DE69636021T2

DE69636021T2 - Tintenstrahldruckkopf und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE69636021T2
Application number: DE69636021T
Authority: DE
Inventors: Seiko Epson Corporation Masato Shimada; Seiko Epson Corporation Tetsushi Takahashi; Seiko Epson Corporation Tsutomu Nishiwaki; Seiko Epson Corporation Tsutomu Hashizume
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1995-11-24
Filing date: 1996-11-25
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2016-11-26
Also published as: US6019458A; DE69636021D1; EP0775581A3; JPH10181010A; DE69628990D1; JP3460218B2; EP1245391A3; EP0775581B1; EP1245391A2; EP1245391B1; US6126279A; EP0775581A2; DE69628990T2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen auf Abruf arbeitenden Tintenstrahldruckkopf gemäß der generischen Klausel von Anspruch 1, der Tinte aus Düsen spritzt, um Punkte auf einem Papier zum Aufzeichnen zu bilden. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen piezoelektrischen Tintenstrahldruckkopf, der Tinte spritzt, indem elektrische Energie auf ein piezoelektrisches Element so angewendet wird, dass eine oszillierende Platte durchgebogen wird, um auf eine Druckkammer, in der Tinte gespeichert ist, einen Druck auszuüben, und sie betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen des piezoelektrischen Tintenstrahldruckkopfes.
Solch ein Tintenstrahldruckkopf, der ein piezoelektrisches Dünnschichtelement verwendet, ist in der Beschreibung beispielsweise des US-Patents 5,265,315 offengelegt.
20 zeigt den Querschnitt des Hauptelements eines solchen herkömmlichen Tintenstrahldruckkopfes. Diese Schnittansicht zeigt das Hauptelement des Tintenstrahldruckkopfes in einer Querrichtung einer länglichen Druckkammer.
Das Hauptelement des Tintenstrahldruckkopfes wird gebildet, indem ein Druckkammersubstrat 500 und ein Düsensubstrat 508 miteinander verbunden werden. Das Druckkammersubstrat 500 umfasst ein Silizium-Einkristallsubstrat 501, das eine Dicke von etwa 150 μm aufweist. Eine oszillierende Plattenschicht 502, eine untere Elektrode 503, eine piezoelektrische Schicht 504 und eine obere Elektrode 505 sind in dieser Reihenfolge auf dem Silizium-Einkristallsubstrat 501 ausgebildet. Druckkammern 506a bis 506c sind tief in dem Silizium-Einkristallsubstrat 501 in Richtung seiner Dicke durch Ätzen gebildet. Düsen 509a bis 509c sind in dem Düsensubstrat 508 ausgebildet, um den Druckkammern 506a bis 506c jeweils zu entsprechen.
Die Technik der Herstellung solch eines Tintenstrahldruckkopfes ist in der Beschreibung des U.S.-Patent 5,265,315 offengelegt. Bei den Schritten zur Herstellung des Druckkammersubstrats wird ein Silizium-Einkristallsubstrat (d.h. ein Wafer), der eine Dicke von etwa 150 μm aufweist, in Einheitsbereiche unterteilt, die jeder in das Druckkammersubstrat ausgebildet werden. Eine flexible oszillierende Plattenschicht zur Verwendung für das Anlegen eines Drucks an die Druckkammer wird auf die eine Seite des Wafers laminiert. Piezoelektrische Schichten, die einen Druck erzeugen, werden durch Anwendung von Dünnschicht-Herstellungsverfahren wie etwa einem Zerstäubungsverfahren oder einem Sol-Gel-Verfahren auf der oszillierenden Plattenschicht integriert so ausgebildet, dass sie den Druckkammern entsprechen. Die andere Seite des Wafers wird wiederholt der Bildung einer Resist-Maske und Ätzen unterworfen. Infolgedessen wird eine Menge von Druckkammern gebildet, die durch Seitenwände voneinander geteilt sind. Jede Seitenwand weist eine Breite von 130 μm auf und weist dieselbe Höhe wie die Dicke des Wafers auf. Aufgrund des oben beschriebenen Herstellungsverfahrens werden die Druckkammern 506a bis 506c gebildet, die jede eine Breite von 170 μm aufweisen. Beispielsweise werden in einem konventionellen Tintenstrahldruckkopf eine Reihe von Düsen 509, die jede eine Auflösung von ungefähr 90 dpi ("dots/inch" = Punkte pro Zoll) aufweisen, auf das Papier zum Aufzeichnen in einem Winkel von 33,7 Grad gerichtet, wodurch eine Druckaufzeichnungsdichte von 300 dpi erreicht wird.
21 ist eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips des herkömmlichen Tintenstrahldruckkopfes. Diese Darstellung zeigt die elektrischen Verbindungen des Hauptelements des Tintenstrahldruckkopfes der in 20 gezeigt ist. Die eine Elektrode einer Treiberspannungsquelle 513 wird mit der unteren Elektrode 503 des Tintenstrahldruckkopfes durch eine elektrische Verkabelung 514 verbunden. Die andere Elektrode der Treiberspannungsquelle 513 wird durch eine elektrische Verkabelung 515 und Schalter 516a bis 516c mit der oberen Elektrode 505 verbunden, die den Druckkammern 506a bis 506c entsprechen.
In der Zeichnung ist nur der Schalter 516b der Druckkammer 506b geschlossen, und die anderen Schalter 516a und 516c sind offen. Die Druckkammer 506c, deren Schalter offen ist, wartet darauf, Tinte zu spritzen. Der Schalter 5116a ist zu der Zeit des Spritzbetriebs geschlossen (siehe 516b). Eine Spannung wird angelegt, um die piezoelektrische Schicht 504 in der mit A bezeichneten Richtung zu polarisieren. Mit anderen Worten wird eine Spannung angelegt, die dieselbe Spannung ist wie die Spannung, die angelegt wird, um eine Polarisation bei Polarisierung zu erzeugen. Dann dehnt sich die piezoelektrische Schicht 504 in der Richtung ihrer Dicke aus und zieht sich in der zur Dickenrichtung recht winkligen Richtung zusammen. Infolge der Ausdehnung und des Zusammenziehens der piezoelektrischen Schicht wirkt eine Scherspannung auf die Grenze zwischen der piezoelektrischen Schicht 504 und der oszillierenden Plattenschicht 502, so dass die oszillierende Plattenschicht 502 und die piezoelektrische Schicht 504 in der Zeichnung nach unten durchbiegen. Infolge des Durchbiegens verringert sich das Volumen der Druckkammer 506b, so dass ein Tintentröpfchen 512 von der Düse 509b gespritzt wird. Falls der Schalter 516 wieder geöffnet wird (siehe 516a), wird die durchgebogene oszillierende Plattenschicht 502 wieder in ihren ursprünglichen Zustand zurück gebracht, wodurch das Volumen der Druckkammer ausgedehnt wird. Infolgedessen wird die Druckkammer 506a mit Tinte durch einen nicht dargestellten Tintenzufuhrkanal gefüllt.
Jedoch treten die folgenden Probleme beim Verbessern der Druckaufzeichnungsdichte unter Verwendung der Struktur des Beispiels des herkömmlichen Tintenstrahldruckkopfes auf.
Zuerst war es schwierig, die Aufzeichnungsdichte zu verbessern. Die Nachfrage nach Drucken mit hoher Auflösung bezüglich Tintenstrahldruckern vergrößert sich tagtäglich. Um dieser Nachfrage gerecht zu werden, ist es unumgänglich, die Dichte der Düsen durch das Verringern der Menge von Tinte zu erhöhen, die von einer Düse des Tintenstrahldruckkopfes verspritzt wird. Falls die Düsen in der Richtung des Überstreichens geneigt sind, wird die Druckdichte weiter verbessert. Die Druckkammern und die Düsen sind auf denselben Teilen angeordnet, und daher ist es erforderlich, die Dichte der Druckkammern zu erhöhen, d.h. es ist erforderlich, die Druckkammern zu integrieren, um hochauflösendes Drucken zu verwirklichen. Beispielsweise ist es im Falle eines Tintenstrahldruckkopfes mit einer Auflösung von 180 dpi erforderlich, die Druckkammern im regelmäßigen Abstand von ungefähr 140 μm anzuordnen. Insbesondere ist gemäß der Optimierungsberechnung eines Tintenspritzdrucks und der zu spritzenden Tintenmenge eine Druckkammer mit einer Breite von ungefähr 100 μm und eine Seitenwand der Druckkammer mit einer Dicke von ungefähr 40 μm ideal.
Für die Seitenwand der Druckkammer gibt es strukturelle Grenzen. Insbesondere wird dann, wenn die Seitenwand im Vergleich mit ihrer Breite zu hoch ist, die Steifigkeit der Seitenwand unzureichend, wenn ein Druck an eine Druckkammer angelegt wird. Falls die Steifigkeit der Seitenwand unzureichend wird, wird die Seitenwand durchgebogen, was wiederum dazu führt, dass eine unmittelbar benachbarte Druckkammer, die ursprünglich keine Tinte sprit zen sollte, Tinte spritzt (auf dieses Phänomen wird nachfolgend als "Kreuzkopplung" Bezug genommen). Falls beispielsweise ein Druck an die Druckkammer 506b wie in 21 gezeigt angelegt wird, wird die Seitenwand aufgrund der zu geringen Steifigkeit der Seitenwände 507a und 507b in der mit B bezeichneten Richtung durchgebogen. Der Druck der Druckkammern 506a und 506c wiederum steigt ebenfalls und deshalb spritzen die Düsen 509a und 509c ebenfalls Tinte. Die Dicke der Seitenwand wird um so geringer, je größer die Auflösung des Tintenstrahldruckkopfes ist, weshalb das oben beschrieben Phänomen deutlicher wird.
Es ist nur erforderlich, die Dicke der Seitenwand zu vergrößern, um das Phänomen der Kreuzkopplung zu verhindern. Es ist jedoch unmöglich, die Dicke der Seitenwand übermäßig zu vergrößern, um der Nachfrage nach verbesserter Auflösung des Tintenstrahldruckkopfes zu begegnen.
Im Gegensatz dazu besteht auch die Möglichkeit, das Phänomen der Kreuzkopplung zu verhindern, indem die Höhe der Seitenwand im Vergleich zu ihrer Dicke verringert wird. Um jedoch den Wafer während des Herstellungsschrittes sicher zu handhaben, ist es erforderlich, dass der Wafer genügende mechanische Stärke aufweist. Darum muss der Wafer eine vorgegebene Dicke aufweisen. Beispielsweise wird im Falle eines Silizium-Substrats, das einen Durchmesser von 10,16 cm ⌀ (4 Zoll ⌀) aufweist, ein resultierender Wafer während des Herstellungsschritts durchbiegen oder sehr schwierig zu handhaben sein, falls die Dicke des Wafers so verringert wird, dass sie weniger als 150 μm aufweist.
Aus diesen Gründen war es schwierig, die Kreuzkopplung zu verhindern, während sowohl eine Auflösung verbessert als auch die Steifigkeit der Seitenwand sicher gestellt wurden.
Zweitens war es vom industriellen Standpunkt aus gesehen schwierig, einen preisgünstigen Tintenstrahldruckkopf herzustellen. Um die Stückkosten des Tintenstrahldruckkopfes zu verringern, ist das einzige, was gemacht werden muss, die Anzahl von Druckkammersubstraten zu erhöhen, die gleichzeitig gebildet werden können, indem die Fläche des Wafers (auf z.B. einen Durchmesser von 15,24 cm oder 20,32 cm ⌀ (6 oder 8 Zoll ⌀) vergrößert wird. Wie vorstehend beschrieben, ist jedoch erforderlich, die Dicke des Wafers zu erhöhen, um seine mechanische Stärke sicherzustellen, je größer die Fläche des Wafers wird. Falls die Dicke des Wafers wächst, wird es unmöglich, die Kreuzkopplung zu verhindern, wie oben beschrieben wurde.
