicht dient als eine Maske zu der Zeit, zu der, wie später zu diskutieren ist, die Düsen durch Trockenätzen durchgebohrt werden.
Sodann wird, als Schritt 6, die Metallschicht auf der Düsenplatte gemustert, um eine Maske für ein selektives Trockenätzen der Düsenplatte auszubilden, wonach ein Trockenätzen der Düsenplatte nach Maßgabe der Metallmaske unter Verwendung des Helicon-Wave-Trockenätzsystems, das im Späteren besonders diskutiert wird, erfolgt, wodurch die gleichzeitige Ausbildung vieler Düsen mit 31 μm Ø bis 15 μm Ø gewährleistet wird.
Die 4A, 4B und 7A – 7C zeigen den Zustand, direkt nachdem die Schritte 5 und 6 beendet worden sind. Die Düsenplatte 42 bedeckt das gesamte Gebiet, mit Ausnahme der Energieversorgungsleitungen für die gemeinsame Elektrode 35 und der Treiberleitungen 32, und die individuellen Tintenflusskanäle 41, die mit einer Höhe von 10 μm durch die Segmentierungspartition 39-3 ausgebildet werden, haben ihre Öffnungen der gemeinsamen Tintenzuführungsrinne 37 zugewandt. Ein gemeinsamer Tintenflusskanal 43 wird mit einer Höhe von 10 μm ausgebildet, um die Öffnungen dieser Tintenflusskanäle 41 mit der gemeinsamen Tintenzuführungsrinne 37 zu verbinden.
Die Düsen 44 sind in Bereichen der Düsenplatte 42 ausgebildet, die den wärmeerzeugenden Bereichen 33 gegenüberliegen. Somit wird der einfarbige Tintenstrahldruckerkopf 45 fertiggestellt, der eine Spalte von 64, 128 oder 256 Düsen 44 aufweist.
Wie oben beschrieben nimmt der einfarbige Tintenstrahldruckerkopf 45, der mit einer einzigen Spalte von Düsen 44 ausgestattet ist, die Struktur eines monochromatischen Tintenstrahldruckerkopfes an und benötigt für normales Farbdrucken insgesamt vier farbige Tinten, nämlich eine schwarze (Bk), die ausschließlich für schwarze Bereiche oder Buchstaben oder Bilder benötigt wird, zusätzlich zu den subtraktiven Primärfarben Gelb (Y), Magenta (M) und Cyan (C). Somit werden minimal vier Spalten von Düsen benötigt.
8A ist ein Diagramm, das einen Farbtintenstrahldruckerkopf zeigt, der durch die Anordnung von vier einfarbigen Tintenstrahldruckerköpfen 45 des obigen Typs Seite an Seite konstruiert wird, und 8B ist eine Ansicht, die mehrere Farbtintenstrahldruckerköpfe 45 auf einem Siliziumwafer darstellt. Mit dem oben beschriebenen Verfahren kann ein Farbtintenstrahldruckerkopf 48, wie in 8A gezeigt, durch Ausbilden mehrerer Chipsubstrate 46, von denen jedes in 8A gezeigt ist, auf einem Siliziumwafer 47, wie in 8B gezeigt, hergestellt werden, und können die einfarbigen Tintenstrahldru ckerköpfe 45, die in den 4A und 4B gezeigt sind, auf jedem Chipsubstrat 46 in vier Spalten in einer monolithischen Form konstruiert werden. Die individuellen Düsenspalten 49 können genau in der bestimmten Beziehung durch die Halbleitertechnologie des Standes der Technik angeordnet werden.
Nachdem die Tintenstrahldruckerköpfe auf dem Siliziumwafer 47 durch die oben beschriebenen Herstellungsschritte hergestellt worden sind, wird der Siliziumwafer 47 schließlich entlang von Anrisslinien unter Verwendung einer Chipsäge oder Ähnlichem in Würfel geschnitten, wodurch die individuellen Chipsubstrate 46 voneinander getrennt werden, und wodurch schließlich der Farbtintenstrahldruckerkopf 48, wie in 8A gezeigt, erhalten wird. Der erhaltene Farbtintenstrahldruckerkopf 48 wird sodann auf ein Trägersubstrat punktgestanzt, wobei seine Leitungen mit denen des Substrats verbunden werden, so dass er zu einer verwendbaren Einheit eines Farbtintenstrahldruckerkopfes wird.
Im Weiteren wird genauer beschrieben, wie die Düsen unter Verwendung des Helicon-Wave-Trockenätzsystems, das bereits schematisch in dem Abschnitt des Schrittes 6 des Verfahrens zur Herstellung des Tintenstrahldruckerkopfes erklärt worden ist, gebohrt werden. Das Helicon-Wave-Trockenätzsystem wird in dieser Ausführungsform verwendet, weil dieses Ätzsystem schnelles Trockenätzen unter Verwendung eines Hochenergieplasmastroms ausführen kann, wodurch die Arbeitseffizienz verbessert wird. Die Helicon-Wave, welche eine Art der elektromagnetischen Wellen, die sich in einem Plasma fortpflanzen, darstellt, wird Whistler-Welle genannt und erzeugt ein Hochdichteplasma.
9A ist eine Schnittansicht, die exemplarisch in Vergrößerung den wärmeerzeugenden Bereich 33 oder den wesentlichen Bereich des sich in Herstellung befindlichen Tintenstrahldruckerkopfes 48 nach einem Schritt vor dem oben beschriebenen Trockenätzschritt und einen Bereich in der Nähe dieses Bereichs 33 zeigt. 9B ist eine Schnittansicht, die den Zustand zeigt, in welchem der Tintenstrahldruckerkopf 48 dem Trockenätzen durch das Helicon-Wave-Trockenätzsystem unterliegt.
Wie in 9A gezeigt, umfasst die Düsenplatte 42 drei Schichten: eine Haftschicht 51a, eine Polyimidschicht 52 und eine Haftschicht 51b. Die Haftschichten 51a und 51b sind z. B. aus thermoplastischem Polyimid oder Haftmitteln auf Epoxybasis ausgebildet und mit einer Dicke von etwa 2 bis 5 μm auf der oberen und unteren Oberfläche der Polyimidschicht 52, die eine Dicke von etwa 30 μm aufweist, aufgetragen. Wenn die Temperatur auf oberhalb des Glasübergangspunktes steigt, fällt das Elastizitätsmodul eines thermoplastischen Kunstharzmaterials, wie der Haftschichten 51a oder 51b, stark ab, wodurch sich die Haftfähigkeit erhöht, so dass dieses Material den Hafteffekt aufweist.
Diese Eigenschaft wird jedoch auf der Hinterseite der Düsenplatte 42, die an die Partition 39 (39-1, 39-2, 39-3) anzuheften ist, und nicht auf der Oberseite oder der Ausstoßseite der Düsenplatte 42 erfordert. Die Haftschicht 51a wird zusätzlich zu der Haftschicht 51b auf der Hinterseite der Düsenplatte auf der oberen Oberfläche zur Verfügung gestellt. Dieses geschieht deshalb, weil die Düsenplatte mit lediglich der Haftschicht 51b auf der Rückseite zu einer Verwerfung oder Welligkeit des Düsenplattenelementes während des Herstellungsprozesses führen würde und die Verarbeitung erschweren würde. In anderen Worten verhindert, sowohl die vordere als auch die hintere Seite der Düsenplatte 42 mit derselben thermischen Expansionscharakteristik durch die Haftschichten 51a und 51b zu versehen, dass sich die Polyimidschicht 52 während des Herstellungsprozesses aufrollt.
