DE69809014T2

DE69809014T2 - Verbesserter Tintenstrahldruckkopf und dessen Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69809014T2
Application number: DE69809014T
Authority: DE
Inventors: Ali Emamjomeh; Brian J. Keefe; Roger J. Kolodziej; Harold Lee Van Nice; Michael J. Regan
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1997-08-28
Filing date: 1998-08-25
Publication date: 2003-06-26
Anticipated expiration: 2018-08-26
Also published as: EP0906828A3; US7048359B2; KR100546920B1; EP0906828A2; DE69809014D1; US20030210302A1; EP0906828B1; KR19990023939A; US6659596B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Druckkopf für Tintenstrahldrucker und insbesondere auf einen Druckkopf, der eine verbesserte Adhäsion zwischen einem Substrat und einer Barriereschicht aufweist.

Hintergrund der Erfindung

Die Technik des Tintenstrahldruckens ist relativ gut entwickelt. Kommerzielle Produkte, wie z. B. Computerdrucker, Graphikplotter und Faxgeräte, werden mit einer Tintenstrahltechnologie zum Erzeugen gedruckter Medien implementiert. Die Beiträge der Hewlett-Packard Company zu der Tintenstrahltechnologie sind z. B. in verschiedenen Artikeln in dem Hewlett-Packard Journal, Bd. 36, Nr. 5 (Mai 1985); Bd. 39, Nr. 5 (Oktober 1988); Bd. 43, Nr. 4 (August 1992); Bd. 43, Nr. 6 (Dezember 1992) und Bd. 45, Nr. 1 (Februar 1994) beschrieben.
Allgemein wird ein Tintenstrahlbild erzeugt, wenn ein genaues Muster von Punkten von einer tropfenerzeugenden Vorrichtung, die als ein "Druckkopf" bekannt ist, auf ein Druckmedium ausgestoßen wird. Üblicherweise wird ein Tintenstrahldruckkopf auf einem bewegbaren Wagen getragen, der sich über die Oberfläche des Druckmediums hin- und herbewegt, und wird gesteuert, um Tintentropfen zu geeigneten Zeiten nach einem Befehl eines Mikrocomputers oder einer anderen Steuerung auszustoßen, wobei die Zeitgebung des Aufbringens der Tintentropfen einem Muster von Pixeln des Bildes, das gedruckt wird, entsprechen soll.
Ein typischer Hewlett-Packard-Tintenstrahldruckkopf umfaßt ein Array von präzise gebildeten Düsen in einer Öffnungsplatte, die an einem Dünnfilmsubstrat angebracht ist, das Tintenabfeuerungsheizwiderstände und Vorrichtungen zum Aktivieren der Widerstände implementiert. Die Tintenbarriereschicht definiert Tintenkanäle, die Tintenkammern umfassen, die über zugeordneten Tintenabfeuerungswiderständen angeordnet sind, wobei die Düsen in der Öffnungsplatte mit zugeordneten Tintenkammern ausgerichtet sind. Tintentropfenerzeugerregionen sind durch die Tintenkammern und Abschnitte des Dünnfilmsubstrats an der Öffnungsplatte gebildet, die benachbart zu den Tintenkammern sind.
Das Dünnfilmsubstrat umfaßt üblicherweise ein Substrat, wie z. B. Silizium, auf dem verschiedene Dünnfilmschichten gebildet sind, die Dünnfilmtintenabfeuerungswiderstände, eine Einrichtung zum Aktivieren der Widerstände und außerdem Verbindungen zum Verbinden von Anschlußflächen umfassen, die für externe elektrische Verbindungen mit dem Druckkopf vorgesehen sind. Das Dünnfilmsubstrat umfaßt insbesondere eine obere Dünnfilmschicht aus Tantal, die über den Widerständen als eine thermomechanische Passivierungsschicht angeordnet ist.
Die Tintenbarriereschicht ist üblicherweise ein Polymermaterial, das als ein Trockenfilm an das Dünnfilmsubstrat laminiert ist, und ist entworfen, um lichtdefinierbar und sowohl UV- als auch thermisch härtbar zu sein.
Ein Beispiel einer physischen Anordnung der Öffnungsplatte, der Tintenbarriereschicht und des Dünnfilmsubstrats ist auf Seite 44 des Hewlett-Packard Journal vom Februar 1994, das oben erwähnt ist, dargestellt. Weitere Beispiele von Tintenstrahldruckköpfen sind in den gemeinschaftlich übertragenen U.S.-Patenten Nr. 4,719,477 und 5,317,346 dargelegt.
Betrachtungen bei der zuvor genannten Tintenstrahldruckkopfarchitektur umfassen eine Ablösung der Öffnungsplatte von der Tintenbarriereschicht und eine Ablösung der Tintenbarriereschicht von dem Dünnfilmsubstrat. Eine Ablösung tritt prinzipiell durch eine Umgebungsfeuchtigkeit und die Tinte selbst auf, die in ständigem Kontakt mit den Rändern der Dünnfilmsubstrat/Barriere-Grenzfläche und der Barriere/Öffnungsplatte-Grenzfläche in den Tropfenerzeugerregionen steht.
Während die Barriereadhäsion an Tantal (die Adhäsion, die zwischen der Barriereschicht und der nativen Oxidschicht auftritt, die sich auf der Tantalschicht bildet) sich als ausreichend für Druckköpfe erwiesen hat, die in wegwerfbare Tintenstrahlkassetten eingebaut sind, ist eine Barriereadhäsion an Tantal nicht ausreichend robust für semipermanente Tintenstrahldruckköpfe, die nicht so häufig ersetzt werden. Ferner haben neue Entwicklungen bei der Tintenzusammensetzung zu Formulierungen geführt, die die Grenzfläche zwischen dem Dünnfilmsubstrat und der Barriereschicht sowie die Grenzfläche zwischen der Barriereschicht und der Öffnungsplatte aggressiver ablösen.
