DE69928978T2

DE69928978T2 - Herstellen von Düsen aus Polymer mittels direkter Bilderzeugung

Info

Publication number: DE69928978T2
Application number: DE69928978T
Authority: DE
Inventors: Chien-Hau Chen; Donald E. Wenzel; Qin Liu; Naoto Kawamura; Richard W. Seaver; Carl Wu; Colby Van Vooren; Jeffery S. Hess; Colin C. Davis
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1998-03-02
Filing date: 1999-03-01
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2019-03-02
Also published as: JP4233672B2; EP0940257A3; ES2251153T3; US20020145644A1; US6162589A; DE69928978D1; EP0940257B1; US6447102B1; KR100563356B1; EP0940257A2; KR19990077489A; EP1595703A3; EP1595703A2; TW404893B; RU2221701C2; JPH11314371A; CN1142856C; CN1227790A; BR9900203A; US6902259B2

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein thermisches Tintenstrahldrucken. Genauer gesagt bezieht sich diese Erfindung auf die Vorrichtung und den Prozess zum Herstellen genauer Polymeröffnungen, die ein Epoxyd, Polyimid oder ein anderes negativ wirkendes Photoresistmaterial aufweisen, unter Verwendung von Direktbilderzeugungstechniken.
Thermische Tintenstrahldrucker weisen typischerweise einen Druckkopf auf, der an einem Wagen befestigt ist, der sich über die Breite des Papiers oder anderen Mediums, das durch den Drucker hindurch zugeführt wird, hin- und herbewegt. Der Druckkopf umfasst ein Array von Öffnungen (auch Düsen genannt), die dem Papier zugewandt sind. Mit Tinte (oder einem anderen Fluid) gefüllte Kanäle speisen die Öffnungen mit Tinte von einer Reservoirtintenquelle. Einzeln an adressierbare Energiedissipationselemente (wie beispielsweise Widerstände) angelegt, erwärmt eine Energie die Tinte innerhalb der Öffnungen, wobei bewirkt wird, dass die Tinte Blasen bildet und somit Tinte aus der Öffnung zu dem Papier hin ausstößt. Fachleuten auf dem Gebiet ist ersichtlich, dass andere Verfahren zum Übertragen von Energie auf die Tinte oder das Fluid existieren und noch in die Wesensart, den Schutzbereich und das Prinzip der vorliegenden Erfindung fallen. Wenn die Tinte ausgestoßen wird, kollabiert die Blase und mehr Tinte füllt die Kanäle von dem Reservoir, was eine Wiederholung des Tintenausstoßes ermöglicht.
Aktuelle Entwürfe von Tintenstrahldruckern weisen Probleme bei ihrer Herstellung, Betriebslebensdauer und Genauigkeit bei einem Richten der Tinte auf das Papier auf. Gegenwärtig hergestellte Druckköpfe weisen einen Tintenzufuhrschlitz durch ein Substrat hindurch, eine Barrierenschnittstelle (Die Barrierenschnittstelle lenkt die Tinte zu dem Widerstand und definiert das Abfeuerungskammervolumen. Das Barrierenschnittstellenmaterial ist ein dickes, photoempfindliches Material, das auf das Substrat laminiert, belichtet, entwickelt und ausgehärtet wird.) und eine Öffnungsplatte auf (die Öffnungsplatte ist der Austrittsweg der Abfeuerungskammer, der durch die Barrierenschnittstelle definiert wurde. Die Öffnungsplatte wird typischerweise mit Nickel (Ni) elektrogebildet und dann für einen Korrosionswiderstand mit Gold (Au), Palladium (Pd) oder anderen Edelmetallen beschichtet. Die Dicke der Öffnungsplatte und der Mündungsöffnungsdurchmesser sind gesteuert, um bei einem Abfeuern einen wiederholbaren Tropfenausstoß zu ermöglichen.). Während eines Herstellens erfordert ein Ausrichten der Öffnungsplatte mit dem Substrat mit dem Barrierenschnittstellenmaterial eine spezielle Genauigkeit und spezielle Haftmittel, um dieselbe anzubringen. Falls die Öffnungsplatte verzogen ist oder falls das Haftmittel die Öffnungsplatte nicht korrekt mit der Barrierenschnittstelle verbindet, resultiert eine schlechte Steuerung der Tintentropfenbahn und die Ausbeute oder Lebensdauer des Druckkopfs ist reduziert. Falls die Ausrichtung des Druckkopfs inkorrekt ist oder die Öffnungsplatte Vertiefungen aufweist (in einer Planarisierung derselben nicht einheitlich ist), wird die Tinte weg von der ordnungsgemäßen Bahn derselben ausgestoßen und die Bildqualität des Ausdrucks ist reduziert. Weil die Öffnungsplatte bei herkömmlich aufgebauten Druckköpfen ein getrenntes Stück ist, erfordert die Dicke, die erforderlich ist, um ein Verziehen oder Wölben während einer Herstellung zu verhindern, dass die Höhe (bezogen auf die Dicke der Öffnungsplatte) der Öffnungsbohrung höher ist als für eine thermische Effizienz notwendig. Gewöhnlich ist eine einzige Öffnungsplatte an einem einzigen Druckkopfchip an einem Halbleiterwafer angebracht, der viele Druckköpfe enthält. Es ist erwünscht, einen Prozess aufzuweisen, der eine Platzierung der Öff nungsplatten alle auf einmal über einen gesamten Halbleiterwafer ermöglicht, um eine Produktivität zu erhöhen sowie eine Genauigkeit einer Öffnungsplatzierung sicherzustellen.
