DE60024905T2

DE60024905T2 - Druckkopf mit einer Passivierungsschicht mit variabler Dicke

Info

Publication number: DE60024905T2
Application number: DE60024905T
Authority: DE
Inventors: Marzio Leban
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1999-03-12
Filing date: 2000-02-29
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2020-03-01
Also published as: EP1034932B1; JP2000272130A; EP1034932A3; US6331049B1; EP1034932A2; DE60024905D1; JP3326152B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Struktur von Druckköpfen, die in Tintenstrahldruckern und dergleichen verwendet werden, und insbesondere auf das Variieren der Dicke der Passivierungsschicht derselben, um die Leistungsfähigkeit zu verbessern und Schaltungskomponenten zu schützen.
Hintergrund der Erfindung
Tintenstrahldrucker sind in der Technik bekannt und umfassen diejenigen, die neben anderen Herstellern unter anderem von Hewlett-Packard, Canon und Epson hergestellt werden. Tintenstrahldrucker funktionieren durch mehrere Betätigungsmechanismen, einschließlich thermischen (Heizwiderstand) oder mechanischen (piezoelektrischen) Betätigungsvorrichtungen. Obwohl sich die Erörterung hierin hauptsächlich auf thermisch betätigte Druckköpfe bezieht, sollte klar sein, dass die variierte Passivierungsschichtdicke der vorliegenden Erfindung auch auf mechanisch betätigte Druckköpfe anwendbar ist. Wie es nachfolgend näher erörtert wird, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf das Bereitstellen einer dicken Passivierungsschicht zum Schützen von Schaltungsanordnungen auf einem Druckkopfchip, während eine dünne Passivierungsschicht über dem Tintenausstoßelement geliefert wird, um Tintenausstoßenergie zu reduzieren. Eine dünne Passivierungsschicht reduziert die Energie, die erforderlich ist, um Tinte auszustoßen, unabhängig von dem Typ des Betätigungselements und somit ist die vorliegende Erfindung auf alle Tintenstrahl- und verwandte Drucker anwendbar.
1 stellt eine darstellende Druckkopfstruktur eines herkömmlichen Tintenstrahldruckkopfs dar, der thermisch betätigt wird. Die Struktur von 1 umfasst ein Substrat 10, normalerweise aus einem Halbleitermaterial, in dem eine resistive Schicht und ein Element 12 gebildet sind. Eine Schicht aus leitfähigem Material 14 (normalerweise Aluminium oder dergleichen) ist auf dem Substrat gebildet, im Allgemeinen wie gezeigt. Eine Passivierungsschicht 20 (normalerweise Si₃N₄/SiC oder dergleichen) ist auf dem Substrat gebildet, und eine Metallschicht 26 und eine Kontaktanschlussfläche 28 (durch ein Durchgangsloch 25 gekoppelt) sind auf der Passivierungsschicht gebildet. Die metallische oder leitfähige Schicht kann eine Schutz-/Kavitationsschicht 24 und einen Oberflächenleiter 26 umfassen. Eine Tintenwanne 31, eine Barriereschicht 32 und eine Öffnungsplatte 33 sind vorgesehen, wie es bekannt ist. Ein Druckkopf-„Abfeuerungs"-Signal wird von der Schaltung 50 oder von einer Außerchipquelle zu dem resistiven Element ausgebreitet, und erzeugt dort ausreichend Wärme, um zu bewirken, dass ein Tintentropfen durch die Öffnungsplatte 33 ausgestoßen wird.
Die Energiemenge, die erforderlich ist, um einen Tintentropfen auszustoßen, wird häufig als die Einschaltenergie (TOE; TOE = turn-on energy) bezeichnet. Die TOE bezieht sich auf eine Passivierungsschichtdicke, da, je dicker die Passivierungsschicht, um so mehr Energie erforderlich ist, um einen Tintentropfen auszustoßen. Um somit TOE zu reduzieren, ist eine dünne Passivierungsschicht erwünscht.
Eine dünne Passivierungsschicht hat jedoch nachteilige Aspekte. Ein nachteiliger Aspekt ist, dass während die Passivierungsschichtdicke reduziert wird, die Wahrscheinlichkeit eines Passivierungsschichtrisses oder eines anderen Defekts erhöht wird. Um die Möglichkeit zu minimieren, dass die Passivierungsschicht reißt, wurden Schritte wie das Abschrägen der Übergänge der darunter liegenden Topologie, insbesondere diejenigen nahe des resistiven Elements (das eine Stelle höherer physikalischer Belastung ist) unternommen. Beispielsweise können die Ränder 13, 15 der leitfähigen Schicht 14 nahe dem resistiven Element 12 abgeschrägt werden. Obwohl das Abschrägen physikalische Belastungen auf die Passivierungsschicht reduziert, ist es wesentlich schwieriger, einen abgeschrägten Rand genau zu positionieren als einen geraden (vertikalen) Rand zu positionieren. Die wesentliche Fehlerspanne bei abgeschrägter Randplatzierung führt zu einer wesentlichen Variabilität bei der definierten Widerstandsgröße und Wärmemenge, die dadurch erzeugt wird. Dies wiederum führt zu uneinheitlicher Abfeuerung des Druckkopfs und uneinheitlicher Druckintensität, neben anderen Problemen.
