DE69930358T2

DE69930358T2 - Substrat für einen Flüssigkeitsausstosskopf, Flüssigkeitsausstosskopf und Flüssigkeitsausstossgerät

Info

Publication number: DE69930358T2
Application number: DE69930358T
Authority: DE
Inventors: Yoshiyuki Imanaka; Toshio Kashino; Masahiko Kubota; Ichiro Saito; Teruo Ozaki; Muga Mochizuki
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1998-12-03
Filing date: 1999-12-02
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2019-12-03
Also published as: EP1005992B1; ATE320348T1; EP1005992A2; DE69930358D1; EP1005992A3; US6299293B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Flüssigkeitsausstoßkopf und ein Flüssigkeitsausstoßgerät zum Ausstoßen einer gewünschten Flüssigkeit durch Erzeugen eines Bläschens, das durch die Wirkung von thermischer Energie auf die Flüssigkeit hervorgerufen wird, und genauer gesagt auf die Gestaltung eines Substrats, an dem ein Wärmeenergieerzeugungselement zum Erzeugen von Wärmeenergie ausgebildet ist.
Die Erfindung ist bei einem Gerät anwendbar, wie beispielsweise einem Drucker zum Aufzeichnen auf verschiedenen Aufzeichnungsmedien, wie beispielsweise Papier, Garn, Faser, Kleidung, Metall, Plastik, Glas, Holz oder Keramik, ein Kopiergerät, ein Faxgerät, das mit einem Kommunikationssystem vorgesehen ist, oder eine Textverarbeitungseinrichtung, die mit einer Druckeinheit ausgestattet ist, oder an industrielle Aufzeichnungsgeräte, die mit verschiedenen Verarbeitungsgeräten verbunden sind.
Bei der Erfindung bedeutet das „Aufzeichnen" nicht nur das Versehen des Aufzeichnungsmediums mit einem bedeutungsvollen Bild, wie beispielsweise einem Buchstaben oder einer Grafik, sondern auch das Versehen mit einem bedeutungslosen Bild, wie beispielsweise einem Muster.
Es ist bereits ein sogenanntes Bläschenstrahlaufzeichnungsverfahren bekannt, nämlich ein Tintenstrahlaufzeichnungsverfahren zum Bereitstellen von Tinte mit einer Energie, wie beispielsweise Hitze, um eine Zustandsänderung zu verursachen, die eine plötzliche Volumenänderung bei der Tinte zur Folge hat, wobei Tinte durch eine auf einer solchen Zustandsänderung basierenden Wirkkraft aus der Ausstoßöffnung ausgestoßen wird und die Tinte so auf ein Aufzeichnungsmedium aufgebracht wird, dass sie ein Bild ausbildet. Das Aufzeichnungsgerät, das solch ein Bläschenstrahlaufzeichnungsverfahren einsetzt, ist, wie es in dem US-Patent Nr. 4,723,129 offenbart ist, im Allgemeinen mit einer Ausstoßöffnung zum Ausstoßen von Tinte, einer Tintenbahn, die mit der Ausstoßöffnung in Verbindung steht, und einem elektrothermischen Umwandlungsbauteil vorgesehen, das in der Tintenbahn vorgesehen ist und als eine Energieerzeugungseinrichtung zum Erzeugen von Energie zum Ausstoßen der Tinte dient.
Ein derartiges Aufzeichnungsverfahren hat verschiedene Vorteile, wie zum Beispiel das Aufzeichnen eines Bildes mit hoher Qualität bei einer hohen Geschwindigkeit mit einem niedrigen Geräuschpegel, und das Aufzeichnen eines Bildes von hoher Auflösung oder sogar eines Farbbildes mit einem kompakten Gerät, da bei dem Kopf, der ein derartiges Aufzeichnungsverfahren ausführt, die Tintenausstoßöffnungen mit einer hohen Dichte angeordnet werden können. Aus diesem Grund wird das Bläschenstrahlaufzeichnungsverfahren regelmäßig bei verschiedenen Bürogeräten, wie beispielsweise Druckern, Kopiermaschinen, Faxgeräten, etc. und sogar bei industriellen Systemen eingesetzt, wie beispielsweise Gewebefärbgeräten.
Mit der Ausbreitung der Bläschenstrahltechnologie in verschiedene Bereiche ergeben sich verschiedene Anforderungen, die im Folgenden beschrieben sind.
Um beispielsweise einer Anforderung der Verbesserung der Energieeffizienz nachzukommen, ist man auf eine Optimierung des Hitzeerzeugungsbauteils gekommen, wie beispielsweise das Einstellen der Dicke der Schutzschicht für das Hitzeerzeugungsbauteil. Dieses Verfahren ist beim Verbessern der Effizienz der Übertragung der erzeugten Hitze auf die Flüssigkeit effektiv.
Auch zum Erhalten des Bildes von einer hohen Qualität ist ein Antriebsverfahren zum Flüssigkeitsausstoß vorgeschlagen, das dazu im Stande ist, eine schnellere Tintenausstoßgeschwindigkeit und einen auf einer stabilen Bläschenerzeugung basierenden zufriedenstellenden Tintenausstoß zu realisieren, und um ein Hochgeschwindigkeitsaufzeichnen zu erreichen, ist eine verbesserte Form der Flüssigkeitsbahn vorgeschlagen, um einen Flüssigkeitsausstoßkopf mit einer schnelleren Nachfüllgeschwindigkeit der Flüssigkeit in die Flüssigkeitsbahn zu realisieren.
Die Erfindung ist vorgesehen, um die grundlegenden Ausstoßeigenschaften des im Grunde herkömmlichen Flüssigkeitsausstoßverfahrens durch Ausbilden eines Bläschens, insbesondere eines auf Filmsieden basierenden Bläschens, in der Flüssigkeitsbahn auf ein Niveau zu verbessern, das vorher nicht erwartet werden kann.
Die Erfinder haben intensive Untersuchungen gemacht, um ein neuartiges Flüssigkeitströpfchenausstoßverfahren, das das auf herkömmliche Weise nicht verfügbare Bläschen verwendet, und einen Kopf vorzusehen, der solch ein Verfahren verwendet. Bei diesen Untersuchungen wurde eine erste technische Analyse der Funktionsweise des beweglichen Bauteils in der Flüssigkeitsbahn, die das Prinzip des Mechanismus des beweglichen Elements in der Flüssigkeitsbahn analysiert, eine zweite technische Analyse des Prinzips eines Flüssigkeitströpfchenausstoßes durch das Bläschen und eine dritte technische Analyse des Bläschenausbildungsbereichs des Hitzeerzeugungsbauteils für die Bläschenausbildung ausgeführt, wobei durch diese Analysen eine völlig neuartige Technologie des konkreten Steuerns des Bläschens durch Anordnen des Drehpunkts und des freien Endes des beweglichen Bauteils in solch einer Weise, dass das freie Ende an der Seite der Ausstoßöffnung oder der stromabwärts gelegenen Seite vorgesehen ist, und durch derartiges Anordnen des beweglichen Bauteils, das es dem Hitzeerzeugungsbauteil oder dem Bläschenerzeugungsbereich gegenüberliegt, verwirklicht wurde.
Dann wird in Anbetracht der Wirkung der Energie des Bläschens selbst auf die Ausstoßmenge die Erkenntnis erlangt, dass die Wachstumskomponente an der stromabwärts gelegenen Seite des Bläschens der größte Faktor ist, der dazu im Stande ist, die Ausstoßeigenschaften drastisch zu verbessern. Genauer gesagt wurde herausgefunden, dass die effiziente Umwandlung der Wachstumskomponente in Ausstoßrichtung an der stromabwärts gelegenen Seite des Bläschens zu einer Verbesserung der Ausstoßeffizienz und Ausstoßgeschwindigkeit führt.
Es wurde ferner festgestellt, dass eine strukturelle Betrachtung des beweglichen Bauteils oder der Flüssigkeitsbahn bezüglich des Hitzeerzeugungsbereichs, der zum Ausbilden des Bläschens dient, zum Beispiel in Bezug auf das Bläschenwachstum an der stromabwärts gelegenen Seite mit Bezug auf die Mittellinie, die durch die räumliche Mitte des elektrothermischen Umwandlungsbauteils in der Flüssigkeitsströmungsrichtung läuft, oder an der stromabwärts gelegenen Seite des Bläschens bezüglich der räumlichen Mitte des Bereichs, die zur Bläschenerzeugung beiträgt, wünschenswert ist.
Es wurde ferner festgestellt, dass die Nachfüllgeschwindigkeit durch Berücksichtigen der Anordnung des beweglichen Bauteils und des Aufbaus der Flüssigkeitszufuhrbahn bedeutend verbessert werden kann.
Die EP-A-0811490 beschreibt ein Flüssigkeitsausstoßverfahren, Kopf und Gerät, wobei der Flüssigkeitsausstoßkopf einen Ausstoßauslass zum Ausstoßen von Flüssigkeit, einen Bläschenerzeugungsbereich und ein bewegliches Element hat, das so angeordnet ist, dass es dem Bläschenerzeugungsbereich gegenüberliegt und durch Druck, der durch die Erzeugung eines Bläschens in dem Bläschenerzeugungsbereich erzeugt wird, zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position, die von einem Bläschenerzeugungsbereich weiter entfernt ist als der erste Bereich, verschiebbar ist, um einen Flüssigkeitsausstoß aus dem Ausstoßauslass zu verursachen.
