DE4031192C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Funktionsbaustein, insbesondere zur Bildung eines Thermodruckerkopfes oder Tintendruckerkopfes, mit einem einzigen Substrat aus einem einkristallinen Silizium, das mehrere in einer Zeile nebeneinander angeordnete, elektrisch aktivierbare Elemente und eine elektrische Ansteueranordnung auf die Elemente in integrierter Form aufweist.

Ein bekannter Funktionsbaustein dieser Art ist in der DE 39 06 484 A1 beschrieben. Der bekannte Funktionsbaustein stellt einen Thermodruckerkopf dar, bei dem auf einem einkristallinen Silizium-Substrat eine Anzahl von Heizelementen aufgebracht ist. In das Siliziumsubstrat sind bei dem bekannten Funktionsbaustein elektronische Elemente einer elektrischen Ansteueranordnung integriert, bei den es sich um MOSFET-Transistoren handelt.

In der EP 02 26 451 A2 wird ein Funktionsbaustein beschrieben, der aus einem einkristallinen Silizium-Wafer herausgetrennt wird. Um ein präzises Heraustrennen ohne Beeinflussung der seitlichen Grenzflächen des Funktionsbausteins zu gewährleisten, werden zuvor auf die (110)-Oberfläche des Siliziums durch orientierungsabhängiges Ätzen Markierungen aufgebracht, entlang derer in einem nachfolgenden Trennvorgang die in ihrer Lage damit vorab festgelegten Grenzflächen gebildet werden. Diese Technik dient somit zur exakten Ausrichtung von Funktionsbausteinen.

Die Bausteine in integrierter Technik aus Silizium werden in der Regel aus sogenannten Wafern herausgetrennt, bei denen es sich um Silizium-Scheiben handelt; dies gilt auch für den aus der DE 39 06 484 A1 bekannten Thermodruckerkopf. Derartige Wafer haben Abmessungen, die unterhalb der Breite einer DIN- A4-Seite liegen, so daß der bekannte Thermodruckerkopf nicht ohne weiteres als ein Zeilendruckkopf verwendet werden kann, der sich über die gesamte Breite einer zu bedruckenden Seite erstreckt. Der bekannte Thermodruckerkopf ist daher nur zum Einsatz in sogenannten seriellen Druckern geeignet, bei denen der Druckkopf unter Drucken einzelner Zeilen quer über die Seite bewegt wird.

Nicht nur bei der Herstellung von Thermodruckerköpfen, sondern auch zur Gewinnung von Leuchtdioden-Zeilen oder Scanner-Zeilen in integrierter Silizium-Technik besteht somit eine Beschränkung in der Länge, so daß man bisher - wie beispielsweise die DE 38 26 396 A1 zeigt - bei der Herstellung von kammartigen Funktionsbausteinen relativ großer Länge auf die Verwendung von Substraten aus Al₂O₃ zurückgegriffen hat. Die Herstellung derartiger Funktionsbausteine ist aber relativ aufwendig, weil auf ihnen die aktivierbaren Elemente beispielsweise in Dünnfilmtechnik und die elektrische Ansteueranordnung in Form von separaten Chips aufgebracht werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kammartigen Funktionsbaustein mit einem einzigen Substrat aus einem einkristallinen Silizium vorzuschlagen, der sich zusammen mit gleichartigen Funktionsbausteinen exakt zu einem kammartigen Funktionskörper ausrichten läßt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Funktionsbaustein der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß in das Substrat parallel zur Zeile der aktivierbaren Elemente eine V-förmige Nut in anisotroper Ätztechnik in eine Oberfläche des Substrats eingebracht, die in der (100)-Ebene des einkristallinen Siliziums liegt; in die Nut ist ein Rundstab derart eingelegt, daß er in Richtung der Zeile der aktivierbaren Elemente über der Seitenfläche des Funktionsbausteins hervorsteht, so daß bei der Ausrichtung mindestens eines weiteren gleichartigen Funktionsbausteins zu dem einen Funktionsbaustein bei der Bildung eines kammartigen Funktionskörpers mit mehreren Funktionsbausteinen der Rundstab in eine V-förmige Nut des mindestens einen weiteren Funktionsbausteins eingreift.

