DE69202385T2

DE69202385T2 - Tintenstrahldruckkopf mit zwei photogemusterten, gehärteten Sperrschichten.

Info

Publication number: DE69202385T2
Application number: DE69202385T
Authority: DE
Inventors: Winthrop D Childers; Hai Quang Tran
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1991-04-02
Filing date: 1992-03-13
Publication date: 1995-10-12
Anticipated expiration: 2012-03-14
Also published as: EP0507134A2; EP0507134B1; DE69202385D1; EP0507134A3; US5198834A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Tropfen-auf-Anforderung-Tintenstrahldrucker (drop-on-demand) und insbesondere ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils des Tintenförder- und Ausstoßsystems. Der Ausdruck "Tintenstrahl" bedeutet in diesem Zusammenhang alle Tintenfördersysteme, welche auf Anforderung einen Tropfen liefern, einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf "Bubble Jet", "thermische" Tintenstrahlverfahren und piezoelektrische Tintenstrahlverfahren.
Das Grundkonzept des Tintenstrahldruckens ist in der US-A- 4,490,728 mit dem Titel "Thermischer Tintenstrahldrucker" beschrieben, welche am 25. Dezember 1984 für Vaught et al. erteilt wurde.
Der allgemeine Aufbau eines thermischen Tintenstrahl-Druckkopfes ist in der US-A-4,683,481 mit dem Titel "Thermischer Tintenstrahl-Druckkopf mit Sammelschlitz-Tintenzuführung" beschrieben, welche am 28. Juli 1987 für Johnson erteilt wurde.
Die allgemeine Anordnung von thermischen Tintenstrahl-Barrieren, Düsenplatten, Widerständen und Tinten-Strömungswegen ist in der US-A-4,882,595 mit dem Titel "Hydraulisch abgestimmte Kanalarchitektur" beschrieben, welche am 21. November 1989 für Trueba et al. erteilt wurde.
Diese Patente offenbaren einen Druckkopf, der eine Tinte enthaltende Kapillare aufweist, mit einer Öffnung zum Ausstoßen von Tinte und einer Tinten-Heizvorrichtung, im allgemeinen ein Widerstand, welche nahe bei der Öffnung angeordnet ist. In Betrieb heizt sich die Tinten-Heizvorrichtung schnell auf, überträgt eine beträchtliche Energiemenge auf die Tinte, verdampft dadurch einen kleinen Anteil der Tinte und erzeugt eine Blase in der Kapillare. Die Blase erzeugt wiederum eine Druckwelle, welche ein oder mehrere Tröpfchen von der Öffnung auf eine in der Nähe angeordnete Schreiboberfläche treibt. Durch Steuern der Energieübertragung auf die Tinte, fällt die Blase rasch zusammen, bevor sie aus der Öffnung entweichen kann.
Es gibt zwei Probleme mit der Tinte, welche in Bezug auf die Barrieren entstehen, welche die Tintenkanäle innerhalb der Druckköpfe bilden. Das erste Problem ist, daß die Tinte chemisch die Barrieren angreift und entweder eine Undichtigkeit zwischen den Kanälen und/oder eine Undichtigkeit zur Außenseite des Schreibers, oder Stiftes, sowie ein Anschwellen der Barrieren verursachen. Das Anschwellen führt zu einer Veränderung der Kanalgeometrie und zu einer Verschlechterung gegenüber dem optimalen Betriebsverhalten. Das Problem der chemischen Aggressivität ist besonders gravierend bei den neu entwickelten Tinten mit pH-Werten über 9 und mit sehr durchdringenden Hilfslösungsmitteln. Das zweite Problem ist die Haftung der Düsenplatte. Bei den meisten Anwendungen hat die Düsenplatte eine vernickelte Oberfläche und ist unter Verwendung einer Kombination aus Wärme und Druck mit dem Druckkopf verbunden (gebondet). Wenn die Tinte die Tintenkanäle angreift kann sie die Haftung der Düsenplatte zerstören und ein Abschälen oder Ablösen der Düsenplatte von dem Druckkopf bewirken.
Die Verwendung von gehärteten lichtempfindlichen Harzen zum Ausbilden der Barrieren- oder Trennwände ist allgemein offenbart in der US-A-4,417,251 mit dem Titel "Tintenstrahlkopf", die am 22. November 1983 für Sugitani erteilt wurde, und der US-A-4,558,333 mit dem Titel "Flüssigkeitsstrahl-Aufzeichnungskopf", welche am 10. Dezember 1985 für Sugitani et al. erteilt wurde.
Es gibt ein weiteres Problem bei der Auswahl geeigneter Werkstoffe zum Herstellen der Barrieren. Die Barrieren werden heutzutage aus einem Negativmaterial hergestellt, auf das durch Belichten eine Abbildung aufgebracht werden kann (photoimageable). Diese Werkstoffe wurden während vieler Jahre bei der Herstellung von sowohl gedruckten Schaltungsplatten als auch integrierten Schaltungen verwendet. Ein typisches Fotomaterial für das Aufbringen von Abbildungen, das für gedruckte Schaltungsplatten verwendet wird, kann eine Auflösung von 8 mil (203,2 um) für die Leiterbahnen und 8 mil (203,2 um) für die Zwischenräume bieten. Ferner haben typische Werkstoffe, welche für integrierte Schaltungen verwendet werden, eine Auflösung von 1 pm für die Leiterbahnen und 1 um für die Zwischenräume. Dagegen erfordert die vorliegende Erfindung eine Auflösung von etwa 20 um für die Leiterbahnen und 20 um für die Zwischenräume, eine Auflösung also, die zwischen den üblichen Spezifikationen für gedruckte Leiterplatten und integrierte Schaltungen liegt.