Gemäß einem ersten Aspekt sieht die Erfindung einen Grundaufbau vor, wie er in Anspruch 1 aufgezeigt ist.
Ein Elementsubstrat kann so definiert sein, dass es das Substrat, das Hitzeerzeugungsbauteil, die zwei Leitungsbahnschichten und die Zwischenschichtisolationsschicht von Anspruch 1 aufweist. Das Musternachbilden der verschiedenen Schichten und insbesondere der Durchgangsbohrung in der Zwischenschichtisolationsschicht wird Absatzunterschiede an der Fläche des Elementsubstrats zur Folge haben. Wo das bewegliche Bauteil durch einen photolithographischen Prozess ausgebildet wird, trägt das bewegliche Bauteil einen Absatzunterschied, wenn die Fläche des Substrats einen Absatzunterschied in einem Bereich hat, der dem beweglichen Bauteil entspricht. Wenn das bewegliche Bauteil durch die Druckänderung des Bläschens versetzt wird, wird die Spannung an solch einem Absatzunterschied konzentriert.
Ein Vorsehen der Durchgangsbohrung in einem Bereich des Befestigungsabschnitts, entfernt von der Grenze zwischen dem Befestigungsabschnitt und dem beweglichen Abschnitt des beweglichen Bauteils, bedeutet, dass es keinen Absatzunterschied in der Nähe des Drehpunkts des beweglichen Bauteils gibt. Infolgedessen kann die Spannungskonzentration in einem Abschnitt, der bei dem Versatz des beweglichen Bauteils die größte Spannung aufnimmt, entspannt werden, und dessen Lebensdauer kann verbessert werden. Also ist die Durchgangsbohrung zwangsläufig im Befestigungsabschnitt des beweglichen Bauteils angeordnet, um die Haftkraft des Befestigungsabschnitts zu verbessern, und auch die Betriebssicherheit des beweglichen Bauteils zu verbessern. Ein derartiger Aufbau ist weiterhin bevorzugt, weil die Befestigungsabschnitte der mehrzahligen beweglichen Bauteile gemeinsam (in einer zusammenhängenden Art) ausgebildet werden können, um die Spannung, die auf die Befestigungsabschnitte, die die Durchgangsbohrung abdecken, aufgebracht ist, zu verteilen.
Auch dann, wenn das bewegliche Bauteil durch die photolithographische Technologie (und Filmausbildungstechnologie) auf dem Substrat ausgebildet ist, variiert die Form und Schichtqualität des beweglichen Bauteils gemäß dem oben erwähnten Absatzunterschied. Wenn der Absatzunterschied an der Grenze zwischen dem Befestigungsabschnitt und dem beweglichen Abschnitt des beweglichen Bauteils positioniert ist, kann die gewünschte Leistungsfähigkeit nicht nur wegen der vorstehend genannten Spannungskonzentration, sondern auch wegen der Verschlechterung der Schichtqualität des beweglichen Bauteils und der Instabilität dessen Form, nicht erreichbar sein, aber der Aufbau der Erfindung ermöglicht es, die Form und Schichtqualität des beweglichen Bauteils zu stabilisieren, wobei sie es ermöglicht das Substrat, für den Flüssigkeitsausstoßkopf und den Flüssigkeitsausstoßkopf mit einer hohen Betriebssicherheit zu versehen.
Die Erfindung sieht auch einen Flüssigkeitsausstoßkopf vor, wie er in Anspruch 5 dargelegt ist.
Die Erfindung sieht auch ein Flüssigkeitsausstoßgerät vor, wie es in den Ansprüche 6 oder 7 dargelegt ist.
Die Erfindung sieht ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Substrats für einen Flüssigkeitsausstoßkopf vor, wie es in Anspruch 9 dargelegt ist, und ein Verfahren zur Herstellung eines Flüssigkeitsausstoßkopfes, wie es in Anspruch 10 dargelegt ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht in einer Richtung entlang der Flüssigkeitsbahn, die den Grundaufbau eines Flüssigkeitsausstoßkopfes zeigt, der die Erfindung darstellt;
2 ist eine Draufsicht, die ein in 1 gezeigtes Elementsubstrat zeigt;
3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts III in 2;
4 ist eine vergrößerte Ansicht, die eine Veränderung des in 1 gezeigten Elementsubstrats zeigt;
die 5A, 5B, 5C, 5D, 5E, 5F, 5G, 5H, 5I und 5J sind Ansichten, die das Verfahren zur Herstellung des in 1 gezeigten Flüssigkeitsausstoßkopfes zeigen;
die 6A, 6B, 6C, 6D, 6E, 6F, 6G und 6H sind Ansichten, die das Verfahren zur Herstellung des in 1 gezeigten Flüssigkeitsausstoßkopfes zeigen;
die 7A und 7B sind jeweils eine schematische Draufsicht und eine Querschnittsansicht entlang einer in 7A gezeigten Linie VIIB-VIIB, die den detaillierten Aufbau des Elementsubstrats und des beweglichen Bauteils des Flüssigkeitsausstoßkopfes zeigen;
die 8A, 8B, 8C, 8D, 8E, 8F, 8G und 8H sind Ansichten, die eine Veränderung des Verfahrens zur Herstellung des Flüssigkeitsausstoßkopfes zeigen, das unter Bezugnahme auf die 5A bis 5J und 6A bis 6H erklärt ist;
9 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Flüssigkeitsausstoßgerät zeigt, an dem der in 1 gezeigte Flüssigkeitsausstoßkopf montiert ist; und
10 ist ein Blockdiagramm des gesamten Geräts zum Betätigen des Tintenausstoßaufzeichnungsgeräts, das den in 1 gezeigten Flüssigkeitsausstoßkopf verwendet.
DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Nun wird die Erfindung durch deren Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen genau verdeutlicht.
Zuerst werden der Aufbau des Flüssigkeitsausstoßkopfes und der Überblick des Herstellungsverfahrens unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 und 6A bis 6H beschrieben.
1 ist eine Querschnittansicht in einer Richtung entlang der Flüssigkeitsbahn, die einen Grundaufbau eines Flüssigkeitsausstoßkopfes zeigt, der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Wie es in 1 gezeigt ist, ist der Flüssigkeitsausstoßkopf des Ausführungsbeispiels mit einem Elementsubstrat 1, an dem mehrere Hitzeerzeugungsbauteile 2 (nur eins ist dargestellt) in paralleler Weise als die Ausstoßenergieerzeugungsbauteile zum Erzeugen von thermischer Energie zum Erzeugen eines Bläschens in der Flüssigkeit ausgebildet sind, einer Deckenplatte 3, die auf dem Elementsubstrat 1 angehaftet ist, und einer Öffnungsplatte 4 vorgesehen, die an die vordere Endfläche des Elementsubstrats 1 und der Deckenplatte 3 angehaftet ist.
Das Elementsubstrat 1 ist durch Ausbilden eines Siliziumoxidfilms oder eines Siliziumnitridfilms zum elektrischen Isolieren und Hitzeaufstauen an einem Substrat, wie beispielsweise aus Silizium, und durch Musternachbilden einer elektrischen Widerstandsschicht darauf, die das Hitzeerzeugungsbauteil 2 und die Leitungsbahnen dafür bildet, ausgebildet. Die Leitungsbahnen dienen dazu, eine Spannung an die elektrische Widerstandsschicht anzulegen, um darin einen Strom zu verursachen, wobei sie Hitze im Hitzeerzeugungsbauteil 2 erzeugen. Auf den Leitungsbahnen und der elektrischen Widerstandsschicht ist eine Schutzschicht zum Schutz vor der Tinte ausgebildet, und eine Antikavitationsschicht ist darauf zum Schutz vor der Kavitation ausgebildet, die sich aus dem Zusammenziehen des Tintenbläschens ergibt.
Die Deckenplatte 3 dient zum Ausbilden mehrerer Flüssigkeitsbahnen 7, die jeweils den Hitzeerzeugungsbauteilen 2 und einer gemeinsamen Flüssigkeitskammer 8 zum Versorgen der Flüssigkeitsbahnen 7 mit Flüssigkeit entsprechen, und ist einstückig mit den Flüssigkeitsbahnseitenwänden 9 vorgesehen, die sich von der Decke zu den Abständen zwischen den Hitzeerzeugungsbauteilen 2 erstrecken. Die Deckenplatte 3 besteht aus einem Silizium enthaltenden Material und die Flüssigkeitsbahnen 7 und die gemeinsame Flüssigkeitskammer 8 sind durch Musternachbildungsätzen eines Siliziumsubstrats oder durch Ablagern von Siliziumnitrid oder Siliziumoxid ausgebildet, wobei die Seitenwände 9 durch ein bekanntes Schichtausbildungsverfahren, wie beispielsweise CVD, auf dem Siliziumsubstrat gebildet werden, und dann die Abschnitte der Flüssigkeitsbahnen 7 geätzt werden.