Insbesondere tritt ein Lösungsmittel, wie z. B. Wasser, von der Tinte in die Dünnfilmsubstrat/Barriere-Grenzfläche und die Barriere/Öffnungsplatte durch ein Durchdringen des Volumens der Barriere, ein Durchdringen entlang der Barriere und in dem Fall einer Polymeröffnungsplatte durch ein Durchdringen durch das Volumen der Polymeröffnungsplatte ein, was ein Ablösen der Grenzflächen durch einen chemischen Mechanismus, wie z. B. Hydrolyse, bewirkt.
Das Problem bei Tantal als einer Verbindungsoberfläche besteht aufgrund der Tatsache, daß, während die Tantalschicht reines Tantal ist, wenn sie zu Beginn in einer Aufschleudervorrichtung gebildet wird, sich eine Tantaloxidschicht bildet, sobald die Tantalschicht einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre ausgesetzt wird. Die chemische Bindung zwischen einem Oxid und einem Polymerfilm neigt dazu, leicht durch Wasser verschlechtert zu werden, da das Wasser eine Wasserstoffbindung mit dem Oxid bildet, was mit der ursprünglichen Polymer-zu-Oxid-Bindung konkurriert und dieselbe ersetzt, wobei so Tintenformulierungen, insbesondere die aggressiveren, eine Grenzfläche zwischen einem Metalloxid und einer Polymerbarriere ablösen.
So wäre es von Vorteil, einen verbesserten Tintenstrahl druckkopf mit einer verbesserten Adhäsion zwischen dem Dünnfilmsubstrat und der Tintenbarriereschicht zu schaffen.
Die EP-A-0664343 beschreibt thermische Tintenstrahldruckköpfe, die eine Schicht aus einem tintenfesten Fluorpolymerplasma aufweisen, das auf der Oberfläche derselben aufgebracht ist. Wahlweise wird die Adhäsion der plasmaaufgebrachten Fluorpolymerschicht durch ein Beschichten des sauberen Substrats mit einer amorphen Kohlenstoffschicht vor einem Aufbringen des Fluorpolymers verbessert.
Die DE-A-42 35 015 beschreibt die Verwendung einer Adhäsionsförderungsschicht aus β-Silizium-Carbid, um die Adhäsion einer diamantartigen Kohlenstoffschicht an einer Metallschicht zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung liefert einen Dünnfilmdruckkopf mit folgenden Merkmalen: einem Dünnfilmsubstrat, das eine Mehrzahl von Dünnfilmschichten aufweist, die eine Tantal- Passivierungsschicht umfassen; einer Mehrzahl von Tintenabfeuerungsheizwiderständen, die in der Mehrzahl von Dünnfilmschichten definiert sind; einer Polymer-Fluid- Barriereschicht, die aus einem Trockenfilm, der mittels Wärme an das Dünnfilmsubstrat laminiert wurde, oder aus einem naß abgegebenen Flüssigkeitsgießfilm gebildet ist, der mit einer einheitlichen Dicke aufgeschleudert und durch ein Austreiben von überschüssigem Lösungsmittel getrocknet wurde; und einer diamantartigen Kohlenstoff- (DLC-) Schicht, die auf der Mehrzahl von Dünnfilmschichten aufgebracht ist, zum Binden der Polymer-Fluid-Barriereschicht an das Dünnfilmsubstrat.
Die vorliegende Erfindung wird nun detaillierter Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine schematische, perspektivische Teilschnittansicht eines Tintenstrahldruckkopfs gemäß der Erfindung ist;
Fig. 2 eine unskalierte, schematische Draufsichtsdarstellung des Allgemeinentwurfs des Dünnfilmsubstrats des Tintenstrahldruckkopfs aus Fig. 1 ist;
Fig. 3 eine unskalierte, schematische Draufsichtsdarstellung der Konfiguration einer Mehrzahl repräsentativer Heizwiderstände, Tintenkammern und zugeordneter Tintenkanäle ist;
Fig. 4 eine unskalierte, schematische Querschnittsansicht des Tintenstrahldruckkopfs aus Fig. 1 ist, die lateral durch eine repräsentative Tintentropfenerzeugerregion genommen ist und ein Ausführungsbeispiel des Druckkopfs aus Fig. 1 darstellt;
Fig. 5 eine unskalierte, schematische Querschnittsansicht des Tintenstrahldruckkopfs aus Figur C ist, die lateral durch eine repräsentative Tintentropfenerzeugerregion genommen ist und ein weiteres Ausführungsbeispiel des Druckkopfs aus Fig. 1 darstellt;
Fig. 6 eine unskalierte, schematische Querschnittsansicht des Tintenstrahldruckkopfs aus Fig. 1 ist, die lateral durch eine repräsentative Tintentropfenerzeugerregion genommen ist und ein Ausführungsbeispiel des Druckkopfs aus Fig. 1 darstellt, das dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 4 ähnelt, wobei eine dazwischenliegende Adhäsionsförderungsschicht hinzugefügt ist; und