Mit anderen Worten, die Werkstoffe, welche üblicherweise für die Herstellung von gedruckten Schaltungsplatten verwendet werden, können bei der vorliegenden Erfindung nicht eingesetzt werden, weil diese Werkstoffe nicht die erforderliche hohe Auflösung bieten. Wenn diese Werkstoffe dazu verwendet würden, Barrieren herzustellen, wären die dabei entstehenden Barrieren grob und körnig. Dies sind jedoch Mängel, welche unerwünschte Strömungsdiskontinuitäten, Störungen und Turbulenzen innerhalb der Tintenkanäle verursachen.
Ebenso sind die Werkstoffe nicht brauchbar, welche üblicherweise für integrierte Schaltungen verwendet werden, weil sie für eine Auflösung in der Größenordnung von 1 um optimiert sind. Wenn diese Werkstoffe zum Herstellen von Barrieren mit Abmessungen von etwa 25 um verwendet werden, verlieren die meisten Werkstoffe für integrierte Schaltungen ihre Auflösung vollständig. Das Material, welches aus den Kanälen entfernt werden muß, wird zu stark polymerisiert, und es kann mit den herkömmlichen Techniken nicht entfernt werden.
Der obige Stand der Technik zeigt also, daß auf diesem Gebiet ein Werkstoff für Barrieren- oder Trennabschnitte benötigt wird, der widerstandsfähig gegenüber der Korrosion von Tinten mit hohen PH-Werten ist, das Abschälen der Düsenplatte verhindert und die erforderliche Auflösung für die Tintenkanäle bietet.
Die vorliegende Erfindung sieht daher einen Schreiberkopf für einen Tropfen-auf-Anforderung-Tintenschreiber vor, der einen Barrierenabschnitt mit zwei Schichten aus einem ausgehärteten Werkstoff aufweist, auf den durch Belichten eine Abbildung aufgebracht wurde (photoimaged). Die erste Werkstoffschicht ist auf einem Substrat ausgehärtet, und die zweite Schicht ist auf der ersten Schicht ausgehärtet und überdeckt diese im wesentlichen. Die zweite Schicht verbindet die erste Schicht des Barrierenabschnittes und somit das Substrat haf tend mit einer Düsenplatte.
Gemäß eines Aspekts der Erfindung wird die erste Schicht aus einem flüssigen Lötmasken-Werkstoff hergestellt, und die zweite Schicht wird aus einem flüssigen photolithographischen Resist-Werkstoff hergestellt.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung sind, gemäß einer Ausführungsform die beiden Barrierenschichten fluchtend übereinander angeordnet und, gemäß einer zweiten Ausführungsform, liegt die obere Schicht über der unteren Schicht und überdeckt gleichzeitig die Seitenwände der unteren Schicht.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Barrieren-Werkstoff mit zwei Schichten für einen Tropfen-auf-Anforderung-Schreiberkopf anzugeben. Die erste Schicht ist widerstandsfähig gegen über Angriffe durch Tinten mit hohen pH-Werten. Eine zweite Schicht wird so gewählt, daß sie die erste Schicht haftend mit der Düsenplatte verbindet und dadurch das Abschälen verhindert.
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung zusammen mit zusätzlichen Merkmalen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen. In den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine Drauf sicht auf einen Druckkopf und einen Schreiberkörper gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei Teile weggeschnitten sind,
Fig. 2 eine Seitenansicht im Querschnitt des Druckkopfes und des Schreiberkörpers von Fig. 1 längs der Linie 2-2, wobei Teile weggeschnitten sind,
Fig. 3 eine vergrößerte Drauf sicht des Teiles des Druckkopfes und des Schreiberkörpers, der in Fig. 1 durch den Kreis 3 eingegrenzt ist, wobei Teile weggeschnitten sind,
Fig. 4 eine Seitenansicht im Querschnitt des Druckkopfes und Schreiberkörpers von Fig. 2, an dem die Düsenplatte noch nicht angebracht ist, wobei Teile weggeschnitt sind,
Fig. 5A bis 5P schematische Aufrisse zur Erläuterung des Verfahrens zum Herstellen des Druckkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 6 eine Seitenansicht im Querschnitt längs der Linie 6- 6 von Fig. 3, wobei Teile weggeschnitten sind, und
Fig. 7 eine Seitenansicht im Querschnitt, einer alternativen Ausführungsform der Barrierenstruktur von Fig. 6, wobei Teile weggeschnitten sind.
In den Fig. 1, 2 und 3 bezeichnet ein Bezugszeichen 10 allgemein einen Tintenstrahlschreiber oder Tintenstrahlstift, aus dem Tinte auf Anforderung (bei Bedarf) tropfenweise auf ein Papier oder ein anderes Druckmedium (nicht gezeigt) ausgestoßen wird. Der Tintenstrahlschreiber 10 weist einen Schreiberkörper 12 und einen Schreiberkopf 14 auf. Der Tintenstrahlschreiber ist in einem Drucker (nicht gezeigt) montiert, der den Schreiber und das Papier bewegt und bei Bedarf den Schreiber elektrisch betätigt.
Der Schreiberkörper 12, Fig. 1 und 2, umf aßt die Skelettstruktur des Schreibers und dient als ein Chassis oder Rahmen für alle Teile. Der Schreiberkörper enthält ein Tintenreservoir 16, wobei in Fig. 2 eine Tintenreservoirwand 18 für die Tinte 17 gezeigt ist. Der Schreiberkörper wird auf die übliche Weise durch Spritzgußverfahren aus Kunststoff hergestellt.