In der Öffnungsplatte 4 sind mehrere Auslassöffnungen ausgebildet, die jeweils den Flüssigkeitsbahnen 7 entsprechen und mit der gemeinsamen Flüssigkeitskammer 8 über die Flüssigkeitsbahnen 7 in Verbindung stehen. Die Öffnungsplatte 4 besteht ebenso aus einem Silizium basierten Material und ist zum Beispiel durch Abschaben eines Siliziumsubstrats, auf dem die Auslassöffnungen 5 ausgebildet sind, auf eine Dicke von 10 bis 150 μm ausgebildet. Die Öffnungsplatte 4 ist jedoch nicht die wesentliche Komponente der Erfindung und kann durch dieμ Deckenplatte 3 mit den Auslassöffnungen ersetzt werden, die durch Halten einer Wand mit einer Dicke, die der der Öffnungsplatte entspricht, an der vorderen Endfläche der Deckenplatte 3 bei der Ausbildung der Flüssigkeitsbahnen 7 darauf, und Ausbilden der Auslassöffnungen 5 in dem so gehaltenen Wandabschnitt ausgebildet ist.
Zusätzlich ist der Flüssigkeitsausstoßkopf mit einem beweglichen Bauteil 6 in der Form eines an einem Ende gestützten Balkens vorgesehen, der so positioniert ist, dass er dem Hitzeerzeugungsbauteil 2 gegenüberliegt. Das bewegliche Bauteil 6 besteht aus einer dünnen Schicht eines Silizium enthaltenden Materials, wie beispielsweise Siliziumnitrid oder Siliziumoxid.
Das bewegliche Bauteil 6 ist so vorgesehen, dass es an der stromaufwärts gelegenen Seite in der Richtung einer Hauptflüssigkeitsströmung, die durch die Flüssigkeitsausstoßtätigkeit von der gemeinsamen Flüssigkeitskammer 8 durch das bewegliche Bauteil 6 in Richtung der Ausstoßöffnung 5 erzeugt wird, einen Drehpunkt 6a hat, und dass es an der bezüglich des Drehpunkts 6a stromabwärtigen Seite ein freies Ende 6b hat, und dass es sich an einer Position befindet, die dem Hitzeerzeugungsbauteil 2 mit einem vorbestimmten Abstand davon gegenüberliegt, und dass es das freie Ende 6b in der Nähe der Mitte des Hitzeerzeugungsbauteils hat. Der Raum zwischen dem Hitzeerzeugungsbauteil 2 und dem beweglichen Bauteil 6 bildet einen Hitzeerzeugungsbereich 10.
Wenn das Hitzeerzeugungsbauteil 2 bei dem oben beschriebenen Aufbau Hitze erzeugt, wird Hitze auf die Flüssigkeit in dem Bläschenerzeugungsbereich 10 zwischen dem beweglichen Bauteil 6 und dem Hitzeerzeugungsbauteil 2 aufgebracht, wobei basierend auf dem Filmesiedephänomen ein Bläschen erzeugt wird und auf dem Hitzeerzeugungsbauteil 2 wächst. Der sich aus dem Wachstum des Bläschens ergebende Druck wirkt auf das bewegliche Bauteil 6, wobei sich das bewegliche Bauteil 6 so versetzt, dass es sich um den Drehpunkt 6a weit in Richtung der Ausstoßöffnung 5 öffnet, wie es durch eine gestrichelte Linie in 1 angedeutet ist. Der Versatz des beweglichen Bauteils 6 oder sein versetzter Zustand führt den Druck, der auf der Bläschenerzeugung und dem Wachstum des Bläschens selbst basiert, in Richtung der Ausstoßöffnung 5, wobei aus dieser die Flüssigkeit ausgestoßen wird.
Somit wird durch Positionieren des beweglichen Bauteils 6 an dem Bläschenerzeugungsbereich 10, wobei sich der Drehpunkt 6a an der stromaufwärtigen Seite (die Seite der gemeinsamen Flüssigkeitskammer 8) der Flüssigkeitsströmung in der Flüssigkeitsbahn 7 befindet, und wobei sich das freie Ende 6b an der stromabwärtigen Seite (die Seite der Ausstoßöffnung 5) befindet, die Ausbreitung des Bläschendrucks in Richtung der stromabwärtigen Seite geführt, wobei der Bläschendruck direkt und wirksam zu dem Flüssigkeitsausstoß beiträgt. Ebenso wird die Wachstumsrichtung selbst des Bläschens in Richtung der stromabwärtigen Seite geführt, gleich der Richtung der Druckausbreitung, wobei das Bläschen an der stromabwärtigen Seite mehr als an der stromaufwärtigen Seite anwächst. Solch eine Steuerung der Wachstumsrichtung selbst des Bläschens und die Ausbreitungsrichtung des Bläschendrucks durch das bewegliche Bauteil erlauben es, die grundlegenden Ausstoßeigenschaften der Ausstoßeffizienz, Ausstoßkraft oder Ausstoßgeschwindigkeit zu verbessern.
Andererseits, wenn das Bläschen in eine Zusammenziehungsphase eintritt, schrumpft das Bläschen rasch durch den Mehrfacheffekt mit der elastischen Kraft des beweglichen Bauteils 6, wobei es schließlich in die in 1 gezeigte Ausgangsposition mit der durchgezogenen Linie zurückkehrt. Um die Volumenschrumpfung des Bläschens im Bläschenerzeugungsbereich 10 und das Volumen der ausgestoßenen Flüssigkeit auszugleichen, fließt die Flüssigkeit von der gemeinsamen Flüssigkeitskammer 8 in die Flüssigkeitsbahn 7, um ein Flüssigkeitsnachfüllen zu erreichen, und ein derartiges Flüssigkeitsnachfüllen wird in Zusammenarbeit mit der Rückkehrtätigkeit des beweglichen Bauteils 6 effizient, sinnvoll und stabil erreicht.
Wie es vorstehend beschrieben ist, besteht bei einem derartigen Flüssigkeitskopfs des Ausführungsbeispiels das Elementsubstrat 1 aus einem Siliziumsubstrat, wenn die Deckenplatte 3, die Flüssigkeitsbahnseitenwände 9, die Öffnungsplatte 4 und das bewegliche Bauteil 6 aus siliziumbasierenden Materialien bestehen, so dass Silizium in all diesen Komponenten enthalten ist. Somit kann die Spannung unterdrückt werden, die durch den Unterschied der linearen Ausdehnungskoeffizienten dieser Komponenten erzeugt wird. Deshalb wird es dadurch ermöglicht, die mechanischen Eigenschaften des Flüssigkeitsausstoßkopfes zu verbessern, und dabei die Ausstoßeigenschaften zu stabilisieren und den Flüssigkeitsausstoßkopf mit einer hohen Betriebssicherheit zu realisieren.
2 ist eine Draufsicht des in 1 gezeigten Elementsubstrats 1. An einer Fläche des Elementsubstrats 1, auf der Seite der Deckenplatte 3, sind, wie es in 2 gezeigt ist, mehrere Hitzeerzeugungsbauteile 2 parallel entlang einem Rand des Elementsubstrats 1 angeordnet. An der vorstehend erwähnten Fläche des Elementsubstrats 1 bildet der Mittelabschnitt einen Heizeinrichtungstreiberausbildungsbereich 21, bei dem mehrere Heizeinrichtungstreiber 31 in einer gleichen Richtung wie der Anordnungsrichtung der mehrzahligen Hitzeerzeugungsbauteile 2 angeordnet sind. Ebenfalls ist in einem Abschnitt des Heizeinrichtungstreiberausbildungsbereichs 21, gegenüber dem Hitzeerzeugungsbauteil 2, ein Schieberegisterspeicher 22 ausgebildet.
3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts III in 2. Das Elementsubstrat 1 des Ausführungsbeispiels verwendet Heizeinrichtungen, die mit einer hohen Dichtheit angeordnet sind, wobei es bei dem aufgezeichneten Bild eine Auflösung von 600 dpi (Punkte pro Zoll) oder höher bereitstellt. In Anbetracht der Leitungsbahnanordnung an dem Elementsubstrat 1 sind die Heizeinrichtungstreiber 31 zum Antreiben der Hitzeerzeugungsbauteile 2 in einer linearen Anordnung angeordnet. Bei dem in 2 gezeigten Heizeinrichtungstreiberausbildungsbereich 21 sind die Heizeinrichtungstreiber 31, wie es in 3 gezeigt ist, in einer Richtung ausgebildet, die der Richtung der Hitzeerzeugungsbauteile 2 parallel ist. Die Teilung P1 der Heizeinrichtungstreiber 31 ist die gleiche wie die Teilung der Hitzeerzeugungsbauteile 2 und wird innerhalb eines Bereichs von 15 bis 42 μm ausgewählt.