Die Tinte innerhalb der Abfeuerungskammer füllt die Öffnungsbohrung bis zu den externen Kanten der Öffnungsplatte. Somit ist ein anderes Problem mit dieser erhöhten Höhe von Tinte in der Öffnungsbohrung, dass dieselbe mehr Energie benötigt, um die Tinte auszustoßen. Zusätzlich erfordert ein Photodrucken mit hoher Qualität höhere Auflösungen und somit kleinere Tintentropfen. Deshalb besteht ein Bedarf nach einer dünneren Öffnungsplatte, die herstellbar ist. Wenn ferner die Menge an Tinte, die bei jedem Tropfen ausgeworfen wird, kleiner wird, sind mehr Öffnungen innerhalb des Druckkopfs erforderlich, um ein gegebenes Muster in einem einzigen Durchlauf des Druckkopfs über dem Druckmedium mit einer festen Druckgeschwindigkeit zu erzeugen. Um zu verhindern, dass sich der Druckkopf aufgrund der erhöhten Anzahl von Öffnungen überhitzt, muss die Menge an Energie, die pro Öffnung verwendet wird, reduziert werden.
Zusätzlich war in der Vergangenheit die Lebensdauer des Druckkopfs angemessen. Der Druckkopf war ein Teil eines Einmalstifts, der ausgewechselt wurde, nachdem der Tintenvorrat ausging. Benutzererwartungen an eine Qualität treiben jedoch den Bedarf an, einen kostengünstigen, langlebigen Druckkopf mit einer mehrjährigen Beständigkeit aufzuweisen, und die vorliegende Erfindung hilft diese Erwartung zu erfüllen.
Das US-Patent 568224 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Tintenstrahlgeräten, wodurch eine Schicht des gleichen vernetzenden Materials auf einer Oberfläche eines Substrats aufgebracht wird und eine Mehrpegelmaske die Tiefe steuert, zu der die mehreren Schichten eines identischen Materials vernetzt sind. Die Tiefe, zu der eine Vernetzung auftritt, ist eine Funktion der Undurchlässigkeit der Maske und der Belichtungszeit.
Das europäische Patent 0734866 offenbart einen Prozess zum Erzeugen eines Tintenstrahldruckkopfs, der einen Tintenweg, der mit einem Entladeauslass verbunden ist, und ein Energieerzeugungselement zum Erzeugen von Energie umfasst, die zum Entladen von Tinte aus dem Entladeauslass verwendet wird, wobei der Prozess folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines Substrats, das mit dem Energieerzeugungselement an demselben versehen ist; Bilden einer photoempfindlichen Schicht, die aus einem von einer ionisierenden Strahlung zersetzbaren, photoempfindlichen Harz gebildet ist, das eine vernetzbare Struktureinheit an dem Substrat enthält, um das Energieerzeugungselement zu bedecken, das an dem Substrat angeordnet ist; Unterziehen der photoempfindlichen Harzschicht einer Vernetzungsbehandlung, um die photoempfindliche Schicht in eine vernetzte, photoempfindliche Schicht umzuwandeln; Bilden einer Beschichtungsharzschicht an der vernetzten, photoempfindlichen Schicht; Härten der Beschichtungsharzschicht; Bestrahlen einer ionisierenden Strahlung auf die vernetzte, photoempfindliche Schicht durch die gehärtete Beschichtungsharzschicht, um die vernetzte, photoempfindliche Schicht zu zersetzten und löslich zu machen, um so zu der Bildung des Tintenwegs beizutragen; und Eluieren der vernetzten, photoempfindlichen Schicht, die mit der ionisierenden Strahlung bestrahlt ist, um dadurch den Tintenweg zu bilden, der mit dem Entladeauslass verbunden ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Verfahren zum Aufbauen eines Fluidstrahldruckkopfs, der ein Halbleitersubstrat aufweist, das eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, die einen Fluidzufuhrschlitz aufweist, der sich durch das Halbleitersubstrat erstreckt und mit einem Fluidzufuhrkanal an der zweiten Oberfläche gekoppelt ist, das folgende Schritte aufweist:
Aufbringen einer Schicht eines relativ langsam vernetzenden Polymers an der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats;
Aufbringen einer Schicht eines relativ schnell vernetzenden Polymers an der aufgebrachten Schicht eines relativ langsam vernetzenden Polymers;
Aussetzen des relativ schnell vernetzenden Polymers und des relativ langsam vernetzenden Polymers einer relativ hohen Dosierung einer strukturierten elektromagnetischen Energie, die ausreichend ist, um sowohl das relativ schnell vernetzende Polymer als auch das relativ langsam vernetzende Polymer zu vernetzen, um eine strukturierte Fluidwanne zu erzeugen;
Aussetzen des relativ schnell vernetzenden Polymers und des relativ langsam vernetzenden Polymers einer relativ niedrigen Dosierung einer strukturierten elektromagnetischen Energie, die ausreichend ist, um das relativ schnell vernetzende Polymer aber nicht das relativ langsam vernetzende Polymer zu vernetzen, um eine strukturierte Öffnung zu erzeugen; und
Entwickeln der strukturierten Fluidwanne und der strukturierten Öffnung.
Bei einem möglichen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist das relativ langsam vernetzende Material gesonderte Schichten eines photobelichtbaren Polymers und optischer Farbstoffe, Mischungen eines photobelichtbaren Polymers und optischer Farbstoffe oder ein photobelichtbares Polymer auf.
Bei einem möglichen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das photobelichtbare Polymer ein photobelichtbares Epoxyd.
Bei einem möglichen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Schicht eines relativ langsam vernetzenden Materials 8 bis 34 Mikrometer dick.
Bei einem möglichen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden das relativ schnell vernetzende Polymer und das relativ langsam vernetzende Polymer der relativ hohen Dosierung einer strukturierten elektromagnetischen Energie und der relativ niedrigen Dosierung einer strukturierten elektromagnetischen Energie durch eine Mehrdichtepegelmaske hindurch ausgesetzt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A stellt die obere Ansicht einer einzigen Öffnung des bevorzugten Ausführungsbeispiels dar.
1B ist eine isometrische Querschnittsansicht der Öffnung, die die Grundstruktur darstellt.
2A bis 2H stellen die Prozessschritte des bevorzugten Ausführungsbeispiels dar, um eine in-situ-Öffnung zu erzeugen. Die weggeschnittene Ansicht ist die AA-Perspektive von 1A.
3A ist die Draufsicht eines Druckkopfs, die mehrere Öffnungen zeigt.
3B ist die untere Ansicht des in 3A gezeigten Druckkopfs.