Der Schreiberkopf 14

Der Schreiberkopf 14, Fig. 2, weist die folgenden Komponenten auf: Ein Substrat 20, eine Düsenplatte 22, ein Barrierensegment 24 und eine Vorrichtung zum Ausstoßen von Tinte durch eine Öffnung in der Düsenplatte 22 auf Anforderung (bei Bedarf).
Im einzelnen ist der Schreiberkopf 14, Fig. 2, mit dem Schreiberkörper 12 durch einen Tropfen Klebstoff verbunden. Der Klebstoff ist eine übliche Epoxidmischung, die das Substrat 20 starr an dem Schreiberkörper 12 befestigt und die Tinte in dem Schreiber, wie unten beschrieben, einschließt.
Der Schreiberkopf 14, Fig, 2, umfaßt ferner das Substrat 20, auf dem Dünnfilme und Barrierenstrukturen ausgebildet sind.
Diese Dünnfilme sind in der US-A-4,535,343 und der US-A- 4,809,428 beschrieben, die für Wright et al. bzw. Aden et al. erteilt wurden. Das Substrat besteht aus Silizium, und es ist ein Siliziumplättchen, das aus einem Wafer mit einer Dicke von entweder vier oder sechs Inch geschnitten wird. Das Substrat weist ferner einen Zuführschlitz 30 auf, der mechanisch in dem Substrat ausgebildet wird und über einem größeren Zuführloch 31, Fig. 2, in dem Schreiberkörper 12 liegt.
Die Düsenplatte 22, Fig. 1 und 2, bildet die obere Wand des Tintenkanals und der Tintenausstoßkammer (Zündkammer), wie weiter unten beschrieben ist, Die Düsenplatte ist aus durch Elektroformung bearbeitetem Nickel hergestellt, und die Öffnung (Düse) 33 richtet die Tintentröpfchen auf das Papier oder das andere Druckmedium (nicht gezeigt).
Die Vorrichtung zum Ausstoßen der Tinte 26, Fig. 2, aus dem Tintenstrahlschreiber 10 weist eine Vielzahl von Widerständen 35 auf. Diese Widerstände bestehen aus Tantalaluminium-Dünnfilmen, welche auf dem Substrat 20 angeordnet sind. Wenn ein Widerstand durch einen elektrischen Stromimpuls erhitzt wird, überträgt der Widerstand eine beträchtliche Menge Energie auf die Tinte, wodurch ein kleiner Anteil der Tinte verdampft und eine Blase erzeugt wird. Die Blase erzeugt widerum eine Druckwelle, welche einen Tintentropfen durch die Öffnung 33 treibt. Die Widerstände 35 werden über leitende Dünnfilm-Anschlußleitungen 36, Fig. 1, elektrisch gepulst, welche mit Anschlußfeldern 37 verbunden sind. Die Anschlußfelder und die Anschlußleitungen werden aus Aluminium hergestellt und mit einer Goldschicht überzogen. Die leitenden Anschlußleitungen werden danach mit einer Siliziumkarbidschicht (nicht gezeigt) überdeckt, um Korrosion durch die Tinte zu vermeiden. Wenn der Tintenstrahlschreiber 10 in einem Drucker (nicht gezeigt) positioniert ist, wird der Tintenstrahlschreiber von dem Drucker über mechanische Kontakte (nicht gezeigt) zu den Anschlußfeldern elektrisch betätigt.