Der Heizeinrichtungstreiber 31 besteht aus einer Source 32, die sich in einer Richtung senkrecht zu der Richtung der Anordnung der Heizeinrichtungstreiber 31 erstreckt, einem Drain 33 und einem zu der Source 32 parallelen Gate 34, wobei der Drain 33 mit dem Hitzeerzeugungsbauteil 2 elektrisch verbunden ist. Bei dem Heizeinrichtungstreiberausbildungsbereich 21 sind eine Heizeinrichtungstreiberenergieversorgung 35 und eine Masse 36 ausgebildet, die aus einer Metallschicht besteht.
Der Heizeinrichtungstreiber 31 braucht eine hohe Durchschlagspannung (etwa 10 bis 50 V) und eine sehr schmale Breite, um mit einer Teilung von 15 bis 42 μm, wie es vorstehend beschrieben ist, angeordnet zu sein. Der Heizeinrichtungstreiber 31, der derartige Erfordernisse erfüllt, kann aus einem Transistor der Offset-MOS-Art, der LDMOS-Art oder der VDMOS-Art bestehen.
4 ist eine vergrößerte Ansicht, die eine Veränderung des in 1 gezeigten Elementsubstrats 1 zeigt. Im Gegensatz zu dem in 3 gezeigten Aufbau, bei dem die Teilung der Heizeinrichtungstreiber 31 die gleiche wie die der Hitzeerzeugungsbauteile 2 ist, ist bei dem in 4 gezeigten Aufbau die Teilung P3 der Hitzeerzeugungsbauteile 2 doppelt so groß wie die Teilung P2 der Heizeinrichtungstreiber 31. Bei einem derartigen Elementsubstrat 1 sind für jede Düse mehrere Hitzeerzeugungsbauteile 2 positioniert und werden für eine einzige Düse angetrieben, wobei ein Toneraufzeichnen erreicht wird.
Im Folgenden wird ein Beispiel beschrieben, das ein Elementsubstrat 1 mit dem in den 3 oder 4 gezeigten Aufbau verwendet, wobei die Hitzeerzeugungsbauteile 2 so angeordnet sind, dass sie bei dem aufgezeichneten Bild eine Auflösung von 1200 dpi erzielen. Bei einem derartigen Fall ist in Anbetracht der Schwankung bei dem Widerstand der Leitungsbahnen, bei der Energiequelle selbst oder bei den Heizeinrichtungstreibern 31 die Spannung der Energiequelle zum Antreiben der Hitzeerzeugungsbauteile 2 vorzugsweise so hoch wie möglich. Bei dem Ausführungsbeispiel ist die Spannung der Energiequelle als 24 V gewählt. Die Teilung der Hitzeerzeugungsbauteile 2 ist etwa 21 μm und deren Breite ist als 14 μm gewählt, wobei sie einen Spielraum aufweist. Die Länge des Hitzeerzeugungsbauteils 2 ist als 60 μm gewählt, um dessen Bereich sicherzustellen, der zum Erzielen der Aufzeichnungsdichte von 1200 dpi erforderlich ist. Um das Hitzeerzeugungsbauteil 2 mit einem Intervall von mehreren Mikrosekunden anzutreiben, muss der Widerstand des Hitzeerzeugungsbauteils 2 groß ausgebildet sein, und dessen Blattwiderstand muss 50 Ω/☐ oder höher sein.
Deshalb wird der Widerstand des Hitzeerzeugungsbauteils 2 für 1200 dpi als 200 Ω oder höher gewählt, indem TaSiN als das Material dafür gewählt wird. Der Heizeinrichtungstreiber 31 besteht aus einem Transistor der LDMOS-Bauart, der in seiner Breite relativ schmal ausgebildet werden kann. Ein Bild von 1200 dpi kann durch Antreiben des Flüssigkeitsausstoßkopfes mit derartigem Aufbau aufgezeichnet werden.
Bei dem Flüssigkeitsausstoßkopf, bei dem die Hitzeerzeugungsbauteile 2 mit einer hohen Dichte, wie es vorstehend erklärt ist, angeordnet sind, kann der Heizeinrichtungstreiber 31 aus einem Transistor der Offset-MOS-Art, der LDMOS-Art oder der VDMOS-Art bestehen, wobei die Heizeinrichtungstreiber in einer linearen Anordnung von hoher Dichte an dem Elementsubstrat 1 angeordnet sein können, und wobei die Leitungsbahnen in einer effizienten Anordnung an dem Elementsubstrat 1 angeordnet werden können. Folglich kann das Elementsubstrat 1 kompakt in der Chipgröße ausgebildet sein. Ebenso kann der Flüssigkeitsausstoßkopf mit begrenzter Schwankung bei der Spannung, die an die Hitzeerzeugungsbauteile angelegt wird, durch die Kombination der Hitzeerzeugungsbauteile 2, die einen Blattwiderstand größer oder gleich 50 Ω/☐ haben, und des Heizeinrichtungstreibers 31 des vorstehend erwähnten MOS-Aufbaus, der dazu imstande ist, eine Spannung von 10 V oder sogar höher auszuhalten, realisiert werden.
Im Folgenden wird das Verfahren zur Herstellung des Flüssigkeitsausstoßkopfes des Ausführungsbeispiels beschrieben. Die 5A bis 5J und 6A bis 6H veranschaulichen das Herstellungsverfahren für den Flüssigkeitsausstoßkopf, der unter Bezugnahme auf 1 erklärt ist. Die 5A bis 5E und 6A bis 6D sind Querschnittansichten entlang einer Richtung, die senkrecht zu der Erstreckungsrichtung der Flüssigkeitsbahnen ist, und die 5F bis 5J und 6E bis 6H sind entsprechende Querschnittansichten in der Richtung entlang der Flüssigkeitsbahnen. Der Flüssigkeitsausstoßkopf des Ausführungsbeispiels wird durch die in den 5A bis 5J und 6G und 6H gezeigten Schritte angefertigt.
Zuerst wird, wie es in den 5A und 5F gezeigt ist, an der gesamten Fläche des Elementsubstrats 1 an der Seite der Hitzeerzeugungsbauteile 2 eine PSG-(Phosphorsilikatglas-)Schicht 101 durch CVD bei einer Temperatur von 350°C ausgebildet. Die Dicke der PSG-Schicht 101 entspricht dem Abstand zwischen dem beweglichen Bauteil 6 und dem Hitzeerzeugungsbauteil 2, das in 1 gezeigt ist, und wird als 1 bis 20 μm gewählt. Dieser Abstand ist wirksam beim Verbessern der Wirkung des beweglichen Bauteils 6 bei der Ausgewogenheit der gesamten Flüssigkeitsbahn des Flüssigkeitsausstoßkopfes. Dann wird die PSG-Schicht 101 musternachgebildet, indem ein Resist-Material beispielsweise durch Rotationsbeschichten an der PSG-Schicht 101 angebracht wird, dann eine Belichtung und Entwicklung bei dem photolithografischen Prozess ausgeführt wird und ein Abschnitt des Resists, wo das bewegliche Bauteil 6 befestigt werden soll, entfernt wird.
Dann wird der Abschnitt der PSG-Schicht 101, der nicht von dem Resist abgedeckt ist, durch Feuchtätzen, durch Verwenden von gepufferter Hydrofluorsäure, entfernt. Dann wird das auf der PSG-Schicht 101 verbliebene Resist durch Sauerstoffplasmaätzen oder durch Eintauchen des Elementsubstrats 1 in einen Resist-Entferner entfernt. Somit bleibt ein Teil der PSG-Schicht 101 auf der Fläche des Elementsubstrats 1 und bildet ein Formbauteil, das dem Raum des Bläschenerzeugungsbereichs 10 entspricht.
Durch diese Schritte wird ein Formbauteil, das dem Raum des Bläschenerzeugungsbereichs 10 entspricht, auf dem Elementsubstrat 1 ausgebildet.
Dann wird, wie es in den 5C und 5H gezeigt ist, eine SiN-Schicht 102 mit einer Dicke von 1 bis 10 μm als eine erste Materialschicht durch Plasma-CVD bei 400°C, das Ammoniak- und Silangas verwendet, an der Fläche des Elementsubstrats 1 und der PSG-Schicht 101 ausgebildet. Ein Teil der SiN-Schicht bildet das bewegliche Bauteil 6. Si₃N₄ ist am Besten für den Aufbau der SiN-Schicht 102, aber das Verhältnis von N bezüglich Si kann innerhalb eines Bereichs von 1 bis 1,5 liegen, um die Wirkung des beweglichen Bauteils 6 zu erhalten. Eine derartige SiN-Schicht wird gewöhnlich bei dem Halbleiterverfahren eingesetzt und hat eine Alkalibeständigkeit, eine chemische Stabilität und eine Tintenbeständigkeit. Das Verfahren zur Herstellung der SiN-Schicht 102 ist nicht einschränkt, solange dessen Material eine Struktur und einen Aufbau zum Erzielen der optimalen physischen Eigenschaften für das bewegliche Bauteil 6 hat, da ein Teil dieser Schicht das bewegliche Bauteil 6 bildet. Zum Beispiel kann die SiN-Schicht 102, anstelle der Plasma CVD, durch normale Druck-CVD, LPCVD, vorgespannte ECRCVD, Mikrowellen-CVD, Sputtern oder Beschichten ausgebildet werden. Ebenso kann die SiN-Schicht einen vielschichtigen Aufbau mit schrittweisen Änderungen bei der Zusammensetzung haben, um die physikalischen Eigenschaften, wie beispielsweise Dehnung, Steifigkeit oder E-Modul, oder chemische Eigenschaften, wie beispielsweise alkalische Beständigkeit oder Säurebeständigkeit, zu verbessern. Es ist ebenfalls möglich einen vielschichtigen Aufbau durch schrittweises Hinzufügen einer Störstelle zu realisieren, oder eine Störstelle in eine einschichtige Schicht hinzuzufügen.