4 zeigt eine Druckkassette, die einen Druckkopf verwendet, der die vorliegende Erfindung einsetzen kann.
5 zeigt einen Druckermechanismus, der eine Druckkassette verwendet, die einen Druckkopf aufweist, der die vorliegende Erfindung einsetzen kann.
6A stellt ein Maskenmuster dar, das verwendet wird, um ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung zu erzeugen.
6B stellt ein Maskenmuster dar, das unter Verwendung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung möglich ist.
7A stellt die obere Ansicht des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung dar.
7B stellt eine Seitenansicht des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung dar, die die relevanten Abmessungen zeigt, die verwendet werden, um die einspringende Öffnung zu definieren.
8 ist ein Graph, der die Entwurfskompromisse einer Nachfüllzeit und eines Überschießens basierend auf dem Höhenverhältnis der einspringenden Öffnung des bevorzugten Ausführungsbeispiels darstellt.
9A bis 9G stellen die Prozessschritte dar, um eine Einzelschichtversion der in-situ-Öffnung zu erzeugen.
10A bis 10E stellen Ergebnisse bei dem Prozess dar, um eine Mehrdichtepegelmaske zu erzeugen, die bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten und anderen Ausführungsbeispiele
Die Erfindung bezieht sich auf einen neuartigen Polymeröffnungsfertigungsprozess, der ein Mehrmaterialsandwich von photobelichtbaren Schichten über dem Substrat erzeugt und keine Ni-Öffnungsplatte oder Barrierenschnittstellenmaterial benötigt. Jede photobelichtbare Schicht weist eine unterschiedliche Rate einer Vernetzung für eine gegebene Energieintensität auf. Zusätzlich schließt die Erfindung eine Entwurfstopologie ein, die die photobelichtbaren Schichten verwendet und die eine Öffnung mit zylinderhutförmigem, einspringendem (einwärts gerichtetem) Profil erzeugt. Die Zylinderhutöffnung kann durch ein Variieren von Prozessparametern maßgeschneidert werden, um Tropfenausstoßcharakteristika zu optimieren. Diese Zylinderhutentwurfstopologie bietet mehrere Vorteile gegenüber geradwändigen oder sich linear verjüngenden Architekturen. Die zylinderhutförmige, einspringende Öffnungskammer, die die Fluidtropfen ausstößt, wird ohne Weiteres durch eine Fluidwannenkammer und eine Öffnungskammer definiert. Die Fläche und die Form jeder Kammer, in die Öffnung hineinblickend betrachtet, wird durch ein Verwenden einer strukturierten Maske oder eines Satzes von Masken definiert. Die Masken ermöglichen ein Steuern des Eintrittsdurchmessers, des Austrittsdurchmessers und des Abfeuerungskammervolumens basierend auf der Öffnungsschichtdicke oder -höhe. Die Höhe der Öffnungskammer und die Höhe der Fluidwannenkammer sind unabhängig gesteuert, um eine optimale Prozessstabilität und einen Entwurfsspielraum zu ermöglichen. Durch- ein Steuern der Form, Fläche und Höhe der Öffnungs- und der Fluidwannenkammer kann der Entwickler die Tropfengröße und Tropfenform steuern und die Wirkung des Rückstoßes (dieses Teils der Blase, die die Tinte auswirft, der sich entgegengesetzt zu der Richtung eines Tropfenausstoßes ausdehnt) dämpfen und bis zu einem gewissen Ausmaß die Nachfüllgeschwindigkeit (die Zeit, die erforderlich ist, damit Tinte die gesamte Zylinderhutöffnungsstruktur füllt). Zusätzlich ermöglicht diese Zylinderhuttopologie, dass die Fluidzufuhrschlitze, die ein Fluid zu der Öffnung liefern, weiter weg von dem Energiedissipationselement platziert werden, das verwendet wird, um das Fluid auszustoßen, um die Möglichkeit zu reduzieren, dass eine Blase in den Fluidlieferweg eintritt und somit eine Blockade erzeugt.
Die Direktbilderzeugungspolymeröffnung weist normalerweise zwei oder mehr Schichten von negativ wirkenden Photoresistmaterialien mit etwas unterschiedlichen Auflösungsraten auf. Die Auflösungsraten basieren auf den unterschiedlichen Materialien jeder Schicht, die ein unterschiedliches Molekulargewicht, eine unterschiedliche physikalische Zusammensetzung oder eine unterschiedliche optische Dichte aufweisen. Bei einem exemplarischen Prozess unter Verwendung von zwei Schichten wird ein „langsames" Photoresist, das 500 mJoule/cm² Intensität einer elektromagnetischen Energie für ein Vernetzen erfordert, an einem Substrat aufgebracht. Bei einem Fluidstrahldruckkopf ist dieses Substrat aus einem Halbleitermaterial gebildet, an dessen Oberfläche ein Stapel von Dünnfilmschichten aufgebracht wurde. Ein „schnelles" Photoresist, das nur 100 mJoule/cm² Intensität einer elektromagnetischen Energie für ein Vernetzen erfordert, wird an der Schicht eines langsamen Photoresists aufgebracht. Nach einem Aushärten werden die Substratphotoresistschichten durch eine Maske bei einer sehr hohen Intensität von zumindest 500 mJoule/cm² belichtet, um die Fluidwannenkammer zu definieren. Die Intensität ist hoch genug, um sowohl die obere als auch die untere Schicht zu vernetzen. Die Substratphotoresistschichten werden dann durch eine andere Maske mit einer elektromagnetischen Energie mit niedriger Intensität von 100 mJoule/cm² belichtet, um die Öffnungskammer zu definieren. Es ist wichtig, dass die Intensität der zweiten Belichtung niedrig genug ist, so dass die untere Öffnungsschicht eines langsamen Photoresists, die sich unter der Mündungsöffnung befindet, nicht vernetzt wird.
Ein Polymermaterial ist in der IS-Industrie für die Fähigkeit desselben, sich über Dünnfilmtopographien zu planarisieren, gut bekannt. Empirische Daten zeigen, dass eine Öffnungsplattentopographievariation gut innerhalb 1 Mikrometer gehalten werden kann. Dieses Merkmal ist wichtig, um eine konsistente Tropfenbahn zu liefern.