Der wesentliche Vorteil besteht dabei darin, daß mit ihm aufgrund der in seinem Substrat vorgesehenen V-förmigen Nut und des Rundstabes die Möglichkeit gegeben ist, mehrere gleiche Funktionsbausteine zu einem relativ langen kammartigen Funktionskörper konstruktiv zusammenzufassen, wobei durch den in die V-förmigen Nuten eingelegten Rundstab eine exakte Ausrichtung der einzelnen kammartigen Funktionsbausteine zueinander gewährleistet ist, da sich die V-förmigen Nuten wegen der genauen Plazierbarkeit der entsprechenden Ätz-Masken sehr ortsgenau anlegen lassen. Sind die aktivierbaren Elemente in Anlehnung an die V-förmigen Nuten aufgebracht, dann liegen die aktivierbaren Elemente mehrerer zu einem Funktionskörper zusammengefaßter Funktionsbausteine exakt in einer Reihe, was bei vielen Anwendungsfällen, wie beispiels­ weise Leuchtdiodenkämmen oder relativ langen Druckerköpfen für Drucker unbedingt erforderlich ist. Ein weiterer Vorteil des Funktionsbausteins wird in der Möglichkeit gesehen, nur die tatsächlich brauchbaren Teile eines Wafers als Funktionsbausteine zur Bildung eines Funktionskörpers heran­ zuziehen. Die Prozeßausbeute ist dadurch erheblich vergrößert.

Bei vielen Anwendungsfällen des Funktionsbausteins ist es notwendig, bei einem aus mehreren dieser Funktionsbausteine gebildeten Funktionskörper die Abstände der aktivierbaren Elemente voneinander über die gesamte Länge konstant zu halten. Demzufolge ist es erfor­ derlich, der Bearbeitung der Seitenflächen des Funktionsbau­ steins bzw. des Substrats besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Dazu ist der Funktionsbaustein an seinen Seitenflächen vorteilhafterweise feingeschliffen.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Funktionsbausteins sind dann, wenn er einen Teil eines Thermo­ druckerkopfes bildet, die aktivierbaren Elemente Heizelemente, die auf dem Substrat aufgebracht sind. Durch Zusammenfügen mehrerer Funktionsbausteine mit derartigen aktivierbaren Elementen läßt sich demzufolge ein Thermodruckerkopf mit einer der Breite einer DIN-A4-Seite entsprechenden Länge herstellen.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn bei einem einen Teil eines Tintendruckerkopfes bildenden Funktionsbaustein die aktivierbaren Elemente Heizelemente im Bereich von Tintenka­ nälen sind und die Tintenkanäle durch anisotropes Ätzen des Substrats von einer Außenfläche her und durch anschließendes Abdecken mit einer Platte gebildet sind.

Das Herstellen der erfindungsgemäßen kammartigen Funktionsbau­ steine kann in unterschiedlicher Weise erfolgen. Einer wirt­ schaftlichen Fertigung wegen ist es aber vorteilhaft, wenn auf dem bereits die Ansteueranordnung in integrierter Form enthaltenden, auf einem Silizium-Wafer mit weiteren gleichartigen Substraten befindlichen Substrat die V-förmige Nut und unter rechtem Winkel dazu verlaufend ein V-förmiger Graben gebildet werden, und auf die Substrate des Silizium-Wafers jeweils die elektrisch aktivierbaren Elemente aufgebracht werden und anschließend ein oder mehrere Substrate enthaltende Teile aus den Silizium-Wafer herausgetrennt werden. Damit ist es auch möglich, die aktivierbaren Elemente unter Ausrichtung an der V-förmigen Nut genau parallel dazu anzuordnen.

