DE60101138T2

DE60101138T2 - Flüssigkeitsstrahldruckkopf

Info

Publication number: DE60101138T2
Application number: DE60101138T
Authority: DE
Inventors: Zhizang Corvallis Chen; Genbao Chandler Xu; Mark Alan Lebanon Johnstone; John P. Corvallis Whitlock
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 2000-12-20
Filing date: 2001-12-10
Publication date: 2004-09-23
Anticipated expiration: 2021-12-11
Also published as: US20020075346A1; TW514598B; BR0106469B1; HK1043960A1; KR100818032B1; EP1216836B1; US20020135640A1; DE60101138D1; JP2002225276A; JP3642756B2; US6785956B2; DE60115714D1; BR0106469A; KR20020050123A; HK1043960B; EP1216836A1; EP1369241B1; DE60115714T2; US6457814B1; EP1369241A1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf Druckköpfe, die in Fluidstrahl-Druckern verwendet werden, und insbesondere auf einen Fluidstrahl-Druckkopf, der in einer Fluidstrahl-Druckkassette mit verbesserter dimensionaler Steuerung und verbesserter Stufenüberdeckung verwendet wird.
Hintergrund der Erfindun
Ein Typ eines Fluidstrahl-Drucksystems verwendet einen piezoelektrischen Wandler, um einen Druckimpuls zu erzeugen, der einen Fluidtropfen aus einer Düse heraustreibt. Ein zweiter Typ eines Fluidstrahl-Drucksystems verwendet thermische Energie, um in einer mit einem Fluid gefüllten Kammer eine Dampfblase zu erzeugen, die einen Fluidtropfen heraustreibt. Der zweite Typ wird als thermisches Fluidstrahl- oder Bubble-Jet-Drucksystem bezeichnet.
Herkömmliche thermische Fluidstrahl-Drucker umfassen eine Druckkassette, in der kleine Fluidtropfen gebildet und zu einem Druckmedium hin ausgestoßen werden. Derartige Druckkassetten umfassen Tintenstrahl-Druckköpfe mit Öffnungsstrukturen, die sehr kleine Düsen aufweisen, durch welche die Fluidtropfen ausgestoßen werden. Benachbart zu den Düsen im Inneren des Fluidstrahl-Druckkopfs befinden sich Fluidkammern, in denen vor einem Ausstoßen ein Fluid gespeichert wird. Das Fluid wird über Fluidkanäle, die in fluidischer Kommunikation mit einem Fluidvorrat stehen, den Fluidkammern zugeführt. Der Fluidvorrat kann z. B. in einem Reservoir, das Teil der Druckkassette ist, enthalten sein.
Das Ausstoßen eines Fluidtropfens, wie z. B. Tinte, durch eine Düse kann durch schnelles Erwärmen eines Fluidvolumens in der benachbarten Fluidkammer erreicht werden. Die rasche Ausdehnung eines Fluiddampfes zwingt einen Fluidtropfen durch die Düse in der Öffnungsstruktur. Dieser Prozeß ist gemeinhin als „Abfeuern" bekannt. Das Fluid in der Kammer kann mit einem Wandler, wie z. B. einem Widerstand, erwärmt werden, der benachbart zu der Düse angeordnet und ausgerichtet ist.
Bei herkömmlichen thermischen Fluidstrahl-Druckkopf-Vorrichtungen, wie z. B. Tintenstrahl-Kassetten, werden als Heizelemente Dünnfilmwiderstände verwendet. Bei derartigen Dünnfilmbauelementen ist das Widerstandsheizmaterial in der Regel auf einem thermisch und elektrisch isolierenden Substrat aufgebracht. Eine leitfähige Schicht wird anschließend über dem Widerstandsmaterial aufgebracht. Das einzelne Heizerelement (d. h. Widerstand) ist in seinen Abmessungen durch Leiterbahnstrukturen definiert, die durch zahlreiche Schritte, darunter herkömmliches Maskieren, Ultraviolettbelichtung und Ätztechniken, auf den leitfähigen und Widerstandsschichten lithographisch gebildet werden. Spezifischer betrachtet wird die kritische Breitenabmessung eines einzelnen Widerstands durch einen Trockenätzprozeß gesteuert. Zum Beispiel wird ein ionenunterstützter Plasmaätzprozeß verwendet, um Abschnitte der leitfähigen und Widerstandsschichten, die nicht durch eine Photoresistmaske geschützt sind, zu ätzen. Die Breite des verbleibenden leitfähigen Dünnfilmstapels (aus leitfähigen und Widerstandsschichten) definiert die endgültige Breite des Widerstands. Die Widerstandsbreite ist definiert als die Breite des freiliegenden Widerstands senkrecht zu der Stromflußrichtung. Umgekehrt wird die kritisch Längenabmessung eines einzelnen Widerstands durch einen darauffolgenden Naßätzprozeß gesteuert. Ein Naßätzprozeß wird verwendet, um einen Widerstand zu produzieren, der auf der leitfähigen Schicht geneigte Wände aufweist, welche die Widerstandslänge definieren. Die geneigten Wände der leitfähigen Schicht ermöglichen eine Stufenüberdeckung später hergestellter Schichten.