Zusätzlich existieren viele unterschiedliche Polymermaterialien, die negativ wirkende Photoresisteigenschaften aufweisen. Exemplarische Polymermaterialien sind Polyimid, Epoxyd, Polybenzoxazole, Benzocyclobuten und Sol-Gele. Fachleuten auf dem Gebiet ist ersichtlich, dass andere negativ wirkende Photoresistpolymermaterialien existieren und noch in den Schutzbereich der Erfindung fallen. Durch ein Hinzufügen eines optischen Farbstoffs (wie beispielsweise Orange #3, ~2 Gewichtsprozent) zu einem transparenten Polymermaterial, kann aus einem schnellen Photoresist, das keinen Farbstoff oder eine kleine Menge an Farbstoff aufweist, ein langsames Photoresist gemacht werden. Ein anderes Ausführungsbeispiel bestünde darin, eine Schicht eines Polymermaterials mit einer dünnen Schicht eines Farbstoffs zu beschichten. Alternative Verfahren, um ein langsames Photoresist zu erzeugen, weisen ein Mischen von Polymeren mit unterschiedlichen Molekulargewichten, mit unterschiedlichen Wellenlängenabsorptionscharakteristika, mit unterschiedlichen Entwicklungsraten und ein Verwenden von Pigmenten auf. Fachleuten auf dem Gebiet ist ersichtlich, dass andere Verfahren, um die Photoempfindlichkeit von Polymeren zu verlangsamen, existieren und noch in den Schutzbereich der Erfindung fallen.
1A stellt die obere Ansicht einer einzigen Öffnung 42 (auch eine Düse oder ein Loch genannt) dar, die das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet. Die obere Öffnungsschicht 34 ist aus einem schnell vernetzenden Polymer gebildet, wie beispielsweise einem photobelichtbaren Epoxyd (wie beispielsweise SU8, entwickelt durch IBM) oder einem photobelichtbaren Polymer (wie beispielsweise OCG, das auf dem Gebiet allgemein bekannt ist). Die obere Öffnungsschicht 34 wird verwendet, um die Form und Höhe der Mündung der Öffnung 42 zu definieren. Innerhalb der Öffnungsschicht versteckt sind Fluidzufuhrschlitze 30 und eine Fluidwanne 43. Ein Fluid, wie beispielsweise Tinte, fließt in die Fluidwanne 43 durch die Fluidzufuhrschlitze 30 und wird durch ein Energiedissipationselement 32 erwärmt, wobei eine Fluiddampfblase gebildet wird, die das verbleibende Fluid aus der Öffnung 42 ausstößt. Eine Ansicht AA zeigt die Beobachtungsrichtung für die Querschnittsansichten in späteren Figuren.
1B ist eine isometrische Querschnittsansicht der einzigen Öffnung, die in 1A gezeigt ist, eines vollständig integrierten thermischen Fluidstrahldruckkopfs (FIT-Fluidstrahldruckkopf; FIT = fully integrated thermal). Eine untere Öffnungsschicht 35 ist auf einem Stapel von Dünnfilmschichten 50 aufgebracht, die durch einzelne Schichten verarbeitet und auf die Oberfläche eines Halbleitersubstrats 20 eingegliedert wurden. Eine exemplarische Öffnung würde einen Durchmesser der Öffnung 42 von 16 μm, eine Länge der Fluidwanne 43 von 42 μm, eine Breite der Fluidwanne 43 von 20 μm eine Dicke der oberen Öffnungsschicht 34 von 6 μm und eine Dicke der unteren Öffnungsschicht 35 von 6 μm aufweisen. Das Halbleitersubstrat 20 wird geätzt, nachdem der Stapel von Dünnschichten 50 aufgebracht wurde, um einen Fluidzufuhrkanal 44 bereitzustellen, der ein Fluid zu den Fluidzufuhrschlitzen 30 (nicht gezeigt) liefert. Die Fluidzufuhrschlitze 30 sind innerhalb des Stapels von Dünnfilmschichten 50 definiert.
2A bis 2H stellen die verschiedenen Prozessschritte dar, die verwendet werden, um alternative Ausführungsbeispiele der Erfindung zu erzeugen. 2A stellt das Halbleitersubstrat 20 dar, nachdem dasselbe verarbeitet wurde, um den Stapel von Dünnfilmschichten 50 zu umfassen, der das Energiedissipationselement 32 umfasst. Der Stapel von Dünnfilmschichten 50 wurde verarbeitet, derart, dass sich die Fluidzufuhrschlitze 30 durch die gesamte Dicke desselben erstrecken.
2B stellt das Halbleitersubstrat 20 dar, nachdem die untere Öffnungsschicht 35, die aus einem langsam vernetzenden Polymer gebildet ist, auf dem Stapel von Dünnfilmschichten 50 aufgebracht ist. Das langsam vernetzende Polymer wird unter Verwendung eines herkömmlichen Schleuderbeschichtungswerkzeugs aufgebracht, wie beispielsweise diesen, die durch Karl Suss KG hergestellt werden. Der Schleuderbeschichtungsprozess, der dem Schleuderbeschichtungswerkzeug zugeordnet ist, ermöglicht, dass eine planare Oberfläche gebildet wird, wenn das langsam vernetzende Polymer 35 die Fluidzufuhrschlitze 30 und die Oberfläche des Stapels von Dünnfilmschichten 50 füllt. Ein exemplarischer Prozess für ein Schleuderbeschichten besteht darin, eine Schicht von Resist an einem Halbleiterwafer mit dem Schleuderbeschichtungswerkzeug, das auf 70 U/min eingestellt ist, mit einer Beschleunigung von 100 U/min/s und einer Ausbreitungszeit von 20 Sek. auszubreiten. Das Schleudern des Wafers wird dann mit einer Verlangsamung von 100 U/min/s gestoppt und ruht für 10 Sekunden. Der Wafer wird dann mit einer Beschleunigungsrate von 300 U/min/s 30 Sekunden lang bei 1060 U/min geschleudert, um das Resist über den gesamten Wafer auszubreiten. Alternative Polymeraufbringungsprozesse umfassen ein Walzenbeschichten, ein Vorhangbeschichten, ein Extrusionsbeschichten, ein Sprühbeschickten und ein Tauchbeschickten. Fachleuten auf dem Gebiet ist ersichtlich, dass andere Verfahren, um die Polymerschichten auf das Substrat aufzubringen, existieren und noch in die Wesensart und den Schutzbereich der Erfindung fallen. Das langsam vernetzende Polymer wird durch ein Mischen eines optischen Farbstoffs (wie beispielsweise Orange #3, ~2 Gewichtsprozent) in entweder ein photobelichtbares Polyimid oder ein photobelichtbares, transparentes Epoxydpolymermaterial hergestellt. Durch ein Hinzufügen des Farbstoffs ist die Menge an erforderlicher elektromag netischer Energie, um das Material zu vernetzen, größer als bei einem nicht mit Farbstoff vermischten Material.