Vorteilhaft ist es ferner, wenn mehrere Sub­ strate hintereinander in eine Spannvorrichtung aus hinter­ einander angeordneten Hilfsplatten mit rechteckförmigen Ausnehmungen derart angeordnet werden, daß die V-förmigen Nuten mit V-förmigen Ausrichtnuten auf den Hilfsplatten und die V-förmigen Gräben mit V-förmigen Ausrichtgräben auf den Hilfsplatten fluchten; anschließend werden in die V-förmigen Nuten und in die V-förmigen Ausrichtnuten Rundelemente und in die V-förmigen Gräben und die V-förmigen Ausrichtgräben weitere Rundelemente eingelegt und danach die Hilfsplatten mit dem Substrat in einer Bearbeitungseinheit zusammengefaßt; schließ­ lich werden alle Substrate der Bearbeitungseinheit in einem Arbeitsgang an ihrer jeweils einen Seitenfläche feinge­ schliffen.

Das Zusammenfassen der Hilfsplatten mit den Substraten zu einer Bearbeitungseinheit kann in unterschiedlicher Weise erfolgen; z. B. indem die Hilfsplatten und die Substrate unter Zwischenlegen von flexiblen Abstandshaltern zur Bearbeitungseinheit zusammengespannt werden.

Um eine mechanisch besonders stabile Bearbeitungseinheit zu gewinnen, ist es zweckmäßig, zwischen den Hilfsplatten und den Substraten eine chemisch oder thermisch entfernbare, mechanisch stabilisierende Vergußmasse einzubringen.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Funktionsbausteins, in

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung von zwei gegeneinander ausgerichteten Funktionsbausteinen in schematischer Darstellung und in

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer Bearbeitungseinheit zur Herstellung erfindungsgemäßer Funktionsbausteine ebenfalls in perspektivischer Darstellung wiedergegeben.

Die Fig. 1 zeigt einen Funktionsbaustein 1 aus einem einkristallinen Silizium-Substrat 2, der in integrierter Form im Bereich 3 eine im einzelnen nicht dargestellte Ansteueranordnung enthält. Auf dem Substrat 2 sind in Dünnfilmtechnik einzelne Leiterbahnen 4 aufgebracht, die von der Ansteueranordnung zu aktivierbaren Elementen in Form von Heizelementen 5 führen, die ebenfalls auf dem Substrat 2 aufgebracht sind. Auf dem Substrat 2 befinden sich außerdem Anschlußpunkte 6, an die in der Fig. 1 nicht gezeigte äußere Anschlußleitungen geführt sind.

Wie Fig. 1 ebenfalls zeigt, ist in das Substrat 2 eine V-förmige Nut 7 eingebracht, die sich von einer Seitenfläche 8 bis zur anderen Seitenfläche 9 des Substrats 2 erstreckt. Die V-förmige Nut 7 ist durch anisotropes Ätzen gebildet, wozu in bekannter Weise Voraussetzung ist, daß die in der Zeichenebene liegende Oberfläche des Substrats 2 mit der (100)-Ebene des einkristallinen Siliziums übereinstimmt. Außerdem ist von derselben Oberfläche des Substrats 2 ein V-förmiger Graben 10 in das Silizium-Substrat 2 eingebracht; dieser Graben 10 erstreckt sich von einer in der Fig. 1 unteren Kante 11 bis über die Mitte des Substrats 2.

Wie die Fig. 2 zeigt, in der schematisch zwei kammartige Funktionsbausteine 1 in einer Ausführung nach Fig. 1 aneinander anstoßend dargestellt sind, wird die V-förmige Nut 7 in den beiden aneinandergrenzenden Funktionsbausteinen 1 zur Aufnahme eines Rundstabes 12 benutzt, um eine exakte Ausrichtung der beiden Funktionsbausteine 1 bei der Gewinnung eines zusammenhängenden, größeren Funktionskörpers (z. B. Thermodruckerkopfes) 13 zu erzielen. Die Ausrichtung läßt sich dabei sehr genau vornehmen, da sich die V-förmigen Nuten 7 infolge fotolithographischer Aufbringung der entsprechenden Masken sehr genau und übereinstimmend über eine Vielzahl von Funktionsbausteinen plazieren lassen.