Die Düsenplatte 42 wird mit der Seite der Haftschicht 51b, die dem Chipsubstrat 46 gegenüberliegt, auf der Partition 39 platziert, wodurch eine Abdeckung der individuellen Tintenflusskanäle 41 und des gemeinsamen Tintenflusskanals 43 gebildet wird. Wenn die Düsenplatte 42 auf 200 bis 250°C erhitzt wird und unter Druck von einigen kg/cm² für einige zehn Minuten gesetzt wird, wird sie homogen und fest mit der Partition 39 verbunden.
Sodann wird eine Metallschicht 53 aus Ni, Cu, Al, Ti oder Ähnlichem mit einer Dicke von etwa 0,5 bis 1 μm als ein Maskenmaterial für später zu diskutierendes Trockenätzen ausgebildet, und ein Muster 54 entsprechend den, z. B. in 4A gezeigten, Düsen 44 wird auf der Schicht ausgebildet, wodurch eine Maske für selektives Ätzen der Düsenplatte 42 ausgebildet wird. Für den Fall, in dem, wie in diesem Beispiel, das Helicon-Wave-Trockenätzsystem für das Bohren der Düsen 44 in die Düsenplatte 42 verwendet wird, stellt die Verwendung der Metallschicht 53 aus Ni, Cu, Al, Ti oder Ähnlichem ein Ätzratenverhältnis von ungefähr 1:50 bis 100 für die Polyimidschicht 52 zu der Metall schicht 53 zur Verfügung. Um die Polyimidschicht 52 von etwa 30 μm zu ätzen, ist die Metallschicht 53 von weniger als 1 μm hinreichend.
Nach der Ausbildung der Metallschicht 53 wird das Chip-Substrat 46 oder der Siliziumwafer 47, wie in 8B gezeigt, in dem Helicon-Wave-Trockenätzsystem platziert, und es werden die Düsen 44 durch Trockenätzen, wie in 9B gezeigt, gebohrt. Als Arbeitsgas für das Trockenätzen in dem Helicon-Wave-Trockenätzsystem wird Sauerstoff verwendet. In dem Helicon-Wave-Trockenätzsystem wird das Arbeitsgas O₂ zu Sauerstoffplasma 55, das aus Sauerstoffionen 56 und Sauerstoffradikalatomen 57 besteht, das auf die Metallmaskenoberfläche gesprüht wird, wodurch es die Düsen 44 gemäß dem Muster 54, wie in 9B gezeigt, bohrt.
Die Haftschicht 51a auf der Oberseite der Düsenplatte 42 erzeugt bei der Ausbildung der Löcher durch ein gewöhnliches Trockenätzsystem oder das Ausbilden der Löcher durch einen Excimerlaser oder Ähnliches kein großes Problem. Wenn jedoch, wie in dieser Erfindung, ein Helicon-Wave-Trockenätzsystem zur schnelleren Ausbildung der Löcher verwendet wird, macht das Helicon-Wave-Trockenätzen Gebrauch von dem Hochenergie-Ionenstrom und erhöht somit signifikant die Temperatur des Werkstückes mehr als andere Ätzverfahren. Dieses führt zu dem folgenden Problem.
10 ist eine Schnittansicht, die beispielhaft das Problem zeigt, das auftritt, wenn die Düsen mit Hilfe eines Helicon-Wave-Trockenätzsystems gebohrt werden. Wenn die Düsen auf normale Weise unter Verwendung des Helicon-Wave-Trockenätzsystems gebohrt werden, wie es in 10 gezeigt ist, wird das gesamte Werkstück oder das gesamte Druckerkopfsubstrat, d. h. das Chipsubstrat 46, auf welchem die wärmeerzeugenden Bereiche 33, die Partition 39 und die Düsenplatte 42 vorgesehen sind, auf eine hohe Temperatur geheizt. Die thermoplastische Haftschicht 51a auf der Oberfläche der Düsenplatte 42, die am meisten durch das Sauerstoffplasma beeinflusst wird, dehnt sich am meisten thermisch aus, wodurch Falten 58 in der thermoplastischen Haftschicht 51a erzeugt werden. Als ein Ergebnis hiervon kann die stark ausgedehnte Haftschicht 51a als ein Ätzüberrest in den Düsen 44 verbleiben, oder kann die Form der Ausstoßöffnungen 44' deformiert fertiggestellt werden. Das führt unerwünschter Weise dazu, dass die Tinte in einer nicht geplanten Richtung ausgestoßen wird, d. h. einer Richtung, die von der Richtung senkrecht zu der Oberfläche der Düsenplatte unterschiedlich ist, oder es führt zu sehr kleinen unerwünschten Punkten, Satelliten genannt, die um die Zielpunkte herum auftreten.
Um die Erzeugung von Falten 58 zu verhindern, kann eine Düsenplatte ohne die Haftschicht 51a auf der Oberseite verwendet werden, aber es kann diese Konstruktion nicht empfohlen werden, da, wie zuvor erwähnt, die Haftschicht 51a auf der Oberseite dazu dient, eine Welligkeit der Düsenplatte 42 während des Herstellungsprozesses zu verhindern.
In dieser Ausführungsform wird daher beachtet, dass der Glasübergangspunkt Tg des thermoplastischen Polyimids, das als Haftschicht 51a verwendet wird, höher als bei 200°C liegt, und das Ätzen wird ausgeführt, während der Siliziumwafer 47 während des Ausbildens der Düsen 44 in der Düsenplatte 42 mit Hilfe eines Helicon-Wave-Trockenätzsystems auf oder unter 200°C gekühlt wird.
11A ist ein beispielhaft erklärendes Diagramm, das ein Helicon-Wave-Trockenätzsystem illustriert, 11B ist eine ebene Ansicht seiner Wafer-Einspannbühne und 11C ist eine teilweise vergrößerte Ansicht von 11A. Wie in 11A gezeigt, weist das Helicon-Wave-Trockenätzsystem eine Arbeitskammer 61 im Zentrum und eine Wafer-Einspannbühne 62 in der Arbeitskammer 61 auf. Der Siliziumwafer 47, der in 8B gezeigt ist, wird, wie durch einen Pfeil G in 11A angezeigt ist, von der linken Seite in das System eingeführt und auf der Wafer-Einspannbühne 62 platziert. Der Siliziumwafer 47 wird auf der Wafer-Einspannbühne 62 mit Hilfe mechanischer Futter (die das Zielobjekt mechanisch halten), elektrostatischer Einspannungen (die das Zielobjekt elektrostatisch halten) oder Ähnlichem gesichert. Die Wafer-Einspannbühne 62 ist einheitlich auf einem Träger 63 ausgebildet, über den eine RF (Radiofrequenz)-Vorspannung von z. B. 13,56 MHz von einer unteren AC-Energiequelle 64 an der Bühne 62 angelegt wird.
