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Die vorliegende Erfindung ist auf
Druckköpfe
gerichtet, die zu thermischen Tintenstrahldruckverfahren geeignet
sind. Genauer ist die vorliegende Erfindung auf thermische Tintenstrahldruckköpfe mit
solchen Vorteilen wie etwa eine verbesserte Tintenbeständigkeit
und Kanal- und Düseneigenschaften
bei einem verbesserten Längenverhältnis gerichtet.
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Bei der Herstellung von Druckkopfelementen
des „Sideshooter"-Typs ist der Strömungsweg
oft durch einen photobemusterbaren negativen Polyimid-Photoresist
definiert. Polyimide liefern thermisch stabile Strukturen und besitzen
eine gute Haftung. Polyimide sind jedoch wegen ihrer häufigen hydrolytischen
Instabilität in
wäßrig-alkalischem
Milieu und wegen ihrer hohen Schrumpfung (manchmal bis zu etwa 40%),
die bei Teilen während
der letzten Härtung
beobachtet wird und durch den Imidisierungsvorgang verursacht wird,
nicht ideal. Demgemäß besteht
ein Bedarf nach chemisch stabilen, hydrolytisch stabilen und lösungsmittelbeständigen Negativresists
für „Sideshooter"-Tintenstrahldruckköpfe. Als
die „Sideshooter"-Tintenstrahldruckköpfe entstanden
sind, trat ferner das Bedürfnis
nach Resistmaterialien auf, die bei einem großen Längenverhältnis bemustert werden können und
die nicht an einem Auflösungsverlust
durch Schrumpfung leiden.
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Während
bekannte Zusammensetzungen und Verfahren für die beabsichtigten Zwecke
geeignet sind, bleibt ein Bedürfnis
nach verbesserten thermischen „Sideshooter"-Tintenstrahldruckköpfen. Außerdem bleibt ein
Bedürfnis
nach thermischen „Sideshooter"-Tintenstrahldruckköpfen, die chemisch stabile
Materialien enthalten. Weiter bleibt ein Bedürfnis nach thermischen „Sideshooter"-Tintenstrahldruckköpfen, die
in wäßrigem Medium,
insbesondere wäßrig-alkalischem
Medium hydrolytisch stabil sind. Außerdem bleibt ein Bedürfnis nach
thermischen „Sideshooter"-Tintenstrahldruckköpfen, die
aus photobemusterbaren Materialien gebildet sind, die beim Härten eine
niedrige Schrumpfung zeigen. Es besteht ferner ein Bedürfnis nach
thermischen „Sideshooter"-Tintenstrahldruckköpfen, die
lösungsmittelbeständig sind.
Außerdem
besteht ein Bedürfnis nach
thermischen „Sideshooter"-Tintenstrahldruckköpfen, die
bei einem hohen Längenverhältnis bemustert werden
können
und die nicht an einem Auflösungsverlust
durch Schrumpfung leiden. Weiter besteht ein Bedürfnis nach thermischen „Sideshooter"-Tintenstrahldruckköpfen, die aus photobemusterbaren
Materialien gebildet sind, die ein niedriges Quellen zeigen, wenn
sie auf die Photobelichtung folgend einer Lösungsmittelentwicklung unterzogen
werden und ferner ein niedriges Quellen beim Aussetzen ge genüber Lösungsmitteln
und wäßrigen Medien
zeigen, die gemeinhin in Tintenstrahltinten eingesetzt werden. Außerdem besteht
ein Bedürfnis
nach thermischen „Sideshooter"-Tintenstrahldruckköpfen, die aus photobemusterbaren
Materialien mit guter lithographischer Empfindlichkeit gebildet
sind. Außerdem
bleibt ein Bedürfnis
nach thermischen „Sideshooter"-Tintenstrahldruckköpfen, die
aus photobemusterbaren Polymeren gebildet sind, die beim Aufbringen
auf Druckkopfelemente durch Schleuderbeschichtungstechniken und
Härten
einen verringerten Kantenwulst und keine sichtbaren Erhebungen und
Vertiefungen zeigen. Weiter besteht ein Bedürfnis nach thermischen „Sideshooter"-Tintenstrahldruckköpfen, die
aus photobemusterbaren Polymeren gebildet sind, die ohne die Notwendigkeit
einer Maskenvoreinstellung belichtet werden können. Außerdem besteht ein Bedürfnis nach
thermischen Tintenstrahldruckköpfen
in „Sideshooter"-Anordnung, die eine hohe Düsendichte
einschließlich
1200 Punkte je Zoll oder mehr ermöglichen. Es besteht ferner
ein Bedürfnis
nach thermischen „Sideshooter"-Tintenstrahldruckköpfen, die
aus photobemusterbaren Materialien gebildet sind, die saubere, scharfe,
rechteckige Kanten der bemusterten Teile zeigen. Außerdem besteht
ein Bedürfnis
nach thermischen „Sideshooter"-Tintenstrahldruckköpfen, die
aus photobemusterbaren Materialien gebildet sind, die eine verringerte
oder keine Notwendigkeit eines Polierens nach dem Bemustern ermöglichen.
Es besteht weiter ein Bedürfnis
nach thermischen „Sideshooter"-Tintenstrahldruckköpfen, die
aus photobemusterbaren Materialien gebildet sind, bei denen die
Maske, durch die die photobemusterbaren Materialien belichtet werden,
reproduziert werden kann, während über den
Wafer und die Teile eine gleichförmige
Filmdicke erhalten wird. Außerdem
besteht ein Bedürfnis
nach thermischen „Sideshooter"-Tintenstrahldruckköpfen, die
aus photobemusterbaren Materialien gebildet sind, die eine breite
Vielfalt Tropfenvolumina ermöglichen.
Es bleibt ferner ein Bedürfnis
nach thermischen „Sideshooter"-Tintenstrahldruckköpfen, die
aus photobemusterbaren Materialien gebildet sind, die eine Vielfalt
sauber definierter Düsen
unterschiedlicher Abmessung ermöglichen
und die unterschiedliche Tropfenvolumen in demselben Druckkopf erzeugen.
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Ein Flüssgkeitsstrahl-Aufzeichungskopf
und ein Aufzeichnungsgerät
damit werden im US-Patent 5 578 417 offenbart.
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Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende
Problem ist das Erfüllen
der vorstehend beschriebenen Bedürfnisse.
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Das Problem wird durch einen thermischen
Tintenstrahldruckkopf (10) gelöst, der (i) ein oberes Substrat
(22) und (ii) ein unteres Substrat (28) umfaßt, bei
dem eine Oberfläche
davon eine Anordnung darauf ausgebildeter Heizelemente (34)
und Adressierelektroden (33) aufweist, wobei das untere
Substrat (28) eine Isolierschicht (16) aufweist,
die auf dessen Oberfläche
und über
die Heizelemente (34) und Adressierelektroden (33)
aufgebracht ist und die mit einem solchen Muster versehen ist, daß dort hindurch
Aussparungen gebildet sind, um die Heizelemente (34) und
die Anschlußenden
der Adressierelektroden (33) freizulegen und wobei das
obere und untere Substrat (22, 28) unter Bilden
eines thermischen Tintenstrahldruckkopfes (10) mit Tröpfchen ausstoßenden Düsen (27)
miteinander verbunden sind, die durch das obere Substrat (22),
die Isolierschicht (16) auf dem unteren Substrat (28)
und die Heizelemente (34) in dem unteren Substrat (28)
definiert werden, wobei wenigstens eines aus dem oberen Substrat
(22) und der Isolierschicht (16) ein vernetztes
Polymer umfaßt,
das durch Vernetzen einer Polymervorstufe gebildet wurde, die ein
phenolisches Novolac-Harz mit funktionellen Glycidylethergruppen
an dessen monomeren, sich wiederholenden Einheiten ist und wobei die
ein Muster bildenden Aussparungen durch die Isolierschicht ein Längenverhältnis von
mindestens 1 : 1 aufweisen.
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Die Isolierschicht und/oder das obere
Substrat können
das vernetzte Polymer umfassen.
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Das vernetzte Polymer kann durch
Belichten der Polymervorstufe mit aktinischer Strahlung vernetzt werden.
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Die Polymervorstufe kann aus Rückgratmonomeren
gebildet sein, die aus der aus Phenol, o-Kresol, p-Kresol, Bisphenol
A und Gemischen daraus gebildeten Gruppe ausgewählt sind.
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Die Polymervorstufe kann aus Gruppe
ausgewählt
sein bestehend aus:
randomisierten
Strukturen, verzweigten Strukturen davon und dergleichen, wobei
n bei jedem Auftreten die Anzahl der sich wiederholenden Monomereinheiten
darstellt.
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Der Polymervorläufer kann eine durch die Formel
dargestellte Verbindung sein,
worin n eine ganze Zahl ist, die die durchschnittliche Anzahl der
sich wiederholenden Monomereinheiten darstellt. n kann eine von
etwa 2 bis etwa 20 reichende ganze Zahl sein. n ist vorzugsweise
3.
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Die Polymervorstufe kann eine durch
die Formel
dargestellte Verbindung sein,
worin n eine die durchschnittliche Anzahl der sich wiederholenden
Monomereinheiten darstellende ganze Zahl ist. Vorzugsweise ist n
2.