Fig. 7 eine unskalierte, schematische Querschnittsansicht des Tintenstrahldruckkopfs aus Fig. 1 ist, die lateral durch eine repräsentative Tintentropfenerzeugerregion genommen ist und ein Ausführungsbeispiel des Druckkopfs aus Fig. 1 darstellt, das dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 5 ähnelt, wobei eine dazwischenliegende Adhäsionsförderungsschicht hinzugefügt ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Bezug nehmend auf Fig. 1 ist eine unskalierte, schematische perspektivische Ansicht eines Tintenstrahldruckkopfs 100 dargelegt, bei dem die Erfindung verwendet werden kann, und der allgemein (a) ein Dünnfilmsubstrat oder einen -Chip 11, das/der ein Substrat aufweist, wie z. B. Silizium, und verschiedene Dünnfilmschichten aufweist, die auf demselben gebildet sind, (b) eine Tintenbarriereschicht 12, die auf dem Dünnfilmsubstrat 11 angeordnet ist, und (c) eine Öffnungs oder Düsenplatte 13, die an der Oberseite der Tintenbarriere 12 befestigt ist, umfaßt.
Das Dünnfilmsubstrat 11 wird gemäß Herstellungstechniken von integrierten Schaltungen gebildet und umfaßt Dünnfilmheizwiderstände 56, die in demselben gebildet sind, Als darstellendes Beispiel sind die Dünnfilmheizwiderstände 56 in Reihen entlang longitudinaler Kanten des Dünnfilmsubstrats angeordnet.
Die Tintenbarriereschicht 12 ist aus einem Trockenfilm, der mittels Wärme und Druck an das Dünnfilmsubstrat 11 laminiert ist, oder aus einem naß abgegebenen Flüssigkeitsgießfilm gebildet, der nachfolgend mit einer einheitlichen Dicke aufgeschleudert und durch ein Austreiben von überschüssigem Lösungsmittel getrocknet wird. Die Barriereschicht 12 ist photodefiniert, um in derselben Tintenkammern 19 und Tintenkanäle 29 zu bilden, die über Widerstandsregionen angeordnet sind, die auf beiden Seiten einer allgemein mittig angeordneten Goldschicht 62 (Fig. 2) auf dem Dünnfilmsubstrat 11 sind. Goldanschlußfelder 71, die für externe elektrische Verbindungen in Eingriff nehmbar sind, sind an den Enden des Dünnfilmsubstrats 11 angeordnet und sind nicht durch die Tintenbarriereschicht 12 bedeckt. Als darstellendes Beispiel weist das Barriereschichtmaterial einen Acrylat-basierten Photopolymer-Trockenfilm, wie z. B. den Photopolymer-Trockenfilm der Marke Parad, auf., der bei E. I. duPont de Nemours und Company in Wilmington, Delaware, erhältlich ist. Ähnliche Trockenfilme umfassen andere Produkte von duPont, wie z. B. den Trockenfilm der Marke Riston, und Trockenfilme, die von anderen chemischen Lieferanten hergestellt werden. Die Öffnungsplatte 13 weist z. B. ein planares Substrat auf, das ein Polymermaterial umfaßt, und in dem die Öffnungen durch Laserablation gebildet sind, wie z. B. in dem gemeinschaftlich zugewiesenen U.S.-Patent 5,469,199 offenbart ist, das hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Die Öffnungsplatte kann außerdem als weiteres Beispiel ein plattiertes Metall, wie z. B. Nickel, aufweisen.
Die Tintenkammern 19 in der Tintenbarriereschicht 12 sind insbesondere über jeweiligen Tintenabfeuerungswiderständen 56 angeordnet, wobei jede Tintenkammer 19 durch die Kante oder Wand einer Kammeröffnung definiert ist, die in der Barriereschicht 12 gebildet ist. Die Tintenkanäle 29 sind durch weitere Öffnungen definiert, die in der Barriereschicht 12 gebildet sind, und sind einstückig mit jeweiligen Tintenabfeuerungskammern 19 verbunden. Als darstellendes Beispiel stellt Fig. 1 eine Außenkantenzuführungskonfiguration dar, bei der die Tintenkanäle 29 sich in Richtung einer äußeren Kante öffnen, die durch den äußeren Umfang des Dünnfilmsubstrats 11 gebildet ist, wobei Tinte an die Tintenkanäle 29 und die Tintenkammern 19 um die äußeren Kanten des Dünnfilmsubstrats abgegeben wird, wie z. B. insbesondere in dem gemeinschaftlich zugewiesenen U.S.- Patent 5,278,584 offenbart ist. Die Erfindung kann außerdem bei einem mittigen Kantenzuführungs-Tintenstrahldruckkopf verwendet werden, wie z. B. dem, der in dem bereits erwähnten U.S.-Patent 5,317,346 offenbart ist, bei dem sich die Tintenkanäle in Richtung einer Kante öffnen, die durch einen Schlitz in der Mitte des Dünnfilmsubstrats gebildet ist.
Die Öffnungsplatte 13 umfaßt Öffnungen 21, die über jeweiligen Tintenkammern 19 angeordnet sind, derart, daß ein Tintenabfeuerungswiderstand 56, eine zugeordnete Tintenkammer 19 und eine zugeordnete Öffnung 21 ausgerichtet sind. Eine Tintentropfenerzeugerregion ist durch jede Tintenkammer 19 und Abschnitte des Dünnfilmsubstrats 11 und der Öffnungsplatte 13 gebildet, die benachbart zu der Tintenkammer 19 sind.