Wie in Fig. 1 und 3 gezeigt, befestigt die Barriere 24 des Schreiberkopfes 14 die Düsenplatte 22 an dem Substrat 20 und definiert die Seitenwände der Tintenkanäle und die Grenzen der Ausstoßkammern 44. Die Barriere weist grundsätzlich zwei parallele Längsabschnitte 40, 40' und zwei parallele Querabschnitte 41 auf, welche in einer durchgehenden Schicht auf der Oberfläche des Substrats 20 und um den Tintenzuführschlitz 30 herum ausgebildet und ausgehärtet sind. Die beiden Längsabschnitte 40, 40' umfassen jeweils eine Reihe aus rechteckig geformten, hohlen Ausstoßkammern 44, welche Seite an Seite angeordnet sind. Jede Ausstoßkammer 44 wird durch eine Bodenwand 46, die dem Substrat 20 entspricht, vier Seitenwände 47, die in der Barriere 24 ausgebildet sind, und eine Deckenwand 48 bestimmt, welche der Unterseite der Düsenplatte 22 entspricht. Eine Widerstand 35 ist an der Bodenwand 46 jeder Ausstoßkammer angeordnet, und über jedem Widerstand liegt eine Öffnung 33.
Wie in Fig. 2 und 3 gezeigt, weist die Barriere 24 ferner eine äußere Seitenwand 50 und eine innere Seitenwand 51 auf, die in der Nähe des Zuführschlitzes 30 in den Substrat 20 liegt. Die Barriere 24 umfaßt ferner einen Einschnürbereich 52, Fig. 3, mit zwei konvergierenden Seitenwänden 53, 53'. Der Einschnürbereich wird durch die konvergierenden Seitenwände, die Oberseite des Substrats 20 und die Unterseite der Düsenplatte 22 bestimmt. Eine Fluidverbindung zwischen dem Einschnürbereich 52 und der Ausstoßkammer 44, Fig. 3, wird durch einen der Tintenkanäle 42 erhalten. Jeder Tintenkanal wird durch zwei im wesentlichen parallele Tintenkanal-Seitenwände 55, Fig. 3, bestimmt, welche in der Barriere 24 ausgebildet sind. Der Tintenkanal 42 wird ferner durch die Oberseite des Substrats 20 und die Unterseite der Düsenplatte 22 abgegrenzt, genauso wie die Ausstoßkammer 44 und der Einschnürbereich 52.
Zusammengefaßt kann man sagen, daß es eine Hauptfunktion der Barriere 24, Fig. 2 und 3, ist, die Tinte zu enthalten, so daß diese nicht zwischen den Ausstoßkammern 44 fließt oder aus dem Schreiberkopf 14 herausfließt, außer durch die Öffnung 33.

Der Strömungsweg der Tinte

Der Strömungsweg der Tinte 17, Fig. 2, verläuft der Reihe nach durch die folgenden Bereiche und an den folgenden Komponenten vorbei. Die Tinte ist zunächst in dem Tintenreservoir 16 enthalten, welches durch die Tintenreservoirwand 18 abgegrenzt wird. Auf Anforderung (bei Bedarf), strömt die Tinte aus dem Reservoir heraus, durch das Zuführloch 31, an dem Klebstoff 28 vorbei und durch den Zuführschlitz 30 in dem Substrat 20. Die Tinte strömt dann an der inneren Seitenwand 51 der Barriere 24 vorbei und in einen der Einschnürbereiche 52, Fig. 3. Dann strömt die Tinte an den konvergierenden Seitenwänden 53 vorbei, in den Tintenkanal 42, Fig. 3, und durch die parallelen Seitenwände 55 des Tintenkanals. Schließlich tritt die Tinte in die Ausstoßkammer 44 ein, und bei Bedarf wird sie aus der Öffnung 33 der Düsenplatte 22 und auf das Druckmedium < nicht gezeigt) ausgestoßen.