Ein Tintenstrahldruckkopf ist auch aus GB 22 32 933A bekannt.
Angesichts der vorgenannten Probleme besteht ein erstes Ziel der Erfindung darin, einen Tintenstrahldruckkopf zu schaffen, der in der Lage ist, Kreuzkopplung zu verhindern, indem die Steifigkeit der Seitenwand der Druckkammer vergrößert wird, und ein Verfahren zur Herstellung des Tintenstrahldruckkopfes vorzusehen.
Ein zweites Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Tintenstrahldruckkopfes vorzusehen, das die Möglichkeit gibt, die Fläche eines Silizium-Einkristallsubstrats zu vergrößern.
Diese Ziele werden durch die Merkmale von Anspruch 1, 5 und 6 erfüllt.
Nach einem noch anderen Aspekt der Erfindung wird ein Tintenstrahldruckkopf mit einer Vielzahl von Druckkammern vorgesehen, die auf einer Seite eines Druckkammersubstrats ausgebildet sind. Das Druckkammersubstrat hat eine Vertiefung an einer seiner Seiten, um so einen peripheren Bereich entstehen zu lassen. Die Druckkammern werden in der so gebildeten Vertiefung ausgebildet. Folglich wird die Dicke des peripheren Bereichs der Druckkammer so ausgebildet, dass sie größer ist als die Dicke der Seitenwände, welche die Vielzahl der Druckkammern voneinander trennen.
Gemäß dieser Erfindung wird der dicke periphere Bereich in der Form einer Matrix in jeder Einheitsfläche belassen. Deshalb wird selbst in dem Fall eines Silizium-Einkristallsubstrats mit darauf ausgebildeten Druckkammern eine hohe Festigkeit des Silizium-Einkristallsubstrats selbst sichergestellt. Folglich wird es leicht, das Silizium-Einkristallsubstrat während der Herstellungsschritte zu handhaben. Ferner kann gemäß der vorliegenden Erfindung die mechanische Festigkeit des Silizium-Einkristallsubstrats vergrößert werden. Deshalb wird die Fläche des Silizium-Einkristallsubstrats vergrößert, um die Bildung einer vergrößerten Anzahl von Druckkammersubstraten zu ermöglichen.
Ferner wird eine Düsenplatte in die Vertiefung eingepasst.
Ferner umfasst der Tintenstrahldruckkopf mit der Vielzahl von auf einer Seite des Druckkammersubstrats gebildeten Druckkammern: Anschläge, die auf einer Seite der Druckkammern mit den darauf ausgebildeten Druckkammern ausgebildet sind; und auf der Düsenplatte ausgebildete Aufnahmeabschnitte für die Aufnahme der Anschläge, welche auf der Düsenplatte ausgebildet sind, für die Verbindung mit der Seite mit den darauf ausgebildeten Druckkammern.
Ferner bildet die Differenz "d" zwischen der Dicke des peripheren Bereichs des Druckkammersubstrats und der Höhe der Seitenwand, die eine Abtrennung zwischen den Druckkammern ist, eine Beziehung g ≥ d hinsichtlich des Abstands "g" der Grenze zwischen der Vertiefung und dem peripheren Bereich von der Seitenwand der Druckkammer in engster Nachbarschaft zu der Grenze.
Nach einem noch anderen Aspekt der Erfindung wird ein Herstellungsverfahren für einen Tintenstrahldruckkopf vorgesehen, der eine Vielzahl von Druckkammersubstraten umfasst, die auf einem Silizium-Einkristallsubstrat ausgebildet ist, wobei jedes Druckkammersubstrat eine Vielzahl von auf einer seiner Seiten ausgebildeten Druckkammern hat, und das Verfahren umfasst: einen Schritt zur Bildung einer Vertiefung, welcher die Schritte umfasst der Aufteilung des Silizium-Einkristallsubstrats in Einheitsbereiche zwecks Verwendung in der Bildung von Druckkammersubstraten und der Bildung einer Vertiefung in der Seite des Druckkammersubstrats, in der die Druckkammern zu bilden sind, für jeden Einheitsbereich, um so einen peripheren Bereich entlang des Umfangs der Vertiefung zu belassen; und einen Schritt zur Bildung von Druckkammern, welcher die Schritte umfasst der Bildung der Druckkammern in der in dem Schritt zur Bildung einer Vertiefung ausgebildeten Vertiefung und der Schaffung der Dicke des peripheren Bereichs des Druckkammersubstrats größer als die Höhe einer Seitenwand für die Trennung der Druckkammern voneinander.
Nach einem noch anderen Aspekt der Erfindung wird ein Herstellungsverfahren für einen Tintenstrahldruckkopf vorgesehen, der eine Vielzahl von Druckkammersubstraten umfasst, die auf einem Silizium-Einkristallsubstrat ausgebildet ist, wobei jedes Druckkammersubstrat eine Vielzahl von auf einer seiner Seiten ausgebildeten Druckkammern hat, und das Verfah ren umfasst: einen Schritt zur Bildung von Druckkammern, welcher die Schritte umfasst der Aufteilung des Silizium-Einkristallsubstrats in Einheitsbereiche zwecks Verwendung in der Bildung von Druckkammersubstraten und der Bildung der Druckkammern in der Seite des Druckkammersubstrats, in der die Druckkammern zu bilden sind, während ein peripherer Bereich entlang des Umfangs des Einheitsbereichs belassen wird; und einen Schritt zur Bildung einer Vertiefung, welcher die Schritte umfasst der Bildung einer Vertiefung in dem Bereich, in dem die Druckkammern in dem Schritt zur Bildung der Druckkammern gebildet sind, und der Schaffung der Dicke des peripheren Bereichs des Druckkammersubstrats größer als die Höhe einer Seitenwand für die Trennung der Druckkammern voneinander.
Folglich wird die Dicke des peripheren Bereichs des Druckkammersubstrats größer als die Dicke des Druckkammersubstrats in der Vertiefung. Ein dicker peripherer Bereich wird in der Form einer Matrix in jedem Einheitsbereich belassen. Deshalb ist in dem Fall eines Silizium-Einkristallsubstrats mit darauf ausgebildeten Druckkammersubstraten eine hohe Festigkeit des Silizium-Einkristallsubstrats sichergestellt. Folglich wird es leicht, das Silizium-Einkristallsubstrat während der Herstellungsschritte zu handhaben. Ferner kann gemäß der vorliegenden Erfindung die mechanische Festigkeit des Silizium-Einkristallsubstrats vergrößert werden. Deshalb wird die Fläche des Silizium-Einkristallsubstrats vergrößert, um die Bildung einer größeren Anzahl von Druckkammersubstraten zu ermöglichen.
Nach Abschluss der Bildung der Druckkammersubstrate müssen diese Druckkammersubstrate getrennt werden. Dazu ist es wünschenswert, die Druckkammersubstrate Stück für Stück durch Aufschlitzen nur der Vertiefung abzutrennen, welche nicht den peripheren Bereich einschließt. Ferner können die Druckkammersubstrate auch voneinander getrennt werden, um so die peripheren Bereiche einzuschließen. Folglich werden jedes der so getrennten Druckkammersubstrate größer in der Dicke in dem peripheren Bereich, aber kleiner in der Dicke in der Vertiefung. Dieses Druckkammersubstrat kann an der Basis des Tintenstrahldruckkopfs ohne Veränderung angebracht werden.
1 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Tintenstrahldruckkopfes gemäß eines ersten Aspektes der Ausführung, welche nicht Teil der vorliegenden Erfindung, aber hilfreich für ihr Verständnis ist;
2 ist eine perspektivische Explosionsansicht der Hauptelemente des Tintenstrahldruckkopfes;
3 ist eine Schnittansicht auf die Ebene des Hauptelements, die rechtwinklig zu der Längsrichtung der Druckkammer eines ersten Beispiels verläuft, welches nicht Teil der vorliegenden Erfindung, aber hilfreich für ihr Verständnis ist;
4A bis 4E sind Schnittansichten von Herstellungsschritten auf die Ebene, die rechtwinklig zu der Längsrichtung der Druckkammer der ersten Beispiels verläuft;
5 ist eine Schnittansicht auf die Ebene eines Druckkammersubstrats, die rechtwinklig zu der Längsrichtung einer Druckkammer eines zweiten Beispiels verläuft, welches nicht Teil der vorliegenden Erfindung, aber hilfreich für ihr Verständnis ist;
6 ist eine Schnittansicht auf die Ebene eines Druckkammersubstrats, die rechtwinklig zur Längsrichtung einer Druckkammer eines dritten Beispiels verläuft, welches nicht Teil der vorliegenden Erfindung, aber hilfreich für ihr Verständnis ist;
7 ist eine Schnittansicht auf die Ebene eines Druckkammersubstrats, die rechtwinklig zur Längsrichtung einer Druckkammer eines vierten Beispiels verläuft, welches nicht Teil der vorliegenden Erfindung, aber hilfreich für ihr Verständnis ist;
8 ist eine Schnittansicht auf die Ebene eines Druckkammersubstrats, die rechtwinklig zur Längsrichtung einer Druckkammer eines fünften Beispiels verläuft, welches nicht Teil der vorliegenden Erfindung, aber hilfreich für ihr Verständnis ist;
9 ist eine Schnittansicht auf die Ebene eines Druckkammersubstrats, die rechtwinklig zu der Längsrichtung einer Druckkammer eines sechsten Beispiels verläuft, welches nicht Teil der vorliegenden Erfindung, aber hilfreich für ihr Verständnis ist;
10 ist eine Gestaltung eines Silizium-Einkristallsubstrats eines Tintenstrahldruckkopfes eines zweiten Aspektes gemäß der Erfindung;
11 ist eine Modifikation der Gestaltung des Silizium-Einkristallsubstrats des Tintenstrahldruckkopfes des zweiten Aspektes gemäß der Erfindung;
12A und 12E sind Schnittansichten der Herstellungsschritte auf die Ebene, die zu der Längsrichtung der Druckkammer rechtwinklig verläuft, der ersten Ausführungsform des zweiten Aspektes;
13F bis 13J sind Schnittansichten der Herstellungsschritte auf die Ebene, die zu der Längsrichtung der Druckkammer rechtwinklig verläuft, der ersten Ausführungsform des zweiten Aspektes;
14 ist eine erläuternde Ansicht des Verbindens des Druckkammersubstrats und der Düseneinheit des zweiten Aspektes;
15F bis 15I sind Schnittansichten von Herstellungsschritten auf die Ebene, die rechtwinklig zu der Längsrichtung der Druckkammer des zweiten Beispiels nicht gemäß der vorliegenden Erfindung verlaufen;
16 ist eine Gestaltung eines Silizium-Einkristallsubstrats eines Tintenstrahldruckkopfes eines dritten Aspektes, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung, aber hilfreich für ihr Verständnis ist;
17A bis 17J sind Schnittansichten von Herstellungsschritten (Schritt zum Bilden von Vertiefung) auf die Ebene, die rechtwinklig zur Längsrichtung der Druckkammer verläuft, des dritten Aspektes, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung, aber hilfreich für ihr Verständnis ist;
18A bis 18F sind Schnittansichten von Herstellungsschritten (Schritt zum Bilden eines piezoelektrischen Dünnschichtelements) auf die Ebene, die rechtwinklig zu der Längsrichtung der Druckkammer des dritten Aspektes verläuft, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung, aber hilfreich für ihr Verständnis ist;
19 ist eine Schnittansicht des Silizium-Einkristallsubstrats auf die Ebene, die rechtwinklig zu der Längsrichtung der Druckkammer des dritten Aspektes verläuft, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung, aber hilfreich für ihr Verständnis ist;
20 ist eine Schnittansicht eines konventionellen Druckkammersubstrats auf die Ebene, die rechtwinklig zu der Längsrichtung der Druckkammer verläuft; und
21 ist eine schematische Darstellung des Betriebsprinzips und des Problems des konventionellen Druckkammersubstrats auf die Ebene, die rechtwinklig zu der Längsrichtung der Druckkammer verläuft.