Bezug nehmend auf Fig. 2 ist eine unskalierte schematische Draufsichtsdarstellung des allgemeinen Entwurfs des Dünnfilmsubstrats 11 dargelegt. Die Tintenabfeuerungswiderstände 56 sind in Widerstandsregionen gebildet, die benachbart zu den longitudinalen Kanten des Dünnfilmsubstrats 11 sind. Eine strukturierte Goldschicht 62, die Goldleiterbahnen aufweist, bildet die obere Schicht der Dünnfilmstruktur in einer Goldschichtregion 62, die im allgemeinen in der Mitte des Dünnfilmsubstrats 11 zwischen den Widerstandsregionen angeordnet ist und sich zwischen den Enden des Dünnfilmsubstrats 11 erstreckt. Anschlußfelder 71 für externe Verbindungen sind in der strukturierten Goldschicht 62 z. B. benachbart zu den Enden des Dünnfilmsubstrats 11 gebildet. Die Tintenbarriereschicht 12 ist definiert, um die gesamte strukturierte Goldschicht 62 bis auf die Anschlußfelder 71 zu bedecken, und außerdem die Bereiche zwischen den jeweiligen Öffnungen zu bedecken, die die Tintenkammern und zugeordnete Tintenkanäle bilden. Abhängig von der Implementierung können eine oder mehrere Dünnfilmschichten über der strukturierten Goldschicht 62 angeordnet sein.
Bezug nehmend auf Fig. 3 ist eine unskalierte, schematische Draufsicht dargestellt, die die Konfiguration einer Mehrzahl repräsentativer Heizwiderstände 56, Tintenkammern 19 und zugeordneter Tintenkanäle 29 darstellt. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, sind die Heizwiderstände 56 vieleckig gebildet (z. B. rechteckig) und sind auf zumindest zwei Seiten derselben durch die Wand einer Tintenkammer 19 umgeben, die z. B. mehrseitig sein kann. Die Tintenkanäle 29 erstrecken sich weg von den zugeordneten Tintenkammern 19 und können in einer bestimmten Entfernung von den Tintenkammern 19 breiter werden. Die Tintenkammern 19 und die zugeordneten Tintenkanäle 29 sind durch ein Array von Seite an Seite angeordneten Barrierespitzen 12a gebildet, die sich von einem Mittelabschnitt der Tintenbarriere 12 in Richtung einer Zuführungskante des Dünnfilmsubstrats 11 erstrecken.
Gemäß der Erfindung umfaßt das Dünnfilmsubstrat 11 eine kohlenstoffreiche Schicht 63, insbesondere eine diamantartige Kohlenstoff- (DLC-) Schicht (Fig. 4), die strukturiert sein kann, und die als eine Adhäsionsschicht für die Tintenbarriereschicht 12 fungiert. Die DLC-Schicht 63 ist definiert, um die gesamte strukturierte Goldschicht 62 mit Ausnahme der Anschlußfelder 71 zu bedecken.
Bezug nehmend auf Fig. 4 ist eine unskalierte, schematische Querschnittsansicht des Tintenstrahldruckkopfs aus Fig. 1 dargelegt, die durch eine repräsentative Tintentropfenerzeugerregion und einen Abschnitt der mittig angeordneten Goldschichtregion 62 genommen ist und ein spezifisches Ausführungsbeispiel des Dünnfilmsubstrats 11 darstellt. Das Dünnfilmsubstrat 11 des Tintenstrahldruckkopfs aus Fig. 4 umfaßt insbesondere ein Siliziumsubstrat 51, eine Feldoxidschicht 53, die über dem Siliziumsubstrat 51 aufgebracht ist, und eine strukturierte, mit Phosphor dotierte Oxidschicht 54, die über der Feldoxidschicht 53 angeordnet ist.
Eine Widerstandsschicht 55, die Tantalaluminium aufweist, ist auf der Phosphor-Oxidschicht 54 gebildet und erstreckt sich über Bereiche, an denen Dünnfilmwiderstände, einschließlich der Tintenabfeuerungswiderstände 56, unter Tintenkammern 19 gebildet werden sollen. Eine strukturierte Metallisierungsschicht 57, die Aluminium aufweist, das z. B. mit einem kleinen Prozentsatz Kupfer und/oder Silizium dotiert ist, ist über der Widerstandsschicht 55 angeordnet.
Die Metallisierungsschicht 57 weist Metallisierungsleiterbahnen auf, die durch ein geeignetes Maskieren und Ätzen definiert sind. Das Maskieren und Ätzen der Metallisierungsschicht 57 definiert außerdem die Widerstandsbereiche. Insbesondere sind die Widerstandsschicht 55 und die Metallisierungsschicht 57 allgemein in Ausrichtung zueinander, mit der Ausnahme, daß Abschnitte von Leiterbahner der Metallisierungsschicht 57 in den Bereichen entfernt sind, in denen Widerstände gebildet sind. Ein Widerstandsbereich ist durch ein Bereitstellen einer ersten und zweiten Metalleiterbahn definiert, die an unterschiedlichen Orten an dem Umfang des Widerstandsbereichs enden. Die erste und zweite Leiterbahn weisen den Anschluß oder Anschlußflächen des Widerstands auf, die wirksam einen Abschnitt der Widerstandsschicht umfassen, der zwischen den Abschlüssen der ersten und der zweiten Leiterbahn ist. Gemäß dieser Technik zum Bilden von Widerständen können die Widerstandsschicht 55 und die Metallisierungsschicht gleichzeitig geätzt werden, um strukturierte Schichten in Ausrichtung zueinander zu bilden. Dann werden Öffnungen in die Metallisierungsschicht 57 geätzt, um Widerstände zu definieren. Die Tintenabfeuerungswiderstände 56 sind so insbesondere in der Widerstandsschicht 55 nach Zwischenräumen in den Leiterbahnen in der Metallisierungsschicht 57 gebildet.