Wie oben erörtert, erfordern herkömmliche thermische Fluidstrahl-Druckkopf-Vorrichtungen sowohl Trockenätz- als auch Naßätzprozesse. Der Trockenätzprozeß bestimmt die Breitenabmessung eines einzelnen Widerstandes, wohingegen der Naßätzprozeß sowohl die Längenabmessung als auch die notwendigen geneigten Wände definiert, die an dem einzelnen Widerstand beginnen. Es ist in der Technik bekannt, daß jeder Prozeß zahlreiche Schritte erfordert, wodurch sich sowohl die Zeit, eine Druckkopf-Vorrichtung herzustellen, als auch die Kosten der Herstellung einer Druckkopf-Vorrichtung erhöhen.
Eine oder mehrere Passivierungs- und Kavitationsschichten werden auf eine abgestufte Weise über die leitfähigen und Widerstandsschichten hergestellt und anschließend selektiv entfernt, um ein Durchgangsloch zum Zweck einer elektrischen Verbindung einer zweiten leitfähigen Schicht mit den Leiterbahnen zu erzeugen. Die zweite leitfähige Schicht ist strukturiert, um einen diskreten leitfähigen Weg von jeder Bahn zu einer freiliegenden, entfernt von dem Widerstand befindlichen Verbindungsanschlußfläche zu definieren. Die Verbindungsanschlußfläche ermöglicht eine Verbindung mit elektrischen Kontakten auf der Druckkassette. Aktivierungssignale werden über die elektrischen Kontakte von dem Drucker ausgehend an den Widerstand geliefert.
Die Druckkopfunterstruktur ist mit zumindest einer Öffnungsschicht überdeckt. Vorzugsweise ist die zumindest eine Öffnungsschicht geätzt, um die Form der gewünschten Abfeuerungsfluidkammer innerhalb der zumindest einen Öffnungsschicht zu definieren. Die Fluidkammer liegt über dem Widerstand und ist mit demselben ausgerichtet. Die zumindest eine Öffnungsschicht ist vorzugsweise mit einer Polymerbeschichtung gebildet oder optional aus einer Fluidbarriereschicht und einer Öffnungsplatte hergestellt. Andere Verfahren zum Bilden der Öffnungsschicht (en) sind den Fachleuten bekannt.
Bei thermischen Direkttreiber-Fluidstrahl-Druckerentwürfen wird das Dünnfilmbauelement selektiv durch eine Elektronik getrieben, die vorzugsweise innerhalb des Integrierte-Schaltungs-Teils der Druckkopfunterstruktur integriert ist. Die integrierte Schaltung leitet über leitfähige Schichten elektrische Signale direkt von dem Drucker-Mikroprozessor zu dem Widerstand. Die Temperatur des Widerstands steigt und er erzeugt überhitzte Fluidblasen zum Zweck eines Ausstoßens des Fluids von der Fluidkammer durch die Düse. Herkömmliche thermische Fluidstrahl-Druckkopf-Vorrichtungen können jedoch unter inkonsistenten und unzuverlässigen Fluidtropfengrößen und inkonsistenter Einschaltenergie, die erforderlich ist, um einen Fluidtropfen abzufeuern, leiden, wenn die Widerstandsabmessungen nicht streng gesteuert werden. Ferner können die abgestuften Regionen innerhalb der Fluidkammer die Tropfenbahn und die Vorrichtungszuverlässigkeit beeinflussen. Die Vorrichtungszuverlässigkeit wird durch die Blase beeinflußt, die nach dem Ausstoßen eines Tropfens zusammenfällt und dadurch die abgestuften Regionen abnutzt.
Die EP 0514 706 A2 offenbart einen Prozeß zum Herstellen thermischer Tintenstrahl-Druckköpfe, die Metallsubstrate und durch diesen Prozeß hergestellte Druckköpfe aufweisen.
Es ist erwünscht, einen Fluidstrahl-Druckkopf herzustellen, der in der Lage ist, Fluidtropfen mit konsistenten und zuverlässigen Fluidtropfengrößen zu produzieren. Außerdem ist es erwünscht, einen Fluidstrahl-Druckkopf herzustellen, der eine konsistente Einschaltenergie (TOE) aufweist, die erforderlich ist, um einen Fluidtropfen abzufeuern, wodurch eine bessere Steuerung der Größe der Fluidtropfen bereitgestellt wird.
Zusammenfassung der Erfindun
Ein Fluidstrahl-Druckkopf weist ein Substrat auf, das zumindest eine Schicht aufweist, die eine Fluidkammer zum Ausstoßen eines Fluids definiert. Der Druckkopf weist die in Anspruch 1 definierten Merkmale auf.