<Erster Aspekt>
Die Beispiele, die in Kombination mit dem ersten Aspekt beschrieben werden, sind nicht Teil der Erfindung, aber hilfreich für ihr Verständnis.
Ein erster Aspekt ist dazu vorgesehen, Kreuzkopplung zu verhindern, indem Kanäle in der Seite eines Silizium-Einkristallsubstrats ausgebildet werden, die der Seite gegenüber liegen, in der Druckkammern ausgebildet sind, um so gegenüber den Druckkammern zu liegen.
(Aufbau eines Tintenstrahldruckkopfes)
1 ist eine perspektivische Ansicht des Gesamtaufbaus eines Tintenstrahldruckkopfes der vorliegenden Erfindung. Die Art von Tintenstrahldruckkopf mit einem gemeinsamen Tintenstromweg in dem Druckkammersubstrat ist hierin gezeigt.
Wie in 1 gezeigt ist, umfasst der Tintenstrahldruckkopf ein Druckkammersubstrat 1, eine Düseneinheit 2 und eine Basis 3 auf, auf der das Druckkammersubstrat 1 angebracht ist.
Die Druckkammersubstrate 1 sind auf einem Silizium-Einkristallsubstrat (auf das nachfolgend als "Wafer" Bezug genommen wird) mittels eines Herstellungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet, und sie haben zu jedem Stück einen Abstand. Das Ver fahren zum Herstellen des Druckkammersubstrats 1 wird später eingehend beschrieben. Mehrere schlitzförmige Druckkammern 106 sind in dem Druckkammersubstrat 1 ausgebildet. Das Druckkammersubstrat 1 ist mit einem gemeinsamen Strömungsweg 110 zur Zufuhr von Tinte zu allen Druckkammern 106 versehen. Diese Druckkammern 106 sind von einander durch Seitenwände 107 getrennt. Piezoelektrische Dünnschichtelemente (die später beschrieben werden) für das Anlegen eines Drucks auf eine oszillierende Plattenschicht sind auf der Seite des Druckkammersubstrats 1 ausgebildet, die der Basis 3 (d.h. der Seite des Druckkammersubstrats, die nicht in 1 gezeigt ist) gegenüber liegt.
Die Düseneinheit 2 ist mit dem Druckkammersubstrat 1 verbunden, so dass es mit einem Deckel abgedeckt ist. Wenn die Druckkammer 1 und die Düseneinheit 2 miteinander verbunden werden, werden Düsen 21 zum Spritzen von Tintentröpfchen in der Düseneinheit 2 ausgebildet, so dass sie den Druckkammern 106 entsprechen. Ein nicht dargestelltes piezoelektrisches Dünnschichtelement ist in jeder Druckkammer 106 angeordnet. Ein elektrischer Draht, der mit einer Elektrode jedes piezoelektrischen Dünnschichtelements verbunden ist, wird in einem Drahtsubstrat 4 gesammelt, das ein flaches Kabel ist, und die so gesammelten elektrischen Drähte sind zum Äußeren der Basis 3 geführt.
Die Basis 3 besteht aus einem steifen Körper wie etwa Metall und ist auch in der Lage, Tintentröpfchen zu sammeln. Zugleich dient die Basis 3 als ein Sockel des Druckkammersubstrats 1.
2 zeigt die Hauptelemente des Tintenstrahldruckkopfes des vorliegenden Aspektes. Um es kurz zu sagen, ist die geschichtete Struktur des Druckkammersubstrats und der Düseneinheit in der Zeichnung gezeigt. Die Art des Tintenstrahldruckkopfes, bei dem der gemeinsame Tintenstromweg nicht in dem Druckkammersubstrat, sondern einem Substrat mit einer Reservoirkammerausbildung ausgebildet ist, ist hierin gezeigt.
Die Struktur des Druckkammersubstrats 1 wird später beschrieben. Die Düseneinheit 2 umfasst ein Verbindungssubstrat 26, das Verbindungswege 27 darin ausgebildet aufweist, ein Tintenzufuhrwegebildungssubstrat 24, in dem mehrere Tintenzufuhrlöcher 25 ausgebildet sind, ein Reservoirkammerbildungssubstrat 22, in dem eine Reservoirkammer 23 ausgebildet ist, und ein Düsenbildungssubstrat 20, in dem mehrere Düsen 21 ausgebildet sind. Das Druckkammersubstrat 1 und die Düseneinheit 2 sind miteinander mittels eines Klebstoffes verbunden. Das vorstehend beschriebene Tintenreservoir funktioniert auf dieselbe Weise wie der gemeinsame Strömungsweg, der in 1 gezeigt ist.
Um es kurz zu machen, zeigt 2, das die Düsen in zwei Reihen in regelmäßigen Abständen angeordnet sind, wobei jede Reihe vier Düsen umfasst. In der Praxis sind die Anzahl der Düsen und die Anzahl der Reihen nicht begrenzt, und daher ist jede denkbare Kombination möglich.
3 ist eine Schnittansicht der Hauptelemente des Tintenstrahldruckkopfes des vorliegenden Aspektes. Die Zeichnung zeigt den Querschnitt der Hauptelement entlang der Ebene, die zu der Längsrichtung der Druckkammer rechtwinklig verläuft. Dieselben Strukturelemente wie die in 1 und 2 gezeigten sind dieselben Bezugszeichen zugewiesen, und daher wird auf ihre Erläuterung verzichtet. Das Druckkammersubstrat 1 ist ein Silizium-Einkristallsubstrat 10 mit <100>-Orientierung in seiner anfänglichen Phase vor Beginn eines Ätzbetriebsablaufs. Kanäle 108 sind in einer Seite des Silizium-Einkristallsubstrats 10 ausgebildet (auf diese Seite wird nachfolgend als eine "Aktivelementseite" Bezug genommen). Die Kanäle 108 sind so ausgebildet, dass die Seitenwände ihrer Seitenwände einen stumpfen Winkel mit dem Boden des Kanals einschließen. Eine oszillierende Plattenschicht 102. und ein piezoelektrisches Dünnschichtelement, das eine untere Elektrode 103, eine piezoelektrische Schicht 104 und eine obere Elektrode 105 umfasst, sind in den Kanal 108 integriert ausgebildet. Druckkammern 106 sind in der anderen Seite des Silizium-Einkristallsubstrats 10 ausgebildet (auf diese Seite wird nachfolgend als eine "Druckkammerseite" Bezug genommen), so dass sie jeweils gegenüber den Kanälen 108 liegen, die in der Aktivelementseite ausgebildet sind. Die Druckkammern 106 sind so ausgebildet, dass die Wandoberflächen einer Seitenwand 107, die die Druckkammern voneinander trennt, einen stumpfen Winkel mit dem Boden der Druckkammer einschließt. Solange die Düseneinheit 2, die unter Bezugnahme auf 2 beschrieben ist, mit dem Druckkammersubstrat 1 verbunden ist, wird das Hauptelement des Tintenstrahldruckkopfes gebildet.
Der vorliegende Aspekt basiert auf dem Fall, dass ein hochauflösender Tintenstrahldruckkopf eine Auflösung von 180 dpi aufweisen würde, und dass die Druckkammern 106 an einem Raum von 140 μm oder in diesem Bereich mit regelmäßigem Abstand angeordnet sind.
In dem Fall, in dem bei dem Tintenstrahldruckkopf die Druckkammern mit einer solch hohen Auflösung ausgebildet sind, ist es erforderlich, piezoelektrische Elemente auf dem Silizium-Einkristallsubstrat 10 durch Verwendung eines Dünnschichtverfahrens integriert auszubilden, wie bei dem vorliegenden Aspekt beschrieben, anstatt ein massives piezoelektrisches Element mit dem Silizium-Einkristallsubstrat als ein piezoelektrisches Element zu verbinden.
Wenn der Tintenstrahldruckkopf gemäß dem vorliegenden Aspekt verwendet wird, werden die Druckkammern 106, die mit der Düseneinheit 2 als einem Deckel abgedeckt sind, mit Tinte gefüllt. Tinte wird gespritzt, indem eine Spannung an ein piezoelektrisches Dünnschichtelement angelegt wird, das an der Düse, deren Befüllung mit Tinte gewünscht wird, angeordnet ist. Folglich wird die oszillierende Plattenschicht nach unten in Richtung der Druckkammer durchgebogen, wodurch Tinte gespritzt wird.
Weil die Kanäle 108 in dem Silizium-Einkristallsubstrat 10 ausgebildet sind, ist bei dem vorliegenden Aspekt die Tiefe der Druckkammern 106 erheblich flacher als die Dicke des Silizium-Einkristallsubstrats 10 (beispielsweise um 75 μm). Deshalb ist eine große Steifigkeit der Seitenwände der Druckkammer gewährleistet. Beispielsweise wird, falls Tinte von der Mitteldüse 21b gespritzt wird, indem das mittlere piezoelektrische Dünnschichtelement, das in 3 gezeigt ist, betätigt wird, werden die Düsen 21a und 21c zu beiden Seiten der Düse 21b keine Tinte spritzen. Mit anderen Worten, das sogenannte Kreuzkopplungsphänomen tritt nicht auf.
Als nächstes werden Einzelheiten des Herstellungsverfahrens für das vorstehend beschriebene Druckerzeugungssubstrat beschrieben.
(Erstes Beispiel)
4A bis 4E sind Schnittansichten, die die Schritte der Herstellung des Druckkammersubstrats der ersten Ausführungsform zeigen. Der Kürze wegen zeigt die Zeichnung nur eine Druckkammer von einem von mehreren Druckkammersubstraten 1, die in dem Silizium-Einkristallsubstrat 10 (Wafer) gebildet werden.
4A: Als erstes wird das Silizium-Einkristallsubstrat 10 mit (100)-Orientierung vorbereitet. Bei dieser Zeichnung wird angenommen, dass die Richtung im rechten Winkel zu der Zeichnungsebene die <110>-Achse sei, und dass obere und untere Oberflächen des Silizium-Einkristallsubstrats 10 (100)-Ebenen seien. Man nehme weiter an, dass das Silizium-Einkristallsubstrat eine Dicke von 150 μm aufweist. Dieses Silizium-Einkristallsubstrat 10 wird einer Nassthermooxidation in einer Sauerstoffatmosphäre unterworfen, die Wasserdampf im Temperaturbereich von beispielsweise 1000 bis 1200°C beinhaltet. Folglich bildet sich eine Thermooxidschicht 102 auf beiden Seiten des Silizium-Einkristallsubstrats 10. Die Dicke der Thermooxidschicht 102 wird auf eine Dicke festgelegt, die erforderlich ist, wenn sie als eine Ätzmaske zu der Zeit des Ätzens der Silizium-Einkristallsubstrats 10 dient, das später beschrieben wird, beispielsweise auf 0,5 μm. Ein Muster wird auf der Thermooxidschicht 102 gebildet, die die Aktivelementseite bedeckt, auf der in einem fotolithografischen Arbeitsablauf, der bei einem gewöhnlichen Dünnschichtarbeitsablauf verwendet wird, die oszillierende Plattenschicht durch Ätzen gebildet werden soll. Die Breite des Musters wird auf beispielsweise 80 μm gesetzt. Eine Wasserlösung der Mischung, die Flusssäure und Ammoniumfluorid aufweist, wird als ein Ätzmittel für die Thermooxidschicht 102 verwendet.