2C stellt das Ergebnis des Aufbringens der oberen Öffnungsschicht 34, die aus einem schnell vernetzenden Polymer gebildet ist, an der unteren Öffnungsschicht 35 dar.
2D stellt eine starke Intensität einer elektromagnetischen Strahlung 11 dar, die auf die obere Öffnungsschicht 34 und die untere Öffnungsschicht 35 angelegt ist. Die Energie, die durch die elektromagnetische Strahlung geliefert wird, muss ausreichend sein, um sowohl die obere Öffnungsschicht 34 als auch die untere Öffnungsschicht 35 zu vernetzen, wo dieselben belichtet sind (in 2D, 2E und 2F als durchgestrichene Bereiche gezeigt). Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird dieser Schritt unter Verwendung eines SVG-Micralign-Werkzeugsatzes bei 300 mJoule mit einem Fokusversatz von +9 μm vorgenommen. Dieser Schritt definiert die Form und Fläche der Fluidwanne 43 in der Öffnung.
2E stellt den nächsten Schritt des Prozesses dar, bei dem eine niedrigere Intensität einer elektromagnetischen Energie 12 an die obere Öffnungsschicht 34 und die untere Öffnungsschicht 35 angelegt wird. Die Gesamtenergie, die während dieses Schrittes aufgewendet wird, ist (entweder durch ein Begrenzen der Intensität oder Belichtungszeit oder einer Kombination von beiden) lediglich ausreichend, um das schnell vernetzende Polymer in der oberen Öffnungsschicht 34 zu vernetzen. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird dieser Schritt unter Verwendung eines SVG-Micralign-Werkzeugsatzes bei 60,3 mJoule mit einem Fokusversatz von +3 μm vorgenommen. Dieser Schritt definiert die Form und Fläche der Mündungsöffnung 42.
2F stellt den Belichtungsprozess des bevorzugten Ausführungsbeispiels dar. Anstelle eines Verwendens von zwei Masken, einer, um die Fluidwanne wie in 2D zu definieren, und einer, um eine Mündungsöffnung 42 wie in 2E zu definieren, wird lediglich eine Maske verwendet. Dieser Ansatz reduziert die möglichen Ausrichtungsfehler beim einem Verwenden zweier getrennter Masken. Diese Maske ist aus drei getrennten Dichteregionen pro Mündungsöffnung (siehe 6A und 6B) gebildet, wobei eine Mehrdichtepegelmaske gebildet ist. Eine Region ist im Wesentlichen nicht undurchlässig für die elektromagnetische Energie. Die zweite Region ist teilweise undurchlässig für die elektromagnetische Energie. Die dritte Region ist vollständig undurchlässig für die elektromagnetische Energie.
Die erste Region ermöglicht, dass eine starke Intensität der elektromagnetischen Energie 11 die Maske durchläuft, um die Öffnungsschichten vollständig zu vernetzen und zu definieren, wo kein photobelichtbares Material entfernt werden soll. Sowohl die obere Öffnungsschicht 34 als auch die untere Öffnungsschicht 35 werden vernetzt, um eine Entfernung während eines Entwickelns zu verhindern. Die zweite Region ist entworfen, um lediglich eine niedrigere Intensität einer elektromagnetischen Energie 12 durchzulassen, um die obere Öffnungsschicht 34 zu vernetzten, während das Material unter der zweiten Region in der unteren Öffnung 35 unvernetzt gelassen wird. Die dritte Region (vollständig undurchlässig) wird verwendet, um die Form und Fläche der Mündungsöffnung 42 zu definieren. Weil keine elektromagnetische Energie durch diese dritte Region gelassen wird, wird das vernetzende Polymer unter der undurchlässigen dritten Region der Maske nicht belichtet und wird somit entfernt, wenn dasselbe später entwickelt wird.
2G stellt den Entwicklungsprozessschritt dar, bei dem ein Material in der oberen Öffnungsschicht 34 und der unteren Öffnung 35, einschließlich des Materials in den Fluidzufuhrschlitzen 30, entfernt wird. Ein exemplarischer Prozess besteht darin, ein 7110-Solitec-Entwicklerwerkzeug mit einer Entwicklung von 70 Sek. in NMP bei 1 kU/min und einer Mischung von 8 Sek. von IPA & NMP bei 1 kU/min, einer Spülung mit IPA bei 1 kU/min und eine Schleuderung von 60 Sekunden bei 2 kU/min zu verwenden.
2H stellt das Ergebnis dar, nach dem ein Tetramethylammoniumhydroxid-Rückseitenätzprozess (TMAH-Rückseitenätzprozess) (siehe U. Schnakenburg, W. Beneke und P. Lange, TMAHW Etchants for Silicon Micromachining, Tech. Dig. 6^th Int. Conf. Solid State Sensors and Actuators (Tranducers 91), San Francisco, CA, USA, 24.–28. Juni 1991, S. 815–818) durchgeführt wird, um den Fluidzufuhrkanal 44 zu erzeugen, der sich in die Fluidzufuhrschlitze 30 öffnet, um zu ermöglichen, dass ein Fluid in die Fluidwannenkammer 43 eintritt und schließlich aus der Mündungsöffnung 42 ausgestoßen wird.