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Die Polymervorstufe kann durch Aussetzen
einer Zusammensetzung, die die Polymervorstufe und einen kationischen
Photoinitiator, der aus Oniumsalzen von Gruppe-VA-Elementen, Oniumsalzen
von Gruppe VIA-Elementen, aromatischen Haloniumsalzen oder Gemischen
davon ausgewählt
ist, enthält
gegenüber
aktinischer Strahlung vernetzt werden. Der Photoinitiator kann ein
Sulfoniumsalz sein.
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Der Photoinitiator kann aus Triphenylsulfoniumtetrafluorborat,
Methyldiphenylsulfoniumtetrafluorborat, Dimethylphenylsulfoniumhexafluorphosphat,
Triphenylsulfoniumhexafluorphosphat, Triphenylsulfoniumhexafluorantimonat,
Diphenylnaphthylsulfoniumhexafluorarsenat, Tritolysulfoniumhexafluorphosphat,
Anisyldiphenylsulfoniumhexafluorantimonat, 4-Butoxyphenyldiphenylsulfoniumtetrafluorborat,
4-Chlorophenyldiphenylsulfoniumhexafluorantimonat, Tris(4-phenoxyphenyl)sulfoniumhexafluorphosphat,
Di(4-ethoxyphenyl)methylsulfoniumhexafluorarsenat, 4-Acetoxy-phenyldiphenylsulfoniumtetrafluorborat,
Tris(4-thiomethoxyphenyl)sulfoniumhexafluorphosphat, Di(methoxysulfonylphenyl)methylsulfoniumhexafluorantimonat,
Di(methoxynapththyl)methylsulfoniumtetrafluorborat, Di(carbomethoxyphenyl)methylsulfoniumhexafluorphosphat,
4-Acetamidophenyldiphenylsulfoniumtetrafluorborat, Dimethylnaphthylsulfoniumhexafluorphosphat,
Trifluormethyldiphenylsulfoniumtetrafluorborat, Methyl(N-methylphenothiazinyl)sulfoniumhexafluorantimonat,
Phenylmethylbenzylsulfoniumhexafluorphosphat, oder Gemischen davon
ausgewählt
sein.
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Der Photoinitiator kann ein aromatisches
Iodoniumsalz sein, das aus Diphenyliodoniumtetrafluorborat, Di(4-methylphenyl)iodoniumtetrafluorborat,
Phenyl-4-methylphenyliodoniumtetrafluorborat, Di(4-heptylphenyl)iodoniumtetrafluorborat,
Di(3-nitrophenyl)iodoniumhexafluorphosphat, Di(4-chlorphenyl)iodoniumhexafluorphosphat,
Di(naphthyl)iodoniumtetrafluorborat, Di(4-trifluormethylphenyl)iodoniumtetrafluorborat,
Diphenyliodoniumhexafluorphosphat, Di(4-methylphenyl)iodoniumhexafluorphosphat,
Diphenyliodoniumhexafluorarsenat, Di(4-phenoxyphenyl)iodoniumtetrafluorborat,
Phenyl-2-thienyliodoniumhexafluorphosphat,
3,5-Dimethylpyrazolyl-4-phenyliodoniumhexafluorphosphat,
Diphenyliodoniumhexafluorantimonat, 2,2'-Diphenyliodoniumtetrafluorborat,
Di(2,4-dichlorphenyl)iodoniumhexafluorphosphat, Di(4-bromphenyl)iodoniumhexafluorphosphat,
Di(4-methoxyphenyl)iodoniumhexafluorphosphat,
Di(3-carboxyphenyl)iodoniumhexafluorphosphat, Di(3-methoxycarbonylphenyl)iodoniumhexafluorphosphat,
Di(3-methoxysulfonylphenyl)iodoniumhexafluorphosphat, Di(4-acetamidophenyl)iodoniumhexafluorphosphat
oder Di(2-benzothienyl)iodoniumhexafluorphosphat ausgewählt ist.
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Vorzugsweise ist der Photoinitiator
ein Triphenylsulfoniumhexaflluorantimonat.
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Die Polymervorstufe kann durch Aussetzen
einer Zusammensetzung, die die Polymervorstufe, einen kationischen
Photoinitiator und ein Lösungsmittel
enthält,
gegenüber
aktinischer Strahlung vernetzt werden. Bevorzugte Lösungsmittel
schließen γ-Butyrolacton, Propylenglykolmethyletheracetat,
Tetrahydrofuran, Methylethylketon, Methylisobutylketon und Gemische
daraus ein.
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Die Polymervorstufe kann durch Aussetzen
einer Zusammensetzung, die im wesentlichen aus der Polymervorstufe,
einem kationischen Photoinitiator und einem wahlfreien Lösungsmittel
besteht, gegenüber
aktinischer Strahlung vernetzt werden.
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Die Polymervorstufe kann durch Aussetzen
einer Zusammensetzung, die aus der Polymervorstufe, einen kationischen
Photoinitiator und einem wahlfreien Lösungsmittel besteht, gegenüber aktinischer
Strahlung vernetzt werden.
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Die Polymervorstufe kann durch Aussetzen
einer Zusammensetzung, die die Polymervorstufe und ein Verdünnungsmittel
umfaßt,
gegenüber
aktinischer Strahlung vernetzt werden. Das Verdünnungsmittel kann ein epoxysubstituierter
Polyarylenether, ein Bisphenol-A-Epoxymaterial oder ein Gemisch
daraus sein.
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Vorzugsweise können die Düsen Tröpfchen mit Volumina von höchstens
etwa 5 Picoliter ausstoßen.
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Vorzugsweise können die Düsen Tröpfchen mit Volumina von mindestens
etwa 20 Picoliter ausstoßen.
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Vorzugsweise umfaßt der thermische Tintenstrahldruckkopf
einen ersten Satz Düsen,
die Tröpfchen mit
Volumina von höchstens
etwa 5 Picoliter ausstoßen
können
und einen zweiten Satz Düsen,
die Tröpfchen mit
Volumina von mindestens etwa 20 Picoliter ausstoßen können.
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Vorzugsweise weist die Isolierschicht
eine Dicke bis zu etwa 40 Mikron auf.
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Die ein Muster bildenden Aussparungen
durch die Isolierschicht weisen ein Längenverhältnis von mindestens etwa 1
: 1, vorzugsweise ein Längenverhältnis von
mindestens etwa 5 : 1, bevorzugter ein Längenverhältnis von mindestens etwa 6
: 1 und am bevorzugtesten ein Längenverhältnis von
mindestens 10 : 1 auf.
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Vorzugsweise weisen die Düsen eine
Breite von mindestens etwa 5 Mikron, eine Breite von höchstens etwa
25 Mikron, eine Tiefe von mindestens etwa 5 Mikron und eine Tiefe
von höchstens
25 Mikron auf.
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Der thermische Tintenstrahldruckkopf
der vorliegenden Erfindung kann durch ein Verfahren zum Bilden eines
thermischen Tintenstrahldruckkopfes gebildet werden, umfassend:
(a) das Bereitstellen eines unteren Substrats, bei dem eine Oberfläche davon
eine Anordnung von Heizelementen und Adressierelektroden mit daran
ausgebildeten Anschlußenden
aufweist, (b) das Aufbringen auf der Oberfläche des unteren Substrats mit
den Heizelementen und Adressierelektroden darauf einer Schicht,
die eine Polymervorstufe umfaßt, die
ein phenolisches Novolac-Harz mit funktionellen Glycidylethergruppen
an dessen monomeren, sich wiederholenden Einheiten ist, (c) Aussetzen
der Schicht aktinischer Strahlung in einem bildweisen Muster, so
daß die
Polymervorstufe in den belichteten Bereichen ein vernetztes Polymer
wird und die Polymervorstufe in den unbelichteten Bereichen nicht
vernetzt wird, wobei die unbelichteten Bereiche Bereichen des unteren
Substrats mit den Heizelementen und Anschlußenden der Adressierelektroden
darauf entspricht, (d) das Entfernen der Polymervorstufe aus den
unbelichteten Bereichen, wodurch in der Schicht Aussparungen gebildet
werden und die Aussparungen die Heizelemente und die Anschlußenden der
Adressierelektroden freilegen, (e) das Bereitstellen eines oberen
Substrats und (f) das Verbinden des oberen Substrats mit dem unteren
Substrat unter Bilden eines thermischen Tintenstrahldruckkopfes
mit Tröpfchen
ausstoßenden
Düsen,
die durch das obere Substrat, das vernetzte Polymer auf dem unteren
Substrat und die Heizelemente in dem unteren Substrat definiert
werden.
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Es ist bevorzugt, daß Schritt
(b) in dem Verfahren zum Bilden eines thermischen Tintenstrahldruckkopfes
dadurch ausgeführt
wird, daß die
Oberfläche
des unteren Substrats mit den Heizelementen und Adressierelektroden
darauf mit einer Zusammensetzung beschichtet wird, die die Polymervorstufe
und ein aus γ-Butyrolacton,
Propylenglykolmethyletheracetat, Tetrahydrofuran, Methylethylketon,
Methylisobutylketon und Gemischen daraus ausgewähltes Lösungsmittel umfaßt.