Eine Enteisungsflüssigkeit zirkuliert von einem Niedrigtemperaturverbreiter 65 über den Träger 63 zu der Wafer-Einspannbühne 62. Ein Kühlgas 66, wie Heliumgas, wird zur Förderung der thermischen Leitung und Verstärkung des Kühleffektes durch eine Kühlmittelspeisepumpe 67 über einen Kühlmittelspeisekanal 68, der in dem Träger 63 und der Wafer-Einspannbühne 62 vorgesehen ist, in Kühlmittelausstoßöffnungen 69 ge speist, die zu der Wafer-Trägeroberfläche der Wafer-Einspannbühne 62 hin offen sind, und gelangt in einen kleinen Spalt h zwischen der Wafer-Einspannbühne 62 und dem Siliziumwafer 47. Dieses fördert die Kühlung des Siliziumwafers 47 durch den Niedertemperaturverbreiter 65.
Genauer wird die Wafer-Einspannbühne 62 des Helicon-Wave-Trockenätzsystems auf –10°C oder darunter gekühlt, wobei das zirkulierende Enteisungsmittel und das Kühlgas 66 zwischen der Wafer-Einspannbühne 62 und dem Siliziumwafer 47 ihre Wirkung entfalten, wodurch ein Ansteigen der Temperatur des gesamten Druckerkopfsubstrats zur Zeit des Helicon-Wave-Trockenätzens wirksam unterdrückt wird.
Um die Arbeitskammer 61 herum ist ein Magnet zum Einfangen des Sauerstoff(O₂)-Plasmas 55 in der Kammer 61 angeordnet, und es befindet sich eine Versorgungskammer 72 in der oberen Mitte der Kammer 61. Eine Antenne 73 wird in zwei (einer oberen und einer unteren) Stufen μm die Versorgungskammer 72 zur Verfügung gestellt, und es sind eine innere Spule 74 und eine äußere Spule 75 außerhalb der Antenne 73 angebracht, um das Plasma einzuschließen. In den oberen Bereich der Versorgungskammer 72 mündet eine Versorgungsleitung 76, über welche das Arbeitsgas (Arbeitssauerstoff) zugeführt wird. Eine Energieversorgungsquelle 77 legt entsprechend dem Takt der unteren AC-Energieversorgung 64 eine Spannung von 13,5 MHz an der zweistufigen Antenne 73 an.
In dieser Struktur wird der Arbeitssauerstoff, der durch die Versorgungsleitung 76 zur Verfügung gestellt wird, in der Versorgungskammer 72 durch die Antenne 73 in ein Plasma umgewandelt und wird sodann durch die innere Spule 74 und die äußere Spule 75 in die Arbeitskammer 76 geleitet. Das Sauerstoffplasma 55, das auf diese Weise erzeugt worden ist, wird durch die RF-Vorspannung, die über den Träger 63 und die Wafer-Einspannbühne 62 an dem Siliziumwafer 47 (im Weiteren "Druckerkopfsubstrat" genannt, obwohl das Substrat tatsächlich in der Form des Siliziumwafers 47 verarbeitet wird) angelegt ist, in die Arbeitskammer 61 gesaugt und beschleunigt.
Der Magnet 71, der sich an der Wand der Arbeitskammer 61 befindet, verhindert, dass die Elektronen des Sauerstoffplasmas 55 an der Wand verloren gehen. Das verursacht, dass das Sauerstoffplasma 55 sich in einer einheitlichen Verteilung auf das Drucker kopfsubstrat (Siliziumwafer 47) ergießt und auf die obere Oberfläche der Düsenplatte 42, die durch das Maskenmuster 54 auf der Metallschicht 53 bloßgelegt ist, trifft und dadurch die Düsenplatte 42 ätzt. Nach der Bearbeitung wird das Arbeitsgas, wie durch einen Pfeil J in 11A angezeigt, zur rechten Seite des Systems ausgelassen.
Auch wenn das Helicon-Wave-Trockenätzen, anders als das RIE (reaktives Ionenätzen), keine Anordnung von parallelen Elektrodenplatten aufweist, wirkt das Potential des Druckerkopfsubstrats 46 in eine solche Richtung, dass die Sauerstoffionen 56 in das Sauerstoffplasma gezogen werden. Dem gemäß wird ein chemisches Ätzen unter Verwendung der Radikalatome 57 zu der Zeit ausgeführt, zu der die Sauerstoffionen 56 auf einem Werkstück (Düsenplatte 47) gesputtert werden.
Wenn das Werkstück z. B. ein Polyimid ist, sind die wesentlichen Substanzen Kohlenstoff und Wasserstoff, so dass das Ätzen durch eine chemische Reaktion nach CxHy + O → CO₂ ↑ + H₂O ↑ ausgeführt wird. Somit kann das Helicon-Wave-Trockenätzen anisotropes Ätzen, wie das Ausbilden von Löchern, mit einem hohen Ätzratenverhältnis unter Verwendung einer Kombination von Sputtering (physikalischem Ätzen) und einer Radikalenreaktion (chemisches Ätzen) ausführen.
Auch wenn das Ätzen ausgeführt wird, während das Druckerkopfsubstrat hinreichend gekühlt wird, so bringt das oben beschriebene Kühlsystem für sich immer noch das in 10 illustrierte Problem mit sich.
12 ist ein Diagramm, das die Ursache für das immer noch auftretende Problem erklärt, wenn das Ätzen ausgeführt wird, während das Druckerkopfsubstrat hinreichend gekühlt wird. Wie in dem Diagramm illustriert, tritt das Kühlgas 66, da ein Tintenzuführungsloch 38 in dem Rücken des Chipsubstrats 46 offen ist, aufwärts aus den Düsen 44 aus, indem es durch das Tintenzuführungsloch 38, die gemeinsame Tintenzuführungsrinne 37 und die Tintenflusskanäle 43, wie durch einen Pfeil K angezeigt, von dem Moment an, zu dem die Düsen 44 durch das Helicon-Wave-Trockenätzen durchgebohrt werden, verläuft.
Da Reste, wie die Haftschicht 51a, an den Wänden der Düsen 44 haften, wenn die Düsen 44 durch das Trockenätzen durchgebohrt worden sind, wird im Allgemeinen ein Ü berätzen von etwa 1 bis 3 Minuten ausgeführt, um die Reste zu entfernen und die Düsen in der gewünschten und geeigneten Form fertig zu stellen. Wenn das Kühlgas 66 zu dieser Zeit jedoch aufwärts aus den Düsen 44 austritt, erhöht sich der Grad des Vakuums in der Spalte h zwischen der Wafer-Einspannbühne 62 und dem Rücken des Chipsubstrats 46, und die thermische Leitfähigkeit sinkt entsprechend. Dieses erhöht schnell die Temperatur des gesamten Druckerkopfsubstrats einschließlich des Chipsubstrats 46.