Die vorliegende Erfindung liefert zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen Dünnfilmdruckköpfen. Erstens schafft die vorliegende Erfindung eine Struktur, die in der Lage ist, einen Fluidtropfen in einer Richtung abzufeuern, die im wesentlichen senkrecht (normal oder orthogonal) zu einer Ebene ist, die durch das Widerstandselement und die Ausstoßoberfläche des Druckkopfs definiert wird. Zweitens werden die Abmessungen und die Ebenheit der Widerstandsmaterialschicht präziser gesteuert, was die Schwankung der Einschaltenergie reduziert, die erforderlich ist, um einen Fluidtropfen abzufeuern. Drittens wird die Größe eines Fluidtropfens aufgrund einer geringeren Schwankung der Widerstandsgröße besser gesteuert. Viertens werden die Korrosionsbeständigkeit, die Oberflächentextur und der Elektromigrationswiderstand der leitfähigen Schichten durch den Entwurf inhärent verbessert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine vergrößerte Querschnittsteilansicht, die eine herkömmliche Dünnfilmdruckkopfunterstruktur darstellt.
2 ist ein Flußdiagramm eines beispielhaften Prozesses, der verwendet wird, um die herkömmliche Dünnfilmdruckkopfstruktur zu implementieren,
3A ist eine vergrößerte Querschnittsteilansicht, welche die Dünnfilmdruckkopfunterstruktur der Erfindung darstellt.
3B ist eine Überkopfansicht des Widerstandselements.
4 ist ein Flußdiagramm eines beispielhaften Prozesses, der verwendet wird, um die Dünnfilmdruckkopfstruktur der Erfindung zu implementieren.
5 ist eine perspektivische Ansicht eines Druckkopfes, der mit der Erfindung hergestellt wird.
6 ist eine beispielhafte Druckkassette, die den Druckkopf aus 5 integriert und verwendet.
7 ist eine beispielhafte Aufzeichnungsvorrichtung, ein Drucker, welche die Druckkassette aus 6 verwendet.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
In der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele wird Bezug genommen auf die beiliegenden Zeichnungen, die einen Teil hiervon bilden und in denen mittels Darstellung spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt werden, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. Es sei darauf hingewiesen, daß andere Ausführungsbeispiele genutzt werden und strukturelle oder logische Veränderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende detaillierte Beschreibung ist daher nicht in einem einschränkenden Sinn aufzufassen, und der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung wird nur durch die beigefügten Patentansprüche definiert.
Die vorliegende Erfindung ist ein Fluidstrahl-Druckkopf und eine Verwendung eines Fluidstrahl-Druckkopfs. Die vorliegende Erfindung schafft zahlreiche Vorteile gegenüber den herkömmlichen Fluidstrahl- oder Tintenstrahl- Druckköpfen.
Erstens schafft die vorliegende Erfindung eine Struktur, die in der Lage ist, einen Fluidtropfen in einer Richtung abzufeuern, die im wesentlichen senkrecht (normal oder orthogonal) zu einer Ebene ist, die durch das Widerstandselement und die Ausstoßoberfläche des Druckkopfs definiert wird. Zweitens werden die Abmessungen und die Ebenheit der Widerstandsschicht präziser gesteuert, was die Schwankung der Einschaltenergie, die erforderlich ist, um einen Fluidtropfen abzufeuern, reduziert. Drittens wird die Größe eines Fluidtropfens aufgrund einer geringeren Schwankung der Widerstandsgröße besser gesteuert. Viertens sorgt der Entwurf inhärent für eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit, einen verbesserten Elektromigrationswiderstand der leitfähigen Schichten und eine glattere Widerstandsoberfläche.
1 ist eine vergrößerte Querschnittsteilansicht, die einen herkömmlichen Dünnfilmdruckkopf 190 darstellt. Die Dicken der einzelnen Dünnfilmschichten sind nicht maßstabsgetreu und nur zu erläuternden Zwecken gezeichnet. Wie in 1 abgebildet, weist der Dünnfilmdruckkopf 190 eine an demselben befestigte Fluidbarriereschicht 70 auf, die entlang einer Öffnungsplatte 80 geformt ist, um eine Fluidkammer 100 zu definieren, um eine Öffnungsschicht 82 (siehe 5) zu erzeugen. Optional können die Öffnungsschicht 82 und die Fluidbarriereschichten 70 aus einer oder mehreren Schichten eines Polymermaterials hergestellt sein. Ein Fluidtropfen innerhalb einer Fluidkammer 100 wird rasch erwärmt und durch eine Düse 90 abgefeuert, wenn der Druckkopf verwendet wird.
Die Dünnfilmdruckkopfunterstruktur 190 umfaßt ein Substrat 10, eine isolierende Isolatorschicht 20, eine Widerstandsschicht 30, eine leitfähige Schicht 40 (welche die Leiter 42A und 42B umfaßt), eine Passivierungsschicht 50, eine Kavitationsschicht 60 und eine Fluidbarrierestruktur 70, die mit der Öffnungsplatte 80 die Fluidkammer 100 definiert.
Wie in 2 dargestellt ist, wird eine relativ dicke Isolatorschicht 20 (auch als isolierendes Dielektrikum bezeichnet) bei Schritt 110 vorzugsweise durch Aufbringung auf ein Substrat 10 aufgetragen. Siliziumdioxide sind Beispiele für Materialien, die verwendet werden, um die Isolatorschicht 20 herzustellen. Die Isolatorschicht 20 ist vorzugsweise aus Tetraethylorthosilikat-(TEOS)-Oxid gebildet, das eine Dicke von 14.000 Angström aufweist. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die isolierende Schicht 20 aus Siliziumdioxid hergestellt. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist sie aus Siliziumnitrid gebildet.