4B: Das Silizium-Einkristallsubstrat 10 wird in eine 10% Wasserlösung mit Kaliumhydroxid bei einer Temperatur von 80°C getaucht, wodurch es halb geätzt wird. Eine Ätzauswahlrate von Silizium zu einer Thermooxidschicht ist mehr als 400:1 bezüglich der Wasserlösung des Kaliumhydroxids. Darum wird nur die Fläche geätzt, die ein exponiertes Silizium-Substrat aufweist. Die so geätzte Fläche weist einen trapezförmigen Umfang auf, der Seitenoberflächen mit (111)-Orientierung und einen Boden mit (100)-Orientierung aufweist. Die Seitenoberflächen schließen stumpfe Winkel (die von 180° bis ungefähr 540° reichen) mit dem Boden ein. Dies ist der Tatsache zuzurechnen, dass eine Ätzrate von der Kristallorientierung des Siliziums in dem Fall eines Ätzbetriebsablaufs abhängt, der eine Wasserlösung mit Kaliumhydroxid verwendet, und dass eine Ätzrate in der Richtung einer (111)-Orientierung erheblich langsamer ist als in anderen Kristallebenen. Die Tiefe des Ätzens wird von einer Ätzdauer gesteuert. Beispielsweise wird die Tiefe des Ätzens auf 75 μm in der Mitte des Silizium-Einkristallsubstrats gesetzt.
Die Thermooxidschicht 102 der Ätzmaske und die Thermooxidschicht 102 der umgekehrten Seite des Silizium-Einkristallsubstrats werden vollständig von der vorstehend beschriebenen, auf Flusssäure basierenden Lösung weggeätzt. Die Thermooxidschicht 102 wird wieder auf beiden Seiten des Silizium-Einkristallsubstrats 10 bis zu einer Dicke von 1 μm durch Nassthermooxidation gebildet. Die Thermooxidschicht 102, die in dem trapezförmigen Abschnitt gebildet ist, wirkt als eine oszillierende Plattenschicht.
Ein Muster wird in der Thermooxidschicht 102 auf der Druckkammerseite des Silizium-Einkristallsubstrats gebildet, um später die Druckkammern zu bilden, indem bei dem gewöhnlichen fotolithografischen Schritt geätzt wird.
4C: Ein piezoelektrisches Dünnschichtelement wird auf der Thermooxidschicht 102 gebildet. Das piezoelektrische Dünnschichtelement umfasst eine piezoelektrische Schicht, die zwischen oberen und unteren Elektroden schichtweise angeordnet ist. Die untere Elektrode 103 wird durch Zerstäuben beispielsweise von Platin, das eine Schichtdicke von 0,8 μm aufweist, gebildet. Die piezoelektrische Schicht 104 ist aus Material zusammengesetzt, das als einen Hauptbestandteil eines der Materialien Blei-Zirkonat-Titanat, Blei-Niobat-Magnesium, Blei-Niobat-Nickel, Blei-Niobat-Zink und Blei-Wolframat-Magnesium oder ein Material aufweist, das als einen Hauptbestandteil eine Festkörper-Lösung jedes der vorstehend genannten Materialien aufweist. Eine Schicht des piezoelektrischen Elements wird unter Verwendung von beispielsweise einem Ziel gebildet, das durch Sintern einer Objektmaterialzusammensetzung zusammen mit Hochfrequenz-Magnetron-Zerstäuben hergestellt ist. Falls das Substrat während der Bildung der Schicht nicht erwärmt wird, ist eine Schicht, die sich infolge des Zerstäubens ergibt, eine amorphe Schicht ohne eine piezoelektrische Wirkung. Auf diese Schicht wird nachfolgend als ein Vorprodukt der piezoelektrischen Schicht Bezug genommen. Danach wird das Substrat, auf dem das Vorprodukt der piezoelektrischen Schicht ausgebildet ist, in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre erwärmt, wodurch das Vorprodukt kristallisiert wird und dann in die piezoelektrische Schicht 104 umgewandelt wird.
Die obere Elektrode 105 wird durch Bestäuben beispielsweise mit Platin mit einer Dicke von 0,1 μm gebildet.
4D: Das piezoelektrische Dünnschichtelement ist in einzelne Einheiten unterteilt. Die Breite der oberen Elektrode ist schmaler ausgebildet als die Breite der Druckkammer, so dass die oszillierende Plattenschicht Verschiebungen mit sich bringen kann. Speziell die obere Elektrode 105 ist mit einem Muster versehen, so dass ein Fotoresist in dem Bereich verbleibt, in dem das Vorhandensein des Fotoresists bei dem gewöhnlichen Fotolithografieschritt erwünscht ist. Dann wird das Fotoresist von der unerwünschten Fläche der oberen Elektrode durch Ionenfräsen oder Trockenätzen entfernt.
4E: Schließlich wird wie bei dem vorstehend beschriebenen Ätzverfahren für das Silizium-Substrat die exponierte Druckkammerseite des Silizium-Einkristallsubstrats 10 mittels einer wässerigen Kaliumhydroxidlösung weggeätzt, wobei die Druckkammern 106 gebildet werden. Das Silizium-Einkristallsubstrat wird bis zu einer solchen Tiefe geätzt, dass der thermische Oxidfilm 102 freigelegt wird.
Die Oberfläche mit darauf ausgebildeten aktiven Elemente wird in die wässerige Kaliumhydroxidlösung getaucht, und daher ist es erforderlich, unter Verwendung am Werkstück befestigter Vorrichtungen die wässerige Kaliumhydroxidlösung daran zu hindern, in die Aktivelementseite einzutreten.
Die Bildung des Druckkammersubstrats 1 des Tintenstrahldruckkopfes ist nun infolge der vorbeschriebenen Prozeduren abgeschlossen.
Das vorstehend genannte Herstellungsverfahren wurde beschrieben, indem das Hochfrequenz-Magnetron-Zerstäubungsverfahren bei der Herstellung der piezoelektrischen Schicht zur Anwendung gebracht wurde. Ein anderes Verfahren zur Bildung dünner Schichten wie etwa das Sol-Gel-Verfahren, das organisch-metallisch-thermische Dekompositionsverfahren oder das organische Dampfphasenepitaxieverfahren kann jedoch verwendet werden.
(Zweites bis sechstes Beispiel)
Eine Liste anderer Beispiele, die sich von dem ersten Beispiel hinsichtlich der Struktur unterscheiden, ist in Tabelle 1 zusammen mit dem ersten Beispiel dargestellt.
Tabelle 1
5 bis 9 sind Schnittansichten der Druckkammersubstrate des zweiten bis sechsten Beispiels entlang der Ebene, die rechtwinklig zu der Längsrichtung der Druckkammer verläuft. Um es kurz zu machen, ist wie in 5 bis 9 nur eine der Druckkammern in diesen Zeichnungen gezeigt.
5 zeigt einen Querschnitt des Druckkammersubstrats des zweiten Beispiels. Der Unterschied zwischen dem zweiten Beispiel und dem ersten Beispiel besteht in dem Muster der oberen Elektrode 105. Nachdem sie gebildet ist, wird die obere Elektrode 105 zum Zwecke der Isolierung von Elementen mit einem Muster versehen, indem sie einem Laserstrahl unmittelbar ausgesetzt wird. Darum verbleibt die Schicht 105 der oberen Elektrode noch oben auf der Seitenwand 107. Diese Schicht 105 der oberen Elektrode ist jedoch elektrisch von der oberen Elektrode 105, die auf die Oberseite der Druckkammer 106 gelegt ist, getrennt, und daher funktioniert diese obere Elektrodenschicht nicht als eine obere Elektrode. Bei dem oben beschriebenen Muster-Betriebsablauf wird beispielsweise ein YAG-Laser verwendet.
6 zeigt einen Querschnitt des Druckkammersubstrats des dritten Beispiels. Das dritte Beispiel unterscheidet sich von dem zweiten Beispiel dadurch, dass die Seitenwände des Kanals, der in der Aktivelementseite gebildet ist, eine steilen Winkel aufweisen. Bei diesem Beispiel werden die Kanäle 108 im Vergleich mit jenen, die in der Druckkammerseite gebildet werden, tiefer in der Aktivelementseite gebildet. Die Kanäle werden in solch einer Gestalt gebildet, um die Breite der Seitenwand 107 durch Verwendung des Trockenätzverfahrens gleich zu machen. Falls die Tiefe der Druckkammer 106 flach gemacht wird, und falls die Breite der Druckkammer 106 auf der Aktivelementseite so gesetzt wird, dass sie mit der Breite der Druckkammer 106 der zweiten Ausführungsform identisch ist, kann die Breite einer Öffnung der Druckkammer am Boden der Zeichnung verringert werden. Folglich kann die Dichte der Druckkammern weiter vergrößert werden.
7 zeigt einen Querschnitt des Druckkammersubstrats des vierten Beispiels. Das vierte Beispiel ist ein Beispiel eines Silizium-Einkristallsubstrats, das eine (100)-Orientierung aufweist und die Richtung einnimmt, die rechtwinklig zu der Längsrichtung der Druckkammer 106 verläuft, oder die Richtung einnimmt, die senkrecht zu der Ebene des Zeichnungsblattes verläuft, wie eine <1, –1,2>-Achse.
Falls die Druckkammer 106 unter Verwendung einer wässerigen Kaliumhydroxidlösung anisotropisch geätzt ist, kann eine rechteckige Druckkammer 106 gebildet werden, die zwei (111)-Ebenen hat, die im Wesentlichen rechtwinklig zu dem Silizium-Einkristallsubstrat 10 verlaufen. Wie zuvor beschrieben liegt dies an der Tatsache, dass eine Ätzrate von der Kristallorientierung des Siliziums im Falle eines Ätzbetriebs abhängt, der die wässerige Kaliumhydroxidlösung verwendet, und dass eine Ätzrate in der Richtung einer (111)-Orientierung erheblich langsamer ist als jene in anderen Kristallebenen. Folglich kann die Dichte der Druckkammern im Vergleich mit der Dichte, die man in Folge der Verwendung des Silizium-Substrats mit einer (100)-Orientierung erhält, in wesentlich größerem Umfang vergrößert werden. Die Kanäle auf der Aktivelementseite werden ebenfalls mittels anisotropischem Nassätzens gebildet, und daher wird die obere Elektrode 105 von einem Laser mit einem Muster versehen.
8 zeigt einen Querschnitt des Druckkammersubstrats des fünften Beispiels. Das fünfte Beispiel unterscheidet sich von dem vierten Beispiel dadurch, dass die Wandoberflächen des Kanals 108, die auf der Aktivelementseite gebildet sind, einen seichten Winkel mit dem Boden einschließen.