Dann wird, wie es in den 5D und 5I gezeigt ist, eine Antiätzschutzschicht 103 an der SiN-Schicht 102 ausgebildet. Als die Antiätzschutzschicht 103 wird eine A1-Schicht mit einer Dicke von 2 μm durch Sputtern ausgebildet. Die Antiätzschutzschicht 103 verhindert bei einem nächsten Ätzschritt zum Ausbilden der Flüssigkeitsbahnseitenwände 9 den Schaden an der SiN-Schicht 102 zum Bilden des beweglichen Bauteils 6. Bei dem Fall, dass das bewegliche Bauteil 6 und die Seitenwände 9 der Flüssigkeitsbahnen mit im Wesentlichen gleichen Materialien ausgebildet sind, wird das bewegliche Bauteil 6 ebenfalls bei dem Ätzen zum Ausbilden der Seitenwände 9 geätzt. Deshalb wird, um einen Ätzschaden an dem beweglichen Bauteil 6 zu verhindern, die Antiätzschutzschicht 103 an einer Seite der SiN-Schicht 102, die das bewegliche Bauteil 6 bildet, gegenüber dem Elementsubstrat 1 ausgebildet.
Dann wird die Antiätzschutzschicht 103, zum Beispiel durch Rotationsbeschichten, mit einem Resist-Material beschichtet und photolithografisches Musternachbilden wird ausgeführt, um die SiN-Schicht 102 und die Antiätzschutzschicht 103 in eine vorbestimmte Form auszubilden.
Dann werden, wie es in den 5E und 5J gezeigt ist, die SiN-Schicht 102 und die Antiätzschutzschicht 103 durch Trockenätzen, zum Beispiel mit CF₄-Gas oder durch reaktives Ionenätzen, in die Form des beweglichen Bauteils geätzt. Auf diese Weise wird das bewegliche Bauteil 6 an der Fläche des Elementsubstrats 1 ausgebildet. In der vorangegangenen Beschreibung werden die Antiätzschutzschicht 103 und die SiN-Schicht 102 gleichzeitig musternachgebildet, aber es ist ebenfalls möglich die Schutzschicht 103 alleine in die Form des beweglichen Bauteils 6 musternachzubilden und dann die SiN-Schicht 102 in einem späteren Schritt musternachzubilden.
Dann wird, wie es in den 6A und 6E gezeigt ist, eine SiN-Schicht 104 mit einer Dicke von 20 bis 40 μm als eine zweite Materialschicht an der Antiätzschutzschicht 103, der PSG-Schicht 101 und dem Elementsubstrat 1 ausgebildet. Eine Mikrowellen-CVD wird bei dem Fall angewendet, bei dem eine schnelle Ausbildung der SiN-Schicht 104 gewünscht ist. Die SiN-Schicht 104 bildet schließlich die Seitenwände 9 der Flüssigkeitsbahn. Für die SiN-Schicht 104 sind nicht die Schichteigenschaften erforderlich, die normalerweise bei dem Halbleiterherstellungsverfahren erforderlich sind, wie beispielsweise die Nadellochkonzentration oder die Schichtdichte, sondern die SiN-Schicht 104 ist nur erforderlich, um die Tintenbeständigkeit und die mechanische Festigkeit als die Seitenwände 9 der Flüssigkeitsbahn zu erfüllen. Die Nadellochkonzentration der SiN-Schicht 104 kann bei deren schnellen Schichtausbildung etwas höher werden.
Außerdem ist das Material der Flüssigkeitsbahnseitenwände 9 nicht auf die SiN-Schicht beschränkt, sondern kann aus einer Schicht mit geeigneter mechanischer Festigkeit und Tintenbeständigkeit zusammengesetzt sein, wie beispielsweise eine SiN-Schicht, die eine Störstelle enthält, oder eine SiN-Schicht mit veränderter Zusammensetzung. Es kann ebenso aus einer Diamantschicht, einer hydrierten amorphen Kohlenstoffschicht (eine diamantartige Kohlenstoffschicht) oder einer anorganischen Schicht der Aluminiumoxid- oder Zirkondioxidfamilie bestehen.
Um die SiN-Schicht 104 in eine vorbestimmte Form auszubilden, wird dann ein Resist-Material, beispielsweise durch Rotationsbeschichten, an die SiN-Schicht 104 beschichtet und photolithographisches Musternachbilden wird ausgeführt. Dann wird, wie es in den 6B und 6F gezeigt ist, die SiN-Schicht 104 durch Trockenätzen, zum Beispiel mit CF₄-Gas oder durch reaktives Ionenätzen, in die Form der Flüssigkeitsbahnseitenwände 9 ausgebildet. ICP-(induktionsgekoppeltes Plasma) Ätzen ist für ein Hochgeschwindigkeitsätzen der dicken SiN-Schicht 104 am geeignetsten. Auf diese Weise werden die Seitenwände 9 der Flüssigkeitsbahn an der Fläche des Elementsubstrats 1 ausgebildet. Nach dem Ätzen der SiN-Schicht 104 wird der darauf verbleibende Resist durch Plasmaveraschen mit Sauerstoffplasma oder durch Tauchen des Elementsubstrats 1 in einen Resist-Entferner entfernt.
Dann wird, wie es in den 6C und 6G gezeigt ist, die Antiätzschutzschicht 103 an der SiN-Schicht 102 durch Feuchtätzen oder durch Trockenätzen entfernt. Zusätzlich zu diesen Verfahren kann jedes Verfahren angewandt werden, das dazu im Stande ist, nur die Antiätzschutzschicht 103 zu entfernen. Außerdem braucht die Antiätzschutzschicht 103 nicht entfernt werden, wenn sie die Eigenschaften des beweglichen Bauteils 6 nicht schädlich beeinflusst, und wenn sie aus einer Schicht mit einer hohen Tintenbeständigkeit, die beispielsweise einer Ta-Schicht, besteht.
Dann wird, wie es in den 6D und 6H gezeigt ist, die PSG-Schicht 101 unter der SiN-Schicht 102 mit gepufferter Fluorwasserstoffsäure entfernt, wobei der Flüssigkeitsausstoßkopf des Ausführungsbeispiels fertiggestellt wird.
Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren zur Herstellung des Flüssigkeitsausstoßkopfes sind das bewegliche Bauteil 6 und die Seitenwände 9 der Flüssigkeitsbahn direkt auf dem Elementsubstrat ausgebildet, so dass, verglichen mit dem Fall, bei dem diese Komponenten getrennt vorbereitet und danach zusammengebaut werden, auf den Montageschritt verzichtet werden kann und der Herstellungsprozess vereinfacht werden kann. Ferner, da das bewegliche Bauteil nicht mit einem Klebematerial befestigt werden muss, wird die Flüssigkeit innerhalb der Flüssigkeitsbahn 7 nicht durch ein derartiges Klebematerial verunreinigt. Außerdem ist es möglich, ein Beschädigen der Fläche des Elementsubstrats 1 bei der Montage oder ein Stauberzeugen beim Kleben des beweglichen Bauteils 6 zu vermeiden. Außerdem, da die Komponenten durch Halbleiterherstellungsschritte ausgebildet werden, wie beispielsweise Photolithographie oder Ätzen, können das bewegliche Bauteil 6 und die Flüssigkeitsbahnseitenwände 9 mit einer hohen Präzision und einer hohen Dichte ausgebildet werden.
Ferner, da mehrere Leitungsbahnen durch Musternachbilden an dem Elementsubstrat 1 ausgebildet sind, ist dessen Oberfläche genaugenommen nicht eben. Anders ausgedrückt hat die Fläche des Elementsubstrats 1 Absatzunterschiede gemäß den Dicken der ausgebildeten Leitungsbahnen. Da das bewegliche Bauteil 6 durch einen Halbleiterherstellungsprozess, der beispielsweise photolithographische Technologie und Ätzen umfasst, an dem Elementsubstrats 1 ausgebildet ist, wird die Querschnittsform des beweglichen Bauteils 6 durch die Absatzunterschiede an der Fläche des Elementsubstrats 1 beeinflusst.
Im Folgenden ist unter Bezugnahme auf die 7A und 7B, die jeweils eine schematische Draufsicht und eine Querschnittsansicht entlang der Linie VIIB-VIIB in 7A sind, wobei sie den detaillierten Aufbau des Elementsubstrats und des beweglichen Bauteils des Flüssigkeitsausstoßkopfes zeigen, eine derartige Gegebenheit erklärt.