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Es ist bevorzugt, daß Schritt
(b) zum Bilden eines thermischen Tintenstrahldruckkopfes dadurch
ausgeführt
wird, daß die
Oberfläche
des unteren Substrats mit den Heizelementen und Adressierelektroden
darauf mit einer Zusammensetzung beschichtet wird, die die Polymervorstufe
und einen kationischen Photoinitiator umfaßt, der aus Oniumsalzen von
Gruppe-VA-Elementen, Oniumsalzen von Gruppe VIA-Elementen, aromatischen
Haloniumsalzen oder Gemischen davon ausgewählt ist.
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Es ist bevorzugt, daß Schritt
(b) in dem Verfahren zum Bilden eines thermischen Tintenstrahldruckkopfes
dadurch ausgeführt
wird, daß die
Oberfläche
des unteren Substrats mit den Heizelementen und Adressierelektroden
darauf mit einer Zusammensetzung beschichtet wird, die im wesentlichen
aus der Polymervorstufe, einem kationischen Photoinitiator und einem
wahlfreien Lösungsmittel
besteht.
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Es ist bevorzugt, daß Schritt
(b) in dem Verfahren zum Bilden eines thermischen Tintenstrahldruckkopfes
dadurch ausgeführt
wird, daß die
Oberfläche
des unteren Substrats mit den Heizelementen und Adressierelektroden
darauf mit einer Zusammensetzung beschichtet wird, die aus der Polymervorstufe,
einem kationischen Photoinitiator und einem wahlfreien Lösungsmittel
besteht.
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Es ist bevorzugt, daß Schritt
(b) in dem Verfahren zum Bilden eines thermischen Tintenstrahldruckkopfes
dadurch ausgeführt
wird, daß die
Oberfläche
des unteren Substrats mit den Heizelementen und Adressierelektroden
darauf mit einer Zusammensetzung beschichtet wird, die die Polymervorstufe
und ein Verdünnungsmittel
umfaßt,
das ein epoxysubstituierter Polyarylenether, ein Bisphenol-A-Epoxymaterial
oder ein Gemisch daraus sein kann.
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Vorzugsweise ist die Polymervorstufe
aus Rückgratmonomeren
gebildet, die aus der aus Phenol, o-Kresol, p-Kresol, Bisphenol
A und Gemischen daraus bestehenden Gruppe ausgewählt sind.
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Die Polymervorstufe kann aus der
Gruppe ausgewählt
sein bestehend aus:
randomisierten
Strukturen davon, verzweigten Strukturen davon und dergleichen,
wobei n bei jedem Auftreten die Anzahl der sich wiederholenden Monomereinheiten
darstellt.
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Die Polymervorstufe kann eine Verbindung
sein, die durch folgende Formel dargestellt wird:
worin n eine die durchschnittliche
Anzahl der sich wiederholenden Monomereinheiten darstellende ganze
Zahl ist. n kann eine von etwa 2 bis etwa 20 reichende ganze Zahl
sein. Vorzugsweise ist n 3.
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Die Polymervorstufe kann eine durch
die folgende Formel dargestellte Verbindung sein:
worin n eine die durchschnittliche
Anzahl der sich wiederholenden Monomereinheiten darstellende ganze
Zahl ist. n kann eine von etwa 1 bis etwa 20 reichende ganze Zahl
sein. Vorzugsweise ist n 2.
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1 ist
eine schematische isometrische Ansicht eines Druckkopfes gemäß der vorliegenden-Erfindung
und ist so ausgerichtet, daß die
Tröpfchen
ausstoßenden
Düsen gezeigt
werden.
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2 ist
eine Querschnittsansicht von 1 entlang
deren Ansichtslinie 2-2.
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3 ist
eine 2 ähnliche
Querschnittsansicht, die eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
zeigt.
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4 ist
eine schematische isometrische Ansicht des Druckkopfes von 1 ohne die Deckplatte.
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5 ist
eine 2 ähnliche
Ansicht, die eine alternative Ausführungsform der Druckkopf-Deckplatte zeigt.
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6 ist
eine 4 ähnliche
Ansicht, die eine alternative Ausführungsform zeigt, bei der die
Kanaleinkerbungen sich zu einer gemeinsamen Aussparung öffnen, wobei
sich die Wände
der Kanaleinkerbungen in das Druckkopfreservoir hinein erstrecken.
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7 ist
eine zu 4 ähnliche
Ansicht, die eine alternative Ausführungsform zeigt, bei der die
Kanaleinkerbungen von einer unterschiedlichen Geometrie sind.
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Die thermischen Tintenstrahldruckköpfe der
vorliegenden Erfindung können
von jeder geeigneten Anordnung sein. Ein Beispiel einer geeigneten
Anordnung wird schematisch in 1 veranschaulicht.
In 1 wird eine schematische
isometrische Ansicht eines Tintenstrahldruckkopfes 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt, der auf einem Kühlkörper 26 befestigt
ist und so ausgerichtet ist, daß er
die Vorderseite 29 des Druckkopfes und die Anordnung der
Tröpfchen
ausstoßenden
Düsen 27 darin
zeigt. Unter Bezug auf 2,
eine entlang der Linie 2-2 durch einen Tintenkanal 20 aufgenommene
Querschnittsansicht von 1, weist
die Heizplatte 28 aus einem Material wie etwa Silikon oder
dergleichen Heizelemente 34, einen Treiberschaltkreis 32,
der durch eine gestrichelte Linie dargestellt wird, und Anschlüsse 33 auf,
die die Heizelemente und den Antriebsschaltkreis verbinden und Kontakte 31 aufweisen,
die durch Drahtverbindungen 25 an eine Platine 30 angeschlossen
sind. Die Schaltung ist zum selektiven Anlegen eines Stromimpulses
an die Heizelemente zum Ausstoßen
von Tintentröpfchen
aus den Düsen
mit einem Controller oder Mikroprozessor des Druckers (nicht dargestellt)
verbunden. Ein geeigneter Treiberschaltkreis wird im US-Patent Nr.
4 947 192 beschrieben. Im allgemeinen ist auf der Heizplattenoberfläche, auf
der die Heizelemente, der Treiberschaltkreis und die Anschlüsse gebildet
werden sollen, eine Unterschicht 14 ausgebildet, gefolgt
von einer Passivierungsschicht 16, die ein solches Muster
aufweist ist, daß die
Heizelemente und Kontakte freiliegen.
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Ein lichtempfindliches Polymermaterial
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird auf den Heizwafer unter Bilden der Photopolymerschicht 24 aufgetragen
und zum Herstellen der Tintenkanäle 20 mit
einem offenen, als Düse 27 dienenden
Ende und einem geschlossenen Ende 21 und zum Freilegen
der Kontakte 31 der elektrischen Anschlüsse photographisch bemustert.
Eine Deckplatte 22 aus einem Material wie etwa Glas, Quarz, Silizium,
verschiedene Polymermaterialien, keramische Materialien oder dergleichen,
weist eine Öffnung 23 dahindurch
auf und ist mit einem geeigneten Klebstoff (nicht gezeigt) an die
Oberfläche
der mit einem Muster versehenen Photopolymerschicht 24 gebunden.
Die Öffnung 23 der
Deckplatte weist eine Größe auf,
die geeignet ist, Teile der geschlossenen Enden 21 der
Kanäle
freizulegen und ein ausreichendes Tintenversorgungsreservoir für den Druckkopf
bereitzustellen, wenn sie mit den geschlossenen Endabschnitten 21 der
Kanäle
kombiniert wird. Der Weg des Tintenflusses vom Reservoir zu den
Kanälen 20 wird
durch den Pfeil 19 angezeigt. Eine wahlfreie Düsenplatte 12 ist
gestrichelt dargestellt, die an die Vorderseite 29 des
Druckkopfes geklebt ist, wobei die Düsen 13 darin mit den
offenen Enden 27 der Kanäle 20 in der Photopolymerschicht 24 ausgerichtet
sind.
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Wie im US-Patent Re. 32 572, US-Patent
4 774 530 und US-Patent 4 947 192 offenbart, können die Heizplatten der vorliegenden
Erfindung auf einem Siliziumwafer (nicht dargestellt) absatzweise
hergestellt und später
in einzelne Heizplatten 28 als ein Stück des Druckkopfs 10 getrennt
werden Wie in diesen Patenten dargestellt, ist eine Mehrzahl Sätze Heizelemente 34,
Treiberschaltkreis 32 und elektrische Anschlüsse 33 auf
einer polierten Oberfläche
eines (100) Siliziumwafers musterartig angeordnet, der zuerst gegebenenfalls
mit einer Unterschicht 14 wie etwa Siliziumdioxid mit einer
typischen Dicke von etwa 1 bis etwa 5 Mikron beschichtet wurde,
obschon die Dicke außerhalb
dieses Bereichs liegen kann. Die Heizelemente können aus jedem wohlbekannten
Widerstandsmaterial wie etwa Zirkoniumborid sein, sind aber vorzugsweise
dotiertes, polykristallines Silizium, daß zum Beispiel durch chemische
Dampfbeschichtung (CVD) abgeschieden wurde und gleichzeitig monolithisch
mit dem Treiberschaltkreis wie zum Beispiel im US-Patent 4 947 193
beschrieben hergestellt wurde. Danach kann der Wafer gewünschtenfalls
gereinigt und zum Bilden einer Siliziumdioxidschicht (nicht dargestellt) über dem
Wafer einschließlich
des Treiberschaltkreises reoxidiert werden. Anschließend kann
gewünschtenfalls
eine Phophor-dotierte Glasschicht oder Bor- und Phosphordotierte
Glasschicht (nicht dargestellt) auf der thermisch erzeugten Siliziumoxidschicht
abgeschieden werden und zum Einebnen der Oberfläche bei hohen Temperaturen
er neut fließen
gelassen werden. Das photobemusterbare Polymer gemäß der vorliegenden
Erfindung wird aufgebracht und unter Bilden von Kontaktlöchern für die elektrischen
Anschlüsse
mit den Heizelementen und dem Treiberschaltkreis bemustert und eine
Aluminiummetallisierung wird zum Bilden der elektrischen Anschlüsse und
Bereitstellen der Kontakte zum Verdrahten der Schaltungsplatine, die
wiederum an den Druckercontroller angeschlossen wird, aufgebracht.