Es gibt zahlreiche Wege, die Isolierungsschicht 20 herzustellen, wie z. B. durch eine plasmaunterstützte chemische Dampfaufbringung (PECVD) oder einen thermischen Oxidprozeß. Die Isolatorschicht 20 dient sowohl als thermischer als auch als elektrischer Isolator für die Widerstandsschaltung, die auf ihrer Oberfläche aufgebaut wird. Die Dicke der Isolatorschicht kann eingestellt werden, um die Wärmeübertragungs- oder -isolierfähigkeiten der Schicht je nach einer erwünschten Einschaltenergie und Abfeuerungsfrequenz zu variieren.
Als nächstes wird bei Schritt 112 die Widerstandsschicht 30 aufgetragen, um die Oberfläche der Isolierungsschicht 20 einheitlich zu überdecken. Die Widerstandsschicht ist vorzugsweise Tantal-Siliziumnitrid oder Wolfram-Siliziumnitrid mit einer Dicke von 1.200 Angström, obwohl auch Tantal-Aluminium verwendet werden kann. Als nächstes wird bei Schritt 114 eine leitfähige Schicht 40 über die Oberfläche der Widerstandsschicht 30 aufgetragen. Bei herkömmlichen Strukturen ist die leitfähige Schicht 40 vorzugsweise aus Aluminium-Kupfer oder alternativ aus Tantal-Aluminium oder Aluminium-Gold gebildet. Zusätzlich kann ein Metall, das verwendet wird, um die leitfähige Schicht 40 zu bilden, auch mit Materialien, wie z. B. Kupfer, Gold, Silizium oder Kombinationen derselben, dotiert oder kombi niert werden. Eine bevorzugte Dicke für die leitfähige Schicht 40 beträgt 5.000 Angström. Die Widerstandsschicht 30 und die leitfähige Schicht 40 können durch verschiedene Techniken, wie z. B. durch eine physikalische Dampfaufbringung (PVD), hergestellt werden.
Bei Schritt 116 wird die leitfähige Schicht 40 mit einer Photoresistmaske strukturiert, um die Breitenabmessung des Widerstands zu definieren. Anschließend wird bei Schritt 118 die leitfähige Schicht 40 geätzt, um die Leiter 42A und 42B zu definieren. Die Herstellung der Leiter 42A und 42B definiert die kritischen Längen- und Breitenabmessungen der aktiven Region der Widerstandsschicht 30. Spezifischer betrachtet, wird die kritische Breitenabmessung der aktiven Region der Widerstandsschicht 30 durch einen Trockenätzprozeß gesteuert. Zum Beispiel wird ein ionenunterstützter Plasmaätzprozeß verwendet, um Abschnitte der leitfähigen Schicht 40, die nicht durch eine Photoresistmaske geschützt sind, vertikal zu ätzen, wodurch eine maximale Widerstandsbreite als gleich der Breite der Leiter 42A und 42B definiert wird. Bei Schritt 120 wird die Leiterschicht mit einem Photoresist strukturiert, um die Längenabmessung des Widerstands zu definieren, die als Abstand zwischen den Leitern 42A und 42B definiert ist. Bei Schritt 122 wird die kritische Längenabmessung der aktiven Region der Widerstandsschicht 30 durch einen Naßätzprozeß gesteuert. Es wird ein Naßätzprozeß verwendet, da es erwünscht ist, Leiter 42A und 42B mit geneigten Wänden herzustellen, wodurch die Widerstandslänge definiert wird. Geneigte Wände der leitfähigen Schicht 42A ermöglichen ein Stufenüberdekkung später hergestellter Schichten, wie z. B. einer Passivierungsschicht, die bei Schritt 124 aufgetragen wird.
Die Leiter 42A und 42B dienen als die Leiterbahnen, die ein Signal an die aktive Region der Widerstandsschicht 30 zum Abfeuern eines Fluidtropfens liefern. Somit verläuft die Leiterbahn oder der leitfähige Weg für einen elektrischen Signalimpuls, der die aktive Region der Widerstandsschicht 30 erwärmt, von dem Leiter 42A durch die aktive Region der Widerstandsschicht 30 zu dem Leiter 42B.
Bei Schritt 124 wird dann die Passivierungsschicht 50 einheitlich über die Vorrichtung aufgetragen. Es gibt zahlreiche Passivierungsschichtentwürfe, die verschiedene Zusammensetzungen umfassen. Bei einem herkömmlichen Ausführungsbeispiel werden zwei Passivierungsschichten anstelle einer einzigen Passivierungsschicht aufgetragen. Bei dem herkömmlichen Druckkopfbeispiel aus 1 weisen die beiden Passivierungsschichten eine Schicht aus Siliziumnitrid gefolgt von einer Schicht aus Siliziumkarbid auf. Spezifischer betrachtet wird die Siliziumnitridschicht auf der leitfähigen Schicht 40 und der Widerstandsschicht 30 aufgebracht, und anschließend wird ein Siliziumkarbid vorzugsweise aufgebracht. Bei diesem Entwurf kann eine Elektromigration der leitfähigen Schicht in die Passivierungsschicht eindringen.