Die Kanäle 108 werden in der Aktivelementseite durch Trockenätzen gebildet. Bei dem vorliegenden Beispiel wird dann, wenn die untere Elektrode 103, die piezoelektrische Schicht 104 und die obere Elektrode 105 durch Besprühen gebildet werden, eine schrittweise Bedeckung des Schichtmaterials, die sich in Folge der Bildung einer Schicht durch Besprühen hin zum Inneren des Kanals 108 auf der Aktivelementseite ergibt, verbessert. Folglich wird die Ebenheit der auf dem Boden des Kanals gebildeten Schicht weiter verbessert.
9 zeigt einen Querschnitt der Druckkammer des sechsten Beispiels. Das sechste Beispiel unterscheidet sich von dem fünften Beispiel dadurch, dass die Breite der Druckkammer schmaler als die Breite der Kanäle ist, die auf der Aktivelementseite gebildet sind.
Falls die Breite der Druckkammer breiter als die Breite der Kanäle wird, die auf der Aktivelementseite gebildet sind (in der Zeichnung mittels einer gepunkteten Linie bezeichnet), wird die Stärke der Druckkammer in der Nähe ihrer Winkelabschnitte (in der Zeichnung mittels des Pfeils bezeichnet) schwach, wenn das piezoelektrische Dünnschichtelement zum Spritzen von Tinte betätigt wird. Folglich wird die Schicht aufbrechen. Bei dem vorliegenden Beispiel wird die Breite der Druckkammer 106 etwas schmaler als die Breite des Kanals 108 auf der Aktivelementseite unter Berücksichtigung einer Toleranz ausgebildet, um zu verhindern, dass die Schicht bricht.
Obwohl die oben stehenden Beispiele unter Verwendung einer Thermooxid-Silizium-Schicht als einer oszillierenden Plattenschicht beschrieben wurden, ist die oszillierende Plattenschicht nicht auf diese Schicht beschränkt. Die oszillierende Plattenschicht kann beispielsweise aus einer Zirkoniumoxidschicht, einer Tantaloxidschicht, einer Siliziumnitridschicht oder einer Aluminiumoxidschicht gebildet werden. Es besteht auch die Möglichkeit, die untere Elektrodenschicht dazu zu bringen, auch als oszillierende Plattenschicht zu funktionieren, wodurch die oszillierenden Plattenschicht erübrigt wird.
Obwohl die vorstehenden Beispiele mit der Verwendung der wässerigen Lösung von der Kaliumhydroxid als einer wässerigen Lösung zur Verwendung beim anisotropischen Ätzen des Silizium-Substrats beschrieben wurden, muss nicht gesagt werden, dass eine andere Lösung auf alkalischer Basis wie etwa Natriumhydroxid, Hydrazin oder Tetramethyl-Ammoniumhydroxid verwendet werden kann.
<Zweiter Aspekt>
Die in Kombination mit dem zweiten Aspekt beschriebenen Beispiele korrespondieren mit der vorliegenden Erfindung.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Tintenstrahldruckkopfes, das die Bildung mehrerer Druckkammersubstrate erlaubt, die keine Kreuzkopplung verursachen, selbst wenn ein Substrat eine große Fläche aufweist, indem eine Vertiefung in der Oberfläche eines Silizium-Einkristallsubstrats dort gebildet wird, wo Druckkammern gebildet werden sollen.
(Struktur eines Wafers)
10 ist eine Gestaltung von Druckkammersubstraten auf einem Silizium-Einkristallsubstrat (d.h. einem Wafer) gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung. Wie in der Zeichnung gezeigt ist, sind mehrere Druckkammersubstrate kollektiv auf dem Silizium-Einkristallsubstrat 10 gebildet. Obwohl das Silizium-Einkristallsubstrat 10 aus Einkristallsilizium wie bei dem herkömmlichen Substrat hergestellt sein kann, ist die Fläche des Silizium-Einkristallsubstrats größer als die eines herkömmlichen Wafers. Weil die Fläche des Silizium-Einkristallsubstrats größer gemacht wird, wird auch die Dicke des Substrats größer gemacht als die des herkömmlichen Substrats, um die mechanische Stärke des Silizium-Einkristallsubstrats während des Verlaufs der Herstellungsschritte sicherzustellen. Beispielsweise weist das herkömmliche Substrat eine Dicke von weniger als 150 μm auf, um Kreuzkopplung zu verhindern, während das Silizium-Einkristallsubstrat 10 des vorliegenden Aspektes eine Dicke von etwa 300 μm aufweist.
Die Fläche des Substrats kann groß gemacht werden, solange keine Probleme bei der Handhabung des Silizium-Einkristallsubstrats während des Verlaufs der Herstellungsschritte auftreten. Beispielsweise ist die Fläche des herkömmlichen Substrats auf einen Durchmes ser von etwa 104,6 mm (4 Zoll) begrenzt. Im Falle des Substrats des vorliegenden Aspektes der Erfindung kann jedoch die Fläche des Substrats auf den Durchmesser im Bereich von sechs bis 152,4 bis 203,2 mm (6 bis 8 Zoll) vergrößert werden. Eine um so größere Anzahl von Druckkammersubstraten 1 kann auf einem Silizium-Einkristallsubstrat gebildet werden, je mehr man die Fläche des Silizium-Einkristallsubstrats vergrößert, was wiederum zu weiteren Kostensenkungen führt.
Auf die Fläche auf dem Substrat 10, auf dem ein Druckkammersubstrat 1 gebildet wird, wird als eine Einheitsfläche Bezug genommen. Das Substrat 10 ist durch Substrat Einheitsgrenzen 13 in ein Matrixmuster segmentiert. Die Einheitsflächen (d.h. Druckkammersubstrate) sind in Zeilen und Spalten mit regelmäßigem Abstand angeordnet. Um die Handhabung des Substrats während des Verlaufs der Herstellungsschritte zu vereinfachen, wird das Druckkammersubstrat 1 in einer äußeren peripheren Fläche 11 des Substrats 10 nicht mit regelmäßigen Abständen versehen. Eine Vertiefung 12 ist innerhalb jeder Einheitsfläche auf der Druckkammerseite des Einkristall-Silizium-Substrats 10 gebildet. In der Grenze zwischen den Druckkammersubstraten 1 ist keine Vertiefung gebildet; nämlich in der peripheren Fläche der Einheitsfläche. Aus diesem Grund bleibt die Substrat-Einheitsgrenze 13, die eine große Schichtdicke aufweist, in einem Matrixmuster nach dem Ätzbetriebsablauf. Die Stärke des Substrats 10 selbst wird sichergestellt, nachdem die Vertiefungen 12 während des Verlaufs der Herstellung des Druckkammersubstrats 1 gebildet wurden. Infolge der Bildung der Vertiefungen 12 wird die Dicke des Substrats an der Stelle der Vertiefung 12 150 μm, d.h. genauso wie die Dicke des herkömmlichen Substrats. Die Dicke des Substrats an der Stelle der Substrat-Einheitsgrenze 13 ist jedoch größer als die des herkömmlichen Substrats. Darum wird die große Stärke des Substrats aufrechterhalten.
Wenn das Silizium-Einkristallsubstrat 10 in einzelne Druckkammersubstrate 1 geschnitten wird, ist es nach dem Bilden der Druckkammersubstrate 1 nur erforderlich, es entlang der Substrat-Einheitsgrenze 13 zu zerschneiden. In dem so getrennten Druckkammersubstrat 1 verbleibt eine dicke periphere Fläche entlang dem Umfang der Vertiefung, und darum kann die Steifigkeit des Druckkammersubstrats 1 selbst aufrechterhalten werden. Selbst wenn das Druckkammersubstrat 1 an der Basis 3 des Tintenstrahldruckkopfes angebracht wird, ist die Berührungsfläche zwischen der Seitenwand des Druckkammersubstrats 1 und der Innenwand der Basis 3 groß, und darum kann das Druckkammersubstrat 1 stabil an der Basis 3 angebracht werden.
Anstatt eine Vertiefung in jeder Einheitsfläche auf die vorstehend beschriebene Weise zu bilden, kann eine Vertiefung 12b in dem gesamten Substrat 10 gebildet werden, so dass die äußere periphere Fläche 11 wie in 11 gezeigt verbleibt. Die äußere periphere Fläche 11 verbleibt, was die Möglichkeit gibt, die mechanische Stärke des Substrats 10 selbst sicherzustellen.
(Erste Ausführungsform des Herstellungsverfahrens)
Als nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen des Tintenstrahldruckkopfes des vorliegenden Aspektes beschrieben.
12A bis 12E und 13F bis 13J zeigen den Querschnitt des Druckkammersubstrats des vorliegenden Aspektes während des Verlaufs der Herstellungsschritte. Der Kürze wegen ist der Querschnitt eines der Druckkammersubstrate 1, die auf dem Silizium-Einkristallsubstrat 10 (einem Wafer) gebildet sind, schematisch gezeigt.
12A: zu Beginn wird eine Ätzschutzschicht 102 (eine Thermooxidschicht), die Siliziumdioxid umfasst, über dem gesamten Silizium-Einkristallsubstrat 10 durch thermische Oxidation mit einer (110)-Ebene und vorgegebenen Dicke und Größe (beispielsweise mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Dicke von 220 μm) gebildet.
Es kann angenommen werden, dass die Bildung der piezoelektrischen Dünnschicht dieselbe ist wie bei dem ersten Beispiel. Kurz gesagt wird Platin, das als die untere Elektrode 103 dient, auf der Oberfläche der Ätzschutzschicht 102 auf einer Seite (d.h. der Aktivelementseite) des Silizium-Einkristallsubstrats 10 in einer Dicke von beispielsweise 800 nm mittels eines Dünnschichtbildungsverfahrens wie etwa dem Besprühungs-Schichtbildungsverfahren gebildet. Bei diesem Vorgang kann ultradünnes Titan oder Chrom als eine Zwischenschicht eingeschoben werden, um die Adhäsionskraft zwischen der oberen Schicht und der Platinschicht sowie zwischen der unteren Schicht und derselben zu vergrößern. Die untere Elektrode 103 wirkt auch als die oszillierende Plattenschicht.
Ein Vorprodukt 104b der piezoelektrischen Schicht wird auf die untere Elektrode geschichtet. Das Vorprodukt der piezoelektrischen Schicht wird in der vorliegenden Ausführungsform mittels des Sol-Gel-Verfahrens aus einem PZT-Vorprodukt der piezoelektrischen Schicht mit einem Mol-Verhältnis von Blei-Titanat zu Blei-Zirkonat von 55%:45% gebildet. Das Vorprodukt wird wiederholt Beschichtungs-/Trocknungs-/Freilegungsbetriebsabläufen sechsmal unterworfen, bis schließlich eine Dicke von 0,9 μm erreicht ist. Infolge verschiedener Versuchstests kann die praktische piezoelektrische Wirkung erhalten werden, solange man A und C in der chemischen Formel der piezoelektrischen Schicht, die durch Pb_CTi_AZr_BO₃ [A + B = 1] ausgedrückt wird, innerhalb des Bereichs von 0,5 ≤ A ≤ 0,6 und 0,85 ≤ C ≤ 1,10 auswählt. Ein Verfahren zur Schichtenbildung durch Hochfrequenz-Zerstäuben oder CVD können ebenfalls als Verfahren zur Schichtenbildung verwendet werden.
12B: Das gesamte Substrat wird erwärmt, um das Vorprodukt der piezoelektrischen Schicht zu kristallisieren. Beide Seiten des Substrats werden einer Infrarotstrahlen-Strahlungslichtquelle 17 in einer Sauerstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 650°C drei minutenlang ausgesetzt. Danach wird das Substrat bei einer Temperatur von 900°C eine Minute lang erwärmt und dann auf natürliche Weise gekühlt, wodurch die piezoelektrische Schicht kristallisiert wird. Durch diese Schritte wird das Vorprodukt 24 der piezoelektrischen Schicht kristallisiert und gesintert, während des die vorherige Zusammensetzung bewahrt, so dass die piezoelektrische Schicht 104 gebildet wird.