Jede geeignete, elektrisch isolierende Passivierungsschicht 16,
wie etwa zum Beispiel Polyimid, Polyarylenether wie etwa die in
zum Beispiel dem US-Patent 5 994 425 offenbarten, Polybenzoxazol,
Bisbenzocyclobuten (BCB), phenolische Novolac-Harze mit funktionellen
Glycidylethergruppen an deren sich wiederholenden Monomereinheiten
oder dergleichen werden über
den elektrischen Anschlüssen
typischerweise bis zu einer Dicke von etwa 0,5 bis etwa 20 Mikron aufgebracht – obschon
die Dicke außerhalb
dieses Bereichs liegen kann – und
von den Heizelementen und Kontakten entfernt.
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Als nächstes kann eine wahlfreie
Vertiefungsschicht 36 aus zum Beispiel Polyimid, Polyarylenethern wie
etwa die in zum Beispiel dem US-Patent 5 994 425 offenbarten, Polybenzoxazol,
BCB, phenolischen Novolac-Harzen mit funktionellen Glycidylethergruppen
an deren sich wiederholender Monomereinheiten oder dergleichen aufgebracht
und mit einem Muster versehen werden, um wie in 3 dargestellt und im US-Patent 4 774
530 offenbart Vertiefungen 38 für die Heizelemente bereitzustellen. 3 ist eine der von 2 ähnliche Querschnittsansicht,
weist aber wie vom US-Patent 4 774 530 gelehrt eine Vertiefungsschicht 36 auf. Die
Vertiefungsschicht 36 kann für Druckköpfe mit einer Auflösung von
weniger als 400 dpi nützlich
sein, kann aber gewünschtenfalls
auch für
Druckköpfe
mit einer höheren
Druckauflösung
verwendet werden. Außer
für die
Vertiefungsschicht ist der Druckkopf und das Herstellungsverfahren
dasselbe wie bei den Druckköpfen
in 1 und 2. Die wahlfreie Vertiefungsschicht 36 wird
vor dem Aufbringen der Photopolymerschicht 24 aufgebracht
und mit einem Muster versehen. Für
Hochauflösungsdruckköpfe mit
Düsen,
die zum Drucken mit 400 Punkten je Zoll (dpi) oder mehr räumlich auseinanderliegen,
müssen
jedoch keine Heizelementvertiefungen erforderlich sein, da die zum
Ausstoßen
von Tintentröpfchen
aus Düsen
und Kanälen
dieser Größe erzeugten Dampfblasen
nicht dazu neigen, Luft aufzunehmen.
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Falls die Topographie des Heizwafers
uneben ist, kann der Wafer durch in der Industrie wohlbekannte Techniken
wie etwa die im US-Patent 5 65 249 offenbarte poliert werden. Anschließend wird
die Schicht aus dem photobemusterbaren Polymer (phenolische Novolac-Harze
mit funktionellen Glycidylethergruppen an deren sich wiederholenden
Mo nomereinheiten), die die Kanalstruktur 24 liefern soll,
aufgetragen. Nach dem Auftragen der photobemusterbaren Polymerschicht
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird sie mittels einer Maske mit dem Kanalsätzemuster
und Kontaktemuster belichtet. Die bemusterte Polymerkanalstrukturschicht
wird anschließend
entwickelt und gehärtet.
In einer Ausführungsform
ist die Kanalstrukturdicke typischerweise mindestens etwa 1 Mikron,
vorzugsweise mindestens etwa 5 Mikron und bevorzugter mindestens
etwa 10 Mikron und ist typischerweise höchstens etwa 40 Mikron, vorzugsweise
höchstens
etwa 30 Mikron und bevorzugter höchstens
etwa 20 Mikron, obschon die Dicke außerhalb dieser Bereiche liegen
kann. Gewünschtenfalls
kann eine dickere Schicht aufgetragen und gehärtet werden und anschließend durch
dieselbe Technik, die zum Polieren der Oberfläche des vorstehend angeführten Heizwafers
verwendet wurde, auf die gewünschte
Dicke poliert werden. Nachdem die mit dem Muster versehene Photopolymerschicht 24 gehärtet und
poliert ist, wird eine Deckplatte 22 in derselben Größe wie der
Wafer und mit einer Mehrzahl Löchern 23 darin
mit der Photopolymerschicht verbunden. Die Deckplatte 22 dient
als Verschluß für die Kanäle 20 und
die Deckplatte 23, die eine Öffnung durch die Deckplatte
ist, dient sowohl als Tinteneinlaß zu dem Reservoir als auch
dem Großteil des
Tintenreservoirs. Der Siliziumwafer und die Abdeckplatte in Wafergröße mit der
dazwischen befindlichen Kanalstruktur kann durch einen Schneidevorgang
in eine Mehrzahl einzelner Druckköpfe getrennt werden. Der Schneidevorgang
trennt nicht nur die Druckköpfe,
sondern erzeugt auch die Druckkopfvorderseite 29 und öffnet ein
Ende der Kanäle
unter Bilden der Düsen 27.
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Unter Bezug auf 4 wird eine schematische isometrische
Ansicht eines Teils des Heizwafers dargestellt, der eine einzelne
Heizplatte 28 mit der bemusterten, gehärteten und polierten Photopolymerkanalstruktur 24 darauf
umfaßt.
Die Abdeckplatte ist weggelassen. Die Abschnitte mit den geschlossenen
Enden der Kanäle
und die Abdeckplattenöffnung
definieren das Tintenreservoir.
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5 ist
eine zu 2 ähnliche
Ansicht, zeigt aber einer alternative Ausführungsform der Abdeckplatte.
Bei dieser Ausführungsform
wird ein Siliziumsubstrat für
die Abdeckplatte 22' verwendet
und weist eine durch orientierungsabhängiges Ätzen (ODE) gebildete Öffnung 23' auf. Das Ätzen wird
an der Siliziumabdeckplattenoberfläche ausgeführt, die an die Kanalstruktur 24 gebunden
ist, wodurch eine unterschiedliche Querschnittsform des Reservoirs
bereitgestellt wird.
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Unter Bezug auf 6 wird eine weitere Ausführungsform
der Kanalstruktur 24 in einer zu der von 4 ähnlichen
Ansicht dargestellt. Bei dieser Ausführungsform verbinden sich die
Kanalenden und öffnen sich
in einer gemeinsamen Aussparung 41. Die Wände 45 der
Kanäle 20 erstrecken
sich in das durch die Kombination der Deckplattenöffnung 23 ,
der gemeinsamen Aussparung 42 und der Endabschnitte der
Kanalenden 21' gebildete
Reservoir.
-
Obschon die Kanäle in 1 bis 6 mit
einer gleichförmigen
quadratischen oder rechteckigen Tintenfluß-Querschnittsfläche dargestellt
sind, sind andere Ausführungsformen
ebenfalls möglich.
Zum Beispiel können
die parallelen Wände
der Kanale 20 im Abstand dazwischen schwanken und zum Beispiel
Kanäle
mit einem sich gleichförmig
verengenden Tintenkanal, der sich von der Zwischenfläche mit
dem Tintenreservoir zu der Düse
wie in 4A des US-Patents
5 132 707 dargestellt, verjüngt,
wie in 4B des US-Patents 5 132 707
dargestellte, variierende Strömungsquerschnittsflächen, bei
denen der Kanal an der Zwischenfläche mit dem Tintenreservoir
eng ist, in der Nähe
der Abstandsmitte zwischen dem Reservoir und der Düse zum Verbessern
der Wiederbefüllung
vergrößert ist
und an der Düse
erneut eng ist, und wie in 7 dargestellte
Kanäle
einer Dicke oder Tiefe D und anfänglich
einer ersten, gleichförmigen
Breite W 1 an der Zwischenfläche
zu dem Tintenreservoir, anschließend mit einer sich verjüngenden
Fläche
T und in engeren Kanälen
einer zweiten, gleichförmigen
Dicke W2 endend, die sich zu den Düsen fortsetzt, bilden. Jeder
andere gewünschte „Sideshooter"-Kanal oder Düsenanordnung
kann ebenfalls eingesetzt werden.
-
Außerdem kann jede andere gewünschte „Sideshooter"-Druckkopfanordnung
eingesetzt werden. Zum Beispiel kann ein oberes Substrat oder eine
Abdeckplatte 31 gewünschtenfalls
ebenfalls darin geätzte
Kanäle jeder
gewünschten
Form wie etwa dreieckig, rechteckig, quadratisch oder dergleichen
aufweisen, wobei das obere Substrat oder die Abdeckplatte anschließend mit
dem unteren Substrat oder der Heizplatte mit den in der Schicht 18 darauf
definierten Widerstandsheizelementen und Kanälen ausgerichtet und verbunden
wird, so daß die
Kanäle
in dem oberen Substrat oder der Deckplatte 31 mit den in
Schicht 18 definierten Kanälen unter Bilden der Tintenkanäle oder
Düsen ausgerichtet
sind, wie zum Beispiel im US-Patent 4 774 530, US-Patent 6 020 119
und US-Patent 4
829 324 offenbart.