Ein weiterer nachteiliger Aspekt einer dünnen Passivierungsschicht bezieht sich auf die ausgedehnte Erweiterung des Druckkopfchips oder Substrats 10 für die Verarbeitungslogik 50. Wenn sich die Anzahl einzelner Abfeuerungskammern in einem Druckkopfchip erhöht, erhöht sich die Anzahl von Leistungsleitern und Signalleitern für diese Abfeuerungskammern. Diese Leiter sind normalerweise auf der Passivierungsschicht gebildet. Wenn sich die Passivierungsschichtdicken verringern und sich die Bereitstellung von Oberflächenleitern erhöht, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit einer kapazitiven Kopplung oder dergleichen, die die Schaltungsanordnung in dem Substrat beeinträchtigt. Um somit Schaltungsanordnung in dem Substrat zu schützen, ist es notwendig, eine ausreichend dicke Passivierungsschicht zu haben. Wie es oben angemerkt wurde, erhöht eine ansteigende Passivierungsschichtdicke nachteilig die TOE.
Die EP-A-0750991 beschreibt einen Tintenstrahlaufzeichnungskopf gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, bei dem ein Wärmeerzeugungsabschnitt mit zwei Schutzschichten bedeckt ist, wobei die kombinierte Dicke derselben geringer ist als diejenige der benachbarten Region.
Zusammenfassung der Erfindung
Folglich wäre es wünschenswert, eine Druckkopfstruktur zu schaffen, die eine Passivierungsschicht liefert, die angemessen dick ist, wo es notwendig ist, um darunter liegende Schaltungskomponenten zu schützen, und angemessen dünn, wo es notwendig ist, um eine geringe Einschaltenergie zu fördern.
Es wäre ferner wünschenswert, Verfahren zum Bilden eines solchen Druckkopfs zu schaffen.
Es wäre auch wünschenswert, einen solchen Druckkopf zu schaffen, der ein genauer definiertes Tintenausstoßelement hat.
Diese und verwandte Objekte der vorliegenden Erfindung werden durch die Verwendung eines Druckkopfs gemäß Anspruch 1 erreicht.
Das Erhalten der vorhergehenden und verwandter Vorteile und Merkmale der Erfindung sollte für Fachleute auf diesem Gebiet offensichtlich sein, nach der Durchsicht der folgenden detaillierteren Beschreibung der Erfindung in Zusammenhang mit den Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Druckkopfs.
2 ist eine Querschnittsansicht eines Druckkopfs mit variierten Passivierungsschichtdicken, die kein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bildet.
3 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Druckkopfs mit variierten Passivierungssichtdicken gemäß der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung
Mit Bezugnahme auf 2 ist ein Querschnittsansicht eines Druckkopfs mit variierten Passivierungsschichtdicken gezeigt. Der Druckkopf 100 umfasst ein Substrat 110, auf dem ein Tintenausstoß-(z. B. resistives)Element 112, eine leitfähige Schicht 114, eine Passivierungsschicht 120, eine Schutz-/Kavitationsschicht 124, ein Oberflächenleiter 126 und eine Kontaktanschlussfläche 128 gebildet sind. Eine Tintenwanne 131, Barriereschicht 132 und Öffnungsplatte 133 sind ebenfalls in dem Druckkopf 100 vorgesehen.
Das Substrat 110, in dem der Druckkopf gebildet ist, umfasst auch eine Steuerlogik 150, die von dem Chip durch die Kontaktanschlusslöcher 128 und andere Positionen abgekoppelt ist, wie es in der Technik bekannt ist. Die Steuerlogik 150 kann eine digitale und/oder analoge Schaltungsanordnung umfassen.
Der Druckkopf 100 ist gebildet, so dass die Passivierungsschicht 120 eine Region 121 über dem Tintenausstoßelement 112, die relativ dünn ist, und eine Region 122 über der Schaltung 150 umfasst, die relativ dick ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Tintenausstoßelement 112 ein resistives Element oder ein anderes thermisches Betätigungselement, obwohl klar sein sollte, das auch ein mechanisches Betätigungselement verwendet werden kann.