12C: Die obere Elektrode 105 wird auf der piezoelektrischen Schicht 104 gebildet. Die obere Elektrode 105 ist durch das Verfahren zur Schichtenbildung durch Besprühen mit Gold gebildet und weist eine Dicke von 200 nm auf.
12D: Geeignete Ätzmasken (nicht dargestellt) sind an den Stellen der oberen Elektrode 105 auf der piezoelektrischen Schicht 104 gebildet, an denen die Druckkammern 106 gebildet werden sollen. Dann werden die maskierten Flächen in einer vorgegebenen Gestalt durch Ionenfräsen gebildet.
12E: Geeignete Ätzmasken (nicht dargestellt) werden auf der unteren Elektrode 103 gebildet. Dann werden die maskierten Flächen in einer vorgegebenen Gestalt durch Ionenfräsen gebildet.
13F: Eine Schutzschicht (nicht dargestellt, um eine Verkomplizierung zu vermeiden) gegenüber verschiedenen Chemikalien, in die das Substrat bei späteren Schritten eingetaucht wird, wird über der Aktivelementseite des Substrats 10 gebildet. Die Ätzschutzschicht 102 auf der Druckkammerseite des Substrats 10 wird mittels Wasserstofffluorid von wenigstens der Fläche weg geätzt, wo die Druckkammern und die Seitenwände gebildet werden sollen. Folglich wird ein Fenster 14 für Ätzzwecke gebildet.
13G: das Silizium-Einkristallsubstrat 10 wird im Bereich des Fensters 14 anisotropisch bis zu einer vorgegebenen Tiefe "d" unter Verwendung eines anisotropischen Ätzmittels weg geätzt, beispielsweise durch eine wässerige Lösung von Kaliumhydroxid, die eine Konzentration von ungefähr 40% aufweist und deren Temperatur auf einer Temperatur von 80°C gehalten wird. Die vorgegebenen Tiefe "d" entspricht einer Tiefe, die man erhält, indem ein Entwurfswert der Höhe der Seitenwand 107 von der Dicke des Substrats 10 subtrahiert wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine Tiefe "d" auf 110 μm gesetzt, was die Hälfte der Dicke des Substrats 10 ist, d.h. von 220 μm. Darum wird die Höhe der Seitenwand 107 110 μm. Das anisotropische Ätzverfahren, das ein aktives Gas verwendet, beispielsweise das Parallelplattenreaktiv-Ionenätzverfahren, das Aktivgas verwendet, kann ebenfalls beim Bilden der Druckkammern verwendet werden. Durch diesen Schritt weisen die Vertiefungen 12 eine verringerte Substratdicke und die Substrat-Einheitsgrenze 13 (d.h. einen erhöhten Bereich) wie unter Bezugnahme auf 10 beschrieben auf.
13H: Eine Siliziumdioxidschicht wird auf der Druckkammerseite des Substrats 10 gebildet, das die Vertiefungen 12 darauf bis zu einer Tiefe von 1 μm als eine Ätzschutzschicht mittels einer chemischen Dampfablagerung wie etwa CVD gebildet aufweist. Dann wird eine Maske zur Verwendung beim Bilden der Druckkammern gebildet und die Siliziumdioxidschicht wird dann unter Verwendung einer wässerigen Wasserstofffluorid Lösung geätzt. Die Siliziumdioxidschicht kann unter Verwendung des Sol-Gel-Verfahrens anstelle der oben beschriebenen chemischen Dampfablagerung gebildet werden. Die piezoelektrische Schicht ist jedoch schon auf der Aktivelementseite des Substrats gebildet, und daher ist thermische Oxidation, die eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von mehr als 1000°C erfordert, nicht geeignet, weil die Kristalleigenschaften der piezoelektrischen Schicht von der Wärme behindert werden.
13I: Das Substrat 10 wird ferner anisotropisch von der Druckkammerseite aus bis zu der Aktivelementseite unter Verwendung eines anisotropischen Ätzmittels geätzt; beispielsweise unter Verwendung einer wässerigen Kaliumhydroxidlösung, die eine Konzentration von ungefähr 17% sowie eine Temperatur aufweist, die bei einer Temperatur von 80°C gehalten wird. Folglich werden die Druckkammern 106 und die Seitenwände 107 gebildet. Es ist wünschenswert, dass der Abstand "g" zwischen der erhöhten Fläche und der Druckkammer in engster Nachbarschaft zu der erhöhten Fläche die Beziehung g ≥ d hinsichtlich der Tiefe "d". Das liegt daran, dass ein flüssiges Harzresist oft an einem Winkelabschnitt der erhöhten Fläche in Folge des Aufbringen des flüssigen Harzresists verbleibt, wenn die Ätzschutzschicht mit einem Muster versehen wird, und daher ist es erforderlich, einen gewissen Grad an Toleranz sicherzustellen, um zu verhindern, dass das so verbliebene flüssige Harzresist nachteilig auf die räumliche Genauigkeit der Druckkammer wirkt.
13J: Die getrennte Düseneinheit 2 wird mit dem Druckkammersubstrat, das die durch die vorstehend beschriebenen Schritte gebildet ist, verbunden, während es mittels der Seitenoberflächen der Basis-Einheitsgrenze 13 positioniert wird (siehe 1 und 2).
In der ersten Ausführungsform werden die Druckkammern mit einem Abstand von 70 μm gebildet und die Druckkammer werden so festgesetzt, dass sie eine Breite von 56 μm und eine Länge von 1,5 mm (d.h. die Tiefe in der Zeichnung) haben. Ferner wird die Breite der Seitenwand auf 14 μm festgesetzt. 128 Elemente werden in einer Zeile mit Druckkammern angeordnet. Darum wird bei einem Druckkopf mit zwei Zeilen mit Druckkammern, d.h. 256 Düsen, eine Druckdichte von 720 dpi eingerichtet.
Dieser Tintenstrahldruckkopf wurde mit dem herkömmlichen Tintenstrahldruckkopf (d.h. einem Tintenstrahldruckkopf, bei dem eine Seitenwand dieselbe Breite wie die des Tintenstrahldruckkopfes der vorliegenden Erfindung aufweist, d.h. 14 μm, und eine Höhe von 220 μm) verglichen.
In dem Fall des herkömmlichen Kopfes betrug eine Tintenspritzgeschwindigkeit 2 m/s, und die Menge verspritzter Tinte war 20 ng, wenn ein Element (eine Druckkammer) betätigt wurde. Die unmittelbar angrenzenden Elemente wurden jedoch zugleich betätigt, die Tintenspritzgeschwindigkeit wurde auf 5 m/s erhöht, und die Menge verspritzter Tinte wurde auf 30 ng vergrößert. Auf diese Weise wurde eine unbrauchbare Leistung erreicht. Wie zuvor beschrieben ist dies auf einen Druckverlust zurückzuführen, der sich aus einer Verformung der Seitenwand der Druckkammer sowie aus der Übertragung eines Drucks an die unmittelbar angrenzenden Elemente ergibt.
Im Falle des Tintenstrahldruckkopfes der vorliegenden Ausführungsform dagegen betrug die Tintenspritzgeschwindigkeit 8 m/s und die Menge gespritzter Tinte betrug 22 ng unter denselben Bedingungen wie jenen des herkömmlichen Tintenstrahldruckkopfes. Ferner gab es hinsichtlich der Charakteristika keine wesentlichen Unterschiede zwischen der Situation, wenn ein einzelnes Element betätigt wurde und wenn die unmittelbar angrenzenden Elemente gleichzeitig betätigt wurden. Mit anderen Worten konnte die Steifigkeit der Seitenwand um mehr als das dreißigfache vergrößert werden in Folge des Umstands, dass die Höhe der Seitenwand auf ihren ursprünglichen Wert, d.h. auf 110 μm, verringert wurde.
Ferner wird die Substrat-Einheitsgrenze in einem Abschnitts des Druckkammersubstrats gelassen, und die Wandoberfläche dieser Substrat-Einheitsgrenze wird als ein Bezug verwendet, wenn die Düsenplatte positioniert wird. Folglich kann die Düseneinheit mit dem Druckkammersubstrat mit einer großen Genauigkeit verbunden werden.
14 zeigt eine andere Ausführungsform des Tintenstrahldruckkopfes, die Anschläge und Aufnahmen zum Positionieren der Düseneinheit darin ausgebildet hat. Vorsprünge 15 sind ausgebildet als Anschläge in dem Bereich des Druckkammersubstrats 1, in dem Druckkammern 106 nicht ausgebildet sind. Positionierungslöcher 16 sind in der Düseneinheit 2 als Aufnahmen ausgebildet, um den Vorsprüngen 15 gegenüberzuliegen, wenn die Düseneinheit 2 mit dem Druckkammersubstrat 1 verbunden wird. Wie bei dieser Ausführungsform können Vorsprünge und Positionierungslöcher zum positiven Befestigen des Druckkammersubstrats an der Düseneinheit optional ausgebildet werden.
15F bis 15I zeigen eine zweite Ausführungsform des Herstellungsverfahrens des Tintenstrahldruckkopfes. Die zuvor beschriebenen Schritte der ersten Ausführungsform, das in 12A bis 12E gezeigt ist, gelten auch bei der vorliegenden Ausführungsform.
15F: Eine Maske wird auf der Druckkammerseite des Substrats 10 in der Gestalt gebildet, in der die Druckkammern 106 ausgebildet werden sollen. Die Siliziumdioxidschicht 102, die als eine Ätzschutzschicht wirkt, wird mittels Wasserstofffluorid geätzt. Die Bereiche der Ätzschutzschicht 102, die den Vertiefungen 12 der ersten Ausführungsform entsprechen, werden geätzt, so dass Dünnschichtbereiche 102a gebildet werden.
15G: Das Substrat 10 wird ferner anisotropisch von der Druckkammerseite aus hin zu der Aktivelementseite unter Verwendung eines anisotropischen Ätzmittels geätzt, beispielsweise unter Verwendung einer wässerigen Kaliumhydroxidlösung, die eine Konzentration von ungefähr 17% sowie eine Temperatur aufweist, die bei 80°C gehalten wird.
15H: Die Dünnschichtbereiche 102a werden mittels Wasserstofffluorid weg geätzt, wodurch ein Fenster 14, dass eine exponierte Silizium-Einkristalloberfläche aufweist, gebildet wird.
15I: Die Seitenwände 107 werden auf eine vorgegebene Höhe durch Verwendung eines anisotropischen Ätzmittels reduziert, beispielsweise durch Verwendung einer wässerigen Kaliumhydroxidlösung, die eine Konzentration von ungefähr 40% sowie eine Temperatur aufweist, die bei 80°C gehalten wird.
Gemäß der zweiten Ausführungsform kann die Struktur des Tintenstrahldruckkopfes des vorliegenden Aspektes auch dadurch erhalten werden, dass man die zuvor beschriebenen Herstellungsschritte verwendet. Falls die Dicke der Dünnschichtbereiche 102a in dem Schritt, der in 15F gezeigt ist, in einem solchen Maß gesteuert wird, dass sie in dem Moment null wird, in dem das Substrat in dem Schritt, der in 15G gezeigt ist, geätzt wird, kann der Schritt, der in 15H gezeigt ist, weggelassen werden.