Es ist selbstverständlich, daß zur Bildung eines größeren Funktionskörpers (z. B. eines Thermodruckerkopfes) relativ großer Länge auch mehr als zwei Funktionsbausteine aneinandergefügt werden können, wobei dann zur Ausrichtung zweckmäßigerweise ein entsprechend langer Rundstab dient. Der Rundstab kann aus rundem Fasermaterial bestehen.

Nicht nur bei dem dargestellten Fall eines Thermodruckerkopfes, sondern auch bei anderen Funktionskörpern ist es von Bedeutung, daß die Funktionsbausteine an ihren Seitenflächen 8 und 9 genau im rechten Winkel zu der V-förmigen Nut verlaufen, damit sich die einzelnen Funktionsbausteine dicht aneinanderfügen lassen, so daß der Abstand zwischen den einzelnen aktivierbaren Elementen bzw. Heizelementen auch im Bereich der Stoßstelle von zwei Funktionsbausteinen dem üblichen Abstand zwischen den einzelnen Elemente auf den Funktionsbausteinen entspricht. Um dies auf wirtschaftliche Weise zu erreichen, wird - wie Fig. 3 zeigt - aus mehreren Substraten bzw. Funktionsbausteinen 1 eine Bearbeitungseinheit unter Verwendung von Hilfsplatten 15 gebildet. Jede dieser Hilfsplatten 15 ist etwa L-förmig ausgebildet, weist also eine rechteckförmige Ausnehmung 16 auf, in die jeweils ein Funktionsbaustein 1 eingebracht ist. Jede Hilfsplatte 15 ist mit einer V-förmigen Ausrichtnut 17 sowie mit einem V-förmigen Ausrichtgraben 18 versehen, wobei dafür gesorgt, daß sich die Achsen der Ausrichtnut 17 und des Ausrichtgrabens 18 im rechten Winkel schneiden. Mittels der Ausrichtnuten 17 und der Ausrichtgräben 18 auf den Hilfsplatten 15 wird unter Verwendung von Rundelementen 19 und weiteren Rundelementen 20 eine exakte Ausrichtung der Funktionsbausteine 1 in bezug auf die Hilfsplatten 15 erreicht. Sowohl zwischen den Hilfsplatten 15 als auch zwischen den aufeinanderfolgenden Funktionsbausteinen 1 sind flexible Abstandshalter 21 vorgesehen. Außerdem ist an den Seiten der Hilfsplatten 15 jeweils eine V-förmige Ausnehmung 22 vorgesehen, über die mittels eines weiteren (nicht dargestellten) Rundteiles eine Ausrichtung der einzelnen Hilfsplatten 15 zueinander bewirkt wird. Nachdem die Anordnung nach Fig. 3 soweit aufgebaut ist, erfolgt mittels einer Spannvorrichtung das Zusammenfügen zu einer Bearbeitungseinheit, die es ermöglicht, eine Reihe von Substraten 1 an ihrer Seitenfläche 8 bzw. 9 gemeinsam feinzuschleifen, wodurch die exakt rechtwinklige Ausrichtung der Seitenflächen 8 und 9 der einzelnen Funktionsbausteine zur V-förmigen Nut 7 erreicht ist.

Sollte es im Hinblick auf die Güte des die einzelnen Substrate enthaltenden Silizium-Wafers möglich sein, mehrere der in der Fig. 1 dargestellten Funktionsbausteine übereinanderliegend gemeinsam aus dem Silizium-Wafer herauszutrennen, dann ist die Anordnung nach Fig. 3 entsprechend abzuändern, indem dann die Hilfsplatten entsprechend groß auszuführen sind und der V-förmige Graben auf der Unterseite der einzelnen Funktionsbausteine durchgehend auszubilden ist, so daß dann von einem Rundelement die Gräben mehrerer Funktionsbausteine zu den V-förmigen Ausrichtgraben ausgerichtet werden können.

Selbstverständlich können bei der Anordnung nach Fig. 3 zu einer Bearbeitungseinheit auch jeweils gleich große Teile aus dem Silizium-Wafer zusammengefaßt werden, die nebeneinander - bzw. in der Fig. 3 übereinander - mehrere Substrate bzw. Funktionsbausteine 1 enthalten.