Das Dünnen der Passivierungsschicht von 0,75 Mikrometer auf 0,38 Mikrometer erreicht eine TOE-Reduzierung von etwa 22 %. Durch oben erörterte Verfahren kann die Passivierungsschicht in der Region 121 unter 0,38 Mikrometer reduziert werden, auf beispielsweise 0,2 Mikrometer oder weni ger. Die untere Grenze der Passivierungsschichtdicke wird zumindest teilweise durch die minimale Dicke vor dem Durchbruch der Schicht bestimmt, aufgrund mechanischer oder elektrischer Belastungen und schädlichen Auswirkungen auf die Lebensdauer des Widerstands.
Im Gegensatz dazu kann die Region 122 der Passivierungsschicht so dick wie gewünscht gemacht werden, beispielsweise ausreichend dick, um die darunter liegende Schaltungsanordnung 150 zu schützen. Die Dicke der Passivierungsschichtregion 122 ist vorzugsweise 1,0 Mikrometer bis 1,5 Mikrometer und kann dicker gemacht werden, falls erwünscht. Die Dickebegrenzungen werden durch Prozessfähigkeit und Herstellbarkeit, Trockenätzüberlegungen, Anzahl von Masken usw. getrieben. Allgemein wird bevorzugt, dass die Region 122 so dick wie notwendig ist für ihren beabsichtigten Zweck, ohne übermäßig dick zu sein.
Der Druckkopf von 2 ist vorzugsweise nicht mit abgeschrägten Rändern auf der leitfähigen Schicht 114 hergestellt (wie es oben mit Bezugnahme auf 1 erörtert ist, obwohl abgeschrägte Ränder vorgesehen sein könnten, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen). Die variable Passivierungsschichtdicketechniken der vorliegenden Erfindung ermöglichen eine Bildung der Passivierungsschicht über den Rändern (oder „Stufen") der leitfähigen Schicht, die zumindest zweimal so dick ist wie die leitfähige Schicht (und von den Rändern in der horizontalen Richtung ausreichend nach innen gebildet ist, um einen verbesserten Durchbruchschutz zu liefern). Die Dicke liefert Schutz gegen Reißen und dergleichen. Da sich ferner die Dicke der leitfähigen Schicht verringert, verringert sich auch die erforderliche Dicke der Passivierungsschicht.
Es sollte klar sein, dass durch Verwendung gerader (vertikaler) Ränder 113, 115 an der leitfähigen Schicht 114 (im Gegensatz zu abgeschrägten Rändern oder dergleichen) eine photolithographische Technik verwendet werden kann, die viel engere Steuerung der Platzierung der Ränder liefert. Das Ergebnis ist ein genauer definierter Widerstand, der wiederum eine einheitlichere Temperatur für die Tinte liefert und eine einheitlicher Einschaltenergie zieht. Außerdem ermöglicht eine engere Steuerung der Platzierung der Ränder die Herstellung kleinerer Geometrien, was zu einem kleineren Tropfenausstoß für Bilddrucken mit höherer Qualität führt.
Die Anordnung von 2 kann allgemein wie folgt gebildet werden. Beginnend von dem Substrat mit der Steuerlogik und dem resistiven Element darin gebildet wird die leitfähige Schicht 114 (vorzugsweise mit geraden Rändern) auf dieser Struktur gebildet. Ein einzelnes Passivierungsmaterial, beispielsweise Si₃N₄, ist vorzugsweise über der leitfähigen Schicht und dem resistiven Element und dem Rest des Substrats gebildet. Obwohl Si₃N₄ bevorzugt wird, sollte klar sein, dass die Schicht 121 aus einem anderen bekannten Passivierungsschichtmaterial oder einer Kombination von Materialien gebildet werden könnte. Die Dicke der anfänglichen Passivierungsschicht ist vorzugsweise etwa 1 Mikrometer oder eine andere gewünschte Dicke. Diese anfängliche Passivierungsschicht wird dann über das resistive Element geätzt, um die dünne Passivierungsschicht der Region 121 zu bilden. Die Passivierungsschicht kann auf eine Dicke von 0,2 Mikrometer oder andere geeignete Abmessung geätzt werden, die durch den Entwickler bestimmt wird, und durch Verarbeitungstoleranzen begrenzt wird. Die Öffnung des Durchgangsloch 125 erfordert typischerweise einen getrennten Photolithographie/Ätz-Schritt. Die geätzte Passivierungsschicht wird dann, wo angemessen, mit einem Material bedeckt, wie z. B. Tantal oder dergleichen. Tantal liefert eine Kavitationsoberfläche 124 und der Tintenwanne 131 und ist auch ein geeigneter Leiter für den Oberflächeleiter 126. Das Tantal wird vorzugsweise auf eine ungefähre Dicke von 0,6 Mikrometer aufgebracht. Kontaktanschlussflächen 128 werden dann auf der Tantalschicht gebildet und diese Kontaktanschlussflächen sind vorzugsweise aus Gold gebildet.