Wie es in den 7A und 7B gezeigt ist, ist an einem Siliziumsubstrat 151, das eine Basis bildet, eine erste Leitungsbahnschicht 152 ausgebildet, die aus Al besteht und eine gewöhnliche Leitungsbahn bildet, und eine Zwischenschichtisolationsschicht 153, die aus Siliziumoxid besteht, ist daran so ausgebildet, dass sie das gesamte Siliziumsubstrat 151 abdeckt. Bei einer Position der Zwischenschichtisolationsschicht 153, die der ersten Leitungsbahnschicht 152 entspricht, ist eine Durchgangsbohrung 153a zur Verbindung mit einer zweiten Leitungsbahnschicht (Einzelleitungsbahn) 155, die später erklärt wird, ausgebildet. An der Zwischenschichtisolationsschicht 153 ist eine Hitzeerzeugungsbauteilschicht (elektrische Widerstandsschicht) 154 ausgebildet, und eine zweite Leitungsbahnschicht 155, die aus Al besteht und eine Einzelleitungsbahn bildet, ist an der Hitzeerzeugungsbauteilschicht 154 ausgebildet. Das Elementsubstrats wird durch Ausbilden einer Schutzschicht 156 an der zweiten Leitungsbahnschicht 155 vervollständigt. An dem somit erhaltenen Elementsubstrat 1 ist eine aus Siliziumnitrid bestehende bewegliche Bauteilschicht 157 in einer Kammzahnform ausgebildet, wobei sie mit der Form des beweglichen Bauteils 6 übereinstimmt.
Eine Spannungsanbringung zwischen der ersten Leitungsbahnschicht 153 und der zweiten Leitungsbahnschicht 155 bewirkt eine Hitzeerzeugung in der Hitzeerzeugungsbauteilschicht 154 und ein Bereich davon, wo die zweite Leitungsbahnschicht 155 nicht ausgebildet ist, wirkt im Wesentlichen als das Hitzeerzeugungsbauteil.
Bei dem vorstehend beschriebenen geschichteten Aufbau sind insbesondere die erste Leitungsbahnschicht 152 und die zweite Leitungsbahnschicht 155 nicht an der gesamten Oberfläche des Siliziumsubstrats 151 ausgebildet, sondern mit einem vorbestimmten Muster ausgebildet, und die Durchgangsbohrung 153a ist ebenfalls darin ausgebildet, so dass die Absatzunterschiede an der Fläche der Schutzschicht 156 (die Fläche des Elementsubstrats 1) ausgebildet sind. Infolgedessen nimmt die bewegliche Bauteilschicht 157, die an dem Elementsubstrat 1 ausgebildet ist, eine Form an, die sie durch Übertragen der Flächenform des Elementsubstrats 1 erhält, wobei sie zusätzlich zu dem Absatzunterschied an der Grenze zwischen dem Befestigungsabschnitt und dem beweglichen Abschnitt unnötige Absatzunterschiede enthält, die denen des Elementsubstrats 1 entsprechen. Als ein Beispiel, bei dem Fall, bei dem die erste Leitungsbahnschicht 152 und die zweite Leitungsbahnschicht 155 mit einer Dicke von 0,5 μm ausgebildet sind, und die Zwischenschichtisolationsschicht 153 mit einer Dicke von 1,2 μm und mit der Durchgangsbohrung 153a darin ausgebildet ist, zeigt die Fläche der Schutzschicht 156 schließlich einen unnötigen Absatzunterschied von maximal 1,2 μm.
Da die bewegliche Bauteilsschicht 157 dazu dient, um dass bewegliche Bauteil 6 zu bilden, ist die Lebensdauer des Bewegungsabschnitts und des Drehpunktabschnitts hinsichtlich der Beweglichkeit des beweglichen Bauteils 6 besonders wichtig. Der vorstehend beschriebene Absatzunterschied steht zutiefst mit der Lebensdauer des beweglichen Bauteils 6 in Beziehung und kann dessen Lebensdauer abhängig von der Position und der Höhe des Absatzunterschieds wesentlich verschlechtern.
Die von den Erfindern getätigten Untersuchen haben deutlich gemacht, dass die Abwesenheit des Absatzunterschieds in der Nähe des Drehpunkts 157a, der die Grenze zwischen dem Befestigungsabschnitts Y und dem beweglichen Abschnitt X des beweglichen Bauteils 6 darstellt, wichtig ist. Das Fehlen des Absatzunterschieds in der Nähe des Drehpunkts bedeutet, dass der Absatzunterschied zumindest direkt unter einem Bereich C fehlt, wo die Höhe der äußersten Fläche des beweglichen Bauteils in Bezug auf seinen Abstand variiert.
Wie es vorhergehend erklärt ist, ist der größte Faktor, der zur Bildung des Absatzunterschieds führt, die Durchgangsbohrung für die elektrische Zwischenschichtverbindung. Folglich kann die Lebensdauer des beweglichen Bauteils 6 durch Vorsehen der Durchgangsbohrung 153a bei einer Position, die sich von der Grenze zwischen dem beweglichen Abschnitt und dem Befestigungsabschnitt des beweglichen Bauteils 6 unterscheidet, wie es in den 7A und 7B gezeigt ist, verbessert werden. Anders gesagt wird die Lebensdauer des beweglichen Bauteils 6 bedeutend verschlechtert, wenn ein Absatzunterschied an der Grenze zwischen dem beweglichen Abschnitt und dem Befestigungsabschnitt des beweglichen Bauteils 6 an der Fläche des Elementsubstrats 1 vorhanden ist. Das liegt vermutlich daran, weil bei dem Versatz des beweglichen Abschnitts des beweglichen Bauteils 6 durch die Kraft der Bläschenerzeugung in der Tinte eine große Kraft auf den Drehpunkt 157a angebracht wird, und, wenn ein durch den Absatzunterschied an dem Elementsubstrat 1 verursachter Absatzunterschied in der Nähe des Bereichs des Drehpunkts 157a des beweglichen Bauteils 6 vorhanden ist, wird die Spannung in solch einem Bereich konzentriert, um im Vergleich mit dem Fall, wo der Absatzunterschied bei einer anderen Position vorhanden ist, eine größere Kraft zu entfalten, wobei die Zerstörung des beweglichen Bauteils 6 von solch einem Bereich aus beginnt.
Durch absichtliches Positionieren der Durchgangsbohrung bei dem Befestigungsabschnitt des beweglichen Bauteils ist es ebenso möglich, das Haftvermögen des Befestigungsabschnitts zu verbessern, und die Zuverlässigkeit des beweglichen Bauteils zu verbessern. Ein derartiger Aufbau ist ferner vorzuziehen, weil die Beanspruchung, die auf dem Befestigungsabschnitt angebracht wird, der die Durchgangsbohrung abdeckt, verteilt werden kann, indem die Befestigungsabschnitte von mehreren beweglichen Bauteilen gemeinsam (in einer zusammenhängenden Form) ausgebildet werden, wie es in den 7A und 7B gezeigt ist.
Außerdem sind die Absatzunterschiede, die an der Fläche des Elementsubstrats 1 ausgebildet sind, nicht auf das begrenzt, was durch die Durchgangsbohrung 153a hervorgerufen wurde, sondern werden ebenso bei Positionen erzeugt, die den Endabschnitt des Musters bei der unteren Schicht entsprechen. Derartige Absatzunterschiede sind nicht so groß wie die, die von der Durchgangsbohrung 153a verursacht wurden, aber können, abhängig von der Position und der Höhe der Absatzunterschiede, die Lebensdauer des beweglichen Bauteils 6 beeinflussen.
Außerdem, da sich der gesamte bewegliche Abschnitt des beweglichen Bauteils 6 bedeutend durch die Kraft des in der Tinte erzeugten Bläschen versetzt, beeinträchtigt der in dem beweglichen Abschnitt ausgebildete Absatzunterschied, wenn auch leicht, die Lebensdauer des beweglichen Bauteils 6, selbst wenn der Absatzunterschied in dem vorstehend erwähnten Bereich C an dem Elementsubstrat nicht vorhanden ist. Das liegt daran, weil die Form und die Schichtqualität des beweglichen Bauteils durch den vorstehend erwähnten Absatzunterschied bei dem Fall, bei dem das bewegliche Bauteil durch den fotolithographischen Prozess (und den Schichtausbildungsprozess) an dem Substrat hergestellt wird, verändert werden. Außerdem wird bei dem Versatz des beweglichen Bauteils 6 eine leichte Verformung bei dem beweglichen Bauteil 6 selbst hervorgerufen, und, wenn dessen beweglicher Abschnitt einen Absatzunterschied aufweist, der durch den Absatzunterschied an der Fläche des Elementsubstrats 1 hervorgerufen ist, kann eine Spannungskonzentration hervorgerufen werden, obwohl sie viel kleiner als die in der Nähe des Drehpunkts 153a ist. Deshalb ist es bevorzugt, dass der Absatzunterschied an der Fläche des Elementsubstrats 1 bei einem Bereich D, der durch Ausdehnen des vorstehend erwähnten Bereichs C in Richtung des beweglichen Abschnitts zu dem freien Ende des beweglichen Bauteils 6 definiert ist, nicht vorhanden ist.