Als ein Resultat hiervon werden Falten 58 auf der Oberfläche der Düsenplatte 42, wie in 10 gezeigt, ausgebildet. Zu dieser Zeit führt eine große Menge des Kühlgases 66, das oberhalb der Düsenplatte 42 austritt, zu einer uneinheitlichen Dichte des Sauerstoffplasmas 55'. Es stellte sich heraus, dass eine uneinheitliche Dichte die MOS-Transistoren und Kondensatoren in den Treibern 31 beschädigen oder verschlechtern kann.
Gemäß der ersten Ausführungsform wird das Tintenzuführungsloch 38 zeitweise blockiert, um das Problem, dass das Kühlgas 66, das den Pfad von dem Tintenzuführungsloch 38 zu den Düsen 44 passiert, oben austritt, wenn die Düsen 44 durchgebohrt werden, zu beheben.
13A ist ein Diagramm, das zeigt, wie das Tintenzuführungsloch 38 zeitweise durch das Anheften einer mit einem Haftmittel versehenen Platte 78 an dem Rücken des Chipsubstrats 46 blockiert wird, und 13B ist eine vergrößerte Schnittansicht, die beispielhaft den Fall zeigt, in dem die Düsen 44 unter Verwendung dieser Konstruktion gebohrt werden.
Die mit einem Haftmittel versehene Platte 78, die in 13A gezeigt ist, weist eine zweilagige Struktur auf, die ein auf einer Basis oder einer Polyesterschicht 79 aufgetragenes thermisch trennbares Haftmittel 81 besitzt. Das thermisch trennbare Haftmittel 81 weist bei Raumtemperatur eine Haftfähigkeit auf, ist jedoch einfach von der Kontaktfläche mit dem Chipsubstrat 46 oberhalb einer gewissen Temperatur trennbar. Diese thermische Separationstemperatur liegt zum Beispiel oberhalb von 90°C für einen α-Typus, oberhalb von 120°C für einen β-Typus und oberhalb von 150°C für einen γ-Typus.
14 stellt eine Tabelle dar, die Ergebnisse eines Tests zeigt, der hinsichtlich der Haftfähigkeit des thermisch trennbaren Haftmittels 81 bei Verwendung einer PET (Polyethylenterephthalat)-Schicht als ein Haftmittel durchgeführt wurde. Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, weist das Haftmittel vom Typus β, dessen thermische Separationstemperatur 120°C beträgt, eine Haftfähigkeit von 500 g/20 mm vor der Trennung auf, die höchste der drei Typen, während die Schichtdicke 15 μm dünner ist als diejenige des Haftmittels des Typus γ, dessen thermische Separationstemperatur 150°C beträgt.
Wenn, wenn das Druckerkopfsubstrat in das Helicon-Wave-Trockenätzsystem eingeführt wird, Luft in die Kontaktfläche zwischen dem Chipsubstrat 46 und dem thermisch entfernbaren Haftmittel 81 eintritt, dehnt sich diese Luft in dem Vakuum aus und hebt das Chipsubstrat 46 über der Wafer-Einspannbühne 62. Daher wird zu der Zeit, zu der die mit einem Haftmittel versehene Platte 78 an dem Chipsubstrat 46 befestigt wird, die Platte 78 unter Verwendung eines Werkzeugs, wie einer Rolle oder einer Bürste, eng an das Chipsubstrat 46 angeheftet.
Wenn das in 11A gezeigte Helicon-Wave-Trockenätzen auf diese Weise ausgeführt wird, kann der gleichförmige Kühlungsstatus, der vor dem Durchstoßen der Düsen 44 erhalten wurde, auch beibehalten werden, nachdem die Düsen 44 durchgebohrt worden sind. Dieses kann hinreichendes Überätzen gewährleisten, so dass die Düsen, wie in 13B gezeigt, mit der gewünschten und geeigneten Form ausgebildet werden können.
Nachdem der Prozess des Helicon-Wave-Trockenätzens abgeschlossen ist, wird das Druckerkopfsubstrat, an dem die mit dem Haftmittel versehene Platte 78 anheftet, in einen Ofen gebracht und mehr als 3 Minuten bei 90°C, 120°C oder 150°C gemäß der thermischen Separationstemperatur des jeweiligen Haftmittels geheizt. Dem gemäß kann das thermisch trennbare Haftmittel 81 einfach abgetrennt werden, ohne dass es auf dem Chipsubstrat 46 verbleibt, wie es in 13B gezeigt ist.
Die folgenden Bedingungen sind für den den Prozess des Bohrens der Düsen 44 in die Düsenplatte 42 durch Helicon-Wave-Trockenätzen, während das Druckerkopfsubstrat gekühlt wird, geeignet.
Flussrate des Arbeitsgases (Sauerstoff: 4–76 sccm
Arbeitsdruck: 0,2–1 Pa
Leistung der Energiequelle: 500–1000 W
Vorspannungsleistung 50–600W
Verarbeitungszeit: 10–40 Minuten
Für den Verbreiter gesetzte Temperatur: –10 bis –30°C
Flussrate des Kühl-Heliums: 10–30 sccm
Ätzrate des Polyimids: etwa 1–3 μm/Minute
Ein Beispiel für die Prozessbedingungen für den Fall, in dem das Tintenzuführungsloch mit der mit Haftmittel versehenen Platte 78 blockiert ist, die mit einem thermisch trennbaren Haftmittel 81 mit einer thermischen Separationstemperatur von 90°C versehen ist, und in dem die Düsen 44 mit einer Dicke von 16 μm durch Helicon-Wave-Trockenätzen in die Düsenplatte 42 geätzt werden, wird unten angegeben.
Dicke der Düsenplatte: 16 μm
Grad des erreichten Vakuums: 7,45 × 10^–2 Pa
Flussrate des Arbeitsgases (Sauerstoff: 50 sccm
Arbeitsdruck: 0,5 Pa
Leistung der Energiequelle: 1000 W
Vorspannungsleistung: 300 W
Verarbeitungszeit: 13 Minuten
Für den Verbreiter gesetzte Temperatur: –30°C
Flussrate des Kühlheliums: 10 sccm
Ätzrate des Polyimids: etwa 1,6 μm/Minute
Unter den obigen Bedingungen beträgt die Ätzzeit bis zu dem Durchstoßen der Düsen 10 Minuten und die Überätzzeit 3 Minuten. Während der Verarbeitung wurde die Haftfähigkeit der mit einem Haftmittel versehenen Platte 78 nicht geringer, und beeinflusste die durch das Blockieren des Tintenzuführungslochs 38 verursachte Ausdehnung des Druckerkopfsubstrats das Helicon-Wave-Trockenätzen nicht ungünstig.
Die Mittel für das zeitweilige Blockieren des Tintenzuführungsloches 38 in dem Chipsubstrat 46 sind nicht auf die Verwendung einer mit einem Haftmittel versehenen Platte 78 beschränkt, sondern es kann z. B. auch eine Trockenbeschichtung verwendet werden.