Claims (8)

1. Funktionsbaustein (1), insbesondere zur Bildung eines Thermodruckerkopfes oder Tintendruckerkopfes, mit einem einzigen Substrat (2) aus einem einkristallinen Silizium, das mehrere in einer Zeile nebeneinander angeordnete, elektrisch aktivierbare Elemente (5) und eine elektrische Ansteueranordnung für die Elemente (5) in integrierter Form aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in das Substrat (2) parallel zur Zeile der aktivierbaren Elemente (5) eine V-förmige Nut (7) in anisotroper Ätztechnik in eine Oberfläche des Substrats (2) eingebracht ist, die in der (100)-Ebene des einkristallinen Siliziums liegt, und daß in die Nut (7) ein Rundstab (12) derart eingelegt ist, daß er in Richtung der Zeile der aktivierbaren Elemente (5) über der Seitenfläche (8, 9) des Funktionsbausteines (1) hervorsteht, so daß bei der Ausrichtung mindestens eines weiteren gleichartigen Funktionsbausteines zu dem einen Funktionsbaustein bei der Bildung eines kammartigen Funktionskörpers (13) mit mehreren Funktionsbausteinen (1) der Rundstab (12) in die V-förmige Nut (7) des mindestens einen weiteren Funktionsbausteins eingreift.

2. Funktionsbaustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er an seinen Seitenflächen (8, 9) feingeschliffen ist.

3. Funktionsbaustein nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem einen Teil eines Thermodruckerkopfes bildenden Funktionsbaustein (1) die aktivierbaren Elemente Heizelemente (5) sind, die auf dem Substrat (2) aufgebracht sind.

4. Funktionsbaustein nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem einen Teil eines Tintendruckerkopfes bildenden Funktionsbausteins die aktivierbaren Elemente Heizelemente im Bereich von Tintenkanälen sind und daß die Tintenkanäle durch anisotropes Ätzen des Substrats von einer Außenfläche her und durch anschließendes Abdecken mit einer Platte gebildet sind.

5. Verfahren zum Herstellen eines Funktionsbausteines nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß auf dem die Ansteueranordnung in integrierter Form enthaltenden, auf einem Silizium-Wafer mit weiteren gleich­ artigen Substraten befindlichen Substrat die V-förmige Nut (7) und unter rechtem Winkel dazu verlaufend ein V-förmiger Graben (10) gebildet werden,
daß auf die Substrate des Silizium-Wafers jeweils die elektrisch aktivierbaren Elemente aufgebracht werden und
daß anschließend ein oder mehrere Substrate enthaltende Teile aus den Silizium-Wafer herausgetrennt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere einzelne Substrate (2) hintereinander in eine Spannvorrichtung aus hintereinander angeordneten Hilfsplatten (15) mit rechteckförmigen Ausnehmungen (16) derart angeordnet werden, daß die V-förmigen Nuten (7) mit V-förmigen Aus­ richtnuten (17) auf den Hilfsplatten (15) und die V-förmigen Gräben (10) mit V-förmigen Ausrichtgräben (18) auf den Hilfs­ platten (15) fluchten,
daß in die V-förmigen Nuten (7) und in die V-förmigen Ausrichtnuten (17) Rundelemente (19) und in die V-förmigen Gräben (10) und die V-förmigen Ausrichtgräben (18) weitere Rundelemente (20) eingelegt werden,
daß die Hilfsplatten (15) mit den Substraten (2) in einer Be­ arbeitungseinheit zusammengefaßt werden und
daß alle Substrate (2) der Bearbeitungseinheit in einem Arbeitsgang an ihrer jeweils einen Seitenfläche (8, 9) feinge­ schliffen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsplatten (15) und die Substrate (2) unter Zwischen­ legen von flexiblen Abstandshaltern (21) zur Bearbeitungs­ einheit zusammengespannt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Bearbeitungseinheit zwischen den Hilfs­ platten und den Substraten eine chemisch oder thermisch ent­ fernbare, mechanisch stabilisierende Vergußmasse eingebracht wird.