Das Substrat 10, das damit in der Bildung des Druckkammersubstrats fertig gestellt ist, wird in einzelne Druckkammersubstrate 1 zerteilt. Wenn die Druckkammersubstrate 1 von einan der auf dem in 10 gezeigten Feld P1 getrennt sind, kann zu dieser Zeit das Druckkammersubstrat 1 erhalten werden, das dasselbe wie das herkömmliche Substrat ist. Ferner können die Druckkammersubstrate 1 auf dem Feld P2 (d.h. entlang der Mittellinie der Substrat-Einheitsgrenze 13) von einander getrennt werden. Im letzteren Falle wird eine dicke Seitenwand entlang des Umfanges der so getrennten Druckkammersubstrate 1 gebildet. Wie in 1 gezeigt wirkt diese Seitenwand als die Oberfläche, die zwischen die Basis 3 und das Druckkammersubstrat 1 eingebunden wird, wenn das Druckkammersubstrat in die Basis 3 eingefügt wird. Darum wird das Druckkammersubstrat leicht handhabbar und die Adhäsionskraft des Druckkammersubstrats bezüglich der Basis wird vergrößert.
Wie oben beschrieben wurde, wird gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung die Seitenwand bis zu einer beabsichtigten Höhe ungeachtet der ursprünglichen Dicke des Silizium-Einkristallsubstrats durch Ätzen der Druckkammerseite des Substrats gebildet, so dass eine Vertiefung ausgebildet wird. Folglich kann die Steifigkeit der Seitenwand vergrößert werden.
Ferner wird, falls der Schritt des Bildens einer Vertiefung unmittelbar vor dem Schritt des Zerteilens des Silizium-Einkristallsubstrats in die einzelnen Druckkammersubstrate ausgeführt wird, nur die minimale Aufmerksamkeit der Handhabung des Druckkammersubstrats gewidmet, dessen Steifigkeit verringert ist.
Zusätzlich können die Anschläge mit hoher Genauigkeit integriert auf dem Druckkammersubstrat gebildet werden. Falls diese Anschläge als eine Referenz verwendet werden, wenn die Düsenplatte positioniert wird, kann die relative Positionsgenauigkeit zwischen dem Druckkammersubstrat und der Düse verbessert werden.
<Dritter Aspekt>
Die Beispiele des dritten Aspektes sind nicht Teil der Erfindung.
Im Gegensatz zu dem zweiten Aspekt weist der dritte Aspekt eine Vertiefung auf, die in der Seite des Silizium-Einkristallsubstrats gebildet wird, die der Seite gegenüberliegt, in der die Druckkammern gebildet sind.
(Struktur eines Wafers)
16 ist eine Gestaltung eines Silizium-Einkristallsubstrats zur Verwendung bei einem Verfahren zur Herstellung von Druckkammersubstraten gemäß dem dritten Aspekt. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Gestaltung des vorliegenden Aspektes identisch mit der des zweiten Aspektes ist. Kurz gesagt wird die Fläche des Substrats 10 größer und dicker als bei dem konventionellen Substrat festgelegt. Ferner werden wie bei dem zweiten Aspekt Einheitsflächen gebildet. Die Vertiefung 12 ist jedoch bei dem vorliegenden Aspekt der Erfindung in der Aktivelementseite ausgebildet.
Die folgenden Beschreibungen basieren auf der Annahme, dass die Vertiefung 12 und die Einheitsfläche rechteckig sind, wenn sie von vorne betrachtet werden, und dass die Breite der Vertiefung 12 gleich P1 ist und der Abstand der Einheitsfläche (d.h. das Intervall zwischen den Substrat-Einheitsgrenzen 13) P2 ist.
Als Nächstes wird das Verfahren zum Herstellen des Tintenstrahldruckkopfes des vorliegenden Aspektes beschrieben. 17A bis 17J und 18A bis 18F zeigen schematisch einen Querschnitt des Silizium-Einkristallsubstrats 10 während des Ablaufs der Herstellungsschritte. 17A bis 19 sind Schnittansichten des Silizium-Einkristallsubstrats 10, die über die in 16 gezeigte Gerade a-a genommen sind. Genauer gesagt zeigen diese Zeichnungen Arbeitsabläufe der Herstellung des Substrats, wenn es in der Richtung des Querschnitts beobachtet wird, der über die mehreren Seitenwände 107 genommen wird. Die Aktivelementseite entspricht der Oberseite des Substrats, das in 17A bis 19 gezeigt ist.
(Schritt der Bildung von Vertiefungen)
17A bis 17J zeigen Schritte des Bildens einer Vertiefung in dem Substrat.
17A: Wafer-Reinigungsschritt: Öl oder Wasser auf dem Substrat werden zum Zwecke einer Vorverarbeitung des Substrats entfernt.
17B: Schritt der Bildung der zu verarbeitenden Schicht: Eine Siliziumdioxidschicht wird auf dem Substrat als eine zu verarbeitenden Schicht gebildet. Beispielsweise wird der Substrats thermisch oxidiert, z.B. in dem Strom trockenen Sauerstoffs für etwa 22 Stunden in einem Ofen bei einer Temperatur von 1100°C, wodurch eine thermische Oxidschicht bis zu einer Dicke von ungefähr 1 μm gebildet wird. Alternativ wird das Substrat thermisch oxidiert, z.B. in dem Strom von Sauerstoff, der Wasserdampf beinhaltet, für etwa fünf Stunden in dem Ofen bei einer Temperatur von 1100°C, wodurch eine thermische Oxidschicht bis zu einer Dicke von ungefähr einem Mikrometer gebildet wird. Die thermische Oxidschicht, die durch eines der oben genannten Verfahren gebildet wird, wirkt als eine Schutzschicht gegenüber Ätzsubstanzen.
17C: Schritt der Beschichtung mit Resist: Das Substrat wird gleichmäßig mit einem Resist durch Drehen oder Sprühen beschichtet. Um die Betriebsschritte vor dem Feld trocken auszuführen, wird das so beschichtete Substrat auf eine Temperatur zwischen 80° und 100°C erwärmt, so dass es vorgetrocknet ist, so dass ein Lösungsmittel von dem Substrat entfernt ist. Um die thermische Oxidschicht, die auf der Rückseite des Wafers gebildet ist, zu schützen, kann dasselbe Resist, wie es auf der Vorderseite des Substrats gebildet ist, auch auf der Rückseite des Substrats gebildet werden.
17D: Belichten: Das Substrat wird maskiert, um das Resist an der Stelle der Substrat-Einheitsgrenze zu belassen, und dann wird das so maskierte Substrat ultravioletter Strahlung oder Röntgenstrahlung ausgesetzt.
17E: Entwicklung: Das Substrat, dessen Belichten abgeschlossen ist, wird entwickelt und durch Sprühen oder Eintauchen gespült. In diesem Fall ist ein positives Resistmuster auf dem Substrats ausgebildet, aber es muss nicht gesagt werden, dass ein negatives Resistmuster auf dem Substrats ausgebildet werden kann. Nach dem Entwickeln wird das Substrat bei der Temperatur zwischen 21° und 81°C getrocknet, um das Resist auszuhärten.
17F: Ätzschritt: Die thermische Oxidschicht wird mittels einer wässerigen Lösung der Mischung geätzt, die beispielsweise Flusssäure und Ammoniumfluorid umfasst.
17G: Entfernen des Resists: Das übrig gebliebene Resist wird durch Verwendung eines Trennmittels, das ein organisches Lösungsmittel beinhaltet, oder durch Verwendung eines Sauerstoffplasmas entfernt.
17H: Silizium-Ätzbildungsschritt: Die Vertiefung der vorliegenden Erfindung wird durch Nassätzen oder Trockenätzen gebildet.
In dem Fall des Nassätzens wird das Substrat bis zu einer vorbestimmten Tiefe (einer Tiefe, die sich als die Tiefe des Druckkammersubstrats nach seinem Bilden eignet; z.B. einer solchen Tiefe, dass die Dicke des Wafers 150 μm wird, nachdem der Wafer geätzt ist) unter Verwendung einer flüssigen Mischung geätzt, die z.B. 18% Flusssäure, 30% Nitrat und 10% Essigsäure umfasst.
Unterschiede ergeben sich in der Ätzrate, wenn ein Siliziumkristall unter Verwendung einer alkalischen Lösung geätzt wird. Vorausgesetzt, dass beim Ätzen von Siliziumkristall eine alkalische Lösung verwendet wird, kann darum die Oberfläche des Wafers nach dem Vorgang des Ätzens unregelmäßig werden, selbst dann, wenn die Oberfläche in ihrem anfänglichen Zustand glatt ist. Z.B. treten ein Höhenunterschied von ungefähr fünf μm und der Abstandsunterschied zwischen fünf bis zehn μm oder in diesem Bereich auf. Aus diesem Grund muss bei einem Ätzen des Wafers unter Verwendung einer alkalischen Lösung aufgepasst werden.
17I: Schritt des Ätzens der thermischen Oxidschicht: Waagerechte Abschnitte der thermische Oxidschicht, wie in 17H zeigt, werden infolge des Ätzens des Siliziums erzeugt. Um diese waagerechten Abschnitte zu vermeiden, wird die thermische Oxidschicht in dem gesamten Wafer unter Verwendung einer Lösung von Flusssäure geätzt.
17J: Schritt der Bildung der zu verarbeitenden Schicht: Die thermische Oxidschicht wird wiederum über dem gesamten Wafer bis zu der Dicke zwischen ein bis zwei μm mit demselben Verfahren gebildet wie mit demjenigen, das in dem in 17B gezeigten Schritt verwendet wird.
Durch die vorstehend beschriebenen Schritte zur Bildung von Vertiefungen werden mehrere Vertiefungen 12 in dem Substrat gebildet.
(Schritt der Bildung eines piezoelektrischen Dünnschichtelements)
Wie oben beschrieben ist es schwierig, ein Resist mit einer gleichmäßigen Dicke zu bilden, weil Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche des Substrats in Folge einer Bildung der Vertiefungen 12 gebildet werden. Deshalb wird ein fotolithografisches Verfahren bei dem vorliegenden Aspekt der Erfindung verwendet, bei dem ein Resist auf den Wafer unter Verwendung einer Walze etc. aufgebracht wird, auf eine Weise ähnlich der des Offsetdruckverfahrens.
18A bis 18F zeigen Schritte des Bildens eines piezoelektrischen Dünnschichtelements.
18A: Schritt der Bildung oszillierender Plattenschicht: Eine thermische Oxidschicht, die über dem gesamten Wafer gebildet ist, wirkt als die oszillierende Plattenschicht 102. Dieser Schritt ist derselbe wie der Schritt, der in 17J gezeigt ist, aber der unterscheidet sich von dem Schritt in 17J nur im Ausdruck.
18B: Schritt der Bildung piezoelektrischer Dünnschicht: ein piezoelektrischen Dünnschichtelement wird auf der oszillierende Plattenschicht 102 gebildet, worauf Vertiefungen gebildet sind. Das piezoelektrische Dünnschichtelement umfasst eine piezoelektrische Dünnschicht, die in einer Schicht zwischen oberen und unteren Elektrodenschichten angeordnet ist. Die untere Elektrode 103, die obere Elektrode 105 und die piezoelektrische Schicht 104 sind dieselben, wie jene des ersten Aspektes der Erfindung in Komposition. Ferner ist der Schritt des thermischen Verarbeitens des Vorprodukts der piezoelektrischen Schicht ebenfalls derselbe wie der des ersten Aspektes der vorliegenden Erfindung.