15 ist ein Diagramm, das beispielhaft eine Trockenbeschichtung 82, die bei 80 bis 90°C auf dem Rücken des Chipsubstrats 46 befestigt wird, zeigt. Selbst die Verwendung der Trockenbeschichtung 82 kann das Tintenzuführungsloch 38 blockieren. In diesem Fall sollte die Trockenbeschichtung 82, nachdem der Prozess des Bohrens der Düsen durch das Helicon-Wave-Trockenätzen vollendet worden ist, mit Hilfe einer Abschällösung, z. B. Monoethanolamin, abgeschält werden.
Im Weiteren wird eine zweite Ausführungsform dieser Erfindung diskutiert.
Die 16A – 16F sind beispielhafte Diagramme, die ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckerkopfes gemäß der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung zeigen. 16A zeigt den Zustand des Druckerkopfsubstrats, direkt nachdem die oben beschriebenen Herstellungsschritte 1 bis 4 vollendet worden sind oder denselben Zustand wie in 2B gezeigt, so dass die Komponenten, die dieselben sind wie die entsprechenden in 2B gezeigten Komponenten, mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in dem Prozess nach dem Zustand in 16B. Zuerst wird, wie in 16B gezeigt, ein wasserlösliches Kunstharzmaterial wie PVA (Polyvinylalkohol) als eine Schutzschicht 84 auf der Oberflächenseite des Chipsubstrats 46, wo die Partition 39 usw. ausgebildet werden, aufgetragen. Der Tintenzuführungskanal, der das Tintenzuführungsloch 38 und die gemeinsame Tintenzuführungsrinne 37 verbindet, erstreckt sich von der Unterseite bis zu der Oberseite des Chipsubstrats 46. Es wird daher bevorzugt, dass eine flussverhindernde Schicht (nicht gezeigt) oder Ähnliches auf dem Rücken des Chipsubstrats 46 befestigt wird, um zu verhindern, dass die Schutzschicht 84 zu dem Rücken des Chipsubstrats 46 herumkommt, wenn die Schutzschicht 84 von der gemeinsamen Tintenzuführungsrinne 37 in das Tintenzuführungsloch 38 gerät.
Da die Schutzschicht 84 später einfach von dem Chipsubstrat 46 gelöst werden soll, wird sie z. B. aus einem wasserlöslichen Kunstharz, wie PVA, Polyvinylether oder Poly ethylenoxid, einem Kunstharz, das durch ein Säurelösemittel lösbar ist, wie Nylon, Karbamid(Urea)kunstharz, Glyptalkunstharz oder Cellulosekunstharz, oder einem Kunstharz, das durch ein alkalisches Lösungsmittel lösbar ist, wie Polyester, Karbamidkunstharz oder Melaminkunstharz, oder einem Kunstharz, das durch andere Arten von Lösungsmitteln lösbar ist, wie Aceton, Benzen, Ethanol und Chloroform, ausgebildet.
Die Schutzschicht 84 kann durch verschiedene Verfahren, wie Rotationsbeschichten, Rollbeschichten, Spraybeschichten, Drucken, Brennen und Schmelzen, aufgetragen werden.
Da die auf die Partition 39, wie in 16B gezeigt, aufgetragene Schutzschicht 84 das spätere Anheften der Düsenplatte 42 behindert, wird sie, wie in 16C gezeigt, durch Schaben, Kratzen oder andere geeignete Maßnahmen entfernt. Die resultierende Struktur wird danach getrocknet, um die verbleibende Schutzschicht 84 zu härten. Des Weiteren wird die flussverhindernde Schicht, die nicht mehr notwendig ist, abgetrennt. Als nächstes wird die Düsenplatte 42 thermisch mit der Partition 39 wie in herkömmlichen Herstellungsverfahren durch eine nicht gezeigte Haftschicht verbunden, und es wird sodann die Metallschicht 53 ausgebildet, woraufhin das Muster 54, wie in 16D gezeigt, ausgebildet wird. Zu der Zeit, zu der dieser Schritt beendet worden ist, sind die Tintenzuführungskanäle, die sich von dem Tintenzuführungsloch 38 über die gemeinsame Tintenzuführungsrinne 37 und den gemeinsamen Tintenflusskanal 43 zu den individuellen Tintenflusskanälen 41 erstrecken, sicher blockiert worden.
Sodann werden, wie in 16E gezeigt, die Düsen 44, die verbindenden Leitungsbereiche und Ähnliches durch das Helicon-Wave-Trockenätzen durchgebohrt. Auch in diesem Fall wird selbst nach dem Durchstoßen der Löcher wie der Düsen ein Überätzen über eine geeignete Zeit hin ausgeführt. Es ist die Oberfläche der Schutzschicht 84, die ein Überätzen erfährt, und es unterliegen die wärmeerzeugenden Bereiche 33, die Elektrodenbereiche und die Treiber 31 unterhalb der Schutzschicht 84 keinem direkten Ätzen. Daher werden die wärmeerzeugenden Bereiche 33 und die Treiber 31 nicht durch das Überätzen beschädigt.
Da das Ausstoßen des Kühlgases zu der Zeit, zu der die Düsen durch Helicon-Wave-Trockenätzen, wie es in dem Abschnitt über die erste Ausführungsform erklärt worden ist, durchgebohrt werden, durch die Schutzschicht 84, die die Tintenflusskanäle blockiert, verhindert wird, wird das Kühlen des Chipsubstrats 46 nach dem Durchstoßen der Düsen beibehalten. Hierdurch kann ein möglicher Fehler in den Treibern, der durch das Ausstoßen des Kühlgases verursacht wird, verhindert werden, und ebenso kann ein hinreichendes Überätzen erlaubt werden.
Danach wird die Schutzschicht 84, die nicht mehr notwendig ist, z. B. durch Waschen mit warmem Wasser, wenn sie in Wasser löslich ist, von dem Druckerkopfsubstrat, wie in 16F gezeigt, entfernt. Wenn für die Schutzschicht 84 ein Kunstharzmaterial verwendet wird, das nicht wasserlöslich ist, wird die Schutzschicht 84 durch ein Säurelösemittel oder alkalisches Lösemittel, demgegenüber die Schutzschicht 84 löslich ist, aufgelöst. Während des Prozesses des Entfernens der Schutzschicht 84, können die Überreste, die an der Oberfläche der Schutzschicht 84 als ein Ergebnis des Trockenätzens übrig geblieben sind, mit entfernt werden.
Für das oben beschriebene Helicon-Wave-Trockenätzen wird ein Sauerstoffplasma verwendet. Dieses Sauerstoffplasma hat auf organische Materialien einen höheren Ätzeffekt als auf anorganische oder Metalle. In dieser Ausführungsform zeigt daher ein Kunstharzmaterial, welches ein Metall oder anorganische Materialien mit großem Ätzwiderstand, wenn sie als Schutzschicht 84 verwendet werden, eine bessere Funktion als Schutzschicht als ein Kunstharzmaterial allein. Genauer ist es besser, ein Material für die Schutzschicht 84 zu verwenden, welches Aluminium, keramische Materialien, wie Silikonnitrid, oder Glasteilchen in einem Kunstharzmaterial wie PVA enthält, oder ein Material, welches ein Metall, wie etwa Al, Ni, Cu, Fe, Co oder Ag in einem Kunstharzmaterial enthält.