Nachdem die Passivierungsschicht 50 aufgebracht wurde, wird die Kavitationsbarriere 60 aufgetragen. Bei dem herkömmlichen Beispiel weist die Kavitationsbarriere Tantal auf. Ein Zerstäubungsprozeß, wie z. B. eine physikalische Dampfaufbringung (PVD) oder andere bekannte Techniken, bringt das Tantal auf. Die Fluidbarriereschicht 70 und Öffnungsschicht 80 werden anschließend auf die Struktur aufgetragen, wodurch die Fluidkammer 100 definiert wird. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Fluidbarriereschicht 70 aus einem photoempfindlichen Polymer und die Öffnungsschicht 80 aus einem plattiertem Metall oder organischen Polymeren hergestellt. Die Fluidkammer 100 ist in 1 als eine im wesentlichen rechteckige oder quadratische Konfiguration abgebildet. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Fluidkammer 100 andere geometrische Konfigurationen umfassen kann, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Der Dünnfilmdruckkopf 190, abgebildet in 1, stellt ein Beispiel eines typischen herkömmlichen Druckkopfs dar. Der Druckkopf 190 erfordert jedoch sowohl einen Naß- als auch einen Trockenätzprozeß, um die funktionale Länge und Breite der aktiven Region der Widerstandsschicht 30 zu definieren, sowie um die geneigten Wände der leitfähigen Schicht 40 zu erzeugen, die für eine angemessene Stufenüberdeckung der später hergestellten Schichten, wie z. B. der Passivierungsschicht 50 und der Kavitationsschicht 60, erforderlich sind.
3 ist eine vergrößerte Querschnittsteilansicht, welche die Schichten für einen Fluidstrahl-Druckkopf 200 darstellt, der die vorliegende Erfindung beinhaltet. Die Dicken der einzelnen Dünnfilmschichten sind nicht maßstabsgetreu und nur für erläuternde Zwecke gezeichnet. 5 ist ein vergrößerter Grundriß, der einen Fluidstrahl-Druckkopf 200 darstellt, der die vorliegende Erfindung umfaßt. Wie in 4 bei Schritt 110 abgebildet ist, wird die isolierende Schicht 20 durch Aufbringung auf das Substrat 10 mittels eines bekannten Mittels, wie z. B. plasma-unterstützte chemische Dampfaufbringung (PEVCD), chemische Dampfaufbringung bei Niederdruck (LPCVD), chemische Dampfaufbringung bei atmosphärischem Druck (APCVD) oder eines thermischen Oxidprozesses, hergestellt. Vorzugsweise ist die Isolatorschicht 20 aus Tetraethylorthosilikat-(TEOS)-Oxid mit einer Dicke von 9.000 Angström gebildet. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die isolierende Schicht 20 aus Siliziumdioxid hergestellt. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist sie aus Siliziumnitrid gebildet.
Bei Schritt 126 wird ein dielektrisches Material 44 auf die Isolatorschicht aufgebracht. Dieses dielektrische Material 44 wird anschließend bei Schritt 128 strukturiert, um einen Widerstandsbereich zu erzeugen, und anschließend bei Schritt 130 trockengeätzt, um Dünnfilmschichten zu bilden, welche die Längenabmessung L des Widerstands definieren. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das dielektrische Material aus Siliziumnitrid mit einer Dicke von ungefähr 5.000 Angström gebildet. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist das dielektrische Material 44 aus Siliziumdioxid oder Siliziumkarbid hergestellt.
Bei Schritt 114 wird die aus einem leitfähigen Material bestehende Schicht 40 anschließend oben auf der isolierenden Schicht 20 hergestellt und stößt an das geätzte dielektrische Material 44 an, um die Widerstandslänge L zu bilden. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die aus einem leitfähigen Material bestehende Schicht 40 eine Schicht, die durch eine physikalische Dampfaufbringung (PVD) aus Aluminium und Kupfer mit einer Dicke von ungefähr 5.000 Angström gebildet wird. Spezifischer betrachtet umfaßt die aus einem leitfähigen Material bestehende Schicht 40 bei einem Ausführungsbeispiel bis zu ungefähr 2 % Kupfer in Aluminium, vorzugsweise ungefähr 0,5 % Kupfer in Aluminium. Das Nutzen eines kleinen Kupferanteils in Aluminium schränkt eine Elektromigration ein. Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die aus einem leitfähigen Material bestehende Schicht 40 aus Titan, Kupfer oder Wolfram gebildet.
Bei Schritt 132 wird ein photo-abbildbares Maskierungsmaterial, wie z. B. ein Photoresist, auf Abschnitte der leitfähigen Schicht 40 aufgebracht, wodurch andere Abschnitte der leitfähigen Schicht 40 freigelegt werden.
Bei Schritt 134 wird die obere Oberfläche der leitfähigen Schicht 40 anschließend derart planarisiert, daß die obere Oberfläche des dielektrischen Materials 44 auf gleicher Höhe mit der oberen Oberfläche der leitfähigen Schicht 40 ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die obere Oberfläche der leitfähigen Schicht 40 durch Verwendung eines Resistrückätz-(REB)-Prozesses planarisiert. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird die obere Oberfläche der leitfähigen Schicht 40 durch Verwendung eines chemischen/mechanischen Polierprozesses (CMP) planarisiert.