18C: Resistbildungsschritt: weil die Oberfläche des Substrats unregelmäßig ist, ist es unmöglich, die Oberfläche mit einem Resist unter Verwendung des herkömmlichen Sprühverfahrens gleichmäßig zu beschichten. Darum wird ein Walzbeschichtungsverfahren aufgegriffen, um das Resist auf die Vertiefungen 12 aufzubringen. Bei diesen Verfahren wird eine Walze dazu verwendet, ein Resist auf eine Weise aufzubringen, die der des Offset druckverfahrens ähnlich ist. Die Walze ist aus einer elastischen Substanz wie etwa Gummi hergestellt. Das Resist, dass der Gestalt der Vertiefungen entspricht, wird auf die Walze mittels der Technik übertragen, die ähnlich der Offsetdrucktechnik ist. Dieselbe Walze wird in engem Kontakt mit dem Substrat 10 gebracht und gedreht, wodurch das Resist auf die Vertiefungen des Substrats 10 übertragen wird. Falls es unmöglich ist, das Resist auf die Vertiefungen gleichmäßig aufzutragen, kann ein anderes Verfahren anstelle der Walze verwendet werden.
18D: Schritt des Maskierens und Belichtens: den Wafer wird maskiert und belichtet unter Verwendung des gewöhnlichen Verfahrens (in 3 gezeigt). Das Maskenmuster entspricht der Gestalt der Elektrode.
18E: Entwicklungsschritt: der Wafer kann auch unter Verwendung des gewöhnlichen Verfahrens entwickelt werden. Dabei kann eine positive Entwicklung des Wafers ausgeführt werden.
18F: Ätzschritt: Nicht erforderliche Elektroden werden durch Ionenfräsen oder Trockenätzen entfernt. Die Elektroden des piezoelektrischen Dünnschichtelements werden nach Entfernen des Resist vervollständigt.
Der Raum der Druckkammer auf der Rückseite des Substrats wird anisotropisch geätzt unter Verwendung beispielsweise anisotropischem Nassätzens oder des Parallelplattenreaktiv-Ionenätzverfahrens, das aktives Gas verwendet. Folglich wird die Bildung des Druckkammersubstrats 10 abgeschlossen. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Bildung der Druckkammer dieselbe ist wie die des zuvor beschriebenen zweiten Aspektes der vorliegenden Erfindung.
(Struktur des Druckkammersubstrats)
19 ist eine Schnittansicht des Silizium-Einkristallsubstrats 10, das nach der Bildung des Druckkammersubstrats gemäß dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren fertig gestellt ist wurde. Wie in der Zeichnung gezeigt ist, sind die Vertiefungen 12 in der Aktivelementseite des Substrats 10 gebildet. Ferner ist die untere Elektrode 103 auf der oszillie renden Plattenschicht 102 gebildet, und das piezoelektrische Dünnschichtelement 104 mit der darauf gelegten oberen Elektrode 105 ist auf der unteren Elektrode 103 gebildet. Die Druckkammern 106 sind in der Druckkammerseite des Substrats 10 durch Ionenfräsen etc. gebildet. Die Druckkammern 106 sind voneinander durch die Seitenwände 107 getrennt. Falls die Aufmerksamkeit nur auf die Vertiefungen 12 gerichtet wird, wird man einsehen, dass dort eine Struktur gebildet ist, die dieselbe ist, die die des Druckkammersubstrats, das bei dem konventionellen Silizium-Wafer mit einer Dicke von 150 μm gebildet ist.
Die Trennung des Druckkammersubstrats 1 von dem Substrat 10 kann als dieselbe betrachten werden wie die des zuvor beschriebenen zweiten Aspektes der vorliegenden Erfindung. Kurz gesagt kann das Druckkammersubstrat 1 mit dem Abstand P1, der in 16 gezeigt ist, oder mit dem Abstand P2 getrennt werden. Die Düseneinheit 2 wird mit dem so getrennten Druckkammersubstrat 1 verbunden (siehe 1 und 2).
Gemäß dem dritten Aspekt kann die Dicke des Substrats vergrößert werden, was wiederum eine Vergrößerung der mechanischen Stärke des Substrats ermöglicht. Folglich wird es einfach, das Substrat während des Ablaufs der Herstellungsschritte zu handhaben.
Ferner kann die Höhe der Seitenwand bei derselben Höhe wie der des konventionellen Substrats unabhängig von einer Vergrößerung der Dicke des Substrats aufrecht erhalten werden, indem die Vertiefung vorgesehen ist. Darum ist zu hindern möglich, dass eine Kreuzkopplung sich vergrößert.
Ferner gibt eine Vergrößerung der mechanischen Stärke des Substrats die Möglichkeit, die Fläche des Substrats im Vergleich mit der eines konventionellen Substrats zu vergrößern. Folglich kann auf einem Substrat eine vergrößerte Anzahl von Druckkammersubstraten gebildet werden, was dazu führt, dass die Herstellungskosten erheblich verringert werden.
Wie oben beschrieben wurde, werden eine Verringerung der Höhe einer Seitenwand und eine Vergrößerung der Steifigkeit der Wand mittels der vorliegenden Erfindung erreicht und daher ist es möglich, einen hochauflösenden Tintenstrahldruckkopf zu schaffen, der Kreuzkopplung verhindert.
Vertiefungen sind auf jeder der Seiten eines Silizium-Einkristallsubstrats gebildet, und daher kann die Dicke des Silizium-Einkristallsubstrats vergrößert werden. Selbst wenn die Bildung von Druckkammersubstraten in dem Silizium-Einkristallsubstrat abgeschlossen ist, verbleibt eine dicke periphere Fläche entlang der Vertiefungen in der Gestalt eines Matrixmusters auf dem Substrat. Darum ist eine hohe Steifigkeit des Substrats selbst sichergestellt. Es wird einfach, das Substrat während des Verlaufs von Herstellungsbetriebsabläufen zu handhaben, was wiederum die Möglichkeit gibt, einen Produktionsausstoß zu verbessern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die mechanische Stärke des Substrats vergrößert werden, was die Möglichkeit gibt, die Fläche des Substrats zu vergrößern und eine größere Anzahl von Druckkammersubstraten auf einmal bilden. Aus diesem Grund können Herstellungskosten verringert werden.

Claims

Tintenstrahl-Druckkopf, der umfasst: ein Druckkammersubstrat (10); eine Vielzahl von Druckkammern (106), die an der ersten Seite des Druckkammersubstrats (10) ausgebildet sind; gekennzeichnet durch: eine Vertiefung (12), die an einer Seite des Druckkammersubstrats so ausgebildet ist, dass ein Randbereich zurückbleibt, wobei die Druckkammern (106) in der so ausgebildeten Vertiefung (12) so ausgebildet sind, dass eine Dicke des Randbereiches des Druckkammersubstrats so ausgebildet ist, dass sie größer ist als eine Dicke von Seitenwänden (107), die die Vielzahl von Druckkammern (106) voneinander trennen.
Tintenstrahl-Druckkopf nach Anspruch 1, wobei eine Düsenplatte (2) in die Vertiefung eingesetzt ist.
Tintenstrahl-Druckkopf nach Anspruch 1, der des Weiteren umfasst: Anschläge (15), die auf der Seite des Druckkammersubstrats (10) ausgebildet sind, an der die Druckkammern ausgebildet sind; und Aufnahmeabschnitte (16), die die Anschläge aufnehmen und an der Düsenplatte ausgebildet sind, um sie mit der Seite zu verbinden, an der die Druckkammern ausgebildet sind.
Tintenstrahl-Druckkopf nach Anspruch 1, wobei eine Differenz "d" zwischen einer Dicke des Randbereiches des Druckkammersubstrats (10) und einer Höhe einer Seitenwand, die eine Trennwand zwischen den Druckkammern ist, und ein Ab stand "g" von der Grenze zwischen der Vertiefung (12) und dem Randbereich bis zur Seitenwand der Druckkammer, die am nächsten an der Grenze liegt, eine Beziehung g ≥ d erfüllen.
Verfahren zum Herstellen eines Tintenstrahl-Druckkopfes, der eine Vielzahl von Druckkammersubstraten (10) aufweist, die auf einem Silizium-Einkristallsubstrat ausgebildet sind, wobei jedes Druckkammersubstrat (10) eine Vielzahl von Druckkammern (106) aufweist, die an einer Seite desselben ausgebildet sind, wobei es die folgenden Schritte umfasst: Erzeugen einer Struktur einer Vertiefung (12), das die folgenden Schritte einschließt: Unterteilen des Silizium-Einkristallsubstrats in Flächeneinheiten, die beim Ausbilden des Druckkammersubstrats zu verwenden sind, und Ausbilden einer Vertiefung (12) in der Seite des Druckkammersubstrats, an der die Druckkammern (106) ausgebildet werden sollen, für jede Flächeneinheit, so, dass ein Randbereich (13) entlang des Umfangs der Vertiefung belassen wird; und Erzeugen einer Druckkammerstruktur, das die folgenden Schritte einschließt: weiteres Ausbilden der Druckkammern (106) in der in dem Schritt zum Erzeugen der Vertiefung ausgebildeten Vertiefung (12), und Ausführen der Dicke des Randbereiches des Druckkammersubstrats (10) größer als die Höhe einer Seitenwand (107) zum Trennen der Druckkammern voneinander.
Verfahren zum Herstellen eines Tintenstrahl-Druckkopfes, der eine Vielzahl von Druckkammersubstraten aufweist, die auf einem Silizium-Einkristallsubstrat ausgebildet sind, wobei jedes Druckkammersubstrat eine Vielzahl von Druckkammern aufweist, die an einer Seite desselben ausgebildet sind, wobei es die folgenden Schritte umfasst: Erzeugen einer Druckkammer (106), das die folgenden Schritte einschließt: Unterteilen des Silizium-Einkristallsubstrats in Flächeneinheiten, die beim Ausbilden des Druckkammersubstrats zu verwenden sind, und Ausbilden von Druckkammern (106) in der Seite des Druckkammersubstrats, an der die Druckkammern auszubilden sind, wobei ein Randbereich entlang des Umfangs der Flächeneinheit belassen wird; und Erzeugen einer Vertiefung, das die folgenden Schritte einschließt: weiteres Ausbilden einer Vertiefung in dem Bereich, in dem die Druckkammern in dem Schritt zur Ausbildung der Druckkammern ausgebildet werden, und Ausführen der Dicke des Randbereiches des Druckkammersubstrats größer als die Höhe einer Seitenwand zum Trennen der Druckkammern voneinander.
Herstellungsverfahren für den Tintenstrahl-Druckkopf nach Anspruch 5 oder 6, das des Weiteren den folgenden Schritt umfasst: Trennen der Vertiefung (12), die den Randbereich nicht einschließt, von dem Silizium-Einkristallsubstrat, um so die Druckkammersubstrate einzeln zu trennen, wenn das Druckkammersubstrat (10) von jeder Flächeneinheit getrennt wird, nachdem die Druckkammersubstrate ausgebildet worden sind.
Herstellungsverfahren für den Tintenstrahl-Druckkopf nach Anspruch 5, das des Weiteren den folgenden Schritt umfasst: Trennen der Druckkammersubstrate (10) von dem Silizium-Einkristallsubstrat, so, dass es den Randbereich einschließt und die Druckkammersubstrate einzeln voneinander getrennt werden, wenn das Druckkammersubstrat (10) von jeder Flächeneinheit getrennt worden ist, nachdem die Druckkammersubstrate ausgebildet worden sind.