3A stellt einen exemplarischen Druckkopf 60 dar, der eine Mehrzahl von Mündungsöffnungen 42 aufweist, die in der oberen Öffnungsschicht 34 und der unteren Öffnungsschicht 35 zu finden sind. Die Öffnungsschichten sind an einem Stapel von Dünnfilmschichten 50 aufgebracht, der an dem Halbleitersubstrat 20 verarbeitet wurde.
3B stellt die gegenüberliegende Seite des Druckkopfs 60 dar, um die Fluidzufuhrkanäle 44 und die Fluidzufuhrschlitze 30 zu zeigen.
4 stellt ein exemplarisches Ausführungsbeispiel einer Druckkassette 100 dar, die den Druckkopf 60 verwendet. Eine derartige Druckkassette könnte ähnlich der HP51626A sein, die von Hewlett-Packard Co. erhältlich ist. Der Druckkopf 60 ist auf eine flexible Schaltung 106 verbunden, die Steuersignale von elektrischen Kontakten 102 zu dem Druckkopf 60 koppelt. Ein Fluid ist in dem Fluidreservoir 104 gehalten, das eine Fluidlieferungsanordnung aufweist, von der ein exemplarischer Typ, ein Schwamm 108 und ein Standrohr (nicht gezeigt), gezeigt sind. Das Fluid ist in dem Schwamm 108 gespeichert und wird durch das Standrohr zu dem Druckkopf 60 geliefert.
5 stellt eine exemplarische Flüssigkeitsstrahlaufzeichnungsvorrichtung 200 dar, die einem Hewlett-Packard Deskjet 340 (C 2655A) ähnlich ist, der die Druckkassette 100 von 4 verwendet. Ein Medium 230 (wie beispielsweise Papier) wird von der Medienablage 210 genommen und entlang der Länge desselben über die Druckkassette 100 durch den Medienzufuhrmechanismus 260 gefördert. Die Druckkassette 100 wird entlang der Breite des Mediums 230 an einer Wagenanordnung 240 gefördert. Der Medienzufuhrmechanismus 260 und die Wagenanordnung 240 bilden zusammen eine Förderanordnung zum Transportieren des Mediums 230. Wenn auf das Medium 230 aufgezeichnet wurde, wird dasselbe auf eine Medienausgabeablage 220 ausgestoßen.
6A stellt eine einzige Mehrdichtepegelmaske 140 dar; diese wird verwendet, um die Mündungsöffnung 42 bei einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zu bilden. Der undurchlässige Bereich 142 wird verwendet, um die Form und Fläche der Mündungsöffnung 42 zu definieren. Ein partiell undurchlässiger Bereich 144 wird verwendet, um die Form und Fläche der Fluidwanne zu definieren. Ein nicht undurchlässiger Bereich 146 ist im Wesentlichen transparent für die elektromagnetische Energie und dieser Bereich der Maske definiert diese Bereiche der oberen Öffnungsschicht 34 und der unteren Öffnungsschicht 35, die vernetzt werden und nicht entfernt werden, wenn dieselben entwickelt sind. Die Form des undurchlässigen Bereichs 142 stimmt mit der geometrischen Form des partiell undurchlässigen Bereichs 144 überein, um den Entwicklungsprozess zu optimieren.
6B stellt das bevorzugte Ausführungsbeispiel der einzigen Mehrdichtepegelmaske 150 dar, bei der die geometrische Form des undurchlässigen Bereichs 152 von der geometrischen Form des partiell undurchlässigen Bereichs 154 unterschiedlich ist. Diese Technik ist aufgrund des Direktbilderzeugungsverfahrens zulässig, die eine getrennte Definition der Fluidwannenform und der Mündungsöffnungsform ermöglicht. Diese Technik ermöglich einen optimalen Entwurf der Fluidwanne, um schnelle Nachfüllraten, einen Blasenrückstoßprozentsatz und eine maximale Dichte von mehreren Öffnungen an einem Druckkopf zu ermöglichen. Wenn ein Fluidtropfen aus einer Öffnung ausgestoßen wird, weist der Tropfen eine Hauptkörperform und ein nachlaufendes Ende auf, die kombiniert das Tropfenvolumen bilden. Das Direktbilderzeugungsverfahren ermöglicht den optimalen Entwurf der Mündungsöffnung 42, um das ordnungsgemäße, ausgestoßene Fluidvolumen, den Entwurf des Endes des ausgestoßenen Fluids und die Form des Fluids, wenn dasselbe aus der Öffnung austritt, zu liefern, was ein Minimieren eines Aufreißens des Fluids auf dem Flugweg desselben zu dem Medium ermöglicht. Der nicht undurchlässige Bereich 156 ist im Wesentlichen transparent für die elektromagnetische Energie und dieser Bereich der Maske definiert diese Bereiche der oberen Öffnungsschicht 34 und der untern Öffnungsschicht 35, die vernetzt werden und nicht entfernt werden, wenn dieselben entwickelt sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel würde eine exemplarische Maske für den nicht undurchlässigen Bereich 156 eine Durchlässigkeit von im Wesentlichen 100% aufweisen, für den partiell undurchlässigen Bereich 154 beträgt eine Durchlässigkeit im Wesentlichen 20% und für den undurchlässigen Bereich 152 beträgt die Durchlässigkeit im Wesentlichen 0%.
Die Fähigkeit, unterschiedliche Formen aufzuweisen, ermöglicht, dass die Fluidzufuhrschlitze 30 weiter weg von dem Energiedissipationselement 32 platziert werden, um die Möglichkeit eines Schluckens des Rückstoßes der Blase zu reduzieren, wobei so eine Luftinjektion durch die Öffnung hinein begrenzt ist.
Aufgrund der Fähigkeit, die Dicke sowohl der unteren Öffnungsschicht 35 als auch der oberen Öffnungsschicht 34 mit der Fähigkeit zu steuern, die einzelnen Formen der Fluidwanne und der Mündungsöffnung zu steuern, kann ferner ein allgemeiner Entwurf für eine Öffnungsarchitektur erzielt werden.