Mit Bezugnahme auf 3 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Druckkopfs mit variierten Passivierungsschichtdicken gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. 2 stellt einen Druckkopf mit im Wesentlichen den gleichen Komponenten wie in 2 dar. Komponenten des Druckkopfs von 3, die Komponenten des Druckkopfs von 2 entsprechen, haben das gleiche Bezugszeichen, wobei die höchstwertigste Ziffer durch eine 2 ersetzt ist.
Der Druckkopf 200 ist vorzugsweise auf eine Weise gebildet, die oben für den Druckkopf 100 erörtert ist. Während dem Passivierungsschichtätzen über dem resistiven Element wird jedoch vorzugsweise ein vollständiges Ätzen durchgeführt, wodurch das resistive Element freigelegt wird. Eine dünne Passivierungsschicht (z. B. Si₃N₄ und/oder SiC oder beides) wird dann neu über das resistive Element gebildet. Die neue Materialschicht bildet die Passivierungsschichtregion 221. Dieses Ätz- und ausgewählte Nachfüllverfahren wird auf solche Weise durchgeführt, um ausreichende Beabstandung von den Rändern 213, 215 zu liefern, so dass ein angemessener Passivierungsschichtschutz (d. h. Durchbruchschutz) geliefert wird. Tantal und Gold werden dann wie oben erörtert aufgebraucht, oder andere herkömmliche photolithographische Prozessschritte können ausgeführt werden. Das vollständige Ätz- und Nachfüllverfahren ermöglicht eine genauere Steuerung der Dicke der Region 221. Es erfordert jedoch zusätzliche Maskenoperationen.
Es sollte klar sein, dass die dickere Passivierungsschicht der vorliegenden Erfindung vorteilhaft ist beim Schützen der Vorderseite des Substrats während einem TMAH-Ätzen und dergleichen. TMAH-Ätzvorgänge und dergleichen werden vorgeformt, um Abschnitte des Substrats zu entfernen und somit Tintenleitungen zu erzeugen.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit spezifischen Ausführungsbeispielen derselben beschrieben wurde, ist klar, dass dieselbe weiter modifiziert werden kann, und diese Anmeldung soll alle Variationen, Anwendungen oder Anpassungen der vorliegenden Erfindung abdecken, die allgemein den Prinzipien der Erfindung folgen und solche Abweichungen von der vorliegenden Offenbarung umfassen, die innerhalb bekannter oder üblicher Praxis in der Technik liegen, auf die sich die Erfindung bezieht und wie sie auf die wesentlichen Merkmale, die hierin beschrieben sind, angewendet werden können, und wie sie in den Schutzbereich der Erfindung und die Begrenzungen der angehängten Ansprüche fallen.

Claims

Eine Druckkopfvorrichtung (200), die folgende Merkmale umfasst: ein Substrat (210); ein Tintenausstoßelement (212), das auf dem Substrat (210) gebildet ist; eine erste Passivierungsschicht (220), die über einem Teil des Tintenausstoßelements (212) gebildet ist; eine zweite Passivierungsschicht (221), die nur über einem Teil der ersten Passivierungsschicht (220) gebildet ist; eine Tintenwanne (231), die über dem Tintenausstoßelement (212) gebildet ist; wobei die zweite Passivierungsschicht (221) eine Dicke aufweist, die geringer ist als die Dicke der ersten Passivierungsschicht (220), dadurch gekennzeichnet, dass: die zweite Passivierungsschicht (220) sich über einen Teil des Tintenausstoßelements (212) erstreckt, der nicht durch die erste Passivierungsschicht (220) bedeckt ist.
Eine Druckkopfvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die zweite Passivierungsschicht (221) nahe zu dem Tintenausstoßelement (212) und in Kontakt mit demselben gebildet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, die ferner eine Verarbeitungslogik (250) umfasst, die in dem Substrat (210) unter der ersten Passivierungsschicht (220) gebildet ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine Kavitationsschicht (224) umfasst, die über der zweiten Passivierungsschicht (221) gebildet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner eine Schutzschicht (224) umfasst, die auf der zweiten Passivierungsschicht (221) über dem Tintenausstoßelement (212) gebildet ist, wobei auf der Schutzschicht (224) eine Kavitationsoberfläche gebildet ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine leitfähige Schicht (214) umfasst, die benachbart zu dem Tintenausstoßelement (212) vorgesehen ist, zum Liefern eines elektrischen Signals an das Fluidausstoßelement, wobei die leitfähige Schicht (214) eine im Wesentlichen vertikale Kante nahe zu dem Tintenausstoßelement (212) aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste Passivierungsschicht (220) Siliziumnitrid umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die zweite Passivierungsschicht (221) zumindest entweder Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid oder sowohl Siliziumnitrid als auch Siliziumkarbid umfasst.