Für die Schutzschicht 84 können anstelle der zuvor genannten Kunstharze oder Kunstharzmaterialien, die Metalle oder anorganische Materialien enthalten, ein Fotolack auf Polysilikatvinyl-Basis, ein negativer Fotolack auf Kautschukbasis (auf Cyclopolyisopren-Biazid-Basis), ein positiver Fotolack aus einem Novolak-Kunstharz oder ein Fotolack aus einer Azidverbindung verwendet werden.
In diesem Fall werden, nachdem die Schutzschicht 84 auf das Chipsubstrat 46 aufgetragen worden ist, die Belichtung und Entwicklung für das Musterausbilden auf eine solche Weise ausgeführt, dass die Schutzschicht 84 auf anderen Bereichen als dem Bereich der Partition verbleibt, woraufhin die resultierende Struktur zum Aushärten der Schutzschicht 84 gebacken wird. Sodann sollte die Schutzschicht 84, die nicht mehr notwendig ist, nachdem die Düsenplatte 42 mit der Schutzschicht 84 verbunden worden ist, die Metallschichtmaske 53 ausgebildet worden ist, und die Düsen 44 durch Trockenätzen durchgebohrt worden sind, wie in 16F gezeigt, z. B. durch Waschen mit warmem Wasser, wenn sie in Wasser löslich ist, von dem Druckerkopfsubstrat entfernt werden. Wenn für die Schutzschicht 84 ein Kunstharzmaterial, das nicht wasserlöslich ist, verwendet worden ist, wird die Schutzschicht 84 durch ein alkalisches Abstreifmittel, Lösemittel oder Ähnliches aufgelöst.
Insofern als die Schutzschicht 84 eine fotosensitive Eigenschaft aufweist, ermöglicht diese Konstruktion, dass unter Verwendung von Fotolithografie ein feines Muster ausgebildet wird, und sie ist somit dahingehend vorteilhaft, dass die miniaturisierte Verarbeitung, die der Miniaturisierung der Tintenstrahldruckerköpfe gemäß ist, möglich ist. Anstelle des flüssigen Fotolackmaterials kann ein Trockenschichtschutzmaterial verwendet werden. In diesem Fall wird das Trockenschichtschutzmaterial durch Erhitzen und unter Druck mit Hilfe einer Wärmerolle befestigt. Da das Trockenschichtschutzmaterial, verglichen mit dem flüssigen Schutzmaterial, keine Fließfähigkeit aufweist, ist es nicht notwendig, eine flussverhindernde Schicht auf dem Rücken des Siliziumwafers 47 anzubringen. Dieses kann zu einer Vereinfachung der Herstellungsschritte beitragen.
Es wird nun eine dritte Ausführungsform dieser Erfindung diskutiert.
Die 17A – 17E sind exemplarische Diagramme, die ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckerkopfes gemäß der dritten Ausführungsform zeigen. Da die in den 17A –17C illustrierte Struktur, bis auf geringe Abweichungen in der Reihenfolge der Herstellungsschritte, im wesentlichen dieselbe wie die Struktur in 9A ist, werden die Komponenten mit denselben Bezugszeichen, wie die entsprechenden in 9A gezeigten Komponenten, versehen.
Gemäß dieser dritten Ausführungsform werden als erstes, nachdem nicht gezeigte Treibern auf dem Chipsubstrat 46 ausgebildet worden sind, die wärmeerzeugenden Bereiche 33, die gemeinsame Elektrode 34, die individuellen Drahtelektroden 36 und die Partition 39 ausgebildet, worauf, wie in 17A gezeigt, die gemeinsame Tintenzuführungsrinne 37 ausgebildet wird. Danach wird, wie in 17B gezeigt, die Düsenplatte 42 befestigt, und es wird die Metallschicht 53 ausgebildet, auf welcher, wie in 17C gezeigt, das Maskenmuster 54 ausgebildet wird. Nachdem die Verarbeitung lediglich der Oberflächenseite des Chipsubstrats 46 auf diese Weise ausgeführt worden ist, geht die Verarbeitung mit dem Bohrschritt durch Helicon-Wave-Trockenätzen weiter, um, wie in 17D gezeigt, die Düsen 44 auszubilden. Danach wird das Tintenzuführungsloch 38 von der Unterseite des Chipsubstrats 46 aus durchgebohrt, so dass es mit der gemeinsamen Tintenzuführungsrinne 37 auf der oberen Oberflächenseite verbunden wird, so dass der Tintenzuführungskanal durch das Chipsubstrat 46 verläuft.
Wie aus dem obigen offensichtlich ist, ist die Ausbildung des Tintenzuführungsloches 38, wie in 17E gezeigt, die das Bohren von der Unterseite des Chipsubstrats 46 aus beinhaltet, auf der Stufe des in 17D gezeigten Helicon-Wave-Trockenätzens noch nicht ausgeführt worden, so dass der Tintenzuführungskanal in dem Chipsubstrat 46 zu der Zeit des Durchstoßens der Düsen 44 noch nicht durchgestoßen worden ist. Daher kann das in 11C gezeigte Kühlgas 66, das auf der Unterseite des Chipsubstrats 46 verbleibt, nicht über die Düsen 44 an der oberen Oberflächenseite austreten. Somit kann wie in der ersten und zweiten Ausführungsform der gleichmäßige Kühlungszustand, wie er vor dem Durchstoßen der Düsen 44 erhalten wurde, selbst beibehalten werden, nachdem die Düsen 44 durchgebohrt worden sind. Die dritte Ausführungsform kann somit ein hinreichendes Überätzen gewährleisten und kann ermöglichen, dass eine Vielzahl von Düsen 44 von gewünschter und geeigneter Form gleichzeitig ausgebildet werden.
Es wird nun eine vierte Ausführungsform dieser Erfindung diskutiert.
Die 18A und 18B sind beispielhafte Diagramme, die ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckerkopfes gemäß der vierten Ausführungsform zeigen.
Gemäß dieser vierten Ausführungsform werden zuerst, wie in 18A gezeigt, die Düsen 44 durch Helicon-Wave-Trockenätzen, das in den 11A – 11C illustriert ist, durchgebohrt. Die Prozessbedingungen sind in diesem Fall dieselben wie in der ersten Ausführungsform. Wie in 18B gezeigt, wird die Kühlmittelzuführungspumpe 67, sofort nachdem die Düsen 44 im wesentlichen durchgebohrt worden sind, deaktiviert, um den Ausstoß des Kühlgases 66 aus den Kühlmittelausstoßöffnungen 69 in der Wafer-Einspannbühne 62 (siehe 11A – 11C) zu beenden. Ein Verfahren, das Durchstoßen der Düsen 44 festzustellen, wird später diskutiert werden.
Wenn der Ausstoß des Kühlgases 36 aus den Kühlmittelausstoßöffnungen 69 in der Wafer-Einspannbühne 62 beendet wird, endet der Fluss des Kühlgases 66, und es nehmen die Trägheit und der Druck des Flusses ab, so dass lediglich das Kühlgas 66 nahe dem Tintenzuführungsloch 38 ein wenig in die gebohrten Düsen 44 eindringen kann. Das meiste Kühlgas 66 verbleibt homogen in der Spalte zwischen dem Rücken des Chipsubstrats 46 und der oberen Oberfläche der Wafer-Einspannbühne 62. Dieses erlaubt dem verbleibenden Kühlgas 66, so wenig es auch ist, die Kühlung des Substrats aufrecht zu erhalten. Ein Überätzen wird ausgeführt, bevor das verbleibende Kühlgas 66 sich zerstreut.