7A stellt die obere Ansicht der bevorzugten Öffnungsarchitektur dar. Eine Mündungsöffnung 174 ist eine kreisförmige Form und eine Fluidwanne 172 ist von einer rechteckigen Form. 7B stellt die Seitenansicht der Öffnung dar, wie durch die BB-Perspektive von 7A zu sehen. Die obere Öffnungsschicht 168 weist eine obere Öffnungshöhe 162 auf, die zusammen mit der Fläche der Mündungsöffnung 174 das Volumen der Öffnungskammer 176 bestimmt. Die untere Öffnungsschicht 170 weist eine untere Öffnungshöhe 164 auf, die zusammen mit der Fläche der Fluidwanne 172 das Volumen der Fluidwannenkammer 180 bestimmt. Die Gesamtöffnungshöhe 166 ist die Summe von sowohl der oberen Öffnungshöhe 162 als auch der unteren Öffnungshöhe 164. Das Verhältnis der unteren Öffnungshöhe 164 zu der oberen Öffnungshöhe 162 definiert einen kritischen Parameter, das Höhenverhältnis, wobei: Höhenverhältnis = untere_Öffnungshöhe/obere_Öffnungshöhe.
Dieses Höhenverhältnis steuert sowohl das Überschießvolumen des ausgestoßenen Tropfens bezogen auf die Länge des nachlaufenden Endes desselben als auch die Nachfüllzeit, die Zeit, die zum Nachfüllen der Öffnung mit einem Fluid nach einem Fluidausstoß erforderlich ist.
8 ist ein Graph, der die Wirkung des Höhenverhältnisses gegenüber der Nachfüllzeit sowie des Höhenverhältnisses gegenüber des Überschießvolumens für einen exemplarischen Öffnungsdurchmesser von 16 μm und eine Fluidwannenlänge von 42 μm und einer Breite von 20 μm darstellt. Ein Verwenden dieses Graphen würde ermöglichen, dass der Entwickler eines Druckkopfs die Schichtdicke für eine erwünschte Form eines ausgestoßenen Tropfens wählen kann.
9A bis 9E stellen die Schritte eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung dar, das eine einzige Schicht eines langsam vernetzenden Polymers verwendet und eine Unterbelichtung und eine Überbelichtung einer elektromagnetischen Energie für das langsam vernetzende Polymermaterial als ein Verfahren, um die getrennten Schichten zu bilden, einsetzt.
9A stellt ein verarbeitetes Halbleitersubstrat 20 dar, auf das ein Stapel von Dünnfilmschichten 50 aufgebracht ist, die das Energiedissipationselement 32 und die Tintenzufuhrschlitze 30 enthalten.
9B stellt die Aufbringung einer Schicht eines langsam vernetzenden Materials 34 an dem Stapel von Dünnfilmschichten 50 und ein Füllen der Tintenzufuhrschlitze 30 dar.
9C stellt die Belichtung der Schicht eines langsam vernetzenden Polymers 34 mit einer niedrigen Dosierung einer elektromagnetischen Energie 12, um die Mündungsöffnung zu definieren, dar. Die Belichtungsdosierung ist gerade genug, um das langsam vernetzende Polymer unterzubelichten und zu einer erwünschten Tiefe zu vernetzen. Eine exemplarische Belichtung wäre 60,3 mJoule.
9D stellt die Belichtung der Schicht eines langsam vernetzten Polymers 34 mit einer hohen Dosierung dar, die ausreichend ist, um die ganze Schicht des langsam vernetzenden Polymers 34 mit einer hohen Dosierung, die ausreichend ist, um die ganze Schicht eines langsam vernetzenden Polymers 34 zu vernetzen, außer dort überzubelichten und zu vernetzen, wo die Fluidwannenkammer existieren soll. Eine exemplarische Belichtung wäre 300 mJoule.
9E stellt einen anderen Prozessschritt als den dar, der bei 9C und 9D verwendet wird, der eine einzige Maske verwendet, die Mehrdichtepegel aufweist, um zu ermöglichen, dass unterschiedliche Dosierungen einer elektromag netischen Energie zu der Schicht eines langsam vernetzenden Polymers 34 belichtet werden. Diese Technik liefert eine Präzisionsausrichtung der Mündungsöffnung 42 und der Fluidwannenkammer 43, während ferner die Anzahl von Prozessschritten reduziert wird.
9F stellt den Entwicklungsprozess dar, bei dem das nicht vernetzte Material von der Fluidwannenkammer und der Öffnungskammer entfernt wird. Die Öffnungskammer weist aufgrund einer geringeren Vernetzung eines Materials in der Tiefe der Schicht eines langsam vernetzenden Polymers 34, da der Farbstoff oder ein anderes Material, das hineingemischt ist, die elektromagnetische Energie dämpft, wenn dieselbe eindringt, eine etwas einspringende Verjüngung auf.
9G stellt das fertiggestellte Ergebnis nach dem Rückseiten-TMAH-Ätzprozess, um den Fluidzufuhrkanal 44 zu erzeugen, der sich in die Fluidzufuhrschlitze 30 öffnet, dar.
10A bis 10E stellen Ergebnisse der Prozessschritte dar, die verwendet werden, um die Mehrdichtepegelmaske zu erzeugen, die bei den Einzelmaskenfertigungsprozessen verwendet werden, um die Löcher in der Öffnungsschicht herzustellen.
10A stellt ein Quarzsubstrat 200 dar, das für die elektromagnetische Energie transparent ist, die verwendet wird, um das photobelichtbare Polymer zu belichten, das verwendet wird, um die Öffnungsschichten zu erzeugen. Das Quarzsubstrat 200 muss eine geeignete optische Güte aufweisen.
10B stellt das Quarzsubstrat 200 mit einer Schicht eines halbtransparenten, dielektrischen Materials 210 dar, die an demselben aufgebracht ist. Ein derartiges exemplarisches Material ist Eisenoxid (FeO₂). An der Schicht eines halbtransparenten, dielektrischen Materials 210 ist eine Schicht eines undurchlässigen Materials 220 aufgebracht, wobei ein exemplarisches Material Chrom ist. Sowohl FeO₂ als auch Chrom können unter Verwendung eines herkömmlichen Elektronenstrahlverdampfers aufgebracht werden. Eine Schicht eines negativ wirkenden Photoresists wird an der Schicht eines undurchlässigen Materials 220 aufgebracht, einer elektromagnetischen Energie ausgesetzt und entwickelt, um einen Photoresistbereich 230 zu lassen, der die Form und Größe der Fluidwannenkammer definiert.