Eine zusammengesetzte Passivierungsschicht, die eine Schicht 59 aus Siliziumnitrid (Si&sub3;N&sub4;) und eine Schicht 60 aus Siliziumcarbid (SiC) aufweist, ist über der Metallisierungsschicht 57, den freiliegenden Abschnitten der Widerstandsschicht 55 und freiliegenden Abschnitten der Oxidschicht 53 aufgebracht. Eine Tantalpassivierungsschicht 61 ist auf der zusammengesetzten Passivierungsschicht 59, 60 über den Tintenabfeuerungswiderständen 56 aufgebracht. Die Tantalpassivierungsschicht 61 kann sich auch zu Bereichen, über denen die strukturierte Goldschicht 62 gebildet ist, für externe elektrische Verbindungen mit der Metallisierungsschicht 57 durch leitfähige Durchgangslöcher 58, die in der zusammengesetzten Passivierungsschicht 59, 60 gebildet sind, erstrecken. Eine diamantartige Kohlenstoff- (DLC- Schicht 63 ist auf der strukturierten Goldschicht 62, der Tantalschicht 61 und über den freiliegenden Abschnitten der zusammengesetzten Passivierungsschichten 59 und 60 aufgebracht, mit der Ausnahme, daß Abschnitte der DLC-Schicht 63 in den Bereichen entfernt sind, in denen Widerstände 56 und die Goldkontaktanschlußstellen 71 gebildet sind, und fungiert als eine Adhäsionsschicht in Bereichen, an denen dieselbe mit der Barriereschicht 12 in Kontakt steht. So kann zu dem Ausmaß, zu dem die DLC-zu-Barriere-Adhäsion in der Umgebung der Tintenkammern und Tintenkanäle erwünscht ist, sich die Grenzfläche zwischen der diamantartigen Kohlenstoffschicht 63 und der Barriere 12 z. B. von zumindest der Region zwischen den Widerständen 56 zu den Enden der Barrierespitzen 12a erstrecken. Zu dem Maß, zu dem der erhöhte spezifische Widerstand des DLC in den Goldanschlußfeldern 71 (Fig. 1) nicht geeignet ist, kann der DLC von den Goldanschlußfeldern 71 geätzt werden.
Bezug nehmend auf Fig. 5 ist eine unskalierte, schematische Querschnittsansicht des Tintenstrahldruckkopfs aus Fig. 1 dargelegt, die durch eine repräsentative Tintentropfenerzeugerregion und einen Abschnitt der zentral angeordneten Goldschichtregion 62 genommen ist und ein weiteres Ausführungsbeispiel des Dünnfilmsubstrats T1 darstellt. Der Tintenstrahldruckkopf aus Fig. 5 ähnelt dem Tintenstrahldruckkopf aus Fig. 4 mit der folgenden Ausnahme wesentlich. Die DLC-Schicht 63 ist auf der strukturierten Goldschicht 62, der Tantalschicht 61 und über den freiliegenden Abschnitten der zusammengesetzten Passivierungsschichten 59 und 60, einschließlich der Bereiche, an denen Widerstände gebildet sind, aufgebracht. Dieses Ausführungsbeispiel verbessert die Widerstandsfähigkeit der Widerstandsbereiche gegenüber Tinte und beseitigt ferner den Photomaskierungs- und Ätzschritt bei dem Herstellungsverfahren. Zu dem Ausmaß, zu dem der erhöhte spezifische Widerstand des DLC in den Goldanschlußfeldern 71 (Fig. 1) nicht geeignet ist, kann der DLC von den Goldanschlußfeldern 71 geätzt werden.
Bezug nehmend auf Fig. 6 ist eine unskalierte, schematische Querschnittsansicht des Tintenstrahldruckkopfs aus Fig. 1 dargelegt, die durch eine repräsentative Tintentropfenerzeugerregion und einen Abschnitt der mittig angeordneten Goldschichtregion 62 genommen ist und ein weiteres Ausführungsbeispiel des Dünnfilmsubstrats 11 darstellt. Der Tintenstrahldruckkopf aus Fig. 6 ähnelt dem Tintenstrahldruckkopf aus Fig. 4 mit der folgenden Ausnahme wesentlich. Es gibt eine Adhäsionsförderungsschicht 68, die zwischen der strukturierten Goldschicht 62 und der DLC-Schicht 63 positioniert ist, zum Verbinden der Goldschicht 62 und der DLC-Schicht 63. Beispiele gemeinschaftlich verwendeter Goldadhäsionsförderer sind in Patenten, wie z. B. dem U.S.- Patent 4,497,890, erwähnt und umfassen z. B. 2- (Diphenylphosphino)-Ethyltriethoxysilan, Trimethylsilylacetamid, Bis[3-(Triethoxysilyl)-Propyl]-Tetrasulphid und 3- Mercaptopropyltriethoxysilan, sind jedoch nicht auf dieselben beschränkt.
Bezug nehmend auf Fig. 7 ist eine unskalierte, schematische Querschnittsansicht des Tintenstrahldruckkopfs aus Fig. 1 dargelegt, die durch eine repräsentative Tintentropfenerzeugerregion und einen Abschnitt der mittig angeordneten Goldschichtregion 62 genommen ist und ein weiteres Ausführungsbeispiel des Dünnfilmsubstrats 11 darstellt. Der Tintenstrahldruckkopf aus Fig. 7 ähnelt dem Tintenstrahldruckkopf aus Fig. 5 mit der folgenden Ausnahme wesentlich. Es gibt eine Adhäsionsförderungsschicht 68, die zwischen der strukturierten Goldschicht 62 und der DLC-Schicht 63 angeordnet ist, zum Verbinden der Goldschicht 62 und der DLC-Schicht 63. Beispiele gemeinschaftlich verwendeter Goldadhäsionsförderer sind in Patenten, wie z. B. dem U.S.- Patent 4,497,890, erwähnt und umfassen z. B. 2- (Diphenylphosphino)-Ethyltriethoxysilan, Trimethylsilylacetamid, Bis[3-(Triethoxysilyl)-Propyl]-Tetrasulphid und 3- Mercaptopropyltriethoxysilan, sind jedoch nicht auf dieselben beschränkt.