Die Barriere im einzelnen

Wie in Fig. 2, 4 und 6 gezeigt, weist die Barriere 24 eine erste Schicht 58 und eine zweite Schicht 60 auf. Die zweite Schicht liegt in Deckung über der ersten Schicht, und jede Schicht hat in Draufsicht im wesentlichen dieselbe Form.
Die erste Schicht 58, Fig. 4 und 6, wird aus einem Negativmaterial aus einer flüssigen belichtbaren (photoimageable) Fotoresistmischung hergestellt, welches auf dem Siliziumsubstrat 20 ausgehärtet ist. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Lötmasken-Werkstoff mit einer hohen Auflösung verwendet. Der Werkstoff für die erste Schicht wird so gewählt, daß er auf das Substrat mit einer Schichtdicke von etwa 25 um aufgebracht werden kann. Der Lötmasken-Werkstoff sollte vorzugsweise keine Füllstoffe oder Pigmente enthalten, und er hat vorzugsweise eine Viskosität im Bereich von etwa 300 Zentipoise und ein molekulares Gewicht zwischen 100 und 500 vor der Vernetzung.
Ein geeigneter Lötmasken-Werkstoff ist Dynachem X-3005, ein Epoxidacrylat, welches von Dynachem Company, Tustin, CA erhältlich ist. Dynachem X-3005 wird mit einem Entwickler auf Lösungsmittelbasis, wie Hydrogencarbonat, entwickelt. Andere mögliche Werkstoffe sind Vacrel und Parad, welche Trockenfilme von DuPont sind.
Die zweite Schicht 60, Fig, 4 und 6, härtet auf der ersten Schicht 58 aus, nachdem die erste Schicht ausgehärtet ist, Die zweite Schicht wird aus einem derartigen Negativmaterial aus einer flüssigen lithographischen Fotoresistmischung mit hoher Auflösung hergestellt, das normalerweise für die Herstellung von integrierten Schaltungen verwendet wird. Dieser Werkstoff wird so gewählt, daß er eine Schicht mit einer Dicke von etwa 5 um bilden kann und daß er die erste Schicht 58 und die Düsenplatte 22 nach Anwendung von Wärme und Druck haftend miteinander verbinden kann. Die zweite Schicht 60 hat üblicherweise eine molekulares Gewicht von zwischen 1 Million und 2 Millionen vor der Vernetzung.
Ein bevorzugter Fotoresist für die zweite Schicht 60 ist Waycoat SC Resist 900, Katalog Nr. 839167, der von Olin Hunt Specialty Products, Inc. erhältlich ist, eine Tochter der Olin Corporation aus West Paterson, New Jersey. Dieser Resist wird mit einem Waycoat PF Entwickler, Katalog Nr. 840017, in einem Verhältnis von 70 Gew.-% des SC Resists zu 30 Gew.-% des Entwicklers verdünnt. Dieser Fotoresist wird unter Verwendung von Waycoat Negative Resist Entwickler, Katalog Nr. 837773, entwickelt.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in einem Tintenstrahlschreiber eingesetzt wird, der sechshundert Punkte pro Inch (600 dpi) erzeugt, beträgt der Abstand zwischen der Mittellinie eines Tintenkanals 42, Fig. 3, und des nächsten benachbarten Tintenkanals oder der Abstand zwischen sich wiederholenden Elementen in dem Muster der Barrierenwand 24 etwa 84,7 um. Die Breite des Tintenkanals 42 beträgt zwischen 15 und 35 um und vorzugsweise etwa 20 um. Die Dicke der Barrierenwand beträgt zwischen 10 und 30um und vorzugsweise etwa 20 um. Die Dicke der ersten Schicht 58 liegt im Bereich von 10 bis 20 um, vorzugsweise 15 um, und die Dicke der zweiten Schicht 60 liegt im Bereich von 1 bis 10 um, vorzugsweise 5 um. Die Länge der Seitenwände 55 des Tintenkanals, Fig. 3, beträgt etwa 40 um, und die konvergierenden Seitenwände 53 konvergieren bei einem Winkel von etwa 450 Die Länge und die Breite der Ausstoßkammer 44 beträgt etwa 50 um.