10C stellt das Ergebnis dar, nachdem das Quarzsubstrat 200 herkömmlich geätzt wurde. Wenn das undurchlässige Material 220 aus Chrom gebildet ist, dann ist ein exemplarischer Ätzprozess ein standardmäßiges KTI-Chromätzbad. Das Quarzsubstrat 200 wird dann einem anderen herkömmlichen Ätzprozess unterzogen, um das halbtransparente, dielektrische Material 210 zu entfernen, wobei eine halbtransparente Schicht 212 gebildet wird. Wenn FeO₂ für das halbtransparente, dielektrische Material 210 verwendet wird, ist ein exemplarischer Ätzprozess eine Plasmaätzung unter Verwendung eines SF6- oder CF4-Plasmas. Das verbleibende Photoresist 230 wird dann abgestreift.
In 10D wird dann eine andere Schicht eines Photoresists auf das Quarzsubstrat 200 aufgebracht, belichtet, um die Mündungsöffnungsform und -fläche zu definieren, und dann entwickelt, um ein Öffnungsmuster 240 zu erzeugen.
10E stellt das Ergebnis dar, nachdem das Quarzsubstrat 200 bei einer Ätzung verarbeitet ist, um die undurchlässige Schicht 222 zu entfernen, wo das Öffnungsmuster 242 nicht positioniert ist, wodurch das Mündungsöffnungsmuster 224 der undurchlässigen Schicht erzeugt wird. Für ein undurchlässiges Material, das Chrom ist, ist ein exemplarischer Ätzprozess eine nasschemische Ätzung, so dass die halbtransparente, dielektrische Schicht 212 bei dem Ätzprozess nicht angegriffen wird.
Der Direktbilderzeugungspolymeröffnungsprozess ist einfach, kostengünstig, verwendet eine existierende Ausrüstung und ist kompatibel zu einer aktuellen Thermofluidstrahltechnologie. Derselbe liefert eine Entwurfsflexibilität und eine eng bemessene Öffnungsabmessungssteuerung bei einem Ermöglichen einer unabhängigen Steuerung der Öffnungs- und Fluidwannengeometrie. Ein Mehrdichtepegelmaskenentwurf ermöglicht ein Verwenden einer einzigen Belichtung, um eine inhärente Ausrichtung der Öffnung und der Fluidwanne zu liefern, um Ausbeuten und eine Konsistenz zu verbessern.
Während unterschiedliche einspringende Öffnungsformen gezeigt wurden, sind andere einspringende Formen unter Verwendung der zuvor erwähnten Technik möglich und fallen in die Wesensart und den Schutzbereich der Erfindung.
Die Erfindung spricht den Bedarf einer enger bemessenen Fluidstrahl-Richtungssteuerung und eines kleineren Tropfenvolumens für eine feinere Auflösung an, die für ein lebendiges, klares fotografisches Drucken erforderlich ist. Zusätzlich vereinfacht die Erfindung ein Herstellen des Druckkopfs, was die Produktionskosten senkt, hochvolumige Laufraten ermöglicht und die Qualität, Zuverlässigkeit und Konsistenz der Druckköpfe erhöht. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel und die alternativen Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, dass eindeutige Öffnungsformen erzeugt werden können, um zusätzliche Belange anzusprechen oder um unterschiedliche Eigenschaften des Fluids, das aus dem Druckkopf ausgeworfen wird, auszunutzen.

Claims

Ein Verfahren zum Aufbauen eines Fluidstrahldruckkopfs, der ein Halbleitersubstrat (20) aufweist, das eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, die einen Fluidzufuhrschlitz (30) aufweist, der sich durch das Halbleitersubstrat (20) erstreckt und mit einem Fluidzufuhrkanal (44) an der zweiten Oberfläche gekoppelt ist, das folgende Schritte aufweist: Aufbringen einer Schicht eines relativ langsam vernetzenden Polymers (35) an der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats (20); Aufbringen einer Schicht eines relativ schnell vernetzenden Polymers (34) an der aufgebrachten Schicht eines relativ langsam vernetzenden Polymers (35); Aussetzen des relativ schnell vernetzenden Polymers (34) und des relativ langsam vernetzenden Polymers (35) einer relativ hohen Dosierung einer strukturierten elektromagnetischen Energie, die ausreichend ist, um so das relativ schnell vernetzende Polymer (34) als auch das relativ langsam vernetzende Polymer (35) zu vernetzen, um eine strukturierte Fluidwanne (43) zu erzeugen; Aussetzen des relativ schnell vernetzenden Polymers (34) und des relativ langsam vernetzenden Polymers (35) einer relativ niedrigen Dosierung einer strukturierten elektromagnetischen Energie, die ausreichend ist, um das relativ schnell vernetzende Polymer (34) aber nicht das relativ langsam vernetzende Polymer (35) zu vernetzen, um eine strukturierte Öffnung (42) zu erzeugen; und Entwickeln der strukturierten Fluidwanne (43) und der strukturierten Öffnung (42).
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das relativ langsam vernetzende Material (35) gesonderte Schichten eines photobelichtbaren Polymers und optischer Farbstoffe, Mischungen eines photobelichtbaren Polymers und optischer Farbstoffe oder ein photobelichtbares Polymer aufweist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem das photobelichtbare Polymer ein photobelichtbares Epoxyd ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Schicht eines relativ langsam vernetzenden Materials (35) 8 bis 34 Mikrometer dick ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das relativ schnell vernetzende Polymer (34) und das relativ langsam vernetzende Polymer (35) der relativ hohen Dosierung einer strukturierten elektromagnetischen Energie und der relativ niedrigen Dosierung einer strukturierten elektromagnetischen Energie durch eine Mehrdichtepegelmaske ausgesetzt werden.