Als nächstes wird bei Schritt 112 die Widerstandsschicht 30 aufgetragen, um die Oberfläche der gesamten Oberfläche des Substrats 10 und zuvor aufgetragene Schichten (Waferoberfläche) einheitlich zu überdecken. Die Widerstandsschicht 30 ist vorzugsweise Wolfram-Siliziumnitrid mit einer Dicke von 1.200 Angström, obwohl auch Tantal-Aluminium, Tantal, oder Tantal-Siliziumnitrid verwendet werden können.
Bei Schritt 116 wird ein photo-abbildbares Maskierungsmaterial auf die zuvor aufgetragenen Schichten auf der Substratoberfläche aufgebracht. Das photo-abbildbare Maskierungsmaterial wird entfernt, wo die kombinierte Widerstandsschicht 30 und leitfähige Schicht 40 geätzt werden sollen, um die Widerstandsbreite W bzw. die Leiter 42A und 42B zu definieren.
Bei Schritt 136 werden die freiliegenden Abschnitte der Widerstandsschicht 30 und der leitfähigen Schicht 40 durch einen Trockenätzprozeß entfernt, wobei mehrere derartiger Prozesse den Fachleuten bekannt sind, wie sie bei Schritt 118 aus 2 beschrieben wurden. Dieser Ätzschritt definiert und bildet die Widerstandsbreite. Die Photoresistmaske wird anschließend entfernt, wodurch beispielhafte, im wesentlichen rechteckig geformte Leiter 42A und 42B freigelegt werden. Die Passivierungsschicht 50, Kavitationsschicht 60, Barriereschicht 70 und Öffnungsschicht 80 werden dann so aufgetragen, wie es für den herkömmlichen Druckkopf beschrieben ist.
Die Leiter 42A und 42B liefern eine elektrische Verbindung/einen elektrischen Weg zwischen einer externen Schaltungsanordnung und dem gebildeten Widerstandselement. Daher übertragen die Leiter 42A und 42B Energie zu dem gebildeten Widerstand, um Wärme zu erzeugen, die in der Lage ist, einen Fluidtropfen, der auf einer oberen Oberfläche des gebildeten Widerstandselements positioniert ist, in einer Richtung senkrecht zu der oberen Oberfläche des Widerstandselements abzufeuern.
Wie in 3B abgebildet ist, definieren die Leiter 42A und 42B ein Widerstandselement 46 zwischen den Leitern 42A und 42B. Das Widerstandselement 46 weist eine Länge L auf, die gleich dem Abstand zwischen den Leitern 42A und 42B ist. Das Widerstandselement 46 weist eine Breite W auf. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß das Widerstandselement 46 so hergestellt sein kann, daß es eine aus einer Vielzahl von Konfigurationen, Formen oder Größen aufweist, wie z. B. eine dünne Bahn oder eine breite Bahn der Leiter 42A und 42B. Die einzige Anforderung an das Widerstandselement 46 besteht darin, daß es die Leiter 42A und 42B berührt, um eine zweckmäßige elektrische Verbindung zu gewährleisten. Zwar ist die tatsächliche Länge L des Widerstandselements 46 gleich dem Abstand zwischen den äußersten Kanten der Leiter 42A und 42B oder größer als derselbe, doch entspricht der aktive Abschnitt des Widerstandselements 46, der Wärme zu einem Fluidtropfen leitet, der über dem Widerstandselement 46 positioniert ist, dem Abstand zwischen den äußersten Kanten der Leiter 42A und 42B.
In 5 steht jede Öffnungsdüse 90 in Fluidkommunikation mit jeweiligen Fluidkammern 100 (vergrößert abgebildet in 3A), die in einem Druckkopf 200 definiert sind. Jede Fluidkammer ist in einer Öffnungsstruktur 82 aufgebaut, die benachbart zu der Dünnfilmstruktur 32 befindlich ist, die vorzugsweise einen mit der Widerstandskomponente gekoppelten Transistor umfaßt. Die Widerstandskomponente wird selektiv mit einem ausreichenden elektrischen Strom getrieben (erwärmt), um sofort einen Teil des Fluids in der Fluidkammer 100 verdampfen zu lassen, wodurch ein Fluidtropfen durch eine Düse 90 gezwungen wird.