Herstellungsverfahren

Wie in Fig. 5A gezeigt, wird zunächst ein herkömmlicher Siliziumwafer 64 mit einer Dicke von 4 oder 6 Inch in dem Spannfutter (nicht gezeigt) einer herkömmlichen Fotoresistschleuder 65 zentriert. Die Geschwindigkeit der Schleuder wird von einer Steuereinrichtung 66 eingestellt. Die Dünnfilme sind bereits auf den Wafer aufgebracht und umfassen die Widerstände 35, die leitenden Anschlußleitungen 36 und die Anschlußflecken 37, Fig. 3. Ein flüssiger Lötmasken-Werkstoff 68 wird bei dem Mittelpunkt des Wafers aufgebracht, und der Wafer wird in einem normalen Drehzyklus gedreht, um den Resistwerkstoff gleichmäßig über die gesamte Oberfläche des Wafers 64 zu verteilen. Die Geschwindigkeit und Dauer des Drehzyklus kann ebenso wie die Viskosität des Resistwerkstoffs variiert werden, um die gewünschte Dicke der Barriere zu erhalten. Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Möglichkeit, diese Parameter zu verändern, um eine gewünschte Barrierendicke zu erhalten.
Wie in Fig. 5B gezeigt, werden dann der Siliziumwafer 64 und der Lötmasken-Werkstoff 68 in teilweise getrocknetem Zustand aus der Schleuder entfernt. Der Lötmasken-Werkstoff 68 bedeckt die Oberfläche des Wafers gleichmäßig mit einer gewünschten Dicke.
Wie in Fig. 5C gezeigt, wird der Wafer dann "sanft" in einem Konvektionsofen 69 gebacken, um die flüchtigen Lösungsmittel zu entfernen, welche ursprünglich in dem flüssigen Resistwerkstoff, in Fig. 5A, vorhanden waren. Dieser Schritt bewirkt normalerweise keine Polymerisation des Resistwerkstoffs.
Wie in Fig. 5AA gezeigt, kann der flüssige Lötmasken-Werkstoff 68 auch unter Verwendung einer Siebdruckmaske 70 auf den Siliziumwafer 64 aufgebracht werden. Diese Maske verwendet ein 150-Maschen-Sieb 71 mit einem Muster aus rechteckigen Segmenten. Der Fotoresist wird unter Verwendung eines Abstreifers oder Quetschers 72 aufgebracht, der den Fotoresist durch die Maschen und auf den Siliziumwafer 64 preßt. Die Maschengröße des Siebes 71 bestimmt die endgültige Dicke der Segmente 73, Fig. 5BB. Die Dicke der rechteckigen Segmente 73, Fig. 5BB, entspricht der Dicke der gleichmäßig flachen Schicht aus dem Resistwerkstoff 68, Fig. 5B. Die rechteckigen Segmente werden ebenfalls in dem Konvektionsofen 69 auf dieselbe Weise, wie oben beschrieben, sanft gebacken.
Wie in Fig. 5D gezeigt, wird der sanft gebackene Fotoresistwerkstoff danach einem üblichen Belichtungsvorgang für die lithographische Fotomaskierung von integrierten Schaltungen unterworfen. Dieser Vorgang umfaßt den Einsatz einer Ultraviolettlichtquelle 75 und einer Linse 76, welche sehr parallel gerichtetes Licht erzeugen. Das Licht geht durch eine übliche Fotomaske 77 und trifft auf entweder die rechteckigen Segmente 73 oder die gleichmäßig flache Schicht 68, Fig. 5B, auf. Die Fotomaske 77 versperrt die Bereiche auf dem flüssigen Resist oder Weichresist, welche nicht polymerisieren sollen. Die Fotomaske 77 umfaßt eine Vielzahl von Barrierenmustern, von denen jedes Ausstoßkammern 44, Tintenkanäle 42, Einschnürbereiche 52 etc. aufweist, wie in Fig. 3 gezeigt. Am Ende der Belichtungszeit sind die Bereiche des Fotoresists, welche dem Ultraviolettlicht ausgesetzt waren, polymerisiert, und die unbelichteten Teile des Resists bleiben monomer.
Wie in Fig. 5E gezeigt, wird der Wafer 64 einem üblichen Entwicklungsprozeß in einem Ultraschall-Entwicklungstank 79 unterzogen, welcher ein Bad aus einer herkömmlichen Entwicklerlösung enthält. Beim Entwickeln wird der Fotoresistwerkstoff, welcher dem ultravioletten Licht nicht ausgesetzt war, Fig. 5D, von dem Entwickler aufgelöst und durch hin- und herbewegen entfernt. Mit anderen Worten, die Monomere werden chemisch und mechanisch entfernt, und die erste Schicht 58 aus dem Resist bleibt mit einer Vielzahl von Barrierenmustern zurück, welche den in Fig. 1 und 3 gezeigten einzelnen Muster entsprechen.