-
In einer Ausführungsform wird ein Heizwafer
gegebenenfalls zuerst mit einer Phosphosilikatglasschicht mit einer
Lösung
des Haftungsförderers
Z6040 (etwa 0,5 bis etwa 5 Ge wichtsprozent in etwa 95 Teilen Methanol
und etwa 5 Teilen Wasser bei einem pH von etwa 3,5 bis etwa 5,5,
von Dow Corning erhältlich)
bei etwa 3000 bis etwa 5000 Umdrehungen je Minute etwa 10 Sekunden
schleuderbeschichtet und etwa 2 bis etwa 10 Minuten bei etwa 100
bis etwa 110°C
getrocknet. Man läßt den Wafer
anschließend
etwa 5 Minuten auf etwa 25°C
abkühlen,
bevor der das Epoxypolymer enthaltende Photoresist bei zwischen
1000 und 3000 Umdrehungen je Minute zwischen 30 und 60 Sekunden
auf den Wafer schleuderbeschichtet wird. Die Photoresistlösung wird
durch Zufügen
von etwa 63 Gewichtsteilen eines Epoxypolymers der Formel
worin n einen Durchschnittswert
von 3 aufweist, zu etwa 20 Gewichtsteilen γ-Butyrolacton, das etwa 13 oder 14
Gewichtsteile Triphenylsulfoniumhexafluorantimonatlösung (im
Handel als CYRACURE
® UVI-6976 geliefert (von
Union Carbide erhalten), in einer Lösung von 50 Gewichtsprozent
gemischtem Triarylsulfoniumhexafluorantimonat in Propylencarbonat)
hergestellt. Der Film wird zwischen 15 und 25 Minuten in einem Ofen
auf 70°C erhitzt
(weichgehärtet).
Nach Kühlen
auf 25°C
während
5 Minuten wird der Film mit einer Maske abgedeckt und dem vollen
Bogen einer Superhochdruck-Quecksilberlampe ausgesetzt, was etwa
25 bis etwa 500 Millijoule je Quadratzentimeter, gemessen bei 365
Nanometer, entspricht. Der belichtete Wafer wird anschließend etwa
10 bis etwa 20 Minuten zu einer Härtung nach der Belichtung auf
etwa 70 bis etwa 95°C
erhitzt, gefolgt vom Abkühlen
auf 25°C
während
5 Minuten. Der Film wird mit γ-Butyrolacton
entwickelt, mit Isopropanol gewaschen und anschließend etwa
2 Minuten bei 70°C
getrocknet. Dieses Verfahren ist dazu gedacht, darin eine Anleitung
zu sein, daß Verfahren
sich in Abhängigkeit
von der Filmdicke und dem Molekulargewicht des Photoresists außerhalb
der angegebenen Bedingungen befinden können.
-
Der in 1 bis 7 veranschaulichte Druckkopf
stellt eine spezielle Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar. Jede andere geeignete „Sideshooter"-Druckkopfauslegung,
die in Düsen
an der Druckkopfoberfläche
endende, tintentragende Kanäle
umfaßt,
kann ebenfalls mit den hierin offenbarten Materialien zum Bilden
eines Druckkopfs der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Die
Druckköpfe
der vorliegenden Erfindung sind von der „Sideshooter"-Anordnung im Gegensatz
zur „Roofshooter"-Anordnung. Druckköpfe in „Roofshooter"-Anordnung werden
zum Beispiel im US-Patent 5 859 655 und US-Patent 5 907 333 veranschaulicht. Bei
einem typischen thermischen Tintenstrahldruckkopf des „Roofshooter"-Typs ist eine Heizplatte
auf einem Kühlkörpersubstrat
befestigt. Die Siliziumheizplatte kann ein Reservoir oder einen
dort hindurch geätzten
Zufuhrschlitz aufweisen. Eine Anordnung von Heizelementen ist auf
der Heizplattenobertläche
in der Nähe
des offenen Bodens des Reservoirs als Muster angeordnet. Die Heizelemente
werden über
passivierte Adressierelektroden und einen gemeinsamen Rückleiter
selektiv angesprochen. Eine Fließrichtungsschicht ist mustermäßig angeordnet,
um Strömungswege
für die
Tinte aus dem Reservoir zu einer Stelle über den Heizelementen zu bilden.
Eine Düsen
enthaltende Düsenplatte
ist an der Fließrichtungsschicht
ausgerichtet und damit verbunden, so daß die Düsen sich direkt über den
Heizelementen befinden. Ein an das Heizelement angelegtes elektrisches
Signal verdampft die Tinte zeitweise und bildet Tröpfchen ausstoßende Blasen,
die Tröpfchen
in Richtung zur Ebene der Heizelementoberfläche oder dazu senkrecht ausstoßen. Demgemäß sind die
Düsen bei
einem „Roofshooter"-Druckkopf durch
die Düsen
in der Düsenplatte
und ihre Anordnung bezüglich
der Heizelemente definiert. Im Gegensatz dazu sind die Düsen bei
einem „Sideshooter"-Druckkopf durch
das Binden der Deckplatte und des Heizwafers (obschon eine wahlfreie
Düsenplatte
gewünschtenfalls
an die Vorderseite des Druckkopfs gebunden sein kann) definiert.
Außerdem
verdampft bei einem „Sideshooter"-Druckkopf ein an
das Heizelement angelegtes elektrisches Signal temporär die Tinte
und bildet Tröpfchen
ausstoßende
Blasen, die Tröpfchen
in einer Richtung parallel zu der Ebene der Heizelementoberfläche ausstoßen.
-
Die „Sideshooter"-Druckköpfe der
vorliegenden Erfindung zeigen mehrere Vorteile. Zum Beispiel können Kanäle und Düsen mit
Längenverhältnissen
von mindestens etwa 1 : 1 oder mehr bemustert werden und Längenverhältnisse
von etwa 6 : 1 und mehr und sogar etwa 10 : 1 oder mehr sind möglich. 1,
2 oder 3 Picoliter kleine Tropfenvolumina können mit Tintenstrahldruckköpfen gemäß der vorliegenden
Erfindung erzeugt werden, ebenso wie die, die Tröpfchen von etwa 5 Pikoliter
erzeugen, die die Tröpfchen
von etwa 10 Picoliter erzeugen, die die Tröpfchen von etwa 20 Picoliter
erzeugen, die die Tröpfchen
von etwa 35 Picoliter erzeugen, die die Tröpfchen von etwa 50 Picoliter
erzeugen und die, die variierende Tropfenvolumina innerhalb und
außerhalb
dieser Bereiche erzeugen. Wünschenswerte
Tropfenvolumina für
schwarze Bilder sind mindestens etwa 10 Picoliter und sind typischerweise
höchstens
etwa 35 Picoliter, vorzugsweise höchstens etwa 20 Picoliter,
obschon das Tropfenvolumen für
schwarze Bilder außerhalb
dieser Werte liegen kann. Wünschenswerte Tropfenvolumina
für Farbbilder
sind typischerweise mindestens etwa 1 Picoliter und vorzugsweise
mindestens etwa 3 Picoliter und sind typischerweise höchstens
25 Picoliter, vorzugsweise höchstens
etwa 10 Picoliter und bevorzugter höchstens etwa 5 Picoliter, obschon
das Tröpfchenvolumen
für Farbbilder
außerhalb
dieser Werte liegen kann. Einzeldruckköpfe mit Düsen, die unterschiedliche Tropfengrößen erzeugen
und Einzelwafer, die mit verschiedenen Druckköpfen bebildert sind, die jeweils
unterschiedliche Tropfengrößen erzeugen
können, können gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt werden. Ein Einzeldruckkopf oder ein Einzelwafer,
der mit mehrfachen Druckköpfen
bemustert ist, kann mit Tropfen von etwa 1 Picoliter erzeugenden
Düsen,
Tropfen von etwa 2 Picoliter erzeugenden Düsen, Tropfen von etwa 3 Picoliter
erzeugenden Düsen,
Tropfen von etwa 5 Picoliter erzeugenden Düsen, Tropfen von etwa 10 Picoliter
erzeugenden Düsen,
Tropfen von etwa 20 Picoliter erzeugenden Düsen, Tropfen von etwa 35 Picoliter
erzeugenden Düsen,
Tropfen von etwa 50 Picoliter erzeugenden Düsen und Tropfen innerhalb des
Bereichs von etwa 1 bis etwa 50 Picoliter erzeugenden Düsen mustermäßig aufgetragen
werden. Während
das Tropfenvolumen auch von Veränderlichen
wie etwa der Auslegung der Heizvorrichtung und der Kanalstruktur
abhängt,
können
Düsen wie
etwa die etwa 10 Mikron breiten und etwa 10 Mikron tiefen Tröpfchenvolumina
von etwa 1 bis etwa 5 Picoliter erzeugen. (Im Zusammenhang mit der
vorliegenden Erfindung bezüglich
der Tintenkanäle
oder Düsen
beziehen sich die Ausdrücke „breit" und „Breite" auf Breiten wie
etwa W 1 oder W2 in 7 und
die Ausdrücke „tief" und „Tiefe" beziehen sich auf
Tiefen wie etwa „D" in 7.) Bevorzugte Düsen weisen eine Breite von
mindestens etwa 5 Mikron und vorzugsweise mindestens etwa 8 Mikron
und von höchstens
etwa 25 Mikron und vorzugsweise höchstens etwa 15 Mikron auf,
obschon die Breite außerhalb
dieser Bereiche liegen kann. Bevorzugte Düsen weisen eine Tiefe von mindestens
etwa 5 Mikron und vorzugsweise mindestens etwa 8 Mikron und höchstens
etwa 25 Mikron und vorzugsweise höchstens etwa 15 Mikron auf,
obschon die Tiefe außerhalb
dieser Bereiche liegen kann. Druckköpfe, die Auflösungen von
etwa 300 dpi, etwa 400 dpi, etwa 600 dpi, etwa 900 dpi, etwa 1200
dpi oder mehr erzeugen können,
können
gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt werden. Düsen
können
mit sauberen, scharfen quadratischen Kanten und mit geringer oder
keiner Notwendigkeit zum Polieren der die Düsen enthaltenden Struktur nach
der Bemusterung hergestellt werden. Die Photobilderzeugungsmaske
kann reproduziert werden, während
eine im wesentlichen gleichförmige
Filmdicke über
den Wafer und die bemusterten Teile aufrecht erhalten wird und es
ist nur eine minimale oder keine Maskenvoreinstellung notwendig. „Sideshooter"-Druckköpfe mit
hoher Düsendichte
können
hergestellt werden. Dieser Vorteil ist bei der „Sideshooter"-Anordnung besonders
wichtig. Druckköpfe
mit „Roofshooter"-Anordnung, die zum
Beispiel durch die Druckkopfuntereinheiten 26 des „Roofshooter"-Typs in 8 des US-Patents 5 160 945 des US-Patents
5 160 945 veranschaulicht werden, ermöglichen eine hohe Düsendichte
durch Versetzen der Öffnungen
der Düsenplatte. Bei
der „Sideshooter"-Anordnung der vorliegenden
Erfindung wird im Gegensatz dazu, wie in 1 der vorliegenden Erfindung gezeigt,
eine hohe Düsendichte
mit Düsen
in geradliniger Anordnung erhalten.