Eine beispielhafte Fluidstrahl-Druckkassette 220 ist in 6 dargestellt. Die Fluidstrahl-Druckkopf-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist ein Abschnitt der Fluidstrahl-Druckkassette 220. Die Fluidstrahl-Druckkassette 220 umfaßt einen Körper 218, eine flexible Schaltung 212 mit Schaltungsanschlußflächen 214 und einen Druckkopf 200 mit Öffnungsdüsen 90. In der Fluidstrahl-Druckkassette 220 steht der Fluidstrahl-Druckkopf 200 in fluidischer Verbindung mit einem Fluid in dem Körper 218 unter Verwendung eines Fluidzuführsystems 216, abgebildet als ein Schwamm, um einen Gegendruck unter Verwendung einer Kapillarwirkung in dem Schwamm (vorzugsweise ein geschlossenzelliger Schaumstoff) zu liefern, um ein Austreten eines Fluids durch die Öffnungsdüsen 90 zu verhindern, wenn nicht in Verwendung. In 6 ist zwar die flexible Schaltung 212 abgebildet, doch sei darauf hingewiesen, daß andere bekannte elektrische Schaltungen anstelle der flexiblen Schaltung 212 genutzt werden können, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es ist lediglich notwendig, daß elektrische Kontakte 214 in elektrischer Verbindung mit der Schaltungsanordnung der Fluidstrahl-Druckkassette 220 stehen. Der Druckkopf 200 mit Öffnungsdüsen 90 ist an dem Körper 218 angebracht und zum Zweck eines Ausstoßens von Fluidtropfen gesteuert, in der Regel durch einen Drucker, doch können andere Aufzeichnungsvorrichtungen wie z. B. Plotter und Faxgeräte, um einige zu nennen, verwendet werden. Die thermische Fluidstrahl-Druckkassette 220 umfaßt Öffnungsdüsen 90, durch die während eines Druckens ein Fluid in einem gesteuerten Muster herausgetrieben wird. Leitfähige Ansteuerleitungen für jede Widerstandskomponente werden auf der flexiblen Schaltung 212 getragen, die an der Außenseite des Druckkassettenkörpers 218 befestigt ist. Schaltungskontaktanschlußflächen 214 (zur Erläuterung in 6 vergrößert dargestellt) an den Enden der Widerstandsansteuerleitungen nehmen ähnliche Anschlußflächen in Eingriff, die auf einer übereinstimmenden Schaltung getragen werden, die an einem Drucker (nicht abgebildet) angebracht ist. Ein Signal zum Abfeuern des Transistors wird durch einen Mikroprozessor und zugeordnete Treiber auf dem Drucker erzeugt, die das Signal an die Ansteuerleitungen anlegen.
7 ist eine beispielhafte Aufzeichnungsvorrichtung, ein Drucker 240, welche die beispielhafte Fluidstrahl-Druckkassette 220 aus 6 verwendet. Die Fluidstrahl- Druckkassette 220 ist in einem Wagenmechanismus 254 plaziert, um die Fluidstrahl-Druckkassette 220 über eine erste Richtung eines Mediums 256 zu transportieren. Ein Mediumzufuhrmechanismus 252 transportiert das Medium 256 in einer zweiten Richtung über den Fluidstrahl-Druckkopf 220. Der Mediumzufuhrmechanismus 252 und der Wagenmechanismus 254 bilden einen Transportmechanismus, um die Fluidstrahl-Druckkassette 220 über die erste und zweite Richtung des Mediums 256 zu bewegen. Eine optionale Mediumablage 250 wird verwendet, um mehrere Sätze des Mediums 256 zu halten. Nachdem das Medium durch die Fluidstrahl-Druckkassette 220 unter Verwendung des Fluidstrahl-Druckkopfs 200, um ein Fluid auf das Medium 256 auszustoßen, aufgezeichnet wurde, wird das Medium 256 optional auf eine Medienablage 256 plaziert.
In Betrieb ist ein Fluidtropfen in der Fluidkammer 100 positioniert. Ein elektrischer Strom wird über die Leiter 42A und 42B dem Widerstandselement 46 zugeführt, derart, daß das Widerstandselement 46 rasch Energie in Form von Wärme erzeugt. Die von dem Widerstandselement 46 ausgehende Wärme wird zu einem Fluidtropfen in der Fluidkammer 100 übertragen, bis der Fluidtropfen durch die Düse 90 hindurch „abgefeuert" wird. Dieser Prozeß wird mehrere Male wiederholt, um ein gewünschtes Ergebnis zu erzielen. Während dieses Prozesses kann ein einzelner Farbstoff verwendet werden, wobei ein Einfarbenentwurf produziert wird, oder es können mehrere Farbstoffe verwendet werden, wobei ein Mehrfarbenentwurf produziert wird.
Die vorliegende Erfindung schafft zahlreiche Vorteile gegenüber dem herkömmlichen Druckkopf. Erstens ist die Widerstandslänge der vorliegenden Erfindung durch die Plazierung des dielektrischen Materials 44 definiert, das während eines kombinierten Photoprozesses und Trockenätzprozesses hergestellt wird. Die Genauigkeit des vorliegenden Prozesses ist wesentlich besser steuerbar als herkömmliche Naßätzprozesse. Insbesondere ist der vorliegende Prozeß in dem Bereich von 10–25 Mal besser steuerbar als ein herkömmlicher Prozeß. Bei der derzeitigen Generation von Druckköpfen mit niedrigem Tropfengewicht und hoher Auflösung sind die Widerstandslängen von ungefähr 35 Mikrometern auf weniger als ungefähr 10 Mikrometer gesunken. Widerstandsgrößenschwankungen können somit die Leistung eines Druckkopfs erheblich beeinflussen. Widerstandsgrößenschwankungen drücken sich in Tropfengewichts- und Einschaltenergieschwankungen über den Widerstand auf einem Druckkopf aus. Die verbesserte Längensteuerung der aus einem Widerstandsmaterial bestehenden Schicht ergibt somit eine konsistentere Widerstandsgröße und einen konsistenteren Widerstandswert, wodurch die Konsistenz des Tropfengewichts eines Fluidtropfens und der Einschaltenergie, die nötig ist, um einen Fluidtropfen abzufeuern, verbessert wird.