Wie in Fig. 5F und 5G gezeigt, wird der Siliziumwafer 64 danach mit einem Wasserspray abgespült und dann in einem Strom aus Stickstoffgas getrocknet. Der Stickstoff trocknet den Wafer schnell, so daß keine Reststoffe zurückbleiben.
Wie in Fig. 5H gezeigt, werden der Wafer 64 und die erste Schicht 58 aus dem Resist dann einer zweiten Belichtung mit Ultraviolettlicht unterworfen. Eine Ultraviolettlichtquelle 75' wird verwendet, um ultraviolettes Licht zu erzeugen, welches auf die erste Schicht 58 der Barriere auftritt. Es wird keine Fotomaske verwendet. Dieser Schritt wird mit Vollbelichtung oder Deckungsbelichtung bezeichnet, und er erzeugt eine vollständig polymerisierte (vernetzte) erste Schicht.
Wie in Fig. 51 gezeigt, wird eine zweite Schicht aus einem Fotoresistwerkstoff aufgebracht. Der Siliziumwafer 64 wird wieder in der Schleuder befestigt, und ein flüssiger fotolithographischer Resist 81 wird auf die Segmente 73 und den Wafer 64 aufgebracht. Der Wafer 64 wird in einem üblichen Zyklus gedreht, um den Resist 81 mit gleichmäßiger Dicke über den Segmenten 73 zu verteilen. Der Wafer 64 wird dann aus der Schleuder entfernt, Fig. 5J, in einen Konvektionsofen 69 gelegt und wiederum sanft gebacken, Fig. 5K, um die flüchtigen Lösungsmittel zu vertreiben. Bei diesem Schritt soll keine Polymerisation des Resists 81 stattfinden.
Wie in Fig. 5L gezeigt, wird der Wafer 64 wiederum einem herkömmlichen fotolithogrphischen Belichtungsprozeß für integrierte Schaltungen unterzogen. Die Fotomaske 77', Fig. 5L, ist so entworfen, daß sie dasselbe Muster aus Barrieren in der zweiten Schicht 60, Fig. 6, ausbildet wie bei der ersten Schicht 58, wobei die beiden Muster in der Draufsicht in Dekkung sind. In Fig. 5L wird dieselbe Ausrüstung und dasselbe Verfahren eingesetzt, wie die in Verbindung mit Fig. 5D beschriebenen. Der Umfang der Belichtungsenergie, welche zum Polymerisieren des Resists 81 notwendig ist, ist jedoch anders, weil der Resistwerkstoff selbst ein anderer ist. Am Ende dieses Vorgangs, Fig. 5L, wurde die zweite Schicht aus dem Resist 81 in ausreichendem Umfang mit ultraviolettem Licht belichtet, so daß der Resist in den Bereichen polymerisiert ist, in welchem das Licht aufgetroffen ist. Die Bereiche, in welchen kein Licht aufgetroffen ist, sind nicht polymerisiert, und diese unbelichteten Bereiche werden chemisch und mechanisch in einen Ultraschallentwicklertank 79 entfernt, Fig. 5M. Es wird derselbe Prozeß wie der in Verbindung mit Fig. 5E beschriebene befolgt, abgesehen davon, daß ein Entwickler verwendet wird, der für den fotolithographischen Resist 81 geeignet ist. Dann wird der Siliziumwafer 64 mit einem Spray aus Butylazetat abgewaschen, Fig. 5N, und dann mit einem Spray aus Stickstoffgas getrocknet, Fig. 5O.
Wie in Fig. 5P gezeigt, wird der Wafer 64 dann einer zweiten Gesamtbelichtung unterworfen, welche die zweite Schicht 60 der Barriere teilweise vernetzt und aushärtet. Es wird dieselbe Einrichtung und dasselbe Verfahren verwendet wie die in Verbindung mit Fig. 5H beschriebenen. Die Belichtungsenergie kann jedoch aufgrund des abweichenden Resistwerkstoffs anders sein. Wenn der in Fig. 5P gezeigte Vorgang abgeschlossen ist, ist das Ergebnis eine Vielzahl von Schreiberköpfen 14, wie in Fig. 4 gezeigt, ohne den Schreiberkörper 12 und den Klebstoff 28.
Der Schreiberkopf 14, Fig. 2, wird an der Düsenplatte 22 befestigt, indem er zunächst unter Einsatz von Druck und Wärme in seiner Position angeheftet wird. Dann werden der Schreiberkopf und die Düsenplatte einem längeren Back- und Druckzyklus unterworfen. Dieser längere Back- und Druckzyklus gewährleistet die chemische Widerstandsfähigkeit der Barriere 24 gegenüber der Tinte sowie die Haftverbindung zwischen der Düsenplatte 22 und der ersten Schicht 58 durch die zweite Schicht 60.