-
Weitere, Verfahren zum Herstellen
von Druckköpfen
betreffende Einzelheiten werden zum Beispiel im US-Patent 4 678
529, US-Patent 5 057 853, US-Patent 4 774 530, US-Patent 4 835 553,
US-Patent 4 638 337, US-Patent 5 336 319 und US-Patent 4 601 777
offenbart. Weitere Beispiele geeigneter „Sideshooter"-Anordnungen werden
zum Beispiel im US-Patent 5 132 707 und US-Patent 5 994 425 offenbart.
-
Wenigstens eine Isolierschicht
18 und
Abdeckplatte oder oberes Substrat
31 werden durch Vernetzen einer
Polymervorstufe, die ein Novolac-Harz mit funktionellen Glycidylethergruppen
an dessen sich wiederholenden Monomereinheiten ist, gebildet. Die
funktionellen Glycidylethergruppen befinden sich allgemeinen an den
Stellen der ehemaligen Wasserstoffatome an den phenolischen Hydroxygruppen.
Beispiele geeigneter Rückgratmonomere
für das
phenolische Novolac-Harz schließen
Phenol der Formel
wobei das sich daraus ergebende
Glycidylether-funktionalisierte Novolac-Harz sowohl
-
Strukturen der Formeln
als auch verzweigte Strukturen
davon einschließt,
o-Kresol und p-Kresol der Formeln
wobei das sich daraus ergebende
Glycidylether-funktionalisierte Novolac-Harz Strukturen der Formeln
als auch verzweigte Strukturen
davon einschließt,
Bisphenol A der Formel
wobei das sich daraus ergebende
Glycidylether-funktionalisierte Novolac-Harz sowohl Strukturen der
Formeln
als auch
randomisierte und verzweigte Strukturen davon einschließt, und
dergleichen ein. Die durchschnittliche Anzahl der sich wiederholenden
Monomereinheiten ist typi scherweise von etwa 1 bis 20 und vorzugsweise 2,
obschon der Wert von n außerhalb
dieses Bereiches liegen kann. Ein besonders bevorzugtes Polymer
ist von der Formel
worin n eine ganze Zahl ist,
die die durchschnittliche Anzahl der sich wiederholenden Monomereinheiten
darstellt und typischerweise etwa 2 bis etwa 20 ist und vorzugsweise
etwa 3 ist, obschon der Wert von n außerhalb dieses Bereichs liegen
kann. Ein weiteres, besonders bevorzugtes Polymer ist von der Formel
worin n eine ganze Zahl ist,
die die durchschnittliche Anzahl der sich wiederholenden Monomereinheiten
darstellt und typischerweise etwa 1 bis etwa 20 ist und vorzugsweise
etwa 2 ist, obschon der Wert von n außerhalb dieses Bereichs liegen
kann. Polymere der Formel
worin n einen durchschnittlichen
Wert von etwa 3 aufweist, sind im Handel zum Beispiel von Shell
Resins, Shell Oil Co., Houston, TX, als EPON
® SU-8
erhältlich.
Handelsübliche,
dieses Polymer, ein Lösungsmittel
und einen kationischen Initiator enthaltende Photoresists sind auch
von der MicroChem Corporation, Newton, MA, und von Sotec Microsystems,
Schweiz, erhältlich.
Dieser Photoresisttyp wird auch zum Beispiel im US-Patent 4 882
245 offenbart.
-
Polymere der Formel
worin n einen Durchschnittswert
von etwa 3 aufweist, sind im Handel zum Beispiel von Shell Resins,
Shell Oil Co., Houston, TX, als EPON
® DPS-164
erhältlich.
Geeignete Photoresists der hierin vorstehend angeführten Photoresists
sind auch von zum Beispiel Dow Chemical Co., Midland, MI, erhältlich.
-
Der Teil des Druckkopfs, der das
vernetzte Epoxypolymer enthält,
wird durch Aufbringen eines Photoresists, der die unvernetzte Epoxypolymervorstufe,
ein wahlfreies Lösungs mittel
für die
Polymervorstufe, einen kationischen Photoinitiator und einen wahlfreien
Sensibilisator enthält,
auf den Druckkopf hergestellt. Das Lösungsmittel und die Polymervorstufe
liegen typischerweise in relativen Mengen von 0 bis etwa 99 Gewichtsprozent
Lösungsmittel
und von etwa 1 bis 100 Gewichtsprozent Polymervorstufe vor, liegen
vorzugsweise in relativen Mengen von etwa 5 bis etwa 60 Gewichtsprozent
Lösungsmittel
und von etwa 40 bis etwa 95 Gewichtsprozent Polymer und liegen bevorzugter
in relativen Mengen von etwa 5 bis etwa 40 Gewichtsprozent Lösungsmittel
und von etwa 60 bis etwa 95 Gewichtsprozent Polymer vor, obschon
die relativen Mengen außerhalb
dieser Bereiche liegen können.
Beispiele geeigneter Lösungsmittel
schließen γ-Butyrolacton, Propylenglykolmethyletheracetat,
Tetrahydrofuran, Methylethylketon, Methylisobutylketon, Gemische
davon und dergleichen ein.
-
Sensibilisatoren absorbieren Lichtenergie
und erleichtern den Energietransfer auf eine andere Verbindung,
die dann radikalische oder ionische Initiatoren zum Umsetzen der
Polymervorstufe unter Vernetzen bilden kann. Sensibilisatoren erweitern
häufig
den nutzbaren Wellenlängenbereich
für die
Photobelichtung und sind typischerweise aromatische lichtabsorbierende
Chromophore. Sensibilisatoren können
auch zur Bildung von Photoinitiatoren führen, die ein freies Radikal
oder ionisch sein können.
Falls vorhanden, liegen der wahlfreie Sensibilisator und die Polymervorstufe
typischerweise in relativen Mengen von etwa 0,1 bis etwa 20 Gewichtsprozent
Sensibilisator und von etwa 80 bis etwa 99,9 Gewichtsprozent Polymervorstufe
vor und liegen vorzugsweise in relativen Mengen von etwa 1 bis etwa
20 Gewichtsprozent Sensibilisator und von etwa 80 bis etwa 99 Gewichtsprozent
Polymervorstufe vor, obschon die relativen Mengen außerhalb
dieser Bereiche liegen können.
-
Photoinitiatoren erzeugen im allgemeinen
Ionen oder freie Radikale, die beim Aussetzen aktivischer Strahlung
die Polymerisation starten. Falls vorhanden, liegen der wahlfreie
Photoinitiator und die Polymervorstufe typischerweise in relativen
Mengen von etwa 0,1 bis etwa 20 Gewichtsprozent Photoinitiator (in
reiner Form ohne Berücksichtigen
irgendeines Lösungsmittels,
in dem er im Handel geliefert werden kann) und von etwa 80 bis etwa
99,9 Gewichtsprozent Polymervorstufe vor und liegen vorzugsweise
in relativen Mengen von etwa 1 bis 20 Gewichtsprozent Photoinitiator
und von etwa 80 bis etwa 99 Gewichtsprozent Polymervorstufe vor,
obschon die relativen Mengen außerhalb
dieser Bereiche liegen können.