Der vorangegangene Druckkopf wird ohne weiteres gemäß Standardverfahren von integrierten Dünnfilmschaltungen erzeugt, einschließlich einer Aufdampfung, einer Photo resistaufbringung, einer Maskierung, Entwicklung und eines Ätzens, wie z. B. in den gemeinschaftlich zugewiesenen U.S.-Patenten 4,719,477 und 5,317,346, offenbart ist.
Als darstellendes Beispiel können die zuvor genannten Strukturen wie folgt hergestellt werden. Beginnend mit dem Siliziumsubstrat 51 werden alle aktiven Regionen, an denen Transistoren gebildet werden sollen, durch strukturierte Oxid- und Nitridschichten geschützt. Ein Feldoxid 53 wird in nichtgeschützten Bereichen aufgewachsen und die Oxid- und Nitridschichten werden entfernt. Als nächstes wird ein Gate-Oxid in den aktiven Regionen aufgewachsen und eine Polysiliziumschicht wird über dem gesamten Substrat aufgebracht. Das Gate-Oxid und das Polysilizium werden geätzt, um Polysilizium-Gates über den aktiven Bereichen zu bilden. Die resultierende Dünnfilmstruktur wird einer Phosphor- Voraufbringung unterzogen, durch die Phosphor in die ungeschützten Bereiche des Siliziumsubstrats eingeführt wird. Eine Schicht aus mit Phosphor dotiertem Oxid 54 wird dann über der vorher gesamten prozeßintegrierten Dünnfilmstruktur aufgebracht, wobei die mit Phosphor dotierte, mit Oxid beschichtete Struktur einem Diffusionseindringschritt unterzogen wird, um die erwünschte Diffusionstiefe in den aktiven Bereichen zu erzielen. Die mit Phosphor dotierte Oxidschicht wird dann maskiert und geätzt, um Kontakte zu den aktiven Vorrichtungen zu öffnen.
Die Tantal-Aluminium-Widerstandsschicht 55 wird dann aufgebracht, wobei die Aluminiummetallisierungsschicht 57 nachfolgend auf die Tantal-Aluminium-Schicht 55 aufgebracht wird. Die Aluminiumschicht 57 und die Tantal-Aluminium- Schicht 55 werden gemeinsam geätzt, um die erwünschte leitfähige Struktur zu bilden. Die resultierende strukturierte Aluminiumschicht wird dann geätzt, um die Widerstandsbereiche zu öffnen.
Die Siliziumnitrid-Passivierungsschicht 59 und die SiC- Passivierungsschicht 60 werden jeweils aufgebracht. Eine Photoresiststruktur, die Durchgangslöcher definiert, die in der Siliziumnitrid- und der Siliziumkarbid-Schicht 59, 60 gebildet werden sollen, wird auf die Siliziumkarbids nicht 60 aufgebracht, wobei die Dünnfilmstruktur einem Überätzen unterzogen wird, was Durchgangslöcher durch die zusammengesetzte Passivierungsschicht, die aus Siliziumnitrid und Siliziumkarbid besteht, zu der Aluminiummetallisierungsschicht öffnet.
Hinsichtlich der Implementierung der Fig. 4 und 5 wird die Tantalschicht 61 aufgebracht, wobei nachfolgend die Goldmetallisierungsschicht 62 darauf aufgebracht wird. Die Goldschicht 62 und die Tantalschicht 61 werden gemeinsam geätzt, um die erwünschte leitfähige Struktur zu bilden. Die resultierende, strukturierte Goldschicht wird dann geätzt, um die leitfähigen Pfade 58 zu bilden.
Ausdrücke, wie z. B. DLC, diamantartiger Kohlenstoff, amorpher Kohlenstoff, a-C, a-C:H, werden verwendet, um eine Klasse von Filmen zu bezeichnen, die hauptsächlich aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen. Die Struktur dieser Filme wird als amorph betrachtet, d. h. die Filme zeigen keine weitreichende Atomreihenfolge oder gleichwertig keine strukturelle Korrelation jenseits von 2-3 Nanometern. Die Kohlenstoffbindung in diesen Filmen ist eine Mischung aus sp² und sp³, wobei üblicherweise sp³-Bindungen vorherrschen.
Die DLC-Schicht der vorliegenden Erfindung weist zumindest 25% elementaren Kohlenstoff, vorzugsweise zwischen etwa 35% und etwa 100% elementaren Kohlenstoff und am bevorzugtesten zwischen etwa 75% und etwa 100% elementaren Kohlenstoff, auf. Die DLC-Schicht der vorliegenden Erfindung weist üblicherweise ein sp²-zu-sp³-Verhältnis in dem Bereich von etwa 7 : 1,5 bis etwa 1 : 9, vorzugsweise etwa 1 : 2,0 bis etwa 1 : 2,3 und am bevorzugtesten etwa 1 : 2,2 bis etwa 1 : 2,3, auf.
Die DLC-Schicht 63 wird mittels einer mehrerer häufiger Techniken gebildet, die eingehend in Literaturreferenzen beschrieben sind, wie z. B. J. Robertson, "Surface and Coatings Tech.", Bd. 50 (1992), Seite 185; M. Weiler u. a., Physical Review B, Bd. 53, Nr. 3, Seite 1.594; Tamor u. a., Applied Physics Letters, Bd. 58, Nr. 6, Seite 592 und Shroder u. a., Physical Review B, Bd. 41, Nr. 6, Seite 3.738 (1990). Diese Techniken umfassen Mikrowellenplasma, Hochfrequenz (HF) und Glühentladung, Glühfaden, Ionenzerstäubung, Ionenstrahlaufbringung und Laserablation unter Verwendung von Kohlenwasserstoffgasen oder Kohlenstoff als Ausgangsmaterialien. DLC-Filme können außerdem durch Techniken einer plasmagestützten chemischen Aufdampfung (PECVD) aufgebracht werden. Das PECVD-Verfahren verwendet üblicherweise keine feste Form von Kohlenstoff als das Quellenmaterial, sondern vielmehr Kohlenstoff, das Gase oder Dämpfe (wie z. B. Methan und Acetylen) enthält, die in einer Glühentladung ("Plasma") zersetzt werden.