Alternative Ausführungsformen

Die erste Schicht der Barriere 24, Fig. 2, kann aus einem mit einer Abbildung belichtbaren Epoxidharz, wie Epoxid/Acrylat hergestellt werden. Diese Werkstoffe haben ein molekulares Gewicht von zwischen 100 und 500 vor der Vernetzung, und sie bieten eine gute chemische Widerstandsfähigkeit gegenüber Tinten mit hohem pH-Wert sowie die erforderlichen Kennwerte. Ein solcher Epoxid/Acrylat-Barrierenwerkstoff ist Dynachem X-3007.
Eine alternative Barriere 83 ist in Fig. 7 gezeigt. Diese alternative Barriere weist eine erste Schicht 84 auf, die auf dem Substrat 20 ausgehärtet ist, sowie eine zweite Schicht 86, welche die freiliegende Oberfläche der ersten Schicht vollständig überdeckt. Die zweite Schicht überdeckt insbesondere alle Seitenwände der Barriere, so daß die erste Schicht von der Tinte chemisch getrennt ist. Die in Fig. 7 gezeigte Ausführungsform erlaubt die Verwendung von positiven Fotoresistwerkstoffen, die momentan in der heutigen Halbleiterindustrie verwendet werden. Diese positiven Fotoresists sind stabiler, besser voraussagbar und leichter herzustellen als die negativen Fotoresists, welche oben beschrieben wurden. Selbstverständlich kann die zweite Schicht 86 jedoch auch aus einem negativen Fotoresist bestehen. Die in Fig. 7 gezeigte Ausführungsform wird nach Maßgabe der oben beschriebenen Prozesse hergestellt, mit der Ausnahme, daß die Abmessungen der Fotomaske angepaßt werden müssen, so daß die sich ergebenden Abmessungen der Barriere identisch sind.
Die obige Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurde zum Zwecke der Erläuterung und Beschreibung vorgetragen. Sie ist weder erschöpfend, noch soll sie die Erfindung auf genau die offenbarte Form beschränken. Selbstverständlich sind viele Modifikationen und Variationen im Lichte der obigen Lehre möglich. Die Ausführungsformen wurden gewählt, um die beste Ausführungsform der Erfindung möglichst gut zu erläutern. Der Bereich der Erfindung soll durch die folgenden Ansprüche definiert werden.

Claims

1. Schreiberkopf (14) für einen Tropfen-auf-Anforderung- Tintenschreiber (10) mit

a) einem Substrat

b) einen Bauteil (22) mit einer Öffnung (33) darin,

c) einem auf den Substrat ausgebildeten Barrierenabschnitt (24), der einen Tintenkanal (42) und eine Kammer (44) aufweist, die beide darin ausgebildet sind und miteinander in Fluidverbindung stehen, wobei die Kammer über den Tintenkanal mit dem Reservoir (16) verbunden ist, der Barrierenabschnitt eine erste Schicht (58) aus einem Werkstoff mit lithographischer Abbildung auf dem Substrat und eine zweite Schicht (60) aus einem Werkstoff mit lithographischer Abbildung aufweist, welche über der ersten Schicht liegt und das Öffnungs-Bauteil (22) mit der ersten Schicht (38) des Barrierenabschnitts verhaftet, und

d) einer Vorrichtung (26) innerhalb des Druckkopfes zum Ausstoßen von Tintentropfen aus der Kammer durch die Öffnung auf Anforderung.

2. Schreiberkopf nach Anspruch 1, bei dem eine Schicht des Barrierenabschnittes (24) aus einem Lötmasken- Werkstoff gebildet ist und die andere Schicht aus einem photolithographischen Resist-Werkstoff gebildet ist.

3. Schreiberkopf nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Schicht eine Dicke im Bereich von 10 bis 20 Mikrometern hat und die andere Schicht eine Dicke im Bereich von 1 bis 10 Mikrometern hat.

4. Schreiberkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die erste Schicht (58) des Barrierenabschnittes (54) aus einem Lötmasken-Werkstoff hergestellt ist.

5. Schreiberkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die erste Schicht (58) des Barrierenabschnittes (54) aus einem mit einer Abbildung belichtbaren Epoxid/Acrylat-Werkstoff hergestellt ist.

6. Schreiberkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die zweite Schicht (60) des Barrierenabschnitts (24) aus einen photolithographischen Resist-Werkstoff hergestellt ist.

7. Schreiberkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die zweite Schicht (60) des Barrierenabschnittes (24) auf der ersten Schicht (58) ausgebildet ist, wobei die zweite Schicht dasselbe Deckmuster hat wie die erste Schicht und mit der ersten Schicht in Deckung ist.

8. Schreiberkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die zweite Schicht (60) des Barrierenabschnitts (24) auf der ersten Schicht (58) ausgebildet ist, die zweite Schicht die Seitenwände (47) der ersten Schicht bedeckt und dadurch einen chemischen Kontakt zwischen der ersten Schicht und der Tinte verhindert.

9. Schreiberkopf nach Anspruch 8, bei dem die erste Schicht (58) aus einem mit einer Abbildung belichtbaren Positivmaterial gebildet ist.

10. Schreiberkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 6 bis 8 bei dem die erste Schicht (58) des Barrierenabschnittes (24) aus einem Polyamidwerkstoff hergestellt ist.

11. Schreiberkopf nach Anspruch 1, bei dem die erste Schicht (58) des Barrierenabschnittes (24) aus einer mit einer Abbildung belichtbaren Polyamidschicht hergestellt ist.

12. Schreiberkopf nach Anspruch 4, bei dem die erste Schicht (58) des Barrierenabschnittes aus einer Trokkenschicht-Lötmaske hergestellt ist.