-
Ein einziges Material kann auch sowohl
als Sensibilisator als auch als Photoinitiator wirksam sein.
-
Aromatische Ketone einschließlich Benzophenon
und seiner Derivate, Thioxanthon, Campherchinon und dergleichen
können
als Photosensibilisator wirksam sein. Weitere Beispiele geeigneter
Photosensibilisatoren schließen
Oniumsalze von Elementen der Gruppe VA, Oniumsalze von Elementen
der Gruppe VIA wie etwa Sulfoniumsalze und aromatische Haloniumsalze
wie etwa lodoniumsalze ein. Spezielle Beispiele von Sulfoniumsalzen
schließen
Triphenylsulfoniumtetrafluorborat, Methyldiphenylsulfoniumtetrafluorborat,
Dimethylphenylsulfoniumhexafluorphosphat, Triphenylsulfoniumhexafluorphosphat,
Triphenylsulfoniumhexafluorantimonat, Diphenylnaphthylsulfoniumhexafluorarsenat,
Tritolysulfoniumhexafluorphosphat, Anisyldiphenylsulfoniumhexafluorantimonat,
4-Butoxyphenyldiphenylsulfoniumtetrafluorborat, 4-Chlorophenyldiphenylsulfoniumhexafluorantimonat,
Tris(4-phenoxyphenyl)sulfoniumhexafluorphosphat, Di(4-ethoxyphenyl)methylsulfoniumhexafluorarsenat,
4-Acetoxy-phenyldiphenylsulfoniumtetrafluorborat, Tris(4-thiomethoxyphenyl)sulfoniumhexafluorphosphat,
Di(methoxysulfonylphenyl)methylsulfoniumhexafluorantimonat, Di(methoxynapththyl)methylsulfoniumtetrafluorborat,
Di(carbomethoxyphenyl)methylsulfoniumhexafluorphosphat, 4-Acetamidophenyldiphenylsulfoniumtetrafluorborat,
Dimethylnaphthylsulfoniumhexafluorphosphat, Trifluormethyldiphenylsulfoniumtetrafluorborat,
Methyl(N-methylphenothiazinyl)sulfoniumhexafluorantimonat, Phenylmethylbenzylsulfoniumhexafluorphosphat,
oder Gemischen davon ein. Spezielle Beispiele der aromatischen lodoniumsalze schließen Diphenyliodoniumtetrafluorborat,
Di(4-methylphenyl)iodoniumtetrafluorborat, Phenyl-4-methylphenyliodoniumtetrafluorborat,
Di(4-heptylphenyl)iodoniumtetrafluorborat, Di(3-nitrophenyl)iodoniumhexafluorphosphat,
Di(4-chlorphenyl)iodoniumhexafluorphosphat, Di(naphthyl)iodoniumtetrafluorborat,
Di(4-trifluormethylphenyl)iodoniumtetrafluorborat, Diphenyliodoniumhexafluorphosphat,
Di(4-methylphenyl)iodoniumhexafluorphosphat, Diphenyliodoniumhexafluorarsenat,
Di(4-phenoxyphenyl)iodoniumtetrafluorborat, Phenyl-2-thienyliodoniumhexafluorphosphat,
3,5-Dimethylpyrazolyl-4-phenyliodoniumhexafluorphosphat,
Diphenyliodoniumhexafluorantimonat, 2,2'-Diphenyliodoniumtetrafluorborat,
Di(2,4-dichlorphenyl)iodoniumhexafluorphosphat, Di(4-bromphenyl)iodoniumhexafluorphosphat,
Di(4-methoxyphenyl)iodoniumhexafluorphosphat, Di(3-carboxyphenyl)iodoniumhexafluorphosphat,
Di(3-methoxycarbonylphenyl)iodoniumhexafluorphosphat, Di(3-methoxysulfonylphenyl)iodoniumhexafluorphosphat,
Di(4-acetamidophenyl)iodoniumhexafluorphosphat, Di(2-benzothienyl)iodoniumhexafluorphosphat
und dergleichen ein. Triarylsulfoni um- und Diaryliodoniumsalze sind
Beispiele typischer kationischen Photoinitiatoren. Aromatische Oniumsalze
von Elementen der Gruppe VIA wie etwa Triarylsulfoniumsalze sind
besonders bevorzugte Photoinitiatoren für die vorliegende Erfindung. Initiatoren
dieses Typs werden zum Beispiel im US-Patent 4 058 401 und US-Patent
4 245 029 offenbart. Für die
vorliegende Erfindung sind Triphenylsulfoniumhexafluorantimonat
und dergleichen besonders bevorzugt.
-
Obschon die Druckköpfe der
vorliegenden Erfindung mit Photoresistlösungen hergestellt werden können, die
nur die Polymervorstufe, den kationischen Initiator und das wahlfreie
Lösungsmittel
enthalten, können andere
wahlfreie Bestandteile ebenfalls in dem Photoresist enthalten sein.
Zum Beispiel können
gewünschtenfalls
Verdünnungsmittel
eingesetzt werden. Beispiele geeigneter Verdünnungsmittel schließen epoxysubstituierte
Polyarylenether wie etwa die im US-Patent 5 945 253 offenbarten
und Bisphenol-A-Epoxymaterialien wie
etwa die als (nicht-bemusterbare) Klebstoffe im US-Patent 5 762
812 offenbarten mit einer typischen Anzahl sich wiederholender Monomereinheiten
von etwa 1 bis etwa 20 ein, obschon die Anzahl der sich wiederholenden
Monomereinheiten außerhalb
dieser Bereiche liegen kann. Verdünnungsmittel können in
dem Photoresist in jeder gewünschten
oder wirksamen Menge, typischerweise mindestens etwa 1 Gewichtsteil
auf 1 Gewichtsteil Polymervorstufe und typischerweise höchstens
etwa 70 Gewichtsteile auf einen Gewichtsteil Polymervorstufe, vorzugsweise
höchstens
etwa 10 Gewichtsteile auf einen Gewichtsteil Polymervorstufe und
bevorzugter höchstens
etwa 5 Gewichtsteile auf einen Gewichtsteil Polymervorstufe, vorliegen,
obschon die relativen Mengen außerhalb
dieser Bereiche liegen können.
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Die Druckköpfe der vorliegenden Erfindung
können
mit hohen Längenverhältnissen
und geraden Seitenwänden
hergestellt werden. Bis zu 5 Mikron breite kleine Kanäle und/oder
Düsen (den
Abständen
W 1 und W2 in 7 entsprechend)
können
leicht in 28 Mikron dicken Filmen aufgelöst werden, die zum Beispiel
mit 200 bis 500 Millijoule je Quadratzentimeter (typischerweise
mehr oder weniger als etwa 50 Millijoule je Quadratzentimeter, vorzugsweise
mehr oder weniger als etwa 25 Millijoule je Quadratzentimeter) (Längenverhältnis 5,
6) bestrahlt werden. Bevorzugte Belichtungen können in Abhängigkeit von dem eingesetzten
kationischen Initiator, der Gegenwart oder Abwesenheit eines Verdünnungsmittels,
der relativen Feuchtigkeit und dergleichen schwanken. Diese Ergebnisse
ermöglichen
leicht hohe Strahldichten. Die Strahldichten sind typischerweise
mindestens etwa 300 Punkte je Zoll, vorzugsweise mindestens etwa
600 Punkte je Zoll und bevorzugter mindestens etwa 1200 Punkte je
Zoll, obschon die Strahldichte außer halb dieser Bereiche liegen
kann. Scanningelektronenmikroskopie-Mikrophotographien zeigen eine
topographisch flache Oberfläche
ohne nachteilige Erhebungen oder Vertiefungen.
-
Die folgenden Beispiele veranschaulichen
die in Anspruch 1 offenbarte vorliegende Erfindung. Alle Teile und
Prozentwerte sind solange nicht anders angegeben in Gewicht.
-
BEISPIEL 1
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Herstellung der Resistlösung
-
Eine Resistlösung wurde durch Zufügen von
33 Gramm γ-Butyrolacton
(von Aldrich Chemical Co., Milwaukee, WI, erhalten) und 23,3 Gramm
CYRACURE® UVI-6976
(das 50 Gewichtsprozent von Union Carbide erhaltenes Triphenylsulfoniumhexafluorantimonat
in Propylencarbonat enthält)
hergestellt. Danach wurden 115 Gramm EPON® SU-8 Epoxypolymer der Formel
worin n einen durchschnittlichen
Wert von 3 aufweist (von Shell Resins erhalten) dem Gefäß zugefügt und die Lösung wurde
vor der Verwendung etwa eine Woche auf einer STONEWARE
®-Walze
gemischt.
-
Eine handelsübliche Resistlösung von
EPON SU-8 wurde ebenfalls von MicroChem Corporation, Newton, MA,
erhalten und wurde wie erhalten verwendet. Diese handelsübliche Lösung ist
von einer der wie beschrieben hergestellten ähnlichen Zusammensetzung. Genauer
enthielt die handelsübliche
Lösung
gemäß dem MSDS-Blatt
für dieses
Produkt zwischen 25 und 50 Gewichtsprozent γ-Butyrolacton, zwischen 1 und
5 Gewichtsprozent eines gemischten Triarylsulfoniumhexafluorantimonatsalzes
(Sulfonium(thiodi-4,1-phenylen)bis[diphenylbis[(OC-6-11)hexafluorantimonat(1-)],
CAS 89452-37-9, und p-Thiophenoxyphenyldiphenylsulfoniumhexafluorantimonat,
CAS 71449-78-0) in Propylencarbonat und zwischen 50 und 75 Gewichtsprozent
des Epoxyharzes.