Als darstellendes Beispiel kann die zuvor genannte DLC- Schicht 63 wie folgt hergestellt werden. Das Substrat 11 wird in eine PECVD-Kammer eingeführt. Die Kammer wird dann evakuiert und ein Gas, wie z. B. Argon, und ein kohlenstoffhaltiges Gas, wie z. B. Methan, werden in die Kammer in derartigen Mengen eingeführt, um die erwünschte Flußrate und Teildrücke zu erzielen. Eine Leistung wird 2U der Leistungselektrode geführt. Die Leistung wird für einen bestimmten Zeitraum beibehalten, um eine Aufbringung des DLC auf dem Substrat 11 zu ermöglichen. Nach der Fertigstellung der Aufbringung wird die Leistung abgeschaltet und die Gase werden aus der Kammer evakuiert. Die Kammer wird dann mit einem Gas, wie z. B. Argon oder Stickstoff, belüftet und das Substrat mit der aufgebrachten DLC-Schicht wird aus der Kammer entfernt. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel des für die Aufbringung der DLC-Schicht 63 verwendeten Verfahrens wurde ein PECVD-Parallelplattenreaktor (erhältlich bei Surface Technology Systems, Newport, Gwent, Wales, Vereinigtes Königreich) verwendet. Das System bestand aus einer geerdeten Elektrode, an der der Siliziumwafer befestigt wurde, um 50 mm von einer zweiten, mit Leistung versorgten Elektrode (300 mm Durchmesser) getrennt. Die HF-Leistung, Aufbringung zeiten und die Teildrücke des Methan- und Argongases wurden variiert, um DLC-Filme mit verschiedenen physischen Eigenschaften zu erhalten, um erwünschte Adhäsionseigenschaften zwischen dem Substrat 11 und der nachfolgend aufgebrachten Barriereschicht 12 zu bewirken. Erwünschte Eigenschaften können mittels eines Plazierens fertiggestellter Stifte in einer Umgebung mit erhöhter Temperatur und ein Beobachten der Adhäsion der Barriere an dem DLC oder durch ein Nehmen von Coupons mit dem DLC und der Barriereschicht und ein Plazieren derselben in einer Tintenlösung bei einer erhöhten Temperatur und Feuchtigkeit und ein Beobachten der Adhäsionsfestigkeit der Grenzflächenverbindung gemessen werden. Es wird darauf verwiesen, daß alle zuvor genannten Aufbringungstechniken zum Erhalten von DLC-Filmen geeignet sind und prinzipiell verwendet werden können. Zusätzlich ist das hier herausgestellte PECVD-Verfahren nicht auf Methan- und Argongasmischungen und Parallelplattenreaktoren beschränkt. Alle kohlenstoffhaltigen Gasmischungen in jedem FECVD- Reaktor, wie z. B. asymmetrischen Platten, und ECR-Kammer (Elektronenzyklotronresonanz), die DLC bilden kann, können verwendet werden.
Nach einem Bilden der DLC-Schicht 63 wird die Bariereschicht 12 unter Verwendung von standardmäßigen Elektronikherstellungstechniken hinzugefügt, wie z. B. in den gemeinschaftlich zugewiesenen U.S.-Patenten 4,719,477 und 5,317,346 offenbart ist. Wahlweise kann ein Sauerstoffplasmaätzen unter Verwendung der Barriereschicht 12 als einer Maske verwendet werden, um die DLC-Schicht 63 aus Bereichen zu entfernen, die nicht durch die Barriereschicht 12 geschützt sind. Alternativ wird nach der Aufbringung der DLC- Schicht 63 die DLC-Schicht 63 unter Verwendung von standardmäßigen Photoresistverfahren maskiert. Danach werden die unerwünschten Bereiche der Schicht, gefolgt durch ein Entfernen des Photoresists und schließlich die Zugabe der Barriereschicht 12, geätzt.
Hinsichtlich der Implementierung der Adhäsionsförderungsschicht 68 der Fig. 6 und 7 kann dies durch eine mehrerer häufig verwendeter Techniken erzielt werden. Beispiele derartiger Techniken umfassen Eintauchen von Teilen in eine Flüssigkeit, die das Fördermittel enthält, oder Sprühbeschichten von Teilen mit dem Fördermittel entweder in reiner oder verdünnter Form oder Dampfgrundieren mit dem Fördermittel.
Die Zulänglichkeit der Adhäsion zwischen der Barriereschicht 12 und dem Substrat 11, das die DLC-Schicht 63 aufweist, wurde durch ein Aussetzen des Druckkopfs 100 gegenüber beschleunigten Betriebsbedingungen, wie z. B. Aussetzung gegenüber Tinte, und ein darauffolgendes Messen der Adhäsion zwischen der Barriereschicht 12 und des Substrats 1 unter Verwendung von analytischen Standardtechniken getestet. Es hat sich herausgestellt, daß Druckköpfe, die die DLC-Schicht 63 aufweisen, eine verbesserte Adhäsion verglichen mit denen ohne die DLC-Schicht 63 zeigten.