19 ist ein Flussdiagramm, das die Verfahrensschritte des Helicon-Wave-Trockenätzens gemäß der vierten Ausführungsform illustriert. Wie in diesem Flussdiagramm gezeigt, wird als erstes eine Düsenplatte 42 auf dem Substrat (Siliziumwafer 47) verbracht, oder sie wird sicher auf der Partition 39 (Schritt S1) befestigt. Als nächstes wird die Metallschicht 53 auf der Oberfläche der Düsenplatte 42 ausgebildet, woraufhin das Muster 54 auf der Metallschicht 53 ausgebildet wird (Schritt S2).
Sodann wird dieses Substrat 47 in das Helicon-Wave-Trockenätzsystem verbracht und auf der Wafer-Einspannbühne 62 befestigt. Des Weiteren wird der Niedrigtemperaturverbreiter 65 (siehe 6) angestellt, um die Enteisungsflüssigkeit zu verteilen, und es wird die Kühlmittelzuführungspumpe 67 angestellt, um den Fluss des Kühlgases (He) 66 zum Kühlen des Substrats 47 zu starten, so dass das Kühlgas 66 dem Raum zwischen dem Substrat 47 und der Wafer-Einspannbühne 62 zugeführt wird (Schritt S3).
Als nächstes wird das Helicon-Wave-Trockenätzen gestartet und das Durchstoßen der Düsen 44 überwacht (Schritt S4). In diesem Ätzvorgang benötigt das Durchstoßen der Düsen 44 etwa 10 Minuten. Wenn das Durchstoßen der Düsen 44 nach etwa 10 Minuten festgestellt wird (Schritt S5), wird die Kühlmittelzuführungspumpe 67 abgestellt, um den Fluss des Kühlgases 66 zwischen das Substrat 47 und die Wafer-Einspannbühne 62 zu beenden (Schritt S6). Dieser Vorgang benötigt etwa 100 ms.
Sodann wird, nachdem das Ätzen für eine Minute beibehalten wird, d. h. nachdem Überätzen über 1 Minute ausgeführt worden ist, das Helicon-Wave-Trockenätzen beendet (Schritt S7). Dieses schließt das Bohren des Düsen 44 in die Düsenplatte 42 ab.
Gemäß dieser Ausführungsform erfolgt, auch wenn die Zeit, die für das Durchstoßen der Düsen 44 benötigt wird bzw. 10 Minuten – eine der oben beschriebenen Bedingungen in der ersten Ausführungsform – nicht verändert wird, das Kühlen des Substrats nach dem Durchstoßen der Düsen 44 lediglich unter Verwendung des verbleibenden Kühlgases 66. Dieses macht es erforderlich, eine kürzere Zeit für das Überätzen zu setzen, welche eine Minute beträgt.
Es folgt nun eine Beschreibung, wie die Zeit, zu der beinahe sämtliche der Düsen 44 durchgebohrt worden sind, d. h. die richtige Ätzzeit, festgestellt wird. Das Feststellen des Durchstoßens der Düsen 44 kann unter Verwendung verschiedener Verfahren, wie einer Emissionsspektralanalyse, Reflexionsspektralanalyse, Gasanalyse, einem Druckmessverfahren und einem Flussratemessverfahren, erfolgen.
Die Emissionsspektralanalyse detektiert Licht, das für ein Reaktionsprodukt oder ein Reaktionsgas, das in dem Plasmaätzvorgang während des Helicon-Wave-Trockenätzens erzeugt wird, eine spezifische Wellenlänge aufweist, und überwacht eine Änderung in der Lichtintensität im Laufe der Zeit. Gegen Ende ist das Material, das zu der Reaktion beiträgt, verringert, so dass in dem überwachten Signal eine Änderung auftritt. Gemäß dieser Ausführungsform wird Licht mit einer für das Reaktionsprodukt oder Reaktionsgas spezifischen Wellenlänge detektiert, das durch Polyimid erzeugt wird.
In der Reflexionsspektralanalyse wird, wenn ein Ziel eine Substanz, die zu ätzen ist, und das Substrat umfasst, das von der Substanz, die zu ätzen ist, reflektierte Licht während des Ätzens beobachtet, und es wird nach dem Durchstoßen der Düsen 44 das von dem Substrat reflektierte Licht beobachtet. In dieser Ausführungsform wird das von Polyimid der Düsenplatten 42 reflektierte Licht während des Ätzens detektiert, und es wird das von dem Si, dem Verdrahtungsmaterial (Au, Al oder Ähnlichem) oder dem Widerstandselement (Ta-Si-O oder Ähnlichem) reflektierte Licht nach dem Durchstoßen der Düsen 44 detektiert.
Während des Ätzens, während die Düsen 44 noch nicht durch die Düsenplatte 42 gebohrt sind, tritt das Kühlgas 66, welches in dem Spalt zwischen der Unterseite des Substrats und der Wafer-Einspannbühne 62 fließt, nicht aus der Substratoberfläche aus. Direkt nach dem Durchstoßen der Düsen 44 jedoch fließt das Kühlgas 66 aus der Substratoberfläche. Die Gasanalyse detektiert das ausgestoßene Kühlgas. In dieser Ausführungsform wird z. B. He detektiert.
Im Zusammenhang mit demselben Phänomen, das in der vorherigen Beschreibung der Gasanalyse beschrieben wurde, detektiert das Druckmessverfahren das Ende des Ätzens durch Feststellen einer Änderung in dem Druck des Kühlgases vor und nach dem Durchstoßen der Düsen 44.
Ebenso bestimmt im Zusammenhang mit demselben Phänomen, das in der Beschreibung der Gasanalyse beschrieben wurde, das Flussratenmessverfahren den Punkt, zu dem die Flussrate des Kühlgases 66, die sich signifikant erhöht hat, sich bei großen Flussraten bei dem Ende des Ätzens stabilisiert.
Diese Erfindung ist nicht auf einen vom Dach ausstoßenden Typus eines Tintenstrahldruckerkopfes beschränkt, sondern kann ebenso auf einen seitenausstoßenden Typus eines thermischen Tintenstrahldruckerkopfes angewandt werden. Des Weiteren ist die Erfindung nicht auf einen thermischen Typus eines Tintenstrahldruackerkopfes beschränkt, sondern kann ebenso auf einen piezoelektrischen Typus eines Tintenstrahldruckerkopfes angewandt werden.
Verschiedene Ausführungsformen und Änderungen können vorgenommen werden, ohne den weiteren Bereich der Erfindung zu verlassen. Die oben beschriebenen Ausführungsformen bezwecken, die vorliegende Erfindung zu illustrieren, nicht den Bereich der vorliegenden Erfindung einzuschränken. Der Bereich der vorliegenden Erfindung wird durch die angehängten Ansprüche und nicht durch die Ausführungsformen gezeigt. Verschiedene Änderungen, die im Rahmen einer den Ansprüchen gleichkommenden Bedeutung und im Rahmen der Ansprüche vorgenommen werden, sind als innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung liegend anzusehen.