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Herstellung des Substrats
-
Runde, leere Siliziumwafer (auch
als Monitorwafer bezeichnet) mit 4 und 5 Zoll Durchmesser, deren oberste
Schichten Oxid oder nacktes Silizium enthielten, wurden in einem
Bad, das 75 Gewichtsprozent Schwefelsäure und 25 Gewichtsprozent
Wasserstoffperoxid enthielt, bei einer Temperatur von 120°C gereinigt. Heizwafer
mit fünf
Zoll Durchmesser wurden vor Gebrauch mit Sauerstoffplasma behandelt.
Die Wafer wurden vor dem Aufbringen eines Resistgemisches 2 Minuten
auf einer Heizplatte auf 70°C
erhitzt. Etwa 3 bis 4 Gramm Resist wurden auf die Wafer aufgetragen,
gefolgt von 20 Sekunden Schleuderbeschichtung bei 2000 bis 4000
Upm auf einem Schleuderbeschichtungsgerät PWM 101 der Headway Research
Inc. Die sich daraus ergebenden Filme wurden in einem Umluftofen
20 Minuten bei 70°C
weichgehärtet.
-
Photobelichtung und Verarbeitung
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Die die weichgehärteten Resistfilme darauf enthaltenden
Wafer wurden durch eine Chrommaske der aktivischen Strahlung einer
Belichtungsausrichteinheit ausgesetzt, bis dem Film die erforderliche
Dosis zugeführt
war. Die Belichtung wurde mit zwei unterschiedlichen Werkzeugen
bewirkt: (a) eine CANON® PLA-501 FA-Einheit mit
einer 250 Watt Ushio Superhochdruck-Quecksilberlampe (Modell 250D)
als Lichtquelle, (b) eine KARL SUSS® MA
150-Einheit mit einer 350 Watt Ushio Superhochdruck-Quecksilberlampe
(Modell 350DS) als Lichtquelle. Die Lichtintensität war etwa
6 bis 10 Milliwatt je Quadratzentimeter für jede bei 365 Nanometer gemessene
Einheit. Beide Belichtungsstationen wurden im Kontaktdruckmodus
betrieben und die Lichtintensität
wurde bei 365 Nanometer gemessen. Die Lichtintensität für die Belichtung
mit der CANON® PLA-501 FA-Einheit wurde
mittels eines digitalen Radiometers UVP Modell UVX ausgeführt; die
KARL SUSS® MA 150-Einheit
wies ein eingebautes, internes Radiometer auf. Alle Wafer wurden
15 bis 20 Minuten einem Härten nach
der Belichtung bei 70 bis 95°C
in einem Umluftofen direkt nach der Belichtung unterzogen. Auf die
Härtung
nach der Belichtung folgend wurden die Latentbilder der Entwicklung
mit γ-Butyrolacton
(von Aldrich Chemical Co. erhalten) ausgesetzt, gefolgt vom Spülen mit
Isopropanol.
-
Charakterisierung des
Photoresistfilms
-
Filmdicken wurden mit einem DEKTAK® 3030
gemessen. Die mitgeteilten Filmdicken stammten aus den nicht-bemusterten
Bereichen zwischen den Druckelementen im Mittelpunkt des Wafers.
Die Filmeinzelheiten wurden mit einem Computer unter Verwenden eines
SNAPPY®-Videoaufzeichnungssystem,
das an einer NIKON® TV-Linse c-0,45× angeschlossen
war, die an einem Mikroskop OLYMPUS® STM-UM
befestigt war, digital aufgezeichnet.
-
Ergebnisse
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Durchweg saubere, gut aufgelöste Düsen mit
Breiten zwischen 5 und 10 Mikron und Filmdicken zwischen 28 und
35 Mikron wurden für
unbemusterte Siliziumoberflächen
und für
elektrisch aktive Metallwafer aufgelöst. Mit der wie vorstehend
angegeben gemischten Resistlösung
und der von MicroChem Corporation erhaltenen, handelsüblichen
Resistlösung
wurden nahezu identische Ergebnisse erhalten.
-
A Bei einem 31,7 Mikron dicken Film,
der aus der von MicroChem Corporation erhaltenen, handelsüblichen,
auf einen nackten Siliziummonitorwafer mit 4 Zoll Durchmesser aufgetragenen
Resistlösung
erhalten wurde, wurden die Düsenabmessungen
und die Filmdikke bestimmt. Die Düsenbreite wurde als 7,96 Mikron breit
gemessen, wobei die Chrommaske 10,46 Mikron maß. Ein thermischer Härtungszyklus
von 30 Minuten bei 200°C
an der Luft lieferte keine meßbare Änderung
bei den Düsenabmessungen
oder der Filmdikke. Eine zusätzliche
Härtung
von 30 Minuten bei 300°C
an der Luft lieferte eine Düsenbreite
von 10,92 Mikron und eine Filmdicke von 29,6 Mikron. Der Epoxyharz-Photoresist
ergab der Chrommaske ähnliche
Endabmessungen, was die Notwendigkeit einer Maskenvoreinstellung
möglicherweise
beseitigte. (Bei vielen bekannten Photoresists werden die Maskenöffnungen
in der Größe verstellt,
um die erwartete Schrumpfung zu berücksichtigen.) Der Photoresist
wurde auf der CANON® Ausrichteinheit mit einer
Dosis von 150 Millijoule je Quadratzentimeter und einer Lichtintensität von 9,20
Milliwatt je Quadratzentimeter belichtet, gefolgt von 15 Minuten
Härtung
nach der Belichtung bei 95°C.
Das Bild wurde durch einen Entwicklungszyklus von 40 Sekunden mit γ-Butyrolacton (von
Aldrich Chemical erhalten) und einer Spülung mit Isopropanol entwickelt.
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B Wie durch eine optische Mikrophotographie
beobachtet wurde, wurden vollständig
offene Düsen
von 10 Mikron bei einer Filmdicke von 35,0 Mikron mit der wie vorstehend
beschrieben hergestellten Resistlösung auf einen nackten Siliziummonitorwafer
mit 4 Zoll Durchmesser beschichtet. Der Wafer wurde durch die 10,46 Mikron
messende Chrommaske auf der CANON®-Ausrichteinheit
mit einer Dosis von 500 Millijoule je Quadratzentimeter und einer
Lichtintensität
von 9,20 Milliwatt je Quadratzentimeter belichtet, gefolgt von 20
Minuten Härtung
nach der Belichtung bei 70°C.
Das Bild wurde durch einen Entwicklungszyklus von 40 Sekunden mit γ-Butyrolacton
(von Aldrich Chemical Co. erhalten) und einer Spülung mit Isopropanol entwickelt.
Eine Scanningelektronenmikrographie zeigte, daß die Resistschicht topographisch
glatt und regelmäßig mit
geringen Anzeichen einer Verrundung nach der Entwicklung war. Eine
Nahansicht zeigte, daß Erhebungen
und Vertiefungen visuell abwesend waren. Das Seitenwandprofil war
sehr gerade und zeigte, daß während der
Entwicklung wenig oder kein Anschwellen auftrat. Es wurde auch kein
Unterätzen
beobachtet.
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C Die Düsenabmessungen und die Filmdicke
wurden bei einem 28 Mikron dicken Film bestimmt, der aus der von
MicroChem Corporation erhaltenen, handelsüblichen Resistlösung auf
einen nackten Siliziumheizwafer von 5 Zoll Durchmesser beschichtet
wurde. Der Wafer wurde auf der KARL SUSS®-Ausrichteinheit mit
einer Dosis von 300 Millijoule je Quadratzentimeter und einer Lichtintensität von 6,00
Milliwatt je Quadratzentimeter belichtet, gefolgt von 15 Minuten
Härtung
nach der Belichtung bei 95°C.
Das Bild wurde durch einen Entwicklungszyklus von 40 Sekunden mit γ-Butyrolacton
(von Aldrich Chemical Co. erhalten) und einer Spülung mit Isopropanol entwickelt.
Eine optische Mikrophotographie des entwickelten Wafers zeigte Düsen von 6
Mikron und eine Filmdicke von 28 Mikron. Bei dem Wandprofil wurde
bei Regionen mit wechselndem Reflexionsvermögen des Heizwafers keine ersichtliche Änderung
beobachtet.
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D Die Düsenabmessungen und die Filmdicke
wurden bei einem 28 Mikron dicken Film bestimmt, der aus dem handelsüblichen
Resist hergestellt wurde, der durch einen Entwicklungszyklus von
50 Sekunden mit γ-Butyrolacton
(von Aldrich Chemical Co. erhalten) und eine Spülung mit Isopropanol entwickelt
worden war. Eine optische Mikrophotographie des entwickelten Wafers
zeigte Düsen
von 5 Mikron und eine Filmdicke von 28 Mikron, was die erfolgreiche
Bemusterung mit Mustern aus 1200 Punkten je Zoll veranschaulichte.