Bestimmen des Vorliegens einer DLC-Schicht

Eine Bestimmung des Vorliegens einer DLC-Schicht kann unter Verwendung einer oder beider der folgenden Techniken erzielt werden:
1. eine RAMAN-Analyse der vermutlichen DLC-Oberfläche gibt spezifische Kohlenstoffzustandsinformationen; und
2. eine Beobachtung eines chemischen Angriffs der darunterliegenden Dünnfilmstrukturen unter Verwendung der folgenden Technik:
a) Messen der Proben unter Verwendung von XPS oder einer ähnlichen Einrichtung, um zu bestimmen, ob es eine kohlenstoffreiche Schicht (vermutlich DLC) auf der Oberfläche der Probe gibt.
b) Plazieren der Probe mit der vermutlichen DLC- Schicht in einer Mischung aus Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid (Piranha). Typische Mischungen wären etwa 70% Schwefelsäure und 30% Wasserstoffperoxid. Dies entfernt den gesamten Nicht- DLC-Kohlenstoff von der Oberfläche der Probe.
c) Als nächstes, Plazieren der Probe in einem Ätzmittel, das normalerweise die darunterliegende Dünnfilmoberfläche (z. B. Tantal oder Gold) angreifen würde.
d) Wenn DLC auf der Oberfläche vorhanden ist, wird ein geringer oder kein Angriff des Dünnfilmmaterials beobachtet. Wenn kein Angriff des darunterliegenden Dünnfilms beobachtet wird, gibt es eine durchgehende DLC-Schicht. Wenn es einen gewissen Angriffspegel gibt, liegt eine nichtdurchgehende DLC-Schicht vor. Wenn das gesamte darunterliegende Dünnfilmmaterial entfernt wird, liegt kein DLC vor.

Beispiele

Wafer wurden unter Verwendung der oben beschriebenen Techniken bereitet, bei denen auf der darunterliegenden Dünnfilmoberfläche eine DLC-Schicht entweder vorlag oder nicht. Die Adhäsionsfestigkeit der Grenzflächenbindung zwischen dem Dünnfilmsubstrat und der Tintenbarriereschicht der Wafer wurde durch ein Eintauchen von Teilen, die eine einheitliche Oberflächenzusammensetzung (z. B. drucktuchbeschichtet) aufweisen, in Tinte und ein Plazieren derselben in ein Druckgefäß bei 117ºC, 1,2 Atmosphären und danach ein Messen der Adhäsion auf einer semiquantitativen Skala durch ein Versuchen dessen getestet, die Barriereschicht von dem Substrat zu kratzen und zu schälen. Die Daten in Tabelle 1 stellen typische Ergebnisse der Adhäsion mit der Zeit unter Verwendung dieses Testverfahrens dar: Tabelle 1
Wie aus den Ergebnissen in Tabelle 1 ersichtlich ist, zeigten Dünnfilme, die eine DLC-Schicht aufweisen, eine erhöhte Adhäsionsfestigkeit zwischen der Barriere und dem Dünnfilmsubstrat gegenüber denen, die keine DLC-Schicht aufweisen.
Es wird darauf verwiesen, daß, obwohl spezifische Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und dargestellt wurden, die Erfindung nicht auf die spezifischen Formen oder Anordnung von Teilen beschränkt sein soll, die beschrieben und dargestellt wurden. Die. Erfindung ist nur durch die Ansprüche eingeschränkt.

Claims

1. Ein Dünnfilmdruckkopf (100) mit folgenden Merkmalen:

einem Dünnfilmsubstrat (11), das eine Mehrzahl von Dünnfilmschichten aufweist, die eine Tantal- Passivierungsschicht (61) umfassen;

einer Mehrzahl von Tintenabfeuerungsheizwiderständen (56), die in der Mehrzahl von Dünnfilmschichten definiert sind;

einer Polymer-Fluid-Barriereschicht (12), die aus einem Trockenfilm, der mittels Wärme an das Dünnfilmsubstrat laminiert wurde, oder aus einem naß abgegebenen Flüssigkeitsgießfilm gebildet ist, der mit einer einheitlichen Dicke aufgeschleudert und durch ein Austreiben von überschüssigem Lösungsmittel getrocknet wurde; und

einer diamantartigen Kohlenstoff-(DLC-)Schicht (63), die auf der Mehrzahl von Dünnfilmschichten aufgebracht ist, zum Binden der Polymer-Fluid-Barriereschicht (12) an das Dünnfilmsubstrat (11).

2. Der Dünnfilmdruckkopf (100) gemäß Anspruch 1, bei dem die diamantartige Kohlenstoffschicht (63) in den Bereichen der Dünnfilmschichten entfernt ist, die die Abfeuerungswiderstände (56) bilden.

3. Der Dünnfilmdruckkopf (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, der ferner eine Haftschicht (68) zwischen der diamantartigen Kohlenstoffschicht (63) und der Mehrzahl von Dünnfilmschichten aufweist.

4. Der Dünnfilmdruckkopf (100) gemäß Anspruch 1, bei dem die diamantartige Kohlenstoffschicht (63) zumindest 25% elementaren Kohlenstoff aufweist.

5. Der Dünnfilmdruckkopf (100) gemäß Anspruch 4, bei dem die diamantartige Kohlenstoffschicht (63) etwa 35% bis etwa 100% elementaren Kohlenstoff aufweist.

6. Der Dünnfilmdruckkopf (100) gemäß Anspruch 5, bei dem die diamantartige Kohlenstoffschicht (63) etwa 75% bis etwa 100% elementaren Kohlenstoff aufweist.

7. Der Dünnfilmdruckkopf (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die diamantartige Kohlenstoffschicht (63) Kohlenstoff aufweist, der ein sp²-sp³-Verhältnis in dem Bereich von etwa 1 : 1,5 bis etwa 1 : 9 aufweist.

8. Der Dünnfilmdruckkopf (100) gemäß Anspruch 2, bei dem die diamantartige Kohlenstoffschicht (63) Kohlenstoff aufweist, der ein spe-sp³-Verhältnis in dem Bereich von etwa 1 : 2,0 bis etwa 1 : 2,4 aufweist.

9. Der Dünnfilmdruckkopf (100) gemäß Anspruch 8, bei dem die diamantartige Kohlenstoffschicht (63) Kohlenstoff aufweist, der ein sp²-sp³-Verhältnis in dem Bereich von etwa 1 : 2, 2 bis etwa 1 : 2, 3 aufweist.