Zum Beispiel wird bei dem Fall, bei dem die erste und zweite Leitungsbahnschicht 152, 155 und die Zwischenschichtisolationsschicht 153 mit den vorstehend erwähnten Dicken ausgebildet sind, und die Dicke T der beweglichen Materialschicht 157 zu 5 μm gewählt ist, der Absatzunterschied, der an der Fläche des Elementsubstrats 1 entsprechend der Durchgangsbohrung 153a ausgebildet ist, 1,2 μm. Jedoch wird die Lebensdauer des beweglichen Bauteils 6 kaum verschlechtert, wenn solch ein Absatzunterschied außerhalb des vorstehend erwähnten Bereichs D positioniert ist. Ein Positionieren des Absatzunterschieds außerhalb des vorstehend erwähnten Bereichs D verhindert nicht nur die vorstehend erwähnte Spannungskonzentration, sondern stabilisiert auch die Form und Schichtqualität des beweglichen Bauteils, wobei ein Flüssigkeitsausstoßkopf und ein Substrat dafür bereitgestellt wird, der mit einem äußerst zuverlässigen beweglichen Bauteil vorgesehen ist.
Der Absatzunterschied, der anders als durch die Durchgangsbohrung 153a durch das Leitungsbahnmuster ausgebildet ist, ist ebenfalls auf den Einfluss auf die Lebensdauer untersucht worden, aber es wurde herausgefunden, dass die Lebensdauer kaum beeinträchtigt wird, wenn der Absatzunterschied, wie es vorstehend erklärt ist, positioniert wird.
Wie es vorstehend erklärt ist, entspannt das nicht Vorhandensein des Absatzunterschieds, der durch die Durchgangsbohrung etc. bei dem Bereich C oder D an der Fläche des Elementsubstrats 1 hervorgerufen wurde, die Spannungskonzentration in der Nähe des Drehpunkts 157a oder bei dem gesamten beweglichen Abschnitt des beweglichen Bauteils 6 bei dessen Versatz, wobei die Lebensdauer des beweglichen Bauteils verbessert werden kann. Infolgedessen kann das bewegliche Bauteil die gewünschte Funktion über eine anhaltende Dauer aufrecht erhalten, wobei die Ausstoßeigenschaften stabilisiert werden können, und ein Flüssigkeitsausstoßkopf mit verbesserter Zuverlässigkeit erhalten werden kann.
Die 8A bis 8H stellen eine Veränderung des Herstellungsverfahrens für den Flüssigkeitsausstoßkopf dar, das unter Bezugnahme der 5A bis 5J und 6A bis 6H erklärt ist. Diese Veränderung erlaubt es die Flüssigkeitsbahnwände 9 und die Öffnungsplatte 4 gleichzeitig bei dem Herstellungsverfahren für den Flüssigkeitsausstoßkopf, das in den 5A bis 5J und 6A bis 6H gezeigt ist, herzustellen. Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 6E bis 6H, 7A, 7B und 8A bis 8H, das Herstellungsverfahren für den Flüssigkeitsausstoßkopf erklärt, bei dem die Flüssigkeitsbahnwände 9 und die Öffnungsplatte 4 gleichzeitig ausgebildet werden. Die 8A und 8B sind Querschnittsansichten in einer Richtung, die zu der Erstreckungsrichtung der Flüssigkeitsbahn senkrecht ist, während die 8C und 8D Aufrissansichten und die 8E bis 8H Querschnittsansichten in einer Richtung entlang der Flüssigkeitsbahn sind.
Nach der Ausbildung der SiN-Schicht 104, wie es in den 6A und 6E gezeigt ist, wird die SiN-Schicht 104 fotolithographischem Musternachbilden und Ätzen so unterzogen, das Abschnitte davon hinterlassen werden, die den Flüssigkeitsbahnwänden 9 und der Öffnungsplatte 4 entsprechen, wie es in den 8A und 8E gezeigt ist. Auf diese Weise werden die Öffnungsplatte 4 und die Flüssigkeitsbahnwände 9 mit einer Dicke von 2 bis 30 μm gleichzeitig an der Fläche des Elementsubstrats 1 ausgebildet. Dann, wie es in den 8B und 8F gezeigt ist, wird die Antiätzschutzschicht 103 an der SiN-Schicht 102 durch Feuchtätzen oder Trockenätzen entfernt.
Dann wird, wie es in den 8C und 8G gezeigt ist, die PSG-Schicht 101 unter der SiN-Schicht 102 mit gepufferter Fluorwasserstoffsäure entfernt.
Dann wird, wie es in den 8D und 8H gezeigt ist, die Öffnungsplatte 4 einem Ablösevorgang durch Bestrahlung mit einem Excimer-Laser unterzogen, wobei die Ausstoßöffnung 5 in der Öffnungsplatte 4 ausgebildet wird. Bei diesem Arbeitsschritt wird die molekulare Bindung der SiN-Schicht 102 direkt mit einem KrF-Excimer-Laser gespalten, der eine Photonenenergie von 115 kcal/mol hat, die die Dissoziationsenergie von 105 kcal/mol der SiN-Schicht 102 übersteigt. Die Arbeit mit dem Excimer-Laser, die eine nicht-thermische Arbeit ist, kann eine hohe Präzision ohne thermaler Verformung oder Verkohlung um das bearbeitete Teil erzielen.
Außerdem sind bei dem Verfahren die Muster der Leitungsbahnen etc. und die Position der Durchgangsbohrung, die auf dem Elementsubstrat 1 ausgebildet wird, so bestimmt, dass der Absatzunterschied von einer Höhe, die 1/5 der dicke der SiN-Schicht 102 übersteigt, nicht an der Fläche des Elementsubstrats 1 bei dem vorstehend erwähnten Bereich C, vorzugsweise in dem Bereich D, der mit Bezug auf den Drehpunkt des beweglichen Abschnitts der SiN-Schicht 102 (bewegliches Bauteil 6) definiert ist, erzeugt wird, und dass der durchschnittliche Neigungswinkel der gesamten aufeinanderfolgenden Absatzunterschiede nicht 20° übersteigt.
9 ist eine perspektivische Ansicht eines Flüssigkeitsausstoßgeräts, bei dem der vorstehend beschriebene Flüssigkeitsausstoßkopf montiert ist. Bei dem Ausführungsbeispiel ist insbesondere ein Tintenstrahlaufzeichnungsgerät IJRA erklärt, das Tinte als Ausstoßflüssigkeit verwendet. Wie es in 9 gezeigt ist, stützt ein Schlitten HC, der in dem Gerät IJRA vorgesehen ist, eine Kopfpatrone 202, in der ein Tinte enthaltender Flüssigkeitsbehälter 90 und ein Flüssigkeitsausstoßkopf 200 abnehmbar montiert sind. Das Aufzeichnungsgerät IJRA ist außerdem mit einer Aufzeichnungsmediumbeförderungseinrichtung vorgesehen, und der Schlitten HC bewegt sich der Querrichtung (angedeutet durch die Pfeile a, b) des Aufzeichnungsmediums 150, wie beispielsweise einem Aufzeichnungsblatt, das von der Aufzeichnungsmediumbeförderungseinrichtung befördert ist, hin und her. Wenn ein Antriebssignal von einer nicht dargestellten Antriebssignalquelle zu dem Flüssigkeitsausstoßkopf 200 an dem Schlitten HC in dem Aufzeichnungsgerät IJRA zugeführt wird, stößt der Flüssigkeitsausstoßkopf 200 als Antwort auf ein derartiges Antriebssignal Tinte in Richtung des Aufzeichnungsmediums 150 aus.
Das Aufzeichnungsgerät IJRA ist ferner mit einem Motor 111, Zahnrädern 112, 113 und Schlittenwellen 85a, 85b zum Übertragen der Kraft des Motors 111 zu dem Schlitten HC vorgesehen, wobei er die Aufzeichnungsmediumbeförderungseinrichtung und den Schlitten HC antreibt. Zufriedenstellende aufgezeichnete Bilder können durch das Aufzeichnungsgerät IJRA durch Ausstoßen von Flüssigkeit auf verschiedene Aufzeichnungsmedien erzielt werden.
10 ist ein Blockschaltbild des gesamten Geräts zum Antreiben des Tintenstrahlaufzeichnungsgeräts, das den Flüssigkeitsausstoßkopf der Erfindung einsetzt.
Wie es in 10 gezeigt ist, empfängt das Aufzeichnungsgerät die Druckinformationen als ein Steuersignal 401 von einem Leitrechner 300. Die Druckinformation wird zeitweise in einer Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 301 in dem Aufzeichnungsgerät gespeichert, und außerdem in Daten umgewandelt, die in dem Aufzeichnungsgerät verarbeitbar sind, und in eine CPU 302 eingegeben, die auch als Antriebssignalzufuhreinrichtung dient. Die CPU 302 verarbeitet die dorthin eingegebenen Daten, wobei sie Nebeneinheiten, wie beispielsweise RAM 304, verwendet und auf einem Steuerprogramm, das in einem ROM 303 gespeichert ist, basiert, wobei sie die Daten in Druckdaten (Bilddaten) umwandelt.