Zweitens umfaßt die Widerstandsstruktur der vorliegenden Erfindung eine vollständig flache obere Oberfläche und weist nicht die Stufenkontur auf, die mit herkömmlichen Herstellungsentwürfen in Zusammenhang steht. Eine flache Struktur (glatte planare Oberfläche) liefert eine konsistente Blasenkeimbildung, ein besseres Spülen der Fluidkammer und eine flachere Topologie, wodurch die Haftung und Laminierung der Barrierestruktur an die Dünnfilm verbessert wird. Drittens wird es aufgrund der flachen Topologie der vorliegenden Struktur ermöglicht, daß die Barrierestruktur die Kante des Widerstands überdeckt. Durch Einführen von Wärme in den Boden der gesamten Fluidkammer wird eine Fluidtropfenausstoßeffizienz verbessert.
Drittens sind eine Neigungsrauheit und Reste einer leitfähigen Schicht auf der Widerstandsschicht nicht mehr von Belang, da bei der Herstellung der Erfindung kein Naß-Schräg-Ätzprozeß verwendet wird.
Viertens wird eine Elektromigration der leitfähigen Schicht 40 aufgrund der Einkapselung und Umhüllung der leitfähigen Schicht 40 durch die Widerstandsschicht 30 in die Passivierungsschicht minimiert.
Ferner bildet die Kombination, durch Anbringen des Druckkopfs 200 an der Fluidkassette 220, ein zweckmäßiges Modul, das zum Verkauf verpackt werden kann.
Zwar wurden hierin spezifische Ausführungsbeispiele zum Zweck der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels dargestellt und beschrieben, doch ist es dem Durchschnittsfachmann klar, daß die abgebildeten und beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele durch eine breite Vielfalt an alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen, die berechnet sind, um die gleichen Zwecke zu erreichen, ersetzt werden können, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Fachleuten auf dem Gebiet der chemischen, mechanischen, elektromechanischen, elektrischen und Computertechnik ist ohne weiteres klar, daß die vorliegende Erfindung in einer sehr breiten Vielfalt an Ausführungsbeispielen implementiert werden kann. Diese Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Variationen des hierin erörterten bevorzugten Ausführungsbeispiels abdecken. Es ist daher offenkundig beabsichtigt, daß diese Erfindung nur durch den beigefügten Patentanspruch 1 eingeschränkt ist.

Claims

Ein Fluidstrahl-Druckkopf (200), der ein Substrat (10) umfaßt, der folgende Merkmale aufweist: zumindest eine Schicht (82), die eine Fluidkammer (100) zum Ausstoßen eines Fluids definiert; eine Widerstandsschicht (30), die eine glatte planare Oberfläche aufweist, die zwischen der Fluidkammer (100) und dem Substrat (10) angeordnet ist; eine leitfähige Schicht (40), die zwischen der Widerstandsschicht (30) und dem Substrat (10) angeordnet ist, wobei die leitfähige Schicht (40) und die Widerstandsschicht (30) in einem direkten parallelen Kontakt sind; und ein strukturiertes Dielektrikum (44), das zwischen der Widerstandsschicht (30) und dem Substrat (10) angeordnet ist und innerhalb der leitfähigen Schicht (40) gebildet ist und eine planare Oberfläche mit der leitfähigen Schicht (40) erzeugt, wodurch eine glatte planare Oberfläche in der Widerstandsschicht erzeugt wird, wobei die glatte planare Oberfläche mit der Fluidkammer ausgerichtet ist.
Der Fluidstrahl-Druckkopf (200) gemäß Anspruch 1, der ferner eine Passivierungsschicht (50) aufweist, die zwischen der Widerstandsschicht (30) und der Fluidkammer (100) angeordnet ist.
Der Fluidstrahl-Druckkopf (200) gemäß Anspruch 1, der ferner eine Kavitationsschicht (60) aufweist, die zwischen der Widerstandsschicht (30) und der Fluidkammer (100) angeordnet ist.
Eine Fluidstrahl-Kassette (220), die folgende Merkmale aufweist: einen Fluidstrahl-Druckkopf (200) gemäß Anspruch 1; einen Körper (218) zum Enthalten eines Fluids; und ein Fluidzuführsystem (216) in fluidischer Verbindung mit dem Fluidstrahl-Druckkopf (200) und dem Körper (218).
Eine Aufzeichnungsvorrichtung (240), die folgende Merkmale aufweist: eine Fluidstrahl-Kassette (220) gemäß Anspruch 4; und einen Transportmechanismus (252, 254) zum Bewegen eines Mediums in eine erste und eine zweite Richtung über den Fluidstrahl-Druckkopf (200) der Fluidstrahl-Kassette (220).