Claims

Ein Verfahren zum Herstellen eines Tintenstrahldruckerkopfs, der ein Substrat (46), das mit einer Vielzahl von energieerzeugenden Elementen (33) zum Erzeugen von Druckenergie zum Ausstoßen von Tinte versehen ist, und eine Düsenplatte (42) aufweist, die sich auf dem genannten Substrat (46) befindet und eine Vielzahl von Ausstoßdüsen (44) besitzt, die in ihr zum Ausstoßen von Tinte in eine vorherbestimmte Richtung durch Druck, der von den genannten energieerzeugenden Elementen (33) erzeugt wird, ausgebildet sind, wobei das genannte Verfahren die Schritte umfasst: Ausbilden einer Ätzmaskenschicht (53), die vor dem Ausbilden der genannten Ausstoßdüsen (44) ein Muster (54) entsprechend den genannten Ausstoßdüsen in der genannten Düsenplatte (42) aufweist; und Ausbilden der genannten Vielzahl von Ausstoßdüsen (44) in der genannten Düsenplatte (42) durch Helicon-Wave-Trockenätzen, während ein Druckerkopfsubstrat, das die genannte Düsenplatte (42) mit der genannten Maskenschicht (53), die auf dem genannten Substrat (46) platziert ist, aufweist, gekühlt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, worin die genannte Düsenplatte (42) eine viellagige Platte ist, die auf jeder Seite einer Polyimidplatte eine aufgetragene thermoplastische Haftschicht mit einem Glassübergangspunkt von höher als 200° C aufweist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 2, worin das genannte Druckerkopfsubstrat auf 200° C oder darunter gekühlt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, worin das genannte Druckerkopfsubstrat durch Kühlen einer Unterseite des genannten Substrats (46) mit einem Kühlgas (66) gekühlt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 4, worin, nachdem ein Tintenzuführungskanal, der sich von der genannten Unterseite des genannten Substrats (46) bis zu einer oberen Oberfläche desselben erstreckt, ausgebildet worden ist, der genannte Tintenzuführungskanal blockiert wird, bevor die Zuführung des genannten Kühlgases (66) beginnt, und, nachdem das Ausbilden der genannten Ausstoßdüsen (44) abgeschlossen worden ist, und die Zufuhr des genannten Kühlgases (66) beendet worden ist, die Blockierung des genannten Tintenzuführungskanals aufgehoben wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 5, worin der genannte Tintenzuführungskanal durch Anbringen einer Blockierplatte (78, 82) auf der genannten Unterseite des genannten Substrats (46) blockiert wird, und die genannte Blockierung des genannten Tintenzuführungskanals durch Entfernen der genannten Blockierplatte (78, 82) aufgehoben wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 4, worin, bevor die Zuführung des genannten Kühlgases beginnt, eine Vielzahl von Tintenleitungskanälen, die sich von einem Tintenzuführungskanal, der sich von der genannten Unterseite des genannten Substrats (46) bis zu einer oberen Oberfläche desselben erstreckt, zu den genannten energieerzeugenden Elementen, die auf der genannten oberen Oberfläche des genannten Substrats (46) zur Verfügung gestellt werden, erstrecken, blockiert wird, und, nachdem das Ausbilden der genannten Ausstoßdüsen (44) abgeschlossen worden ist, und die Zufuhr des genannten Kühlgases (66) beendet worden ist, die Blockierung der genannten Tintenleitungskanäle aufgehoben wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7, worin die genannten Tintenleitungskanäle durch Einfüllen eines löslichen Kunstharzes (84), das durch ein Lösemittel leicht auflösbar ist, blockiert werden, und die genannte Blockierung der genannten Tintenleitungskanäle durch Auflösen des genannten löslichen Kunstharzes (84) aufgehoben wird.
Das Verfahren gemäß Ansprach 8, worin das lösliche Kunstharz (84) solcherart eingefüllt wird, dass es die genannten energieerzeugenden Elemente bedeckt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 4, worin die genannten Ausstoßdüsen (44) gebohrt werden, bevor ein Tintenzuführungskanal, der sich von der genannten Un terseite des genannten Substrats (46) bis zu einer oberen Oberfläche desselben erstreckt, geöffnet wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 10, worin der genannte Tintenzuführungskanal durch Verbinden einer Tintenzuführungsrinne (37) auf einer oberen Oberfläche des genannten Substrats mit einem Tintenzuführungsloch (38) auf einer Unterseite des genannten Substrats ausgebildet wird, und die genannte Tintenzuführungsrinne (37) oder das genannte Tintenzuführungsloch (38) ausgebildet wird, um den genannten Tintenzuführungskanal nach dem Ausbilden der genannten Ausstoßdüsen zu öffnen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 11, worin das genannte Tintenzuführungsloch (38) ausgebildet wird, um den genannten Tintenzuführungskanal nach dem Ausbilden der genannten Ausstoßdüsen zu öffnen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 4, worin, nachdem die Zufuhr des genannten Kühlgases (66) zu der genannten Unterseite des genannten Substrats (46) des genannten Druckerkopfsubstrats begonnen hat, das genannten Helicon-Wave-Trockenätzen begonnen wird, und die genannte Zufuhr des genannten Kühlgases (66) sofort beendet wird, nachdem im wesentlichen sämtliche der genannten Ausstoßdüsen (44) durchgebohrt worden sind.
Das Verfahren gemäß Anspruch 13, worin die Zeit, zu der im wesentlichen sämtliche der genannten Ausstoßdüsen (44) durchgebohrt worden sind, aus einer Änderung in einer Flussrate des genannten Kühlgases (66) bestimmt wird.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Tintenstrahldruckerkopfs zum Ausführen eines Aufzeichnens durch Anwenden von Druckenergie auf Tinte und Ausstoßen der genannten Tinte aus einer Vielzahl von Ausstoßdüsen (44) auf ein Aufzeichnungsmedium, die Schritte umfassend: Anordnen einer Vielzahl von energieerzeugenden Elementen zum Erzeugen der genannten Druckenergie auf einem Substrat (46); Platzieren einer dünnen Schichtplatte (42) als eine Düsenplatte (42), die sowohl an der oberen als auch der unteren Seite angeheftete Haftschichten (51a, 51b) aufweist, auf dem genannten Substrat (46), worauf die genannten energieerzeugenden Elemente angeordnet sind; und Ausbilden einer Vielzahl von Ausstoßdüsen (44) in der genannten Düsenplatte (42) in Verbindung mit den genannten energieerzeugenden Elementen durch Trockenätzen, während ein Druckerkopfsubstrat, das die genannte Düsenplatte (42), die auf dem genannten Substrat (46) platziert ist, aufweist, mit einem der Rückseite des genannten Substrats (46) zugeführten Kühlgas (66) gekühlt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 15, worin das genannte Trockenätzen ein Helicon-Wave-Trockenätzen ist.