Außerdem bereitet die CPU 302 Daten zum Antreiben eines Motors 306 zum synchronen Bewegen des Aufzeichnungsblattes und des Flüssigkeitsausstoßkopfes 200 mit den Bilddaten vor, um die Bilddaten bei einer geeigneten Position an das Aufzeichnungsblatt aufzuzeichnen. Gleichzeitig mit der Übertragung der Bilddaten durch den Kopftreiber 307 zu dem Flüssigkeitsausstoßkopf 200, werden die Motorantriebsdaten durch den Motortreiber 305 zu dem Motor 306 übertragen. Somit werden der Flüssigkeitsausstoßkopf 200 und der Motor 306 jeweils an den gesteuerten Zeiten angetrieben, um ein Bild auszubilden.
Das Aufzeichnungsmedium, das an dem vorstehend beschriebenen Aufzeichnungsgerät anwendbar ist, und eine Ablagerung von Flüssigkeit, wie beispielsweise Tinte, unterzogen wird, kann verschiedene Papiersorten umfassen, ein OHP-Blatt, Plastikmaterialien, die bei der Compactdisk eingesetzt werden, oder Dekorationsplatten, Kleidung, einer Metallplatte, wie beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer, Kuh- oder Schweineleder, Kunstleder, Holz oder Sperrholz, Bambus, Plastik, wie beispielsweise eine Kachel, ein dreidimensionalstrukturiertes Material, wie beispielsweise einem Schwamm etc.
Außerdem umfasst das vorstehend beschriebene Aufzeichnungsgerät einen Drucker zum Aufzeichnen auf verschiedene Papiere oder OHP-Blätter; ein Plastikaufzeichnungsgerät zum Aufzeichnen auf Plastik, wie beispielsweise eine Compactdisk; ein Metallaufzeichnungsgerät zum Aufzeichnen auf Metall; ein Lederaufzeichnungsgerät zum Aufzeichnen auf Leder; ein Holzaufzeichnungsgerät zum Aufzeichnen auf Holz; ein Keramikaufzeichnungsgerät zum Aufzeichnen auf Keramik; ein Aufzeichnungsgerät zum Aufzeichnen auf ein dreidimensionalstrukturiertes Material, wie beispielsweise einen Schwamm; und ein Färbegerät zum Aufzeichnen auf Kleidung.
Die bei einem solchen Flüssigkeitsausstoßgerät einzusetzende Ausstoßflüssigkeit kann gemäß dem jeweiligen Aufzeichnungsmedium und den Aufzeichnungsbedingungen ausgelegt werden.

Claims

Grundaufbau für einen Flüssigkeitsausstoßkopf zum Ausstoßen von Flüssigkeit durch Verwenden von thermischer Energie, wobei der Grundaufbau ein Substrat (151) aufweist mit: einem Hitzeerzeugungsbauteil (154) zum Erzeugen von thermischer Energie, um einen Flüssigkeitsausstoß zu veranlassen; ein bewegliches Bauteil (6), das dem Hitzerzeugungsbauteil gegenübergelegen ist, wobei das bewegliche Element einen Befestigungsabschnitt (y) und einen beweglichen Abschnitt (x) mit einem freien Ende aufweist, das stromabwärts des Befestigungsabschnitts in Gebrauch ist; gekennzeichnet ist durch zwei übereinander liegende Leitungsbahnschichten (152 und 155), die durch eine Zwischenschichtisolationsschicht (153) getrennt sind, um das Hitzeerzeugungsbauteil (154) mit einer Spannung zu beaufschlagen, um das Hitzeerzeugungsbauteil zu veranlassen, thermische Energie zum Veranlassen eines Flüssigkeitsausstoßes zu erzeugen, wobei die zwei Leitungsbahnschichten über eine Durchgangsbohrung (153a) in der Zwischenschichtisolationsschicht verbunden sind, wobei die Durchgangsbohrung (153a) in einem Bereich des Befestigungsabschnitts (y) des beweglichen Bauteils, entfernt von der Grenze zwischen dem Befestigungsabschnitt und dem beweglichen Abschnitt (x) des beweglichen Bauteils, vorgesehen ist.
Grundaufbau gemäß Anspruch 1, wobei das bewegliche Bauteil (6) aus Siliziumnitrid besteht.
Grundaufbau gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Substrat (151) eine Vielzahl von Hitzeerzeugungsbauteilen (154) aufweist und eine Vielzahl von beweglichen Bauteilen (6), die den Hitzeerzeugungsbauteilen gegenübergelegen sind und jedes einen Befestigungsabschnitt (y) und einen beweglichen Abschnitt (x) mit einem stromabwärts des Befestigungsabschnitts gelegenem freien Ende hat; und wobei die zwei Leitungsbahnschichten über eine Vielzahl von Durchgangsbohrungen (153a) elektrisch verbunden sind und die Durchgangsbohrungen in den Bereichen der Befestigungsabschnitte (y), entfernt von der Grenze zwischen den Befestigungsabschnitten und den beweglichen Abschnitten (x) der beweglichen Bauteile, vorgesehen sind.
Grundaufbau gemäß Anspruch 3, wobei Befestigungsabschnitte von einer Vielzahl von beweglichen Bauteilen (6) gemeinsam auf dem Substrat (151) ausgebildet sind und die Durchgangsbohrungen (153a) in den Befestigungsabschnitten positioniert sind.
Flüssigkeitsausstoßkopf mit einem Grundaufbau in Übereinstimmung mit einem vorhergehenden Anspruch und ein mit Nuten versehenes Deckenplattenbauteil (3), wobei der Grundaufbau und die mit Nuten versehene Deckenplatte dazwischen einen Flüssigkeitskanal (7), der mit einer Flüssigkeitsausstoßöffnung (5) verbunden ist, für das oder jedes Hitzeerzeugungsbauteil (154) definieren.
Flüssigkeitsausstoßgerät mit einem Flüssigkeitsausstoßkopf (200) gemäß Anspruch 5 und eine Antriebssignalzufuhreinrichtung (307) zum Zuführen eines Antriebssignals, um einen Flüssigkeitsausstoß vom Flüssigkeitsausstoßkopf (200) zu veranlassen.
Flüssigkeitsausstoßgerät mit einem Flüssigkeitsausstoßkopf gemäß Anspruch 5 und Aufzeichnungsmittelbeförderungseinrichtungen (305, 306) zum Befördern eines Aufzeichnungsmittels (150) zum Erhalten von Flüssigkeit, die vom Flüssigkeitsausstoßkopf ausgestoßen wird.
Flüssigkeitsausstoßgerät gemäß Anspruch 6 oder 7, das angepasst ist, um auf einem Aufzeichnungsmittel durch Tintenausstoßen vom Flüssigkeitsausstoßkopf (200) auf das Aufzeichnungsmittel aufzuzeichnen.
Verfahren zum Herstellen eines Grundaufbaus für einen Flüssigkeitsausstoßkopf zum Ausstoßen von Flüssigkeit durch Verwenden von thermischer Energie, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Vorsehen einer ersten Leitungsbahnschicht (152) auf dem Substrat (151); Vorsehen einer Zwischenschichtisolationsschicht (153) auf der ersten Leitungsbahnschicht; Vorsehen einer Durchgangsbohrung (153a) durch die Zwischenschichtisolationsschicht zu der ersten Leitungsbahnschicht; Vorsehen eines Hitzeerzeugungsbauteils (154) und einer zweiten Leitungsbahnschicht (155) auf der Zwischenschichtisolationsschicht (153), so dass die erste und die zweite Leitungsbahnschicht elektrisch über eine Durchgangsbohrung (153a) verbunden sind, um es einer an das Hitzeerzeugungsbauteil anzulegenden Spannung zu ermöglichen, das Hitzeerzeugungsbauteil zu veranlassen, thermische Energie zu erzeugen, um einen Flüssigkeitsausstoß zu veranlassen; und fotolithografisches Definieren eines beweglichen Bauteils (6), das dem Hitzeerzeugungsbauteil (154) gegenüberliegt, so dass das bewegliche Bauteil im Bereich der Durchgangsbohrung einen Befestigungsabschnitt (y) und einen beweglichen Abschnitt (x) mit einem freien Ende hat, und so dass sich die Grenze zwischen dem Befestigungsabschnitt und dem beweglichen Abschnitt entfernt von der Durchgangsbohrung (153) befindet.
Verfahren zum Herstellen eines Flüssigkeitsausstoßkopfes, wobei dieses Verfahren das Herstellen eines Grundaufbaus in Übereinstimmung mit Anspruch 9 und das Verknüpfen des Grundaufbaus mit einem mit Nuten versehenen Dichtplattenbauteil (3) aufweist, so dass der Grundaufbau und das mit Nuten versehene Dichtplattenbauteil dazwischen einen Flüssigkeitskanal (7) definieren, der mit einer Flüssigkeitsausstoßöffnung (5) verbunden ist, von der unter Verwendung des Flüssigkeitsausstoßkopfes durch von dem Hitzeerzeugungsbauteil (154) erzeugte Hitze Flüssigkeit ausgestoßen werden wird.